JP5963024B2 - 太陽電池の製造方法及び太陽電池 - Google Patents

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Description

本発明は、太陽電池の製造方法及び太陽電池に関する。
特許文献１には、光電変換効率を向上し得る太陽電池として、ｐ側電極とｎ側電極との両方が裏面側に設けられた裏面接合型の太陽電池が記載されている。特許文献１に記載の太陽電池は、半導体材料からなる基板の一主面の第１の領域の上に設けられた第１の半導体層と、一主面の第２の領域の上に設けられた第２の半導体層とを有する。第１及び第２の半導体層の一方がｐ型であり、他方がｎ型である。第２の半導体層は、第２の領域上から、第１の半導体層の上に跨がって設けられている。第１の領域において、第１の半導体層と第２の半導体層との間には、再結合層が設けられている。この再結合層は、ｐ側電極とｐ型非晶質半導体層１１ｐとの間を低抵抗化するための層である。
ＷＯ２０１０／０９８４４５ Ａ１号公報
太陽電池の光電変換効率をさらに改善したいという要望がある。
本発明の主な目的は、改善された光電変換効率を有する太陽電池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では、半導体材料からなる基板の一主面の一部分の上に一の導電型を有する第１のアモルファス半導体層を形成する。第１のアモルファス半導体層の上に一の導電型を有する第１の微結晶半導体層を形成する。第１の微結晶半導体層の上に他の導電型を有する第２の微結晶半導体層を形成する。第２の微結晶半導体層の上と、基板の一主面の第２の微結晶半導体層からの露出部の上とに跨がって他の導電型を有する第２のアモルファス半導体層を形成する。第１及び第２の微結晶半導体層の少なくとも一方の表面をエッチングすることにより結晶粒に起因した凹凸を設ける。
本発明に係る太陽電池は、半導体材料からなる基板と、第１のアモルファス半導体層と、第２のアモルファス半導体層と、第１の微結晶半導体層と、第２の微結晶半導体層とを備える。第１のアモルファス半導体層は、基板の一主面の一部分の上に配されている。第１のアモルファス半導体層は、一の導電型を有する。第２のアモルファス半導体層は、基板の一主面の第１のアモルファス半導体層からの露出部の上と、第１のアモルファス半導体層の上とに跨がって配されている。第２のアモルファス半導体層は、他の導電型を有する。第１の微結晶半導体層は、第１のアモルファス半導体層と第２のアモルファス半導体層との間に配されている。第１の微結晶半導体層は、一の導電型を有する。第２の微結晶半導体層は、第１の微結晶半導体層と第２のアモルファス半導体層との間に配されている。第２の微結晶半導体層は、他の導電型を有する。第１の微結晶半導体層の第２の微結晶半導体層側の表面と、第２の微結晶半導体層の第２のアモルファス半導体層側の表面とのうちの少なくとも一方に、結晶粒に起因した凹凸が設けられている。
本発明によれば、改善された光電変換効率を有する太陽電池を提供することができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る太陽電池の略図的断面図である。
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に示されるように、太陽電池１は、半導体材料からなる基板１０ｎを有する。基板１０ｎは、ｎ型またはｐ型の導電型を有する。本実施形態では、具体的には、基板１０ｎの導電型は、ｎ型である。基板１０ｎは、例えば、ｎ型の結晶半導体材料などにより構成することができる。具体的には、基板１０ｎは、例えば、ｎ型の結晶シリコンにより構成することができる。なお、結晶半導体材料には、単結晶半導体材料と多結晶半導体材料とが含まれるものとする。結晶シリコンには、単結晶シリコンと多結晶シリコンとが含まれるものとする。
基板１０ｎは、主として受光する第１の主面１０ａと第２の主面１０ｂとを有する。第１の主面１０ａは、受光面側に位置する。ここで、「受光面」とは、２つの主面のうち、主として受光する側の主面をいう。
第１の主面１０ａの上には、半導体層１７ｉ、半導体層１７ｎ及び保護層１８がこの順番で設けられている。半導体層１７ｉは、実質的に真性なｉ型半導体材料からなる。半導体層１７ｉは、例えば、ｉ型アモルファスシリコンにより構成することができる。半導体層１７ｉの厚みは、実質的に発電に寄与しない程度の厚み（例えば、０．１ｎｍ〜２５ｎｍ程度）であることが好ましい。半導体層１７ｎの導電型は、基板１０ｎと同じ導電型であるｎ型である。半導体層１７ｎは、例えばｎ型アモルファスシリコンにより構成することができる。保護層１８は、例えば、窒化珪素などにより構成することができる。保護層１８は、半導体層１７ｎを保護する機能とともに、入射光の表面反射を抑制する機能を有していてもよい。
第２の主面１０ｂの一部分の上に、第１のアモルファス半導体層１１ｎａが配されている。具体的には、第２の主面１０ｂの第１の領域１０ｂ１の上には、第１のアモルファス半導体層１１ｎａが配されている。第１のアモルファス半導体層１１ｎａは、基板１０ｎと同じ導電型を有する。具体的には、第１のアモルファス半導体層１１ｎａの導電型は、ｎ型である。もっとも、第１のアモルファス半導体層１１ｎａは、基板１０ｎと異なる導電型を有していてもよい。第１のアモルファス半導体層１１ｎａは、例えばｎ型アモルファスシリコンにより構成することができる。
第１のアモルファス半導体層１１ｎａと第２の主面１０ｂとの間には、実質的に真性なｉ型アモルファス半導体層１１ｉａが設けられている。ｉ型アモルファス半導体層１１ｉａは、発電に実質的に寄与しない程度の厚み（例えば、０．１ｎｍ〜２５ｎｍ程度）を有する。ｉ型アモルファス半導体層１１ｉａは、例えばｉ型アモルファスシリコンにより構成することができる。
第２の主面１０ｂの第１の領域１０ｂ１以外の領域の少なくとも一部である第２の領域１０ｂ２の上には、第２のアモルファス半導体層１２ｐａが設けられている。第２のアモルファス半導体層１２ｐａは、第２の主面１０ｂの第１のアモルファス半導体層１１ｎａからの露出部の上と、第１のアモルファス半導体層１１ｎａの上とに跨がって配されている。第２のアモルファス半導体層１２ｐａは、第１のアモルファス半導体層１１ｎａとは異なる導電型を有する。具体的には、第２のアモルファス半導体層１２ｐａの導電型は、ｐ型である。第２のアモルファス半導体層１２ｐａは、例えば、ｐ型アモルファスシリコンにより構成することができる。
第１の領域１０ｂ１において、第１のアモルファス半導体層１１ｎａと第２のアモルファス半導体層１２ｐａとの間には、微結晶半導体層１３が設けられている。この微結晶半導体層１３は、第１のアモルファス半導体層１１ｎａと、後述するｎ側電極１６ｎとの間を低抵抗化する層である。微結晶半導体層１３は、再結合中心となり得る欠陥準位を有する。このため、微結晶半導体層１３において、電子と正孔との再結合とが生じやすい。よって、微結晶半導体層１３を介して電流が流れる。
微結晶半導体層１３の厚みは、例えば、２ｎｍ〜６０ｎｍ程度であることが好ましく、２ｎｍ〜３０ｎｍであることがより好ましい。
微結晶半導体層１３は、第１の微結晶半導体層１３ｎｃと、第２の微結晶半導体層１３ｐｃとを有する。第１の微結晶半導体層１３ｎｃは、第１のアモルファス半導体層１１ｎａと第２のアモルファス半導体層１２ｐａとの間に設けられている。第１の微結晶半導体層１３ｎｃは、第１のアモルファス半導体層１１ｎａと接している。第１の微結晶半導体層１３ｎｃは、第１のアモルファス半導体層１１ｎａと同じ導電型を有する。具体的には、第１の微結晶半導体層１３ｎｃの導電型は、ｎ型である。第１の微結晶半導体層１３ｎｃは、例えば、ｎ型微結晶シリコンにより構成することができる。第１の微結晶半導体層１３ｎｃの厚みは、例えば、１ｎｍ〜３０ｎｍ程度であることが好ましく、１ｎｍ〜１５ｎｍであることがより好ましい。
第２の微結晶半導体層１３ｐｃは、第１の微結晶半導体層１３ｎｃと第２のアモルファス半導体層１２ｐａとの間に配されている。第２の微結晶半導体層１３ｐｃは、第１の微結晶半導体層１３ｎｃ及びｉ型アモルファス半導体層１２ｉａのそれぞれと接している。第２の微結晶半導体層１３ｐｃは、第１の微結晶半導体層１３ｎｃとは異なる導電型を有する。具体的には、第２の微結晶半導体層１３ｐｃの導電型は、ｐ型である。第２の微結晶半導体層１３ｐｃは、例えば、ｐ型微結晶シリコンにより構成することができる。第２の微結晶半導体層１３ｐｃの厚みは、例えば、１ｎｍ〜３０ｎｍ程度であることが好ましく、１ｎｍ〜１５ｎｍであることがより好ましい。
なお、微結晶半導体層には、実質的に半導体結晶粒のみからなる層が含まれる。また、微結晶半導体層は、半導体結晶粒に加え、半導体のアモルファス領域を有していてもよい。従って、微結晶半導体層は、半導体結晶粒を複数含む層であって、アモルファス半導体層と同様に半導体のアモルファス領域を含む層であってもよい。
第２の主面１０ｂの第１のアモルファス半導体層１１ｎａからの露出部及び第２の微結晶半導体層１３ｐｃと、第２のアモルファス半導体層１２ｐａとの間には、実質的に真性なｉ型アモルファス半導体層１２ｉａが設けられている。ｉ型アモルファス半導体層１２ｉａは、例えば、ｉ型アモルファスシリコンにより構成することができる。ｉ型アモルファス半導体層１２ｉａの厚みは、実質的に発電に寄与しない程度の厚み（例えば、０．１ｎｍ〜２５ｎｍ程度）であることが好ましい。
第１の領域１０ｂ１において、第２のアモルファス半導体層１２ｐａの上には、ｎ側電極１６ｎが設けられている。一方、第２の領域１０ｂ２において、第２のアモルファス半導体層１２ｐａの上には、ｐ側電極１５ｐが設けられている。ｐ側電極１５ｐ、ｎ側電極１６ｎは、例えば、Ａｇ、Ｃｕなどの金属の少なくとも一種により構成することができる。
（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。
まず、半導体材料からなる基板１０ｎの第２の主面１０ｂの上に、ｉ型半導体層１１ｉａを構成するためのｉ型半導体層、第１のアモルファス半導体層１１ｎａを構成するためのアモルファス半導体層、第１の微結晶半導体層１３ｎｃを構成するための微結晶半導体層、及び第２の微結晶半導体層１３ｐｃを構成するための微結晶半導体層をこの順番で形成した後に、エッチングすることにより一部を除去する。これにより、第２の主面１０ｂの上に、ｉ型半導体層１１ｉａ、第１のアモルファス半導体層１１ｎａ、第１の微結晶半導体層１３ｎｃ及び第２の微結晶半導体層１３ｐｃを形成する。次に、第２の微結晶半導体層１３ｐｃの上と、第２の主面１０ｂの第２の微結晶半導体層１３ｐｃからの露出部の上とに跨がるように、ｉ型半導体層１２ｉａと第２のアモルファス半導体層１２ｐａとをこの順番で形成する。なお、各半導体層は、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成することができる。その後、ｐ側電極１５ｐ、ｎ側電極１６ｎ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。ｐ側電極１５ｐ、ｎ側電極１６ｎは、例えば、メッキや導電性ペーストの印刷などにより形成することができる。
本実施形態では、第１及び第２の微結晶半導体層１３ｎｃ、１３ｐｃの少なくとも一方の表面をエッチングすることにより、第１及び第２の微結晶半導体層１３ｎｃ、１３ｐｃの少なくとも一方の表面に半導体の結晶粒に起因した凹凸を設ける。このため、第１の微結晶半導体層１３ｎｃの第２の微結晶半導体層１３ｐｃ側の表面と、第２の微結晶半導体層１３ｐｃの第２のアモルファス半導体層１２ｐａ側の表面とのうちの少なくとも一方に、半導体の結晶粒に起因した凹凸が設けられている。凹凸は、粒界が結晶粒よりも優先的にエッチングされて結晶粒が露出することにより形成されたものである。
第１の微結晶半導体層１３ｎｃの第２の微結晶半導体層１３ｐｃ側の表面に凹凸が設けられると、第１の微結晶半導体層１３ｎｃと第２の微結晶半導体層１３ｐｃとの間の電気抵抗率が低下する。第２の微結晶半導体層１３ｐｃの第２のアモルファス半導体層１２ｐａ側の表面に凹凸が設けられると、第２の微結晶半導体層１３ｐｃと第２のアモルファス半導体層１２ｐａとの間の電気抵抗率が低下する。従って、改善された光電変換効率を実現することができる。より改善された光電変換効率を実現する観点からは、第１の微結晶半導体層１３ｎｃの第２の微結晶半導体層１３ｐｃ側の表面と、第２の微結晶半導体層１３ｐｃの第２のアモルファス半導体層１２ｐａ側の表面との両方に、半導体の結晶粒に起因した凹凸が設けられていることが好ましい。
また、第２の微結晶半導体層１３ｐｃの第２のアモルファス半導体層１２ｐａ側の表面に凹凸を設けることにより、第２の微結晶半導体層１３ｐｃの上に配されたｉ型半導体層１２ｉａの平均厚みを薄くすることができる。よって、第２の微結晶半導体層１３ｐｃの第２のアモルファス半導体層１２ｐａとの間の電気抵抗率をより低くすることができる。従って、さらに改善された光電変換効率を実現することができる。
１…太陽電池
１０ｎ…基板
１０ａ…第１の主面
１０ｂ…第２の主面
１１ｉａ、１２ｉａ…ｉ型アモルファス半導体層
１１ｎａ…第１のアモルファス半導体層
１２ｐａ…第２のアモルファス半導体層
１３…微結晶半導体層
１３ｎｃ…第１の微結晶半導体層
１３ｐｃ…第２の微結晶半導体層
１５ｐ…ｐ側電極
１６ｎ…ｎ側電極

Claims (5)

  1. 半導体材料からなる基板の一主面の一部分の上に一の導電型を有する第１のアモルファス半導体層を形成する工程と、
    前記第１のアモルファス半導体層の上に前記一の導電型を有する第１の微結晶半導体層を形成する工程と、
    前記第１の微結晶半導体層の上に他の導電型を有する第２の微結晶半導体層を形成する工程と、
    前記第２の微結晶半導体層の上と、前記基板の一主面の前記第２の微結晶半導体層からの露出部の上とに跨がって前記他の導電型を有する第２のアモルファス半導体層を形成する工程と、
    前記第１及び第２の微結晶半導体層の少なくとも一方の表面をエッチングすることにより結晶粒に起因した凹凸を設ける工程と、
    を備える、太陽電池の製造方法。
  2. 前記第２の微結晶半導体層の上と、前記基板の一主面の前記第２の微結晶半導体層からの露出部の上とに跨がって実質的に真性なｉ型半導体層を形成する工程をさらに備え、
    前記ｉ型半導体層の上に前記第２のアモルファス半導体層を形成する、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
  3. 半導体材料からなる基板と、
    前記基板の一主面の一部分の上に配されており、一の導電型を有する第１のアモルファス半導体層と、
    前記基板の一主面の前記第１のアモルファス半導体層からの露出部の上と、前記第１のアモルファス半導体層の上とに跨がって配されており、他の導電型を有する第２のアモルファス半導体層と、
    前記第１のアモルファス半導体層と前記第２のアモルファス半導体層との間に配されており、前記一の導電型を有する第１の微結晶半導体層と、
    前記第１の微結晶半導体層と前記第２のアモルファス半導体層との間に配されており、前記他の導電型を有する第２の微結晶半導体層と、
    を備え、
    前記第１の微結晶半導体層の前記第２の微結晶半導体層側の表面と、前記第２の微結晶半導体層の前記第２のアモルファス半導体層側の表面とのうちの少なくとも一方に、結晶粒に起因した凹凸が設けられている、太陽電池。
  4. 前記基板の一主面の前記第２の微結晶半導体層からの露出部及び前記第２の微結晶半導体層と、前記第２のアモルファス半導体層との間に配されており、実質的に真性なｉ型半導体層をさらに備える、請求項３に記載の太陽電池。
  5. 前記一の導電型がｎ型であり、前記他の導電型がｐ型である、請求項３または４に記載の太陽電池。
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