JP2015532787A - 基板内に浅いカウンタードーピング層を含むトンネリング接合太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明の一実施形態はトンネリング接合太陽電池を提供する。【解決手段】 この太陽電池は、ベース層と、浅いカウンタードーピング層に隣接して位置するエミッタ層と、ベース層の浅いカウンタードーピング層とは反対の側に隣接して位置する表面電界層と、前側電極と、後側電極と、を含む。ベース層は、このベース層の残り部分とは反対の伝導ドーピング型を有する浅いカウンタードーピング層を含む。エミッタ層は、ベース層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する。【選択図】図１Ａ
Description
[0001] 本開示は、一般に太陽電池に関する。更に具体的には、本開示は、基板内に浅いカウンタードーピング層を含むトンネリング接合太陽電池に関する。
[0002] 化石燃料の使用が環境に与える負の影響、及びそれらのコスト上昇のために、もっとクリーンで安価な代替エネルギー源が早急に必要とされている。様々な形態の代替エネルギー源の中で、太陽電池は、クリーンさと幅広い可用性のために支持されている。
[0003] 太陽電池は、光電効果を用いて光を電気に変換する。多くの太陽電池構造があるが、典型的な太陽電池は、ｐ型ドープ層及びｎ型ドープ層を含むｐ−ｎ接合を含む。更に、ｐ−ｎ接合に基づいていない他のタイプの太陽電池も存在する。例えば太陽電池は、金属絶縁膜半導体（ＭＩＳ：metal-insulator-semiconductor）構造に基づくものである場合がある。この構造は、金属層又は高伝導層とドープした半導体層との間に位置する極めて薄い誘電又は絶縁界面トンネリング層を含む。
[0004] 様々なタイプの太陽電池の中で、シリコンヘテロ接合（ＳＨＪ：silicon heterojunction）太陽電池は、高い効率のために注目を集めている。例えば米国特許第５，７０５，８２８号は、両面ヘテロ接合（double-sided heterojunction）太陽電池を開示しており、これは優れた表面パッシベーションを用いて高効率を達成する。両面ヘテロ接合太陽電池の重要な進歩は、例えば７１５ｍＶを超える開回路電圧（ＶOC）の高さである（これに比べ、従来の結晶Ｓｉベースの太陽電池では６００ｍＶ ＶOCである）。
[0005] エミッタ表面でのパッシベーションを向上させることによって高効率の太陽電池を得る他の手法も提案されている。米国特許第５，７０５，８２８号及び米国特許第７，０３０，４１３号は、真性ａ−Ｓｉ層等の真性半導体層を用いた表面パッシベーション方法を記載している。真性ａ−Ｓｉ層は、表面のダングリングボンド数を減らすと共に少数キャリア濃度を低下させることで、優れたパッシベーションを結晶Ｓｉエミッタに与えることができる。後者の効果は、表面の電界（価電子帯オフセットによって形成される）によって、少数キャリアを界面及びエミッタから遠ざかる方向に押しやることで得られる。
[0006] 更に、米国特許第５，２１３，６２８号及び米国特許第７，７３７，３５７号は、電界効果と表面パッシベーションとの組み合わせから優れた開回路電圧（ＶOC）を提供することができるトンネリングベースのヘテロ接合デバイスを記載している。しかしながら、これらのトンネリングベースのヘテロ接合デバイスでは、短絡（ＪSC）電流が小さいことが多い。これは、トンネリングバリアによって必然的に多数キャリアの流れが阻止されるからである。
[0007] 本発明の一実施形態は、トンネリング接合太陽電池を提供する。この太陽電池は、ベース層と、浅いカウンタードーピング層に隣接して位置するエミッタ層と、ベース層の浅いカウンタードーピング層とは反対の側に隣接して位置する表面電界層と、前側電極と、後側電極と、を含む。ベース層は、このベース層の残り部分とは反対の伝導ドーピング型を有する浅いカウンタードーピング層を含む。エミッタ層は、ベース層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する。
[0008] この実施形態の１つの変形においては、ベース層が、単結晶シリコンウェーハ、エピタキシャル成長させた結晶−Ｓｉ（ｃ−Ｓｉ）薄膜、及び傾斜ドーピングを含むエピタキシャル成長させた結晶−Ｓｉ（ｃ−Ｓｉ）薄膜、の少なくとも１つを含む。
[0009] この実施形態の１つの変形においては、浅いカウンタードーピング層が傾斜ドーピング濃度を有し、傾斜ドーピングのピーク値が１×１０18／ｃｍ3から５×１０20／ｃｍ3の範囲である。
[0010] この実施形態の１つの変形においては、浅いカウンタードーピング層が３００ｎｍ未満の厚さを有する。
[0011] この実施形態の１つの変形においては、浅いカウンタードーピング層が、ドーパントの熱的ドライブインによるシリケートガラスのドーピング、ドーパントの熱的ドライブインによるａ−Ｓｉのドーピング、ドーパントの熱的ドライブインによる多結晶Ｓｉのドーピング、イオン注入、及びドープしたｃ−Ｓｉの層のエピタキシャル成長、の少なくとも１つを用いて形成される。
[0012] この実施形態の１つの変形においては、太陽電池が、ベース層とエミッタ層との間の第１の量子トンネリングバリア（ＱＴＢ）層、及びベース層と表面電界層との間の第２のＱＴＢ層、の少なくとも一方を更に備える。
[0013] 更に別の変形においては、第１及び／又は第２のＱＴＢ層が、酸化シリコン（ＳｉＯX）、水素化ＳｉＯX、窒化シリコン（ＳｉＮX）、水素化ＳｉＮX、酸化アルミニウム（ＡｌＯX）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、水素化ＳｉＯＮ、及び１つ以上のバンドギャップの大きい半導体材料、の少なくとも１つを含む。
[0014] 更に別の変形においては、第１及び／又は第２のＱＴＢ層が１オングストロームから５０オングストロームの厚さを有する。
[0015] 更に別の変形においては、第１及び／又は第２のＱＴＢ層が、以下の技法すなわち 熱酸化、原子層堆積、ウェット又はスチーム酸化、低圧ラジカル酸化、及びプラズマエンハンストＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、の少なくとも１つを用いて形成される。
[0016] 更に別の変形においては、エミッタ層及び／又は表面電界層が、アモルファス−Ｓｉ（ａ−Ｓｉ）、多結晶Ｓｉ、及び１つ以上のバンドギャップの大きい半導体材料、の少なくとも１つを含む。
[0017] 更に別の変形においては、エミッタ層及び／又は表面電界層が、ドーピング濃度が１×１０15／ｃｍ3から５×１０20／ｃｍ3の範囲である傾斜ドープアモルファス−Ｓｉ（ａ−Ｓｉ）層を含む。
[0018] 更に別の変形においては、エミッタ層が入射太陽光に面するベース層の前側に位置する。
[0019] 更に別の変形においては、エミッタ層が入射光から離れた方向に面するベース層の後側に位置する。
[0029] 以下の記載は、当業者が実施形態を作成及び使用することを可能とするために提示し、特定の用途及びその要件に関連付けて提供される。当業者には、開示する実施形態の様々な変更が容易に明らかとなろう。本明細書に規定する一般的な原理は、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく他の実施形態及び用途にも適用可能である。このため、本発明は図示する実施形態に限定されるのではなく、本明細書に開示する原理及び特性と一致する最も広い範囲が与えられる。
概観
[0030] 本発明の実施形態は、結晶Ｓｉ（ｃ−Ｓｉ）基板内に位置する浅いカウンタードーピング層を有するｃ−Ｓｉベースの太陽電池を提供する。この太陽電池は更に、量子トンネリングバリア（ＱＴＢ：quantum-tunneling barrier）層を含む。カウンタードーピングは、ｃ−Ｓｉ基板とは反対の伝導型を有するドーパントをｃ−Ｓｉの表面にドーピングすることによって達成可能である。ドーピングの深さをできる限り浅くして、短絡電流（ＪSC）の増大効果を最大限にする。
[0030] 本発明の実施形態は、結晶Ｓｉ（ｃ−Ｓｉ）基板内に位置する浅いカウンタードーピング層を有するｃ−Ｓｉベースの太陽電池を提供する。この太陽電池は更に、量子トンネリングバリア（ＱＴＢ：quantum-tunneling barrier）層を含む。カウンタードーピングは、ｃ−Ｓｉ基板とは反対の伝導型を有するドーパントをｃ−Ｓｉの表面にドーピングすることによって達成可能である。ドーピングの深さをできる限り浅くして、短絡電流（ＪSC）の増大効果を最大限にする。
基板に浅いカウンタードーピングを有するヘテロ接合太陽電池
[0031] ヘテロ接合ベースの太陽電池は、他のタイプの太陽電池に比べて優れた性能が実証されている。性能を更に向上させるため、一部のヘテロ接合太陽電池では、エミッタ−ベース界面におけるバンドベンディングを利用して、エミッタ表面を効果的に不活性化する（passivate）「電界効果」パッシベーションを生成する。しかしながら、ヘテロ接合は、内部及び界面の再結合速度が極めて低くなければならない。このような目標を達成するため、ヘテロ接合界面に、低伝導率の半導体材料（バンドギャップが大きい、移動度が低い、ドーピングが低濃度である等の半導体材料）の薄い層又は誘電膜を形成して、ＱＴＢ層として機能させることが多い。
[0031] ヘテロ接合ベースの太陽電池は、他のタイプの太陽電池に比べて優れた性能が実証されている。性能を更に向上させるため、一部のヘテロ接合太陽電池では、エミッタ−ベース界面におけるバンドベンディングを利用して、エミッタ表面を効果的に不活性化する（passivate）「電界効果」パッシベーションを生成する。しかしながら、ヘテロ接合は、内部及び界面の再結合速度が極めて低くなければならない。このような目標を達成するため、ヘテロ接合界面に、低伝導率の半導体材料（バンドギャップが大きい、移動度が低い、ドーピングが低濃度である等の半導体材料）の薄い層又は誘電膜を形成して、ＱＴＢ層として機能させることが多い。
[0032] 従来のヘテロ接合太陽電池において、余分なキャリアは、通常はヘテロ接合の反対側のエミッタの方へ強制的に流れてエミッタにより収集される。内部の余分なキャリア濃度がある一定レベルより高く、オージェ再結合（Auger recombination）が支配的とならない限り、再結合のほとんどはＳＲＨ（Shockley-Read-Hall）再結合である。従って、再結合速度を低く維持するためには、太陽電池内部の少数キャリア濃度が低いことが望ましい。トンネリングベースのヘテロ接合太陽電池は、少数キャリアの流れを阻止することで少数キャリア濃度を低くし、結果として再結合速度を低くすることができる。しかしながら、従来のトンネリングベースのヘテロ接合太陽電池では、ＶOCを高くすることができるにもかかわらず、多数キャリアの流れも阻止されるためにＪSCが低下する。
[0033] 更に、界面における多数キャリア濃度によってトンネリング電流が影響を受ける。従来のトンネリングベースのヘテロ接合太陽電池では、大抵の場合は基板がある伝導型（ｐ又はｎ）に低濃度にドーピングされているので基板内の欠陥状態の数が少ないという事実のために、トンネリング電流が極めて小さい傾向がある。パッシベーション層及びエミッタ層の堆積中に多数キャリア濃度を制御することが可能であるが、そのような手法は、高濃度ドーピング領域において大きな吸収損失又は低い膜品質を招いたり、ドーパントの熱活性化中に熱的損傷を生じたりする恐れがあるので、特定の環境下では望ましくない場合がある。従来のトンネリングベースのヘテロ接合太陽電池が直面する他の問題には、エミッタ−ベース界面におけるキャリア空乏領域の存在が含まれる。
[0034] トンネリングベースのヘテロ接合太陽電池においてＪSCに負の影響を及ぼすこれらの効果を軽減するため、本発明の実施形態は、太陽電池の基板に浅いカウンタードーピングを行うことによって著しくＪSCを増大させる解決策を提供する。更に具体的には、製造時、エミッタに面する基板の側に、基板とは反対の伝導型を有するドーパントをドーピングする。ドーパントの浸透深さは、最良のＪSC増大効果を得るように注意深く制御する。一実施形態では、表面からドーピング濃度が（基板表面における）ピーク値の１／ｅに減衰する場所までの距離は１００ｎｍ未満であり、接合深さ（ドーピング濃度が背景レベルに減衰する場所までの距離）は３００ｎｍ未満である。更に別の実施形態では、このカウンタードーピングの最大濃度（又は基板表面におけるドーピング濃度）は、１×１０18／ｃｍ3から５×１０20／ｃｍ3までの間である。
[0035] 図１Ａは、本発明の一実施形態に従った、基板に浅いカウンタードーピング層を有する例示的なトンネリング接合太陽電池を示す図を表す。太陽電池１００は、浅いカウンタードーピング層１０４を含む基板１０２、基板１０２の前面及び後面をそれぞれ覆っている任意の極めて薄いＱＴＢ層１０６及び１０８、エミッタ層１１０、背面電界（ＢＳＦ：back surface field）層１１２、前電極１１４、後電極１１６を含む。矢印は太陽光を示す。
[0036] 高効率を確実とするため、基板１０２は多くの場合、１つの伝導型すなわちｎ型又はｐ型である低濃度にドープした結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）基板を含むことに留意すべきである。基板１０２のボディの大部分は、１×１０17／ｃｍ3未満のドーピング濃度である。ＱＴＢ層１０６及び１０８は、誘電体又はバンドギャップの大きい材料を含むことができる。また、エミッタ１１０は、基板１０２とは反対の伝導型を有する高濃度にドープしたバンドギャップの大きい材料を含む。ＱＴＢ層１０６及びエミッタ１１０は双方とも、ｃ−Ｓｉ基板１０２よりもバンドギャップが大きいことに留意すべきである。このため、エネルギーバンド図において、エミッタ／ＱＴＢの伝導帯の下部は、基板のものよりはるかに高い。同様に、エミッタ／ＱＴＢの価電子帯の上部は、基板のものよりもはるかに低い。低い移動度と大きいバンドギャップを組み合わせることで、トンネリングが太陽電池１００の支配的な伝導機構となり、同時に良好なパッシベーションが提供される。
[0037] 上述のように、エミッタ／ＱＴＢ層の大きいバンドギャップの特性により、多数キャリアはバルクｃ−Ｓｉ基板内に拡散する。これは、空乏のために、基板とは反対のドーピングのエミッタでは悪化する恐れがある。例えば、ｎ-ドープのｃ−Ｓｉ基板及びｐ+ドープの大きいバンドギャップ（ａ−Ｓｉ等）のエミッタを有する太陽電池では、ｐ+−ｎ-ヘテロ接合界面に極めて大きい空間電荷領域（空乏領域）が存在する。ホモ接合（homogeneous junction）とは異なり、ＱＴＢ層なしでもヘテロ接合界面には多数キャリアに対するトンネリングバリアが存在することに留意すべきである。典型的なヘテロ接合（ｐ+−ｎ-又はｎ+−ｐ-）界面におけるこのトンネリングバリアが、ＪSC損失のうち最大で３％を引き起こし得る。また、人工的に導入されたＱＴＢ層は、多数キャリアのトンネリングをいっそう難しくし、ＪSC損失のうち最大で２％を引き起こし得る。
[0038] 別の態様において、ヘテロ接合は、多数キャリア濃度を上昇させると共に少数キャリア濃度を抑制することによって、エミッタ−ベース界面を不活性化する。このパッシベーションはバンドベンディングに依存するが、これはエミッタ／ＱＴＢ膜の特性によって制限され、改善の余地はほとんどない。
[0039] 本発明の実施形態において、エミッタに面する基板の側に浅いカウンタードーピング領域を導入することで、トンネリング電流を著しく増大させることができる。これは、カウンタードーピングによって欠陥状態が増え、多数キャリアが阻止されなくなる一方で、界面において少数キャリアは抑制され続けるからである。図１Ｂは、本発明の一実施形態に従った、基板に浅いカウンタードーピングが存在する場合及び存在しない場合の、太陽電池のエミッタ−ベース界面におけるエネルギー図を示す図を表す。図１Ｂでは、低濃度にドープされたか又は真性のバンドギャップの大きい半導体膜によってトンネリングバリアが形成されている。エネルギーバンド図は、１つの太陽（one sun）及び短絡状況において計算されている。この図からわかるように、界面には三角形のバリアがある。浅いドーピングが存在しない場合（実線）、電界は界面全体でほとんど連続的であり、充分な表面電荷は存在しない。浅いカウンタードーピングが存在する場合（点線）、ホール（基板がｎ型ドープされている場合）が界面の欠陥状態を埋めて、右側から左側へのトンネリングを助ける（矢印によって示すように）。境界条件を満足させなければならないので、右側（基板側）の電界の方がはるかに低いことに留意すべきである。
[0040] 図１Ｃは、本発明の一実施形態に従った、基板に浅いカウンタードーピングが存在する場合及び存在しない場合の、太陽電池のエミッタ−ベース界面におけるエネルギー図を示す図を表す。図１Ｃでは、低濃度にドープされたか又は真性のバンドギャップの大きい半導体膜及び絶縁性誘電膜によってトンネリングバリアが形成されている。エネルギーバンド図は、１つの太陽及び短絡状況において計算されている。図１Ｂと同様、トンネリング電流（右側から左側へ移動するホール）は浅いカウンタードーピングによって増大する。
[0041] 図１Ｄは、本発明の一実施形態に従った、基板に浅いカウンタードーピングが存在する場合及び存在しない場合の、太陽電池のトンネリング電流及びドリフト電流の比較を示す図を表す。図１Ｄでは、低濃度にドープされたか又は真性のバンドギャップの大きい半導体膜によってトンネリングバリアが形成されている。この図からわかるように、電流はほとんどトンネリングに基づいているが、少量のドリフト・拡散電流も存在する。また、図１Ｄは、点線に示すように、バリアの近傍の浅いカウンタードーピングがホールトンネリング電流を増大させることを実証している。
[0042] 図１Ｅは、本発明の一実施形態に従った、基板に浅いカウンタードーピングが存在する場合及び存在しない場合の、太陽電池のトンネリング電流及びドリフト電流の比較を示す図を表す。図１Ｅでは、低濃度にドープされたか又は真性のバンドギャップの大きい半導体膜及び絶縁性誘電膜によってトンネリングバリアが形成され、電流は全てトンネリングに基づいている。図１Ｄと同様、図１Ｅは、浅いカウンタードーピングによって短絡電流が増大することを実証している。図１Ｄ及び図１Ｅは、ドリフト拡散又はトンネリングによるホール電流のみをグラフ化していることに留意すべきである。バリアの基板側に、総電流に寄与するわずかな率の電子電流が存在する。
[0043] 図１Ｆは、基板に浅いカウンタードーピングが存在しない場合の太陽電池のキャリア密度を表す図を示す。図１Ｇは、本発明の一実施形態に従った、基板に浅いカウンタードーピングが存在する場合の太陽電池のキャリア密度を表す図を示す。図１Ｆ及び図１Ｇの双方において、キャリア密度は、Ｖ＝０．６Ｖ及び１つの太陽の条件で計算しており、これは最大電力出力に近い条件である。双方の図において、下部の線は対数尺度の少数キャリア濃度であり、中央の線は多数キャリア濃度である。この図からわかるように、図１Ｇにおける界面での少数キャリア濃度は、図１Ｆに比べて２倍から３倍であり、浅いカウンタードーピングが界面における再結合を著しく低減させることが示されている。図１Ｂから図１Ｇは全てｎ型基板についてグラフ化している。
製造方法
[0044] ｎ型又はｐ型のドープされた高品質の太陽電池級シリコン（ＳＧ−Ｓｉ：solar-grade silicon）ウェーハを用いて、太陽電池を構築することができる。一実施形態では、ｎ型ドープＳＧ−Ｓｉウェーハを選択する。図２は、本発明の一実施形態に従った、基板に浅いカウンタードーピング層を有するトンネリング接合太陽電池を製造するプロセスを示す図を表す。
[0044] ｎ型又はｐ型のドープされた高品質の太陽電池級シリコン（ＳＧ−Ｓｉ：solar-grade silicon）ウェーハを用いて、太陽電池を構築することができる。一実施形態では、ｎ型ドープＳＧ−Ｓｉウェーハを選択する。図２は、本発明の一実施形態に従った、基板に浅いカウンタードーピング層を有するトンネリング接合太陽電池を製造するプロセスを示す図を表す。
[0045] 動作２Ａにおいて、ＳＧ−Ｓｉ基板２００（ＳＧ−Ｓｉウェーハ等）を準備する。ＳＧ−Ｓｉ基板２００の厚さは、２０μｍから３００μｍの範囲とすることができる。ＳＧ−Ｓｉ基板２００の抵抗率は、限定ではないが典型的には１Ωｃｍから１０Ωｃｍの間の範囲である。一実施形態では、ＳＧ−Ｓｉ基板２００は、１Ωｃｍから２Ωｃｍの間の抵抗率を有する。この準備動作は、シリコンの約１０μｍを取り除く典型的な鋸損傷エッチング（saw damage etching）及び表面テクスチャリングを含む。表面テクスチャは、限定ではないが六角錐、逆ピラミッド、円筒、円錐、環状、及び他の不規則な形状を含む様々なパターンを有することができる。一実施形態では、表面テクスチャリング動作の結果、ランダムピラミッド型テクスチャ表面が得られる。その後、ＳＧ−Ｓｉ基板２００に広範囲の表面洗浄を行う。
[0046] 動作２Ｂにおいて、ＳＧ−Ｓｉ基板２００とは反対の伝導型を有するドーパントを用いてＳＧ−Ｓｉ基板２００の表面をドーピングすることによって、又は反対のドーピング型を有するｃ−Ｓｉの薄い層をエピタキシャル成長させることによって、ＳＧ−Ｓｉ基板２００の表面に浅いカウンタードーピング層２０２を形成する。例えば、ＳＧ−Ｓｉ基板２００がｎ型ドープされている場合は、ｐ型ドーパントを用いてＳＧ−Ｓｉ基板２００の表面を高濃度に（１×１０18／ｃｍ3から１×１０20／ｃｍ3との間で）ドーピングすることで、またその逆で、またその逆で、浅いカウンタードーピング層２０２を形成する。浅いカウンタードーピング層２０２を形成するために様々な技法を使用可能である。この技法は、限定ではないが、ドーパントの熱的ドライブインによるシリケートガラスのドーピング、ドーパントの熱的ドライブインによるアモルファス／多結晶Ｓｉのドーピング、イオン注入、及び反対のドーピング型によるｃ−Ｓｉ層のエピタキシャル成長を含む。エピタキシャル成長によって浅いカウンタードーピング層２０２を形成する場合、成長後に表面テクスチャリングを実行する必要があり得ることに留意すべきである。最適なＪSCの増大を達成するため、浅いカウンタードーピング層２０２の厚さ（又は浸透深さ）を、できる限り小さく維持する。実際、ドーピング濃度は、常に表面において最高であり、深くなるにつれて低下する。一実施形態では、基板表面からドーピング濃度がピーク値の１／ｅに減衰する場所までの距離は１００ｎｍ未満であり、接合深さ（ドーピング濃度が基板の背景レベルに減衰する場所までの距離）は３００ｎｍ未満である。更に別の実施形態では、このカウンタードーピングのピーク値（又は基板表面におけるドーピング濃度）は、１×１０18／ｃｍ3から５×１０20／ｃｍ3までの間である。
[0047] 動作２Ｃでは、ＳＧ−Ｓｉ基板２００の前面及び後面上に、高品質（欠陥状態密度が１×１０11／ｃｍ2未満）の誘電材料の薄い層を堆積して、前面及び後面のパッシベーション／トンネリング層２０４及び２０６をそれぞれ形成する。一実施形態では、ＳＧ−Ｓｉ基板２００の前面（エミッタに面する表面）のみに誘電材料の薄い層を堆積する。パッシベーション／トンネリング層を形成するために様々なタイプの誘電材料を使用可能である。それらは、限定ではないが、酸化シリコン（ＳｉＯX）、水素化ＳｉＯX、窒化シリコン（ＳｉＮX）、水素化ＳｉＮX、酸化アルミニウム（ＡｌＯX）、窒化アルミニウム（ＡｌＮX）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、及び水素化ＳｉＯＮを含む。誘電材料以外に、パッシベーション／トンネリング層２０４及び２０６は、低濃度にドープされたか又は真性のワイドギャップ半導体材料、又はそれら双方の組み合わせを含むことができる。更に、パッシベーション／トンネリング層を堆積するために様々な堆積技法を使用可能である。それらは、限定ではないが、熱酸化、原子層堆積、ウェット又はスチーム酸化、低圧ラジカル酸化、プラズマエンハンストＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）等を含む。パッシベーション／トンネリング層２０４及び２０６の厚さは、１〜５０オングストロームの間とすることができる。一実施形態では、パッシベーション／トンネリング層２０４及び２０６は、１〜１５オングストローム間の厚さを有する。パッシベーション／トンネリング層の厚さを充分に制御することで、良好なパッシベーション及びトンネリングの効果が保証される。
[0048] 動作２Ｄでは、前面パッシベーション／トンネリング層２０４の表面に、ＳＧ−Ｓｉ基板２００とは反対のドーピング型を有する水素化傾斜ドーピングａ−Ｓｉの層を堆積して、エミッタ層２０８を形成する。このため、エミッタ層２０８は、入射太陽光に面する太陽電池の前側に位置することになる。ＳＧ−Ｓｉ基板２００がｎ型ドープされている場合にはエミッタ層２０８はｐ型ドープされ、またその逆も同様であることに留意すべきである。一実施形態では、ドーパントとしてホウ素を用いてエミッタ層２０８はｐ型ドープされる。エミッタ層２０８の厚さは１〜２０ｎｍの間であり、エミッタ層２０８のドーピング濃度は１×１０15／ｃｍ3から５×１０20／ｃｍ3の範囲である。一実施形態では、前面パッシベーション／トンネリング層２０４に隣接しているエミッタ層２０８内の領域はドーピング濃度が高く、前面パッシベーション／トンネリング層２０４から離れている領域はドーピング濃度が低い。ａ−Ｓｉの他に、限定ではないが１つ以上のバンドギャップの大きい半導体材料及び多結晶Ｓｉを含む他の材料を用いて、エミッタ層２０８を形成することも可能である。
[0049] 動作２Ｅでは、後面パッシベーション／トンネリング層２０６の表面に、ＳＧ−Ｓｉ基板２００と同じドーピング型を有する水素化傾斜ドーピングａ−Ｓｉの層を堆積して、ＢＳＦ層２１０を形成する。ＳＧ−Ｓｉ基板２００がｎ型ドープされている場合にはＢＳＦ層２１０もｎ型ドープされ、またその逆も同様であることに留意すべきである。一実施形態では、ドーパントとしてリンを用いてＢＳＦ層２１０はｎ型ドープされる。一実施形態では、ＢＳＦ層２１０の厚さは１〜３０ｎｍの間である。一実施形態では、ＢＳＦ層２１０のドーピング濃度は１×１０15／ｃｍ3から５×１０20／ｃｍ3の範囲である。ａ−Ｓｉの他に、限定ではないがバンドギャップの大きい半導体材料及び多結晶Ｓｉを含む他の材料を用いて、ＢＳＦ層２１０を形成することも可能である。
[0050] 動作２Ｆでは、エミッタ層２０８の表面上にＴＣＯ材料層を堆積して、前側伝導性反射防止層２１２を形成し、良好なオーミック接触を保証する。ＴＣＯの例は、限定ではないが、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化インジウム（ＩｎＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、タングステンをドープした酸化インジウム（ＩＷＯ）、酸化すず（ＳｎＯX）、アルミニウムをドープした酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ａｌ又はＡＺＯ）、Ｚｎ−Ｉｎ−Ｏ（ＺＩＯ）、ガリウムをドープした酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ｇａ）、及び他のバンドギャップの大きい透明導電酸化物（transparent conducting oxide）材料を含む。
[0051] 動作２Ｇでは、ＢＳＦ層２１０の表面上に後側ＴＣＯ層２１４を形成する。後側ＴＣＯ層２１４は、良好な反射防止コーティングを形成して、太陽電池内への太陽光の透過を最大限とすることができる。
[0052] 動作２Ｆでは、ＴＣＯ層２１２及び２１４の表面上に、前側電極２１６及び後側電極２１８をそれぞれ形成する。一実施形態では、前側電極２１６及び後側電極２１８は、Ａｇフィンガグリッドを含む。これは、限定でないが、Ａｇペーストのスクリーン印刷、Ａｇインクのインクジェット又はエアロゾル印刷、及び蒸着を含む様々な技法を用いて形成可能である。更に別の実施形態では、前側電極２１６及び／又は後側電極２１８は、限定ではないが、無電解めっき、電気めっき、スパッタリング、及び蒸着を含む様々な技法を用いて形成したＣｕグリッドを含むことができる。
[0053] 図２に示した製造プロセスは単なる例示であり、他の変形も可能であることに留意すべきである。例えば、ｃ−Ｓｉウェーハの使用に加えて、ＳＧ−Ｓｉ基板２００は、均一又は傾斜ドーピング濃度を有するエピタキシャル成長ｃ−Ｓｉ膜を含むことができる。エピタキシャル成長ｃ−Ｓｉ膜のドーピング濃度は１×１０14／ｃｍ3から１×１０18／ｃｍとすることができ、ｃ−Ｓｉ膜の厚さは２０μｍから１００μｍとすることができる。更に、太陽電池の前側（入射光に面する側）にエミッタ層を有するのではなく、太陽電池の後側（入射光から離れた方向に面する側）にエミッタ層を形成することも可能である。そのような場合は、浅いカウンタードーピング層もエミッタに面するように基板の後側に形成することに留意すべきである。更に、基板の前側に前面電界（ＦＳＦ：front surface field）層を形成する。図３は、本発明の一実施形態に従った、基板に浅いカウンタードーピング層を有する例示的なトンネリング接合太陽電池を示す図である。太陽電池３００は、浅いカウンタードーピング層３０４を含む基板３０２、基板３０２の前面及び後面をそれぞれ覆っている任意の極めて薄いＱＴＢ層３０６及び３０８、エミッタ層３１０、ＦＳＦ層３１２、前面及び後面ＴＣＯ層３１４及び３１６、前電極３１８、後電極３２０を含む。矢印は太陽光を示す。
[0054] トンネリング接合太陽電池を製造するための様々な製造方法の詳細な説明は、２０１０年１１月１２日に出願された「Solar Cells with oxide Tunneling Junctions」と題する発明者Jiunn Benjamin Heng、Chentao Yu、Zheng Xu、及びJianming Fuによる米国特許出願第１２／９４５，７９２号（代理人整理番号SSP10-1002US）において見ることができる。その開示は参照により全体が本願にも含まれるものとする。
[0055] 様々な実施形態の前述の説明は、例示及び記述の目的のためにのみ提示したものである。それらは、網羅的であることも、開示した形態に本発明を限定することも意図していない。従って、当業者には多くの変更及び変形が明らかであろう。更に、上述の開示は本発明を限定することは意図していない。
Claims (26)
- トンネリング接合太陽電池を製造するための方法であって、
前記太陽電池のためのベース層を取得することであって、前記ベース層が、前記ベース層の残り部分とは反対の伝導ドーピング型を有する浅いカウンタードーピング層を含む、ことと、
前記浅いカウンタードーピング層に隣接してエミッタ層を形成することであって、前記エミッタ層が前記ベース層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する、ことと、
表面電界層を形成することと、
前側電極を形成することと、
後側電極を形成することと、
を備える、方法。 - 前記ベース層が、
単結晶シリコンウェーハ、及び
エピタキシャル成長させた結晶−Ｓｉ（ｃ−Ｓｉ）薄膜、
の少なくとも一方を含む、請求項１に記載の方法。 - 前記浅いカウンタードーピング層が傾斜ドーピング濃度を有し、前記傾斜ドーピングのピーク値が１×１０18／ｃｍ3から５×１０20／ｃｍ3の範囲である、請求項１に記載の方法。
- 前記浅いカウンタードーピング層が３００ｎｍ未満の厚さを有する、請求項１に記載の方法。
- 前記浅いカウンタードーピング層が、
ドーパントの熱的ドライブインによるシリケートガラスのドーピング、
ドーパントの熱的ドライブインによるａ−Ｓｉのドーピング、
ドーパントの熱的ドライブインによる多結晶Ｓｉのドーピング、
イオン注入、及び
ドープしたｃ−Ｓｉの層のエピタキシャル成長、
の少なくとも１つを用いて形成される、請求項１に記載の方法。 - 前記ベース層と前記エミッタ層との間に第１の量子トンネリングバリア（ＱＴＢ）層を形成すること、及び
前記ベース層と前記表面電界層との間に第２のＱＴＢ層を形成すること、
の少なくとも一方を更に備える、請求項１に記載の方法。 - 前記第１及び／又は第２のＱＴＢ層が、
酸化シリコン（ＳｉＯX）、
水素化ＳｉＯX、
窒化シリコン（ＳｉＮX）、
水素化ＳｉＮX、
酸化アルミニウム（ＡｌＯX）、
酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、
水素化ＳｉＯＮ、及び
１つ以上のバンドギャップの大きい半導体材料、
の少なくとも１つを含む、請求項６に記載の方法。 - 前記第１及び／又は第２のＱＴＢ層が１オングストロームから５０オングストロームの厚さを有する、請求項６に記載の方法。
- 前記第１及び／又は第２のＱＴＢ層が、以下の技法すなわち
熱酸化、
原子層堆積、
ウェット又はスチーム酸化、
低圧ラジカル酸化、及び
プラズマエンハンストＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、
の少なくとも１つを用いて形成される、請求項６に記載の方法。 - 前記エミッタ層及び／又は前記表面電界層が、
アモルファス−Ｓｉ（ａ−Ｓｉ）、
多結晶Ｓｉ、及び
１つ以上のバンドギャップの大きい半導体材料、
の少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。 - 前記エミッタ層及び／又は前記表面電界層が、ドーピング濃度が１×１０15／ｃｍ3から５×１０20／ｃｍ3の範囲である傾斜ドープアモルファス−Ｓｉ（ａ−Ｓｉ）層を含む、請求項１０に記載の方法。
- 前記エミッタ層が入射太陽光に面する前記ベース層の前側に位置する、請求項１に記載の方法。
- 前記エミッタ層が入射光から離れた方向に面する前記ベース層の後側に位置する、請求項１に記載の方法。
- ベース層であって、このベース層の残り部分とは反対の伝導ドーピング型を有する浅いカウンタードーピング層を含むベース層と、
前記浅いカウンタードーピング層に隣接するエミッタ層であって、前記ベース層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するエミッタ層と、
前記ベース層の前記浅いカウンタードーピング層とは反対の側に隣接して位置する表面電界層と、
前側電極と、
後側電極と、
を備える、トンネリング接合太陽電池。 - 前記ベース層が、
単結晶シリコンウェーハ、
エピタキシャル成長させた結晶−Ｓｉ（ｃ−Ｓｉ）薄膜、及び
傾斜ドーピングを含むエピタキシャル成長させた結晶−Ｓｉ（ｃ−Ｓｉ）薄膜、
の少なくとも１つを含む、請求項１４に記載の太陽電池。 - 前記浅いカウンタードーピング層が傾斜ドーピング濃度を有し、前記傾斜ドーピングのピーク値が１×１０18／ｃｍ3から５×１０20／ｃｍ3の範囲である、請求項１４に記載の太陽電池。
- 前記浅いカウンタードーピング層が３００ｎｍ未満の厚さを有する、請求項１４に記載の太陽電池。
- 前記浅いカウンタードーピング層が、
ドーパントの熱的ドライブインによるシリケートガラスのドーピング、
ドーパントの熱的ドライブインによるａ−Ｓｉのドーピング、
ドーパントの熱的ドライブインによる多結晶Ｓｉのドーピング、
イオン注入、及び
ドープしたｃ−Ｓｉの層のエピタキシャル成長、
の少なくとも１つを用いて形成される、請求項１４に記載の太陽電池。 - 前記ベース層と前記エミッタ層との間の第１の量子トンネリングバリア（ＱＴＢ）層、及び
前記ベース層と前記表面電界層との間の第２のＱＴＢ層、
の少なくとも一方を更に備える、請求項１４に記載の太陽電池。 - 前記第１及び／又は第２のＱＴＢ層が、
酸化シリコン（ＳｉＯX）、
水素化ＳｉＯX、
窒化シリコン（ＳｉＮX）、
水素化ＳｉＮX、
酸化アルミニウム（ＡｌＯX）、
酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、
水素化ＳｉＯＮ、及び
１つ以上のバンドギャップの大きい半導体材料、
の少なくとも１つを含む、請求項１９に記載の太陽電池。 - 前記第１及び／又は第２のＱＴＢ層が１オングストロームから５０オングストロームの厚さを有する、請求項１９に記載の太陽電池。
- 前記第１及び／又は第２のＱＴＢ層が、以下の技法すなわち
熱酸化、
原子層堆積、
ウェット又はスチーム酸化、
低圧ラジカル酸化、及び
プラズマエンハンストＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、
の少なくとも１つを用いて形成される、請求項１９に記載の太陽電池。 - 前記エミッタ層及び／又は前記表面電界層が、
アモルファス−Ｓｉ（ａ−Ｓｉ）、
多結晶Ｓｉ、及び
１つ以上のバンドギャップの大きい半導体材料、
の少なくとも１つを含む、請求項１４に記載の太陽電池。 - 前記エミッタ層及び／又は前記表面電界層が、ドーピング濃度が１×１０15／ｃｍ3から５×１０20／ｃｍ3の範囲である傾斜ドープアモルファス−Ｓｉ（ａ−Ｓｉ）層を含む、請求項２３に記載の太陽電池。
- 前記エミッタ層が入射太陽光に面する前記ベース層の前側に位置する、請求項１４に記載の太陽電池。
- 前記エミッタ層が入射光から離れた方向に面する前記ベース層の後側に位置する、請求項１４に記載の太陽電池。
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