JP2021190672A - 太陽電池モジュール、太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

太陽電池モジュール、太陽電池及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】太陽電池モジュール、太陽電池及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の太陽電池は、半導体層と前記半導体層の裏面に配置されたパッシベーション層とを備える。前記パッシベーション層は、第１の屈折率を有する第１の窒化酸化シリコン膜層と、第２の屈折率を有する第２の窒化酸化シリコン膜層と、第３の屈折率を有する少なくとも１層の窒化シリコン膜層とを順に積層してなる。前記第１の窒化酸化シリコン膜層と第２の窒化酸化シリコン膜層の合計厚さが６０ｎｍ超であり、前記窒化シリコン膜層全体の厚さが６０ｎｍ超であり、且つ前記パッシベーション層における各層の合計厚さが１２０ｎｍ超、且つ３００ｎｍ未満である。前記第１の屈折率が第２の屈折率より大きく第３の屈折率より小さい。前記パッシベーション膜により、電池の裏面パッシベーション特性及び電池効率を向上させ、太陽電池モジュールのＰＩＤ劣化を軽減することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池の分野に関し、特に太陽電池モジュール、太陽電池及びその製造方法に関する。
現在、裏面パッシベーション特性を向上させることは、ＰＥＲＣ電池（Passive Emitter and Rear Cell）の効率を向上させるための有効な手段である。従来のＰＥＲＣ電池は、酸化アルミニウム／窒化シリコン（ＡＬＯｘ／ＳｉＮｘ）の積層体を裏面パッシベーション層として採用している。酸化アルミニウムのアモルファス誘電体膜とシリコンとの界面に高濃度の負電荷を有し、ｐ型又はｎ型電池半導体層の表面に対して良いパッシベーション効果を有するが、その設備コストが高く、生産能力が低いことから、現代の工業化大量生産に不利である。
また、電圧誘起劣化（ＰＩＤ、Potential Induced Degradation）が、太陽電池の寿命や性能にも重大な影響を及ぼす。電圧誘起劣化の主要因として、太陽電池モジュールの封止材であるガラスの内部の金属Ｎａ＋イオンが太陽電池方向に沿ってセル内部に移動し、ｐ−ｎ接合を破壊した結果、モジュールの発電能力が劣化し、信頼性が低下することになることである。例えば、酸化アルミニウム／窒化シリコンの積層体であるパッシベーション膜によるＰＥＲＣ電池の構成について、通常、ＥＶＡ（エチレン−酢酸ビニル）により封止されたｐ型ＰＥＲＣ両面発電型両面ガラス太陽電池モジュールは、その表裏両面にＰＩＤ劣化現象が顕著である。通常、この問題を解決するためには、封止材を変更し、例えば、ＰＯＥ（ポリオレフィン）により封止すれば、太陽電池モジュールの表面にはＰＩＤ劣化現象が緩和されるが、裏面にはＰＩＤ劣化現象が残り、電池の効率に依然として悪影響を与える。
したがって、電池のＰＩＤ劣化を軽減し、電池の効率を向上させることができる製造方法及び対応する太陽電池が求められている。
上記従来技術における欠点を解消するために、本発明は太陽電池を提供する。
本発明の一形態によれば、半導体層と前記半導体層の裏面に配置されたパッシベーション層とを備える太陽電池であって、前記パッシベーション層は、第１の屈折率を有する第１の窒化酸化シリコン膜層と、前記第１の窒化酸化シリコン膜層の表面に配置され、第２の屈折率を有する第２の窒化酸化シリコン膜層と、前記第２の窒化酸化シリコン膜層の表面に配置され、第３の屈折率を有する少なくとも１層の窒化シリコン膜層とを有し、前記第１の窒化酸化シリコン膜層と前記第２の窒化酸化シリコン膜層の合計厚さが６０ｎｍ超であり、前記窒化シリコン膜層の厚さが６０ｎｍ超であり、且つ前記パッシベーション層における各層の合計厚さが１２０ｎｍ超、且つ３００ｎｍ未満であり、前記第１の屈折率が前記第２の屈折率より大きく前記第３の屈折率より小さいことを特徴とする太陽電池を提供する。
好ましくは、前記第２の屈折率に対する前記第１の屈折率の比が、１．０３〜１．２１である。
好ましくは、前記第３の屈折率に対する前記第１の屈折率の比が、０．７９〜０．８７である。
好ましくは、前記第３の屈折率に対する前記第２の屈折率の比が、０．７２〜０．７７である。
好ましくは、前記第１の屈折率が、１．６２〜１．７１の範囲内である。
好ましくは、前記第２の屈折率が、１．４８〜１．６１の範囲内である。
好ましくは、前記第３の屈折率が、２．０８〜２．１１の範囲内である。
本発明の一形態によれば、半導体層と前記半導体層の裏面に配置されたパッシベーション層とを備える少なくとも１つの太陽電池を有する太陽電池モジュールであって、前記パッシベーション層は、第１の屈折率を有する第１の窒化酸化シリコン膜層と、前記第１の窒化酸化シリコン膜層の表面に配置され、第２の屈折率を有する第２の窒化酸化シリコン膜層と、前記第２の窒化酸化シリコン膜層の表面に配置され、第３の屈折率を有する少なくとも１層の窒化シリコン膜層とを有し、前記第１の窒化酸化シリコン膜層と第２の窒化酸化シリコン膜層の合計厚さが６０ｎｍ超であり、前記窒化シリコン膜層の厚さが６０ｎｍ超であり、且つ前記パッシベーション層における各層の合計厚さが１２０ｎｍ超、且つ３００ｎｍ未満であり、前記第１の屈折率が前記第２の屈折率より大きく前記第３の屈折率より小さい太陽電池モジュールを提供する。
本発明の一形態によれば、第１の屈折率を有する第１の窒化酸化シリコン膜層と、第２の屈折率を有する第２の窒化酸化シリコン膜層と、第３の屈折率を有する少なくとも１層の窒化シリコン膜層とが半導体層の裏面に順に堆積され、共同してパッシベーション層を形成することを含む太陽電池の製造方法であって、前記第１の窒化酸化シリコン膜層と前記第２の窒化酸化シリコン膜層の合計厚さが６０ｎｍ超であり、前記窒化シリコン膜層の厚さが６０ｎｍ超であり、且つ前記パッシベーション層における各層の合計厚さが１２０ｎｍ超、且つ３００ｎｍ未満であり、前記第１の屈折率が前記第２の屈折率より大きく前記第３の屈折率より小さい太陽電池の製造方法を提供する。
好ましくは、前記第１の窒化酸化シリコン膜層を堆積する時に、反応物はシラン、笑気ガスおよびアンモニアガスであり、前記シランの流量が３１０〜３８０ｓｃｃｍ、前記笑気ガスの流量が５０００〜６０００ｓｃｃｍ、前記アンモニアガスの流量が１６００〜２６００ｓｃｃｍであり、堆積温度が４８０〜５１０℃であり、電力が９０００〜９５００Ｗである。
好ましくは、前記第２の窒化酸化シリコン膜層を堆積する時に、反応物はシラン、笑気ガスおよびアンモニアガスであり、前記シランの流量が２８０〜３２０ｓｃｃｍ、前記笑気ガスの流量が６０００〜７０００ｓｃｃｍ、前記アンモニアガスの流量が３００〜８００ｓｃｃｍであり、堆積温度が４８０〜５１０℃であり、電力が９０００〜９５００Ｗである。
好ましくは、前記窒化シリコン膜層を堆積する時に、反応物はシランおよびアンモニアガスであり、前記シランの流量が８００〜１４２０ｓｃｃｍ、前記アンモニアガスの流量が４０００〜１００００ｓｃｃｍであり、堆積温度が４８０〜５１０℃であり、電力が８５００〜９５００Ｗである。
従来のパッシベーション層（アルミナ含有）でパッシベーションされた太陽電池に比べて、本発明の結晶シリコン表面に酸化アルミニウムパッシベーション膜を有しない構造は、裏面パッシベーション特性を効果的に向上させることができる。例えば、パッシベーション膜層には大量の水素原子が含まれており、良好なパッシベーション効果を奏しうるとともに、酸素原子の存在によって窒化酸化シリコンがシリコン表面に良好な界面品質を有し、従来の酸化アルミニウム含有膜層系製品の高信頼性と低コストを両立できない矛盾を解消できる。また、例えば、半導体層の裏面パッシベーション層の最外層として窒化シリコン膜層を採用した場合、窒化シリコン薄膜が高温焼結後に高い緻密性及び耐食性を有するため、金属Ｎａ＋の膜層内での拡散侵食を抑制し、太陽電池モジュールのＰＩＤ劣化を緩和することができる。また、前記パッシベーション層における各層の屈折率及び／又は厚さの好ましい関係により、高い電池の効率が得られる。
本発明の実施例で示される太陽電池の構成を示す模式図である。 本発明の実施例で示される太陽電池の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例で示される太陽電池の例示的なデータである。 本発明の実施例で示される太陽電池の第１の窒化酸化シリコン膜層の厚さ及び屈折率によるその電池効率の等値線図である。 本発明の実施例で示される太陽電池の第２の窒化酸化シリコン膜層の厚さ及び屈折率によるその電池効率の等値線図である。
以下、図面を参照して、本発明の具体的な実施形態を説明する。なお、本明細書に記載の実施形態は、網羅的なものではなく、本発明の唯一の実施形態とは限らない。以下の対応する実施例は、単に本発明を明確に説明するためのものであり、その実施形態を限定することを意図していない。当業者にとって、これらの実施例の説明に基づいて、種々変形や変更することが可能であり、つまり、本発明の技術思想と発明内容に該当する明らかな変形や変更であれば、本発明の範囲にも含まれる。
本発明は、太陽電池を提供する。図１は本発明の実施例で示される太陽電池の構成を示す模式図である。該太陽電池は、半導体層１と、前記半導体層１の裏面に配置されたパッシベーション層２とを有する。好ましくは、前記パッシベーション層２は、第１の窒化酸化シリコン膜層２１、第２の窒化酸化シリコン膜層２２及び窒化シリコン膜層２３を有する。前記第１の窒化酸化シリコン膜層２１が前記半導体層１の裏面に設けられており、第２の窒化酸化シリコン膜層２２が前記第１の窒化酸化シリコン膜層２１の表面に設けられており、前記窒化シリコン膜層２３が前記第２の窒化酸化シリコン膜層２２の表面に設けられている。いくつかの実施例において、前記パッシベーション層における各層の積層順が、様々であってもよく、図１に示される順序に限らない。
いくつかの実施例において、前記半導体層１は、シリコン基板を有してもよい。典型的なシリコン基板は、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板、擬似単結晶シリコン基板等を含むがこれらに限定されない。例えば、前記半導体層１は、単結晶シリコン基板（Ｐ型シリコン基板又はＮ型シリコン基板）である。
好ましくは、半導体層１と第１のパッシベーション層２１の間には、少なくとも１層の酸化シリコン層（図１では不図示）が介在してもよい。いくつかの実施例において、前記酸化シリコン層の厚さが、１〜１０ｎｍであり、好ましくは１〜３ｎｍである。いくつかの実施例において、前記酸化シリコン層は、前記パッシベーション層の一部と見なされる。いくつかの実施例において、前記酸化シリコン層は、前記半導体層１の一部と見なされる。
いくつかの実施例において、前記パッシベーション層２における各層が、原子層堆積、化学気相成長、プラズマ増強化学気相成長又は物理気相成長などの方法で得られる。
いくつかの実施例において、前記パッシベーション層２において、少なくとも１層の屈折率がその他の層の屈折率と異なり、かつ各層の屈折率が互いに特定の関係を満たしている。前記膜層の構成を設計する際には、その各層の屈折率の関係を十分に考慮すべきである。
好ましくは、前記第１の窒化酸化シリコン膜層２１の屈折率（第１の屈折率ともいう）は、前記第２の窒化酸化シリコン膜層２２の屈折率（第２の屈折率ともいう）より高い。いくつかの実施例において、前記第１の屈折率と前記第２の屈折率が、第１の関係を満足する。前記第１の関係は、前記第２の屈折率に対する前記第１の屈折率の比が１．０３〜１．２１であることを含む。例えば、第２の屈折率に対する第１の屈折率の比としては、１．０５、１．１０、１．１５、１．２０等が挙げられる。
好ましくは、前記第１の窒化酸化シリコン膜層２１の屈折率（即ち、第１の屈折率）が、窒化シリコン膜層２３の屈折率（第３の屈折率ともいう）より低い。いくつかの実施例において、前記第１の屈折率と前記第３の屈折率が、第２の関係を満足する。前記第２の関係は、前記第３の屈折率に対する前記第１の屈折率の比が０．７９〜０．８７であることを含む。例えば、第３の屈折率に対する第１の屈折率の比としては、０．８０、０．８１、０．８２、０．８３、０．８４、０．８５等が挙げられる。
好ましくは、前記第２の窒化酸化シリコン膜層２２の屈折率（即ち、第２の屈折率）は、窒化シリコン膜層２３の屈折率（即ち、第３の屈折率）より低い。いくつかの実施例において、前記第２の屈折率と前記第３の屈折率が、第３の関係を満足する。前記第３の関係は、前記第３の屈折率に対する前記第２の屈折率の比が０．７２〜０．７７であることを含む。例えば、第３の屈折率に対する第２の屈折率の比としては、０．７３、０．７４、０．７５、０．７６等が挙げられる。
いくつかの実施例において、前記第１の屈折率の選択可能な範囲が、１．６２〜１．７１である。
いくつかの実施例において、前記第２の屈折率の選択可能な範囲が、１．４８〜１．６１である。
いくつかの実施例において、前記第３の屈折率の選択可能な範囲が、２．０８〜２．１１である。
いくつかの実施例において、前記窒化シリコン膜層２３は、複数の層から構成されてもよい。好ましくは、前記窒化シリコン膜層２３は、１〜３層の窒化シリコンサブ層から構成される。いくつかの実施例において、前記窒化シリコンサブ層において、少なくとも一部のサブ層の屈折率がその他のサブ層の屈折率と異なる。例えば、第１の窒化シリコンサブ層の屈折率が２．０８、第２の窒化シリコンサブ層の屈折率が２．０９、第３の窒化シリコンサブ層の屈折率が２．１０である。前記複数の窒化シリコンサブ層全体の屈折率が、２．０８〜２．１１の範囲内にある必要がある。
いくつかの実施例において、前記パッシベーション層２の各膜層（２１、２２、２３）の厚さは、少なくとも一部の膜層の厚さがその他の膜層の厚さと異なってもよい。
好ましくは、前記第１の窒化酸化シリコン膜層２１の厚さ（ｄ１）と前記第２の窒化酸化シリコン膜層２２の厚さ（ｄ２）が合計で６０ｎｍ超であり、前記窒化シリコン膜層２３の厚さ（ｄ３）が６０ｎｍ超である。
好ましくは、前記パッシベーション層２における各層の合計厚さが、１２０〜３００ｎｍである。
図１に示されるように、前記太陽電池は、半導体層１の表面に配置された拡散層３をさらに備える。前記拡散層３は、リンドープ拡散層又はボロンドープ拡散層を含んでもよい。例えば、Ｐ型半導体層の場合、前記拡散層３は、リンドープ拡散層であり、Ｎ型半導体層の場合、前記拡散層３は、ボロンドープ拡散層である。前記拡散層３の極性が前記半導体層１の極性と反対であり、ＰＮ接合構造を形成する。いくつかの実施例において、前記半導体層１の厚さは、１６０〜２２０μｍである。
前記拡散層３の表面には、反射低減層４がさらに設けられている。いくつかの実施例において、前記反射低減層４としては、多層膜構造であってもよく、酸化アルミニウム膜層、窒化シリコン膜層、窒化酸化シリコン膜層などが挙げられるがこれらに限定されない。いくつかの実施例において、前記反射低減層４を、前記パッシベーション層２と類似した又は実質的に同じ膜層にしてもよい。前記反射低減層４は、電池表面に入射した光の反射率を低下させる作用に加えて、電池表面をパッシベーションする作用も奏しうる。いくつかの実施例において、前記反射低減層４は、パッシベーション層とも呼ばれる。
なお、ここで説明される半導体層の表面は、太陽に面する表面、すなわち受光面を含んでもよく、裏面は前記受光面の反対面である。前記半導体層１としては、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板、擬似単結晶シリコン基板等が挙げられるがこれらに限定されない。好ましくは、前記半導体層１は、単結晶シリコン基板である。
いくつかの実施例において、前記半導体層１の抵抗率が、０．５〜３Ω・ｃｍである。前記抵抗率は、好ましくは０．５〜２．５Ω・ｃｍであり、より好ましくは０．５〜３Ω・ｃｍである。
いくつかの実施例において、半導体層の裏面には、全体及び/又は一部が前記パッシベーション層２を貫通して前記半導体層とのオーミック接触を形成できる裏面電極（図１では不図示）が形成される。例えば、スクリーン印刷技術を用いて半導体層の裏面に導電ペーストを印刷し、乾燥させ、グリッド線状の裏面電極を形成してもよい。前記裏面電極の導電ペーストは、透過性を有する導電銀ペーストであってもよく、焼結後にパッシベーション層２における各層を貫通して半導体層と電気的に接続することができる。
いくつかの実施例において、半導体層の表面には、全体及び/又は一部が前記反射低減層４を貫通して前記半導体層とのオーミック接触を形成できる表面電極（図１では不図示）が形成される。好ましくは、前記表面電極は、グリッド線構造である。例えば、スクリーン印刷技術を用いて半導体層の表面に導電ペーストを印刷し、乾燥させ、グリッド線状の表面電極を形成してもよい。前記表面電極の導電ペーストは、透過性を有する導電銀ペーストであってもよく、焼結後に反射低減層４における各層を貫通して半導体層と電気的に接続することができる。
なお、前記パッシベーション膜構造は、ＰＥＲＣ太陽電池、インターデジタルバックコンタクト（ＩＢＣ）太陽電池、シリコンヘテロ接合（ＳＨＪ）太陽電池、ヘテロ接合バックコンタクト（ＨＢＣ）太陽電池、トンネル酸化膜パッシベーションコンタクト（ＴＯＰＣｏｎ）太陽電池、ＰＯＬＯ太陽電池などの多種の太陽電池の製造に用いられることが理解される。
いくつかの実施例において、前記パッシベーション膜構造体により製造された太陽電池は、太陽電池モジュールの製造に用いられる。前記太陽電池モジュールとしては、瓦型モジュール、タイリングリボンモジュール、両面モジュール、マルチバスバーモジュールなどが挙げられるがこれらに限られない。例えば、少なくとも１つの前記製造された電池から構成される電池片を取得し、タブ線により前記電池片をシリーズ溶接し、積層プロセスでバックシート、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）及び電池片を一定の順序で積層した後、前記積層された構造体にフレームを取り付けて、モジュールを製造する。前記電池片は、少なくとも１つの前記太陽電池から構成される。前記太陽電池は、受光した光エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。前記モジュールは、電池で得られた電気エネルギーを電気部品に伝達する。
従来のパッシベーション層（酸化アルミニウム含有）でパッシベーションされた太陽電池に比べて、前記のように設計された、結晶シリコン表面に酸化アルミニウムを有しないパッシベーション膜の構造は、裏面パッシベーション特性を効果的に向上させることができる。例えば、パッシベーション膜層には大量の水素原子が含まれており、良好なパッシベーション効果を奏しうるとともに、酸素原子の存在によって窒化酸化シリコンがシリコン表面に良好な界面品質を有し、従来の酸化アルミニウム含有膜層系製品の高信頼性と低コストを両立できない矛盾を解消できる。
あくまで例示であるが、図２は、本発明の実施例で示される太陽電池の製造方法を示すフローチャートである。該方法は後述する各ステップを含んでもよい。
ステップＳ２０１は、半導体層（例えば、半導体層１）をテクスチャ処理するステップである。当該ステップにおいて、半導体層をテクスチャ処理するために、ウェットエッチング法を使用してもよいがこれに限られない。例えば、半導体層が単結晶シリコンである場合、水酸化カリウム溶液などのアルカリ性溶液を使用してテクスチャ処理する。また、例えば、半導体層が多結晶シリコンである場合、フッ化水素酸溶液などの酸性溶液を使用してテクスチャ処理する。
本実施例においては、テクスチャ処理により半導体層の表面がテクスチャ構造になる。前記テクスチャ構造は、ピラミッド構造であってもよく、光閉じ込め効果を生じ、太陽電池による光線の吸収を増加し、これによって太陽電池の効率を向上する。
好ましくは、テクスチャ処理前に半導体層を洗浄（例えば、超音波洗浄など）することにより、表面における金属や有機汚染物などの不純物を除去する。
ステップＳ２０２は、前記半導体層（例えば、半導体層１）の表面に拡散層を形成するステップである。いくつかの実施例において、前記形成した拡散層としては、リンドープ拡散層又はボロンドープ拡散層が挙げられるがこれらに限られない。あくまで例示であるが、このステップにおける拡散はリンドープ拡散であり、拡散後、前記拡散層のシート抵抗が１４０〜１５０Ωである。具体的には、半導体層を管状拡散炉に入れ、オキシ塩化リンを拡散源として採用し、恒温領域の温度を８５０℃とし、最終的に形成されたリン拡散層の拡散後シート抵抗が１４０〜１５０Ωとなるように半導体層に対して拡散を行う。
任意のステップＳ２０３は、前記半導体層の表面にレーザによりＳＥ（selective emitter、選択エミッタ）ドープし、低濃度ドープ領域と高濃度ドープ領域を形成するステップである。いくつかの実施例において、ステップ２０３を省略しても良い。
ステップＳ２０４は、エッチングプロセスを行うステップである。当該ステップにおいて、フッ化水素酸でシリコ半導体層をエッチングし、ＰＳＧ（りんけい酸ガラス）を除去する。
ステップＳ２０５は、その後で電池をパッシベーションする作用を向上させるように、酸化処理を行うことによって酸化層を形成するステップである。前記酸化処理は、熱酸化と湿式酸化などを含むがこれらに限られない。任意選択で、前記酸化層としては、酸化シリコン層が好ましいがこれに限られない。いくつかの実施例において、前記酸化シリコン層の厚さは、１〜１０ｎｍであり、好ましくは、１〜３ｎｍである。
パッシベーション処理の方法としては、プラズマ増強化学気相成長（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition、ＰＥＣＶＤ）、原子層堆積（Atomic layer deposition、ＡＬＤ）、化学気相成長（Chemical Vapor Deposition、ＣＶＤ）及び物理気相成長（Physical Vapour Deposition、ＰＶＤ）等が挙げられるがこれらに限られず、具体的に以下のステップを含む。
ステップＳ２０６は、前記半導体層の裏面に第１の窒化酸化シリコン膜層を形成するステップである。いくつかの実施例において、前記第１の窒化酸化シリコン膜層は、高屈折率膜であり、第１の屈折率は、１．６２〜１．７１の範囲内にある。シラン、笑気ガスおよびアンモニアガスを前記第１の窒化酸化シリコン膜層の反応物として採用し、前記シランの流量が３１０〜３８０ｓｃｃｍ、前記笑気ガスの流量が５０００〜６０００ｓｃｃｍ、前記アンモニアガスの流量が１６００〜２６００ｓｃｃｍであり、堆積温度が４８０〜５１０℃であり、電力が９０００〜９５００Ｗである。好ましくは、前記第１の窒化酸化シリコン膜層の厚さの範囲が、１０〜６０ｎｍである。あくまで例示であるが、好ましくは、前記第１の窒化酸化シリコン膜層の屈折率の範囲が、１．６２〜１．６８である。より好ましくは、前記第１の窒化酸化シリコン膜層の屈折率の範囲が、１．６４〜１．６７である。前記第１の窒化酸化シリコン膜層の好ましい厚さの範囲が、３０〜４０ｎｍであってもよい。
ステップＳ２０７は、前記第１の窒化酸化シリコン膜層の下面に第２の窒化酸化シリコン膜層を形成するステップである。いくつかの実施例において、前記第２の窒化酸化シリコン膜層は、低屈折率膜であり、第２の屈折率が、１．４８〜１．６１の範囲にある。シラン、笑気ガスおよびアンモニアガスを前記第１の窒化酸化シリコン膜層の反応物として採用し、前記シランの流量が２８０−３２０ｓｃｃｍ、前記笑気ガスの流量が６０００−７０００ｓｃｃｍ、前記アンモニアガスの流量が３００−８００ｓｃｃｍであり、堆積温度が４８０〜５１０℃であり、電力が９０００〜９５００Ｗである。あくまで例示であるが、前記第２の窒化酸化シリコン膜層の厚さの範囲が、２０〜６０ｎｍである。好ましくは、前記第２の窒化酸化シリコン膜層の屈折率の範囲が、１．５４−１．５８である。前記第２の窒化酸化シリコン膜層の好ましい厚さの範囲が、４０〜５０ｎｍである。
ステップＳ２０８は、前記第２の窒化酸化シリコン膜層の下面に、半導体層の裏面パッシベーション層の最外層として、窒化シリコン膜層を形成するステップである。いくつかの実施例において、前記窒化シリコン膜層は、多層の窒化シリコンを含む。例えば、屈折率が徐々に変化する１〜３層の膜から構成された積層構造であってもよい。該窒化シリコン膜層全体の屈折率の範囲が、２．０２〜２．１５である。シランおよびアンモニアガスを前記窒化シリコン膜層の反応物として採用し、前記シランの流量が８００〜１４２０ｓｃｃｍ、前記アンモニアガスの流量が４０００〜１００００ｓｃｃｍであり、堆積温度が４８０〜５１０℃であり、電力が８５００〜９５００Ｗである。あくまで例示であるが、前記窒化シリコン膜層の厚さの範囲が、６０〜１８０ｎｍである。好ましくは、前記窒化シリコン膜層全体の屈折率の範囲が、２．０８〜２．１１である。前記窒化シリコン膜層の好ましい厚さの範囲が、８０〜１００ｎｍである。
ステップＳ２０９は、ステップＳ２０８で処理されたシリコンウェーハを金属化するステップである。当該ステップにおいて、レーザーグルービングにより金属化の目標領域中のパッシベーション膜を部分的に又は完全に除去し、スクリーン印刷技術を用いて電極を印刷し、表裏面電極を形成する。
いくつかの実施例において、前記製造方法により製造された太陽電池においては、前記第１の窒化酸化シリコン膜層と前記第２の窒化酸化シリコン膜層の合計厚さが６０ｎｍ超であり、前記窒化シリコン膜層の厚さが６０ｎｍ超であり、且つ前記パッシベーション層における各層の合計厚さが１２０ｎｍ超、且つ３００ｎｍ未満である。前記第１の窒化酸化シリコン膜層の第１の屈折率が、第２の窒化酸化シリコン膜層の第２の屈折率よりも大きく、窒化シリコン膜層の第３の屈折率よりも小さい。好ましくは、前記第２の屈折率に対する前記第１の屈折率の比の範囲が、１．０３〜１．２１である。好ましくは、前記第３の屈折率に対する前記第１の屈折率の比が、０．７９〜０．８７である。好ましくは、前記第３の屈折率に対する前記第２の屈折率の比が、０．７２〜０．７７である。
多層の窒化酸化シリコンと窒化シリコンでパッシベーションしていない太陽電池に比べて、本発明における半導体層の裏面が窒化酸化シリコンと窒化シリコンでパッシベーションした太陽電池（例えば、ＰＥＲＣ電池）は、裏面パッシベーション特性を効果的に向上させることができ、電池の少数キャリア寿命、開放電圧、短絡電流、フィルファクター、及び電池効率はでいずれも大きく向上する。
具体的には、窒化シリコンでパッシベーションした太陽電池、酸化アルミニウム及び酸化シリコンでパッシベーションした太陽電池、及び本発明における多層の窒化酸化シリコン及び窒化シリコンでパッシベーションした太陽電池に対して、同条件下で試験を行った。得られたデータは、下記表１の通りである。これにより、多層の窒化酸化シリコン及び窒化シリコンでパッシベーションした太陽電池の効率は、他の２種の太陽電池より優れていると考えられる。
Figure 2021190672
以下に具体的な実施例をもって本発明における太陽電池の窒化酸化シリコン／窒化シリコン膜層の厚さ、屈折率と電池効率との関係を詳細に説明する。
図３は、本発明における太陽電池の関連する例示的なデータを示す。
図３に記載の例示的なデータから分かるように、いくつかの実施例において、前記パッシベーション層における窒化酸化シリコン膜層の厚さ（第１の窒化酸化シリコン膜層と第２の窒化酸化シリコン膜層の合計厚さ）が６０ｎｍ超であり、前記窒化シリコン膜層の厚さが６０ｎｍ超であり、前記窒化酸化シリコン膜層と窒化シリコン膜層の合計厚さが１２０ｎｍ超、且つ３００ｎｍ未満である。
いくつかの実施例において、前記第２の屈折率に対する前記第１の屈折率の比が、１．０３〜１．２１であり、前記第３の屈折率に対する前記第１の屈折率の比が、０．７９〜０．８７であり、前記第３の屈折率に対する前記第１の屈折率の比が、０．７２〜０．７７である。
前記パッシベーション層における各層の厚さ及び／又は屈折率が前記した範囲を満たす場合、前記電池効率が向上する。
いくつかの実施例において、前記電池効率は、第１の窒化酸化シリコン膜層の厚さ（ｄ１）及び対応する第１の屈折率（ｎ１）に関連する。いくつかの実施例において、電池効率は、（１１．２＋０．０８８ｄ１×ｎ１−０．１４７×ｄ１−６．７×ｎ１）に正比例する。あくまで例示であるが、図４は、本発明の実施例における太陽電池の第１の窒化酸化シリコン膜層の厚さｄ１及び屈折率ｎ１による電池効率の等値線図を示す。図４には、横軸は屈折率ｎ１であり、縦軸は膜厚ｄ１である。図中の異なる色領域は、それぞれ異なる電池効率を示し、各色領域は、それぞれ符号１０１〜１０７で示される。右側の小図で示されるように、上から下の７つの色の小ブロックは、それぞれ、図中の符号１０１〜１０７の色領域に対応する。符号１０１の色領域は、電池効率が−０．２０よりも小さい範囲にあることを示し、類似に、符号１０７の色領域は、電池効率が０．０５より大きい範囲にあることを示す。当該図面からわかるように、ｎ１が１．６２〜１．６８、ｄ１が３０〜４０ｎｍとの好ましい範囲にあると、より高い電池効率が得られる。
いくつかの実施例において、電池効率は、第２の窒化酸化シリコン膜層の厚さ及び対応する屈折率に関連する。いくつかの実施例において、電池効率は、（２．６５−０．０００５９×ｄ２−１．７３×ｎ２）に正比例する。あくまで例示であるが、図５は、本発明の実施例における太陽電池の第２の窒化酸化シリコン膜層の厚さｄ２及び屈折率ｎ２による電池効率の等値線図を示す。図５には、横軸は屈折率ｎ２であり、縦軸は膜厚ｄ２である。図中の異なる色領域は、それぞれ異なる電池効率を示し、各色領域は、それぞれ符号１０１〜１０７で示される。右側の小図で示されるように、上から下の７つの色の小ブロックは、それぞれ、図中の符号１０１〜１０７の色領域に対応する。符号１０１の色領域は、電池効率が−０．２０よりも小さい範囲にあることを示し、類似に、符号１０７の色領域は、電池効率が０．０５より大きい範囲にあることを示す。当該図面からわかるように、ｎ２が１．５４〜１．５８、ｄ２が４０〜５０ｎｍとの好ましい範囲にあると、より高い電池効率が得られる。
なお、太陽電池のパッシベーション層を形成する際に、本発明の実施例におけるパッシベーション層の各膜層の厚さ及び屈折率の関係に基づいて、パッシベーション性に優れた膜層の構造が得られるように設計し、これにより、電池効率の向上を図ることができることが理解できる。また、従来のパッシベーション層（酸化アルミニウム含有）でパッシベーションされた太陽電池に比べて、前記設計された結晶シリコン表面に酸化アルミニウムを有しないパッシベーション膜の構造は、裏面パッシベーション特性を効果的に向上させることができる。例えば、パッシベーション膜層には大量の水素原子が含まれており、良好なパッシベーション効果を奏しうるとともに、酸素原子の存在によって窒化酸化シリコンがシリコン表面に良好な界面品質を有し、従来の酸化アルミニウム含有膜層系製品の高信頼性と低コストを両立できない矛盾を解消できる。
明らかに、当業者は、上記の実施例が本発明を説明するためのものに過ぎず、本発明を限定することを意図しておらず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、前記実施例の変化、変形はいずれも本発明の範囲内にある。
本発明は、太陽電池の分野に関し、特に太陽電池モジュール、太陽電池及びその製造方法に関する。
現在、裏面パッシベーション特性を向上させることは、ＰＥＲＣ電池（Passive Emitter and Rear Cell）の効率を向上させるための有効な手段である。従来のＰＥＲＣ電池は、酸化アルミニウム／窒化シリコン（ＡＬＯｘ／ＳｉＮｘ）の積層体を裏面パッシベーション層として採用している。酸化アルミニウムのアモルファス誘電体膜とシリコンとの界面に高濃度の負電荷を有し、ｐ型又はｎ型電池半導体層の表面に対して良いパッシベーション効果を有するが、その設備コストが高く、生産能力が低いことから、現代の工業化大量生産に不利である。
また、電圧誘起劣化（ＰＩＤ、Potential Induced Degradation）が、太陽電池の寿命や性能にも重大な影響を及ぼす。電圧誘起劣化の主要因として、太陽電池モジュールの封止材であるガラスの内部の金属Ｎａ＋イオンが太陽電池方向に沿ってセル内部に移動し、ｐ−ｎ接合を破壊した結果、モジュールの発電能力が劣化し、信頼性が低下することになることである。例えば、酸化アルミニウム／窒化シリコンの積層体であるパッシベーション膜によるＰＥＲＣ電池の構成について、通常、ＥＶＡ（エチレン−酢酸ビニル）により封止されたｐ型ＰＥＲＣ両面発電型両面ガラス太陽電池モジュールは、その表裏両面にＰＩＤ劣化現象が顕著である。通常、この問題を解決するためには、封止材を変更し、例えば、ＰＯＥ（ポリオレフィン）により封止すれば、太陽電池モジュールの表面にはＰＩＤ劣化現象が緩和されるが、裏面にはＰＩＤ劣化現象が残り、電池の効率に依然として悪影響を与える。
したがって、電池のＰＩＤ劣化を軽減し、電池の効率を向上させることができる製造方法及び対応する太陽電池が求められている。
上記従来技術における欠点を解消するために、本発明は太陽電池を提供する。
本発明の一形態によれば、半導体層と前記半導体層の裏面に配置されたパッシベーション層とを備える太陽電池であって、前記パッシベーション層は、第１の屈折率を有する第１の窒化酸化シリコン膜層と、前記第１の窒化酸化シリコン膜層の表面に配置され、第２の屈折率を有する第２の窒化酸化シリコン膜層と、前記第２の窒化酸化シリコン膜層の表面に配置され、第３の屈折率を有する少なくとも１層の窒化シリコン膜層とを有し、前記第１の窒化酸化シリコン膜層と前記第２の窒化酸化シリコン膜層の合計厚さが６０ｎｍ超であり、前記窒化シリコン膜層全体の厚さが６０ｎｍ超であり、且つ前記パッシベーション層における各層の合計厚さが１２０ｎｍ超、且つ３００ｎｍ未満であり、前記第１の屈折率が前記第２の屈折率より大きく前記第３の屈折率より小さいことを特徴とする太陽電池を提供する。
好ましくは、前記第２の屈折率に対する前記第１の屈折率の比が、１．０３〜１．２１である。
好ましくは、前記第３の屈折率に対する前記第１の屈折率の比が、０．７９〜０．８７である。
好ましくは、前記第３の屈折率に対する前記第２の屈折率の比が、０．７２〜０．７７である。
好ましくは、前記第１の屈折率が、１．６２〜１．７１の範囲内である。
好ましくは、前記第２の屈折率が、１．４８〜１．６１の範囲内である。
好ましくは、前記第３の屈折率が、２．０８〜２．１１の範囲内である。
本発明の一形態によれば、半導体層と前記半導体層の裏面に配置されたパッシベーション層とを備える少なくとも１つの太陽電池を有する太陽電池モジュールであって、前記パッシベーション層は、第１の屈折率を有する第１の窒化酸化シリコン膜層と、前記第１の窒化酸化シリコン膜層の表面に配置され、第２の屈折率を有する第２の窒化酸化シリコン膜層と、前記第２の窒化酸化シリコン膜層の表面に配置され、第３の屈折率を有する少なくとも１層の窒化シリコン膜層とを有し、前記第１の窒化酸化シリコン膜層と第２の窒化酸化シリコン膜層の合計厚さが６０ｎｍ超であり、前記窒化シリコン膜層全体の厚さが６０ｎｍ超であり、且つ前記パッシベーション層における各層の合計厚さが１２０ｎｍ超、且つ３００ｎｍ未満であり、前記第１の屈折率が前記第２の屈折率より大きく前記第３の屈折率より小さい太陽電池モジュールを提供する。
本発明の一形態によれば、第１の屈折率を有する第１の窒化酸化シリコン膜層と、第２の屈折率を有する第２の窒化酸化シリコン膜層と、第３の屈折率を有する少なくとも１層の窒化シリコン膜層とが半導体層の裏面に順に堆積され、共同してパッシベーション層を形成することを含む太陽電池の製造方法であって、前記第１の窒化酸化シリコン膜層と前記第２の窒化酸化シリコン膜層の合計厚さが６０ｎｍ超であり、前記窒化シリコン膜層全体の厚さが６０ｎｍ超であり、且つ前記パッシベーション層における各層の合計厚さが１２０ｎｍ超、且つ３００ｎｍ未満であり、前記第１の屈折率が前記第２の屈折率より大きく前記第３の屈折率より小さい太陽電池の製造方法を提供する。
好ましくは、前記第１の窒化酸化シリコン膜層を堆積する時に、反応物はシラン、笑気ガスおよびアンモニアガスであり、前記シランの流量が３１０〜３８０ｓｃｃｍ、前記笑気ガスの流量が５０００〜６０００ｓｃｃｍ、前記アンモニアガスの流量が１６００〜２６００ｓｃｃｍであり、堆積温度が４８０〜５１０℃であり、電力が９０００〜９５００Ｗである。
好ましくは、前記第２の窒化酸化シリコン膜層を堆積する時に、反応物はシラン、笑気ガスおよびアンモニアガスであり、前記シランの流量が２８０〜３２０ｓｃｃｍ、前記笑気ガスの流量が６０００〜７０００ｓｃｃｍ、前記アンモニアガスの流量が３００〜８００ｓｃｃｍであり、堆積温度が４８０〜５１０℃であり、電力が９０００〜９５００Ｗである。
好ましくは、前記窒化シリコン膜層を堆積する時に、反応物はシランおよびアンモニアガスであり、前記シランの流量が８００〜１４２０ｓｃｃｍ、前記アンモニアガスの流量が４０００〜１００００ｓｃｃｍであり、堆積温度が４８０〜５１０℃であり、電力が８５００〜９５００Ｗである。
従来のパッシベーション層（アルミナ含有）でパッシベーションされた太陽電池に比べて、本発明の結晶シリコン表面に酸化アルミニウムパッシベーション膜を有しない構造は、裏面パッシベーション特性を効果的に向上させることができる。例えば、パッシベーション膜層には大量の水素原子が含まれており、良好なパッシベーション効果を奏しうるとともに、酸素原子の存在によって窒化酸化シリコンがシリコン表面に良好な界面品質を有し、従来の酸化アルミニウム含有膜層系製品の高信頼性と低コストを両立できない矛盾を解消できる。また、例えば、半導体層の裏面パッシベーション層の最外層として窒化シリコン膜層を採用した場合、窒化シリコン薄膜が高温焼結後に高い緻密性及び耐食性を有するため、金属Ｎａ＋の膜層内での拡散侵食を抑制し、太陽電池モジュールのＰＩＤ劣化を緩和することができる。また、前記パッシベーション層における各層の屈折率及び／又は厚さの好ましい関係により、高い電池の効率が得られる。
本発明の実施例で示される太陽電池の構成を示す模式図である。 本発明の実施例で示される太陽電池の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例で示される太陽電池の例示的なデータである。 本発明の実施例で示される太陽電池の第１の窒化酸化シリコン膜層の厚さ及び屈折率によるその電池効率の等値線図である。 本発明の実施例で示される太陽電池の第２の窒化酸化シリコン膜層の厚さ及び屈折率によるその電池効率の等値線図である。
以下、図面を参照して、本発明の具体的な実施形態を説明する。なお、本明細書に記載の実施形態は、網羅的なものではなく、本発明の唯一の実施形態とは限らない。以下の対応する実施例は、単に本発明を明確に説明するためのものであり、その実施形態を限定することを意図していない。当業者にとって、これらの実施例の説明に基づいて、種々変形や変更することが可能であり、つまり、本発明の技術思想と発明内容に該当する明らかな変形や変更であれば、本発明の範囲にも含まれる。
本発明は、太陽電池を提供する。図１は本発明の実施例で示される太陽電池の構成を示す模式図である。該太陽電池は、半導体層１と、前記半導体層１の裏面に配置されたパッシベーション層２とを有する。好ましくは、前記パッシベーション層２は、第１の窒化酸化シリコン膜層２１、第２の窒化酸化シリコン膜層２２及び窒化シリコン膜層２３を有する。前記第１の窒化酸化シリコン膜層２１が前記半導体層１の裏面に設けられており、第２の窒化酸化シリコン膜層２２が前記第１の窒化酸化シリコン膜層２１の表面に設けられており、前記窒化シリコン膜層２３が前記第２の窒化酸化シリコン膜層２２の表面に設けられている。いくつかの実施例において、前記パッシベーション層における各層の積層順が、様々であってもよく、図１に示される順序に限らない。
いくつかの実施例において、前記半導体層１は、シリコン基板を有してもよい。典型的なシリコン基板は、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板、擬似単結晶シリコン基板等を含むがこれらに限定されない。例えば、前記半導体層１は、単結晶シリコン基板（Ｐ型シリコン基板又はＮ型シリコン基板）である。
好ましくは、半導体層１と第１の窒化酸化シリコン膜層２１の間には、少なくとも１層の酸化シリコン層（図１では不図示）が介在してもよい。いくつかの実施例において、前記酸化シリコン層の厚さが、１〜１０ｎｍであり、好ましくは１〜３ｎｍである。いくつかの実施例において、前記酸化シリコン層は、前記パッシベーション層の一部と見なされる。いくつかの実施例において、前記酸化シリコン層は、前記半導体層１の一部と見なされる。
いくつかの実施例において、前記パッシベーション層２における各層が、原子層堆積、化学気相成長、プラズマ増強化学気相成長又は物理気相成長などの方法で得られる。
いくつかの実施例において、前記パッシベーション層２において、少なくとも１層の屈折率がその他の層の屈折率と異なり、かつ各層の屈折率が互いに特定の関係を満たしている。前記膜層の構成を設計する際には、その各層の屈折率の関係を十分に考慮すべきである。
好ましくは、前記第１の窒化酸化シリコン膜層２１の屈折率（第１の屈折率ともいう）は、前記第２の窒化酸化シリコン膜層２２の屈折率（第２の屈折率ともいう）より高い。いくつかの実施例において、前記第１の屈折率と前記第２の屈折率が、第１の関係を満足する。前記第１の関係は、前記第２の屈折率に対する前記第１の屈折率の比が１．０３〜１．２１であることを含む。例えば、第２の屈折率に対する第１の屈折率の比としては、１．０５、１．１０、１．１５、１．２０等が挙げられる。
好ましくは、前記第１の窒化酸化シリコン膜層２１の屈折率（即ち、第１の屈折率）が、窒化シリコン膜層２３の屈折率（第３の屈折率ともいう）より低い。いくつかの実施例において、前記第１の屈折率と前記第３の屈折率が、第２の関係を満足する。前記第２の関係は、前記第３の屈折率に対する前記第１の屈折率の比が０．７９〜０．８７であることを含む。例えば、第３の屈折率に対する第１の屈折率の比としては、０．８０、０．８１、０．８２、０．８３、０．８４、０．８５等が挙げられる。
好ましくは、前記第２の窒化酸化シリコン膜層２２の屈折率（即ち、第２の屈折率）は、窒化シリコン膜層２３の屈折率（即ち、第３の屈折率）より低い。いくつかの実施例において、前記第２の屈折率と前記第３の屈折率が、第３の関係を満足する。前記第３の関係は、前記第３の屈折率に対する前記第２の屈折率の比が０．７２〜０．７７であることを含む。例えば、第３の屈折率に対する第２の屈折率の比としては、０．７３、０．７４、０．７５、０．７６等が挙げられる。
いくつかの実施例において、前記第１の屈折率の選択可能な範囲が、１．６２〜１．７１である。
いくつかの実施例において、前記第２の屈折率の選択可能な範囲が、１．４８〜１．６１である。
いくつかの実施例において、前記第３の屈折率の選択可能な範囲が、２．０８〜２．１１である。
いくつかの実施例において、前記窒化シリコン膜層２３は、複数の層から構成されてもよい。好ましくは、前記窒化シリコン膜層２３は、１〜３層の窒化シリコンサブ層から構成される。いくつかの実施例において、前記窒化シリコンサブ層において、少なくとも一部のサブ層の屈折率がその他のサブ層の屈折率と異なる。例えば、第１の窒化シリコンサブ層の屈折率が２．０８、第２の窒化シリコンサブ層の屈折率が２．０９、第３の窒化シリコンサブ層の屈折率が２．１０である。前記複数の窒化シリコンサブ層全体の屈折率が、２．０８〜２．１１の範囲内にある必要がある。
いくつかの実施例において、前記パッシベーション層２の各膜層（２１、２２、２３）の厚さは、少なくとも一部の膜層の厚さがその他の膜層の厚さと異なってもよい。
好ましくは、前記第１の窒化酸化シリコン膜層２１の厚さ（ｄ１）と前記第２の窒化酸化シリコン膜層２２の厚さ（ｄ２）が合計で６０ｎｍ超であり、前記窒化シリコン膜層２３の厚さ（ｄ３）が６０ｎｍ超である。
好ましくは、前記パッシベーション層２における各層の合計厚さが、１２０〜３００ｎｍである。
図１に示されるように、前記太陽電池は、半導体層１の表面に配置された拡散層３をさらに備える。前記拡散層３は、リンドープ拡散層又はボロンドープ拡散層を含んでもよい。例えば、Ｐ型半導体層の場合、前記拡散層３は、リンドープ拡散層であり、Ｎ型半導体層の場合、前記拡散層３は、ボロンドープ拡散層である。前記拡散層３の極性が前記半導体層１の極性と反対であり、ＰＮ接合構造を形成する。いくつかの実施例において、前記半導体層１の厚さは、１６０〜２２０μｍである。
前記拡散層３の表面には、反射低減層４がさらに設けられている。いくつかの実施例において、前記反射低減層４としては、多層膜構造であってもよく、酸化アルミニウム膜層、窒化シリコン膜層、窒化酸化シリコン膜層などが挙げられるがこれらに限定されない。いくつかの実施例において、前記反射低減層４を、前記パッシベーション層２と類似した又は実質的に同じ膜層にしてもよい。前記反射低減層４は、電池表面に入射した光の反射率を低下させる作用に加えて、電池表面をパッシベーションする作用も奏しうる。いくつかの実施例において、前記反射低減層４は、パッシベーション層とも呼ばれる。
なお、ここで説明される半導体層の表面は、太陽に面する表面、すなわち受光面を含んでもよく、裏面は前記受光面の反対面である。前記半導体層１としては、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板、擬似単結晶シリコン基板等が挙げられるがこれらに限定されない。好ましくは、前記半導体層１は、単結晶シリコン基板である。
いくつかの実施例において、前記半導体層１の抵抗率が、０．５〜３Ω・ｃｍである。前記抵抗率は、好ましくは０．５〜２．５Ω・ｃｍであり、より好ましくは０．５〜３Ω・ｃｍである。
いくつかの実施例において、半導体層の裏面には、全体及び/又は一部が前記パッシベーション層２を貫通して前記半導体層とのオーミック接触を形成できる裏面電極（図１では不図示）が形成される。例えば、スクリーン印刷技術を用いて半導体層の裏面に導電ペーストを印刷し、乾燥させ、グリッド線状の裏面電極を形成してもよい。前記裏面電極の導電ペーストは、透過性を有する導電銀ペーストであってもよく、焼結後にパッシベーション層２における各層を貫通して半導体層と電気的に接続することができる。
いくつかの実施例において、半導体層の表面には、全体及び/又は一部が前記反射低減層４を貫通して前記半導体層とのオーミック接触を形成できる表面電極（図１では不図示）が形成される。好ましくは、前記表面電極は、グリッド線構造である。例えば、スクリーン印刷技術を用いて半導体層の表面に導電ペーストを印刷し、乾燥させ、グリッド線状の表面電極を形成してもよい。前記表面電極の導電ペーストは、透過性を有する導電銀ペーストであってもよく、焼結後に反射低減層４における各層を貫通して半導体層と電気的に接続することができる。
なお、前記パッシベーション膜構造は、ＰＥＲＣ太陽電池、インターデジタルバックコンタクト（ＩＢＣ）太陽電池、シリコンヘテロ接合（ＳＨＪ）太陽電池、ヘテロ接合バックコンタクト（ＨＢＣ）太陽電池、トンネル酸化膜パッシベーションコンタクト（ＴＯＰＣｏｎ）太陽電池、ＰＯＬＯ太陽電池などの多種の太陽電池の製造に用いられることが理解される。
いくつかの実施例において、前記パッシベーション膜構造体により製造された太陽電池は、太陽電池モジュールの製造に用いられる。前記太陽電池モジュールとしては、瓦型モジュール、タイリングリボンモジュール、両面モジュール、マルチバスバーモジュールなどが挙げられるがこれらに限られない。例えば、少なくとも１つの前記製造された電池から構成される電池片を取得し、タブ線により前記電池片をシリーズ溶接し、積層プロセスでバックシート、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）及び電池片を一定の順序で積層した後、前記積層された構造体にフレームを取り付けて、モジュールを製造する。前記電池片は、少なくとも１つの前記太陽電池から構成される。前記太陽電池は、受光した光エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。前記モジュールは、電池で得られた電気エネルギーを電気部品に伝達する。
従来のパッシベーション層（酸化アルミニウム含有）でパッシベーションされた太陽電池に比べて、前記のように設計された、結晶シリコン表面に酸化アルミニウムを有しないパッシベーション膜の構造は、裏面パッシベーション特性を効果的に向上させることができる。例えば、パッシベーション膜層には大量の水素原子が含まれており、良好なパッシベーション効果を奏しうるとともに、酸素原子の存在によって窒化酸化シリコンがシリコン表面に良好な界面品質を有し、従来の酸化アルミニウム含有膜層系製品の高信頼性と低コストを両立できない矛盾を解消できる。
あくまで例示であるが、図２は、本発明の実施例で示される太陽電池の製造方法を示すフローチャートである。該方法は後述する各ステップを含んでもよい。
ステップＳ２０１は、半導体層（例えば、半導体層１）をテクスチャ処理するステップである。当該ステップにおいて、半導体層をテクスチャ処理するために、ウェットエッチング法を使用してもよいがこれに限られない。例えば、半導体層が単結晶シリコンである場合、水酸化カリウム溶液などのアルカリ性溶液を使用してテクスチャ処理する。また、例えば、半導体層が多結晶シリコンである場合、フッ化水素酸溶液などの酸性溶液を使用してテクスチャ処理する。
本実施例においては、テクスチャ処理により半導体層の表面がテクスチャ構造になる。前記テクスチャ構造は、ピラミッド構造であってもよく、光閉じ込め効果を生じ、太陽電池による光線の吸収を増加し、これによって太陽電池の効率を向上する。
好ましくは、テクスチャ処理前に半導体層を洗浄（例えば、超音波洗浄など）することにより、表面における金属や有機汚染物などの不純物を除去する。
ステップＳ２０２は、前記半導体層（例えば、半導体層１）の表面に拡散層を形成するステップである。いくつかの実施例において、前記形成した拡散層としては、リンドープ拡散層又はボロンドープ拡散層が挙げられるがこれらに限られない。あくまで例示であるが、このステップにおける拡散はリンドープ拡散であり、拡散後、前記拡散層のシート抵抗が１４０〜１５０Ωである。具体的には、半導体層を管状拡散炉に入れ、オキシ塩化リンを拡散源として採用し、恒温領域の温度を８５０℃とし、最終的に形成されたリン拡散層の拡散後シート抵抗が１４０〜１５０Ωとなるように半導体層に対して拡散を行う。
任意のステップＳ２０３は、前記半導体層の表面にレーザによりＳＥ（selective emitter、選択エミッタ）ドープし、低濃度ドープ領域と高濃度ドープ領域を形成するステップである。いくつかの実施例において、ステップ２０３を省略しても良い。
ステップＳ２０４は、エッチングプロセスを行うステップである。当該ステップにおいて、フッ化水素酸でシリコ半導体層をエッチングし、ＰＳＧ（りんけい酸ガラス）を除去する。
ステップＳ２０５は、その後で電池をパッシベーションする作用を向上させるように、酸化処理を行うことによって酸化層を形成するステップである。前記酸化処理は、熱酸化と湿式酸化などを含むがこれらに限られない。任意選択で、前記酸化層としては、酸化シリコン層が好ましいがこれに限られない。いくつかの実施例において、前記酸化シリコン層の厚さは、１〜１０ｎｍであり、好ましくは、１〜３ｎｍである。
パッシベーション処理の方法としては、プラズマ増強化学気相成長（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition、ＰＥＣＶＤ）、原子層堆積（Atomic layer deposition、ＡＬＤ）、化学気相成長（Chemical Vapor Deposition、ＣＶＤ）及び物理気相成長（Physical Vapour Deposition、ＰＶＤ）等が挙げられるがこれらに限られず、具体的に以下のステップを含む。
ステップＳ２０６は、前記半導体層の裏面に第１の窒化酸化シリコン膜層を形成するステップである。いくつかの実施例において、前記第１の窒化酸化シリコン膜層は、高屈折率膜であり、第１の屈折率は、１．６２〜１．７１の範囲内にある。シラン、笑気ガスおよびアンモニアガスを前記第１の窒化酸化シリコン膜層の反応物として採用し、前記シランの流量が３１０〜３８０ｓｃｃｍ、前記笑気ガスの流量が５０００〜６０００ｓｃｃｍ、前記アンモニアガスの流量が１６００〜２６００ｓｃｃｍであり、堆積温度が４８０〜５１０℃であり、電力が９０００〜９５００Ｗである。好ましくは、前記第１の窒化酸化シリコン膜層の厚さの範囲が、１０〜６０ｎｍである。あくまで例示であるが、好ましくは、前記第１の窒化酸化シリコン膜層の屈折率の範囲が、１．６２〜１．６８である。より好ましくは、前記第１の窒化酸化シリコン膜層の屈折率の範囲が、１．６４〜１．６７である。前記第１の窒化酸化シリコン膜層の好ましい厚さの範囲が、３０〜４０ｎｍであってもよい。
ステップＳ２０７は、前記第１の窒化酸化シリコン膜層の下面に第２の窒化酸化シリコン膜層を形成するステップである。いくつかの実施例において、前記第２の窒化酸化シリコン膜層は、低屈折率膜であり、第２の屈折率が、１．４８〜１．６１の範囲にある。シラン、笑気ガスおよびアンモニアガスを前記第２の窒化酸化シリコン膜層の反応物として採用し、前記シランの流量が２８０−３２０ｓｃｃｍ、前記笑気ガスの流量が６０００−７０００ｓｃｃｍ、前記アンモニアガスの流量が３００−８００ｓｃｃｍであり、堆積温度が４８０〜５１０℃であり、電力が９０００〜９５００Ｗである。あくまで例示であるが、前記第２の窒化酸化シリコン膜層の厚さの範囲が、２０〜６０ｎｍである。好ましくは、前記第２の窒化酸化シリコン膜層の屈折率の範囲が、１．５４−１．５８である。前記第２の窒化酸化シリコン膜層の好ましい厚さの範囲が、４０〜５０ｎｍである。
ステップＳ２０８は、前記第２の窒化酸化シリコン膜層の下面に、半導体層の裏面パッシベーション層の最外層として、窒化シリコン膜層を形成するステップである。いくつかの実施例において、前記窒化シリコン膜層は、多層の窒化シリコンを含む。例えば、屈折率が徐々に変化する１〜３層の膜から構成された積層構造であってもよい。該窒化シリコン膜層全体の屈折率の範囲が、２．０２〜２．１５である。シランおよびアンモニアガスを前記窒化シリコン膜層の反応物として採用し、前記シランの流量が８００〜１４２０ｓｃｃｍ、前記アンモニアガスの流量が４０００〜１００００ｓｃｃｍであり、堆積温度が４８０〜５１０℃であり、電力が８５００〜９５００Ｗである。あくまで例示であるが、前記窒化シリコン膜層全体の厚さの範囲が、６０〜１８０ｎｍである。好ましくは、前記窒化シリコン膜層全体の屈折率の範囲が、２．０８〜２．１１である。前記窒化シリコン膜層の好ましい厚さの範囲が、８０〜１００ｎｍである。
ステップＳ２０９は、ステップＳ２０８で処理されたシリコンウェーハを金属化するステップである。当該ステップにおいて、レーザーグルービングにより金属化の目標領域中のパッシベーション膜を部分的に又は完全に除去し、スクリーン印刷技術を用いて電極を印刷し、表裏面電極を形成する。
いくつかの実施例において、前記製造方法により製造された太陽電池においては、前記第１の窒化酸化シリコン膜層と前記第２の窒化酸化シリコン膜層の合計厚さが６０ｎｍ超であり、前記窒化シリコン膜層全体の厚さが６０ｎｍ超であり、且つ前記パッシベーション層における各層の合計厚さが１２０ｎｍ超、且つ３００ｎｍ未満である。前記第１の窒化酸化シリコン膜層の第１の屈折率が、第２の窒化酸化シリコン膜層の第２の屈折率よりも大きく、窒化シリコン膜層の第３の屈折率よりも小さい。好ましくは、前記第２の屈折率に対する前記第１の屈折率の比の範囲が、１．０３〜１．２１である。好ましくは、前記第３の屈折率に対する前記第１の屈折率の比が、０．７９〜０．８７である。好ましくは、前記第３の屈折率に対する前記第２の屈折率の比が、０．７２〜０．７７である。
多層の窒化酸化シリコンと窒化シリコンでパッシベーションしていない太陽電池に比べて、本発明における半導体層の裏面が窒化酸化シリコンと窒化シリコンでパッシベーションした太陽電池（例えば、ＰＥＲＣ電池）は、裏面パッシベーション特性を効果的に向上させることができ、電池の少数キャリア寿命、開放電圧、短絡電流、フィルファクター、及び電池効率はでいずれも大きく向上する。
具体的には、窒化シリコンでパッシベーションした太陽電池、酸化アルミニウム及び酸化シリコンでパッシベーションした太陽電池、及び本発明における多層の窒化酸化シリコン及び窒化シリコンでパッシベーションした太陽電池に対して、同条件下で試験を行った。得られたデータは、下記表１の通りである。これにより、多層の窒化酸化シリコン及び窒化シリコンでパッシベーションした太陽電池の効率は、他の２種の太陽電池より優れていると考えられる。
Figure 2021190672
以下に具体的な実施例をもって本発明における太陽電池の窒化酸化シリコン／窒化シリコン膜層の厚さ、屈折率と電池効率との関係を詳細に説明する。
図３は、本発明における太陽電池の関連する例示的なデータを示す。
図３に記載の例示的なデータから分かるように、いくつかの実施例において、前記パッシベーション層における窒化酸化シリコン膜層の厚さ（第１の窒化酸化シリコン膜層と第２の窒化酸化シリコン膜層の合計厚さ）が６０ｎｍ超であり、前記窒化シリコン膜層全体の厚さが６０ｎｍ超であり、前記窒化酸化シリコン膜層と窒化シリコン膜層の合計厚さが１２０ｎｍ超、且つ３００ｎｍ未満である。
いくつかの実施例において、前記第２の屈折率に対する前記第１の屈折率の比が、１．０３〜１．２１であり、前記第３の屈折率に対する前記第１の屈折率の比が、０．７９〜０．８７であり、前記第３の屈折率に対する前記第１の屈折率の比が、０．７２〜０．７７である。
前記パッシベーション層における各層の厚さ及び／又は屈折率が前記した範囲を満たす場合、前記電池効率が向上する。
いくつかの実施例において、前記電池効率は、第１の窒化酸化シリコン膜層の厚さ（ｄ１）及び対応する第１の屈折率（ｎ１）に関連する。いくつかの実施例において、電池効率は、（１１．２＋０．０８８ｄ１×ｎ１−０．１４７×ｄ１−６．７×ｎ１）に正比例する。あくまで例示であるが、図４は、本発明の実施例における太陽電池の第１の窒化酸化シリコン膜層の厚さｄ１及び屈折率ｎ１による電池効率の等値線図を示す。図４には、横軸は屈折率ｎ１であり、縦軸は膜厚ｄ１である。図中の異なる色領域は、それぞれ異なる電池効率を示し、各色領域は、それぞれ符号１０１〜１０７で示される。右側の小図で示されるように、上から下の７つの色の小ブロックは、それぞれ、図中の符号１０１〜１０７の色領域に対応する。符号１０１の色領域は、電池効率が−０．２０よりも小さい範囲にあることを示し、類似に、符号１０７の色領域は、電池効率が０．０５より大きい範囲にあることを示す。当該図面からわかるように、ｎ１が１．６２〜１．６８、ｄ１が３０〜４０ｎｍとの好ましい範囲にあると、より高い電池効率が得られる。
いくつかの実施例において、電池効率は、第２の窒化酸化シリコン膜層の厚さ（ｄ２）及び対応する屈折率（ｎ２）に関連する。いくつかの実施例において、電池効率は、（２．６５−０．０００５９×ｄ２−１．７３×ｎ２）に正比例する。あくまで例示であるが、図５は、本発明の実施例における太陽電池の第２の窒化酸化シリコン膜層の厚さｄ２及び屈折率ｎ２による電池効率の等値線図を示す。図５には、横軸は屈折率ｎ２であり、縦軸は膜厚ｄ２である。図中の異なる色領域は、それぞれ異なる電池効率を示し、各色領域は、それぞれ符号１０１〜１０７で示される。右側の小図で示されるように、上から下の７つの色の小ブロックは、それぞれ、図中の符号１０１〜１０７の色領域に対応する。符号１０１の色領域は、電池効率が−０．２０よりも小さい範囲にあることを示し、類似に、符号１０７の色領域は、電池効率が０．０５より大きい範囲にあることを示す。当該図面からわかるように、ｎ２が１．５４〜１．５８、ｄ２が４０〜５０ｎｍとの好ましい範囲にあると、より高い電池効率が得られる。
なお、太陽電池のパッシベーション層を形成する際に、本発明の実施例におけるパッシベーション層の各膜層の厚さ及び屈折率の関係に基づいて、パッシベーション性に優れた膜層の構造が得られるように設計し、これにより、電池効率の向上を図ることができることが理解できる。また、従来のパッシベーション層（酸化アルミニウム含有）でパッシベーションされた太陽電池に比べて、前記設計された結晶シリコン表面に酸化アルミニウムを有しないパッシベーション膜の構造は、裏面パッシベーション特性を効果的に向上させることができる。例えば、パッシベーション膜層には大量の水素原子が含まれており、良好なパッシベーション効果を奏しうるとともに、酸素原子の存在によって窒化酸化シリコンがシリコン表面に良好な界面品質を有し、従来の酸化アルミニウム含有膜層系製品の高信頼性と低コストを両立できない矛盾を解消できる。
明らかに、当業者は、上記の実施例が本発明を説明するためのものに過ぎず、本発明を限定することを意図しておらず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、前記実施例の変化、変形はいずれも本発明の範囲内にある。

Claims (15)

  1. 半導体層と、前記半導体層の裏面に配置されたパッシベーション層とを備える太陽電池であって、
    前記パッシベーション層は、第１の屈折率を有する第１の窒化酸化シリコン膜層と、前記第１の窒化酸化シリコン膜層の表面に配置され、第２の屈折率を有する第２の窒化酸化シリコン膜層と、前記第２の窒化酸化シリコン膜層の表面に配置され、第３の屈折率を有する少なくとも１層の窒化シリコン膜層とを有し、
    前記第１の窒化酸化シリコン膜層と前記第２の窒化酸化シリコン膜層の合計厚さが６０ｎｍ超であり、
    前記窒化シリコン膜層の厚さが６０ｎｍ超であり、且つ
    前記パッシベーション層における各層の合計厚さが１２０ｎｍ超、且つ３００ｎｍ未満であり、
    前記第１の屈折率が前記第２の屈折率より大きく、前記第３の屈折率より小さいことを特徴とする太陽電池。
  2. 前記第２の屈折率に対する前記第１の屈折率の比が、１．０３〜１．２１の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記第３の屈折率に対する前記第１の屈折率の比が、０．７９〜０．８７であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  4. 前記第３の屈折率に対する前記第２の屈折率の比が、０．７２〜０．７７であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  5. 前記第１の屈折率の範囲が、１．６２〜１．７１であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  6. 前記第２の屈折率の範囲が、１．４８〜１．６１であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  7. 前記第３の屈折率の範囲が、２．０８〜２．１１であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  8. 少なくとも請求項１〜７のいずれか一項に記載の太陽電池を含み、
    前記太陽電池は、受光した光エネルギーを電気エネルギーに変換することを特徴とする太陽電池モジュール。
  9. 第１の屈折率を有する第１の窒化酸化シリコン膜層と、第２の屈折率を有する第２の窒化酸化シリコン膜層と、第３の屈折率を有する少なくとも１層の窒化シリコン膜層とを半導体層の裏面にこの順に堆積して、共同してパッシベーション層を形成することを含み、
    前記第１の窒化酸化シリコン膜層と第２の窒化酸化シリコン膜層の合計厚さが６０ｎｍ超であり、前記窒化シリコン膜層の厚さが６０ｎｍ超であり、且つ前記パッシベーション層における各層の合計厚さが１２０ｎｍ超、且つ３００ｎｍ未満であり、
    前記第１の屈折率が前記第２の屈折率より大きく、前記第３の屈折率より小さいことを特徴とする太陽電池の製造方法。
  10. 前記第１の窒化酸化シリコン膜層を堆積する時に、反応物はシラン、笑気ガスおよびアンモニアガスであり、前記シランの流量が３１０〜３８０ｓｃｃｍ、前記笑気ガスの流量が５０００〜６０００ｓｃｃｍ、前記アンモニアガスの流量が１６００〜２６００ｓｃｃｍであり、堆積温度が４８０〜５１０℃であり、電力が９０００〜９５００Ｗであることを特徴とする請求項９に記載の太陽電池の製造方法。
  11. 前記第２の窒化酸化シリコン膜層を堆積する時に、反応物はシラン、笑気ガスおよびアンモニアガスであり、前記シランの流量が２８０〜３２０ｓｃｃｍ、前記笑気ガスの流量が６０００〜７０００ｓｃｃｍ、前記アンモニアガスの流量が３００〜８００ｓｃｃｍであり、堆積温度が４８０〜５１０℃であり、電力が９０００〜９５００Ｗであることを特徴とする請求項９に記載の太陽電池の製造方法。
  12. 前記窒化シリコン膜層を堆積する時に、反応物はシランおよびアンモニアガスであり、前記シランの流量が８００〜１４２０ｓｃｃｍ、前記アンモニアガスの流量が４０００〜１００００ｓｃｃｍであり、堆積温度が４８０〜５１０℃であり、電力が８５００〜９５００Ｗであることを特徴とする請求項９に記載の太陽電池の製造方法。
  13. 前記第２の屈折率に対する前記第１の屈折率の比が、１．０３〜１．２１の範囲内にあることを特徴とする請求項９に記載の太陽電池の製造方法。
  14. 前記第３の屈折率に対する前記第１の屈折率の比が、０．７９〜０．８７であることを特徴とする請求項９に記載の太陽電池の製造方法。
  15. 前記第３の屈折率に対する前記第２の屈折率の比が、０．７２〜０．７７であることを特徴とする請求項９に記載の太陽電池の製造方法。
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