JP6350979B2 - 太陽電池 - Google Patents

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Description

本発明は、太陽電池に関する。
結晶シリコン基板の上に、非晶質シリコン薄膜を形成した太陽電池においては、非晶質シリコン薄膜として、膜質の異なる層を積層した積層構造を形成することにより、太陽電池の特性を改善することが提案されている（例えば、特許文献１等）。
特開２００５−１０１２３９号公報
しかしながら、積層構造において、各層は、隣接する層から影響を受けるため、各層の膜質を制御するのが困難であるという課題があった。
本発明の目的は、結晶シリコン基板の上に、積層構造を有する非晶質シリコン薄膜を形成した太陽電池であって、積層構造における層が、隣接する層からの影響を受けにくくすることができる太陽電池を提供することにある。
本発明の太陽電池は、第１の主面及び第２の主面を有する一導電型の結晶シリコン基板と、前記第１の主面側に設けられる他導電型の第１の非晶質シリコン膜と、前記第２の主面側に設けられる一導電型の第２の非晶質シリコン膜とを備え、前記第１の非晶質シリコン膜及び前記第２の非晶質シリコン膜の少なくとも一方が、複数の層からなる積層構造を有しており、該積層構造におけるいずれかの層間に酸素高濃度層が設けられている。
本発明によれば、結晶シリコン基板の上に形成した非晶質シリコン薄膜の積層構造における層が、隣接する層からの影響を受けにくくすることができる。
実施形態の太陽電池の膜構造を示す模式的断面図である。
以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、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場合がある。
図１は、実施形態の太陽電池の膜構造を示す模式的断面図である。図１に示す太陽電池１は、一導電型の結晶シリコン基板２を備えている。一導電型の結晶シリコン基板２は、第１の主面３及び第２の主面４を有している。第１の主面３の上には、真性の非晶質シリコン膜５が形成されている。真性の非晶質シリコン膜５の上には、他導電型の第１の非晶質シリコン膜１０が設けられている。第１の非晶質シリコン膜１０は、他導電型の非晶質シリコン層１１、１２及び１３を、この順序で積層した積層構造を有している。第１の非晶質シリコン膜１０の上には、透明電極７が設けられている。
結晶シリコン基板２の第２の主面４の上には、真性の非晶質シリコン膜６が形成されている。真性の非晶質シリコン膜６の上には、一導電型の第２の非晶質シリコン膜２０が設けられている。第２の非晶質シリコン膜２０は、一導電型の非晶質シリコン層２１、２２及び２３を、この順序で積層した積層構造を有している。第２の非晶質シリコン膜２０の上には、透明電極８が設けられている。
結晶シリコン基板２は、単結晶シリコンから形成されていてもよいし、多結晶シリコンから形成されていてもよい。また、本明細書において、「非晶質」には、微結晶も含まれる。
本実施形態では、第１の非晶質シリコン膜１０において、非晶質シリコン層１１と非晶質シリコン層１２の間に、酸素高濃度層３１が設けられている。また、非晶質シリコン層１２と非晶質シリコン層１３の間に、酸素高濃度層３２が設けられている。さらに、第２の非晶質シリコン膜２０において、非晶質シリコン層２１と非晶質シリコン層２２の間に、酸素高濃度層３３が設けられている。また、非晶質シリコン層２２と非晶質シリコン層２３の間に、酸素高濃度層３４が設けられている。
非晶質シリコン層１１と非晶質シリコン層１２の間に、酸素高濃度層３１を設けることにより、非晶質シリコン層１２を形成する際に、下地層である非晶質シリコン層１１からの影響を少なくすることができる。したがって、非晶質シリコン層１１の膜質の影響を低減させて、非晶質シリコン層１２を形成することができる。同様に、非晶質シリコン層１２と非晶質シリコン層１３の間に、酸素高濃度層３２を設けることにより、非晶質シリコン層１３を形成する際に、下地層である非晶質シリコン層１２からの影響を低減させて、非晶質シリコン層１３を形成することができる。
また、非晶質シリコン層２１と非晶質シリコン層２２の間に、酸素高濃度層３３を設けることにより、非晶質シリコン層２２を形成する際に、下地層である非晶質シリコン層２１からの影響を低減させて、非晶質シリコン層２２を形成することができる。同様に、非晶質シリコン層２２と非晶質シリコン層２３の間に、酸素高濃度層３４を設けることにより、非晶質シリコン層２３を形成する際に、下地層である非晶質シリコン層２２からの影響を低減させて、非晶質シリコン層２３を形成することができる。
酸素高濃度層３１〜３４は、水素やドーパントなどの拡散を防止するブロック層として機能する。このため、その上に非晶質シリコン層を形成する際に、酸素高濃度層の下に位置する非晶質シリコン層からの影響を低減させることができる。また、薄膜形成後においても、隣接する非晶質シリコン層からの水素やドーパントなどの拡散を防止することができる。
酸素高濃度層３１〜３４における酸素濃度は、隣接する非晶質シリコン層における酸素濃度の１．５倍から１０００倍の間であることが好ましい。酸素高濃度層３１〜３４における酸素濃度の下限値は１×１０１９ｃｃ−１程度であることが好ましく、また、酸素高濃度層３１〜３４における酸素濃度の上限値は１×１０２２ｃｃ−１程度であることが好ましく、さらに、酸素高濃度層３１〜３４における酸素濃度は５×１０１９ｃｃ−１から５×１０２１ｃｃ−１の範囲にあることが好ましい。酸素濃度をこれらの範囲内にすることにより、水素やドーパントなどの拡散をより効果的に防止することができる。
酸素高濃度層３１〜３４の厚みの下限値は０．５ｎｍ程度であることが好ましく、また、酸素高濃度層３１〜３４の厚みの上限値は１０．０ｎｍ程度であることが好ましく、さらに、酸素高濃度層３１〜３４の厚みは１．０ｎｍから５．０ｎｍの範囲にあることが好ましい。
結晶シリコン基板２の導電型がｎ型である場合、第１の非晶質シリコン膜１０の導電型はｐ型となり、第２の非晶質シリコン膜２０の導電型はｎ型となる。また、結晶シリコン基板２の導電型がｐ型である場合、第１の非晶質シリコン膜１０の導電型はｎ型となり、第２の非晶質シリコン膜２０の導電型はｐ型となる。上述の酸素高濃度層の効果は、ｐ型の非晶質シリコン層の間に設けた場合の方が、ｎ型の非晶質シリコン層の間に設けた場合よりも大きくなる。これは、ｐ型の非晶質シリコンの方がｎ型の非晶質シリコンに比べて水素やドーパントが拡散し易いため、成膜時に隣接する非晶質シリコン層からの影響が大きい。そのため、酸素高濃度層を設けることによる隣接する非晶質シリコン層からの影響は、ｐ型の非晶質シリコン層の間に設けた場合の方が、ｎ型の非晶質シリコン層の間に設けた場合よりも低減する効果が大きい。
上述の酸素高濃度層の効果は、酸素高濃度層３１、酸素高濃度層３２のうち、透明電極７に最も近い層間に設けた酸素高濃度層３２の場合に、大きな効果が得られる。また、酸素高濃度層３３、酸素高濃度層３４のうち、透明電極８に最も近い層間に設けた酸素高濃度層３４の場合に、大きな効果が得られる。その理由は、透明電極に近い層においては透明電極との間の接触抵抗を良好に保つために、高いドーパント濃度が必要であり、その結果、水素やドーパントが拡散する原動力が強くなるためである。したがって、酸素高濃度層３２は、酸素高濃度層３１よりも大きな効果を示し、酸素高濃度層３４は、酸素高濃度層３３よりも大きな効果を示す。
酸素高濃度層３１と酸素高濃度層３４とを比較した場合、酸素高濃度層３１は、酸素高濃度層３４よりも大きな効果を示す。その理由は、ｐ型の非晶質シリコンの方がｎ型の非晶質シリコンに比べて水素やドーパントが拡散し易いため、成膜時に隣接する非晶質シリコン層からの影響が大きいためである。
以下、結晶シリコン基板２の導電型がｎ型であり、第１の非晶質シリコン膜１０の導電型がｐ型であり、第２の非晶質シリコン膜２０の導電型がｎ型である場合について説明する。
ｐ型の非晶質シリコン層１１〜１３におけるドーパント濃度は、ｉ型（真性）の非晶質シリコン膜５よりも高く、１×１０２０ｃｃ−１以上であることが好ましい。また、ｐ型の非晶質シリコン層１１〜１３の厚みは、光の吸収をできるだけ少なくするように薄くし、一方で結晶シリコン基板２内部で発生したキャリアを接合部で効果的に分離し、かつキャリアを透明電極７で効率よく収集できる程度に厚くすることが好ましい。具体的には、ｐ型の非晶質シリコン層１１〜１３の厚みは、合計で１ｎｍから２０ｎｍの間であることが好ましい。
ｎ型の非晶質シリコン層２１〜２３におけるドーパント濃度及び厚みは、ｉ型（真性）の非晶質シリコン膜６よりも高く、１×１０２０ｃｃ−１以上であることが好ましい。また、ｎ型の非晶質シリコン層２１〜２３の厚みは、光の吸収をできるだけ少なくするように薄くし、一方で結晶シリコン基板２内部で発生したキャリアを接合部で効果的に分離し、かつキャリアを透明電極８で効率よく収集できる程度に厚くすることが好ましく、具体的には、ｎ型の非晶質シリコン層２１〜２３の厚みは、合計で１ｎｍから２０ｎｍの間であることが好ましい。
ｉ型（真性）の非晶質シリコン膜５及び６におけるｐ型またはｎ型のドーパント濃度は、５×１０１８ｃｍ以下であることが好ましい。また、非晶質シリコン膜５及び６の厚みは、光の吸収をできるだけ抑えられるように薄くし、一方で結晶シリコン基板２の表面が十分にパッシベーションされる程度に厚くすることが好ましい。具体的には、１ｎｍ以上２５ｎｍ以下であることが好ましく、さらには５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。
透明電極７及び８は、例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電性酸化物等から形成することができる。
太陽電池１の各層は、以下のようにして形成することができる。
まず、結晶シリコン基板２の表面は、各層の成膜前に洗浄されていることが好ましい。具体的には、フッ化水素酸溶液やＲＣＡ洗浄液を用いて行うことができる。また、水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ水溶液）等のアルカリ性エッチング液を用いて、結晶シリコン基板２の表面や裏面にテクスチャ構造を形成することが好ましい。この場合、（１００）面を有する結晶シリコン基板２をアルカリ性エッチング液で異方性エッチングすることによって、ピラミッド型の（１１１）面を有するテクスチャ構造を形成することができる。また、非晶質シリコン膜５および非晶質シリコン膜６との整合性を良くするために、非晶質シリコン膜５および非晶質シリコン膜６の成膜前に所定の酸化処理をして、酸化界面を形成してもよい。所定の酸化処理としては、大気や湿度制御された雰囲気中に所定時間放置するか、オゾン水処理、過酸化水素水処理、オゾナイザー処理などを適宜使用することが出来る。
非晶質シリコン膜５、非晶質シリコン膜６、非晶質シリコン膜１０および非晶質シリコン膜２０は、プラズマ化学気相成長、熱化学気相成長、光化学気相成長およびスパッタリングなどの方法により形成することができる。プラズマ化学気相成長には、ＲＦプラズマ方式、ＶＨＦプラズマ方式、さらにマイクロ波プラズマ方式などいずれの手法を用いても良い。例えばＲＦプラズマ化学気相成長を用いる場合は、表１に示すように、シラン（ＳｉＨ４）等のケイ素含有ガス、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）等のｐ型ドーパント含有ガスおよびホスフィン（ＰＨ３）等のｎ型ドーパント含有ガスを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て、加熱された結晶シリコン基板２の表面に供給することによって形成することができる。なお、成膜時の基板温度は１５０℃から２５０℃の範囲にあることが好ましい。また、成膜時のＲＦ電力密度は１ｍＷ／ｃｍ２から１０ｍＷ／ｃｍ２の範囲にあることが好ましい。
酸素高濃度層３１、酸素高濃度層３２、酸素高濃度層３３および酸素高濃度層３４は、プラズマ化学気相成長、熱化学気相成長、光化学気相成長およびスパッタリングなどの方法により形成することができる。具体的には、二酸化炭素（ＣＯ２）や酸素（Ｏ２）などの酸素（Ｏ）含有ガス雰囲気化でＲＦプラズマ気相成長などを行うことで、形成することができる。また、これらの酸素高濃度層は、大気や湿度制御された雰囲気中に所定時間放置するか、オゾン水処理、過酸化水素水処理、オゾナイザー処理などを行うことによっても形成することができる。例えばＲＦプラズマ化学気相成長を用いる場合は、表１に示すように、ＣＯ２などの酸素含有ガスを供給し、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て、加熱された結晶シリコン基板２の表面に供給することによって形成することができる。なお、成膜時の基板温度は１５０℃から２５０℃の範囲にあることが好ましい。また、成膜時のＲＦ電力密度は１ｍＷ／ｃｍ２から１０ｍＷ／ｃｍ２の範囲にあることが好ましい。
本実施形態では、表１に示すように、ＣＯ２などの酸素含有ガスを供給し、非晶質シリコン膜を酸化することにより、酸素高濃度層を形成しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ＳｉＨ４ガスとともに、ＣＯ２などの酸素含有ガスを供給し、酸素を高濃度に含んだ非晶質シリコン膜を形成することにより、酸素高濃度層を形成してもよい。
半導体膜中の各元素の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）等で測定することができる。結晶シリコン基板２にテクスチャ構造を設けた場合、テクスチャによる膜厚方向への分解能が低下しない方法で膜中の各元素の濃度を測定すればよい。
透明電極７、８は、それぞれ非晶質シリコン膜１０又は非晶質シリコン膜２０上に形成される。透明電極７、８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）、または酸化チタン（ＴｉＯ２）などの金属酸化物を少なくとも一つを含んで構成され、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）などのドーパントがドープされていても良い。透明電極７、８は、蒸着、化学気相成長、スパッタリング等の薄膜形成方法により形成することができる。透明電極７、８の膜厚は、透明電極の抵抗が十分小さい程度に厚く、かつ、透明電極での吸収が十分小さい程度に薄く、さらに表面での光の反射を低減できる程度の膜厚であることが好ましい。具体的には、透明電極７、８の膜厚は、５０ｎｍから１００ｎｍの範囲にあることが好ましい。
Figure 0006350979
上記実施形態では、積層構造における全ての層間に酸素高濃度層が設けられているが、本発明はこれに限定されるものではない。積層構造におけるいずれかの層間に酸素高濃度層が設けられていればよい。また、上記実施形態では、結晶シリコン基板と第１の非晶質シリコン膜及び第２の非晶質シリコン膜の間に、真性の非晶質シリコン膜が設けられているが、本発明をこれに限定されるものではない。結晶シリコン基板側の上に、直接第１の非晶質シリコン膜または第２の非晶質シリコン膜が設けられていてもよい。
１…太陽電池
２…結晶シリコン基板
３…第１の主面
４…第２の主面
５…非晶質シリコン膜
６…非晶質シリコン膜
７…透明電極
８…透明電極
１０…第１の非晶質シリコン膜
１１〜１３…非晶質シリコン層
２０…第２の非晶質シリコン膜
２１〜２３…非晶質シリコン層
３１〜３４…酸素高濃度層

Claims (3)

  1. 第１の主面を有する第１導電型の結晶シリコン基板と、
    前記第１の主面側に設けられる真性の非晶質シリコン膜と、
    前記真性の非晶質シリコン膜の上に設けられる第２導電型の第１の非晶質シリコン層と、
    前記第１の非晶質シリコン層の上に設けられる酸素高濃度層と、
    前記酸素高濃度層の上に設けられる前記第２導電型の第２の非晶質シリコン層と、を備え、
    前記酸素高濃度層の酸素濃度は、前記第１の非晶質シリコン層および前記第２の非晶質シリコン層の酸素濃度より高く、
    前記第１の非晶質シリコン層および前記第２の非晶質シリコン層のドーパント濃度は、１×１０２０ｃｃ−１以上である、太陽電池。
  2. 前記第１導電型と前記第２導電型とは同じ導電型である、請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記第１導電型と前記第２導電型とは異なる導電型である、請求項１に記載の太陽電池。
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