JP6285545B2 - 太陽電池素子および太陽電池モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、太陽電池素子および太陽電池モジュールに関する。
一般的な太陽電池素子は、光電変換材料としてシリコンからなる半導体基板が用いられる。そして、太陽電池素子の光電変換効率の低下をもたらす少数キャリアの再結合損失を低減するために、半導体基板の表面にはパッシベーション層が設けられる。このパッシベーション層の材料には、例えば、酸化シリコンもしくは酸化アルミニウム等の酸化物、または、窒化シリコン膜等の窒化物が用いられる。これらの材料のうち、例えば原子層堆積（ＡＬＤ）法で形成した酸化アルミニウムを用いることによって、少数キャリアの再結合損失を低減し、良好な特性を実現し得る（例えば、特開２００４−１９３３５０号公報、特開２００９−１６４５４４号公報および特表２０１２−５３０３６１号公報を参照）。
ところが、酸化アルミニウムは水分が浸透することによって変質しやすい。このため、パッシベーション層の上に、プラズマ励起ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）法等によって、保護層を形成することが提案されている（例えば、特開２０１２−２５３３５６号公報および国際公開第２０１１／０３３８２６号を参照）。
しかしながら、保護層を形成する際に、熱およびプラズマの影響によって、パッシベーション層が劣化することがある。この場合には、パッシベーション層の機能が低下し、太陽電池素子および太陽電池モジュールの光電変換効率が初期から低下する。
本発明は光電変換効率を高効率に維持し得る太陽電池素子および太陽電池モジュールを提供することを一つの目的とする。
本発明の一態様に係る太陽電池素子は、一方主面にｐ型半導体領域を有するシリコン基板と、前記ｐ型半導体領域の上に配置された、酸化アルミニウムを含む第１パッシベーション層と、前記ｐ型半導体領域と前記第１パッシベーション層との間に配置された、酸化シリコンを含む第２パッシベーション層と、前記第１パッシベーション層の上に配置された、水素および炭素を含有している酸化シリコンを含む保護層と、を備え、前記第２パッシベーション層の厚みは、前記保護層の厚みよりも小さく、前記第２パッシベーション層および前記保護層の合計の厚みは、前記第１パッシベーション層の厚みよりも小さい。
また、本発明の一態様に係る太陽電池モジュールは、上記の太陽電池素子を備えている。
上記の太陽電池素子および太陽電池モジュールによれば、光電変換効率を高効率に維持し得る太陽電池素子および太陽電池モジュールを提供できる。
図１は、本発明の一実施形態に係る太陽電池素子の第１主面側の外観を示す平面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る太陽電池素子の第２主面側の外観を示す平面図である。 図３は、図１および図２におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。 図４（ａ）は、本発明の一実施形態に係る太陽電池素子の第１主面におけるパッシベーション層と保護層とを模式的に示す拡大断面図であり、図４（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る太陽電池素子の第２主面におけるパッシベーション層と保護層とを模式的に示す拡大断面図である。 図５（ａ）は、本発明の他の実施形態に係る太陽電池素子の第１主面におけるパッシベーション層および保護層を模式的に示す拡大断面図であり、図５（ｂ）は、本発明の他の実施形態に係る太陽電池素子の第２主面におけるパッシベーション層および保護層を模式的に示す拡大断面図である。 図６は、本発明の変形例に係る太陽電池素子の第２主面側の外観を示す平面図である。 図７は、図６におけるＢ−Ｂ断面を示す断面図である。 図８は、本発明の一実施形態に係る太陽電池モジュールの外観を示す平面図である。 図９は、本発明の一実施形態に係る太陽電池モジュールの断面を示す断面図である。
以下、本発明に係る太陽電池素子およびその製造方法並びに太陽電池モジュールの実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図面は模式的に示したものである。また、図３および図７は、構成要素を見やすくするために構成要素の断面を示すハッチングを省略している。
＜＜第１の実施形態＞＞
＜太陽電池素子＞
本実施形態に係る太陽電池素子１０を図１〜４に示す。太陽電池素子１０は、図３に示すように、主に光が入射する受光面である第１主面１０ａと、この第１主面１０ａの反対側に位置する一方主面（裏面）である第２主面１０ｂと、側面１０ｃとを有する。また、太陽電池素子１０は、半導体基板としてシリコン基板１を備えている。シリコン基板１も第１主面１ａと、この第１主面１ａの反対側に位置する第２主面１ｂと、側面１ｃとを有する。シリコン基板１は、一導電型（例えばｐ型）半導体領域である第１半導体層２と、第１半導体層２における第１主面１ａ側に設けられた逆導電型（例えばｎ型）半導体領域である第２半導体層３とを有する。さらに、太陽電池素子１０は、第３半導体層４、反射防止層５、第１電極６、第２電極７、第３電極８、パッシベーション層９および保護層１１を備えている。
シリコン基板１は、例えば単結晶シリコンまたは多結晶シリコン基板である。シリコン基板１は、第１半導体層２と、該第１半導体層２の第１主面１ａ側に設けられた第２半導体層３とを備えている。なお、半導体基板は、上述したような第１半導体層２および第２半導体層３を有する半導体基板であれば、シリコン以外の材料を用いてもよい。
以下、第１半導体層２としてｐ型半導体を用いる例について説明する。第１半導体層２としてｐ型半導体を用いる場合は、シリコン基板１としてｐ型シリコン基板が用いられる。シリコン基板１は、多結晶または単結晶の基板が用いられ、例えば厚さが２５０μｍ以下の基板、さらには１５０μｍ以下の薄い基板を用いることができる。シリコン基板１の形状は、特に限定されるものではないが、平面視で略四角形状であれば、太陽電池素子１０から太陽電池モジュール２０を製造する際に、素子間の隙間を小さくすることができるので都合がよい。多結晶シリコン基板１からなる第１半導体層２をｐ型にする場合は、ドーパント元素として、ボロン、ガリウム等の不純物を含有させる。
第２半導体層３は、第１半導体層２に積層されている。第２半導体層３は、第１半導体層２に対して逆の導電型（本実施形態の場合はｎ型）を有し、第１半導体層２における第１主面１ａ側に設けられている。これにより、シリコン基板１は、第１半導体層２と第２半導体層３との界面にｐｎ接合部を有している。第２半導体層３は、例えば、シリコン基板１の第１主面１ａ側にドーパントとしてリン等の不純物を拡散させることによって形成できる。
図３に示すように、シリコン基板１の第１主面１ａ側には、照射された光の反射率を低減するための微細な凹凸構造（テクスチャ）が設けられていてもよい。テクスチャの凸部の高さは０．１〜１０μｍ程度であり、隣り合う凸部同士の間隔は０．１〜２０μｍ程度である。テクスチャは、例えば、凹部が略球面状であってもよいし、凸部がピラミッド形状であってもよい。なお、上述した「凸部の高さ」とは、例えば図３において、凹部の底面を通る直線を基準線とし、該基準線に対して垂直な方向において、該基準線から前記凸部の頂面までの距離のことである。また、「凸部同士の間隔」とは、前記基準線に対して平行な方向において、互いに隣接する凸部の頂面の中心同士の間の距離のことである。
反射防止層５は、太陽電池素子１０の第１主面１０ａに照射された光の反射率を低減する機能を有する。反射防止層５は、例えば、酸化シリコン、酸化アルミニウムまたは窒化シリコン層等からなる。反射防止層５の屈折率および厚みは、太陽光のうち、シリコン基板１に吸収されて発電に寄与し得る波長範囲の光に対して、低反射条件を実現できる屈折率および厚みを適宜採用すればよい。例えば、反射防止層５の屈折率は１．８〜２．５程度とし、厚みは２０〜１２０ｎｍ程度とすることができる。
第３半導体層４は、シリコン基板１の第２主面１ｂ側に配置されており、第１半導体層２と同一の導電型（本実施形態ではｐ型）であればよい。そして、第３半導体層４が含有するドーパントの濃度は、第１半導体層２が含有するドーパントの濃度よりも高い。すなわち、第３半導体層４中には、第１半導体層２において一導電型にするためにドープされるドーパント元素の濃度よりも高い濃度でドーパント元素が存在する。第３半導体層４は、シリコン基板１の第２主面１ｂ側において内部電界を形成する。これにより、シリコン基板１の第２主面１ｂの表面近傍では、少数キャリアの再結合による光電変換効率の低下を生じにくくさせる役割を有している。第３半導体層４は、例えば、シリコン基板１の第２主面１ｂ側に、ボロンまたはアルミニウムなどのドーパント元素を拡散させることによって形成できる。第１半導体層２および第３半導体層４が含有するドーパント元素の濃度は、それぞれ５×１０１５〜１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、１×１０１８〜５×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度とすることができる。第３半導体層４は、後述する第２電極７とシリコン基板１との接触部分に存在するとよい。
第１電極６は、シリコン基板１の第１主面１ａ側に設けられた電極である。また、第１電極６は、図１に示すように、出力取出電極６ａと、複数の線状の集電電極６ｂとを有する。出力取出電極６ａは、発電によって得られた電気を外部に取り出すための電極であり、短手方向の長さ（以下、幅という）は、例えば１．３〜２．５ｍｍ程度である。出力取出電極６ａの少なくとも一部は、集電電極６ｂと交差して電気的に接続されている。集電電極６ｂは、シリコン基板１から発電された電気を集めるための電極である。また、集電電極６ｂは複数の線状であって、これらの幅は、例えば５０〜２００μｍ程度である。このように、集電電極６ｂの幅は、出力取出電極６ａの幅よりも小さい。また、集電電極６ｂは、互いに１〜３ｍｍ程度の間隔を空けて複数設けられている。第１電極６の厚みは１０〜４０μｍ程度である。第１電極６は、例えば、銀を主成分とする第１金属ペーストをスクリーン印刷等によって所望の形状に塗布した後、焼成することによって形成できる。なお、本実施形態において、主成分とは、全体の成分に対して含有される比率が５０％以上であることを意味する。
第２電極７および第３電極８は、図２および図３に示すように、シリコン基板１の第２主面１ｂ側に設けられた電極である。第２電極７は太陽電池素子１０による発電によって得られた電気を外部に取り出すための電極である。第２電極７の厚みは１０〜３０μｍ程度であり、その幅は１．３〜７ｍｍ程度である。
また、第２電極７は主成分として銀を含んでいる。このような第２電極７は、例えば、銀を主成分とする金属ペーストをスクリーン印刷等によって所望の形状に塗布した後、焼成することによって形成できる。
第３電極８は、図２および図３に示すように、シリコン基板１の第２主面１ｂにおいて、シリコン基板１で発電された電気を集めるための電極であり、第２電極７と電気的に接続するように設けられている。第２電極７の少なくとも一部が第３電極８に接続していればよい。なお、第３電極８は、図２に示すように、第２電極７に交差しているだけでなく、図３に示すように、第２電極７の長手方向に平行に配置されて、第２電極７に接続して配置されている。また、第３電極８の厚みは１５〜５０μｍ程度である。第３電極８は、例えば、集電電極６ｂと同様に複数の線状であってもよい。第３電極８は、幅が例えば１００〜５００μｍ程度であり、互いに１〜３ｍｍ程度の間隔を空けて複数設けられる。第３電極８は、第１電極６の集電電極６ｂに比べて、幅を広くすることによって、第３電極８の直列抵抗を下げて、太陽電池素子１０の出力特性を向上させることができる。
また、第３電極８は、主成分としてアルミニウムを含んでいる。このような第３電極８は、例えば、アルミニウムを主成分とする金属ペーストを所望の形状に塗布した後、焼成することによって形成できる。
パッシベーション層９は、シリコン基板１の少なくとも第２主面１ｂに形成され、少数キャリアの再結合を低減する機能を有する。パッシベーション層９として、例えばＡＬＤ法で形成した酸化アルミニウムが採用される。パッシベーション層９の厚みは１０〜２００ｎｍ程度である。
保護層１１は第１半導体層２の上に（例えば図４（ｂ）では図示下側に）配置された、酸化アルミニウムを含むパッシベーション層９の上に（例えば図４（ｂ）では図示の下側に）配置されている。このように、パッシベーション層９は少なくともｐ型半導体領域である第１半導体層２の上に配置されている。なお、例えば図４（ａ）に示すように、ｎ型半導体領域の第２半導体領域３の上にパッシベーション層９が配置されていてもよく、さらにその上に保護層１１が配置されていてもよい。
保護層１１は、パッシベーション層９を保護して耐湿性などの信頼性に優れた太陽電池素子１０を得るために、パッシベーション層９の上に配置される。保護層１１は水素および炭素を含有している酸化シリコンを含む層であればよい。保護層１１は、例えば、水素および炭素を含有している酸化シリコン層と、他の１層以上の金属酸化物層（酸化ジルコニウム層、酸化ハフニウム層等）との積層構造を有していてもよい。金属酸化物層は酸化シリコン層と同様にＡＬＤ法によって作製が容易である。また、金属酸化物層として、酸化ジルコニウム層、酸化ハフニウム層等のパッシベーション効果を有する層を用いる場合には、光電変換効率の向上が期待できて、保護層１１の保護機能をさらに向上させることが可能になる。これにより、良好な初期光電変換効率および高い信頼性を有する太陽電池素子１０を作製し得る。
保護層１１は、例えばＡＬＤ法によって形成される。保護層１１として酸化シリコン層を用いて、パッシベーション層９として酸化アルミニウム層を用いる場合には、保護層１１の厚みは固定電荷の関係等からパッシベーション層９よりも小さい方がよい。特に酸化シリコンを含む保護層１１を形成する場合には、酸化アルミニウムからなるパッシベーション層９が保護層１１の２倍以上の厚みを有するとよい。これにより、パッシベーション層９によるパッシベーション効果を低下させず、信頼性を向上させることができる。特に、保護層１１の厚みが５〜１５ｎｍ程度であれば、光電変換効率の初期特性および信頼性に優れた太陽電池素子１０を得ることができる。
また、保護層１１の水素の含有量が１〜１０原子％の範囲内であればよい。これにより、パッシベーション層９のパッシベーション効果を向上させて、さらに初期特性を長時間に亘って維持できる。
また、保護層１１の炭素の含有量が１〜１０原子％の範囲内であれば、炭素の存在によって透湿性が低減する。このため、保護層１１を薄くした状態で、初期の光電変換効率を高効率にできて、初期特性を長時間に亘って維持できる。保護層１１の水素および炭素の含有量は、例えばＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）法で測定できる。
また、炭素による負の固定電荷によって、太陽電池素子１０の初期の光電変換効率を改善できる。また、保護層１１が水素を含有していることでシリコン基板１とパッシベーション層９との界面に水素を供給できる。これにより、シリコン原子の未結合手が水素で終端されるので、太陽電池素子１０の初期の光電変換効率が良好となり得る。
また、保護層１１はさらに窒素を含有するとよい。保護層１１中に窒素が含まれることによって、保護層１１が緻密になり、大気中の水分の透過速度を低下させる作用があると考えられる。これにより、パッシベーション層９へ到達する水分の量を低減し得る。さらに、パッシベーション層９の変質による光電変換効率の低下しにくくすることができる。
また、パッシベーション層９および保護層１１は、いずれもＡＬＤ法で形成できる。また、酸化アルミニウムからなるパッシベーション層９をＡＬＤ法で形成した後、シリコン基板１を大気中に取り出すことなく、同一チャンバー内で酸化シリコンからなる保護層１１を形成できる。これにより、パッシベーション層９および保護層１１の界面において、欠陥の形成および不純物の混入によるパッシベーション効果の低下などが起こりにくい。ＡＬＤ法によるパッシベーション層９および保護層１１の形成は生産性にも優れるのでよい。
ここで、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、第１パッシベーション層９ａの上に、反射防止層５および他のパッシベーション層の内、少なくとも一方を、例えば、ＰＥＣＶＤ法で形成した窒化シリコン等の正の固定電荷を有する膜としてもよい。このような膜をシリコン基板１のｎ型層（本実施形態では第２半導体層３）の上に配置することによって、第２半導体層３とパッシベーション層９との界面において、電界効果によって少数キャリアの再結合を低減できる。同様に、反射防止層５およびパッシベーション層９として、酸化アルミニウム層等の負の固定電荷を有する膜を、シリコン基板１のｐ型層（本実施形態では第１半導体層２）の上に形成すれば、この膜による電界効果によって、少数キャリアの界面における再結合を低減できる。
保護層１１は、ＡＬＤ法等を用いれば、パッシベーション層９に対してプラズマ照射をすることなく形成できる。このため、保護層１１および反射防止層５の形成時に、パッシベーション層９へのプラズマダメージ（プラズマによって発生した電子の衝突による酸化アルミニウム膜のエッチングダメージ、欠陥生成および酸化アルミニウム膜中への不純物の混入）がない。
図５（ｂ）に示すように、ｐ型半導体領域（本実施形態では第１半導体層２）と、酸化アルミニウム層を含む第１パッシベーション層９ａとの間に、酸化シリコンを含む第２パッシベーション層９ｂが形成されてもよい。これにより、パッシベーション性能を向上させることができる。第２パッシベーション層９ｂは、シリコン基板１と第１パッシベーション層９ａとの界面の欠陥を低減するための層である。第２パッシベーション層９ｂの厚みは、第１パッシベーション層９ａよりも小さい方がよい。特に、第２パッシベーション層９ｂは、厚みが０．１〜１ｎｍ、水素含有量が１〜１０原子％、より好ましくは３〜１０原子％の酸化シリコン層であるとよい。第２パッシベーション層９ｂが、第２パッシベーション層９ｂを構成する酸化シリコンと材質的に近いシリコン基板１と第１パッシベーション層９ａとの間にある。このため、第２パッシベーション層９ｂがシリコン基板１と第１パッシベーション層９ａとの間にバッファ層として配置されることによって、パッシベーション層９内の欠陥の発生が低減すると考えられる。これにより、シリコン基板１とパッシベーション層９との界面における少数キャリアの再結合が低減し得る。酸化シリコンからなる第２パッシベーション層９ｂの膜厚が上記範囲内であることによって、シリコン基板１の表面被覆が行ないやすいのでよい。また、第２パッシベーション層９ｂの膜厚が上記範囲内であると、第２パッシベーション層９ｂの正の固定電荷の影響があっても、第１パッシベーション層９ａの負の固定電荷によるパッシベーション効果が低下しない。また、第２パッシベーション層９ｂの膜厚は、保護層１１の膜厚よりも小さい方がよい。さらに、第２パッシベーション層９ｂおよび保護層１１の合計の膜厚は、第１パッシベーション層９ａよりも小さい方がよい。第２パッシベーション層９ｂの膜厚が上記範囲内であることによって、第１パッシベーション層９ａが有する負の固定電荷によるパッシベーション性能を十分に発揮させやすい。
第２パッシベーション層９ｂの水素含有量が１〜１０原子％、より好ましくは３〜１０原子％の範囲内であれば、シリコン基板１の各表面近傍の未結合手および結晶粒界などの結晶欠陥を水素で終端して不活性化することができる。第２パッシベーション層９ｂの形成方法としては、例えばＡＬＤ法であればよい。これにより、第２パッシベーション層９ｂが簡便に薄く均一に形成できる。
パッシベーション層９は、本実施形態ではシリコン基板１の少なくとも一方主面である第２主面１ｂに配置されていればよいが、シリコン基板１の両主面側に配置されていてもよい。これにより、パッシベーション性能が向上する場合がある。また、シリコン基板１の側面１ｃにも、反射防止層５およびパッシベーション層９を形成すれば、太陽電池素子１０の特性をさらに向上させ得る。
また、図５（ａ）に示すように、ｎ型半導体領域（本実施形態では第２半導体層３）と、酸化アルミニウム層を含む第１パッシベーション層９ａとの間に、酸化シリコンを含む第２パッシベーション層９ｂが形成されてもよい。これにより、パッシベーション性能を向上させることができる。第２パッシベーション層９ｂは、シリコン基板１と第１パッシベーション層９ａとの界面の欠陥を低減するための層である。
＜太陽電池素子の製造方法＞
次に、太陽電池素子１０の製造方法の各工程について、詳細に説明する。
シリコン基板１は、例えば、既存のＣＺ法または鋳造法などによって形成される。なお、以下では、シリコン基板１として、ｐ型多結晶シリコン基板を用いた例について説明する。
最初に、例えば鋳造法によって多結晶シリコンのインゴットを作製する。次いで、そのインゴットを、例えば２５０μｍ以下の厚みにスライスしてシリコン基板１を作製する。その後、シリコン基板１の切断面の機械的ダメージ層および汚染層を清浄にするために、シリコン基板１の表面をＮａＯＨ、ＫＯＨ、フッ酸またはフッ硝酸などの水溶液でごく微量エッチングしてもよい。
次に、シリコン基板１の第１主面１ａにテクスチャ（微細な凹凸構造）を形成する。テクスチャの形成方法としては、ＮａＯＨ等のアルカリ溶液もしくはフッ硝酸等の酸溶液を使用したウエットエッチング方法、またはＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法等を使用したドライエッチング方法を用いることができる。
次に、上記工程によって形成されたテクスチャを有するシリコン基板１の第１主面１ａに対して、ｎ型半導体領域である第２半導体層３を形成する工程を行なう。具体的には、テクスチャを有するシリコン基板１における第１主面１ａ側の表層にｎ型の第２半導体層３を形成する。
このような第２半導体層３は、ペースト状にしたＰ２Ｏ５をシリコン基板１の表面に塗布して熱拡散させる塗布熱拡散法、ガス状にしたＰＯＣｌ３（オキシ塩化リン）を拡散源とした気相熱拡散法などによって形成される。この第２半導体層３は０．１〜２μｍ程度の深さ、４０〜２００Ω／□程度のシート抵抗値を有するように形成される。例えば、気相熱拡散法では、ＰＯＣｌ３等からなる拡散ガスを有する雰囲気中で６００〜８００℃程度の温度においてシリコン基板１を５〜３０分程度熱処理して燐ガラスをシリコン基板１の表面に形成する。その後、アルゴンや窒素等の不活性ガス雰囲気中で８００〜９００℃程度の高い温度において、シリコン基板１を１０〜４０分間程度熱処理することによって、燐ガラスからシリコン基板１にリンが拡散して、シリコン基板１の第１主面１ａ側に第２半導体層３が形成される。
次に、上記第２半導体層３の形成工程において、第２主面１ｂ側にも第２半導体層が形成された場合には、第２主面１ｂ側に形成された第２半導体層のみをエッチングして除去する。これにより、第２主面１ｂ側にｐ型の導電型領域を露出させる。例えば、フッ硝酸溶液にシリコン基板１における第２主面１ｂ側のみを浸して第２主面１ｂ側に形成された第２半導体層を除去する。その後、第２半導体層３を形成する際にシリコン基板１の第１主面１ａ側に付着した燐ガラスをエッチングして除去する。
このように、第１主面１ａ側に燐ガラスを残存させて、第２主面１ｂ側に形成された第２半導体層をエッチング除去する。これにより、第１主面１ａ側の第２半導体層３が除去されたり、ダメージを受けたりするのを低減できる。この時、シリコン基板１の側面１ｃに形成された第２半導体層も併せて除去してもよい。
また、上記第２半導体層３の形成工程において、予め第２主面１ｂ側に拡散マスクを形成しておき、気相熱拡散法等によって第２半導体層３を形成し、続いて拡散マスクを除去してもよい。このようなプロセスによっても、同様の構造を形成することが可能である。その場合、上記した第２主面１ｂ側に第２半導体層は形成されないため、第２主面１ｂ側の第２半導体層を除去する工程が不要となる。
以上により、第１主面１ａ側にｎ型半導体層である第２半導体層３が配置され、且つ、表面にテクスチャが形成された、第１半導体層２を含む多結晶のシリコン基板１を準備できる。
次に、第１半導体層２の第１主面１ａと、第２半導体層３の第２主面１ｂとの上に、酸化アルミニウムからなるパッシベーション層９および酸化シリコンからなる保護層１１が形成される。パッシベーション層９および保護層１１の形成方法としては、例えば、ＡＬＤ法が用いられる。これにより、シリコン基板１の側面１ｃを含む全周囲にパッシベーション層９および保護層１１が形成され得る。
ＡＬＤ法によるパッシベーション層９および保護層１１の形成では、まず、成膜装置のチャンバー内に上記第２半導体層３が形成されたシリコン基板１が載置される。そして、シリコン基板１が１００℃〜２５０℃の温度域に加熱された状態で、次の工程Ａ〜Ｄを複数回繰り返して酸化アルミニウムからなるパッシベーション層９と、酸化シリコンからなる保護層１１とを形成する。これにより、所望の厚さを有するパッシベーション層９と保護層１１とが形成される。
工程Ａ〜Ｄの内容は次の通りである。
［工程Ａ］酸化シリコン層を形成するためのビスジエチルアミノシラン（ＢＤＥＡＳ）等のシリコン原料、または酸化アルミニウムを形成するためのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等のアルミニウム原料が、Ａｒガスまたは窒素ガス等のキャリアガスとともに、シリコン基板１上に供給される。これにより、シリコン基板１の全周囲にシリコン原料またはアルミニウム原料が吸着される。ＢＤＥＡＳまたはＴＭＡが供給される時間は、例えば１５〜３０００ｍ秒程度であればよい。
なお、工程Ａの開始時には、シリコン基板１の表面はＯＨ基で終端されているとよい。すなわち、シリコン基板１の表面がＳｉ−Ｏ−Ｈの構造であるとよい。この構造は、例えば、シリコン基板１を希フッ酸で処理した後に純水で洗浄することによって形成できる。
［工程Ｂ］窒素ガスによって成膜装置のチャンバー内の浄化が行なわれることで、チャンバー内のシリコン原料またはアルミニウム原料が除去される。さらに、シリコン基板１に物理吸着および化学吸着したシリコン原料またはアルミニウム原料の内、原子層レベルで化学吸着した成分以外のシリコン原料またはアルミニウム原料が除去される。窒素ガスによってチャンバー内が浄化される時間は、例えば１〜数十秒程度であればよい。
［工程Ｃ］水またはオゾンガス等の酸化剤が、成膜装置のチャンバー内に供給されることで、ＢＤＥＡＳまたはＴＭＡに含まれるアルキル基が除去されてＯＨ基で置換される。これにより、シリコン基板１の上に酸化シリコンまたは酸化アルミニウムの原子層が形成される。なお、酸化剤がチャンバー内に供給される時間は、好適には７５０〜１１００ｍ秒程度であればよい。また、例えば、チャンバー内に酸化剤ととともにＨが供給されることで、酸化シリコンまたは酸化アルミニウムに水素原子がより含有され易くなる。
［工程Ｄ］窒素ガスによって成膜装置のチャンバー内の浄化が行なわれることで、チャンバー内の酸化剤が除去される。このとき、例えば、シリコン基板１上における原子層レベルの酸化シリコンまたは酸化アルミニウムの形成時において反応に寄与しなかった酸化剤等が除去される。なお、窒素ガスによってチャンバー内が浄化される時間は、例えば１〜数十秒程度であればよい。
以後、工程Ａ〜Ｄの一連の工程を複数回繰り返すことで、所望の膜厚の酸化シリコン層または酸化アルミニウム層が形成される。なお、工程Ａ〜Ｄにおいて、保護層１１の一部として、酸化シリコンとは異なる金属酸化物層を形成する場合には、その金属原料を用いればよい。例えば、酸化ジルコニウムと形成する場合のジルコニウム原料としては、ＴＥＭＡＺ（テトラキスメチルエチルアミノジルコニウム）等を使用すればよい。また、酸化ハフニウムを形成する場合のハフニウム原料としては、ＴＥＭＡＨ（テトラキスメチルエチルアミノハフニウム）等を使用すればよい。
このようにして、パッシベーション層９と保護層１１とをともにＡＬＤ法で形成すれば、シリコン基板１を大気中に取り出すことなく、同一のチャンバー内でパッシベーション層９および保護層１１を形成できる。これにより、両層の界面での欠陥の形成および不純物の混入によるパッシベーション効果の低下などが起こりにくいうえ、生産性にも優れるのでよい。
ここでは、シリコン原料としてＢＤＥＡＳを用い、アルミニウム原料としてＴＭＡを用いて、酸化シリコンおよび酸化アルミニウムを積層する場合を示したが、シリコン原料およびアルミニウム原料として他の原料を用いてもよい。原料供給温度（例えば、−２０〜１２０℃の範囲内が好適である）において、ガス供給減として適当な蒸気圧（例えば１００Ｐａ以上）を有し、チャンバー内に気体状態で供給できる材料であればよい。例えば、シリコン原料としては、トリスジメチルアミノシラン（ＴＤＭＡＳ）、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳＮ）等を用いることができる。これらの材料は、分子中に炭素、窒素等を含むため、形成された酸化シリコン層中には炭素、窒素等が含まれる。また、アルミニウム原料としては、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）等を用いることができる。また、気体状態で供給できる材料は、窒素ガス、炭酸ガス等をキャリアガスとして希釈して供給してもよい。原料ガスおよびキャリアガスのガス種並びにそれらの混合比を調整することによって、形成される膜中の構成元素の含有量を調整できる。
次に、シリコン基板１における第１主面１ａ側に、すなわち、第２半導体層３の上に窒化シリコン膜からなる反射防止層５を形成する。反射防止層５は、例えば、ＰＥＣＶＤ法またはスパッタリング法を用いて形成される。ＰＥＣＶＤ法を用いる場合であれば、事前にシリコン基板１を成膜中の温度よりも高い温度で加熱しておく。その後、加熱したシリコン基板１にシラン（ＳｉＨ４）とアンモニア（ＮＨ３）との混合ガスを窒素（Ｎ２）で希釈し、反応圧力を５０〜２００Ｐａにしてグロー放電分解でプラズマ化させて堆積させることで反射防止層５が形成される。このときの成膜温度は、３５０〜６５０℃程度とし、事前加熱する温度を成膜温度よりも５０℃程度高くする。また、グロー放電に必要な高周波電源の周波数としては１０〜５００ｋＨｚの周波数を使用する。
また、ガス流量は反応室の大きさ等によって適宜決定されるが、例えばガスの流量としては、１５０〜６０００ｍｌ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）の範囲とすることが望ましく、シランの流量Ａとアンモニアの流量Ｂとの流量比Ｂ／Ａは０．５〜１５であればよい。
次に、シリコン基板１の第２主面１ｂ側に、一導電型の半導体不純物が高濃度に拡散された第３半導体層４を形成する。第３半導体層４は、例えば、三臭化ボロン（ＢＢｒ３）を拡散源とした熱拡散法を用いて、温度８００〜１１００℃程度で形成できる。また、第３半導体層４は、アルミニウム粉末および有機ビヒクル等からなるアルミニウムペーストを印刷法で塗布した後、温度６００〜８５０℃程度で熱処理（焼成）して、アルミニウムをシリコン基板１に拡散する方法によっても形成できる。この方法を用いれば、印刷面だけに所望の拡散領域を形成できるだけではなく、第２半導体層３の形成工程で第２主面１ｂ側に形成されたｎ型の逆導電型層を除去する必要もない。そのため、所望の拡散領域を形成した後、第１主面１ａまたは第２主面１ｂの外周部のみレーザー照射等の方法で、不要なｐｎ接合部分の分離を行なうこともできる。
次に、第１電極６、第２電極７および第３電極８を以下のようにして形成する。
第１電極６は、例えば、主成分として銀を含む金属粉末、有機ビヒクルおよびガラスフリットを含有する金属ペースト（第１金属ペースト）を用いて作製される。まず、この第１金属ペーストを、シリコン基板１の第１主面１ａに塗布する。その後、焼成炉内にて最高温度が６００〜８５０℃、加熱時間が数十秒〜数十分程度の条件で、第１金属ペーストを焼成することによって第１電極６を形成する。この塗布法としては、スクリーン印刷法などを用いることができる。そして、塗布後、所定の温度で溶剤を蒸散させて乾燥してもよい。なお、第１電極６は、出力取出電極６ａおよび集電電極６ｂを有するが、スクリーン印刷を用いることで、出力取出電極６ａおよび集電電極６ｂを１つの工程で形成できる。
第２電極７は、主成分として銀を含む金属粉末、有機ビヒクルおよびガラスフリット等を含有する金属ペースト（第２金属ペースト）を用いて作製される。第２金属ペーストのシリコン基板１への塗布法としては、例えば、スクリーン印刷法などを用いることができる。この塗布後、所定の温度で溶剤を蒸散させて乾燥させてもよい。その後、焼成炉内にて最高温度が６００〜８５０℃、加熱時間が数十秒〜数十分間程度の条件で、第２金属ペーストを焼成することによって、第２電極７がシリコン基板１の第２主面１ｂ側に形成される。
第３電極８は、主成分としてアルミニウムを含む金属粉末、有機ビヒクルおよびガラスフリットを含有する金属ペースト（第３金属ペースト）を用いて作製される。この第３金属ペーストを、予め塗布された第２金属ペーストの一部に接触するように、シリコン基板１の第２主面１ｂ上に塗布する。このとき、第２電極７が形成される部位の一部を除いて、第２主面１ｂのほぼ全面に塗布してもよい。塗布法としては、スクリーン印刷法などを用いることができる。この塗布後、所定の温度で溶剤を蒸散させて乾燥させてもよい。第３金属ペーストを、焼成炉内にて最高温度が６００〜８５０℃、加熱時間が数十秒〜数十分間程度の条件で焼成することによって、第３電極８がシリコン基板１の第２主面１ｂ側に形成される。また、第３金属ペーストを用いて第３半導体層４と第３電極８の形成を同時に行なってもよい。
シリコン基板１の第２主面１ｂ側に形成したパッシベーション層９および保護層１１を残して、第２電極および第３電極を形成するには、まず、第３金属ペーストをパッシベーション層９および保護層１１の上に直接、所定領域に塗布する。その後、最高温度が６００〜８５０℃の高温の熱処理を行なうファイヤースルー法を利用すればよい。このファイヤースルー法では、塗布された第３金属ペースト成分がパッシベーション層９および保護層１１を突き破り、シリコン基板１の第２主面１ｂ側に第３半導体層４が形成され、その上に第３電極８が形成される。
以上の工程によって、太陽電池素子１０を作製することができる。
なお、第２電極７を形成した後に第３電極８を形成してもよい。また、第２電極７はシリコン基板１と直接接触する必要はなく、第２電極７とシリコン基板１との間にパッシベーション層９が存在してもよい。
また、第１電極６、第２電極７および第３電極８は、各々の金属ペーストを塗布した後、同時に焼成して形成してもよい。これにより、生産性が向上するとともに、シリコン基板１の熱履歴を低減して、太陽電池素子１０の出力特性を向上させることができる。
＜＜第２の実施形態＞＞
次に、本発明をＰＥＲＣ（Passivated Emitter Rear Cell）型の太陽電池素子に適用した第２の実施形態について説明する。第１の実施形態と共通する部分については説明を省略する。
＜太陽電池素子＞
図６および図７に示すように、太陽電池素子１０は保護層１１の上に第３電極８が形成されている。さらに、パッシベーション層９の上、および保護層１１が形成されていない、シリコン基板１の第２主面１ｂの上にも第３電極８が形成されている。このように、第３電極８はシリコン基板１の第２主面１ｂの略全面を覆うように形成されている。
本実施形態では、保護層１１の上に第３電極８が形成されていても、外部からの透湿を抑制して、パッシベーション効果を損なわないようにすることができる。これにより、太陽電池素子１０の光電変換効率を損なわずに信頼性を向上させることができる。また、シリコン基板１の第２主面１ｂの略全面を覆うように、第３電極８を形成することによって、集められたキャリアが第２電極７に効率よく移動できる。このため、太陽電池素子１０の初期光電変換効率を高めることができる。
また、酸化アルミニウムからなる第１パッシベーション層９と保護層１１との上に、他のパッシベーション層として、上述したＰＥＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを配置してもよい。窒化シリコンが形成されることによって、第３金属ペーストを焼成する際にパッシベーション層９がファイヤースルーされにくくなる。また、ＡＬＤ法で形成した酸化シリコンからなる保護層１１が形成されていることによって、パッシベーション層９へのプラズマダメージを低減する効果も有する。
＜太陽電池素子の製造方法＞
第１の実施形態と同様の方法によって、第２半導体層３を備えたシリコン基板１の第２主面１ｂ上にパッシベーション層９を形成し、パッシベーション層９の上に保護層１１を形成する。
次に、シリコン基板１と第３電極８との電気的接続を得るために、パッシベーション層９と保護層１１の一部を除去し、コンタクトホールを形成する。コンタクトホールは、例えば、レーザービーム照射で形成してもよく、エッチング等で形成してもよい。
次に、ガラスフリットおよびアルミニウムの粉末を含有している第３金属ペーストが、コンタクトホールおよび保護層１１上の所定領域に塗布する。そして、最高温度が６００〜８００℃、加熱時間が数十秒〜数十分程度の条件で、第３金属ペーストを焼成することによって、第３電極８を形成する。このとき、第３金属ペーストの焼成の際に、パッシベーション層９および保護層１１がファイヤースルーされないようにしてもよい。この場合には、例えば、焼成温度を低くする、焼成時間を短くする、またはガラスフリットの組成において非鉛系のガラスを使用するとよい。
また、保護層１１の厚みを３〜１５ｎｍとすることによって、初期の光電変換効率を維持できる。また、このような保護層１１を用いることによって、第３電極８を形成する際にパッシベーション層９が第３金属ペーストでファイヤースルーされにくくすることができる。さらに、パッシベーション効果の低減による初期の光電変換効率を低下しにくくして、信頼性の高い太陽電池素子１０を提供できる。
＜太陽電池モジュール＞
太陽電池モジュール２０は、上述した太陽電池素子１０を１つ以上備えている。太陽電池モジュール２０は、例えば、互いに電気的に接続されている複数の太陽電池素子１０を備えていればよい。このような太陽電池モジュール２０は、単独の太陽電池素子１０の電気出力が小さな場合に、複数の太陽電池素子１０が例えば直列または並列に接続されることで形成される。そして、複数の太陽電池モジュール２０が組み合わされることで、実用的な電気出力が取り出される。以下では、太陽電池モジュール２０が、複数の太陽電池素子１０を備えている一例を挙げて説明する。
図８および図９に示すように、太陽電池モジュール２０は、例えば、透明部材２３、表側充填材２４、複数の太陽電池素子１０、配線導体２１、裏側充填材２５および裏面保護材２６が積層された積層体を備えている。ここで、透明部材２３は、太陽電池モジュール２０において太陽光を受光する受光面を保護するための部材である。この透明部材２３は、例えば、透明な平板状の部材であればよい。透明部材２３の材料としては、例えばガラス等が採用される。表側充填材２４および裏側充填材２５は、例えば透明な充填材であればよい。表側充填材２４および裏側充填材２５の材料としては、例えばエチレン・酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）等が採用される。裏面保護材２６は、太陽電池モジュール２０の裏面を保護するための部材である。裏面保護材２６の材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）またはポリフッ化ビニル樹脂（ＰＶＦ）等が採用される。なお、裏面保護材２６は、単層構造でもよいし、積層構造を有していてもよい。
配線導体２１は、複数の太陽電池素子１０を電気的に接続する部材（接続部材）である。太陽電池モジュール２０に含まれる複数の太陽電池素子１０のうちの一方向に隣り合う太陽電池素子１０同士は電気的に接続されている。一方の太陽電池素子１０の出力取出電極６ａと、他方の太陽電池素子１０の第２電極７とが配線導体２１によって接続されている。ここで、配線導体２１の厚さは、例えば、０．１〜０．２ｍｍであればよい。配線導体２１の幅は、例えば約２ｍｍ程度であればよい。配線導体２１としては、例えば、銅箔の全面に半田が被覆された部材等が用いられる。
また、電気的に直列に接続されている複数の太陽電池素子１０のうち、最初の太陽電池素子１０の電極の一端と、最後の太陽電池素子１０の電極の一端とは、出力取出配線２２によって、それぞれ出力取出部としての端子ボックス２８に電気的に接続されている。また、図９では図示を省略しているが、図８に示すように、太陽電池モジュール２０は、上記積層体を周囲から保持する枠体２７を備えていてもよい。枠体２７の材質としては、例えば、耐食性および強度を有するアルミニウム合金等が採用される。
このように保護層１１を備えた太陽電池素子１０を用いた太陽電池モジュール２０を作製する。これにより、太陽電池モジュール２０内に透過してきた水分からパッシベーション層９を保護層１１で保護できる。その結果、パッシベーション層９の劣化を低減することができて、太陽電池モジュール２０の信頼性を向上させることができる。
なお、裏側充填材２５の材料としてＥＶＡが採用される場合には、ＥＶＡは、酢酸ビニルを含むため、高温時における湿気または水分等の透過によって経時的に加水分解を生じて酢酸を発生させる場合がある。これに対して、本実施形態では、パッシベーション層９の上に保護層１１を設けているので、生じた酢酸によるパッシベーション層９等への悪影響を低減することができる。その結果、太陽電池モジュール２０の長期信頼性が向上する。
また、表側充填材２４および裏側充填材２５の少なくとも一方の材料としてＥＶＡが採用される場合には、このＥＶＡに水酸化マグネシウムまたは水酸化カルシウム等を含む受酸剤が添加されていてもよい。これにより、ＥＶＡから生じた酢酸を中和することができるので、太陽電池モジュール２０の耐久性が向上し、酢酸によるパッシベーション層９等に与える悪影響も低減できる。その結果、太陽電池モジュール２０の信頼性が長期間に亘って確保される。
＜太陽電池モジュールの製造方法＞
図８および図９を用いて具体的な太陽電池モジュール２０の製造方法について詳述する。まず、複数の太陽電池素子１０を直並列に配置して、隣り合う太陽電池素子１０同士を配線導体２１によって電気的に接続する。例えば半田を用いた配線導体２１の接続方法としては、半田ごて、ホットエアー、レーザーまたはパルスヒート等を用いることができる。このような方法によって、配線導体２１は、出力取出電極６ａおよび第２電極７に半田付けされる。
次に、透明部材２３上に表側充填材２４を置き、さらにその上に配線導体２１および出力取出配線２２を接続した複数の太陽電池素子１０を置く。さらにその上に裏側充填材２５、裏面保護材２６を順次積層する。その後、出力取出配線２２を裏面側の各部材に設けられたスリットから裏面保護材２６の外部に導出する。このような状態にした積層体を、ラミネーターにセットし、減圧下にて加圧しながら８０〜２００℃程度で、例えば１５〜６０分間加熱する。これにより、積層体が一体化した太陽電池モジュールを得ることができる。
次に、端子ボックス２８を取り付ける。具体的には、出力取出配線２２の導出された裏面保護材２６上に、端子ボックス２８をシリコーン系等の接着剤を用いて取り付ける。そして、プラス側、マイナス側の出力取出配線２２を端子ボックス２８のターミナル（不図示）にはんだ付け等で固定する。その後、端子ボックス２８に蓋を取り付ける。
最後に、アルミニウム合金等で作製された枠体２７を本体外周部に取り付けて太陽電池モジュール２０を完成させる。枠体２７は、例えば、その角部をビスなどで本体外周部に固定することによって、取り付けることができる。このようにして、太陽電池モジュール２０が完成する。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、多くの修正および変更を加えることができる。
例えば、パッシベーション層９を形成する前に、シリコン基板１を洗浄してもよい。洗浄工程としては、例えば、フッ酸処理、ＲＣＡ洗浄（米国ＲＣＡ社が開発した洗浄法であり、高温・高濃度の硫酸・過酸化水素水、希フッ酸（室温）、アンモニア水・過酸化水素水、または、塩酸・過酸化水素水などによる洗浄方法）およびこの洗浄後のフッ酸処理、またはＳＰＭ（Sulfuric Acid/Hydrogen Peroxide/Water Mixture）洗浄およびこの洗浄後のフッ酸処理等による洗浄方法を用いることができる。
また、パッシベーション層９を形成する工程の後の任意の工程において、水素を含んだガスを用いてアニール処理を行なうことで、さらに、シリコン基板１における再結合速度を低下させることが可能である。
太陽電池素子１０は、例えば、第１電極６の一部を第２主面１０ｂ側に設けたメタル・ラップ・スルー構造、またはＩＢＣ（Interdigitated Back Contact）構造などのバックコンタクト型の太陽電池素子であってもよい。また、第１主面１０ａおよび第２主面１０ｂの両面から光が入射可能な両面受光型の太陽電池素子１０であってもよい。
半導体基板として、ｎ型半導体領域を主体とするシリコン基板１を用意してその基板の一主面にｐ型半導体領域を形成したものを用いてもよい。その場合も、ｐ型半導体領域の上に、酸化アルミニウムからなるパッシベーション層９と酸化シリコン層からなる保護層１１とを備えている太陽電池素子１０とすることができて、上述の実施形態の作用効果を期待できる。
保護層１１を形成後に、シリコン基板１の第１主面１ａ側のパッシベーション層９をエッチングして除去してから窒化シリコンからなる反射防止層５を形成してもよい。これにより、ｎ型半導体層である第２半導体層３の上に正の固定電荷を有する窒化シリコン層が形成されるので、窒化シリコン層によるパッシベーション効果によって初期光電変換効率を向上させることができる。また、第１パッシベーション層９ａを形成する前に、シリコン基板１の第１主面１ａ側に窒化シリコン層からなる反射防止層５を形成してもよい。
パッシベーション層９および保護層１１の一部を除去し、コンタクトホールを形成する工程において、レーザービームを照射してもよい。この場合には、コンタクトホール形成後に低濃度のフッ酸等を用いて、レーザービーム照射後のパッシベーション層９および保護層１１の残留物を除去する。これにより、シリコン基板１の第１主面１ａと第３電極８との接触抵抗を低減できる。
第３電極８を形成する場合に、ファイヤースルーさせて第３半導体層４を形成する第３金属ペーストを塗布する工程と、ファイヤースルーさせて第３半導体層４を形成するための第３金属ペーストおよび保護層１１のそれぞれの上に、非鉛系のガラスフリットを採用したファイヤースルーされにくい第４金属ペーストを塗布する工程とを採用してもよい。また、第３金属ペーストおよび第４金属ペーストの焼成工程において、第４金属ペーストの焼成温度を低くして、パッシベーション層９および保護層１１がファイヤースルーされにくくしてもよい。
以下に、実施例について説明する。
まず、ｐ型の第１半導体層２を有するシリコン基板１として、平面視して正方形の一辺が約１５６ｍｍ、厚さが約２００μｍの多結晶シリコン基板を用意した。このシリコン基板１をＮａＯＨ水溶液でエッチングして表面のダメージ層を除去した。その後、シリコン基板１の洗浄を行なった。そして、シリコン基板１の第１主面１ａ側にＲＩＥ法を用いてテクスチャを形成した。
次に、シリコン基板１に、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）を拡散源とした気相熱拡散法によって、リンを拡散させた。これにより、シート抵抗が９０Ω／□程度となるｎ型の第２半導体領域３を形成した。なお、シリコン基板１の側面１ｃおよび第１主面１ａ側にも第２半導体層３が形成されたが、この第２半導体層３は、フッ硝酸溶液で除去した。その後、シリコン基板１に残留したガラスをフッ酸溶液で除去した。
次に、実施例１〜１６で用いた太陽電池素子１０では、まず、シリコン基板１の全面にＡＬＤ法を用いて第１パッシベーション層９ａとして酸化アルミニウム層を形成した。
次に、実施例１〜１４で用いた太陽電池素子１０では、保護層１１としてＡＬＤ法を用いて酸化シリコン層を形成した。また、実施例１５で用いた太陽電池素子１０では、保護層１１としてＡＬＤ法を用いて酸化シリコン層および酸化ジルコニウム層の積層構造を備えた保護層１１を形成した。また、実施例１６では、保護層１１としてＡＬＤ法を用いて酸化シリコン層および酸化ハフニウム層の積層構造を備えた保護層１１を形成した。
ＡＬＤ法は次のようにして行なった。成膜装置のチャンバー内にシリコン基板１を載置して、シリコン基板１の表面温度が１００〜２００℃程度になるように維持した。そして、アルミニウム原料としてＴＭＡを使用した。シリコン原材料としては、ＢＤＥＡＳまたはＴＤＭＡＳを使用した。ジルコニウム原料としては、ＴＥＭＡＺを使用した。ハフニウム原料としては、ＴＥＭＡＨを使用した。さらに、酸化剤としては、Ｏ３ガスを用いた。
上述した工程Ａから工程Ｄを複数回繰り返すことによって、約３０ｎｍの厚みの酸化アルミニウムからなる第１パッシベーション層９ａ（比較例１，２、実施例１〜１６）を形成した。また、同様にして工程Ａ〜工程Ｄを複数回繰り返すことによって、５〜２０ｎｍの厚みの酸化シリコンの単層構造の保護層１１（実施例１〜１６）を形成した。ただし、実施例１および実施例３〜６は、保護層１１の成膜時に、キャリアガスとしてＣＯ２ガスを使用して、酸化シリコン中の炭素濃度を増大させた。また、上記と同様にして、５ｎｍの厚みの酸化シリコン層と２ｎｍの厚みの酸化ジルコニウム層との積層構造を備えた保護層１１（実施例１５）を形成した。さらに、上記と同様にして、５ｎｍの厚みの酸化シリコン層と２ｎｍの厚みの酸化ハフニウム層との積層構造を備えた保護層１１（実施例１６）を形成した。
また、実施例１２〜１４では、他の製造条件は実施例２と同様として、酸化アルミニウムからなる第１パッシベーション層９ａの形成前に、シリコン基板１上に酸化シリコンからなる厚み０．３〜１ｎｍの第２パッシベーション層９ｂをＡＬＤ法によって形成した。
また、比較例１では保護層１１を形成しなかった。さらに、比較例２では、酸化シリコンからなる保護層１１をＰＥＣＶＤ法で形成した。
その後、第１主面１ａ側の保護層１１の上に、ＰＥＣＶＤ法によって窒化シリコン膜からなる反射防止層５を形成した。そして、第１主面１ａ側には銀ペーストを第１電極６のパターンに塗布し、第２主面１ｂ側には銀ペーストを第２電極７のパターンに塗布した。また、第２主面１ｂ側に、アルミニウムペーストを第３電極８のパターンに塗布した。そして、これら導電性ペーストを焼成することによって、第３半導体領域４、第１電極６、第２電極７および第３電極８を形成して、太陽電池素子１０を作製した。
比較例１，２および実施例１〜１６で用いた太陽電池素子の形成条件を表１に示す。
Figure 0006285545
そして、各実施例および比較例２で用いた太陽電池素子１０の保護層１１に含まれる炭素、水素および窒素等の濃度をＳＩＭＳ法で測定した。なお、比較例２において、「検出せず」とは、０．０１原子％未満を検出せずとした。また、保護層１１等の厚さは、分光エリプソメーターまたはＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）で測定した。
また、図８に示すような太陽電池モジュール２０を作製して、各実施例および比較例１，２について、次に示す信頼性試験を行なった。
信頼性試験は、各実施例および比較例１，２の太陽電池モジュール２０を温度１２５℃、湿度９５％の恒温恒湿試験機に投入し、１５０時間後および４００時間後に、初期最大出力（以下、Ｐｍという）からの出力低下率を測定した。太陽電池モジュールのＰｍの測定はＪＩＳ Ｃ ８９１３に基づいて、ＡＭ（Ａｉｒ Ｍａｓｓ）１．５および１００ｍＷ／ｃｍ２の条件下にて測定した。これらの測定結果も表１に示す。なお、表１に示すＰｍの数値は、比較例１を１００として、比較例２、実施例１〜１６の測定結果を規格化したものである。
表１に示すように、比較例２ではＰｍが比較例１よりも若干低下した。また、比較例１および比較例２では、実施例１〜１６よりも信頼性試験による出力低下率が大きくなった。
比較例２のＰｍの低下は、保護層１１をＰＥＣＶＤ法によって作製する際に、パッシベーション層９がプラズマによって劣化したためと考えられる。また、比較例２の信頼性試験における太陽電池モジュール２０の出力低下率の結果は以下の原因が考えられる。ＰＥＣＶＤ法で形成した保護層１１の膜厚が不均一であったため、保護層１１の膜厚の薄い領域で水分の浸透が進み、パッシベーション層９が選択的に劣化したと考えられる。
また、実施例１〜１０および実施例１２〜１６（ＡＬＤ法で成膜した酸化シリコンの保護層１１の膜厚が３〜１５ｎｍである太陽電池素子を用いた場合）では、いずれも比較例１と同等かそれ以上のＰｍであったことを確認した。また、実施例１１では、酸化アルミニウムとは逆の固定電荷を有する酸化シリコンの保護層１１の膜厚が２０ｎｍであったため、Ｐｍは比較例１よりも若干低くなったが、比較例２よりも高いことを確認した。
また、保護層１１を備えていない太陽電池素子を用いた比較例１では、４００時間経過で３．１％も出力が低下した。これに対し、保護層１１を備えている実施例１〜１６の太陽電池モジュール２０では、４００時間経過しても１．１％以下の出力低下率であり、Ｐｍを長時間に亘って維持する効果を確認できた。
また、実施例１および実施例３〜６および実施例１０においては、太陽電池モジュールの信頼性試験における出力低下率は特に小さくなることが確認できた。実施例１および実施例３〜６の出力低下率の結果は、保護層１１中の炭素濃度の増大によって透湿率が小さくなったためと考えられる。ただし、実施例１の出力低下率の結果は、実施例５の結果と比較すると、窒素の存在により透湿率が小さくなったためと考えられる。また、実施例１０の出力低下率の結果は、酸化シリコンを厚く形成したので、炭素濃度が小さくても透湿率が小さくなったためと考えられる。
また、実施例１５，１６の場合は、全体の保護層１１の膜厚を低減することができて、保護層１１の厚さが同一の実施例７と比べて太陽電池モジュール２０の出力低下率を小さくできることが分かった。
なお、表１には示していないが、窒素が保護層１１中に０．１〜０．５原子％程度存在することで炭素が含有されている場合と同様に、パッシベーション層９へ到達する水分の量を低減し得ることが分かった。
また、厚さが０．３〜１ｎｍの酸化シリコンからなる第２パッシベーション層９ｂが形成された実施例１２〜１４の場合には、太陽電池モジュール２０のＰｍを向上させることができた。これは、シリコン基板１と第１パッシベーション層９ａとの界面の欠陥が低減されたためと考えられる。
１ ：シリコン基板
１ａ：第１主面
１ｂ：第２主面
１ｃ：側面
２ ：第１半導体層（ｐ型半導体領域）
３ ：第２半導体層（ｎ型半導体領域）
４ ：第３半導体層
５ ：反射防止層
６ ：第１電極
６ａ：出力取出電極
６ｂ：集電電極
７ ：第２電極
８ ：第３電極
９ ：パッシベーション層
９ａ：第１パッシベーション層
９ｂ：第２パッシベーション層
１０ ：太陽電池素子
１０ａ：第１主面
１０ｂ：第２主面
１０ｃ：側面
１１ ：保護層
２０ ：太陽電池モジュール
２１ ：配線導体
２２ ：出力取出配線
２３ ：透明部材
２４ ：表側充填材
２５ ：裏側充填材
２６ ：裏側保護材
２７ ：枠体
２８ ：端子ボックス

Claims (7)

  1. 一方主面にｐ型半導体領域を有するシリコン基板と、
    前記ｐ型半導体領域の上に配置された、酸化アルミニウムを含む第１パッシベーション層と、
    前記ｐ型半導体領域と前記第１パッシベーション層との間に配置された、酸化シリコンを含む第２パッシベーション層と、
    前記第１パッシベーション層の上に配置された、水素および炭素を含有している酸化シリコンを含む保護層と、を備え、
    前記第２パッシベーション層の厚みは、前記保護層の厚みよりも小さく、前記第２パッシベーション層および前記保護層の合計の厚みは、前記第１パッシベーション層の厚みよりも小さい、太陽電池素子。
  2. 前記保護層は窒素をさらに含有している、請求項１に記載の太陽電池素子。
  3. 前記保護層は、水素濃度が１〜１０原子％であり、かつ炭素濃度が１〜１０原子％である、請求項１または請求項２に記載の太陽電池素子。
  4. 前記保護層の厚さが３〜１５ｎｍである、請求項１から請求項３のいずれか１つの請求項に記載の太陽電池素子。
  5. 前記保護層は、酸化シリコン層と、ジルコニウムおよびハフニウムのうち１種以上を含む１層以上の金属酸化物層とが積層された構造を有している、請求項１から請求項４のいずれか１つの請求項に記載の太陽電池素子。
  6. 前記シリコン基板の前記一方主面の反対側に位置する他方主面にｎ型半導体領域が配置されており、該ｎ型半導体領域の上に窒化シリコン層が配置されている、請求項１から請求項５のいずれか１つの請求項に記載の太陽電池素子。
  7. 請求項１から請求項６のいずれか１つの請求項に記載の太陽電池素子を備えている太陽電池モジュール。
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