JP5161521B2 - 太陽電池および太陽電池を製造する方法 - Google Patents
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Description
本発明は、太陽電池および太陽電池を製造する方法に関し、特に、少なくとも１つの酸化物で形成された原子層多層構造でオーバーレイされる太陽電池に関する。さらに、原子層多層構造は、表面パッシベーション層、透明導電層、さらには反射防止層として機能する。
太陽電池は、太陽等の光源から放射された入手しやすいエネルギーを、計算機、コンピュータ、およびヒータ等の電子機器を作動させるための電気に変換可能なことにより、広く利用されている。
図１を参照すると、図１は、従来のシリコン太陽電池１の積層構造の断面図である。
従来のシリコン太陽電池１は通常、ｐ型基板１２と被照面（前面）１１近傍にあるｎ型領域１４との間に配置されるｐｎ接合１３を含む。本明細書では、「被照面」なる用語は、従来の太陽電池が稼働している間、すなわち作動中に露光される表面を指す。したがって、「非被照面」なる用語は被照面とは反対側の表面を指す。
図１のシリコン太陽電池１を参照すると、ｐｎ接合１３の基本構造は、中程度にドープされた（約１０１５ｃｍ−３）ｐ型基板１２と、基板１２上の被照面１１近傍にある高濃度にドープされた（約１０２０ｃｍ−３ｃｍ）ｎ型（ｎ＋）領域１４とで形成される。市販されている実施形態による従来の太陽電池は通常、ｎ型領域１４の大部分を覆う二酸化ケイ素等の酸化物で形成される表面パッシベーション（またはテクスチャ加工された）層１５、表面パッシベーション層１５を覆う反射防止層１６、電極として使用されるｎ型金属接触層１７、ｐ型基板１２の表面を覆うｐ＋型領域１８、およびｐ＋型領域１８の表面を覆うｐ型金属接触層１９をさらに含む。
浅いｐｎ接合１３は、ｐｎ接合１３の両側に生成される電子および正孔の集まりをサポートするように設計される。光の各光子がシリコン基板１２に入射して吸収され、そのエネルギーが結合した状態（共有結合）の電子に伝わり、それにより、結合した電子が解放されて自由電子になる。この可動電子および共有結合の可動電子により後に残された正孔（これも可動）がは、太陽電池から流れる電流の電位要素を含む。電流に寄与するためには、電子および正孔は再結合することができず、ｐｎ接合１３に関連する電解により隔てられる。分離が発生すると、電子はｎ型金属接触層１７に移動し、正孔はｐ型金属接触層１９に移動する。
シリコン太陽電池の開発に伴い、多接合技法等の電気光学効果を生み出すその構造に対する研究が続けられている。シリコン太陽電池内の電気光学効果に関連する種々の構造については、冗長になるので本明細書では説明しない。説明するのは、明らかに複雑なプロセスである、表面パッシベーション層、反射防止層、および電極（被照面でシリコンに接触する）を製造するプロセスのみである。
したがって、本発明の目的は、原子層多層構造を太陽電池に利用することである。さらに、原子層多層構造は、表面パッシベーション層、透明導電層、さらには反射防止層として機能する。特に、従来技術と比較して、原子層多層構造の製造プロセスはより単純である。
さらに、薄膜シリコン太陽電池の開発に伴い、薄膜シリコン太陽電池内の各層を形成するプロセスでは、歩留まりを向上させるために、薄膜太陽電池に対する熱的影響および熱亀裂の可能性を抑えなければならない。
したがって、本発明の別の目的は、熱的影響を受けない太陽電池、特に表面パッシベーション層、透明導電層、さらには反射防止層の形成を伴う薄膜太陽電池の製造プロセスに関する。
本発明の好ましい実施形態による太陽電池は、半導体構造結合体および少なくとも１つの酸化物で形成される原子層多層構造を含む。半導体構造結合体は少なくとも１つのｐｎ接合を含み、被照面を有する。原子層多層構造は半導体構造結合体の被照面を覆う。特に、原子層多層構造は表面パッシベーション層、透明導電層、さらには反射防止層として機能する。
本発明の好ましい実施形態による太陽電池を製造する方法は、まず、半導体構造結合体を形成する。半導体構造結合体は少なくとも１つのｐｎ接合を含み、被照面を有する。次に、方法は、少なくとも１つの酸化物で形成される原子層多層構造を形成する。原子層多層構造は半導体構造結合体の被照面を覆う。特に、原子層多層構造は表面パッシベーション層、透明導電層、さらには反射防止層として機能する。
本発明の利点および精神は、添付図面と共に以下の説明から理解することができる。
本発明は、太陽電池および太陽電池を製造する方法を提供し、特に、本発明による太陽電池には、少なくとも１つの酸化物で形成される原子層多層構造がオーバーレイされる。原子層多層構造は、表面パッシベーション層、透明導電層、さらには反射防止層として機能する。原子層多層構造は、低温で原子層形成プロセスを行うことによって形成される。したがって、原子層多層構造の製造プロセスはより単純であり、シリコン太陽電池に熱的影響を及ぼさす、熱亀裂を生じさせない。本発明の好ましい実施形態を以下のように開示する。
図２を参照すると、図２は、本発明の好ましい実施形態による太陽電池２を示す断面図である。太陽電池２は、半導体構造結合体２２および少なくとも１つの酸化物で形成される原子層多層構造２４を含む。半導体構造結合体２２は少なくとも１つのｐｎ接合２２２を含み、被照面２２４を有する。図２は、１つのｐｎ接合２２２を概略的に示している。
一実施形態では、半導体構造結合体２２の被照面２２４には表面テクスチャ加工処理が施されて、入射光の反射を１％未満に低減する。
一実施形態では、半導体構造結合体２２はシリコン基板も含む。すなわち、太陽電池２はシリコン太陽電池である。太陽電池２が薄膜シリコン太陽電池である場合、シリコン基板の好ましい厚さは３００ミクロン以下である。
図２を参照すると、原子層多層構造２４は、半導体構造結合体２２の被照面２２４を覆う。特に、原子層多層構造は表面パッシベーション層および透明導電層として機能する。
一実施形態では、少なくとも１つの酸化物は酸化アルミニウムを含む。この実施形態では、室温〜４００℃の範囲の処理温度で行われる第１の原子層形成プロセスにより原子層多層構造２４内に形成された酸化アルミニウムが、半導体構造結合体２２の被照面２２４を覆い、表面パッシベーション層の機能を提供する。表面パッシベーション層の機能のために設けられる薄膜酸化アルミニウムの好ましい厚さは、約１ｎｍ〜１０ｎｍである。本発明による原子層形成プロセスには以下の利点もある。（１）ナノメートル単位で材料形成を制御可能であり、（２）膜厚をより正確に制御可能であり、（３）大面積の生産が可能であり、（４）優れた均一性を有し、（５）優れた順応性を有し、（６）ピンホールのない構造、（７）低欠陥密度を有し、（８）低形成温度等である。
一実施形態では、第１の原子層形成プロセスでの酸化アルミニウムの前駆物質はＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）およびＨ２ＯまたはＯ３であり、ＡｌはＴＭＡから生成され、ＯはＨ２ＯまたはＯ３から生成される。
一実施形態では、少なくとも１つの酸化物は酸化亜鉛も含む。換言すれば、原子層多層構造２４は、図２の番号２４２で示すように、Ｎ枚の原子層の形態で存在する酸化亜鉛層を含み、透明導電層の機能を提供する。
上記実施形態では、酸化亜鉛は、室温〜４００℃の範囲の処理温度で行われる第２の原子層形成プロセスにより原子層多層構造２４内に形成される。
上記実施形態では、第２の原子層形成プロセスでの酸化亜鉛の前駆物質は、ＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）およびＨ２ＯまたはＯ３であり、ＺｎはＤＥＺｎから生成され、ＯはＨ２ＯまたはＯ３から生成される。
酸化亜鉛原子層形成を例として、原子層形成サイクルは以下の４つの反応ステップを含む。
１．キャリアガスを使用してＨ２Ｏ分子を反応室に運び、それによってＨ２Ｏ分子が基板表面に吸収されてＯＨラジカルの層が形成される。露出時間は０．１秒である。
２．キャリアガスを使用して、基板表面に吸収されなかったＨ２Ｏ分子をパージする。パージ時間は５秒である。
３．キャリアガスを使用してＤＥＺｎ分子を反応室に運び、それによってＤＥＺｎ分子が基板表面に吸収されたＯＨラジカルと反応して、１つのＺｎＯ単一層が形成される。露出時間は０．１秒である。
４．キャリアガスを使用して残っているＤＥＺｎ分子および反応の副産物をパージする。パージ時間は５秒である。
１．キャリアガスを使用してＨ２Ｏ分子を反応室に運び、それによってＨ２Ｏ分子が基板表面に吸収されてＯＨラジカルの層が形成される。露出時間は０．１秒である。
２．キャリアガスを使用して、基板表面に吸収されなかったＨ２Ｏ分子をパージする。パージ時間は５秒である。
３．キャリアガスを使用してＤＥＺｎ分子を反応室に運び、それによってＤＥＺｎ分子が基板表面に吸収されたＯＨラジカルと反応して、１つのＺｎＯ単一層が形成される。露出時間は０．１秒である。
４．キャリアガスを使用して残っているＤＥＺｎ分子および反応の副産物をパージする。パージ時間は５秒である。
キャリアガスは高純度のアルゴンまたは窒素であることができる。上記４ステップは原子層形成の１サイクルと呼ばれ、基板の全面積上に単原子層厚を有する薄膜を成長させる。この性質は自己制御と呼ばれ、原子層形成において１原子層の精度で膜厚を制御することが可能である。したがって、原子層形成のサイクル数を制御することで、酸化亜鉛の厚さを正確に制御することができる。
一実施形態では、酸化亜鉛層の導電性を向上させるために、酸化アルミニウムが、原子層形成によって酸化亜鉛層内に挿入される。換言すれば、酸化アルミニウムが、Ｎ枚の原子層の形態で原子層多層構造２４内に存在し、ここで、Ｎは自然数である。図２は、酸化アルミニウムが１原子層だけで形成される場合を示しており、番号２４４が酸化アルミニウム層を示す。図２に示すケースを参照すると、単一の酸化アルミニウム原子層が、数十（または数百）の酸化亜鉛層を形成するプロセスで酸化亜鉛層と交互に形成される。したがって、実質的に酸化亜鉛で形成される原子層多層構造２４は、実際には、アルミニウムがドープされた酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ａｌ）層とみなされ、酸化亜鉛層の導電性を向上させる。別の一般的な透明導電性酸化物ＩＴＯと比較して、原子層形成により製造されるＺｎＯ：Ａｌ透明導電薄膜は、市販のＩＴＯと同等の導電性を有し、８０％を超える透明性を有し、室温〜４００℃の範囲の形成温度を有する。そのため、この原子層形成技法は、高温製造プロセスに耐性のない薄膜シリコンウェハへの適合性が高い。さらに、酸化亜鉛はより安価であり、かつより豊富である。
反射防止層のないシリコンウェハの場合、シリコンウェハの表面での入射光の反射率は約３０〜３５％である。表面テクスチャ加工により、入射光を少なくとも二重反射させて反射率を１０％未満にすることができる。反射率は、反射防止層が表面に追加された場合に１％未満に低減することができる。反射防止層が最小反射係数を得るためには、以下のいくつかの条件を満たさなければならない。
式中、ｎ、ｎ０、およびｎｓは反射防止層、空気、および基板それぞれの屈折率であり、ｄは反射防止層の厚さであり、λ０は入射光の波長である。反射を大幅に低減するには、屈折率および反射防止層の厚さを正確に制御することが極めて重要である。
厚さを制御するに当たり、原子層形成は膜厚を正確に制御することができるため、最適な厚さの反射防止層が容易に得られる。基板としてシリコンウェハを有する太陽電池の場合、波長５５０ｎｍで最小の反射率を得るために反射防止層に求められる屈折率は１．９５である。この原子層形成技法を利用して、屈折率１．９５を有する反射防止層を用意することができる。高屈折率材料層および低屈折率材料層が、原子層形成により交互に形成される。光の波長は各層の厚さよりもかなり長いため、混合構造は一体として見られ、特定の屈折率を有する材料とみなされる。
実験により、Ａｌ含有率（[Ａｌ／（Ａｌ＋Ｚｎ）]×１００％）が０〜５％のときにＺｎＯ：Ａｌの抵抗が最低であることが分かった。偶然に、ＺｎＯ：Ａｌの屈折率も同時に１．９５に非常に近く、これは最小反射条件を満たすために求められる屈折率でもある。同時に、ＺｎＯ：Ａｌ透明導電膜の厚さが、入射光の波長の１／４の奇数倍になるように制御される場合、原子層多層構造２４は反射防止層として機能することができ、入射光の反射を１％未満に低減することができる。
さらに、図２を参照すると、太陽電池２は、被照面２２４の反対側の表面２２６に配置され、表面２２６を覆う透明導電層２６を有することもできる。図２を参照すると、太陽電池２は、透明導電層２６を覆うバックリフレクタ２８（たとえば、Ａｇ層またはＡｌ層）をさらに含む。一実施形態では、透明導電層２６は、ＺｎＯ：Ａｌ等の上記酸化物で形成される別の原子層多層構造である。この場合、ＺｎＯ：Ａｌ透明導電材料が金属電極の光吸着を低減することができ、吸収されなかった波長の長い光の反射を向上させることができる。さらに、ＺｎＯ：Ａｌ透明導電材料を利用した透明導電層２６には、原子層多層構造２４および透明導電層２６を同時に製造できるという利点がある。この利点は太陽電池２のバッチ式製造に有利である。
本発明の好ましい実施形態による太陽電池を製造する方法は、まず、半導体構造結合体を形成する。半導体構造結合体は少なくとも１つのｐｎ接合を含み、被照面を有する。
次に、本発明による方法は続けて、半導体構造結合体の被照面に、１つの酸化物で形成される原子層を形成し、半導体構造結合体の被照面を覆う原子層多層構造をさらに形成する。原子層多層構造は、表面パッシベーション層および透明導電層として機能する。
一実施形態では、半導体構造結合体の被照面に表面テクスチャ加工処理が施される。
一実施形態では、少なくとも１つの酸化物は酸化アルミニウムを含む。実施形態では、室温〜４００℃の範囲の処理温度で行われる第１の原子層形成プロセスにより原子層多層構造２４内に形成された酸化アルミニウムが、半導体構造結合体の被照面を覆い、表面パッシベーション層の機能を提供する。表面パッシベーション層の機能のために設けられる薄膜酸化アルミニウムの好ましい厚さは、約１ｎｍ〜１０ｎｍである。この実施形態では、第１の原子層形成プロセスでの酸化アルミニウムの前駆物質はＴＭＡおよびＨ２ＯまたはＯ３であり、ＡｌはＴＭＡから生成され、ＯはＨ２ＯまたはＯ３から生成される。
一実施形態では、少なくとも１つの酸化物は酸化亜鉛を含む。換言すれば、原子層多層構造は、Ｎ枚の原子層の形態で存在する酸化亜鉛層を含み、透明導電層の機能を提供する。この実施形態では、酸化亜鉛は、室温〜４００℃の範囲の処理温度で行われる第２の原子層形成プロセスにより原子層多層構造内に形成される。
上記実施形態では、第２の原子層形成プロセスでの酸化亜鉛の前駆物質は、ＤＥＺｎおよびＨ２ＯまたはＯ３であり、ＺｎはＤＥＺｎから生成され、ＯはＨ２ＯまたはＯ３から生成される。
実質的に酸化亜鉛で形成され原子層多層構造の導電性を向上させるために、Ｎ枚の酸化アルミニウム層が、数十（または数百）の酸化亜鉛層が形成されるプロセスで交互にさらに形成される。ここで、Ｎは自然数である。したがって、実質的に酸化亜鉛で形成される原子層多層構造は、実際にはＺｎＯ：Ａｌ層とみなされ、酸化亜鉛層の導電性を向上させる。ＺｎＯ：Ａｌ透明導電薄膜は、Ａｌ含有率（[Ａｌ／（Ａｌ＋Ｚｎ）]×１００％）が０〜５％に制御されるときに最低の抵抗を有する。さらに、ＺｎＯ：Ａｌの屈折率は１．９５に非常に近い。同時に、ＺｎＯ：Ａｌ透明導電層の厚さが、入射光の波長の１／４の奇数倍になるように制御される場合、原子層多層構造は反射防止層として機能することができ、入射光の反射を１％未満に低減することができる。
酸化亜鉛層および酸化アルミニウム層は両方とも原子層形成プロセスで形成されるため、半導体構造結合体を製造し、製造された半導体構造結合体を、原子層形成プロセス用に設計された反応室に入れる。表面パッシベーション層、透明導電層、および反射防止層として機能する原子層多層構造を形成するプロセスは、単一の反応室で済む。さらに、酸化アルミニウム原子層が交互になった多層酸化亜鉛原子層を形成するプロセスも反応室内に含められる。
さらに、原子層形成プロセスが室温〜４００℃の範囲の処理温度で行われる場合、半導体構造結合体は、多層原子層形成プロセス中に熱的影響を受けず、熱亀裂を発生させない。明らかに、本発明による方法は薄膜太陽電池の製造への適用にかなり好都合である。
一実施形態では、本発明による方法は、半導体構造結合体の被照面の反対側の表面に透明導電層をさらに形成する。さらに、本発明による方法は、透明導電層の表面にバックリフレクタを形成する。透明導電層は、ＺｎＯ：Ａｌ等の上記酸化物で形成される別の原子層多層構造であることができる。
上記の例および説明により、願わくは本発明の特徴および精神が十分に説明されよう。この装置の多くの変更および代替を本発明の教示を保ちながら行えることに当業者は容易に気づくであろう。したがって、上記開示は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものとみなされるべきである。
２ 太陽電池
２２ 半導体構造結合体
２４ 原子層多層構造
２６ 透明導電層
２８ バックリフレクタ
２２２ ｐｎ接合
２２６ 表面
２２４ 被照面
２４２ 酸化亜鉛層
２４４ 酸化アルミニウム層
２２ 半導体構造結合体
２４ 原子層多層構造
２６ 透明導電層
２８ バックリフレクタ
２２２ ｐｎ接合
２２６ 表面
２２４ 被照面
２４２ 酸化亜鉛層
２４４ 酸化アルミニウム層
Claims (12)
- 少なくとも１つのｐｎ接合を含み、被照面を有する半導体構造結合体と、
酸化亜鉛および酸化アルミニウムで形成され、前記半導体構造結合体の前記被照面を覆う原子層多層構造であって、前記酸化亜鉛は、室温〜４００℃の範囲の処理温度で行われる第１の原子層形成プロセスによって形成され、前記酸化アルミニウムは室温〜４００℃の範囲の処理温度で行われる第２の原子層形成プロセスによって形成され、Ｎを自然数とする、Ｎ層の前記酸化アルミニウムの原子層と、数十又は数百層の前記酸化亜鉛原子層とを、交互に形成した構造であり、表面パッシベーション層および透明導電層として機能する原子層多層構造と、
を備える太陽電池。 - 前記第２の原子層形成プロセスでの前記酸化アルミニウムの前駆物質はＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）およびＨ２ＯまたはＯ３である、請求項１に記載の太陽電池。
- 前記原子多層構造は、［Ａｌ／（Ａｌ＋Ｚｎ）］×１００％で定義されるアルミニウム含有率が０〜５％の範囲であって、屈折率がおよそ１．９５となるアルミニウム含有率であり、反射防止層の機能を提供するような塗布厚を有する、請求項１に記載の太陽電池。
- 前記第１の原子層形成プロセスでの前記酸化亜鉛の前駆物質は、ＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）およびＨ２ＯまたはＯ３である、請求項１に記載の太陽電池。
- 前記半導体構造結合体はシリコン基板も含む、請求項１に記載の太陽電池。
- 前記半導体構造結合体の前記被照面には表面テクスチャ加工処理が施される、請求項１に記載の太陽電池。
- 少なくとも１つのｐｎ接合を含み、被照面を有する半導体構造結合体を形成するステップと、酸化亜鉛および酸化アルミニウムで形成され、前記半導体構造結合体の前記被照面を覆う原子層多層構造であって、前記酸化亜鉛は、室温〜４００℃の範囲の処理温度で行われる第１の原子層形成プロセスによって形成され、前記酸化アルミニウムは室温〜４００℃の範囲の処理温度で行われる第２の原子層形成プロセスによって形成され、Ｎを自然数とする、Ｎ層の前記酸化アルミニウムの原子層と、数十又は数百層の前記酸化亜鉛原子層とを、交互に形成した構造であり、表面パッシベーション層および透明導電層として機能する原子層多層構造を形成するステップと、を含む太陽電池を製造する方法。
- 前記第２の原子層形成プロセスでの前記酸化アルミニウムの前駆物質はＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）およびＨ２ＯまたはＯ３である、請求項７に記載の太陽電池を製造する方法。
- 前記原子多層構造は、［Ａｌ／（Ａｌ＋Ｚｎ）］×１００％で定義されるアルミニウム含有率が０〜５％の範囲であって、屈折率がおよそ１．９５となるアルミニウム含有率であり、反射防止層の機能を提供するような塗布厚を有する、請求項７に記載の太陽電池を製造する方法。
- 前記第１の原子層形成プロセスでの前記酸化亜鉛の前駆物質は、ＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）およびＨ２ＯまたはＯ３である、請求項７に記載の太陽電池を製造する方法。
- 前記半導体構造結合体はシリコン基板も含む、請求項７に記載の太陽電池を製造する方法。
- 前記半導体構造結合体の前記被照面には表面テクスチャ加工処理が施される、請求項７に記載の太陽電池を製造する方法。
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