JP5230222B2

JP5230222B2 - 太陽電池

Info

Publication number: JP5230222B2
Application number: JP2008040715A
Authority: JP
Inventors: 有二菱田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2028-02-21
Also published as: JP2009200267A

Description

本発明は、半導体基板の裏面上に形成されたｎ型半導体層及びｐ型半導体層を備える裏面接合型の太陽電池に関する。

太陽電池は、クリーンで無尽蔵に供給される太陽光を直接電気に変換できるため、新しいエネルギー源として期待されている。

従来、半導体基板の裏面上に形成されたｎ型半導体層及びｐ型半導体層を備える、いわゆる裏面接合型の太陽電池が提案されている（特許文献１参照）。

ｎ型半導体層及びｐ型半導体層それぞれは、所定の方向に沿ってライン状に交互に形成される。ｎ型半導体層上及びｐ型半導体層上それぞれには、透明電極層と収集電極層とが順次形成される。収集電極層は、印刷法を用いて、導電性材料を透明電極層上に配設することにより形成される。
特開２００５−１０１２４０号公報

ここで、半導体基板内部における光生成キャリアの再結合を抑制するには、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との線幅を狭くすることが好ましい。これにより、光生成キャリアの収集効率を向上させることができる。

しかしながら、一般的に、収集電極層は、印刷法や塗布法などを用いて形成されるため、収集電極層を微細な線幅で形成するには限界がある。そのため、各半導体層の線幅を狭くしたとしても、各半導体層上に収集電極層を形成することは困難であった。

そこで、各半導体層を覆うように透明電極層と収集電極層とを順次形成した後に、レーザ加工などの機械的加工法を用いて、透明電極層及び収集電極層を加工する手法が考えられる。このような手法によれば、印刷法や塗布法などを用いる場合に比べて、収集電極層を微細な線幅で形成することができる。

しかしながら、このような手法では、レーザ光によって半導体層や半導体基板がダメージを受けてしまうため、太陽電池の出力が低下するおそれがある。

本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、半導体層及び半導体基板が受けるダメージを抑制しつつ、収集電極層を微細な線幅で形成できる裏面接合型の太陽電池を提供することを目的とする。

本発明の一の特徴に係る太陽電池は、受光面と受光面の反対側に設けられる裏面とを有する半導体基板と、裏面上において所定の方向に沿って交互に配設された一導電型の第１半導体層及び他導電型の第２半導体層とを有する裏面接合型の太陽電池であって、第１半導体層上に設けられた第１電極層と第２半導体層上に設けられた第２電極層とを備え、第１電極層と第２電極層とは、第１半導体層及び第２半導体層と第１電極層及び第２電極層との間に配された絶縁層上で電気的に分離されていることを要旨とする。

本発明の一の特徴に係る太陽電池によれば、第１電極層と第２電極層とは絶縁層上で電気的に分離されている。従って、レーザ加工などの機械的加工法を用いて分離する場合であっても、各半導体層がダメージを受けることを抑制しつつ、収集電極層を微細な線幅で形成することができる。

本発明によれば、半導体層及び半導体基板が受けるダメージを抑制しつつ、収集電極層を微細な線幅で形成できる裏面接合型の太陽電池を提供することができる。

次に、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（太陽電池の構成）
本発明の実施形態に係る太陽電池１０の構成について、図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る太陽電池１０の裏面側の平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線における断面図である。なお、図１では、ｐ側電極層２０ａ及びｎ側電極層２０ｂの本数及びサイズを模式的に示している。

図１及び図２に示すように、太陽電池１０は、半導体基板１１、第１半導体層１２、第２半導体層１４、絶縁層１６、透明電極層１８及び収集電極層２０を備える。

半導体基板１１は、太陽光を受ける受光面と、受光面の反対側に設けられた裏面とを有する。半導体基板１１は、受光面における受光によって光生成キャリアを生成する。光生成キャリアとは、光が半導体基板１１に吸収されて生成される正孔と電子とをいう。

半導体基板１１は、ｎ型又はｐ型の導電型を有する単結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉなどの結晶系半導体材料や、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの化合物半導体材料を含む一般的な半導体材料によって構成することができる。本実施形態では、半導体基板１１がｎ型単結晶シリコン基板であるものとして説明する。なお、半導体基板１１の受光面及び裏面には、微小な凹凸が形成されていてもよい。

第１半導体層１２は、半導体基板１１の裏面上において、第１方向に沿ってライン状に形成される。本実施形態に係る第１半導体層１２は、半導体基板１１の裏面側から順次積層されたｉ型アモルファスシリコン層とｐ型アモルファスシリコン層とによって構成される。このような構成（いわゆるＨＩＴ構造）によれば、ｐｎ接合特性を向上することができる。

第２半導体層１４は、半導体基板１１の裏面上において、第１方向に沿ってライン状に形成される。図２に示すように、第１半導体層１２と第２半導体層１４とは、第２方向に沿って交互に配設される。従って、第１半導体層１２の両隣には、一対の第２半導体層１４が配設される。また、第２半導体層１４の第２方向両端部は、第１半導体層１２上に配設される。

本実施形態に係る第２半導体層１４は、半導体基板１１の裏面側から順次積層されたｉ型アモルファスシリコン層とｎ型アモルファスシリコン層とによって構成される。このような構成（いわゆるＢＳＦ構造）によれば、半導体基板１１の裏面における光生成キャリアの再結合を抑制することができる。

ここで、図２に示すように、第２方向において、第１半導体層１２と半導体基板１１との接触幅αは、第２半導体層１４と半導体基板１１との接触幅βよりも大きい。接触幅αは、例えば約３５０μｍであり、接触幅βは、例えば約２００μｍである。

絶縁層１６は、第２半導体層１４上から第１半導体層１２上まで跨って形成される。具体的に、絶縁層１６は、第１半導体層１２の第２方向端部と、第２半導体層１４の第２方向端部とを覆う。絶縁層１６としては、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化ケイ素などを用いることができる。

透明電極層１８は、第１半導体層１２及び第２半導体層１４を覆っており、一対の絶縁層１６上に跨って形成される。透明電極層１８は、透光性を有する導電性材料によって形成される。透明電極層１８としては、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）、酸化錫、酸化亜鉛などを用いることができる。

収集電極層２０は、透明電極層１８上に形成される。収集電極層２０としては、樹脂材料をバインダーとし、銀粒子等の導電性粒子をフィラーとする樹脂型導電性ペーストや、スパッタリング法による銀などを用いて形成することができる。

ここで、透明電極層１８と収集電極層２０は、絶縁層１６上において第１方向に沿って形成される分離溝３０によって分離される。分離溝３０は、レーザ光の照射によって、透明電極層１８と収集電極層２０とを第１方向に沿って除去することにより形成される。これにより、収集電極層２０は、第１半導体層１２上に配置されるｐ側電極層２０ａと、第２半導体層１４上に配置されるｎ側電極層２０ｂとに分離される。従って、ｐ側電極層２０ａとｎ側電極層２０ｂとは、分離溝３０によって電気的に分離される。ｐ側電極層２０ａは、正孔を収集する収集電極である。ｎ側電極層２０ｂは、電子を収集する収集電極である。

また、図２に示すように、第２方向において、ｐ側電極層２０ａの幅γは、ｎ側電極層２０ｂの幅δと略同等である。従って、分離溝３０は、第２方向に沿って略等間隔で並列される。

また、ｐ側電極層２０ａの幅γは、接触幅αよりも小さい。ｎ側電極層２０ｂの幅δは、接触幅βよりも大きい。

（太陽電池の製造方法）
次に、太陽電池１０の製造方法について、図３〜８を参照しながら説明する。

まず、ｎ型単結晶シリコン基板（半導体基板１１）の裏面にシャドウマスクを被せる。続いて、ＣＶＤ法を用いて、図３に示すように、ｉ型非晶質シリコン層及びｐ型非晶質シリコン層（第１半導体層１２）を順次積層する。ｉ型非晶質シリコン層の層厚は、実質的に発電に寄与しない程度の厚み、例えば数Å〜２５０Åの厚みである。ｐ型非晶質シリコン層の層厚は、例えば約１０ｎｍである。

次に、ｎ型単結晶シリコン基板の裏面にシャドウマスクを被せる。続いて、ＣＶＤ法を用いて、図４に示すように、ｉ型非晶質シリコン層及びｎ型非晶質シリコン層（第２半導体層１４）を順次積層する。ｉ型非晶質シリコン層の層厚は、実質的に発電に寄与しない程度の厚み、例えば数Å〜２５０Åの厚みである。ｎ型非晶質シリコン層の層厚は、例えば約２０ｎｍである。

次に、スパッタリング法や塗布法などを用いて、図５に示すように、第１半導体層１２の第２方向端部と、第２半導体層１４の第２方向端部とを覆うように窒化アルミニウム層（絶縁層１６）を形成する。

次に、スパッタリング法を用いて、図６に示すように、第１半導体層１２、第２半導体層１４及び絶縁層１６を覆うようにＩＴＯ層（透明電極層１８）を一様に形成する。

次に、印刷法や塗布法を用いて、図７に示すように、透明電極層１８上に銀ペースト（収集電極層２０）を配設する。

次に、絶縁層１６が形成された位置に対してレーザ光を照射し、第１方向に沿って走査する。これにより、図８に示すように、収集電極層２０と透明電極層１８とが除去され、分離溝３０が形成される。なお、例えば、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ、エネルギー６．４ｅＶ）を用いる場合、レーザ光は窒化アルミニウム（禁制帯幅６．２ｅＶ）によって吸収される。

（作用及び効果）
本実施形態に係る太陽電池１０は、第１半導体層１２の両隣に配設される一対の第２半導体層１４と、一方の第２半導体層１４上から第１半導体層１２上まで跨って形成される絶縁層１６と、他方の第２半導体層１４上から第１半導体層１２上まで跨って形成される絶縁層１６とを備える。透明電極層１８及び収集電極層２０は、絶縁層１６上において第１方向に沿って形成される一対の分離溝３０によって分離される。

このように、分離溝３０は、絶縁層１６上に形成されており、絶縁層１６は、第２半導体層１４上から第１半導体層１２上まで跨って形成される。従って、レーザ加工などの機械的加工法を用いて分離溝３０を形成する場合であっても、第１半導体層１２及び第２半導体層１４がダメージを受けることを抑制しつつ、収集電極層２０（ｐ側電極層２０ａ、ｎ側電極層２０ｂ）を微細に形成することができる。

また、絶縁層１６が第２半導体層１４上から第１半導体層１２上まで跨って形成されるため、絶縁層１６上の任意の位置に分離溝３０を形成できる。そのため、第２方向において、第１半導体層１２の幅α及び第２半導体層１４の幅βに関わりなく、ｐ側電極層２０ａの幅γ及びｎ側電極層２０ｂの幅δを任意に設定することができる。

具体的には、ｐ側電極層２０ａの幅γを、第１半導体層１２と半導体基板１１との接触幅αより小さくするとともに、ｎ側電極層２０ｂの幅δを、第２半導体層１４と半導体基板１１との接触幅βより大きくすることができる。このように、接触幅βを接触幅αより小さくすることによって、半導体基板１１内部で生成された正孔（少数キャリア）を第１半導体層１２に効率良く集めようとする場合であっても、ｐ側電極層２０ａの幅γとｎ側電極層２０ｂの幅δとを略同等に形成できる。その結果、ｐ側電極層２０ａとｎ側電極層２０ｂとの電気抵抗を略同等にすることができる。

また、本実施形態に係る太陽電池１０において、透明電極層１８及び収集電極層２０は、レーザ光などの機械的加工法を用いることによって同時に加工される。従って、製造工程を簡略化できるため、太陽電池１０の製造コストを低減することができる。

また、本実施形態に係る太陽電池１０において、第１半導体層１２及び第２半導体層１４それぞれは、半導体基板１１上に形成されたｉ型非晶質シリコン層を有する。従って、第１半導体層１２又は第２半導体層１４の一方が他方に接触していたとしても、両者間にｉ型非晶質シリコン層が介在するため、短絡電流の発生を抑制することができる。その結果、両者を微細な線幅で形成する場合であっても、両者を物理的に分離しなくてもよいため、製造工程における過密な制御を抑制することができる。

（その他の実施形態）
本発明は上記の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、上記実施形態では、第１半導体層１２と第２半導体層１４とを接触させたが、図９に示すように、第１半導体層１２と第２半導体層１４とは、第２方向において物理的に分離されていてもよい。この場合、絶縁層１６は、第１半導体層１２と第２半導体層１４との間隙（溝）に充填される。

また、上記実施形態では、収集電極層２０を一様な厚みで印刷又は塗布することとしたが、図１０に示すように、収集電極層２０のうちレーザ光が照射される部分の厚みを小さく印刷又は塗布してもよい。

また、上記実施形態では、図１に示すように、ｐ側電極層２０ａの第１方向端部を連結させるとともに、ｎ側電極層２０ｂの第１方向端部を連結させたが、図１１に示すように、これらは連結されていなくてもよい。

また、上記実施形態では、半導体基板１１としてｎ型単結晶シリコン基板を用いたが、半導体基板１１の導電型はｐ型でもよい。また、半導体基板１１として、単結晶シリコン以外の一般的な半導体材料を用いてもよい。

また、上記実施形態では、レーザ光を照射することによって分離溝３０を形成したが、微細加工が可能な周知の手法によって分離溝３０を形成してもよい。

また、第１半導体層１２（ｐ側電極層２０ａ）及び第２半導体層１４（ｎ側電極層２０ｂ）の本数及びサイズは適宜変更することができる。

本発明の実施形態に係る太陽電池１０の裏面側の平面図である。図１のＡ−Ａ線における断面図である。本発明の実施形態に係る太陽電池１０の製造方法を説明するための図である（その１）。本発明の実施形態に係る太陽電池１０の製造方法を説明するための図である（その２）。本発明の実施形態に係る太陽電池１０の製造方法を説明するための図である（その３）。本発明の実施形態に係る太陽電池１０の製造方法を説明するための図である（その４）。本発明の実施形態に係る太陽電池１０の製造方法を説明するための図である（その５）。本発明の実施形態に係る太陽電池１０の製造方法を説明するための図である（その６）。本発明の実施形態に係る太陽電池１０の一例を示す断面図である。本発明の実施形態に係る太陽電池１０の製造方法の一例を説明するための図である。本発明の実施形態に係る太陽電池１０の一例を示す平面図である。

符号の説明

１０…太陽電池
１１…半導体基板
１２…第１半導体層
１４…第２半導体層
１６…絶縁層
１８…透明電極層
２０…収集電極層
２０ａ…ｐ側電極層
２０ｂ…ｎ側電極層
３０…分離溝

Claims

受光面及び前記受光面の反対側の裏面を有する半導体基板と、
前記裏面上において所定の方向に沿って交互に配設された一導電型の第１半導体層及び他導電型の第２半導体層と、
前記第１半導体層の一部上に設けられた絶縁層と、
前記第１半導体層、前記第２半導体層及び前記絶縁層上に設けられた電極層と、を備え、
前記電極層は、
前記第１半導体層と電気的に接続される第１電極層と、
前記第２半導体層と電気的に接続される第２電極層と、
前記絶縁層上に位置するとともに、前記絶縁層よりも幅が小さく、前記第１電極層と前記第２電極層とを電気的に分離する分離溝と、を含む、太陽電池。
前記第２電極層は、前記絶縁層を介して前記第１半導体層の一部上を含むように設けられる太陽電池。
前記第１半導体層はｐｎ接合形成用の半導体層であり、
前記第２半導体層はＢＳＦ構造形成用の半導体層である、請求項２記載の太陽電池。
前記第１半導体層と前記半導体基板との間の接触幅は、前記第２半導体層と前記半導体基板との間の接触幅より大きい、請求項１乃至３のいずれかに記載の太陽電池。
前記第１電極層の幅は前記第１半導体層と前記半導体基板との接触幅より小さく、
前記第２電極層の幅は前記第２半導体層と前記半導体基板との接触幅より大きい、請求項１乃至４のいずれかに記載の太陽電池。
前記絶縁層は、前記第１半導体層上から前記第２半導体層上に跨って形成されている、請求項１乃至５のいずれかに記載の太陽電池。
前記第１半導体層と前記第１電極層との間、及び前記第２半導体層と前記第２電極層との間に夫々配された透明電極層を有する、請求項１乃至６のいずれかに記載の太陽電池。
前記半導体基板は単結晶シリコンからなり、前記第１半導体層及び第２半導体層は非晶質シリコンからなる、請求項１乃至７のいずれかに記載の太陽電池。
前記半導体基板と前記第１半導体層との間、及び前記半導体基板と前記第２半導体層との間に夫々介挿されたｉ型非晶質シリコン層を備える、請求項８記載の太陽電池。