JP2011243806A

JP2011243806A - 太陽電池

Info

Publication number: JP2011243806A
Application number: JP2010115596A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Yashiki; 英範屋鋪; Kohei Sawada; 幸平澤田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2010-05-19
Filing date: 2010-05-19
Publication date: 2011-12-01

Abstract

【課題】裏面電界層とより密着性の高い裏面電極構造を実現する太陽電池を提供する。
【解決手段】シリコン基板２の受光面とは反対側の面である裏面側にシリコン基板２と同じ導電型の拡散領域８が形成され、裏面電極が拡散領域８に接しており、裏面電極は拡散領域８側から第１金属層１０、第２金属層１１、銀膜５の順に形成され、第２金属層１１は、第１金属層１０と密着性の良い金属層及び銀層と密着性の良い金属層を含んでいる太陽電池である。
【選択図】図５

Description

本発明は、太陽電池に関する。

太陽光のような光エネルギを電気エネルギに変換する太陽電池は、地球環境問題に対する関心が高まるにつれ、積極的に種々の構造、構成のものが開発されている。その中でも、シリコン結晶系の太陽電池は、その変換効率、製造コストなどの優位性により最も一般的に用いられている。また、現在、量産されている太陽電池の中では受光面に櫛型の集電極を有し、受光面と反対の面である裏面全面に電極を形成した両面電極型の太陽電池が多数を占める。ここで、受光面に形成された電極を受光面電極、裏面に形成された電極を裏面電極とする。両面電極型の太陽電池の中でも、高い光電変換効率を実現するための構造として、シリコン基板と裏面電極との接合部において局所的にｐ^＋層を設けたことを特徴とする太陽電池が非特許文献１に、ＰＥＲＬ（ＰａｓｓｉｖａｔｅｄＥｍｉｔｔｅｒ，ＲｅａｒＬｏｃａｌｌｙ−ｄｉｆｆｕｓｅｄ）構造として開示されている。図８は、この非特許文献１に記載された構造の太陽電池である。図９は、図８の太陽電池の製造方法の一例を示す製造フロー図である。

図８に示す太陽電池１０１は、受光面側の凹凸構造を省略して示しているが、まず、凹凸構造を形成する（Ｓ１０１。「Ｓ」はステップを表す。以下同様。）。シリコン基板１０２の受光面に、例えばリンを拡散させることによってｎ型半導体層１０３が形成される（Ｓ１０２）。一般的には、シリコン基板１０２にはｐ型シリコン基板が用いられる。次に、ｎ型半導体層１０３の上に受光面パッシベーション膜１０４と反射防止膜１０５を形成する（Ｓ１０３、Ｓ１０４）。次に、シリコン基板１０２の裏面に、例えば、酸化シリコン膜などの裏面パッシベーション膜１０７を形成し（Ｓ１０５）、その後、部分的に除去してコンタクトホールを形成し、熱処理により裏面パッシベーション膜１０７をマスクとして部分的に裏面電界層１０８が形成される（Ｓ１０６）。次に、コンタクトホールを充填し、さらに裏面パッシベーション膜１０７を覆うようにして裏面電極１０９が形成される（Ｓ１０７）。次に、受光面パッシベーション膜１０４と反射防止膜１０５とを部分的に除去してコンタクトホールを形成し、受光面電極１０６を形成する（Ｓ１０８）。

非特許文献１に記載の太陽電池は、局所的に設けた裏面電界層１０８によりＬＢＳＦ（ＬｏｃａｌＢａｃｋＳｕｒｆａｃｅＦｉｅｌｄ）効果を得ながら、同時に裏面パッシベーション膜１０７によりシリコン基板１０２の裏面表層部シリコン原子の未結合手を終端させ、表面再結合速度を低減することができる。光電変換効率と表面再結合速度は密接に結びついており、上述のように表面再結合速度を低減することにより、光電変換効率を高くすることができる。また、裏面パッシベーション膜として窒化シリコン膜を用いた太陽電池が特許文献１に記載されている。

A. Wang，J. Zhao，and M. A. Green :" 24% efficient silicon solar cells"，Appl. Phys. Lett.，vol. 57，pp. 602-604 (1990)

特開平９−４５９４５号公報（平成９年２月１４日公開）

太陽電池においては、製造コスト低減のためにシリコン基板をより薄くする試みがなされている。厚みが薄い１００μｍ程度のシリコン基板を用いた太陽電池の光電変換効率をより高くするには、太陽電池を透過した光である８５０ｎｍ以上の長波長域の光を反射させて再度太陽電池内部に入射させる光閉じ込め技術が必要になる。この透過光を再度太陽電池内部に入射させる効果をＢＳＲ（ＢａｃｋＳｕｒｆａｃｅＲｅｆｌｅｃｔｏｒ）効果という。

このＢＳＲ効果を持たせるため、非特許文献１に開示されている太陽電池の構造では、裏面に光を反射させる材料を用いて裏面反射膜を形成している。なおこの膜は裏面電極にもなる。具体的には、アルミニウム膜を用いている。１０００ｎｍの光での反射率は、アルミニウムは約９４％であり、金は９８％、銀は９９％、銅は９８．５％である。

そこで、裏面反射膜としてアルミニウム膜の代わりに、より反射率が高い銀膜を使用することが考えられるが、銀膜を用いてもアルミニウム膜以上の太陽電池特性を得られなかった。その原因を検討するために、図８の太陽電池を参考に、裏面電極を蒸着による銀膜としたものをサンプルα、裏面電極を蒸着によるアルミニウム膜としたものをサンプルβとしたサンプルを作製し、太陽電池特性を測定した結果を表３に示す。なお、受光面を反射防止膜のみとし裏面パッシベーション膜を窒化シリコン膜とした。表のＪｓｃは短絡電流密度、Ｖｏｃは開放電圧、ＦＦ（ＦｉｌｌＦａｃｔｏｒ）は曲線因子、Ｅｆｆは光電変換効率である。サンプルβの太陽電池特性をリファレンスとし、各値をそれぞれ１．０００とした。

表３からわかるように、裏面電極をアルミニウムとしたサンプルβと比較して、裏面電極を銀としたサンプルαでは、ＦＦとＥｆｆが大幅に低くなっていることがわかる。これは、シリコン基板に形成された裏面電界層との銀膜の密着性が悪いことに起因すると考えられる。

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、反射率の高い材料である銀を用い裏面電界層との密着性を改善することにより電気的接続を改善し、ＢＳＲ効果を有効にして光電変換効率を向上させる太陽電池を提供することにある。

本発明の太陽電池は、シリコン基板の受光面とは反対側の面である裏面側にシリコン基板と同じ導電型の拡散領域が形成され、裏面電極が拡散領域に接して形成されており、裏面電極は拡散領域側から第１金属層、第２金属層、銀膜の順に形成され、第２金属層は第１金属層と密着性の良い金属層及び銀層と密着性の良い金属層を含んでいることを特徴とする。

ここで、本発明の太陽電池は、第１金属層は、拡散領域の不純物と同じ元素からなる金属層であることがより好ましい。

また、本発明の太陽電池は、第１金属層はアルミニウムであることがより好ましい。

また、本発明の太陽電池は、第１金属層と密着性の良い金属層はチタニウムであり、銀層と密着性の良い金属層はパラジウムであることがより好ましい。

また、本発明の太陽電池は、裏面電極上に保護膜が形成されていることがより好ましい。

また、本発明の太陽電池は、保護膜がパラジウムであることがより好ましい。

また、本発明の太陽電池は、裏面電極と拡散領域とは、シリコン基板に形成されパターニングされた裏面パッシベーション膜を介して接していることがより好ましい。

本発明によれば、より反射率の高い材料である銀を用いつつ、裏面電界層との密着性の良い裏面電極構造を形成することができるので、従来の太陽電池よりもさらに特性に優れた太陽電池を提供することができる。

検討に用いた太陽電池の模式的な断面構成図である。図１の太陽電池の製造方法の一例を示す製造フロー図である。評価のために作製した太陽電池の裏面電極構造を示す模式的な断面図である。評価のために作製した太陽電池のＩ−Ｖ特性の測定結果である。本発明の太陽電池の一例の模式的な断面構成図である。本発明の太陽電池の他の一例の模式的な断面構成図である。比較例の太陽電池の模式的な断面構成図である。従来技術の太陽電池の一例の模式的な断面構成図である。図８の太陽電池の製造方法の一例を示す製造フロー図である。

まず、裏面電極にＡｇ電極を用いるにあたり、表面電界層とＡｇ電極の間の密着性を改善することを目的として、Ａｌ層を介した場合について、検討を行った。

図１は、表面電界層とＡｇ電極の間にＡｌ層を介した太陽電池を示す模式的な断面図である。これについて以下説明する。

ｐ型のシリコン基板２の受光面側にｎ型半導体層３が形成され、受光面には凹凸構造６が形成されている。その受光面側には反射防止膜７が形成され、反射防止膜７を貫通する櫛状の銀電極である受光面電極４がｎ型半導体層３と電気的に接している。

ｐ型のシリコン基板２の受光面と反対側の面である裏面（以下「シリコン基板の裏面」という。）には、窒化シリコンである裏面パッシベーション膜９がパターニングされて形成され、シリコン基板２の裏面側にはそのパターニングに対応したアルミニウム拡散層で形成された裏面電界層８が局所的に形成されている。パターニングに対応した裏面電界層８は金属層７０と接しており、金属層７０の上には銀膜５が形成されている。また、裏面パッシベーション膜９の上にも銀膜５が形成されておりＢＳＲ効果を有する。ここで、裏面電極は金属層７０と銀膜５とからなる。さらに、銀膜５の上には全面に銀膜５の保護膜１２であるパラジウム膜が形成されている。この保護膜１２により硫化を抑制することができる。

以下に、図１の太陽電池の製造方法を示す。図２は、図１に示す太陽電池の製造方法の一例である製造フロー図である。図２に示す製造フロー図を参照して説明する。基板の大きさが１００ｍｍ角、厚さが１００〜２００μｍ、電気抵抗率が０．５〜５０Ωｃｍ、より好ましくは０．５〜１０Ωｃｍのｐ型シリコン基板を用いる。

まず、凹凸構造形成工程（Ｓ１）では、シリコン基板２の両面に、アルカリ液を用いたテクスチャエッチング装置により凹凸構造を形成する。

次に、ｎ型半導体層形成工程（Ｓ２）において、拡散材料としてＰＯＣｌ_３を用いチューブ炉で８００〜９００℃程度の温度で、１５〜６０分程度の時間、シリコン基板２を熱処理することで、シリコン基板２の露出表面の全面にリンを気相拡散して、ｎ型半導体層３を形成する。また、ｎ型半導体層３の形成は、気相拡散ではなくｎ型不純物のリンを含む塗布液をシリコン基板２の受光面となる面（以下「シリコン基板の受光面」という。）に塗布して熱処理を行う塗布拡散法を用いても構わない。

次に、反射防止膜形成工程（Ｓ３）において、ｎ型半導体層３の受光面側にプラズマＣＶＤ法により、ガス種としてシランおよびアンモニアを用いて、膜厚７０ｎｍ程度の窒化シリコン膜を反射防止膜７として形成する。

次に、裏面パッシベーション膜形成工程（Ｓ４）において、反射防止膜７が形成されたシリコン基板２の受光面にエッチング防止のための耐酸性を有する保護テープを貼り、シリコン基板２の受光面と反対側の面である裏面（以下「シリコン基板の裏面」という。）側に形成された凹凸構造およびｎ型半導体層をエッチング除去するとともに、シリコン基板２の裏面を平坦化する。この際、シリコン基板２の端面に形成された凹凸構造およびｎ型半導体層も除去される。

その後、希フッ酸などを用いてシリコン基板２の裏面に残ったシリコン酸化物を除去した後、プラズマＣＶＤ法によって窒化シリコン膜を平坦化されたシリコン基板２の裏面に裏面パッシベーション膜９として形成する。

次に、裏面電界層形成工程（Ｓ５）において、シリコン基板２の裏面に形成された裏面パッシベーション膜９を、フォトリソグラフィ法により、所定の裏面電界層パターンでエッチングし、裏面パッシベーション膜９を貫通するコンタクトホールを形成する。

その後、パターニングされた裏面パッシベーション膜９上に、スクリーン印刷法によってアルミニウム粉末、ガラスフリット、樹脂、有機溶媒等からなるアルミニウムペーストを印刷、乾燥し、７００〜８００℃にて焼成することにより、コンタクトホールに対応した箇所のシリコン基板２の裏面側にアルミニウムを拡散させてアルミニウム拡散層である裏面電界層８を形成する。アルミニウムはシリコンに対してｐ型不純物になるので、アルミニウム拡散層である裏面電界層８はｐ型不純物拡散層になる。裏面電界層８のｐ型不純物濃度は、ｐ型であるシリコン基板２のｐ型不純物濃度よりも高い。その後、焼成後のアルミニウムを塩酸にて除去する。

次に、金属層形成工程（Ｓ６）において、パターニングされた裏面パッシベーション膜９上に、コンタクトホール領域が空くようにパターンが形成されたマスクを設置する。この時、マスクパターンの空いた領域は、コンタクトホールより少し広い領域となるようにする。このマスクを利用して金属層７０を裏面電界層８上に形成する。コンタクトホール内、また、マスクのパターンに沿った裏面パッシベーション９上にも金属層７０が形成される。

次に、受光面電極形成工程（Ｓ７）において、スクリーン印刷法を用いて、銀粉末、ガラスフリット、樹脂、有機溶媒等からなる銀ペーストを印刷、乾燥し、５００〜６００℃で焼成して受光面電極４を形成する。尚、受光面電極４は、焼成時に反射防止膜７を突き破って形成されるため、ｎ型半導体層３と電気的に接続する。

次に、銀膜形成工程（Ｓ８）において、金属層７０上、及び金属層７０が形成されていない裏面パッシベーション膜９上に光を反射させる膜である銀膜５を蒸着により形成する。この銀膜は電極にもなる。

次に、保護膜形成工程（Ｓ９）において、銀膜５上に硫化を抑制する材料を用いて保護膜１２を形成する。具体的にはパラジウムを蒸着により形成する。この場合の保護膜１２は電極にもなる。

次に、アニール工程（Ｓ１０）において、１００〜４００℃にてアニールを行い、金属膜の接触性をより良くする。

次に、金属層７０の検討を行なった。

検討した金属層付近における模式的な断面図を図３に示す。図３（ａ）は太陽電池を示す模式的な断面図であり、円で示した箇所を拡大した図が図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）である。図３において、５１はアルミニウム拡散層で形成された裏面電界層、５２は裏面パッシベーション膜であり窒化シリコン膜とした。図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）で裏面電極の構造が各々異なっており、図３（ｄ）には、保護膜がない。

図３（ｂ）は、裏面電界層５１上にアルミニウム蒸着膜５６、銀蒸着膜５４を形成した構造である。図３（ｃ）は、裏面電界層５１上にペーストアルミニウム焼成膜５７、銀蒸着膜５４を形成した構造である。図３（ｂ）、（ｃ）共、銀蒸着膜５４上に保護膜としてパラジウム膜５５を形成した構造とした。また、図３（ｂ）、（ｃ）では、裏面パッシベーション膜５２をパターニングしてコンタクトホールを形成した後にアルミニウム蒸着膜５６、あるいはペーストアルミニウム焼成膜５７をそれぞれ形成しているので、パターニング幅であるコンタクトホール幅より広くなっている。図３（ｄ）はリファレンスとして裏面電界層５１と裏面パッシベーション膜５２上にアルミニウム蒸着膜５３を形成した構造である。

作製した図３（ｂ）の構造の太陽電池をサンプル１、図３（ｃ）の構造の太陽電池をサンプル２、図３（ｄ）の構造の太陽電池をサンプル３とする。表１に太陽電池の特性結果を示す。表のＪｓｃは短絡電流密度、Ｖｏｃは開放電圧、ＦＦは曲線因子、Ｅｆｆは光電変換効率である。リファレンスとしたサンプル３の構造のＪｓｃ値、Ｖｏｃ値、ＦＦ値、Ｅｆｆ値をそれぞれ１．０００とした。また、図４はＩ−Ｖ特性の測定結果である。

表１の結果から、サンプル１、２はＦＦがリファレンスに比べて低くなっていることがわかり、表１と図４とから、サンプル１、２は直列抵抗が影響していることがわかる。これから、裏面電界層とアルミニウム膜との間よりもアルミニウム膜と銀膜との間の抵抗成分が影響していると考えられ、アルミニウム膜と銀膜との間の密着性が問題ではないかと考え、密着性が良好な金属膜を形成して太陽電池を作製し太陽電池特性を見た。

図５は、本発明の太陽電池を示す模式的な断面図である。太陽電池１は図１に示す金属層の構造が限定されており、他の構造は太陽電池８０と同様である。以下、図５に示す金属層の構造のみを説明する。

シリコン基板２の裏面側には、裏面パッシベーション膜９のパターニングに対応した裏面電界層８が局所的にアルミニウム拡散層で形成されている。パターニングに対応した裏面電界層８には第１金属層１０が接している。この第１金属層１０は裏面電界層８を形成する導電型の不純物元素と同じアルミニウムで形成されており、密着性が良好である。

第１金属層１０上には第２金属層１１が形成され、第２金属層１１上には銀膜５が形成されている。裏面電極は、第１金属層１０と第２金属層１１と銀膜５とからなる。第２金属層１１の第１金属層１０側には、第１金属層１０と密着性が良好な材料が形成され、第２金属層１１の銀膜５側には、銀膜５と密着性が良好な材料が形成されている。これから、第２金属層１１は複数の金属層からなる。例えば、具体的には、第２金属層１１の第１金属層１０側にはチタニウム膜が形成され、第２金属層１１の銀膜５側にはパラジウム膜が形成されている。また、第２金属層１１上、及び第２金属層１１が形成されていない裏面パッシベーション膜９上に銀膜５が形成されておりＢＳＲ効果を有する。

さらに、銀膜５上には全面に銀膜５の保護膜１２であるパラジウム膜が形成されている。この保護膜１２により硫化を抑制することができる。保護膜１２をパラジウム膜とした場合は電極としての役割も果たす。

次に、以下に本発明の太陽電池の製造方法を示す。製造フローは図２に示す製造フローのうち、金属層形成工程（Ｓ６）で第１金属層であるアルミニウム膜が蒸着で形成され、受光面電極形成工程（Ｓ７）と銀膜形成工程（Ｓ８）との間に、第２金属層形成工程がある。他は太陽電池８０の製造方法と同様である。

金属層形成工程（Ｓ６）に対応する第１金属層工程を以下に示す。パターニングされた裏面パッシベーション膜９上に、コンタクトホール領域が空くようにパターンが形成されたマスクを設置する。この時、マスクパターンの空いた領域は、コンタクトホールより少し広い領域となるようする。このマスクを利用して、蒸着法によりアルミニウムを蒸着して裏面電界層８上にアルミニウム膜を形成する。コンタクトホール内、また、マスクパターンに沿った裏面パッシベーション９上にもアルミニウム膜が形成される。

次に、受光面電極形成工程（Ｓ７）と銀膜形成工程（Ｓ８）との間にある第２金属層形成工程を以下に示す。アルミニウム膜を覆うようにしてチタニウム膜を蒸着により形成する。さらに、チタニウム膜を覆うようにしてパラジウム膜を蒸着により形成する。第１金属層１０であるアルミニウム膜上に、チタニウム膜１６とパラジウム膜１７の複数の金属層である第２金属層１１が形成される。

図６は、本発明の太陽電池の他の一例を示す模式的な断面図である。以下に図６の太陽電池１８について説明する。太陽電池１８は、図５に示す実施例１の太陽電池１とアルミニウム膜の形成が違っており、太陽電池１８のアルミニウム膜１９はアルミニウムペーストを焼成することにより形成された膜である。他の構造は、太陽電池１と同様である。

以下に本発明の太陽電池１８の製造方法を示す。製造フローは実施例１に示す製造フローのうち、裏面電界層形成工程（Ｓ５）と、実施例２の第１金属層形成に相当する金属層形成工程（Ｓ６）とが１工程で形成される。他は太陽電池１の製造方法と同様である。

１工程で形成される裏面電界層８と第１金属層１９との形成工程を以下に示す。パターニングされた裏面パッシベーション膜９上に、コンタクトホール領域が空くようにパターンが形成されたマスクを設置する。この時、マスクパターンの空いた領域は、コンタクトホールより少し広い領域となるようにする。このマスクを利用して、アルミニウムペーストを印刷、乾燥し、７００〜８００℃にて焼成することにより裏面電界層８とアルミニウム膜１９とが形成される。

比較例

図７は、比較例とする太陽電池を示す模式的な断面図である。比較例である太陽電池２０は、裏面電極２１はアルミニウムの蒸着膜により裏面電界層８上、および裏面パッシベーション膜９上に形成されている。また、実施例１である太陽電池１のように保護膜１２が形成されていない。他の構造は、太陽電池１と同様である。

また、比較例である太陽電池２０の製造方法は、図２に示す製造フローのうち、金属層形成工程（Ｓ６）、銀膜形成工程（Ｓ８）、保護膜形成工程（Ｓ９）がなく、裏面電界層形成工程（Ｓ５）と受光面電極形成工程（Ｓ７）との間に裏面電極形成工程がある。以下に裏面電極形成工程のみを示す。パターニングされた裏面パッシベーション膜９上に、真空蒸着法等によりアルミニウムを蒸着して裏面電極２１を形成する。コンタクトホール内にも裏面電極２１となるアルミニウム膜が形成されアルミニウム膜は裏面電界層８と接する。

実施例１、実施例２、比較例の太陽電池特性結果を表２に示す。表のＪｓｃは短絡電流密度、Ｖｏｃは開放電圧、ＦＦは曲線因子、Ｅｆｆは光電変換効率である。比較例の太陽電池特性をリファレンスとし、Ｊｓｃ値、Ｖｏｃ値、ＦＦ値、Ｅｆｆ値をそれぞれ１．０００とした。

表２の結果から、裏面電界層と銀膜との間に第１金属層と第２金属層とを形成することにより密着性が良好になり電気的な接続が改善され、ＦＦ低下を実施例１では１％、実施例２では３％以内に抑えることができた。これによって、ＢＳＲ効果が太陽電池特性に反映することが可能となりＥｆｆにおいて実施例１で２．２％、実施例２で０．９％の改善が得られた。同時に、裏面パッシベーション膜として窒化シリコン膜が形成されているので、シリコン基板の裏面の表面再結合速度を低減することができる。

よって、より反射率の高い材料である銀を用いつつ、裏面電界層との密着性の良い裏面電極構造を形成することで、ＢＳＲ効果が有効となり、太陽電池特性を向上させることができる。

本発明に係る太陽電池は、太陽電池全般に広く適用することができる。

１太陽電池、２シリコン基板、３ｎ型半導体層、４受光面電極、５銀膜、６凹凸構造、７反射防止膜、８裏面電界層、９裏面パッシベーション膜、１０第１金属層、１１第２金属層、１２保護膜、１６チタニウム膜、１７パラジウム膜、１８太陽電池、１９アルミニウム膜、２０太陽電池、２１裏面電極、５１裏面電界層、５２裏面パッシベーション膜、５３アルミニウム蒸着膜、５４銀蒸着膜、５５パラジウム膜、５６アルミニウム蒸着膜、５７ペーストアルミニウム焼成膜、７０金属層、８０太陽電池。

Claims

シリコン基板の受光面とは反対側の面である裏面側に前記シリコン基板と同じ導電型の拡散領域が形成され、
裏面電極が、前記拡散領域に接して形成されており、
前記裏面電極は、前記拡散領域側から第１金属層、第２金属層、銀膜の順に形成され、
前記第２金属層は、前記第１金属層と密着性の良い金属層及び前記銀層と密着性の良い金属層を含んでいる太陽電池。
前記第１金属層は、前記拡散領域の不純物と同じ元素からなる金属層である請求項１に記載の太陽電池。
前記第１金属層は、アルミニウムである請求項２に記載の太陽電池。
前記第１金属層と密着性の良い金属層はチタニウムであり、
前記銀層と密着性の良い金属層はパラジウムである請求項３に記載の太陽電池。
前記裏面電極上に保護膜が形成されている請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池。
前記保護膜がパラジウムである請求項５に記載の太陽電池。
前記裏面電極と前記拡散領域とは、前記シリコン基板に形成されパターニングされた裏面パッシベーション膜を介して接している請求項１〜６のいずれかに記載の太陽電池。