JPH09129904A - 光起電力素子およびその製造方法 - Google Patents

光起電力素子およびその製造方法

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JPH09129904A
JPH09129904A JP7278991A JP27899195A JPH09129904A JP H09129904 A JPH09129904 A JP H09129904A JP 7278991 A JP7278991 A JP 7278991A JP 27899195 A JP27899195 A JP 27899195A JP H09129904 A JPH09129904 A JP H09129904A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 変換効率および光閉じ込め性能が向上した光
起電力素子、およびこれらの量産性に優れた製造方法を
提供する。 【解決手段】 対向する第1と第2の主面を有するn型
単結晶シリコン基板7と、その第1の主面上に形成され
た真性非晶質シリコン層8と、その上に形成されたp型
非晶質シリコン層9と、その上に形成された導電性薄膜
3と、その上に形成された集電極4と、n型単結晶シリ
コン基板7の第2の主面上に形成された真性非晶質シリ
コン層8と、その上に形成されたn型非晶質シリコン層
10と、その上に形成された導電性薄膜3と、その上に
形成された裏面電極5とを備え、n型単結晶シリコン基
板7の第1の主面上に形成された真性非晶質シリコン層
8とp型非晶質シリコン層9と導電性薄膜3とからなる
積層部の周縁部分に、少なくとも真性非晶質半導体層8
に達するまでの深さを有する溝1が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、太陽電池等の光起
電力素子およびその製造方法に関するものであり、特に
結晶半導体と非晶質半導体とを組合せて構成されるヘテ
ロ接合を有する光起電力素子およびその製造方法に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】近年光起電力素子として、単結晶シリコ
ンや多結晶シリコン等の結晶系シリコンを用いた太陽電
池の研究および実用化が盛んに行なわれている。中で
も、非晶質シリコンと結晶系シリコンとを組合せること
により構成されたヘテロ接合を有する太陽電池は、その
接合を200℃以下の低温プロセスで形成することがで
き、かつ、高い変換効率が得られることから、注目を集
めている。
【0003】さらに、結晶系シリコンと非晶質シリコン
とのヘテロ接合界面に薄い真性非晶質シリコンを挿入す
ることにより、太陽電池の特性が特に改善されることが
知られている。
【0004】一方、従来の非晶質半導体と結晶系シリコ
ンとを組合せた光起電力素子の製造においては、結晶系
シリコンのみからなる光起電力素子と異なり、結晶系シ
リコン基板上に接合形成のための非晶質シリコン層や導
電性薄膜を形成する必要がある。
【0005】ここで、従来、基板上にこれらの膜を形成
する際には、プラズマCVD法、スパッタ法あるいは蒸
着法等の製造法を用いるために、非晶質シリコン層や導
電性薄膜が基板の表面のみならず側面あるいは裏面に回
り込んでしまい、これらを介して素子の短絡が生じると
いう問題があった。
【0006】そこで、従来、たとえば、「太陽エネルギ
ー工学」(培風館、p221)や「太陽エネルギーへの
挑戦」(清文社、p50)に示されているように、金属
等のマスクで基板の周端部を覆いながら膜の形成を行な
うことにより、上述した膜の側面あるいは裏面への回込
みを防止していた。
【0007】図8は、このようなマスクを用いた従来の
方法により製造された光起電力素子の一例の構造を示す
断面図である。
【0008】図8を参照して、この光起電力素子は、n
型結晶シリコン基板7表面上に、真性非晶質シリコン層
8、p型非晶質シリコン層9、導電性薄膜3および集電
極4が順次形成され、一方、結晶シリコン基板7裏面上
には、真性非晶質シリコン層8、n型非晶質シリコン層
10、導電性薄膜3および裏面電極5が、順次形成され
ていた。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図8に
示す従来の光起電力素子においては、基板1の周縁部分
Aには非晶質シリコン層9,10および導電性薄膜3等
が形成されないため、この部分Aは無発電層あるいは高
抵抗層となり、損失部分となってしまう。その結果、有
効面積が減少し、変換効率が低下してしまうという問題
があった。
【0010】さらに、導電性薄膜3は、反射防止膜とし
ての役割も果たしているため、このように導電性薄膜3
の形成されない部分ができると、反射損が生じ、光閉じ
込め性能が低下するという問題もあった。
【0011】一方、一般に工業的生産を考えた場合に
は、マスクを使用する工程は少ない方が好ましいため、
このようなマスクを多用する製造方法は、量産性に乏し
いという問題もあった。
【0012】この発明の目的は、上述した問題点を解決
し、変換効率および光閉じ込め性能が向上した光起電力
素子、およびこれらの量産性に優れた製造方法を提供す
ることにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明による光
起電力素子は、一導電型の結晶系半導体基板の一主面上
に、他導電型の非晶質半導体層と導電性薄膜とからなる
積層体を備えた光起電力素子であって、基板の一主面上
における積層体の周縁部分に、少なくとも該積層体を除
去した溝が形成されたことを特徴としている。
【0014】請求項2の発明による光起電力素子は、請
求項1の発明において、基板と非晶質半導体層との間
に、真性非晶質半導体層を備えたことを特徴としてい
る。
【0015】請求項3の発明による光起電力素子は、一
導電型の結晶系半導体基板の一主面上に、他導電型の非
晶質半導体層および導電性薄膜を備えた光起電力素子で
あって、基板の他主面上に裏面電極が備えられるととも
に、他主面上における裏面電極の周縁部分に、該裏面電
極を除去した溝が形成されたことを特徴としている。
【0016】請求項4の発明による光起電力素子は、一
導電型の結晶系半導体基板の一主面上に、同導電型の非
晶質半導体層と裏面電極とからなる積層体を備えた光起
電力素子であって、一主面上における積層体の周縁部分
に、少なくとも該積層体を除去した溝が形成されたこと
を特徴としている。
【0017】請求項5の発明による光起電力素子は、請
求項4の発明において、基板と非晶質半導体層との間
に、真性非晶質半導体層を備えたことを特徴としてい
る。
【0018】請求項6の発明による光起電力素子は、請
求項4または5の発明において、非晶質半導体層と裏面
電極との間に、導電性薄膜を備えたことを特徴としてい
る。
【0019】請求項7の発明による光起電力素子は、一
導電型の結晶系半導体基板の一主面上の全面に、前記基
板とヘテロ接合を形成する非晶質半導体層および導電性
薄膜を備えた光起電力素子であって、結晶系半導体基板
の側面のその厚さ方向の少なくとも一部が露出せしめら
れ、該露出された部分は基板の外周側面を取囲むように
連続していることを特徴としている。
【0020】請求項8の発明による光起電力素子の製造
方法は、一導電型の結晶系半導体基板の一主面上の全面
に、ヘテロ接合を形成するように少なくとも非晶質半導
体層を形成することにより得られる光起電力素子の製造
方法であって、光起電力素子の側面にレーザを照射して
該側面上に形成された非晶質半導体層を除去し、光起電
力素子の側面のその厚さ方向の少なくとも一部を該側面
を取囲むように連続して露出させることを特徴としてい
る。
【0021】請求項9の発明による光起電力素子の製造
方法は、請求項8の発明において、重ね合わされた複数
の光起電力素子の側面に、レーザを照射することを特徴
としている。
【0022】この発明による光起電力素子は、結晶半導
体基板上に形成された非晶質半導体層と導電性薄膜とか
らなる積層体の周縁部分に、積層体を除去した溝が形成
される。
【0023】そのため、導電性薄膜または非晶質半導体
層の回込みによる漏れ電流がなくなるため、接合の短絡
が防止される。
【0024】ここで、溝の深さは、少なくとも真性非晶
質半導体層に達するまでの深さであればよい。真性非晶
質半導体層は高抵抗であるため、回込み部分を必ずしも
除去しなくても短絡することがないからである。
【0025】また、この発明において、当該溝の形成
は、たとえばレーザ照射により行なうことができる。レ
ーザ照射による切断除去の場合、切断幅は100〜20
0μmまで得ることができる。その結果、有効面積が拡
大し、変換効率の向上が期待できるとともに、光閉じ込
め性能の向上も期待できる。
【0026】なお、レーザを用いた膜の除去方法として
は、たとえば、特開昭60−260392号には導電膜
の除去技術が、またUSP4824488には非晶質半
導体層の除去技術が開示されている。しかし、これらの
技術はいずれも、集積型太陽電池の接合形成にレーザを
用いたものである。
【0027】これに対して、本願発明は、太陽電池セル
の表裏の接合分離のために、レーザを用いることによ
り、太陽電池の特性向上に大きな効果を奏するものであ
る。
【0028】また、この発明によれば、製造工程におい
てマスクの使用が不要となることから、量産性の向上に
もつながる。
【0029】また、この発明によれば、結晶半導体基板
の側面に形成された非晶質半導体層および導電性薄膜
が、レーザ照射により除去されてもよい。同様に、導電
性薄膜または非晶質半導体層の回込みによる漏れ電流が
なくなるため、接合の短絡が防止されるからである。
【0030】このとき、結晶半導体基板は非常に薄いた
め、たとえば複数の結晶半導体基板を重ねてレーザを照
射することにより、基板の側面に形成された導電性薄膜
および非晶質半導体層等を除去するとよい。
【0031】この発明によれば、製造工程においてマス
クの使用が不要となる上に、一度に複数の結晶半導体基
板を対象としてレーザ照射することも可能となることか
ら、特に量産性の向上に効果がある。
【0032】
【実施例】
(実施例1)図1は、本発明による光起電力素子の一例
の製造工程を示す断面図である。
【0033】以下、図1を参照して、本発明による光起
電力素子の一例の製造方法について説明する。
【0034】まず、結晶系半導体基板として、比抵抗が
0.1〜10Ωcm、大きさが10cm角、厚さが20
0〜400μmのn型単結晶シリコン基板7を使用し、
プラズマCVD装置内にマスクを使用しないで設置し、
該装置内を真空排気した後、約120〜270℃に加熱
した。次に、前述のプラズマCVD装置内でグロー放電
を発生させ、そのプラズマのエネルギによってシランな
どのシリコン化合物ガスを分解し、250Å以下の真性
非晶質シリコン層8を、前述のn型単結晶シリコン基板
7の第1の主面上に形成した。引続いて、形成した真性
非晶質シリコン層8上に、単結晶シリコン基板7と異な
る導電型となるp型非晶質シリコン層9を、真性非晶質
シリコン層8と同様にプラズマCVD法によって形成し
た。反応ガスとしては、ジボランガスが添加された前述
のシリコン化合物ガスを用いた。
【0035】次に、n型単結晶シリコン基板7の第1の
主面と対向する第2の主面上に、真性非晶質シリコン層
8を形成し、その上にn型不純物が過剰にドープされた
n型非晶質シリコン層10を形成した。n型の反応ガス
としては、ホスフィンガスを添加した前述のシリコン化
合物ガスを用いた。
【0036】以上の非晶質シリコン層の成膜条件を、表
1に示す。表1中、「p型」とはp型非晶質半導体層9
を、「n型」とはn型非晶質半導体層10を、「i型」
とは真性非晶質半導体層8をそれぞれ示す。また、B2
6 とPH3 は、H2 ガスにより1%に希釈されてい
る。
【0037】
【表1】
【0038】次に、光起電力素子の面抵抗の低減、反射
防止、光閉じ込め効果あるいは非晶質シリコンの合金化
防止のために、n型単結晶シリコン基板7の両主面上に
形成されたp型非晶質シリコン層9およびn型非晶質シ
リコン層10上に、ITO(Indium Tin Oxide)膜等の
透光性の導電性薄膜3をスパッタ法により形成した。
【0039】最後に、n型単結晶シリコン基板7の第1
の主面側に形成された導電性薄膜3上に集電極として金
属電極4を形成し、他方、第2の主面側に形成された導
電性薄膜3上に裏面電極として金属電極5を形成し、光
起電力素子の成膜過程は終了した。
【0040】図1(a)は、成膜過程完了後の光起電力
素子の状態を示す断面図である。図1(a)を参照し
て、前述した全成膜過程においては従来のようにマスク
を使用しておらず、またプラズマCVD法やスパッタ法
等の方法を用いて形成しているために、この段階におい
ては、n型単結晶シリコン基板7の第1の主面上に形成
された真性非晶質シリコン層8、p型非晶質シリコン層
9および導電性薄膜3は、回込みにより基板7の側面も
しくは第2の主面側にまで形成されている。一方、n型
単結晶シリコン基板7の第2の主面上に形成された真性
非晶質シリコン層8、n型非晶質シリコン層10および
導電性薄膜3についても、回込みにより基板7の側面も
しくは第1の主面側にまで形成されている。
【0041】したがって、この状態のままでは、この光
起電力素子は、これらの非晶質シリコン層もしくは導電
性薄膜の回込みにより、短絡および特性低下のおそれが
ある。
【0042】そこで、この実施例1においては、短絡お
よび特性低下を防止するため、レーザ照射により、真性
非晶質シリコン層8とp型非晶質シリコン層9と導電性
薄膜3とからなる積層体の、前記n型単結晶シリコン基
板7の第1の主面上における周縁部分に、溝1を形成し
た。
【0043】図1(b)は、このように溝1が形成され
た光起電力素子の一例の構造を示す断面図である。
【0044】図1(b)を参照して、溝1の深さは、少
なくともp型非晶質シリコン層9と導電性薄膜3とから
なる積層体を除去し、真性非晶質シリコン層8に達する
までのものであればよい。すなわち、真性非晶質シリコ
ンの導電率は、p型非晶質シリコンよりも3桁以上小さ
く高抵抗であるために、必ずしも真性非晶質シリコン層
8はレーザ照射により除去する必要はない。
【0045】図2は、図1(b)に示す光起電力素子に
おける溝の形成状態を説明するための斜視図である。
【0046】図2を参照して、この光起電力素子におい
ては、基板上に形成された積層体の周縁部分に、連続し
た溝1が形成されている。
【0047】このような溝を形成するためのレーザ照射
の条件としては、たとえば、ArレーザやYAGレーザ
の第2高調波などの400nmを超えるレーザを用い
て、0.1〜10Joule/cm2 の適度なパワーを
使用することにより、レーザ光は導電性薄膜3およびp
型非晶質シリコン層9を透過し真性非晶質シリコン層8
まで到達する。その結果、導電性薄膜3およびp型非晶
質シリコン層9の除去が可能となる。また、このような
条件でのレーザ照射により除去されるp型非晶質シリコ
ン層9および導電性薄膜3の幅は、100μm〜1mm
程度であった。
【0048】このようにして作製された実施例1の光起
電力素子(表2中「本発明」と示す)について、変換効
率を測定した。
【0049】また。比較のため、図8に示す従来のマス
クを用いて作製した光起電力素子(表2中「従来技術」
と示す)についても、変換効率を測定した。
【0050】これらの結果を表2に示す。
【0051】
【表2】
【0052】表2より明らかなように、本発明によれ
ば、単結晶シリコン基板7の主面上の全面に膜を形成す
ることが可能となるために、有効面積が拡大するととも
に、導電性薄膜により全面ARコートされるため、変換
効率が1%程度向上していることがわかる。
【0053】(実施例2)図3は、本発明による光起電
力素子の他の例の構造を示す断面図である。
【0054】図3を参照して、この光起電力素子は、n
型単結晶シリコン基板7の第2の主面上に、真性非晶質
シリコン層を介在させることなく直接n型非晶質シリコ
ン層10が形成されている。なお、他の構成について
は、図1(b)に示す実施例1と全く同様であるので、
その説明は省略する。
【0055】本発明は、このようにn型単結晶シリコン
基板7の第1の主面側のみに真性非晶質シリコン層8が
形成された光起電力素子についても適用できる。
【0056】また、単結晶シリコン基板7の第2の主面
上に裏面電極5のみを形成したものについても、同様の
効果を有する。
【0057】さらには、n型単結晶シリコン基板7とp
型非晶質シリコン層9との間に挿入した真性非晶質シリ
コン層8は、特になくともよい。この場合にも同様に、
p型非晶質シリコン層9と導電性薄膜3とからなる積層
体を除去して、n型単結晶シリコン基板7が露出するよ
うに溝1を設けることにより、同様の効果が得られる。
【0058】(実施例3)図4は、本発明による光起電
力素子のさらに他の例の構造を示す断面図である。
【0059】図4を参照して、この光起電力素子は、溝
11が、n型単結晶シリコン基板7の第1の主面側では
なく、第2主面側に形成されている。すなわち、この実
施例3においては、レーザ照射により、n型単結晶シリ
コン基板7の第2の主面上に形成された真性非晶質シリ
コン層8とn型非晶質シリコン層10と導電性薄膜3と
からなる積層体の周縁部分に、溝11が形成されてい
る。なお、溝11の深さは、実施例1と同様に、少なく
ともn型非晶質シリコン層10と導電性薄膜3とからな
る積層体を除去して真性非晶質シリコン層8に達するま
でのものであればよい。
【0060】他の構成については、実施例1と全く同様
であるので、その説明は省略する。本発明においては、
短絡防止のための溝は、このようにn型単結晶シリコン
基板の裏面電極が形成される側に設けられてもよい。
【0061】(実施例4)図5は、本発明による光起電
力素子のさらに他の例の構造を示す断面図である。
【0062】図5を参照して、この光起電力素子は、n
型単結晶シリコン基板7の第1の主面上に、真性非晶質
シリコン層を介在させることなく直接p型非晶質シリコ
ン層9が形成されている。なお、他の構成については図
3に示す実施例3と全く同様であるので、その説明は省
略する。
【0063】本発明は、このようにn型単結晶シリコン
基板7の第2の主面側のみに真性非晶質シリコン層8が
形成された光起電力素子についても適用できる。
【0064】また、基板7の第2の主面側に金属電極5
のみを設けた場合には、該金属電極5を除去して基板7
の主面を露出させる溝を設ければよい。
【0065】さらには、n型単結晶シリコン基板7とn
型非晶質シリコン層10との間に挿入した真性非晶質シ
リコン層8は、特になくともよい。この場合にも同様
に、n型非晶質シリコン層10と導電性薄膜3とからな
る積層体を除去してn型単結晶シリコン基板7が露出す
るように溝1を設けることにより、同様の効果が得られ
る。
【0066】(実施例5)図6は、本発明により製造さ
れた光起電力素子のさらに他の例の構造を示す断面図で
ある。
【0067】まず、図1(a)に示すように成膜過程を
完了した光起電力素子を、複数個重ね合わせた。次に、
重ね合わせた基板面と直交する方向から、基板の側面よ
り外側の部分にレーザを照射した。
【0068】その結果、図6に示すように、n型単結晶
シリコン基板7の側面に形成された真性非晶質シリコン
層8、p型非晶質シリコン層9、n型非晶質シリコン層
10および導電性薄膜3が除去され、前記単結晶基板7
の側面が露出した光起電力素子が得られた。
【0069】このように、n型単結晶シリコン基板7の
側面に形成された真性非晶質シリコン層8、p型非晶質
シリコン層9、n型非晶質シリコン層10および導電性
薄膜3をすべて除去することによっても、回込みによる
光起電力素子の短絡および特性低下を有効に防止するこ
とができる。
【0070】なお、1枚の光起電力素子に対して上記の
ような処理を行なってもよいが、特に、この実施例5の
方法によれば、一度に複数枚の基板を対象としてレーザ
照射による処理を施すことができるため、量産性の向上
が期待できる。
【0071】また、この実施例5の光起電力素子は、図
8に示す従来例のような基板上の膜が形成されない部分
Aがなく、基板上の全面に膜が形成されるため、変換効
率および光閉じ込め性能が高い。
【0072】図7は、実施例5の変形例を示す斜視図で
ある。図7を参照して、この光起電力素子においては、
n型単結晶シリコン基板7の側面の厚さ方向の少なくと
も一部が、該側面を取囲むように連続して形成された溝
1により露出されている。
【0073】このように、本発明によれば、必ずしも図
6に示す実施例のように基板の側面全面を露出させる必
要はなく、基板の側面のその厚さ方向の少なくとも一部
を該側面を取囲むように連続して露出させれば、回込み
による光起電力素子の短絡は有効に防止される。
【0074】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
導電性薄膜の全面ARコートにより光閉じ込め性能が向
上するとともに、有効面積の拡大により変換効率が向上
した光起電力素子が得られる。
【0075】また、本発明による光起電力素子の製造方
法によれば、マスクを全く使用しない製造工程が可能と
なるため、量産性が大いに向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による光起電力素子の一例の製造工程を
示す断面図である。
【図2】図1(b)に示す光起電力素子における溝の形
成状態を説明するための斜視図である。
【図3】本発明による光起電力素子の他の例の構造を示
す断面図である。
【図4】本発明による光起電力素子のさらに他の例の構
造を示す断面図である。
【図5】本発明による光起電力素子のさらに他の例の構
造を示す断面図である。
【図6】本発明により製造された光起電力素子のさらに
他の例の構造を示す断面図である。
【図7】実施例5の変形例を示す斜視図である。
【図8】従来の光起電力素子の一例の構造を示す断面図
である。
【符号の説明】
1,11 溝 3 導電性薄膜 4 集電極 5 裏面電極 7 n型単結晶シリコン基板 8 真性非晶質シリコン層 9 p型非晶質シリコン層 10 n型非晶質シリコン層 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一導電型の結晶系半導体基板の一主面上
    に、他導電型の非晶質半導体層と導電性薄膜とからなる
    積層体を備えた光起電力素子であって、 前記基板の一主面上における前記積層体の周縁部分に、
    少なくとも該積層体を除去した溝が形成されたことを特
    徴とする、光起電力素子。
  2. 【請求項2】 前記基板と前記非晶質半導体層との間
    に、真性非晶質半導体層を備えたことを特徴とする、請
    求項1記載の光起電力素子。
  3. 【請求項3】 一導電型の結晶系半導体基板の一主面上
    に、他導電型の非晶質半導体層および導電性薄膜を備え
    た光起電力素子であって、 前記基板の他主面上に裏面電極が備えられるとともに、 前記他主面上における前記裏面電極の周縁部分に、該裏
    面電極を除去した溝が形成されたことを特徴とする、光
    起電力素子。
  4. 【請求項4】 一導電型の結晶系半導体基板の一主面上
    に、同導電型の非晶質半導体層と裏面電極とからなる積
    層体を備えた光起電力素子であって、 前記一主面上における前記積層体の周縁部分に、少なく
    とも該積層体を除去した溝が形成されたことを特徴とす
    る、光起電力素子。
  5. 【請求項5】 前記基板と前記非晶質半導体層との間
    に、真性非晶質半導体層を備えたことを特徴とする、請
    求項4記載の光起電力素子。
  6. 【請求項6】 前記非晶質半導体層と裏面電極との間
    に、導電性薄膜を備えたことを特徴とする、請求項4ま
    たは5記載の光起電力素子。
  7. 【請求項7】 一導電型の結晶系半導体基板の一主面上
    の全面に、前記基板とヘテロ接合を形成する非晶質半導
    体層および導電性薄膜を備えた光起電力素子であって、 前記結晶系半導体基板の側面のその厚さ方向の少なくと
    も一部が露出せしめられ、該露出された部分は前記基板
    の外周側面を取囲むように連続していることを特徴とす
    る、光起電力素子。
  8. 【請求項8】 一導電型の結晶系半導体基板の一主面上
    の全面に、ヘテロ接合を形成するように少なくとも非晶
    質半導体層を形成することにより得られる光起電力素子
    の製造方法であって、 前記光起電力素子の側面にレーザを照射して該側面上に
    形成された非晶質半導体層を除去し、前記光起電力素子
    の側面のその厚さ方向の少なくとも一部を該側面を取囲
    むように連続して露出させることを特徴とする、光起電
    力素子の製造方法。
  9. 【請求項9】 重ね合わされた複数の前記光起電力素子
    の側面に、レーザを照射することを特徴とする、請求項
    8記載の光起電力素子の製造方法。
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