JP2875382B2 - 太陽電池素子 - Google Patents
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- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は受光とは反対側の面に一対の主電極を持つシ
リコン太陽電池素子に関する。
リコン太陽電池素子に関する。
太陽電池を用いる太陽光発電は電卓の電源や電力配線
系統網のない灯台の電源や山間僻地の通信設備の電源と
して普及しているが、既存の電力源の水力，火力，原子
力発電と比較して発電原価が高いため、一般電源として
普及するに至っていない。この問題解決には太陽電池の
光電変換効率の向上とその製造原価の低減が重要であ
る。最近、太陽電池の変換効率の向上に関して、原理的
に変換効率の向上が期待できる注目すべき、裏面接触シ
リコン太陽電池素子（Backside−Contact Silicon Sola
r cells）が発表された。この太陽電池素子について
は、ソーラ セルズ,17（1986年）第85頁から第118頁
に、この素子の動作理論とこの素子の実験結果が述べら
れている。また、アイ・イー・イー、第19回太陽電池専
門家会議（1987年）、会議録、第1201頁から第1208頁
に、この素子のさらに発展させた動作理論が論ぜられて
いる。現在ではこの素子の製造原価低減の努力が進めら
れており、第４回国際太陽電池科学技術会議（1989
年）、プロシーディング第143頁から第149頁に、この素
子の安価な製造方法が論ぜられるようになってきてい
る。
系統網のない灯台の電源や山間僻地の通信設備の電源と
して普及しているが、既存の電力源の水力，火力，原子
力発電と比較して発電原価が高いため、一般電源として
普及するに至っていない。この問題解決には太陽電池の
光電変換効率の向上とその製造原価の低減が重要であ
る。最近、太陽電池の変換効率の向上に関して、原理的
に変換効率の向上が期待できる注目すべき、裏面接触シ
リコン太陽電池素子（Backside−Contact Silicon Sola
r cells）が発表された。この太陽電池素子について
は、ソーラ セルズ,17（1986年）第85頁から第118頁
に、この素子の動作理論とこの素子の実験結果が述べら
れている。また、アイ・イー・イー、第19回太陽電池専
門家会議（1987年）、会議録、第1201頁から第1208頁
に、この素子のさらに発展させた動作理論が論ぜられて
いる。現在ではこの素子の製造原価低減の努力が進めら
れており、第４回国際太陽電池科学技術会議（1989
年）、プロシーディング第143頁から第149頁に、この素
子の安価な製造方法が論ぜられるようになってきてい
る。
上記従来技術における太陽電池素子は、その動作原理
から理解されるように、その製作には微細加工の可能な
フォトリソグラフィ技術や真空蒸着技術を適用すること
が必要となり、製造原価が高くなるという問題があっ
た。
から理解されるように、その製作には微細加工の可能な
フォトリソグラフィ技術や真空蒸着技術を適用すること
が必要となり、製造原価が高くなるという問題があっ
た。
本発明の目的は上記の問題を解消した太陽電池素子を
提供することにある。具体的にはスクリーン印刷技術を
用いる製法に適した太陽電池素子を提供することにあ
る。
提供することにある。具体的にはスクリーン印刷技術を
用いる製法に適した太陽電池素子を提供することにあ
る。
一般にスクリーン印刷技術はフォトリソグラフィー技
術と比較して、最小線幅が大きく、位置合わせ精度（ア
ライメト精度）が低い。現在改良が相当進められている
が、そのスクリーン印刷技術を用いても、最小線幅は10
0μｍ程度で、位置合わせ精度は10cm×10cm角の面積に
対して、最大位置づれが150μｍ程度生じている。この
ような最小線幅と位置合わせ精度のスクリーン印刷技術
で、高い光電変換効率の裏面接触シリコン太陽電池素子
を製作することが可能かどうかを計算検討した。このた
め公知の裏面接触シリコン太陽電池素子（ソーラ セル
ズ,17（1986年）第87頁第１図に記載の裏面ポイント接
触シリコン太陽電池素子及びアイ・イー・イー，第19回
太陽電池専門家会議（1987年）、会議録、第1207頁第12
図ならびに第４回国際太陽電池科学技術会議（1989
年）、プロシーディング、第144頁第１図に記載の裏面
ベースライン接触シリコン太陽電池素子）の計算機特性
シミュレーションプログラムを作成して、最小線幅、位
置合わせ精度に関連する素子パラメータを変えて、これ
らと素子特性との関係を検討した。
術と比較して、最小線幅が大きく、位置合わせ精度（ア
ライメト精度）が低い。現在改良が相当進められている
が、そのスクリーン印刷技術を用いても、最小線幅は10
0μｍ程度で、位置合わせ精度は10cm×10cm角の面積に
対して、最大位置づれが150μｍ程度生じている。この
ような最小線幅と位置合わせ精度のスクリーン印刷技術
で、高い光電変換効率の裏面接触シリコン太陽電池素子
を製作することが可能かどうかを計算検討した。このた
め公知の裏面接触シリコン太陽電池素子（ソーラ セル
ズ,17（1986年）第87頁第１図に記載の裏面ポイント接
触シリコン太陽電池素子及びアイ・イー・イー，第19回
太陽電池専門家会議（1987年）、会議録、第1207頁第12
図ならびに第４回国際太陽電池科学技術会議（1989
年）、プロシーディング、第144頁第１図に記載の裏面
ベースライン接触シリコン太陽電池素子）の計算機特性
シミュレーションプログラムを作成して、最小線幅、位
置合わせ精度に関連する素子パラメータを変えて、これ
らと素子特性との関係を検討した。
この計算検討の結果から、自己位置合わせ（セルフ
アライメント）製造を裏面接触シリコン太陽電池素子に
持たせることができれば、スクリーン印刷技術を用いて
十分高い光電変換効率の素子が製造できることが分っ
た。本発明では自己位置合わせを実現するため、n+−ｐ
−p+三層構造においてはn+層を島状に凸形にして、かつ
不純物ドーピング濃度をp+層のそれより高くした構造を
採用した。すなわち、ｐ型シリコン基板の裏面全面にn+
層を高濃度不純物拡散（例えばりん拡散）で形成した
後、この層を選択エッチングにより島状の凸形を有する
n+層を形成し、しかる後、全面にp+型の低濃度不純物拡
散（例えばボロン拡散）をすれば、n+層の不純物ドーピ
ング濃度が高いため、n+層に反転されることなく、n+層
とp+層とを何らかの位置合わせの処理を実施することな
く分離できる自己位置合わせ（セルフアライメント）構
造を実現できる。
アライメント）製造を裏面接触シリコン太陽電池素子に
持たせることができれば、スクリーン印刷技術を用いて
十分高い光電変換効率の素子が製造できることが分っ
た。本発明では自己位置合わせを実現するため、n+−ｐ
−p+三層構造においてはn+層を島状に凸形にして、かつ
不純物ドーピング濃度をp+層のそれより高くした構造を
採用した。すなわち、ｐ型シリコン基板の裏面全面にn+
層を高濃度不純物拡散（例えばりん拡散）で形成した
後、この層を選択エッチングにより島状の凸形を有する
n+層を形成し、しかる後、全面にp+型の低濃度不純物拡
散（例えばボロン拡散）をすれば、n+層の不純物ドーピ
ング濃度が高いため、n+層に反転されることなく、n+層
とp+層とを何らかの位置合わせの処理を実施することな
く分離できる自己位置合わせ（セルフアライメント）構
造を実現できる。
本発明太陽電池素子は、裏面における一対の主電極を
コンタクト接触する個所が自己整合によって形成し得る
構造となっているため、一対の主電極をスクリーン印刷
技術によって形成することが可能となる。このため、高
変換効率を有する太陽電池素子を容易に製造することが
可能となる。
コンタクト接触する個所が自己整合によって形成し得る
構造となっているため、一対の主電極をスクリーン印刷
技術によって形成することが可能となる。このため、高
変換効率を有する太陽電池素子を容易に製造することが
可能となる。
第１図及び第２図は本発明太陽電池素子の実施例を示
す概略断面図及び拡大図である。
す概略断面図及び拡大図である。
図において、１は受光面となる一方の主表面11及び一
方の主表面11と反対側に位置し頂部121と谷部122とから
なる他方の主表面12の間に、一方の主表面11に隣接する
ｐ型導電性の第１の層13、第１の層13に隣接する第１の
層13より低不純物濃度のｐ型導電性の第２の層14、第２
の層14及び他方の主表面12の頂部121に隣接する第２の
層14より高不純物濃度のｎ型導電性の第３の層15、第２
の層14及び他方の主表面12の谷部122に隣接する第３の
層15と第２の層14との間の不純物濃度を有するｐ型導電
性の第４の層16を有する半導体基体である。他方の主表
面12の頂部121及び谷部122はそれぞれくし形を有し、そ
のくし歯を咬合わせた形状となっている。一方の主表面
11及び他方の主表面12の谷部122は微少凹凸の存在する
テクスチュア面となっており、その上に酸化膜2,3が形
成されている。４は酸化膜２上に形成したTiO2膜、５は
他方の主表面12の頂部121のくし形の背部上にあって第
３の層15にオーミック接触する第１の主電極、６は他方
の主表面12の谷部122のくし形の背部上にあって第４の
層16にオーミック接触する第２の主電極である。
方の主表面11と反対側に位置し頂部121と谷部122とから
なる他方の主表面12の間に、一方の主表面11に隣接する
ｐ型導電性の第１の層13、第１の層13に隣接する第１の
層13より低不純物濃度のｐ型導電性の第２の層14、第２
の層14及び他方の主表面12の頂部121に隣接する第２の
層14より高不純物濃度のｎ型導電性の第３の層15、第２
の層14及び他方の主表面12の谷部122に隣接する第３の
層15と第２の層14との間の不純物濃度を有するｐ型導電
性の第４の層16を有する半導体基体である。他方の主表
面12の頂部121及び谷部122はそれぞれくし形を有し、そ
のくし歯を咬合わせた形状となっている。一方の主表面
11及び他方の主表面12の谷部122は微少凹凸の存在する
テクスチュア面となっており、その上に酸化膜2,3が形
成されている。４は酸化膜２上に形成したTiO2膜、５は
他方の主表面12の頂部121のくし形の背部上にあって第
３の層15にオーミック接触する第１の主電極、６は他方
の主表面12の谷部122のくし形の背部上にあって第４の
層16にオーミック接触する第２の主電極である。
次に、かかる構成の太陽電池素子の製法を説明する。
まず、ｐ型で比抵抗１Ω・cm、厚さ200μｍのシリコ
ン基板にオキシ塩化りん（POCl3）拡散を1200℃で所定
の間行い、シリコン基板の両面に表面濃度約５×1020/c
m3、深さ約10μｍのn+層を形成する。次に、この基板の
他方の面にスクリーン印刷により、耐酸性マスク材をく
し形の歯に相当する部分幅が約130μｍ、歯の長さを約2
200μｍ、隣りの歯とのピッチが約250μｍ、くし形の背
部となる広い部分の幅が約450μｍとなるように印刷す
る。次に、弗酸で、レジストのない部分の燐ガラス（燐
拡散時に形成）を除去し、更に溶剤でレジストを除去す
る。次に、パターンが転写された燐ガラスをマスク材に
して、KOHを数％含むアルカリエッチング液で、約20μ
ｍエッチング除去して、他方の主表面の底部になる個所
及び一方の主表面をテクスチュア面にする。この結果、
素子の光電変換効率を向上させる上で好しい歯の幅が、
サイドエッチングされる効果のため、初期の約130μｍ
から80μｍに狭くなる。また、n+層が高濃度の厚いりん
拡散であるため、強い重金属ゲッターリング効果が働
き、りん拡散後のシリコンｐ基板（バルク）の少数キャ
リア寿命の低下が見られなかった。次に弗酸で、残った
りんガラスを全て除去して、臭化ボロン（BBr3）拡散を
1000℃、所定時間行い、表面濃度約１×10191/cm3、深
さ約１μｍのp+層15を形成した。次に、弗酸でボロンガ
ラスを除去し後、ボロン・シリサイド・スキンを除去し
後、ボロン・シリサイド・スキンを除去するため1000
℃,30分，酸素ガス雰囲気中で酸化し、しかる後、弗酸
処理を行う。次に表面をシリコン酸化膜で不動態化（パ
ッシベーション）するため、再び1000℃,30分，酸素ガ
ス雰囲気中で酸化して約200Åの酸化膜2,3を形成した。
次に、電極をスクリーン印刷で形成するため、Alを数％
含むAgペーストを印返して、700℃,1分，合成空気雰囲
気中で焼成し、酸化膜３を貫通させ、n+層16と接触する
電極５およびp+層15と接触した６を形成した。この結
果、電極5,6はどの部分もスクリーンの位置合わせ精度
±150μｍの範囲内に入っていることを確認した。次
に、TiO2反射防止膜４を２の表面に常圧CVD法で550Å形
成する。このようにして製造した裏面接触シリコン太陽
電池素子を裏面からレーザダイオード・マイクロ波法で
シリコンｐ基板（バルク）の少数キャリア寿命を測定し
た所、その低下は見られなかった。このバルクの少数キ
ャリア寿命の測定値を用いて、前述の計算機特性シミュ
レーションによる計算特性結果と製作した素子の特性
は、ほぼ一致して、期待した高い光電変換効率を示し
た。以上述べた製造条件は一実施例であり、本発明を制
限するものではない。
ン基板にオキシ塩化りん（POCl3）拡散を1200℃で所定
の間行い、シリコン基板の両面に表面濃度約５×1020/c
m3、深さ約10μｍのn+層を形成する。次に、この基板の
他方の面にスクリーン印刷により、耐酸性マスク材をく
し形の歯に相当する部分幅が約130μｍ、歯の長さを約2
200μｍ、隣りの歯とのピッチが約250μｍ、くし形の背
部となる広い部分の幅が約450μｍとなるように印刷す
る。次に、弗酸で、レジストのない部分の燐ガラス（燐
拡散時に形成）を除去し、更に溶剤でレジストを除去す
る。次に、パターンが転写された燐ガラスをマスク材に
して、KOHを数％含むアルカリエッチング液で、約20μ
ｍエッチング除去して、他方の主表面の底部になる個所
及び一方の主表面をテクスチュア面にする。この結果、
素子の光電変換効率を向上させる上で好しい歯の幅が、
サイドエッチングされる効果のため、初期の約130μｍ
から80μｍに狭くなる。また、n+層が高濃度の厚いりん
拡散であるため、強い重金属ゲッターリング効果が働
き、りん拡散後のシリコンｐ基板（バルク）の少数キャ
リア寿命の低下が見られなかった。次に弗酸で、残った
りんガラスを全て除去して、臭化ボロン（BBr3）拡散を
1000℃、所定時間行い、表面濃度約１×10191/cm3、深
さ約１μｍのp+層15を形成した。次に、弗酸でボロンガ
ラスを除去し後、ボロン・シリサイド・スキンを除去し
後、ボロン・シリサイド・スキンを除去するため1000
℃,30分，酸素ガス雰囲気中で酸化し、しかる後、弗酸
処理を行う。次に表面をシリコン酸化膜で不動態化（パ
ッシベーション）するため、再び1000℃,30分，酸素ガ
ス雰囲気中で酸化して約200Åの酸化膜2,3を形成した。
次に、電極をスクリーン印刷で形成するため、Alを数％
含むAgペーストを印返して、700℃,1分，合成空気雰囲
気中で焼成し、酸化膜３を貫通させ、n+層16と接触する
電極５およびp+層15と接触した６を形成した。この結
果、電極5,6はどの部分もスクリーンの位置合わせ精度
±150μｍの範囲内に入っていることを確認した。次
に、TiO2反射防止膜４を２の表面に常圧CVD法で550Å形
成する。このようにして製造した裏面接触シリコン太陽
電池素子を裏面からレーザダイオード・マイクロ波法で
シリコンｐ基板（バルク）の少数キャリア寿命を測定し
た所、その低下は見られなかった。このバルクの少数キ
ャリア寿命の測定値を用いて、前述の計算機特性シミュ
レーションによる計算特性結果と製作した素子の特性
は、ほぼ一致して、期待した高い光電変換効率を示し
た。以上述べた製造条件は一実施例であり、本発明を制
限するものではない。
本発明の裏面接触シリコン太陽電池素子について、計
算機特性シミュレーションプログラムを作成して、素子
特性を確認した。この素子のパラメータは、実施例で後
述する値を用いた。計算結果の一例を第３図に示す。第
３図はn+層の表面濃度の素子特性に対する効果の計算結
果である。実線は素子の大きさが33×33mm2でｐ型シリ
コン基板の比抵抗が１Ω・cm、点線は、それぞれ、100
×100mm、１Ω・cm、一点鎖線はそれぞれ100×100mm、1
0Ω・cmの素子を示す。この結果から、スクリーン技術
でも本発明によれば、高い光電変換効率が得られること
が期待される。
算機特性シミュレーションプログラムを作成して、素子
特性を確認した。この素子のパラメータは、実施例で後
述する値を用いた。計算結果の一例を第３図に示す。第
３図はn+層の表面濃度の素子特性に対する効果の計算結
果である。実線は素子の大きさが33×33mm2でｐ型シリ
コン基板の比抵抗が１Ω・cm、点線は、それぞれ、100
×100mm、１Ω・cm、一点鎖線はそれぞれ100×100mm、1
0Ω・cmの素子を示す。この結果から、スクリーン技術
でも本発明によれば、高い光電変換効率が得られること
が期待される。
本発明によれば、スクリーン印刷技術で高い光電変
換効率の太陽電池素子ができること、電極を１回で形
成できること、裏面接触シリコン太陽電池は、裏面に
pn接合を形成するため、接合を形成するための不純物ド
ーピング層を高濃度で深くしても、光電変換効率の低下
が少ない特長があり、この特長を生ぜることができるこ
と、高濃度不純物ドーピング層を集電電極の一部とし
て利用できること、同時に両主面をテクスチュア面に
することができることなど多くの性能向上、経済性向上
が可能であり、これらの効果は極めて高い。
換効率の太陽電池素子ができること、電極を１回で形
成できること、裏面接触シリコン太陽電池は、裏面に
pn接合を形成するため、接合を形成するための不純物ド
ーピング層を高濃度で深くしても、光電変換効率の低下
が少ない特長があり、この特長を生ぜることができるこ
と、高濃度不純物ドーピング層を集電電極の一部とし
て利用できること、同時に両主面をテクスチュア面に
することができることなど多くの性能向上、経済性向上
が可能であり、これらの効果は極めて高い。
第１図は、本発明の一実施例を示す概略断面図、第２図
は第１図の一部拡大図、第３図は本発明の実施例の特性
計算の結果を示す特性図である。 １……半導体基体、５……一方の主電極、６……他方の
主電極、11……一方の主表面、12……他方の主表面、12
1……頂部、122……谷部。
は第１図の一部拡大図、第３図は本発明の実施例の特性
計算の結果を示す特性図である。 １……半導体基体、５……一方の主電極、６……他方の
主電極、11……一方の主表面、12……他方の主表面、12
1……頂部、122……谷部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 穀内 滋 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 内田 泰明 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 初見 君男 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 根本 忠夫 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献 特開 昭63−287077（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−80789（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−10993（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−5985（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−237765（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−49257（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 31/04
Claims (3)
- 【請求項１】受光面となる一方の主表面、一方の主表面
とは反対側に位置し頂部と谷部とからなる他方の主表
面、一方の主表面に隣接する一方導電型の第１の層、第
１の層に隣接する第１の層より低不純物濃度を有する一
方導電型の第２の層、第２の層及他方の主表面の頂部に
隣接する第２の層より高不純物濃度を有する他方導電型
の第３の層、及び第２の層、第３の層及び他方の主表面
の谷部に隣接する第２の層より高く第３の層より低い不
純物濃度を有する一方導電型の第４の層からなる半導体
基体と、 半導体基体の他方の主表面の頂部において第３の層にオ
ーミック接触する第１の主電極と、 半導体基体の他方の主表面の谷部において第４の層にオ
ーミック接触する第２の主電極とを具備することを特徴
とする太陽電池素子。 - 【請求項２】特許請求の範囲第１項において、他方の主
表面の頂部及び谷部はそれぞれくし歯状を有しているこ
とを特徴とする太陽電池素子。 - 【請求項３】特許請求の範囲第１項又は第２項におい
て、一方の主表面及び他方の主表面の谷部がテクスチュ
ア面であることを特徴とする太陽電池素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2317813A JP2875382B2 (ja) | 1990-11-26 | 1990-11-26 | 太陽電池素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2317813A JP2875382B2 (ja) | 1990-11-26 | 1990-11-26 | 太陽電池素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04192371A JPH04192371A (ja) | 1992-07-10 |
| JP2875382B2 true JP2875382B2 (ja) | 1999-03-31 |
Family
ID=18092332
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2317813A Expired - Lifetime JP2875382B2 (ja) | 1990-11-26 | 1990-11-26 | 太陽電池素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2875382B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4244549B2 (ja) | 2001-11-13 | 2009-03-25 | トヨタ自動車株式会社 | 光電変換素子及びその製造方法 |
| JP5627243B2 (ja) * | 2010-01-28 | 2014-11-19 | 三洋電機株式会社 | 太陽電池及び太陽電池の製造方法 |
| DE102011088899A1 (de) * | 2011-12-16 | 2013-06-20 | International Solar Energy Research Center Konstanz E.V. | Rückkontakt-Solarzelle und Verfahren zur Herstellung einer Rückkontakt-Solarzelle |
| DE102013108422A1 (de) * | 2013-08-05 | 2015-02-05 | Universität Konstanz | Verfahren zum Erzeugen dotierter oder metallisierter Bereiche in einem Solarzellensubstrat sowie entsprechende Solarzelle |
-
1990
- 1990-11-26 JP JP2317813A patent/JP2875382B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04192371A (ja) | 1992-07-10 |
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