JP2013513965A - 裏面電界型のヘテロ接合太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

裏面電界型のヘテロ接合太陽電池及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明に係る裏面電界型のヘテロ接合太陽電池は、第１の導電型の結晶質シリコン基板と、前記基板の表面上に順次に積層された真性層と、第１の導電型の非晶質シリコン層と、前記第２の導電型の非晶質シリコン上に積層された反射防止膜と、前記基板の裏面から前記基板の内部へ所定の深さで形成された第１の導電型の接合領域と第２の導電型の接合領域、及び前記第１の導電型の接合領域と第２の導電型の接合領域上にそれぞれ具備された第１の導電型電極と第２の導電型電極とを含んでなり、前記第１の導電型電極と第２の導電型電極とは交互に配置されることを特徴とする。

Description

本発明は、裏面電界型のヘテロ接合太陽電池及びその製造方法に係り、より詳しくは、ヘテロ接合型の太陽電池と裏面電界型の太陽電池とを組み合わせて太陽電池の光電変換効率を極大化させることができる裏面電界型のヘテロ接合太陽電池及びその製造方法に関する。
太陽電池は、太陽光を直接電気へと変換させる太陽光発電の核心素子であって、基本的にｐ−ｎ接合からなるダイオード（ｄｉｏｄｅ）であると言える。太陽光が太陽電池によって電気へと変換される過程を説明すると、太陽電池のｐ−ｎ接合部に太陽光が入射すると電子・正孔対が生成され、電場によって電子はｎ層に、正孔はｐ層に移動することでｐ−ｎ接合部の間に光起電力が発生し、太陽電池の両端に負荷やシステムを接続すると電流が流れることで電力を生産することができるようになる。
一般的な太陽電池は、表面と裏面にそれぞれ表面電極と裏面電極が具備される構造を有する。受光面である表面に表面電極が具備されることで、表面電極の面積分受光面積が減少するようになる。このような受光面積の減少という問題を解決するために、裏面電界型の太陽電池が提案された。裏面電界型の太陽電池は、太陽電池の裏面上に（＋）電極と（−）電極とを具備させ、太陽電池の表面の受光面積を極大化することを特徴とする。
なお、前述したように太陽電池はｐ−ｎ接合からなるダイオードであると言えるところ、これはｐ型半導体層とｎ型半導体層との接合構造からなる。通常、ｐ型基板にｐ型不純物イオンを注入してｐ型半導体層を形成することで（または、その逆）ｐ−ｎ接合を実現する。このように、太陽電池のｐ−ｎ接合を構成するためには、不可欠に不純物イオンが注入された半導体層が要求される。
しかしながら、光電変換によって生成された電荷が移動中に太陽電池の半導体層に存在する格子間位置（ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ ｓｉｔｅｓ）または置換位置（ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎａｌ ｓｉｔｅｓ）に捕集されて再結合する場合が発生し、これは、太陽電池の光電変換効率に悪影響を及ぼす。このような問題を解決するために、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間に真性層（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｌａｙｅｒ）を具備する、いわゆる、ヘテロ接合型（ｈｅｔｅｒｏ−ｊｕｎｃｔｉｏｎ）の太陽電池が提示され、これによりキャリア（ｃａｒｒｉｅｒ）の再結合率を低下させることができる。
本発明は、ヘテロ接合型の太陽電池と裏面電界型の太陽電池とを組み合わせて太陽電池の光電変換効率を極大化させることができる裏面電界型のヘテロ接合太陽電池及びその製造方法を提供することにその目的がある。
前記目的を達成するための本発明に係る裏面電界型のヘテロ接合太陽電池は、第１の導電型の結晶質シリコン基板と、前記基板の表面上に順次に積層された真性層、第１の導電型の非晶質シリコン層と、前記第２の導電型の非晶質シリコン上に積層された反射防止膜と、前記基板の裏面から該基板の内部へ所定の深さで形成された第１の導電型の接合領域と第２の導電型の接合領域、及び前記第１の導電型の接合領域と第２の導電型の接合領域上にそれぞれ具備された第１の導電型電極と第２の導電型電極とを含んでなり、前記第１の導電型電極と第２の導電型電極とは交互に配置されることを特徴とする。
本発明に係る裏面電界型のヘテロ接合太陽電池の製造方法は、第１の導電型の結晶質シリコン基板を準備するステップと、前記基板の裏面の内部に第１の導電型の接合領域と第２の導電型の接合領域とを交互に配設するステップと、前記基板の表面上に真性層と第１の導電型の非晶質シリコン層を順次に積層するステップと、前記第１の導電型の非晶質シリコン層上に反射防止膜を形成するステップ、及び前記第１の導電型の接合領域と第２の導電型の接合領域上にそれぞれ第１の導電型電極と第２の導電型電極を形成するステップとを含んでなることを特徴とする。
第１の導電型の接合領域または第２の導電型の接合領域を配設する方法は、前記基板の裏面上に第１の導電型の接合領域または第２の導電型の接合領域が形成される部位の基板を選択的に露出させるスクリーンマスクを形成する過程と、前記スクリーンマスクを含む基板の表面上に液状の第１の導電型または第２の導電型不純物を塗布する過程と、前記基板に熱処理を施して第１の導電型の接合領域または第２の導電型の接合領域を形成する過程とを含んでなるものであってよい。
前記反射防止膜を形成するステップの前に、前記第１の導電型の非晶質シリコン層上にバッファー層を形成するステップをさらに含んでいてよい。
本発明に係る裏面電界型のヘテロ接合太陽電池及びその製造方法では、次のような効果がある。
太陽電池の裏面上に（＋）電極と（−）電極の両方が具備されることで受光面積を極大化することができ、不純物イオンが注入されていない真性層が具備されることでキャリアの再結合率を最小化して太陽電池の光電変換効率を向上させることができるようになる。
本発明の一実施形態に係る裏面電界型のヘテロ接合太陽電池の断面図である。 本発明の一実施形態に係る裏面電界型のヘテロ接合太陽電池の製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明の一実施形態に係る裏面電界型のヘテロ接合太陽電池の製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明の一実施形態に係る裏面電界型のヘテロ接合太陽電池の製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明の一実施形態に係る裏面電界型のヘテロ接合太陽電池の製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明の一実施形態に係る裏面電界型のヘテロ接合太陽電池の製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明の一実施形態に係る裏面電界型のヘテロ接合太陽電池の製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明の一実施形態に係る裏面電界型のヘテロ接合太陽電池の製造方法を説明するための工程断面図である。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る裏面電界型のヘテロ接合太陽電池及びその製造方法を説明することにする。図１は、本発明の一実施形態に係る裏面電界型のヘテロ接合太陽電池の断面図である。
図１に示すように、本発明の一実施形態に係る裏面電界型のヘテロ接合太陽電池は、第１の導電型の結晶質シリコン基板１０１を具備する。前記第１の導電型は、ｐ型またはｎ型であってよく、第２の導電型は第１の導電型の逆である。以下の説明では、第１の導電型がｎ型、第２の導電型がｐ型であることを中心に説明することにする。
前記ｎ型基板１０１（ｎ−）上には真性層１０８とｎ型非晶質半導体層１０９（ｎ＋ ａ−Ｓｉ:Ｈ）が順次に積層される。前記真性層１０８は、前記ｎ型非晶質半導体層１０９と同様に非晶質シリコン層からなるものであってよい。前記ｎ型非晶質半導体層１０９上には、シリコン酸化膜などからなる反射防止膜１１１が具備される。前記ｎ型非晶質半導体層１０９とシリコン酸化膜との間に応力を緩和させるためにバッファー層１１０としてのシリコン酸化膜層がさらに具備されていてもよい。
一方、前記基板１０１の裏面から基板１０１内部の所定の深さまでの領域にｐ接合領域１０４とｎ接合領域１０７が具備される。前記ｐ接合領域１０４とｎ接合領域１０７とは、それぞれｎ型基板１０１にｐ型不純物イオンとｎ型不純物イオンが注入されてなる半導体領域のことを言い、前記ｐ接合領域１０４とｎ接合領域１０７とは、前記基板１０１の裏面に交互に配置される。また、前記ｐ接合領域１０４とｎ接合領域１０７上には、それぞれｐ電極１１２とｎ電極１１３が具備される。
次いで、本発明の一実施形態に係る裏面電界型のヘテロ接合太陽電池の製造方法を説明することにする。図２ａないし図２ｇは、本発明の一実施形態に係る裏面電界型のヘテロ接合太陽電池の製造方法を説明するための工程断面図である。
先ず、図２ａに示すように第１の導電型、例えば、ｎ型の結晶質シリコン基板１０１を準備する。しかる後、前記基板１０１の表面に凹凸が形成されるようにテクスチャリング（ｔｅｘｔｕｒｉｎｇ）工程を行なう。前記テクスチャリング工程は、光吸収を極大化するためのものであって、湿式エッチングまたは反応性イオンエッチング（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）などの乾式エッチング方法を用いて行なうことができる。
次いで、ｐ接合領域１０４及びｎ接合領域１０７の形成工程を行なう。前記ｐ接合領域１０４の形成工程とｎ接合領域１０７の形成工程は、独立して順次に行ない、その順序は特に問わない。
ｐ接合領域１０４の形成工程を先に行なう場合、図２ｂに示すように前記基板１０１の裏面上にｐ接合領域１０４が形成される部位の基板１０１を露出させる第１のスクリーンマスク１０２を形成する。しかる後、液状のｐ型不純物１０３をローラーなどを利用して前記第１のスクリーンマスク１０２を含む基板１０１の表面上に塗布する。次いで、熱処理工程を行い、前記ｐ型不純物を前記基板１０１の内部へ拡散させてｐ接合領域１０４を形成する（図２ｃ参照）。
このような状態で、図２ｄに示すように前記第１のスクリーンマスク１０２を除去し、第２のスクリーンマスク１０５を前記基板１０１上に形成する。前記第２のスクリーンマスク１０５は、ｎ接合領域１０７が形成される部位の基板１０１を選択的に露出させる。前記第２のスクリーンマスク１０５が形成された状態で、基板１０１の表面上に液状のｎ型不純物１０６を塗布する。このとき、液状のｎ型不純物１０６は、前記ｐ型不純物と同様にローラーを利用して塗布することができる。しかる後、熱処理工程を行い、前記ｎ型不純物を前記基板１０１の内部へ拡散させてｎ接合領域１０７を形成する（図２ｅ参照）。次いで、第２のスクリーンマスク１０５を除去する。
前記ｐ接合領域１０４及びｎ接合領域１０７が形成された状態で、図２ｆに示すように前記基板１０１の表面上に非晶質シリコン材質の真性層１０８を積層する。前記真性層１０８は、プラズマ強化化学気相蒸着法（ＰＥＣＶＤ、ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などを用いて形成することができる。しかる後、前記真性層１０８上にｎ型非晶質シリコン層（n＋ ａ−Ｓｉ：Ｈ）を形成する。前記ｎ型非晶質シリコン層は、非晶質シリコン層の形成の際にｎ型不純物イオンを注入して形成することができる。
このような状態で、前記ｎ型非晶質シリコン層上にシリコン窒化膜材質の反射防止膜１１１を形成する。このとき、前記反射防止膜１１１とｎ型非晶質シリコン層との間の応力を緩和させるために、前記反射防止膜１１１の形成の前にシリコン酸化膜材質のバッファー層１１０を前記ｎ型非晶質シリコン層上に形成することもできる。次いで、図２ｇに示すように前記ｐ接合領域１０４とｎ接合領域１０７上にそれぞれｐ電極１１２とｎ電極１１３を形成すれば本発明の一実施形態に係る裏面電界型のヘテロ接合太陽電池の製造方法は完了する。
太陽電池の裏面上に（＋）電極と（−）電極の両方が具備されることで受光面積を極大化することができ、不純物イオンが注入されていない真性層が具備されることでキャリアの再結合率を最小化して太陽電池の光電変換効率を向上させることができるようになる。
前記目的を達成するための本発明に係る裏面電界型のヘテロ接合太陽電池は、第１の導電型の結晶質シリコン基板と、前記基板の表面上に順次に積層された真性層、第１の導電型の非晶質シリコン層と、前記第１の導電型の非晶質シリコン上に積層された反射防止膜と、前記基板の裏面から該基板の内部へ所定の深さで形成された第１の導電型の接合領域と第２の導電型の接合領域、及び前記第１の導電型の接合領域と第２の導電型の接合領域上にそれぞれ具備された第１の導電型電極と第２の導電型電極とを含んでなり、前記第１の導電型電極と第２の導電型電極とは交互に配置されることを特徴とする。

Claims (5)

  1. 第１の導電型の結晶質シリコン基板と、
    前記基板の表面上に順次に積層された真性層及び第１の導電型の非晶質シリコン層と、
    前記第２の導電型の非晶質シリコン上に積層された反射防止膜と、
    前記基板の裏面から前記基板の内部へ所定の深さで形成された第１の導電型の接合領域及び第２の導電型の接合領域と、
    前記第１の導電型の接合領域及び第２の導電型の接合領域上にそれぞれ具備された第１の導電型電極及び第２の導電型電極とを含んでなり、
    前記第１の導電型電極と第２の導電型電極とは交互に配置されることを特徴とする裏面電界型のヘテロ接合太陽電池。
  2. 前記第１の導電型の非晶質シリコン層と反射防止膜との間にバッファー層がさらに具備されることを特徴とする請求項１に記載の裏面電界型のヘテロ接合太陽電池。
  3. 第１の導電型の結晶質シリコン基板を準備するステップと、
    前記基板の裏面の内部に第１の導電型の接合領域と第２の導電型の接合領域とを交互に配設するステップと、
    前記基板の表面上に真性層と第１の導電型の非晶質シリコン層とを順次に積層するステップと、
    前記第１の導電型の非晶質シリコン層上に反射防止膜を形成するステップと、
    前記第１の導電型の接合領域及び第２の導電型の接合領域上にそれぞれ第１の導電型電極及び第２の導電型電極を形成するステップとを含んでなることを特徴とする裏面電界型のヘテロ接合太陽電池の製造方法。
  4. 第１の導電型の接合領域または第２の導電型の接合領域を形成する方法は、
    前記基板の裏面上に第１の導電型の接合領域または第２の導電型の接合領域が形成される部位の基板を選択的に露出させるスクリーンマスクを形成する過程と、
    前記スクリーンマスクを含む基板の表面上に液状の第１の導電型または第２の導電型不純物を塗布する過程と、
    前記基板に熱処理を施して第１の導電型の接合領域または第２の導電型の接合領域を形成する過程とを含んでなることを特徴とする請求項３に記載の裏面電界型のヘテロ接合太陽電池の製造方法。
  5. 前記反射防止膜を形成するステップの前に、
    前記第１の導電型の非晶質シリコン層上にバッファー層を形成するステップをさらに含んでなることを特徴とする請求項３に記載の裏面電界型のヘテロ接合太陽電池の製造方法。
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