JP2012502450A - へテロ太陽電池およびヘテロ太陽電池の製造方法 - Google Patents

へテロ太陽電池およびヘテロ太陽電池の製造方法 Download PDF

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本発明は、シリコン層、ドープされたシリコン層、およびトンネルパッシベーション層を含むヘテロ太陽電池に係る。インジウムスズ酸化物層を正面に設け、アルミニウム層を背面に設けることにより実装される。本発明はさらに、ヘテロ太陽電池の製造方法に係る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シリコン層、ドープされたシリコン層、およびトンネルパッシベーション層を含むヘテロ太陽電池に係る。インジウムスズ酸化物層を正面に設け、アルミニウム層を背面に設けることにより実装される。本発明はさらに、ヘテロ太陽電池の製造方法に係る。
アモルファスシリコンからなるエミッタを有する水ベースの結晶シリコン太陽電池が市販されている。単結晶シリコンは、この目的に出発材料として利用され、ｎ型またはｐ型ドープされている（M. Tanaka等による、Jnp. J. Appl. Phys., 31巻(1992), pp. 3518-3522 およびM. Schmidt等によるThin Solid Films 515 (2007), p. 7475を参照のこと）。先ず、極薄型の（約１から１０ｎｍ）、真性（ドープされていない）アモルファスシリコン層をこの上の照明側に設ける。この後に、同様の極薄型の（約１から１０ｎｍ）、ベースのドープと反対のドープをされたアモルファスシリコン層を搭載する（effected）。最後に、導電性の透明酸化物（インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）等）および薄型金属接触を設ける。結晶ウェハの照明側ではない背面は、先ず、極薄型の（約１から１０ｎｍ）、真性（ドープされていない）アモルファスシリコン層を設け、その後に、ベースのドープに適合した、極薄型の（約１から１０ｎｍ）ドープされたアモルファスシリコン層を設ける。最後に、太陽電池を接触させる金属層を設ける。
アモルファスシリコン層は、現在、ＰＥＣＶＤ法（plasma-enhanced chemical vapour deposition）により製造されており、導電性の透明酸化物（ＩＴＯ）はスパッタリング法により製造されている。
ヘテロシリコン太陽電池の効率は、結晶シリコンとアモルファス製のエミッタ（または、真性アモルファスシリコン層）との間の界面の欠陥状態密度（defect state density）に非常に繊細に反応する。界面の小さな欠陥密度は、現在のところ、結晶ウェハの適切な前処理により（例えば、H. Angermann等によるMaterial Science and Engineering B, Vol. 73 (2000), p. 178に記載されているようなウェット化学処理で）、および、真性、またはドープされたアモルファスシリコン層自身により、主に生成されている。
界面のパッシベーションについてさらに可能性のある方法は、パッシベーションを行う界面になるべく近く静止電荷（stationary charge）を起こすことである（A. Aberle等によるJ. Appl. Phys. 71(9), (1992), p. 4422参照）。この可能性ある方法は、特に、現在のシリコン製のヘテロ太陽電池構造では利用されていない。
ヘテロ太陽電池を製造する現在の技術水準から公知であるさらなる方法に、ＰＥＣＶＤによりアモルファス層を堆積させる、というものがある。表面が不均一なトポグラフィを有する場合、異なる量の堆積物質を、テクスチャ加工されたピラミッドの山と谷に堆積させる。これを行うには、テクスチャ加工されたピラミッドを前処理する必要がある（M. Tanaka等によるJnp. J. Appl. Phys., Vol. 31 (1992), pp. 3518-3522参照）。
上述を鑑みて、本発明の目的は、先行技術における欠点をなくし、テクスチャ加工されたピラミッドのピーク上の短絡および高い界面欠陥密度に関して実質的によりロバストなヘテロ太陽電池を提供して、高速処理を可能とすることである。
この目的は、請求項１に記載の特徴を有するヘテロ太陽電池により達成される。請求項１７は、ヘテロ太陽電池の製造方法に係る。従属項がさらなる有利な実施形態を含んでいる。
本発明によると、結晶のドープされたシリコンウェハ（ｃ−Ｓｉ層）の正面側の表面に設けられ、ｃ−Ｓｉ層とは反対のドープをされるアモルファスシリコン層（ａ−Ｓｉ層）からなるエミッタと、ｃ−Ｓｉ層のその上に設けられ正面側接触を有するＩＴＯ層と、背面側の表面に設けられる金属化層とを備え、トンネルパッシベーション層が少なくともｃ−Ｓｉ層の正面側の表面と、エミッタ層との間に設けられるヘテロ太陽電池が提供される。
この構成によると、高効率性が達成され、実質的によりロバストなものとなる。後者は、層の厚みに依存しており、さらには、層の規則性に依存する。
トンネルパッシベーション層の厚みは、好適には、量子力学トンネル電流が流れるように選択される。これは、特に、バンドギャップがＥｇ≧２ｅＶであるパッシベーション層に適用される。
ヘテロ太陽電池は、正面側および背面側の表面にトンネルパッシベーション層を有することができる。
トンネルパッシベーション層を利用することで、前には通常のことであった、ウェハの複雑な前洗浄プロセスをする必要があまりなくなる。必要に応じて、この処理を完全になくすこともできるので、ヘテロ太陽電池をより高速に製造することができるようになり、これはまた経済的に製造できることでもある。
ヘテロ太陽電池自身の絶縁層またはトンネルパッシベーション層の材料は、酸化アルミニウム、酸化シリコン、および／または、窒化シリコンから選択されると好適である。トンネルパッシベーション層は、様々な利点を有する材料である酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３から形成されると好適である。さらに酸化アルミニウム層には、負の電荷が非常に高密度で組み込まれており、非常に良好なパッシベーション品質が生じる。さらに、酸化アルミニウムは、原子層堆積法または同様に機能するＰＥＣＶＤ法により、殆どどんな表面トポグラフィの上であっても均質に堆積させることができる。従って垂直面における成長率が平坦な領域における成長率と等しくなる。この後で、トンネルパッシベーション層または絶縁層に固定電荷を組み込むことができる（Ｃｓ＋イオンのイオン注入等の方法により）。
好適な実施形態では、酸化アルミニウムからなるトンネルパッシベーション層の厚みは、０．１から１０ｎｍの間である。層の厚みをこの範囲にすることで、電荷キャリアの量子力学トンネリングおよび表面のパッシベーションが両方とも可能となる。
本発明によるヘテロ太陽電池では、酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３（またはその他の酸化アルミニウム化学量論）、および絶縁層（例えばＳｉＯｘ）を堆積させた後に、前洗浄して（弱い前洗浄または未処理であってもよい）テクスチャ加工された正面側および反射を最適にした背面側の表面の両方に対して直接、固定電荷を組み込む（例えばＣｓ＋イオンの注入等の方法により）。組み込まれた酸化アルミニウム層の負の電荷が、このようにしてパッシベーション効果を顕著に向上させる。酸化アルミニウムは結晶およびアモルファスシリコンよりも高いバンドギャップを有するので、一側面としては電荷キャリアの量子力学トンネリングをこの層から起こすために、そして他の側面としてはパッシベーション効果を保証するのに足る厚みを得るために、層の厚みはなるべく小さいほうがよい。これら要件を両方とも満たすべく、１桁または２桁のオングストロームの範囲の層の厚みを維持することが好適である。層の厚みは、例えば原子層堆積法（ＡＬＤ）（または同様の動作をするＰＥＣＶＤ法）により非常に精度高く調節することができるので、高い再現性が保証される。この層は、システムに追加特徴として組み込まれても、真性アモルファス層の置き換えであってもよい。ＡＬＤ技術（または同様に機能するＰＥＣＶＤ法）を利用することで、同時に、テクスチャ加工されたピラミッドを均一に覆うことができるようにもなる。
薄型トンネルパッシベーション層（Ａｌ２Ｏ３）を利用するヘテロ太陽電池およびその製造方法の本質的な利点は、テクスチャ加工されたピラミッドを均質に覆うことができること、結晶ウェハの前洗浄要件が大幅に低減され、場合によって完全になくすこともできること、なるべくプラズマ堆積を優しく行うという要件を軽減することができる可能性があり（例えばＡｌ２Ｏ３により、パッシベーション効果が保証される）、従ってより高い成長率を可能として、より高速に処理を行うことができること、および、全体的に実質的に、よりロバストな方法であるということ、である。
加えて、ドープされない（真性）アモルファス層をなくすことのできる可能性があるので、製造プロセスの短縮および簡略化が可能となる。
従って、ｎ型および／またはｐ型タイプ（ベースウェハ）のへテロ太陽電池の効率は、記載するトンネル層の利用により全体的に向上する。
好適には、エミッタ層は、ｃ−Ｓｉ層および真性シリコン層（ｉ−Ｓｉ層）のものと反対のドープをされたａ−Ｓｉ層からなる。
ｃ−Ｓｉ層のものと反対のドープをされたａ−Ｓｉ層の厚みは、好適には１および１０ｎｍの間である。従ってこの層が均質であることが保証される。加えて、この層の厚みによって、ヘテロ太陽電池を構成することが可能となる。
ヘテロ太陽電池の変形例においては、ｉ−Ｓｉ層の選択された厚みは１および１０ｎｍの間である。ドープされていないｉ−Ｓｉ層の層の厚みは、このようにしてなるべく小さく抑えられる。
真性でアモルファスのシリコン層は、さらにパッシベーションでも利用可能である。
好適には、ｃ−Ｓｉ層と同様のドープをされるアモルファスシリコン層は、背面側の表面および金属化層の間に設けられる。
このアモルファスシリコン層の厚みは、ヘテロ太陽電池の代替的な実施形態では、１および３０ｎｍの間である。
さらなる実施形態では、真性シリコン層は、金属化層と、背面側の表面に設けられ、結晶シリコン層と同じドープをされたアモルファスシリコン層との間に設けられる。
真性シリコン層の厚みは、好適には１および１０ｎｍの間である。
結晶シリコン層は、好適にはｎ型またはｐ型ドープをされる。この層の厚みは好適には２０および２，０００μｍの間である。
ヘテロ太陽電池の更なる実施形態では、エミッタ層に含まれ、ｃ−Ｓｉ層と反対のドープをされたアモルファスシリコン層はｎ型またはｐ型ドープされる。
背面側の表面と金属化層との間に設けられて、結晶シリコン層と同じドープをされるアモルファスシリコン層は、ｎ型またはｐ型ドープされてよい。
さらに、本発明は、既に記載したヘテロ太陽電池の製造方法に係る。
このようにして少なくとも１つのトンネルパッシベーション層が、好適には原子層堆積法またはＰＥＣＶＤ法により堆積されたことになる。この原子層堆積法（または、同様に機能するＰＥＣＶＤ法）は、テクスチャ加工されたピラミッドを均質に多い、結晶ウェハの前洗浄要件を低減させ、これを必ずしも必要がないものとすることができる。
トンネルパッシベーション層または絶縁層は、好適には、酸化アルミニウム、酸化シリコン、および／または、窒化シリコンからなる、またはこれを含む。さらにＣｓ＋イオンを含むこともできる。この後で、トンネルパッシベーション層または絶縁層に固定電荷を含める（例えば、Ｃｓ＋イオンのイオン注入により）。これら層によって、これらによる量子力学トンネリングが可能となり、さらにはパッシベーションが可能となる。原子層堆積法または同様に機能するＰＥＣＶＤ法は非常に精度高く調節することができるので、層を正確に堆積することができるようになる。加えて、これらのトンネル層によりパッシベーション効果が保証されることから、アモルファスシリコン層のプラズマ堆積を優しく行うという要件を軽減することができる。この結果、より高い成長率を可能として、より高速に処理を行うことができる。
さらなる方法の変形例は、少なくとも１つのトンネルパッシベーション層が酸化アルミニウム、酸化シリコン、および／または窒化シリコンを含む、および／または、これらからなるということを特徴とする。酸化アルミニウムは、Ａｌ２Ｏ３とは異なる化学量論を有しうる。さらに、固定電荷は絶縁体（例えばＳｉＯｘ）の堆積の後に含めることができる（例えば、Ｃｓ＋イオンのイオン注入により）。
本願の主題を図１から図３を参照して以下に詳述するが、この主題は以下の特定の実施形態に制限はされない。本発明における主題および方法は、結晶ウェハのいずれの表面に適用することも可能である（好適にはテクスチャ加工されたピラミッドへの適用であるが）。
正面側のトンネルパッシベーション層とエミッタ層とを有するヘテロ太陽電池の構成を示す。 正面側のトンネルパッシベーション層とエミッタ層と、さらに、背面側にトンネルパッシベーション層を含む被膜とを有するヘテロ太陽電池の構成を示す。 正面側のトンネルパッシベーション層とエミッタ層と、背面側にトンネルパッシベーション層を含む被膜とを有し、さらに、トンネルパッシベーション層が真性層を含むヘテロ太陽電池の構成を示す。
図１は、ヘテロ太陽電池１の一実施形態を示しており、エミッタ層１２がＳｉウェハ７の結晶正面側表面に設けられている。結晶シリコン層７はｎ型ドープされており、約２００μｍの厚みを有する。原子層堆積法によって、０．１から１０ｎｍの厚みを有するトンネルパッシベーション層（例えば酸化アルミニウム層（Ａｌ２Ｏ３等））６が、ＡＬＤまたはＰＥＣＶＤにより堆積される。続いて、ドープされていない真性アモルファスシリコン層５が設けられる。これは１から１０ｎｍの厚みを有する。正面側または照明側に配向されるｐ型ドープされたアモルファスシリコン層４は、１から１０ｎｍの厚みを有する。層４および５はこのようにしてエミッタ層１２を形成する。この上に、導電性および透明の酸化物層（ＩＴＯ）３が、スパッタリング法により、層の厚み約８０ｎｍで設けられる（ＩＴＯの屈折率に応じて）。ヘテロ太陽電池の背面側にはアルミニウム層８が設けられる。これによって、ヘテロ太陽電池の正面側の接触２同様に接触が行われる。
図２は、正面側のエミッタ層と、さらに、背面側の被膜とを有する平面型ヘテロ太陽電池の構成を示す。ＡＬＤまたは同様に機能するＰＥＣＶＤ法によって厚み２００μｍのトンネルパッシベーション層（例えば酸化アルミニウム層）６または９を、結晶ｎ型ドープされたシリコン層７の両面に設ける。これら（酸化アルミニウム）層は、０．１から１０ｎｍの厚みを有する。ヘテロ太陽電池の正面側にはさらに、厚みが８０ｎｍのＩＴＯ層３とともに、厚みが１から１０ｎｍのｐ型ドープされたアモルファスシリコン層４が設けられる。太陽電池の正面側には金属接触２が設けられる。ヘテロ太陽電池１の背面側は、アルミニウム層の終端側（concluding aluminium layer）８を形成する。アモルファスのｎ型ドープされたシリコン層１０が、アルミニウム層８と酸化アルミニウム層９との間に挿入される。このシリコン層は１から３０ｎｍの厚みを有する。
図３は、正面側のエミッタ層１２と、さらに背面側に真性層１１を含むさらなる被膜とを有するヘテロ太陽電池１を示す。このヘテロ太陽電池は、アルミニウム層８から構成される。この次の層として、１から３０ｎｍの厚みのアモルファスのｎ型ドープされたシリコン層１０が設けられる。この上に、厚みが１から１０ｎｍである真性アモルファスシリコン層１１が設けられる。トンネルパッシベーション層９を、ｎ型またはｐ型ドープされた結晶のシリコン層７とアモルファス内因性シリコン層１１との間に含める。このトンネルパッシベーション層は、０．１から１０ｎｍの厚みを有する。２００ｎｍの厚みの結晶ｎ型ドープされたシリコン層７の正面側には、さらなるトンネルパッシベーション層６が、０．１から１０ｎｍの厚みで設けられる。この上に、真性アモルファスシリコン層５が１から１０ｎｍの層の厚みで設けられる。厚みが約８０ｎｍのＩＴＯ層３と真性アモルファスシリコン層５との間には、層の厚みが１から１０ｎｍのｐ型ドープされたアモルファスシリコン層４が設けられる。金属接触２がヘテロ太陽電池１の正面側に嵌合される。
＜実施形態１＞ アモルファスシリコン層は、ＰＥＣＶＤ法により製造される。使用される生成電力および周波数はそれぞれ２から２００Ｗの間、および、１３．５６ＭＨｚから２ＧＨｚの間である。ガス流は、シラン（ＳｉＨ４）について１から１００ｓｃｃｍの範囲であり、水素Ｈ２について０から１００ｓｃｃｍ、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）およびホスフィン（ＰＨ３）によるドープについて１から５０ｓｃｃｍである（１−５％のＨ２で溶融する）。基板温度は摂氏１００および３００度の間である。ヘテロ太陽電池の製造プロセス中のＰＥＣＶＤプラントの一般的な圧力（prevailing pressure）は、１０１および１０−５ｍｂａｒの間である（利用されるプラズマソースの関数である）。ベースの圧力は１０−５ｍｂａｒ未満とするべきである。平行平板型の反応炉の場合には、電極間隔は０．５および５ｃｍの間である。プロセス時間は、堆積速度および所望の層の厚みに依存するが、５から６０秒の範囲である。トンネルパッシベーション層（Ａｌ２Ｏ３等）は、原子層堆積法（ＡＬＤ）または同様に機能するＰＥＣＶＤプロセスにより堆積される。これら酸化アルミニウム層は２つのサイクルで製造される。サイクル１では、ラジカルのトリメチルアルミニウム（radicalised trimethyl aluminium）を堆積させ、サイクル２では、層をＯ２で酸化させる。堆積されたトリメチルアルミニウムは、上述したものと違って基板から比較的遠くに配置された（５から５０ｃｍ）プラズマソースによってラジカルになる。この基板温度は室温から摂氏３５０度である。

Claims (19)

  1. 結晶のドープされたシリコンウェハ（ｃ−Ｓｉ層）（７）の正面側の表面に設けられ、前記ｃ−Ｓｉ層とは反対のドープをされるアモルファスシリコン層（ａ−Ｓｉ層）を含むエミッタ層（１２）と、前記ｃ−Ｓｉ層のその上に設けられ正面側接触（２）を有するＩＴＯ層（３）と、背面側の表面に設けられる金属化層（８）とを備え、
    トンネルパッシベーション層（６）が少なくとも前記ｃ−Ｓｉ層（７）の前記正面側の表面と、前記エミッタ層（１２）との間に設けられるヘテロ太陽電池（１）。
  2. トンネルパッシベーション層（６、９）が、前記正面側の表面と前記背面側の表面とに設けられる請求項１に記載のヘテロ太陽電池（１）。
  3. 前記トンネルパッシベーション層（６、９）の厚みは、量子力学トンネル電流が流れるように選択される請求項１または２に記載のヘテロ太陽電池（１）。
  4. 前記トンネルパッシベーション層（６、９）は、酸化アルミニウム、酸化シリコン、および窒化シリコンのうちの少なくとも１つから形成される、または、酸化アルミニウム、酸化シリコン、および窒化シリコンのうちの少なくとも１つを含む請求項１から３のいずれか一項に記載のヘテロ太陽電池（１）。
  5. 好適にはセシウムイオン等のイオンを、前記トンネルパッシベーション層（６、９）に注入する請求項４に記載のヘテロ太陽電池（１）。
  6. 酸化アルミニウムから形成される前記トンネルパッシベーション層（６、９）の厚みは０．１および１０ｎｍの間である請求項４または５に記載のヘテロ太陽電池。
  7. 前記エミッタ層（１２）は、前記ｃ−Ｓｉ層および真性シリコン層（ｉ−Ｓｉ層）（５）とは反対のドープをされるａ−Ｓｉ層（４）を含む請求項１から６のいずれか一項に記載のヘテロ太陽電池（１）。
  8. 前記ａ−Ｓｉ層（４）の厚みは、１および１０ｎｍの間である請求項７に記載のヘテロ太陽電池（１）。
  9. 前記ｉ−Ｓｉ層（５）の厚みは、１および１０ｎｍの間である請求項７または８に記載のヘテロ太陽電池（１）。
  10. 前記ｃ−Ｓｉ層と同じドープをされるａ−Ｓｉ層（１０）が、前記背面側の表面と前記金属化層（８）との間に設けられる請求項１から９のいずれか一項に記載のヘテロ太陽電池（１）。
  11. 前記ａ−Ｓｉ層（１０）の厚みは、１および３０ｎｍの間である請求項１０に記載のヘテロ太陽電池（１）。
  12. 真性シリコン層（ｉ−Ｓｉ層）（１１）が、前記金属化層（８）と、前記背面側の表面に設けられ前記ｃ−Ｓｉ層と同じドープをされる前記ａ−Ｓｉ層（１０）との間に設けられる請求項１０または１１に記載のヘテロ太陽電池（１）。
  13. 前記ｉ−Ｓｉ層（１１）の厚みは、１および１０ｎｍの間である請求項１２に記載のヘテロ太陽電池（１）。
  14. 前記ｃ−Ｓｉ層（７）は、ｎ型またはｐ型ドープされる請求項１から１３のいずれか一項に記載のヘテロ太陽電池（１）。
  15. 前記ｃ−Ｓｉ層（７）の厚みは、２０および２，０００μｍの間である請求項１から１４のいずれか一項に記載のヘテロ太陽電池（１）。
  16. 前記エミッタ層（１２）に含まれ前記ｃ−Ｓｉ層と反対のドープをされる前記ａ−Ｓｉ層（４）は、ｎ型またはｐ型ドープされる請求項７から１５のいずれか一項に記載のヘテロ太陽電池（１）。
  17. 前記背面側の表面と前記金属化層（８）との間に設けられ前記ｃ−Ｓｉ層と同じドープをされる前記ａ−Ｓｉ層（１０）は、ｎ型またはｐ型ドープされる請求項１０から１６のいずれか一項に記載のヘテロ太陽電池（１）。
  18. 前記トンネルパッシベーション層（６、９）の少なくとも１つは、原子層堆積法または同様の動作をするＰＥＣＶＤ法により堆積される請求項１から１７の少なくともいずれか一項に記載のヘテロ太陽電池の製造方法。
  19. トンネルパッシベーション層（６、９）として、ＣＳ＋イオンを含みうる酸化アルミニウム、酸化シリコン、および窒化シリコンの少なくとも１つの層が堆積される請求項１８に記載のヘテロ太陽電池の製造方法。
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