JP2012129518A - 光電変換装置、及びその作製方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】光電変換装置の作製方法において、高アスペクト比の溝部に適した埋め込み電極の形成方法を提供する。
【解決手段】結晶性シリコン基板に第１の溝部と、それと交差する第２の溝部を形成し、結晶性シリコン基板の表面及び該溝部にｉ型の第１のシリコン半導体層、一導電型を有する第２のシリコン半導体層、透光性導電膜を順次形成し、第１の溝部に導電性樹脂を注入し、毛細管現象によって第２の溝部に導電性樹脂を充填してグリッド電極を形成する。
【選択図】図１
【解決手段】結晶性シリコン基板に第１の溝部と、それと交差する第２の溝部を形成し、結晶性シリコン基板の表面及び該溝部にｉ型の第１のシリコン半導体層、一導電型を有する第２のシリコン半導体層、透光性導電膜を順次形成し、第１の溝部に導電性樹脂を注入し、毛細管現象によって第２の溝部に導電性樹脂を充填してグリッド電極を形成する。
【選択図】図１
Description
本発明は、結晶性シリコン基板を用いた光電変換装置、及びその作製方法に関する。
近年、地球温暖化対策として、発電時に二酸化炭素の排出の無い光電変換装置が注目されている。その代表例としては、単結晶シリコンや多結晶シリコンなどの結晶性シリコン基板を用いた太陽電池が知られている。
一般的に該太陽電池の受光面側には、電流を収集する電極として、金属膜や導電性樹脂膜などで形成されたグリッド電極が設けられている。グリッド電極には、直列抵抗による電力の損失を防ぐ効果があるが、グリッド電極の陰となる領域は発電には寄与しない領域となるため、グリッド電極の幅を狭くし、面積を小さくすることが望まれている。
グリッド電極の幅を狭くする場合には、抵抗を増加させないためにグリッド電極の短軸方向の断面が高アスペクト比となるように形成することが好ましい。このようなグリッド電極を形成する手段の一つとして、埋め込み電極の形成が試みられている。（特許文献１、非特許文献１参照）。
特許文献１は、結晶性シリコン基板にダイシング加工を施して溝部を形成し、該溝部に減圧下で導電性樹脂をスクリーン印刷法で充填する方法である。また、非特許文献１は、結晶性シリコン基板にレーザ加工を施して溝部を形成し、該溝部に無電解メッキ法で導電層を充填する方法である。
Ｎ．Ｂ．Ｍａｓｏｎ，Ｄ．Ｊｏｒｄａｎ，Ｊ．Ｇ．Ｓｕｍｍｅｒｓ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １０ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（１９９１）２８０．
減圧下でのスクリーン印刷は、装置構成やプロセスが複雑になるばかりでなく、印刷版に付着した導電性樹脂の乾燥が早いため、目詰まりを起こしやすいなどの問題があり、生産性が乏しい。また、無電解メッキ法は、前処理の不均一性や、メッキ液などからの半導体基板の汚染が懸念される。
また、埋め込み電極を形成するための溝部は、幅がより狭く、深さがより深い形状、すなわち高アスペクト比の形状で形成されることが望まれることに対して、上記方法は適切とは言えない。例えば、スクリーン印刷では、該溝部の幅よりも線幅の狭いパターンが形成された印刷版を用いなければならず、高い合わせ精度が必要となる。また、印刷版に充填された導電性樹脂は、被印刷面に接触しなければ印刷版から抜き出すことができず、溝部の空間に直接落とし込むことはできない。従って、該溝部の周辺に印刷樹脂を接触させる必要があり、実質的に該溝部の幅よりも線幅の広いグリッド電極が形成されてしまう。また、無電解メッキ法は液相プロセスのため、該溝部に残存する気泡の影響を受けやすく、断線などの工程不良となりやすい。いずれの方法においても、該溝部の短軸方向の断面形状のアスペクト比が高いほど、工程の難易度が上がってしまう。
従って、本発明の一態様は、光電変換装置の作製方法において、短軸方向の断面形状が高アスペクト比を有する溝部に適した埋め込み電極の形成方法を提供することを目的の一つとする。また、該埋め込み電極を有した光電変換装置を提供することを目的の一つとする。
本明細書で開示する本発明の一態様は、結晶性シリコン基板に溝部を形成し、毛細管現象を用いて該溝部に導電性樹脂を注入して埋め込み型のグリッド電極を形成する光電変換装置の作製方法、及び該埋め込み型のグリッド電極を有する光電変換装置に関する。
本明細書に開示する本発明の一態様は、結晶性シリコン基板の一方の面に第１の溝部と、第１の溝部と交わる第２の溝部を形成し、第１の溝部及び第２の溝部、並びに結晶性シリコン基板の一方の面に第１のシリコン半導体層を形成し、第１のシリコン半導体層上に一導電型を有する第２のシリコン半導体層を形成し、結晶性シリコン基板の他方の面に第３のシリコン半導体層を形成し、第３のシリコン半導体層上に一導電型とは逆の導電型を有する第４のシリコン半導体層を形成し、第２のシリコン半導体層上に透光性導電膜を形成し、第４のシリコン半導体層上に裏面電極を形成し、第１のシリコン半導体層、第２のシリコン半導体層、及び透光性導電膜が積層された第１の溝部及び第２の溝部に導電性樹脂を注入して焼成し、埋め込み型のグリッド電極を形成する工程において、第２の溝部への導電性樹脂の注入は、第１の溝部に導電性樹脂を注入し、毛細管現象を利用して第１の溝部から第２の溝部に注入することを特徴とする光電変換装置の作製方法である。
なお、本明細書等における「第１」、「第２」などの序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、順序や数を限定するものではないことを付記する。
結晶性シリコン基板の一方の面に第１の溝部と、第１の溝部と交わる第２の溝部を形成し、第１の溝部及び第２の溝部、並びに結晶性シリコン基板の一方の面に第１のシリコン半導体層を形成し、第１のシリコン半導体層上に一導電型を有する第２のシリコン半導体層を形成し、結晶性シリコン基板の他方の面に第３のシリコン半導体層を形成し、第３のシリコン半導体層上に一導電型とは逆の導電型を有する第４のシリコン半導体層を形成し、第４のシリコン半導体層上に裏面電極を形成し、第１のシリコン半導体層、及び第２のシリコン半導体層が積層された第１の溝部及び第２の溝部に導電性樹脂を注入し、焼成して埋め込み型のグリッド電極を形成し、第２のシリコン半導体層及びグリッド電極上に透光性導電膜を形成する工程において、第２の溝部への導電性樹脂の注入は、第１の溝部に導電性樹脂を注入し、毛細管現象を利用して第１の溝部から第２の溝部に注入することを特徴とする光電変換装置の作製方法である。
上記第２の溝部は、上記第１の溝部よりも幅を狭く形成することが好ましく、第１の溝部に注入した導電性樹脂が毛細管現象によって第２の溝部に注入されやすい構成とする。
上記導電性樹脂の粘度は、１００ｍＰａ・ｓ以下であることが好ましい。粘度が低いほど溝部への導電性樹脂の注入を容易に行うことができる。
また、第１の溝部及び第２の溝部への導電性樹脂の注入及び焼成は、複数回行ってもよい。
本明細書に開示する本発明の他の一態様は、結晶性シリコン基板の一方の面に設けられた第１の溝部と、第１の溝部と交わる第２の溝部と、第１の溝部及び第２の溝部、並びに結晶性シリコン基板の一方の面に設けられた第１のシリコン半導体層と、第１のシリコン半導体層上に設けられた一導電型を有する第２のシリコン半導体層と、結晶性シリコン基板の他方の面に設けられた第３のシリコン半導体層と、第３のシリコン半導体層上に設けられた一導電型とは逆の導電型を有する第４のシリコン半導体層と、第２のシリコン半導体層上に設けられた透光性導電膜と、第４のシリコン半導体層上に設けられた裏面電極と、透光性導電膜と接し、第１の溝部及び第２の溝部に形成された導電性樹脂からなる埋め込み型のグリッド電極を有することを特徴とする光電変換装置である。
また、本明細書に開示する本発明の他の一態様は、結晶性シリコン基板の一方の面に設けられた第１の溝部と、第１の溝部と交わる第２の溝部と、第１の溝部及び第２の溝部、並びに結晶性シリコン基板の一方の面に設けられた第１のシリコン半導体層と、第１のシリコン半導体層上に設けられた一導電型を有する第２のシリコン半導体層と、結晶性シリコン基板の他方の面に設けられた第３のシリコン半導体層と、第３のシリコン半導体層上に設けられた一導電型とは逆の導電型を有する第４のシリコン半導体層と、第４のシリコン半導体層上に設けられた裏面電極と、第２のシリコン半導体層と接し、第１の溝部及び第２の溝部に形成された導電性樹脂からなる埋め込み型のグリッド電極と、第２のシリコン半導体層及びグリッド電極上に設けられた透光性導電膜を有することを特徴とする光電変換装置である。
上記第２の溝部は第１の溝部よりも幅が狭い構成とする。第１の溝部に形成されるグリッド電極はバスバー電極として用いられ、第２の溝部に形成されるグリッド電極はフィンガー電極として用いられる。
また、第１の溝部及び第２の溝部、または該溝部のどちらか一方に金属ワイヤーが埋め込まれていても良い。金属ワイヤーが埋め込まれることで、グリッド電極を更に低抵抗化することができる。
本発明の一態様を用いることにより、短軸方向の断面においてアスペクト比の高い埋め込み電極を形成することができ、電気特性が向上した光電変換装置を提供することができる。
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略することがある。
本発明の一態様における光電変換装置の斜視図の一例を図１に示す。なお、図１は断面の構成をわかりやすく説明するために、光電変換装置の一部を切り出した図となっている。
図１に示す光電変換装置は、結晶性シリコン基板１００に接する第１のシリコン半導体層１０２ａ及び第３のシリコン半導体層１０２ｂ、第１のシリコン半導体層１０２ａ及び第３のシリコン半導体層１０２ｂと接する第２のシリコン半導体層１０４ａ及び第４のシリコン半導体層１０４ｂ、第２のシリコン半導体層１０４ａと接する透光性導電膜１０６、該透光性導電膜１０６と接するグリッド電極１０８、並びに第４のシリコン半導体層１０４ｂと接する裏面電極１１０を含んで構成される。なお、グリッド電極１０８が形成された面側が受光面となる。
第１のシリコン半導体層１０２ａ及び第３のシリコン半導体層１０２ｂは、水素を含み、欠陥が少ない高品質なｉ型半導体層であり、結晶性シリコン基板１００の表面欠陥を終端することができ、光電変換層における少数キャリアの再結合を低減し、少数キャリアのライフタイムを長くすることができる。
なお、本明細書において、ｉ型の半導体とは、フェルミ準位がバンドギャップの中央に位置する所謂真性半導体の他、半導体に含まれるｐ型若しくはｎ型を付与する不純物が１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の濃度であり、暗伝導度に対して光伝導度が高い半導体を指す。例えば、第１のシリコン半導体層１０２ａ及び第３のシリコン半導体層１０２ｂには、プラズマＣＶＤ法等で形成される非晶質シリコン半導体を用いることができる。
なお、本明細書において光電変換層とは、光電変換に大きく寄与する半導体領域を意味するものである。本実施の形態においては、結晶性シリコン基板１００及び該結晶性シリコンに接する第１のシリコン半導体層１０２ａ及び第３のシリコン半導体層１０２ｂが該当する。
第２のシリコン半導体層１０４ａ及び第４のシリコン半導体層１０４ｂは、内部電界形成層であり、一方がｐ型半導体層、他方がｎ型半導体層で形成される。該半導体層は、例えば、導電型を付与する不純物を含む非晶質シリコン層や微結晶シリコン層で形成することができる。
結晶性シリコン基板１００には交差するように溝部が形成されており、該溝部には第１のシリコン半導体層１０２ａ、第２のシリコン半導体層１０４ａ、透光性導電膜１０６、及びグリッド電極１０８が埋め込まれている。なお、グリッド電極１０８の線幅の広い領域がバスバー電極１０８ａ、線幅の狭い領域がフィンガー電極１０８ｂである。
グリッド電極１０８を埋め込み型とすることで、高アスペクト比の電極を形成することができ、グリッド電極１０８の微細化にともなう抵抗の増加を抑制することができる。すなわち、グリッド電極１０８の微細化による弊害（抵抗増）をともなわず、受光面積を増加することができ、光電変換装置の変換効率を向上させることができる。
なお、本発明の一態様における光電変換装置は、図１の構成に限らず、図２に示す構成であってもよい。図２の光電変換装置は、図１の構成とはグリッド電極１０８と透光性導電膜１０６の積層順序が異なるものであり、受光面側の表面全体に透光性導電膜１０６を有している。このような構成は、図１の構成において、溝部の壁面に対する透光性導電膜の被覆性が十分でないときに有効であり、グリッド電極１０８と透光性導電膜１０６との接触状態を良好にすることができる。
以下に図１に示した光電変換装置の作製方法について図３を用いて説明する。なお、図３は、図１に示すＸ−Ｙの線分下の断面に相当する断面図である。
本発明の一態様に用いることのできる結晶性シリコン基板には、単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板を用いることができる。これらの結晶性シリコン基板の導電型や製造方法は、特に限定されない。本実施の形態においては、ＭＣＺ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法で製造されたｎ型の単結晶シリコン基板を用いる。
まず、結晶性シリコン基板１００に第１の溝部２１０、第２の溝部２２０を形成する（図３（Ａ）参照）。該溝部は、ダイシング加工、またはレーザ加工で形成することができる。図３（Ａ）における溝部は、ダイシング加工を用いた場合の形状（矩形型）を示しているが、Ｖ字型であってもよい。レーザ加工を行った場合には、Ｖ字型となりやすい。また、周囲がＶ字型に加工されたダイシングブレードを用いれば、ダイシング加工でも溝部の底部をＶ字型とすることができる。
なお、レーザ加工を行う場合は、ＹＡＧレーザの基本波（波長１０６４ｎｍ）、第２高調波（波長５３２ｎｍ）、第３高調波（波長３５５ｎｍ）、第４高調波（波長２６６ｎｍ）などを用い、ビーム径、出力及び走査速度を調整して所望の形状の溝部を形成することができる。例えば、ＹＡＧレーザの第３高調波で、ビーム径φ２０μｍ、パワー密度１６０ｋＷ／ｃｍ２、走査速度０．１ｃｍ／ｓｅｃで単結晶シリコン基板の加工を行うと、幅３０乃至４０μｍ、深さ４０乃至７０μｍの溝部を形成することができる。
第１の溝部２１０は、バスバー電極を埋め込むための溝であり、０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下、好ましくは０．２５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下、更に好ましくは０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の幅とする。該溝部の幅は、バスバー電極として必要な抵抗を考慮するだけでなく、後述する導電性樹脂の注入工程を困難にさせることのない幅で形成する。
第２の溝部２２０は、フィンガー電極を埋め込むための溝であり、０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下、好ましくは０．０１ｍｍ以上０．０８ｍｍ以下、更に好ましくは０．０１ｍｍ以上０．０６ｍｍ以下の幅とする。該溝部の幅は、フィンガー電極として必要な抵抗を考慮するだけでなく、後述する導電性樹脂の注入に必要な毛細管現象が十分に発現する幅で形成する。
なお、図３（Ａ）では第１の溝部２１０を浅く、第２の溝部２２０を深く形成する構造を図示しているが、これに限らず第１の溝部２１０の方を深く形成する構造や、両者を同一の深さで形成する構造であっても良い。ただし、基板の強度を考慮すると、溝部の深さは基板厚の２／３、好ましくは１／２を上限とすることが好ましい。溝部が深すぎると、基板の強度が保てなくなり、工程途中での破損が起きる場合や、製品の強度を低下させ、信頼性を悪化させる場合がある。例えば、基板厚が０．５ｍｍの場合、溝部の深さは、約０．２５ｍｍから約０．３５ｍｍを上限とすることが好ましい。
次いで、第１の溝部２１０及び第２の溝部２２０の表層に発生したダメージ層をエッチング工程にて取り除く。エッチングには、例えば、酢酸、弗酸、硝酸を含むエッチング液を用いることができる。該エッチング液は、それぞれの酸の比率を調整することでダメージ層を優先的にエッチングすることができる。また、アルカリ性のエッチング液を使用して、結晶性シリコン基板１００表面をエッチングすると同時にテクスチャを形成しても良い。テクスチャを形成することによって、反射防止または光閉じ込め効果を光電変換装置に付与することができる。なお、このエッチング工程は省くこともできる。
次いで、結晶性シリコン基板１００の溝部を形成した面にプラズマＣＶＤ法を用いて第１のシリコン半導体層１０２ａを形成する。第１のシリコン半導体層１０２ａの厚さは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。本実施の形態において、第１のシリコン半導体層１０２ａはｉ型の非晶質シリコンであり、膜厚は５ｎｍとする。
例えば、第１のシリコン半導体層１０２ａの成膜条件は、反応室に流量５ｓｃｃｍ以上２００ｓｃｃｍ以下のモノシランガスを導入し、反応室内の圧力を１０Ｐａ以上１００Ｐａ以下、電極間隔を１５ｍｍ以上４０ｍｍ以下、電力密度を８ｍＷ／ｃｍ２以上５０ｍＷ／ｃｍ２以下とすればよい。
次いで、第１のシリコン半導体層１０２ａ上に第２のシリコン半導体層１０４ａを形成する。第２のシリコン半導体層１０４ａの厚さは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。本実施の形態において、第２のシリコン半導体層１０４ａはｐ型の微結晶シリコンであり、膜厚は１０ｎｍとする。なお、第２のシリコン半導体層１０４ａに、ｐ型の非晶質シリコンを用いてもよい。
例えば、第２のシリコン半導体層１０４ａの成膜条件は、反応室に流量１ｓｃｃｍ以上１０ｓｃｃｍ以下のモノシランガス、流量１００ｓｃｃｍ以上５０００ｓｃｃｍ以下の水素、流量５ｓｃｃｍ以上５０ｓｃｃｍ以下の水素ベースのジボラン（０．１％）を導入し、反応室内の圧力を４５０Ｐａ以上１０００００Ｐａ以下、好ましくは２０００Ｐａ以上５００００Ｐａ以下とし、電極間隔を８ｍｍ以上３０ｍｍ以下とし、電力密度を２００ｍＷ／ｃｍ２以上１５００ｍＷ／ｃｍ２以下とすればよい。
次いで、結晶性シリコン基板１００の他方の面にプラズマＣＶＤ法を用いて第３のシリコン半導体層１０２ｂを形成する。第３のシリコン半導体層１０２ｂの厚さは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましく、本実施の形態において、第３のシリコン半導体層１０２ｂはｉ型であり、膜厚は５ｎｍとする。なお、第３のシリコン半導体層１０２ｂは、第１のシリコン半導体層１０２ａと同様の成膜条件にて形成することができる。
次いで、第３のシリコン半導体層１０２ｂ上に第４のシリコン半導体層１０４ｂを形成する。第４のシリコン半導体層１０４ｂの厚さは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。本実施の形態において、第４のシリコン半導体層１０４ｂはｎ型の微結晶シリコンであり、膜厚は１０ｎｍとする。なお、第４のシリコン半導体層１０４ｂに、ｎ型の非晶質シリコンを用いてもよい。
例えば、第４のシリコン半導体層１０４ｂの成膜条件は、反応室に流量１ｓｃｃｍ以上１０ｓｃｃｍ以下のモノシランガス、流量１００ｓｃｃｍ以上５０００ｓｃｃｍ以下の水素、流量５ｓｃｃｍ以上５０ｓｃｃｍ以下の水素ベースのホスフィン（０．５％）を導入し、反応室内の圧力を４５０Ｐａ以上１０００００Ｐａ以下、好ましくは２０００Ｐａ以上５００００Ｐａ以下とし、電極間隔を８ｍｍ以上３０ｍｍ以下とし、電力密度を２００ｍＷ／ｃｍ２以上１５００ｍＷ／ｃｍ２以下とすればよい。
なお、本実施の形態において、上記非晶質シリコン層及び微結晶シリコン層の成膜に用いる電源には周波数１３．５６ＭＨｚのＲＦ電源を用いるが、２７．１２ＭＨｚ、６０ＭＨｚ、または１００ＭＨｚのＲＦ電源を用いても良い。また、連続放電だけでなく、パルス放電にて成膜を行っても良い。パルス放電を行うことで、膜質の向上や気相中で発生するパーティクルを低減することができる。
次いで、第２のシリコン半導体層１０４ａ上に透光性導電膜１０６を形成する。透光性導電膜１０６には、例えば、インジウム錫酸化物、珪素を含むインジウム錫酸化物、亜鉛を含む酸化インジウム、酸化亜鉛、ガリウムを含む酸化亜鉛、アルミニウムを含む酸化亜鉛、酸化錫、フッ素を含む酸化錫、またはアンチモンを含む酸化錫等を用いることができる。また、透光性導電膜１０６は単層に限らず、異なる膜の積層でも良い。例えば、インジウム錫酸化物とアルミニウムを含む酸化亜鉛の積層や、インジウム錫酸化物とフッ素を含む酸化錫の積層などを用いることができる。膜厚は総厚で１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とする。また、透光性導電膜１０６の表面をテクスチャ構造としても良い。
次いで、第４のシリコン半導体層１０４ｂ上に裏面電極１１０を形成する（図３（Ｂ）参照）。裏面電極１１０には、銀、アルミニウム、銅などの低抵抗金属を用いることができ、スパッタ法や真空蒸着法などで形成することができる。または、スクリーン印刷法を用いて、銀ペーストや、銅ペーストなどの導電性樹脂で形成しても良い。
なお、結晶性シリコン基板１００の表裏に設ける膜の形成は、上記に示した順序に限らず、図３（Ｂ）に示した構造が形成できればよい。例えば、第１のシリコン半導体層１０２ａの形成し、その次に第３のシリコン半導体層１０２ｂを形成しても良い。
次いで、第１の溝部２１０及び第２の溝部２２０において、透光性導電膜１０６と接するように導電性樹脂を注入し、グリッド電極１０８を形成する（図３（Ｃ）参照）。このグリッド電極１０８の形成方法について、図４を用いて詳細を説明する。
図４は、導電性樹脂をバスバー電極となる第１の溝部２１０、及びフィンガー電極となる第２の溝部２２０に注入する様子を示すものである。まず、導電性樹脂を第１の溝部２１０に適当量を注入する（図中の実線矢印）。該導電性樹脂の注入にはディスペンス法を用いる。また、インクジェット法を用いても良い。
第１の溝部２１０と第２の溝部２２０は、交差してつながっているため、第１の溝部２１０に注入した導電性樹脂は、図中の点線矢印で示す方向に入り込み、第２の溝部２２０に注入される。このとき、第２の溝部は、０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の幅で形成されているため、毛細管現象が発現し、第２の溝部に容易に導電性樹脂を注入することができる。
この方法による該溝部への導電性樹脂の注入は、溝部の一方の端部から水平方向に溝部を充填するように行われるため、溝部の内部に気泡が残ることがなく、溝部に導電性樹脂を密に充填することができる。なお、導電性樹脂は焼成後に体積変化することがあるため、導電性樹脂の溝部への注入及び焼成を複数回繰り返しても良い。また、結晶性シリコン基板１００に超音波振動を加え、導電性樹脂の溝部への注入を促進させても良い。
導電性樹脂には、銀、金、銀−パラジウム、銅などをフィラーとして含むものを用いることができ、抵抗が低く、比較的低コストの銀をフィラーとして含むものが好ましい。また、フィラーには、フィラーサイズが５ｎｍ乃至１００ｎｍの所謂ナノ粒子と呼ばれるものを用いることが特に好ましい。導電性樹脂の溶媒には水系溶媒、炭化水素系溶媒、ケトン系溶媒などを用いることができる。また、導電性樹脂の粘度は、１００ｍＰａ・ｓ以下、好ましくは１０ｍＰａ・ｓ、更に好ましくは１ｍＰａ・ｓとする。粘度の低いものほど溝部への注入を容易に行うことができる。また、第１のシリコン半導体層１０２ａ及び第３のシリコン半導体層１０２ｂの膜質を変質させないように、導電性樹脂は低温で焼成できる熱硬化型であることが好ましい。例えば、３００℃以下、好ましくは２５０℃以下で焼成できるものを用いる。
なお、毛細管現象により溝部に導電性樹脂が注入される水平方向の距離は、第２の溝部２２０の幅によって異なり、幅を狭くするほど該距離を延ばすことができる。また、第２の溝部の深さも深いほど該距離を延ばすことができる。図５は、単結晶シリコン基板に幅０．１ｍｍで、０．０３ｍｍ乃至０．２ｍｍの深さの溝部を形成し、溝部の端部に銀のナノ粒子を含む導電性樹脂（水系溶媒、粘度１５ｍＰａ・ｓ）を滴下し、その水平方向の注入距離を調べたものである。溝部の深さが深いほど注入距離は長くなり、溝部の深さが０．２ｍｍの場合は、約３０ｍｍの注入距離が得られる。これは、１０ｃｍ角以上のセルであっても２本のバスバー電極を設ければ十分に対応できることを示している。
なお、第１の溝部２１０及び第２の溝部２２０をレーザ加工によって形成する場合は、結晶性シリコン基板１００の端部より内側の領域を選択的に加工して溝部を形成することができるが、ダイシング加工では、結晶性シリコン基板１００の端部まで溝部が形成されてしまう。従って、ダイシング加工で第１の溝部２１０及び第２の溝部２２０を形成した場合は、導電性樹脂を注入する際に、第１の溝部２１０の端部、または第２の溝部２２０の端部から導電性樹脂が漏出しない構造とすることが好ましい。
例えば、図６に示すように結晶性シリコン基板１００の端部近傍に壁部３００を設けることが好ましい。図６（Ａ）は、第１の溝部２１０及び第２の溝部２２０を形成後に壁部３００を形成した状態の平面図である。壁部３００は、結晶性シリコン基板１００の端部近傍の溝部を絶縁樹脂または導電性樹脂で充填するようにディスペンス法等で形成する。なお、図６（Ａ）では、溝部でない領域にも壁部３００を形成するように図示してあるが、溝部のみを選択的に充填するように形成してもよい。ここで、壁部３００の形成に用いる絶縁樹脂または導電性樹脂には、第２の溝部２２０において、毛細管現象によって水平方向に注入されないように粘度の高い樹脂を用いることが好ましい。
壁部３００を形成した後に、上述した方法によって導電性樹脂を注入し、図６（Ｂ）に示すような壁部３００より内側にグリッド電極１０８が形成された構造を得ることができる。なお、壁部３００の下側にフィンガー電極１０８ｂよりも深い溝を設けても良い。該溝を設けることでキャリアライフタイムの短い結晶性シリコン基板１００の端部を分離することができ、光電変換層の特性を向上させることができる。
また、図７に示すように、第１の溝部２１０及び第２の溝部２２０、またはどちらか一方に金属ワイヤー４００を埋め込んだ構成としてもよい。導電性樹脂は金属よりも抵抗が高いため、金属ワイヤー４００と導電性樹脂の両方で埋め込み電極を形成することで、更に低抵抗のグリッド電極１０８を形成することができる。また、溝部に金属ワイヤーを入れることで毛細管現象を更に起こしやすくする効果を得ることもできる。なお、金属ワイヤー４００には銀や銅などの低抵抗金属材料で形成されたものが適しており、単線であっても撚り線であってもよい。
以上により、短軸方向の断面においてアスペクト比の高い埋め込み電極を形成することができ、電気特性が向上した光電変換装置を提供することができる。なお、図２の光電変換装置は、上記の作製方法において、透光性導電膜とグリッド電極となる導電性樹脂の形成順序を逆にすることで形成することができる。
１００ 結晶性シリコン基板
１０２ａ 第１のシリコン半導体層
１０２ｂ 第３のシリコン半導体層
１０４ａ 第２のシリコン半導体層
１０４ｂ 第４のシリコン半導体層
１０６ 透光性導電膜
１０８ グリッド電極
１０８ａ バスバー電極
１０８ｂ フィンガー電極
１１０ 裏面電極
２１０ 第１の溝部
２２０ 第２の溝部
３００ 壁部
４００ 金属ワイヤー
１０２ａ 第１のシリコン半導体層
１０２ｂ 第３のシリコン半導体層
１０４ａ 第２のシリコン半導体層
１０４ｂ 第４のシリコン半導体層
１０６ 透光性導電膜
１０８ グリッド電極
１０８ａ バスバー電極
１０８ｂ フィンガー電極
１１０ 裏面電極
２１０ 第１の溝部
２２０ 第２の溝部
３００ 壁部
４００ 金属ワイヤー
Claims (12)
- 結晶性シリコン基板の一方の面に第１の溝部と、前記第１の溝部と交わる第２の溝部を形成し、
前記第１の溝部及び前記第２の溝部、並びに前記結晶性シリコン基板の一方の面に第１のシリコン半導体層を形成し、
前記第１のシリコン半導体層上に一導電型を有する第２のシリコン半導体層を形成し、
前記結晶性シリコン基板の他方の面に第３のシリコン半導体層を形成し、
前記第３のシリコン半導体層上に一導電型とは逆の導電型を有する第４のシリコン半導体層を形成し、
前記第２のシリコン半導体層上に透光性導電膜を形成し、
前記第４のシリコン半導体層上に裏面電極を形成し、
前記第１のシリコン半導体層、前記第２のシリコン半導体層、及び前記透光性導電膜が積層された前記第１の溝部及び前記第２の溝部に導電性樹脂を注入して焼成し、埋め込み型のグリッド電極を形成する工程において、
前記第２の溝部への前記導電性樹脂の注入は、前記第１の溝部に導電性樹脂を注入し、毛細管現象を利用して前記第１の溝部から前記第２の溝部に注入することを特徴とする光電変換装置の作製方法。 - 結晶性シリコン基板の一方の面に第１の溝部と、前記第１の溝部と交わる第２の溝部を形成し、
前記第１の溝部及び前記第２の溝部、並びに前記結晶性シリコン基板の一方の面に第１のシリコン半導体層を形成し、
前記第１のシリコン半導体層上に一導電型を有する第２のシリコン半導体層を形成し、
前記結晶性シリコン基板の他方の面に第３のシリコン半導体層を形成し、
前記第３のシリコン半導体層上に一導電型とは逆の導電型を有する第４のシリコン半導体層を形成し、
前記第４のシリコン半導体層上に裏面電極を形成し、
前記第１のシリコン半導体層、及び前記第２のシリコン半導体層が積層された前記第１の溝部及び前記第２の溝部に導電性樹脂を注入し、焼成して埋め込み型のグリッド電極を形成し、
前記第２のシリコン半導体層及び前記グリッド電極上に透光性導電膜を形成する工程において、
前記第２の溝部への前記導電性樹脂の注入は、前記第１の溝部に導電性樹脂を注入し、毛細管現象を利用して前記第１の溝部から前記第２の溝部に注入することを特徴とする光電変換装置の作製方法。 - 請求項１または２において、前記第２の溝部は前記第１の溝部よりも幅が狭く形成されることを特徴とする光電変換装置の作製方法。
- 請求項１乃至３のいずれか一項において、前記導電性樹脂の粘度は、１００ｍＰａ・ｓ以下であることを特徴とする光電変換装置の作製方法。
- 請求項１乃至４のいずれか一項において、前記第１の溝部及び前記第２の溝部への導電性樹脂の注入及び焼成は、複数回行うことを特徴とする光電変換装置の作製方法。
- 請求項１乃至５のいずれか一項において、前記第１及び前記第３のシリコン半導体層の導電型はｉ型、前記第２のシリコン半導体層の導電型はｐ型またはｎ型であることを特徴とする光電変換装置の作製方法。
- 結晶性シリコン基板の一方の面に設けられた第１の溝部と、
前記第１の溝部と交わる第２の溝部と、
前記第１の溝部及び前記第２の溝部、並びに前記結晶性シリコン基板の一方の面に設けられた第１のシリコン半導体層と、
前記第１のシリコン半導体層上に設けられた一導電型を有する第２のシリコン半導体層と、
前記結晶性シリコン基板の他方の面に設けられた第３のシリコン半導体層と、
前記第３のシリコン半導体層上に設けられた一導電型とは逆の導電型を有する第４のシリコン半導体層と、
前記第２のシリコン半導体層上に設けられた透光性導電膜と、
前記第４のシリコン半導体層上に設けられた裏面電極と、
前記透光性導電膜と接し、前記第１の溝部及び前記第２の溝部に形成された導電性樹脂からなる埋め込み型のグリッド電極を有することを特徴とする光電変換装置。 - 結晶性シリコン基板の一方の面に設けられた第１の溝部と、
前記第１の溝部と交わる第２の溝部と、
前記第１の溝部及び前記第２の溝部、並びに前記結晶性シリコン基板の一方の面に設けられた第１のシリコン半導体層と、
前記第１のシリコン半導体層上に設けられた一導電型を有する第２のシリコン半導体層と、
前記結晶性シリコン基板の他方の面に設けられた第３のシリコン半導体層と、
前記第３のシリコン半導体層上に設けられた一導電型とは逆の導電型を有する第４のシリコン半導体層と、
前記第４のシリコン半導体層上に設けられた裏面電極と、
前記第２のシリコン半導体層と接し、前記第１の溝部及び前記第２の溝部に形成された導電性樹脂からなる埋め込み型のグリッド電極と、
前記第２のシリコン半導体層及び前記グリッド電極上に設けられた透光性導電膜を有することを特徴とする光電変換装置。 - 請求項７または８において、前記第２の溝部は前記第１の溝部よりも幅が狭く形成されることを特徴とする光電変換装置。
- 請求項７乃至９のいずれか一項において、前記第１及び前記第３のシリコン半導体層の導電型はｉ型、前記第２のシリコン半導体層の導電型はｐ型またはｎ型であることを特徴とする光電変換装置。
- 請求項７乃至１０のいずれか一項において、前記第１の溝部の端部近傍、及び前記第２の溝部の端部近傍に該溝部の一部を充填する壁部が形成されていることを特徴とする光電変換装置。
- 請求項７乃至１１のいずれか一項において、前記第１の溝部及び第２の溝部、または該溝部のどちらか一方に金属ワイヤーが埋め込まれていることを特徴とする光電変換装置。
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