WO2014002257A1 - 太陽電池 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a solar cell.
  • Patent Document 1 describes a back junction solar cell in which both a p-side electrode and an n-side electrode are provided on the back side as a solar cell that can improve photoelectric conversion efficiency.
  • the solar cell described in Patent Document 1 is provided on a first semiconductor layer provided on a first region of one principal surface of a substrate made of a semiconductor material and on a second region on one principal surface. And a second semiconductor layer.
  • One of the first and second semiconductor layers is p-type and the other is n-type.
  • the second semiconductor layer is provided over the first semiconductor layer from the second region.
  • a recombination layer is provided between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. This recombination layer is a layer for constituting a recombination interface where holes and electrons recombine.
  • the main object of the present invention is to provide a solar cell having improved photoelectric conversion efficiency.
  • a solar cell according to the present invention includes a substrate made of a semiconductor material, a first amorphous semiconductor layer, a second amorphous semiconductor layer, a substantially intrinsic i-type amorphous semiconductor layer, and a third amorphous semiconductor layer. , Comprising a first crystalline semiconductor layer and a second crystalline semiconductor layer.
  • the first amorphous semiconductor layer is disposed on a region of the substrate.
  • the first amorphous semiconductor layer has one conductivity type.
  • the second amorphous semiconductor layer is disposed on another region of the substrate.
  • the second amorphous semiconductor layer has another conductivity type.
  • the i-type amorphous semiconductor layer is provided on the first amorphous semiconductor layer.
  • the third amorphous semiconductor layer is provided on the i-type amorphous semiconductor layer.
  • the third amorphous semiconductor layer has another conductivity type.
  • the first crystalline semiconductor layer is disposed between the first amorphous semiconductor layer and the i-type amorphous semiconductor layer.
  • the first crystalline semiconductor layer has one conductivity type.
  • the second crystalline semiconductor layer is disposed between the first crystalline semiconductor layer and the i-type amorphous semiconductor layer.
  • the second crystalline semiconductor layer has another conductivity type.
  • a solar cell having improved photoelectric conversion efficiency can be provided.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a solar cell according to a first embodiment.
  • the solar cell 1 has a substrate 10n made of a semiconductor material.
  • the substrate 10n has n-type or p-type conductivity.
  • the conductivity type of the substrate 10n is n-type.
  • the substrate 10n can be made of, for example, an n-type crystalline semiconductor material.
  • the substrate 10n can be composed of, for example, n-type crystalline silicon.
  • the crystalline semiconductor material includes a single crystal semiconductor material and a polycrystalline semiconductor material. Crystalline silicon includes single crystal silicon and polycrystalline silicon.
  • the substrate 10n has a first main surface 10a and a second main surface 10b that mainly receive light.
  • the first main surface 10a is located on the light receiving surface side.
  • the “light receiving surface” means a main surface on the side of mainly receiving light, out of the two main surfaces.
  • a semiconductor layer 17i, a semiconductor layer 17n, and a protective layer 18 are provided in this order on the first main surface 10a.
  • the semiconductor layer 17i is made of a substantially intrinsic i-type semiconductor material.
  • the semiconductor layer 17i can be made of, for example, i-type amorphous silicon.
  • the thickness of the semiconductor layer 17i is preferably a thickness that does not substantially contribute to power generation (for example, about 0.00 nm to 25 nm).
  • the conductivity type of the semiconductor layer 17n is an n-type which is the same conductivity type as the substrate 10n.
  • the semiconductor layer 17n can be made of, for example, n-type amorphous silicon.
  • the protective layer 18 can be made of, for example, silicon nitride.
  • the protective layer 18 may have a function of suppressing surface reflection of incident light as well as a function of protecting the semiconductor layer 17n.
  • the amorphous semiconductor layer 11na is disposed on the first region 10b1 of the second main surface 10b.
  • the amorphous semiconductor layer 11na has the same conductivity type as the substrate 10n.
  • the conductivity type of the amorphous semiconductor layer 11na is n-type.
  • the amorphous semiconductor layer 11na may have a conductivity type different from that of the substrate 10n.
  • the amorphous semiconductor layer 11na can be made of n-type amorphous silicon, for example.
  • a substantially intrinsic i-type amorphous semiconductor layer 11ia is provided between the first amorphous semiconductor layer 11na and the second main surface 10b.
  • the i-type amorphous semiconductor layer 11ia has a thickness that does not substantially contribute to power generation (for example, about 0.00 nm to 25 nm).
  • the i-type amorphous semiconductor layer 11ia can be made of, for example, i-type amorphous silicon.
  • a substantially intrinsic i-type amorphous semiconductor layer 12ia is provided on the second region 10b2 which is at least a part of the region other than the first region 10b1 of the second main surface 10b.
  • An amorphous semiconductor layer 12pa is provided on the i-type amorphous semiconductor layer 12ia.
  • the amorphous semiconductor layer 12pa constitutes a second amorphous semiconductor layer and a third amorphous semiconductor layer.
  • the i-type amorphous semiconductor layer 12ia and the amorphous semiconductor layer 12pa are provided across the second region 10b2 and the amorphous semiconductor layer 11na. Accordingly, the amorphous semiconductor layer 11na and the amorphous semiconductor layer 12pa are stacked in the first region 10b1.
  • the i-type amorphous semiconductor layer 12ia can be composed of, for example, i-type amorphous silicon.
  • the thickness of the i-type amorphous semiconductor layer 12ia is preferably a thickness that does not substantially contribute to power generation (for example, about 0.00 nm to 25 nm).
  • the amorphous semiconductor layer 12pa has a conductivity type different from that of the substrate 10n. Specifically, the conductivity type of the amorphous semiconductor layer 12pa is p-type.
  • the amorphous semiconductor layer 12pa can be composed of, for example, p-type amorphous silicon.
  • a crystalline semiconductor layer 13 is provided between the amorphous semiconductor layer 11na and the i-type amorphous semiconductor layer 12ia.
  • the crystalline semiconductor layer 13 is a layer that recombines holes and electrons.
  • the crystalline semiconductor layer 13 has a defect level that can be a recombination center. For this reason, recombination of electrons and holes is likely to occur in the crystalline semiconductor layer 13. Therefore, a current flows through the crystalline semiconductor layer 13.
  • the thickness of the crystalline semiconductor layer 13 is preferably about 2 nm to 60 nm, for example, and more preferably 2 nm to 30 nm.
  • the crystal semiconductor layer 13 includes a first crystal semiconductor layer 13nc and a second crystal semiconductor layer 13pc.
  • the first crystalline semiconductor layer 13nc is provided on the amorphous semiconductor layer 11na.
  • the first crystalline semiconductor layer 13nc is in contact with the amorphous semiconductor layer 11na.
  • the first crystalline semiconductor layer 13nc has the same conductivity type as the amorphous semiconductor layer 11na.
  • the conductivity type of the first crystalline semiconductor layer 13nc is n-type.
  • the first crystalline semiconductor layer 13nc can be composed of, for example, n-type microcrystalline silicon.
  • the thickness of the first crystalline semiconductor layer 13nc is, for example, preferably about 1 nm to 30 nm, and more preferably 1 nm to 15 nm.
  • the second crystal semiconductor layer 13pc is disposed between the first crystal semiconductor layer 13nc and the i-type amorphous semiconductor layer 12ia.
  • the second crystal semiconductor layer 13pc is in contact with each of the first crystal semiconductor layer 13nc and the i-type amorphous semiconductor layer 12ia.
  • the second crystal semiconductor layer 13pc has a conductivity type different from that of the first crystal semiconductor layer 13nc. Specifically, the conductivity type of the second crystalline semiconductor layer 13pc is p-type.
  • the second crystalline semiconductor layer 13pc can be made of, for example, p-type microcrystalline silicon.
  • the thickness of the second crystalline semiconductor layer 13pc is, for example, preferably about 1 nm to 30 nm, and more preferably 1 nm to 15 nm.
  • microcrystalline semiconductor layer refers to a layer including a plurality of semiconductor crystal grains.
  • the microcrystalline semiconductor layer includes a layer that substantially includes only semiconductor crystal grains.
  • the microcrystalline semiconductor layer may include an amorphous region of a semiconductor in addition to the semiconductor crystal grains.
  • an n-side electrode 16n is provided on the amorphous semiconductor layer 12pa.
  • a p-side electrode 15p is provided on the amorphous semiconductor layer 12pa.
  • the electrodes 15p and 16n can be made of at least one of metals such as Ag and Cu, for example.
  • the first crystalline semiconductor layer 13nc having the same conductivity type as the amorphous semiconductor layer 11na is arranged between the amorphous semiconductor layer 11na and the i-type amorphous semiconductor layer 12ia. Also, between the first crystalline semiconductor layer 13nc and the i-type amorphous semiconductor layer 12ia.
  • a second crystal semiconductor layer 13pc having a conductivity type different from that of the first crystal semiconductor layer 13nc is provided.
  • the second crystalline semiconductor layer 13pc has the same conductivity type as the amorphous semiconductor layer 12pa.
  • the first crystalline semiconductor layer 13nc having the same conductivity type as the amorphous semiconductor layer 11na and the second conductivity type having the same conductivity type as the amorphous semiconductor layer 12pa.
  • a crystal semiconductor layer 13 which is a stacked body with the crystal semiconductor layer 13pc is arranged. For this reason, for example, as compared with the case where an amorphous semiconductor layer having the same conductivity type as that of the second amorphous semiconductor layer is provided between the first amorphous semiconductor layer and the i-type amorphous semiconductor layer, the photovoltaic cell of the solar cell is used. Conversion efficiency can be improved. The reason for this is considered to be that the effect of reducing the electrical resistance between the amorphous semiconductor layer 11na and the n-side electrode 16n is great.
  • Example 1 of the present invention the electrical resistance between the substrate 10n and the second crystalline semiconductor layer 13pc in Example 1 of the present invention and the electrical resistance of other forms will be compared and examined.
  • Example 1 A solar cell was fabricated in the same manner as in Example 1 except that a p-type amorphous silicon layer was provided instead of the first and second crystalline semiconductor layers 13nc and 13pc, and the substrate 10n and the p-type amorphous silicon layer The electrical resistance between was measured. The results are shown in Table 1 below.
  • Example 2 A solar cell was fabricated in the same manner as in Example 1 except that a p-type amorphous silicon layer was provided instead of the second crystalline semiconductor layer 13pc, and the electric resistance between the substrate 10n and the p-type amorphous silicon layer was Was measured. The results are shown in Table 1 below.
  • Example 3 A solar cell was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the first crystal semiconductor layer 13nc was not provided, and the electrical resistance between the substrate 10n and the second crystal semiconductor layer 13pc was measured. The results are shown in Table 1 below.

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Description

太陽電池
 本発明は、太陽電池に関する。
 特許文献1には、光電変換効率を向上し得る太陽電池として、p側電極とn側電極との両方が裏面側に設けられた裏面接合型の太陽電池が記載されている。特許文献1に記載の太陽電池は、半導体材料からなる基板の一主面の第1の領域の上に設けられた第1の半導体層と、一主面の第2の領域の上に設けられた第2の半導体層とを有する。第1及び第2の半導体層の一方がp型であり、他方がn型である。第2の半導体層は、第2の領域上から、第1の半導体層の上に跨がって設けられている。第1の領域において、第1の半導体層と第2の半導体層との間には、再結合層が設けられている。この再結合層は、正孔と電子とが再結合する再結合界面を構成するための層である。
WO2010/098445 A1号公報
 太陽電池の光電変換効率をさらに改善したいという要望がある。
 本発明は、改善された光電変換効率を有する太陽電池を提供することを主な目的とする。
 本発明に係る太陽電池は、半導体材料からなる基板と、第1のアモルファス半導体層と、第2のアモルファス半導体層と、実質的に真性なi型アモルファス半導体層と、第3のアモルファス半導体層と、第1の結晶半導体層と、第2の結晶半導体層とを備える。第1のアモルファス半導体層は、基板の一領域の上に配されている。第1のアモルファス半導体層は、一の導電型を有する。第2のアモルファス半導体層は、基板の他の領域の上に配されている。第2のアモルファス半導体層は、他の導電型を有する。i型アモルファス半導体層は、第1のアモルファス半導体層の上に設けられている。第3のアモルファス半導体層は、i型アモルファス半導体層の上に設けられている。第3のアモルファス半導体層は、他の導電型を有する。第1の結晶半導体層は、第1のアモルファス半導体層とi型アモルファス半導体層との間に配されている。第1の結晶半導体層は、一の導電型を有する。第2の結晶半導体層は、第1の結晶半導体層とi型アモルファス半導体層との間に配されている。第2の結晶半導体層は、他の導電型を有する。
 本発明によれば、改善された光電変換効率を有する太陽電池を提供することができる。
第1の実施形態に係る太陽電池の略図的断面図である。
 以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
 また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものである。図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
 (第1の実施形態)
 図1に示されるように、太陽電池1は、半導体材料からなる基板10nを有する。基板10nは、n型またはp型の導電型を有する。本実施形態では、具体的には、基板10nの導電型は、n型である。基板10nは、例えば、n型の結晶半導体材料などにより構成することができる。具体的には、基板10nは、例えば、n型の結晶シリコンにより構成することができる。なお、結晶半導体材料には、単結晶半導体材料と多結晶半導体材料とが含まれるものとする。結晶シリコンには、単結晶シリコンと多結晶シリコンとが含まれるものとする。
 基板10nは、主として受光する第1の主面10aと第2の主面10bとを有する。第1の主面10aは、受光面側に位置する。ここで、「受光面」とは、2つの主面のうち、主として受光する側の主面をいう。
 第1の主面10aの上には、半導体層17i、半導体層17n及び保護層18がこの順番で設けられている。半導体層17iは、実質的に真性なi型半導体材料からなる。半導体層17iは、例えば、i型アモルファスシリコンにより構成することができる。半導体層17iの厚みは、実質的に発電に寄与しない程度の厚み(例えば、0.数nm~25nm程度)であることが好ましい。半導体層17nの導電型は、基板10nと同じ導電型であるn型である。半導体層17nは、例えばn型アモルファスシリコンにより構成することができる。保護層18は、例えば、窒化珪素などにより構成することができる。保護層18は、半導体層17nを保護する機能とともに、入射光の表面反射を抑制する機能を有していてもよい。
 第2の主面10bの第1の領域10b1の上には、アモルファス半導体層11naが配されている。アモルファス半導体層11naは、基板10nと同じ導電型を有する。具体的には、アモルファス半導体層11naの導電型は、n型である。もっとも、アモルファス半導体層11naは、基板10nと異なる導電型を有していてもよい。アモルファス半導体層11naは、例えばn型アモルファスシリコンにより構成することができる。
 第1のアモルファス半導体層11naと第2の主面10bとの間には、実質的に真性なi型アモルファス半導体層11iaが設けられている。i型アモルファス半導体層11iaは、発電に実質的に寄与しない程度の厚み(例えば、0.数nm~25nm程度)を有する。i型アモルファス半導体層11iaは、例えばi型アモルファスシリコンにより構成することができる。
 第2の主面10bの第1の領域10b1以外の領域の少なくとも一部である第2の領域10b2の上には、実質的に真性なi型アモルファス半導体層12iaが設けられている。i型アモルファス半導体層12iaの上には、アモルファス半導体層12paが設けられている。このアモルファス半導体層12paは、第2のアモルファス半導体層と、第3のアモルファス半導体層とを構成している。i型アモルファス半導体層12iaとアモルファス半導体層12paとは、第2の領域10b2の上とアモルファス半導体層11naの上とに跨がって設けられている。従って、第1の領域10b1においては、アモルファス半導体層11naとアモルファス半導体層12paとが積層されている。
 i型アモルファス半導体層12iaは、例えば、i型アモルファスシリコンにより構成することができる。i型アモルファス半導体層12iaの厚みは、実質的に発電に寄与しない程度の厚み(例えば、0.数nm~25nm程度)であることが好ましい。
 アモルファス半導体層12paは、基板10nとは異なる導電型を有する。具体的には、アモルファス半導体層12paの導電型は、p型である。アモルファス半導体層12paは、例えば、p型アモルファスシリコンにより構成することができる。
 アモルファス半導体層11naとi型アモルファス半導体層12iaとの間には、結晶半導体層13が設けられている。この結晶半導体層13は、正孔と電子とを再結合させる層である。結晶半導体層13は、再結合中心となり得る欠陥準位を有する。このため、結晶半導体層13において、電子と正孔との再結合とが生じやすい。よって、結晶半導体層13を介して電流が流れる。
 結晶半導体層13の厚みは、例えば、2nm~60nm程度であることが好ましく、2nm~30nmであることがより好ましい。
 結晶半導体層13は、第1の結晶半導体層13ncと、第2の結晶半導体層13pcとを有する。第1の結晶半導体層13ncは、アモルファス半導体層11naの上に設けられている。第1の結晶半導体層13ncは、アモルファス半導体層11naと接している。第1の結晶半導体層13ncは、アモルファス半導体層11naと同じ導電型を有する。具体的には、第1の結晶半導体層13ncの導電型は、n型である。第1の結晶半導体層13ncは、例えば、n型微結晶シリコンにより構成することができる。第1の結晶半導体層13ncの厚みは、例えば、1nm~30nm程度であることが好ましく、1nm~15nmであることがより好ましい。
 第2の結晶半導体層13pcは、第1の結晶半導体層13ncとi型アモルファス半導体層12iaとの間に配されている。第2の結晶半導体層13pcは、第1の結晶半導体層13nc及びi型アモルファス半導体層12iaのそれぞれと接している。第2の結晶半導体層13pcは、第1の結晶半導体層13ncとは異なる導電型を有する。具体的には、第2の結晶半導体層13pcの導電型は、p型である。第2の結晶半導体層13pcは、例えば、p型微結晶シリコンにより構成することができる。第2の結晶半導体層13pcの厚みは、例えば、1nm~30nm程度であることが好ましく、1nm~15nmであることがより好ましい。
 なお、微結晶半導体層とは、半導体結晶粒を複数個含む層をいう。微結晶半導体層には、実質的に半導体結晶粒のみからなる層が含まれる。また、微結晶半導体層は、半導体結晶粒に加え、半導体のアモルファス領域を有していてもよい。
 第1の領域10b1において、アモルファス半導体層12paの上には、n側電極16nが設けられている。一方、第2の領域10b2において、アモルファス半導体層12paの上には、p側電極15pが設けられている。電極15p、16nは、例えば、Ag、Cuなどの金属の少なくとも一種により構成することができる。
 上述のように、太陽電池1では、アモルファス半導体層11naとi型アモルファス半導体層12iaとの間に、アモルファス半導体層11naと同じ導電型を有する第1の結晶半導体層13ncが配されている。また、第1の結晶半導体層13ncとi型アモルファス半導体層12iaとの間に。第1の結晶半導体層13ncとは導電型が異なる第2の結晶半導体層13pcが配されている。第2の結晶半導体層13pcは、アモルファス半導体層12paと同じ導電型を有する。すなわち、アモルファス半導体層11naとi型アモルファス半導体層12iaとの間に、アモルファス半導体層11naと同じ導電型を有する第1の結晶半導体層13ncと、アモルファス半導体層12paと同じ導電型を有する第2の結晶半導体層13pcとの積層体である結晶半導体層13が配されている。このため、例えば、第1のアモルファス半導体層とi型アモルファス半導体層との間に、第2のアモルファス半導体層と同じ導電型を有するアモルファス半導体層を設けた場合と比較して、太陽電池の光電変換効率を向上することができる。この理由としては、アモルファス半導体層11naとn側電極16nとの間の電気抵抗を低減できる効果が大きいためであると考えられる。
 以下、本発明の実施例1に有する基板10nと第2の結晶半導体層13pcとの間の電気抵抗と、他の形態の電気抵抗の比較、検討を行う。
 (比較例1)
 第1及び第2の結晶半導体層13nc、13pcに代えて、p型アモルファスシリコン層を設けたこと以外は、実施例1と同様にして太陽電池を作製し、基板10nとp型アモルファスシリコン層との間の電気抵抗を測定した。結果を下記の表1に示す。
 (比較例2)
 第2の結晶半導体層13pcに代えて、p型アモルファスシリコン層を設けたこと以外は、実施例1と同様にして太陽電池を作製し、基板10nとp型アモルファスシリコン層との間の電気抵抗を測定した。結果を下記の表1に示す。
 (比較例3)
 第1の結晶半導体層13ncを設けなかったこと以外は、実施例1と同様にして太陽電池を作製し、基板10nと第2の結晶半導体層13pcとの間の電気抵抗を測定した。結果を下記の表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表1に示す結果から、第1及び第2の結晶半導体層13nc、13pcを設けることにより、基板10nと第2の結晶半導体層13pcとの電気抵抗を低減できることが分かる。したがって、電力の損失が抑制されるため、太陽電池の光電変換効率が改善できる。
1…太陽電池
10b1…第1の領域
10b…第2の主面
10b2…第2の領域
10n…半導体材料からなる基板
11ia、12ia…i型アモルファス半導体層
11na…アモルファス半導体層
12pa…アモルファス半導体層
13…結晶半導体層
13nc…第1の結晶半導体層
13pc…第2の結晶半導体層
15p…p側電極
16n…n側電極

Claims (3)

  1.  半導体材料からなる基板と、
     前記基板の一領域の上に配されており、一の導電型を有する第1のアモルファス半導体層と、
     前記基板の他の領域の上に配されており、他の導電型を有する第2のアモルファス半導体層と、
     前記第1のアモルファス半導体層の上に設けられた実質的に真性なi型アモルファス半導体層と、
     前記i型アモルファス半導体層の上に設けられており、他の導電型を有する第3のアモルファス半導体層と、
     前記第1のアモルファス半導体層と前記i型アモルファス半導体層との間に配されており、前記一の導電型を有する第1の結晶半導体層と、
     前記第1の結晶半導体層と前記i型アモルファス半導体層との間に配されており、前記他の導電型を有する第2の結晶半導体層と、
    を備える、太陽電池。
  2.  前記第1の結晶質半導体及び前記第2の結晶質半導体は、微結晶半導体からなる、請求項1に記載の太陽電池。
  3.  前記一の導電型がn型であり、前記他の導電型がp型である、請求項1または2に記載の太陽電池。
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