JP2013004944A - 太陽電池、及び太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】シリコン基板の裏面の凹凸形状の大きさを検討して、太陽電池特性を向上させることが可能な太陽電池を提供する。
【解決手段】シリコン基板２の受光面及びシリコン基板の裏面にそれぞれ形成された凹凸形状６，１０を有し、シリコン基板の平面積をＳ、シリコン基板の裏面の凹凸形状の表面積をＸとして、表面積比Ｙ＝Ｘ／Ｓとしたとき、表面積比Ｙが１．０５以上１．１５以下である太陽電池である。
【選択図】図１
【解決手段】シリコン基板２の受光面及びシリコン基板の裏面にそれぞれ形成された凹凸形状６，１０を有し、シリコン基板の平面積をＳ、シリコン基板の裏面の凹凸形状の表面積をＸとして、表面積比Ｙ＝Ｘ／Ｓとしたとき、表面積比Ｙが１．０５以上１．１５以下である太陽電池である。
【選択図】図１
Description
本発明は、太陽電池、及び太陽電池の製造方法、特に、太陽電池の入射光面である受光面の反対側の面である裏面の構造に関する。
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速に高まっている。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。
図４は、特許文献１に開示されている太陽電池２１の断面を表す模式図である。
ｐ型シリコン半導体基板１１の入射光側の面である受光面（以下「ｐ型シリコン半導体基板の受光面」という。）に、ｎ型シリコン半導体層１２が形成され、ｎ型シリコン半導体層１２はシリコン酸化膜層１３によって覆われており、シリコン酸化膜層１３は反射防止膜層１４によって覆われている。グリッド電極１５は、反射防止膜層１４とシリコン酸化膜層１３とを貫通してｎ型シリコン半導体層１２に接続されている。
また、ｐ型シリコン半導体基板１１の受光面の反対の面である裏面（以下「ｐ型シリコン半導体基板の裏面」という。）は、シリコン酸化膜層１６によって覆われており、シリコン酸化膜層１６は水素化窒化シリコン膜層１７によって覆われている。高濃度のｐ型であるｐ＋型微結晶シリコン半導体層１８は、水素化窒化シリコン膜層１７を覆い、かつ水素化窒化シリコン膜層１７とシリコン酸化膜層１６との複数部分を貫通して、ｐ型シリコン半導体基板１１の裏面に接続されている。さらに、ｐ＋型微結晶シリコン半導体層１８は、裏面電極１９によって覆われている。
図５は、特許文献１に開示されている太陽電池の製造方法の一例である製造フロー図である。
まず、ｐ型シリコン半導体基板洗浄工程（Ｓ１０１。「Ｓ」はステップを表す。以下同様。）において、ｐ型シリコン半導体基板１１を洗浄する。次に、異方性エッチング工程（Ｓ１０２）において、ｐ型シリコン半導体基板１１の表面が凹凸になるように異方性エッチングを行なう。次に、ｐｎ接合形成工程（Ｓ１０３）において、ＰＯＣｌ３を用いた気相拡散によってリンを拡散してｎ型シリコン半導体層１２を形成する。
次に、裏面エッチング工程（Ｓ１０４）において、ｐ型シリコン半導体基板１１の裏面側をエッチングして、裏面に形成されたｎ型シリコン半導体層を除去する。次に、シリコン酸化膜層形成工程（Ｓ１０５）において、シリコン酸化膜層１３およびシリコン酸化膜層１６を熱酸化法で形成する。
次に、反射防止膜層形成工程（Ｓ１０６）において、窒化シリコン膜からなる反射防止膜１４をプラズマＣＶＤ法により形成する。次に、裏面水素化窒化シリコン膜層形成工程（Ｓ１０７）において、シリコン酸化膜層１６上に水素化窒化シリコン膜１７を形成する。
次に、ｐ＋型の微結晶シリコン半導体層形成工程（Ｓ１０８）において、フォトエッチング法を用いて水素化窒化シリコン膜層１７およびシリコン酸化膜層１６の加工を行った後、プラズマＣＶＤ法により、ｐ＋型の微結晶シリコン半導体層１８を、水素化窒化シリコン膜層１７およびシリコン酸化膜層１６を覆って形成する。
次に、表裏電極形成工程（Ｓ１０９）において、蒸着法により裏面電極１９を、ｐ＋型の微結晶シリコン半導体層１８を覆って形成する。フォトエッチング法を用いてシリコン酸化膜層１３および反射防止膜１４の加工をおこなった後、蒸着法によりグリッド電極１５を形成する。このようにして、太陽電池２１を形成することが開示されている。
ｐ型シリコン半導体基板の受光面に、異方性エッチングにより形成した凹凸であるテクスチャ構造を形成する場合、製造ラインでは、一般的に、ウエットエッチングによる方法が多く用いられているが、この場合には、ｐ型シリコン半導体基板の全面に凹凸が形成されることになる。
しかしながら、ｐ型シリコン半導体基板の裏面に、異方性エッチングにより形成した凹凸が残った状態では、凹凸がない状態に比べてｐ型シリコン半導体基板の裏面の表面積は大きいので、裏面表面のダングリングボンド数が多くなり、キャリアの再結合が増加するため、太陽電池特性に悪影響を及ぼしてしまうことになる。
一方、ｐ型シリコン半導体基板の裏面の、上記凹凸がない状態では、ｐ型シリコン半導体基板の裏面表面のダングリングボンドが減少し、パッシベーション性は良好となるが、ｐ型シリコン半導体基板と裏面電極との密着性に問題が生じ、太陽電池特性に影響を及ぼしていた。
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、ｐ型シリコン半導体基板の受光面および裏面に凹凸を有する太陽電池において、裏面の凹凸の大きさを検討することで、太陽電池特性を向上させることが可能な太陽電池を提供することにある。
本発明の太陽電池は、第１導電型のシリコン基板と、シリコン基板の受光面に形成された第２導電型の半導体層と、シリコン基板の受光面及びシリコン基板の裏面にそれぞれ形成された凹凸形状と、シリコン基板の受光面の一部に形成された受光面電極と、シリコン基板の裏面の一部に形成された裏面電極とを有し、シリコン基板の平面積をＳ、シリコン基板の裏面の凹凸形状の表面積をＸとして、
表面積比Ｙ ＝ Ｘ ／ Ｓ
としたとき、表面積比Ｙが１．０５以上１．１５以下である。
表面積比Ｙ ＝ Ｘ ／ Ｓ
としたとき、表面積比Ｙが１．０５以上１．１５以下である。
ここで、本発明の太陽電池は、シリコン基板の裏面の凹凸形状は、前記シリコン基板の受光面の凹凸形状よりも小さくてもよい。
また、本発明の太陽電池は、裏面電極は、アルミニウムで形成されてもよい。
本発明の太陽電池の製造方法は、第１導電型のシリコン基板にテクスチャ構造を形成する第１工程と、シリコン基板に第２導電型のドーパントを熱拡散させることで第２導電型半導体層を形成する第２工程と、シリコン基板の裏面をエッチングする第３工程とを備え、第３工程において、シリコン基板の裏面の凹凸形状を、テクスチャ構造の凹凸形状より小さくする。
ここで、本発明の太陽電池の製造方法は、エッチングに用いるエッチング液は、フッ酸：硝酸＝１：５であってもよい。
本発明によれば、ｐ型シリコン基板の裏面の凹凸形状の大きさを、ｐ型シリコン基板の受光面の凹凸形状の大きさよりも小さくして適正化することで、太陽電池の特性を向上させることが可能な太陽電池を提供することができる。
図１は、本発明の太陽電池の一例を示す模式的な断面図である。
第１導電型であるｐ型シリコン基板２の入射光側の面である受光面（以下「ｐ型シリコン基板の受光面」という。）に、リン等の第２導電型であるｎ型のドーパントを用いた熱拡散法により、ｎ型半導体層３を厚さ０．３μｍ程度に形成して、ｐ型シリコン基板２とｎ型半導体層３との界面にｐｎ接合を形成する。ｐ型シリコン基板２の受光面には櫛状の金属電極である受光面電極４、ｐ型シリコン基板２の受光面の反対の面である裏面（以下「ｐ型シリコン基板の裏面」という。）には裏面電極５が形成されている。また、ｐ型シリコン基板２の受光面はテクスチャ構造となる受光面凹凸形状６が形成され、受光面凹凸形状６の上には反射防止膜７として窒化シリコン膜が形成されている。受光面電極４は、反射防止膜７をパターニングまたはファイヤースルーしてｎ型半導体層３と接している。さらに、ｐ型シリコン基板２の裏面にはパターニングされた裏面電界層８（ＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）層）が形成され、ｐ型シリコン基板２の裏面にはパッシベーション膜９として窒化シリコン膜が形成されている。パッシベーション膜９をパターニングすることで裏面電極５は裏面電界層８と接している。また、ｐ型シリコン基板２の裏面には裏面凹凸形状１０が形成されている。裏面凹凸形状１０は、受光面凹凸形状６よりも小さな凹凸となっている。なお、図１では、受光面凹凸形状６、及び裏面凹凸形状１０を模式的に表現しているが、実際はランダムな凹凸形状である。
図２は、図１の太陽電池を製造する方法の一例である製造フロー図である。図２に示す製造フロー図を参照して説明する。
まず、テクスチャリング工程（Ｓ１。「Ｓ」はステップを表す。以下同様。）では、ｐ型シリコン基板２の全面、すなわち受光面となる面、裏面となる面（以下、それぞれ「受光面」、「裏面」という。）、及び端面に、ウエットエッチング法である、酸、またはアルカリ溶液を用いてテクスチャ構造を形成する。受光面のテクスチャ構造を受光面凹凸形状６とする。
次に、ｐｎ接合形成工程（Ｓ２）において、拡散材料としてＰＯＣｌ３を用いチューブ炉にて８００℃以上の温度で、ｐ型シリコン基板２を熱処理してｐ型シリコン基板２の露出表面の全面にリンを気相拡散して、ｎ型半導体層３を形成する。尚、気相拡散の場合には裏面、端面にもｎ型半導体層が形成されるが、後述する裏面エッチング工程でエッチング除去される。その後、ｎ型半導体層形成時にｎ型半導体層上に形成されたガラス層であるＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）を希フッ酸で除去する。ここで、ｎ型半導体層３の形成は、気相拡散ではなくｎ型不純物のリンを含む塗布液（ＰＳＧ液等）をｐ型シリコン基板２の受光面となる面に塗布して熱処理を行う塗布拡散法を用いても構わない。
次に、反射防止膜形成工程（Ｓ３）において、ｎ型半導体層３上にプラズマＣＶＤ法により、ガス種としてシラン及びアンモニアを用いて、膜厚７０ｎｍ程度の窒化シリコン膜を反射防止膜７として形成する。
次に、裏面エッチング工程（Ｓ４）において、ｐ型シリコン基板２の受光面にエッチング防止のための耐酸性を有する保護テープを貼り、ｐ型シリコン基板２の裏面をフッ酸と硝酸の混合液を使用してウエットエッチングすることで、ｐ型シリコン基板２の裏面に形成されたｎ型半導体層を除去するとともに、裏面に形成されたテクスチャ構造を裏面凹凸形状１０にする。混合液の組成はフッ酸（ＨＦ）：硝酸（ＨＮＯ３）＝１：５である。この際、端面に形成されたｎ型半導体層も除去される。なお、このウエットエッチングで、エッチングレートが速すぎると、裏面凹凸形状１０を残すことができなくなり、また、エッチングレートが遅すぎると、スループットの問題となる。
裏面凹凸形状１０は、裏面に形成されたテクスチャ構造を、上記ウエットエッチングにより、なだらかにすることで形成する。したがって、裏面凹凸形状１０を形成した場合は、裏面にテクスチャ構造が形成された場合に比べ、ｐ型シリコン基板２の裏面の表面積は減るので、裏面表面のダングリングボンド数は減少する。
次に、パッシベーション膜形成工程（Ｓ５）において、希フッ酸などを用いて裏面に残ったシリコン酸化物を除去した後、プラズマＣＶＤ法によって窒化シリコン膜をパッシベーション膜９として、裏面凹凸形状１０上に形成する。
次に、パッシベーション膜パターニング工程（Ｓ６）において、フォトリソグラフィ法により、パッシベーション膜９を所定の裏面電界層パターンにエッチングし、パッシベーション膜９を貫通するコンタクト孔を形成する。
次に、裏面電界層形成工程（Ｓ７）において、パターニングされたパッシベーション膜９上に、スクリーン印刷法によって、アルミニウム粉末、ガラスフリット、樹脂、有機溶媒等からなるアルミニウムペーストを印刷、乾燥し、７００℃以上にて焼成することにより、コンタクト孔に対応した箇所のｐ型シリコン基板２の裏面にアルミニウムを拡散させて拡散層である裏面電界層８を形成する。その後、ｐ型シリコン基板２の裏面に残ったアルミニウムを含む膜を塩酸にて除去する。
次に、裏面電極形成工程（Ｓ８）において、パターニングされたパッシベーション膜９上に、真空蒸着法等によりアルミニウムを蒸着し裏面電極５を形成する。コンタクト孔内にも蒸着されたアルミニウムが充填される。
次に、受光面電極形成工程（Ｓ９）において、スクリーン印刷法を用いて、銀粉末、ガラスフリット、樹脂、有機溶媒等からなる銀ペーストを印刷、乾燥し、５００℃以上で焼成して銀からなる受光面電極４を形成する。尚、受光面電極４は、焼成時に反射防止膜７を突き破り、すなわち、ファイヤースルーして形成するため、ｎ型半導体層３と電気的に接続する。
１００ｍｍ角、厚さ１００〜２００μｍのｐ型シリコン基板２を用いて太陽電池１を作製した。この際、裏面エッチング工程（Ｓ４）において、エッチング時間を変化させることで裏面凹凸形状１０の大きさを変えて太陽電池１の特性を見た。
ここで、ｐ型シリコン基板２にテクスチャ構造が形成されていない状態の、ｐ型シリコン基板２の裏面の表面積を平面積Ｓとして、平面積Ｓに対する、裏面凹凸形状１０の表面積Ｘの面積比を表面積比Ｙと定義する。
表面積比Ｙ ＝ Ｘ ／ Ｓ ・・・（１）
なお、裏面凹凸形状１０の表面積の測定は、レーザ顕微鏡（波長：４０８ｎｍ）を用い、測定器として、ＯＬＹＭＰＵＳ社製のＬＥＸＴ ＯＬＳ３０００を用いた。また、ｐ型シリコン基板２の裏面において、ｎ型半導体層のみを除去し、Ｓ１工程で形成したテクスチャ構造が残った条件を比較例１とした。比較例１の場合の表面積比Ｙは、１．４１である。さらに、ｐ型シリコン基板２の裏面において、テクスチャ構造が形成されていない状態を比較例２とした。比較例２の場合の表面積比Ｙは、１．００である。
なお、裏面凹凸形状１０の表面積の測定は、レーザ顕微鏡（波長：４０８ｎｍ）を用い、測定器として、ＯＬＹＭＰＵＳ社製のＬＥＸＴ ＯＬＳ３０００を用いた。また、ｐ型シリコン基板２の裏面において、ｎ型半導体層のみを除去し、Ｓ１工程で形成したテクスチャ構造が残った条件を比較例１とした。比較例１の場合の表面積比Ｙは、１．４１である。さらに、ｐ型シリコン基板２の裏面において、テクスチャ構造が形成されていない状態を比較例２とした。比較例２の場合の表面積比Ｙは、１．００である。
図３は、表面積比Ｙを変化させた場合の太陽電池特性の測定結果である。図３（ａ）は、曲線因子であるＦＦの測定結果、図３（ｂ）は、光電変換効率であるＥｆｆの測定結果である。なお、図３では、比較例１の各特性値を１．０００とした。また、丸は実施例、ひし形は比較例である。本検討では、ｐ型シリコン基板の裏面のパッシベーション性は、比較例２で最も良好となるので、比較例２のＥｆｆ値に対して、裏面凹凸形状の適切な範囲を検討した。
図３から、ＦＦは、表面積比Ｙが１．０５より小さくなると、減少する傾向となった。これは、表面積比Ｙが１．００の場合、すなわち、テクスチャ構造を形成しない場合は、蒸着の際のアルミニウムの密着性に影響がでるため、ＦＦが小さくなると考えられる。
また、図３から、Ｅｆｆは、表面積比Ｙが１．０９までは表面積比Ｙの減少に伴って増加し、表面積比Ｙが１．０９を下回ると減少した。これから、Ｅｆｆは、表面積比Ｙが１．００で最大値になるのではなく、ピーク値を持つことがわかる。そして、図３より、表面積比Ｙが１．０５〜１．１５で、Ｅｆｆを比較例２よりも大きくすることができ、Ｅｆｆを比較例１より１％向上させることができる。また、表面積比Ｙが１．２０では、比較例２のＥｆｆ値よりも値が低かった。
よって、ｐ型シリコン基板の受光面及びｐ型シリコン基板の裏面にそれぞれ凹凸形状を有し、ｐ型シリコン基板の裏面の裏面凹凸形状１０を、ｐ型シリコン基板の受光面の受光面凹凸形状６よりも小さくして、ｐ型シリコン基板の表面積比Ｙを１．０５〜１．１５にすれば、太陽電池の光電変換特性を向上させることができた。
今回、ｐ型シリコン基板について記載したが、ｎ型シリコン基板でも同様の結果が得られた。
１ 太陽電池、２ ｐ型シリコン基板、３ ｎ型半導体層、４ 受光面電極、５ 裏面電極、６ 受光面凹凸形状、７ 反射防止膜、８ 裏面電界層、９ パッシベーション膜、１０ 裏面凹凸形状。
Claims (5)
- 第１導電型のシリコン基板と、
前記シリコン基板の受光面に形成された第２導電型の半導体層と、
前記シリコン基板の受光面及び前記シリコン基板の裏面にそれぞれ形成された凹凸形状と、
前記シリコン基板の受光面の一部に形成された受光面電極と、
前記シリコン基板の裏面の一部に形成された裏面電極とを有し、
前記シリコン基板の平面積をＳ、前記シリコン基板の裏面の凹凸形状の表面積をＸとして、
表面積比Ｙ ＝ Ｘ ／ Ｓ
としたとき、
表面積比Ｙが１．０５以上１．１５以下である太陽電池。 - 前記シリコン基板の裏面の凹凸形状は、前記シリコン基板の受光面の凹凸形状よりも小さい請求項１に記載の太陽電池。
- 前記裏面電極は、アルミニウムで形成された請求項１または２に記載の太陽電池。
- 第１導電型のシリコン基板にテクスチャ構造を形成する第１工程と、
前記シリコン基板に第２導電型のドーパントを熱拡散させることで第２導電型半導体層を形成する第２工程と、
前記シリコン基板の裏面をエッチングする第３工程とを備え、
前記第３工程において、
前記シリコン基板の裏面の凹凸形状を、前記テクスチャ構造の凹凸形状より小さくする太陽電池の製造方法。 - 前記エッチングに用いるエッチング液は、フッ酸：硝酸＝１：５である請求項４に記載の太陽電池の製造方法。
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2011
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-
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