JP2013105983A

JP2013105983A - 太陽電池

Info

Publication number: JP2013105983A
Application number: JP2011250515A
Authority: JP
Inventors: Toshinori Ikuno; 利典生野
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2013-05-30

Abstract

【課題】第１真性非晶質半導体膜と第２真性非晶質半導体膜の間隔を広げても、光電変換効率が低減しないような太陽電池を提供する。
【解決手段】第１導電型のシリコン基板４の裏面上の一部領域に形成した、第１の真性非晶質半導体膜６及び第１導電型非晶質半導体膜８を順に積層した積層膜１６と、シリコン基板４の裏面上の他の領域に形成した、第２の真性非晶質半導体膜１２及び第２導電型非晶質半導体膜１３を順に積層した積層膜１５と、シリコン基板４の裏面に形成した第１導電型拡散層５とを有し、第１導電型拡散層５は、第１の真性非晶質半導体膜６を形成した領域と、第２の真性非晶質半導体膜１２を形成した領域との間の領域に形成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池、特に、太陽電池の入射光側の反対の面である裏面の構造に関する。

近年、エネルギ資源の枯渇の問題や大気中のＣＯ_２の増加のような地球環境問題などから、クルーンなエネルギの開発が望まれており、特に太陽電池を用いた太陽光発電が新しいエネルギ源として開発、実用化され、発展の道を歩んでいる。

太陽電池は、従来から、例えば、単結晶または多結晶シリコン基板の入射光側の面である受光面に、シリコン基板の導電型と反対の導電型である不純物を拡散することによってｐｎ接合を形成し、太陽電池の入射光側の面である受光面と、受光面の反対側の面である裏面に、それぞれ電極を形成した構造のものが主流となっている。

また、シリコン基板の受光面に電極を形成せず、シリコン基板の裏面にｐｎ接合を形成した、いわゆる裏面接合型太陽電池が開発されている。裏面接合型太陽電池は、受光面に電極を有しないことから、電極によるシャドーロスがなく、太陽電池の受光面及び裏面に電極を有する太陽電池と比べて高い光電変換効率を得ることが期待できる。このような特性を活かして用途が広がりつつある。

さらに、ｐｎ接合の形成方法として、ドーパントの熱処理以外に非晶質半導体層をＣＶＤ法により成膜する、ヘテロ接合による形成方法も確立しており、このヘテロ接合を用いた裏面接合ヘテロ太陽電池も開発されている。

図６は、特許文献１に開示されている、裏面にヘテロ接合が形成され、裏面にのみ電極を形成した従来の太陽電池の模式的な断面図である。なお、図６は、太陽電池の受光面側が上となっている。光起電力素子５００である太陽電池の裏面には、集電極１１０、１１１が形成されている。また、ｎ型単結晶シリコン基板１０１の裏面には、ｉ型非晶質シリコン膜１０４、ｎ型非晶質シリコン膜１０６の積層構造と、ｉ型非晶質シリコン膜１０５、ｐ型非晶質シリコン膜１０７の積層構造が形成されている。１０２はｉ型非晶質シリコン膜、１０３は反射防止膜、１０８、１０９は裏面電極、１００は正極、２００は負極である。

特開２００５−１０１２４０号公報（平成１７年４月１４日公開）

特許文献１においては、光起電力素子５００である太陽電池の、ｉ型非晶質シリコン膜１０４とｉ型非晶質シリコン膜１０５の間を流れる電流は、ｎ型単結晶シリコン基板１０１の抵抗により制限されてしまう。よって、光電変換効率を高くするには、ｉ型非晶質シリコン膜１０４とｉ型非晶質シリコン膜１０５の間隔を狭くする必要がある。

しかしながら、ｉ型非晶質シリコン膜１０４とｉ型非晶質シリコン膜１０５の間隔を狭くすると、正極１００と負極２００が接触してショートしてしまう危険性が大きくなる。このように、光電変換効率と、ｉ型非晶質シリコン膜１０４とｉ型非晶質シリコン膜１０５の間隔とは、トレードオフの関係がある。

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、ｉ型非晶質シリコン膜１０４とｉ型非晶質シリコン膜１０５との間隔を広げても、光電変換効率が低減しないよう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の裏面上の一部領域に形成した、第１の真性非晶質半導体膜及び第１導電型非晶質半導体膜を順に積層した積層膜と、シリコン基板の裏面上の他の領域に形成した、第２の真性非晶質半導体膜及び第２導電型非晶質半導体膜を順に積層した積層膜と、シリコン基板の裏面に形成した第１導電型拡散層とを有し、第１導電型拡散層は、第１の真性非晶質半導体膜を形成した領域と、第２の真性非晶質半導体膜を形成した領域との間の領域に形成する。

ここで、本発明の太陽電池の第１導電型拡散層は、シリコン基板の第１真性非晶質半導体膜と接する領域に形成されていてもよい。

また、本発明の太陽電池は、第１導電型は、ｎ型であり、第２導電型は、ｐ型であってもよい。

また、本発明の太陽電池は、シリコン基板の裏面側に、パッシベーション膜が形成されていてもよい。

本発明によれば、第１導電型のシリコン基板の裏面の、第１の真性非晶質半導体膜と接する領域と第２の真性非晶質半導体膜と接する領域との間の領域に、第１導電型拡散層を形成することで、第１真性非晶質半導体膜と第２真性非晶質半導体膜の間隔を広げても、光電変換効率が低減しないような太陽電池を提供することができる。

本発明の太陽電池の一例の模式的な裏面図である。図１のＡ−Ａ′の断面の一部を表す模式的な図である。本発明の太陽電池の製造方法の一例を示す模式的な図である。ｎ^＋層の幅を変化させた場合の相対光電変換効率の結果を示した図である。ｎ^＋層の幅が５０μｍの場合の相対光電変換効率の結果を示した図である。従来技術の太陽電池の模式的な断面図である。

図１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太陽電池を表す図であり、裏面側の平面図である。太陽電池１の裏面は、パッシベーション膜１１で覆われており、第１導電型であるｎ型非晶質半導体膜に接しているｎ型用電極３、及び第２導電型であるｐ型非晶質半導体膜に接しているｐ型用電極２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′の断面の一部を表す模式的な図である。図２は、太陽電池の受光面側が上となっている。

図２（ａ）は、第１導電型であるｎ型シリコン基板４の裏面において、真性非晶質半導体膜６が接する領域と、真性非晶質半導体膜１２が接する領域との間の領域に、ｎ型拡散層であるｎ^＋層５が形成された場合である。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示したｎ^＋層５が形成されている領域に加えて、真性非晶質半導体膜６と接する領域にもｎ^＋層が形成されて、ｎ^＋層２５を形成している。図２（ａ）の太陽電池１と、図２（ｂ）の太陽電池５１とは、ｎ^＋層の構造のみが異なることから、図２（ａ）の太陽電池１を用いて以下説明する。

ｎ型シリコン基板４の受光面には、テクスチャ構造９が形成されており、テクスチャ構造９の上には、反射防止膜１０が形成されている。

ｎ型シリコン基板４の裏面の一部領域には、ｎ型シリコン基板４の裏面側から順に、第１の真性非晶質半導体膜６及びｎ型不純物をドーピングしたｎ型非晶質半導体膜８を形成した積層膜１６、ｎ型シリコン基板４の裏面の他の領域には、第２の真性非晶質半導体膜１２及びｐ型不純物をドーピングしたｐ型非晶質半導体膜１３を形成した積層膜１５が、所望の形状に形成されている。そして、ｎ型シリコン基板４と真性非晶質半導体膜６が接する領域と、ｎ型シリコン基板４と真性非晶質半導体膜１２が接する領域の間の、ｎ型シリコン基板４裏面には、ｎ^＋層５が形成されている。真性非晶質半導体膜６、１２、ｐ型非晶質半導体膜１３、ｎ型非晶質半導体膜８の厚さは、各々約１０ｎｍである。さらに、ｎ型シリコン基板４の裏面、積層膜１５、及び積層膜１６を覆うように、パッシベーション膜１１が形成されている。

また、ｐ型非晶質半導体膜１３にｐ型用電極２が接しており、ｎ型非晶質半導体膜８にｎ型用電極３が接している。ｐ型用電極２、ｎ型用電極３は、非晶質半導体膜とオーミックコンタクトを形成する銀電極を用いる。

以下に、本発明の太陽電池の製造方法の一例を示す。

図３は、図２（ａ）に示す本発明の太陽電池１の製造方法の一例である。

まず、図３（ａ）に示すように、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。

次に、図３（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９をエッチングにより形成する。エッチングは、たとえば、アルカリ水溶液を用いる。

次に、図３（ｃ）を用いて次工程を説明する。図３（ｃ）は、ｎ型シリコン基板４の裏面側が上となっている。図３（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。また、ｎ型シリコン基板４の裏面において、ｎ型拡散層であるｎ^＋層５を形成しようとする箇所以外に、拡散マスク２３を形成する。拡散マスク２３は、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、熱処理により形成する。その後、ＰＯＣｌ_３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^＋層５が形成される。

次に、図３（ｄ）を用いて次工程を説明する。図３（ｄ）は、ｎ型シリコン基板４の受光面側が上となっている。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、テクスチャ構造９の上に、反射防止膜１０となる窒化シリコン膜等を高周波スパッタ法により形成する。膜厚は、約７０ｎｍである。

次に、図３（ｅ）を用いて次工程を説明する。図３（ｅ）は、ｎ型シリコン基板４の裏面側が上となっている。メタルマスクを用いて、ＣＶＤ法により真性非晶質半導体膜６、真性非晶質半導体膜１２を形成する。膜厚は、約１０ｎｍである。

次に、図３（ｆ）に示すように、メタルマスクを用いて、真性非晶質半導体膜１２上にｐ型非晶質半導体膜１３を、ＣＶＤ法により形成する。膜厚は、約１０ｎｍである。これにより、積層膜１５を形成する。

次に、図３（ｇ）に示すように、メタルマスクを用いて、真性非晶質半導体膜６上にｎ型非晶質半導体膜８を、ＣＶＤ法により形成する。膜厚は、約１０ｎｍである。これにより、積層膜１６を形成する。なお、ｐ型非晶質半導体膜１３の形成とｎ型非晶質半導体膜８の形成の順序は、逆であってもよい。

次に、図３（ｈ）に示すように、ｎ型シリコン基板４の裏面側に窒化シリコン膜等からなるパッシベーション膜１１を、ＣＶＤ法により形成する。その後、フォトリソグラフィ法等を用いて、パッシベーション膜１１に電極形成するための開口部を形成する。

次に、図３（ｉ）を用いて次工程を説明する。図３（ｉ）は、ｎ型シリコン基板４の受光面側が上となっている。ｐ型非晶質半導体膜１３上にｐ型用電極２を、ｎ型非晶質半導体膜８上にｎ型用電極３を、銀蒸着により形成する。このようにして、太陽電池１を作製する。

次に、真性非晶質半導体膜６と真性非晶質半導体膜１２の間隔、すなわち、ｎ^＋層５の幅を変化させて、光電変換効率の変化を見た。

真性非晶質半導体膜１２及びｐ型非晶質半導体膜１３を積層した積層膜１５の幅を３５０μｍ、真性非晶質半導体膜６及びｎ型非晶質半導体膜８を順に積層した積層膜１６の幅を１００μｍとして、上記ｎ^＋層の幅を５０μｍから順に変化させた。

なお、ｎ型シリコン基板４のｎ型不純物のドーピング濃度は、１×１０^１５／ｃｍ^３、ｎ^＋層のｎ型不純物のドーピング濃度は、１×１０^１８／ｃｍ^３、ｎ型非晶質半導体膜８のｎ型不純物のドーピング濃度は、１×１０^２０／ｃｍ^３である。

・実施例１：図２（ａ）の太陽電池構造
・実施例２：図２（ｂ）の太陽電池構造
・比較例：図２（ａ）において、ｎ^＋層を形成していない太陽電池構造
図４に結果を示す。図４は、真性非晶質半導体膜６と真性非晶質半導体膜１２の間隔を変化させた場合の相対光電変換効率の結果を示した図である。なお、図４の太陽電池の相対光電変換効率は、比較例で真性非晶質半導体膜６と真性非晶質半導体膜１２の間隔が５０μｍの光電変換効率値を１００％とした場合の値である。

図４の結果から、真性非晶質半導体膜６と真性非晶質半導体膜１２の間隔を増加させたときの相対光電変換効率の低下量は、比較例に対し、実施例１又は実施例２の方が小さいことがわかる。また、実施例１と実施例２の相対光電変換効率値に、大きな差は見られなかった。ここで、実施例１、実施例２、比較例のいずれの場合においても積層膜１５と積層膜１６の間隔の増加に伴って、相対光電変換効率が低下するのは、ｐｎ接合領域の面積比率が減少するためである。

上記の結果から、ｎ型シリコン基板４の裏面において、真性非晶質半導体膜６が接する領域と真性非晶質半導体膜１２が接する領域との間に、ｎ型拡散層であるｎ^＋層を形成することで、真性非晶質半導体膜６と真性非晶質半導体膜１２の間隔を広げても、光電変換効率の低減を抑制することができる。また、上記ｎ^＋層を形成することで、構造設計の自由度を拡大することができ、パターニング精度を緩和することができる。

図５は、真性非晶質半導体膜６と真性非晶質半導体膜１２の間隔が５０μｍの場合の相対光電変換効率の比較を詳細に見た図である。なお、図５の相対光電変換効率も、比較例のｎ^＋層幅が５０μｍの光電変換効率値を１００％とした場合の値である。

図５の結果から、真性非晶質半導体膜６と真性非晶質半導体膜１２の間隔が同じ５０μｍの場合、比較例に対し、実施例１又は実施例２の光電変換効率は、１％向上することがわかる。また、実施例１と実施例２に、大きな差は見られなかった。

図４、図５の結果から、真性非晶質半導体膜６と真性非晶質半導体膜１２の間隔が同じ場合、比較例に対し、ｎ^＋層５または２５が形成された実施例１、実施例２の太陽電池は、光電変換効率が向上することがわかる。これは、ｎ型シリコン基板４裏面において、真性非晶質半導体膜６が接する領域と真性非晶質半導体膜１２が接する領域との間の導電性が改善されたためと考えられる。さらに、ｎ^＋層５または２５が形成された太陽電池では、真性非晶質半導体膜６と真性非晶質半導体膜１２の間隔を広げたときに、光電変換効率の低下を抑制することができる。これから、ｎ型シリコン基板４裏面において、真性非晶質半導体膜６が接する領域と真性非晶質半導体膜１２が接する領域との間にｎ型拡散層を形成することで、光電変換効率を向上させることができる。

なお、上記条件で、ｎ^＋層のｎ型不純物のドーピング濃度が１×１０^１６／ｃｍ^３〜１×１０^２０／ｃｍ^３の範囲においても同様の結果が得られた。

本実施形態において、ｎ型シリコン基板裏面において、第１真性非晶質半導体膜である真性非晶質半導体膜６が接する領域と、第２真性非晶質半導体膜である真性非晶質半導体膜１２が接する領域との間にｎ型拡散層を形成することで、第１真性非晶質半導体膜と第２真性非晶質半導体膜との間隔を広げても、光電変換効率が低減しないようにすることができる。さらに、第１真性非晶質半導体膜と第２真性非晶質半導体膜との間隔が同じであれば、ｎ型拡散層を形成することで、光電変換効率を向上させることができる。

今回、ｎ型シリコン基板について記載したが、ｐ型シリコン基板でも同様の結果が得られた。ｐ型シリコン基板の場合は、上記ｎ型拡散層に対応する領域にｐ型拡散層を形成する。

１太陽電池、２ｐ型用電極、３ｎ型用電極、４ｎ型シリコン基板、５ｎ^＋層、６真性非晶質半導体膜、８ｎ型非晶質半導体膜、９テクスチャ構造、１０反射防止膜、１１パッシベーション膜、１２真性非晶質半導体膜、１３ｐ型非晶質半導体膜、１５積層膜、１６積層膜、２１拡散マスク、２２拡散マスク、２３拡散マスク、２５ｎ^＋層、５１太陽電池。

Claims

第１導電型のシリコン基板の裏面上の一部領域に形成した、第１の真性非晶質半導体膜及び第１導電型非晶質半導体膜を順に積層した積層膜と、
前記シリコン基板の裏面上の他の領域に形成した、第２の真性非晶質半導体膜及び第２導電型非晶質半導体膜を順に積層した積層膜と、
前記シリコン基板の裏面に形成した第１導電型拡散層とを有し、
前記第１導電型拡散層は、前記第１の真性非晶質半導体膜を形成した領域と、前記第２の真性非晶質半導体膜を形成した領域との間の領域に形成する太陽電池。
前記第１導電型拡散層は、前記シリコン基板の前記第１真性非晶質半導体膜と接する領域に形成されている請求項１に記載の太陽電池。
前記第１導電型は、ｎ型であり、前記第２導電型は、ｐ型である請求項１または２に記載の太陽電池。
前記シリコン基板の裏面側に、パッシベーション膜が形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池。