JP6114029B2 - 光起電力素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体接合を用いた光起電力素子およびその製造方法に関する。
近年、ｎ型結晶シリコン基板の裏面に実質的に真性な非晶質シリコン膜（ｉ型非晶質シリコン膜）を形成し、該ｉ型非晶質シリコン膜の上に、ｐ型非晶質シリコン膜とｎ型非晶質シリコン膜を形成し、さらに、ｐ型非晶質シリコン膜とｎ型非晶質シリコン膜の上に、それぞれ、正電極と負電極が形成された構造を有する光起電力素子が提案されている（特許文献１参照）。
この光起電力素子は、ｎ型結晶シリコン基板の主面側から受光し、ｎ型結晶シリコン基板内で発電する。このときに発生する電力は、裏面側に設けられた正電極と負電極により外部に取り出すことができる。
上記光起電力素子では、主面側に電極が存在しないため、全ての入射光がｎ型結晶シリコン基板へと入射し、発電効率の向上が期待される。しかしながら、上記光起電力素子では、ｐ型非晶質シリコン膜とｎ型非晶質シリコン膜の形成において、それぞれ、メタルマスクによるパターニングを伴う真空成膜（プラズマＣＶＤ）を使っており、製造プロセスが複雑となり、製造コストの増大を招く結果となる。
本発明の目的は、入射光を最大限に活用でき、かつ、簡単な製造プロセスで製造が可能であり、かつ、製造コストおよび製造時間が低減された光起電力素子およびその製造方法を提供することである。
本明細書中における結晶系半導体には単結晶半導体および多結晶半導体が含まれるものとし、非晶質系半導体には非晶質半導体および微結晶半導体が含まれるものとする。また、真性の非晶質系半導体膜とは、不純物が意図的にドープされていない非晶質系半導体膜であり、半導体原料に本来的に含まれる不純物または製造過程において自然に混入する不純物を含む非晶質系半導体膜も含む。
第１の発明に係る光起電力素子の製造方法は、結晶系半導体の一面に真性の非晶質系半導体膜を形成する工程と、前記真性の非晶質系半導体膜の第１の領域に一導電型を示す不純物を含む第１のドーパント液を塗布する工程と、前記真性の非晶質系半導体膜の第２の領域に前記一導電型と異なる他導電型を示す不純物を含む第２のドーパント液を塗布する工程と、前記第１のドーパント液と前記第２のドーパント液を乾燥・熱処理して、前記真性の非晶質系半導体膜のみに不純物を拡散させ、それぞれ、第１の非晶質系半導体膜と第２の非晶質系半導体膜を形成する工程と、熱処理により固体化した第１のドーパント液と第２のドーパント液を除去する工程と、前記第１の領域上における前記第１の非晶質系半導体膜の領域に第１の電極を形成する工程と、前記第２の領域上における前記第２の非晶質系半導体膜の領域に第２の電極を形成する工程を備えるものである。
本発明に係る光起電力素子の製造方法においては、結晶系半導体の一面に真性の非晶質系半導体膜が形成され、該真性の非晶質系半導体膜に第１のドーパント液および第２のドーパント液がそれぞれ塗布され、乾燥・熱処理されることにより、一導電型を示す不純物を含む第１の非晶質系半導体膜と、他導電型を示す不純物を含む第２の非晶質系半導体膜が形成される。
さらに、第１の領域上における第１の非晶質系半導体膜の上に第１の電極が形成され、第２の領域上における第２の非晶質系半導体膜の上に第２の電極が形成される。この場合、塗布・乾燥・熱処理により第１の非晶質計半導体膜と第２の非晶質計半導体膜を形成することが可能であり、メタルマスクによるパターニングを伴う真空成膜（プラズマＣＶＤ）を使って第１の非晶質系半導体膜と第２の非晶質系半導体膜を形成する場合に比べて、製造プロセスが簡略化され、製造コストが低減される。
また、本発明に係る方法により製造された光起電力素子においては、結晶系半導体が他面側から入射した光は、電極等に反射されること無く結晶系半導体へと入射し、正孔および電子を発生する。これらの正孔と電子は、それぞれ、第１の非晶質系半導体膜・第１の電極、および、第２の非晶質系半導体膜・第２の電極を通って外部へ取り出される。第１の電極および第２の電極が結晶系半導体の一面側に設けられているので、結晶系半導体の他面側から入射する光は電極に遮られることがない。したがって、結晶系半導体の他面から受光することにより、入射光を最大限に活用することができる。
第２の発明に係る光起電力素子の製造方法は、結晶系半導体の一面に真性の非晶質系半導体膜を形成する工程と、前記真性の非晶質系半導体膜の第１の領域に一導電型を示す不純物を含む第１のドーパント液を塗布し、乾燥する工程と、前記真性の非晶質系半導体膜の第２の領域に前記一導電型と異なる他導電型を示す不純物を含む第２のドーパント液を、第１ドーパント液を覆うように塗布する工程と、前記第１のドーパント液と前記第２のドーパント液を乾燥・熱処理して、前記真性の非晶質系半導体膜に不純物を拡散させ、それぞれ、第１の非晶質系半導体膜と第２の非晶質系半導体膜を形成する工程と、熱処理により固体化した第１のドーパント液と第２のドーパント液を除去する工程と、前記第１の領域上における前記第１の非晶質系半導体膜の領域に第１の電極を形成する工程と、前記第２の領域上における前記第２の非晶質系半導体膜の領域に第２の電極を形成する工程を備えるものである。
この場合、第１の領域に第１のドーパント液を塗布し乾燥した後、第２のドーパント液を全面にスピンコート等により塗布することで、第２の領域に第２のドーパント液を塗布することができ、第２のドーパント液を第２の領域に従ったパターン状に塗布する必要がなくなるため、プロセスの簡略化が実現する。
また、本発明に係る方法により製造された光起電力素子においては、第１の発明の場合と同様に、結晶系半導体が他面側から入射した光は、電極等に反射されること無く結晶系半導体へと入射し、正孔および電子を発生する。これらの正孔と電子は、それぞれ、第１の非晶質系半導体膜・第１の電極、および、第２の非晶質系半導体膜・第２の電極を通って外部へ取り出される。第１の電極および第２の電極が結晶系半導体の一面側に設けられているので、結晶系半導体の他面側から入射する光は電極に遮られることがない。したがって、結晶系半導体の他面から受光することにより、入射光を最大限に活用することができる。
第３の発明に係る光起電力素子は、一面および他面を有する結晶系半導体と、前記結晶系半導体の前記一面に形成された真性の非晶質系半導体膜とを備え、前記真性の非晶質系半導体膜の第１の領域のみに一導電型を示す不純物が拡散された第１の非晶質系半導体膜が形成され、前記真性の非晶質系半導体膜の第２の領域のみに前記一導電型と異なる他導電型を示す不純物が拡散された第２の非晶質系半導体膜が形成され、前記第１の領域における前記第１の非晶質系半導体膜の上に第１の電極が形成され、前記第２の領域における前記第２の非晶質系半導体膜の上に第２の電極が形成され、前記第１の電極が電気的に接続された第１の集電極と、前記第２の電極が電気的に接続された第２の集電極が設けられたことを特徴とする光起電力素子である。この場合、結晶系半導体と非晶質系半導体が積層されることによりヘテロ接合が形成されることにより、開放電圧が大きくなり、集電極により効率良く電力を集めることが可能となり、光起電力素子の変換効率向上が実現する。
第４の発明に係る光起電力素子は、前記光起電力素子において、前記結晶系半導体の前記一面に形成された真性の非晶質系半導体膜が、結晶シリコンの一面に形成された真性の非晶質シリコン薄膜であることを特長とする光起電力素子である。
この場合、結晶シリコンと非晶質シリコン薄膜が積層され、第１の非晶質系半導体膜と第２の非晶質系半導体膜が形成されることによりヘテロ接合が形成されることにより、開放電圧が大きくなり、光起電力素子の変換効率向上が実現する。
第５の発明に係る光起電力素子は、前記光起電力素子において、前記結晶系半導体の前記一面に形成された真性の非晶質系半導体膜が、結晶シリコンの一面に順次形成された真性の非晶質シリコンカーボン薄膜と真性の非晶質シリコン薄膜であることを特長とする光起電力素子である。
この場合も、非晶質シリコン薄膜単層の場合と同様に、結晶シリコンと非晶質シリコンカーボン薄膜が積層され、第１の非晶質系半導体膜と第２の非晶質系半導体膜が形成されることによりヘテロ接合が形成されることにより、開放電圧が大きくなり、光起電力素子の変換効率向上が実現する。
第６の発明に係る光起電力素子は、前記結晶系半導体の他面の実質的に全面が光入射面であることを特徴とする光起電力素子である。
この場合、結晶系半導体の他面側から入射した光は、電極等に反射されること無く結晶系半導体へと入射し、正孔および電子を発生する。これらの正孔と電子は、それぞれ、第１の非晶質系半導体膜・第１の電極、および、第２の非晶質系半導体膜・第２の電極を通って外部へと、電力として取り出される。第１の電極および第２の電極が結晶系半導体の一面側に設けられているので、結晶系半導体の他面側から入射する光は電極に遮られることがない。したがって、結晶系半導体の他面から受光することにより、入射光を最大限に活用することができる。
第７の発明に係る光起電力素子は、前記結晶系半導体の他面上に反射防止膜をさらに備えたことを特徴とする光起電力素子である。
この場合、結晶系半導体の他面における光反射が低減され、結晶系半導体の他面側から入射した光は、表面反射されること無く結晶系半導体へと入射し、正孔および電子を発生する。これらの正孔と電子は、それぞれ、第１の非晶質系半導体膜・第１の電極、および、第２の非晶質系半導体膜・第２の電極を通って外部へ取り出される。したがって、結晶系半導体の他面から受光することにより、入射光を最大限に活用することができる。
第８の発明に係る太陽電池モジュールは、請求項３から請求項７に記載の光起電力素子を複数配置し、それぞれの光起電力素子を電気的に接続したことを特徴とする太陽電池モジュールである。
この場合、複数の光起電力素子を電気的に接続することで、太陽電池モジュールから大電力の出力を得ることができる。
第１の発明によれば、塗布・乾燥・熱処理により第１の非晶質系半導体膜と第２の非晶質系半導体膜を形成することが可能であり、フォトプロセスによるパターニングやメタルマスクを用いたパターニングによる真空成膜（プラズマＣＶＤ）を使って、第１の非晶質系半導体膜と第２の非晶質系半導体膜を形成する場合に比べて、製造プロセスが簡略化され、製造コストが低減される。
また、第１の電極および第２の電極が結晶系半導体の一面側に設けられているので、結晶系半導体の他面側から入射する光は電極に遮られることがない。したがって、結晶系半導体の他面から受光することにより、入射光を最大限に活用することができる。
第２の発明によれば、第１の領域に第１のドーパント液を塗布し乾燥した後、第２のドーパント液を全面にスピンコート等により塗布することで、第２の領域に第２のドーパント液を塗布することができ、第２のドーパント液を第２の領域に従ったパターン状に塗布する必要がなくなる。従って、第１の発明の効果に加えて、さらなるプロセスの簡略化が実現し、製造コストおよび製造時間が低減される。
また、第１の電極および第２の電極が結晶系半導体の一面側に設けられているので、結晶系半導体の他面側から入射する光は電極に遮られることがない。したがって、結晶系半導体の他面から受光することにより、入射光を最大限に活用することができる。
第３の発明に係る光起電力素子においては、結晶系半導体と非晶質系半導体が積層されることによりヘテロ接合が形成されることにより、開放電圧が大きくなり、光起電力素子の変換効率向上が実現する。
第４の発明に係る光起電力素子においては、結晶シリコンと非晶質シリコン薄膜が積層されることによりヘテロ接合が形成され、開放電圧が大きくなり、光起電力素子の変換効率向上が実現する。
第５の発明に係る光起電力素子においては、結晶シリコンと非晶質シリコンカーボン薄膜が積層されることによりヘテロ接合が形成され、開放電圧が大きくなり、光起電力素子の変換効率向上が実現する。
第６の発明に係る光起電力素子においては、結晶系半導体の他面側から入射した光は、電極等に反射されること無く結晶系半導体へと入射し、正孔および電子を発生する。これらの正孔と電子は、それぞれ、第１の非晶質系半導体膜・第１の電極、および、第２の非晶質系半導体膜・第２の電極を通って外部へ取り出される。第１の電極および第２の電極が結晶系半導体の一面側に設けられているので、結晶系半導体の他面側から入射する光は電極に遮られることがない。したがって、結晶系半導体の他面から受光することにより、入射光を最大限に活用することができる。
第７の発明に係る光起電力素子においては、結晶系半導体の他面における光反射が低減され、結晶系半導体の他面側から入射した光は、表面反射されること無く結晶系半導体へと入射し、正孔および電子を発生する。これらの正孔と電子は、それぞれ、第１の非晶質系半導体膜・第１の電極、および、第２の非晶質系半導体膜・第２の電極を通って外部へ取り出される。したがって、結晶系半導体の他面から受光することにより、入射光を最大限に活用することができる。
第８の発明に係る太陽電池モジュールにおいては、複数の光起電力素子を電気的に接続されることで、太陽電池モジュールから大電力の出力を得ることができる。
（第１の実施の形態）
以下、本発明の一実施の形態について説明する。
以下、本発明の一実施の形態について説明する。
図１は本実施の形態に係る光起電力素子の裏面を示す平面図であり、図２は本実施の形態に係る光起電力素子の構造を示す模式的断面図である。
図１に示すように、光起電力素子は正方形状のｎ型単結晶シリコン基板１を有する。例えば、一辺の長さが１５ｃｍの正方形のｎ型単結晶シリコン基板１を基板としている。光起電力素子の裏面には、複数のＰ電極５および複数のＮ電極４が形成されている。Ｐ電極５およびＮ電極４は、光起電力素子上に平行に、かつ、交互に並んでいる。また、光起電力素子の裏面のＰ電極５とＮ電極４の端部に、それぞれＰ集電極３とＮ集電極２が、Ｐ電極５とＮ電極４に直行する方向に延びるように設けられている。
Ｐ電極５およびＮ電極４のそれぞれに対応して、Ｐ集電極３とＮ集電極２が設けられている。Ｐ集電極３はＰ電極５に電気的に接続されており、Ｎ集電極２はＮ電極４に電気的に接続されている。
次に、図２に示すように、ｎ型単結晶シリコン基板１の表面（図中下側面）には、凹凸状のテクスチャー構造が形成されており、ｉ型非晶質シリコン膜１０からなるパッシベーション層と、窒化シリコン１１からなる反射防止層が順に形成されている。
ｎ型単結晶シリコン基板１の裏面（図中上側面）には、ｉ型非晶質シリコン膜６が形成されており、ｉ型非晶質シリコン膜６の第１の領域には、ｐ型不純物が拡散されたｐ型非晶質シリコン層９が形成されている。また、ｉ型非晶質シリコン膜６の第２の領域には、ｎ型不純物が拡散されたｎ型非晶質シリコン層８が形成されている。
また、ｉ型非晶質シリコン膜６、ｐ型非晶質シリコン層９、および、ｎ型非晶質シリコン層８の上には酸化シリコン等からなる絶縁膜７が形成され、絶縁膜７に形成された開口部１２，１３を介して、ｐ型非晶質シリコン層９に電気的に接続するＰ電極５と、ｎ型非晶質シリコン層８に電気的に接続するＮ電極４が形成されている。
本発明の第１の実施の形態においては、凹凸状のテクスチャー構造と窒化シリコン１１からなる反射防止層が設けられることにより、ｎ型単結晶シリコン基板１の表面から入射する光の反射が抑制され、入射光を効率良く発電に寄与させることができる。
また、ｎ型単結晶シリコン基板１の表面にｉ型非晶質シリコン膜１０を形成することにより、ｎ型単結晶シリコン基板１の表面に存在する界面準位が低減され、入射光により励起された電子とホールの再結合が抑制され、裏面電極に到達する電子とホールが増大することにより、Ｐ電極５とＮ電極４から効率良く電力を取りだすことができる。
ここで、ｎ型単結晶シリコン基板１の表面のｉ型非晶質シリコン膜１０は、裏面の電極から離れた位置に存在するため、省略することも可能である。ｉ型非晶質シリコン膜１０を省略することでプロセスが簡略化され低コストが可能になるというメリットがある。ただし、ｉ型非晶質シリコン膜１０を省略した場合、再結合が増加し発電量が若干低下するというデメリットが存在する。
発電に寄与する接合は、ｎ型単結晶シリコン基板１とｐ型非晶質シリコン層９の間に存在する接合であるが、ｎ型単結晶シリコン基板１に直接ｐ型非晶質シリコン層９を形成すると、電子とホールの再結合の原因となる界面準位が多数発生することが知られている。本実施の形態においては、ｎ型単結晶シリコン基板１とｐ型非晶質シリコン層９との間にｉ型非晶質シリコン膜６が存在しており、界面準位の発生が抑制される。その結果、入射光により励起された電子とホールの再結合が抑制され、Ｐ電極５とＮ電極４から効率良く電力を取りだすことができる。
次に、図３を用いて、第１の実施の形態の光起電力素子の製造方法を説明する。ここで、表面側のテクスチャー構造やｉ型非晶質シリコン膜１０と窒化シリコン１１は、図示していないが、本プロセスの事前に形成されているものとする。また、裏面側の構造体を全て形成した後に、表面側のテクスチャー構造やｉ型非晶質シリコン膜１０と窒化シリコン１１を形成してもよい。
最初に、図３（ａ）に示すように、ＳｉＨ４ガスおよびＨ２ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により、板厚２００μｍのｎ型単結晶シリコン基板１の裏面に、膜厚１０ｎｍのｉ型非晶質シリコン膜６を形成する。
ここで、ｉ型非晶質シリコン膜６の膜厚は、５ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることが望ましい。ｉ型非晶質シリコン膜６が５ｎｍより薄い膜厚の場合、適正な膜厚でｎ型ドーパントとｐ型ドーパントを加熱拡散することができなくなる。一方、ｉ型非晶質シリコン膜６が４０ｎｍより厚い膜厚の場合、ｉ型非晶質シリコン膜６を１ｎｍ〜５ｎｍ残して、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントを加熱拡散することが必要となり、加熱拡散のための時間が長くなり、プロセス時間が長くなることによりコストアップに繋がる。
次に、図３（ｂ）に示すように、ｎ型ドーパントを含有するｎ型ドーパント塗布層１４とｐ型ドーパントを含有するｐ型ドーパント塗布層１５を形成する。まず、ｎ型ドーパントを含有するｎ型ドーパント塗布液をスクリーン印刷により、ｉ型非晶質シリコン膜６上の第１の領域に塗布し加熱乾燥することでｎ型ドーパント塗布層１４を形成し、引き続き、ｐ型ドーパントを含有するｐ型ドーパント塗布液をスクリーン印刷によりｉ型非晶質シリコン膜６上の第２の領域に塗布し加熱乾燥することでｐ型ドーパント塗布層１５を形成する。ｎ型ドーパント塗布層１４とｐ型ドーパント塗布層１５の形成順序は逆でも良い。
ここで、ｎ型ドーパント塗布層１４とｐ型ドーパント塗布層１５の膜厚は、それぞれ、０．１μｍ以上５μｍ以下であることが望ましい。ドーパント層の膜厚が０．１μｍより薄くなると、塗布層を安定して形成することができなくなる。また、５μｍより厚くなると、塗布すべきドーパント液の量が増えコストアップにつながる。
次に、図３（ｃ）に示すように、ｎ型ドーパント塗布層１４とｐ型ドーパント塗布層１５が形成された状態で加熱することにより、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントをｉ型非晶質シリコン膜６の中に拡散させることで、拡散の行われていないｉ型非晶質シリコン膜６の膜厚が１ｎｍ以上７ｎｍ以下となるように、ｎ型非晶質シリコン層８とｐ型非晶質シリコン層９を形成する。
ｉ型非晶質シリコン層６が１ｎｍより薄くなると、部分的にｎ型非晶質シリコン層８とｐ型非晶質シリコン層９がｎ型単結晶シリコン基板に接触し、開放電圧の低下を発生する。また、ｉ型非晶質シリコン膜６が７ｎｍより厚くなると、直流抵抗が増加し短絡電流の低下につながる。
次に、図３（ｄ）に示すように、ｎ型ドーパント塗布層１４とｐ型ドーパント塗布層１５を剥離液等により除去することで、ｎ型単結晶シリコン基板１の裏面に、膜厚１ｎｍ以上７ｎｍ以下のｉ型非晶質シリコン膜６を介して、ｎ型非晶質シリコン層８とｐ型非晶質シリコン層９を有する裏面構造が形成される。
ここで、ｎ型ドーパント塗布層１４とｐ型ドーパント塗布層１５としては、以下のドーパント液を塗布・乾燥した後、加熱焼成して形成することが望ましい。例えば、酸化リンＰ２Ｏ５微粒子とＳｉＯ２微粒子を有機溶媒で混合したｎ型ドーパント液、酸化ボロンＢ２Ｏ５微粒子やＡｌ微粒子とＳｉＯ２微粒子を有機溶媒で混合したｐ型ドーパント液を用いて、それぞれのドーパント層を形成することが可能である。
また、水素化ポリシラン化合物、シクロペンタシラン、水素化鎖状シラン化合物、水素化環状シラン化合物、水素化かご状シラン化合物等のシラン高分子に、酸化リン微粒子やリン酸等のリン化合物を混ぜたｎ型ドーパント液、及び、上記シラン高分子に酸化ボロン微粒子やホウ酸等のボロン化合物を混ぜたｐ型ドーパント液を用いて、それぞれのドーパント層を形成することが可能である。また、上記シラン化合物にポリシロキサン等のシロキサン骨格を有するシロキサン化合物を混合した液体に、リン化合物やボロン化合物を混ぜることによっても、ドーパント液として使用することが可能である。
次に、図３（ｅ）に示すように、電極を形成するためＮ貫通孔１２，Ｐ貫通孔１３をそれぞれ有する絶縁膜７を形成する。該絶縁膜７のＮ貫通孔１２とＰ貫通孔１３は、メタルマスクを用いた真空成膜技術、フォトプロセスを用いたエッチング技術、レーザパターニングによる除去技術等を用いることにより形成される。また、シロキサン化合物やＳｉＯ２微粒子を含有した液状ペーストをスクリーン印刷により印刷塗布して乾燥させることにより、Ｎ貫通孔１２とＰ貫通孔１３を有する絶縁膜７を形成することが可能である。ここで、Ｎ貫通孔１２とＰ貫通孔１３は、複数の円形貫通孔としても良いし、ｎ型非晶質シリコン層とｐ型非晶質シリコン層と平行に設けられた直線状貫通孔であってもよい。
最後に、図３（ｆ）に示すように、ｎ型非晶室シリコン層８とｐ型非晶室シリコン層９上に、それぞれ、Ｎ貫通孔１２とＰ貫通孔１３を介して、Ｎ電極４とＰ電極５を形成する。Ｎ電極５とＰ電極４は、導電性を有する透明導電膜または金属膜であり、銀ペースト等のスクリーン印刷技術、メタルマスクを用いた真空成膜技術、フォトプロセスを用いたエッチング技術、レーザパターニングによる除去技術等を用いることにより形成される。また、Ｎ電極５とＰ電極４を、ＩＴＯ等の透明導電膜とＡｇ薄膜等の金属膜の２層構造にすることが望ましい。ＩＴＯ等の透明導電膜を設けることにより、不要な金属の拡散が抑制される。さらに、Ｎ電極５とＰ電極４に対してＣｕ等の金属を電鋳し、その電気抵抗を下げることで、電力ロスを抑制することが可能である。
（第２の実施の形態）
以下、本発明の一実施の形態について説明する。
以下、本発明の一実施の形態について説明する。
図４は、本発明の第２の実施の形態の光起電力素子の製造方法を説明する図である。ここで、表面側のテクスチャー構造やｉ型非晶質シリコン膜１０と窒化シリコン１１は、図示していないが、本プロセスの事前に形成されているものとする。また、裏面側の構造体を全て形成した後に、表面側のテクスチャー構造やｉ型非晶質シリコン膜１０と窒化シリコン１１を形成してもよい。
最初に、図３（ａ）と同様に、図４（ａ）に示すように、ＳｉＨ４ガスおよびＨ２ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により、板厚２００μｍのｎ型単結晶シリコン基板１の裏面に、膜厚１０ｎｍのｉ型非晶質シリコン膜６を形成する。
次に、図４（ｂ）に示すように、ｎ型ドーパントを含有するｎ型ドーパント塗布層１４とｐ型ドーパントを含有するｐ型ドーパント塗布層１５を形成する。まず、ｎ型ドーパントを含有するｎ型ドーパント塗布液をスクリーン印刷によりｉ型非晶質シリコン膜６上の第１の領域に塗布し加熱乾燥することでｎ型ドーパント塗布層１４を形成し、引き続き、ｐ型ドーパントを含有するｐ型ドーパント塗布液を、ｎ型ドーパント塗布層１４を覆うように、ｉ型非晶質シリコン膜６の表面全面に塗布し加熱乾燥することでｐ型ドーパント塗布層１５を形成する。
図４（ｃ）〜（ｆ）のプロセスは、図３（ｃ）〜（ｆ）と同様なプロセスである。このような構造においては、ｎ型非晶質シリコン層８とｐ型非晶質シリコン層９が薄いため、図面横方向へ電流リークは発生せず、光起電力素子として動作する。
また、図３に示す光起電力素子においては、ｎ型ドーパント塗布層１４とｐ型ドーパント塗布層１５を、それぞれ、スクリーン印刷により形成しており、少なくとも２回のスクリーン印刷が必要であったが、図４に示す第２の実施の形態においては、ｎ型ドーパント塗布層１４をスクリーン印刷により形成した後、ｐ型ドーパント塗布層１５を全面塗布することで、塗布層の形成が完了し、スクリーン印刷の回数を１回に減らすことが可能となり、プロセスの簡略化によるコストダウンが実現する。
（第３の実施の形態）
以下、本発明の一実施の形態について説明する。
以下、本発明の一実施の形態について説明する。
図５は、本発明の第３の実施の形態の光起電力素子の製造方法を説明する図である。ここで、表面側のテクスチャー構造やｉ型非晶質シリコン膜１０と窒化シリコン１１は、図示していないが、本プロセスの事前に形成されているものとする。また、裏面側の構造体を全て形成した後に、表面側のテクスチャー構造やｉ型非晶質シリコン膜１０と窒化シリコン１１を形成してもよい。
最初に、図５（ａ）に示すように、ＳｉＨ４ガス、ＣＨ４ガスおよびＨ２ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により、板厚２００μｍのｎ型単結晶シリコン基板１の裏面にｉ型非晶質シリコンカーボン膜１６を形成する。引き続き、ＳｉＨ４ガスおよびＨ２ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により、ｉ型非晶質シリコンカーボン膜１６上にｉ型非晶質シリコン膜１７を形成する。膜厚は４ｎｍ以上１０ｎｍ以下が望ましい。
ここで、ｉ型非晶質シリコンカーボン膜１６の膜厚は、０．５ｎｍ以上４ｎｍ以下が望ましい。また、ｉ型非晶質シリコン膜１７の膜厚は、５ｎｍ以上３６ｎｍ以下であることが望ましい。ｉ型非晶質シリコン膜１７が５ｎｍより薄い膜厚の場合、適正な膜厚でｎ型ドーパントとｐ型ドーパントを加熱拡散することができなくなる。一方、ｉ型非晶質シリコン膜１７が３６ｎｍより厚い膜厚の場合、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントを加熱拡散するための時間が長くなり、プロセス時間が長くなることによりコストアップに繋がる。
図５（ｂ）〜（ｆ）のプロセスは、図３（ｂ）〜（ｆ）と同様なプロセスである。
第３の実施の形態においては、ｎ型単結晶シリコン１とｉ型非晶質シリコンカーボン膜１６とｐ型非晶質シリコン膜９が積層されることによりヘテロ接合が形成され、ｉ型非晶質シリコン膜のみを用いた場合と同様に開放電圧が大きくなり、光起電力素子の変換効率向上が実現する。また、第３の実施の形態においては、第２の実施の形態と同様なドーパント塗布プロセスを用いることも可能である。
（第４の実施の形態）
図６と図７を用いて本発明の第４の実施の形態について説明する。
図６と図７を用いて本発明の第４の実施の形態について説明する。
第４の実施の形態は、第１〜第３の実施の形態に従って作成された複数の光起電力素子１８を電気的に接続した太陽電池モジュールの構造に関するものである。 図６は、第４の実施の形態の太陽電池モジュールの平面図を示し、図７は、図６のＡＡ断面図を示している。
第４の実施の形態の太陽電池モジュールは、複数の光起電力素子１８、モジュール正極２１とモジュール負極２２とが接続コネクタ２０で接続された発電構造体の両面に、第１の封止樹脂シート２４と第２の封止樹脂シート２５を配し、更に透明モジュール基板２３と保護シート２６とで挟み込み、真空ラミネート処理により封止することで形成される。
第１の封止樹脂シート２４と第２の封止樹脂シート２５としては、エチレン酢酸ビニルポリマー樹脂シートや熱可塑性ポリウレタン樹脂シートを用い、透明モジュール基板２３としては、透明ガラス基板や透明プラスチック基板を用い、保護シート２６としては、フッ素樹脂シートやＰＥＴ樹脂シートを用いることが望ましい。
図６に示す構成のモジュール１９においては、全ての光起電力素子１８のＰ集電極３とＮ集電極２を同じ向きに並べ、図面横方向の光起電力素子１８を接続コネクタ２０で電気的に接続し、両端の光起電力素子１８をそれぞれモジュール正極２１とモジュール負極１９に電気的に接続することで直列接続とし、図面縦方向に並ぶ光起電力素子１８についても同様な直列接続とすることで、５枚の光起電力素子１８を直列接続した光起電力素子群６列を並列接続して、モジュール正極２１とモジュール負極２２から大電力を取りだすことが可能となる。
また、図８に示す構成でモジュール１９を構成することも可能である。図８に示すモジュール１９においては、各列に設置される光起電力素子１８のＰ集電極３とＮ集電極２の設置される向きが一列ごとに逆向きに設置される。すなわち、最上列の光起電力素子１８は左側にＰ集電極が、右側にＮ集電極が来るように配置され、２列目の光起電力素子１８は、左側にＮ集電極が、右側にＰ集電極が来るように配置され、列ごとに配置される向きが逆向きとされる。次に、各列の起電力素子１８は接続コネクタ２０により電気的に直列に接続される。各列の端部の光起電力素子１８は、端部コネクタ２９により電気的に接続され、図面左端上の光起電力素子１８がモジュール正極２７に接続され、図面左端下の光起電力素子１８がモジュール負極２８に接続される。
この場合、全ての光起電力素子１８が電気的に直列接続されることになり、図６の場合に比べて高電圧かつ低電流の出力がモジュール正極２７とモジュール負極２８から出力されることになり、低電流であることから電流損失の少ない高変換効率なモジュール１９とすることが可能である。
以下の実施例１では、図３に示すプロセスに従って光起電力素子を作製した。
表面側にテクスチャー構造、ｉ型非晶質シリコン膜１０と窒化シリコン１１を有する、厚さ１５０μｍのｎ型単結晶シリコン基板１の裏面に、膜厚１０ｎｍのｉ型非晶質シリコン膜４を形成し、ｎ型ドーパント塗布層１４とｐ型ドーパント塗布層１５とを、それぞれ、スクリーン印刷法により形成した。
ｎ型ドーパント塗布層１４は、水素化ポリシラン４０体積％とポリシロキサン４０体積％とリン酸２０体積％を混合したｎ型ドーパント液を、さらに有機溶媒で粘度調整し、スクリーン印刷法でパターン状に塗布し、１５０℃の温度にて乾燥することにより形成した。
また、ｎ型ドーパント塗布層１４形成後、水素化ポリシラン４０体積％とポリシロキサン４０体積％とホウ酸２０体積％を混合したｐ型ドーパント液を、スクリーン印刷法でパターン状に塗布し、１５０℃の温度にて乾燥することにより、ｐ型ドーパント塗布層１５を形成した。
次に、３００℃の温度に保持することにより、ｎ型ドーパント塗布層１４とｐ型ドーパント塗布層１５のドーパントをｉ型非晶質シリコン膜６へと拡散させ、ｎ型非晶質シリコン層８とｐ型非晶質シリコン層９を形成した。
次に、ｎ型ドーパント塗布層１４とｐ型ドーパント塗布層１５をフッ酸によりエッチング除去した後、ＳｉＯ２からなる絶縁膜７をスパッタリングにより裏面全面に形成し、パルスレーザ照射によるパターニングを用いて、Ｎ貫通孔１２とＰ貫通孔１３を、それぞれ、形成した。最後に、Ｎ電極４とＰ電極５に対応するパターンを有するメタルマスクを裏面に位置合わせして取りつけ、ＩＴＯからなる透明導電膜とＡｇからなる金属膜とを連続してスパッタリング成膜を行うことにより、Ｎ電極４とＰ電極５、および、Ｎ集電極２とＰ集電極５を形成した。
以上のようにして完成した光起電力素子のＮ集電極２とＰ集電極５に豆電球を接続し、該光起電力素子に太陽光を照射したところ、豆電球が発光し、本発明の方法で作成された光電変換素子が太陽電池として発電可能であることを確認した。
以下の実施例２では、図４に示すプロセスに従って光起電力素子を作製した。
実施例２においては、実施例１の場合とｐ型ドーパント塗布層１５の形成方法が異なっており、実施例１と同様に、ｎ型ドーパント塗布層１４を形成した後、水素化ポリシラン４０体積％とポリシロキサン４０体積％とホウ酸２０体積％を混合したｐ型ドーパント液を裏面全面に塗布し、その後、３００℃の温度でドーパントの拡散を行った。拡散以降のプロセスは、実施例１と同じプロセスとした。
以上のようにして完成した光起電力素子のＮ集電極２とＰ集電極５に豆電球を接続し、該光起電力素子に太陽光を照射したところ、豆電球が発光し、本発明の方法で作成された光電変換素子が太陽電池として発電可能であることを確認した。
この場合、ｎ型非晶室シリコン層８とｐ型非晶室シリコン層９が、接しているためリーク電流が発生することになるが、ｎ型非晶室シリコン層８とｐ型非晶室シリコン層９の膜厚が薄いため、リーク電流が発生せず、豆電球が発光したものと思われる。
以下の実施例３では、図５に示すプロセスに従って光起電力素子を作成し、出力特性を測定した。
実施例３においては、実施例１の膜厚１５ｎｍのｉ型非晶質シリコン膜４の代わりに、膜厚２ｎｍのｉ型非晶質シリコンカーボン膜１６と、膜厚８ｎｍのｉ型非晶質シリコン膜１７を形成した。それ以外のプロセスについては実施例１と同じプロセスとした。
以上のようにして完成した光起電力素子のＮ集電極２とＰ集電極５に豆電球を接続し、該光起電力素子に太陽光を照射したところ、豆電球が発光し、本発明の方法で作成された光電変換素子が太陽電池として発電可能であることを確認した。
以上のように、本発明に係る光起電力素子の製造方法においては、製造コストが低減される。したがって、本発明に係る光起電力素子の製造方法は、半導体接合を用いた光起電力素子を製造する用途に適している。
１ ｎ型単結晶シリコン基板
２ Ｎ集電極
３ Ｐ集電極
４ Ｎ電極
５ Ｐ電極
６ ｉ型非晶質シリコン膜
７ 酸化シリコン
８ ｎ型非晶質シリコン膜
９ ｐ型非晶質シリコン膜
１０ ｉ型非晶質シリコン膜
１１ 窒化シリコン膜
１２ Ｎ貫通孔
１３ Ｐ貫通孔
１４ ｎ型ドーパント塗布層
１５ ｐ型ドーパント塗布層
１６ ｉ型非晶質シリコンカーボン膜
１７ ｉ型非晶質シリコン膜
１８ 光起電力素子
１９ 太陽電池モジュール
２０ 接続コネクタ
２１ モジュール正極
２２ モジュール負極
２３ モジュール基板
２４ 第１の封止樹脂
２５ 第２の封止樹脂
２６ 保護シート
２７ モジュール正極
２８ モジュール負極
２９ 端部コネクタ
２ Ｎ集電極
３ Ｐ集電極
４ Ｎ電極
５ Ｐ電極
６ ｉ型非晶質シリコン膜
７ 酸化シリコン
８ ｎ型非晶質シリコン膜
９ ｐ型非晶質シリコン膜
１０ ｉ型非晶質シリコン膜
１１ 窒化シリコン膜
１２ Ｎ貫通孔
１３ Ｐ貫通孔
１４ ｎ型ドーパント塗布層
１５ ｐ型ドーパント塗布層
１６ ｉ型非晶質シリコンカーボン膜
１７ ｉ型非晶質シリコン膜
１８ 光起電力素子
１９ 太陽電池モジュール
２０ 接続コネクタ
２１ モジュール正極
２２ モジュール負極
２３ モジュール基板
２４ 第１の封止樹脂
２５ 第２の封止樹脂
２６ 保護シート
２７ モジュール正極
２８ モジュール負極
２９ 端部コネクタ
Claims (8)
- 結晶系半導体の一面に真性の非晶質系半導体膜を形成する工程と、
前記真性の非晶質系半導体膜の第１の領域に一導電型を示す不純物を含む第１のドーパント液を塗布する工程と、
前記真性の非晶質系半導体膜の第２の領域に前記一導電型と異なる他導電型を示す不純物を含む第２のドーパント液を塗布する工程と、
前記第１のドーパント液と前記第２のドーパント液を乾燥・熱処理して、前記真性の非晶質系半導体膜のみに不純物を拡散させ、それぞれ、第１の非晶質系半導体膜と第２の非晶質系半導体膜を形成する工程と、
熱処理により固体化した第１のドーパント液と第２のドーパント液を除去する工程と、
前記第１の領域上における前記第１の非晶質系半導体膜の領域に第１の電極を形成する工程と、
前記第２の領域上における前記第２の非晶質系半導体膜の領域に第２の電極を形成する工程を備えたことを特徴とする光起電力素子の製造方法。 - 結晶系半導体の一面に真性の非晶質系半導体膜を形成する工程と、
前記真性の非晶質系半導体膜の第１の領域に一導電型を示す不純物を含む第１のドーパント液を塗布し、乾燥する工程と、
前記真性の非晶質系半導体膜の第２の領域に前記一導電型と異なる他導電型を示す不純物を含む第２のドーパント液を、第１ドーパント液を覆うように塗布する工程と、
前記第１のドーパント液と前記第２のドーパント液を乾燥・熱処理して、前記真性の非晶質系半導体膜に不純物を拡散させ、それぞれ、第１の非晶質系半導体膜と第２の非晶質系半導体膜を形成する工程と、
熱処理により固体化した第１のドーパント液と第２のドーパント液を除去する工程と、
前記第１の領域上における前記第１の非晶質系半導体膜の領域に第１の電極を形成する工程と、
前記第２の領域上における前記第２の非晶質系半導体膜の領域に第２の電極を形成する工程を備えたことを特徴とする光起電力素子の製造方法。 - 一面および他面を有する結晶系半導体と、
前記結晶系半導体の前記一面に形成された真性の非晶質系半導体膜とを備え、
前記真性の非晶質系半導体膜の第１の領域のみに一導電型を示す不純物が拡散された第１の非晶質系半導体膜が形成され、
前記真性の非晶質系半導体膜の第２の領域のみに前記一導電型と異なる他導電型を示す不純物が拡散された第２の非晶質系半導体膜が形成され、
前記第１の領域における前記第１の非晶質系半導体膜上に第１の電極が形成され、
前記第２の領域における前記第２の非晶質系半導体膜上に第２の電極が形成され、
前記第１の電極が電気的に接続された第１の集電極と、前記第２の電極が電気的に接続された第２の集電極が設けられたことを特徴とする光起電力素子。 - 請求項３記載の光起電力素子において、前記結晶系半導体の前記一面に形成された真性の非晶質系半導体膜が、結晶シリコンの一面に形成された真性の非晶質シリコン薄膜であることを特長とする光起電力素子。
- 請求項３記載の光起電力素子において、前記結晶系半導体の前記一面に形成された真性の非晶質系半導体膜が、結晶シリコンの一面に順次形成された真性の非晶質シリコンカーボン薄膜と真性の非晶質シリコン薄膜であることを特長とする光起電力素子。
- 請求項３記載の光起電力素子において、前記結晶系半導体の他面の実質的に全面が光入射面であることを特徴とする光起電力素子。
- 請求項３記載の光起電力素子において、前記結晶系半導体の他面上に反射防止膜をさらに備えたことを特徴とする光起電力素子。
- 請求項３から請求項７に記載の光起電力素子を複数配置し、それぞれの光起電力素子を電気的に接続したことを特徴とする太陽電池モジュール。
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