JP6549854B2 - 太陽電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池の製造方法に関する。特に、本発明は、導電層を形成する際に好適に製造できる。

近年、環境負荷の低いエネルギー源として太陽電池が注目されている。太陽電池は、光エネルギーを電気エネルギーに変換可能な光電変換装置である。特に、ヘテロ接合太陽電池は、結晶シリコン基板をアモルファスシリコンでサンドイッチした形状をしており、発生するキャリア（電子及び正孔）の再結合を防ぐことができるため、高効率化が期待できる。アモルファス層上には、導電層が形成され、効率的にキャリアを取り出すことができる。

この太陽電池の導電層は、一般的に物理蒸着法により製膜されており、ヘテロ接合太陽電池では、例えば、物理蒸着法により、光入射面側に透明導電層、裏面側に透明導電層と金属層が形成される。透明導電層は反射防止膜としての役割を持ち、金属層は、抵抗が低く、反射の高い材料が多く用いられている。スパッタ法は、物理蒸着法の中で、真空中でアルゴン等のガスを放電させて、この時に生じたイオンでターゲットをスパッタリングして、飛散したスパッタ粒子をターゲットに対面した位置に配置されている基板上に堆積させて薄膜を形成する方法であり、被製膜面との付着力が高く、均一な膜が作製できるため広く使われている。

スパッタ法に用いられるトレイは、様々なものが提案されている。特許文献１では、基板が座繰り上のトレイに載置させられており、搬送中も基板の位置ずれがない状態で製膜が行われている。また、一般的にトレイの材質としては、アルミやステンレス、カーボンが用いられているが、特許文献２では、磁気ディスクや光ディスクを作製するための基板として樹脂を使用し、その上にプラズマによる真空製膜形成プロセスを用いて薄膜を形成する技術が開示されている。ここでは、基板と接するトレイの保持部材を絶縁体として、基板と同じ樹脂、フッ素系、ポリイミド系の樹脂、ガラス等を用いることで、電界が一部に集中しなくなり、均一な薄膜を形成する旨が記載されている。

特許文献３では、液晶用ガラス基板にインラインスパッタ装置によってＩＴＯを製膜する手法が開示されている。ここでもトレイの保持部材を絶縁体にすることによって、逆スパッタされることを防止している。

ＷＯ２０１３／１２１５３８号国際公開パンフレット 特開平０５−３２０９００号公報 特開平０７−２１６５４７号公報

そこで、我々も、上記スパッタ法（物理堆積法）を用いて透明導電層と金属膜を光電変換層上に形成することで、ヘテロ接合太陽電池の作製を試みた。ヘテロ接合太陽電池の光電変換層は、ｎ型単結晶シリコン１（結晶半導体基板）上に化学的堆積法により、第一主面側にｉ／ｐ型のアモルファスシリコン層２−１、２−２（非晶質半導体層）、第二主面側にｉ／ｎ型のアモルファスシリコン層２−３、２−４（非晶質半導体層）を製膜して形成された。

その後、２種類のトレイを使用して、導電層をインライン式のスパッタ装置（図９（ａ））を用いて製膜した。１つは、特許文献１のように座繰りの入ったステンレス製のトレイ４１を使用し（図９（ｂ））、もう一つは、特許文献３のようにトレイ４１に絶縁体（テフロン（登録商標））を被覆したものを用いた（図９（ｃ））。その後、導電層として、光入射側に透明導電層６−１、裏面側に透明導電層６−２と金属層７を製膜した。その後、透明導電膜６−１の上には、スクリーン印刷法を用いて、グリッド状の集電極８を形成した。

このようにして形成した太陽電池を作製したところ、トレイ端部が金属であっても絶縁体であっても、特許文献２、３に見られるような電界による膜分布や逆スパッタの影響は見られなかった。これは、特許文献２，３のような樹脂やガラスではなく導電性をもった単結晶シリコンを基板として用いたためと予想される。

しかしながら、太陽電池のセル特性を確認したところ、ステンレス製のトレイを使用した太陽電池では、短絡電流、開放電圧ともに低くなっていることがわかった。一方、テフロン（登録商標）をコートしたステンレス製のトレイでは、このような低下は見られなかったものの、当該トレイを用いて複数回製膜と、基板の載置が不十分な状態でテフロン上に製膜されると、ステンレス製のトレイと同様に短絡電流、開放電圧の低下が見られた。

この原因について検討した結果、ヘテロ接合太陽電池として、非晶質半導体層上に導電層を製膜しており、トレイの材質が金属であると、熱導電率が高いこと、抵抗が低いため、プラズマの影響を受けることから、基板の温度が上がり、透明導電膜の結晶化が生じ短絡電流の低下、またアモルファスシリコンの結晶化により開放電圧の低下が生じているためということがわかった。また、絶縁体によって支持されたトレイであっても、いったん金属が着膜されると、ステンレストレイと同じ効果を発揮する。よって、単純に絶縁体によって支持するだけでは、量産には向かず、都度絶縁体を交換する工程が必要になるといえる。

そこで、本発明は、非晶質半導体層を有する光電変換層上に、物理堆積法により導電層を製膜する際の温度上昇によって生じるヘテロ接合太陽電池の性能低下を防ぐことを目的とする。また、量産工程においても安定して生産できることを目的とする。

本発明は、以下に関する。

上記した課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、結晶半導体基板上に非晶質半導体層が形成された光電変換層を含む仕掛太陽電池基板の上に、導電層を形成する太陽電池の製造方法であって、前記仕掛太陽電池基板が、導電性基材上に絶縁性の支持体を有するトレイ上に配置される配置工程と、物理蒸着法により、前記仕掛太陽電池基板上に導電層が製膜される製膜工程と、前記支持体を他の支持体に交換する交換工程と、を、この順に有し、前記配置工程において、仕掛太陽電池基板が、前記導電性基材に接触しないように前記支持体上に配置される、ことによって太陽電池を製造する。

導電性基材との接触を回避することによって、温度上昇を抑制し、セル性能の低下を防止できる。たとえ温度上昇の原因となる導電層が支持体上に形成されたとしても、交換工程を経ることによって容易に導電層を取り除くことができ、安定して高性能なセルの生産が可能となる。

請求項２に記載の発明では、前記支持体として、テフロン（登録商標）、ゴム、ガラス、塩ビ、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂およびマイカから選ばれる少なくとも１つの材料を使用している。
これらの材料は絶縁性が高く、仕掛太陽電池基板の温度上昇を防ぐことができる。また、製膜中にプラズマなどの放電にさらされても分解せず安定な材料である。

請求項３に記載の発明では、前記支持体が、仕掛太陽電池基板を配置する配置領域と、前記配置領域よりも外側の非配置領域に跨るように、前記トレイの導電性基材上に形成されており、前記交換工程において、前記仕掛太陽電池基板が配置される領域のうち、トレイにおける少なくとも支持体上の導電層が製膜されていない領域の面積が、仕掛太陽電池基板の面積の８０％以下となった後に、他の支持体に交換する。

導電層が製膜されていない支持体の面積を確認することで、容易に支持体を交換するタイミングを図ることができる。

請求項４に記載の発明では、前記交換工程において、前記支持体は、仕掛太陽電池基板と接する部分のシート抵抗が１Ω／□以下になった後で、他の支持体に交換する。導電層が薄くシート抵抗が高い状態では温度上昇は少なく、シート抵抗が低くなるにつれ上昇していく。シート抵抗を測定することによっても、簡便に支持体の交換時期を知ることができる。

請求項５に記載の発明では、前記トレイの導電性基材が、ステンレスまたはアルミ、カーボンから選ばれる少なくとも１つから形成されている。上記の材料を用いることによって加工が容易となり、簡単にトレイの作製をおこなうことができる。また、熱に強く変形しづらいため、安定して生産することが可能である。

請求項６に記載の発明では、前記トレイは、複数の仕掛太陽電池基板を載置可能な複数の保持部材を有している。トレイ上に複数の仕掛太陽電池基板を載置することによって、生産量を向上させることができる。

請求項６に記載の発明では、前記結晶半導体基板が結晶シリコン基板であり、前記非晶質半導体層が非晶質シリコン層である。結晶シリコン基板上に非晶質シリコン層を設けることによって、表面再結合を防止し性能の高い太陽電池の作製が可能となる。

請求項７に記載の発明では、前記導電層が、透明導電層を含み、前記製膜工程において、前記非晶質半導体層上に前記透明導電層が形成される。透明導電層は反射防止膜としての役割を果たし、電流を向上させることができる。

請求項８に記載の発明は、上記いずれかに記載の太陽電池の製造方法によって太陽電池を作製する際、前記導電性基材上に、複数の仕掛太陽電池基板を配置可能な保持部材と、前記仕掛太陽電池基板と接する領域に絶縁体を含む前記支持体を有する導電層形成用のトレイである。トレイは複数の仕掛太陽電池基板に対して一度に導電層の形成が可能であり、温度上昇なく太陽電池形成ができる。

本発明の太陽電池の製造方法によれば、導電層形成の際に温度上昇が抑制でき、太陽電池のセル性能を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係る導電膜形成に使用するトレイの模式図である。 本発明の第一実施形態に係る導電性部材上に配置される支持体の長さ、厚みを示す模式図である。 本発明の第一実施形態に係る複数の支持体を使用したトレイの模式図である。 本発明の第一実施形態に係る複数の太陽電池基板を配置できるトレイの模式図である。 本発明の第一実施形態に係るマスクを利用して導電膜を形成する様子を模式的に示した図である。 本発明の第一実施形態に係る支持体のトレイの交換工程を模式的に示す模式図である。 第１実施形態のヘテロ接合太陽電池の模式図である。 本発明の第一実施形態に係る仕掛太陽電池基板を示す模式図である。 従来技術であるステンレスおよび絶縁コートステンレストレイを用いて導電層の製膜を示した模式図である。

図８に、本実施形態におけるスパッタ法を用いた仕掛太陽電池基板の導電膜形成を示す模式図を示す。

仕掛太陽電池基板とは、その上に導電層を形成して太陽電池を作製するための基板であって、結晶半導体基板上に非晶質半導体層を有する光電変換層を含む。また光電変換層上の少なくとも一方の面上に導電層（透明導電膜）がある状態を示す。すなわち、図８に示すように、透明導電膜が両面にない状態、片面のみ導電層（透明導電膜および金属電極層）が形成された状態、片面のみ透明導電膜が形成された状態、または両面に透明導電膜が形成された状態をいう。

一方、仕掛太陽電池基板上に導電層を形成した後の状態（両面に製膜する場合は両面の導電層を製膜後の状態）を太陽電池セルと呼ぶ。太陽電池セルとした状態で、電気特性の性能評価を行う。

本発明は、結晶半導体基板上に非晶質半導体層を有する仕掛太陽電池基板（光電変換層）の上に、導電層を形成する太陽電池の製造方法に関し、仕掛太陽電池基板が、導電性基材上に支持体を有するトレイ上に配置される配置工程と、物理蒸着法により、前記仕掛太陽電池基板上に導電層が製膜される製膜工程と、前記支持体を他の支持体に交換する交換工程と、を、この順に有する。配置工程において、仕掛太陽電池基板が、導電性基材に接触しないように支持体上に配置される。

本実施形態における太陽電池の製造方法では、導電性部材上に支持体を有するトレイ１１を用いて、支持体上に仕掛太陽電池基板を配置する配置工程と、仕掛太陽電池基板に導電層を形成する製膜工程と、支持体を交換する交換工程と、をこの順に有する。

トレイの機体としては、導電性部材１１が用いられる。ガラス等の絶縁性のものは、ガラス等の割れやすいものや樹脂のように変形しやすいのに対し、変形に強く、熱耐性の高い導電性部材を用いることで安定して、仕掛太陽電池基板を保持することができる。導電性部材としては、容易に加工できる点から、ステンレスやアルミ、カーボンを使用するのが好ましい。

導電性部材には、太陽電池基板や支持体が位置ずれを生じないように、保持部材を設けている。例えば図１（ａ）のように、導電性部材表面に、太陽電池基板と同程度の大きさからなる座繰りも保持部材１２となる。保持部材１２（座繰り）の中には、支持体も設置され、太陽電池基板が導電性部材と接触することを防ぐことができる。また、図１（ｂ）のように、導電性部材表面に、突起物を用い、太陽電池基板を点もしくは面で支える保持部材１２を設置してもよい。座繰りに比べ、加工する手間が少なく、安価に作製可能である。

保持部材の幅（長さ）は、支持体および仕掛太陽電池基板の幅（長さ）よりも大きいことが好ましい。保持部材が座繰りの場合、保持部材の幅とは、保持部材の側面部と対抗する平行な面の側面部の距離をいう。一方、図１（ｂ）のように、保持部材が突起物などで点となっている場合、仕掛太陽電池基板の対向する２辺に各々最も近い保持部材同士の距離をいう。

導電性部材の上に載置、またはコーティングされる支持体は、絶縁性を有する。ここで「絶縁性を有する」とは、１ＭΩｃｍ以上の抵抗率であることを意味する。このような支持体を用いることにより、太陽電池基板が製膜中に温度上昇せず、太陽電池セルの性能低下をより防ぐことができる。支持体は、仕掛太陽電池基板の面積の５％以上と接触することが好ましい。５％以上であれば、太陽電池基板が導電性部材と接触しない程度に安定的に支えることが可能となる。この際、仕掛太陽電池基板の周縁と接するように支持体を配置することが好ましい。「周縁」とは、仕掛太陽電池基板の周端から所定の距離の周縁部を意味する。

この場合、後述のように導電層を製膜する製膜面とは反対面側に導電層が回り込むことをより防止することができる。また支持体と仕掛太陽電池基板は出来る限り接触面積が大きい方が好ましく、接触面積は５０％以上接触しているのがより好ましく、８０％以上がさらに好ましい。

これは、接触していない領域も導電性部材からの輻射熱を受ける可能性があり、輻射熱を受ける可能性がある該領域において、支持体を、仕掛太陽電池基板に接するように配置することで、温度上昇をより防ぐことができ、セル性能をより向上できるためである。仕掛太陽電池基板の製膜面と反対面側に導電層を有する場合は、仕掛太陽電池基板と支持体との接触面積を大きくすることがより好ましい。支持体の厚み、長さの定義は図２に示す。厚みは、太陽電池基板と垂直方向の距離を示す。一方、長さは太陽電池基板と平行方向の距離を示す。

支持体の厚みは０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。０．１ｍｍ以上あることにより、導電性部材からの熱伝導をより抑制することができる。また、１０ｍｍ以下であることにより、導電性部材や保持部材の加工を簡便にできる。熱伝導を少なくし、加工の簡便さから、０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下がより好ましい。

支持体の長さは、仕掛太陽電池基板と同程度、もしくはそれ未満であることが望ましい。「仕掛太陽電池基板と同程度」というのは、仕掛太陽電池基板の長さの１００％以上１０１％未満であることを指し、「仕掛太陽電池基板未満」とは、仕掛太陽電池基板の長さよりも小さい状態を指す。１０１％未満にすることで、仕掛太陽電池基板が支持体の上で位置ずれを起こすことなどをより抑制でき、また支持体上において仕掛太陽電池基板の移動を防げ、位置ずれや温度上昇を抑制することができる。

支持体は、その長さを図１（ｃ）のように仕掛太陽電池基板の長さよりも短くても良いし、図１（ｄ）のように仕掛太陽電池基板の周縁（端部）を配置させてもよいが、上述のように、導電層の製膜面と反対面側に回り込むことより生じうる、表裏の導電層の電気的接続による性能低下をより防止できる観点から、図１（ｄ）のように、少なくとも仕掛太陽電池基板の端部と接するように載置してあることが好ましい。

また、支持体は太陽電池基板の下に複数枚設置してもよい。例えば、図３のように導電性部材に空気穴を開け、支持体がその空気穴をふさがないように、４枚の支持体を設置する方法が考えられる。このように空気穴を設けることで、製膜後の太陽電池基板が支持体などに接着することを防止でき、脱着をより容易にする。

支持体として使う材料は、絶縁体であればよいが、テフロン、ゴム、ガラス、塩ビ、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、マイカなどがあげられる。支持体に水分が吸着されていると、その後の導電層製膜時に水蒸気になる可能性がある。導電層製膜時の温度上昇により生じうる水蒸気は、導電膜の物性に影響を与えるため、水の吸着量が少ない、ガラスやテフロンを使用することが好ましい。

これら支持体は、導電性部材に載置するだけでもよく、図１（ｅ）のように接着してもよい。接着は、接着剤のような別の樹脂を用いて接着してもよいし、導電性部材の上に被覆した絶縁材料を熱などによって硬化させ、接着させてもよい。支持体の材料は、以下で述べる交換工程において、導電性部材を破棄することなく、支持体自体を他の支持体に取り換えることができる材料であればよい。

支持体を導電性部材上に載置する場合、製膜中の熱による変形が生じにくいガラスやマイカ、エポキシ樹脂を支持体として使うことが好ましい。これらの材料は、アルミやＳＵＳのような機体の替わりに単体で使う場合、加工の観点から難しいのに対し、本発明のように導電性部材上の支持体として用いることで、加工が比較的容易で、容易に交換可能であるため好ましい。導電性部材に対して被覆し、接着させる場合、テフロンを用いることが望ましい。テフロンは、熱に強く、また水を吸収しづらい。

導電層として透明導電膜を製膜する場合、透明導電膜の多くは、水分によって大きく特性が変わるため、支持体としてテフロンを用いることによって、その影響を最小限に抑えることが可能である。

トレイ上には、複数の保持部材、支持体を設けることで、多数枚の太陽電池基板を配置し、同時に製膜することも可能である（図４）。このような多数枚の仕掛太陽電池基板を配置するトレイとして用いる際、交換可能でない場合、製膜時にトレイに着膜した導電層の除去が困難で、トレイ自体を新たなトレイに交換する必要があるものの、交換が困難で、またコストもかかる。

一方、本発明においては、このような大型のトレイであっても、機体と支持体で分離でき、支持体のみを交換可能であるため、より低コストで容易に交換できる。複数枚配置できるトレイの場合、各々の保持部材に対する支持体を交換できるようにすれば、着膜が多い支持体のみを選択的に交換することができる。配置工程では、この支持体の上に、太陽電池基板が配置される。

その後、製膜工程をおこなうために、トレイ１１に配置した太陽電池基板は、物理蒸着を行うための装置内に搬送される。物理蒸着法としては、スパッタ法やイオンプレーティング法を用いることが好ましく、スパッタ法を用いる場合、スパッタ装置内に搬送される。

スパッタ装置としては、インライン式スパッタ装置を用いている。インライン式スパッタ装置とは、基板を配置したトレイを搬送させながら製膜をおこなうスパッタ装置のことをいう。具体的には、図９（ａ）に示すように、基板を配置したトレイが搬送ローラーによって搬送され、真空中でアルゴン等のガスを放電させて、この時に生じたイオンでターゲットをスパッタリングして、飛散したスパッタ粒子をターゲット直下に搬送された際に、太陽電池基板上に導電層を形成する。

透明電極層を形成する場合、インジウム酸化物をはじめとする酸化物半導体が用いられるため、不活性ガスだけでなく、酸素ガスも混合させることで、電気特性、光学特性を制御することも可能となる。

図５に示すように、トレイ１１は、インライン式のコンベア１４によって搬送され、ターゲット１５直下で導電層が製膜される。また、光入射面側、裏面側の電気的な接続を防ぐために、少なくとも一方をマスク製膜してもよい。電気的な接続を絶つことにより、太陽電池セルの性能を向上できる。この場合、図５に示すように、太陽電池基板１０の上にマスク１６が配置された後で導電層が製膜される。マスク製膜では、端部から０．５ｍｍ程度の部分をマスクすればよい。マスクする距離が短いほど、発電に寄与する有効面積が大きくなる。

製膜工程の後、支持体を別の支持体に交換する交換工程を有する。この際、各仕掛太陽電池基板上に導電層を製膜する毎に交換する必要はなく、交換工程は、（１）トレイの少なくとも支持体上にて導電膜が着膜していない部分（領域Ａ）が、仕掛太陽電池基板の面積の８０％以下、でかつ（２）シート抵抗が１Ω／□以下になった場合に実施することが好ましく、より性能低下を防止できる観点から、（１）または（２）のいずれか一方を満たす場合に交換を行うことがより好ましい。

（１）「トレイの少なくとも支持体上」とは、図１（ａ）や（ｂ）のように仕掛太陽電池基板の全面と支持体が接する場合は、支持体上を意味し、図３のように、仕掛太陽電池基板の端部を含む一部が支持体と接する場合、仕掛太陽電池基板の配置領域において、基板と支持体が接していない領域も含む。この際の導電層の着膜のない面積は、例えばＳｃｉｏｎ ｉｍａｇｅなどのソフトを用いて画像解析により求めることができる。カメラにて支持体の画像を取り込んだ後、画像解析をおこなうことで、簡単に面積を知ることができる。

シート抵抗は、図６（ａ−１）に示すように太陽電池基板と接する部分を測定する。
また、シート抵抗が１Ω／□以下のとき、交換工程を行うことが好ましい。例えば、金属層として用いるＡｇの場合、１６ｎｍ程度製膜されるとシート抵抗が１Ω／□となる。金属層にＣｕを用いる場合、１７ｎｍ程度の膜厚でシート抵抗が１Ω／□となる。

シート抵抗は、四端子測定により求めることができる。シート抵抗は、図６（ａ―１）の点Ｂに示すように太陽電池基板と接する可能性のある導電膜の端部近傍を測定する。

交換工程として、導電性部材上に支持体が載置されている場合、別の支持体に置き換えるだけでよい（図６）。即ち、導電層が製膜された支持体（図６（ａ−１））を、導電性部材から取り除き（図６（ａ−２））、別の支持体１３’を導電性部材に配置して（図６（ａ−３））、仕掛太陽電池基板を配置する（図６（ａ−４））。

支持体として、絶縁膜を接着している場合、物理的に力を加えて除去し、再コートするだけでなく、有機溶剤などで溶解して除去し、新しい絶縁膜を接着してもよい（図６（ｂ−１、２））。

以上の設置工程、製膜工程、交換工程を経ることで、温度上昇に伴う、非晶質シリコン系薄膜や透明導電膜の物性が悪化することを防ぐことができる。

また、透明導電層や金属層を形成するターゲット材料の粉末が支持体上にあると、仕掛太陽電池基板に付着し、ピンホールを作ってしまう場合がある。ピンホールは、透明導電層や金属層の形成を妨げるため、水などが光電変換層に浸入することにより、セル性能の信頼性を損なう恐れがある。また、粉末は異常放電が生じる可能性が高くなるため、太陽電池基板に対してダメージを与える可能性がある。このような場合にも交換することで簡単に解決することが可能である。

光入射面側の集電極は、光を光電変換層に吸収させるため、グリッド状に作製される。作製方法は特に限定しないが、印刷法、電解めっき法、無電解めっき法などがある。一般的には、簡便なことからスクリーン印刷法が用いられる。スクリーン印刷法では、導電性ペーストをスクリーン版によってグリッド状に印刷することで、簡便に集電極形成ができる。導電性ペースト印刷時の焼成温度は、適宜設定すればよいが、上述の通り、非晶質シリコン系薄膜を用いた場合、結晶化による性能低下を招くため２００℃以下が好ましい。

以下に、本発明の一実施形態に係るヘテロ接合太陽電池について説明する。図７に示すように、本発明の太陽電池は、半導体結晶基板上に非晶質半導体層を有する光電変換層と、前記光電変換層の光入射面に、透明導電層と集電極、をこの順に有する。また光電変換層の裏面側に、透明導電膜と金属層を有する。半導体結晶としては、ｎ型単結晶シリコンを用いることが好ましく、アモルファス層としては、光入射面側に真性シリコン薄膜、ｐ型シリコン薄膜をこの順に用いることが好ましく、裏面側に真性シリコン薄膜、ｎ型シリコン層を用いることが好ましい。

［光電変換層］
以下に、図７を参照しつつ、本発明の太陽電池として用いられる光電変換層について説明する。

本発明の光電変換層としては、結晶半導体層１上に、非晶質半導体層２を有する。薄膜シリコン太陽電池のように、ガラスやフィルムが基板となる場合、絶縁性であるため、温度上昇しづらくなる。抵抗が比較的低い結晶半導体を用いる際、温度上昇が顕著となり、本発明の手法が効果的となる。特に、薄い結晶半導体基板は熱伝導しやすいため、本発明による効果が大きくなる。

本実施形態の太陽電池１０は、ヘテロ接合結晶シリコン太陽電池（以下、ヘテロ接合太陽電池ともいう）を採用している。ヘテロ接合太陽電池は、一導電型の単結晶シリコン基板の表面に、単結晶シリコンとはバンドギャップの異なるシリコン系薄膜を有することで、拡散電位が形成された結晶シリコン系太陽電池である。

単結晶シリコン基板１は、一導電型の単結晶シリコン基板によって形成されている。
ここで、「一導電型」について説明する。

単結晶シリコン基板には、シリコン原子に電子を導入するための原子（例えばリン）を含有させたｎ型と、シリコン原子に正孔を導入する原子（例えばホウ素）を含有させたｐ型がある。「一導電型」とは、ｎ型又はｐ型のどちらか一方であることを意味し、一導電型の単結晶シリコン基板とは、ｎ型又はｐ型の単結晶シリコン基板を表す。

ヘテロ接合太陽電池では、単結晶シリコン基板へ入射した光が最も多く吸収される入射側のへテロ接合を逆接合として強い電場を設けることで、電子・正孔対を効率的に分離回収することができる。そのため、光入射側のヘテロ接合は逆接合であることが好ましい。一方で、正孔と電子とを比較した場合、有効質量および散乱断面積の小さい電子の方が、一般的に移動度が大きい。以上の観点から、単結晶シリコン基板１は、ｎ型単結晶シリコン基板であることが好ましい。

単結晶シリコン基板１は、表面及び裏面にテクスチャ構造を有している。それ故に、本発明の製造方法によって形成される太陽電池１０は、入射した光を光電変換層９に閉じ込めることができ、発電効率が高い。

導電型シリコン系薄膜２−２，２−４は、逆導電型または一導電型のシリコン系薄膜である。本実施形態では、単結晶シリコン基板１としてｎ型が用いられるから、逆導電型シリコン系薄膜２−２はｐ型となり、一導電型シリコン系薄膜２−４は、ｎ型となる。

導電型シリコン系薄膜２−２、２−４は、非晶質シリコン系薄膜の中でも、水素化非晶質シリコン層、非晶質シリコンカーバイド層、または非晶質シリコンオキサイド層であることが好ましい。また、導電率を高くし、透明導電膜との接触抵抗も低くなるため、微結晶シリコン系薄膜を用いてもよい。ここでは、微結晶シリコン系薄膜も非晶質シリコン系薄膜に含む。

非晶質半導体層として、シリコン系薄膜を使用している。単結晶シリコン基板１の一方の面（光入射側の面，表面）上に、真性シリコン系薄膜２−１、逆導電型シリコン系薄膜２−２がこの順に積層されている。一方、単結晶シリコン基板１の他方の面（光反射側の面，裏面）上に真性シリコン系薄膜２−３及び一導電型シリコン系薄膜２−４がこの順に積層されている。

すなわち、単結晶シリコン基板１と逆導電型シリコン系薄膜２−２の間、単結晶シリコン基板１と一導電型シリコン系薄膜２−４の間には、真性シリコン系薄膜２−１，２−３が介在している。

単結晶シリコン基板１上に、ＣＶＤ法によってｉ型水素化非晶質シリコンが成膜されると、単結晶シリコン基板への不純物拡散を抑えつつ表面パッシベーションを有効に行うことができる。また、膜中の水素量を変化させることで、エネルギーギャップにキャリア回収を行う上で有効なプロファイルを持たせることができるためである。

以上のように、本実施形態の光電変換層８は、光入射側から順にｐ型非晶質シリコン系薄膜２−２／ｉ型非晶質シリコン系薄膜２−１／ｎ型単結晶シリコン基板１／ｉ型非晶質シリコン系薄膜２−３／ｎ型非晶質シリコン系薄膜２−４の順の積層構造を取っている。
シリコン系薄膜の製膜方法としては、プラズマＣＶＤ法が好ましい。シリコン系薄膜の形成条件としては、基板温度１００〜３００℃、圧力２０〜２６００Ｐａ、高周波パワー密度０．００４〜０．８Ｗ／ｃｍ^２が好ましく用いられる。シリコン系薄膜の形成に使用する原料ガスとしては、ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６等のシリコン含有ガスまたは、それらのガスとＨ_２を混合したものが用いられる。

本発明におけるｐ型またはｎ型シリコン系薄膜を形成するためのドーパントガスとしては、Ｂ_２Ｈ_６またはＰＨ_３等が好ましく用いられる。また、ＰやＢといった不純物の添加量は微量でよいため、予めＳｉＨ_４やＨ_２で希釈された混合ガスを用いることが好ましい。また、ＣＨ_４、ＣＯ_２、ＮＨ_３、ＧｅＨ_４等といった異種元素を含むガスを添加することで、合金化しエネルギーギャップを変更することもできる。

上記、非晶質半導体層は、熱に弱く、高温になりすぎると、結晶化が生じ、性能低下を招く。特に、真性非晶質半導体層は、パッシベーション効果が弱くなり、再結合が起こりやすく、開放電圧を低下させてしまう。従って、高温条件下に曝されないことが好ましく、２００℃以下が好ましく、以下の工程の中で、開放電圧低下をさせないためにも、２００℃以下に温度を保つことが好ましい。

ヘテロ接合太陽電池では、上記した光電変換層の中で発生したキャリアを導電層によって収集する。本実施形態における導電層は、ｐ型シリコン系薄膜上で、透明電極層６−１、集電極層８をこの順に有する。ｐ型シリコン系薄膜側は、光入射側となるため、集電極層８はグリッド状に形成することが好ましい。

一方、裏面側であるｎ型シリコン系薄膜上には、透明電極層６−２、金属層が形成される。金属層は、低抵抗な材料を用いて、キャリアを収集しやすくなるのに加え、光電変換層で吸収されず、透過した赤外、もしくは近赤外領域の光を反射し、再び光電変換層に返す役割も果たす。この観点から、金属層７としては、Ａｇ、Ｃｕ、アルミを用いることが好ましい。

透明電極層６は、透明性及び導電性を有した層であり、導電性酸化物を主成分とした層である。透明電極層５２としては、例えば、酸化亜鉛や酸化インジウム、酸化錫を単独、又は混合したものが使用できる。

透明電極層５２は、これらの中でも、導電性、光学特性、および長期信頼性の観点から、酸化インジウムを含んだインジウム系酸化物が好ましく、中でも酸化インジウム錫（ＩＴＯ）を主成分とするものがより好ましい。ここで「主成分とする」とは、含有量が５０重量％より多いことを意味し、７０重量％以上が好ましく、９０％重量以上がより好ましい。

さらに上記透明導電層には、ドーピング剤を添加することができる。例えば、透明導電層として酸化亜鉛を用いた場合には、アルミニウムやガリウム、ホウ素、ケイ素、炭素などが挙げられる。酸化インジウムを用いた場合には、亜鉛や錫、チタン、タングステン、モリブデン、ケイ素などが挙げられる。酸化錫を用いた場合には、フッ素などが挙げられる。

透明導電層６の膜厚は、透明性と導電性、そしてセルの光反射低減の観点から、１ｎｍ以上１４０ｎｍ以下であることが好ましい。透明導電層の役割は、集電極へのキャリアの輸送であり、そのために必要な導電性があればよい。一方で透明性の観点から、１４０ｎｍ以下にすることにより、透明導電層自体の吸収ロスが少ないため、透過率の低下に伴う光電変換効率の低下を抑制することができる。また、透明導電層中のキャリア濃度の上昇も防ぐことができるため、赤外域の光吸収の増加に伴う光電変換効率を低下も抑制できる。

透明導電膜は、非晶質のものと結晶質のものがあるが、非晶質の場合、熱を加えることで、結晶化が生じやすくなる。透明導電膜は、結晶化に伴い低抵抗化するが、キャリアが増えるため、長波長の光の吸収が大きくなる。長波長の光吸収が生じると、光電変換層まで光が到達しないため、キャリアの発生が抑制され、電流を低下させてしまう。従って、透明導電膜として非晶質のものを用いる場合、２００℃以下が好ましい。

本実施形態における透明電極層６は、物理蒸着法により仕掛太陽電池基板上に製膜される。物理蒸着法とは、スパッタ法に加え、イオンプレーティング法、抵抗加熱蒸着法、分子線エピタキシー法、電子線ビーム法などを含む。

本実施形態では、集電極層８を、簡便なためスクリーン印刷法を用いて形成しているが、透明電極層６や金属層７と同様に、スパッタ法を用いて形成後、フォトリソグラフィ技術などによって、グリッド状に形成してもよい。

１．半導体結晶基板（ｎ型シリコン基板）
２．アモルファス半導体層
２−１．第一の真性シリコン系薄膜
２−２．ｐ型シリコン系薄膜
２−３．第二の真性シリコン系薄膜
２−４．ｎ型シリコン系薄膜
３．導電層
４．透明導電層
５−１．光入射面側透明導電層
５−２．裏面側透明導電層
６．金属極
７．集電極層
８．導電層
９．仕掛太陽電池基板
１０．太陽電池セル
１１．トレイ
１２．保持具
１３．支持体
１４．コンベア
１５．ターゲット

Claims (7)

1. 結晶半導体基板上に非晶質半導体層が形成された光電変換層を含む仕掛太陽電池基板の上に、導電層を形成する太陽電池の製造方法であって、
   導電性基材と、該導電性基材上に位置する絶縁性の少なくとも１つの支持体とを有するトレイ上に、前記仕掛太陽電池基板が配置される配置工程と、
   物理蒸着法により、前記仕掛太陽電池基板上に導電層が製膜される製膜工程と、
   を、この順に有し、
   前記配置工程において、前記仕掛太陽電池基板が、前記導電性基材に接触しないように前記支持体上に配置され、
   前記製膜工程後に、前記仕掛太陽電池基板が配置される領域のうち、トレイにおける少なくとも支持体上の導電層が製膜されていない領域の面積が、前記仕掛太陽電池基板の面積に占める割合の数値、および、前記支持体に製膜された、前記仕掛太陽電池基板と接する部分に存在する導電層のシート抵抗の数値のうち、少なくとも一方の数値を測定し、測定した前記数値が所定値以下に達した場合にだけ、前記導電性基材上の前記支持体を他の支持体に交換する交換工程をさらに有する、太陽電池の製造方法。
2. 前記支持体は、仕掛太陽電池基板を配置する配置領域と、前記配置領域よりも外側の非配置領域に跨るように、前記トレイの導電性基材上に形成されており、
   前記交換工程において、
   前記仕掛太陽電池基板が配置される領域のうち、トレイにおける少なくとも支持体上の導電層が製膜されていない領域の面積が、仕掛太陽電池基板の面積の８０％以下となった後に、他の支持体に交換されることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
3. 前記交換工程において、
   前記支持体は、仕掛太陽電池基板と接する部分の一部に導電層が製膜されており、
   前記仕掛太陽電池基板と接する部分の導電層のシート抵抗が１Ω／□以下になった後で、他の支持体に交換されることを特徴とする、請求項１または２に記載の太陽電池の製造方法。
4. 前記トレイの導電性基材が、ステンレス、アルミおよびカーボンから選ばれる少なくとも１つから形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法。
5. 前記トレイは、複数の仕掛太陽電池基板を載置可能な複数の保持部材を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法。
6. 前記結晶半導体基板が結晶シリコン基板であり、前記非晶質半導体層が非晶質シリコン層であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法。
7. 前記導電層が、透明導電層を含み、
   前記製膜工程において、前記非晶質半導体層上に前記透明導電層が形成される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法。