JPWO2012132834A1 - 太陽電池及び太陽電池の製造方法 - Google Patents

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Abstract

改善されたキャリア収集効率を有する太陽電池を提供する。太陽電池１は、一の導電型を有する半導体基板１０と、第１の半導体層１２ｎと、第２の半導体層１３ｐと、第１の電極１４と、第２の電極１５とを備えている。第１の半導体層１２ｎは、半導体基板１０の一の主面１０ｂの上に配されている。第１の半導体層１２ｎは、一の導電型を有する。第２の半導体層１３ｐは、半導体基板１０の一の主面１０ｂの上に配されている。第２の半導体層１３ｐは、他の導電型を有する。第１の電極１４は、第１の半導体層１２ｎに電気的に接続されている。第２の電極１５は、第２の半導体層１３ｐに電気的に接続されている。第２の半導体層１３ｐの厚みが第１の半導体層１２ｎの厚みよりも薄い。

Description

本発明は、太陽電池及び太陽電池の製造方法に関する。特に、本発明は、裏面接合型の太陽電池及びその製造方法に関する。
従来、裏面接合型の太陽電池が知られている（例えば、下記の特許文献１）。この裏面接合型の太陽電池では、受光面側に電極を設ける必要がない。このため、裏面接合型の太陽電池では、光の受光効率を高めることができる。従って、より改善された光電変換効率を実現し得る。
特開２００９−２００２６７号公報
裏面接合型の太陽電池では、光電変換効率をさらに改善するためには、少数キャリアの収集効率をさらに改善する必要がある。
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、改善されたキャリア収集効率を有する太陽電池を提供することにある。
本発明に係る太陽電池は、半導体基板と、第１の半導体層と、第２の半導体層と、第１の電極と、第２の電極とを備えている。半導体基板は、一の導電型を有する。第１の半導体層は、半導体基板の一の主面の上に配されている。第１の半導体層は、一の導電型を有する。第２の半導体層は、半導体基板の一の主面の上に配されている。第２の半導体層は、他の導電型を有する。第１の電極は、第１の半導体層に電気的に接続されている。第２の電極は、第２の半導体層に電気的に接続されている。第２の半導体層の厚みは、第１の半導体層の厚みよりも薄い。
本発明に係る太陽電池の製造方法は、一の導電型を有する半導体基板の一主面の一部の上に、一の導電型を有する第１の半導体層を形成する。第１の半導体層を含み、半導体基板の一主面の上に、他の導電型を有する半導体膜を形成する。半導体膜の第１の半導体層の上に位置している部分の少なくとも一部を除去することにより、第１の半導体層を露出させると共に、半導体膜から第２の半導体層を形成する。第１の半導体層の上に第１の電極を形成すると共に、第２の半導体層の上に第２の電極を形成する。第１の半導体層の厚みは、第１の半導体層の厚みよりも薄い。
本発明によれば、改善されたキャリア収集効率を有する太陽電池を提供することができる。
図１は、第１の実施形態における太陽電池の裏面側の略図的平面図である。 図２は、図１の線ＩＩ−ＩＩにおける略図的断面図である。 図３は、第１の実施形態における太陽電池の製造工程を表すフローチャートである。 図４は、第１の実施形態における太陽電池の製造工程を説明するための略図的断面図である。 図５は、第１の実施形態における太陽電池の製造工程を説明するための略図的断面図である。 図６は、第１の実施形態における太陽電池の製造工程を説明するための略図的断面図である。 図７は、第１の実施形態における太陽電池の製造工程を説明するための略図的断面図である。 図８は、第１の実施形態における太陽電池の製造工程を説明するための略図的断面図である。 図９は、第１の実施形態における太陽電池の製造工程を説明するための略図的断面図である。 図１０は、第１の実施形態における太陽電池の製造工程を説明するための略図的断面図である。
以下、本発明の好ましい実施形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる一例である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものである。図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
《第１の実施形態》
（太陽電池１の構成）
図１は、第１の実施形態における太陽電池の裏面側の略図的平面図である。図２は、図１の線ＩＩ−ＩＩにおける略図的断面図である。
太陽電池１は、裏面接合型の太陽電池である。なお、本実施形態の太陽電池１単体では、十分に大きな出力が得られない場合は、太陽電池１は、複数の太陽電池１が配線材により接続された太陽電池モジュールとして利用されることもある。
太陽電池１は、半導体材料からなる半導体基板１０を有する。半導体基板１０は、一の導電型を有する。すなわち、半導体基板１０は、ｎ型またはｐ型の導電型を有する。具体的には、本実施形態では、半導体基板１０は、ｎ型の結晶シリコンからなるウエハ状の基板により構成されている。結晶シリコンは、単結晶シリコン或いは多結晶シリコンを含む。なお、本発明に係る半導体基板はこれに限るものではない。半導体基板の導電型が、ｐ型であっても良い。また、半導体基板の材料は、ＧａＡｓやＩｎＰ等の化合物半導体であっても良い。半導体基板１０の厚みは、２０μｍ〜５００μｍであることが好ましく、５０μｍ〜３００μｍであることがより好ましい。
半導体基板１０は、受光面１０ａと、裏面１０ｂとを有する。裏面１０ｂの一部分の上には、半導体層１２と、半導体層１３とが配されている。
半導体層１２は、半導体基板１０と同じ導電型のｎ型半導体層１２ｎと、ｉ型半導体層１２ｉとを有する。ｎ型半導体層１２ｎは、ｎ型のドーパントを含む半導体層である。ｎ型半導体層１２ｎは、例えば、ｎ型ドーパントを含むアモルファスシリコンにより構成することができる。ｎ型半導体層１２ｎの厚みは、２ｎｍ〜５０ｎｍであることが好ましく、４ｎｍ〜３０ｎｍであることがより好ましい。ｎ型半導体層１２ｎは、半導体基板１０との間で、受光により半導体基板１０内で発生したキャリアのうちｎ型半導体層１２ｎ側へ拡散する少数キャリアを半導体基板１０側へ押し戻すための電界を形成する。
ｉ型半導体層１２ｉは、ｎ型半導体層１２ｎと裏面１０ｂとの間に配されている。ｉ型半導体層１２ｉは、例えば、ｉ型アモルファスシリコンにより構成することができる。ｉ型半導体層１２ｉの厚みは、発電に実質的に寄与しない程度の厚みである限りにおいて特に限定されない。ｉ型半導体層１２ｉの厚みは、例えば、数Å〜２５０Å程度とすることができる。
半導体層１２ｎ、１２ｉのそれぞれは、水素を含むことが好ましい。
半導体層１３は、半導体基板１０とは異なる導電型のｐ型半導体層１３ｐと、ｉ型半導体層１３ｉとを有する。ｐ型半導体層１３ｐは、ｐ型のドーパントを含む半導体層である。ｐ型半導体層１３ｐは、例えば、ｐ型のドーパントを含むアモルファスシリコンにより構成することができる。ｐ型半導体層１３ｐの厚みは、１ｎｍ〜４０ｎｍであることが好ましく、２ｎｍ〜２０ｎｍであることがより好ましい。ｐ型半導体層１３ｐは、半導体基板１０との間で、受光により半導体基板１０内で発生したキャリアを分離するための電界を形成する。
ｉ型半導体層１３ｉは、ｐ型半導体層１３ｐと裏面１０ｂとの間に配されている。ｉ型半導体層１３ｉは、例えば、ｉ型アモルファスシリコンにより構成することができる。ｉ型半導体層１３ｉの厚みは、発電に実質的に寄与しない程度の厚みである限りにおいて特に限定されない。ｉ型半導体層１３ｉの厚みは、例えば、数Å〜２５０Å程度とすることができる。
半導体層１３ｐ、１３ｉのそれぞれは、水素を含んでいることが好ましい。半導体層１３ｐ、１３ｉが水素を含む場合、半導体層１３ｐ、１３ｉにおける水素濃度は、半導体層１２ｎ、１２ｉにおける水素濃度よりも低いことが好ましい。
なお、本発明において、「ｎ型半導体層」とは、ｎ型ドーパントの含有率が５ｘ１０１９ｃｍ−３以上である半導体層をいう。
「ｐ型半導体層」とは、ｐ型ドーパントの含有率が５ｘ１０１９ｃｍ−３以上である半導体層をいう。
「ｉ型半導体層」とは、ｎ型ドーパント若しくはｐ型ドーパントの含有率が１ｘ１０１９ｃｍ−３未満である半導体層をいう。
半導体層１２と半導体層１３とのそれぞれは、一の方向（ｙ方向）に沿って延びる複数の線状部１２ａ、１３ａを有する。複数の線状部１２ａ、１３ａは、一の方向と直交する他の方向（ｘ方向）に沿って交互に配列されている。ｘ方向に隣り合う線状部１２ａと線状部１３ａとは、接触している。すなわち、本実施形態では、裏面１０ｂの実質的に全体が半導体層１２，１３によって覆われている。なお、半導体層１２の線状部１２ａの幅（＝ｘ方向において隣り合う半導体層１３の線状部１３ａ間の間隔）Ｗ１と、半導体層１３の線状部１３ａの幅（＝ｘ方向において隣り合う半導体層１２の線状部１２ａ間の間隔）Ｗ２とのそれぞれは、５０μｍ〜２０００μｍであることが好ましく、１００μｍ〜１０００μｍであることがより好ましい。
線状部１２ａのｘ方向における中央部を除く両端部の上には、絶縁層１８が形成されている。線状部１２ａのｘ方向における中央部は、絶縁層１８から露出している。この絶縁層１８により、半導体層１２のｘ方向における端部と半導体層１３のｘ方向における端部とが厚み方向（ｚ方向）に隔離されている。
絶縁層１８のｘ方向における幅Ｗ３は特に限定されず、例えば、幅Ｗ１の約１／３程度とすることができる。また、絶縁層１８間のｘ方向における間隔Ｗ４も特に限定されず、例えば、幅Ｗ１の約１／３程度とすることができる。
絶縁層１８の材質は、特に限定されない。絶縁層１８は、例えば、ＳｉＯ２などの酸化ケイ素、ＳｉＮなどの窒化ケイ素、ＳｉＯＮなどの酸窒化ケイ素により形成することができる。また、絶縁層１８は、酸化チタンや酸化タンタルなどの金属酸化物により形成することもできる。なかでも、絶縁層１８は、窒化ケイ素により形成されていることが好ましい。また、絶縁層１８は、水素を含んでいることが好ましい。
半導体基板１０の受光面１０ａの上には、半導体基板１０と同じ導電型のｎ型半導体層１７ｎが配されている。ｎ型半導体層１７ｎは、ｎ型のドーパントを含む半導体層である。ｎ型半導体層１７ｎは、例えば、ｎ型ドーパントを含むアモルファスシリコンにより構成することができる。なお、ｎ型半導体層１７ｎの厚みは、２ｎｍ〜５０ｎｍであることが好ましく、５ｎｍ〜３０ｎｍであることがより好ましい。
受光面１０ａとｎ型半導体層１７ｎとの間には、ｉ型半導体層１７ｉが配されている。ｉ型半導体層１７ｉは、例えば、ｉ型アモルファスシリコンにより構成することができる。ｉ型半導体層１７ｉの厚みは、発電に実質的に寄与しない程度の厚みである限りにおいて特に限定されない。ｉ型半導体層１７ｉの厚みは、例えば、数Å〜２５０Å程度とすることができる。
半導体層１７ｎの上には、反射防止膜としての機能と保護膜としての機能とを兼ね備えた絶縁層１６が形成されている。絶縁層１６は、例えば、ＳｉＯ２などの酸化ケイ素、ＳｉＮなどの窒化ケイ素、ＳｉＯＮなどの酸窒化ケイ素により形成することができる。絶縁層１６の厚みは、付与しようとする反射防止膜の反射防止特性などに応じて適宜設定することができる。絶縁層１６の厚みは、例えば８０ｎｍ〜１μｍ程度とすることができる。
なお、受光面１０ａ上には金属層の遮光物を設けない。これにより、受光面１０ａ全面での受光が可能となる。
半導体層１２の上には、ｎ側電極１４が配されている。ｎ側電極１４は、半導体層１２に電気的に接続されている。一方、半導体層１３の上には、ｐ側電極１５が配されている。ｐ側電極１５は、半導体層１３に電気的に接続されている。ｎ側電極１４とｐ側電極１５とは、絶縁層１８上で電気的に分離されている。なお、絶縁層１８の上における電極１４と電極１５との間の間隔Ｗ５は、例えば、幅Ｗ３の１／３程度とすることができる。
本実施形態では、ｎ側電極１４とｐ側電極１５とのそれぞれは、バスバー及び複数のフィンガーを含むくし歯状に形成されている。もっとも、ｎ側電極１４とｐ側電極１５とのそれぞれは、複数のフィンガーのみにより構成されており、バスバーを有さない所謂バスバーレス型の電極であってもよい。
電極１４，１５は、例えば、Ｃｕ，Ａｇなどの金属や、それらの金属のうちの一種以上を含む合金により形成することができる。また、電極１４，１５は、例えば、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などのＴＣＯ（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｏｘｉｄｅ：透光性導電酸化物）等により形成することもできる。電極１４，１５は、上記金属、合金またはＴＣＯからなる複数の導電層の積層体により構成されていてもよい。電極１４，１５がＴＣＯ層を含む場合、ＴＣＯ層は半導体層１２，１３と接触して設けることが好ましい。
本実施形態では、ｎ型の半導体基板１０と異なる導電型（ｐ型）を有するｐ型半導体層１３ｐが、半導体基板１０と同じ導電型（ｎ型）を有するｎ型半導体層１２ｎよりも薄い。すなわち、ｐ型半導体層１３ｐが相対的に薄く、ｎ型半導体層１２ｎが相対的に厚い。このため、相対的に厚いｎ型半導体層１２ｎによって少数キャリア（ホール）の再結合による消失が効果的に抑制される。また、相対的に厚いｎ型半導体層１２ｎにより形成される電界強度が強いため、ホールがｐ側電極１５側に効率的に誘導される。また、ｐ型半導体層１３ｐが相対的に薄いため、半導体基板１０とｐ側電極１５との間の電気抵抗が低い。よって改善された収集効率を実現することができる。その結果、改善された光電変換効率を得ることができる。
また、本実施形態では、半導体層１２の線状部１２ａのｘ方向に沿った幅（Ｗ１）が、半導体層１３の線状部１３ａのｘ方向に沿った幅（Ｗ２）よりも小さい。このため、半導体層１２の線状部１２ａのｘ方向に沿った幅（Ｗ１）が狭い。よって、半導体基板１０の半導体層１２の下方において生成したホールがｐ側電極１５により収集されるまでに移動しなければならない距離が短い。従って、より改善された収集効率を実現することができる。
さらに、本実施形態では、ｎ型半導体層１２ｎが水素を含む。このため、ｎ型半導体層１２ｎのバンドギャップが大きい。よって、ｎ型半導体層１２ｎによるホールの再結合の抑制効果が高い。従って、さらに改善された収集効率を実現することができる。
さらに、本実施形態では、ｎ型半導体層１２ｎと半導体基板１０との間に、ｉ型半導体層１２ｉが配されている。このため、半導体基板１０のｎ型半導体層１２ｎの下方におけるホールの再結合がより効果的に抑制されている。従って、さらに改善された収集効率を実現することができる。
さらに、本実施形態では、ｉ型半導体層１２ｉが水素を含む。このため、ｉ型半導体層１２ｉのバンドギャップが大きい。よって、ｉ型半導体層１２ｉによるホールの再結合の抑制効果が高い。従って、さらに改善された収集効率を実現することができる。
また、ｐ型半導体層１３ｐと半導体基板１０との間に、ｉ型半導体層１３ｉが配されている。このため、キャリアの再結合をより効果的に抑制することができる。但し、このｉ型半導体層１３ｉは、ｉ型半導体層１２ｉよりも薄い。よって、半導体基板１０とｐ側電極１５との間の電気抵抗の増大が抑制されている。従って、さらに改善された収集効率を実現することができる。
次に、図３〜図１０を主として参照しながら、本実施形態の太陽電池１の製造方法について説明する。
まず、半導体基板１０を用意する。次に、ステップＳ１において、半導体基板１０の受光面１０ａ及び裏面１０ｂの洗浄を行う。半導体基板１０の洗浄は、例えば、ＨＦ水溶液などを用いて行うことができる。この工程において半導体基板１０の受光面１０ａに、アルカリエッチング、酸エッチング及びドライエッチング等の方法によりテクスチャ構造を形成する。この際、裏面１０ｂに形成するテクスチャ構造は、受光面１０ａに設けるテクスチャ構造より小さくする。または、裏面１０ｂにはテクスチャ構造を設けない。
次に、ステップＳ２において、半導体基板１０の受光面１０ａの上に半導体層１７ｉと半導体層１７ｎとを形成すると共に、裏面１０ｂの上にｉ型非晶質半導体膜２１とｎ型非晶質半導体膜２２とを形成する。
半導体層１７ｉ，１７ｎ及び半導体膜２１，２２のそれぞれの形成方法は、特に限定されない。半導体層１７ｉ，１７ｎ及び半導体膜２１，２２は、例えば、プラズマＣＶＤ法等のＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やスパッタリング法等の薄膜形成法により形成することができる。
次に、ステップＳ３において、半導体層１７ｎの上に絶縁層１６を形成すると共に、半導体膜２２の上に絶縁層２３を形成する。なお、絶縁層１６，２３の形成方法は特に限定されない。絶縁層１６，２３は、例えば、スパッタリング法やＣＶＤ法等の薄膜形成法などにより形成することができる。
次に、ステップＳ４において、絶縁層２３をエッチングすることにより、絶縁層２３の一部分を除去する。具体的には、絶縁層２３のうち、後の工程で半導体基板１０にｐ型半導体層を接合させる領域の上に位置する部分を除去する。これにより、絶縁層２３ａを形成する。なお、絶縁層２３のエッチングは、絶縁層２３が酸化シリコン、窒化シリコンまたは酸窒化シリコンからなる場合は、例えば、ＨＦ水溶液等の酸性のエッチング液を用いて行うことができる。
次に、ステップＳ５において、絶縁層２３ａをマスクとして用いて、半導体膜２１と半導体膜２２とを、エッチングすることにより、半導体膜２１及び半導体膜２２の絶縁層２３ａにより覆われている部分以外の部分を除去する。これにより、裏面１０ｂのうち、上方に絶縁層２３ａが位置していない部分を露出させると共に、半導体膜２１，２２から、半導体層１２ｉ，１２ｎを形成する。半導体膜２１と半導体膜２２のエッチングには、例えばアルカリ性のエッチング液を用いて行うことができる。
次に、ステップＳ６において、ｎ型半導体層１２ｎの上を含み、裏面１０ｂを覆うように、ｉ型非晶質半導体膜２４とｐ型非晶質半導体膜２５とをこの順番で順次形成する。非晶質半導体膜２４，２５の形成方法は特に限定されない。半導体膜２４，２５は、例えば、スパッタリング法やＣＶＤ法などの薄膜形成法により形成することができる。
次に、ステップＳ７において、半導体膜２４，２５の絶縁層２３ａの上に位置している部分の一部分をエッチングする。これにより、非晶質半導体膜２４，２５から半導体層１３ｉ，１３ｐを形成する。半導体膜２４，２５のエッチングは、例えば、ＮａＯＨ水溶液などを用いて行うことができる。
次に、ステップＳ８において絶縁層２３ａのエッチングを行う。具体的には、半導体層１２ｉ，１２ｎの上からエッチングすることにより、絶縁層２３ａの露出部を除去する。これにより、半導体層１２ｎを露出させると共に、絶縁層２３ａから絶縁層１８を形成する。絶縁層２３ａのエッチングは、例えば、ＨＦ水溶液などを用いて行うことができる。
次に、ステップＳ９において、半導体層１２ｎ及び半導体層１３ｐのそれぞれの上に電極１４，１５を形成する電極形成工程を行うことにより、太陽電池１を完成させることができる。
このように、本実施形態では、相対的に薄いｐ型半導体層１３ｐを、相対的に厚いｎ型半導体層１２ｎを形成した後に形成する。半導体層上に絶縁層２３を形成する際に、半導体層表面に酸化層や窒化層などの変質層が形成される可能性がある。変質層による悪影響は、厚みが薄いほど大きい。そこで、本発明では相対的に薄いｐ型半導体層１３ｐを、相対的に厚いｎ型半導体層１２ｎを形成した後に形成している。これにより、相対的に薄いｐ型半導体層１３ｐへの変質層による悪影響を低減することができる。この結果、より高い光電変換効率を得ることができる。
なお、本発明はここでは記載していない様々な実施形態を含む。例えば、半導体基板はｐ型であってもよい。その場合は、半導体基板とは異なる導電型を有するｎ型半導体層の厚みを、半導体基板と同じ導電型を有するｐ型半導体層の厚みよりも薄くする必要がある。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
１…太陽電池
１０…半導体基板
１２，１３…半導体層
１２ａ、１３ａ…線状部
１２ｉ、１３ｉ…ｉ型半導体層
１２ｎ…ｎ型半導体層
１３ｐ…ｐ型半導体層
１４…ｎ側電極
１５…ｐ側電極

Claims (7)

  1. 一の導電型を有する半導体基板と、
    前記半導体基板の一の主面の上に配されており、一の導電型を有する第１の半導体層と、
    前記半導体基板の一の主面の上に配されており、他の導電型を有する第２の半導体層と、
    前記第１の半導体層に電気的に接続されている第１の電極と、
    前記第２の半導体層に電気的に接続されている第２の電極と、
    を備え、
    前記第２の半導体層の厚みが前記第１の半導体層の厚みよりも薄い、太陽電池。
  2. 前記第１及び第２の半導体層のそれぞれは、複数の線状部を有し、
    前記第１の半導体層の線状部の幅は、前記第２の半導体層の線状部の幅よりも小さい、請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記第１の半導体層は、水素を含む、請求項１または２に記載の太陽電池。
  4. 前記第１の半導体層と前記半導体基板との間に配されている第１のｉ型半導体層をさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽電池。
  5. 前記第２の半導体層と前記半導体層との間に配されている第２のｉ型半導体層をさらに備え、
    前記第２のｉ型半導体層は、前記第１のｉ型半導体層よりも薄い、請求項４に記載の太陽電池。
  6. 前記半導体基板の他主面が受光面である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の太陽電池。
  7. 一の導電型を有する半導体基板の一主面の一部の上に、一の導電型を有する第１の半導体層を形成する工程と、
    前記第１の半導体層を含み、前記半導体基板の一主面の上に、他の導電型を有する半導体膜を形成する工程と、
    前記半導体膜の前記第１の半導体層の上に位置している部分の少なくとも一部を除去することにより、前記第１の半導体層を露出させると共に、前記半導体膜から前記第２の半導体層を形成する工程と、
    前記第１の半導体層の上に前記第１の電極を形成すると共に、前記第２の半導体層の上に前記第２の電極を形成する工程と、
    を備え、
    前記第１の半導体層の厚みは、前記第１の半導体層の厚みよりも薄い、太陽電池の製造方法。
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