JPWO2015151422A1 - 太陽電池および太陽電池の製造方法 - Google Patents

太陽電池および太陽電池の製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JPWO2015151422A1
JPWO2015151422A1 JP2016511357A JP2016511357A JPWO2015151422A1 JP WO2015151422 A1 JPWO2015151422 A1 JP WO2015151422A1 JP 2016511357 A JP2016511357 A JP 2016511357A JP 2016511357 A JP2016511357 A JP 2016511357A JP WO2015151422 A1 JPWO2015151422 A1 JP WO2015151422A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
solar cell
conductivity type
cell
top cell
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
JP2016511357A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6188921B2 (ja
Inventor
幸美 市川
幸美 市川
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.)
Japan Science and Technology Agency
Original Assignee
Japan Science and Technology Agency
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 Japan Science and Technology Agency filed Critical Japan Science and Technology Agency
Publication of JPWO2015151422A1 publication Critical patent/JPWO2015151422A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6188921B2 publication Critical patent/JP6188921B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor 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
    • H01L31/04—Semiconductor 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
    • H01L31/06—Semiconductor 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 at least one potential-jump barrier or surface barrier
    • H01L31/072—Semiconductor 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 at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H01L31/0745—Semiconductor 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 at least one potential-jump barrier or surface barrier 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
    • H01L31/0747—Semiconductor 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 at least one potential-jump barrier or surface barrier 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 or HIT® solar cells; solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor 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
    • H01L31/04—Semiconductor 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
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/043—Mechanically stacked PV cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor 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
    • H01L31/04—Semiconductor 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
    • H01L31/06—Semiconductor 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 at least one potential-jump barrier or surface barrier
    • H01L31/068—Semiconductor 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 at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells
    • H01L31/0682—Semiconductor 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 at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells back-junction, i.e. rearside emitter, solar cells, e.g. interdigitated base-emitter regions back-junction cells
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/548—Amorphous silicon PV cells

Landscapes

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

Abstract

本発明に係る太陽電池（３００）は、例えば、光入射側に設けられたトップセル（１００）と、このトップセル（１００）の下方に設けられたボトムセル（２００）が積層されたタンデム型の太陽電池であり、トップセル（１００）のエネルギーギャップは、ボトムセル（２００）のエネルギーギャップよりも大きな材料が選択されている。本発明では、トップセル（１００）の結晶Ｓｉ層の厚みを３０μｍ以下とし、好ましくは５μｍ〜１０μｍの範囲とする。ｎ型結晶Ｓｉ層の厚みが１０μｍ以下では、結晶Ｓｉ層内におけるキャリアのオージェ再結合が顕著に抑制される結果、開放電圧の向上が顕著である。また、出力を、トップセル（１００）とボトムセル（２００）から各々独立に取り出すことができるため、直列接続型タンデムセルで必要となる発電電流のマッチングを取る必要がない。

Description

本発明は、太陽電池技術に関し、より詳細には、従来の太陽電池に比較して光電変換効率の高いシリコン太陽電池およびその製造方法に関する。
太陽電池の分野においては、広波長域の太陽光を光電変換することで光電変換効率の向上を図るべく、複数の光電変換部を積層したタンデム型（多接合型）太陽電池が知られている（例えば、特許文献１〜３を参照）。このようなタンデム型太陽電池の光電変換効率をさらに向上させるためには、光の利用効率をさらに高めて出力電流を向上させる必要がある。
単結晶Ｓｉウェハを用いた太陽電池として、現在高い光電変換効率を実現しているのは、アモルファスＳｉを単結晶Ｓｉウェハの両面に堆積したヘテロ接合太陽電池と、入射光側とは反対側の面にエミッタと裏面電界領域（ＢＳＦ領域）を形成したバックコンタクト太陽電池である。
タンデム型Ｓｉ太陽電池の光電変換効率の更なる向上のためには、結晶Ｓｉ層内でのオージェ再結合の抑制が重要な課題となる。この課題解決のための方法のひとつに、結晶Ｓｉ層の厚みを薄くすることがあり、研究レベルでは結晶Ｓｉ層を１００μｍ程度に薄くして比較的高い光電変換効率の太陽電池が得られている。
特開平１０−３３５６８３号公報 特開２００１−２６７５９８号公報 特開平２００９−２６０３１０号公報
上述のとおり、タンデム型Ｓｉ太陽電池の光電変換効率の更なる向上のためには、結晶Ｓｉ層の厚みを薄くして、結晶Ｓｉ層内でのオージェ再結合を抑制することが効果的である。しかし、一方で、結晶Ｓｉ層の厚みを薄くすると光吸収長が短くなるために短絡電流密度の減少を招き、太陽電池全体として評価すると、所望の光電変換効率には至らないという問題がある。さらに、太陽電池の製造工程において、薄い結晶Ｓｉ層を破損させないための手法の開発も求められる。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、トップセルの結晶Ｓｉ層を薄くして結晶Ｓｉ層内でのオージェ再結合を抑制し、かつ、製造工程においても薄い結晶Ｓｉ層が破損することのない、光電変換効率の高いタンデム型のＳｉ太陽電池およびその製造方法を提供することにある。
上述の課題を解決するために、本発明に係る太陽電池は、トップセルが基体の主面上に設けられており、前記トップセルは、光入射側から、順次、透明導電層、第１導電型アモルファスＳｉ材料層、前記第１導電型とは逆の第２導電型結晶Ｓｉ層、第２導電型アモルファスＳｉ層を有する積層構造を有し、前記トップセルの表面には受光面電極が、前記基体には裏面電極が設けられており、前記トップセルの第２導電型結晶Ｓｉ層の厚みが３０μｍ以下である、ことを特徴とする。
好ましくは、前記トップセルの第２導電型結晶Ｓｉ層の厚みが３μｍ〜３０μｍである。
また、好ましくは、前記トップセルの第２導電型結晶Ｓｉ層の厚みが４μｍ〜２０μｍである。
さらに、好ましくは、前記トップセルの第２導電型結晶Ｓｉ層の厚みが５μｍ〜１０μｍである。
ある態様では、前記トップセルは、前記第１導電型アモルファスＳｉ材料層と第２導電型結晶Ｓｉ層の間に、ｉ型アモルファスＳｉ材料層を備えている。
また、ある態様では、前記トップセルは、前記第２導電型結晶Ｓｉ層と第２導電型アモルファスＳｉ層との間に、ｉ型アモルファスＳｉ層を備えている。
さらに、ある態様では、前記トップセルと前記基体の間に、絶縁性透明パッシベーション層を備えている。
好ましくは、前記絶縁性透明パッシベーション層は、シリコン酸化物もしくはアルミニウム酸化物からなる層である。
例えば、前記基体は単結晶Ｓｉからなる。
ある態様では、前記基体は単結晶Ｓｉからなり、前記トップセルと前記基体の間に、酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）からなる層を備えている。
また、ある態様では、前記基体は単結晶Ｓｉからなるボトムセルであり、前記トップセル側が第２導電型領域であり、その下方に第１導電型領域が形成されており、該ボトムセルの裏面に前記裏面電極が設けられてタンデム化されている。
さらに、ある態様では、前記ボトムセルは、前記第２導電型領域の前記トップセル側に、該第２導電型領域よりもドナー濃度の高い第２導電型層を備えている。
また、ある態様では、前記トップセルは、前記第２導電型アモルファスＳｉ層の下側に設けられた第２の透明導電層を備えている。
さらに、ある態様では、前記トップセルは、上方から見たときに、前記第２の透明導電層の表面が、バスバー部と該バスバー部から延在する複数のフィンガー部を有する櫛歯状に露出されている。
また、ある態様では、前記トップセルの表面に、前記透明導電層に電気的に接続される第１の櫛歯状の受光面電極と、前記第２の透明導電層に電気的に接続される第２の櫛歯状の受光面電極が設けられている。
さらに、ある態様では、前記ボトムセルの裏面側には、バスバー部と該バスバー部から延在する複数のフィンガー部を有する櫛歯状に形成された前記第１導電型領域と、バスバー部と該バスバー部から延在する複数のフィンガー部を有する櫛歯状に形成され、前記第２導電型領域よりもドナー濃度の高い第２の第２導電型領域が形成されており、前記第１導電型領域のフィンガー部と前記第２の第２導電型領域のフィンガー部は、所定間隔で交互に位置している。
好ましい態様では、前記ボトムセルの裏面に、前記第１導電型領域に電気的に接続される第１の櫛歯状の裏面電極と、前記第２の第２導電型領域に電気的に接続される第２の櫛歯状の裏面電極が設けられている。
また、好ましい態様では、前記太陽電池を上方から見たときに、前記第１の櫛歯状の受光面電極のバスバー部と前記第２の櫛歯状の裏面電極のバスバー部が一方端側で平行に位置しており、前記第２の櫛歯状の受光面電極のバスバー部と前記第１の櫛歯状の裏面電極のバスバー部が他方端側で平行に位置している。
例えば、前記トップセルに設けられた透明導電層は、酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）である。
好ましくは、前記トップセルの光入射側に設けられた透明導電層は反射防止層を兼ねている。
また、好ましくは、前記トップセルの前記第２導電型結晶Ｓｉ層が、前記トップセルと前記ボトムセルの発電電流が同じになる厚みに設計されている。
さらに、好ましくは、前記トップセルが備える透明導電層、第１導電型アモルファスＳｉ材料層、第２導電型結晶Ｓｉ層、第２導電型アモルファスＳｉ層を有する積層構造は、前記太陽電池を上方から見たときに、所定の間隔で２次元配列する複数のナノワイヤ若しくは壁面が所定の方向に揃い且つ所定の間隔で２次元配列する複数の壁状のナノウォールに区画されたアレイ構造を有し、前記ナノワイヤの直径若しくは前記ナノウォールの厚みが、前記第２導電型結晶Ｓｉ層の部位において１０ｎｍ以下である。
また、好ましくは、互いに隣接する前記ナノワイヤ若しくは前記ナノウォールは、絶縁性物質により離間されている。
本発明に係る太陽電池の製造方法は、基体上にトップセルを有する太陽電池の製造方法であって、表面領域に第２導電型アモルファスＳｉ層が形成され、該第２導電型アモルファスＳｉ層の上に透明導電層が設けられた第１の第２導電型Ｓｉ結晶基板と、表面に透明導電層若しくは絶縁性透明パッシベーション層が形成された前記基体の表面同士を、４００℃以下の温度で貼り合わせる第１のステップと、前記第１の第２導電型Ｓｉ結晶基板を裏面から厚み３０μｍ以下まで薄くして前記トップセルの第２導電型結晶Ｓｉ層とする第２のステップと、を備えている。
好ましくは、前記基体は、表面領域にバルクよりも高いドナー濃度の第２導電型層が形成され、該第２導電型層の上に絶縁性透明パッシベーション層が設けられた第２の第２導電型Ｓｉ結晶基板である。
また、好ましくは、前記第１のステップは、前記第１の第２導電型Ｓｉ結晶基板の表面と前記基体の表面の少なくとも一方に、表面活性化処理を施すサブステップを備えている。
例えば、前記表面活性化処理はプラズマ処理又はオゾン処理の少なくとも一方で実行される。
例えば、前記透明導電層は酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）であり、前記絶縁性透明パッシベーション層はシリコン酸化物もしくはアルミニウム酸化物からなる層である。
ある態様では、前記第１のステップに先立ち、前記第１の第２導電型Ｓｉ結晶基板の表面領域に所定のドーズ量の水素を注入して水素イオン注入層を形成するステップを備え、前記第２のステップにおいて、前記水素イオン注入層に機械的若しくは熱衝撃を付与することにより前記第１の第２導電型Ｓｉ結晶基板から第２導電型結晶Ｓｉ層を剥離させて前記トップセルの第２導電型結晶Ｓｉ層とする。
また、ある態様では、前記第２のステップの後に、前記第２導電型結晶Ｓｉ層の上方に、第２導電型とは逆の第１導電型アモルファスＳｉ材料層を形成する第３のステップを備えている。
さらに、ある態様では、前記第３のステップは、前記第１導電型アモルファスＳｉ材料層の形成に先立ち、前記第２導電型結晶Ｓｉ層を、所定の間隔で２次元配列する複数のナノワイヤであって前記第２導電型結晶Ｓｉ層の部位において直径が１０ｎｍ以下のナノワイヤ、若しくは、壁面が所定の方向に揃い且つ所定の間隔で２次元配列する複数の壁状のナノウォールであって前記第２導電型結晶Ｓｉ層の部位において厚みが１０ｎｍ以下であるナノウォールに区画するサブステップを備えている。
本発明に係る太陽電池は、トップセルの第２導電型結晶Ｓｉ層を、従来のものに比較して顕著に薄くした構造を採用した。その結果、トップセルの開放電圧は、第２導電型結晶Ｓｉ層を１００μｍとしたものに比較して、０．１Ｖ以上高くなり、高い電圧で電流を取り出すことができるため光電変換効率が向上する。
また、本発明をタンデム型の太陽電池とした場合には、出力を、トップセルとボトムセルから各々独立に取り出すことができるため、直列接続型タンデムセルで必要となる発電電流のマッチングを取る必要がない。
さらに、本発明に係る太陽電池の製造方法は、いわゆる「貼り合わせ」技術を応用し、トップセルと基体若しくはボトムセルの「貼り合わせ」を４００℃以下で行うため、水素化アモルファスＳｉ層から水素が離脱して膜質を低下させることがなく、結晶Ｓｉ層への新たな欠陥生成もない。このため、本発明をタンデム型の太陽電池とした場合には、タンデム化に伴うヘテロ接合セルの劣化が生じない。
本発明に係るタンデム型のシリコン太陽電池の基本構造の概略を説明するための断面図である。 光電変換効率のトップセルｎ型結晶Ｓｉ層の厚み依存性を示す図である。 トップセルの開放電圧のｎ型結晶Ｓｉ層の厚み依存性のシミュレーション結果を示す図である。 本発明に係る太陽電池が備える受光面電極の態様を説明するための図である。 本発明に係る太陽電池の光入射側（上方）から見たときの受光面電極の態様を説明する図（図５（Ａ））および裏面側（下方）から見たときの裏面電極の態様を説明する図（図５（Ｂ））である。 ２端子タンデムセル構造にする場合の、図５（Ａ）および図５（Ｂ）の図中に破線で示した部分の断面構造の概略を示す図である。 本発明に係る太陽電池を製造するプロセス例のフローチャートである。 トップセルが、所定の間隔で２次元配列する複数の壁状のナノウォールに区画されたアレイ構造の場合のタンデム型の太陽電池の構成を概念的に説明するための斜視図である。 所定の間隔で２次元配列する複数の壁状のＳｉのナノウォールに区画されたアレイ構造を有するトップセルの一部を観察した透過電子顕微鏡像である。 ナノウォールに区画されたアレイ構造（Ａ）の反射率とナノウォール相互間に絶縁性物質であるＳｉＯ２を埋め込んだアレイ構造（Ｂ）の反射率の波長依存性を示す図である。
以下に、図面を参照して、本発明に係る太陽電池およびその製造方法について説明する。なお、以降の説明では、第１導電型をｐ型とし、第２導電型をｎ型として説明するが、これとは逆の関係、すなわち、第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型としてもよい。また、以降の説明では、「アモルファスＳｉ材料層」をアモルファスＳｉ層として説明するが、この他に、アモルファスＳｉＯ層やアモルファスＳｉＮ層などとすることもできる。
以降では、本発明に係る太陽電池がタンデム型の太陽電池である場合について説明するが、タンデム型である必要は必ずしもない。本発明に係る太陽電池は、ボトムセルを備えることなく、基体上にトップセルが設けられた太陽電池であってもよい。つまり、「ボトムセル」が太陽電池として機能する必要は必ずしもない。
［本発明に係るタンデム型太陽電池の基本構造の概略］
図１は、本発明に係るタンデム型のシリコン太陽電池の基本構造の概略を説明するための断面図である。この太陽電池３００は、光入射側（図の上側）に設けられたトップセル１００と、このトップセル１００の下方に設けられたボトムセル２００が積層されたタンデム型の太陽電池である。
トップセル１００は、第１のｎ型Ｓｉ結晶基板１０を用い、後述するプロセス例により作製される。このトップセル１００は、光入射側から、順次、透明導電層１１０、ｐ型アモルファス材料層としてのｐ型アモルファスＳｉ層１２０、ｎ型結晶Ｓｉ層１３０、ｎ型アモルファスＳｉ層１４０を備えている。図１に示した例では、ｎ型アモルファスＳｉ層１４０の下側に、第２の透明導電層１５０が設けられており、透明導電層１１０と第２の透明導電層１５０を２つの電極層とすることにより、トップセル１００の出力を、ボトムセル２００とは独立に取り出すことができる。透明導電層１１０は、例えば、酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）からなり、反射防止層を兼ねさせることもできる。なお、トップセル１００の表面に設けられる受光面電極（不図示）については、後述する。
なお、ｐ型アモルファス材料層は、上述のｐ型アモルファスＳｉ層１２０に代えて、ｐ型アモルファスＳｉＯ層やｐ型アモルファスＳｉＮ層とするようにしてもよい。また、このｐ型アモルファスＳｉ層１２０とｎ型結晶Ｓｉ層１３０との間に、ｉ型アモルファス材料層としてのｉ型アモルファスＳｉ層を設けてもよく、ｉ型アモルファスＳｉ層に代えて、ｉ型アモルファスＳｉＯ層やｉ型アモルファスＳｉＮ層を設けるようにしてもよい。
なお、上述のｐ型アモルファスＳｉ層１２０、ｉ型アモルファスＳｉ層、ｎ型アモルファスＳｉ層１４０は何れも、殆どの場合、水素化されたアモルファス層とされる。この点は、ｐ型アモルファスＳｉ層１２０およびｉ型アモルファスＳｉ層が上述した他のアモルファスＳｉ材料層であった場合でも同様である。
ボトムセル２００は、第２のｎ型Ｓｉ結晶基板２０を用い、後述するプロセス例により作製される。このボトムセル２００は、単結晶Ｓｉからなり、トップセル側がｎ型領域２１０であり、その下方（すなわち太陽電池の裏面側）に、エミッタ層としてのｐ型領域２２０が設けられている。
また、この図に示した例では、ボトムセル２００のｎ型領域２１０のトップセル側に、表面電界層（ＦＳＦ）として、バルクとしてのｎ型領域よりもドナー濃度の高いｎ型層２３０が設けられている。さらに、エミッタ層としてのｐ型領域２２０に隣接して、裏面電界層（ＢＳＦ）として、バルクとしてのｎ型領域よりもドナー濃度の高い第２のｎ型層２４０が形成されている。
エミッタ層であるｐ型領域２２０と第２のｎ型層２４０のそれぞれには、絶縁性膜２５０を介して、第１の裏面電極２６０と第２の裏面電極２７０が電気的に接続され、エミッタ層であるｐ型領域２２０と第２のｎ型層２４０を２つの電極層とすることにより、ボトムセル２００の出力を、トップセル１００とは独立に取り出すことができる。
なお、後述する態様では、ｐ型領域２２０を、バスバー部と該バスバー部から延在する複数のフィンガー部を有する櫛歯状に形成するとともに、第２のｎ型領域２４０も同様に、バスバー部と該バスバー部から延在する複数のフィンガー部を有する櫛歯状に形成し、ｐ型領域２２０のフィンガー部と第２のｎ型領域２４０のフィンガー部を、所定間隔で交互に位置させる。
ここで、上述のｐ型領域２２０のうち、バスバー部は必ずしもｐ型の導電型とされている必要はないが、便宜上、当該バスバー部も含めて「ｐ型領域」という。同様に、上述の第２のｎ型領域２４０のうち、バスバー部は必ずしもｎ型の導電型とされている必要はないが、便宜上、当該バスバー部も含めて「ｎ型領域」という。換言すれば、ｐ型領域２２０のフィンガー部および第２のｎ型領域２４０のフィンガー部がそれぞれ「ｐ型」および「ｎ型」」であり、これらのフィンガー部が、所定間隔でストライプ状に交互に位置させるようにしてもよい。
トップセル１００とボトムセル２００の間に設けられた符号１６０で示した層は絶縁性透明パッシベーション層であり、後述の製造プロセスで貼り合わせに用いられる層である。この絶縁性透明パッシベーション層１６０は、例えば、シリコン酸化物やアルミニウム酸化物からなる層である。
トップセル１００の各層の組成や厚み等は、例えば、下記のように設計することができる。透明導電層１１０は０．１μｍ程度のＩＴＯ、ｐ型アモルファスＳｉ層１２０とｉ型アモルファスＳｉ層の総厚は０．０１μｍ程度、ｎ型結晶Ｓｉ層１３０の厚みは３０μｍ以下、ｉ型アモルファスＳｉ層とｎ型アモルファスＳｉ層１４０の総厚は０．０１μｍ程度、第２の透明導電層１５０は０．１μｍ程度のＩＴＯである。なお、トップセルのｎ型結晶Ｓｉ層の厚みは、好ましくは３μｍ〜３０μｍ、より好ましくは４μｍ〜２０μｍ、さらに好ましくは５μｍ〜１０μｍである。その理由については後述する。
単結晶Ｓｉからなるボトムセル２００の各層の厚み等は、例えば、下記のように設計することができる。バルクとしてのｎ型領域２１０は厚みが２００〜５００μｍ程度でその比抵抗は１Ωｃｍ程度、エミッタ層としてのｐ型領域２２０はアクセプタ濃度が５×１０19ｃｍ-3程度でその厚みは２〜３μｍ程度、表面電界層（ＦＳＦ）としてのｎ型層２３０はドナー濃度が１×１０19ｃｍ-3程度でその厚みは０．１〜１μｍ程度、裏面電界層（ＢＳＦ）としての第２のｎ型層２４０はドナー濃度が５×１０19ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3程度でその厚みは１〜２μｍ程度である。
なお、絶縁性膜２５０としてはＳｉＯ2が好適に用いられる。また、トップセル１００とボトムセル２００の間に設けられる絶縁性透明パッシベーション層１６０にもＳｉＯ2が好適に用いられ、その厚みは例えば０．１μｍ程度である。
また、後述する受光面電極や、上述の裏面電極２６０、２７０は、スパッタや蒸着で全面に形成した金属（例えば、ＡｌやＡｇなど）をパターニングして形成するか、ＡｌやＡｇなどのペーストを用いてスクリーン印刷後焼成して形成することができる。
［トップセルのｎ型結晶Ｓｉ層の厚み］
図２は、光電変換効率のトップセルｎ型結晶Ｓｉ層の厚み依存性のシミュレーション結果を示す図である。このシミュレーションでは、ボトムセルの厚みを３００μｍとし、トップセルのｎ型結晶Ｓｉ層の厚みをパラメータとして光電変換効率を求めている。この結果によれば、トップセルのｎ型結晶Ｓｉ層の厚みが１００μｍの場合の光電変換効率はｎ型結晶Ｓｉ層の厚みが１μｍの場合と概ね等しく（２３．５％）、厚みが１００μｍを超えるとこの値を下回る。
ｎ型結晶Ｓｉ層の厚みが３０μｍ以下では光電変換効率２４％以上が得られており、ｎ型結晶Ｓｉ層の厚みが３〜３０μｍの範囲にあると光電変換効率２４％以上が得られている。また、ｎ型結晶Ｓｉ層の厚みが４μｍ〜２０μｍの範囲では２４．１％を超える光電変換効率が得られ、５μｍ〜１０μｍの範囲では２４．２％を超える光電変換効率が得られている。
図３は、トップセルの開放電圧ＶOCのｎ型結晶Ｓｉ層の厚み依存性のシミュレーション結果を示す図で、バルクのシリコンを想定して得られた開放電圧ＶOCの値を、図中に丸印で示した。図３（Ａ）にはｎ型結晶Ｓｉ層の厚みが１〜１００μｍの範囲での開放電圧が示されており、図３（Ｂ）にはｎ型結晶Ｓｉ層の厚みが１〜１０μｍの範囲での開放電圧が示されている。
これらの図に示した結果によれば、ｎ型結晶Ｓｉ層の厚みが１０〜２０μｍ近辺で、開放電圧の向上が認められ、特に、ｎ型結晶Ｓｉ層の厚みが１０μｍ以下では、開放電圧の向上が顕著であり０．８Ｖ以上の値が得られている。これは、ｎ型結晶Ｓｉ層の厚みが薄くなったことにより、結晶Ｓｉ層内におけるキャリアのオージェ再結合が顕著に抑制されることを示している。
図３に示した結果によれば、ｎ型結晶Ｓｉ層の厚みが１０μｍ以下で顕著な開放電圧の向上が認められる一方で、図２に示した結果からは、ｎ型結晶Ｓｉ層の厚みが５μｍよりも薄くなると徐々に光電変換効率が低下している事実を考慮すると、最も好ましいｎ型結晶Ｓｉ層の厚み範囲は５μｍ〜１０μｍであると考えられる。
［トップセルとボトムセルからの出力取り出し］
図４は、本発明に係る太陽電池が備える受光面電極の態様を説明するための図である。この態様では、トップセル１００の表面に、上述の透明導電層１１０に電気的に接続される第１の受光面電極１７０と、第２の透明導電層１５０に電気的に接続される第２の受光面電極１８０が設けられ、透明導電層１１０と第２の透明導電層１５０を２つの電極層とすることにより、トップセル１００の出力を、ボトムセル２００とは独立に取り出すことができる。
なお、既に説明したように、ボトムセル２００の出力も、エミッタ層であるｐ型領域２２０と第２のｎ型層２４０を２つの電極層とすることにより、ボトムセル２００の出力を、トップセル１００とは独立に取り出すことができる。
図５（Ａ）および図５（Ｂ）はそれぞれ、太陽電池３００の光入射側（上方）から見たときの受光面電極の態様を説明する図（図５（Ａ））および太陽電池３００の裏面側（下方）から見たときの裏面電極の態様を説明する図（図５（Ｂ））である。
図５（Ａ）に示したように、トップセル１００には、上方から見たときに、第１の櫛歯状の受光面電極１７０と第２の櫛歯状の受光面電極１８０が設けられている。そして、トップセル１００の第２の透明導電層１５０の表面は、バスバー部と該バスバー部から延在する複数のフィンガー部を有する櫛歯状に露出されており、第１の櫛歯状の受光面電極１７０は透明導電層１１０に電気的に接続され、第２の櫛歯状の受光面電極１８０は第２の透明導電層１５０に電気的に接続される。
つまり、トップセル１００は、上方から見たときに、第２の透明導電層１５０の表面が、バスバー部と該バスバー部から延在する複数のフィンガー部を有する櫛歯状に露出されており、透明導電層１１０に電気的に接続される第１の櫛歯状の受光面電極１７０と、第２の透明導電層１５０に電気的に接続される第２の櫛歯状の受光面電極１８０が設けられ、これにより、トップセル１００の出力を、ボトムセル２００とは独立に取り出すことを可能としている。
また、この態様では、ボトムセル２００の裏面側には、バスバー部と該バスバー部から延在する複数のフィンガー部を有する櫛歯状に形成されたｐ型領域２２０と、バスバー部と該バスバー部から延在する複数のフィンガー部を有する櫛歯状に形成され、バルクとしてのｎ型領域２１０よりもドナー濃度の高い第２のｎ型領域２４０が形成されており、ｐ型領域２２０のフィンガー部と第２のｎ型領域２４０のフィンガー部は、所定間隔で交互に位置している。
そして、ボトムセル２００の裏面に、ｐ型領域２２０に電気的に接続される第１の櫛歯状の裏面電極２６０と、第２のｎ型領域２４０に電気的に接続される第２の櫛歯状の裏面電極２７０が設けられ、これにより、ボトムセル２００の出力を、トップセル１００とは独立に取り出すことを可能としている。
このような態様の受光面電極の構造は、トップセル１００の透明導電層（１１０、１５０）のシート抵抗が高いことによる損失が無視できない場合に、特に効果的である。そして、トップセル１００の出力とボトムセル２００の出力を独立に取り出すことができるため、電気的に直列接続された２端子タンデムセルのように両者の発電電流のマッチングを取る必要はなく、セル設計の制約は少ない。
また、上述の態様では、トップセル１００の出力端子は入射光面側にあることとなり、ボトムセル２００の出力端子は裏面側にあることとなるため、何枚かのセルを組み込んでモジュールを作製する場合には、トップセル同士、あるいはボトムセル同士を直列に接続して、モジュールの端子ボックスは４端子にする。
なお、トップセル１００の結晶Ｓｉ層１３０の厚さを調整することにより、トップセル１００とボトムセル２００の発電電流が同じになるようにすることも可能である。この場合には２端子化も実現し得る。例えば、トップセルとボトムセルの出力を直列接続して、モジュールに組み込んでもよいし、モジュールの端子ボックス内でトップセルからの出力とボトムセルからの出力を直列に接続して２端子にしてもよい。
２端子タンデムセル構造にするには、例えば、以下のような電極間接続関係を採用することができる。
図６は、図５（Ａ）および図５（Ｂ）の図中に破線で示した部分の断面構造の概略を示す図である。まず、トップセル１００とボトムセル２００の最適動作電流がほぼ等しくなるように、トップセル１００の結晶Ｓｉ１３０層の厚さを調整する。その後、ボトムセル２００のエミッタからの出力を取り出すための櫛歯電極２６０の母線と、トップセル１００のｎ型アモルファスＳｉ層側に設けた第２の透明導電層１５０に電気的に接続する櫛歯電極１８０の母線を、ボトムセル２００の端部をセルの厚さ方向に横切る形に、導電性材料２８０で接続する。
この場合、接続しようとする櫛歯電極の母線同士をセルの同じ端部縁になるように配置しておく。つまり、太陽電池１００を上方から見たときに、第２の櫛歯状の受光面電極である第２の透明導電層１５０のバスバー部と第１の櫛歯状の裏面電極である第１の裏面電極２６０のバスバー部が他方端側で平行に位置させる。一方、第１の櫛歯状の受光面電極である第１の透明導電層１１０のバスバー部と第２の櫛歯状の裏面電極である第２の裏面電極２７０のバスバー部は、他方端側で平行に位置することになる。
このような電極間の接続に際しては、発電電流による電圧降下が十分に小さくなるように行う。セルの裏面の絶縁性膜２５０が熱酸化やプラズマＣＶＤで形成された酸化膜である場合には、セルの端面もこのような絶縁性膜２５０で被覆されていること、そして、セルの厚さは数百μｍであることを考慮すると、厚さが数μｍ以上のＡｇペーストなどの導電性ペーストを用いることが好ましい。このような導電性ペーストを用いれば、セルの端部に、上述の両母線に接触するように塗布して焼成するだけで、発電電流による当該接続箇所での電圧降下は、発電電圧に比べて十分小さくすることができる。
以下に、上述した構造の本発明に係る太陽電池の製造方法の概要を、例示により説明する。なお、下記実施例では、第１導電型をｐ型とし、第２導電型をｎ型とされているが、これとは逆の関係、すなわち、第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型としてもよいことは、既に述べたとおりである。また、「アモルファスＳｉ材料層」がアモルファスＳｉ層ではなく、アモルファスＳｉＯ層やアモルファスＳｉＮ層などとすることもできることも、既に述べたとおりである。
図７は、本発明に係る太陽電池を製造するプロセス例のフローチャートである。まず、上述した２枚のｎ型単結晶Ｓｉ基板（１０、２０）を準備する。Ｓｉ基板の厚みに特別な制限はないが、一般的には、２００〜５００μｍである。第１のｎ型Ｓｉ結晶基板１０はトップセル作製用のものであり、第２のｎ型Ｓｉ結晶基板２０はボトムセル作製用のものである。下記の実施例では、第１のｎ型Ｓｉ結晶基板１０は片面ポリッシュ仕上げのもので差し支えないが、第２のｎ型Ｓｉ結晶基板２０は両面ポリッシュ仕上げのものを用いている。また、Ｓｉ基板の比抵抗値は太陽電池の設計事項であるが、ここでは、１Ωｃｍ程度のものを用いている。
第１のｎ型Ｓｉ結晶基板１０の表面に、ｎ型水素化アモルファスＳｉ層１４０を形成し（Ｓ１０１）、さらに、このｎ型水素化アモルファスＳｉ層１４０の上にＩＴＯから成る透明導電層１５０を形成する（Ｓ１０２）。
一方、第２のｎ型Ｓｉ結晶基板２０の裏面には、ｎ+領域（リン濃度１０19〜１０20ｃｍ-3程度）とｐ+領域（ボロン濃度１０19〜１０20ｃｍ-3程度のｐ+層）をストライプ状（乃至は櫛型状）に形成し、これらを裏面電界層（ＢＳＦ）としての第２のｎ型層２４０およびエミッタ層としてのｐ型領域２２０とする（Ｓ２０１）。これらのｎ+領域やｐ+領域の形成は、イオン注入法や熱拡散法あるいはレーザードーピング法などによる。
次いで、第２のｎ型Ｓｉ結晶基板２０の表面に、表面電界層（ＦＳＦ）としてのｎ型層２３０（リン濃度１０19ｃｍ-3程度のｎ+層）を形成する（Ｓ２０２）。このＦＳＦ層は、熱拡散法やイオン注入法により形成される。
これに続き、表面電界層（ＦＳＦ）としてのｎ型層２３０の上に、絶縁性透明パッシベーション層１６０を形成する（Ｓ２０３）。このパッシベーション膜は、熱酸化膜、ＣＶＤによる堆積酸化膜、プラズマＣＶＤやホットワイヤーＣＶＤによる水素化アモルファスＳｉＯ膜などである。
次に、第１のｎ型Ｓｉ結晶基板１０の表面（つまり、ＩＴＯから成る透明導電層１５０）と第２のｎ型Ｓｉ結晶基板２０の表面（つまり、絶縁性透明パッシベーション層１６０）の少なくとも一方に、表面活性化処理を施す（Ｓ３０１）。この表面活性化処理は、例えば、プラズマ処理やオゾン処理である。
この表面活性化処理に続き、既に公知の半導体基板同士の貼り合わせ技術を応用して、第１のｎ型Ｓｉ結晶基板の表面（つまり、ＩＴＯから成る透明導電層１５０）と第２のｎ型Ｓｉ結晶基板の表面（つまり、シリコン酸化物やアルミニウム酸化物などからなる絶縁性透明パッシベーション層１６０）同士を貼り合わせる（Ｓ３０２）。なお、この貼り合わせは、４００℃以下の温度で行う。これは、トップセルの水素化アモルファスＳｉ層からの水素の離脱による膜質の低下と、トップセルの結晶Ｓｉ層への欠陥導入を抑制し、タンデム化に際しての太陽電池特性の劣化を生じさせないためである。
なお、この貼り合わせの強度を高める目的で、トップセル側であるＩＴＯから成る透明導電層１５０の上に、更に、水素化アモルファスＳｉＯ膜を堆積しておいてもよい。
この貼り合わせの後、第１のｎ型Ｓｉ結晶基板の裏面側の結晶部分を取り除き、厚み３０μｍ以下（一般的には１０μｍ以下）まで薄くして、トップセルのｎ型結晶Ｓｉ層１３０を形成する（Ｓ３０３）。
この薄化工程は、第１のｎ型Ｓｉ結晶基板の裏面側を機械的に研磨することのほか、いわゆる「スマートカット法」などの手法によってもよい。
スマートカット法による場合には、ステップＳ１０１に先立ち、第１のｎ型Ｓｉ結晶基板の表面領域に所定のドーズ量の水素を注入して水素イオン注入層を形成しておき、ステップＳ３０３において、上記水素イオン注入層に機械的若しくは熱衝撃を付与することにより第１のｎ型Ｓｉ結晶基板からｎ型結晶Ｓｉ層を剥離させてトップセルのｎ型結晶Ｓｉ層とする。
このような薄化工程の後、必要に応じて、研磨ダメージ層のエッチング除去を行い、結晶Ｓｉ層の厚みを所望の値に調整する。
その後、光入射面側に、水素化ｉ型アモルファスＳｉ層、水素化ｐ型アモルファスＳｉ層１２０、ＩＴＯから成る透明導電層１１０を、順次、積層する（Ｓ３０４〜Ｓ３０６）。
次いで、フォトリソ技術により、図４に示したように、第２の透明導電層１５０の一部を露出させ（Ｓ３０７）、受光面電極１７０、１８０を形成する（Ｓ３０８）。これにより、第１の受光面電極１７０が透明導電層１１０に電気的に接続され、第２の受光面電極１８０が第２の透明導電層１５０に電気的に接続され、トップセルが完成する。
最後に、第２のｎ型Ｓｉ結晶基板の裏面側にコンタクトホールを形成して、図４に示したような裏面電極２６０、２７０を形成し（Ｓ３０９）、トップセルが完成するとともに太陽電池としても完成する。
既に説明したように、本発明に係る太陽電池のように、トップセルの結晶Ｓｉ層の厚さを薄くすることにより、開放電圧を高めることが可能である。一方で、トップセルの結晶Ｓｉ層の厚さが薄くなると、トップセルの光吸収長（光路長）が短くなり、その結果、短絡電流密度は小さくなり出力は結晶Ｓｉ層が厚いセルに比較して低下する。しかし、本発明の太陽電池はタンデム構造であるため、トップセルで吸収できなかった光はボトムセルで吸収され、発電に供することができる。その結果、トップセルの発電電流を高い電圧で取り出すことができる分だけ、ボトムセル単体で発電する場合に比べて変換効率が改善される。
このように、本発明に係る太陽電池は、トップセルの第２導電型結晶Ｓｉ層を、従来のものに比較して顕著に薄くした構造を採用した。その結果、トップセルの開放電圧は、第２導電型結晶Ｓｉ層を１００μｍとしたものに比較して、０．１Ｖ以上高くなり、高い電圧で電流を取り出すことができるため光電変換効率が向上する。
また、出力を、トップセルとボトムセルから各々独立に取り出すことができるため、直列接続型タンデムセルで必要となる発電電流のマッチングを取る必要がない。
さらに、本発明に係る太陽電池の製造方法は、いわゆる「貼り合わせ」技術を応用し、トップセルとボトムセルの「貼り合わせ」を４００℃以下で行うため、水素化アモルファスＳｉ層から水素が離脱して膜質を低下させることがなく、結晶Ｓｉ層への新たな欠陥生成もないため、タンデム化に伴うヘテロ接合セルの劣化が生じない。
これまでは、本発明に係る太陽電池がタンデム型の太陽電池である場合について説明した。しかし、本発明に係る太陽電池は必ずしもタンデム型である必要はなく、ボトムセルを備えることなく、基体上に上述のトップセルが設けられた太陽電池であってもよい。つまり、上述した「ボトムセル」が太陽電池として機能する必要は必ずしもない。
上述した「ボトムセル」を太陽電池とせず、いわゆる基体である場合には、本発明に係る太陽電池は、トップセルが基体の主面上に設けられており、前記トップセルは、光入射側から、順次、透明導電層、第１導電型アモルファスＳｉ材料層、前記第１導電型とは逆の第２導電型結晶Ｓｉ層、第２導電型アモルファスＳｉ層を有する積層構造を有し、前記トップセルの表面には受光面電極が、前記基体には裏面電極が設けられており、前記トップセルの第２導電型結晶Ｓｉ層の厚みが３０μｍ以下である、ことを特徴とする太陽電池ということになる。
この場合の基体としては、例えば、単結晶Ｓｉを用いることとしてもよい。また、基体が単結晶Ｓｉからなる場合、トップセルと基体の間に、酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）からなる層を備えている態様としてもよい。
さらに、上記基体は、表面領域にバルクよりも高いドナー濃度の第２導電型層が形成され、該第２導電型層の上に絶縁性透明パッシベーション層が設けられた第２の第２導電型Ｓｉ結晶基板である態様としてもよい。
この場合、太陽電池の製造に際し、上述したステップＳ３０３（貼り合わせの後、第１のｎ型Ｓｉ結晶基板の裏面側の結晶部分を取り除き、厚み３０μｍ以下まで薄くして、トップセルのｎ型結晶Ｓｉ層１３０を形成するステップ）の後に、第２導電型結晶Ｓｉ層の上方に、第２導電型とは逆の第１導電型アモルファスＳｉ材料層を形成するステップを備えるようにすることとしてもよい。
また、トップセルの構造を、ナノワイヤやナノウォールがアレイ配列された態様のものとしてもよい。このようなナノ構造のものとすることにより、量子効果を高め、太陽電池の光電変換効率を高めることができる。
このような構造のトップセルを備えた太陽電池は、前記トップセルが備える透明導電層、第１導電型アモルファスＳｉ材料層、第２導電型結晶Ｓｉ層、第２導電型アモルファスＳｉ層を有する積層構造は、前記太陽電池を上方から見たときに、所定の間隔で２次元配列する複数のナノワイヤ若しくは壁面が所定の方向に揃い且つ所定の間隔で２次元配列する複数の壁状のナノウォールに区画されたアレイ構造を有し、前記ナノワイヤの直径若しくは前記ナノウォールの厚みが、前記第２導電型結晶Ｓｉ層の部位において１０ｎｍ以下である、太陽電池と言うことになる。
斯かる態様を採用する場合、互いに隣接する前記ナノワイヤ若しくは前記ナノウォールは、絶縁性物質により離間されているようにすることが好ましい。
また、ナノ構造のトップセルとする際には、第２導電型結晶Ｓｉ層の上方に第２導電型とは逆の第１導電型アモルファスＳｉ材料層を形成するステップにおいて、第１導電型アモルファスＳｉ材料層の形成に先立ち、第２導電型結晶Ｓｉ層を、所定の間隔で２次元配列する複数のナノワイヤであって第２導電型結晶Ｓｉ層の部位において直径が１０ｎｍ以下のナノワイヤ、若しくは、壁面が所定の方向に揃い且つ所定の間隔で２次元配列する複数の壁状のナノウォールであって第２導電型結晶Ｓｉ層の部位において厚みが１０ｎｍ以下であるナノウォールに区画するサブステップを備えていることが好ましい。
図８は、トップセルが、所定の間隔で２次元配列する複数の壁状のナノウォールに区画されたアレイ構造の場合のタンデム型の太陽電池の構成を概念的に説明するための斜視図である。
Ｓｉのバンドギャップはバルクでは１．１ｅＶ程度であるが、ナノオーダーのウォールやワイヤとした場合、その大きさが１０ｎｍ程度よりも小さくなると大きくなることが知られている。そして、ナノウォールやナノワイヤのサイズ（幅）を変えることにより、量子閉じ込め効果によるバンドギャップ制御が可能である。つまり、トップセルを、このような大きさのナノウォールやナノワイヤを２次元配列させた構造のものとすることで、量子閉じ込め効果を積極的に利用して太陽電池としての性能を高めることができる。
ナノウォールを想定すると、理論的には、ウォールの厚みを２ｎｍまで狭めると、実効的なバンドギャップは約１．６ｅＶとなり、バルクのシリコンのバンドギャップ（約１．１ｅＶ）よりも４５％程度バンドギャップが広がり、高効率化が期待できる。
図９は、所定の間隔で２次元配列する複数の壁状のＳｉのナノウォールに区画されたアレイ構造を有するトップセルの一部を観察した透過電子顕微鏡像である。ナノウォールのサイズは１０ｎｍ以下であり、この図に示した例では約２ｎｍである。また、ナノウォール相互間には、絶縁性物質（ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３）が埋め込まれている。
図１０は、ナノウォールに区画されたアレイ構造（Ａ）の反射率とナノウォール相互間に絶縁性物質であるＳｉＯ２を埋め込んだアレイ構造（Ｂ）の反射率の波長依存性を示す図である。
この図から明らかなように、ナノウォール相互間に絶縁性物質を埋め込むことにより反射率は低く抑えられ、太陽光の利用効率が高まる。
このようなナノウォールは、例えば、下記のプロセスにより作製することができる。先ず、液浸リソグラフィーを用いたパターニングで数十ｎｍ幅のウォールを形成する。これにより、例えば、幅が７５ｎｍ程度、高さが１μｍ程度のウォールを形成することができる。なお、基材となるＳｉの主面が（１,１,０）面であるとすると、例えば（１,−１，１）面は（１,１,０）面に直行するから、壁面が（１,−１，１）面のウォールを主面に垂直に形成することができる。これに次いで、酸化処理およびエッチング処理を繰り返すことにより、幅が数ｎｍのナノウォールを形成する。
なお、上述のナノウォールに代えて、所定の間隔で２次元配列する複数のナノワイヤに区画されたアレイ構造のものとし、そのナノワイヤの直径を１０ｎｍ以下のサイズのものとしても、同様の量子効果を得ることができることは言うまでもない。
本発明により、トップセルの結晶Ｓｉ層を薄くして結晶Ｓｉ層内でのオージェ再結合を抑制し、かつ、製造工程においても薄い結晶Ｓｉ層が破損することのない、光電変換効率の高いＳｉ太陽電池およびその製造方法が提供される。
１０ 第１のｎ型Ｓｉ結晶基板
２０ 第２のｎ型Ｓｉ結晶基板
１００ トップセル
１１０ 透明導電層
１２０ ｐ型アモルファスＳｉ層
１３０ ｎ型結晶Ｓｉ層
１４０ ｎ型アモルファスＳｉ層
１５０ 第２の透明導電層
１６０ 絶縁性透明パッシベーション層
２００ ボトムセル
２１０ ｎ型領域
２２０ エミッタ層としてのｐ型領域
２３０ ドナー濃度の高いｎ型層
２４０ ドナー濃度の高い第２のｎ型層
２５０ 絶縁性膜
２６０ 第１の裏面電極
２７０ 第２の裏面電極
２８０ 導電性材料
３００ 太陽電池

Claims (31)

  1. トップセルが基体の主面上に設けられており、
    前記トップセルは、光入射側から、順次、透明導電層、第１導電型アモルファスＳｉ材料層、前記第１導電型とは逆の第２導電型結晶Ｓｉ層、第２導電型アモルファスＳｉ層を有する積層構造を有し、
    前記トップセルの表面には受光面電極が、前記基体には裏面電極が設けられており、
    前記トップセルの第２導電型結晶Ｓｉ層の厚みが３０μｍ以下である、ことを特徴とする太陽電池。
  2. 前記トップセルの第２導電型結晶Ｓｉ層の厚みが３μｍ〜３０μｍである、請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記トップセルの第２導電型結晶Ｓｉ層の厚みが４μｍ〜２０μｍである、請求項２に記載の太陽電池。
  4. 前記トップセルの第２導電型結晶Ｓｉ層の厚みが５μｍ〜１０μｍである、請求項３に記載の太陽電池。
  5. 前記トップセルは、前記第１導電型アモルファスＳｉ材料層と第２導電型結晶Ｓｉ層の間に、ｉ型アモルファスＳｉ材料層を備えている、請求項１〜４の何れか１項に記載の太陽電池。
  6. 前記トップセルは、前記第２導電型結晶Ｓｉ層と第２導電型アモルファスＳｉ層との間に、ｉ型アモルファスＳｉ層を備えている、請求項１〜５の何れか１項に記載の太陽電池。
  7. 前記トップセルと前記基体の間に、絶縁性透明パッシベーション層を備えている、請求項１〜６の何れか１項に記載の太陽電池。
  8. 前記絶縁性透明パッシベーション層は、シリコン酸化物もしくはアルミニウム酸化物からなる層である、請求項７に記載の太陽電池。
  9. 前記基体は単結晶Ｓｉからなる、請求項１〜８の何れか１項に記載の太陽電池。
  10. 前記基体は単結晶Ｓｉからなり、前記トップセルと前記基体の間に、酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）からなる層を備えている、請求項９に記載の太陽電池。
  11. 前記基体は単結晶Ｓｉからなるボトムセルであり、前記トップセル側が第２導電型領域であり、その下方に第１導電型領域が形成されており、該ボトムセルの裏面に前記裏面電極が設けられてタンデム化されている、請求項９または１０に記載の太陽電池。
  12. 前記ボトムセルは、前記第２導電型領域の前記トップセル側に、該第２導電型領域よりもドナー濃度の高い第２導電型層を備えている、請求項１１に記載の太陽電池。
  13. 前記トップセルは、前記第２導電型アモルファスＳｉ層の下側に設けられた第２の透明導電層を備えている、請求項１〜１２の何れか１項に記載の太陽電池。
  14. 前記トップセルは、上方から見たときに、前記第２の透明導電層の表面が、バスバー部と該バスバー部から延在する複数のフィンガー部を有する櫛歯状に露出されている、請求項１３に記載の太陽電池。
  15. 前記トップセルの表面に、前記透明導電層に電気的に接続される第１の櫛歯状の受光面電極と、前記第２の透明導電層に電気的に接続される第２の櫛歯状の受光面電極が設けられている、請求項１４に記載の太陽電池。
  16. 前記ボトムセルの裏面側には、バスバー部と該バスバー部から延在する複数のフィンガー部を有する櫛歯状に形成された前記第１導電型領域と、バスバー部と該バスバー部から延在する複数のフィンガー部を有する櫛歯状に形成され、前記第２導電型領域よりもドナー濃度の高い第２の第２導電型領域が形成されており、前記第１導電型領域のフィンガー部と前記第２の第２導電型領域のフィンガー部は、所定間隔で交互に位置している、請求項１１〜１５の何れか１項に記載の太陽電池。
  17. 前記ボトムセルの裏面に、前記第１導電型領域に電気的に接続される第１の櫛歯状の裏面電極と、前記第２の第２導電型領域に電気的に接続される第２の櫛歯状の裏面電極が設けられている、請求項１６に記載の太陽電池。
  18. 前記太陽電池を上方から見たときに、前記第１の櫛歯状の受光面電極のバスバー部と前記第２の櫛歯状の裏面電極のバスバー部が一方端側で平行に位置しており、前記第２の櫛歯状の受光面電極のバスバー部と前記第１の櫛歯状の裏面電極のバスバー部が他方端側で平行に位置している、請求項１５および１７に記載の太陽電池。
  19. 前記トップセルに設けられた透明導電層は、酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）である、請求項１〜１８の何れか１項に記載の太陽電池。
  20. 前記トップセルの光入射側に設けられた透明導電層は反射防止層を兼ねている、請求項１〜１９の何れか１項に記載の太陽電池。
  21. 前記トップセルの前記第２導電型結晶Ｓｉ層が、前記トップセルと前記ボトムセルの発電電流が同じになる厚みに設計されている、請求項１１〜２０の何れか１項に記載の太陽電池。
  22. 前記トップセルが備える透明導電層、第１導電型アモルファスＳｉ材料層、第２導電型結晶Ｓｉ層、第２導電型アモルファスＳｉ層を有する積層構造は、前記太陽電池を上方から見たときに、所定の間隔で２次元配列する複数のナノワイヤ若しくは壁面が所定の方向に揃い且つ所定の間隔で２次元配列する複数の壁状のナノウォールに区画されたアレイ構造を有し、前記ナノワイヤの直径若しくは前記ナノウォールの厚みが、前記第２導電型結晶Ｓｉ層の部位において１０ｎｍ以下である、請求項１〜２１の何れか１項に記載の太陽電池。
  23. 互いに隣接する前記ナノワイヤ若しくは前記ナノウォールは、絶縁性物質により離間されている、請求項２２に記載の太陽電池。
  24. 基体上にトップセルを有する太陽電池の製造方法であって、
    表面領域に第２導電型アモルファスＳｉ層が形成され、該第２導電型アモルファスＳｉ層の上に透明導電層が設けられた第１の第２導電型Ｓｉ結晶基板と、表面に透明導電層若しくは絶縁性透明パッシベーション層が形成された前記基体の表面同士を、４００℃以下の温度で貼り合わせる第１のステップと、
    前記第１の第２導電型Ｓｉ結晶基板を裏面から厚み３０μｍ以下まで薄くして前記トップセルの第２導電型結晶Ｓｉ層とする第２のステップと、を備えている太陽電池の製造方法。
  25. 前記基体は、表面領域にバルクよりも高いドナー濃度の第２導電型層が形成され、該第２導電型層の上に絶縁性透明パッシベーション層が設けられた第２の第２導電型Ｓｉ結晶基板である、請求項２４に記載の太陽電池の製造方法。
  26. 前記第１のステップは、前記第１の第２導電型Ｓｉ結晶基板の表面と前記基体の表面の少なくとも一方に、表面活性化処理を施すサブステップを備えている、請求項２４または２５に記載の太陽電池の製造方法。
  27. 前記表面活性化処理はプラズマ処理又はオゾン処理の少なくとも一方で実行される、請求項２６に記載の太陽電池の製造方法。
  28. 前記透明導電層は酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）であり、前記絶縁性透明パッシベーション層はシリコン酸化物もしくはアルミニウム酸化物からなる層である、請求項２４〜２７の何れか１項に記載の太陽電池の製造方法。
  29. 前記第１のステップに先立ち、前記第１の第２導電型Ｓｉ結晶基板の表面領域に所定のドーズ量の水素を注入して水素イオン注入層を形成するステップを備え、
    前記第２のステップにおいて、前記水素イオン注入層に機械的若しくは熱衝撃を付与することにより前記第１の第２導電型Ｓｉ結晶基板から第２導電型結晶Ｓｉ層を剥離させて前記トップセルの第２導電型結晶Ｓｉ層とする、請求項２４〜２８の何れか１項に記載の太陽電池の製造方法。
  30. 前記第２のステップの後に、前記第２導電型結晶Ｓｉ層の上方に、第２導電型とは逆の第１導電型アモルファスＳｉ材料層を形成する第３のステップを備えている、請求項２９に記載の太陽電池の製造方法。
  31. 前記第３のステップは、前記第１導電型アモルファスＳｉ材料層の形成に先立ち、前記第２導電型結晶Ｓｉ層を、所定の間隔で２次元配列する複数のナノワイヤであって前記第２導電型結晶Ｓｉ層の部位において直径が１０ｎｍ以下のナノワイヤ、若しくは、壁面が所定の方向に揃い且つ所定の間隔で２次元配列する複数の壁状のナノウォールであって前記第２導電型結晶Ｓｉ層の部位において厚みが１０ｎｍ以下であるナノウォールに区画するサブステップを備えている、請求項３０に記載の太陽電池の製造方法。
JP2016511357A 2014-03-31 2015-03-13 太陽電池および太陽電池の製造方法 Expired - Fee Related JP6188921B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014073369 2014-03-31
JP2014073369 2014-03-31
PCT/JP2015/001413 WO2015151422A1 (ja) 2014-03-31 2015-03-13 太陽電池および太陽電池の製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2015151422A1 true JPWO2015151422A1 (ja) 2017-04-13
JP6188921B2 JP6188921B2 (ja) 2017-08-30

Family

ID=54239774

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016511357A Expired - Fee Related JP6188921B2 (ja) 2014-03-31 2015-03-13 太陽電池および太陽電池の製造方法

Country Status (4)

Country Link
JP (1) JP6188921B2 (ja)
CN (1) CN106165120B (ja)
TW (1) TWI597857B (ja)
WO (1) WO2015151422A1 (ja)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3016148A1 (en) * 2014-10-28 2016-05-04 Sol Voltaics AB Dual layer photovoltaic device
FR3044827B1 (fr) * 2015-12-04 2018-03-16 Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs - Cellule photovoltaique
EP3343639A4 (en) 2016-11-07 2018-09-26 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd Solar cell with high photoelectric conversion efficiency and method for producing solar cell with high photoelectric conversion efficiency
KR20200075640A (ko) 2018-12-18 2020-06-26 엘지전자 주식회사 텐덤 태양전지

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08213645A (ja) * 1995-02-02 1996-08-20 Sony Corp 基体から素子形成層を分離する方法
WO1999025029A1 (fr) * 1997-11-10 1999-05-20 Kaneka Corporation Procede de production d'un transducteur photoelectrique a film mince de silicium et dispositif de dcpv active par plasma
JP2008117858A (ja) * 2006-11-01 2008-05-22 Shin Etsu Chem Co Ltd 単結晶シリコン太陽電池の製造方法及び単結晶シリコン太陽電池
WO2009034858A1 (ja) * 2007-09-10 2009-03-19 Masayoshi Murata 集積化タンデム型薄膜シリコン太陽電池モジュール及びその製造方法
JP2009260310A (ja) * 2008-03-28 2009-11-05 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 光電変換装置の製造方法及び光電変換装置
WO2014002256A1 (ja) * 2012-06-29 2014-01-03 三洋電機株式会社 太陽電池

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001189478A (ja) * 1999-12-28 2001-07-10 Sanyo Electric Co Ltd 半導体素子及びその製造方法
JP3702240B2 (ja) * 2002-03-26 2005-10-05 三洋電機株式会社 半導体素子及びその製造方法
JP4070648B2 (ja) * 2003-03-25 2008-04-02 三洋電機株式会社 光起電力素子
KR20080079058A (ko) * 2007-02-26 2008-08-29 엘지전자 주식회사 박막형 태양전지 모듈과 그의 제조방법
CN101924156A (zh) * 2009-06-11 2010-12-22 亚洲太阳科技有限公司 复合式串联或并联的薄膜太阳能电池及其制作方法
JP5840095B2 (ja) * 2011-10-31 2016-01-06 三菱電機株式会社 太陽電池の製造装置、及び太陽電池の製造方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08213645A (ja) * 1995-02-02 1996-08-20 Sony Corp 基体から素子形成層を分離する方法
WO1999025029A1 (fr) * 1997-11-10 1999-05-20 Kaneka Corporation Procede de production d'un transducteur photoelectrique a film mince de silicium et dispositif de dcpv active par plasma
JP2008117858A (ja) * 2006-11-01 2008-05-22 Shin Etsu Chem Co Ltd 単結晶シリコン太陽電池の製造方法及び単結晶シリコン太陽電池
WO2009034858A1 (ja) * 2007-09-10 2009-03-19 Masayoshi Murata 集積化タンデム型薄膜シリコン太陽電池モジュール及びその製造方法
JP2009260310A (ja) * 2008-03-28 2009-11-05 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 光電変換装置の製造方法及び光電変換装置
WO2014002256A1 (ja) * 2012-06-29 2014-01-03 三洋電機株式会社 太陽電池

Also Published As

Publication number Publication date
CN106165120B (zh) 2018-01-30
TW201539774A (zh) 2015-10-16
TWI597857B (zh) 2017-09-01
CN106165120A (zh) 2016-11-23
WO2015151422A1 (ja) 2015-10-08
JP6188921B2 (ja) 2017-08-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5230222B2 (ja) 太陽電池
JP6059173B2 (ja) 太陽電池
KR101031246B1 (ko) 박막형 태양전지 및 그 제조방법, 및 그를 이용한 박막형 태양전지 모듈 및 태양광 발전 시스템
KR101387718B1 (ko) 태양 전지 및 이의 제조 방법
JP5538360B2 (ja) 太陽電池の製造方法及び太陽電池
KR20140027047A (ko) 개선된 패시베이션을 구비하는 광전 디바이스 및 모듈 및 제조 방법
JP2014072530A (ja) 太陽電池及びその製造方法
JP2014175660A (ja) 太陽電池
JP2011035092A (ja) 裏面接合型太陽電池及びそれを用いた太陽電池モジュール
JP2006120745A (ja) 薄膜シリコン積層型太陽電池
JP7023976B2 (ja) Ｐ型ｐｅｒｃ両面太陽電池の製造方法
JP6188921B2 (ja) 太陽電池および太陽電池の製造方法
JP5667280B2 (ja) 太陽電池及びその製造方法
JP6207414B2 (ja) 光起電力素子およびその製造方法
TW200947724A (en) Using 3D integrated diffractive gratings in solar cells
JP2002118273A (ja) 集積型ハイブリッド薄膜光電変換装置
JPWO2016147566A1 (ja) 太陽電池セル
TWI506801B (zh) 太陽能電池組
TWI502756B (zh) 具有粗細匯流排電極之太陽能電池
JP5174114B2 (ja) 太陽電池
KR20120086593A (ko) 태양전지 및 그 제조방법
JP2009141059A (ja) 薄膜光電変換装置
JP2017069462A (ja) 太陽電池および太陽電池モジュール
KR20190056550A (ko) Mwt형 양면수광 태양전지 및 와이어 인터커넥터를 이용한 태양전지 모듈
JP5094949B2 (ja) 太陽電池

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: 20170704

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170801

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6188921

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees