JP2009038180A - 太陽電池及びその作製方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明は、太陽電池の短絡電流密度を増加させることができ、変換効率を改善したヘテロ接合型太陽電池及びその作製方法を提供することを課題とする。
【解決手段】 第一導電型（ｎ型）の結晶シリコン基板１上に、ノンドープの水素化アモルファスシリコン層２を介して第二導電型（ｐ型）の水素化アモルファスシリコンオキサイド層３を備えた太陽電池である。
【選択図】 図１
【解決手段】 第一導電型（ｎ型）の結晶シリコン基板１上に、ノンドープの水素化アモルファスシリコン層２を介して第二導電型（ｐ型）の水素化アモルファスシリコンオキサイド層３を備えた太陽電池である。
【選択図】 図１
Description
本発明は、太陽電池及びその作製方法、特に結晶シリコンへテロ接合型太陽電池及びその作製方法に関するものである。
結晶シリコンへテロ接合型太陽電池は、例えばｎ型単結晶シリコン基板の光の入射側にノンドープの水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)i層及びボロンなどをドーピングしたｐ型水素化アモルファスシリコンを積層させたp-i-n構造により構成される太陽電池であり、ｎ型単結晶の上に形成されたa-Si:H i層がアモルファス/結晶シリコンのヘテロ界面特性を改善している。
図３に従来の太陽電池の基本構造模式図を示す。
図３に従来の太陽電池の基本構造模式図を示す。
結晶シリコンヘテロ接合型太陽電池では、a-Si:H p及びi層の厚さはそれぞれ3-4nm程度であり、通常は結晶シリコン基板の裏面側にn型のa-Si:H層を導入してi-n層を形成する。この両面にa-Si:H層を形成したヘテロ接合型太陽電池では、高い変換効率が得られることが知られている。
しかし、上記太陽電池では、結晶シリコン基板上に形成されたa-Si:H層の光吸収により、結晶シリコン基板に入射する光量が主に光の短波長領域で減少し、太陽電池の短絡電流密度が減少するという問題がある。これを改善するためには、従来のa-Si:Hよりもバンドギャップが大きく、光吸収の少ない、水素化アモルファスシリコンオキサイド(a-SiO:H)等を従来のa-Si:Hの代わりに用いることが提案されている。
しかし、上記太陽電池では、結晶シリコン基板上に形成されたa-Si:H層の光吸収により、結晶シリコン基板に入射する光量が主に光の短波長領域で減少し、太陽電池の短絡電流密度が減少するという問題がある。これを改善するためには、従来のa-Si:Hよりもバンドギャップが大きく、光吸収の少ない、水素化アモルファスシリコンオキサイド(a-SiO:H)等を従来のa-Si:Hの代わりに用いることが提案されている。
特許文献１では２つのp-i-n型a-Si:H太陽電池を積層させたタンデム型太陽電池において、n型a-Si:Hの代わりにn型のa-SiO:H層を用いることにより、短絡電流密度が向上することが確認されている。しかし、特許文献１ではｐ層には水素化アモルファスカーボン（a-SiC:H）が使用されており、この構造では、ヘテロ界面特性の改善に有効なa-Si:H i層が欠如しており、変換効率の向上は望めない。
また、上記の特許文献１の類似構造として、a-Si:H i層の光の入射側にa-SiO:H i層及び微結晶シリコンｐ層を形成した微結晶Si(ｐ層)/a-SiO:H(i層)/a-Si:H(i層)/a-SiO:H(n層)構造が非特許文献１に記載されている。この場合には、p層に微結晶Siが使用されており、特にこの非特許文献１には微結晶Si(p層)作成時の基板温度を変化させた時の微結晶Siの初期成長過程及び微結晶構造に対応した太陽電池特性の変化が報告されている。この報告にもあるように、微結晶構造の制御は一般に難しく、成長条件により微結晶の微細構造は大きく変化し、同時に太陽電池変換効率も大きく変動する。さらに、非特許文献１に記載されているように、通常は微結晶Si（p層）の厚さは30nm程度であり、この膜厚はヘテロ接合型太陽電池に適用されているa-Si:H（p層）の約10倍程度である。
微結晶Siはもともと可視領域の光吸収がa-Si:Hよりも低いといった利点があるが、膜厚が10倍になれば実効的な光吸収はa-Si:Hよりも増加し、結果として、増加する光吸収により微結晶Siを用いたヘテロ接合型太陽電池の短絡電流密度は減少する。
また、微結晶Siの作製は、通常はプラズマプロセスにおいて原料ガスであるシラン（SiH4）ガスを多量の水素で希釈して行うが、このプロセスをヘテロ接合型太陽電池に適用すると、プラズマ中で生成した多量の原子状水素が下地層であるa-SiO:H(i層)及び結晶基板にダメージを与え、変換効率が低下するおそれがある。
また、微結晶Siの作製は、通常はプラズマプロセスにおいて原料ガスであるシラン（SiH4）ガスを多量の水素で希釈して行うが、このプロセスをヘテロ接合型太陽電池に適用すると、プラズマ中で生成した多量の原子状水素が下地層であるa-SiO:H(i層)及び結晶基板にダメージを与え、変換効率が低下するおそれがある。
最近は、ｐ型の単結晶シリコン基板を用いたヘテロ接合型太陽電池において、a-SiO:H(i層)及び微結晶SiO（ｎ層）を基板上に形成した微結晶SiO(ｎ層)/a-SiO:H（i層）/結晶Si（ｐ型）構造が非特許文献２に報告されている。この文献では、ｐ型基板が使用されているため、基板上の光の入射側にはi-n層が形成されているが、特にｎ層には微結晶SiO層が使用されている。微結晶SiOは微結晶Siと類似した特性を有するが、微結晶Siよりも酸素が入っているためさらに光の透過性に優れている。
しかし、ヘテロ接合型太陽電池においては、微結晶SiOは微結晶Siと同様な欠点を持ち、非特許文献２で使用されている微結晶SiO層の膜厚は20nmと厚く、光吸収はa-Si:H層に比べ増加する。
また、微結晶SiOの構造制御は酸素の混入により微結晶Siよりも難しくなり、さらに微結晶SiOの作製には、微結晶Siよりもさらに多量の水素が必要となるため、基板への水素に起因するダメージも増加する。
特開平５−９５１２６号公報
Jpn.J.Appl.Phys.Vol.39(2000)pp.4707-4711
第５４回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集第９７１頁３０ｐ−Ｘ−２（２００７年春 青山学院大学）
また、微結晶SiOの構造制御は酸素の混入により微結晶Siよりも難しくなり、さらに微結晶SiOの作製には、微結晶Siよりもさらに多量の水素が必要となるため、基板への水素に起因するダメージも増加する。
したがって本発明は、太陽電池の短絡電流密度を増加させることができ、変換効率を改善したヘテロ接合型太陽電池及びその作製方法を提供することを課題とする。
課題を解決するための手段は次のとおりである。
（１）第一導電型の結晶シリコン基板上に、ノンドープの水素化アモルファスシリコン層を介して第二導電型の水素化アモルファスシリコンオキサイド層を備えた太陽電池。
（２）第一導電型の結晶シリコン基板上に、ノンドープの水素化アモルファスシリコンオキサイド層を介して第二導電型の水素化アモルファスシリコンオキサイド層を備えた太陽電池。
（３）上記第一導電型はｎ型であり、第二導電型はｐ型であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の太陽電池。
（４）第一導電型の結晶シリコン基板を準備する工程、該結晶シリコン基板表面にＳｉＨ４ガスを流してプラズマ処理により水素化アモルファスシリコン層を形成する工程及び該水素化アモルファスシリコン層上に第二導電型の不純物を含むガス、ＳｉＨ４ガス及びＣＯ２ガスを流してプラズマ処理により第二導電型の水素化アモルファスシリコンオキサイド層を形成する工程を備えた太陽電池の作製方法。
（５）第一導電型の結晶シリコン基板を準備する工程、該結晶シリコン基板表面にＳｉＨ４ガス及びＣＯ２ガスを流してプラズマ処理により水素化アモルファスシリコンオキサイド層を形成する工程及び該水素化アモルファスシリコンオキサイド層上に第二導電型の不純物を含むガス、ＳｉＨ４ガス、ＣＯ２ガス及びＨ２ガスを流してプラズマ処理により第二導電型の水素化アモルファスシリコンオキサイド層を形成する工程を備えた太陽電池の作製方法。
（６）上記第二導電型の不純物を含むガスは、Ｂ２Ｈ６又はＢ（ＣＨ３）３であることを特徴とする（４）又は（５）に記載の太陽電池の作製方法。
（１）第一導電型の結晶シリコン基板上に、ノンドープの水素化アモルファスシリコン層を介して第二導電型の水素化アモルファスシリコンオキサイド層を備えた太陽電池。
（２）第一導電型の結晶シリコン基板上に、ノンドープの水素化アモルファスシリコンオキサイド層を介して第二導電型の水素化アモルファスシリコンオキサイド層を備えた太陽電池。
（３）上記第一導電型はｎ型であり、第二導電型はｐ型であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の太陽電池。
（４）第一導電型の結晶シリコン基板を準備する工程、該結晶シリコン基板表面にＳｉＨ４ガスを流してプラズマ処理により水素化アモルファスシリコン層を形成する工程及び該水素化アモルファスシリコン層上に第二導電型の不純物を含むガス、ＳｉＨ４ガス及びＣＯ２ガスを流してプラズマ処理により第二導電型の水素化アモルファスシリコンオキサイド層を形成する工程を備えた太陽電池の作製方法。
（５）第一導電型の結晶シリコン基板を準備する工程、該結晶シリコン基板表面にＳｉＨ４ガス及びＣＯ２ガスを流してプラズマ処理により水素化アモルファスシリコンオキサイド層を形成する工程及び該水素化アモルファスシリコンオキサイド層上に第二導電型の不純物を含むガス、ＳｉＨ４ガス、ＣＯ２ガス及びＨ２ガスを流してプラズマ処理により第二導電型の水素化アモルファスシリコンオキサイド層を形成する工程を備えた太陽電池の作製方法。
（６）上記第二導電型の不純物を含むガスは、Ｂ２Ｈ６又はＢ（ＣＨ３）３であることを特徴とする（４）又は（５）に記載の太陽電池の作製方法。
本発明によれば、従来の太陽電池に比べて短絡電流密度を増加させることができる。
また、本発明の太陽電池では、ヘテロ界面特性の改善に有効なa-Si:H i層又はa-SiO:H i層が導入されているため、変換効率を改善することができる。さらに本発明におけるｐ型a-SiO:H層は、通常のa-Si:Hに比べ優れた光透過性を持ち、また従来の微結晶Si及び微結晶SiOのp層膜厚（20〜30nm）に比べ、10nm以下と大幅に薄膜化が可能であるため、これに比べても光透過が優れている。
次に本発明の作製方法によれば、ヘテロ接合太陽電池のi層にa-SiO:Hを採用しているため、a-Si:Hを結晶Si基板上に形成した時に見られるエピタキシャル成長が起こらず、成長条件をより広い範囲で変化させることができる。
また、本発明の太陽電池では、ヘテロ界面特性の改善に有効なa-Si:H i層又はa-SiO:H i層が導入されているため、変換効率を改善することができる。さらに本発明におけるｐ型a-SiO:H層は、通常のa-Si:Hに比べ優れた光透過性を持ち、また従来の微結晶Si及び微結晶SiOのp層膜厚（20〜30nm）に比べ、10nm以下と大幅に薄膜化が可能であるため、これに比べても光透過が優れている。
次に本発明の作製方法によれば、ヘテロ接合太陽電池のi層にa-SiO:Hを採用しているため、a-Si:Hを結晶Si基板上に形成した時に見られるエピタキシャル成長が起こらず、成長条件をより広い範囲で変化させることができる。
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
本発明に係る太陽電池の基本構造模式図を図１に示す。図１に示す太陽電池は、第一導電型（ｎ型）の単結晶シリコン基板上に、ノンドープの水素化アモルファスシリコン層を介して第二導電型（ｐ型）の水素化アモルファスシリコンオキサイド層を備えた太陽電池である。
本発明に係る太陽電池の基本構造模式図を図１に示す。図１に示す太陽電池は、第一導電型（ｎ型）の単結晶シリコン基板上に、ノンドープの水素化アモルファスシリコン層を介して第二導電型（ｐ型）の水素化アモルファスシリコンオキサイド層を備えた太陽電池である。
図１に示す太陽電池は、単結晶基板１の洗浄処理、プラズマプロセスによるa-Si:H i層２及びa-SiO:H p層３の形成及び電極形成の３つの工程から作製した。
単結晶基板には抵抗率0.5Ωcmのｎ型Si(111)を用い、基板洗浄はアセトンなどを使用した有機洗浄後に以下の溶液処理から行った。
（１）NH4OH:H2O2:H2O=1:1:4、80℃、5分
（２）HF:NH4F=1:7、室温、１分
（３）HCl:H2O2:H2O=1:1:4、80 ℃、10分
（４）NH4F、室温、6分
単結晶基板には抵抗率0.5Ωcmのｎ型Si(111)を用い、基板洗浄はアセトンなどを使用した有機洗浄後に以下の溶液処理から行った。
（１）NH4OH:H2O2:H2O=1:1:4、80℃、5分
（２）HF:NH4F=1:7、室温、１分
（３）HCl:H2O2:H2O=1:1:4、80 ℃、10分
（４）NH4F、室温、6分
プラズマプロセスは以下の条件を使用して行った。
基板温度：130℃（a-Si:H i層）及び180℃（a-SiO:H p層）
高周波出力：13mW/cm2
成長圧力：50 mTorr
膜厚：4 nm (a-Si:H i層)及び3 nm (a-SiO:H p層)
a-Si:H i層２成長時のガス流量：[SiH4]=5 sccm
a-SiO:H p層３成長時のガス流量：[SiH4]=5 sccm,[CO2]=2 sccm,[B2H6/H2]=30 sccm（水素中のB2H6ガス濃度：6000ppm）
XPS測定より決定したa-SiO:H p層３中の酸素濃度は、7 at.%程度である。
また、a-Si:H i層２の成長は、基板上でのエピタキシャル成長を抑制するため、a-SiO:Hの成長温度よりも低い130℃で行っている。
基板温度：130℃（a-Si:H i層）及び180℃（a-SiO:H p層）
高周波出力：13mW/cm2
成長圧力：50 mTorr
膜厚：4 nm (a-Si:H i層)及び3 nm (a-SiO:H p層)
a-Si:H i層２成長時のガス流量：[SiH4]=5 sccm
a-SiO:H p層３成長時のガス流量：[SiH4]=5 sccm,[CO2]=2 sccm,[B2H6/H2]=30 sccm（水素中のB2H6ガス濃度：6000ppm）
XPS測定より決定したa-SiO:H p層３中の酸素濃度は、7 at.%程度である。
また、a-Si:H i層２の成長は、基板上でのエピタキシャル成長を抑制するため、a-SiO:Hの成長温度よりも低い130℃で行っている。
電極形成は、変換効率を改善するため、a-SiO:H(p)/a-Si:H(i)/結晶Si構造を大気中に6時間暴露した後に行った。電極としては、a-SiO:H(p)層３上にまず図1の４に示す透明電極として、ITO薄膜(厚さ70 nm)を高周波マグネトロンスパッタリング法により室温で形成した。この時の成長圧力、高周波出力及びアルゴンガス流量は、それぞれ1x10-3 Torr、100 W及び200 sccmである。ITO薄膜形成後、図１の５に示す銀（Ag）の金属グリッド電極（厚さ100 nm）をDCマグネトロンスパッタリング法により室温で形成した。この時の成長圧力、DC出力及びアルゴンガス流量は、それぞれ1x10-3 Torr、7 W及び200 sccmである。そして最後に結晶基板の裏面側に図１の６に示すアルミニウム(Al)電極を蒸着法により100 nmの厚さで形成した。
この場合には、基板の裏面側にはAl電極を使用したが、変換効率をさらに改善するために、基板の裏面側に
（１）結晶Si(n)/a-Si:H(i)/a-Si:H(n)
（２）結晶Si(n)/a-Si:H(i)/a-SiO:H(n)
（３）結晶Si(n)/a-SiO:H(i)/a-SiO:H(n)
などのi-n層により構成されるアモルファス層構造を設けることができる。
（１）結晶Si(n)/a-Si:H(i)/a-Si:H(n)
（２）結晶Si(n)/a-Si:H(i)/a-SiO:H(n)
（３）結晶Si(n)/a-SiO:H(i)/a-SiO:H(n)
などのi-n層により構成されるアモルファス層構造を設けることができる。
本発明に係る他の太陽電池の基本構造模式図を図２に示す。図２に示す太陽電池は、第一導電型（ｎ型）の単結晶シリコン基板上に、ノンドープの水素化アモルファスシリコンオキサイド層を介して第二導電型（ｐ型）の水素化アモルファスシリコンオキサイド層を備えた太陽電池である。
図２の太陽電池は、図１の２に示すa-Si:H i層が図２の７に示すa-SiO:H i層に置き換わった構造である。図２に示すa-SiO:H i層７及びa-SiO:H p層３の成長は以下の条件を用いて行った。
基板温度：180℃ (a-SiO:H i層及びa-SiO:H p層)
高周波出力：13mW/cm2
成長圧力：50 mTorr
膜厚：4 nm (a-SiO:H i層)及び3 nm (a-SiO:H p層)
a-SiO:H i層成長時のガス流量：[SiH4]=5 sccm,[CO2]=1 sccm
a-SiO:H p層成長時のガス流量：[SiH4]=5 sccm,[CO2]=2 sccm,[H2]=20 sccm，[B2H6/H2]=25 sccm（水素中のB2H6ガス濃度：6000 ppm）
基板温度：180℃ (a-SiO:H i層及びa-SiO:H p層)
高周波出力：13mW/cm2
成長圧力：50 mTorr
膜厚：4 nm (a-SiO:H i層)及び3 nm (a-SiO:H p層)
a-SiO:H i層成長時のガス流量：[SiH4]=5 sccm,[CO2]=1 sccm
a-SiO:H p層成長時のガス流量：[SiH4]=5 sccm,[CO2]=2 sccm,[H2]=20 sccm，[B2H6/H2]=25 sccm（水素中のB2H6ガス濃度：6000 ppm）
図２の構造における単結晶基板の洗浄及び透明電極、金属グリット電極及びAl電極の形成法は、図１に示す構造のものと同様である。
なお上記の図１及び図２のa-SiO:H p層３には、B2H6の代わりにB(CH3)3を使用することも可能である。また基板として単結晶基板を例示したが多結晶基板であってもよい。
さらに実施例としてa-SiO:H (ｐ層)/a-Si:H(i層)/ 結晶Si(n)構造（図１）及びa-SiO:H (ｐ層)/a-SiO:H(i層) /結晶Si(n)構造（図２）を挙げたが、a-SiO:H (ｎ層)/a-Si:H(i層)/ 結晶Si(ｐ)構造及びa-SiO:H (ｎ層)/a-SiO:H(i層) /結晶Si(ｐ)構造にも適用可能である。
なお上記の図１及び図２のa-SiO:H p層３には、B2H6の代わりにB(CH3)3を使用することも可能である。また基板として単結晶基板を例示したが多結晶基板であってもよい。
さらに実施例としてa-SiO:H (ｐ層)/a-Si:H(i層)/ 結晶Si(n)構造（図１）及びa-SiO:H (ｐ層)/a-SiO:H(i層) /結晶Si(n)構造（図２）を挙げたが、a-SiO:H (ｎ層)/a-Si:H(i層)/ 結晶Si(ｐ)構造及びa-SiO:H (ｎ層)/a-SiO:H(i層) /結晶Si(ｐ)構造にも適用可能である。
図１〜３に示す太陽電池の特性をまとめたものを表１に示す。
表１から分かるように、図１、２に示す太陽電池の短絡電流密度、変換効率等の特性は、従来の図３に示す太陽電池の特性に比べて大幅に改善されている。さらに図２に示す太陽電池と比べて図１に示す太陽電池の特性の方が優れていることが分かる。
なお微結晶SiO(ｐ層)/a-SiO:H（i層）/結晶Si（ｎ型）構造の太陽電池についても特性を調べた結果、図１、２に示す太陽電池の優位性が確認された。
表１から分かるように、図１、２に示す太陽電池の短絡電流密度、変換効率等の特性は、従来の図３に示す太陽電池の特性に比べて大幅に改善されている。さらに図２に示す太陽電池と比べて図１に示す太陽電池の特性の方が優れていることが分かる。
なお微結晶SiO(ｐ層)/a-SiO:H（i層）/結晶Si（ｎ型）構造の太陽電池についても特性を調べた結果、図１、２に示す太陽電池の優位性が確認された。
Claims (6)
- 第一導電型の結晶シリコン基板上に、ノンドープの水素化アモルファスシリコン層を介して第二導電型の水素化アモルファスシリコンオキサイド層を備えた太陽電池。
- 第一導電型の結晶シリコン基板上に、ノンドープの水素化アモルファスシリコンオキサイド層を介して第二導電型の水素化アモルファスシリコンオキサイド層を備えた太陽電池
- 上記第一導電型はｎ型であり、第二導電型はｐ型であることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池。
- 第一導電型の結晶シリコン基板を準備する工程、該結晶シリコン基板表面にＳｉＨ４ガスを流してプラズマ処理により水素化アモルファスシリコン層を形成する工程及び該水素化アモルファスシリコン層上に第二導電型の不純物を含むガス、ＳｉＨ４ガス及びＣＯ２ガスを流してプラズマ処理により第二導電型の水素化アモルファスシリコンオキサイド層を形成する工程を備えた太陽電池の作製方法。
- 第一導電型の結晶シリコン基板を準備する工程、該結晶シリコン基板表面にＳｉＨ４ガス及びＣＯ２ガスを流してプラズマ処理により水素化アモルファスシリコンオキサイド層を形成する工程及び該水素化アモルファスシリコンオキサイド層上に第二導電型の不純物を含むガス、ＳｉＨ４ガス、ＣＯ２ガス及びＨ２ガスを流してプラズマ処理により第二導電型の水素化アモルファスシリコンオキサイド層を形成する工程を備えた太陽電池の作製方法。
- 上記第二導電型の不純物を含むガスは、Ｂ２Ｈ６又はＢ（ＣＨ３）３であることを特徴とする請求項４又は５に記載の太陽電池の作製方法。
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