JPH10229210A - 太陽電池セル - Google Patents

太陽電池セル

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JPH10229210A
JPH10229210A JP9030068A JP3006897A JPH10229210A JP H10229210 A JPH10229210 A JP H10229210A JP 9030068 A JP9030068 A JP 9030068A JP 3006897 A JP3006897 A JP 3006897A JP H10229210 A JPH10229210 A JP H10229210A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光電変換効率が向上された構造を有する太陽
電池セルを提供する。 【解決手段】 n型の結晶シリコン基板10の表面側
に、テクスチャー構造20が設けられた受光面が形成さ
れ、裏面側にp+ 型Si層12及びn+ 型Si層14が
交互に形成されている。n+ 型Si層14は断面三角形
のV溝状に形成されている。また、p+ 型Si層12に
対応して正電極16が、n+ 型Si層14に対応して負
電極18がそれぞれ形成されている。裏面側にV溝を形
成したことにより、n型の結晶シリコン基板10の少数
キャリアである電子の平均移動距離が低下するととも
に、電極面積も大きくすることができ、この抵抗が低減
するのでこれらの効果により光電変換効率の高い太陽電
池セルを得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は太陽電池セル、特に
太陽電池セルの光電変換効率を向上させるための構造に
関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、受光面の面積をなるべく多く
確保するために、電極を受光面と反対側の裏面側に形成
した太陽電池が開発されている。特開平3−16557
8号公報にもp+ 型シリコン(Si)層とn+ 型Si層
とが正極及び負極として交互に配設された太陽電池セル
が開示されている。図10には、本従来例に係る太陽電
池セルの部分断面図が示される。図10において、p型
の結晶シリコン基板10の裏面側に、p+ 型Si層12
からなる溝と、n+ 型Si層14からなる溝とが形成さ
れている。p+ 型Si層12からなる溝の中には、アル
ミニウム−シリコン合金層により構成された正電極16
が埋め込まれ、n+ 型Si層14からなる溝の中には銀
により構成された負電極18が埋め込まれている。
【0003】本従来例によれば、p+ 型Si層12、n
+ 型Si層14とこれらに埋め込まれた正電極16及び
負電極18との接触面積を増大させ、これらの間の接触
抵抗を低減できる。また、正電極16と負電極18の厚
みを増加させることができるので、金属固有抵抗も低減
することができる。このため、太陽電池セルの内部抵抗
を低減することができる。また、p+ 型Si層12、n
+ 型Si層14は、上述したように溝形状となっている
ので、この凹部と結晶シリコン基板10の受光面との距
離が短縮され、キャリア再結合が減少することにより光
電変換効率を向上できる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
においては、受光面の裏面側に形成された溝がU字形状
をしており、形成しにくいという問題があった。また、
単に裏面側に溝を形成することのみが開示されている
が、溝の大きさや配置についても最適値があると考えら
れ、この点を解明する必要がある。
【0005】さらに、負電極18として銀を使用してい
るが、n+ 型Si層との密着性、接触抵抗等を考えた場
合、チタン(Ti)を使用することが望ましい。
【0006】さらに、上記従来例では正電極16として
アルミニウム−シリコン合金が使用されているので、正
極側のバス電極にもアルミニウムが使用される。しか
し、アルミニウムははんだ付けができないので、一般に
アルミニウム上にニッケルメッキをしたうえ金メッキが
行われる。ところが、パターン形成途中でアルミニウム
の表面が酸化されるので、アルミニウム上にメッキされ
たニッケルとの密着性が十分でなく、はがれやすいとい
う問題もあった。
【0007】本発明は上記従来の課題に鑑みなされたも
のであり、その目的は、光電変換効率が向上された構造
を有する太陽電池セルを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本願の第1の発明は、結晶シリコン基板の表面側に
受光面が形成され、裏面側にp+ 型シリコン(Si)層
とn+ 型Si層とが交互に配設された太陽電池セルであ
って、結晶シリコン基板にp型Siを使用した場合に
は、n+ 型Si層が、結晶シリコン基板にn型Siを使
用した場合には、p+ 型Si層が、結晶シリコン基板の
裏面に設けられた断面三角形のV溝に形成されているこ
とを特徴とする。
【0009】また、第2の発明は、第1の発明の太陽電
池セルにおいて、上記溝の深さが結晶シリコン基板の厚
さの50〜90%であり、溝のピッチが結晶シリコン基
板の厚さの50〜150%であることを特徴とする。
【0010】また、第3の発明は、結晶シリコン基板の
表面側に受光面が形成され、裏面側にp+ 型Si層とn
+ 型Si層とが交互に配設された太陽電池セルであっ
て、n+ 型Si層の上部には結晶シリコン基板の受光面
側からn+ 型Si層に向かって溝が形成されていること
を特徴とする。
【0011】また、第4の発明は、第1の発明から第3
の発明のいずれかの太陽電池セルにおいて、正極側バス
電極としてアルミニウムをパターニングした上にチタ
ン、パラジウム、銀の各層をこの順に積層したことを特
徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を図面に基づいて説明する。
【0013】実施形態1.図1には本発明に係る太陽電
池セルの実施形態1の断面図が示される。図1におい
て、結晶シリコン基板10の受光面側には光の封じ込め
を改善し、光電変換効率を向上させるためのテクスチャ
ー構造20が形成されている。また、このテクスチャー
構造20が形成された受光面と反対側の裏面側には、p
+ 型Si層12及びn+ 型Si層14が交互に設けられ
ている。
【0014】図1に示されるように、p+ 型Si層12
に対応して、正電極16としてのアルミニウム層が形成
されている。また、n+ 型Si層14に対応して、負電
極18としての金属層が形成されている。本実施形態の
場合、n+ 型Si層14は断面が三角形のV溝に形成さ
れており、このV溝の内面に上記負電極18が形成され
ている。この負電極18としての金属層は、例えばチタ
ン、パラジウム、銀(Ti/Pd/Ag)の各層をこの
順に積層したものが用いられる。
【0015】チタンは、n+ 型Si層との密着性が高
く、また接触抵抗が低いうえ金属元素がn+ 型Si層を
突き抜けるいわゆるスパイク現象が生じない金属として
知られている。また、銀ははんだ付け特性が良好な金属
として知られている。パラジウムはこのチタン及び銀の
双方との密着性が良好であり、一種の接着剤として機能
している。チタン、パラジウム、銀の組み合わせと同様
の機能を有し、負電極18として使用可能な金属の組み
合わせとしては、他にチタン、ニッケル、パラジウム
(Ti/Ni/Pd)あるいはチタン、ニッケル、金
(Ti/Ni/Au)等が考えられる。
【0016】上述したように、本実施形態においては、
負電極18が断面三角形のV溝に形成されている。この
点で前述した従来例のように正電極16、負電極18の
両方が溝に形成されているものと異なる。本実施形態で
は、溝の中に形成される電極は負電極18のみとなり、
溝の数が減る分だけ形成が容易となる。また、溝が少な
い分だけ結晶シリコン基板10の強度の低下も防ぐこと
ができる。さらに、形成される溝の形状もV型なので、
従来例に示されたU字状の溝よりも更に形成が容易とな
っている。
【0017】本実施形態では、結晶シリコン基板10と
してp型Siが使用されており、かかる基板の少数キャ
リアを受ける電極である負電極18がV溝形状とされて
いる。これにより、受光面と負電極18との距離が短く
なって、少数キャリアである電子の平均移動距離を大幅
に低減することができる。電子の平均移動距離が低減し
た場合、結晶シリコン基板10中でのオージェ再結合に
よるキャリアの損失を低減させることができ、太陽電池
セルの光電変換効率を向上させることができる。
【0018】また、負電極18をV溝形状とすることに
より、負電極18の面積自体も増加させることができ、
その分だけ正電極16を形成する面積にも余裕がでるの
で、正電極16及び負電極18とも面積の増加を図るこ
とができる。これにより、電極における抵抗を低減させ
ることができる。
【0019】このように、少数キャリアである電子の平
均移動距離を低減させ、合わせて電極面積を増加させる
ためには、V溝の深さが深い方がよいが、深くなりすぎ
ると結晶シリコン基板10の強度が低下し、割れの発生
につながるので、所定の上限が存在する。
【0020】また、少数キャリアである電子の移動距離
を減少させるためには、V溝間のピッチを減らすことも
有効である。しかし、ピッチを減らしていくと、正電極
16の面積が低下し、取り出せる電力が減少するので、
ピッチについても最適値が存在する。
【0021】以上のように、V溝の深さとピッチとには
それぞれ最適値が存在するが、これらを適宜に制御する
ことにより、太陽電池セルの光電変換効率を向上させる
ことができると考えられる。そこで、深さとピッチとを
変えた結晶シリコン基板10を複数製作し、それぞれに
ついての短絡電流密度を測定した。図2には、V溝の深
さと短絡電流密度との関係が示され、図3には、V溝の
ピッチと短絡電流密度及びフィルファクター(ff)と
の関係が示される。ここでフィルファクター(ff)と
は、太陽電池セルの実際の最大出力を理論上の最大出力
である短絡電流と開放電圧との積で割ったものである。
これにより太陽電池セルの発電能力を評価することがで
きる。なお、図2及び図3に示された太陽電池セルの能
力の評価は、短絡電流密度が非集光状態、フィルファク
ターが50倍集光状態でそれぞれ行った。
【0022】図2において、横軸には、V溝の深さと結
晶シリコン基板10の厚さとの割合が示されている。こ
れは図3においても同様である。図2に示されるよう
に、V溝の深さが結晶シリコン基板10の厚さの50〜
90%の間で縦軸に示された短絡電流密度が向上してい
る。すなわち、横軸で50%未満の場合には、短絡電流
密度が35mA/cm2 程度であったのに対し、50%
を超えると約3mA/cm2 増加して37.5〜38.
3mA/cm2 となっている。ただし、横軸で60%を
超えた場合には、ほぼ短絡電流密度の増加効果は飽和し
ている。また、90%を超えると、結晶シリコン基板1
0に割れが生じ、太陽電池セルを形成できない基板が増
加し、歩留まりの低下が見られた。以上の結果から、V
溝の深さとしては、結晶シリコン基板10の厚さの50
〜90%の範囲が望ましいと考えられる。なお、V溝の
ピッチとしては、結晶シリコン基板10の厚さの100
%のものを使用した。
【0023】次に、図3に示されるように、V溝のピッ
チが結晶シリコン基板10の厚さに対して大きくなるほ
ど図の○印で示された短絡電流密度が低下していく。特
に、150%を超えたところで急激に低下している。な
お、この場合のV溝の深さとしては結晶シリコン基板1
0の厚さの60%のものを使用した。
【0024】他方、図の△印で示されたフィルファクタ
ーは、V溝のピッチが増加すると共に増加しており、特
に結晶シリコン基板10の厚さに対して50%を超えた
ところで大きくなっている。これは、上述したように、
ピッチを小さくすると正電極16の面積が小さくなるの
で、その分フィルファクターが低下すると考えられる。
正電極16の面積が小さくなることにより、抵抗が増大
するからである。また、ピッチが150%より大きくな
った場合には、結晶シリコン基板10の中の少数キャリ
アである電子の平均移動距離が増大し、短絡電流密度の
低下となってあらわれている。以上の結果より、V溝の
ピッチとしては、50〜150%の範囲が適当であると
考えられる。
【0025】なお、以上に述べた実施形態1において
は、結晶シリコン基板10としてp型Siを使用した場
合を説明しているが、n型Siも当然使用可能である。
この場合には、正電極16が形成されるp+ 型Si層1
2がV溝に形成されることになる。すなわち、使用した
結晶シリコン基板10の中で少数キャリアを受け取る電
極をV溝形状に形成することになる。
【0026】次に、本実施形態に係る太陽電池セルの電
極形成方法について説明する。
【0027】上述したように、本実施形態の負電極18
には、例えばチタン、パラジウム、銀が使用される。こ
れは、チタンとn+ 型Si層14との密着性が高い等の
理由によるが、チタンは適当なエッチング液が知られて
いない。このため、結晶シリコン基板10の所定位置に
チタン層を形成するためには、一般にリフトオフ法が使
用される。リフトオフ法は図4に部分断面図として示さ
れるように、チタン層が形成されない部分、例えば正電
極16の上にレジスト22を塗布し、レジスト22が塗
布されている部分及び塗布されていない部分のすべてに
わたってチタンパラジウム銀層24を蒸着する。次に、
エッチング液によりレジスト22と共に不要部分のチタ
ンパラジウム銀層24を除去し、所定部分にチタンパラ
ジウム銀層24を残し、例えば負電極18を形成する。
【0028】しかし、このような従来のリフトオフ法
は、結晶シリコン基板10のフラットな面において行わ
れるので、レジスト22の剥離液が、レジスト22中へ
充分に浸透せず、一部でチタンパラジウム銀層24が不
要な部分に残ってしまうという問題がある。このため、
正電極16及び負電極18の短絡が生じるおそれもあ
る。
【0029】一方、図5に部分断面図として示される本
実施形態の方法においては、n+ 型Si層14がV溝に
形成されているので、レジスト22へ剥離液が充分浸透
し、正電極16上のチタンパラジウム銀層24を完全に
剥離することができる。これにより、正電極16と負電
極18との短絡を完全に防止することができる。
【0030】実施形態2.図6には、本発明に係る太陽
電池セルの実施形態2の部分断面図が示される。図6に
おいて特徴的な点は、テクスチャー構造20が形成され
た受光面側からn+ 型Si層14に向かって断面三角形
のV溝が形成されている点にある。これにより、短絡電
流密度の向上を図っている。
【0031】本実施形態においても、実施形態1と同様
にV溝の深さには最適範囲があり、基板の厚みに対して
50〜90%程度が好適である。これは、前述したよう
に、短絡電流密度の向上と基板の強度維持の両方を満足
させるためである。V溝を形成すると、結晶シリコン基
板10の少数キャリアの平均移動距離が短くなるため、
少数キャリアの再結合による消滅が減少する。従って、
短絡電流密度の向上にはV溝の形成が効果的である。し
かし、V溝の溝幅を大きく取ると、これに対応してn+
型Si層14の幅も大きくする必要があるので、p+ 型
Si層12の幅が減少し、正電極16の面積が小さくな
ってここでの電気抵抗が増大するという問題がある。こ
のため、フィルファクター(ff)がV溝の溝幅の増加
とともに低下していく。
【0032】例えば、V溝をまったく形成しない場合の
短絡電流密度は、非集光時で35.0mA/cm2 であ
ったのに対し、V溝の溝幅Lvを30μmとし、2つの
V溝の間のフラット面の幅Lfも30μmとした場合に
は、短絡電流密度が36.8mA/cm2 まで増加し
た。他方、50倍集光時におけるフィルファクターは、
フラット面の幅Lfが30μm以上では0.76であっ
たのに対し20μmでは0.71、10μmでは0.7
0、0では0.68であった。以上より、太陽電池セル
の受光面におけるフラット面の幅Lfとしては、30〜
50μm程度とするのが好適であると考えられる。
【0033】なお、本実施形態においては、図6に示さ
れるように、正電極16及び負電極18がいずれも受光
面の反対側の裏面側にフラットな形状で形成されてい
る。従って、リフトオフ法による電極形成が困難である
ので、各電極にはアルミニウムが使用される。この場
合、負極側であるn+ 型Si層においてスパイク現象が
発生することを防止するため、焼成温度を450℃以下
に抑える必要がある。このため、負電極18にチタン、
パラジウム、銀を使用した場合に比べて引っ張り強度と
して評価した密着性が30〜70%程度に低下する。従
って本実施形態に係る太陽電池セルは、使用中の温度変
化が50℃以内の比較的均一な温度で使用される場合に
特に好適である。
【0034】また、上記説明では、溝形状をV字状とし
ているが、必ずしもこの形状に限定されるものではな
い。例えば、U字状であってもよい。
【0035】実施形態3.図7には、本発明に係る太陽
電池セルの裏面側の部分的な平面図が示される。実施形
態1でも述べたように、正電極16としてはアルミニウ
ムが使用されているので、正極側バス電極26もこのア
ルミニウムを延長して形成されている。アルミニウム
は、はんだ付けができないので、はんだ付けを可能とす
るためにアルミニウム上にNiメッキした後さらにAu
メッキされるのが一般的である。しかし、アルミニウム
を成膜した後にパターン形成工程においてアルミニウム
の表面が酸化され、Niメッキが充分な密着性を確保で
きないという問題がある。太陽電池セルは、使用中は冷
却水で冷却しながら発電を行い、夜間には発電を行わな
いので冷却水を停止しているが、一日の温度差は最大で
60〜70℃程度に達する。このような温度変化に耐え
るための密着力としては、100〜200N/cm2
度の引っ張り強度が必要であるが、上述したNiメッキ
の場合には50N/cm2 程度の密着力しか得ることが
できない。
【0036】そこで、本実施形態においては、バス電極
26においてアルミニウムの上にチタン、パラジウム、
銀の各層をこの順に積層し、結晶シリコン基板10との
密着性を確保するとともに、バス電極としてのアルミニ
ウムとの接触抵抗も低下させることを実現している。す
なわち、図7に示されるように、正極側バス電極26の
アルミニウムに矩形状の角穴28をあける。この角穴2
8は、正極側バス電極26が幅W=5mm、長さl=
0.5〜1mm程度とした場合に、一辺が50μm程度
の正方形とされる。この角穴28は、結晶シリコン基板
10に達するまで、すなわちアルミニウムを貫通してあ
けられている。
【0037】このように角穴28が形成されたアルミニ
ウムの上に、上述したチタンパラジウム銀層24を形成
する。これにより、チタンパラジウム銀層24のチタン
が角穴28を介して結晶シリコン基板10まで達する。
シリコンとチタンとは密着性が高いので、引っ張り強度
として180〜220N/cm2 程度の密着力を得るこ
とができている。さらに、正極側バス電極26にチタン
パラジウム銀層24を形成するのは、負電極18として
チタンパラジウム銀層24を形成する際に同時に形成す
る。本実施形態では、負電極18にアルミニウムを使用
していないので、パターン形成後の焼成温度を高くして
もいわゆるスパイク現象が生じることがない。このた
め、焼成温度を600〜700℃まで上げ、アルミニウ
ムとチタンとの密着性を高め、その接触抵抗を0.03
〜0.20Ωcm2 まで低減することができる。
【0038】図8には、図7のVIII−VIII断面によって
本実施形態に係る太陽電池セルを作成する手順が示され
る。図8(a)において、結晶シリコン基板10の受光
面にテクスチャー構造20が形成され、裏面側にV溝形
状のn+ 型Si層14及びフラット形状のp+ 型Si層
12がそれぞれ形成されている。この場合、n+ 型Si
層14はリンの拡散によって形成される。またp+ 型S
i層12は、ボロンの拡散によって形成される。しか
し、後の工程でアルミニウムの拡散が行われるので、こ
の時点では必ずしもp+ 型Si層12を形成しておく必
要はない。
【0039】図8(b)において、結晶シリコン基板1
0の裏面側全面にアルミニウム膜30が蒸着される。次
にフォトリソグラフィー法によりネガタイプのレジスト
を使用しパターン形成が行われる。この段階で図8
(c)に示されるように、所定部分以外のアルミニウム
がリン酸によってエッチングされ、正電極16及び正極
側バス電極26が形成される。正極側バス電極26に
は、角穴28があけられている。この角穴は結晶シリコ
ン基板10に達するまであけられている。
【0040】次にレジストを剥離した後、p+ 型Si層
を形成するために600〜700℃でFGAアニールが
行われる。このFGAアニールは、N2 90%、H2
0%の混合ガスによって行われる。さらに、図8(d)
に示されるように、リフトオフ法によりV溝中にチタ
ン、パラジウム、銀からなる負電極18が形成される。
また、正極側バス電極26のアルミニウムの上にもチタ
ンパラジウム銀層24が形成される。このリフトオフ法
は実施形態1で述べたとおりに行われる。この場合、チ
タン層の厚さが2000オングストローム、パラジウム
層が1000オングストローム、銀層が2μm〜3μm
となっている。
【0041】以上により本実施形態に係る太陽電池セル
が完成する。なお、本実施形態に係る太陽電池セルに
は、セル強度を向上させるための土手状の補強部32を
セル周囲に形成することも好適である。
【0042】図9には、本実施形態に係る太陽電池セル
の変形例の部分的な平面図が示されている。この場合も
結晶シリコン基板10の裏面側が示されている。図9に
おいて、正電極16を構成するアルミニウム層が負電極
18が形成されていない領域まで延長されており、この
延長部分の上にチタンパラジウム銀層24が形成されて
いる。この場合、図7に示されるように角穴28をあけ
なくても、チタンパラジウム銀層24がアルミニウム層
よりも広い領域に形成されているので、アルミニウム層
が形成されず直接結晶シリコン基板10が露出している
領域では、チタンパラジウム銀層24が結晶シリコン基
板10と直接密着することになる。上述したようにチタ
ンは結晶シリコン基板10との密着性が高いため、本変
形例のような構成としても充分高い密着力を確保するこ
とができる。
【0043】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
結晶シリコン基板上に形成されたV溝により、少数キャ
リアの平均移動距離が短くでき、更に各V溝に遮られて
少数キャリアの拡散が防止されるので、キャリア再結合
が大幅に低減され、このため光電変換効率を向上させる
ことができる。
【0044】またV溝は断面矩形状あるいはU字状の溝
よりも作成が容易であり、太陽電池セルの作成コストを
低減することができる。さらに、V溝を形成することに
より、ここに形成される電極の面積が増加するので、電
極における抵抗を低減することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る太陽電池セルの実施形態1の断
面図である。
【図2】 V溝の深さと短絡電流密度との関係を示すグ
ラフ図である。
【図3】 V溝のピッチと短絡電流密度及びフィルファ
クターとの関係を示すグラフ図である。
【図4】 従来におけるリフトオフ法の説明図である。
【図5】 図1に示される実施形態1の太陽電池セルを
作成するためのリフトオフ法の説明図である。
【図6】 本発明に係る太陽電池セルの実施形態2の部
分断面図である。
【図7】 本発明に係る太陽電池セルの実施形態3の部
分平面図である。
【図8】 図7に示された実施形態3の太陽電池セルの
作成方法を示す説明図である。
【図9】 本発明に係る太陽電池セルの実施形態3の変
形例を示す部分平面図である。
【図10】 従来における裏面側に溝の形成された太陽
電池セルの部分断面図である。
【符号の説明】
10 結晶シリコン基板、12 p+ 型Si層、14
n+ 型Si層、16正電極、18 負電極、20 テク
スチャー構造、22 レジスト、24 チタンパラジウ
ム銀層、26 正極側バス電極、28 角穴、30 ア
ルミニウム膜、32 補強部。
フロントページの続き (72)発明者 長島 知理 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 結晶シリコン基板の表面側に受光面が形
    成され、裏面側にp+ 型シリコン(Si)層とn+ 型S
    i層とが交互に配設された太陽電池セルであって、結晶
    シリコン基板にp型Siを使用した場合には、前記n+
    型Si層が、結晶シリコン基板にn型Siを使用した場
    合には、前記p+ 型Si層が、結晶シリコン基板の裏面
    に設けられた断面三角形のV溝に形成されていることを
    特徴とする太陽電池セル。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の太陽電池セルにおいて、
    前記溝の深さが結晶シリコン基板の厚さの50〜90%
    であり、前記溝のピッチが結晶シリコン基板の厚さの5
    0〜150%であることを特徴とする太陽電池セル。
  3. 【請求項3】 結晶シリコン基板の表面側に受光面が形
    成され、裏面側にp+ 型Si層とn+ 型Si層とが交互
    に配設された太陽電池セルであって、前記n+ 型Si層
    の上部には結晶シリコン基板の受光面側から前記n+ 型
    Si層に向かって溝が形成されていることを特徴とする
    太陽電池セル。
  4. 【請求項4】 請求項1から請求項3のいずれか一項記
    載の太陽電池セルにおいて、正極側バス電極としてアル
    ミニウムをパターニングした上にチタン、パラジウム、
    銀の各層をこの順に積層したことを特徴とする太陽電池
    セル。
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