JP2015185587A - 光電変換素子および光電変換素子の製造方法 - Google Patents

光電変換素子および光電変換素子の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】従来よりも特性および信頼性を向上させることが可能な光電変換素子および光電変換素子の製造方法を提供する。
【解決手段】光電変換素子は、半導体基板1の一方の表面に設けられた第1の凹凸8および第2の凹凸9と、第1の凹凸8上に設けられた第1のi型半導体膜2および第1導電型半導体膜3と、第2の凹凸9上に設けられた第2のi型半導体膜4および第2導電型半導体膜5と、第1導電型半導体膜3上に設けられた第1導電型用電極層11と、第2導電型半導体膜5上に設けられた第2導電型用電極層12とを備えており、第1の凹凸8と第2の凹凸9とは形状が異なっている。
【選択図】図1

Description

本発明は、光電変換素子および光電変換素子の製造方法に関する。
太陽光エネルギを電気エネルギに直接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。太陽電池には、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のものがあるが、現在、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、最も多く製造およ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、受光面の反対側である裏面とにそれぞれ電極が形成された構造のものである。
しかしながら、受光面に電極を形成した場合には、電極における太陽光の反射および吸収があることから、電極の面積分だけ入射する太陽光の量が減少する。そのため、裏面のみに電極を形成した太陽電池の開発が進められている(たとえば特許文献1参照)。
図27に、従来の特許文献1に記載の裏面のみに電極が形成された太陽電池の模式的な断面図を示す。図27に示すように、特許文献1に記載の太陽電池においては、n型またはp型の導電性を有する半導体基板100の裏面の一部にIP積層体114が設けられており、IP積層体114上にp側電極117が設けられており、IP積層体114とp側電極117との積層体を覆うようにして絶縁層118が設けられている。また、半導体基板100の裏面の他の一部と絶縁層118とを覆うようにしてIN積層体119が設けられており、IN積層体119の全面を被覆するようにn側電極122が設けられている。また、半導体基板100の受光面上には、i型非晶質半導体層112と、i型非晶質半導体層112上のn型非晶質半導体層113とが設けられている。
ここで、IP積層体114は、i型非晶質半導体層115とp型非晶質半導体層116との積層体から構成されている。また、p側電極117は、IP積層体114上に設けられたTCO層117aと金属層117bとの積層体から構成されている。また、絶縁層118は、IP積層体114およびp側電極117を被覆する第1の絶縁層118aと第2の絶縁層118bとの積層体から構成されている。また、IN積層体119は、絶縁層118を被覆するi型非晶質半導体層120とn型非晶質半導体層121との積層体から構成されている。さらに、n側電極122は、IN積層体119を被覆するTCO層122aと金属層122bとの積層体から構成されている。
図27に示される特許文献1に記載の太陽電池は、半導体基板100の受光面側から太陽光111を入射させることにより半導体基板100の内部でキャリアが生成し、p側電極117とn側電極122とから外部に取り出される。
特開2011−204832号公報
近年、太陽電池等の光電変換素子の技術分野においては、特性および信頼性を向上させることが強く要望されており、その検討が進められている。
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、特性および信頼性を向上させることが可能な光電変換素子および光電変換素子の製造方法を提供することにある。
本発明の第1の実施態様によれば、半導体基板と、半導体基板の一方の表面に設けられた第1の凹凸および第2の凹凸と、第1の凹凸上に設けられた第1のi型半導体膜と、第2の凹凸上に設けられた第2のi型半導体膜と、第1のi型半導体膜上に設けられた第1導電型半導体膜と、第2のi型半導体膜上に設けられた第2導電型半導体膜と、第1導電型半導体膜上に設けられた第1導電型用電極層と、第2導電型半導体膜上に設けられた第2導電型用電極層とを備え、第1の凹凸と第2の凹凸とは形状が異なる光電変換素子を提供することができる。
本発明の第2の実施態様によれば、半導体基板の一方の表面に第1の凹凸を形成する工程と、第1の凹凸上に第1のi型半導体膜を形成する工程と、第1のi型半導体膜上に第1導電型半導体膜を形成する工程と、第1のi型半導体膜と第1導電型半導体膜とを含む積層体の一部を厚さ方向にエッチングすることによって第1の凹凸を露出させるとともに、第1の凹凸の一部をエッチングすることによって第1の凹凸よりもなだらかな形状の第2の凹凸を形成する工程と、第1導電型半導体膜および第2の凹凸を覆うように第2のi型半導体膜を形成する工程と、第2のi型半導体膜上に第2導電型半導体膜を形成する工程と、第1導電型半導体膜上に位置する第2のi型半導体膜と第2導電型半導体膜とを含む積層体の一部を厚さ方向に除去する工程と、第1導電型半導体膜上に第1導電型用電極層を形成するとともに、第2導電型半導体膜上に第2導電型用電極層を形成する工程とを含む光電変換素子の製造方法を提供することができる。
本発明によれば、従来よりも特性および信頼性を向上させることが可能な光電変換素子および光電変換素子の製造方法を提供することができる。
実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルの模式的な断面図である。 実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルの第1の凹凸および第2の凹凸の近傍の模式的な拡大断面図である。 実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。 実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。 実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。 実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。 実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。 実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。 実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。 実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。 実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。 実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。 実施の形態2のヘテロ接合型バックコンタクトセルの模式的な断面図である。 実施の形態2のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。 実施の形態2のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。 実施の形態2のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。 実施の形態2のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。 実施の形態2のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。 実施の形態2のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。 実施の形態2のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。 実施の形態2のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。 実施の形態3のヘテロ接合型バックコンタクトセルの模式的な断面図である。 実施の形態3のヘテロ接合型バックコンタクトセルの第1の凹凸および第2の凹凸の近傍の模式的な拡大断面図である。 実施の形態3のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例を図解する模式的な断面図である。 実施の形態4のヘテロ接合型バックコンタクトセルの模式的な断面図である。 第1の凹凸および第2の凹凸のいずれもがなだらかな形状を有している場合の第1の凹凸の先端部の曲率半径および第2の凹凸の先端部の曲率半径の測定方法を図解する模式的な拡大断面図である。 従来の特許文献1に記載の裏面のみに電極が形成された太陽電池の模式的な断面図である。
以下、本発明の一例である実施の形態について説明する。なお、実施の形態の説明に用いられる図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
[実施の形態1]
<光電変換素子の構成>
図1に、本発明の光電変換素子の一例である実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルの模式的な断面図を示す。実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルは、n型単結晶シリコン基板からなる半導体基板1と、半導体基板1の一方の表面である裏面において互いに間隔を空けて隣り合うようにして設けられた第1の凹凸8および第2の凹凸9と、第1の凹凸8上に設けられたi型非晶質シリコン膜からなる第1のi型半導体膜2と、第2の凹凸9上に設けられたi型非晶質シリコン膜からなる第2のi型半導体膜4と、第1のi型半導体膜2上に設けられたp型非晶質シリコン膜からなる第1導電型半導体膜3と、第2のi型半導体膜4上に設けられたn型非晶質シリコン膜からなる第2導電型半導体膜5と、第1導電型半導体膜3上に設けられた第1導電型用電極層11と、第2導電型半導体膜5上に設けられた第2導電型用電極層12とを備えている。
図1に示すように、半導体基板1の裏面の全面が、第1のi型半導体膜2と第2のi型半導体膜4とで覆われており、第2のi型半導体膜4と第2導電型半導体膜5との積層体の一端が、第1のi型半導体膜2と第1導電型半導体膜3との積層体の表面の一部を覆っている。また、第1導電型半導体膜3と第2導電型半導体膜5との間には第2のi型半導体膜4が介在しており、第1導電型用電極層11と第2導電型用電極層12とが電気的に絶縁されている。
また、実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルは、半導体基板1の他方の表面である受光面に設けられた第3の凹凸10と、第3の凹凸10上に設けられた第3のi型半導体膜6と、第3のi型半導体膜6上に設けられた第2の第2導電型半導体膜7とを備えている。
実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルにおいては、第1の凹凸8と第2の凹凸9との形状が異なっている。
図2に、実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルの第1の凹凸8および第2の凹凸9の近傍の模式的な拡大断面図を示す。図2においては断面形状しか示されていないが、3次元的には、第1の凹凸8の先端部8aおよび底部8bは角張った形状(たとえばピラミッド状の突起の複数が集合している形状)を有しており、第2の凹凸9の先端部9aおよび底部9bは丸みを帯びたなだらかな形状(たとえば頂点が丸まった四角錐状または嶺部が丸まったピラミッド状等の突起の複数が集合している形状)を有している。そのため、第2の凹凸9は、第1の凹凸8と比べて、なだらかな形状を有している。なお、本明細書において、「角張った形状」は凹凸の少なくとも一部に角を有する形状を意味しており、「なだらかな形状」は凹凸全体に角を実質的に有しない形状を意味するものとする。
また、図2に示すように、第2の凹凸9の先端部9aは、全体的に、第1の凹凸8の先端部8aよりも低い位置(半導体基板1の内部側の位置)に存在している。さらに、第2の凹凸9の底部9bは、全体的に、第1の凹凸8の底部8bよりも深い位置(半導体基板1の内部側の位置)に存在している。
なお、本明細書において、「第2の凹凸9の先端部9aは、全体的に、第1の凹凸8の先端部8aよりも低い位置(半導体基板1の内部側の位置)に存在している」とは、半導体基板1の一定の高さからの第2の凹凸9の先端部9aの高さの平均値が、半導体基板1の当該一定の高さからの第1の凹凸8の先端部8aの高さの平均値よりも小さいことを意味している。ここで、半導体基板1の一定の高さは、第2の凹凸9の先端部9aの高さの平均値および第1の凹凸8の先端部8aの高さの平均値の算出を通じて一定であれば、任意の高さを選択することができる。
また、本明細書において、「第2の凹凸9の底部9bは、全体的に、第1の凹凸8の底部8bよりも深い位置(半導体基板1の内部側の位置)に存在している」とは、半導体基板1の一定の高さからの第2の凹凸9の底部9bの深さの平均値が、半導体基板1の当該一定の高さからの第1の凹凸8の底部8bの深さの平均値よりも大きいことを意味している。ここで、半導体基板1の一定の高さは、第2の凹凸9の底部9bの深さの平均値および第1の凹凸8の底部8bの深さの平均値の算出を通じて一定であれば、任意の高さを選択することができる。
また、本明細書において、「凹凸の先端部」は、凹凸を構成するそれぞれの突起において半導体基板の内部側とは反対側に最も突出している部分を意味しており、「凹凸の底部」は、凹凸を構成するそれぞれの窪みにおいて最も半導体基板の内部側に最も突出している部分を意味している。
<光電変換素子の製造方法>
以下、図3〜図12の模式的断面図を参照して、実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例について説明する。まず、図3に示すように、半導体基板1の受光面に第3の凹凸10を形成するとともに、第1導電型用電極層11および第2導電型用電極層12の形成箇所に対応する半導体基板1の裏面の箇所に第1の凹凸8を形成する。
ここで、第1の凹凸8および第3の凹凸10は、たとえば、第1導電型用電極層11および第2導電型用電極層12の形成箇所に対応する半導体基板1の裏面の領域に開口部を有するテクスチャマスクを形成した後に、半導体基板1の受光面および裏面をテクスチャエッチングすることにより形成することができる。なお、テクスチャエッチングに用いられるエッチャントとしては、たとえば、シリコンを溶解可能なアルカリ溶液を用いることができる。また、テクスチャマスクとしては、たとえば、フォトレジスト、印刷レジスト、またはレーザ光等を用いてパターニングされた窒化シリコンまたは酸化シリコンを用いることができる。また、半導体基板1の裏面の第1の凹凸8は、半導体基板1の裏面にレーザ光を部分的に照射することによっても形成することができる。
半導体基板1としては、n型単結晶シリコン基板を好適に用いることができるが、n型単結晶シリコン基板に限定されず、たとえば従来から公知の半導体基板を用いることもできる。
次に、図4に示すように、半導体基板1の受光面の第3の凹凸10上に、第3のi型半導体膜6および第2の第2導電型半導体膜7をこの順序で形成する。第3のi型半導体膜6および第2の第2導電型半導体膜7の形成方法は特に限定されないが、たとえばプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いることができる。
第3のi型半導体膜6としては、i型非晶質シリコン膜を好適に用いることができるがi型非晶質シリコン膜に限定されず、たとえば従来から公知のi型半導体膜を用いることもできる。
第2の第2導電型半導体膜7としては、n型非晶質シリコン膜を好適に用いることができるがn型非晶質シリコン膜に限定されず、たとえば従来から公知のn型半導体膜を用いることもできる。なお、第2の第2導電型半導体膜7に含まれるn型不純物としては、たとえばリンを用いることができる。
なお、本明細書において「i型」とは、完全な真性の状態だけでなく、十分に低濃度であればn型またはp型の不純物が混入された状態のものも含む意味であり、たとえば光電変換素子の作製後にn型またはp型の不純物が不可避的に拡散することなどによってn型またはp型の導電型を示すこともあり得る。
また、本明細書において「非晶質シリコン」には、シリコン原子の未結合手(ダングリングボンド)が水素で終端されていない非晶質シリコンだけでなく、水素化非晶質シリコンなどのシリコン原子の未結合手が水素で終端されたものも含まれるものとする。
次に、図5に示すように、半導体基板1の裏面の全面に第1のi型半導体膜2を形成する。第1のi型半導体膜2の形成方法は特に限定されないが、たとえばプラズマCVD法を用いることができる。
第1のi型半導体膜2としては、i型非晶質シリコン膜を好適に用いることができるがi型非晶質シリコン膜に限定されず、たとえば従来から公知のi型半導体膜を用いることもできる。
次に、図6に示すように、半導体基板1の裏面の第1のi型半導体膜2上に第1導電型半導体膜3を形成する。第1導電型半導体膜3の形成方法は特に限定されないが、たとえばプラズマCVD法を用いることができる。
第1導電型半導体膜3としては、p型非晶質シリコン膜を好適に用いることができるがp型非晶質シリコン膜に限定されず、たとえば従来から公知のp型半導体膜を用いることもできる。なお、第1導電型半導体膜3に含まれるp型不純物としては、たとえばボロンを用いることができる。
次に、図7に示すように、半導体基板1の裏面上の第1のi型半導体膜2と第1導電型半導体膜3との積層体31を残す部分のみにフォトレジスト等のエッチングマスク21を形成する。
次に、図8に示すように、エッチングマスク21をマスクとして、第1導電型半導体膜3と第1のi型半導体膜2との積層体31の一部を厚さ方向にウエットエッチングすることによって半導体基板1の裏面の一部を露出させるとともに、露出した半導体基板1の裏面の第1の凹凸8の一部を当該ウエットエッチングのオーバーエッチングにより除去することによって、第2の凹凸9とする。このとき、第2の凹凸9は、オーバーエッチングによって、ピラミッド形状の第1の凹凸8の角が取れることにより第1の凹凸8と比べて丸みを帯びたなだらかな形状となる。ここで、ウエットエッチングに用いられるエッチャントとしては、たとえば、シリコンを溶解可能なアルカリ溶液などのエッチャントを用いることができる。
次に、図9に示すように、半導体基板1の裏面の第1導電型半導体膜3、および第2の凹凸9を有する半導体基板1の裏面の露出部分を覆うように、第2のi型半導体膜4を形成する。第2のi型半導体膜4の形成方法は特に限定されないが、たとえばプラズマCVD法を用いることができる。
第2のi型半導体膜4としては、i型非晶質シリコン膜を好適に用いることができるがi型非晶質シリコン膜に限定されず、たとえば従来から公知のi型半導体膜を用いることもできる。
次に、図10に示すように、第2のi型半導体膜4上に第2導電型半導体膜5を形成する。第2導電型半導体膜5の形成方法は特に限定されないが、たとえばプラズマCVD法を用いることができる。
第2導電型半導体膜5としては、n型非晶質シリコン膜を好適に用いることができるがn型非晶質シリコン膜に限定されず、たとえば従来から公知のn型半導体膜を用いることもできる。なお、第2導電型半導体膜5に含まれるn型不純物としては、たとえばリンを用いることができる。
次に、図11に示すように、半導体基板1の裏面上の第2のi型半導体膜4と第2導電型半導体膜5との積層体32を残す部分にのみフォトレジスト等のエッチングマスク22を形成する。
次に、図12に示すように、エッチングマスク22をマスクとして、第2のi型半導体膜4と第2導電型半導体膜5との積層体32の一部を厚さ方向にエッチングすることによって、第1導電型半導体膜3の一部を露出させる。積層体32の除去方法はウエットエッチング等のエッチングに限定されず、レーザ光の選択的な照射による除去方法を用いてもよい。
その後、図1に示すように、第1導電型半導体膜3上に第1導電型用電極層11を形成するとともに、第2導電型半導体膜5上に第2導電型用電極層12を形成することによって、実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルが完成する。
なお、第1導電型用電極層11および第2導電型用電極層12の形成方法は特に限定されないが、たとえばメタルマスクを用いた蒸着法などを用いることができる。また、第1導電型用電極層11および第2導電型用電極層12も導電性を有する材料を特に限定なく用いることができ、たとえばITO(Indium Tin Oxide)と銀との積層体を用いることができる。
<作用効果>
(第1の凹凸と第2の凹凸とを設けたことによる効果)
実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルにおいては、第1の凹凸8および第2の凹凸9はそれぞれマイクロメートルオーダーの大きさ(第1の凹凸8および第2の凹凸9の突起の高さが1μm以上1000μm以下)を有し、第1の凹凸8上に形成される第1のi型半導体膜2および第1導電型半導体膜3の厚さならびに第2の凹凸9上に形成される第2のi型半導体膜4および第2導電型半導体膜5の厚さはそれぞれナノメートルオーダーの大きさ(第2のi型半導体膜4の厚さおよび第2導電型半導体膜5の厚さが1nm以上1000nm以下)を有している。そのため、第1のi型半導体膜2および第1導電型半導体膜3は第1の凹凸8の形状を追従した形状となり、第2のi型半導体膜4および第2導電型半導体膜5は第2の凹凸9の形状を追従した形状となる。
これにより、実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルにおいては、第1導電型用電極層11に接する第1導電型半導体膜3の表面形状を角張った凹凸形状を有するようにすることができるとともに、第2導電型用電極層12に接する第2導電型半導体膜5の表面形状をなだらかな凹凸形状を有するようにすることができる。
このように、実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルにおいては、第1導電型用電極層11と接する第1導電型半導体膜3の表面形状を角張った凹凸形状とすることによって、特許文献1のような平坦な場合と比べて、第1導電型半導体膜3と第1導電型用電極層11とのコンタクト面積を大きくすることができ、p型非晶質シリコン膜等のp型半導体膜からなる第1導電型半導体膜3に対する第1導電型用電極層11のコンタクト抵抗を低減することができることから、高いFF(フィルファクター)を実現することができる。
また、実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルにおいては、第2導電型用電極層12と接する第2導電型半導体膜5の表面形状をなだらかな凹凸形状とすることによって、特許文献1のような平坦な場合と比べて、第2導電型半導体膜5と第2導電型用電極層12とのコンタクト面積を大きくすることができ、n型非晶質シリコン膜等のn型半導体膜からなる第2導電型半導体膜5に対する第2導電型用電極層12のコンタクト抵抗を低減することができることから、高いFFを実現することができる。
また、実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルにおいては、第1導電型半導体膜3の表面の角張った凹凸形状の上に第1導電型用電極層11が形成されているとともに、第2導電型半導体膜5の表面のなだらかな凹凸形状の上に第2導電型用電極層12が形成されているため、第1導電型半導体膜3に対する第1導電型用電極層11の密着性および第2導電型半導体膜5に対する第2導電型用電極層12の密着性が向上し、第1導電型半導体膜3からの第1導電型用電極層11の剥離および第2導電型半導体膜5からの第2導電型用電極層12の剥離を抑制することができる。これにより、実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルにおいては、信頼性が向上する。
さらに、実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルにおいては、半導体基板1の裏面に第1の凹凸8および第2の凹凸9が設けられているため、半導体基板1の受光面側からの入射光の光路長を、特許文献1のような平坦な場合と比べて、長くすることができる。
以上の理由により、実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルにおいては、特性および信頼性を向上させることが可能となる。
(第1の凹凸と第2の凹凸との形状が異なることによる効果)
実施の形態1のヘテロ接合型バックコンタクトセルにおいては、半導体基板1の裏面の第1の凹凸8と第2の凹凸9との形状が異なっており、第1の凹凸8は角張った形状を有し、第2の凹凸9はなだらかな形状を有している。
これにより、第1導電型半導体膜3と第1導電型用電極層11とのコンタクト面積を、第2導電型半導体膜5と第2導電型用電極層12とのコンタクト面積よりも大きくすることができるため、n型非晶質シリコン膜等のn型半導体膜と比べて導電性の低いp型非晶質シリコン膜等のp型半導体膜からなる第1導電型半導体膜3と第1導電型用電極層11とのコンタクト抵抗をより低減することができる。
特に、実施の形態1のようなヘテロ接合型バックコンタクトセルにおいては、通常、半導体基板の裏面におけるp型領域(第1導電型半導体膜3の形成領域)の形成面積がn型領域(第2導電型半導体膜5の形成領域)の形成面積よりも大きくなるように形成されることから、第1導電型半導体膜3に対する第1導電型用電極層11のコンタクト抵抗の低減は、ヘテロ接合型バックコンタクトセルの特性向上に大きく寄与する。
一方、n型非晶質シリコン膜等のn型半導体膜からなる第2導電型半導体膜5の導電性が高いために、第2導電型半導体膜5と第2導電型用電極層12とのコンタクト面積が第1導電型半導体膜3と第1導電型用電極層11とのコンタクト面積よりも小さくなったとしても十分に低いコンタクト抵抗を確保することができる。そして、第2の凹凸9をなだらかな形状とすることによって、第2のi型半導体膜4のパッシベーション性を高くして特性の向上を図ることができる。
[実施の形態2]
<光電変換素子の構成>
図13に、本発明の光電変換素子の他の一例である実施の形態2のヘテロ接合型バックコンタクトセルの模式的な断面図を示す。実施の形態2のヘテロ接合型バックコンタクトセルは、第1の凹凸8上にn型非晶質シリコン膜からなる第2導電型半導体膜5および第2導電型用電極層12が形成されているとともに、第2の凹凸9上にp型非晶質シリコン膜からなる第1導電型半導体膜3および第1導電型用電極層11が形成されていることを特徴としている。
<光電変換素子の製造方法>
以下、実施の形態2のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例について説明する。まず、図3および図4に示すように半導体基板1の受光面に第3の凹凸10を形成するとともに、第1導電型用電極層11および第2導電型用電極層12の形成箇所に対応する半導体基板1の裏面の箇所に第1の凹凸8を形成し、半導体基板1の受光面の第3の凹凸10上に、第3のi型半導体膜6および第2の第2導電型半導体膜7をこの順序で形成する。
次に、図14の模式的断面図に示すように、半導体基板1の裏面の全面に第2のi型半導体膜4を形成し、引き続いて、図15の模式的断面図に示すように、半導体基板1の裏面の第2のi型半導体膜4上に第2導電型半導体膜5を形成する。
次に、図16の模式的断面図に示すように、半導体基板1の裏面上の第2のi型半導体膜4と第2導電型半導体膜5との積層体32を残す部分にのみフォトレジスト等のエッチングマスク21を形成する。
次に、図17の模式的断面図に示すように、エッチングマスク21をマスクとして、第2のi型半導体膜4と第1のi型半導体膜2との積層体32の一部を厚さ方向にウエットエッチングすることによって、半導体基板1の裏面の一部を露出させるとともに、露出した半導体基板1の裏面の第1の凹凸8の一部を当該ウエットエッチングのオーバーエッチングにより除去することによって第2の凹凸9とする。
次に、図18の模式的断面図に示すように、半導体基板1の裏面の第2導電型半導体膜5、および第2の凹凸9を有する半導体基板1の裏面の露出部分を覆うように、第1のi型半導体膜2を形成する。次に、図19の模式的断面図に示すように、第1のi型半導体膜2上に第1導電型半導体膜3を形成する。
次に、図20の模式的断面図に示すように、半導体基板1の裏面上の第1のi型半導体膜2と第1導電型半導体膜3との積層体31を残す部分にのみフォトレジスト等のエッチングマスク21を形成する。
次に、図21の模式的断面図に示すように、エッチングマスク22をマスクとして、第1のi型半導体膜2と第1導電型半導体膜3との積層体31の一部を厚さ方向にエッチングすることによって、第2導電型半導体膜5の一部を露出させる。
その後、図13に示すように、第1導電型半導体膜3上に第1導電型用電極層11を形成するとともに、第2導電型半導体膜5上に第2導電型用電極層12を形成することによって、実施の形態2のヘテロ接合型バックコンタクトセルが完成する。
<作用効果>
(第1の凹凸の形状と第2の凹凸の形状とが異なることによる効果)
実施の形態2のヘテロ接合型バックコンタクトセルにおいては、第2導電型半導体膜5の下方の第1の凹凸8が角張った形状を有し、第1導電型半導体膜3の下方の第2の凹凸9がなだらかな形状を有している点で、実施の形態1と異なっている。
これにより、実施の形態2においては、実施の形態1と比べて、第1導電型半導体膜3と第1導電型用電極層11とのコンタクト抵抗を低減することはできないが、第2の凹凸9がなだらかな形状を有しているためにp型領域における第1のi型半導体膜2のパッシベーション性が向上するため、その点から特性を向上させることができる。
一方、実施の形態1と比べて、第2導電型半導体膜5と第2導電型用電極層12とのコンタクト面積が増加し、第2導電型半導体膜5と第2導電型用電極層12とのコンタクト抵抗をより低減することができるため、その点からFFの向上効果を大きくすることができる。
実施の形態2における上記以外の説明は、実施の形態1と同様であるため、その説明については繰り返さない。
[実施の形態3]
<光電変換素子の構成>
図22に、本発明の光電変換素子の他の一例である実施の形態3のヘテロ接合型バックコンタクトセルの模式的な断面図を示す。実施の形態3のヘテロ接合型バックコンタクトセルは、半導体基板1の裏面の第1の凹凸8および第2の凹凸9がともになだらかな形状を有しており、第2の凹凸9が、第1の凹凸8と比べて、よりなだらかな形状を有していることを特徴としている。
図23に、実施の形態3のヘテロ接合型バックコンタクトセルの第1の凹凸8および第2の凹凸9の近傍の模式的な拡大断面図を示す。図23においては断面形状しか示されていないが、3次元的には、第1の凹凸8の先端部8aおよび底部8b、ならびに第2の凹凸9の先端部9aおよび底部9bは丸みを帯びたなだらかな形状を有している。
第1の凹凸8および第2の凹凸9のいずれがよりなだらかな形状を有しているかということの判断においては、図23に示すような第1の凹凸8および第2の凹凸9の厚さ方向の断面構造において、第1の凹凸8の先端部8aの曲率半径および第2の凹凸9の先端部9aの曲率半径を測定し、曲率半径がより大きい方の凹凸を、他の凹凸と比べて、よりなだらかな形状を有しているものとする。なお、実施の形態1および実施の形態2のように第1の凹凸8が角張った形状を有しており、第2の凹凸9がなだらな形状を有している場合には、曲率半径を測定するまでもなく、第2の凹凸9が第1の凹凸8と比べてなだらかな形状を有していることは明らかである。
なお、第1の凹凸8の先端部8aの曲率半径および第2の凹凸9の先端部9aの曲率半径は、以下のようにして求められる。まず、第1の凹凸8の先端部8aおよび第2の凹凸9の先端部9aの断面構造をTEM(Transmission Electron Microscope)またはSEM(Scanning Electron Microscope)により取得する。次に、図26の模式的断面図に示すように、第1の凹凸8の先端部8aおよび第2の凹凸9の先端部9aのTEMにより得られた断面構造(断面TEM像)またはSEMにより得られた断面構造(断面SEM像)の頂点部1点(A点)と、円弧上(なだらかな面上)の任意の2点(B点、C点)とを選び、線分ABの垂直2等分線と線分ACの垂直2等分線との交点(D点)を求める。A点、B点またはC点と、D点との距離(A−D間、B−D間またはC−D間の距離)が曲率半径となる。
また、図23に示すように、第2の凹凸9の先端部9aは、全体的に、第1の凹凸8の先端部8aよりも低い位置(半導体基板1の内部側の位置)に存在している。さらに、第2の凹凸9の底部9bは、全体的に、第1の凹凸8の底部8bよりも深い位置(半導体基板1の内部側の位置)に存在している。
<光電変換素子の製造方法>
実施の形態3のヘテロ接合型バックコンタクトセルは、たとえば以下のようにして製造することができる。まず、たとえば図24の模式的断面図に示すように、半導体基板1の裏面に、半導体基板1の受光面に第3の凹凸10を形成するとともに、第1導電型用電極層11および第2導電型用電極層12の形成箇所に対応する半導体基板1の裏面の箇所になだらかな形状の第1の凹凸8を形成する。
ここで、なだらかな形状の第1の凹凸8は、たとえば、第1導電型用電極層11および第2導電型用電極層12の形成箇所に対応する半導体基板1の裏面の領域に開口部を有するテクスチャマスクを形成した後に、半導体基板1の裏面をテクスチャエッチングした後にさらに等方性エッチャントでエッチングを行うことによって形成することができる。等方性エッチャントとしては、たとえば、フッ酸と硝酸との混合液を用いることができる。その後は、実施の形態1と同様の工程を経ることによって、実施の形態3のヘテロ接合型バックコンタクトセルを製造することができる。
<作用効果>
(第1の凹凸の形状と第2の凹凸の形状とが異なることによる効果)
実施の形態3のヘテロ接合型バックコンタクトセルにおいては、第1の凹凸8および第2の凹凸9がともになだらかな形状を有しており、第2の凹凸9が、第1の凹凸8と比べて、なだらかな形状を有している。
これにより、実施の形態3においては、実施の形態1と比べて、第1導電型半導体膜3と第1導電型用電極層11とのコンタクト抵抗および第2導電型半導体膜5と第2導電型用電極層12とのコンタクト抵抗をともに低減することはできないが、第1の凹凸8および第2の凹凸9はともになだらかな形状を有しているために、半導体基板1の裏面の全面におけるパッシベーション性が向上するため、その点から特性を向上させることができる。
実施の形態3における上記以外の説明は、実施の形態1と同様であるため、その説明については繰り返さない。
[実施の形態4]
<光電変換素子の構成>
図25に、本発明の光電変換素子の他の一例である実施の形態4のヘテロ接合型バックコンタクトセルの模式的な断面図を示す。実施の形態4のヘテロ接合型バックコンタクトセルは、なだらかな凹凸形状の第1の凹凸8上にn型非晶質シリコン膜からなる第2導電型半導体膜5および第2導電型用電極層12が形成されているとともに、第1の凹凸8よりもなだらかな凹凸形状の第2の凹凸9上にp型非晶質シリコン膜からなる第1導電型半導体膜3および第1導電型用電極層11が形成されていることを特徴としている。
<光電変換素子の製造方法>
実施の形態4のヘテロ接合型バックコンタクトセルは、たとえば図24に示すように、半導体基板1の受光面に第3の凹凸10を形成するとともに、第1導電型用電極層11および第2導電型用電極層12の形成箇所に対応する半導体基板1の裏面の箇所になだらかな形状の第1の凹凸8を形成し、その後は、実施の形態2と同様の工程を経ることによって製造することができる。
<作用効果>
(第1の凹凸の形状と第2の凹凸の形状とが異なることによる効果)
実施の形態4のヘテロ接合型バックコンタクトセルにおいては、第2導電型半導体膜5の下方の第1の凹凸8および第1導電型半導体膜3の下方の第2の凹凸9がともになだらかな形状を有しており、第2の凹凸9が、第1の凹凸8と比べて、よりなだらかな形状を有している点で、実施の形態3と異なっている。
これにより、実施の形態4においては、実施の形態3と比べて、第1導電型半導体膜3と第1導電型用電極層11とのコンタクト抵抗を低減することはできないが、第2の凹凸9がよりなだらかな形状を有しているためにp型領域における第1のi型半導体膜2のパッシベーション性が向上するため、その点から特性を向上させることができる。
一方、実施の形態3と比べて、第2導電型半導体膜5と第2導電型用電極層12とのコンタクト面積が増加し、第2導電型半導体膜5と第2導電型用電極層12とのコンタクト抵抗をより低減することができるため、その点からFFの向上効果を大きくすることができる。
実施の形態4における上記以外の説明は、実施の形態1〜3と同様であるため、その説明については繰り返さない。
[付記]
(1)本発明の第1の実施態様によれば、半導体基板と、半導体基板の一方の表面に設けられた第1の凹凸および第2の凹凸と、第1の凹凸上に設けられた第1のi型半導体膜と、第2の凹凸上に設けられた第2のi型半導体膜と、第1のi型半導体膜上に設けられた第1導電型半導体膜と、第2のi型半導体膜上に設けられた第2導電型半導体膜と、第1導電型半導体膜上に設けられた第1導電型用電極層と、第2導電型半導体膜上に設けられた第2導電型用電極層とを備え、第1の凹凸と第2の凹凸とは形状が異なる光電変換素子を提供することができる。本発明の第1の実施態様においては、半導体基板に設けられた第1の凹凸および第2の凹凸によって、従来の特許文献1の太陽電池と比べて、第1導電型半導体膜と第1導電型用電極層とのコンタクト抵抗および第2導電型半導体膜と第2導電型用電極層とのコンタクト抵抗をともに低減することができるとともに、第1導電型半導体膜からの第1導電型用電極層の剥離および第2導電型半導体膜からの第2導電型用電極層の剥離を抑制できるため、特性および信頼性を向上することが可能となる。
(2)本発明の第1の実施態様において、第2の凹凸は、第1の凹凸と比べて、なだらかな形状を有していてもよい。この場合には、第2の凹凸上に設けられた第2のi型半導体膜によるパッシベーション性を向上することができる。
(3)本発明の第1の実施態様において、第1の凹凸は角張った形状であり、第2の凹凸はなだらかな形状であってもよい。この場合には、第1導電型半導体膜と第1導電型用電極層とのコンタクト抵抗をより低くすることができるとともに、第1導電型半導体膜からの第1導電型用電極層の剥離をより抑制することができる。また、第2の凹凸上に設けられた第2のi型半導体膜によるパッシベーション性を向上することができる。
(4)本発明の第1の実施態様において、第1の凹凸および第2の凹凸はともになだらかな形状であってもよい。この場合には、第1の凹凸上に設けられた第1のi型半導体膜によるパッシベーション性および第2の凹凸上に設けられた第2のi型半導体膜によるパッシベーション性をともに向上することができる。
(5)本発明の第1の実施態様において、第2の凹凸の先端部は、第1の凹凸の先端部よりも低い位置に存在していてもよい。この場合には、第2の凹凸を第1の凹凸と比べてよりなだらかな形状とすることができるため、第2の凹凸上に設けられた第2のi型半導体膜によるパッシベーション性を向上することができる。
(6)本発明の第1の実施態様において、第2の凹凸の底部は、第1の凹凸の底部よりも深い位置に存在していてもよい。この場合にも、第2の凹凸を第1の凹凸と比べてよりなだらかな形状とすることができるため、第2の凹凸上に設けられた第2のi型半導体膜によるパッシベーション性を向上することができる。
(7)本発明の第1の実施態様において、第1のi型半導体膜および第2のi型半導体膜によって半導体基板の表面の全面が覆われていてもよい。この場合には、半導体基板の表面の全面のパッシベーション性を向上することができる。
(8)本発明の第1の実施態様において、第1導電型半導体膜と第2導電型半導体膜との間に第2のi型半導体膜が介在しており、第1導電型用電極層と第2導電型用電極層とが電気的に絶縁されていてもよい。この場合にも、光電変換素子の特性および信頼性を向上することが可能となる。
(9)本発明の第1の実施態様において、半導体基板は、n型単結晶シリコンを含んでいてもよい。この場合にも、光電変換素子の特性および信頼性を向上することが可能となる。
(10)本発明の第1の実施態様において、第1のi型半導体膜および第2のi型半導体膜は、i型非晶質シリコン膜を含んでいてもよい。この場合にも、光電変換素子の特性および信頼性を向上することが可能となる。
(11)本発明の第1の実施態様において、第1導電型半導体膜は、p型非晶質シリコン膜を含んでいてもよい。この場合にも、光電変換素子の特性および信頼性を向上することが可能となる。
(12)本発明の第1の実施態様において、第2導電型半導体膜は、n型非晶質シリコン膜を含んでいてもよい。この場合にも、光電変換素子の特性および信頼性を向上することが可能となる。
(13)本発明の第1の実施態様において、第1導電型半導体膜は、n型非晶質シリコン膜を含んでいてもよい。この場合にも、光電変換素子の特性および信頼性を向上することが可能となる。
(14)本発明の第1の実施態様において、第2導電型半導体膜は、p型非晶質シリコン膜を含んでいてもよい。この場合にも、光電変換素子の特性および信頼性を向上することが可能となる。
(15)本発明の第1の実施態様において、半導体基板の他方の表面上に設けられた第3のi型半導体膜と、第3のi型半導体膜上に設けられた第2の第2導電型半導体膜とがさらに備えられていてもよい。この場合にも、光電変換素子の特性および信頼性を向上することが可能となる。
(16)本発明の第2の実施態様によれば、半導体基板の一方の表面に第1の凹凸を形成する工程と、第1の凹凸上に第1のi型半導体膜を形成する工程と、第1のi型半導体膜上に第1導電型半導体膜を形成する工程と、第1のi型半導体膜と第1導電型半導体膜とを含む積層体の一部を厚さ方向にエッチングすることによって第1の凹凸を露出させるとともに、第1の凹凸の一部をエッチングすることによって第1の凹凸よりもなだらかな形状の第2の凹凸を形成する工程と、第1導電型半導体膜および第2の凹凸を覆うように第2のi型半導体膜を形成する工程と、第2のi型半導体膜上に第2導電型半導体膜を形成する工程と、第1導電型半導体膜上に位置する第2のi型半導体膜と第2導電型半導体膜とを含む積層体の一部を厚さ方向に除去する工程と、第1導電型半導体膜上に第1導電型用電極層を形成するとともに、第2導電型半導体膜上に第2導電型用電極層を形成する工程とを含む光電変換素子の製造方法を提供することができる。本発明の第2の実施態様においても、半導体基板に設けられた第1の凹凸および第2の凹凸によって、従来の特許文献1の太陽電池と比べて、第1導電型半導体膜と第1導電型用電極層とのコンタクト抵抗および第2導電型半導体膜と第2導電型用電極層とのコンタクト抵抗をともに低減することができるとともに、第1導電型半導体膜からの第1導電型用電極層の剥離および第2導電型半導体膜からの第2導電型用電極層の剥離を抑制できるため、特性および信頼性を向上することが可能となる。
(17)本発明の第2の実施態様においては、第1の凹凸がなだらかな形状であってもよい。この場合には、第1の凹凸および第2の凹凸をともになだらかな形状とすることができるため、第1の凹凸上に設けられた第1のi型半導体膜によるパッシベーション性および第2の凹凸上に設けられた第2のi型半導体膜によるパッシベーション性をともに向上することができる。
(18)本発明の第2の実施態様において、半導体基板はn型単結晶シリコンを含み、第1のi型半導体膜はi型非晶質シリコン膜を含み、第1導電型半導体膜はp型非晶質シリコン膜を含み、エッチングは、少なくともシリコンを溶解するエッチャントを用いたウエットエッチングであってもよい。この場合にも、光電変換素子の特性および信頼性を向上することが可能となる。
(19)本発明の第2の実施態様において、第2のi型半導体膜はi型非晶質シリコン膜を含み、第2導電型半導体膜はn型非晶質シリコン膜を含んでいてもよい。この場合にも、光電変換素子の特性および信頼性を向上することが可能となる。
(20)本発明の第2の実施態様において、半導体基板はn型単結晶シリコンを含み、第1のi型半導体膜はi型非晶質シリコン膜を含み、第1導電型半導体膜はn型非晶質シリコン膜を含み、エッチングは、少なくともシリコンを溶解するエッチャントを用いたウエットエッチングであってもよい。この場合にも、光電変換素子の特性および信頼性を向上することが可能となる。
(21)本発明の第2の実施態様において、第2のi型半導体膜はi型非晶質シリコン膜を含み、第2導電型半導体膜はp型非晶質シリコン膜を含んでいてもよい。この場合にも、光電変換素子の特性および信頼性を向上することが可能となる。
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、上述の各実施の形態の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明は、光電変換素子および光電変換素子の製造方法に利用することができ、特に、ヘテロ接合型バックコンタクトセル等の太陽電池およびその製造方法に好適に利用することができる。
1 半導体基板、2 第1のi型半導体膜、3 第1導電型半導体膜、4 第2のi型半導体膜、5 第2導電型半導体膜、6 第3のi型半導体膜、7 第2の第2導電型半導体膜、8 第1の凹凸、8a 先端部、8b 底部、9 第2の凹凸、9a 先端部、9b 底部、10 第3の凹凸、11 第1導電型用電極層、12 第2導電型用電極層、21,22 エッチングマスク、31,32 積層体、100 半導体基板、111 太陽光、112 i型非晶質半導体層、113 n型非晶質半導体層、114 IP積層体、115 i型非晶質半導体層、116 p型非晶質半導体層、117 p側電極、117a TCO層、117b 金属層、118 絶縁層、118a 第1の絶縁層、118b 第2の絶縁層、119 IN積層体、120 i型非晶質半導体層、121 n型非晶質半導体層、122 n側電極、122a TCO層、122b 金属層。

Claims (5)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板の一方の表面に設けられた第1の凹凸および第2の凹凸と、
    前記第1の凹凸上に設けられた第1のi型半導体膜と、
    前記第2の凹凸上に設けられた第2のi型半導体膜と、
    前記第1のi型半導体膜上に設けられた第1導電型半導体膜と、
    前記第2のi型半導体膜上に設けられた第2導電型半導体膜と、
    前記第1導電型半導体膜上に設けられた第1導電型用電極層と、
    前記第2導電型半導体膜上に設けられた第2導電型用電極層と、を備え、
    前記第1の凹凸と前記第2の凹凸とは形状が異なる、光電変換素子。
  2. 前記第2の凹凸は、前記第1の凹凸と比べて、なだらかな形状を有している、請求項1に記載の光電変換素子。
  3. 前記第1の凹凸は角張った形状であり、前記第2の凹凸はなだらかな形状である、請求項1または請求項2に記載の光電変換素子。
  4. 前記第1の凹凸および前記第2の凹凸はともになだらかな形状である、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の光電変換素子。
  5. 半導体基板の一方の表面に第1の凹凸を形成する工程と、
    前記第1の凹凸上に第1のi型半導体膜を形成する工程と、
    前記第1のi型半導体膜上に第1導電型半導体膜を形成する工程と、
    前記第1のi型半導体膜と前記第1導電型半導体膜とを含む第1の積層体の一部を厚さ方向にエッチングすることによって前記第1の凹凸を露出させるとともに、前記第1の凹凸の一部をエッチングすることによって前記第1の凹凸よりもなだらかな形状の第2の凹凸を形成する工程と、
    前記第1導電型半導体膜および前記第2の凹凸を覆うように第2のi型半導体膜を形成する工程と、
    前記第2のi型半導体膜上に第2導電型半導体膜を形成する工程と、
    前記第1導電型半導体膜上に位置する前記第2のi型半導体膜と前記第2導電型半導体膜とを含む積層体の一部を厚さ方向に除去する工程と、
    前記第1導電型半導体膜上に第1導電型用電極層を形成するとともに、前記第2導電型半導体膜上に第2導電型用電極層を形成する工程と、を含む、光電変換素子の製造方法。
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