JP2012109373A - 裏面電極型太陽電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】逆バイアス電圧がかかった際、リーク電流を抑えることが可能な裏面電極型太陽電池を提供する。
【解決手段】シリコン基板の受光面とは反対側の面である裏面に第1導電型半導体領域及び第2導電型半導体領域が形成され、第1導電型半導体領域及び第2導電型半導体領域には、それぞれ第1導電型用電極、第2導電型用電極が形成された裏面電極型太陽電池において、第1導電型半導体領域及び第2導電型半導体領域の周囲には外周縁半導体領域71が形成されており、外周縁半導体領域71は、第1導電型用電極及び第2導電型用電極に接触していない裏面電極型太陽電池である。
【選択図】図2

Description

本発明は、受光面と反対側の面である裏面に電極が形成されている裏面電極型太陽電池、特に裏面電極型太陽電池の裏面側の構造に関する。
太陽光エネルギを直接電気エネルギに変換する太陽電池は、近年、特に地球環境問題の観点から、次世代のエネルギ源としての期待が急激に高まっている。太陽電池としては、化合物半導体または有機材料を用いたものなど様々な種類があるが、現在、主流となっているのは、シリコン結晶を用いたものである。
現在、最も多く製造および販売されている太陽電池は、太陽光が入射する側の面である受光面と、受光面の反対側である裏面とに電極が形成された構造のものである。
しかしながら、受光面に電極を形成した場合、電極における光の反射、吸収があることから、形成された電極の面積分だけ入射する太陽光が減少するので、裏面にのみ電極を形成した裏面電極型太陽電池が開発されている。
図8は、特許文献1に開示されている従来の裏面電極型太陽電池の断面を表す模式図である。以下に、従来の裏面電極型太陽電池101について説明する。
n型シリコンウェーハ104の受光面側には凹凸形状105が形成され、n型前面側拡散領域106であるFSF(Front Surface Field)層が形成されている。そして、凹凸形状105上には、n型シリコンウェーハ104側から、二酸化ケイ素を含む誘電性パッシベーション層108、窒化シリコンを含む反射防止コーティング107が形成されている。
また、n型シリコンウェーハ104の裏面には酸化物層109が形成されている。さらに、n型シリコンウェーハ104の裏面側にはn型ドープされたn領域110とp型ドープされたp領域111とが交互に形成されている。そして、n領域110にはn型用金属コンタクト102が形成されており、p領域111にはp型用金属コンタクト103が形成されている。
特表2008−532311号公報
複数の裏面電極型太陽電池が直列または並列で接続される裏面電極型太陽電池モジュールにおいて、動作中に裏面電極型太陽電池モジュールの一部に太陽光があたらない影が生じた場合、影が生じた裏面電極型太陽電池は、他の裏面電極型太陽電池との関係で逆バイアス電圧がかかる。
この際、特許文献1に記載のように、裏面電極型太陽電池の裏面側の外周縁に、n型シリコンウェーハと異なる導電型であるp領域を有し、その領域にp型用金属コンタクトが接続されている場合、逆バイアス電圧がかかると、外周縁を通してリーク電流が発生しやすくなる。
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、逆バイアス電圧がかかった際、リーク電流を抑えることが可能な裏面電極型太陽電池を提供することにある。
本発明の裏面電極型太陽電池は、シリコン基板の受光面とは反対側の面である裏面に第1導電型半導体領域及び第2導電型半導体領域が形成され、第1導電型半導体領域及び第2導電型半導体領域には、それぞれ第1導電型用電極、第2導電型用電極が形成された裏面電極型太陽電池において、第1導電型半導体領域及び第2導電型半導体領域の周囲には外周縁半導体領域が形成されており、外周縁半導体領域は、第1導電型用電極及び第2導電型用電極に接触していない。
ここで、本発明の裏面電極型太陽電池は、第1導電型半導体領域の周囲には、第2導電型半導体領域が形成され、外周縁半導体領域は、第1導電型半導体領域と同じ導電型であってもよい。
また、本発明の裏面電極型太陽電池は、第1導電型半導体領域及び第2導電型半導体領域のうち、シリコン基板の導電型とは異なる導電型半導体領域の合計面積が広くてもよい。
また、本発明の裏面電極型太陽電池は、第1導電型用電極及び第2導電型用電極のうち、最も外側の電極は全て同じ導電型であってもよい。
また、本発明の裏面電極型太陽電池は、第1導電型用電極及び第2導電型用電極のうち、最も外側の電極は、外周縁半導体領域とは異なる導電型であってもよい。
また、本発明の裏面電極型太陽電池は、シリコン基板の受光面側にシリコン基板と同じ導電型である受光面拡散層が形成されていてもよい。
また、本発明の裏面電極型太陽電池は、受光面拡散層の受光面上に受光面パッシベーション膜が形成され、受光面パッシベーション膜の受光面上にシリコン基板と同じ導電型の不純物を含む酸化チタンである反射防止膜が形成されていてもよい。
本発明によれば、裏面電極型太陽電池の裏面側の外周縁に、電極に接続していない半導体領域を形成することで、裏面電極型太陽電池に逆バイアス電圧がかかった際、リーク電流を抑えることができる。
本発明の裏面電極型太陽電池の一例の模式的な裏面図である。 本発明の裏面電極型太陽電池の一例の模式的な断面構成図である。 本発明の裏面電極型太陽電池の一例の裏面側から見た半導体領域の模式的な図である。 本発明の裏面電極型太陽電池の製造方法の一例を示す模式的な図である。 本発明の裏面電極型太陽電池の他の一例の模式的な裏面図である。 本発明の裏面電極型太陽電池の他の一例の模式的な断面構成図である。 本発明の裏面電極型太陽電池の他の一例の裏面側から見た半導体領域の模式的な図である。 従来技術の裏面電極型太陽電池の一例の模式的な断面構成図である。
図1、図2は、受光面と反対側の面である裏面にのみ電極を形成した本発明の一例の裏面電極型太陽電池を表す図である。図1は、裏面電極型太陽電池1の裏面側から見た図であり、裏面電極型太陽電池1の裏面には、n型用電極2およびp型用電極3がそれぞれ帯状に交互に形成されている。
図2は、図1で示したA−A′の断面を表す図である。単結晶シリコン基板であるn型シリコン基板4の受光面側にはテクスチャ構造である凹凸形状5が形成されている。この凹凸は数μm〜数十μmオーダーである。受光面側全面には受光面拡散層6であるn層がFSF(Front Surface Field)層として形成され、受光面拡散層6の受光面側には受光面パッシベーション膜13が形成されている。さらに、受光面側には反射防止膜12が形成されている。ここで、受光面パッシベーション膜13は酸化シリコン膜で、その膜厚は15nm〜200nmであり、好ましくは15nm〜60nmである。また、反射防止膜12は酸化チタン膜である。膜厚は10〜400nmである。さらに、反射防止膜にはリンが含まれており、その濃度はリン酸化物として15〜35wt%含有する。
また、n型シリコン基板4の裏面には、n型シリコン基板4側から、第2裏面パッシベーション膜8、第1裏面パッシベーション膜11の2層からなる裏面パッシベーション膜14が形成されている。n型シリコン基板4の裏面側にはn型半導体領域であるn領域9とp型半導体領域であるp領域10とが交互に隣接して形成されており、n型シリコン基板4の裏面のn領域9の表面は、n型シリコン基板4の裏面のn領域9以外の表面よりも凹状になっている。ここで、図2に示す凹状の深さdは数十nmのオーダーである。さらに、n領域9にはn型用電極2が形成され、p領域10にはp型用電極3が形成されている。n型シリコン基板4の裏面の最も外側には、電極が形成されていない、すなわち、電極に接触していない半導体領域であるp領域71が形成されている。また、n領域9上の裏面パッシベーション膜14とp領域10上の裏面パッシベーション膜14とに膜厚差があり、n領域9上の裏面パッシベーション膜14の方が厚くなっている。ここで、n領域9とp領域10とが交互に隣接して形成されていることより、裏面電極型太陽電池1に逆方向のバイアスがかかったとき、部分的に電圧がかかることがなく、局所的なリーク電流による発熱をさけることができる。
図3は、裏面電極型太陽電池1からn型用電極2とp型用電極3とを除去し、さらに裏面パッシベーション膜14を除去した場合に、n領域9とp領域10とを裏面側から見た図である。n型シリコン基板4の裏面の外周縁には、電極に接触していない半導体領域であるp領域71が形成されている(外周縁に形成された電極に接触していない半導体領域を、以下「外周縁半導体領域」という。)。n領域9の周囲に、n領域9とは導電型の異なる外周縁半導体領域であるp領域71を形成することで、n領域9とp領域10との外側に半導体領域ができたとしても、n領域9とp領域10とは、電気的に分離できている。外周縁には、電極に接触していない半導体領域があるので、裏面電極型太陽電池1に逆方向のバイアスがかかったとき、外周縁を通して発生するリーク電流を抑えることができる。また、図3では、n領域9は全てつながって1つの半導体領域を形成しているが、必ずしも全部がつながっていなくてもよい。さらに、図3では、p領域10は複数に分離して形成しているが、つながっている箇所があってもよい。
なお、最も外側の電極が同じ導電型用電極なので、形成した電極を回転対称構造にすることが可能になり、裏面電極型太陽電池を複数並べる太陽電池モジュールを作製する際、例えば、図1に示す裏面電極型太陽電池の上下が反対になっても問題ない。
以下に、本発明の裏面電極型太陽電池の製造方法の一例を示す。
図4は、図1、および図2に示す本発明の裏面電極型太陽電池の製造方法の一例である。図4に示すように模式的断面図を参照して説明する。
まず、図4(a)に示すように、100μm厚のn型シリコン基板4の受光面となる面(以下「n型シリコン基板の受光面」という。)の反対側の面である裏面(以下「n型シリコン基板の裏面」という。)に、窒化シリコン膜等のテクスチャマスク21をCVD法、またはスパッタ法等で形成する。その後、図4(b)に示すように、n型シリコン基板4の受光面にテクスチャ構造である凹凸形状5をエッチングにより形成する。エッチングは、たとえば、水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムなどのアルカリ水溶液にイソプロピルアルコールを添加し、70℃以上80℃以下に加熱した溶液により行われる。
次に、図4(c)を用いて次工程を説明する。図4(c)は、n型シリコン基板4の裏面側が上となっている。図4(c)に示すように、n型シリコン基板4の裏面に形成したテクスチャマスク21を除去後、n型シリコン基板4の受光面に酸化シリコン膜等の拡散マスク22を形成する。その後、n型シリコン基板4の裏面において、n領域9を形成しようとする箇所以外に、例えば、溶剤、増粘剤および酸化シリコン前駆体を含むマスキングペーストをインクジェット、またはスクリーン印刷等で塗布し、熱処理により拡散マスク23を形成し、POClを用いた気相拡散によって、n型シリコン基板4の裏面の露出した箇所に、n型不純物であるリンが拡散してn領域9が形成される。
次に、図4(d)に示すように、n型シリコン基板4に形成した拡散マスク22ならびに拡散マスク23、および拡散マスク22、23にリンが拡散して形成されたガラス層をフッ化水素酸処理により除去した後、酸素または水蒸気による熱酸化を行い、酸化シリコン膜24を形成する。この際、図4(d)に示すように、n型シリコン基板4の裏面のn領域9上の酸化シリコン膜24が厚くなる。900℃で水蒸気による熱酸化を行い、n領域9上以外の酸化シリコン膜24の膜厚が70nm〜90nm、n領域9上の酸化シリコン膜24の膜厚は250nm〜350nmになった。ここで、熱酸化前のn領域9のリンの表面濃度は、5×1019/cm以上であり、熱酸化の処理温度の範囲としては、酸素による熱酸化で800℃〜1000℃、水蒸気による熱酸化で800℃〜950℃である。
酸化シリコン膜24を、p領域形成時のn領域の拡散マスクとして使用するには、n領域9上とn領域9上以外との酸化シリコン膜24の膜厚差は、60nm以上必要となる。
また、熱酸化時に、シリコン基板に拡散される不純物の種類と濃度により、熱酸化による酸化シリコン膜の成長速度が異なる。とくにn型不純物濃度が高い場合は、成長速度が速くなる。このため、n型シリコン基板4よりもn型不純物濃度が高いn領域9上の酸化シリコン膜24の膜厚の方がn型シリコン基板4上よりも厚くなる。酸化シリコン膜24は、熱酸化時にシリコンと酸素とが結びつくことで形成されるので、n型シリコン基板4の裏面のn領域9の表面は、n型シリコン基板4の裏面のn領域9以外であるp領域の表面よりも凹状になる。
次に、図4(e)に示すように、n型シリコン基板4の受光面の酸化シリコン膜24および裏面のn領域9上以外の酸化シリコン膜24をエッチングにより除去する。裏面では、上記に示したように、酸化シリコン膜24がn領域9上に厚く形成されているので、n領域9上だけ酸化シリコン膜24が残る。n領域9上の酸化シリコン膜24とn領域9上以外の酸化シリコン膜24とのエッチングレートの差により、n領域9上の酸化シリコン膜24は120nm程度の膜厚となる。例えば、900℃30分の水蒸気による熱酸化で酸化シリコン膜24を形成し、n領域9上以外の酸化シリコン膜24を除去するためにフッ化水素酸処理をした場合、n領域9上の酸化シリコン膜24の膜厚は120nm程度となる。先述したように60nm以上あればp領域形成時の拡散マスクとして機能する。
さらに、n型シリコン基板4の受光面に酸化シリコン膜等の拡散マスク25を形成し、その後、n型シリコン基板4の裏面に、有機性高分子にホウ素化合物を反応させたポリマーをアルコール系溶媒に溶解させた溶液を塗布し、乾燥後、熱処理によりn型シリコン基板4の裏面の露出した箇所にp型不純物であるボロンが拡散してp領域が形成される。この際、p領域10とp領域71とが形成される。
次に、図4(f)を用いて次工程を説明する。図4(f)は、n型シリコン基板4の受光面側が上となっている。図4(f)に示すように、n型シリコン基板4に形成した酸化シリコン膜24ならびに拡散マスク25、および酸化シリコン膜24、拡散マスク25にボロンが拡散して形成されたガラス層をフッ化水素酸処理により除去する。その後、n型シリコン基板4の裏面に酸化シリコン膜等の拡散マスクを兼ねた第1裏面パッシベーション膜11をCVD法、またはSOG(スピンオングラス)の塗布、焼成により形成する。その後、n型シリコン基板4の受光面に受光面拡散層6であるn層および反射防止膜12を形成するため、n型シリコン基板4の受光面にリン化合物、チタンアルコキシドおよびアルコールを少なくとも含む混合液27の塗布を行い、乾燥する。ここで、混合液27のリン化合物としては五酸化リン、チタンアルコキシドとしてはテトライソプロピルチタネート、およびアルコールとしてはイソプロピルアルコールを用いる。
次に、図4(g)に示すように、熱処理によりn型不純物であるリンが拡散して受光面側全面に受光面拡散層6であるn層および反射防止膜12となるリンを含有した酸化チタン膜が形成される。ここで、熱処理後のn層のシート抵抗値は、30〜150Ω/□、望ましくは、80±20Ω/□である。
n型シリコン基板4の裏面に酸化シリコン膜による第2裏面パッシベーション膜8を形成するため、酸素または水蒸気による熱酸化を行う。この際、n型シリコン基板4の裏面に第2裏面パッシベーション膜8である酸化シリコン膜が形成されながら、図4(j)に示すように、n型シリコン基板4の受光面全面にも、酸化シリコン膜が形成される。この受光面全面に形成された酸化シリコン膜は、受光面拡散層6と反射防止膜12との間に形成され、受光面パッシベーション膜13となる。また、第2裏面パッシベーション膜8と受光面パッシベーション膜13との形成は、受光面拡散層6および反射防止膜12を形成する熱処理に引き続き、ガスを切り替えて酸素または水蒸気による熱酸化を行うことによっても可能である。
次に、図4(h)に示すように、n型シリコン基板4の裏面側に形成されたn領域9、p領域10に電極を形成するため、n型シリコン基板の裏面に形成された裏面パッシベーション膜14にパターニングを行う。パターニングは、エッチングペーストをスクリーン印刷法などで塗布し加熱処理により行われる。その後、パターニング処理を行ったエッチングペーストは超音波洗浄し酸処理により除去する。ここで、エッチングペーストとしては、例えば、エッチング成分としてリン酸、フッ化水素、フッ化アンモニウムおよびフッ化水素アンモニウムからなる群から選択された少なくとも1種を含み、水、有機溶媒および増粘剤を含むものである。
次に、図4(i)に示すように、n型シリコン基板4の裏面の所定の位置に銀ペーストをスクリーン印刷法により塗布し、乾燥する。その後、焼成により、n領域9にはn型用電極2が形成され、p領域10にはp型用電極3が形成され、裏面電極型太陽電池1を作製した。
図5、図6は、本発明の他の一例の裏面電極型太陽電池を表す図である。実施例1と異なる点は、外周縁半導体領域がn領域である点である。
図5は、裏面電極型太陽電池51の裏面側から見た図であり、裏面電極型太陽電池51の裏面には、n型用電極2およびp型用電極3がそれぞれ帯状に交互に形成されている。図6は、図5で示したB−B′の断面を表す図であり、n型シリコン基板4の裏面の最も外側には、電極が形成されていない、すなわち、電極に接触していない半導体領域であるn領域72が形成されている以外は、図2と同様である。
図7は、裏面電極型太陽電池51からn型用電極2とp型用電極3とを除去し、さらに裏面パッシベーション膜14を除去した場合に、n領域9とp領域10とを裏面側から見た図である。n型シリコン基板4の裏面の外周縁には、電極に接触していない半導体領域であるn領域72が形成されている。p領域10の周囲に、p領域10とは導電型の異なる外周縁半導体領域であるn領域72を形成することで、n領域9とp領域10との外側に半導体領域ができたとしても、n領域9とp領域10とは、電気的に分離できている。外周縁には、電極に接触していない半導体領域があるので、裏面電極型太陽電池51に逆方向のバイアスがかかったとき、外周縁を通してリーク電流を抑えることができる。また、図7では、p領域10は全てつながって1つの半導体領域を形成しているが、必ずしも全部がつながっていなくてもよい。さらに、図7では、n領域9は複数に分離して形成しているが、つながっている箇所があってもよい。
なお、最も外側の電極が同じ導電型用電極なので、形成した電極を回転対称構造にすることが可能になり、裏面電極型太陽電池を複数並べる太陽電池モジュールを作製する際、例えば、図5に示す裏面電極型太陽電池の上下が反対になっても問題ない。
裏面電極型太陽電池51の製造方法は、裏面電極型太陽電池1と同様であるので、省略した。
上記の実施例1、2では、太陽電池動作時、電極が形成されているn領域9と、n層である受光面拡散層6とが、n型シリコン基板4のバルクのみを介して分離してので、互いの電位に影響されない。
さらに、より高い短絡電流を得るために、シリコン基板の導電型であるn型と異なる導電型であるp領域10の合計面積のほうがn領域9の合計面積よりも大きい方がよい。この場合、隣接するn領域9は長さ方向に対し垂直方向に分離されていてもよい。その際、n領域9間にはp領域10が形成されている。また、p領域10が長さ方向に対し垂直方向に分離されている場合は、p領域10間にn領域9が形成されている。
実施例1、2では、n型シリコン基板について記載したが、p型シリコン基板を用いることも可能である。その際、受光面拡散層が存在する場合はp型不純物を用いたp層となり、反射防止膜はp型不純物が含まれた膜となり、他の構造はn型シリコン基板について記載した上記構造と同様である。
また、p型シリコン基板を用いる場合は、より高い短絡電流を得るために、シリコン基板の導電型であるp型と異なる導電型であり、電極が形成されたn領域の合計面積のほうが、電極が形成されたp領域の合計面積よりも大きい。この場合、隣接するp領域は長さ方向に対し垂直方向に分離されていてもよい。その際、p領域間はn領域が形成されている。また、n領域が長さ方向に対し垂直方向に分離されている場合は、n領域間にp領域が形成されている。
さらに、本発明の裏面電極型太陽電池の概念には、半導体基板の裏面となる面のみにp型用電極およびn型用電極の双方が形成された構成の裏面電極型太陽電池だけでなく、MWT(Metal Wrap Through)型(半導体基板に設けられた貫通孔に電極の一部を配置した構成の太陽電池)などの構成の太陽電池も含まれる。
1 裏面電極型太陽電池、2 n型用電極、3 p型用電極、4 n型シリコン基板、5 凹凸形状、6 受光面拡散層、8 第2裏面パッシベーション膜、9 n領域、10 p領域、11 第1裏面パッシベーション膜、12 反射防止膜、13 受光面パッシベーション膜、14 裏面パッシベーション膜、21 テクスチャマスク、22 拡散マスク、23 拡散マスク、24 酸化シリコン膜、25 拡散マスク、27 混合液、51 裏面電極型太陽電池、71 p領域、72 n領域、101 裏面電極型太陽電池、102 n型用金属コンタクト、103 p型用金属コンタクト、104 n型シリコンウェーハ、105 凹凸形状、106 n型前面側拡散領域、107 反射防止コーティング、108 誘電性パッシベーション層、109 酸化物層、110 n領域、111 p領域。

Claims (7)

  1. シリコン基板の受光面とは反対側の面である裏面に第1導電型半導体領域及び第2導電型半導体領域が形成され、前記第1導電型半導体領域及び前記第2導電型半導体領域には、それぞれ第1導電型用電極、第2導電型用電極が形成された裏面電極型太陽電池において、
    前記第1導電型半導体領域及び前記第2導電型半導体領域の周囲には外周縁半導体領域が形成されており、前記外周縁半導体領域は、前記第1導電型用電極及び前記第2導電型用電極に接触していない裏面電極型太陽電池。
  2. 前記第1導電型半導体領域の周囲には、前記第2導電型半導体領域が形成され、
    前記外周縁半導体領域は、前記第1導電型半導体領域と同じ導電型である請求項1に記載の裏面電極型太陽電池。
  3. 前記第1導電型半導体領域及び前記第2導電型半導体領域のうち、前記シリコン基板の導電型とは異なる導電型半導体領域の合計面積が広い請求項1または2に記載の裏面電極型太陽電池。
  4. 前記第1導電型用電極及び前記第2導電型用電極のうち、最も外側の電極は全て同じ導電型である請求項1〜3のいずれかに記載の裏面電極型太陽電池。
  5. 前記第1導電型用電極及び前記第2導電型用電極のうち、最も外側の電極は、前記外周縁半導体領域とは異なる導電型である請求項1〜4のいずれかに記載の裏面電極型太陽電池。
  6. 前記シリコン基板の受光面側に前記シリコン基板と同じ導電型である受光面拡散層が形成されている請求項1〜5のいずれかに記載の裏面電極型太陽電池。
  7. 前記受光面拡散層の受光面上に受光面パッシベーション膜が形成され、
    前記受光面パッシベーション膜の受光面上に前記シリコン基板と同じ導電型の不純物を含む酸化チタンである反射防止膜が形成されている請求項8に記載の裏面電極型太陽電池。
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