JPWO2015189878A1 - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

太陽電池の発明が開示される。太陽電池は、半導体基板１０と、真性の第１の非晶質系半導体層１と、不純物を含む第２の非晶質系半導体層２と、第２の非晶質系半導体層２上の一面全体に配置された第１の電極１１と、真性の第３の非晶質系半導体層３と、不純物を含む第４の非晶質系半導体層４と、第４の非晶質系半導体層４上に配置された第２の電極１２と、を備えている。第１の非晶質系半導体層１は櫛形状を有する。第３の非晶質系半導体層３は、第１の非晶質系半導体層１と噛み合う櫛形状となっている。第３の非晶質系半導体層３は、一部が平面視において第１の電極１１に重なっている。

Description

本発明は、太陽電池及びその製造方法に関する。より詳しくは、裏面電極型ヘテロ接合構造の太陽電池及びその製造方法に関する。
近年、ヘテロ接合構造を有する太陽電池が提案されている。例えば、日本国特許公開平４−１３０６７１号には、ヘテロ接合構造の太陽電池の一例が開示されている。また、文献「Mikio Taguchi, Akira Terakawa, Eiji Maruyama and Makoto Tanaka, ‘Obtaining a HigherVoc in HIT cells’, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, Vol.13,481-488, 2005」には、ヘテロ接合構造の太陽電池の他の一例が開示されている。これらの太陽電池では、ｎ型単結晶シリコン基板の一方の面とそれとは反対の面とにそれぞれ非晶質シリコン層と電極とが配置されている。
ヘテロ接合構造の太陽電池においては、ｎ型単結晶シリコン基板の主面側から受光し、ｎ型単結晶シリコン基板内で過剰キャリアが生成することにより発電する。このときに発生する電力は、電気的に対となる二つの電極により外部に取り出すことができる。
ここで、上記の文献に記載された態様のような、受光面となる主面に電極及び非晶質シリコン層が配置された構造では、これらが光を吸収するため、ｎ型単結晶シリコン基板に入射するフォトン数が減少し、発電効率が低下してしまう。そこで、受光面の反対側の裏面に、型の異なる非晶質シリコン層と、対となる電極とを配置した裏面電極型ヘテロ接合構造の太陽電池が提案されている。
そのような構造の太陽電池として、例えば、日本国特許公開２００３−２９８０７８号には、その一例が開示されている。また、文献「Meijun Lu, Ujjwal Das, Stuart Bowden, Steven Hegedus and RobertBirkmire, ‘Optimization of interdigitated back contact silicon heterojunctionsolar cells: tailoring hetero-interface band structures while maintainingsurface passivation’, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, Vol.19, 326-338,2011」には、他の一例が開示されている。また、日本国特許公開２０１３−１６８６０５号には、他の一例が開示されている。また、日本国特許公開２０１３−１３１５８６号には、他の一例が開示されている。また、日本国特許公開２００５−１０１１５１には、他の一例が開示されている。また、特許協力条約国際公開ＷＯ２０１０／１１３７５０号には、他の一例が開示されている。また、日本国特許公開２００９−２００２６７号には、他の一例が開示されている。また、米国特許ＵＳ８５２５０１８号には、他の一例が開示されている。
しかしながら、これらの開示された太陽電池は、ｎ型単結晶シリコン基板内で発生する少数キャリアである正孔を効率よく取り出すことができなかったり、電極間のリーク電流が発生しやすかったりするため、発電効率を十分に向上できない。
太陽電池の発明が以下で開示される。当該太陽電池は、
受光面および裏面を有する一導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の裏面に配置され、櫛形状を有する真性の第１の非晶質系半導体層と、
前記第１の非晶質系半導体層上に配置され、前記半導体基板の導電型と異なる導電型を示す不純物を含む第２の非晶質系半導体層と、
前記第２の非晶質系半導体層上の一面全体に配置された第１の電極と、
前記半導体基板の裏面に配置され、前記第１の非晶質系半導体層と噛み合う櫛形状となり、一部が平面視において前記第１の電極に重なる真性の第３の非晶質系半導体層と、
前記第３の非晶質系半導体層上に配置され、前記半導体基板の導電型と同じ導電型を示す不純物を含む第４の非晶質系半導体層と、
前記第４の非晶質系半導体層上に配置された第２の電極と、を備えている。
太陽電池の製造方法の発明が以下で開示される。当該太陽電池の製造方法は、
受光面を有する一導電型の半導体基板における裏面に、真性の第１の非晶質系半導体層を形成する工程と、
前記第１の非晶質系半導体層上に、前記半導体基板の導電型と異なる導電型を示す不純物を含む第２の非晶質系半導体層を形成する工程と、
前記第２の非晶質系半導体層上に、第１の電極を形成する工程と、
前記第１の非晶質系半導体層、前記第２の非晶質系半導体層及び前記第１の電極を、前記半導体基板の裏面において櫛形状にエッチングする工程と、
前記第１の電極が設けられた前記半導体基板の裏面に、前記エッチングにより露出した前記半導体基板の部分を含んで真性の第３の非晶質系半導体層を形成する工程と、
前記第３の非晶質系半導体層上に前記半導体基板の導電型と同じ導電型を示す不純物を含む第４の非晶質系半導体層を形成する工程と、
前記第３の非晶質系半導体層及び前記第４の非晶質系半導体層を、前記第１の電極と噛み合い、前記第３の非晶質系半導体層の一部が前記第１の電極に平面視において重なる櫛形状にエッチングする工程と、
前記第４の非晶質系半導体層上に第２の電極を形成する工程と、を備えている。
上記太陽電池の発明によれば、第２の非晶質系半導体層上の一面全体に第１の電極が配置されることにより、キャリアを効率よく取り出すことができるため、太陽電池の発電効率が向上する。
上記太陽電池の製造方法の発明によれば、発電効率の高い太陽電池を精度高く簡単に製造することができる。
太陽電池の第１の実施形態を示す模式的断面図である。 太陽電池の第１の実施形態の裏面の一部を示す模式的平面図である。 太陽電池の第２の実施形態を示す模式的断面図である。 太陽電池の第２の実施形態の裏面の一部を示す模式的平面図である。 図５は、図５Ａ〜図５Ｊから構成される。図５は、太陽電池の第１の実施形態の製造方法を示す模式的断面図である。図５Ａは、第１の電極が形成された後の様子を示す。図５Ｂは、第１の電極をエッチングする際のマスクが形成された後の様子を示す。図５Ｃは、第１の電極がエッチングされた後の様子を示す。図５Ｄは、マスクが除去された後の様子を示す。図５Ｅは、第４の非晶質系半導体層が形成された後の様子を示す。図５Ｆは、第４の非晶質系半導体層をエッチングする際のマスクが形成された後の様子を示す。図５Ｇは、第４の非晶質系半導体層がエッチングされた後の様子を示す。図５Ｈは、マスクが除去された後の様子を示す。図５Ｉは、第２の電極及び集電極が形成された後の様子を示す。図５Ｊは、反射防止層が形成された後の様子を示す。 図６は、図６Ａ〜図６Ｄから構成される。図６は、太陽電池の第２の実施形態の製造方法を示す模式的断面図である。図６Ａは、第１の電極がエッチングされた後の様子を示す。図６Ｂは、絶縁体層９が形成された後の様子を示す。図６Ｃは、第４の非晶質系半導体層がエッチングされた後の様子を示す。図６Ｄは、第２の電極及び集電極が形成された後の様子を示す。 太陽電池の第１の実施形態において、非晶質シリコン中の正孔移動度（μｐ）を二通りとしたときの、電極の離間距離と太陽電池の変換効率（相対値）との関係を示すグラフである。
本明細書中において、以下のように用語が規定される。結晶系半導体には単結晶半導体および多結晶半導体が含まれる。非晶質系半導体には非晶質半導体および微結晶半導体が含まれる。真性の非晶質系半導体とは、不純物が意図的にドープされていない非晶質系半導体である。真性の非晶質系半導体には、半導体原料に本来的に含まれる不純物または製造過程において自然に混入する不純物を含む非晶質系半導体も含まれる。平面視とは、特に断りのない限り、半導体基板の表面に垂直な方向で、裏面側から太陽電池を見た様子を意味する。
［第１の実施形態］
図１は、太陽電池の第１の実施形態を示している。図２は、太陽電池の第１の実施形態の裏面の一部を示している。裏面の一部としたのは、櫛形状の一部が示されているからである。実際には櫛形状は、櫛歯の数がもっと多くてもよい。図１では、平面視を行う基板に垂直な方向Ｓを矢印で示している。図１では、光が進行する方向Ｐを白抜き矢印で示している。この太陽電池は、裏面電極型ヘテロ接合構造を有する太陽電池である。
当該太陽電池は、半導体基板１０と、第１の非晶質系半導体層１と、第２の非晶質系半導体層２と、第１の電極１１と、第３の非晶質系半導体層３と、第４の非晶質系半導体層４と、第２の電極１２とを備えている。半導体基板１０は、受光面１０ａおよび裏面１０ｂを有する。半導体基板１０は一導電型である。第１の非晶質系半導体層１は、半導体基板１０の裏面１０ｂに配置されている。第１の非晶質系半導体層１は、真性の非晶質系半導体の層である。第１の非晶質系半導体層１は、櫛形状を有する。第２の非晶質系半導体層２は、第１の非晶質系半導体層１上に配置されている。第２の非晶質系半導体層２は、半導体基板１０の導電型と異なる導電型を示す。第２の非晶質系半導体層２は、不純物を含む非晶質系半導体の層である。第１の電極１１は、第２の非晶質系半導体層２上の一面全体に配置されている。第３の非晶質系半導体層３は、半導体基板１０の裏面１０ｂに配置されている。第３の非晶質系半導体層３は、真性の非晶質系半導体の層である。第３の非晶質系半導体層３は、第１の非晶質系半導体層１と噛み合う櫛形状となっている。第３の非晶質系半導体層３は、一部が平面視において第１の電極１１に重なっている。第４の非晶質系半導体層４は、第３の非晶質系半導体層３上に配置されている。第４の非晶質系半導体層４は、半導体基板１０の導電型と同じ導電型を示す。第４の非晶質系半導体層４は、不純物を含む非晶質系半導体の層である。第２の電極１２は、第４の非晶質系半導体層４上に配置されている。
本実施形態では、第１の電極１１上に第１の集電極５が配置されている。第２の電極１２上に第２の集電極６が配置されている。第２の電極１２は、第１の電極１１と平面視において離間している。
半導体基板１０において、受光面１０ａは、光を受ける面である。受光面１０ａは光入射面とも呼ばれる。受光面１０ａは主面と定義される。裏面１０ｂは、受光面１０ａとは反対側の面である。
半導体基板１０は、薄板状の半導体の基板である。半導体基板１０は、ｐ型またはｎ型の導電型を有する。一導電型とは、ｐまたはｎのいずれか一方であることを意味する。半導体基板１０はｎ型であることが好ましい。半導体基板１０は、結晶シリコン、化合物半導体、その他板状に形成可能な半導体材料から形成される。結晶シリコンとしては、例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコンが挙げられる。化合物半導体は、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰが挙げられる。半導体基板１０として、ｎ型の単結晶シリコン基板が好ましく用いられる。
半導体基板１０の厚みに特に制限はない。半導体基板１０は、部材コストやハンドリングの観点から、その厚みが１０〜２００μｍであることが好ましい。
半導体基板１０は、効率向上の観点から、半導体基板１０の片面もしくは両面にテクスチャ構造を有することが好ましい。テクスチャ構造は入射した光を十分に閉じ込めることができるため、効率の向上が見込める。テクスチャ構造は、例えば、微小凹凸構造であってよい。微小凹凸構造は周期性を有していてよい。もちろん、テクスチャ構造は必須ではない。
半導体の分類において、真性の半導体はｉ型に相当する。不純物を含む半導体はｎ型またはｐ型であってよい。
以下では、ｎ型の半導体基板１０を用いた例を中心に説明する。もちろん、ｐ型の半導体基板１０を用いてもよく、その場合、以下の説明においてｎ型とｐ型とを入れ替えれば、構造が理解され得る。
第１の非晶質系半導体層１は、ｉ型の非晶質系半導体の層である。第１の非晶質系半導体層１は、平面視において櫛形状を有する。第２の非晶質系半導体層２は、ｐ型の非晶質系半導体の層である。第２の非晶質系半導体層２は、平面視において櫛形状を有する。第１の非晶質系半導体層１の櫛形状と、第２の非晶質系半導体層２の櫛形状とは形状が一致していてよい。第１の電極１１は、ｐ型の電極である。第１の電極１１は、裏面電極を構成する。第１の電極１１は、平面視において櫛形状を有する。第２の非晶質系半導体層２の櫛形状と、第１の電極１１の櫛形状とは形状が一致していてよい。すなわち、第１の非晶質系半導体層１と、第２の非晶質系半導体層２と、第１の電極１１とは、同じ櫛形状を有し得る。
図１の例では、第２の非晶質系半導体層２は、第１の非晶質系半導体層１上の一面全体に配置されている。第２の非晶質系半導体層２は、第１の非晶質系半導体層１を覆っているといえる。第１の電極１１は、第２の非晶質系半導体層２上の一面全体に配置されている。第１の電極１１は、第２の非晶質系半導体層２を覆っているといえる。第１の電極１１と、第１の非晶質系半導体層１と、第２の非晶質系半導体層２とは、端部の位置が揃っている。第１の非晶質系半導体層１及び第２の非晶質系半導体層２は、第１の電極１１からはみ出していない。そのため、第１の電極１１と第２の非晶質系半導体層２との接触面積がより大きくなる。このように、第２の非晶質系半導体層２の一面全体に第１の電極１１が設けられると、半導体基板１０中で発生する少数キャリアである正孔を効率よく外部に取り出すことができる。それにより、発電効率が向上する。
第３の非晶質系半導体層３は、ｉ型の非晶質系半導体の層である。第３の非晶質系半導体層３は、平面視において櫛形状を有する。第４の非晶質系半導体層４は、ｎ型の非晶質系半導体の層である。第４の非晶質系半導体層４は、平面視において櫛形状を有する。第３の非晶質系半導体層３の櫛形状と、第４の非晶質系半導体層４の櫛形状とは形状が一致していてよい。第２の電極１２は、ｎ型の電極である。第２の電極１２は、裏面電極を構成する。第２の電極１２は、平面視において櫛形状を有する。第２の電極１２の櫛形状は、第４の非晶質系半導体層４の櫛形状よりも細い幅の櫛形状であってよい。すなわち、第２の電極１２の櫛形状の櫛歯の幅は、第３の非晶質系半導体層３及び第４の非晶質系半導体層４の櫛形状の櫛歯の幅よりも小さくてよい。
図１の例では、第４の非晶質系半導体層４は、第３の非晶質系半導体層３上の一面全体に配置されている。第４の非晶質系半導体層４は、第３の非晶質系半導体層３を覆っているといえる。第３の非晶質系半導体層３は、第１の電極１１の上に載り上がって配置されている。第３の非晶質系半導体層３と、第１の電極１１とは接している。第３の非晶質系半導体層３は、第１の電極１１の隣り合う櫛歯を架け渡すように配置されている。第４の非晶質系半導体層４は、第３の非晶質系半導体層３の形状に追随して、第１の電極１１の上に載り上がって配置されている。第４の非晶質系半導体層４は、第１の電極１１の隣り合う櫛歯を架け渡すように配置されている。第３の非晶質系半導体層３と、第４の非晶質系半導体層４とは、端部の位置が揃っている。
第４の非晶質系半導体層４は、平坦部４ａを有する。平坦部４ａは、第４の非晶質系半導体層４の、第１の電極１１に載り上がっていない平坦な部分である。平坦部４ａは、半導体基板１０の表面と平行に、第４の非晶質系半導体層４の表面が形成された部分であってよい。平坦部４ａでは、第１の電極１１に載り上がるための第４の非晶質系半導体層４の変形がない。
第２の電極１２は、平坦部４ａに配置されることが好ましい。第２の電極１２は、平坦部４ａからはみ出さないように配置されることが好ましい。第２の電極１２は、第４の非晶質系半導体層４が第１の電極１１に載り上がった部分に形成されていなくてよい。第２の電極１２が平坦部４ａに配置されることにより、電極間のリーク電流が減少する。
第１の電極１１上には、第１の集電極５が配置されることが好ましい。それにより、電流が取り出しやすくなる。第１の集電極５は、第１の電極１１の、第３の非晶質系半導体層３及び第４の非晶質系半導体層４に被覆されていない部分に配置されている。第１の集電極５の端縁は、第１の電極１１の端縁よりも内側に位置している。第１の集電極５は、第３の非晶質系半導体層３及び第４の非晶質系半導体層４に接していない。それにより、リーク電流の発生が抑制される。第１の集電極５は櫛形状を有していてよい。本実施形態では、第１の集電極５は、ｐ型集電極として構成され得る。
第２の電極１２上には、第２の集電極６が配置されることが好ましい。それにより、電流が取り出しやすくなる。第２の集電極６は、第２の電極１２上の一面全体に配置されることが好ましい。第２の集電極６は櫛形状を有していてよい。第２の電極１２の櫛形状と第２の集電極６の櫛形状とは同じ形状であってよい。本実施形態では、第２の集電極６は、ｎ型集電極として構成され得る。
本実施形態では、ｐ型である第２の非晶質系半導体層２上の第１の電極１１及び第１の集電極５により、正極が構成される。ｎ型である第４の非晶質系半導体層４上の第２の電極１２及び第２の集電極６により、負極が構成される。
第１の非晶質系半導体層１と第３の非晶質系半導体層３とは、互いに噛み合う櫛形状となっている。第２の非晶質系半導体層２と第４の非晶質系半導体層４とは、互いに噛み合う櫛形状となっている。第１の電極１１と第２の電極１２とは、互いに噛み合う櫛形状となっている。第１の集電極５と第２の集電極６とは互いに噛み合う櫛形状となっている。ここで、第２の非晶質系半導体層２と第１の電極１１とを合わせたものをｐ型構造体と定義し、第４の非晶質系半導体層４と第２の電極１２とを合わせたものをｎ型構造体と定義すると、ｐ型構造体とｎ型構造体とは、互いに噛み合う櫛形状になっているといえる。櫛形状とは、直線状に伸びる複数の櫛歯と、複数の櫛歯と連結する基部を有する形状である。噛み合う櫛形状とは、二つの櫛形状において、一方の櫛形状の櫛歯の間に、他方の櫛形状の櫛歯が配置される形状である。この形状は、一方の櫛形状の櫛歯と、他方の櫛形状の櫛歯とが、交互に配置される形状であってよい。二つの櫛形状の基部は、互いに反対側に配置され得る。ただし、図１に示すように、第３の非晶質系半導体層３及び第４の非晶質系半導体層４の一部は、平面視したときに、第１の非晶質系半導体層１、第２の非晶質系半導体層２及び第１の電極１１に重なっている。そのため、半導体基板の裏面１０ｂが直接露出する部分がなく、キャリアの表面再結合が抑制されて効率が向上し得る。
図２により、櫛形状が理解される。図２では、第１の集電極５と第２の集電極６とが、互いに噛み合った櫛形状が図示されている。第１の集電極５の櫛形状は、基部５Ｂと、複数の櫛歯５Ａとを備える。第２の集電極６の櫛形状は、基部６Ｂと、複数の櫛歯６Ａとを備える。他の層の櫛形状もこの図から理解されるであろう。ただし、第１〜第４の非晶質系半導体層では、噛み合った櫛形状が一部重なる形状となる。ｐ型非晶質系半導体及びそれに対応した電極と、ｎ型非晶質系半導体及びそれに対応した電極とが、互いに噛み合った櫛形状になることで、受光によって発生するキャリアを効率よく外部に取り出すことができる。
第２の非晶質系半導体層２の櫛歯の幅は、第４の非晶質系半導体層４の櫛歯の幅よりも大きいことが好ましい。それにより、少数キャリアを広い面積で効率よく取り出すことができる。第２の非晶質系半導体層２は、半導体基板１０とは異なる導電型を示すため、その面積をより大きくすることで、効率が高まるのである。第２の非晶質系半導体層２は、ｎ型の半導体基板１０を用いた場合はｎ型となり、ｐ型の半導体基板１０を用いた場合はｐ型となる。櫛歯の幅とは、櫛歯が延伸する方向に垂直な方向での長さである。図２では、第１の集電極５の櫛歯５Ａの幅Ｗ５と、第２の集電極６の櫛歯６Ａの幅Ｗ６とが示されている。図１及び図２から、各層（第１の電極１１、第２の電極１２、第１の非晶質系半導体層１、第２の非晶質系半導体層２、第３の非晶質系半導体層３及び第４の非晶質系半導体層４）の櫛歯の幅は理解されるであろう。第２の非晶質系半導体層２の櫛歯の幅は、第４の非晶質系半導体層４の櫛歯の幅の１．２倍以上が好ましく、２倍以上がより好ましく、３倍以上がさらに好ましい。同様に、第１の電極１１の櫛歯の幅は、第２の電極１２の櫛歯の幅よりも大きいことが好ましい。また、第１の集電極５の櫛歯の幅は、第２の集電極６の櫛歯の幅よりも大きいことが好ましい。図２に、第１の集電極５の櫛歯５Ａの幅Ｗ５が第２の集電極６の櫛歯６Ａの幅Ｗ６よりも大きい関係が示されている。第１の電極１１の櫛歯の幅は、特に限定されるものではないが、例えば、１００〜５０００μｍの範囲内であってよい。第２の電極１２の櫛歯の幅は、特に限定されるものではないが、例えば、１０〜１０００μｍの範囲内であってよい。
本実施形態では、第１の電極１１と第２の電極１２とは、平面視において離間している。すなわち、第１の電極１１と第２の電極１２とは、平面視において重なっていない。第１の電極１１の櫛歯の間に、第２の電極１２の櫛歯が収まっているといえる。図１では、第１の電極１１と第２の電極１２とが離間する距離は、離間距離Ｄで示されている。離間距離Ｄは、第３の非晶質系半導体層３及び第４の非晶質系半導体層４の厚みの合計よりも大きいことが好ましい。それにより、リーク電流が低減されやすくなる。
第１の電極１１と第２の電極１２との離間距離Ｄは、１０μｍ以上１００μｍ以下となることが好ましい。離間距離Ｄが１００μｍ以下になると、多数キャリアに対する直列抵抗が減少するため、効率がより向上する。また、離間距離Ｄが１０μｍ以上になると、電極間のリーク電流が低減されやすくなる。
各非晶質系半導体層（第１〜第４の非晶質系半導体層）は、シリコンを含む水素化非晶質系半導体により構成されていることが好ましい。これは、ｉ型、ｐ型及びｎ型のいずれにも共通する。非晶質系半導体としては、例えば、非晶質シリコン、非晶質シリコンカーバイド、非晶質シリコンゲルマニウムが挙げられる。もちろん、非晶質系半導体層は、これらの材料に限られず、他の非晶質系半導体により構成されていてもよい。また、非晶質系半導体層は、他の薄膜半導体により構成されていてもよい。第１の非晶質系半導体層１と第３の非晶質系半導体層３とが同じ材料で形成されると、これらの境界部分は曖昧になり得る。
ｐ型の非晶質系半導体層の不純物としては、例えば、Ｂ（ボロン）、Ａｌ、Ｇａ（ガリウム）が挙げられる。この不純物は、ＩＩＩ族元素が好ましい。不純物として、Ｂ（ボロン）が好ましく用いられる。ｎ型の非晶質系半導体層の不純物としては、例えば、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）が挙げられる。この不純物は、Ｖ族元素が好ましい。不純物として、Ｐ（リン）が好ましく用いられる。
第１の電極１１は、透明電極であってよい。第２の電極１２は、透明電極であってよい。これらの電極は、例えば、透明金属酸化物によって形成され得る。第１の電極１１及び第２の電極１２は、例えば、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＳｎＯ２（酸化錫）、またはＺｎＯ（酸化亜鉛）から形成され得る。第１の電極１１と第２の電極１２とは、同じ材料で形成されてもよいし、違う材料で形成されてもよい。第１の集電極５及び第２の集電極６は、金属で構成されていてよい。第１の集電極５及び第２の集電極６は、例えば、Ａｇ（銀）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）から形成され得る。第１の集電極５及び第２の集電極６は、好ましくは、Ａｇで構成される。第１の集電極５と第２の集電極６とは、同じ材料で形成されてもよいし、違う材料で形成されてもよい。なお、第４の非晶質系半導体層４とのオーミックコンタクトが形成可能で、かつ電極材料の拡散が影響しない場合には、第２の電極１２は、金属で構成されていてもよい。その場合、第２の電極１２が集電極の機能を兼ね備えて、第２の集電極６が省略されていてもよい。それにより、層構成がより簡単になる。
各非晶質系半導体層（第１〜第４の非晶質系半導体層）の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば、１〜５０ｎｍの範囲内であってよい。例えば、これらの非晶質系半導体層の厚みは、１０ｎｍ程度である。第１の電極１１及び第２の電極１２の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば、１０〜２００ｎｍの範囲内であってよい。例えば、これらの電極の厚みは、７０ｎｍ程度である。第１の集電極５及び第２の集電極６の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば、１００〜１０００ｎｍの範囲内であってよい。例えば、これらの集電極の厚みは、２００ｎｍ程度である。
図１に示すように、半導体基板１０の受光面１０ａ（主面）上に、真性の非晶質系半導体層７が配置されていることが好ましい。それにより、主面側表面でのキャリア再結合が抑制され、発電の効率が向上する。非晶質系半導体層７は、ｉ型の非晶質系半導体の層であってよい。非晶質系半導体層７は、主面非晶質系半導体層と定義される。非晶質系半導体層７は、好ましくは、半導体基板１０の主面全面に配置される。非晶質系半導体層７は、パッシベーション膜として機能する。非晶質系半導体層７は、シリコンを含む水素化非晶質系半導体により構成されていることが好ましい。非晶質系半導体としては、例えば、非晶質シリコン、非晶質シリコンカーバイド、非晶質酸化シリコン、非晶質窒化シリコンが挙げられる。非晶質系半導体層７の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば、１〜５０ｎｍの範囲内であってよい。例えば、非晶質系半導体層７の厚みは、１０ｎｍ程度である。
非晶質系半導体層７上には、反射防止層８が配置されていることが好ましい。それにより、光の反射が抑制され、光が入射しやすくなる。非晶質系半導体層７は、入射光の吸収が少ない材料で形成されることが好ましい。反射防止層８は、例えば、窒化シリコンから形成され得る。反射防止層８の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば、３０〜２０００ｎｍの範囲内であってよい。例えば、反射防止層８の厚みは、７０ｎｍ程度である。
なお、非晶質系半導体層７及び反射防止層８の機能を兼ね備えた単層の層が、半導体基板１０の受光面１０ａに配置されていてもよい。例えば、窒化シリコンや窒化アルミニウムは、そのような機能を有し得る。あるいは、非晶質系半導体層７と反射防止層８との間に、追加の層が設けられていてもよい。追加の層は、例えば、表面電界層を形成する不純物をドープした非晶質系半導体層、又は、固定電荷を有する誘電体層で構成され得る。
以上で説明した太陽電池は、櫛形状の第２の非晶質系半導体層２の一面全体に第１の電極１１が配置されることによって、半導体基板１０中で発生する少数キャリアを効率よく取り出すことができる。また、加工精度の許容する最大の面積で電極の形成が可能である。そして、非晶質系半導体層中の面内の伝導にともなう直列抵抗の影響が減少する。そのため、太陽電池の変換効率が向上する。
［第２の実施形態］
図３は、太陽電池の第２の実施形態を示している。図４は、太陽電池の第２の実施形態の裏面の一部を示している。裏面の一部としたのは、櫛形状の一部が示されているからである。実際には櫛形状は、櫛歯の数がもっと多くてもよい。図３では、平面視を行う基板に垂直な方向Ｓを矢印で示している。図４では、光が進行する方向Ｐを白抜き矢印で示している。図４では、第１の電極１１の縁部１１ａが二点鎖線で示されている。図４では、絶縁体層９が配置された領域を斜線で示している。図４では、絶縁体層９の第２の電極１２に近い方の縁部を破線で示している。第２の実施形態では、第１の実施形態と同様の構成については同じ符号を付して説明を省略する。
第２の実施形態は、第１の電極１１と第３の非晶質系半導体層３との間に配置される絶縁体層９を備えている。この点が、第１の実施形態と相違する。その他の構成は、第１の実施形態と同じであってよい。
絶縁体層９は、層を電気的に絶縁する機能を有する。絶縁体層９は、第１の電極１１と第３の非晶質系半導体層３とが接触するのを抑制している。絶縁体層９は、第１の電極１１の縁部１１ａを跨いでいる。絶縁体層９は、半導体基板１０の裏面１０ｂ上に配置されるとともに、第１の電極１１に載り上がっている。絶縁体層９は半導体基板１０に接している。絶縁体層９は第１の電極１１に接している。絶縁体層９は、第１の電極１１の端部を被覆している。絶縁体層９は、第２の非晶質系半導体層２の側面を被覆している。絶縁体層９は、第１の非晶質系半導体層１の側面を被覆している。絶縁体層９により、第１の非晶質系半導体層１、第２の非晶質系半導体層２及び第１の電極１１は、第３の非晶質系半導体層３及び第４の非晶質系半導体層４と、電気的に絶縁されている。なお、図３では絶縁体層９の一方の縁部が第３の非晶質系半導体層３の縁部および第４の非晶質系半導体層４の縁部と一致するように描かれているが、それぞれの縁部は必ずしも一致する必要はなく、第３の非晶質系半導体層３の縁部および第４の非晶質系半導体層４の縁部が絶縁体層９上に存していればよい。絶縁体層９が存在することにより、電極間のリーク電流が低減される。絶縁体層９で、ｐ側電極とｎ側電極との電気的な分離が促進されるため、電極間のリーク電流が非常に小さくなるのである。そのため、発電効率が向上し、良好な特性の太陽電池が得られる。
図４に示されるように、絶縁体層９は、平面視において蛇行形状を有している。絶縁体層９は、第１の電極１１の櫛歯の縁部の形状に沿って配置されるため、蛇行する形状になる。
絶縁体層９は、絶縁材料により形成され得る。絶縁材料は、無機の材料であってもよいし、有機の材料であってもよい。絶縁体層９の材料として、例えば、シリカ、窒化ケイ素、アルミナ、ポリイミドが挙げられる。絶縁体層９は、透明であってもよいし、半透明であってもよいし、不透明であってもよい。絶縁体層９の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば、５〜２００ｎｍの範囲内であってよい。絶縁体層９の厚みは、例えば、７０ｎｍ程度である。
本実施形態においては、絶縁体層９が存在するため、第１の電極１１と第２の電極１２との離間距離Ｄが１０μｍ未満であっても、リーク電流の発生が抑制され得る。そのため、離間距離Ｄは１０μｍ未満であってもよい。例えば、第２の電極１２は、第４の非晶質系半導体層４が第１の電極１１に載り上がるために起き上がった部分に設けられていてもよい。また、第１の電極１１と第２の電極１２とが平面視で重なって離間距離Ｄがなくなってもよい。ただし、電極のパターニングの精度を考慮すると、離間距離Ｄがある方が好ましい。離間距離Ｄは、１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。
［太陽電池の製造方法］
以下、太陽電池の製造方法について説明する。
図５は、第１の実施形態の太陽電池の製造方法の一例を示す断面図である。図５は、図５Ａ〜図５Ｊから構成される。
太陽電池の製造方法は、次の工程を備えている：
第１の非晶質系半導体層１を形成する工程；
第２の非晶質系半導体層２を形成する工程；
第１の電極１１を形成する工程；
第１の非晶質系半導体層１、第２の非晶質系半導体層２及び第１の電極１１を櫛形状にエッチングする工程；
第３の非晶質系半導体層３を形成する工程；
第４の非晶質系半導体層４を形成する工程；
第３の非晶質系半導体層３及び第４の非晶質系半導体層４を櫛形状にエッチングする工程；
第２の電極１２を形成する工程。
以下さらに説明する。
まず、半導体基板１０を準備する。半導体基板１０としては、ｎ型単結晶シリコン基板が例示される。半導体基板１０を洗浄し、真空チャンバー内に搬送して加熱を行う。これにより、基板の表面に付着した水分を除去する。以下では、ｎ型半導体基板を用いた例を説明するが、ｐ型半導体基板を用いた場合は、各材料のｎ型とｐ型とを入れ替えればよい。
次に、真空チャンバー内にＳｉＨ４（シラン）ガスを導入し、ＰＥＣＶＤ法により半導体基板１０の裏面１０ｂ（受光面１０ａとは反対側の面）に、第１の非晶質系半導体層１を形成する。これが、第１の非晶質系半導体層１を形成する工程である。第１の非晶質系半導体層１は、ｉ型非晶質シリコンで形成され得る。第１の非晶質系半導体層１は不純物を含まない。第１の非晶質系半導体層１は真性である。次いで、真空チャンバー内にＳｉＨ４ガス、Ｈ２（水素）ガスおよびＢ２Ｈ６（ジボラン）ガスを導入し、ＰＥＣＶＤ法により、第１の非晶質系半導体層１の上に、第２の非晶質系半導体層２を形成する。これが、第２の非晶質系半導体層２を形成する工程である。第２の非晶質系半導体層２は、ｐ型非晶質シリコンで形成され得る。第２の非晶質系半導体層２は不純物を含む。不純物はドープされる。次いで、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法または印刷法により、第１の電極１１を形成する。これが、第１の電極１１を形成する工程である。第１の電極１１は、例えば、ＩＴＯ、ＺｎＯで形成され得る。
図５Ａは、第１の電極１１が形成された後の様子を示している。ここで、図５Ａから分かるように、第１の非晶質系半導体層１、第２の非晶質系半導体層２及び第１の電極１１は、半導体基板１０に、パターン化されずに、層状に設けられている。
続いて、図５Ｂに示すように、第１の電極１１の上に、エッチングレジスト材料を櫛形状に塗布し、エッチングレジスト材料を固化させる。エッチングレジスト材料としては、高精度の印刷が可能でエッチング耐性を有し、エッチング後の剥離が容易で汚染が少ない材料であれば、フォトレジストや顔料インク、ポリイミドなどを用いてよい。エッチングレジスト材料の塗布は、印刷法により行うことができる。印刷法としては、例えば、インクジェット印刷法、スクリーン印刷法が挙げられる。エッチングレジスト材料から、エッチングレジスト層２１が形成される。そして、図５Ｃに示すように、エッチングレジスト層２１が形成された半導体基板１０をエッチング液に浸漬させて、第１の電極１１、第２の非晶質系半導体層２及び第１の非晶質系半導体層１の、エッチングレジスト層２１に覆われていない部分を除去する。このエッチングは、ウェットエッチングである。エッチング液としては、例えば、ＮＨ４Ｆ（フッ化アンモニウム）水溶液と、Ｈ２Ｏ２（過酸化水素）水溶液との混合液が用いられる。また、エッチングはドライエッチングで行われてもよい。ドライエッチングとしては、例えば、ＳＦ６（六フッ化硫黄）、ＮＦ３（三フッ化窒素）、ＣＦ４（四フッ化炭素）などによる反応性イオンエッチングが例示される。その後、図５Ｄに示すように、レジスト除去材により、エッチングレジスト層２１を除去する。レジスト除去材としては、例えば、アセトンが用いられる。これにより、第１の非晶質系半導体層１、第２の非晶質系半導体層２及び第１の電極１１は、パターニングされて、櫛形状になる。これらの一連の工程が、第１の非晶質系半導体層１、第２の非晶質系半導体層２及び第１の電極１１を櫛形状にエッチングする工程である。
次に、真空チャンバー内にＳｉＨ４ガスを導入し、ＰＥＣＶＤ法により、第１の電極１１、及び、エッチングにより露出した半導体基板１０の裏面１０ｂの上に、第３の非晶質系半導体層３を形成する。これが、第３の非晶質系半導体層３を形成する工程である。第３の非晶質系半導体層３は、ｉ型非晶質シリコンで形成され得る。第３の非晶質系半導体層３は不純物を含まない。第３の非晶質系半導体層３は真性である。第３の非晶質系半導体層３は、第１の電極１１が分離した櫛歯の間の部分を含んで積層される。
次いで、真空チャンバー内にＳｉＨ４ガス、Ｈ２ガスおよびＰＨ３（ホスフィン）ガスを導入し、ＰＥＣＶＤ法により、第４の非晶質系半導体層４を形成する。これが、第４の非晶質系半導体層４を形成する工程である。第４の非晶質系半導体層４は、ｎ型非晶質シリコンで形成され得る。第４の非晶質系半導体層４は不純物を含む。不純物はドープされる。第４の非晶質系半導体層４は、第１の電極１１が分離した櫛歯の間の部分を含んで積層される。
図５Ｅは、第４の非晶質系半導体層４が形成された後の様子を示している。ここで、図５Ｅから分かるように、第３の非晶質系半導体層３及び第４の非晶質系半導体層４は、半導体基板１０の裏面側において、パターン化されずに、層状に設けられている。
続いて、図５Ｆに示すように、第４の非晶質系半導体層４の上に、エッチングレジスト材料を櫛形状に塗布し、エッチングレジスト材料を固化させる。エッチングレジスト材料としては、高精度の印刷が可能でエッチング耐性を有し、エッチング後の剥離が容易で汚染が少ない材料であれば、フォトレジストや顔料インク、ポリイミドなどを用いてよい。エッチングレジスト材料の塗布は、印刷法により行うことができる。印刷法としては、例えば、インクジェット印刷法、スクリーン印刷法が挙げられる。エッチングレジスト材料から、エッチングレジスト層２２が形成される。そして、図５Ｇに示すように、エッチングレジスト層２２が形成された半導体基板１０をエッチング液に浸漬させて、第４の非晶質系半導体層４及び第３の非晶質系半導体層３の、エッチングレジスト層２２に覆われていない部分を除去する。このエッチングは、ウェットエッチングである。エッチング液としては、例えば、ＨＦ（フッ化水素酸）水溶液と、Ｈ２Ｏ２（過酸化水素）水溶液との混合液が用いられる。また、エッチングはドライエッチングで行われてもよい。ドライエッチングとしては、例えば、ＳＦ６（六フッ化硫黄）、ＮＦ３（三フッ化窒素）、ＣＦ４（四フッ化炭素）などによる反応性イオンエッチングが例示される。エッチングは、第１の電極１１及びそれより半導体基板１０側の層をエッチングしないように行われる。これにより、第１の電極１１が露出する。その後、図５Ｈに示すように、レジスト除去材により、エッチングレジスト層２２を除去する。レジスト除去材としては、例えば、アセトンが用いられる。これにより、第３の非晶質系半導体層３及び第４の非晶質系半導体層４は、パターニングされて、櫛形状になる。これらの一連の工程が、第３の非晶質系半導体層３及び第４の非晶質系半導体層４を櫛形状にエッチングする工程である。
次に、第４の非晶質系半導体層４の上にパターン状に第２の電極１２を形成する。これが、第２の電極１２を形成する工程である。第２の電極１２は櫛形状のパターンで形成される。第２の電極１２は、電極材料を含むインクを印刷法で塗布し、加熱処理を行うことで形成され得る。印刷法としては、例えば、インクジェット印刷法、スクリーン印刷法が挙げられる。
第２の電極１２は、第１の電極１１に離間して形成される。第２の電極１２は、第４の非晶質系半導体層４の平坦部４ａに形成され得る。第２の電極１２と第１の電極１１との離間距離Ｄは、上述のように、電極間の短絡やリーク電流を抑制するために１０μｍ以上であることが好ましい。また、離間距離Ｄは、多数キャリアの電子に対する直接抵抗を小さくするために、１００μｍ以下であることが好ましい。
次いで、第１の集電極５及び第２の集電極６を櫛形状に形成する。第１の集電極５は、第１の電極１１の上に形成される。第２の集電極６は、第２の電極１２の上に形成される。第１の集電極５と第２の集電極６とは互いに噛み合う櫛形状のパターンで形成される。第１の集電極５及び第２の集電極６は、金属材料の印刷法で塗布することより形成され得る。印刷法としては、例えば、インクジェット印刷法、スクリーン印刷法が挙げられる。第１の集電極５及び第２の集電極６は、例えば、Ａｇ（銀）で形成される。第１の集電極５及び第２の集電極６は同時に形成することが好ましい。それにより、製造工程が簡略化される。図５Ｉは、集電極が形成された後の様子を示している。
なお、第２の電極１２、第１の集電極５及び第２の集電極６は、印刷法以外のパターニングにより形成されてもよい。例えば、これらは、マスクを用いたスパッタリング成膜法により、パターン化されて形成され得る。あるいは、例えば、これらは、一面に層が形成された後、パターン化した蛇行形状でエッチングレジスト材料が形成され、ウェットエッチングによって櫛形状にパターン化されてもよい。
また、第４の非晶質系半導体層４とのオーミックコンタクトが形成可能で、かつ電極材料の拡散が影響しない場合には、第２の電極１２は、上記の第２の集電極６の材料で形成されていてもよい。その場合、第１の集電極５の形成の際に、第４の非晶質系半導体層４の上に第２の電極１２を形成することができる。このとき、第２の集電極６は省略されてよい。この構造は、第２の電極１２が第２の集電極６を兼ね備えた構造であってよい。
集電極の形成後、半導体基板１０の受光面１０ａ（主面）を洗浄し、半導体基板１０を真空チャンバー内に配置し、真空チャンバー内にＳｉＨ４ガスを導入して、ＰＥＣＶＤ法により、受光面１０ａの上に、非晶質系半導体層７を形成する。非晶質系半導体層７は、ｉ型非晶質シリコンで形成され得る。次いで、非晶質系半導体層７の上に、例えばスパッタ法により、反射防止層８を形成する。このように、受光面側の非晶質系半導体層７を形成する工程を有することが好ましい。また、反射防止層８を形成する工程を有することが好ましい。なお、非晶質系半導体層７及び反射防止層８は、第１の非晶質系半導体層１の形成前、又は、第２の電極１２の形成後で集電極の形成前の適宜の時期に形成されてもよい。
このようにして、図５Ｊに示す第１の実施形態の太陽電池が得られる。
上記の製造方法では、非晶質系半導体層のパターニングがエッチングで行われる。そのため、非晶質系半導体層の形成時にマスクを用いて非晶質系半導体層をパターニングする場合のような、マスクからの不純物汚染が防止される。それにより、太陽電池特性の劣化が防止される。また、互いに噛み合う櫛形状で、ｎ型の構造とｐ型の構造とを電気的分離を保ちながら過剰な隙間がないよう精度よく配置することができる。また、印刷法を用いてエッチングマスクの形成を行った場合には、製造工程を簡便化し、かつ歩留まりも向上するので、例えばフォトリソグラフィー法に対して製造コストの低減を図ることができる。
以下、第２の実施形態の太陽電池の製造方法について説明する。
図６は、第２の実施形態の太陽電池の製造方法の一例を示す断面図である。図６は、図６Ａ〜図６Ｄから構成される。図５と共通する図、及び図５から理解できる図は省略している。
第２の実施形態の太陽電池の製造方法は、絶縁体層９を形成する工程を備えている。それ以外は、第１の実施形態の太陽電池の製造方法と同じであってよい。
絶縁体層９を形成する工程は、第１の非晶質系半導体層１、第２の非晶質系半導体層２及び第１の電極１１をエッチングする工程の後に行われる。図６Ａは、図５Ｄに対応する。図６Ａの後、絶縁体層９を形成する工程を行うことにより、図６Ｂに示すように、絶縁体層９が、第１の電極１１の端部に形成される。絶縁体層９は、第１の電極１１と、エッチングにより露出した半導体基板１０の部分との境界部を跨ぐように形成される。絶縁体層９は、第１の電極１１の櫛歯の縁部１１ａに沿って蛇行した形状になる。絶縁体層９は、印刷法で形成され得る。絶縁体層９を印刷法で形成することにより、通常のスパッタリング法やＰＥＣＶＤ法とは異なり、物理衝撃を小さくして低温で形成できるため、非晶質系半導体層（非晶質シリコン層）のダメージや変性が抑制され、太陽電池の効率が向上する効果がある。例えば、絶縁体層９の材料が印刷法によってパターン状に塗布され、加熱されることで、絶縁体層９が形成される。加熱は、２００℃以下の温度が好ましい。加熱により、焼成が行われる。印刷法としては、例えば、インクジェット印刷法、スクリーン印刷法が挙げられる。また、印刷法以外のパターン化形成方法が採用されてもよい。例えば、絶縁体層９は、マスクを用いたスパッタリング成膜法により、パターン化されて形成され得る。あるいは、例えば、絶縁体層９は、一面に層が形成された後、パターン化した蛇行形状でエッチングレジスト材料が形成され、ウェットエッチングによってパターン化されてもよい。
絶縁体層９の形成の後、図６Ｃに示すように、第３の非晶質系半導体層３及び第４の非晶質系半導体層４の形成及びパターニングを行う。その後、図６Ｄに示すように、第１の集電極５及び第２の集電極６を形成する。最後に、非晶質系半導体層７及び反射防止層８を形成することで、図３に示す太陽電池が得られる。
このように、絶縁体層９を形成した場合、ｎ型の電極とｐ型の電極との電気的な分離を高めることができるため、リーク電流の抑制された効率の高い太陽電池を製造することができる。
［実施例１］
第１の実施形態の太陽電池について、第１の電極１１と第２の電極１２との間の距離が太陽電池の特性に及ぼす影響を計算機のシミュレーションにより調べた。半導体基板１０は、ｎ型単結晶シリコン基板とした。非晶質系半導体層（第１〜第４及び主面上）は、全て非晶質シリコン層とした。第１の非晶質系半導体層１及び第３の非晶質系半導体層３（ｉ型非晶質シリコン層）は、その厚みを５ｎｍとし、電子濃度を１×１０１５ｃｍ−３とした。第２の非晶質系半導体層２（ｐ型非晶質シリコン層）は、その厚みを５ｎｍとし、櫛歯の幅を１．５ｍｍとし、キャリア濃度を５×１０１８ｃｍ−３とした。第４の非晶質系半導体層４（ｎ型非晶質シリコン層）は、その厚みを５ｎｍとし、キャリア濃度を８×１０１８ｃｍ−３とした。受光面の非晶質系半導体層７（ｉ型非晶質シリコン層）は、その厚みを５ｎｍとし、電子濃度を１×１０１５ｃｍ−３とした。
ここで、第２の非晶質系半導体層２と第４の非晶質系半導体層４とが平面視において重なる部分の幅を２０μｍとした。この幅は、第１の電極１１と第３の非晶質系半導体層３とが接する幅に等しい。第２の電極１２の幅は２００μｍとした。
また、ｎ型非晶質シリコン層中の電子の移動度は５ｃｍ２／Ｖｓとした。ｐ型非晶質シリコン層中の正孔の移動度（μｐ）は０．３ｃｍ２／Ｖｓ及び０．０００１ｃｍ２／Ｖｓの二通りとした。二通りとしたのは、正孔の移動度が正確に分からないためである。半導体基板１０（ｎ型単結晶シリコン基板）は、キャリア濃度を５×１０１６ｃｍ−３とし、キャリア寿命を５ｍｓとした。その他の物性パラメータは、Djicknoum Diouf, Jean-Paul Kleider, and Christophe Longeau, ” Two-DimensionalSimulations of Interdigitated Back Contact Silicon Heterojunctions Solar Cells”, Wilfred G.J.H.M.van Sark, Lars Korte, and Francesco Roca (Eds.), “Physics and Technology ofAmorphous-Crystalline Heterostructure Silicon Solar Cells” (Springer, Berlin,2012), Chapter 15.に従った。シミュレーションにはＳＩＬＶＡＣＯ社のＡＴＬＡＳを用いた。
図７は、二通りのｐ型非晶質シリコン層中の正孔移動度（μｐ）における、第１の電極１１と第２の電極１２との間の距離（電極の離間距離Ｄ）と太陽電池の相対的変換効率との関係を示すグラフである。グラフは、最大値を基準にして正規化されている。
図７のグラフでは、正孔の移度度（μｐ）が０．３ｃｍ２／Ｖｓのときは電極の離間距離が１０μｍで変換効率が最大となり、正孔の移度度（μｐ）が０．０００１ｃｍ２／Ｖｓのときは電極の離間距離が２０μｍで変換効率が最大となっている。これら最大値より電極の離間距離が小さくなると、変換効率が低下するのは、電極間のリーク電流が大きくなるためと考えられる。また、電極の離間距離が小さくなりすぎると、短絡のおそれもある。電極の加工精度のばらつきも考慮に入れると、電極の離間距離は好ましくは１０μｍ以上である。また、グラフでは、電極の離間距離が大きくなると、変換効率は徐々に低下している。これは、半導体基板１０（ｎ型単結晶シリコン基板）中の多数キャリアである電子に対する直列抵抗が増加するためと考えられる。グラフから、離間距離Ｄが１００μｍを超えると、変換効率が相対値で２％以上低下することが分かる。そのため、電極の離間距離は好ましくは１００μｍ以下である。このような傾向は、非晶質シリコン層の幅、厚さ及びキャリア濃度などを変化させた場合も同様であると考えられる。すなわち、電極の離間距離が１０μｍ以上１００μｍ以下になることにより、電極間のリーク電流の小さい、良好な特性の太陽電池を得ることができる。そして、これらの寸法は、印刷法などの簡便なパターニング方法によっても実現可能な加工精度内であり、製造コストおよび製造時間を低減することができる。
［実施例２］
第２の実施形態の太陽電池について、絶縁体層９の挿入が太陽電池の特性に及ぼす影響を計算機のシミュレーションにより調べた。計算のパラメータと手法は実施例１と同様とした。半導体基板１０と絶縁体層９との界面の表面再結合速度は１０ｃｍ／ｓとした。
その結果、絶縁体層９を挿入することで電極間のリーク電流が減少し、開放電圧およびフィルファクターが向上して、変換効率は絶縁体層９がない場合に比べて約５％増加することが示された。また、半導体基板１０と接する絶縁体層９の幅を１０μｍから１００μｍまで変化させたとき、変換効率の低下は５％以内であった。このように、絶縁体層９の配置により、電極間のリーク電流の小さい、良好な特性の太陽電池を得ることができる。また、絶縁体層９の寸法は、印刷法で対応可能なパターニング精度内である。すなわち、これらの寸法は、印刷法などの簡便なパターニング方法によっても実現可能な加工精度内であり、製造コストおよび製造時間を低減することができる。
［従来例との比較］
日本国特許公開２０１３−１６８６０５号は太陽電池を開示する。しかし、この太陽電池では、ｐ型電極はｐ型の非晶質シリコン層の一部にしか形成されていない。そのため、半導体基板中の少数キャリアである正孔を効率よく外部に取り出すことができない。日本国特許公開２０１３−１３１５８６号も同様である。一方、本開示の太陽電池では、ｐ型電極がｐ型の非晶質系半導体層（非晶質シリコン層）の一面全体に形成され得るため、半導体基板中の少数キャリアである正孔を効率よく外部に取り出すことができ、効率が向上する。
日本国特許公開２００５−１０１１５１は太陽電池を開示する。この文献には、ｐ型電極がｐ型の非晶質シリコン層の一面に形成された構造が第２の実施形態として開示されている。しかしながら、この太陽電池は、ｐ型のシリコン層とｎ型のシリコン層とが互いに噛み合う櫛形状にはなっておらず、ｐ型の電極がシリコン層に覆われており、さらに、ｎ型の電極はシリコン層の変形した部分に形成されている。この構造では、リーク電流が発生しやすくなる。一方、本開示の太陽電池は、この文献の構造に比べて、電極間のリーク電流を発生しにくくすることができる。
特許協力条約国際公開ＷＯ２０１０／１１３７５０号は太陽電池を開示する。この太陽電池は、絶縁体の層を有する。しかし、この太陽電池でも、ｐ型電極はｐ型の非晶質シリコン層の一部にしか形成されていない。そのため、半導体基板中の少数キャリアである正孔を効率よく外部に取り出すことができない。日本国特許公開２００９−２００２６７号も同様である。
米国特許ＵＳ８５２５０１８号は太陽電池を開示する。この太陽電池は、絶縁体の層を有し、ｐ型電極がｐ型の非晶質シリコン層の一面に形成された構造を有する。しかし、絶縁体の層が、ｐ型の非晶質シリコン層と半導体基板との間にも配置されているため、この部分で少数キャリアである正孔を取り出せない。一方、本開示の太陽電池では、絶縁体層は、ｐ型の非晶質系半導体層（非晶質シリコン層）と半導体基板との間に配置されない構造となり得るため、半導体基板中の少数キャリアである正孔を効率よく外部に取り出すことができ、効率が向上する。

Claims (6)

  1. 受光面および裏面を有する一導電型の半導体基板と、
    前記半導体基板の裏面に配置され、櫛形状を有する真性の第１の非晶質系半導体層と、
    前記第１の非晶質系半導体層上に配置され、前記半導体基板の導電型と異なる導電型を示す不純物を含む第２の非晶質系半導体層と、
    前記第２の非晶質系半導体層上の一面全体に配置された第１の電極と、
    前記半導体基板の裏面に配置され、前記第１の非晶質系半導体層と噛み合う櫛形状となり、一部が平面視において前記第１の電極に重なる真性の第３の非晶質系半導体層と、
    前記第３の非晶質系半導体層上に配置され、前記半導体基板の導電型と同じ導電型を示す不純物を含む第４の非晶質系半導体層と、
    前記第４の非晶質系半導体層上に配置された第２の電極と、を備えた、太陽電池。
  2. 前記第１の電極と前記第２の電極とは、平面視において離間し、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離は、１０μｍ以上１００μｍ以下である、請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記第１の電極と前記第３の非晶質系半導体層との間に配置された絶縁体層をさらに備えた、請求項１に記載の太陽電池。
  4. 受光面を有する一導電型の半導体基板における裏面に、真性の第１の非晶質系半導体層を形成する工程と、
    前記第１の非晶質系半導体層上に、前記半導体基板の導電型と異なる導電型を示す不純物を含む第２の非晶質系半導体層を形成する工程と、
    前記第２の非晶質系半導体層上に、第１の電極を形成する工程と、
    前記第１の非晶質系半導体層、前記第２の非晶質系半導体層及び前記第１の電極を、前記半導体基板の裏面において櫛形状にエッチングする工程と、
    前記第１の電極が設けられた前記半導体基板の裏面に、前記エッチングにより露出した前記半導体基板の部分を含んで真性の第３の非晶質系半導体層を形成する工程と、
    前記第３の非晶質系半導体層上に前記半導体基板の導電型と同じ導電型を示す不純物を含む第４の非晶質系半導体層を形成する工程と、
    前記第３の非晶質系半導体層及び前記第４の非晶質系半導体層を、前記第１の電極と噛み合い、前記第３の非晶質系半導体層の一部が前記第１の電極に平面視において重なる櫛形状にエッチングする工程と、
    前記第４の非晶質系半導体層上に第２の電極を形成する工程と、を備えた、太陽電池の製造方法。
  5. 櫛形状にエッチングされた前記第１の電極と、前記第１の電極がエッチングされて露出した前記半導体基板の裏面との境界部を跨ぐように絶縁体層を形成する工程をさらに備えた、請求項４に記載の太陽電池の製造方法。
  6. 前記第１の非晶質系半導体層、前記第２の非晶質系半導体層及び前記第１の電極をエッチングする工程は、エッチングマスクを印刷法で形成することを含む、請求項４又は５に記載の太陽電池の製造方法。
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