JP2015060847A - 太陽電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】光電変換効率を高めることができる太陽電池を提供する。【解決手段】第１の主面３、及び第１の主面３と反対側に設けられる第２の主面４を有する一導電型の結晶シリコン基板２と、第１の主面３側に設けられる他導電型の第１の非晶質シリコン膜５，６と、第２の主面４側に設けられる一導電型の第２の非晶質シリコン膜７，８と、第２の非晶質シリコン膜８に接触するコンタクト層１１と、コンタクト層１１に接触するＭｇ（マグネシウム）ドープ酸化亜鉛層１２と、第１の非晶質シリコン膜６の上に設けられる第１の電極層９と、Ｍｇドープ酸化亜鉛層１２の上に設けられる第２の電極層１３とを備え、コンタクト層１１の格子定数が、Ｍｇドープ酸化亜鉛層１２の格子定数の?３０％の範囲内である。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池に関する。
太陽電池は、一般に、光入射側に設けられる透明電極層と、光入射側の反対側に設けられる裏面電極層との間に、光電変換部が設けられている。太陽電池の光電変換効率を高めるため、光電変換部と裏面電極との間に、入射した光の一部を反射する反射層を設けることが提案されている（特許文献１）。
国際公開公報 第２０１２／１０５１４６号
本発明の目的は、光電変換効率を高めることができる太陽電池を提供することにある。
本発明の太陽電池は、第１の主面、及び前記第１の主面と反対側に設けられる第２の主面を有する一導電型の結晶シリコン基板と、前記第１の主面側に設けられる他導電型の第１の非晶質シリコン膜と、前記第２の主面側に設けられる一導電型の第２の非晶質シリコン膜と、前記第２の非晶質シリコン膜に接触するコンタクト層と、前記コンタクト層に接触するＭｇドープ酸化亜鉛層と、前記第１の非晶質シリコン膜の上に設けられる第１の電極層と、前記Ｍｇドープ酸化亜鉛層の上に設けられる第２の電極層とを備え、前記コンタクト層の格子定数が、前記Ｍｇドープ酸化亜鉛層の格子定数の±３０％の範囲内である。
本発明によれば、光電変換効率を高めることができる。
第１の実施形態の太陽電池の積層構造を示す模式的断面図である。
以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。
図１は、第１の実施形態の太陽電池の積層構造を示す模式的断面図である。図１に示す太陽電池１は、一導電型の結晶シリコン基板２を備えている。一導電型の結晶シリコン基板２は、第１の主面３及び第２の主面４を有している。第１の主面３の上には、真性の非晶質シリコン膜５が形成されている。非晶質シリコン膜５の上には、他導電型の第１の非晶質シリコン膜６が形成されている。他導電型の第１の非晶質シリコン膜６の上には、第１の電極層としての受光面電極層９が形成されている。受光面電極層９の上には、フィンガー電極１０が形成されている。
結晶シリコン基板２の第２の主面４上には、真性の非晶質シリコン膜７が形成されている。真性の非晶質シリコン膜７の上には、一導電型の第２の非晶質シリコン膜８が形成されている。第２の非晶質シリコン膜８の上には、コンタクト層１１が接触するように形成されている。コンタクト層１１の上には、Ｍｇドープ酸化亜鉛層１２が接触するように形成されている。Ｍｇドープ酸化亜鉛層１２の上には、第２の電極層としての裏面電極層１３が接触するように形成されている。なおコンタクト層１１は、第２の非晶質シリコン膜８とＭｇドープ酸化亜鉛層１２との間のコンタクト抵抗値を小さくするため挿入される層である。
結晶シリコン基板２は、単結晶シリコンから形成されていてもよいし、多結晶シリコンから形成されていてもよい。また、本明細書において、「非晶質シリコン」には、微結晶シリコンも含まれる。微結晶シリコンとは、非晶質シリコン中にシリコン結晶が析出しているものをいう。
以下、結晶シリコン基板２の導電型がｎ型であり、第１の非晶質シリコン膜６の導電型がｐ型であり、第２の非晶質シリコン膜８の導電型がｎ型である場合について説明する。
ｐ型の非晶質シリコン膜６におけるドーパント濃度は、ｉ型（真性）の非晶質シリコン膜５よりも高く、１×１０２０ｃｍ−３以上であることが好ましい。また、ｐ型の非晶質シリコン膜６の厚みは、光の吸収をできるだけ少なくするように薄くし、一方で光電変換部で発生したキャリアを接合部で効果的に分離し、かつキャリアを受光面電極層９で効率よく収集できる程度に厚くすることが好ましい。具体的には、ｐ型の非晶質シリコン膜６の厚みは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。
ｎ型の非晶質シリコン膜８におけるドーパント濃度は、ｉ型（真性）の非晶質シリコン膜７よりも高く、１×１０２０ｃｍ−３以上であることが好ましい。また、ｎ型の非晶質シリコン膜８の厚みは、結晶シリコン基板２内部で発生したキャリアを接合部で効果的に分離し、かつキャリアを裏面電極層１３で効率よく収集できる程度に厚くすることが好ましく、具体的には、ｎ型の非晶質シリコン膜８の厚みは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。
ｉ型（真性）の非晶質シリコン膜５及び７におけるｐ型またはｎ型のドーパント濃度は、５×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。また、非晶質シリコン膜５及び７の厚みは、光の吸収をできるだけ抑えられるように薄くし、一方で結晶シリコン基板２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。具体的には、１ｎｍ以上２５ｎｍ以下であることが好ましく、さらには２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。
コンタクト層１１の格子定数は、Ｍｇドープ酸化亜鉛層１２の格子定数の±３０％の範囲内であり、好ましくは±１０％の範囲内であり、さらに好ましくは±５％の範囲内である。ここで、格子定数は、ａ軸方向の格子定数である。コンタクト層１１の格子定数を上記の範囲内に設定することにより、フィルファクター（Ｆ.Ｆ.）の低減を抑制でき、短絡電流（Ｉｓｃ）を向上することができる。したがって、光電変換効率を高めることができる。
コンタクト層１１は、酸化亜鉛層であることが好ましく、Ｇａ（ガリウム）またはＡｌ（アルミニウム）がドープされた酸化亜鉛層であることがさらに好ましい。本実施形態では、Ｇａドープ酸化亜鉛層である。Ｇａドープ酸化亜鉛層におけるＧａの含有量は、０．１ａｔ％以上１０ａｔ％以下であることが好ましく、さらには０．５ａｔ％以上５ａｔ％以下であることが好ましい。Ｇａの含有量を上記の範囲内にすることにより、入射する光の吸収を抑えつつ、電気抵抗が高くなることを抑制できる。
コンタクト層１１の厚みは、１０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であることが好ましく、さらには２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。コンタクト層１１の厚みを上記の範囲内にすることにより、入射する光の吸収を抑えつつ、コンタクト抵抗が高くなることを抑制できる。
Ｍｇドープ酸化亜鉛層１２は、本実施形態において、低屈折率層として機能する。Ｍｇドープ酸化亜鉛層１２の屈折率は、１．７以上１．９以下であることが好ましい。Ｍｇドープ酸化亜鉛層１２におけるＭｇの含有量は、０ａｔ％より多く、かつ２５ａｔ％以下であることが好ましく、さらには０ａｔ％より多く１５ａｔ％以下であることが好ましい。Ｍｇの含有量を上記の範囲内にすることにより、入射する光の吸収を抑えつつ、電気抵抗が高くなることを抑制できる。
Ｍｇドープ酸化亜鉛層１２には、さらにＡｌがドープされていてもよい。
Ｍｇドープ酸化亜鉛層１２の厚みは、３０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であることが好ましく、さらには４０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であることが好ましい。コンタクト層１１の厚みを上記の範囲内にすることにより、入射する光の吸収を抑えつつ、電気抵抗が高くなることを抑制できる。
コンタクト層１１を、第２の非晶質シリコン膜８とＭｇドープ酸化亜鉛層１２との間に挿入することにより、第２の非晶質シリコン膜８との間のコンタクト抵抗値を、第２の非晶質シリコン膜８とＭｇドープ酸化亜鉛層１２との間のコンタクト抵抗値より小さくすることができる。本実施形態において、コンタクト層１１とＭｇドープ酸化亜鉛層１２の界面は反射層として機能する。したがって、結晶シリコン基板２を含む光電変換部を透過した光を、この反射層で反射して、光電変換部に再入射させることができる。これにより、短絡電流（Ｉｓｃ）を向上することができ、光電変換効率を高めることができる。
裏面電極層１３は、本実施形態において、Ｍｇドープ酸化亜鉛層１２の全面上に設けられている。裏面電極層１３は、例えば、Ｃｕ（銅）、Ａｇ（銀）などの金属膜から形成することができる。本実施形態においては、Ｃｕ膜が形成されている。裏面電極層１３の厚みは、２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましく、さらには３００ｎｍ以上７００ｎｍ以下であることが好ましい。裏面電極層１３の厚みを上記の範囲内にすることにより、光電変換部でキャリアの損出を低減し、より良く収集することができる。
また、結晶シリコン基板２を透過した光は、Ｍｇドープ酸化亜鉛層１２と裏面電極層１３との界面は反射層として機能する。したがって、透明度が高く、光の吸収率が低いＭｇドープ酸化亜鉛層１２を用いることにより、光電変換部へ入射する光量を増加させることができ、太陽電池１の短絡電流（Ｉｓｃ）を向上できる。
受光面電極層９は、導電性及び透光性を有する材料から形成される。具体的には、酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛、酸化チタンなどの金属酸化物を用いることができる。これらの金属酸化物に、Ｗ（タングステン）、Ｓｎ（錫）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｅ（セリウム）、Ｇａ（ガリウム）などのドーパントがドープされていてもよい。金属酸化物層としては、酸化インジウム層であることが特に好ましい。
本実施形態において、受光面電極層９は、Ｗドープ酸化インジウム層から形成されている。Ｗドープ酸化インジウム層におけるＷの含有量は、０．３ａｔ％以上５ａｔ％以下であることが好ましく、さらには０．５ａｔ％以上２ａｔ％以下であることが好ましい。Ｗの含有量を上記の範囲内にすることにより、入射する光の吸収を抑えつつ、電気抵抗が高くなることを抑制できる。
受光面電極層９の厚みは、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることが好ましく、さらには７０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であることが好ましい。受光面電極層９の厚みを上記の範囲内にすることにより、入射する光の吸収を抑えつつ、電気抵抗が高くなることを抑制できる。
フィンガー電極１０は、一般的な太陽電池におけるフィンガー電極の形成方法より形成することができる。例えば、フィンガー電極１０は、Ａｇ（銀）ペーストを印刷することにより形成することができる。フィンガー電極１０と交差するバスバー電極を形成してもよい。しかしながら、バスバー電極を形成しないバスバーレスであってもよい。
太陽電池１の各層は、以下のようにして形成することができる。 まず、結晶シリコン基板２の表面は、各層の成膜前に洗浄されていることが好ましい。具体的には、フッ化水素酸溶液やＲＣＡ洗浄液を用いて行うことができる。また、水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ水溶液）等のアルカリ性エッチング液を用いて、結晶シリコン基板２の表面や裏面にテクスチャ構造を形成することが好ましい。この場合、（１００）面を有する結晶シリコン基板２をアルカリ性エッチング液で異方性エッチングすることによって、ピラミッド型の（１１１）面を有するテクスチャ構造を形成することができる。また、非晶質シリコン膜５および非晶質シリコン膜７との整合性を良くするために、非晶質シリコン膜５および非晶質シリコン膜７の成膜前に所定の酸化処理をして、酸化界面を形成してもよい。所定の酸化処理としては、大気や湿度制御された雰囲気中に所定時間放置するか、オゾン水処理、過酸化水素水処理、オゾナイザー処理などを適宜使用することが出来る。
非晶質シリコン膜５、非晶質シリコン膜６、非晶質シリコン膜７および非晶質シリコン膜８は、プラズマ化学気相成長、熱化学気相成長、光化学気相成長およびスパッタリングなどの方法により形成することができる。プラズマ化学気相成長には、ＲＦプラズマ方式、ＶＨＦプラズマ方式、さらにマイクロ波プラズマ方式などいずれの手法を用いてもよい。例えばＲＦプラズマ化学気相成長を用いる場合は、シラン（ＳｉＨ４）等のケイ素含有ガス、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）等のｐ型ドーパント含有ガスおよびホスフィン（ＰＨ３）等のｎ型ドーパント含有ガスを水素で希釈して供給し、平行平板電極等にＲＦ高周波電力を印加してプラズマ化して、加熱された結晶シリコン基板２の表面に供給することによって形成することができる。なお、成膜時の基板温度は１５０℃から２５０℃の範囲にあることが好ましい。また、成膜時のＲＦ電力密度は１ｍＷ／ｃｍ２から１０ｍＷ／ｃｍ２の範囲にあることが好ましい。
コンタクト層１１、Ｍｇドープ酸化亜鉛層１２、及び受光面電極層９は、スパッタリング、蒸着、化学気相成長等の薄膜形成方法により形成することができる。
裏面電極層１３は、スパッタリング、蒸着、化学気相成長法、印刷やめっき等の薄膜形成方法により形成することができる。
上記実施形態では、結晶シリコン基板と第１の非晶質シリコン膜及び第２の非晶質シリコン膜の間に、真性の非晶質シリコン膜が設けられているが、本発明をこれに限定されるものではない。結晶シリコン基板側の上に、直接第１の非晶質シリコン膜または第２の非晶質シリコン膜が設けられていてもよい。
上記各実施形態では、一導電型をｎ型、他導電型をｐ型とした例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、一導電型をｐ型、他導電型をｎ型としてもよい。また、上記各実施形態では、結晶シリコン基板２をｎ型、つまり一導電型とした例を示したが、本発明はこれに限定されるものでなく、ｐ型、つまり他導電型としてもよい。
１…太陽電池
２…結晶シリコン基板
３…第１の主面
４…第２の主面
５…真性の非晶質シリコン膜
６…第１の非晶質シリコン膜
７…真性の非晶質シリコン膜
８…第２の非晶質シリコン膜
９…受光面電極層
１０…フィンガー電極
１１…コンタクト層
１２…Ｍｇドープ酸化亜鉛層
１３…裏面電極層

Claims (8)

  1. 第１の主面、及び前記第１の主面と反対側に設けられる第２の主面を有する一導電型の結晶シリコン基板と、
    前記第１の主面側に設けられる他導電型の第１の非晶質シリコン膜と、
    前記第２の主面側に設けられる一導電型の第２の非晶質シリコン膜と、
    前記第２の非晶質シリコン膜に接触するコンタクト層と、
    前記コンタクト層に接触するＭｇドープ酸化亜鉛層と、
    前記第１の非晶質シリコン膜の上に設けられる第１の電極層と、
    前記Ｍｇドープ酸化亜鉛層の上に設けられる第２の電極層とを備え、
    前記コンタクト層の格子定数が、前記Ｍｇドープ酸化亜鉛層の格子定数の±３０％の範囲内である、太陽電池。
  2. 前記コンタクト層が、酸化亜鉛層である、請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記コンタクト層の厚みが、１０ｎｍ以上８０ｎｍ以下である、請求項２に記載の太陽電池。
  4. 前記酸化亜鉛層が、Ｇａドープ酸化亜鉛層である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽電池。
  5. 前記第２の電極層が、前記Ｍｇドープ酸化亜鉛層の全面上に設けられる金属膜である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の太陽電池。
  6. 前記第１の電極層が、酸化インジウム層である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の太陽電池。
  7. 前記酸化インジウム層が、Ｗドープ酸化インジウムである。請求項６に記載の太陽電池。
  8. 前記第１の非晶質シリコン膜と前記結晶シリコン基板との間、及び前記第２の非晶質シリコン膜と前記結晶シリコン基板との間の少なくともいずれか一方に、真性の非晶質シリコン膜が設けられている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の太陽電池。
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