JP2019003996A - Solar battery manufacture method and solar battery - Google Patents

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Naoteru Shigekawa
直輝 重川
剣波 梁
Jianbo Liang
剣波 梁
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Abstract

To provide a technology to improve solar battery efficiency.SOLUTION: A solar battery according to an embodiment of the present invention includes a silicon solar cell structure made of a silicon material, a transparent conductive layer laminated on the silicon solar cell structure and made of a transparent conductive material, and a compound solar cell structure laminated on the transparent conductive layer and composed of a compound material not including a silicon material.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、太陽電池作製方法及び太陽電池に関する。   The present invention relates to a solar cell manufacturing method and a solar cell.

近年、高効率化及び低コスト化を実現するため、様々なタイプの多接合型太陽電池が提案されている。例えば、非特許文献1では、図1に例示されるように、シリコン太陽電池構造体と化合物太陽電池構造体とを貼り合わせることで構成されるハイブリッド多接合太陽電池が提案されている。   In recent years, various types of multi-junction solar cells have been proposed in order to achieve high efficiency and low cost. For example, Non-Patent Document 1 proposes a hybrid multi-junction solar cell configured by bonding a silicon solar cell structure and a compound solar cell structure, as illustrated in FIG.

図1は、非特許文献1で提案されている従来の太陽電池100の構造を模式的に例示する。太陽電池100は、裏面101側から表面102側へかけて順に、裏面電極111、シリコン太陽電池構造体120、化合物太陽電池構造体130、及び表面電極112を備えている。   FIG. 1 schematically illustrates the structure of a conventional solar cell 100 proposed in Non-Patent Document 1. The solar cell 100 includes a back electrode 111, a silicon solar cell structure 120, a compound solar cell structure 130, and a surface electrode 112 in order from the back surface 101 side to the front surface 102 side.

シリコン太陽電池構造体120は、裏面電極111上に積層され、シリコン材料を用いて構成される。具体的には、シリコン太陽電池構造体120は、裏面101側から順に、高濃度にp型不純物を含むp+型シリコン層1211と、シリコン層121と、高濃度にn型不純物を含むn+型シリコン層122と、を備えている。シリコン太陽電池構造体120は、1つの太陽電池(サブセル)を構成する。このシリコン太陽電池構造体120のような、表面側にn+型半導体層を備え、裏面側にp+型半導体層を備える太陽電池構造体を、以下、「n−on−p型」と称する。このシリコン太陽電池構造体120は、最も裏面101側に配置されるため、「ボトムセル」とも称する。 The silicon solar cell structure 120 is laminated on the back electrode 111 and configured using a silicon material. Specifically, the silicon solar cell structure 120 includes, in order from the back surface 101 side, a p + -type silicon layer 1211 containing a p-type impurity at a high concentration, a silicon layer 121, and an n + containing an n-type impurity at a high concentration. Type silicon layer 122. The silicon solar cell structure 120 constitutes one solar cell (subcell). A solar cell structure including an n + type semiconductor layer on the front side and a p + type semiconductor layer on the back side, such as the silicon solar cell structure 120, is hereinafter referred to as “n-on-p type”. . Since the silicon solar cell structure 120 is disposed on the back surface 101 side, it is also referred to as a “bottom cell”.

化合物太陽電池構造体130は、化合物半導体基板上にシリコン材料を含まない化合物材料からなる所定の構造を結晶成長し、シリコン太陽電池構造体120にボンディングし、化合物半導体基板を除去することにより構成される。具体的には、化合物太陽電池構造体130は、化合物半導体基板上にトップセル134と、トンネル接合部133と、ミドルセル132と、高濃度にp型不純物を含むp+型GaAs(ガリウムヒ素)層131と、を順次積層し、p+型GaAs(ガリウムヒ素)層131をシリコン太陽電池構造体120上にボンディングし、化合物半導体基板を除去することにより形成され、裏面101側から順に、高濃度にp型不純物を含むp+型GaAs(ガリウムヒ素)層131と、ミドルセル132と、トンネル接合部133と、トップセル134と、を備えている。ミドルセル132及びトップセル134はそれぞれ、ボトムセルと同様に、1つのn−on−p型の化合物半導体セル(サブセル)を構成する。ミドルセル132は、例えば、GaAsにより構成され、トップセル134は、例えば、InGaP(インジウム・ガリウム・リン)により構成される。 The compound solar cell structure 130 is configured by crystal-growing a predetermined structure made of a compound material not containing a silicon material on a compound semiconductor substrate, bonding it to the silicon solar cell structure 120, and removing the compound semiconductor substrate. The Specifically, the compound solar cell structure 130 includes a top cell 134, a tunnel junction 133, a middle cell 132, and a p + -type GaAs (gallium arsenide) layer containing a p-type impurity at a high concentration on a compound semiconductor substrate. 131, the p + -type GaAs (gallium arsenide) layer 131 is bonded onto the silicon solar cell structure 120, and the compound semiconductor substrate is removed. A p + -type GaAs (gallium arsenide) layer 131 containing a p-type impurity, a middle cell 132, a tunnel junction 133, and a top cell 134 are provided. Each of the middle cell 132 and the top cell 134 constitutes one n-on-p type compound semiconductor cell (subcell), similarly to the bottom cell. The middle cell 132 is made of, for example, GaAs, and the top cell 134 is made of, for example, InGaP (indium gallium phosphorus).

これにより、太陽電池100は、表面102側から裏面101側にかけてエネルギーギャップが段階的に小さくなる3つのサブセルにより構成されるため、太陽光を段階的に光電変換することができる。そのため、太陽電池100は、高い効率で太陽光を電力に変換することができる。また、ゲルマニウム基板をボトムセルに用いる場合がある。この場合に比べて、太陽電池100は、シリコン太陽電池構造体120を用いているため、低コストで作製することができる。なお、表面側102には、太陽光の透過率を高めるために、反射防止膜113が適宜設けられている。   Thereby, since the solar cell 100 is comprised by three subcells in which an energy gap becomes small in steps from the surface 102 side to the back surface 101 side, it can photoelectrically convert sunlight. Therefore, the solar cell 100 can convert sunlight into electric power with high efficiency. A germanium substrate may be used for the bottom cell. Compared to this case, since the solar cell 100 uses the silicon solar cell structure 120, it can be manufactured at low cost. Note that an antireflection film 113 is appropriately provided on the surface side 102 in order to increase the transmittance of sunlight.

Naoteru Shigekawa, Jianbo Liang, Ryusuke Onitsuka, Takaaki Agui, Hiroyuki Juso, and Tatsuya Takamoto, "Current-voltage and spectral-response characteristics of surface-activated-bonding-based InGaP/GaAs/Si hybrid triple-junction cells", Japanese Journal of Applied Physics 54, 08KE03 (2015).Naoteru Shigekawa, Jianbo Liang, Ryusuke Onitsuka, Takaaki Agui, Hiroyuki Juso, and Tatsuya Takamoto, "Current-voltage and spectral-response characteristics of surface-activated-bonding-based InGaP / GaAs / Si hybrid triple-junction cells", Japanese Journal of Applied Physics 54, 08KE03 (2015).

本件発明者らは、図1で例示される従来の太陽電池について、次のような問題点があることを見出した。すなわち、上記太陽電池100では、表面活性化接合法により、シリコン太陽電池構造体120のn+型シリコン層と化合物太陽電池構造体130のp+型GaAs層とを接合する。このとき、n+型シリコン層の厚みは数nmであるが、このn+型シリコン層は、シリコン太陽電池構造体120のエミッタを兼ねているため、厚みを厚くすることは困難である。その結果、シリコン太陽電池構造体120と化合物太陽電池構造体130との接合界面103の電気抵抗が高くなってしまい、更なる高効率化を図るのが困難であるという問題点があることを本件発明者らは見出した。 The present inventors have found that the conventional solar cell illustrated in FIG. 1 has the following problems. That is, in the solar cell 100, the n + -type silicon layer of the silicon solar cell structure 120 and the p + -type GaAs layer of the compound solar cell structure 130 are bonded by a surface activated bonding method. At this time, the thickness of the n + -type silicon layer is several nm, but since this n + -type silicon layer also serves as the emitter of the silicon solar cell structure 120, it is difficult to increase the thickness. As a result, the electrical resistance of the junction interface 103 between the silicon solar cell structure 120 and the compound solar cell structure 130 becomes high, and there is a problem that it is difficult to further increase the efficiency. The inventors have found.

本発明は、一側面では、このような実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、太陽電池の高効率化を図る技術を提供することである。   In one aspect, the present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is to provide a technique for improving the efficiency of a solar cell.

本発明は、上述した課題を解決するために、以下の構成を採用する。   The present invention employs the following configuration in order to solve the above-described problems.

すなわち、本発明の一側面に係る太陽電池作製方法は、シリコン材料で構成されたシリコン太陽電池構造体を用意するステップと、シリコン材料を含まず、バンドギャップがシリコンと比較して広い化合物材料で構成された化合物太陽電池構造体を用意するステップと、前記シリコン太陽電池構造体の面に、透明な導電性材料で構成された透明導電層をプラズマ蒸着法により形成するステップと、前記化合物太陽電池構造体を前記透明導電層にボンディングするステップと、を備える。   That is, a solar cell manufacturing method according to one aspect of the present invention includes a step of preparing a silicon solar cell structure composed of a silicon material, and a compound material that does not include a silicon material and has a wider band gap than silicon. Providing a structured compound solar cell structure, forming a transparent conductive layer composed of a transparent conductive material on the surface of the silicon solar cell structure by a plasma deposition method, and the compound solar cell Bonding a structure to the transparent conductive layer.

当該構成では、シリコン太陽電池構造体と化合物太陽電池構造体とが透明導電層を介して接合される。これにより、シリコン太陽電池構造体と化合物太陽電池構造体とを直接接合する場合と比べて、接合界面の電気抵抗を低くすることができる。したがって、当該構成によれば、太陽電池の高効率化を図ることができる。   In the said structure, a silicon solar cell structure and a compound solar cell structure are joined via a transparent conductive layer. Thereby, compared with the case where a silicon solar cell structure and a compound solar cell structure are joined directly, the electrical resistance of a joining interface can be made low. Therefore, according to the said structure, efficiency improvement of a solar cell can be achieved.

なお、シリコン太陽電池構造体は、シリコン材料で構成されるものであれば、特に限定されなくてもよい。シリコン太陽電池構造体は、例えば、高抵抗Si単結晶基板への不純物拡散、又はイオン注入及び活性化アニールにより形成される、n−on−p型の太陽電池構造体であってよい。   Note that the silicon solar cell structure is not particularly limited as long as it is made of a silicon material. The silicon solar cell structure may be, for example, an n-on-p type solar cell structure formed by impurity diffusion into a high-resistance Si single crystal substrate, or ion implantation and activation annealing.

また、化合物太陽電池構造体は、シリコン材料を含まず、シリコンと比較して広いバンドギャップを有する化合物材料で構成されるものであれば、特に限定されなくてもよい。化合物太陽電池構造体は、例えば、化合物半導体基板上に結晶成長されるn−on−p型化合物半導体セル、シリコン太陽電池構造体とのボンディング後に、化合物半導体基板を除去することにより形成されるn−on−p型の太陽電池構造体等であってよい。   Moreover, the compound solar cell structure may not be particularly limited as long as it does not include a silicon material and is composed of a compound material having a wider band gap than silicon. The compound solar cell structure is formed, for example, by removing the compound semiconductor substrate after bonding to an n-on-p type compound semiconductor cell or silicon solar cell structure that is crystal-grown on the compound semiconductor substrate. It may be a -on-p type solar cell structure or the like.

更に、プラズマ蒸着法は、透明導電性材料にAr等のプラズマを照射し、透明導電性材料をイオン化させ成膜するという手法である。スパッタリング法と比較して、透明導電性材料が低エネルギーでシリコン太陽電池構造体表面に供給されるため、高品質の透明導電層が形成される。
・参考文献 Hisashi Kitami, Masaru Miyashita, Toshiyuki Sakemi, Yasushi Aoki, and Takanori Kato, "Quantitative analysis of ionization rates of depositing particles in reactive plasma deposition using mass-energy analyzer and Langmuir probe", Japanese Journal of Applied Physics 54, 01AB05 (2015)
Further, the plasma vapor deposition method is a method of irradiating a transparent conductive material with plasma such as Ar to ionize the transparent conductive material to form a film. Since the transparent conductive material is supplied to the surface of the silicon solar cell structure with low energy as compared with the sputtering method, a high-quality transparent conductive layer is formed.
・ References Hisashi Kitami, Masaru Miyashita, Toshiyuki Sakemi, Yasushi Aoki, and Takanori Kato, "Quantitative analysis of ionization rates of depositing particles in reactive plasma deposition using mass-energy analyzer and Langmuir probe", Japanese Journal of Applied Physics 54, 01AB05 (2015)

上記一側面に係る太陽電池作製方法において、前記透明な導電性材料は、酸化インジウムスズ(以下、「ITO」とも記載する)、フッ素ドープ酸化スズ(以下、「FTO」とも記載する)、又は酸化亜鉛(ZnO)とすることができる。   In the solar cell manufacturing method according to the above aspect, the transparent conductive material may be indium tin oxide (hereinafter also referred to as “ITO”), fluorine-doped tin oxide (hereinafter also referred to as “FTO”), or oxidation. It can be zinc (ZnO).

上記一側面に係る太陽電池作製方法において、前記透明導電層における前記透明な導電性材料の含有量は、99.9質量%以上とすることができる。透明な導電性材料としてITOを用いる場合、ITOを含むインクを接合界面に塗布し、シリコン太陽電池構造体と化合物太陽電池構造体とを貼り合わせた状態で焼成することで、透明導電層を形成し、シリコン太陽電池構造体と化合物太陽電池構造体とを接合することができる。しかしながら、この場合、インクは、ITO以外の有機化合物を含むため、形成される透明導電層(ITO層)のITOの含有量は低くなってしまい、当該透明導電層(ITO層)の電気抵抗は高くなってしまう。これに対して、上記構成では、プラズマ蒸着法により透明導電層を形成するため、当該透明導電層の導電性材料の含有量は、プラズマ蒸着法で用いる透明導電材料の純度によって規定される。そこで、高純度の透明導電材料をプラズマ蒸着法で用いることにより、当該透明導電層の導電性材料の含有量を上記99.9質量%以上、好ましくは、99.99質量%以上とすることができ、当該透明導電層の電気抵抗が高くならないように(例えば、1.2E-4 Ω(cm以下(上記参考文献))することができる。したがって、当該構成によれば、太陽電池の高効率化を図ることができる。   In the solar cell manufacturing method according to the above aspect, the content of the transparent conductive material in the transparent conductive layer can be 99.9% by mass or more. When using ITO as a transparent conductive material, an ink containing ITO is applied to the bonding interface, and the silicon solar cell structure and the compound solar cell structure are baked to form a transparent conductive layer. And a silicon solar cell structure and a compound solar cell structure can be joined. However, in this case, since the ink contains an organic compound other than ITO, the ITO content of the formed transparent conductive layer (ITO layer) becomes low, and the electrical resistance of the transparent conductive layer (ITO layer) is It will be high. On the other hand, in the said structure, since a transparent conductive layer is formed by a plasma vapor deposition method, content of the conductive material of the said transparent conductive layer is prescribed | regulated by the purity of the transparent conductive material used by a plasma vapor deposition method. Therefore, by using a high-purity transparent conductive material in the plasma deposition method, the content of the conductive material in the transparent conductive layer is 99.9% by mass or more, preferably 99.99% by mass or more. Thus, the electrical resistance of the transparent conductive layer can be prevented from becoming high (for example, 1.2E-4 Ω (cm or less (the above-mentioned reference)). Can be achieved.

上記一側面に係る太陽電池作製方法において、前記化合物太陽電池構造体をボンディングする前記透明導電層の面の算術平均粗さは、1nm以下とすることができる。当該構成によれば、シリコン太陽電池構造体と化合物太陽電池構造体とを十分な強度で接合することができる。算術平均粗さは、測定対象となる表面(粗さ曲面)の一部を抜き出し、その抜き出した区間の凹凸形状の平均値により表される。   In the solar cell manufacturing method according to the above aspect, the arithmetic average roughness of the surface of the transparent conductive layer for bonding the compound solar cell structure may be 1 nm or less. According to the said structure, a silicon solar cell structure and a compound solar cell structure can be joined with sufficient intensity | strength. Arithmetic average roughness is represented by the average value of the uneven shape of the extracted section of a part of the surface (roughness curved surface) to be measured.

上記一側面に係る太陽電池作製方法において、前記化合物太陽電池構造体は、前記透明導電層にボンディングされ、p型の不純物をドープしたp型半導体層と、前記p型半導体層に接続されるn−on−p型化合物半導体セルと、を備えてもよい。当該構成によれば、化合物太陽電池構造体のp型半導体層と透明導電層とでトンネル接合を形成する多接合型太陽電池を提供することができる。n−on−p型化合物半導体セルは、上記のとおり、表面側にn+型の化合物半導体層を備え、裏面側にp+型の化合物半導体層を備える化合物半導体セルである。 In the solar cell manufacturing method according to the above aspect, the compound solar cell structure is bonded to the transparent conductive layer, and is connected to the p-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer doped with a p-type impurity. -On-p type compound semiconductor cell. According to the said structure, the multijunction solar cell which forms a tunnel junction with the p-type semiconductor layer and transparent conductive layer of a compound solar cell structure can be provided. As described above, the n-on-p type compound semiconductor cell is a compound semiconductor cell that includes an n + type compound semiconductor layer on the front surface side and a p + type compound semiconductor layer on the back surface side.

上記一側面に係る太陽電池作製方法において、前記化合物太陽電池構造体は、前記透明導電層にボンディングされ、n型の不純物をドープしたn型半導体層と、前記n型半導体層に接続され、p型の不純物をドープしたp型半導体層と、前記p型半導体層に接続されるn−on−p型化合物半導体セルと、を備えてもよく、前記n型半導体層と前記p型半導体層とがトンネル接合を構成するようにしてもよい。当該構成によれば、化合物太陽電池構造体の透明導電層に隣接する部分にトンネル接合が形成される多接合型太陽電池を提供することができる。   In the solar cell manufacturing method according to the above aspect, the compound solar cell structure is bonded to the transparent conductive layer, connected to the n-type semiconductor layer doped with an n-type impurity, the n-type semiconductor layer, and p A p-type semiconductor layer doped with a p-type impurity; and an n-on-p-type compound semiconductor cell connected to the p-type semiconductor layer. The n-type semiconductor layer, the p-type semiconductor layer, May constitute a tunnel junction. According to the said structure, the multijunction solar cell by which a tunnel junction is formed in the part adjacent to the transparent conductive layer of a compound solar cell structure can be provided.

上記一側面に係る太陽電池作製方法において、前記化合物太陽電池構造体は、それぞれのバンドギャップが表面から裏面(シリコンボトムセル)に向かって狭くなる順に、トンネル接合部を介して接続された複数のn−on−p型化合物半導体セルを備えてもよい。当該構成によれば、3つ以上のn−on−p型半導体セル(サブセル)を重ねた多接合型太陽電池を提供することができる。   In the solar cell manufacturing method according to the one aspect described above, the compound solar cell structure includes a plurality of layers connected via tunnel junctions in the order in which each band gap narrows from the front surface to the back surface (silicon bottom cell). An n-on-p type compound semiconductor cell may be provided. According to this configuration, it is possible to provide a multijunction solar cell in which three or more n-on-p type semiconductor cells (subcells) are stacked.

また、本発明の一側面に係る太陽電池は、シリコン材料で構成された型シリコン太陽電池構造体と、前記シリコン太陽電池構造体に積層され、透明な導電性材料で構成された透明導電層と、前記透明導電層に接続され、シリコン材料を含まず、シリコンと比較して広いバンドギャップを有する化合物材料で構成された化合物太陽電池構造体と、を備える。   A solar cell according to one aspect of the present invention includes a type silicon solar cell structure made of a silicon material, a transparent conductive layer laminated on the silicon solar cell structure, and made of a transparent conductive material, And a compound solar cell structure that is connected to the transparent conductive layer, does not contain a silicon material, and is made of a compound material having a wider band gap than silicon.

上記一側面に係る太陽電池において、前記透明導電層における前記透明な導電性材料の含有量は、99.9質量%以上とすることができる。   In the solar cell according to the one aspect, the content of the transparent conductive material in the transparent conductive layer can be 99.9% by mass or more.

上記一側面に係る太陽電池において、前記化合物太陽電池構造体は、前記透明導電層に接続され、p型の不純物をドープしたp型半導体層と、前記p型半導体層に接続されるn−on−p型化合物半導体セルと、を備えてもよい。   In the solar cell according to the above aspect, the compound solar cell structure is connected to the transparent conductive layer, and is connected to the p-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer doped with a p-type impurity, and n-on. -P-type compound semiconductor cell.

上記一側面に係る太陽電池において、前記化合物太陽電池構造体は、前記透明導電層に積層され、n型の不純物をドープしたn型半導体層と、前記n型半導体層に接続され、p型の不純物をドープしたp型半導体層と、前記p型半導体層に接続されるn−on−p型化合物半導体セルと、を備えてもよく、前記n型半導体層と前記p型半導体層とがトンネル接合を構成するようにしてもよい。   In the solar cell according to the one aspect, the compound solar cell structure is stacked on the transparent conductive layer, connected to the n-type semiconductor layer doped with an n-type impurity, and the p-type semiconductor layer. An impurity-doped p-type semiconductor layer and an n-on-p-type compound semiconductor cell connected to the p-type semiconductor layer may be provided, and the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer are tunneled. You may make it comprise joining.

本発明によれば、太陽電池の高効率化を図る技術を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the technique which aims at the highly efficient solar cell can be provided.

図1は、従来の太陽電池の構造を模式的に例示する。FIG. 1 schematically illustrates the structure of a conventional solar cell. 図2は、実施の形態に係る太陽電池の構造を模式的に例示する。FIG. 2 schematically illustrates the structure of the solar cell according to the embodiment. 図3Aは、実施の形態に係る太陽電池の製造工程を例示する。FIG. 3A illustrates the manufacturing process of the solar cell according to the embodiment. 図3Bは、実施の形態に係る太陽電池の製造工程を例示する。FIG. 3B illustrates the manufacturing process of the solar cell according to the embodiment. 図3Cは、実施の形態に係る太陽電池の製造工程を例示する。FIG. 3C illustrates the manufacturing process of the solar cell according to the embodiment. 図3Dは、実施の形態に係る太陽電池の製造工程を例示する。FIG. 3D illustrates the manufacturing process of the solar cell according to the embodiment. 図4は、ITO層の光学特性を示す。FIG. 4 shows the optical properties of the ITO layer. 図5は、ITO層の表面状態を示す。FIG. 5 shows the surface state of the ITO layer. 図6は、ITO層の抵抗値と熱処理との関係を示す。FIG. 6 shows the relationship between the resistance value of the ITO layer and the heat treatment. 図7は、変形例に係る太陽電池の構成を模式的に例示する。FIG. 7 schematically illustrates the configuration of a solar cell according to a modification. 図8Aは、実施例に係る太陽電池の特性を示す。FIG. 8A shows the characteristics of the solar cell according to the example. 図8Bは、実施例に係る太陽電池の特性を示す。FIG. 8B shows the characteristics of the solar cell according to the example. 図9Aは、実施例に係る太陽電池の特性を示す。FIG. 9A shows the characteristics of the solar cell according to the example. 図9Bは、実施例に係る太陽電池の特性を示す。FIG. 9B shows the characteristics of the solar cell according to the example. 図10Aは、比較例に係る太陽電池の特性を示す。FIG. 10A shows the characteristics of the solar cell according to the comparative example. 図10Bは、比較例に係る太陽電池の特性を示す。FIG. 10B shows the characteristics of the solar cell according to the comparative example. 図11は、各実施例のITO層間の抵抗値と熱処理との関係を示す。FIG. 11 shows the relationship between the resistance value between the ITO layers of each example and the heat treatment.

以下、本発明の一側面に係る実施の形態(以下、「本実施形態」とも表記する)を、図面に基づいて説明する。ただし、以下で説明する本実施形態は、あらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。つまり、本発明の実施にあたって、実施形態に応じた具体的構成が適宜採用されてもよい。なお、以下の説明では、説明の便宜のため、図面内の向きを基準として説明を行う。   Hereinafter, an embodiment according to an aspect of the present invention (hereinafter, also referred to as “this embodiment”) will be described with reference to the drawings. However, this embodiment described below is only an illustration of the present invention in all respects. It goes without saying that various improvements and modifications can be made without departing from the scope of the present invention. That is, in implementing the present invention, a specific configuration according to the embodiment may be adopted as appropriate. In the following description, for convenience of description, the description will be made with reference to the direction in the drawing.

§1 構成例
まず、図2を用いて、本実施形態に係る太陽電池1の構成を説明する。図2は、本実施形態に係る太陽電池1の構成を模式的に例示する。図2に例示されるように、本実施形態に係る太陽電池1は、多接合型太陽電池であり、裏面11側から表面12側へかけて順に、裏面電極14、シリコン太陽電池構造体2、ITO層4、化合物太陽電池構造体3、及び表面電極15を備えている。表面12は、太陽光が入射する側の面であり、裏面11は、その反対側の面である。
§1 Configuration Example First, the configuration of the solar cell 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 schematically illustrates the configuration of the solar cell 1 according to this embodiment. As illustrated in FIG. 2, the solar cell 1 according to this embodiment is a multi-junction solar cell, and in order from the back surface 11 side to the front surface 12 side, the back electrode 14, the silicon solar cell structure 2, An ITO layer 4, a compound solar cell structure 3, and a surface electrode 15 are provided. The front surface 12 is a surface on which sunlight is incident, and the back surface 11 is a surface on the opposite side.

シリコン太陽電池構造体2は、裏面電極14上に積層され、シリコン材料を用いて構成される。本実施形態では、シリコン太陽電池構造体2は、裏面11側から順に、高濃度にp型不純物を含むp+型シリコン層211と、シリコン層21と、高濃度にn型不純物を含むn+型シリコン層122と、を備えている。これにより、シリコン太陽電池構造体2は、n−on−p型となっている。p+型シリコン層211にドーピングするp型不純物は、例えば、ホウ素であり、当該p型不純物濃度は、例えば、3E19 cm-3になる程度とすることができる。n+型シリコン層122にドーピングするn型不純物は、例えば、リンであり、当該n型不純物濃度は、例えば、3E19 cm-3になる程度とすることができる。シリコン太陽電池構造体2は、1つの太陽電池(サブセル)を構成し、最も裏面11側に配置されるため、「(Si)ボトムセル」とも称してよい。 The silicon solar cell structure 2 is laminated on the back electrode 14 and configured using a silicon material. In this embodiment, the silicon solar cell structure 2 includes, in order from the back surface 11 side, a p + -type silicon layer 211 containing a p-type impurity at a high concentration, a silicon layer 21, and an n + containing an n-type impurity at a high concentration. Type silicon layer 122. Thereby, the silicon solar cell structure 2 is an n-on-p type. The p-type impurity doped into the p + -type silicon layer 211 is, for example, boron, and the p-type impurity concentration can be, for example, about 3E19 cm −3 . The n-type impurity doped in the n + -type silicon layer 122 is, for example, phosphorus, and the n-type impurity concentration can be, for example, about 3E19 cm −3 . Since the silicon solar cell structure 2 constitutes one solar cell (subcell) and is disposed on the back surface 11 side, it may be referred to as “(Si) bottom cell”.

ITO層4は、シリコン太陽電池構造体2の表面12側の面上に積層され、透明な導電性材料であるITOを用いて構成される。ITO層4は、本発明の「透明導電層」に相当する。本実施形態では、ITO層4は、プラズマ蒸着法により、シリコン太陽電池構造体2の面上に積層されることで、ITOの含有量が99.9質量%、好ましくは99.99質量%となるように構成される。   The ITO layer 4 is laminated on the surface on the surface 12 side of the silicon solar cell structure 2, and is configured using ITO which is a transparent conductive material. The ITO layer 4 corresponds to the “transparent conductive layer” of the present invention. In the present embodiment, the ITO layer 4 is laminated on the surface of the silicon solar cell structure 2 by a plasma deposition method, so that the content of ITO is 99.9% by mass, preferably 99.99% by mass. It is comprised so that it may become.

化合物太陽電池構造体3は、ITO層4上に積層され、シリコン材料を含まず、バンドギャップがシリコンと比較して広い化合物材料を用いて構成される。利用される化合物材料は、例えば、ガリウム系化合物、CIG(S)系化合物であってよい。本実施形態では、ガリウム系化合物が利用されており、本実施形態に係る化合物太陽電池構造体3は、裏面11側から順に、高濃度にp型不純物を含むp+型GaAs層34と、ミドルセル33と、トンネル接合部32と、トップセル31と、を備えている。 The compound solar cell structure 3 is laminated on the ITO layer 4 and does not include a silicon material, and is configured using a compound material having a wider band gap than silicon. The compound material used may be, for example, a gallium-based compound or a CIG (S) -based compound. In this embodiment, a gallium-based compound is used, and the compound solar cell structure 3 according to this embodiment includes, in order from the back surface 11 side, a p + -type GaAs layer 34 containing p-type impurities at a high concentration, and a middle cell. 33, a tunnel junction 32, and a top cell 31.

+型GaAs層34は、ITO層4上にボンディングされる、換言すると、ITO層4に隣接する。p+型GaAs層34にドーピングするp型不純物は、例えば、炭素であり、当該p型不純物濃度は、例えば、1E19 cm-3程度とすることができる。このp+型GaAs層34は、本発明の化合物太陽電池構造体の「p型半導体層」に相当する。ITO層4は、n型の半導体層として機能する。そのため、本実施形態では、p+型GaAs層34及びITO層4が、ミドルセル33とシリコン太陽電池構造体2(ボトムセル)との間のトンネル接合を形成する。 The p + -type GaAs layer 34 is bonded on the ITO layer 4, in other words, adjacent to the ITO layer 4. The p-type impurity doped in the p + -type GaAs layer 34 is, for example, carbon, and the p-type impurity concentration can be, for example, about 1E19 cm −3 . This p + -type GaAs layer 34 corresponds to a “p-type semiconductor layer” of the compound solar cell structure of the present invention. The ITO layer 4 functions as an n-type semiconductor layer. Therefore, in this embodiment, the p + type GaAs layer 34 and the ITO layer 4 form a tunnel junction between the middle cell 33 and the silicon solar cell structure 2 (bottom cell).

ミドルセル33はp+型GaAs層34に接続され、トンネル接合部32はミドルセル33に接続され、トップセル31はトンネル接合部32に接続される。ミドルセル33及びトップセル31はそれぞれ、ボトムセルと同様に、1つの太陽電池(サブセル)を構成する。ミドルセル33及びトップセル31はそれぞれ、裏面11側から表面12側にかけて順に接続されており、本発明の「n−on−p型化合物半導体セル」に相当する。トンネル接合部32は、トップセル31及びミドルセル33の間のトンネル接合を形成する。トップセル31がミドルセル33よりもエネルギーギャップが大きくなるように構成されるのであれば、トップセル31及びミドルセル33の構成は、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。 The middle cell 33 is connected to the p + -type GaAs layer 34, the tunnel junction 32 is connected to the middle cell 33, and the top cell 31 is connected to the tunnel junction 32. Each of the middle cell 33 and the top cell 31 constitutes one solar cell (subcell), similarly to the bottom cell. The middle cell 33 and the top cell 31 are connected in order from the back surface 11 side to the front surface 12 side, and correspond to the “n-on-p type compound semiconductor cell” of the present invention. The tunnel junction 32 forms a tunnel junction between the top cell 31 and the middle cell 33. If the top cell 31 is configured to have an energy gap larger than that of the middle cell 33, the configurations of the top cell 31 and the middle cell 33 may be appropriately determined according to the embodiment.

具体例として、トップセル31は、表面12側から順に積層されるn型InGaP層及びp型InGaP層により構成されてよい。また、n型InGaP層の表面12側には、n型AlInP(アルミニウム・インジウム・リン)層が窓層として挿入されてもよく、p型InGaP層の裏面11側には、p型AlInP層が裏面電界層として挿入されてもよい。トンネル接合部32は、表面12側から順に積層されるp型AlGaAs(アルミニウム・ガリウム・ヒ素)層及びn型InGaP層により構成されてよい。ミドルセル33は、表面12側から順に積層されるn型GaAs層及びp型GaAs層により構成されてよい。また、n型GaAs層の表面12側には、n型AlInP層が窓層として挿入されてもよく、p型GaAs層の裏面11側には、p型InGaP層が裏面電界層として挿入されてもよい。   As a specific example, the top cell 31 may be configured by an n-type InGaP layer and a p-type InGaP layer that are sequentially stacked from the surface 12 side. Further, an n-type AlInP (aluminum / indium / phosphorus) layer may be inserted as a window layer on the front surface 12 side of the n-type InGaP layer, and a p-type AlInP layer on the back surface 11 side of the p-type InGaP layer. You may insert as a back surface electric field layer. The tunnel junction 32 may be formed of a p-type AlGaAs (aluminum / gallium / arsenic) layer and an n-type InGaP layer that are sequentially stacked from the surface 12 side. The middle cell 33 may be composed of an n-type GaAs layer and a p-type GaAs layer that are sequentially stacked from the surface 12 side. Further, an n-type AlInP layer may be inserted as a window layer on the surface 12 side of the n-type GaAs layer, and a p-type InGaP layer is inserted as a back surface field layer on the back surface 11 side of the p-type GaAs layer. Also good.

裏面電極14及び表面電極15は、化合物太陽電池構造体3の各セル(31、33)及びシリコン太陽電池構造体2で生成した電気を出力可能に適宜構成される。本実施形態では、裏面電極14は、裏面11の全体を覆うように設けられている。これに対して、表面電極15は、トップセル31に太陽光が侵入可能なように、表面12の一部に設けられている。裏面電極14及び表面電極15の材料は、実施の形態に応じて適宜選択されてよく、例えば、裏面電極14をAl(アルミニウム)で作製し、表面電極15をAuGe(金・ゲルマニウム)/Ni(ニッケル)/Au(金)で作製することができる。   The back electrode 14 and the front electrode 15 are appropriately configured so that electricity generated by the cells (31, 33) of the compound solar cell structure 3 and the silicon solar cell structure 2 can be output. In the present embodiment, the back electrode 14 is provided so as to cover the entire back surface 11. On the other hand, the surface electrode 15 is provided on a part of the surface 12 so that sunlight can enter the top cell 31. The material of the back electrode 14 and the front electrode 15 may be appropriately selected according to the embodiment. For example, the back electrode 14 is made of Al (aluminum), and the front electrode 15 is made of AuGe (gold / germanium) / Ni ( (Nickel) / Au (gold).

また、本実施形態では、太陽光の透過率を高めるために、反射防止膜16が表面12側に設けられている。この反射防止膜16の材料は、実施の形態に応じて適宜選択されてよく、例えば、SiO2(二酸化ケイ素)とSiN(窒化シリコン)との多層構造で作製することができる。なお、本実施形態に係る太陽電池1の各層の厚み及び平面寸法は、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。 In the present embodiment, the antireflection film 16 is provided on the surface 12 side in order to increase the transmittance of sunlight. The material of the antireflection film 16 may be appropriately selected according to the embodiment, and can be made, for example, with a multilayer structure of SiO 2 (silicon dioxide) and SiN (silicon nitride). In addition, the thickness and planar dimension of each layer of the solar cell 1 according to the present embodiment may be appropriately determined according to the embodiment.

§2 作製方法
次に、図3A〜図3Dを用いて、本実施形態に係る太陽電池1の製造工程を説明する。図3A〜図3Dは、本実施形態に係る太陽電池1の製造工程の過程を模式的に例示する。以下で説明する太陽電池1の製造工程は、本発明の「太陽電池作製方法」に相当する。ただし、以下で説明する製造工程は一例に過ぎず、各工程は可能な限り変更されてよい。また、以下で説明する製造工程について、実施の形態に応じて、適宜、工程の省略、置換、及び追加が可能である。
§2 Manufacturing Method Next, the manufacturing process of the solar cell 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3A to 3D. 3A to 3D schematically illustrate a process of manufacturing the solar cell 1 according to this embodiment. The manufacturing process of the solar cell 1 described below corresponds to the “solar cell manufacturing method” of the present invention. However, the manufacturing process described below is only an example, and each process may be changed as much as possible. In addition, in the manufacturing process described below, the process can be omitted, replaced, and added as appropriate according to the embodiment.

(第1ステップ)
まず、第1ステップとして、図3Aに例示されるように、シリコン太陽電池構造体2を用意する。シリコン太陽電池構造体2を用意する方法は、実施の形態に応じて適宜選択可能である。例えば、シリコン基板を用意し、用意したシリコン基板の一方の面からn型不純物をドープし、他方の面からp型不純物をドープする。これにより、順に積層されたp+シリコン層211、シリコン層21及びn+型シリコン層22を備えるシリコン太陽電池構造体2を作製することができる。
(First step)
First, as a first step, as illustrated in FIG. 3A, a silicon solar cell structure 2 is prepared. The method for preparing the silicon solar cell structure 2 can be appropriately selected according to the embodiment. For example, a silicon substrate is prepared, an n-type impurity is doped from one surface of the prepared silicon substrate, and a p-type impurity is doped from the other surface. Thereby, the silicon solar cell structure 2 including the p + silicon layer 211, the silicon layer 21, and the n + type silicon layer 22 that are sequentially stacked can be manufactured.

(第2ステップ)
次に、第2ステップとして、図3Bに例示されるように、化合物太陽電池構造体3を用意する。化合物太陽電池構造体3を用意する方法は、実施の形態に応じて適宜選択可能である。例えば、GaAs基板30を用意し、用意したGaAs基板30上に、結晶成長により、トップセル31、トンネル接合部32、ミドルセル33、及びp+型GaAs層を順に形成する。なお、上記第1ステップ及び第2ステップは、その順序は入れ替わってもよいし、並行に実施されてもよい。
(Second step)
Next, as a second step, a compound solar cell structure 3 is prepared as illustrated in FIG. 3B. The method for preparing the compound solar cell structure 3 can be appropriately selected according to the embodiment. For example, a GaAs substrate 30 is prepared, and a top cell 31, a tunnel junction 32, a middle cell 33, and a p + -type GaAs layer are sequentially formed on the prepared GaAs substrate 30 by crystal growth. Note that the order of the first step and the second step may be interchanged, or may be performed in parallel.

(第3ステップ)
次に、第3ステップとして、図3Cに例示されるように、シリコン太陽電池構造体2の表面12側の面、すなわち、n+型シリコン層22の面221にプラズマ蒸着法によりITO層4を形成する。プラズマ蒸着法は、上記のとおり、透明導電性材料にAr等のプラズマを照射し、透明導電性材料をイオン化させ成膜するという手法である。高純度の透明導電性材料をプラズマ蒸着法に用いることにより、ITO層4において、ITOの含有量が99.9質量%以上、好ましくは99.99質量%以上となるようにすることができる。なお、ITO層4の厚みは、実施の形態に応じて適宜設定されてよく、例えば、30nm以上に設定することができる。
(Third step)
Next, as illustrated in FIG. 3C, as a third step, the ITO layer 4 is deposited on the surface 12 side of the silicon solar cell structure 2, that is, the surface 221 of the n + -type silicon layer 22 by plasma deposition. Form. As described above, the plasma deposition method is a method in which a transparent conductive material is irradiated with plasma such as Ar, and the transparent conductive material is ionized to form a film. By using a high-purity transparent conductive material for the plasma deposition method, the ITO content in the ITO layer 4 can be 99.9% by mass or more, preferably 99.99% by mass or more. The thickness of the ITO layer 4 may be appropriately set according to the embodiment, and can be set to 30 nm or more, for example.

(第4ステップ)
次に、第4ステップとして、図3Dに例示されるように、ITO層4の表面12側の面41に化合物太陽電池構造体3をボンディング(接合)する。化合物太陽電池構造体3をITO層4に接合する方法には、例えば、表面活性化接合法が利用されてもよい。表面活性化接合法は、接合する2つの対象物それぞれの表面に、ビーム(例えば、アルゴンビーム)又はプラズマを照射して、各表面を洗浄化及び活性化した後、圧力を付与して表面同士を接合する接合方法である。この表面活性化接合法の一連の工程は、真空中で行われる。
(4th step)
Next, as a fourth step, as illustrated in FIG. 3D, the compound solar cell structure 3 is bonded (bonded) to the surface 41 on the surface 12 side of the ITO layer 4. As a method for bonding the compound solar cell structure 3 to the ITO layer 4, for example, a surface activated bonding method may be used. In the surface activated bonding method, the surfaces of two objects to be bonded are irradiated with a beam (for example, an argon beam) or plasma to clean and activate each surface, and then pressure is applied between the surfaces. It is the joining method which joins. A series of steps of this surface activated bonding method is performed in a vacuum.

図4は、シリコン太陽電池構造体上の成膜と同一条件でガラス基板上に製膜した厚さ90 nmのITO層に、表面活性化接合法によるアルゴンビームを照射する前及び後の光の透過率を分光光度計により測定した結果を示す。図4に示すとおり、アルゴンビームの照射の前後で、ITO層の光学特性に殆ど変化はない。そのため、表面活性化接合法により化合物太陽電池構造体3をITO層4に接合した後であっても、ITO層4は、透明導電層として適切に機能する。   FIG. 4 shows the light before and after irradiating the 90 nm thick ITO layer formed on the glass substrate under the same conditions as the film formation on the silicon solar cell structure with the argon beam by the surface activated bonding method. The result of having measured the transmittance | permeability with the spectrophotometer is shown. As shown in FIG. 4, there is almost no change in the optical characteristics of the ITO layer before and after irradiation with the argon beam. Therefore, even after the compound solar cell structure 3 is bonded to the ITO layer 4 by the surface activation bonding method, the ITO layer 4 functions appropriately as a transparent conductive layer.

なお、表面活性化接合法により化合物太陽電池構造体3をITO層4に接合する場合、上記第3ステップで形成したITO層4の化合物太陽電池構造体3を接合する面41の算術平均粗さ(Ra)は、1nm以下であることが好ましい。ITO層4の面41の算術平均粗さが1nm以下である場合には、化合物太陽電池構造体3及びITO層4を表面活性化接合法により十分な強度で接合することができる。   When the compound solar cell structure 3 is bonded to the ITO layer 4 by the surface activation bonding method, the arithmetic average roughness of the surface 41 to which the compound solar cell structure 3 of the ITO layer 4 formed in the third step is bonded. (Ra) is preferably 1 nm or less. When the arithmetic average roughness of the surface 41 of the ITO layer 4 is 1 nm or less, the compound solar cell structure 3 and the ITO layer 4 can be bonded with sufficient strength by the surface activated bonding method.

図5は、Si基板上にシリコン太陽電池構造体上の成膜と同一条件で形成した厚さ90nmのITO層の表面の算術平均粗さをAFMにより観測した結果を示す。算術平均粗さは、測定対象となる表面(粗さ曲面)の一部を抜き出し、その抜き出した区間の凹凸形状の平均値により表される。図5に示すITO層の算術平均粗さは、0.3nmであった。この算術平均粗さを有するITO層は、表面活性化接合法により、化合物太陽電池構造体に十分な強度で接合することができた。そのため、上記条件でITO層4を形成することで、ITO層4の面41の算術平均粗さを1nm以下にし、化合物太陽電池構造体3及びITO層4を表面活性化接合法により十分な強度で接合することができることが分かった。スパッタリング法を用いてSi基板上に同一厚さのITO層を作製した。その表面の算術平均粗さは1.9nmであった。当該ITO層のボンディング実験を行ったが接合を形成するに至らなかった。   FIG. 5 shows the result of observing the arithmetic average roughness of the surface of the ITO layer having a thickness of 90 nm formed on the Si substrate under the same conditions as those on the silicon solar cell structure by AFM. Arithmetic average roughness is represented by the average value of the uneven shape of the extracted section of a part of the surface (roughness curved surface) to be measured. The arithmetic average roughness of the ITO layer shown in FIG. 5 was 0.3 nm. The ITO layer having this arithmetic mean roughness could be bonded to the compound solar cell structure with sufficient strength by the surface activated bonding method. Therefore, by forming the ITO layer 4 under the above conditions, the arithmetic average roughness of the surface 41 of the ITO layer 4 is 1 nm or less, and the compound solar cell structure 3 and the ITO layer 4 are sufficiently strong by the surface activated bonding method. It was found that it can be joined with. An ITO layer having the same thickness was formed on the Si substrate by sputtering. The arithmetic average roughness of the surface was 1.9 nm. A bonding experiment of the ITO layer was conducted, but no bonding was formed.

第4ステップを実施した後、選択エッチングにより、GaAs基板30を除去する。これにより、化合物太陽電池構造体3を作製することができる。反射防止膜16、裏面電極14、及び表面電極15を適宜形成する。例えば、化合物太陽電池構造体3のトップセル31側の面に反射防止膜16を成膜した後、裏面電極14及び表面電極15を蒸着する。良好なオーミック特性を得るために表面電極15を形成時に400℃の熱処理を行う。これにより、本製造工程は終了し、本実施形態に係る太陽電池1(図2)を作製することができる。   After performing the fourth step, the GaAs substrate 30 is removed by selective etching. Thereby, the compound solar cell structure 3 can be produced. The antireflection film 16, the back electrode 14, and the front electrode 15 are appropriately formed. For example, after the antireflection film 16 is formed on the surface of the compound solar cell structure 3 on the top cell 31 side, the back electrode 14 and the front electrode 15 are deposited. In order to obtain good ohmic characteristics, a heat treatment at 400 ° C. is performed when the surface electrode 15 is formed. Thereby, this manufacturing process is complete | finished and the solar cell 1 (FIG. 2) which concerns on this embodiment can be produced.

[特徴]
以上のように、本実施形態に係る太陽電池1では、シリコン太陽電池構造体2と化合物太陽電池構造体3とが透明導電層であるITO層4を介して接合される。これにより、後述する実施例で示すとおり、シリコン太陽電池構造体2と化合物太陽電池構造体3とを直接接合する場合と比べて、接合界面13の電気抵抗を低くすることができる。したがって、本実施形態によれば、太陽電池の高効率化を図ることができる。なお、本実施形態では、シリコン太陽電池構造体2が1つのサブセルを含み、化合物太陽電池構造体3が2つのサブセルを含むため、太陽電池1は、3接合型太陽電池として構成される。
[Feature]
As described above, in the solar cell 1 according to this embodiment, the silicon solar cell structure 2 and the compound solar cell structure 3 are joined via the ITO layer 4 which is a transparent conductive layer. Thereby, as shown in the Example mentioned later, compared with the case where the silicon solar cell structure 2 and the compound solar cell structure 3 are joined directly, the electrical resistance of the junction interface 13 can be made low. Therefore, according to this embodiment, high efficiency of the solar cell can be achieved. In this embodiment, since the silicon solar cell structure 2 includes one subcell and the compound solar cell structure 3 includes two subcells, the solar cell 1 is configured as a three-junction solar cell.

また、ITO層を介して2つの構造体を接合する方法には、上記実施形態のプラズマ蒸着法及び表面活性化接合法を利用した方法の他、ITOを含むインクを利用した方法がある。この方法では、ITOを含むインクを接合界面に塗布し、シリコン太陽電池構造体と化合物太陽電池構造体とをその接合界面で貼り合わせた状態で焼成する。これにより、シリコン太陽電池構造体と化合物太陽電池構造体とをITO層を介して接合することができる。   In addition, as a method for bonding two structures through an ITO layer, there is a method using an ink containing ITO in addition to the method using the plasma deposition method and the surface activation bonding method of the above embodiment. In this method, ink containing ITO is applied to the bonding interface, and the silicon solar cell structure and the compound solar cell structure are baked in a state of being bonded together at the bonding interface. Thereby, a silicon solar cell structure and a compound solar cell structure can be joined via an ITO layer.

しかしながら、このITOを含むインクを利用した方法では、当該インクには、ITお以外の有機化合物が含まれるため、形成されるITO層におけるITOの含有量が低くなってしまう。また、接合の際の加熱により、ITO層の電気抵抗が高くなってしまう。文献「中許昌美(大阪市立工業研究所)、“ITO透明導電膜形成用インクの開発とその特性”、表面技術、Vol.60(2009)、No.10、p.631」によれば、スクリーン印刷法で印刷したITOナノ粒子を含むインクで構成した透明導電膜(膜厚309nm)を大気雰囲気中において480度で30分加熱した場合、当該透明導電膜の抵抗率は、3.4×10-2(Ω・cm)となる。また、スクリーン印刷法で印刷したITOナノ粒子を含むインクで構成した透明導電膜(膜厚345nm)を窒素雰囲気中において480度で30分加熱した場合には、当該透明導電膜の抵抗率は、6.5×10-3(Ω・cm)となる。 However, in the method using the ink containing ITO, since the ink contains an organic compound other than IT, the content of ITO in the formed ITO layer becomes low. In addition, the electrical resistance of the ITO layer becomes high due to heating during bonding. According to the document “Masumi Nakami (Osaka City Industrial Research Institute),“ Development and characteristics of ITO transparent conductive film forming ink ”and surface technology, Vol. 60 (2009), No. 10, p. 631” When a transparent conductive film (thickness: 309 nm) composed of ink containing ITO nanoparticles printed by a screen printing method is heated in the atmosphere at 480 degrees for 30 minutes, the resistivity of the transparent conductive film is 3.4 × 10 −2 (Ω · cm). Moreover, when the transparent conductive film (film thickness 345 nm) comprised with the ink containing the ITO nanoparticle printed by the screen printing method was heated for 30 minutes at 480 degree | times in nitrogen atmosphere, the resistivity of the said transparent conductive film is 6.5 × 10 −3 (Ω · cm).

これに対して、上記実施形態のプラズマ蒸着法及び表面活性化接合法を利用した方法では、ITO層におけるITOの含有量を、上記インクを用いた方法では達成困難な高比率(例えば、99.9質量%)にすることができる。そのため、表面電極15形成の過程で加熱しても、ITO層の電気抵抗の上昇を抑えることができる。   On the other hand, in the method using the plasma vapor deposition method and the surface activated bonding method of the above embodiment, the ITO content in the ITO layer is a high ratio that is difficult to achieve by the method using the ink (for example, 99.99). 9% by mass). Therefore, an increase in the electrical resistance of the ITO layer can be suppressed even if heating is performed in the process of forming the surface electrode 15.

図6は、ガラス板上に成膜したITO層(厚さ90nm)の加熱前及び各温度で1分加熱した後の抵抗率(Ω・cm)をTLM法で測定した結果を示す。図6に示すとおり、加熱前のITO層の抵抗率は1.3×10-5(Ω・cm)であり、400度で加熱した後のITO層の抵抗率は6.7×10-5(Ω・cm)であった。そのため、表面電極形成の過程において400度で加熱したとしても、ITO層4の電気抵抗の上昇を抑えることができることが分かった。具体的には、インクを用いた場合に比べて、ITO層4の電気抵抗を凡そ100分の1にすることができることが分かった。したがって、本実施形態によれば、透明導電層であるITO層4の電気抵抗が高くならないようにすることができるため、太陽電池の高効率化を図ることができる。 FIG. 6 shows the results of measuring the resistivity (Ω · cm) by the TLM method before heating the ITO layer (thickness 90 nm) formed on the glass plate and after heating at each temperature for 1 minute. As shown in FIG. 6, the resistivity of the ITO layer before heating is 1.3 × 10 −5 (Ω · cm), and the resistivity of the ITO layer after heating at 400 ° C. is 6.7 × 10 −5. (Ω · cm). For this reason, it was found that the increase in the electrical resistance of the ITO layer 4 can be suppressed even when heated at 400 degrees in the process of forming the surface electrode. Specifically, it was found that the electrical resistance of the ITO layer 4 can be reduced to about 1/100 compared with the case where ink is used. Therefore, according to this embodiment, since the electrical resistance of the ITO layer 4 which is a transparent conductive layer can be prevented from increasing, the efficiency of the solar cell can be increased.

§3 変形例
以上、本発明の一実施形態について説明したが、前述までの説明はあらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。例えば、以下のような変更が可能である。なお、以下では、上記実施形態と同様の構成要素に関しては同様の符号を用い、上記実施形態と同様の点については、適宜説明を省略した。以下の変形例は適宜組み合わせ可能である。
§3 Modifications Although one embodiment of the present invention has been described above, the above description is merely an illustration of the present invention in all respects. It goes without saying that various improvements and modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, the following changes are possible. In the following, the same reference numerals are used for the same components as in the above embodiment, and the description of the same points as in the above embodiment is omitted as appropriate. The following modifications can be combined as appropriate.

<3.1>
上記実施形態に係る太陽電池1は、p+型GaAs層34とITO層4とでトンネル接合を形成するように構成されている。しかしながら、太陽電池1の構成は、このような例に限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。
<3.1>
The solar cell 1 according to the embodiment is configured to form a tunnel junction between the p + -type GaAs layer 34 and the ITO layer 4. However, the configuration of the solar cell 1 may not be limited to such an example, and may be appropriately determined according to the embodiment.

図7は、本変形例に係る太陽電池1Aの構成を模式的に例示する。この太陽電池1Aでは、化合物太陽電池構造体3Aは、上記化合物太陽電池構造体3の構成に加えて、裏面11側に、高濃度にn型不純物を含むn+型GaAs層35を備える。すなわち、n+型GaAs層35がITO層4上に積層され、p+型GaAs層34はn+型GaAs層35上に積層される。 FIG. 7 schematically illustrates the configuration of the solar cell 1A according to this modification. In this solar cell 1A, the compound solar cell structure 3A includes an n + -type GaAs layer 35 containing n-type impurities at a high concentration on the back surface 11 side in addition to the configuration of the compound solar cell structure 3. That is, the n + type GaAs layer 35 is laminated on the ITO layer 4, and the p + type GaAs layer 34 is laminated on the n + type GaAs layer 35.

+型GaAs層35は、本発明の「n型半導体層」に相当する。n+型GaAs層35にドーピングするn型不純物は、例えば、Siであり、当該n型不純物濃度は、例えば、1E19 cm-3程度とすることができる。このn+型GaAs層35を積層する点を除いて、太陽電池1Aは、上記太陽電池1と同様に構成される。また、この太陽電池1Aは、上記太陽電池1と同様の製造工程で作製することができる。すなわち、上記第2ステップにおける結晶成長の過程で、n+型GaAs層35を更に形成するようにし、その他のステップは上記実施形態と同様に実施することで、本変形例に係る太陽電池1Aを作製することができる。 The n + -type GaAs layer 35 corresponds to the “n-type semiconductor layer” of the present invention. The n-type impurity doped in the n + -type GaAs layer 35 is, for example, Si, and the n-type impurity concentration can be, for example, about 1E19 cm −3 . Except for the point where the n + -type GaAs layer 35 is laminated, the solar cell 1 A is configured in the same manner as the solar cell 1. Moreover, this solar cell 1 </ b> A can be manufactured in the same manufacturing process as the solar cell 1. That is, in the process of crystal growth in the second step, the n + -type GaAs layer 35 is further formed, and other steps are performed in the same manner as in the above embodiment, so that the solar cell 1A according to the present modification can be obtained. Can be produced.

本変形例に係る太陽電池1Aでは、p+型GaAs層34とn+型GaAs層35とがトンネル接合を形成する。その結果、後述する実施例で示されるとおり、接合界面13の電気抵抗を更に小さくすることができる。したがって、本変形例によれば、太陽電池の高効率化を図ることができる。 In solar cell 1A according to this modification, p + type GaAs layer 34 and n + type GaAs layer 35 form a tunnel junction. As a result, the electrical resistance of the bonding interface 13 can be further reduced as shown in the examples described later. Therefore, according to this modification, the efficiency of the solar cell can be increased.

<3.2>
上記実施形態では、透明導電層の材料としてITOを利用した。しかしながら、透明導電層は、透明な導電性材料で構成されればよく、その透明な導電性材料は、ITOに限定されなくてもよい。ITOの他、透明な導電性材料には、例えば、FTO、ZnO等を用いることができる。
<3.2>
In the said embodiment, ITO was utilized as a material of a transparent conductive layer. However, the transparent conductive layer only needs to be made of a transparent conductive material, and the transparent conductive material may not be limited to ITO. In addition to ITO, for example, FTO or ZnO can be used as the transparent conductive material.

また、上記実施形態では、シリコン太陽電池構造体2の表面側の面にITO層4を形成した後に、ITO層4と化合物太陽電池構造体3とを接合している。しかしながら、太陽電池1の製造工程は、このような例に限定されなくてもよい。例えば、シリコン太陽電池構造体2の表面側の面にITO層を形成し、化合物太陽電池構造体3の裏面側の面にITO層を更に形成した後に、両構造体(2、3)に形成したITO層同士を表面活性化接合法で接合してもよい。   Moreover, in the said embodiment, after forming the ITO layer 4 in the surface at the surface side of the silicon solar cell structure 2, the ITO layer 4 and the compound solar cell structure 3 are joined. However, the manufacturing process of the solar cell 1 may not be limited to such an example. For example, an ITO layer is formed on the surface of the silicon solar cell structure 2 and an ITO layer is further formed on the back surface of the compound solar cell structure 3, and then formed on both structures (2, 3). The ITO layers may be joined by a surface activated joining method.

<3.3>
シリコン太陽電池構造体2及び化合物太陽電池構造体3の構成は、上記実施形態の例に限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。
<3.3>
The configuration of the silicon solar cell structure 2 and the compound solar cell structure 3 may not be limited to the example of the above embodiment, and may be appropriately determined according to the embodiment.

例えば、シリコン太陽電池構造体2の材料には、シリコン及びゲルマニウムを混合した材料を用いてもよい。シリコン太陽電池構造体2は、シリコン基板から結晶成長させることにより作製されてもよい。   For example, a material in which silicon and germanium are mixed may be used as the material of the silicon solar cell structure 2. The silicon solar cell structure 2 may be produced by crystal growth from a silicon substrate.

また、例えば、化合物太陽電池構造体3は、2つの化合物半導体セル(トップセル31及びミドルセル33)を備えている、すなわち、2接合型太陽電池の構造を有している。しかしながら、化合物太陽電池構造体3の構造は、このような例に限定されなくてもよく、化合物太陽電池構造体3内の化合物半導体セルの数は、1つであってもよいし、3つ以上であってもよい。各化合物半導体セルの構成は、表面側から裏面側にかけて順にエネルギーギャップが小さくなるように適宜決定されてよい。   In addition, for example, the compound solar battery structure 3 includes two compound semiconductor cells (the top cell 31 and the middle cell 33), that is, has a structure of a two-junction solar battery. However, the structure of the compound solar cell structure 3 may not be limited to such an example, and the number of compound semiconductor cells in the compound solar cell structure 3 may be one or three. It may be the above. The configuration of each compound semiconductor cell may be appropriately determined so that the energy gap decreases in order from the front surface side to the back surface side.

§4 実施例
以下、本発明の実施例について説明する。ただし、本発明はこの実施例に限定される訳ではない。
§4 Examples Hereinafter, examples of the present invention will be described. However, the present invention is not limited to this embodiment.

(第1実施例)
上記作製方法の製造工程を実施することで、上記実施形態(図2)と同様の構成を有する太陽電池を第1実施例として作製した。なお、第1実施例の詳細な製造条件は以下のとおりである。
(First embodiment)
A solar cell having the same configuration as that of the above-described embodiment (FIG. 2) was manufactured as a first example by performing the manufacturing process of the above-described manufacturing method. The detailed manufacturing conditions of the first embodiment are as follows.

高抵抗p−Si基板の裏面にホウ素のイオン注入及び活性化アニールにより高濃度にp型不純物を含むp+型シリコン層を形成し、表面にリンのイオン注入及び活性化アニールにより、高濃度にn型不純物を含むn+型シリコン層を形成し、シリコン太陽電池構造体を形成した。シリコン太陽電池構造体表面(n+型シリコン層の面)上にプラズマ蒸着法を用いてITO層を製膜した。 A p + -type silicon layer containing p-type impurities at a high concentration is formed on the back surface of the high-resistance p-Si substrate by boron ion implantation and activation annealing, and a high concentration is formed on the surface by phosphorus ion implantation and activation annealing. An n + -type silicon layer containing n-type impurities was formed to form a silicon solar cell structure. An ITO layer was formed on the surface of the silicon solar cell structure (the surface of the n + -type silicon layer) using a plasma deposition method.

GaAs基板上に、結晶成長により、InGaPからなるn−on−p型トップセル、高濃度にp型不純物を含む層と高濃度にn型不純物を含む層を順次成長することにより形成されるトンネル接合部、GaAsからなるn−on−p型ミドルセル、及びp+型GaAs層を順に形成した。p+型GaAs層表面をシリコン太陽電池構造体表面、すなわちITO層表面にボンディングし、GaAs基板を裏面から研磨して薄層化し、H2SO4、H2O2,H2Oの混合液によるウェットエッチングを行って除去することで、トップセル表面を露出させた。 A tunnel formed by sequentially growing an n-on-p type top cell made of InGaP, a layer containing p-type impurities at a high concentration, and a layer containing n-type impurities at a high concentration on a GaAs substrate by crystal growth. A junction, an n-on-p middle cell made of GaAs, and a p + -type GaAs layer were formed in this order. The p + -type GaAs layer surface is bonded to the silicon solar cell structure surface, that is, the ITO layer surface, the GaAs substrate is polished from the back surface to be thinned, and removed by wet etching with a mixed solution of H2SO4, H2O2, and H2O. Thus, the top cell surface was exposed.

くし形形状の表面電極を蒸着、リフトオフ、400℃、1分間の熱処理によって形成の後、ドライエッチングによりボトムセルまで達する1mm×1mmのメサを形成し、スパッタリングにより反射防止膜を形成した。ボトムセル裏面に裏面電極を形成した。これによって、第1実施例を作製した。   After a comb-shaped surface electrode was formed by vapor deposition, lift-off, and heat treatment at 400 ° C. for 1 minute, a 1 mm × 1 mm mesa reaching the bottom cell was formed by dry etching, and an antireflection film was formed by sputtering. A back electrode was formed on the bottom cell back surface. Thus, the first example was produced.

(第2実施例)
結晶成長の過程において、第1実施例のp+型GaAs層の裏面側の面にn+型GaAs層を更に形成することで、上記変形例(図7)と同様の構成を有する太陽電池を第2実施例として作製した。
(Second embodiment)
In the process of crystal growth, an n + -type GaAs layer is further formed on the back surface of the p + -type GaAs layer of the first embodiment, so that a solar cell having the same configuration as that of the above-described modified example (FIG. 7) can be obtained. It produced as 2nd Example.

(比較例)
化合物太陽電池構造体及びシリコン太陽電池構造体を表面活性化接合法により直接接合することで、上記従来例(図1)と同様の構成を有する太陽電池を比較例として作製した。比較例に係る太陽電池は、ITO層を備えない点を除き、第1実施例と同様の構成を有する。
(Comparative example)
By directly joining the compound solar cell structure and the silicon solar cell structure by the surface activated bonding method, a solar cell having the same configuration as the conventional example (FIG. 1) was produced as a comparative example. The solar cell according to the comparative example has the same configuration as that of the first example, except that the ITO layer is not provided.

AM(air mass)1.5G(Global)及び1sunの照射条件で各実施例及び比較例の表面側から光を照射し、各実施例及び比較例(平面寸法:1mm×1mm)の特性をソースメジャーユニット(B2902A、Agilent社製)により測定した。図8A及び図8Bは、第1実施例の測定結果を示す。図9A及び図9Bは、第2実施例の測定結果を示す。図10A及び図10Bは、比較例の測定結果を示す。   Light is irradiated from the surface side of each example and comparative example under irradiation conditions of AM (air mass) 1.5G (Global) and 1 sun, and the characteristics of each example and comparative example (planar dimensions: 1 mm × 1 mm) are sourced. Measurement was performed with a major unit (B2902A, manufactured by Agilent). 8A and 8B show the measurement results of the first example. 9A and 9B show the measurement results of the second example. 10A and 10B show the measurement results of the comparative example.

比較例の測定結果に示されるとおり、シリコン太陽電池構造体と化合物太陽電池構造体とを直接接合した場合には、開放電圧における微分抵抗値が1800(Ω)となり、接合界面の電気抵抗が比較的に高くなった。これに比べて、第1実施例及び第2実施例では、比較例と比べて、接合界面の電気抵抗を低くすることができた。特に、第2実施例では、開放電圧における微分抵抗値は1130(Ω)であり、接合界面の電気抵抗を非常に低くすることができた。その結果、比較例の変換効率は24.0%と測定されたのに対して、第1実施例の変換効率は24.6%と測定され、第2実施例の変換効率は25.1%と測定された。したがって、本発明によれば、太陽電池の高効率化を図ることができるが分かった。   As shown in the measurement results of the comparative example, when the silicon solar cell structure and the compound solar cell structure are directly joined, the differential resistance value at the open circuit voltage is 1800 (Ω), and the electrical resistance at the junction interface is compared. It became high. Compared to this, in the first example and the second example, the electrical resistance at the bonding interface could be lowered as compared with the comparative example. In particular, in the second example, the differential resistance value at the open circuit voltage was 1130 (Ω), and the electrical resistance at the junction interface could be made very low. As a result, the conversion efficiency of the comparative example was measured to be 24.0%, whereas the conversion efficiency of the first example was measured to be 24.6%, and the conversion efficiency of the second example was 25.1%. And measured. Therefore, according to the present invention, it has been found that high efficiency of the solar cell can be achieved.

なお、第1実施例及び第2実施例の熱処理後の接合界面の電気抵抗を評価するため、n+型シリコン基板上にITO層を成膜し、裏面にオーム性電極を形成した。当該ITO層を介して、予め裏面にオーム性電極が形成されているp+型GaAs基板を貼り合わせることで、第1実験片(第1実施例に対応)を作製した。また、n+型シリコン基板上にITO層を成膜し、当該ITO層を介して、予め裏面にオーム性電極が形成されているn+型GaAs基板を貼り合わせることで、第2実験片(第2実施例に対応)を作製した。各実験片を2mm×2mmの大きさにダイシングし、接合面積を定義した。そして、各実験片の熱処理前及び各温度で1分間熱処理した後のシリコン基板・GaAs基板間の抵抗(Ω・cm2)をソースメジャーユニット(B2902A、Agilent社製)で測定した。図11は、その測定結果を示す。 In order to evaluate the electrical resistance of the bonded interface after the heat treatment in the first and second examples, an ITO layer was formed on an n + type silicon substrate and an ohmic electrode was formed on the back surface. A first test piece (corresponding to the first example) was produced by attaching a p + -type GaAs substrate having an ohmic electrode formed in advance on the back surface through the ITO layer. In addition, an ITO layer is formed on an n + type silicon substrate, and an n + type GaAs substrate having an ohmic electrode formed in advance on the back surface is bonded to the second test piece (through the ITO layer). Corresponding to the second example). Each test piece was diced to a size of 2 mm × 2 mm, and the bonding area was defined. Then, the resistance (Ω · cm 2 ) between the silicon substrate and the GaAs substrate after heat treatment of each test piece and after heat treatment at each temperature for 1 minute was measured with a source measure unit (B2902A, manufactured by Agilent). FIG. 11 shows the measurement results.

図11に示すとおり、ITO層とp+型GaAs基板とを貼り合わせた第1実験片に比べて、ITO層とn+型GaAs基板とを貼り合わせた第2実験片の方が加熱前及び加熱後共に低抵抗であった。これにより、上記第1実施例(実施形態、図2)に比べて、上記第2実施例(変形例、図7)の方が高効率化を図ることができることが分かった。 As shown in FIG. 11, in comparison with the first experiment piece was adhered to the ITO layer and the p + -type GaAs substrate, toward the second experiment piece was adhered to the ITO layer and the n + -type GaAs substrate prior to heating and Both were low resistance after heating. Thus, it was found that the second example (modified example, FIG. 7) can achieve higher efficiency than the first example (embodiment, FIG. 2).

1…太陽電池、
11…裏面、12…表面、13…接合界面、
14…裏面電極、15…表面電極、16…反射防止膜、
2…シリコン太陽電池構造体、
21…シリコン層、22…n+型シリコン層、
3…化合物太陽電池構造体、
31…トップセル(n−on−p型化合物半導体セル)、
32…トンネル接合部、
33…ミドルセル(n−on−p型化合物半導体セル)、
34…p+型GaAs層(p型半導体層)、
35…n+型GaAs層(n型半導体層)、
4…ITO層(透明導電層)
1 ... solar cell,
11 ... Back side, 12 ... Front side, 13 ... Bonding interface,
14 ... Back electrode, 15 ... Front electrode, 16 ... Antireflection film,
2 ... silicon solar cell structure,
21 ... silicon layer, 22 ... n + type silicon layer,
3 ... Compound solar cell structure,
31 ... Top cell (n-on-p type compound semiconductor cell),
32 ... Tunnel junction,
33 ... Middle cell (n-on-p type compound semiconductor cell),
34... P + type GaAs layer (p type semiconductor layer),
35 ... n + -type GaAs layer (n-type semiconductor layer),
4 ... ITO layer (transparent conductive layer)

Claims (7)

シリコン材料で構成されたシリコン太陽電池構造体を用意するステップと、
シリコン材料を含まず、バンドギャップがシリコンと比較して広い化合物材料で構成された化合物太陽電池構造体を用意するステップと、
前記シリコン太陽電池構造体の面に、透明な導電性材料で構成された透明導電層をプラズマ蒸着法により形成するステップと、
前記化合物太陽電池構造体を前記透明導電層にボンディングするステップと、
を備える、
太陽電池作製方法。
Providing a silicon solar cell structure composed of a silicon material;
Providing a compound solar cell structure that is composed of a compound material that does not include a silicon material and has a wider band gap than silicon; and
Forming a transparent conductive layer made of a transparent conductive material on the surface of the silicon solar cell structure by a plasma deposition method;
Bonding the compound solar cell structure to the transparent conductive layer;
Comprising
Solar cell manufacturing method.
前記透明導電層における前記透明な導電性材料の含有量が99.9質量%以上である、
請求項1に記載の太陽電池作製方法。
The content of the transparent conductive material in the transparent conductive layer is 99.9% by mass or more.
The method for manufacturing a solar cell according to claim 1.
前記化合物太陽電池構造体をボンディングする前記透明導電層の面の算術平均粗さは、1nm以下である、
請求項1又は2に記載の太陽電池作製方法。
The arithmetic average roughness of the surface of the transparent conductive layer for bonding the compound solar cell structure is 1 nm or less,
The solar cell production method according to claim 1 or 2.
前記透明な導電性材料は、酸化インジウムスズ、フッ素ドープ酸化スズ、又は酸化亜鉛である、
請求項1から3のいずれか1項に記載の太陽電池作製方法。
The transparent conductive material is indium tin oxide, fluorine-doped tin oxide, or zinc oxide.
The solar cell manufacturing method of any one of Claim 1 to 3.
シリコン材料で構成されたシリコン太陽電池構造体と、
前記シリコン太陽電池構造体に接続され、透明な導電性材料で構成された透明導電層と、
前記透明導電層に積層され、シリコン材料を含まず、かつシリコンと比較して広いバンドギャップを有する化合物材料で構成された化合物太陽電池構造体と、
を備える、
太陽電池。
A silicon solar cell structure composed of a silicon material;
A transparent conductive layer connected to the silicon solar cell structure and made of a transparent conductive material;
A compound solar cell structure that is laminated on the transparent conductive layer, does not contain a silicon material, and is composed of a compound material having a wide band gap compared to silicon;
Comprising
Solar cell.
前記透明導電層における前記透明な導電性材料の含有量が99.9質量%以上である、
請求項5に記載の太陽電池。
The content of the transparent conductive material in the transparent conductive layer is 99.9% by mass or more.
The solar cell according to claim 5.
前記透明な導電性材料は、酸化インジウムスズ、フッ素ドープ酸化スズ、又は酸化亜鉛である、
請求項5又は6に記載の太陽電池。
The transparent conductive material is indium tin oxide, fluorine-doped tin oxide, or zinc oxide.
The solar cell according to claim 5 or 6.
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