JPWO2017145633A1 - 太陽電池セルおよび太陽電池セルの製造方法 - Google Patents

太陽電池セルおよび太陽電池セルの製造方法 Download PDF

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Abstract

実施形態の一例である太陽電池セル１０は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１と、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面上に形成され、酸化シリコン、炭化シリコン、または窒化シリコンを主成分として構成される第１パッシベーション層１２と、第１パッシベーション層１２上に形成されたｎ型結晶性シリコン層１３と、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面上に形成された第２パッシベーション層１６と、第２パッシベーション層１６上に形成されたｐ型非晶質シリコン層１７とを備える。

Description

本開示は、太陽電池セルおよび太陽電池セルの製造方法に関する。
従来、結晶性シリコンウェーハの両面に非晶質シリコン層を形成した太陽電池セルが知られている。例えば、特許文献１には、結晶性シリコンウェーハの受光面上にｎ型非晶質シリコン層が形成され、当該ウェーハの裏面上にｐ型非晶質シリコン層が形成された太陽電池セルが開示されている。特許文献１に開示された太陽電池セルは、各非晶質シリコン層上に形成された透明導電層と集電極を備える。
特開２００６−２３７４５２号号公報
太陽電池セルでは、特に受光面側からシリコンウェーハに入射する光量を増やしてセルの出力特性を向上させることは重要な課題である。特許文献１を含む従来の技術では、集電極の形状などを工夫して、受光面側からの入射光量を増やしているが、さらなる改善が求められている。
本開示に係る太陽電池セルは、結晶性シリコンウェーハと、結晶性シリコンウェーハの受光面上に形成され、酸化シリコン、炭化シリコン、または窒化シリコンを主成分として構成される第１パッシベーション層と、第１パッシベーション層上に形成されたｎ型結晶性シリコン層と、結晶性シリコンウェーハの裏面上に形成された第２パッシベーション層と、第２パッシベーション層上に形成されたｐ型非晶質シリコン層とを備えることを特徴とする。
本開示に係る太陽電池セルの製造方法は、結晶性シリコンウェーハの一方の面上に、酸化シリコン、炭化シリコン、または窒化シリコンを主成分として構成される第１パッシベーション層を形成する工程と、第１パッシベーション層上にｎ型結晶性シリコン層を形成する工程と、ｎ型結晶性シリコン層が形成された結晶性シリコンウェーハの他方の面上に第２パッシベーション層を形成する工程と、第２パッシベーション層上にｐ型非晶質シリコン層を形成する工程とを備えることを特徴とする。
本開示の一態様である太陽電池セルによれば、結晶性シリコンウェーハに入射する光量が増加し、出力特性の向上を図ることができる。
実施形態の一例である太陽電池セルの断面図である。 実施形態の一例である太陽電池セルの製造工程を示すフローチャートである。 実施形態の他の一例である太陽電池セルの断面図である。 実施形態の他の一例である太陽電池セルの製造工程を示すフローチャートである。 実施形態の他の一例である太陽電池セルの断面図である。
本開示に係る太陽電池セルは、結晶性シリコンウェーハの受光面側に形成されたｎ型結晶性シリコン層を備えるため、受光面側に非晶質シリコン層を備える従来のセルと比べてウェーハに入射する光量が多く、高い出力特性が得られる。そして、結晶性シリコンウェーハの裏面側には、低温プロセスで成膜されるｐ型非晶質シリコン層が形成されているため、製造コストを抑えながら出力特性の向上を図ることができる。
結晶性シリコンウェーハの裏面側にｐ型結晶性シリコン層を形成した場合、ボロン（Ｂ）等のｐ型ドーパントの拡散によりウェーハ中の酸素とボロンが複合欠陥を形成し、キャリアのライフタイムが低下することが予想される。当該複合欠陥の形成を抑制する方法としては、低酸素濃度のウェーハを使用する、あるいはウェーハを１０００℃以上で熱処理することが考えられるが、この場合、製造コストが大幅に上昇することになる。つまり、結晶性シリコンウェーハの受光面側にｎ型結晶性シリコン層を、裏面側にｐ型結晶性シリコン層をそれぞれ備えた本開示に係る太陽電池セルは、製造コストが安く、かつ高い出力特性を有する。また、色合いの均一性が高く良好な外観を有し、耐久性にも優れる。
以下、図面を参照しながら、本開示に係る太陽電池セルの実施形態の一例について詳細に説明する。なお、本開示に係る太陽電池セルは以下で説明する実施形態に限定されない。実施形態の説明で参照する図面は模式的に記載されたものであり、図面に描画された構成要素の寸法比率などは以下の説明を参酌して判断されるべきである。
本明細書において「略〜」との記載は、略全域を例に挙げて説明すると、全域はもとより実質的に全域と認められる場合を含む意図である。また、ｎ型ドーパントとはドナーとして機能する不純物を意味し、ｐ型ドーパントとはアクセプターとして機能する不純物を意味する。
以下で説明する実施形態では、結晶性シリコンウェーハとして、ｎ型にドーピングされたｎ型結晶性シリコンウェーハを例示する。但し、結晶性シリコンウェーハには、ｐ型にドーピングされたｐ型結晶性シリコンウェーハを用いることも可能であり、この場合も第１および第２パッシベーション層、ｎ型結晶性シリコン層、ｐ型非晶質シリコン層等には、ｎ型結晶性シリコンウェーハを用いる場合と同様の構成を適用できる。
図１は、実施形態の一例である太陽電池セル１０を示す断面図である。図１に示すように、太陽電池セル１０は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１と、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面上に形成された第１パッシベーション層１２と、第１パッシベーション層上に形成されたｎ型結晶性シリコン層１３とを備える。また、太陽電池セル１０は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面上に形成された第２パッシベーション層１６と、第２パッシベーション層１６上に形成されたｐ型非晶質シリコン層１７とを備える。ここで、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の「受光面」とは、光が主に入射（５０％超過〜１００％）する面を意味し、「裏面」とは受光面と反対側の面を意味する。
ｐ型非晶質シリコン層１７の結晶化率は、ｎ型結晶性シリコン層１３の結晶化率より低く、ｎ型結晶性シリコン層１３の結晶化率は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の結晶化率より低い。ウェーハおよび各層の結晶化率は、図１に示すウェーハおよび各層の断面において、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた観察領域に占めるＳｉ結晶格子が観察される領域の面積比で測定される。つまり、Ｓｉ結晶格子の領域の長手方向の長さが大きいほど、ウェーハおよび各層の結晶化率は高くなる。詳しくは後述するが、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１は単結晶シリコンから構成され、ｎ型結晶性シリコン層１３は多結晶シリコンから構成される。ｐ型非晶質シリコン層１７に形成されるＳｉ結晶格子の領域は、長手方向の長さが２ｎｍ未満であることが好ましい。
太陽電池セル１０は、ｎ型結晶性シリコン層１３上に形成された透明導電層１４と、透明導電層１４上に形成された集電極１５とを備える。また、太陽電池セル１０は、ｐ型非晶質シリコン層１７上に形成された透明導電層１８と、透明導電層１８上に形成された集電極１９とを備える。透明導電層１４および集電極１５はｎ型結晶性シリコンウェーハ１１で発生した電子を収集する受光面電極を構成し、透明導電層１８および集電極１９はｎ型結晶性シリコンウェーハ１１で発生した正孔を収集する裏面電極を構成する。太陽電池セル１０は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面側および裏面側に形成された一対の電極を備える。
ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１は、ｎ型多結晶シリコンウェーハであってもよいが、好ましくはｎ型単結晶シリコンウェーハである。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１におけるｎ型ドーパントの濃度は、例えば、１×１０14〜１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3である。ｎ型ドーパントは、特に限定されないが、一般的にはリン（Ｐ）が用いられる。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１は１辺が１２０〜１６０ｍｍの略正方形の表面形状を有し、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の厚みは、例えば、５０〜３００μｍである。略正方形は、例えば、短辺と長辺とが交互に連続し、互いに平行な２組の長辺を備えた八角形を含む。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１には、一般的にチョクラルスキー法（Ｃｚ法）により製造されるウェーハが用いられるが、エピタキシャル成長法により製造されるウェーハを用いることも可能である。
ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１は、ボロン等のｐ型ドーパントを実質的に含有しない。ただし、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の端面およびその近傍には、ｐ型ドーパントが含有される場合がある。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１におけるｐ型ドーパントの濃度は、１×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であり、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）による検出限界１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である。ｐ型非晶質シリコン層１７は低温プロセスで成膜されるため、ｐ型非晶質シリコン層１７からｎ型結晶性シリコンウェーハ１１へのボロンの拡散は実質的に起こらない。このため、太陽電池セル１０では、ボロンの拡散による複合欠陥が形成されず、これに起因したキャリアのライフタイム低下が発生しない。
ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１は、第１パッシベーション層１２と接する界面およびその近傍における不純物の濃度が、第２パッシベーション層１６と接する界面およびその近傍における不純物の濃度より高い。以下、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の第１パッシベーション層１２と接する界面を「受光面側界面」、第２パッシベーション層１６と接する界面を「裏面側界面」という場合がある。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１に含有される不純物としては、リン等のｎ型ドーパントの他に、酸素、窒素、炭素等が挙げられる。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面側界面およびその近傍における酸素濃度は、裏面側界面およびその近傍における酸素濃度より高くなっている。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１に含有されるＰ，Ｏ，Ｎ，Ｃ等の濃度は、ＳＩＭＳ、またはＴＥＭ-エネルギー分散Ｘ線分光分析（ＴＥＭ-ＥＤＸ）により測定される。
ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の表面には、テクスチャ構造（図示せず）が形成されていることが好ましい。テクスチャ構造とは、表面反射を抑制してｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の光吸収量を増大させるための表面凹凸構造であって、受光面および裏面のうちの一方に、または、受光面および裏面の両方に形成される。テクスチャ構造は、アルカリ性溶液を用いて単結晶シリコンウェーハの（１００）面を異方性エッチングすることで形成でき、単結晶シリコンウェーハの表面に（１１１）面を斜面としたピラミッド形状の凹凸構造が形成される。テクスチャ構造の凹凸の高さは、例えば、１〜１５μｍである。
第１パッシベーション層１２は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面とｎ型結晶性シリコン層１３との間に介在し、セルの受光面側におけるキャリアの再結合を抑制する。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面上には、略全域に第１パッシベーション層１２が形成される。１辺が１２０〜１６０ｍｍの略正方形のｎ型結晶性シリコンウェーハ１１を用いる場合、略全域に形成された第１パッシベーション層１２は、略正方形の全面を覆ってもよいし、略正方形の端部から２ｍｍ以下の外周領域を除いた全面を覆ってもよい。第１パッシベーション層１２は、高温に曝された場合でもパッシベーション性が損なわれない熱安定性に優れた層であることが好ましい。
第１パッシベーション層１２は、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、または窒化シリコン（ＳｉＮ）を主成分として構成されることが好適である。第１パッシベーション層１２の厚みは、例えば、０．１〜５．０ｎｍである。第１パッシベーション層１２の厚みは、ＴＥＭを用いたセルの断面観察により測定される（他の層についても同様）。
第１パッシベーション層１２が酸化シリコンを主成分として構成される場合、層中における酸素濃度は、１．０×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上が好ましい。第１パッシベーション層１２は、第２パッシベーション層１６より酸素濃度が高い。また、第１パッシベーション層１２におけるリン等のｎ型ドーパントの濃度は、第２パッシベーション層１６におけるボロン等のｐ型ドーパントの濃度より高い。ｎ型結晶性シリコン層１３の形成工程は、ｐ型非晶質シリコン層１７の形成工程より高温である。このため、第１パッシベーション層１２にはｎ型結晶性シリコン層１３中のリンが拡散し易いが、第２パッシベーション層１６にはｐ型非晶質シリコン層１７中のボロンが拡散し難い。
ｎ型結晶性シリコン層１３は、第１パッシベーション層１２を介してｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面上に形成される。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面上には、第１パッシベーション層１２を介して略全域にｎ型結晶性シリコン層１３が形成される。ｎ型結晶性シリコン層１３の厚みは、例えば、５〜２０ｎｍであり、好ましくは８〜１５ｎｍである。
ｎ型結晶性シリコン層１３は、ｎ型にドーピングされた多結晶シリコンまたは微結晶シリコンから構成される。ｎ型結晶性シリコン層１３に形成されるＳｉ結晶格子の領域は、は、長手方向の長さが２ｎｍ以上である。Ｓｉ結晶格子が観察される領域がこの範囲内であれば、太陽光の高い透過率が得られる。ｎ型結晶性シリコン層１３の４００〜６００ｎｍの波長範囲の吸収係数は、ｐ型非晶質シリコン層１７の当該吸収係数より低く、例えば、波長４２０ｎｍで５×１０4〜４×１０5ｃｍ-1である。各層の吸収係数は、エリプソメトリーにより求められる。
ｎ型結晶性シリコン層１３におけるｎ型ドーパントの濃度は、例えば、１×１０20〜１×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であり、好ましくは３×１０20〜５×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3である。ｎ型ドーパントは、特に限定されないが、一般的にはリンが用いられる。ｎ型結晶性シリコン層１３には、ｎ型ドーパントが略均一に含有されていてもよく、ｎ型ドーパントの濃度勾配が存在していてもよい。ｎ型結晶性シリコン層１３の抵抗率は、透明導電層１４より高く、例えば、０．１〜１５０ｍΩ・ｃｍである。
ｎ型結晶性シリコン層１３は、ｐ型非晶質シリコン層１７より水素濃度が低い。また、ｎ型結晶性シリコン層１３は、第２パッシベーション層１６より水素濃度が低い。ｎ型結晶性シリコン層１３における水素濃度は、例えば、１×１０18〜１×１０21であり、好ましくは７×１０18〜５×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3である。
波長３５５〜４０５ｎｍの範囲において、ｎ型結晶性シリコン層１３の屈折率は、透明導電層１４の屈折率に対して２．５倍以上であることが好ましく、例えば、２．５〜３．２倍である。各層の屈折率は、分光エリプソメトリー装置などにより求められる。ｎ型結晶性シリコン層１３の屈折率が上記範囲内であれば、セルの色むらが低減され、良好な外観が得られる。
第２パッシベーション層１６は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面とｐ型非晶質シリコン層１７との間に介在し、セルの裏面側におけるキャリアの再結合を抑制する。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面上には、略全域に第２パッシベーション層１６が形成される。１辺が１２０〜１６０ｍｍの略正方形のｎ型結晶性シリコンウェーハ１１を用いる場合、略全域に形成された第２パッシベーション層１６は、略正方形の全面を覆ってもよいし、略正方形の端部から２ｍｍ以下の外周領域を除いた全面を覆ってもよい。第２パッシベーション層１６は、２００℃程度の温度で成膜可能な層であることが好ましく、第１パッシベーション層１２に比べて熱安定性が低い。好適な第２パッシベーション層１６は、実質的に真性な非晶質シリコン（以下、「ｉ型非晶質シリコン」という場合がある）か、またはｐ型非晶質シリコン層よりドーパント濃度が低い非晶質シリコンを含む層である。第２パッシベーション層１６の厚みは、第１パッシベーション層１２より厚く、例えば、５〜１０ｎｍである。
第２パッシベーション層１６は、ｉ型非晶質シリコンを主成分として構成されることが好ましく、実質的にｉ型非晶質シリコンのみから構成されるｉ型非晶質シリコン層であってもよい。第２パッシベーション層１６は、上述のように、第１パッシベーション層１２より酸素濃度が低く、第２パッシベーション層１６におけるボロン等のｐ型ドーパントの濃度は、第１パッシベーション層１２におけるリン等のｎ型ドーパントの濃度より低い。
ｐ型非晶質シリコン層１７は、第２パッシベーション層１６を介してｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面上に形成される。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面上には、第２パッシベーション層１６を介して略全域にｐ型非晶質シリコン層１７が形成される。第２パッシベーション層１６と同様に、略全域に形成されたｐ型非晶質シリコン層１７は、略正方形の全面を覆ってもよいし、略正方形の端部から２ｍｍ以下の外周領域を除いた全面を覆ってもよい。ｐ型非晶質シリコン層１７の厚みは、例えば、１〜２５ｎｍであり、好ましくは１〜１０ｎｍである。
ｐ型非晶質シリコン層１７におけるｐ型ドーパントの濃度は、例えば、１×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上である。ｐ型ドーパントは、特に限定されないが、一般的にはボロンが用いられる。ｐ型非晶質シリコン層１７には、例えば、ボロンが略均一に含有されている。なお、ｐ型非晶質シリコン層１７は、ｎ型結晶性シリコン層１３より水素濃度が高い。
透明導電層１４は、ｎ型結晶性シリコン層１３の受光面側表面の略全域に形成される。また、透明導電層１８は、ｐ型非晶質シリコン層１７の裏面側表面の略全域に形成される。１辺が１２０〜１６０ｍｍの略正方形のｎ型結晶性シリコンウェーハ１１を用いる場合、略全域に形成された透明導電層１４，１８は、略正方形の全面を覆ってもよいし、略正方形の端部から２ｍｍ以下の外周領域を除いた全面を覆ってもよい。また、略正方形の全面を覆って形成されたｎ型結晶性シリコン層１３、ｐ型非晶質シリコン層１７の上に、それぞれ、略正方形の端部から２ｍｍ以下の外周領域を除いた全面を覆って透明導電層１４，１８を形成してもよい。透明導電層１４，１８は、例えば酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の金属酸化物に、タングステン（Ｗ）、錫（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）等がドーピングされた透明導電性酸化物（ＩＷＯ、ＩＴＯ等）から構成される。透明導電層１４，１８の厚みは、３０〜５００ｎｍが好ましく、５０〜２００ｎｍが特に好ましい。
集電極１５，１９は、複数のフィンガー部と、複数のバスバー部とをそれぞれ含むことが好適である。フィンガー部は、透明導電層１４，１８の広範囲に形成される細線状の電極である。バスバー部は、フィンガー部からキャリアを収集する細線状の電極であって、各フィンガー部に略直交して形成される。集電極１５，１９は、例えば多数のフィンガー部と、２本または３本のバスバー部とを含むパターンで透明導電層１４，１８上に導電性ペーストをそれぞれ塗工して形成される。集電極１５，１９を形成する導電性ペーストは、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノールノボラック等のバインダー樹脂中に、銀、銅、ニッケル等からなる直径１〜５０μｍの導電性粒子を分散させて形成した、導電性ペーストであってよい。
集電極１９は、集電極１５より大面積に形成されることが好ましく、集電極１９のフィンガー部は集電極１５のフィンガー部より多く形成される。したがって、集電極１９によって覆われる透明導電層１８の面積は、集電極１５によって覆われる透明導電層１４の面積より大きくなる。また、集電極１５は集電極１９より厚く形成される。ただし、電極の構造は特に限定されず、裏面電極の集電極として透明導電層１８上の略全域に金属層を形成してもよい。
図２は、太陽電池セル１０の製造工程の一例を示すフローチャートである。太陽電池セル１０の製造工程は、下記の工程を備える。
（１）ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の一方の面上に、酸化シリコン、炭化シリコン、または窒化シリコンを主成分として構成される第１パッシベーション層１２を形成する工程。
（２）第１パッシベーション層１２上にｎ型結晶性シリコン層１３を形成する工程。
（３）ｎ型結晶性シリコン層１３が形成されたｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の他方の面上に第２パッシベーション層１６を形成する工程。
（４）第２パッシベーション層１６上にｐ型非晶質シリコン層１７を形成する工程。
図２に示す例では、第１パッシベーション層１２として、酸化シリコンを主成分として構成される酸化膜を形成する。また、第２パッシベーション層１６を形成する工程では、実質的に真性なｉ型非晶質シリコン層を第１パッシベーション層１２より厚く形成する。なお、第２パッシベーション層１６は、ｐ型非晶質シリコン層１７よりｐ型ドーパントの濃度が低い非晶質シリコンを含む層であってもよい。
太陽電池セル１０の製造工程では、まず初めに、テクスチャ構造が形成されたｎ型結晶性シリコンウェーハ１１を準備し、当該ウェーハの表面に第１パッシベーション層１２であるシリコン酸化膜を形成する（Ｓ１）。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１には、ｎ型単結晶シリコンウェーハを用いることが好ましい。シリコン酸化膜は、ｎ型単結晶シリコンウェーハの両面に形成される。シリコン酸化膜の形成方法としては、テクスチャ構造が形成されたｎ型単結晶シリコンウェーハを５００℃程度の高圧水蒸気雰囲気で熱処理するスチーム酸化法、ウェーハを硝酸に浸漬する硝酸酸化法などが例示できる。
シリコン酸化膜は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の一方の面のみに選択的に形成することもできる。この場合、後述する酸化膜の除去工程（Ｓ４）を省略することができる。このような酸化法としては、プラズマ・ラジカル酸化法、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の一方の面上にＣＶＤ、スパッタリング等によりシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ膜）を成膜する方法などが例示できる。ＳｉＯｘ膜の酸素濃度は、成膜条件を変更することで調整することが可能である。
例えば、酸素濃度を低く設定したＳｉＯｘ膜を形成し、ＳｉＯｘ膜の表面および表面近傍をｎ型にドーピングすることで第１パッシベーション層１２およびｎ型結晶性シリコン層１３を形成することもできる。また、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の一方の面上にｉ型非晶質シリコン層を成膜し、ｉ型非晶質シリコン層を酸化処理して第１パッシベーション層１２を形成してもよい。
次に、シリコン酸化膜上にｎ型結晶性シリコン層１３を形成する（Ｓ２）。ｎ型結晶性シリコン層１３は、例えば、４００〜９００℃の高温条件下におけるＣＶＤ、スパッタリング等により成膜される。ＣＶＤによるｎ型非晶質シリコン層の成膜には、例えば、シランガス（ＳｉＨ4）にホスフィン（ＰＨ3）を添加し、水素で希釈した原料ガスを使用する。ホスフィンの混合濃度を変化させることによって、ｎ型非晶質シリコン層のドーパント濃度を調整することができる。ｎ型結晶性シリコン層１３は、ｎ型にドーピングされた微結晶または多結晶シリコン層として形成される。
次に、ｎ型結晶性シリコン層１３が形成されたｎ型結晶性シリコンウェーハ１１に対して水素（Ｈ2）シンタリングを行う（Ｓ３）。水素シンタリングは、例えば、水素ガスを窒素ガス等の不活性ガスで希釈したフォーミングガス中で、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１を３５０〜４５０℃程度の温度で熱処理することにより行われる。この工程により、特に、ｎ型結晶性シリコン層１３の成膜時に高温に曝されたｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の一方の面およびその近傍から抜けた水素を補充することができる。なお、ｎ型結晶性シリコン層１３の水素濃度が、補充する必要が無い程度に十分高い場合は、Ｓ３の水素シンタリング工程は省略してもよい。
次に、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の他方の面上に形成されたシリコン酸化膜を除去した後（Ｓ４）、当該ウェーハの他方の面上に第２パッシベーション層１６であるｉ型シリコン層、およびｐ型非晶質シリコン層１７を順に形成する（Ｓ５，Ｓ６）。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の他方の面上のシリコン酸化膜は、一方の面上にｎ型結晶性シリコン層１３が形成されたｎ型結晶性シリコンウェーハ１１をフッ酸（ＨＦ）に浸漬することにより除去される。Ｓ４では、例えば、ｎ型結晶性シリコン層１３の表面に形成される自然酸化膜も除去される。
ｉ型非晶質シリコン層およびｐ型非晶質シリコン層１７は、清浄なｎ型結晶性シリコンウェーハ１１を真空チャンバ内に設置して、ＣＶＤまたはスパッタリングにより形成される。ＣＶＤによるｉ型非晶質シリコン層の成膜には、例えば、シランガスを水素（Ｈ2）で希釈した原料ガスが使用される。また、ｐ型非晶質シリコン層１７の場合は、例えば、シランガスにジボラン（Ｂ2Ｈ6）を添加し、水素で希釈した原料ガスが使用される。ジボランの混合濃度を変化させることによって、ｐ型非晶質シリコン層１７のドーパント濃度を調整することができる。
次に、ｎ型結晶性シリコン層１３上およびｐ型非晶質シリコン層１７上に透明導電層１４，１８をそれぞれ形成する（Ｓ７）。そして、透明導電層１４，１８上に集電極１５，１９をそれぞれ形成する（Ｓ８）。透明導電層１４，１８は、例えば、スパッタリングにより形成される。集電極１５，１９は、例えば、各透明導電層上に銀（Ａｇ）粒子を含有する導電性ペーストをスクリーン印刷等により塗工して形成される。
以上のように、結晶性シリコンウェーハ１１の受光面側にｎ型結晶性シリコン層１３を、裏面側にｐ型結晶性シリコン層１７をそれぞれ備えた太陽電池セル１０は、製造コストが安く、かつ高い出力特性を有する。また、太陽電池セル１０は、色むらが無くまたは少なく良好な外観を有し、耐久性にも優れる。
以下、図３〜図５を参照しながら、実施形態の他の一例である太陽電池セル１０Ａ，３０について説明する。以下では、太陽電池セル１０との相違点について主に説明する。
図３は、実施形態の他の一例である太陽電池セル１０Ａを示す断面図である。図３に示すように、太陽電池セル１０Ａは、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１Ａの第１パッシベーション層１２と接する界面およびその近傍に、ｎ型にドーピングされたｎ+層１１ａを有する点で、太陽電池セル１０と異なる。ｎ+層１１ａは、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１Ａの受光面側からリン等のｎ型ドーパントが拡散して形成され、ウェーハの他の領域よりｎ型ドーパントの濃度が高くなっている。ｎ+層１１ａを設けることにより、セルの出力特性がさらに向上する。なお、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１Ａには、太陽電池セル１０の場合と同様に、ボロン等のｐ型ドーパントが実質的に存在しない。
ｎ+層１１ａにおけるｎ型ドーパントの濃度は、例えば、１×１０17〜１×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であり、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１Ａの受光面側界面から１μｍ以下の厚みで形成される。換言すると、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１Ａには、受光面から１μｍ以下の厚み範囲のみに、ドーパント濃度がｎ型結晶性シリコンウエハー１１Ａの厚み方向中央部のドーパント濃度以上となる領域が存在する。ｎ+層１１ａは、一般的に深さが深くなるほど、すなわちｎ型結晶性シリコンウェーハ１１Ａの受光面から離れるほどｎ型ドーパントの濃度が低下する濃度勾配を有する。
太陽電池セル１０Ａでは、ｎ型結晶性シリコン層１３についてもｎ型ドーパントの濃度勾配が存在する。ｎ型結晶性シリコン層１３は、例えば、第１パッシベーション層１２に近づくほどｎ型ドーパントの濃度が高くなる濃度勾配を有する。あるいは、第１パッシベーション層１２に近づくほどｎ型ドーパントの濃度が低くなる濃度勾配を有する。
図４は、太陽電池セル１０Ａの製造工程の一例を示すフローチャートである。図４に示すように、太陽電池セル１０Ａの製造工程では、シリコン酸化膜上にｎ型非晶質シリコン層を形成した後（Ｓ２）、Ｎ2アニール処理を行う（Ｓ３）点で、太陽電池セル１０の製造工程と異なる。Ｎ2アニールにより、ｎ型非晶質シリコン層が結晶化されｎ型結晶性シリコン層１３であるｎ型多結晶シリコンが形成される。
すなわち、太陽電池セル１０Ａの製造工程では、非晶質シリコン層を形成した後、当該非晶質シリコン層を結晶化してｎ型結晶性シリコン層１３が形成される。また、第１パッシベーション層１２を形成した後、第２パッシベーション層１６を形成する前に、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面側界面およびその近傍をｎ型にドーピングしてｎ+層１１ａが形成される。図４に示す例では、Ｎ2アニール処理によりｎ型非晶質シリコン層中のｎ型ドーパントが拡散してｎ+層１１ａが形成される。Ｓ２，Ｓ３以外の工程は、太陽電池セル１０の製造工程と同様である。
Ｓ２では、シリコン酸化膜が形成されたｎ型結晶性シリコンウェーハ１１を真空チャンバ内に設置して、ＣＶＤまたはスパッタリングによりｎ型非晶質シリコン層を形成する。ＣＶＤによるｎ型非晶質シリコン層の成膜には、例えば、シランガスにホスフィンを添加し、水素で希釈した原料ガスが使用される。
Ｓ３は、窒素雰囲気下、８００〜９００℃程度の高温で、ｎ型非晶質シリコン層が形成されたｎ型結晶性シリコンウェーハ１１を熱処理する工程である。Ｓ３では、窒素以外の不活性ガスを用いて高温・低酸素雰囲気アニール処理を行う、あるいはレーザーアニールを行うことも可能である。この工程により、ｎ型非晶質シリコン層の結晶化が進行し、ｎ型結晶性シリコン層１３であるｎ型の多結晶シリコン層が形成される。さらに、ｎ型非晶質シリコン層に含有されるリン等のｎ型ドーパントがｎ型結晶性シリコンウェーハ１１に拡散して、受光面側界面およびその近傍にｎ+層１１ａが形成される。
ｎ+層１１ａは、塩化ホスホリル（ＰＯＣｌ3）等の蒸気を用いた熱拡散法により形成することもできる。例えば、酸素濃度を低く設定したＳｉＯｘ膜、またはｉ型非晶質シリコン層をｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の一方の面上に形成し、リンを８００〜９００℃程度の高温で熱拡散させてｎ+層１１ａおよびｎ型結晶性シリコン層１３を形成してもよい。また、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の一方の面上にＳｉＯｘ膜を形成し、その上に液体シリコンを塗布した後、Ｎ2アニール処理を行うことで、ｎ型結晶性シリコン層１３を形成することも可能である。
図５は、実施形態の他の一例である太陽電池セル３０を示す断面図である。図５に示すように、太陽電池セル３０は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１の裏面側のみに電極を備える点で、ｎ型結晶性シリコンウェーハの受光面側および裏面側に電極をそれぞれ備える太陽電池セル１０，１０Ａと異なる。ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１Ａと同様に、第１パッシベーション層３２と接する界面およびその近傍に、ｎ型にドーピングされたｎ+層３１ａを有する。
太陽電池セル３０は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１の受光面上に形成された第１パッシベーション層３２と、第１パッシベーション層３２上に形成されたｎ型結晶性シリコン層３３とを備える。第１パッシベーション層３２およびｎ型結晶性シリコン層３３には、太陽電池セル１０，１０Ａの場合と同様の構成を適用できる。太陽電池セル３０は、ｎ型結晶性シリコン層３３上に保護層３４を有する。保護層３４は、例えばｎ型結晶性シリコン層３３を保護し、またセル表面における太陽光の反射を抑制する。保護層３４は、光透過性が高い材料から構成されることが好ましく、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、または酸窒化シリコン等の絶縁物を主成分として構成される。
太陽電池セル３０は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１の裏面側に形成された第２パッシベーション層３５，３７と、ｐ型非晶質シリコン層３６と、ｎ型非晶質シリコン層３８とを備える。第２パッシベーション層３５は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１の裏面上に形成され、ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１とｐ型非晶質シリコン層３６との間に介在する。第２パッシベーション層３７は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１の裏面上に形成され、ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１とｎ型非晶質シリコン層３８との間に介在する。ｐ型非晶質シリコン層３６とｎ型非晶質シリコン層３８は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１の裏面側にｐ型領域とｎ型領域をそれぞれ形成する。以下では、第２パッシベーション層３５およびｐ型非晶質シリコン層３６がｐ型領域を、第２パッシベーション層３７およびｎ型非晶質シリコン層３８がｎ型領域をそれぞれ構成するものとして説明する。
ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１の裏面上に形成されるｐ型領域の面積は、ｎ型領域の面積より大きいことが好ましい。ｐ型領域とｎ型領域は、例えば一の方向に交互に配置され、互いに噛み合う平面視櫛歯状パターンで形成される。太陽電池セル３０では、ｐ型領域の一部がｎ型領域の一部に重なり、ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１の裏面上にｐ型領域およびｎ型領域が隙間なく形成されている。ｐ型領域とｎ型領域が重なる部分には、各領域の間に絶縁層３９が設けられている。絶縁層３９は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、または酸窒化シリコン等を主成分として構成される。絶縁層３９は、保護層３４と同じ材料から構成されてもよい。
第２パッシベーション層３５，３７には、太陽電池セル１０，１０Ａのｐ型非晶質シリコン層１７と同様の構成を適用できる。また、ｐ型非晶質シリコン層３６にも、太陽電池セル１０，１０Ａのｐ型非晶質シリコン層１７と同様の構成を適用できる。ｎ型非晶質シリコン層３８は、ｎ型にドーピングされた非晶質シリコン層である。ｎ型非晶質シリコン層３８におけるｎ型ドーパントの濃度は、例えば、１×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上である。ｎ型非晶質シリコン層３８には、一般的にｎ型ドーパントが略均一に含有されている。ｎ型ドーパントは、特に限定されないが、一般的にはリンが用いられる。ｐ型非晶質シリコン層３６およびｎ型非晶質シリコン層３８は、ｎ型結晶性シリコン層３３より水素濃度が高く、低密度である。
太陽電池セル３０は、ｐ型非晶質シリコン層３６上に形成された透明導電層４０および集電極４１と、ｎ型非晶質シリコン層３８上に形成された透明導電層４２および集電極４３とを備える。透明導電層４０および集電極４１はｐ型領域上に形成されるｐ側電極であり、透明導電層４２および集電極４３はｎ型領域上に形成されるｎ側電極である。透明導電層４０，４２は、絶縁層３９に対応する位置で互いに分離されている。集電極４１，４３は、透明導電層４０，４２上にそれぞれ形成される。集電極４１，４３は、導電性ペーストを用いて形成されてもよいが、好ましくは電解めっきにより形成される。集電極４１，４３は、例えばニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の金属から構成され、Ｎｉ層とＣｕ層との積層構造であってもよく、耐食性を向上させるために最表面に錫（Ｓｎ）層を有していてもよい。
太陽電池セル３０は、例えば、太陽電池セル１０Ａと同様の方法によって、ｎ型結晶性シリコンウェーハ３１の受光面側に第１パッシベーション層３２、ｎ型結晶性シリコン層３３、およびｎ+層３１ａを形成することができる。保護層３４、ｐ型領域、ｎ型領域、絶縁層３９、透明導電層４０，４２、および集電極４１，４３は、裏面側のみに電極を備える従来公知の太陽電池セルと同様の方法で形成できる。太陽電池セル３０は、太陽電池セル１０，１０Ａと同様に、製造コストが安く、かつ高い出力特性を有し、また外観が良好で、耐久性にも優れる。
１０，１０Ａ，３０ 太陽電池セル、１１，１１Ａ，３１ ｎ型結晶性シリコンウェーハ、１１ａ，３１ａ ｎ+層、１２，３２ 第１パッシベーション層、１３，３３ ｎ型結晶性シリコン層、１４，１８，４０，４２ 透明導電層、１５，１９，４１，４３ 集電極、１６，３５，３７ 第２パッシベーション層、１７，３６ ｐ型非晶質シリコン層、３４ 保護層、３９ 絶縁層

Claims (17)

  1. 結晶性シリコンウェーハと、
    前記結晶性シリコンウェーハの受光面上に形成され、酸化シリコン、炭化シリコン、または窒化シリコンを主成分として構成される第１パッシベーション層と、
    前記第１パッシベーション層上に形成されたｎ型結晶性シリコン層と、
    前記結晶性シリコンウェーハの裏面上に形成された第２パッシベーション層と、
    前記第２パッシベーション層上に形成されたｐ型非晶質シリコン層と、
    を備えた、太陽電池セル。
  2. 前記第２パッシベーション層は、実質的に真性な非晶質シリコンか、または前記ｐ型非晶質シリコン層よりドーパント濃度が低い非晶質シリコンを含み、前記第１パッシベーション層より厚い、請求項１に記載の太陽電池セル。
  3. 前記ｐ型非晶質シリコン層の結晶化率は、前記ｎ型結晶性シリコン層の結晶化率より低く、
    前記ｎ型結晶性シリコン層の結晶化率は、前記結晶性シリコンウェーハの結晶化率より低い、請求項１または２に記載の太陽電池セル。
  4. 前記結晶性シリコンウェーハは、ｎ型結晶性シリコンウェーハであり、前記第１パッシベーション層と接する界面およびその近傍に、ｎ型にドーピングされ他の領域よりドーパント濃度が高いｎ+層を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池セル。
  5. 前記結晶性シリコンウェーハは、前記第１パッシベーション層と接する界面およびその近傍における不純物濃度が、前記第２パッシベーション層と接する界面およびその近傍における不純物濃度より高い、請求項４に記載の太陽電池セル。
  6. 前記第１パッシベーション層は、酸化シリコンを主成分として構成され、前記第２パッシベーション層より酸素濃度が高い、請求項１に記載の太陽電池セル。
  7. 前記第１パッシベーション層における酸素濃度は、１．０×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上である、請求項６に記載の太陽電池セル。
  8. 前記ｎ型結晶性シリコン層は、前記ｐ型非晶質シリコン層より水素濃度が低い、請求項７に記載の太陽電池セル。
  9. 前記ｎ型結晶性シリコン層は、前記第２パッシベーション層より水素濃度が低い、請求項８に記載の太陽電池セル。
  10. 前記第１パッシベーション層におけるｎ型ドーパントの濃度は、前記第２パッシベーション層におけるｐ型ドーパントの濃度より高い、請求項１〜９のいずれか１項に記載の太陽電池セル。
  11. 前記ｎ型結晶性シリコン層上に形成され、金属酸化物を含む第１透明導電層と、
    前記第１透明導電層上に形成された、細線状の複数のフィンガー部を含む第１集電極と、
    前記ｐ型非晶質シリコン層上に形成され、金属酸化物を含む第２透明導電層と
    前記第２透明導電層上に形成された、第２集電極と、
    を更に備えた、請求項１に記載の太陽電池セル。
  12. 前記ｎ型結晶性シリコン層の屈折率は、前記第１透明導電層の屈折率に対して２．５倍以上である、請求項１１に記載の太陽電池セル。
  13. 前記ｎ型結晶性シリコン層上に形成され、絶縁物を主成分とする保護層と、
    前記ｐ型非晶質シリコン層上に形成され、金属酸化物を含む第２透明導電層と、
    前記第２透明導電層上に形成された、集電極と、
    を更に備えた、請求項１に記載の太陽電池セル。
  14. 結晶性シリコンウェーハの一方の面上に、酸化シリコン、炭化シリコン、または窒化シリコンを主成分として構成される第１パッシベーション層を形成する工程と、
    前記第１パッシベーション層上にｎ型結晶性シリコン層を形成する工程と、
    前記ｎ型結晶性シリコン層が形成された前記結晶性シリコンウェーハの他方の面上に第２パッシベーション層を形成する工程と、
    前記第２パッシベーション層上にｐ型非晶質シリコン層を形成する工程と、
    を備える、太陽電池セルの製造方法。
  15. 前記第２パッシベーション層は、実質的に真性な非晶質シリコンか、または前記ｐ型非晶質シリコン層よりドーパント濃度が低い非晶質シリコンを含み、前記第１パッシベーション層より厚く形成される、請求項１４に記載の太陽電池セルの製造方法。
  16. 前記ｎ型結晶性シリコン層は、前記第１パッシベーション層上に非晶質シリコン層を形成した後、前記非晶質シリコン層を結晶化して形成される、請求項１４または１５に記載の太陽電池セルの製造方法。
  17. 前記第１パッシベーション層を形成した後、前記第２パッシベーション層を形成する前に、前記結晶性シリコンウェーハの前記第１パッシベーション層と接する界面およびその近傍をｎ型にドーピングして、当該界面およびその近傍にｎ+層を形成する、請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の太陽電池セルの製造方法。
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