JPWO2013125036A1 - 光起電力素子 - Google Patents

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Abstract

第１主面と第２主面とを有する結晶系半導体基板（シリコン基板）１０１の前記第１主面側に凹部１１５と凸部１１６とが形成され、前記凹部１１５の底部および側面の表面に、誘電体膜または真性半導体膜（真性半導体層）１０５Ｌと、第１導電型を有するアモルファス膜からなる第１半導体層（ｎ型半導体層）１０２と、第１電極（電流取り出し電極、集電電極）１１０，１１１とがこの順で積層され、前記凸部１１６の表面に、誘電体膜または真性半導体膜（真性半導体層）１０５Ｈと、第２導電型を有するアモルファス膜からなる第２半導体層（ｐ型半導体層）１０４と、第２電極（電流取り出し電極、集電電極）１２０，１２１とがこの順で積層され、前記凹部の表面が前記基板の前記第２主面に対して傾斜した面を含んで構成される。

Description

本発明は、光起電力素子およびその製造方法、光起電力モジュールに関する。
現在一般的な太陽電池は、半導体基板の両面に電極を配置し、これらの電極間で起電力を発生させている場合が多い。しかし、このような構造の場合は半導体基板の両面に電極があるため、受光面では電極が光の入射を妨げてしまい、発電出力が低下する、という問題があった。そこで、特許文献１に開示されているように、電極を半導体基板内に埋め込むことによって電極によって生じる非受光領域（影）を低減するという方法が知られている。特に、影面積を低減できると共に半導体基板と電極との接触面積を大きくすることができるため、電極と半導体基板との間の接触抵抗を小さくすることができる。
また、特許文献２および特許文献３に開示された裏面電極型太陽電池は、正極と負極の電極を両方とも半導体基板の裏面に配置することにより受光面電極を無くし、受光面電極によって生じる影を無くすことができ、また電極を太くすることができる。このため、発電能力に優れた太陽電池を得ることができる。
米国特許第４７２６８５０号明細書 特開２０１０−１４７３２４号公報 特開２００５−１０１２４０号公報 特許第３２７１９９０号明細書
Takahiro Mishima, Mikio Taguchi, Hitoshi Sakata, Eiji Maruyama, "Development Status of high-efficiency HIT solar cells", Solar Energy Materials and Solar cells, vol95, issur1, January 2011, pp.18−21 Meijun Lu, Ujjwal Das, Stuart Bowden, Steven Hegedus, Robert Birkmire, "Optimization of interdigitated back contact silicon heterojunction solar cells by two-dimensional numerical simulation", Institute of Energy Conversion, University of Delaware, Newark, DE 19716 U.S.A. Philadelphia IEEE photovoltaic Specialists conference, 2009 34th, pp.1475-1480
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、受光面電極の電極影による太陽電池出力の低下や電極断面積の不足によって生じる電極抵抗増大に伴う太陽電池出力の低下が生じてしまい、十分な太陽電池特性が得られない、という問題点があった。
また、特許文献２や特許文献３に記載の方法では、全ての電極を受光面の逆（裏面）側に配置するため受光面電極によって生じる影を無くすことができ、電極を太くすることによる太陽電池特性の向上が期待できる。しかしながら、裏面において半導体基板と同じ伝導型層が形成された領域に光が入射した場合は、その領域の半導体基板の厚み方向にはｐｎ接合がないため光生成した少数キャリア（ｎ型基板の場合は正孔）はｐｎ接合部まで拡散する必要があり、拡散する間に再結合により電流が失われると共に、キャリアは半導体基板の厚み方向のみならず半導体基板の平行方向に伝導する必要があるため抵抗が大きくなり、発電効率を向上させるのが難しいという問題があった。
また、特許文献４に示されるように太陽電池への光取り込み効率を向上させるために太陽電池の受光面側にテクスチャを形成し、その上にパッシベーション膜を形成した場合は、その凹凸のアスペクト比により凸部と凹部とでパッシベーション膜の厚みが変化し、膜厚の均一性が低下するため、光電変換効率が低下するという問題があった。
また、特に半導体基板への不純物拡散によってｐｎ接合が形成される、拡散接合による裏面接合型太陽電池においては半導体基板内に高濃度に不純物が拡散された導電層が形成されるため横方向の導電が容易であるのに対し、ヘテロ接合型太陽電池においてはキャリア濃度が高いのは半導体基板の外の半導体層や電流取り出し電極部である。すなわち、ヘテロ接合型太陽電池においては半導体基板内に高濃度の不純物層が無く、拡散接合によって形成される太陽電池に比べて低濃度の不純物が半導体基板内に比較的均一に存在している。このため、半導体基板中の横方向のキャリア伝導は抵抗が大きく、発電効率を向上させるのが難しい、という問題があった。
表面のパッシベーション能力に優れた膜により半導体基板をパッシベーションした場合は、光生成したキャリアの半導体中での再結合速度が小さい。このため、半導体中の正孔と電子の密度を高くすることができ、これらの大きなキャリア密度差によって、生じる起電力を大きくすることができ、高い発電効率を得ることができる。
しかし、半導体基板中に伝導キャリア密度が増大する不純物が高濃度に存在している場合は、励起キャリアが前記伝導キャリアと再結合してしまうため太陽電池の光電変換効率が低下してしまう。このため、ヘテロ接合太陽電池においても横方向の伝導性を向上させるために不純物を高濃度にドーピングすると、基板と平行な方向の導電性は向上して集電抵抗は減少するものの、不純物をドーピングした部分での再結合が増大し、ヘテロ接合による利点である高い電圧が得られなくなり、太陽電池出力の向上に限界があるという問題があった。その一方で、半導体基板中の不純物濃度がすべての領域で低い場合は、伝導キャリア密度が低いために半導体基板中のキャリア移動による抵抗損失が大きくなり、基板横（平行）方向へのキャリアの伝導が必要な裏面電極型太陽電池では光電変換効率が低くなる、という問題があった。
また、半導体基板の両面に電極を形成する一般的な太陽電池では、ｐｎ接合と裏面電界層（ＢＳＦ：Back Surface Field）とが異なる面に形成され、両者とも拡散層によって形成されるため接合面積は大きく、不純物濃度も高い。また、高抵抗な基板内をキャリアが移動する距離もほぼ基板の厚み分だけである。このため、一方の電極から他方の電極へ電流が流れる際の抵抗損失は小さい。
これに対して、ヘテロ接合太陽電池では上述のように半導体基板中に高濃度の不純物添加領域を形成することができないため、半導体基板と接合を形成する半導体層との間の抵抗が大きい。また、両面に電極があるヘテロ接合太陽電池では両面に半導体接合を形成することができるのに対して、裏面電極型太陽電池では、半導体基板の主面の内一つの面にしか電極が形成できないため、半導体接合面積は両面へテロ接合太陽電池に比べて半分程度になり、この結果として半導体層と半導体基板との間、および透明導電電極と半導体層との間の抵抗が大きくなる。また、キャリアは一方の電極から他方の電極まで基板内を基板と平行方向に伝導する必要があるため、電極間の距離に依存して導電抵抗が大きくなる。これらの結果として、一方の電極から他方の電極へ電流が流れる際の抵抗損失が大きくなり、ヘテロ接合を用いた裏面電極型太陽電池では光電変換効率が低くなる、という問題があった。
また、一般的に、ｐ型層と半導体基板界面、ｎ型層と半導体基板界面、半導体基板内、では再結合速度が大きく異なる場合が多く、この場合、最も再結合速度が大きい部位に依存して太陽電池性能が決まってくる。パッシベーション能力の高いパッシベーション膜を用いたヘテロ接合太陽電池の場合、半導体基板内よりもパッシベーション膜と基板との界面の再結合速度を小さくすることが可能であるため、１００マイクロメートル程度の比較的薄い基板の方が２００マイクロメートル程度の厚い基板よりも高い開放電圧が得られることが知られている。その一方で半導体基板が１５０マイクロメートル程度以下まで薄くなってくると光吸収が十分に行えず、短絡電流が減少していくため光電変換効率としては低下していくという問題があった。この結果、光電変換効率が極大となる厚みと開放電圧が極大となる厚みには差が生じていた。
これはパッシベーション能力に優れたヘテロ接合を用いた裏面接合太陽電池構造の場合にも同様であり、特に裏面に基板と同型の導電層が設けられた部分では、半導体基板内で光生成した少数キャリアはもう一方の導電型の導電層によって形成されるヘテロ接合まで拡散していく必要があるため、再結合速度が低いことが好ましい。一方で、基板内部での再結合を低減するために基板厚みが薄くなると、基板とは異なる導電型の導電層が設けられた部分に対応する基板内領域（少数キャリアが基板の横方向に拡散する必要がなく、半導体基板内での再結合電流が比較的小さい領域）においても光吸収量が低下し短絡電流が減少するため、光電変換効率としては低下していくという問題があった（例えば、非特許文献１参照）。
具体的には、ｎ型基板を用いた単結晶シリコン太陽電池の場合、上述のように、ｎ層が形成される領域ではｐ型層が形成された領域よりも基板内での再結合電流が大きくなりやすいため、裏面接合太陽電池構造では、一般的にｎ型層が形成される面積はｐ型層が形成される面積よりも小さくした方が光電変換効率を高くすることができる（例えば、非特許文献２参照）。このため、ｎ型層形成領域における基板内の再結合を低減するために基板厚を薄くすると受光面に対する投影面積がより大きいｐ型層領域の基板厚みが減り、電流が低下してしまう、という問題があった。
また、ｎ型層形成領域の面積はｐ型層形成領域よりも面積が小さいため、ｎ型層形成領域と基板の間およびｎ型層形成領域と集電電極間の抵抗は、ｐ型層形成領域と基板の間およびｐ型層形成領域と集電電極間の抵抗よりも大きくなり、ｎ型層形成領域が抵抗のボトルネックとなりやすいという問題があった。特にヘテロ接合太陽電池では基板とドープ層との間に絶縁層を有する場合が多いため、基板とドープ層との間の抵抗が大きくなりやすく、面積の小さいｎ層側の抵抗が問題となっていた。
また、裏面電極型太陽電池の同一主面において、原料を堆積して膜を形成する方法によりｐ型半導体とｎ型半導体を形成した場合、裏面のｐ型半導体膜とｎ型半導体膜が重なる部分では効率良く電流を取り出すことができなくなるため、重なり部分が小さいことが好ましい。その一方で、ｐ型半導体膜とｎ型半導体膜が離れて存在する場合は、これらの間の領域には電界層が存在しないためキャリアの再結合速度が増大し、太陽電池出力が低下する、という問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、半導体基板中でのキャリアの伝導距離が短く、キャリア移動による抵抗が低減され、かつ、半導体基板中でのキャリアの再結合が低減された光電変換効率に優れたヘテロ接合裏面電極型の構造を有する光起電力素子およびその製造方法、光起電力モジュールを得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる光起電力素子は、第１主面と第２主面とを有する結晶系半導体基板の前記第１主面側に凹部と凸部とが形成され、前記凹部の表面に、誘電体膜または真性半導体膜と、第１導電型を有するアモルファス膜からなる第１半導体層と、第１電極とがこの順で積層され、前記凸部の表面に、誘電体膜または真性半導体膜と、第２導電型を有するアモルファス膜からなる第２半導体層と、第２電極とがこの順で積層され、前記凹部の表面が前記基板の前記第２主面に対して傾斜した面を含んで構成されること、を特徴とする。
本発明によれば、半導体基板中でのキャリアの伝導距離が短く、キャリア移動による抵抗が低減され、かつ、半導体基板中でのキャリアの再結合が低減された光電変換効率に優れたヘテロ接合裏面電極型の構造を有する光起電力素子が得られる、という効果を奏する。
図１−１は、本発明の実施の形態１にかかる光起電力素子であるヘテロ接合裏面電極型太陽電池の全体構成の一例を模式的に示す平面図である。 図１−２は、本発明の実施の形態１にかかる光起電力素子であるヘテロ接合裏面電極型太陽電池の全体構成の一例を模式的に示す平面図である。 図１−３は、図１−１の線分Ａ−Ｂにおける要部拡大断面図である。 図１−４は、実施の形態１にかかる太陽電池の変形例を示す要部拡大断面図である。 図２は、従来のヘテロ接合裏面電極型の太陽電池の要部拡大断面図である。 図３−１は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図３−２は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図３−３は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図３−４は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図３−５は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図３−６は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図３−７は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図３−８は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図３−９は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図３−１０は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図３−１１は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図３−１２は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図３−１３は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図３−１４は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図３−１５は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図４は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池の構成の一例を模式的に示す要部断面図である。 図５−１は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図５−２は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図５−３は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図５−４は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図５−５は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図５−６は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図５−７は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図５−８は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図５−９は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図５−１０は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図５−１１は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図５−１２は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図５−１３は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図６は、本発明の実施の形態３にかかる太陽電池の構成の一例を模式的に示す要部断面図である。 図７−１は、本発明の実施の形態３にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図７−２は、本発明の実施の形態３にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図７−３は、本発明の実施の形態３にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図７−４は、本発明の実施の形態３にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図７−５は、本発明の実施の形態３にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図７−６は、本発明の実施の形態３にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図７−７は、本発明の実施の形態３にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図７−８は、本発明の実施の形態３にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図７−９は、本発明の実施の形態３にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図７−１０は、本発明の実施の形態３にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図７−１１は、本発明の実施の形態３にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図７−１２は、本発明の実施の形態３にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図７−１３は、本発明の実施の形態３にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図７−１４は、本発明の実施の形態３にかかる太陽電池の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。 図８は、本発明の実施の形態３にかかる太陽電池内における光路を模式的に示す要部断面図である。 図９は、本発明の実施の形態３にかかる他の太陽電池の一部を模式的に示した要部斜視図である。 図１０は、本発明の実施の形態３にかかる他の太陽電池における表面テクスチャの作製方法の一例を模式的に示す要部斜視図である。 図１１は、本発明の実施の形態３にかかる他の太陽電池における表面テクスチャの作製方法の一例を模式的に示す要部斜視図である。 図１２は、本発明の実施の形態４にかかる太陽電池の構成の一例を模式的に示す要部断面図である。 図１３は、本発明の実施の形態４にかかる太陽電池の構成の一例を模式的に示す要部断面図である。 図１４は、本発明の実施の形態４にかかる太陽電池の構成の一例を模式的に示す要部断面図である。
以下に、本発明にかかる光起電力素子およびその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態では単結晶シリコン太陽電池を例に挙げて説明するが、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、例えば光吸収層として多結晶シリコンを用いるなど適宜変更可能である。また、以下の説明で用いられる断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。各図面間においても同様である。また、平面図であっても、図面を見易くするためにハッチングを付す場合がある。
実施の形態１．
図１−１〜図１−３は、この発明の実施の形態１にかかる光起電力素子であるヘテロ接合裏面電極型太陽電池の全体構成の一例を模式的に示す図である。図１−１は受光面（光入射面）と反対側の面（以下、裏面と呼ぶ）側から見た平面図、図１−２は図１−１において集電電極部分を除いた平面図である。図１−３は、図１−１の線分Ａ−Ｂにおける要部拡大断面図である。また、比較のために従来の構成のヘテロ接合裏面電極型太陽電池の要部拡大断面図を図２に示す。なお、本実施の形態では、半導体基板と同じ伝導型の半導体膜を凹部に形成する場合について述べる。このような構造は、半導体基板と同じ導電型の凹部の半導体膜との界面の実効再結合速度が、半導体基板凹部のバルクの実効再結合速度に比べて小さい場合に特に有効であり、凹部での光吸収量が低減するものの、全体としての再結合が低減されることによる光電変換効率の向上が期待できる。特に表面パッシベーション能力が高い、最適化されたアモルファスシリコンによる単結晶シリコン基板のパッシベーションでは、このような状況となるため、ヘテロ接合を用いた裏面接合太陽電池構造の場合は、特に有効である。また、半導体基板に凹部を形成することにより、光吸収層としての半導体基板の厚みが減ることになり、光吸収量が減少する。しかし、凹部の内部表面を受光面に対して斜面を含むように形成することより、光吸収量の減少量を低減することができ、光電変換効率に優れた太陽電池を得ることができる。凹部が底面と側面とで構成される場合は側面のみが受光面に対して傾斜していてもよく、底面及び側面がともに傾斜しているとさらに好ましい。なお、受光面に微細な凹凸が形成されている場合、それらの高さを平均して得られる面を受光面の主面として、凹部の内面がその主面に対して斜面を含んでいればよい。
この太陽電池１００においては、半導体基板としての結晶系のｎ型シリコン基板１０１（以下、シリコン基板１０１という場合がある）の受光面側（以下、表面側と呼ぶ場合がある）には、凹凸を有するテクスチャ構造が表面での光反射を低減する目的で形成されている。ｎ型シリコン基板１０１の受光面側には、ｎ型シリコン基板１０１よりもｎ型不純物濃度が高い領域であるｎ型拡散層１０７により、表面側で生じた少数キャリア（この場合には正孔）を表面側へと向かわせるＦＳＦ（Front Surface Field）と呼ばれる表面電界層が形成される。
また、受光面側のｎ型拡散層１０７の上面には、受光面側のシリコン表面でのキャリアの再結合を防ぐ目的で真性半導体層あるいは誘電体層１０６が形成されており、これがパッシベーション膜として機能している。また、この膜に積層してシリコン基板１０１の受光面への入射光の反射を防止する反射防止膜１０３が形成されている。ここで、例えばアモルファスシリコン膜においては、意図的に不純物を導入しない場合はｐ型の伝導を示すが、一般的にはこれも真性半導体に含まれる。そこで、本明細書中では、このような不純物を意図的に導入しない（不純物材料を添加しない）半導体を真性半導体とする。
一方、ｎ型シリコン基板１０１の裏面には、櫛歯状に凹部１１５が設けられ、この凹部１１５の底面と側面には真性半導体層１０５Ｌが形成される。そして、ｎ型シリコン基板１０１の裏面において凹部１１５に対して相対的に凸部となった凸部１１６の領域上には真性半導体層１０５Ｈが形成される。なお、以下では、真性半導体層１０５Ｌと真性半導体層１０５Ｈとを総称して真性半導体層１０５と呼ぶ場合がある。凹部１１５の幅は、一例として、たとえば１０〜１００μｍ程度であり、凸部１１６の幅は、たとえば４０〜４００μｍ程度である。ここで、電極形状としては、裏面接合型太陽電池に一般的な櫛歯型の電極パターンを用いるために凹凸部も櫛歯がかみ合った形としたが、そのほかの形状としても良い。
凹部１１５の真性半導体層１０５Ｌ上には、ｎ型不純物を含むアモルファスシリコン膜からなるｎ型半導体層１０２が局所的に形成され、基板裏面側に流れてきた少数キャリア（この場合には正孔）が界面で再結合を防ぐ電界層を形成する。凸部１１６の真性半導体層１０５Ｈ上には、ｐ型不純物を含むアモルファスシリコン膜からなるｐ型半導体層１０４が形成され、内部光電効果により生成したキャリアを分離するための電界層（半導体ｐｎ接合）が形成される。
このように構成された太陽電池１００では、太陽光が太陽電池１００の受光面側（ｎ型シリコン基板１０１におけるｎ型拡散層１０７側）から照射されると、ｎ型シリコン基板１０１内に正孔と電子とが生成する。光吸収によって生成したキャリアは拡散あるいはドリフトしていき、電子は凹部１１５のｎ型半導体層１０２に蓄積し、正孔はｐ型半導体層１０４に蓄積する。これにより、ｎ型半導体層１０２に電子が過剰となり、ｐ型半導体層１０４に正孔が過剰となり、光起電力が発生する。この結果、ｎ型半導体層１０２に接して形成される電流取り出し電極１１０および集電電極１１１がマイナス極となり、裏面のｐｎ接合を形成するｐ型半導体層１０４に接続した裏面の電流取り出し電極１２０および集電電極１２１がプラス極となり、図示しない外部回路に電流が流れる。
つぎに、このような構造を有する太陽電池１００の製造方法について説明する。図３−１〜図３−１５は、実施の形態１にかかる太陽電池１００の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。なお、ここでは、図１−１の線分Ａ−Ｂ間に対応する部分、すなわち集電電極の延在方向に垂直な断面の一部を図示している。
まず、主面がおおよそ（１００）面からなるｎ型シリコン基板１０１を用意する（図３−１）。ここでは、厚みが１８０マイクロメートル程度のｎ型単結晶シリコン基板を用意する。ついで、レーザスクライブ法によって、シリコン基板１０１の一面（裏面となる面）の主面上にレーザ光線を走査させて、凹部（溝）１１５を形成する（図３−２）。所望の完成電極の形状となるように、凹部１１５は、その深さ、幅およびパターンをあらかじめ調整して形成する。
また、レーザ照射では加工幅が細すぎる場合は、レーザ照射位置を少しずつずらしていくことにより加工幅を広げることができる。この工程で、レーザ光線が照射されなかった領域は相対的に凸部となり、凸部１１６となる。
なお、ここでは凹部１１５の形成方法としてレーザスクライブ法を用いたが、メカニカルスクライブ法や放電加工法、ブラスト法、フッ化水素酸中おける金属触媒とシリコンとの接触部の局所的エッチングなどの方法や、ホログラフィー光学素子を用いたレーザ加工によるエッチングマスクのパターニングと薬液エッチングと組み合わせる方法などを用いて凹部１１５（溝）を形成してもよい。
ついで、フッ化水素酸と硝酸との混合溶液からなる温度制御されたエッチング液にシリコン基板１０１を浸漬させて、シリコン基板１０１の表面近傍の欠陥および凹部形成時に生じた欠陥の除去を行う。このようにして形成された凹部１１５の形状の一例として、深さ２０〜５０μｍ、幅１０〜１００μｍ程度とすることができる。図１−３では凹部１１５はシリコン基板１０１に対して垂直な側壁をもって形成されているが、ここで説明するようにエッチングにフッ化水素酸と硝酸との混合水溶液を用いた場合は、レーザ加工を行った部分が他の部分より優先的にエッチングされ、傾斜と平滑な表面を持った凹部１１５が形成される。すなわち、凹部１１５は、側面がシリコン基板１０１の受光面に対して斜面を有して構成され、底面がシリコン基板１０１の基板面方向から凸部１１６方向に傾斜する傾斜面を有して構成される。一方、凸部１１６は、その表面が、主に略平坦面から構成される。これにより、特許文献４に示されるように高いパッシベーション能力が得られるという効果が得られる。ここで言う平坦な面とは、特許文献４に示されるような曲率の大きな面であり、より平坦であるほどパッシベーション能力としては高くなりパッシベーション能力の観点からは好ましく、光閉じ込め効率との兼ね合いでその平坦性は最適点を持つ。
その後、シリコン基板１０１の裏面に、大気圧ＣＶＤ法により十分な厚みをもったシリコン酸化膜からなるマスク膜１０８を形成する（図３−３）。ついで、イソプロピルアルコールが添加され、かつ７０〜９０℃に加熱された１重量％程度の濃度のアルカリ溶液中にシリコン基板１０１を浸漬し、アルカリ溶液による異方性エッチングを用いて、シリコン基板１０１の光入射面の表面に略{１１１}面から形成されるテクスチャ構造を形成し、粗面化するとともに表面近傍の欠陥および凹部１１５の形成時に生じた欠陥の除去を行う（図３−４）。
その後、シリコン基板１０１をオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）雰囲気中で加熱して、リンをシリコン基板１０１の表面に拡散させてｎ型拡散層１０７を形成する（図３−５）。これによって、シリコン基板１０１の受光面側の表面には、電界層が形成される。このｎ型拡散層１０７のシート抵抗が８０Ω／□程度以下となり低すぎる場合は、半導体中の正孔と電子の密度が高くなった際に、上記ｎ型拡散層１０７の伝導キャリアが、光励起キャリアの励起エネルギーを奪い光励起キャリアを再結合させてしてしまうため太陽電池の光電変換効率が低下してしまう。その一方で、表面のｎ型電界層がない場合は太陽電池の光劣化が生じる場合があるとともに光によって励起された少数キャリアである正孔が半導体とパッシベーション膜の界面で再結合したり、基板の横方向への伝導抵抗が大きくなったりすることにより光電変換効率が低下する。このため、このｎ型拡散層１０７のシート抵抗は８０Ω／□以上５００Ω／□以下とすることが好ましい。
その後、表面が疎水性となるまでフッ化水素酸水溶液中にシリコン基板１０１を浸漬し、シリコン基板１０１表面に形成されたリンガラス膜を除去するとともに裏面に形成されたマスク膜１０８を除去する。
つぎに、例えば、“W. Kern and D. Puotinen, RCA Review, 31, pp187,1970”に示される、一般的にＲＣＡ洗浄と呼ばれる洗浄をシリコン基板１０１に施した後、シリコン基板１０１を酸素（Ｏ２）ガス雰囲気中で加熱して、酸素をシリコン基板１０１の表面に拡散させて３０ｎｍ程度の厚みのシリコン酸化膜を形成し、誘電体層１０６とする（図３−６）。
その後、シリコン基板１０１の光入射面（表面）側に、プラズマＣＶＤ法により６０ｎｍ程度の厚みのアモルファスシリコン窒素化膜からなる反射防止膜１０３を形成する（図３−７）。
ついで、フッ化水素酸水溶液中にシリコン基板１０１を浸漬することにより、シリコン基板１０１の裏面の誘電体層１０６を除去する（図３−８）。そして、シリコン基板１０１を真空チャンバー内に導入し、温度制御下で水素ガス（Ｈ２）を導入し、プラズマ放電することによりシリコン基板１０１の表面をクリーニングする。
次に、温度制御下で、真空チャンバー内にシラン（ＳｉＨ４）ガス及び水素ガス（Ｈ２）を導入し、プラズマ放電することによりシランを分解し、シリコン基板１０１の裏面全面に真性アモルファスシリコン膜からなる真性半導体層１０５を２ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚みで蒸着する（図３−９）。
次に、真空チャンバー内にシランガス、ホスフィン（ＰＨ３）及び水素ガスを導入し、プラズマ放電することによりシランやホスフィンを分解し、シリコン基板１０１の裏面全面にｎ型アモルファスシリコン膜からなるｎ型半導体層１０２を５ｎｍ〜５０ｎｍ程度の厚みで堆積する。次に、シリコン基板１０１の裏面全面にアクアミカ（クラリアント社製、登録商標）を塗布したのち、１００℃程度の温度で乾燥させ、比較的低密度なシリコン酸化膜１０９とする（図３−１０）。このシリコン酸化膜１０９は、後のエッチングにおいてリフトオフ層として機能する。
ついで、国際公開第２０１０／１４０２２４号明細書を参考にフッ化水素酸水溶液からなる温度制御されたエッチング液を、裏面における凹部１１５以外のシリコン基板１０１表面である凸部１１６部分に接触させて、その最表面を除去する（図３−１１）。図３−１１に示した例では、凸部１１６の最表面のシリコン酸化膜１０９、ｎ型半導体層１０２及び真性半導体層１０５の除去に、エッチング液２１０を貯留するエッチング貯留層２０１の上面に、薬液保持体としてのスポンジローラ２０２を複数配置したエッチング装置２００を用いる。このスポンジローラ２０２の直径は、凹部１１５の幅よりも大きくなるように形成されることが望ましい。
このようなエッチング装置２００において、スポンジローラ２０２の少なくとも一部がエッチング液２１０に浸漬した状態でスポンジローラ２０２を回転させて、シリコン基板１０１とスポンジローラ２０２との接触を保ったままシリコン基板１０１を移動させる。これにより、スポンジローラ２０２と接しているシリコン基板１０１表面にエッチング液２１０が接触する。その結果、シリコン基板１０１の凸部１１６の最表面のシリコン層が除去され、シリコン基板１０１の裏面の凹部１１５のみにシリコン酸化膜１０９とｎ型半導体層１０２と真性半導体層１０５との膜が残った状態となる（図３−１２）。ここで、凹部１１５の底面と側面に残された真性半導体層１０５が真性半導体層１０５Ｌとなる。
スポンジローラ２０２のスポンジ堅さや、スポンジローラ２０２あるいは薬液へシリコン基板１０１を押さえつける圧力を制御し、薬液のシリコン基板１０１への濡れ性を調整することにより凹部１１５への薬液の入り込みを制御するとともに、スポンジに保持された薬液が表面張力によりシリコン基板１０１への接触を保つようにすることができる。これにより、凸部１１６のみをエッチングするのみならず、凹部１１５内の側壁部分でエッチングされる領域の深さを変えることができる。さらに、微少な凹凸のついたスポンジや、スポンジ以外の液保持構造体を用いることによっても、シリコン基板１０１と薬液保持構造体との接触面積や、薬液保持構造体の柔らかさを変更することができ、エッチングの均一性の向上および凹部１１５の側壁部分の除去される領域の深さを変更することができる。
次に、シリコン基板１０１を真空チャンバー内に導入し、温度制御下で、水素ガス（Ｈ２）を導入し、プラズマ放電することによりシリコン基板１０１の裏面をクリーニングする。
次に、温度制御下で、真空チャンバー内にシラン（ＳｉＨ４）ガス及び水素ガス（Ｈ２）を導入し、プラズマ放電することによりシランを分解し、シリコン基板１０１の裏面全面に真性アモルファスシリコン膜からなる真性半導体層１０５を２ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚みで堆積する。ここで、凸部１１６上に形成された真性半導体層１０５が真性半導体層１０５Ｈとなる。
次に、温度制御下で、真空チャンバー内にシランガス、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）ガス及び水素ガスを導入し、プラズマ放電することによりシランとジボランを分解し、シリコン基板１０１の裏面全面にｐ型アモルファスシリコン膜からなるｐ型半導体層１０４を５ｎｍ〜５０ｎｍ程度の厚みで堆積する（図３−１３）。
このとき、凹部１１５内にはｐ型半導体層１０４が形成されないように条件を調整することもできる。たとえば、凹部１１５の幅に対する深さの比を大きくする、あるいは、基板温度を低くし、原料ガスの流量、圧力、投入電力を調整し、成膜材料中の活性種の平均自由行程を短くするなどして、段差被覆性の低い条件で成膜を行うことによって、凸部１１６のみにｐ型半導体層１０４を形成することができる。
次に、シリコン基板１０１をフッ化水素酸水溶液からなる温度制御されたエッチング液に浸漬し、シリコン基板１０１の裏面の凹部１１５に残存するアクアミカから形成されたシリコン酸化膜１０９をエッチングして除去することにより、その上面に形成された真性半導体層１０５およびｐ型半導体層１０４を除去する（図３−１４）。
つぎに、アルゴンガス等の不活性ガス、あるいはアルゴンガス等の不活性ガスで希釈された水素ガスを含む雰囲気中で、シリコン基板１０１を１００〜３００℃程度の温度で加熱することによりアモルファスシリコンとシリコン基板１０１との界面の欠陥を低減させる。このため不活性化ガスとしては、アルゴンガスでなく窒素ガスでもよい。
続いて、酸化インジウムをターゲットとしたスパッタリング法により、酸化インジウム膜をシリコン基板１０１の裏面に蒸着する（図３−１５）。この際に、蒸着された酸化インジウム膜からなる透明導電性電極のパターンが電流取り出し電極１１０及び電流取り出し電極１２０の形状となるようにメタルマスクをシリコン基板１０１上に配置して蒸着することによって図１−１に示される櫛歯形状の電流取り出し電極を形成することができる。
また、透明導電性電極である酸化インジウム層はなくてもよく、真空加熱蒸着法によりアルミニウム膜をシリコン基板１０１の裏面に蒸着して形成してもよい。この際も、蒸着されたアルミニウムのパターンが電流取り出し電極１１０および電流取り出し電極１２０の形状となるようにメタルマスクをシリコン基板１０１上に配置して蒸着することによって図１−１に示される櫛歯形状の電流取り出し電極（アルミニウム電極）を形成することができるが、この場合はｐ型半導体層１０４もしくはｎ型半導体層１０２の伝導度が低いため、アルミニウム電極が接触していない部分のｐ型半導体層１０４もしくはｎ型半導体層１０２に到達したキャリアはアルミニウム電極まで有効に集電されず、発電出力が低下する。
この上からスクリーン印刷法により、スクリーン版を用いて集電電極１１１および集電電極１２１のパターンに集電電極を印刷した後に２００℃程度で乾燥することにより、図１−３に示される構造を有するヘテロ接合裏面電極型太陽電池を得ることができる。このような集電電極材料として例えば藤倉化成株式会社製のドータイト（登録商標）や銀粒子を含有したペーストなどの導電性ペーストを使用してもよい。このようなペーストを用いることにより、金属電極表面での光散乱性を向上させることができ、光閉じ込め効率を向上させることができる。特に１００ナノメートルから４００ナノメートル程度の粒径のナノの粒子を用いることが好ましい。
この後、基板を更に加熱することにより電極とシリコンの密着性を向上させてもよい。
上述した説明では、シリコン基板１０１を用いた太陽電池を例に挙げて説明したが、シリコン以外の太陽電池や光発電デバイスにも上記構造を適用することができる。また、上述した説明では、単結晶のｎ型シリコン基板を用いる場合を説明したが、多結晶基板などにも適用することができる。
さらに、上述した説明では、エッチング装置２００でスポンジローラ２０２を介してシリコン基板１０１とエッチング液２１０とを接触させ、エッチング液２１０が凹部１１５に浸入できないようにして、エッチング液２１０とシリコン基板１０１の凹部１１５内との接触を防いで、凸部のみを加工した。しかし、これ以外にも、水などの粘度が高い溶媒を使用する方法や、シリコン基板１０１に対する濡れ性の低い溶媒を使用する方法や、液面に浮かべた半導体基板に気泡を導入してシリコン基板１０１の凹部１１５に保持させる方法、フォトリソグラフィー法によってレジストでマスクしてエッチングする等の方法を用いてもよい。これらの方法によっても、エッチング液２１０とシリコン基板１０１の凹部１１５内との接触を防ぐことができ、凸部のみをエッチングすることが可能である。さらに、上記のエッチングの方法としては薬液によるエッチングのみらならずシリコン基板１０１にダメージが入らない気相法を用いてもよい。
初期のシリコン基板１０１への溝などの凹部１１５形成には、薬液エッチングによるダメージ除去を施す深さおよび時間を低減するために、加工ダメージが浅い方法によって行われることが望ましい。具体的には、レーザ加工法を用いる場合は、シリコン基板１０１の光吸収係数が大きい領域の波長をもつレーザ光を用いて加工することによりダメージ深さを抑制することができ、ダメージ除去工程によるエッチング量と時間を低減することができる。このような加工に用いるレーザ光線の波長としては、加工対象がシリコンの場合は、３５５ｎｍなどの比較的波長が短いものを用いることが好ましい。
つぎに、上述した実施の形態１にかかる太陽電池の製造方法により製造した太陽電池の特性について評価した結果について説明する。上述した方法によって製造した太陽電池を実施例１とした。
また、実施例１において、図３−２に示される凹部１１５の形成を行わず、図３−１１に示される凸部１１６のみを選択的にエッチングを行う代わりに、シリコン基板１０１の裏面にアクアミカによる酸化膜を形成したのち、フォトリソグラフィーにより櫛歯状にレジストを形成してから、半導体基板全体をフッ酸溶液に浸漬し、凸部１１６に相当する領域の真性半導体層とｎ型半導体層を除去した以外は、実施例１と同様にして作製した太陽電池を比較例１（図２参照）とした。この際、比較例１では、集電電極との接触面積を実施例１と同等にするために、ｎ型半導体層１０２の幅を実施例１の凹部１１５の側壁高さと底面の幅を合わせた場合と同じとなるようにした。
表１に、比較例１と比較した実施例１の太陽電池の出力特性を示す。ここでは、各太陽電池について、実際に電池を作動させ、太陽電池出力特性として、光電変換効率（％）、曲線因子（％）、短絡電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）および開放電圧（Ｖ）を測定し、比較例１に対する実施例１の各値の比率を算出した。
Figure 2013125036
裏面接合型太陽電池においては、ｎ型半導体基板と同じ導電型を持つｎ型半導体層が形成された領域に光が入射した場合、ｎ型半導体層が形成された領域で光生成した少数キャリアはｐ型半導体層がある領域まで拡散していく必要があるため、一部の少数キャリアはその間に失活してしまい短絡電流が減少する。このことから、電極形成面の表面積を増大させずに（凹凸を形成せずに）抵抗損失を低減するためにｎ型半導体層の領域を増やすとｐ型半導体層の領域が低減し、短絡電流が減少する。
これに対し、実施例１では、ヘテロ接合裏面接合型太陽電池において、半導体基板と同じ導電型を持つｎ型半導体層１０２の受光面に対する投影面積が比較例１よりも小さいため、ｎ型半導体層１０２付近で光生成するキャリア量は、実施例１の場合の方が比較例１の場合よりも少なくなる。この結果、ｎ型半導体層１０２からｐ型半導体層１０４まで拡散していくキャリアの量を減らすことができるため拡散の間に再結合するキャリアの量を減らすことができ、短絡電流密度を向上させることができたと考えられる。
比較例１では集電電極との接触面積を同等とするためにｎ型半導体層１０２の幅を広くしたが、これとは異なり前記再結合による電流低下を防ぐために、凹凸を形成せずにｎ型半導体層の領域の面積を減らすとｎ型半導体層の領域と電極との間の接触面積が小さくなり、接触抵抗の増大により太陽電池出力が減少してしまう。よって、半導体基板に凹凸部を形成する場合は、入射光に対するｎ型半導体層の領域の投影面積を増大させることなく、凹部の深さ方向の分だけｎ型半導体層と電極との接触面積を増やすことができるため接触抵抗による損失を低減することができ、光電変換効率に優れた太陽電池を得ることができる。
その一方で、実施例１では、ｎ型半導体層１０２はｎ型シリコン基板１０１に対して凹部１１５の側面および底面部分を通じて接触するため、その接触面積は凹部を持たない比較例１に比べて大きくすることができる。
比較例１では、ｐ型半導体層１０４はその面積が広いため接触抵抗がｎ型半導体層１０２の接触抵抗に比べて小さいのに対し、ｎ型半導体層１０２はｎ型シリコン基板１０１に対して接触面積が小さく、その接触抵抗が大きいため抵抗による電力損失が大きい。したがって、比較例１に比べて実施例１の方が、ｎ型半導体層１０２のｎ型シリコン基板１０１に対する接触面積が大きく、電力損失が低減できたため、高い曲線因子が得られたと考えられる。
特に、表面パッシベーション能力が高いアモルファスシリコンと単結晶シリコン基板との組み合わせでは、半導体基板と凹部の半導体膜との界面の実効再結合速度が、半導体基板凹部のバルクの実効再結合速度に比べて小さくなるため、ｎ型半導体層が形成された凹部ではバルクと界面を合わせた全体としての再結合が低減され、光電変換効率が向上する。
また、半導体基板に凹部を形成することにより光吸収層としてのシリコン基板の厚みが減ることになり、凹部に対応する基板内において吸収される光の量が低減する。しかし、凹部の底面または側面を受光面に対して斜面をなすように形成することより凹部に入射した光は凸部領域のほうへ導かれ、光吸収量の低減を光学的に防ぐことができ、光電変換効率に優れた太陽電池を得ることができる。この際、上記の反射率を上げるために、斜面にも反射率の高い銀電極が形成されることが好ましい。半導体にシリコンを用いる場合、金属電極はシリコンとシリサイドを形成し、反射率が低下し、金属−シリコン界面の再結合速度が大きくなるが、電極が半導体に直に接触しないヘテロ接合太陽電池では、この反射効果が顕著であり、金属とシリコンとの界面での再結合の影響がないという利点がある。
また、凹部１１５は、凹部１１５の底面または側面が受光面に対して斜面をなすように形成されることより、凹部１１５まで到達した光がｐ型半導体層１０４が形成されている領域に反射され、光吸収量の低減を光学的に防ぐとともに、よりキャリア収集効率の高いｐ型半導体層に隣接する基板内領域でキャリアを発生させることができるため、光吸収後のキャリアの再結合を防ぐことができ、光電変換効率に優れた太陽電池を得ることができる。
また、ｎ型半導体層１０２が形成される凹部領域１１５の基板の厚みは薄くなっているため、受光面から凹部領域１１５に対応する場所に入射する光が、基板内部において吸収される量は減少する。しかし、ｎ型層形成領域のほうがｐ型層形成領域よりも受光面に対する投影面積が小さいため元々その影響は小さく、更に本願などの光閉じ込め構造を用いることにより、光吸収量の低下は小さくすることができる。その一方でｐ型半導体層１０４が形成される凸部領域１１６の基板の厚みは比較例と同等であるため、ｐ型半導体層形成領域に対応する凸部領域１１６に受光面から入射する光が基板内で吸収される量は比較例と同等となる。このため、光吸収量低下の影響は小さく、それ以外の寄与により、全体としては光電変換効率が向上する。
これに対し、接触抵抗を低減させるために特開平３−１６５５７８号公報、特開２００４−４７８２４号公報のように、ｎ型半導体層形成領域とｐ型半導体層形成領域との両方を凹部とする構造では、ｐ型半導体層形成領域が凸部となる構造に比べて発電を担うｐ型半導体層形成領域の半導体基板の厚みが減少してしまうため光吸収量が低下し、短絡電流が低下する。同時に、ｐ型半導体層形成領域が凸部となる場合に比べて、その接合面積が増大するため、飽和暗電流密度が増大し、開放電圧が低下するという問題が生じる。このほかにも、特にヘテロ接合裏面電極型太陽電池では、ｐ型半導体層が凹部に形成される場合、ｎ基板に対してｐｎ接合を形成するｐ型半導体層に膜厚分布が生じてしまい、曲線因子と開放電圧が低下するという問題が生じる。
また、裏面の表面付近における表面積あたりの光生成キャリア量は、受光面に対する投影面積が小さい凹部１１５の側壁で小さくなる。このため、本実施の形態によれば、図１−３や後述する図１−４のように、ｐ型半導体膜とｎ型半導体膜が積層されない真性半導体層や誘電体層のみで半導体基板がパッシベーションされる領域を、凹部側壁に形成することで、ｐ型半導体膜とｎ型半導体膜がなく電界層がない領域でのキャリア生成量を低減し、再結合を抑制して有効に電流を取り出すことができるようになるため、発電出力に優れた太陽電池をつくることができる。なお、特許第３３０１６６３号公報では、電極部分の反射、再結合のことを考慮していない。
これに対して、実施例１では、電極形成面に凹凸を形成して表面積を増大させることにより、ｐ型半導体層１０４のｎ型シリコン基板１０１に対する接触面積を減らすことなくｎ型半導体層１０２のシリコン基板１０１に対する接触面積を増大させることができる。このため、短絡電流を低下させることなく、抵抗損失を低減させ、発電出力と電極の密着性に優れたヘテロ接合裏面電極型太陽電池を製造することができる。
また、実施例１においては、凹部１１５は、なだらかで平滑な表面となっているためパッシベーション膜の機能を果たす真性半導体層１０５の膜厚分布が生じにくいとともに、ｐｎ接合が形成される面積が低減し、飽和暗電流密度の低減した、効果の高いパッシベーション効果を得ることができる。
また、実施例１では、半導体基板中に凹部と凸部を形成し、その凹部内に半導体層と電極とを形成することによって、光生成したキャリアが半導体層および電極に到達するまでの距離を短くすることができ、半導体基板中をキャリアが移動することによる抵抗損失を凹部のへこみ分だけ低減することができ、発電出力に優れた太陽電池を製造することができるという効果を奏する。
また、実施例１では、簡便なプロセスによって自己整合的にｐ型半導体層１０４を形成することで、位置合わせ精度を向上させることができる。これにより、発電能力の低い真性半導体層のみが半導体基板上に形成されている領域（もしくはｎ型半導体層１０２とｐ型半導体層１０４とが重なっている領域）の面積および電流取り出し電極が形成されていないｐ型半導体層１０４とｎ型半導体層１０２の面積を小さくすることができる。この結果、発電に寄与する裏面の面積を増大させることができ、発電出力の向上が得られる。したがって、実施例１では、表面に凹部１１５を設けずにヘテロ接合裏面電極型太陽電池を形成した場合に比して、曲線因子と短絡電流が増大した太陽電池出力特性を有する太陽電池セルを製造することができる。
また、実施例１において、図３−４の受光面のテクスチャ形成後に裏面のマスク膜１０８をフッ化水素酸によって除去し、ｎ型拡散層１０７を受光面と共に裏面側にも形成した後に図３−１１と同様にして裏面の凸部のみをエッチングすることにより、凹部１１５部分にｎ型拡散層１０７を形成することができる。この後、再び裏面のマスク膜１０８を形成し、図３−６以降の工程は実施例１と同様に処理することにより、凹部１１５部分にｎ型拡散層１０７が有るため、シリコン基板１０１の厚み方向以外（横方向）の伝導性を向上させることができる。このような構造の太陽電池を図１−４に示す。図１−４は、実施の形態１にかかる太陽電池の変形例を示す要部拡大断面図である。ここでは、凹部１１５部分のｎ型拡散層１０７を受光面側のｎ型拡散層１０７と同じ不純物濃度としたが、凹部１１５部分のｎ型拡散層１０７の不純物濃度は受光面側のｎ型拡散層１０７と異なっていてもよい。
以上のように、実施の形態１においては、キャリアの再結合を抑制しながら、パッシベーションのための半導体層と半導体基板との、また、集電電極と電流取り出し電極との接触面積を増大させる効果を有する。
また、実施の形態１においては、電界層形成のための半導体層（ｐ型半導体層１０４）を自己整合的に形成することで、異なる導電型の半導体層の位置合わせ精度を向上させることができ、発電能力の低い真性半導体層のみが半導体基板上に形成されている領域（もしくはｎ型半導体層とｐ型半導体層が重なっている領域）の面積および電流取り出し電極が形成されていないｐ型半導体層とｎ型半導体層の面積を小さくすることができる。この結果、発電に寄与する裏面の面積を増大させることができ、発電出力の向上が得られる。
また、実施の形態１においては、凹部１１５の側面部が、シリコン基板１０１の基板面に対して所定の傾斜を有する斜面とされ、凹部１１５はなだらかで平滑な曲面となっているためパッシベーション膜の機能を果たす真性半導体層１０５の膜厚分布が生じにくく、効果の高いパッシベーション効果を得ることができる。
したがって、実施の形態１によれば、半導体基板中でのキャリアの伝導距離が短く、キャリア移動による抵抗が低減され、かつ、透明電極および集電電極とパッシベーション膜との接触面積の増大によって接触抵抗が低減され、かつ、半導体基板中でのキャリアの再結合が低減された光電変換効率に優れたヘテロ接合裏面電極型の構造を有する太陽電池が得られる。
実施の形態２．
図４は、実施の形態２にかかる太陽電池の構成の一例を模式的に示す要部断面図である。図４においても、図１−３と同様に基板の面内において櫛歯状の集電電極の延在方向に垂直な方向の断面の一部を示している。また、実施の形態２では、半導体基板と逆の伝導型の半導体膜を凹部に形成する場合について述べる。特に、半導体基板と凸部の半導体膜との界面の実効再結合速度が半導体基板凸部のバルクの実効再結合速度に比べて大きい場合、あるいは半導体基板と凹部の半導体膜との界面の実効再結合速度が半導体基板凹部のバルクの実効再結合速度に比べて小さい場合、の少なくともどちらか一方を満たす際は、この構造によってバルクと界面を合わせた全体としての再結合が低減され、光電変換効率が向上する。また、図４においては、実施の形態１の場合と同様の部材については同じ符号を付している。
この太陽電池３００においては、半導体基板としてのｎ型シリコン基板１０１の受光面側には、凹凸を有するテクスチャ構造が表面での光反射を低減する目的で形成されている。シリコン基板１０１の受光面側には、シリコン基板１０１よりもｎ型不純物濃度が高い領域であるｎ型拡散層１０７により、表面側で生じた少数キャリア（この場合には正孔）を表面側へと向かわせるＦＳＦ（Front Surface Field）と呼ばれる表面電界層が形成される。
また、受光面側のｎ型拡散層１０７の上面には、受光面側のシリコン表面でのキャリアの再結合を防ぐ目的で真性半導体層あるいは誘電体層１０６が形成されており、これがパッシベーション膜として機能している。また、この膜に積層してシリコン基板１０１の受光面への入射光の反射を防止する反射防止膜１０３が形成されている。
一方、シリコン基板１０１の裏面には、櫛歯状に凹部１１５が設けられ、この凹部１１５の底面と側面には真性半導体層１０５Ｌが形成される。そして、シリコン基板１０１の裏面において凹部１１５と相対的に凸部となった凸部１１６の領域上には真性半導体層１０５Ｈが形成される。凹部１１５の幅は、一例として、たとえば４００μｍ程度であり、凸部１１６の幅は、たとえば１００μｍ程度である。
凹部１１５の真性半導体層１０５Ｌ上には、ｐ型不純物を含むアモルファスシリコン膜からなるｐ型半導体層１０４が局所的に形成され、内部光電効果により生成したキャリアを分離するための電界層（ｐｎ接合）を形成する。凸部１１６の真性半導体層１０５Ｈ上には、ｎ型不純物を含むアモルファスシリコン膜からなるｎ型半導体層１０２が局所的に形成され、正孔が半導体基板表面に到達することを抑制するための電界層が形成される。
このように構成された太陽電池３００では、太陽光が太陽電池３００の受光面側（シリコン基板１０１におけるｎ型拡散層１０７側）から照射されると、シリコン基板１０１内に正孔と電子とが生成する。光吸収によって生じたキャリアは拡散あるいはドリフトしていき、電子と正孔とは、半導体ｐｎ接合面付近の電界によって分離され、生成した電子は凸部１１６のｎ型半導体層１０２に向かって移動し、正孔は凹部１１５のｐ型半導体層１０４に向かって移動する。これにより、ｎ型半導体層１０２に電子が過剰となり、ｐ型半導体層１０４に正孔が過剰となり、光起電力が発生する。この結果、ｎ型半導体層１０２に接して形成される電流取り出し電極１１０および集電電極１１１がマイナス極となり、裏面のｐｎ接合を形成するｐ型半導体層１０４に接続した裏面の電流取り出し電極１２０および集電電極１２１がプラス極となり、図示しない外部回路に電流が流れる。
つぎに、このような構造を有する太陽電池３００の製造方法について説明する。図５−１〜図５−１３は、実施の形態２にかかる太陽電池３００の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。なお、ここでは、図１−２の線分Ａ−Ｂ間に対応する部分、すなわち集電電極の延在方向に垂直な断面の一部を図示している。
まず、ｎ型シリコン基板１０１を用意する（図５−１）。ここでは、ｎ型単結晶シリコン基板を用意する。ついで、レーザスクライブ法によって、このシリコン基板１０１の裏面の主面上にレーザ光線を走査させて、凹部１１５（溝）を形成する（図５−２）。所望の完成電極の形状となるように、凹部１１５は、その深さ、幅およびパターンをあらかじめ調整して形成する。
また、レーザ照射では加工幅が細すぎる場合は、レーザ照射位置を少しずつずらしていくことにより加工幅を広げることができる。この工程で、レーザ光線が照射されなかった領域は相対的に凸部となり、凸部１１６となる。
なお、ここでは凹部１１５の形成方法としてレーザスクライブ法を用いたが、メカニカルスクライブ法や放電加工法、ブラスト法、フッ化水素酸中おける金属触媒とシリコンとの接触部の局所的エッチングなどの方法や、レーザ加工によるエッチングマスクのパターニングと薬液エッチングと組み合わせる方法などを用いて凹部１１５（溝）を形成してもよい。
ついで、水酸化カリウム水溶液からなる加熱されたエッチング液にシリコン基板１０１を浸漬させて、シリコン基板１０１の表面近傍の欠陥および凹部形成時に生じた欠陥の除去を行う（図５−３）。図４では凹部１１５はシリコン基板１０１に対して垂直な側壁をもって形成されているが、側壁は基板に対して垂直である必要はなく、シリコン基板１０１に対して傾斜をなし、その表面が平滑となることが好ましい。
ついで、イソプロピルアルコールが添加され、かつ７０〜９０℃に加熱されたアルカリ溶液中にシリコン基板１０１を浸漬し、アルカリ溶液による異方性エッチングを用いて、シリコン基板１０１の光入射面の表面に略{１１１}面から形成されるテクスチャ構造を形成し、粗面化するとともに表面近傍の欠陥および凹部１１５の形成時に生じた欠陥の除去を行う。このようにして形成される凹部１１５の形状の一例として、深さ２０〜１００μｍ、幅４００μｍ程度とすることができる。
その後、シリコン基板１０１をオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）雰囲気中で加熱して、リンをシリコン基板１０１の表面に拡散させて、ｎ型拡散層１０７を形成する（図５−４）。これによって、シリコン基板１０１の受光面側の表面には電界層が形成される。このｎ型拡散層１０７のシート抵抗が８０Ω／□程度以下となり低すぎる場合は、半導体中の正孔と電子の密度が高くなった際に、上記ｎ型拡散層１０７の伝導キャリアが、光励起キャリアの励起エネルギーを奪い光励起キャリアを再結合させてしてしまうため太陽電池の光電変換効率が低下してしまう。その一方で、表面のｎ型電界層がない場合は太陽電池の光劣化が生じるとともに光によって励起された少数キャリアである正孔が半導体とパッシベーション膜の界面で再結合することにより光電変換効率が低下する。このため、このｎ型拡散層１０７のシート抵抗は８０Ω／□以上５００Ω／□以下とすることが好ましい。
その後、シリコン基板１０１を、表面が疎水性となるまでフッ化水素酸水溶液中に浸漬し、シリコン基板１０１表面に形成されたリンガラス膜を除去する。
つぎに、一般的にＲＣＡ洗浄と呼ばれる洗浄をシリコン基板１０１に施した後、シリコン基板１０１を酸素（Ｏ２）ガス雰囲気中で加熱し、酸素をシリコン基板１０１の表面に拡散させて３０ｎｍ程度の厚みのシリコン酸化膜を形成し、誘電体層１０６とする（図５−５）。
その後、シリコン基板１０１の光入射面（表面）側に、プラズマＣＶＤ法により約５０ｎｍ程度の厚みのアモルファスシリコン窒素化膜からなる反射防止膜１０３を形成する（図５−６）。
ついで、裏面が疎水性となるまでフッ化水素酸水溶液中にシリコン基板１０１を浸漬し、シリコン基板１０１裏面に形成された誘電体層１０６を除去する。このあと、７０〜９０℃に加熱されたアルカリ溶液中にシリコン基板１０１を浸漬し、イソプロピルアルコールを含有するアルカリ溶液による異方性エッチングを用いて、裏面に形成されたｎ型拡散層１０７の除去を行うと共にシリコン基板１０１の裏面全体にも略{１１１}面から構成されるテクスチャを形成する（図５−７）。この結果、裏面凹部底面と側面もシリコン｛１１１｝面によって構成される傾斜を持った多数の平滑な表面が形成され、およそ｛１００｝面となるようにスライスされた受光面に対してこのような斜面はおよそ５０°の角度をなす。ただし、図４および図５−７〜図５−１０中では図が複雑になるため裏面に形成されたテクスチャによる凹凸の記述は省いている。
ここで、受光面のテクスチャ表面が一般的なシリコン｛１１１｝面から構成され、裏面側の傾斜面が受光面に対して約４０°以上の角度をなす場合、基板に対して垂直に入射し裏面で鏡面反射されてから受光面の（１１１）面で反射される際に、基板側へ戻る方向へと反射される成分が多くなるため、裏面側の傾斜面は受光面に対して約４０°以上の角度をなすことが好ましい。これに対し、裏面側の傾斜面が受光面に対して約４０°未満の角度をなす場合、基板に対して垂直に入射した光が裏面で反射されてから受光面に入射した際におもて面側から光が出射してしまい、有効に光を閉じ込めることができない。
さらに、裏面側の傾斜面が受光面に対して約５０°以上の角度をなす場合は、裏面で反射されてから受光面に入射する際の光の入射角が臨界角以上となり、光は全反射されるのでより好ましい。
その一方で、裏面側の傾斜面が受光面に対して約６０°以上の角度をなす場合、裏面の斜面で反射された光は再び裏面へ入射した後、おもて面から出射することになるため、好ましくない。
このような傾斜面を、基板と同じ伝導型のｎ型半導体層が形成される領域に形成しても、表面積増大による案電流密度増大の影響は小さいため、開放電圧の低下はほとんどない。その一方で、光閉じ込め効率の向上により太陽電池特性を向上させることができる。
次に、シリコン基板１０１を真空チャンバー内に導入し、温度制御下で水素ガス（Ｈ２）を導入し、プラズマ放電することによりシリコン基板１０１の表面をクリーニングする。次に、シリコン基板１０１を真空チャンバー内において、温度制御下でシラン（ＳｉＨ４）ガス及び水素ガス（Ｈ２）を導入し、プラズマ放電することによりシランを分解し、シリコン基板１０１の裏面全面に真性アモルファスシリコン膜からなる真性半導体層１０５を２ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚みで蒸着する。
次に、真空チャンバー内にシランガス、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）及び水素ガスを導入し、プラズマ放電することによりシランとジボランを分解し、シリコン基板１０１の裏面全面にｐ型アモルファスシリコン膜からなるｐ型半導体層１０４を５ｎｍ〜５０ｎｍ程度の厚みで成膜する。次に、スパッタリング法によりシリコン基板１０１の裏面全体にシリコン酸化膜１０９を形成する（図５−８）。
次に、耐酸性レジスト１１７をシリコン基板１０１の裏面のおおよそ凹部１１５の領域に重なるように、スクリーン印刷法により用いて印刷する（図５−９）。そして、フッ化水素酸中にシリコン基板１０１を浸漬することにより、おおよそ凸部１１６の領域のシリコン酸化膜１０９、ｐ型半導体層１０４および真性半導体層１０５を除去してシリコン基板１０１の表面を露出させる（図５−１０）。ここで、凹部１１５の底面と側面に残された真性半導体層１０５が真性半導体層１０５Ｌとなる。
次に、温度制御されたアルカリ溶液にシリコン基板１０１を浸漬することにより耐酸性レジスト１１７を除去した後、シリコン基板１０１に前述のＲＣＡ洗浄からフッ化水素酸処理を除いた洗浄処理を施す。そして、ウェハにフッ化水素酸処理と水洗処理を施したのちシリコン基板１０１を真空チャンバー内に導入し、温度制御下で水素ガス（Ｈ２）を導入し、プラズマ放電することによりシリコン基板１０１の裏面をクリーニングする。
次に、温度制御下で、真空チャンバー内にシラン（ＳｉＨ４）ガス及び水素ガス（Ｈ２）を導入し、プラズマ放電することによりシランを分解し、シリコン基板１０１の裏面全面に真性半導体層１０５を２ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚みで蒸着する。
次に、真空チャンバー内にシランガス、ホスフィン（ＰＨ３）及び水素ガスを導入し、プラズマ放電することによりシランやホスフィンを分解し、シリコン基板１０１の裏面全面にｎ型アモルファスシリコン膜からなるｎ型半導体層１０２を５ｎｍ〜５０ｎｍ程度の厚みで成膜する（図５−１１）。
次に、耐酸性レジストをシリコン基板１０１の裏面のおおよそ凸部１１６領域に重なるようにスクリーン印刷法により印刷する。シリコン酸化膜１０９が除去されてｐ型半導体層１０４が表面に露出するとフッ化水素酸水溶液に対して凹部１１５がはっ水性を示すようになるため、凹部１１５がはっ水性を示すようになるまでフッ化水素酸水溶液中にシリコン基板１０１を浸漬する。これにより、おおよそ凹部１１５の領域に形成されたｎ型半導体層１０２、真性半導体層１０５およびシリコン酸化膜１０９を除去してｐ型半導体層１０４を表面に露出させる。その後、シリコン基板１０１をアルカリ溶液中に浸漬し、耐酸性レジストを除去する（図５−１２）。ここで、凸部１１６上に残存する真性半導体層１０５が真性半導体層１０５Ｈとなる。
ついで、スパッタリング法によりインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）膜をシリコン基板１０１の裏面に蒸着する（図５−１３）。この際に、蒸着されたインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）膜のパターンが電流取り出し電極１１０および電流取り出し電極１２０の形状となるようにメタルマスクをシリコン基板１０１上に配置して蒸着することによって図１−１に示されるような櫛歯形状の電流取り出し電極を形成することができる。この際、ｐ型半導体層１０２とｎ型半導体層１０４の間をまたぐようにメタルマスクを配置する。また、このような透明導電性電極としてはインジウム酸化物や酸化スズ、酸化亜鉛等でも良い。
この上からスパッタリング法等の蒸着法により、上述のメタルマスクと同様の形状のメタルマスクを用いて集電電極１１１および集電電極１２１のパターンにアルミニウム膜を蒸着することにより、図４に示される構成を有する実施の形態２によるヘテロ接合裏面電極型太陽電池を得ることができる。この後、基板を加熱することにより電極とシリコンの密着性を向上させてもよい。
また、蒸着法を用いずにスクリーン印刷法により、スクリーン版を用いて集電電極を印刷することによっても、図４に示されるヘテロ接合裏面電極型太陽電池を得ることができるが、この際は基板を透過した光を反射させるために銀等の９００ｎｍ〜１２００ｎｍの波長領域で反射率の高い金属を用いることが好ましい。さらに銀粒子含有ペーストを用いることにより、基板を透過した光を金属電極表面で散乱性させることができ、基板内の光閉じ込め効率を向上させることができる。
上述した説明では、シリコン基板１０１を用いた太陽電池を例に挙げて説明したが、シリコン以外の太陽電池や光発電デバイスにも上記構造を適用することができる。また、上述した説明では、単結晶のｎ型シリコン基板を用いる場合を説明したが、多結晶基板などにも適用することができる。
つぎに、上述した実施の形態２にかかる太陽電池の製造方法により製造した太陽電池の特性について評価した結果について説明する。上述した方法によって製造した太陽電池を実施例２とした。
また、凹部１１５の形成を行わなかった以外は、実施例２と同様にして作製した太陽電池を比較例２（図２参照）とした。この際、比較例２ではｎ型半導体層の幅を実施例２の凹部１１５を受光面へ垂直に投影した場合の幅と同じとなるようにした。
表２に、比較例２と比較した実施例２の太陽電池の出力特性を示す。ここでは、各太陽電池について、実際に電池を作動させ、太陽電池出力特性として、光電変換効率（％）、曲線因子（％）、短絡電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）および開放電圧（Ｖ）を測定し、比較例２に対する実施例２の各値の比率を算出した。
Figure 2013125036
少数キャリアの再結合の大きさが、ｎ型半導体層１０２下部＞シリコン基板１０１内部＞ｐ型半導体層１０４下部、の順の場合、ｎ型半導体層１０２がある領域では、バルクシリコンの方がｎ型半導体層１０２よりも再結合が小さいため、その部分ではシリコン基板１０１の厚みが厚い方が開放電圧が大きくなる。これに対して、ｐ型半導体層１０４がある領域では、ｐ型半導体層１０４の方がバルクシリコンよりも界面再結合が小さいため、その部分ではシリコン基板１０１の厚みが薄い方が開放電圧が大きくなる。この結果、表２に示すように実施例２では比較例２に比べて高い開放電圧を得ることができる。
これに対し、裏面電極型太陽電池において半導体基板の基板厚を単純に薄くしただけの場合は、半導体基板と同じ導電型を持つ半導体層が形成された領域での再結合が大きくなってしまい、短絡電流および開放電圧の低下が生じる。
実施例２では、ｎ型半導体層を形成した領域近傍における再結合による損失を比較例２と同程度に保ちつつ、少数キャリアの再結合が小さいｐ型半導体層が形成された領域のシリコン基板の厚みを低減することにより、シリコン基板内でのキャリア再結合を低減することができ、発電出力に優れた太陽電池を得ることができる。
また、実施例２では、シリコン基板１０１の裏面の表面にもテクスチャを形成し、裏面電極に反射率の高い銀をもちいて裏面で光反射しているため、入射した光の光閉じ込め効果が高い。このため、ｐ型半導体層１０４が形成されている領域のシリコン基板１０１の厚みが多少減少してもシリコン基板１０１内での光吸収量は減少しないため、短絡電流の低下も抑制できる。
接触抵抗を低減させるために特開平３−１６５５７８号公報、特開２００４−４７８２４号公報のように、ｎ型領域とｐ型領域両方を凹部とする構造では、ｎ型半導体層形成領域が凸部となる構造に比べて、ｎ型半導体が形成された領域に隣接する半導体基板の厚みが減少してしまうため光吸収量が低下し、短絡電流が低下する。このほかにも、特にヘテロ接合裏面電極型太陽電池では、ｎ型半導体層が凹部に形成される場合、ｎ型半導体層に膜厚分布が生じてしまい、曲線因子と開放電圧が低下するという問題が生じる。
また、実施例２のように半導体基板に凹凸部を形成する場合は、入射光に対するｎ型半導体層の領域の投影面積を増大させることなく、凹部の深さ方向の分だけｎ型半導体層と半導体基板、およびｎ型半導体層と透明電極との接触面積を増やすことができるため、各界面での抵抗による損失を低減することができ、光電変換効率に優れた太陽電池を得ることができる。これに対し、凹凸を形成せずにｎ型半導体層の領域の面積を減らすとｎ型半導体層の領域と半導体基板、およびｎ型半導体層と透明電極との間の接触面積が小さくなり、接触抵抗の増大により太陽電池出力が減少する。また、接触抵抗低減のためにｎ型半導体層の領域の面積を増大させると、ｎ型半導体層の領域へ入射した光によって生成した少数キャリアがｐ型半導体層の領域に拡散する間に失活してしまい電流損失が生じる。
よって、実施例２では、半導体基板中に凹部と凸部を形成し、その凹部内に半導体層と電極とを形成することによって、光生成したキャリアが半導体層および電極に到達するまでの距離を短くすることができ、半導体基板中をキャリアが移動することによる抵抗損失を凹部のへこみ分だけ低減することができ、発電出力に優れた太陽電池を製造することができるという効果を奏する。
以上のように、実施例２においては、シリコン基板１０１内でのキャリアの再結合を抑制することにより開放電圧を向上させる効果を有する。その結果、シリコン基板１０１の裏面に凹部１１５を設けずにヘテロ接合裏面電極型太陽電池を形成した場合に比して、開放電圧が増大した太陽電池出力特性を有する太陽電池を製造することができる。
したがって、実施の形態２によれば、半導体基板中でのキャリアの伝導距離が短く、キャリア移動による抵抗が低減され、かつ、半導体基板中でのキャリアの再結合が低減された光電変換効率に優れたヘテロ接合裏面電極型の構造を有する太陽電池が得られる。
実施の形態３．
図６は、実施の形態３にかかる太陽電池の構成の一例を模式的に示す要部断面図である。図６においても図１−３と同様に基板の面内において櫛歯状の集電電極の延在方向に垂直な方向の断面の一部を示している。なお、本実施の形態では、半導体基板と同じ伝導型の半導体膜を凹部に形成する場合について述べる。このような構造は、半導体基板と凹部の半導体膜との界面の実効再結合速度が、半導体凹部のバルクの実効再結合速度に比べて小さい場合に有効であり、凹部における光吸収量が低減するものの、全体としての再結合が低減されることによる光電変換効率の向上が期待できる。特に表面パッシベーション能力が高い、最適化されたアモルファスシリコンによる単結晶シリコン基板のパッシベーションでは、このような状況となるため、ヘテロ接合を用いた裏面接合太陽電池構造の場合は、特に有効である。また、半導体基板に凹部を形成することにより、光吸収層としての半導体基板の厚みが減ることになり、光吸収量が減少する。しかし、凹部の底面及び側面を受光面に対して斜面をなすように形成することより、光吸収量の減少量を低減することができ、光電変換効率に優れた太陽電池を得ることができる。また、図６においては、実施の形態１と同様の部材については同じ符号を付している。
この太陽電池４００においては、半導体基板としての結晶系のｎ型シリコン基板１０１の受光面側には、凹凸を有するテクスチャ構造表面での光反射を低減する目的で形成されている。ｎ型シリコン基板１０１の受光面側には、ｎ型シリコン基板１０１よりもｎ型不純物濃度が高い領域であるｎ型拡散層１０７により、表面側で生じた少数キャリア（この場合には正孔）を表面側へと向かわせるＦＳＦ（Front Surface Field）と呼ばれる表面電界層が形成される。
また、受光面側のｎ型拡散層１０７の上面には、受光面側のシリコン表面でのキャリアの再結合を防ぐ目的で真性半導体層あるいは誘電体層１０６が形成されており、これがパッシベーション膜として機能している。また、この膜に積層してシリコン基板１０１の受光面への入射光の反射を防止する反射防止膜１０３が形成されている。
一方、ｎ型シリコン基板１０１の裏面には、櫛歯状に凹部１１５が設けられ、この凹部１１５の底面と側面には真性半導体層１０５Ｌが形成される。この凹部１１５のシリコン基板１０１の形状は、図示されないが、上記受光面と同じようなテクスチャが形成された構造となっている。そして、ｎ型シリコン基板１０１の裏面において凹部１１５に対して相対的に凸部となった凸部１１６の領域上には真性半導体層１０５Ｈが形成される。凹部１１５の幅は、一例として、たとえば１００μｍ程度であり、凸部１１６の幅は、たとえば４００μｍ程度である。これらのピッチは狭い方が横方向のキャリア伝導距離が短くなり、抵抗損失が小さくなり発電出力が向上するが、ピッチを狭くしすぎると位置合わせ精度に応じてｐ型半導体層とｎ型半導体層の重なり領域が増大し、発電出力が低下すると共に生産性が低下する。
凹部１１５の真性半導体層１０５Ｌ上には、局所的にｎ型不純物を含むアモルファスシリコン膜からなるｎ型半導体層１０２が形成され、裏面側に流れてきた少数キャリア（この場合には正孔）が界面で再結合を防ぐ電界層を形成する。凸部１１６の真性半導体層１０５Ｈ上には、局所的にｐ型不純物を含むアモルファスシリコン膜からなるｐ型半導体層１０４が形成され、内部光電効果により生成したキャリアを分離するための半導体ｐｎ接合が形成される。
このように構成された太陽電池４００では、太陽光が太陽電池４００の受光面側（ｎ型シリコン基板１０１におけるｎ型拡散層１０７側）から照射されると、ｎ型シリコン基板１０１内に正孔と電子とが生成する。光吸収によって生成した電子は凹部１１５のｎ型半導体層１０２に向かって移動し、正孔はｐ型半導体層１０４に向かって移動する。これにより、ｎ型半導体層１０２に電子が過剰となり、ｐ型半導体層１０４に正孔が過剰となり、光起電力が発生する。この結果、ｎ型半導体層１０２に接して形成される電流取り出し電極１１０および集電電極１１１がマイナス極となり、裏面のｐｎ接合を形成するｐ型半導体層１０４に接続した裏面の電流取り出し電極１２０および集電電極１２１がプラス極となり、図示しない外部回路に電流が流れる。
次に、このような構造を有する太陽電池４００の製造方法について説明する。図７−１〜図７−１４は、実施の形態３にかかる太陽電池４００の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す要部断面図である。なお、ここでは、図１−２の線分Ａ−Ｂ間に対応する部分、すなわち集電電極の延在方向に垂直な断面の一部を図示している。
まず、主面がおもに（１００）面からなるｎ型シリコン基板１０１を用意する（図７−１）。ついで、７０〜９０℃に制御され、イソプロピルアルコールを添加された、２重量％程度の濃度のアルカリ溶液中にシリコン基板１０１を浸漬し、アルカリ溶液による異方性エッチングを用いて、シリコン基板１０１の光入射面の表面に略{１１１}面から形成されるテクスチャ構造を形成し、粗面化するとともに基板表面１０μｍ程度の深さに存在する欠陥を含んだシリコン層の除去を行う（図７−２）。表面の粗面化条件は、例えば「P.K.Singh, et al. “Effectiveness of anisotropic etching of silicon in aqueous alkaline solutions” Solar Energy Materials & Solar Cells vol.70 2001年 pp１０３−pp１１３」を参考にしてもよい。
その後、シリコン基板１０１をオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）雰囲気中で加熱して、リンをシリコン基板１０１の表面に拡散させてｎ型拡散層１０７を形成する（図７−３）。これによって、シリコン基板１０１の受光面側の表面には、電界層が形成される。このｎ型拡散層１０７のシート抵抗が８０Ω／□程度以下となり低すぎる場合は、半導体中の正孔と電子の密度が高くなった際に、上記ｎ型拡散層１０７の伝導キャリアが、光励起キャリアの励起エネルギーを奪い光励起キャリアを再結合させてしてしまうため太陽電池の光電変換効率が低下してしまう。その一方で、表面のｎ型電界層がない場合は太陽電池の光劣化が生じる場合があるとともに光によって励起された少数キャリアである正孔が半導体とパッシベーション膜の界面で再結合が生じたり、基板の横方向への伝導抵抗が大きくなったりすることにより光電変換効率が低下する。このため、このｎ型拡散層１０７のシート抵抗は８０Ω／□以上５００Ω／□以下とすることが好ましい。
その後、表面が完全に疎水性となるまでフッ化水素酸水溶液中にシリコン基板１０１を浸漬し、シリコン基板１０１表面に形成されたリンガラス膜を除去する。
次に、例えば先述の一般的にＲＣＡ洗浄と呼ばれる洗浄をシリコン基板１０１に施した後、シリコン基板１０１を酸素（Ｏ２）ガス雰囲気中で加熱して、酸素をシリコン基板１０１の表面に拡散させて３０ｎｍ程度の厚みのシリコン酸化膜を形成し、誘電体層１０６とする（図７−４）。
その後、シリコン基板１０１の光入射面（表面）側に、プラズマＣＶＤ法により６０ｎｍ程度の厚みのアモルファスシリコン窒素化膜からなる反射防止膜１０３を形成する（図７−５）。
ついで、フッ化水素酸水溶液中にシリコン基板１０１を浸漬することにより、シリコン基板１０１の裏面の誘電体層１０６を除去する（図７−６）。
ついで、７０〜９０℃に制御された１０重量％程度の濃度の水酸化カリウム水溶液中にシリコン基板１０１を浸漬し、エッチングすることにより、裏面の拡散層１０７を除去すると共に、シリコン基板１０１の裏面の表面を平坦化する（図７−７）。より平坦な表面とするためには、フッ化水素酸と硝酸との混合溶液からなる温度制御されたエッチング液にシリコン基板１０１を浸漬させてもよいが、この場合、おもて面のシリコン窒化膜もエッチングされるので、あらかじめおもて面のシリコン窒化を厚く成膜しておく必要がある。
次に、例えば先述の一般的にＲＣＡ洗浄と呼ばれる洗浄をシリコン基板１０１に施した後、シリコン基板１０１を真空チャンバー内に導入し、温度制御下で水素ガス（Ｈ２）を導入し、プラズマ放電することによりシリコン基板１０１の裏側表面をクリーニングする。
つぎに、温度制御下で、真空チャンバー内にシラン（ＳｉＨ４）ガス及び水素ガス（Ｈ２）を導入し、プラズマ放電することによりシランを分解し、シリコン基板１０１の裏面全面に真性アモルファスシリコン膜からなる真性半導体層１０５を２ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚みで堆積する（図７−８）。
次に、真空チャンバー内にシランガス、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）及び水素ガスを導入し、プラズマ放電することによりシランとジボランを分解し、シリコン基板１０１の裏面全面にｐ型アモルファスシリコン膜からなるｐ型半導体層１０４を５ｎｍ〜５０ｎｍ程度の厚みで堆積する。次に、シリコン基板１０１の裏面全面にアクアミカ（クラリアント社製、登録商標）をスピンコーターなどで塗布したのち、１００℃程度の温度で乾燥させ、比較的低密度なシリコン酸化膜１０９とする（図７−９）。このシリコン酸化膜１０９は、後のエッチングにおいてリフトオフ層として機能する。ここで、リフトオフ層としてはシリコン酸化膜である必要はなく、例えばポリイミドやフェノール樹脂（例えばクラリアント社ＡＺ５２１４等）といった有機膜などを用いてもよいが、この場合は、これ以降の成膜温度や、アモルファス半導体層を成膜する前の洗浄の条件を弱める必要がある。
ついで、レーザスクライブ法によって、凹部（溝）１１５を形成する（図７−１０）。所望の完成電極の形状となるように、凹部１１５は、その深さ、幅およびパターンをあらかじめ調整して形成する。凹部の幅は１００μｍ程度となるようにすることが好ましいが、レーザ照射では加工幅が細すぎる場合は、レーザ照射位置を少しずつずらしていくことにより加工幅を広げたり、凹部となる部分を抜き取る形状に外周を周回するように加工したりしてもよい。凹部１１５の形状の一例として、深さ３０μｍ、幅１００μｍ程度とすることができる。この工程で、レーザ光線が照射されなかった領域は相対的に凸部となり、凸部１１６となる。
なお、ここでは凹部１１５の形成方法としてレーザスクライブ法を用いたが、メカニカルスクライブ法や放電加工法、ブラスト法と薬液エッチングとを順に行う二段階法、フッ化水素酸中おける金属触媒とシリコンとの接触部の局所的エッチングなどの方法や、ホログラフィー光学素子を用いたレーザ加工によるエッチングマスクのパターニングと薬液エッチングと組み合わせる方法などを用いて凹部１１５（溝）を形成してもよい。
ついで、イソプロピルアルコールが添加され、かつ７０〜９０℃に加熱された２重量％程度の濃度の水酸化カリウム水溶液中にシリコン基板１０１を浸漬し、アルカリ溶液による異方性エッチングを用いて、シリコン基板１０１の凹部１１５部分の表面に略{１１１}面から形成されるテクスチャ構造を形成し、粗面化するとともに凹部１１５の形成時に生じた欠陥の除去を行う（図７−１１）。この際、凸部１１６の表面は平坦となる一方で、凹部１１５はアルカリによる異方性エッチングを受けることにより、凹部１１５，凸部１１６に比べて微細な凹凸構造のテクスチャを有することとなる。テクスチャは受光面に対しておよそ５０°の角度をなすシリコン｛１１１｝面の多数の微細な面で構成され、その結果、裏面凹部の底面と側面の大部分は受光面に対しておよそ５０°の角度をなす斜面となる。なお、図７−１１においては、凹部１１５の底部のみにテクスチャを示している。また、エッチングの際には、基板の深さ方向のみならず、基板の横方法にもエッチングが進むため、凹部の幅がレーザ加工時よりも広がることに注意する必要がある。
ここで、受光面のテクスチャ表面が一般的なシリコン｛１１１｝面から構成され、裏面側の傾斜面が受光面に対して約４０°以上の角度をなす場合、図８の左側の矢印Ｌに示されるように、基板に対して垂直に入射する光は裏面で鏡面反射されてから受光面の（１１１）面で反射される際に、基板側へ戻る方向へと反射され、光路長が伸びシリコン基板に吸収されやすくなるため、裏面側の傾斜面は受光面に対して約４０°以上の角度をなすことが好ましい。これに対し、裏面側の傾斜面が受光面に対して約４０°未満の角度をなす場合、図８の右側の矢印Ｒに示されるように、基板に対して垂直に入射した光が裏面で反射されてから受光面に入射した際に、おもて面側から光が出射してしまい、有効に光を閉じ込めることができない。
さらに、裏面側の傾斜面が受光面に対して約５０°以上の角度をなす場合は、裏面で反射されてから受光面に入射する際の光の入射角が臨界角以上となり、光は全反射されるのでより好ましい。
その一方で、裏面側の傾斜面が受光面に対して約６０°以上の角度をなす場合、裏面の斜面で反射された光は再び裏面へ入射した後、おもて面から出射することになるため、好ましくない。
このような傾斜面を、基板と同じ伝導型のｎ型半導体層が形成される領域に形成しておいても、表面積増大による案電流密度増大の影響は小さいため、開放電圧の低下はほとんどない。その一方で、光閉じ込め効率の向上により太陽電池特性を向上させることができる。
次に、先述の一般的にＲＣＡ洗浄と呼ばれる洗浄からフッ化水素酸溶液による処理を除いた処理をシリコン基板１０１に施した後、シリコン基板１０１を真空チャンバー内に導入し、温度制御下で水素ガス（Ｈ２）を導入し、プラズマ放電することによりシリコン基板１０１の裏側表面をクリーニングする。
次に、温度制御下で、真空チャンバー内にシラン（ＳｉＨ４）ガス及び水素ガス（Ｈ２）を導入し、プラズマ放電することによりシランを分解し、シリコン基板１０１の裏面全面に真性アモルファスシリコン膜からなる真性半導体層１０５を２ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚みで堆積する。
次に、真空チャンバー内にシランガス、ジボラン（ＰＨ３）及び水素ガスを導入し、プラズマ放電することによりシランやホスフィンを分解し、シリコン基板１０１の裏面全面にｎ型アモルファスシリコン膜からなるｎ型半導体層１０２を５ｎｍ〜５０ｎｍ程度の厚みで堆積する（図７−１２）。
次に、フッ化水素酸中にシリコン基板１０１を浸漬することにより、リフトオフ層であるシリコン酸化膜１０９を除去することにより、その上面に形成された真性半導体層１０５およびｎ型半導体層１０２を除去する。ここで、リフトオフ層にポリイミドや、フェノール樹脂等の有機層を用いた場合は、温度制御されたアルカリ溶液やアセトン等の有機溶媒によってリフトオフ層を除去する。
次に、酸化インジウムをターゲットとしたスパッタリング法により、酸化インジウム膜をシリコン基板１０１の裏面に蒸着する（図７−１３）。この際に、蒸着された酸化インジウム膜からなる透明導電性電極のパターンが電流取り出し電極１１０および電流取り出し電極１２０の形状となるようにメタルマスクをシリコン基板１０１上に配置して蒸着することによって図１−１に示される櫛歯形状の電流取り出し電極を形成することができる。
また、透明導電性電極は、真空加熱蒸着法により銀膜をシリコン基板１０１の裏面に蒸着して形成してもよい。この際も、蒸着された銀のパターンが電流取り出し電極１１０および電流取り出し電極１２０の形状となるようにメタルマスクをシリコン基板１０１上に配置して蒸着することによって図１−１に示される櫛歯形状の電流取り出し電極（銀電極）を形成することができるが、この場合は、ｐ型半導体層１０４もしくはｎ半導体層１０２の伝導度が低いため、銀電極が接触していない部分のｐ型半導体層１０４もしくはｎ型半導体層１０２に到達したキャリアは銀電極まで有効に集電されない。このため、電流取り出し電極と半導体層の位置合わせ精度が十分に高くないと発電出力が低下する。
この上からスクリーン印刷法により、スクリーン版を用いて集電電極１１１および集電電極１２１のパターンに集電電極を印刷することにより、図７−１４、図６に示される構造を有するヘテロ接合裏面電極型太陽電池を得ることができる。このような集電電極材料として例えば藤倉化成株式会社製のドータイト（登録商標）やナノ銀粒子を含有したペーストなどの導電性ペーストを使用してもよい。このようなペーストを用いることにより、金属電極表面での光散乱性を向上させることができ、光閉じ込め効率を向上させることができる。特に１００ナノメートルから４００ナノメートル程度の粒径のナノの粒子を用いることが好ましい。
この後、基板を加熱することにより電極とシリコンの密着性を向上させてもよい。
上述した説明では、シリコン基板１０１を用いた太陽電池を例に挙げて説明したが、シリコン以外の太陽電池や光発電デバイスにも上記構造を適用することができる。また、上述した説明では、単結晶のｎ型シリコン基板を用いる場合を説明したが、多結晶基板などにも適用することができる。
初期のシリコン基板１０１への凹部１１５形成には、薬液エッチングによるダメージ除去を施す深さおよび時間を低減するために、加工ダメージが浅い方法によって行われることが望ましい。具体的には、レーザ加工法を用いる場合は、シリコン基板１０１の光吸収係数が大きい領域の波長をもつレーザ光を用いて加工することによりダメージ深さを抑制することができ、ダメージ除去工程によるエッチング量と時間を低減することができる。この場合、レーザーダメージを除去するためのエッチングの際の凹部１１５エッヂ部分のアンダーカットを小さくすることができる。
つぎに、上述した実施の形態３にかかる太陽電池の製造方法により製造した太陽電池の特性について評価した結果について説明する。上述した方法によって製造した太陽電池を実施例３とした。
また、凹部１１５の形成を行わずに比較例３の太陽電池（図２参照）を作製した。比較例３の作製においては、実施例３の図７−１０の工程においてアクアミカを用いてシリコン基板１０１の裏面全面にシリコン酸化膜１０９を形成してから凹部１１５を形成する工程の代わりに、シリコン基板１０１の裏面にアクアミカによる酸化膜を形成し、フォトリソグラフィーにより櫛歯状にレジストを形成してから半導体基板全体をフッ酸溶液に浸漬し、凹部１１５に相当する領域のシリコン酸化膜を除去した。これ以外は、実施例３と同じ工程により比較例３の太陽電池を作製した。この際、比較例３では、ｎ型半導体層１０２の幅を実施例３の凹部１１５を受光面へ垂直に投影した場合の幅と同じとなるようにした。
表３に、比較例３と比較した実施例３の太陽電池の出力特性を示す。ここでは、各太陽電池について、実際に電池を作動させ、太陽電池出力特性として、光電変換効率（％）、曲線因子（％）、短絡電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）および開放電圧（Ｖ）を測定し、比較例３に対する実施例３の各値の比率を算出した。
Figure 2013125036
１００〜２００マイクロメートルの範囲内の基板厚みをもつ実施例３では、ヘテロ接合裏面接合型太陽電池において、半導体基板と同じ導電型を持つｎ型半導体層１０２が形成された領域の受光面に対する投影面積が比較例３と同等であるため、ｎ型半導体層１０２付近への光入射量および光生成するキャリア量は、投影面積が異なる構造に比較して、比較例と実施例の間で同等となる。ｐ型半導体層１０４付近への光入射量とキャリア生成量も同等である。このため、この実施例３と比較例３との間では、ｎ型半導体層の形成領域付近で生じたキャリアがｐ型半導体層の形成領域付近まで拡散する間に失活するキャリア量は、投影面積が異なる実施例１と比較例１のような差が生じないため、この点からは短絡電流密度に大きな差は生じないと考えられる。
その一方で、半導体基板に凹部を形成することにより光吸収層としてのシリコン基板の厚みが減ることになり、光吸収量が低減する。しかし、凹部の底面に微細な凹凸構造を持ち、また、凹部の側面を受光面に対して斜面をなすように形成することで、裏面に到達した光を反射する際に基板の横方向に反射することにより光が基板表面から出射しにくくするとともにｐ型半導体層１０４付近で光が吸収されるようにすることができ、キャリアの生成場所をｐ型半導体層１０４に近づけることにより、光生成キャリアの拡散距離を短くでき、再結合損失を低減することができる。これにより、短絡電流密度が増大した、光電変換効率に優れた太陽電池を得ることができたと考えられる。このため、上記斜面での反射率を上げるために、斜面にも反射率の高い金属電極が形成されることが好ましい。半導体にシリコンを用いる場合、金属電極はシリコンとシリサイドを形成し、反射率が低下し、金属−シリコン界面の再結合速度が大きくなるが、電極が半導体に直に接触しないヘテロ接合太陽電池では、この反射効果が顕著であり、金属とシリコンとの界面での再結合の影響がないという利点がある。
さらに、電極部分の凹部の側面を傾斜させるだけでなく、太陽電池の受光面と裏面の両面を直交したＶ溝によって構成する構造によって裏面電極形成部分も含めた太陽電池セル全体の光閉じ込め効率を高めることができる。例えば特許第３３０１６６３号公報のような基板両面に電極がある拡散接合太陽電池では、裏面電極部分はシリコンと金属電極が化学反応しているため、裏面電極とシリコンの界面の反射率は低く、電極部分での光反射は十分ではなかった。また金属電極とシリコン基板界面での再結合速度が大きいため、電極付近で生成したキャリアの取り出し効率が低いため、前記の裏面電極とシリコンの界面の反射率が高くなっても、裏面電極部分で光生成したキャリアを電流として有効に取り出し切れていなかったという問題があった。これに対し、ヘテロ接合の場合では、電極による再結合の影響が小さく、また、金属もシリコンと直接には接触しないため反射率を高く保つことができ、裏面電極形成部分も含めた太陽電池セル全体の光閉じ込め効率が高まった、発電出力に優れた太陽電池を作製することができる。このような構造を、前述の傾斜面による裏面到達光を基板平行方向へ反射する構造に組み入れると、接触抵抗が低減され、より光閉じ込め効率とキャリア取り出し効率に優れた太陽電池を作製することができる。
図９は、このような構造例である実施の形態３にかかる他の太陽電池の一部を模式的に示した要部斜視図である。図９に示すようにｎ型シリコン基板１０１の裏面側において、凹部となるＶ型の大きな溝（電極溝）内にｎ型半導体領域が設けられ、凸部であるｐ型半導体領域にもｎ型半導体領域の溝（電極溝）と平行方向に延伸する小さいＶ溝が多数形成されている。ｎ型半導体領域とｐ型半導体領域との間にｉ型半導体領域として、ｎ型半導体領域の溝と平行方向に延在する小さなＶ溝で間隔があけられている。ｎ型半導体領域およびｐ型半導体領域には、それぞれ集電電極１１１、１２１が形成されている。
シリコン基板１０１の光入射側にもｐ型半導体領域と同様のＶ溝が平行に多数形成されたテクスチャが形成されているが、その方向はシリコン基板１０１の面方向において裏面側のｎ型半導体領域やｐ型半導体領域のＶ溝と直交する方向である。このように光入射側の基板表面の光反射防止構造であるテクスチャと本実施の形態における裏面電極の溝（凹部）とが多数のＶ溝によって形成され、これらのＶ溝の延伸方向がシリコン基板１０１の面方向において互いに直交する構造であることが好ましい。なお、図９では集電電極１１１とｎ型半導体層１０２との間の電流取り出し電極１１０、集電電極１２１とｐ型半導体層１０４との間の電流取り出し電極１２０、光入射側の誘電体層１０６やｎ型拡散層１０７などを省略している。
このような構成の太陽電池では、シリコン基板１０１の光入射側に到達した光Ｌは、Ｖ溝による屈折により基板内への入射角が大きくなり、光路長を延ばされてシリコン基板１０１内を進行する。そして、裏面側に到達した光Ｌは、裏面側の基板界面で反射されてシリコン基板１０１内に戻される。
このような太陽電池の表面テクスチャの作製方法の一例を図１０および図１１を参照して説明する。図１０および図１１は、実施の形態３にかかる他の太陽電池における表面テクスチャの作製方法の一例を模式的に示す要部斜視図である。まず、受光面として（１００）面を持つシリコン基板１０１を用意し、このシリコン基板１０１の両面にエッチングマスクとしてシリコン酸化膜１３１を形成する。つぎに、レーザ光を用いたアブレーションにより、シリコン酸化膜１３１とシリコン基板１０１の表面にパターンを形成する。このパターンはライン状の多数の溝１３２とし、その溝１３２の延伸方向はシリコン基板１０１であれば＜１１０＞軸方向になるように形成する（図１０）。
ここで、シリコン基板１０１の両面における溝１３２の延伸方向は、互いに直交する方向とする。たとえばシリコン基板１０１の裏面の溝の延伸方向を［１１０］軸方向とすると、受光面の溝１３２の延伸方向は［１−１０］軸方向とする。このようにシリコンの結晶方位によって電極溝の方向が決まってしまうので、あらかじめシリコン基板１０１を切り出す方位を、電極が所望の方向となるようにしておく必要がある。また、形成条件を調節して、ｐ型半導体領域用、ｉ型半導体領域用、ｎ型半導体領域用にそれぞれ所望の形状で溝を形成する。
レーザによるパターニング以外にも、エッチングマスクとしてシリコン基板１０１上に形成されたシリコン酸化膜１３１上に感光性樹脂溶液をスピン塗布法により塗布し、写真製版による感光性樹脂のパターニングを実施してもよい。この場合も、パターンはライン状の多数の溝１３２とし、その溝１３２の延伸方向はシリコン基板であれば裏面の溝１３２の延伸方向を［１１０］軸方向になるように形成し、受光面については、裏面のＶ字溝に対して直行する方向にライン状に感光性樹脂のパターニングを行う。そして、シリコン基板１０１をフッ酸中に浸漬し、シリコン基板１０１の両面の感光性樹脂が除去された部分のシリコン酸化膜１３１をエッチングし、感光性樹脂をアルカリ溶液などで除去することによりパターンを形成することができる。
このようにしてシリコン酸化膜１３１をパターニングしたシリコン基板１０１を水酸化カリウム等のアルカリ水溶液に浸漬させ、シリコン基板１０１の表面に対して異方性エッチングを実施する。これにより、シリコンの｛１１１｝面が露出して、シリコン基板１０１の受光面と裏面とで互いに直交したＶ溝１３３によって構成されるテクスチャ構造を形成することができる（図１１）。
これ以降は、実施の形態１の図３−３と同様にして、シリコン基板１０１の裏側に酸化膜マスクを形成した後、実施の形態１の図３−４以降の工程を施す。これにより、図９に示すような太陽電池の向かい合う両面において直交した溝形状を持つ太陽電池を作製することができる。また、逆に上記の方法を用いて実施の形態１，２の構造を形成することもできる。
なお、上記においてはエッチングマスクと異方性エッチングとを用いてＶ溝を形成する場合を示したが、例えばレーザスクライブ、先端の断面がＶ字型のダイヤモンドホイールなどを使用した機械的加工などでも同様な溝を形成することができる。これらの場合は、溝の延在方向がシリコンの結晶軸方向に限定されない。また、上記においては溝の形状をＶ溝としたが、斜面や底部が曲面からなるＵ字形状としてもよい。
また、実施例３では、ｎ型半導体層１０２はｎ型シリコン基板１０１に対して凹部１１５の側面および底面部分を通じて接触するため、その接触面積は凹部を持たない比較例３に比べて大きくすることができる。また、同時に、実施例３では凹部１１５の底部はテクスチャによる微細な凹凸構造を持っているため、比較例３に比べてｎ型半導体層と半導体基板との間の接触面積、ｎ型半導体層１０２と電流取り出し電極１１０との間の接触面積、および、電流取り出し電極１１０と集電電極１２０との間の接触面積、を大きくすることができるという利点がある。
比較例３では、ｐ型半導体層１０４は真性半導体層を介してシリコン基板１０１に接触する面積が実施例３に対して同程度であるため接触抵抗が小さいのに対し、ｎ型半導体層１０２は実施例３に対して接触面積が小さく、その接触抵抗が大きいため抵抗による電力損失が大きい。したがって、比較例３に比べて実施例３の方が、ｎ型半導体層１０２のｎ型シリコン基板１０１に対する接触面積が大きく、電力損失が低減できたため、高い曲線因子が得られたと考えられる。
また、実施例３では、半導体基板中に凹部と凸部を形成し、その凹部内に半導体層と電極とを形成することによって、光生成したキャリアが半導体層および電極に到達するまでの距離を短くすることができ、半導体基板中をキャリアが移動することによる抵抗損失を凹部のへこみ分だけ低減することができ、発電出力に優れた太陽電池を製造することができるという効果を奏する。
また、表面パッシベーション能力が高いアモルファスシリコンと単結晶シリコン基板との組み合わせでは、半導体基板と凹部の半導体膜との界面の実効再結合速度が、半導体基板凹部のバルクの実効再結合速度に比べて小さくなるため、バルクと界面を合わせた全体としての再結合が低減され、光電変換効率が向上する。
また、特に、実施例３においては、凸部１１６は、比較的平滑な表面となっているためパッシベーション膜の機能を果たす真性半導体層１０５Ｈやｐ型半導体層１０４の膜厚分布が生じにくく、効果の高いパッシベーション効果を得ることができるとともに、接合面積を低減し飽和暗電流密度を低減することができるため、発電効率に優れた太陽電池を得ることができる。
また、実施例３では、簡便なプロセスによって自己整合的にｐ型半導体層１０４を形成することで、位置合わせ精度を向上させることができる。これにより、発電能力の低い真性半導体層のみが半導体基板上に形成されている領域（もしくはｎ型半導体層１０２とｐ型半導体層１０４とが重なっている領域）の面積および電流取り出し電極が形成されていないｐ型半導体層１０４とｎ型半導体層１０２の面積を小さくすることができる。この結果、発電に寄与する裏面の面積を増大させることができ、発電出力の向上が得られる。したがって、実施例３では、表面に凹部１１５を設けずにヘテロ接合裏面電極型太陽電池を形成した場合に比して、曲線因子と短絡電流が増大した太陽電池出力特性を有する太陽電池セルを製造することができる。
したがって、実施の形態３によれば、半導体基板中でのキャリアの伝導距離が短く、キャリア移動による抵抗が低減され、かつ、表面パッシベーション能力に優れ、半導体基板中でのキャリアの再結合が低減されるとともに光吸収量の増大した、光電変換効率に優れたヘテロ接合裏面電極型の構造を有する太陽電池が得られる。
実施の形態４．
図１２〜図１４は、実施の形態４にかかる太陽電池の構成の一例を模式的に示す要部断面図である。図１２〜図１４も、図１−３と同様に基板の面内において櫛歯状の集電電極の延在方向に垂直な方向の断面の一部を示している。また、実施の形態４では、半導体基板と同じ伝導型の半導体膜を凹部に形成する場合について述べる。実施の形態４にかかる太陽電池は実施の形態１の変形例であり、凹部１１５の内部及びその周囲の部材位置が異なるが、基本的な構造は実施の形態１の場合と同様である。また、図１２〜図１４においては、実施の形態１の場合と同様の部材については同じ符号を付している。
これらの太陽電池においては、半導体基板としてのｎ型シリコン基板１０１の受光面側には、凹凸を有するテクスチャ構造が表面での光反射を低減する目的で形成されている。ｎ型シリコン基板１０１の受光面側には、ｎ型シリコン基板１０１よりもｎ型不純物濃度が高い領域であるｎ型拡散層１０７により、表面側で生じた少数キャリア（この場合には正孔）を表面側へと向かわせるＦＳＦ（Front Surface Field）と呼ばれる表面電界層が形成される。
また、受光面側のｎ型拡散層１０７の上面には、受光面側のシリコン表面でのキャリアの再結合を防ぐ目的で真性半導体層あるいは誘電体層１０６が形成されており、これがパッシベーション膜として機能している。また、この膜に積層してシリコン基板１０１の受光面への入射光の反射を防止する反射防止膜１０３が形成されている。
一方、ｎ型シリコン基板１０１の裏面には、櫛歯状に凹部１１５が設けられ、この凹部１１５の底面と側面には真性半導体層１０５Ｌが形成される。そして、ｎ型シリコン基板１０１の裏面において凹部１１５と相対的に凸部となった凸部１１６の領域上には真性半導体層１０５Ｈが形成される。なお、以下では、真性半導体層１０５Ｌと真性半導体層１０５Ｈとを総称して真性半導体層１０５と呼ぶ場合がある。凹部１１５の幅は、一例として、たとえば１００μｍ程度であり、凸部１１６の幅は、たとえば４００μｍ程度である。
凹部１１５の真性半導体層１０５Ｌ上には、局所的にｎ型不純物を含むアモルファスシリコン膜からなるｎ型半導体層１０２が形成され、正孔がシリコン基板１０１の表面に到達することを抑制するための電界層が形成される。凸部１１６の真性半導体層１０５Ｈ上には、局所的にｐ型不純物を含むアモルファスシリコン膜からなるｐ型半導体層１０４が形成され、内部光電効果により生成したキャリアを分離するための電界層（半導体ｐｎ接合）が形成される。なお、図のようにｐ型半導体層１０４は凸部１１６の大部分に形成されていることが望ましい。
このように構成された太陽電池では、太陽光が太陽電池の受光面側（シリコン基板１０１におけるｎ型拡散層１０７側）から照射されると、シリコン基板１０１内に正孔と電子とが生成する。光吸収によって生成した電子は凹部１１５のｎ型半導体層１０２に向かって移動し、正孔はｐ型半導体層１０４に向かって移動する。これにより、ｎ型半導体層１０２に電子が過剰となり、ｐ型半導体層１０４に正孔が過剰となり、光起電力が発生する。この結果、ｎ型半導体層１０２に接して形成される電流取り出し電極１１０および集電電極１１１がマイナス極となり、裏面のｐｎ接合を形成するｐ型半導体層１０４に接続した裏面の電流取り出し電極１２０および集電電極１２１がプラス極となり、図示しない外部回路に電流が流れる。
これのような構造の太陽電池１００の製造方法としては、実施の形態２で説明した方法ほぼ同様の手順で、耐酸性レジストの印刷スクリーンのパターンを変更するだけで形成することができる。
以上のような実施の形態４によれば、実施の形態１と同様に、半導体基板中でのキャリアの伝導距離が短く、キャリア移動による抵抗が低減され、かつ、半導体基板中でのキャリアの再結合が低減された光電変換効率に優れたヘテロ接合裏面電極型の構造を有する太陽電池が得られる。
上記の実施の形態において説明したように、本発明によれば、ヘテロ接合裏面電極型の構造を有する太陽電池において、半導体基板と同じ導電型を持つ半導体層が半導体基板に形成された凹部（もしくは凸部）の底面（もしくは上面）および側面に形成される。これにより、半導体基板と同じ導電型を持つ半導体層が形成された領域の、光入射面に対する投影面積が小さくなり、半導体基板と同じ導電型を持つ半導体層が形成された領域近傍で光生成するキャリアの量が低減するとともに、半導体基板と逆の導電型を持つ半導体層が形成された領域の、光入射面に対する投影面積が大きくなり、半導体基板と異なる導電型を持つ半導体層が形成された領域近傍で光電効果により光生成するキャリアの量が増大し、ｐｎ接合界面まで拡散する必要のある少数キャリアの量が減少する。この結果、少数キャリアの再結合を抑制すると共に、キャリアが電極に到達するまでの経路を短くすることができ、発電出力に優れた太陽電池を製造することができる、という効果を有する。
また、本発明によれば、半導体基板中に凹部と凸部を形成し、その凹部内に半導体層と電極を形成することによって、光生成したキャリアが半導体層および電極に到達するまでの距離を短くすることができ、半導体基板中をキャリアが移動することによる抵抗損失を凹部のへこみ分だけ低減することができ、発電出力に優れた太陽電池を製造することができる、という効果を奏する。
また、本発明によれば、電流取り出し電極と半導体層、および、電流取り出し電極と集電電極の接触面積を増大させることができるため、接触抵抗を低減できるという効果を奏する。また、ｎ型半導体層１０２が形成される凹部領域１１５に隣接する基板の厚みは薄くなっているため、受光面から凹部領域１１５に対応する場所に入射する光が、基板内部において吸収される量は減少する。しかし、ｎ型層形成領域のほうがｐ型層形成領域よりも受光面に対する投影面積が小さいため元々その影響は小さく、更に本願などの光閉じ込め構造を用いることにより、光吸収量の低下は小さくすることができる。その一方でｐ型半導体層１０４が形成される凸部領域１１６の基板の厚みは比較例と同等であるため、ｐ型半導体層形成領域に対応する凸部領域１１６に受光面から入射する光が基板内で吸収される量は比較例と同等となる。このため、光吸収量低下の影響は小さく、それ以外の寄与により、全体としては光電変換効率が向上する。
これに対し、接触抵抗を低減させるために特開平３−１６５５７８号公報、特開２００４−４７８２４号公報のように、ｎ型半導体層形成領域とｐ型半導体層形成領域両方を凹部とする構造では、ｐ型半導体層形成領域が凸部となる構造に比べて発電を担うｐ型半導体層形成領域の半導体基板の厚みが減少してしまうため光吸収量が低下し、短絡電流が低下する。同時に、ｐ型半導体層形成領域が凸部となる場合に比べて、その接合面積が増大するため、飽和暗電流密度が増大し、開放電圧が低下するという問題が生じる。このほかにも、特にヘテロ接合裏面電極型太陽電池では、ｐ型半導体層が凹部に形成される場合、ｎ基板に対してｐｎ接合を形成するｐ型半導体層に膜厚分布が生じてしまい、曲線因子と開放電圧が低下するという問題が生じる。
また、裏面の表面付近における表面積あたりの光生成キャリア量は、受光面に対する投影面積が小さい凹部１１５の側壁で小さくなる。このため、本発明によれば、図１−３，１−４のように、ｐ型半導体膜とｎ型半導体膜が積層されない真性半導体層や誘電体層のみで半導体基板がパッシベーションされる領域を、凹部側壁に形成することで、ｐ型半導体膜とｎ型半導体膜がなく電界層がない領域でのキャリア生成量を低減し、再結合を抑制して有効に電流を取り出すことができるようになるため発電出力に優れた太陽電池をつくることができる。
また、裏面の表面付近における表面積あたりの光生成キャリア量は、受光面に対する投影面積が小さい凹部１１５の側壁で小さくなる。このため、凹部１１５の側壁にｐ型半導体層とｎ型半導体層がなく電界層がない、あるいはｐ型半導体層とｎ型半導体層が重なってキャリアの再結合が生じる領域を形成することにより、光生成キャリアの再結合量を低減して有効に取り出すことができるようになり、発電出力に優れた太陽電池をつくることができる。従って、本発明によれば、図１３のように面積あたりの光生成キャリアが少ない凹部１１５側壁にｐ型半導体膜とｎ型半導体膜が重なる部分を形成することにより、裏面に凹凸が形成されないヘテロ接合太陽電池に比べて電流を有効に取り出すことができる、という効果を奏する。また、本発明によれば、図１４や図１−３，１−４のように、ｐ型半導体膜とｎ型半導体膜が積層されない真性半導体層や誘電体層のみで半導体基板がパッシベーションされる領域を、凹部側壁に形成することで、ｐ型半導体膜とｎ型半導体膜がなく電界層がない領域でのキャリア生成量を低減し、再結合キャリア量を低減し有効に電流を取り出すことができるようになるため発電出力に優れた太陽電池をつくることができる。
また、上記の実施の形態で説明した構成を有する太陽電池セルを複数形成し、隣接する太陽電池セル同士を電気的に直列または並列に接続することにより、光電変換効率に優れた太陽電池モジュールが実現できる。この場合は、例えば隣接する太陽電池セルの一方の集電電極１１１と他方の集電電極１２１とを電気的に接続すればよい。
以上のように、本発明にかかる光起電力素子は、半導体基板中でのキャリアの伝導距離が短く、キャリア移動による抵抗が低減され、かつ、半導体基板中でのキャリアの再結合が低減された光電変換効率に優れたヘテロ接合裏面電極型の構造を有する光起電力素子の実現に有用である。
１００ 太陽電池
１０１ ｎ型シリコン基板（シリコン基板）
１０２ ｎ型半導体層
１０３ 反射防止膜
１０４ ｐ型半導体層
１０５ 真性半導体層
１０５Ｌ 真性半導体層
１０５Ｈ 真性半導体層
１０６ 誘電体層
１０７ ｎ型拡散層
１０８ マスク膜
１０９ シリコン酸化膜
１１０ 電流取り出し電極
１１１ 集電電極
１１５ 凹部
１１６ 凸部
１１７ 耐酸性レジスト
１２０ 電流取り出し電極
１２１ 集電電極
１３１ シリコン酸化膜
１３２ 溝
１３３ Ｖ溝
２００ エッチング装置
２０１ エッチング貯留層
２０２ スポンジローラ
２１０ エッチング液
３００ 太陽電池
４００ 太陽電池
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる光起電力素子は、第１主面と第２主面とを有する結晶系半導体基板の前記第１主面側に凹部と凸部とが形成され、前記凹部の表面に、誘電体膜または真性半導体膜と、第１導電型を有するアモルファス膜からなる第１半導体層と、第１電極とがこの順で積層され、前記凸部の表面に、誘電体膜または真性半導体膜と、第２導電型を有するアモルファス膜からなる第２半導体層と、第２電極とがこの順で積層され、前記凹部の表面が前記基板の前記第２主面に対して傾斜した面を含んで構成され、前記第１半導体層と前記第２半導体層がともに形成されない領域が、前記凹部の側面に形成され、前記凹部を含む前記第１主面の全面に真性半導体膜が形成されていること、を特徴とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる光起電力素子は、第１主面と第２主面とを有する結晶系半導体基板の前記第１主面側に延伸方向が平行な複数の凹部と凸部とが形成され、前記凹部の表面に、真性半導体膜と、第１導電型を有するアモルファス膜からなる第１半導体層と、第１電極とがこの順で積層され、前記凸部の表面に、真性半導体膜と、第２導電型を有するアモルファス膜からなる第２半導体層と、第２電極とがこの順で積層された光起電力素子であって、前記凹部の表面が前記基板の前記第２主面に対して傾斜した面を含んで構成され、前記凹部を含む前記第１主面の全面に真性半導体膜が形成され、前記第１導電型を有するアモルファス膜からなる第１半導体層と前記第２導電型を有するアモルファス膜からなる第２半導体層がともに形成されずに前記凹部の表面上の真性半導体膜が露出した領域が、前記凹部の側面に形成されていること、を特徴とする。

Claims (12)

  1. 第１主面と第２主面とを有する結晶系半導体基板の前記第１主面側に凹部と凸部とが形成され、
    前記凹部の表面に、誘電体膜または真性半導体膜と、第１導電型を有するアモルファス膜からなる第１半導体層と、第１電極とがこの順で積層され、
    前記凸部の表面に、誘電体膜または真性半導体膜と、第２導電型を有するアモルファス膜からなる第２半導体層と、第２電極とがこの順で積層され、
    前記凹部の表面が前記基板の前記第２主面に対して傾斜した面を含んで構成されること、
    を特徴とする光起電力素子。
  2. 前記凹部は底面と側面とで構成されて、前記側面が前記第２主面に対して４０°以上６０°未満の角度をなす傾斜面を有して構成されること、
    を特徴とする請求項１に記載の光起電力素子。
  3. 前記凹部の底部に前記第２主面に対して傾斜した微細な面を多数含むテクスチャが形成されていること、
    を特徴とする請求項２に記載の光起電力素子。
  4. 前記凸部の表面は、主に略平坦面により構成されること、
    を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光起電力素子。
  5. 前記第１半導体層と前記第２半導体層がともに形成されない領域が、前記凹部の側面に形成されていること、
    を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光起電力素子。
  6. 前記誘電体膜または真性半導体膜と前記第１半導体層の積層膜と、前記誘電体膜または真性半導体膜と前記第２半導体層の積層膜とが重なって形成される領域が、前記凹部の側面に形成されていること、
    を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光起電力素子。
  7. 延伸方向が平行な複数の溝からなるテクスチャ構造が前記結晶系半導体基板の受光面に形成され、
    前記凹部が、前記結晶系半導体基板の面方向において前記溝の延伸方向に対して直交する方向に延伸して形成されること、
    を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光起電力素子。
  8. 前記結晶系半導体基板の他面側の表面に、前記半導体基板と同一の導電型の不純物を前記半導体基板よりも高い濃度で含む層を有すること、
    を特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の光起電力素子。
  9. 前記結晶系半導体基板の導電型が第１導電型であること、
    を特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の光起電力素子。
  10. 第１主面と第２主面とを有する結晶系半導体基板の前記第１主面側に凸部と前記第２主面に対して傾斜した面を含んで構成される凹部とを形成する工程と、
    前記凹部の底部および側面の表面上に誘電体膜または真性半導体膜を形成する工程と、
    前記凸部の一部の表面上に誘電体膜または真性半導体膜を形成する工程と、
    前記凹部内の前記誘電体膜上または前記真性半導体膜上に第１導電型を有するアモルファス膜からなる第１半導体層を形成する工程と、
    前記凸部の表面上の前記誘電体膜上または前記真性半導体膜上に第２導電型を有するアモルファス膜からなる第２半導体層を形成する工程と、
    前記第１半導体層上に第１電極を形成する工程と、
    前記第２半導体層上に第２電極を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする光起電力素子の製造方法。
  11. 前記凹部の底面に前記第２主面に対して傾斜した微細な面を多数含むテクスチャを形成して粗面化すること、
    を特徴とする請求項１０に記載の光起電力素子の製造方法。
  12. 請求項１〜９のいずれか１つに記載の光起電力素子の少なくとも２つ以上が電気的に直列または並列に接続されてなること、
    を特徴とする光起電力モジュール。
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US10756223B2 (en) 2016-10-14 2020-08-25 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Manufacturing method of solar cell with high photoelectric conversion efficiency and solar cell with high photoelectric conversion efficiency
WO2018109849A1 (ja) * 2016-12-13 2018-06-21 信越化学工業株式会社 高効率裏面電極型太陽電池セル、太陽電池モジュール、及び太陽光発電システム
EP3664154A1 (en) * 2017-10-04 2020-06-10 Kaneka Corporation Method for manufacturing solar cell, solar cell, and solar cell module
JP7274899B2 (ja) * 2019-03-22 2023-05-17 株式会社カネカ 太陽電池の製造方法
CN113299771A (zh) * 2021-06-04 2021-08-24 浙江爱旭太阳能科技有限公司 一种选择性接触区域掩埋型太阳能电池及其背面接触结构
CN113299769A (zh) * 2021-06-04 2021-08-24 浙江爱旭太阳能科技有限公司 一种选择性接触区域掩埋型太阳能电池及其背面接触结构
CN116936658A (zh) 2022-06-21 2023-10-24 浙江晶科能源有限公司 背接触太阳能电池及光伏组件
EP4318607A1 (en) 2022-08-05 2024-02-07 Zhejiang Jinko Solar Co., Ltd. Solar cell and photovoltaic module

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0575149A (ja) * 1991-09-11 1993-03-26 Hitachi Ltd 太陽電池素子とその製造方法
JPH07193263A (ja) * 1993-12-27 1995-07-28 Sharp Corp 太陽電池の製造方法
JPH10229210A (ja) * 1997-02-14 1998-08-25 Toyota Motor Corp 太陽電池セル
JP2006523025A (ja) * 2003-04-10 2006-10-05 サンパワー コーポレイション 太陽電池用金属コンタクト構造体及び製法
WO2009096539A1 (ja) * 2008-01-30 2009-08-06 Kyocera Corporation 太陽電池素子および太陽電池素子の製造方法
JP2010147324A (ja) * 2008-12-19 2010-07-01 Kyocera Corp 太陽電池素子および太陽電池素子の製造方法
WO2011093329A1 (ja) * 2010-01-26 2011-08-04 三洋電機株式会社 太陽電池及びその製造方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0575149A (ja) * 1991-09-11 1993-03-26 Hitachi Ltd 太陽電池素子とその製造方法
JPH07193263A (ja) * 1993-12-27 1995-07-28 Sharp Corp 太陽電池の製造方法
JPH10229210A (ja) * 1997-02-14 1998-08-25 Toyota Motor Corp 太陽電池セル
JP2006523025A (ja) * 2003-04-10 2006-10-05 サンパワー コーポレイション 太陽電池用金属コンタクト構造体及び製法
WO2009096539A1 (ja) * 2008-01-30 2009-08-06 Kyocera Corporation 太陽電池素子および太陽電池素子の製造方法
JP2010147324A (ja) * 2008-12-19 2010-07-01 Kyocera Corp 太陽電池素子および太陽電池素子の製造方法
WO2011093329A1 (ja) * 2010-01-26 2011-08-04 三洋電機株式会社 太陽電池及びその製造方法

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