JP6312060B2 - 太陽電池 - Google Patents
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Description
本発明は、裏面接合型の太陽電池に関する。
ｐｎ接合を非晶質半導体で形成し、そのｐｎ接合について薄膜の真性非晶質半導体膜を介在させた光起電力装置が知られている（特許文献１）。
特許文献２には、ｎ型半導体層によって形成される第１主面と、ｐ型半導体層によって形成される第２主面とを有する両面接合型の太陽電池において、第１主面上に形成される第１透明導電膜のｎ型半導体層側における水素含有量が第２主面上に形成される第２透明導電膜の水素含有量よりも低いことが開示されている。このようにすることで、第１主面を形成するｎ型半導体層に表面に対する水素ラジカルの影響を低減できるとされる。また、第１透明導電膜において、ｎ型半導体層と反対側における水素含有率は、ｎ型半導体層側における水素含有率よりも高くすることも開示されている。
裏面接合型の太陽電池において、透明導電膜を密着性の観点から最適な構成とすることが必要である。
本発明に係る太陽電池は、第1導電型の半導体基板の一方の面上において、第1導電型の非晶質半導体層と第２導電型の非晶質半導体層とが配置された光電変換素子と、第１導電型の非晶質半導体層上に配置された第１領域と、第２導電型の非晶質半導体層上に配置された第２領域とから構成される透明導電膜と、透明導電膜の第１領域上に配置された第１電極と、第２領域上に配置された第２電極とから構成される電極層と、を含み、第１導電型の非晶質半導体層と第２導電型の非晶質半導体層とは、ケイ素含有層であり、透明導電膜は、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化錫、および酸化チタンの少なくとも１つを含んで構成され、電極層は、Ｃｕを含み、透明導電膜は、第１導電型の非晶質半導体層および第２導電型の非晶質半導体層の側における密度が、電極層の側における密度よりも低く、かつ、第１導電型の非晶質半導体層および第２導電型の非晶質半導体層の側における密度が６．７０ｇ／ｃｍ ３ 以上６．９０ｇ／ｃｍ ３ 未満で、電極層の側における密度が７．００ｇ／ｃｍ ３ 以上７．１５ｇ／ｃｍ ３ 以下である。
上記構成により、透明導電膜の非晶質半導体層側における密着性と、電極層側における密着性をそれぞれ最適とすることができる。
以下に図面を用いて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下で述べる厚さ等は説明のための例示であって、太陽電池の仕様に応じ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において一または対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、裏面接合型の太陽電池１０の構造を示す断面図である。裏面接合型の太陽電池１０は、その受光面の反対側の裏面に、光電変換を行うｐｎ接合を形成し、電極も裏面にのみ設けるものである。このように、受光面に電極を一切配置しないので、受光面積が広く取れ、面積当たりの光電変換効率が向上する。図１では、紙面の上側が受光面側で、下側が裏面である。なお、以下では、特に断らない限り、裏面接合型の太陽電池１０のことを、単に太陽電池１０と呼ぶことにする。
図１において、基板１２は、結晶系の半導体材料から構成されている。基板１２は、ｎ型またはｐ型の導電型の結晶性半導体基板とすることができる。基板１２としては、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板、インジウムリン（ＩｎＰ）基板等を用いることができる。基板１２は、入射された光を吸収することで、光電変換により電子および正孔のキャリア対を発生させる。以下では、基板１２としてｎ型シリコン単結晶を用いる例を説明する。そこで、図１では、基板１２として、ｎ−ｃ−Ｓｉと示した。
パッシベーション層１４は、光電変換が行われる基板１２の受光面である表面に設けられ、基板１２の表面を保護する層で、ｉ型非晶質半導体層とｎ型非晶質半導体層の積層構造を有する。以下では、ｉ型非晶質半導体層をｉ層、ｎ型非晶質半導体層をｎ層と呼び、同様にｐ型非晶質半導体層をｐ層と呼ぶことにする。
反射防止層１６は、パッシベーション層１４上に設けられ、受光面における反射を抑制する機能を有する絶縁膜層で、ＳｉＮＸ層が用いられる。
ｎ型領域のためのｉ層２０は、洗浄後の基板１２の裏面上に形成される。基板１２の洗浄は、フッ化水素酸（ＨＦ）水溶液やＲＣＡ洗浄液を用いて行われる。基板１２の洗浄の後に、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液等のアルカリエッチング液を用いて基板の表面や裏面にテクスチャ構造を形成してもよい。
ｉ層２０は、例えば水素を含む非晶質の半導体層とできる。図１では、ｉ−ａとしてｉ層２０を示した。ｉ層２０は、プラズマＣＶＤ等により形成することができる。例えば、シラン（ＳｉＨ４）等のケイ素含有ガスおよび希釈ガスとして水素を供給し、平行平板電極等にＲＦ高周波電力を印加してプラズマ化し、加熱された基板の成膜面に供給することでｉ層の形成が行われる。ｉ層２０の厚さの一例を示すと、約１〜２５ｎｍで、好ましくは約３〜１０ｎｍとすることがよい。
ｎ層２２は、ｉ層２０の上に形成される。ｎ層２２は、水素を含む非晶質半導体層にｎ型の導電型の元素であるドナーを含む。図１では、ｎ−ａとしてｎ層２２を示した。ｎ層２２もプラズマＣＶＤ法等により形成することができる。例えば、シラン（ＳｉＨ４）等のケイ素含有ガスに、ホスフィン（ＰＨ３）等のｎ型元素を含むガスを加え、水素で希釈して供給し、平行平板電極等にＲＦ高周波電力を印加してプラズマ化し、加熱された基板の成膜面に供給することでｎ層２２の形成が行われる。ｎ層２２の厚さの一例を示すと、約５〜２０ｎｍで、好ましくは約１０〜１５ｎｍとすることがよい。
ｉ層２０とｎ層２２でｎ型領域が形成される。ｉ層２０とｎ層２２を基板１２の裏面側に形成する際に同時に受光面側にも形成し、これを受光面側のパッシベーション層１４とすることができる。
ＳｉＮＸ層２４は、ｎ型領域とｐ型領域とを分離するため等に用いられる窒化シリコン膜層である。窒化シリコンの代表はＳｉ３Ｎ４であるが、成膜条件によっては必ずしもＳｉ３Ｎ４の組成とならずに一般的にはＳｉＮＸの組成となる。ＳｉＮＸ層２４もプラズマＣＶＤ法等により形成することができる。例えば、シラン（ＳｉＨ４）等のケイ素含有ガスとともに窒素ガスを供給し、平行平板電極等にＲＦ高周波電力を印加してプラズマ化し、加熱された基板の成膜面に供給することでＳｉＮＸ層２４の形成が行われる。ＳｉＮＸ層２４の厚さの一例を示すと、約１０〜５００ｎｍで、好ましくは約５０〜１００ｎｍとすることがよい。
ＳｉＮＸ層２４を基板１２の裏面側に形成する際に同時に受光面側にも形成し、これを受光面側の反射防止層１６とすることができる。
ｐ型領域のためのｉ層２６は、ＳｉＮＸ層２４をマスクとして、ｎ型領域以外のｉ層２０とｎ層２２を除去して基板１２を露出させ、その露出した基板１２上に形成される。ｐ型領域のためのｉ層２６は、ｎ型領域のためのｉ層２０と同様に、プラズマＣＶＤ等により形成することができる。ｉ層２６の厚さもｉ層２０と同様に約１〜２５ｎｍで、好ましくは約３〜１０ｎｍとすることがよい。
ｐ層２８は、ｉ層２６の上に形成される。ｐ層２８は、水素を含む非晶質半導体層にｐ型の導電型の元素であるアクセプタを含む。図１では、ｐ−ａとしてｐ層２８を示した。ｐ層は、プラズマＣＶＤ法等により形成することができる。ｐ層２８の厚さの一例を示すと、約５〜２０ｎｍで、好ましくは約１０〜１５ｎｍとすることがよい。ｉ層２６とｐ層２８でｐ型領域が形成される。
透明導電膜層３０は、ｐ層２８とｎ層２２の上に形成される。ｐ型領域の形成の間、ｎ層２２はＳｉＮＸ層２４で覆われているので、ＴＣＯ３０の形成に先立ってｎ層２２の上のＳｉＮＸ層２４に開口部が設けられる。
透明導電膜層３０は、例えば、多結晶構造を有する酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化錫（ＳｎＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）等の金属酸化物を少なくとも１つ含んで構成される。これらの金属酸化物に錫（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、タングステン（Ｗ）、アンチモン（Ｓｂ）、チタン（Ｔｉ）、セリウム（Ｃｅ）、ガリウム（Ｇａ）等の元素が添加されていてもよい。透明導電膜層３０は、スパッタ法、蒸着法、プラズマＣＶＤ法等の薄膜形成方法により形成できる。透明導電膜層３０の厚さの一例を示すと、約５０〜１５０ｎｍである。
透明導電膜層３０は、二層構造で構成される。ｐ層２８とｎ層２２に接触する非晶質半導体層側の第１層３２と、その反対側で後述する電極層３６に接触する電極層側の第２層３４である。第１層３２と第２層３４は、非晶質半導体層側における接触抵抗と、電極層側における接触抵抗とをそれぞれ最適とするために、密度を異ならせて形成される。密度の異なる第１層３２、第２層３４は、例えば、スパッタ法、蒸着法やプラズマＣＶＤ法等における成膜条件を第１層３２と第２層３４とで異ならせることにより形成することができる。第１層３２の密度と第２層３４の密度の設定の詳細については後述する。
膜厚は、第１層３２よりも第２層３４の方が厚くなるように設定される。一例を挙げると、第１層３２の膜厚を約１５〜３５ｎｍとし、第２層３４の膜厚を約３５〜１１５ｎｍとすることができる。
電極層３６は、透明導電膜層３０の上に形成されるＣｕメッキ層である。電極層３６は、ｎ型電極とｐ型電極に分離されて形成される。電極層３６は、下地電極層とＣｕメッキ層とから構成されていてもよい。この場合、透明導電膜層３０の上に下地電極層を形成し、透明導電膜層３０と下地電極層の積層体を、ｎ型電極用とｐ型電極用に分離する。そして、分離された下地電極層の上に電解メッキ法によってＣｕメッキ層を形成する。下地電極層はＣｕ層であり、スパッタ法、蒸着法等を用いて形成される。下地電極層の厚さの一例を示すと、１００ｎｍ〜１μｍである。ｎ型電極用とｐ型電極用に分離するには、エッチング法が用いられる。Ｃｕメッキ層の厚さの一例を示すと、約１０μｍから４０μｍである。なお、電極層３６の上に、さらに、Ｓｎメッキ層やＮｉメッキ層等を形成してもよい。Ｓｎメッキ層等の厚さの一例を示すと約１〜２μｍである。
次に、透明導電膜層３０の二層構造における第１層３２と第２層３４の密度の設定について、図２、図３を用いて説明する。
図２は、第１層３２の密度設定のために行った実験結果を示す図である。横軸は透明導電膜層（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｏｘｉｄｅ：ＴＣＯ）の膜密度で、縦軸は非晶質半導体層（ａ−Ｓｉ）と透明導電膜層（ＴＣＯ）との間の接触抵抗である。接触抵抗は、非晶質半導体層と透明導電膜層との間の密着性を評価する指標として用いた。
接触抵抗は、ＴＬＭ（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ Ｍｏｄｅｌ）法に準じて測定できる。ＴＬＭ法は、抵抗の両端にそれぞれ接触抵抗が接続するモデルを用い、抵抗の値は、抵抗の長さが長くなるほど大きくなるが接触抵抗は変化せず一定であることを利用する方法である。例えば、非晶質半導体層の上に透明導電膜で複数の電極を作り、電極間距離Ｄを変えると、非晶質半導体層の抵抗はＤに比例して変化する。Ｄを変化させて数個のデータを採取し、Ｄ＝０の切片の抵抗値を求めて、その値に基いて接触抵抗を算出することができる。
図２の結果から、非晶質半導体層と透明導電膜層との間の密着性が良好で安定するのは、透明電極膜層の密度が６．９０ｇ／ｃｍ３未満であることが分かる。また、６．８０ｇ／ｃｍ３未満であれば、密着性が更に良好で安定することが分かる。このことから、透明導電膜層３０の非晶質半導体層側の第１層３２の膜密度は、６．９０ｇ／ｃｍ３未満に設定される。さらに好ましくは、６．８０ｇ／ｃｍ３未満に設定することがよい。なお、第１層３２の膜密度の下限は、図２のデータから、約６．７０ｇ／ｃｍ３とすることができる。
図３は、第２層３４の密度設定のために行った実験結果を示す図である。横軸は透明導電膜（ＴＣＯ）の膜密度で、縦軸は、信頼性試験の前後における電極層３６であるＣｕ層と透明導電膜層（ＴＣＯ）の間の接触抵抗の増加量である。信頼性試験の前後における接触抵抗の増加量は、電極層と透明導電膜層との間の密着性を評価する指標として用いた。
図３の結果から、電極層と透明導電膜層の間の密着性が良好で安定するのは、透明電極膜層の密度が６．９０ｇ／ｃｍ３以上７．１５ｇ／ｃｍ３以下であることが分かる。また、７．００ｇ／ｃｍ３以上７．１５ｇ／ｃｍ３以下であれば、密着性が更に良好で安定することが分かる。また、７．０５ｇ／ｃｍ３以上７．１５ｇ／ｃｍ３以下とすれば、密着性が更に良好で安定する。
このことから、透明導電膜層３０の電極層側の第２層３４の膜密度は、６．９０ｇ／ｃｍ３以上７．１５ｇ／ｃｍ３以下に設定される。さらに好ましくは、７．００ｇ／ｃｍ３以上７．１５ｇ／ｃｍ３以下、それよりも好ましくは、７．０５ｇ／ｃｍ３以上７．１５ｇ／ｃｍ３以下に設定することがよい。
このように、透明導電膜層の密度を非晶質半導体層側と電極層側とにおいてそれぞれ好ましい値に設定することで、透明導電膜の非晶質半導体層側における密着性と、電極層側における密着性をそれぞれ最適とすることができる。
本発明は、裏面接合型の太陽電池に利用できる。
１０ 太陽電池、１２ 基板、１４ パッシベーション層、１６ 反射防止層、２０，２６ ｉ層、２２ ｎ層、２４ ＳｉＮＸ層、２８ ｐ層、３０ 透明導電膜層、３２ 第１層、３４ 第２層、３６ 電極層。
Claims (4)
- 第1導電型の半導体基板の一方の面上において、前記第1導電型の非晶質半導体層と第２導電型の非晶質半導体層とが配置された光電変換素子と、
前記第１導電型の非晶質半導体層上に配置された第１領域と、前記第２導電型の非晶質半導体層上に配置された第２領域とから構成される透明導電膜と、
前記透明導電膜の前記第１領域上に配置された第１電極と、前記第２領域上に配置された第２電極とから構成される電極層と、
を含み、
前記第１導電型の非晶質半導体層と第２導電型の非晶質半導体層とは、ケイ素含有層であり、
前記透明導電膜は、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化錫、および酸化チタンの少なくとも１つを含んで構成され、
前記電極層は、Ｃｕを含み、
前記透明導電膜は、
前記第１導電型の非晶質半導体層および前記第２導電型の非晶質半導体層の側における密度が、前記電極層の側における密度よりも低く、かつ、前記第１導電型の非晶質半導体層および前記第２導電型の非晶質半導体層の側における密度が６．７０ｇ／ｃｍ ３ 以上６．９０ｇ／ｃｍ ３ 未満で、前記電極層の側における密度が７．００ｇ／ｃｍ ３ 以上７．１５ｇ／ｃｍ ３ 以下である、太陽電池。 - 前記透明導電膜は、
前記第１導電型の非晶質半導体層上および前記第２導電型の非晶質半導体層上に形成された第１層と、前記第１層上に形成された第２層とを含む、請求項1に記載の太陽電池。 - 前記透明導電膜は、
前記第２層の厚さが前記第１層の厚さよりも大きい、請求項２に記載の太陽電池。 - 前記透明導電膜は、
前記電極層の側における密度が７．０５ｇ／ｃｍ３以上７．１５ｇ／ｃｍ３以下である、請求項１に記載の太陽電池。
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