JP2020167238A - 太陽電池セルおよび太陽電池モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】向上された発電特性を有する太陽電池セルおよびモジュールを提供することができる。【解決手段】太陽電池セル１０は、第１主面２１および第２主面２２を有する第１導電型を有する半導体基板２０と、第２主面２２上に配置された第３非晶質シリコン層４１ａと、第３非晶質シリコン層４１ａ上に配置された第１導電型とは異なる第２導電型を有する第４非晶質シリコン層４２ｐと、を備え、第３非晶質シリコン層４１ａの第１導電型の不純物濃度は、半導体基板２０の第１導電型の不純物濃度より高く、第４非晶質シリコン層４２ｐの第２導電型の不純物濃度より低い。【選択図】図３

Description

本発明は、太陽電池セルおよび太陽電池モジュールに関する。
太陽電池は、クリーンで無尽蔵に供給される太陽光を直接電気に変換するため、新しいエネルギー源として期待されている。
国際公開第２０１６／１９４３０１号
太陽電池の発電特性をさらに向上したいという要望がある。本発明の目的は、向上された発電特性を有する太陽電池セルおよび太陽電池モジュールを提供することである。
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、第１導電型を有する半導体基板と、前記半導体基板の主面上に配置された、非晶質シリコン系薄膜により形成される第１シリコン層と、前記第１シリコン層上に配置された、前記第１導電型と異なる第２導電型を有するシリコン系薄膜により形成される第２シリコン層と、を備え、前記第１シリコン層の前記第１導電型の不純物濃度は、前記半導体基板の前記第１導電型の不純物濃度より高く、前記第２シリコン層の前記第２導電型の不純物濃度より低い。
また、本発明の一態様に係る太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セルを複数の配線材によって電気的に直列に接続した太陽電池ストリングを備える太陽電池モジュールであって、前記複数の太陽電池セルのそれぞれは、上記の本発明の一態様に係る太陽電池セルである。
本発明によれば、向上された発電特性を有する太陽電池セルおよび太陽電池モジュールを提供することができる。
実施の形態１に係る太陽電池セルの構造を示す断面図である。 実施の形態１に係る太陽電池セルの構造を示す受光面側の平面図である。 実施の形態１に係る不純物濃度プロファイルを示す図である。 半導体基板の略全域上に非晶質シリコン層を形成した正面図である。 実施の形態２に係る太陽電池セルの構造を示す断面図である。 実施の形態３に係る太陽電池モジュールの構造を示す断面図である。 実施の形態３に係る太陽電池モジュールの構造を示す受光面側の平面図である。
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（ステップ）、および、工程（ステップ）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。
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いる。さらに、重複する説明は省略又は簡易化される場合がある。
本明細書において、太陽電池セルの「受光面」とは、その反対側の面である「裏面」に比べ、光が多く内部へ入射可能な面を意味する。ここで、「裏面」から光が内部に全く入らない場合も存在する。また、半導体基板の「受光面」とは、太陽電池セルの受光面側の面を意味し、半導体基板の「裏面」とは、その反対側の面を意味する。太陽電池モジュールの「受光面」とは、太陽電池セルの「受光面」側の光が入射可能な面を意味し、太陽電池モジュールの「裏面」とは、その反対側の面を意味する。また、「第１の部材上に第２の部材を設ける」などの記載は、特に限定を付さない限り、第１および第２の部材が直接接触して設けられる場合のみを意図しない。即ち、この記載は、第１および第２の部材の間に他の部材が存在する場合を含む。
また、「略＊＊」との記載は、「略同一」を例に挙げて説明すると、全く同一はもとより、実質的に同一と認められるものを含む意図である。
（実施の形態１）
［１．１ 実施の形態１に係る太陽電池セルの構成］
実施の形態１に係る太陽電池セル１０の概略構成について、図１〜図３を参照しながら説明する。図１は、実施の形態１に係る太陽電池セル１０の構造を示す断面図である。図２は、実施の形態１に係る太陽電池セル１０の構造を示す受光面側の平面図である。図１は、図２の太陽電池セルのＡ−Ａ´線に沿う断面図である。図３は、実施の形態１に係る不純物濃度プロファイルを示す図である。
図１に示すように、太陽電池セル１０は、第１導電型の半導体基板２０と、第１導電型の第１半導体層３０と、第２導電型の第２半導体層４０と、第１電極５０と、第２電極６０とを備える。ここで、第２導電型は、第１導電型と異なる導電型である。
半導体基板２０は、ｎ型またはｐ型の第１導電型を有する。また、半導体基板２０は、互いに背向する第１主面２１および第２主面２２を有する。第１主面２１は、太陽電池セル１０の受光面側もしくは裏面側の面である。第２主面２２は、第１主面と背向する面である。
半導体基板２０は、光を受けることによってキャリアを生成することができる。ここで、キャリアとは、半導体基板２０に光が吸収されることによって生成される電子と正孔をいう。
半導体基板２０として、例えば、単結晶シリコン基板または多結晶シリコン基板などの結晶性シリコン基板を使用できる。また、半導体基板２０として、結晶性シリコン基板以外も使用できる。例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）半導体基板、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）およびシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）に代表される４族−４族化合物半導体基板、または、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）およびリン化インジウム（ＩｎＰ）に代表される３族−５族化合物半導体基板などの、一般的な半導体基板を使用できる。
本実施の形態では、第１主面２１は太陽電池セル１０の受光面側の面であり、第２主面２２は裏面側の面である場合の例について説明する。
半導体基板２０は、入射光の利用効率を高めるため、太陽電池セル１０の受光面側の面である第１主面２１に複数の凹凸を有するテクスチャ構造を有することが好ましい。一方、半導体基板２０は、第２主面２２に複数の凹凸を有するテクスチャ構造を有してもよく、テクスチャ構造を有さず平坦面であってもよい。テクスチャ構造の高さは、例えば、１μｍ以上かつ２０μｍ以下であり、２μｍ以上かつ８μｍ以下が好ましい。
本実施の形態では、半導体基板２０として単結晶シリコン基板を使用し、第１導電型がｎ型であり、第１導電型とは異なる第２導電型がｐ型である場合の例について説明する。
半導体基板２０の厚みは、例えば、１０μｍ以上かつ４００μｍ以下であり、５０μｍ以上かつ１５０μｍ以下が好ましい。また、半導体基板２０には、第１導電型の不純物として、例えば、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）またはアンチモン（Ｓｂ）などのドーパントが添加される。
半導体基板２０のテクスチャ構造は、例えば、半導体基板２０の特定の面方位に相当する面を斜面とした四角錐を二次元に配列した凹凸構造である。半導体基板２０の第１主面２１と第２主面２２にテクスチャ構造を設けることによって、太陽電池セル１０に入射する光を複雑に反射・回折させ、入射する光の利用効率を高めることができる。
太陽電池セル１０は、半導体基板２０の第１主面２１上に、半導体基板２０と同じ導電型である第１導電型の第１半導体層３０を有する。また、太陽電池セル１０は、半導体基板２０の第２主面２２上に、半導体基板２０と異なる導電型である第２導電型の第２半導体層４０を有する。
第１半導体層３０は、表面電界効果により、半導体基板２０の第１主面２１およびその近傍におけるキャリア再結合を抑制することができる。第２半導体層４０は、半導体基板２０とｐｎ接合を形成し、キャリア分離により起電力を生じさせることができる。
半導体基板２０は、第１導電型の第１不純物領域２３を有する。第１不純物領域２３の第１導電型の不純物濃度は、例えば、５×１０１３ｃｍ−３以上かつ１×１０１７ｃｍ−３以下であり、５×１０１４ｃｍ−３以上かつ２×１０１６ｃｍ−３以下が好ましい。
また、半導体基板２０は、第１不純物領域２３と第１半導体層３０との間に、第１導電型の第２不純物領域２４を有する。第２不純物領域２４の厚みは、例えば、５ｎｍ以上かつ１μｍ以下であり、１０ｎｍ以上かつ５００ｎｍ以下が好ましく、２０ｎｍ以上かつ２００ｎｍ以下がさらに好ましい。第２不純物領域２４の第１導電型の不純物濃度は、第１不純物領域２３の第１導電型の不純物濃度より高い。第２不純物領域２４の第１導電型の不純物濃度の平均は、例えば、１×１０１７ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下であり、５×１０１７ｃｍ−３以上かつ１×１０１９ｃｍ−３以下が好ましい。ここで、第２不純物領域２４の厚みとは、半導体基板２０の厚み方向に沿って、半導体基板２０の第１主面２１から、第２不純物領域２４の第１導電型の不純物濃度が第２不純物領域２４の第１導電型の不純物濃度の最大値から１／１０に下がるまでの距離である。
また、半導体基板２０は、第１不純物領域２３と第２半導体層４０との間に、第１導電型の第３不純物領域２５を有する。第３不純物領域２５の厚みは、例えば、５ｎｍ以上かつ１μｍ以下であり、１０ｎｍ以上かつ５００ｎｍ以下が好ましく、２０ｎｍ以上かつ２００ｎｍ以下がさらに好ましい。第３不純物領域２５の第１導電型の不純物濃度は、第１不純物領域２３の第１導電型の不純物濃度より高い。第３不純物領域２５の第１導電型の不純物濃度の平均は、第２不純物領域２４の第１導電型の不純物濃度の平均よりも低いことが好ましい。第３不純物領域２５の第１導電型の不純物濃度の平均は、例えば、１×１０１７ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下であり、５×１０１７ｃｍ−３以上かつ１×１０１９ｃｍ−３以下が好ましい。ここで、第３不純物領域２５の厚みとは、半導体基板２０の厚み方向に沿って、半導体基板２０の第２主面２２から、第３不純物領域２５の第１導電型の不純物濃度が第３不純物領域２５の第１導電型の不純物濃度の最大値から１／１０に下がるまでの距離である。
第１導電型の半導体基板２０の第１主面２１上に第１導電型の第１半導体層３０を設けると、表面電界効果によって、半導体基板２０と第１半導体層３０との間の接合界面およびその近傍におけるキャリア再結合を抑制することができる。しかしながら、この手法によっても、キャリア再結合を完全に抑制できるわけではなく、更なるキャリア再結合の抑制が求められる。半導体基板２０の第１主面２１側に、第２不純物領域２４を設けることにより表面電界効果を増大させ、半導体基板２０と第１半導体層３０との接合界面およびその近傍におけるキャリア再結合をさらに抑制し、発電特性を向上させることができる。
一方、半導体基板２０の第２主面２２側は、製造過程等で混入する第２導電型の不純物であるボロン（Ｂ）などによって、半導体基板２０の第２主面２２近傍の導電性が低下するという課題が生じ得る。即ち、半導体基板２０に元々添加されている第１導電型の不純物であるリン（Ｐ）などに対して、第２導電型の不純物であるボロン（Ｂ）などが混入し、半導体基板２０の第２主面２２近傍の抵抗性を著しく増大させ、発電特性を低下させることがある。なお、このように発電特性を低下させる原因となる製造過程で混入される不純物として、第２導電型の不純物であるボロン（Ｂ）だけでなく、水素、酸素、窒素やフッ素なども想定される。半導体基板２０の第２主面２２側に第３不純物領域２５を設けることによって、このような半導体基板２０の第２主面２２近傍で生じる導電性の低下を抑制し、発電特性を向上させることができる。
本実施の形態では、図１に示すとおり、半導体基板２０の第１主面２１の全域または略全域上に、半導体基板２０と同じ第１導電型を有する第１半導体層３０が設けられる。半導体基板２０の第１主面２１の略全域とは、半導体基板２０の第１主面２１の９０％以上の領域のことである。第１半導体層３０は、半導体基板２０との接合界面またはその近傍におけるキャリアの再結合を抑制する機能を有する。
本実施の形態では、第１導電型を有する第１半導体層３０として、第１導電型を有する非晶質シリコン層３０ａを使用する。また、非晶質シリコン層３０ａは、第１導電型の第１非晶質シリコン層３１ｎと、第１導電型の第２非晶質シリコン層３２ｎとを、半導体基板２０の第１主面２１からこの順番に積層した積層構造を有する。第１非晶質シリコン層３１ｎは、半導体基板２０の第１主面２１上に設けられる。第２非晶質シリコン層３２ｎは、第１非晶質シリコン層３１ｎ上に設けられる。第２非晶質シリコン層３２ｎの第１導電型の不純物濃度の平均は、第１非晶質シリコン層３１ｎの第１導電型の不純物濃度の平均より高い。本実施の形態では、半導体基板２０と第１半導体層３０との接合は、ヘテロ接合を構成する。
第１非晶質シリコン層３１ｎおよび第２非晶質シリコン層３２ｎは、半導体基板２０と同じ第１導電型の不純物を含有する。本実施の形態では、第１非晶質シリコン層３１ｎおよび第２非晶質シリコン層３２ｎには、第１導電型の不純物として、例えば、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）またはアンチモン（Ｓｂ）等のドーパントが添加される。第１非晶質シリコン層３１ｎおよび第２非晶質シリコン層３２ｎの第１導電型の不純物濃度は、例えば、５×１０１９ｃｍ−３以上であり、５×１０２０ｃｍ−３以上かつ５×１０２１ｃｍ−３以下であることが好ましい。
第１半導体層３０の厚みは、半導体基板２０の第１主面２１におけるキャリアの再結合を十分に抑制できる程度に厚くし、一方、第１半導体層３０による入射光の吸収をできるだけ低く抑えられる程度に薄くすることが好ましい。第１半導体層３０の厚みは、例えば、２ｎｍ以上かつ７５ｎｍ以下である。さらに具体的には、第１非晶質シリコン層３１ｎの厚みは、例えば、１ｎｍ以上かつ２５ｎｍ以下であり、２ｎｍ以上かつ５ｎｍ以下であることが好ましい。また、第２非晶質シリコン層３２ｎの厚みは、例えば、１ｎｍ以上かつ５０ｎｍ以下であり、２ｎｍ以上かつ１０ｎｍ以下であることが好ましい。
本実施の形態では、図１に示すとおり、半導体基板２０の第２主面２２の全域または略全域上に、半導体基板２０と異なる第２導電型を有する第２半導体層４０が設けられる。半導体基板２０の第２主面２２の略全域とは、半導体基板２０の第２主面２２の９０％以上の領域のことである。第２半導体層４０は、半導体基板２０との接合界面におけるキャリアの再結合を抑制する機能と、半導体基板とｐｎ接合を形成してキャリアを分離する機能を有する。
本実施の形態では、第２半導体層４０として、非晶質シリコン層４０ａを使用する。また、非晶質シリコン層４０ａは、第３非晶質シリコン層４１ａと、第２導電型の第４非晶質シリコン層４２ｐとを、半導体基板２０の第２主面２２からこの順番に積層した積層構造を有する。第３非晶質シリコン層４１ａは、半導体基板２０の第２主面２２上に設けられる。第４非晶質シリコン層４２ｐは、第３非晶質シリコン層４１ａ上に設けられる。本実施の形態では、半導体基板２０と第２半導体層４０との接合は、ヘテロ接合を構成する。
第３非晶質シリコン層４１ａは、第１導電型の不純物を含有する。第３非晶質シリコン層４１ａは、第１導電型の不純物として、例えば、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）またはアンチモン（Ｓｂ）などのドーパントが添加される。第３非晶質シリコン層４１ａの第１導電型の不純物濃度は、例えば、１×１０１７ｃｍ−３以上であり、１×１０１８ｃｍ−３以上かつ１×１０２１ｃｍ−３以下であることが好ましい。第３非晶質シリコン層４１ａの第１導電型の不純物濃度は、半導体基板２０の第１不純物領域２３および第３不純物領域２５の第１導電型の不純物濃度より高い。第３非晶質シリコン層４１ａの第１導電型の不純物濃度は、第１非晶質シリコン層３１ｎおよび第２非晶質シリコン層３２ｎの第１導電型の不純物濃度より低いことが好ましい。なお、第３非晶質シリコン層４１ａは、非晶質シリコン系薄膜により形成される第１シリコン層の一例である。非晶質シリコン系とは、非晶質体のみならず、微結晶体、酸素又は炭素不純物を含んでいてもよい。
第４非晶質シリコン層４２ｐは、半導体基板２０と異なる第２導電型の不純物を含有する。第４非晶質シリコン層４２ｐには、第２導電型の不純物として、例えば、ボロン（Ｂ）等のドーパントが添加される。第４非晶質シリコン層４２ｐの第２導電型の不純物濃度は、例えば、１×１０１９ｃｍ−３以上であり、５×１０２０ｃｍ−３以上かつ５×１０２１ｃｍ−３以下であることが好ましい。第４非晶質シリコン層４２ｐの第２導電型の不純物濃度は、第３非晶質シリコン層４１ａの第１導電型の不純物濃度より高い。なお、第４非晶質シリコン層４２ｐは、シリコン系薄膜により形成される第２シリコン層の一例である。
第２半導体層４０の厚みは、半導体基板２０の第２主面２２における光キャリアの再結合を十分に抑制できる程度に厚くすることが好ましい。第２半導体層４０の厚みは、例えば、２ｎｍ以上かつ７５ｎｍ以下である。さらに具体的には、第３非晶質シリコン層４１ａの厚みは、例えば、１ｎｍ以上かつ２５ｎｍ以下であり、４ｎｍ以上かつ１５ｎｍ以下であることが好ましい。また、第４非晶質シリコン層４２ｐの厚みは、例えば、１ｎｍ以上かつ５０ｎｍ以下であり、２ｎｍ以上かつ１０ｎｍ以下であることが好ましい。
非晶質シリコン層（３０ａ、４０ａ）は、光キャリアの再結合を抑制する効果を高めるために、水素（Ｈ）を含有させることが好ましい。また、水素（Ｈ）に加えて、酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）またはゲルマニウム（Ｇｅ）を含有させてもよい。また、半導体基板２０と非晶質シリコン層（３０ａ、４０ａ）との間に、酸化シリコン層を有してもよい。この場合、酸化シリコン層の厚みは、例えば、０．５ｎｍ以上かつ５ｎｍ以下である。
図３は、半導体基板２０の厚み方向に沿った、半導体基板２０の第１不純物領域２３と、半導体基板２０の第３不純物領域２５と、第３非晶質シリコン層４１ａと、第４非晶質シリコン層４２ｐとのリン（Ｐ）およびボロン（Ｂ）の濃度プロファイルを示している。図３において、実線はボロン（Ｂ）の濃度プロファイルを示し、点線はリン（Ｐ）の濃度プロファイルを示す。
本実施の形態では、第３不純物領域２５は、第２主面２２から離れるほど、第１導電型の不純物濃度が低下する濃度勾配を有する。また、第３非晶質シリコン層４１ａは、第２主面２２側から離れるほど、第１導電型の不純物濃度が低下する濃度勾配を有する。
第３非晶質シリコン層４１ａは、製造過程等で混入する不純物である酸素（Ｏ）や窒素（Ｎ）などによって、第３非晶質シリコン層４１ａの導電性が低下するという課題が生じ得る。その結果、太陽電池セル１０の抵抗性が著しく増大し、発電特性の低下が生じ得る。このとき、第３非晶質シリコン層４１ａに第２導電型のドーパントを添加すると、第３非晶質シリコン層４１ａの導電性を改善することはできるが、第１導電型の半導体基板２０と第２導電型の第２半導体層４０により形成されるｐｎ接合において、キャリア再結合を抑制しながらキャリアを分離する機能の低下が生じる。
一方、第３非晶質シリコン層４１ａに第１導電型のドーパントを好適に添加すると、第３非晶質シリコン層４１ａの導電性を改善することができるとともに、第１導電型の半導体基板２０と第２導電型の第２半導体層４０とにより形成されるｐｎ接合において、キャリア再結合を抑制しながらキャリアを分離する機能を高く維持することができる。これは、第３非晶質シリコン層４１ａに第２導電型のドーパントを添加する場合と比較して、キャリアが分離される領域を、欠陥の特に多い半導体基板２０と第２半導体層４０との接合界面からシフトできることによるものと推察される。これにより、太陽電池セル１０の発電特性を向上させることができる。
また、製造過程等で混入する不純物は、第３非晶質シリコン層４１ａの第２主面２２側の近傍において特に多く、第３非晶質シリコン層４１ａの第２主面２２側の近傍において特に導電性の低下が生じ得ると想定される。そのため、第３非晶質シリコン層４１ａが、第２主面２２側から離れるほど、第１導電型の不純物濃度が低下する濃度勾配を有する場合、第１導電型の不純物濃度を低く抑えながら、即ち、第１導電型の不純物による欠陥の生成を抑えつつ、第３非晶質シリコン層４１ａの導電性を改善することができ、太陽電池セル１０の発電特性を向上させるのに好適である。
また、本実施の形態において、第１導電型の不純物としてリン（Ｐ）を使用し、第２導電型の不純物としてボロン（Ｂ）を使用した場合、ボロン（Ｂ）と比較してリン（Ｐ）は低いドーパント濃度で、非晶質シリコンの導電性を大きく改善することができることから、高い導電性を有しつつ、かつ欠陥の少ない非晶質シリコンを実現することができ、太陽電池セル１０の発電特性を向上させるのに好適である。
その結果、向上された発電特性を有する太陽電池セルおよび太陽電池モジュールを提供することができる。
図１に示すとおり、太陽電池セル１０は、第１電極５０および第２電極６０を有する。第１電極５０と第２電極６０とは互いに離間する。第１電極５０は、第１半導体層３０上に設けられ、第１半導体層３０と電気的に接続される。一方、第２電極６０は、第２半導体層４０上に設けられ、第２半導体層４０と電気的に接続される。
本実施の形態では、第１電極５０がｎ側電極であり、第２電極６０がｐ側電極である場合の例について説明する。ｎ側電極は半導体基板２０で生成される電子を収集し、ｐ側電極は半導体基板２０で生成される正孔を収集する。
本実施の形態では、第１電極５０は、第１透明導電膜５０ｔと、透明でない第１金属電極５０ｍとを、第１半導体層３０上からこの順番に積層した構造を有する。第１透明導電膜５０ｔは、第１半導体層３０上に設けられる。第１金属電極５０ｍは、第１透明導電膜５０ｔ上に設けられる。第１金属電極５０ｍは、図２に示すように、第１バスバー電極５１ｍと複数の第１フィンガー電極５２ｍとから構成される。
一方、第２電極６０は、第２透明導電膜６０ｔと、透明でない第２金属電極６０ｍとを、第２半導体層４０上からこの順番に積層した構造を有する。第２透明導電膜６０ｔは、第２半導体層４０上に設けられる。第２金属電極６０ｍは、第２透明導電膜６０ｔ上に設けられる。第２金属電極６０ｍは、第２バスバー電極６１ｍ（図示せず）と複数の第２フィンガー電極６２ｍ（図示せず）から構成される。
図１に示すとおり、第１透明電極膜５０ｔは、第１半導体層３０の全域または略全域上に設けられる。第１半導体層３０の略全域とは、第１半導体層３０の受光面側の面の９０％以上の領域のことである。第１透明電極膜５０ｔは、第１半導体層３０の全域上に設けられることが好ましい。第１半導体層３０が半導体基板２０の第１主面２１の全域上に設けられ、かつ第１透明電極膜５０ｔが半導体基板２０の第１主面２１上であって第１半導体層３０の全域上に設けられることが更に好ましい。
また、第２透明電極膜６０ｔは、第２半導体層４０の全域または略全域上に設けられる。第２半導体層４０の略全域とは、第２半導体層４０の裏面側の面の９０％以上の領域のことである。第２透明導電膜６０ｔは、第２半導体層４０の略全域上に設けられることが好ましい。第２半導体層４０が半導体基板２０の第２主面２２の全域上に設けられ、かつ第２透明電極膜６０ｔが半導体基板２０の第２主面２２上であって第２半導体層４０の略全域上に設けられることが更に好ましい。この場合は、第２半導体層４０の略全域は、第２半導体４０の裏面側の面の外縁部を除く、９７％以上かつ９９．５％以下の領域であることが好ましい。
第１透明電極膜５０ｔおよび第２透明電極膜６０ｔは、例えば、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化錫（ＳｎＯ２）または酸化チタン（ＴｉＯ２）等の金属酸化物を少なくとも一つ含んでいる。また、これらの金属酸化物に錫（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、タングステン（Ｗ）、アンチモン（Ｓｂ）、チタン（Ｔｉ）、セリウム（Ｃｅ）またはガリウム（Ｇａ）等の元素が添加されてもよい。透明電極膜（５０ｔ、６０ｔ）の厚みは、例えば、３０μｍ以上かつ２００μｍ以下であり、４０μｍ以上かつ９０μｍ以下が好ましい。
図２に示すとおり、第１バスバー電極５１ｍは、複数の第１フィンガー電極５２ｍと電気的に接続され、複数の第１フィンガー電極５２ｍに交差して配置される。一方、第２バスバー電極６１ｍは、複数の第２フィンガー電極６２ｍと電気的に接続され、複数の第２フィンガー電極６２ｍに交差して配置される。
第１バスバー電極５１ｍおよび第２バスバー電極６１ｍは、例えば、複数本の線状電極である。複数の第１フィンガー電極５２ｍおよび複数の第２フィンガー電極６２ｍは、例えば、互いに並んで平行に配置される複数本の細線状電極である。なお、第１金属電極５０ｍおよび第２金属電極６０ｍは、それぞれ第１バスバー電極５１ｍおよび第２バスバー電極６１ｍを有さず、複数の第１フィンガー電極５２ｍおよび第２フィンガー電極６２ｍのみから構成されてもよい。
第１バスバー電極５１ｍ、第２バスバー電極６１ｍ、第１フィンガー電極５２ｍおよび第２フィンガー電極６２ｍの厚みは、例えば、５μｍ以上かつ５０μｍ以下である。第１バスバー電極５１ｍおよび第２バスバー電極６１ｍの幅は、例えば、１００μｍ以上かつ２ｍｍ以下であり、第１フィンガー電極５２ｍおよび第２フィンガー電極６２ｍの幅は、例えば、２０μｍ以上かつ３００μｍ以下である。複数の第１フィンガー電極５２ｍおよび複数の第２フィンガー電極６２ｍのピッチは、例えば、５００μｍ以上かつ３ｍｍ以下である。
第１金属電極５０ｍと第２金属電極６０ｍのそれぞれは、例えば、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、錫（Ｓｎ）またはクロム（Ｃｒ）等の金属、または、これらの金属の少なくとも１つを含む合金により構成される。第１金属電極５０ｍおよび第２金属電極６０ｍのそれぞれは、単層で構成されてもよく、複数層で構成されてもよい。
太陽電池セル１０を平面視した場合、第１金属電極５０ｍの面積は第２金属電極６０ｍの面積よりも小さいことが好ましい。また、第１フィンガー電極５２ｍの本数は第２フィンガー電極６２ｍの本数よりも少ないことが好ましい。
なお、第１電極５０および第２電極６０は、それぞれ第１透明電極膜５０ｔおよび第２透明電極膜６０ｔを有さず、第１金属電極５０ｍおよび第２金属電極６０ｍが、それぞれ第１半導体層３０および第２半導体層４０と直接的に接続されてもよい。
以上のように、本発明の一様態に係る太陽電池セル１０は、第１主面２１および第２主面２２を有する第１導電型を有する半導体基板２０と、第２主面２２上に配置された第３非晶質シリコン層４１ａと、第３非晶質シリコン層４１ａ上に配置された第１導電型とは異なる第２導電型を有する第４非晶質シリコン層４２ｐと、を備え、第３非晶質シリコン層４１ａの第１導電型の不純物濃度は、半導体基板２０の第１導電型の不純物濃度より高く、第４非晶質シリコン層４２ｐの第２導電型の不純物濃度より低い。
また、第３非晶質シリコン層４１ａは、第２主面２２側から離れるほど、第１導電型の不純物濃度が低下する濃度勾配を有する。
また、半導体基板２０と第３非晶質シリコン層４１ａとの間に配置された酸化シリコン層をさらに備える。
また、第４非晶質シリコン層４２ｐの上に配置される第２電極６０をさらに備える。
また、第１導電型はｎ型であり、第２導電型はｐ型である。
［１．２ 太陽電池セルの製造方法］
実施の形態１に係る太陽電池セル１０の製造方法について説明する。
本実施の形態では、まず半導体基板２０として、第１導電型の結晶性シリコン基板を準備する。半導体基板２０の第１導電型の不純物濃度は、例えば、５×１０１３ｃｍ−３以上かつ１×１０１７ｃｍ−３以下であり、５×１０１４ｃｍ−３以上かつ２×１０１６ｃｍ−３以下が好ましい。また、結晶性シリコン基板の第１主面および第２主面は、（１００）面である。
次に、半導体基板２０を異方性エッチングする。これにより、（１１１）面を斜面とした四角錐が二次元状に配列された凹凸構造を、半導体基板２０の第１主面２１および第２主面２２に形成する。
具体的には、まず、半導体基板２０を異方性エッチング液に浸漬する。異方性エッチング液は、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つを含むアルカリ水溶液である。次に、半導体基板２０を、等方性エッチング液に侵漬する。これにより、テクスチャ構造の頂点および谷部がアール形状に加工される。等方性エッチング液は、例えば、フッ酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ３）との混合溶液、または、フッ酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ３）と酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）との混合溶液である。テクスチャ構造の頂点および谷部をアール形状に加工することによって、太陽電池セル１０の接触割れを抑制することができる。
次に、半導体基板２０の第１主面側２１に第２不純物領域２４を形成し、第２主面側２２に第３不純物領域２５を形成する。第２不純物領域２４および第３不純物領域２５の第１導電型の不純物として、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）またはＳｂ（アンチモン）等を使用できる。第２不純物領域２４および第３不純物領域２５は、例えば、熱拡散法、プラズマドープ法、エピタキシャル成長法またはイオン注入法等により形成できる。
第２不純物領域２４および第３不純物領域２５の形成法として、熱拡散法を用いる場合、特にＰＯＣｌ３ガスを使用すると、半導体基板２０の第１主面２１側および第２主面２２側に欠陥の発生を抑制した状態で、第１導電型の不純物であるリン（Ｐ）を好適に添加できる。また、ＰＯＣｌ３ガスに替えて、ウェットプロセスで半導体基板２０の第１主面２１および第２主面２２上に形成した第１導電型の不純物であるリン（Ｐ）を含有する酸化膜を、第１導電型の不純物であるリン（Ｐ）ドーパントの拡散源として利用することもできる。
また、第２不純物領域２４および第３不純物領域２５の形成法として、プラズマドープ法を用いる場合、ホスフィン（ＰＨ３）を水素（Ｈ２）で希釈した原料ガスを使用でき、第１半導体層３０および第２半導体層４０をプラズマＣＶＤ法等の化学気相成膜法で形成する製造方法において、製造コストの低減を図ることができる。
また、第２不純物領域２４および第３不純物領域２５の形成法として、エピタキシャル成長法を用いる場合、例えば、熱拡散法を用いた場合と比べて、第２不純物領域２４および第３不純物領域２５の第１導電型の不純物濃度を、半導体基板２０と第１半導体層３０および第２半導体層４０との界面において、急峻に上昇させて、第２不純物領域２４全体および第３不純物領域２５全体で第１導電型の不純物濃度を容易に均一化できる。
また、第２不純物領域２４および第３不純物領域２５の形成法として、イオン注入法を用いる場合、イオン注入で生じた欠陥を低減するとともに注入したイオンを電気的に活性化するため、高温アニールを併用することが好ましい。
また、第２不純物領域２４および第３不純物領域２５の形成法として、熱拡散法、プラズマドープ法を用いた場合、半導体基板２０の第１主面２１および第２主面２２で第１導電型の不純物濃度が最も高くなり、第１主面２１および第２主面２２から離れるほど、第１導電型の不純物濃度が次第に低くなる濃度勾配が形成される。言い換えると、第２不純物領域２４は、第１主面２１から離れるほど、第１導電型の不純物濃度が低下する濃度勾配を有する。また、第３不純物濃度領域２５は、第２主面２２から離れるほど、第１導電型の不純物濃度が低下する濃度勾配を有する。
次に、半導体基板２０の第１主面２１および第２主面２２上に、非晶質シリコン層（３０ａ、４０ａ）を形成する。非晶質シリコン層（３０ａ、４０ａ）は、例えば、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等のＣＶＤ法等により形成できる。
第１非晶質シリコン層３１ｎおよび第２非晶質シリコン層３２ｎは、シラン（ＳｉＨ４）にホスフィン（ＰＨ３）を加え、水素（Ｈ２）で希釈した原料ガスを用いて形成できる。第３非晶質シリコン層４１ａは、シラン（ＳｉＨ４）にホスフィン（ＰＨ３）を加え、水素（Ｈ２）で希釈した原料ガスを用いて形成できる。また、第２非晶質シリコン層３２ｎおよび第３非晶質シリコン層４１ａは、製造装置などからのリン（Ｐ）の混入によっても形成できる。即ち、シラン（ＳｉＨ４）を水素（Ｈ２）で希釈した原料ガスを用いてＣＶＤ法により形成すると、製造装置などに付着したリン（Ｐ）の混入によって好適にリン（Ｐ）をドーピングすることができる。第４非晶質シリコン層４２ｐは、シラン（ＳｉＨ４）にジボラン（Ｂ２Ｈ６）を加え、水素（Ｈ２）で希釈した原料ガスを用いて形成できる。
図４は、半導体基板の略全域上に非晶質シリコン層を形成した正面図である。図４に示すとおり、半導体基板２０の第１主面２１および第２主面２２の全域ではなく略全域上に非晶質シリコン層（３０ａ、４０ａ）を形成することもできる。マスクを用いたＣＶＤ法によって、非晶質シリコン層を形成する成膜領域２６と、非晶質シリコン層が形成されない未成膜領域２７を形成することができる。図４（ａ）に示すように、半導体基板２０の４つ角にのみ、未成膜領域２７を形成することができる。図４（ｂ）は、図４（ａ）の変形の一例である。
次に、第１半導体層３０および第２半導体層４０上に、透明導電膜（５０ｔ、６０ｔ）を形成する。透明導電膜（５０ｔ、６０ｔ）は、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法等により形成できる。
次に、透明導電膜（５０ｔ、６０ｔ）上に、第１金属電極５０ｍおよび第２金属電極６０ｍを形成する。第１金属電極５０ｍおよび第２金属電極６０ｍは、例えば、Ａｇペースト等の導電性ペーストを用いてスクリーン印刷法により形成できる。スクリーン印刷法によって導電性ペーストを配置した後、乾燥又は焼結によって硬化させて形成できる。また、電解メッキ法または真空蒸着法等により形成することもできる。
（実施の形態２）
［２．１ 実施の形態２に係る太陽電池セルの構成］
図５は、実施の形態２に係る太陽電池セル１０Ａの構造を示す断面図である。以下では、実施の形態１と同様の構成要素には同じ符号を用いて重複する説明を省略する。図５に示すとおり、本実施の形態に係る太陽電池セル１０Ａは、第１半導体層３０が第１酸化シリコン層３３ｏと第１導電型の第２結晶シリコン層３４ｎとを有し、第２半導体層４０が第３酸化シリコン層４３ｏと第２導電型の第４結晶シリコン層４４ｐとを有する点で、実施の形態１に係る太陽電池セル１０と異なる。太陽電池セル１０Ａは、半導体基板２０の第１主面２１から、第１酸化シリコン層３３ｏと第２結晶シリコン層３４ｎとをこの順番に有する。また、太陽電池セル１０Ａは、半導体基板２０の第２主面２２から、第３酸化シリコン層４３ｏと第４結晶シリコン層４４ｐとをこの順番に有する。
第１酸化シリコン層３３ｏおよび第３酸化シリコン層４３ｏの膜厚は、例えば、１ｎｍ以上かつ５ｎｍ以下である。
第２結晶シリコン層３４ｎおよび第４結晶シリコン層４４ｐは、単結晶シリコン、多結晶シリコンまたは微結晶シリコンにより構成される。第２結晶シリコン層３４ｎおよび第４結晶シリコン層４４ｐの膜厚は、例えば、４ｎｍ以上かつ４００ｎｍ以下である。第２結晶シリコン層３４ｎの第１導電型の不純物濃度は、例えば、１×１０１７ｃｍ−３以上かつ２×１０２０ｃｍ−３以下であり、５×１０１８ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下が好ましい。第４結晶シリコン層４４ｐの第２導電型の不純物濃度は、例えば、１×１０１７ｃｍ−３以上かつ２×１０２０ｃｍ−３以下であり、５×１０１８ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下が好ましい。
第３酸化シリコン層４３ｏは、第１導電型の不純物を含有する。第３酸化シリコン層４３ｏは、第１導電型の不純物として、例えば、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）またはアンチモン（Ｓｂ）などのドーパントが添加される。第３酸化シリコン層４３ｏの第１導電型の不純物濃度は、例えば、１×１０１６ｃｍ−３以上であり、１×１０１７ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下であることが好ましい。第３酸化シリコン層４３ｏの第１導電型の不純物濃度は、半導体基板２０の第１不純物領域２３および第３不純物領域２５の第１導電型の不純物濃度より高い。第３酸化シリコン層４３ｏの第１導電型の不純物濃度は、第１酸化シリコン層３３ｏおよび第２結晶シリコン層３４ｎの第１導電型の不純物濃度より低いことが好ましい。なお、第３酸化シリコン層４３ｏは、非晶質シリコン系薄膜により形成される第１シリコン層の一例である。
第４結晶シリコン層４４ｐの第２導電型の不純物濃度は、第３酸化シリコン層４３ｏの第１導電型の不純物濃度より高い。なお、第４結晶シリコン層４４ｐは、シリコン系薄膜により形成される第２シリコン層の一例である。
第３酸化シリコン層４３ｏに第１導電型のドーパントを好適に添加すると、第３酸化シリコン層４３ｏの導電性を改善することができるとともに、第１導電型の半導体基板２０と第２導電型の第２半導体層４０とにより形成されるｐｎ接合において、キャリア再結合を抑制しながらキャリアを分離する機能を高く維持することができる。これにより、太陽電池セル１０Ａの発電特性を向上させることができる。
（実施の形態３）
［３．１ 実施の形態３に係る太陽電池モジュールの構成］
実施の形態３に係る太陽電池モジュール１１の概略構成について、図６および図７を参照しながら説明する。図６は、実施の形態３に係る太陽電池モジュール１１の構造を示す断面図である。図７は、実施の形態３に係る太陽電池モジュール１１の構造を示す受光面側の平面図である。なお、以下では、太陽電池モジュール１１は、太陽電池セル１０を複数備える例について説明するが、太陽電池セル１０に替えて太陽電池セル１０Ａを複数備えていてもよい。
図６および図７に示すとおり、太陽電池モジュール１１は、受光面保護材７０と、受光面封止材７１と、太陽電池ストリング７２と、裏面封止材７３と、裏面保護材７４とを、この順番に積層した積層構造を有する。太陽電池ストリング７２は、複数の太陽電池セル１０を複数の配線材７５で電気的に直列に接続して形成される。太陽電池モジュール１１は、その周囲にフレーム７６を備える。
受光面保護材７０は、例えば、ガラスである。裏面保護材７４は、例えば、アルミニウムシートやガラスである。受光面封止材７１および裏面封止材７３は、例えば、ＥＶＡである。配線材７５は、例えば、銅製である。フレーム７６は、例えば、アルミニウム製である。
（その他の変形例等）
以上、本発明に係る太陽電池セルおよび太陽電池モジュールについて、実施の形態１〜３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るものではない。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およ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。
なお、実施の形態１〜２において、半導体基板２０の第１主面２１が裏面であり、第２主面２２が受光面であってもよい。また、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型であってもよい。
１０、１０Ａ 太陽電池セル
１１ 太陽電池モジュール
２０ 半導体基板
２１ 第１主面
２２ 第２主面
２３ 第１不純物領域
２４ 第２不純物領域
２５ 第３不純物領域
２６ 成膜領域
２７ 未成膜領域
３０ 第１半導体層
３０ａ 非晶質シリコン層
３１ｎ 第１非晶質シリコン層
３２ｎ 第２非晶質シリコン層
３３ｏ 第１酸化シリコン層
３４ｎ 第２結晶シリコン層
４０ 第２半導体層
４０ａ 非晶質シリコン層
４１ａ 第３非晶質シリコン層（第１シリコン層）
４２ｐ 第４非晶質シリコン層（第２シリコン層）
４３ｏ 第３酸化シリコン層（第１シリコン層）
４４ｐ 第４結晶シリコン層（第２シリコン層）
５０ 第１電極
５０ｍ 第１金属電極
５０ｔ 第１透明導電膜
５１ｍ 第１バスバー電極
５２ｍ 第１フィンガー電極
６０ 第２電極
６０ｍ 第２金属電極
６０ｔ 第２透明導電膜
６１ｍ 第２バスバー電極
６２ｍ 第２フィンガー電極
７０ 受光面保護材
７１ 受光面封止材
７２ 太陽電池ストリング
７３ 裏面封止材
７４ 裏面保護材
７５ 配線材
７６ フレーム

Claims (6)

  1. 第１導電型を有する半導体基板と、
    前記半導体基板の主面上に配置された、非晶質シリコン系薄膜により形成される第１シリコン層と、
    前記第１シリコン層上に配置された、前記第１導電型と異なる第２導電型を有するシリコン系薄膜により形成される第２シリコン層と、を備え、
    前記第１シリコン層の前記第１導電型の不純物濃度は、前記半導体基板の前記第１導電型の不純物濃度より高く、前記第２シリコン層の前記第２導電型の不純物濃度より低い、太陽電池セル。
  2. 前記第１シリコン層は、前記主面から離れるほど、前記第１導電型の不純物濃度が低下する濃度勾配を有する、請求項１に記載の太陽電池セル。
  3. 前記半導体基板と前記第１シリコン層との間に配置された酸化シリコン層をさらに備える、請求項１または２に記載の太陽電池セル。
  4. 前記第２シリコン層上に配置される第２電極をさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽電池セル。
  5. 前記第１導電型はｎ型であり、前記第２導電型はｐ型である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の太陽電池セル。
  6. 複数の太陽電池セルを複数の配線材によって電気的に直列に接続した太陽電池ストリングを備える太陽電池モジュールであって、
    前記複数の太陽電池セルのそれぞれは、請求項１〜５のいずれか一項に記載の太陽電池セルである、太陽電池モジュール。
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