JP5546616B2 - トンネル酸化物を有する後面接合太陽電池 - Google Patents
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Description
本願は、2012年5月14日に出願された「Back Junction Solar Cell with Tunnel Oxide」という題目の米国仮出願第61/646,700号(発明者:Jiunn Benjamin Heng、Jianming Fu、Zheng Xu、およびZhigang Xie、代理人番号SSP12−1001PSP)の利益を主張する。
(分野)
本開示は、概して太陽電池に関する。より具体的に、本開示は、後面接合および酸化物トンネリング層を有する太陽電池に関する。
石油の使用によって引き起こされた負の環境影響およびその増大する費用は、よりクリーンでより安価な代替的エネルギー供給源に対する切実なニーズを引き起こしている。異なる態様の代替的エネルギー供給源の中、太陽熱は、そのクリーンな性質および幅広い有用性のために関心を集められている。
本発明の一実施形態は、後面接合太陽電池を提供する。太陽電池は、ベース層と、入射光から離れて面するベース層の下に位置している量子トンネリングバリア(QTB)層と、QTB層の下に位置しているエミッター層と、ベース層の上に位置している前表面電場(FSF)層と、FSF層の上に位置している前面側電極と、エミッター層の下に位置している後面側電極とを含む。
(項目1)
後面接合太陽電池を製造するための方法であって、該方法は、
該太陽電池のベース層を得ることと、
入射光から離れて面する該ベース層の後面側において量子トンネリングバリア(QTB)層を形成することと、
該QTB層の下にエミッター層を形成することであって、該エミッター層のドーピングタイプは、該ベース層のドーピングタイプと反対である、ことと、
該ベース層の上に前表面電場(FSF)層を形成することと、
該FSF層の上に前面側電極を形成することと、
該エミッター層の下に後面側電極を生成することと
を含む、方法。
(項目2)
上記ベース層は、単結晶シリコンウェハーとエピタキシャル成長された結晶性Si(c−Si)薄膜とのうちの少なくとも1つを含む、上記項目に記載の方法。
(項目3)
上記エピタキシャル成長されたc−Si薄膜のドーピングプロフィールが調整される、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目4)
上記QTB層は、酸化シリコン(SiOx)、水素化SiOx、窒化シリコン(SiNx)、水素化SiNx、酸化アルミニウム(AlOx)、酸窒化シリコン(SiON)、および水素化SiONのうちの少なくとも1つを含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目5)
上記QTB層は、1オングストロームと50オングストロームとの間の厚さを有する、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目6)
上記QTB層は、熱酸化、原子層蒸着、ウェットまたはスチーム酸化、低圧ラジカル酸化、およびプラズマ増強の化学気相蒸着(PECVD)のうちの少なくとも1つの技術を用いて形成される、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目7)
上記エミッター層、上記FSF層、または両方の表面上に透明伝導性酸化物(TCO)層を形成することをさらに含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目8)
上記TCO層は、インジウムスズ酸化物(ITO)、酸化インジウム(InO)、インジウム亜鉛酸化物(IZO)、タングステンドープの酸化インジウム(IWO)、酸化スズ(SnOx)、アルミニウムドープの酸化亜鉛(ZnO:AlまたはAZO)、およびガリウムドープの酸化亜鉛(ZnO:Ga)のうちの少なくとも1つを含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目9)
上記エミッター層および/または上記FSF層は、非晶質Si(a−Si)、多結晶Si、および1つ以上のワイドバンドギャップ半導体材料のうちの少なくとも1つを含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目10)
上記エミッター層および/または上記FSF層は、1×1015/cm3と5×1020/cm3との間の範囲にあるドーピング濃度を有する段階的にドープされた非晶質Si(a−Si)層を含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目11)
入射太陽光に面する上記ベース層の前面側において前面QTB層を形成することをさらに含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目12)
後面接合太陽電池であって、該太陽電池は、
ベース層と、
入射光から離れて面する該ベース層の下に位置している量子トンネリングバリア(QTB)層と、
該QTB層の下に位置しているエミッター層と、
該ベース層の上に位置している前表面電場(FSF)層と、
該FSF層の上に位置している前面側電極と、
該エミッター層の下に位置している後面側電極と
を含む、太陽電池。
(項目13)
上記ベース層は、単結晶シリコンウェハーとエピタキシャル成長された結晶性Si(c−Si)薄膜とのうちの少なくとも1つを含む、上記項目のいずれかに記載の太陽電池。
(項目14)
上記エピタキシャル成長されたc−Si薄膜のドーピングプロフィールが調整される、上記項目のいずれかに記載の太陽電池。
(項目15)
上記QTB層は、酸化シリコン(SiOx)、水素化SiOx、窒化シリコン(SiNx)、水素化SiNx、酸化アルミニウム(AlOx)、酸窒化シリコン(SiON)、および水素化SiONのうちの少なくとも1つを含む、上記項目のいずれかに記載の太陽電池。
(項目16)
上記QTB層は、1オングストロームと50オングストロームとの間の厚さを有する、上記項目のいずれかに記載の太陽電池。
(項目17)
上記QTB層は、熱酸化、原子層蒸着、ウェットまたはスチーム酸化、低圧ラジカル酸化、およびプラズマ増強の化学気相蒸着(PECVD)のうちの少なくとも1つの技術を用いて形成される、上記項目のいずれかに記載の太陽電池。
(項目18)
上記エミッター層の下に位置している第1の透明伝導性酸化物(TCO)層と、
上記FSF層の上に位置している第2のTCO層と
のうちの少なくとも1つをさらに含む、上記項目のいずれかに記載の太陽電池。
(項目19)
上記第1および第2のTCO層は、インジウムスズ酸化物(ITO)、酸化インジウム(InO)、インジウム亜鉛酸化物(IZO)、タングステンドープの酸化インジウム(IWO)、酸化スズ(SnOx)、アルミニウムドープの酸化亜鉛(ZnO:AlまたはAZO)、およびガリウムドープの酸化亜鉛(ZnO:Ga)のうちの少なくとも1つを含む、上記項目のいずれかに記載の太陽電池。
(項目20)
上記エミッター層および/または上記FSF層は、非晶質Si(a−Si)、多結晶Si、および1つ以上のワイドバンドギャップ半導体材料のうちの少なくとも1つを含む、上記項目のいずれかに記載の太陽電池。
(項目21)
上記エミッター層および/または上記表面電場層は、1×1015/cm3と5×1020/cm3との間の範囲にあるドーピング濃度を有する段階的にドープされた非晶質Si(a−Si)層を含む、上記項目のいずれかに記載の太陽電池。
(項目22)
上記FSF層と上記ベース層との間に位置している前面QTB層をさらに含む、上記項目のいずれかに記載の太陽電池。
本発明の一実施形態は、後面接合太陽電池を提供する。太陽電池は、ベース層と、入射光から離れて面するベース層の下に位置している量子トンネリングバリア(QTB)層と、QTB層の下に位置しているエミッター層と、ベース層の上に位置している前表面電場(FSF)層と、FSF層の上に位置している前面側電極と、エミッター層の下に位置している後面側電極とを含む。
以下の説明は、当業者が実施形態を作り、かつ使用することを可能にするように示され、特定の用途およびその要求の文脈において提供される。開示される実施形態に対するさまざまな変更は、当業者にとって既に明白であり、本明細書において規定される一般的な原理は、本開示の精神および範囲から逸脱することなしに他の実施形態および用途に適用され得る。従って、本発明は、示される実施形態に限定されないが、本明細書において開示される原理および特徴と一致する最も広い範囲を与えられる。
本発明の実施形態は、(太陽光から離れる)後面側においてそのヘテロ接合を有する結晶性Si(c−Si)ベースの太陽電池を提供する。後面接合太陽電池はさらに、界面パシベーション層として機能する薄い誘電層だけではなく、量子トンネリングバリア(QTB)も含む。太陽電池は、c−Si基板の前面および後表面上に高品質極薄酸化物層を堆積することによって製造され得、高品質極薄酸化物層は、パシベーションを提供し、かつキャリアの量子トンネリングを可能にする。その後、c−Si基板の伝導性ドーピングタイプと反対の伝導性ドーピングタイプを有する水素化段階的ドーピング非晶質Si(a−Si)層は、太陽電池のエミッターを形成するために後面酸化物層上に堆積される。c−Si基板の伝導性ドーピングタイプと同じ伝導性ドーピングタイプを有する別の層の水素化a−Siは、前表面をパシベーション化する前表面電場層を形成するために、前面酸化物層上に堆積される。
さらにより優れた性能(例えば、20%より大きい効率)を有する両側へテロ接合太陽電池を得るために、トンネリング酸化物層は、非常に低い(1×1011/cm2より低い)欠陥界面状態(Dit)を可能にし、さらに界面を越える少数キャリアの流れをブロックするように使用されている。結果として生じた太陽電池は、725mVより大きくあり得る非常に高い開放回路電圧(Voc)を有する。高いVocは、低い(0.25%/℃より低い)温度係数を有する高性能太陽電池に対して極めて重要である。他の進歩した材料成長および準備の方法は、さらに表面再結合速度を低減させるためにも使用され得る。例えば、原子層酸化シリコンは、表面トラップ密度を約1×1010/cm2まで低減させ得ることが報告されている。
n型かまたはp型ドープの高品質ソーラーグレードシリコン(SG−Si)ウェハーは、後面接合太陽電池を作るために使用され得る。一実施形態において、n型ドープのSG−Siウェハーが選択される。図2は、本発明の実施形態に従う、トンネリング酸化物を有する後面接合太陽電池を製造するプロセスを例示するダイヤグラムを示す。
図3は、本発明の実施形態に従う、トンネリング酸化物を有する後面接合太陽電池を製造するプロセスを例示するダイヤグラムを示す。製造プロセスは、ベース層としてSG−Siウェハーを用いる代わりに、図3において製造される後面接合太陽電池のベース層がエピタキシャル成長されたc−Siの層であること以外、図2において示されたプロセスに類似している。
図4は、本発明の実施形態に従う、トンネリング酸化物を有する後面接合太陽電池を製造するプロセスを例示するダイヤグラムを示す。製造プロセスは、エピタキシャル形成されたSiベース層が段階的ドーピングプロフィールを有すること以外、図3において示されたプロセスに類似している。
図5は、本発明の実施形態に従う、トンネリング酸化物を有する後面接合太陽電池を製造するプロセスを例示するダイヤグラムを示す。製造プロセスは、エピタキシャル形成されたc−Si層が複合ベースを形成するためにSG−Si基板上に堆積されること以外、図2において示されたプロセスに類似している。
Claims (20)
- 後面接合太陽電池を製造するための方法であって、該方法は、
該太陽電池のベース層を得ることと、
入射光から離れて面する該ベース層の後面側において量子トンネリングバリア(QTB)層を形成することと、
該QTB層の下に段階的にドープされたa−Siを含むエミッター層を形成することであって、該エミッター層のドーピングタイプは、該ベース層のドーピングタイプと反対である、ことと、
該ベース層の上に段階的にドープされたa−Siを含む前表面電場(FSF)層を形成することと、
該FSF層の上に前面側電極を形成することと、
該エミッター層の下に後面側電極を形成することと
を含み、該FSF層の少なくとも一部分が該ベース層のパターニングされた表面の上に形成される、方法。 - 前記ベース層は、単結晶シリコンウェハーとエピタキシャル成長された結晶性Si(c−Si)薄膜とのうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記エピタキシャル成長されたc−Si薄膜のドーピングプロフィールが調整される、請求項2に記載の方法。
- 前記QTB層は、酸化シリコン(SiOx)、水素化SiOx、窒化シリコン(SiNx)、水素化SiNx、酸化アルミニウム(AlOx)、酸窒化シリコン(SiON)、および水素化SiONのうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記QTB層は、1オングストロームと50オングストロームとの間の厚さを有する、請求項1に記載の方法。
- 前記QTB層は、熱酸化、原子層蒸着、ウェットまたはスチーム酸化、低圧ラジカル酸化、およびプラズマ増強の化学気相蒸着(PECVD)のうちの少なくとも1つの技術を用いて形成される、請求項1に記載の方法。
- 前記エミッター層、前記FSF層、または両方の表面上に透明伝導性酸化物(TCO)層を形成することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記TCO層は、インジウムスズ酸化物(ITO)、酸化インジウム(InO)、インジウム亜鉛酸化物(IZO)、タングステンドープの酸化インジウム(IWO)、酸化スズ(SnOx)、アルミニウムドープの酸化亜鉛(ZnO:AlまたはAZO)、およびガリウムドープの酸化亜鉛(ZnO:Ga)のうちの少なくとも1つを含む、請求項7に記載の方法。
- 前記エミッター層および/または前記FSF層は、1×1015/cm3と5×1020/cm3との間の範囲にあるドーピング濃度を有する段階的にドープされた非晶質Si(a−Si)層を含む、請求項1に記載の方法。
- 入射太陽光に面する前記ベース層の前面側において前面QTB層を形成することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 後面接合太陽電池であって、該太陽電池は、
ベース層と、
入射光から離れて面する該ベース層の下に位置している量子トンネリングバリア(QTB)層と、
該QTB層の下に位置している段階的にドープされたa−Siを含むエミッター層と、
該ベース層の上に位置している段階的にドープされたa−Siを含む前表面電場(FSF)層と、
該FSF層の上に位置している前面側電極と、
該エミッター層の下に位置している後面側電極と
を含み、該FSF層の少なくとも一部分が該ベース層のパターニングされた表面の上に形成される、太陽電池。 - 前記ベース層は、単結晶シリコンウェハーとエピタキシャル成長された結晶性Si(c−Si)薄膜とのうちの少なくとも1つを含む、請求項11に記載の太陽電池。
- 前記エピタキシャル成長されたc−Si薄膜のドーピングプロフィールが調整される、請求項12に記載の太陽電池。
- 前記QTB層は、酸化シリコン(SiOx)、水素化SiOx、窒化シリコン(SiNx)、水素化SiNx、酸化アルミニウム(AlOx)、酸窒化シリコン(SiON)、および水素化SiONのうちの少なくとも1つを含む、請求項11に記載の太陽電池。
- 前記QTB層は、1オングストロームと50オングストロームとの間の厚さを有する、請求項11に記載の太陽電池。
- 前記QTB層は、熱酸化、原子層蒸着、ウェットまたはスチーム酸化、低圧ラジカル酸化、およびプラズマ増強の化学気相蒸着(PECVD)のうちの少なくとも1つの技術を用いて形成される、請求項11に記載の太陽電池。
- 前記エミッター層の下に位置している第1の透明伝導性酸化物(TCO)層と、
前記FSF層の上に位置している第2のTCO層と
のうちの少なくとも1つをさらに含む、請求項11に記載の太陽電池。 - 前記第1および第2のTCO層は、インジウムスズ酸化物(ITO)、酸化インジウム(InO)、インジウム亜鉛酸化物(IZO)、タングステンドープの酸化インジウム(IWO)、酸化スズ(SnOx)、アルミニウムドープの酸化亜鉛(ZnO:AlまたはAZO)、およびガリウムドープの酸化亜鉛(ZnO:Ga)のうちの少なくとも1つを含む、請求項17に記載の太陽電池。
- 前記エミッター層および/または前記表面電場層は、1×1015/cm3と5×1020/cm3との間の範囲にあるドーピング濃度を有する段階的にドープされた非晶質Si(a−Si)層を含む、請求項11に記載の太陽電池。
- 前記FSF層と前記ベース層との間に位置している前面QTB層をさらに含む、請求項11に記載の太陽電池。
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