JP2016164930A - 光電変換素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた性能を示す光電変換素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】光電変換素子１０は、第１の面１ａを有する、第１導電型または第２導電型の半導体基板１と、半導体基板１の、第１の面１ａと反対側の第２の面１ｂ側に設けられた、第１導電型非晶質半導体膜３および第２導電型非晶質半導体膜５と、第１導電型非晶質半導体膜３上に設けられた第１電極１２と、第２導電型非晶質半導体膜５上に設けられた第２電極１１と、を備え、第２の面１ｂに沿った方向において、第２電極１１の幅は第２導電型非晶質半導体膜５の幅以上である。
【選択図】図１

Description

この発明は、光電変換素子およびその製造方法に関する。

太陽光エネルギを電気エネルギに直接変換する太陽電池は、近年、特に、地球環境問題の観点から、次世代のエネルギ源としての期待が急激に高まっている。現在、最も多く製造および販売されている太陽電池は、太陽光が入射する側の面である受光面と受光面の反対側である裏面とにそれぞれ電極が形成された構造のものである。

しかしながら、受光面に電極を形成した場合には、電極における太陽光の反射および吸収があることから、電極の面積分だけ入射する太陽光の量が減少する。そのため、裏面のみに電極を形成した太陽電池の開発が進められている（たとえば特許文献１参照）。特許文献１では、光電変換素子としての太陽電池の裏面において、ｐ型半導体層上にｐ型電極が形成され、ｎ型半導体層上にｎ型電極が形成されている。

また、半導体素子においては、高濃度不純物層と電極とのコンタクト抵抗が半導体素子の性能に大きな影響を及ぼすため、ｐ型不純物層とｎ型不純物層とのそれぞれに応じてｐ型電極とｎ型電極とで異なる材料を適用することが提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。

国際公開第２０１３／１３３００５号

田中宏明、他８名、"高性能トランジスタのための低バリアハイト低抵抗コンタクト形成技術"、［online］、［平成２７年２月１２日検索］、インターネット（ＵＲＬ：http://www.jpo.go.jp/shiryou/kijun/kijun2/pdf/tjkijun_i-3.pdf）

上述した特許文献１に開示された光電変換素子では、裏面側においてｎ型半導体層上にｎ型電極が形成されているが、当該ｎ型電極の幅はｎ型半導体層の幅より狭くなっている。このような構成では、ｎ型半導体層の全面にｎ型電極が接触していないため、ｎ型電極における電流収集が少なくなり、結果的に光電変換素子の性能に改善の余地がある。また、特許文献１に開示された光電変換素子では、性能を改善するためｎ型電極とｐ型電極との材料を異ならせることについて開示も示唆もされていない。

ここで開示された実施形態は、上記のような課題を解決するためになされたものである。ここで開示された実施形態の主たる目的は、優れた性能を示す光電変換素子およびその製造方法を提供することである。

ここで開示された実施形態は、第１の面を有する、第１導電型または第２導電型の半導体基板と、半導体基板の、第１の面と反対側の第２の面側に設けられた、第１導電型非晶質半導体膜および第２導電型非晶質半導体膜と、第１導電型非晶質半導体膜上に設けられた第１電極と、第２導電型非晶質半導体膜上に設けられた第２電極と、を備え、第２の面に沿った方向において、第２電極の幅は第２導電型非晶質半導体膜の幅以上である、光電変換素子である。

ここで開示された実施形態は、第１の面および当該第１の面と反対側の第２の面を有する半導体基板を準備する工程と、半導体基板の第２の面側に、第１導電型非晶質半導体膜を形成する工程と、半導体基板の前記第２の面側に、第２導電型非晶質半導体膜となるべき半導体膜を形成する工程と、第１導電型非晶質半導体膜上に第１電極を形成する工程と、半導体膜上に第２電極を形成する工程と、第２電極をマスクとして用いて、エッチングにより半導体膜を部分的に除去することにより、第２導電型非晶質半導体膜を形成する工程とを備える、光電変換素子の製造方法である。

ここで開示された実施形態によれば、第２電極の幅が第２導電型非晶質半導体膜の幅以上であるため、実質的に第２導電型非晶質半導体膜を第２電極が覆うことが可能になり、第２導電型非晶質半導体層の全面から第２電極へ十分に電流収集を行うことができる。

また、ここで開示された実施形態によれば、第１電極と第２電極とを別工程で形成できるので、光電変換素子の性能を高めるために第１電極の材料と第２電極の材料とを独立して選択できる。

実施形態１のヘテロ接合型バックコンタクトセルの断面模式図である。 実施形態１のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例の製造工程の一部について説明するための断面模式図である。 実施形態１のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例の製造工程の一部について説明するための断面模式図である。 実施形態１のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例の製造工程の一部について説明するための断面模式図である。 実施形態１のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例の製造工程の一部について説明するための断面模式図である。 実施形態１のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例の製造工程の一部について説明するための断面模式図である。 半導体基板の第２の面側から平面視した、実施形態１のヘテロ接合型バックコンタクトセルの模式図である。 半導体基板の第２の面側から平面視した、実施形態２のヘテロ接合型バックコンタクトセルの模式図である。 半導体基板の第２の面側から平面視した、実施形態２のヘテロ接合型バックコンタクトセルの変形例の模式図である。 半導体基板の第２の面側から平面視した、実施形態２のヘテロ接合型バックコンタクトセルの変形例の模式図である。 半導体基板の第２の面側から平面視した、実施形態２のヘテロ接合型バックコンタクトセルの変形例の模式図である。 実施形態３のヘテロ接合型バックコンタクトセルの断面模式図である。 実施形態３のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例の製造工程の一部について説明するための断面模式図である。

以下、ここで開示される実施形態の光電変換素子の一例としてのヘテロ接合型バックコンタクトセルについて説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

なお、本明細書において「ｉ型」とは、完全な真性の状態だけでなく、十分に低濃度（ｎ型不純物濃度が１×１０¹⁵個／ｃｍ³未満、かつｐ型不純物濃度が１×１０¹⁵個／ｃｍ³未満）であればｎ型またはｐ型の不純物が混入された状態のものも含む意味である。また、本明細書において「ｎ型」はｎ型不純物濃度が１×１０¹⁵個／ｃｍ³以上の状態を意味し、「ｐ型」はｐ型不純物濃度が１×１０¹⁵個／ｃｍ³以上の状態を意味する。ｎ型不純物濃度およびｐ型不純物濃度は、たとえば二次イオン質量分析法によって測定することができる。

また、本明細書において「非晶質シリコン」には、シリコン原子の未結合手が水素で終端されていない非晶質シリコンだけでなく、水素化非晶質シリコンなどのシリコン原子の未結合手が水素で終端されたものも含まれるものとする。

（実施形態１）
＜ヘテロ接合型バックコンタクトセルの構造＞
図１に、実施形態１のヘテロ接合型バックコンタクトセルの模式的な断面図を示す。実施形態１のヘテロ接合型バックコンタクトセルは、半導体基板１を有する。半導体基板１の第１の面１ａ（受光面）には凹凸形状が形成されている。半導体基板１の第１の面１ａ上には誘電体膜７が形成されている。誘電体膜７の材料としては任意の材料を用いることができるが、たとえば窒化シリコンを含む膜を用いることができる。誘電体膜７の組成は、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）によって誘電体膜７に含まれる各原子の含有量を測定することによって求めることができる。本実施形態において、半導体基板１はｎ型単結晶シリコン基板である。

半導体基板１の第１の面１ａと反対側の第２の面１ｂ（裏面）上には第１のｉ型非晶質半導体膜２と第２のｉ型非晶質半導体膜４とが設けられている。本実施形態において、第１のｉ型非晶質半導体膜２および第２のｉ型非晶質半導体膜４はそれぞれｉ型非晶質シリコン膜である。

第１のｉ型非晶質半導体膜２上には第１導電型非晶質半導体膜３が設けられている。また、第２のｉ型非晶質半導体膜４上には第２導電型非晶質半導体膜５が設けられている。本実施形態において、第１導電型非晶質半導体膜３はｐ型非晶質シリコン膜であり、第２導電型非晶質半導体膜５はｎ型非晶質シリコン膜である。

第１のｉ型非晶質半導体膜２と第１導電型非晶質半導体膜３との第１の積層体５１の端部上には、第２のｉ型非晶質半導体膜４と第２導電型非晶質半導体膜５とからなる第２の積層体５２の端部が位置している。また、第２の積層体５２の端部と第１の積層体５１の端部との間には、半導体膜６が配置されている。半導体膜６は第２導電型非晶質半導体膜である。また、半導体膜６はｎ型非晶質シリコン膜であってもよい。

このような構成では、第１の積層体５１の第１導電型非晶質半導体膜３の端部と第２の積層体５２の第２導電型非晶質半導体膜５の端部との間には第２のｉ型非晶質半導体膜４の端部および半導体膜６が位置している領域がある。第２のｉ型非晶質半導体膜４の端部は、半導体膜６および第２導電型非晶質半導体膜５の両方と接している。これにより、第１導電型非晶質半導体膜３と第２導電型非晶質半導体膜５とは第２のｉ型非晶質半導体膜４および半導体膜６によって分離されている。

第１導電型非晶質半導体膜３上には、第１導電型非晶質半導体膜３に接する第１電極１２が設けられている。異なる観点から言えば、第１導電型非晶質半導体膜３において第２の積層体５２と重なる端部に上記半導体膜６が形成されており、当該端部に囲まれた第１導電型非晶質半導体膜３の表面における中央部分に接するように第１電極１２が形成されている。また、第２導電型非晶質半導体膜５上には、第２導電型非晶質半導体膜５に接する第２電極１１が設けられている。第１電極１２および第２電極１１としては、たとえばアルミニウムまたは銀などを用いることができる。また、第１電極１２と第２電極１１とについて異なる材料を採用することもできる。第１電極１２と第２電極１１との形状は任意の形状とすることができるが、たとえば第１電極１２の平面形状を円形状とし、第２電極１１の形状を当該第１電極１２が配置される開口部が形成された平板状の形状としてもよい。第１電極１２および第２電極１１の形状に関して詳細は後述する。

なお、上記においては、半導体基板１の導電型がｎ型である場合について説明したが、半導体基板１の導電型はｐ型であってもよい。また、上記においては、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型である場合について説明したが、第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型であってもよい。

＜ヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法＞
以下、図２〜図６の断面模式図を参照して、実施形態１のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例について説明する。

まず、図２に示すように、半導体基板１の受光面となる第１の面１ａに凹凸形状を形成する。第１の面１ａの凹凸形状は、たとえば、半導体基板１の第１の面１ａをテクスチャエッチングすることにより形成することができる。

次に、半導体基板１の第１の面１ａの全面に接するように誘電体膜７を形成する。誘電体膜７は、たとえばプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成することができる。

次に、半導体基板１の第２の面１ｂの全面に第１のｉ型非晶質半導体膜２を形成する。第１のｉ型非晶質半導体膜の形成方法は特に限定されないが、たとえばプラズマＣＶＤ法を用いることができる。

次に、第１のｉ型非晶質半導体膜上に第１導電型非晶質半導体膜３を形成する。第１導電型非晶質半導体膜３の形成方法は特に限定されないが、たとえばプラズマＣＶＤ法を用いることができる。さらに、当該第１導電型非晶質半導体膜３上に半導体膜６を形成する。半導体膜６の形成方法は特に限定されないが、たとえばプラズマＣＶＤ法を用いることができる。

次に、半導体膜６上にフォトレジストマスク（図示せず）を形成する。当該フォトレジストマスクには、第１のｉ型非晶質半導体膜２、第１導電型非晶質半導体膜３および半導体膜６を厚さ方向にエッチングする箇所に開口部が形成されている。フォトレジストマスクは、半導体膜の全面にフォトレジストを塗布した後に、現像液として水酸化カリウム水溶液を用いたパターニングにより形成される。

次に、フォトレジストマスクをマスクとして、第１のｉ型非晶質半導体膜２、第１導電型非晶質半導体膜３および半導体膜６からなる積層構造を厚さ方向にエッチングすることによって、半導体基板１の第２の面１ｂの一部を露出させる。露出した第２の面１ｂの一部に隣接するように、第１のｉ型非晶質半導体膜２と第１導電型非晶質半導体膜３とからなる第１の積層体５１、および当該第１の積層体５１上に位置する半導体膜６が配置される。上記積層構造のエッチング方法としては、任意のエッチング方法を用いることができる。たとえば、フッ酸水溶液と硝酸水溶液との混酸であるフッ硝酸水溶液、または水酸化カリウム水溶液若しくは水酸化ナトリウム水溶液等のアルカリ水溶液をエッチング液として用いたウエットエッチングを用いてもよい。その後、フォトレジストマスクを除去する。このようにして、図３に示す構造を得る。

次に、図４に示すように、半導体基板１の第２の面１ｂの露出面、第１の積層体５１および半導体膜６を覆うようにして第２のｉ型非晶質半導体膜４を形成する。第２のｉ型非晶質半導体膜４の形成方法は特に限定されないが、たとえばプラズマＣＶＤ法を用いることができる。

次に、第２のｉ型非晶質半導体膜４上に第２導電型非晶質半導体膜５を形成する。第２導電型非晶質半導体膜５の形成方法は特に限定されないが、たとえばプラズマＣＶＤ法を用いることができる。このようにして、図４に示す構造を得る。

次に、図５に示すように、半導体基板１の第２の面１ｂ上の第２のｉ型非晶質半導体膜４と第２導電型非晶質半導体膜５との積層体である第２の積層体５２（図１参照）を残す部分にのみ第２電極１１を形成する。第２電極１１は、たとえば以下のようなプロセスにより形成できる。まず、第２導電型非晶質半導体膜５の全面に第２電極１１となるべき導電体膜を形成する。この導電体膜の全面にフォトレジストを塗布した後、当該フォトレジストをパターニングすることにより第２電極１１が形成されるべき領域を覆うようにフォトレジストマスク（図示せず）を形成する。このフォトレジストマスクをマスクとして用いてエッチングにより導電体膜を部分的に除去する。この結果、導電体からなる第２電極１１が形成される。その後フォトレジストマスクを除去する。このようにして、図５に示した構造を得る。なお、第２電極１１を形成する方法としては、上述した方法以外の従来周知の任意の方法（たとえばリフトオフ法など）を採用することができる。

次に、第２電極１１をマスクとして、第２の積層体５２の一部および半導体膜６の一部を厚さ方向にエッチングすることによって、図６に示すように、第１導電型非晶質半導体膜３の一部を露出させる。第２の積層体５２および半導体膜６のエッチング方法としては、従来周知の任意のエッチング方法を用いることができる。たとえば、ドライエッチング法を用いてもよい。

次に、図１に示すように、第１導電型非晶質半導体膜３に接するように第１電極１２を形成する。第１電極１２の形成方法は特に限定されないが、たとえば蒸着法などを用いることができる。

以上により、図１に示す構成の実施形態１のヘテロ接合型バックコンタクトセルが完成する。

なお、上記においては、半導体基板１の第１の面１ａ上に誘電体膜７を形成した後に、半導体基板１の第２の面１ｂ上に第１の積層体５１および第２の積層体５２を形成する場合について説明したが、半導体基板１の第２の面１ｂ上に第１の積層体５１および第２の積層体５２を形成した後に、半導体基板１の第１の面１ａ上に誘電体膜７を形成してもよい。

＜ヘテロ接合型バックコンタクトセルの電極の平面形状＞
図７は、図１に示す構成の実施形態１のヘテロ接合型バックコンタクトセルを、第１電極１２および第２電極１１側から見た平面模式図である。本実施形態では、第２電極１１は複数の島状に配置されている。第２電極１１は、第２の面１ｂ上において正方格子のパターンで配置されている。第２電極１１の配置パターンは、正方格子に限られず、三角格子や非周期パターンであってもよい。本実施の形態では、半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、第２電極１１のそれぞれは円形を有している。半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、複数の島状の第２電極１１のそれぞれは、０μｍより大きく１０μｍ以下、より好ましくは、３μｍ以上９μｍ以下の曲率半径を有する円形を有していてもよい。

第１電極１２は、半導体基板１の第２の面１ｂを覆うとともに、上記第２電極１１が配置される部分となるべき開口部が複数形成されている。開口部の平面形状は任意の形状であってもよいが、たとえば円形状である。当該開口部の内部に第２電極１１が配置されている。また、当該開口部下に位置する第２の積層体５２のそれぞれは複数の島状に形成されている。

本実施の形態では、半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、複数の島状の第２の積層体５２（第２のｉ型非晶質半導体膜４と第２導電型非晶質半導体膜５）のそれぞれは円形を有している。半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５のそれぞれは、０μｍより大きく１０μｍ以下、より好ましくは、３μｍ以上９μｍ以下の曲率半径を有する円形を有していてもよい。複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５のそれぞれの直径、すなわち、半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときの複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５のそれぞれにおける最長距離は、半導体基板１の一辺の長さの１／２以下であってもよく、１／３以下であってもよい。本実施の形態では、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５のそれぞれの直径、すなわち、半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときの複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５のそれぞれにおける最長距離は、半導体基板１の一辺の長さの１／４以下である。半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときの半導体基板１の面積に対する第２導電型非晶質半導体膜５の面積の割合は、５％以上５０％以下であり、好ましくは、１０％以上４５％以下であり、より好ましくは、２０％以上４０％以下である。

本実施の形態では、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５は、第２の面１ｂに正方格子のパターンで配置されている。複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５の配置パターンは、正方格子に限られず、三角格子や非周期パターンであってもよい。第２導電型非晶質半導体膜５は、第１導電型非晶質半導体膜３と異なる第２の導電型を有する。第２導電型非晶質半導体膜５として、ｎ型非晶質半導体膜、ｐ型非晶質半導体膜を例示することができる。本実施の形態では、第２導電型非晶質半導体膜５として、ｎ型非晶質シリコン膜が用いられている。

＜作用効果＞
上述した光電変換素子１０においては、第２電極１１の幅が第２導電型非晶質半導体膜５の幅と同じになっており、実質的に第２電極１１によって第２導電型非晶質半導体膜５の表面を覆った状態となっている。このため、第２導電型非晶質半導体膜５の表面全体から第２電極１１へ十分に電流収集を行うことができる。

さらに、第２電極１１の幅と第２導電型非晶質半導体膜５の幅とが同じになる構成は、上述したように第２電極１１をマスクとして用いて第２導電型非晶質半導体膜５となるべき半導体膜をエッチングすることにより容易に形成できる。この場合、第２導電型非晶質半導体膜５をエッチングするために第２電極１１とは別のマスクを形成する場合より、マスクの形成工程数を少なくできるので、光電変換素子１０の製造工程を簡略化できる。

また、第１電極１２と第２電極１１とで、それぞれが接続される膜（第１導電型非晶質半導体膜３および第２導電型非晶質半導体膜５）との間のコンタクト抵抗などの特性を考慮し、第１電極１２と第２電極１１とのそれぞれを構成する材料を独立して選択することができる。このため、光電変換素子１０の性能を高めることができる。

（実施形態２）
図８は、実施形態２のヘテロ接合型バックコンタクトセルを、第１電極１２および第２電極１１側から見た平面模式図である。図８に示す光電変換素子１０は、基本的には、図１に示す光電変換素子１０と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、複数の島状の第２のｉ型非晶質半導体膜４（図示せず）、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５（図示せず）、複数の島状の第２電極１１の配置が異なる。より特定的には、図８に示した光電変換素子１０では、半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、複数の島状の第２のｉ型非晶質半導体膜４、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５及び複数の島状の第２電極１１が、千鳥状に配置されている。

本実施の形態の光電変換素子１０では、第１導電型非晶質半導体膜３が千鳥状に分散配置された複数の開口部を有し、第１導電型非晶質半導体膜３の複数の開口部のそれぞれの上に複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５が設けられている。そのため、半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、第１導電型非晶質半導体膜３の複数の開口部と、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５とを千鳥状に配置することが可能になる。その結果、設計の自由度が向上された光電変換素子を提供することができる。

第１導電型非晶質半導体膜３の複数の開口部、複数の島状の第２のｉ型非晶質半導体膜４、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５及び複数の島状の第２電極１１の配置パターンは、上述した千鳥状や正方格子に限られず、三角格子または非周期的な配置等の他の配置パターンであってもよい。

図９は、図８に示す構成の実施形態２のヘテロ接合型バックコンタクトセルの変形例を、第１電極１２および第２電極１１側から見た平面模式図である。図９に示す光電変換素子１０は、基本的には、図８に示す実施形態２の光電変換素子１０と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、複数の島状の第２のｉ型非晶質半導体膜４（図示せず）、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５（図示せず）、複数の島状の第２電極１１の形状が異なる。

より特定的には、本実施の形態の光電変換素子１０では、半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５のそれぞれと、第１導電型非晶質半導体膜３および第１のｉ型非晶質半導体膜２に形成された複数の開口部のそれぞれと、複数の島状の第２電極１１のそれぞれとは、丸い角を有する長方形の形状を有する。半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、第１導電型非晶質半導体膜３および第１のｉ型非晶質半導体膜２に形成された複数の開口部は、０μｍより大きく１０μｍ以下、より好ましくは、３μｍ以上９μｍ以下の曲率半径を有する円形を有していてもよい。

本実施の形態における第２電極１１の平面形状における短辺の長さは、図７に示した円形の第２電極１１の直径と同じであってもよいが、本実施の形態における第２電極１１の平面形状における長辺の長さは、図７に示した円形の第２電極１１の直径よりも大きくてもよい。

本実施の形態の光電変換素子１０では、長方形の第２導電型非晶質半導体膜５および第２電極１１の長辺の長さは、図７に示した光電変換素子１０における円形の第２導電型非晶質半導体膜５の直径よりも大きい。半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、図７に示した光電変換素子１０における長方形の第２導電型非晶質半導体膜５は、実施の形態１における円形の第２導電型非晶質半導体膜５よりも大きな面積を有している。そのため、第２導電型非晶質半導体膜５および第２電極１１を通じて、半導体基板１内で生成されたキャリアを効率的に収集することができる。

上記光電変換素子１０では、長方形の第２電極１１の長辺の長さは、図７に示した円形の第２電極１１の直径よりも大きい。そのため、図示しない外部配線と第２電極１１との接触面積を大きくすることができる。このため、光電変換素子１０によって得られた電気エネルギーを低損失で外部配線に伝送することができる。

半導体基板１の第１の面１ａ側から入射する光によって半導体基板１内に生成されたキャリアは、半導体基板１の第２の面１ｂ上に形成された複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５または第１導電型非晶質半導体膜３へ移動する。図９に示した光電変換素子１０では、半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５のそれぞれと第１導電型非晶質半導体膜３の複数の開口部のそれぞれとは、丸い角を有する長方形の形状を有している。このため、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５または第１導電型非晶質半導体膜３のある特定の部分にこのキャリアが集中して、この特定の部分の温度が上昇することを抑制することができる。そのため、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５または第１導電型非晶質半導体膜３の温度上昇に起因する、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５または第１導電型非晶質半導体膜３が劣化すること、または、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５または第１導電型非晶質半導体膜３が半導体基板１から剥がれることを抑制することができる。

図９に示した光電変換素子１０では、半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５のそれぞれと第１導電型非晶質半導体膜３の複数の開口部のそれぞれとは、丸い角を有する長方形の形状を有し、この丸い角の曲率半径は、０μｍより大きく１０μｍ以下であってもよい。このようにすれば、半導体基板１の第１の面１ａ側から入射する光によって半導体基板１内に生成されたキャリアが、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５または第１導電型非晶質半導体膜３のある特定の部分に集中して、この特定の部分の温度が上昇することをさらに抑制することができる。そのため、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５または第１導電型非晶質半導体膜３の温度上昇に起因する、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５または第１導電型非晶質半導体膜３が劣化すること、または、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５または第１導電型非晶質半導体膜３が半導体基板１から剥がれることをさらに抑制することができる。

図１０は、図８に示す構成の実施形態２のヘテロ接合型バックコンタクトセルの変形例を、第１電極１２および第２電極１１側から見た平面模式図である。図１０に示す光電変換素子１０は、基本的には、図８に示す実施の形態２の光電変換素子１０と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、複数の島状の第２のｉ型非晶質半導体膜４（図示せず）、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５、複数の島状の第２電極１１の形状が異なる。

より特定的には、図１０に示した光電変換素子１０では、半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、複数の島状の第２電極１１のそれぞれは、正六角形の形状を有する。半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、複数の島状の第２のｉ型非晶質半導体膜４および第２導電型非晶質半導体膜５（図示せず）のそれぞれも、正六角形の形状を有する。半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、第１導電型非晶質半導体膜３の複数の開口部のそれぞれは、正六角形の形状を有する。

半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、複数の第２電極１１のそれぞれは、他の多角形の形状、好ましくは、全ての角が鈍角である多角形の形状を有してもよい。半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、複数の島状の第２のｉ型非晶質半導体膜４のそれぞれは、他の多角形の形状、好ましくは、全ての角が鈍角である多角形の形状を有してもよい。半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５のそれぞれは、他の多角形の形状、好ましくは、全ての角が鈍角である多角形の形状を有してもよい。半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、第１導電型非晶質半導体膜３の複数の開口部のそれぞれは、他の多角形の形状、好ましくは、全ての角が鈍角である多角形の形状を有してもよい。

また、半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、複数の第２電極１１のそれぞれは、丸い角を有する多角形の形状を有していてもよい。半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、複数の島状の第２のｉ型非晶質半導体膜４のそれぞれは、丸い角を有する多角形の形状であってもよい。半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５のそれぞれは、丸い角を有する多角形の形状であってもよい。半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、第１導電型非晶質半導体膜３の複数の開口部のそれぞれは、丸い角を有する多角形の形状であってもよい。

この場合、半導体基板１の第１の面１ａ側から入射する光によって半導体基板１内に生成されたキャリアが、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５または第１導電型非晶質半導体膜３のある特定の部分に集中して、この特定の部分の温度が上昇することを抑制することができる。そのため、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５または第１導電型非晶質半導体膜３の温度上昇に起因する、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５または第１導電型非晶質半導体膜３が劣化すること、または、複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５または第１導電型非晶質半導体膜３が半導体基板１から剥がれることを抑制することができる。

図１１は、図８に示す構成の実施形態２のヘテロ接合型バックコンタクトセルの変形例を、第１電極１２および第２電極１１側から見た平面模式図である。図１１に示す光電変換素子１０は、基本的には、図８に示す光電変換素子１０と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、以下の点で異なる。

図１１に示した光電変換素子１０における複数の第２電極１１は、図１および図７に示した複数の島状の第２電極１１よりも大きい。特定的には、半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときの半導体基板１の面積に対する複数の島状の第２電極１１の面積の割合は、５０％以上９５％以下であり、好ましくは、５５％以上９０％以下であり、より好ましくは、６０％以上８０％以下である。図１１に示した光電変換素子１０では、複数の島状の第２電極１１は、半導体基板１の第２の面１ｂに正方格子状に配置されている。複数の島状の第２電極１１の配置パターンは、正方格子に限られない。

図１１に示した光電変換素子１０では、複数の島状の第２電極１１のそれぞれは、半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、丸い角を有する正方形の形状を有する。複数の島状の第２のｉ型非晶質半導体膜４および第２導電型非晶質半導体膜５のそれぞれは、半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、丸い角を有する正方形の形状を有する。第１導電型非晶質半導体膜３の複数の開口部のそれぞれは、半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときに、丸い角を有する正方形の形状を有する。この丸い角は、０μｍより大きく１０μｍ以下、より好ましくは、３μｍ以上９μｍ以下の曲率半径を有していてもよい。

半導体基板１の第２の面１ｂ上に、複数の島状の第２のｉ型非晶質半導体膜４が設けられ、複数の島状の第２のｉ型非晶質半導体膜４上に複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５が設けられる。半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときの、半導体基板１の面積に対する、複数の島状の第２のｉ型非晶質半導体膜４の面積の割合及び複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５の面積の割合は、５０％以上９５％以下であり、好ましくは、５５％以上９０％以下であり、より好ましくは、６０％以上８０％以下である。また、半導体基板１の第２の面１ｂ側から見たときの、半導体基板１の面積に対する、第１のｉ型非晶質半導体膜２の面積の割合及び第１導電型非晶質半導体膜３の面積の割合は、５％以上５０％以下であり、好ましくは、１０％以上４５％以下であり、より好ましくは、２０％以上４０％以下である。

本実施の形態では、複数の島状の第２のｉ型非晶質半導体膜４の端部と複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５の端部とは、第１のｉ型非晶質半導体膜２の端部と第１導電型非晶質半導体膜３の端部とを覆っている。第２のｉ型非晶質半導体膜４の端部と第２導電型非晶質半導体膜５の端部とは、第１導電型非晶質半導体膜３の表面から突出している。第１導電型非晶質半導体膜３と第２導電型非晶質半導体膜５とは第２のｉ型非晶質半導体膜４および半導体膜６によって分離されている。第１導電型非晶質半導体膜３は第２導電型非晶質半導体膜５に接触していないので、光エネルギを電気エネルギに変換する効率を向上させることができる。

複数の島状の第２のｉ型非晶質半導体膜４の端部と複数の島状の第２導電型非晶質半導体膜５の端部とは、第１のｉ型非晶質半導体膜２の端部と第１導電型非晶質半導体膜３の端部とを覆っていなくてもよい。光エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を向上させるために、第１導電型非晶質半導体膜３に接触しないように、第２導電型非晶質半導体膜５を形成することが好ましい。

（実施形態３）
＜ヘテロ接合型バックコンタクトセルの構造＞
図１２に、実施形態３のヘテロ接合型バックコンタクトセルの模式的な断面図を示す。

図１２に示すヘテロ接合型バックコンタクトセル（光電変換素子１０）は、基本的には、図１に示す光電変換素子１０と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、以下の点で異なる。

図１２に示す光電変換素子１０では、第２電極１１の端面１１ａの位置より、半導体膜６、第２のｉ型非晶質半導体膜４、第２導電型非晶質半導体膜５の端面１５の位置が後退している。異なる観点から言えば、半導体膜６、第２のｉ型非晶質半導体膜４、第２導電型非晶質半導体膜５の端面１５の位置より、第２電極１１の端面１１ａの位置が突出した状態になっている。このような構成によっても、第２導電型非晶質半導体膜５の表面全体を第２電極１１が覆った状態となっているため、第２電極１１において十分な電流収集を行うことができる。

＜ヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法＞
図１３を参照しながら、図１２に示したヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法の一例について説明する。

図１２に示したヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法は、基本的に実施形態１のヘテロ接合型バックコンタクトセルの製造方法と同様であり、図２〜図５に示したプロセスを実施する。その後、第２電極１１をマスクとして用いて、第２の積層体５２（第２のｉ型非晶質半導体膜４と第２導電型非晶質半導体膜５との積層体）の一部および半導体膜６の一部を厚さ方向にエッチングする。このエッチングとしては、ウエットエッチングを行うことによって、図１３に示すように、第１導電型非晶質半導体膜３の一部を露出させるとともに、第２の積層体５２および半導体膜６の端面１５の位置を第２電極１１の端面１１ａの位置より後退させる。このようにして、図１３に示す構造を得る。なお、ウエットエッチングに用いるエッチング液としては、任意のエッチング液を用いることができるが、たとえばフッ酸水溶液と硝酸水溶液との混酸であるフッ硝酸水溶液、または水酸化カリウム水溶液若しくは水酸化ナトリウム水溶液等のアルカリ水溶液を用いることができる。

その後、図１２に示すように、第１導電型非晶質半導体膜３に接するように第１電極１２を形成することにより、図１２に示すヘテロ接合型バックコンタンクトセルが完成する。

［付記］
（１） ここで開示された実施形態は、第１の面を有する、第１導電型または第２導電型の半導体基板と、半導体基板の、第１の面と反対側の第２の面側に設けられた、第１導電型非晶質半導体膜および第２導電型非晶質半導体膜と、第１導電型非晶質半導体膜上に設けられた第１電極と、第２導電型非晶質半導体膜上に設けられた第２電極と、を備え、第２の面に沿った方向において、第２電極の幅は第２導電型非晶質半導体膜の幅以上である光電変換素子である。

第２電極の幅が第２導電型非晶質半導体膜の幅以上であるので、実質的に第２電極によって第２導電型非晶質半導体膜を覆うことができ、第２導電型非晶質半導体膜の全面から第２電極へ十分に電流収集を行うことができる。

（２） ここで開示された実施形態の光電変換素子では、第２の面に沿った方向において、第２電極の端面の位置は、第２導電型非晶質半導体膜の端面の位置と一致していてもよい。

この場合、第２電極の幅と第２導電型非晶質半導体膜の幅とが同じになるので、第２導電型非晶質半導体膜の上部表面（第２電極と接触している側の表面）の全面から第２電極へ電流収集を行うことができる。

また、上記のような構成は、第２電極をマスクとして用いて第２導電型非晶質半導体膜となるべき半導体膜をエッチングすることにより容易に形成できる。さらに、このようにすれば、第２導電型非晶質半導体膜をエッチングするために第２電極とは別のマスクを形成する場合より、マスクの形成工程数を少なくできるので、光電変換素子の製造工程を簡略化できる。

（３） ここで開示された実施形態の光電変換素子において、第１電極を構成する材料は、第２電極を構成する材料と異なっていてもよい。

この場合、第１電極と第２電極とで、それぞれが接続される膜（第１導電型非晶質半導体膜および第２導電型非晶質半導体膜）との間のコンタクト抵抗などの特性を考慮し、第１電極と第２電極とのそれぞれを構成する材料を独立して選択することができる。このため、光電変換素子の性能を高めることができる。

（４） ここで開示された実施形態の光電変換素子において、第１導電型非晶質半導体膜はｐ型非晶質シリコン膜であってもよく、第２導電型非晶質半導体膜はｎ型非晶質シリコン膜であってもよい。第２電極を構成する材料はアルミニウムよりイオン化傾向の低い材料であってもよい。

この場合、第２導電型非晶質半導体膜としてのｎ型非晶質シリコン膜をアルカリ性のエッチング液によりエッチングするときに、当該エッチング液に対する第２電極の反応性を低くできるので、当該第２電極をｎ型非晶質シリコン膜に対するエッチングにおけるマスクとして利用することができる。

（５） ここで開示された実施形態の光電変換素子において、第１電極を構成する材料は導電性接着剤であってもよい。この場合、第１導電型非晶質半導体膜に対して第１電極を介して端子などを接続することができる。このため、第１電極と当該端子とを接続するために別の部材（たとえばはんだや銀ペーストなど）を用いる場合より、光電変換素子の構造を簡略化できる。

（６） ここで開示された実施形態は、第１の面および当該第１の面と反対側の第２の面を有する半導体基板を準備する工程と、半導体基板の第２の面側に、第１導電型非晶質半導体膜を形成する工程と、半導体基板の第２の面側に、第２導電型非晶質半導体膜となるべき半導体膜を形成する工程と、第１導電型非晶質半導体膜上に第１電極を形成する工程と、半導体膜上に第２電極を形成する工程と、第２電極をマスクとして用いて、エッチングにより半導体膜を部分的に除去することにより、第２導電型非晶質半導体膜を形成する工程とを備える、光電変換素子の製造方法である。

このようにすれば、第２電極をマスクとして用いることによって、第２導電型非晶質半導体膜の幅を第２電極の幅以下とすることができる。このため、第２導電型非晶質半導体膜の全面から第２電極へ十分に電流収集を行うことが可能な光電変換素子を実現できる。

さらに、第２導電型非晶質半導体膜に対する第２電極の位置合わせを特別に行う必要が無いので、光電変換素子の製造プロセスを簡略化できる。

また、第２電極を第２導電型非晶質半導体膜の形成時に用いるエッチングマスクとして利用するので、第１電極を形成する工程において、エッチングマスクを用いない形成方法（たとえば、マスクス蒸着法など）を用いることで、第２導電型非晶質半導体膜を形成する時と第１電極および第２電極を形成する時とでそれぞれ異なるエッチングマスクを形成する場合にくらべてエッチングマスクの形成回数を少なくすることができる。このため、製造プロセスでの工程数を削減することにより光電変換素子の製造コストを低減することが可能になる。

（７） ここで開示された実施形態の光電変換素子の製造方法において、第２導電型非晶質半導体膜を形成する工程では、ドライエッチングにより半導体膜を部分的に除去してもよい。

この場合、第２の面に沿った方向において、第２電極の端面の位置と第２導電型非晶質半導体膜の端面の位置とをほぼ同じにすることができるので、第２電極の幅と第２導電型非晶質半導体膜の幅とを実質的に同じにすることができる。

（８） ここで開示された実施形態の光電変換素子の製造方法において、第２導電型非晶質半導体膜を形成する工程では、ウエットエッチングにより半導体膜を部分的に除去してもよい。

この場合、第２の面に沿った方向において、第２電極の端面よりも第２導電型非晶質半導体膜の端面の位置を後退させることができるので、結果的に第２の電極の幅を第２導電型非晶質半導体膜の幅より広くすることができる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

ここで開示された実施形態は、ヘテロ接合型バックコンタクトセルおよびその製造方法に好適に利用することができる。

１ 半導体基板、１ａ 第１の面、１ｂ 第２の面、２ 第１のｉ型非晶質半導体膜、３ 第１導電型非晶質半導体膜、４ 第２のｉ型非晶質半導体膜、５ 第２導電型非晶質半導体膜、６ 半導体膜、７ 誘電体膜、１０ 光電変換素子、１１ 第２電極、１１ａ，１５ 端面、１２ 第１電極、５１ 第１の積層体、５２ 第２の積層体。

Claims (8)

1. 第１の面を有する、第１導電型または第２導電型の半導体基板と、
   前記半導体基板の、前記第１の面と反対側の第２の面側に設けられた、第１導電型非晶質半導体膜および第２導電型非晶質半導体膜と、
   前記第１導電型非晶質半導体膜上に設けられた第１電極と、
   前記第２導電型非晶質半導体膜上に設けられた第２電極と、を備え、
   前記第２の面に沿った方向において、前記第２電極の幅は前記第２導電型非晶質半導体膜の幅以上である、光電変換素子。
2. 前記第２の面に沿った方向において、前記第２電極の端面の位置は、前記第２導電型非晶質半導体膜の端面の位置と一致している、請求項１に記載の光電変換素子。
3. 前記第１電極を構成する材料は、前記第２電極を構成する材料と異なっている、請求項１または２に記載の光電変換素子。
4. 前記第１導電型非晶質半導体膜はｐ型非晶質シリコン膜であり、
   前記第２導電型非晶質半導体膜はｎ型非晶質シリコン膜であり、
   前記第２電極を構成する材料はアルミニウムよりイオン化傾向の低い材料である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電変換素子。
5. 前記第１電極を構成する材料は導電性接着剤である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光電変換素子。
6. 第１の面および前記第１の面と反対側の第２の面を有する半導体基板を準備する工程と、
   前記半導体基板の前記第２の面側に、第１導電型非晶質半導体膜を形成する工程と、
   前記半導体基板の前記第２の面側に、第２導電型非晶質半導体膜となるべき半導体膜を形成する工程と、
   前記第１導電型非晶質半導体膜上に第１電極を形成する工程と、
   前記半導体膜上に第２電極を形成する工程と、
   前記第２電極をマスクとして用いて、エッチングにより前記半導体膜を部分的に除去することにより、前記第２導電型非晶質半導体膜を形成する工程とを備える、光電変換素子の製造方法。
7. 前記第２導電型非晶質半導体膜を形成する工程では、ドライエッチングにより前記半導体膜を部分的に除去する、請求項６に記載の光電変換素子の製造方法。
8. 前記第２導電型非晶質半導体膜を形成する工程では、ウエットエッチングにより前記半導体膜を部分的に除去する、請求項６に記載の光電変換素子の製造方法。
   

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