JP7158024B2 - 太陽電池セルおよびその製造方法並びに太陽電池モジュール - Google Patents

太陽電池セルおよびその製造方法並びに太陽電池モジュール Download PDF

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Description

本発明は、太陽電池セルおよびその製造技術並びに太陽電池モジュールに関する。
国際公開ＷＯ２０１７／１６９４４１号（特許文献１）には、太陽電池セルに含まれる反射防止膜をシリコンリッチな窒化シリコン膜から形成することが記載されている。
国際公開ＷＯ２０１７／１７５５２４号（特許文献２）には、太陽電池セルを封止する封止部材にナトリウムイオンを捕捉する捕捉材を添加する技術が記載されている。
特表２００８－５３２３１１号公報（特許文献３）には、太陽電池の前面側からバルクへと電荷を抜き出す導電性経路を設ける技術が記載されている。
国際公開ＷＯ２０１７／１６９４４１号 国際公開ＷＯ２０１７／１７５５２４号 特表２００８－５３２３１１号公報
化石燃料の枯渇対策や大気中の二酸化炭素（温室効果ガス）の増加に代表される地球環境問題などの観点から、クリーンなエネルギー源の開発が望まれている。一例として、太陽電池を使用した太陽光発電がクリーンな新しいエネルギー源として実用化されている。
特に、近年では、複数の太陽電池セルを接続した太陽電池モジュールの一般家庭への普及が進んでいるとともに、多くの太陽電池モジュールを使用した、いわゆるメガソーラと呼ばれる大規模発電施設の建設も行なわれている。
太陽電池モジュールは、屋外で長期間使用される。このため、太陽電池モジュールには、厳しい屋外環境において長期間にわたる信頼性が要求される。
この点に関し、ＰＩＤ（Potential Induced Degradation）と呼ばれる太陽電池の劣化によって、太陽電池の発電効率が低下することが報告されており、ＰＩＤの原因究明と改善策の早期確立とが強く望まれている。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
一実施の形態における太陽電池セルは、裏面電極と、裏面電極上に配置され、かつ、第１導電型である第１半導体層と、第１半導体層上に配置され、かつ、第２導電型である第２半導体層とを備える。さらに、太陽電池セルは、第２半導体層上に配置され、かつ、絶縁膜からなる反射防止膜と、反射防止膜を貫通して第２半導体層に達する表面電極と、表面電極を覆うように反射防止膜上に配置され、かつ、透光性を有し、かつ、第２半導体層と電気的に接続された導電性膜と、を備える。
一実施の形態によれば、ＰＩＤを抑制できる結果、太陽電池の信頼性を向上できる。
代表的な太陽光発電システムの構成を模式的に示す図である。 太陽電池モジュールの一部分を示す部分断面図である。 図２に示す円形領域を拡大した拡大図である。 実施の形態における太陽電池セルの模式的な構成を示す平面図である。 図４のＡ－Ａ線で切断した模式的な断面図である。 太陽電池セルの製造工程の流れを示すフローチャートである。 実施の形態における太陽電池モジュールの構成を示す断面図である。 実施の形態の太陽電池モジュールにおいて、モジュールフレームのフレーム電位に対して太陽電池セルに負電位が印加されている状態を示す図である。 図８の円形領域を拡大して示す図である。 加速試験の模式的な構成を示す図である。 図１０に示す構成で実施した加速試験の結果を示すグラフである。 導電性膜を有さない関連技術の太陽電池モジュールにおいて、ソーラシミュレータで測定した光照射状態での電流密度と電圧との関係を示すグラフである。 導電性膜を有する本実施の形態の太陽電池モジュールにおいて、ソーラシミュレータで測定した光照射状態での電流密度と電圧との関係を示すグラフである。 ＰＥＲＣ構造の太陽電池セルの模式的な構造を示す断面図である。
実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
＜太陽光発電システムにおける高電圧の発生＞
例えば、太陽光発電システムにおいては、複数の太陽電池モジュールを直列接続することにより、システム電圧を高めることが行われている。
図１は、代表的な太陽光発電システムの構成を模式的に示す図である。
図１に示すように、例えば、太陽電池モジュールＰＶＭ１～ＰＶＭ７が直列接続されて、パワーコンディショナーＰＣと接続されている。そして、太陽電池モジュールＰＶＭ１～ＰＶＭ７のそれぞれのモジュールフレームは、電気的に接続されて接地電位（基準電位）とされている。すなわち、太陽電池モジュールＰＶＭ１～ＰＶＭ７のそれぞれのモジュールフレームの電位（フレーム電位）は０Ｖとなっている。一方、太陽電池モジュールＰＶＭ１～ＰＶＭ７は、直列接続されているため、それぞれの出力電圧が加算されてパワーコンディショナーＰＣに出力される。したがって、図１に示すように、太陽電池モジュールＰＶＭ７では、太陽電池セルの電位（セル電位）がモジュールフレームの電位であるグランド電位に対して高い正電位（数百Ｖ）となる。一方、太陽電池モジュールＰＶＭ１では、太陽電池セルの電位がモジュールフレームの電位であるグランド電位に対して低い負電位（－数百Ｖ）となる。このように、太陽光発電システムでは、複数の太陽電池モジュールを直列接続する構成が採用される結果、出力側に近い太陽電池モジュール（図１の太陽電池モジュールＰＶＭ７）においては、モジュールフレームのフレーム電位に対して、太陽電池セルのセル電位が高い正電位となる。一方、出力側から遠い太陽電池モジュール（図１の太陽電池モジュールＰＶＭ１）においては、モジュールフレームのフレーム電位に対して、太陽電池セルのセル電位が低い負電位となる。
＜改善の余地＞
次に、図１に示す太陽電池モジュールＰＶＭ１のように、モジュールフレームのフレーム電位（グランド電位）に対して、太陽電池セルのセル電位が低くなる太陽電池モジュールにおいて顕在化する改善の余地について説明する。
図２は、太陽電池モジュールＰＶＭ１の一部分を示す部分断面図である。
図２において、太陽電池モジュールＰＶＭ１は、太陽電池セルＣＬと、この太陽電池セルＣＬを封止する封止部材ＭＲとを有する。そして、太陽電池モジュールＰＶＭ１は、封止部材ＭＲの下面に配置されたバックシートＢＳと、封止部材ＭＲの上面に配置されたカバーガラスＧＳとを有している。さらに、太陽電池モジュールＰＶＭ１は、グランド電位（接地電位）が供給されるモジュールフレームＭＦを備えている。
このように構成されている太陽電池モジュールＰＶＭ１に含まれる太陽電池セルＣＬは、図２に示すように、ｐ型半導体材料からなる半導体基板１Ｓ（ｐ型半導体層）と、この半導体基板１Ｓに形成されたｎ型半導体層ＮＬと、ｎ型半導体層ＮＬの表面に形成された反射防止膜ＡＲＦとを有する。そして、太陽電池セルＣＬは、反射防止膜ＡＲＦを貫通してｎ型半導体層ＮＬに達する表面電極ＳＥを有する。この表面電極ＳＥは、例えば、銀から構成されており、ｎ型半導体層ＮＬと電気的に接続されている。一方、図２には図示しないが、半導体基板１Ｓの裏面には、例えば、アルミニウムからなる裏面電極が形成されている。このようにして、太陽電池セルＣＬが構成されている。
ここで、モジュールフレームＭＦと太陽電池セルＣＬとの間に高電圧が印加されると、発電効率が低下することが知られており、この現象は、「ＰＩＤ」と呼ばれる。この「ＰＩＤ」は、特に、ｐ型半導体材料からなる半導体基板１Ｓを使用する場合、モジュールフレームＭＦのフレーム電位に対して太陽電池セルＣＬの電位が負電位になるときに生じることが知られている。
そこで、図２に示す太陽電池モジュールＰＶＭ１において、モジュールフレームＭＦに対して太陽電池セルＣＬに負電位が印加されている場合に着目する。
以下では、モジュールフレームＭＦに対して太陽電池セルＣＬに負電位が印加されている場合において「ＰＩＤ」が発生する原因について図面を参照しながら説明する。
図３は、図２に示す領域Ｒ１を拡大した拡大図である。
図３において、ｐ型半導体材料からなる半導体基板１Ｓ上には、ｎ型半導体層ＮＬが形成されており、このｎ型半導体層ＮＬ上に、例えば、窒化シリコン膜に代表される絶縁膜からなる反射防止膜ＡＲＦが形成されている。そして、この反射防止膜ＡＲＦ上を覆うように封止部材ＭＲが配置されており、封止部材ＭＲ上にカバーガラスＧＳが配置されている。
ここで、カバーガラスＧＳには、ナトリウムイオンに代表される陽イオンが含まれている。そして、モジュールフレームに対して太陽電池セルに負電位が印加されると、ガラスに含まれる陽イオンが封止部材ＭＲを通って、反射防止膜ＡＲＦの表面に集積する。このとき、反射防止膜ＡＲＦは、窒化シリコン膜に代表される絶縁膜から構成されているため、モジュールフレームに対して太陽電池セルに負電位が印加されることに起因して、絶縁膜である反射防止膜ＡＲＦの内部に、例えば、図３の破線で示す高電界が発生する。この結果、反射防止膜ＡＲＦの表面に集積している陽イオンは、反射防止膜ＡＲＦの内部に発生する高電界によって、反射防止膜ＡＲＦを貫通して、太陽電池セルの内部にまで侵入する。具体的に、陽イオンは、ｎ型半導体層ＮＬが形成された半導体基板１Ｓの内部にまで達する。ここで、メカニズムは明らかになっていないが、陽イオンがｎ型半導体層ＮＬを含む半導体基板１Ｓの内部に達することが原因となって「ＰＩＤ」が生じることがわかっている。したがって、「ＰＩＤ」の発生を抑制するためには、ナトリウムイオンに代表される陽イオンの太陽電池セルの内部への侵入を抑制できればよいことになる。
そこで、本実施の形態では、陽イオンがｎ型半導体層ＮＬを含む半導体基板１Ｓの内部に達することが原因となって「ＰＩＤ」が生じるという知見に基づいて、陽イオンの太陽電池セルの内部への侵入を抑制するための工夫を施している。以下では、この工夫を施した本実施の形態における技術的思想について説明することにする。
＜実施の形態における太陽電池セルの構成＞
図４は、本実施の形態における太陽電池セルの模式的な構成を示す平面図である。
図４に示すように、本実施の形態における太陽電池セルＣＬは、矩形形状をしており、複数の表面電極ＳＥ（いわゆるフィンガー電極）を有している。これらの複数の表面電極ＳＥは、例えば、ｙ方向に並んで配置されている。そして、複数の表面電極ＳＥのそれぞれは、ｘ方向に延在している。さらに、本実施の形態における太陽電池セルＣＬは、複数の表面電極ＳＥと電気的に接続されるバスバーＢＡ（いわゆるバスバー電極）を有しており、このバスバーＢＡは、ｙ方向に延在している。
次に、図５は、図４のＡ－Ａ線で切断した模式的な断面図である。
図５に示される太陽電池セルＣＬは、特に制限されないが、一般的にはＢＳＦ（Back surface field)型セルと呼ばれる。
図５において、本実施の形態における太陽電池セルＣＬは、ｐ型半導体層である半導体基板１Ｓを有し、この半導体基板１Ｓの表面には、ｎ型半導体層ＮＬが形成されている。
半導体基板１Ｓは、例えば、ボロン（Ｂ）に代表されるｐ型不純物（アクセプタ）が導入されたシリコンから構成されており、ｐ型半導体層である。ｐ型半導体層として機能する半導体基板１Ｓの厚さは、例えば、２００μｍ程度である。
これに対し、半導体基板１Ｓの表面に形成されているｎ型半導体層ＮＬは、リン（Ｐ）に代表されるｎ型不純物（ドナー）がシリコンに導入されている半導体層であり、このｎ型半導体層ＮＬの厚さは、例えば、０．３μｍ程度である。したがって、ｐ型半導体層である半導体基板１Ｓとｎ型半導体層ＮＬとの間には、ｐｎ接合が形成されることになる。
なお、図示はしないが、ｎ型半導体層ＮＬの表面と半導体基板１Ｓの裏面には、数μｍ程度のランダムテクスチャ構造（凹凸構造）が形成されている。
続いて、図５に示すように、半導体基板１Ｓの裏面には、裏面電極ＢＥが形成されている。この裏面電極ＢＥは、例えば、アルミニウム膜から形成されている。一方、半導体基板１Ｓの表面に形成されているｎ型半導体層ＮＬ上には、反射防止膜ＡＲＦが形成されている。この反射防止膜ＡＲＦは、例えば、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜から形成されている。なお、図示しないが、ｎ型半導体層ＮＬと反射防止膜ＡＲＦとの境界領域には、テクスチャ構造と呼ばれる凹凸構造が形成されている。言い換えれば、ｎ型半導体層ＮＬの表面には、凹凸構造が形成されているということもできる。この凹凸構造は、入射した太陽光の反射を防止するために設けられている。すなわち、本実施の形態における太陽電池セルＣＬでは、反射防止膜ＡＲＦと凹凸構造との相乗効果によって、太陽電池セルＣＬに入射した太陽光の反射を効果的に抑制することができる。この結果、本実施の形態における太陽電池セルＣＬによれば、太陽光の利用効率を向上することができる。
次に、本実施の形態における太陽電池セルＣＬは、反射防止膜ＡＲＦを貫通してｎ型半導体層ＮＬに達する複数の表面電極ＳＥを有している。したがって、複数の表面電極ＳＥのそれぞれとｎ型半導体層ＮＬとは、互いに電気的に接続されていることになる。
なお、実際には、より多くの表面電極ＳＥが太陽電池セルＣＬに形成されているが、図５では、簡略化して３つの表面電極ＳＥだけが図示されている。
表面電極ＳＥは、例えば、銀から構成される。
続いて、図５に示すように、本実施の形態における太陽電池セルＣＬは、表面電極ＳＥを覆うように反射防止膜ＡＲＦ上に形成された導電性膜ＣＦを有している。ここで、「導電性膜」とは、広い意味で導電性を有する膜を言い、いわゆる導体膜と半導体膜を含む。
この導電性膜ＣＦは、表面電極ＳＥと接触していることから、導電性膜ＣＦと表面電極ＳＥとは、互いに電気的に接続されることになる。そして、図５に示すように、表面電極ＳＥは、ｎ型半導体層ＮＬと接触していることから、導電性膜ＣＦは、表面電極ＳＥを介してｎ型半導体層ＮＬと電気的に接続されていることになる。
さらに、この導電性膜ＣＦは、透光性を有している。すなわち、導電性膜ＣＦは、例えば、少なくとも太陽光の主成分である可視光や赤外光に対して透光性を有する材料から構成され、特に、透過率の高い材料から構成されていることが望ましい。
具体的に、導電性膜ＣＦは、インジウムと酸素とを含む膜から構成することもできるし、亜鉛と酸素とを含む膜から構成することもできる。例えば、導電性膜ＣＦは、錫を添加した酸化インジウムを含む膜から構成することができる。ただし、導電性膜ＣＦは、これに限らず、タングステンを添加した酸化インジウム膜、セリウムを添加した酸化インジウム膜、水素を添加した酸化インジウム膜、アルミニウムを添加した酸化亜鉛膜、ガリウムを添加した酸化亜鉛膜、フッ素を添加した酸化錫膜などから構成してもよい。このように構成されている導電性膜ＣＦは、例えば、１０ジーメンス／ｃｍ以上の導電率を有する。また、導電性膜ＣＦの膜厚は、例えば、０ｎｍよりも大きく１００ｎｍ以下である。特に、導電性膜ＣＦの膜厚は、２０ｎｍ以上、８０ｎｍ以下であると更に好ましい。
以上のようにして、本実施の形態における太陽電池セルＣＬが構成されており、太陽電池セルＣＬの構成をまとめると以下のようになる。すなわち、本実施の形態における太陽電池セルＣＬは、裏面電極ＢＥと、裏面電極ＢＥ上に配置されたｐ型半導体層である半導体基板１Ｓと、ｐ型半導体層上に形成されたｎ型半導体層ＮＬとを有する。さらに、本実施の形態における太陽電池セルＣＬは、ｎ型半導体層ＮＬ上に形成され、かつ、絶縁膜からなる反射防止膜ＡＲＦと、反射防止膜ＡＲＦを貫通してｎ型半導体層ＮＬに達する表面電極ＳＥと、表面電極ＳＥを覆うように反射防止膜ＡＲＦ上に形成され、かつ、透光性を有し、かつ、ｎ型半導体層と電気的に接続された導電性膜ＣＦとを有する。
＜実施の形態における太陽電池セルの動作＞
本実施の形態における太陽電池セルＣＬは、上記のように構成されており、以下にその動作について、図５を参照しながら説明する。
まず、図５において、太陽電池セルＣＬの上方から可視光や赤外光を含む太陽光が照射されると、太陽電池セルＣＬの構成要素である導電性膜ＣＦに太陽光が照射される。このとき、導電性膜ＣＦは、少なくとも太陽光の主成分である可視光や赤外光に対して透光性を有する材料から構成されているため、太陽光は、導電性膜ＣＦを透過する。ここで、導電性膜ＣＦの膜厚が厚すぎると、太陽光が導電性膜ＣＦを透過する際の損失が増加することから、導電性膜ＣＦの膜厚は、１００ｎｍ以下であることが望ましい。
次に、導電性膜ＣＦを透過した太陽光は、反射防止膜ＡＲＦに入射する。反射防止膜ＡＲＦは、太陽光の主成分である可視光や赤外光に対して透光性を有する酸化シリコン膜や窒化シリコン膜から構成されているため、導電性膜ＣＦを透過して反射防止膜ＡＲＦに入射した太陽光は、この反射防止膜ＡＲＦも透過する。ここで、反射防止膜ＡＲＦの膜厚は、太陽光の反射を低減するような膜厚に調整するため、反射防止膜ＡＲＦにおける太陽光の反射が抑制される。この結果、反射防止膜ＡＲＦを透過する太陽光の損失を低減できる。
続いて、反射防止膜ＡＲＦを透過した太陽光は、反射防止膜ＡＲＦの下層に位置する太陽電池セルＣＬの内部に入射される。具体的には、太陽光は、ｎ型半導体層ＮＬと、ｎ型半導体層ＮＬと半導体基板１Ｓ（ｐ型半導体層）との境界領域に形成されているｐｎ接合部と、半導体基板１Ｓに入射する。
このとき、例えば、太陽光の主成分である可視光や赤外光の光エネルギーは、シリコンのバンドギャップよりも大きなエネルギーを有することから、シリコンの価電子帯に存在する電子が、太陽光（可視光や赤外光）から供給される光エネルギーを受け取って伝導帯に励起される。これにより、伝導帯に電子が蓄積されるとともに価電子帯に正孔が生成される。このようにして、太陽電池セルＣＬに太陽光が照射されることにより、伝導帯に電子が励起されるとともに、価電子帯に正孔が生成される。そして、ｐｎ接合部の一方を構成するｎ型半導体層の伝導帯は、ｐｎ接合部の他方を構成するｐ型半導体層である半導体基板１Ｓの伝導帯よりも電子的に見てエネルギーが低い位置にある。このことから、伝導帯に励起された電子は、ｎ型半導体層ＮＬに移動して、ｎ型半導体層ＮＬに電子が蓄積される。一方、価電子帯に存在する正孔は、半導体基板１Ｓ（ｐ型半導体層）に移動して、半導体基板１Ｓ（ｐ型半導体層）に正孔が蓄積する。この結果、ｐ型半導体層である半導体基板１Ｓとｎ型半導体層ＮＬとの間に起電力が生じる。そして、例えば、ｎ型半導体層ＮＬと電気的に接続されている表面電極ＳＥと、半導体基板１Ｓと電気的に接続されている裏面電極ＢＥとの間に負荷を接続すると、表面電極ＳＥから負荷を通って裏面電極ＢＥに電子が流れる。言い換えれば、裏面電極ＢＥから負荷を通って表面電極ＳＥに電流が流れる。このようにして、太陽電池セルＣＬを動作させることにより、負荷を駆動することができる。
＜実施の形態における太陽電池セルの製造方法＞
次に、本実施の形態における太陽電池セルの製造方法について説明する。
図６は、太陽電池セルの製造工程の流れを示すフローチャートである。
まず、例えば、単結晶シリコンや多結晶シリコンにｐ型不純物（アクセプタ）を添加した半導体基板を準備する。この半導体基板は、平板状の平面形状をしている（Ｓ１０１）。
次に、例えば、ウェットエッチング技術を使用することにより、半導体基板の表面（受光面）に反射防止構造であるテクスチャ構造を形成する。テクスチャ構造は、凹凸構造から構成され、反射低減効果や入射光の閉じ込め効果を得るために形成される（Ｓ１０２）。
続いて、半導体基板の表面にｎ型不純物を拡散させることにより、半導体基板の表面側にｎ型半導体層を形成する（Ｓ１０３）。例えば、ｎ型不純物としては、リン（Ｐ）を用いることができる。この結果、ｐ型半導体層として機能する半導体基板の一部にｎ型半導体層が形成されることになり、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との境界領域にｐｎ接合部が形成される。
その後、ｎ型半導体層を形成した半導体基板に対してエッジアイソレーションを実施する（Ｓ１０４）。具体的に、半導体基板にｎ型半導体層を形成する際のリンの拡散によって、半導体基板の側面にもｎ型半導体領域が形成されてしまうことから、半導体基板の側面に形成されたｎ型半導体領域を除去するエッジアイソレーションが実施される。
次に、半導体基板の表面に形成されたｎ型半導体層上に反射防止膜を形成する（Ｓ１０５）。この反射防止膜は、例えば、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜から構成されており、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を使用することにより形成できる。
続いて、反射防止膜の表面に表面電極を形成する（Ｓ１０６）。この表面電極は、例えば、銀から構成されており、銀ペーストを使用した印刷法で形成することができる。その後、半導体基板の裏面に裏面電極を形成する（Ｓ１０７）。この裏面電極は、例えば、アルミニウムから構成されており、印刷法を使用することにより形成することができる。
その後、半導体基板に対してファイアスルー工程を実施する（Ｓ１０８）。ファイアスルー工程とは、半導体基板に対して８００℃以上の熱処理を加えることによって、反射防止膜上に形成された表面電極が反射防止膜を貫通して、反射防止膜の下層に形成されているｎ型半導体層に接続する工程である。このようなファイアスルー工程を経ることにより、銀電極から構成される表面電極は、ｎ型半導体層と電気的に接続されることになる。
次に、反射防止膜上に、表面電極を覆い、かつ、少なくとも太陽光の主成分である可視光や赤外光に対して透光性を有する導電性膜を形成する（Ｓ１０９）。この導電性膜は、例えば、インジウムと酸素とを含む膜や、亜鉛と酸素とを含む膜から構成され、例えば、大気中で行なわれる溶液塗布法や真空中で行なわれるスパッタリング法または蒸着法を使用することにより形成することができる。
このようにして、本実施の形態における太陽電池セルを製造することができる。
＜実施の形態における太陽電池モジュールの構成＞
続いて、本実施の形態における太陽電池セルＣＬを使用した太陽電池モジュールＰＶＭの模式的な構成について、図面を参照しながら説明する。
図７は、本実施の形態における太陽電池モジュールの構成を示す断面図である。
図７において、本実施の形態における太陽電池モジュールＰＶＭは、図５に示す構造の太陽電池セルＣＬを含んでおり、この太陽電池セルＣＬを封止する封止部材ＭＲと、封止部材ＭＲの下面に配置されるバックシートＢＳと、封止部材ＭＲの上面上に配置されるカバーガラスＧＳと、グランド電位（接地電位）が供給されるモジュールフレームＭＦを有している。カバーガラスＧＳは、例えば、少なくとも太陽光の主成分である可視光や赤外光に対して透光性を有する材料から構成され、特に、透過率の高い材料から構成されていることが望ましい。なぜなら、カバーガラスＧＳの透過率が高ければ、太陽光の反射や吸収が抑制され、カバーガラスＧＳを介して太陽電池モジュールＰＶＭの内部に入射する太陽光の量が増加して発電効率を向上することができるからである。
＜実施の形態における特徴＞
次に、本実施の形態における特徴点について説明する。
本実施の形態における特徴点は、例えば、図５に示すように、反射防止膜ＡＲＦ上に、表面電極ＳＥを覆う導電性膜ＣＦを形成する点にある。これにより、導電性膜ＣＦは、反射防止膜ＡＲＦの下層に位置するｎ型半導体層ＮＬと電気的に接続されることになる。なぜなら、図５に示すように、ｎ型半導体層ＮＬは、表面電極ＳＥと接しているとともに、導電性膜ＣＦも表面電極ＳＥと接していることから、導電性膜ＣＦは、表面電極ＳＥを介してｎ型半導体層ＮＬと電気的に接続されることになるからである。
この結果、導電性膜ＣＦとｎ型半導体層ＮＬとは同電位となる。このことは、導電性膜ＣＦとｎ型半導体層ＮＬに挟まれる絶縁膜である反射防止膜ＡＲＦの内部に電界が発生しなくなることを意味する。つまり、反射防止膜ＡＲＦ上に、表面電極ＳＥを覆う導電性膜ＣＦを形成するという本実施の形態における特徴点を採用すると、反射防止膜ＡＲＦを挟む導電性膜ＣＦとｎ型半導体層ＮＬとが同電位となることを通じて、反射防止膜ＡＲＦの内部に発生する電界をほぼゼロにすることができるのである。
そして、反射防止膜ＡＲＦの内部に発生する電界をほぼゼロにすることができれば、ナトリウムイオンに代表される陽イオンがｎ型半導体層ＮＬを含む半導体基板１Ｓの内部に達することを防止できることになる。したがって、陽イオンがｎ型半導体層ＮＬを含む半導体基板１Ｓの内部に達することが原因となって「ＰＩＤ」が生じるという知見に基づけば、反射防止膜ＡＲＦ上に、表面電極ＳＥを覆う導電性膜ＣＦを形成するという本実施の形態における特徴点を採用すると、「ＰＩＤ」を効果的に抑制できることになり、これによって、太陽電池の信頼性向上を図ることができるのである。
以下では、上述した特徴点によれば、「ＰＩＤ」を抑制できることを詳細に説明する。
図８は、本実施の形態の太陽電池モジュールにおいて、モジュールフレームのフレーム電位に対して太陽電池セルに負電位が印加されている状態を示す図である。
図８において、モジュールフレームＭＦのフレーム電位は、グランド電位になっている一方、太陽電池セルＣＬには、モジュールフレームＭＦに対して負電位が印加されている。この結果、モジュールフレームＭＦと太陽電池セルＣＬの間には、高い電位差が生じる。このことは、太陽電池モジュールＰＶＭにおいて、モジュールフレームＭＦと太陽電池セルＣＬの間に高電界が生じることを意味している。しかしながら、本実施の形態では、モジュールフレームＭＦに対して太陽電池セルＣＬに負電位が印加されていても、これに起因する「ＰＩＤ」を抑制することができる。具体的に、このメカニズムについて説明する。
図９は、図８の領域Ｒ２を拡大して示す図である。
図９において、ｐ型半導体材料から構成される半導体基板１Ｓ上には、ｎ型半導体層ＮＬが形成されており、このｎ型半導体層ＮＬ上には、反射防止膜ＡＲＦが形成されている。そして、この反射防止膜ＡＲＦを貫通してｎ型半導体層ＮＬに達するように表面電極ＳＥが形成されており、この表面電極ＳＥを覆うように反射防止膜ＡＲＦ上に導電性膜ＣＦが形成されている。さらに、導電性膜ＣＦ上には、封止部材ＭＲが配置されており、この封止部材ＭＲ上には、カバーガラスＧＳが配置されている。
ここで、図９に示すように、導電性膜ＣＦは、表面電極ＳＥと接触し、かつ、ｎ型半導体層ＮＬも表面電極ＳＥと接していることから、導電性膜ＣＦとｎ型半導体層ＮＬとは、表面電極ＳＥを介して電気的に接続されていることなる。つまり、導電性膜ＣＦとｎ型半導体層ＮＬとは、同電位となっており、絶縁体である反射防止膜ＡＲＦは、互いに同電位になっている導電性膜ＣＦとｎ型半導体層ＮＬに挟まれていることになる。
この結果、例えば、図８に示すように、モジュールフレームＭＦに対して太陽電池セルＣＬに負電位が印加されていても、絶縁体から構成される反射防止膜ＡＲＦの内部には高電界が生じない。なぜなら、反射防止膜ＡＲＦ上には、導電性膜ＣＦが形成されていることから、モジュールフレームＭＦと太陽電池セルＣＬの電位差に起因して発生する電界は、導電性膜ＣＦで遮蔽されるからである。そして、この導電性膜ＣＦは、表面電極ＳＥによってｎ型半導体層ＮＬと電気的に接続されており、導電性膜ＣＦとｎ型半導体層ＮＬとは同電位となる。これにより、反射防止膜ＡＲＦは、互いに同電位となっている導電性膜ＣＦとｎ型半導体層ＮＬとに挟まれていることから、反射防止膜ＡＲＦの下面と上面との電位差はほぼゼロとなる。このことは、絶縁体である反射防止膜ＡＲＦの内部に印加される電界がほぼゼロになることを意味する。このとき、図９に示すように、モジュールフレームＭＦに対して太陽電池セルＣＬに負電位が印加されることによって発生する電界によって、カバーガラスＧＳに含まれるナトリウムイオンに代表される陽イオンは、封止部材ＭＲと導電性膜ＣＦとの間の境界領域にまで移動する。ところが、導電性膜ＣＦとｎ型半導体層ＮＬとが表面電極ＳＥで電気的に接続されて同電位となっていることから、導電性膜ＣＦとｎ型半導体層ＮＬで挟まれる反射防止膜ＡＲＦの内部での電界はほぼゼロである。このため、封止部材ＭＲと導電性膜ＣＦとの間の境界領域に集積している陽イオンは、反射防止膜ＡＲＦの内部に侵入しにくくなる。つまり、本実施の形態では、反射防止膜ＡＲＦの内部に電界が生じないことから、反射防止膜ＡＲＦを介した太陽電池セルＣＬの内部への陽イオンの侵入を効果的に抑制できるのである。
このようにして、本実施の形態における太陽電池モジュールＰＶＭによれば、ナトリウムイオンに代表される陽イオンの太陽電池セルＣＬの内部への侵入に起因して発生する「ＰＩＤ」を抑制することができる。この結果、本実施の形態によれば、太陽電池モジュールＰＶＭの信頼性向上を図ることができる。
「ＰＩＤ」を抑制する観点から、反射防止膜ＡＲＦの内部に発生する電界をほぼゼロにすることが重要であり、このことは、反射防止膜ＡＲＦを挟む導電性膜ＣＦとｎ型半導体層ＮＬとを同電位にすることが重要であることを意味している。そして、反射防止膜ＡＲＦを挟む導電性膜ＣＦとｎ型半導体層ＮＬとを同電位にするためには、導電性膜ＣＦの導電率は、高いことが望ましい。なぜなら、導電性膜ＣＦの導電率が低くなるということは、導電性膜ＣＦの寄生抵抗が大きくなることを意味し、これによって、導電性膜ＣＦの電位がｎ型半導体層ＮＬの電位から浮きやすくなるからである。この場合、反射防止膜ＡＲＦを挟む導電性膜ＣＦとｎ型半導体層ＮＬとの間に電位差が生じることになり、反射防止膜ＡＲＦの内部に発生する電界をほぼゼロにすることができなくなる。一方、導電性膜ＣＦの導電率が高くなれば、導電性膜ＣＦの寄生抵抗が小さくなることから、寄生抵抗に起因して導電性膜ＣＦとｎ型半導体層ＮＬとの間に電位差が生じることを抑制できる。
例えば、具体的な数値の一例を示すと、導電性膜ＣＦの導電率は、１０ジーメンス／ｃｍ以上であることが望ましい。この場合、反射防止膜ＡＲＦを挟む導電性膜ＣＦとｎ型半導体層ＮＬとをほぼ同電位にすることができ、これによって、「ＰＩＤ」の発生を抑制できることが確認されている。
ただし、導電性膜ＣＦの導電率を単純に高くすればよいというものではない。なぜなら、導電率を高くすると、導電性膜ＣＦ中の自由電子による赤外線の吸収が増加することから、太陽電池セルにおける光電変換効率の低下（光電流の減少）を招く結果、太陽電池の性能向上を図ることが困難となるからである。ただし、導電率は、導電性膜ＣＦのキャリア濃度とキャリア移動度との積で表されることから、キャリア濃度の増加を抑制しながら、キャリ移動度を大きくすることによって導電率を高くすれば、光電流の減少を抑制しながら、「ＰＩＤ」の発生を効果的に抑制することができる。
＜実施の形態における効果の検証＞
続いて、本実施の形態における太陽電池モジュールＰＶＭによれば、「ＰＩＤ」を抑制できる効果を裏付ける測定結果について説明する。
図１０は、加速試験の模式的な構成を示す図である。
図１０において、太陽電池モジュールＰＶＭは、太陽電池セルＣＬと、太陽電池セルＣＬを封止する封止部材ＭＲと、封止部材ＭＲの下面に配置されるバックシートＢＳと、封止部材ＭＲの上面に配置されるカバーガラスＧＳから構成されている。そして、このように構成されている太陽電池モジュールＰＶＭに対して、加速試験を実施する。
具体的には、図１０に示すように、太陽電池セルの表面電極（ｎ型電極）と裏面電極（ｐ型電極）とを短絡するとともに、太陽電池モジュールＰＶＭ上に導電性ゴムシート１０を介してアルミニウム板１１を配置する。このとき、アルミニウム板１１には、グランド電位（接地電位）が供給される。そして、図１０に示すように、太陽電池モジュールＰＶＭと導電性ゴムシート１０とアルミニウム板１１を備える試験体は、例えば、温度が８５℃で相対湿度が２％以下の恒温炉１００に保持される。この状態で、恒温炉１００の外部に配置された直流高圧電源１２によって、接地電位が供給されているアルミニウム板１１と太陽電池セルＣＬ（短絡電極）との間に－２０００Ｖの電圧を印加して試験を実施する。
補足として、予め定めた試験時間の終了後、太陽電池モジュールＰＶＭを恒温炉１００から取り出して、標準試験条件でソーラシミュレータを使用することにより、最大出力保持率を測定している。測定を終了した後、太陽電池モジュールＰＶＭを再度、恒温炉１００の内部に導入して加速試験を再開している。
図１１は、図１０に示す構成で実施した加速試験の結果を示すグラフである。
図１１において、縦軸は、最大出力保持率を示しており、横軸は試験時間を示している。
図１１には、導電性膜を有さない関連技術における太陽電池モジュールに対応するグラフ（１）と、導電性膜を備える本実施の形態における太陽電池モジュールに対応するグラフ（２）とが示されている。
図１１のグラフ（１）に示すように、関連技術における太陽電池モジュールでは、試験の開始から２時間を経過すると、最大出力保持率が初期値の７０％未満になるとともに、試験の開始から１日（２４時間）を経過すると、最大出力保持率が初期値の１０％に低下することがわかる。つまり、関連技術における太陽電池モジュールでは、「ＰＩＤ」が発現していることがわかる。
これに対し図１１のグラフ（２）に示す本実施の形態における太陽電池モジュールでは、試験の開始から７日間を経過した後も、最大出力保持率がほとんど低下していないことがわかる。すなわち、本実施の形態における太陽電池モジュールでは、「ＰＩＤ」が抑制されており、太陽電池の信頼性を向上できることが裏付けられていることになる。
図１２は、導電性膜を有さない関連技術の太陽電池モジュールにおいて、ソーラシミュレータで測定した光照射状態での電流密度と電圧との関係（電流密度－電圧特性）を示すグラフである。図１２に示すように、導電性膜を有さない関連技術における太陽電池モジュールでは、加速試験からの時間が経過すると、電流密度と電圧との関係が劣化することがわかる。ここで、特性カーブと縦軸の切片が短絡電流密度を表し、特性カーブと横軸との切片が開放電圧を表している。特に、短絡電流密度と開放電圧と曲線因子と素子面積の積が最大出力を表している。したがって、図１２に示す結果から、導電性膜を有さない関連技術における太陽電池モジュールでは、加速試験からの時間が経過すると、最大出力が低下することがわかる。これは、関連技術における太陽電池モジュールでは、時間の経過とともに発電効率が低下する「ＰＩＤ」が発生していることを意味している。
これに対し、図１３は、導電性膜を有する本実施の形態の太陽電池モジュールにおいて、ソーラシミュレータで測定した光照射状態での電流密度と電圧との関係（電流密度－電圧特性）を示すグラフである。図１３に示すように、本実施の形態における太陽電池モジュールでは、加速試験からの時間が経過しても、電流密度と電圧との関係がほぼ一定で変化しないことがわかる。したがって、図１３に示す結果から、導電性膜を有する本実施の形態における太陽電池モジュールでは、加速試験からの時間が経過しても、最大出力がほとんど変化しないことがわかる。これは、本実施の形態における太陽電池モジュールでは、時間の経過とともに発電効率が低下する「ＰＩＤ」が抑制されていることを意味している。
以上のようにして、加速試験の結果から、本実施の形態における太陽電池モジュールでは、「ＰＩＤ」が抑制されており、太陽電池の信頼性を向上できることが裏付けられていることになる。
＜変形例＞
本実施の形態における技術的思想は、図５に示す太陽電池セルＣＬに限らず、例えば、ＰＥＲＣ（Passivated Emitter Rear Cell）構造の太陽電池セルにも適用できる。
図１４は、ＰＥＲＣ構造の太陽電池セルＣＬ２の模式的な構造を示す断面図である。
図５と図１４を対比するとわかるように、図１４に示す太陽電池セルＣＬ２の裏面電極構造が、図５に示す太陽電池セルＣＬの裏面電極構造と相違する。具体的に、図１４に示す太陽電池セルＣＬ２では、半導体基板１Ｓの裏面に、例えば、窒化シリコン膜からなる絶縁膜ＰＡＳが形成されており、この絶縁膜ＰＡＳにレーザなどを使用して開口部ＯＰが形成されている。そして、絶縁膜ＰＡＳに設けられた開口部ＯＰを埋め込むように裏面電極ＢＥが形成されている。このように構成されているＰＥＲＣ構造の太陽電池セルＣＬ２では、半導体基板１Ｓと裏面電極ＢＥとの接触面積が小さくなることから、半導体基板１Ｓの裏面に形成されている欠陥準位に起因する電子と正孔の再結合を抑制することができる。このことから、ＰＥＲＣ構造の太陽電池セルＣＬ２によれば、太陽電池の発電効率の向上を図ることができる結果、太陽電池の性能向上を図ることができる利点が得られる。
＜実施の形態における技術的思想の有用性＞
最後に、本実施の形態における技術的思想の有用性について説明する。
本実施の形態における技術的思想を想到する根底にある知見は、「ＰＩＤ」を引き起こす原因として考えられるのが、ナトリウムイオンに代表される陽イオンの太陽電池セル内部への移動であり、この陽イオンの移動が反射防止膜の内部に加わる電界によって引き起こされるというものである。そして、この知見に基づいて、本実施の形態では、反射防止膜の内部に加わる電界を抑制する工夫を施している。具体的に、本実施の形態における技術的思想は、互いに同電位となる導電性膜とｎ型半導体層とに挟まれるように反射防止膜上に導電性膜を形成することにより、反射防止膜の内部に発生する電界をほぼゼロにする思想であり、例えば、図１１～図１３に示すように、この技術的思想によれば、「ＰＩＤ」が抑制されることが裏付けられている。したがって、「ＰＩＤ」を引き起こす原因がナトリウムイオンに代表される陽イオンの太陽電池セル内部への移動であり、この陽イオンの移動が反射防止膜の内部に加わる電界によって引き起こされるという本発明者が新規に見出した知見が妥当であることがわかる。
この点に関し、例えば、「背景技術」に記載している特許文献１は、太陽電池セルに含まれる反射防止膜をシリコンリッチな窒化シリコン膜から形成することにより、「ＰＩＤ」を抑制することが記載されている。しかしながら、反射防止膜の組成を変更しただけでは、反射防止膜の内部の電界をほぼゼロにすることはできないことから、「ＰＩＤ」を大幅に抑制することはできないと考えられる。すなわち、「ＰＩＤ」を効果的に抑制するには、反射防止膜の内部に発生する電界をほぼゼロにする必要があるが、上述した特許文献１には、反射防止膜の内部に発生する電界をほぼゼロにするという知見がまったく存在しない。すなわち、特許文献１に記載された技術は、「ＰＩＤ」を抑制するために反射防止膜の組成に着目している一方で、反射防止膜の内部に加わる電界が「ＰＩＤ」に有効であるという重要な知見が記載も示唆もされていない。つまり、本発明者が見出した新規な知見は、「ＰＩＤ」を抑制するための本質を捉えており、この知見に基づいて具現化された本実施の形態における技術的思想は、「ＰＩＤ」を大幅に抑制できる点で優れている。
さらに言えば、「背景技術」に記載している特許文献２は、太陽電池セルを封止する封止部材にナトリウムイオンを捕捉する捕捉材を添加する技術が記載されている。すなわち、特許文献２では、「ＰＩＤ」の原因として、ナトリウムイオンが主原因であることには着目しているが、詳細には、ナトリウムイオンに代表される陽イオンが太陽電池セルの内部に侵入することが問題であるというところまで追求していない。そして、特許文献２に記載されている対策では、例えば、捕捉材が飽和してしまえばナトリウムイオンを捕捉する効果はなくなるとともに、ナトリウムイオン以外の陽イオンに着目していない点で、「ＰＩＤ」に対する抑制効果は限定的なものとなる。これに対し、本発明者が見出した新規な知見は、「ＰＩＤ」を抑制するための本質を捉えており、この知見に基づいて具現化された本実施の形態における技術的思想は、「ＰＩＤ」を大幅に抑制できる点で優れている。
なお、「背景技術」に記載している特許文献３の図５Ｃには、反射防止コーティング上に導電層を形成する技術が記載されている。ただし、特許文献３には、導電性膜とｎ型半導体層とを表面電極を介して電気的に接続することにより、導電性膜とｎ型半導体層とを同電位とするという本実施の形態における技術的思想は、記載も示唆もされていない。さらに、特許文献３には、本実施の形態における技術的思想を想到する動機づけとなる反射防止膜の内部に発生する電界をほぼゼロにするという知見さえ記載も示唆もされていない。そもそも、本実施の形態における太陽電池セルは、製造コストの安いｐ型半導体基板を使用しており、このｐ型半導体基板を使用するからこそ、フレーム電位に対して太陽電池セルが負電位となる場合に生じる「ＰＩＤ」が問題となるのである。つまり、特許文献３は、特許文献３の図２に示すように、ｎ型シリコンウェハを使用しており、本実施の形態とは前提構成が相違する。特許文献３で着目している「ＰＩＤ」は、いわゆる「Surface Polarization Effect」と呼ばれる種類の「ＰＩＤ」であり、ｎ型シリコンウェハを使用することを前提として、フレーム電位に対して太陽電池セルが正電位となる場合に生じる「ＰＩＤ」である。これに対し、本実施の形態で着目している「ＰＩＤ」は、特許文献３で着目している「ＰＩＤ」とは異なり、ｐ型半導体基板だからこそ生じる「ＰＩＤ」である。すなわち、本実施の形態で着目している「ＰＩＤ」は、フレーム電位に対して太陽電池セルが負電位となる場合に生じる「ＰＩＤ」である。したがって、本実施の形態における技術的思想は、特許文献３に記載された技術とまったく相違することを付け加えておく。
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
１Ｓ 半導体基板
ＡＲＦ 反射防止膜
ＢＥ 裏面電極
ＢＳ バックシート
ＣＦ 導電性膜
ＧＳ カバーガラス
ＭＦ モジュールフレーム
ＭＲ 封止部材
ＮＬ ｎ型半導体層
ＳＥ 表面電極

Claims (12)

  1. 裏面電極と、
    前記裏面電極上に配置され、かつ、第１導電型である第１半導体層と、
    前記第１半導体層上に配置され、かつ、第２導電型である第２半導体層と、
    前記第２半導体層上に配置され、かつ、絶縁膜からなる反射防止膜と、
    前記反射防止膜を貫通して前記第２半導体層に達する表面電極と、
    前記表面電極を覆うように前記反射防止膜上に配置され、かつ、透光性を有し、かつ、前記第２半導体層と電気的に接続された導電性膜と、
    を備える、太陽電池セル。
  2. 請求項１に記載の太陽電池セルにおいて、
    前記導電性膜は、１０ジーメンス／ｃｍ以上の導電率を有する、太陽電池セル。
  3. 請求項１または２のいずれかに記載の太陽電池セルにおいて、
    前記導電性膜の膜厚は、０ｎｍよりも大きく１００ｎｍ以下である、太陽電池セル。
  4. 請求項１～３のいずれか一つに記載の太陽電池セルにおいて、
    前記導電性膜は、インジウムと酸素とを含む膜から構成されている、太陽電池セル。
  5. 請求項１～３のいずれか一つに記載の太陽電池セルにおいて、
    前記導電性膜は、亜鉛と酸素とを含む膜から構成されている、太陽電池セル。
  6. 請求項１～５のいずれか一つに記載の太陽電池セルにおいて、
    前記第２半導体層の表面には、凹凸構造が形成されている、太陽電池セル。
  7. 請求項１～６のいずれか一つに記載の太陽電池セルにおいて、
    前記反射防止膜は、窒化シリコン膜から形成されている、太陽電池セル。
  8. 請求項１～７のいずれか一つに記載の太陽電池セルにおいて、
    前記第１半導体層は、ｐ型半導体層であり、
    前記第２半導体層は、ｎ型半導体層である、太陽電池セル。
  9. 請求項１～８のいずれか一つに記載の太陽電池セルと、
    前記太陽電池セルを封止する封止部材と、
    前記封止部材の下面に配置されるバックシートと、
    前記封止部材の上面に配置される透光性部材と、
    接地電位が供給されるモジュールフレームと、
    を有する、太陽電池モジュール。
  10. （ａ）第１導電型である半導体基板を用意する工程、
    （ｂ）前記半導体基板に第２導電型である半導体層を形成する工程、
    （ｃ）前記半導体層上に反射防止膜を形成する工程、
    （ｄ）前記半導体基板と接する裏面電極を形成する工程、
    （ｅ）前記反射防止膜上に表面電極を形成する工程、
    （ｆ）前記（ｅ）工程の後、前記半導体基板に熱処理を施す工程、
    （ｇ）前記（ｆ）工程の後、前記反射防止膜上に、前記表面電極を覆い、かつ、透光性を有する導電性膜を形成する工程、
    を備える、太陽電池セルの製造方法であって、
    前記（ｆ）工程では、前記表面電極が前記反射防止膜を貫通して前記半導体層に達し、
    前記導電性膜は、前記半導体層と電気的に接続される、太陽電池セルの製造方法。
  11. 請求項１０に記載の太陽電池セルの製造方法において、
    前記（ｇ）工程では、溶液塗布法を使用する、太陽電池セルの製造方法。
  12. 請求項１０に記載の太陽電池セルの製造方法において、
    前記（ｇ）工程では、スパッタリング法または蒸着法を使用する、太陽電池セルの製造方法。
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