JP2017037899A - 太陽電池セル - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池セルのｐ、ｎ電極の界面で再結合を防いで変換効率を向上させる。
【解決手段】第１導電型の基板１０と、基板１０の受光面１０ａと反対側に形成された第１導電型拡散領域１２と、第２導電型拡散領域１１と、基板１０の受光面１０ａと反対側の面を覆うｉ型非晶質層１３と、ｉ型非晶質層１３上の第１導電型拡散領域１２上に対応する位置に設けられた第１導電型の非晶質層１５と、ｉ型非晶質層１３上の第２導電型拡散領域１１上に対応する位置に設けられた第２導電型の非晶質層１４と、第１導電型の非晶質層１５上に設けられた第１の電極１７と、第２導電型の非晶質層１４上に設けられた第２の電極１６を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池セルに関する。

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。

特開２０１２−１８２４０８号公報

このような従来のＩＢＣ（Interdigitated Back Contact）構造の太陽電池セルでは、ｐ、ｎ拡散領域と電極の界面で再結合が多く、また、ｐ、ｎ拡散領域上に形成した酸化膜ではパッシベーション効果が不十分であり、開放電圧を低下させる原因となっていた。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、電極の界面での再結合を防いで変換効率を向上させることのできる太陽電池セルを得ることを目的とする。

本発明の太陽電池セルは、第１導電型の基板と、基板の受光面と反対側に形成された第１導電型拡散領域と、前記基板の受光面と反対側に形成された第２導電型拡散領域と、基板の第１導電型拡散領域上および前記第２導電型拡散領域上に設けられ、基板の受光面と反対側の面を覆うｉ型非晶質層と、ｉ型非晶質層上の第１導電型拡散領域上に対応する位置に設けられた第１導電型の非晶質層と、ｉ型非晶質層上の第２導電型拡散領域上に対応する位置に設けられた第２導電型の非晶質層と、第１導電型の非晶質層上に設けられた第１の電極と、第２導電型の非晶質層上に設けられた第２の電極を有する太陽電池セル。

本発明の太陽電池セルは、ｉ型非晶質層は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みであるものを含む。

本発明の太陽電池セルは、ｉ型非晶質層は、前記基板の受光面とは反対側の面全面に形成されたものを含む。

本発明の太陽電池セルは、第１導電型の拡散領域は、第２導電型の拡散領域を包囲するように形成されたものを含む。

本発明の太陽電池セルは、第１の電極は前記第１導電型の非晶質層の端部から３０μｍ以上離れて形成されるとともに、第２の電極は第２導電型の非晶質層の端部から３０μｍ以上離れて形成されたものを含む。

本発明によれば、発電効率の高い太陽電池セルを提供することができる。

本実施の形態に係る太陽電池セルを示す模式的断面図である。 本実施の形態に係る太陽電池セルを示す模式的平面図である。 本実施の形態に係る太陽電池セルの製造方法を示す模式的断面図である。 本実施の形態に係る太陽電池セルの製造方法を示す模式的断面図である。 本実施の形態に係る太陽電池セルの製造方法を示す模式的断面図である。 本実施の形態に係る太陽電池セルの製造方法を示す模式的断面図である。 本実施の形態に係る太陽電池セルの製造方法を示す模式的断面図である。 本実施の形態に係る太陽電池セルの製造方法を示す模式的断面図である。 本実施の形態に係る太陽電池セルの製造方法を示す模式的断面図である。 本実施の形態に係る太陽電池セルの製造方法を示す模式的断面図である。 本実施の形態に係る太陽電池セルの製造方法を示す模式的断面図である。 本実施の形態に係る太陽電池セルの製造方法を示す模式的断面図である。 本実施の形態に係る太陽電池セルの製造方法を示す模式的断面図である。 本実施の形態に係る太陽電池セルの製造方法を示す模式的断面図である。 本実施の形態に係る太陽電池セルの製造方法を示す模式的断面図である。 本実施の形態に係る太陽電池セルの製造方法を示す模式的断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る説明をする。以下の説明では同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについて詳細な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１×１０¹⁷個／ｃｍ³未満、かつｐ型不純物濃度が１×１０¹⁷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１×１０¹⁷個／ｃｍ³以上の状態を意味し、「ｐ型」はｐ型不純物濃度が１×１０¹⁷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。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係る太陽電池セルを示す模式的断面図であり、また受光面側の反射防止膜やパッシベーション構造は省略している。半導体基板であるｎ型単結晶シリコンウェハ１０の受光面とは反対側の面１０ｂに第１導電型であるホウ素（Ｂ）などのｐ型のドーパントが拡散されたｐ型拡散領域１１と、第２導電型であるリン（Ｐ）などのｎ型ドーパントが拡散されたｎ型拡散領域１２が選択的に形成されている。

ｎ型単結晶シリコンウェハ１０の受光面とは反対側の面１０ｂ上全面に、ｉ型非晶質層である、ｉ型アモルファスシリコン層１３が積層されているｉ型アモルファスシリコン層１３は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、望ましくは２ｎｍ程度の厚さであり、パッシベーション膜として機能する。

ｉ型アモルファスシリコン層１３が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の場合において、パッシベーション機能とキャリアの移動効率がともに良好で、太陽電池セルの発電効率が高く、特に２ｎｍ程度の膜厚において発電効率が高い。

ｉ型アモルファスシリコン層１３上において、面１０ｂ側から見て、ｐ型拡散領域１１に対応する位置にｐ型ドーパントを含むｐ型非晶質層であるｐ型アモルファスシリコン層１４が形成されている。また、面１０ｂ側から見て、ｉ型アモルファスシリコン層１３上において、ｎ型拡散領域１２に対応する位置にｎ型ドーパントを含むｎ型非晶質層であるｎ型アモルファスシリコン層１５が形成されている。

ｐ型アモルファスシリコン層１４とｎ型アモルファスシリコン層１５は、隣り合う位置にあるが、ｐ型アモルファスシリコン層１４と、ｎ型アモルファスシリコン層１５が互いの端部で重なり合っても良い。また、ｐ型アモルファスシリコン層１４とｎ型アモルファスシリコン層１５の端部が離れていても良い。ｐ型アモルファスシリコン層１４およびｎ型アモルファスシリコン層１５の厚さは１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下、望ましくは２０ｎｍ程度が好ましい。そして、ｐ型アモルファスシリコン層１４上に第１の電極であるｐ電極１６が形成され、ｎ型アモルファスシリコン層１５上に第２の電極であるｎ電極１７が形成されている。

尚、図示しないが、ｎ型単結晶シリコンウェハ１０の受光面である面１０aには反射防止膜等が形成されている。

図２は、本実施の形態に係る太陽電池セルを示す模式的平面図であり、太陽電池セルを受光面と反対側の裏面から見た図である。理解を容易にするために、拡散領域、ｎ電極およびｐ電極の数は少なくしてある。太陽電池セル１に使用されるｎ型単結晶シリコンウェハ１０は、１５７ｍｍ×１５７ｍｍのほぼ正方形状である。点線に示される矩形の内側がｉ型アモルファスシリコン層１３上に形成されたｎ型アモルファスシリコン層１５である。また、点線に示される矩形の外側が、ｉ型アモルファスシリコン層１３上に形成されたｐ型アモルファスシリコン層１４である。ｐ型アモルファスシリコン層１４上にｐ電極１６が配置されている。また、ｎ型アモルファスシリコン層１５上にｎ電極１７が配置されている。

細長い矩形のｐ電極１６およびｎ電極１７が交互に太陽電池セル１の裏面に配置されている。ｐ電極１６およびｎ電極１７の幅は１５５ｍｍ程度であり、電極の間隔は０．２ｍｍ程度である。このような太陽電池セル１は、シート上に配線パターンが形成された配線シート上に縦横に並べられ、隣接するセルと電気的に接続されて太陽電池モジュールを形成することができる。

ｐ電極１６は、点線で示されるｐ型アモルファスシリコン層１４とｎ型アモルファスシリコン層１５の境界であるｐ型アモルファスシリコン層１４の端部から３０μｍ以上、望ましくは１００μｍ以上離れた位置に形成されている。また、ｎ電極１７は、点線で示されるｐ型アモルファスシリコン層１４とｎ型アモルファスシリコン層１５の境界であるｎ型アモルファスシリコン層１５の端部から３０μｍ以上、望ましくは１００μｍ以上離れた位置に形成されている。

太陽電池セル１の厚み方向に関し、ｐ型アモルファスシリコン層１４およびｎ型アモルファスシリコン層１５と、ｐ型拡散領域１１およびｎ型拡散領域１２との間には薄いｉ型アモルファスシリコン層１３しかないため、ｐ電極１６とｎ電極１７の電極間隔が近ければｐ、ｎ間で電気的なリークが発生する。これを防止するためには、ｐ電極１６とｎ電極１７の電極間隔を３０μｍ以上、望ましくは、１００μｍ以上は電極間隔を取る必要がある。

アモルファスシリコン薄膜でｐｎ接合を形成する裏面接合型のヘテロ接合セルでは、電極間隔を拡げるとｐ型アモルファスシリコン層およびｎ型アモルファスシリコン層が高抵抗であるため、電極の無い部分では集電できずに特性が低下するが、本実施例の場合にはｐ型拡散領域１１およびｎ型拡散領域１２の抵抗が小さいため、拡散領域を通じて電流が流れるので、電極間隔が大きくなったことによる集電効率の低下は軽微である。

受光面である１０ａから光が入射すると、生じたキャリアのうち、正孔はｐ型拡散領域１１に集まり、電子はｎ型拡散領域１２に集まる。キャリアはｐ型拡散領域１１とｐ型アモルファスシリコン層１４間の電界、あるいはｎ型拡散領域１２とｎ型アモルファスシリコン層１５間の電界により、ｉ型アモルファスシリコン層１３を移動する。

さらに、正孔は、ｐ型アモルファスシリコン層１４を経由してｐ電極１６に移動し、電子は、ｎ型アモルファスシリコン層１５を経由してｎ電極１７に移動する。キャリアが、太陽電池セル１の面方向に移動するときは、ｐ型拡散領域１１およびｎ型拡散領域１２内を移動する。そのため、ｎ電極またはｐ電極の面積が小さくても集電効率が著しく低下する恐れはない。

従来のＩＢＣ構造のバックコンタクトセルでは、ｐ、ｎ拡散領域と電極の界面で再結合が多く、また、パッシベーション効果が不十分であり、開放電圧を低下させる原因となっていた。しかしながら、本実施の形態においては、電極を直接ｐ、ｎ拡散領域と接触させるのではなく、アモルファスシリコンｉ/ｐ層、アモルファスシリコンｉ／ｎ層を介して電極を形成し、アモルファスシリコンのパッシベーション層を介して集電することにより界面再結合を減少させ、開放電圧を向上させることができる。

すなわち、ｉ型アモルファスシリコン層１３、ｐ型アモルファスシリコン層１４およびｎ型アモルファスシリコン層１５がパッシベーション層として機能するため、ｎ型単結晶シリコンウェハ１０の面１０ｂ表面におけるキャリアの再結合を防いで発電効率を向上させることができる。

また、アモルファスシリコン薄膜でｐ、ｎ接合を形成するヘテロ接合セルと比較してごみ等による膜のピンホール欠陥や膜厚分布のばらつきによる影響を受け難くなり、特性分布のばらつきの低減が期待できる。セル面積が大きい場合には特に有利である。

また、ｐ型拡散領域１１上のｐ電極１６およびｎ型拡散領域１２上のｎ電極１７の大きさを小さくできるので、隣り合うｐ電極１６とｎ電極１７の距離を大きく設定できる。そのため、ｐ電極１６とｎ電極１７間のリーク電流が少なくなり、ｐ電極１６とｎ電極１７間の電極材料のマイグレーションを軽減することが可能である。

また、アモルファスシリコン薄膜でｐｎ接合を形成する裏面接合型のヘテロ接合セルは、アモルファスシリコン膜の面方向のキャリアの移動速度が小さいため、裏面に電極をほぼ全面に配置する必要があり、短絡を防ぐために裏面電極上に絶縁膜を配置する必要があった。しかしながら、本実施形態においては、シリコンウェハのｐ型拡散領域およびｎ型拡散領域の面方向の抵抗が比較的小さいため、ｎ電極、ｐ電極を小さくすることができる。そのため、裏面電極上に絶縁膜を設けなくても配線シートやインターコネクタ等より隣接するセルとの電気的接続が容易に実現できるので、低コスト化を図ることができる。

（実施の形態２）
図３から図７は、本実施の形態に係る太陽電池セルの製造方法を示す模式的断面図である。図３に示すように、太陽電池セル１に使用される半導体基板として、ｎ型単結晶シリコンウェハ１０を準備する。ｎ型単結晶シリコンウェハ１０の受光面側の面１０ａには凹凸加工や反射防止膜を形成されているが、ここでは図示しない。一方、ｎ型単結晶シリコンウェハ１０の受光面とは反対側の面１０ｂには、ｐ型拡散領域１１およびｎ型拡散領域１２が形成されている。

ｐ型拡散領域１１およびｎ型拡散領域１２は、ｎ型単結晶シリコンウェハ１０の面１０ｂから不純物をドーピングすることにより形成することができ、面１０ｂからドーパントがドーピングされた領域が、ｐ型拡散領域または、ｎ型拡散領域となる。ドーピングの方法としては熱拡散法やイオン注入法などを用いることができる。

続いて、面１０ｂ表面を洗浄もしくはエッチング後、図４に示すように、ｉ型アモルファスシリコン層１３を１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、望ましくは２ｎｍ程度の厚さで面１０ｂの全面に形成する。ｉ型アモルファスシリコン層１３の形成方法は特に限定されないがプラズマＣＶＤ（chemical vapor deposition）法を用いることができる。

次に、図５に示すように、面１０ｂ上にｐ型アモルファスシリコン層形成用のメタルマスク１８をセットし、プラズマＣＶＤ法により、ｐ型アモルファスシリコン層１４を１５ｎｍから２０ｎｍほど成長させる。ｐ型アモルファスシリコン層１４は、ｐ型拡散領域１１に対応する位置に形成される。

続いて、図６に示すように、メタルマスク１８を外した後、面１０ｂ上にｎ型アモルファスシリコン層形成用のメタルマスク１９をセットし、プラズマＣＶＤ法により、ｎ型アモルファスシリコン層１５を１５ｎｍから２０ｎｍほど成長させる。ｎ型アモルファスシリコン層１５は、ｎ型拡散領域１２に対応する位置に形成される。
続いて、図７に示すように、メタルマスク１９を外した後、ｐ型アモルファスシリコン層およびｎ型アモルファスシリコン層上に電極形成用のメタルマスク２０をセットし、ｐ型アモルファスシリコン層およびｎ型アモルファスシリコン層上のほぼ中央にスパッタ法で電極を形成することにより、太陽電池セル１を形成することができる。

（実施の形態３）
図８から図１２は、本実施の形態に係る太陽電池セルの製造方法を示す模式的断面図である。まず、図４に示した実施の形態２と同様にして、ｎ型単結晶シリコンウェハ１０を準備し、受光面と反対側の裏面の拡散層上にｉ型アモルファスシリコン層１３を形成する。

続いて、図８に示すように、ｐ型アモルファスシリコン層２４をｉ型アモルファスシリコン層１３上に１５ｎｍ〜２０ｎｍ程度形成する。ｐ型アモルファスシリコン層２４の形成方法は特に限定されないがプラズマＣＶＤ法を用いることができる。

続いて、図９に示すように、フォトリソグラフィ法を用いて、ｎ型拡散領域１２上のｉ型アモルファスシリコン層１３およびｐ型アモルファスシリコン層２４を除去してパターニングすることにより、ｐ型拡散領域１１に対応する部分にｐ型アモルファスシリコン層２４を形成する。

続いて、図１０に示すように、ｉ型アモルファスシリコン層２３を１ｎｍから１０ｎｍ、望ましくは２ｎｍの厚さで積層後、さらに、ｎ型アモルファスシリコン層２５を１５ｎｍ〜２０ｎｍ程度積層する。ｉ型アモルファスシリコン層１３およびｎ型アモルファスシリコン層１５の形成方法は特に限定されないがプラズマＣＶＤ法を用いることができる。

続いて、図１１に示すように、フォトリソグラフィ法を用いてｐ型アモルファスシリコン層２４上のｉ型アモルファスシリコン層２３およびｎ型アモルファスシリコン層２５を除去する。

続いて、ｐ型アモルファスシリコン層２４上にｐ電極２６を作成するとともに、ｎ型アモルファスシリコン層２５上にｎ電極２７を作成する。ｐ電極２６、ｎ電極２７は、アモルファスシリコン上にスパッタや蒸着などで金属膜を形成したのち、金属膜をフォトリソグラフィ法でパターニングして形成することにより、図１２に示す太陽電池セル２を得る。

（実施の形態４）
図１３から図１６は、本実施の形態に係る太陽電池セルの製造方法を示す模式的断面図である。まず、図４に示した実施の形態２と同様にして、ｎ型単結晶シリコンウェハ１０を準備し、受光面と反対側の裏面の拡散層上にｉ型アモルファスシリコン層１３を形成する。

次に、図１３に示すように、プラズマＣＶＤ法により、ｉ型アモルファスシリコン層１３上の全面に、ｐ型アモルファスシリコン層３４を１５ｎｍから２０ｎｍほど成長させる。

続いて、図１４に示すように、面１０ｂ上にメタルマスク２１をセットし、ｐ型アモルファスシリコン層３４、ｉ型アモルファスシリコン層１３をプラズマエッチングで除去することにより、ｎ型拡散領域１２を露出させる。

続いて、図１５に示すように、ｎ型拡散領域１２上にｉ型アモルファスシリコン層３３およびｎ型アモルファスシリコン層３５をプラズマＣＶＤ法により、形成する。ｉ型アモルファスシリコン層３３の厚さは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、望ましくは２ｎｍであり、ｎ型アモルファスシリコン層３５の厚さは１５ｎｍから２０ｎｍである。

続いて、メタルマスク２１を外したあと、ｐ型アモルファスシリコン層３４およびｎ型アモルファスシリコン層３５上に電極形成用のマスクをセットし、ｐ型アモルファスシリコン層およびｎ型アモルファスシリコン層上のほぼ中央にスパッタ法でｐ電極３６およびｎ電極３７を形成することにより、図１６に示す太陽電池セル３を形成することができる。

上述の各実施の形態において、第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型として説明したが、第１導電型をｐ型とし、第２導電型をｎ型として実施することも可能である。

今回開示された実施の形態は、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は変更が含まれることが意図される。

１、２、３…太陽電池セル
１０…ｎ型単結晶シリコンウェハ
１１…ｐ型拡散領域
１２…ｎ型拡散領域
１３、２３、３３…ｉ型アモルファスシリコン層
１４、２４、３４…ｐ型アモルファスシリコン層
１５、２５、３５…ｎ型アモルファスシリコン層
１６、２６、３６…ｐ電極
１７、２７、３７…ｎ電極
１８、１９、２０、２１…メタルマスク

Claims (5)

1. 第１導電型の基板と、
   前記基板の受光面と反対側に形成された第１導電型拡散領域と、
   前記基板の受光面と反対側に形成された第２導電型拡散領域と、
   前記基板の前記第１導電型拡散領域上および前記第２導電型拡散領域上に設けられ、前記基板の受光面と反対側の面を覆うｉ型非晶質層と、
   前記ｉ型非晶質層上の前記第１導電型拡散領域上に対応する位置に設けられた第１導電型の非晶質層と、
   前記ｉ型非晶質層上の前記第２導電型拡散領域上に対応する位置に設けられた第２導電型の非晶質層と、
   前記第１導電型の非晶質層上に設けられた第１の電極と、
   前記第２導電型の非晶質層上に設けられた第２の電極を有する太陽電池セル。
2. 前記ｉ型非晶質層は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みである請求項１記載の太陽電池セル。
3. 前記ｉ型非晶質層は、前記基板の受光面とは反対側の面全面に形成された請求項１また２に記載の太陽電池セル。
4. 前記第１導電型拡散領域は、前記第２導電型拡散領域を包囲するように形成された請求項１から請求項３のいずれかに記載の太陽電池セル。
5. 前記第１の電極は前記第１導電型の非晶質層の端部から３０μｍ以上離れて形成されるとともに、前記第２の電極は前記第２導電型の非晶質層の端部から３０μｍ以上離れて形成された請求項１から請求項４のいずれかに記載の太陽電池セル。

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