JP2016054255A - 太陽電池及び太陽電池の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 基板表面パッシベーション膜としてシリコン熱酸化膜を有するものでありながら、光劣化を抑制しつつ、高い変換効率を有することができる太陽電池及び太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】 ガリウムがドーピングされ、ｐｎ接合が形成されているシリコン基板を有する太陽電池であって、前記シリコン基板の主表面のうち少なくともｐ型領域のある第一主表面にシリコン熱酸化膜が設けられ、前記シリコン基板はボロンがさらにドーピングされたものであることを特徴とする太陽電池。【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池及び太陽電池の製造方法に関する。
ボロン（Ｂ）をドーパントとしたシリコン基板を用いた太陽電池は光照射によりその変換効率が低下していくという問題があり、これに対して、ガリウム（Ｇａ）をドーパントとしたシリコン基板を用いた太陽電池は光劣化しないことが知られている（例えば、特許文献１参照）。
一方で、シリコン基板の表面パッシベーション方法として、シリコン熱酸化膜が優れた特性を有することは古くから知られている。
特許第３６７９３６６号
しかしながら、ガリウムをドープしたシリコン基板（以下、「ガリウムドープ基板」とも称する。）は、熱酸化すると、ガリウムのシリコン中と酸化シリコン中での拡散係数ならびに溶解度の違いから、基板表面のドーパント濃度が大きく低下してしまうという性質を持っている。そのため、ガリウムドープ基板を太陽電池に用いると、基板表面のドーパント濃度の低下により変換効率が低下してしまうため、ガリウムドープ基板への熱酸化の適用は困難であるという問題があった。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、基板表面パッシベーション膜としてシリコン熱酸化膜を有するものでありながら、光劣化を抑制しつつ、高い変換効率を有することができる太陽電池を提供すること、及び、このような太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、ガリウムがドーピングされ、ｐｎ接合が形成されているシリコン基板を有する太陽電池であって、前記シリコン基板の主表面のうち少なくともｐ型領域のある第一主表面にシリコン熱酸化膜が設けられ、前記シリコン基板はボロンがさらにドーピングされたものであることを特徴とする太陽電池を提供する。
このような構成を有する太陽電池は、シリコン基板がガリウムでドープされているので、光劣化を抑制することができる。また、この太陽電池は、シリコン基板がさらにボロンでドープされているので、シリコン基板の主表面のうち少なくともｐ型領域のある第一主表面にシリコン熱酸化膜が設けられていても基板表面のドーパント濃度が大きく低下することを防止でき、初期変換効率の低下を防止することができる。さらに、基板表面パッシベーション膜として優れた特性を有するシリコン熱酸化膜をシリコン基板表面に設けた構成とすることで、変換効率を向上させるとともに信頼性が高く高品質な太陽電池とすることができる。
このとき、少なくとも前記シリコン基板の前記第一主表面の全面がｐ型であることが好ましい。
シリコン熱酸化膜が設けられたシリコン基板の第一主表面の全面がｐ型である太陽電池に対して、本発明を好適に適用することができる。
このとき、前記シリコン基板中のボロン濃度が、５×１０１４原子／ｃｍ３以上、１×１０１６原子／ｃｍ３以下であることが好ましい。
シリコン基板中のボロン濃度が上記のような範囲であれば、太陽電池の初期特性をより効果的に向上させることができ、光照射後の変換効率も高く維持することができる。
また、本発明は、ガリウム及びボロンがドーピングされたシリコン基板を準備する工程と、前記シリコン基板内にｐｎ接合を形成する工程と、前記シリコン基板の主表面のうち少なくともｐ型領域のある第一主表面にシリコン熱酸化膜を形成する工程とを含むことを特徴とする太陽電池の製造方法を提供する。
このように、ガリウムでドープされたシリコン基板を用いることで、製造した太陽電池の光劣化を抑制することができる。また、用いるシリコン基板がさらにボロンでドープされているので、シリコン基板の主表面のうち少なくともｐ型領域のある第一主表面にシリコン熱酸化膜を形成しても基板表面のドーパント濃度が大きく低下することを防止でき、太陽電池の初期変換効率の低下を防止することができる。さらに、基板表面パッシベーション膜として優れた特性を有するシリコン熱酸化膜をシリコン基板表面に形成することで、変換効率を向上させるとともに信頼性が高く高品質な太陽電池を製造することができる。
このとき、前記準備するシリコン基板のボロン濃度を、５×１０１４原子／ｃｍ３以上、１×１０１６原子／ｃｍ３以下とすることが好ましい。
このような範囲のボロン濃度を有するシリコン基板を用いれば、製造した太陽電池の初期特性をより効果的に向上させることができ、光照射後の変換効率も高く維持することができる。
以上のように、本発明の太陽電池は、基板表面パッシベーション膜としてシリコン熱酸化膜を有するものでありながら、光劣化を抑制しつつ、高い変換効率を有することができる。また、本発明の太陽電池の製造方法は、そのような太陽電池を製造することができる。
本発明の太陽電池の実施態様の一例を示す断面図である。 本発明の太陽電池の製造方法の実施態様の一例を示す工程断面図である。 本発明の太陽電池の製造方法の実施態様の一例を示す工程断面図である。 本発明の太陽電池の実施態様の他の例を示す断面図である。 シリコン基板中のボロン濃度と、それを用いた太陽電池の初期変換効率、劣化後変換効率、及び、劣化率との関係を示すグラフである。
以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
前述のように、ボロンをドーパントとしたシリコン基板を用いた太陽電池は光照射によりその変換効率が低下していくという問題があり、これに対して、ガリウムをドーパントとしたシリコン基板を用いた太陽電池は光劣化しないことが知られている。一方でシリコン基板の表面パッシベーション方法として、シリコン熱酸化膜が優れた特性を有することは古くから知られているが、ガリウムドープ基板は、熱酸化すると基板表面のドーパント濃度が大きく低下してしまうという性質を持っており、基板表面のドーパント濃度の低下により変換効率が低下してしまうため、ガリウムドープ基板への熱酸化の適用は困難とされてきた。
そこで、発明者らは、基板表面パッシベーション膜としてシリコン熱酸化膜を有するものでありながら、光劣化を抑制しつつ、高い変換効率を有することができる太陽電池について鋭意検討を重ねた。その結果、ガリウムがドープされたことに加えてボロンでドープされたシリコン基板を太陽電池の光変換層用基板として採用し、この基板表面にシリコン熱酸化膜を設けることで、基板表面パッシベーション膜としてシリコン熱酸化膜を有するものでありながら、光劣化を抑制しつつ、高い変換効率を有することができることを見出し、本発明をなすに至った。
以下、図１を参照しながら、本発明の太陽電池の実施態様の一例を説明する。
図１の太陽電池１０は、ガリウム及びボロンがドーピングされたシリコン基板（例えば、ｐ型シリコン基板）１１と、シリコン基板１１の表面（第二主表面１９）に設けられたエミッタ層１５と、シリコン基板１１の裏面（第一主表面１８）に設けられたシリコン熱酸化膜１２とを有しており、ｐ型であるシリコン基板１１と、シリコン基板１１の表面部分に形成されたエミッタ層１５とでｐｎ接合が形成される構成になっている。エミッタ層１５は、例えば、ｎ型拡散層である。なお、シリコン基板１１の両面（第一主表面１８及び第二主表面１９）にシリコン熱酸化膜１２、１２’が設けられていてもよい。また、シリコン熱酸化膜１２、１２’上には、反射防止を目的としてシリコン窒化膜１３、１３’が設けられていてもよい。ここで、「第一主表面」とは、シリコン基板のｐ型領域のある主表面を指し、「第二主表面」とは、「第一主表面」とは反対の主表面である。また、ｐ型領域は両主表面にあることもあるが、この場合はいずれかの表面を「第一主表面」と定め、その反対の主表面を「第二主表面」と定める。いずれにしろ、本発明はｐ型領域を有する主表面にシリコン熱酸化膜を有するものである。
図１の太陽電池１０は、シリコン基板１１の表面（第二主表面１９）側にエミッタ層１５と開口部２１を介して電気的に接続される表面電極１４を有することができ、シリコン基板１１の裏面（第一主表面１８）側にシリコン基板１１と開口部２２を介して電気的に接続される裏面電極１６を有することができる。
太陽電池１０は、シリコン基板１１がガリウムでドープされているので、光劣化を抑制することができる。また、シリコン基板１１がさらにボロンでドープされているので、シリコン基板１１の主表面のうち少なくともｐ型領域のある第一主表面１８にシリコン熱酸化膜１２が設けられていても基板表面のドーパント濃度が大きく低下することを防止でき、初期変換効率の低下を防止することができる。さらに、基板表面パッシベーション膜として優れた特性を有するシリコン熱酸化膜１２をシリコン基板１１の表面に設けた構成とすることで信頼性が高く高品質な太陽電池とすることができる。
太陽電池１０の少なくともシリコン基板１１の第一主表面１８の全面がｐ型であることが好ましい。
シリコン熱酸化膜１２が設けられたシリコン基板１１の第一主表面１８の全面がｐ型である太陽電池に対して、本発明を好適に適用することができる。
シリコン基板１１中のボロン濃度が、５×１０１４原子／ｃｍ３以上、１×１０１６原子／ｃｍ３以下であることが好ましい。
シリコン基板中のボロン濃度が上記のような範囲であれば、太陽電池の初期特性をより効果的に向上させることができ、光照射後の変換効率も高く維持することができる。特に、ボロン濃度が５×１０１４原子／ｃｍ３を超えると、ボロンドーパントの存在により光照射による変換効率の低下（光劣化）が発生するようになる。しかしながら、ガリウムドープ基板に、シリコン熱酸化膜によるパッシベーション効果を付与することができるため、ボロン濃度が５×１０１４原子／ｃｍ３以上、１×１０１６原子／ｃｍ３以下の範囲では、光劣化よりも初期効率の改善効果が大きい。そのため、ボロンドープ量がこれより少ない場合（すなわち、ボロンドープによる光劣化がない場合）に比べても、光劣化後の変換効率が高い。
上記で説明した本発明の太陽電池は、基板表面パッシベーション膜としてシリコン熱酸化膜を有するものでありながら、光劣化を抑制しつつ、高い変換効率を有することができる。
次に、図２及び図３を参照しながら、本発明の太陽電池の製造方法の実施態様の一例を説明する。
まず、ガリウム及びボロンがドープされたシリコン基板（例えば、ｐ型シリコン基板）１１を準備する（図２（ａ）を参照）。ガリウム及びボロンがドープされたシリコン基板は、例えば、ＣＺ法やＦＺ法によりガリウムとボロンをドープしてシリコン単結晶インゴットを育成し、これをスライスした後、所定の加工を施すことによって得ることができる。シリコン基板１１は、太陽電池としたときの少なくとも受光面側（すなわち、図１における第二主表面１９側）に、反射率低減のためにテクスチャと呼ばれる微細な凹凸を形成するテクスチャ処理が施されることが好ましい。
次に、シリコン基板１１の第二主表面１９側に、エミッタ層１５を形成することでｐｎ接合を形成する（図２（ｂ）を参照）。エミッタ層１５は、例えば、リン拡散によりｎ型拡散層を形成することで形成することができる。この場合、エミッタ層１５を形成した表面とは、第一主表面１８とは反対の主表面である。
次に、シリコン基板１１を酸素ガス雰囲気中で、熱酸化することにより、シリコン基板１１の少なくとも第一主表面１８に、シリコン熱酸化膜１２を形成する（図２（ｃ）を参照）。なお、シリコン基板１１の両面（すなわち、第一主表面１８及び第二主表面１９）にシリコン熱酸化膜１２、１２’を形成してもよい。ガリウムがドーピングされたシリコン基板は、熱酸化すると、ガリウムのシリコン単結晶中、シリコン酸化膜中での拡散係数及び溶解度の違いから、基板表面のガリウム濃度が大きく低下するという性質を持っているので、上記の熱酸化により、シリコン基板１１の第一主表面１８近傍及び第二主表面１９近傍のガリウム濃度は、シリコン基板１１の内部のガリウム濃度より小さくなる。しかしながら、シリコン基板１１はｐ型ドーパントであるボロンもドープされているので、シリコン基板１１の第一主表面１８近傍及び第二主表面１９近傍のｐ型ドーパントのトータル濃度は、ガリウムのみがドープされている場合と比較して大きくすることができる。
なお、シリコン熱酸化膜形成後に、シリコン基板１１の第一主表面１８に形成されたシリコン熱酸化膜１２上及び第二主表面１９に形成されたシリコン熱酸化膜１２’上に、反射防止を目的としてシリコン窒化膜１３、１３’をそれぞれ形成してもよい（図３（ａ）を参照）。
シリコン窒化膜形成後に、シリコン基板１１の第二主表面１９上に表面電極１４を形成するための金属を製膜することができる（図３（ｂ）を参照）。表面電極１４は銀により形成することが好ましい。表面電極１４の形成方法は、公知の方法を用いることができ、例えば、Ａｇを含むペーストをスクリーン印刷して乾燥し、焼成することにより行うことができる。このとき、シリコン熱酸化膜１２’及びシリコン窒化膜１３’を開口せずに、膜表面に銀ペーストを印刷し、焼成時にこれらの膜を貫通させることにより、表面電極１４とエミッタ層１５とを電気的に接続させることができる。
表面電極形成後に、シリコン基板１１の第一主表面１８に形成されたシリコン熱酸化膜１２及びシリコン窒化膜１３を一部除去し、その後に、シリコン基板１１の第一主表面１８上に、裏面電極１６を形成するための金属を製膜することができる。裏面電極１６はアルミニウムにより形成することが好ましい。裏面電極１６の形成方法は、公知の方法を用いることができ、例えば、Ａｌを全面に蒸着することにより行うことができる。このようにして裏面電極１６を形成し、図１の太陽電池１０を得ることができる。
上記のように、ガリウムでドープされたシリコン基板を用いることで、光劣化を抑制することができる。また、シリコン基板がさらにボロンでドープされているので、シリコン基板の主表面のうち少なくともｐ型領域のある第一主表面にシリコン熱酸化膜を形成しても基板表面のドーパント濃度が大きく低下することを防止でき、初期変換効率の低下を防止することができる。さらに、基板表面パッシベーション膜として優れた特性を有するシリコン熱酸化膜をシリコン基板表面に形成することで、信頼性が高く高品質な太陽電池を製造することができる。
また、用いるシリコン基板のボロン濃度を、５×１０１４原子／ｃｍ３以上、１×１０１６原子／ｃｍ３以下とすることが好ましい。
このような範囲のボロン濃度を有するシリコン基板を用いれば、製造された太陽電池の初期特性をより効果的に向上させることができ、光劣化も少なくて済み、光照射後の変換効率も高く維持することができる。
上記で説明した本発明の太陽電池の製造方法によれば、基板表面パッシベーション膜としてシリコン熱酸化膜を形成しても、光劣化を抑制しつつ、高い変換効率を有する太陽電池を製造することができる。
次に、図４を参照しながら、本発明の太陽電池の実施態様の他の例を説明する。
図４の太陽電池１０’は、エミッタ層１５が裏面（第二主表面１９）側に設けられている点を除いて、図１の太陽電池１０と同様である。なお、図４の太陽電池１０’は、エミッタ層１５が裏面（第二主表面１９）側に形成される点を除いて、図２を用いて説明した製造方法と同様な製造方法で製造することができる。ただし、図４の太陽電池１０’の表面電極１４はＡｌで形成されていることが好ましく、裏面電極１６はＡｇで形成されていることが好ましい。
図４の太陽電池１０’においても、図１の太陽電池１０と同様に基板表面パッシベーション膜としてシリコン熱酸化膜を有するものでありながら、光劣化を抑制しつつ、高い変換効率を有することができる。
以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
（実施例）
図１に示す本発明の太陽電池１０を、図２に示す製造工程により作製した。
まず、シリコン基板１１として、厚さ２００μｍ、比抵抗１Ω・ｃｍ、面方位｛１００｝のガリウム及びボロンドープｐ型アズカットシリコン基板を複数準備した（図２（ａ）参照）。ここで、ＣＺ法によりボロンドープ量を変化させて複数のシリコン単結晶インゴットを作製し、作製されたシリコン単結晶インゴットからシリコン基板を切り出し、いずれのボロンドープ量のシリコン基板も比抵抗が１Ω・ｃｍとなるように予め比抵抗測定しシリコン基板を選別した。なお、ガリウムドープ量は、ボロンドープ量に基づいて、比抵抗が１Ω・ｃｍとなるように調整した。
次に、テクスチャ処理を以下のようにして行った。熱濃水酸化カリウム水溶液によりシリコン基板１１のダメージ層を除去した後、水酸化カリウム及び２−プロパノールの水溶液中に浸漬しテクスチャ形成を行った。
次に、シリコン基板１１をオキシ塩化リン雰囲気下、８７０℃で熱処理を行うことでリン拡散を行った。このとき、複数のシリコン基板１１の裏面同士を重ねた状態で熱処理した。拡散後のリンガラス層の除去をフッ酸で行い、洗浄後乾燥させた。このようにしてシリコン基板１１の第二主表面１９側に、ｎ型拡散層であるエミッタ層１５を形成した（図２（ｂ）を参照）。
次に、熱酸化を以下のようにして行った。塩酸／過酸化水素混合溶液中で洗浄後、酸素ガス雰囲気中で、９００℃、４０分の熱処理を行い、シリコン基板１１の裏面（第一主表面１８）に１５ｎｍのシリコン熱酸化膜１２を形成した（図２（ｃ）参照）。このときシリコン基板１１の表面（第二主表面１９）にもシリコン熱酸化膜１２’が形成された。
次に、シリコン窒化膜形成を以下のようにして行った。プラズマＣＶＤ装置を使用し、ＳｉＨ４、ＮＨ３、Ｈ２の混合ガス雰囲気で、膜厚８０ｎｍのシリコン窒化膜１３、１３’をシリコン基板１１の裏面側（第一主表面１８側）及びシリコン基板１１の表面側（第二主表面１９側）のシリコン熱酸化膜１２、１２’の上に形成した（図３（ａ）参照）。
次に、表面電極１４の形成のための銀製膜を、Ａｇペーストをスクリーン印刷した後に乾燥させることで行った。
次に、焼成を７８０℃の空気雰囲気下で行い、表面電極１４を形成した。このとき、表面電極１４は、シリコン窒化膜１３’とシリコン酸化膜１２’を貫通し、エミッタ層１５と接触させた（図３（ｂ）参照）。
次に、レーザーにより、１ｍｍ間隔のライン状にシリコン基板１１の裏面（第一主表面１８）側のシリコン窒化膜１３及びシリコン熱酸化膜１２を除去した。
次に、裏面電極１６の形成を、Ａｌをシリコン基板１１の裏面（第一主表面１８）全面に蒸着することで行った。これにより、図１に示す太陽電池１０を製造した。
上記のようにして作製された太陽電池１０について、２５℃のもとで、放射照度量１００ｍＷ／ｃｍ２、スペクトルＡＭ１．５グローバルの擬似太陽光照射時の電気的特性の測定を行った。電気的特性は、初期特性（すなわち、初期変換効率）と、劣化後特性（すなわち、光連続照射２時間後に初期変換効率と同条件で測定した劣化後変換効率）とについて測定を行った。ここで、変換効率は、（太陽電池からの出力／太陽電池に入った太陽エネルギー）×１００である。測定結果を図５に示す。図５において、劣化率は、（劣化後変換効率／初期変換効率）×１００とした。
図５からわかるように、シリコン基板中のボロン濃度が５×１０１４原子／ｃｍ３を超えると、基板表面近傍のｐ型ドーパント濃度の増加、及び、酸化膜によるパッシベーション向上効果により初期変換効率は向上するが、光劣化も始まる。しかしながら、シリコン基板中のボロン濃度が５×１０１４〜１×１０１６原子／ｃｍ３の範囲では、光劣化よりも初期特性の改善効果が大きいため、ボロン量が少ない（劣化しない）場合に比べ劣化後も変換効率が高くなっており、上記の範囲のボロン濃度が特に好ましいことがわかる。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
１０、１０’…太陽電池、 １１…シリコン基板、
１２、１２’…シリコン熱酸化膜、 １３、１３’…シリコン窒化膜、
１４…表面電極、 １５…エミッタ層（ｎ型拡散層）、 １６…裏面電極、
１８…第一主表面、 １９…第二主表面、 ２１、２２…開口部。
そこで、発明者らは、基板表面パッシベーション膜としてシリコン熱酸化膜を有するものでありながら、光劣化を抑制しつつ、高い変換効率を有することができる太陽電池について鋭意検討を重ねた。その結果、ガリウムがドープされたことに加えてボロンでドープされたシリコン基板を太陽電池の光電変換層用基板として採用し、この基板表面にシリコン熱酸化膜を設けることで、基板表面パッシベーション膜としてシリコン熱酸化膜を有するものでありながら、光劣化を抑制しつつ、高い変換効率を有することができることを見出し、本発明をなすに至った。
（実施例）
図１に示す本発明の太陽電池１０を、図２及び図３に示す製造工程により作製した。
次に、焼成を７８０℃の空気雰囲気下で行い、表面電極１４を形成した。このとき、表面電極１４は、シリコン窒化膜１３’とシリコン熱酸化膜１２’を貫通し、エミッタ層１５と接触させた（図３（ｂ）参照）。

Claims (5)

  1. ガリウムがドーピングされ、ｐｎ接合が形成されているシリコン基板を有する太陽電池であって、
    前記シリコン基板の主表面のうち少なくともｐ型領域のある第一主表面にシリコン熱酸化膜が設けられ、
    前記シリコン基板はボロンがさらにドーピングされたものであることを特徴とする太陽電池。
  2. 少なくとも前記シリコン基板の前記第一主表面の全面がｐ型であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記シリコン基板中のボロン濃度が、５×１０１４原子／ｃｍ３以上、１×１０１６原子／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の太陽電池。
  4. ガリウム及びボロンがドーピングされたシリコン基板を準備する工程と、
    前記シリコン基板内にｐｎ接合を形成する工程と、
    前記シリコン基板の主表面のうち少なくともｐ型領域のある第一主表面にシリコン熱酸化膜を形成する工程と
    を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。
  5. 前記準備するシリコン基板のボロン濃度を、５×１０１４原子／ｃｍ３以上、１×１０１６原子／ｃｍ３以下とすることを特徴とする請求項４に記載の太陽電池の製造方法。
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