JP6414767B2 - 太陽電池セル - Google Patents

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Description

本発明は、太陽電池セルに関し、特に裏面接合型の太陽電池セルに関する。
発電効率の高い太陽電池として、光が入射する受光面に対向する裏面にｎ型領域およびｐ型領域の双方が形成された裏面接合型の太陽電池がある。半導体基板の受光面側および裏面側の主面には、真性な非晶質半導体層が設けられる（例えば、特許文献１参照）。また、太陽電池の出力特性を向上させるために、半導体基板と非晶質半導体層との界面部分の酸素濃度を高くした構造が知られている（例えば、特許文献２参照）。
国際公開第２０１２／０９０６４３号 特開２０１３−１２６２２号公報
裏面接合型の太陽電池セルにおいて、非晶質半導体層に含まれる酸素濃度が適切に調整されることが望ましい。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、出力特性を向上させた太陽電池セルを提供することにある。
本発明のある態様の太陽電池セルは、ｎ型の結晶系シリコンで形成される半導体基板と、半導体基板の第１主面上の第１領域に非晶質シリコンで形成される第１積層体と、第１主面上の第１領域と異なる第２領域に非晶質シリコンで形成される第２積層体と、半導体基板の第１主面と反対側の第２主面上に非晶質シリコンで形成される第３積層体と、を備える。第２積層体は、第１積層体よりも高い酸素濃度を有する。
本発明によれば、出力特性を向上させた太陽電池セルを提供できる。
実施の形態に係る太陽電池セルを示す平面図である。 実施の形態に係る太陽電池セルの構造を示す断面図である。
本発明を具体的に説明する前に、概要を述べる。本発明の実施の形態は、裏面接合型の太陽電池セルであり、受光面とは反対の裏面側に相当する半導体基板の第１主面上にｎ型の第１領域と、ｐ型の第２領域とが設けられる。第１領域上にはｉ型の非晶質シリコンで形成される第１のｉ型層と、ｎ型の非晶質シリコンで形成される第１導電型層とが順に積層される。第２領域上にはｉ型の非晶質シリコンで形成される第２のｉ型層と、ｐ型の非晶質シリコンで形成される第２導電型層とが順に積層される。本実施の形態では、第１のｉ型層よりも第２のｉ型層の酸素濃度を高くすることで、太陽電池セルの出力を向上させる。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
図１は、実施の形態に係る太陽電池セル７０を示す平面図であり、太陽電池セル７０の裏面７０ｂの構造を示す。太陽電池セル７０は、裏面７０ｂに設けられるｎ側電極１４と、ｐ側電極１５を備える。ｎ側電極１４は、ｘ方向に延びるバスバー電極１４ａと、ｙ方向に延びる複数のフィンガー電極１４ｂとを含む櫛歯状に形成される。同様に、ｐ側電極１５は、ｘ方向に延びるバスバー電極１５ａと、ｙ方向に延びる複数のフィンガー電極１５ｂとを含む櫛歯状に形成される。ｎ側電極１４およびｐ側電極１５は、それぞれの櫛歯が噛み合って互いに間挿し合うように形成される。なお、ｎ側電極１４及びｐ側電極１５のそれぞれは、複数のフィンガーのみにより構成され、バスバーを有さないバスバーレス型の電極であってもよい。
図２は、実施の形態に係る太陽電池セル７０の構造を示す断面図であり、図１のＡ−Ａ線断面を示す。太陽電池セル７０は、半導体基板１０と、第１のｉ型層１２ｉと、第１導電型層１２ｎと、第２のｉ型層１３ｉと、第２導電型層１３ｐと、第１絶縁層１６と、第３のｉ型層１７ｉと、第３導電型層１７ｎと、第２絶縁層１８と、電極層１９とを備える。電極層１９は、ｎ側電極１４またはｐ側電極１５を構成する。太陽電池セル７０は、裏面７０ｂ側に第１導電型層１２ｎおよび第２導電型層１３ｐが設けられる裏面接合型の光起電力素子である。
半導体基板１０は、裏面７０ｂ側に設けられる第１主面１０ｂと、受光面７０ａ側に設けられる第２主面１０ａを有する。半導体基板１０は、第２主面１０ａに入射する光を吸収し、キャリアとして電子および正孔を生成する。半導体基板１０は、ｎ型またはｐ型の導電型を有する結晶性の半導体材料により構成される。本実施の形態における半導体基板１０は、ｎ型の単結晶シリコン基板である。
ここで、受光面７０ａは、太陽電池セル７０において主に光（太陽光）が入射される主面を意味し、具体的には、太陽電池セル７０に入射される光の大部分が入射される面を意味する。一方、裏面７０ｂは、受光面７０ａに対向する他方の主面を意味する。
第２主面１０ａには、受光面７０ａに入射される光を効率的に半導体基板１０に導くためのテクスチャ構造が形成される。本実施の形態では、基板面方位が（１００）面である単結晶シリコン基板の表面を水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液などのアルカリ溶液で異方性エッチングすることで、（１１１）面で構成されるテクスチャ構造が形成される。一方、裏面７０ｂ側の第１主面１０ｂは、平坦な（１００）面で形成される。したがって、第１主面１０ｂは平坦面である一方、第２主面１０ａはテクスチャ面である。
半導体基板１０の第１主面１０ｂの上には、第１積層体１２と第２積層体１３とが形成される。第１積層体１２および第２積層体１３はそれぞれ、ｎ側電極１４およびｐ側電極１５に対応するように櫛歯状に形成され、互いに間挿し合うように形成される。このため、第１積層体１２が設けられる第１領域Ｗ１と、第２積層体１３が設けられる第２領域Ｗ２は、第１主面１０ｂ上において、ｘ方向に交互に配列される。また、ｘ方向に隣接する第１積層体１２と第２積層体１３は接触して設けられる。したがって、本実施の形態では、第１積層体１２および第２積層体１３によって、第１主面１０ｂの実質的に全体が被覆される。
第１積層体１２は、第１主面１０ｂの上に形成される第１のｉ型層１２ｉと、第１のｉ型層１２ｉの上に形成される第１導電型層１２ｎにより構成される。第１のｉ型層１２ｉは、実質的に真性な非晶質半導体（以下、真性な半導体を「ｉ型層」ともいう）で構成される。なお、本実施の形態において、「非晶質半導体」には、微結晶半導体を含むものとする。微結晶半導体とは、非晶質半導体中に半導体結晶が析出している半導体をいう。
第１のｉ型層１２ｉは、水素（Ｈ）を含むｉ型の非晶質シリコンで構成され、例えば、数ｎｍ〜２５ｎｍ程度の厚さを有する。また、第１のｉ型層１２ｉは、第１主面１０ｂとの界面に酸素濃度が高い領域（高酸素濃度領域）を有する。高酸素濃度領域は、例えば、第１のｉ型層１２ｉの成膜初期に酸素（Ｏ）を含有するガスを導入したり、第１主面１０ｂを酸化剤で酸化したりすることにより形成される。第１のｉ型層１２ｉの形成方法は、特に限定されないが、例えば、プラズマＣＶＤ法等の化学気相成長（ＣＶＤ）法により形成することができる。なお、本明細書において、第１のｉ型層１２ｉの高酸素濃度領域における酸素濃度を「第１酸素濃度Ｄ１」ともいう。
第１導電型層１２ｎは、半導体基板１０と同じ導電型であるｎ型のドーパントが添加された非晶質半導体で構成される。本実施の形態における第１導電型層１２ｎは、水素を含むｎ型非晶質シリコンで構成される。第１導電型層１２ｎは、例えば、２ｎｍ〜５０ｎｍ程度の厚さを有する。
第１積層体１２の上には、第１絶縁層１６が形成される。第１絶縁層１６は、第１領域Ｗ１のうちｘ方向の中央部に相当する第３領域Ｗ３には設けられず、第３領域Ｗ３を残した両端に相当する第４領域Ｗ４に設けられる。第１絶縁層１６が形成される第４領域Ｗ４の幅は、例えば、第１領域Ｗ１の幅の約１／３程度である。また、第１絶縁層１６が設けられない第３領域Ｗ３は、例えば、第１領域Ｗ１の幅の約１／３程度である。
第１絶縁層１６は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）などにより形成される。第１絶縁層１６は、窒化シリコンにより形成されることが望ましく、水素を含んでいることが好ましい。
第２積層体１３は、第１主面１０ｂのうち第１積層体１２が設けられない第２領域Ｗ２と、第１絶縁層１６が設けられる第４領域Ｗ４の端部の上に形成される。このため、第２積層体１３の両端部は、第１積層体１２と高さ方向（ｚ方向）に重なって設けられる。
第２積層体１３は、第１主面１０ｂの上に形成される第２のｉ型層１３ｉと、第２のｉ型層１３ｉの上に形成される第２導電型層１３ｐにより構成される。第２のｉ型層１３ｉは、水素を含むｉ型の非晶質シリコンで構成され、例えば、数ｎｍ〜２５ｎｍ程度の厚さを有する。また、第２のｉ型層１３ｉは、第１主面１０ｂとの界面に高酸素濃度領域を有する。高酸素濃度領域は、第１のｉ型層１２ｉと同様に、成膜初期に酸素（Ｏ）を含有するガスを導入したり、第１主面１０ｂを酸化剤で酸化したりすることで形成される。なお、本明細書において、第２のｉ型層１３ｉの高酸素濃度領域における酸素濃度を「第２酸素濃度Ｄ２」ともいう。
第２導電型層１３ｐは、半導体基板１０とは異なる導電型であるｐ型のドーパントが添加された非晶質半導体で構成される。本実施の形態における第２導電型層１３ｐは、水素を含むｐ型の非晶質シリコンで構成される。第２導電型層１３ｐは、例えば、２ｎｍ〜５０ｎｍ程度の厚さを有する。
第１導電型層１２ｎの上には、電子を収集するｎ側電極１４が形成される。第２導電型層１３ｐの上には、正孔を収集するｐ側電極１５が形成される。ｎ側電極１４とｐ側電極１５の間には溝が形成され、両電極は電気的に絶縁される。本実施の形態において、ｎ側電極１４およびｐ側電極１５は、第１導電層１９ａから第４導電層１９ｄの４層の導電層の積層体により構成される。
第１導電層１９ａは、例えば、酸化錫（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）により形成される。本実施の形態における第１導電層１９ａは、インジウム錫酸化物により形成され、例えば、５０ｎｍ〜１５０ｎｍ程度の厚さを有する。
第２導電層１９ｂから第４導電層１９ｄは、銅（Ｃｕ）、錫（Ｓｎ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）などの金属を含む導電性の材料である。本実施の形態では、第２導電層１９ｂおよび第３導電層１９ｃは、銅により形成され、第４導電層１９ｄは、錫により形成される。第２導電層１９ｂ、第３導電層１９ｃ、第４導電層１９ｄはそれぞれ、５０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度、１０μｍ〜２０μｍ程度、１μｍ〜５μｍ程度の厚さを有する。
第１導電層１９ａから第４導電層１９ｄの形成方法は特に限定されず、例えば、スパッタリングや化学気相成長（ＣＶＤ）などの薄膜形成方法や、めっき法などにより形成することができる。本実施の形態において、第１導電層１９ａおよび第２導電層１９ｂは、薄膜形成法により形成され、第３導電層１９ｃおよび第４導電層１９ｄは、めっき法により形成される。
半導体基板１０の第２主面１０ａの上には、第３のｉ型層１７ｉが設けられる。第３のｉ型層１７ｉは、水素を含むｉ型の非晶質シリコンにより形成され、例えば、数ｎｍ〜２５ｎｍ程度の厚さを有する。また、第３のｉ型層１７ｉは、第２主面１０ａとの界面に高酸素濃度領域が形成される。高酸素濃度領域は、第１のｉ型層１２ｉと同様に、成膜初期に酸素（Ｏ）を含有するガスを導入したり、第１主面１０ｂを酸化剤で酸化したりすることで形成される。なお、本明細書において、第３のｉ型層１７ｉの高酸素濃度領域における酸素濃度を「第３酸素濃度Ｄ３」ともいう。
第３のｉ型層１７ｉの上には、第３導電型層１７ｎが設けられる。第３導電型層１７ｎは、半導体基板１０と同じ導電型であるｎ型のドーパントが添加された非晶質半導体で構成される。本実施の形態における第３導電型層１７ｎは、水素を含むｎ型非晶質シリコンで構成され、例えば、２ｎｍ〜５０ｎｍ程度の厚さを有する。第３積層体１７は、第２主面１０ａの上に形成される第３のｉ型層１７ｉと、第３のｉ型層１７ｉの上に形成される第３導電型層１７ｎにより構成される。
第３導電型層１７ｎの上には、反射防止膜および保護膜としての機能を有する第２絶縁層１８が設けられる。第２絶縁層１８は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコンなどにより形成される。第２絶縁層１８の厚さは、反射防止膜としての反射防止特性などに応じて適宜設定され、例えば、６０ｎｍ〜１００ｎｍ程度とされる。
なお、第３のｉ型層１７ｉ、第３導電型層１７ｎ、第２絶縁層１８の積層構造は、半導体基板１０のパッシベーション層としての機能を有してもよい。
本実施の形態では、結晶性の半導体基板１０の第１主面１０ｂおよび第２主面１０ａの界面に高酸素濃度領域を形成し、微小な酸化シリコン領域を形成することで、光電変換効率を向上させる。特に、半導体基板１０の主面における面方位や、非晶質シリコン層の導電型に応じて高酸素濃度領域における酸素濃度を調整することにより、光電変換効率を向上させる。
本実施の形態では、（１１１）面で構成されるテクスチャ面である第２主面１０ａの界面よりも、（１００）面で構成される平坦面である第１主面１０ｂの界面において酸素濃度を高くする。つまり、第２主面１０ａ上の第３のｉ型層１７ｉの高酸素濃度領域よりも、第１主面１０ｂ上の第１のｉ型層１２ｉおよび第２のｉ型層１３ｉの高酸素濃度領域における酸素濃度を高くする。したがって、第１酸素濃度Ｄ１＞第３酸素濃度Ｄ３、第２酸素濃度Ｄ２＞第３酸素濃度Ｄ３の関係が成立するように、第１のｉ型層１２ｉ、第２のｉ型層１３ｉ、第３のｉ型層１７ｉの酸素濃度を調整する。
また本実施の形態では、ｎ型の非晶質シリコン層が上に形成される第１のｉ型層１２ｉおよび第３のｉ型層１７ｉの高酸素濃度領域よりも、ｐ型の非晶質シリコン層が上に形成される第２のｉ型層１３ｉの高酸素濃度領域において酸素濃度を高くする。したがって、第２酸素濃度Ｄ２＞第１酸素濃度Ｄ１、第２酸素濃度Ｄ２＞第３酸素濃度Ｄ３の関係が成立するように、第１のｉ型層１２ｉ、第２のｉ型層１３ｉ、第３のｉ型層１７ｉの酸素濃度を調整する。
以上の濃度関係より、本実施の形態では、第２酸素濃度Ｄ２＞第１酸素濃度Ｄ１＞第３酸素濃度Ｄ３の関係が成立するように、第１のｉ型層１２ｉ、第２のｉ型層１３ｉ、第３のｉ型層１７ｉの酸素濃度を調整することが好ましい。このように酸素濃度を調整することによって、太陽電池セル７０の光電変換効率を高め、出力特性を向上させることができる。
その一方で、高酸素濃度領域の酸素濃度を高めすぎると、非晶質シリコン層に過剰に取り込まれた酸素が不純物として作用し、欠陥や高抵抗領域の形成につながる場合がある。具体的には、非晶質シリコン層に含まれる酸素濃度が約２×１０２１／ｃｍ３を超えると光電変換効率の向上に影響を及ぼすおそれがある。そこで、本実施の形態においては、相対的に酸素濃度の高い第２のｉ型層１３ｉにおける第２酸素濃度Ｄ２が２×１０２１／ｃｍ３以下となるように酸素濃度を調整することが望ましい。同様に、第１のｉ型層１２ｉの第１酸素濃度Ｄ１および第３のｉ型層１７ｉの第３酸素濃度Ｄ３についても、２×１０２１／ｃｍ３以下となるように酸素濃度を調整することが望ましい。
なお、変形例においては、第２酸素濃度Ｄ２＞第１酸素濃度Ｄ１、第１酸素濃度Ｄ１＞第３酸素濃度Ｄ３、第２酸素濃度Ｄ２＞第３酸素濃度Ｄ３の三条件のうちのいずれか一つ以上が成立するようにして各非晶質シリコン層を形成してもよい。この場合においても、第１のｉ型層１２ｉ、第２のｉ型層１３ｉ、第３のｉ型層１７ｉの酸素濃度が２×１０２１／ｃｍ３以下となるように酸素濃度を調整することが望ましい。
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。
実施の形態の一態様は次の通りである。ある態様の太陽電池セル７０は、
ｎ型の結晶系シリコンで形成される半導体基板１０と、
半導体基板１０の第１主面１０ｂ上の第１領域Ｗ１に非晶質シリコンで形成される第１積層体１２と、
第１主面１０ｂ上の第１領域Ｗ１と異なる第２領域Ｗ２に非晶質シリコンで形成される第２積層体１３と、
半導体基板１０の第１主面１０ｂと反対側の第２主面１０ａ上に非晶質シリコンで形成される第３積層体１７と、を備え、
第２積層体１３は、第１積層体１２よりも高い酸素濃度を有する。
第２積層体１３は、第３積層体１７よりも高い酸素濃度を有してもよい。
第１積層体１２は、第３積層体１７よりも高い酸素濃度を有してもよい。
第１積層体１２は、第１領域Ｗ１にｉ型の非晶質シリコンで形成される第１のｉ型層１２ｉと、第１のｉ型層１２ｉ上にｎ型の非晶質シリコンで形成される第１導電型層１２ｎと、を含み、
第２積層体１３は、第２領域Ｗ２にｉ型の非晶質シリコンで形成される第２のｉ型層１３ｉと、第２のｉ型層１３ｉ上にｐ型の非晶質シリコンで形成される第２導電型層１３ｐと、を含んでもよい。
第２のｉ型層１３ｉは、２×１０２１／ｃｍ３以下の酸素濃度を有してもよい。
第３積層体１７は、第２主面１０ａ上にｉ型の非晶質シリコンで形成される第３のｉ型層１７ｉを含んでもよい。
第１主面１０ｂは、テクスチャ面であり、第２主面１０ａは、平坦面であってもよい。
Ｗ１…第１領域、Ｗ２…第２領域、１０…半導体基板、１０ａ…第２主面、１０ｂ…第１主面、１２…第１積層体、１２ｉ…第１のｉ型層、１２ｎ…第１導電型層、１３…第２積層体、１３ｉ…第２のｉ型層、１３ｐ…第２導電型層、１７…第３積層体、１７ｉ…第３のｉ型層、７０…太陽電池セル。
本発明によれば、出力特性を向上させた太陽電池セルを提供できる。

Claims (6)

  1. ｎ型の結晶系シリコンで形成される半導体基板と、
    前記半導体基板のテクスチャ面である第１主面上の第１領域に非晶質シリコンで形成され、ｎ型の非晶質シリコンを含む第１積層体と、
    前記第１主面上の前記第１領域と異なる第２領域に非晶質シリコンで形成され、ｐ型の非晶質シリコンを含む第２積層体と、
    前記半導体基板の前記第１主面と反対側の平坦面である第２主面上に非晶質シリコンで形成される第３積層体と、を備え、
    前記第２積層体は、前記第１積層体よりも高い酸素濃度を有する太陽電池セル。
  2. 前記第２積層体は、前記第３積層体よりも高い酸素濃度を有する請求項１に記載の太陽電池セル。
  3. 前記第１積層体は、前記第３積層体よりも高い酸素濃度を有する請求項１または２に記載の太陽電池セル。
  4. 前記第１積層体は、前記第１領域にｉ型の非晶質シリコンで形成される第１のｉ型層と、前記第１のｉ型層上にｎ型の非晶質シリコンで形成される第１導電型層と、を含み、
    前記第２積層体は、前記第２領域にｉ型の非晶質シリコンで形成される第２のｉ型層と、前記第２のｉ型層上にｐ型の非晶質シリコンで形成される第２導電型層と、を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の太陽電池セル。
  5. 前記第２のｉ型層は、２×１０２１／ｃｍ３以下の酸素濃度を有する請求項４に記載の太陽電池セル。
  6. 前記第３積層体は、前記第２主面上にｉ型の非晶質シリコンで形成される第３のｉ型層を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の太陽電池セル。
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