JP5869674B2 - 光発電素子 - Google Patents
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Description
前記n型結晶半導体基板と前記p型非晶質系シリコン薄膜との間に介在する真性非晶質系シリコン薄膜を有し、
前記n型非晶質系シリコン薄膜は、前記n型結晶半導体基板側に形成されたライトドープn型非晶質系シリコン薄膜と、その上に形成され、該ライトドープn型非晶質系シリコン薄膜より電気抵抗の小さいハイドープn型非晶質系シリコン薄膜とによって形成され、
前記n型結晶半導体基板と前記n型非晶質系シリコン薄膜とは、該n型結晶半導体基板と該n型非晶質系シリコン薄膜との間に真性非晶質系シリコン薄膜を介在させないで直接接合しており、
前記n型非晶質系シリコン薄膜の膜厚は4nm以上10nm以下であって、
前記n型非晶質系シリコン薄膜側が光入射面として用いられる。
前記化学気相成長法による積層を前記n型結晶半導体基板の温度が180℃を超え220℃以下の状態で行う。
一方、本発明における「n型」非晶質シリコン薄膜とは、薄膜中に含有される元素の数密度比として、シリコンに対して10−5程度以上が含有されているものをいう。例えば、非特許文献1によると、意図的にドープされていない非晶質シリコンは、わずかにn型である。特許文献1にいう「真性」非晶質シリコンとは、このような意図的にドープされていないにも関わらず、n型としての特性も示すものも含まれている論理であると推測される。これに対して本発明では、ドーパント数密度比について以上のように定義しており、従って、意図的にドープされたもののみをいう。なお、例えば、非特許文献1には、PH3/SIH4>10−5の場合は、意図的にドープされていない非晶質シリコンとは異なる特性が得られていることが示されている。
(光発電素子)
図1に示すように、本発明の第1の実施の形態に係る光発電素子10は、板状の多層構造体である。光発電素子10は、n型結晶半導体基板11と、n型結晶半導体基板11の一側(図1における上側)にこの順で積層される真性非晶質系シリコン薄膜12、p型非晶質系シリコン薄膜13及び第1の透明導電膜14と、n型結晶半導体基板11の他側(図1における下側)にこの順で積層されるn型非晶質系シリコン薄膜15及び第2の透明導電膜16とを有する。さらに、光発電素子10は、第1の透明導電膜14の表面(一側)に配設される集電極17と、第2の透明導電膜16の表面(他側)に配設される集電極18とを有する。
次いで、本発明の第2の実施の形態に係る光発電素子10の製造方法について説明する。
光発電素子10の製造方法は、n型結晶半導体基板11の表面(下面)に化学気相成長法によりn型非晶質系シリコン薄膜15を積層する工程(A)を有し、他に、n型結晶半導体基板11の上面に真性非晶質系シリコン薄膜12を積層する工程(B)、真性非晶質系シリコン薄膜12の上面にp型非晶質系シリコン薄膜13を積層する工程(C)、p型非晶質系シリコン薄膜13の上面及びn型非晶質系シリコン薄膜15の下面に透明導電膜14、16を積層する工程(D)、並びに透明導電膜14の上面及び透明導電膜16の下面に集電極17、18を配設する工程(E)を有する。なお、各工程の順は、光発電素子10の層構造を得ることができる順である限り特に限定されるものではない。以下、各工程について詳説する。
n型非晶質系シリコン薄膜15をn型結晶半導体基板11に直接積層する工程(A)においては、例えば化学気相成長法(例えばプラズマCVD法や触媒CVD法(別名ホットワイヤCVD法)等)による積層をn型結晶半導体基板11の温度が例えば180℃を超え220℃以下、より好ましくは190℃以上210℃以下の状態で行う。化学気相成長法をn型結晶半導体基板11が比較的高い上記温度範囲で行うことにより、結晶化を抑えつつ、欠陥発生が低減されたn型非晶質系シリコン薄膜15を得ることができ、十分な開放電圧とフィルファクターを有する光発電素子10を得ることができる。上記温度が180℃以下の場合は欠陥発生が生じやすくなり、開放電圧とフィルファクターが低下する要因となる。逆に、上記温度が220℃を超える場合は形成される薄膜が結晶化しやすくなり、開放電圧とフィルファクターが低下する要因となる。n型非晶質系シリコン薄膜15を形成する際の原料ガスとしては、例えばSiH4とドーパントガスの1種であるPH3との混合ガスを用いることができる。
真性非晶質系シリコン薄膜12の積層は、例えば、化学気相成長法(例えばプラズマCVD法や触媒CVD法(別名ホットワイヤCVD法)等)などの公知の方法により行うことができる。プラズマCVD法による場合、原料ガスとしては例えばSiH4とH2との混合ガスを用いることができる。
p型非晶質系シリコン薄膜13の積層も、化学気相成長法(例えばプラズマCVD法や触媒CVD法(別名ホットワイヤCVD法)等)などの公知の方法により成膜することができる。プラズマCVD法による場合、原料ガスとしては例えばSiH4とH2とB2H6との混合ガスを用いることができる。
透明導電膜14、16の積層は、例えばスパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法(反応性プラズマ蒸着法)等、公知の方法を用いることができる。なお、例えば高エネルギー粒子が生じないイオンプレーティング法により形成することにより、p型非晶質系シリコン薄膜13又はn型非晶質系シリコン薄膜15表面の劣化を抑制すること、及び膜間の密着性を高めることができる。
集電極17、18の配設は公知の方法で行うことができる。集電極17、18の材料として導電性接着剤が用いられている場合、スクリーン印刷やグラビアオフセット印刷等の印刷法により形成することができる。また、集電極17、18に金属導線を用いる場合、導電性接着剤や低融点金属(半田等)によりの透明導電膜14、16上に固定することができる。
Cz法で作製されたn型単結晶シリコン基板(n型結晶半導体基板)の一方の面側に、真性非晶質系シリコン薄膜、p型非晶質系シリコン薄膜及び第1の透明導電膜をこの順に積層した。ついで、n型単結晶シリコン基板の他側に、n型非晶質系シリコン薄膜及び第2の透明導電膜をこの順に積層した。各透明導電膜はイオンプレーティング法により積層した。前記n型非晶質系シリコン薄膜を形成する際、まずPH3の導入量(原料ガス全体に対するPH3の含有量)を800ppmとしてライトドープn型非晶質系シリコン薄膜(第1層)を3nm形成し、前記ライトドープn型非晶質系シリコン薄膜上にPH3の導入量を8000ppmとしてハイドープn型非晶質系シリコン薄膜(第2層)を同一の成膜室で順に積層した。
・一側の真性非晶質系シリコン薄膜:基板温度200℃、膜厚4nm
原料ガスSiH4
・ハイドープp型非晶質系シリコン薄膜:基板温度200℃、膜厚6nm
原料ガスSiH4及びB2H6
B2H6の導入量8000ppm
・ライトドープn型非晶質系シリコン薄膜:基板温度200℃、膜厚3nm
原料ガスSiH4及びPH3
PH3の導入量800ppm
・ハイドープn型非晶質系シリコン薄膜:基板温度200℃、膜厚3nm
原料ガスSiH4及びPH3
PH3の導入量8000ppm
次いで、第1及び第2の透明導電膜の表面(外面)にそれぞれ、集電極として、平行な複数のバスバー電極と、このバスバー電極にそれぞれ直交する複数のフィンガー電極を形成した。この集電極は、銀ペーストを用いてスクリーン印刷により形成した。このようにして、実施例1の光発電素子を得た。
n型単結晶シリコン基板の一方の面側に、真性非晶質系シリコン薄膜、p型非晶質系シリコン薄膜及び第1の透明導電膜をこの順に積層した。ついで、n型単結晶シリコン基板の他側に、真性非晶質系シリコン薄膜、n型非晶質系シリコン薄膜及び第2の透明導電膜をこの順に積層した。各透明導電膜はイオンプレーティング法により積層した。前記n型非晶質系シリコン薄膜を形成する際、実施例1のライトドープn型非晶質系シリコン薄膜は積層せず、PH3の導入量を8000ppmとしてハイドープn型非晶質系シリコン薄膜を真性非晶質系シリコン薄膜上に積層した。
・一側の真性非晶質系シリコン薄膜:基板温度200℃、膜厚6nm
原料ガスSiH4
・ハイドープp型非晶質系シリコン薄膜:基板温度200℃、膜厚4nm
原料ガスSiH4及びB2H6
B2H6の導入量8000ppm.
・他側の真性非晶質系シリコン薄膜:基板温度200℃、膜厚Xnm
原料ガスSiH4
・ハイドープn型非晶質系シリコン薄膜:基板温度200℃、膜厚Ynm
原料ガスSiH4及びPH3
PH3導入量8000ppm
他側の真性非晶質系シリコン薄膜の膜厚(Xnm)及びハイドープn型非晶質系シリコン薄膜の膜厚(Ynm)は以下のとおりである。
比較例1:X=2nm、Y=2nm
比較例2:X=2nm、Y=4nm
比較例3:X=2nm、Y=6nm
比較例4:X=4nm、Y=2nm
比較例5:X=4nm、Y=4nm
比較例6:X=4nm、Y=6nm
比較例7:X=6nm、Y=2nm
比較例8:X=6nm、Y=4nm
比較例9:X=6nm、Y=6nm
実施例1は真性非晶質系シリコン薄膜の代わりにライトドープn型非晶質系シリコン薄膜を積層しており、Front Surface Field側の非晶質系シリコン薄膜層のトータルの厚さを空間電荷層のオーバーラップの影響が及ばない範囲で最小限にすることができ、高い短絡電流と高い開放電圧を両立することができる。さらに、高抵抗な真性非晶質系シリコン薄膜の代わりに低抵抗なライトドープn型非晶質系シリコン薄膜を積層しており、フィルファクターが高められる。
エピタキシャル成長法によって作製されたn型単結晶シリコン基板(厚さ150μm)を使用し、サーマルドナーキラーアニーリング工程を省いたこと以外は、実施例1と同様にして、実施例2の光発電素子を得た。サーマルドナーキラーアニーリング工程とは、n型単結晶シリコン基板中のサーマルドナーを除去する手法であり、低温プロセスのヘテロ接合素子では特に重要である。Cz法で作製されたn型単結晶シリコン基板を用いた他の実施例及び比較例においては、このサーマルドナーキラーアニーリング工程を行っている。この工程を省くことで更に製造コストの低減が図られる。得られた実施例2の光発電素子の短絡電流(Isc)は9.050A、開放電圧(Voc)は0.735V、最大出力(Pmax)は5.45W、曲線因子(FF)は0.820であった。
0.3〜6Ωcmの比抵抗を有するn型単結晶シリコン(Cz法)を用いて、実施例1と同様の方法で、光発電素子を得た。得られた各光発電素子のFF(曲線因子)とPmax(最大出力)の測定結果を図4(a)、(b)に示す。図4(a)に示されるように、比抵抗の増大とともにn層非晶質系シリコン薄膜形成面側の実効的な横方向の抵抗が増大し、FF(曲線因子)が減少する。図4(b)に示されるように、Pmax(最大出力)は、比抵抗の減少に伴うFF向上のメリットとバルクライフタイム減少のデメリットが競合するため、0.5〜5Ωcmの範囲が良好で、1〜3Ωcmの範囲が特に良好である。エピタキシャル基板は酸素欠陥が極めて少なく、ドーピングレベルでのみ比抵抗をコントロールできるため、この良好な範囲を精度よく狙うことができる。
Claims (3)
- n型結晶半導体基板と、該n型結晶半導体基板の一側に積層されるp型非晶質系シリコン薄膜と、前記n型結晶半導体基板の他側に積層されるn型非晶質系シリコン薄膜とを有する光発電素子において、
前記n型結晶半導体基板と前記p型非晶質系シリコン薄膜との間に介在する真性非晶質系シリコン薄膜を有し、
前記n型非晶質系シリコン薄膜は、前記n型結晶半導体基板側に形成されたライトドープn型非晶質系シリコン薄膜と、その上に形成され、該ライトドープn型非晶質系シリコン薄膜より電気抵抗の小さいハイドープn型非晶質系シリコン薄膜とによって形成され、
前記n型結晶半導体基板と前記n型非晶質系シリコン薄膜とは、該n型結晶半導体基板と該n型非晶質系シリコン薄膜との間に真性非晶質系シリコン薄膜を介在させないで直接接合しており、
前記n型非晶質系シリコン薄膜の膜厚は4nm以上10nm以下であって、
前記n型非晶質系シリコン薄膜側が光入射面として用いられることを特徴とする光発電素子。 - 請求項1記載の光発電素子において、前記n型結晶半導体基板の比抵抗が0.5Ωcm以上5Ωcm以下であることを特徴とする光発電素子。
- 請求項1又は2記載の光発電素子において、前記n型結晶半導体基板の厚さが50μm以上200μm以下であることを特徴とする光発電素子。
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