JP5111063B2 - 光電変換素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
太陽電池は、半導体基板としてのp型シリコン基板10の受光面にn+層11が形成されることによって、p型シリコン基板10とn+層11とによりpn接合を形成する。p型シリコン基板10の受光面となる第1主面上には反射防止膜12および銀電極13がそれぞれ形成されている。なお、銀電極13はインターコネクタに接続するためのバスバー電極と、バスバー電極から伸びるフィンガー電極とから構成される。
また、p型シリコン基板10の受光面と反対側の第2主面上にはp+層15が形成されている。そして、p型シリコン基板10の裏面上にはアルミニウム電極14およびインターコネクタに接続するための銀電極16がそれぞれ形成されている。
ところが、上記のような構造では、第1主面上の銀電極13及びバスバー電極、フィンガー電極によって入射光が遮られて影によるロスが発生するとともに、この銀電極13下部でキャリアの再結合損失が発生するという問題がある。従って、第1主面上の銀電極13及びバスバー電極、フィンガー電極はできる限り面積占有率を小さくする必要がある。
この太陽電池では、シリコン基板10に予め形成された貫通孔を通じる貫通電極19によって第1主面上の銀電極17の一部を第2主面上の銀電極18に取り回す構造である。この構造によれば、第1主面上の銀電極17の面積占有率を減少させることができる。
この太陽電池では、第1主面上の銀電極17と貫通電極19により第2主面に取り回して接続される第2主面上の銀電極18と、第2主面上のアルミニウム電極14とを電気的に分離させる必要がある。そのため例えば文献1では、p型シリコン基板10の第2主面上の銀電極18とアルミニウム電極14の間のn+層11をレーザアブレーションにより除去することにより、接合分離部20を形成している。
Filip Granek, A systematic approach to reduce process-induced shunts in back-contacted mc-Si solar cells、 4th-WCPEC (2006), Hawaii
絶縁抵抗の低下は、太陽電池特性の曲線因子(fill factor: FF)の低下をもたらす。さらに、銀電極18の面積増大にともない、アルミニウム電極14の面積が減少することから、アルミニウム−シリコン合金層下のp+層15の面積が減少し、太陽電池特性のIscおよびVocが低下するという問題がある。
本発明はこのような実情を鑑みてなされたものであり、接合分離部20の周囲長を短くすることにより絶縁抵抗を改善し、高効率の太陽電池としての光電変換素子を提供することを目的とする。
また、本発明の光電変換素子は、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板に形成された基板貫通孔と、前記半導体基板の受光面および裏面の一部に設けられた第2導電型の半導体層と、前記半導体基板の裏面上に存在し、前記基板貫通孔の周囲を包囲する開口部を有する基板導電層と、前記基板導電層と前記半導体層とを電気的に絶縁するために前記基板貫通孔の周囲に形成された接合分離部と、前記半導体基板の裏面上に前記接合分離部を覆うように形成され、前記基板貫通孔と連続する絶縁膜貫通孔を有する絶縁膜と、前記絶縁膜の上に位置し、前記基板貫通孔及び絶縁膜貫通孔を通る貫通電極と電気的に接続された裏面電極と、前記半導体層の受光面上に前記半導体層と電気的に接続され、前記貫通電極を介して前記裏面電極と接続される受光面電極とを有するものである。
これにより、接合分離部の周囲長を短くすることができ、絶縁抵抗が改善され、さらに、アルミニウム電極面積を大きくすることができ、太陽電池特性の曲線因子、IscおよびVocを改善することができる。したがって、本発明により高効率の光電変換素子を提供することができる。
また、本発明の光電変換素子は実施形態において、前記絶縁膜が基板導電層の一部の上にも位置し、前記裏面電極の外径が基板導電層の開口部の直径より大きいことが望ましい。これにより、裏面電極の外径を大きくできるので、インターコネクタと接続する場合に接着強度を大きくし、接触抵抗を小さくすることができる。
これにより、本発明の光電変換素子を製造することが可能になる。
図1に、本発明の光電変換素子としての太陽電池の模式的断面図を示す。図1に示す太陽電池は、第1導電型の半導体基板10の受光面および裏面の一部に不純物を拡散して第2導電型の半導体表面層11を形成する。半導体表面層11の受光面上に前記半導体表面層11と電気的に接続される受光面電極17を設ける。そして、半導体基板に、受光面電極17を裏面側に導出するため基板貫通孔30を形成する。
半導体基板10の裏面上には、基板貫通孔30の周囲を包囲する開口部Sを有する基板導電層14を形成する。開口部Sの内側で、基板導電層14と半導体表面層11とを電気的に絶縁するために基板貫通孔の周囲に接合分離部20を形成する。半導体基板10の裏面上で、接合分離部20を覆うように基板貫通孔30と通じる絶縁膜貫通孔31を有する絶縁膜32を形成する。更に絶縁膜32の上に位置し、基板貫通孔30及び絶縁膜貫通孔31を通る貫通電極19により受光面電極17に電気的に接続された裏面電極33を形成する。
ここで、裏面電極33の外径が接合分離部20の径より大きいことが望ましい。また絶縁膜32が基板導電層14の一部の上にも位置し、裏面電極33の外径が基板導電層14の開口部Sの直径より大きいことが望ましい。
まず、第1導電型としてのp型シリコン基板10の面内に直径50〜500μmの基板貫通孔30を、例えば単位面積当り数個〜数100個形成する。p型シリコン基板10はシリコン結晶が最も好ましいが、多結晶シリコン、非結晶シリコンであってもよい。基板貫通孔30は、YAGレーザまたはCO2レーザを集光して照射することによって形成される。
続いて、アルカリまたは酸によってp型シリコン基板10の表面をエッチングすることによって、p型シリコン基板10のスライス時のダメージ層(図示しない)および基板貫通孔30形成時の熱ダメージ層(図示しない)を除去する。このとき、エッチング条件を調整すると、p型シリコン基板10の表面に微小な凹凸(図示せず)を形成することができる。これにより、表面反射損失を低減することができる。
続いて、POCl3気相中でp型シリコン基板10を800℃〜950℃の温度で5〜30分間熱処理することによりp型シリコン基板10の両面および基板貫通孔30の側面に、第2導電型となるn+層11を形成する(図2(a))。これによりpn接合を形成する。n+層11の形成方法には上記方法以外に、リンを含む化合物を含有したドーパント液を塗布して熱処理を施す方法や、スプレー方式による拡散方法も可能である。
次いで、n+層11の形成時にシリコン基板10の両面および基板貫通孔30の側面に形成されるガラス層を酸処理により除去した後、p型シリコン基板10の受光面となる第1主面上に反射防止膜12を形成する(図2(b))。反射防止膜12は、例えば、プラズマCVD法を用いて窒化シリコン膜を堆積することにより形成する。
次に、基板貫通孔30を除き、p型シリコン基板10の裏面上の接合分離部20、アルミニウム開口部Sおよびアルミニウム開口部Sの周囲のアルミニウム電極14を含む部分に絶縁膜32を形成する(図3(e))。これにより、絶縁膜32には、基板貫通孔30に連続するように絶縁膜貫通孔31が形成される。絶縁膜32の形成は、たとえば、ガラスフリット、樹脂および有機溶剤を有するガラスペーストをスクリーン印刷などにより印刷した後に、p型シリコン基板10を熱処理することによって形成する。これ以外に、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜などを堆積することによっても形成可能である。
そして、p型シリコン基板10の受光面上に、基板貫通孔30及び絶縁膜貫通孔31内の貫通電極19を介して、裏面の銀電極33に集電するための受光面電極となる銀電極17を形成する(図4(g))。この際に、受光面上の銀電極17と裏面上の銀電極33が貫通電極19を介して電気的に接触することになる。銀電極17の形成方法としては、たとえば、反射防止膜12の表面上に銀粉末、ガラスフリット、樹脂および有機溶剤を有する銀ペーストをスクリーン印刷などにより印刷した後に、p型シリコン基板10を熱処理することによって、銀ペーストが反射防止膜12を貫通してp型シリコン基板10の第1主面上のn+層11と良好な電気的接触が可能なファイアスルー方式により得ることができる。
なお、貫通電極19、接合分離部20、アルミニウム開口部S、絶縁膜32および銀電極33の形状および位置関係は、それぞれ同心円であるとして説明した。そして、具体的には一例として、貫通電極19は直径0.3mm、接合分離部20は直径1mm、アルミニウム開口部Sは直径2mm、銀電極33は直径3mm、絶縁膜32は直径4mmであるが、接合分離部20およびアルミニウム開口部Sの直径は小さいほど望ましい。さらに、本実施形態では、接合分離部20の直径およびアルミニウム開口部Sの直径よりも銀電極33直径の方が大きいことに特徴がある。また、アルミニウム開口部S、接合分離部20、絶縁膜32および銀電極33の形状はそれぞれが必ずしも円形である必要はなく、三角形〜八角形のように多角形や楕円形のように任意形状でも本実施形態は実現可能である。このように任意形状の場合でも貫通電極19、接合分離部20、アルミニュウム開口部Sの順に径を大きくするとよい。更に銀電極33、絶縁膜32の順に大きくすることが好ましい。
なお、本実施形態に示した、受光面上の銀電極17および裏面上の銀電極33、アルミニウム電極14、接合分離部20、絶縁膜32の形成順序は一例であり、この限りではない。
11 n+層
14 アルミニウム電極
15 p+層
17 銀電極
20 接合分離部
30 第1貫通孔
31 第2貫通孔
32 絶縁膜
33 銀電極
S アルミニウム開口部
Claims (5)
- 第1導電型の半導体基板を貫通する貫通電極により受光面電極を裏面電極に接続する光電変換素子において、
前記半導体基板の裏面に前記貫通電極の周囲に形成した接合分離部と、
前記半導体基板の裏面上に存在し、前記接合分離部の周囲を包囲する開口部を有する基板導電層と、
前記接合分離部を覆い、かつ前記開口部より外側の基板導電層上に形成され、前記貫通電極が貫通する絶縁膜と、
前記絶縁膜上に外径が前記開口部の直径より大きく形成され、前記受光面電極と接続される前記貫通電極に接続される裏面電極と
を備えることを特徴とする光電変換素子。 - 第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板に形成された基板貫通孔と、
前記半導体基板の裏面上に存在し、前記基板貫通孔の周囲を包囲する開口部を有する基板導電層と、
前記基板導電層と前記半導体層とを電気的に絶縁するために前記基板貫通孔の周囲に形成された接合分離部と、
前記半導体基板の裏面上に前記接合分離部を覆い、かつ前記開口部より外側の基板導電層上に形成され、前記基板貫通孔と連続する絶縁膜貫通孔を有する絶縁膜と、
前記絶縁膜上に外径が前記開口部の直径より大きく形成され、前記基板貫通孔及び絶縁膜貫通孔を通る貫通電極と電気的に接続された裏面電極と、
前記半導体層の受光面上に前記半導体層と電気的に接続され、前記貫通電極を介して前記裏面電極と接続される受光面電極と
を有することを特徴とする光電変換素子。 - 第1導電型の半導体基板に基板貫通孔を形成する工程と、
前記半導体基板の裏面上に、前記基板貫通孔の周囲部分を除き、開口部を形成するように基板導電層を形成する工程と、
前記半導体基板の裏面の前記基板貫通孔の周囲に接合分離部を形成する工程と、
前記半導体基板の裏面上及び前記基板導電層上に前記接合分離部を覆い、かつ前記開口部より外側の基板導電層上に形成され、前記基板貫通孔に連続する絶縁膜貫通孔を有する絶縁膜を形成する工程と、
前記基板貫通孔及び絶縁膜貫通孔の内部に貫通電極を形成し及び前記絶縁膜上に外径が前記開口部の直径より大きい裏面電極を形成する工程と、
前記半導体基板の受光面上に前記半導体層と電気的に接続され、前記貫通電極を介して前記裏面電極と接続される受光面電極を形成する工程と
を備えることを特徴とする光電変換素子の製造方法。 - 前記裏面電極は、前記接合分離部の少なくとも一部を覆うように形成された前記絶縁膜上にあって、前記接合分離部に少なくとも一部に重なるように形成されることを特徴とする請求項1または2に記載の光電変換素子。
- 前記裏面電極は、前記接合分離部の少なくとも一部と前記基板導電層の一部を被覆するように形成された前記絶縁膜上にあって、前記基板導電層の一部に重なるように形成されることを特徴とする請求項1または2に記載の光電変換素子。
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