JPWO2014185356A1 - 光起電力素子及びその製造方法 - Google Patents

光起電力素子及びその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JPWO2014185356A1
JPWO2014185356A1 JP2015517059A JP2015517059A JPWO2014185356A1 JP WO2014185356 A1 JPWO2014185356 A1 JP WO2014185356A1 JP 2015517059 A JP2015517059 A JP 2015517059A JP 2015517059 A JP2015517059 A JP 2015517059A JP WO2014185356 A1 JPWO2014185356 A1 JP WO2014185356A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
conductive
film
semiconductor film
conductive semiconductor
thin film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2015517059A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6072904B2 (ja
Inventor
達郎 綿引
達郎 綿引
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Application granted granted Critical
Publication of JP6072904B2 publication Critical patent/JP6072904B2/ja
Publication of JPWO2014185356A1 publication Critical patent/JPWO2014185356A1/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H01L31/0745Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type comprising a AIVBIV heterojunction, e.g. Si/Ge, SiGe/Si or Si/SiC solar cells
    • H01L31/0747Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type comprising a AIVBIV heterojunction, e.g. Si/Ge, SiGe/Si or Si/SiC solar cells comprising a heterojunction of crystalline and amorphous materials, e.g. heterojunction with intrinsic thin layer
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02Details
    • H01L31/0224Electrodes
    • H01L31/022408Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022425Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/056Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means the light-reflecting means being of the back surface reflector [BSR] type
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52PV systems with concentrators

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

半導体基板としてのn型単結晶シリコン基板1の光入射面とは反対側の面に、第1導電型非晶質半導体膜(n型非晶質シリコン層5)上にキャリア濃度の低い第1の導電性半導体膜(第1の酸化インジウム層9)、その上にキャリア濃度の高い第2の導電性半導体膜(第2の酸化インジウム層10)を備え、キャリア濃度の低い第1の導電性半導体膜中に絶縁性微粒子8を備える。これにより、光を散乱させ光路長を伸ばしても、導電性半導体膜での吸収が起きずに損失がなく、赤外吸収の抑制及び効果的な散乱による光路長の増大の両立が実現され、電気的特性の劣化を招くことなく、100μm以下の薄型半導体基板においても高い変換効率を得ることができる。

Description

本発明は、光起電力素子及びその製造方法に関するものであり、特に非晶質半導体と結晶半導体とのへテロ接合を用いて構成される太陽電池等の光起電力素子及びその製造方法に関する。
従来、結晶系半導体基板を用いた結晶系太陽電池、特に結晶シリコン基板を用いた結晶シリコン太陽電池は、光電変換効率が高く、すでに広く実用化されている。中でも導電性薄膜として非晶質又は微結晶半導体薄膜を用いたヘテロ接合型太陽電池において、その導電性薄膜と結晶基板の間に真性な半導体薄膜を有する太陽電池が開発されている。この太陽電池は、結晶表面と導電性薄膜との間にある真性半導体膜が表面の欠陥を不活性化し、かつ導電型薄膜からの不純物拡散及びキャリアの再結合による損失を防止する作用を持つことから、高い開放電圧を得ることができる。従って光電変換効率が高い。
このような太陽電池においては、基板厚の薄型化を図ることでさらなる高い開放電圧を得ることができる。従って基板材料の低減による低コスト化と高効率化を両立することが可能である。しかし、基板厚を薄型化すると、短絡電流の低下が起きる。この原因の一つは、薄いシリコン基板では近赤外光の吸収が起こりにくく、吸収されなかった光が太陽電池素子(以下単に素子ということもある)の外に反射損失として出て行ってしまうためである。
これを抑制するために、基板の表面に凹凸等の散乱構造を作製する、あるいは屈折率差を用いて素子の内部に光を閉じ込める技術が広く開示されている。この光閉じ込め構造は光を散乱させかつ素子内部を多数回往復させることで素子内部の光路長を実質増大させ、より多くの光を吸収させることで、短絡電流の増加を狙う手法である。
もう一つの原因は、素子内部に存在する発電層以外の層において近赤外光の吸収が起き、電流として取り出せない損失である。ヘテロ接合型太陽電池では、赤外光を吸収する透光性導電膜が受光面及び裏面に広く採用されており、これによる吸収損失が顕著である。特に基板厚の薄型化によって、発電層であるシリコンでの吸収が減少すると、相対的に透光性導電膜での吸収量が増大し、短絡電流が減少し、特性の劣化につながる。
このため、赤外光の散乱による光路長増大と同時に、透光性導電膜における吸収を抑えることが、短絡電流の増加に重要である。赤外光の散乱を促進するための反射散乱剤としては、たとえば特許文献1に記載されているような、微粒子を内部に含有した絶縁性フィルムがある。赤外での吸収が起きる原因は、透光性導電膜中に存在するフリーキャリア(自由電子)によるものである。そのため、自由電子の濃度を低減することで、赤外光の吸収を抑制することができる。あるいは、透光性導電膜の厚さを低減することでも吸収を抑えることができる。
しかし、現実としては、光路長を伸ばすためにより効果の大きい光閉じ込め構造を作製すると、より多くの光が発電層である結晶系基板だけでなく同時に透光性導電膜により吸収され、短絡電流の増加に大きな制限がかかる。また、透光性導電膜中の自由電子の濃度を低下させる、あるいは厚さを低下させると電気的特性が急激に悪化し、素子の効率は大きく低下する。
特許文献2では、裏面の透光性導電膜のキャリア濃度を制御することで効率の改善を図っている。裏面の透光性導電膜のキャリア濃度を受光面側のキャリア濃度よりも低くし、かつ透光性導電膜中のスズ(錫)を約1wt%にすることで、出力特性を改善する技術が開示されている。
しかしながら、錫が1wt%含まれた状況では、1100nmの赤外光に対し100μm厚のシリコン基板の吸収量の1/3〜1/5に相当する量が透光性導電膜によって吸収され、その損失は大きい。錫の含有量をさらに低下することで、赤外光の吸収損失は低下するが、電気特性が劣化し、急激に特性が悪化する。このように、光学特性と電気的特性の両立は困難であり、特性改善の大きな制限となる。
特許文献3では、薄膜系太陽電池の発電層中に絶縁性微粒子を分散させて、入射光を散乱させる技術が開示されている。また、結晶シリコン太陽電池各層の界面に絶縁性微粒子を分散して配置する技術も開示されている。
しかし、この手法を結晶系太陽電池に応用すると、発電層は結晶基板であり、内部に絶縁性微粒子を分散させる場合には、結晶内部での欠陥が増大し、特性が著しく劣化する。また、従来構造の結晶シリコン太陽電池のいずれの層の界面に配置しても、微粒子自身は絶縁性であり、電気的特性及び光学特性の両立は困難である。
特開2006−187910号公報 特開2004−221368号公報 特開2010−73799号公報
しかしながら、上記従来の技術によれば、赤外光吸収の抑制と効果的な散乱による光路長の増大とを両立し、かつ電気的特性を劣化させることなく効率の改善を行うのは困難であった。
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、赤外吸収の抑制及び効果的な散乱による光路長の増大を両立し、かつ電気的特性の劣化を招くことなく、100μm以下の薄型半導体基板においても高い変換効率を有する光起電力素子及びその製造方法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、本発明の光起電力素子は、光入射側と反対側の面において、第1の導電性半導体膜と第2の導電性半導体膜を有し、第1の導電性半導体膜は発電層と第2の導電性半導体膜の間にあり、第1の導電性半導体膜中に第1の導電性半導体膜の屈折率と異なる屈折率を有する絶縁性微粒子を含有し、第2の導電性半導体膜は第1の導電性半導体膜よりも高いキャリア濃度を有することを特徴とする。
本発明によれば、第1の導電性半導体膜は基板の法線方向に対しての電気伝導及び赤外光の反射・散乱を担い、第2の導電性半導体膜が基板の面内方向に対する電気伝導性を担うことで、効率よく光を散乱させ、かつ直列抵抗の低減を図ることが可能であり、従来にはない顕著な効果を奏する。
図1は、本発明の実施の形態1の光起電力素子を示す断面図である。 図2は、同光起電力素子の製造工程を示すフローチャート図である。 図3(a)から(f)は、同光起電力素子の製造工程を示す工程断面図である。 図4は、本発明の実施の形態1の出力特性を示すグラフである。 図5は、本実施の形態2の光起電力素子を示す断面図である。 図6は、同光起電力素子の製造工程を示すフローチャート図である。 図7は、同光起電力素子の製造工程を示す工程断面図である。 図8は、本発明の実施の形態3の光起電力素子を示す断面図である。 図9は、本発明の実施の形態4の光起電力素子を示す断面図である。 図10は、本発明の実施の形態5の光起電力素子を示す断面図である。 図11は、本発明の実施の形態6の光起電力素子の構造を模式的に示す断面図である。
以下に本発明にかかる光起電力素子及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、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また以下に示す図面においては、理解の容易のため各層あるいは各部材の縮尺が実際と異なる場合があり、各図面間においても同様である。
実施の形態1.
本実施の形態1の光起電力素子は、第1導電型の結晶系半導体基板を用い、半導体基板の第1主面上に半導体基板と異なる導電型を有する第2導電型非晶質系半導体薄膜を有し、半導体基板と第2導電型非晶質系半導体薄膜との間に実質真性な第1の非晶質系半導体薄膜を備え、基板の第2主面上に基板と同じ導電型を有する第1導電型非晶質系半導体薄膜を有し、基板と第1導電型非晶質系半導体薄膜との間に実質真性な第2の非晶質系半導体薄膜を備え、第2導電型非晶質系半導体薄膜上に透光性導電膜を備え、さらに透光性導電膜上に第1の集電電極を備えている。そして第1導電型非晶質系半導体薄膜上に第1の導電性半導体膜を備え、第1の導電性半導体膜の内部に、第1の導電性半導体膜の屈折率と異なる屈折率を有する絶縁性微粒子を複数有し、第1の導電性半導体膜上に第1の導電性半導体膜よりも高いキャリア濃度を有する第2の導電性半導体膜を有し、第2の導電性半導体膜上に第2の集電電極を有する構造である。
図1は本実施の形態1にかかる光起電力素子を示す断面図である。発電のための光Lは透光性導電膜11の側から入射する。ここでは、厚さ200μm以下のn型単結晶シリコン基板1を第1導電型の結晶系半導体基板として用いる。好ましくは厚さ50μm以上200μm以下の単結晶シリコン基板を用いる。50μmより薄い厚さであると、薄型化による特性の向上は実施的に飽和して効果をなさない。また200μmより厚いと、結晶シリコンによる吸収が十分であるため、導電性半導体膜による吸収損失は非常に小さくなるからである。そして真性な第1の非晶質系半導体薄膜としては第1の真性非晶質シリコン層2、真性な第2の非晶質系半導体薄膜としては第2の真性非晶質シリコン層3が用いられる。また第1導電型非晶質系半導体薄膜としてはn型非晶質シリコン層5、第2導電型非晶質系半導体薄膜としてp型非晶質シリコン層4を用いる。ここでn型非晶質シリコン層5、p型非晶質シリコン層4はそれぞれ非晶質を用いているが、微結晶シリコンを用いても良い。また、透光性導電膜11としては酸化インジウム錫層(ITO)を用いる。6,7は集電電極としての金属電極である。発電のための光Lは透光性導電膜11の側、すなわち受光面1A側からn型単結晶シリコン基板1に対して入射する。ここでは、受光面1Aの対向面側を裏面1Bと呼ぶことにする。
また、第1の導電性半導体膜として第1の酸化インジウム層9を用い、キャリア濃度は1×1016cm-3以上1×1019cm-3以下の範囲である。また絶縁性微粒子8の材料は酸化チタンであり、直径は0.5μm以上10μm以下の範囲にあり、第1の酸化インジウム層9に含まれる量は全体積の10%以上80%以下の範囲である。絶縁性微粒子8を含んだ第1の酸化インジウム層9は波長900〜1200nmの範囲で40%以上、望ましくは99%以上の反射率を有する。また第2の導電性半導体膜は第2の酸化インジウム層10を用い、表面キャリア濃度として1×1019cm-3以上1×1021cm-3以下の範囲にある。
ここで、第2の酸化インジウム層10は均一なキャリア濃度を有していてもよいが、望ましい形態は、第2の酸化インジウム層10の内部で、第1の酸化インジウム層9の有するキャリア濃度から表面キャリア濃度まで傾斜的に変化させた構造をもつキャリア濃度傾斜層である。傾斜的にキャリア濃度を変化させる手法としては、第2の酸化インジウム層10をスパッタリング法で作製する際の酸素流量の変化により容易に作製可能である。例えば第1の酸化インジウム層9のキャリア濃度1×1018cm-3から第2の酸化インジウム層10の1×1021cm-1まで50nmの膜厚中で指数関数的に増加させる。これにより第1の酸化インジウム層9との接続抵抗、及び金属電極7との接続抵抗が減少し、特性が向上する。
詳細については後述するが、絶縁性微粒子8を含む第1の導電性半導体層である第1の酸化インジウム層9の製造方法としては、材料を含む溶液を用いた塗布法で作製することができる。n型非晶質シリコン層5上に、絶縁性微粒子及び酸化インジウム粒子を含んだ溶液をスピンコート、あるいはスクリーン印刷法で塗布し、加熱し乾燥することで絶縁性微粒子8を均一に含む第1の酸化インジウム層9が形成できる。溶液には酸化インジウム粒子、有機バインダー、アルコール類等の有機溶媒からなる。酸化インジウム粒子の径は例えば10〜50nm程度、有機バインダーとしては例えばアクリル系樹脂を用いる。絶縁性微粒子8の体積割合は、溶液中での酸化インジウム粒子に対する濃度で容易に制御できる。また塗布の回数を繰り返すことで反射率が所定の値になるように膜厚を制御することができる。第1の酸化インジウム層9中のキャリア濃度は、一般に酸素の量で決まるため、膜を形成後、酸素雰囲気中でアニールすることで容易に制御することができる。
また、ここではn型非晶質シリコン層5上に直接塗布し形成する手法を用いたが、その他の手法でもよい。非晶質半導体を含む光起電力素子は200℃以上の高温プロセスを採用した場合には、特性の劣化が見られる場合もある。そこで、詳細については実施の形態2で説明するが、予め例えば金属シート上に第2の酸化インジウム層10、絶縁性微粒子8を含んだ第1の酸化インジウム層9をこの順に作製し、その後第1の酸化インジウム層9をn型非晶質シリコン層5上に接合させる手法でも良い。この手法であると、上記構造を作製する際に200℃を超えるプロセスを採用することができ、プロセスに柔軟性を持たせることが可能である。また高温にすることで例えば第1及び第2の酸化インジウム層9,10の品質を向上させることができ、設計上の自由度が向上する。第1の酸化インジウム層9とn型非晶質シリコン層5を接合させる方法としては、導電性の接着剤を用いる方法もあるが、好ましい手法としては、導電性材料を用いない方法、例えばn型単結晶シリコン基板1の裏面が平坦であれば、表面活性化接合法があげられる。裏面に凹凸構造を有するいわゆるテクスチャー構造を有しなくても、本構造を用いることで光を十分に散乱させることができるため、特性の低下はない。また、n型単結晶シリコン基板1の裏面が平坦でなくても、第1の酸化インジウム層9を形成する際に用いる酸化インジウム粒子を含んだ溶液を、絶縁性微粒子8を含有しない状態でn型非晶質シリコン層5上に塗布し、その後、表面を研磨することで平坦化させることができる。
第1の導電性半導体膜としては酸化インジウムを用いているが、赤外光に対し高い透過性を有し、キャリア濃度により導電性を広範囲に制御できる材料であれば他の材料でもよい。廉価な材料という点においては、希少金属であるインジウムを含まない材料が好ましく、ボロンあるいはガリウムあるいはアルミニウムを微量に添加した酸化亜鉛、ボロンあるいはリンを微量に添加したシリコン、又は有機半導体を用いても良い。いずれも塗布法により本実施の形態で提案した構造を安価に作製できる。
ここで、絶縁性微粒子8として酸化チタンを用いているが、内部に電荷をもたない絶縁性微粒子8であるならば、他の材料でもよい。具体的には酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、フッ化マグネシウム、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、窒酸化シリコン、炭素化シリコン、ダイアモンド等があげられる。あるいは、気泡、有機物、さらには、酸素原子のようなものでもよい。望ましくは第1の導電性半導体膜よりも高い屈折率を有する材料がよい。
この絶縁性微粒子8は、直径が0.5μm以上10μm以下であるのが望ましい。絶縁性微粒子8の直径が0.5μm未満であると、透過波長の2分の1を下回るため、散乱性が低下する。一方、絶縁性微粒子8の直径が10μmを超えると、この第1の導電性半導体膜の膜厚が10μmを超えることになり、第1の導電性半導体膜の縦方向の抵抗値が、0.1Ωcm2以上となる。これを避けるために第1の導電性半導体膜のキャリア濃度を増加させると、膜厚が10μmを超えると光吸収ロスが無視できなくなり、いずれの状況においても特性が劣化する。
また、これらの手法で作製した材料の抵抗率は真空プロセスを用いて作製した酸化インジウムに大きく劣り、単層では光学特性及び電気的特性の両立は困難であるが、本発明により導電性半導体膜を2層構造にすることで、光学特性と電気的特性の両立が可能になり、素子の特性の向上とともに、材料及びプロセスコストの低減を同時に図ることができる。
次に、この光起電力素子の製造方法について、図2に示すフローチャート及び、図3(a)〜図3(f)に示す工程断面図を参照して説明する。
まず、主面の面方位が(100)で、リン(P)を含有するn型単結晶シリコン基板1を用意した(図3(a))。n型単結晶シリコン基板1の大きさは、10cm×10cm〜20cm×20cm程度で、厚みが100〜200μm程度である。アルカリ溶液中に浸漬してn型単結晶シリコン基板1の表面をエッチングし、スライス時のワイヤーソーダメージを除去する。断面には結晶のひずみが残っているため、HF+HNO3やNaOHなどを用いて表面を10〜20μm程度エッチングする。
また、ゲッタリングにより基板内の不純物を除去した後、光閉じ込め構造により反射損失を低減するため、テクスチャー構造の凹凸が形成される。テクスチャー構造の凹凸を形成する方法としてイソプロピルアルコールを含有したアルカリ溶液を用いる(ステップS101)。
また、ここではワイヤーソーダメージにおける金属汚染の影響を減らすためにワイヤーソーダメージ除去工程後にテクスチャーを形成したが、ワイヤーソーにおける金属汚染の影響が少ない場合には、ワイヤーソーダメージの除去とテクスチャーの形成とを兼ねてもよい。この場合は、ワイヤーソーダメージ除去を行うことなくn型単結晶シリコン基板1を、イソプロピルアルコールを含有したアルカリ溶液でエッチングを行うことにより、ワイヤーソーダメージの除去とテクスチャーの形成とを兼ねることができる。また、テクスチャー構造の形成方法としては、反応性イオンエッチング(RIE)法等のドライエッチングによって形成してもよい。
次に、n型単結晶シリコン基板1をRCA洗浄によりクリーニングし、製膜直前に希フッ酸で表面酸化膜除去を施し、13.56〜60MHzのプラズマCVDチャンバーで、プラズマCVD法により、真性非晶質シリコン層2(ステップS102)及びp型非晶質シリコン層4(ステップS103)を受光面側に順次形成した(図3(b))。真性非晶質シリコン層2は、プラズマCVD法により、SiH4ガス流量60sccm、H2ガス60sccmとし、圧力100Pa、基板温度170℃、及びRFパワー30Wの条件で形成される。膜厚は3nmである。なお、膜厚は1nm以上10nm以下が好ましい。p型非晶質シリコン層4をプラズマCVD法により、形成する(ステップS103)。製膜条件は、SiH4ガス流量10sccm、H2ガス流量1000sccm、B26ガス(1%H2ベース)流量2sccm、圧力200Pa、基板温度170℃、及びRFパワー200Wの条件とする。膜厚は4nmである。なお、1nm以上10nm以下が好ましい。光吸収を減らすためにp型シリコン層の膜厚は、Voc、フィルファクターFFを低下させずに薄くすることが好ましい。
次に、裏面側の真性非晶質シリコン層3(ステップS104)、n型非晶質シリコン層5を順次積層する(ステップS105)(図3(c))。ここで真性非晶質シリコン層3は、プラズマCVD法により、SiH4ガス流量60sccm、H2ガス流量60sccm、圧力100Pa、基板温度170℃、及びRFパワー30Wの条件で形成している。膜厚は4nmである。なお、1nm〜10nmの範囲が好ましい。
n型非晶質シリコン層5は、プラズマCVD法により、SiH4ガス流量40sccm、PH3ガス(2%H2ベース)流量20sccm、圧力100Pa、基板温度170℃、RFパワー30Wの条件で形成している。膜厚は20nmである。1nm〜40nmの範囲が好ましい。
次に、受光面側に透光性導電膜11としての酸化インジウム錫層を形成する(ステップS106)(図3(d))。酸化インジウム錫(ITO)層は、スパッタリング法により形成される。形成条件は、基板温度180℃、Arガス流量70sccm、O2ガス流量(5%Arベース)5sccm、圧力0.7Pa、RFパワー800Wの条件で形成され、その膜厚は100nmである。なお、酸化インジウム錫層の膜厚としては、光閉じ込めの観点から60nm〜120nmの膜厚とするのが好ましい。
このほか、透光性導電膜としては、SnO2、In23、ZnO、CdO、CdIn24、CdSnO3、MgIn24、CdGa24、GaInO3、InGaZnO4、Cd2Sb27、Cd2GeO4、CuAlO2、CuGaO2、SrCu22、TiO2、Al23などを使用することができ、またこれらを積層して形成した透光性導電膜を使用することもできる。また、ドーパントとしては、Al、Ga、In、B、Y、Si、Zr、Ti、F、Ceから選択した1種類以上の元素を用いてもよい。形成方法として、これ以外に、蒸着、イオンプレーティングなどがある。
続いて、裏面側に第1の導電性半導体層として絶縁性微粒子8を含む第1の酸化インジウム層9を形成する(ステップS107)(図3(e))。ここでは、絶縁性微粒子及び酸化インジウム粒子を含んだ溶液をスクリーン印刷法で塗布し、加熱し乾燥することで絶縁性微粒子を均一に含む第1の酸化インジウム層9を形成する。ここで溶液は酸化インジウム粒子、有機バインダー、アルコール類等の有機溶媒からなる。酸化インジウム粒子の径は例えば10〜50nm程度、有機バインダーは例えばアクリル系樹脂を用いる。絶縁性微粒子の体積割合は、溶液中での酸化インジウム粒子に対する濃度で容易に調整してもよい。また、膜を形成後、酸素雰囲気中でアニールすることで酸素量を調整し、キャリア濃度を制御することができる。なお、ここで第1の導電性半導体層として組成傾斜層を形成する場合には、複数回の塗布工程において順次絶縁性微粒子8の濃度を小さくするようにするなどの方法により達成できる。
そしてさらに、裏面側に第2の導電性半導体層としてスパッタリング法により、膜厚10〜100nm程度の第2の酸化インジウム層10を形成する(ステップS108)(図3(f))。
そして受光面側の集電電極としての金属電極6、裏面側の集電電極としての金属電極7が順次受光面側及び裏面側に形成される(ステップS109,ステップS110)。集電電極6,7は、インクジェット、スクリーン印刷、銅線接着、スプレーなどによって形成される。生産性の観点からスクリーン印刷が好ましい。スクリーン印刷は、Agなどの金属粒子と樹脂バインダーからなる導電ペーストを用いて形成される。
以上のようにして図1に示した光起電力素子が得られる。
図4は本実施の形態の光起電力素子において、絶縁性微粒子8の第1の酸化インジウム層9内に占める体積割合を変化させたときの出力特性の改善率の変化を示すグラフである。第1の酸化インジウム層9内のキャリア濃度はそれぞれ1×1017cm-3(白ぬき四角印)および1×1018cm-3(黒塗り丸印)、移動度は約1〜10cm2/Vsである。ここで述べる移動度は、絶縁性微粒子8を含まない状態での移動度である。第2の酸化インジウム層10内の表面キャリア濃度は1〜5×1020cm-3程度である。出力特性は従来構造で作製したセルの出力を1とした時を規格化している。従来構造では絶縁性微粒子8を含有する第1の酸化インジウム層9を用いることなく、第2の酸化インジウム層10のみで、キャリア濃度は1〜5×1020cm-3程度である。絶縁性微粒子8の体積割合を増加させると、第2の酸化インジウム層10による吸収が減少し、光学散乱による光路長の増加で、出力特性が向上する。本実施の形態では、第1の酸化インジウム層9のキャリア濃度にもよるが、絶縁性微粒子8の体積割合が40〜60%程度の範囲で光学特性の向上がほぼ飽和し、この場合に最も出力特性が向上する。この時、第1の酸化インジウム層9の厚み方向の電気抵抗は0.1Ωcm2以下となり、電気的特性の影響は非常に少ないため、損失は少ない。これに対し、絶縁性微粒子8の体積割合が60%以上の体積割合では光学特性がこれ以上向上しない、かつ電気的特性が劣化し始めるため出力特性が低下するので適さない。また絶縁性微粒子8の体積割合が80%の体積割合を越えると電気的抵抗が高くなり出力特性は大きく低下してしまう。このように、絶縁性微粒子8の体積割合を制御することで、特性を最大限に向上させることが可能である。なおここで絶縁性微粒子8は、散乱性を高めるために反射率が40%以上のものを用いるのが望ましい。
ここで第2の酸化インジウム層10の表面キャリア濃度は通例の素子と同様、1〜5×1020cm-3程度とすることで、電気的特性を維持している。一方、第1の酸化インジウム層9の表面キャリア濃度は1×1019cm-3未満と低く、電気的特性はよくないが散乱性を有し、光学的特性を改善することができる。
このように、キャリア濃度が低い第1の酸化インジウム層9とキャリア濃度の高い第2の酸化インジウム層10をn型単結晶シリコン基板1の裏面1B側にこの順に形成し、キャリア濃度の低い酸化インジウム層内に絶縁性微粒子8を配置することで、光学特性と電気的特性を両立することができ、特性が向上する。キャリア濃度を均一にした場合は、両立は困難になり、光学特性、電気特性のいずれか、または両方の損失を抑制することができない。また高いキャリア濃度を有する第2の酸化インジウム層10内に絶縁微粒子を配置した場合、吸収損失を抑制することが困難となり、特性は低下する。
また、本実施の形態では、絶縁性微粒子8を含む第1の酸化インジウム層9を、発電層を構成するn型非晶質シリコン層5上に直接接しているため、光吸収も少なく、散乱効果を有効に発揮し得る。また、第1の酸化インジウム層9中に略球状の微細粒子である絶縁性微粒子8を含有しているため、膜厚に対して散乱面の面積は極めて大きくとることができ、光吸収を抑制しつつ散乱効果を高めることができる。以上の点からも本実施の形態の構成によれば、大幅な光学特性の向上を図ることが可能となる。
実施の形態2.
図5は本実施の形態2の光起電力素子を示す断面図、図6は同光起電力素子の製造工程を示すフローチャート図及び、図7は工程断面図である。前記実施の形態1では、第1及び第2の酸化インジウム層9,10を、n型非晶質シリコン層5上に直接塗布し焼成して形成する手法を用いたが、本実施の形態では、焼成工程により、半導体層が劣化するのを防ぐための方法を示す。すなわち本実施の形態では、裏面側の集電電極として金属基板7S上を用い、この金属基板7S上に順次第2の酸化インジウム層10、第1の酸化インジウム層9を形成しておき、n型非晶質シリコン層5までの層を形成した、n型単結晶シリコン基板1と表面活性化接合により、直接接合して構成する光起電力素子である。他部については前記実施の形態1と同様であるため、ここでは説明を省略する。
非晶質半導体を含む光起電力素子は200℃以上の高温プロセスを採用した場合には、特性の劣化が見られる場合もある。そこで、本実施の形態では、あらかじめ金属基板7S上に第2の酸化インジウム層10、絶縁性微粒子8を含んだ第1の酸化インジウム層9をこの順に形成しておき、素子領域の形成されたn型単結晶シリコン基板1と直接接合することで、基板側が高温プロセスを経ることなく形成することができる方法である。
ここで、実施の形態1と異なるのはテクスチャー形成工程と、第1及び第2の酸化インジウム層9,10の形成工程である。まず、裏面側にマスクを形成し、受光面側のみにテクスチャーを形成する(片面テクスチャー形成ステップS101S)。そしてステップS106で透光性導電膜11を形成し、図7(a)に示す積層体を得る工程までは前記実施の形態1と同様である。
本実施の形態では、受光面側の透光性導電膜11を形成した後、受光面側集電電極として金属電極6をスクリーン印刷によって形成する(受光面側集電電極形成ステップS110)。
一方、予め金属シートなどの金属基板7S(図7(b))を準備する(ステップS201)。そしてこの金属基板7S上に第2の酸化インジウム層10(図7(c))をスクリーン印刷法で塗布する(ステップS202)。そして、絶縁性微粒子8を含んだ第1の酸化インジウム層9(図7(d))をスクリーン印刷法などで作製する(ステップS203)。そして、200〜250℃で30分間の熱処理を行う(ステップS204)。
この後、第1の酸化インジウム層9をn型非晶質シリコン層5上に表面活性化接合法により接合させる(図7(e))(ステップS205)。表面活性化常温接合法では、接合面を真空中で表面処理することにより、表面の原子を、化学結合を形成し易い活性な状態とし、室温での接合、若しくは熱処理温度を大幅に下げることを可能にする方法である。接合前にはイオンビームやプラズマなどによるスパッタエッチングなどを用いて表面の清浄化を行い、加熱(及び加圧)工程により、このような表面層を拡散などによって除去するとともに、原子間の化学反応を促進して接合強度を向上する。このプロセスは高真空に排気した真空チャンバー中で行われる。このとき、スパッタエッチング後の結合手を持った原子が露出している表面は、他の原子との結合力が大きく、活性な状態と考えられ、これらを接合することで、常温で強固な接合を得ることができる。
この手法を用いることで、実施の形態1による効果に加え、上記構造を作製する際に200℃を超えるプロセスを採用することができ、プロセスに柔軟性を持たせることが可能である。また高温にすることで例えば第1及び第2の酸化インジウム層9,10の品質を向上させることができ、設計上の自由度が大幅に向上する。なお、この構造では裏面に凹凸構造を有するいわゆるテクスチャー構造を有していないが、本構造を用いることで光を十分に散乱させることができるため、特性の低下はない。また、裏面側の集電電極として厚い金属基板7Sを用いることができ、更なる低抵抗化を図ることができる。
なお、第1の酸化インジウム層9とn型非晶質シリコン層5を接合させる方法としては、導電性の接着剤を用いる方法でもよい。
実施の形態3.
図8は本発明の実施の形態3による光起電力素子の構造を示す断面図である。発電のための光Lは透光性導電膜11の側から入射する。実施の形態3の光起電力素子は、前記実施の形態1の光起電力素子における第1導電型非晶質系半導体薄膜と第1の導電性半導体膜の間に、第3の導電性半導体膜を備え、第3の導電性半導体膜のキャリア濃度が第1の導電性半導体膜のキャリア濃度よりも高いことを特徴としている。
ここでは、図8に示すように、第3の導電性半導体薄膜は第3の酸化インジウム層13であり、キャリア濃度は1×1019cm-3以上5×1020cm-3以下の範囲にあり、厚さは1nm以上100nm以下が望ましい。その他の構成については図1に示した実施の形態1の光起電力素子と同様であるので、説明は省略する。
第3の導電性半導体膜としての第3の酸化インジウム層13は第1の導電性半導体膜(第1の酸化インジウム層9)を形成する工程に先立ち、第1導電型非晶質系薄膜(n型非晶質シリコン層5)上に形成する。作製手法は、塗布法に限らずスパッタ法あるいはCVD法等他の方法を用いてもよい。
一般に、異種の半導体同士の接合、あるいは金属・半導体の接合では、仕事関数差が大きいと接合の抵抗が高くなる。この場合、キャリア濃度を高くすることで、接合の抵抗を下げることが可能である。1×1019cm-3以下であると接合特性が劣化してしまい、また5×1020cm-3以上であると、第3の酸化インジウム層13による吸収が多くなり特性が低下してしまう。また第3の酸化インジウム層13の膜厚は薄いほうが望ましいが、キャリア濃度が1×1019cm-3であれば、100nm程度であればよい。1×1019cm-3以上であれば、膜厚を100nm以下に抑える必要がある。
本実施の形態では、第1導電型非晶質系半導体薄膜(n型非晶質シリコン層5)と第1の導電性半導体膜(第1の酸化インジウム層9)の間にキャリア濃度の高い第3の導電性半導体膜を備えるため、電気的特性の向上を図ることができる。
同様に、第2の導電性半導体膜(第2の酸化インジウム層10)は第1の導電性半導体膜のキャリア濃度から表面のキャリア濃度まで傾斜で変化させることが電気的特性の向上を図る上で望ましい。
実施の形態4.
本実施の形態4の光起電力素子は、実施の形態1のp型非晶質シリコン層4とn型非晶質シリコン層5を入れ替えた構造を特徴としている。その他は実施の形態1と同じであるため、詳細な説明は省く。
図9は本発明の実施の形態4による光起電力素子の構造を示す断面図である。発電のための光Lは透光性導電膜11の側から入射する。本実施の形態では、作製手順及びプロセスは実施の形態1と同様であり、説明は省略する。
本発明は、実施の形態4に示すように、第1導電型非晶質半導体薄膜側から光Lを入射する素子においても、適用することができ、その特性の改善は図4に示したのと同様である。
実施の形態5.
本実施の形態5の光起電力素子は、第1導電型の結晶系半導体基板を用い、基板の第1主面上に基板と同じ導電型を有する電界効果層を備え、電界効果層上にパッシベーション膜を備え、パッシベーション膜上に反射防止膜を備える。さらに、基板の第2主面上に実質真性な第2の非晶質系半導体薄膜を備え、第2の非晶質系半導体薄膜上の一部に第2導電型非晶質系半導体薄膜を有し、その他の部分に第1導電型非晶質系半導体薄膜を備える。そして第1導電型非晶質系半導体薄膜上、第2導電型非晶質系半導体薄膜上にそれぞれ第1の導電性半導体膜、第4の導電性半導体膜を備え、第1及び第4の導電性半導体薄膜の内部に、第1及び第4の導電性半導体薄膜の屈折率とそれぞれ異なる屈折率を有する絶縁性微粒子を有し、第1及び第4の導電性半導体薄膜上に第1及び第4の導電性半導体膜よりも高いキャリア濃度を有するそれぞれ第2及び第5の導電性半導体薄膜を有し、第2及び第5の導電性半導体薄膜上に第1及び第2の集電電極をそれぞれ有する構造である。
図10は本発明の実施の形態5による光起電力素子の構造を模式的に示す断面図である。ここでは、電界効果層はn型単結晶シリコン基板1と同一導電型にドーピングされたn型シリコン層15であり、n型単結晶シリコン基板1よりも高いキャリア濃度を有することで、少数キャリアの追い返しを行う。パッシベーション膜は酸化シリコン層14であり、n型シリコン層15の表面を電気的に不活性化することで、光電流の向上に貢献する。また第4の導電性半導体膜は第4の酸化インジウム層16であり、絶縁性微粒子8を含有しており、キャリア濃度は1×1019cm-3未満である。移動度は約1〜10cm2/Vsである。また第5の導電性半導体膜は第5の酸化インジウム層17であり、キャリア濃度は1〜5×1020cm-3程度である。発電のための光Lは反射防止膜12の側から入射する。その他の構成については図1に示した実施の形態1の光起電力素子と同様であるので、説明は省略する。
実施の形態5の光起電力素子の作製に当たっては、まずテクスチャー構造を両面に有するn型単結晶シリコン基板1に対してリンの拡散を行い、n型シリコン層15を形成する。その後、酸化シリコン層14をCVD法により堆積し、この酸化シリコン層14をマスクとして第2主面を研磨あるいはエッチングする。研磨の方法は、アルカリ溶液処理あるいは機械研磨でよい。この後、第2主面上にリソグラフィー技術あるいはスクリーン印刷技術によるパターニング技術を用いて、順次正極及び負極を分離線Sによって分離し、図10に示した構造を作製する。各層の作製方法は実施の形態1で示した方法と同様であるため、説明は省略する。
本発明は、実施の形態5に示すように、光入射面とは逆の面に電流取り出し用電極を有する、いわゆる裏面電極型光起電力素子においても適用することができる。上記裏面電極型光起電力素子の構造においては、パターニング精度向上のため、第1主面に比べて第2主面の平坦性が高い。よって、光路長が従来構造よりも低下する。そのため、本発明を適用することで、その特性の改善は図2に示すよりも改善率を高くすることが可能である。
本実施の形態5においては、n型シリコン層15、パッシベーション膜として酸化シリコン層14を用いているが、これらは変更可能であり、電界効果層として真性非晶質半導体及び第1あるいは第2導電型非晶質半導体薄膜を用いても良い。また、酸化シリコン層14の代わりに窒化シリコン層、酸化アルミニウム層、窒酸化シリコン層あるいはこれらの材料の積層構造でもよい。
本実施の形態において、第1の導電型半導体膜(第1の酸化インジウム層9)と第4の導電型半導体膜(第4の酸化インジウム層16)のキャリア濃度は、同一であれば同一工程で形成することも可能である。しかしながら、異なっていても良く、特性改善の効果から第1の導電型半導体膜のシート抵抗は、第4の導電型半導体膜のシート抵抗よりも低いほうが好ましい。
実施の形態6.
図11は本発明の実施の形態6による光起電力素子の構造を模式的に示す断面図である。本実施の形態6の光起電力素子は、第1の導電型半導体膜(第1の酸化インジウム層9)と第2の導電型半導体膜(第2の酸化インジウム層10)の間に、金属電極7が配置されたことを特徴とした構造である。その他の構成は実施の形態1の光起電力素子と同様であるため、詳細についての説明は省略する。
この構造では、第1の導電性半導体層と金属電極の間で直接コンタクトを形成する。第2の酸化インジウム層は面内方向の抵抗損失を減らす役割のみを有する。第1の導電性半導体層との間のコンタクト抵抗を低減するために、金属電極材料に例えばスズなどを含有させておくようにし、焼成等の熱工程により第1の酸化インジウム層9にスズを拡散することで、部分的にキャリア濃度を増加させる。この構造により、金属電極7とのコンタクト抵抗を低減させることができ、かつ隣接セルと接続するための一部の金属電極部分を除き、金属電極7を酸化インジウム層などの導電性酸化膜内に埋め込むことができるため、湿度等の環境による劣化を抑制することができる。なおこの金属電極7はn型単結晶シリコン基板1の裏面全体にわたって所定の間隔で分布されたグリッド電極と、バス電極とで形成されている。なおこの金属電極7は1つのセル内で電気的に接続されて、第2の導電性半導体層で覆われており、隣接セルとの接続領域でのみ第2の導電性半導体層から露呈していればよい。つまりこの隣接セルとの接続領域でのみ外部接続のためにはんだめっき層などで被覆されている。
ここで、金属電極7の構成材料(構成金属)を第1の導電性半導体層としての第1の酸化インジウム層9に拡散させるための熱工程は、第2の導電性半導体層としての第2の酸化インジウム層10の形成に先立って行うようにするのが望ましい。これにより、金属電極7の構成金属は第1の酸化インジウム層9の方向に選択的に拡散するため、界面の接触抵抗が低減される。第2の酸化インジウム層10形成後に熱処理を行う場合、若干は第2の酸化インジウム層10内にも金属拡散はあるが、より不純物濃度の低い第1の酸化インジウム層9の方向に拡散する。従って第1の導電性半導体層と金属電極とのコンタクト抵抗は低減される。
以上のように実施の形態6では、第1の導電性半導体膜上に分布するように積層された、金属電極のパターンを含み、第2の導電性半導体膜は、外部接続領域を残して金属電極を覆うように形成されている。この構成によれば、金属電極を被覆することによる長寿命化だけでなく、かつ集電抵抗も低減できる。
なお、前記実施の形態1〜6のいずれにおいても、半導体基板としては、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板などの結晶系シリコン基板の他、シリコンカーバイド基板などのシリコン化合物基板をはじめとする結晶シリコン系基板などにも適用可能である。真性又は各導電型の非晶質シリコン薄膜についても、微結晶シリコン系薄膜、多結晶シリコン系薄膜などの結晶系薄膜を用いてもよい。また、実施の形態5の場合のように、受光面側は拡散層で形成しても良い。
また、前記実施の形態1〜6のいずれにおいても、絶縁性微粒子8としては酸化チタンの他、内部に電荷をもたない絶縁性微粒子8であるならば、他の材料でもよい。具体的には酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、フッ化マグネシウム、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、窒酸化シリコン、炭素化シリコン、ダイアモンド等があげられる。あるいは、気泡、有機物、さらには、酸素原子のようなものでもよい。望ましくは第1の導電性半導体膜よりも高い屈折率を有する材料がよい。
また第4及び第5の導電性半導体層についても、希少金属であるインジウムを含む透光性導電膜でなくともよく、いずれも塗布法により本発明で提案した構造を安価に作製できる。ボロンあるいはガリウムあるいはアルミニウムを微量に添加した酸化亜鉛、ボロンあるいはリンを微量に添加したシリコン、又は有機半導体を用いても良い。
また第1及び第2の導電性半導体層の形成方法についても、スピンコート法やスクリーン印刷法などの塗布法の他、スパッタリング法などによる成膜後に酸素イオンなどをドーピングする方法など適宜選択可能である。
なお、ここでは、非晶質系半導体薄膜とは、非晶質半導体薄膜、微結晶半導体薄膜を含むものとする。また、本発明は非晶質系半導体薄膜の代わりに多結晶シリコン系薄膜などの結晶系薄膜を用いた構造にも適用可能である。
本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以上のように、本発明にかかる光起電力素子及びその製造方法は、塗布法などの真空装置を必要としないプロセスを採用でき、かつ特性の向上が期待できる。また、コストの低減につながる。よって大面積を必要とする太陽光発電に特に適している。
1 n型単結晶シリコン基板、2,3 真性非晶質シリコン層、4 p型非晶質シリコン層、5 n型非晶質シリコン層、6,7 金属電極、7S 金属基板、8 絶縁性微粒子、9 第1の酸化インジウム層、10 第2の酸化インジウム層、11 透光性導電膜、12 反射防止膜、13 第3の酸化インジウム層、14 酸化シリコン層、15 n型シリコン層、16 第4の酸化インジウム層、17 第5の酸化インジウム層。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の光起電力素子は、ヘテロ接合型の光起電力素子において、光入射側と反対側の面において、第1の導電性半導体膜と第2の導電性半導体膜を有し、第1の導電性半導体膜は発電層と第2の導電性半導体膜の間にあり、第1の導電性半導体膜中に第1の導電性半導体膜の屈折率と異なる屈折率を有する絶縁性微粒子を含有し、第2の導電性半導体膜は第1の導電性半導体膜よりも高いキャリア濃度を有することを特徴とする。
本実施の形態において、第1の導電半導体膜(第1の酸化インジウム層9)と第4の導電半導体膜(第4の酸化インジウム層16)のキャリア濃度は、同一であれば同一工程で形成することも可能である。しかしながら、異なっていても良く、特性改善の効果から第1の導電半導体膜のシート抵抗は、第4の導電半導体膜のシート抵抗よりも低いほうが好ましい。
実施の形態6.
図11は本発明の実施の形態6による光起電力素子の構造を模式的に示す断面図である。本実施の形態6の光起電力素子は、第1の導電半導体膜(第1の酸化インジウム層9)と第2の導電半導体膜(第2の酸化インジウム層10)の間に、金属電極7が配置されたことを特徴とした構造である。なお、n型拡散層5と、第1の酸化インジウム層9との間に、第3の酸化インジウム層13が形成されている。その他の構成は実施の形態1の光起電力素子と同様であるため、詳細についての説明は省略する。

Claims (13)

  1. 第1主面と第2主面を有し、前記第1主面から光が入射される第1導電型の結晶系半導体基板と、
    前記結晶系半導体基板の前記第1又は第2の主面にpn接合を形成するように前記結晶系半導体基板と異なる導電型を有する第2導電型半導体薄膜を有すると共に、
    前記結晶系半導体基板の前記第2主面上に第1導電型半導体薄膜、第1の導電性半導体膜、第2の導電性半導体膜が順次積層されたヘテロ接合型の光起電力素子であって、
    前記第1の導電性半導体膜中に前記第1の導電性半導体膜の屈折率と異なる屈折率を有する絶縁性微粒子を含有し、第2の導電性半導体膜のキャリア濃度が第1の導電性半導体膜よりも高いことを特徴とする光起電力素子。
  2. 前記第1導電型半導体薄膜は、前記結晶系半導体基板と同じ導電型を有する第1導電型非晶質系半導体薄膜であり、
    前記第2導電型半導体薄膜は、前記結晶系半導体基板と異なる導電型を有する第2導電型非晶質半導体薄膜であり、
    前記第1導電型非晶質系半導体薄膜上に前記第1の導電性半導体膜を有し、
    前記第1の導電性半導体膜上にさらに前記第2の導電性半導体膜を有することを特徴とする請求項1に記載の光起電力素子。
  3. 前記第1導電型非晶質系半導体薄膜は、
    真性の非晶質半導体薄膜を介して前記結晶系半導体基板上に積層されており、
    前記第2導電型非晶質系半導体薄膜は、
    真性の非晶質半導体薄膜を介して前記結晶系半導体基板上に積層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. 前記第1導電型非晶質系半導体薄膜は、前記第2の主面に形成され、
    前記第2導電型非晶質系半導体薄膜は、前記第1の主面に形成されたことを特徴とする請求項3に記載の光起電力素子。
  5. 前記第1導電型非晶質系半導体薄膜は、前記第2の主面の第1の領域に形成されており、
    前記第2導電型非晶質系半導体薄膜は、前記第2の主面で前記第1の領域に隣接する第2の領域に設けられたことを特徴とする請求項3に記載の光起電力素子。
  6. 前記第1の導電性半導体膜上に分布するように積層された、金属電極のパターンを含み、
    前記第2の導電性半導体膜は、外部接続領域を残して前記金属電極を覆うように形成されることを特徴とする請求項2から5のいずれか1項に記載の光起電力素子。
  7. 前記第1の導電性半導体膜のキャリア濃度が1×1016cm-3以上1×1019cm-3以下であり、かつ前記第2の導電性半導体膜のキャリア濃度が1×1019cm-3以上1×1021cm-3以下であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の光起電力素子。
  8. 前記第1の導電性半導体膜と前記第1導電型非晶質系半導体薄膜との間に第3の導電性半導体膜を備え、前記第3の導電性半導体膜のキャリア濃度が1×1019cm-3以上5×1020cm-3の範囲にあり、かつ前記第3の導電性半導体膜の膜厚が1nm以上100nm以下の範囲にある請求項2から7のいずれか1項に記載の光起電力素子。
  9. 前記第2の導電性半導体膜のキャリア濃度が、第1の導電性半導体膜のキャリア濃度よりも高く、かつ第2の導電性半導体膜のキャリア濃度が第1の導電性半導体のキャリア濃度から1×1021cm-3以下のキャリア濃度まで表層に向かって傾斜的に変化していることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の光起電力素子。
  10. 前記絶縁性微粒子の直径が0.5μm以上10μm以下であり、かつ第1の導電性半導体膜中に含まれる体積割合が10%以上80%以下であり、900〜1200nmの波長を有する光に対する反射率が40%以上であることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の光起電力素子。
  11. 第1主面と第2主面を有し、前記第1主面から光が入射される第1導電型の結晶系半導体基板と、
    前記結晶系半導体基板の前記第1又は第2の主面にpn接合を形成するように前記結晶系半導体基板と異なる導電型を有する第2導電型半導体薄膜を有すると共に、
    前記結晶系半導体基板の前記第2主面上に第1導電型半導体薄膜、第1の導電性半導体膜、第2の導電性半導体膜が順次積層されたヘテロ接合型の光起電力素子の製造方法であって、
    前記第1の導電性半導体膜は、膜中に前記第1の導電性半導体膜の屈折率と異なる屈折率を有する絶縁性微粒子を含有し、第2の導電性半導体膜のキャリア濃度が第1の導電性半導体膜よりも高いことを特徴とする光起電力素子の製造方法。
  12. 前記第1及び第2の導電性半導体膜は、
    導電性ペーストに絶縁性微粒子を添加した第1の導電性ペーストを使用し、第1の導電性半導体膜を形成する工程と、
    前記導電性ペーストからなる第2の導電性ペーストを使用し、第2導電性半導体膜を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項11に記載の光起電力素子の製造方法。
  13. 第1主面と第2主面を有し、前記第1主面から光が入射される第1導電型の結晶系半導体基板と、
    前記結晶系半導体基板の前記第1又は第2の主面にpn接合を形成するように前記結晶系半導体基板と異なる導電型を有する第2導電型半導体薄膜を有すると共に、前記結晶系半導体基板の前記第2主面上に第1導電型半導体薄膜を有する、素子本体部を形成する工程と、
    金属基板上に第2の導電性半導体膜及び第1の導電性半導体膜を順次積層する工程と、
    前記第1導電型半導体薄膜表面に、前記第1の導電性半導体膜を表面活性化接合により直接接合する工程とを含むことを特徴とする請求項11に記載の光起電力素子の製造方法。
JP2015517059A 2013-05-14 2014-05-09 光起電力素子及びその製造方法 Expired - Fee Related JP6072904B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013102448 2013-05-14
JP2013102448 2013-05-14
PCT/JP2014/062489 WO2014185356A1 (ja) 2013-05-14 2014-05-09 光起電力素子及びその製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP6072904B2 JP6072904B2 (ja) 2017-02-01
JPWO2014185356A1 true JPWO2014185356A1 (ja) 2017-02-23

Family

ID=51898334

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015517059A Expired - Fee Related JP6072904B2 (ja) 2013-05-14 2014-05-09 光起電力素子及びその製造方法

Country Status (3)

Country Link
JP (1) JP6072904B2 (ja)
CN (1) CN105164819B (ja)
WO (1) WO2014185356A1 (ja)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101976678B1 (ko) * 2017-12-13 2019-05-10 한국에너지기술연구원 고효율 투과형 태양전지 및 이의 제조방법
JP7109539B2 (ja) * 2018-05-29 2022-07-29 京セラ株式会社 太陽電池素子
JP2021040029A (ja) * 2019-09-03 2021-03-11 出光興産株式会社 微小構造体、微小構造体の製造方法および光電変換素子

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006120737A (ja) * 2004-10-19 2006-05-11 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 光電変換素子
CN101273464B (zh) * 2005-09-30 2011-04-20 三洋电机株式会社 太阳能电池和太阳能电池模块
EP2261995B1 (en) * 2008-03-19 2019-05-22 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Solar cell and method for manufacturing the same
JP2009231505A (ja) * 2008-03-21 2009-10-08 Sanyo Electric Co Ltd 太陽電池
JP5334164B2 (ja) * 2008-09-17 2013-11-06 独立行政法人産業技術総合研究所 シリコン系太陽電池
KR20110130191A (ko) * 2010-05-27 2011-12-05 주성엔지니어링(주) 태양전지 및 그 제조방법
WO2012105153A1 (ja) * 2011-01-31 2012-08-09 三洋電機株式会社 光電変換素子
US9437758B2 (en) * 2011-02-21 2016-09-06 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Photoelectric conversion device
JP5640948B2 (ja) * 2011-10-18 2014-12-17 三菱電機株式会社 太陽電池

Also Published As

Publication number Publication date
WO2014185356A1 (ja) 2014-11-20
CN105164819A (zh) 2015-12-16
CN105164819B (zh) 2017-03-29
JP6072904B2 (ja) 2017-02-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5570654B2 (ja) 太陽電池素子および太陽電池モジュール
JP5307818B2 (ja) 結晶シリコンp−nホモ接合と表面安定化のためのアモルファスシリコンヘテロ接合とを有する太陽電池
JP5440433B2 (ja) 太陽電池の製造方法及び製膜装置
TWI450401B (zh) 太陽能電池及其製造方法
WO2012020682A1 (ja) 結晶シリコン系太陽電池
WO2015182503A1 (ja) 太陽電池素子およびその製造方法並びに太陽電池モジュール
US20120273036A1 (en) Photoelectric conversion device and manufacturing method thereof
WO2013161668A1 (ja) 太陽電池及びその製造方法
JP2016122749A (ja) 太陽電池素子および太陽電池モジュール
TWI596792B (zh) 光發電元件及其製造方法
JP2014239150A (ja) 太陽電池および太陽電池モジュール
JP6072904B2 (ja) 光起電力素子及びその製造方法
JP2013030665A (ja) 光電変換装置モジュール、光電変換装置モジュールの製造方法、及び光電変換装置
TWI650872B (zh) 太陽能電池及其製造方法、太陽能電池模組及太陽能電池發電系統
JP2015146335A (ja) 光起電力素子およびその製造方法
JP2015138959A (ja) 光起電力装置および光起電力装置の製造方法
TWM517422U (zh) 具有局部鈍化的異質接面太陽能電池結構
JP2014072416A (ja) 太陽電池およびその製造方法、太陽電池モジュール
CN103219398A (zh) 光电转换装置
WO2014054605A1 (ja) 光電変換装置、光電変換装置の製造方法および光電変換モジュール
JP5744202B2 (ja) アルミナ膜の形成方法
JP2011003639A (ja) 結晶シリコン系太陽電池とその製造方法
WO2018055847A1 (ja) 太陽電池及びその製造方法、並びに太陽電池モジュール
KR20100093291A (ko) 태양전지의 제조방법
TW201434165A (zh) 太陽能電池及其製造方法與太陽能電池模組

Legal Events

Date Code Title Description
TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20161206

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20161228

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6072904

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees