JP2016122851A - 光電変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
ている。その代表例としては、単結晶シリコンや多結晶シリコンなどの結晶性シリコン基
板を用いた太陽電池が知られている。
などで形成されたグリッド電極が設けられている。グリッド電極には、直列抵抗による電
力の損失を防ぐ効果があるが、グリッド電極の陰となる領域は発電には寄与しない領域と
なるため、グリッド電極の幅を狭くし、面積を小さくすることが望まれている。
向の断面が高アスペクト比となるように形成することが好ましい。このようなグリッド電
極を形成する手段の一つとして、埋め込み電極の形成が試みられている。(特許文献1、
非特許文献1参照)。
圧下で導電性樹脂をスクリーン印刷法で充填する方法である。また、非特許文献1は、結
晶性シリコン基板にレーザ加工を施して溝部を形成し、該溝部に無電解メッキ法で導電層
を充填する方法である。
付着した導電性樹脂の乾燥が早いため、目詰まりを起こしやすいなどの問題があり、生産
性が乏しい。また、無電解メッキ法は、前処理の不均一性や、メッキ液などからの半導体
基板の汚染が懸念される。
わち高アスペクト比の形状で形成されることが望まれることに対して、上記方法は適切と
は言えない。例えば、スクリーン印刷では、該溝部の幅よりも線幅の狭いパターンが形成
された印刷版を用いなければならず、高い合わせ精度が必要となる。また、印刷版に充填
された導電性樹脂は、被印刷面に接触しなければ印刷版から抜き出すことができず、溝部
の空間に直接落とし込むことはできない。従って、該溝部の周辺に印刷樹脂を接触させる
必要があり、実質的に該溝部の幅よりも線幅の広いグリッド電極が形成されてしまう。ま
た、無電解メッキ法は液相プロセスのため、該溝部に残存する気泡の影響を受けやすく、
断線などの工程不良となりやすい。いずれの方法においても、該溝部の短軸方向の断面形
状のアスペクト比が高いほど、工程の難易度が上がってしまう。
アスペクト比を有する溝部に適した埋め込み電極の形成方法を提供することを目的の一つ
とする。また、該埋め込み電極を有した光電変換装置を提供することを目的の一つとする
。
を用いて該溝部に導電性樹脂を注入して埋め込み型のグリッド電極を形成する光電変換装
置の作製方法、及び該埋め込み型のグリッド電極を有する光電変換装置に関する。
第1の溝部と交わる第2の溝部を形成し、第1の溝部及び第2の溝部、並びに結晶性シリ
コン基板の一方の面に第1のシリコン半導体層を形成し、第1のシリコン半導体層上に一
導電型を有する第2のシリコン半導体層を形成し、結晶性シリコン基板の他方の面に第3
のシリコン半導体層を形成し、第3のシリコン半導体層上に一導電型とは逆の導電型を有
する第4のシリコン半導体層を形成し、第2のシリコン半導体層上に透光性導電膜を形成
し、第4のシリコン半導体層上に裏面電極を形成し、第1のシリコン半導体層、第2のシ
リコン半導体層、及び透光性導電膜が積層された第1の溝部及び第2の溝部に導電性樹脂
を注入して焼成し、埋め込み型のグリッド電極を形成する工程において、第2の溝部への
導電性樹脂の注入は、第1の溝部に導電性樹脂を注入し、毛細管現象を利用して第1の溝
部から第2の溝部に注入することを特徴とする光電変換装置の作製方法である。
ために付すものであり、順序や数を限定するものではないことを付記する。
、第1の溝部及び第2の溝部、並びに結晶性シリコン基板の一方の面に第1のシリコン半
導体層を形成し、第1のシリコン半導体層上に一導電型を有する第2のシリコン半導体層
を形成し、結晶性シリコン基板の他方の面に第3のシリコン半導体層を形成し、第3のシ
リコン半導体層上に一導電型とは逆の導電型を有する第4のシリコン半導体層を形成し、
第4のシリコン半導体層上に裏面電極を形成し、第1のシリコン半導体層、及び第2のシ
リコン半導体層が積層された第1の溝部及び第2の溝部に導電性樹脂を注入し、焼成して
埋め込み型のグリッド電極を形成し、第2のシリコン半導体層及びグリッド電極上に透光
性導電膜を形成する工程において、第2の溝部への導電性樹脂の注入は、第1の溝部に導
電性樹脂を注入し、毛細管現象を利用して第1の溝部から第2の溝部に注入することを特
徴とする光電変換装置の作製方法である。
に注入した導電性樹脂が毛細管現象によって第2の溝部に注入されやすい構成とする。
溝部への導電性樹脂の注入を容易に行うことができる。
。
第1の溝部と、第1の溝部と交わる第2の溝部と、第1の溝部及び第2の溝部、並びに結
晶性シリコン基板の一方の面に設けられた第1のシリコン半導体層と、第1のシリコン半
導体層上に設けられた一導電型を有する第2のシリコン半導体層と、結晶性シリコン基板
の他方の面に設けられた第3のシリコン半導体層と、第3のシリコン半導体層上に設けら
れた一導電型とは逆の導電型を有する第4のシリコン半導体層と、第2のシリコン半導体
層上に設けられた透光性導電膜と、第4のシリコン半導体層上に設けられた裏面電極と、
透光性導電膜と接し、第1の溝部及び第2の溝部に形成された導電性樹脂からなる埋め込
み型のグリッド電極を有することを特徴とする光電変換装置である。
られた第1の溝部と、第1の溝部と交わる第2の溝部と、第1の溝部及び第2の溝部、並
びに結晶性シリコン基板の一方の面に設けられた第1のシリコン半導体層と、第1のシリ
コン半導体層上に設けられた一導電型を有する第2のシリコン半導体層と、結晶性シリコ
ン基板の他方の面に設けられた第3のシリコン半導体層と、第3のシリコン半導体層上に
設けられた一導電型とは逆の導電型を有する第4のシリコン半導体層と、第4のシリコン
半導体層上に設けられた裏面電極と、第2のシリコン半導体層と接し、第1の溝部及び第
2の溝部に形成された導電性樹脂からなる埋め込み型のグリッド電極と、第2のシリコン
半導体層及びグリッド電極上に設けられた透光性導電膜を有することを特徴とする光電変
換装置である。
ド電極はバスバー電極として用いられ、第2の溝部に形成されるグリッド電極はフィンガ
ー電極として用いられる。
まれていても良い。金属ワイヤーが埋め込まれることで、グリッド電極を更に低抵抗化す
ることができる。
み電極を形成することができ、電気特性が向上した光電変換装置を提供することができる
。
以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれ
ば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈さ
れるものではない。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部分又は同様
な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略することがある。
構成をわかりやすく説明するために、光電変換装置の一部を切り出した図となっている。
102a及び第3のシリコン半導体層102b、第1のシリコン半導体層102a及び第
3のシリコン半導体層102bと接する第2のシリコン半導体層104a及び第4のシリ
コン半導体層104b、第2のシリコン半導体層104aと接する透光性導電膜106、
該透光性導電膜106と接するグリッド電極108、並びに第4のシリコン半導体層10
4bと接する裏面電極110を含んで構成される。なお、グリッド電極108が形成され
た面側が受光面となる。
欠陥が少ない高品質なi型半導体層であり、結晶性シリコン基板100の表面欠陥を終端
することができ、光電変換層における少数キャリアの再結合を低減し、少数キャリアのラ
イフタイムを長くすることができる。
置する所謂真性半導体の他、半導体に含まれるp型若しくはn型を付与する不純物が1×
1020atoms/cm3以下の濃度であり、暗伝導度に対して光伝導度が高い半導体
を指す。例えば、第1のシリコン半導体層102a及び第3のシリコン半導体層102b
には、プラズマCVD法等で形成される非晶質シリコン半導体を用いることができる。
るものである。本実施の形態においては、結晶性シリコン基板100及び該結晶性シリコ
ンに接する第1のシリコン半導体層102a及び第3のシリコン半導体層102bが該当
する。
層であり、一方がp型半導体層、他方がn型半導体層で形成される。該半導体層は、例え
ば、導電型を付与する不純物を含む非晶質シリコン層や微結晶シリコン層で形成すること
ができる。
シリコン半導体層102a、第2のシリコン半導体層104a、透光性導電膜106、及
びグリッド電極108が埋め込まれている。なお、グリッド電極108の線幅の広い領域
がバスバー電極108a、線幅の狭い領域がフィンガー電極108bである。
でき、グリッド電極108の微細化にともなう抵抗の増加を抑制することができる。すな
わち、グリッド電極108の微細化による弊害(抵抗増)をともなわず、受光面積を増加
することができ、光電変換装置の変換効率を向上させることができる。
あってもよい。図2の光電変換装置は、図1の構成とはグリッド電極108と透光性導電
膜106の積層順序が異なるものであり、受光面側の表面全体に透光性導電膜106を有
している。このような構成は、図1の構成において、溝部の壁面に対する透光性導電膜の
被覆性が十分でないときに有効であり、グリッド電極108と透光性導電膜106との接
触状態を良好にすることができる。
は、図1に示すX−Yの線分下の断面に相当する断面図である。
結晶シリコン基板を用いることができる。これらの結晶性シリコン基板の導電型や製造方
法は、特に限定されない。本実施の形態においては、MCZ(Magnetic Czo
chralski)法で製造されたn型の単結晶シリコン基板を用いる。
3(A)参照)。該溝部は、ダイシング加工、またはレーザ加工で形成することができる
。図3(A)における溝部は、ダイシング加工を用いた場合の形状(矩形型)を示してい
るが、V字型であってもよい。レーザ加工を行った場合には、V字型となりやすい。また
、周囲がV字型に加工されたダイシングブレードを用いれば、ダイシング加工でも溝部の
底部をV字型とすることができる。
波(波長532nm)、第3高調波(波長355nm)、第4高調波(波長266nm)
などを用い、ビーム径、出力及び走査速度を調整して所望の形状の溝部を形成することが
できる。例えば、YAGレーザの第3高調波で、ビーム径φ20μm、パワー密度160
kW/cm2、走査速度0.1cm/secで単結晶シリコン基板の加工を行うと、幅3
0乃至40μm、深さ40乃至70μmの溝部を形成することができる。
m以下、好ましくは0.25mm以上1.5mm以下、更に好ましくは0.5mm以上1
.0mm以下の幅とする。該溝部の幅は、バスバー電極として必要な抵抗を考慮するだけ
でなく、後述する導電性樹脂の注入工程を困難にさせることのない幅で形成する。
1mm以下、好ましくは0.01mm以上0.08mm以下、更に好ましくは0.01m
m以上0.06mm以下の幅とする。該溝部の幅は、フィンガー電極として必要な抵抗を
考慮するだけでなく、後述する導電性樹脂の注入に必要な毛細管現象が十分に発現する幅
で形成する。
図示しているが、これに限らず第1の溝部210の方を深く形成する構造や、両者を同一
の深さで形成する構造であっても良い。ただし、基板の強度を考慮すると、溝部の深さは
基板厚の2/3、好ましくは1/2を上限とすることが好ましい。溝部が深すぎると、基
板の強度が保てなくなり、工程途中での破損が起きる場合や、製品の強度を低下させ、信
頼性を悪化させる場合がある。例えば、基板厚が0.5mmの場合、溝部の深さは、約0
.25mmから約0.35mmを上限とすることが好ましい。
グ工程にて取り除く。エッチングには、例えば、酢酸、弗酸、硝酸を含むエッチング液を
用いることができる。該エッチング液は、それぞれの酸の比率を調整することでダメージ
層を優先的にエッチングすることができる。また、アルカリ性のエッチング液を使用して
、結晶性シリコン基板100表面をエッチングすると同時にテクスチャを形成しても良い
。テクスチャを形成することによって、反射防止または光閉じ込め効果を光電変換装置に
付与することができる。なお、このエッチング工程は省くこともできる。
のシリコン半導体層102aを形成する。第1のシリコン半導体層102aの厚さは、3
nm以上50nm以下とすることが好ましい。本実施の形態において、第1のシリコン半
導体層102aはi型の非晶質シリコンであり、膜厚は5nmとする。
00sccm以下のモノシランガスを導入し、反応室内の圧力を10Pa以上100Pa
以下、電極間隔を15mm以上40mm以下、電力密度を8mW/cm2以上50mW/
cm2以下とすればよい。
る。第2のシリコン半導体層104aの厚さは3nm以上50nm以下とすることが好ま
しい。本実施の形態において、第2のシリコン半導体層104aはp型の微結晶シリコン
であり、膜厚は10nmとする。なお、第2のシリコン半導体層104aに、p型の非晶
質シリコンを用いてもよい。
0sccm以下のモノシランガス、流量100sccm以上5000sccm以下の水素
、流量5sccm以上50sccm以下の水素ベースのジボラン(0.1%)を導入し、
反応室内の圧力を450Pa以上100000Pa以下、好ましくは2000Pa以上5
0000Pa以下とし、電極間隔を8mm以上30mm以下とし、電力密度を200mW
/cm2以上1500mW/cm2以下とすればよい。
ン半導体層102bを形成する。第3のシリコン半導体層102bの厚さは、3nm以上
50nm以下とすることが好ましく、本実施の形態において、第3のシリコン半導体層1
02bはi型であり、膜厚は5nmとする。なお、第3のシリコン半導体層102bは、
第1のシリコン半導体層102aと同様の成膜条件にて形成することができる。
る。第4のシリコン半導体層104bの厚さは3nm以上50nm以下とすることが好ま
しい。本実施の形態において、第4のシリコン半導体層104bはn型の微結晶シリコン
であり、膜厚は10nmとする。なお、第4のシリコン半導体層104bに、n型の非晶
質シリコンを用いてもよい。
0sccm以下のモノシランガス、流量100sccm以上5000sccm以下の水素
、流量5sccm以上50sccm以下の水素ベースのホスフィン(0.5%)を導入し
、反応室内の圧力を450Pa以上100000Pa以下、好ましくは2000Pa以上
50000Pa以下とし、電極間隔を8mm以上30mm以下とし、電力密度を200m
W/cm2以上1500mW/cm2以下とすればよい。
る電源には周波数13.56MHzのRF電源を用いるが、27.12MHz、60MH
z、または100MHzのRF電源を用いても良い。また、連続放電だけでなく、パルス
放電にて成膜を行っても良い。パルス放電を行うことで、膜質の向上や気相中で発生する
パーティクルを低減することができる。
電膜106には、例えば、インジウム錫酸化物、珪素を含むインジウム錫酸化物、亜鉛を
含む酸化インジウム、酸化亜鉛、ガリウムを含む酸化亜鉛、アルミニウムを含む酸化亜鉛
、酸化錫、フッ素を含む酸化錫、またはアンチモンを含む酸化錫等を用いることができる
。また、透光性導電膜106は単層に限らず、異なる膜の積層でも良い。例えば、インジ
ウム錫酸化物とアルミニウムを含む酸化亜鉛の積層や、インジウム錫酸化物とフッ素を含
む酸化錫の積層などを用いることができる。膜厚は総厚で10nm以上1000nm以下
とする。また、透光性導電膜106の表面をテクスチャ構造としても良い。
照)。裏面電極110には、銀、アルミニウム、銅などの低抵抗金属を用いることができ
、スパッタ法や真空蒸着法などで形成することができる。または、スクリーン印刷法を用
いて、銀ペーストや、銅ペーストなどの導電性樹脂で形成しても良い。
、図3(B)に示した構造が形成できればよい。例えば、第1のシリコン半導体層102
aの形成し、その次に第3のシリコン半導体層102bを形成しても良い。
ように導電性樹脂を注入し、グリッド電極108を形成する(図3(C)参照)。このグ
リッド電極108の形成方法について、図4を用いて詳細を説明する。
第2の溝部220に注入する様子を示すものである。まず、導電性樹脂を第1の溝部21
0に適当量を注入する(図中の実線矢印)。該導電性樹脂の注入にはディスペンス法を用
いる。また、インクジェット法を用いても良い。
0に注入した導電性樹脂は、図中の点線矢印で示す方向に入り込み、第2の溝部220に
注入される。このとき、第2の溝部は、0.01mm以上0.1mm以下の幅で形成され
ているため、毛細管現象が発現し、第2の溝部に容易に導電性樹脂を注入することができ
る。
充填するように行われるため、溝部の内部に気泡が残ることがなく、溝部に導電性樹脂を
密に充填することができる。なお、導電性樹脂は焼成後に体積変化することがあるため、
導電性樹脂の溝部への注入及び焼成を複数回繰り返しても良い。また、結晶性シリコン基
板100に超音波振動を加え、導電性樹脂の溝部への注入を促進させても良い。
とができ、抵抗が低く、比較的低コストの銀をフィラーとして含むものが好ましい。また
、フィラーには、フィラーサイズが5nm乃至100nmの所謂ナノ粒子と呼ばれるもの
を用いることが特に好ましい。導電性樹脂の溶媒には水系溶媒、炭化水素系溶媒、ケトン
系溶媒などを用いることができる。また、導電性樹脂の粘度は、100mPa・s以下、
好ましくは10mPa・s、更に好ましくは1mPa・sとする。粘度の低いものほど溝
部への注入を容易に行うことができる。また、第1のシリコン半導体層102a及び第3
のシリコン半導体層102bの膜質を変質させないように、導電性樹脂は低温で焼成でき
る熱硬化型であることが好ましい。例えば、300℃以下、好ましくは250℃以下で焼
成できるものを用いる。
20の幅によって異なり、幅を狭くするほど該距離を延ばすことができる。また、第2の
溝部の深さも深いほど該距離を延ばすことができる。図5は、単結晶シリコン基板に幅0
.1mmで、0.03mm乃至0.2mmの深さの溝部を形成し、溝部の端部に銀のナノ
粒子を含む導電性樹脂(水系溶媒、粘度15mPa・s)を滴下し、その水平方向の注入
距離を調べたものである。溝部の深さが深いほど注入距離は長くなり、溝部の深さが0.
2mmの場合は、約30mmの注入距離が得られる。これは、10cm角以上のセルであ
っても2本のバスバー電極を設ければ十分に対応できることを示している。
晶性シリコン基板100の端部より内側の領域を選択的に加工して溝部を形成することが
できるが、ダイシング加工では、結晶性シリコン基板100の端部まで溝部が形成されて
しまう。従って、ダイシング加工で第1の溝部210及び第2の溝部220を形成した場
合は、導電性樹脂を注入する際に、第1の溝部210の端部、または第2の溝部220の
端部から導電性樹脂が漏出しない構造とすることが好ましい。
とが好ましい。図6(A)は、第1の溝部210及び第2の溝部220を形成後に壁部3
00を形成した状態の平面図である。壁部300は、結晶性シリコン基板100の端部近
傍の溝部を絶縁樹脂または導電性樹脂で充填するようにディスペンス法等で形成する。な
お、図6(A)では、溝部でない領域にも壁部300を形成するように図示してあるが、
溝部のみを選択的に充填するように形成してもよい。ここで、壁部300の形成に用いる
絶縁樹脂または導電性樹脂には、第2の溝部220において、毛細管現象によって水平方
向に注入されないように粘度の高い樹脂を用いることが好ましい。
すような壁部300より内側にグリッド電極108が形成された構造を得ることができる
。なお、壁部300の下側にフィンガー電極108bよりも深い溝を設けても良い。該溝
を設けることでキャリアライフタイムの短い結晶性シリコン基板100の端部を分離する
ことができ、光電変換層の特性を向上させることができる。
に金属ワイヤー400を埋め込んだ構成としてもよい。導電性樹脂は金属よりも抵抗が高
いため、金属ワイヤー400と導電性樹脂の両方で埋め込み電極を形成することで、更に
低抵抗のグリッド電極108を形成することができる。また、溝部に金属ワイヤーを入れ
ることで毛細管現象を更に起こしやすくする効果を得ることもできる。なお、金属ワイヤ
ー400には銀や銅などの低抵抗金属材料で形成されたものが適しており、単線であって
も撚り線であってもよい。
でき、電気特性が向上した光電変換装置を提供することができる。なお、図2の光電変換
装置は、上記の作製方法において、透光性導電膜とグリッド電極となる導電性樹脂の形成
順序を逆にすることで形成することができる。
102a 第1のシリコン半導体層
102b 第3のシリコン半導体層
104a 第2のシリコン半導体層
104b 第4のシリコン半導体層
106 透光性導電膜
108 グリッド電極
108a バスバー電極
108b フィンガー電極
110 裏面電極
210 第1の溝部
220 第2の溝部
300 壁部
400 金属ワイヤー
Claims (5)
- 結晶性シリコン基板の一方の面上の第1の溝部と、
前記第1の溝部と交差する領域を有する第2の溝部と、
前記第1の溝部上、前記第2の溝部上、及び前記結晶性シリコン基板の前記一方の面上の第1のシリコン半導体層と、
前記第1のシリコン半導体層上の、一導電型を有する第2のシリコン半導体層と、
前記結晶性シリコン基板の他方の面上の第3のシリコン半導体層と、
前記第3のシリコン半導体層上の、前記一導電型とは逆の導電型を有する第4のシリコン半導体層と、
前記第4のシリコン半導体層上の裏面電極と、
前記第1の溝部及び前記第2の溝部に設けられた、埋め込み型のグリッド電極と、
前記第2のシリコン半導体層上及び前記グリッド電極上の透光性導電膜と、を有し、
前記グリッド電極は、導電性樹脂を有し、
前記グリッド電極は、前記第2のシリコン半導体層と接する領域を有し、
前記グリッド電極は、前記第2のシリコン半導体層と上面位置が揃っていることを特徴とする光電変換装置。 - 結晶性シリコン基板の一方の面上の第1の溝部と、
前記第1の溝部と交差する領域を有する第2の溝部と、
前記第1の溝部上、前記第2の溝部上、及び前記結晶性シリコン基板の前記一方の面上の第1のシリコン半導体層と、
前記第1のシリコン半導体層上の、一導電型を有する第2のシリコン半導体層と、
前記第1の溝部及び前記第2の溝部に設けられた、埋め込み型のグリッド電極と、
前記第2のシリコン半導体層上及び前記グリッド電極上の透光性導電膜と、を有し、
前記グリッド電極は、導電性樹脂を有し、
前記グリッド電極は、前記第2のシリコン半導体層と接する領域を有し、
前記グリッド電極は、前記第2のシリコン半導体層と上面位置が揃っていることを特徴とする光電変換装置。 - 請求項1又は2において、
前記第2の溝部の幅は、前記第1の溝部の幅よりも小さいことを特徴とする光電変換装置。 - 請求項1乃至3のいずれか一において、
前記第1のシリコン半導体層の導電型はi型であり、
前記第2のシリコン半導体層の導電型はp型又はn型であることを特徴とする光電変換装置。 - 請求項1乃至4のいずれか一において、
前記透明導電膜に金属ワイヤーが埋め込まれていることを特徴とする光電変換装置。
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