JP2014072416A - Solar cell and manufacturing method therefor, solar cell module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽電池およびその製造方法、太陽電池モジュールに関し、特に導電型半導体層と結晶系半導体基板との接合構造を有する太陽電池およびその製造方法、太陽電池モジュールに関する。 The present invention relates to a solar cell, a manufacturing method thereof, and a solar cell module, and more particularly to a solar cell having a junction structure of a conductive semiconductor layer and a crystalline semiconductor substrate, a manufacturing method thereof, and a solar cell module.
従来、結晶系半導体基板と導電型半導体層との間に真性非晶質半導体層を挿入した構造を有する太陽電池が提案されている。このような太陽電池では、発電層として結晶系半導体基板を使用し、真性非晶質半導体層により基板表面でのキャリアの再結合を低減し、さらにその外側の導電型半導体層によって結晶系半導体基板との間に高い内蔵電界を形成することで、光電変換効率の向上を図っている。 Conventionally, a solar cell having a structure in which an intrinsic amorphous semiconductor layer is inserted between a crystalline semiconductor substrate and a conductive semiconductor layer has been proposed. In such a solar cell, a crystalline semiconductor substrate is used as the power generation layer, carrier recombination on the substrate surface is reduced by the intrinsic amorphous semiconductor layer, and the crystalline semiconductor substrate is further formed by the conductive semiconductor layer on the outer side. By forming a high built-in electric field between them, the photoelectric conversion efficiency is improved.
このような太陽電池として、例えば特許文献1では、真性非晶質半導体層と結晶系半導体基板との間にボロン(B)を導入することで、バンドオフセットが緩和し、また界面特性が向上し、光電変換効率が向上すると開示している。
As such a solar cell, for example, in
しかしながら、上記従来の技術によっても十分な光電変換効率を得ることは困難であり、さらなる光電変換効率の向上が求められている。 However, it is difficult to obtain sufficient photoelectric conversion efficiency even by the above conventional technique, and further improvement in photoelectric conversion efficiency is demanded.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、導電型半導体層と結晶系半導体基板との接合構造を有し、光電変換効率に優れた太陽電池およびその製造方法、太陽電池モジュールを得ることを目的とする。 This invention is made | formed in view of the above, Comprising: The solar cell which has the junction structure of a conductive type semiconductor layer and a crystalline semiconductor substrate, and was excellent in photoelectric conversion efficiency, its manufacturing method, and a solar cell module are obtained. For the purpose.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる太陽電池は、一導電型結晶系半導体基板の一面上に半導体中間層と逆導電型半導体薄膜層と第1集電電極とをこの順で有し、前記一導電型結晶系半導体基板の他面上に一導電型半導体薄膜層と第2集電電極とをこの順で有し、前記逆導電型半導体薄膜層は、前記半導体中間層に隣接して設けられて相対的に低く膜厚方向において一定の逆導電型不純物濃度を有する第1半導体薄膜層と、前記第1集電電極側に設けられて相対的に高く膜厚方向において一定の逆導電型不純物濃度を有する第2半導体薄膜層と、を有し、前記半導体中間層は、前記第1半導体薄膜層に隣接して逆導電型不純物濃度が前記第1半導体薄膜層側から前記一導電型結晶系半導体基板側に向かって前記第1半導体薄膜層の逆導電型不純物濃度と略同一濃度から単調に減少する第1中間層と、前記第1中間層の前記一導電型結晶系半導体基板側に隣接して前記第1中間層よりも逆導電型不純物濃度が低い第2中間層と、を有することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a solar cell according to the present invention includes a semiconductor intermediate layer, a reverse-conductivity-type semiconductor thin film layer, a first collector electrode on one surface of a one-conductivity-type crystalline semiconductor substrate. In this order, and having a one-conductivity-type semiconductor thin film layer and a second current collecting electrode in this order on the other surface of the one-conductivity-type crystalline semiconductor substrate, A first semiconductor thin film layer provided adjacent to the semiconductor intermediate layer and having a relatively low impurity concentration in the film thickness direction and a relatively high film provided on the first collector electrode side; A second semiconductor thin film layer having a constant reverse conductivity type impurity concentration in a thickness direction, wherein the semiconductor intermediate layer is adjacent to the first semiconductor thin film layer and has a reverse conductivity type impurity concentration of the first semiconductor thin film layer. From the layer side toward the one conductivity type crystalline semiconductor substrate side, the first A first intermediate layer that monotonously decreases from substantially the same concentration as the reverse conductivity type impurity concentration of the conductive thin film layer; and adjacent to the one conductive type crystalline semiconductor substrate side of the first intermediate layer than the first intermediate layer. And a second intermediate layer having a low reverse conductivity type impurity concentration.
本発明によれば、導電型半導体層と結晶系半導体基板との接合構造を有し、光電変換効率に優れた太陽電池が得られる、という効果を奏する。 According to the present invention, there is an effect that a solar cell having a junction structure between a conductive semiconductor layer and a crystalline semiconductor substrate and having excellent photoelectric conversion efficiency can be obtained.
以下に、本発明にかかる太陽電池およびその製造方法、太陽電池モジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下の実施の形態で用いられる太陽電池の図面は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, the solar cell concerning this invention, its manufacturing method, and embodiment of a solar cell module are described in detail based on drawing. In addition, this invention is not limited to the following description, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it can change suitably. The drawings of solar cells used in the following embodiments are schematic, and the relationship between the thickness and width of the layers, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかる太陽電池セル10の概略構成を模式断面図である。この太陽電池セル10は、導電型半導体層と結晶系半導体基板とのヘテロ接合構造を有するヘテロ接合太陽電池である。太陽電池セル10は、一導電型の結晶系シリコン基板として光電変換層を構成するn型単結晶シリコン基板11の一面側の表面に厚さが5nmの非晶質シリコン層である中間層12が形成され、他面側の表面に厚さが4nmの真性(i型)非晶質シリコン薄膜層16が形成されている。中間層12は、n型単結晶シリコン基板11側から第3中間層123と第2中間層122と第1中間層121とがこの順で設けられている。n型単結晶シリコン基板11の表面には、光閉じ込め構造により反射損失を低減するため、および散乱による基板内の光路長の増大のため、テクスチャー構造の凹凸が形成されている。なお、図1においては簡略化のためn型単結晶シリコン基板11の表面の凹凸構造の図示を省略している。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a schematic configuration of a
中間層12上には、厚さが4nmのp型非晶質シリコン薄膜層13が形成され、真性非晶質シリコン薄膜層16上には厚さが20nmのn型非晶質シリコン薄膜層17が形成されている。p型非晶質シリコン薄膜層13は、中間層12側から第1p型非晶質シリコン薄膜層131と第2p型非晶質シリコン薄膜層132と第3p型非晶質シリコン薄膜層133とがこの順で設けられている。これにより、非晶質シリコン薄膜層と結晶シリコン基板とのヘテロ接合が形成され、中間層12を介してn型単結晶シリコン基板11とp型非晶質シリコン薄膜層13とによりpn接合が形成される。
A p-type amorphous silicon
真性半導体層である真性非晶質シリコン薄膜層16はヘテロ接合間の不純物拡散を抑制し、急峻な不純物プロファイルを有する接合を形成することができるため、良好な接合界面形成により開放電圧の向上に寄与する。また、真性非晶質シリコン薄膜層16とn型非晶質シリコン薄膜層17とによりBSF(Back Surface Field)領域が形成される。
The intrinsic amorphous silicon
p型非晶質シリコン薄膜層13上には厚さが100nmの透光性電極14が形成され、n型非晶質シリコン薄膜層17上には厚さが100nmの透光性電極18が形成されている。透光性電極14上には銀(Ag)からなる厚さが60μmの集電電極15が形成され、透光性電極18上には銀(Ag)からなる厚さが60μmの集電電極19が形成されている。なお、透光性電極18と集電電極19との間、または集電電極19の外側に反射層を備えてもよい。
A
中間層12の第1中間層121と第2中間層122と第3中間層123とは、含有されるp型不純物(アクセプター)であるボロンの濃度および膜厚方向の濃度勾配(プロファイルと呼ぶ)がそれぞれ異なる層とされる。
The first
第1中間層121は、第1p型非晶質シリコン薄膜層131に隣接して該第1p型非晶質シリコン薄膜層131と第2中間層122との間に設けられ、ボロン濃度が第1p型非晶質シリコン薄膜層131側から第2中間層122側に向かって第1p型非晶質シリコン薄膜層131のボロン濃度から単調に減少する。すなわち、第1中間層121のボロンはp型非晶質シリコン薄膜層13の形成時に第1p型非晶質シリコン薄膜層131から拡散されたものである。このため、第1中間層121の第1p型非晶質シリコン薄膜層131側の界面のボロン濃度は第1p型非晶質シリコン薄膜層131のボロン濃度よりも極わずかに低くなり、第1p型非晶質シリコン薄膜層131のボロン濃度と略同一濃度となる。そして、第1中間層121では、該界面から第2中間層122側に向かって膜厚方向にボロン濃度が単調に減少する。
The first
第1中間層121のボロン濃度は、第2中間層122よりも高く、1×1018atoms/cm3以上である。また、非晶質シリコン膜においては、膜中のボロン濃度が増加するにしたがって欠陥密度が増加する。したがって、膜中のボロン濃度の低下により太陽電池セル10の開放電圧を増加させて光電変換効率を向上させるために、第1中間層121のボロン濃度は、1×1020atoms/cm3未満とされる。第1中間層121のボロン濃度が1×1020atoms/cm3以上の場合には、膜中のボロン濃度低下による効果が不十分となる。
The boron concentration of the first
このような第1中間層121は、主に第3p型非晶質シリコン薄膜層133よりもボロン濃度が低い第1p型非晶質シリコン薄膜層131からボロンが拡散するか、もしくは第1p型非晶質シリコン薄膜層131の製膜時にプラズマ生成のための電界により打ち込まれて形成されているため、第3p型非晶質シリコン薄膜層133に隣接した場合と比べて低いボロン濃度を有して欠陥が低減され、開放電圧の向上に寄与する。
In such a first
第1中間層121の膜厚は、1nm以下であることが好ましい。第1中間層121は第2中間層122よりも多くのボロンを含んでおり欠陥を誘起するため、薄いほうが好ましい。第1中間層121の膜厚を1nm以下とすることで中間層12内の欠陥が低減し、開放電圧が増加し、光電変換効率が向上する。また、第1中間層121の膜厚の下限は、抵抗低減の観点から0.5nmである。
The film thickness of the first
第2中間層122は、第1中間層121と第3中間層123との間に設けられ、第1中間層121および第3中間層123よりもボロン濃度が低い層である。第2中間層122のボロン濃度は、1×1018atoms/cm3未満である。第2中間層122は、ボロン濃度が低いまたはほとんど含まない欠陥の少ない膜であるため、n型単結晶シリコン基板11の表面のパッシベーション効果に優れ、開放電圧(Voc)の向上に寄与する。
The second
このため、第2中間層122の膜厚は、抵抗増加によるフィルファクター(FF)の低下を起こさない膜厚まで厚くすることが好ましく、例えば7nm以下とされる。また、パッシベーション効果を十分に得るために、第2中間層122の膜厚の下限は例えば0.5nm以上とされる。なお、第2中間層122のボロン濃度が1×1018atoms/cm3以上である場合には、n型単結晶シリコン基板11の表面のパッシベーション効果が低下する。
For this reason, the film thickness of the second
第3中間層123は、n型単結晶シリコン基板11に隣接してn型単結晶シリコン基板11と第2中間層122との間に設けられ、ボロン濃度がn型単結晶シリコン基板11側から第2中間層122側に向かって膜厚方向に単調に減少する。後述するように欠陥低減効果とバンドオフセット増大とのトレードオフの影響を考慮して、第3中間層123のn型単結晶シリコン基板11側の界面のボロン濃度は、1×1018atoms/cm3以上、1×1020atoms/cm3以下とされ、より好ましくは1×1019atoms/cm3以上、1×1020atoms/cm3未満である。すなわち、第3中間層123のボロン濃度は、1×1018atoms/cm3以上、1×1020atoms/cm3以下とされる。
The third
第3中間層123のボロンは、p型非晶質シリコン薄膜層13の形成時に第1中間層121と第2中間層122とを介して拡散されたものである。そして、拡散されたボロンがn型単結晶シリコン基板11側の界面に偏析することにより、n型単結晶シリコン基板11側から第2中間層122側に向かって膜厚方向に単調に減少するボロンプロファイルが形成されている。
Boron in the third
第3中間層123の膜厚は、1nm以下であることが好ましい。第3中間層123は第2中間層122よりも多いボロンを含んでおり欠陥を誘起するため、薄いほうが好ましい。第3中間層123の膜厚を1nm以下とすることで第3中間層122内の欠陥が低減し、開放電圧が増加し、光電変換効率が向上する。また、第3中間層123の膜厚の下限は、抵抗低減の観点から0.5nmである。
The film thickness of the third
また、非晶質シリコン膜である第3中間層123は、ボロンを含有することによりバンドギャップが低減されている。これにより、第3中間層123とバンドギャップが比較的低いn型単結晶シリコン基板11との間のバンドオフセットが緩和され、太陽電池セル10の開放電圧が増加し、光電変換効率が向上する。
The third
このような中間層12を備えることにより、第1中間層121におけるボロン濃度低減による欠陥低減効果と、第3中間層123におけるバンドオフセット緩和効果とにより、太陽電池セル10の開放電圧が増加し、光電変換効率が向上する。
By providing such an
p型非晶質シリコン薄膜層13の第1p型非晶質シリコン薄膜層131と第2p型非晶質シリコン薄膜層132と第3p型非晶質シリコン薄膜層133とは、含有されるp型不純物(アクセプター)であるボロンの濃度および膜厚方向の濃度勾配(プロファイルと呼ぶ)がそれぞれ異なる層とされる。
The first p-type amorphous silicon
第1p型非晶質シリコン薄膜層131は、第1中間層121に隣接して該第1中間層121と第2p型非晶質シリコン薄膜層132との間に設けられる。第1p型非晶質シリコン薄膜層131は、膜厚方向において、第3p型非晶質シリコン薄膜層133と比較して相対的に低い一定のボロン濃度(第1の濃度)を有する。第1p型非晶質シリコン薄膜層131のボロン濃度は、1×1019atoms/cm3以上、1×1020atoms/cm3以下である。
The first p-type amorphous silicon
第1p型非晶質シリコン薄膜層131のボロン濃度が、1×1019atoms/cm3未満の場合は、第1p型非晶質シリコン薄膜層131の導電率の低下によりフィルファクター(FF)が低下する。第1p型非晶質シリコン薄膜層131のボロン濃度が1×1020atoms/cm3より大きい場合は、第1中間層121のボロン濃度が高くなり第1中間層121内の欠陥が増加するため、第1中間層121の欠陥低減による開放電圧(Voc)の向上効果が不十分となる。なお、第1p型非晶質シリコン薄膜層131は、膜厚方向において一定のボロン濃度(第1の濃度)を有するため、第1中間層121側の界面のボロン濃度も第1の濃度となる。
When the boron concentration of the first p-type amorphous silicon
第1p型非晶質シリコン薄膜層131の膜厚は、1.5nm以下であることが好ましい。p型非晶質シリコン薄膜層13の膜厚が厚すぎる場合には、p型非晶質シリコン薄膜層13における光吸収損失により電流(Jsc)低下を招く。このため、第1p型非晶質シリコン薄膜層131の膜厚は、上記のボロン濃度においてp型非晶質シリコン薄膜層13として機能できる膜厚まで薄くすることが好ましく、第1p型非晶質シリコン薄膜層131の膜厚の下限は、1.0nmである。
The film thickness of the first p-type amorphous silicon
第2p型非晶質シリコン薄膜層132は、第1p型非晶質シリコン薄膜層131と第3p型非晶質シリコン薄膜層133との間に設けられる。第2p型非晶質シリコン薄膜層132のボロン濃度は、第1p型非晶質シリコン薄膜層131のボロン濃度よりも高く、第3p型非晶質シリコン薄膜層133のボロン濃度よりも低い。
The second p-type amorphous silicon
第2p型非晶質シリコン薄膜層132のボロンは、後述するように第1p型非晶質シリコン薄膜層131と同じボロン濃度を有するp型非晶質シリコン薄膜に第3p型非晶質シリコン薄膜層133のボロンが拡散したか、もしくは、製膜時にプラズマ生成のための電界により打ち込まれたものである。このため、第2p型非晶質シリコン薄膜層132は、第3p型非晶質シリコン薄膜層133側から第1p型非晶質シリコン薄膜層131側に向かって膜厚方向に単調に減少するボロンプロファイルが形成されている。したがって、第2p型非晶質シリコン薄膜層132のボロン濃度の範囲は、第1p型非晶質シリコン薄膜層131のボロン濃度と第3p型非晶質シリコン薄膜層133のボロン濃度との間の範囲となる。
As will be described later, the boron of the second p-type amorphous silicon
第2p型非晶質シリコン薄膜層132の膜厚は、第1p型非晶質シリコン薄膜層131のボロン濃度と第3p型非晶質シリコン薄膜層133のボロン濃度との関係により定まるが、例えば1nm以下であることが好ましい。p型非晶質シリコン薄膜層13の膜厚が厚すぎる場合には、p型非晶質シリコン薄膜層13における光吸収損失により短絡電流(Jsc)の低下を招く。このため、第2p型非晶質シリコン薄膜層132の膜厚は、全体としてp型非晶質シリコン薄膜層13として機能できる程度まで薄いことが好ましい。
The film thickness of the second p-type amorphous silicon
第3p型非晶質シリコン薄膜層133は、第2p型非晶質シリコン薄膜層132に隣接して透光性電極14側に設けられる。第3p型非晶質シリコン薄膜層133は、膜厚方向において、第1p型非晶質シリコン薄膜層131と比較して相対的に高い一定のボロン濃度(第2の濃度)を有する。第3p型非晶質シリコン薄膜層133のボロン濃度は、1×1021atoms/cm3以上である。第3p型非晶質シリコン薄膜層133のボロン濃度を1×1021atoms/cm3以上とすることにより、第1p型非晶質シリコン薄膜層131のボロン濃度を1×1020atoms/cm3以下とすることに起因したp型非晶質シリコン薄膜層13の導電率の低下の影響、すなわちFFの低下を抑制することができる。また、第3p型非晶質シリコン薄膜層133のボロン濃度の上限は、十分低い抵抗が得られる1×1022atoms/cm3である。
The third p-type amorphous silicon
第3p型非晶質シリコン薄膜層133の膜厚は、2nm以下であることが好ましい。p型非晶質シリコン薄膜層13の膜厚が厚すぎる場合には、p型非晶質シリコン薄膜層13における光吸収損失により電流(Jsc)低下を招く。このため、第3p型非晶質シリコン薄膜層133の膜厚は、上記のボロン濃度においてp型非晶質シリコン薄膜層13として機能できる膜厚まで薄くすることが好ましく、第3p型非晶質シリコン薄膜層133の膜厚の下限は、1.0nmである。
The film thickness of the third p-type amorphous silicon
つぎに、上記のように構成された実施の形態1にかかる太陽電池セル10の製造方法について図2および図3−1〜図3−6を参照して説明する。図2は、実施の形態1にかかる太陽電池セル10の製造工程のうち中間層12およびp型非晶質シリコン薄膜層13の製造工程を示すフローチャート断面図である。図3−1〜図3−6は、実施の形態1にかかる太陽電池セル10の製造工程を示す模式断面図である。
Next, a method for manufacturing the
まず、主面の面方位が(100)で、リン(P)を含有するn型単結晶シリコン基板11を用意する。n型単結晶シリコン基板11の大きさは、10cm×10cm〜20cm×20cm程度で、厚みが60〜300μm程度である。n型の単結晶シリコン基板11としてはインゴットからスライスにより切り出されたものを用いる。切断面は研磨され表面の平坦化がなされている。
First, an n-type single
n型単結晶シリコン基板11は、溶融したシリコンを冷却固化してできたインゴットをワイヤーソーでスライスして製造するため、表面にスライス時のダメージ(結晶のひずみ)層が残っている。そこで、まずはこのダメージ層の除去も兼ねて、n型単結晶シリコン基板11を例えばHF+HNO3などの酸または加熱したアルカリ溶液中、例えば水酸化ナトリウム水溶液に浸漬して表面を10〜20μm程度エッチングすることにより、シリコン基板の切り出し時に発生してn型単結晶シリコン基板11の表面近くに存在するダメージ領域を取り除く。
Since the n-type single
また、ゲッタリングによりn型単結晶シリコン基板11内の不純物を除去することが好ましい。ゲッタリングには、例えばn型単結晶シリコン基板11の表面にリンを熱拡散し、形成されたリンガラス層に不純物を偏析させる方法がある。
Further, it is preferable to remove impurities in the n-type single
そして、ゲッタリングによりn型単結晶シリコン基板11内の不純物を除去した後、光閉じ込め構造により反射損失を低減するため、および散乱による基板内の光路長の増大のため、n型単結晶シリコン基板11の表面にテクスチャー構造の凹凸が形成される。テクスチャー構造の凹凸は、n型単結晶シリコン基板11の(100)面を用いて、(100)面と(111)面とのエッチングレートが異なることを利用した異方性エッチングによって形成できる。エッチングの薬液にはアルカリ溶液および添加剤を使用し、アルカリ溶液には水酸化カリウム、水酸化ナトリウム等を、添加剤にはイソプロピルアルコール等を用いる。
Then, after removing impurities in the n-type single
なお、ここではワイヤーソーダメージ層の除去工程後にテクスチャー構造を形成する場合について説明したが、ワイヤーソースライスにおける金属汚染の影響が少ない場合には、ワイヤーソーダメージ層の除去とテクスチャー構造の形成とを兼ねて行ってもよい。また、テクスチャー構造の形成方法としては、反応性イオンエッチング(RIE)法等のドライエッチングを用いてもよい。 In addition, although the case where the texture structure is formed after the wire saw damage layer removing step is described here, when the influence of metal contamination in the wire saw slice is small, the removal of the wire saw damage layer and the formation of the texture structure are performed. You may also go there. Further, as a method for forming the texture structure, dry etching such as reactive ion etching (RIE) may be used.
つぎに、n型単結晶シリコン基板11をRCA洗浄によりクリーニングする。そして、中間層の成膜直前に希フッ酸を用いてn型単結晶シリコン基板11の表面酸化膜の除去を行う。
Next, the n-type single
つぎに、n型単結晶シリコン基板11の表面が清浄な状態のまま、n型単結晶シリコン基板11の一面側に中間層12とp型非晶質シリコン薄膜層13とがこの順番で形成される。中間層12の厚みは5nm、p型非晶質シリコン薄膜層13の厚みは4nmである。中間層12とp型非晶質シリコン薄膜層13とは、以下のような処理により形成される。
Next, the
(真性非晶質シリコン膜成膜工程)
まず、n型単結晶シリコン基板11の一面側に真性非晶質シリコン膜12aが形成される(図3−1、ステップS10)。本実施の形態においては、プラズマCVD法により、たとえば13.56〜60MHzのRFプラズマCVDチャンバで、RF出力10W、基板温度170℃、ガス圧100Paの雰囲気下で、反応ガスの流量をシラン(SiH4):50sccm、水素(H2):300sccmで流して、膜厚が4nmの真性非晶質シリコン膜12aを形成する。
(Intrinsic amorphous silicon film formation process)
First, an intrinsic
(低濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜成膜工程)
つぎに、ボロンが低い濃度(第1の濃度)でドープされた低濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜13aが真性非晶質シリコン膜12a上に形成される。本実施の形態においては、プラズマCVD法により、たとえば13.56〜60MHzのRFプラズマCVDチャンバで、RF出力200W、基板温度170℃、ガス圧100Paの雰囲気下で、反応ガスの流量をシラン(SiH4):50sccm、水素(H2):300sccm、ジボラン(B2H6):0.5sccmで流して、膜厚が2nmの低濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜13aを形成する。
(Low-concentration boron-doped p-type amorphous silicon film formation process)
Next, a low-concentration boron-doped p-type
そして、真性非晶質シリコン膜12a上に低濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜13aが形成される際に低濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜13aのボロン(B)が真性非晶質シリコン膜12a中に拡散したり、製膜時反応炉内のプラズマ発生のための電界により打ち込まれて、中間層12として低濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜13a側から第1中間層121と第2中間層122と第3中間層123とが形成される(図3−2、ステップS20)。そして、第1p型非晶質シリコン薄膜層131からn型単結晶シリコン基板11近辺にまで拡散されたボロンはn型単結晶シリコン基板11側の界面に偏析する。
Then, when the low-concentration boron-doped p-type
これにより、第1中間層121には、ボロン濃度が低濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜13a側から第2中間層122側に向かって低濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜13aのボロン濃度から単調に減少するボロンプロファイルが形成される。そして、第1中間層121の低濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜13a側の界面のボロン濃度は低濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜13aのボロン濃度よりも極わずかに低くなる。
As a result, the boron concentration of the first
また、第2中間層122は、第1中間層121および第3中間層123よりもボロン濃度が低い層となり、最終的にはボロン濃度が1×1018atoms/cm3未満となる。
The second
また、第3中間層123は、n型単結晶シリコン基板11に隣接してn型単結晶シリコン基板11と第2中間層122との間に形成される。第3中間層123には、ボロン濃度がn型単結晶シリコン基板11側から第2中間層122側に向かって膜厚方向に単調に減少するボロンプロファイルが形成される。また、第3中間層123のボロン濃度は、第2中間層122よりも高く、最終的には1×1018atoms/cm3以上となる。
The third
このように、真性非晶質シリコン膜12a上に低濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜13aを形成することにより、第3p型非晶質シリコン薄膜層133に比べてボロン濃度の低い第1中間層121を形成することができる。
Thus, by forming the low-concentration boron-doped p-type
(高濃度ボロンドープp型非晶質シリコン成膜工程)
つぎに、ボロンが第1の濃度よりも高い濃度(第2の濃度)でドープされた高濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜が低濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜13a上に形成される。本実施の形態においては、プラズマCVD法により、たとえば13.56〜60MHzのRFプラズマCVDチャンバで、RF出力30W、基板温度170℃、ガス圧100Paの雰囲気下で、反応ガスの流量をシラン(SiH4):50sccm、水素(H2):300sccm、ジボラン(B2H6):1sccmで流して、膜厚が2nmの高濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜を形成する。
(High-concentration boron-doped p-type amorphous silicon film formation process)
Next, a high-concentration boron-doped p-type amorphous silicon film doped with boron at a concentration higher than the first concentration (second concentration) is formed on the low-concentration boron-doped p-type
そして、低濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜13a上に高濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜が形成される際に高濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜のボロン(B)が低濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜13a中に拡散することにより、p型非晶質シリコン薄膜層13として中間層12側から第1p型非晶質シリコン薄膜層131と第2p型非晶質シリコン薄膜層132と第3p型非晶質シリコン薄膜層133とがこの順で形成される(図3−3、ステップS30)。
Then, when the high-concentration boron-doped p-type amorphous silicon film is formed on the low-concentration boron-doped p-type
低濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜13aにおける第1中間層121側の領域であって高濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜のボロン(B)の拡散が及んでいない領域が第1p型非晶質シリコン薄膜層131となる。このため、第1p型非晶質シリコン薄膜層131のボロン濃度は低濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜13aと同じになる。したがって、第1p型非晶質シリコン薄膜層131には、膜厚方向において第3p型非晶質シリコン薄膜層133と比較して相対的に低い一定のボロン濃度(第1の濃度)を有するボロンプロファイルが形成される。
A region on the first
低濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜13aにおける高濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜側の領域であって、高濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜のボロン(B)が拡散された領域が第2p型非晶質シリコン薄膜層132となる。このため、第2p型非晶質シリコン薄膜層132のボロン濃度は、第1p型非晶質シリコン薄膜層131のボロン濃度よりも高く、第3p型非晶質シリコン薄膜層133のボロン濃度よりも低くなる。そして、第2p型非晶質シリコン薄膜層132には、第3p型非晶質シリコン薄膜層133側から第1p型非晶質シリコン薄膜層131側に向かって膜厚方向に単調に減少するボロンプロファイルが形成される。
A region on the high-concentration boron-doped p-type amorphous silicon film side in the low-concentration boron-doped p-type
そして、高濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜が第3p型非晶質シリコン薄膜層133となる。したがって、第3p型非晶質シリコン薄膜層133には、膜厚方向において、第1p型非晶質シリコン薄膜層131と比較して相対的に高い一定のボロン濃度(第2の濃度)を有するボロンプロファイルが形成される。
Then, the high-concentration boron-doped p-type amorphous silicon film becomes the third p-type amorphous silicon
なお、この高濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜の形成時においても、低濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜13aのボロン(B)が真性非晶質シリコン膜12a中に拡散することによる第1中間層121と第2中間層122と第3中間層123との形成が行われている。
Even when the high-concentration boron-doped p-type amorphous silicon film is formed, boron (B) in the low-concentration boron-doped p-type
つぎに、n型単結晶シリコン基板11の他面側に真性非晶質シリコン薄膜層16が形成される(図3−4)。本実施の形態においては、プラズマCVD法により、たとえば13.56〜60MHzのRFプラズマCVDチャンバで、RF出力10W、基板温度170℃、ガス圧100Paの雰囲気下で、反応ガスの流量をシラン(SiH4):50sccm、水素(H2):300sccmで流して、膜厚が4nmの真性非晶質シリコン薄膜層16を形成する。なお、真性非晶質シリコン薄膜層16の膜厚は、1nm〜10nmの範囲が好ましい。
Next, an intrinsic amorphous silicon
つぎに、n型非晶質シリコン薄膜層17が真性非晶質シリコン薄膜層16上に形成される(図3−4)。本実施の形態においては、プラズマCVD法により、たとえば13.56〜60MHzのRFプラズマCVDチャンバで、RF出力30W、基板温度170℃、ガス圧100Paの雰囲気下で、反応ガスの流量をシラン(SiH4):50sccm、水素(H2):300sccm、ホスフィン(PH3):0.4sccmで流して、膜厚が20nmのn型非晶質シリコン薄膜層17を形成する。なお、n型非晶質シリコン薄膜層17の膜厚は、1nm〜40nmの範囲が好ましい。
Next, the n-type amorphous silicon
つぎに、n型単結晶シリコン基板11の一面側において、p型非晶質シリコン薄膜層13上に透光性電極14が形成される(図3−5)。透光性電極14としては、透光性を有する導電性酸化膜が用いられる。本実施の形態では、スパッタリング法により、RF出力800W、基板温度180℃、ガス圧0.7Paの条件で、ガス流量をアルゴン(Ar):70sccm、酸素(O2)(5%Arベース):5sccmで流して、膜厚が100nmの酸化インジウム錫(ITO:Indium Tin Oxide)を形成する。なお、透光性電極14の膜厚は、光閉じ込めの観点から60nm〜120nmの範囲が好ましい。
Next, the
また、透光性電極14としては、SnO2、In2O3、ZnO、CdO、CdIn2O4、CdSnO3、MgIn2O4、CdGa2O4、GaInO3、InGaZnO4、Cd2Sb2O7、Cd2GeO4、CuAlO2、CuGaO2、SrCu2O2、TiO2、Al2O3などの透光性導電膜を使用することができ、またこれらを積層して形成した透光性導電膜を使用することもできる。また、ドーパントとしては、Al、Ga、In、B、Y、Si、Zr、Ti、F、Ceから選択した1種類以上の元素を用いてもよい。また、透光性電極14の形成方法としては、スパッタリング法以外にも、蒸着法、イオンプレーティング法などを用いることができる。
As the translucent electrode 14, SnO 2, In 2 O 3, ZnO, CdO, CdIn 2 O 4, CdSnO 3, MgIn 2 O 4, CdGa 2 O 4, GaInO 3, InGaZnO 4, Cd 2 Sb 2 A translucent conductive film such as O 7 , Cd 2 GeO 4 , CuAlO 2 , CuGaO 2 , SrCu 2 O 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 can be used, and a translucent film formed by stacking these films. An electrically conductive film can also be used. As the dopant, one or more elements selected from Al, Ga, In, B, Y, Si, Zr, Ti, F, and Ce may be used. Further, as a method for forming the
つぎに、n型単結晶シリコン基板11の他面側において、n型非晶質シリコン薄膜層17上に透光性電極18が形成される(図3−5)。透光性電極18としては、透光性を有する導電性酸化膜が用いられる。透光性電極18は、光に対してn型単結晶シリコン基板11の裏面側に位置するため短波長側の光の透過性は透光性電極14より低くてもよく、より長波長側の光の吸収を減らすような膜を選択することが好ましい。透光性電極18の形成方法、形成材料および膜厚は、上述した透光性電極14の場合と同様とすることができる。
Next, on the other surface side of the n-type single
透光性電極18の形成後、n型単結晶シリコン基板11の他面側の透光性電極18上に反射層を形成してもよい。反射層は、入射した光をn型単結晶シリコン基板11に戻すことができるため、光をより有効活用することができる。反射層としては、例えばスパッタリング法により形成された銀(Ag)層を用いることができる。なお、反射層の形成方法としてはスパッタリング法以外にも、蒸着法などを用いることができる。また、反射層の材料としては、銀(Ag)以外にも、アルミニウム(Al)、金属酸化物の微粒子からなる白色高反射材料などを用いてもよい。このような白色高反射材料としては、例えばMgO、Al2O3、白色亜鉛などがある。この場合は、当該材料が絶縁体であるため、透光性電極18上に集電電極19が形成された後に反射層が形成される。また、反射層を形成する代わりに、集電電極19に反射層の機能も持たせることも可能である。本実施の形態では、反射層の形成は省略している。
After the formation of the
つぎに、n型単結晶シリコン基板11の一面側において透光性電極14上に集電電極15が、n型単結晶シリコン基板11の他面側において透光性電極18上に集電電極19が形成される(図3−6)。集電電極15および集電電極19は、インクジェット法、スクリーン印刷法、銅線接着、スプレー法などによって形成される。その中でも、生産性の観点からは、集電電極15および集電電極19の形成方法としてはスクリーン印刷法が好ましい。スクリーン印刷法においては、例えば銀(Ag)などの金属粒子と樹脂バインダーとを含む導電ペーストを用いて透光性電極15および透光性電極19が形成される。
Next, a
以上の工程を実施することにより、図1に示す構成を有する太陽電池セル10が得られる。
By performing the above steps, the
上述した実施の形態1においては、相対的に低い一定のボロン濃度を有する第1p型非晶質シリコン薄膜層131を形成することにより、p型非晶質シリコン薄膜層として第3p型非晶質シリコン薄膜層133とのみが形成された場合よりも低いボロン濃度を有する第1中間層121と第2中間層122と第3中間層123とが形成されている。これにより、第1中間層121におけるボロン濃度低減による欠陥低減効果と、第3中間層123におけるバンドオフセット緩和効果とにより太陽電池セル10の開放電圧が増加し、光電変換効率が向上する、という効果が得られる。また、相対的に低い一定のボロン濃度を有する第1p型非晶質シリコン薄膜層131と相対的に高い一定のボロン濃度を有する第3p型非晶質シリコン薄膜層133とが形成されることにより、p型非晶質シリコン薄膜層として第1p型非晶質シリコン薄膜層131とのみが形成された場合に不十分となる導電性を補うことができる。
In the first embodiment described above, the third p-type amorphous silicon thin film layer is formed as the first p-type amorphous silicon
また、第1中間層121と第3中間層123との間に形成されてボロン濃度が低く欠陥の少ない第2中間層122が、n型単結晶シリコン基板11の表面のパッシベーション効果を発揮し、太陽電池セル10の開放電圧の向上に寄与する。
In addition, the second
したがって、実施の形態1によれば、結晶系半導体基板と導電型半導体層とのヘテロ接合構造を有し、光電変換効率に優れた太陽電池セルが得られる、という効果を奏する。
Therefore, according to
なお、上記においては、第3中間層123が存在する場合について説明したが、後述する実施例2のようにp型非晶質シリコン薄膜層13のボロン濃度によっては第3中間層123が形成されず、第1中間層121と第2中間層122とのみを有する構成もあり得る。第3中間層123が存在しない構成においても、上述したように第1中間層121による欠陥低減効果を得ることができ、太陽電池セル10の開放電圧が増加し、光電変換効率が向上する。
Although the case where the third
実施の形態2.
実施の形態2では、実施の形態1にかかる太陽電池セルの製造方法において、n型単結晶シリコン基板11の一面側に真性非晶質シリコン膜12aが形成される真性非晶質シリコン成膜工程(図3−1、ステップS10)の前に、n型単結晶シリコン基板11の一面側の表面にボロン(B)を吸着させるボロン吸着工程を実施する場合について説明する。
Embodiment 2. FIG.
In the second embodiment, in the method of manufacturing a solar battery cell according to the first embodiment, an intrinsic amorphous silicon film forming step in which an intrinsic
ボロン吸着工程は、たとえばチャンバ内で、基板温度170℃、ガス圧800Paの雰囲気下で、ガスの流量を水素(H2):100sccm、ジボラン(B2H6):1sccmで流すことにより行う。これにより、n型単結晶シリコン基板11の一面側の表面にジボラン(B2H6)が吸着されるため、n型単結晶シリコン基板11の一面側の表面にボロンが吸着する。
The boron adsorption step is performed, for example, in a chamber under an atmosphere of a substrate temperature of 170 ° C. and a gas pressure of 800 Pa by flowing a gas flow rate of hydrogen (H 2 ): 100 sccm and diborane (B 2 H 6 ): 1 sccm. Thereby, since diborane (B 2 H 6 ) is adsorbed on the surface on the one surface side of the n-type single
これにより、p型非晶質シリコン薄膜層13のボロン濃度を上述した範囲内において低めに設定した場合においても第3中間層123を形成することが可能である。したがって、実施の形態2にかかる太陽電池セルの製造方法によれば、第1中間層121のボロン濃度低減による欠陥低減効果と、第3中間層123によるバンドオフセット緩和効果とを得ることができ、太陽電池セルの開放電圧が増加し、光電変換効率が向上する。
As a result, the third
次に、上述した実施の形態にかかる太陽電池について、具体的な実施例に基づいて説明する。図1に示す構成を有する太陽電池セルを上述した実施の形態1にかかる太陽電池セルの製造方法に従って作製し、実施例1の太陽電池セルとした。図4は、実施例1にかかる太陽電池セルのボロンプロファイルを示す特性図である。また、実施例1の太陽電池セルの中間層12およびp型非晶質シリコン薄膜層13のボロン濃度および膜厚条件を表1に示す。
Next, the solar cell according to the above-described embodiment will be described based on specific examples. A solar battery cell having the configuration shown in FIG. 1 was produced according to the method for manufacturing a solar battery cell according to the first embodiment described above, and a solar battery cell of Example 1 was obtained. FIG. 4 is a characteristic diagram showing a boron profile of the solar battery cell according to Example 1. Table 1 shows the boron concentration and film thickness conditions of the
また、低濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜の形成時におけるジボラン(B2H6)のガス流量を0.1sccmに低減したこと以外は、実施例1の太陽電池セルと同様にして実施例2の太陽電池セルを作製した。図5は、実施例2にかかる太陽電池セルのボロンプロファイルを示す特性図である。また、実施例2の太陽電池セルの中間層12およびp型非晶質シリコン薄膜層13のボロン濃度および膜厚条件を表1に併せて示す。
In addition, the example is the same as the solar cell of Example 1 except that the gas flow rate of diborane (B 2 H 6 ) during the formation of the low-concentration boron-doped p-type amorphous silicon film is reduced to 0.1 sccm. 2 solar cells were produced. FIG. 5 is a characteristic diagram showing a boron profile of the solar battery cell according to Example 2. Table 1 also shows the boron concentrations and film thickness conditions of the
実施例2の太陽電池セルでは、低濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜の形成時におけるジボラン(B2H6)のガス流量を低減しているため、p型非晶質シリコン薄膜層13全体としてのボロンの総量が少なくなっている。このため、中間層へのボロンの拡散量が少なくなるため、n型単結晶シリコン基板11に隣接する領域でもボロン濃度が低く、第3中間層123が形成されていない。
In the solar cell of Example 2, since the gas flow rate of diborane (B 2 H 6 ) during the formation of the low-concentration boron-doped p-type amorphous silicon film is reduced, the p-type amorphous silicon
また、実施の形態2において説明したボロン吸着工程を実施したこと以外は、実施例2の太陽電池セルと同様にして実施例3の太陽電池セルを作製した。ボロン吸着工程は、5分間実施した。図6は、実施例3にかかる太陽電池セルのボロンプロファイルを示す特性図である。また、実施例3の太陽電池セルの中間層12およびp型非晶質シリコン薄膜層13のボロン濃度および膜厚条件を表1に併せて示す。
Further, a solar cell of Example 3 was fabricated in the same manner as the solar cell of Example 2 except that the boron adsorption step described in Embodiment 2 was performed. The boron adsorption process was carried out for 5 minutes. 6 is a characteristic diagram showing a boron profile of the solar battery cell according to Example 3. FIG. Table 1 also shows the boron concentration and film thickness conditions of the
実施例3の太陽電池セルでは、基本的な製造工程は実施例2の場合と同じであるが、ボロン吸着工程を実施したことにより、実施例2の場合は形成されない第3中間層123が形成される。
In the solar cell of Example 3, the basic manufacturing process is the same as in Example 2, but the third
また、実施の形態2において説明したボロン吸着工程を実施したこと以外は、実施例2の太陽電池セルと同様にして実施例4の太陽電池セルを作製した。ボロン吸着工程は、10分間実施した。図7は、実施例4にかかる太陽電池セルのボロンプロファイルを示す特性図である。また、実施例4の太陽電池セルの中間層12およびp型非晶質シリコン薄膜層13のボロン濃度および膜厚条件を表1に併せて示す。
Further, a solar cell of Example 4 was fabricated in the same manner as the solar cell of Example 2 except that the boron adsorption process described in Embodiment 2 was performed. The boron adsorption process was carried out for 10 minutes. FIG. 7 is a characteristic diagram showing a boron profile of the solar battery cell according to Example 4. Table 1 also shows the boron concentration and film thickness conditions of the
実施例4の太陽電池セルでは、基本的な製造工程は実施例2の場合と同じであるが、ボロン吸着工程を実施したことにより、実施例2の場合は形成されない第3中間層123が形成される。また、実施例4では実施例3よりもボロン吸着工程を長く実施しているため、第3中間層123のボロン濃度が実施例3よりも高くなる。
In the solar cell of Example 4, the basic manufacturing process is the same as in Example 2, but the third
また、比較のために、p型非晶質シリコン薄膜層のボロン濃度を膜厚方向において一定の濃度:1×1021atoms/cm3としたこと以外は実施例1の太陽電池セルと同様にして比較例1の太陽電池セルを作製した。この場合は、低濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜の形成工程および高濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜の形成工程の代わりに、ボロン濃度を1×1021atoms/cm3として高濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜の形成工程のみを行って、膜厚方向におけるボロン濃度が一定なp型非晶質シリコン薄膜層31(以下、p型非晶質シリコン薄膜層31と呼ぶ場合がある)を形成する。このとき、高濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜の形成時におけるジボラン(B2H6)のガス流量を1sccmとした。また、p型非晶質シリコン薄膜層31の膜厚を4nmとすることで、比較例1と実施例1とのp型非晶質シリコン薄膜層の膜厚をそろえた。
For comparison, the p-type amorphous silicon thin film layer has the same boron concentration as that of the solar cell of Example 1 except that the boron concentration is constant in the film thickness direction: 1 × 10 21 atoms / cm 3. Thus, a solar battery cell of Comparative Example 1 was produced. In this case, instead of the step of forming the low-concentration boron-doped p-type amorphous silicon film and the step of forming the high-concentration boron-doped p-type amorphous silicon film, the boron concentration is set to 1 × 10 21 atoms / cm 3 and high-concentration boron-doped. The p-type amorphous silicon thin film layer 31 (hereinafter, referred to as the p-type amorphous silicon thin film layer 31) having a constant boron concentration in the film thickness direction by performing only the process of forming the p-type amorphous silicon film may be used. ). At this time, the gas flow rate of diborane (B 2 H 6 ) during the formation of the high-concentration boron-doped p-type amorphous silicon film was set to 1 sccm. In addition, the film thickness of the p-type amorphous silicon
図8は、比較例1にかかる太陽電池セルのボロンプロファイルを示す特性図である。なお、便宜上、比較例1にかかる太陽電池セルにおいて、ボロン濃度は対応しないが実施例1の太陽電池セルにおける第1中間層121、第2中間層122および第3中間層123に相当する領域を同様にそれぞれ第1中間層121、第2中間層122および第3中間層123と示す。また、比較例1の太陽電池セルの中間層12およびp型非晶質シリコン薄膜層のボロン濃度および膜厚条件を表1に併せて示す。
FIG. 8 is a characteristic diagram showing a boron profile of a solar battery cell according to Comparative Example 1. For convenience, in the solar cell according to Comparative Example 1, the boron concentration does not correspond, but regions corresponding to the first
比較例1の太陽電池セルでは、高濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜から真性非晶質シリコン膜12a中にボロンが拡散して中間層12が形成されるため、第1中間層121および第3中間層123のボロン濃度が実施例1よりも高くなる。
In the solar cell of Comparative Example 1, since the
また、比較のために、高濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜の形成時におけるジボラン(B2H6)のガス流量を1sccmから0.5sccmに減少して、p型非晶質シリコン薄膜層のボロン濃度を膜厚方向において一定の濃度:1×1020atoms/cm3としたこと以外は比較例1の太陽電池セルと同様にして、比較例2の太陽電池セルを作製した。図9は、比較例2にかかる太陽電池セルのボロンプロファイルを示す特性図である。なお、便宜上、比較例2にかかる太陽電池セルにおいてボロン濃度は対応しないが実施例1の太陽電池セルにおける第1中間層121、第2中間層122および第3中間層123に相当する領域を同様にそれぞれ第1中間層121、第2中間層122および第3中間層123と示す。また、比較例2の太陽電池セルの中間層12およびp型非晶質シリコン薄膜層のボロン濃度および膜厚条件を表1に併せて示す。
For comparison, the gas flow rate of diborane (B 2 H 6 ) during the formation of the high-concentration boron-doped p-type amorphous silicon film is reduced from 1 sccm to 0.5 sccm, and the p-type amorphous silicon thin film layer A solar battery cell of Comparative Example 2 was fabricated in the same manner as the solar battery cell of Comparative Example 1 except that the boron concentration was constant in the film thickness direction: 1 × 10 20 atoms / cm 3 . FIG. 9 is a characteristic diagram showing a boron profile of a solar battery cell according to Comparative Example 2. For convenience, the boron concentration does not correspond in the solar cell according to Comparative Example 2, but the regions corresponding to the first
比較例2の太陽電池セルでは、膜厚方向におけるボロン濃度が一定なp型非晶質シリコン薄膜層31のボロン濃度は実施例1の低濃度ボロンドープp型非晶質シリコン膜13a(第1p型非晶質シリコン薄膜層131)と同じであり、p型非晶質シリコン薄膜層31全体としてのボロン量が実施例1のp型非晶質シリコン膜13に比べて少なく、中間層へのボロンの拡散量が少なくなるため、第3中間層123が形成されない。
In the solar cell of Comparative Example 2, the boron concentration of the p-type amorphous silicon
以上のように作製された実施例1〜実施例4、比較例1、比較例2の太陽電池セルにおいて太陽電池のJV特性である短絡電流密度Jsc(mA/cm2)、開放電圧Voc(V)およびフィルファクターFFを測定した。その結果を表2に示す。 The short-circuit current density Jsc (mA / cm 2 ) and the open-circuit voltage Voc (V) which are the JV characteristics of the solar battery in the solar battery cells of Examples 1 to 4, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 manufactured as described above. ) And fill factor FF were measured. The results are shown in Table 2.
実施例1と比較例1とを比較すると、実施例1は比較例1よりもVocが増加し、光電変換効率(%)が向上したことが分かる。実施例1の光電変換効率が向上した理由として、実施例1は比較例1に比べて第1中間層121および第3中間層123のボロン濃度が低減していることによる、ボロンにより誘起される中間層12中の欠陥の低減効果に起因すると考えられる。
When Example 1 is compared with Comparative Example 1, it can be seen that Example 1 has an increased Voc and a higher photoelectric conversion efficiency (%) than Comparative Example 1. The reason why the photoelectric conversion efficiency of Example 1 is improved is that Example 1 is induced by boron because the boron concentrations of the first
図10は、非晶質シリコン膜中のボロン濃度(atoms/cm3)と欠陥密度(a.u.)との相関を示す特性図である。なお、図10の縦軸では、ボロン濃度が1×1018atoms/cm3の場合を基準(=1)として示している。図10より、非晶質シリコン膜中のボロン濃度を減らすほど欠陥密度は減少することが分かる。そして、ボロン濃度が1×1021atoms/cm3の場合の欠陥密度は、基準の数十倍にもなる。したがって、実施例1のように、低濃度ボロンドープp型非晶質シリコン成膜工程を適用し、p型非晶質シリコン薄膜層13のうち初期に成膜されて第1中間層121中のボロン濃度に影響を及ぼす第1p型非晶質シリコン薄膜層131のボロン濃度を1×1020atoms/cm3以下とすることが第1中間層121中の欠陥低減を図る上で有効である。
FIG. 10 is a characteristic diagram showing the correlation between the boron concentration (atoms / cm 3 ) in the amorphous silicon film and the defect density (au). Note that the vertical axis in FIG. 10 shows the case where the boron concentration is 1 × 10 18 atoms / cm 3 as a reference (= 1). FIG. 10 shows that the defect density decreases as the boron concentration in the amorphous silicon film decreases. The defect density when the boron concentration is 1 × 10 21 atoms / cm 3 is several tens of times the reference. Therefore, as in the first embodiment, the boron-doped p-type amorphous silicon film forming step is applied, and boron in the first
また、実施例2〜実施例4と比較例1とを比較した場合も、実施例2〜実施例4は比較例1よりもVocが増加し、光電変換効率(%)が向上したことが分かる。実施例2〜実施例4の光電変換効率が向上した理由は、実施例1と同様に、比較例1に比べて、中間層12のボロン濃度が低減していることによる、ボロンにより誘起される中間層12中の欠陥の低減効果に起因すると考えられる。
Moreover, also when Example 2-Example 4 and Comparative Example 1 are compared, it turns out that Voc increased compared with Comparative Example 1 and Example 2-Example 4 improved photoelectric conversion efficiency (%). . The reason why the photoelectric conversion efficiencies of Examples 2 to 4 are improved is, as in Example 1, induced by boron due to the reduced boron concentration of the
比較例2と実施例1と比較例1とを比較すると、比較例2のVocは、比較例1よりも増加するが、実施例1よりも低下することがわかる。また、比較例2のFFは、比較例1および実施例1よりも低下することがわかる。 When Comparative Example 2, Example 1 and Comparative Example 1 are compared, it can be seen that Voc of Comparative Example 2 increases compared to Comparative Example 1, but decreases compared to Example 1. Moreover, it turns out that FF of the comparative example 2 falls rather than the comparative example 1 and Example 1. FIG.
比較例2のVocが比較例1に比べて増加したのは、実施例1と同様に、比較例2は比較例1に比べて第1中間層121および第3中間層123に相当する領域のボロン濃度が低減していることによる、ボロンにより誘起される中間層12中の欠陥の低減効果に起因すると考えられる。すなわち、第1中間層121中のボロン濃度に影響するp型非晶質シリコン薄膜層31のボロン濃度を1×1020atoms/cm3以下としたことにより、第1中間層121および第3中間層123に相当する領域のボロン濃度が低減し、ボロンにより誘起される中間層12中の欠陥が低減されたと考えられる。
The Voc of Comparative Example 2 increased compared to Comparative Example 1, as in Example 1, Comparative Example 2 compared to Comparative Example 1 in the region corresponding to the first
一方、p型非晶質シリコン薄膜層31中のボロン濃度がp型非晶質シリコン薄膜層13中のボロン濃度よりも高いためp型非晶質シリコン薄膜層13中の欠陥がp型非晶質シリコン薄膜層31中の欠陥よりも多くなるにもかかわらず、比較例2のVocが実施例1に比べて低下したのは、比較例2においてn型単結晶シリコン基板11に隣接する第2中間層122とn型単結晶シリコン基板11との界面でのバンドオフセットの増加の影響と考えられる。
On the other hand, since the boron concentration in the p-type amorphous silicon
図11は、非晶質シリコン膜中のボロン濃度(atoms/cm3)とバンドギャップとの相関を示す特性図である。図11より、非晶質シリコン膜中のボロン濃度が低減するほどバンドギャップは増加することがわかる。このため、ボロン濃度の低下により中間層のバンドギャップが大きい場合には、バンドギャップが比較的低いn型単結晶シリコン基板11と中間層との間で広いバンドオフセットが形成される。すなわち、比較例2の場合は第2中間層122とn型単結晶シリコン基板11との間で広いバンドオフセットが形成されている。
FIG. 11 is a characteristic diagram showing the correlation between the boron concentration (atoms / cm 3 ) in the amorphous silicon film and the band gap. FIG. 11 shows that the band gap increases as the boron concentration in the amorphous silicon film decreases. Therefore, when the band gap of the intermediate layer is large due to the decrease in boron concentration, a wide band offset is formed between the n-type single
また、同様に、中間層12のボロン濃度低減による中間層12中の欠陥の低減効果があるものの実施例4のVocが実施例よりも低下している理由も、第3中間層123とn型単結晶シリコン基板11との界面でのバンドオフセットの増加が影響していると考えられる。なお、実施例2では、第3中間層123が存在しないため、バンドオフセットの緩和効果は無い。
Similarly, although there is an effect of reducing defects in the
これらのことから、n型単結晶シリコン基板11に隣接する第3中間層123のボロン濃度は、欠陥低減効果とバンドオフセット増大とのトレードオフの影響を考慮して、1×1018atoms/cm3以上、1×1020atoms/cm3以下とされることがVocの向上に有効であり、実施例1、実施例3および実施例4のVocの結果から1×1020atoms/cm3未満とされることがより好ましい。
Accordingly, the boron concentration of the third
一方、比較例2のFFの低下はp型非晶質シリコン薄膜層のボロン濃度の低下による導電率の低下の影響で生じている。すなわち、上記のように第1p型非晶質シリコン薄膜層131のボロン濃度を1×1020atoms/cm3以下とすることは第1中間層121中の欠陥低減を図る上で有効であるが、その一方で導電率の低下の影響でFFの低下が生じる。このことから、p型非晶質シリコン薄膜層の一部の領域には1×1020atoms/cm3より高いボロン濃度を必要とする。そして、実施例1〜実施例4、比較例1、比較例2の結果から、1×1021atoms/cm3以上の第3p型非晶質シリコン薄膜層133とを有することにより、高いFF値が得られる。
On the other hand, the decrease in FF in Comparative Example 2 is caused by the effect of a decrease in conductivity due to a decrease in boron concentration in the p-type amorphous silicon thin film layer. That is, as described above, setting the boron concentration of the first p-type amorphous silicon
したがって、p型非晶質シリコン薄膜層13は、1×1019atoms/cm3以上、1×1020atoms/cm3以下の相対的に低いボロン濃度を有する第1p型非晶質シリコン薄膜層131と、1×1021atoms/cm3以上の相対的に高いボロン濃度を有する第3p型非晶質シリコン薄膜層133とを有することが、第1中間層121中のFFの低減を抑制する上で有効である。
Therefore, the p-type amorphous silicon
また、上記においては結晶系半導体基板としてn型単結晶シリコン基板を用いる場合について説明したが、結晶系半導体基板は少なくとも表面が一導電型の結晶系シリコン層を構成するものであればよい。例えば結晶系半導体基板として、n型多結晶シリコン基板、n型多結晶シリコン基板の表面に所望の厚さのn型単結晶シリコン層を形成した基板を用いてもよい。また、p型単結晶シリコン基板、p型多結晶シリコン基板またはp型多結晶シリコン基板の表面に所望の厚さのp型単結晶シリコン層を形成した基板を用いてもよい。p型の基板を用いる場合には、導電型半導体層としてn型不純物(ドナー)がドープされたn型シリコン薄膜層を形成する。 In the above description, the case where an n-type single crystal silicon substrate is used as the crystalline semiconductor substrate has been described. However, it suffices that the crystalline semiconductor substrate has at least the surface constituting a crystalline silicon layer of one conductivity type. For example, an n-type polycrystalline silicon substrate or a substrate in which an n-type single crystal silicon layer having a desired thickness is formed on the surface of the n-type polycrystalline silicon substrate may be used as the crystalline semiconductor substrate. Alternatively, a p-type single crystal silicon substrate, a p-type polycrystalline silicon substrate, or a substrate in which a p-type single crystal silicon layer having a desired thickness is formed on the surface of the p-type polycrystalline silicon substrate may be used. In the case of using a p-type substrate, an n-type silicon thin film layer doped with an n-type impurity (donor) is formed as a conductive semiconductor layer.
また、上記の実施の形態で説明した構成を有する太陽電池セルを複数形成し、隣接する太陽電池セル同士を電気的に接続することにより、光電変換効率に優れた太陽電池モジュールが実現できる。この場合は、隣接する太陽電池セルの一方の集電電極15と他方の集電電極19とを電気的に接続すればよい。
Moreover, the solar cell module excellent in photoelectric conversion efficiency is realizable by forming several photovoltaic cells which have the structure demonstrated in said embodiment, and electrically connecting adjacent photovoltaic cells. In this case, one
以上のように、本発明にかかる太陽電池は、導電型半導体層と結晶系半導体基板との接合構造を有する太陽電池の光電変換効率の向上に有用であり、特に、ボロンがドープされたシリコン系薄膜と結晶系シリコン基板との接合構造を有する太陽電池に適している。 As described above, the solar cell according to the present invention is useful for improving the photoelectric conversion efficiency of a solar cell having a junction structure of a conductive semiconductor layer and a crystalline semiconductor substrate, and in particular, a silicon-based silicon doped with boron. It is suitable for a solar cell having a junction structure between a thin film and a crystalline silicon substrate.
10 太陽電池セル、11 n型単結晶シリコン基板、12 中間層、12a 真性非晶質シリコン膜、13 p型非晶質シリコン薄膜層、13a p型非晶質シリコン膜、14 透光性電極、15 集電電極、16 真性非晶質シリコン薄膜層、17 n型非晶質シリコン薄膜層、18 透光性電極、19 集電電極、31 膜厚方向におけるボロン濃度が一定なp型非晶質シリコン薄膜層、121 第1中間層、122 第2中間層、123 第3中間層、131 第1p型非晶質シリコン薄膜層、132 第2p型非晶質シリコン薄膜層、133 第3p型非晶質シリコン薄膜層。 10 solar cell, 11 n-type single crystal silicon substrate, 12 intermediate layer, 12a intrinsic amorphous silicon film, 13 p-type amorphous silicon thin film layer, 13a p-type amorphous silicon film, 14 translucent electrode, 15 current collecting electrode, 16 intrinsic amorphous silicon thin film layer, 17 n-type amorphous silicon thin film layer, 18 translucent electrode, 19 current collecting electrode, 31 p-type amorphous material having a constant boron concentration in the film thickness direction Silicon thin film layer, 121 First intermediate layer, 122 Second intermediate layer, 123 Third intermediate layer, 131 First p-type amorphous silicon thin film layer, 132 Second p-type amorphous silicon thin film layer, 133 Third p-type amorphous Quality silicon thin film layer.
Claims (18)
前記逆導電型半導体薄膜層は、
前記半導体中間層に隣接して設けられて相対的に低く膜厚方向において一定の逆導電型不純物濃度を有する第1半導体薄膜層と、
前記第1集電電極側に設けられて相対的に高く膜厚方向において一定の逆導電型不純物濃度を有する第2半導体薄膜層と、
を有し、
前記半導体中間層は、
前記第1半導体薄膜層に隣接して逆導電型不純物濃度が前記第1半導体薄膜層側から前記一導電型結晶系半導体基板側に向かって前記第1半導体薄膜層の逆導電型不純物濃度と略同一濃度から単調に減少する第1中間層と、
前記第1中間層の前記一導電型結晶系半導体基板側に隣接して前記第1中間層よりも逆導電型不純物濃度が低い第2中間層と、
を有することを特徴とする太陽電池。 A semiconductor intermediate layer, the reverse-conductivity-type semiconductor thin film layer, and the first current collecting electrode are provided in this order on one surface of the one-conductivity-type crystalline semiconductor substrate, Having a conductive semiconductor thin film layer and a second collector electrode in this order;
The reverse conductivity type semiconductor thin film layer is
A first semiconductor thin film layer that is provided adjacent to the semiconductor intermediate layer and has a relatively low impurity concentration in the film thickness direction and having a constant reverse conductivity type;
A second semiconductor thin film layer provided on the side of the first current collecting electrode and having a relatively high concentration of reverse conductivity type impurities in the film thickness direction;
Have
The semiconductor intermediate layer is
The reverse conductivity type impurity concentration adjacent to the first semiconductor thin film layer is substantially equal to the reverse conductivity type impurity concentration of the first semiconductor thin film layer from the first semiconductor thin film layer side toward the one conductive type crystalline semiconductor substrate side. A first intermediate layer that monotonously decreases from the same concentration;
A second intermediate layer having a reverse conductivity type impurity concentration lower than that of the first intermediate layer adjacent to the first conductive type crystalline semiconductor substrate side of the first intermediate layer;
A solar cell comprising:
前記半導体中間層がシリコン系中間層であり、
前記逆導電型半導体薄膜層がp型シリコン系薄膜層であり、
前記一導電型半導体薄膜層がn型シリコン系薄膜層であり、
前記逆導電型不純物濃度がp型不純物濃度であり、
前記第1半導体薄膜層が第1p型シリコン系薄膜層であり、
前記第2半導体薄膜層が第2p型シリコン系薄膜層であること、
を特徴とする請求項1に記載の太陽電池。 The one-conductivity-type crystalline semiconductor substrate is an n-type crystalline silicon substrate;
The semiconductor intermediate layer is a silicon-based intermediate layer;
The reverse conductivity type semiconductor thin film layer is a p-type silicon thin film layer;
The one-conductivity-type semiconductor thin film layer is an n-type silicon thin film layer;
The reverse conductivity type impurity concentration is a p-type impurity concentration;
The first semiconductor thin film layer is a first p-type silicon thin film layer;
The second semiconductor thin film layer is a second p-type silicon-based thin film layer;
The solar cell according to claim 1.
前記p型シリコン系薄膜層がp型非晶質シリコン薄膜層であり、
前記第1中間層と前記第2中間層とが非晶質シリコン層であり、
前記p型不純物がボロンであること、
を特徴とする請求項2に記載の太陽電池。 The n-type crystalline silicon substrate is an n-type single crystal silicon substrate;
The p-type silicon-based thin film layer is a p-type amorphous silicon thin film layer;
The first intermediate layer and the second intermediate layer are amorphous silicon layers;
The p-type impurity is boron;
The solar cell according to claim 2.
前記第2p型シリコン系薄膜層のボロン濃度が、1×1021atoms/cm3以上であり、
前記第1中間層のボロン濃度が、1×1018atoms/cm3以上、1×1020atoms/cm3未満であり、
前記第2中間層のボロン濃度が、1×1018atoms/cm3未満であること、
を特徴とする請求項3に記載の太陽電池。 The boron concentration of the first p-type silicon-based thin film layer is 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more and 1 × 10 20 atoms / cm 3 or less,
The boron concentration of the second p-type silicon-based thin film layer is 1 × 10 21 atoms / cm 3 or more,
The boron concentration of the first intermediate layer is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or more and less than 1 × 10 20 atoms / cm 3 ;
The boron concentration of the second intermediate layer is less than 1 × 10 18 atoms / cm 3 ;
The solar cell according to claim 3.
を特徴とする請求項4に記載の太陽電池。 The film thickness of the first intermediate layer is 1 nm or less;
The solar cell according to claim 4.
を特徴とする請求項3〜5のいずれか1つに記載の太陽電池。 A third intermediate is provided between the second intermediate layer and the n-type crystalline silicon substrate, and the p-type impurity concentration monotonously decreases from the n-type crystalline silicon substrate side toward the second intermediate layer side. Having a layer,
The solar cell according to claim 3, wherein:
を特徴とする請求項6に記載の太陽電池。 The boron concentration at the interface of the third intermediate layer on the n-type crystalline silicon substrate side is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or more and 1 × 10 20 atoms / cm 3 or less;
The solar cell according to claim 6.
を特徴とする請求項7に記載の太陽電池。 The film thickness of the third intermediate layer is 1 nm or less;
The solar cell according to claim 7.
前記真性の半導体薄膜上に逆導電型不純物濃度が第1の濃度の第1逆導電型半導体薄膜を形成する第2工程と、
前記第1逆導電型半導体薄膜上に逆導電型不純物濃度が前記第1の濃度より高い第2の濃度の第2逆導電型半導体薄膜を形成する第3工程と、
を含み、
前記第1工程および前記第2工程では、前記第1逆導電型半導体薄膜から逆導電型不純物が前記真性の半導体薄膜に拡散することにより、半導体中間層として、
逆導電型不純物濃度が前記第1逆導電型半導体薄膜側から前記一導電型結晶系半導体基板側に向かって前記第1の濃度と略同一濃度から単調に減少する第1中間層と、
前記第1中間層の前記一導電型結晶系半導体基板側に隣接して前記第1中間層よりも逆導電型不純物濃度が低い第2中間層と、
が形成されること、
を特徴とする太陽電池の製造方法。 A first step of forming an intrinsic semiconductor thin film on one surface of a one-conductivity-type crystalline semiconductor substrate;
A second step of forming a first reverse conductivity type semiconductor thin film having a first concentration of reverse conductivity type impurities on the intrinsic semiconductor thin film;
Forming a second reverse-conductivity-type semiconductor thin film having a second concentration higher than the first concentration on the first reverse-conductivity-type semiconductor thin film;
Including
In the first step and the second step, reverse conductive impurities diffuse from the first reverse conductive semiconductor thin film into the intrinsic semiconductor thin film,
A first intermediate layer in which a reverse conductivity type impurity concentration monotonously decreases from substantially the same concentration as the first concentration from the first reverse conductivity type semiconductor thin film side toward the one conductivity type crystalline semiconductor substrate side;
A second intermediate layer having a reverse conductivity type impurity concentration lower than that of the first intermediate layer adjacent to the first conductive type crystalline semiconductor substrate side of the first intermediate layer;
Is formed,
A method for manufacturing a solar cell.
前記真性の半導体薄膜が真性のシリコン系薄膜であり、
前記逆導電型不純物濃度がp型不純物濃度であり、
前記第1逆導電型半導体薄膜が第1p型シリコン系薄膜であり、
前記第2逆導電型半導体薄膜が第2p型シリコン系薄膜であること、
を特徴とする請求項9に記載の太陽電池の製造方法。 The one-conductivity-type crystalline semiconductor substrate is an n-type crystalline silicon substrate;
The intrinsic semiconductor thin film is an intrinsic silicon-based thin film,
The reverse conductivity type impurity concentration is a p-type impurity concentration;
The first reverse conductivity type semiconductor thin film is a first p-type silicon-based thin film;
The second reverse conductivity type semiconductor thin film is a second p-type silicon-based thin film;
The method for producing a solar cell according to claim 9.
前記真性のシリコン系薄膜が真性の非晶質シリコン膜であり、
前記p型不純物がボロンであり、
前記第1p型シリコン系薄膜と前記第2p型シリコン系薄膜とがp型非晶質シリコン薄膜であり、
前記第1中間層と前記第2中間層とが非晶質シリコン層であること、
を特徴とする請求項10に記載の太陽電池の製造方法。 The n-type crystalline silicon substrate is an n-type single crystal silicon substrate;
The intrinsic silicon thin film is an intrinsic amorphous silicon film,
The p-type impurity is boron;
The first p-type silicon thin film and the second p-type silicon thin film are p-type amorphous silicon thin films;
The first intermediate layer and the second intermediate layer are amorphous silicon layers;
The method for manufacturing a solar cell according to claim 10.
前記n型結晶系シリコン基板の一面側にボロンを吸着させる工程を有すること、
を特徴とする請求項10に記載の太陽電池の製造方法。 Before the first step,
Having a step of adsorbing boron on one side of the n-type crystalline silicon substrate;
The method for manufacturing a solar cell according to claim 10.
前記第2p型シリコン系薄膜のボロン濃度が、1×1021atoms/cm3以上であり、
前記第1中間層のボロン濃度が、1×1018atoms/cm3以上、1×1020atoms/cm3未満であり、
前記第2中間層のボロン濃度が、1×1018atoms/cm3未満であること、
を特徴とする請求項11または12に記載の太陽電池の製造方法。 The boron concentration of the first p-type silicon-based thin film is 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more and 1 × 10 20 atoms / cm 3 or less,
The boron concentration of the second p-type silicon thin film is 1 × 10 21 atoms / cm 3 or more,
The boron concentration of the first intermediate layer is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or more and less than 1 × 10 20 atoms / cm 3 ;
The boron concentration of the second intermediate layer is less than 1 × 10 18 atoms / cm 3 ;
The method for producing a solar cell according to claim 11 or 12, wherein:
を特徴とする請求項13に記載の太陽電池の製造方法。 The film thickness of the first intermediate layer is 1 nm or less;
The method for manufacturing a solar cell according to claim 13.
を特徴とする請求項11〜14のいずれか1つに記載の太陽電池の製造方法。 In the first step and the second step, a p-type impurity concentration is provided between the second intermediate layer and the n-type crystalline silicon substrate so that the p-type impurity concentration is from the n-type crystalline silicon substrate side to the second intermediate layer. Forming a third intermediate layer that decreases monotonously toward the side;
The method for manufacturing a solar cell according to claim 11, wherein:
を特徴とする請求項15に記載の太陽電池の製造方法。 The boron concentration at the interface of the third intermediate layer on the n-type crystalline silicon substrate side is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or more and 1 × 10 20 atoms / cm 3 or less;
The method for producing a solar cell according to claim 15.
を特徴とする請求項16に記載の太陽電池の製造方法。 The film thickness of the third intermediate layer is 1 nm or less;
The method for manufacturing a solar cell according to claim 16.
を特徴とする太陽電池モジュール。 At least two or more of the solar cells according to any one of claims 1 to 8 are electrically connected in series or in parallel;
A solar cell module characterized by.
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