JP2009158575A - 光電変換装置および光電変換装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】優れた特性を有するとともに、簡便かつ安価に製造することができる光電変換装置およびその光電変換装置の製造方法を提供する。
【解決手段】第１導電型半導体の第１主面には凹部が形成されており、第１導電型半導体の第１主面、貫通孔の内壁面および第１導電型半導体の第２主面に形成された第２導電型半導体と、第１導電型半導体の第１主面の凹部を埋めるようにして形成された受光面電極と、第１導電型半導体の第２主面上に形成された第１電極と、貫通孔の内壁面の第２導電型半導体に接して貫通孔の内部に形成された貫通孔電極部と、第１導電型半導体の第２主面の第２導電型半導体上に貫通孔電極部と接して形成された第２電極とを備え、受光面電極と第２電極とが貫通孔電極部によって電気的に接続されている光電変換装置とその光電変換装置の製造方法である。
【選択図】図１
【解決手段】第１導電型半導体の第１主面には凹部が形成されており、第１導電型半導体の第１主面、貫通孔の内壁面および第１導電型半導体の第２主面に形成された第２導電型半導体と、第１導電型半導体の第１主面の凹部を埋めるようにして形成された受光面電極と、第１導電型半導体の第２主面上に形成された第１電極と、貫通孔の内壁面の第２導電型半導体に接して貫通孔の内部に形成された貫通孔電極部と、第１導電型半導体の第２主面の第２導電型半導体上に貫通孔電極部と接して形成された第２電極とを備え、受光面電極と第２電極とが貫通孔電極部によって電気的に接続されている光電変換装置とその光電変換装置の製造方法である。
【選択図】図１
Description
本発明は、光電変換装置および光電変換装置の製造方法に関し、特に、優れた特性を有するとともに、簡便かつ安価に製造することができる光電変換装置およびその光電変換装置の製造方法に関する。
図１１に、単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板中にｐｎ接合が形成された従来の太陽電池セルの一例の模式的な斜視図を示す。この従来の太陽電池セルにおいては、ｐ型シリコン基板１０１の受光面にｎ型不純物拡散層１０３が形成されており、ｎ型不純物拡散層１０３上に反射防止膜１２３が形成された構成を有している。また、ｐ型シリコン基板１０１の受光面にはメイン電極１０５ａとサブ電極１０５ｂとからなるグリッド状の受光面電極１０５が形成されており、ｐ型シリコン基板１０１の受光面の反対側の表面となる裏面には高濃度ｐ型不純物拡散層１１５とそれに接する裏面電極１１３とが形成されている。
ここで、ｐ型シリコン基板１０１としては、ＣＺ（チョクラルスキー）法やキャスト法により作製したシリコンインゴッドをマルチワイヤー法でスライスした後に全受光面を化学的に加工することによって受光面に微細な凹凸（高さ１０μｍ程度）が形成されたものを用いることができる。また、ｎ型不純物拡散層１０３は、たとえば、熱拡散法により、ｐ型シリコン基板１０１の受光面にｎ型不純物を拡散させることにより形成することができる。また、受光面電極１０５は、ｐ型シリコン基板１０１の受光面に銀ペーストを印刷した後に焼成することによって形成されており、高濃度ｐ型不純物拡散層１１５および裏面電極１１３は、ｐ型シリコン基板１０１の裏面にアルミニウムペーストを印刷した後に焼成することによって形成されている（たとえば、特許文献１参照）。
なお、受光面電極１０５のサブ電極１０５ｂは一般に幅０．２ｍｍ程度とされ、受光面電極１０５のメイン電極１０５ａは一般に幅２ｍｍ程度とされて、ｐ型シリコン基板１０１の受光面に太陽光ができるだけ多く入射するように工夫されている。
以下に、太陽電池セルの受光面に太陽光が入射した場合の動作原理を簡単に説明する。ｐ型シリコン基板１０１の受光面においては、受光面電極１０５が存在する部分に照射された太陽光は反射して損失となる。一方、ｐ型シリコン基板１０１の受光面において受光面電極１０５が存在しない部分においては反射防止膜１２３や受光面に形成された凹凸の効果により太陽電池セルの受光面に入射した太陽光の大部分がｐ型シリコン基板１０１の内部に入射する。ｐ型シリコン基板１０１の内部に入射した太陽光はシリコンの吸収係数に応じてｐ型シリコン基板１０１の内部で吸収される。そして、ｐ型シリコン基板１０１の内部で吸収された太陽光が電子と正孔のキャリアを励起して光電変換が起こる。その結果、ｐｎ接合を挟む受光面電極１０５と裏面電極１１３とから電流と電圧を取り出すことができる。
また、別の太陽電池セルとして、シリコン基板の受光面にレーザ加工等でスリット状の溝を形成し、その溝の中にメッキ法により金属を埋め込んで受光面電極を形成した構成のものも提案されている（たとえば、特許文献２参照）。特許文献２の太陽電池セルにおいては、受光面電極の幅を従来の数分の１の０．０５ｍｍ程度以下に低減して、同一面積の受光面を有するシリコン基板を用いた場合でも、シリコン基板の受光面における太陽光の入射面積を拡大して、より高い光電変換効率を得ることができる。また、特許文献２の太陽電池セルにおいては、受光面電極の幅（溝幅に相当）を０．０５ｍｍ程度以下としながら、溝深さを深くすることで、受光面電極の断面積を確保し、直列抵抗の増加を防止している。
また、別の太陽電池セルとして、受光面電極のサブ電極をノズル描画法を用いて複数回描画して形成した構成のものも提案されている（たとえば、特許文献３参照）。特許文献３の太陽電池セルにおいては、メイン電極付近のサブ電極を段階的に厚く形成することができるため、サブ電極の線抵抗を低減することができ、セルの直列抵抗の低減を可能としている。なお、特許文献３の太陽電池セルのサブ電極の幅は０．１２ｍｍ程度とされている。
また、別の太陽電池セルとして、ＭＷＴ（Metallization Wrap Through）セル構造が提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。このＭＷＴセル構造は、シリコン基板に形成された貫通孔を通じて受光面電極の一部を裏面側に取り回す構造を有しており、シリコン基板の受光面における受光面電極の面積占有率を減少させることができる。
特開２００２−１７６１８６号公報
特開平８−１９１１５２号公報
特開２００５−３５３６９１号公報
Filip Granek、他、"A SYSTEMATIC APPROACH TO REDUCE PROCESS-INDUCED SHUNTS IN BACK-CONTACTED MC-SI SOLAR CELLS"、IEEE4thWorldConference on Photovoltaic Energy Conversion、(アメリカ)、2006年、p.1319-1322
特許文献１のように、シリコン基板の受光面に銀ペーストを印刷して受光面電極を形成する場合には、受光面の面積に比例した量の電流を損失なく流すために受光面電極のサブ電極方向の抵抗値を一定の値以下に制限して熱損失を防止する必要がある。しかしながら、銀ペーストの印刷可能な厚さが製造方法により決まっていることから、サブ電極幅を大幅に低減するのは限界がある。
したがって、この場合には、シリコン基板の受光面の受光面電極付近のキャリアの表面再結合低減等を実現することは困難であり、光電変換効率を十分に高めることができないという問題があった。また、受光面電極とシリコン基板との界面にて、電極材料と基板材料との熱膨張係数の違いに起因して応力が発生するが、サブ電極幅が広い場合にはこの幅方向の応力が大きくなるために、シリコン基板の薄型化に対応できず、また、シリコン以外の他の機械的な強度が低い基板材料を用いることができない等の問題があった。
また、特許文献２のように、シリコン基板の受光面に形成された溝に金属を埋め込んで受光面電極を形成する方法では、その溝をシリコン基板の受光面から深くかつ微細に加工することが必要である。したがって、特許文献２のように、シリコン基板の受光面に溝を形成する場合には、高エネルギーの微細ビームのレーザ光をシリコン基板の受光面に照射してシリコンを蒸発させる方法や、高速回転の薄刃での高精度加工が必要となり、製造コストの増大を招くという問題があった。また、スリット状の溝中への金属の埋め込みは、低コストな印刷法を利用して行うことはできず、湿式めっき法等の煩雑かつ形成時間の長い電極形成方法が必要となるため、工業的に製造コストを減少して、高速に太陽電池セルを大量生産することは困難であるという問題があった。
また、特許文献３のように、ノズル描画法でメイン電極付近のサブ電極を段階的に厚く形成する方法では、サブ電極を目標の高さにするために複数回のノズル描画を必要とし、かつ高度な位置合わせ精度が要求されるという問題があった。
また、非特許文献１のようなＭＷＴセル構造の太陽電池セルにおいては、シリコン基板の受光面における受光面電極の面積占有率を減少させることができるが、メイン電極を形成せずに貫通孔の数を多くした場合には、シリコン基板の裏面におけるｐｎ接合分離の長さが長くなり、光電変換効率を十分に高めることができない。この場合、複数のサブ電極から集めた電子を集電する適当な面積のメイン電極をシリコン基板の受光面に形成し、そのメイン電極に貫通孔を設けて貫通孔の数を減らすことによって、シリコン基板の裏面におけるｐｎ接合分離の長さを短くすることが可能となる。
しかしながら、この場合には、受光面にメイン電極が形成されるため、ＭＷＴセル構造の本来の目的（受光面電極の面積占有率を減少させて取り出し可能な電流量を向上させる）の達成は困難となる。
本発明は上記の課題を鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、優れた特性を有するとともに、簡便かつ安価に製造することができる光電変換装置およびその光電変換装置の製造方法を提供することにある。
本発明は、第１導電型半導体と、第１導電型半導体の第１主面と第２主面との間を貫通する貫通孔とを含み、第１導電型半導体の第１主面には凹部が形成されており、第１導電型半導体の第１主面、貫通孔の内壁面および第１導電型半導体の第２主面に形成された第２導電型半導体と、第１導電型半導体の第１主面の凹部を埋めるようにして形成された受光面電極と、第１導電型半導体の第２主面上に形成された第１電極と、貫通孔の内壁面の第２導電型半導体に接して貫通孔の内部に形成された貫通孔電極部と、第１導電型半導体の第２主面の第２導電型半導体上に貫通孔電極部と接して形成された第２電極とを備え、受光面電極と第２電極とが貫通孔電極部によって電気的に接続されている光電変換装置である。
また、本発明は、上記の光電変換装置を製造する方法であって、導電性ペーストを凹部を埋めるように設置する工程と、凹部に設置された導電性ペーストを焼成することにより受光面電極の少なくとも一部を形成する工程とを含む光電変換装置の製造方法である。
本発明によれば、優れた特性を有するとともに、簡便かつ安価に製造することができる光電変換装置およびその光電変換装置の製造方法を提供することができる。
以下、本発明の種々の実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す内容は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。以下、第１導電型がｐ型である場合を例にとって説明を進めるが、以下の説明中の「ｐ型」と「ｎ型」を入れ替える等の必要な読み替えをすることによって、以下の説明は、第１導電型がｎ型である場合にも基本的に適用可能である。また、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
図１（ａ）に本発明の光電変換装置の受光面の一例の模式的な平面図を示し、図１（ｂ）に図１（ａ）に示す光電変換装置の裏面の一例の模式的な平面図を示す。ここで、図１（ａ）に示すように、光電変換装置１０においては、ｐ型半導体１としてたとえばｐ型シリコン基板等が用いられており、ｐ型半導体１の受光面上には比較的太い線幅の第１メイン電極５ａと第１メイン電極５ａよりもさらに太い線幅の第２メイン電極５ｃと第１メイン電極５ａおよび第２メイン電極５ｃに対して垂直方向に伸びるように形成された比較的細い線幅のサブ電極５ｂとがそれぞれ受光面電極として形成されている。また、第２メイン電極５ｃの下方には貫通孔電極部９が埋め込まれており、貫通孔電極部９はｐ型半導体１の受光面から裏面にかけてｐ型半導体１をその厚さ方向に貫通する貫通孔を埋めるようにして形成されている。また、ｐ型半導体１の第１主面１ａの受光面電極５の形成部分以外の箇所には反射防止膜２３が形成されている。
また、図１（ｂ）に示すように、ｐ型半導体１の裏面のほぼ全面に裏面電極１３が形成されており、裏面電極１３上に正方形状の表面を有する第１電極２が点在するように形成されており、裏面電極１３が形成されていない部分に環状の表面を有する第２電極７が点在するように形成されている。
また、第２電極７の外側を取り巻くように環状に形成された溝からなるｐｎ接合分離部２１が形成されており、第２電極７とｐｎ接合分離部２１との間および第２電極７と裏面電極１３との間にはそれぞれｎ型半導体３が位置している。
図２に、図１（ｂ）のＩＩ−ＩＩに沿った模式的な断面図を示す。また、図３に、図１（ｂ）のＩＩＩ−ＩＩＩに沿った模式的な断面図を示す。ここで、ｐ型半導体１には、ｐ型半導体１の第１主面１ａから第２主面１ｃにかけて貫通する貫通孔１９が形成されており、ｐ型半導体１の第１主面１ａ、貫通孔１９の内壁面１ｂおよびｐ型半導体１の第２主面１ｃのそれぞれの内側にｎ型半導体３が形成されている。
また、ｐ型半導体１の第１主面１ａには窪みである第２凹部２７が形成されており、第２凹部２７の中に第２凹部２７よりもさらに深い窪みである第１凹部２６が形成されている。そして、これらの第１凹部２６および第２凹部２７を埋めるようにして第１メイン電極５ａおよび第２メイン電極５ｃが形成されている。
また、貫通孔１９の内部には、貫通孔１９の内壁面１ｂに接するようにして貫通孔１９の内部を埋める貫通孔電極部９が形成されており、貫通孔電極部９の一方の端部が第２メイン電極５ｃに接触することにより貫通孔電極部９と第２メイン電極５ｃとが電気的に接続されており、貫通孔電極部９の他方の端部が第２電極７に接触することにより貫通孔電極部９と第２電極７とが電気的に接続されている。したがって、受光面電極である第２メイン電極５ｃと第２電極７とが貫通孔電極部９を介して電気的に接続されていることになる。
また、ｐ型半導体１の第１主面１ａの反対側の主面となる第２主面１ｃ上に位置するｎ型半導体３には第２電極７が接するようにして形成されており、第２電極７の外周を取り囲むようにして環状の溝であるｐｎ接合分離部２１が形成されている。このｐｎ接合分離部２１を構成する溝の深さはｎ型半導体３を突き抜けてｐ型半導体１の内部にまで達している。
また、図２に示すように、ｐ型半導体１の第２主面１ｃにはｐ型不純物がｐ型半導体１に導入された高濃度ｐ型層１５（すなわち、高濃度ｐ型層１５中のｐ型不純物濃度がｐ型半導体１中のｐ型不純物濃度よりも高くなる。）が裏面電極１３に接するように形成されており、高濃度ｐ型層１５と反対側に位置する裏面電極１３の表面上に第１電極２が形成されている。
以下、図４〜図１０の模式的断面図を参照して、図１〜図３に示す光電変換装置１０の製造方法の一例について説明する。なお、図４〜図１０はそれぞれ、図１（ｂ）のＩＩ−ＩＩに沿った断面を模式的に示している。
（１）貫通孔形成工程
まず、図４に示すように、ｐ型シリコン基板等からなるｐ型半導体１に貫通孔１９を形成する。ここで、ｐ型半導体１は、たとえば０．１〜２０Ωｃｍ程度の抵抗値に設定されていることが好ましい。また、貫通孔１９の形成方法は特に限定されないが、たとえばレーザ光の照射によるレーザ加工等によって形成することができる。また、貫通孔１９の形状や寸法も特に限定されず、たとえば貫通孔１９の開口部の形状を四角形（正方形または長方形等）や円形とすることが可能である。
まず、図４に示すように、ｐ型シリコン基板等からなるｐ型半導体１に貫通孔１９を形成する。ここで、ｐ型半導体１は、たとえば０．１〜２０Ωｃｍ程度の抵抗値に設定されていることが好ましい。また、貫通孔１９の形成方法は特に限定されないが、たとえばレーザ光の照射によるレーザ加工等によって形成することができる。また、貫通孔１９の形状や寸法も特に限定されず、たとえば貫通孔１９の開口部の形状を四角形（正方形または長方形等）や円形とすることが可能である。
（２）凹部形成工程
次に、図５に示すように、ｐ型半導体１の第１主面１ａの貫通孔１９の開口部を含むように貫通孔１９の開口部よりも外側の領域をｐ型半導体１の厚さ方向に部分的に除去することによって第１凹部２６を形成する。ここで、第１凹部２６の形成は、たとえばレーザ光をｐ型半導体１の第１主面１ａに照射してｐ型半導体１の一部を除去すること等によって行なうことができる。
次に、図５に示すように、ｐ型半導体１の第１主面１ａの貫通孔１９の開口部を含むように貫通孔１９の開口部よりも外側の領域をｐ型半導体１の厚さ方向に部分的に除去することによって第１凹部２６を形成する。ここで、第１凹部２６の形成は、たとえばレーザ光をｐ型半導体１の第１主面１ａに照射してｐ型半導体１の一部を除去すること等によって行なうことができる。
続いて、図６に示すように、ｐ型半導体１の第１主面１ａの第１凹部２６よりも外側の領域をｐ型半導体１の厚さ方向に部分的に除去することによって第２凹部２７を形成する。ここで、第２凹部２７の形成も、たとえばレーザ光をｐ型半導体１の第１主面１ａに照射してｐ型半導体１の一部を除去すること等によって行なうことができる。
その後、ｐ型半導体１の第１主面１ａを酸やアルカリの溶液や反応性プラズマを用いてエッチングすることによって、貫通孔１９、第１凹部２６および第２凹部２７の形成に起因する表面ダメージ層を除去するとともに、ｐ型半導体１の第１主面１ａにテクスチャ構造を形成してもよい。なお、テクスチャ構造としては、たとえば高低差が１〜１０μｍ程度の凹凸構造を形成することができる。
（３）ｎ型半導体形成工程
次に、図７に示すように、ｐ型半導体１の表面（ｐ型半導体１の第１主面１ａ、貫通孔１９の内壁面１ｂ、ｐ型半導体１の第２主面１ｃ）の内側にｎ型半導体３を形成する。ここで、ｎ型半導体３の形成は、たとえば、ｐ型半導体１の表面（第１主面１ａ、内壁面１ｂおよび第２主面１ｃ）にｎ型不純物を導入することによって行なうことができる。
次に、図７に示すように、ｐ型半導体１の表面（ｐ型半導体１の第１主面１ａ、貫通孔１９の内壁面１ｂ、ｐ型半導体１の第２主面１ｃ）の内側にｎ型半導体３を形成する。ここで、ｎ型半導体３の形成は、たとえば、ｐ型半導体１の表面（第１主面１ａ、内壁面１ｂおよび第２主面１ｃ）にｎ型不純物を導入することによって行なうことができる。
なお、ｎ型不純物の導入は、たとえば、ｎ型不純物を含む材料（たとえばＰＯＣｌ3）を含む高温気体中にｐ型半導体１を設置することによって実施することができる。これにより、ｐ型半導体１の表面（第１主面１ａ、内壁面１ｂおよび第２主面１ｃ）のそれぞれの内側にｎ型半導体３を形成することができる。
また、ｎ型半導体３の形成方法は上述した方法には限定されず、たとえばｎ型不純物のイオンをｐ型半導体１の表面にイオン注入することによって形成してもよい。また、ｐ型半導体１にｎ型不純物を導入してｎ型半導体３を形成する代わりに、ｐ型半導体１の表面上にＣＶＤ法等により別途ｎ型半導体層を結晶成長することによってもｎ型半導体３を形成してもよい。この場合には、ｐ型シリコン基板等のｐ型半導体基板がそのままｐ型半導体１となる。
また、ｎ型半導体３中のｎ型不純物濃度は特に限定されず、たとえば１０18〜１０21／ｃｍ3程度とすることができる。
（４）反射防止膜形成工程
次に、図８に示すように、ｐ型半導体１の第１主面１ａのｎ型半導体３上に反射防止膜２３を形成する。ここで、反射防止膜２３は、ｐ型半導体１の第１主面１ａの全面に形成されてもよいが、ｐ型半導体１の第１主面１ａの受光面電極（第１メイン電極５ａ、サブ電極５ｂ、第２メイン電極５ｃ）を形成する領域に開口を有するように形成することもできる。
次に、図８に示すように、ｐ型半導体１の第１主面１ａのｎ型半導体３上に反射防止膜２３を形成する。ここで、反射防止膜２３は、ｐ型半導体１の第１主面１ａの全面に形成されてもよいが、ｐ型半導体１の第１主面１ａの受光面電極（第１メイン電極５ａ、サブ電極５ｂ、第２メイン電極５ｃ）を形成する領域に開口を有するように形成することもできる。
なお、反射防止膜２３がｐ型半導体１の第１主面１ａの全面に形成される場合には、受光面電極（第１メイン電極５ａ、サブ電極５ｂ、第２メイン電極５ｃ）は反射防止膜２３上に形成された後に焼成することによってファイアースルーにより受光面電極とｐ型半導体１の第１主面１ａのｎ型半導体３とを導通させることができる。
また、反射防止膜２３は、太陽光の表面反射を抑制する機能を有するものであればその材料、厚さおよび製造方法等は特に限定されない。反射防止膜２３は、たとえば、厚さ７０ｎｍのＳｉＮ膜から構成することができ、たとえばプラズマＣＶＤ法によって形成することができる。
（５）裏面電極および高濃度ｐ型層形成工程
次に、図９に示すように、ｐ型半導体１の第２主面１ｃに裏面電極１３を形成する。ここで、裏面電極１３は、たとえば、アルミニウムを含むペーストをｐ型半導体１の第２主面１ｃに印刷した後に焼成することによって形成することができる。アルミニウムを含むペーストを焼成することによって裏面電極１３の直下にアルミニウムが拡散して高濃度ｐ型層１５を形成することができる。
次に、図９に示すように、ｐ型半導体１の第２主面１ｃに裏面電極１３を形成する。ここで、裏面電極１３は、たとえば、アルミニウムを含むペーストをｐ型半導体１の第２主面１ｃに印刷した後に焼成することによって形成することができる。アルミニウムを含むペーストを焼成することによって裏面電極１３の直下にアルミニウムが拡散して高濃度ｐ型層１５を形成することができる。
また、高濃度ｐ型層１５の深さは、ｐ型半導体１の厚み等によって適宜調整することができるが、たとえばｐ型半導体１の第２主面１ｃから０．２〜６．０μｍの深さとすることが好ましい。
また、ｐ型半導体１の第２主面１ｃには、裏面電界層や、裏面反射層を形成してもよいし、表面再結合を防止するために、酸化膜、窒化膜等を形成してもよい。裏面反射層、反射防止膜としては、シリコン酸化膜および酸化チタン膜等の酸化膜、窒化膜等を用いることができる。
（６）第１電極、第２電極および貫通孔電極部形成工程
次に、図９に示すように、ｐ型半導体１の第２主面１ｃの裏面電極１３上に第１電極２を形成するとともに、貫通孔１９の内部に貫通孔電極部９を形成し、さらにはｐ型半導体１の第２主面１ｃのｎ型半導体３の一部と貫通孔電極部９の端部を覆うようにして第２電極７を形成する。なお、第２電極７は、第２電極７と裏面電極１３との間にｐｎ接合分離部２１が設けられるように形成することができる。
次に、図９に示すように、ｐ型半導体１の第２主面１ｃの裏面電極１３上に第１電極２を形成するとともに、貫通孔１９の内部に貫通孔電極部９を形成し、さらにはｐ型半導体１の第２主面１ｃのｎ型半導体３の一部と貫通孔電極部９の端部を覆うようにして第２電極７を形成する。なお、第２電極７は、第２電極７と裏面電極１３との間にｐｎ接合分離部２１が設けられるように形成することができる。
また、第１電極２、第２電極７および貫通孔電極部９の材料、厚さおよび製法等はそれぞれ電極として機能するものであれば特に限定されない。第１電極２、第２電極７および貫通孔電極部９は、同一の材料から構成されていてもよく、その少なくとも１つが異なる材料から構成されていてもよい。第１電極２、第２電極７および貫通孔電極部９は、はんだ付けに適した金属、たとえば銀で構成されることが好ましい。
また、第１電極２、第２電極７および貫通孔電極部９は、たとえば、蒸着法、印刷焼成法、めっき法等によって形成することができる。たとえば、第２電極７および貫通孔電極部９は、ｐ型半導体１の第２主面１ｃ側から金属を含有するぺースト等の導電性ペーストを印刷した後に焼成する等の方法によって同時に形成することができる。また、第２電極７および貫通孔電極部９は、たとえば蒸着法やめっき法でも同時に形成することが好ましい。
（７）受光面電極形成工程
次に、図１０に示すように、ｐ型半導体１の第１主面１ａ上に受光面電極（第１メイン電極５ａ、サブ電極５ｂ、第２メイン電極５ｃ）が形成される。ここで、受光面電極（第１メイン電極５ａ、サブ電極５ｂ、第２メイン電極５ｃ）は、ｐ型半導体１の第１主面１ａのｎ型半導体３に電気的に接続されていて、ｎ型半導体３から光電変換装置１０で発生した電力を回収することができるものであれば特に限定されない。
次に、図１０に示すように、ｐ型半導体１の第１主面１ａ上に受光面電極（第１メイン電極５ａ、サブ電極５ｂ、第２メイン電極５ｃ）が形成される。ここで、受光面電極（第１メイン電極５ａ、サブ電極５ｂ、第２メイン電極５ｃ）は、ｐ型半導体１の第１主面１ａのｎ型半導体３に電気的に接続されていて、ｎ型半導体３から光電変換装置１０で発生した電力を回収することができるものであれば特に限定されない。
受光面電極の材料は、導電性材料により形成される限り特に限定されない。たとえば、金、白金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、タングステン、鉄、タンタル、チタン、モリブデン等の金属または合金、ＳｎＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、ＺｎＯ、ＩＴＯ等の透明導電材等の単層または積層、さらには、上記金属と合金との併用により形成することができる。
また、受光面電極は、たとえば、上記の金属または合金を粉末状態にしたものを樹脂中に混合することによりペースト状の導電性ペーストを調製し、ｐ型半導体１の第１主面１ａ上に印刷した後に焼成すること等により形成することができる。また、受光面電極は、たとえば蒸着法等により形成することもできる。なお、受光面電極を蒸着法により形成する場合には、フォトリソグラフィによるパターニングを行なうことが好ましい。これら電極の膜厚は、特に限定されるものではなく、たとえば１〜５０μｍ程度等とすることができる。
受光面電極は、任意の位置に、任意の面積で形成することができるが、光電変換装置１０の受光面の全面積に対して２〜８％程度の面積で、ストライプ状、格子状、島状等に形成することが好ましい。
（８）ｐｎ接合分離工程
次に、図１０に示すように、ｐ型半導体１の第２主面１ｃに環状に溝を形成することによりｐｎ接合分離部２１を形成して光電変換装置１０の製造が完了する。ここで、ｐｎ接合分離部２１は、たとえばｐ型半導体１の第２主面１ｃにレーザ光を照射してｐ型半導体１の一部を除去すること等により形成することができる。
次に、図１０に示すように、ｐ型半導体１の第２主面１ｃに環状に溝を形成することによりｐｎ接合分離部２１を形成して光電変換装置１０の製造が完了する。ここで、ｐｎ接合分離部２１は、たとえばｐ型半導体１の第２主面１ｃにレーザ光を照射してｐ型半導体１の一部を除去すること等により形成することができる。
本発明の光電変換装置１０においては、ｐ型半導体１に貫通孔１９を形成した後、たとえばレーザ光等を用いて凹部（第１凹部２６および第２凹部２７）を形成する。ここで、凹部の幅、深さは特に制限はないが、幅は最大でメイン電極幅程度、深さはｐ型半導体１の厚さの１／２程度であることが好ましい。また、凹部の深さは上記のように複数の深さを形成してもよいし、１種類の深さであってもよい。
なお、上記の工程（１）〜（８）の順序は適宜入れ替え可能である。
以上で説明したように、本発明の光電変換装置１０においては、印刷等の方法で簡易にｐ型半導体１の第１主面１ａの凹部（第１凹部２６および第２凹部２７）に受光面電極（第１メイン電極５ａおよび第２メイン電極５ｃ）を埋めるようにして形成することによって受光面電極（第１メイン電極５ａおよび第２メイン電極５ｃ）を深く（厚く）形成することができる。
以上で説明したように、本発明の光電変換装置１０においては、印刷等の方法で簡易にｐ型半導体１の第１主面１ａの凹部（第１凹部２６および第２凹部２７）に受光面電極（第１メイン電極５ａおよび第２メイン電極５ｃ）を埋めるようにして形成することによって受光面電極（第１メイン電極５ａおよび第２メイン電極５ｃ）を深く（厚く）形成することができる。
したがって、本発明の光電変換装置１０においては、受光面電極（第１メイン電極５ａおよび第２メイン電極５ｃ）の線幅の微細化を簡便かつ安価に行なうことができるとともに、受光面電極（第１メイン電極５ａおよび第２メイン電極５ｃ）の断面積についても線幅を微細化した従来の受光面電極と比べて広く担保することができる。
よって、本発明の光電変換装置１０は、優れた特性を有するとともに、簡便かつ安価に製造することができる。
＜実施例１＞
まず、図４に示すように、外形１５５×１５５ｍｍ、厚さ０．２０ｍｍ、比抵抗２Ωｃｍのｐ型多結晶シリコン基板からなるｐ型半導体１に、レーザ光を照射して貫通孔１９を４列×８列で計３２個形成した。貫通孔１９の開口部の形状は円形であり、その直径はおおよそ０．３０ｍｍ程度であった。
まず、図４に示すように、外形１５５×１５５ｍｍ、厚さ０．２０ｍｍ、比抵抗２Ωｃｍのｐ型多結晶シリコン基板からなるｐ型半導体１に、レーザ光を照射して貫通孔１９を４列×８列で計３２個形成した。貫通孔１９の開口部の形状は円形であり、その直径はおおよそ０．３０ｍｍ程度であった。
次に、図５および図６に示すように、レーザ光の出力および照射領域等の照射条件を適宜変更して、ｐ型半導体１の第１主面１ａにレーザ光を照射してその一部を除去することによって、受光面電極のメイン電極（第１メイン電極５ａおよび第２メイン電極５ｃ）の形成予定箇所の貫通孔１９の周辺に凹部（第１凹部２６および第２凹部２７）を形成した。
ここで、第１凹部２６は、貫通孔１９の開口部を中心にして長さ８ｍｍ、深さ約０．０５ｍｍとし、第２凹部２７は第１凹部２６の両端からさらに長さ４ｍｍ、深さ約０．０３ｍｍとなるように形成した。なお、第１凹部２６および第２凹部２７の幅はそれぞれ０．１５ｍｍとされた。
次に、５％水酸化ナトリウム水溶液に対して７％アルコールを加えた８０℃の溶液に、ｐ型半導体１を１０分間浸漬し、ｐ型半導体１の表面を深さ２０μｍまでエッチングした。この工程で、ｐ型半導体１のスライス時の破砕表面層、貫通孔１９、第１凹部２６および第２凹部２７の形成時のレーザ光の照射による破砕表面層を除去した。
次いで、オキシ塩化リンを導入した電気炉内の石英管内にｐ型半導体１を挿入して、８３０℃にて２０分間、リンの拡散を行なうことによって、図７に示すように、深さが約０．３μｍ、表面ドーパント濃度が１０19／ｃｍ3程度のｎ型半導体３を形成した。このｎ型半導体３のシート抵抗値は７０Ω／□程度であった。
次に、ｎ型半導体３の表面に、プラズマＣＶＤ装置を用い、ガス種としてシランおよびアンモニアを用いて、プラズマＣＶＤ法により、図８に示すように、膜厚７０ｎｍ程度の窒化シリコン膜を反射防止膜２３として形成した。
次いで、ｐ型半導体１の第２主面１ｃに、アルミニウム粉末を含むペーストを印刷して乾燥させた後に、近赤外線炉中で焼成することによって、図９に示すように、裏面電極１３と高濃度ｐ型層１５とを同時に形成した。ここで、裏面電極１３は、貫通孔１９を中心として直径５ｍｍ程度の領域を避けて形成された。
続いて、ｐ型半導体１の第２主面１ｃに、第１電極２および第２電極７をスクリーン印刷法を用いて印刷した後に乾燥させることによって、図９に示すように、貫通孔１９の内部に貫通電極部９を形成した。また、第１電極２および第２電極７はそれぞれ、裏面電極１３との間にｐｎ接合分離部２１が設けられるように直径３ｍｍ程度の銀で図９に示すように形成した。
次に、図１（ａ）に示すサブ電極５ｂのパターン（長さ２０ｍｍ、幅０．０７ｍｍ、ピッチ２ｍｍ）に、銀粉末、ガラスフリット、樹脂および有機溶媒からなる銀ペーストを反射防止膜２３上にスクリーン印刷した。
また、図１（ａ）に示す第１メイン電極５ａのパターン（長さ１５２ｍｍ、幅０．７５ｍｍ）に、銀粉末、ガラスフリット、樹脂および有機溶媒からなる銀ペーストを反射防止膜２３上にスクリーン印刷した。さらに、図１（ａ）に示す第２メイン電極５ｃのパターンに、銀粉末、ガラスフリット、樹脂および有機溶媒からなる銀ペーストを反射防止膜２３上にスクリーン印刷した。ここで、第２メイン電極５ｃのパターンは、貫通電極部９が第２メイン電極５ｃと接するように貫通孔１９の周辺のみ１．５ｍｍ程度に幅を広げたパターンとなっている。
その後、近赤外線炉内にて、上記スクリーン印刷された受光面電極パターンを約６５０℃の温度で焼成することによって受光面電極（第１メイン電極５ａ、サブ電極５ｂおよび第２メイン電極５ｃ）を形成した。このとき、上記スクリーン印刷された受光面電極パターンがファイアースルーにより反射防止膜２３を貫通して、ｎ型半導体３と接触する受光面電極第１メイン電極５ａ、サブ電極５ｂおよび第２メイン電極５ｃ）を形成することができた。
また、凹部（第１凹部２６および第２凹部２７）以外における第１メイン電極５ａのｐ型半導体１の第１主面１ａからの高さは約０．０２ｍｍ程度であった。また、第２メイン電極５ｃが貫通電極部９に接するようにすると、幅０．７５ｍｍの第１メイン電極５ａは凹部２６および凹部２７に接する。つまり、高度な位置合わせ精度が必要とされなかった。また、サブ電極５ｂの高さは概ね０．０１５ｍｍであった。
以上の工程により実施例１の光電変換装置を完成した。なお、受光面電極は、サブ電極５ｂが７３本、第１メイン電極５ａが４本の外観形状とした。なお、上記製造方法においては、実施例１の光電変換装置を形成することができる限り、各工程の順序を入れ替えてもよい。
このようにして得られた実施例１の光電変換装置について、電流電圧特性を測定した。この測定は、照射強度１００ｍＷ／ｃｍ2の疑似太陽光下（ＪＩＳ標準光ＡＭ１．５Ｇ）で、実施例１の光電変換装置の第１メイン電極５ａと裏面電極１３の４ヵ所にそれぞれ電流端子と電圧端子を結線して行なった。その結果を表１に示す。
＜比較例１＞
ｐ型半導体１の第１主面１ａに凹部（第１凹部２６および第２凹部２７）を形成せずにｐ型半導体１の第１主面１ａを平坦な状態としたことならびに受光面電極のメイン電極として第２メイン電極５ｃを形成せずに幅１．５ｍｍの第１メイン電極５ａのみを形成したこと以外は実施例１と同様にして光電変換装置を作製した。
ｐ型半導体１の第１主面１ａに凹部（第１凹部２６および第２凹部２７）を形成せずにｐ型半導体１の第１主面１ａを平坦な状態としたことならびに受光面電極のメイン電極として第２メイン電極５ｃを形成せずに幅１．５ｍｍの第１メイン電極５ａのみを形成したこと以外は実施例１と同様にして光電変換装置を作製した。
このようにして作製した比較例１の光電変換装置について、実施例１と同様にして電流電圧特性を測定した。その結果を表１に示す。
＜比較例２＞
ｐ型半導体１の第１主面１ａに凹部（第１凹部２６および第２凹部２７）を形成せずにｐ型半導体１の第１主面１ａを平坦な状態としたこと以外は実施例１と同様にして光電変換装置を作製した。
ｐ型半導体１の第１主面１ａに凹部（第１凹部２６および第２凹部２７）を形成せずにｐ型半導体１の第１主面１ａを平坦な状態としたこと以外は実施例１と同様にして光電変換装置を作製した。
このようにして作製した比較例２の光電変換装置について、実施例１と同様にして電流電圧特性を測定した。その結果を表１に示す。
なお、比較例２の光電変換装置は、ｐ型半導体１の第１主面１ａに凹部（第１凹部２６および第２凹部２７）が形成されていない点で実施例１の光電変換装置とは異なり、第２メイン電極５ｃが形成されている点で比較例１の光電変換装置と異なる。比較例２の光電変換装置における第１メイン電極５ａおよび第２メイン電極５ｃのｐ型半導体１の第１主面１ａからの高さは約０．０２ｍｍ程度であった。
表１に示すように、光電変換効率（Ｅｆｆ）等の特性については、実施例１の光電変換装置が最も良好な値を示していることが確認された。
これは、実施例１の光電変換装置においては、受光面電極のメイン電極（第１メイン電極５ａ）の線幅を細くすることによって短絡電流密度（Ｊｓｃ）を向上させることができ、かつそのメイン電極は凹部（第１凹部２６および第２凹部２７）に形成されて断面積が大きくなっているためフィルファクター（Ｆ．Ｆ）値の低下も見られなかったと考えられる。
比較例１の光電変換装置においては、受光面電極のメイン電極の線幅が広くなっているため、Ｆ．Ｆ値は高い値を得られたが、光を吸収する受光面積が減少したために短絡電流密度（Ｊｓｃ）が低下したものと考えられる。
比較例２の光電変換装置においては、受光面電極のメイン電極の線幅を狭くすることによって短絡電流密度（Ｊｓｃ）を向上させることができたが、受光面電極のメイン電極の線抵抗増大のためにＦ．Ｆ値が低下したものと考えられる。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明の光電変換装置を太陽電池として用いた場合には、太陽電池の受光面の凹部にメイン電極を形成して、メイン電極を微細化することが可能になり、かつメイン電極の高さを高くすることができるため、Ｆ．Ｆ値を高い値に維持しつつ、さらに短絡電流密度（Ｊｓｃ）を向上させることができる太陽電池とすることができる。
特に、本発明の光電変換装置を上述したＭＷＴ（Metallization Wrap Through）セル構造の太陽電池に適用することによって、製造工程を追加することがないため、製造コストの増加も抑えることができる。
１ ｐ型半導体、１ａ 第１主面、１ｂ 内壁面、１ｃ 第２主面、２ 第１電極、３ ｎ型半導体、５ａ 第１メイン電極、５ｂ，１０５ｂ サブ電極、５ｃ 第２メイン電極、７ 第２電極、９ 貫通孔電極部、１０ 光電変換装置、１３，１１３ 裏面電極、１５ 高濃度ｐ型層、１９ 貫通孔、２１ ｐｎ接合分離部、２３，１２３ 反射防止膜、２６ 第１凹部、２７ 第２凹部、１０１ ｐ型シリコン基板、１０３ ｎ型不純物拡散層、１０５ａ メイン電極、１０５ 受光面電極、１１５ 高濃度ｐ型不純物拡散層。
Claims (2)
- 第１導電型半導体と、前記第１導電型半導体の第１主面と第２主面との間を貫通する貫通孔と、を含み、
前記第１導電型半導体の前記第１主面には凹部が形成されており、
前記第１導電型半導体の前記第１主面、前記貫通孔の内壁面および前記第１導電型半導体の前記第２主面に形成された第２導電型半導体と、
前記第１導電型半導体の前記第１主面の前記凹部を埋めるようにして形成された受光面電極と、
前記第１導電型半導体の前記第２主面上に形成された第１電極と、
前記貫通孔の前記内壁面の前記第２導電型半導体に接して前記貫通孔の内部に形成された貫通孔電極部と、
前記第１導電型半導体の前記第２主面の前記第２導電型半導体上に前記貫通孔電極部と接して形成された第２電極と、を備え、
前記受光面電極と前記第２電極とが前記貫通孔電極部によって電気的に接続されている、光電変換装置。 - 請求項１に記載の光電変換装置を製造する方法であって、
導電性ペーストを前記凹部を埋めるように設置する工程と、
前記凹部に設置された前記導電性ペーストを焼成することにより前記受光面電極の少なくとも一部を形成する工程と、を含む、光電変換装置の製造方法。
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