JP3094730B2 - 太陽電池素子 - Google Patents

太陽電池素子

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JP3094730B2 JP05100887A JP10088793A JP3094730B2 JP 3094730 B2 JP3094730 B2 JP 3094730B2 JP 05100887 A JP05100887 A JP 05100887A JP 10088793 A JP10088793 A JP 10088793A JP 3094730 B2 JP3094730 B2 JP 3094730B2
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    • Y02E10/548Amorphous silicon PV cells

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、単結晶シリコン基板に
非単結晶シリコン層を積層して、非単結晶シリコンを結
晶成長させた基板を用いる太陽電池素子に関する。
【0002】
【従来の技術】太陽電池素子に用いられるSi(シリコ
ン)基板には、単結晶Si、多結晶Si、アモルファス
Siがある。ところで、単結晶Siを用いた太陽電池素
子の特性を向上させる方法として、Siウエハのキャリ
アライフタイムを長くする方法がある。通常、Siウエ
ハはp型またはn型不純物を含有し、不純物量が少ない
ほど、ライフタイムは向上するが、電気抵抗が増加し
て、特性が低下する問題点を含むため、通常は0.01
〜1ppma程度の不純物元素を含有させる。
【0003】上記相反する問題を解決するため、不純物
量の多い低抵抗基板上に不純物量が少なくライフタイム
の長い領域を形成して、光をより多く吸収する表面側に
近い領域の特性向上を図るという技術がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来
は、Si基板上に良質な結晶性を有するSi層領域を形
成する場合、高温プロセスであるエピタキシャル成長を
行う必要があり、熱歪欠陥が生成し、ライフタイムが減
少するという問題点がある。
【0005】また、例えば特開平4−177880号公
報に示されるように、低温で、基板上に多結晶Si膜を
形成後、アニールにより再結晶化させる方法があるが、
この方法では、基板の任意の部分を核としてランダムに
結晶化するため、微小な結晶が多数析出し、キャリアの
移動が悪くなり、良好な光電変換特性を有する太陽電池
素子の形成が困難であった。
【0006】なお、受光面の結晶成長層に求められる性
質は以下の3点である。(a)不純物元素濃度が少な
い。(b)ライフタイムが長い。(c)結晶性が良好
で、多結晶の場合は結晶粒径が大きい。
【0007】しかしながら、従来は上記3点を満たすこ
とが難しかった。
【0008】そこで本発明の目的は、受光面側に結晶粒
径の大きい不純物低濃度層を形成でき、出力特性を向上
させることができるようにした太陽電池素子を提供する
ことにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の太陽電池素子
は、単結晶シリコン基板の受光面側に不純物低濃度の非
単結晶シリコン層を形成し、この非単結晶シリコン層を
結晶成長させた基板を用いる太陽電池素子において、単
結晶シリコン基板と非単結晶シリコン層の間に、複数の
微小な開口部が規則的に配置された中間層を設け、開口
部より非単結晶シリコンが結晶成長するように、開口部
を介して単結晶シリコン基板と非単結晶シリコン層とを
接触させたものである。
【0010】
【作用】この太陽電池素子では、単結晶シリコン基板と
非単結晶シリコン層の間に設けられた中間層の開口部よ
り非単結晶シリコンが結晶成長し、他の部分からは結晶
成長しないので、成長中の結晶同士が衝突しあうことが
なく、結晶粒径が大きくなる。
【0011】
【実施例】以下、本発明の実施例について詳細に説明す
る。
【0012】図1は本発明の第1実施例の太陽電池素子
の断面図である。この図に示すように、本実施例の太陽
電池素子は、高濃度にB(ホウ素)がドーピングされた
p型Siウエハ1の表面に熱酸化膜2を形成し、この熱
酸化膜2の表面に低濃度にB(ホウ素)がドーピングさ
れたp型不純物低濃度層領域3を形成し、このp型不純
物低濃度層領域3の上に、P(リン)がドーピングされ
た受光面n層領域4を形成している。さらに、上記のよ
うに加工されたSiウエハの受光面に、表面クシ型電極
5を形成し、裏面に裏面電極6を形成して太陽電池素子
を形成している。
【0013】なお、本実施例では、Siウエハにp型を
選んだが、n型Siウエハにおいても同様に、n型不純
物低濃度層領域および受光面p層を形成して太陽電池素
子を形成することが可能である。
【0014】図2は受光面(表面)側より見た酸化膜2
の概要を示す平面図である。この図に示すように、酸化
膜2は規則的に微小な開口部7を有している。酸化膜2
上に形成されたアモルファス(非晶質)Si膜はアニー
ルにより結晶化され、開口部7よりp型Siウエハ1の
結晶性を種として徐々に周囲の酸化膜2上へ結晶成長す
る。そして、隣接する開口部7より成長した結晶部分と
接することにより結晶成長は停止し、規則的で正方状の
粒界8を有するp型不純物低濃度層領域3が形成され
る。
【0015】このように、Siウエハ1上に設けられ
た、規則的に形成された開口部7を有する酸化膜2を介
してアモルファスSi膜を形成し、アニールすることに
よって、規則的で粒径の大きいp型不純物低濃度層領域
3を形成できる。この領域は受光面に近く、光の吸収量
が最も多い領域であり、低不純物濃度化を行い、ライフ
タイムを向上させることが、太陽電池素子の出力向上に
大きく寄与する。また、p型Siウエハ1の不純物(ホ
ウ素)濃度を多くし、低抵抗化することにより、太陽電
池素子の直列抵抗を減少させることができ、さらに出力
を向上させることが可能となる。また、上記プロセスは
比較的低温で行われるため、熱歪による結晶性の低下を
防止することもできる。
【0016】次に、図3を参照して、本実施例の太陽電
池素子の製造方法を具体的に説明する。まず、(a)に
示すような、B(ホウ素)が高濃度にドーピングされた
比抵抗範囲0.05〜1.0Ω・cm程度のp型Siウ
エハ1の表面に、(b)に示すように酸化膜(Si
2 )2を約400nm程度形成する。次に、(c)に
示すように、酸化膜2にフォトリソグラフィ工程を用い
て、3μm正方角の開口部7を15μm間隔で、加工形
成する。次に、(d)に示すように、B2 6 (ジボラ
ン)を微量に含有したSiH4 (モノシラン)ガスを、
プラズマCVD法により分解堆積させ、膜厚約5μmの
p型アモルファスSi膜11を形成する。この膜11を
600℃でアニールすることにより、酸化膜2の開口部
7に存在するSiウエハ(結晶部分)を種として、脱水
素化しながらエピタキシャル成長させ、(e)に示すよ
うに、開口部間隔15μmに合わせて粒径約15μmの
均一で規則正しい結晶粒を有するp型不純物低濃度層領
域3を形成する。
【0017】続いて、裏面側に、B(ホウ素)を高濃度
にドーピングしたp+ 層(図示せず)を形成し、受光面
(p型不純物低濃度層領域3)にP(リン)を高濃度に
ドーピングしたn層4を形成し、続いて、TiO2 より
なる反射防止膜(図示せず)を形成した後、銀ペースト
スクリーン印刷により表面クシ型電極5と裏面電極6を
形成して、図1に示す太陽電池素子を完成させた。
【0018】次に本発明の第2実施例について説明す
る。本実施例では、第1実施例と同様のp型Siウエハ
1の表面に、酸化膜(SiO2 )2を約400nm程度
形成する。次に、この酸化膜2にフォトリソグラフィ工
程を用いて、3μm正方角の開口部7を30μm間隔
で、加工形成する。次に、B2 6 を微量に含有したS
iH4 ガスを、プラズマCVD法により分解堆積させ、
膜厚約5μmのp型アモルファスSi膜11を形成す
る。この膜11を600℃でアニールすることにより、
酸化膜2の開口部7に存在するSiウエハ(結晶部分)
を種として、脱水素化しながらエピタキシャル成長さ
せ、開口部間隔30μmに合わせて粒径約30μmの均
一で規則正しい結晶粒を有するp型不純物低濃度層領域
3を形成する。続いて、第1実施例と同様の加工を施
し、太陽電池素子を完成させた。
【0019】次に本発明の第3実施例について説明す
る。太陽電池素子は、入射光の表面反射を低減させ、出
力を向上させるため、表面にピラミッド状の凹凸を全面
に形成させたテクスチャ構造を採用する場合がある。本
実施例は、本発明をこのテクスチャ構造の太陽電池素子
に適用したものである。
【0020】図4は本実施例の太陽電池素子の断面図で
ある。フォトリソグラフィ工程を用いた規則的なテクス
チャ構造においては、図5に示すように、p型Siウエ
ハ1上に酸化膜2を形成し、この酸化膜2に対して、ピ
ラミッドの壁面中央に開口部7を形成する。そして、こ
の酸化膜2上にアモルファスSi膜を形成し、アニール
することによりp型ウエハ1の結晶性を種として徐々に
周囲の酸化膜2上へ結晶成長する。そして、隣接する開
口部7より成長した結晶部分と接することにより結晶成
長は停止し、規則的で三角形状の粒界8を有するp型不
純物低濃度層領域3が形成される。その他の構成は、第
1実施例と同様である。
【0021】このように、テクスチャ構造を形成したS
iウエハ1においても、規則的で粒径の大きいp型不純
物低濃度層領域3の形成が可能であり、図1の構造を有
する太陽電池素子と同様に出力を大きく向上させること
が可能となる。
【0022】次に、本実施例の太陽電池素子の製造方法
を具体的に説明する。本実施例では、第1実施例と同様
のp型Siウエハ1にフォトリソグラフィ工程およびア
ルカリ選択性エッチング法を用いて、底辺20μmの正
四角錐よりなる均一なピラミッド型テクスチャ構造を形
成する。ここに、酸化膜2を約400nm程度形成す
る。次に、この酸化膜2にフォトリソグラフィ工程を用
いて、図5に示すように、一辺が3μmの三角形状の開
口部7を10μm間隔で、加工形成する。次に、B2
6 を微量に含有したSiH4 ガスを、プラズマCVD法
により分解堆積させ、膜厚約5μmのp型アモルファス
Si膜11を形成する。この膜11を600℃でアニー
ルすることにより、酸化膜2の開口部7に存在するSi
ウエハ(結晶部分)を種として、脱水素化しながらエピ
タキシャル成長させ、開口部間隔10μmおよびテクス
チャ構造の四角錐形状に合わせて粒径約10μmの均一
で規則正しい結晶粒を有するp型不純物低濃度層領域3
を形成する。続いて、第1実施例と同様の加工を施し、
太陽電池素子を完成させた。
【0023】表1は、上記第1ないし第3実施例におけ
るp型不純物低濃度層領域を有する素子構成と、前記領
域を有しない従来例による素子構成とを示し、合わせて
出力特性を比較したものである。
【0024】
【表1】 この表1から分かるように、従来例においては、基板比
抵抗を、従来例1の2.0Ω・cmから従来例2の0.
08Ω・cmに減少させることにより、1.33Wから
1.08Wへ出力特性が大きく減少した。しかし、本発
明の第1実施例では、不純物低濃度層領域を設けること
により、逆に1.48Wへ出力特性が向上した。さら
に、粒径を拡大した第2実施例においては、1.52W
へ出力特性がさらに向上し、本発明の有効性が確認され
た。また、基板にテクスチャ構造を形成した第3実施例
においては、1.75Wへ出力特性が大きく向上するこ
とが確認された。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、単
結晶シリコン基板と非単結晶シリコン層の間に、微小な
開口部を有する中間層を設け、この中間層の開口部より
非単結晶シリコンが結晶成長するようにしたので、受光
面側に結晶粒径の大きい不純物低濃度層を形成でき、太
陽電池素子の出力特性を向上させることができるという
効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の太陽電池素子の断面図で
ある。
【図2】図1における酸化膜を示す平面図である。
【図3】図1の太陽電池素子の製造方法を示す説明図で
ある。
【図4】本発明の第3実施例の太陽電池素子の断面図で
ある。
【図5】図4における酸化膜を示す斜視図である。
【符号の説明】
1 p型Siウエハ 2 酸化膜 3 p型不純物低濃度層領域 4 受光面n層 5 表面クシ型電極 6 裏面電極 7 開口部 8 結晶粒界

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】単結晶シリコン基板の受光面側に不純物低
    濃度の非単結晶シリコン層を形成し、この非単結晶シリ
    コン層を結晶成長させた基板を用いる太陽電池素子にお
    いて、前記単結晶シリコン基板と非単結晶シリコン層の
    間に、複数の微小な開口部が規則的に配置された中間層
    を設け、前記開口部より前記非単結晶シリコンが結晶成
    長するように、前記開口部を介して前記単結晶シリコン
    基板と非単結晶シリコン層とを接触させたことを特徴と
    する太陽電池素子。
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