WO2013157090A1 - 太陽電池およびその製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a solar cell and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a technology effective when applied to a back junction solar cell and a manufacturing method thereof.
- the solar cell In recent years, in the structure of the solar cell, there is no electrode on the front surface (main surface) of the substrate, that is, the light irradiation surface, and the electrode is disposed only on the back surface, that is, the surface opposite to the light irradiation surface.
- Back electrode type solar cells in particular, back junction type solar cells are being actively studied.
- the front electrode and the back electrode in the conventional solar cell are both arranged on the back surface.
- the greatest effect of the back junction structure is that the light shielding loss due to the surface electrode can be eliminated. Therefore, the solar cell can be made highly efficient by using the back junction structure. .
- Field effect passivation is a technology that increases the asymmetry between the electron density and hole density of the semiconductor layer near the interface between the passivation film and the semiconductor layer and reduces the recombination probability by the fixed charge of the passivation film.
- a SiN (silicon nitride) film that is currently widely used as a passivation film for Si (silicon) solar cells usually has a positive charge.
- the recombination of electrons and holes occurs with the highest probability when the number densities of both are the same, and as described above, the electron density and hole density are made asymmetric, that is, the electron density and positive density are positive. Recombination can be suppressed by increasing the difference from the hole density.
- the passivation film is in contact with the emitter layer of the solar battery cell, that is, the heavily doped p + layer or n + layer. In this case, in order to increase the asymmetry between electron density and hole density by field effect passivation, the passivation film in contact with the n + layer has a positive charge, and the passivation film in contact with the p + layer has a negative charge. Need to be.
- the solar cell can be made highly efficient by forming the passivation film which accumulated the electric charge corresponding to the n + layer and the p + layer, respectively, and performing the field effect passivation.
- a back junction type as a structure of a solar cell and a field effect passivation as a passivation technique in a solar cell are attracting attention as structures capable of improving the power generation efficiency of the solar cell.
- the following problems arise. That is, in the back junction solar cell, since the p + layer and the n + layer exist in the same plane (for example, the back side of the substrate), in order to apply field effect passivation, a film having a positive charge, It is necessary to form a film having a negative charge on the same surface so as to be in contact with the same surface (for example, the back surface of the substrate).
- Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2008-10746.
- a passivation film charged with either a positive charge or a negative charge for example, a film having a positive charge is formed by a film forming method or the like. It is formed on the entire back surface.
- a passivation film having a negative charge is formed on the entire surface by a film forming method or the like.
- Patent Document 1 includes a process of removing the passivation film by patterning and two film forming processes, and thus has a problem that the manufacturing cost increases.
- Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-322780 discloses the following method as a method of applying field effect passivation to a back junction solar cell. First, after forming a p + layer and an n + layer on the back surface of the substrate, a passivation film charged with either positive charge or negative charge, for example, a film having positive charge is formed on the entire back surface. To do. Thereafter, ion implantation is performed only on a film in a region in contact with the p + layer in the passivation film. At this time, the ion species to be implanted generate a negative charge in the passivation film.
- Patent Document 2 Cu (copper) is implanted into the SiN (silicon nitride) film to generate a negative charge. This method is given as an example. When this method is used, since ion implantation is used, unlike the method described in Patent Document 1, there is an advantage that it is not necessary to use a complicated process of patterning removal and film formation twice. .
- Patent Document 2 has the following three problems. First, it is expected that the ions implanted into the passivation film reach the substrate, causing damage to the substrate due to ion implantation, and the substrate becoming amorphous. Next, when ion implantation is performed under the conditions described in Patent Document 2, it is expected that the electrical insulation of the passivation film is impaired due to the high implantation dose.
- the said patent document 2 does not specify whether the said ion implantation process or an electrode formation process is performed first, when an electrode formation process is performed first and ion implantation is performed after that, Then, when ion implantation is performed under the conditions described in Patent Document 2, it is expected that the contact resistance between the electrode and the external wiring increases due to damage to the electrode due to ion implantation. Therefore, the method described in Patent Document 2 has a problem due to damage caused by ion implantation as described above.
- a field effect passivation is performed by making a film having a negative charge adjacent to a p + layer and a film having a positive charge adjacent to an n + layer.
- a method for forming the positively charged film and the negatively charged film if the film is removed by patterning or film formation is performed a plurality of times, the solar cell is damaged and the reliability decreases. There is.
- the manufacturing process becomes complicated, resulting in an increase in the manufacturing cost of the solar cell.
- One object of the present invention is to improve the performance of solar cells.
- Another object of the present invention is to improve the reliability of solar cells.
- Still another object of the present invention is to simplify the manufacturing process of the solar cell.
- a solar cell includes an n layer, a p layer formed in the same plane as the n layer, a first silicon oxide film, a silicon nitride film, and a first layer in contact with the n layer and the p layer.
- a portion adjacent to the n layer has a positive charge
- a portion adjacent to the p layer is a negative charge. It is what has.
- a solar cell includes an n layer, a p layer formed in the same plane as the n layer, a first silicon oxide film in contact with the n layer and the p layer, nitrided A passivation film in which a silicon film and a second silicon oxide film are laminated in this order, the n layer and the p layer have different widths, and an n layer side electrode in contact with the n layer, and the p layer
- the silicon nitride film in the portion adjacent to the n layer has a positive charge
- part of the silicon nitride film in the portion adjacent to the p layer is positive. The remaining part has a negative charge.
- the manufacturing method of the solar cell which is other one embodiment is as follows. (A) forming an n layer; (B) forming a p layer in the same plane as the n layer; (C) forming a passivation film in which a first silicon oxide film, a silicon nitride film, and a second silicon oxide film in contact with the n layer and the p layer are stacked in this order; (D) forming a contact hole in a portion of the passivation film adjacent to the n layer; (E) after the step (d), forming an n-layer side electrode in contact with the n-layer; (F) irradiating the passivation film with UV light; It is what has.
- the performance of the solar cell can be further improved.
- FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the solar cell which is Embodiment 1 of this invention. It is a top view of the back surface side of the solar cell in the manufacturing process shown in FIG. It is sectional drawing of the solar cell in the manufacturing process following FIG. It is a top view of the back surface side of the solar cell in the manufacturing process shown in FIG. It is sectional drawing of the solar cell in the manufacturing process following FIG. It is a top view of the back surface side of the solar cell in the manufacturing process shown in FIG. It is sectional drawing of the solar cell in the manufacturing process following FIG. It is a top view of the back surface side of the solar cell in the manufacturing process shown in FIG. It is sectional drawing of the solar cell in the manufacturing process following FIG.
- FIG. 22 is a cross-sectional view taken along line BB in FIGS. 20 and 21.
- FIG. 1 is a plan view of the back side of the solar battery cell according to the present embodiment.
- FIG. 1 shows a silicon oxide film 34 formed on the lower surface of a silicon substrate, which will be described later, and a p + layer side electrode 13 and an n + layer side electrode 23 formed below the silicon oxide film 34.
- Each of the p + layer side electrode 13 and the n + layer side electrode 23 has a pattern extending in the first direction along the back surface of the silicon substrate.
- the patterns extending in the first direction of each of the p + layer side electrode 13 and the n + layer side electrode 23 are arranged side by side in a second direction orthogonal to the first direction.
- the p + layer side electrode 13 and the n + layer side electrode 23 extending in the second direction have a plurality of patterns alternately arranged side by side in the first direction.
- each of the p + layer side electrode 13 and the n + layer side electrode 23 has a comb shape including a pattern extending in the first direction and a plurality of patterns extending in the second direction from the pattern. is doing.
- FIG. 1 shows a structure having a comb-shaped electrode pattern in the back junction solar cell, but other electrode patterns may be used in the present embodiment.
- FIG. 2 is a cross-sectional view of a back junction solar cell that is a main part of the solar cell of the present embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
- the surface of the back junction solar cell is textured to form a doping layer for preventing surface recombination, that is, a so-called FSF (Front Surface Field) layer, and further a surface passivation film or an antireflection film
- FSF Front Surface Field
- FIG. 2 shows a structure when the back surface is not textured, but here, the back surface may be textured.
- texture processing is forming the unevenness
- the back junction solar cell constituting the solar cell of the present embodiment has a silicon substrate (semiconductor substrate) 1, and a p + layer 11 and an n + layer 21 are formed on the back surface thereof.
- An ONO multilayer film 31 is formed in contact with the back surface of the silicon substrate 1 so as to cover the back surfaces of the silicon substrate 1, the p + layer 11, and the n + layer 21.
- a p + layer side electrode 13 connected to the + layer 11 and an n + layer side electrode 23 connected to the n + layer 21 are formed.
- the silicon substrate 1 is more effective in increasing the power generation efficiency of the solar cell if the n-type substrate having a longer minority carrier lifetime than the p-type substrate is used.
- the silicon substrate 1 is A p-type substrate or an n-type substrate may be used.
- the p + layer 11 and the n + layer 21 have an impurity concentration higher than that of the silicon substrate 1, they are called a p + layer and an n + layer instead of the p layer and the n layer.
- SiO 2 (silicon oxide) / SiN (silicon nitride) / SiO 2 multilayer film of three layers of (silicon oxide) hereinafter, ONO stacked film 31 of this laminated film
- ONO stacked film 31 of this laminated film the fixed charge of the silicon nitride film 33 in the ONO multilayer film 31 is negative in the region in contact with the p + layer 11 and in the region in contact with the n + layer 21. This is a positive charge.
- the ONO laminated film 31 includes a silicon oxide film 32, a silicon nitride film 33, and a silicon oxide film 34.
- the silicon oxide film 32 is in a position in contact with the p + layer 11 and the n + layer 21, and is oxidized.
- the silicon film 34 is in a position not in contact with the p + layer 11 and the n + layer 21. That is, a silicon oxide film 32, a silicon nitride film, and a silicon oxide film 34 are formed in this order from the back surface of the silicon substrate 1, and these three insulating films constitute an ONO laminated film 31.
- the silicon nitride film 33 in the ONO multilayer film 31 in the region in contact with the p + layer 11 is a negative charge storage film 36
- the silicon nitride film 33 in the ONO multilayer film 31 in the region in contact with the n + layer 21 is A positive charge storage film 35 is formed.
- the ONO multilayer film 31 including the silicon nitride film 33 is a field effect passivation film
- the ONO multilayer film 31 is formed adjacent to the p + layer 11 and the n + layer 21, so that the effect of the field effect passivation can be obtained. Obtainable.
- the field effect passivation is most effective in the structure in which the p + layer and the film having a negative charge are in contact with each other, and the n + layer and the film having a positive charge are in contact with each other.
- This structure satisfies the condition.
- As the back electrode a p + layer side electrode 13 in contact with the p + layer 11 and an n + layer side electrode 23 in contact with the n + layer 21 are formed.
- a contact hole 22 exposing the lower surface of the p + layer 11 is formed in the ONO multilayer film 31 in contact with the p + layer 11, and the ONO multilayer film 31 is formed immediately below the p + layer 11 in the contact hole 22.
- a part of the p + layer side electrode 13 formed therethrough is embedded.
- the ONO stacked film 31 in contact with the n + layer 21, n + A contact hole 12 exposing the lower surface of the layer 21 is formed, the contact hole 12, ONO stacked directly under the n + layer 21 A part of the n + layer side electrode 23 formed through the film 31 is buried.
- the size such as the depth and diameter of the contact hole is optimized in consideration of processing accuracy, contact resistance, and interface recombination speed.
- the solar cell of the present embodiment includes the silicon substrate 1, the p + layer 11 and the n + layer 21 that are semiconductor regions formed on the back surface of the silicon substrate 1, and the back surface of the silicon substrate 1.
- the ONO laminated film 31 formed so as to cover the p + layer side electrode 13 that penetrates the ONO laminated film 31 and is electrically connected to the p + layer 11, and the n + that penetrates the ONO laminated film 31.
- an n + layer side electrode 23 electrically connected to the layer 21.
- the ONO laminated film 31 has a silicon nitride film 33 sandwiched between silicon oxide films 32 and 34 in a direction perpendicular to the back surface of the silicon substrate 1.
- the silicon nitride film 33 has a positive charge storage film 35 in a region overlapping with the n + layer side electrode 23 in plan view, and a negative charge storage film 36 in a region overlapping with the n + layer side electrode 23 in plan view. have. That is, the silicon nitride film 33 in the ONO stacked film 31 in the region not in contact with the p + layer 11 and the n + layer 21 has the negative charge storage film 36. As will be described later, the negative charge storage film 36 irradiates the silicon nitride film 33 originally having a positive charge with UV (ultraviolet) light using the n + layer side electrode 23 as a mask and is exposed from the n + layer side electrode 23.
- UV ultraviolet
- This is a film formed by negatively charging the silicon nitride film 33 in the ONO laminated film 31 in the region where it is formed.
- the positive charge storage film 35 is a film that is covered with the n + layer side electrode 23 in the UV light irradiation process and in which a positive charge remains in a region not irradiated with the UV light.
- the solar cell of the present embodiment by using the structure as described above, electrons in the silicon substrate 1 are attracted to the n + layer side electrode 23 side by the positive charges in the positive charge storage film 35, and holes are attracted.
- the n + layer side electrode 23 side can be kept away.
- holes in the silicon substrate 1 can be attracted to the p + layer side electrode 13 side by negative charges in the negative charge storage film 36, and electrons can be prevented from attracting to the p + layer side electrode 13 side. .
- the electron density and the hole density are approximately the same in the vicinity of the interface between the n + layer 21 and the n + layer side electrode 23 or in the vicinity of the interface between the p + layer 11 and the p + layer side electrode 13. Therefore, recombination of electrons and holes can be prevented. This is because recombination of electrons and holes occurs with the highest probability when the number densities of both are approximately the same.
- the ONO laminated film 31 that is a field effect passivation film is used. The recombination is prevented by increasing the difference between the number of electrons and the number of holes. Therefore, in the back junction solar cell according to the present embodiment, it is possible to further improve the power generation efficiency. Thereby, the performance of a solar cell can be improved.
- FIGS. 3, FIG. 5, FIG. 7, FIG. 9, FIG. 11, FIG. 13 and FIG. 15 are cross-sectional views for explaining a method of manufacturing a solar battery cell according to the present embodiment.
- 1 corresponds to a cross section taken along line AA. 4, 6, 8, 10, 12, 14, and 16 use FIGS. 3, 5, 7, 9, 11, 13, and 15. It is a top view of the back surface side of the photovoltaic cell in the manufacturing process in the process demonstrated.
- the p + layer 11 and the n + layer 21 which are semiconductor layers are formed on the back surface of the silicon substrate 1.
- a sectional view of the structure after the formation of the p + layer 11 and the n + layer 21 is shown in FIG. 3, and a plan view thereof is shown in FIG.
- the method of forming the p + layer 11 and the n + layer 21 is a method of forming the n + layer 21 locally after first forming the p + layer 11 on the entire surface by a known vapor phase diffusion method or the like .
- a method of locally forming both the layer 11 and the n + layer 21 is used.
- vapor diffusion is performed after the diffusion prevention layer is patterned so as to be in contact with the back surface of the silicon substrate 1, or a diffusion paste is applied to the silicon substrate 1.
- a method of performing solid layer diffusion after patterning so as to be in contact with the back surface of the substrate is conceivable.
- the solid layer diffusion referred to here is, for example, that a diffusion paste containing a p-type impurity (for example, B (boron)) is formed on a silicon substrate, and heat treatment is performed to diffuse the impurity into the silicon substrate.
- a p-type layer is formed on the surface of the substrate.
- the p + layer 11 is formed by introducing a p-type impurity (for example, B (boron)) to the back surface of the silicon substrate 1, and the n + layer 21 is an n-type impurity on the back surface of the silicon substrate 1. It is formed by introducing (for example, P (phosphorus)).
- a p-type impurity for example, B (boron)
- P phosphorus
- a plurality of p + layers 11 and n + layers 21 are alternately formed in the first direction along the back surface of the silicon substrate 1. Further, the p + layer 11 and the n + layer 21 are formed so as to extend in the second direction orthogonal to the first direction, respectively.
- an ONO laminated film 31 that covers the back surface of the silicon substrate 1 is formed.
- a sectional view of the structure after the ONO laminated film 31 is formed is shown in FIG. 5, and a plan view is shown in FIG.
- the ONO laminated film 31 is formed by sequentially laminating a silicon oxide film 32, a silicon nitride film 33, and a silicon oxide film 34 on the back surface of the silicon substrate 1 so as to cover the p + layer 11 and the n + layer 21.
- the silicon oxide film 32 may be formed by oxidizing the silicon substrate 1, the p + layer 11, and the n + layer 21, or a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or the like.
- the film forming method may be used.
- the property required for the silicon oxide film 32 includes a low interface state density with the silicon substrate 1, the p + layer 11, and the n + layer 21.
- the silicon oxide film 32 is preferably formed by thermal oxidation.
- the silicon oxide film 32 serves as a barrier layer that prevents carrier movement between the silicon substrate 1, the p + layer 11, the n + layer 21, and the silicon nitride film 33.
- the leak current passing through the silicon oxide film 32 is required to be as small as possible. Therefore, the thickness of the silicon oxide film 32 is desirably 5 nm or more.
- the silicon nitride film 33 is formed by a low pressure CVD method (Low Pressure CVD; LPCVD method) or a plasma CVD method (Plasma Enhanced CVD; PECVD method).
- the film formation by the LPCVD method is performed using SiH 2 + Cl 2 (dichlorosilane) and NH 3 (ammonia) as source gases at a temperature of 750 ° C. to 800 ° C., for example.
- the film formation by the PECVD method is performed using SiH 4 (monosilane), NH 3 (ammonia), and N 2 (nitrogen) as source gases at a temperature of 250 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, for example.
- the silicon nitride film 33 formed under these conditions becomes a silicon nitride film 33 having a positive charge.
- the silicon oxide film 34 is formed by a film forming method such as a CVD method.
- FIGS. 7 and 8 of the ONO multilayer film 31, a part of the region in contact with n + layer 21, an n + layer side of the contact hole 22 to expose the lower surface of the n + layer 21 Form.
- a sectional view of the structure after opening the contact hole 22 is shown in FIG. 7, and a plan view thereof is shown in FIG.
- the contact hole 22 may be formed by laser irradiation, or may be performed by an etching method using an etching paste or a photolithography technique.
- the contact hole 22 needs to penetrate at least the silicon oxide film 32 from the silicon oxide film 34.
- a part of the n + layer 21 may be further etched.
- the contact hole 22 is preferably formed by laser irradiation in a vacuumed space so that no flash is generated.
- the n + layer side electrode 23 is formed under the ONO laminated film 31 so as to bury the contact hole 22.
- a sectional view of the structure after the formation of the n + layer side electrode 23 is shown in FIG. 9, and a plan view thereof is shown in FIG.
- the material of the n + layer side electrode 23 is Ag (silver), Al (aluminum), Ti (titanium), Cu (copper), or a compound containing these as a main component.
- the n + layer side electrode 23 may be a film in which a plurality of films are laminated among an Ag film, an Al film, a Ti film, a Cu film, and a film made of a compound containing them as a main component.
- the n + layer side electrode 23 is formed by, for example, a printing method, a vapor deposition method, a plating method, a sputtering method, a CVD method, or the like.
- the size of the contact hole 22, that is, the diameter of the contact hole 22 is as small as possible within a range where the contact resistance between the n + layer 21 and the n + layer side electrode 23 does not cause a decrease in the efficiency of the solar cell. It is desirable to make it smaller. The reason is that the recombination speed at the interface between the n + layer 21 and the n + layer side electrode 23 is larger than the recombination speed at the interface between the n + layer 21 and the silicon oxide film 32, and the n + layer 21 and n This is because by reducing the area of the interface with the + layer side electrode 23, recombination can be suppressed and the characteristics of the solar cell are improved.
- recombination is more significant between the semiconductor layer such as silicon (Si) and the metal film than between the semiconductor layer and the silicon oxide film.
- the ONO laminated film 31 is irradiated with UV light from the back side of the silicon substrate 1.
- the UV light it is desirable to use light having a wavelength of 310 nm or less, that is, an energy of 4 eV or more, for reasons described later.
- FIG. 11 shows a cross-sectional view of the solar battery cell during the manufacturing process in the process of irradiating UV light
- FIG. 12 shows a plan view thereof.
- UV light is irradiated from the lower side (back side) of the silicon substrate 1 toward the ONO laminated film 31 on the back side of the silicon substrate 1.
- the n + layer side electrode 23 reflects the UV light.
- the ONO laminated film 31 has the UV light. Receive irradiation.
- the silicon nitride film 33 in the ONO laminated film 31 has a negative charge accumulation that is a silicon nitride film 33 having a negative charge from a silicon nitride film 33 having a positive charge immediately after the film formation. It changes to the film 36.
- the silicon nitride film 33 that is not irradiated with UV light and has a positive charge is referred to as a positive charge storage film 35. That is, the silicon nitride film 33 after UV light irradiation includes a positive charge storage film 35 that overlaps the n + layer side electrode 23 in a plan view and a negative charge storage film 36 that does not overlap the n + layer side electrode 23 in a plan view. It is configured. Hereinafter, this phenomenon will be described.
- FIG. 17 shows a four-layer energy band structure of the silicon substrate 1, the silicon oxide film 32, the silicon nitride film 33, and the silicon oxide film.
- the silicon oxide film 32 and the silicon oxide film 34 form an energy barrier, so that the charge of the silicon nitride film 33 cannot move freely and remains in the silicon nitride film 33. It will be.
- a nonvolatile memory such as a MONOS (Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor) type memory.
- MONOS Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor
- electrons can be accumulated in the silicon nitride film 33 or holes can be accumulated by performing carrier injection from the silicon substrate 1 to the silicon nitride film 33 by a tunnel current or the like.
- the threshold voltage of the transistor changes, and the operation as a memory is realized by reading this.
- the threshold voltage changes to a constant value regardless of the threshold voltage value before irradiation.
- the value of the threshold voltage after irradiation is about 1 V when the silicon substrate 1 is a p-type substrate, and this value means that the silicon nitride film 33 has a negative charge. The reason why the silicon nitride film 33 has a negative charge due to UV light irradiation can be explained from the energy band structure of FIG.
- the silicon oxide film 32 forms an energy barrier
- the conduction band barrier height X is about 3 eV
- the valence band barrier height Y is about 4 eV.
- the energy of the above-described UV light is higher than these barrier heights. Therefore, the electrons and holes excited by the UV light move over the barrier of the silicon oxide film 32 and move between the silicon substrate 1 and the silicon nitride film 33.
- the valence band barrier height between the silicon substrate 1 and the silicon oxide film 32 is higher than the conduction band barrier height, excessive electrons are supplied from the silicon substrate 1 to the silicon nitride film 33, and the steady state In the state, the number of electrons existing in the silicon nitride film 33 is larger than the number of holes. That is, the silicon nitride film 33 is changed to a state having a negative charge by the UV light irradiation.
- the carrier barrier between the silicon substrate 1 and the silicon oxide film 32 is inhibited by the energy barrier of the silicon oxide film 32, and thus accumulated in the silicon nitride film 33.
- Negative charges continue to exist stably.
- a positive charge storage film 35 having a positive charge and a negative charge storage film 36 having a negative charge are adjacent to each other in the same silicon nitride film 33. Therefore, if the pitch between the positive charge storage film 35 and the negative charge storage film 36 is short, there is a possibility that the charges of both of them cancel each other, but it can be said that there is no concern in the solar battery cell. .
- the charge interference between the cells should be at least a pitch between the memory cells of about 0.1 ⁇ m or more. This does not affect the memory operation.
- the pitch between the positive charge storage film 35 and the negative charge storage film 36 corresponds to the pitch between the p + layer 11 and the n + layer 21 and is about several tens ⁇ m to several mm. Therefore, it is considered that there is no concern that charges are canceled between the positive charge storage film 35 and the negative charge storage film 36 described above.
- the pitch of the p + layer 11 and n + layer 21 here refers to the arrangement interval between the p + layer 11 and n + layer 21 arranged alternately in the second direction as described above, adjacent p + layer This is not the shortest distance between the opposite end portions of 11 and the n + layer 21. That is, the pitch refers to, for example, the distance between the central portion of the p + layer 11 in the second direction and the central portion of the n + layer 21 adjacent to the p + layer 11.
- the ONO multilayer film 31 is irradiated with UV light only in a region where the electrode 23 does not exist, that is, a region not covered with the n + layer side electrode 23.
- the silicon nitride film 33 has a positive charge in a region in contact with the n + layer 21, and the silicon nitride film 33 has a negative charge in a region in contact with the p + layer 11. That is, a structure in which field effect passivation works effectively can be realized.
- a negative charge As by patterning the passivation film having a positive charge in contact with the p + layer, in contact with then the p + layer and the n + layer provided in the same plane, a negative charge
- the positive charge storage film 35 and the negative charge storage film 36 are separately formed using a self-alignment process without using a complicated process for forming the passivation film having It is. That is, since the positive charge storage film 35 and the negative charge storage film 36 are formed in a self-aligning manner by irradiating UV light using the n + layer side electrode 23 as a mask, the manufacturing process of the solar cell is simplified. And the manufacturing cost of the solar cell can be reduced.
- a method of forming the negative charge storage film 36 by charging a negative charge to the passivation film by ion implantation of an ion species such as Cu (copper) into the passivation film is conceivable. Such a method is used. If the silicon substrate is damaged by ion implantation and becomes amorphous, the characteristics of the solar cell may be deteriorated. Further, when the electrode is damaged by the ion implantation, there is a possibility that the wiring resistance between the electrode and other wiring increases. As described above, when ion implantation is performed to charge the passivation film with negative charges, there is a problem that the solar cell is damaged and the reliability of the solar cell is lowered.
- the negative charge storage film 36 is formed by irradiating UV light, and the silicon substrate 1 or the n + layer side electrode 23 is damaged as in the case where ion implantation is performed. Since this can be prevented, the reliability of the solar cell can be improved.
- the contact hole 12 is formed (opened) in a part of the ONO laminated film 31 in a region in contact with the p + layer 11.
- the structure after the contact hole 22 is formed is shown in FIG. 13, and the plan view is shown in FIG.
- the contact hole 12 may be formed by laser irradiation as in the case of forming the contact hole 22, or may be performed by an etching method using an etching paste or a photolithography technique.
- the contact hole 12 is opened so as to expose the bottom surface of the p + layer 11.
- the manufacturing method in which the contact holes 12 are formed after the UV light irradiation has been described.
- the sample temperature may rise to, for example, 200 ° C. or more. If there is, it is preferable to manufacture the solar cell in the order of performing UV light irradiation after forming the contact hole 12. The reason for this is that when the sample temperature rises, the charge accumulated in the silicon nitride film 33 has a higher probability of overcoming the energy barrier of the silicon oxide film 32 due to thermal energy, and negative charge accumulation formed by UV light irradiation is increased. This is because the film 36 may return to the silicon nitride film having a positive charge in the initial state.
- p + layer side electrode 13 is formed so as to fill contact hole 12.
- the material of the p + layer side electrode 13 may be the same as or different from the material of the n + layer side electrode 23. Since the metal that is in electrical contact with the p + layer 11 and the metal that is in electrical contact with the n + layer 21 have different optimum work functions, the contact resistance of the p + layer side electrode 13 is reduced. It is desirable to optimize the work function of the material and the material of the n + layer side electrode 23, respectively.
- the size (diameter) of the contact hole 12 is appropriately determined as in the case of the contact hole 22 described above.
- the solar battery cell according to the present embodiment is completed.
- heat treatment, plasma treatment, or the like for improving the crystallinity or film quality of each film or for improving the quality of the interface with the adjacent film may be added as appropriate.
- the widths of the p + layer 11 and the n + layer 21 are approximately the same, the widths of the p + layer 11 and the p + layer side electrode 13 are approximately the same, and the n + layer 21 and the n + layer side A structure in the case where the widths of the electrodes 23 are approximately the same is depicted.
- the width of the p + layer 11 may be made larger than the width of the n + layer 21. Conceivable. In this case, as shown in FIG.
- the width of the p + layer 11 and the p + layer side electrode 13 is approximately the same, and the width of the n + layer 21 and the n + layer side electrode 23 is also approximately the same.
- the widths of the p + layer 11 and the p + layer side electrode 13 are different, the widths of the n + layer 21 and the n + layer side electrode 23 are different, and the p + layer side electrode 13 and There may be a structure in which the width of the n + layer side electrode 23 is approximately the same.
- 18 and 19 show cross-sectional views of modifications of the solar cell of the present embodiment.
- the width here means that the p + layer 11 or the n + layer 21 extending in the second direction along the back surface of the silicon substrate 1 is perpendicular to each extending direction (second direction).
- the length of the p + layer 11 or the n + layer 21 in one direction is assumed.
- the width of the p + layer side electrode 13 or the n + layer side electrode 23 is the width of each electrode in the first direction orthogonal to the extending direction (second direction) of the pattern extending in the second direction. It shall be the length.
- the width of the p + layer side electrode 13 or the n + layer side electrode 23, the extending direction of the p + layer side electrode 13 or the n + layer side electrode 23 in the region extending in the first direction (first direction ) Does not mean the length.
- the width of the p + layer 11 is larger than the width of the n + layer 21, and the widths of the p + layer 11 and the p + layer side electrode 13 are approximately the same, and the n + Consider a case where the widths of the layer 21 and the n + layer side electrode 23 are approximately the same.
- the negative charge storage film 36 is formed in a region not covered with the n + layer side electrode 23. For this reason, in the structure shown in FIG.
- the silicon nitride film 33 has a positive charge in the region in contact with the n + layer 21 in the ONO laminated film 31, and the nitride in the region in contact with the p + layer 11. Since the silicon film 33 has a negative charge, the above-described effect of the present embodiment can be obtained in the same manner as the structure shown in FIG.
- the width of the p + layer 11 and the p + layer side electrode 13 is different, the width of the n + layer 21 and the n + layer side electrode 23 is different, and the p + layer side electrode 13.
- the silicon nitride film 33 has a positive charge in a part of the region in contact with the p + layer 11 in the ONO laminated film 31. That is, there is a region where the p + layer 11 and the positive charge storage film 35 overlap in plan view.
- the wiring resistance can be reduced. If the wiring resistance value is large and the solar cell efficiency is reduced, a method such as increasing the height (film thickness) of the n + layer side electrode 23 may be taken to avoid this. desirable.
- the characteristics of the solar cell of the present embodiment differ depending on the width relationship of the p + layer 11, the n + layer 21, the p + layer side electrode 13, and the n + layer side electrode 23. It is necessary to design according to the case such as the above-described increase in electrode height.
- Electrodes 23 are formed respectively. That is, for example, a plurality of n + layers 21 are formed in a matrix on the back surface of the silicon substrate 1, and p + layers 11 are formed on the back surface of the silicon substrate 1 in other regions, corresponding to each n + layer 21.
- a configuration in which a plurality of contact holes 22 are opened in the ONO stacked film 31 at positions is not employed in the present embodiment.
- the ONO laminated film 31 in contact with the p + layer 11 formed between the adjacent n + layers 21 is covered with the n + layer side electrode 23.
- the charge inversion of the silicon nitride film 33 in the region in contact with the p + layer 11 does not occur.
- the positive charge storage layer 35 exists in a part of the silicon nitride film 33 in the region in contact with the p + layer 11. That is, there is a region where passivation is performed by the positive charge storage film 35 with respect to the p + layer 11.
- the back junction solar cell it is possible to realize a structure in which the p + layer 11 does not exist immediately above the n + layer side electrode 23. That is, it is possible to form a structure in which the p + layer 11 and the positive charge storage film 35 do not overlap in plan view. Therefore, in this embodiment, the field effect passivation is more effectively performed as compared with the solar cell including the structure in which the p + layer 11 and the positive charge storage film 35 overlap in plan view as described above. And the performance of the solar cell can be improved.
- FIG. 20 is a plan view of the back surface side of the solar cell of the present embodiment.
- FIG. 21 is an enlarged plan view showing a part of FIG. 22 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIGS. 20 and 21.
- FIG. 20 is a plan view of the back surface side of the solar cell of the present embodiment.
- FIG. 21 is an enlarged plan view showing a part of FIG. 22 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIGS. 20 and 21.
- the structure of the first embodiment is a back junction solar cell
- the structure of the present embodiment is an emitter wrap through (EWT) solar cell. It is a cell.
- EWT solar battery cell As shown in FIG. 22, a through hole penetrating the upper surface and the lower surface of the silicon substrate 1 is formed, and then an n + layer 21 is formed on the inner wall of the through hole and the back surface of the silicon substrate 1. Then, the n + layer side electrode 23 for filling the through hole is formed. A p + layer 11 is formed on the back surface of the silicon substrate 1.
- the plan view shown in FIG. 20 is the same as the plan view of the back junction solar cell shown in FIG. 1, and similarly to the back junction solar cell, the EWT solar cell also has the p + layer side electrode 13 and n.
- Each of the + layer side electrodes 23 is a kind of a back electrode type solar battery cell disposed on the back surface.
- the electron movement path in the silicon substrate 1 can be shortened, and the electrical resistance can be reduced. Further, since the n + layer 21 is formed at a position away from the p + layer 11 where holes are concentrated, it is possible to prevent the electrons in the silicon substrate 1 from recombining with the holes in the vicinity of the p + layer 11. Can do.
- the silicon nitride film 33 in the region in contact with the n + layer 21 in the ONO stacked film 31 is the same as the structure of the first embodiment.
- the silicon nitride film 33 in the region that is the positive charge storage film 35 and is in contact with the p + layer 11 is the negative charge storage film 36.
- the EWT solar cell also has a positive charge with respect to the n + layer 21 without performing patterning.
- Field effect passivation can be realized by performing passivation with a film and performing passivation with respect to the p + layer 11 with a film having a negative charge. Since the effect of the present embodiment also varies depending on the width relationship of the p + layer 11, the n + layer 21, the p + layer side electrode 13, and the n + layer side electrode 23, as in the first embodiment. It is necessary to design according to
- the manufacturing method of the solar battery cell of the present embodiment is almost the same as that of the first embodiment. That is, after a through hole penetrating the silicon substrate 1 is formed by laser irradiation, the n + layer 21 is formed on the inner wall of the through hole and the back surface of the silicon substrate 1, and the p + layer 11 is further formed on the back surface of the silicon substrate 1. Form. Subsequently, an ONO laminated film 31 is formed on the back surface of the silicon substrate 1, a contact hole 22 is formed thereafter, and then an n + layer side electrode 23 is formed.
- the silicon nitride film having a positive charge in a region of the ONO multilayer film 31 that is not covered by the n + layer side electrode 23 is stored as a negative charge.
- the contact hole 12 is formed, and then the p + layer side electrode 13 is formed.
- the n + layer 21 is formed in a cylindrical shape along the inner wall of the through hole when viewed from the top, whereas the n + layer side electrode 23 is formed of each of the plurality of through holes. It is formed in a line shape overlapping with the n + layer 21 formed on the inner wall in plan view.
- FIG. 21 the top view seen from the back surface side of the silicon substrate 1 (refer FIG. 22) is shown.
- the shapes of the n + layer side electrode 23 and the p + layer side electrode 13 formed on the lower side (back side) than the silicon substrate 1 are indicated by broken lines.
- the n + layer side electrode 23 is arranged in the second direction so as to cover the plurality of n + layers 21 exposed from the contact holes arranged in the second direction on the back surface side of the silicon substrate 1. It is arranged to extend.
- the p + layer side electrode 13 is disposed on the back surface of the silicon substrate 1 so as to extend in the second direction so as to cover the plurality of p + layers 11 exposed from the plurality of contact holes arranged in the second direction. ing.
- a part of the n + layer side electrode 23 is embedded in the through hole in the center of the annular n + layer 21 so as to penetrate the silicon substrate 1.
- the 21 shows a plurality of p + layers 11 exposed from the ONO stacked film 31 including the silicon oxide film 34 (see FIG. 22).
- the p + layers 11 are formed in a matrix on the back surface of the silicon substrate 1. Are actually formed in a wide range on the back surface of the silicon substrate 1 so as to surround each of the plurality of n + layers 21.
- the p + layer 11 exists in the region where the n + layer 21 having an annular shape in a plan view is not formed on the back surface of the silicon substrate 1, the p + layer 11 is formed so as to overlap the plurality of n + layers 21.
- the p + layer 11 always exists in a part immediately above the n + layer side electrode 23 formed. That is, the n + layer side electrode 23 is formed so as to overlap not only the n + layer 21 but also the p + layer 11. Therefore, the silicon nitride film 33 in the region covered with the n + layer side electrode 23 does not withstand negative charges even after the UV light irradiation step, and maintains a positive charge state.
- the storage film 35 and the p + layer 11 are arranged so as to overlap in a plan view. This is different from the back junction solar cell described in the first embodiment.
- the line width of the n + layer side electrode 23 is set to a value as close as possible to the hole diameter of the n + layer 21, the p + layer 11 and the positive charge storage film 35 are planar. Since the overlapping region in view can be reduced, field effect passivation can be performed more effectively and the performance of the solar cell can be improved.
- the present invention is effective when applied to the manufacturing technology of back junction solar cells.
Abstract
背面接合型の太陽電池の発電効率を向上させることを可能とする。その手段として、基板の裏面に設けられたｎ＋層およびｐ＋層を覆うように、前記基板の裏面に接するＯＮＯ積層膜と、ＯＮＯ積層膜を貫通してｎ＋層に接続されたｎ＋層側電極と、ＯＮＯ積層膜を貫通してｐ＋層に接するｐ＋層側電極とを形成する。このとき、ｎ＋層に接するＯＮＯ積層膜内の窒化シリコン膜は正電荷蓄積膜とし、ｐ＋層に接するＯＮＯ積層膜内の窒化シリコン膜は、ＵＶ光を照射された負電荷蓄積膜とする。
Description
本発明は、太陽電池およびその製造方法に関し、特に、背面接合型の太陽電池セルおよびその製造方法に適用して有効な技術に関する。
近年、太陽電池の構造の中でも、基板の表側の面（主面）、つまり光照射面、に電極が存在せず、裏面、つまり光照射面とは反対の面、にのみ電極が配置された裏面電極型太陽電池セル、中でも背面接合型太陽電池セルが、活発に研究されている。背面接合型太陽電池セルにおいては、従来の太陽電池セルにおける表面電極と裏面電極とが、いずれも裏面に配置される。背面接合型構造の最大の効果は、表面電極による光遮蔽損失をなくすことができるということであり、このため、背面接合型構造を用いることで、太陽電池を高効率化することが可能となる。
一方、太陽電池セルのパッシベーションに関して、電界効果パッシベーション技術が、近年、注目を集めている。電界効果パッシベーションとは、パッシベーション膜が有する固定電荷によって、パッシベーション膜と半導体層との界面付近における、半導体層の電子密度と正孔密度との非対称性を高め、再結合確率を低減する技術である。例えば、Ｓｉ（シリコン）太陽電池セルのパッシベーション膜として、現在広く用いられているＳｉＮ（窒化シリコン）膜は、通常、正電荷を有する。このため、太陽電池セルを構成するシリコン基板と窒化シリコン膜との界面付近では、シリコン基板中の電子が窒化シリコン膜中の正電荷に引き寄せられ、シリコン基板中の正孔は窒化シリコン膜中の正電荷に対して反発するため、シリコン基板中の電子密度が正孔密度よりも高くなる。
電子と正孔との再結合は、両者の数密度が同程度のときに最も高確率で起こるので、上記のように、電子密度と正孔密度とを非対称にする、つまり、電子密度と正孔密度との差を大きくすることで、再結合を抑制することができる。パッシベーション膜は、太陽電池セルのエミッタ層、つまり、高濃度にドーピングされたｐ＋層またはｎ＋層と接することが考えられる。この場合、電界効果パッシベーションによって、電子密度と正孔密度との非対称性を高めるためには、ｎ＋層に接するパッシベーション膜は正電荷、ｐ＋層に接するパッシベーション膜は負電荷をそれぞれ有している必要がある。
ｎ＋層に接するパッシベーション膜に正電荷を帯電させるのは、ｎ＋層中の電子を、パッシベーション膜中の正電荷により、ｎ＋層とパッシベーション膜との界面近傍に引き寄せ、逆にｎ＋層中の正孔をパッシベーション膜中の正電荷に対して反発させることで、電子密度を正孔密度よりも高くし、再結合確率を低減するためである。同様に、ｐ＋層に接するパッシベーション膜に負電荷を帯電させるのは、ｐ＋層中の正孔を、パッシベーション膜中の負電荷により、ｐ＋層とパッシベーション膜との界面近傍に引き寄せ、逆にｐ＋層中の電子をパッシベーション膜中の負電荷に対して反発させることで、正孔密度を電子密度よりも高くし、再結合確率を低減するためである。このように、ｎ＋層およびｐ＋層に対応する電荷を蓄積したパッシベーション膜をそれぞれ形成し、電界効果パッシベーションを行うことで、太陽電池を高効率化させることができる。
例えば、Ｓｉ太陽電池セルの場合、負電荷を有するＡｌ２Ｏ３（アルミナ）膜をｐ＋層に隣接させ、ｐ＋層に対する電界効果パッシベーションを行うことが考えられる。
上述のように、近年、太陽電池の構造として背面接合型が、また、太陽電池におけるパッシベーション技術として電界効果パッシベーションが、それぞれ太陽電池の発電効率を向上させることが可能な構造として注目されている。しかし、これら二つの技術を組み合わせようとすると、以下の課題が生じる。すなわち、背面接合型太陽電池セルにおいては、ｐ＋層とｎ＋層とが同一面（例えば基板の裏面）内に存在するため、電界効果パッシベーションを適用するには、正電荷を有する膜と、負電荷を有する膜とを、前記同一面（例えば基板の裏面）に接するように、同一の面内に形成する必要がある。
その形成方法として、以下の方法が特許文献１（特開２００８－１０７４６号公報）に開示されている。まず、シリコン基板の裏面にｐ＋層とｎ＋層とを形成した後、正電荷または負電荷のどちらか一方に帯電しているパッシベーション膜、例えば正電荷を有する膜を、成膜法などにより前記裏面の全面に形成する。その後、前記パッシベーション膜のうち、ｐ＋層と接する領域の膜のみを、パターニングにより除去する。続いて、負電荷を有するパッシベーション膜を、成膜法などにより、全面に形成する。
以上の工程により、ｎ＋層と、正電荷を有する膜とが接し、ｐ＋層と、負電荷を有する膜とが接する構造が得られ、電界効果パッシベーションが可能となる。しかし、上記特許文献１に記載の方法には、パッシベーション膜をパターニングで除去する工程と、二度の成膜工程とが含まれるため、製造コストが増大するという課題がある。
一方、特許文献２（特開２００５－３２２７８０号公報）には、背面接合型太陽電池セルに電界効果パッシベーションを適用する方法として、以下の方法が開示されている。まず、基板の裏面にｐ＋層とｎ＋層とを形成した後、正電荷または負電荷のどちらか一方に帯電しているパッシベーション膜、例えば正電荷を有する膜を、前記裏面の全面に形成する。その後、前記パッシベーション膜のうち、ｐ＋層と接する領域の膜のみに対して、イオン注入を行う。その際、注入されるイオン種は、パッシベーション膜中に負電荷を発生させるものであり、特許文献２では、ＳｉＮ（窒化シリコン）膜に対してＣｕ（銅）を注入し、負電荷を発生させるという方法が、例として挙げられている。この方法を用いた場合、イオン注入を用いているため、上記特許文献１に記載の方法とは異なり、パターニング除去と、二度の成膜という、複雑なプロセスを用いる必要がなくなるという利点がある。
しかし、上記特許文献２に記載の方法には、以下の３つの課題がある。まず、パッシべーション膜に注入されたイオンが基板に到達することで、基板にイオン注入によるダメージが生じ、基板が非晶質化することが予想される。次に、特許文献２に記載の条件でイオン注入を行った場合、注入ドーズ量が高いために、パッシベーション膜の電気的絶縁性が損なわれることが予想される。
また、上記特許文献２には、前記イオン注入工程と、電極形成工程のどちらか先に行われるかが明記されていないが、電極形成工程の方を先に行い、その後にイオン注入を行うとすると、特許文献２に記載の条件でイオン注入を行った場合、イオン注入による電極へのダメージにより、電極と外部配線との接触抵抗が増大することが予想される。したがって、特許文献２に記載の方法には、上記したように、イオン注入によるダメージに起因する課題が存在する。
以上に述べたように、背面接合型太陽電池セルにおいて、負電荷を有する膜をｐ＋層に隣接させ、正電荷を有する膜をｎ＋層に隣接させることで、電界効果パッシベーションを行う場合に、前記正電荷を有する膜および負電荷を有する膜を形成する方法として、パターニングによる膜の除去、または複数回に亘る成膜などを行うと、太陽電池がダメージを受け、信頼性が低下する問題がある。また、パターニングによる膜の除去、または複数回に亘る成膜などを行うと、製造工程が煩雑になり、太陽電池の製造コストが増大する問題が生じる。
本発明の一つの目的は、太陽電池の性能を向上させることにある。
また、本発明の他の目的は、太陽電池の信頼性を向上することにある。
また、本発明のさらに他の目的は、太陽電池の製造工程を簡易化することにある。
本発明の前記の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
一実施の形態である太陽電池は、ｎ層と、前記ｎ層と同一平面内に形成されたｐ層と、前記ｎ層および前記ｐ層に接する第１の酸化シリコン膜、窒化シリコン膜および第２の酸化シリコン膜がこの順に積層されたパッシベーション膜と、を有し、前記窒化シリコン膜のうち、前記ｎ層に隣接する部分は正電荷を有し、前記ｐ層に隣接する部分は負電荷を有するものである。
また、他の一実施の形態である太陽電池は、ｎ層と、前記ｎ層と同一平面内に形成されたｐ層と、前記ｎ層および前記ｐ層に接する第１の酸化シリコン膜、窒化シリコン膜および第２の酸化シリコン膜がこの順に積層されたパッシベーション膜と、を有し、前記ｎ層と前記ｐ層との幅が異なり、前記ｎ層に接するｎ層側電極と、前記ｐ層に接するｐ層側電極との幅が等しく、前記ｎ層に隣接する部分の前記窒化シリコン膜は正電荷を有し、前記ｐ層に隣接する部分の前記窒化シリコン膜のうち、一部は正電荷を、残りの部分は負電荷をそれぞれ有するものである。
また、他の一実施の形態である太陽電池の製造方法は、
（ａ）ｎ層を形成する工程と、
（ｂ）前記ｎ層と同一平面内にｐ層を形成する工程と、
（ｃ）前記ｎ層および前記ｐ層に接する第１の酸化シリコン膜、窒化シリコン膜および第２の酸化シリコン膜がこの順に積層されたパッシベーション膜を形成する工程と、
（ｄ）前記パッシベーション膜のうち、前記ｎ層に隣接する部分の一部にコンタクトホールを形成する工程と、
（ｅ）前記（ｄ）工程の後、前記ｎ層と接するｎ層側電極を形成する工程と、
（ｆ）前記パッシベーション膜にＵＶ光を照射する工程と、
を有するものである。
（ａ）ｎ層を形成する工程と、
（ｂ）前記ｎ層と同一平面内にｐ層を形成する工程と、
（ｃ）前記ｎ層および前記ｐ層に接する第１の酸化シリコン膜、窒化シリコン膜および第２の酸化シリコン膜がこの順に積層されたパッシベーション膜を形成する工程と、
（ｄ）前記パッシベーション膜のうち、前記ｎ層に隣接する部分の一部にコンタクトホールを形成する工程と、
（ｅ）前記（ｄ）工程の後、前記ｎ層と接するｎ層側電極を形成する工程と、
（ｆ）前記パッシベーション膜にＵＶ光を照射する工程と、
を有するものである。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
本発明によれば、より太陽電池の性能を向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図、俯瞰図であっても図面を見易くするために部分的にハッチングを付す場合がある。
図１は、本実施の形態に係る太陽電池セルの裏面側の平面図である。図１には後述するシリコン基板の下面に形成された酸化シリコン膜３４と、酸化シリコン膜３４の下部に形成されたｐ＋層側電極１３およびｎ＋層側電極２３を示している。ｐ＋層側電極１３およびｎ＋層側電極２３はいずれも前記シリコン基板の裏面に沿う第１方向に延在するパターンを有している。ｐ＋層側電極１３およびｎ＋層側電極２３のそれぞれの第１方向に延在する前記パターンは、第１方向に直交する第２方向に並んで配置されており、それぞれの前記パターンの間には、第２方向に延在するｐ＋層側電極１３およびｎ＋層側電極２３のパターンが、第１方向に並んで交互に複数配置されている。
つまり、ｐ＋層側電極１３およびｎ＋層側電極２３のそれぞれは、第１方向に延在するパターンと、そのパターンから第２方向に延在する複数のパターンを含む櫛型の形状を有している。なお、図１には、背面接合型太陽電池セルにおいて、櫛型の電極パターンを有する構造を示しているが、本実施の形態においては、他の電極パターンを用いてもよい。
図２は、本実施の形態の太陽電池の要部である背面接合型太陽電池セルの断面図であり、図２は図１のＡ－Ａ線における断面図である。背面接合型太陽電池セルの表面には、テクスチャ加工が施され、表面再結合防止のためのドーピング層、つまり、いわゆるＦＳＦ（Front Surface Field）層が形成され、さらに表面パッシベーション膜または反射防止膜などが形成されることが考えられるが、図２にはこれらを示しておらず、シリコン基板１とその裏面付近の構造のみを示している。また、図２では、裏面にテクスチャ加工が施されていない場合の構造を示しているが、ここでは、裏面にテクスチャ加工が施されていてもよい。なお、テクスチャ加工とは、太陽電池セルの表面における光の反射を防ぎ、より効率的に太陽電池セル内に光を取り込むことなどを目的として太陽電池セルの表面に凹凸を形成することである。
図２に示すように、本実施の形態の太陽電池を構成する背面接合型太陽電池セルはシリコン基板（半導体基板）１を有し、その裏面にはｐ＋層１１およびｎ＋層２１が形成されている。シリコン基板１、ｐ＋層１１およびｎ＋層２１のそれぞれの裏面を覆うように、ＯＮＯ積層膜３１がシリコン基板１の裏面に接して形成されており、ＯＮＯ積層膜３１の裏面には、ｐ＋層１１に接続されたｐ＋層側電極１３およびｎ＋層２１に接続されたｎ＋層側電極２３が形成されている。
シリコン基板１は、ｐ型基板に比べて少数キャリア寿命が長いｎ型基板を用いた方が、太陽電池の発電効率の高効率化に有効であるが、本実施の形態では、シリコン基板１はｐ型基板でもｎ型基板でもよい。なお、ここではｐ＋層１１およびｎ＋層２１はシリコン基板１よりも不純物濃度が高いため、ｐ層およびｎ層ではなくｐ＋層およびｎ＋層と呼ぶ。
本実施の形態の構造の特徴は、パッシベーション膜として、ＳｉＯ２（酸化シリコン）／ＳｉＮ（窒化シリコン）／ＳｉＯ２（酸化シリコン）という３層の積層膜（以下、この積層膜をＯＮＯ積層膜３１と記す）を用いている点、および、ＯＮＯ積層膜３１中の窒化シリコン膜３３が有する固定電荷が、ｐ＋層１１と接する領域においては負電荷であり、ｎ＋層２１と接する領域においては正電荷であるという点である。
ＯＮＯ積層膜３１は、酸化シリコン膜３２と、窒化シリコン膜３３と、酸化シリコン膜３４とからなり、このうち酸化シリコン膜３２は、ｐ＋層１１およびｎ＋層２１と接する位置にあり、酸化シリコン膜３４は、ｐ＋層１１およびｎ＋層２１とは接しない位置にある。つまり、シリコン基板１の裏面から下方に向かって酸化シリコン膜３２、窒化シリコン膜、および酸化シリコン膜３４が順に形成されており、それら３層の絶縁膜はＯＮＯ積層膜３１を構成している。また、ｐ＋層１１と接する領域のＯＮＯ積層膜３１内の窒化シリコン膜３３は負電荷蓄積膜３６となっており、ｎ＋層２１と接する領域のＯＮＯ積層膜３１内の窒化シリコン膜３３は正電荷蓄積膜３５となっている。ここでは、窒化シリコン膜３３を含むＯＮＯ積層膜３１は電界効果パッシベーション膜であり、ＯＮＯ積層膜３１をｐ＋層１１およびｎ＋層２１に隣接させて形成することで、電界効果パッシベーションの効果を得ることができる。
上述のように、電界効果パッシベーションは、ｐ＋層と、負電荷を有する膜とが接し、ｎ＋層と、正電荷を有する膜とが接する構造において、最も効果的であり、本実施の形態の構造は、その条件を満たすものである。裏面電極としては、ｐ＋層１１と接するｐ＋層側電極１３と、ｎ＋層２１と接するｎ＋層側電極２３とが形成されている。ｐ＋層１１に接するＯＮＯ積層膜３１には、ｐ＋層１１の下面を露出させるコンタクトホール２２が形成されており、コンタクトホール２２内には、ｐ＋層１１の直下にＯＮＯ積層膜３１を介して形成されたｐ＋層側電極１３の一部が埋め込まれている。同様に、ｎ＋層２１に接するＯＮＯ積層膜３１には、ｎ＋層２１の下面を露出させるコンタクトホール１２が形成されており、コンタクトホール１２内には、ｎ＋層２１の直下にＯＮＯ積層膜３１を介して形成されたｎ＋層側電極２３の一部が埋め込まれている。コンタクトホールの深さおよび直径などのサイズは、加工精度、コンタクト抵抗、および界面再結合速度を考慮して最適化する。
以上に述べたように、本実施の形態の太陽電池は、シリコン基板１と、シリコン基板１の裏面に形成された半導体領域であるｐ＋層１１およびｎ＋層２１と、シリコン基板１の裏面を覆うように形成されたＯＮＯ積層膜３１と、ＯＮＯ積層膜３１を貫通してｐ＋層１１に電気的に接続されたｐ＋層側電極１３と、ＯＮＯ積層膜３１を貫通してｎ＋層２１に電気的に接続されたｎ＋層側電極２３とを有している。ＯＮＯ積層膜３１は、シリコン基板１の裏面に対して垂直な方向において、酸化シリコン膜３２および３４により挟まれた窒化シリコン膜３３を有している。
窒化シリコン膜３３は、平面視においてｎ＋層側電極２３と重なっている領域に正電荷蓄積膜３５を有し、平面視においてｎ＋層側電極２３と重なっている領域に負電荷蓄積膜３６を有している。つまり、ｐ＋層１１およびｎ＋層２１に接していない領域におけるＯＮＯ積層膜３１内の窒化シリコン膜３３は、負電荷蓄積膜３６を有している。負電荷蓄積膜３６は、後述するように、元々正電荷を有する窒化シリコン膜３３に対し、ｎ＋層側電極２３をマスクとしてＵＶ（ultraviolet）光を照射し、ｎ＋層側電極２３から露出している領域のＯＮＯ積層膜３１中の窒化シリコン膜３３を、負に帯電させることで形成した膜である。また、正電荷蓄積膜３５は、前記ＵＶ光の照射工程において、ｎ＋層側電極２３に覆われており、ＵＶ光が照射されなかった領域の、正電荷が残っている膜である。
本実施の形態の太陽電池では、上述したような構造を用いることにより、シリコン基板１中の電子を、正電荷蓄積膜３５中の正電荷によりｎ＋層側電極２３側に引き寄せ、正孔をｎ＋層側電極２３側に寄せ付けないようにすることができる。同様に、シリコン基板１中の正孔を、負電荷蓄積膜３６中の負電荷によりｐ＋層側電極１３側に引き寄せ、電子をｐ＋層側電極１３側に寄せ付けないようにすることができる。
これにより、ｎ＋層２１とｎ＋層側電極２３との界面近傍、またはｐ＋層１１とｐ＋層側電極１３との界面近傍において、電子密度と正孔密度が同程度になることを防ぐことができるため、電子と正孔の再結合を防ぐことができる。これは、電子と正孔との再結合が、両者の数密度が同程度のときに最も高確率で起こるためであり、本実施の形態では、電界効果パッシベーション膜であるＯＮＯ積層膜３１を用い、電子の数と正孔の数の差を大きくすることで、上記再結合を防いでいる。したがって、本実施の形態の背面接合型太陽電池セルでは、発電効率をより向上させることを可能としている。これにより、太陽電池の性能を向上させることができる。
次に、図３～図１６を用いて、本実施の形態における太陽電池セルの製造方法を説明する。図３、図５、図７、図９、図１１、図１３、および図１５は本実施の形態における太陽電池セルの製造方法を説明するための断面図であり、これらの断面図は、図１のＡ－Ａ線における断面に対応している。また、図４、図６、図８、図１０、図１２、図１４、および図１６は、図３、図５、図７、図９、図１１、図１３、および図１５のそれぞれを用いて説明する工程における、製造工程中の太陽電池セルの裏面側の平面図である。
まず、図３および図４に示すように、シリコン基板１の裏面に、半導体層であるｐ＋層１１とｎ＋層２１とを形成する。ｐ＋層１１およびｎ＋層２１の形成後の構造の断面図を図３に、平面図を図４に、それぞれ示す。ｐ＋層１１とｎ＋層２１の形成方法は、周知の気相拡散法などにより、ｐ＋層１１をまず全面に形成した後にｎ＋層２１を局所的に形成する方法、または、ｐ＋層１１とｎ＋層２１とをいずれも局所的に形成する方法などを用いる。
ｐ＋層１１またはｎ＋層２１を局所的に形成する方法としては、拡散防止層をシリコン基板１の裏面に接するようにパターニング形成した後に気相拡散を行う、または、拡散ペーストをシリコン基板１の裏面に接するようにパターニング形成した後に固層拡散を行う、などの方法が考えられる。ここでいう固層拡散とは、例えばｐ型の不純物（例えばＢ（ホウ素））を含む拡散ペーストをシリコン基板上に形成し、熱処理を行ってシリコン基板内に前記不純物を拡散させることで、シリコン基板の表面にｐ型層を形成する方法である。
このようにして、ｐ＋層１１はシリコン基板１の裏面にｐ型の不純物（例えばＢ（ホウ素））を導入することで形成され、ｎ＋層２１はシリコン基板１の裏面にｎ型の不純物（例えばＰ（リン））を導入することで形成される。なお、図３および図４には、ｐ＋層１１とｎ＋層２１とが互いに接することなく、その間にシリコン基板１が存在する場合の構造が示されているが、ｐ＋層１１とｎ＋層２１とは互いに接していてもよい。
ｐ＋層１１とｎ＋層２１とは、いずれもシリコン基板１の裏面に沿う第１方向に交互に並べて複数形成する。また、ｐ＋層１１およびｎ＋層２１は、第１方向に直交する第２方向に延在するようにそれぞれ形成する。
次に、図５および図６に示すように、シリコン基板１の裏面を覆うＯＮＯ積層膜３１を形成する。ＯＮＯ積層膜３１の形成後の構造の断面図を図５に、平面図を図６に、それぞれ示す。ＯＮＯ積層膜３１は、シリコン基板１の裏面に、ｐ＋層１１およびｎ＋層２１を覆うように酸化シリコン膜３２、窒化シリコン膜３３、および酸化シリコン膜３４を順に積層することで形成する。
ＯＮＯ積層膜３１を構成する膜のうち、酸化シリコン膜３２の形成は、シリコン基板１、ｐ＋層１１、およびｎ＋層２１の酸化により行ってもよく、またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などの成膜法により行ってもよい。酸化シリコン膜３２に求められる性質としては、シリコン基板１、ｐ＋層１１、およびｎ＋層２１との界面準位密度が小さいということが挙げられる。この要求を満たすためには、酸化シリコン膜３２の形成は熱酸化により行うことが好ましい。また、後述のように、酸化シリコン膜３２は、シリコン基板１、ｐ＋層１１、およびｎ＋層２１と、窒化シリコン膜３３との間のキャリア移動を防ぐバリア層としての役割を担うため、酸化シリコン膜３２を通過するリーク電流はできるだけ小さいことが求められる。したがって、酸化シリコン膜３２の膜厚は５ｎｍ以上であることが望ましい。
窒化シリコン膜３３の形成は、減圧ＣＶＤ法（Low Pressure CVD；ＬＰＣＶＤ法）またはプラズマＣＶＤ法（Plasma Enhanced CVD；ＰＥＣＶＤ法）により行う。ＬＰＣＶＤ法による成膜は、例えば温度７５０℃以上８００℃以下のもとで、ＳｉＨ２＋Ｃｌ２（ジクロロシラン）とＮＨ３（アンモニア）を原料ガスとして行う。ＰＥＣＶＤ法による成膜は、例えば温度２５０℃以上４５０℃以下のもとで、ＳｉＨ４（モノシラン）、ＮＨ３（アンモニア）、およびＮ２（窒素）を原料ガスとして行う。これらの条件下で形成された窒化シリコン膜３３は、正電荷を有する窒化シリコン膜３３となる。また、酸化シリコン膜３４の形成は、ＣＶＤ法などの成膜法により行う。
次に、図７および図８に示すように、ＯＮＯ積層膜３１のうち、ｎ＋層２１に接する領域の一部に、ｎ＋層２１の下面を露出するｎ＋層側のコンタクトホール２２を形成する。コンタクトホール２２の開口後の構造の断面図を図７に、平面図を図８に、それぞれ示す。コンタクトホール２２の形成は、レーザー照射によって行ってもよく、また、エッチングペーストもしくはフォトリソグラフィー技術を利用したエッチング法などにより行ってもよい。コンタクトホール２２は、少なくとも、酸化シリコン膜３４から酸化シリコン膜３２を貫通する必要があり、上記の方法を用いて形成した場合、さらにｎ＋層２１の一部がエッチングされる場合がある。ｎ＋層２１がエッチングされると、ｎ＋層２１の最表面不純物濃度が下がり、後で形成する電極とのコンタクト抵抗が増大するため、このエッチング量を最小限に抑えることが望ましい。なお、レーザー照射によるコンタクトホール２２の形成は、ばりが発生しないように、真空引きされた空間で行うことが望ましい。
次に、図９および図１０に示すように、コンタクトホール２２を埋め込むようにして、ＯＮＯ積層膜３１の下にｎ＋層側電極２３を形成する。ｎ＋層側電極２３の形成後の構造の断面図を図９に、平面図を図１０に、それぞれ示す。ｎ＋層側電極２３の材料は、Ａｇ（銀）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｕ（銅）、またはそれらを主成分とする化合物などである。また、ｎ＋層側電極２３はＡｇ膜、Ａｌ膜、Ｔｉ膜、Ｃｕ膜、およびそれらを主成分とする化合物からなる膜などのうちの、複数の膜を積層した膜であってもよい。ｎ＋層側電極２３の形成は、例えば印刷法、蒸着法、めっき法、スパッタ法、またはＣＶＤ法などにより行う。
なお、コンタクトホール２２の大きさ、つまりコンタクトホール２２の直径は、ｎ＋層２１とｎ＋層側電極２３とのコンタクト抵抗が、太陽電池の効率低下をもたらさない程度に低い範囲内で、できるだけ小さくすることが望ましい。その理由は、ｎ＋層２１とｎ＋層側電極２３との界面における再結合速度が、ｎ＋層２１と酸化シリコン膜３２との界面における再結合速度よりも大きく、ｎ＋層２１とｎ＋層側電極２３との界面の面積を低減することで、再結合抑制が可能となり、太陽電池の特性が向上するためである。つまり、シリコン（Ｓｉ）などの半導体層と金属膜との間では、当該半導体層と酸化シリコン膜との間よりも再結合が顕著であるため、コンタクトホール２２の直径を小さくし、コンタクトホール２２内に埋め込まれるｎ＋層側電極２３とシリコン基板１との接触面積を小さくすることで、電子と正孔の再結合を防ぐことができる。コンタクトホール２２の直径は、例えば１０～１００μｍとする。
次に、図１１および図１２に示すように、ＵＶ光をシリコン基板１の裏面側からＯＮＯ積層膜３１に対して照射する。ＵＶ光としては、後述の理由により、波長３１０ｎｍ以下、つまりエネルギー４ｅＶ以上の光を用いることが望ましい。
ＵＶ光を照射する工程における、製造工程中の太陽電池セルの断面図を図１１に、平面図を図１２に、それぞれ示す。図１１に矢印で示すように、ＵＶ光はシリコン基板１の下側（裏面側）から、シリコン基板１の裏面のＯＮＯ積層膜３１に向けて照射する。このとき、ｎ＋層側電極２３はＵＶ光を反射するが、ｎ＋層側電極２３が存在しない領域、すなわちｎ＋層側電極２３に覆われていない領域では、ＯＮＯ積層膜３１がＵＶ光の照射を受ける。ＵＶ光の照射を受けた領域では、ＯＮＯ積層膜３１中の窒化シリコン膜３３が、成膜直後の、正電荷を有する窒化シリコン膜３３から、負電荷を有する窒化シリコン膜３３である負電荷蓄積膜３６へと変化する。
ここでは、ＵＶ光の照射を受けず、正電荷を有している窒化シリコン膜３３を正電荷蓄積膜３５と呼ぶ。つまり、ＵＶ光照射後の窒化シリコン膜３３は、平面視においてｎ＋層側電極２３に重なる正電荷蓄積膜３５と、平面視においてｎ＋層側電極２３に重ならない負電荷蓄積膜３６とにより構成されている。以下、この現象について述べる。
図１７は、シリコン基板１、酸化シリコン膜３２、窒化シリコン膜３３、および酸化シリコン膜３４の４層のエネルギーバンド構造である。窒化シリコン膜３３にとって、酸化シリコン膜３２および酸化シリコン膜３４はエネルギー障壁を形成しており、そのため、窒化シリコン膜３３の有する電荷は自由に移動することができず、窒化シリコン膜３３内に留まることになる。
このように、ＯＮＯ積層膜３１中の窒化シリコン膜３３が電荷を保持する性質は、ＭＯＮＯＳ（Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor）型メモリなどの不揮発性メモリに応用されている。ＭＯＮＯＳ型メモリにおいては、シリコン基板１から窒化シリコン膜３３に、トンネル電流などによるキャリア注入を行うことで、窒化シリコン膜３３に電子を蓄積させることも、正孔を蓄積させることも可能である。窒化シリコン膜３３の有する電荷符号および電荷量が変化すると、トランジスタの閾値電圧が変化し、これを読み取ることでメモリとしての動作が実現される。
ＭＯＮＯＳ型メモリにＵＶ光照射を行うと、照射前の閾値電圧の値によらず、閾値電圧が一定の値に変化する。照射後の閾値電圧の値は、シリコン基板１がｐ型基板の場合、約１Ｖであり、この値は、窒化シリコン膜３３が負電荷を有する状態であることを意味する。ＵＶ光照射により、窒化シリコン膜３３が負電荷を有する理由は、図１７のエネルギーバンド構造から説明できる。
シリコン基板１から見て、酸化シリコン膜３２はエネルギー障壁を形成しており、伝導帯障壁高さＸは約３ｅＶ、価電子帯障壁高さＹは約４ｅＶである。上述のＵＶ光のエネルギーは、これらの障壁高さよりも高い値となっている。したがって、ＵＶ光によって励起された電子および正孔は、酸化シリコン膜３２の障壁を乗り越えて、シリコン基板１と窒化シリコン膜３３との間を移動する。この際、シリコン基板１と酸化シリコン膜３２との間の価電子帯障壁高さが、伝導帯障壁高さよりも高いことにより、シリコン基板１から窒化シリコン膜３３へ電子が過剰に供給され、定常状態では、窒化シリコン膜３３に存在する電子数が正孔数よりも多くなる。つまり、ＵＶ光照射によって、窒化シリコン膜３３は負電荷を有する状態に変化する。
本実施の形態において、ＵＶ光の照射後には、酸化シリコン膜３２のエネルギー障壁によって、シリコン基板１と酸化シリコン膜３２との間のキャリア移動が阻害されるため、窒化シリコン膜３３に蓄積された負電荷は安定的に存在し続ける。なお、ＵＶ光照射後の構造において、図１１に示すように、同一の窒化シリコン膜３３の内部で、正電荷を有する正電荷蓄積膜３５と、負電荷を有する負電荷蓄積膜３６とが隣接していることから、正電荷蓄積膜３５と負電荷蓄積膜３６との間のピッチが短ければ、両者の電荷が打ち消しあう可能性があるが、太陽電池セルにおいては、その懸念はないといえる。
ＭＯＮＯＳ型メモリにおいても、同一の窒化シリコン膜３３に対して多数のメモリセルが形成されているが、セル間の電荷干渉は、少なくとも、メモリセル同士の間のピッチが０．１μｍ程度以上であれば、メモリ動作に影響しない。太陽電池セルにおいては、正電荷蓄積膜３５と、負電荷蓄積膜３６とのピッチは、ｐ＋層１１とｎ＋層２１とのピッチに対応しており、数十μｍから数ｍｍ程度の大きさであるため、上記の、正電荷蓄積膜３５と負電荷蓄積膜３６との間で電荷が打ち消しあう懸念はないと考えられる。
ここでいうｐ＋層１１とｎ＋層２１とのピッチとは、上述した第２方向に交互に並ぶｐ＋層１１とｎ＋層２１との配置間隔のことを指し、隣り合うｐ＋層１１とｎ＋層２１との、対向する端部同士の間の最短距離のことではない。つまり、上記ピッチは、例えば第２方向におけるｐ＋層１１の中心部と、そのｐ＋層１１と隣り合うｎ＋層２１の中央部との間の距離をいうものである。
本実施の形態において重要な点は、ＵＶ光を太陽電池セルのｎ＋層側電極の設けられる側から照射することによって、ｎ＋層側電極２３がＵＶ光を反射するため、ｎ＋層側電極２３の存在しない領域、すなわちｎ＋層側電極２３に覆われていない領域にのみ、ＯＮＯ積層膜３１がＵＶ光の照射を受けるということである。
この結果、ＯＮＯ積層膜３１のうち、ｎ＋層２１と接する領域では、窒化シリコン膜３３は正電荷を有し、ｐ＋層１１と接する領域では、窒化シリコン膜３３は負電荷を有する。つまり、電界効果パッシベーションが効果的に働く構造が実現できる。
また、電界効果パッシベーションを実現するにあたり、ｐ＋層に接して正電荷を有するパッシベーション膜をパターニングし、その後前記ｐ＋層と同一面内に設けられたｎ＋層と接するように、負電荷を有するパッシベーション膜を成膜するような複雑なプロセスを用いず、自己整合プロセスを用いていて正電荷蓄積膜３５および負電荷蓄積膜３６を作り分けている点が、本実施の形態の重要な点である。つまり、ｎ＋層側電極２３をマスクとしてＵＶ光を照射することで、自己整合的に正電荷蓄積膜３５および負電荷蓄積膜３６を形成しているため、太陽電池の製造工程を簡略化することができ、太陽電池の製造コストを低減することができる。
また、Ｃｕ（銅）などのイオン種をパッシベーション膜にイオン注入することでパッシベーション膜に負電荷を帯電させることで、負電荷蓄積膜３６を形成する方法も考えられるが、このような方法を用いると、シリコン基板がイオン注入によりダメージを受け、非晶質化することで太陽電池の特性が劣化する虞がある。また、イオン注入により電極がダメージを受けた場合、電極と他の配線との配線抵抗が増大する虞がある。このように、イオン注入を行ってパッシベーション膜に負の電荷を帯電させようとすると、太陽電池がダメージを受け、太陽電池の信頼性が低下する問題が生じる。
これに対し、本実施の形態ではＵＶ光を照射することで負電荷蓄積膜３６を形成しており、イオン注入を行った場合のようにシリコン基板１またはｎ＋層側電極２３がダメージを受けることを防ぐことができるため、太陽電池の信頼性を向上させることができる。
次に、図１３および図１４に示すように、ＯＮＯ積層膜３１のうち、ｐ＋層１１に接する領域の一部に、コンタクトホール１２を形成（開口）する。コンタクトホール２２を形成した後の構造を図１３に、平面図を図１４に、それぞれ示す。コンタクトホール１２の形成は、コンタクトホール２２の形成と同様に、レーザー照射によって行ってもよく、また、エッチングペーストもしくはフォトリソグラフィー技術を利用したエッチング法などにより行ってもよい。また、コンタクトホール２２と同様に、コンタクトホール１２はｐ＋層１１の底面を露出するように開口する。
なお、本実施の形態では、ＵＶ光照射の後にコンタクトホール１２を形成する、という順番の製造方法について説明したが、コンタクトホール１２の形成の際、試料温度が、例えば２００℃以上に上昇する虞がある場合は、コンタクトホール１２を形成した後にＵＶ光照射を行う、という順番で太陽電池を製造することが好ましい。その理由は、試料温度が上昇すると、窒化シリコン膜３３中に蓄積された電荷が、熱エネルギーによって、酸化シリコン膜３２のエネルギー障壁を乗り越える確率が高くなり、ＵＶ光照射によって形成された負電荷蓄積膜３６が、初期状態の、正電荷を有する窒化シリコン膜に戻る可能性があるためである。
次に、図１５および図１６に示すように、コンタクトホール１２を埋め込むようにｐ＋層側電極１３を形成する。ｐ＋層側電極１３の材料は、ｎ＋層側電極２３の材料と同じでもよいが、異なってもよい。ｐ＋層１１と電気的にコンタクトする金属と、ｎ＋層２１と電気的にコンタクトする金属とは、最適な仕事関数が異なるため、コンタクト抵抗低減のためには、ｐ＋層側電極１３の材料と、ｎ＋層側電極２３の材料の仕事関数を、それぞれ最適化することが望ましい。具体的には、ｐ＋層１１と電気的にコンタクトする金属にはＡｌ（アルミニウム）を用いることが望ましく、ｎ＋層２１と電気的にコンタクトする金属にはＡｇ（銀）を用いることが望ましい。また、コンタクトホール１２の大きさ（直径）は、上述のコンタクトホール２２の場合と同様に適宜定めることとする。
以上により、本実施の形態の太陽電池セルが完成する。なお、上記工程に加えて、各々の膜の結晶性または膜質などの改善のため、あるいは隣接膜との界面の質を向上させるための熱処理、プラズマ処理などを適宜追加してもよい。
なお、図２には、ｐ＋層１１およびｎ＋層２１の幅を同程度とし、ｐ＋層１１およびｐ＋層側電極１３の幅を同程度とし、ｎ＋層２１およびｎ＋層側電極２３の幅を同程度とする場合の構造が描かれている。しかし、実際には、背面接合型太陽電池セルの、シリコン基板１中の正孔寿命は電子寿命よりも短いため、ｐ＋層１１の幅を、ｎ＋層２１の幅よりも大きくすることが考えられる。その場合、図１８に示すように、ｐ＋層１１とｐ＋層側電極１３との幅が同程度であり、ｎ＋層２１とｎ＋層側電極２３との幅も同程度である場合の構造があり得る。また、図１９に示すように、ｐ＋層１１とｐ＋層側電極１３との幅が異なり、ｎ＋層２１とｎ＋層側電極２３との幅が異なり、ｐ＋層側電極１３とｎ＋層側電極２３との幅が同程度である場合の構造があり得る。図１８および図１９は、本実施の形態の太陽電池の変形例の断面図を示すものである。
なお、ここでいう幅とは、シリコン基板１の裏面に沿って第２方向に延在するｐ＋層１１またはｎ＋層２１においては、それぞれの延在方向（第２方向）に直交する第１方向における、ｐ＋層１１またはｎ＋層２１の長さをいうものとする。同様に、ｐ＋層側電極１３またはｎ＋層側電極２３の幅とは、第２方向に延在するパターンの延在方向（第２方向）に直交する第１方向における、それぞれの電極の長さをいうものとする。したがって、ｐ＋層側電極１３またはｎ＋層側電極２３の幅とは、第１方向に延在する領域のｐ＋層側電極１３またはｎ＋層側電極２３の延在方向（第１方向）の長さをいうものではない。
以下、上記２種類の構造に、本実施の形態の方法を適用した場合の効果について述べる。
まず、図１８に示すように、ｐ＋層１１の幅がｎ＋層２１の幅よりも大きく、かつ、ｐ＋層１１とｐ＋層側電極１３との幅が同程度であり、ｎ＋層２１とｎ＋層側電極２３との幅も同程度である場合を考える。図３～図１７を用いて説明した工程によってＵＶ光照射を行うと、負電荷蓄積膜３６は、ｎ＋層側電極２３に覆われていない領域に形成される。このため、図１８に示す構造の場合、ＯＮＯ積層膜３１のうち、ｎ＋層２１と接する領域においては、窒化シリコン膜３３は正電荷を有し、ｐ＋層１１と接する領域においては、窒化シリコン膜３３は負電荷を有するため、上述した本実施の形態の効果は、図２に示す構造の場合と同様に得られる。
次に、図１９に示すように、ｐ＋層１１とｐ＋層側電極１３との幅が異なり、ｎ＋層２１とｎ＋層側電極２３との幅が異なり、ｐ＋層側電極１３とｎ＋層側電極２３との幅が同程度である場合を考える。この場合、ＯＮＯ積層膜３１のうち、ｐ＋層１１と接する領域の一部において、窒化シリコン膜３３が正電荷を有することになる。つまり、ｐ＋層１１と正電荷蓄積膜３５が平面視において重なる領域が存在する。
図２および図１９に示す構造の場合、図１８に示す構造に比べて、ｎ＋層側電極２３の幅が大きいため、配線抵抗を軽減することができる。なお、配線抵抗の値が大きく、太陽電池の効率低下をもたらす場合には、それを回避するために、ｎ＋層側電極２３の高さ（膜厚）を増大させるなどの方法をとることが望ましい。
また、図２および図１８に示す構造の場合、ＯＮＯ積層膜３１内の窒化シリコン膜３３のうち、ｐ＋層１１と接する領域には正電荷蓄積膜３５のみが形成され、ｎ＋層２１と接する領域には負電荷蓄積膜３６のみが形成されるため、図１９に示す構造に比べ、電界効果パッシベーションの効果を高めることができる。
以上に述べたように、ｐ＋層１１、ｎ＋層２１、ｐ＋層側電極１３、およびｎ＋層側電極２３の幅の大小関係によって、本実施の形態の太陽電池の特性は異なるので、上述の電極高さ増大など、場合に応じた設計を行う必要がある。
なお、本実施の形態の太陽電池セルでは、図１および図２に示すように、ｐ＋層１１およびｎ＋層２１の平面形状に対応する形状のｐ＋層側電極１３およびｎ＋層側電極２３をそれぞれ形成している。つまり、例えば、ｎ＋層２１をシリコン基板１の裏面においてマトリクス状に並べて複数形成し、それ以外の領域のシリコン基板１の裏面にｐ＋層１１を形成し、各ｎ＋層２１に対応する位置に、複数のコンタクトホール２２をＯＮＯ積層膜３１に開口するような構成は、本実施の形態では採用していない。
上記のように、複数のｎ＋層２１を形成し、それらを囲むように広い面にｐ＋層１１を形成した場合、マトリクス状に点在するｎ＋層２１のうちのいくつかを、一方向に延在するｎ＋層側電極２３により覆った場合、隣り合うｎ＋層２１同士の間に形成されたｐ＋層１１に接するＯＮＯ積層膜３１が、ｎ＋層側電極２３により覆われる。このような状態でＯＮＯ積層膜３１に対するＵＶ光照射を行っても、ｎ＋層側電極２３に覆われた領域では、ｐ＋層１１と接する領域における窒化シリコン膜３３の電荷反転が起こらない。したがって、ｐ＋層１１と接する領域における窒化シリコン膜３３内の一部に、正電荷蓄積層３５が存在することとなる。つまり、ｐ＋層１１に対して、正電荷蓄積膜３５によりパッシベーションを行う領域が存在することになる。
これに対し、本実施の形態の背面接合型太陽電池セルでは、ｎ＋層側電極２３の直上にｐ＋層１１が存在しない構造を実現することが可能である。つまり、平面視においてｐ＋層１１と正電荷蓄積膜３５とが重なっていない構造を形成することができる。したがって、上記のようにｐ＋層１１と正電荷蓄積膜３５とが平面視において重なるような構造を含む太陽電池セルに比べて、本実施の形態では、より効果的に電界効果パッシベーションを行うことができ、太陽電池の性能を向上させることができる。
図２０～図２２を用いて、本実施の形態に係る太陽電池について説明する。図２０は、本実施の形態の太陽電池の裏面側の平面図である。図２１は、図２０の一部を拡大して示す平面図である。図２２は、図２０および図２１のＢ－Ｂ線における断面図である。
前記実施の形態１との違いは、前記実施の形態１の構造が背面接合型太陽電池セルであるのに対して、本実施の形態の構造がエミッタラップスルー（Emitter Wrap Through；ＥＷＴ）太陽電池セルであるという点である。ＥＷＴ太陽電池セルとは、図２２に示すように、シリコン基板１の上面と下面とを貫く貫通孔が形成され、その後、貫通孔の内壁およびシリコン基板１の裏面にｎ＋層２１が形成された後、貫通孔を埋め込むｎ＋層側電極２３が形成された太陽電池セルである。また、シリコン基板１の裏面にｐ＋層１１が形成されている。図２０に示す平面図は、図１に示す背面接合型太陽電池セルの平面図と同じであり、背面接合型太陽電池セルと同様に、ＥＷＴ太陽電池セルも、ｐ＋層側電極１３とｎ＋層側電極２３とがいずれも裏面に配置された、裏面電極型太陽電池セルの一種である。
ＥＷＴ太陽電池セルでは、シリコン基板１を貫通するｎ＋層側電極２３を形成することで、シリコン基板１中での電子の移動経路を短縮し、電気抵抗を低減することができる。また、正孔が集中するｐ＋層１１から離れた位置にｎ＋層２１が形成されるため、シリコン基板１中の電子がｐ＋層１１の近傍の正孔と再結合することを防ぐことができる。
図２２に示すように、本実施の形態の太陽電池セル構造においても、前記実施の形態１の構造と同様、ＯＮＯ積層膜３１のうち、ｎ＋層２１と接する領域における窒化シリコン膜３３は、正電荷蓄積膜３５であり、ｐ＋層１１と接する領域における窒化シリコン膜３３は、負電荷蓄積膜３６である。
本実施の形態によれば、前記実施の形態１の背面接合型太陽電池セルの場合と同様、ＥＷＴ太陽電池セルにおいても、パターニングを行うことなく、ｎ＋層２１に対して、正電荷を有する膜でパッシベーションを行い、ｐ＋層１１に対して、負電荷を有する膜でパッシベーションを行うことで、電界効果パッシベーションを実現することができる。本実施の形態の効果も、前記実施の形態１と同様、ｐ＋層１１、ｎ＋層２１、ｐ＋層側電極１３、およびｎ＋層側電極２３の幅の大小関係によって異なるため、場合に応じた設計が必要である。
本実施の形態の太陽電池セルの製造方法は、前記実施の形態１の場合とほぼ同様である。すなわち、シリコン基板１を貫通する貫通孔をレーザー照射により形成した後、前記貫通孔の内壁およびシリコン基板１の裏面にｎ＋層２１を形成し、さらに、シリコン基板１の裏面にｐ＋層１１を形成する。続いて、シリコン基板１の裏面にＯＮＯ積層膜３１を形成し、その後コンタクトホール２２を形成し、次にｎ＋層側電極２３を形成する。続いて、ＯＮＯ積層膜３１にＵＶ光を照射することで、ＯＮＯ積層膜３１のうち、ｎ＋層側電極２３に覆われていない領域での、正電荷を有する窒化シリコン膜を、負電荷蓄積膜３６へと変化させた後、コンタクトホール１２を形成し、次にｐ＋層側電極１３を形成する。
なお、ＥＷＴ太陽電池セルは、上面から見て、ｎ＋層２１が貫通孔の内壁に沿って筒状に形成されるのに対し、ｎ＋層側電極２３は、複数の貫通孔のそれぞれの内壁に形成されたｎ＋層２１と、平面視において重なるライン状に形成される。図２１には、シリコン基板１（図２２参照）の裏面側から見た平面図を示している。図２１では、シリコン基板１よりも下側（裏面側）に形成されたｎ＋層側電極２３およびｐ＋層側電極１３の形状を破線で示している。
図２１に示すように、ｎ＋層側電極２３は、シリコン基板１の裏面側において、第２方向に複数並ぶコンタクトホールから露出する、複数のｎ＋層２１を覆うように、第２方向に延在して配置されている。また、ｐ＋層側電極１３は、シリコン基板１の裏面において、第２方向に複数並ぶコンタクトホールから露出する、複数のｐ＋層１１を覆うように、第２方向に延在して配置されている。環状のｎ＋層２１の中央の貫通孔内には、ｎ＋層側電極２３の一部がシリコン基板１を貫くように埋め込まれている。なお、図２１では、酸化シリコン膜３４を含むＯＮＯ積層膜３１（図２２参照）から露出しているｐ＋層１１を複数示しているが、ｐ＋層１１はシリコン基板１の裏面にマトリクス状に並んで形成されているわけではなく、実際にはシリコン基板１の裏面の広い範囲に形成され、複数のｎ＋層２１のそれぞれを囲むように形成されている。
したがって、シリコン基板１の裏面において、平面視において環状の形状を有するｎ＋層２１が形成されていない領域には、ｐ＋層１１が存在するので、複数のｎ＋層２１と重なるように形成されたｎ＋層側電極２３の直上の一部には、必ずｐ＋層１１が存在することになる。つまり、ｎ＋層側電極２３は、ｎ＋層２１のみならず、ｐ＋層１１とも重なるように形成されている。したがって、ｎ＋層側電極２３に覆われた領域の窒化シリコン膜３３は、ＵＶ光照射工程を経ても負電荷を耐電せず、正電荷を有している状態を保つことになり、正電荷蓄積膜３５とｐ＋層１１とが平面視において重なるように配置される構造となる。この点は、前記実施の形態１で述べた背面接合型太陽電池セルと異なる。
このような太陽電池セルでは、ｎ＋層側電極２３のライン幅を、ｎ＋層２１のホール径に可能な限り近い値に設定すれば、ｐ＋層１１と正電荷蓄積膜３５とが平面視において重なる領域を低減することができるため、より効果的に電界効果パッシベーションを行うことができ、太陽電池の性能を向上させることができる。
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
本発明は、背面接合型太陽電池の製造技術に適用して有効である。
１ シリコン基板
１１ 層
１２ コンタクトホール
１３ 層側電極
２１ 層
２２ コンタクトホール
２３ 層側電極
３１ ＯＮＯ積層膜
３２ 酸化シリコン膜
３３ 窒化シリコン膜
３４ 酸化シリコン膜
３５ 正電荷蓄積膜
３６ 負電荷蓄積膜
１１ 層
１２ コンタクトホール
１３ 層側電極
２１ 層
２２ コンタクトホール
２３ 層側電極
３１ ＯＮＯ積層膜
３２ 酸化シリコン膜
３３ 窒化シリコン膜
３４ 酸化シリコン膜
３５ 正電荷蓄積膜
３６ 負電荷蓄積膜
Claims (12)
- ｎ層と、
前記ｎ層と同一平面内に形成されたｐ層と、
前記ｎ層および前記ｐ層に接する第１の酸化シリコン膜、窒化シリコン膜および第２の酸化シリコン膜がこの順に積層されたパッシベーション膜と、
を有し、
前記窒化シリコン膜のうち、前記ｎ層に隣接する部分は正電荷を有し、前記ｐ層に隣接する部分は負電荷を有することを特徴とする太陽電池。 - 請求項１記載の太陽電池において、
前記ｎ層と前記ｐ層との幅が等しく、
前記ｎ層に接するｎ層側電極と、前記ｐ層に接するｐ層側電極との幅が等しいことを特徴とする太陽電池。 - 請求項１記載の太陽電池において、
前記ｎ層と前記ｐ層との幅が異なり、
前記ｎ層に接するｎ層側電極と、前記ｐ層に接するｐ層側電極の幅が異なることを特徴とする太陽電池。 - 請求項３記載の太陽電池において、
前記ｐ層の幅は、前記ｎ層より大きく、
前記ｐ層側電極の幅は、前記ｎ層側電極の幅より大きいことを特徴とする太陽電池。 - 請求項１記載の太陽電池において、
前記第１の酸化シリコン膜の膜厚が５ｎｍ以上であることを特徴とする太陽電池。 - 請求項１記載の太陽電池において、
前記ｎ層および前記ｐ層は、基板の同一面内に形成されていることを特徴とする太陽電池。 - ｎ層と、
前記ｎ層と同一平面内に形成されたｐ層と、
前記ｎ層および前記ｐ層に接する第１の酸化シリコン膜、窒化シリコン膜および第２の酸化シリコン膜がこの順に積層されたパッシベーション膜と、
を有し、
前記ｎ層と前記ｐ層との幅が異なり、
前記ｎ層に接するｎ層側電極と、前記ｐ層に接するｐ層側電極との幅が等しく、
前記ｎ層に隣接する部分の前記窒化シリコン膜は正電荷を有し、
前記ｐ層に隣接する部分の前記窒化シリコン膜のうち、一部は正電荷を、残りの部分は負電荷をそれぞれ有することを特徴とする太陽電池。 - （ａ）ｎ層を形成する工程と、
（ｂ）前記ｎ層と同一平面内にｐ層を形成する工程と、
（ｃ）前記ｎ層および前記ｐ層に接する第１の酸化シリコン膜、窒化シリコン膜および第２の酸化シリコン膜がこの順に積層されたパッシベーション膜を形成する工程と、
（ｄ）前記パッシベーション膜のうち、前記ｎ層に隣接する部分の一部にコンタクトホールを形成する工程と、
（ｅ）前記（ｄ）工程の後、前記ｎ層と接するｎ層側電極を形成する工程と、
（ｆ）前記パッシベーション膜にＵＶ光を照射する工程と、
を有することを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 請求項８記載の太陽電池の製造方法において、
前記（ｆ）工程において、前記ＵＶ光を、前記（ｅ）工程において前記ｎ層側電極の設けられる側から照射することを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 請求項８記載の太陽電池の製造方法において、
（ｇ）前記パッシベーション膜のうち、前記ｐ層に隣接する部分の一部にコンタクトホールを形成する工程と、
（ｈ）前記（ｆ）工程の後であって、前記（ｇ）工程の後、前記ｐ層と接するｐ層側電極を形成する工程と、
をさらに有することを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 請求項８記載の太陽電池の製造方法において、
前記ＵＶ光の波長が３１０ｎｍ以下であることを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 請求項８記載の太陽電池の製造方法において、
前記（ａ）工程では、基板の一の平面に前記ｎ層を形成し、
前記（ｂ）工程では、前記基板の前記平面に前記ｐ層を形成することを特徴とする太陽電池の製造方法。
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