JPWO2014016931A1 - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

改善された光電変換効率を有する太陽電池を提供する。太陽電池は、半導体材料からなる基板１０ｎと、実質的に真性なｉ型半導体層１１ｉａと、アモルファス半導体層１１ｎａと、微結晶半導体層１３ｎｃと、微結晶半導体層１３ｐｃと、アモルファス半導体層１２ｐａとを備える。ｉ型半導体層１１ｉａは、基板１０ｎの一主面１０ｂの上に配されている。アモルファス半導体層１１ｎａは、ｉ型半導体層１１ｉａの一部分の上に配されている。微結晶半導体層１３ｎｃは、アモルファス半導体層１１ｎａの上に配されている。微結晶半導体層１３ｐｃは、微結晶半導体層１３ｎｃの上に配されている。アモルファス半導体層１２ｐａは、微結晶半導体層１３ｐｃの上と、ｉ型半導体層１１ｉａの微結晶半導体層１３ｐｃからの露出部の上とに跨がって配されている。アモルファス半導体層１２ｐａと微結晶半導体層１３ｐｃとが接触している。

Description

本発明は、太陽電池及びその製造方法に関する。
特許文献１には、光電変換効率を向上し得る太陽電池として、ｐ側電極とｎ側電極との両方が裏面側に設けられた裏面接合型の太陽電池が記載されている。特許文献１に記載の太陽電池は、半導体材料からなる基板の一主面の第１の領域の上に設けられた第１の半導体層と、一主面の第２の領域の上に設けられた第２の半導体層とを有する。第１及び第２の半導体層の一方がｐ型であり、他方がｎ型である。第２の半導体層は、第２の領域上から、第１の半導体層の上に跨がって設けられている。第１の領域において、第１の半導体層と第２の半導体層との間には、再結合層が設けられている。この再結合層は、ｐ側電極とｐ型非晶質半導体層１１ｐとの間を低抵抗化するための層である。第２の半導体層と再結合層との間には、実質的に真性なｉ型半導体層が配されている。
ＷＯ２０１０／０９８４４５ Ａ１号公報
太陽電池の光電変換効率をさらに改善したいという要望がある。
本発明の主な目的は、改善された光電変換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、半導体材料からなる基板と、実質的に真性なｉ型半導体層と、第１のアモルファス半導体層と、第１の微結晶半導体層と、第２の微結晶半導体層と、第２のアモルファス半導体層とを備える。ｉ型半導体層は、基板の一主面の上に配されている。第１のアモルファス半導体層は、ｉ型半導体層の一部分の上に配されている。第１のアモルファス半導体層は、一の導電型を有する。第１の微結晶半導体層は、第１のアモルファス半導体層の上に配されている。第１の微結晶半導体層は、一の導電型を有する。第２の微結晶半導体層は、第１の微結晶半導体層の上に配されている。第２の微結晶半導体層は、他の導電型を有する。第２のアモルファス半導体層は、第２の微結晶半導体層の上と、ｉ型半導体層の第２の微結晶半導体層からの露出部の上とに跨がって配されている。第２のアモルファス半導体層は、他の導電型を有する。第２のアモルファス半導体層と第２の微結晶半導体層とが接触している。
本発明に係る太陽電池の製造方法では、半導体材料からなる基板の一主面の上に、実質的に真性なｉ型半導体層を形成する。ｉ型半導体層の上に、一の導電型を有する第１のアモルファス半導体層と、一の導電型を有する第１の微結晶半導体層と、他の導電型を有する第２の微結晶半導体層とをこの順番で形成する。第１のアモルファス半導体層並びに第１及び第２の微結晶半導体層の一部分をエッチングにより除去し、ｉ型半導体層を部分的に露出させる。第２の微結晶半導体層の上と、ｉ型半導体層の露出部の上とに跨がるように、他の導電型を有する第２のアモルファス半導体層を形成する。
本発明によれば、改善された光電変換効率を有する太陽電池を提供することができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る太陽電池の略図的断面図である。 図２は、本発明の一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、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。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り、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。
（太陽電池１の構成）
図１に示されるように、太陽電池１は、半導体材料からなる基板１０ｎを有する。基板１０ｎは、ｎ型またはｐ型の導電型を有する。本実施形態では、具体的には、基板１０ｎの導電型は、ｎ型である。基板１０ｎは、例えば、ｎ型の結晶半導体材料などにより構成することができる。具体的には、基板１０ｎは、例えば、ｎ型の結晶シリコンにより構成することができる。なお、結晶半導体材料には、単結晶半導体材料と多結晶半導体材料とが含まれるものとする。結晶シリコンには、単結晶シリコンと多結晶シリコンとが含まれるものとする。
基板１０ｎは、主として受光する第１の主面１０ａと第２の主面１０ｂとを有する。第１の主面１０ａは、受光面側に位置する。ここで、「受光面」とは、２つの主面のうち、主として受光する側の主面をいう。
第１の主面１０ａの上には、半導体層１７ｉ、半導体層１７ｎ及び保護層１８がこの順番で設けられている。半導体層１７ｉは、実質的に真性なｉ型半導体材料からなる。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。半導体層１７ｉの厚みは、実質的に発電に寄与しない程度の厚み（例えば、０．１ｎｍ〜２５ｎｍ程度）であることが好ましい。半導体層１７ｎの導電型は、基板１０ｎと同じ導電型であるｎ型である。半導体層１７ｎは、例えばｎ型アモルファスシリコンにより構成することができる。保護層１８は、例えば、窒化珪素などにより構成することができる。保護層１８は、半導体層１７ｎを保護する機能とともに、入射光の表面反射を抑制する機能を有していてもよい。
基板１０ｎの第２の主面１０ｂの上には、実質的に真性なｉ型半導体層１１ｉａが配されている。ｉ型半導体層１１ｉａは、第２の主面１０ｂの実質的に全体の上に配されている。ｉ型アモルファス半導体層１１ｉａは、発電に実質的に寄与しない程度の厚み（例えば、０．１ｎｍ〜２５ｎｍ程度）を有する。ｉ型アモルファス半導体層１１ｉａ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１１ｉａの一部分の上には、第１のアモルファス半導体層１１ｎａが配されている。このため、ｉ型半導体層１１ｉａの一部分は、第１のアモルファス半導体層１１ｎａから露出している。第１のアモルファス半導体層１１ｎａは、基板１０ｎと同じ導電型を有する。具体的には、第１のアモルファス半導体層１１ｎａの導電型は、ｎ型である。もっとも、第１のアモルファス半導体層１１ｎａは、基板１０ｎと異なる導電型を有していてもよい。第１のアモルファス半導体層１１ｎａは、例えばｎ型アモルファスシリコンにより構成することができる。第１のアモルファス半導体層１１ｎａの厚みは、例えば、１ｎｍ〜３０ｎｍ程度とすることができる。
第１のアモルファス半導体層１１ｎａの上には、微結晶半導体層１３が配されている。微結晶半導体層１３の厚みは、例えば、２ｎｍ〜６０ｎｍ程度であることが好ましく、２ｎｍ〜３０ｎｍであることがより好ましい。
微結晶半導体層１３は、第１の微結晶半導体層１３ｎｃと、第２の微結晶半導体層１３ｐｃとを有する。第１の微結晶半導体層１３ｎｃは、第１のアモルファス半導体層１１ｎａの上に設けられている。第１の微結晶半導体層１３ｎｃは、第１のアモルファス半導体層１１ｎａと接している。第１の微結晶半導体層１３ｎｃは、第１のアモルファス半導体層１１ｎａと同じ導電型を有する。具体的には、第１の微結晶半導体層１３ｎｃの導電型は、ｎ型である。第１の微結晶半導体層１３ｎｃは、例えば、ｎ型微結晶シリコンにより構成することができる。第１の微結晶半導体層１３ｎｃの厚みは、例えば、１ｎｍ〜３０ｎｍ程度であることが好ましく、１ｎｍ〜１５ｎｍであることがより好ましい。
第２の微結晶半導体層１３ｐｃは、第１の微結晶半導体層１３ｎｃの上に配されている。第２の微結晶半導体層１３ｐｃは、第１の微結晶半導体層１３ｎｃと、後述する第２のアモルファス半導体層１２ｐａとのそれぞれと接している。第２の微結晶半導体層１３ｐｃは、第１の微結晶半導体層１３ｎｃとは異なる導電型を有する。具体的には、第２の微結晶半導体層１３ｐｃの導電型は、ｐ型である。第２の微結晶半導体層１３ｐｃは、例えば、ｐ型微結晶シリコンにより構成することができる。第２の微結晶半導体層１３ｐｃの厚みは、例えば、１ｎｍ〜３０ｎｍ程度であることが好ましく、１ｎｍ〜１５ｎｍであることがより好ましい。
ここで、微結晶半導体層とは、半導体結晶粒を複数個含む層をいう。微結晶半導体層には、実質的に半導体結晶粒のみからなる層が含まれる。また、微結晶半導体層は、半導体結晶粒に加え、半導体のアモルファス領域を有していてもよい。従って、微結晶半導体層は、半導体結晶粒を複数含む層であって、アモルファス半導体層と同様に半導体のアモルファス領域を含む層であってもよい。
第２の微結晶半導体層１３ｐｃと、ｉ型半導体層１１ｉａの第２の微結晶半導体層１３ｐｃからの露出部との上には、第２のアモルファス半導体層１２ｐａが配されている。第２のアモルファス半導体層１２ｐａは、第２の微結晶半導体層１３ｐｃの上と、ｉ型半導体層１１ｉａの第２の微結晶半導体層１３ｐｃからの露出部の上とに跨がって配されている。第２のアモルファス半導体層１２ｐａと第２の微結晶半導体層１３ｐｃとの間には、ｉ型半導体層は設けられていない。第２のアモルファス半導体層１２ｐａは、第２の微結晶半導体層１３ｐｃと直接接触している。第２のアモルファス半導体層１２ｐａは、基板１０ｎとは異なる導電型を有する。具体的には、第２のアモルファス半導体層１２ｐａの導電型は、ｐ型である。第２のアモルファス半導体層１２ｐａは、例えば、ｐ型アモルファスシリコンにより構成することができる。第２のアモルファス半導体層１２ｐａの厚みは、例えば、１ｎｍ〜３０ｎｍ程度とすることができる。
第２のアモルファス半導体層１２ｐａは、複数のアモルファス半導体層により構成されていてもよい。第２のアモルファス半導体層１２ｐａは、例えば、ｐ型ドーパント濃度が相対的に低いアモルファス半導体層と、ｐ型ドーパント濃度が相対的に高いアモルファス半導体層との積層体により構成されていてもよい。
第２のアモルファス半導体層１２ｐａの微結晶半導体層１３の上に位置する部分の上には、ｎ側電極１６ｎが設けられている。一方、第２のアモルファス半導体層１２ｐａの微結晶半導体層１３が設けられていない領域に位置する部分の上には、ｐ側電極１５ｐが設けられている。電極１５ｐ、１６ｎは、例えば、Ａｇ、Ｃｕなどの金属の少なくとも一種により構成することができる。
太陽電池１では、第１のアモルファス半導体層１１ｎａと第２のアモルファス半導体層１２ｐａとの間に、微結晶半導体層１３が設けられている。この微結晶半導体層１３は、第１のアモルファス半導体層１１ｎａと、ｎ側電極１６ｎとの間を低抵抗化する層である。微結晶半導体層１３は、再結合中心となり得る欠陥準位を有する。このため、微結晶半導体層１３において、電子と正孔との再結合とが生じやすい。よって、微結晶半導体層１３を介して電流が流れる。
（太陽電池１の製造方法）
次に、太陽電池１の製造方法の一例について説明する。
まず、半導体材料からなる基板１０ｎの第２の主面１０ｂの上に、ｉ型半導体層２１ｉａを形成する。このｉ型半導体層２１ｉａは、ｉ型半導体層１１ｉａを構成するためのものである。ｉ型半導体層２１ｉａの厚みは、ｉ型半導体層１１ｉａの厚みよりも大きい。ｉ型半導体層２１ｉａは、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成することができる。
次に、ｉ型半導体層２１ｉａの上に、一の導電型（本実施形態ではｎ型）を有する第１のアモルファス半導体層２１ｎａと、一の導電型を有する第２の微結晶半導体層２３ｎｃと、他の導電型（本実施形態ではｐ型）を有する第２の微結晶半導体層２３ｐｃとをこの順番で形成する。これらの半導体層２１ｎａ、２３ｎｃ、２３ｐｃも、ｉ型半導体層２１ｉａと同様に、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成することができる。
次に、第１のアモルファス半導体層２１ｎａ並びに第１及び第２の微結晶半導体層２３ｎｃ、２３ｐｃの一部分をエッチングにより除去することにより、ｉ型半導体層２１ｉａからｉ型半導体層１１ｉａを形成すると共に、第１のアモルファス半導体層２１ｎａ並びに第１及び第２の微結晶半導体層２３ｎｃ、２３ｐｃから、第１のアモルファス半導体層１１ｎａ並びに第１及び第２の微結晶半導体層１３ｎｃ、１３ｐｃを形成する。第１のアモルファス半導体層２１ｎａ並びに第１及び第２の微結晶半導体層２３ｎｃ、２３ｐｃのエッチングは、第１のアモルファス半導体層２１ｎａ並びに第１及び第２の微結晶半導体層２３ｎｃ、２３ｐｃを溶解させやすく、ｉ型半導体層２１ｉａを溶解させにくいエッチング液を用いて行うことが好ましい。このようなエッチング液としては、例えば、フッ酸を含むエッチング液などが挙げられる。
次に、第２の微結晶半導体層１３ｐｃの上と、ｉ型半導体層１１ｉａの第２の微結晶半導体層１３ｐｃからの露出部の上とに跨がるように、第２のアモルファス半導体層１２ｐａを形成する。この第２のアモルファス半導体層１２ｐａも、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成することができる。
その後、電極１５ｐ、１６ｎを形成することにより太陽電池１を完成させることができる。電極１５ｐ、１６ｎは、例えば、メッキや導電性ペーストの印刷などにより形成することができる。
上述のように、特許文献１に記載の太陽電池では、第２の半導体層と再結合層との間に、実質的に真性なｉ型半導体層が配されている。このｉ型半導体層によって、第２の半導体層と再結合層との間の電気抵抗率が高くなっている。
一方、太陽電池１では、第２の微結晶半導体層１３ｐｃと第２のアモルファス半導体層１２ｐａとの間にはｉ型半導体層が設けられておらず、第２の微結晶半導体層１３ｐｃと第２のアモルファス半導体層１２ｐａとが接触している。このため、第２の微結晶半導体層１３ｐｃと第２のアモルファス半導体層１２ｐａとの間の電気抵抗率を低くすることができる。従って、改善された光電変換効率を実現することができる。
また、ｉ型半導体層１１ｉａを形成した後は、基板１０ｎの第２の主面１０ｂが露出しない。このため、第２の主面１０ｂのパッシベーション性の低下を抑制することができる。また、第２の微結晶半導体層１３ｐｃと第２のアモルファス半導体層１２ｐａとの間にｉ型半導体層を設ける必要が必ずしもないため、太陽電池１の製造工程を簡略化することができる。
１…太陽電池
１０ｎ…基板
１０ａ…第１の主面
１０ｂ…第２の主面
１１ｉａ…ｉ型アモルファス半導体層
１１ｎａ…第１のアモルファス半導体層
１２ｐａ…第２のアモルファス半導体層
１３…微結晶半導体層
１３ｎｃ…第１の微結晶半導体層
１３ｐｃ…第２の微結晶半導体層
１５ｐ…ｐ側電極
１６ｎ…ｎ側電極

Claims (3)

  1. 半導体材料からなる基板と、
    前記基板の一主面の上に配された実質的に真性なｉ型半導体層と、
    前記ｉ型半導体層の一部分の上に配されており、一の導電型を有する第１のアモルファス半導体層と、
    前記第１のアモルファス半導体層の上に配されており、前記一の導電型を有する第１の微結晶半導体層と、
    前記第１の微結晶半導体層の上に配されており、他の導電型を有する第２の微結晶半導体層と、
    前記第２の微結晶半導体層の上と、前記ｉ型半導体層の前記第２の微結晶半導体層からの露出部の上とに跨がって配されており、前記他の導電型を有する第２のアモルファス半導体層と、
    を備え、
    前記第２のアモルファス半導体層と前記第２の微結晶半導体層とが接触している、太陽電池。
  2. 前記一の導電型がｎ型であり、前記他の導電型がｐ型である、請求項１に記載の太陽電池。
  3. 半導体材料からなる基板の一主面の上に、実質的に真性なｉ型半導体層を形成する工程と、
    前記ｉ型半導体層の上に、一の導電型を有する第１のアモルファス半導体層と、前記一の導電型を有する第１の微結晶半導体層と、他の導電型を有する第２の微結晶半導体層とをこの順番で形成する工程と、
    前記第１のアモルファス半導体層並びに第１及び第２の微結晶半導体層の一部分をエッチングにより除去し、前記ｉ型半導体層を部分的に露出させる工程と、
    前記第２の微結晶半導体層の上と、前記ｉ型半導体層の露出部の上とに跨がるように、前記他の導電型を有する第２のアモルファス半導体層を形成する工程と、
    を有する太陽電池の製造方法。
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