JP2015185715A - 光起電力装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】低コスト化を可能としながらも、高効率な発電効率を実現できる光起電力装置を提供する。【解決手段】光起電力装置は、第1の導電型の結晶系半導体基材と、結晶系半導体基材の光入射側の表面全体に設けられ、結晶系半導体基材と同じ導電型である第1導電型の拡散層と、拡散層表面の全面に設けられ、厚さ1nm〜2.6nmの範囲の第1の絶縁層と、第1の絶縁層の上に設けられた第2の絶縁層と、第1及び第2の絶縁層の一部に設けられた開口部を介して拡散層と接続された電極と結晶系半導体基材の前記光入射側と反対側の表面に設けられ、第1導電型と逆の第2の導電型の非結晶系半導体層と、を備え、拡散層の最大拡散濃度は、5.0?1018個/cm3〜2.0?1019個/cm3の範囲であり、且つ、光入射側の表面からの拡散層の深さは、10nm〜210nmの範囲である。【選択図】図1e
Description
本開示は、光起電力装置、特に、ヘテロ接合型の光起電力装置に関する。
近年、結晶シリコン太陽電池のさらなる高効率化、かつ、製造コストダウンを両立するために、幾つもの手段が研究されている。そのうち、高効率化を実現する効果的な構造として、結晶系半導体層の表面上に非単結晶半導体層が形成された光起電力装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。これについて、第1の従来例として図3を用いて、以下に説明する。
上記特許文献1に開示された光起電力装置は、n型単結晶シリコン基板11(結晶系半導体層)の光入射側の表面上に、非単結晶半導体層12および13(i型非晶質シリコン層およびp型非晶質シリコン層)と透明導電膜14とがこの順番で積層され、さらに、受光面と反対の表面には金属電極15を形成することで、高い発電効率が得られることから、特に受光面側に示された結晶シリコン基板上の非晶質半導体層の構造は、ヘテロ接合型シリコン太陽電池構造として、学術的にも商業的にもよく知られている。
このヘテロ接合型シリコン太陽電池構造を基本構造として、高い発電効率を維持しつつ、製造コストをできるだけ下げる研究も近年、盛んになりつつあり、例えば受光面側に拡散層を用い、裏面側にヘテロ接合型シリコン太陽電池構造を用いた光起電力装置が知られている(例えば、特許文献2参照。)。以下、第2の従来例として説明する。
このヘテロ接合型シリコン太陽電池構造を基本構造として、高い発電効率を維持しつつ、製造コストをできるだけ下げる研究も近年、盛んになりつつあり、例えば受光面側に拡散層を用い、裏面側にヘテロ接合型シリコン太陽電池構造を用いた光起電力装置が知られている(例えば、特許文献2参照。)。以下、第2の従来例として説明する。
上記特許文献2に開示された光起電力装置は、n型のアブソーバー21(結晶半導体材料)と、アブソーバー21の受光面とは反対側の下側面上に設けたp型のアモルファス半導体材料製のエミッタ22と、アブソーバー21とエミッタ22との間のi型のアモルファス半導体材料製の中間層23を設け、さらに、アブソーバー21の受光面上のカバー層として、反射防止と同時に少数キャリアを反射する表面電界を形成する役割を担う透明の反射防止膜24を設けた片面へテロ接合型の太陽電池である。
そして、透明の反射防止膜24を貫通するコンタクト構造の下側に、かつアブソーバー21内にキャリアを反射する領域(n+)26を形成することで、受光面上のオーミックコンタクト構造を備えた構造としている。さらに集電極27を形成している。また、受光面とは反対方向の面上には透明導電膜28と集電極29を形成している。
そして、透明の反射防止膜24を貫通するコンタクト構造の下側に、かつアブソーバー21内にキャリアを反射する領域(n+)26を形成することで、受光面上のオーミックコンタクト構造を備えた構造としている。さらに集電極27を形成している。また、受光面とは反対方向の面上には透明導電膜28と集電極29を形成している。
このように、片面をp型とi型のアモルファス半導体材料製の膜で構成したヘテロ接合型とし、かつ反対側の面を反射防止膜24およびキャリアを反射する領域(n+)26で構成した太陽電池は、低コスト化と高効率化を両立できるとされている。
しかしながら、第1の従来例で示した光起電力装置は、セル単位の発電効率が16.1%、であったのに対し、第2の従来例で示した光起電力装置は、セル単位の発電効率が14.9%となり、第2の従来例で低コスト化は可能となるものの、その発電効率がまだ低いという課題があった。
本開示は、低コスト化を可能としながらも、高効率な発電効率を実現できる光起電力装置を提供することを目的とする。
本開示に係る光起電力装置は、第1の導電型の結晶系半導体基材と、
前記結晶系半導体基材の光入射側の表面全体に設けられ、前記結晶系半導体基材と同じ導電型である第1導電型の拡散層と、
前記拡散層表面の全面に設けられ、厚さ1nm〜2.6nmの範囲の第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の上に設けられた第2の絶縁層と、
前記第1及び第2の絶縁層の一部に設けられた開口部を介して前記拡散層と接続された電極と、
前記結晶系半導体基材の前記光入射側と反対側の表面に設けられ、前記第1導電型と逆の第2の導電型の非結晶系半導体層と、
を備え、
前記拡散層の最大拡散濃度は、5.0×1018個/cm3〜2.0×1019個/cm3の範囲であり、且つ、前記光入射側の表面からの前記拡散層の深さは、10nm〜210nmの範囲であることを特徴とする。
前記結晶系半導体基材の光入射側の表面全体に設けられ、前記結晶系半導体基材と同じ導電型である第1導電型の拡散層と、
前記拡散層表面の全面に設けられ、厚さ1nm〜2.6nmの範囲の第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の上に設けられた第2の絶縁層と、
前記第1及び第2の絶縁層の一部に設けられた開口部を介して前記拡散層と接続された電極と、
前記結晶系半導体基材の前記光入射側と反対側の表面に設けられ、前記第1導電型と逆の第2の導電型の非結晶系半導体層と、
を備え、
前記拡散層の最大拡散濃度は、5.0×1018個/cm3〜2.0×1019個/cm3の範囲であり、且つ、前記光入射側の表面からの前記拡散層の深さは、10nm〜210nmの範囲であることを特徴とする。
本開示によれば、低コスト化を可能としながらも、18.5%と高い発電効率を実現する光起電力装置を提供することができる。
本開示の第1態様に係る光起電力装置は、第1の導電型の結晶系半導体基材と、
前記結晶系半導体基材の光入射側の表面全体に設けられ、前記結晶系半導体基材と同じ導電型である第1導電型の拡散層と、
前記拡散層表面の全面に設けられ、厚さ1nm〜2.6nmの範囲の第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の上に設けられた第2の絶縁層と、
前記第1及び第2の絶縁層の一部に設けられた開口部を介して前記拡散層と接続された電極と、
前記結晶系半導体基材の前記光入射側と反対側の表面に設けられ、前記第1導電型と逆の第2の導電型の非結晶系半導体層と、
を備え、
前記拡散層の最大拡散濃度は、5.0×1018個/cm3〜2.0×1019個/cm3の範囲であり、且つ、前記光入射側の表面からの前記拡散層の深さは、10nm〜210nmの範囲であることを特徴とする。
前記結晶系半導体基材の光入射側の表面全体に設けられ、前記結晶系半導体基材と同じ導電型である第1導電型の拡散層と、
前記拡散層表面の全面に設けられ、厚さ1nm〜2.6nmの範囲の第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の上に設けられた第2の絶縁層と、
前記第1及び第2の絶縁層の一部に設けられた開口部を介して前記拡散層と接続された電極と、
前記結晶系半導体基材の前記光入射側と反対側の表面に設けられ、前記第1導電型と逆の第2の導電型の非結晶系半導体層と、
を備え、
前記拡散層の最大拡散濃度は、5.0×1018個/cm3〜2.0×1019個/cm3の範囲であり、且つ、前記光入射側の表面からの前記拡散層の深さは、10nm〜210nmの範囲であることを特徴とする。
本開示の第2態様に係る光起電力装置は、上記第1態様において、前記結晶系半導体基材は、n型のシリコンであって、前記拡散層は、n型のシリコンであってもよい。
本開示の第3態様に係る光起電力装置は、上記第1又は第2態様において、前記非結晶系半導体層は、少なくとも2層からなり、前記結晶系半導体基材と接触する第1層目にi型のシリコン、前記第1層目と接触する第2層目にp型のシリコンを備えてもよい。
本開示の第4態様に係る光起電力装置は、上記第1から第3態様のいずれかにおいて、前記拡散層は、前記光入射側の表面からの深さが10〜100nmの範囲であってもよい。
本開示の第5態様に係る光起電力装置は、上記第1から第4態様のいずれかにおいて、前記第1の絶縁膜は、シリコン酸化膜であってもよい。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面において実質的に同一の部材には同一の符号を付している。
(実施の形態1)
図1eは、実施の形態1に係る光起電力装置10の概略断面図である。
この光起電力装置10は、第1の導電型であるn型シリコン基板1と、n型シリコン基板1の光入射側の表面全体に設けられたn型の高濃度拡散層3と、高濃度拡散層3の表面に設けられた第1の絶縁層である極薄のシリコン酸化膜4aと、極薄のシリコン酸化膜4aの上に設けられた第2の絶縁層であるSiN層7と、SiN層7の一部に設けられた開口部を介して高濃度拡散層3と接続された複数の銀電極9aと、n型シリコン基板1の光入射側と反対側の表面(裏面)に設けられたi型非結晶質シリコン層5及びp型非結晶質シリコン層6と、p型非結晶質シリコン層6の表面に設けられたITO膜8と、ITO膜8の上に設けられた複数の銀電極9bと、を備える。極薄のシリコン酸化膜4aの厚さは1nm〜2.6nmの範囲である。高濃度拡散層3の最大拡散濃度は、5.0×1018個/cm3〜2.0×1019個/cm3の範囲である。また、光入射側の表面からの高濃度拡散層3の深さは、10nm〜210nmの範囲である。
この光起電力装置10では、極薄のシリコン酸化膜を設けたこと、高濃度拡散層3の最大拡散濃度を、5.0×1018個/cm3〜2.0×1019個/cm3の範囲とすると共に、光入射側の表面からの高濃度拡散層3の深さを、10nm〜210nmの範囲とすることを特徴とする。
この光起電力装置10によれば、低コスト化を可能としながらも、18.5%以上の高い発電効率を得ることができる。
図1eは、実施の形態1に係る光起電力装置10の概略断面図である。
この光起電力装置10は、第1の導電型であるn型シリコン基板1と、n型シリコン基板1の光入射側の表面全体に設けられたn型の高濃度拡散層3と、高濃度拡散層3の表面に設けられた第1の絶縁層である極薄のシリコン酸化膜4aと、極薄のシリコン酸化膜4aの上に設けられた第2の絶縁層であるSiN層7と、SiN層7の一部に設けられた開口部を介して高濃度拡散層3と接続された複数の銀電極9aと、n型シリコン基板1の光入射側と反対側の表面(裏面)に設けられたi型非結晶質シリコン層5及びp型非結晶質シリコン層6と、p型非結晶質シリコン層6の表面に設けられたITO膜8と、ITO膜8の上に設けられた複数の銀電極9bと、を備える。極薄のシリコン酸化膜4aの厚さは1nm〜2.6nmの範囲である。高濃度拡散層3の最大拡散濃度は、5.0×1018個/cm3〜2.0×1019個/cm3の範囲である。また、光入射側の表面からの高濃度拡散層3の深さは、10nm〜210nmの範囲である。
この光起電力装置10では、極薄のシリコン酸化膜を設けたこと、高濃度拡散層3の最大拡散濃度を、5.0×1018個/cm3〜2.0×1019個/cm3の範囲とすると共に、光入射側の表面からの高濃度拡散層3の深さを、10nm〜210nmの範囲とすることを特徴とする。
この光起電力装置10によれば、低コスト化を可能としながらも、18.5%以上の高い発電効率を得ることができる。
なお、n型の高濃度拡散層3には、例えば、不純物としてP(リン)を含んでもよい。あるいは、ヒ素、アンチモン等を含んでもよい。また、n型の高濃度拡散層3として、不純物の最大濃度は5.0×1018個/cm3〜2.0×1019個/cm3の範囲であり、好ましくは9.0×1018〜1.5×1019個/cm3の範囲である。また、高濃度拡散層3の深さは、10nm〜210nmの範囲であり、好ましくは10nm〜100nmの範囲である。
また、p型非結晶質シリコン層6は、例えば不純物としてホウ素又はインジウムを含んでもよい。
図2は、本開示の光起電力装置について、デバイスシミュレーションにより求めた拡散層3の不純物濃度及び拡散層3の深さと発電効率との関係を示す概略図である。横軸は、拡散層の不純物濃度(個/cm3)を1×1018個/cm3〜1×1020個/cm3にわたる対数目盛で示している。また、縦軸は、拡散層3の深さ(nm)を10nm〜260nmにわたる対数目盛で示している。また、各領域の発電効率をハッチングの濃淡の違いによって17.7%〜18.7%にわたる12段階で表している。具体的には、ハッチングが濃い領域で発電効率が高く、ハッチングが薄い領域で発電効率が低くなるように表している。
デバイスシミュレーションソフトウエアとしては、例えば、PC1D(The University of New South Wales(オーストラリア))、SCAPS(University of Gent(ベルギー))、AMPS(Pennsylvania State University(アメリカ))、ASA(University of Delft(オランダ))、ADEPT(Purdue University(アメリカ))、SC−SIMUL(University of Oldenburg(ドイツ))、ASPIN(University of Ljubjana(スロベニア))、NSSP(富山県立大学+立命館大学(日本))等を利用できる。なお、上記ソフトウエアは例示にすぎない。
ここでは、デバイスシミュレーションソフトウエアとしてPC1Dを用いて拡散層の不純物濃度及び拡散層の深さと発電効率との関係を検討した。なお、デバイスシミュレーションソフトウエアとしてPC1Dに限るものではなく、他のソフトウエア、さらにここに挙げていないソフトを用いてもよい。
ここでは、デバイスシミュレーションソフトウエアとしてPC1Dを用いて拡散層の不純物濃度及び拡散層の深さと発電効率との関係を検討した。なお、デバイスシミュレーションソフトウエアとしてPC1Dに限るものではなく、他のソフトウエア、さらにここに挙げていないソフトを用いてもよい。
図2に示すように、不純物濃度1.0×1019個/cm3を中心とし、拡散層の深さが10nm〜90nmの範囲にわたって発電効率の最も高い領域がある。また、不純物濃度が1.0×1019個/cm3よりも多くなるか又は少なくなるにつれて、上記領域より発電効率が低くなっている。さらに、拡散層の深さが上記領域より深くなるにつれて、上記領域より発電効率が低くなっている。
最も発電効率の高い領域は、次の関係式で囲まれる範囲である。ここで、n型シリコン基板1中に存在する不純物の最大濃度をXとし、高濃度拡散層3の深さをYとしている。
(1)Y≦7.00×10−18(nm・cm3/個)×X−43
(2)Y≦−2.67×10−17(nm・cm3/個)×X+357
(3)Y≧10nm
なお、上記式(1)の不等式の上限を表す直線は、拡散層における不純物濃度について正の傾きを持つ直線である。式(1)について、拡散層における不純物の濃度が高いほどFSF(Front Surface Field:表面電界作用)を高くでき、キャリアの表面再結合速度を小さくできるということを意味していると考えている。また、式(2)の不等式の上限を表す直線は、拡散層における不純物濃度について負の傾きを持つ直線である。式(2)について、拡散層における不純物濃度が低いほど、拡散層内部でのキャリアライフタイムが長くなり、キャリアの表面再結合速度を小さくできることを意味していると考えている。さらに、式(3)の下限を表す直線は、10nmの拡散層の深さを示す直線である。式(3)について、拡散層の深さを10nmより小さくすると、後工程の電極との接合で形成される界面に拡散層が埋もれてしまい、電界作用(FSF)を発揮できないと考えている。
最も発電効率の高い領域は、次の関係式で囲まれる範囲である。ここで、n型シリコン基板1中に存在する不純物の最大濃度をXとし、高濃度拡散層3の深さをYとしている。
(1)Y≦7.00×10−18(nm・cm3/個)×X−43
(2)Y≦−2.67×10−17(nm・cm3/個)×X+357
(3)Y≧10nm
なお、上記式(1)の不等式の上限を表す直線は、拡散層における不純物濃度について正の傾きを持つ直線である。式(1)について、拡散層における不純物の濃度が高いほどFSF(Front Surface Field:表面電界作用)を高くでき、キャリアの表面再結合速度を小さくできるということを意味していると考えている。また、式(2)の不等式の上限を表す直線は、拡散層における不純物濃度について負の傾きを持つ直線である。式(2)について、拡散層における不純物濃度が低いほど、拡散層内部でのキャリアライフタイムが長くなり、キャリアの表面再結合速度を小さくできることを意味していると考えている。さらに、式(3)の下限を表す直線は、10nmの拡散層の深さを示す直線である。式(3)について、拡散層の深さを10nmより小さくすると、後工程の電極との接合で形成される界面に拡散層が埋もれてしまい、電界作用(FSF)を発揮できないと考えている。
また、上記最も発電効率の高い領域の周囲を囲んでおり、次に発電効率の高い領域Sは、次の関係式に囲まれる範囲である。不純物の最大濃度および高濃度拡散層3の深さを下記の関係式の範囲に制御すれば、低コスト化を可能としながらも、18.5%以上の高い発電効率を得ることができる。ここで、n型シリコン基板1中に存在する不純物の最大濃度をXとし、高濃度拡散層3の深さ(nm)をYとしている。
(1)Y≦3.67×10−17(nm・cm3/個)×X−157
(2)Y≦−1.60×10−17(nm・cm3/個)×X+370
(3)Y≧10nm
(1)Y≦3.67×10−17(nm・cm3/個)×X−157
(2)Y≦−1.60×10−17(nm・cm3/個)×X+370
(3)Y≧10nm
上記領域Sにおいて、不純物の最大濃度および高濃度拡散層3の深さを制御することによって、低コスト化を可能としながらも、18.5%以上の高い発電効率を得ることができる。
なお、本明細書では、n型の高濃度拡散層3の深さは、不純物濃度が最大濃度の15%濃度となる位置である。不純物濃度の最大となる箇所がシリコン基板1の表面近傍ではなく、シリコン基板1の内部側である場合には、最大濃度となる箇所からさらにシリコン基板の内部側で最大濃度の15%濃度となる位置までの深さをn型の高濃度拡散層3の深さと定義している。
<光起電力装置の製造方法>
実施の形態1に係る光起電力装置の製造方法について、図1aから図1eを用いて説明する。図1aは、n型の高濃度拡散層3を形成する工程を示す概略断面図である。図1bは、表面側に極薄のシリコン酸化膜4aを形成する工程を示す概略断面図である。図1cは、裏面側に非結晶質シリコン層5、6を形成すると共に、受光面側に反射防止膜としてのSiN膜7を形成する工程を示す概略断面図である。図1dは、裏面側に電極としてのITO膜8を形成すると共に、受光面側のSiN膜を部分的に除去する工程を示す概略断面図である。図1eは、銀電極を形成して、光起電力装置を得る工程を示すと共に、得られた実施の形態1に係る光起電力装置の構成を示す概略断面図である。
実施の形態1に係る光起電力装置の製造方法について、図1aから図1eを用いて説明する。図1aは、n型の高濃度拡散層3を形成する工程を示す概略断面図である。図1bは、表面側に極薄のシリコン酸化膜4aを形成する工程を示す概略断面図である。図1cは、裏面側に非結晶質シリコン層5、6を形成すると共に、受光面側に反射防止膜としてのSiN膜7を形成する工程を示す概略断面図である。図1dは、裏面側に電極としてのITO膜8を形成すると共に、受光面側のSiN膜を部分的に除去する工程を示す概略断面図である。図1eは、銀電極を形成して、光起電力装置を得る工程を示すと共に、得られた実施の形態1に係る光起電力装置の構成を示す概略断面図である。
(1)基板としてn型シリコン基板1を用い、その基板の受光面に、拡散剤としてドーパントを含むPSG膜2aを常圧CVD法にて全面に成膜する。その後、大気圧プラズマ法を用いて750乃至1,000℃で熱処理することにより、n型の高濃度拡散層3を形成する(図1a)。
(2)次に、フッ化水素酸を含む洗浄材による洗浄によって、受光面にある残膜を除去するとともに、受光面と反対の面(以降、裏面と称する)の酸化膜を除去する。次に、RTA法を用いてn型シリコン基材1の全周面に極薄のシリコン酸化膜4aを厚さ1.9nmの範囲で形成し、そのうち裏面側のシリコン酸化膜4aを除去する(図1b)。
(3)次に、CVD法により、裏面側に真性のi型非結晶質シリコン層5を2nm〜15nmの範囲で形成し、続けてp型非結晶質シリコン層6を2nm〜15nmの範囲で形成する。さらに、受光面に反射防止膜としてのSiN膜7を60nm〜100nmの範囲の厚さで形成する(図1c)。
(4)次に、電流を取り出すための電極として、裏面にスパッタ法でITO膜8を形成する。また、受光面ではレーザーによりSiN膜7を部分的に除去する。このとき、シリコン酸化膜4aは除去せずに残している(図1d)。
(5)その後、スクリーン印刷法により銀ペーストを塗布し、250℃の温度で熱処理をして、銀電極9a、9bを形成する(図1e)。
以上によって、実施の形態1に係る光起電力装置10を得ることができる。
(2)次に、フッ化水素酸を含む洗浄材による洗浄によって、受光面にある残膜を除去するとともに、受光面と反対の面(以降、裏面と称する)の酸化膜を除去する。次に、RTA法を用いてn型シリコン基材1の全周面に極薄のシリコン酸化膜4aを厚さ1.9nmの範囲で形成し、そのうち裏面側のシリコン酸化膜4aを除去する(図1b)。
(3)次に、CVD法により、裏面側に真性のi型非結晶質シリコン層5を2nm〜15nmの範囲で形成し、続けてp型非結晶質シリコン層6を2nm〜15nmの範囲で形成する。さらに、受光面に反射防止膜としてのSiN膜7を60nm〜100nmの範囲の厚さで形成する(図1c)。
(4)次に、電流を取り出すための電極として、裏面にスパッタ法でITO膜8を形成する。また、受光面ではレーザーによりSiN膜7を部分的に除去する。このとき、シリコン酸化膜4aは除去せずに残している(図1d)。
(5)その後、スクリーン印刷法により銀ペーストを塗布し、250℃の温度で熱処理をして、銀電極9a、9bを形成する(図1e)。
以上によって、実施の形態1に係る光起電力装置10を得ることができる。
(実施例1)
ここで、より具体的な実施例1として、n型の高濃度拡散層3には、不純物としてP(リン)を用い、n型シリコン基板1中に存在する不純物の最大濃度を1.0×1019個/cm3に制御し、また、n型の高濃度拡散層3の深さを120nmの範囲に制御した。
以上の実施例1で示した光起電力装置によれば、セル単位の発電効率が18.5%と高くなった。
ここで、より具体的な実施例1として、n型の高濃度拡散層3には、不純物としてP(リン)を用い、n型シリコン基板1中に存在する不純物の最大濃度を1.0×1019個/cm3に制御し、また、n型の高濃度拡散層3の深さを120nmの範囲に制御した。
以上の実施例1で示した光起電力装置によれば、セル単位の発電効率が18.5%と高くなった。
(実施の形態2)
<光起電力装置>
実施の形態2に係る光起電力装置の構成は、図1dに示す実施の形態1に係る光起電力装置と実質的に同じである。
実施の形態2に係る光起電力装置は、実施の形態1に係る光起電力装置と対比すると、n型不純物の最大濃度を9.0×1018〜1.5×1019個/cm3の範囲に制御し、n型の高濃度拡散層3の深さを10nm〜50nmの範囲に制御する点で相違する。つまり、n型高濃度拡散層の不純物の最大濃度と深さの設計以外の構造は、実施の形態1と同じである。
<光起電力装置>
実施の形態2に係る光起電力装置の構成は、図1dに示す実施の形態1に係る光起電力装置と実質的に同じである。
実施の形態2に係る光起電力装置は、実施の形態1に係る光起電力装置と対比すると、n型不純物の最大濃度を9.0×1018〜1.5×1019個/cm3の範囲に制御し、n型の高濃度拡散層3の深さを10nm〜50nmの範囲に制御する点で相違する。つまり、n型高濃度拡散層の不純物の最大濃度と深さの設計以外の構造は、実施の形態1と同じである。
(実施例2)
ここで、より具体的な実施例2として、n型の高濃度拡散層3には、不純物としてP(リン)を用い、n型シリコン基板1中に存在する不純物の最大濃度を1.0×1019個/cm3の範囲に制御し、また、n型の高濃度拡散層3の深さを20nmの範囲に制御した。
以上の実施例2で示した光起電力装置によれば、セル単位の発電効率が18.7%と高くなった。
ここで、より具体的な実施例2として、n型の高濃度拡散層3には、不純物としてP(リン)を用い、n型シリコン基板1中に存在する不純物の最大濃度を1.0×1019個/cm3の範囲に制御し、また、n型の高濃度拡散層3の深さを20nmの範囲に制御した。
以上の実施例2で示した光起電力装置によれば、セル単位の発電効率が18.7%と高くなった。
なお、本明細書では、n型の高濃度拡散層3の深さは、不純物濃度が最大濃度の15%濃度となる位置である。不純物濃度の最大となる箇所がシリコン基板1の表面近傍ではなく、シリコン基板1の内部側である場合には、最大濃度となる箇所からさらにシリコン基板の内部側で最大濃度の15%濃度となる位置までの深さをn型の高濃度拡散層3の深さと定義している。
以上のように、低コスト化を可能としながら、発電効率を高くできた理由は、以下のように考えている。まず、n型の高濃度拡散層3を受光面全面に形成することで、FSF(Front Surface Field)作用により、受光面側の表面再結合速度を低減できたと考えている。さらに、受光面側のシリコン酸化膜4aを極薄のトンネル酸化膜で形成することにより、受光面側のn型の高濃度拡散層3との界面での界面準位を低減することができ、さらに表面再結合速度を低減できたためと考えられる。
すなわち、実施の形態1では、n型の高濃度拡散層3の不純物の最大濃度を9.0×1018〜1.5×1019個/cm3の範囲に制御し、また、n型の高濃度拡散層3の深さを100〜210nmの範囲に制御している。また、実施の形態2では、不純物の最大濃度を9.0×1018〜1.5×1019個/cm3の範囲に制御している。
光起電力装置について、n型の高濃度拡散層3の不純物の最大濃度及びn型の高濃度拡散層3の深さを上記範囲とすることで、銀電極9aとのオーミックコンタクトを取りつつ、FSFの作用を発現しつつ、n型の高濃度拡散層3中でのキャリア再結合速度を小さくすることができ、受光面側の表面再結合速度を低減できたと考えられる。
また、本開示のシリコン酸化膜4aをトンネル酸化膜とすることにより、良質な界面を形成したまま、電流を取り出すことを可能とすることができたため、電圧と電流をともに高くすることができ、高い発電効率を実現することができたと考えられる。
光起電力装置について、n型の高濃度拡散層3の不純物の最大濃度及びn型の高濃度拡散層3の深さを上記範囲とすることで、銀電極9aとのオーミックコンタクトを取りつつ、FSFの作用を発現しつつ、n型の高濃度拡散層3中でのキャリア再結合速度を小さくすることができ、受光面側の表面再結合速度を低減できたと考えられる。
また、本開示のシリコン酸化膜4aをトンネル酸化膜とすることにより、良質な界面を形成したまま、電流を取り出すことを可能とすることができたため、電圧と電流をともに高くすることができ、高い発電効率を実現することができたと考えられる。
なお、本開示では、受光面でのレーザーによりSiN膜7を部分的に除去したが、SiN膜を優先的にウェットエッチングできるエッチングペーストを用いても良く、下地のシリコン酸化膜4aとの選択比を約8倍にとることができ、シリコン酸化膜を残してSiN膜を除去することも可能である。
なお、実施の形態1および2では、極薄のシリコン酸化膜4aの厚さが1.9nmの事例のみを示したが、厚さは1.0〜2.6nmの範囲であれば、本実施の形態と同等の効果を得ることができる。しかしながら、厚さが1.0未満の場合は厚さに対する特性の変動(特に開放電圧)が大きく、発電効率特性を制御することが難しくなり好ましくない。さらに、厚さが2.6nmを超える場合は太陽電池として取り出せる電流値が極端に小さくなりすぎて好ましくない。
なお、本開示では、不純物の最大濃度とn型の高濃度拡散層3の深さを実施の形態1および2の範囲で制御した結果を示したが、図2の結果で示したように、領域Sの範囲で不純物の最大濃度とn型の高濃度拡散層3の深さを制御すれば、本開示と同等の発電効率を得ることができる。
さらに、少なくともn型の高濃度拡散層3の深さを50nmよりも小さくするほど、高い発電効率を得られる、
さらに、少なくともn型の高濃度拡散層3の深さを50nmよりも小さくするほど、高い発電効率を得られる、
また、実施例1よりも実施例2の方が、発電効率が良好であった理由は、以下のように考えられる。まず、一般的に不純物を拡散させた拡散層の層内のキャリアライフタイムは、その拡散濃度に比例して低くなる。これを前提として考えると、高濃度拡散層3の深さが小さいほど、不純物が形成する電界効果を維持しながらも、高濃度拡散層3の膜厚分をキャリアが通過する時間を短くすることができると思われる。実施の形態1では高濃度拡散層3の深さを120nmとし、実施の形態2では高濃度拡散層3の深さを20nmとしている。つまり、高濃度拡散層3の深さが小さいほど発電効率が良好となると考えられる。
本開示に係る光起電力装置によれば、低コスト化を可能としながらも、高効率な発電効率を18.5%まで、及び、それ以上に高くできる、光起電力装置を提供できる。
1 n型シリコン基板
2a PSG膜
3 n型の高濃度拡散層
4a シリコン酸化膜(極薄絶縁膜)
5 i型非結晶質シリコン層
6 p型非結晶質シリコン層
7 SiN膜
8 ITO膜
9a 銀電極
9b 銀電極
2a PSG膜
3 n型の高濃度拡散層
4a シリコン酸化膜(極薄絶縁膜)
5 i型非結晶質シリコン層
6 p型非結晶質シリコン層
7 SiN膜
8 ITO膜
9a 銀電極
9b 銀電極
Claims (5)
- 第1の導電型の結晶系半導体基材と、
前記結晶系半導体基材の光入射側の表面全体に設けられ、前記結晶系半導体基材と同じ導電型である第1導電型の拡散層と、
前記拡散層表面の全面に設けられ、厚さ1nm〜2.6nmの範囲の第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の上に設けられた第2の絶縁層と、
前記第1及び第2の絶縁層の一部に設けられた開口部を介して前記拡散層と接続された電極と、
前記結晶系半導体基材の前記光入射側と反対側の表面に設けられ、前記第1導電型と逆の第2の導電型の非結晶系半導体層と、
を備え、
前記拡散層の最大拡散濃度は、5.0×1018個/cm3〜2.0×1019個/cm3の範囲であり、且つ、前記光入射側の表面からの前記拡散層の深さは、10nm〜210nmの範囲であることを特徴とする、光起電力装置。 - 前記結晶系半導体基材は、n型のシリコンであって、前記拡散層は、n型のシリコンであることを特徴とする、請求項1に記載の光起電力装置。
- 前記非結晶系半導体層は、少なくとも2層からなり、前記結晶系半導体基材と接触する第1層目にi型のシリコン、前記第1層目と接触する第2層目にp型のシリコンを備えることを特徴とする、請求項1又は2に記載の光起電力装置。
- 前記拡散層は、前記光入射側の表面からの深さが10〜100nmの範囲であることを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の光起電力装置。
- 前記第1の絶縁膜は、シリコン酸化膜であることを特徴とする、請求項1に記載の光起電力装置。
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WO2018025643A1 (ja) * | 2016-08-04 | 2018-02-08 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 太陽電池セルおよび太陽電池セルの製造方法 |
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WO2019021545A1 (ja) * | 2017-07-28 | 2019-01-31 | 三菱電機株式会社 | 太陽電池、及び、その製造方法 |
-
2014
- 2014-03-25 JP JP2014061458A patent/JP2015185715A/ja active Pending
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