JP4540447B2 - 太陽電池および太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は太陽電池および太陽電池の製造方法に関し、特に最大電力を向上させた太陽電池とその太陽電池の製造方法に関する。
近年、エネルギ資源の枯渇の問題や大気中のＣＯ2の増加のような地球環境問題などからクリーンなエネルギの開発が望まれており、特にシリコン基板を用いた太陽電池（以下、シリコン太陽電池ということもある）が新しいエネルギ源として開発、実用化され、発展の道を歩んでいる。
シリコン太陽電池の最大電力向上のためには、シリコン基板の内部での少数キャリアの損失を防止するだけでなく、シリコン基板の表面での少数キャリアの損失を防止することが試みられている。特に、シリコン基板の表面での少数キャリアの損失の防止に関して、シリコン基板の表面上に酸化シリコン膜を形成して少数キャリアの再結合を防止するパッシベーション技術が開発されている（たとえば非特許文献１参照）。また、シリコン基板の表面上に窒化シリコン膜を形成するパッシベーション技術も開発されている（たとえば非特許文献２参照）。
Jianhua Zhao, Aihaua Wang, Martin A.Green, ゛24.7% EFFICIENT PERL SILICON SOLAR CELLS AND OTHER HIGH EFFICIENCY SOLAR CELL AND MODULE RESEARCH AT THE UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES", Applied Physics Letters, Vol.44(12), pp.1163-1164 Jan Schmidt, Mark Kerr, Andres Cuevas, ゛Surface passivation of silicon solar cells using plasma-enhanced chemical-vapour-deposited SiN films and thin thermal SiO2/plasma SiN stacks", Semicond.Sci.Technol., 16(2001), pp.164-170
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上述の非特許文献１に記載のように、シリコン基板の表面における少数キャリアの再結合を防止するパッシベーション膜としてシリコン基板の表面上に酸化シリコン膜を形成した場合には、この酸化シリコン膜が太陽光の反射防止膜としても機能する。しかしながら、酸化シリコン膜は太陽光の反射防止の効果が小さく太陽光の反射率が大きいため、最大電力を十分に得ることができない。
また、上述の非特許文献２に記載のように、パッシベーション膜としてシリコン基板の表面上に窒化シリコン膜を形成した場合には、この窒化シリコン膜が太陽光の反射防止膜としても機能する。窒化シリコン膜の屈折率が大きい程、パッシベーション（シリコン基板の表面における少数キャリアの再結合防止）効果を高くすることができるが、屈折率の大きい窒化シリコン膜は太陽光の吸収による損失が大きいため、最大電力を十分に得ることができない。
本発明の目的は、最大電力を向上させた太陽電池とその太陽電池の製造方法とを提供することにある。
本発明は、シリコン基板の受光面上に形成されたパッシベーション膜と、パッシベーション膜上に形成された反射防止膜と、を含み、パッシベーション膜の屈折率が反射防止膜の屈折率よりも高く、パッシベーション膜および反射防止膜が共に窒化シリコン膜からなり、パッシベーション膜の屈折率が２．９以上である太陽電池であることを特徴とする。
また、本発明の太陽電池においては、パッシベーション膜の膜厚が１０ｎｍ以下であることが好ましい。
また、本発明は、上記のいずれかに記載の太陽電池を製造するための方法であって、第１のガスを用いたプラズマＣＶＤ法によりシリコン基板の受光面上にパッシベーション膜を形成する工程と、第１のガスと組成が異なる第２のガスを用いたプラズマＣＶＤ法によりパッシベーション膜上に反射防止膜を形成する工程と、を含む、太陽電池の製造方法である。
ここで、本発明の太陽電池の製造方法においては、パッシベーション膜の形成時におけるＲＦパワー密度が反射防止膜の形成時におけるＲＦパワー密度よりも小さいことが好ましい。
また、本発明の太陽電池の製造方法においては、パッシベーション膜の形成に用いられる製膜チャンバと反射防止膜の形成に用いられる製膜チャンバとが異なっていてもよい。
また、本発明の太陽電池の製造方法においては、第１のガスおよび第２のガスが、シランガスと、アンモニアガスと、を含み得る。
本発明によれば、最大電力を向上させた太陽電池とその太陽電池の製造方法とを提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本願の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
図１に本発明の太陽電池の一例の一部の模式的な断面図を示す。本発明の太陽電池は、シリコン基板１と、シリコン基板１の受光面（太陽光が入射する側の表面）上に形成された窒化シリコン膜からなるパッシベーション膜２と、パッシベーション膜２上に形成された窒化シリコン膜からなる反射防止膜３とを含み、パッシベーション膜２の屈折率が反射防止膜３の屈折率よりも高いことを特徴としている。
このような構成を有することにより、窒化シリコン膜からなる反射防止膜３における太陽光の反射防止の効果を小さくすることなく、反射防止膜３よりも屈折率の高い窒化シリコン膜からなるパッシベーション膜２によってシリコン基板１の受光面における少数キャリアの再結合を効果的に防止することができることから、結果として太陽電池の最大電力を向上させることができる。
図２に、シラン（ＳｉＨ4）ガスとアンモニア（ＮＨ3）ガスとを用いたプラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜を形成した場合における、導入されたガスの流量比（ＮＨ3／ＳｉＨ4）と形成された窒化シリコン膜の屈折率との関係を示す。ここで、縦軸は形成された窒化シリコン膜の屈折率を示し、横軸はＳｉＨ4ガスとＮＨ3ガスとの流量比（ＮＨ3／ＳｉＨ4）を示している。
図２に示すように、ガスの流量比（ＮＨ3／ＳｉＨ4）が大きくなる程、形成された窒化シリコン膜の屈折率が低くなる傾向が見られた。したがって、プラズマＣＶＤ装置内に導入されるガスの組成を変化させることによって、シリコン基板の受光面上に屈折率の高い窒化シリコン膜からなるパッシベーション膜と、このパッシベーション膜上に屈折率の低い窒化シリコン膜からなる反射防止膜とをプラズマＣＶＤ法を用いて形成することが可能になる。ここで、図２に示す窒化シリコン膜の屈折率は、偏光解析法を用いた光源Ｈｅ−Ｎｅレーザ（波長６３２．８ｎｍ）のエリプソメータによって測定された。
図３に、ガスの組成を変えてプラズマＣＶＤ法によりシリコン基板の表面上に屈折率の異なる窒化シリコン膜を形成したときの窒化シリコン膜の屈折率と少数キャリアのライフタイムとの関係を示す。ここで、縦軸は少数キャリアのライフタイムを示し、横軸は窒化シリコン膜の屈折率を示している。
図３に示すように、シリコン基板の表面上に形成された窒化シリコン膜の屈折率が高い程、少数キャリアのライフタイムが長くなる傾向が見られた。特に、窒化シリコン膜の屈折率が２．６以上である場合、より好ましくは２．９以上である場合には少数キャリアのライフタイムが格段に長くなる傾向にあった。
このように、シリコン基板の受光面上に形成される窒化シリコン膜の屈折率を高くすれば少数キャリアの再結合をより防止することができる傾向にある。しかしながら、屈折率の高い窒化シリコン膜は太陽光を吸収しやすいため、吸収による太陽光の損失を低減するためには、シリコン基板の受光面上に形成される窒化シリコン膜の膜厚を１０ｎｍ以下にすることが好ましい。さらに、反射による太陽光の損失を低減するためには、パッシベーション膜上に屈折率が１．８以上２．３以下、膜厚が５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の窒化シリコン膜を反射防止膜として形成することがより好ましい。
なお、図３に示す窒化シリコン膜の屈折率は、偏光解析法を用いた光源Ｈｅ−Ｎｅレーザ（波長６３２．８ｎｍ）のエリプソメータによって測定された。また、図３に示す少数キャリアのライフタイムは、波長９０４ｎｍのレーザの反射マイクロ波法を用いたライフタイム測定装置によって測定された。
また、プラズマＣＶＤ法によりシリコン基板の受光面上にパッシベーション膜を形成する際のＲＦ（高周波）パワー密度はなるべく低くすることが好ましい。この場合には、パッシベーション膜の形成時におけるシリコン基板へのダメージを減らすことができるため、パッシベーション効果の優れた窒化シリコン膜を形成することができる。
（実施例１）
まず、２５０μｍの厚みにスライスされた縦１２．５ｃｍ×横１２．５ｃｍの正方形状のｎ型の単結晶シリコン基板からスライスダメージを除去するため、ＮａＯＨ溶液によりこのシリコン基板の表面を厚み２００μｍまでエッチングした。次に、シリコン基板の受光面および裏面に酸化シリコン膜を形成し、この酸化シリコン膜を拡散マスクとした。次いで、シリコン基板の裏面の酸化シリコン膜に対してフォトリソグラフィにより耐酸性レジストをパターンニングし、露出している酸化シリコン膜をフッ酸によりエッチングした。そして、９７０℃の雰囲気で５０分間、ＢＢｒ3を気相拡散することによって、上記のエッチングされたシリコン基板の裏面に櫛形状のｐ+層を形成した。
まず、２５０μｍの厚みにスライスされた縦１２．５ｃｍ×横１２．５ｃｍの正方形状のｎ型の単結晶シリコン基板からスライスダメージを除去するため、ＮａＯＨ溶液によりこのシリコン基板の表面を厚み２００μｍまでエッチングした。次に、シリコン基板の受光面および裏面に酸化シリコン膜を形成し、この酸化シリコン膜を拡散マスクとした。次いで、シリコン基板の裏面の酸化シリコン膜に対してフォトリソグラフィにより耐酸性レジストをパターンニングし、露出している酸化シリコン膜をフッ酸によりエッチングした。そして、９７０℃の雰囲気で５０分間、ＢＢｒ3を気相拡散することによって、上記のエッチングされたシリコン基板の裏面に櫛形状のｐ+層を形成した。
その後、再度、シリコン基板の表面および裏面に酸化シリコン膜を形成し、ｐ+層の形成の場合と同様にしてシリコン基板の裏面の酸化シリコン膜を所望の形状にエッチングした。そして、９７０℃の雰囲気で２０分間、ＰＯＣｌ3を気相拡散することによって、上記のエッチングされたシリコン基板の裏面に上記のｐ+層と重なり合わないようにｐ+層と向き合った櫛形状のｎ+層を形成した。
次いで、シリコン基板の裏面の反対側にある表面（受光面）のテクスチャ加工を行なうため、シリコン基板の裏面に保護膜として酸化シリコン膜をＡＰＣＶＤ法（常圧化学気相成長法）により８００ｎｍの厚みで形成し、ＫＯＨ濃度が２．５質量％である８０℃のＫＯＨ溶液に４５分間浸漬することによってシリコン基板の受光面にテクスチャ加工を施した。その後、シリコン基板の裏面の保護膜をＨＦ濃度が１０質量％のＨＦ溶液により除去した。
次に、シリコン基板を８００℃の酸素雰囲気下に３０分間設置することによってパッシベーション膜として１０ｎｍの厚みの酸化シリコン膜をシリコン基板の受光面および裏面に形成した。続いて、シリコン基板の裏面のパッシベーション膜上にＡＰＣＶＤ法により保護膜として酸化シリコン膜を４００ｎｍの厚みで形成した。その後、シリコン基板の受光面に窒化シリコン膜を形成するために、ＨＦ濃度が１０質量％のＨＦ溶液に１分間浸漬させることによってシリコン基板の受光面の酸化シリコン膜を除去した。
続いて、図４の模式的断面図に示す装置を用いて、ｐ+層およびｎ+層が形成されたシリコン基板の裏面と反対側の表面（受光面）上にプラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜からなるパッシベーション膜を形成した。ここで、図４に示す装置は、製膜チャンバ９と、製膜チャンバ９の内部に設置された下部電極１０と上部電極１１とを含んでいる。そして、製膜チャンバ９の内部の下部電極１０上にｐ+層およびｎ+層の形成後のシリコン基板１を設置し、ガス導入口１２からＳｉＨ4ガスとＮＨ3ガスとを流量比（ＮＨ3／ＳｉＨ4）が０．２になるようして導入した。次いで、下部電極１０と上部電極１１との間にＲＦパワー密度が３５０Ｗ／ｍ2となるように高周波電圧を印加した。これにより、シリコン基板１の受光面上にパッシベーション膜として膜厚５ｎｍの窒化シリコン膜（屈折率：３．３）を形成した。
その後、製膜チャンバ９の内部のガスを一旦排気した後、再度、ガス導入口１２からＳｉＨ4ガスとＮＨ3ガスとを流量比（ＮＨ3／ＳｉＨ4）が３になるようして導入した。次いで、下部電極１０と上部電極１１との間にＲＦパワー密度が３５０Ｗ／ｍ2となるように高周波電圧を印加した。これにより、パッシベーション膜上に反射防止膜として膜厚７３ｎｍの窒化シリコン膜（屈折率：２．２）を形成した。
上記のパッシベーション膜が形成されたシリコン基板の裏面にフォトリソグラフィにより耐酸性レジストをパターンニングし、耐酸性レジストおよびパッシベーション膜をフッ酸によりエッチングすることによって、ｐ+層およびｎ+層が形成された箇所が露出したコンタクトホールを形成した。そして、シリコン基板の裏面の全面にＴｉ（チタン）薄膜、Ｐｄ（パラジウム）薄膜およびＡｇ（銀）薄膜をシリコン基板の裏面からこの順序で蒸着した後に耐酸性レジストを除去することによってリフトオフにより図５の模式的平面図に示す櫛形状のｐ電極７およびｎ電極８を形成した。
その後、シリコン基板を電極に沿って、縦９５ｍｍ×横９５ｍｍの正方形状に切り出した。これにより太陽電池が完成した。
図６に、図５に示す太陽電池のＶＩ−ＶＩに沿った模式的な断面図を示す。図６に示すように、実施例１の太陽電池においては、ｎ型のシリコン基板１の受光面上にパッシベーション膜２および反射防止膜３が順次形成され、シリコン基板１の裏面にはｐ+層４およびｎ+層５が形成された。また、シリコン基板１の裏面上にはパッシベーション膜６が形成され、ｐ+層４およびｎ+層５上にはそれぞれｐ電極７およびｎ電極８がそれぞれ形成された。なお、図６においては、太陽電池の一部が省略して記載されている。
この太陽電池の特性を調査した結果を表１に示す。この太陽電池の短絡電流密度（Ｊｓｃ）は３７．５０ｍＡ／ｃｍ2であって、開放電圧（Ｖｏｃ）は０．６５０Ｖ、フィルファクタ（Ｆ．Ｆ）は０．７７０、最大電力（Ｐｍａｘ）は１．６９４Ｗであった。
（実施例２）
シリコン基板の受光面上にパッシベーション膜を形成する際のＲＦパワー密度を１４０Ｗ／ｍ2にしたこと以外は実施例１と同様にして太陽電池を製造した。この太陽電池の特性を調査した結果を表１に示す。この太陽電池の短絡電流密度（Ｊｓｃ）は３７．８０ｍＡ／ｃｍ2であって、開放電圧（Ｖｏｃ）は０．６５１Ｖ、フィルファクタ（Ｆ．Ｆ）は０．７７６、最大電力（Ｐｍａｘ）は１．７２５Ｗであった。
シリコン基板の受光面上にパッシベーション膜を形成する際のＲＦパワー密度を１４０Ｗ／ｍ2にしたこと以外は実施例１と同様にして太陽電池を製造した。この太陽電池の特性を調査した結果を表１に示す。この太陽電池の短絡電流密度（Ｊｓｃ）は３７．８０ｍＡ／ｃｍ2であって、開放電圧（Ｖｏｃ）は０．６５１Ｖ、フィルファクタ（Ｆ．Ｆ）は０．７７６、最大電力（Ｐｍａｘ）は１．７２５Ｗであった。
（比較例１）
ＳｉＨ4ガスとＮＨ3ガスとを流量比（ＮＨ3／ＳｉＨ4）が３となるようにして導入し、シリコン基板の受光面上にパッシベーション膜として屈折率が２．２の窒化シリコン膜を膜厚３７ｎｍ形成した。その後、ＳｉＨ4ガスとＮＨ3ガスとの流量比（ＮＨ3／ＳｉＨ4）を変更することなく、パッシベーション膜上に反射防止膜として屈折率が２．２の窒化シリコン膜を膜厚３７ｎｍ形成した。上記以外は実施例１と同様にして太陽電池を製造した。この太陽電池の特性を調査した結果を表１に示す。この太陽電池の短絡電流密度（Ｊｓｃ）は３７．５０ｍＡ／ｃｍ2であって、開放電圧（Ｖｏｃ）は０．６４８Ｖ、フィルファクタ（Ｆ．Ｆ）は０．７７０、最大電力（Ｐｍａｘ）は１．６８９Ｗであった。
ＳｉＨ4ガスとＮＨ3ガスとを流量比（ＮＨ3／ＳｉＨ4）が３となるようにして導入し、シリコン基板の受光面上にパッシベーション膜として屈折率が２．２の窒化シリコン膜を膜厚３７ｎｍ形成した。その後、ＳｉＨ4ガスとＮＨ3ガスとの流量比（ＮＨ3／ＳｉＨ4）を変更することなく、パッシベーション膜上に反射防止膜として屈折率が２．２の窒化シリコン膜を膜厚３７ｎｍ形成した。上記以外は実施例１と同様にして太陽電池を製造した。この太陽電池の特性を調査した結果を表１に示す。この太陽電池の短絡電流密度（Ｊｓｃ）は３７．５０ｍＡ／ｃｍ2であって、開放電圧（Ｖｏｃ）は０．６４８Ｖ、フィルファクタ（Ｆ．Ｆ）は０．７７０、最大電力（Ｐｍａｘ）は１．６８９Ｗであった。
表１に示すように、シリコン基板の受光面上のパッシベーション膜としての窒化シリコン膜の屈折率（３．３）がパッシベーション膜上に形成された反射防止膜としての窒化シリコン膜の屈折率（２．２）よりも高い実施例１および２の太陽電池は、パッシベーション膜と反射防止膜が同一の屈折率（２．２）を有する窒化シリコン膜が形成された比較例１の太陽電池と比べて最大電力が向上していた。これは、シリコン基板の受光面上に高い屈折率を有する窒化シリコン膜が形成されたため、シリコン基板の受光面における少数キャリアの再結合が防止できたことによるものと考えられる。
また、表１に示すように、パッシベーション膜としての窒化シリコン膜を形成する際のＲＦパワー密度を反射防止膜としての窒化シリコン膜を形成する際のＲＦパワー密度よりも低くして形成された実施例２の太陽電池は、パッシベーション膜および反射防止膜の双方が同一のＲＦパワー密度で形成された実施例１の太陽電池と比べて最大電力が向上していた。これは、パッシベーション膜の形成時におけるＲＦパワー密度が低かったため、パッシベーション膜の形成時におけるシリコン基板に与えられるダメージが少なかったことによるものと考えられる。
なお、上記の実施例においてはＮａＯＨ溶液を用いてシリコン基板をエッチングしたが、ＨＦ溶液とＨＮＯ3溶液との混酸を用いてエッチングしてもよい。
また、上記の実施例においてはフォトリソグラフィにより耐酸性レジストをパターンニングしたが、印刷により耐酸性レジストをパターンニングしてもよい。
また、上記の実施例においてはＢＢｒ3を気相拡散することによってｐ+層を形成したが、ホウ素化合物を含む薬液をシリコン基板の表面にスピンコートしてから７００℃〜１０００℃でアニールすることによってｐ+層を形成することもでき、また、アルミニウムペーストをパターン印刷した後に焼成することによってｐ+層を形成することもできる。
また、上記の実施例において、ＰＯＣｌ3を気相拡散することによってｎ+層を形成したが、リン化合物を含む薬液をシリコン基板の表面にスピンコートしてから７００℃〜１０００℃でアニールすることによってｎ+層を形成することもできる。
また、上記の実施例においてはｐ+層およびｎ+層を共に櫛形状に形成したが、ｐ+層およびｎ+層をそれぞれドット状やライン状に形成してもよい。また、ｐ+層の形状とｎ+層の形状とは異なっていてもよい。
また、上記の実施例においてはｐ+層を形成した後にｎ+層を形成したが、この順序に限定されるものではなく、ｎ+層を形成した後にｐ+層を形成してもよい。
また、上記の実施例においてはＴｉ薄膜、Ｐｄ薄膜およびＡｇ薄膜を蒸着した後に耐酸性レジストを除去することによってリフトオフにより櫛形状のｐ電極およびｎ電極を形成したが、ｐ+層上およびｎ+層上に銀ペーストを印刷、乾燥した後に４００℃〜７５０℃で１〜１００分焼成することによってｐ電極およびｎ電極を形成することもできる。
また、上記の実施例においては単結晶のシリコン基板を用いたが、多結晶のシリコン基板を用いることもできる。
また、上記の実施例においてはｎ型のシリコン基板を用いたが、ｐ型のシリコン基板を用いることもできる。
また、上記の実施例においてはパッシベーション膜および反射防止膜の形成に同一の製膜チャンバを用いたが、パッシベーション膜の形成に用いられる製膜チャンバと反射防止膜の形成に用いられる製膜チャンバとが異なっていてもよい。
また、上記の実施例においてはシリコン基板の受光面上にパッシベーション膜として窒化シリコン膜が形成されたが、シリコン基板の受光面上にパッシベーション膜としては酸化シリコン膜が形成されてもよい。
また、上記の実施例におけるシリコン基板の裏面に形成されたパッシベーション膜の屈折率を高くすることによってシリコン基板の裏面におけるパッシベーション効果を向上させることができる。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明の太陽電池は、シリコン基板の受光面上に形成されたパッシベーション膜と、パッシベーション膜上に形成された反射防止膜とを含んでおり、パッシベーション膜の屈折率が前記反射防止膜の屈折率よりも高いことから、最大電力を向上させることができる。
１ シリコン基板、２，６ パッシベーション膜、３ 反射防止膜、４ ｐ+層、５ ｎ+層、７ ｐ電極、８ ｎ電極、９ 製膜チャンバ、１０ 下部電極、１１ 上部電極、１２ ガス導入口。
Claims (6)
- シリコン基板の受光面上に形成されたパッシベーション膜と、前記パッシベーション膜上に形成された反射防止膜と、を含み、前記パッシベーション膜の屈折率が前記反射防止膜の屈折率よりも高く、
前記パッシベーション膜および前記反射防止膜が共に窒化シリコン膜からなり、
前記パッシベーション膜の屈折率が２．９以上であることを特徴とする、太陽電池。 - 前記パッシベーション膜の膜厚が１０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
- 請求項１または２に記載の太陽電池を製造するための方法であって、第１のガスを用いたプラズマＣＶＤ法により前記シリコン基板の受光面上に前記パッシベーション膜を形成する工程と、前記第１のガスと組成が異なる第２のガスを用いたプラズマＣＶＤ法により前記パッシベーション膜上に前記反射防止膜を形成する工程と、を含む、太陽電池の製造方法。
- 前記パッシベーション膜の形成時におけるＲＦパワー密度が前記反射防止膜の形成時におけるＲＦパワー密度よりも小さいことを特徴とする、請求項３に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記パッシベーション膜の形成に用いられる製膜チャンバと前記反射防止膜の形成に用いられる製膜チャンバとが異なることを特徴とする、請求項３または４に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記第１のガスおよび前記第２のガスが、シランガスと、アンモニアガスと、を含むことを特徴とする、請求項３から５のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
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