JP2023033940A

JP2023033940A - 太陽電池セルおよび太陽電池

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Publication number: JP2023033940A
Application number: JP2021139929A
Authority: JP
Inventors: 誠彦中野; Masahiko Nakano; 隆弥杉浦; Takaya Sugiura; 智松本; Satoshi Matsumoto
Original assignee: Keio University
Current assignee: Keio University
Priority date: 2021-08-30
Filing date: 2021-08-30
Publication date: 2023-03-13

Abstract

【課題】結晶シリコン太陽電池で得られる電力密度を向上させる。
【解決手段】太陽電池セル１００Ａは、太陽光４０を入射可能な表面３０ａと、反射光５０を入射可能で第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２を含む裏面３０ｂとを有するｎ型の単結晶シリコン層３０と、裏面３０ｂの第１領域Ｒ１と接するトンネル絶縁層３４ａと、トンネル絶縁層３４ａと接するｎ型の高濃度多結晶シリコン層３５ａと、高濃度多結晶シリコン層３５ａと接する金属電極３７ａと、裏面３０ｂの第２領域Ｒ２と接するｐ型のエミッタ層３１と、エミッタ層３１と接するトンネル絶縁層３４ｂと、トンネル絶縁層３４ｂと接するｐ型の高濃度多結晶シリコン層３５ｂと、高濃度多結晶シリコン層３５ｂと接する金属電極３７ｂと、第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２以外の裏面３０ｂと接するパッシベーション層３６と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、太陽電池セルおよび太陽電池に関し、例えば、単結晶シリコンを使用した太陽電池セルおよび太陽電池に適用して有効な技術に関する。

非特許文献１には、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ（industrial Tunnel Oxide Passivated Contact）」と呼ばれる構造の太陽電池セルに関する技術が記載されている。

非特許文献２には、「ＴＯＰＣｏｎ」と呼ばれる構造の太陽電池セルにおいて、両電極を裏面に配置する、いわゆる「バックコンタクト構造」を採用する技術が記載されている。

Chengfa Liu etal,"Industrial TOPCon solar cells on n-type quasi-mono Si wafers with efficiencies above 23％",Solar Energy Materials & Solar Cells 215 (2020) 110690 Paul Procel etal,"Numerical Simulations of IBC Solar Cells Based on Poly-Si Carrier-Selective Passivating Contacts",IEEE JOURNAL OF PHOTOVOLTAICS, VOL.9 NO.2, March 2019

再生可能なエネルギーは、エネルギー資源が枯渇することなく使用できるとともに、発電時に地球温暖化の原因となる二酸化炭素を排出しないことから、石油、石炭、天然ガスなどの化石燃料に替わるクリーンなエネルギーとして注目されている。

再生可能なエネルギーの１つに太陽光があり、太陽電池を使用して太陽光を直接的に電力に変換する発電方式は、太陽光発電と呼ばれている。太陽電池とは、光エネルギーを吸収して電気エネルギーに変換する光電変換素子である。

太陽電池には、有機太陽電池や多接合太陽電池など様々な種類があるが、結晶シリコン太陽電池が最も普及している。結晶シリコン太陽電池の最大の課題は、さらなる発電効率の向上（電力密度の向上）を図ることである。すなわち、最も普及している結晶シリコン太陽電池における発電効率の向上が望まれている。

一実施の形態における太陽電池セルは、可視光を含む第１光を入射可能な第１面と、可視光を含む第２光を入射可能で第１領域および第２領域を含む第２面とを有する第１導電型の単結晶シリコン層と、第２面の第１領域と接する第１トンネル絶縁層と、第１トンネル絶縁層と接する第１導電型の第１シリコン層と、第１シリコン層と接する第１電極と、第２面の第２領域と接する第２導電型のエミッタ層と、エミッタ層と接する第２トンネル絶縁層と、第２トンネル絶縁層と接する第２導電型の第２シリコン層と、第２シリコン層と接する第２電極と、第１領域および第２領域以外の第２面と接するパッシベーション層と、を備える。

一実施の形態によれば、結晶シリコン太陽電池で得られる電力密度を向上できる。

代表的な太陽光発電システムの構成を模式的に示す図である。「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セルの構成を示す断面図である。太陽電池セルの構成を示す断面図である。電極ピッチと電力密度との関係を示すグラフである。エミッタ層の不純物濃度と電力密度の関係を示すグラフである。太陽電池セルの製造工程の流れを示すフローチャートである。

実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。

＜太陽光発電システム＞
例えば、太陽光発電システムにおいては、複数の太陽電池モジュールを直列接続することにより、システム電圧を高めることが行われている。

図１は、代表的な太陽光発電システムの構成を模式的に示す図である。

図１に示すように、例えば、太陽電池モジュール１０ａ～１０ｇが直列接続されて、パワーコンディショナー２０と接続されている。そして、太陽電池モジュール１０ａ～１０ｇのそれぞれのモジュールフレームは、電気的に接続されて接地電位（基準電位）とされている。すなわち、太陽電池モジュール１０ａ～１０ｇのそれぞれのモジュールフレームの電位（フレーム電位）は０Ｖとなっている。一方、太陽電池モジュール１０ａ～１０ｇは、直列接続されているため、それぞれの出力電圧が加算されてパワーコンディショナー２０に出力される。したがって、図１に示すように、太陽電池モジュール１０ｇでは、太陽電池セルの電位（セル電位）がモジュールフレームの電位であるグランド電位に対して高い正電位（数百Ｖ）となる。一方、太陽電池モジュール１０ａでは、太陽電池セルの電位がモジュールフレームの電位であるグランド電位に対して低い負電位（－数百Ｖ）となる。このように、太陽光発電システムでは、複数の太陽電池モジュールを直列接続する構成が採用される結果、出力側に近い太陽電池モジュール（図１の太陽電池モジュール１０ｇにおいては、モジュールフレームのフレーム電位に対して、太陽電池セルのセル電位が高い正電位となる。一方、出力側から遠い太陽電池モジュール（図１の太陽電池モジュール１０ａ）においては、モジュールフレームのフレーム電位に対して、太陽電池セルのセル電位が低い負電位となる。ここで、太陽電池モジュール１０ａ～１０ｇのそれぞれには、複数の太陽電池セルが含まれている。本明細書では、太陽電池モジュール１０ａ～１０ｇのそれぞれを太陽電池と呼ぶこともある。すなわち、太陽電池は、複数の太陽電池セルから構成されていることになる。

＜「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セルの構成＞
次に、太陽電池セルの構成例について説明する。

太陽電池セルの構成例として、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セルと呼ばれる太陽電池セルがあるので、この太陽電池セルについて説明する。

図２は、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００の構成を示す断面図である。

図２において、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００は、例えば、リン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などのｎ型不純物（ドナー）が導入された単結晶シリコン層３０を有している。この単結晶シリコン層３０は、太陽光が入射される表面（第１面）３０ａと、表面とは反対側の裏面（第２面）３０ｂを有している。単結晶シリコン層３０の表面３０ａには、テクスチャ構造と呼ばれる凹凸構造が形成されている結果、単結晶シリコン層３０の表面３０ａは、凹凸面から構成されていることになる。これにより、単結晶シリコン層３０の表面３０ａ側から入射する太陽光の反射率を低減することができる。すなわち、単結晶シリコン層３０の表面３０ａに形成されているテクスチャ構造は、表面３０ａ側から入射する太陽光の表面３０ａでの反射を抑制する機能を有していることになる。

そして、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００は、単結晶シリコン層３０の表面３０ａに接するエミッタ層３１を有している。このエミッタ層３１は、例えば、ボロン（Ｂ）などのｐ型不純物（アクセプタ）が導入されたｐ型シリコン層から構成されている。したがって、表面３０ａは、ｎ型半導体層である単結晶シリコン層３０とｐ型半導体層であるエミッタ層３１とが接するｐｎ接合面となる。このエミッタ層３１に接するようにパッシベーション層３２と金属電極３３が形成されている。このパッシベーション層３２は、例えば、窒化シリコン膜から構成されている。また、金属電極３３は、例えば、アルミニウム膜と銀膜の積層膜から構成されている。

一方、単結晶シリコン層３０の裏面３０ｂには、裏面３０ｂと接するように、トンネル絶縁層３４が形成されている。このトンネル絶縁層３４は、例えば、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜あるいは酸化ハフニウム膜から構成されている。続いて、トンネル絶縁層３４に接するように高濃度多結晶シリコン層３５が形成されており、この高濃度多結晶シリコン層３５と接するように、パッシベーション層３６および金属電極３７が形成されている。ここで、パッシベーション層３６は、例えば、酸化シリコン膜から構成されている一方、金属電極３７は、例えば、銀膜から構成されている。

以上のようにして、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００が構成されている。

＜「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セルの動作＞
「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００は、上記のように構成されており、以下では、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００の動作について説明する。

まず、図２において、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００の上方から可視光や赤外光を含む太陽光４０が照射されるとともに、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００の下方から可視光や赤外光を含む太陽光４０の反射光５０が照射される。すると、パッシベーション層３２およびエミッタ層３１を介して、単結晶シリコン層３０の内部に太陽光４０が照射される。一方、パッシベーション層３６、高濃度多結晶シリコン層３５およびトンネル絶縁層３４を介して、単結晶シリコン層３０の内部に反射光５０が照射される。すなわち、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００では、表面３０ａ側から太陽光４０が単結晶シリコン層３０の内部に照射されるとともに、裏面３０ｂ側から反射光５０が単結晶シリコン層３０の内部に照射される。このように、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００は、両面受光が可能な太陽電池セルを構成していることがわかる。

このとき、太陽光４０および反射光５０のうち、シリコンのバンドギャップよりも大きな光エネルギーを有する光は吸収される。具体的には、価電子帯に存在する電子が、太陽光から供給される光エネルギーを受け取って伝導帯に励起される。これにより、伝導帯に電子が蓄積されるとともに価電子帯に正孔が生成される。このようにして、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００に太陽光４０および反射光５０が照射されることにより、太陽光４０および反射光５０に含まれるシリコンのバンドギャップよりも大きな光エネルギーを有する光が吸収されて伝導帯に電子が励起されるとともに、価電子帯に正孔が生成される。そして、生成された正孔は、ｐ型半導体層であるエミッタ層３１に蓄積される。一方、励起された電子は、ｎ型の単結晶シリコン層３０からトンネル絶縁層３４をトンネルして高濃度多結晶シリコン層３５に蓄積される。この結果、エミッタ層３１と電気的に接続されている金属電極３３と高濃度多結晶シリコン層３５と電気的に接続されている金属電極３７との間に起電力が生じる。そして、例えば、金属電極３３と金属電極３７との間に負荷を接続すると、金属電極３７から負荷を通って金属電極３３に電子が流れる。言い換えれば、金属電極３３から負荷を通って金属電極３７に電流が流れる。

このようにして、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００を動作させることにより、負荷を駆動することができる。

＜「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セルの利点＞
次に、上述した「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００の利点について説明する。

まず、第１利点は、両面受光が可能な点である。すなわち、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００は、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００に直接入射する太陽光４０を利用するだけでなく、太陽光４０が地表で反射した反射光５０も利用していることから、発電効率の向上を図ることができる利点が得られる。

特に、地表からの太陽光の反射率は、「アルベド」と呼ばれ、地球上の広範囲の地域において、この「アルベド」が２０％以上である。このことから、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００においては、太陽光からの反射光も有効利用していることから、地球上の広範囲の地域で発電効率の優れた太陽電池を提供することができる。

さらに、反射光を有効利用するため、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００では、「ＰＥＲＣ（Passivated Emitter and Rear Cell）構造」が採用されている。この「ＰＥＲＣ構造」とは、太陽電池セルの裏面側にパッシベーション層（不活性化層）を形成することにより、キャリア（電子と正孔）の再結合で生じる発電ロスを低減する構造である。

続いて、第２利点は、トンネル絶縁層３４を設けている点である。特に、このトンネル絶縁層３４は、材料および厚さを適宜調整することにより、多数キャリアを通過させる一方、少数キャリアを非通過とするキャリア選択性を有する層として機能している。具体的に、図２に示す「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００において、トンネル絶縁層３４は、多数キャリアである電子を通過させる一方、少数キャリアである正孔を非通過とするキャリア選択性を有している。

例えば、太陽光４０および反射光５０を照射することにより、単結晶シリコン層３０において電子が励起されるとともに正孔が生成されるが、多数キャリアである電子は、トンネル絶縁層３４をトンネルして高濃度多結晶シリコン層３５に移動することができる。一方、少数キャリアである正孔は、トンネル絶縁層３４をトンネルすることができないため、高濃度多結晶シリコン層３５に移動することができない。この結果、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００では、高濃度多結晶シリコン層３５に少数キャリアである正孔が拡散することを抑制できる。このことは、高濃度多結晶シリコン層３５での電子と正孔の再結合が抑制されることを意味し、これによって、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００によれば、電子と正孔の再結合で生じる発電ロスを低減することができる。このように、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００では、トンネル絶縁層３４を設けることにより、電子と正孔の再結合で生じる発電ロスを低減できる利点を得ることができる。

＜改善の検討＞
本発明者は、発電効率を向上する観点から、上述した利点を有する「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００に対して、両電極を裏面に配置する、いわゆる「バックコンタクト構造」を採用することを検討している。なぜなら、「バックコンタクト構造」によれば、表面側から入射する太陽光を遮る構造物（電極）が存在しない結果、さらなる発電効率の向上を図ることができると考えられるからである。

ただし、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００は、両面受光型太陽電池セルであることから、「バックコンタクト構造」を採用しても、両面受光を可能とする構成を維持することが、さらなる発電効率を向上する観点から重要である。なぜなら、「バックコンタクト構造」を採用した結果、両面受光を可能とすることができなくなると、「バックコンタクト構造」によって、表面側から入射する太陽光の利用効率を向上できる一方、裏面側から入射する太陽光を利用できなくなる結果、思うような発電効率の向上を実現することが困難になると考えられるからである。したがって、発電効率のさらなる向上を図る観点から、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００において、「バックコンタクト構造」を採用しながらも、両面受光を可能とする構成を維持するための工夫が望まれている。

そこで、本実施の形態では、発電効率のさらなる向上を図るために、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００において、「バックコンタクト構造」を採用しながらも、両面受光を可能とする構成を維持するための工夫を施している。以下では、この工夫を施した本実施の形態における技術的思想について説明する。

まず、本発明者の検討によると、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル１００において、「バックコンタクト構造」を採用しながらも、両面受光を可能とする構成を維持するためには、トンネル絶縁層に対する工夫が必要不可欠となる。このため、最初に、トンネル絶縁層に対する工夫の必要性について説明する。

＜トンネル絶縁層に対する工夫の必要性＞
例えば、「バックコンタクト構造」を採用しながらも、両面受光を可能とする構成は、裏面に形成される第１電極と第２電極のそれぞれの面積を限定して、裏面のうち第１電極形成領域と第２電極形成領域を除くその他の領域を光透過領域とすることによって実現することができる。したがって、「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セルにおいても、この構成を採用することにより、「バックコンタクト構造」を採用しながらも、両面受光を可能とする構成を実現することができると考えられる。

ここで、トンネル絶縁層を使用する「ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セルにおいては、単結晶シリコン層の裏面全面にトンネル絶縁層を形成することが暗黙の常識として認識されている。このことは、例えば、「背景技術」に記載した非特許文献２からも明らかである。すなわち、非特許文献２には、単結晶シリコン層の裏面全面に形成されたトンネル絶縁層を使用する「ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セルにおいて、「バックコンタクト構造」を採用する技術が記載されており、非特許文献２の図２に示すように、非特許文献２では、「バックコンタクト構造」を採用しながらも、単結晶シリコン層の裏面全面にトンネル絶縁層を形成する構成が前提となっている。

この点に関し、非特許文献２からもわかるように、単結晶シリコン層の裏面全面にトンネル絶縁層を形成する構成において、「バックコンタクト構造」を実現するためには、トンネル絶縁層には、ｎ型シリコン層と接する第１領域とｐ型シリコン層と接する第２領域を有することが要求される。そして、ｎ型シリコン層と接するトンネル絶縁層の第１領域では、電子を通過させる一方、正孔を非通過とするキャリア選択性が要求され、ｐ型シリコン層と接するトンネル絶縁層の第２領域では、正孔を通過させる一方、電子を非通過とするキャリア選択性が要求される。このようなキャリア選択性を実現するために、非特許文献２に記載された技術では、非特許文献２の図２に示すように、トンネル絶縁層の第１領域をｎ型シリコン層で挟む「ｎ型サンドウィッチ構造」を採用するとともに、トンネル絶縁層の第２領域をｐ型シリコン層で挟む「ｐ型サンドウィッチ構造」が採用されている。

以上のように、単結晶シリコン層の裏面全面に形成されたトンネル絶縁層を使用する「ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セルにおいて、「バックコンタクト構造」を採用するには、複雑で製造の困難な構成が必要となる。したがって、トンネル絶縁層を使用する「ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セルにおいて、「バックコンタクト構造」を簡素な構成で実現するためには、トンネル絶縁層に関する工夫が必要とされるのである。つまり、トンネル絶縁層を使用する「ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セルにおいて、「バックコンタクト構造」を簡素な構成で実現するためには、単結晶シリコン層の裏面全面にトンネル絶縁層を形成するという暗黙の常識を覆す変更を加える必要がある。

この点に関し、本発明者は、「ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セルにおいて、「バックコンタクト構造」をより簡単な構成で実現できないかについて鋭意検討した結果、以下に示す技術的思想を想到したので、この技術的思想について説明する。

＜実施の形態における技術的思想＞
本実施の形態における技術的思想は、「ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セルにおいて、「バックコンタクト構造」を採用しながらも、両面受光を可能とする構成として、裏面に形成される第１電極と第２電極のそれぞれの面積を限定して、裏面のうち第１電極形成領域と第２電極形成領域を除くその他の領域を光透過領域とする思想と、単結晶シリコン層の裏面全面にトンネル絶縁層を形成するのではなく、第１電極用のトンネル絶縁層と第２電極用のトンネル絶縁層とを別の分離された層として形成する思想とを組み合わせた思想である。この技術的思想によれば、トンネル絶縁層を使用した「ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セルにおいて、「バックコンタクト構造」を採用しながらも両面受光を可能とする構成を簡素な構成で実現し、かつ、太陽電池セルの電力密度を向上することができる。

なぜなら、本実施の形態における技術的思想によれば、「バックコンタクト構造」による表面側からの入射光量の増加、両面受光による入射光量の増加およびトンネル絶縁層のキャリア選択性による電子と正孔の再結合の抑制とを合わせた相乗効果が得られる結果、太陽電池セルの電力密度を向上できると考えられるからである。

特に、本実施の形態では、単結晶シリコン層の裏面全面にトンネル絶縁層を形成するのではなく、第１電極用のトンネル絶縁層と第２電極用のトンネル絶縁層とを別の分離された層として形成する思想が存在している結果、「バックコンタクト構造」を採用しながらも、両面受光を可能とする構成を簡素な構成で実現できる点で優れている。

つまり、本実施の形態における技術的思想は、単結晶シリコン層の裏面全面にトンネル絶縁層を形成するという「ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セルに存在する暗黙の常識を覆す変更を加えることによって、「ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セルにおいて、「バックコンタクト構造」を採用しながらも、両面受光を可能とする構成を簡素な構成で実現している点で非常に優れた斬新な技術的思想ということができる。

例えば、「バックコンタクト構造」を採用していない「ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セルでは、トンネル絶縁層をパターニングする必要性はないことから、あえてトンネル絶縁層をパターニングする手間をかけずに、トンネル絶縁層を単結晶シリコン層の裏面全面に形成したままの構成を採用することは自然である。したがって、「バックコンタクト構造」を想定していなかった「ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セルでは、単結晶シリコン層の裏面全面にトンネル絶縁層を形成することが暗黙の常識として認識されていると考えられる。

これに対し、「ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セルにおいて、「バックコンタクト構造」を採用する場合、この常識を踏襲すると、例えば、非特許文献２に記載されている技術のように、複雑で製造の困難な構成が必要となる（非特許文献２の図２参照）。この点について、非特許文献２は、シミュレーションに関する文献であり、実際に製造することをまったく考慮していないからこそ、単結晶シリコン層の裏面全面にトンネル絶縁層を形成するという暗黙の常識を前提としていると考えられる。

この点に関し、本発明者は、太陽電池セルを実際に製造することを考慮し、「ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セルにおいて、「バックコンタクト構造」を採用する場合には、あえてトンネル絶縁層をパターニングする技術を採用する方が簡素な構成を実現できるという知見を得て、上述したように、第１電極用のトンネル絶縁層と第２電極用のトンネル絶縁層とを別の分離された層として形成する思想を想到しているのである。この本発明者の知見は、暗黙の常識に捉われずにあえてトンネル絶縁層をパターニングする構成を採用している点で斬新であり、当業者にとっても容易に想到することができない知見といえる。

以下では、この知見に基づいて想到された本実施の形態における技術的思想を具現化した太陽電池セルの構成について説明する。

なお、本明細書で使用している「電力密度」とは、「発電効率（変換効率）」と同義の意味で使用している。ただし、「発電効率（変換効率）」とは、通常、片面から標準太陽光を太陽電池セルに照射することを前提条件として使用されるため、片面からの太陽光の受光とともに対向面からの反射光も受光する両面受光タイプの太陽電池セルでは、「電力密度」という物理量で発電効率を評価することにしている。したがって、「電力密度」が大きいということは、発電効率が高いことを意味している。

＜太陽電池セルの構成＞
図３は、太陽電池セル１００Ａの構成を示す断面図である。

図３において、太陽電池セル１００Ａは、ｎ型不純物（ドナー）が導入された単結晶シリコン層３０を有している。この単結晶シリコン層３０は、太陽光が入射される表面３０ａ（第１面）と、表面３０ａとは反対側の裏面３０ｂ（第２面）を有している。

本実施の形態では、基本的に、単結晶シリコン層３０の「表面３０ａ（第１面）」に太陽光４０が入射する一方、単結晶シリコン層３０の「裏面３０ｂ（第２面）」に太陽光４０の反射光５０が入射する太陽電池セル１００Ａの配置（第１配置）を前提としている。

ただし、これに限らず、単結晶シリコン層３０の「表面３０ａ（第１面）」に太陽光４０の反射光５０が入射する一方、単結晶シリコン層３０の「裏面３０ｂ（第２面）」に太陽光４０が入射する太陽電池セル１００Ａの配置（第２配置）を排除するものではない。例えば、太陽電池セル１００Ａの設置方法として、地面に対して傾斜を持たせて配置する設置方法だけでなく、垂直に設置する設置方法も可能である。この場合、例えば、朝に第１配置が実現されている場合、必然的に夕方には、太陽の方向が変わる結果、第２配置が実現されることになる。

このことを考慮して、請求項では、「第１光を入射可能な第１面と第２光を入射可能第２面とを有する第１導電型の単結晶シリコン層」と規定している。これは、「第１光」が太陽光４０であり、かつ、「第２光」が反射光５０である場合や、「第１光」が反射光５０であり、「第２光」が太陽光４０である場合を包含する広い概念の記載を意図している。

単結晶シリコン層３０の表面３０ａには、テクスチャ構造と呼ばれる凹凸構造が形成されている結果、単結晶シリコン層３０の表面３０ａは、凹凸面から構成されていることになる。これにより、単結晶シリコン層３０の表面３０ａ側から入射する太陽光４０の反射率を低減することができる。すなわち、単結晶シリコン層３０の表面３０ａに形成されているテクスチャ構造は、表面３０ａ側から入射する太陽光４０の表面３０ａでの反射を抑制する機能を有していることになる。

そして、太陽電池セル１００Ａは、単結晶シリコン層３０の表面３０ａに接するパッシベーション層３２を有している。このパッシベーション層３２は、例えば、窒化シリコン膜から構成されている。

一方、単結晶シリコン層３０の裏面３０ｂは、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２を有している。ここで、裏面３０ｂの第１領域Ｒ１と接するように、トンネル絶縁層３４ａが形成されている。言い換えれば、裏面３０ｂの第１領域Ｒ１と接する一方、裏面３０ｂの第２領域Ｒ２とは接しないように、トンネル絶縁層３４ａが形成されている。このトンネル絶縁層３４ａは、例えば、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜あるいは酸化ハフニウム膜から構成されている。

トンネル絶縁層３４ａは、多数キャリアを通過させる一方、少数キャリアを非通過とするキャリア選択性を有する膜である。今の場合、トンネル絶縁層３４ａを挟む単結晶シリコン層３０と高濃度多結晶シリコン層３５ａはｎ型半導体層であることから、多数キャリアは電子であり、少数キャリアは正孔である。このことから、トンネル絶縁層３４ａは、電子を通過させる一方、正孔を非通過とするキャリア選択性を有する膜といえる。

トンネル絶縁層３４ａのキャリア選択性は、トンネル絶縁層３４ａの厚さを調整することにより実現できる。例えば、トンネル絶縁層３４ａの厚さが厚すぎると、少数キャリアだけでなく多数キャリアも非通過としてしまうことなる。一方、トンネル絶縁層３４ａの厚さが薄すぎると、多数キャリアだけでなく少数キャリアも通過させてしまう。すなわち、トンネル絶縁層３４ａの厚さが厚すぎても薄すぎても、トンネル絶縁層３４ａに対して、キャリア選択性を発現させることはできない。このため、多数キャリアを通過させる一方、少数キャリアを非通過とするように、トンネル絶縁層３４ａの厚さを適宜調整することにより、トンネル絶縁層３４ａに対して、キャリア選択性を発現させる必要がある。

続いて、トンネル絶縁層３４ａに接するように高濃度多結晶シリコン層３５ａが形成されている。この高濃度多結晶シリコン層３５ａに導入されている導電型不純物（ドナー）の不純物濃度は、単結晶シリコン層３０に導入されている導電型不純物（ドナー）の不純物濃度よりも高くなっている。そして、この高濃度多結晶シリコン層３５ａと接するように、例えば、銀膜からなる金属電極３７ａが形成されている。

これに対し、裏面３０ｂの第２領域Ｒ２と接するように、エミッタ層３１が形成されている。このエミッタ層３１は、例えば、ｐ型シリコン層から構成される。そして、エミッタ層３１と接するように、トンネル絶縁層３４ｂが形成されている。このトンネル絶縁層３４ｂは、例えば、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜あるいは酸化ハフニウム膜から構成されている。

トンネル絶縁層３４ｂは、多数キャリアを通過させる一方、少数キャリアを非通過とするキャリア選択性を有する膜である。今の場合、トンネル絶縁層３４ｂを挟むエミッタ層３１と高濃度多結晶シリコン層３５ｂはｐ型半導体層であることから、多数キャリアは正孔であり、少数キャリアは電子である。このことから、トンネル絶縁層３４ｂは、正孔を通過させる一方、電子を非通過とするキャリア選択性を有する膜といえる。このトンネル絶縁層３４ｂも、トンネル絶縁層３４ａと同様に、厚さを適宜調整することにより、キャリア選択性が発現するように構成されている。

続いて、トンネル絶縁層３４ｂに接するように高濃度多結晶シリコン層３５ｂが形成されている。この高濃度多結晶シリコン層３５ｂは、ｐ型半導体層である。そして、この高濃度多結晶シリコン層３５ｂと接するように、例えば、銀膜からなる金属電極３７ｂが形成されている。

さらに、図３に示すように、太陽電池セル１００Ａにおいては、単結晶シリコン層３０の裏面３０ｂのうち、第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２以外の領域と接するように、パッシベーション層３６が形成されている。

以上のようにして、太陽電池セル１００Ａが構成されている。

＜実施の形態における特徴＞
本実施の形態における特徴点は、例えば、図３に示すように、「ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セルにおいて、「バックコンタクト構造」を採用しながらも、両面受光を可能とする構成として、裏面に形成される金属電極３７ａと金属電極３７ｂのそれぞれの面積を限定して、裏面のうち第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２を除くその他の領域を光透過領域とする点にある。これにより、本実施の形態によれば、「バックコンタクト構造」による表面側からの入射光量の増加、両面受光による入射光量の増加およびトンネル絶縁層のキャリア選択性による電子と正孔の再結合の抑制とを合わせた相乗効果が得られる結果、太陽電池セルの電力密度を向上することができる。

特に、本実施の形態では、単結晶シリコン層３０の裏面３０ｂの全面にトンネル絶縁層を形成するのではなく、裏面３０ｂの第１領域Ｒ１に接するトンネル絶縁層３４ａと、裏面３０ｂの第２領域Ｒ２に接するトンネル絶縁層３４ｂとを別の分離された層として形成する点にも特徴点がある。これにより、裏面３０ｂの全面にトンネル絶縁層を形成することを前提として、「バックコンタクト構造」を採用しながら両面受光を可能とする構成を実現するよりも、簡素な構成で「バックコンタクト構造」および両面受光構造を実現できる利点が得られる。この特徴点は、単結晶シリコン層の裏面全面にトンネル絶縁層を形成するという暗黙の常識に捉われない発想から想到された斬新性を有する。

具体的に、本実施の形態では、図３に示すように、単結晶シリコン層３０の裏面３０ｂは、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３を有している。そして、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２は、互いに接触せずに物理的に離れている。また、第３領域は、裏面３０ｂのうちの第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２以外の領域であり、この第３領域Ｒ３において、パッシベーション膜３６が単結晶シリコン層３０と直接接触している。

これにより、本実施の形態では、裏面３０ｂの第１領域Ｒ１に接するトンネル絶縁層３４ａと、裏面３０ｂの第２領域Ｒ２に接するトンネル絶縁層３４ｂとを別の分離された層として形成することができるとともに、第３領域Ｒ３において、パッシベーション膜３６を単結晶シリコン層３０と直接接触させることができる。この結果、本実施の形態によれば、簡素な構成で「バックコンタクト構造」および両面受光構造を実現できる。

さらに、本実施の形態では、図３に示すように、エミッタ層３１の面積よりも、エミッタ層３１と接するトンネル絶縁層３４ｂの面積を小さくしている点にも特徴点がある。すなわち、図３に示すように、エミッタ層３１の裏面は、第４領域Ｒ４と第５領域Ｒ５を有し、第４領域Ｒ４に接するようにトンネル絶縁層３４ｂが形成されている。この場合、金属電極３７ｂの面積も低減することができることから、裏面受光面積を向上できる。

＜効果の検証＞
以下では、本実施の形態における太陽電池セル１００Ａによれば、電力密度を向上できることを定量的に示す検証結果について説明する。

図４は、太陽電池セル１００Ａにおいて、電極ピッチ（裏面）と電力密度との関係を示すグラフである。図４では、基板抵抗率が７０Ω・ｃｍでの結果が示されている。

図４に示すように、室温（２５℃）において、電極ピッチが１．１ｍｍ（１１００μｍ）のときの電力密度が２９．９ｍＷ／ｃｍ^２に達していることがわかる。これは、現時点において、単一接合構造の結晶シリコン太陽電池セルの最高度の性能である。

特に、この検証結果は、「ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル系ロードマップの将来予測を上回る結果である。したがって、本実施の形態における太陽電池セル１００Ａは、当業者にとっても予測困難な顕著な効果を得ることができる点で非常に優れているといえる。

＜さらなる電力密度の向上＞
上述したように、本実施の形態における太陽電池セル１００Ａは、最大で２９．９ｍＷ／ｃｍ^２の電力密度を実現できる。さらに、本発明者は、太陽電池セル１００Ａに対して、図３では図示されていないＢＳＦ層（裏面電界層）を設けるとともに、このＢＳＦ層とエミッタ層３１に導入される導電型不純物の不純物濃度を高濃度にすると、電力密度をさらに向上できることを見出したので、以下に、この点について説明する。

なお、ＢＳＦ層とは、裏面付近で電子と正孔を分離させて再結合を減少させる機能を有する層であり、電力密度を向上させる効果がある層である。

図５は、エミッタ層３１の不純物濃度と電力密度の関係を示すグラフである。

グラフ（１）は、ＢＳＦ層の不純物濃度を１×１０^１７／ｃｍ^３としたグラフであり、グラフ（２）は、ＢＳＦ層の不純物濃度を１×１０^１８／ｃｍ^３としたグラフである。また、グラフ（３）は、ＢＳＦ層の不純物濃度を１×１０^１９／ｃｍ^３としたグラフであり、グラフ（４）は、ＢＳＦ層の不純物濃度を１×１０^２０／ｃｍ^３としたグラフである。

図５に示すように、エミッタ層３１とＢＳＦ層に導入されている導電型不純物の不純物濃度を高濃度にするほど電力密度が向上することがわかる。特に、エミッタ層３１とＢＳＦ層に導入されている導電型不純物の不純物濃度を１×１０^２０／ｃｍ^３とすることにより、最大で３０．０３ｍＷ／ｃｍ^２の電力密度を実現できることがわかる。

＜太陽電池セルの製造方法＞
本実施の形態における太陽電池セル１００Ａは、上記のように構成されており、以下に、その製造方法について説明する。ここで説明する太陽電池セル１００Ａの製造方法は、一例であって、これに限定されるものではない。

図６は、太陽電池セル１００Ａの製造工程の流れを示すフローチャートである。

まず、図６において、ｎ型の単結晶シリコン層３０を有する半導体基板（半導体ウェハ）を準備する（Ｓ１０１）。この段階で、例えば、洗浄処理やダメージ層の除去処理や表面平坦化処理などが行われる。次に、単結晶シリコン層３０の表面３０ａに対して、凹凸形状からなるテクスチャ構造を形成する（Ｓ１０２）。このテクスチャ構造は、例えば、ウェットエッチング処理で実施される。そして、単結晶シリコン層３０の裏面３０ｂにシリコン層を形成して、このシリコン層にボロン（Ｂ）を導入した後、ボロンを導入したシリコン層をパターニングすることにより、裏面３０ｂの第２領域Ｒ２と接するｐ型半導体層からなるエミッタ層３１を形成する（Ｓ１０３）。

次に、エミッタ層３１を覆う裏面３０ｂの全面に、例えば、酸化シリコン膜からなる絶縁層を形成した後（Ｓ１０４）、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、絶縁層をパターニングする（Ｓ１０５）これにより、裏面３０ｂの第１領域Ｒ１と接するトンネル絶縁層３４ａを形成するとともに、エミッタ層３１と接するトンネル絶縁層３４ｂを形成する。

続いて、成膜技術およびパターニング技術を使用することにより、トンネル絶縁層３４ａと接する高濃度多結晶シリコン層３５ａ（ｎ型）を形成し、トンネル絶縁層３４ｂと接する高濃度多結晶シリコン層３５ｂ（ｐ型）を形成する（Ｓ１０６）。

その後、例えば、単結晶シリコン層３０の表面３０ａと接するパッシベーション層３２を形成する。同様に、例えば、単結晶シリコン層３０の裏面３０ｂのうちの第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２以外の領域と接するパッシベーション層３６を形成する（Ｓ１０７）。

次に、高濃度多結晶シリコン層３５ａと接続する金属電極３７ａを形成する。同様に、高濃度多結晶シリコン層３５ｂと接続する金属電極３７ｂを形成する（Ｓ１０８）。

以上のようにして、太陽電池セル１００Ａ（図３参照）を製造することができる。

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

なお、前記実施の形態では、「第１導電型」を「ｎ型」とし、「第２導電型」を「ｐ型」とする太陽電池セル１００Ａを例に挙げて説明したが、前記実施の形態における技術的思想は、これに限らず、例えば、「第１導電型」を「ｐ型」とし、「第２導電型」を「ｎ型」とする太陽電池セルにも適用することができる。

１０ａ太陽電池モジュール
１０ｂ太陽電池モジュール
１０ｃ太陽電池モジュール
１０ｄ太陽電池モジュール
１０ｅ太陽電池モジュール
１０ｆ太陽電池モジュール
１０ｇ太陽電池モジュール
２０パワーコンディショナー
３０単結晶シリコン層
３０ａ表面
３０ｂ裏面
３１エミッタ層
３２パッシベーション層
３３金属電極
３４トンネル絶縁層
３４ａトンネル絶縁層
３４ｂトンネル絶縁層
３５高濃度多結晶シリコン層
３５ａ高濃度多結晶シリコン層
３５ｂ高濃度多結晶シリコン層
３６パッシベーション層
３７金属電極
３７ａ金属電極
３７ｂ金属電極
４０太陽光
５０反射光
１００「ｉ－ＴＯＰＣｏｎ」型太陽電池セル
１００Ａ太陽電池セル
Ｒ１第１領域
Ｒ２第２領域

Claims

可視光を含む第１光を入射可能な第１面と、可視光を含む第２光を入射可能で第１領域および第２領域を含む第２面とを有する第１導電型の単結晶シリコン層と、
前記第２面の前記第１領域と接する第１トンネル絶縁層と、
前記第１トンネル絶縁層と接する前記第１導電型の第１シリコン層と、
前記第１シリコン層と接する第１電極と、
前記第２面の前記第２領域と接する第２導電型のエミッタ層と、
前記エミッタ層と接する第２トンネル絶縁層と、
前記第２トンネル絶縁層と接する前記第２導電型の第２シリコン層と、
前記第２シリコン層と接する第２電極と、
前記第１領域および前記第２領域以外の前記第２面と接するパッシベーション層と、
を備える、太陽電池セル。
請求項１に記載の太陽電池セルにおいて、
前記第１シリコン層に導入されている導電型不純物の不純物濃度は、前記単結晶シリコン層に導入されている導電型不純物の不純物濃度よりも高い、太陽電池セル。
請求項１に記載の太陽電池セルにおいて、
前記第１トンネル絶縁層は、前記第１導電型における多数キャリアを通過させる一方、少数キャリアを非通過とするキャリア選択性を有し、
前記第２トンネル絶縁層は、前記第２導電型における多数キャリアを通過させる一方、少数キャリアを非通過とするキャリア選択性を有する、太陽電池セル。
請求項１に記載の太陽電池セルにおいて、
前記第１シリコン層は、多結晶シリコン層であり、
前記第２シリコン層は、多結晶シリコン層である、太陽電池セル。
請求項１～４のいずれか１項に記載の太陽電池セルを複数備える太陽電池。