JP6447927B2 - 太陽電池 - Google Patents

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本発明は、太陽電池に関する。
ｎ型半導体層及びｐ型半導体層が半導体基板の裏面上に形成された、いわゆる裏面接合型の太陽電池が知られている（例えば、特許文献１）。裏面接合型の太陽電池では、一般にｎ型半導体層とｐ型半導体層の境界領域に、絶縁層が設けられる。また、ｎ型半導体層と接続されるｎ側電極及びｐ型半導体層と接続されるｐ側電極は、絶縁層の上方にも形成される場合がある。
特開２０１２−２８７１８号公報
しかしながら、ｎ側電極またはｐ側電極の少なくとも一部をスパッタリング法やＣＶＤ法などで形成する場合、絶縁層の側面による段差部分で、切断や剥離が生じるという問題があった。
本発明の目的は、絶縁層により電極に切断や剥離が生じるのを抑制することができる太陽電池を提供することにある。
本発明は、受光面と裏面とを有する第１導電型または第２導電型の半導体基板と、前記裏面上に形成される第１導電型を有する第１半導体層と、前記裏面上に形成される第２導電型を有する第２半導体層と、前記第１半導体層と電気的に接続された第１電極と、前記第２半導体層と電気的に接続された第２電極と、前記第１半導体層が設けられる第１導電型領域と前記第２半導体層が設けられる第２導電型領域の境界領域に設けられる絶縁層とを備える太陽電池であって、前記絶縁層の前記第２導電型領域側の側面が、前記第２導電型領域に近づくにつれて厚みが薄くなるように傾斜した傾斜面を有しており、厚み方向に垂直でかつ前記第２導電型領域に向かう方向における前記傾斜面の幅が、前記傾斜面が形成されていない部分における前記絶縁層の厚みの１０〜３００倍の範囲内である。
本発明によれば、絶縁層により電極に切断や剥離が生じるのを抑制することができる。
図１は、実施形態の太陽電池を裏面側から見た平面図である。 図２は、実施形態の太陽電池を示す断面図であり、図１のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。 図３は、実施形態の太陽電池の製造工程を示すフローチャートである。 図４は、実施形態の太陽電池の製造方法を説明するための断面図である。 図５は、実施形態の太陽電池の製造方法を説明するための断面図である。 図６は、実施形態の太陽電池の製造方法を説明するための断面図である。 図７は、実施形態の太陽電池の製造方法を説明するための断面図である。 図８は、実施形態の太陽電池の製造方法を説明するための断面図である。 図９は、実施形態の太陽電池の製造方法を説明するための断面図である。 図１０は、実施形態の太陽電池の製造方法を説明するための断面図である。
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を裏面側から見た平面図である。図２は、実施形態の太陽電池を示す断面図であり、図１のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。図１及び図２に示すように、太陽電池１は、半導体基板１０ｎ、第１半導体層２０ｎ、第２半導体層３０ｐ、絶縁層４０、第１電極５０ｎ、第２電極５０ｐ、接続電極７０ｎ及び、接続電極７０ｐを備える。
半導体基板１０ｎは、光を受ける受光面と、受光面とは反対側に設けられる裏面１２とを有する。半導体基板１０ｎは、受光面における受光によってキャリア（電子と正孔）を生成する。
半導体基板１０ｎは、ｎ型またはｐ型の導電型を有する単結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉなどの結晶系半導体材料や、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの化合物半導体材料を含む一般的な半導体材料によって構成することができる。半導体基板１０ｎの受光面及び裏面１２には、微小な凹凸が形成されていてもよい。図示しないが、半導体基板１０ｎの受光面には光の入射を遮る構造体（例えば、電極など）は形成されていない。半導体基板１０ｎは、受光面全面での受光が可能である。受光面は、パッシベーション層に覆われていても良い。パッシベーション層は、キャリアの再結合を抑制するパッシベーション性を有する。パッシベーション層は、例えば、ドーパントを添加せず、あるいは微量のドーパントを添加することによって形成される実質的に真正な非晶質半導体層を含むことができる。
半導体基板１０ｎは、第１導電型または第２導電型である。本実施形態では、半導体基板１０ｎが、第１導電型を有する場合について説明する。また、半導体基板１０ｎがｎ型単結晶シリコン基板であるものとして説明する。従って、本実施形態では、第１導電型は、ｎ型となる。
第１半導体層２０ｎは、半導体基板１０ｎの裏面１２上に形成される。第１半導体層２０ｎは、長手方向を有するように形成される。この長手方向を長手方向ｙとする。第１半導体層２０ｎは、半導体基板１０ｎと同一の第１導電型を有する。第１半導体層２０ｎは、ｎ型非晶質半導体層によって構成されている。このような構成によれば、半導体基板１０ｎの裏面１２と第１半導体層２０ｎとの界面におけるキャリアの再結合を抑制することができる。
第２半導体層３０ｐは、半導体基板１０ｎの裏面１２上に形成される。第２半導体層３０ｐは、長手方向ｙを有するように形成される。第２半導体層３０ｐは、半導体基板１０ｎと異なる第２導電型を有する。第２半導体層３０ｐは、ｐ型非晶質半導体層によって構成されている。このため、半導体基板１０ｎと第２半導体層３０ｐとの接合は、ｐｎ接合となる。第２半導体層３０ｐは、絶縁層４０上にも形成される。
本実施形態では、図２に示されるように、第１半導体層２０ｎは、ｉ型非晶質半導体層２２ｉとｎ型非晶質半導体層２５ｎとからなる。ｉ型非晶質半導体層２２ｉは、半導体基板１０ｎの裏面１２上に形成される。ｎ型非晶質半導体層２５ｎは、ｉ型非晶質半導体層２２ｉ上に形成される。このような、ｎ型の半導体基板１０ｎ、ｉ型非晶質半導体層２２ｉ、ｎ型非晶質半導体層２５ｎという構成によれば、半導体基板１０ｎの裏面におけるキャリアの再結合をさらに抑制することができる。
本実施形態では、図２に示されるように、第２半導体層３０ｐは、ｉ型非晶質半導体層３２ｉとｐ型非晶質半導体層３５ｐとからなる。ｉ型非晶質半導体層３２ｉは、半導体基板１０ｎの裏面１２上に形成される。ｐ型非晶質半導体層３５ｐは、ｉ型非晶質半導体層３２ｉ上に形成される。このような、ｎ型の半導体基板１０ｎ、ｉ型非晶質半導体層３２ｉ、ｐ型非晶質半導体層３５ｐという構成によれば、ｐｎ接合特性を向上することができる。
ｉ型非晶質半導体層２２ｉ、ｉ型非晶質半導体層３２ｉ、ｎ型非晶質半導体層２５ｎ及びｐ型非晶質半導体層３５ｐそれぞれは、水素を含む非晶質半導体によって構成することができる。このような非晶質半導体としては、非晶質シリコン、非晶質シリコンカーバイド、或いは非晶質シリコンゲルマニウムなどが挙げられる。非晶質半導体層には、これに限らず他の非晶質半導体を用いてもよい。ｉ型非晶質半導体層２２ｉ、ｉ型非晶質半導体層３２ｉ、ｎ型非晶質半導体層２５ｎ及びｐ型非晶質半導体層３５ｐは、それぞれ１種の非晶質半導体によって構成されていてもよい。ｉ型非晶質半導体層２２ｉ、ｉ型非晶質半導体層３２ｉ、ｎ型非晶質半導体層２５ｎ及びｐ型非晶質半導体層３５ｐは、それぞれ２種以上の非晶質半導体が組み合わされていてもよい。
図１及び図２に示されるように、第１半導体層２０ｎと第２半導体層３０ｐとは、交互に配列される。この配列方向を配列方向ｘとする。太陽電池１において、配列方向ｘと長手方向ｙとは、直交している。図２に示されるように、太陽電池１においては、第１半導体層２０ｎが設けられる第１導電型領域Ｒｎと第２半導体層３０ｐが設けられる第２導電型領域Ｒｐが形成されている。
第１導電型領域Ｒｎと第２導電型領域Ｒｐの間には、境界領域Ｒが設けられている。配列方向ｘにおける第１半導体層２０ｎの端部２７と、第１半導体層２０ｎと隣り合う第２半導体層３０ｐの配列方向ｘにおける端部３７とは、境界領域Ｒにおいて重なっている。境界領域Ｒにおいて、第１半導体層２０ｎの端部２７と第２半導体層３０ｐの端部３７との間には、絶縁層４０が設けられている。絶縁層４０は、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化ケイ素などから形成することができる。
第１電極５０ｎは、第１半導体層２０ｎと電気的に接続されている。図１に示されるように、第１電極５０ｎは、長手方向ｙに沿って形成される。第１電極５０ｎは、第１透明電極層５２ｎと第１収集電極５５ｎとを有する。第１透明電極層５２ｎは、第１半導体層２０ｎ上に形成される。また、絶縁層４０上に形成された第２半導体層３０ｐ上にも形成される。第１透明電極層５２ｎは、透光性を有する導電性材料によって形成される。第１透明電極層５２ｎとしては、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）、酸化錫、酸化亜鉛などを用いることができる。第１収集電極５５ｎは、第１透明電極層５２ｎ上に形成される。第１透明電極層５２ｎ上に下地金属を形成した後、メッキ法を用いて形成することができる。また、第１収集電極５５ｎは、樹脂材料をバインダーとし、銀粒子等の導電性粒子をフィラーとする樹脂型導電性ペーストや、スパッタリング法による銀などを蒸着して形成してもよい。
第２電極５０ｐは、第２半導体層３０ｐと電気的に接続されている。図１に示されるように、第２電極５０ｐは、長手方向ｙに沿って形成される。第２電極５０ｐは、第２透明電極層５２ｐと第２収集電極５５ｐとを有する。第２透明電極層５２ｐは、第２半導体層３０ｐ上に形成される。また、第２透明電極層５２ｐは、絶縁層４０上に形成された第２半導体層３０ｐ上にも形成される。第２収集電極５５ｐは、第２透明電極層５２ｐ上に形成される。第２透明電極層５２ｐ及び第２収集電極５５ｐは、それぞれ第１透明電極層５２ｎ、第１収集電極５５ｎと同一の材料を用いることができる。
なお、第１電極５０ｎ及び第２電極５０ｐにおける第１透明電極層５２ｎ及び第２透明電極層５２ｐは、必ずしも透明である必要はなく、透明でない材料から形成されていてもよい。
第１電極５０ｎ及び第２電極５０ｐは、キャリアを収集する。第１電極５０ｎ及び第２電極５０ｐは、短絡を防ぐための分離溝６０によって分離されている。分離溝６０は、長手方向ｙに沿って形成される。
図１に示されるように、接続電極７０ｎは、複数の第１電極５０ｎの端部と電気的に接続される。接続電極７０ｐは、複数の第２電極５０ｐの端部と電気的に接続される。接続電極７０ｎ及び接続電極７０ｐは、複数の第１電極５０ｎ及び複数の第２電極５０ｐに収集されたキャリアをさらに収集する。
図２に示すように、本実施形態では、絶縁層４０の第２導電型領域Ｒｐ側の側面が、第２導電型領域Ｒｐに近づくにつれて厚みが薄くなるように傾斜した傾斜面４０ａを有している。また、厚み方向ｚに垂直でかつ第２導電型領域Ｒｐに向かう方向（配列方向ｘ）における傾斜面４０ａの幅Ｗは、傾斜面４０ａが形成されていない部分における絶縁層４０の厚みＴの１０〜３００倍の範囲内である。本実施形態によれば、絶縁層４０の第２導電型領域Ｒｐ側の側面が、傾斜面４０ａを有しているので、その上に第２透明電極層５２ｐをスパッタリング法やＣＶＤ法などで形成した際、第２透明電極層５２ｐに切断や剥離が生じるのを抑制することができる。
本発明において、傾斜面４０ａの幅Ｗは、絶縁層４０の厚みＴの１０〜３００倍の範囲内であり、好ましくは、５０〜２００倍の範囲内であり、さらに好ましくは、１００〜２００倍の範囲内である。傾斜面４０ａの幅Ｗが小さすぎると、第２透明電極層５２ｐに切断や剥離が生じやすくなる場合がある。また、傾斜面４０ａの幅Ｗが大きすぎると、絶縁耐性が低下する場合がある。
本実施形態の太陽電池１の製造方法について、図３から図１０を参照しながら説明する。図３は、本実施形態の太陽電池１の製造方法を説明するためのフローチャートである。図４から図１０は、本実施形態の太陽電池１の製造方法を説明するための図である。
図３に示されるように、太陽電池１の製造方法は、工程Ｓ１から工程Ｓ４を有する。
工程Ｓ１は、第１導電型の半導体基板１０ｎの裏面１２上に、第１導電型を有する第１半導体層２０ｎを形成する工程である。まず、半導体基板１０ｎが準備される。半導体基板１０ｎ表面の汚れを除去するため、半導体基板１０ｎには、酸又はアルカリ溶液でエッチングがなされている。半導体基板１０ｎの受光面には光反射低減用のテクスチャ構造が形成されている。半導体基板１０ｎの裏面１２は、受光面に比べ平坦にされている。準備された半導体基板１０ｎの裏面１２上に、ｉ型非晶質半導体層２２ｉが形成される。形成されたｉ型非晶質半導体層２２ｉ上に、ｎ型非晶質半導体層２５ｎが形成される。ｉ型非晶質半導体層２２ｉ及びｎ型非晶質半導体層２５ｎは、例えば、化学気相蒸着法（ＣＶＤ法）によって、形成される。この工程Ｓ１によって、裏面１２上に第１半導体層２０ｎが形成される。
工程Ｓ２は、絶縁性を有する絶縁層４０を形成する工程である。工程Ｓ１により、形成された第１半導体層２０ｎ上に、絶縁層４０が形成される。具体的には、図４に示されるように、ｎ型非晶質半導体層２５ｎ上に、絶縁層４０が形成される。絶縁層４０は、例えば、ＣＶＤ法によって、形成される。
工程Ｓ３は、第１導電型の半導体基板１０ｎの裏面１２上に、第２導電型を有する第２半導体層３０ｐを形成する工程である。工程Ｓ３は、工程Ｓ３１から工程Ｓ３３を有する。
工程Ｓ３１は、第１半導体層２０ｎ上に形成された絶縁層４０を除去する工程である。図４に示すように、絶縁層４０を除去したい領域に、エッチングペースト４１を塗布する。このとき、エッチングペースト４１の端部４１ａの領域において、エッチングペースト４１の厚みが徐々に薄くなるように傾斜させておく。エッチングペースト４１の端部４１ａの領域を傾斜させておくことにより、図５に示すように、絶縁層４０に傾斜面４０ａを形成することができる。
本実施形態では、エッチングペースト４１を用いて、絶縁層４０を除去し、絶縁層４０に傾斜面４０ａを形成しているが、これに限定されるものではない。例えば、レジストによるパターン形成の方法で、絶縁層４０を除去し、絶縁層４０に傾斜面４０ａを形成してもよい。また、その他の方法で、絶縁層４０に傾斜面４０ａを形成してもよい。
工程Ｓ３２は、絶縁層４０が除去されることにより露出した第１半導体層２０ｎを除去する工程である。露出した第１半導体層２０ｎをアルカリ洗浄する。これにより、図６に示されるように、半導体基板１０ｎが露出する。
工程Ｓ３２では、除去されずに残った絶縁層４０が第１半導体層２０ｎを保護する保護層として働く。
工程Ｓ３３は、第１半導体層２０ｎが除去されることにより露出した半導体基板１０ｎ上に第２半導体層３０ｐを形成する工程である。半導体基板１０ｎの裏面１２上に、ｉ型非晶質半導体層３２ｉが形成される。形成されたｉ型非晶質半導体層３２ｉ上に、ｐ型非晶質半導体層３５ｐが形成される。ｉ型非晶質半導体層３２ｉ及びｐ型非晶質半導体層３５ｐは、例えば、ＣＶＤ法によって、形成される。この工程Ｓ３３によって、裏面１２上に第２半導体層３０ｐが形成される。図７に示されるように、太陽電池１において、第２半導体層３０ｐは、全面に渡って形成される。従って、第２半導体層３０ｐは、裏面１２上だけでなく、絶縁層４０上にも形成される。
工程Ｓ４は、第１電極５０ｎ及び第２電極５０ｐを形成する工程である。工程Ｓ４は、工程Ｓ４１から工程Ｓ４４を有する。
工程Ｓ４１は、第２半導体層３０ｐ及び絶縁層４０を除去する工程である。絶縁層４０上に形成された第２半導体層３０ｐ上に、フォトリソ法やスクリーン印刷法を用いて、第２半導体層３０ｐを残したい部分にレジストを塗布する。その後、エッチング液を用いて処理を行うことにより、図８に示されるように、レジストが塗布された第２半導体層３０ｐ部分及び絶縁層４０部分が残る。レジストが塗布されなかった第２半導体層３０ｐ部分及び絶縁層４０部分は、除去される。絶縁層４０が完全に除去されずに残る場合は、フッ化水素（ＨＦ）を用いて洗浄を行う。これにより、第１半導体層２０ｎが露出する。第２半導体層３０ｐ及び絶縁層４０を別々に除去してもよい。また、工程Ｓ３１と同様に、レジストを用いた方法以外の方法によって、第２半導体層３０ｐ及び絶縁層４０を除去してもよい。
工程Ｓ４２は、透明電極層５２を形成する工程である。図９に示されるように、第１半導体層２０ｎ上及び第２半導体層３０ｐ上に、物理蒸着法（ＰＶＤ法）を用いて、透明電極層５２を形成する。絶縁層４０には、傾斜面４０ａが形成されているので、その上に形成される第２半導体層３０ｐにも、傾斜面４０ａに対応する傾斜面が形成されている。このため、第２半導体層３０ｐの上に形成される透明電極層５２は、第２半導体層３０ｐの傾斜面に沿って形成される。このため、絶縁層４０の側面によって、透明電極層５２に切断や剥離が生じるのを抑制することができる。
その後、本実施形態では、ＰＶＤ法を用いて、第１収集電極５５ｎ及び第２収集電極５５ｐの下地となる下地金属層を形成する。下地金属には、例えば、Ｔｉ及びＣｕが用いられる。
工程Ｓ４３は、短絡を防ぐための分離溝６０を形成する工程である。レーザーを用いて、分離溝６０を形成する。図１０に示すように、分離溝６０を形成することにより、透明電極層５２を分離して、第１透明電極層５２ｎと第２透明電極層５２ｐを形成する。本実施形態では、レーザーを用いて分離溝６０を形成しているが、例えば、レジストとエッチング液とを用いて分離溝６０を形成してもよい。
工程Ｓ４４は、第１収集電極５５ｎ及び第２収集電極５５ｐを形成する工程である。メッキ法により、第１透明電極層５２ｎの上に第１収集電極５５ｎを形成し、第２透明電極層５２ｐの上に第２収集電極５５ｐを形成する。なお、スクリーン印刷法により、導電性ペーストを塗布し、その後、導電性ペーストを焼成することによって第１収集電極５５ｎ及び第２収集電極５５ｐを形成してもよい。
以上のようにして、図２に示される太陽電池１を製造することができる。
上記実施形態では、半導体基板１０ｎが、第１導電型、すなわちｎ型を有する場合について説明したが、半導体基板１０ｎは、第２導電型、すなわちｐ型を有していてもよい。
上記実施形態において、第１半導体層２０ｎは、ｉ型非晶質半導体層２２ｉとｎ型非晶質半導体層２５ｎとから構成されているが、ｎ型非晶質半導体層２５ｎのみから構成されていてもよい。同様に、第２半導体層３０ｐも、ｐ型非晶質半導体層３５ｐのみから構成されていてもよい。
１…太陽電池
１０ｎ…半導体基板
１２…裏面
２０ｎ…第１半導体層
２２ｉ…ｉ型非晶質半導体層
２５ｎ…ｎ型非晶質半導体層
２７…第１半導体層の端部
３０ｐ…第２半導体層
３２ｉ…ｉ型非晶質半導体層
３５ｐ…ｐ型非晶質半導体層
３７…第２半導体層の端部
４０…絶縁層
４０ａ…絶縁層の傾斜面
４１…エッチングペースト
４１ａ…端部
５０ｎ…第１電極
５０ｐ…第２電極
５２…透明電極層
５２ｎ…第１透明電極層
５２ｐ…第２透明電極層
５５ｎ…第１収集電極
５５ｐ…第２収集電極
６０…分離溝
７０ｎ，７０ｐ…接続電極
Ｒ…境界領域
Ｒｎ…第１導電型領域
Ｒｐ…第２導電型領域

Claims (4)

  1. 受光面と裏面とを有する第１導電型または第２導電型の半導体基板と、
    前記裏面上に形成される第１導電型を有する第１半導体層と、
    前記裏面上に形成される第２導電型を有する第２半導体層と、
    前記第１半導体層と電気的に接続された第１電極と、
    前記第２半導体層と電気的に接続された第２電極と、
    前記第１半導体層が設けられる第１導電型領域と前記第２半導体層が設けられる第２導電型領域の境界領域に設けられる絶縁層とを備える太陽電池であって、
    前記絶縁層の前記第２導電型領域側の側面が、前記第２導電型領域に近づくにつれて厚みが薄くなるように傾斜した傾斜面を有しており、厚み方向に垂直でかつ前記第２導電型領域に向かう方向における前記傾斜面の幅が、前記傾斜面が形成されていない部分における前記絶縁層の厚みの１００〜２００倍の範囲内であり、
    前記境界領域において、前記絶縁層は、前記第１半導体層の上に設けられており、前記絶縁層の上に前記第２半導体層が設けられている、太陽電池。
  2. 前記第１電極が、第１透明電極層と、前記第１透明電極層の上に形成される第１収集電極層とを有し、前記第２電極が、第２透明電極層と、前記第２透明電極層の上に形成される第２収集電極層とを有する、請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記境界領域において、前記第２透明電極層は、前記第２半導体層の上に設けられている、請求項２に記載の太陽電池。
  4. 太陽電池セルの製造方法であって、
    半導体基板の裏面上に第１導電型を有する第１半導体層を形成する第１工程と、
    前記第１半導体層の上に絶縁層を形成する第２工程と、
    前記絶縁層の上にエッチングペーストを塗布し、前記絶縁層の一部を除去して前記第１半導体層の一部を露出させるとともに、前記絶縁層にその厚みが薄くなるように傾斜した傾斜面を形成する第３工程と、
    前記第１半導体層の前記第３工程で露出した部分を除去して前記半導体基板の一部を露出させる第４工程と、
    前記半導体基板の前記第４工程で露出した部分および前記絶縁層の前記傾斜面の上に、前記第１導電型とは異なる第２導電型を有する第２半導体層を形成する第５工程と、
    前記半導体基板の前記第４工程で露出した部分および前記絶縁層の前記傾斜面の上であって、前記第２半導体層の上に、該第２半導体層と電気的に接続される第２電極を形成する工程と、を備える、太陽電池セルの製造方法。
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