JP2014049650A - 光起電力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の高い光起電力装置を提供する。
【解決手段】光起電力装置１００は、複数の光起電力素子７０と、複数の光起電力素子７０のそれぞれが間隔をおいて接合される複数の接合部１８ｂが設けられる支持基板１８とを備える。光起電力素子７０は、接合部１８ｂにおいて支持基板１８と共有結合される。支持基板１８は、複数の接合部１８ｂの間に凹部１８ｃが設けられる。支持基板１８は、アルカリ金属元素を含むものであり、接合部１８ｂは、支持基板１８に含まれるアルカリ金属元素の濃度が、接合部１８ｂ以外の領域と比較して低い。接合部１８ｂは、光起電力素子７０と陽極接合される。光起電力素子７０は、結晶質シリコンを含むベース層１４と、前記ベース層と共有結合するパッシベーション層１６とを備え、接合部１８ｂは、パッシベーション層１６と接合される。
【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。

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または光起電力装置の研究および実用化が盛んに行われている。

近年、光入射面である受光面に対向する裏面にＰＮ接合と集電極を形成したバックコンタクト型（裏面接合型）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、ガラス基板であ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

光起電力装置は、長期的な信頼性確保の観点から、光起電力素子と支持基板とが強固に接合されることが望ましい。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、信頼性の高い光起電力装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の光起電力装置は、複数の光起電力素子と、複数の光起電力素子のそれぞれが間隔をおいて接合される複数の接合部が設けられる支持基板と、を備える。光起電力素子は、接合部において支持基板と共有結合されており、支持基板は、複数の接合部の間に凹部が設けられる。

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できる。

本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。 裏面から見た支持基板を示す概念図である。 光起電力素子の製造に用いる材料基板を示す図である。 第１導電型層及びベース層を形成した材料基板を示す図である。 パッシベーション層を形成した材料基板を示す図である。 図５に示す材料基板を支持基板上に配置した状態を示す図である。 図６に示す材料基板と支持基板とを陽極接合する様子を示す図である。 陽極接合後に第１導電型層から材料基板を分離した状態を示す図である。 材料基板を分離した支持基板をエッチング洗浄した後の状態を示す図である。 図９の絶縁層及び第１導電型層がパターニングされた状態を示す図である。 図１０のパターニングによって露出されたベース層及び絶縁層上にｉ型層、第２導電型層及び透明電極層を形成した状態を示す図である。 図１１で形成されたｉ型層、第２導電型層、透明電極層及び絶縁層をパターニングした状態を示す図である。 図１２でパターニングされた表面上に金属層を形成した状態を示す図である。 図１３で形成した金属層を含む層の一部領域をパターニングした状態を示す図である。 光起電力素子と支持基板との接合部付近の元素濃度プロファイルを示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１は、本実施の形態における光起電力装置１００の構造を示す断面図である。本実施の形態に係る光起電力装置１００は、裏面接合型光起電力素子であり、光起電力素子７０で発電された電力を外部へ取り出す電極である金属層２８が、太陽光が入射する受光面１８ａに対向する裏面側に設けられる。

光起電力装置１００は、支持基板１８と、複数の光起電力素子７０とを備える。支持基板１８は、受光面１８ａを有し、受光面１８ａに対向する裏面には光起電力素子７０と接合される接合部１８ｂと、裏面から受光面１８ａ側に凹むように形成される凹部１８ｃが設けられる。

支持基板１８は、複数の光起電力素子７０を機械的に支持し、光起電力素子７０を外部環境から保護するとともに、光起電力素子７０が発電のために吸収する波長帯域の光を透過する。支持基板１８は、アルカリ金属元素を含有するガラス基板であり、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。なお、カリウム（Ｋ）などその他のアルカリ金属元素を含むガラス基板としてもよく、この場合にはその含有量を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。また、支持基板１８は、熱膨張係数が２×１０^−６／Ｋ以上１×１０^−５／Ｋ以下であることが好ましい。

図２は、裏面から見た支持基板１８を示す概念図である。接合部１８ｂは、それぞれが互いに間隔をあけて設けられており、図２では、矩形の接合部１８ｂが縦４個、横６個、計２４個並んでいる様子を示す。接合部１８ｂのそれぞれの間には、凹部１８ｃが設けられる。凹部１８ｃは、支持基板１８の裏面に設けられる接合部１８ｂと比べて、受光面１８ａ側に凹むように形成される。なお、接合部１８ｂは、接合される光起電力素子７０の形状に合わせて矩形としている。

図１に戻り、光起電力素子７０について述べる。光起電力素子７０は、第１導電型層１２、ベース層１４、パッシベーション層１６、絶縁層２０、ｉ型層２２、第２導電型層２４、透明電極層２６、第１電極２８ｎ、第２電極２８ｐを有する。

ベース層１４は、結晶質の半導体層であり、例えば、単結晶の半導体層や、多数の結晶粒が集合した多結晶の半導体層である。ここでは、ベース層１４として、ｎ型のドーパントが添加されたｎ型結晶質シリコン層を用い、ドーピング濃度は１０^１６／ｃｍ^３程度とする。ベース層１４は、光起電力素子７０の発電層となるため、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、その膜厚は、例えば、１μｍ以上１００μｍ以下である。

パッシベーション層１６は、一方の面がベース層１４の表面に共有結合し、ベース層１４の未結合手（ダングリングボンド）を終端させる役割を果す。これにより、光起電力素子７０の受光面側における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、キャリアの再結合を抑制させるため窒化シリコン層（ＳｉＮ）を含むことが好ましく、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る。

また、パッシベーション層１６は、他方の面が支持基板１８の接合部１８ｂと接合される。したがって、支持基板１８と光起電力素子７０とはパッシベーション層１６を介して接合される。なお、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。

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として、ｎ型のドーパントが添加されたｎ型結晶質シリコン層を用い、ベース層１４よりも高いドーピング濃度とする。例えば、第１導電型層１２のドーピング濃度は１０^１９／ｃｍ^３程度とする。第１導電型層１２は、金属層である第１電極２８ｎと接合される層であり、金属との接触抵抗を十分に低くできる範囲で薄くすることが好ましい。例えば、その膜厚は、０．１μｍ以上２μｍ以下とする。

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。絶縁層２０は、電気的に絶縁性を有する材料により構成され、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程度とする。なお、絶縁層２０は、第１導電型層１２をエッチングするためのマスクとしても利用される。

ｉ型層２２及び第２導電型層２４は、非晶質系の半導体層であり、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半導体層である。ここでは、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であり、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である。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であり、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のドーピング濃度を１０^１８／ｃｍ^３程度とする。

ｉ型層２２の膜厚は、光の吸収が抑えられる程度に薄く、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ことが好ましい。ｉ型層２２の膜厚は、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、光の吸収が抑えられる程度に薄く、光起電力素子の開放電圧が十分に高くなる程度に厚くすることが好ましい。第２導電型層２４の膜厚は、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７０の裏面側に設けられる電極層であり、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、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）を含む導電性の材料である。なお、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。

並置された複数の光起電力素子７０は、第１電極２８ｎ及び第２電極２８ｐを図示しない導電性のタブでそれぞれ接続することで、直列又は並列に接続される。

また、光起電力装置１００は、充填材６０と封止材６２を備え、これらは光起電力素子７０の裏面側に設けられる。充填材６０及び封止材６２は、ＥＶＡ、ポリイミド等の樹脂材料である。これにより、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、光起電力素子全体の強度を向上させることができる。なお、封止材６２は、支持基板１８と同じガラスや、プラスチック等の透明基板としてもよい。また、受光面から入射した光がベース層１４により多く吸収されるよう、充填材６０と封止材６２との間に反射層を設けることで、光起電力素子７０を透過した光を受光面側へ反射させてもよい。

次に、光起電力装置１００の製造方法について説明する。
図３は、光起電力素子７０の製造に用いる材料基板１０を示す図である。材料基板１０は、結晶質の半導体材料であり、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）等の半導体基板である。

なお、本実施の形態では、材料基板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、材料基板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。

ポーラス層（脆化層）１０ａは、材料基板１０を陽極酸化処理等することにより形成される。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６００ｍＡ／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。

図４は、第１導電型層１２及びベース層１４を形成した材料基板１０を示す図である。材料基板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。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、材料基板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。

図５は、パッシベーション層１６を形成した材料基板１０を示す図である。パッシベーション層１６は、ベース層１４上に形成される。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。

図６は、図５に示す材料基板１０を支持基板１８上に配置した状態を示す図である。図６に示す材料基板１０は、図５に示す材料基板１０と上下を逆さまにして描かれており、下を向いたパッシベーション層１６の表面が支持基板１８の接合部１８ｂに接している。なお、この時点では、パッシベーション層１６と支持基板１８とは共有結合をしておらず、その表面が互いに接している状態である。

図７は、図６に示す材料基板１０と支持基板１８を陽極接合する様子を示す図である。陽極接合は、材料基板１０と支持基板１８とを電極５０、５２により挟み込み、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行う。例えば、材料基板１０と支持基板１８とを４００℃に加熱し、支持基板１８側の電極５２が負電圧となるように６００Ｖの電圧を２０分間印加することにより、パッシベーション層１６と支持基板１８とを陽極接合する。

支持基板１８側の電極５２が負電圧となるように電圧を印加すると、支持基板１８に印加される電界により、支持基板１８中に含まれるアルカリ金属元素であるナトリウムが接合部１８ｂから電極５２の方向に移動する。これにより、接合部１８ｂのナトリウム濃度が、接合部１８ｂ以外の領域と比較して低くなる。具体的には、陽極接合前の支持基板１８のナトリウム濃度が、３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度であるのに対し、接合部１８ｂのナトリウム濃度は、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下となる。そして、ナトリウム濃度が減少した接合部１８ｂ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。

また、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る。これにより、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。なお、陽極接合を行う前に、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。

図８は、陽極接合後に第１導電型層１２から材料基板１０を分離した状態を示す図である。陽極接合の際に加熱された材料基板１０が冷却されることによって、第１導電型層１２とポーラス層１０ａの接合面から材料基板１０が自然分離される。自然分離は、支持基板１８と材料基板１０との熱膨張係数の違いによる内部応力の発生により生じる。陽極接合による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、支持基板１８と材料基板１０との熱膨張係数の違いによる内部応力が発生する。ガラスの熱膨張係数は９×１０^−６／Ｋ程度であり、シリコンの熱膨張係数は２．５５×１０^−６／Ｋ程度であることから、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する。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と第１導電型層１２との間で剥離が生ずる。

なお、材料基板１０の分離処理では、機械的な処理を適用してもよい。例えば、材料基板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部分から材料基板１０を切り離すことができる。また、材料基板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部分から材料基板１０を切り離すことができる。

以上のように、ポーラス層１０ａと第１導電型層１２との間で材料基板１０を分離することによって、支持基板１８上に第１導電型層１２、ベース層１４、パッシベーション層１６を含む分離層３０を転写形成することができる。

図９は、材料基板１０を分離した支持基板１８をエッチング洗浄した後の状態を示す図である。第１導電型層１２上に残留しているポーラス層１０ａの一部を除去するため、フッ化水素酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ_３）とを混合したフッ硝酸を用いて、支持基板１８をエッチング洗浄する。この処理により、ポーラス層１０ａの一部がエッチング除去されるとともに、支持基板１８の裏面であって分離層３０が接合されていない領域がエッチング除去され凹部１８ｃが形成される。したがって、支持基板１８の裏面は、分離層３０が接合されている領域が接合部１８ｂとなり、それ以外の領域が凹部１８ｃとなる。なお、処理条件を制御することで、支持基板１８とパッシベーション層１６との間にアンダーカット状に形成される周端部１８ｄを設けることができる。

また、凹部１８ｃを形成するために、フッ化水素酸（ＨＦ）のみを用いて、支持基板１８をエッチング洗浄を行ってもよい。フッ化水素酸によるエッチング洗浄を行うことで、ガラス基板である支持基板１８を選択的にエッチング除去することができ、支持基板１８の裏面である接合部１８ｂからの深さを大きくとった凹部１８ｃを形成できる。なお、フッ化水素酸によるエッチング洗浄と、フッ硝酸によるエッチング洗浄のどちらか一方のみとしてもよく、これら両方のエッチング洗浄を組み合わせてもよい。

図１０は、図９の絶縁層２０及び第１導電型層１２がパターニングされた状態を示す図である。まず、第１導電型層１２上に絶縁層２０を形成する。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。その後、エッチングペーストを用いてパターニングを行う。例えば、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を除去することができる。

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。

なお、第１導電型層１２のパターニングの際には、凹部１８ｃが設けられる領域を同時にエッチング除去し、凹部１８ｃをさらに拡張するようにしてもよい。また、凹部１８ｃの領域に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選択的に除去したりしてもよい。後述する各膜の成膜時においても、同様である。

第１導電型層１２及び絶縁層２０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、図１に示した第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。

図１１は、図１０の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を形成した状態を示す。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、必要に応じてジボラン（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。

図１２は、図１１で形成されたｉ型層２２、第２導電型層２４、透明電極層２６及び絶縁層２０をパターニングした状態を示す。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の一部領域を除去する。

ここでは、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７０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。

図１３は、図１２でパターニングされた表面上に金属層２８を形成した状態を示す。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。

図１４は、図１３で形成した金属層２８を含む層の一部領域をパターニングした状態を示す。第１導電型コンタクト領域Ｃ１上の中心３２に位置するｉ型層２２、第２導電型層２４、透明電極層２６及び金属層２８を残したまま、その両端３４に位置する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。これにより、金属層２８が両端３４の位置に形成された溝部により分断され、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。

なお、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。

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に電位を印加した電解メッキ法を適用することにより、第１電極２８ｎ及び第２電極２８ｐが残された領域上に金属層が積層される。

その後、並置された複数の光起電力素子７０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、図１に示す光起電力装置１００が形成される。以上の製造方法により、光起電力装置１００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、パッシベーション層１６と支持基板１８の接合部１８ｂとを陽極接合し、パッシベーション層１６と接合部１８ｂとの間に共有結合を形成している。このため、支持基板１８と光起電力素子７０との間をファン・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、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、陽極接合を行うことで、接合部１８ｂに含まれるアルカリ金属元素であるナトリウムの濃度が、接合部１８ｂ以外の領域と比較して低くなるため、陽極接合を行わない場合と比較して、接合部１８ｂから光起電力素子７０へのナトリウムの拡散を抑制することができる。これにより、ナトリウムが光起電力素子７０に拡散することによる出力特性への影響を抑えることができる。

図１５は、光起電力素子７０と支持基板１８との接合部１８ｂ付近の元素濃度プロファイルを示す。図１５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７０を、厚さ１００ｎｍ程度の極薄となるまで研磨し、光起電力素子７０の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７０と支持基板１８とを接合した試料ではなく、ベース層１４と支持基板１８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。

図１５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、接合部１８ｂ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、その最小値は、８×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となっている。このように、アルカリ金属元素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７０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。これにより、支持基板１８と光起電力素子７０とは極めて強固に接合され、光起電力装置１００の機械的強度が向上する。また、大気中のガスまたは水分の浸入に対する耐性も高くなる。

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７０から遠ざけることとなり、光起電力素子７０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光起電力素子７０への拡散を抑制することができる。

さらに、隣接する光起電力素子７０の間に凹部１８ｃが設けられることにより、アルカリ金属元素であるナトリウムを含有する領域が物理的に削減されている。このため、光起電力素子７０へのアルカリ金属元素の拡散が低減され、光起電力素子７０の劣化の進行を遅らせることができる。特に、図９に示すように、アンダーカット状に周端部１８ｄを設けることで、光起電力素子７０と支持基板１８とが接合する面積を低減させることができる。また、図９に示す工程だけでなく、図１０〜図１４に示す工程において光起電力素子７０の間の領域に形成される絶縁層２０や金属層２８等を積極的に除去することによって、凹部１８ｃをさらに拡張して形成し、アルカリ金属元素であるナトリウムが含有する領域をさらに削減することができる。

一方で、陽極接合によって支持基板１８と光起電力素子７０とを接合した場合、加熱された状態で両者が共有結合されるため、支持基板１８と光起電力素子７０との熱膨張係数の違いから、支持基板１８の接合部１８ｂと光起電力素子７０との間に大きな内部応力が生じる。接合部１８ｂと光起電力素子７０の間に生じる応力は、隣接する光起電力素子７０やその接合部１８ｂにもその応力が伝播し、支持基板１８全体が大きく歪むこととなるため、支持基板１８に接合される光起電力素子７０はその影響を受ける。

しかし、本実施の形態における光起電力装置１００は、隣接する光起電力素子７０の間に凹部１８ｃが設けられているため、支持基板１８と光起電力素子７０と間に作用する応力を凹部１８ｃに逃がすことができ、隣接する光起電力素子７０に応力が伝播することを防ぐことができる。したがって、陽極接合により支持基板１８と光起電力素子７０とをより強固に接合しつつ、凹部１８ｃにより接合部１８ｂと光起電力素子７０との間に生じる応力が支持基板１８全体に及ぶことを抑えることができる。その結果、支持基板１８及び複数の光起電力素子７０全体に及ぶ歪みの発生を抑え、長期に亘って優れた信頼性を保つことができる。

また、ベース層１４の膜厚を１μｍ以上１００μｍ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。

以上、本発明を実施形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について述べる。

本実施の形態では、矩形の光起電力素子７０に対応させて、接合部１８ｂの形状を矩形としているが、例えば、円形の光起電力素子７０を用いる場合には、接合部１８ｂの形状を円形としてもよい。なお、接合部１８ｂの形状はこれらに限られず、光起電力素子７０の形状に合わせて適宜形状を変更することができる。

また、本実施の形態では、光起電力装置１００として、裏面接合型光起電力素子の光起電力素子７０を用いた場合を紹介したが、光起電力素子７０として表面接合型光起電力素子を用いた構成としてもよく、支持基板１８上に光起電力素子７０が複数配置されている光起電力装置であればよい。

本発明の一態様の概要は、次の通りである。本発明のある態様の光起電力装置は、複数の光起電力素子と、複数の光起電力素子のそれぞれが間隔をおいて接合される複数の接合部が設けられる支持基板と、を備え、前記光起電力素子は、前記接合部において前記支持基板と共有結合されており、前記支持基板は、前記複数の接合部の間に凹部が設けられる。

この態様によれば、支持基板と光起電力素子とを共有結合させることにより、支持基板と光起電力素子とをより強固に接合することができる。また、複数の接合部の間に凹部が設けられているため、共有結合により支持基板と光電力素子との間に発生する大きな内部応力を凹部に逃がすことができ、隣接する光起電力素子に応力が伝播することを防ぐことができる。したがって、支持基板と光起電力素子とをより強固に接合しつつ、支持基板と光起電力素子との間の応力により光起電力装置全体に及ぶ歪みの発生を抑えることができる。その結果、長期に亘って優れた信頼性を保つことができる。

前記支持基板は、アルカリ金属元素を含むものであってもよい。前記接合部は、前記支持基板に含まれるアルカリ金属元素の濃度が、前記接合部以外の領域と比較して低い。

この態様によれば、アルカリ金属元素としてのナトリウムが低濃度となる接合部が存在することで、接合部において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のシリコン元素とが共有結合することにより、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がガラス基板から光起電力素子へ拡散することを抑制できる。

前記接合部は、前記光起電力素子と陽極接合されていてもよい。

この態様によれば、光起電力素子と支持基板とは、簡素な方法である陽極接合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。

前記光起電力素子は、結晶質シリコンを含むベース層と、前記ベース層と共有結合するパッシベーション層と、を備えていてもよい。前記接合部は、前記パッシベーション層と接合される。

この態様によれば、パッシベーション層は、ベース層の表面に共有結合し、ベース層の未結合手（ダングリングボンド）を終端させる役割を果す。これにより、光起電力素子の受光面側におけるキャリアの再結合による損失を抑制することができる。

１０…材料基板、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、１８ａ…受光面、１８ｂ…接合部、１８ｃ…凹部、１８ｄ…周端部、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、５０、５２…電極、６０…充填材、６２…封止材、７０…光起電力素子、１００…光起電力装置。

Claims (4)

1. 複数の光起電力素子と、
   前記複数の光起電力素子のそれぞれが間隔をおいて接合される複数の接合部が設けられる支持基板と、
   を備え、
   前記光起電力素子は、前記接合部において前記支持基板と共有結合されており、
   前記支持基板は、前記複数の接合部の間に凹部が設けられることを特徴とする光起電力装置。
2. 前記支持基板は、アルカリ金属元素を含むものであり、
   前記接合部は、前記支持基板に含まれる前記アルカリ金属元素の濃度が、前記接合部以外の領域と比較して低いことを特徴とする請求項１に記載の光起電力装置。
3. 前記接合部は、前記光起電力素子と陽極接合されることを特徴とする請求項１または２に記載の光起電力装置。
4. 前記光起電力素子は、結晶質シリコンを含むベース層と、前記ベース層と共有結合するパッシベーション層と、を備え、
   前記接合部は、前記パッシベーション層と接合されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光起電力装置。

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