JP2019149444A - 太陽電池セル、及び、太陽電池セルの製造方法 - Google Patents

太陽電池セル、及び、太陽電池セルの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】製造時の困難を伴わずに、改善された光電変換効率を有する太陽電池セルを提供する。【解決手段】太陽電池セルは、裏面接合型の太陽電池セルであって、光が入射する受光面２０、及び、受光面２０と背向する裏面３０を有する半導体基板１０と、裏面３０の一部分の上に配置されたｎ型半導体層と、裏面３０のｎ型半導体層が配置されていない部分の上に配置されたｐ型半導体層とを備える。そして、受光面２０は、複数の凸部２２からなる凹凸構造２１を有し、裏面３０は、複数の凸部３２からなる凹凸構造３１を有し、半導体基板１０を厚み方向に切断した断面において、凹凸構造３１における凸部３２の傾斜角θ２は、凹凸構造３１における凸部２２の傾斜角θ１より小さい。【選択図】図３

Description

本発明は、裏面接合型の太陽電池セル、及び、当該太陽電池セルの製造方法に関する。
従来、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置として、太陽電池セルの開発が進められている。太陽電池セルは、無尽蔵の太陽光を直接電気に変換できることから、また、化石燃料による発電と比べて環境負荷が小さくクリーンであることから、新しいエネルギー源として期待されている。
特許文献１には、光電変換効率が改善された太陽電池セルとして、裏面接合型の太陽電池セルが開示されている。
特開２００５−１０１１５１号公報
近年、裏面接合型の太陽電池セルにおいて、光電変換効率をさらに改善したいという要望がある。また、太陽電池セルは、容易に作製できることが要望されている。
そこで、本発明は、製造時の困難を伴わずに、改善された光電変換効率を有する太陽電池セル、及び、当該太陽電池セルの製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る太陽電池セルは、裏面接合型の太陽電池セルであって、光が入射する受光面、及び、前記受光面と背向する裏面を有する半導体基板と、前記裏面の一部分の上に配置されたｎ型半導体層と、前記裏面の前記ｎ型半導体層が配置されていない部分の上に配置されたｐ型半導体層とを備え、前記受光面は、複数の第一の凸部からなる第一の凹凸構造を有し、前記裏面は、複数の第二の凸部からなる第二の凹凸構造を有し、前記半導体基板を厚み方向に切断した断面において、前記第二の凹凸構造における前記第一の凸部の傾斜角は、前記第一の凹凸構造における前記第二の凸部の傾斜角より小さい。
また、本発明の一態様に係る太陽電池セルの製造方法は、裏面接合型の太陽電池セルの製造方法であって、光が入射する受光面、及び、前記受光面と背向する裏面を有する半導体基板の前記受光面に、異方性エッチングを含むことにより複数の第一の凸部からなる第一の凹凸構造を形成する第一の工程と、前記裏面に等方性エッチングを含むことにより複数の第二の凸部からなる第二の凹凸構造を形成する第二の工程とを含み、前記第二の工程では、前記半導体基板を厚み方向に切断した断面において、第一の凸部より傾斜角が小さい第二の凸部からなる第二の凹凸構造を形成する。
本発明によれば、製造時の困難を伴わずに、改善された光電変換効率を有する太陽電池セル、及び、当該太陽電池セルの製造方法を実現することができる。
実施の形態に係る太陽電池セルを示す平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線における、本実施の形態に係る太陽電池セルの拡大断面図である。 実施の形態に係る半導体基板の拡大断面図である。 実施の形態に係る受光面に配置された凹凸構造の曲率半径を示す図である。 実施の形態に係る裏面に配置された凹凸構造の曲率半径を示す図である。 実施の形態に係る太陽電池セルに入射した光が裏面で反射する様子を示す断面模式図である。 実施の形態に係る太陽電池セルの製造方法を示すフローチャートである。 実施の形態に係る太陽電池セルを作製する様子を示す図である。
以下では、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置、接続形態、工程、および、工程の順序などは、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化される場合がある。
また、「略＊＊」との記載は、実質的に＊＊と認められるものを含む意図であり、例えば「略直交」を例に挙げて説明すると、完全に直交はもとより、実質的に直交と認められるものを含む意図である。なお、実質的とは、製造誤差や寸法公差を含むという意味である。
また、各図において、Ｚ軸方向は、例えば、太陽電池セルの受光面に垂直な方向である。Ｘ軸方向及びＹ軸方向は互いに直交し、かつ、いずれもＺ軸方向に直交する方向である。例えば、以下の実施の形態において、「平面視」とは、Ｚ軸方向から見ることを意味する。また、以下の実施の形態において、「断面視」とは、太陽電池セルの受光面と直交する面（例えば、Ｚ軸とＸ軸とで規定される面）において当該太陽電池セルを切断した切断面を、当該切断面から略直交する方向（例えば、Ｙ軸方向）から見ることを意味する。
（実施の形態）
以下、図１〜図７を用いて、本実施の形態に係る太陽電池セルについて説明する。
［１．太陽電池セルの構成］
まず、本実施の形態に係る太陽電池セルの概略構成について、図１及び図２を用いて説明する。太陽電池セルは、太陽光等の光を電力に変換する光電変換素子（光起電力素子）である。
図１は、本実施の形態に係る太陽電池セル１を示す平面図である。図１は、太陽電池セル１を裏面側から見た平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線における、本実施の形態に係る太陽電池セル１の拡大断面図である。なお、図２では、光が入射する受光面が紙面に対して上側となるように図示している。また、図２では、半導体基板１０の受光面２０及び裏面３０に形成されるテラス（図３の（ａ）のテラス１０ａを参照）は、図示を省略している。
図２に示すように、太陽電池セル１は、半導体材料からなる半導体基板１０を有する。半導体基板１０は、例えば、結晶シリコンなどにより構成することができる。本実施の形態では、半導体基板１０がｎ型結晶シリコンからなる例について説明する。なお、結晶シリコンとは、単結晶シリコン、または多結晶シリコンを含むものとする。半導体基板１０は、ｐ型結晶シリコンであってもよい。また、半導体基板１０の材料は、ＧａＡｓやＩｎＰ等の化合物半導体であってもよい。
半導体基板１０は、光が入射する受光面２０、及び、受光面２０と背向する裏面３０を有する。半導体基板１０は、受光面２０において光を受光する。裏面は、直接光が入射しない面である。なお、本実施の形態では、半導体基板１０の裏面３０の表面形状に特徴を有する。
半導体基板１０の受光面２０の上には、実質的に真性なｉ型半導体層１７ｉと、半導体基板１０と同じ導電型を有するｎ型半導体層１７ｎと、保護膜としての機能を兼ね備えた反射抑制層１６とがこの順番で設けられている。ｉ型半導体層１７ｉは、例えば実質的に真性なｉ型アモルファスシリコンなどにより構成することができる。ｎ型半導体層１７ｎは、例えば、ｎ型アモルファスシリコンなどにより構成することができる。また、ｎ型半導体層１７ｎ、及び、ｉ型半導体層１７ｉは少なくとも一方が形成されていればよい。また、ｎ型半導体層１７ｎ、及び、ｉ型半導体層１７ｉは、アモルファスシリコンに限定されるものではなく、例えば微結晶を含むシリコン、炭素、酸素、及び、窒素の少なくとも１つを含むアモルファスシリコン系材料で形成されてもよい。反射抑制層１６は、例えば、窒化ケイ素などにより構成することができる。
半導体基板１０の裏面３０の上には、ｎ型半導体層１３ｎと、ｐ型半導体層１２ｐとが配置されている。
ｎ型半導体層１３ｎは、裏面３０の一部分の上に配置されている。ｎ型半導体層１３ｎは、例えば、ｎ型アモルファスシリコンなどにより構成することができる。ｎ型半導体層１３ｎと裏面３０との間には、実質的に真性なｉ型半導体層１３ｉが配置されている。ｉ型半導体層１３ｉは、例えば実質的に真性なｉ型アモルファスシリコンなどにより構成することができる。ｉ型半導体層１３ｉは、低濃度のｎ型半導体層でもよい。また、ｉ型半導体層１３ｉは設けられなくてもよいが、ｉ型半導体層１３ｉが設けられていることで、太陽電池セル１の出力が若干向上する。
ｐ型半導体層１２ｐは、裏面３０のｎ型半導体層１３ｎは配置されていない部分の少なくとも一部の上に配置されている。このｐ型半導体層１２ｐとｎ型半導体層１３ｎとにより裏面３０の実質的に全体が覆われている。
ｐ型半導体層１２ｐは、例えば、ホウ酸などのｐ型ドーパントを含むｐ型アモルファスシリコンなどにより構成することができる。ｐ型半導体層１２ｐと裏面３０との間には、実質的に真性なｉ型半導体層１２ｉが配置されている。ｉ型半導体層１２ｉは、例えば、実質的に真性なｉ型アモルファスシリコンなどにより構成することができる。ｉ型半導体層１２ｉは、低濃度のｐ型半導体層でもよい。また、ｉ型半導体層１２ｉは、設けられなくてもよいが、ｉ型半導体層１２ｉが設けられていることで、太陽電池セル１の出力を若干向上させることができる。
ｎ型半導体層１３ｎの上には、ｎ側電極１４ｎが配置される。一方、ｐ型半導体層１２ｐの上には、ｐ側電極１５ｐが配置されている。ｎ側電極１４ｎとｐ側電極１５ｐとは、それぞれくし歯状に設けられている。具体的には、ｎ側電極１４ｎとｐ側電極１５ｐとは、互いに間挿し合うように配置されている。これにより、裏面３０の面積を有効活用することが可能となる。なお、Ｙ軸方向に沿って、ｎ側電極１４ｎとｐ側電極１５ｐとが繰り返し配置される数は、特に限定されず、太陽電池セル１のサイズなどにより適宜決定される。ｎ型半導体層１３ｎとｐ型半導体層１２ｐとについても、互いに間挿し合うように配置されている。なお、以降においては、ｎ側電極１４ｎ及びｐ側電極１５ｐを合わせて電極とも記載する。
電極は、それぞれ、例えば、ＩＴＯなどの酸化金属導電体あるいは、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｓｎなどの少なくとも一種の金属により構成することができる。
上記のように、本実施の形態に係る太陽電池セル１は、裏面接合型の太陽電池セルである。
［２．半導体基板の構成］
続いて、半導体基板１０の構成について、図３〜図４Ｂを参照しながら説明する。
図３は、本実施の形態に係る半導体基板１０の拡大断面図である。具体的には、図３の（ａ）は、図２に示す半導体基板１０の拡大断面図である。図３の（ｂ）は、受光面２０の部分拡大断面図である。図３の（ｃ）は、裏面３０の部分拡大断面図である。
図３の（ａ）に示すように、本実施の形態に係る半導体基板１０は、受光面２０及び裏面３０の双方に、結晶面により構成された複数のテラス１０ａを有する場合がある。具体的には、受光面２０及び裏面３０には、複数のテラス１０ａとともに、複数のステップ１０ｂが設けられている。半導体基板１０を平面視した場合において、テラス１０ａは、ステップ１０ｂによって包囲されている。テラス１０ａと当該テラス１０ａを包囲するステップ１０ｂとにより凹部及び凸部の少なくとも一方を含む凹凸部１０ｃが構成されている。テラス１０ａとステップ１０ｂとにより構成された凹凸部１０ｃは、凹部であってもよいし、凸部であってもよい。また、凹凸部１０ｃとして、凹部と凸部との両方が設けられていてもよい。なお、詳細は後述するが、凹凸部１０ｃは、半導体基板１０をアルカリ性のエッチング液等を用いて異方性エッチングすることにより形成することができる。
図３の（ｂ）に示すように、半導体基板１０の受光面２０は、複数の凸部２２からなる凹凸構造２１を有している。具体的には、受光面２０は、複数の角錐が２次元状に配置された凹凸構造２１（テクスチャ構造）を有している。凸部２２は、凸部２２（例えば、四角錐）の頂部２３及び隣接する頂部２３で挟まれた谷部２４を有している。本実施の形態では、頂部２３と谷部２４との間の傾斜部２５（角錐面）は、実質的にシリコン結晶の（１１１）面となっている。なお、凹凸構造２１は第一の凹凸構造の一例であり、凸部２２は第一の凸部の一例である。
また、谷部２４から頂部２３までの高さｈ１は、例えば、０．４μｍ以上１０μｍ以下であり、隣接する頂部２３間の距離（ピッチ）ｄ１は、例えば、０．４μｍ以上１０μｍ以下である。なお、本実施の形態に係る半導体基板１０の凹凸構造２１は、複数の凸部２２を有しており、複数の凸部２２それぞれにおける高さｈ１及び距離ｄ１はランダムであってもよいし、規則的であってもよい。また、頂部２３と谷部２４とで規定される高さ又は距離は、複数の頂部２３及び／又は谷部２４における高さ又は距離の平均値であってもよいし、最大値と最小値との中間である中央値であってもよい。
また、傾斜部２５は、複数の凸部２２が並ぶ方向Ｊ１（本実施の形態では、Ｙ軸と略水平な方向）に対して所定の傾斜角θ１で傾斜している。傾斜部２５が半導体基板１０の（１１１）面である（つまり、受光面２０が（１００）面である）場合、傾斜角θ１は、例えば、５４．７°である。また、作製条件により、最大５°程度のオフセット、つまり、最小４９．７°になる場合もある。なお、角度とは、９０度以下の角度であり、以降においても同様である。また、傾斜角θ１とは、例えば、複数の凸部における傾斜角の平均値であってもよいし、最大の傾斜角と最小の傾斜角との中間である中央値であってもよい。
なお、受光面２０及び裏面３０が（１００）面である場合、テラス１０ａは（１００）面であり、ステップ１０ｂの角度は（１１１）面の５４．７°より小さくなっている。
図３の（ｃ）に示すように、半導体基板１０の裏面３０は、複数の凸部３２からなる凹凸構造３１を有している。凹凸構造３１は、例えば、複数のドーム状の凸部３２が２次元状に配置されて構成される。つまり、裏面３０に配置される凹凸構造３１と、受光面２０に配置される凹凸構造２１とは、形状が異なる。凹凸構造３１は、例えば、断面視において、連続して接続された複数の湾曲形状を有する。凹凸構造３１は、裏面３０のｎ型半導体層１３ｎが配置される部分、及び、ｐ型半導体層１２ｐが配置される部分の両方に配置される。すなわち、凹凸構造３１は、例えば、裏面３０に一様に配置される。凹凸構造３１は、例えば、裏面３０に周期的に配置された凹凸である。なお、凹凸構造３１は第二の凹凸構造の一例であり、凸部３２は第二の凸部の一例である。
凹凸構造３１は、ドーム状の頂部３３及び隣接する頂部３３で挟まれた谷部３４を有している。頂部３３と谷部３４との間には、頂部３３と谷部３４とで挟まれた傾斜部３５が配置される。傾斜部３５は、断面視において、直線状であってもよいし、湾曲していてもよい。あるいは、凹凸構造３１は、ドーム状の谷部３４及び隣接する谷部３４で挟まれた頂部３３を有し、傾斜部３５が頂部３３と谷部３４の間に配置される場合もある。
また、谷部３４から頂部３３までの高さｈ２は、例えば、０．１μｍ以上３μｍ以下である。また、隣接する頂部３３間の距離（ピッチ）ｄ２は、距離ｄ１より大きい。距離ｄ２は、例えば、２μｍ以上３０μｍ以下である。なお、頂部３３と谷部３４とで規定される高さ又は距離は、複数の頂部３３及び／又は谷部３４における高さ又は距離の平均値であってもよいし、最大値と最小値との中間である中央値であってもよい。また、高さ及び距離は、上記の値に限定されない。
また、傾斜部３５は、複数の凸部３２が並ぶ方向Ｊ２（並ぶ方向Ｊ１と略平行な方向であり、Ｙ軸と略平行な方向）に対して所定の角度で傾斜している。例えば、頂部３３と谷部３４とを結ぶ仮想線Ｊ３と並ぶ方向Ｊ２とのなす傾斜角θ２は、傾斜角θ１より小さい。傾斜角θ２は、例えば、５４．７°より小さい。
ここで、頂部２３及び頂部３３の形状について、図４Ａ及び図４Ｂを参照しながら説明する。具体的には、頂部２３及び頂部３３の曲率半径について説明する。なお、図４Ａでは、凹凸構造２１の頂部２３における曲率半径を説明し、図４Ｂでは、凹凸構造３１の頂部３３における曲率半径を説明する。
図４Ａは、本実施の形態に係る受光面２０に配置された凹凸構造２１の曲率半径Ｒ１を示す図である。具体的には、凹凸構造２１の頂部２３における曲率半径Ｒ１を示す図である。
図４Ａに示すように、半導体基板１０を断面視した場合、半導体基板１０の頂部２３は、所定の湾曲形状を有する。例えば、頂部２３を原子レベルで見た場合、頂部２３の断面視形状は、曲率を有する。頂部２３は、略直線状の傾斜部２５に挟まれた領域である。ここで、頂部２３の範囲は、傾斜部２５の傾面の傾きが変化する点Ｘ１及びＸ２で挟まれた領域と定義される。また、頂部２３の曲率半径Ｒ１は、２つの点Ｘ１及びＸ２で挟まれた頂部２３の曲面を含む円Ｃ１の半径と定義される。
図４Ｂは、本実施の形態に係る裏面３０に配置された凹凸構造３１の曲率半径Ｒ２を示す図である。具体的には、凹凸構造３１の頂部３３における曲率半径Ｒ２を示す図である。
図４Ｂに示すように、半導体基板１０を断面視した場合、半導体基板１０の頂部３３は、所定の湾曲形状を有する。頂部３３は、略直線状の傾斜部３５に挟まれた領域である。ここで、頂部３３の範囲は、傾斜部３５の傾面の傾きが変化する点Ｘ３及びＸ４で挟まれた領域と定義される。また、頂部３３の曲率半径Ｒ２は、２つの点Ｘ３及びＸ４で挟まれた頂部３３の曲面を含む円Ｃ２の半径と定義される。
図４Ａ及び４Ｂに示すように、本実施の形態では、頂部３３の曲率半径Ｒ２は、頂部２３の曲率半径Ｒ１より大きい。つまり、頂部３３は、頂部２３より緩やかな湾曲形状を有する。例えば、頂部２３の曲率半径Ｒ１は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、頂部３３の曲率半径Ｒ２は、１００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下である。なお、曲率半径Ｒ１及びＲ２の値は、これに限定されない。
なお、曲率半径Ｒ２が曲率半径Ｒ１より大きい凸部３２は、例えば、後述する等方性エッチングにより形成される。
谷部３４についても同様の関係にある。すなわち、谷部３４の曲率半径は、谷部２４の曲率半径より大きい。例えば、谷部２４の曲率半径は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、谷部３４の曲率半径は、１００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下である。
上記のように、本実施の形態に係る太陽電池セル１は、裏面３０が平坦な面ではなく凹凸構造３１を有する半導体基板１０を備える。そして、凹凸構造３１の凸部３２は、断面視において、受光面２０に配置される凹凸構造２１の凸部２２より、傾斜が緩やかである。また、凸部３２は、例えば、裏面３０に一様に形成されている。
［３．光電変換効率の向上］
続いて、裏面３０の形状の違いによる入射光の反射の様子につて、図５を参照しながら説明する。
図５は、本実施の形態に係る太陽電池セル１に入射した光が裏面３０で反射する様子を示す断面模式図である。具体的には、図５の（ａ）は、比較例に係る太陽電池セルの１００が備える半導体基板１１０の断面模式図であり、図５の（ｂ）は、本実施の形態に係る太陽電池セル１が備える半導体基板１０の断面模式図である。比較例に係る太陽電池セル１００は、平坦な裏面１３０を備える。なお、受光面２０の構成は、図５の（ａ）及び（ｂ）で同じである。また、受光面には主にＺ軸方向からの光が入射し、入射光した光の多くは斜面の傾きに応じて屈折し斜め方向に半導体基板内を透過する。
図５の（ａ）に示すように、半導体基板１１０の受光面２０に入射した光の一部は、半導体基板１１０に吸収されずに半導体基板１１０内を透過する。そして、半導体基板１１０に吸収されなかった光は、半導体基板１１０の裏面１３０に到達する。裏面１３０に到達した光は、裏面１３０で反射される。比較例においては、裏面１３０は、略平坦な面であり、例えば裏面１３０に入射した光を略正反射する。図５の（ａ）では、裏面１３０に対して斜め方向から入射した光が、裏面１３０により略正反射し、裏面１３０に対する入射角と同角度（すなわち、入射角と同じ反射角）で斜め方向に反射されている例を示している。
裏面１３０で反射された光の一部は、半導体基板１１０に吸収されずに半導体基板１１０を再度透過する。そして、半導体基板１１０に吸収されなかった光は、半導体基板１１０の受光面２０に到達する。つまり、当該光の半導体基板１１０内における光路長は、およそ半導体基板１１０の厚みの２倍強である。
図５の（ｂ）に示すように、半導体基板１０の受光面２０に入射した光の一部は、半導体基板１０に吸収されずに半導体基板１０内を透過する。そして、半導体基板１０に吸収されなかった光は、半導体基板１０の裏面３０に到達する。裏面３０に到達した光は、裏面３０で反射される。本実施の形態では、裏面３０は緩やかな湾曲が連なって形成されている凹凸構造３１を有している。そのため、裏面３０に入射した光は、凹凸の形状に応じて主に半導体基板１０の厚み方向に対して所定の角度で反射される。
裏面３０で反射された光の一部は、半導体基板１０に吸収されずに半導体基板１０を再度透過する。そして、半導体基板１０に吸収されなかった光は、半導体基板１０の受光面２０に到達する。
裏面３０で反射された光は、半導体基板１０の厚み方向において所定の角度で反射されるので、当該光の光路長は、半導体基板１０の厚みより長くなる。つまり、裏面３０で反射された光の光路長は、裏面１３０で反射された光の光路長より長くなる。すなわち、裏面３０で反射された光の光路長は、図５の（ａ）の場合より大きくなる。なお、光路長は、複数の光における光路長の平均値であってもよいし、光路長の最大値と最小値との中央値であってもよい。
上記のように、本実施の形態に係る太陽電池セル１は、半導体基板１０内において実効的に光の光路長を長くすることができるので、半導体基板１０の厚みを厚くすることなく発電に寄与できる光の吸収を増やすことができる。例えば、半導体基板１０において吸収係数の小さい波長の光を、有効に発電に寄与させることができる。
ここで、他の比較例について、図５の（ｃ）を参照しながら説明する。図５の（ｃ）では、裏面に受光面と同様の凹凸構造が形成されている場合を示す。
図５の（ｃ）は、他の比較例に係る太陽電池セル２００が備える半導体基板２１０の断面模式図である。
図５の（ｃ）に示すように、太陽電池セル２００は、半導体基板２１０の受光面２０及び裏面２３０の両面に凹凸構造を備える。図５の（ｃ）では、裏面２３０が受光面２０の凹凸構造２１と同様の形状の凹凸構造２３１を有する場合を図示している。例えば、凹凸構造２１の傾斜角（凸部２２の傾斜角）と、凹凸構造２３１の傾斜角（凸部２３２の傾斜角）とは、略等しい。
半導体基板２１０を透過した光は、裏面２３０に入射する。図５の（ｃ）では、凸部２３２の一方の傾斜部２３５ａに入射した例を示している。裏面２３０に反射物がない場合は、傾斜部２３５ａに入射した光の大半が半導体基板２１０の外部に出射される。つまり、図５の（ａ）の場合に比べ、半導体基板２１０内を透過する光の光量が減少する。また、裏面２３０に金属のような反射物がある場合は、その反射率に応じた光が半導体基板内に再入射される。発電に寄与する光の光量の減少を抑制する観点から、凸部２３２の傾斜角は小さいとよい。例えば、凸部２２の傾斜角より小さいとよい。
上記のように、本実施の形態に係る太陽電池セル１は、裏面接合型の太陽電池セルであって、光が入射する受光面２０、及び、受光面２０と背向する裏面を有する半導体基板１０を備える。受光面２０は、複数の凸部２２からなる凹凸構造２１を有し、裏面３０は、複数の凸部か３２らなる凹凸構造３１を有する。図５の（ｂ）に示す断面において、凹凸構造３１の傾斜角は、凹凸構造２１の傾斜角より小さい。具体的には、凸部３２の傾斜角θ２は、凸部２２の傾斜角θ１より小さい。例えば、凸部３２が並ぶ方向（図５の（ａ）では、Ｙ軸と略平行な方向）と傾斜部３５とがなす角度は、凸部３２が並ぶ方向と傾斜部２５とがなす角度より小さい。
なお、上記では、太陽電池セル１について説明したが、当該太陽電池セル１を複数備える太陽電池モジュールとして実現されてもよい。これにより、太陽電池モジュールとしての発電効率を向上させることができる。
太陽電池モジュールは、太陽電池セル１と、当該太陽電池セル１の受光面２０側に配置され、当該太陽電池セル１の受光面２０を保護する保護部材（図示しない）と、を備える。保護部材は、例えば、透明ガラス材料からなるガラス基板などである。裏面３０で反射され、かつ受光面２０から出射した光は、太陽電池モジュールの保護部材に入射する。このとき、保護部材に入射した光の一部は、太陽電池セル１に向けて反射される。裏面３０で反射された光は、裏面１３０で反射された光に比べ保護部材に対して浅い角度で入射するので、より多くの光が太陽電池セル１に向けて反射される。よって、太陽電池モジュールとして、光電変換効率を向上させることができる。
［４．製造方法］
続いて、上記の太陽電池セル１の製造方法について、図６及び図７を参照しながら説明する。具体的には、太陽電池セル１が備える半導体基板１０の製造方法について、説明する。
図６は、本実施の形態に係る太陽電池セル１の製造方法を示すフローチャートである。具体的には、本実施の形態に係る半導体基板１０の製造方法を示すフローチャートである。また、図７は、本実施の形態に係る太陽電池セル１を作製する様子を示す断面図である。具体的には、本実施の形態に係る半導体基板１０を作製する様子を示す断面図である。
図６に示すように、まず、準備された半導体基板１０の洗浄が行われる（Ｓ１０）。本実施の形態では、半導体基板１０は太陽電池用のシリコン基板であるので、シリコン基板の表面ダメージ層を除去する洗浄が行われる。例えば、半導体基板１０の受光面２０及び裏面３０の洗浄が行われる。半導体基板１０の洗浄には、アルカリ水溶液が用いられる。アルカリ水溶液は、例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）あるいは水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を含む水溶液などである。
図７の（ａ）は、洗浄される前の半導体基板１０を示す断面図である。
図７の（ａ）に示すように、半導体基板１０の受光面２０及び裏面３０とも、略平坦な面である。なお、図７の（ａ）の状態で、半導体基板１０の裏面３０に形成されている傷などの凹凸は、本実施の形態に係る凹凸構造３１には含まれない。
図７の（ｂ）は、アルカリ水溶液による洗浄後の半導体基板１０を示す断面図である。
図７の（ｂ）に示すように、アルカリ水溶液による洗浄により、受光面２０及び裏面３０にテラス１０ａ及びステップ１０ｂを含む凹凸部１０ｃが形成される。
図６を再び参照して、次に、半導体基板１０の受光面２０に凹凸構造２１（テクスチャ構造）を形成する異方性エッチングが行われる（Ｓ２０）。受光面２０への凹凸構造２１の形成方法としては、アルカリ水溶液を含むエッチング液に半導体基板１０を浸漬する。具体的には、エッチング液に受光面２０を浸す。なお、ここでのアルカリ水溶液は、ステップＳ１０の洗浄に用いられたアルカリ水溶液とは、異なる水溶液である。ステップＳ２０におけるアルカリ水溶液は、例えば、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、および水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）の少なくとも１つ、及び、表面張力を変化させる添加剤を含むアルカリ水溶液が挙げられる。なお、ステップＳ２０は、第一の工程の一例である。また、ステップＳ２０では、少なくとも異方性エッチングを含む工程により凹凸構造２１が形成されてもよい。つまり、凹凸構造２１は、異方性エッチング以外の工程を含んで形成されてもよい。
本実施の形態では、半導体基板１０の受光面２０は（１００）面であり、ステップＳ２０では、（１００）面をアルカリ水溶液に浸す。これにより、半導体基板１０の受光面２０が、（１１１）面に沿って異方性エッチングされる。（１１１）面に沿って異方性エッチングが行われた場合、形成される凸部２２の傾斜角θ１は、実質的に５４．７°となる。
図７の（ｃ）は、ステップＳ２０による異方性エッチングが行われた後の半導体基板１０を示す断面図である。
図７の（ｃ）に示すように、テラス１０ａを含む受光面２０に凹凸構造２１が形成される。例えば、凹凸構造２１は、テラス１０ａを含む凹凸部１０ｃより小さい凹凸である。図には示していないが、裏面３０にも受光面２０と同様の凹凸構造３１が形成されていてもよい。なお、この段階で、裏面３０に凹凸構造３１は、形成されていない。
図６を再び参照して、次に、半導体基板１０の裏面３０に凹凸構造３１を形成する等方性エッチングが行われる（Ｓ３０）。ステップＳ３０では、裏面３０に所定のエッチング液を接触させることにより、等方性エッチングが行われる。なお、ステップＳ３０は、第二の工程の一例である。また、ステップＳ３０では、少なくとも等方性エッチングを含む工程により凹凸構造３１が形成されてもよい。つまり、凹凸構造３１は、異方性エッチング以外の工程を含んで形成されてもよい。
裏面３０への凹凸構造３１の形成方法としては、フッ硝酸を含む水溶液に裏面３０を浸す。つまり、ステップＳ３０では、酸により裏面３０に凹凸構造３１（テクスチャ構造）が形成される。なお、上記フッ硝酸を含む水溶液に含まれるフッ酸の濃度は、０．５重量％以上５重量％以下であり、硝酸の濃度は、４０重量％以上６０重量％以下であるとよい。なお、濃度についての制約はあまりなく、等方性状エッチングができればよい。また、フッ硝酸を含む水溶液は、フッ硝酸以外の酸を含んでいてもよい。例えば酢酸を含んでいてもよい。ステップＳ３０では、ステップＳ２０のエッチング液とは異なるエッチング液により凹凸構造３１が形成される。
図７の（ｄ）は、ステップＳ３０による等方性エッチングが行われた後の半導体基板１０を示す断面図である。
図７の（ｄ）に示すように、等方性エッチングにより、裏面３０に凹凸構造３１が形成される。等方性エッチングにより、ステップＳ２０の異方性エッチングに比べ、緩やかな凹凸が形成される。具体的には、ステップＳ３０では、凸部２２より傾斜角が小さい凸部３２からなる凹凸構造３１が形成される。
上記のように、受光面２０と裏面３０とで異なるエッチング方法により凹凸構造が形成される。凹凸構造３１を有する裏面３０には、図２に示す各種半導体層が積層される。各種半導体層の形成方法は特に限定されないが、例えば、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法等の薄膜形成法により形成される。このとき、半導体層が形成される面に凹凸が形成されていると、成膜が困難となる場合がある。例えば、凸部２２を有する凹凸構造２１より急な凹凸が形成されていると、パターニングの精度が低下する場合がある。凹凸構造２１より急な凹凸とは、例えば、当該凹凸の凸部の曲率半径が凸部２２の曲率半径Ｒ１より小さい、隣り合う凸部間の距離が距離ｄ１より小さい、又は、凸部の傾斜角が凸部２２の傾斜角θ１より大きいことを意味する。
そのため、半導体層が形成される面（本実施の形態では、裏面３０）は、平坦な面、又は、緩やかな面であるとよい。緩やかな面とは、凸部３２の曲率半径Ｒ２が凸部２２の曲率半径Ｒ１より大きい、隣り合う凸部３２間の距離ｄ２が距離ｄ１より大きい、又は、凸部３２の傾斜角θ２が傾斜角θ１より小さいことを意味する。これにより、裏面３０に容易に成膜を行うことができる。
本実施の形態の太陽電池セル１は、裏面３０に互いに間挿し合うｎ型半導体層１３ｎとｐ型半導体層１２ｐとが配置される。例えば、ｎ型半導体層１３ｎの幅、及び、ｐ型半導体層１２ｐの幅（例えば、図２に示すＹ軸と平行な方向の長さ）が小さい場合であっても、裏面３０が緩やかな面であることで、成膜時に裏面３０の表面形状の影響を受けにくく、容易に成膜を行うことができる。また、パターニングについても同様、容易に行うことができる。
本実施の形態では、裏面３０の凸部３２の傾斜角は、受光面２０の凸部２２の傾斜角より小さい。つまり、裏面３０は、平坦な面ではないが、受光面２０より緩やかな凹凸を有する面である。そのため、例えば、裏面３０の凸部２２と同様の凹凸が形成されている場合に比べ、裏面３０における成膜を容易に行うことができる。すなわち、製造における困難を伴わずに、光電変換効率が向上された太陽電池セル１を実現することができる。
［５．効果など］
以上のように、本実施の形態に係る太陽電池セル１は、裏面接合型の太陽電池セルであって、光が入射する受光面２０、及び、受光面２０と背向する裏面３０を有する半導体基板１０と、裏面３０の一部分の上に配置されたｎ型半導体層１３ｎと、裏面３０のｎ型半導体層１３ｎが配置されていない部分の上に配置されたｐ型半導体層１２ｐとを備える。そして、受光面２０は、複数の凸部２２からなる凹凸構造２１を有し、裏面３０は、複数の凸部３２からなる凹凸構造３１を有し、半導体基板１０を厚み方向に切断した断面において、凹凸構造３１における凸部３２の傾斜角θ２は、凹凸構造３１における凸部２２の傾斜角θ１より小さい。
これにより、半導体基板１０を透過した光は、凸部３２を有する裏面３０により、主に半導体基板１０の厚み方向とは異なる方向に反射される。裏面３０が平坦な面である場合に比べ、裏面３０で反射された光が受光面２０に達するまでの光路長を長くすることができる。半導体基板１０内での光路長が長くなることで、当該光が半導体基板１０に吸収されやすくなるので、太陽電池セル１の光電変換効率を向上させることができる。つまり、半導体基板１０の厚みを厚くすることなく、光電変換効率を向上させることができる。また、凸部３２の傾斜角θ２が凸部２２の傾斜角θ１より小さい、つまり凹凸構造３１は凹凸構造２１より緩やかな凹凸であることで、裏面３０にｎ型半導体層１３ｎ及びｐ型半導体層１２ｐなどを成膜するときに、困難を伴わない。よって、本実施の形態によれば、製造時の困難を伴わずに、改善された光電変換効率を有する太陽電池セル１を実現することができる。
また、凸部３２の傾斜角θ２は、５４．７°より小さい。
これにより、受光面２０及び裏面３０が（１００）面である場合であっても、製造時の困難を伴わずに、改善された光電変換効率を有する太陽電池セル１を実現することができる。
また、凸部３２の隣り合う頂部３３間のピッチは、凸部２２の隣り合う頂部２３間のピッチより大きい。
これにより、凹凸構造３１は、凹凸構造２１よりより緩やかな形状を有する。よって、より製造時の困難を伴わずに、太陽電池セル１を実現することができる。
また、凸部３２の頂部３３の曲率半径Ｒ２は、凸部２２の頂部２３の曲率半径Ｒ１より大きい。
これにより、凹凸構造３１は、凹凸構造２１よりより緩やかな形状を有する。よって、より製造時の困難を伴わずに、太陽電池セル１を実現することができる。
また、以上のように、本実施の形態に係る太陽電池セル１の製造方法は、裏面接合型の太陽電池セルの製造方法であって、光が入射する受光面２０、及び、受光面２０と背向する裏面３０を有する半導体基板１０の受光面２０に、異方性エッチングにより複数の凸部２２からなる凹凸構造２１を形成する第一の工程と、裏面３０に等方性エッチングにより複数の凸部３２からなる凹凸構造３１を形成する第二の工程とを含む。そして、第二の工程では、半導体基板１０を厚み方向に切断した断面において、凸部２２より傾斜角が小さい凸部３２からなる凹凸構造３１を形成する。
これにより、凸部２２が形成されていない面を等方性エッチングするといった簡易な方法で、凸部３２からなる凹凸構造３１を有する裏面３０を形成することができる。凸部３２の傾斜角が凸部２２より小さいので、上記のように製造時の困難を伴わずに、改善された光電変換効率を有する太陽電池セル１を作製することができる。
また、第二の工程では、裏面３０をフッ硝酸を含む溶液に浸すことを含む。
これにより、容易に凹凸構造３１を形成することができる。
（他の実施の形態）
以上、本発明に係る太陽電池セル等について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されない。
例えば、上記実施の形態では、受光面２０及び裏面３０の両面にテラス１０ａが形成されている例を示したが、これに限定されない。テラス１０ａは、受光面２０及び裏面３０の少なくとも一方に形成されていてもよい。また、テラス１０ａは、受光面２０及び裏面３０の両面に形成されていなくてもよい。
また、上記実施の形態では、頂部２３の曲率半径Ｒ１は、頂部３３の曲率半径Ｒ２より小さい例について説明したが、これに限定されない。曲率半径Ｒ１は、曲率半径Ｒ２と同程度であってもよい。例えば、受光面２０においてステップＳ２０の後に頂部２３の曲率半径Ｒ１に丸みをもたせるためのエッチング（例えば、等方性エッチング）などが行われてもよい。
また、上記実施の形態で説明した太陽電池セル１の製造方法における各工程の順序は一例であり、これに限定されない。例えば、裏面３０を等方性エッチング（Ｓ３０）した後に、受光面２０を異方性エッチング（Ｓ２０）してもよい。また、各工程の一部は、行われなくてもよい。例えば、半導体基板１０の洗浄（Ｓ１０）は、行われなくてもよい。
また、上記実施の形態で説明した太陽電池セル１の製造方法における各工程は、１つの工程で実施されてもよいし、別々の工程で実施されてもよい。なお、１つの工程で実施されるとは、各工程が１つの装置を用いて実施される、各工程が連続して実施される、又は、各工程が同じ場所で実施されることを含む意図である。また、別々の工程とは、各工程が別々の装置を用いて実施される、各工程が異なる時間（例えば、異なる日）に実施される、又は、各工程が異なる場所で実施されることを含む意図である。
その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
１ 太陽電池セル
１０ 半導体基板
２０ 受光面
２１ 凹凸構造（第一の凹凸構造）
２２ 凸部
２３、３３ 頂部
３０ 裏面
３１ 凹凸構造（第二の凹凸構造）
ｄ１、ｄ２ 距離
θ１、θ２ 傾斜角
Ｒ１、Ｒ２ 曲率半径

Claims (6)

  1. 裏面接合型の太陽電池セルであって、
    光が入射する受光面、及び、前記受光面と背向する裏面を有する半導体基板と、
    前記裏面の一部分の上に配置されたｎ型半導体層と、
    前記裏面の前記ｎ型半導体層が配置されていない部分の上に配置されたｐ型半導体層とを備え、
    前記受光面は、複数の第一の凸部からなる第一の凹凸構造を有し、
    前記裏面は、複数の第二の凸部からなる第二の凹凸構造を有し、
    前記半導体基板を厚み方向に切断した断面において、前記第二の凹凸構造における前記第一の凸部の傾斜角は、前記第一の凹凸構造における前記第二の凸部の傾斜角より小さい
    太陽電池セル。
  2. 前記第二の凸部の前記傾斜角は、５４．７°より小さい
    請求項１に記載の太陽電池セル。
  3. 前記第二の凸部の隣り合う頂部間のピッチは、前記第一の凸部の隣り合う頂部間のピッチより大きい
    請求項１又は２に記載の太陽電池セル。
  4. 前記第二の凸部の頂部の曲率半径は、前記第一の凸部の頂部の曲率半径より大きい
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池セル。
  5. 裏面接合型の太陽電池セルの製造方法であって、
    光が入射する受光面、及び、前記受光面と背向する裏面を有する半導体基板の前記受光面に、異方性エッチングを含むことにより複数の第一の凸部からなる第一の凹凸構造を形成する第一の工程と、
    前記裏面に等方性エッチングを含むことにより複数の第二の凸部からなる第二の凹凸構造を形成する第二の工程とを含み、
    前記第二の工程では、前記半導体基板を厚み方向に切断した断面において、第一の凸部より傾斜角が小さい第二の凸部からなる第二の凹凸構造を形成する
    太陽電池セルの製造方法。
  6. 前記第二の工程では、前記裏面をフッ硝酸を含む溶液に浸すことを含む
    請求項５に記載の太陽電池セルの製造方法。
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