JP2016192499A - 太陽電池及び太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ｐ型半導体層とパッシベーション層との界面における電荷損失を低く抑えた太陽電池及び太陽電池の製造方法を提供する。【解決手段】太陽電池１０は、ｐ型半導体層１２と、ｎ型半導体層１４と、表面電極２４及び裏面電極２６と、ｐ型半導体層１２に積層されたパッシベーション層１６とを備える太陽電池であって、パッシベーション層１６は、前記ｐ型半導体層１２に対して酸化アルミニウム層１８、窒化アルミニウム層２０の順に積層された層を少なくとも有する。【選択図】図１
Description
本発明は、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層に積層されたパッシベーション層とを備える太陽電池及び太陽電池の製造方法に関する。
太陽電池は、太陽光をエネルギー源として有効活用するという観点から、その活用が広く望まれている。太陽電池は、太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換する半導体素子である。太陽電池に太陽光が入射されると、太陽電池の中に電子・正孔対が生じる。この太陽光の光エネルギーによって生じた電子・正孔対が、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との接合面の近傍の電界によって分離されて、電子、正孔が異なる電極で捕獲されて、二つの電極間に起電力が生じる。
しかしながら、前記電子及び正孔の多くは、前記半導体層と電極等との界面に生じる未結合手、欠陥、界面準位等における再結合によって失われてしまうため、電荷損失が生じる。この電荷損失が太陽電池の発電効率の向上を阻害する要因として知られている。
この電荷損失を低く抑えるために、一般には、半導体層の表面や、半導体層と電極との間に、パッシベーション層が設けられる。パッシベーション層が設けられることにより、半導体層とパッシベーション層との界面の界面準位密度は５×１０１１／ｃｍ２ｅＶ程度、電荷の界面再結合速度は３００ｃｍ／ｓ程度に抑えられ、電荷損失が低く抑えられる。
このパッシベーション層には、入射光を効率的に太陽電池内に取り込むための光学特性が要求される。また、隣接して設置される電極のスパイキングを抑える物性も要求される。また、酸化アルミニウム層を１０ｎｍ以上厚くすると、酸化アルミニウム層中に気泡が生じる等の問題が生じる。この光学特性、物性、及び酸化アルミニウム層の厚さの制限を満たすためにパッシベーション層として、酸化アルミニウム層の上に窒化シリコン層が積層されたものが多く使われてきた（特許文献１）。
しかしながら、特許文献１に開示された太陽電池では、窒化シリコン層の正の固定電荷により、酸化アルミニウム層の負の固定電荷が持つ電界パッシベーション効果が弱められる。この結果、ｐ型半導体層及びパッシベーション層との界面における界面再結合速度が速くなり、電荷損失が十分に抑えられない。また、前記パッシベーション層を積層するためには、危険な原料ガスを用い、積層に長時間を要し、製造装置の構成が複雑になる、という問題があった。
具体的には、パッシベーション層のうち酸化アルミニウム層は、例えば原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）により積層されるが、毒性と引火性の高いトリメチルアルミニウムガスが用いられる。そして、例えば２０ｎｍの酸化アルミニウム層を積層するためには約２０分〜４０分を要する。
また、パッシベーション層のうち窒化シリコン層は、例えばプラズマを援用する化学気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）により積層されるが、毒性と引火性の高いシランガスと、アンモニアガスとが用いられる。そして、例えば５０ｎｍの窒化シリコン層を積層するためには約１０分〜３０分を要する。
また、前記酸化アルミニウム層の積層と前記窒化シリコン層の積層は、ガスの混合による爆発や汚染等を避けるため、それぞれ別の装置で独立に行う必要があり、製造装置の構成が複雑になる。
本発明は、上記の課題を考慮してなされたものであって、ｐ型半導体層及びパッシベーション層との界面における電荷損失を低く抑えるパッシベーション層を備える太陽電池を提供する。また、このパッシベーション層を、安全なガスを使い、従来よりも短時間で、同一の製造装置で連続して行える単純な装置構成での積層を可能とする、太陽電池の製造方法を提供する。
本発明の太陽電池は、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層に積層されたパッシベーション層とを備える太陽電池であって、前記パッシベーション層は、前記ｐ型半導体層に対して酸化アルミニウム層、窒化アルミニウム層の順に積層された層を少なくとも有することを特徴とする。
前記太陽電池において、前記ｐ型半導体層と、前記酸化アルミニウム層との間に、酸化シリコン層を有することを特徴とする。
前記太陽電池において、前記酸化アルミニウム層の厚さが１ｎｍ〜２０ｎｍであることを特徴とする。
前記太陽電池において、前記酸化シリコン層の厚さが０．５ｎｍ〜２ｎｍであることを特徴とする。
前記太陽電池において、前記窒化アルミニウム層の厚さが５０ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする。
前記太陽電池において、前記ｐ型半導体層と前記パッシベーション層との界面における電荷の最大界面再結合速度が３８ｃｍ／ｓ以下であることを特徴とする。
前記太陽電池において、前記ｐ型半導体層と前記パッシベーション層との界面における界面準位密度が４×１０１１／ｃｍ２ｅＶ以下であることを特徴とする。
前記太陽電池において、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層とが、単結晶、多結晶、非晶質のいずれかの結晶性を有することを特徴とする。
前記太陽電池において、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層の一部又はすべてがシリコンであることを特徴とする。
本発明の太陽電池の製造方法は、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層に積層されたパッシベーション層とを備える太陽電池の製造方法であって、前記パッシベーション層は、前記ｐ型半導体層に対して酸化アルミニウム層、窒化アルミニウム層の順に積層して形成するステップを少なくとも備えることを特徴とする。
前記太陽電池の製造方法において、前記酸化アルミニウム層は、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法、反応性スパッタリング法のいずれかの又はこれらの組合せの方法で形成され、前記酸化アルミニウム層の厚さが１ｎｍ〜２０ｎｍであることを特徴とする。
前記太陽電池の製造方法において、前記ｐ型半導体層と前記酸化アルミニウム層との間に、酸化シリコン層が形成されることを特徴とする。
前記太陽電池の製造方法において、前記酸化シリコン層の厚さが０．５ｎｍ〜２ｎｍであることを特徴とする。
前記太陽電池の製造方法において、前記窒化アルミニウム層は、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法、反応性スパッタリング法のいずれかの又はこれらの組合せの方法で形成され、前記窒化アルミニウム層の厚さが５０ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする。
前記太陽電池の製造方法において、前記酸化アルミニウム層又は前記窒化アルミニウム層の少なくとも一方は、反応性スパッタリング法で形成され、前記酸化アルミニウム層を形成するための反応雰囲気として希ガスと、分圧比が１０％〜５０％の酸素ガスと、を少なくとも含むことを特徴とする。
前記太陽電池の製造方法において、前記酸化アルミニウム層又は前記窒化アルミニウム層の少なくとも一方は、反応性スパッタリング法で形成され、前記窒化アルミニウム層を形成するための反応雰囲気として希ガスと、分圧比が１０％〜７０％の窒素ガスと、を少なくとも含むことを特徴とする。
前記太陽電池の製造方法において、前記酸化アルミニウム層の形成と前記窒化アルミニウム層の形成とが同一の気密容器で連続して行われることを特徴とする。
前記太陽電池の製造方法において、前記酸化アルミニウム層及び前記窒化アルミニウム層が反応性スパッタリング法により形成され、反応雰囲気として希ガスと、分圧比が１０％〜５０％の酸素ガスとを含む反応雰囲気において、アルミニウムターゲットを用いて、前記酸化アルミニウム層を形成するステップと、前記酸化アルミニウム層が形成された後に、前記反応雰囲気から、希ガスと、分圧比が１０％〜７０％の窒素ガスとを含む反応雰囲気に切り替えられ、前記アルミニウムターゲットを用いて、前記窒化アルミニウム層を形成するステップと、を有することを特徴とする。
前記太陽電池の製造方法において、前記パッシベーション層が生成された後に、加熱されることを特徴とする。
前記太陽電池の製造方法において、前記ｐ型半導体層と前記パッシベーション層との界面における電荷の最大界面再結合速度が３８ｃｍ／ｓ以下であることを特徴とする。
前記太陽電池の製造方法において、前記ｐ型半導体層と前記パッシベーション層との界面における界面準位密度が４×１０１１／ｃｍ２ｅＶ以下であることを特徴とする。
本発明の太陽電池によれば、前記ｐ型半導体層に対して酸化アルミニウム層、窒化アルミニウム層の順に積層されたパッシベーション層を少なくとも有することで、前記ｐ型半導体層とパッシベーション層との界面における電荷損失を低く抑えられる。また、本発明の製造方法によれば、前記ｐ型半導体層に対して酸化アルミニウム層、窒化アルミニウム層の順に積層して形成するステップを少なくとも備えることで、安全なガスを使い、従来よりも短時間で、同一の製造装置で連続して行える単純な装置構成による、太陽電池の製造が可能になる。
＜本実施形態の太陽電池１０の構成＞
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る太陽電池１０の断面を示す説明図である。図１の上方を表面とし、下方を裏面としている。
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る太陽電池１０の断面を示す説明図である。図１の上方を表面とし、下方を裏面としている。
太陽電池１０は、ｐ型半導体層１２、ｎ型半導体層１４、パッシベーション層１６、窒化シリコン層２２、表面電極２４及び裏面電極２６を備える。
ｐ型半導体層１２は、正孔を主とする電荷を含む結晶質半導体層である。添加物としてｐ型の不純物であるホウ素（Ｂ）が含まれる。なお、ｐ型の不純物であれば、ホウ素（Ｂ）に限定されない。ｐ型半導体層１２としては、単結晶シリコンが用いられる。また、ｐ型半導体層１２の厚さは、例えば、０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ、電気抵抗率は１０Ω・ｃｍ〜２０Ω・ｃｍである。
ｎ型半導体層１４は、電子を主とする電荷を含む結晶質半導体層である。添加物としてｎ型の不純物であるリン（Ｐ）が含まれる。なお、ｎ型の不純物であれば、リン（Ｐ）に限定されない。ｎ型半導体層１４としては、結晶質シリコンが用いられる。また、ｎ型半導体層１４の厚さは、例えば、０．１μｍ〜０．８μｍ、表面抵抗率が８０〜１２０Ω/sqである。さらに、ｎ型半導体層１４は、ｐ型半導体層１２の表面に形成される。
パッシベーション層１６は、酸化アルミニウム層１８と窒化アルミニウム層２０とを備える。パッシベーション層１６は、ｐ型半導体層１２の裏面に形成される。
酸化アルミニウム層１８は、厚さが１ｎｍ〜２０ｎｍの層である。酸化アルミニウム層１８は、ｐ型半導体層１２の裏面に形成される。
窒化アルミニウム層２０は、厚さが５０ｎｍ〜１００ｎｍの層である。窒化アルミニウム層２０は、酸化アルミニウム層１８の裏面に形成される。
パッシベーション層１６には、裏面から表面方向に裏面貫通孔２８が形成されている。裏面貫通孔２８は、ｐ型半導体層１２が裏面電極２６と導通するための孔である。
窒化シリコン層２２は、厚さが５０ｎｍ〜１００ｎｍの層であって、透光性を有する。窒化シリコン層２２は、ｎ型半導体層１４の表面に形成される。また、窒化シリコン層２２には、表面から裏面方向に表面貫通孔３０が形成されている。表面貫通孔３０は、ｎ型半導体層１４が表面電極２４と導通するための孔である。
表面電極２４は、金属で形成された電極であり、金属として例えば、銀が用いられる。表面電極２４の厚さは、例えば、５μｍ〜２０μｍである。表面電極２４は、窒化シリコン層２２の表面側に形成される。表面電極２４は、表面貫通孔３０を介してｎ型半導体層１４と導通する。
裏面電極２６は、金属で形成された電極であり、金属として例えば、アルミニウムが用いられる。裏面電極２６の厚さは、例えば、２μｍ〜３０μｍである。裏面電極２６は、窒化アルミニウム層２０の裏面側に形成される。裏面電極２６の表面側には、裏面貫通孔２８を介してｐ型半導体層１２と導通するための裏面突部３２が形成されている。
＜本実施形態の太陽電池１０の製造方法＞
次に、太陽電池１０の製造方法について図２を用いて説明する。図２は、本実施形態の太陽電池１０の製造方法の手順の説明図である。
次に、太陽電池１０の製造方法について図２を用いて説明する。図２は、本実施形態の太陽電池１０の製造方法の手順の説明図である。
まず、ｐ型の不純物を含むシリコンウエハが用意される（ステップＳ１）。
前記シリコンウエハの予備加工が行われる（ステップＳ２）。具体的には、前記シリコンウエハが希フッ化水素酸に浸漬されて、前記シリコンウエハの表面に形成された自然酸化膜が除去される。次に、前記シリコンウエハの表面が反応性イオンエッチング又は異方性ウェットエッチングにてテクスチャリングされる。その後、前記シリコンウエハに、ｎ型の不純物が、熱拡散法により、前記シリコンウエハの表面から深さ方向に拡散され、ｎ型半導体層１４が形成される。これら予備加工により、前記シリコンウエハの表面がテクスチャリングされ、前記シリコンウエハの表面側にｎ型半導体層１４が形成され、裏面側にｐ型半導体層１２が形成された積層体が得られる。
次に、ｐ型半導体層１２の裏面に、酸化アルミニウム層１８が反応性スパッタリングで積層される（ステップＳ３）。具体的には、気密容器の内部に、まず、アルミニウムターゲットが載置される。次に、ｐ型半導体層１２が前記アルミニウムターゲット側と対向する位置に載置される。さらに、アルゴンガスと、分圧比が１０％〜５０％の酸素ガスとからなる反応ガスが反応雰囲気として、３ミリＴｏｒｒで充填される。次に、前記アルミニウムターゲットと前記積層体の間に３００Ｗの交番電磁界が０．５分〜１１分間、印加される。この結果、ｐ型半導体層１２の裏面に、厚さが１ｎｍ〜２０ｎｍの酸化アルミニウム層１８が積層される（ステップＳ３）。
次に、酸化アルミニウム層１８の裏面に、窒化アルミニウム層２０が反応性スパッタリングで積層される（ステップＳ４）。具体的には、前記反応ガスが気密容器から一旦排気される。次に、前記気密容器に、アルゴンガスと、分圧比が１０％〜７０％の窒素ガスとからなる反応ガスを反応雰囲気として、３ミリＴｏｒｒで充填される。さらに、前記アルミニウムターゲットと前記積層体の間に３００Ｗの交番電磁界が５分〜１０分間、印加される。この結果、前記酸化アルミニウム層１８の裏面に、厚さが５０ｎｍ〜１００ｎｍの窒化アルミニウム層２０が積層される（ステップＳ４）。
次に、ｎ型半導体層１４の表面に、窒化シリコン層２２が化学気相成長により積層される（ステップＳ５）。具体的には、前記気密容器とは別の他の気密容器の内部に、前記積層体のｎ型半導体層１４がガス雰囲気と接するように、再載置される。次に、前記気密容器に、Ｈ２ガス又はＨｅガスで分圧比１％〜５０％に希釈されたモノシラン（ＳｉＨ４）ガス及びアンモニア（ＮＨ３）ガスを、原料ガスとして、１Ｔｏｒｒから大気圧で充填される。この状態で、前記積層体が約３５０℃で５分〜１０分間、加熱される。この結果、ｎ型半導体層１４の表面に、厚さが５０ｎｍ〜１００ｎｍの窒化シリコン層２２が積層される（ステップＳ５）。
次に、前記積層体に電極が形成される（ステップＳ６）。パッシベーション層１６の裏面側から、出力８Ｗ、波長２６６ｎｍのパルス型ＤＰＳＳ(Diode-pumped solid-state)レーザーが照射され、裏面貫通孔２８が形成される。その後、裏面電極２６が、スクリーン印刷により窒化アルミニウム層２０の裏面に形成される。また、窒化シリコン層２２の表面には、ファイアースルー法により、表面貫通孔３０及び、表面電極２４が形成される。具体的には、窒化シリコンを侵食する銀を含む電極材料が、電極が形成される所定箇所に印刷され、２００℃〜８００℃で１分〜６０分に加熱されることにより、表面電極２４が窒化シリコン層２２の表面に形成される。表面電極２４、裏面電極２６の形成は、先に表面電極２４が形成されても良い。
次に、表面電極２４と、裏面電極２６とが形成された積層体が窒素ガス雰囲気中にて２００℃〜８００℃で１分〜６０分間、加熱される（ステップＳ７）。この加熱により、表面電極２４、裏面電極２６、酸化アルミニウム層１８、窒化アルミニウム層２０、窒化シリコン層２２が焼きなまされ、それぞれの層の中や界面の未結合手、欠陥、界面準位の密度が下げられる。なお、ステップ６における加熱処理をステップ７において行ってもよい。
以上の製造工程により、太陽電池１０が得られる。
＜本実施形態の太陽電池１０の動作＞
次に、本発明の実施形態に係る太陽電池１０の動作について説明する。
次に、本発明の実施形態に係る太陽電池１０の動作について説明する。
太陽光が、窒化シリコン層２２、ｎ型半導体層１４を介してｐ型半導体層１２へと入射される。太陽光の光エネルギーによって、ｎ型半導体層１４、ｐ型半導体層１２の中に電子・正孔対が生じる。ｎ型半導体層１４の表面はテクスチャリングされているので、入射した太陽光が、ｎ型半導体層１４とｐ型半導体層１２との中で反射を繰り返す。その結果、電子・正孔対が効果的に発生する。太陽光によって生じた電子・正孔対は、ｐ型半導体層１２とｎ型半導体層１４との接合面の近傍の電界によって分離されて、電子が表面電極２４に移動され、正孔が裏面電極２６に移動され、表面電極２４と裏面電極２６との間に起電力が生じる。
パッシベーション層１６の窒化アルミニウム層２０により、裏面電極２６にスパイキングと呼ばれる傷の発生が防止される。
また、パッシベーション層１６によって、電界パッシベーション効果が得られる。具体的には、パッシベーション層１６の高密度の負の固定電荷の電界によって、電子がパッシベーション層１６とｐ型半導体層１２との界面から遠ざけられ、電子が界面の未結合手、欠陥、界面準位によって失われてしまう速度を低く抑え、電荷損失が低く抑えられる。
図３は、シリコン基板上に積層した窒化アルミニウム層の厚さと、窒化アルミニウム層の固定電荷密度との関係を示す図である。横軸は窒化アルミニウム層の厚さ（Thickness of AlNx）を示し、縦軸は窒化アルミニウム層の固定電荷密度（Qeff）を示す。白丸のプロット（○）はＣＶ計測にあたって逆バイアスから順バイアスに掃引されて計測された場合の固定電荷密度である。黒丸のプロット（●）は順バイアスから逆バイアスに掃引されて計測された場合の固定電荷密度である。
パッシベーション層１６が電界パッシベーション効果を発揮するためには、酸化アルミニウム層１８の固定電荷の電荷密度と、酸化アルミニウム層１８の裏面の窒化アルミニウム層２０の固定電荷の電荷密度の総和が負の値を持たなければならない。ここで、酸化アルミニウム層１８の固定電荷密度は−３．０×１０１２／ｃｍ２〜−５．０×１０１２／ｃｍ２である。このため、窒化アルミニウム層２０の固定電荷密度が３．０×１０１２／ｃｍ２以下であれば、前記電荷密度の総和が負の値となる。図３より、窒化アルミニウム層の厚みが５０ｎｍ以上であれば、固定電荷密度が２．０×１０１２／ｃｍ２以下となる。つまり、窒化アルミニウム層の厚みが５０ｎｍ以上であれば、パッシベーション層１６が電界パッシベーション効果を発揮する。
図４は、本発明の実施形態に係る太陽電池１０における、酸化アルミニウム層１８の厚さと、最大界面再結合速度の関係を示す図である。横軸は酸化アルミニウム層１８の厚さ（Thickness of AlOx）を示し、横軸はｐ型半導体層１２と酸化アルミニウム層１８との界面における最大界面再結合速度（Smax）を示す。窒化アルミニウム層２０の厚さが７０ｎｍである場合において、酸化アルミニウム層１８の厚さを変化させたものである。
酸化アルミニウム層１８の厚さは５ｎｍ〜２０ｎｍにおいて、最大界面再結合速度は、３８ｃｍ／ｓ以下で一定しており、いずれも従来技術の最大界面再結合速度である３００ｃｍ／ｓ程度よりも遅い。この傾向は酸化アルミニウム層１８の厚さが５ｎｍ以下でも変わらない。また、信頼性の観点から、酸化アルミニウム層１８の厚さは、１ｎｍ以上が望ましい。従って、酸化アルミニウム層１８の厚さが、１ｎｍ〜２０ｎｍであれば、最大界面再結合速度が３８ｃｍ／ｓ以下になり、ｐ型半導体層１２とパッシベーション層１６との界面における電荷損失が低く抑えられる。
図５は、本発明の実施形態に係る太陽電池１０における、窒化アルミニウム層２０を形成する場合における窒素ガスの分圧比と、界面準位密度との関係を示す図である。横軸は窒素ガスの分圧比を示し、縦軸はｐ型半導体層１２と酸化アルミニウム層１８との界面における界面準位密度（Dit）の関係を示す図である。酸化アルミニウム層１８の厚さを５ｎｍ、窒化アルミニウム層２０の厚さを７０ｎｍとして形成する場合において、窒素ガスの分圧比を変化させたものである。
ｐ型半導体層１２と酸化アルミニウム層１８との界面における界面準位密度は、この界面の未結合手、欠陥、界面準位の密度を下げる化学的パッシベーション効果の指標であり、小さいほど電荷損失が低く抑えられる。窒素ガスの分圧比が１０％以上であれば、界面準位密度が４×１０１１／ｃｍ２ｅＶ以下であった。パッシベーション層に水素終端された窒化シリコン層を備える従来技術では、ｐ型半導体層と酸化アルミニウム層との界面における界面準位密度は５×１０１１／ｃｍ２ｅＶ程度である。経済的な理由から、窒素ガスの分圧比を７０％より高くすることは現実的ではない。窒素ガスの分圧比が１０％〜７０％であれば、界面準位密度は４×１０１１／ｃｍ２ｅＶ以下に抑えられ、化学的パッシベーション効果は従来技術と比べて同程度以上である。
次に、本発明の実施形態の変形例について図面を用いて説明する。図６は、本発明の実施形態の変形例に係る太陽電池５０の断面を示す説明図である。
太陽電池５０は、ｐ型半導体層５２、ｎ型半導体層５４、パッシベーション層５６、窒化シリコン層６２、表面電極６４及び裏面電極６６を備える。
なお、太陽電池５０において、ｐ型半導体層５２は、太陽電池１０におけるｐ型半導体層１２と基本的には同様であり、同様な説明については省略する。また、以下、ｎ型半導体層５４はｎ型半導体層１４と、パッシベーション層５６はパッシベーション層１６と、窒化シリコン層６２は窒化シリコン層２２と、表面電極６４は裏面電極２６と、裏面電極６６は表面電極２４と同様である。
太陽電池５０では、ｐ型半導体層５２の厚さは０．１μｍ〜０．８μｍであり、ｎ型半導体層５４の厚さは０．１ｍｍ〜０．２ｍｍである。また、ｎ型半導体層５４の表面にｐ型半導体層５２が形成されている。
パッシベーション層５６は、酸化アルミニウム層５８と窒化アルミニウム層６０とを備える。パッシベーション層５６は、ｐ型半導体層５２の表面に形成されている。
酸化アルミニウム層５８は、ｐ型半導体層５２の表面に形成されている。窒化アルミニウム層６０は、酸化アルミニウム層５８の表面に形成されている。
パッシベーション層５６には、表面から裏面方向に表面貫通孔７０が形成されている。表面貫通孔７０は、ｐ型半導体層５２が表面電極６４と導通するための孔である。
窒化シリコン層６２は、ｎ型半導体層５４の裏面に形成される。また、窒化シリコン層６２には、裏面から表面方向に裏面貫通孔６８が形成されている。裏面貫通孔６８は、ｎ型半導体層５４が裏面電極６６と導通するための孔である。
表面電極６４は、窒化アルミニウム層６０の表面側に形成される。表面電極６４の裏面側には、表面貫通孔７０を介してｐ型半導体層５２と導通するための表面突部７２が形成されている。
裏面電極６６は、窒化シリコン層６２の裏面側に形成される。裏面電極６６は、裏面貫通孔６８を介してｎ型半導体層５４と導通する。
太陽電池５０の製造方法は、太陽電池１０の製造方法と同様である。
図７は、太陽電池に入射する光の波長と反射率との関係を示す図である。横軸は光の波長（Wavelength）を示し、縦軸は反射率（Reflectance）を示す。実線は、ｎ型シリコン層の表面に対して、下から順番にｐ型半導体層、酸化アルミニウム層、窒化アルミニウム層が形成された積層体の反射率である。積層体の酸化アルミニウム層の厚さは２０ｎｍであり、窒化アルミニウム層の厚さは７０ｎｍである。点線は、研磨したシリコン結晶表面の反射率である。
積層体による光の反射率は、光の波長が４００ｎｍ〜１０５０ｎｍの間では０．１％〜５１．０％である。一方、研磨したシリコン結晶表面の反射率は、光の波長が４００ｎｍ〜１０５０ｎｍの間では３２．５％〜５０．６％である。光の波長が４００ｎｍ付近ではほぼ５０％で同様の反射率だが、そこから長波長側に６８０ｎｍ程度まで反射率の差が大きく開き、６８３ｎｍでは積層体の反射率が０．１％であるのに対して、研磨したシリコン結晶表面の反射率は３５．４％である。それより長波長側でも差は大きく開いており、光の波長が１０５０ｎｍ付近では、積層体の反射率が１９・５％であるのに対して、研磨したシリコン結晶表面の反射率は３７．４％である。
このように、前記積層体では、光の波長が４００ｎｍ〜１０５０ｎｍの間では、反射率は、研磨されたシリコン結晶と比較して大幅に低い。これは、パッシベーション層が備える酸化アルミニウム層と窒化アルミニウム層とがシリコン系の太陽光発電において、効果的に発電できる波長の光を入射光として積層体内に取り込めることを示している。
太陽電池１０は、ｐ型半導体層１２と、ｎ型半導体層１４と、前記ｐ型半導体層１２に積層されたパッシベーション層１６とを備える太陽電池１０であって、前記パッシベーション層１６は、前記ｐ型半導体層１２に対して酸化アルミニウム層１８、窒化アルミニウム層２０の順に積層された層を少なくとも有する。
前記酸化アルミニウム層１８の厚さが１ｎｍ〜２０ｎｍである。
前記窒化アルミニウム層２０の厚さが５０ｎｍ〜１００ｎｍである。
前記ｐ型半導体層１２と前記パッシベーション層１６との界面における電荷の最大界面再結合速度が３８ｃｍ／ｓ以下である。
前記ｐ型半導体層１２と前記パッシベーション層１６との界面における界面準位密度が４×１０１１／ｃｍ２ｅＶ以下である。
前記ｐ型半導体層１２と前記ｎ型半導体層１４とが、単結晶の結晶性を有する。
前記ｐ型半導体層１２と前記ｎ型半導体層１４のすべてがシリコンである。
太陽電池１０の製造方法は、ｐ型半導体層１２と、ｎ型半導体層１４と、前記ｐ型半導体層１２に積層されたパッシベーション層１６とを備える太陽電池１０の製造方法であって、前記パッシベーション層１６は、前記ｐ型半導体層１２に対して酸化アルミニウム層１８、窒化アルミニウム層２０の順に積層して形成するステップを少なくとも備える。
前記酸化アルミニウム層１８又は前記窒化アルミニウム層２０の少なくとも一方は、反応性スパッタリング法で形成され、前記酸化アルミニウム層１８を形成するための反応雰囲気として希ガスと、分圧比が１０％〜５０％の酸素ガスと、を少なくとも含む。
前記酸化アルミニウム層１８又は前記窒化アルミニウム層２０の少なくとも一方は、反応性スパッタリング法で形成され、前記窒化アルミニウム層２０を形成するための反応雰囲気として希ガスと、分圧比が１０％〜７０％の窒素ガスと、を少なくとも含む。
前記酸化アルミニウム層１８の形成と前記窒化アルミニウム層２０の形成とが同一の気密容器で連続して行われる。
前記酸化アルミニウム層１８及び前記窒化アルミニウム層２０が反応性スパッタリング法により形成され、反応雰囲気として希ガスと、分圧比が１０％〜５０％の酸素ガスとを含む反応雰囲気において、アルミニウムターゲットを用いて、前記酸化アルミニウム層１８を形成するステップと、前記酸化アルミニウム層１８が形成された後に、前記反応雰囲気から、希ガスと、分圧比が１０％〜７０％の窒素ガスとを含む反応雰囲気に切り替えられ、前記アルミニウムターゲットを用いて、前記窒化アルミニウム層２０を形成するステップと、を有する。
前記パッシベーション層１６が生成された後に、加熱される。
なお、本発明は、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を取り得ることはもちろんである。
また、上記実施形態では、ｐ型半導体層１２とｎ型半導体層１４とは、単結晶で形成されているがこれに限定されるものではない。例えば、経済性を考慮して、ｐ型半導体層１２とｎ型半導体層１４は、多結晶、非晶質のいずれかの結晶性で形成されても良い。
また、上記実施形態では、ｐ型半導体層１２と前記ｎ型半導体層１４とは、すべてがシリコンで形成されているが、一部がシリコンで形成され、その他の部分を他の半導体材料で形成されてもよい。
上記実施形態では、太陽電池１０では、ｐ型半導体層１２と酸化アルミニウム層１８との間の層の有無については言及されていないが、酸化シリコン層が形成されても良い。かかる場合には、ステップＳ３において、雰囲気ガスとして、分圧比が０％〜１５％の酸素ガスを加えて、０．５ｎｍ〜２ｎｍの酸化シリコン層が形成されてもよい。また、ステップＳ３又はＳ７において、雰囲気ガスとして、Ｈ２ＯやＯ３（オゾン）などの酸化種が導入されることによって、又はステップＳ３の前に、ｐ型半導体層１２の裏面が酸化種に被曝されることによって、０．５ｎｍ〜２ｎｍの酸化シリコン層が形成されてもよい。
上記実施形態では、酸化アルミニウム層１８、窒化アルミニウム層２０及び窒化シリコン層２２は、反応性スパッタリング法で形成されているが、これに限定されるものではない。例えば、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法で形成され、また、反応性スパッタリング法を含めて、これらの組合せの方法で形成されてもよい。
また、上記実施形態では、前記酸化アルミニウム層１８の形成と前記窒化アルミニウム層２０の形成とが同一の気密容器で連続して行われているが、別の気密容器で行われてもよい。
１０、５０…太陽電池
１２、５２…ｐ型半導体層
１４、５４…ｎ型半導体層
１６、５６…パッシベーション層
１８、５８…酸化アルミニウム層
２０、６０…窒化アルミニウム層
２２、６２…窒化シリコン層
２４、６４…表面電極
２６、６６…裏面電極
２８、６８…裏面貫通孔
３０、７０…表面貫通孔
３２…裏面突部
７２…表面突部
１２、５２…ｐ型半導体層
１４、５４…ｎ型半導体層
１６、５６…パッシベーション層
１８、５８…酸化アルミニウム層
２０、６０…窒化アルミニウム層
２２、６２…窒化シリコン層
２４、６４…表面電極
２６、６６…裏面電極
２８、６８…裏面貫通孔
３０、７０…表面貫通孔
３２…裏面突部
７２…表面突部
Claims (21)
- ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層に積層されたパッシベーション層とを備える太陽電池であって、
前記パッシベーション層は、前記ｐ型半導体層に対して酸化アルミニウム層、窒化アルミニウム層の順に積層された層を少なくとも有することを特徴とする太陽電池。 - 請求項１記載の太陽電池において、
前記ｐ型半導体層と、前記酸化アルミニウム層との間に、酸化シリコン層を有することを特徴とする太陽電池。 - 請求項１又は２記載の太陽電池において、
前記酸化アルミニウム層の厚さが１ｎｍ〜２０ｎｍであることを特徴とする太陽電池。 - 請求項２記載の太陽電池において、
前記酸化シリコン層の厚さが０．５ｎｍ〜２ｎｍであることを特徴とする太陽電池。 - 請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池において、
前記窒化アルミニウム層の厚さが５０ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする太陽電池。 - 請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽電池において、
前記ｐ型半導体層と前記パッシベーション層との界面における電荷の最大界面再結合速度が３８ｃｍ／ｓ以下であることを特徴とする太陽電池。 - 請求項１〜６のいずれか１項に記載の太陽電池において、
前記ｐ型半導体層と前記パッシベーション層との界面における界面準位密度が４×１０１１／ｃｍ２ｅＶ以下であることを特徴とする太陽電池。 - 請求項１〜７のいずれか１項に記載の太陽電池において、
前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層とが、単結晶、多結晶、非晶質のいずれかの結晶性を有することを特徴とする太陽電池。 - 請求項１〜８のいずれか１項に記載の太陽電池において、
前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層の一部又はすべてがシリコンであることを特徴とする太陽電池。 - ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層に積層されたパッシベーション層とを備える太陽電池の製造方法であって、
前記パッシベーション層は、前記ｐ型半導体層に対して酸化アルミニウム層、窒化アルミニウム層の順に積層して形成するステップ
を少なくとも備えることを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 請求項１０記載の太陽電池の製造方法において、
前記酸化アルミニウム層は、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法、反応性スパッタリング法のいずれかの又はこれらの組合せの方法で形成され、
前記酸化アルミニウム層の厚さが１ｎｍ〜２０ｎｍであることを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 請求項１０又は１１記載の太陽電池の製造方法において、
前記ｐ型半導体層と前記酸化アルミニウム層との間に、酸化シリコン層が形成されることを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 請求項１２記載の太陽電池の製造方法において、
前記酸化シリコン層の厚さが０．５ｎｍ〜２ｎｍであることを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法において、
前記窒化アルミニウム層は、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法、反応性スパッタリング法のいずれかの又はこれらの組合せの方法で形成され、
前記窒化アルミニウム層の厚さが５０ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法において、
前記酸化アルミニウム層又は前記窒化アルミニウム層の少なくとも一方は、反応性スパッタリング法で形成され、前記酸化アルミニウム層を形成するための反応雰囲気として希ガスと、分圧比が１０％〜５０％の酸素ガスと、を少なくとも含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法において、
前記酸化アルミニウム層又は前記窒化アルミニウム層の少なくとも一方は、反応性スパッタリング法で形成され、前記窒化アルミニウム層を形成するための反応雰囲気として希ガスと、分圧比が１０％〜７０％の窒素ガスと、を少なくとも含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法において、
前記酸化アルミニウム層の形成と前記窒化アルミニウム層の形成とが同一の気密容器で連続して行われることを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 請求項１０〜１７のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法において、
前記酸化アルミニウム層及び前記窒化アルミニウム層が反応性スパッタリング法により形成され、反応雰囲気として希ガスと、分圧比が１０％〜５０％の酸素ガスとを含む反応雰囲気において、アルミニウムターゲットを用いて、前記酸化アルミニウム層を形成するステップと、
前記酸化アルミニウム層が形成された後に、前記反応雰囲気から、希ガスと、分圧比が１０％〜７０％の窒素ガスとを含む反応雰囲気に切り替えられ、前記アルミニウムターゲットを用いて、前記窒化アルミニウム層を形成するステップと、
を有することを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 請求項１０〜１８のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法において、
前記パッシベーション層が生成された後に、加熱されることを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 請求項１０〜１９のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法において、
前記ｐ型半導体層と前記パッシベーション層との界面における電荷の最大界面再結合速度が３８ｃｍ／ｓ以下であることを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 請求項１０〜２０のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法において、
前記ｐ型半導体層と前記パッシベーション層との界面における界面準位密度が４×１０１１／ｃｍ２ｅＶ以下であることを特徴とする太陽電池の製造方法。
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