JP2008204967A - 太陽電池素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＢＳＦ効果とパッシベーション効果を簡単な構造で実現可能な太陽電池素子を提供する。
【解決手段】 半導体基板１の裏面側全体をＢＳＦ層２で覆い、このＢＳＦ層２の裏面側一部のみと第一裏面電極４とを接触させ、これらの接触部分４ａを除いた裏面側大部分をパッシベーション膜３で覆うことにより、半導体基板１の裏面側大部分における表面再結合損失が低減して太陽電池の性能が向上し、更にパッシベーション膜の裏面側を、上記第一裏面電極４よりも低抵抗な第二裏面電極５で覆うと共に、これら第一裏面電極４と第二裏面電極５とを接触させることにより、第一裏面電極４に比べ低抵抗な第二裏面電極５で抵抗による電力損失が低減され、しかも表面から裏面に到達した長波長の光が第二裏面電極５で半導体基板１の内部に反射して発電効果が向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、単結晶半導体基板や多結晶半導体基板を用いた太陽電池素子及びその製造方法に関する。
詳しくは、半導体基板の裏面側に、ＢＳＦ（Back Surface Field）層とパッシベーション（パシベーション:passivation;結晶粒界不活性化）膜と裏面電極とを備えた太陽電池素子及びその製造方法に関する。

従来、この種の太陽電池素子及び製造方法として、ｐ型の半導体基板を拡散炉中でリンを拡散させて半導体基板１の表面側にｎ層を形成し、エッチングで裏面と側面のｎ層を除去した後に、その裏面側にはアルミニウムペーストを、スクリーン印刷法などでくし歯状若しくは格子状に塗布して焼成することにより、ｐ型の半導体不純物を多量に含むＢＳＦ層であるｐ⁺ 層（裏面電界層）が部分的に形成され、その後、このｐ⁺ 層の輪郭形状に沿ったくし歯状若しくは格子状にスクリーン印刷法で銀ペーストを塗布して焼成することにより、裏面電極が形成され、更にこの裏面電極が存在しない部分には、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜などからなるパッシベーション膜を設けることにより、裏面電極が存在しない部分は、ｐ型の不純物を低濃度にしか含有しないことから、高濃度に含有する場合に比べて優れたパッシベーション効果が得られるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
このようなｐ⁺ 層からなるＢＳＦ層を有する構造の太陽電池素子では、裏面近傍にｐｐ⁺ 層の障壁が形成され、ｐ型の半導体基板内で生成された少数キャリアのうち、裏面電極に向かうものが反射され、この裏面電極部分で再結合しなくなって、ｐｎ接合部に到達するものが増加し、光電流を増加させ、更にｐｐ⁺ 層間のエネルギー差が開放電圧の増大をもたらし、太陽電池して効率が向上する。

特開平８−２７４３５６号公報（第３−４頁、図３）

しかし乍ら、このような従来の太陽電池素子及び製造方法では、ＢＳＦ層が形成されない部分をパッシベーション膜で覆う必要があるため、構造が複雑化すると共に、これら両者の位置決めを正確に行う必要があるから、製造プロセスが複雑になって、高コストになるという問題があった。
また、アルミニウムペーストの印刷及び焼成によりＢＳＦ層を形成した後は、このアルミニウムペーストに直接はんだ付けをすることができないため、実際には部分的にアルミニウムを除去し、この部分に銀ペーストを印刷して裏面電極を形成しなければならず、そのために製造工程が複雑になるという問題もあった。

本発明のうち請求項１記載の発明は、ＢＳＦ効果とパッシベーション効果を簡単な構造で実現可能な太陽電池素子を提供することを目的としたものである。
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明の目的に加えて、製造工程が簡素化された太陽電池素子の製造方法を提供することを目的としたものである。

前述した目的を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、半導体基板の裏面全体をＢＳＦ層で覆い、このＢＳＦ層の裏面側一部のみと第一裏面電極とを接触させ、これら両者の接触部分を除いた裏面側大部分をパッシベーション膜で覆い、このパッシベーション膜の裏面側を、上記第一裏面電極より低抵抗な第二裏面電極で覆うと共に、これら第一裏面電極と第二裏面電極とを接触させたことを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の太陽電池素子を製造するに際し、前記半導体基板の裏面全体に形成されたＢＳＦ層の裏面側にパッシベーション膜を積層し、このパッシベーション膜の裏面側一部分に、アルミニウムが含有された銀ペーストを塗布し焼成により第一裏面電極を形成し、これらパッシベーション膜及び第一裏面電極の裏面側に銀ペーストを塗布し焼成により第二裏面電極を形成したことを特徴とするものである。

本発明のうち請求項１記載の発明は、半導体基板の裏面側全体をＢＳＦ層で覆い、このＢＳＦ層の裏面側一部のみと第一裏面電極とを接触させ、これらの接触部分を除いた裏面側大部分をパッシベーション膜で覆うことにより、半導体基板の裏面側大部分における表面再結合損失が低減して太陽電池の性能が向上し、更にパッシベーション膜の裏面側を、上記第一裏面電極よりも低抵抗な第二裏面電極で覆うと共に、これら第一裏面電極と第二裏面電極とを接触させることにより、第一裏面電極に比べ低抵抗な第二裏面電極で抵抗による電力損失が低減され、しかも表面から裏面に到達した長波長の光が第二裏面電極で半導体基板の内部に反射して発電効果が向上する。
従って、ＢＳＦ効果とパッシベーション効果を簡単な構造で実現可能な太陽電池素子を提供することができる。
その結果、ＢＳＦ層が形成されない部分をパッシベーション膜で覆う必要がある従来のものに比べ、ＢＳＦ層及びパッシベーション膜を夫々精密に位置決めする必要がないから、製造工程が簡素化されて製造コストを低減できる。

請求項２の発明は、請求項１の発明の効果に加えて、半導体基板の裏面全体に形成したＢＳＦ層の裏面側にパッシベーション膜が積層され、このパッシベーション膜の裏面側一部分に、アルミニウムが含有された銀ペーストを塗布して焼成することにより、パッシベーション膜の一部を貫いてＢＳＦ層と電気的に接触する第一裏面電極が形成され、これらパッシベーション膜及び第一裏面電極の裏面側に銀ペーストを塗布して焼成することにより、第二裏面電極が形成される。
従って、製造工程が簡素化された太陽電池素子の製造方法を提供することができる。
その結果、ＢＳＦ層が形成されない部分をパッシベーション膜で覆う必要がある従来の製造方法に比べ、ＢＳＦ層及びパッシベーション膜を夫々精密に位置決めする作業が必要ないから、製造時間の短縮化と製造コストの低減を図ることができる。
また、アルミニウムペーストの印刷及び焼成によるＢＳＦ層の形成後、部分的にアルミニウムを除去して銀ペーストを印刷して裏面電極を形成する必要がある従来の製造方法に比べ、アルミニウムを除去する工程が必要ないから、更なる製造時間の短縮化と製造コストの低減が図れる。

本発明の太陽電池素子Ａは、図１〜図４に示す如く、単結晶又は多結晶シリコンなどからなるｐ型又はｎ型の半導体基板１の裏面全体を、Ｐ^＋層又はｎ^＋層からなるＢＳＦ層２で覆い、このＢＳＦ層２の裏面側大部分を、パッシベーション膜３で覆うと共に、上記ＢＳＦ層２の裏面側一部のみと部分的に接する第一裏面電極４を設け、これらパッシベーション膜３及び第一裏面電極４の裏面側全体を覆うように上記第一裏面電極４より低抵抗な第二裏面電極５を設けるか、又は少なくとも第一裏面電極４が存在しないパッシベーション膜３の裏面側を覆うように上記第二裏面電極５を、第一裏面電極４と十分な接触面積が得られるように設けたものである。

更に必要に応じて、上記ｐ型又はｎ型の半導体基板１の表面全体には、ｎ^＋層又はＰ^＋層である拡散層６を形成し、その表面に反射防止膜７を積層すると共に、表面電極８を設けることも可能である。
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

この実施例１は、図１〜図３に示す如く、ｐ型半導体基板１の裏面全体に、Ｐ^＋層であるＢＳＦ層２とパッシベーション膜３を順次形成してから、このパッシベーション膜３の裏面側に第一裏面電極４を部分的に設け、その後の熱処理により、該パッシベーション膜３の一部を溶融・除去して該第一裏面電極４とＢＳＦ層２との電気的接触（ファイアスルー）が形成され、これらパッシベーション膜３及び第一裏面電極４の裏面側全体に亘って、該第二裏面電極５が形成された場合を示すものである。

上記ＢＳＦ層２は、ｐ型半導体基板１の裏面全体にｐ型ドーパント２′を、スクリーン印刷法やそれに類似する印刷方法で塗布して熱処理することにより、半導体基板１の裏面側内部にｐ型ドーパント２′が高濃度に拡散して形成される。

上記パッシベーション膜３は、例えばプラズマＣＶＤ又は常圧ＣＶＤなどの化学蒸着法やそれに類似する方法で形成された酸化シリコン膜や窒化シリコン膜などの電気絶縁性の酸化膜である。

上記第一裏面電極４は、アルミニウムなどを含有する銀ペースト４′からなり、この銀ペースト４′をスクリーン印刷法やそれに類似する印刷方法で所定の厚さに塗布し、所定温度で熱処理することにより、所望の形状に形成される。

更に、上記第一裏面電極４よりも低抵抗な第二裏面電極５は、銀ペースト５′などからなり、この銀ペースト５′をスクリーン印刷法やそれに類似する印刷方法で所定の厚さに塗布し、所定温度で熱処理することにより、第一裏面電極４と接触させて形成される。
これら第一裏面電極４及び第二裏面電極５の接触構造は、太陽光により発電した電流を第一裏面電極４から第二裏面電極５へ十分に取り出し可能であれば、図示せぬが部分的な接触でも良い。

次に、斯かる太陽電池素子Ａの製造方法を工程順に従って説明する。
先ず、図３（ａ）に示す如く、ｐ型の半導体基板１の裏面全体には、ｐ型のドーパント２′を塗布し、半導体基板１の表面全体には、ｎ型ドーパント６′を塗布し、その後の熱処理で夫々拡散させることによって、半導体基板１の裏面側にはＢＳＦ層２が形成されると同時に、表面側にはｎ^＋層６が形成される。

その後、図３（ｂ）に示す如く、これらＢＳＦ層２とｎ^＋層６の外側に、酸化膜からなるパッシベーション膜３と反射防止膜７を夫々積層する。
この酸化膜形成工程において、パッシベーション膜３と反射防止膜７を異なる厚さで形成する場合には、別工程で順次形成することになる。

しかし、これらパッシベーション膜３及び反射防止膜７を、上述した拡散工程の途中から拡散炉（図示せず）内にガスを供給することにより形成した場合には、この拡散炉から半導体基板１を取り出すことなく、上記拡散工程と酸化膜形成工程とが連続して行えるという利点がある。

その後は、図３（ｃ）に示す如く、上記パッシベーション膜３の裏面側一部に、アルミニウムなどが含有された銀ペースト４′を塗布し、その後の焼成により、第一裏面電極４が形成されると同時に、この銀ペースト４′中のアルミニウム成分が該パッシベーション膜３の一部を溶融・除去して貫き、前記ＢＳＦ層２と電気的に接触（ファイアスルー）する。

それにより、図３（ｄ）に示す如く、第一裏面電極４からＢＳＦ層２に至る接触部分４ａを除いたＢＳＦ層２の裏面側大部分がパッシベーション膜３で覆われるため、半導体基板１の裏面側大部分における表面再結合損失が低減して太陽電池の性能が向上する。

更に、本実施例１では、上記上記パッシベーション膜３に対する接触部分４ａの接触面積を、必要な通電量が確保される範囲内で可能な限り小さくすることにより、貫通する接触部分４ａからパッシベーション膜３へ流出する電力の損失を低減して、太陽電池の性能アップを図ることができる。
図示例では、図２（ａ）に示す如く接触部分４ａを断面格子状に配置するか、又は図２（ｂ）に示す如く点状に分散配置するなどして、上記パッシベーション膜３との接触面積を小さくしているが、それ以外の形状にすることも可能である。

また、この際に、図３（ｃ）（ｄ）に示す如く、前記反射防止膜７の表面側に、アルミニウムなどが含有された銀ペースト８′を塗布し、その後の焼成により、表面電極８が形成されると同時に、この銀ペースト８′中のアルミニウム成分が該反射防止膜７の一部を溶融・除去して貫き、前記ｎ^＋層６と電気的に接触（ファイアスルー）することも可能である。

そして最後に、上記パッシベーション膜３及び第一裏面電極４の裏面側略全体に、銀ペースト５′を塗布し、その後の焼成により、第一裏面電極４と電気的に接触する第二裏面電極５が形成される。
それにより、第一裏面電極４だけでは不足な抵抗分を第二裏面電極５で補って電力損失が低減されると共に、表面から裏面に到達した長波長の光が第二裏面電極５で半導体基板１の内部に反射して発電効果が向上する。

この実施例２は、図４（ａ）〜（ｇ）に示す如く、上述した熱処理によるパッシベーション膜３を貫いたＢＳＦ層２と第一裏面電極４との電気的な接触（ファイアスルー）に代えて、レジスト９を使った製造方法により、半導体基板１の裏面全体を覆うＢＳＦ層２の裏面側一部のみと第一裏面電極４とを接触させ、これら両者の接触部分４ａを除いた裏面側大部分をパッシベーション膜３で覆い、このパッシベーション膜３の裏面側を第二裏面電極５で覆って第一裏面電極４と接触させた構成が、前記図１〜図３に示した実施例１とは異なり、それ以外の構成は図１〜図３に示した実施例１と同じものである。

図示例の場合には、先ず、図４（ａ）に示す如く、半導体基板１の裏面側にＢＳＦ層２を形成した後に、図４（ｂ）に示す如く、このＢＳＦ層２の一部にアルミニウムなどが含有された銀ペースト４′を塗布し、その後の焼成により第一裏面電極４が形成される。

その次に、図４（ｃ）に示す如く、この第一裏面電極４のみにレジスト９を塗布した後に、図４（ｄ）に示す如く、これら全面に亙ってパッシベーション膜３を積層し、その後、図４（ｅ）（ｆ）に示す如く、上記レジスト９の上に積層されたパッシベーション膜３′のみを部分的に除去して第一裏面電極４を露出させる。
それにより、ＢＳＦ層２の裏面側一部のみと第一裏面電極４との接触部分４ａを除いた裏面側大部分がパッシベーション膜３で覆われる。

そして最後に、図４（ｇ）に示す如く、残ったパッシベーション膜３及び第一裏面電極４の裏面側略全体に、銀ペースト５′を塗布し、その後の焼成により、第一裏面電極４と電気的に接触する第二裏面電極５を形成している。

従って、図４（ａ）〜（ｇ）に示す実施例２も、上述した図１〜図３に示した実施例１と同様な作用効果が得られる。

尚、前示実施例では、ｐ型の半導体基板１を用いたが、これに限定されず、ｎの半導体基板１を用いることも可能であり、この場合には、半導体基板１の裏面側にｎ^＋層からなるＢＳＦ層２が形成され、表面側にＰ^＋層である拡散層６が形成される。

本発明の太陽電池素子の実施例１を示す縦断面図である。 ＢＳＦ層と第一裏面電極との接触部分を示す拡大横断面図であり、その具体例を（ａ）と（ｂ）に示している。 本発明の太陽電池素子の製造方法の実施例１を示す縮小縦断面図であり、その工程順に従って（ａ）〜（ｄ）に示している。 本発明の太陽電池素子の製造方法の実施例２を示す縮小縦断面図であり、その工程順に従って（ａ）〜（ｇ）に示している。

符号の説明

Ａ，Ａ′ 太陽電池素子 １ 半導体基板
２ ＢＳＦ層 ２′ （ｐ型）ドーパント
３，３′ パッシベーション膜 ４ 第一裏面電極
４′ アルミニウムが含有された銀ペースト
５ 第二裏面電極 ５′ 銀ペースト
６ 拡散層（ｎ^＋層） ６′ ｎ型ドーパント
７ 反射防止膜 ８ 表面電極
８′ 銀ペースト ９ レジスト

Claims (2)

1. 半導体基板（１）の裏面側に、ＢＳＦ層（２）とパッシベーション膜（３）と裏面電極（４）とを備えた太陽電池素子において、
   前記半導体基板（１）の裏面全体をＢＳＦ層（２）で覆い、このＢＳＦ層（２）の裏面側一部のみと第一裏面電極（４）とを接触させ、これら両者の接触部分（４ａ）を除いた裏面側大部分をパッシベーション膜（３）で覆い、このパッシベーション膜（３）の裏面側を、上記第一裏面電極（４）より低抵抗な第二裏面電極（５）で覆うと共に、これら第一裏面電極（４）と第二裏面電極（５）とを接触させたことを特徴とする太陽電池素子。
2. 請求項１記載の太陽電池素子を製造するに際し、前記半導体基板（１）の裏面全体に形成されたＢＳＦ層（２）の裏面側にパッシベーション膜（３）を積層し、このパッシベーション膜（３）の裏面側一部分に、アルミニウムが含有された銀ペースト（４′）を塗布し焼成により第一裏面電極（４）を形成し、これらパッシベーション膜（３）及び第一裏面電極（４）の裏面側に銀ペースト（５′）を塗布し焼成により第二裏面電極（５）を形成した太陽電池素子の製造方法。

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