JP4641858B2 - 太陽電池 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体基板の一方の主面にｐ型領域及びｎ型領域が設けられている太陽電池に関する。
太陽電池の特性向上のために、太陽光の受光面積を大きくする試みがなされている。たとえば、受光面側に電極を設けると、設ける電極の面積の分だけ入射する光の量が減少することから、裏面に電極を設けた裏面電極太陽電池が知られている（特許文献１参照）。この裏面電極太陽電池では、半導体基板のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有するｎ型拡散領域から電子がｐ型拡散領域からは正孔が収集される。
米国特許第４９２７７７０号明細書
裏面電極太陽電池では、両面に電極の形成された通常の太陽電池に比べ、受光面積の増大から短絡電流の増加が見込める。しかし、太陽電池の特性向上のためには、開放電圧も上げる必要がある。本発明の課題は、高い短絡電流を維持したまま、開放電圧の高い太陽電池を提供することにある。
本発明は、第１導電型の半導体基板の一方の主面に、第１導電型領域と第２導電型領域とを備える太陽電池であって、複数の第１導電型領域と複数の第２導電型領域とが散点状に配置し、第２導電型領域の面積の合計が、第１導電型領域の面積の合計より広く、同一の導電型領域を、電極のラインに沿って並設し、第１導電型領域の電極のライン上に第１導電型電極を有し、隣接する第２導電型領域の電極のライン上に共通に形成した第２導電型電極を有することを特徴とする。第２導電型領域の面積の合計は、第１導電型領域の面積の合計の２倍〜３倍が好適である。さらに、個々の第１導電型領域の面積が、個々の第２導電型領域の面積に等しい態様が好ましい。
高い短絡電流を維持したまま、開放電圧の高い太陽電池を提供することができる。
第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型である実施の形態を例にして説明するが、逆に、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型である形態においても同様に本発明は有効である。本発明は、ｎ型半導体基板の一方の主面に、ｎ型領域とｐ型領域とを備える太陽電池であって、複数のｎ型領域と複数のｐ型領域とが散点状に配置し、ｐ型領域の合計面積が、ｎ型領域の合計面積より広いことを特徴とする。
図３は、従来の裏面太陽電池におけるｐ型領域とｎ型領域の配置を示す拡大図である。図３に示すように、従来の裏面太陽電池では、ライン状のｐ型領域とｎ型領域が配置する。一方、図１は、本発明の裏面太陽電池のｐ型領域とｎ型領域の配置を示す拡大図である。図１に示すように、本発明の太陽電池では、従来の太陽電池と異なり、ｐ型領域とｎ型領域が散点状に配置し、拡散領域の面積の合計が従来より小さいため、逆方向飽和電流が減少し、太陽電池の開放電圧を向上させることができる。ｎ型領域は、ｎ型半導体基板のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有するｎ+型領域が好ましい。
しかし、ｎ型半導体基板におけるｐ型領域の面積が小さいと、ｐｎ接合部へ到達するキャリアが再結合により減少するため、短絡電流が減少する。そこで、複数のｎ型領域と複数のｐ型領域とを散点状に配置するとともに、ｐ型領域の合計面積をｎ型領域の合計面積より広くし、ｐｎ接合面積を大きくすることにより、高い短絡電流を維持することができる。かかる観点から、ｐ型領域の面積の合計は、ｎ型領域の面積の合計の２倍〜３倍が好ましく、２倍〜２．５倍がより好ましい。図１に示す例では、個々のｐ型領域の大きさと、個々のｎ型領域の大きさとは同一であるが、ｐ型領域の方がｎ型領域より数が多いため、ｐ型領域の合計面積が、ｎ型領域の合計面積より大きい。
図４は、従来の裏面太陽電池において、ライン状のｐ型領域およびｎ型領域上にｐ電極４１，４３およびｎ電極４２を配置する態様を示す拡大図である。図２は、本発明の裏面太陽電池において、ｐ型領域およびｎ型領域上にｐ電極２１，２３およびｎ電極２２を配置する態様を示す拡大図である。たとえば、図１（ａ）においては、ｐ型領域を電極のライン１１ａ，１３ａに沿って並設し、ｎ型領域を電極のライン１２に沿って並設している。電極のライン１１ａ，１２，１３ａは、後の工程においてライン状の電極を形成するときのラインに相当する。このように複数の同一の導電型領域を電極のラインに沿って並設すると、図２（ａ）に示すように、ライン状のｐ電極２１，２３と、ｎ電極２２を導電型領域上に形成することができ、電流を取り出しやすくなり、短絡電流を維持し、高い開放電圧を確保することができる。
図１（ｂ）に示す例では、ｐ型領域を電極のライン１１ａ，１１ｂ，１３ａ，１３ｂに沿って並設し、ｎ型領域を電極のライン１２に沿って並設している。このように同一の導電型領域を並設すると、図２（ｂ）に示すように、ライン１１ａ，１１ｂと、ライン１３ａ，１３ｂに沿って、共通のライン状のｐ電極２１，２３を形成することができる。したがって、電流を一層取り出しやすくなり、さらに効果を高めることができる。図１（ｂ）では、電極のライン１１ａ，１１ｂ，１３ａ，１３ｂが２本ずつ隣接している例を示すが、３本以上のラインが隣接しているような例においても同様である。
図５に、本発明の太陽電池の構造を示す。図５（ａ）は、裏面の平面図であり、ＶＢ−ＶＢで切断したときの断面図を図５（ｂ）に例示する。この太陽電池の裏面には、図５（ａ）に示すように、櫛状のｐ電極５１とｎ電極５２が配置している。また、この太陽電池は、図５（ｂ）に示すように、ｎ型基板５０の受光面に反射防止膜５５が形成され、裏面にはパッシベーション膜５６と、ｐ型領域５３と、ｎ型領域５４が形成され、ｐ型領域５３ａ，５３ｂ上にｐ電極５１、また、ｎ型領域５４上にｎ電極を有する。したがって、図５（ａ）に示すように、ｐ電極５１の方がｎ電極５２より幅が広い。散点状に配置する個々の導電型領域の平面形状を四角形とすると、導電型領域上に形成するライン状の電極との接触性が高まる点で好ましい。散点状に形成する個々の導電型領域の大きさは、特に限定されるものではなく、たとえば、面積を０．００１ｃｍ2〜０．１ｃｍ2とすることができる。
半導体基板への導電型領域の形成は、通常、気相拡散または塗布拡散などにより行なわれる。いずれの場合も基板表面全体に拡散が行なわれる。これに対して、本発明の太陽電池におけるように、散点状の拡散領域を形成するには、まず、拡散マスクを基板上に形成し、パターニングにより、拡散させたい領域のマスクを取り除く。その後、拡散を行なうことにより所望の領域にのみ散点状に拡散領域を形成することができる。個々のｐ型領域の面積と、個々のｎ型領域の面積を等しくすると、パターニングの設計が容易となり、また、マスクの除去のために行なうエッチングの際、ｎ型領域とｐ型領域の制御が同一の条件で行なえるため、拡散領域の形成が容易になる点で好ましい。
実施例１
まず、２５０μｍの厚みにスライスされた縦１２．５ｃｍ×横１２．５ｃｍの正方形のｎ型の単結晶シリコン基板について、スライスダメージを除去するため、ＮａＯＨ溶液により、シリコン基板を厚み２００μｍまでエッチングした。なお、ＮａＯＨ溶液の代わりに、フッ酸溶液と硝酸溶液とからなるフッ硝酸でエッチングしても同様にスライスダメージを除去できる。また、単結晶シリコン基板の代わりに、多結晶シリコン基板を用いることもできる。さらに、ｐ型シリコン基板を用いても同様である。
まず、２５０μｍの厚みにスライスされた縦１２．５ｃｍ×横１２．５ｃｍの正方形のｎ型の単結晶シリコン基板について、スライスダメージを除去するため、ＮａＯＨ溶液により、シリコン基板を厚み２００μｍまでエッチングした。なお、ＮａＯＨ溶液の代わりに、フッ酸溶液と硝酸溶液とからなるフッ硝酸でエッチングしても同様にスライスダメージを除去できる。また、単結晶シリコン基板の代わりに、多結晶シリコン基板を用いることもできる。さらに、ｐ型シリコン基板を用いても同様である。
つぎに、シリコン基板の受光面およびその反対面（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。つづいて、シリコン基板の裏面の酸化シリコン膜に耐酸性レジストを形成し、フォトリソグラフィにより、耐酸性レジストを散点状にパターンニングした。パターンニングは、耐酸性レジストを所定のパターンに印刷することによっても行なうことができる。つぎに、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後、ホウ素化合物を含む薬液をスピンコートし、９７０℃で５０分間アニールした。これにより、シリコン基板の裏面に散点状のｐ型領域を形成した。ｐ型領域の形成は、ＢＢｒ3を７００℃〜１０００℃で気相拡散することによっても可能である。また、アルミニウムペーストをパターン印刷した後、焼成することによって可能である。
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型領域の形成と同様にして、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。つづいて、８７０℃の雰囲気下で２０分間、ＰＯＣｌ3を気相拡散し、ｐ型領域と重なり合わないように、シリコン基板の裏面に散点状のｎ型領域を形成した。その結果、図１（ｂ）に示すような配置のｐ型領域とｎ型領域が得られた。ｎ型領域の形成は、リン化合物を含む薬液をシリコン基板の上にスピンコートし、その後、７００℃〜１０００℃でアニールすることによっても可能である。なお、ｐ型領域を形成した後にｎ型領域を形成したが、ｎ型領域を形成した後にｐ型領域を形成しても同様である。
つぎに、シリコン基板の受光面にテクスチャ加工を行なうため、シリコン基板の裏面に、ＡＰＣＶＤ法（常圧化学気相成長法）により、保護膜として厚み８００ｎｍの酸化シリコン膜を形成した。つづいて、濃度２．５質量％で８０℃のＫＯＨ溶液に４５分間浸漬し、受光面にテクスチャ構造を形成した。その後、シリコン基板の裏面の保護膜を、濃度１０質量％のフッ酸溶液により除去した。
つぎに、シリコン基板を８００℃の酸素雰囲気下に３０分間設置し、パッシベーション膜として厚み１０ｎｍ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。つづいて、ＡＰＣＶＤ法により、裏面のパッシベーション膜上に保護膜として厚み４００ｎｍの酸化シリコン膜を形成した。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、濃度１０質量％のフッ酸溶液に１分間浸漬し、シリコン基板の受光面の酸化シリコン膜を除去した後、プラズマＣＶＤ法により、反射防止膜として窒化シリコン膜を受光面に形成した。
つぎに、パッシベーション膜が形成されているシリコン基板の裏面に耐酸性レジストを形成した後、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てから、フッ酸によりエッチングして、ｐ型領域およびｎ型領域上にコンタクトホールを形成した。その後、再び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た。
つづいて、シリコン基板の裏面の全面にＴｉ薄膜、Ｐｄ薄膜およびＡｇ薄膜を蒸着し、耐酸性レジストを除去し、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（図２（ｂ））。ｐ電極およびｎ電極の形成は、ｐ型領域およびｎ型領域上に銀ペーストを印刷し、乾燥した後、４００℃〜７５０℃で１分間〜１００分間焼成することによって可能である。つぎに、シリコン基板を電極に沿って、縦２０ｍｍ×横２０ｍｍの正方形状に切り出し、太陽電池を得た。この太陽電池は、ｐ型領域の合計面積が、ｎ型領域の合計面積の２倍であり、短絡電流密度（Ｊｓｃ）が３５．２０ｍＡ／ｃｍ2であり、開放電圧（Ｖｏｃ）が０．６４２Ｖであった。
比較例１
ｐ型領域およびｎ型領域を散点状に配置したが、p型領域の合計面積とｎ型領域の合計面積とを等しくし、その後、p型領域上にp電極を形成し、ｎ型領域上にｎ電極をそれぞれ形成した以外は、実施例１と同様にして太陽電池を製造した。得られた太陽電池は、短絡電流密度（Ｊｓｃ）が３３．８０ｍＡ／ｃｍ2であって、開放電圧（Ｖｏｃ）が０．６４２Ｖであった。
ｐ型領域およびｎ型領域を散点状に配置したが、p型領域の合計面積とｎ型領域の合計面積とを等しくし、その後、p型領域上にp電極を形成し、ｎ型領域上にｎ電極をそれぞれ形成した以外は、実施例１と同様にして太陽電池を製造した。得られた太陽電池は、短絡電流密度（Ｊｓｃ）が３３．８０ｍＡ／ｃｍ2であって、開放電圧（Ｖｏｃ）が０．６４２Ｖであった。
比較例２
ライン状のｐ型領域およびｎ型領域を図３に示すように配置し、また、ｐ電極およびｎ電極を図４に示すように配置した以外は、実施例１と同様にして太陽電池を製造した。得られた太陽電池は、ｐ型領域の合計面積が、ｎ型領域の合計面積とほぼ同一であり、短絡電流密度（Ｊｓｃ）は３７．００ｍＡ／ｃｍ2であって、開放電圧（Ｖｏｃ）は０．６３５Ｖであった。
ライン状のｐ型領域およびｎ型領域を図３に示すように配置し、また、ｐ電極およびｎ電極を図４に示すように配置した以外は、実施例１と同様にして太陽電池を製造した。得られた太陽電池は、ｐ型領域の合計面積が、ｎ型領域の合計面積とほぼ同一であり、短絡電流密度（Ｊｓｃ）は３７．００ｍＡ／ｃｍ2であって、開放電圧（Ｖｏｃ）は０．６３５Ｖであった。
実施例１、比較例１および比較例２の結果より、ｐ型領域およびｎ型領域を散点状とすることにより、開放電圧が０．６３５Ｖから０．６４２Ｖに向上した。これは、拡散領域を散点状とすることにより、拡散領域の面積が小さくなり、逆方向飽和電流が減少した結果、太陽電池の開放電圧が向上したものと考察された。また、実施例１と比較例１を比較した場合、短絡電流密度が３３．８０ｍＡ／ｃｍ2から３５．２０ｍＡ／ｃｍ2に向上した。これは、ｎ型基板において、ｐ型領域の合計面積を、ｎ型領域の合計面積に対して、１倍から２倍に大きくしたことにより、接合部の面積が増え、接合部に到達するキャリアの再結合による減少を抑えたことによるものと考察された。
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、拡散領域を散点状にパターニングし、ｐ型領域の合計面積とｎ型領域の合計面積との割合を最適化することにより、高い短絡電流を維持し、開放電圧を向上させることができる。
１１ａ，１１ｂ，１２，１３ａ，１３ｂ 電極のライン、２１，２３，５１ ｐ電極、２２，５２ ｎ電極、５０ ｎ型基板、５３ ｐ型領域、５４ ｎ型領域、５５ 反射防止膜、５６ パッシベーション膜。
Claims (3)
- 第１導電型の半導体基板の一方の主面に、第１導電型領域と第２導電型領域とを備える太陽電池であって、複数の第１導電型領域と複数の第２導電型領域とが散点状に配置し、第２導電型領域の面積の合計が、第１導電型領域の面積の合計より広く、
同一の導電型領域を、電極のラインに沿って並設し、
第１導電型領域の電極のライン上に第１導電型電極を有し、隣接する第２導電型領域の電極のライン上に共通に形成した第２導電型電極を有することを特徴とする太陽電池。 - 第２導電型領域の面積の合計が、第１導電型領域の面積の合計の２倍〜３倍である請求項１に記載の太陽電池。
- 個々の第１導電型領域の面積が、個々の第２導電型領域の面積に等しい請求項１に記載の太陽電池。
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