JP6598091B2 - 太陽電池 - Google Patents
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Description
本発明は、太陽電池に関する。
特許文献１には、光の反射を低減するための表面凹凸構造であるテクスチャ構造が形成された半導体基板を備える太陽電池が開示されている。特許文献１に開示された太陽電池を含む従来の技術では、図６に示すように、半導体基板の表面に形成されたテクスチャ構造の谷部１００が、緩やかに湾曲した形状を有する。なお、半導体基板の表面には透明導電層１０１が形成されるが、谷部１００における透明導電層１０１の厚みは一定ではなく、谷部１００の最深部１００ｐに近づくほど透明導電層１０１の厚みが厚くなっている。
ところで、太陽電池において、光の反射を抑制して半導体基板の光吸収量を増大させることは重要な課題である。半導体基板の表面にテクスチャ構造を形成することで光の表面反射を抑えられるが、さらなる改良が求められている。また、テクスチャ構造を形成した場合に、太陽電池の製造時や使用時において半導体基板の欠損が発生し易くなるという問題がある。
本発明の目的は、光の反射を抑制して半導体基板の光吸収量を増大させるとともに、太陽電池の製造時や使用時における半導体基板の欠損を抑制することである。
本発明の一態様である太陽電池は、受光面に略四角錐状のテクスチャ構造を有する半導体基板を備え、前記テクスチャ構造の谷部の曲率半径は、前記テクスチャ構造の先端部の曲率半径より小さいことを特徴とする。
本発明の他の一態様である太陽電池は、受光面にテクスチャ構造を有する半導体基板を備え、前記テクスチャ構造の谷部はＶ字状に形成され、前記テクスチャ構造の先端部は丸みを帯びて形成されることを特徴とする。
本発明に係る太陽電池によれば、上記テクスチャ構造を採用することにより、光の反射を抑制して半導体基板の光吸収量を増大させるとともに、製造時や使用時における半導体基板の欠損を抑制できる。
図面を参照しながら、本発明に係る実施形態の一例である太陽電池１０について以下詳細に説明するが、本発明の適用はこれに限定されない。実施形態で参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された構成要素の寸法比率などは、現物と異なる場合がある。具体的な寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
本明細書では、「第１の部材（例えば、光電変換部）上に、第２の部材（例えば、透明導電層）が形成される」との記載は、特に限定を付さない限り、第１および第２の部材が直接接触して形成される場合のみを意図しない。即ち、この記載は、第１および第２の部材の間に、その他の部材が存在する場合を含むものである。
図１は、太陽電池１０を受光面側から見た平面図である。図２は、図１のＡ‐Ａ線断面の一部を示す図であって、第１電極１２および第２電極１３のフィンガー部に直交する方向に沿って太陽電池１０を厚み方向に切断した断面を示す。
太陽電池１０は、太陽光を受光することでキャリアを生成する光電変換部１１と、光電変換部１１の受光面上に形成された受光面電極である第１電極１２と、光電変換部１１の裏面上に形成された裏面電極である第２電極１３とを備える。太陽電池１０では、光電変換部１１で生成されたキャリアが第１電極１２および第２電極１３により収集される。
「受光面」とは、太陽電池１０の外部から光が主に入射する面を意味する。例えば、太陽電池１０に入射する光のうち５０％超過〜１００％が受光面側から入射する。「裏面」とは、受光面と反対側の面を意味する。以下、受光面および裏面を総称して「主面」という。
光電変換部１１は、半導体基板２０（以下、「基板２０」とする）と、基板２０の受光面側に形成された非晶質半導体層２１と、基板２０の裏面側に形成された非晶質半導体層２２とを有する。さらに、光電変換部１１は、非晶質半導体層２１上に形成された透明導電層２３と、非晶質半導体層２２上に形成された透明導電層２４とを有する。
基板２０は、例えば、結晶系シリコン（ｃ‐Ｓｉ）や多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）等の半導体材料からなる。これらのうち、単結晶シリコンが好適であり、ｎ型単結晶シリコンが特に好適である。基板２０上には、表面凹凸構造であるテクスチャ構造２５が形成されている。テクスチャ構造２５は、例えば、基板２０の受光面のみに形成されてもよいが、受光面および裏面の両方に形成されることが好適である。テクスチャ構造２５の詳細については後述する。
非晶質半導体層２１は、例えば、ｉ型非晶質シリコン層と、ｐ型非晶質シリコン層とが基板２０側から順に形成された層構造である。非晶質半導体層２２は、例えば、ｉ型非晶質シリコン層と、ｎ型非晶質シリコン層とが基板２０側から順に形成された層構造である。非晶質半導体層２１，２２は、テクスチャ構造２５上に形成される。光電変換部１１は、基板２０の受光面上にｉ型非晶質シリコン層と、ｎ型非晶質シリコン層とが順に形成され、基板２０の裏面上にｉ型非晶質シリコン層と、ｐ型非晶質シリコン層とが順に形成された構造であってもよい。
透明導電層２３，２４は、例えば、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の金属酸化物に、錫（Ｓｎ）やアンチモン（Ｓｂ）等をドープした透明導電性酸化物から構成される。透明導電層２３，２４は、非晶質半導体層２１，２２をそれぞれ介してテクスチャ構造２５上に形成されている。透明導電層２３，２４は、生産性等の観点から、非晶質半導体層上の端縁を除く領域に形成される。
第１電極１２は、透明導電層２３を介してキャリアを集める金属電極である。第１電極１２は、例えば、テクスチャ構造２５の谷部２７を埋めて透明導電層２３上に形成された複数（例えば、５０本）フィンガー部と、フィンガー部と交差する方向に延びる複数（例えば、２本）のバスバー部とを含む。フィンガー部は、透明導電層２３上の広範囲に形成される細線状の電極である。バスバー部は、フィンガー部からキャリアを収集する電極であって、例えば、フィンガー部よりも幅が太く、太陽電池１０をモジュール化する際に配線材が接続される。
第１電極１２は、バインダ樹脂中に銀（Ａｇ）等の導電性フィラーが分散した構造、或いはニッケル（Ｎｉ）や銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の金属のみからなる構造を有する。例えば、前者は、導電性ペーストを用いたスクリーン印刷により形成され、後者は、電解めっき、蒸着又はスパッタ等により形成される。第１電極１２は、テクスチャ構造２５の谷部２６（後述の図３参照）を埋めて、透明導電層２３等を介してテクスチャ構造２５上に形成されている。
第２電極１３は、第１電極１２と同様に、テクスチャ構造２５の谷部２６を埋めて透明導電層２４上に形成された複数のフィンガー部と、これに交差する複数のバスバー部とを含むことが好適である。但し、第２電極１３は、第１電極１２よりも大面積に形成されることが好ましく、例えば、フィンガー部は第１電極１２の場合よりも多く形成される（例えば、２５０本）。第２電極１３は、透明導電層２４上の略全域に形成される金属層であってもよい。
図３および図４は、受光面側のテクスチャ構造２５、および該構造上に形成された透明導電層２３等を拡大した断面図である。図３は、テクスチャ構造２５の谷部２６を示し、図４は、テクスチャ構造２５の先端部２７を示す。ここでは、受光面側の構造を例示するが、裏面側の構造も受光面側と同様である。
テクスチャ構造２５とは、光の表面反射を抑制し、光電変換部１１の光吸収量を増大させる機能を有する表面凹凸構造である。かかる構造には、略四角錐状の凸状部が多数含まれ、隣り合う凸状部同士は互いに接している。凸状部の中には形が歪んで四角錐状に見えないものもあるが、少なくとも半数以上の凸状部は、上端に向かって面積が小さくなる平坦な斜面を有し、上端に頂点である先端２７ｐが形成された略四角錐状を呈している。
本明細書において、テクスチャ構造２５の谷部２６とは、隣接する複数の凸状部に挟まれた凹状部を意味する。より詳しくは、図５に示すように、凹状部の最も深い部分である谷底２６ｐから、凹状部を形成する凸状部の高さｈの１／３の範囲が谷部２６と定義される。図５は、図面の明瞭化のため、非晶質半導体層２１、透明導電層２３、および基板２０のハッチングを省略している。凸状部の高さｈは、凸状部の最も高い部分である先端２７ｐから、周囲の谷底２６ｐのうち最も深い谷底２６ｐまでの基板２０の厚み方向に沿った長さを意味する。即ち、凸状部の高さｈは凹状部の深さに相当する。テクスチャ構造２５の先端部２７は、先端２７ｐから凸状部の高さｈの１／３の範囲と定義される。
テクスチャ構造２５のサイズ（以下、「Ｔｘサイズ」という場合がある）は、１μｍ〜１５μｍ、好ましくは１．５μｍ〜５μｍ程度である。Ｔｘサイズとは、基板２０の主面を平面視した状態における寸法を意味し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）やレーザーマイクロスコープを用いて測定できる。Ｔｘサイズの定義は特に限定されないが、以下では、基板２０の主面を平面視した状態でテクスチャ構造２５の一つ一つの凸状部を正方形に見立てて、その一辺をＴｘサイズとする。Ｔｘサイズは、２００個程度の凸状部について測定した中央値を意味するものとする。
テクスチャ構造２５の凸状部の高さｈは、例えば、１μｍ〜１０μｍ、好ましくは１．５μｍ〜５μｍ程度である。非晶質半導体層２１、透明導電層２３の厚みは、後述するように、数ｎｍ〜数百ｎｍ程度であるから、これら薄膜層の上にもテクスチャ構造２５が現れる。換言すると、非晶質半導体層２１、透明導電層２３は、テクスチャ構造２５の形状に追従して形成される。
テクスチャ構造２５の谷部２６は、Ｖ字状に形成されており、谷底２６ｐは尖っている。即ち、隣り合う凸状部の平坦な斜面同士が直接繋がって谷部２６が形成されており、谷底２６ｐに主面の面方向（基板２０の厚み方向に直交する方向）に沿った平らな部分は存在しない。谷底２６ｐにおけるテクスチャ構造２５の曲率半径（以下、「曲率半径ｒ26」という）は、極めて小さく、例えば、１０ｎｍ未満である。曲率半径ｒ26は、透明導電層２３の厚み、さらには非晶質半導体層２１の厚みよりも小さい。谷部２６をＶ字状に形成して谷底２６ｐを尖らせることにより、入射した光が谷部２６において効率良く多重反射し、光電変換部１１の光吸収効率を向上させることができる。
谷部２６では、透明導電層２３の厚みが略一定である。略一定とは、実質的に同等とみなすことができる範囲を含み、具体的には、最大厚みと最小厚みとの差異が１０％以内であることを意味する。好ましくは、当該差異は５％以内である。即ち、谷底２６ｐの近傍における厚みｔ1、谷部２６の上部における厚みｔ2は、同等であり、それらの差異は１０％の範囲内である。透明導電層２３の厚みは、その上端面から凸状部の斜面までの長さであって、該上端面に直交する方向に沿った長さである（非晶質半導体層についても同様）。透明導電層２３の厚みは、ＳＥＭを用いた断面観察により測定できる。
透明導電層２３の厚みは、３０ｎｍ〜２００ｎｍ程度が好適であり、４０ｎｍ〜１００ｎｍ程度が特に好適である。例えば、厚みｔ1が７０ｎｍである場合、厚みｔ2もｔ1と同じ７０ｎｍであるか、差異があったとしても７０ｎｍ±７ｎｍ程度である。
谷部２６では、非晶質半導体層２１の厚みも略一定である。谷部２６に形成された非晶質半導体層２１は、最大厚みと最小厚みが存在する場合、両者の差異が１０％以内であり、好ましくは５％以内である。非晶質半導体層２１の厚みは、１ｎｍ〜２０ｎｍ程度が好適であり、５ｎｍ〜１５ｎｍ程度が特に好適である。
テクスチャ構造２５の先端部２７は、多数の凸状部のうち半数以上において、丸みを帯びており、先端２７ｐが尖っていない。即ち、先端２７ｐの断面形状は、略円弧形状を呈している。先端２７ｐにおけるテクスチャ構造２５の曲率半径（以下、「曲率半径ｒ27」という）は、曲率半径ｒ26よりも大きく、例えば、５０ｎｍ〜５００ｎｍである。曲率半径ｒ27は、曲率半径ｒ26の５倍以上が好ましく、１０倍以上がより好ましく、５０倍以上が特に好ましい。曲率半径ｒ27は、透明導電層２３の厚み、さらには非晶質半導体層２１の厚みよりも大きい。先端部２７を丸く形成することにより、太陽電池１０の製造時や使用時に先端部２７が欠損することを抑制できる。
透明導電層２３の厚みは、谷部２６だけでなく、凸状部の先端部２７を含むテクスチャ構造２５上の全域に亘って略一定であってもよいが、先端２７ｐ付近において厚くなっていることが好適である。換言すると、凸状部の先端２７ｐ付近を除くテクスチャ構造２５上の全域に亘って、透明導電層２３の厚みが略一定であることが好適である。非晶質半導体層２１についても同様である。
つまり、先端部２７における透明導電層２３の厚みｔ3は、谷部２６における厚みｔ1，ｔ2よりも厚いことが好適である。例えば、先端部２７における透明導電層２３の厚みは、先端２７ｐに近づくほど厚くし（ｔ3＞ｔ4＞ｔ5）、透明導電層２３の厚みは、先端２７ｐにおいて最も厚くすることが好ましい。非晶質半導体層２１についても透明導電層２３と同様の傾向を示し、先端部２７において谷部２６よりも厚みが厚い。
テクスチャ構造２５は、エッチング液を用いて基板２０をエッチングすることにより形成できる。好適なエッチング液としては、基板２０が（１００）面を有する単結晶シリコン基板である場合、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）溶液や水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液等のアルカリ溶液が例示できる。アルカリ溶液の濃度は、１重量％〜１０重量％程度であることが好ましい。溶媒は、例えば、水を主成分とする水系溶媒であり、１重量％〜１０重量％程度の添加剤を含有する。添加剤としては、イソプロピルアルコール、シクロヘキサンジオール、オクタノール等のアルコール系溶媒、４−プロピル安息香酸、４−ｔ−ブチル安息香酸、４−ｎ−ブチル安息香酸、４−ペンチル安息香酸、４−ブトキシ安息香酸、４−ｎ−オクチルベンゼンスルホン酸、カプリル酸、ラウリン酸等の有機酸などが例示できる。
（１００）面を有する単結晶シリコン基板をアルカリ溶液に浸漬すると、（１１１）面に沿って異方性エッチングされ、基板２０の主面上に略四角錐状の凸状部が多数形成される。使用する基板２０やエッチング液の濃度や温度、組成比、処理時間等を変更することにより、Ｔｘサイズを調整することが可能である。エッチングガスを用いて、テクスチャ構造２５を形成することもできる。
テクスチャ構造２５の形成後に、基板２０の洗浄処理工程を設けてもよいが、かかる工程では、基板２０がさらにエッチングされるような薬液、例えばフッ酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ3）の混合溶液（フッ硝酸）を用いないことが好適である。
非晶質半導体層２１，２２は、化学気相蒸着（ＣＶＤ）やスパッタリングにより形成できる。ＣＶＤによるｉ型非晶質シリコン層の成膜には、例えば、シラン（ＳｉＨ4）を水素（Ｈ2）で希釈した原料ガスを使用する。ｐ型非晶質シリコン層の場合は、シランにジボラン（Ｂ2Ｈ6）を添加し、水素（Ｈ2）で希釈した原料ガスを使用することができる。ｎ型非晶質シリコン層の場合は、シランにホスフィン（ＰＨ3）を添加し、水素（Ｈ2）で希釈した原料ガスを使用することができる。透明導電層２３，２４についても、ＣＶＤやスパッタリングにより形成できる。ＣＶＤによる成膜は、２００℃〜３００℃程度の温度条件下でなされるため、かかる熱によりＴＣＯが結晶化して導電性が向上する。
以上のように、太陽電池１０は、テクスチャ構造２５の谷部２６における透明導電層２３，２４の厚みが略一定である。また、谷部２６では、非晶質半導体層２１，２２の厚みも略一定である。これにより、光電変換特性を好適化するための光学的設計、電気的設計を厳密に行なうことが可能となる。したがって、太陽電池１０によれば、光電変換特性を向上させることができる。
太陽電池１０の主面上における谷部２６の面積は、先端部２７の面積よりも大きく、谷部２６の構造は光電変換特性に大きく影響する。このため、谷部２６における透明導電層２３，２４等の厚みの不均一性を低減することは重要である。
先端部２７の構造は、谷部２６に比べると光電変換特性に影響し難い。このため、先端部２７では、透明導電層２３，２４の厚みを厚くして先端部２７を保護し、太陽電池１０の製造時や使用時における先端部２７の欠損を抑制することができる。
１０ 太陽電池、１１ 光電変換部、１２ 第１電極、１３ 第２電極、２０ 基板、２１，２２ 非晶質半導体層、２３，２４ 透明導電層、２５ テクスチャ構造、２６ 谷部、２６ｐ 谷底、２７ 先端部、２７ｐ 先端。
Claims (7)
- 受光面に略四角錐状のテクスチャ構造を有する半導体基板と、
前記半導体基板の受光面上に形成された透明導電層と、を備え、
前記テクスチャ構造の谷部の曲率半径は、前記テクスチャ構造の先端部の曲率半径より小さく、
前記透明導電層は、前記テクスチャ構造の先端部において前記谷部よりも厚みが厚い、太陽電池。 - 受光面にテクスチャ構造を有する半導体基板と、
前記半導体基板の受光面上に形成された透明導電層と、を備え、
前記テクスチャ構造は、上端に向かって面積が小さくなる斜面を有する多数の凸状部で形成され、
前記斜面は、前記半導体基板の（１１１）面であり、
前記テクスチャ構造の谷部はＶ字状に形成され、前記テクスチャ構造の先端部は丸みを帯びて形成され、
前記透明導電層は、前記テクスチャ構造の先端部において前記谷部よりも厚みが厚い、太陽電池。 - 前記谷部はＶ字状に形成される、請求項１に記載の太陽電池。
- 前記テクスチャ構造の高さは１μｍ〜１０μｍである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池。
- 前記透明導電層の受光面上に形成される第１金属電極をさらに備え、
前記第１金属電極は、前記谷部を埋めて設けられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池。 - 前記半導体基板の裏面上に形成される第２金属電極をさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽電池。
- 前記半導体基板と前記透明導電層との間に形成される第１非晶質半導体層をさらに備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載された太陽電池。
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