JP6854960B1 - 太陽電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】太陽電池の再結合損失低減に有利な太陽電池を提供する。【解決手段】基板２０と、基板の上面に順次積層されたエミッタ２１１、第１パッシベーション膜２１２、反射防止膜２１３及び第１電極２１４と、基板の下面に順次積層されたトンネル層２２１、バリア層２２２、フィールドパッシベーション層２２３、第２パッシベーション膜２２４及び第２電極２２５とを備え、バリア層は、フィールドパッシベーション層におけるドーパントイオンの基板への移動を遮断するために使用されるものであり、バリア層は、第２電極の投影と重なっている第１バリア層と、第２電極の投影からずれている第２バリア層とを含み、少なくとも第２バリア層は真性半導体であり、基板の表面に垂直な方向において、第１バリア層の厚さは第２バリア層の厚さよりも小さく、第１バリア層の基板から離れた表面は、第２バリア層の基板から離れた表面と面一である。【選択図】図２

Description

本発明の実施例は、光起電力の分野に関し、特に太陽電池に関する。
太陽電池技術の継続的な発展に伴い、金属接触領域の再結合損失は太陽電池の変換効率の更なる向上を阻害する要因の１つとなっている。太陽電池の変換速度を向上させるために、通常、パッシベーション接触により太陽電池をパッシベーションして、太陽電池の本体内と表面の再結合を低減させる。一般的に使用されるパッシベーションコンタクト電池として、ヘテロ接合（Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ Ｔｈｉｎ‐ｌａｙｅｒ、ＨＩＴ）電池とトンネル酸化膜パッシベーションコンタクト（Ｔｕｎｎｅｌ Ｏｘｉｄｅ Ｐａｓｓｉｖａｔｅｄ Ｃｏｎｔａｃｔ、ＴＯＰＣｏｎ）電池が挙げられる。
しかしながら、従来のパッシベーションコンタクト電池には、ある程度の再結合損失という恐れがある。
本発明の実施例には、太陽電池の再結合損失の低減及び太陽電池の変換効率の向上に有利である太陽電池が提供される。
上記の問題を解決するために、本発明の実施例には、太陽電池が提供され、当該太陽電池は、基板と、前記基板の上面に順次積層されたエミッタ、第１パッシベーション膜、反射防止膜及び第１電極と、前記基板の下面に順次積層されたトンネル層、バリア層、フィールドパッシベーション層、第２パッシベーション膜及び第２電極とを備え、前記バリア層は、前記フィールドパッシベーション層におけるドーパントイオンの前記基板への移動を遮断するために使用されるものであり、前記バリア層は、前記第２電極の投影と重なっている第１バリア層と、前記第２電極の投影からずれている第２バリア層とを含み、少なくとも前記第２バリア層は真性半導体であり、前記基板の表面に垂直な方向において、前記第１バリア層の厚さは前記第２バリア層の厚さよりも小さく、前記第１バリア層の前記基板から離れた表面は、前記第２バリア層の前記基板から離れた表面と面一である。
また、前記基板の表面に垂直な方向において、前記バリア層の厚さは２０ｎｍ以下である。このようにして、バリア層が多数キャリアの輸送に大きな遮断になることを回避し、多数キャリアの効果的な輸送を確保することができる。また、フィールドパッシベーション層と基板との距離の増加によりフィールドパッシベーション層のバンドの曲がり効果を大きく低下させてしまうことを回避し、キャリアの選択的な輸送を維持し、太陽電池の開回路電圧及び変換効率を向上させることができる。
また、前記真性半導体層の材料は、前記フィールドパッシベーション層の材料と同じである。
また、前記フィールドパッシベーション層の前記バリア層に向かう表面層の平均ドーピング濃度は、１Ｅ＋１９／ｃｍ３〜１Ｅ＋２１／ｃｍ３であり、前記第２バリア層の厚さは０．５ｎｍ〜２０ｎｍである。このようにして、フィールドパッシベーション層におけるドーパントイオンは短時間の熱拡散が発生した場合に基板の表面に移動してしまうことを回避でき、基板の表面の再結合損失を低減させることに有利である。
また、前記フィールドパッシベーション層の前記バリア層から離れた表面の表面ドーピング濃度は、１Ｅ＋２０／ｃｍ３〜１Ｅ＋２２／ｃｍ３であり、前記基板の表面に垂直な方向において、前記フィールドパッシベーション層の厚さと前記第２バリア層の厚さとの比は５〜１００である。このようにして、フィールドパッシベーション層におけるドーパントイオンが熱拡散した時に基板の表面に拡散してしまうことを回避でき、基板の表面の再結合損失を低減し、また、フィールドパッシベーション層と電極との間の良好なオーミック接触を確保し、多数キャリアの効果的な輸送を確保することができる。
また、前記第１バリア層の材料の種類は前記フィールドパッシベーション層の材料の種類と異なっている。
また、前記第１バリア層は前記真性半導体層である。
また、前記バリア層の材料の種類は、金属酸化物、ケイ化物、塩、有機物又は金属の少なくとも１種を含む。
また、前記バリア層は多層構造であり、前記多層構造における複数の膜層は、前記基板の表面に垂直な方向に順次に積層され、異なる膜層の材料は同一又は異なっている。
以上に対応して、本発明の実施例には、太陽電池がさらに提供され、当該太陽電池は、基板と、前記基板の上面に順次積層されたエミッタ、第１パッシベーション膜、反射防止膜及び第１電極と、前記基板の下面に順次積層されたトンネル層、バリア層、フィールドパッシベーション層、第２パッシベーション膜及び第２電極とを備え、前記バリア層は、前記フィールドパッシベーション層におけるドーパントイオンの前記基板への移動を遮断するために使用されるものであり、前記バリア層は、前記第２電極の投影と重なっている第１バリア層と、前記第２電極の投影からずれている第２バリア層とを含み、少なくとも前記第２バリア層は真性半導体であり、前記基板の表面に垂直な方向において、前記第１バリア層の厚さは前記第２バリア層の厚さよりも小さく、前記第１バリア層の前記基板に向かう表面は、前記第２バリア層の前記基板に向かう表面と面一である。
従来技術と比べて、本発明の実施例に提供された技術案は以下の利点を有する。
上記の技術案において、バリア層を設置することで、フィールドパッシベーション層と基板との間に大きな電位障壁を確保し、フィールドパッシベーション層に良好なバンドの曲がり効果を持たせ、キャリアの選択的な輸送を維持し、ドーパントイオンの基板の表面への移動による再結合損失を低減させることにも有利である。また、濃度差により自然拡散が発生した場合、第２バリア層は、対応するフィールドパッシベーション層におけるドーパントイオンを担持し、フィールドパッシベーション層の対応する部分のドーピング濃度を希釈し、フィールドパッシベーション層の対応する部分の光吸収能力を低下させ、太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。それと共に、第２バリア層に拡散したドーパントイオンは、バンドの曲がり効果を強化し、キャリアの選択的な輸送を維持することができる。
１つ又は複数の実施例を対応する添付図面の図によって例示的に説明する。これらの例示的な説明は実施例を限定するものではなく、特に説明しない限り、添付図面の図は比例的制限を構成しない。
図１は太陽電池の構造を示す図である。 図２は本発明の１つの実施例に提供された太陽電池の構造を示す図である。 図３は本発明のもう１つの実施例に提供された太陽電池の構造を示す図である。 図４は本発明の別の実施例に提供された太陽電池の構造を示す図である。 図５は本発明のもう１つの実施例に提供された太陽電池の製造方法のステップに対応する構造を示す図である。 図６は本発明のもう１つの実施例に提供された太陽電池の製造方法のステップに対応する構造を示す図である。 図７は本発明のもう１つの実施例に提供された太陽電池の製造方法のステップに対応する構造を示す図である。 図８は本発明のもう１つの実施例に提供された太陽電池の製造方法のステップに対応する構造を示す図である。 図９は本発明の別の実施例に提供された太陽電池の製造方法のステップに対応する構造を示す図である。 図１０は本発明の別の実施例に提供された太陽電池の製造方法のステップに対応する構造を示す図である。
図１を参照して、図１はＴＯＰＣｏｎ電池の構造を示す図である。
ＴＯＰＣｏｎ電池は、基板１０と、基板１０の下面を覆うパッシベーションコンタクト構造とを備え、パッシベーションコンタクト構造は、一般的に、順次積層されたトンネル層１２１とフィールドパッシベーション層１２２とを含み、トンネル層１２１は主に基板１０の表面を化学的にパッシベーションし、界面準位を低減させるために使用されるものであり、フィールドパッシベーション層１２２は、主に基板１０の表面にバンドの曲がりを形成し、キャリアの選択的な輸送を実現し、再結合損失を低減させるために使用されるものである。フィールドパッシベーション層１２２は、一般的にドーパントイオンがドープされたポリシリコン層である。
パッシベーションコンタクト構造の製造及び製品の電池の後処理において、高温熱処理は、フィールドパッシベーション層１２２におけるドーパントイオンに熱出力を提供し、その結果、ドーパントイオンがトンネル層１２１を透過して基板１０の下面に移動し、基板１０の下面の表面再結合を増加し、トンネル層１２１の界面パッシベーション効果を低下させてしまう。それと共に、ドーパントイオンの移動により、基板１０とフィールドパッシベーション層１２２との間の電位障壁を低下させ、フィールドパッシベーション層１２２のフィールドパッシベーション効果を弱め、太陽電池の変換効率を低下させてしまう。
上記の問題を解決するために、本発明の実施例には、太陽電池が提供され、バリア層を設置することで、フィールドパッシベーション層と基板との間に大きな電位障壁を確保し、フィールドパッシベーション層に良好なバンドの曲がり効果を持たせ、キャリアの選択的な輸送を維持し、ドーパントイオンの基板の表面への移動による再結合損失を低減させることにも有利である。また、濃度差により自然拡散が発生した場合、第２バリア層は、対応するフィールドパッシベーション層におけるドーパントイオンを担持し、フィールドパッシベーション層の対応する部分のドーピング濃度を希釈し、フィールドパッシベーション層の対応する部分の光吸収能力を低下させ、太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。それと共に、第２バリア層に拡散したドーパントイオンは、バンドの曲がり効果を強化し、キャリアの選択的な輸送を維持することができる。
本発明の実施例の目的、技術案及び利点をより明確にするために、以下、本発明の各実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、当業者が理解できるように、本発明の各実施例において、読者が本願をよりよく理解するために、多くの技術的詳細まで提示さている。ただし、これらの技術的詳細及び以下の各実施例に基づく種々の変更や修正がなくても、本願が保護しようとする技術案を実現することができる。
図２は、本発明の１つの実施例に提供された太陽電池の構造を示す図である。表現を簡潔化するために、以下では、多数のキャリアを多数キャリア、少数のキャリアを少数キャリアと称するものとする。
図２を参照して、太陽電池は、基板２０と、基板２０の上面に順次積層されたエミッタ２１１、第１パッシベーション膜２１２、反射防止膜２１３及び第１電極２１４と、基板２０の下面に順次積層されたトンネル層２２１、バリア層２２２、フィールドパッシベーション層２２３、第２パッシベーション膜２２４及び第２電極２２５とを備え、バリア層２２２は、フィールドパッシベーション層２２３におけるドーパントイオンの基板２０への移動を遮断するために使用されるものであり、バリア層２２２は、第２電極２２５の投影と重なっている第１バリア層２２２ａと、第２電極２２５の投影からずれている第２バリア層２２２ｂとを含み、少なくとも第２バリア層２２２ｂは真性半導体であり、基板２０の表面に垂直な方向において、第１バリア層２２２ａの厚さは第２バリア層２２２ｂの厚さよりも小さく、第１バリア層２２２ａの基板２０から離れた表面は、第２バリア層２２２ｂの基板２０から離れた表面と面一である。
基板２０は、エミッタ２１１とＰＮ接合を形成する。具体的には、基板２０がＰ型である場合、エミッタ２１１はＮ型である。基板２０がＮ型である場合、エミッタ２１１はＰ型である。選択できるように、基板２０の材料は、単結晶シリコン、多結晶シリコン、擬似単結晶シリコン、ペロブスカイト等の半導体材料を含んでもよい。
第１パッシベーション膜２１２及び第２パッシベーション膜２２４の材料は、窒化シリコン、酸窒化シリコン、炭窒化酸化シリコン、酸化チタン、酸化セリウム、酸化アルミニウム等の材料の１つ又は複数を含み、反射防止膜２１３の材料は、窒化シリコン、酸窒化シリコン、炭窒化酸化シリコン等の材料の１つ又は複数を含んでもよい。第１電極２１４は、反射防止膜２１３及び第１パッシベーション膜２１２を貫通してエミッタ２１１に接続され、第２電極２２５は、第２パッシベーション膜２２４を貫通してフィールドパッシベーション層２２３に接して接続され、第１電極２１４は銀アルミニウム電極であってもよく、第２電極２２５は銀電極であってもよい。
本実施例では、バリア層２２２の遮断能力は、熱拡散を発生させるドーパントイオンがフィールドパッシベーション層２２３の基板２０に向かう方向において移動可能な最長距離によって定義され、ドーパントイオンの移動可能な最長距離が短いほど、バリア層２２２の遮断能力が強くなり、ドーパントイオンの移動可能な最長距離が長いほど、バリア層２２２の遮断能力が弱くなる。
本実施例では、基板２０は、第１領域２０ａと第２領域２０ｂとを含み、第１領域２０ａにおけるフィールドパッシベーション層２２３は第２電極２２５と接触させるために使用されるものであり、第１領域２０ａにおけるバリア層２２２を第１バリア層２２２ａと称し、第２領域２０ｂにおけるバリア層２２２を第２バリア層２２２ｂと称する。第１のバリア層２２２ａが第２電極２２５の投影と重なることは、基板２０の表面に垂直な方向において、第２電極２２５の正投影が第１バリア層２２２ａの正投影と重なること、又は、第１バリア層２２２ａの正投影が第２電極２２５の正投影内に位置すること、又は、第２電極２２５の延在部が第１バリア層２２２ａと交差することであり、第２バリア層２２２ｂが第２電極２２５の投影からずれることは、基板２０の表面に垂直な方向において、第２バリア層２２２ｂの正投影が第２電極２２５の正投影と重なっていないこと、又は、第２電極２２５の延在部が第２バリア層２２２ｂと交差しないことである。
本実施例では、第２バリア層２２２ｂの遮断能力は、第１バリア層２２２ａの遮断能力よりも弱い。具体的には、フィールドパッシベーション層２２３におけるドーパントイオンに熱拡散が発生した場合、第２バリア層２２２ｂによって遮断されたドーパントイオンが移動可能な最長距離は、第１バリア層２２２ａによって遮断されたドーパントイオンが移動可能な最長距離よりも大きい。
バリア層は、２つの方法によりその遮断効果を達成することができる。一つ目は、界面による遮断であり、即ち、特定の膜層におけるドーパントイオンは、当該特定の膜層とバリア層との間の界面を透過できないか、又は透過することが困難である。二つ目は、バッファリングによる遮断であり、即ち、特定の膜層におけるドーパントイオンは、濃度差によりバリア層まで拡散することができるが、拡散により濃度勾配が減少するので、最終的に、ドーパントイオンは、濃度勾配が小さすぎるため拡散力が小さすぎて、拡散し続けることができなくなり、それによって、遮断効果を実現する。
本実施例では、基板２０の表面に垂直な方向において、バリア層２２２の厚さは２０ｎｍ以下、例えば５ｎｍ、１０ｎｍ又は１５ｎｍである。このようにして、バリア層２２２自体の厚さが大きくて多数キャリアの輸送にとって大きな遮断になることを回避し、多数キャリアの効果的な輸送を確保することができる。また、フィールドパッシベーション層２２３と基板２０との距離の増加によりフィールドパッシベーション層２２３のバンドの曲がり効果を大きく低下させてしまうことを回避し、キャリアの選択的な輸送を維持し、太陽電池の開回路電圧及び変換効率を向上させることができる。
本実施例では、少なくとも第２バリア層２２２ｂは、真性半導体層であり、第２バリア層２２２ｂは、バッファリングによる遮断で遮断の効果を実現する。第２バリア層２２２ｂが真性半導体層である場合、フィールドパッシベーション層２２３におけるドーパントイオンは拡散により第２バリア層２２２ｂ内に移動することができる。第２バリア層２２２ｂがフィールドパッシベーション層２２３よりも基板２０に近いため、第２バリア層２２２ｂ内に移動したドーパントイオンは、フィールドパッシベーション層２２３のバンドの曲がり効果を補うことができ、フィールドパッシベーション層２２３と基板２０との間隔が大きくなることによってフィールドパッシベーション層２２３のバンドの曲がり効果が大きく低下してしまうことを回避し、キャリアの選択的な輸送の維持に有利である。また、ドーパントイオンの移入により、第２バリア層２２２ｂは高い電気伝導率を有し、多数キャリアの効果的な輸送を確保することができる。また、フィールドパッシベーション層２２３におけるドーパントイオンが第２バリア層２２２ｂへ移動することにより、第２領域２０ｂにおけるフィールドパッシベーション層２２３のイオンのドーピング濃度の低減に有利であり、第２領域２０ｂにおけるフィールドパッシベーション層２２３の光吸収係数を減少させ、太陽電池の変換効率を向上させる。
ここで、真性半導体層の材料は、真性ポリシリコン、真性アモルファスシリコン、又は真性微結晶シリコンを含んでもよく、真性半導体層の材料は、フィールドパッシベーション層２２３の材料と同じであってもよい。なお、ここで、フィールドパッシベーション層２２３の材料とは、ドーパントイオンをドープする前のフィールドパッシベーション層２２３の真性材料又はドーパントイオンの基材である。
本実施例では、第２バリア層２２２ｂの材料はフィールドパッシベーション層２２３の材料と同じであってもよく、このようにして、太陽電池の製造工程のステップを少なくし、多数キャリアの効果的な輸送を確保することに有利である。他の実施例では、第２バリア層の材料とフィールドパッシベーション層の材料とは、同じ材料種類の異なる材料であってもよく、例えば、フィールドパッシベーション層がポリシリコンであり、第２バリア層がアモルファスシリコンであり、このようにして、多数キャリアの効果的な輸送を確保すると共に、第２バリア層とフィールドパッシベーション層との界面を利用してドーパントイオンの熱拡散エネルギーを削減することができ、ドーパントイオンが第２バリア層２２２ｂに拡散した後にも移動し続けることを回避し、これによって、トンネル層２２１は良好な界面パッシベーション効果を有し、太陽電池の再結合損失を小さくすることを確保する。
なお、隣接する膜層間の界面のドーパントイオンに対する遮断能力は、当該界面の界面エネルギーと関連付けられており、界面エネルギーが大きいほど遮断能力が強く、界面エネルギーが小さいほど遮断能力は弱い。また、界面エネルギーの大きさは隣接する膜層の材料と関連付けられており、ポリシリコンや微結晶シリコン等の、同じ種類の異なる材料間の界面エネルギーは小さく、ポリシリコンと金属化合物、ポリシリコンと塩、ポリシリコンと有機物等の、異なる種類の材料間の界面エネルギーは強い。
本実施例では、フィールドパッシベーション層２２３のバリア層２２２に向かう表面層の平均ドーピング濃度は、１Ｅ＋１９／ｃｍ３〜１Ｅ＋２１／ｃｍ３、例えば５Ｅ＋１９／ｃｍ３、１Ｅ＋２０／ｃｍ３又は５Ｅ＋２０／ｃｍ３であり、第２バリア層２２２ｂの厚さは０．５ｎｍ〜２０ｎｍ、例えば１ｎｍ、５ｎｍ又は１０ｎｍである。このようにして、高温熱処理の時間が短い場合、フィールドパッシベーション層２２３におけるドーパントイオンは基板２０の表面に移動できる十分な熱出力及び拡散力がないため、基板２０表面の再結合損失を低減させることに有利である。
ここで、フィールドパッシベーション層２２３のドーパントイオンの種類は、基板２０のドーパントイオンの種類と同じである。具体的には、基板２０がＮ型シリコンウェーハである場合、フィールドパッシベーション層２２３はＮ型ドーパントであり、ドーパントイオンはリンイオンを含み、基板２０がＰ型シリコンウェーハである場合、フィールドパッシベーション層２２３はＰ型ドーパントであり、ドーパントイオンはボロンイオンを含む。
本実施例では、フィールドパッシベーション層２２３のバリア層２２２から離れた表面の表面ドーピング濃度は、１Ｅ＋２０／ｃｍ３〜１Ｅ＋２２／ｃｍ３、例えば５Ｅ＋２０／ｃｍ３、１Ｅ＋２１／ｃｍ３又は５Ｅ＋２１／ｃｍ３であり、基板２０の表面に垂直な方向において、フィールドパッシベーション層２２３の厚さと第２バリア層２２２ｂの厚さとの比は５〜１００、例えば１０、２０、５０又は７０である。第２電極２２５が通常フィールドパッシベーション層２２３の基板２０から離れた表面と接触するため、上記の表面ドーピング濃度を用いると、フィールドパッシベーション層２２３と第２電極２２５との間の良好なオーミック接触を確保し、多数キャリアの輸送損失を低減させることに有利である。それと共に、上記厚さの比を用いると、フィールドパッシベーション層２２３の表面におけるドーパントイオンが完全に熱拡散した場合に、フィールドパッシベーション層２２３と第２バリア層２２２ｂとの間は小さな濃度勾配とすることができ、即ち、第２バリア層２２２ｂの基板２０に近い表面層はドーピング濃度が低い。このようにして、ドーパントイオンは、濃度差によって形成された拡散力を失った後にさらに基板２０の表面に拡散しにくくなり、基板２０の表面の再結合損失を低減させ、トンネル層２２１の界面パッシベーション効果を確保することに有利であり、太陽電池の変換効率を向上させる。
本実施例では、第１バリア層２２２ａの材料の種類は、フィールドパッシベーション層２２３の材料の種類と異なっている。第１バリア層２２２ａの材料の種類とフィールドパッシベーション層２２３の材料の種類とを異ならせることにより、第１バリア層２２２ａは界面による遮断を実現することができ、第１領域２０ａのフィールドパッシベーション層２２３が高い平均ドーピング濃度を有し、第１領域２０ａにおけるフィールドパッシベーション層２２３の基板２０から離れた表面は高い表面ドーピング濃度を有することを確保し、第１領域２０ａにおけるフィールドパッシベーション層２２３と第２電極２２５との良好なオーミック接触を可能にし、多数キャリアの輸送を効果的に行い、即ち、太陽電池は高い変換効率を有する。
ここで、第１バリア層２２２ａの材料の種類は、金属酸化物、ケイ化物、塩、有機物又は金属の少なくとも１種を含む。具体的には、金属酸化物としては、ＴｉＯｘ、ＭｏＯｘ、Ｖｏｘ、Ｗｏｘ又はＭｇＯｘが挙げられ、ケイ化物としては、ＳｉＣ、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘＮｙ又はＳｉＯｘＮｙＣｚが挙げられ、塩としては、ＭｇＦｘ、ＣｓＦｘ又はＬｉＦｘが挙げられる、有機物としては、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）−ポリスチレンスルホン酸（Ｐｏｌｙ（３，４−ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ／ｐｏｌｙ（ｓｔｙｒｅｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅ）、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）が挙げられ、金属としては、Ｍｇ、Ｃａ又はＡｌが挙げられる。なお、金属の選択は、基板２０のドーピング種類及びドーピング濃度と関連付けられ、即ち、第１バリア層２２２ａは、基板２０のドーピング種類及びドーピング濃度に応じて対応する仕事関数を整合することができる。
本実施例では、第１バリア層２２２ａは多層構造であり、多層構造における複数の膜層は、基板２０の表面に垂直な方向に積層され、異なる膜層の材料は同一又は異なっている。さらに、単一膜層は単一材料から構成されてもよく、単一材料は金属酸化物、ケイ化物、塩、有機物又は金属を含む。単一膜層は複数種類の材料から構成されてもよく、これによって、制御性がより良好又はパフォーマンスがより良好な遮断効果を実現する。ここで、制御性とは、遮断効果の調整可能な範囲が広くかつ調整精度が高いことである．
具体的には、第１バリア層２２２ａは、少なくとも２層の膜層を含んでもよく、各膜層は、単一の材料から構成される。さらに、２層の膜層は、第１バリア層２２２ａのトンネル層２２１に向かう第１表面層と、第１バリア層２２２ａのフィールドパッシベーション層２２３に向かう第２表面層とを含み、第１表面層の材料と第２表面層の材料とが異なっている。このようにして、第１バリア層２２２ａと隣接する膜層との界面の性能が、予め定めた要求を満たすことができる。なお、隣接する膜層間の界面の性能は、隣接する膜層の当該界面に向かう表面層の材料と関連付けられている。
具体的には、第２表面層の材料は、第１バリア層２２２ａが良好な界面遮断効果を有するように、フィールドパッシベーション層２２３の材料に応じて調整することができる。それと共に、多数キャリアは第１バリア層２２２ａとトンネル層２２１との間の界面を効果的に透過できるように、トンネル層２２１の材料に応じて第１表面層の材料を調整することができる。
例えば、第１表面層の材料は、トンネル層２２１の材料と同じであってもよく、具体的には、酸化物が挙げられ、第２表面層の材料は金属酸化物であってもよく、金属酸化物はドーパントイオンを遮断することができる。
また、第２膜層の材料は、第１膜層の材料に対し予め設定された処理工程を行ってから得られる。このようにして、工程の難易度を低下させると共に、材料の無駄を削減することができる。
例えば、第１表面層の材料は、特定の金属であってもよく、第２表面層の材料は、特定の金属の反応によって生成された金属化合物であってもよく、金属化合物は、金属を酸化して得られる金属酸化物、及び金属を窒素で衝突させて得られる金属窒化物等を含む。
なお、酸化や窒素衝突等の工程は、第１金属材料がトンネル層２２１の表面に堆積した後まで待つ必要がなく、堆積過程において行ってもよく、即ち、堆積工程を行って予め設定した時間を過ごした後に他の工程を同時に行って、堆積中の金属材料を処理する。
バリア層２２２は、化学気相成長法、物理蒸着法、原子層堆積法、スパッタ法、蒸発法、無電解めっき法、電気めっき法、印刷法、ゾルゲル法等の方法により製造することができる。
バリア層２２２の形成工程の具体的な選択は、バリア層２２２の厚さ、形成位置の形態特徴、及びバリア層２２２の工程にかかる時間の要求と関連付けられている。具体的には、バリア層２２２の厚みが薄い場合、原子層堆積法を選択し、これによって、バリア層２２２の密着性を良好にし、バリア層２２２の良好な界面遮断効果を確保する。バリア層２２２の厚みが厚い場合、低圧化学気相成長法又はプラズマ強化化学気相成長法を選択することができ、これによって、バリア層２２２の工程時間を短くし、かつ、バリア層２２２が形成中に不純物によって汚染されることを回避し、バリア層２２２に予め設定された性能を持たせることを確保する。
なお、バリア層２２２は、２種以上の工程で形成されることができる。具体的には、バリア層２２２の形成位置が段差状の形態を有する場合、まず段差状の形態を覆う第１子膜層を原子層堆積法により形成することができ、これによって、その表面の形態を段差状の形態から平滑な表面に変化させ、次に、化学気相成長法により第２子膜層を形成し、バリア層２２２を構成する。
本実施例では、第１領域２０ａと第２領域２０ｂにおいて異なる材料を設置することで異なる遮断能力を実現する。他の実施例では、第１領域と第２領域において厚さが異なる同一の材料を設置することで、異なる遮断能力を実現する。
具体的には、図３を参照して、バリア層３２２は、真性半導体層であり、基板３０の表面に垂直な方向において、第１バリア層３２２ａの厚さが第２バリア層３２２ｂの厚さよりも小さく、第１バリア層３２２ａの基板３０から離れた表面は第２バリア層３２２ｂの基板３０から離れた表面と面一である。このようにして、バリア層３２２とトンネル層３２１との間の界面の遮断作用により、自由熱拡散の条件下で、第１バリア層３２２ａにおけるドーパントイオンの移動の最大距離は、第２バリア層３２２ｂにおける移動の最大距離よりも小さい。
換言すれば、ドーパントイオンがトンネル層３２１と遮断層３２２との界面によって遮断されるため拡散し続けることができない場合に、第２バリア層３２２ｂの遮断能力は、第１バリア層３２２ａの遮断能力よりも弱いと考えられる。
また、図３に示される太陽電池の構造において、トンネル層３２１の構造はバリア層３２２の構造と相補的であり、即ち第１領域３０ａにおけるトンネル層３２１の厚さが第２領域３０ｂにおけるトンネル層３２１の厚さよりも大きく、これにより、太陽電池構造の安定性を向上させる。他の構造では、バリア層３２２とトンネル層３２１との間に他の材料、例えば結合材料を添加して、バリア層３２２とトンネル層３２１との結合性を補強し、太陽電池構造の安定性を確保する。
本実施例では、バリア層を設置することで、フィールドパッシベーション層と基板との間に大きな電位障壁を確保することができ、フィールドパッシベーション層が良好なバンドの曲がり効果を有し、キャリアの選択的な輸送を維持すると共に、ドーパントイオンの基板の表面へ移動による再結合損失を低減させることができる。また、濃度差により自然拡散が発生した場合、第２バリア層は、対応するフィールドパッシベーション層におけるドーパントイオンを担持し、フィールドパッシベーション層の対応する部分のドーピング濃度を希釈し、フィールドパッシベーション層の対応する部分の光吸収能力を低下させ、太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。それと共に、第２バリア層に拡散したドーパントイオンは、バンドの曲がり効果を高め、キャリアの選択的な輸送を維持することができる。
本発明のもう１つの実施例には、太陽電池が提供され、前の実施例との相違点は、本実施例において、第１バリア層の基板に向かう表面は第２バリア層の基板に向かう表面と面一であることにある。以下、図４を合わせて詳細に説明し、図４は本発明のもう１つの実施例に提供された太陽電池の構造を示す図である。前の実施例と同一又は対応する部分については、前の実施例の対応する説明を参照することができるため、以下で再び説明しない。図４を参照して、バリア層４２２は真性半導体層であり、基板４０の表面に垂直な方向において、第１バリア層４２２ａの厚さが第２バリア層４２２ｂの厚さよりも小さく、第１バリア層４２２ａの基板４０に向かう表面は第２バリア層４２２ｂの基板４０に向かう表面と面一である。
また、フィールドパッシベーション層４２３はバリア層４２２と相補的であり、基板４０の表面に垂直な方向において、第１領域４０ａにおけるフィールドパッシベーション層４２３の厚さは第２領域４０ｂにおけるフィールドパッシベーション層４２３の厚さと等しい。
本実施例では、第１領域４０ａにおけるフィールドパッシベーション層４２３の基板４０に向かう表面の表面ドーピング濃度は、第２領域４０ｂにおけるフィールドパッシベーション層４２３の基板４０に向かう表面の表面ドーピング濃度と同じである。同じ熱処理工程では、第１領域４０ａにおける第１バリア層４２２ａの厚みが薄いため、ドーパントイオンが完全に熱拡散した後に、第１バリア層４２２ａの基板４０に向かう表面の表面ドーピング濃度が大きくなり、第２バリア層４２２ｂは、より多くのドーパントイオンを収容することができる。このようにして、第１領域４０ａにおけるフィールドパッシベーション層４２３及びバリア層４２２は良好なフィールドパッシベーション効果を有し、第２領域４０ｂにおけるフィールドパッシベーション層４２３は低い光吸収係数を有し、太陽電池の高い変換速度を確保する。
また、第１領域４０ａにおけるフィールドパッシベーション層４２３の基板４０から離れた表面の表面ドーピング濃度は、第２領域４０ｂにおけるフィールドパッシベーション層４２３の基板４０から離れた表面の表面ドーピング濃度と同じである。
本実施例では、第１バリア層４２２ａの材料は、第２バリア層４２２ｂの材料と同じであり、異なる厚さによって異なる遮断能力を実現する。他の実施例では、第２バリア層の材料は、真性半導体であり、第１バリア層の材料は、第２バリア層の材料と異なり、異なる厚さ及び異なる材料によって異なる遮断能力を実現する。
本実施例では、バリア層を設置することで、フィールドパッシベーション層と基板との間に大きな電位障壁を確保し、フィールドパッシベーション層に良好なバンドの曲がり効果を持たせ、キャリアの選択的な輸送を維持し、ドーパントイオンの基板の表面への移動による再結合損失を低減させることにも有利である。また、濃度差により自然拡散が発生した場合、第２バリア層は、対応するフィールドパッシベーション層におけるドーパントイオンを担持し、フィールドパッシベーション層の対応する部分のドーピング濃度を希釈し、フィールドパッシベーション層の対応する部分の光吸収能力を低下させ、太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。それと共に、第２バリア層に拡散したドーパントイオンは、バンドの曲がり効果を強化し、キャリアの選択的な輸送を維持することができる。また、中間膜層の最小厚さが一定である場合に、第１領域のフィールドパッシベーション層が基板により近いため、フィールドパッシベーション層のフィールドパッシベーション効果をさらに確保することができる。
上記に対応して、本発明のもう一つの実施例には、上記の太陽電池を製造するための太陽電池の製造方法が提供される。
図５〜図８は本発明のもう１つの実施例に提供された太陽電池の製造方法の各ステップに対応する構造を示す図である。図５〜図８を参照して、太陽電池の製造方法は以下のステップを含む。
図５を参照して、基板３０を提供し、基板３０の裏面にトンネル膜３２１ａを形成する。
本実施例では、基板３０は、Ｎ型シリコンウェーハである。基板３０は、第１領域３０ａ及び第２領域３０ｂを含む。後で形成される第２電極は第１領域３０ａに位置し、トンネル膜３２１ａを形成する前に、まず基板３０の正面にＰ型ドーパントイオンの拡散を行って、エミッタ３１１を形成する。ドーパントイオンはボロンイオンを含む。
拡散した後に、余分のＰＮ接合を除去するために基板の裏面及び周縁をエッチングする必要があるが、基板３０の正面におけるドーパントイオンの拡散によって形成されたホウケイ酸ガラスを残す。他の実施例では、基板はＰ型シリコンウェーハであり、Ｎ型ドーパントイオンを用いて拡散ドーピングを行い、ドーパントイオンはリンイオンを含み、基板の正面には、ドーパントイオンが拡散した後にリンケイ酸ガラスが形成される。
本実施例では、トンネル膜３２１ａの材料は二酸化ケイ素を含み、トンネル膜３２１ａは熱酸化処理により形成することができる。具体的には、エミッタ３１１を形成した後に、熱酸化処理により基板３０の裏面及びエミッタ３１１の基板３０から離れた表面にそれぞれ酸化層が形成され、裏面の酸化層をトンネル膜３２１ａとする。
図６を参照して、トンネル膜３２１ａをエッチングし（図５を参照）、トンネル層３２１を形成する。
本実施例では、トンネル膜３２１ａをエッチングして、第１領域３０ａにおけるトンネル層３２１の厚さを第２領域３０ｂにおける厚さよりも大きくし、換言すれば、基板３０のトンネル層３２１に向かう方向において、第２領域３０ｂにおけるトンネル層３２１の上面が第１領域３０ａにおけるトンネル層３２１の上面よりも低い。
図７を参照して、バリア層３２２を形成する。
本実施例では、トンネル層３２１を形成した後に、化学気相成長等の工程により基板３０の正面及び裏面にバリア膜を形成し、基板３０の裏面に位置するバリア膜に対し平坦化処理を行って、基板３０の裏面に位置するバリア層３２２を形成し、バリア３２２の基板３０から離れた表面は平坦面である。
ここで、バリア層３２２はトンネル層３２１と相補的であり、基板３０の表面に垂直な方向において、第１領域３０ａにおけるバリア層３２２の厚さは第２領域３０ｂにおけるバリア層３２２の厚さよりも小さい。
図８を参照して、フィールドパッシベーション層３２３を形成する。
本実施形態では、バリア層３２２を形成した後に、化学気相成長法により基板３０の正面及び裏面に多結晶シリコン層を形成し、この基板３０の裏面に位置する多結晶シリコン層に対しイオン注入処理を行って、基板３０の裏面に位置するフィールドパッシベーション層３２３を形成する。
本実施形態では、基板３０の表面に垂直な方向において、フィールドパッシベーション層３２３は、均一な厚さを有し、かつバリア層３２２の基板３０から離れた表面に均一に覆われている。また、第１領域３０ａにおけるフィールドパッシベーション層３２３の基板３０に向かう表面の表面ドーピング濃度は、第２領域３０ｂにおけるフィールドパッシベーション層３２３の基板３０に向かう表面の表面ドーピング濃度と同じであるか、又は、第１領域３０ａにおけるフィールドパッシベーション層３２３の基板３０から離れた表面層の平均ドーピング濃度は、第２領域３０ｂにおけるフィールドパッシベーション層３２３の基板３０から離れた表面層の平均ドーピング濃度と同じである。
なお、ポリシリコン層にイオンを注入する際に、注入エネルギー及び注入損傷を低減させるために、一般的に、ポリシリコン層の基板３０から離れた表面層をヘビードーピングし、ビードーピングした後に、表面層に位置するドーパントイオンは、濃度差により他の領域へ拡散し、さらにポリシリコン層全体にわたって分布している。異なる領域におけるフィールドパッシベーション層３２３の基板３０から離れた表面層の平均ドーピング濃度が同一であって、かつ拡散条件及び拡散経路長が同じである場合、異なる領域におけるフィールドパッシベーション層３２３の基板３０に向かう表面の表面ドーピング濃度は同じである。
フィールドパッシベーション層３２３を形成した後、基板３０の正面に位置する酸化層、バリア膜及びポリシリコン層を除去し、基板３０の正面に、順次積層された第１パッシベーション膜、反射防止膜及び第１電極を形成し、基板３０の裏面に第２パッシベーション膜及び第２電極を形成する。第１パッシベーション膜の材料は、第２パッシベーション膜の材料と同じであってもよく、両者は同一の形成工程で形成されてもよい。
本実施例では、第２バリア層３２２ｂの厚みが厚いため、第２バリア層３２２ｂはより多くのドーパントイオンを収容することができ、第２バリア層３２２ｂは、ドーパントイオンの移動をより効果的に遮断することができる。それと共に、第２バリア層３２２ｂは、第２領域３０ｂにおけるフィールドパッシベーション層３２３のドーピング濃度を効果的に希釈し、第２領域３０ｂにおけるフィールドパッシベーション層３２３の光吸収能力を低下させ、太陽電池の変換効率を向上させることができる。
本発明の別の実施例には、太陽電池の製造方法がさらに提供され、前の実施例との相違点は、本実施例において、第１領域におけるバリア層の基板に向かう表面は第２領域におけるバリア層の基板に向かう表面と面一であることにある。以下、図９〜図１０を合わせて詳細に説明し、図９〜図１０は、本発明の別の実施例に提供された太陽電池の製造方法の各ステップに対応する構造を示す図である。前の実施例と同一又は対応する部分については、前の実施例の対応する説明を参照することができるため、以下で再び説明しない。
図９を参照して、トンネル層４２１を形成した後に、バリア層４２２を形成する。
本実施例では、基板４０の裏面に垂直な方向において、トンネル層４２１は、均一な厚さを有する。トンネル層４２１を形成した後に、厚さが均一でかつトンネル層４２１の表面に均一に覆われているバリア膜を形成し、第１領域４０ａにおけるバリア膜の厚さが第２領域４０ｂにおけるバリア膜の厚さよりも小さくなるように、バリア膜をパターン化かつエッチングし、残りのバリア膜をバリア層４２２とする。
図１０を参照して、フィールドパッシベーション層４２３を形成する。
本実施例では、基板４０のバリア層４２２に向かう方向において、第１領域４０ａにおけるバリア層４２２の上面は第２領域４０ｂにおけるバリア層４２２の上面よりも低く、第１領域４０ａにおけるフィールドパッシベーション層４２３の厚さは第２領域４０ｂにおけるフィールドパッシベーション層４２３の厚さと等しい。
本実施例では、フィールドパッシベーション層４２３を形成する具体的な工程は、バリア層４２２の表面を覆うポリシリコン層を形成し、ポリシリコン層が基板４０から離れた平坦面を有するようにポリシリコン層に対し平坦化処理を行うことと、第１領域４０ａにおけるポリシリコン層の厚さが第２領域４０ｂにおけるポリシリコン層の厚さと同じになるようにマスクを利用してポリシリコン層をエッチングすることと、ポリシリコン層の基板４０から離れた表面層に対しイオン注入処理を行うことと、を含む。
他の実施例では、堆積工程を直接に行って、異なる領域においても厚さが同一であるフィールドパッシベーション層を形成してもよい。
イオン注入処理を行った後に、基板４０のフィールドパッシベーション層４２３に向かう方向において、第１領域４０ａにおけるフィールドパッシベーション層４２３の最上層の平均ドーピング濃度は、第２領域４０ｂにおけるフィールドパッシベーション層４２の最上層の平均ドーピング濃度と等しい。さらに拡散した後、第１領域４０ａにおけるフィールドパッシベーション層４２３の底面の表面ドーピング濃度は、第２領域４０ｂにおけるフィールドパッシベーション層４２３の底面の表面ドーピング濃度と等しい。
本実施例では、第１バリア層４２２ａが薄いため、熱処理工程を行った後に、第１バリア層４２２ａの基板４０に向かう表面の表面ドーピング濃度が大きく、これによって、第１バリア層４２２ａと基板４０との間に大きな電位障壁を確保し、第１バリア層４２２ａと第１の領域４０ａにおけるフィールドパッシベーション層４２３の強いバンドの曲がり能力を確保することができ、キャリアの効果的な輸送及びキャリアの選択的な輸送を確保する。
当業者が理解できるように、上記した各実施形態は本発明を実現するための具体的な実施例であり、実際の応用において、本発明の主旨及び範囲から逸脱しない限り、形態及び詳細に種々の変更を加えることができる。当業者であれば、本発明の主旨及び範囲から逸脱しない限り、それぞれ変更及び修正を行うことができるため、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲によって限定される範囲を基準とすべきである。

Claims (9)

  1. 基板と、
    前記基板の上面に順次積層されたエミッタ、第１パッシベーション膜、反射防止膜及び第１電極と、
    前記基板の下面に順次積層されたトンネル層、バリア層、フィールドパッシベーション層、第２パッシベーション膜及び第２電極とを備え、
    前記バリア層は、前記フィールドパッシベーション層におけるドーパントイオンの前記基板への移動を遮断するために使用されるものであり、前記バリア層は、前記第２電極の投影と重なっている第１バリア層と、前記第２電極の投影からずれている第２バリア層とを含み、少なくとも前記第２バリア層は真性半導体であり、
    前記基板の表面に垂直な方向において、前記第１バリア層の厚さは前記第２バリア層の厚さよりも小さく、前記第１バリア層の前記基板から離れた表面は、前記第２バリア層の前記基板から離れた表面と面一であることを特徴とする太陽電池。
  2. 前記基板の表面に垂直な方向において、前記バリア層の厚さは２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記フィールドパッシベーション層の前記バリア層に向かう表面層の平均ドーピング濃度は、１Ｅ＋１９／ｃｍ３〜１Ｅ＋２１／ｃｍ３であり、前記第２バリア層の厚さは０．５ｎｍ〜２０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  4. 前記フィールドパッシベーション層の前記バリア層から離れた表面の表面ドーピング濃度は、１Ｅ＋２０／ｃｍ３〜１Ｅ＋２２／ｃｍ３であり、前記基板の表面に垂直な方向において、前記フィールドパッシベーション層の厚さと前記第２バリア層の厚さとの比は５〜１００であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  5. 前記第１バリア層の材料の種類は前記フィールドパッシベーション層の材料の種類と異なっていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  6. 前記バリア層の材料の種類は、金属酸化物、ケイ化物、塩、有機物又は金属の少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項５に記載の太陽電池。
  7. 前記第１バリア層は真性半導体層であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  8. 前記バリア層は多層構造であり、前記多層構造における複数の膜層は、前記基板の表面に垂直な方向に順次に積層され、異なる膜層の材料は異なっていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  9. 基板と、
    前記基板の上面に順次積層されたエミッタ、第１パッシベーション膜、反射防止膜及び第１電極と、
    前記基板の下面に順次積層されたトンネル層、バリア層、フィールドパッシベーション層、第２パッシベーション膜及び第２電極とを備え、
    前記バリア層は、前記フィールドパッシベーション層におけるドーパントイオンの前記基板への移動を遮断するために使用されるものであり、前記バリア層は、前記第２電極の投影と重なっている第１バリア層と、前記第２電極の投影からずれている第２バリア層とを含み、少なくとも前記第２バリア層は真性半導体であり、
    前記基板の表面に垂直な方向において、前記第１バリア層の厚さは前記第２バリア層の厚さよりも小さく、前記第１バリア層の前記基板に向かう表面は、前記第２バリア層の前記基板に向かう表面と面一であることを特徴とする太陽電池。
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