JP5842168B2

JP5842168B2 - 太陽電池の製造方法

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Publication number: JP5842168B2
Application number: JP2011126234A
Authority: JP
Inventors: 知紀上山; 幹英甲斐; 島　正樹; 正樹島
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-06-06
Filing date: 2011-06-06
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2031-06-06
Also published as: JP2012253262A

Description

本発明は、太陽電池の製造方法に関する。

従来、一の導電型の結晶シリコン基板と、他の導電型のアモルファスシリコン層との間に、水素を含む実質的に真性なアモルファスシリコン層（以下、「ｉ型アモルファスシリコン層」とする。）が配された、ｐｉｎ接合を有する太陽電池が知られている（例えば特許文献１を参照）。この太陽電池では、ｉ型アモルファスシリコン層によりキャリアの再結合を抑制できる。このため、優れた出力特性を得ることができる。

特開２００４−２８９０５８号公報

近年、太陽電池の出力特性をさらに向上したいという要望が高まってきている。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、改善された出力特性を有する太陽電池を製造し得る方法を提供することにある。

本発明に係る太陽電池の製造方法は、基板と、基板の上に配された実質的に真性なｉ型半導体層と、基板の上に配されたドーパントがドープされた半導体層とを備える太陽電池を複数製造する方法に関する。本発明に係る太陽電池の製造方法は、第１の固定工程と、半導体層形成工程と、照射工程と、取り外し工程と、第２の固定工程とを備えている。第１の固定工程は、基板をトレイに固定する工程である。半導体層形成工程は、トレイに固定された基板の上に、ｉ型半導体層を形成し、その後、ドーパントがドープされた半導体層を形成する工程である。照射工程は、半導体層形成工程の後に、トレイに水素ラジカル及び水素イオンのうちの少なくとも一方を照射する工程である。取り外し工程は、照射工程に先立って、または照射工程の後に基板をトレイから取り外す工程である。第２の固定工程は、取り外し工程において基板が取り外されたトレイに新たな基板を固定する工程である。本発明に係る太陽電池の製造方法では、第２の固定工程、半導体層形成工程、照射工程及び取り外し工程を複数回繰り返して行う。

本発明によれば、改善された出力特性を有する太陽電池を製造し得る方法を提供することができる。

本発明を実施した一実施形態において製造する太陽電池の略図的断面図である。半導体基板が固定されたトレイの略図的斜視図である。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。

（太陽電池１の構成）
図１は、本実施形態において製造する太陽電池の略図的断面図である。まず、図１を参照しながら本実施形態において製造する太陽電池の構成について説明する。

太陽電池１は、半導体基板１０を備えている。半導体基板１０は、例えば、単結晶半導体基板や多結晶半導体基板により構成することができる。具体的には、半導体基板１０は、例えば、単結晶シリコン基板により構成することができる。

なお、本実施形態では、半導体基板１０の導電型がｎ型である例について説明する。但し、本発明は、これに限定されない。半導体基板１０の導電型はｐ型であってもよい。

半導体基板１０の第１の主面１０ａの上には、半導体基板１０の導電型とは異なるｐ型半導体層１１が配されている。ｐ型半導体層１１は、例えば、ｐ型アモルファスシリコンなどのｐ型非単結晶シリコン系半導体により構成することができる。ｐ型半導体層１１は、水素を含んでいることが好ましい。ｐ型半導体層１１の厚みは、例えば、３ｎｍ〜２０ｎｍであることが好ましく、５ｎｍ〜１５ｎｍであることがより好ましい。

半導体基板１０の第１の主面１０ａとｐ型半導体層１１との間には、ｉ型半導体層１２が配されている。ｉ型半導体層１２は、例えば、ｉ型アモルファスシリコンなどの実質的に真性な非単結晶シリコン系半導体により構成することができる。ｉ型半導体層１２は、水素を含んでいることが好ましい。ｉ型半導体層１２の厚みは、実質的に発電に寄与しない程度であることが好ましい。ｉ型半導体層１２の厚みは、例えば、３ｎｍ〜１５ｎｍであることが好ましく、５ｎｍ〜１０ｎｍであることがより好ましい。

一方、半導体基板１０の第２の主面１０ｂの上には、半導体基板１０の導電型と同じであるｎ型半導体層１３が配されている。ｎ型半導体層１３は、例えばｎ型アモルファスシリコンなどのｎ型非単結晶シリコン系半導体により構成することができる。ｎ型半導体層１３は、水素を含んでいることが好ましい。ｎ型半導体層１３の厚みは、例えば、３ｎｍ〜２５ｎｍであることが好ましく、５ｎｍ〜１５ｎｍであることがより好ましい。

半導体基板１０の第２の主面１０ｂとｎ型半導体層１３との間には、ｉ型半導体層１４が配されている。ｉ型半導体層１４は、例えば、ｉ型アモルファスシリコンなどの実質的に真性な非単結晶シリコン系半導体により構成することができる。ｉ型半導体層１４の厚みは、実質的に発電に寄与しない程度であることが好ましい。ｉ型半導体層１４は、水素を含んでいることが好ましい。ｉ型半導体層１４の厚みは、例えば、３ｎｍ〜１５ｎｍであることが好ましく、５ｎｍ〜１０ｎｍであることがより好ましい。

半導体層１１，１３の上には、透明導電性酸化物（ＴｒａｎｓｐａｒｅｎｔＣｏｎｄｕｃｔｉｖｅＯｘｉｄｅ：ＴＣＯ）層１５，１６が配されている。ＴＣＯ層１５の上には、電極１７が配されている。この電極１７により正孔が収集される。一方、ＴＣＯ層１６の上には、電極１８が配されている。この電極１８により電子が収集される。

（太陽電池１の製造方法）
次に、太陽電池１の製造方法の一例について説明する。

（第１の固定工程）
まず、図２に示すように、複数の半導体基板１０をトレイ２０に固定する。トレイ２０は、例えばＳＵＳ等からなる板状体により構成することができる。複数の半導体基板１０の固定は、例えば、このトレイ２０及び図示しないマスクを用いて半導体基板１０の各周縁部を、半導体基板１０の表面側及び裏面側のそれぞれから押さえることにより行うことができる。

（半導体層形成工程）
次に、トレイ２０に固定された複数の半導体基板１０の上に、ｉ型半導体層１４、ｎ型半導体層１３を形成する。その後、複数の半導体基板１０のｎ型半導体層１３を形成した面の反対に、ｉ型半導体層１２、ｐ型半導体層１１を形成する。ｉ型半導体層１２，１４並びにｐ型半導体層１１及びｎ型半導体層１３の形成は、例えば、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法や、スパッタリング法等の蒸着法により行うことができる。

（照射工程）
次に、半導体層１１〜１４が形成された複数の半導体基板１０が固定された状態で、トレイ２０に水素ラジカル及び水素イオンのうちの少なくとも一方を照射する。

（取り外し工程）
次に、複数の半導体基板１０をトレイ２０から取り外す。

（透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層形成工程）
次に、ＴＣＯ層１５，１６を形成する。ＴＣＯ層１５，１６の形成は、例えば、スパッタリング法やＣＶＤ法等の蒸着法により行うことができる。

なお、このＴＣＯ層形成工程は、取り外し工程の前に行ってもよい。すなわち、トレイ２０に複数の半導体基板１０が固定された状態でＴＣＯ層形成工程を行ってもよい。

（電極形成工程）
次に、電極１７と電極１８とを形成することにより太陽電池１を完成させることができる。なお、電極１７，１８の形成は、例えば導電性ペーストの塗布や、めっき法等により行うことができる。

（第２の固定工程）
取り外し工程の後に、取り外し工程において半導体基板１０が取り外されたトレイ２０に、半導体層１１〜１４が形成されていない新たな半導体基板１０を固定する。

本実施形態では、第２の固定工程、半導体層形成工程、照射工程、取り外し工程、ＴＣＯ層形成工程及び電極形成工程を繰り返し行うことにより、複数の太陽電池１を製造していく。

このように、本実施形態では、ドーパントがドープされた半導体層を形成する半導体層形成工程の後に、トレイ２０に水素ラジカル及び水素イオンのうちの少なくとも一方を照射する照射工程を行う。このため、改善された出力特性を有する複数の太陽電池１を効率的に製造することができる。これは、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、ドーパントがドープされた半導体層であるｐ型半導体層やｎ型半導体層を半導体基板の上に形成する工程においては、ドーパントがドープされた半導体層がトレイ及び図示しないマスクの上にも形成される。このため、このトレイを再利用した場合、ｉ型半導体層を形成する際に、トレイの上に形成されたドーパントを含む半導体層のドーパントがｉ型半導体層内にドープされてしまう。その結果、製造される太陽電池の出力特性が低くなってしまう。それに対して、本実施形態のように、トレイに水素ラジカル及び水素イオンのうちの少なくとも一方を照射した場合は、この照射工程においてトレイ上に形成された半導体層からドーパントを放出させることができる。よって、トレイの上に形成された半導体層におけるドーパント濃度を低くすることができる。従って、トレイを再利用した場合であっても、ｉ型半導体層に、トレイの上に形成された半導体層中に含まれていたドーパントがドープされることを抑制することができる。その結果、優れた出力特性を有する太陽電池を製造することができるものと考えられる。

また、本実施形態では、取り外し工程の前に、照射工程を行う。このため、半導体層１１，１３にも水素ラジカル及び水素イオンの少なくとも一方が照射される。これにより、半導体層１１，１３が改質される。具体的には、半導体層１１，１３に含まれる水素の結合状態などが改質される。従って、より優れた出力特性を有する太陽電池１を製造することができる。

さらに優れた出力特性を有する太陽電池を得る観点からは、照射工程は、イオンを用いない水素ラジカル処理を半導体層１１，１３に施す工程であることが好ましい。この場合にさらに優れた出力特性を有する太陽電池が得られる理由は、半導体層１１，１３の水素イオンによる損傷を抑制できるためであると考えられる。なお、イオンを用いない水素ラジカル処理は、リモートプラズマ法や、触媒化学気相成長（ＣａｔａｌｙｔｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：Ｃａｔ−ＣＶＤ）法、ホットワイヤー法等により行うことができる。

また、取り外し工程の前に照射工程を行うことにより、半導体層１１，１３とＴＣＯ層１５，１６とのオーミック性を改善することができる。よって、さらに優れた出力特性を有する太陽電池を得ることができる。これは、照射工程においてトレイ２０の上に形成された半導体層から放出されたドーパントが半導体層１１，１３の表面に付着し、半導体層１１，１３の表層のドーパント濃度が高くなるためであると考えられる。

なお、本発明の太陽電池の製造方法は、ｉ型半導体層と、ドーパントがドープされた半導体層とを有する太陽電池であれば、どのような太陽電池にも適用することができる。本発明の太陽電池の製造方法は、例えば、裏面接合型の太陽電池にも適用可能であるし、薄膜太陽電池にも適用可能である。

上記実施形態では、取り外し工程を照射工程の後に行う例について説明したが、取り外し工程を照射工程に先だって行ってもよい。

また、ドーパントがドープされた半導体層が複数存在する場合は、少なくとも一つのドーパントがドープされた半導体層を形成した後に照射工程を行えばよく、すべてのドーパントがドープされた半導体層を形成した後に照射工程を行う必要は必ずしもない。

本発明において、基板は、半導体基板に限定されない。

なお、イオンを用いない水素ラジカル処理として例示したリモートプラズマ法は、水素ラジカルだけが基板の表面に到達できるように、磁場や電場によりイオンをプラズマ空間から分離できる装置を用いておこなう方法であればよい。

以下、本発明について、具体的な実施例に基づいて、さらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。

（実施例１）
上記実施形態に係る太陽電池１と実質的に同様の構成を有する太陽電池を、上記実施形態において説明した方法により、下記の条件で複数作製した。具体的には、本実施例では、ｎ型半導体層１３を形成した後に、ｐ型半導体層１１を形成した。その後、照射工程を行った。

具体的には、減圧されたＣＶＤ装置の真空容器内に水素ガスを２００ｓｃｃｍで導入し、圧力を２Ｐａ〜１０Ｐａに調整した。その後、ＣＶＤ装置への投入電力を３．５ｋＷ〜４．０ｋＷとして水素ラジカルを発生させ、４０秒間にわたってｐ型半導体層１１に対して水素ラジカルを照射することにより、水素ラジカル処理を行った。

実施例１において、第２の固定工程を行った後に作製された太陽電池の開放電圧（Ｖｏｃ）、短絡電流（Ｉｓｃ）、曲線因子（Ｆ．Ｆ．）、最大出力（Ｐｍａｘ）を測定した。結果を、下記の表１に示す。

また、実施例１では、ｐ型半導体層１１は、ＣＶＤ装置の真空容器内にシラン（ＳｉＨ_４）ガス１５０ｓｃｃｍと水素（Ｈ_２）ガス７５０ｓｃｃｍとジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）５ｓｃｃｍとの混合ガスを導入し、圧力を１Ｐａ〜５Ｐａに調整し、投入電力を３．５ｋＷ〜４．０ｋＷとして、膜厚が５ｎｍ〜１５ｎｍとなるように形成した。

（実施例２）
ｎ型半導体層１３を形成した後に照射工程を行い、ｐ型半導体層１１を形成し、その後照射工程を行わなかったこと以外は、実施例１と同様にして太陽電池を複数作製した。

実施例２において、第２の固定工程を行った後に作製された太陽電池の開放電圧（Ｖｏｃ）、短絡電流（Ｉｓｃ）、曲線因子（Ｆ．Ｆ．）、最大出力（Ｐｍａｘ）を測定した。結果を、下記の表１に示す。

（比較例）
照射工程を行わなかったこと以外は、実施例１と同様にして太陽電池を複数作製した。

比較例において、第２の固定工程を行った後に作製された太陽電池の開放電圧（Ｖｏｃ）、短絡電流（Ｉｓｃ）、曲線因子（Ｆ．Ｆ．）、最大出力（Ｐｍａｘ）を測定した。結果を、下記の表１に示す。なお、表１に示す結果は、比較例の値を１００とした規格化値である。

表１に示す結果から、半導体層形成工程の後に照射工程を行うことにより、優れた出力特性を有する太陽電池を製造できることが分かる。

１…太陽電池
１０…半導体基板
１０ａ…第１の主面
１０ｂ…第２の主面
１１…ｐ型半導体層
１２，１４…ｉ型半導体層
１３…ｎ型半導体層
１５，１６…ＴＣＯ層
１７，１８…電極
２０…トレイ

Claims

基板と、前記基板の上に配された実質的に真性なｉ型半導体層と、前記基板の上に配されたドーパントがドープされた半導体層とを備える太陽電池を複数製造する方法であって、
前記基板をトレイに固定する第１の固定工程と、
前記トレイに固定された前記基板の上に、前記ｉ型半導体層を形成し、その後、前記ドーパントがドープされた半導体層を形成する半導体層形成工程と、
前記半導体層形成工程の後に、前記トレイに水素ラジカル及び水素イオンのうちの少なくとも一方を照射する照射工程と、
前記照射工程に先立って、または前記照射工程の後に前記基板を前記トレイから取り外す取り外し工程と、
前記取り外し工程において前記基板が取り外されたトレイに新たな前記基板を固定する第２の固定工程と、
を備え、
前記第２の固定工程、前記半導体層形成工程、前記照射工程及び前記取り外し工程を複数回繰り返して行う、太陽電池の製造方法。
前記取り外し工程を行う前に、前記照射工程を行う、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
前記照射工程の後に、前記ドーパントがドープされた半導体層の上に、透明導電層を形成する工程をさらに備える、請求項２に記載の太陽電池の製造方法。
前記太陽電池は、一の導電型を有し、前記基板を構成している半導体基板と、前記半導体基板の上に配されており、一の導電型を有し、前記ドーパントがドープされた半導体層を構成している第１の半導体層と、前記半導体基板の上に配されており、他の導電型を有し、前記ドーパントがドープされた半導体層を構成している第２の半導体層と、前記半導体基板と前記第１の半導体層との間に配された第１の実質的に真性なｉ型半導体層と、前記半導体基板と前記第２の半導体層との間に配された第２の実質的に真性なｉ型半導体層とを備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽電池の製造方法。