JP6785477B2 - 太陽電池セルおよび太陽電池セルの製造方法 - Google Patents
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Description
本開示は、太陽電池セルおよび太陽電池セルの製造方法に関する。
従来、結晶性シリコンウェーハの両面に非晶質シリコン層を形成した太陽電池セルが知られている。例えば、特許文献１には、結晶性シリコンウェーハの受光面上にｎ型非晶質シリコン層が形成され、当該ウェーハの裏面上にｐ型非晶質シリコン層が形成された太陽電池セルが開示されている。特許文献１に開示された太陽電池セルは、各非晶質シリコン層上に形成された透明導電層と集電極を備える。
太陽電池セルにおいて、特に受光面側からシリコンウェーハに入射する光量を増やしてセルの出力特性を向上させることは重要な課題である。特許文献１を含む従来の技術では、集電極の形状などを工夫して受光面側からの入射光量を増やしているが、さらなる改善が求められている。さらに、太陽電池セルでは、逆方向の降伏電圧を低下させることが求められている。
本開示に係る太陽電池セルは、ウェーハの各主面およびその近傍に他の領域よりｎ型ドーパントの濃度が高いｎ+層を有するｎ型結晶性シリコンウェーハと、前記ｎ型結晶性シリコンウェーハの一方の主面である受光面上に形成され、酸化シリコン、炭化シリコン、または窒化シリコンを主成分として構成される受光面側パッシベーション層と、前記受光面側パッシベーション層上に形成されたｎ型結晶性シリコン層と、前記ｎ型結晶性シリコンウェーハの他方の主面である裏面側に形成されたｐ型非晶質シリコン層とを備え、前記受光面側パッシベーション層は、前記ｎ型ドーパントを含み、前記受光面側パッシベーション層および前記ｎ型結晶性シリコン層における前記ｎ型ドーパントの濃度は、前記ｎ型結晶性シリコンウェーハの受光面側に形成された前記ｎ+層における前記ｎ型ドーパントの濃度以上である。
本開示に係る太陽電池セルの製造方法は、結晶性シリコンウェーハの一方の主面上に、酸化シリコン、炭化シリコン、または窒化シリコンを主成分として構成されるパッシベーション層を形成する工程と、前記パッシベーション層上に実質的に真正なｉ型シリコン層を形成する工程と、前記パッシベーション層、前記ｉ型シリコン層、および前記結晶性シリコンウェーハにｎ型ドーパントを熱拡散させて、当該ウェーハの各主面およびその近傍に他の領域より前記ｎ型ドーパントの濃度が高いｎ+層を形成すると共に、前記ｉ型シリコン層をｎ型結晶性シリコン層とする工程と、前記ｎ+層が形成された前記結晶性シリコンウェーハの他方の主面側にｐ型非晶質シリコン層を形成する工程とを備える。
本開示の一態様によれば、優れた出力特性を有し、逆方向の降伏電圧が低い太陽電池セルを提供することができる。
本開示に係る太陽電池セルは、結晶性シリコンウェーハの受光面側に形成されたｎ型結晶性シリコン層を備えるため、受光面側に非晶質シリコン層を備える従来のセルと比べてウェーハに入射する光量が多く、高い出力特性が得られる。そして、結晶性シリコンウェーハの裏面側には、低温プロセスで成膜されるｐ型非晶質シリコン層が形成されているため、製造コストを抑えながら出力特性の向上を図ることができる。
さらに、本開示の太陽電池セルは、ｎ型結晶性シリコンウェーハの各主面およびその近傍にｎ+層を有し、ウェーハの裏面上には酸化シリコン層が形成されず、ｐ型非晶質シリコン層が形成されている。かかる構造を採用することにより、従来の太陽電池セルと比べて、開放電圧（Ｖｏｃ）が高く、逆方向の降伏電圧が低い太陽電池セルが得られる。
以下、図面を参照しながら、実施形態の一例について詳細に説明する。なお、本開示に係る太陽電池セルおよびその製造方法は以下で説明する実施形態に限定されない。実施形態の説明で参照する図面は模式的に記載されたものであり、図面に描画された各構成要素の寸法などは以下の説明を参酌して判断されるべきである。
本明細書において「略〜」との記載は、略全域を例に説明すると、全域はもとより実質的に全域と認められる場合を含む意図である。また、ｎ型ドーパントとはドナーとして機能する不純物を意味し、ｐ型ドーパントとはアクセプターとして機能する不純物を意味する。
以下で説明する実施形態では、結晶性シリコンウェーハとして、ｎ型にドーピングされたｎ型結晶性シリコンウェーハを例示する。但し、結晶性シリコンウェーハには、ｐ型にドーピングされたｐ型結晶性シリコンウェーハを用いることも可能であり、この場合もパッシベーション層、ｎ型結晶性シリコン層、ｐ型非晶質シリコン層等には、ｎ型結晶性シリコンウェーハを用いる場合と同様の構成を適用できる。
図１は、実施形態の一例である太陽電池セル１０を示す断面図である。図１に例示するように、太陽電池セル１０は、ウェーハの各主面およびその近傍にウェーハの他の領域よりｎ型ドーパントの濃度が高いｎ+層２０を有するｎ型結晶性シリコンウェーハ１１を備える。つまり、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１には、ｎ型ドーパントの濃度が高い高ドープ領域であるｎ+層２０が存在し、ウェーハの各主面の近傍から離れた領域にはｎ+層２０よりもｎ型ドーパントの濃度が低い低ドープ領域が存在する。また、太陽電池セル１０は、受光面側パッシベーション層１２（以下、「パッシベーション層１２」という）と、ｎ型結晶性シリコン層１３と、ｐ型非晶質シリコン層１７とを備える。
詳しくは後述するが、パッシベーション層１２は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の一方の主面である受光面上に形成され、酸化シリコン、炭化シリコン、または窒化シリコンを主成分として構成される。ｎ型結晶性シリコン層１３は、パッシベーション層１２上に形成される。ｐ型非晶質シリコン層１７は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の他方の主面である裏面側に形成される。パッシベーション層１２はｎ型ドーパントを含み、パッシベーション層１２およびｎ型結晶性シリコン層１３におけるｎ型ドーパントの濃度は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面側に形成されたｎ+層２０におけるｎ型ドーパントの濃度以上である。
ここで、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の「受光面」とは、光が主に入射（５０％超過〜１００％）する主面を意味し、「裏面」とは受光面と反対側の主面を意味する。また、各主面に垂直でｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の厚み方向に沿った面を端面という。
太陽電池セル１０は、さらに、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１とｐ型非晶質シリコン層１７との間に形成された裏面側パッシベーション層１６（以下、「パッシベーション層１６」という）を備えることが好ましい。パッシベーション層１６は、例えば、実質的に真性な非晶質シリコン（以下、「ｉ型非晶質シリコン」という場合がある）か、またはｐ型非晶質シリコン層１７よりｐ型ドーパントの濃度が低い非晶質シリコンを主成分として構成される。
ｐ型非晶質シリコン層１７の結晶化率は、ｎ型結晶性シリコン層１３の結晶化率より低く、ｎ型結晶性シリコン層１３の結晶化率は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の結晶化率より低い。ウェーハおよび各層の結晶化率は、図１に示すウェーハおよび各層の断面において、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた観察領域に占めるＳｉ結晶格子が観察される領域の面積比で測定される。つまり、Ｓｉ結晶格子の領域の長手方向の長さが大きいほど、ウェーハおよび各層の結晶化率は高くなる。詳しくは後述するが、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１は単結晶シリコンから構成され、ｎ型結晶性シリコン層１３は多結晶シリコンから構成される。ｐ型非晶質シリコン層１７に形成されるＳｉ結晶格子の領域は、長手方向の長さが２ｎｍ未満であることが好ましい。
太陽電池セル１０は、ｎ型結晶性シリコン層１３上に形成された透明導電層１４と、透明導電層１４上に形成された集電極１５とを備える。また、太陽電池セル１０は、ｐ型非晶質シリコン層１７上に形成された透明導電層１８と、透明導電層１８上に形成された集電極１９とを備える。透明導電層１４および集電極１５はｎ型結晶性シリコンウェーハ１１で発生した電子を収集する受光面電極を構成し、透明導電層１８および集電極１９はｎ型結晶性シリコンウェーハ１１で発生した正孔を収集する裏面電極を構成する。太陽電池セル１０は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面側および裏面側に形成された一対の電極を備える。
ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１は、ｎ型多結晶シリコンウェーハであってもよいが、好ましくはｎ型単結晶シリコンウェーハである。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１のｎ+層２０以外の領域、即ちウェーハの各主面およびその近傍以外の他の領域におけるｎ型ドーパントの濃度は、例えば１×１０14〜１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3である。ｎ型ドーパントは、特に限定されないが、一般的にはリン（Ｐ）が用いられる。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１等に含有されるＰ，Ｏ等の濃度は、ＳＩＭＳ、またはＴＥＭ-エネルギー分散Ｘ線分光分析（ＴＥＭ-ＥＤＸ）により測定される。
ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１は、１辺が１２０〜１６０ｍｍの略正方形の表面形状を有し、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の厚みは、例えば、５０〜３００μｍである。略正方形は、例えば、短辺と長辺とが交互に連続し、互いに平行な２組の長辺を備えた八角形を含む。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１には、一般的にチョクラルスキー法（Ｃｚ法）により製造されるウェーハが用いられるが、エピタキシャル成長法により製造されるウェーハを用いることも可能である。
ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１は、ｐ型ドーパントを実質的に含有しない。ただし、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の端面およびその近傍には、ｐ型ドーパントが含有される場合がある。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１におけるｐ型ドーパントの濃度は、１×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であり、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）による検出限界１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である。ｐ型非晶質シリコン層１７は低温プロセスで成膜されるため、ｐ型非晶質シリコン層１７からｎ型結晶性シリコンウェーハ１１へのボロンの拡散は実質的に起こらない。このため、太陽電池セル１０では、ボロンの拡散による複合欠陥が形成されず、これに起因したキャリアのライフタイム低下が発生しない。
ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の表面には、テクスチャ構造（図示せず）が形成されていることが好ましい。テクスチャ構造とは、表面反射を抑制してｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の光吸収量を増大させるための表面凹凸構造であって、受光面および裏面のうちの一方に、または、受光面および裏面の両方に形成される。テクスチャ構造の凹凸の高さは、例えば、１〜１５μｍである。
ｎ+層２０は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面およびその近傍と、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面およびその近傍とに、それぞれ形成される。以下では、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面側に形成されたｎ+層２０を「ｎ+層２０ａ」、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面側に形成されたｎ+層２０を「ｎ+層２０ｂ」とする。ｎ+層２０を設けることにより、太陽電池セル１０の出力特性が向上し、逆方向の降伏電圧が低下する。
ｎ+層２０におけるｎ型ドーパントの濃度は、１×１０18〜１×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であることが好ましく、１×１０18〜６×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3がさらに好ましい。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面側に形成されたｎ+層２０ａにおけるｎ型ドーパントの濃度は、例えば当該ウェーハの裏面側に形成されたｎ+層２０ｂにおけるｎ型ドーパントの濃度以下である。すなわち、ｎ+層２０ａにおけるｎ型ドーパントの濃度は、ｎ+層２０ｂにおけるｎ型ドーパントの濃度と略同一、またはｎ+層２０ｂにおけるｎ型ドーパントの濃度未満である。ｎ+層２０ａにおけるｎ型ドーパントの濃度の好適な一例は、３×１０17〜６×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3である。ｎ+層２０ｂにおけるｎ型ドーパントの濃度の好適な一例は、１×１０18〜１×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3である。
ｎ+層２０は、例えばｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面および裏面から１μｍ以下の厚みで形成される。ｎ+層２０は、一般的に深さが深くなるほど、すなわちｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面および裏面から離れるほどｎ型ドーパントの濃度が低下する濃度勾配を有する。なお、ｎ+層２０は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の端面およびその近傍を含む、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の表面全体およびその近傍に形成されていてもよい。
パッシベーション層１２は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面とｎ型結晶性シリコン層１３との間に介在し、セルの受光面側におけるキャリアの再結合を抑制する。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面上には、略全域にパッシベーション層１２が形成される。１辺が１２０〜１６０ｍｍの略正方形のｎ型結晶性シリコンウェーハ１１を用いる場合、略全域に形成されたパッシベーション層１２は、略正方形の全面を覆ってもよいし、略正方形の端部から２ｍｍ以下の外周領域を除いた全面を覆ってもよい。パッシベーション層１２は、高温に曝された場合でもパッシベーション性が損なわれない熱安定性に優れた層であることが好ましい。
パッシベーション層１２は、上述の通り、酸化シリコン（ＳｉＯ2x（ｘ≦２））、炭化シリコン（ＳｉＣ）、または窒化シリコン（ＳｉＮ）を主成分として構成される。パッシベーション層１２は、酸化シリコン、炭化シリコンまたは窒化シリコンを主成分とし、アモルファスシリコンが混合したものであってもよい。上述のように、パッシベーション層１２はｎ型ドーパントを含み、パッシベーション層１２におけるｎ型ドーパントの濃度は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１のｎ+層２０ａにおけるｎ型ドーパントの濃度以上である。パッシベーション層１２の厚みは、例えば、０．１〜５．０ｎｍである。パッシベーション層１２の厚みは、ＴＥＭを用いたセルの断面観察により測定される（他の層についても同様）。
パッシベーション層１２が酸化シリコンを主成分として構成される場合、層中における酸素濃度は、１．０×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上が好ましい。例えば、パッシベーション層１２における酸素濃度は、パッシベーション層１６における酸素濃度より高い。また、パッシベーション層１２におけるリン等のｎ型ドーパントの濃度は、パッシベーション層１６におけるボロン等のｐ型ドーパントの濃度より高い。
パッシベーション層１２におけるｎ型ドーパントの濃度は、１×１０19〜１×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であることが好ましく、３×１０19〜５×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3がさらに好ましい。パッシベーション層１２には、例えば、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１に近づくほど濃度が低下するｎ型ドーパントの濃度勾配が存在する。
ｎ型結晶性シリコン層１３は、パッシベーション層１２を介してｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面上に形成される。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面上には、パッシベーション層１２を介して受光面の略全域にｎ型結晶性シリコン層１３が形成される。上述のように、ｎ型結晶性シリコン層１３におけるｎ型ドーパントの濃度は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１のｎ+層２０ａにおけるｎ型ドーパントの濃度以上である。ｎ型結晶性シリコン層１３の厚みは、例えば、５〜２０ｎｍであり、好ましくは８〜１５ｎｍである。
ｎ型結晶性シリコン層１３は、ｎ型にドーピングされた多結晶シリコンまたは微結晶シリコンから構成される。ｎ型結晶性シリコン層１３に形成されるＳｉ結晶格子の領域は、長手方向の長さが２ｎｍ以上である。Ｓｉ結晶格子が観察される領域がこの範囲内であれば、太陽光の高い透過率が得られる。ｎ型結晶性シリコン層１３の４００〜６００ｎｍの波長範囲の吸収係数は、ｐ型非晶質シリコン層１７の当該吸収係数より低く、例えば、波長４２０ｎｍで５×１０4〜４×１０5ｃｍ-1である。各層の吸収係数は、エリプソメトリーにより求められる。
ｎ型結晶性シリコン層１３におけるｎ型ドーパントの濃度は、１×１０19〜１×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であることが好ましく、３×１０19〜５×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3がさらに好ましい。ｎ型結晶性シリコン層１３には、例えば、パッシベーション層１２に近づくほど濃度が低下するｎ型ドーパントの濃度勾配が存在する。ｎ型結晶性シリコン層１３の抵抗率は、透明導電層１４より高く、例えば０．１〜１５０ｍΩ・ｃｍである。
ｎ型結晶性シリコン層１３は、ｐ型非晶質シリコン層１７より水素濃度が低い。また、ｎ型結晶性シリコン層１３は、パッシベーション層１６より水素濃度が低い。ｎ型結晶性シリコン層１３における水素濃度は、例えば、１×１０18〜１×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であり、好ましくは７×１０18〜５×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3である。
波長３５５〜４０５ｎｍの範囲において、ｎ型結晶性シリコン層１３の屈折率は、透明導電層１４の屈折率に対して２．５倍以上であることが好ましく、例えば、２．５〜３．２倍である。各層の屈折率は、分光エリプソメトリー装置などにより求められる。ｎ型結晶性シリコン層１３の屈折率が上記範囲内であれば、セルの色むらが低減され、良好な外観が得られる。
パッシベーション層１６は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面とｐ型非晶質シリコン層１７との間に介在し、セルの裏面側におけるキャリアの再結合を抑制する。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面上には、略全域にパッシベーション層１６が形成される。１辺が１２０〜１６０ｍｍの略正方形のｎ型結晶性シリコンウェーハ１１を用いる場合、略全域に形成されたパッシベーション層１６は、略正方形の全面を覆ってもよいし、略正方形の端部から２ｍｍ以下の外周領域を除いた全面を覆ってもよい。
パッシベーション層１６は、２００℃程度の温度で成膜可能な層であることが好ましく、パッシベーション層１２に比べて熱安定性が低い。好適なパッシベーション層１６は、ｉ型非晶質シリコンか、またはｐ型非晶質シリコン層１７よりドーパント濃度が低い非晶質シリコンを含む層である。パッシベーション層１６の厚みは、パッシベーション層１２より厚く、例えば、５〜１０ｎｍである。
パッシベーション層１６は、ｉ型非晶質シリコンを主成分として構成されることが好ましく、実質的にｉ型非晶質シリコンのみから構成されるｉ型非晶質シリコン層であってもよい。パッシベーション層１６は、上述のように、パッシベーション層１２より酸素濃度が低く、パッシベーション層１６におけるボロン等のｐ型ドーパントの濃度は、パッシベーション層１２におけるリン等のｎ型ドーパントの濃度より低い。
ｐ型非晶質シリコン層１７は、パッシベーション層１６を介してｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面上に形成される。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面上には、パッシベーション層１６を介して略全域にｐ型非晶質シリコン層１７が形成される。パッシベーション層１６と同様に、略全域に形成されたｐ型非晶質シリコン層１７は、略正方形の全面を覆ってもよいし、略正方形の端部から２ｍｍ以下の外周領域を除いた全面を覆ってもよい。ｐ型非晶質シリコン層１７の厚みは、例えば、１〜２５ｎｍであり、好ましくは１〜１０ｎｍである。
ｐ型非晶質シリコン層１７におけるｐ型ドーパントの濃度は、例えば、１×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上である。ｐ型ドーパントは、特に限定されないが、一般的にはボロン（Ｂ）が用いられる。ｐ型非晶質シリコン層１７には、例えば、ボロンが略均一に含有されている。なお、ｐ型非晶質シリコン層１７は、ｎ型結晶性シリコン層１３より水素濃度が高い。
透明導電層１４は、ｎ型結晶性シリコン層１３の受光面側表面の略全域に形成される。また、透明導電層１８は、ｐ型非晶質シリコン層１７の裏面側表面の略全域に形成される。１辺が１２０〜１６０ｍｍの略正方形のｎ型結晶性シリコンウェーハ１１を用いる場合、略全域に形成された透明導電層１４，１８は、略正方形の全面を覆ってもよいし、略正方形の端部から２ｍｍ以下の外周領域を除いた全面を覆ってもよい。また、略正方形の全面を覆って形成されたｎ型結晶性シリコン層１３、ｐ型非晶質シリコン層１７の上に、それぞれ、略正方形の端部から２ｍｍ以下の外周領域を除いた全面を覆って透明導電層１４，１８を形成してもよい。透明導電層１４，１８は、例えば酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の金属酸化物に、タングステン（Ｗ）、錫（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）等がドーピングされた透明導電性酸化物（ＩＷＯ、ＩＴＯ等）から構成される。透明導電層１４，１８の厚みは、３０〜５００ｎｍが好ましく、５０〜２００ｎｍが特に好ましい。
集電極１５，１９は、複数のフィンガー部と、複数のバスバー部とをそれぞれ含むことが好適である。フィンガー部は、透明導電層１４，１８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細線状の電極であって、各フィンガー部に略直交して形成される。集電極１５，１９は、例えば多数のフィンガー部と、２本または３本のバスバー部とを含むパターンで透明導電層１４，１８上に導電性ペーストをそれぞれ塗工して形成される。集電極１５，１９を形成する導電性ペーストは、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノールノボラック等のバインダー樹脂中に、銀、銅、ニッケル等からなる直径１〜５０μｍの導電性粒子を分散させて形成した、導電性ペーストであってよい。
集電極１９は、集電極１５より大面積に形成されることが好ましく、集電極１９のフィンガー部は集電極１５のフィンガー部より多く形成される。したがって、集電極１９によって覆われる透明導電層１８の面積は、集電極１５によって覆われる透明導電層１４の面積より大きくなる。また、集電極１５は集電極１９より厚く形成される。ただし、電極の構造は特に限定されず、裏面電極の集電極として透明導電層１８上の略全域に金属層を形成してもよい。
図２は、太陽電池セル１０の製造方法の一例を説明するための図である。ここで、結晶性シリコンウェーハ１１ｚとは、製造途中のｎ+層２０を有さないシリコンウェーハである。また、パッシベーション層１２ｚ、ｉ型シリコン層１３ｚは、それぞれ後工程でパッシベーション層１２、ｎ型結晶性シリコン層１３となる層である。
図２に例示するように、太陽電池セル１０の製造工程は、下記の工程を備える。
（１）結晶性シリコンウェーハ１１ｚの一方の主面Ｓ１上に、酸化シリコン、炭化シリコン、または窒化シリコンを主成分として構成されるパッシベーション層１２ｚを形成する工程。
（２）パッシベーション層１２ｚ上に実質的に真正なｉ型シリコン層１３ｚを形成する工程。
（３）パッシベーション層１２ｚ、ｉ型シリコン層１３ｚ、および結晶性シリコンウェーハ１１ｚにｎ型ドーパントを熱拡散させて、当該ウェーハの各主面およびその近傍に他の領域よりｎ型ドーパントの濃度が高いｎ+層２０を形成すると共に、ｉ型シリコン層１３ｚをｎ型結晶性シリコン層１３とする工程。
（４）ｎ+層２０が形成された結晶性シリコンウェーハ１１ｚ（ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１）の他方の主面Ｓ２側にｐ型非晶質シリコン層１７を形成する工程。
（１）結晶性シリコンウェーハ１１ｚの一方の主面Ｓ１上に、酸化シリコン、炭化シリコン、または窒化シリコンを主成分として構成されるパッシベーション層１２ｚを形成する工程。
（２）パッシベーション層１２ｚ上に実質的に真正なｉ型シリコン層１３ｚを形成する工程。
（３）パッシベーション層１２ｚ、ｉ型シリコン層１３ｚ、および結晶性シリコンウェーハ１１ｚにｎ型ドーパントを熱拡散させて、当該ウェーハの各主面およびその近傍に他の領域よりｎ型ドーパントの濃度が高いｎ+層２０を形成すると共に、ｉ型シリコン層１３ｚをｎ型結晶性シリコン層１３とする工程。
（４）ｎ+層２０が形成された結晶性シリコンウェーハ１１ｚ（ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１）の他方の主面Ｓ２側にｐ型非晶質シリコン層１７を形成する工程。
本実施形態では、ｎ+層２０が形成された結晶性シリコンウェーハ１１ｚであるｎ型結晶性シリコンウェーハ１１とｐ型非晶質シリコン層１７との間にパッシベーション層１６（第２のパッシベーション層）を形成する工程をさらに備える。この工程は、上記工程（３）と（４）の間で行われる。パッシベーション層１６は、上述の通り、実質的に真性な非晶質シリコンか、またはｐ型非晶質シリコン層１７よりｐ型ドーパント濃度が低い非晶質シリコンを主成分として構成される。
太陽電池セル１０の製造工程では、まず初めに、テクスチャ構造が形成された結晶性シリコンウェーハ１１ｚを準備する。結晶性シリコンウェーハ１１ｚには、ｎ型単結晶シリコンウェーハを用いることが好ましい。テクスチャ構造は、アルカリ性溶液を用いて単結晶シリコンウェーハの（１００）面を異方性エッチングすることで形成できる。この場合、単結晶シリコンウェーハの表面に（１１１）面を斜面としたピラミッド形状の凹凸構造が形成される。テクスチャ構造は、結晶性シリコンウェーハ１１ｚの各主面Ｓ１，Ｓ２に形成されることが好ましい。
図２は、パッシベーション層１２ｚの成膜からｐ型非晶質シリコン層１７の成膜までを示している。図２（ａ）に示すように、まず、結晶性シリコンウェーハ１１ｚの一方の主面Ｓ１にパッシベーション層１２ｚを形成する。パッシベーション層１２ｚは、例えば主面Ｓ１の略全域に形成される。パッシベーション層１２ｚが形成された主面Ｓ１は、太陽電池セル１０の受光面となり、主面Ｓ２が太陽電池セル１０の裏面となる。パッシベーション層１２ｚは、酸化シリコン、炭化シリコン、または窒化シリコンを主成分として構成され、ｎ型ドーパントは含有していない。
パッシベーション層１２ｚは、酸化シリコンを主成分とするシリコン酸化膜であることが好ましい。シリコン酸化膜の成膜方法としては、ＣＶＤまたはスパッタリングが例示できる。ＣＶＤを用いる場合、結晶性シリコンウェーハ１１ｚの主面Ｓ１に対して選択的にシリコン酸化膜を形成できる。シリコン酸化膜の酸素濃度は、成膜条件を変更することで調整することが可能である。
この工程では、結晶性シリコンウェーハ１１ｚの表面を５００℃程度の高温水蒸気雰囲気で熱酸化してもよく（スチーム酸化法）、結晶性シリコンウェーハ１１ｚを加熱した硝酸に浸漬してウェーハ表面をウェットケミカル酸化してもよい（硝酸酸化法）。ただし、結晶性シリコンウェーハ１１ｚの主面Ｓ２にシリコン酸化膜が形成された場合は、パッシベーション層１６を成膜する前に、主面Ｓ２からシリコン酸化膜を除去する必要がある。主面Ｓ２に形成されたシリコン酸化膜は、後述する拡散調整膜２１または拡散調整膜２１の一部として使用することもできる。
続いて、図２（ｂ）に示すように、パッシベーション層１２ｚ上にｉ型シリコン層１３ｚを成膜する。ｉ型シリコン層１３ｚは、例えばパッシベーション層１２ｚ上の略全域に形成される。ｉ型シリコン層１３ｚは、非晶質シリコン膜、微結晶または多結晶シリコン膜のいずれであってもよい。ｉ型シリコン層１３ｚの成膜方法としては、ＣＶＤまたはスパッタリングが例示できる。
続いて、図２（ｃ）〜（ｅ）に示すように、ｎ型ドーパントの拡散を抑制する拡散調整膜２１を結晶性シリコンウェーハ１１ｚの他方の主面Ｓ２上に形成した後、当該ウェーハにｎ型ドーパントを熱拡散させる。拡散調整膜２１は、例えば、結晶性シリコンウェーハ１１ｚの主面Ｓ２の略全域に形成される。そして、ｐ型非晶質シリコン層１７を形成する前に拡散調整膜２１を除去する。本実施形態では、パッシベーション層１６を形成する前に拡散調整膜２１を除去する必要がある。
拡散調整膜２１は、結晶性シリコンウェーハ１１ｚの主面Ｓ２側に形成されるｎ+層２０ｂのｎ型ドーパントの濃度を調整する役割を果たす。拡散調整膜２１を形成した場合、拡散調整膜２１を介して結晶性シリコンウェーハ１１ｚにｎ型ドーパントが拡散するため、拡散調整膜２１を形成しない場合と比べて、ｎ+層２０ｂにおけるｎ型ドーパントの濃度は低くなる。なお、結晶性シリコンウェーハ１１ｚの主面Ｓ１側では、パッシベーション層１２ｚおよびｉ型シリコン層１３ｚを介して結晶性シリコンウェーハ１１ｚにｎ型ドーパントが拡散する。このため、ｎ+層２０ａ，２０ｂにおけるｎ型ドーパントの濃度を同程度に調整する場合は、拡散調整膜２１を形成することが好ましい。
拡散調整膜２１は、酸化シリコンを主成分として構成される。ただし、後工程で除去できるものであれば、拡散調整膜２１の組成は特に限定されず、例えば、窒化シリコンを主成分とするものであってもよい。拡散調整膜２１の成膜方法としては、ＣＶＤまたはスパッタリングが例示できる。拡散調整膜２１の厚みは、例えば１〜２０ｎｍであり、厚みを変えることでｎ+層２０ｂにおけるｎ型ドーパントの濃度を容易に調整できる。ｎ+層２０ａ，２０ｂにおけるｎ型ドーパントの濃度を同程度に調整する場合は、拡散調整膜２１の厚みをパッシベーション層１２ｚおよびｉ型シリコン層１３ｚの合計の厚みと略同一にしてもよい。なお、拡散調整膜２１を形成せずに、結晶性シリコンウェーハ１１ｚの主面Ｓ２側を露出させた状態でｎ型ドーパントの拡散を行っても良く、これによってｎ+層２０ａよりもｎ+層２０ｂのｎ型ドーパントの濃度を高濃度に設定することができる。
結晶性シリコンウェーハ１１ｚに対してｎ型ドーパントを拡散させる工程では、ｎ+層２０のｎ型ドーパントの濃度が１×１０18〜１×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3となるように、ｎ型ドーパントを熱拡散させることが好ましい。ｎ型ドーパントの拡散は、例えば、塩化ホスホリル（ＰＯＣｌ3）の蒸気を用いた熱拡散法によって行われる。塩化ホスホリルを用いたリンの熱拡散は、例えば、８００〜９００℃の温度で行われる。
本実施形態では、結晶性シリコンウェーハ１１ｚの主面Ｓ１側ではパッシベーション層１２ｚおよびｉ型シリコン層１３ｚを介して、主面Ｓ２側では拡散調整膜２１を介して、結晶性シリコンウェーハ１１ｚ等にｎ型ドーパントが拡散する。そして、結晶性シリコンウェーハ１１ｚにｎ+層２０ａ，２０ｂが形成されると共に、パッシベーション層１２ｚおよびｉ型シリコン層１３ｚがｎ型にドーピングされる。これにより、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１、パッシベーション層１２、およびｎ型結晶性シリコン層１３が形成される。ｎ型結晶性シリコン層１３は、例えば、パッシベーション層１２ｚ上に非晶質のｉ型シリコン層１３ｚを形成した後、ｎ型ドーパントを供給せずに加熱して当該シリコン層を結晶化し、その後にｎ型ドーパントを供給しながら加熱して形成される。ただし、ｎ型結晶性シリコン層１３の形成の方法はこれに限られたものではなく、ｎ型ドーパントを供給しながら加熱して、ｉ型シリコン層１３ｚの結晶化と不純物拡散とを共通の加熱工程で行ってもよい。
拡散調整膜２１は、上述のように、ｎ型ドーパントの熱拡散工程後に除去される。拡散調整膜２１がシリコン酸化膜である場合、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１をフッ酸に浸漬することで除去できる。なお、ｎ型結晶性シリコン層１３はフッ酸に侵されないため、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１をフッ酸に浸漬しても、ｎ型結晶性シリコン層１３に覆われたパッシベーション層１２は除去されない。
ｎ型ドーパントの熱拡散工程後に、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１に対して水素（Ｈ2）シンタリングを行ってもよい。水素シンタリングは、例えば、水素ガスを窒素ガス等の不活性ガスで希釈したフォーミングガス中で、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１を３５０〜４５０℃程度の温度で熱処理することにより行われる。この工程を設けることで、ｎ型ドーパントの熱拡散時にｎ型結晶性シリコンウェーハ１１から抜けた水素を補充することができる。
続いて、図２（ｆ）に示すように、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の主面Ｓ２上にパッシベーション層１６およびｐ型非晶質シリコン層１７をこの順に成膜する。パッシベーション層１６は、ｉ型非晶質シリコン膜であることが好ましい。例えば、主面Ｓ２の略全域にｉ型非晶質シリコン膜が形成され、ｉ型非晶質シリコン膜上の略全域にｐ型非晶質シリコン層１７が形成される。
パッシベーション層１６およびｐ型非晶質シリコン層１７は、清浄なｎ型結晶性シリコンウェーハ１１を真空チャンバ内に設置して、ＣＶＤまたはスパッタリングにより形成される。ＣＶＤによるパッシベーション層１６がｉ型非晶質シリコン膜である場合、例えば、ＣＶＤを用いた成膜にはシランガスを水素（Ｈ2）で希釈した原料ガスが使用される。また、ｐ型非晶質シリコン層１７をＣＶＤで成膜する場合は、例えば、シランガスにジボラン（Ｂ2Ｈ6）を添加し、水素で希釈した原料ガスが使用される。ジボランの混合濃度を変化させることによって、ｐ型非晶質シリコン層１７のドーパント濃度を調整することができる。
次に、ｎ型結晶性シリコン層１３上およびｐ型非晶質シリコン層１７上に透明導電層１４，１８をそれぞれ形成し、透明導電層１４，１８上に集電極１５，１９をそれぞれ形成する（図示せず）。透明導電層１４，１８は、例えば、スパッタリングにより形成される。集電極１５，１９は、例えば、各透明導電層上に銀（Ａｇ）粒子を含有する導電性ペーストをスクリーン印刷等により塗工して形成される。こうして、図１に例示する太陽電池セル１０が得られる。
上述の製造方法により得られる太陽電池セル１０は、低コストで製造でき、かつ開放電圧が高く出力特性が良好で、さらに逆方向の降伏電圧が低いという優れた特徴を有する。また、色合いの均一性が高く良好な外観を有し、耐久性にも優れる。
なお、本実施形態では、パッシベーション層１２とｎ型結晶性シリコン層１３とを別々に成膜し形成したが、本開示に係る太陽電池セルの製造方法はその形成の方法に限定されない。例えば、パッシベーション層１２とｎ型結晶性シリコン層１３となる元の薄膜として、酸素を含有したｉ型非晶質シリコン膜を形成する。その後、ｎ型ドーパントを供給しながら９５０℃程度の温度で熱処理する。これにより、結晶性シリコンウェーハ１１ｚ界面近傍に存在する酸素を含有したｉ型非晶質シリコン膜を酸化シリコン層にし、結晶性シリコンウェーハ１１ｚ界面から離れた酸素を含有したｉ型非晶質シリコン膜をｎ型結晶性シリコン層にしてもよい。
図３は、実施形態の他の一例である太陽電池セル３０を示す断面図である。図３に例示するように、太陽電池セル３０は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１の裏面側のみに電極を備える点で、ｎ型結晶性シリコンウェーハの受光面側および裏面側に電極をそれぞれ備える太陽電池セル１０と異なる。ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１と同様に、ウェーハの各主面およびその近傍にウェーハの他の領域よりｎ型ドーパントの濃度が高いｎ+層４０を有する。ｎ+層４０におけるｎ型ドーパントの濃度は、１×１０18〜１×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であることが好ましい。ｎ+層４０ａにおけるｎ型ドーパントの濃度は、例えば、ｎ+層４０ｂにおけるｎ型ドーパントの濃度以下である。
太陽電池セル３０は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１の受光面上に形成された受光面側パッシベーション層３２（以下、「パッシベーション層３２」という）と、パッシベーション層３２上に形成されたｎ型結晶性シリコン層３３とを備える。パッシベーション層３２およびｎ型結晶性シリコン層３３には、太陽電池セル１０のパッシベーション層１２およびｎ型結晶性シリコン層１３とそれぞれ同様の構成を適用できる。パッシベーション層３２はｎ型ドーパントを含み、パッシベーション層３２およびｎ型結晶性シリコン層３３におけるｎ型ドーパントの濃度は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１のｎ+層４０ａにおけるｎ型ドーパントの濃度以上である。
太陽電池セル３０は、ｎ型結晶性シリコン層３３上に保護層３４を有する。保護層３４は、例えば、ｎ型結晶性シリコン層３３を保護し、またセル表面における太陽光の反射を抑制する。保護層３４は、光透過性が高い材料から構成されることが好ましく、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、または酸窒化シリコン等の絶縁物を主成分として構成される。
太陽電池セル３０は、裏面側パッシベーション層３５，３７（以下、「パッシベーション層３５，３７」という）と、ｐ型非晶質シリコン層３６と、ｎ型非晶質シリコン層３８とを備える。パッシベーション層３５は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１の裏面上に形成され、ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１とｐ型非晶質シリコン層３６との間に介在する。パッシベーション層３７は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１の裏面上に形成され、ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１とｎ型非晶質シリコン層３８との間に介在する。ｐ型非晶質シリコン層３６とｎ型非晶質シリコン層３８は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１の裏面側にｐ型領域とｎ型領域をそれぞれ形成する。
ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１の裏面上に形成されるｐ型領域の面積は、ｎ型領域の面積より大きいことが好ましい。ｐ型領域とｎ型領域は、例えば一の方向に交互に配置され、互いに噛み合う平面視櫛歯状パターンで形成される。太陽電池セル３０では、ｐ型領域の一部がｎ型領域の一部に重なり、ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１の裏面上にｐ型領域およびｎ型領域が隙間なく形成されている。ｐ型領域とｎ型領域が重なる部分には、各領域の間に絶縁層３９が設けられている。絶縁層３９は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、または酸窒化シリコン等を主成分として構成される。絶縁層３９は、保護層３４と同じ材料から構成されてもよい。
パッシベーション層３５は、ｉ型非晶質シリコンか、またはｐ型非晶質シリコン層３６よりｐ型ドーパントの濃度が低い非晶質シリコンを主成分として構成される。パッシベーション層３７は、ｉ型非晶質シリコンか、またはｎ型非晶質シリコン層３８よりｎ型ドーパントの濃度が低い非晶質シリコンを主成分として構成される。また、ｐ型非晶質シリコン層３６には、太陽電池セル１０のｐ型非晶質シリコン層１７と同様の構成を適用できる。ｎ型非晶質シリコン層３８は、ｎ型にドーピングされた非晶質シリコン層である。ｎ型非晶質シリコン層３８におけるｎ型ドーパントの濃度は、例えば、１×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上である。ｎ型非晶質シリコン層３８には、一般的にｎ型ドーパントが略均一に含有されている。各非晶質シリコン層は、ｎ型結晶性シリコン層３３より水素濃度が高く、低密度である。
太陽電池セル３０は、ｐ型非晶質シリコン層３６上に形成された透明導電層４２および集電極４１と、ｎ型非晶質シリコン層３８上に形成された透明導電層４４および集電極４３とを備える。透明導電層４２および集電極４１はｐ型領域上に形成されるｐ側電極であり、透明導電層４４および集電極４３はｎ型領域上に形成されるｎ側電極である。透明導電層４２，４４は、絶縁層３９に対応する位置で互いに分離されている。集電極４１，４３は、透明導電層４２，４４上にそれぞれ形成される。集電極４１，４３は、導電性ペーストを用いて形成されてもよいが、好ましくは電解めっきにより形成される。集電極４１，４３は、例えばニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の金属から構成され、Ｎｉ層とＣｕ層との積層構造であってもよく、耐食性を向上させるために最表面に錫（Ｓｎ）層を有していてもよい。
太陽電池セル３０は、太陽電池セル１０と同様の方法で製造できる。具体的には、ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１、パッシベーション層３２、およびｎ型結晶性シリコン層３３が形成されるまでの工程は、太陽電池セル１０の場合と同じ工程を適用できる（図２（ａ）〜（ｅ）参照）。保護層３４、ｐ型領域、ｎ型領域、絶縁層３９、透明導電層４２，４４、および集電極４１，４３は、裏面側のみに電極を備える従来公知の太陽電池セルと同様の方法で形成できる。太陽電池セル３０は、太陽電池セル１０と同様に、低コストで製造でき、かつ開放電圧が高く出力特性が良好で、さらに逆方向の降伏電圧が低いという優れた特徴を有する。
１０，３０ 太陽電池セル、１１，３１ ｎ型結晶性シリコンウェーハ、１１ｚ 結晶性シリコンウェーハ、１２，３２ 受光面側パッシベーション層、１２ｚ パッシベーション層、１３，３３ ｎ型結晶性シリコン層、１３ｚ ｉ型シリコン層、１４，１８，４２，４４ 透明導電層、１５，１９，４１，４３ 集電極、１６，３５，３７ 裏面側パッシベーション層、１７，３６ ｐ型非晶質シリコン層、２０，２０ａ，２０ｂ，４０，４０ａ，４０ｂ ｎ+層、２１ 拡散調整膜、３４ 保護層、３８ ｎ型非晶質シリコン層、３９ 絶縁層
Claims (11)
- 結晶性シリコンウェーハの一方の主面上に、酸化シリコン、炭化シリコン、または窒化シリコンを主成分として構成される第１のパッシベーション層を形成する工程と、
前記パッシベーション層上にｉ型シリコン層を形成する工程と、
前記パッシベーション層、前記ｉ型シリコン層、および前記結晶性シリコンウェーハにｎ型ドーパントを熱拡散させて、当該ウェーハの各主面およびその近傍に他の領域より前記ｎ型ドーパントの濃度が高いｎ＋層を形成すると共に、前記ｉ型シリコン層をｎ型結晶性シリコン層とする工程と、
前記ｎ＋層が形成された前記結晶性シリコンウェーハの他方の主面側にｐ型非晶質シリコン層を形成する工程と、
を備える、太陽電池セルの製造方法。 - 前記ｎ型ドーパントの拡散を抑制する拡散調整膜を前記結晶性シリコンウェーハの他方の主面上に形成した後、当該ウェーハに前記ｎ型ドーパントを熱拡散させ、前記ｐ型非晶質シリコン層を形成する前に前記拡散調整膜を除去する、請求項１に記載の太陽電池セルの製造方法。
- 前記拡散調整膜は、酸化シリコンを主成分として構成される、請求項２に記載の太陽電池セルの製造方法。
- 前記結晶性シリコンウェーハの各主面およびその近傍に形成される前記ｎ＋層の前記ｎ型ドーパントの濃度が１×１０１８〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３となるように、前記ｎ型ドーパントを熱拡散させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池セルの製造方法。
- 前記ｎ＋層が形成された前記結晶性シリコンウェーハと前記ｐ型非晶質シリコン層との間に第２のパッシベーション層を形成する工程をさらに備え、
前記第２のパッシベーション層は、実質的に真性な非晶質シリコンか、または前記ｐ型非晶質シリコン層よりｐ型ドーパント濃度が低い非晶質シリコンを主成分として構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池セルの製造方法。 - 前記ｎ型結晶性シリコン層は、前記第１のパッシベーション層上に非晶質の前記ｉ型シリコン層を形成した後、当該シリコン層を結晶化して形成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽電池セルの製造方法。
- 前記ｎ＋層を形成すると共に、前記ｉ型シリコン層をｎ型結晶性シリコン層とする工程は、結晶性シリコンウェーハの他方の主面を露出させた状態で前記ｎ型ドーパントを熱拡散させる、請求項１に記載の太陽電池セルの製造方法。
- ウェーハの各主面およびその近傍に他の領域よりｎ型ドーパントの濃度が高いｎ＋層を有するｎ型結晶性シリコンウェーハと、
前記ｎ型結晶性シリコンウェーハの一方の主面である受光面上に形成され、酸化シリコン、炭化シリコン、または窒化シリコンを主成分として構成される受光面側パッシベーション層と、
前記受光面側パッシベーション層上に形成されたｎ型結晶性シリコン層と、
前記ｎ型結晶性シリコンウェーハの他方の主面である裏面側に形成されたｐ型非晶質シリコン層と、
を備え、
前記受光面側パッシベーション層は、前記ｎ型ドーパントを含み、
前記受光面側パッシベーション層および前記ｎ型結晶性シリコン層における前記ｎ型ドーパントの濃度は、前記ｎ型結晶性シリコンウェーハの受光面側に形成された前記ｎ＋層における前記ｎ型ドーパントの濃度以上である、太陽電池セル。 - 前記ウェーハの各主面およびその近傍に形成される前記ｎ＋層における前記ｎ型ドーパントの濃度は、１×１０１８〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である、請求項８に記載の太陽電池セル。
- 前記ｎ型結晶性シリコンウェーハの受光面側に形成された前記ｎ＋層における前記ｎ型ドーパントの濃度は、当該ウェーハの裏面側に形成された前記ｎ＋層における前記ｎ型ドーパントの濃度以下である、請求項８または９に記載の太陽電池セル。
- 前記ｎ型結晶性シリコンウェーハと前記ｐ型非晶質シリコン層との間に形成された裏面側パッシベーション層をさらに備え、
前記裏面側パッシベーション層は、実質的に真性な非晶質シリコンか、または前記ｐ型非晶質シリコン層よりｐ型ドーパントの濃度が低い非晶質シリコンを主成分として構成される、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の太陽電池セル。
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