JP2011501407A - 太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
多結晶シリコン太陽電池の製造方法が開示される。本発明の多結晶シリコン太陽電池は、非晶質シリコンを結晶化させて形成し、このとき、結晶化温度を下げるために金属触媒を使用する。本発明に係る太陽電池の製造方法は、（ａ）基板１００上に第１の非晶質シリコン層１３０ｐを形成するステップと、（ｂ）第１の非晶質シリコン層１３０ｐ上に第２の非晶質シリコン層１３０ｉを形成するステップと、（ｃ）第２の非晶質シリコン層１３０ｉ上に金属層１４０を形成するステップと、（ｄ）第２の非晶質シリコン層１３０ｉを結晶化アニーリング処理するステップと、（ｅ）前記（ｄ）ステップの前記結晶化アニーリング処理により結晶化されたシリコン層１３０ｉ上に第３の非晶質シリコン層１３０ｎを形成するステップとを含む。
【選択図】図９
【選択図】図９
Description
本発明は、シリコン太陽電池の製造方法に関し、より詳細には、光電効率に優れた多結晶シリコン太陽電池及びタンデム構造の多結晶シリコン太陽電池の製造方法に関する。
太陽電池は、太陽光を電気に直接的に変換する太陽光発電の核心素子であり、現在、宇宙から家庭にいたるまでその応用範囲は非常に広い。
太陽電池は、基本的に、ｐｎ接合で構成されたダイオードであって、その動作原理は次のとおりである。太陽電池のｐｎ接合に、半導体のエネルギーバンドギャップより大きいエネルギーを有する太陽光が入射すると、電子・正孔対が生成される。前記電子・正孔対は、ｐｎ接合部で生成された電界により電子がｎ層に、正孔がｐ層に移動することによって、ｐｎ間に光起電力が発生する。このとき、太陽電池の両端に負荷またはシステムを接続すると電流が流れ、これにより、電力が生産される。
このような太陽電池は、光吸収層（真性層）として使用される物質によって多様に分けられるが、なかでも、光吸収層としてシリコンを使用するシリコン系太陽電池が代表的である。シリコン系太陽電池は、基板型（単結晶、多結晶）太陽電池と、薄膜型（非晶質、多結晶）太陽電池とに分けられる。このほか、太陽電池の種類には、ＣｄＴｅまたはＣＩＳ（ＣｕＩｎＳｅ２）の化合物薄膜太陽電池、ＩＩＩ−Ｖ族太陽電池、染料感応太陽電池、有機太陽電池などが挙げられる。
単結晶シリコン基板型太陽電池は、他の型の太陽電池よりも変換効率がはるかに高いという利点があるが、単結晶シリコンウエハを使用するために、製造コストが非常に高いという致命的な欠点がある。また、多結晶シリコン基板型太陽電池は、単結晶シリコン基板型太陽電池よりも比較的安価な製造コストで製造することができるが、バルク原材料から作成することに関しては単結晶シリコン基板型太陽電池と同様であるため、単結晶シリコン基板型太陽電池とは大差ない。このように、原材料費が高く、製造工程が複雑であるため、製造コストの節減に限界があった。
このような基板型太陽電池の問題を解決するための方法として、光吸収層（真性層）としてのシリコン薄膜をガラスなどの基板上に堆積させることにより製造コストを大幅に削減できるという理由で、薄膜型シリコン太陽電池が注目されている。実際には、薄膜型シリコン太陽電池は、基板型シリコン太陽電池の約１／１００の厚さで製造することができる。
非晶質シリコン薄膜型太陽電池は、最初に開発された薄膜型シリコン太陽電池であり、現在は住宅向けに普及し始めている。非晶質シリコンは化学気相蒸着（ＣＶＤ）法によって形成することができるため、非晶質シリコン太陽電池は大量生産に好適であり、製造コストが低いという利点がある。その一方で、非晶質シリコン内にはダングリングボンドを有するシリコン原子が多数存在するため、基板型シリコン太陽電池と比べると非晶質シリコン太陽電池は光電効率が非常に低いという問題があった。加えて、非晶質シリコン太陽電池は、寿命が比較的短いという問題や、使用するに従いその効率が低下する傾向にあるという問題があった。
そのため、これらの問題を抱えている非晶質シリコン薄膜型太陽電池の欠点を補うために、多結晶シリコン薄膜型太陽電池と、少なくとも２つの光電ユニットを有するタンデム薄膜型太陽電池とが開発された。
真性層（光吸収層）として多結晶シリコンを使用する多結晶シリコン薄膜型太陽電池は、真性層として非晶質シリコンを使用する非晶質シリコン薄膜型太陽電池よりも優れた性能を発揮する。
しかしながら、多結晶シリコン薄膜型太陽電池は、多結晶シリコンの製造が容易でないという欠点がある。具体的には、多結晶シリコンは非晶質シリコンを固相結晶化させて製造するが、非晶質シリコンの固相結晶化は、数十時間以上に渡る高温焼き鈍し（例えば６００℃以上）を伴うため太陽電池の量産工程には適していない。特に、固相結晶化において６００℃以上の高温を維持するためには、基板として一般的なガラスではなく高価な石英基板を用いなければならないため、太陽電池の製造コストが高くなるという問題があった。また、固相結晶化は、多結晶シリコンの結晶粒の成長方向が不規則であり、かつ、前記結晶粒の大きさは非常に不均一であるため、太陽電池の特性が低下するという問題があった。
タンデム構造のシリコン太陽電池は、幅広い光スペクトル領域を分割して受光することにより、光電変換効率を向上させ、光劣化現象に起因する光電変換特性の低下をある程度防止することができる。例えば、Saitoh等は、プラズマ化学気相蒸着法（ＰＣＥＶＤ）を用いてｐ−ｉ−ｎ型非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）／微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）タンデム薄膜太陽電池を開発した。このとき、１ｃｍ２の面積における初期化変換効率は９．４％、安定化した変換効率は８．５％であった。
しかし、Saitoh等が開発したタンデム構造のシリコン薄膜太陽電池を製造するためには、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）を低い蒸着圧力と高い蒸着電力の条件下で形成しなければならないため蒸着時間が非常に長くなり、大量生産への適用は困難であるという問題があった。
このように、従来の多結晶シリコン薄膜型太陽電池及びタンデム構造のシリコン太陽電池は、光電効率が優れていながら良好な量産性を実現するには限界があった。
そこで、本発明は、上記の従来技術の問題を解決するためになされたものであって、その目的は、光電効率が優れ、かつ、低温でも良好な結晶化が可能な多結晶シリコン薄膜型太陽電池の製造方法を提供することである。
また、本発明の他の目的は、製造時間が顕著に短縮し、製造コストが安価で、量産性が向上した多結晶シリコン薄膜型太陽電池の製造方法を提供することである。
さらに、本発明のさらに他の目的は、前記多結晶シリコン薄膜型太陽電池をタンデム構造化し、より良好な光電効率及び改善された量産性を有する太陽電池の製造方法を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明の第１の実施形態に係る太陽電池の製造方法は、（ａ）基板上に第１の非晶質シリコン層を形成するステップと、（ｂ）前記第１の非晶質シリコン層上に第２の非晶質シリコン層を形成するステップと、（ｃ）前記第２の非晶質シリコン層上に金属層を形成するステップと、（ｄ）前記第２の非晶質シリコン層を結晶化アニーリング処理するステップと、（ｅ）前記（ｄ）ステップの前記結晶化アニーリング処理により結晶化されたシリコン層上に第３の非晶質シリコン層を形成するステップとを含むことを特徴とする。
上記の目的を達成するために、本発明の第２の実施形態に係る太陽電池の製造方法は、（ａ）基板上に第１の非晶質シリコン層を形成するステップと、（ｂ）前記第１の非晶質シリコン層上に第２の非晶質シリコン層を形成するステップと、（ｃ）前記第２の非晶質シリコン層上に第３の非晶質シリコン層を形成するステップと、（ｄ）前記第３の非晶質シリコン層上に第４の非晶質シリコン層を形成するステップと、（ｅ）前記第４の非晶質シリコン層上に第５の非晶質シリコン層を形成するステップと、（ｆ）前記第５の非晶質シリコン層上に金属層を形成するステップと、（ｇ）前記第５の非晶質シリコン層を結晶化アニーリング処理するステップと、（ｈ）前記（ｇ）ステップの前記結晶化アニーリング処理により結晶化されたシリコン層上に第６の非晶質シリコン層を形成するステップとを含むことを特徴とする。
本発明の第１の実施形態に係る太陽電池の製造方法は、前記（ｄ）ステップの前記結晶化アニーリング処理により結晶化されたシリコン層内に残存する金属成分をゲッタリング処理するステップをさらに含むことができる。
本発明の第２の実施形態に係る太陽電池の製造方法は、前記（ｇ）ステップの前記結晶化アニーリング処理により結晶化されたシリコン層内に残存する金属成分をゲッタリング処理するステップをさらに含むことができる。
本発明の第１の実施形態に係る太陽電池の製造方法では、前記第１の非晶質シリコン層ないし前記第３の非晶質シリコン層の各層は、化学気相蒸着法によって形成され得る。
本発明の第２の実施形態に係る太陽電池の製造方法では、前記第１の非晶質シリコン層ないし前記第６の非晶質シリコン層の各層は、化学気相蒸着法によって形成され得る。
前記金属層は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｓｂ、Ｐｄ、Ｃｕからなる群より選択されたいずれか１つまたは２つ以上を含むことができる。
前記金属層は、物理気相蒸着法または化学気相蒸着法によって形成され得る。
前記結晶化アニーリング処理の温度は、４００〜７００℃であり得る。
前記結晶化アニーリング処理の温度は、前記非晶質シリコン層の固相結晶化温度よりも低い温度であり得る。
前記ゲッタリング熱処理時、熱処理温度は、４００〜６００℃であり得る。
前記ゲッタリング熱処理により、金属成分が前記第３の非晶質シリコン層内の不純物と反応して化合物を形成することができる。
前記ゲッタリング熱処理により、金属成分が前記第６の非晶質シリコン層内の不純物と反応して化合物を形成することができる。
本発明に係る太陽電池の製造方法は、金属誘導結晶化によって多結晶シリコン層を形成することにより、太陽電池の光電効率が向上するという効果がある。
また、本発明に係る太陽電池の製造方法は、多結晶シリコン層を一般的なガラス基板上に形成することにより、太陽電池の製造コストが節減するという効果がある。
さらに、本発明に係る太陽電池の製造方法は、多結晶シリコン層の金属残留物を除去することにより、リーク電流を最小化できるという効果がある。
なお、本発明に係る太陽電池の製造方法は、前記多結晶シリコン層が積層されたタンデム構造を形成することにより、受光する光電効率をさらに向上させることができ、太陽電池の製造時間が顕著に短縮し、製造コストが安くなるという効果がある。
本発明に関する詳細な説明は、本発明を実施可能な特定の実施形態を例示する添付図面を参照して後述する。前記実施形態は、当業者が本発明を実施できるように十分に詳細に説明される。本発明の多様な実施形態は互いに異なるが、相互排他的である必要はない。例えば、本明細書に記載されている特定の形状、構造及び特性は、一実施形態であって、本発明の精神及び範囲を逸脱しない範囲内で他の実施形態でも実現可能である。また、各々の開示された実施形態における個別構成要素の位置または配置は、本発明の精神及び範囲を逸脱しない範囲内で変更できることが理解されなければならない。したがって、後述する詳細な説明は、限定的な意味として受け止めてはならず、本発明の範囲は、適切に説明された場合、それら請求項が主張するのと均等なすべての範囲とともに添付された請求項によってのみ限定される。図面において、類似の参照符号は、様々な面において同一または類似の機能を指し示す。
［第１の実施形態］
以下、添付図面を参照して本発明による第１の実施形態について詳細に説明する。
以下、添付図面を参照して本発明による第１の実施形態について詳細に説明する。
図１〜図９は、本発明の第１の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための断面図である。
図９は、本発明の第１の実施形態に係る、完成した多結晶シリコン（薄膜）多結晶シリコン太陽電池１０を示す図である。
図９に示すように、多結晶シリコン太陽電池１０は、基板１００上に、反射防止層１１０と、第１の透明導電層１２０と、ｐ型シリコン層１３０ｐと、ｉ型シリコン層１３０ｉと、ｎ型シリコン層１３０ｎと、第２の透明導電層１５０と、金属電極層１６０とが順次積層されている。前記シリコン層のうち、少なくともｉ型シリコン層１３０ｉは、多結晶シリコン層である。
より詳細には、多結晶シリコン太陽電池１０は、ｐ−ｉ−ｎ構造を有する。ここで、ｐ−ｉ−ｎ構造体とは、ｐ型ドープシリコン層１３０ｐと、ｎ型ドープシリコン層１３０ｎと、両シリコン層間に介在される、両シリコン層と比べると相対的に絶縁性（すなわち、真性）であるｉ型シリコン層１３０ｉとからなる構造体を指す。
この実施形態では、ｐ型シリコン層１３０ｐとｎ型シリコン層１３０ｎとの間に、全くドープされていないｉ型シリコン層１３０ｉが配置されているが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、ｉ型シリコン層１３０ｉの代わりに、ｐ型シリコン層１３０ｐ及びｎ型シリコン層１３０ｎと比べると相対的に絶縁性である（つまり、導電率が低い）非晶質シリコン層を配置してもよい。例えば、高濃度ドープされたｐ型シリコン層１３０ｐと高濃度ドープされたｎ型シリコン層１３０ｎとの間に、ｎ型またはｐ型の不純物が低濃度ドープされたシリコン層１３０ｉを配置するようにすることもできる。
以下の詳細な説明では、本発明の第１の実施形態に係る太陽電池１０の製造方法をステップごとに詳細に説明する。
まず、図１に示すように、基板１００上に反射防止層１１０を形成する。太陽電池１０においては、基板１００は、太陽光の吸収のために、例えばガラスやプラスチックなどの透明材料から構成することが好ましい。
ここで、太陽電池の効率を向上させるために、基板１００の表面にテクスチャリング処理を施すことができる。テクスチャリング処理（texturing process）は、基板表面での入射光の反射に起因する光学的損失により光電効率が低下するのを防止するために行われる。そのため、テクスチャリング処理は、主に、太陽電池に用いられる標的基板の表面を粗くすること、すなわち、基板表面に不規則パターン（凹凸）を形成することを含む。テクスチャリング処理により基板の表面が粗くなると、基板表面では一度反射した光が再反射するため、入射光の反射率が低下する。そのため、基板表面へ入射する光の量が増加し、光学的損失が低減する。
反射防止層１１０は、基板１００を介して入射した太陽光がシリコン層に吸収されずにすぐに外部へ反射されることにより生じる、太陽電池１０の効率低下を防止する役割を果たす。そのために、反射防止層１１０は、シリコン酸化物（ＳｉＯｘ）またはシリコン窒化物（ＳｉＮｘ）を含むことができる。反射防止層１１０を形成する方法としては、これらに限定されないが、低圧化学気相蒸着法（ＬＰＣＶＤ：Low Pressure Chemical Vapor Deposition）やプラズマ化学気相蒸着法（ＰＥＣＶＤ：Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）などがある。
次に、図２に示すように、反射防止層１１０上に第１の透明導電層１２０を形成する。第１の透明導電層１２０は、太陽光を透過させる役割を果すと共に、ｐ型シリコン層１３０ｐとの電気的接続を可能にする。例えば、第１の透明導電層１２０は、金属などの不純物がドープされたＩＴＯ（Indium Tin Oxide）またはＺｎＯを含むことができる。第１の透明導電層１２０を形成する方法としては、これらに限定されないが、スパッタ法などの物理気相蒸着法（ＰＶＤ：Physical Vapor Deposition）などがある。
続いて、図３〜図４に示すように、第１の透明導電層１２０上に２層の非晶質シリコン層、すなわち、ｐ型非晶質シリコン層１３０ｐとｉ型非晶質シリコン層１３０ｉとをその順番に形成する。
ｐ型非晶質シリコン層１３０ｐ及びｉ型非晶質シリコン層１３０ｉを形成する方法としては、これらに限定されないが、ＬＰＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法、熱線化学気相蒸着法（ＨＷＣＶＤ：Hot Wire Chemical Vapor Deposition）などの化学気相蒸着法がある。ｐ型非晶質シリコン層１３０ｐのドーピングは、その非晶質シリコン層の形成時にインサイチュー（in situ）で行われることが好ましい。一般的に、ｐ型ドーピングでは、不純物としてはホウ素（Ｂ）が使用される。ｐ型非晶質シリコン層１３０ｐ及びｉ型非晶質シリコン層１３０ｉの各層の厚さ及びドーピング濃度は、シリコン太陽電池に通常採用されている厚さ及びドーピング濃度に基づいて決定される。
多結晶シリコン太陽電池を製造するために、本発明では、金属触媒を使用して非晶質シリコンを結晶化させる金属誘導結晶化法（ＭＩＣ：Metal Induced Crystallization）を用いて、ｉ型非晶質シリコン層１３０ｉを結晶化させて多結晶シリコン層にする。金属誘導結晶化法は、ＬＣＤなどの平板ディスプレイにおける駆動素子に相当する多結晶シリコン薄膜トランジスタ（Poly Si TFT）の分野では公知であるため、本明細書ではその詳細な説明は省略する。
金属誘導結晶化を実施するためには、図５に示すように、ｎ型非晶質シリコン層１３０ｎを形成する前に、まず、ｉ型非晶質シリコン層１３０ｉ上に金属層１４０を形成する。金属層１４０は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｓｂ、Ｐｄ、Ｃｕからなる群より選択される１または複数の金属元素を含むことができるが、Ｎｉのみを含むことがより好ましい。金属層１４０を形成する方法としては、これらに限定されないが、ＬＰＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法、原子単位層蒸着（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）法などの化学気相蒸着法や、スパッタ法などの物理気相蒸着法がある。
そして、図６に示すように、ｉ型非晶質シリコン層１３０ｉを結晶化アニーリング処理３００処理する。この結晶化アニーリング処理３００により、ｉ型非晶質シリコン層１３０ｉがｉ型多結晶シリコン層１３０ｉに結晶化される。このとき、金属触媒（金属層１４０）の存在により、シリコン層１３０ｉの結晶化を、非晶質シリコン層の固相結晶化温度よりも低い温度で行うことが可能となる。結晶化アニーリング処理３００は、一般的な焼鈍炉を用いて行われる。結晶化アニーリング処理３００は、４００〜７００℃の温度、および１〜１０時間で行うことが好ましい。加えて、結晶化アニーリング処理３００により、ｐ型非晶質シリコン層１３０ｐも結晶化させて、ｐ型多結晶シリコン層１３０ｐにすることもできる。
次に、図７に示すように、ｉ型多結晶シリコン層１３０ｉ上にｎ型非晶質シリコン層１３０ｎを形成する。ｎ型非晶質シリコン層１３０ｎの形成方法及びドーピング方法は、ｎ型ドーピング不純物としてリン（Ｐ）またはヒ素（Ａｓ）を使用することを除いては、上述したｐ型非晶質シリコン層１３０ｐ及びｉ型非晶質シリコン層１３０ｉの形成方法及びドーピング方法と同じである。ｎ型非晶質シリコン層１３０ｎの厚さ及びドーピング濃度は、シリコン太陽電池に通常採用されている厚さ及びドーピング濃度に基づいて決定される。
そして、図８に示すように、ｉ型多結晶シリコン層１３０ｉ内に残存している金属元素（すなわち、金属誘導結晶化（図６）のために導入された金属触媒）を除去するためのゲッタリング（gettering）処理４００を行う。このゲッタリング処理４００により、ｉ型多結晶シリコン層１３０ｉ内に残存している金属（例えばＮｉ）はｎ型非晶質シリコン層１３０ｎ内に拡散してｎ型不純物（Ｐ）と反応し、ニッケル・リン（Ｎｉ２Ｐ）化合物を形成する。このようにして、ｉ型多結晶シリコン層１３０ｉ内の残存金属が除去される。ゲッタリング処理４００は、４００〜６００℃の温度、および１〜５時間で行うことが好ましい。
このことにより、金属誘導結晶化のために使用せざるを得なかったＮｉが太陽電池の内部、より具体的にはｉ型多結晶シリコン層１３０ｉ内に残存すること（すなわち、太陽電池の金属汚染）により生じる、太陽電池の諸特性の低下（例えば、リーク電流の増加）を防止することが可能となる。
また一方、太陽電池の金属汚染を最小化するために、使用する金属触媒の量を制御する必要がある。そのための１つの方法は金属層１４０の厚さを制御することであるが、本発明は必ずしもこれに限定されない。ある場合では、多結晶シリコン層内の残存金属の量を最小限に保つために、金属層を１原子層よりも薄くする必要がある。金属層を１原子層よりも薄くするとは、非晶質シリコン層の全領域が蒸着金属層によって完全に覆われないこと、すなわち、金属層が非晶質シリコン層上に散在して蒸着される（互いに隣接して蒸着されない）ことをいう（被覆率＜１）。言い換えれば、金属層が被覆率１未満で蒸着されるとは、非晶質シリコン層上に既に蒸着されている金属元素の間に、金属元素をさらに蒸着できる状態を意味する。
さらに、この実施形態では、結晶化アニーリング処理３００は、ｉ型非晶質シリコン層１３０ｉ上に金属層１４０を形成した後に行っているが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではない。つまり、結晶化アニーリング処理３００は、ｎ型非晶質シリコン層１３０ｎまたはｐ型非晶質シリコン層１３０ｐの上に金属層１４０を形成した後に行ってもよい。
最終的に、図９に示すように、ｎ型非晶質シリコン層１３０ｎ上に、第２の透明導電層１５０と金属電極層１６０とをその順番に形成することにより、多結晶シリコン（薄膜）多結晶シリコン太陽電池１０が完成する。第２の透明導電層１５０の材料と形成方法は、上述した第１の透明導電層１２０の場合と同じである。また、金属電極層１６０は、アルミニウムなどの任意の導電性材料から形成され、例えば、熱蒸着法やスパッタ法などの物理気相蒸着法により形成することができる。
一方、図９に示す太陽電池１０の構成において、反射防止層１１０、第１の透明導電層１２０及び第２の透明導電層１５０は、場合によっては省略可能である。また、太陽電池の諸特性を考慮すると、反射防止層１１０及び第１の透明導電層１２０は、いずれか一方のみを使用することがより好ましい場合もある。
以上説明したように、本発明の第１の実施形態に係る多結晶シリコン太陽電池の製造方法は、金属誘導結晶化法を用いることにより非晶質シリコンの多結晶シリコンへの結晶化を一般的なガラス基板上で低温で行うことが可能となるので、太陽電池の製造コストを節減することができる。また、ゲッタリング処理により、金属汚染により生じるリーク電流を最小限に抑えることができる。
［第２の実施形態］
以下、添付図面を参照して本発明による第２の実施形態について詳細に説明する。
以下、添付図面を参照して本発明による第２の実施形態について詳細に説明する。
本発明の第２の実施形態に係る太陽電池２０は、第１のｐ−ｉ−ｎシリコン層（１３０ｐ、１３０ｉ、１３０ｎ）及び第２のｐ−ｉ−ｎシリコン層（１７０ｐ、１７０ｉ、１７０ｎ）のタンデム構造を有することを除いては、図１〜図９を参照して説明した第１の実施形態に係る太陽電池と同一の構成を有する。このため、第２の実施形態の以下の説明では、同一要素についての説明の繰り返しを避けるために、基板１００、反射防止層１１０、第１の透明導電層１２０、金属層１４０、第２の透明導電層１５０、及び金属電極層１６０についての詳細な説明は省略する。
図１０〜図１８は、本発明の第２の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための断面図である。
図１８は、本発明の第２の実施形態に係る、完成した多結晶シリコン（薄膜）太陽電池２０を示す図である。
図１８に示すように、タンデム構造を有する多結晶シリコン太陽電池２０は、基板１００上に、反射防止層１１０と、第１の透明導電層１２０と、第１のｐ−ｉ−ｎシリコン層（ｐ型シリコン層１３０ｐ、ｉ型シリコン層１３０ｉ、ｎ型シリコン層１３０ｎ）と、第２のｐ−ｉ−ｎシリコン層（ｐ型シリコン層１７０ｐ、ｉ型シリコン層１７０ｉ、ｎ型シリコン層１７０ｎ）と、第２の透明導電層１５０と、金属電極層１６０とが順次積層されている。第１のｐ−ｉ−ｎシリコン層は非晶質シリコン層であり、第２のｐ−ｉ−ｎシリコン層のうち、少なくともｉ型シリコン層１７０ｉは、多結晶シリコン層である。
より詳細には、多結晶シリコン太陽電池２０は、互いに積層された２つのｐ−ｉ−ｎ構造体からなるシリコン層を有するように構成されている。ｐ−ｉ−ｎ構造体とは、ｐ型ドーピングされたシリコン層１３０ｐ、１７０ｐと、ｎ型ドーピングされたシリコン層１３０ｎ、１７０ｎとの間に、ｐ型シリコン層１３０ｐ、１７０ｐ及びｎ型シリコン層１３０ｎ、１７０ｎに比べて相対的に絶縁性であるｉ型（すなわち、真性）シリコン層１３０ｉ、１７０ｉを形成する構造を指す。
この実施形態では、ｐ型シリコン層１３０ｐ・１７０ｐとｎ型シリコン層１３０ｎ・１７０ｎとの間に、全くドープされていないｉ型シリコン層１３０ｉ・１７０ｉが配置されているが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、ｉ型シリコン層１３０ｉ・１７０ｉの代わりに、ｐ型シリコン層１３０ｐ・１７０ｐ及びｎ型シリコン層１３０ｎ・１７０ｎと比べると相対的に絶縁性である（つまり、導電率が低い）非晶質シリコン層を配置してもよい。例えば、高濃度ドープされたｐ型シリコン層１３０ｐ・１７０ｐと高濃度ドープされたｎ型シリコン層１３０ｎ・１７０ｎとの間に、ｎ型またはｐ型の不純物が低濃度ドープされたシリコン層１３０ｉ・１７０ｉを配置するようにすることもできる。
以下の詳細な説明では、本発明の第２の実施形態に係る太陽電池２０の製造方法をステップごとに詳細に説明する。
まず、図１０を参照して、上述した第１の実施形態のように、基板１００上に反射防止層１１０を形成し、反射防止層１１０上に第１の透明導電層１２０を形成する。
次に、図１１に示すように、第１の透明導電層１２０上に、３層の非晶質シリコン層、すなわち、ｐ型非晶質シリコン層１３０ｐ、ｉ型非晶質シリコン層１３０ｉ及びｎ型非晶質シリコン層１３０ｎをその順番に形成することにより、タンデム構造を有するシリコン太陽電池の第１のｐ−ｉ−ｎシリコン層を形成する。
第１のｐ−ｉ−ｎシリコン層１３０ｐ、１３０ｉ、１３０ｎは、非晶質シリコン状態に形成され、その形成方法としては、ＬＰＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法、ＨＷＣＶＤ法などの化学気相蒸着法がある。また、第１のｐ−ｉ−ｎシリコン層１３０ｐ、１３０ｉ、１３０ｎのシリコン層に対するｎ型またはｐ型のドーピングは、その非晶質シリコン層の形成時にインサイチュー（in situ）で行われることが好ましい。一般的に、ｐ型ドーピングでは不純物としてホウ素（Ｂ）が使用され、ｎ型ドーピングでは不純物としてリン（Ｐ）またはヒ素（Ａｓ）が使用される。第１のｐ−ｉ−ｎシリコン層１３０ｐ、１３０ｉ、１３０ｎの各層の厚さ及びドーピング濃度は、タンデム構造を有するシリコン太陽電池に通常採用されている厚さ及びドーピング濃度に基づいて決定される。
続いて、図１２及び図１３に示すように、ｎ型非晶質シリコン層１３０ｎ上に、ｐ型非晶質シリコン層１７０ｐとｉ型非晶質シリコン層１７０ｉとをその順番に形成する。ｐ型非晶質シリコン層１７０ｐ及びｉ型非晶質シリコン層１７０ｉの形成方法及びドーピング方法は、上述した第１の実施形態におけるｐ型非晶質シリコン層１３０ｐ及びｉ型非晶質シリコン層１３０ｉの形成方法及びドーピング方法と同じである。
多結晶シリコン太陽電池を製造するために、本発明では、金属触媒を使用して非晶質シリコンを結晶化させる金属誘導結晶化法（ＭＩＣ）を用いて、ｉ型非晶質シリコン層１７０ｉを結晶化させて多結晶シリコン層にする。
このためには、図１４に示すように、ｎ型非晶質シリコン層１７０ｎを形成する前に、まず、ｉ型非晶質シリコン層１７０ｉ上に金属層１４０を形成する。
そして、図１５に示すように、ｉ型非晶質シリコン層１７０ｉを結晶化アニーリング処理３００処理する。この結晶化アニーリング処理３００により、ｉ型非晶質シリコン層１７０ｉがｉ型多結晶シリコン層１７０ｉに結晶化される。このとき、金属触媒（金属層１４０）の存在により、シリコン層１７０ｉの結晶化を、非晶質シリコン層の固相結晶化温度よりも低い温度で行うことが可能となる。結晶化アニーリング処理３００は、一般的な焼鈍炉を用いて行われる。結晶化アニーリング処理３００は、４００〜７００℃の温度、１〜１０時間で行うことが好ましい。加えて、結晶化アニーリング処理３００により、ｐ型非晶質シリコン層１７０ｐも結晶化させて、ｐ型多結晶シリコン層１７０ｐにすることもできる。
このとき、本発明に係る非晶質シリコン層／多結晶シリコン層のタンデム構造を有するシリコン太陽電池を製造するために、結晶化アニーリング温度は、第１のｐ−ｉ−ｎシリコン層、より詳細にはｉ型非晶質シリコン層１３０ｉの固相結晶化が生じない温度範囲で選択されることが好ましい。言い換えれば、結晶化アニーリング処理３００の最中は、ｉ型非晶質シリコン層１３０ｉの固相結晶化反応が行われ、ｉ型非晶質シリコン層１３０ｉが多結晶シリコン層に結晶化されないようにすることが好ましい。
次に、図１６に示すように、ｉ型多結晶シリコン層１７０ｉ上にｎ型非晶質シリコン層１７０ｎを形成する。ｎ型非晶質シリコン層１７０ｎの形成方法及びドーピング法は、上述した第１の実施形態のｎ型非晶質シリコン層１３０ｎの場合と同じである。ｎ型非晶質シリコン層１７０ｎの厚さ及びドーピング濃度は、タンデム構造を有するシリコン太陽電池に通常採用されている厚さ及びドーピング濃度に基づいて決定される。
このようにして、タンデム構造を有するシリコン太陽電池２０の第２のｐ−ｉ−ｎシリコン層１７０ｐ、１７０ｉ、１７０ｎが完成する。図示したように、第２のｐ−ｉ−ｎシリコン層は、第１のｐ−ｉ−ｎシリコン層と全く同一の構造を有する。したがって、第１のシリコン層がｎ−ｉ−ｐ構造を有する場合は、第２のシリコン層もｎ−ｉ−ｐ構造を有するようにすることが好ましい。
そして、図１７に示すように、ｉ型多結晶シリコン層１７０ｉ内に残存している金属元素（すなわち、金属誘導結晶化（図１５）のために導入された金属触媒）を除去するためのゲッタリング（gettering）処理４００を行う。このゲッタリング処理４００により、ｉ型多結晶シリコン層１７０ｉ内に残存している金属（例えばＮｉ）はｎ型非晶質シリコン層１７０ｎ内に拡散してｎ型不純物（Ｐ）と反応し、ニッケル・リン（Ｎｉ２Ｐ）化合物を形成する。このようにして、ｉ型多結晶シリコン層１７０ｉ内の残存金属が除去される。ゲッタリング処理４００は、４００〜６００℃の温度、１〜５時間で行うことが好ましい。
このことにより、金属誘導結晶化のために使用せざるを得なかったＮｉが太陽電池の内部、より具体的にはｉ型多結晶シリコン層１７０ｉ内に残存すること（すなわち、太陽電池の金属汚染）により生じる、太陽電池の諸特性の低下（例えば、リーク電流の増加）を防止することが可能となる。
さらに、この実施形態では、結晶化アニーリング処理３００は、ｉ型非晶質シリコン層１７０ｉ上に金属層１４０を形成した後に行っているが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではない。つまり、結晶化アニーリング処理３００は、ｎ型非晶質シリコン層１７０ｎまたはｐ型非晶質シリコン層１７０ｐの上に金属層１４０を形成した後に行ってもよい。
最後に、第１の実施形態の方法と同じように、図１８に示すように、ｎ型非晶質シリコン層１３０ｎ上に、第２の透明導電層１５０と金属電極層１６０とをその順番に形成することにより、タンデム構造を有するシリコン太陽電池２０が完成する。
本発明の第２の実施形態では、ｐ−ｉ−ｎシリコン層を２段に積層させたタンデム構造のシリコン太陽電池について説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、ｐ−ｉ−ｎシリコン層を３段に積層させた構造の太陽電池もまた、本発明の実施形態として想定され得る。つまり、いかなる太陽電池も、その太陽電池を構成する少なくとも１層のシリコン層内に金属−リンの化合物成分を含む場合、このような太陽電池及びその製造方法は、本発明の権利範囲に属するものとみなすべきである。つまり、太陽電池を構成する複数のシリコン層のうちの少なくとも１つのシリコン層内に金属−リン化合物が含まれていれば、そのような太陽電池及びその製造方法は、本発明の範囲に属するものと見なされるべきである。
さらに、非晶質シリコンを多結晶シリコンに結晶化させるのに金属誘導結晶化法が用いられた本発明に係るタンデム構造を有するシリコン太陽電池は、ＰＥＣＶＤ法を用いて微結晶シリコンを作成する従来のタンデム構造を有するシリコン太陽電池と比べて、著しく短縮された製造時間及び大幅に削減された製造コストで製造することができるという利点がある。
また、第１の実施形態及び第２の実施形態では、太陽電池を構成する基本構造としてｐ−ｉ−ｎ構造を採用したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、ｎ−ｉ−ｐ構造、すなわち、ｎ型シリコン層／ｉ型シリコン層／ｐ型シリコン層の積層構造を採用することも可能である。ただし、ｎ−ｉ−ｐ構造を採用する場合、太陽光がｐ側から入射することを考えると（すなわち、太陽光が基板の反対側から入射することになるため）、基板は、必ずしもガラスのような透明材料から作成する必要はなく、例えばシリコン、金属及び金属合金などの他の材料から作成することも可能である。
この場合、通常、シリコン太陽電池において、太陽光はｐ型シリコン層を介してｉ型シリコン層に入射させることが、太陽電池の効率を向上させる面では好ましい。これは、太陽光によって生成された電子・正孔対におけるドリフト移動度（drift mobility）の差を考慮したものであって、一般的に、正孔のドリフト移動度が電子に比べて低いため、太陽光によるキャリアの収集効率を極大化するためには、大部分のキャリアがｐ型シリコン層／ｉ型シリコン層の界面で生成されるようにすることで正孔の移動距離を最小化しなければならないからである。
本発明は、上述したように、好ましい実施形態を挙げて図示及び説明したが、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の精神を逸脱しない範囲内で当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって多様な変形及び変更が可能である。そのような変形例及び変更例は、本発明と添付された特許請求の範囲に属するものとみなすべきである。
１００ ：基板
１１０ ：反射防止層
１２０ ：第１の透明導電層
１３０ｐ：ｐ型シリコン層
１３０ｉ：ｉ型シリコン層
１３０ｎ：ｎ型シリコン層
１４０ ：金属層
１５０ ：第２の透明導電層
１６０ ：金属電極層
１７０ｐ：ｐ型シリコン層
１７０ｉ：ｉ型シリコン層
１７０ｎ：ｎ型シリコン層
３００ ：結晶化アニーリング処理
４００ ：ゲッタリング処理
１１０ ：反射防止層
１２０ ：第１の透明導電層
１３０ｐ：ｐ型シリコン層
１３０ｉ：ｉ型シリコン層
１３０ｎ：ｎ型シリコン層
１４０ ：金属層
１５０ ：第２の透明導電層
１６０ ：金属電極層
１７０ｐ：ｐ型シリコン層
１７０ｉ：ｉ型シリコン層
１７０ｎ：ｎ型シリコン層
３００ ：結晶化アニーリング処理
４００ ：ゲッタリング処理
Claims (13)
- 太陽電池の製造方法であって、
（ａ）基板上に第１の非晶質シリコン層を形成するステップと、
（ｂ）前記第１の非晶質シリコン層上に第２の非晶質シリコン層を形成するステップと、
（ｃ）前記第２の非晶質シリコン層上に金属層を形成するステップと、
（ｄ）前記第２の非晶質シリコン層を結晶化アニーリング処理するステップと、
（ｅ）前記（ｄ）ステップの前記結晶化アニーリング処理により結晶化されたシリコン層上に第３の非晶質シリコン層を形成するステップとを含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 太陽電池の製造方法であって、
（ａ）基板上に第１の非晶質シリコン層を形成するステップと、
（ｂ）前記第１の非晶質シリコン層上に第２の非晶質シリコン層を形成するステップと、
（ｃ）前記第２の非晶質シリコン層上に第３の非晶質シリコン層を形成するステップと、
（ｄ）前記第３の非晶質シリコン層上に第４の非晶質シリコン層を形成するステップと、
（ｅ）前記第４の非晶質シリコン層上に第５の非晶質シリコン層を形成するステップと、
（ｆ）前記第５の非晶質シリコン層上に金属層を形成するステップと、
（ｇ）前記第５の非晶質シリコン層を結晶化アニーリング処理するステップと、
（ｈ）前記（ｇ）ステップの前記結晶化アニーリング処理により結晶化されたシリコン層上に第６の非晶質シリコン層を形成するステップとを含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 請求項１に記載の太陽電池の製造方法であって、
前記（ｄ）ステップの前記結晶化アニーリング処理により結晶化されたシリコン層内に残存する金属成分をゲッタリング処理するステップをさらに含むことを特徴とする方法。 - 請求項２に記載の太陽電池の製造方法であって、
前記（ｇ）ステップの前記結晶化アニーリング処理により結晶化されたシリコン層内に残存する金属成分をゲッタリング処理するステップをさらに含むことを特徴とする方法。 - 請求項１に記載の太陽電池の製造方法であって、
前記第１の非晶質シリコン層ないし前記第３の非晶質シリコン層の各層が、化学気相蒸着法によって形成されることを特徴とする方法。 - 請求項２に記載の太陽電池の製造方法であって、
前記第１の非晶質シリコン層ないし前記第６の非晶質シリコン層の各層が、化学気相蒸着法によって形成されることを特徴とする方法。 - 請求項１または２に記載の太陽電池の製造方法であって、
前記金属層が、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｓｂ、Ｐｄ、Ｃｕからなる群より選択される１または複数の金属元素を含むことを特徴とする方法。 - 請求項１または２に記載の太陽電池の製造方法であって、
前記金属層が、物理気相蒸着法または化学気相蒸着法によって形成されることを特徴とする方法。 - 請求項１または２に記載の太陽電池の製造方法であって、
前記結晶化アニーリング処理の温度が、４００〜７００℃であることを特徴とする方法。 - 請求項２に記載の太陽電池の製造方法であって、
前記結晶化アニーリング処理の温度が、前記非晶質シリコン層の固相結晶化温度よりも低い温度であることを特徴とする方法。 - 請求項３または４に記載の太陽電池の製造方法であって、
前記ゲッタリング処理の温度が、４００〜６００℃であることを特徴とする方法。 - 請求項３に記載の太陽電池の製造方法であって、
前記ゲッタリング熱処理により、前記金属成分が前記第３の非晶質シリコン層内の不純物と反応して化合物を形成することを特徴とする方法。 - 請求項４に記載の太陽電池の製造方法であって、
前記ゲッタリング熱処理により、前記金属成分が前記第６の非晶質シリコン層内の不純物と反応して化合物を形成することを特徴とする方法。
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