JP6785427B2 - 太陽電池素子および太陽電池モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、太陽電池素子および太陽電池モジュールに関する。
結晶系半導体基板と非晶質系半導体薄膜とのヘテロ接合構造を利用したハイブリッド型太陽電池素子が実用化されている。
特許文献１には、結晶系半導基板と非晶質系半導体薄膜との界面特性を向上させて、光電変換特性の向上を図る光起電力装置が開示されている。具体的には、特許文献１に開示された光起電力装置は、ｎ型単結晶シリコン基板の第１主面において、ｎ型単結晶シリコン基板とｐ型非晶質シリコン薄膜とを、第１のｉ型非晶質シリコン薄膜を介在させて積層する。一方、ｎ型単結晶シリコン基板の第２主面において、ｎ型単結晶シリコン基板とｎ型非晶質シリコン薄膜とを、第２のｉ型非晶質シリコン薄膜を介在させて積層する。上記構成において、単結晶シリコン基板の第２主面に水素ガスとリンを含むガスとの混合ガスを用いてプラズマ放電させて単結晶シリコン基板の第２主面をプラズマ処理した後、第２のｉ型非晶質シリコン層を形成している。これにより、単結晶シリコン基板と第２のｉ型非晶質シリコン層との界面にリンを介在させている。
上記構成によれば、結晶系半導体基板と非晶質系半導体薄膜とからなる半導体接合界面でのキャリアの再結合を抑制でき、接合特性が改善され、開放電圧（Ｖｏｃ）などの光電変換特性を改善できるとしている。
特開２００３−３２４２０９号公報
しかしながら、上記従来の光起電力装置において、ｎ型単結晶シリコン基板の第２主面にリンを介在させると、当該第２主面に欠陥が発生する。この単結晶シリコン基板の第２主面の欠陥により、当該欠陥に起因して第２のｉ型非晶質シリコン層でのキャリアの再結合を完全には抑制できず、光電変換特性が低下することが懸念される。
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、光電変換特性が改善されたヘテロ接合構造を有する太陽電池素子および太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る太陽電池素子は、結晶系のシリコン基板と、前記シリコン基板の第１主面上に形成された、リンを不純物として含む第１シリコン酸化物層と、前記第１シリコン酸化物層の上に形成された第１非晶質シリコン層とを備える。
本発明に係る太陽電池素子または太陽電池モジュールによれば、結晶系のシリコン基板と非晶質シリコン層との間に、リンを不純物として含むシリコン酸化物層が介在するので、光電変換特性が改善された太陽電池素子または発電効率が向上した太陽電池モジュールを提供することが可能となる。
実施の形態に係る太陽電池モジュールの概観平面図である。 実施の形態に係る太陽電池モジュールの列方向における構造断面図である。 実施の形態に係る太陽電池素子の平面図である。 実施の形態に係る太陽電池素子の積層構造を表す模式断面図である。 シリコン基板から非晶質シリコン層までの深さ方向に対する酸素およびリンの濃度プロファイルを表すグラフである。 実施の形態の変形例に係る太陽電池素子の積層構造を表す模式断面図である。
以下では、本発明の実施の形態に係る太陽電池素子および太陽電池モジュールについて、図面を用いて詳細に説明する。以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置、接続形態および工程などは、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、同じ構成部材については同じ符号を付している。
本明細書において、太陽電池素子の「表面」とは、その反対側の面である「裏面」に比べ、光が多く内部へ入射可能な面を意味（５０％超過〜１００％の光が表面から内部に入射する）し、「裏面」側から光が内部に全く入らない場合も含む。また太陽電池モジュールの「表面」とは、太陽電池素子の「表面」と対向する側の光が入射可能な面を意味し、「裏面」とはその反対側の面を意味する。また、「第１の部材上に第２の部材を設ける」などの記載は、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設けら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の部材の間に他の部材が存在する場合を含む。また、「略＊＊」との記載は、「略同一」を例に挙げて説明すると、全く同一はもとより、実質的に同一と認められるものを含む意図である。
［１．太陽電池モジュールの構成］
本実施の形態に係る太陽電池モジュールの平面構成の一例について、図１を用いて説明する。
図１は、実施の形態に係る太陽電池モジュール１００の概観平面図である。また、図２は、実施の形態に係る太陽電池モジュール１００の列方向における構造断面図である。具体的には、図２は、図１の太陽電池モジュール１００におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。
図１に示すように、太陽電池モジュール１００は、複数の太陽電池素子１と、タブ配線１２０と、わたり配線１３０と、枠体１５０とを備える。また、図２には示すように、太陽電池モジュール１００は、さらに、表面充填部材１７０Ａと、裏面充填部材１７０Ｂと、表面保護部材１８０Ａと、裏面保護部材１８０Ｂとを備える。
太陽電池素子１は、受光面に２次元状に配置され、光照射により電力を発生する平板状の光起電力セルである。
タブ配線１２０は、太陽電池素子１の表面に配置され、列方向に隣接する太陽電池素子１を電気的に接続する配線部材である。タブ配線１２０は、例えば、リボン状の金属箔である。タブ配線１２０は、例えば、銅箔や銀箔等の金属箔の表面全体を半田や銀等で被覆したものを所定の長さに短冊状に切断することによって作製することができる。
わたり配線１３０は、太陽電池ストリングどうしを接続する配線部材である。なお、太陽電池ストリングとは、列方向に配置されタブ配線１２０により接続された複数の太陽電池素子１の集合体である。
枠体１５０は、複数の太陽電池素子１が２次元配列されたパネルの外周部を覆う外枠部材である。
また、隣り合う太陽電池素子１の間に、光拡散部材が配置されていてもよい。これにより、太陽電池素子１の間の隙間領域へ入射した光を、太陽電池素子１へと再配光できるので、太陽電池素子１の集光効率が向上する。よって、太陽電池モジュール全体の光電変換効率を向上させることが可能となる。
図２に示すように、列方向に隣接する２つの太陽電池素子１において、一方の太陽電池素子１の表面に配置されたタブ配線１２０は、他方の太陽電池素子１の裏面にも配置される。より具体的には、タブ配線１２０の一端部の下面は、一方の太陽電池素子１の表面側のバスバー電極に接合され、タブ配線１２０の他端部の上面は、他方の太陽電池素子１の裏面側のバスバー電極に接合される。
タブ配線１２０とバスバー電極とは、例えば、導電性接着剤により接合される。導電性接着剤は、例えば、導電性接着ペースト、導電性接着フィルムまたは異方性導電フィルムを用いることができる。導電性接着剤ペーストは、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂またはウレタン樹脂等の熱硬化型の接着性樹脂材料に導電性粒子を分散させたペースト状の接着剤である。導電性接着フィルムおよび異方性導電フィルムは、熱硬化型の接着性樹脂材料に導電性粒子を分散させてフィルム状に形成されたものである。
なお、上記導電性接着剤は、ハンダ材であってもよい。また、導電性接着剤に代えて、導電性粒子を含まない樹脂接着剤を用いてもよい。この場合、樹脂接着剤の塗布厚みを適切に設計することによって、熱圧着時の加圧時に樹脂接着剤が軟化し、バスバー電極とタブ配線１２０とを直接接触させて電気的に接続させることができる。
また、図２に示すように、太陽電池素子１の表面側には表面保護部材１８０Ａが配設され、裏面側には裏面保護部材１８０Ｂが配設されている。そして、太陽電池素子１を含む面と表面保護部材１８０Ａとの間には表面充填部材１７０Ａが配置され、太陽電池素子１を含む面と裏面保護部材１８０Ｂとの間には裏面充填部材１７０Ｂが配置されている。表面保護部材１８０Ａおよび裏面保護部材１８０Ｂは、それぞれ、表面充填部材１７０Ａおよび裏面充填部材１７０Ｂにより固定されている。
表面保護部材１８０Ａは、太陽電池モジュール１００の表面側を保護する透光性基板であり、太陽電池モジュール１００の内部（太陽電池素子１など）を、風雨や外部衝撃、火災等の外部環境から保護する。表面保護部材１８０Ａは、透光性を有する透光部材であり、例えば、透明ガラス材料からなるガラス基板（透明ガラス基板）、または、フィルム状や板状の透光性および遮水性を有する硬質の樹脂材料からなる樹脂基板である。
裏面保護部材１８０Ｂは、太陽電池モジュール１００の裏面を外部環境から保護する部材であり、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の樹脂フィルム、または、Ａｌ箔を樹脂フィルムでサンドイッチした構造を有する積層フィルムなどを用いることができる。
表面充填部材１７０Ａおよび裏面充填部材１７０Ｂは、太陽電池素子１を外部環境から遮断するための封止機能を有している。表面充填部材１７０Ａおよび裏面充填部材１７０Ｂの配置により、屋外設置が想定される太陽電池モジュール１００の高耐熱性および高耐湿性を確保することが可能となる。
表面充填部材１７０Ａおよび裏面充填部材１７０Ｂは、封止機能を有する透光性の高分子材料からなる。表面充填部材１７０Ａの高分子材料は、例えば、エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）等の透光性樹脂材料が挙げられる。
なお、製造工程の簡素化および表面充填部材１７０Ａと裏面充填部材１７０Ｂとの界面の密着性といった観点から、表面充填部材１７０Ａと裏面充填部材１７０Ｂとは、同じ材料系であってもよい。
［２．太陽電池素子の構造］
太陽電池モジュール１００の主たる構成要素である太陽電池素子１の構造について説明する。
図３は、実施の形態に係る太陽電池素子１の平面図である。同図に示すように、太陽電池素子１は、平面視において略正方形状である。太陽電池素子１は、例えば、縦１２５ｍｍ×横１２５ｍｍ×厚み２００μｍである。また、太陽電池素子１の表面上には、ストライプ状の複数のバスバー電極４２が互いに平行に形成され、バスバー電極４２と直交するようにストライプ状の複数のフィンガー電極４１が互いに平行に形成されている。バスバー電極４２およびフィンガー電極４１は、集電極４３を構成する。集電極４３は、例えば、Ａｇ（銀）などの導電性粒子を含む導電性ペーストにより形成される。なお、バスバー電極４２の線幅は、例えば、１．５ｍｍであり、フィンガー電極４１の線幅は、例えば、１００μｍ であり、フィンガー電極４１のピッチは、例えば、２ｍｍである。また、バスバー電極４２の上には、タブ配線１２０が接合されている。
図４は、実施の形態に係る太陽電池素子１の積層構造を表す模式断面図である。なお、同図は、図３における太陽電池素子１のＩＶ−ＩＶ断面図である。図４に示すように、太陽電池素子１は、シリコン基板１０と、Ｐドープシリコン酸化物層２０と、非晶質シリコン層３０および６０と、透明電極４０および７０と、フィンガー電極４１および７１とを備える。なお、図４では、集電極４３のうち、フィンガー電極４１のみが示されている。
シリコン基板１０は、互いに背向する第１主面および第２主面を有するｎ型の単結晶シリコン基板である。なお、シリコン基板１０は、多結晶シリコンから構成されてもよい。また、第１主面および第２主面には、複数の角錐が２次元状に配置されたテクスチャ構造を有していてもよい。また、シリコン基板１０のｎ型ドーパント濃度は、例えば、３×１０１４／ｃｍ３以上かつ９．１×１０１５／ｃｍ３以下であり、抵抗率は、例えば、０．５Ωｃｍ以上かつ１５Ωｃｍ以下である。また、シリコン基板１０内でのキャリアの再結合をさらに抑制するため、シリコン基板１０のｎ型ドーパント濃度は３×１０１５／ｃｍ３以下であり、抵抗率は１．５Ωｃｍ以上であることが好ましい。また、シリーズ抵抗による出力ロスを低減するために、シリコン基板１０のｎ型ドーパント濃度は３．５×１０１４／ｃｍ３以上であり、抵抗率は１３Ωｃｍ以下であることが好ましい。
Ｐドープシリコン酸化物層２０は、シリコン基板１０の第１主面に配置された第１シリコン酸化物層であり、リンを不純物として含むシリコン酸化膜で形成されている。Ｐドープシリコン酸化物層２０は、例えば、厚みが０．１ｎｍ以上かつ３ｎｍ以下である。さらに好ましくは、Ｐドープシリコン酸化物層２０は、厚みが２ｎｍ以下である。Ｐドープシリコン酸化物層２０は、後述する誘電体層３１およびｎ型非晶質シリコン層３２よりも薄い。さらに、Ｐドープシリコン酸化物層２０は、シリコン基板１０と非晶質シリコン層３０との界面に、島状に形成されていてもよい。
Ｐドープシリコン酸化物層２０は、リン原子濃度が１×１０１９／ｃｍ３以上かつ５×１０２０／ｃｍ３以下であり、酸素原子濃度が１×１０２１／ｃｍ３以上かつ２×１０２２／ｃｍ３以下である。さらに好ましくは、Ｐドープシリコン酸化物層２０は、リン原子濃度が５×１０１９／ｃｍ３以上かつ１×１０２０／ｃｍ３以下であり、酸素原子濃度が２×１０２１／ｃｍ３以上かつ５×１０２１／ｃｍ３以下である。なお、Ｐドープシリコン酸化物層２０は、非晶質層であってもよい。Ｐドープシリコン酸化物層２０を非晶質層とすることで、例えば２００℃以下の低温での形成が可能となる。
非晶質シリコン層３０は、Ｐドープシリコン酸化物層２０の表面に形成された、実質的にアモルファス状態である第１非晶質シリコン層である。非晶質シリコン層３０は、誘電体層３１と、ｎ型非晶質シリコン層３２とを有している。
誘電体層３１は、Ｐドープシリコン酸化物層２０の表面に形成された第１誘電体層であり、例えば、水素を含みアモルファス状態である第１真性非晶質シリコン層である。ここで、真性非晶質シリコン層とは、含有されるｐ型またはｎ型のドーパントの濃度が５×１０１８／ｃｍ３以下である、もしくは、ｐ型およびｎ型のドーパントの双方が含まれる場合には、ｐ型とｎ型とのドーパント濃度の差が５×１０１８／ｃｍ３以下である非晶質半導体層をいう。誘電体層３１は、光の吸収を、できるだけ抑えられるように薄くし、一方でシリコン基板１０の表面が十分にパッシベーションされる程度に厚くすることが好適である。誘電体層３１の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上２５ｎｍ以下であり、好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
なお、誘電体層３１は、上記のような真性非晶質シリコン層でなくてもよく、シリコン酸化物層、シリコン窒化物層、および、酸化アルミニウム層であってもよい。また、誘電体層３１は、なくてもよく、ｎ型非晶質シリコン層３２がＰドープシリコン酸化物層２０の表面に直接形成されていてもよい。
ｎ型非晶質シリコン層３２は、誘電体層３１の上に形成された、シリコン基板１０の導電型と同じｎ型のドーパントを含む、実質的にアモルファス状態である第１導電型非晶質シリコン層である。ｎ型非晶質シリコン層３２は、例えば、水素を含むアモルファスのシリコン半導体薄膜で形成されている。ｎ型非晶質シリコン層３２は、誘電体層３１よりも膜中のｎ型のドーパントの濃度が高く、ｎ型のドーパント濃度は１×１０２０／ｃｍ３以上とすることが好ましい。ｎ型のドーパントとしては、例えば、リン（Ｐ）である。ｎ型非晶質シリコン層３２は、光の吸収を、できるだけ抑えられるように薄くし、一方で、シリコン基板１０内で発生したキャリアが効果的に分離され、かつ、発生したキャリアが透明電極４０で効率よく収集される程度に厚くすることが好適である。なお、ｎ型非晶質シリコン層３２は、Ｐドープシリコン酸化物層２０側から透明電極４０側に向けて、ｎ型のドーパント濃度を段階的に変化させていてもよい。
非晶質シリコン層６０は、シリコン基板１０の第２主面に配置された、実質的にアモルファス状態である第２非晶質シリコン層である。非晶質シリコン層６０は、誘電体層６１と、ｐ型非晶質シリコン層６２とを有している。
誘電体層６１は、シリコン基板１０の第２主面に形成された第２誘電体層であり、例えば、水素を含みアモルファス状態である第２真性非晶質シリコン層である。誘電体層６１の膜厚は、例えば、誘電体層３１の膜厚と同様であり、１ｎｍ以上２５ｎｍ以下であり、好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
なお、誘電体層６１は、上記のような真性非晶質シリコン層でなくてもよく、シリコン酸化物層、シリコン窒化物層、および、酸化アルミニウム層膜であってもよい。また、誘電体層６１は、なくてもよく、ｐ型非晶質シリコン層６２がシリコン基板１０の第２主面に直接形成されていてもよい。
ｐ型非晶質シリコン層６２は、誘電体層６１の上に形成された、シリコン基板１０の導電型と逆のｐ型のドーパントを含む、実質的にアモルファス状態である第２導電型非晶質シリコン層である。ｐ型非晶質シリコン層６２は、例えば、水素を含むアモルファスのシリコン半導体薄膜で形成されている。ｐ型非晶質シリコン層６２は、誘電体層６１よりも膜中のｐ型のドーパントの濃度が高く、ｐ型のドーパント濃度は１×１０２０／ｃｍ３以上とすることが好ましい。ｐ型のドーパントとしては、例えば、ホウ素（Ｂ）である。ｐ型非晶質シリコン層６２は、光の吸収を、できるだけ抑えられるように薄くし、一方で、シリコン基板１０内で発生したキャリアが効果的に分離され、かつ、発生したキャリアが透明電極７０で効率よく収集される程度に厚くすることが好適である。なお、ｐ型非晶質シリコン層６２は、シリコン基板１０側から透明電極７０側に向けて、ｐ型のドーパント濃度を段階的に変化させていてもよい。
なお、非晶質シリコン層３０、非晶質シリコン層６０、ｎ型非晶質シリコン層３２、およびｐ型非晶質シリコン層６２は、微結晶を含んでいてもよい。
透明電極４０は、非晶質シリコン層３０の表面に形成され、ｎ型非晶質シリコン層３２内のキャリアを集電する。また、透明電極７０は、非晶質シリコン層６０の裏面に形成され、ｐ型非晶質シリコン層６２内のキャリアを集電する。透明電極４０および７０は、例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電性酸化物などから形成される。
なお、シリコン基板１０の第１主面側を受光面（主として外部から光を導入する面）とするか、第２主面側を受光面とするかは任意である。
また、本実施の形態では、シリコン基板１０の導電型はｎ型であるとしているが、ｐ型であってもよい。この場合、非晶質シリコン層６０のｐ型非晶質シリコン層６２がシリコン基板１０の導電型と同じ導電型となるので、非晶質シリコン層６０が第１非晶質シリコン層となる。また、非晶質シリコン層３０のｎ型非晶質シリコン層３２がシリコン基板１０の導電型と逆の導電型となるので、非晶質シリコン層３０が第２非晶質シリコン層となる。
また、本実施の形態に係る太陽電池素子１は、第２主面側にも透明電極７０が配置された両面受光型の太陽電池素子としたが、透明電極７０を、透明でない金属電極とした片面受光型の太陽電池素子としてもよい。
図５は、非晶質シリコン層３０からシリコン基板１０までの深さ方向に対する酸素およびリンの濃度プロファイルを表すグラフである。図５のグラフにおいて、酸素およびリンの濃度は、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析により、非晶質シリコン層３０からシリコン基板１０への方向（深さ方向）に測定している。同図のグラフより、深さ方向において、酸素原子濃度およびリン原子濃度の極大点が存在し、酸素原子濃度の極大点およびリン原子濃度の極大点が存在する深さが一致していること、および、酸素原子濃度がリン原子濃度よりも１桁以上高いこと、から、非晶質シリコン層３０とシリコン基板１０との間に、リンを不純物として含むシリコン酸化物層（Ｐドープシリコン酸化物層２０）が介在していることが解る。グラフより、Ｐドープシリコン酸化物層２０のリン原子濃度は、１×１０１９／ｃｍ３以上かつ５×１０２０／ｃｍ３以下であり、酸素原子濃度は、１×１０２１／ｃｍ３以上かつ２×１０２２／ｃｍ３以下となっている。
従来の光電変換装置では、結晶系シリコン基板と非晶質シリコン層とのヘテロ接合において、シリコン基板の不純物濃度を所定量にすると、接合界面でのキャリアの再結合を抑制できるので、開放電圧（Ｖｏｃ）が改善されるとされている。しかしながら、シリコン基板の表面に不純物（リン）を介在させると、当該表面に欠陥が発生する。シリコン基板の表面の欠陥により、当該欠陥に起因して非晶質シリコン層でのキャリアの再結合を完全には抑制できない。また、さらに光電変換特性を改善すべく、シリコン基板への不純物の濃度を高くしていくと、非晶質シリコン層の電界強度が小さくなり、非晶質シリコン層でのキャリアの再結合が増加してしまう。また、非晶質シリコン層に過剰に存在する不純物を介した再結合が促進される。つまり、シリコン基板表面における不純物の介在だけでは、非晶質シリコン層でのキャリアの再結合を完全には抑制できない。さらに、シリコン基板表面の過剰な不純物濃度により、シリコン基板表面の欠陥が増加することから、光電変換特性は低下する。
これに対して、本実施の形態に係る太陽電池素子１では、非晶質シリコン層３０とシリコン基板１０との間に、シリコン酸化物層を介在させ、当該シリコン酸化物層にリンをドープしている。つまり、非晶質シリコン層３０とシリコン基板１０との間に、リンを不純物として含むＰドープシリコン酸化物層２０を介在させている。
開放電圧を向上させるには、不純物ドープによるキャリアの再結合抑制のほか、非晶質シリコン層３０の非晶質度を高く確保することが重要である。この観点から、非晶質シリコン層３０とシリコン基板１０との間にシリコン酸化物層を介在させることにより、非晶質シリコン層３０において、シリコン基板１０の結晶性を反映したエピタキシャル成長を抑制できる。また、不純物を接合界面に介在させる代わりに、Ｐドープシリコン酸化物層２０を介在させるので、シリコン基板１０の表面の欠陥の増加を抑制できる。これにより、開放電圧を向上させることが可能となる。
つまり、本実施の形態に係る太陽電池素子１によれば、非晶質シリコン層３０とシリコン基板１０との間に、リンを不純物として含むシリコン酸化物層を介在させることにより、当該界面でのキャリアの再結合を抑制するとともに、非晶質シリコン層３０のエピタキシャル成長を抑制することが可能となる。よって、電界効果を向上できるので、シリコン基板への不純物元素のドーピングだけでは達成できない開放電圧の向上を実現できる、または、シリコン基板表面の欠陥に依存する光電変換性能を低下させずに開放電圧を改善できる。
［３．変形例に係る太陽電池素子の構造］
図６は、実施の形態の変形例に係る太陽電池素子１Ａの積層構造を表す模式断面図である。同図に示すように、本変形例に係る太陽電池素子１Ａは、実施の形態に係る太陽電池素子１と比較して、シリコン基板１０の表面（第１主面）にリンの拡散領域１０ａが存在している点が構成として異なる。つまり、本変形例に係る太陽電池素子１Ａにおいて、シリコン基板１０は、第１主面において、リンを不純物として含む拡散領域１０ａを有する。ただし、拡散領域１０ａにおけるリン原子濃度は、Ｐドープシリコン酸化物層２０におけるリン原子濃度よりも低い。また、拡散領域１０ａのリン原子濃度は、例えば、５×１０１６／ｃｍ３以上かつ５×１０２０／ｃｍ３以下であり、シリコン基板１０本体のｎ型ドーパント濃度よりも高い。また、拡散領域１０ａのシリコン基板１０表面からの深さは、例えば、１．５μｍ以下である。この構成によれば、非晶質シリコン層３０とシリコン基板１０との間にＰドープシリコン酸化物層２０が介在しているので、シリコン基板１０の第１主面側において、キャリアの再結合を抑制するとともに、非晶質シリコン層３０のエピタキシャル成長を抑制することが可能となる。よって、開放電圧の向上を実現できる。なお、リンの拡散領域は、シリコン基板１０の第２主面に存在していてもよい。
なお、本変形例における拡散領域とは、熱拡散法を用いて形成されたものに限らず、プラズマドープ法、エピタキシャル成長法、イオン注入法等を用いて形成されたものも含む。
［４．太陽電池素子の製造方法］
次に、上述した特徴的なＰドープシリコン酸化物層２０を有する太陽電池素子１の製造方法について説明する。
まず、シリコン基板１０を洗浄し、真空チャンバ内に入れ、２００℃以下に加熱し、基板表面に付着する水分を極力除去する。
次に、水素ガスを導入し、プラズマ放電を行い基板表面のクリーニングを行う。このプロセスは、基板表面の炭素量を低減させるのに効果がある。
次に、表面クリーニングされたシリコン基板１０の第１主面に、例えば、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、Ｐドープシリコン酸化物層２０、誘電体層３１（第１真性非晶質シリコン層）、およびｎ型非晶質シリコン層３２を順次形成する。Ｐドープシリコン酸化物層２０は、真空成膜槽に、例えば、シラン（ＳｉＨ４）などのケイ素含有ガス、ホスフィン（ＰＨ３）などのｎ型ドーパント含有ガス、および、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２などの酸素含有ガスを導入して形成される。誘電体層３１（第１真性非晶質シリコン層）は、真空成膜槽に、例えば、シラン（ＳｉＨ４）などのケイ素含有ガスを導入して形成される。ｎ型非晶質シリコン層３２は、真空成膜槽に、例えば、シラン（ＳｉＨ４）ガス、およびホスフィン（ＰＨ３）などのｎ型ドーパント含有ガスを導入して形成される。
次に、シリコン基板１０の第２主面に、例えば、ＣＶＤ法により、誘電体層６１（第２真性非晶質シリコン層）、およびｐ型非晶質シリコン層６２を順次形成する。誘電体層６１（第２真性非晶質シリコン層）は、真空成膜槽に、例えば、シラン（ＳｉＨ４）ガスなどのケイ素含有ガスを導入して形成される。ｐ型非晶質シリコン層６２は、真空槽に、例えば、シラン（ＳｉＨ４）ガス、および、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）などのｐ型ドーパント含有ガスを導入して形成される。
なお、上記各製造工程で導入するガスは、水素などのガスで希釈したものを用いてもよい。
以上の工程により、シリコン基板１０の第１主面に、Ｐドープシリコン酸化物層２０および非晶質シリコン層３０が形成され、シリコン基板１０の第２主面に、非晶質シリコン層６０が形成される。
次に、非晶質シリコン層３０の表面に透明電極４０を形成し、かつ、非晶質シリコン層６０の裏面に透明電極７０を形成する。具体的には、ｎ型非晶質シリコン層３２の表面およびｐ型非晶質シリコン層６２の裏面に、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電性酸化物を、蒸着法およびスパッタリング法などにより成膜する。
最後に、透明電極４０の上にフィンガー電極４１を含む集電極４３（金属電極）を形成し、透明電極７０の上にフィンガー電極７１を含む集電極（金属電極）を形成する。集電極は、例えば、樹脂材料をバインダとし、銀粒子などの導電性粒子をフィラーとした熱硬化型である樹脂型導電性ペーストを用いて、スクリーン印刷などの印刷法により形成することができる。
以上の工程により、本実施の形態に係る太陽電池素子１が形成される。
なお、上記太陽電池素子１の製造方法において、ｎ型非晶質シリコン層３２の形成後かつ誘電体層６１の形成前に、シリコン基板１０の洗浄およびプラズマ放電によるクリーニングを再度行ってもよい。
また、シリコン基板１０の第１主面および第２主面の少なくとも一方に、複数の角錐が２次元状に配列されたテクスチャ構造が予め形成されていてもよい。具体的には、シリコン基板１０をエッチング液に浸漬する。エッチング液は、例えば、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、および水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）の少なくとも１つを含むアルカリ水溶液である。例えば、シリコン基板１０の（１００）面を上記アルカリ水溶液に浸漬することにより、シリコン基板の第１主面および第２主面が、（１１１）面に沿って異方性エッチングされる。この結果、シリコン基板１０の第１主面および第２主面に、四角錐が２次元状に配列されたテクスチャ構造が形成される。
太陽電池素子１の受光面に、角錐が２次元状に配置されたテクスチャ構造と呼ばれる凹凸形状が形成されることにより、反射光を低減させて素子内部への入射光を増加させ、太陽電池素子１の発電効率を向上させることが可能となる。
［５．効果など］
本実施の形態に係る太陽電池素子１は、第一導電型（ｎ型）である結晶系のシリコン基板１０と、シリコン基板１０の第１主面上に形成された、リンを不純物として含むＰドープシリコン酸化物層２０と、Ｐドープシリコン酸化物層２０の上に形成された非晶質シリコン層３０とを備える。
従来の光電変換装置では、結晶系シリコン基板と非晶質シリコン層とのヘテロ接合において、シリコン基板表面へ不純物濃度を所定量にすると、接合界面でのキャリアの再結合を抑制できるので、開放電圧（Ｖｏｃ）が改善されるとされている。しかしながら、シリコン基板の表面に不純物（リン）を介在させると、当該表面に欠陥が発生する。シリコン基板の表面の欠陥により、当該欠陥に起因して非晶質シリコン層でのキャリアの再結合を完全には抑制できない。また、さらに光電変換特性を改善すべく、シリコン基板表面への不純物の濃度を高くしていくと、非晶質シリコン層の電界強度が小さくなり、非晶質シリコン層でのキャリアの再結合が増加してしまう。また、非晶質シリコン層に過剰に存在する不純物を介した再結合が促進される。つまり、シリコン基板表面における不純物の介在だけでは、非晶質シリコン層でのキャリアの再結合を完全には抑制できない。さらに、シリコン基板表面の過剰な不純物濃度により、シリコン基板表面の欠陥が増加することから、光電変換特性は低下する。
これに対して、本実施の形態に係る太陽電池素子１では、非晶質シリコン層３０とシリコン基板１０との間に、シリコン酸化物層を介在させ、当該シリコン酸化物層がリンを含有している。つまり、非晶質シリコン層３０とシリコン基板１０との間に、リンを不純物として含むＰドープシリコン酸化物層２０を介在させている。
太陽電池素子の開放電圧（Ｖｏｃ）を向上させるには、非晶質シリコン層３０の非晶質度を高く確保することが重要である。この観点から、非晶質シリコン層３０とシリコン基板１０との間にシリコン酸化物層を介在させることにより、非晶質シリコン層３０において、シリコン基板１０の結晶性を反映したエピタキシャル成長を抑制できる。また、Ｐドープシリコン酸化物層２０を介在させるので、シリコン基板１０の表面の欠陥の増加を抑制できる。これにより、開放電圧を向上させることが可能となる。
つまり、本実施の形態に係る太陽電池素子１によれば、非晶質シリコン層３０とシリコン基板１０との間に、Ｐドープシリコン酸化物層２０を介在させることにより、当該界面でのキャリアの再結合を抑制するとともに、非晶質シリコン層３０のエピタキシャル成長を抑制することが可能となる。よって、シリコン基板１０への不純物元素のドーピングだけでは達成できない開放電圧の向上を実現できる、または、シリコン基板表面の欠陥に依存する光電変換性能を低下させずに開放電圧を改善できる。
また、非晶質シリコン層３０は、Ｐドープシリコン酸化物層２０の表面に形成された、実質的に真性な誘電体層３１（第１真性非晶質シリコン層）と、誘電体層３１の表面に形成された、第一導電型（ｎ型）のドーパントを含むｎ型非晶質シリコン層３２とを備えてもよい。
これにより、シリコン基板１０とｎ型非晶質シリコン層３２との間に誘電体層３１（第１真性非晶質シリコン層）が介在することにより、上記接合界面でのキャリアの再結合を抑制できるので当該キャリアの移動を促進することが可能となる。
また、Ｐドープシリコン酸化物層２０において、リン原子濃度は、１×１０１９／ｃｍ３以上かつ５×１０２０／ｃｍ３以下であり、酸素原子濃度は、１×１０２１／ｃｍ３以上かつ２×１０２２／ｃｍ３以下であってもよい。
さらに好ましくは、Ｐドープシリコン酸化物層２０において、リン原子濃度は、５×１０１９／ｃｍ３以上かつ１×１０２０／ｃｍ３以下であり、酸素原子濃度は、２×１０２１／ｃｍ３以上かつ５×１０２１／ｃｍ３以下である。
酸素原子濃度がリン原子濃度よりも高いことから、Ｐドープシリコン酸化物層２０は、シリコン酸化物にリンが不純物としてドープされた構造を有する。これにより、上記界面でのキャリアの再結合を抑制するとともに、非晶質シリコン層３０のエピタキシャル成長を抑制することが可能となる。よって、シリコン基板１０への不純物元素のドーピングだけでは達成できない光電変換特性の向上を実現できる、または、シリコン基板１０表面の欠陥に依存する光電変換性能を低下させずに開放電圧を改善できる。
また、シリコン基板１０は、第１主面において、シリコン基板１０の本体よりもリン原子濃度が高い拡散領域１０ａを有してもよい。
この構成であっても、非晶質シリコン層３０とシリコン基板１０との間にＰドープシリコン酸化物層２０が介在しているので、シリコン基板１０の第１主面側において、キャリアの再結合を抑制するとともに、非晶質シリコン層３０のエピタキシャル成長を抑制することが可能となる。よって、開放電圧の向上を実現できる。
また、さらに、シリコン基板１０の第１主面と背向する第２主面上に形成された、非晶質シリコン層６０を備えてもよい。
また、非晶質シリコン層６０は、シリコン基板１０の第２主面に形成された、実質的に真性な誘電体層６１（第２真性非晶質シリコン層）と、誘電体層６１の裏面に形成された、第二導電型（ｐ型）のドーパントを含むｐ型非晶質シリコン層６２とを備えてもよい。
シリコン基板１０とｐ型非晶質シリコン層６２との間に誘電体層６１（第２真性非晶質シリコン層）が介在することにより、上記接合界面でのキャリアの再結合を抑制できるので当該キャリアの移動を促進することが可能となる。
また、本実施の形態に係る太陽電池モジュール１００は、２次元状に配置された複数の太陽電池素子１と、複数の太陽電池素子１の表面側に配置された表面保護部材１８０Ａと、複数の太陽電池素子１の裏面側に配置された裏面保護部材１８０Ｂと、複数の太陽電池素子１と表面保護部材１８０Ａとの間に配置された表面充填部材１７０Ａと、複数の太陽電池素子１と裏面保護部材１８０Ｂとの間に配置された裏面充填部材１７０Ｂとを備える。
これにより、結晶系のシリコン基板１０と非晶質シリコン層３０との半導体接合界面でのキャリアの再結合を抑制するとともに、非晶質シリコン層３０のエピタキシャル成長を抑制することが可能となる。よって、太陽電池素子１の開放電圧を向上できるので、太陽電池モジュール１００の発電効率を向上させることが可能となる。
（その他の実施の形態）
以上、本発明に係る太陽電池素子１および太陽電池モジュール１００について、上記実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施の形態に係る太陽電池モジュール１００では、複数の太陽電池素子１が面上に行列状配置された構成を示したが、行列状配置に限られない。例えば、円環状配置や１次元の直線状または曲線状に配置された構成であってもよい。
その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素および機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
１、１Ａ 太陽電池素子
１０ シリコン基板
２０ Ｐドープシリコン酸化物層（第１シリコン酸化物層）
３０ 非晶質シリコン層（第１非晶質シリコン層）
３１ 誘電体層（第１真性非晶質シリコン層）
３２ ｎ型非晶質シリコン層（第１導電型非晶質シリコン層）
６０ 非晶質シリコン層（第２非晶質シリコン層）
６１ 誘電体層（第２真性非晶質シリコン層）
６２ ｐ型非晶質シリコン層（第２導電型非晶質シリコン層）
１００ 太陽電池モジュール
１７０Ａ 表面充填部材
１７０Ｂ 裏面充填部材
１８０Ａ 表面保護部材
１８０Ｂ 裏面保護部材

Claims (7)

  1. 結晶系のシリコン基板と、
    前記シリコン基板の第１主面上に形成された、リンを不純物として含む第１シリコン酸化物層と、
    前記第１シリコン酸化物層の上に形成された第１非晶質シリコン層とを備え、
    前記第１非晶質シリコン層は、
    前記第１シリコン酸化物層の上に形成された、実質的に真性な第１真性非晶質シリコン層と、
    前記第１真性非晶質シリコン層の上に形成された、第一導電型のドーパントを含む第１導電型非晶質シリコン層とを備え、
    前記第１非晶質シリコン層、前記第１シリコン酸化物層、および前記シリコン基板の積層体における厚み方向のリン原子濃度プロファイルは、前記第１シリコン酸化物層において極大値を有する
    太陽電池素子。
  2. 前記第１シリコン酸化物層において、
    リン原子濃度は、１×１０１９／ｃｍ３以上かつ５×１０２０／ｃｍ３以下であり、
    酸素原子濃度は、１×１０２１／ｃｍ３以上かつ２×１０２２／ｃｍ３以下である
    請求項１に記載の太陽電池素子。
  3. 前記第１シリコン酸化物層において、
    リン原子濃度は、５×１０１９／ｃｍ３以上かつ１×１０２０／ｃｍ３以下であり、
    酸素原子濃度は、２×１０２１／ｃｍ３以上かつ５×１０２１／ｃｍ３以下である
    請求項１に記載の太陽電池素子。
  4. 前記シリコン基板は、前記第１主面において、前記シリコン基板の本体よりもリン原子濃度が高い拡散領域を有する
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池素子。
  5. さらに、
    前記シリコン基板の前記第１主面と背向する第２主面上に形成された第２非晶質シリコン層を備える
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池素子。
  6. 前記第２非晶質シリコン層は、
    前記シリコン基板の上に形成された、実質的に真性な第２真性非晶質シリコン層と、
    前記第２真性非晶質シリコン層の上に形成された、第二導電型のドーパントを含む第２導電型非晶質シリコン層とを備える
    請求項５に記載の太陽電池素子。
  7. ２次元状に配置された、請求項１〜６のいずれか１項に記載の複数の太陽電池素子と、
    前記複数の太陽電池素子の表面側に配置された表面保護部材と、
    前記複数の太陽電池素子の裏面側に配置された裏面保護部材と、
    前記複数の太陽電池素子と前記表面保護部材との間に配置された表面充填部材と、
    前記複数の太陽電池素子と前記裏面保護部材との間に配置された裏面充填部材とを備える
    太陽電池モジュール。
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