JP2008533729A - 太陽電池 - Google Patents

Abstract

本発明は、基層（１２）を有する太陽電池に関するものである。上記基層は、第１ドーピング領域を有し、逆極性の第２ドーピング領域を有する上記表面層（１４）と共に境界層を形成している。上記太陽電池は、少なくとも１つの前面電極（１８）と、少なくとも１つの裏面電極（３２）とを有し、基層（１２）と裏面電極（３２）との間に、少なくとも１つの不動態化層（２４）および１つのトンネルコンタクト層（２６、２８）が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池、とりわけ、高い効率を実現するために改良された裏面電極を有する太陽電池に関する。

太陽電池技術において、常に、可能な限り低コストとすると同時に、とりわけ高い効率を得るための努力がなされている。

用いられる基板材料にも依存しているが、実験室では確かに部分的に２０％以上の効率を実現し得る。しかし市販の太陽電池モジュールの典型的効率は、明らかに２０％未満である。

最高の効率を得るためには、基板材料として単結晶シリコンが用いられ、これはコスト低減のために可能な限り小さな厚みで用いられる必要がある。これに関する課題は、常に、裏面コンタクトの形成に関することである。

例えば上記裏面電極を連続した金属層として形成する場合、この金属−半導体界面の再結合損失は、上記効率の低下を生じさせる。この理由から、上記裏面電極は、通常、点あるいは線接触部として形成され、好ましくは、スクリーン印刷法によって堆積される。

全面にわたる裏面コンタクトは、冷却時に、薄いシリコンウエハー上にさらに、強い機械的応力を生じさせるが、この応力によって、再び、破損したり、加工が困難になったりすることもある。

スクリーン印刷法は、その上比較的高価であり、かつ、最低約４００℃の温度を必要とする。このような高温により、薄いウエハーの使用に際して、上記薄いウエハーが加工中に容易に割れ、従って生産量が本質的に減少するという問題が、確かに存在する。特殊なスクリーン印刷ペーストは、上記太陽電池の製造における、およびさらには上記太陽電池のアセンブリにおける、本質的なコストの要因となり、コンタクト形成の再現性を制御するにはコストがかかる。

ＪＰ１０１３５４９７Ａ（日本の特許抄録）から、基板材料が、ｐ型ドープされるとともに裏面に高ドープされた材料からなるｐ＋型不動態化層が設けられた太陽電池が公知である。上記不動態化層の上に、例えばＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）のような透明導電性材料からなる層が堆積され、その上に電極が点形状または線形状の電極として形成される。この透明導電層は、スパッタリング法により製造可能であるが、そのため最高温度で２００℃を越えることはない。

基板をｐ型またはｎ型ドープされた材料から構成し得る、同様に形成された電池では、該電池を湾曲させ得る曲げ応力を回避するために、ＩＴＯまたはそれと同様のものからなる導電性の透明層が上記基板の両側に堆積されている（日本の特許抄録、日本特許第Ａ２００３１９７７９４３参照）。
ＪＰ １０１３５４９７ Ａ ＪＰ−Ａ−２００３１９７７９４３

しかしながら依然として、上記太陽電池でも、ｎ型ドープされた基板を用いる場合には、電子導電体、例えばＩＴＯとの良好な接触が確実に可能である一方、ｐ型ドープされた基板材料を用いる場合には、該接触が、問題になるという問題が、存在する。

他方、上記太陽電池の技術では、ｐ型ドープされた材料が一般的に用いられており、大部分では比較的、経済的に入手可能である。

従って、本発明の目的は、ｐ型ドープされた材料を用いる場合にも良好な裏面電極を保証する、改良された太陽電池を提供することである。この場合に、上記太陽電池は最大限に低コストで製造可能であり、最大限に高い効率を有することとなる。

この目的を、少なくとも１つの前面電極および少なくとも１つの裏面電極を有する基層を有する太陽電池によって達成する。上記基層は、第１ドーピング領域を有し、逆極性（エミッタ）の第２ドーピング領域を有する上記表面層との間に境界層を形成し、上記基層と上記裏面電極との間には少なくとも１つの不動態化層および１つのトンネルコンタクト層が配置されている。

本発明の目的はこの方法によって完全に達成される。

トンネルコンタクト層を用いることによって、すなわち、基板材料としてｐ型ドープされた材料を用いる場合でも、例えば酸化亜鉛またはＩＴＯのような、電子導電体、金属、または、透明導電体を有する極めて優れた電極を得ることが可能になる。

本発明の好ましい実施形態では、上記不動態化層は上記基層と同極性にドープされた材料からなる。

本発明の太陽電池により、上記裏面電極を金属性の平面電極として形成することがさらに可能であり、これによって、効率が悪化することはない。

この目的のため、本発明の有利なさらなる実施形態では、上記トンネルコンタクト層と上記裏面電極との間に、好ましくは酸化亜鉛、インジウムスズ酸化物、または、導電性ポリマーからなる、透明導電層を設けている。該層によって裏面による反射が向上し、それにより効率が高められる。

酸化亜鉛層を用いることが特に好ましい。なぜなら、上記酸化亜鉛層は、ＩＴＯを用いるより、明らかに経済的であるからである。

上記裏面電極および場合によっては上記前面電極は、金属から形成され、例えば、アルミニウム、または特に高価なアプリケーションの場合、金、銀、または、他の金属よりなる。

上記不動態化層は、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）よりなることが好ましい。

上記トンネルコンタクト層は、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）から製造されることが好ましい。これは、例えば、上記基層と同極性の第１の高ドープされた層と、これに続く逆極性の第２の高ドープされた層とからなる。

上記基層がｐ型ドープされる場合、表面層はｎ型ドープされ、上記不動態化層は、好ましくはｐ型ドープされた層であり、その上に高ドープされたｐ＋型層の形の上記トンネルコンタクト層が続いている。上記トンネルコンタクト層には、高ドープされたｎ＋層が続いている。上記ｎ＋層は、簡単かつ信頼できる方法で、例えばＺｎＯのような導電性材料とコンタクトされうる。

この場合、高ドープされたということは、層が基板材料よりも高いドーピング濃度を有すること、従って単位体積あたりのドーピング原子の数が例えば少なくとも１桁多いことを意味している。

他の一実施形態では、ｎ＋型層を配置せずに、第１のｐ型層と、これに続く第２のｐ＋型層とのみを有するトンネルコンタクト層を形成することが可能である。上記第１のｐ型層および上記第２のｐ＋型層は、どちらもμｃ−Ｓｉからなることが好ましい。

本発明のさらなる一実施形態では、上記不動態化層と上記基層との間に、ａ−Ｓｉからなる薄い非ドープの（真性）層が配置される。

上記真性層は、上記ウエハーと上記不動態化層との間のバッファ層として機能する。上記真性層との組合せによって、特に良好な不動態化が生じる。

本発明のさらなる一実施形態では、少なくとも、上記不動態化層、上記トンネルコンタクト層、または、上記真性層は水素を含む。

この場合、約１〜２０Ａｔ％の水素であり、この水素は、上記真性層にも、上記不動態化層、および、上記トンネルコンタクト層にも含まれることが好ましい。

水素は、「ダングリングボンド」の不動態化を行う場合、重要な役割を有している。このように、全体として、適切な水素濃度の場合、効率はさらに改善される。

上記太陽電池の基板材料は、特に高い効率が望まれる場合は、単結晶シリコンよりなることが好ましい。

安価な太陽電池のためには、上記基板材料を、多結晶シリコン（ｍｃ−Ｓｉ）より形成してもよい。

上記太陽電池の光入射側の形成は、基本的に従来技術に既知のように任意の方法によって行うことができる。

このために、例えば金属性の前面電極を用いてもよく、その一方で、上記太陽電池の光入射側の表面を、例えばＳｉＯ２からなる、反射を低減させる不動態化層によって形成してもよい。上記不動態化層は、上記前面電極の領域においては設けられないことは明らかである。

とりわけ、太陽電池の光入射側の形成は、例えばａ−Ｓｉ−エミッタを有するヘテロ接合として従来技術で公知のように、高くとも約２５０℃、好ましくは２００℃より下の低いプロセス温度で行うことができる。

上記太陽電池の層は、薄膜形成法、特に、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法、または、触媒ＣＶＤ（ホットワイヤＣＶＤ法）によって、堆積されることが好ましい。

これにより上記太陽電池の全製造工程の上記プロセス温度は、約２５０℃より下、好ましくは２００℃より下の温度に限定され得る。

この方法によって、薄い基板材料を用いる場合にも、上記太陽電池のたわみ、湾曲、および、破損を、回避できる。

上記し、以下にさらに詳細に説明する本発明の特徴は、本発明の範囲を逸脱することなく、記載したそれぞれの組合せだけでなく他の組合せにおいても、または、単独でも使用可能であることを、理解されたい。

本発明のさらなる特徴および利点は、図面を参照しながら、好ましい実施形態を以下に詳細に説明することにより、明らかとなるであろう。

図１は、本発明の太陽電池の断面図を簡略に示す図である。

図１は、本発明の太陽電池を概略的に示す断面図であり、全体を数字１０で示す。太陽電池１０は、単結晶シリコンからなるｐ型ドープされた基層１２を有する。

光入射面側である表面に、ｎ型ドープされたシリコン層１４が堆積され、シリコン層１４は、基層１２との間で境界層（ｐｎ接合）を形成している。ｎ型ドープされたシリコン層１４は、反射が低減されるように構成されていることが好ましい。上記表面に対する前面電極１８によるコンタクトは、好ましくは高ドープされたｎ＋型層を有する領域２０を介して接触する、例えばアルミニウム電極により形成することが可能である。さらに、表面層１４は、例えばＳｉＯ２よりなり得る不動態化層１６により不動態化される。

基層１２の背面側に、アモルファスシリコンからなる薄い真性層２２が続いている。

真性層２２に、好ましくはｐ型ドープされたａ−Ｓｉ層として形成される不動態化層２４が続いている。

この不動態化層２４に、高ドープされた（ｐ＋）微結晶シリコンμｃ−Ｓｉからなる他の層２６が続いている。

このμｃ−Ｓｉ層２６に、同様に高ドープされているが逆極性（ｎ＋）を有する、微結晶シリコンμｃ−Ｓｉからなる他の層２８が続いている。

ｐ＋型ドーピング、次いでｎ＋型ドーピングを有するμｃ−Ｓｉからなるこれら両方の層２６、２８は、共にトンネルコンタクト層を形成している。

ｎ＋型ドープされたμｃ−Ｓｉ層２８に、酸化亜鉛層３０が続き、酸化亜鉛層３０の上に、裏面電極層３２が、連続した金属層として堆積されており、該層は、例えばアルミニウムよりなり得る。

層２２〜２８は、１〜２０Ａｔ％割合の水素を含むことが好ましい。

こうした層構成により、基層１２は、弱くｐ型ドープされた層であるにもかかわらず、基層１２と導電体との非常に良好なコンタクトが保証される。これは、特に、微結晶のｐ＋型層、次いで微結晶のｎ＋型層から形成される、トンネルコンタクト層２６、２８により達成される。あるいは、トンネルコンタクト層２６、２８は、まず、ｐ−型ドープされたａ−Ｓｉ層またはμｃ−Ｓｉ層、次いでｐ＋型ドープされた微結晶のμｃ−Ｓｉ層よりなる場合も同様に良好な結果を得ることができる。

追加的にのみ用いられる真性ａ−Ｓｉ層２２の層厚は、約５〜２０ｎｍの間、特に約１０ｎｍであることが好ましい。不動態化層２４の層厚は、約２０〜６０ｎｍの間、特に約４０ｎｍであることが好ましい。微結晶層２６の層厚は、５〜２５ｎｍの間、特に約１０ｎｍであることが好ましい。微結晶層２８の層厚は、約１〜１５ｎｍの間、特に約５ｎｍであることが好ましい。

ＺｎＯ、ＩＴＯ、または、同等のものからなる透明導電層の層厚は、約２０〜１５０ｎｍの間、特に約４０〜１２０ｎｍの間、例えば約８０ｎｍであることが好ましい。

例えばアルミニウムよりなる裏面電極層３２は、約０．５〜５μｍの間、例えば１μｍの厚さを有していてもよい。

（興味深い波長範囲内の）透明な材料、例えばＺｎＯからなる導電層３０は、裏面電極層３２による反射を向上させ、従って効率が改善される。原則として、ＺｎＯの代わりに例えばＩＴＯのような他の層材料を用いることもできるが、大量生産では、ＺｎＯを用いた方が、明らかに経済的である。

上記基層上へ層の堆積は、例えばプラズマ励起ＣＶＤ法（ＰＥＣＶＤ）、スパッタリング法、ホットワイヤＣＶＤ法などのような、適切な薄層法によって行われる。層２２〜２８の内部における好ましい水素拡散は、終了時の温度を約２００℃まで上昇させることによって行われる。

発明の太陽電池の研究モデルの製造では、一方で を用い、他方でホットワイヤＣＶＤを用いて作成した。シラン（ＳｉＨ４）および水素を用いた上記ＰＥＣＶＤ法を用いて、１３．５６ＭＨｚのプラズマ周波数と２００ｍＴｏｒｒの圧力と、４ワットの電力とによって、上記真性ａ−Ｓｉ層を堆積した。シランと水素との使用に加えて、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）とホスフィン（ＰＨ４）とを選択的に使い分けることにより、８０ＭＨｚのプラズマ周波数と、４００ｍＴｏｒｒの圧力と、２０ワットの電力とによって、ドープされたａ−Ｓｉ層を製造した。

ホットワイヤ堆積法の場合は、約１７００℃のワイヤ温度および１００ｍＴｏｒｒの圧力が用いられる。全堆積工程は、高真空装置または超高真空装置において行われる。

研究基準では、μｃ−Ｓｉ ｐ＋型、次いでμｃ−Ｓｉ ｎ＋型からなるトンネルコンタクト層を有する本発明の太陽電池によっても、また同様に、別のトンネルコンタクト層を用いる場合の、μｃ−Ｓｉ ｐ型、次いでμｃ−Ｓｉ ｐ＋型のトンネルコンタクト層を有する本発明の太陽電池によっても、少なくとも２０％の効率を実現しうる。これに加えて、裏面電極層としてＡｌドープされたＺｎＯのみを用いた。実質的により高価なＩＴＯによる電極は、ここでは、必要ではなかった。

産業的に製造するために、枚葉式装置を用いてもよい。

本発明の裏面電極は、表面で用いられる電極の種類に関わらず、全てのシリコン太陽電池に適している。

本発明の太陽電池の断面図を簡略に示す図である。

符号の説明

１０ 太陽電池
１２ 基層

Claims (19)

1. 第１のドーピング領域を有し、
   逆極性の第２のドーピング領域を有する表面層（１４）との間で境界層を形成する基層（１２）と、
   少なくとも１つの前面電極（１８）と、
   少なくとも１つの裏面電極（３２）とを有し、
   上記基層（１２）と上記裏面電極（３２）との間に、少なくとも１つの不動態化層（２４）および１つのトンネルコンタクト層（２６、２８）が配置されている、太陽電池。
2. 上記不動態化層（２４）は、上記基層（１２）と同極性にドープされたまたは高ドープされた材料からなる、請求項１に記載の太陽電池。
3. 上記裏面電極（３２）が金属性の平面電極として形成されている、請求項１または２に記載の太陽電池。
4. 少なくとも上記裏面電極（３２）または前面電極（１８）は、アルミニウム、金、銀、または、他の金属よりなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池。
5. 上記不動態化層（２４）は、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）よりなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池。
6. 上記トンネルコンタクト層（２６、２８）は、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽電池。
7. 上記トンネルコンタクト層（２６、２８）は、第１の高ドープされた層（２６）と、逆極性の第２の高ドープされた層（２８）とを有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の太陽電池。
8. 上記基層（１２）はｐ型ドープされ、上記正面層は、ｎ型ドープされ、上記トンネルコンタクト層（２６、２８）は、高ドープされたｐ＋型層（２６）および高ドープされたｎ＋型層（２８）を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の太陽電池。
9. 上記トンネルコンタクト層は、第１のドープされた層（２６）および同一極性の第２の高ドープされた層（２８）を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の太陽電池。
10. 上記基層（１２）はｐ型ドープされ、上記表面層はｎ型ドープされ、上記トンネルコンタクト層（２６、２８）は、第１のｐ型層（２６）および第２の高ドープされたｐ＋型層（２８）を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の太陽電池。
11. 上記不動態化層（２４）は、ｐ型ドープされた層または高ドープされたｐ＋型層である、請求項８または１０に記載の太陽電池。
12. 上記不動態化層（２４）と上記基層（１２）との間に、ａ−Ｓｉからなる真性層が配置されている、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の太陽電池。
13. 上記トンネルコンタクト層（２６、２８）と上記裏面電極（３２）との間に、好ましくは酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、または、導電性ポリマーよりなる、透明導電層（３０）が設けられている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の太陽電池。
14. 少なくとも、上記不動態化層（２４）、上記トンネルコンタクト層（２６、２８）、または、上記真性層（２２）は、水素を含む、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の太陽電池。
15. 少なくとも、上記不動態化層（２４）、上記トンネルコンタクト層（２６、２８）、または、上記真性層（２２）は、約１〜２０Ａｔ％の水素を含む、請求項１４に記載の太陽電池。
16. 上記基層（１２）は、単結晶シリコンまたは多結晶シリコン（ｍｃ−Ｓｉ）よりなる、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の太陽電池。
17. 上記正面層（１４）に、前面電極（１８）の領域において設けられていない不動態化層（１６）が付着されている、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の太陽電池。
18. 複数の上記層の少なくとも１つは、薄形成法、特にプラズマＣＶＤ法、スパッタリング法、または、触媒ＣＶＤ法（ホットワイヤＣＶＤ法）により製造される、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の太陽電池。
19. 複数の上記層は、約２５０℃以下、好ましくは２００℃以下で堆積される、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の太陽電池。

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