JP6011755B2

JP6011755B2 - 太陽電池の製造方法

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Publication number: JP6011755B2
Application number: JP2011126233A
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: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2031-06-06
Also published as: JP2012253261A

Description

本発明は、太陽電池の製造方法に関する。

従来、例えばｎ型の半導体基板と、半導体基板の上に配されたｐ型の半導体層を有する太陽電池が知られている。このような太陽電池において、半導体層に水素を導入し、半導体層中における欠陥の密度を低減させることにより、キャリアの再結合を抑制することが知られている。また、半導体層に水素を導入し、シリコン原子に結合する水素原子量を増加させることにより、半導体層のバンドギャップエネルギーを大きくして、光吸収ロスを低減させることが知られている。

例えば特許文献１には、半導体層に水素を導入する方法として、約１ｅＶ〜約５ｋｅＶの加速電圧が加えられた電界により加速した水素イオンを半導体層に照射する方法が記載されている。

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では、一の導電型を有する半導体基板の第１の主面上に、一の導電型を有する第１の半導体層を形成する。半導体基板の第２の主面上に、他の導電型を有する第２の半導体層を形成する。第１及び第２の半導体層の少なくとも一方に、イオンを用いない水素ラジカル処理を施す。

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。

第１の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。第２の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。

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。

（第１の実施形態）
（太陽電池１の構成）
図１は、第１の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など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など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など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など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、ｐ側電極１７が配されている。このｐ側電極１７により正孔が収集される。一方、ＴＣＯ層１６の上には、ｎ側電極１８が配されている。このｎ側電極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。

まず、半導体基板１０の上に、ｉ型半導体層１２，１４を形成する。次に、ｉ型半導体層１２の上にｐ型半導体層１１を形成すると共に、ｉ型半導体層１４の上にｎ型半導体層１３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）法等の蒸着法やスパッタリング法により行うことができる。

次に、ｐ型半導体層１１及びｎ型半導体層１３の少なくとも一方に、減圧容器内にて、イオンを用いない水素ラジカル処理を施す。具体的には、イオンを用いない水素ラジカル処理を、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。これによりｐ型半導体層１１及びｎ型半導体層１３を改質する。具体的には、ｐ型半導体層１１及びｎ型半導体層１３に含まれる水素の結合状態などを改質する。なお、この改質工程において、ｐ型半導体層１１及びｎ型半導体層１３に水素を導入してもよい。すなわち、この改質工程は、ｐ型半導体層１１及びｎ型半導体層１３における水素濃度を高める工程であってもよい。

なお、上記改質工程は、ｐ型半導体層１１及びｎ型半導体層１３を形成した後に、大気に曝す前に行うことが好ましい。

改質工程終了後、大気に曝し、その後に、半導体層１１，１３の上に、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。ＴＣＯ層１５，１６の形成は、有酸素雰囲気中において行ってもよい。

最後に、ｐ側電極１７とｎ側電極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。

上述のように、特許文献１には、半導体層に水素を導入する方法として、約１ｅＶ〜約５ｋｅＶの加速電圧が加えられた電界により加速した水素イオンを半導体層に照射する方法が記載されている。本発明者らは、この水素の導入方法を鋭意研究した結果、水素導入時に照射する水素イオンにより半導体層がダメージを受けていること、そのダメージにより製造される太陽電池の出力特性が低くなっていることを見出した。その結果、半導体層に、イオンを用いない水素ラジカル処理を施すことに想到した。

本実施形態のように半導体層１１，１３にイオンを用いない水素ラジカル処理を施して半導体層１１，１３を改質した場合は、イオンの照射により半導体層を改質する場合とは異なり、イオン照射に起因するダメージが半導体層１１，１３に発生することを抑制することができる。よって、イオンを用いない水素ラジカル処理を施す本実施形態では、半導体層１１，１３の損傷を抑制しつつ、半導体層１１，１３に含まれる水素の結合状態等を改質することができる。その結果、優れた出力特性を有する太陽電池１を製造することができる。

より優れた出力特性を有する太陽電池１を得る観点からは、半導体基板１０とは導電型が異なるｐ型半導体層１１にイオンを用いない水素ラジカル処理を施すことが好ましい。

さらに優れた出力特性を有する太陽電池１を得る観点からは、ｐ型半導体層１１とｎ型半導体層１３との両方に対して、イオンを用いない水素ラジカル処理を施すことが好ましい。

また、本実施形態では、半導体層１１，１３の形成後、半導体層１１，１３をそれぞれ大気に曝す前にイオンを用いない水素ラジカル処理を行う。このため、半導体層１１，１３とＴＣＯ層１５，１６との密着性を高めることができる。これは、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、イオンを用いない水素ラジカル処理を行うことにより、半導体層１１，１３の表面が活性化される。その状態で半導体層１１，１３を大気に曝すと、大気に曝した直後に半導体層１１，１３の表層に薄い酸化膜が形成されるものと考えられる。このため、半導体層１１，１３の表面が有機物などにより汚染されにくい。従って、半導体層１１，１３とＴＣＯ層１５，１６との密着性が高まるものと考えられる。

また、イオンを用いない水素ラジカル処理工程の後に大気に曝すことにより半導体層１１，１３の表層に自然酸化膜を形成できるため、パッシベーション特性の向上も期待できる。

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、本発明の好ましい実施形態の他の例について説明する。以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。

（第２の実施形態）
図２は、第２の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。

第１の実施形態では、半導体基板１０の第１の主面１０ａの上にｐ型半導体層１１が形成されている一方、第２の主面１０ｂの上にｎ型半導体層１３が形成されている太陽電池１を製造する例について説明した。但し、本発明に係る太陽電池の製造方法は、他の形態の太陽電池の製造にも適用することができる。本実施形態では、裏面接合型の太陽電池の製造例について説明する。

図２に示すように、第２の実施形態の太陽電池２では、半導体基板１０の第２の主面１０ｂの上に、ｉ型半導体層１２及びｐ型半導体層１１と、ｉ型半導体層１４及びｎ型半導体層１３との両方が形成されている。半導体基板１０の第１の主面１０ａの上には、ｉ型半導体層１９と、ｎ型半導体層２０と、反射抑制機能を兼ね備えた保護膜２１とがこの順番で形成されている。

この太陽電池２の製造に際しても、ｐ型半導体層１１及びｎ型半導体層１３の少なくとも一方に、イオンを用いない水素ラジカル処理を施す。このようにすることによって、第１の実施形態と同様に、第２の実施形態においても、優れた出力特性を有する太陽電池２を製造することができる。

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）
第１の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、第１の実施形態において説明した方法により、下記の条件で作製した。

実施例１では、太陽電池の製造に際し、ｎ型半導体層１３に対して、イオンを用いない水素ラジカル処理を施した。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ｎ型半導体層１３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。なお、本実施形態では、ｐ型半導体層１１に対しては水素ラジカル処理を施さなかった。

実施例１において作製し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。

また、実施例１では、ｎ型半導体層１３は、ＣＶＤ装置の真空容器内にシラン（ＳｉＨ_４）ガス２００ｓｃｃｍと水素（Ｈ_２）ガス５００ｓｃｃｍとホスフィン（ＰＨ_３）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。

（比較例１）
ｐ型半導体層１１及びｎ型半導体層１３に対してイオンを用いない水素ラジカル処理を施さなかったこと以外は実施例１と同様にして実施例１で作製した太陽電池と実質的に同様の構成を有する太陽電池を作製した。

比較例１において作製し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。

（実施例２）
ｐ型半導体層１１及びｎ型半導体層１３に対して、実施例１で行った処理と同様のイオンを用いない水素ラジカル処理を施したこと以外は実施例１と同様にして実施例１で作製した太陽電池と実質的に同様の構成を有する太陽電池を作製した。

実施例２において作製し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２に示す。

なお、表１及び表２に示す結果は、ｐ型半導体層１１及びｎ型半導体層１３に水素ラジカル処理を施さない比較例１の値を１００としたときの規格化値である。

表１及び表２に示す結果から、ｐ型半導体層１１やｎ型半導体層１３にイオンを用いない水素ラジカル処理を施すことにより、イオンを用いない水素ラジカル処理を施さない場合や、イオンを用いた水素ラジカル処理を施した場合よりも曲線因子や最大出力などの太陽電池の出力特性を改善できることが分かる。

１，２…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…ｐ側電極
１８…ｎ側電極

Claims

一の導電型を有する半導体基板の第１の主面上に、蒸着法により一の導電型のアモルファスシリコン層を含む第１の半導体層を形成する工程と、
前記半導体基板の第２の主面上に、蒸着法により他の導電型のアモルファスシリコン層を含む第２の半導体層を形成する工程と、
前記第１及び第２の半導体層の少なくとも一方に、イオンを用いない水素ラジカル処理を施す工程と、
前記水素ラジカル処理を施す工程の後に、前記第１及び第２の半導体層が形成された前記半導体基板を大気に曝す工程と、
前記第１及び第２の半導体層のうち、前記イオンを用いない水素ラジカル処理が施された半導体層の上に、透明導電性酸化物層を形成する工程と、
を備える、太陽電池の製造方法。
前記イオンを用いない水素ラジカル処理を、リモートプラズマ法、触媒化学気相成長法、及びホットワイヤー法の少なくともひとつにより行う、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
前記第１の半導体層を形成する工程は、
前記半導体基板の前記第１の主面上に、実質的に真性なｉ型アモルファスシリコン層を形成する工程と、
前記ｉ型アモルファスシリコン層上に、前記一の導電型のアモルファスシリコン層を形成する工程と、
を有し、
前記イオンを用いない水素ラジカル処理を、前記一の導電型のアモルファスシリコン層の表面に施す、請求項１または２に記載の太陽電池の製造方法。
前記第２の半導体層を形成する工程は、
前記半導体基板の前記第２の主面上に、実質的に真性なｉ型アモルファスシリコン層を形成する工程と、
前記ｉ型アモルファスシリコン層上に、前記他の導電型のアモルファスシリコン層を形成する工程と、
を有し、
前記イオンを用いない水素ラジカル処理を、前記他の導電型のアモルファスシリコン層の表面に施す、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。