JP2014033103A - 光起電力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】支持基板上に絶縁層を介して複数のバックコンタクト型光起電力素子を取り付ける構造において、より強固な接合方法を提供する。
【解決手段】アルカリ金属元素を含有する支持基板１８と、支持基板１８と共有結合状態にあるベース層１４を有する光起電力素子と、を備え、ベース層１４と支持基板１８との結合界面近傍の支持基板１８においてアルカリ金属元素の濃度が支持基板１８の母材に比べて低濃度化された領域を有する光起電力装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光起電力装置に関し、特に支持基板上に複数の光起電力素子を形成した光起電力装置に関する。

従来、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光起電力素子の開発が各方面で精力的に行われている。例えば、単結晶シリコンや多結晶シリコン等の結晶質系シリコンを用いた光起電力素子（装置）の研究および実用化が盛んに行われている。

また、近年、受光面（光入射面）と反対側の面にＰＮ接合と集電極を形成したバックコンタクト型（裏面電極型）の光起電力素子の開発も進んでいる。このタイプの光起電力素子では、受光面側にはテクスチャ構造や反射防止、及びキャリアの再結合防止のためのパッシベーション層が形成されるのみで、素子の構造に起因する損失を極力除き、高い変換効率が得られることから、注目を集めている。

さらに、このようなタイプの光起電力素子を複数形成した光起電力装置として、例えば、ガラス基板からなる支持基板上に絶縁層を介して複数のバックコンタクト型光起電力素子を取り付ける構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２８３３３９号公報

光起電力素子を支持基板に接合する際、従来のファン・デル・ワールス力や水素結合で結晶シリコンと支持基板とを接合する場合、その接合力は比較的弱く、製造時における外力、温度変化、および真空雰囲気への暴露などにより、接合が剥離する可能性が高く、長期信頼性は低いものとなる。

本発明は、光起電力装置であって、アルカリ金属元素を含有する支持基板と、支持基板と共有結合状態にある光起電力素子と、を備え、光起電力素子と支持基板との結合界面近傍の支持基板中においてアルカリ金属元素の濃度が支持基板の母材に比べて低濃度化された領域を有する。

本発明によれば、信頼性が高い光起電力装置を提供することが出来る。

第１の実施の形態における光起電力装置の構造を示す断面図である。 第１の実施の形態における光起電力装置の製造方法を示す図である。 第１の実施の形態における光起電力装置の製造方法を示す図である。 第１の実施の形態における光起電力装置の製造方法を示す図である。 第１の実施の形態における光起電力装置の製造方法を示す図である。 第１の実施の形態における光起電力装置の製造方法を示す図である。 第１の実施の形態における光起電力装置の製造方法を示す図である。 第１の実施の形態における光起電力装置の製造方法を示す図である。 第１の実施の形態における光起電力装置の製造方法を示す図である。 第１の実施の形態における光起電力装置の製造方法を示す図である。 第１の実施の形態における光起電力装置の製造方法を示す図である。 陽極接合の方法を説明する図である。 第１の実施の形態における支持基板と光起電力素子との接合方法を説明する図である。 第１の実施の形態における光起電力素子と支持基板との密着領域直下の支持基板中の元素濃度プロファイルを示す図である。 第２の実施の形態における光起電力装置の構造を示す断面図である。 第２の実施の形態における光起電力装置の製造方法を示す図である。 第２の実施の形態における光起電力装置の製造方法を示す図である。 第２の実施の形態における光起電力装置の製造方法を示す図である。 第２の実施の形態における光起電力装置の製造方法を示す図である。 第２の実施の形態における光起電力装置の製造方法を示す図である。 第２の実施の形態における光起電力装置の製造方法を示す図である。 第２の実施の形態における光起電力装置の製造方法を示す図である。 第２の実施の形態における光起電力装置の製造方法を示す図である。 第２の実施の形態における光起電力装置の製造方法を示す図である。 第２の実施の形態における光起電力装置の製造方法を示す図である。 第２の実施の形態における光起電力装置の製造方法を示す図である。 第２の実施の形態における光起電力装置の製造方法を示す図である。

＜第１の実施の形態＞
第１の実施の形態における光起電力装置１００は、図１の断面図に示すように、支持基板１８、パッシベーション層１６、ベース層１４、第１導電型層１２、絶縁層２０、ｉ型層２２、第２導電型層２４、透明電極層２６、金属層２８（第１電極２８ｎ、第２電極２８ｐ）、充填材６０及び封止材６２を含んで構成される。パッシベーション層１６、ベース層１４、第１導電型層１２、絶縁層２０、ｉ型層２２、第２導電型層２４、透明電極層２６及び金属層２８は、光電変換素子を構成する。

本実施の形態では、光起電力装置１００は、複数の光電変換素子を含んで構成される。また、光起電力装置１００は、裏面接合型光起電力素子であり、光起電力素子で発電された電力を外部へ取り出す電極が受光面とは反対側の主面（以下、裏面という）のみに設けられる。ただし、本発明の適用範囲は、これに限定されるものではなく、支持基板１８上に光電変換素子が複数配置されている光起電力装置であればよい。

ここで、受光面とは、光起電力素子において主に光が入射される主面を意味し、具体的には、光起電力素子に入射される光の大部分が入射される面である。また、裏面とは、光起電力素子の受光面とは反対側の面を意味する。

支持基板１８は、光起電力素子を機械的に支持すると共に、光起電力素子に含まれる半導体層を外部環境から保護する。また、支持基板１８は、光起電力素子の受光面側に配置されるので、光起電力素子で発電に利用される波長帯域の光を透過し、ベース層１４等の各層を機械的に支持できる材料とされる。支持基板１８は、透光性及び機械的な強度を考慮してアルカリ金属元素を含有するガラス基板とする。例えば、アルカリ金属元素としてナトリウム（Ｎａ）を２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下（３．５重量％以上１５．０重量％以下）含むガラス基板とする。または、カリウム（Ｋ）を含むガラス基板としてもよい。この場合には含有量を０．１重量％以上１．０重量％以下の範囲とすることが好ましい。なお、こうしたアルカリ金属元素を含有するガラス基板は、ヤング率は６０ＧＰａ以上８０ＧＰ以下であり、熱膨張係数は２×１０^−６／Ｋ以上１×１０^−５／Ｋ以下であることが好ましい。

ベース層１４は、結晶質の半導体層である。なお、結晶質とは、単結晶のみならず、多数の結晶粒が集合した多結晶も含むものとする。ベース層１４は、光起電力素子の発電層となる。ここでは、ベース層１４は、ｎ型のドーパントが添加されたｎ型結晶質シリコン層とする。ベース層１４のドーピング濃度は１０^１６／ｃｍ^３程度とすればよい。

ベース層１４の膜厚は、発電層として十分にキャリアを発生できる膜厚とすることが好ましく、例えば１μｍ以上１００μｍ以下とすればよい。

パッシベーション層１６は、支持基板１８とベース層１４との間に設けられる。パッシベーション層１６は、ベース層１４の表面の未結合手（ダングリングボンド）を終端させる等の役割を果し、ベース層１４の表面におけるキャリアの再結合を抑制する。パッシベーション層１６を設けることによって、光起電力素子の受光面側においてベース層１４の表面でのキャリアの再結合による損失を抑制することができる。

パッシベーション層１６は、例えば、窒化シリコン層（ＳｉＮ）を含むようにすればよく、酸化シリコン層（ＳｉＯｘ）と窒化シリコンとの積層構造とすることがより好ましい。例えば、酸化シリコン層及び窒化シリコン層をそれぞれ３０ｎｍ及び４０ｎｍの膜厚で順に積層した構造とすればよい。後述するように、パッシベーション層１６を介して支持基板１８と光電変換素子とが接合される。

第１導電型層１２は、結晶質の半導体層である。ここでは、第１導電型層１２は、ｎ型のドーパントが添加されたｎ型結晶質シリコン層とする。第１導電型層１２は、金属層２８（第１電極２８ｎ）と接合される層であり、ベース層１４よりも高いドーピング濃度とされる。第１導電型層１２のドーピング濃度は１０^１９／ｃｍ^３程度とすればよい。第１導電型層１２の膜厚は、金属との接触抵抗を十分に低くできる範囲でできるだけ薄くすることが好ましく、例えば０．１μｍ以上２μｍ以下とすればよい。

ベース層１４と第１導電型層１２とは結晶質同士がホモ接合された第１導電型コンタクト領域Ｃ１を形成する。第１導電型コンタクト領域Ｃ１は、例えば、光起電力装置１００の面上内においてフィンガー及びバスバーを含む櫛形に形成される。第１導電型コンタクト領域Ｃ１の面積は、ベース層１４の主面上において第１導電型層１２とホモ接合されている領域の面積を意味する。

絶縁層２０は、第１導電型層１２と後述するｉ型層２２及び第２導電型層２４とを電気的に絶縁するために用いられると共に、第１導電型層１２をエッチングするためのマスクとして利用される。絶縁層２０は、電気的に絶縁性を有する材料から構成し、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）とすればよい。絶縁層２０の膜厚は、例えば１００ｎｍ程度とすればよい。

ｉ型層２２及び第２導電型層２４は、非晶質系の半導体層とされる。なお、非晶質系とは、アモルファス相又はアモルファス相内に微少な結晶粒が析出している微結晶相を含む。本実施の形態では、ｉ型層２２及び第２導電型層２４は、水素を含有するアモルファスシリコンとする。ｉ型層２２は、実質的に真性のアモルファスシリコン層とされる。第２導電型層２４は、ｐ型のドーパントが添加されたアモルファスシリコン層とされる。第２導電型層２４は、ｉ型層２２よりもドーピング濃度が高い半導体層とされる。例えば、ｉ型層２２には意図的にドーピングを行わず、第２導電型層２４のドーピング濃度は１０^１８／ｃｍ^３程度とすればよい。ｉ型層２２の膜厚は、光の吸収をできるだけ抑えられるように薄くし、一方でベース層１４の表面が十分にパッシベーションされる程度に厚くする。具体的には、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすればよく、例えば１０ｎｍとする。また、第２導電型層２４の膜厚は、光の吸収をできるだけ抑えられるように薄くし、一方で光起電力素子の開放電圧が十分に高くなるような程度に厚くする。例えば、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすればよく、例えば１０ｎｍとする。

透明電極層２６は、酸化錫（ＳｎＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等に錫（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、フッ素（Ｆ）、アルミニウム（Ａｌ）等をドープした透明導電性酸化物（ＴＣＯ）のうち少なくとも一種類又は複数種を組み合わせて用いることが好適である。特に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、透光性が高く、抵抗率が低い等の利点を有している。透明電極層２６の膜厚は、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすればよく、例えば１００ｎｍとする。

ベース層１４とｉ型層２２及び第２導電型層２４とは結晶質と非晶質とがヘテロ接合された第２導電型コンタクト領域Ｃ２を形成する。第２導電型コンタクト領域Ｃ２は、例えば、光起電力装置１００の面上内においてフィンガー及びバスバーを含み、第１導電型コンタクト領域Ｃ１と組み合わされた櫛形に形成される。第２導電型コンタクト領域Ｃ２の面積は、ベース層１４の主面上においてｉ型層２２及び第２導電型層２４とヘテロ接合されている領域の面積を意味する。ここで、第１導電型コンタクト領域Ｃ１の面積を第２導電型コンタクト領域Ｃ２の面積より小さくするようにパターンを形成することが好適である。

金属層２８は、光起電力素子の裏面側に設けられる電極となる層である。金属層２８は、金属等の導電性の材料から構成され、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）を含む材料とする。金属層２８は、第１導電型層１２に接続される第１電極２８ｎと第２導電型層２４に接続される第２電極２８ｐとを含む。金属層２８は、さらに銅（Ｃｕ）や錫（Ｓｎ）等の電解メッキ層を含んでもよい。ただし、これに限定されるものでなく、金、銀等の他の金属、他の導電性材料、又はそれらの組み合わせとしてもよい。

光起電力素子をモジュール化する場合、並置された複数の光起電力素子の第１電極２８ｎ及び第２電極２８ｐを導電性のタブで接続して、複数の光起電力素子を直列又は並列に接続する。さらに、光起電力素子の裏面側に充填材６０を塗布し、封止材６２で封止してもよい。充填材６０及び封止材６２は、ＥＶＡ、ポリイミド等の樹脂材料とすることができる。これによって、光起電力装置１００の発電層への水分の浸入等を防ぐことができる。また、封止材６２は、基板１０と同じガラス、プラスチック等の透明基板とすることができる。これにより、光起電力素子全体の強度を向上させることができる。また、裏面側での光の反射性を高めるために、充填材と透明基板との間に反射層を設けたり、又は封止材自体を色付きの基板としてもよい。

次に、光起電力装置１００の製造方法について説明する。図２Ａ〜図２Ｊは、第１の実施の形態における光起電力装置１００の製造方法を示す。

基板１０は、結晶質の半導体材料からなる。例えば、シリコン、多結晶シリコン、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、インジウム燐（ＩｎＰ）等の半導体基板とする。

本実施の形態では、基板１０として単結晶シリコン基板を用いた例を示す。したがって、後述する第１導電型層１２、ベース層１４、ｉ型層２２及び第２導電型層２４もシリコン層とする。ただし、基板１０をシリコン以外の材料としてもよく、これらの層もシリコン層以外の材料としてもよい。

基板１０の一主面にはポーラス層（脆化層）１０ａが形成される（図２Ａ）。ポーラス層１０ａは、陽極酸化処理等によって形成することができる。陽極酸化に用いる電解質は、例えば、フッ化水素酸及びエタノールの混合液又はフッ化水素酸及び過酸化水素水の混合液とすることができる。陽極酸化の電流密度は、５ｍＡ／ｃｍ^２以上６００ｎＡ／ｃｍ^２以下とすればよく、例えば１０ｍＡ／ｃｍ^２程度とする。

ポーラス層１０ａの厚さは、０．０１μｍ以上３０μｍ以下とすればよく、例えば１０μｍ程度とする。ポーラス層１０ａの空孔径は、０．００２μｍ以上５μｍ以下とすればよく、例えば０．０１μｍ程度とする。ポーラス層１０ａの空孔率は、１０％以上７０％以下とすればよく、例えば２０％程度とする。

基板１０のポーラス層１０ａ上に第１導電型層１２、ベース層１４が形成される（図２Ｂ）。第１導電型層１２及びベース層１４は、化学気相成長法（ＣＶＤ）で形成することができる。第１導電型層１２及びベース層１４は、ポーラス層１０ａをシード層としたエピタキシャル成長により形成され、結晶質の半導体層同士が接合されたホモ接合領域を形成する。例えば、基板１０を９５０℃に加熱し、水素（Ｈ_２）で希釈されたジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）を原料ガスとして供給することにより成膜することができる。水素（Ｈ_２）とジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）の流量は、例えばそれぞれ０．５（ｌ／ｍｉｎ）及び１８０（ｌ／ｍｉｎ）とする。また、必要に応じてホスフィン（ＰＨ_３）をドーピングガスとして添加する。

ベース層１４上にパッシベーション層１６が形成される（図２Ｃ）。パッシベーション層１６は、シラン（ＳｉＨ_４）に酸素（Ｏ_２）又は窒素（Ｎ_２）を混合した原料ガスをプラズマ化して供給するプラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）により形成することができる。

パッシベーション層１６を形成後、パッシベーション層１６に基板１８が接合される（図２Ｄ）。このとき、図４の平面図に示すように、支持基板１８の一主面上に複数の基板１０を接着して光起電力素子をモジュール化する。図４は、２４枚の基板１０を１枚の支持基板１８に接着してモジュール化した例を示している。

尚、パッシベーション層１６は必須ではなく、ベース層１４と支持基板１８とが直接接合されてもよい。

支持基板１８は、陽極接合によりパッシベーション層１６に接合される。図３に示すように、複数の基板１０をパッシベーション層１６側が支持基板１８に対向するように配置し、基板１０と支持基板１８とを電極５０、５２により挟み込む。そして、真空に排気した状態で２００℃以上６００℃以下の温度範囲で加熱し、電極５０、５２間に３００Ｖから１ｋＶ程度の電圧を印加して陽極接合を行う。本実施の形態では、基板１０と支持基板１８とを４００℃に加熱し、電極５２側（受光面側）が負電圧となるように６００Ｖの電圧を２０分間印加した。

陽極接合することにより、パッシベーション層１６である窒化シリコン層（ＳｉＮ）から窒素（Ｎ）が抜け、パッシベーション層１６と支持基板１８との間にはＳｉ−Ｏ共有結合が形成され、パッシベーション層１６と支持基板１８とが強固に接合される。

加えて、ガラスである支持基板１８中に含まれるナトリウムが接合界面（結合界面）から遠ざかる方向に移動し、接合界面（結合界面）付近の支持基板１８中に、ナトリウムが支持基板１８の母材に比べて、低濃度化した領域が形成される。具体的には、ガラスである支持基板１８中のナトリウム濃度が、３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であるのに対し、接合界面直下の支持基板１８中のナトリウム濃度が、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である。そして、ナトリウム濃度が減少した支持基板１８内部には、ＳｉＯ−イオンが残される。このＳｉＯ−イオンがパッシベーション層１６の主材料であるＳｉとＳｉ−Ｏ−Ｓｉ共有結合を形成することで、より強固な接合が形成される。

本実施の形態では、基板１０と支持基板１８とを４００℃に加熱し、電極５２側（受光面側）が負電圧となるように６００Ｖの電圧を２０分間印加した。これにより、ガラスである支持基板１８中に含まれるナトリウムが接合界面から遠ざかる方向に移動し、接合界面付近の支持基板中に、ナトリウムが支持基板の母材に比べて、低濃度化した領域が形成される。一方、ナトリウム濃度が減少した支持基板１８内部には、ＳｉＯ⁻イオンが残される。このＳｉＯ⁻イオンが光起電力素子を主材料であるＳｉとＳｉ−Ｏ−Ｓｉ共有結合を形成することで、強固な接合が形成される。

ここで、パッシベーション層１６と支持基板１８との間に酸素プラズマを発生させて接合面を予め表面処理してもよい。

なお、図２Ｄ〜図２Ｊでは、説明を分かり易くするために図２Ａ〜図２Ｃとは図の上下を逆にして示す。なお、以下の各膜の成膜時において、複数の光電変換素子の間の領域には膜が形成されないようにマスクを施しておいたり、膜が形成された後にエッチング等で除去したりすればよい。

次に、ポーラス層１０ａを利用して基板１０が分離される（図２Ｅ）。陽極接合の際に加熱された状態から冷却された状態となることによってポーラス層１０ａから自然に基板１０が分離される。すなわち、２００℃以上６００℃以下の加熱状態から室温程度の冷却状態へ移行することによって、ガラスからなる支持基板１８とシリコンからなる基板１０との熱膨張係数の違いによって内部応力が発生する。すなわち、支持基板１８がベース層１４より大きく収縮することによって内部応力が発生し、この内部応力がポーラス層１０ａに掛かり、脆弱であるポーラス層１０ａ部分から剥離が生ずる。なお、ガラスの線膨張係数は９×１０^−６／Ｋ程度であり、シリコンの線膨張係数は２．５５×１０^−６／Ｋ程度である。

なお、分離処理では、機械的な処理を適用してもよい。例えば、基板１０及び支持基板１８を真空チャックで吸着し、双方を引き離すように引っ張ることによって、ポーラス層１０ａ部分から基板１０を切り離すことができる。また、基板１０の側面からポーラス層１０ａにウォータージェットを吹き付けることによって、ポーラス層１０ａ部分から基板１０を切り離すことができる。もし、第１導電型層１２側にポーラス層１０ａの一部が残留している場合には、フッ化水素酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ_３）とを混合したフッ硝酸によるエッチング等で第１導電型層１２上のポーラス層１０ａを除去してもよい。

第１導電型層１２上に絶縁層２０が形成されると共に、第１導電型層１２がパターニングされる（図２Ｆ）。絶縁層２０は、シラン（ＳｉＨ_４）に窒素（Ｎ_２）を混合した原料ガスをプラズマ化して供給するプラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）により形成することができる。

パターニングは、エッチングペーストを用いて行うことができる。燐酸を含むエッチングペーストをスクリーン印刷法等により所望のパターンに塗布することによって、絶縁層２０と共に第１導電型層１２を除去する。また、所望のパターンとなるように絶縁層２０をドライエッチングで除去し、絶縁層２０をマスクとして第１導電型層１２をドライエッチング又はウエットエッチングにより除去してもよい。絶縁層２０のドライエッチングには、四フッ化炭素（ＣＦ_４）を用いた気相反応を適用すればよい。また、第１導電型層１２のドライエッチングには、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）を用いた反応イオンエッチング（ＲＩＥ）を適用すればよい。第１導電型層１２のウエットエッチングには、フッ化水素酸を含むエッチャントを用いればよい。

絶縁層２０及び第１導電型層１２は、光起電力素子の裏面からできるだけ均等に電力を集電できるようにパターニングすることが好ましい。例えば、光起電力素子に一般的に適用されているフィンガー及びバスバーを含む櫛形のパターンとすることが好ましい。ここで、第１導電型コンタクト領域Ｃ１の面積を第２導電型コンタクト領域Ｃ２の面積より小さくするようにパターンを形成することが好適である。

パターニングによって露出されたベース層１４及び絶縁層２０上にｉ型層２２、第２導電型層２４及び透明電極層２６が形成される（図２Ｇ）。ｉ型層２２及び第２導電型層２４は、シラン（ＳｉＨ_４）等のケイ素含有ガスのＰＥＣＶＤにより形成することができる。シラン（ＳｉＨ_４）等のケイ素含有ガスを供給しつつ、高周波電源から高周波電極へ高周波電力を供給することによって原料ガスのプラズマが生成され、プラズマからベース層１４及び絶縁層２０上に原料が供給されてシリコン薄膜が形成される。原料ガスには、必要に応じてボロン（Ｂ_２Ｈ_６）等のドーパント含有ガスを混合する。透明電極層２６は、スパッタリング法等を用いて形成することができる。

次に、全面に形成されたｉ型層２２、第２導電型層２４、透明電極層２６及び絶縁層２０がパターニングされる（図２Ｈ）。パターニングは、エッチングペーストを用いて行うことができる。燐酸を含むエッチングペーストをスクリーン印刷法等により所望のパターンに塗布することによって、ｉ型層２２、第２導電型層２４、透明電極層２６及び絶縁層２０を除去する。

ここでは、ｉ型層２２がベース層１４に直接接触している領域以外の領域、すなわち、絶縁層２０及び第１導電型層１２が残されている第１導電型コンタクト領域Ｃ１上のｉ型層２２、第２導電型層２４、透明電極層２６及び絶縁層２０を除去してパターニングする。パターンは、光起電力素子の裏面からできるだけ均等に電力を集電できるように設定する。例えば、第１導電型層１２の櫛形のパターンと交互に組み合わされる櫛形のパターンとすることが好ましい。

パターニングされた表面上に金属層２８が形成される（図２Ｉ）。金属層２８は、スパッタリング法又はプラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）等の薄膜形成方法で形成することができる。

ｉ型層２２、第２導電型層２４、透明電極層２６及び金属層２８の一部が除去される（図２Ｊ）。これにより、金属層２８が分断され、第１導電型層１２に接続される第１電極２８ｎと、透明電極層２６に接続される第２電極２８ｐと、が形成される。

ｉ型層２２、第２導電型層２４、透明電極層２６及び金属層２８は、レーザーエッチングにより除去することができる。また、スクリーン印刷法等でレジストを塗布してパターニングされたマスクを形成し、マスクを利用してｉ型層２２、第２導電型層２４、透明電極層２６及び金属層２８をそれぞれ別々にエッチングしてもよい。金属層２８が銅（Ｃｕ）であれば塩化第二鉄をエッチャントとし、金属層２８がアルミニウム（Ａｌ）であれば燐酸をエッチャントとすればよい。また、透明電極層２６のエッチングには、塩酸（ＨＣｌ）を含むエッチャントを用いればよい。また、ｉ型層２２及び第２導電型層２４のエッチングには、フッ化水素酸（ＨＦ）を含むエッチャントを用いればよい。

このとき、第１導電型層１２に接続される第１電極２８ｎと第２導電型層２４に接続される第２電極２８ｐとが電気的に分離されるようにｉ型層２２、第２導電型層２４、透明電極層２６及び金属層２８を除去する。本実施の形態では、第１導電型層１２上に残された絶縁層２０の領域上のｉ型層２２、第２導電型層２４、透明電極層２６及び金属層２８を除去している。

また、第１電極２８ｎ及び第２電極２８ｐにさらに電解メッキ等で金属層を積層してもよい。例えば、銅（Ｃｕ）や錫（Ｓｎ）を電解メッキにより形成する。第１電極２８ｎ及び第２電極２８ｐに電位を印加しつつ電解メッキ法で適用することにより、第１電極２８ｎ及び第２電極２８ｐが残された領域上のみに金属層が積層される。

その後、必要に応じて、並置された複数の光起電力素子の第１電極２８ｎ及び第２電極２８ｐを導電性のタブで接続し、光起電力素子の裏面側に充填材６０を塗布し、封止材６２で封止する。

このようにして、本実施の形態における光起電力装置１００が形成される。光起電力装置１００では、支持基板１８が受光面側となり、第１電極２８ｎ及び第２電極２８ｐの両方が裏面側に設けられた裏面接合型となる。

本実施の形態における光起電力装置１００では、支持基板１８におけるパッシベーション層１６との接合界面（結合界面）付近に、ナトリウム（アルカリ金属元素）が支持基板１８の母材に比べて低濃度化した領域が形成されているので、従来に比べてナトリウムが光起電力素子内に拡散することを抑制することができ、光起電力素子の劣化の進行を遅らせることができる。また、ファン・デル・ワールス力や水素結合により接合する場合に比べて、支持基板１８と光起電力素子とをより強固に接合することができ、長期に亘って優れた信頼性を保つことができる。

また、光起電力素子（パッシベーション層１６）と支持基板１８とは陽極接合されているので、簡素な方法で強固な接合を形成できる。また、ＥＶＡ等の樹脂の充填材を用いた場合に比べて、耐熱性が高く、後工程における高温での処理が可能となるといった利点がある。

また、ベース層１４の膜厚を０．５μｍ以下としたことにより、支持基板１８とベース層１４との間に生ずる応力を緩和することができ、支持基板１８の割れ等の破損を抑制することができるといった利点がある。

また、支持基板１８と光起電力素子（パッシベーション層１６）とは、Ｓｉ−Ｏ共有結合を介して接合されているので、パッシベーション層１６と支持基板１８とが強固に接合されるといった利点がある。また、大気中のガスまたは水分の浸入に対する耐性が高くなるといった利点もある。

図５は、本実施の形態における光起電力素子と支持基板１８との密着領域直下の支持基板中の元素濃度プロファイルを示す。図５の元素濃度プロファイルの測定は、接合された光起電力素子を、極薄（厚さ１００ｎｍ）まで研磨し、この光起電力素子側から二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により分析したものである。なお、簡易評価のために、パッシベーション層１６を介して光起電力素子と支持基板１８とを接合した試料ではなく、シリコン基板とガラス基板とを陽極接合した試料にて元素濃度プロファイルを測定した。しかしながら、支持基板１８中のアルカリ金属の濃度の変化はいずれの場合も同様になる。また、パッシベーション層１６を介さず、支持基板１８とベース層１４とを直接接合した光起電力装置としてもよい。

図５において、ガラスである支持基板１８中のナトリウム濃度が、３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であるのに対し、密着界面から深さ１５０ｎｍ程度の深さまでナトリウム濃度が低下しており、最小濃度の深さでは、８×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となっている。このように、アルカリ金属としてのナトリウムが低濃度となる領域が存在することで、同領域中にナトリウムが抜け出た負電荷が生じ、これらと光起電力素子中のシリコン元素とが共有結合などの原子レベルの結合を形成することにより、極めて強固に接合され、光起電力装置の機械的強度が向上する。

また、前述のナトリウムの低濃度領域は、ガラス基板中に含まれるナトリウムを光起電力素子から遠ざけることとなり、光起電力素子の出力特性に影響を与えるナトリウムのガラス基板からの拡散を抑制することができる。

＜第２の実施の形態＞
第２の実施の形態における光起電力装置１０２は、図６の断面図に示すように、支持基板１８、パッシベーション層１６、ベース層１４、第１導電型拡散層４２、ｉ型層２２、第２導電型層２４、透明電極層２６及び金属層４４（第１電極４４ｎ、第２電極４４ｐ）を含んで構成される。本実施の形態における光起電力装置１０２は、裏面接合型光起電力素子であり、光起電力素子で発電された電力を外部へ取り出す電極が受光面とは反対側の主面（以下、裏面という）のみに設けられる。

本実施の形態では、第１導電型層１２、絶縁層２０及び金属層２８が設けられておらず、第１導電型拡散層４２及び金属層４４が設けられている点において第１の実施の形態における光起電力装置１００と相違するのでこれらについて詳しく説明し、同様の構成要素については説明を省略する。

第１導電型拡散層４２は、ベース層１４内に第１導電型（ｎ型）のドーパントを拡散させた層である。ここでは、第１導電型拡散層４２は、ｉ型層２２、第２導電型層２４及び透明電極層２６が形成されていない領域に設けられる。第１導電型拡散層４２のドーピング濃度は１０^１９／ｃｍ^３程度とすればよい。

ベース層１４と第１導電型拡散層４２とは結晶質同士がホモ接合された第１導電型コンタクト領域Ｃ１を形成する。第１導電型コンタクト領域Ｃ１は、例えば、光起電力装置１０２の面上内においてフィンガー及びバスバーを含む櫛形に形成される。第１導電型コンタクト領域Ｃ１の面積は、ベース層１４の主面において第１導電型拡散層４２とホモ接合されている領域の面積を意味する。ここで、第１導電型コンタクト領域Ｃ１の面積を第２導電型コンタクト領域Ｃ２の面積より小さくするようにパターンを形成することが好適である。例えば、第１導電型拡散層４２及び第２導電型層２４の長さが等しければ、第１導電型拡散層４２のパターンの幅は１．６ｍｍとし、第２導電型層２４のパターンの幅は２．０ｍｍとし、双方の間に０．２ｍｍのベース層１４が残された領域を設ければよい。

金属層４４は、光起電力素子の裏面側に設けられる電極となる層である。金属層４４は、金属層２８と同様に、金属等の導電性の材料から構成され、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）を含む材料とする。金属層４４は、第１導電型拡散層４２に接続される第１電極４４ｎと第２導電型層２４に接続される第２電極４４ｐとを含む。金属層４４は、さらに銅（Ｃｕ）や錫（Ｓｎ）等の電解メッキ層を含んでもよい。ただし、これに限定されるものでなく、金、銀等の他の金属、他の導電性材料、又はそれらの組み合わせとしてもよい。

次に、光起電力装置１０２の製造方法について説明する。図７Ａ〜図７Ｌは、第２の実施の形態における光起電力装置１０２の製造方法を示す。

基板１０は、第１の実施の形態と同様に、結晶質の半導体材料とする。また、基板１０上にはポーラス層１０ａが形成される（図７Ａ）。ポーラス層１０ａ上にはベース層１４が形成される（図７Ｂ）。ここでは、第１の実施の形態と異なり、第１導電型層１２は形成されない。続いて、ベース層１４上にパッシベーション層１６が形成される（図７Ｃ）。ベース層１４及びパッシベーション層１６の形成方法は、第１の実施の形態と同様とすればよい。

次に、パッシベーション層１６を基板１８に接合する（図７Ｄ）。接合方法は、第１の実施の形態と同様の方法を適用することができる。そして、ポーラス層１０ａを利用して基板１０を分離する（図７Ｅ）。

基板１０から分離されたベース層１４上にｉ型層２２、第２導電型層２４及び透明電極層２６が形成される（図７Ｆ）。ｉ型層２２、第２導電型層２４及び透明電極層２６は、ベース層１４の全面に形成される他は第１の実施の形態と同様に形成することができる。すなわち、ｉ型層２２及び第２導電型層２４は非晶質系の半導体層とし、透明電極層２６は酸化錫（ＳｎＯ_２）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）とすればよい。

ｉ型層２２、第２導電型層２４及び透明電極層２６はパターニングされる。パターニングは、第１の実施の形態と同様に、エッチングペーストを用いて行うことができる。ｉ型層２２、第２導電型層２４及び透明電極層２６は、光起電力素子の裏面からできるだけ均等に電力を集電できるようにパターニングすればよい。例えば、第１の実施の形態と同様に櫛形のパターンとすることが好ましい。

パターニングされた透明電極層２６及び露出したベース層１４上にｎ型のドーパントを含むドープ層４０を形成する（図７Ｈ）。ドープ層４０は、ベース層１４にｎ型のドーパントを拡散させるために用いられる。ドープ層４０は、例えば、ｎ型のドーパントを含むアモルファスシリコン層やリン珪酸ガラス（ＰＳＧ）等とすることができる。アモルファスシリコン層は常圧ＣＶＤ等で形成することができ、ＰＳＧは塗布法等で形成することができる。ドープ層４０の膜厚は、例えば３００ｎｍ程度することが好ましい。

ドープ層４０を形成後、ベース層１４へのドーパントの拡散処理により第１導電型拡散層４２が形成される（図７Ｉ）。ここでは、ｉ型層２２、第２導電型層２４及び透明電極層２６が除去された領域、すなわちドープ層４０がベース層１４と直接接触している領域のみに拡散が行われるような処理を行う。

例えば、対象となる領域のみにレーザ光Ｂを照射し、レーザ光Ｂによる局所加熱によってドーパントをベース層１４内へ拡散させて第１導電型拡散層４２を形成することができる。レーザ光Ｂは、例えば、波長５３２ｎｍ、電力０．８９Ｗ、走査速度５０ｍｍ／ｓとすればよい。

第１導電型拡散層４２を形成後、不要となったドープ層４０がエッチングにより除去される（図７Ｊ）。ドープ層４０は、例えば、三フッ化窒素（ＮＦ_３）のプラズマエッチングで除去することができる。ドープ層４０を除去後、パターニングされた透明電極層２６及び露出したベース層１４上に金属層４４が形成される（図７Ｋ）。金属層４４は、第１の実施の形態と同様に形成することができる。

次に、金属層４４の一部が除去され、金属層４４が分断されて、第１導電型拡散層４２に接続される第１電極４４ｎと、透明電極層２６に接続される第２電極４４ｐと、が形成される（図７Ｌ）。金属層４４は、第１の実施の形態と同様に、レーザーエッチングや化学的エッチングにより除去することができる。

その後、必要に応じて、並置された複数の光起電力素子の第１電極４４ｎ及び第２電極４４ｐを導電性のタブで接続し、光起電力素子の裏面側に充填材６０を塗布し、封止材６２で封止する。

このようにして、本実施の形態における光起電力装置１０２が形成される。光起電力装置１０２では、第１導電型拡散層４２はベース層１４にドーパントを拡散させることによってホモ接合である第１導電型コンタクト領域Ｃ１を形成するが、ｉ型層２２及び第２導電型層２４はベース層１４と結晶質と非晶質とのヘテロ接合である第２導電型コンタクト領域Ｃ２を形成する。
本実施の形態における光起電力装置１０２では、支持基板１８におけるパッシベーション層１６との接合界面（結合界面）付近に、ナトリウム（アルカリ金属元素）が支持基板１８の母材に比べて低濃度化した領域が形成されている。このため、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施の形態においては、ヘテロ接合領域では、接合界面においてパッシベーションが十分となり、再結合によるキャリアの損失を抑制することができる。これにより、光起電力装置１０２の発電効率を向上させることができる。

特に、第１導電型コンタクト領域Ｃ１の面積を第２導電型コンタクト領域Ｃ２の面積より小さくすることによって、再結合によるキャリアの損失をより抑制することができる。

また、第１導電型拡散層４２と第２導電型層２４との間に低濃度のベース層１４が残されることによって、第１導電型拡散層４２と第２導電型層２４との間の電流リークが抑制され、光起電力装置１０２の発電効率が向上される。

なお、第１及び第２の実施の形態では、基板１０に形成されたポーラス層１０ａを利用してベース層１４を形成し、ベース層１４を基板１０から分離して使用する構成としたが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。例えば、単結晶基板にホモ接合を有する第１導電型のコンタクト領域とヘテロ接合を有する第２導電型のコンタクト領域を形成した裏面接合型光起電力素子としてもよい。

１０ 基板、１０ａ ポーラス層、１２ 第１導電型層、１４ ベース層、１６ パッシベーション層、１８ 支持基板、２０ 絶縁層、２２ ｉ型層、２４ 第２導電型層、２６ 透明電極層、２８ 金属層、２８ｎ 第１電極、２８ｐ 第２電極、４０ ドープ層、４２ 第１導電型拡散層、４４ 金属層、４４ｎ 第１電極、４４ｐ 第２電極、５０、５２ 電極、６０ 充填材、６２ 封止材、１００、１０２ 光起電力装置。

Claims (4)

1. 光起電力装置であって、
   アルカリ金属元素を含有する支持基板と、
   前記支持基板と共有結合状態にある光起電力素子と、
   を備え、
   前記光起電力素子と前記支持基板との結合界面近傍の前記支持基板中において前記アルカリ金属元素の濃度が前記支持基板の母材に比べて低濃度化された領域を有することを特徴とする光起電力装置。
2. 請求項１に記載の光起電力装置であって、
   前記アルカリ金属は、ナトリウム（Ｎａ）及びカリウム（Ｋ）の少なくとも一方であることを特徴とする光起電力装置。
3. 請求項１又は２に記載の光起電力装置であって、
   前記光起電力素子は、結晶質シリコンからなるベース層を備え、
   前記ベース層の受光面側に設けられたパッシベーション層を有しており、前記パッシベーション層を介して前記支持基板と陽極接合されていることを特徴とする光起電力装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光起電力装置であって、
   前記支持基板と前記光起電力素子とは、Ｓｉ−Ｏ共有結合を介して接合されていることを特徴とする光起電力装置。

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