JP2012049183A - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】裏面接合型の太陽電池の変換効率を向上する。
【解決手段】太陽電池１は、太陽電池基板１０と、ｐ側電極１７ｐと、ｎ側電極１７ｎとを備えている。太陽電池基板１０は、半導体基板１５を有する。太陽電池基板１０では、第１の主面１０ａにおいてｐ型領域１０ａｐの表面及びｎ型領域１０ａｎの表面が露出している。ｐ側電極１７ｐは、ｐ型領域１０ａｐの表面の上に形成されている。ｎ側電極１７ｎは、ｎ型領域１０ａｎの表面の上に形成されている。半導体基板１５は、第１の主面１０ａ側の面に、第１の方向ｙに沿って延びる複数の線状溝１６を有する。ｐ側電極１７ｐ及びｎ側電極１７ｎのそれぞれは、第１の方向ｙに沿って延びる線状部１７ｐ１，１７ｎ１を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、裏面接合型の太陽電池及びその製造方法に関する。

近年、環境に対する負荷が小さなエネルギー源として、太陽電池が大いに注目されている。このため、太陽電池に関する研究開発が活発に行われている。なかでも、太陽電池の変換効率を如何に高めるかが重要な課題となってきている。このため、向上した変換効率を有する太陽電池やその製造方法の研究開発が特に盛んに行われている。

変換効率が高い太陽電池としては、例えば下記の特許文献１などにおいて、太陽電池の裏面側にｐ型領域及びｎ型領域が形成されている所謂裏面接合型の太陽電池が提案されている。この裏面接合型の太陽電池では、キャリアを収集するための電極を受光面に設ける必要が必ずしもない。このため、裏面接合型の太陽電池では、光の受光効率を向上することができる。従って、より向上した変換効率を実現し得る。

特開２００９−２００２６７号公報

しかしながら、太陽電池の変換効率をさらに向上したいという要求がある。

本発明は、係る点に鑑みてなされたものであり、その目的は、裏面接合型の太陽電池の変換効率を向上することにある。

本発明に係る太陽電池は、太陽電池基板と、ｐ側電極と、ｎ側電極とを備えている。太陽電池基板は、半導体基板を有する。太陽電池基板では、第１の主面においてｐ型領域の表面及びｎ型領域の表面が露出している。ｐ側電極は、ｐ型領域の表面の上に形成されている。ｎ側電極は、ｎ型領域の表面の上に形成されている。半導体基板は、第１の主面側の面に、第１の方向に沿って延びる複数の線状溝を有する。ｐ側電極及びｎ側電極のそれぞれは、第１の方向に沿って延びる線状部を有する。

本発明に係る太陽電池の製造方法では、第１の方向に沿って延びる複数の線状溝が形成されている主面を有する半導体基板を準備する。半導体基板を用いて主面側にｐ型領域の表面及びｎ型領域の表面が露出している太陽電池基板を作成する。ｐ型領域の表面上にｐ側電極を形成し、ｎ型領域の表面上にｎ側電極を形成する。ｐ側電極及びｎ側電極のそれぞれを、第１の方向に沿って延びる線状部を有する形状に形成する。

本発明によれば、裏面接合型の太陽電池の変換効率を向上することができる。

第１の実施形態に係る太陽電池の略図的平面図である。 半導体基板の模式的平面図である。 図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける略図的断面図である。 図１の線ＩＶ−ＩＶにおける略図的断面図である。 半導体基板を作製する工程を説明する模式的斜視図である。 第１の実施形態においてＰ型半導体層を形成する工程を説明するための略図的断面図である。 変形例においてＰ型半導体層を形成する工程を説明するための略図的断面図である。 第２の実施形態に係る太陽電池の略図的断面図である。 第２の実施形態において太陽電池基板を作製する工程を説明するための模式的断面図である。

以下、本発明を実施した好ましい形態について、図１に示す太陽電池１を例に挙げて説明する。但し、太陽電池１は、単なる例示である。本発明は、太陽電池１に何ら限定されない。

また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものである。図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。

太陽電池１は、単独で用いることもできるが、太陽電池１単体では、十分に大きな出力が得られない場合は、太陽電池１は、複数の太陽電池１が配線材により接続された太陽電池モジュールとして利用されることもある。

図１及び図４に示すように、太陽電池１は、太陽電池基板１０を備えている。太陽電池基板１０は、第１の主面としての裏面１０ａと、第２の主面としての受光面１０ｂとを有する。裏面１０ａには、ｐ型領域１０ａｐの表面と、ｎ型領域１０ａｎの表面とが露出している。

詳細には、本実施形態では、太陽電池基板１０は、半導体基板１５と、ｎ型半導体層１４ｎと、ｐ型半導体層１４ｐとを備えている。

半導体基板１５は、受光面側の主面において、光を受光することによってキャリアを生成する。ここで、キャリアとは、光が半導体基板１５に吸収されることにより生成される正孔及び電子のことである。半導体基板１５は、ｎ型またはｐ型の導電型を有する結晶性半導体基板により構成されている。結晶性半導体基板の具体例としては、例えば、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板などの結晶シリコン基板が挙げられる。

ｎ型半導体層１４ｎとｐ型半導体層１４ｐとは、半導体基板１５の裏面側の主面の上に形成されている。このｎ型半導体層１４ｎによってｎ型領域１０ａｎが形成されており、ｐ型半導体層１４ｐによってｐ型領域１０ａｐが形成されている。

ｎ型半導体層１４ｎとｐ型半導体層１４ｐとのそれぞれは、くし歯状に形成されている。ｎ型半導体層１４ｎとｐ型半導体層１４ｐとは互いに間挿し合うように形成されている。このため、ｐ型領域１０ａｐとｎ型領域１０ａｎとは、互いに間挿し合うくし歯状に形成されている。ｐ型領域１０ａｐのｙ方向に延びる線状部と、ｎ型領域１０ａｎのｙ方向に延びる線状部とは、ｘ方向において隣接している。

ｎ型半導体層１４ｎは、半導体基板１５の裏面側の主面上に形成されているｎ型非晶質半導体層を含む。一方、ｐ型半導体層１４ｐは、半導体基板１５の裏面側の主面上に形成されているｐ型非晶質半導体層を含む。なお、半導体基板１５とｎ型非晶質半導体層１４ｎとの間、及び半導体基板１５とｐ型非晶質半導体層１４ｐとの間のそれぞれに、ｉ型非晶質半導体層を介在させてもよい。この場合、ｉ型非晶質半導体層は、例えば数Å〜２５０Å程度の、発電に実質的に寄与しない程度の厚みの、水素を含むｉ型のアモルファスシリコン層により構成することが好ましい。

ｐ型非晶質半導体層は、ｐ型のドーパントが添加されており、ｐ型の導電型を有する半導体層である。具体的には、本実施形態では、ｐ型非晶質半導体層は、水素を含むｐ型のアモルファスシリコンからなる。一方、ｎ型非晶質半導体層は、ｎ型のドーパントが添加されており、ｎ型の導電型を有する半導体層である。具体的には、本実施形態では、ｎ型非晶質半導体層は、水素を含むｎ型のアモルファスシリコンからなる。なお、ｐ型及びｎ型の非晶質半導体層の厚みは、特に限定されないが、例えば、２０Å〜５００Å程度とすることができる。

図２及び図３に示すように、半導体基板１５の表面１５ａは、ｙ方向に沿って延びる複数の線状溝１６を有する。本実施形態においては、この線状溝１６は、半導体基板１５を作製する際に形成されたソーマーク（ワイヤー痕）である。このため、線状溝１６の溝幅は、最大で５μｍ程度である。線状溝１６の深さは、最大で１０μｍ程度である。線状溝１６の長さは、最大で３ｃｍ程度である。

半導体基板１５の表面１５ａの上に形成されているｐ型半導体層１４ｐ及びｎ型半導体層１４ｎの厚みは、線状溝１６の溝の深さに比べ薄い。このため、ｐ型半導体層１４ｐ及びｎ型半導体層１４ｎが形成された太陽電池基板１０の表面は、半導体基板１５ａの表面形状に対応する形状を有する。すなわち、太陽電池基板１０の裏面１０ａは、略全面にわたって形成された複数の線状溝を有する。

図４に示すように、ｐ型半導体層１４ｐから構成されるｐ型領域１０ａｐの表面上には、ｐ側電極１７ｐが形成されている。一方、ｎ型半導体層１４ｎから構成されるｎ型領域１０ａｎの表面上には、ｎ側電極１７ｎが形成されている。本実施形態では、これらｐ側電極１７ｐ及びｎ側電極１７ｎのそれぞれは、樹脂型の導電性ペースト層により構成されている。ここで、樹脂型の導電性ペースト層とは、例えば、金属や合金などからなる導電性粒子を含む樹脂型のペーストから形成された導電層のことをいう。なお、ｐ側電極１７ｐ及びｎ側電極１７ｎのそれぞれは、導電性ペーストに限らず、電極として用いることのできる種々の材料を用いて形成することができる。

ｐ側電極１７ｐ及びｎ側電極１７ｎのそれぞれは、くし歯状に形成されている。ｐ側電極１７ｐ及びｎ側電極１７ｎは、互いに間挿し合っている。ｐ側電極１７ｐ及びｎ側電極１７ｎのそれぞれは、バスバー１７ｐ１，１７ｎ１と、バスバー１７ｐ１，１７ｎ１に接続されている複数のフィンガー電極１７ｐ２，１７ｎ２とを備えている。バスバー１７ｐ１，１７ｎ１は、ｘ方向に沿って延びている。一方、フィンガー電極１７ｐ２，１７ｎ２は、線状溝１６と平行なｙ方向に沿って延びている。フィンガー電極１７ｐ２，１７ｎ２は、方向ｘに所定の間隔を隔てて隣接している。

次に、太陽電池１の製造方法の一例について説明する。

まず、半導体基板１５を作製する。具体的には、図５に示す半導体インゴット２０を切断することにより半導体基板１５を作製することができる。半導体インゴット２０の切断は、図５に示す切断装置３０を用いて行うことができる。切断装置３０は、４本の軸３１ａ〜３１ｄと、軸３１ａ〜３１ｄに等間隔に巻き掛けられたワイヤー３２と、図示しないワイヤー３２の駆動装置とを備えている。この切断装置３０では、駆動装置によりワイヤー３２を走行させた状態で、半導体インゴット２０をワイヤー３２を通過させることにより、半導体インゴット２０を切断し、半導体基板１５を作製する。このため、半導体基板１５の表面１５ａには、複数の線状の線状溝（ソーマーク）１６が形成される。

上記切断工程は、ワイヤー３２に砥粒が分散したスラリーを供給しながら行う遊離砥粒方式で行ってもよいし、ダイヤモンド砥粒等の砥粒が固定されたワイヤー３２を用いる固定砥粒方式で行ってもよい。遊離砥粒方式及び固定砥粒方式のいずれを採用した場合であっても線状溝１６は形成されるが、固定砥粒方式を採用した場合の方が、深い線状溝１６が形成されやすい。

次に、ｐ型半導体層１４ｐ及びｎ型半導体層１４ｎを形成することにより、太陽電池基板１０を作製する。なお、本実施形態では、ｐ型半導体層１４ｐを形成した後にｎ型半導体層１４ｎを形成する例について説明するが、ｎ型半導体層１４ｎを形成した後にｐ型半導体層１４ｐを形成してもよい。

具体的には、まず、図６に示すように、半導体基板１５の表面１５ａの上に、ｐ型アモルファスシリコン層４０を形成する。ｐ型アモルファスシリコン層４０の形成は、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成することができる。なお、ｐ型アモルファスシリコン層４０は、厚みが数十ｎｍと薄いため、ｐ型アモルファスシリコン層４０の表面には、線状溝１６の形状に対応した線状の凹凸が形成される。

次に、ｐ型アモルファスシリコン層４０のうち、ｐ型半導体層１４ｐを形成する部分を除いた部分の上に、エッチング剤４１を塗布する。或いは、ｐ型アモルファスシリコン層４０のうちｐ型半導体層１４ｐを形成する部分の上にレジスト膜を形成し、ｐ型半導体層１４ｐを形成する部分を除いた部分をエッチング剤にさらす。このようにして、ｐ型アモルファスシリコン層４０をエッチングすることによりｐ型半導体層１４ｐを形成する。エッチング剤４１は、ｐ型アモルファスシリコン層４０をエッチング可能なものであれば特に限定されない。エッチング剤４１としては、例えば、ＫＯＨやＮａＯＨをエッチング成分として含むもの等が好ましく用いられる。

なお、「エッチング剤」には、エッチング液、エッチングペースト、エッチングインクなどが含まれるものとする。

次に、ｎ型半導体層１４ｎを形成するためのｎ型アモルファスシリコン層を形成し、その層をエッチング剤を用いてエッチングすることによりｎ型半導体層１４ｎを形成する。

次に、ｐ型半導体層１４ｐ及びｎ型半導体層１４ｎの表面上に、ｐ側電極１７ｐ、ｎ側電極１７ｎを形成する。ｐ側電極１７ｐ及びｎ側電極１７ｎは、例えば、めっき法や蒸着法、スパッタリング法など、或いはこれらの方法を組合わせることによって形成することができる。本実施形態では、ｐ側電極１７ｐ及びｎ側電極１７ｎは、導電性粒子を含む樹脂型の導電性ペーストを塗布し、乾燥させることにより形成する例について説明する。導電性粒子としては、例えば、銀や銅などの金属や、それらの金属の一種以上を含む合金などからなる粒子や、表面が導電層によりコートされている絶縁性粒子が好ましく用いられる。

なお、本実施形態では、ｐ側電極１７ｐ及びｎ側電極１７ｎのそれぞれのフィンガー電極１７ｐ２，１７ｎ２を、線状溝１６の延びる方向と平行なｙ方向に沿って延び、ｘ方向に隣接するように形成する。

ところで、本実施形態とは異なり、フィンガー電極を、ソーマークの延びる方向と垂直な方向に延びるように形成することも考えられる。しかしながら、その場合は、フィンガー電極やｎ型半導体層、ｐ型半導体層を高い形状精度で形成することが困難になる。その理由は、以下の理由による。すなわち、この場合は、まず、エッチング剤を塗布したときに、エッチング剤がソーマークに沿って、フィンガー電極の延びる方向に対して垂直なｘ方向の不所望な領域まで濡れ広がる。即ち、エッチング剤はフィンガー電極の幅方向に広がりやすい。このため、ｐ型アモルファスシリコン層をパターニングするときに、ｐ型半導体層として残すべき部分まで一部エッチングされてしまう。このためｐ型半導体層の線状部を高い形状精度で形成することが困難となる。同様に、ｎ型半導体層を高い形状精度で形成することも困難となる。このように、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層の形状精度が低下し、本来残すべき部分まで過剰にエッチングされると、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層の面積が減少する。このため、太陽電池の変換効率が低下する。

さらに、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層の形状精度が低下すると、これらの表面上に形成するｐ側電極及びｎ側電極も高い形状精度で形成することが困難となる。この場合には、ｐ側電極とｎ側電極とを確実に絶縁するために、隣接するフィンガー電極間を広くする必要がある。従って、少数キャリアが消失しやすくなり、変換効率が低くなる。一方、隣接するフィンガー電極間を狭くした場合は、隣接するフィンガー電極間で短絡が発生しやすくなり、変換効率が低くなってしまう場合がある。

それに対して本実施形態では、上述のように、ｐ側電極１７ｐ及びｎ側電極１７ｎのそれぞれのフィンガー電極１７ｐ２，１７ｎ２を、線状溝１６の延びる方向と平行なｙ方向に沿って延びるように形成する。このため、エッチング剤４１の広がる方向と線状溝１６の延びる方向とが平行になる。従って、エッチング剤４１は、線状部（フィンガー電極）の幅方向に濡れ広がり難い。従って、ｐ型半導体層１４ｐの線状部を高い形状精度で形成することができる。同様に、ｎ型半導体層１４ｎの線状部も高い形状精度で形成することができる。このため、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層の面積を設計通りの面積にすることが可能となり、変換効率の向上した太陽電池を得ることが可能となる。

また、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層を高い形状精度で形成することが可能になるので、フィンガー電極１７ｐ２，１７ｎ２も高い形状精度で形成することができる。よって、本実施形態では、フィンガー電極１７ｐ２，１７ｎ２間を狭くしても短絡が生じ難い。従って、太陽電池１の変換効率を向上することができる。

なお、本実施形態では、エッチング剤の濡れ広がりを抑制するために、ソーマークを利用した。但し、本発明は、この構成に限定されない。エッチング剤などの濡れ拡がりを抑制するための線状溝を、ソーマークとは別に、半導体基板に意図的に形成してもよい。

また、本実施形態では、半導体層をエッチングすることによりｐ型半導体層１４ｐ及びｎ型半導体層１４ｎを形成する例について説明した。但し、本発明は、これに限定されない。例えば、図７に示すように、半導体基板１５の表面１５ａにレジストを塗布することにより形成したレジストマスク５０の上からｐ型半導体層１４ｐを形成し、ｎ型半導体層１４ｎに関しても、同様に、レジストマスクを用いて形成してもよい。この場合であっても、上記第１の実施形態のように、レジストの濡れ広がりを抑制できるため、太陽電池１の変換効率を向上することができる。また、ｐ側電極及びｎ側電極の形成に導電性ペーストを用いた場合にも、上記第１の実施形態のように、導電性ペーストの濡れ広がりを抑制できるため、太陽電池１の変換効率を向上することができる。

以下、本発明を実施した好ましい形態の他の例について説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の機能で参照し、説明を省略する。

（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態に係る太陽電池の略図的断面図である。

上記第１の実施形態では、半導体基板１５、ｐ型半導体層１４ｐ及びｎ型半導体層１４ｎにより太陽電池基板１０が構成されている例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、ｐ型のドーパントが拡散したｐ型領域１０ａｐと、ｎ型のドーパントが拡散したｎ型領域１０ａｎとが形成された半導体基板１５により太陽電池基板１０を構成してもよい。

本実施形態の場合は、図９に示すように、第１の実施形態と同様に半導体インゴット２０から切り出された半導体基板１５の表面１５ａに、ｐ型のドーパントを含む拡散剤６０ｐと、ｎ型のドーパントを含む拡散剤６０ｎとを塗布し、ｐ型及びｎ型のドーパントを熱拡散させることによって、ｐ型領域１０ａｐ及びｎ型領域１０ａｎを形成することができる。

本実施形態においても、拡散剤６０ｐ、６０ｎの濡れ拡がりを抑制できるため、上記第１の実施形態と同様に、ｐ型領域１０ａｐ、ｎ型領域１０ａｎ及び電極１７ｐ、１７ｎを高い形状精度で形成できる。従って、太陽電池１の変換効率を向上することができる。

１…太陽電池
１０…太陽電池基板
１０ａ…裏面
１０ａｎ…ｎ型領域
１０ａｐ…ｐ型領域
１０ｂ…受光面
１４ｎ…ｎ型半導体層
１４ｐ…ｐ型半導体層
１５…半導体基板
１６…線状溝
１７ｎ…ｎ側電極
１７ｐ…ｐ側電極
２０…半導体インゴット
３０…切断装置
３２…ワイヤー
４０…ｐ型アモルファスシリコン層
４１…エッチング剤
５０…レジストマスク
６０ｐ、６０ｎ…拡散剤

Claims (16)

1. 半導体基板を有し、第１の主面においてｐ型領域の表面及びｎ型領域の表面が露出している太陽電池基板と、
   前記ｐ型領域の表面の上に形成されているｐ側電極と、
   前記ｎ型領域の表面の上に形成されているｎ側電極と、
   を備え、
   前記半導体基板は、前記第１の主面側の面に、第１の方向に沿って延びる複数の線状溝を有し、
   前記ｐ側電極及び前記ｎ側電極のそれぞれは、前記第１の方向に沿って延びる線状部を有する、太陽電池。
2. 前記ｐ側電極の線状部と前記ｎ側電極の線状部とは、前記第１の方向に垂直な第２の方向に隣接している、請求項１に記載の太陽電池。
3. 前記複数の線状溝は、ソーマークである、請求項１または２に記載の太陽電池。
4. 前記ｐ型領域の表面及び前記ｎ型領域の表面のそれぞれは、前記第１の方向に沿って延びる線状部を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽電池。
5. 前記ｐ側電極の線状部及び前記ｎ側電極の線状部のそれぞれは、導電性ペースト層からなる請求項１〜４のいずれか一項に記載の太陽電池。
6. 前記太陽電池基板は前記第１の主面に、前記複数の線状溝に対応する複数の線状溝を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載の太陽電池。
7. 前記太陽電池基板は、前記半導体基板の表面の上に形成されており、前記ｐ型領域を構成するｐ型半導体層と、前記半導体基板の表面の上に形成されており、前記ｎ型領域を構成するｎ型半導体層とを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の太陽電池。
8. 前記太陽電池基板は、前記半導体基板に前記ｐ型領域を構成するｐ型ドーパント拡散領域と、前記ｎ型領域を構成するｎ型ドーパント拡散領域とを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の太陽電池。
9. 第１の方向に沿って延びる複数の線状溝が形成されている主面を有する半導体基板を準備する工程と、
   前記半導体基板を用いて前記主面側にｐ型領域の表面及びｎ型領域の表面が露出している太陽電池基板を作成する工程と、
   前記ｐ型領域の表面上にｐ側電極を形成し、前記ｎ型領域の表面上にｎ側電極を形成する工程とを備え、
   前記ｐ側電極及び前記ｎ側電極のそれぞれを、前記第１の方向に沿って延びる線状部を有する形状に形成する、太陽電池の製造方法。
10. 前記線状部を、導電性ペーストにより形成する、請求項９に記載の太陽電池の製造方法。
11. 前記半導体基板の前記主面の一の領域の上に、前記ｐ型領域及び前記ｎ型領域のうちの一方を構成する一の導電型の第１の半導体層を形成すると共に、前記主面の他の領域の上に、前記ｐ型領域及び前記ｎ型領域のうちの他方を構成する他の導電型を有する第２の半導体層を形成することにより前記太陽電池基板を作製する、請求項９または１０に記載の太陽電池の製造方法。
12. 前記半導体基板の表面の上に前記一の導電型を有する半導体層を形成し、当該半導体層の前記一の領域の上に位置する部分を除いた部分の上にエッチング剤を塗布してエッチングすることによって前記第１の半導体層を形成する、請求項１１に記載の太陽電池の製造方法。
13. 前記半導体基板の表面の上に前記第１の導電型を有する半導体層を形成し、当該半導体層の表面の前記一の領域の上にマスク層を形成し、マスク層から露出する領域をエッチングすることにより前記第１の半導体層を形成する、請求項１１に記載の太陽電池の製造方法。
14. 前記半導体基板の前記主面の一の領域にｐ型のドーパントを含む第１の拡散剤を塗布し、前記一の領域に前記ｐ型のドーパントを拡散させることにより前記ｐ型領域を形成し、前記半導体基板の前記主面の他の領域にｎ型のドーパントを含む第２の拡散剤を塗布し、前記他の領域に前記ｎ型のドーパントを拡散させることにより前記ｎ型領域を形成する、請求項９または１０に記載の太陽電池の製造方法。
15. 前記半導体基板を、ワイヤーを用いて半導体インゴットを切断することにより形成する、請求項９〜１４のいずれか一項に記載の太陽電池の製造方法。
16. 前記ワイヤーには、砥粒が固定されている、請求項１５に記載の太陽電池の製造方法。

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