JP2016046525A - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】効率を向上させることができる太陽電池及びその製造方法を提供する。
【解決手段】太陽電池１００は、半導体基板１０と、半導体基板１０の一面上に形成されるトンネル層２０と、トンネル層２０上に位置し、トンネル層２０と異なる別個の層として構成され、物質、組成及び結晶構造のうちの少なくとも１つがトンネル層２０と異なり、真性を有するバッファ部分２２ｃを含むバッファ層２２と、トンネル層２０上に位置し、第１導電型を有する第１導電型領域３２及び第２導電型を有する第２導電型領域３４を含む導電型領域と、導電型領域に接続される電極４２，４４を含む。
【選択図】図１
【解決手段】太陽電池１００は、半導体基板１０と、半導体基板１０の一面上に形成されるトンネル層２０と、トンネル層２０上に位置し、トンネル層２０と異なる別個の層として構成され、物質、組成及び結晶構造のうちの少なくとも１つがトンネル層２０と異なり、真性を有するバッファ部分２２ｃを含むバッファ層２２と、トンネル層２０上に位置し、第１導電型を有する第１導電型領域３２及び第２導電型を有する第２導電型領域３４を含む導電型領域と、導電型領域に接続される電極４２，４４を含む。
【選択図】図１
Description
本発明は、太陽電池及びその製造方法に係り、より詳細には、トンネリング構造を備える太陽電池及びその製造方法に関する。
最近、石油や石炭のような既存エネルギー資源の枯渇が予想されながら、これらに代わる代替エネルギーへの関心が高まっている。その中でも、太陽電池は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する次世代電池として脚光を浴びている。
このような太陽電池は、様々な層及び電極を設計に応じて形成することによって製造することができる。ところで、このような様々な層及び電極の設計に応じて太陽電池の効率が決定され得る。太陽電池の商用化のためには低い効率を克服しなければならないので、太陽電池の効率を最大化することができる太陽電池及びその製造方法が要求される。
本発明は、効率を向上させることができる太陽電池及びその製造方法を提供しようとする。
本発明の実施例に係る太陽電池は、半導体基板と、前記半導体基板の一面上に形成されるトンネル層と、前記トンネル層上に位置し、前記トンネル層と異なる別個の層として構成され、物質、組成及び結晶構造のうちの少なくとも１つが前記トンネル層と異なり、真性を有するバッファ部分を含むバッファ層と、前記トンネル層上に位置し、第１導電型を有する第１導電型領域及び第２導電型を有する第２導電型領域を含む導電型領域と、前記導電型領域に接続される電極を含む。前記バッファ層が、前記トンネル層に隣接して位置し、前記電極と離隔する。
本発明の実施例に係る太陽電池の製造方法は、半導体基板の一面上にトンネル層を形成するステップと、前記トンネル層上に位置し、前記トンネル層と異なる別個の層として構成され、物質、組成及び結晶構造のうちの少なくとも１つが前記トンネル層と異なり、真性を有するバッファ部分を含むバッファ層を形成するステップと、ドーパントをドープして、前記トンネル層上に第１導電型を有する第１導電型領域及び第２導電型を有する第２導電型領域を含む導電型領域を形成するステップと、前記導電型領域に接続される電極を形成するステップとを含む。
本実施例に係る太陽電池では、トンネル層上にトンネル層と別個に形成され、バッファ部分を含むバッファ層を形成して、望まない部分でトンネル層を介したトンネリングが起こることを防止することができる。そして、バッファ層は、シリコン−ドーパント結合を形成できる物質または構造を有して、バッファ層の一部が導電型領域の少なくとも一部を構成するので、バッファ部分を除外した部分へのトンネリングは円滑に行われるようにすることができる。これによって、望まない電子と正孔の再結合は防止しながら、光電変換のためのキャリアのトンネリングは円滑に行われるようにして、太陽電池の効率を向上させることができる。
本実施例に係る太陽電池の製造方法では、所望の結晶構造及び組成を有するバッファ層を単純な工程により形成できるので、太陽電池の効率及び特性を向上させることができる。
以下では、添付の図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。しかし、本発明がこれらの実施例に限定されるものではなく、様々な形態に変形可能であることはもちろんである。
図面では、本発明を明確且つ簡略に説明するために、説明と関係のない部分の図示を省略し、明細書全体において同一又は極めて類似の部分に対しては同一の図面参照符号を使用する。そして、図面では、説明をより明確にするために、厚さ、面積などを拡大又は縮小して示しており、本発明の厚さ、面積などは図面に示したものに限定されない。
そして、明細書全体において、ある部分が他の部分を「含む」とするとき、特に反対の記載がない限り、他の部分を排除するのではなく、他の部分をさらに含むことができる。また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上に」あるとするとき、これは、他の部分の「直上に」ある場合のみならず、その中間に他の部分が位置する場合も含む。層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「直上に」あるとするときは、中間に他の部分が位置しないことを意味する。
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施例に係る太陽電池を詳細に説明する。
図１は、本発明の実施例に係る太陽電池の断面図であり、図２は、図１に示した太陽電池の部分背面平面図である。
図１及び図２を参照すると、本実施例に係る太陽電池１００は、ベース領域１１０を含む半導体基板１０と、半導体基板１０の一面上に形成されるトンネル層２０と、トンネル層２０上に位置し、トンネル層２０と異なる別個の層として構成されるバッファ部分２２ｃを含むバッファ層２２と、トンネル層２０上でバッファ層２２に又はバッファ層２２上に形成される導電型領域３２，３４と、導電型領域３２，３４に接続される電極４２，４４とを含む。バッファ層２２は、トンネル層２０に隣接して形成され、電極４２，４４とは物理的に離隔して位置することができる。このとき、バッファ層２２は、トンネル層２０と異なる物質、組成及び／又は結晶構造を有する半絶縁物質（ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ）で構成されてもよい。本実施例において、導電型領域３２，３４は、第１導電型を有する第１導電型領域３２と、第２導電型を有し、第１導電型領域３２と同一平面上に位置する第２導電型領域３４とを含むことができ、第１導電型領域３２と第２導電型領域３４との間にはバリア領域３６が位置することができる。バッファ部分２２ｃは、バリア領域３６の一部を構成する。そして、太陽電池１００は、パッシベーション膜２４、反射防止膜２６、絶縁層４０などをさらに含むことができる。これについてより詳細に説明する。
半導体基板１０は、第２導電型ドーパントを相対的に低いドーピング濃度で含むことで第２導電型を有するベース領域１１０を含むことができる。ベース領域１１０は、第２導電型ドーパントを含む結晶質半導体で構成することができる。一例として、ベース領域１１０は、第２導電型ドーパントを含む単結晶または多結晶半導体（一例として、単結晶または多結晶シリコン）で構成してもよい。特に、ベース領域１１０は、第２導電型ドーパントを含む単結晶半導体（例えば、単結晶半導体ウエハ、より具体的には、半導体シリコンウエハ）で構成することができる。このように、ベース領域１１０が単結晶シリコンで構成されると、太陽電池１００が単結晶シリコン太陽電池を構成することになる。このように、単結晶半導体を有する太陽電池１００は、結晶性が高くて欠陥の少ないベース領域１１０または半導体基板１０をベースとするので、電気的特性に優れている。
第２導電型は、ｐ型またはｎ型であってもよい。一例として、ベース領域１１０がｎ型を有すると、ベース領域１１０と光電変換によってキャリアを形成する接合（一例として、トンネル層２０を挟んだｐｎ接合）を形成するｐ型の第１導電型領域３２を広く形成して、光電変換面積を増加させることができる。また、この場合には、広い面積を有する第１導電型領域３２が、移動速度が相対的に遅い正孔を効果的に収集することで、光電変換効率の向上にさらに寄与することができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。
そして、半導体基板１０は、前面側に位置する前面電界領域１３０を含むことができる。前面電界領域１３０は、ベース領域１１０と同じ導電型を有しながら、ベース領域１１０よりも高いドーピング濃度を有することができる。
本実施例では、前面電界領域１３０が、半導体基板１０に第２導電型ドーパントを相対的に高いドーピング濃度でドープして形成されたドーピング領域として構成された場合を例示した。これによって、前面電界領域１３０が、第２導電型を有する結晶質（単結晶または多結晶）半導体を含んで半導体基板１０の一部を構成するようになる。一例として、前面電界領域１３０は、第２導電型を有する単結晶半導体基板（一例として、単結晶シリコンウエハ基板）の一部分を構成することができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。したがって、半導体基板１０と異なる別個の半導体層（例えば、非晶質半導体層、微細結晶半導体層、または多結晶半導体層）に第２導電型ドーパントをドープして前面電界領域１３０を形成してもよい。または、前面電界領域１３０が、半導体基板１０に隣接して形成された層（例えば、パッシベーション膜２４及び／又は反射防止膜２６）の固定電荷によってドープされたものと類似の役割を果たす電界領域として構成されてもよい。例えば、ベース領域１１０がｎ型である場合には、パッシベーション膜２４が固定負電荷を有する酸化物（例えば、アルミニウム酸化物）で構成されて、ベース領域１１０の表面に反転領域（ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｌａｙｅｒ）を形成し、これを電界領域として用いることができる。この場合には、半導体基板１０が、別途のドーピング領域を備えずにベース領域１１０のみで構成されて、半導体基板１０の欠陥を最小化することができる。その他の様々な方法により様々な構造の前面電界領域１３０を形成することができる。
本実施例において、半導体基板１０の前面は、テクスチャリング（ｔｅｘｔｕｒｉｎｇ）されてピラミッドなどの形状の凹凸を有することができる。このようなテクスチャリングにより半導体基板１０の前面などに凹凸が形成されて表面粗さが増加すると、半導体基板１０の前面を介して入射する光の反射率を低下させることができる。したがって、ベース領域１１０と第１導電型領域３２によって形成されたｐｎ接合まで到達する光の量を増加させることができるので、光損失を最小化することができる。
そして、半導体基板１０の後面は、鏡面研磨などによって前面よりも低い表面粗さを有する、相対的に滑らかで且つ平坦な面からなることができる。本実施例のように、半導体基板１０の後面側に第１及び第２導電型領域３２，３４が共に形成される場合には、半導体基板１０の後面の特性に応じて太陽電池１００の特性が大きく変わり得るからである。これによって、半導体基板１０の後面にはテクスチャリングによる凹凸を形成しないことで、パッシベーション特性を向上させることができ、これによって、太陽電池１００の特性を向上させることができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、場合によって、半導体基板１０の後面にテクスチャリングによる凹凸を形成してもよい。その他の様々な変形も可能である。
半導体基板１０の後面上にはトンネル層２０が形成されてもよい。トンネル層２０は、電子及び正孔にとって一種のバリア（ｂａｒｒｉｅｒ）として作用して、少数キャリア（ｍｉｎｏｒｉｔｙ ｃａｒｒｉｅｒ）が通過しないようにし、トンネル層２０に隣接した部分で蓄積された後、一定以上のエネルギーを有する多数キャリア（ｍａｊｏｒｉｔｙ ｃａｒｒｉｅｒ）のみがトンネル層２０を通過できるようにする。このとき、一定以上のエネルギーを有する多数キャリアは、トンネル効果によって容易にトンネル層２０を通過することができる。また、トンネル層２０は、導電型領域３２，３４のドーパントが半導体基板１０へ拡散することを防止する拡散バリアとしての役割を果たすことができる。このようなトンネル層２０は、多数キャリアがトンネリングされ得る様々な物質を含むことができ、一例として、酸化物、窒化物、半導体、伝導性高分子などを含むことができる。例えば、トンネル層２０は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸化窒化物、真性非晶質シリコン、真性多結晶シリコンなどを含むことができる。特に、トンネル層２０は、シリコン酸化物を含むシリコン酸化物層で構成することができる。シリコン酸化物層は、パッシベーション特性に優れており、キャリアがトンネリングされやすい膜であるからである。
このとき、トンネル層２０は、半導体基板１０の後面に全体的に形成することができる。これによって、別途のパターニングなしに容易に形成することができる。
トンネル効果を十分に具現できるように、トンネル層２０の厚さＴ１は、第２絶縁層４０の厚さよりも小さくすることができる。一例として、トンネル層２０の厚さＴ１が１．８ｎｍ以下であってもよく、一例として０．１ｎｍ〜１．５ｎｍ（より具体的には、０．５ｎｍ〜１．２ｎｍ）であってもよい。トンネル層２０の厚さＴ１が１．８ｎｍを超えると、トンネリングが円滑に起こらないため、太陽電池１００の効率が低下することがあり、トンネル層２０の厚さＴ１が０．１ｎｍ未満であると、所望の品質のトンネル層２０を形成しにくいことがある。トンネル効果をより向上させるためには、トンネル層２０の厚さＴ１が０．１ｎｍ〜１．５ｎｍ（より具体的に０．５ｎｍ〜１．２ｎｍ）であってもよい。本実施例では、トンネル層２０上に、バリアとしての機能を果たすバッファ部分２２ｃを含むバッファ層２２が位置するので、トンネル層２０の厚さを従来よりも小さくしても、不必要な部分でトンネリングが行われることを効果的に防止することができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、トンネル層２０の厚さＴ１が様々な値を有してもよい。
本実施例では、トンネル層２０上には、バッファ部分２２ｃを含むバッファ層２２が位置し、トンネル層２０上においてバッファ層２２に及び／又はバッファ層２２上に導電型領域３２，３４が位置する。以下では、導電型領域３２，３４について先に説明した後、バッファ層２２について詳細に説明する。
本実施例において、導電型領域３２，３４は、第１導電型ドーパントを有して第１導電型を示す第１導電型領域３２と、第２導電型ドーパントを有して第２導電型を示す第２導電型領域３４とを含むことができる。ここで、第１導電型領域３２と第２導電型領域３４は、トンネル層２０上で互いに同一平面上に位置することができ、第１導電型領域３２と第２導電型領域３４との間でこれらと同一平面上にバリア領域３６が位置することができる。すなわち、第１導電型領域３２、バリア領域３６及び第２導電型領域３４は、互いに少なくとも一部の側面が隣接して位置することができる。
第１導電型領域３２は、トンネル層２０を挟んでベース領域１１０とｐｎ接合（又はｐｎトンネル接合）を形成して、光電変換によってキャリアを生成するエミッタ領域を構成する。そして、第２導電型領域３４は、後面電界（ｂａｃｋ ｓｕｒｆａｃｅ ｆｉｅｌｄ）を形成して、半導体基板１０の表面（より正確には、半導体基板１０の後面）で再結合によってキャリアの損失が発生することを防止する後面電界領域を構成する。そして、バリア領域３６は、第１導電型領域３２と第２導電型領域３４とを互いに離隔させる。第１導電型領域３２と第２導電型領域３４が互いに接触する場合には、シャント（ｓｈｕｎｔ）が発生して太陽電池１００の性能を低下させることがある。これによって、本実施例では、第１導電型領域３２と第２導電型領域３４との間にバリア領域３６を位置させて、不必要なシャントを防止することができる。
本実施例において、第１導電型領域３２は、バッファ層２２に形成され、第１導電型を有する第１部分２２ａと、バッファ層２２の第１部分２２ａ上に位置し、第１導電型を有する第１ドーピング部分３０ａとを含むことができる。第１部分２２ａは、第１ドーピング部分３０ａの形成工程での熱処理、または第１ドーピング部分３０ａの形成工程後に行われる熱処理によって、第１ドーピング部分３０ａ内の第１導電型ドーパントがバッファ層２２に拡散して形成された部分であり得る。これによって、第１部分２２ａと第１ドーピング部分３０ａは、平面視で互いに同一の位置で対応する形状を有するように形成されて、互いに重なって位置し得る。上述したように、第１ドーピング部分３０ａはドーピングによって形成され、第１部分２２ａはドーピング後のドーパントの拡散によって形成される場合に、第１部分２２ａの第１導電型ドーパントと第１ドーピング部分３０ａの第１導電型ドーパントとが互いに同一の物質であり、第１部分２２ａのドーピング濃度は、第１ドーピング部分３０ａのドーピング濃度と同一またはそれより小さくてもよい。特に、第１部分２２ａのドーピング濃度は、第１ドーピング部分３０ａのドーピング濃度よりも小さくてもよい。
第１導電型領域３２において第１導電型ドーパントは、ベース領域１１０と反対の導電型を示すことができるドーパントであれば足りる。すなわち、第１導電型がｐ型である場合には、ボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）などの３族元素を第１導電型ドーパントとして使用することができる。第１導電型がｎ型である場合には、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）などの５族元素を第１導電型ドーパントとして使用することができる。
そして、第２導電型領域３４は、バッファ層２２に形成され、第２導電型を有する第２部分２２ｂと、バッファ層２２の第２部分２２ｂ上に位置し、第２導電型を有する第２ドーピング部分３０ｂとを含むことができる。第２部分２２ｂは、第２ドーピング部分３０ｂの形成工程での熱処理、または第２ドーピング部分３０ｂの形成工程後に行われる熱処理によって、第２ドーピング部分３０ｂ内の第２導電型ドーパントがバッファ層２２に拡散して形成された部分であり得る。これによって、第２部分２２ｂと第２ドーピング部分３０ｂは、平面視で互いに同一の位置で対応する形状を有するように形成されて、互いに重なって位置し得る。上述したように、第２ドーピング部分３０ｂはドーピングによって形成され、第２部分２２ｂはドーピング後のドーパントの拡散によって形成される場合に、第２部分２２ｂの第２導電型ドーパントと第２ドーピング部分３０ｂの第２導電型ドーパントとが互いに同一の物質であり、第２部分２２ｂのドーピング濃度は、第２ドーピング部分３０ｂのドーピング濃度と同一またはそれより小さくてもよい。特に、第２部分２２ｂのドーピング濃度は、第２ドーピング部分３０ｂのドーピング濃度よりも小さくてもよい。
第２導電型領域３４において第２導電型ドーパントは、ベース領域１１０と同じ導電型を示すことができるドーパントであれば足りる。すなわち、第２導電型がｎ型である場合には、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）などの５族元素を第２導電型ドーパントとして使用することができる。第２導電型がｐ型である場合には、ボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）などの３族元素を第２導電型ドーパントとして使用することができる。
本実施例において、バリア領域３６は、バッファ層２２において第１部分２２ａと第２部分２２ｂとの間に位置するバッファ部分２２ｃ、及び半導体層３０において第１ドーピング部分３０ａと第２ドーピング部分３０ｂとの間に位置するバリア部分３０ｃを含むことができる。バッファ部分２２ｃとバリア部分３０ｃは、第１及び第２導電型ドーパントを実質的に含まない真性またはドープされていない（ｕｎｄｏｐｅｄ）物質を含むことができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、バリア部分３０ｃは様々な物質で構成することができる。これについては、より詳細に後述する。
以下では、バッファ層２２のバッファ部分２２ｃ、そして、第１及び第２部分２２ａ，２２ｂを詳細に説明した後、半導体層３０のバリア部分３０ｃ、そして、第１及び第２ドーピング部分３０ａ，３０ｂを詳細に説明する。
バッファ層２２（より具体的には、バッファ部分２２ｃ）は、トンネル層２０上において第１導電型領域３２と第２導電型領域３４との間に位置し、第１導電型領域３２と第２導電型領域３４との間で電子と正孔が再結合することを防止する層である。これについてより詳細に説明する。
トンネリング確率は、トンネル層２０の厚さと大きな相関関係を有しており、トンネル層２０の厚さが一定の水準を超えると（例えば、２ｎｍ超過）、トンネリング確率がほぼ０に近く収束するようになる。したがって、高いトンネリング確率を確保するためには、トンネル層２０の厚さが小さくなければならない。ところで、薄い厚さのトンネル層２０のみが位置する場合には、キャリアがバリア領域３６に容易にトンネリングされ得る。このとき、バリア領域３６は、真性を有してキャリアの移動性が小さい水準であるが、半導体物質であるので若干のキャリアの流れが起こり得る。特に、電子は移動性が非常に高いので、バリア領域３６にトンネリングされた電子は、正孔を主なキャリアとする（即ち、ｐ型の伝導型を有する）導電型領域３２，３４に移動し得、これによって、バリア領域３６と導電型領域３２，３４との境界部分で再結合が発生することがある。
これを考慮して、本実施例では、トンネル層２０上でバリア領域３６またはバリア部分３０ｃに対応する部分に、絶縁物質で構成されるバッファ部分２２ｃを別途に形成して、バリア領域３６へのトンネリングを防止する。このとき、トンネリングをより効果的に防止できるように、バッファ部分２２ｃを含むバッファ層２２は、トンネル層２０と異なる結晶構造、異なる物質、または異なる組成を有しながら、トンネル層２０よりも低い絶縁特性（即ち、高い誘電率）を有することができる。しかし、上述したように、バッファ層２２の一部は、ドーパントによって導電型領域３２，３４の一部として機能するようになるので、バッファ層２２が絶縁特性のみを有する場合には、第１及び第２導電型領域３２，３４または第１及び第２ドーピング部分３０ａ，３０ｂとしてのドーピング特性までも低下させることがある。したがって、バッファ層２２は、バッファ部分２２ｃではキャリアのトンネリングを防止しながら、第１及び第２部分２２ａ，２２ｂではドーピングによって第１及び第２導電型領域３２，３４としての役割を果たすことができるように、半絶縁物質で構成することができる。
ここで、半絶縁物質とは、ドーパントが含まれない場合には絶縁物質として機能し、ドーパントが含まれる場合には、キャリアのトンネリングが可能なように第１及び第２導電型領域３２，３４として機能することができる物質を意味できる。
一例として、バッファ層２２は、多結晶構造を有するシリコン酸化物層で構成してもよい。バッファ層２２が多結晶構造のシリコン酸化物層で構成されると、ドーパントをドープしやすく、熱安定性に優れ、トンネリングが容易に行われるようにするエネルギーバンドギャップを有することができるからである。
トンネル層２０がシリコン酸化物層で構成される場合に、バッファ層２２とトンネル層２０は互いに異なる結晶構造及び組成を有することができる。すなわち、トンネル層２０は非晶質構造を有し、バッファ層２２は、結晶質構造である多結晶構造を有することができる。そして、トンネル層２０とバッファ層２２は互いに異なる酸素含量及びシリコン含量を有することができる。より具体的には、バッファ層２２の酸素含量がトンネル層２０の酸素含量よりも小さくてもよく、バッファ層２２のシリコン含量がトンネル層２０のシリコン含量よりも大きくてもよい。ドーパントは、酸素よりはシリコンにさらに容易に結合できるので、シリコンの含量が高く、酸素の含量が低い場合、ドーパントがシリコンに結合されてシリコン−ドーパント結合（例えば、Ｂ−Ｓｉ結合またはＰ−Ｓｉ結合）を形成する量が多くなるので、ドーパントのドープ時に電気伝導性を有することができるので、キャリアがトンネリングされ得る。
一例として、トンネル層２０は、略ＳｉＯ2と同一又はこれと類似の化学式（例えば、ＳｉＯｙ、ここで、ｙは、１．９〜２．１）を有することができ、バッファ層２２は、ＳｉＯｘ（ｘは、０．２〜１．５）の化学式を有することができる。または、トンネル層２０が６０〜７０ａｔ％の酸素含量を有することができ、バッファ層２２が、１０〜４５ａｔ％の酸素含量を有する部分を含むことができる。特に、バッファ層２２においてトンネル層２０に隣接する部分の酸素含量が１０〜４５ａｔ％であり得る。トンネル層２０は、トンネリングバリアとしての役割を十分に行うことができると共に、化学的に安定化できるように、相対的に高い酸素含量を有することができる。バッファ層２２は、シリコン−ドーパント結合が容易に行われ得るように相対的に低い酸素含量を有するものである。より具体的には、バッファ層２２の化学式においてｘの値が０．２未満であるか、またはバッファ層２２の酸素含量が１０ａｔ％未満であると、バッファ部分２２ｃでトンネリングバリアとしての役割を行うことが難しくなり得る。そして、バッファ層２２の化学式においてｘの値が１．５を超えるか、またはバッファ層２２の酸素含量が４５ａｔ％を超えると、ドーパントのドーピングが容易でないので、第１及び第２部分２２ａ，２２ｂにおいてキャリアの流れが難しくなり得る。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、トンネル層２０及びバッファ層２２の化学式、酸素含量などは様々な値を有することができる。
上述した例では、バッファ層２２がトンネル層２０と同じシリコン酸化物層を含み、組成、結晶構造、特性などが互いに異なることを例示した。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、バッファ層２２がトンネル層２０と異なる物質を備えるなどの様々な変形が可能である。
本実施例において、バッファ層２２の厚さＴ２がトンネル層２０の厚さＴ１よりも大きくてもよい。上述したように、トンネル層２０の厚さＴ１はトンネリング確率と大きな関連があるので、トンネル層２０の厚さは、可能な限り小さいことが良い。そして、バッファ層２２は、不必要なトンネリングを防止できるように、相対的に厚い厚さを有するようにする。
例えば、トンネル層２０の厚さＴ１：バッファ層２２の厚さＴ２の比率は、１：１．５〜１：１０であってもよい。前記比率が１：１．５未満であると、バッファ層２２の厚さＴ２が十分でないので、バリア領域３６へのトンネリングを防止するバッファ層２２の効果が十分でないことがある。前記比率が１：１０を超えると、バッファ層２２の厚さＴ２が大きくなるので、太陽電池１００の厚さが増加し、工程時間が増加し得る。また、バッファ層２２の厚さＴ２が大きすぎると、導電型領域３２，３４の特性が低下することがある。すなわち、上述したように、バッファ層２２の第１及び第２部分２２ａ，２２ｂが、ドーパントによって、それぞれ第１及び第２導電型領域３２，３４の一部として機能することができるが、ドーピング濃度が相対的に低い第１及び第２部分２２ａ，２２ｂが相対的に厚く形成されると、第１及び第２導電型領域３２，３４の特性が低下することがある。
または、バッファ層２２の厚さＴ２は１０ｎｍ以下であってもよい。バッファ層２２の厚さＴ２が１０ｎｍを超えると、バッファ層２２によって太陽電池１００の厚さが増加し、工程時間が増加し、導電型領域３２，３４の特性が低下することがある。一例として、バッファ層２２の厚さＴ２は２ｎｍ〜１０ｎｍであってもよい。バッファ層２２の厚さＴ２が２ｎｍ未満であると、バリア領域３６へのトンネリングを防止するバッファ層２２の効果が十分でないことがある。太陽電池１００の厚さ、工程時間、導電型領域３２，３４の特性などをさらに考慮すると、バッファ層２２の厚さＴ２が２ｎｍ〜５ｎｍであってもよい。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、バッファ層２２の厚さは多様に変化可能である。
しかし、上述したバッファ層２２の厚さＴ２は、バッファ層２２を別途にドープせずに、半導体層３０にドープされたドーパントを拡散してバッファ層２２を形成することを考慮したものである。したがって、バッファ層２２を別途にドープする場合には、このような制限が存在せず、バッファ層２２の厚さＴ２がさらに大きいことも可能である。この場合にバッファ層２２の厚さは、３００ｎｍ以下程度であってもよい。その他の様々な変形が可能である。
バッファ層２２のバッファ部分２２ｃは、上述した物質、結晶構造、厚さ、特性などを有しながら、第１及び第２導電型ドーパントが含まれていない領域である。バッファ層２２の第１部分２２ａは、上述した物質、結晶構造、厚さ、特性などを有しながら、第１導電型ドーパントが含まれた領域であり、バッファ層２２の第２部分２２ｂは、上述した物質、結晶構造、厚さ、特性などを有しながら、第２導電型ドーパントが含まれた領域である。すなわち、バッファ層２２の第１部分２２ａは、酸素含量が１０〜４５％であり、化学式がＳｉＯｘ（ここで、ｘは、０．２〜１．５）であるシリコン酸化物層に第１導電型ドーパントがドープされた領域であり、第２部分２２ｂは、酸素含量が１０〜４５％であり、化学式がＳｉＯｘ（ここで、ｘは、０．２〜１．５）であるシリコン酸化物層に第２導電型ドーパントがドープされた領域である。そして、バッファ部分２２ｃは、第１部分２２ａと第２部分２２ｂとの間でバリア領域３６またはバリア部分３０ｃに対応して位置し、ドーパントがドープされていないアンドープまたは真性領域である。
特に、先に簡単に言及したように、第１及び第２部分２２ａ，２２ｂにおいてドーパントは、バッファ層２２を構成する半絶縁物質の半導体物質（即ち、シリコン）に結合された形態で位置する。すなわち、バッファ層２２の第１及び第２部分２２ａ，２２ｂには、シリコン−ドーパント結合が存在するようになる。例えば、第１部分２２ａにおいて、ｐ型のドーパントとしてボロン（Ｂ）を使用した場合、第１部分２２ａにはシリコン−ボロン結合（Ｓｉ−Ｂ結合）が存在するようになる。例えば、第２部分２２ｂにおいて、ｎ型のドーパントとしてリン（Ｐ）を使用した場合、第２部分２２ｂにはシリコン−リン結合（Ｓｉ−Ｐ結合）が存在するようになる。このように、第１及び第２導電型ドーパントがバッファ層２２の半導体物質（即ち、シリコン）と活性化された（ａｃｔｉｖａｔｅｄ）状態で存在するので、導電型領域３２，３４の一部として機能することができるようになる。このようなシリコン−ドーパント結合は、二次イオン質量分析（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｉｏｎ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ、ＳＩＭＳ）などの様々な分析方法によって検出することができる。
バッファ層２２上に位置する半導体層３０は、第１導電型領域３２の一部を構成する第１ドーピング部分３０ａと、第２導電型領域３４の一部を構成する第２ドーピング部分３０ｂと、第１ドーピング部分３０ａと第２ドーピング部分３０ｂとの間に位置し、真性を有するバリア部分３０ｃとを含むことができる。
第１部分２２ａ上に位置する第１ドーピング部分３０ａは、ベース領域１１０と反対の第１導電型ドーパントを含む半導体（一例として、シリコン）を含むことができる。本実施例では、第１ドーピング部分３０ａが、半導体基板１０上（より明確には、トンネル層２０上に位置した第１部分２２ａの上）で半導体基板１０と別個に形成され、第１導電型ドーパントがドープされた半導体層で構成される。これによって、第１ドーピング部分３０ａは、半導体基板１０上に容易に形成できるように、半導体基板１０と異なる結晶構造を有する半導体層で構成することができる。例えば、第１ドーピング部分３０ａは、蒸着などの様々な方法により容易に製造できる非晶質半導体、微結晶半導体、または多結晶半導体（一例として、非晶質シリコン、微細結晶シリコン、または多結晶シリコン）などに第１導電型ドーパントをドープして形成することができる。第１導電型ドーパントは、半導体層を形成する工程において半導体層に共に含まれてもよく、または、半導体層を形成した後に熱拡散法、イオン注入法などの様々なドーピング方法により半導体層に含まれてもよい。
第２部分２２ｂ上に位置する第２ドーピング部分３０ｂは、ベース領域１１０と反対の第２導電型ドーパントを含む半導体（一例として、シリコン）を含むことができる。本実施例では、第２ドーピング部分３０ｂが、半導体基板１０上（より明確には、トンネル層２０上に位置した第２部分２２ｂの上）で半導体基板１０と別個に形成され、第２導電型ドーパントがドープされた半導体層で構成される。これによって、第２ドーピング部分３０ｂは、半導体基板１０上に容易に形成できるように、半導体基板１０と異なる結晶構造を有する半導体層で構成することができる。例えば、第２ドーピング部分３０ｂは、蒸着などの様々な方法により容易に製造できる非晶質半導体、微結晶半導体、または多結晶半導体（一例として、非晶質シリコン、微結晶シリコン、または多結晶シリコン）などに第２導電型ドーパントをドープして形成することができる。第２導電型ドーパントは、半導体層を形成する工程において半導体層に共に含まれてもよく、または、半導体層を形成した後に熱拡散法、イオン注入法などの様々なドーピング方法により半導体層に含まれてもよい。
バリア部分３０ｃは、第１ドーピング部分３０ａと第２ドーピング部分３０ｂとの間でこれらを実質的に絶縁できる様々な物質を含むことができる。例えば、バリア部分３０ｃが真性半導体を含むこともできる。このとき、第１ドーピング部分３０ａ及び第２ドーピング部分３０ｂとバリア部分３０ｃが同一平面上に形成され、実質的に同一の厚さを有し、同一の半導体（一例として、非晶質シリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコン）で構成され得る。そして、バリア部分３０ｃは、実質的にドーパントを含まなくてもよい。一例として、半導体物質を含む半導体層を形成した後、半導体層の一部の領域に第１導電型ドーパントをドープして第１ドーピング部分３０ａを形成し、他の領域の一部に第２導電型ドーパントをドープして第２ドーピング部分３０ｂを形成すると、第１ドーピング部分３０ａ及び第２ドーピング部分３０ｂが形成されていない領域がバリア部分３０ｃを構成するようになる。これによれば、第１ドーピング部分３０ａ、第２ドーピング部分３０ｂ及びバリア部分３０ｃの製造方法を単純化することができる。
しかし、本発明がこれに限定されるものではない。したがって、バリア部分３０ｃを第１ドーピング部分３０ａ及び第２ドーピング部分３０ｂと別途に形成した場合には、バリア部分３０ｃと第１ドーピング部分３０ａ及び第２ドーピング部分３０ｂとが互いに異なる厚さを有することができる。一例として、第１ドーピング部分３０ａ及び第２ドーピング部分３０ｂのシャントをより効果的に防止するために、バリア部分３０ｃが第１ドーピング部分３０ａ及び第２ドーピング部分３０ｂよりも厚い厚さを有してもよい。または、バリア部分３０ｃを形成するための原料を低減するために、バリア部分３０ｃの厚さを第１ドーピング部分３０ａ及び第２ドーピング部分３０ｂの厚さよりも小さくしてもよい。その他の様々な変形が可能であることは勿論である。また、バリア部分３０ｃの基本構成物質が、第１ドーピング部分３０ａ及び第２ドーピング部分３０ｂと異なる物質を含むこともできる。この場合に、バリア部分３０ｃが、ドープされていない絶縁物質（例えば、酸化物、窒化物）などで構成されてもよい。または、バリア部分３０ｃが、第１ドーピング部分３０ａと第２ドーピング部分３０ｂとの間に位置した空き空間（例えば、トレンチ）として構成されてもよい。
そして、バリア部分３０ｃが第１ドーピング部分３０ａと第２ドーピング部分３０ｂとの境界の一部のみを離隔させるように形成されてもよい。これによれば、第１ドーピング部分３０ａと第２ドーピング部分３０ｂとの境界の他の一部は互いに接触してもよい。この場合には、バリア領域３６（又はバッファ部分２２ｃ）も第１導電型領域３２（又は第１部分２２ａ）と第２導電型領域（又は第２部分２２ｂ）との境界の一部のみを離隔させるように形成され、境界の他の一部は互いに接触することができる。また、バリア部分３０ｃを必ず備えなければならないわけではなく、第１ドーピング部分３０ａと第２ドーピング部分３０ｂが全体的に接触して形成されることも可能である。この場合には、第１導電型領域３２（又は第１部分２２ａ）と第２導電型領域（又は第２部分２２ｂ）が全体的に接触して形成され得る。その他の様々な変形が可能である。
本実施例では、導電型領域３２，３４がトンネル層２０を挟んで半導体基板１０の後面上に位置する場合を例示した。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、導電型領域３２，３４のうちの少なくとも１つが、半導体基板１０にドーパントをドープして形成されたドーピング領域を含むことも可能である。すなわち、導電型領域３２，３４が、半導体基板１０の一部を構成する単結晶半導体構造のドーピング領域を含むことができる。その他の様々な方法により導電型領域３２，３４が形成されてもよい。
本実施例では、ベース領域１１０と同じ導電型を有する第２導電型領域３４の面積よりも、ベース領域１１０と異なる導電型を有する第１導電型領域３２の面積を広く形成することができる。これによって、ベース領域１１０と第１導電型領域３２との間でトンネル層２０を通じて形成されるｐｎ接合をさらに広く形成することができる。このとき、ベース領域１１０及び第２導電型領域３４がｎ型の導電型を有し、第１導電型領域３２がｐ型の導電型を有する場合に、広く形成された第１導電型領域３２によって、移動速度が相対的に遅い正孔を効果的に収集することができる。このような第１導電型領域３２、第２導電型領域３４及びバリア領域３６の平面構造は、図２を参照してより詳細に後述する。
導電型領域３２，３４及びバリア領域３６上に絶縁層４０を形成することができる。絶縁層４０は、第１導電型領域３２と第１電極４２との接続のための第１開口部４０２、及び第２導電型領域３４と第２電極４４との接続のための第２開口部４０４を備える。これによって、絶縁層４０は、第１導電型領域３２及び第２導電型領域３４が接続されてはならない電極（即ち、第１導電型領域３２の場合には第２電極４４、第２導電型領域３４の場合には第１電極４２）と接続されることを防止する役割を果たす。また、絶縁層４０は、第１及び第２導電型領域３２，３４及び／又はバリア領域３６をパッシベーションする効果を有することができる。
半導体層３０上で電極４２，４４が位置していない部分に絶縁層４０が位置することができる。絶縁層４０は、トンネル層２０よりも厚い厚さを有することができる。これによって、絶縁特性及びパッシベーション特性を向上させることができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
絶縁層４０は、様々な絶縁物質（例えば、酸化物、窒化物など）からなることができる。一例として、絶縁層４０は、シリコン窒化膜、水素含有シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン酸化窒化膜、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＦ2、ＺｎＳ、ＴｉＯ2及びＣｅＯ2からなる群から選択されたいずれか１つの単一膜、または２つ以上の膜が組み合わされた多層膜構造を有することができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、絶縁層４０が様々な物質を含むことができることはもちろんである。
半導体基板１０の後面に位置する電極４２，４４は、第１導電型領域３２に電気的及び物理的に接続される第１電極４２と、第２導電型領域３４に電気的及び物理的に接続される第２電極４４とを含む。
このとき、第１電極４２は、絶縁層４０の第１開口部４０２を貫通して第１導電型領域３２に接続され、第２電極４４は、絶縁層４０の第２開口部４０４を貫通して第２導電型領域３４に接続される。このような第１及び第２電極４２，４４としては様々な金属物質を含むことができる。そして、第１及び第２電極４２，４４は、互いに電気的に接続されずに第１導電型領域３２及び第２導電型領域３４にそれぞれ接続されて、生成されたキャリアを収集して外部に伝達できる様々な平面形状を有することができる。すなわち、本発明が第１及び第２電極４２，４４の平面形状に限定されるものではない。
以下では、図２を参照して、第１導電型領域３２及び第２導電型領域３４、バリア領域３６、そして、第１及び第２電極４２，４４の平面形状を詳細に説明する。
図２を参照すると、本実施例では、第１導電型領域３２及び第２導電型領域３４は、それぞれ、ストライプ状をなすように長く形成されると共に、長手方向と交差する方向において互いに交互に位置している。第１導電型領域３２と第２導電型領域３４との間に、これらを離隔させるバリア領域３６が位置することができる。図示していないが、互いに離隔した複数の第１導電型領域３２が一側縁部で互いに接続され、互いに離隔した複数の第２導電型領域３４が他側縁部で互いに接続されてもよい。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。
このとき、第１導電型領域３２の面積を第２導電型領域３４の面積よりも大きくすることができる。一例として、第１導電型領域３２及び第２導電型領域３４の面積は、これらの幅を異ならせることによって調節することができる。すなわち、第１導電型領域３２の幅Ｗ１を第２導電型領域３４の幅Ｗ２よりも大きくすることができる。これによって、エミッタ領域を構成する第１導電型領域３２の面積を十分に形成して、光電変換が広い領域で起こるようにすることができる。このとき、第１導電型領域３２がｐ型を有する場合に、第１導電型領域３２の面積を十分に確保して、移動速度が相対的に遅い正孔を効果的に収集することができる。
そして、第１電極４２が、第１導電型領域３２に対応してストライプ状に形成され、第２電極４４が、第２導電型領域３４に対応してストライプ状に形成されてもよい。第１及び第２開口部（図１の参照符号４０２，４０４参照、以下同様）のそれぞれが、第１及び第２電極４２，４４に対応して第１及び第２電極４２，４４の全面積に形成されてもよい。これによると、第１及び第２電極４２，４４と第１導電型領域３２及び第２導電型領域３４との接触面積を最大化して、キャリア収集効率を向上させることができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。第１及び第２開口部４０２，４０４が、第１及び第２電極４２，４４の一部のみを第１導電型領域３２及び第２導電型領域３４にそれぞれ接続するように形成されてもよいことは勿論である。例えば、第１及び第２開口部４０２，４０４が複数個のコンタクトホールとして構成されてもよい。そして、図示していないが、第１電極４２が一側縁部で互いに接続されて形成され、第２電極４４が他側縁部で互いに接続されて形成されてもよい。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。
再び図１を参照すると、半導体基板１０上にパッシベーション膜２４が位置し、パッシベーション膜２４上に反射防止膜２６が位置することができる。パッシベーション膜２４及び反射防止膜２６は、実質的に半導体基板１０の前面に全体的に形成することができる。ここで、全体的に形成するということは、物理的に完壁に全てに形成されたことのみならず、不可避的に一部の除外された部分がある場合を含む。
パッシベーション膜２４は、半導体基板１０に接触して形成されて、半導体基板１０の表面またはバルク内に存在する欠陥を不動化させる。これによって、少数キャリアの再結合サイトを除去して、太陽電池１００の開放電圧（Ｖｏｃ）を増加させることができる。反射防止膜２６は、半導体基板１０の前面に入射する光の反射率を減少させる。これによって、半導体基板１０の前面を通して入射する光の反射率を低下させることによって、ベース領域１１０と第１導電型領域３２との界面に形成されたｐｎ接合まで到達する光量を増加させることができる。これによって、太陽電池１００の短絡電流（Ｉｓｃ）を増加させることができる。このように、パッシベーション膜２４及び反射防止膜２６によって太陽電池１００の開放電圧及び短絡電流を増加させて、太陽電池１００の効率を向上させることができる。
パッシベーション膜２４または反射防止膜２６は様々な物質で形成することができる。一例として、パッシベーション膜２４または反射防止膜２６は、シリコン窒化膜、水素含有シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン酸化窒化膜、アルミニウム酸化膜、ＭｇＦ2、ＺｎＳ、ＴｉＯ2及びＣｅＯ2からなる群から選択されたいずれか１つの単一膜、または２つ以上の膜が組み合わされた多層膜構造を有することができる。一例として、パッシベーション膜２４はシリコン酸化物を含み、反射防止膜２６はシリコン窒化物を含むことができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、パッシベーション膜２４及び反射防止膜２６には様々な物質、構造などを適用することができる。そして、半導体基板１０が反射防止膜２６に接触形成されることも可能であり、その他の様々な変形が可能である。
本実施例に係る太陽電池１００に光が入射すると、ベース領域１１０と第１導電型領域３２との間に形成されたｐｎ接合での光電変換によって電子と正孔が生成され、生成された正孔及び電子は、トンネル層２０をトンネリングして、それぞれ第１導電型領域３２及び第２導電型領域３４に移動した後、第１及び第２電極４２，４４に移動する。これによって、電気エネルギーを生成するようになる。
本実施例のように、半導体基板１０の後面に電極４２，４４が形成され、半導体基板１０の前面には電極が形成されない後面電極構造の太陽電池１００においては、半導体基板１０の前面でシェーディング損失（ｓｈａｄｉｎｇ ｌｏｓｓ）を最小化することができる。これによって太陽電池１００の効率を向上させることができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。したがって、第１及び第２導電型領域３２，３４のうちの少なくとも１つとこれに接続される第１及び第２電極４２，４４のうちの少なくとも１つが、半導体基板１０の前面に位置することも可能である。その他の様々な変形が可能である。
そして、第１及び第２導電型領域３２，３４が、トンネル層２０を挟んで半導体基板１０上に形成されるので、半導体基板１０と異なる別個の層として構成される。これによって、半導体基板１０にドーパントをドープして形成されたドーピング領域を導電型領域として使用する場合よりも、再結合による損失を最小化することができる。
また、トンネル層２０上にトンネル層２０と別個に形成され、バッファ部分２２ｃを含むバッファ層２２を形成して、望まない部分でトンネル層２０を介したトンネリングが起こることを防止することができる。そして、バッファ層２２は、シリコン−ドーパント結合を形成できる物質で構成されて、バッファ層２２の一部は導電型領域３２，３４の少なくとも一部を構成するので、バッファ部分２２ｃを除外した部分へのトンネリングは円滑に行われるようにすることができる。これによって、望まない電子と正孔の再結合は防止しながら、光電変換のためのキャリアのトンネリングは円滑に行われるようにして、太陽電池１００の効率を向上させることができる。
上述した構造では、バッファ層２２の第１及び第２部分２２ａ，２２ｂ、そして、バッファ部分２２ｃの配置と、導電型領域３２，３４の第１及び第２ドーピング部分３０ａ，３０ｂ、そして、バリア部分３０ｃの配置とが一致する場合を例示した。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、第１及び第２部分２２ａ，２２ｂを第１及び第２ドーピング部分３０ａ，３０ｂと別個にドープして形成し、第１及び第２部分２２ａ，２２ｂと第１及び第２ドーピング部分３０ａ，３０ｂの配置が互いに異なっていてもよい。その他の様々な変形が可能である。
上述した構造の太陽電池１００の製造方法を、図３Ａ乃至図３Ｈを参照して詳細に説明する。図３Ａ乃至図３Ｈは、本発明の実施例に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。
まず、図３Ａに示したように、第２導電型ドーパントを有するベース領域１１０で構成される半導体基板１０を準備する。本実施例において、半導体基板１０は、ｎ型のドーパントを有するシリコン基板（一例として、シリコンウエハ）からなることができる。ｎ型のドーパントとしては、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）などの５族元素を使用することができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、ベース領域１１０がｐ型のドーパントを有してもよい。
このとき、半導体基板１０の前面及び後面のうちの少なくとも一面が凹凸を有するようにテクスチャリングしてもよい。半導体基板１０の表面のテクスチャリングとしては、湿式または乾式テクスチャリングを用いることができる。湿式テクスチャリングは、テクスチャリング溶液に半導体基板１０を浸漬することによって行うことができ、工程時間が短いという利点がある。乾式テクスチャリングは、ダイヤモンドドリルまたはレーザーなどを用いて半導体基板１０の表面を削るもので、凹凸を均一に形成できる一方、工程時間が長く、半導体基板１０に損傷が発生することがある。その他に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などにより半導体基板１０をテクスチャリングすることもできる。このように、本発明では、様々な方法で半導体基板１０をテクスチャリングすることができる。
一例として、半導体基板１０の前面が凹凸を有するようにテクスチャリングされ、半導体基板１０の後面が、鏡面研磨などによって処理されて、半導体基板１０の前面よりも小さい表面粗さを有する平坦な面として構成されてもよい。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、様々な構造の半導体基板１０を使用することができる。
次に、図３Ｂに示したように、半導体基板１０の後面にトンネル層２０を形成する。トンネル層２０は、半導体基板１０の後面に全体的に形成することができる。
ここで、トンネル層２０は、一例として、熱的成長法、蒸着法（例えば、化学気相蒸着法（ＰＥＣＶＤ）、原子層蒸着法（ＡＬＤ））などによって形成することができる。特に、トンネル層２０は、化学気相蒸着法により形成された非晶質構造を有する非晶質シリコン酸化物層であってもよい。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、様々な方法によりトンネル層２０が形成されてもよい。
次に、図３Ｃに示したように、トンネル層２０上にバッファ層２２を形成する。バッファ層２２は、トンネル層２０上で半導体基板１０の後面に全体的に形成することができる。
バッファ層２２は、常圧化学気相蒸着（ＡＰＣＶＤ）、低圧化学気相蒸着（ＬＰＣＶＤ）などのような様々な工程によって製造することができる。このとき、バッファ層２２を、所望の組成の多結晶構造を有するシリコン酸化物層で形成するために、バッファ層２２を低圧化学気相蒸着で形成することができる。バッファ層２２の結晶性が圧力に影響を受けるので、優れた結晶度を有するバッファ層２２を形成するためには低圧化学気相蒸着を用いることが良いからである。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。
シリコン酸化物層で構成されるバッファ層２２を形成するための原料ガスとしては、様々な物質を用いることができ、一例として、酸化窒素（Ｎ2Ｏ）及びシラン（ＳｉＨ4）を用いることができ、その比率は１：０．０１〜１：０．３５であってもよい。これによって、安定的に所望の組成のバッファ層２２を形成することができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、様々な原料ガスを用いることができる。
このとき、バッファ層２２の形成温度は６００〜１０００℃（より具体的には、６００〜６７５℃）であってもよい。温度が６００℃未満である場合には、非晶質構造のシリコン酸化物層が形成されることがあり、温度が１０００℃を超える場合には、部分的に単結晶構造のシリコン酸化物層が形成されることがあるからである。多結晶構造の特性を最大化するためには、バッファ層２２の形成温度が６００〜６７５℃であり得る。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、バッファ層２２の形成温度は多様に変化可能である。
このとき、バッファ層２２は、ドーピングが行われていない状態で形成されて、バッファ部分２２ｃのみで構成されてもよい。
上述した実施例では、バッファ層２２がシリコン酸化物層を含むことを例示として説明したが、本発明がこれに限定されるものではない。バッファ層２２が、他の物質、組成、結晶構造などを有することも可能である。
次いで、図３Ｄ及び図３Ｅに示したように、トンネル層２０上に第１導電型領域３２と第２導電型領域３４を形成する。これをより具体的に説明すると、次の通りである。
まず、図３Ｄに示したように、トンネル層２０上に、より詳細にはバッファ層２２上に真性の半導体層３００を形成する。半導体層３００は、微結晶質、非晶質、または多結晶半導体で構成されてもよい。半導体層３００は、一例として、熱的成長法、蒸着法（例えば、化学気相蒸着法（ＰＥＣＶＤ））などにより形成することができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、様々な方法により半導体層３００を形成することができる。
次いで、図３Ｅに示したように、ドーパントのドーピングによって第１導電型領域３２、第２導電型領域３４、及びバリア領域３６を形成する。
例えば、第１ドーピング部分３０ａに該当する領域にイオン注入法、熱拡散法、レーザードーピング法などのような様々な方法により第１導電型ドーパントをドープし、第２ドーピング部分３０ｂに該当する領域にイオン注入法、熱拡散法、レーザードーピング法などによる様々な方法により第２導電型ドーパントをドープすることができる。すると、第１ドーピング部分３０ａと第２ドーピング部分３０ｂとの間に位置した領域がバリア部分３０ｃを構成することになる。
そして、イオン注入法の後に行われる活性化熱処理工程、または熱拡散法、レーザードーピング法などの工程中の熱処理によって、第１ドーピング部分３０ａ内の第１導電型ドーパントがバッファ層２２に拡散して第１部分２２ａを形成する。これと同様に、第２ドーピング部分３０ｂ内の第２導電型ドーパントがバッファ層２２に拡散して第２部分２２ｂを形成する。バリア部分３０ｃに対応して位置して第１及び第２導電型ドーパントが拡散しない部分は、バッファ部分２２ｃとして残るようになる。
これによって、第１部分２２ａと第１ドーピング部分３０ａで構成される第１導電型領域３２、第２部分２２ｂと第２ドーピング部分３０ｂで構成される第２導電型領域３４、バッファ部分２２ｃとバリア部分３０ｃで構成されるバリア領域３６が形成される。
本実施例では、バッファ層２２の第１及び第２部分２２ａ，２２ｂを、第１及び第２ドーピング部分３０ａ，３０ｂのドーピング工程または後続熱処理工程において共に形成する場合を例示した。これによって、工程を単純化することができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、第１及び第２部分２２ａ，２２ｂを、別途のドーピングによって形成するなどの様々な変形が可能である。また、導電型領域３２，３４、そして、バリア領域３６を形成する方法としては、公知の様々な方法を用いることができる。そして、バリア領域３６を形成しないなどの様々な変形が可能である。
次いで、図３Ｆに示したように、半導体基板１０の前面に第２導電型ドーパントをドープして前面電界領域１３０を形成することができる。前面電界領域１３０は、イオン注入法、熱拡散法、レーザードーピング法などのような様々な方法により形成することができる。その他の様々な方法を用いることができる。また、前面電界領域１３０が別途に形成されないことも可能である。
次いで、図３Ｇに示したように、半導体基板１０の前面にパッシベーション膜２４及び反射防止膜２６を順次形成し、半導体基板１０の後面に絶縁層４０を形成する。すなわち、半導体基板１０の前面上にパッシベーション膜２４及び反射防止膜２６を全体的に形成し、半導体基板１０の後面上に第１及び第２導電型領域３２，３４を覆うように全体的に絶縁層４０を形成する。パッシベーション膜２４、反射防止膜２６及び絶縁層４０は、真空蒸着法、化学気相蒸着法、スピンコーティング、スクリーン印刷またはスプレーコーティングなどのような様々な方法により形成することができる。パッシベーション膜２４及び反射防止膜２６、そして、絶縁層４０の形成順序は多様に変更可能である。
次いで、図３Ｈに示したように、第１及び第２導電型領域３２，３４にそれぞれ接続される第１及び第２電極４２，４４を形成する。
一例として、絶縁層４０に第１及び第２開口部４０２，４０４を形成し、第１及び第２開口部４０２，４０４内にめっき法、蒸着法などの様々な方法で第１及び第２電極４２，４４を形成することができる。他の実施例として、第１及び第２電極形成用ペーストを絶縁層４０上にそれぞれスクリーン印刷などで塗布した後、ファイヤースルー（ｆｉｒｅ ｔｈｒｏｕｇｈ）またはレーザー焼成コンタクト（ｌａｓｅｒ ｆｉｒｉｎｇ ｃｏｎｔａｃｔ）などを行うことで、上述した形状の第１及び第２電極４２，４４を形成することも可能である。この場合には、第１及び第２電極４２，４４を形成するときに第１及び第２開口部４０２，４０４が形成されるので、別途に第１及び第２開口部４０２，４０４を形成する工程を追加しなくて済む。
本実施例によれば、バッファ部分２２ｃ、そして、第１及び第２部分２２ａ，２２ｂを含むバッファ層２２を単純な工程によって製造することによって、優れた効率を有する太陽電池１００の生産性を向上させることができる。
以下、図４及び図５を参照して、本発明の他の実施例に係る太陽電池及びその製造方法を詳細に説明する。上述した説明と同一又は極めて類似の部分に対しては、上述の説明をそのまま適用できるので、詳細な説明を省略し、互いに異なる部分に対してのみ詳細に説明する。そして、上述した実施例又はその変形例と下記の実施例又はその変形例を互いに結合したものも本発明の範囲に属する。
図４は、本発明の他の実施例に係る太陽電池の断面図である。
図４を参照すると、本実施例では、バッファ層２２の第１部分２２ａが第１導電型領域３２を全体的に構成し、バッファ層２２の第２部分２２ｂが第２導電型領域３４を全体的に構成し、バッファ層２２のバッファ部分２２ｃがバリア領域３６を全体的に構成する。すなわち、第１導電型領域３２が第１部分２２ａのみで構成され、第２導電型領域３４が第２部分２２ｂのみで構成され、バリア領域３６がバッファ部分２２ｃのみで構成される。
上述したように、バッファ層２２の第１及び第２部分２２ａ，２２ｂは導電型領域３２，３４として機能することができるので、本実施例では、別途の半導体層（図１の参照符号３０、以下同様）を形成せず、バッファ層２２のみで導電型領域３２，３４を構成したものである。これによれば、太陽電池１００の構造を単純化し、製造工程を単純化することができる。
このように、バッファ層２２が単独で導電型領域３２，３４として機能する太陽電池１００は、図３Ｂに示したように、バッファ部分２２ｃからなるバッファ層２２を形成した後に、バッファ層２２に第１及び第２導電型ドーパントをドープすることによって製造することができる。第１及び第２導電型ドーパントのドーピングは、図３Ｅを参照した半導体層３０のドーピングに関する説明をそのまま適用できるので、詳細な説明を省略する。
本実施例において、バッファ層２２は、３００ｎｍ以下（より具体的に、２ｎｍ〜３００ｎｍ）の厚さを有することができる。バッファ層２２が、導電型領域３２，３４として機能するのに適した程度の十分な厚さを有しなければならないからである。バッファ層２２が導電型領域３２，３４として機能することを考慮すると、バッファ層２２の厚さは１００ｎｍ〜３００ｎｍであり得る。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、バッファ層２２が様々な厚さを有することができる。
バッファ層２２は、その厚さ方向において一定の酸素含量を有することができる。すなわち、図１を参照して説明したように、バッファ層２２の酸素含量は、厚さ方向において均一に１０〜４５ａｔ％の範囲内で一定の値を有することができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。
すなわち、バッファ層２２においてトンネル層２０に隣接する部分では、不必要なトンネリングを効果的に防止できるように、相対的に高い酸素含量及び低いシリコン含量を有し、バッファ層２２においてトンネル層２０と遠く離れた部分（即ち、電極４２，４４）と隣接する部分では、優れた電気的特性を有するように、相対的に低い酸素含量及び高いシリコン含量を有することができる。例えば、バッファ層２２においてトンネル層２０に隣接する部分では、酸素含量が１０〜４５ａｔ％であってもよく、バッファ層２２においてトンネル層２０と遠く離れた部分では、酸素含量が１０ａｔ％以下（即ち、０ａｔ％〜１０ａｔ％）であり、シリコン含量が９０ａｔ％以上（即ち、９０〜１００ａｔ％）であってもよい。
一例として、バッファ層２２においてトンネル層２０に隣接する部分から遠ざかるほど、酸素含量が次第に減少し、シリコン含量が次第に増加するようにすることができる。このようなバッファ層２２の形成時に用いられる原料ガスの含量などを次第に変更することによって製造することができる。
図５は、本発明の更に他の実施例に係る太陽電池の断面図である。
図５を参照すると、本実施例では、バッファ層２２がバッファ部分２２ｃのみを含み、第１及び第２部分（図１の参照符号２２ａ，２２ｂ、以下同様）を備えない。すなわち、バッファ層２２が、第１導電型領域３２と第２導電型領域３４との間に対応して部分的に位置することができる。
このような構造のバッファ層２２は、図３Ｂに示したように、トンネル層２０上に全体的にバッファ層２２を形成した後に、バッファ層２２から第１及び第２導電型領域３２，３４に該当する部分を除去するパターニングを行って製造することができる。または、マスクまたはマスク層などを用いて、バッファ部分２２ｃに該当する部分にのみバッファ層２２を形成することによって製造することができる。
本実施例では、第１及び第２導電型領域３２，３４がそれぞれ第１及び第２ドーピング部分３０ａ，３０ｂのみで構成されるので、第１及び第２導電型領域３２，３４のドーピング特性を向上させることができる。そして、第１導電型領域３２と第２導電型領域３４との間において、トンネル層２０とバリア部分３０ｃとの間にバッファ部分２２ｃを位置させて、バリア部分３０ｃへの不必要なトンネリングを効果的に防止することができる。
図では、バッファ部分２２ｃとバリア部分３０ｃの配置が一致する場合を例示した。これによって、バッファ部分２２ｃの側面がバリア部分３０ｃの側面と一致する。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。バッファ部分２２ｃの側面がバリア部分３０ｃの側面と一致しなくてもよい。一例として、バッファ部分２２ｃが、バリア部分３０ｃよりも大きい幅を有しながら、バリア部分３０ｃを全体的にカバーするように位置してもよい。その他の様々な変形が可能である。
上述したような特徴、構造、効果などは、本発明の少なくとも一つの実施例に含まれ、必ずしも一つの実施例にのみ限定されるものではない。さらに、各実施例で例示した特徴、構造、効果などは、実施例の属する分野における通常の知識を有する者によって、他の実施例に対しても組み合わせ又は変形して実施可能である。したがって、このような組み合わせ及び変形に係わる内容は、本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
Claims (20)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の一面上に形成されるトンネル層と、
前記トンネル層上に位置し、前記トンネル層と異なる別個の層として構成され、物質、組成及び結晶構造のうちの少なくとも１つが前記トンネル層と異なり、真性を有するバッファ部分を含むバッファ層と、
前記トンネル層上に位置し、第１導電型を有する第１導電型領域及び第２導電型を有する第２導電型領域を含む導電型領域と、
前記導電型領域に接続される電極と、
を含み、
前記バッファ層が、前記トンネル層に隣接して位置し、前記電極と離隔する、太陽電池。 - 前記トンネル層が絶縁物質を含み、
前記バッファ層が半絶縁物質を含む、請求項１に記載の太陽電池。 - 前記バッファ層がシリコン酸化物層で構成される、請求項１に記載の太陽電池。
- 前記バッファ層が、酸素含量が１０〜４５ａｔ％であるシリコン酸化物層で構成される部分を含む、請求項３に記載の太陽電池。
- 前記バッファ層の化学式がＳｉＯｘ（ここで、ｘは、０．２〜１．５）である部分を含む、請求項３に記載の太陽電池。
- 前記バッファ層及び前記トンネル層がそれぞれシリコン酸化物層で構成され、前記トンネル層の酸素含量よりも前記バッファ層の酸素含量が少なく、前記トンネル層のシリコン含量よりも前記バッファ層のシリコン含量が多い、請求項１に記載の太陽電池。
- 前記トンネル層の酸素含量が６０〜７０ａｔ％であり、
前記バッファ層は、酸素含量が１０〜４５ａｔ％である部分を含む、請求項６に記載の太陽電池。 - 前記トンネル層の化学式がＳｉＯｙ（ここで、ｙは、１．９〜２．１）であり、
前記バッファ層の化学式がＳｉＯｘ（ここで、ｘは、０．２〜１．５）である部分を含む、請求項６に記載の太陽電池。 - 前記トンネル層は非晶質構造を有し、
前記バッファ層は多結晶構造を有する、請求項１に記載の太陽電池。 - 前記トンネル層の厚さよりも前記バッファ層の厚さがさらに大きい、請求項１に記載の太陽電池。
- 前記トンネル層の厚さ：前記バッファ層の厚さの比率が、１：１．５〜１：１０である、請求項１０に記載の太陽電池。
- 前記トンネル層の厚さが１．８ｎｍ以下であり、
前記バッファ層の厚さが１０ｎｍ以下である、請求項１０に記載の太陽電池。 - 前記第１導電型領域と前記第２導電型領域との間に位置するバリア領域をさらに含み、
前記バッファ部分は、前記バリア領域の少なくとも一部を構成する、請求項１に記載の太陽電池。 - 前記バッファ層は、前記第１導電型を有して前記第１導電型領域の少なくとも一部を構成する第１部分と、前記第２導電型を有して前記第２導電型領域の少なくとも一部を構成する第２部分とを含む、請求項１３に記載の太陽電池。
- 前記第１導電型領域が前記第１部分からなり、
前記第２導電型領域が前記第２部分からなり、
前記バリア領域が前記バッファ部分からなる、請求項１４に記載の太陽電池。 - 前記第１部分及び前記第２部分のうちの少なくとも１つは、前記トンネル層に隣接する部分が、前記トンネル層から遠くに位置した部分よりも高い酸素含量及び低いシリコン含量を有する、請求項１５に記載の太陽電池。
- 前記第１導電型領域は、前記第１導電型を有し、前記第１部分上に位置する第１ドーピング部分をさらに含み、
前記第２導電型領域は、前記第２導電型を有し、前記第２部分上に位置する第２ドーピング部分をさらに含み、
前記第１部分のドーピング濃度が前記第１ドーピング部分のドーピング濃度よりも小さく、
前記第２部分のドーピング濃度が前記第２ドーピング部分のドーピング濃度よりも小さい、請求項１３に記載の太陽電池。 - 半導体基板の一面上にトンネル層を形成するステップと、
前記トンネル層上に位置し、前記トンネル層と異なる別個の層として構成され、物質、組成及び結晶構造のうちの少なくとも１つが前記トンネル層と異なり、真性を有するバッファ部分を含むバッファ層を形成するステップと、
ドーパントをドープして、前記トンネル層上に第１導電型を有する第１導電型領域及び第２導電型を有する第２導電型領域を含む導電型領域を形成するステップと、
前記導電型領域に接続される電極を形成するステップと、
を含む、太陽電池の製造方法。 - 前記バッファ層が、低圧化学気相蒸着によって形成され、多結晶構造を有するシリコン酸化物層で構成される、請求項１８に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記導電型領域を形成するステップは、前記バッファ層の第１部分に第１導電型ドーパントをドープし、前記バッファ層の第２部分に第２導電型ドーパントをドープして、前記第１部分と前記第２部分との間にドープされていない前記バッファ部分が位置するようにする、請求項１８に記載の太陽電池の製造方法。
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