JP2010129965A - 太陽電池、および、その製造方法 - Google Patents

太陽電池、および、その製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】製造工程の複雑化を招来することなく、高い光電変換効率を有する太陽電池を提供する。
【解決手段】本発明に係る太陽電池10は、導電型の異なる複数の半導体層を含む半導体層群11と、該半導体層群11の光入射側と反対側の面に形成された裏面電極14とを備えた太陽電池10であって、半導体層群11の光入射側と反対側の面と裏面電極14との間にポーラスシリコン層15が形成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、太陽電池、および、その製造方法に関するものである。
太陽電池の光電変換効率を高めるための構造として、半導体基板の裏面(光入射側と反対側)に、その半導体基板と同一導電型であり、かつ、不純物濃度の高い電界層を設ける構造が従来公知となっている。この裏面電界層は、半導体基板の裏面近傍で発生したキャリアを半導体基板の内部へ押し戻すことによって、光電変換効率を高める働きをしている(以後、この働きを「裏面電界効果」とする)。半導体基板がP型シリコン基板の場合、裏面電界層を形成する方法として、例えば、該P型シリコン基板の裏面にアルミペーストを印刷焼成する方法、または、ボロンやアルミニウムを拡散する方法が挙げられる。また、該P型シリコン基板の裏面にP型微結晶シリコン層を設けることにより、ヘテロ結合の裏面電界層を形成することもできる。
また、このような太陽電池においては、半導体基板の裏面に電極が形成されている。この裏面電極は、裏面電界層を透過した入射光を反射して光電変換効率を高める働きをしている(以後、この働きを「裏面反射効果」とする)。
特許文献1には、光電変換効率を向上させるために、裏面電界層と裏面電極との間に、裏面電界層より低屈折率の透明絶縁膜層を設けることによって、半導体基板内に反射する光量を増加させる技術が開示されている。この裏面反射構造は、以下のように形成される。すなわち、まず、裏面電界層上に、プラズマCVD法を用いて窒化シリコン膜または酸化シリコン膜からなる透明絶縁膜層を形成し、続いてフォトエッチング法を用いて、透明絶縁膜層のパターニングを行なう。これにより裏面電界層と裏面電極との接触部分を設けてから、真空蒸着法を用いてアルミニウム(Al)または銀(Ag)などの金属を半導体基板裏面全面に蒸着することによって裏面電極を形成する。
このような裏面反射構造は、裏面に形成されたP層およびN層を覆うように透明絶縁膜層を設けることによって、両極の電極が裏面に配置されている裏面電極型太陽電池にも適用することができる。
特開平6−310740号公報(1994年11月4日公開)
しかしながら、特許文献1に記載の方法では太陽電池の製造工程が複雑になるという問題がある。具体的には、プラズマCVD法を用いて透明絶縁膜層を成膜する必要があり、また、フォトエッチング法を用いて裏面電界層と金属電極との接触部分を設ける必要もある。
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、製造工程の複雑化を招来することなく、高い光電変換効率を有する太陽電池を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明に係る太陽電池は、導電型の異なる複数の半導体層を含む半導体層群と、該半導体層群の光入射側と反対側の面に形成された電極とを備えた太陽電池であって、上記半導体層群の光入射側と反対側の面と上記電極との間にポーラスシリコン層が形成されている、ことを特徴としている。
上記の構成によれば、上記ポーラスシリコン層の屈折率と、上記半導体層群の光入射側と反対側の面の屈折率との違いにより、上記半導体層群に入射した光の一部を該半導体層群内に反射することができる。すなわち、裏面反射効果を高めることができる。しかも、上記ポーラスシリコン層は、上記半導体層群の光入射側と反対側の面をポーラス化することにより形成できるので、かかる裏面反射構造を形成するために、プラズマCVD法およびフォトエッチング法を用いる必要がない。したがって、製造工程の複雑化を招来することなく、高い光電変換効率を有する太陽電池を提供することができる、という効果を奏する。
本発明に係る太陽電池の上記半導体層群は、第1導電型を有する第1半導体層と、上記第1半導体層の光入射側の面に形成された第2導電型を有する第2半導体層と、上記第1半導体層の光入射側と反対側の面に形成された電界層であって、第1導電型を有し、かつ、上記第1半導体層よりも不純物濃度の高い電界層と、を含み、上記ポーラスシリコン層は、上記電界層と上記電極との間に形成されている、ことが好ましい。
上記の構成によれば、上記ポーラスシリコン層の屈折率と上記電界層の屈折率との違いにより、上記半導体層群に入射した光の一部を該半導体層群内に反射することができる。しかも、上記ポーラスシリコン層を上記電界層の光入射側と反対側の面をポーラス化することにより形成できるので、製造工程の複雑化を招来することなく高い光電変換効率を実現することができる。
本発明に係る太陽電池の上記半導体層群は、第1導電型を有する第1半導体層と、上記第1半導体層の光入射側と反対側の面の一部に形成された第2導電型を有する第2半導体層と、上記第1半導体層の光入射側と反対側の面の一部に形成された電界層であって、第1導電型を有し、かつ、上記第1半導体層よりも不純物濃度の高い電界層とを含み、上記ポーラスシリコン層は、上記第2半導体層と上記電極の間、および、上記電界層と上記電極との間の少なくとも何れかに形成されている、ことが好ましい。
上記の構成によれば、上記ポーラスシリコン層の屈折率と上記電界層の屈折率との違い、および/または、上記ポーラスシリコン層の屈折率と上記第2半導体層の屈折率との違いにより、上記半導体層群に入射した光の一部を該半導体層群内に反射することができる。しかも、上記ポーラスシリコン層を上記電界層および/または上記第2半導体層の光入射側と反対側の面をポーラス化することにより形成できるので、製造工程の複雑化を招来することなく高い光電変換効率を実現することができる。
上記課題を解決するために、本発明に係る太陽電池の製造方法は、導電型の異なる複数の半導体層を含む半導体層群と、該半導体層群の光入射側と反対側の面に形成された電極とを備えた太陽電池の製造方法であって、
上記電極を形成する前に、上記半導体層群の光入射側と反対側の面にポーラスシリコン層を形成するポーラスシリコン層形成工程を含む、ことを特徴としている。
上記の構成によれば、上記半導体層群の光入射側と反対側の面にポーラスシリコン層を形成することによって、高い光電変換効率を有する太陽電池を製造することができる。上記ポーラスシリコン層は、上記半導体層群の光入射側と反対側の面をポーラス化することにより製造することができるので、プラズマCVD法およびフォトエッチング法を用いた従来の製造方法と比べて、製造工程を簡略化することができる、という効果を奏する。
本発明に係る太陽電池の上記半導体層群は、第1導電型を有する第1半導体層と、上記第1半導体層の光入射側の面に形成された第2導電型を有する第2半導体層と、上記第1半導体層の光入射側と反対側の面に形成された電界層であって、第1導電型を有し、かつ、上記第1半導体層よりも不純物濃度の高い電界層と、を含み、上記ポーラスシリコン層形成工程は、上記電界層を光入射側と反対側からポーラス化することによって、上記ポーラスシリコン層を形成する工程である、ことが好ましい。
上記の構成によれば、上記電界層の光入射側と反対側の面にポーラスシリコン層を形成することによって、高い光電変換効率を有する太陽電池を製造することができる。上記ポーラスシリコン層は、上記電界層の光入射側と反対側の面をポーラス化することにより製造されるので、プラズマCVD法およびフォトエッチング法を用いた従来の製造方法と比べて、製造工程を簡略化することができる。
本発明に係る太陽電池の上記半導体層群は、第1導電型を有する第1半導体層と、上記第1半導体層の光入射側と反対側の面の一部に形成された第2導電型を有する第2半導体層と、上記第1半導体層の光入射側と反対側の面の一部に形成された電界層であって、第1導電型を有し、かつ、上記第1半導体層よりも不純物濃度の高い電界層とを含み、上記ポーラスシリコン層形成工程は、上記第2半導体層および上記電界層の少なくとも何れかを、光入射側と反対側からポーラス化することによって、上記ポーラスシリコン層を形成する工程である、ことが好ましい。
上記の構成によれば、上記電界層および/または上記第2半導体層の光入射側と反対側の面にポーラスシリコン層を形成することによって、高い光電変換効率を有する太陽電池を製造することができる。上記ポーラスシリコン層は、上記電界層および/または上記第2半導体層の光入射側と反対側の面をポーラス化することにより製造されるので、プラズマCVD法およびフォトエッチング法を用いた従来の製造方法と比べて、製造工程を簡略化することができる。
なお、本発明に係る太陽電池の製造方法において、上記ポーラスシリコン層は、陽極酸化法、または、ステインエッチングにより形成することができる。
本発明に係る太陽電池は、以上のように、導電型の異なる複数の半導体層を含む半導体層群と、該半導体層群の光入射側と反対側の面に形成された電極とを備えた太陽電池であって、上記半導体層群の光入射側と反対側の面と上記電極との間にポーラスシリコン層が形成されている。このため、裏面反射効果を高めることができ、かつ、プラズマCVD法およびフォトエッチング法を用いる必要がない。したがって、製造工程の複雑化を招来することなく、高い光電変換効率を有する太陽電池を提供することができる。
また、本発明に係る太陽電池の製造方法は、以上のように、導電型の異なる複数の半導体層を含む半導体層群と、該半導体層群の光入射側と反対側の面に形成された電極とを備えた太陽電池の製造方法であって、上記電極を形成する前に、上記半導体層群の光入射側と反対側の面にポーラスシリコン層を形成するポーラスシリコン層形成工程を含む。このため、上記半導体層群の光入射側と反対側の面にポーラスシリコン層を形成することによって、高い光電変換効率を有する太陽電池を製造することができる。上記ポーラスシリコン層は、上記半導体層群の光入射側と反対側の面をポーラス化することにより製造することができるので、プラズマCVD法およびフォトエッチング法を用いた従来の製造方法と比べて、製造工程を簡略化することができる。
本発明のいくつかの実施形態について、図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。
〔実施形態1〕
(太陽電池10の構成)
まず、第1の実施形態に係る太陽電池10の構成について、図1を参照して説明する。図1は、太陽電池10の構成を示す断面図である。
図1に示す太陽電池10は、半導体層群11と、反射防止膜12と、表面グリッド電極13と、裏面電極(電極)14と、を備えており、半導体層群11と裏面電極14との間にポーラスシリコン層15が形成されている。半導体層群11は、P型シリコン基板(第1半導体層)16と、N層(第2半導体層)17と、P層(電界層)18と、を含む。
P型シリコン基板16は、P型の半導体基板であり、その光入射側の面にはN層17が形成されている。P型シリコン基板16は、単結晶のシリコン基板であっても、多結晶のシリコン基板であってもよい。N層17の光入射側の面は、反射防止膜12によって覆われている。反射防止膜12は、太陽電池10表面における光の反射率を低減させる。表面グリッド電極13は、反射防止膜12を貫通してN層17に接続するように形成されている。光によって励起された電子は、N層17を経由し、表面グリッド電極13を介して取り出される。
P型シリコン基板16の光入射側と反対側の面には、P型シリコン基板16よりも高濃度の不純物が添加されたP層18が形成されている。P層18は、P型シリコン基板16の裏面近傍で発生したキャリア(電子および正孔)をP型シリコン基板16の内部へ押し戻すことによって、光電変換効率を高める裏面電界層として機能する。P層18の光入射側と反対側の面には、ポーラスシリコン層15が形成されている。ポーラスシリコン層15の光入射側と反対側の面は、裏面電極14によって覆われている。光によって励起された正孔は、P型シリコン基板16のP領域、P層18、およびポーラスシリコン層15を経由し、この裏面電極14を介して取り出される。
(太陽電池10の製造方法)
次に、太陽電池10の製造方法について、図2に基づいて説明する。図2は太陽電池10の製造方法を示すフロー図である。
太陽電池10の製造方法は、図2に示すように、まずP型シリコン基板16を洗浄した後、その表面にテクスチャエッチングを行なう。続いて、オキシ塩化燐(POCI)を用いた気相拡散によって燐(P)を拡散し、P型シリコン基板16の光入射側表面にN層17を形成する。続いて、N層17の光入射側に、プラズマCVD法を用いて、窒化シリコン膜からなる反射防止膜12を形成する。
続いて、P型シリコン基板16の光入射側と反対側の面をエッチングすることによって、光入射側と反対側の面に形成されているN層を除去する。続いて、P型シリコン基板16の光入射側と反対側の面にアルミニウムペーストを印刷・焼成した後、Al−Si合金層と燃焼層とを塩酸を用いてエッチング除去することによって、P層18を形成する。
続いて、P層18の光入射側と反対側の面をポーラス化することによって、ポーラスシリコン層15を形成する。具体的には、弗酸(HF)と硝酸(HNO)との混合液を用いて、P層18の光入射側と反対側の面をステインエッチングする。これにより、弗酸がP層18表面におけるSiを分解して空孔を形成し、強力な酸化剤である硝酸が該空孔に入って分解を進めることによってポーラスシリコン層15が形成される。このステインエッチングは例えば、弗酸:硝酸:純水を1:6:30に混合したエッチング液にP型シリコン基板16を60秒間浸すか、または該エッチング液の蒸気に触れさせること等によって行なわれる。なお、プラス極で通電し酸化膜を形成する陽極酸化法によってポーラスシリコン層15を形成することもできる。本発明においては、P層18の屈折率と異なる屈折率を有するポーラスシリコン層15を形成することにより、半導体層群11に入射した光の一部を該半導体層群11内に反射して裏面反射効果を高めることができる。
ポーラスシリコン層15を形成した後に、真空蒸着法を用いてアルミニウム(Al)または銀(Ag)などの金属をP型シリコン基板16の光入射側と反対側の全面に蒸着し、裏面電極14を形成する。最後に、P型シリコン基板16の光入射側における反射防止膜12に、Agペーストを印刷・焼成し、ファイヤースルーすることによって、表面グリッド電極13を形成する。以上説明したように太陽電池10を製造する。
本発明に係る太陽電池10は以上に説明したように、P型シリコン基板16の光入射側と反対側の面をステインエッチングすることによって、ポーラスシリコン層を形成する。これにより、プラズマCVD装置を用いて透明絶縁膜層を成膜する必要が無く、フォトエッチング法を用いて裏面電界層と金属電極との接触部分を設ける必要も無い。したがって、製造工程の複雑化を招来することなく、高い光電変換効率を有する太陽電池を提供することができる。
(ポーラスシリコン層による光電効率効果)
次に、図3を参照して、太陽電池10におけるポーラスシリコン層15の作用について説明する。図3は、ポーラスシリコン層15を形成した太陽電池10と、ポーラスシリコン層を形成しない太陽電池との、波長に対する外部量子効率(光電変換効率)を示すグラフである。
図3に示したグラフによれば、ポーラスシリコン層15を形成した太陽電池10は、ポーラスシリコン層を形成しない太陽電池よりも、波長950nm以上の長波長光が効率的に光電変換したことが分かる。すなわち、裏面反射効果が大きくなっていることが分かる。なお、太陽電池10のIV特性としては、ポーラスシリコン層15を形成したことにより、短絡電流密度が36.2mA/cmから36.8mA/cmに向上した。また、開放電圧と曲線因子とに変化はなかった。
〔実施形態2〕
(太陽電池10の構成の変形例)
次に、第2の実施形態に係る太陽電池20の構成について、図4を参照して説明する。図4は、太陽電池20の構成を示す断面図である。
図4に示す太陽電池20は、半導体層群21と、反射防止膜12と、裏面電極14´および22と、を備えており、半導体層群21と裏面電極14´および22各々との間にポーラスシリコン層15´および23が形成されている。半導体層群21は、P型シリコン基板16と、N層17´と、P層18´と、を備えている。なお、図4に示す太陽電池20は、両極の電極が光入射側と反対側に配置されている点において、図1に示した太陽電池10と異なる。すなわち、太陽電池20は、裏面電極型太陽電池である。
P型シリコン基板16は、第1導電型を有する半導体基板であり、その光入射側の面は反射防止膜12によって覆われている。P型シリコン基板16の光入射側と反対側の面の一部には、N型の不純物が高濃度に添加されたN層17´が形成されている。N層17´は接合層として機能する。N+層17´の光入射側と反対側の面には、N型のポーラスシリコン層23が形成されている。N型のポーラスシリコン層23の光入射側と反対側の面はN型の裏面電極22によって覆われている。光によって励起された電子は、N+層17´およびN型のポーラスシリコン層23を経由してN型の裏面電極22を介して取り出される。
また、P型シリコン基板16の光入射側と反対側の面のうちのN層17´が形成されていない一部には、P型の不純物が高濃度に添加されたP層18´が形成されている。P層18´は裏面電界層として機能する。P層18´の光入射側と反対側の面には、P型のポーラスシリコン層15´が形成されている。P型のポーラスシリコン層15´の光入射側と反対側の面はP型の裏面電極14´によって覆われている。光によって励起された正孔は、P型シリコン基板16のP領域、P層18´、およびP型のポーラスシリコン層15´を経由してP型の裏面電極14´を介して取り出される。
なお、太陽電池10および20の構成は、パッシベーション膜といった太陽電池一般に用いられる構成を含むこともできる。また、太陽電池10および20においては基板をP型としたが、基板をN型とすることも可能である。
(付記事項)
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、本発明は、以下のように表現することもできる。
1.単結晶若しくは多結晶の第一導電型半導体基板と、前記半導体基板の光入射側に形成された第二導電型の半導体層と、前記半導体基板の前記光入射側と反対側の裏面上に形成された第一導電型でかつ前記半導体基板より高濃度の裏面電界層と、該裏面電界層上に形成された裏面電極層を有する太陽電池において、前記裏面電界層と前記裏面電極層との間にポーラスシリコン層を設けることを特徴とする太陽電池。
2.単結晶若しくは多結晶の第一導電型半導体基板と、前記半導体基板の前記光入射側と反対側の裏面上の少なくとも一部に形成された第二導電型の半導体層と、前記第二導電型層上に形成された第二導電型電極と、前記半導体基板の前記光入射側と反対側の裏面上の少なくとも一部に形成された第一導電型でかつ前記半導体基板より高濃度の裏面電界層と、該裏面電界層上に形成された第一導電型電極を有する太陽電池において、前記第二導電型層上に形成された第二導電型電極ないし前記裏面電界層と前記第一導電型電極層との間の少なくとも一部にポーラスシリコン層を設けることを特徴とする太陽電池。
3.前記ポーラスシリコン層を前記裏面電界層の一部をポーラス化することによって形成する、1に記載の太陽電池の製造方法。
4.前記ポーラスシリコン層を前記第二導電型層および前記裏面電界層の一部をポーラス化することによって形成する、2に記載の太陽電池の製造方法。
5.前記ポーラス化を陽極酸化法によって行う、3及び4に記載の太陽電池の製造方法。
6.前記ポーラス化をステインエッチング法によって行う、3及び4に記載の太陽電池の製造方法。
本発明の太陽電池は、太陽電池一般に対して広く適用することができる。
本発明の実施形態を示すものであり、太陽電池の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態を示すものであり、太陽電池の製造方法を示すフロー図である。 本発明の実施形態を示すものであり、太陽電池についての波長に対する外部量子効率を示すグラフである。 本発明の実施形態を示すものであり、太陽電池の他の構成例を示す断面図である。
符号の説明
10、20 太陽電池
11、21 半導体層群
16 P型シリコン基板(第1半導体層)
17、17´ N層(第2半導体層)
18、18´ P層(電界層)
12 反射防止膜
13 表面グリッド電極
14、14´、22 裏面電極(電極)
15、15´、23 ポーラスシリコン層

Claims (8)

  1. 導電型の異なる複数の半導体層を含む半導体層群と、該半導体層群の光入射側と反対側の面に形成された電極と、を備えた太陽電池であって、
    上記半導体層群の光入射側と反対側の面と上記電極との間にポーラスシリコン層が形成されている、
    ことを特徴とする太陽電池。
  2. 上記半導体層群は、
    第1導電型を有する第1半導体層と、
    上記第1半導体層の光入射側の面に形成された第2導電型を有する第2半導体層と、
    上記第1半導体層の光入射側と反対側の面に形成された電界層であって、第1導電型を有し、かつ、上記第1半導体層よりも不純物濃度の高い電界層と、を含み、
    上記ポーラスシリコン層は、上記電界層と上記電極との間に形成されている、
    ことを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。
  3. 上記半導体層群は、
    第1導電型を有する第1半導体層と、
    上記第1半導体層の光入射側と反対側の面の一部に形成された第2導電型を有する第2半導体層と、
    上記第1半導体層の光入射側と反対側の面の一部に形成された電界層であって、第1導電型を有し、かつ、上記第1半導体層よりも不純物濃度の高い電界層とを含み、
    上記ポーラスシリコン層は、上記第2半導体層と上記電極の間、および、上記電界層と上記電極との間の少なくとも何れかに形成されている、
    ことを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。
  4. 導電型の異なる複数の半導体層を含む半導体層群と、該半導体層群の光入射側と反対側の面に形成された電極とを備えた太陽電池の製造方法であって、
    上記電極を形成する前に、上記半導体層群の光入射側と反対側の面にポーラスシリコン層を形成するポーラスシリコン層形成工程を含む、
    ことを特徴とする太陽電池の製造方法。
  5. 上記半導体層群は、
    第1導電型を有する第1半導体層と、
    上記第1半導体層の光入射側の面に形成された第2導電型を有する第2半導体層と、
    上記第1半導体層の光入射側と反対側の面に形成された電界層であって、第1導電型を有し、かつ、上記第1半導体層よりも不純物濃度の高い電界層と、を含み、
    上記ポーラスシリコン層形成工程は、上記電界層を光入射側と反対側からポーラス化することによって、上記ポーラスシリコン層を形成する工程である、
    ことを特徴とする請求項4に記載の太陽電池の製造方法。
  6. 上記半導体層群は、
    第1導電型を有する第1半導体層と、
    上記第1半導体層の光入射側と反対側の面の一部に形成された第2導電型を有する第2半導体層と、
    上記第1半導体層の光入射側と反対側の面の一部に形成された電界層であって、第1導電型を有し、かつ、上記第1半導体層よりも不純物濃度の高い電界層とを含み、
    上記ポーラスシリコン層形成工程は、上記第2半導体層および上記電界層の少なくとも何れかを、光入射側と反対側からポーラス化することによって、上記ポーラスシリコン層を形成する工程である、
    ことを特徴とする請求項4に記載の太陽電池の製造方法。
  7. 上記ポーラスシリコン層形成工程は、陽極酸化法により上記ポーラスシリコン層を形成する工程である、
    ことを特徴とする請求項5または6に記載の太陽電池の製造方法。
  8. 上記ポーラスシリコン層形成工程は、ステインエッチングにより上記ポーラスシリコン層を形成する工程である、
    ことを特徴とする請求項5または6に記載の太陽電池の製造方法。
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