JP6583753B2

JP6583753B2 - 太陽電池

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Publication number: JP6583753B2
Application number: JP2018041367A
Authority: JP
Inventors: 幹英甲斐; 利夫浅海; 高木　厚司; 厚司高木
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-03-08
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2019-10-02
Anticipated expiration: 2034-03-14
Also published as: JP2018093237A

Description

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においては、ｎ型半導体層が形成されたｎ型表面及びｐ型半導体層が形成されたｐ型表面の上に、それぞれｎ型電極及びｐ型電極が形成される。ｎ型電極及びｐ型電極は、例えば、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などからなる透明電極層を形成し、その上に銅（Ｃｕ）などからなる金属電極層を形成し、これらをシード層としてその上にめっき法等により収集電極層を形成することにより作製されている。

特開２０１２−３３６６６号公報

ところで、透明電極層と金属電極層は、化学気相蒸着法（ＣＶＤ法）やスパッタリング法等の同じ薄膜形成法を用いて形成される場合が多い。このため、透明電極層及び金属電極層を形成する際に同じトレイを用いることなどにより、透明電極層中に金属電極層の金属成分が混入する場合がある。透明電極中に混入した金属成分は、半導体層と半導体基板との接合領域にまで拡散し、パッシベーション性などに悪影響を与える。

本発明の目的は、透明電極層中に混入された金属成分が、半導体接合領域に拡散するのを低減させ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、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半導体層の上に形成される第１金属電極層と、前記第２半導体層の上に形成される第２金属電極層と、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窒化ケイ素または酸化ケイ素からなる絶縁層とを備え、前記絶縁層は、前記第１半導体層の上に設けられ、前記絶縁層の上に前記第２半導体層が設けられており、前記第１半導体層と前記絶縁層との間に、タングステン含有層が形成されており、前記タングステン含有層におけるタングステンの含有量は、１０^１０〜１０^１２ａｔｍｓ／ｃｍ^２である。

本発明によれば、透明電極層中に混入された金属成分が、半導体接合領域に拡散するのを低減させることができる。

実施形態の太陽電池を裏面側から見た平面図である。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。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。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。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。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。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。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。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。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。

（太陽電池の実施形態）
太陽電池１は、図１及び図２に示すように、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性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１２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のそれぞれは、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。

第１半導体層２０ｎが半導体基板１０ｎ上に設けられている第１導電型領域と、第２半導体層３０ｐが半導体基板１０ｎ上に設けられている第２導電型領域との間には、境界領域４２が形成されている。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４２において重なっている。境界領域４２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、窒化ケイ素または酸化ケイ素から形成されている。

絶縁層４０と第１半導体層２０ｎとの間には、タングステン含有層４１が形成されている。タングステン含有層４１におけるタングステンの含有量は１０^１０〜１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２、タングステン含有層４１の厚みは０．１ｎｍ〜１００ｎｍである。

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金属電極層５３ｎと、第１収集電極層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（インジウム錫酸化物）、酸化錫、酸化亜鉛などを用いて形成することができる。第１金属電極層５３ｎは、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）などを用いて形成することができる。第１収集電極層５５ｎは、第１金属電極層５３ｎ上に形成される。第１金属電極層５３ｎを形成した後、めっき法を用いて形成することができる。第１収集電極層５５ｎは、例えば、銅（Ｃｕ）、錫（Ｓｎ）などから形成することができる。

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金属電極層５３ｐと、第２収集電極層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。第２金属電極層５３ｐは、第２透明電極層５２ｐ上に形成される。第２収集電極層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、第２金属電極層５３ｐ及び第２収集電極層５５ｐは、それぞれ第１透明電極層５２ｎ、第１金属電極層５３ｎ第１収集電極層５５ｎと同一の材料を用いることができる。

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と第１半導体層２０ｎとの間に、タングステン含有層４１が形成されている。上述のように、第２透明電極層５２ｐには、第２金属電極層５３ｐの金属成分である銅（Ｃｕ）などが混入する場合がある。第２透明電極層５２ｐに混入した銅（Ｃｕ）などの金属成分は、絶縁層４０を通り、第１半導体層２０ｎと半導体基板１０ｎの接合領域まで拡散し、パッシベーション性に悪影響を与える。本実施形態では、絶縁層４０と第１半導体層２０ｎとの間に、タングステン含有層４１が形成されているので、タングステン含有層４１で、この金属成分の拡散を防止することができる。なお、タングステン含有層４１は、発電に直接関与しない境界領域４２内にのみ形成されているので、太陽電池１の電池性能に悪影響を及ぼすことはない。

（太陽電池の製造方法の実施形態）
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、酸また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、タングステン含有層４１及び絶縁層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、タングステン含有層４１及び絶縁層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、タングステン含有層４１及び絶縁層４０が形成される。タングステン含有層４１及び絶縁層４０を形成する方法としては、タングステン含有層４１をＣＶＤ法またはスパッタリング法などで形成した後、絶縁層４０をＣＶＤ法またはスパッタリング法などで形成する方法が挙げられる。また、タングステンを用いたＣａｔ―ＣＶＤ法で絶縁層４０を形成する方法により、タングステン含有層４１及び絶縁層４０を形成してもよい。この場合、Ｃａｔ―ＣＶＤ法で、まずタングステン含有層４１が形成され、その後、絶縁層４０が形成される。

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上に形成されたタングステン含有層４１及び絶縁層４０を除去する工程である。フォトリソ法又はスクリーン印刷法を用いて、絶縁層４０上にレジストを塗布する。垂直方向ｚから裏面１２を見て、第２半導体層３０ｐが形成される部分に該当する絶縁層４０上にレジストを塗布する。その後、エッチング液によって、レジストで覆われていない部分のタングステン含有層４１及び絶縁層４０を溶解及び除去する。これによって、図５に示されるように、第１半導体層２０ｎが露出する。

レジストによるパターン形成以外の方法としては、例えば、エッチングペーストにより、タングステン含有層４１及び絶縁層４０を部分的に除去する方法がある。これらに限らず、他の方法により、タングステン含有層４１及び絶縁層４０を部分的に除去しても良い。

工程Ｓ３２は、タングステン含有層４１及び絶縁層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タングステン含有層４１及び絶縁層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、絶縁層４０及びタングステン含有層４１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、絶縁層４０及びタングステン含有層４１の部分が残る。レジストが塗布されなかった第２半導体層３０ｐ部分、絶縁層４０及びタングステン含有層４１の部分は、除去される。

本実施形態では、第２半導体層３０ｐと絶縁層４０及びタングステン含有層４１を、それぞれ別のエッチング液を用いてエッチングしている。第２半導体層３０ｐは、例えば、フッ化水素酸を用いてエッチングしている。絶縁層４０及びタングステン含有層４１は、例えば、フッ化水素（ＨＦ）を用いてエッチングしている。

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。

その後、本実施形態では、ＰＶＤ法を用いて、金属電極層５３を形成する。金属電極層５３には、例えば、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。分離溝６０を形成することにより、透明電極層５２及び金属電極層５３をそれぞれ分離して、第１透明電極層５２ｎと第２透明電極層５２ｐ及び第１金属電極層５３ｎと第２金属電極層５３ｐ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。めっき法により、第１金属電極層５３ｎの上に第１収集電極５５ｎを形成し、第２金属電極層５３ｐ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、導電性ペーストを金属電極層５３上に塗布し、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
４１…タングステン含有層
４２…境界領域
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
５３…金属電極層
５３ｎ…第１金属電極層
５３ｐ…第２金属電極層
５５ｎ…第１収集電極層
５５ｐ…第２収集電極層
６０…分離溝
７０ｎ，７０ｐ…接続電極

Claims

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、
前記半導体基板に形成される第１導電型を有する第１半導体層と、
前記半導体基板に形成される第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透明電極層と、
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窒化ケイ素または酸化ケイ素からなる絶縁層とを備え、
前記絶縁層は、前記第１半導体層の上に設けられ、前記絶縁層の上に前記第２半導体層が設けられており、前記第１半導体層と前記絶縁層との間に、タングステン含有層が形成されており、
前記タングステン含有層におけるタングステンの含有量は、１０^１０〜１０^１２ａｔｍｓ／ｃｍ^２である、太陽電池。
前記第１半導体層が、真性の非晶質半導体層と第１導電型を有する第１非晶質半導体層から構成されており、前記第２半導体層が、真性の非晶質半導体層と第２導電型を有する第２非晶質半導体層から構成されている、請求項１に記載の太陽電池。
前記第２半導体層と電気的に接続された第２透明電極層を備える、請求項１または２に記載の太陽電池。
前記第１半導体層の上に形成される第１金属電極層と、
前記第２半導体層の上に形成される第２金属電極層とを備える、
請求項３に記載の太陽電池。
前記第１金属電極層及び前記第２金属電極層が、銅、アルミニウム及び銀からなるグループより選ばれる少なくとも１種から形成されている、請求項４に記載の太陽電池。