JP2016178332A - ヘテロ接合型太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ヘテロ接合型太陽電池及びその製造方法を提供する。【解決手段】 半導体基板、第一ｎ型緩衝層、第二ｎ型緩衝層、第一非晶質シリコン半導体層、第二非晶質シリコン半導体層、第一透明導電層、及び第二透明導電層を備える。その製造方法は、まず半導体基板を準備する。次に、半導体基板の第一表面及び第二表面に第一ｎ型緩衝層及び第二ｎ型緩衝層がそれぞれ形成される。その後、第一ｎ型緩衝層及び第二ｎ型緩衝層に第一非晶質シリコン半導体層及び第二非晶質シリコン半導体層がそれぞれ形成される。続いて、第一非晶質シリコン半導体層及び第二非晶質シリコン半導体層に第一透明導電層及び第二透明導電層がそれぞれ形成される。最後に、第一透明導電層及び第二透明導電層に第一導線及び第二導線がそれぞれ設置される。【選択図】 図２

Description

本発明は、ｎ型非晶質シリコン半導体層を緩衝層として利用するヘテロ接合型太陽電池及びその製造方法に関する。
図１は従来のヘテロ接合型太陽電池の構成を示す概略図である。図１に示すように、ヘテロ接合型太陽電池ＰＡ１００は、半導体基板ＰＡ１、第一真性非晶質シリコン半導体層ＰＡ２、第二真性非晶質シリコン半導体層ＰＡ３、第一非晶質シリコン半導体層ＰＡ４、第二非晶質シリコン半導体層ＰＡ５、第一透明導電層ＰＡ６、第二透明導電層ＰＡ７、第一導線ＰＡ８、及び第二導線ＰＡ９を備える。
半導体基板ＰＡ１はｎ型半導体等の第一型半導体がドープされ、且つ半導体基板ＰＡ１は結晶シリコン半導体基板である。第一真性非晶質シリコン半導体層ＰＡ２及び第二真性非晶質シリコン半導体層ＰＡ３は半導体基板ＰＡ１の両側にそれぞれ形成される。
また、第一非晶質シリコン半導体層ＰＡ４は第一真性非晶質シリコン半導体層ＰＡ２に形成されると共に第一型半導体がドープされる。第二非晶質シリコン半導体層ＰＡ５は第二真性非晶質シリコン半導体層ＰＡ３に形成されると共にｐ型半導体等の第二型半導体がドープされる。また、結晶シリコン半導体基板の両側には真性非晶質シリコン半導体層、及び第一型半導体或いは第二型半導体がドープされる非晶質シリコン半導体層がそれぞれ形成され、二層の異質接合層が形成され、太陽能電池の光電変換効率を有効的に高める。
しかしながら、実際の運用では、第一真性非晶質シリコン半導体層ＰＡ２及び第二真性非晶質シリコン半導体層ＰＡ３には多くの欠損があり、電子及び電子正孔の移動に影響が出る。真性非晶質半導体層の欠損問題を解決するため、現在の技術では水素イオン改質方式を用いて、成長させて真性層を形成する際に高濃度の水素を注入して真性非晶質シリコンの界面トラップと水素イオンとを結合させ、欠損を減少させる。
このほか、真性層を微量のｎ型半導体或いはｐ型半導体がドープされるものに代替させ、以降ヘテロ接合型太陽電池全体の抵抗値を低下させる。微量ドープ方式では抵抗値を低下させる効果はあるが、但し界面濃度の欠損が増える。
そこで、本発明者は上記の欠点が改善可能と考え、鋭意検討を重ねた結果、合理的設計で上記の課題を効果的に改善する本発明の提案に到った。
従来の技術では、通常結晶シリコンの半導体基板の両側には真性層がそれぞれ形成されて非晶質半導体層と共に異質接合構造を形成させ、さらにビルトイン電場を発生させて電池の回路電圧を高める。然しながら、真性層自体の導電性が低く、電気抵抗が高いため、電界効果不活性化（パッシベーション）（ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）の効果も好ましくなく、故にヘテロ接合型太陽電池の効果には制限があった。これらの問題を改善するため、従来の技術では水素イオン改質方式により真性層の界面欠損濃度を減少させて抵抗値を低下させ、或いは微量ドープ方式により抵抗値を減らして電界効果を増強させるが、但し界面欠損濃度は増加した。
本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものである。上記課題解決のため、本発明は、ヘテロ接合型太陽電池及びその製造方法を提供することを主目的とする。すなわち、ｎ型緩衝層により真性層方式を代替させて界面欠損濃度を低下させ、抵抗値を減らして電界効果の不活性化効果を増強させる。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るヘテロ接合型太陽電池は、
対向に設置される第一表面及び第二表面を有し、且つ第一型半導体がドープされる半導体基板と、
前記第一表面に設置される第一ｎ型緩衝層と、
前記第二表面に設置される第二ｎ型緩衝層と、
前記第一ｎ型緩衝層に設置され、且つ第二型半導体がドープされる第一非晶質シリコン半導体層と、
前記第二ｎ型緩衝層に設置され、且つ前記第一型半導体がドープされる第二非晶質シリコン半導体層と、
前記第一非晶質シリコン半導体層に設置される第一透明導電層と、
前記第二非晶質シリコン半導体層に設置される第二透明導電層を備え、
ここでは、前記第一ｎ型緩衝層は、
前記第一表面に設置されると共にそれの水素原子の濃度は１×１０１４〜１×１０１６原子／ｃｍ３の間である第一ｎ型非晶質シリコン半導体層と、
前記第一ｎ型非晶質シリコン半導体層に設置される第二ｎ型非晶質シリコン半導体層を更に含み、
また、第二ｎ型緩衝層は、
前記第二表面に設置されると共にそれの水素原子の濃度は１×１０１４〜１×１０１６原子／ｃｍ３の間である第三ｎ型非晶質シリコン半導体層と、
前記第三ｎ型非晶質シリコン半導体層に設置される第四ｎ型非晶質シリコン半導体層を更に具備することを特徴とする。
上述したように、本発明では第一ｎ型緩衝層及び第二ｎ型緩衝層により従来の技術の真性半導体層を代替させ、第一ｎ型緩衝層及び第二ｎ型緩衝層はｎ型半導体がドープされるため全体の電気抵抗を低下させる上、電界効果を有効的に高める。また、第一ｎ型非晶質シリコン半導体層及び第三ｎ型非晶質シリコン半導体層は水素イオン改質層であるため、第一ｎ型緩衝層及び第二ｎ型緩衝層の界面欠損濃度が更に低下し、界面複合電流を減らして電池の回路電圧を高める。
好ましくは、第一ｎ型緩衝層の厚さは１ｎｍから１５ｎｍである。
好ましくは、第一ｎ型非晶質シリコン半導体層の厚さは０．９ｎｍから１０ｎｍであり、第二ｎ型非晶質シリコン半導体層の厚さは少なくとも０．１ｎｍである。
好ましくは、第二ｎ型緩衝層の厚さは１ｎｍから１５ｎｍである。
好ましくは、第三ｎ型非晶質シリコン半導体層の厚さは０．９ｎｍから１０ｎｍであり、第四ｎ型非晶質シリコン半導体層の厚さは少なくとも０．１ｎｍである。
好ましくは、第一型半導体及び第二型半導体の内の何れか１つはｎ型半導体であり、もう一方はｐ型半導体である。
また、上述した従来の課題を解決するために、本発明に係るヘテロ接合型太陽電池の製造方法は、第一型半導体がドープされる半導体基板を提供する工程（ａ）、半導体基板の第一表面上に第一ｎ型緩衝層が形成される工程（ｂ）、半導体基板の第二表面上に第二ｎ型緩衝層が形成される工程（ｃ）、第一ｎ型緩衝層に第二型半導体がドープされる第一非晶質シリコン半導体層が形成される工程（ｄ）、第二ｎ型緩衝層上に第一型半導体がドープされる第二非晶質シリコン半導体層が形成される工程（ｅ）、第一非晶質シリコン半導体層に第一透明導電層が形成される工程（ｆ）、及び第二非晶質シリコン半導体層に第二透明導電層が形成される工程（ｇ）を含む。
好ましくは、工程（ｂ）は工程（ｂ１）及び工程（ｂ２）を更に含む。工程（ｂ１）では、半導体基板の第一表面上に第一ｎ型緩衝層の第一ｎ型非晶質シリコン半導体層が形成される。工程（ｂ２）では、第一ｎ型非晶質シリコン半導体層に第一ｎ型緩衝層の第二ｎ型非晶質シリコン半導体層が形成される。
好ましくは、工程（ｂ１）の後には、ドープガスにより第一ｎ型非晶質シリコン半導体層の処理が施される工程（ｂ１１）を更に含む。ドープガスは、ホスフィンガス、アルシンガス、窒素及び水素の内の少なくとも１つを含む。
好ましくは、工程（ｃ）は工程（ｃ１）及び工程（ｃ２）を更に含む。工程（ｃ１）では、半導体基板の第二表面上に第二ｎ型緩衝層の第三ｎ型非晶質シリコン半導体層が形成される。工程（ｃ２）では、第二ｎ型非晶質シリコン半導体層に第二ｎ型緩衝層の第四ｎ型非晶質シリコン半導体層が形成される。
好ましくは、工程（ｃ１）の後には、ドープガスにより第三ｎ型非晶質シリコン半導体層の処理が施される工程（ｃ１１）を更に含む。ドープガスは、ホスフィンガス、アルシンガス、窒素及び水素の内の少なくとも１つを含む。
本発明によれば、ｎ型緩衝層により真性層方式を代替させて界面欠損濃度を低下させ、抵抗値を減少させて電界効果の不活性化効果を増強させる効果が得られる。
従来のヘテロ接合型太陽電池の構成を示す概略図である。 本発明の好ましい実施形態に係るヘテロ接合型太陽電池の構成を示す概略図である。 本発明の好ましい実施形態に係るヘテロ接合型太陽電池の製造方法のフローチャートである。 本発明の好ましい実施形態に係るヘテロ接合型太陽電池の製造方法のフローチャートである。
本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照して説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。
（第一実施形態）
以下、本発明の具体的な実施形態について添付図面に基づき説明する。なお、本発明の第１実施形態の構成を図２から図３Ｂに示す。図２は本発明の好ましい実施形態に係るヘテロ接合型太陽電池の構成を示す概略図である。図２に示すように、ヘテロ接合型太陽電池１００は、半導体基板１、第一ｎ型緩衝層２、第二ｎ型緩衝層３、第一非晶質シリコン半導体層４、第二非晶質シリコン半導体層５、第一透明導電層６、第二透明導電層７、複数の第一導線８、及び複数の第二導線９を備える。
半導体基板１は対応して設置される第一表面１１及び第二表面１２を有し、且つ半導体基板１は第一型半導体がドープされる。第一型半導体はｎ型半導体或いはｐ型半導体であり、本実施形態では、第一型半導体はｎ型半導体である。
第一ｎ型緩衝層２は第一表面１１に設置されると共に第一ｎ型非晶質シリコン半導体層２ａ及び第二ｎ型非晶質シリコン半導体層２ｂを備える。第一ｎ型緩衝層２の厚さは１ｎｍから１５ｎｍの間である。
第一ｎ型非晶質シリコン半導体層２ａは第一表面１１に設置され、且つ第一ｎ型非晶質シリコン半導体層２ａの厚さは０．９ｎｍから１０ｎｍの間である。第二ｎ型非晶質シリコン半導体層２ｂは第一ｎ型非晶質シリコン半導体層２ａに設置され、第二ｎ型非晶質シリコン半導体層２ｂの厚さは少なくとも０．１ｎｍである。第一ｎ型非晶質シリコン半導体層２ａは水素イオン改質層であり、即ち、第一ｎ型非晶質シリコン半導体層２ａの形成時に水素イオン改質（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｐｌａｓｍａ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ、ＨＰＴ）工程で改質を行い水素イオン改質層を形成させ、第一ｎ型非晶質シリコン半導体層２ａが１×１０１４〜１×１０１６原子／ｃｍ３の間の水素原子の濃度を有する。但し、他の実施形態では、ホスフィン（Ｐｈｏｓｐｈｉｎｅ）、アルシン、或いは窒素（Ｎｉｔｒｏｇｅｎ）等を含むガスにより処理が施されて改質層が形成される。他の実施形態によると、第一ｎ型非晶質シリコン半導体層２ａの厚さは１ｎｍから１０ｎｍの間であり、且つ第二ｎ型非晶質シリコン半導体層２ｂの厚さは少なくとも０．１ｎｍであり、故に第一ｎ型緩衝層２の厚さは１．１ｎｍから１５ｎｍの間である。
また、第二ｎ型緩衝層３は第二表面１２に設置されると共に第三ｎ型非晶質シリコン半導体層３ａ及び第四ｎ型非晶質シリコン半導体層３ｂを備える。第二ｎ型緩衝層３の厚さは１ｎｍから１５ｎｍの間である。
なお、第三ｎ型非晶質シリコン半導体層３ａは第二表面１２に設置される。第四ｎ型非晶質シリコン半導体層３ｂは第三ｎ型非晶質シリコン半導体層３ａに設置される。第三ｎ型非晶質シリコン半導体層３ａの厚さは０．９ｎｍから１０ｎｍの間の水素イオン改質層であり、且つ１×１０１４〜１×１０１６原子／ｃｍ３の間の水素原子の濃度を有する。即ち、第三ｎ型非晶質シリコン半導体層３ａの形成時に、水素イオン改質工程により改質が行われて水素イオン改質層が形成される。他の実施形態では、第三ｎ型非晶質シリコン半導体層３ａの厚さは１ｎｍから１０ｎｍの間であり、且つ第四ｎ型非晶質シリコン半導体層３ｂの厚さは少なくとも０．１ｎｍであり、故に第二ｎ型緩衝層３の厚さは１．１ｎｍ至１５ｎｍの間である。
第一非晶質シリコン半導体層４は第一ｎ型緩衝層２の第一ｎ型非晶質シリコン半導体層２ａに設置されると共に第二型半導体がドープされる。第二型半導体はｎ型半導体或いはｐ型半導体であり、本実施形態では第二型半導体はｐ型半導体である。
第二非晶質シリコン半導体層５は第二ｎ型緩衝層３の第三ｎ型非晶質シリコン半導体層３ａに設置されると共に第一型半導体がドープされる。
第一透明導電層６は第一非晶質シリコン半導体層４に設置される。第二透明導電層７は第二非晶質シリコン半導体層５に設置される。第一透明導電層６には複数の第一導線８が更に設置され（図中では１本のみ図示する）、第二透明導電層７には複数の第二導線９が更に設置される（図中では１本のみ図示する）。
以下、本発明の実施形態に係るヘテロ接合型太陽電池の製造方法について、図２、図３Ａ及び図３Ｂを参照しながら説明する。図３Ａ及び図３Ｂは本発明の好ましい実施形態に係るヘテロ接合型太陽電池の製造方法のフローチャートである。ヘテロ接合型太陽電池１００の製造方法は、以下の工程を含む。まず工程（Ｓ１０１）では第一型半導体がドープされる半導体基板１を提供する。工程（Ｓ１０２）では、半導体基板１の第一表面１１に第一ｎ型緩衝層２の第一ｎ型非晶質シリコン半導体層２ａが形成される。工程（Ｓ１０３）では、水素を含むドープガスによる第一ｎ型非晶質シリコン半導体層２ａの処理が施されて第一ｎ型非晶質シリコン半導体層２ａの水素イオン改質を行う。第一ｎ型非晶質シリコン半導体層２ａは、例えば化学気相成長法により成長し、成長時にはｎ型半導体のドープが行われる。また、水素イオン改質は成長過程で高濃度の水素により改質が行われ、０．９ｎｍから１０ｎｍの間の厚さの水素イオン改質層が形成され、且つ１×１０１４〜１×１０１６原子／ｃｍ３の間の水素原子の濃度を有し、水素イオンが第一ｎ型非晶質シリコン半導体層２ａの界面トラップを有効的に不活性化させ、界面欠損濃度を更に低下させ、表面復合を減少させる。
工程（Ｓ１０４）では、第一ｎ型非晶質シリコン半導体層２ａに第一ｎ型緩衝層１の第二ｎ型非晶質シリコン半導体層２ｂが形成される。第二ｎ型非晶質シリコン半導体層２ｂも同様に化学気相成長法により成長が行われ、成長過程ではｎ型半導体のドープが行われる。工程（Ｓ１０５）では、半導体基板１の第二表面１２に第二ｎ型緩衝層３の第三ｎ型非晶質シリコン半導体層３ａが形成される。工程（Ｓ１０６）では、第三ｎ型非晶質シリコン半導体層３ａに対して水素イオン改質工程が行われる。第三ｎ型非晶質シリコン半導体層３ａは化学気相成長法等により成長し、成長過程ではｎ型半導体のドープが行われる。また、水素イオン改質は成長過程で高濃度の水素により改質が行われ、水素イオンが第三ｎ型非晶質シリコン半導体層３ａの界面トラップに結合され、界面欠損濃度を低下させる。
工程（Ｓ１０７）では、第三ｎ型非晶質シリコン半導体層３ａに第二ｎ型緩衝層３の第四ｎ型非晶質シリコン半導体層３ｂが形成される。第四ｎ型非晶質シリコン半導体層３ｂは同様に化学気相成長法により成長が行われ、成長過程ではｎ型半導体がドープされる。工程（Ｓ１０８）では、第一ｎ型緩衝層２に第二型半導体がドープされる第一非晶質シリコン半導体層４が形成される。工程（Ｓ１０９）では、第二ｎ型緩衝層３に第一型半導体がドープされる第二非晶質シリコン半導体層５が形成される。工程（Ｓ１０８）及び工程（Ｓ１０９）の順序は調整可能である。
工程（Ｓ１１０）では、第一非晶質シリコン半導体層４に第一透明導電層６が形成される。工程（Ｓ１１１）では、第二非晶質シリコン半導体層５に第二透明導電層７が形成される。工程（Ｓ１１０）及び工程（Ｓ１１１）の順序は調整可能である。工程（Ｓ１１２）では、第一透明導電層６には第一導線８が設置される。工程（Ｓ１１３）では、第二透明導電層７には第二導線９が設置される。工程（Ｓ１１２）及び工程（Ｓ１１３）の順序は調整可能である。
結論として、従来の技術に比較し、水素イオン改質方式を採用して真性層の界面欠損濃度を減少させ、或いは微量ドープ方式で抵抗値を低下させて電界効果の不活性化効果を増加させる。本発明では、第一ｎ型緩衝層及び第二ｎ型緩衝層により従来の技術の真性半導体層を代替させ、第一ｎ型緩衝層及び第二ｎ型緩衝層の微量ドープが抵抗値を低下させて電界効果の不活性化を増強させる。然しながら、本発明はさらに、第一ｎ型緩衝層及び第二ｎ型緩衝層が分層されて形成され、第一ｎ型非晶質シリコン半導体層及び第三ｎ型非晶質シリコン半導体層の形成には水素イオン改質方式を利用し界面欠損濃度を低下させる。このため、従来の技術に比べ、本発明では微量ドープされる第一ｎ型緩衝層及び第二ｎ型緩衝層により全体の電気抵抗を減らして電界効果の不活性化能力を高めるのみならず、第一ｎ型非晶質シリコン半導体層及び第三ｎ型非晶質シリコン半導体層が水素イオンにより改質されるため、第一ｎ型緩衝層及び第二ｎ型緩衝層の界面欠損濃度が低下し、さらにヘテロ接合型太陽電池全体の抵抗値が低下する。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。
ＰＡ１００ ： ヘテロ接合型太陽電池
ＰＡ１ ： 半導体基板
ＰＡ２ ： 第一真性非晶質シリコン半導体層
ＰＡ３ ： 第二真性非晶質シリコン半導体層
ＰＡ４ ： 第一非晶質シリコン半導体層
ＰＡ５ ： 第二非晶質シリコン半導体層
ＰＡ６ ： 第一透明導電層
ＰＡ７ ： 第二透明導電層
ＰＡ８ ： 第一導線
ＰＡ９ ： 第二導線
１ ： 半導体基板
２ ： 第一ｎ型緩衝層
２ａ ： 第一ｎ型非晶質シリコン半導体層
２ｂ ： 第二ｎ型非晶質シリコン半導体層
３ ： 第二ｎ型緩衝層
３ａ ： 第三ｎ型非晶質シリコン半導体層
３ｂ ： 第四ｎ型非晶質シリコン半導体層
４ ： 第一非晶質シリコン半導体層
５ ： 第二非晶質シリコン半導体層
６ ： 第一透明導電層
７ ： 第二透明導電層
８ ： 第一導線
９ ： 第二導線
１１ ： 第一表面
１２ ： 第二表面
１００ ： ヘテロ接合型太陽電池

Claims (5)

  1. 第一型半導体がドープされる半導体基板を提供する工程（ａ）と、
    前記半導体基板の第一表面上に第一ｎ型緩衝層が形成される工程（ｂ）と、
    前記半導体基板の第二表面上に第二ｎ型緩衝層が形成される工程（ｃ）と、
    前記第一ｎ型緩衝層に第二型半導体がドープされる第一非晶質シリコン半導体層が形成される工程（ｄ）と、
    前記第二ｎ型緩衝層上に前記第一型半導体がドープされる第二非晶質シリコン半導体層が形成される工程（ｅ）と、
    前記第一非晶質シリコン半導体層に第一透明導電層が形成される工程（ｆ）と、
    前記第二非晶質シリコン半導体層に第二透明導電層が形成される工程（ｇ）を含むことを特徴とするヘテロ接合型太陽電池の製造方法。
  2. 工程（ｂ）は、
    前記半導体基板の前記第一表面上には前記第一ｎ型緩衝層の第一ｎ型非晶質シリコン半導体層が形成される工程（ｂ１）と、
    前記第一ｎ型非晶質シリコン半導体層に前記第一ｎ型緩衝層の第二ｎ型非晶質シリコン半導体層が形成される工程（ｂ２）をさらに含み、
    前記工程（ｂ１）の後には、ドープガスにより、前記第一ｎ型非晶質シリコン半導体層の処理が施される工程（ｂ１１）を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載のヘテロ接合型太陽電池の製造方法。
  3. 前記ドープガスはホスフィンガス、アルシンガス、窒素、及び水素の内の少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項２に記載のヘテロ接合型太陽電池の製造方法。
  4. 工程（ｃ）は、
    前記半導体基板の前記第二表面上に前記第二ｎ型緩衝層の第三ｎ型非晶質シリコン半導体層が形成される工程（ｃ１）と、
    前記第二ｎ型非晶質シリコン半導体層上に前記第二ｎ型緩衝層の第四ｎ型非晶質シリコン半導体層が形成される工程（ｃ２）を含み、
    前記工程（ｃ１）の後には、ドープガスにより前記第三ｎ型非晶質シリコン半導体層の処理が施される工程（ｃ１１）を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載のヘテロ接合型太陽電池の製造方法。
  5. 前記ドープガスはホスフィンガス、アルシンガス、窒素、及び水素の内の少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項４に記載のヘテロ接合型太陽電池の製造方法。
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