JP2015133339A - 光電変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】光電変換装置における発電効率を向上させる技術を提供する。【解決手段】光電変換装置１００は、透光性を有する基板４０と、基板４０上に複数設けられ、単結晶半導体層（単結晶シリコン層２０）を含む光電変換セル５０と、隣接する光電変換セル５０との間の領域５０ｂに設けられ、単結晶半導体層より比抵抗が大きい半導体層（導電性シリコン層６０）と、を備える。導電性シリコン層６０は、例えば、多結晶シリコンで構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、光電変換装置に関し、特に透明基板上に複数の太陽電池を形成した光電変換装置に関する。
従来、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置として、いわゆる太陽電池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系シリコンを用いた太陽電池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）の太陽電池の開発も進んでいる。このタイプの太陽電池では、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、セル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太陽電池を複数形成した光電変換装置として、例えば、フロントガラス（透明基板）上に複数のウエハ（バックコンタクト型太陽電池）を取り付ける構造が知られている。こうした構造では、隣接するウエハ間にはウエハ間を平坦化（平滑化）するための絶縁部材が埋設されている（例えば、特許文献１参照）。
特表２０１１−５１７１３６号公報
光電変換装置では、さらなる発電効率の向上が求められている。前述の太陽電池を複数形成した光電変換装置では、隣接する太陽電池間の隙間は発電に寄与しておらず、こうした隙間を低減することが発電効率の向上に有効である。しかしながら、隣接する太陽電池間の隙間の低減には製法上の限界があった。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光電変換装置における発電効率を向上させる技術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電変換装置は、透光性を有する基板と、基板上に複数設けられ、単結晶半導体層を含む光電変換セルと、隣接する光電変換セルとの間の領域に設けられ、単結晶半導体層より比抵抗が大きい半導体層と、を備える。
本発明によれば、光電変換装置における発電効率を向上させることができる。
本実施の形態に係る光電変換装置の構造を示す断面図である。 本実施の形態に係る光電変換装置の構造を示す断面図である。 本実施の形態に係る光電変換装置の製造方法の工程を説明するための断面の模式図である。 本実施の形態に係る光電変換装置の製造方法の工程を説明するための断面の模式図である。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
図１は、本実施の形態に係る光電変換装置の構造を示す断面図である。以下の各図に示す各層、各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。
本実施の形態に係る光電変換装置１００は、図１に示すように、基板４０と、基板４０上に形成された複数の光電変換セル５０と、隣接する光電変換セル５０間に形成された導電性シリコン層６０と、光電変換セル５０を含む基板４０を被覆する充填材７０と、充填材７０上に形成された裏面基板８０と、を備える。なお、本実施の形態に係る光電変換装置１００では、光電変換セル５０の基板４０側が光の入射する受光面側となる。
基板４０は、光電変換セル５０で光電変換に利用される波長の光を透過する光学特性を有する透明基板とする。基板４０は、例えば、ガラス、プラスチック等を用いる。また、基板４０は、複数の光電変換セル５０を形成するための支持基板としても機能する。
光電変換セル５０のそれぞれは、図１に示すように、バックコンタクト型の光電変換セルで構成され、基板４０上に形成されたパッシベーション層１６と、パッシベーション層１６上に形成されたシード層１４と、シード層１４上に形成された単結晶シリコン層２０と、単結晶シリコン層２０の受光面と反対側の面に形成された第１電極領域２２および第２電極領域２４と、を備える。複数の光電変換セル５０は、基板４０上にマトリクス状に配置され、光電変換セル５０の第１電極領域２２と、隣接する光電変換セル５０の第２電極領域２４とを相互接続するタブ配線（図示せず）を介して直列に接続されている。
導電性シリコン層６０は、タブ配線を介して互いに直列に接続した光電変換セル５０間の隙間を埋め込むように形成されている。導電性シリコン層６０は、単結晶シリコン層２０よりシリコンの粒径が小さく比抵抗が大きい材料で構成され、例えば、多結晶シリコンが好適である。
また、隣接する光電変換セル５０間であってもタブ配線を介して互いに接続していない光電変換セル５０間は、導電性シリコン層６０を形成しないで互いに電気的に導通しないように構成される。あるいは、導電性シリコン層６０を形成する場合であっても、図２に示すように、導電性シリコン層６０の表面から基板４０に達する分離溝６２によって、上記した光電変換セル５０間を絶縁分離している。
充填材７０は、光電変換セル５０を含む基板４０上を被覆するように形成されている。充填材７０は、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）、ポリイミド等の樹脂材料とすることができる。また、裏面基板８０は、基板４０と同じガラス、プラスチック等を用いる。これによって、光電変換装置１００全体の強度を向上するとともに、光電変換装置１００への水分の浸入等を防ぐことができる。
（光電変換装置の製造方法）
図３および図４は、本実施の形態に係る光電変換装置の製造方法の工程を説明するための断面の模式図である。
図３（Ａ）に示すように、単結晶シリコン基板１０の表面を陽極酸化することにより、ポーラスシリコン層１２を形成する。陽極酸化法では、フッ酸とエタノールの混合液またはフッ酸と過酸化水素の混合を電解質として用い、電流密度は５ｍＡ／ｃｍ２から６００ｍＡ／ｃｍ２の範囲とし、より好ましくは１０ｍＡ／ｃｍ２とした。ポーラスシリコン層１２の厚さは１００ｎｍから３０μｍの範囲とし、より好ましくは１０μｍである。ポーラスシリコン層１２の空孔径は２０ｎｍから５μｍの範囲とし、より好ましくは１００ｎｍである。ポーラスシリコン層１２の空孔率は、１０％から７０％の範囲とし、より好ましくは２０％である。
図３（Ｂ）に示すように、ポーラスシリコン層１２を形成した単結晶シリコン基板１０に対して水素雰囲気において１１００℃で１０分間の熱処理を施す。この熱処理によりポーラスシリコン層１２の表面の凹凸が平坦化され、ポーラスシリコン層１２の表面領域に単結晶シリコンであるシード層１４が形成される。
図３（Ｃ）に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いてシード層１４上にパッシベーション層１６を形成する。パッシベーション層１６は、例えば、厚さ４０ｎｍのシリコン窒化膜（ＳｉＮ）が好適である。なお、こうしたパッシベーション層１６は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層構造体であってもよい。
図４（Ａ）に示すように、ポーラスシリコン層１２、シード層１４、及びパッシベーション層１６が形成された単結晶シリコン基板１０を複数用意し、支持基板となる基板４０上の所定の位置（光電変換セル形成領域５０ａ）に単結晶シリコン基板１０を接着する。この際、単結晶シリコン基板１０のパッシベーション層１６側が基板４０と対向するように配置して接着させる。
図４（Ｂ）に示すように、ポーラスシリコン層１２に物理的な分離力（例えば、機械力のような直接的な力や超音波のように媒体を介しての間接的な力）を作用させて、シード層１４（およびパッシベーション層１６）を単結晶シリコン基板１０から分離する。単結晶シリコン基板１０を分離する際、シード層１４側にポーラスシリコン層１２の一部が残存する場合には、ウェットエッチング等を施すことにより、シード層１４の表面上からポーラスシリコン層１２の一部を除去する。これにより、基板４０上の所定の位置（光電変換セル形成領域５０ａ）にシード層１４が転写された状態となる。
図４（Ｃ）に示すように、シード層１４を含む基板４０上にプラズマＣＶＤ法を用いてアモルファスシリコンからなるシリコン層１８を形成する。シリコン層１８の厚さは、１μｍから５０μｍの範囲とし、より好ましくは４０μｍである。なお、シリコン層１８は、多結晶シリコンあるいは微結晶シリコンからなるシリコン層であってもよい。
シリコン層１８は、例えば、平行平板型のＲＦプラズマＣＶＤ装置を用いて、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、ジクロルシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）等のシリコン含有ガス、メタン（ＣＨ４）等の炭素含有ガス、及び水素（Ｈ２）等の希釈ガスを混合した混合ガスをプラズマ化して成膜することができる。
また、シリコン層１８の膜質は、シリコン含有ガス及び希釈ガスの混合比、圧力及びプラズマ発生用高周波パワーを調整することによって変化させることができる。あるいは、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）等のｐ型ドーパント含有ガスあるいはフォスフィン（ＰＨ３）等のｎ型ドーパント含有ガスをさらに混合し、シリコン層１８をｐ型シリコン層あるいはｎ型シリコン層としてもよい。
図４（Ｄ）に示すように、基板４０上に形成されたシリコン層１８に対して熱プラズマジェット結晶化法による熱処理を施す。この熱処理によりシード層１４上のシリコン層１８を構成するアモルファスシリコンはシード層１４を構成する単結晶シリコンを核として、結晶の粒径が大きくなり単結晶化が促進され、単結晶シリコン層２０が形成される。一方、シード層１４が形成されていない領域５０ｂ（例えば、隣接するシード層１４間）ではランダムに結晶化が進むため、単結晶シリコン層１８ａより粒径が小さい多結晶シリコンからなる導電性シリコン層６０が形成される。この結果、シード層１４上に選択的に単結晶シリコン層２０が形成され、それ以外の領域５０ｂには単結晶シリコン層２０よりシリコンの粒径が小さく比抵抗が大きい導電性シリコン層６０が形成される。すなわち、シリコン層１８は、この熱処理により単結晶シリコン層２０と導電性シリコン層６０とに変換され、導電性シリコン層６０は単結晶シリコン層２０に接触するように形成される。
なお、図４（Ｃ）および図４（Ｄ）での工程において、シード層１４上にアモルファスシリコンからなるシリコン層１８を堆積後、熱処理により単結晶シリコン層２０を形成する方法を示したが、この方法以外にも、メゾプラズマＣＶＤ法を用いて、直接、シード層１４上に単結晶シリコン層２０を形成するとともに、シード層１４以外の領域５０ｂに多結晶シリコンからなる導電性シリコン層６０を選択的に形成することもできる。
図４（Ｅ）に示すように、単結晶シリコン層２０の受光面と反対側の面に、第１電極領域２２および第２電極領域２４をそれぞれ設け、単結晶シリコン層２０内に太陽電池として機能するダイオードを形成する。これにより、バックコンタクト型の光電変換セル５０が形成される。第１電極領域２２および第２電極領域２４は、例えば、ｎ型半導体およびｐ型半導体となる不純物の拡散領域と、拡散領域上に形成される集電極とにより構成される。拡散領域は、例えば、フォトレジストをマスクとしたイオンドーピング法またはイオン注入法により形成される。集電極は、例えば、銅ペーストを用いたスクリーン印刷法により形成される。
図２に示すように、レーザアブレーション法を用いて直接相互接続しない光電変換セル５０間の導電性シリコン層６０の一部を除去して、導電性シリコン層６０の表面から基板４０に達する分離溝６２を形成する。レーザアブレーション法は、例えば、ＹＡＧレーザを用い、エネルギー密度０．７Ｊ／ｃｍ２、パルス周波数３ｋＨｚとすることが好適である。なお、光電変換セル５０間の導電性シリコン層６０の全部を除去してもよい。
その後、基板４０上に形成した複数の光電変換セル５０同士を直列に接続するために、例えば、光電変換セル５０の第１電極領域２２と、隣接する光電変換セル５０の第２電極領域２４とをタブ配線（図示せず）を介して直列に相互接続する。
最後に、図１に示すように、光電変換セル５０を含む基板４０上に、裏面基板８０をシート状の充填材７０を介して配置する。この状態で真空雰囲気において加熱しながら圧着する。これにより、基板４０と裏面基板８０との間に複数の光電変換セル５０が形成された光電変換装置１００が得られる。
以上のように、本実施の形態に係る光電変換装置１００では、互いに直列に接続した光電変換セル５０間の隙間を埋め込むように導電性シリコン層６０を設けた。これにより、導電性シリコン層６０内に入射した光に起因して発生するキャリア（電子または正孔）が、導電性シリコン層６０と導通する単結晶シリコン層２０を介して光電変換セル５０内にそれぞれ取り込まれるようになる。このため、従来のように隣接する光電変換セル５０間の隙間を絶縁部材で埋設する場合に比べて、導電性シリコン層６０に隣接する光電変換セル内でのキャリア数が増加するので、光電変換装置１００の発電効率（単位面積当たりの発電効率）を向上させることができる。
以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
１０ 単結晶シリコン基板、１２ ポーラスシリコン層、１４ シード層、１６ パッシベーション層、１８ シリコン層、２０ 単結晶シリコン層、２２ 第１電極領域、２４ 第２電極領域、４０ 基板、５０ａ 光電変換セル形成領域、５０ｂ 領域、６０ 導電性シリコン層、６２ 分離溝、７０ 充填材、８０ 裏面基板、１００ 光電変換装置。

Claims (2)

  1. 透光性を有する基板と、
    前記基板上に複数設けられ、単結晶半導体層を含む光電変換セルと、
    隣接する前記光電変換セルとの間の領域に設けられ、前記単結晶半導体層より比抵抗が大きい半導体層と、
    を備える光電変換装置。
  2. 前記単結晶半導体層は単結晶シリコンで構成され、前記半導体層は多結晶シリコンで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
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