JP2014072293A - 裏面電極型太陽電池、及び裏面電極型太陽電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い初期出力を維持したまま、高温多湿などの過酷環境下においても、出力劣化の極めて少ない太陽電池モジュールを作製するための裏面電極型太陽電池及び該太陽電池の製造方法を提供する。
【解決手段】シリコン基板４の受光面とは反対側の面に、ｎ型用電極及２びｐ型用電極３を有する裏面電極型太陽電池１において、シリコン基板４の受光面側に形成された受光面拡散層６、受光面拡散層上に形成された受光面パッシベーション１３膜、及び受光面パッシベーション膜１３上に形成された反射防止膜１２を有し、受光面拡散層６は、シリコン基板４と同じ導電型で不純物濃度がシリコン基板よりも高い濃度であり、反射防止膜１２は、チタン酸化物からなり、導電性固体材料及びシリコン基板と同じ導電型の不純物を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、裏面電極型太陽電池、及び裏面電極型太陽電池の製造方法に関する。

太陽光エネルギを直接電気エネルギに変換する太陽電池は、近年、特に地球環境問題の観点から、次世代のエネルギ源としての期待が急激に高まっている。太陽電池としては、化合物半導体または有機材料を用いたものなど様々な種類があるが、主流となっているのは、シリコン結晶を用いたものである。

現在、多く製造及び販売されている太陽電池は、太陽光が入射する側の面である受光面と、受光面の反対側の面である裏面とに電極が形成された構造のものであるが、受光面に電極を形成した場合、その面積分だけ入射する太陽光が減少するので、裏面にのみ電極を形成した裏面電極型太陽電池が開発されている。

図４は、特許文献１に記載の裏面電極型太陽電池を示す断面図である。裏面電極型太陽電池１０１は、単結晶シリコン基板であるｎ型シリコン基板１０４の受光面側にテクスチャ構造である凹凸形状１０５が形成されている。受光面側全面には受光面拡散層１０６であるｎ−層がＦＳＦ（Ｆｒｏｎｔ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）層として形成され、受光面拡散層１０６の受光面側には受光面パッシベーション膜１０３が形成されている。さらに、受光面側には反射防止膜１０２が形成されている。ここで、受光面パッシベーション膜１０３は酸化シリコン膜で、反射防止膜１０２はシリコン基板と同じ導電型の不純物を含むチタン酸化物膜である。

特開２０１２−１２４１９３号公報

一般に、太陽電池モジュールは、屋外にて長期間使用されるため、高温多湿などのあらゆる屋外環境において、長期信頼性が要求される。従来、太陽電池自体には比較的長寿命が期待できると考えられていたことから、モジュールを構成する周辺機器および周辺部品の耐候性の向上を中心に、長期信頼性の改善が行なわれてきた。しかし、昨今、太陽電池モジュールの普及と使用態様の多様化が進む中で、比較的使用期間が短いにも関わらず、太陽電池の出力が大幅に低下する現象が観測され、原因の究明と改善策の早期確立が、強く望まれている。

上記のような出力低下現象は、Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ現象（以下、ＰＩＤ現象とも記す）とも呼ばれており、現時点では詳細な原因は不明であるが、高温多湿条件によって、その発生頻度が高まり、かつ出力劣化の進行が加速されることが確認されている。そして、特許文献１の裏面電極型太陽電池を用いて作製された太陽電池モジュールでも同様の現象が起こるという問題が有った。

本発明は、高い初期出力を維持したまま、高温多湿などの過酷環境下においても、出力劣化の極めて少ない太陽電池モジュールを作製するための裏面電極型太陽電池及び該太陽電池の製造方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく、裏面電極型太陽電池及び該太陽電池を用いた太陽電池モジュールの構成、構成部材の物性などについて鋭意研究を重ねたところ、本来、光の反射を防止し、より多くの光を半導体基板に導くために設けられる反射防止膜が、上記したＰＩＤ現象と密接に関連していることを新たに見出した。そして、さらには、反射防止膜が導電体固体材料及びシリコン基板と同じ導電型の不純物を含むことにより、ＰＩＤ現象の発生を極めて有効に防止出来ることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明に係る裏面電極型太陽電池は、シリコン基板の受光面とは反対側の面に、ｎ型用電極及びｐ型用電極を有する裏面電極型太陽電池において、シリコン基板の受光面側に形成された受光面拡散層、受光面拡散層上に形成された受光面パッシベーション膜、及び受光面パッシベーション膜上に形成された反射防止膜を有し、受光面拡散層は、シリコン基板と同じ導電型で不純物濃度がシリコン基板よりも高い濃度であり、反射防止膜は、チタン酸化物からなり、導電性固体材料及びシリコン基板と同じ導電型の不純物を含むことを特徴とする。

ここで、本発明に係る裏面電極型太陽電池は、導電性固体材料は、銀であることが好ましい。

本発明に係る裏面電極型太陽電池の製造方法は、シリコン基板の受光面と反対側の面に、ｎ型用電極及びｐ型用電極を有する裏面電極型太陽電池の製造方法において、シリコン基板の受光面に混合液を塗布し、窒素雰囲気で熱処理することにより受光面拡散層及び導電性を有する反射防止膜を形成する工程であって、混合液は、シリコン基板と同じ導電型になる不純物を含む化合物、チタンアルコキシド及び導電性固体材料を少なくとも含む、工程、並びに、シリコン基板の受光面に熱処理により受光面パッシベーション膜を形成する工程、を有することを特徴とする。 ここで、本発明に係る裏面電極型太陽電池の製造方法は、導電性固体材料は、銀であることが好ましい。

また、本発明に係る裏面電極型太陽電池の製造方法は、混合液は、前記導電性固体材料の重量パーセント濃度が０．０５％〜０．５％であることが好ましい。

本発明により、高い初期出力を維持したまま、高温多湿などの過酷環境下においても、出力劣化の極めて少ない太陽電池モジュールを作製するための裏面電極型太陽電池及び該太陽電池の製造方法を提供することができる。

本発明に係る裏面電極型太陽電池の一例を裏面側から見た模式的な図である。 図１で示したＡ−Ａ′の断面を表す図である。 本発明に係る裏面電極型太陽電池の製造方法の一例を示す模式的な断面図である。 特許文献１に記載の従来の裏面型太陽電池の一例を示す模式的な断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る裏面電極型太陽電池について説明する。本発明の実施形態の説明において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。本発明の実施形態の説明において、同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

図１、図２は、本発明に係る裏面電極型太陽電池の一例を示した模式的な図である。

図１は、本発明に係る裏面電極型太陽電池の一例を裏面側から見た図である。裏面電極型太陽電池１の裏面には、ｎ型用電極２及びｐ型用電極３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′の断面を表す図である。単結晶シリコン基板であるｎ型シリコン基板４の受光面側にはテクスチャ構造である凹凸形状５が形成されている。この凹凸は数μｍ〜数十μｍオーダーである。また、ｎ型シリコン基板４の受光面側には受光面拡散層６であるｎ−層がＦＳＦ（Ｆｒｏｎｔ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）層として形成されている。受光面拡散層６は、ｎ型シリコン基板４と同じ導電型で、ｎ型シリコン基板４の不純物濃度よりも濃い不純物濃度を有している。また、受光面拡散層６の受光面側には受光面パッシベーション膜１３が形成されている。さらに、受光面側には反射防止膜１２が形成されている。ここで、受光面パッシベーション膜１３は酸化シリコン膜で、その膜厚は５ｎｍ〜２００ｎｍであり、好ましくは５ｎｍ〜６０ｎｍである。また、反射防止膜１２はチタン酸化物膜であり、膜厚は１０ｎｍ〜４００ｎｍである。さらに、反射防止膜１２にはリンが含まれており、その重量パーセント濃度はリン酸化物として１５％〜３５％含有する。さらに、反射防止膜１２には導電性固体材料１５が含まれている。導電性固体材料１５は、例えば、成分が銀であり、形状が直径２０ｎｍ〜２００ｎｍの粒子状、または直径が７０ｎｍ〜１１０ｎｍで長さが２０μｍ〜６０μｍの繊維状である。そして、反射防止膜１２中に含まれている導電性固体材料１５が、テクスチャ凹部に集まり接触することにより、反射防止膜１２は導電性を有する。これにより、本発明に係る裏面電極型太陽電池１は、高い初期出力を維持したまま、高温多湿などの過酷環境下においても、出力劣化の極めて少ない太陽電池モジュールを作製することが可能となる。

また、ｎ型シリコン基板４の裏面には、ｎ型シリコン基板４側から、第２裏面パッシベーション膜８、第１裏面パッシベーション膜１１の２層からなる裏面パッシベーション膜１４が形成されている。ｎ型シリコン基板４の裏面側にはｎ型半導体領域であるｎ＋領域９とｐ型半導体領域であるｐ＋領域１０とが交互に隣接して形成されており、ｎ型シリコン基板４の裏面のｎ＋領域９の表面は、ｎ型シリコン基板４の裏面のｎ＋領域９以外の表面よりも凹状になっている。ここで、図２に示す凹状の深さｄは数十ｎｍである。さらに、ｎ＋領域９にはｎ型用電極２が形成され、ｐ＋領域１０にはｐ型用電極３が形成されている。ｎ型シリコン基板４の裏面の最も外側には、電極が形成されていない、すなわち、電極に接触していない半導体領域であるｐ＋領域７１が形成されている。また、ｎ＋領域９上の裏面パッシベーション膜１４とｐ＋領域１０上の裏面パッシベーション膜１４とに膜厚差があり、ｎ＋領域９上の裏面パッシベーション膜１４の方が厚くなっている。ここで、ｎ＋領域９とｐ＋領域１０とが交互に隣接して形成されていることより、裏面電極型太陽電池１に逆方向のバイアスがかかったとき、部分的に電圧がかかることがなく、局所的なリーク電流による発熱をさけることができる。

以下に、本発明に係る裏面電極型太陽電池の製造方法の一例を示す。

図３は、本発明に係る裏面電極型太陽電池の製造方法の一例を示す模式的な断面図である。以降、図３（ａ）〜（ｊ）に示す模式的な断面図を参照して説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、１００μｍ厚の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。

その後、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である凹凸形状５をエッチングにより形成する。エッチングは、たとえば、水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムなどのアルカリ水溶液にイソプロピルアルコールを添加し、７０℃以上８０℃以下に加熱した溶液により行われる。

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。その後、ｎ型シリコン基板４の裏面において、ｎ＋領域９を形成しようとする箇所以外に、例えば、溶剤、増粘剤及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、熱処理により拡散マスク２３を形成し、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＋領域９が形成される。

次に、図３（ｄ）に示すように、ｎ型シリコン基板４に形成した拡散マスク２２、２３、及び拡散マスク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、酸素または水蒸気による熱酸化を行い、酸化シリコン膜２４を形成する。この際、図３（ｄ）に示すように、ｎ型シリコン基板４の裏面のｎ＋領域９上の酸化シリコン膜２４が厚くなる。９００℃で水蒸気による熱酸化を行い、ｎ＋領域９上以外の酸化シリコン膜２４の膜厚が７０ｎｍ〜９０ｎｍ、ｎ＋領域９上の酸化シリコン膜２４の膜厚は２５０ｎｍ〜３５０ｎｍになった。ここで、熱酸化前のｎ＋領域９のリンの表面濃度は、５×１０^１９／ｃｍ^３以上であり、熱酸化の処理温度の範囲としては、酸素による熱酸化で８００℃〜１０００℃、水蒸気による熱酸化で８００℃〜９５０℃である。なお、酸化シリコン膜２４を、ｐ＋領域形成時のｎ＋領域の拡散マスクとして使用するには、ｎ＋領域９上とｎ＋領域９上以外との酸化シリコン膜２４の膜厚差は、６０ｎｍ以上必要となる。また、熱酸化時に、シリコン基板に拡散される不純物の種類と濃度により、熱酸化による酸化シリコン膜の成長速度が異なる。とくにｎ型不純物濃度が高い場合は、成長速度が速くなる。このため、ｎ型シリコン基板４よりもｎ型不純物濃度が高いｎ＋領域９上の酸化シリコン膜２４の膜厚の方がｎ型シリコン基板４上よりも厚くなる。酸化シリコン膜２４は、熱酸化時にシリコンと酸素とが結びつくことで形成されるので、ｎ型シリコン基板４の裏面のｎ＋領域９の表面は、ｎ型シリコン基板４の裏面のｎ＋領域９以外の領域の表面よりも凹状になる。

次に、図３（ｅ）に示すように、ｎ型シリコン基板４の受光面の酸化シリコン膜２４及び裏面のｎ＋領域９上以外の酸化シリコン膜２４をエッチングにより除去する。裏面では、上記に示したように、酸化シリコン膜２４がｎ＋領域９上に厚く形成されているので、ｎ＋領域９上だけ酸化シリコン膜２４が残る。ｎ＋領域９上の酸化シリコン膜２４とｎ＋領域９上以外の酸化シリコン膜２４とのエッチングレートの差により、ｎ＋領域９上の酸化シリコン膜２４は１２０ｎｍ程度の膜厚となる。例えば、９００℃３０分の水蒸気による熱酸化で酸化シリコン膜２４を形成し、ｎ＋領域９上以外の酸化シリコン膜２４を除去するためにフッ化水素酸処理をした場合、ｎ＋領域９上の酸化シリコン膜２４の膜厚は１２０ｎｍ程度となる。先述したように６０ｎｍ以上あればｐ＋領域形成時の拡散マスクとして機能する。さらに、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２５を形成し、その後、ｎ型シリコン基板４の裏面に、有機性高分子にホウ素化合物を反応させたポリマーをアルコール系溶媒に溶解させた溶液を塗布し、乾燥後、熱処理によりｎ型シリコン基板４の裏面の露出した箇所にｐ型不純物であるボロンが拡散してｐ＋領域が形成される。この際、ｐ＋領域１０とｐ＋領域７１とが形成される。

次に、図３（ｆ）を用いて次工程を説明する。図３（ｆ）は、ｎ型シリコン基板４の受光面側が上となっている。図３（ｆ）に示すように、ｎ型シリコン基板４に形成した酸化シリコン膜２４、拡散マスク２５、及び、酸化シリコン膜２４、拡散マスク２５にボロ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する。その後、ｎ型シリコン基板４の裏面に酸化シリコン膜等の拡散マスクを兼ねた第１裏面パッシベーション膜１１をＣＶＤ法、またはＳＯＧ（スピンオングラス）の塗布、焼成により形成する。その後、ｎ型シリコン基板４の受光面に受光面拡散層６であるｎ−層及び反射防止膜１２を形成するため、ｎ型シリコン基板４の受光面にリン化合物、チタンアルコキシド及び導電性固体材料を少なくとも含む混合液２７の塗布を行い、乾燥する。ここで、混合液２７のリン化合物としては、五酸化リン、チタンアルコキシドとしてはテトライソプロピルチタネートを用いる。また、混合液２７はアルコールを含み、アルコールとしてはイソプロピルアルコールを用いている。また、導電性固体材料の成分は導電性を有するものであれば良いが、なかでも、銀が好ましく、その濃度は混合液２７における重量パーセント濃度で０．０５％〜０．５％であることが好ましい。また、銀からなる導電性固体材料の形状は、直径が２０ｎｍ〜２００ｎｍの形状の粒子状、または直径が７０ｎｍ〜１１０ｎｍで、長さが２０μｍ〜６０μｍの繊維状であることが好ましい。このとき、テクスチャ上に塗布され混合液２７はテクスチャ凹部に溜まるため，導電性固体材料がテクスチャ凹部に多く集まる。

次に、図３（ｇ）に示すように、熱処理によりｎ型不純物であるリンが拡散して受光面側全面に、受光面拡散層６であるｎ−層、及び反射防止膜１２となるチタン酸化物膜が形成される。チタン酸化物膜は、リン及び導電性固体材料１５を含有しており、導電性固体材料１５はテクスチャ凹部に集まり接触することで、反射防止膜１２に導電性を付与している。この熱処理は、窒素雰囲気で行った。

次に、ｎ型シリコン基板４の裏面に酸化シリコン膜からなる第２裏面パッシベーション膜８を形成するため、酸素または水蒸気による熱酸化を行う。この際、ｎ型シリコン基板４の裏面に第２裏面パッシベーション膜８である酸化シリコン膜が形成されながら、図３（ｊ）に示すように、ｎ型シリコン基板４の受光面全面にも、酸化シリコン膜が形成される。この受光面全面に形成された酸化シリコン膜は、受光面拡散層６と反射防止膜１２との間に形成され、受光面パッシベーション膜１３となる。また、第２裏面パッシベーション膜８と受光面パッシベーション膜１３の形成は、受光面拡散層６及び反射防止膜１２を形成する熱処理に引き続き、ガスを切り替えて酸素または水蒸気による熱酸化を行うことによっても可能である。すなわち、受光面拡散層６であるｎ−層及び反射防止膜１２を形成する熱処理と、受光面パッシベーション膜１３形成する熱処理とを、一連の熱処理によって形成することできる。

次に、図３（ｈ）に示すように、ｎ型シリコン基板４の裏面側に形成されたｎ＋領域９、ｐ＋領域１０に電極を形成するため、ｎ型シリコン基板の裏面に形成された裏面パッシベーション膜１４にパターニングを行う。パターニングは、エッチングペーストをスクリーン印刷法などで塗布し加熱処理により行われる。その後、パターニング処理を行ったエッチングペーストは超音波洗浄し酸処理により除去する。ここで、エッチングペーストとしては、例えば、エッチング成分としてリン酸、フッ化水素、フッ化アンモニウム及びフッ化水素アンモニウムからなる群から選択された少なくとも１種を含み、水、有機溶媒及び増粘剤を含むものである。

次に、図３（ｉ）に示すように、ｎ型シリコン基板４の裏面の所定の位置に銀ペーストをスクリーン印刷法により塗布し、乾燥する。その後、焼成により、ｎ＋領域９にはｎ型用電極２が形成され、ｐ＋領域１０にはｐ型用電極３が形成され、裏面電極型太陽電池１を作製した。

上記製造方法により、本発明に係る裏面電極型太陽電池１が作製される。これにより、高い初期出力を維持したまま、高温多湿などの過酷環境下においても、出力劣化の極めて少ない太陽電池モジュールを作製ことが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多くの修正及び変更を加え得ることはもちろんである。

１ 裏面電極型太陽電池、２ ｎ型用電極、３ ｐ型用電極、４ ｎ型シリコン基板、５ 凹凸形状、６ 受光面拡散層、８ 第２裏面パッシベーション膜、９ ｎ＋領域、１０ ｐ＋領域、１１ 第１裏面パッシベーション膜、１２ 反射防止膜、１３ 受光面パッシベーション膜、１４ 裏面パッシベーション膜、１５ 導電性固体材料、２１ テクスチャマスク、２２ 拡散マスク、２３ 拡散マスク、２４ 酸化シリコン膜、２５ 拡散マスク、２７ 混合液、７１ ｐ＋領域

Claims (5)

1. シリコン基板の受光面とは反対側の面に、ｎ型用電極及びｐ型用電極を有する裏面電極型太陽電池において、
   前記シリコン基板の受光面側に形成された受光面拡散層、前記受光面拡散層上に形成された受光面パッシベーション膜、及び前記受光面パッシベーション膜上に形成された反射防止膜を有し、
   前記受光面拡散層は、前記シリコン基板と同じ導電型で不純物濃度が前記シリコン基板よりも高い濃度であり、
   前記反射防止膜は、チタン酸化物からなり、導電性固体材料及び前記シリコン基板と同じ導電型の不純物を含む裏面電極型太陽電池。
2. 前記導電性固体材料は、銀である請求項１に記載の裏面電極型太陽電池。
3. シリコン基板の受光面と反対側の面に、ｎ型用電極及びｐ型用電極を有する裏面電極型太陽電池の製造方法において、
   前記シリコン基板の受光面に混合液を塗布し、窒素雰囲気で熱処理することにより受光面拡散層及び導電性を有する反射防止膜を形成する工程であって、前記混合液は、前記シリコン基板と同じ導電型になる不純物を含む化合物、チタンアルコキシド及び導電性固体材料を少なくとも含む、工程、並びに、
   前記シリコン基板の受光面に熱処理により受光面パッシベーション膜を形成する工程、を有する裏面電極型太陽電池の製造方法。
4. 前記導電性固体材料は、銀である請求項３に記載の裏面電極型太陽電池の製造方法。
5. 前記混合液は、前記導電性固体材料の重量パーセント濃度が０．０５％〜０．５％である請求項４に記載の裏面電極型太陽電池の製造方法。