JP2013149896A - Polycrystalline silicon substrate for composite solar cell, and solar cell using the same - Google Patents

Polycrystalline silicon substrate for composite solar cell, and solar cell using the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell and a solar cell using the same which can reduce consumption of high purity silicon material, thereby allowing substitution for a conventional solar cell manufactured from bulk silicon and reduction in the total cost.SOLUTION: A polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell comprises a first substrate layer with the purity ranging from 2 N to 3 N, and a second substrate layer with the purity ranging from 6 N to 9 N formed on the first substrate layer.

Description

本発明は、多結晶基板及びそれを用いた太陽電池に関し、特に複合型太陽電池用の多結晶基板及びそれを用いた太陽電池に関するものである。   The present invention relates to a polycrystalline substrate and a solar cell using the same, and more particularly to a polycrystalline substrate for a composite solar cell and a solar cell using the same.

石油資源の過度の使用は、エネルギー危機をもたらし、大気中の二酸化炭素濃度を増加させつつあり、地球温暖化を引き起こしている。太陽エネルギーは地球において最大の自然資源と言える。太陽光が毎日地球に与えるエネルギーは、地球全体の石油資源の約２５％に相当する上、太陽エネルギーを使用するのは環境に悪影響を与えることがない。また、ここ数年、半導体材料技術の進歩に伴い、太陽エネルギーの吸収率も向上されつつある。高分子太陽電池の原理によれば、導電高分子からなる光活性層は、太陽エネルギーを吸収して励起子を生成し、励起子は界面部位において分離して電子と正孔を生成し、電子と正孔はそれぞれ電子伝導物質と正孔伝導物質を介して異なる電極板をそれぞれ伝導されることによって、電流路を形成する。   Excessive use of petroleum resources has led to an energy crisis, increasing atmospheric carbon dioxide levels and causing global warming. Solar energy is the largest natural resource on Earth. The energy that sunlight gives to the earth every day is equivalent to about 25% of the oil resources of the entire earth, and the use of solar energy does not have an adverse effect on the environment. In recent years, with the progress of semiconductor material technology, the absorption rate of solar energy has been improved. According to the principle of polymer solar cells, a photoactive layer made of a conductive polymer absorbs solar energy to generate excitons, which are separated at the interface site to generate electrons and holes. And holes are respectively conducted through different electrode plates through an electron conducting material and a hole conducting material, thereby forming a current path.

太陽電池は、結晶類の塊状シリコンを使用して製造することもできる。多結晶シリコン太陽電池は、塊状シリコンを用いたものと薄膜多結晶シリコンを用いたものとに大きく分けられる。多結晶シリコン太陽電池のメリットは、電池全体のコストの低減と使用面積の向上にある。   Solar cells can also be manufactured using crystalline bulk silicon. Polycrystalline silicon solar cells are broadly divided into those using bulk silicon and those using thin film polycrystalline silicon. The merit of the polycrystalline silicon solar cell is to reduce the cost of the entire battery and to improve the use area.

しかしながら、より良好な光電変換効率を得るためには、従来技術が使用する多結晶シリコンウェハは高純度を有する必要がある。但し、高純度を有するために、シリコン材料は純化工程を複数回行う必要があるため、エネルギーの無駄、コストの高騰、地球環境に優しくないという欠点がある。また、実際の太陽電池の構造において、光電変換機能を提供する能動層は５μｍ〜１０μｍの厚さしか必要としないため、他の高純度の基板が無駄になる欠点がある。そこで、如何にして太陽電池のコストを低減すると共に良好な光電変換効率を取得することができる複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板及びその太陽電池を提供するかが課題となっている。   However, in order to obtain better photoelectric conversion efficiency, the polycrystalline silicon wafer used by the prior art needs to have high purity. However, in order to have high purity, the silicon material needs to be subjected to a purification process a plurality of times. Therefore, there are disadvantages in that energy is wasted, costs are increased, and the environment is not friendly. Further, in an actual solar cell structure, the active layer providing the photoelectric conversion function needs only a thickness of 5 μm to 10 μm, and thus there is a disadvantage that other high-purity substrates are wasted. Thus, how to provide a polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell that can reduce the cost of the solar cell and obtain good photoelectric conversion efficiency, and the solar cell has been an issue.

本発明の目的は、多結晶シリコン基板が複合型基板であり、高純度のシリコン材料を一般的な純度で低コストの基板に形成して二層構造となるように構成することでコストを低減できる複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板を提供することにある。   The object of the present invention is to reduce the cost by forming a multi-layered structure in which a polycrystalline silicon substrate is a composite substrate, and a high-purity silicon material is formed on a low-cost substrate with a general purity. Another object of the present invention is to provide a polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell.

本発明に係る複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板は、純度が２Ｎ〜３Ｎである第１の基材層と、前記第１の基材層上に形成され、純度が６Ｎ〜９Ｎである第２の基材層と、を含む。   A polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell according to the present invention is formed on a first base layer having a purity of 2N to 3N and the first base layer, and has a purity of 6N to 9N. And a second base material layer.

また、本発明は、前記多結晶シリコン基板を用いて製造された太陽電池を提供する。   The present invention also provides a solar cell manufactured using the polycrystalline silicon substrate.

本発明では、半導体プロセスにおいて、低純度の基板の上に高品質で高純度のエピタキシー層又は高純度のスパッタリング層を形成して太陽電池の能動層として使用するため、高純度のシリコン材料の使用を低減でき、塊状シリコンで製造された従来の太陽電池を代替することができ、太陽電池全体のコストを低減できる。   In the present invention, in a semiconductor process, a high-quality high-purity epitaxy layer or a high-purity sputtering layer is formed on a low-purity substrate and used as an active layer of a solar cell. The conventional solar cell manufactured with bulk silicon can be substituted, and the cost of the entire solar cell can be reduced.

本発明の第１の基材層の模式図を示すものである。The schematic diagram of the 1st base material layer of the present invention is shown. 本発明に係る複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板の模式図を示すものである。1 is a schematic view of a polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell according to the present invention. 本発明に係る太陽電池の模式図を示すものである。The schematic diagram of the solar cell which concerns on this invention is shown.

以下、本明細書と図面に開示された本発明の実施形態は、本発明の技術内容をより分かりやすく説明し、本発明の理解を助けるために実施例を挙げたものに過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。ここに開示された実施形態以外にも、本発明の技術的思想に基づく他の変形例も実施可能であることは、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に自明なことである。   Hereinafter, the embodiments of the present invention disclosed in the specification and the drawings are merely examples for explaining the technical contents of the present invention more clearly and helping the understanding of the present invention. It does not limit the range. It is obvious to those skilled in the art to which the present invention pertains that other variations based on the technical idea of the present invention can be implemented in addition to the embodiments disclosed herein. .

本発明に係る複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板は、複合型の構造を有することによって高純度の多結晶シリコン材料の使用量を低減できるため、コスト低減効果を奏することができる。   Since the polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell according to the present invention has a composite structure, the amount of high-purity polycrystalline silicon material used can be reduced, so that a cost reduction effect can be achieved.

図１と図２に示すように、本発明に係る複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板は、第１の基材層１１と、第１の基材層１１上に形成される第２の基材層１２とを少なくとも含む。   As shown in FIGS. 1 and 2, the polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell according to the present invention includes a first base layer 11 and a second base layer 11 formed on the first base layer 11. And at least a base material layer 12.

本実施例において、第１の基材層１１は低純度のシリコン材料であり、その純度は例えば２Ｎ（即ち、９９％）〜３Ｎ（即ち、９９．９％）である。言い換えれば、第１の基材層１１は、低コストで取得しやすい工業レベルのシリコン材料である。本実施例において、第１の基材層１１は、「豫新化工（SHANGHAI YIXIN CHEMICAL CO., LTD）」という会社が製造する型式番号４１１、４２１、５５３、２２０２、３３０３などの工業レベルのシリコン材料から選択されるものである。また、第１の基材層１１の厚さは、１６０μｍ〜１８０μｍである。   In the present embodiment, the first base material layer 11 is a low-purity silicon material, and its purity is, for example, 2N (that is, 99%) to 3N (that is, 99.9%). In other words, the first base material layer 11 is an industrial-level silicon material that is easily obtained at low cost. In this embodiment, the first base layer 11 is made of industrial-grade silicon such as model numbers 411, 421, 553, 2202, and 3303 manufactured by a company called “SHANGHAI YIXIN CHEMICAL CO., LTD”. It is selected from materials. Moreover, the thickness of the 1st base material layer 11 is 160 micrometers-180 micrometers.

本発明の第２の基材層１２は第１の基材層１１上に形成される。第１の基材層１１と比べて、第２の基材層１２は高純度のシリコン材料であり、その純度は約６Ｎ（即ち、９９．９９９９％）〜９Ｎ（即ち、９９．９９９９９９９％）である。第２の基材層１２の厚さは約５μｍ〜２０μｍである。また、第２の基材層１２は、電子レベルのシリコン材料に属する高純度のシリコン材料であり、主に太陽電池の能動層として機能する。好ましくは、第２の基材層１２の厚さは電子の拡散範囲の長さよりも小さい。これにより、能動層が厚すぎることによる電子正孔散乱や電子正孔結合などの問題を改善でき、高純度のシリコン材料の使用量を低減でき、材料コストを低減できる。   The second base material layer 12 of the present invention is formed on the first base material layer 11. Compared to the first base material layer 11, the second base material layer 12 is a high-purity silicon material, and its purity is about 6N (ie 99.9999%) to 9N (ie 99.999999999%). It is. The thickness of the 2nd base material layer 12 is about 5 micrometers-20 micrometers. The second base material layer 12 is a high-purity silicon material belonging to an electronic level silicon material, and mainly functions as an active layer of a solar cell. Preferably, the thickness of the second base material layer 12 is smaller than the length of the electron diffusion range. Thereby, problems such as electron-hole scattering and electron-hole coupling due to the active layer being too thick can be improved, the amount of high-purity silicon material used can be reduced, and the material cost can be reduced.

第２の基材層１２は、物理的気相成長（physical vapor deposition；ＰＶＤ）、化学気相成長（chemical vapor deposition；ＣＶＤ）、又は液相エピタキシー（Liquid-phase epitaxy；ＬＰＥ）などの方式で第１の基材層１１上に形成するようにしてもよい。   The second base layer 12 is formed by a method such as physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), or liquid-phase epitaxy (LPE). It may be formed on the first base material layer 11.

本実施例において、ＣＶＤ法によってｐ−Ｓｉ（低温ポリシリコン）である第２の基材層１２を第１の基材層１１上に形成する。また、Ｓｉ原子のガス材料源をジクロルシラン（Dichlorosilane、ＤＣＳ）（ＳｉＨ２Ｃｌ２）とし、ホウ素（Ｂ）ドープのガス材料源をジボラン（Diborane）（Ｂ２Ｈ６）とし、キャリアガスを水素とし、１０００℃〜１１００℃で２０分間〜３０分間、化学反応を行うことによって１５μｍのｐ−Ｓｉの第２の基材層１２をエピタキシー成長するようにしてもよい。また、第２の基材層１２の結晶性について、ある成長プロセスを行った後、第２の基材層１２が非晶質層（Amorphous layer）になる恐れがあることを考慮すると、レーザー結晶化法などの方法によって第２の基材層１２を多結晶材料として形成してもよい。例えば、エキシマレーザー（excimer laser）を非晶質の第２の基材層１２に照射して、レーザーパルスの約２０ｎｓの時点で約１４００度に上昇させ、レーザーパルスが完了してから冷却すると結晶化が開始する。 In this embodiment, the second base material layer 12 made of p-Si (low temperature polysilicon) is formed on the first base material layer 11 by the CVD method. Further, the gas material source of Si atoms is dichlorosilane (DCS) (SiH 2 Cl 2 ), the boron (B) -doped gas material source is diborane (B 2 H 6 ), and the carrier gas is hydrogen. The second substrate layer 12 of 15 μm p-Si may be epitaxially grown by performing a chemical reaction at 1000 ° C. to 1100 ° C. for 20 to 30 minutes. Further, regarding the crystallinity of the second base material layer 12, considering that the second base material layer 12 may become an amorphous layer after performing a certain growth process, a laser crystal The second base material layer 12 may be formed as a polycrystalline material by a method such as a chemical conversion method. For example, when an amorphous second substrate layer 12 is irradiated with an excimer laser, the temperature is raised to about 1400 degrees at about 20 ns of the laser pulse, and cooling is performed after the laser pulse is completed. Start.

また、他の実施例において、第２の基材層１２はスパッタリング層であってもよい。例えば、スパッタリングプロセスにおいて、パルス直流マグネトロンスパッタリング（Pluse-DC）設備によって第１の基材層１１上にシリコン薄膜を成長する場合、プロセスのパラメーターとして、背圧（backing pressure）を約５×１０−７Ｔｏｒｒ〜９×１０−７Ｔｏｒｒとし、スパッタリングパワーを１００Ｗ〜３００Ｗとし、ステージ温度を２００度〜２５０度とし、蒸着圧力は約５ｍＴｏｒｒとし、Ａｒガス流量を約８ｓｃｃｍ〜１０ｓｃｃｍとしてもよい。 In another embodiment, the second base material layer 12 may be a sputtering layer. For example, when a silicon thin film is grown on the first substrate layer 11 by a pulsed direct-current magnetron sputtering (Pluse-DC) facility in a sputtering process, a backing pressure of about 5 × 10 − is used as a process parameter. 7 Torr to 9 × 10 −7 Torr, sputtering power to 100 W to 300 W, stage temperature to 200 degrees to 250 degrees, deposition pressure to about 5 mTorr, and Ar gas flow rate to about 8 sccm to 10 sccm.

これにより、本発明は、低純度で低コストの第１の基材層１１上に太陽電池の能動層として使用できる高純度の第２の基材層１２を形成した複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板を使用することによって、太陽電池基板の製造コストを低減することができる。   As a result, the present invention provides a high-purity second substrate layer 12 that can be used as an active layer of a solar cell on a low-purity and low-cost first substrate layer 11. By using the crystalline silicon substrate, the manufacturing cost of the solar cell substrate can be reduced.

図３は、本発明に係る複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板で形成された太陽電池の模式図を示すものである。太陽電池は、第１の基材層１１、第２の基材層１２、多結晶シリコン基板上に設けられる電極１４Ａ、１４Ｂで構成される。第１の基材層１１は既に上述の実施例で説明したため、ここではその説明を省略する。第２の基材層１２は、リン原子（phosphorus atom）の熱拡散プロセス又はリン原子のイオンインプラプロセスなどによってｎ+−Ｓｉエミッタ層（emitter layer）１２’に転化されるようにしてもよい。好ましくは、太陽電池は、エミッタ層１２’上に形成される反射防止層（antireflection layer）１３を更に有する。反射防止層１３は、例えば窒化珪素層などであってもよい。また、電極（即ち正面電極）１４Ａは、チタン／パラジウム／金の構造であり、エミッタ層１２’上に設けられるようにしてもよい。一方、電極（即ち、背面電極１４Ｂ）は、例えばアルミニウムペーストなどの高導電性のメタルで第１の基材層１１の背面に塗布して形成されるようにしてもよい。 FIG. 3 is a schematic view of a solar cell formed of a polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell according to the present invention. The solar cell includes a first base material layer 11, a second base material layer 12, and electrodes 14A and 14B provided on the polycrystalline silicon substrate. Since the first base material layer 11 has already been described in the above embodiment, the description thereof is omitted here. The second substrate layer 12 may be converted into an n + -Si emitter layer 12 ′ by a thermal diffusion process of phosphorous atoms or an ion implantation process of phosphorus atoms. Preferably, the solar cell further has an antireflection layer 13 formed on the emitter layer 12 ′. The antireflection layer 13 may be, for example, a silicon nitride layer. The electrode (ie, front electrode) 14A has a titanium / palladium / gold structure, and may be provided on the emitter layer 12 ′. On the other hand, the electrode (that is, the back electrode 14B) may be formed by coating the back surface of the first base material layer 11 with a highly conductive metal such as an aluminum paste.

上述したように、本発明は少なくとも下記のメリットを有する。
（１）本発明に係る複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板は、低純度の基板上に高純度のシリコン材料を成長させることによって、高コストで高純度の塊状シリコンで製造された従来の基板を代替することができ、全体のコストを低減できる。
（２）本発明に係る複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板は太陽電池に適用できるため、高効率で低コストのエピタキシャルシリコン（epitaxial silicon）の太陽電池を提供することができる。 As described above, the present invention has at least the following merits.
(1) A polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell according to the present invention is produced by growing a high-purity silicon material on a low-purity substrate, thereby producing a conventional high-purity bulk silicon. Substrate can be replaced, and the overall cost can be reduced.
(2) Since the polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell according to the present invention can be applied to a solar cell, it is possible to provide a solar cell of epitaxial silicon with high efficiency and low cost.

上述した実施例は、本発明の好ましい実施態様に過ぎず、本発明の実施の範囲を限定するものではなく、本発明の明細書及び図面内容に基づいてなされた均等な変更および付加は、いずれも本発明の特許請求の範囲内に含まれるものとする。   The above-described embodiments are merely preferred embodiments of the present invention, and do not limit the scope of the present invention. Equivalent changes and additions made based on the specification and drawings of the present invention will Are intended to be included within the scope of the claims.

１１ 第１の基材層
１２ 第２の基材層
１２’ エミッタ層
１３ 反射防止層
１４Ａ、１４Ｂ 電極 11 1st base material layer 12 2nd base material layer 12 'Emitter layer 13 Antireflection layer 14A, 14B Electrode

Claims (10)

純度が２Ｎ〜３Ｎである第１の基材層と、
前記第１の基材層上に形成され、純度が６Ｎ〜９Ｎである第２の基材層と
を具備する複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板。 A first substrate layer having a purity of 2N to 3N;
A polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell, comprising: a second base material layer formed on the first base material layer and having a purity of 6N to 9N. 前記第１の基材層の厚さは、１６０μｍ〜１８０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板。   2. The polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell according to claim 1, wherein the first base material layer has a thickness of 160 μm to 180 μm. 前記第２の基材層の厚さは、５μｍ〜２０μｍであることを特徴とする請求項２に記載の複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板。   The thickness of the said 2nd base material layer is 5 micrometers-20 micrometers, The polycrystalline silicon substrate for composite type solar cells of Claim 2 characterized by the above-mentioned. 前記第２の基材層はスパッタリング層であることを特徴とする請求項１に記載の複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板。   The polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell according to claim 1, wherein the second base material layer is a sputtering layer. 純度が２Ｎ〜３Ｎである第１の基材層と、
前記第１の基材層上に形成され、純度が６Ｎ〜９Ｎである第２の基材層と、
前記第２の基材層が所定のプロセスで処理されることで転化されて形成されたエミッタ層と、
前記多結晶シリコン基板上に設けられる複数の電極と
を具備する太陽電池。 A first substrate layer having a purity of 2N to 3N;
A second substrate layer formed on the first substrate layer and having a purity of 6N to 9N;
An emitter layer formed by converting the second base material layer by being processed in a predetermined process;
A solar cell comprising: a plurality of electrodes provided on the polycrystalline silicon substrate. 前記第１の基材層の厚さは１６０μｍ〜１８０μｍであることを特徴とする請求項５に記載の太陽電池。   The solar cell according to claim 5, wherein a thickness of the first base material layer is 160 μm to 180 μm. 前記第２の基材層の厚さは５μｍ〜２０μｍであることを特徴とする請求項６に記載の太陽電池。   The thickness of the said 2nd base material layer is 5 micrometers-20 micrometers, The solar cell of Claim 6 characterized by the above-mentioned. 前記複数の電極は、前記エミッタ層に設けられる正面電極と、前記第１の基材層の背面に設けられる背面電極と、を含むことを特徴とする請求項７に記載の太陽電池。   The solar cell according to claim 7, wherein the plurality of electrodes include a front electrode provided on the emitter layer and a back electrode provided on a back surface of the first base material layer. 前記エミッタ層上に形成される反射防止層を更に具備することを特徴とする請求項７に記載の太陽電池。   The solar cell according to claim 7, further comprising an antireflection layer formed on the emitter layer. 前記第２の基材層はスパッタリング層であることを特徴とする請求項７に記載の太陽電池。   The solar cell according to claim 7, wherein the second base material layer is a sputtering layer.
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