JPWO2016163168A1 - 光電変換素子 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の一実施形態における光電変換素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、第1の導電型を有する第1の非晶質半導体層と、前記半導体基板の面内方向において前記第1の非晶質半導体層に隣接して形成され、前記第1の導電型と反対の第2の導電型を有する第2の非晶質半導体層と、前記第1の非晶質半導体層上に形成された第1の電極と、前記第1の電極との間でギャップ領域を隔てて前記第2の非晶質半導体層上に形成された第2の電極と、少なくとも前記ギャップ領域上に形成された反射層と、を備え、前記第1の電極および前記第2の電極の少なくとも一方は、光を透過する透光性電極である。
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化または模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。
図1は、この発明の実施の形態1による光電変換素子の構成を示す断面図である。図1を参照して、この発明の実施の形態1による光電変換素子10は、半導体基板1と、反射防止膜2と、パッシベーション膜3と、n型非晶質半導体層4と、p型非晶質半導体層5と、透光性電極6,7と、保護膜8と、導電性反射層9とを備える。
本明細書において、テクスチャのサイズとは、半導体基板の主面を平面視した状態、すなわち主面に対して垂直上方から見た状態におけるサイズを意味する。テクスチャの具体例としては、主面が(100)面であるn型単結晶シリコン基板に、異方性エッチングを施すことによって得られるピラミッド状(四角錐状や四角錐台状)の凹凸構造がある。実際のテクスチャは、図3に示すように、大きさや形状がさまざまなピラミッド状の凹凸が複数形成されている。この凹凸には、重なり合っているものや、変形したものも含まれている。
本実施形態における裏面ヘテロ接合型太陽電池では、半導体基板1の裏面にn型非晶質半導体層4とp型非晶質半導体層5が隣り合って存在する。後述するように、シャドーマスクを用いてn型非晶質半導体層4およびp型非晶質半導体層5を形成する際に、シャドーマスク下部の面内方向内側に、原料ガスやドーパントガスの回り込みが発生する。この回り込みが大きくなると、作製した太陽電池セルのI−V特性の逆方向飽和電流密度が増大することが分かった。また、原料ガス、ドーパントガスの回り込みが大きくなると、n型非晶質半導体層4およびp型非晶質半導体層5の間の絶縁性が損なわれ、電流リークが発生することも分かった。
Si+2NaOH+H2O → Na2SiO3+2H2 …(1)
2Si+2NaOH+3H2O → Na2Si2O5+4H2 …(2)
3Si+4NaOH+4H2O → Na4Si3O8+6H2 …(3)
図15は、防湿耐性試験の結果を示す図である。図15を参照して、iは、真性非晶質シリコンを表し、i/nは、真性非晶質シリコンおよびn型非晶質シリコンの積層膜を表し、i/SiNは、真性非晶質シリコンおよびシリコンナイトライドの積層膜を表す。
上述したように、光電変換素子10をモジュール化する際に、導電性接着剤または絶縁性接着剤を用いて光電変換素子10と配線シート70とを接合する工程があり、180℃、20分程度の加熱プロセスが存在する。
テクスチャが形成された半導体基板1の表面上に保護膜8を形成した場合、保護膜8の密着性が向上する効果が確認された。保護膜8は、透光性電極6,7上に形成されている部分と、ギャップ領域Gに形成されている部分があり、下地の材料の選択と組み合わせによっては、剥がれが生じる可能性がある。しかし、テクスチャが形成されている面に保護膜8を形成すると、剥がれるような下地との組み合わせであっても密着性が大幅に改善する効果がみられた。簡単なピールテストにおいて、テクスチャが形成されていない平坦面では剥がれる場合でも、テクスチャが形成されている面に保護膜8を形成した場合には剥がれにくくなる効果がある。これらは、光電変換素子10の長期信頼性に貢献するものである。
テクスチャが形成された面にn型非晶質半導体層4およびp型非晶質半導体層5をパターニングした本実施形態の光電変換素子10と比べるため、テクスチャが形成されていない半導体基板にn型非晶質半導体層およびp型非晶質半導体層をパターニングした比較例の光電変換素子を作製した。この2つの光電変換素子について、150℃、170℃、190℃、210℃と温度を上げて、各々の温度で10分間ずつ大気中で加熱し、電極の浮き上がりを観察した。
図17は、n型非晶質半導体層4およびp型非晶質半導体層5をパターニングした場合に、シャドーマスクの下に半導体層やドーパントが回り込むことを説明するための図である。図17の(a)は、テクスチャが形成された半導体基板1に非晶質半導体層161をパターニングした場合の図であり、図17の(b)は、テクスチャが形成されていない平坦な半導体基板に非晶質半導体層161aをパターニングした場合の図である。
ドーパントガスの回り込みは、ドーパントガス種によって特性が異なることが分かった。p型非晶質半導体層5のドーパントガスとして、ボロンを含むドーパントガスを用いた場合、非常に特殊な回り込みが起こることが分かった。ここでは、ジボラン(B2H6)を用いた場合の結果について説明するが、ボロンを含む他のドーパントガスを用いてもよい。
図21は、本発明の実施の形態2による光電変換素子の構成を示す断面図である。図21を参照して、実施の形態2による光電変換素子200は、透光性電極6、7が保護膜208および導電性反射層209によって覆われている。その他の構成は、光電変換素子10と同じである。
図24は、本発明の実施の形態3による光電変換素子の構成を示す断面図である。図24を参照して、実施の形態3による光電変換素子300は、図1に示す光電変換素子10の反射防止膜2を反射防止膜301に代え、パッシベーション膜3をパッシベーション膜302に代えたものであり、その他の構成は、光電変換素子10と同じである。
図26は、本発明の実施の形態4による光電変換素子の構成を示す断面図である。図26を参照して、実施の形態4による光電変換素子400は、上述した光電変換素子10、200、300が備えていた保護膜8を備えていない。その他の構成は、光電変換素子10と同じである。
図28は、実施の形態5による光電変換素子を備える光電変換モジュールの構成を示す概略図である。図28を参照して、光電変換モジュール1000は、複数の光電変換素子1001と、カバー1002と、出力端子1003,1004とを備える。
図29は、この実施の形態による光電変換素子を備える太陽光発電システムの構成を示す概略図である。
図32は、この実施の形態による光電変換素子を備える太陽光発電システムの構成を示す概略図である。
Claims (5)
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、第1の導電型を有する第1の非晶質半導体層と、
前記半導体基板の面内方向において前記第1の非晶質半導体層に隣接して形成され、前記第1の導電型と反対の第2の導電型を有する第2の非晶質半導体層と、
前記第1の非晶質半導体層上に形成された第1の電極と、
前記第1の電極との間でギャップ領域を隔てて前記第2の非晶質半導体層上に形成された第2の電極と、
少なくとも前記ギャップ領域上に形成された反射層と、
を備え、
前記第1の電極および前記第2の電極の少なくとも一方は、光を透過する透光性電極である、光電変換素子。 - 前記反射層は導電性を有し、前記第1の電極または前記第2の電極と接触している、請求項1に記載の光電変換素子。
- 前記半導体基板の少なくとも一方の面にテクスチャが形成されており、
前記半導体基板の前記テクスチャが形成されている面に前記第1の非晶質半導体層および前記第2の非晶質半導体層が形成されている、請求項1または請求項2に記載の光電変換素子。 - 前記反射層は、前記第1の電極の一部および前記第2の電極の一部の上にも形成されており、
前記第1の電極の一部および前記第2の電極の一部と、前記反射層との間に形成された保護膜をさらに備える、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の光電変換素子。 - 前記第1の電極および前記第2の電極の各々が前記保護膜および前記反射層によって覆われている、請求項4に記載の光電変換素子。
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