JP2010539727A - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

太陽電池とその製造方法が提供される。太陽電池は、半導体部と、電極と、前記半導体部と前記電極の間のパッシベーション層を含む。前記パッシベーション層は、酸化シリコン（SiOｘ）を含む第1の層と、窒化シリコン（SiNｘ）を含む第２の層と、酸化シリコン（SiOｘ）又は酸窒化シリコン（SiOｘNｙ）を含む第３の層とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明の実施の形態は太陽電池及びその製造方法に関するものである。
太陽電池は、光を電気エネルギーに変換できる要素であり、ｐ型半導体とｎ型半導体を含む。
太陽電池の動作概要は以下のとおりである。太陽電池に光が入射すると、太陽電池の半導体内部に電子−正孔対が形成される。太陽電池の半導体の内部に形成された電界により、電子はｎ型半導体に向かって移動し、正孔はｐ型半導体に向かって移動する。このようにして、電力が生成される。
〔発明の概要〕
本発明の実施形態にしたがった太陽電池の説明図である。 本発明の実施形態にしたがった太陽電池の説明図である。 本発明の実施形態にしたがった太陽電池の説明図である。 パッシベーション層を含む太陽電池と、パッシベーション層を含まない太陽電池の電流−電圧特性を示す。 パッシベーション層を含む太陽電池とパッシベーション層を含まない太陽電池の効率を示す。 本発明の実施形態にしたがったパッシベーション層の例示的構造を示す。 本発明の実施形態にしたがったパッシベーション層の例示的構造を示す。 本発明の実施形態にしたがった太陽電池を製造する例示的方法を示す。 本発明の実施形態にしたがった太陽電池を製造する例示的方法を示す。 本発明の実施形態にしたがった太陽電池を製造する例示的方法を示す。 本発明の実施形態にしたがった太陽電池を製造する例示的方法を示す。 本発明の他の実施形態にしたがった太陽電池を製造する他の例示的方法を示す。 本発明の他の実施形態にしたがった太陽電池を製造する他の例示的方法を示す。 熱処理プロセスに依存する太陽電池の寿命を示す。 本発明の実施形態にしたがった太陽電池の例示的構造を示す。 本発明の実施形態にしたがった太陽電池の例示的構造を示す。
図１から図３は、本発明の実施形態にしたがった太陽電池の説明図を示す。
図１に示すように、太陽電池は、半導体部１００と、反射防止膜１１０と、半導体部１００の上に又は覆うように(on or over)位置する前面電極１２０とを含むことができる。パッシベーション層１３０は半導体部１００の面（side）例えば、下に位置することができる。裏面電極１４０は、パッシベーション層１３０の上に位置することができる。
半導体部１００の頂面及び底面は、視点によって逆転する。例えば、もし図１に示す太陽電池の頂面及び底面を反転すると、パッシベーション層１３０は半導体部１００の上に位置し、反射防止層１１０と前面電極１２０は半導体部１００の下に位置する。
実施の形態においては、光が入射する半導体部１００の表面（即ち、光入射表面）は、堆積が容易なように半導体部１００の上部表面であると考えられる。しかし、それに限定されない。
半導体部１００は、ｐｎ接合を形成する、ｐ型半導体１０１とｎ型半導体部１０２を含みうる。
太陽電池に光が入射すると、その光は、電力を生成するためにｐ型半導体１０１とｎ型半導体１０２との間の接合面で電気エネルギーに変換される。
図１は、ｐ型半導体１０１とｎ型半導体１０２との間にｐｎ接合を備えた構造を持つ半導体部１００を示す。
図１の実施の形態において、半導体部１００は、半導体部１００の光入射表面の反対表面にパッシベーション層１３０が位置する条件で、アモルファスシリコン層を含むことができる。さらに、半導体部１００は、マイクロクリスタル（又は多結晶）シリコン層を含みうる。
反射防止層１１０は、半導体部１００への入射光の反射が抑制できるように、半導体部１００の上に位置することができる。このように、光の反射は低減させることができる。言い換えると、反射防止層１１０は、半導体部１００に到達する光の量を増加できる。そのため、光電気変換効率（即ち、太陽電池の効率）は、増加する。
反射防止層１１０は、パッシベーション層１３０の形成物質（構成物質）の少なくとも１つを含みえる。例えば、もし、反射防止層１１０がパッシベーション層１３０の構成物質に属する窒化シリコン（ＳｉＮｘ）から構成することができるならば、少なくとも１つの同一の物質からなる機能層は、半導体部１００の両表面にそれぞれ形成される。例えば、窒化シリコン層は半導体部１００の両表面にそれぞれ形成される。
裏面電極１４０は、アルミニウム（Ａｌ）で形成できる。裏面電極１４０は、スクリーン印刷法を利用して厚膜電極として形成できる。裏面電極１４０の厚さｔは、概ね２０μｍから１００μｍにできる。
もし、裏面電極１４０が電子ビーム法を利用して形成されると、裏面電極１４０は、概ね１μｍから２μｍの厚さの厚膜電極として形成できる。
裏面電極１４０は実施の形態の１つにおいてスクリーン印刷法を利用して形成されるので、裏面電極１４０はＡｌとガラス材料を含みうる。
裏面電極１４０の部分は、フォトリソグラフィ、機械的スクライビング、エッチングペースト又はレーザブレーションを利用したパターン形成技術により、パッシベーション層１３０を通して、半導体部１００と電気的に接続できる。
裏面電極１４０の半導体部１００との、レーザビーム（レーザブレーション）を利用した電気的接続は、その詳細を追って説明する。
裏面電界（BSF）層１５０は、パッシベーション層１３０（即ち、半導体部１００に電気的に接続された裏面電極１４０の部分）を貫通する裏面電極１４０の一部と半導体部１００を通して形成できる。
半導体部１００がｐ型半導体１０１とｎ型半導体１０２を含む時、ＢＳＦ層１５０は、ｐ型半導体１０１と比較してｐ型不純物をヘビードープしたＰ+型半導体にできる。
ＢＳＦ層１５０は、半導体部１００の裏面欠陥（または裏側の表面欠陥）を減少することにより、光電変換効率を改善できる。
半導体部１００と裏面電極１４０との間のパッシベーション層１３０は、裏面反射（ＢＳＲ）を増加することができ、裏面再結合速度（ＢＳＲＶ）を減少できる。例えば、パッシベーション層１３０は、太陽電池のＢＳＲを約８０％又はそれ以上に増加させることができ、また、太陽電池のＢＳＲＶを約５００ｃｍ／ｓに減少することができる。
上述したように、パッシベーション層１３０がＢＳＲを増加し、ＢＳＲＶを減少できるので、太陽電池の厚さを減少させることが可能である。例えば、たとえ太陽電池が比較的薄いシリコンウエハを用いて製造されても、安定した光電変換効率の太陽電池の製造が可能である。
図２に示されるように、図２（ａ）には、半導体部１００と裏面電極１４０との間に形成されたパッシベーション層１３０が示され、図２（ｂ）には、半導体部１００と裏面電極１４０との間のパッシベーション層が除去されたものが示される。
図２（ａ）において、パッシベーション層１３０は、ＢＳＲを増加させ、ＢＳＲＶを減少させるので、半導体部１００は、比較的薄いシリコンウエハを用いたとしても（仮に、半導体部１００がより薄い厚さｔ１より小さくとも）、広い波長帯域の光を吸収できる。よって、比較的薄いシリコンウエハを用いたとしても、高い光電変換効率が得られる。さらに、高価なシリコンの使用の減少により、製造コストを減少できる。
図２（ａ）に示されるように、シリコンウエハの厚さｔ１がパッシベーション層１３０を備えない一般的なシリコンウエハの厚さと同じかまたは薄いとしても（例えば、シリコンウエハの厚さｔ１が約２０μｍと等しいかまたは薄いとしても）、パッシベーション層１３０が備わると、高い光電変換効率が得られる。シリコンウエハの厚さｔ１が約２０μｍと等しいかまたは厚いときは、パッシベーション層があると、太陽電池の光電変換効率は更に増加する。
反対に、図２（ｂ）では、パッシベーション層１３０が除去されているので、半導体部１００は、高い光電変換効率を得るためには、十分に厚い厚さｔ２を持つことが必要である。図２では、（ｂ）の厚さｔ２は、（ａ）の厚さｔ１より大きい。
図２の（ｂ）では、もしパッシベーション層１３０が除去されると、シリコンウエハの厚さｔ２は、高い光電変換効率を得るためには約２５０μｍ必要である。
もし、パッシベーション層１３０が薄い半導体（即ち、薄いシリコンウエハ）から除去されると、薄い半導体は狭い波長帯域の光を吸収する。それゆえ、光電変換効率は減少する。
さらに、もしパッシベーション層１３０が裏面電極１４０と半導体部１００との間に備わると、たとえ、薄いシリコンウエハを使用しても、裏面電極１４０と半導体部１００との間の熱膨張係数の差から生じる湾曲現象（bowing phenomenon）が減少するか、または防止できる。
パッシベーション層１３０は、第１の層２００、第２の層２１０及び第３の層２２０を含む。
第２の層２１０は窒化シリコン（SiNｘ）を含むことができ、電子と正孔の再結合を抑制できる。第２の層２１０は、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）により形成できる。アンモニヤ（ＮＨ３）とシラン（ＳｉＨ４）とを第２の層２１０を形成するプロセスのソースガスとして用いることができる。第２の層２１０を形成するプロセス中に使用されるソースガスにより、第２の層２１０は、多量の水素（Ｈ２）を含む。
第１の層２１０に含まれる水素（Ｈ２）は、電子と正孔の再結合を減少させるために高温プロセスにおいて、半導体部１００とパッシベーション層１３０との界面のシリコン（Ｓｉ）のダングリングボンド（不対結合手）と結合することができる。それゆえ、太陽電池のＢＳＲＶは減少し、光電変換効率は増加する。
第２の層２１０に含まれる水素の量が増加すると、ＢＳＲＶは減少する。第２の層２１０に含まれる水素の量が増加するように、第２の層２１０の形成工程において、アンモニヤ（ＮＨ３）とシラン（ＳｉＨ４）のそれぞれの量を調整できる。また、第２の層２１０の屈折率は、ソースガスの量に依存して比較的大きな値を持つ。即ち、第２の層２１０の屈折率は、ソースガスからの第２の層２１０を形成するプロセス条件に基づいて制御できる。例えば、第２の層２１０の屈折率は、概ね２．２から３．０にできる。望ましくは、第２の層２１０の屈折率は、概ね２．３にできる。第２の層２１０の屈折率は、第１の層２００の屈折率より大きくでき、水素の含有量が多い。
第２の層２１０は、電子と正孔の再結合を減少させるように厚さ約１０ｎｍ〜１００ｎｍにできる。望ましくは、第２の層２１０の厚さは、約２０ｎｍである。
図１を参照すると、第１の層２００は酸化シリコン（ＳｉＯｘ）を含む。第２の層２１０と半導体部１００との接触を制限するか又は防止するために、第１の層２００は、第２の層２１０と半導体部１００との間に位置することができる。即ち、図１の実施形態において、第１の層２００は、第２の層２１０と半導体部１００との接触を完全に防いではいない。例えば、第１の層２００は、裏面電極１４０が半導体部１００に電気的に接続されている接触部分で、第２の層２１０と半導体部１００との間の接触を防いでいない。
第１の層２００は、第２の層２１０の正の電荷により誘引される電子反転層の形成及び裏面電極１４０の寄生分路（parasitic shunt）を減少又は防止できる。そうして、太陽電池の効率は増加しうる。
もし、パッシベーション層１３０が第１の層２００を含まなければ、第２の層２１０と半導体部１００との間の接触領域が増加する。そうして、第２の層２１０と半導体部１００との界面に誘引される電子反転層の電荷は、裏面電極１４０に急激に導かれる。太陽電池の効率は、そのような場合には過度に減少する。
第１の層２００の屈折率は、約１．４から１．６にできる。望ましくは、第１の層２００の屈折率は、約１．５である。
第１の層２００は、太陽電池の効率を高いレベルに維持するために、概ね約１０ｎｍ〜３００ｎｍの厚さである。望ましくは、第１の層２００は、約２００ｎｍである。
第３の層２２０は、酸窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）又は酸化シリコン（ＳｉＯｘ）を含む。第３の層２２０は、裏面電極１４０の物質が第１の層２００及び第２の層２１０に浸透することを制限するか、または防止する。
もし、本発明の実施形態が、第１の層２００と第２の層２１０のみを含むパッシベーション層１３０を備えると、又は、スクリーン印刷法が裏面電極１４０を厚膜電極として形成するために用いられると、高温熱処理プロセス( high-temperature firing process)が、スクリーン印刷法を使って裏面電極１４０を形成することに使用できる。そうして、裏面電極１４０の物質(即ち、Ａｌとガラス物質）が高温熱処理プロセスの高温中で第１の層２００と第２の層２１０に浸透する。そうして、パッシベーション層１３０の特性は、そのような場合には、劣化する。
他方、パッシベーション層１３０が第１の層２００と第２の層２１０に加えて、第３の層を含むと、裏面電極１４０の物質（即ち、Ａｌとガラス物質）が、高温熱処理プロセスにおいて、第1の層２００と第２の層２１０へ浸透することが制限されるか、又は防止される。こうして、パッシベーション層１３０の特性は、そのような場合に劣化しない。
そうして、パッシベーション層１３０の第３の層２３０は、高温熱処理プロセスを含むスクリーン印刷法を経て裏面電極１４０を形成することを可能にする。製造時間と製造コストを減少できるので、スクリーン印刷法は、有利である。
裏面電極１４０の物質がパッシベーション層１３０に浸透することを制限するか又は防止するために、パッシベーション層１３０の第３の層２３０は、パッシベーション層１３０を構成する３つの層の中で最外層であることは、必要ではないが、望ましい。そうして、第１の層２００、第２の層２１０及び第３の層２２０は、名前の順序で位置することができる。即ち、第１の層２００は、半導体部１００に接触し、第２の層２１０は、第１の層２００の上にあり、第３の層２２０は、第２の層２１０の上にある。
第３の層２２０は、第２の層２１０に含まれる水素が裏面電極１４０に放出されることを制限又は防止できる。それによって、太陽電池の運転効率を改善できる。
第３の層２２０は、半導体部１００で伝送する光の反射率の増加により、半導体部１００の吸収できる光の波長帯域が増加するように指定した適切な屈折率又は屈折率を持つ。ＢＳＲが増加するように、第３の層２２０の屈折率は、第２の層２１０の屈折率より小さく、第１の層２００の屈折率より小さいか又は大きいことは、必要ではないが、望ましい。
例えば、第３の層２２０が、酸窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）を含むとき、第３の層２２０の屈折率は、第１の層２００の屈折率と等しいか、又は大きく、第２の層２１０の屈折率よりは小さい。第３の層２２０が、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）を含むとき、第３の層２２０の屈折率は、第２の層２１０の屈折率より小さく、第１の層２２０の屈折率と実質的に等しい。
例えば、窒化酸化シリコンを含む第３の層２２０の屈折率は、概ね１．５〜２．０であり、望ましくは、約１．７である。酸化シリコンを含む第３の層２２０の屈折率は、概ね１．４から１．６であり、望ましくは約１．５である。
第３の層２２０は、パッシベーション特性を備えるために、厚さ約１００ｎｍ〜３００ｎｍである。望ましくは、第３の層２２０の厚さは、約２００ｎｍである。
したがって、第１の層２００、第２の層２１０及び第３の層２２０の望ましい屈折率及び厚さとして、例えば、それぞれ、１．５、２．３、と１．７と、２００ｎｍ、２０ｎｍ、と２００ｎｍを使うと、本発明のこの実施の形態によるパッシベーション層１３０は、厚い第１の層２００、薄い第２の層２１０と厚い第３の層を含む。さらに、第１の層２００、第２の層２１０及び第３の層２２０の固有屈折率に基づき、固有の厚さを考慮して、第１の層２００への入射光は、スネルの法則(Snell's law)により第１の層２００と第２の層２１０の間の界面で、半導体部１００の中間又は内部に向かって反射する。しかし、その光は、スネルの法則により、第２の層２１０と第３の層２２０との間の界面で反対方向に反射されるだろう。即ち、第１の層２００と第３の層２２０の屈折率より大きい屈折率の第２の層２１０が挟まれることで、入射光の反射が減少する。第１の層２００、第２の層２１０及び第３の層２２０の個別の屈折率と厚さの使用及び制御が、個別の界面での入射光の最適な又は望ましい反射量を得るために実施できるように、第１の層２００、第２の層２１０と第３の層２２０の個別の好ましい屈折率と厚さの使用は、必要ではないということに注意すべきである。更に、このように反射された入射光は、太陽電池の効率を更に改善するために裏面電極１４０に反射する。
図１及び２の記載を参照すると、太陽電池の製造コストはシリコンウエハのコストで決定されるので、シリコンウエハの厚さは太陽電池の製造コストを削減するために減少することが、必要でないが、望ましい。しかしながら、シリコンウエハの厚さを減少すると、太陽電池で吸収できる光の波長帯域が減少する。よって、運転効率(driving efficiency)は減少する。
したがって、本発明の実施形態において、シリコンウエハの厚さを減少する際に、運転効率の減少を削減する又は防止するために、パッシベーション層１３０は半導体部１００と裏面電極１４０との間に形成される。更に、裏面電極１４０が裏面電極１４０を形成するのに必要な時間と裏面電極の製造コストを削減するために、スクリーン印刷法を使って形成されるとき、パッシベーション層１３０は、パッシベーション膜１３０の最外膜として、酸窒化シリコン膜（ＳｉＯｘＮｙ）又は酸化シリコン膜（ＳｉＯｘ）で形成した第３の層２２０を含む。第３の層２２０は、スクリーン印刷法に含まれる高温熱処理プロセスによるパッシベーション層１３０の特性の劣化の程度を抑える又は劣化を防止する。
シリコンウエハの厚さもパッシベーション層１３０を除去した状態で減少すると、太陽電池の製造コストは減少する。しかし、太陽電池の運転効率は、上記の様々な理由により減少する。
図３の図３（ａ）には、本発明の実施形態による太陽電池が示される。そして、図３（ｂ）には、パッシベーション層を含まない太陽電池が示される。
図３（ｂ）に示される半導体部１００の厚さｔ２は、図３（ａ）に示される半導体部１００の厚さｔ１に似ている。即ち、図３（ｂ）に示される太陽電池のシリコンウエハの厚さと、図３（ａ）に示される太陽電池のシリコンウエハの厚さは互いに同じ厚さ（例えば、約２００μｍ）にできる。
図３（ｂ）において、薄いシリコンウエハを用い、裏面電極１４０が半導体部１００に接触しているので、裏面電極１４０と半導体部１００との熱膨張係数の差により、湾曲現象が起きる。更に、図３（ｂ）に示される太陽電池はパッシベーション層を含まないので、ＢＳＲは約７０％より小さく、ＢＳＲＶは、約１０００ｃｍ／ｓと等しいか又は大きい大きな値である。対照的に、図３（ａ）に示される太陽電池の特性は、パッシベーション層１３０のために改善されている。
図４は、本発明の実施形態による太陽電池と、パッシベーション層を含まない太陽電池の電流−電圧特性を示すグラフである。図４において、の図４（ａ）は、実施形態による３つの太陽電池サンプルで行った実験結果を示し、図４（ｂ）は、パッシベーション層を含まない２つの太陽電池サンプルで行った実験結果を示す。
図５は、本発明の実施形態による太陽電池とパッシベーション層を含まない太陽電池の効率を示すグラフである。
図４に示すように、図４（ｂ）に示す、シリコンウエハの厚さが約２００μｍでパッシベーション層を含まない太陽電池において、Ｖｏｃ（オープンサーキット電圧）は、概ね０．６２４Ｖ〜０．６２５Ｖであり、Ｊｓｃ（ショートサーキット電流）は概ね３３．６ｍＡ／ｃｍ２〜３３．７ｍＡ／ｃｍ２であった。
図４（ａ）に示す、シリコンウエハの厚さが約２００μｍでパッシベーション層１３０を含む太陽電池において、Ｖｏｃは、概ね０．６３０Ｖ〜０．６３３Ｖであり、Ｊｓｃは概ね３４．７ｍＡ／ｃｍ２〜３５．０ｍＡ／ｃｍ２であった。
図４から、図４（ａ）に示されるパッシベーション層を備えた本発明の実施形態による太陽電池は、図４（ｂ）に示されるパッシベーション層を備えない太陽電池より非常に優れた特性を持つことが解かる。
比較的薄いウエハを使用した図４（ｂ）に示される太陽電池において、光電変換効率は、半導体部１００により吸収可能な光の波長帯域が狭いために減少する。反対に、比較的薄いシリコンウエハを使用した実施形態による太陽電池においては、裏面電極１４０と半導体部１００の間のパッシベーション層１３０は、ＢＳＲを増加させ、ＢＳＲＶを減少させる。よって、電流・電圧特性は、パッシベーション層を備えた半導体部１００により吸収可能な光の波長帯域が広いために改善される。
このように、図５から、図５（ａ）に示された実施形態による太陽電池の効率は、図５（ｂ）に示される太陽電池の効率より遥かに優れていることが解かる。
図6及び７には、本発明の実施形態によるパッシベーション層の構造の例が示される。図６には、第1の層６００と第２の層６１０を含む２層構造を持つパッシベーション層が示される。第１の層６００は、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）を含み、第２の層６１０は、酸窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）を含むことができる。
図６に示される第１の層６００は、図１に示される第１の層２００と実質的に同じ物質を含み、図６に示される第２の層６１０は、図１に示される第２の層２１０及び第３の層２２０と同じ機能を持ちうる。第１の層６００は、屈折率が概ね１．４から１．６であり、厚さは概ね１０ｎｍから３００ｎｍである。
図６に示される第２の層６１０は、図１に示される第３の層２２０と実質的に同じ物質を含みうる。十分に厚い第２の層６１０は、電子と正孔の再結合を減少できる。
第２の層６１０は裏面電極１４０の形成物質が第１の層６００へ浸透することを制限するか又は防止できる。より具体的には、第２の層６１０は、裏面電極１４０の高温熱処理プロセスにおいて、裏面電極１４０を構成するＡｌが第１の層６００へ浸透することを制限するか又は防止できる。よって、スクリーン印刷法を裏面電極１４０の形成に使用できる。
第２の層６１０の厚さは、第２の層６１０が第２の層２１０と第３の層２２０の代替として機能するように、第３の層２２０の厚さより厚くできる。よって、第２の層６１０は、第２の層２１０と第３の層２２０の機能を果たしうる。第２の層６１０の厚さは、第２の層６１０が十分な厚さを持つように、第１の層６００より厚くできる。第２の層６１０の厚さは、概ね１００ｎｍ〜３００ｎｍにできる。
第２の層６１０の屈折率は、第１の層６００の屈折率より大きいため、半導体部１００で吸収できる光の波長帯域が半導体部１００で反射により伝わる光の増加により、増加する。望ましくは、第２の層６１０屈折率は、概ね１．５から２．０である。
図７は、第１の層６００と第２の層６１０に加えて第３の層６２０を含むパッシベーション層１３０を示す。
第３の層６２０は、酸窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）又は酸化シリコン（ＳｉＯｘ）を含む。パッシベーション層１３０の第３の層６２０は、パッシベーション層１３０のパッシベーション効果を更に増加させる。第３の層６２０の屈折率は、第２の層６１０の屈折率と等しいか又はより小さく、第１の層６００の屈折率と等しいか、又はより大きい。
例えば、第３の層６２０をＳｉＯｘで形成すると、第３の層６２０の屈折率は、ＳｉＯｘで形成される第１の層６００の屈折率と実質的に等しく、第２の層６１０の屈折率より小さい。第３の層６２０をＳｉＯｘＮｙで形成すると、第３の層６２０の屈折率は、ＳｉＯｘＮｙで形成される第２の層６１０の屈折率と実質的に等しく、第１の層６００の屈折率より大きい。
上述したように、第３の層６２０は、第２の層６１０と実質的に同じ物質（即ち、ＳｉＯｘＮｙ）を含む。しかし、第２の層６１０及び第３の層６２０が同一の物質を含むとしても、第２の層６１０と第３の層６２０の屈折率は、第２の層６１０と第３の層６２０のそれぞれを形成するプロセスの間の異なる状態（via different manners）のプラズマ容器内のガスの組成比や、プラズマ容器内の温度などの、プロセス条件に応じて互いに異なる。
上述したように、第３の層６２０は、第１の層６００を実質的に同じ物質（即ち、ＳｉＯｘ）を含む。しかし、第１の層６００と第３の層６２０が同じ物質を含むにもかかわらず、第１の層６００と第３の層６２０の屈折率は、第１の層６００と第３の層６２０のそれぞれを形成するプロセスの間の異なる状態のプロセス条件に応じて互いに異なる。
したがって、第１の層６００は、第２の層６１０より厚く、第１の層の屈折率は、第２の層６１０の屈折率より一般に小さい。よって、第１の層６００への入射光は、スネルの法則により、第１の層６００と第２の層６１０との界面で半導体部１００の中央又は内側方向に屈折するだろう。様々な層の顕著な配列により、入射光の反射は減少する。
図８から図１１には、実施形態による太陽電池を製造する例示的方法を示す。
図８に示されるように、実施形態による太陽電池の例示的な製造方法は、半導体部にパッシベーション層を形成する工程S700と、パッシベーション層上に電極物質層を形成する工程S７１０と、電極物質層上にレーザビームを照射する工程S720と、電極物質層を熱処理する工程７３０を含む。
より具体的には、図９（ａ）に示されるように、ｐ型半導体１０１の表面にｎ型半導体１０２を形成するために、ＰＯＣｌ３を使った熱拡散プロセスをｐ型半導体に実施する。こうして、ｐｎ接合を含む半導体部１００が形成される。そして、反射防止層１１０をｎ型導体１０２を覆うように、半導体部１００の表面に形成する。より具体的には、半導体部１００は、所定のガス環境のチャンバー内に配置され、反射防止層１１０を形成するために化学気相成長（ＣＶＤ）を用いたチャンバー内部で、窒化シリコンが、半導体部１００のｎ型導体１０２上に堆積される。
次に、図9（ｂ）に示されるように、第1の層２００は、半導体部１００の他の表面に形成される。より具体的には、酸化シリコンが、酸化シリコンを含む第１の層２００を形成するために、ソースガスとしてＳｉＮ４とＮＯ２を用いたＰＥＣＶＤ法により半導体部１００の他の表面上に堆積される。
次に、図９（ｃ）に示されるように、第２の層２１０は、第１の層２００の上に形成される。より具体的には、窒化シリコンが、第２の層２１０を形成するために、ソースガスとしてＳｉＨ４とＮＨ３を用いたＰＥＣＶＤ法により第1の層２００の上に堆積される。
次に、図９（ｄ）に示されるように、第３の層２２０は、第２の層２１０上に形成される。より具体的には、酸窒化シリコンが、第３の層２２０を形成するために、ソースガスとしてＳｉＮ４、ＮＯ２とＮＨ３を用いたＰＥＣＶＤ法により第２の層２１０上に堆積される。
図９の（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）に示されたそれぞれのプロセスにおいて、第１の層２００、第２の層２１０及び第３の層２２０の屈折率は、ソースガスの注入量、ソースガスの注入率、ソースガスの分圧のようなプロセス条件を調整することにより、調節される。
より具体的には、図９（ｂ）に示されるプロセスにおいて、ソースガスは、第１の層の屈折率が約１．４から１．６になるように調節される。図９（ｃ）に示されるプロセスでは、ソースガスは、第２の層２１０の屈折率が第１の層２００の屈折率より大きく、望ましくは、約２．２から３．０になるように調節される。図９（ｄ）に示されるプロセスでは、ソースガスは、第３の層２２０の屈折率が第２の層２１０の屈折率より小さく、望ましくは、約１．５から２．０になるように調節される。第１の層２００、第２の層２１０と第３の層２２０を含むパッシベーション層１３０は、上述のプロセスを通して形成される。
次に、図１０（ｅ）に示されるように、電極物質層９００を形成するためにパッシベーション層１３０は、電極ペーストにより、被覆される。スクリーン印刷法は、電極物質層９００を形成するために使われる。より具体的には、図１１に示されるように、電極ペースト１０２０を形成するために、金属パウダー、溶剤とガラスパウダーが混合される。金属パウダーは、裏面電極の形成のためにＡｌを含む。ガラスフリット（パウダー）は、裏面電極を平坦に形成するために添加される。
次に、電極ペースト１０２０は、ペースト供給装置１０１０を使用して、所定のパターンを持つスクリーンマスク１０００上に被覆される。そのとき、スクリーンマスク１０００上の電極ペースト１０２０は、スクウィーザ１０３０を用いて、パッシベーション層１３０上に被覆される。
その結果、図１０（ｅ）に示されるように、電極物質層９００は、パッシベーション層１３０上に形成される。
上述したように、スクリーン印刷法が電極物質層９００を形成するために用いられるとき、後続の電極物質層９００の熱処理により得られる裏面電極１４０は、厚膜電極の形に形成される。電極ペースト１０２０がスクリーン印刷法に使われるために、裏面電極１４０は、ガラス物質と共に金属物質も含みうる。
次に、図１０（ｆ）に示されるように、レーザビームが、電極物質層９００の上に照射される。そうして、電極物質層９００の一部が、パッシベーション層１３０を通して半導体部１００に電気的に接続される。より具体的には、電極物質層９００の金属粒子、パッシベーション層１３０の一部、及び半導体部１００の一部は、電極物質層９００上に照射されるレーザビームの高エネルギ（又は熱）のために、溶融する。その結果、裏面電極１４０と半導体部１００は、パッシベーション層１３０に形成された孔(hole)を通じて互いに電気的に接続される。
次に、図１０（ｇ）に示されるように、電極物質層９００が、レーザビームが照射されて、高温で熱処理されると、電極物質層９００内に含まれた不純物（例えば、溶剤）が、燃える。言い換えると、電極物質層９００から溶剤が除去され、裏面電極１４０は、電極物質層９００に残存する金属物質とガラス物質を使って形成される。電極物質層９００を熱処理するためのプロセスにおいて、溶剤は電極物質層９００から完全には除去されず、不純物として少量の溶剤が電極物質層９００中に残存するかもしれない。しかしながら、少量の不純物が残存するとしても、熱処理プロセスを通して形成された裏面電極１４０は、本質的に金属物質とガラス物資から形成されると理解できる。
熱処理プロセスにおいて、熱処理温度は、溶剤が燃え尽き、金属物質とガラス物質が溶融し、融合する温度でなければならない。例えば、熱処理温度は、概ね７００度と等しいか又はより高い温度である。
上述したように、電極物質層９００の熱処理温度は、７００℃と等しいか又はより高い温度であるので、パッシベーション層１３０は、７００℃と等しいか又はより高い温度に耐えなければならない。
もし、熱処理プロセスが、７００℃と等しいか又はより高い温度で実施されると、電極物質層９００に含まれる金属物質（即ち、Ａｌ）とガラス物質は、半導体部１００に浸透する。したがって、パッシベーション層１３０は、Ａｌとガラス物質が半導体部１００へ浸透することを制限する又は防止しなければならない。このために、パッシベーション層１３０は、図１に示す第３の層２２０又は図６と７に示す第２の層６１０を含む。
上記で検討したように、パッシベーション層１３０は、図１に示す第３の層２２０又は図６と７に示す第２の層６１０を含むので、電極物質層９００が高温で熱処理されるとしても、パッシベーション層１３０は、電極物質層９００に含まれる物質が半導体部１００へ浸透することを制限する又は防止することができる。
図１２と図１３に、実施形態による太陽電池を製造する他の例示の方法が示される。
図１２に示されるように、パッシベーション層１３０は、工程Ｓ１２００で半導体部１００上に形成される。
次に、孔１３００は、工程Ｓ１２１０でパッシベーション層１３０上に形成される。より具体的には、図１３（ａ）に示されるように、孔１３００は、半導体部１００の一部とパッシベーション層１３０に形成される。孔１３００は、パッシベーション層１３０上にレーザビームを照射することにより形成される。
次に、図１３（ｂ）に示されるように、電極ペーストは、工程Ｓ１２２０で電極物質層１３１０を形成するために孔１３００を持つパッシベーション層１３０上に被覆される。スクリーン印刷法は、電極ペーストの被覆に用いられる。工程Ｓ１２２０では電極ペーストは、孔１３００とパッシベーション層１３０の表面に浸透する。
次に、図１３（ｃ）に示されるように、パッシベーション層１３０上に裏面電極１４０を形成するために、熱処理プロセスを電極物質層１３１０に施す。
図８から図１１に示される方法において、電極物質層９００を通してパッシベーション層１３０に孔を形成するように、パッシベーション層１３０上に電極物質層９００を形成し、その後、電極物質層９００上にレーザビームを照射することにより、裏面電極１４０が、半導体部１００に電気的に接続される。反対に、図１２及び１３に示される方法において、パッシベーション層１３０に孔１３００を形成し、その後、電極ペーストを被覆することにより、裏面電極１４０は、半導体部１００に電気的に接続される。
パッシベーション層１３０にレーザビームを直接照射することにより、図１２及び１３により示された方法により製造された裏面電極１４０の平坦化レベルは、レーザビームを電極物質層に照射する図８から１１に示された方法により製造した裏面電極１４０の平坦化レベルより優れている。
図１４は熱処理プロセスに依存する太陽電池の寿命を示す。図１４（ａ）は、熱処理プロセスが施されない太陽電池を示し、（ｂ）は、７００℃と等しいか又はそれ以上の高温で熱処理プロセスが施された太陽電池を示す。図１４において、「Ａ」は、酸化シリコンからなる第１の層と窒化シリコンからなる第２の層を含む２層構造のパッシベーション層を含む太陽電池を示し、「Ｂ」は、酸化シリコンからなる第１の層と窒化シリコンからなる第２の層と酸窒化シリコンからなる第３の層を含む３層構造のパッシベーション層を含む太陽電池を示す。「Ｂ」のパッシベーション層は、酸化シリコンからなる第１の層と酸窒化シリコンからなる第２の層を含む２層構造のパッシベーション層を備えることもできる。
図１４から、熱処理工程が施された図１４（ｂ）の太陽電池の寿命は、熱処理工程が施されない図１４（ａ）の太陽電池の寿命より、遥かに長いことが解かる。
さらに、熱処理プロセスが施されたとしても、酸化シリコン、窒化シリコンと酸窒化シリコンを含むパッシベーション層「Ｂ」の太陽電池の寿命は、酸化シリコンと窒化シリコンを含むパッシベーション層「Ａ」の太陽電池の寿命より長い。
パッシベーション層「Ｂ」の太陽電池の寿命がパッシベーション層「Ａ」の太陽電池の寿命より長い理由は、酸窒化シリコンで形成され第３の層が追加され、第３の層が窒化シリコンで形成された第２の層に含まれる水素が外部に放出されることを妨げるからである。
図１５と１６には、実施形態にしたがった太陽電池の例示的構造が示される。図１５に示されるように、起伏のある（又は平坦でない）部分が半導体部１００のｐｎ接合部分の上に形成される。この場合、光を受ける表面領域は起伏のある部分のため増加し、光電変換効率（即ち、太陽電池の効率）は改善される。
図１６に示されるように、表面電極１２０と裏面電極１４０は、起伏のある部分とそこに表面電極１２０が形成されていないために、光入射面である面と反対の表面に配置される。この場合、受光表面の領域が増加するために、光電変換効率（即ち、太陽電池の効率）が改善する。
表面電極１２０が光入射面と反対側表面に配置されるとき、ｎ型半導体１０２（即ち、エミッタ層）も、光入射面と反対側表面に配置できる。
本発明の実施形態は、表又は裏について、電極、基板の表面又はその他に関して限定されない。例えば、そのような参照は、説明の都合による。表面か裏面かは、第１の電極、第２の電極、基板の表面又はその他の例から容易に理解できる。
「一実施形態」、「実施形態」又は「例示的実施形態」等により明細書に参照したものは、実施形態に関連して説明した特別の特徴、構造又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態を含むことを意味する。本明細書の各所に記載した外観は、必ずしも同じ実施形態を参照する訳ではない。更に、特別な特徴、構造又は特性は、実施形態と関連して説明されたとき、当業者の範囲内で、実施形態の他のものと関連したそのような特徴、構造又は特性をもたらすものと考える。
実施形態は、図示された実施形態を参照して説明されているが、この開示の原則の精神と範囲内に含まれる多数の他の変形及び実施形態が当業者により導き出せると解すべきである。より具体的には、多数の変形例及び改良は、明細書の開示、図面及び添付の請求項の範囲内で部品要素及び／又は主題の組み合わせ配列が可能である。更に、部品要素及び／又は配列の変形及び変更に加えて、代替手段の使用も当業者にとって明らかである。

Claims (22)

  1. 第一型半導体と第二型半導体を含む半導体部と、
    前記半導体部に電気的に接続される電極と、
    前記半導体部と前記電極間のパッシベーション層であって、酸化シリコン（SiOｘ）を含む第1の層と、窒化シリコン（SiNｘ）を含む第２の層と、酸化シリコン（SiOｘ）又は酸窒化シリコン（SiOｘNｙ）を含む第３の層とを含む前記パッシベーション層と、
    を備えた太陽電池。
  2. 前記第１の層は前記半導体部と接触し、前記第２の層は前記第１の層の上にあり、前記第３の層は前記第２の層の上にあって、前記第１の層の屈折率は、前記第２の層の屈折率より小さい、請求項1に記載の太陽電池。
  3. 前記第３の層の屈折率は、前記第２の層の屈折率より小さく、前記第１の層の屈折率と等しいかまたはより大きい、請求項２に記載の太陽電池。
  4. 前記第２の層は水素（H２)を含む、請求項1に記載の太陽電池。
  5. 前記パッシベーション層は、前記半導体部の光入射表面の反対の表面に位置する、請求項1に記載の太陽電池。
  6. 前記半導体部の前記光入射表面に反射防止層を更に備え、
    前記反射防止層は、少なくとも、酸化シリコン（SiOｘ）、窒化シリコン（SiNｘ）または酸窒化シリコン（SiOｘNｙ）の内の一つを含む、請求項５に記載の太陽電池。
  7. 前記電極の一部が前記パッシベーション層を通して前記半導体部に電気的に接続される、請求項1に記載の太陽電池。
  8. 前記パッシベーション層を通して前記半導体部に電気的に接続される前記電極の一部と前記半導体部の間の裏面電界層を更に備える、請求項７に記載の太陽電池。
  9. 第一型半導体と第二型半導体を含む半導体部と、
    前記半導体部に電気的に接続される電極と、
    前記半導体部と前記電極間のパッシベーション層であって、酸化シリコン（SiOｘ）を含む第1の層と、酸窒化シリコン（SiOｘNｙ）を含む第２の層とを含む前記パッシベーション層と、を備えた太陽電池。
  10. 前記第１の層は前記半導体部と接触し、前記第２の層は前記第１の層の上にあって、前記第１の層の屈折率は、前記第２の層の屈折率より小さい、請求項９に記載の太陽電池。
  11. 前記パッシベーション層は、酸化シリコン（SiOｘ）または酸窒化シリコン（SiOｘNｙ）を含む第３の層を更に含む、請求項９に記載の太陽電池。
  12. 前記第１の層は前記半導体部と接触し、前記第２の層は前記第１の層の上にあり、前記第３の層は前記第２の層の上にあって、
    前記第３の層の屈折率は、前記第２の層の屈折率と等しいか又はより小さく、前記第１の層の屈折率と等しいか又はより大きい、請求項１１に記載の太陽電池。
  13. 半導体部と、電極と、前記半導体部と前記電極との間のパッシベーション層とを備えた太陽電池の製造方法であって、
    前記半導体部の上に、前記パッシベーション層であって、酸化シリコン（SiOｘ）を含む第1の層と、酸窒化シリコン（SiOｘNｙ）を含む第２の層とを含む前記パッシベーションを形成し、
    前記パッシベーション層を通して孔を形成し、
    前記パッシベーション層上に前記電極を形成するために電極物質層を形成することを含む、太陽電池の製造方法。
  14. 前記パッシベーション層は、前記第１の層と前記第２の層との間に、窒化シリコン（SiNｘ）を含む第３の層を更に含む、請求項１３に記載の太陽電池の製造方法。
  15. 前記孔をホトリソグラフィ、機械的スクライビング、エッチングペースト及びレーザアブレーションにより形成する、請求項1３に記載の太陽電池の製造方法。
  16. 前記孔の形成には、前記パッシベーション層上へのレーザビームの照射も含む、請求項1３に記載の太陽電池の製造方法。
  17. 前記孔の形成は、前記電極層の形成の後に起こり、前記電極物質層へのレーザビームの照射も含む、請求項1３に記載の太陽電池の製造方法。
  18. 前記電極物質層は、金属パウダー、溶剤、ガラスパウダーを含んだ電極ペーストを含む、請求項1３に記載の太陽電池の製造方法。
  19. 前記金属パウダーはアルミニウム（Al)を含む、請求項1８に記載の太陽電池の製造方法。
  20. 前記半導体部上に前記パッシベーション層を形成することは、
    前記半導体部上に酸化シリコン（SiOｘ）層を形成し、
    前記酸化シリコン層上に窒化シリコン（SiNｘ）層を形成し、
    前記窒化シリコン層上に酸窒化シリコン（SiOｘNｙ）層を形成することを含む、請求項1３に記載の太陽電池の製造方法。
  21. 前記電極物質層を７００℃又はそれ以上の温度で熱処理することを含む、請求項1３に記載の太陽電池の製造方法。
  22. 前記電極物質を形成することは、
    スクリーン印刷法を用いて前記パッシベーション層上に前記電極ペーストを被覆することを含む、請求項1８に記載の太陽電池の製造方法。
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