WO2014155833A1 - 太陽電池 - Google Patents

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solar cell
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epitaxial growth
silicon substrate
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泰史 角村
馬場　俊明
崇良 曽根
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三洋電機株式会社
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    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0236—Special surface textures
    • H01L31/02363—Special surface textures of the semiconductor body itself, e.g. textured active layers
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to a solar cell.
  • An object of the present invention is to provide a solar cell that can increase power generation efficiency.
  • the present invention is a solar cell comprising a silicon substrate having a textured structure with peaks and valleys formed on the surface, and an amorphous silicon layer provided on the surface of the silicon substrate.
  • the texture structure has a pair of inclined portions that are inclined so as to approach each other from a pair of adjacent mountain portions toward the valley portion, and is located between the inclined portions.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic plan view showing the texture structure of the surface of the silicon substrate in the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the texture structure of the surface of the silicon substrate in the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view illustrating a valley portion of the texture structure in the solar cell of the embodiment.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view illustrating a valley portion of the texture structure in the solar cell of the embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a round shape in a valley portion of the texture structure.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic plan view showing the texture structure of the surface of the silicon substrate in the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the texture
  • FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a round shape at a valley portion of the texture structure.
  • FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view illustrating a valley portion of a texture structure in a solar cell according to another embodiment.
  • FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view showing a valley portion of the texture structure in the solar cell of the comparative example.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • the solar cell 1 includes a silicon substrate 10.
  • a texture structure is formed on the front surface 11 and the back surface 15 of the silicon substrate 10.
  • the silicon substrate 10 may be made of single crystal silicon or may be made of polycrystalline silicon.
  • the silicon substrate 10 is an n-type single crystal silicon substrate.
  • An amorphous silicon layer 20 is provided on the surface 11.
  • the amorphous silicon layer 20 is formed on the i-type amorphous silicon thin film 21 that is the first amorphous silicon film and the i-type amorphous silicon thin film 21 formed on the surface 11.
  • the p-type amorphous silicon thin film 22 is a second amorphous silicon film.
  • the amorphous silicon layer 40 is provided on the back surface 15.
  • the amorphous silicon layer 40 is formed on the i-type amorphous silicon thin film 41 and the i-type amorphous silicon thin film 41 which are the first amorphous silicon films formed on the back surface 15.
  • the n-type amorphous silicon thin film 42 which is the second amorphous silicon film.
  • a transparent electrode 30 is provided on the amorphous silicon layer 20.
  • a transparent electrode 50 is also provided on the amorphous silicon layer 40.
  • a metal electrode 31 is provided on the transparent electrode 30.
  • a metal electrode 51 is also provided on the transparent electrode 50.
  • the i-type amorphous silicon thin film 21 is, for example, an amorphous intrinsic silicon semiconductor thin film containing hydrogen.
  • the intrinsic semiconductor thin film means that the concentration of the p-type or n-type dopant contained is 5 ⁇ 10 18 / cm 3 or less, or when the p-type and n-type dopants are contained at the same time. It refers to a semiconductor thin film having a difference in p-type or n-type dopant concentration of 5 ⁇ 10 18 / cm 3 or less.
  • the i-type amorphous silicon thin film 21 is thinned so that light absorption can be suppressed as much as possible, and thick enough to sufficiently passivate the surface of the silicon substrate 10.
  • the film thickness of the i-type amorphous silicon thin film 21 is 1 nm or more and 25 nm or less, preferably 5 nm or more and 10 nm or less.
  • the i-type amorphous silicon thin film 21 can be formed by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), Cat-CVD (Catalytic Chemical Vapor Deposition), sputtering, or the like.
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • Cat-CVD Catalytic Chemical Vapor Deposition
  • sputtering or the like.
  • any method such as RF plasma CVD, high frequency VHF plasma CVD, or microwave plasma CVD may be used.
  • RF plasma CVD method is used will be described.
  • a silicon-containing gas such as silane (SiH 4 ) is supplied by diluting it with hydrogen, applying RF high-frequency power to parallel plate electrodes or the like to form plasma, and heating the silicon substrate 10. It can form by supplying to the film-forming surface.
  • the substrate temperature during film formation is 150 ° C. or more and 250 ° C. or less
  • the RF power density is 1 mW / cm 2 or more and 10 mW / cm 2 or
  • the p-type amorphous silicon thin film 22 is an amorphous semiconductor film containing a p-type conductive dopant.
  • the p-type amorphous silicon thin film 22 is formed from amorphous silicon containing hydrogen.
  • the p-type amorphous silicon thin film 22 has a higher concentration of p-type dopant in the film than the i-type amorphous silicon thin film 21.
  • the p-type amorphous silicon thin film 22 preferably has a p-type dopant concentration of 1 ⁇ 10 20 / cm 3 or more.
  • the thickness of the p-type amorphous silicon thin film 22 is preferably thin so that light absorption can be suppressed as much as possible.
  • carriers generated in the silicon substrate 10 are effectively separated at the pn junction. In addition, it is preferable to increase the thickness so that the generated carriers are efficiently collected by the transparent conductive layer 14.
  • the p-type amorphous silicon thin film 22 can also be formed by PECVD, Cat-CVD, sputtering, or the like.
  • PECVD an RF plasma CVD method can be applied.
  • a silicon-containing gas such as silane (SiH 4 ) and a p-type dopant-containing gas such as diborane (B 2 H 6 ) are diluted with hydrogen and supplied to an RF radio frequency to parallel plate electrodes or the like. It can be formed by applying electric power to plasma and supplying it to the heated i-type amorphous silicon thin film 21 of the silicon substrate 10.
  • diborane (B 2 H 6 ) was diluted with 1% hydrogen.
  • the substrate temperature during film formation is preferably 150 ° C. or more and 250 ° C. or less, and the RF power density is preferably 1 mW / cm 2 or more and 10 mW / cm 2 or less.
  • the i-type amorphous silicon thin film 41 is formed on the back surface of the silicon substrate 10. That is, after the i-type amorphous silicon thin film 21 and the p-type amorphous silicon thin film 22 are formed, the front and back of the silicon substrate 10 are reversed and formed on the back surface of the silicon substrate 10.
  • the i-type amorphous silicon thin film 41 is an amorphous intrinsic silicon semiconductor thin film containing hydrogen. Similar to the i-type amorphous silicon thin film 21, the i-type amorphous silicon thin film 41 has a thickness of 1 nm to 25 nm, preferably 5 nm to 10 nm.
  • the i-type amorphous silicon thin film 41 can be formed by PECVD, Cat-CVD, sputtering, or the like.
  • PECVD an RF plasma CVD method can be applied.
  • a silicon-containing gas such as silane (SiH 4 ) is supplied by diluting it with hydrogen, applying RF high-frequency power to parallel plate electrodes or the like to form plasma, and heating the silicon substrate 10. It can form by supplying to the film-forming surface.
  • Substrate temperature during film formation like the i-type amorphous silicon film 21, 0.99 ° C. or higher 250 ° C. or less, RF power density is 1 mW / cm 2 or more 10 mW / cm 2 or less.
  • the n-type amorphous silicon thin film 42 is made of an amorphous semiconductor film containing an n-type conductive dopant.
  • the n-type amorphous silicon thin film 42 is formed from amorphous silicon containing hydrogen.
  • the n-type amorphous silicon thin film 42 has a higher concentration of n-type dopant in the film than the i-type amorphous silicon thin film 41.
  • the n-type amorphous silicon thin film 42 preferably has an n-type dopant concentration of 1 ⁇ 10 20 / cm 3 or more.
  • the thickness of the n-type amorphous silicon thin film 42 is preferably thin so as to suppress the absorption of light as much as possible.
  • carriers generated in the silicon substrate 10 are more effective due to the BSF (Back Surface Field) structure. It is preferable to thicken the generated carriers so that the generated carriers can be efficiently collected by the transparent electrode 50 while being separated.
  • the n-type amorphous silicon thin film 42 can also be formed by PECVD, Cat-CVD, sputtering, or the like.
  • PECVD an RF plasma CVD method can be applied.
  • a silicon-containing gas such as silane (SiH 4 ) and an n-type dopant-containing gas such as phosphine (PH 3 ) are diluted with hydrogen and supplied, and RF high frequency power is supplied to parallel plate electrodes and the like. It can be formed by applying it to plasma and supplying it to the i-type amorphous silicon thin film 41 of the heated silicon substrate 10.
  • phosphine (PH 3 ) was diluted with 2% hydrogen.
  • the substrate temperature during film formation is preferably 150 ° C. or more and 250 ° C. or less, and the RF power density is preferably 1 mW / cm 2 or more and 10 mW / cm 2 or less.
  • the front surface side of the silicon substrate 10 is a light receiving surface (a surface on which light is mainly introduced from outside) or the back surface side is a light receiving surface.
  • the silicon substrate 10 is inverted and the i-type amorphous silicon thin film 41 on the back surface side is inverted.
  • the n-type amorphous silicon thin film 42 is formed, but the formation order thereof is also arbitrary.
  • the transparent electrodes 30 and 50 can be formed from, for example, a transparent conductive oxide such as indium tin oxide (ITO).
  • the metal electrodes 31 and 51 can be formed of, for example, a metal such as Ag, Cu, or Sn, or an alloy containing at least one of these metals.
  • the i-type amorphous silicon thin films 21 and 41 are provided in the amorphous silicon layers 20 and 40, respectively, but the present invention is not necessarily limited thereto.
  • the amorphous silicon layer 20 may be formed only from the p-type amorphous silicon thin film 22, and the amorphous silicon layer 40 may be formed from only the n-type amorphous silicon thin film 42.
  • an n-type single crystal silicon substrate is used as the silicon substrate 10, but a p-type single crystal silicon substrate may be used.
  • the p-type amorphous silicon layer 22 has the same conductivity type as that of the silicon substrate 10
  • the n-type amorphous silicon layer 42 has the conductivity type of the silicon substrate 10. It has the opposite conductivity type.
  • a polycrystalline silicon substrate or the like may be used in addition to the single crystal silicon substrate.
  • a transparent electrode 50 is provided on the back surface 15 side to form a double-sided light receiving solar cell.
  • a non-transparent electrode such as a metal electrode may be provided to receive a solar cell that receives light only from the surface 11 side.
  • a metal electrode is provided instead of the transparent electrode 50, it is not necessary to provide the metal electrode 51.
  • FIG. 2 is a schematic plan view showing the texture structure of the surface of the silicon substrate in the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the texture structure of the surface of the silicon substrate in the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG. 2, and is a cross-sectional view passing through the peak portion 12 and the valley portion 13.
  • the surface 11 is formed with a texture structure having peaks 12 and valleys 13.
  • the peak portion 12 has a pyramid shape that is a quadrangular pyramid shape, and the valley portion 13 is formed by being sandwiched between a pair of adjacent peak portions 12. .
  • the texture structure having the ridges 12 and the valleys 13 is formed by using an alkaline aqueous solution such as an aqueous solution of sodium hydroxide (NaOH), an aqueous solution of potassium hydroxide (KOH), or tetramethylammonium hydroxide (TMAH). It can be formed by anisotropically etching the (100) plane. When the silicon substrate 10 having the (100) plane is immersed in an alkaline solution, anisotropic etching is performed along the (111) plane, and a large number of quadrangular pyramid peaks 12 are formed on the surface 11 of the silicon substrate 10.
  • the concentration of the aqueous alkali solution contained in the etching solution is preferably 1.0% by weight to 7.5% by weight.
  • Isotropic etching includes wet etching using a mixed solution of hydrofluoric acid (HF) and nitric acid (HNO 3 ), a mixed solution of hydrofluoric acid (HF), nitric acid (HNO 3 ), and acetic acid (CH 3 COOH). Dry etching using a mixed gas of fluorinated methane (CF 4 ) and oxygen (O 2 ) can be applied, and the curvature radius of the valley portion 13 can be adjusted by controlling the material mixing ratio and processing time. Further, the ridge portion 12 and the ridge line portion of the texture structure may be rounded simultaneously by isotropic etching.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a valley portion of the texture structure in the solar cell of the embodiment.
  • the cross-sectional view of FIG. 4 shows a cross-section passing through a pair of adjacent ridges 12 and a valley 13 sandwiched between them, similarly to the cross-sectional view of FIG.
  • the inclined portion 14 shown in FIG. 4 is formed between the peak portion 12 and the valley portion 13 shown in FIGS.
  • the amorphous silicon layer 20 formed on the texture structure on the surface of the silicon substrate 10 is formed along the unevenness of the texture structure.
  • the transparent electrode 30 formed on the amorphous silicon layer 20 is also formed along the unevenness of the texture structure.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view further enlarging the valley of the texture structure in the solar cell of the embodiment.
  • the amorphous silicon layer 20 has an epitaxial growth region 23 on the valley portion 13 and the inclined portion 14.
  • the thickness of the epitaxial growth region 23 in the valley portion 13 is greater than the thickness of the epitaxial growth region 23 in the inclined portion 14.
  • the thickness of the epitaxial growth region 23 in the valley portion 13 is 1 nm to the thickness until reaching the transparent electrode 30 (for example, 10 nm).
  • the thickness of the epitaxial growth region 23 in the inclined portion 14 is 0 nm to 3 nm.
  • the width of the epitaxial growth region 23 in the valley portion 13 is within the range of the round shape of the valley portion 13 described in detail below (for example, 1 nm to 100 nm).
  • the thickness of the epitaxial growth region 23 in the valley portion 13 and the inclined portion 14 is an average thickness in each portion.
  • the epitaxial growth region 23 is superior in conductivity as compared to an amorphous region which is another region in the amorphous silicon layer 20. Therefore, by forming the epitaxial growth region 23 in the amorphous silicon layer 20, the resistance loss can be reduced and the fill factor (FF) can be improved. Therefore, power generation efficiency can be increased.
  • FF fill factor
  • the epitaxial growth region 23 increases, the open circuit voltage (Voc) decreases.
  • the epitaxial growth region 23 is selectively promoted and formed in the valley portion 13. For this reason, the fall of an open circuit voltage (Voc) can be suppressed. Therefore, in this embodiment, it is possible to improve the fill factor while suppressing a decrease in the open circuit voltage.
  • the thickness of the epitaxial growth region 23 in the valley portion 13 is preferably thicker than the thickness of the epitaxial growth region 23 in the inclined portion 14. Further, the epitaxial growth region 23 in the inclined portion 14 may not be substantially formed.
  • the effect of the present invention may be reduced due to the occurrence of leakage current. Therefore, it is preferable that the epitaxial growth region 23 does not reach the transparent electrode 30. However, it is not necessarily limited to this, and may reach the transparent electrode 30.
  • the epitaxial growth region 23 is formed up to the i-type amorphous silicon thin film 21 as shown in FIG.
  • the epitaxial growth region 23 may be formed up to the inside of the p-type amorphous silicon thin film 22 or may be formed until reaching the transparent electrode 30.
  • the reason why the epitaxial growth region 23 is selectively promoted and formed will be described below.
  • a texture structure can be formed on the surface 11 of the silicon substrate 10 by anisotropically etching the silicon substrate 10. Thereafter, in the present embodiment, the following step (1) and step (2) are performed.
  • Step (1) is a step of removing a natural oxide film formed on the surface 11 of the silicon substrate 10 by hydrogen plasma treatment.
  • the natural oxide film is removed by adjusting the temperature of the silicon substrate 10 to 150 to 250 ° C., the H 2 flow rate to 100 to 300 sccm, the pressure to 10 to 100 Pa, and the power density to 1 to 10 mW / cm 2 .
  • the single crystal silicon surface of the silicon substrate 10 having (111) as the main orientation is formed on the inclined portion 14 of the silicon substrate 10, and the single portion of the silicon substrate 10 having (100) as the main orientation is formed in the valley portion 13. It is believed that a crystalline silicon surface is formed.
  • Step (2) is a step of performing hydrogen plasma treatment after step (1) by adding a small amount of SiH 4 gas.
  • the epitaxial growth region 23 is formed. Since the (100) plane has a higher epitaxial growth rate than the (111) plane, it is considered that the epitaxial growth region 23 is selectively formed in the valley portion 13 of the silicon substrate 10.
  • the thickness of the epitaxial growth region 23 can be controlled by adjusting the processing time.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining the round shape in the valley of the texture structure.
  • the valley 13 has a round shape.
  • the trough portion 13 is a region sandwiched between substantially linear inclined portions 14.
  • the radius of curvature of the round shape of the valley portion 13 is 150 nm or less. By forming a round shape having a radius of curvature of 150 nm or less, it becomes easy to selectively perform epitaxial growth in a minute range of the valley portion 13.
  • the radius of curvature of the round shape of the valley portion 13 is more preferably 100 nm or less, and particularly preferably in the range of 1 to 50 nm.
  • the curvature radius rv of the trough portion of the texture structure includes a point X and a trough V where the slope of the slope of the quadrangular pyramid constituting the texture structure having the peak portion and the trough portion changes as shown in FIG.
  • the radius of the arc is a point X and a trough V where the slope of the slope of the quadrangular pyramid constituting the texture structure having the peak portion and the trough portion changes as shown in FIG. The radius of the arc.
  • FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view illustrating a valley portion of a texture structure in a solar cell according to another embodiment.
  • the thickness of the epitaxial growth region 23 in the valley portion 13 is thicker than that in the embodiment shown in FIG.
  • the thickness of the epitaxial growth region 23 can be controlled by adjusting the processing time in the step (2). In this embodiment, the processing time is set longer than in the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view showing a valley portion of the texture structure in the solar cell of the comparative example.
  • the epitaxial growth region 23 is not substantially formed in the amorphous silicon layer 20.
  • the above steps (1) and (2) are not performed.
  • the epitaxial growth region 23 shown in the cross-sectional views of FIGS. 5, 8, and 9 can be observed with a transmission electron microscope.
  • the epitaxial growth region 23 can be observed as a dark region in the bright field image as compared with the amorphous region.
  • the amorphous silicon layer 20 on the front surface 11 side has been described, but the epitaxial growth region is also formed in the amorphous silicon layer 40 on the back surface 15 side in the same manner as the epitaxial growth region 23. .
  • the thickness of the epitaxial growth region 23 in the amorphous silicon layer 20 on the front surface 11 side is preferably thinner than the thickness of the epitaxial growth region in the amorphous silicon layer 40 on the rear surface 15 side. This is because the electric field effect at the interface between the silicon substrate 10 and the i-type amorphous silicon layers 21 and 41 becomes more effective on the n-type amorphous silicon layer 42 side during light irradiation.
  • the epitaxial growth region 23 on the n-type amorphous silicon layer 42 side is preferably made thicker than the epitaxial growth region 23 on the p-type amorphous silicon layer 22 side.
  • the solar cell of the present invention is not limited to the solar cell of the embodiment shown in FIG.
  • a texture structure may be formed only on one of the front surface 11 and the back surface 15 of the silicon substrate 10. Further, an epitaxial growth region may be formed only on one of the front surface 11 side and the back surface 15 side.

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Abstract

　テクスチャ構造が形成されたシリコン基板の表面上に、非晶質シリコン層を形成した太陽電池において、非晶質シリコン層による抵抗損失を低減することができ、発電効率を高めることができる太陽電池を提供する。　山部及び谷部１３を有するテクスチャ構造が表面に形成されたシリコン基板１０と、シリコン基板１０の表面上に設けられた非晶質シリコン層２０とを備える太陽電池であって、山部及び谷部１３を通る断面において、テクスチャ構造は、互いに隣接する一対の山部から谷部１３に向かって互いに近づくように傾斜している一対の傾斜部１４を有しており、傾斜部１４の間に位置する谷部１３は、曲率半径が１５０ｎｍ以下であるアール形状を有しており、非晶質シリコン層２０は、谷部１３において、谷部１３以外の領域よりも厚くなるように、谷部１３から成長したエピタキシャル成長領域２３を有している。

Description

太陽電池
　本発明は、太陽電池に関するものである。
　太陽電池の受光面に、テクスチャ構造と呼ばれる凹凸を形成することによって、光の反射を軽減すると同時に太陽電池内部に侵入する光量を増やし、太陽電池の発電効率を高めることが知られている。また、テクスチャ構造が形成された基板上に、非晶質シリコン層を形成した太陽電池が知られている（特許文献１）。
国際公開２０１１／０３４１４５号パンフレット
　本発明の目的は、発電効率を高めることができる太陽電池を提供することにある。
　本発明は、山部及び谷部を有するテクスチャ構造が表面に形成されたシリコン基板と、シリコン基板の表面上に設けられた非晶質シリコン層とを備える太陽電池であって、山部及び谷部を通る断面において、テクスチャ構造は、互いに隣接する一対の山部から谷部に向かって互いに近づくように傾斜している一対の傾斜部を有しており、傾斜部の間に位置する谷部は、曲率半径が１５０ｎｍ以下であるアール形状を有しており、非晶質シリコン層は、谷部において、谷部以外の領域よりも厚くなるように、谷部から成長したエピタキシャル成長領域を有している。
　本発明によれば、発電効率を高めることができる。
図１は、本発明の一実施形態の太陽電池を示す模式的断面図である。 図２は、図１に示す実施形態におけるシリコン基板の表面のテクスチャ構造を示す模式的平面図である。 図３は、図１に示す実施形態におけるシリコン基板の表面のテクスチャ構造を示す模式的断面図である。 図４は、実施形態の太陽電池におけるテクスチャ構造の谷部を拡大して示す断面図である。 図５は、実施形態の太陽電池におけるテクスチャ構造の谷部を拡大して示す断面図である。 図６は、テクスチャ構造の谷部におけるアール形状を説明するための断面図である。 図７は、テクスチャ構造の谷部におけるアール形状を説明するための断面図である。 図８は、他の実施形態の太陽電池におけるテクスチャ構造の谷部を拡大して示す断面図である。 図９は、比較例の太陽電池におけるテクスチャ構造の谷部を拡大して示す断面図である。
　以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、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場合がある。
　図１は、本発明の一実施形態の太陽電池を示す模式的断面図である。図１に示すように、太陽電池１は、シリコン基板１０を備えている。シリコン基板１０の表面１１及び裏面１５には、テクスチャ構造が形成されている。シリコン基板１０は、単結晶シリコンから構成されていてもよいし、多結晶シリコンから構成されていてもよい。本実施形態において、シリコン基板１０は、ｎ型の単結晶シリコン基板である。表面１１の上には、非晶質シリコン層２０が設けられている。非晶質シリコン層２０は、表面１１上に形成される、第１の非晶質シリコン膜であるｉ型非晶質シリコン薄膜２１と、ｉ型非晶質シリコン薄膜２１の上に形成される、第２の非晶質シリコン膜であるｐ型非晶質シリコン薄膜２２から構成されている。
　裏面１５の上には、非晶質シリコン層４０が設けられている。非晶質シリコン層４０は、裏面１５の上に形成される、第１の非晶質シリコン膜であるｉ型非晶質シリコン薄膜４１と、ｉ型非晶質シリコン薄膜４１の上に形成される、第２の非晶質シリコン膜であるｎ型非晶質シリコン薄膜４２から構成されている。
　非晶質シリコン層２０の上には、透明電極３０が設けられている。非晶質シリコン層４０の上にも、透明電極５０が設けられている。透明電極３０の上には、金属電極３１が設けられている。透明電極５０の上にも、金属電極５１が設けられている。
　ｉ型非晶質シリコン薄膜２１は、例えば、水素を含むアモルファスの真性シリコン半導体薄膜である。ここで、真性の半導体薄膜とは、含有されるｐ型又はｎ型のドーパントの濃度が５×１０１８／ｃｍ３以下である、または、ｐ型及びｎ型のドーパントが同時に含まれる場合にはｐ型又はｎ型のドーパント濃度の差が５×１０１８／ｃｍ３以下である半導体薄膜をいう。ｉ型非晶質シリコン薄膜２１は、光の吸収をできるだけ抑えられるように薄くし、一方でシリコン基板１０の表面が十分にパッシベーションされる程度に厚くすることが好適である。ｉ型非晶質シリコン薄膜２１の膜厚は、１ｎｍ以上２５ｎｍ以下であり、好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
　ｉ型非晶質シリコン薄膜２１は、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、Ｃａｔ－ＣＶＤ（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタリング法等により形成することができる。ＰＥＣＶＤは、ＲＦプラズマＣＶＤ法、周波数の高いＶＨＦプラズマＣＶＤ法、さらにはマイクロ波プラズマＣＶＤ法などいずれの手法を用いても良い。本実施例では、ＲＦプラズマＣＶＤ法を用いる場合について説明する。例えば、表１に示すように、シラン（ＳｉＨ４）等のケイ素含有ガスを水素で希釈して供給し、平行平板電極等にＲＦ高周波電力を印加してプラズマ化して、加熱されたシリコン基板１０の成膜面に供給することによって形成することができる。成膜時の基板温度は１５０℃以上２５０℃以下、ＲＦ電力密度は１ｍＷ／ｃｍ２以上１０ｍＷ／ｃｍ２以下である。
　ｐ型非晶質シリコン薄膜２２は、ｐ型の導電型のドーパントを含む非晶質半導体膜である。例えば、ｐ型非晶質シリコン薄膜２２は、水素を含有するアモルファスシリコンから形成される。ｐ型非晶質シリコン薄膜２２は、ｉ型非晶質シリコン薄膜２１よりも膜中のｐ型のドーパントの濃度が高くされる。例えば、ｐ型非晶質シリコン薄膜２２は、ｐ型のドーパントの濃度を１×１０２０／ｃｍ３以上とすることが好適である。ｐ型非晶質シリコン薄膜２２の膜厚は、光の吸収をできるだけ抑えられるように薄くすることが好適である一方で、シリコン基板１０内で発生したキャリアがｐｎ接合部で効果的に分離され、かつ、発生したキャリアが透明導電層１４で効率よく収集される程度に厚くすることが好適である。
　ｐ型非晶質シリコン薄膜２２も、ＰＥＣＶＤ、Ｃａｔ－ＣＶＤ、スパッタリング法等により形成することができる。ＰＥＣＶＤは、ＲＦプラズマＣＶＤ法を適用することができる。例えば、表１に示すように、シラン（ＳｉＨ４）等のケイ素含有ガス及びジボラン（Ｂ２Ｈ６）等のｐ型ドーパント含有ガスを水素で希釈して供給し、平行平板電極等にＲＦ高周波電力を印加してプラズマ化して、加熱されたシリコン基板１０のｉ型非晶質シリコン薄膜２１上に供給することによって形成することができる。なお、表１では、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）は１％の水素希釈とした。成膜時の基板温度は１５０℃以上２５０℃以下、ＲＦ電力密度は１ｍＷ／ｃｍ２以上１０ｍＷ／ｃｍ２以下とすることが好適である。
　ｉ型非晶質シリコン薄膜４１は、シリコン基板１０の裏面上に形成される。すなわち、ｉ型非晶質シリコン薄膜２１及びｐ型非晶質シリコン薄膜２２を形成後、シリコン基板１０の表裏を反転させ、シリコン基板１０の裏面上に形成される。例えば、ｉ型非晶質シリコン薄膜４１は、水素を含むアモルファスの真性シリコン半導体薄膜とされる。ｉ型非晶質シリコン薄膜４１の膜厚は、ｉ型非晶質シリコン薄膜２１と同様に、１ｎｍ以上２５ｎｍ以下であり、好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
　ｉ型非晶質シリコン薄膜４１は、ＰＥＣＶＤ、Ｃａｔ－ＣＶＤ、スパッタリング法等により形成することができる。ＰＥＣＶＤは、ＲＦプラズマＣＶＤ法を適用することができる。例えば、表１に示すように、シラン（ＳｉＨ４）等のケイ素含有ガスを水素で希釈して供給し、平行平板電極等にＲＦ高周波電力を印加してプラズマ化して、加熱されたシリコン基板１０の成膜面に供給することによって形成することができる。成膜時の基板温度は、ｉ型非晶質シリコン薄膜２１と同様に、１５０℃以上２５０℃以下、ＲＦ電力密度は１ｍＷ／ｃｍ２以上１０ｍＷ／ｃｍ２以下である。
　ｎ型非晶質シリコン薄膜４２は、ｎ型の導電型のドーパントを含む非晶質半導体膜からなる。例えば、ｎ型非晶質シリコン薄膜４２は、水素を含有するアモルファスシリコンから形成される。ｎ型非晶質シリコン薄膜４２は、ｉ型非晶質シリコン薄膜４１よりも膜中のｎ型のドーパントの濃度が高くされる。例えば、ｎ型非晶質シリコン薄膜４２は、ｎ型のドーパントの濃度を１×１０２０／ｃｍ３以上とすることが好適である。ｎ型非晶質シリコン薄膜４２の膜厚は、光の吸収をできるだけ抑えられるように薄くすることが好適である一方で、シリコン基板１０内で発生したキャリアをＢＳＦ（Ｂａｃｋ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｆｉｅｌｄ）構造により効果的に分離しつつ、発生したキャリアを透明電極５０で効率よく収集される程度に厚くすることが好適である。
　ｎ型非晶質シリコン薄膜４２も、ＰＥＣＶＤ、Ｃａｔ－ＣＶＤ、スパッタリング法等により形成することができる。ＰＥＣＶＤは、ＲＦプラズマＣＶＤ法を適用することができる。例えば、表１に示すように、シラン（ＳｉＨ４）等のケイ素含有ガス及びホスフィン（ＰＨ３）等のｎ型ドーパント含有ガスを水素で希釈して供給し、平行平板電極等にＲＦ高周波電力を印加してプラズマ化して、加熱されたシリコン基板１０のｉ型非晶質シリコン薄膜４１上に供給することによって形成することができる。なお、表１では、ホスフィン（ＰＨ３）は２％の水素希釈とした。成膜時の基板温度は１５０℃以上２５０℃以下、ＲＦ電力密度は１ｍＷ／ｃｍ２以上１０ｍＷ／ｃｍ２以下とすることが好適である。
　なお、シリコン基板１０の表面側を受光面（主として外部から光を導入する面）とするか、裏面側を受光面とするかは任意である。また、前述の実施形態では表面側のｉ型非晶質シリコン薄膜２１およびｐ型非晶質シリコン薄膜２２を形成した後、シリコン基板１０を反転させ、裏面側のｉ型非晶質シリコン薄膜４１およびｎ型非晶質シリコン薄膜４２を形成するとしたが、これらの形成順序も任意である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　透明電極３０及び５０は、例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電性酸化物等から形成することができる。金属電極３１及び５１は、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎなどの金属や、それらの金属の少なくとも一種を含む合金等から形成することができる。
　本実施形態においては、非晶質シリコン層２０及び４０に、それぞれｉ型非晶質シリコン薄膜２１及び４１を設けているが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、非晶質シリコン層２０をｐ型非晶質シリコン薄膜２２のみから形成し、非晶質シリコン層４０をｎ型非晶質シリコン薄膜４２のみから形成してもよい。
　本実施形態においては、シリコン基板１０として、ｎ型の単結晶シリコン基板を用いているが、ｐ型の単結晶シリコン基板を用いてもよい。この場合、ｐ型の非晶質シリコン層２２は、シリコン基板１０の導電型と同じ導電型を有していることになり、ｎ型の非晶質シリコン層４２は、シリコン基板１０の導電型と逆の導電型を有していることになる。なお、単結晶シリコン基板以外に多結晶シリコン基板等を用いてもよい。
　本実施形態においては、裏面１５側に透明電極５０を設けて、両面受光型の太陽電池としている。しかしながら、透明電極５０に代えて、金属電極などの透明でない電極を設けて、表面１１側からのみ受光する太陽電池としてもよい。透明電極５０に代えて、金属電極を設ける場合、金属電極５１を設ける必要がなくなる。
　図２は、図１に示す実施形態におけるシリコン基板の表面のテクスチャ構造を示す模式的平面図である。図３は、図１に示す実施形態におけるシリコン基板の表面のテクスチャ構造を示す模式的断面図である。図３は、図２に示すＡ－Ａ線に沿う断面図であり、山部１２及び谷部１３を通る断面図である。図３に示すように、表面１１には、山部１２及び谷部１３を有するテクスチャ構造が形成されている。図２及び図３に示すように、山部１２は、四角錐形状であるピラミッド形状を有しており、谷部１３は、互いに隣接する一対の山部１２に挟まれることにより形成されている。
　山部１２及び谷部１３を有するテクスチャ構造は、例えば、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等のアルカリ水溶液を用いてシリコン基板１０の（１００）面を異方性エッチングすることにより形成することができる。（１００）面を有するシリコン基板１０をアルカリ溶液に浸漬すると、（１１１）面に沿って異方性エッチングされ、シリコン基板１０の表面１１に四角錐状の山部１２が多数形成される。エッチング液に含まれるアルカリ水溶液の濃度は、１．０重量％～７．５重量％であることが好ましい。そして、山部１２及び谷部１３を有するテクスチャ構造を形成した後、シリコン基板１０の表面１１に等方性エッチングを施すことで、シリコン基板１０の表面１１の谷部１３を丸くすることができる。等方性エッチングは、フッ酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ３）の混合溶液、フッ酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ３）と酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）の混合溶液を用いたウェットエッチングや、四フッ化メタン（ＣＦ４）と酸素（Ｏ２）の混合ガスを用いたドライエッチングを適用することができ、材料混合比や処理時間を制御することにより、谷部１３の曲率半径を調整できる。また、等方性エッチングで同時に山部１２やテクスチャ構造の稜線部分を丸くしてもよい。
　図４は、実施形態の太陽電池におけるテクスチャ構造の谷部を拡大して示す断面図である。図４の断面図は、図３の断面図と同様に、隣接する一対の山部１２とその間に挟まれる谷部１３を通る断面を示している。図４に示す傾斜部１４は、図２及び図３に示す山部１２と谷部１３の間に形成される。図４に示すように、シリコン基板１０の表面のテクスチャ構造の上に形成される非晶質シリコン層２０は、テクスチャ構造の凹凸に沿って形成されている。また、非晶質シリコン層２０の上に形成される透明電極３０も、テクスチャ構造の凹凸に沿って形成されている。
　図５は、実施形態の太陽電池におけるテクスチャ構造の谷部をさらに拡大して示す断面図である。図５に示すように、非晶質シリコン層２０は、谷部１３及び傾斜部１４の上において、エピタキシャル成長領域２３を有している。谷部１３におけるエピタキシャル成長領域２３の厚みは、傾斜部１４におけるエピタキシャル成長領域２３の厚みより厚くなっている。谷部１３におけるエピタキシャル成長領域２３の厚みは、１ｎｍ～透明電極３０に到達するまでの厚み（例えば、１０ｎｍ）である。一方、傾斜部１４におけるエピタキシャル成長領域２３の厚みは、０ｎｍ～３ｎｍである。また、谷部１３におけるエピタキシャル成長領域２３の幅は、下記で詳述する谷部１３のアール形状の範囲内（例えば、１ｎｍ～１００ｎｍ）である。谷部１３及び傾斜部１４におけるエピタキシャル成長領域２３の厚みは、それぞれの部分における平均厚みである。
　エピタキシャル成長領域２３は、非晶質シリコン層２０における他の領域である非晶質領域に比べて、導電性に優れている。したがって、非晶質シリコン層２０において、エピタキシャル成長領域２３を形成することにより、抵抗損失を低減することができ、フィルファクター（ＦＦ）を向上させることができる。したがって、発電効率を高めることができる。
　一方、エピタキシャル成長領域２３が多くなると、開放電圧（Ｖｏｃ）が低下する。本実施形態では、谷部１３において、エピタキシャル成長領域２３が選択的に促進されて形成されている。このため、開放電圧（Ｖｏｃ）の低下を抑制することができる。したがって、本実施形態では、開放電圧の低下を抑制しながら、フィルファクターを向上させることができる。このような観点から、上記のように、谷部１３におけるエピタキシャル成長領域２３の厚みは、傾斜部１４におけるエピタキシャル成長領域２３の厚みより厚いことが好ましい。また、傾斜部１４におけるエピタキシャル成長領域２３は実質的に形成されていなくてもよい。
　エピタキシャル成長領域２３が、透明電極３０に到達すると、リーク電流の発生により、本発明の効果が小さくなる場合がある。従って、エピタキシャル成長領域２３は、透明電極３０に到達していないことが好ましい。しかしながら、必ずしもこれに限定されるものではなく、透明電極３０に到達していてもよい。
　上記の観点から、エピタキシャル成長領域２３は、図５に示すように、ｉ型非晶質シリコン薄膜２１内まで形成されていることが最も好ましい。しかしながら、エピタキシャル成長領域２３は、ｐ型非晶質シリコン薄膜２２内まで形成されていてもよく、さらには透明電極３０に到達するまで形成されていてもよい。
　本実施形態において、エピタキシャル成長領域２３が選択的に促進されて形成されている理由について、以下で説明する。
　上述のように、シリコン基板１０を異方性エッチングすることにより、シリコン基板１０の表面１１にテクスチャ構造を形成することができる。その後、本実施形態では、以下の工程（１）及び工程（２）を行っている。
　工程（１）は、水素プラズマ処理により、シリコン基板１０の表面１１に形成されている自然酸化膜を除去する工程である。
　シリコン基板１０の温度を１５０～２５０℃、Ｈ２流量を１００～３００ｓｃｃｍ、圧力を１０～１００Ｐａ、電力密度を１～１０ｍＷ／ｃｍ２の範囲で調整することで、自然酸化膜を除去する。この処理により、シリコン基板１０の傾斜部１４に（１１１）を主方位としたシリコン基板１０の単結晶シリコン面が形成され、谷部１３には（１００）を主方位としたシリコン基板１０の単結晶シリコン面が形成されると考えられる。
　工程（２）は、工程（１）の後、ＳｉＨ４ガスを微量に添加して水素プラズマ処理を行う工程である。
　シリコン基板１０の温度を１５０～２５０℃、Ｈ２流量を１００～３００ｓｃｃｍ、ＳｉＨ４流量を０．０１～１ｓｃｃｍ、圧力を１０～１００Ｐａ、電力密度を１～１０ｍＷ／ｃｍ２の範囲で調整することで、エピタキシャル成長領域２３を形成する。（１００）面では（１１１）面に比較しエピタキシャル成長速度が大きいため、シリコン基板１０の谷部１３に選択的にエピタキシャル成長領域２３が形成されるものと思われる。エピタキシャル成長領域２３の厚さは処理時間を調整することにより制御できる。
　図６は、テクスチャ構造の谷部におけるアール形状を説明するための断面図である。本実施形態において、谷部１３は、アール形状を有している。谷部１３は、略直線状の傾斜部１４に挟まれる領域である。谷部１３のアール形状の曲率半径は、１５０ｎｍ以下である。曲率半径が１５０ｎｍ以下であるアール形状とすることにより、谷部１３の微小範囲において選択的にエピタキシャル成長させやすくなる。谷部１３のアール形状の曲率半径は、１００ｎｍ以下であることがさらに好ましく、特に好ましくは、１～５０ｎｍの範囲内である。ここで、テクスチャ構造の谷部の曲率半径ｒｖとは、図７に示すように、山部及び谷部を有するテクスチャ構造を構成する四角錘の斜面の傾きが変化する点Ｘと谷Ｖを含む円弧の半径をいう。
　（他の実施形態）
　図８は、他の実施形態の太陽電池におけるテクスチャ構造の谷部を拡大して示す断面図である。図８に示す実施形態では、谷部１３におけるエピタキシャル成長領域２３の厚みが、図５に示す実施形態に比べて厚くなっている。上述のように、エピタキシャル成長領域２３の厚みは、工程（２）における処理時間を調整することにより、制御することができる。本実施形態では、図５に示す実施形態に比べ、処理時間を長くしている。
　（比較例）
　図９は、比較例の太陽電池におけるテクスチャ構造の谷部を拡大して示す断面図である。本比較例では、非晶質シリコン層２０にエピタキシャル成長領域２３が実質的に形成されていない。本比較例では、上記の工程（１）及び工程（２）を行っていない。
　図５、図８及び図９の断面図に示すエピタキシャル成長領域２３は、透過型電子顕微鏡によって観察することができる。エピタキシャル成長領域２３は、明視野像において、非晶質領域に比べ暗い領域として観察することができる。
　上記実施形態の説明では、表面１１側の非晶質シリコン層２０について説明したが、裏面１５側の非晶質シリコン層４０においても、エピタキシャル成長領域２３と同様にして、エピタキシャル成長領域が形成されている。表面１１側の非晶質シリコン層２０におけるエピタキシャル成長領域２３の厚みは、裏面１５側の非晶質シリコン層４０におけるエピタキシャル成長領域の厚みよりも薄いことが好ましい。これは、シリコン基板１０とｉ型非晶質シリコン層２１、４１との界面部分での電界効果は、光照射時にｎ型非晶質シリコン層４２側でより有効となるため、エピタキシャル成長領域２３が増えることによる開放電圧（Ｖｏｃ）低下が軽減されるものと推測される。したがって、効果的にフィルファクターを向上させる観点から、ｎ型非晶質シリコン層４２側のエピタキシャル成長領域２３をｐ型非晶質シリコン層２２側のエピタキシャル成長領域２３よりも厚くすることが好ましい。
　本発明の太陽電池は、図１に示す実施形態の太陽電池に限定されるものではない。シリコン基板１０の表面１１及び裏面１５の一方にのみテクスチャ構造が形成されたものであってもよい。また、表面１１側及び裏面１５側の一方にのみエピタキシャル成長領域が形成されたものであってもよい。
１…太陽電池
１０…シリコン基板
１１…表面
１２…山部
１３…谷部
１４…傾斜部
１５…裏面
２０…非晶質シリコン層
２１…ｉ型非晶質シリコン薄膜
２２…ｐ型非晶質シリコン薄膜
２３…エピタキシャル成長領域
３０…透明電極
３１…金属電極
４０…非晶質シリコン層
４１…ｉ型非晶質シリコン薄膜
４２…ｎ型非晶質シリコン薄膜
５０…透明電極
５１…金属電極

Claims (10)

  1. 　山部及び谷部を有するテクスチャ構造が表面に形成されたシリコン基板と、前記シリコン基板の前記表面上に設けられた非晶質シリコン層とを備える太陽電池であって、
    　前記山部及び前記谷部を通る断面において、前記テクスチャ構造は、互いに隣接する一対の前記山部から前記谷部に向かって互いに近づくように傾斜している一対の傾斜部を有しており、前記傾斜部の間に位置する前記谷部は、曲率半径が１５０ｎｍ以下であるアール形状を有しており、
    　前記非晶質シリコン層は、前記谷部において、前記谷部以外の領域よりも厚くなるように、前記谷部から成長したエピタキシャル成長領域を有している、太陽電池。
  2. 　前記非晶質シリコン層は、前記傾斜部から成長したエピタキシャル成長領域を有しており、前記谷部におけるエピタキシャル成長領域の厚みが、前記傾斜部におけるエピタキシャル成長領域の厚みよりも厚い、請求項１に記載の太陽電池。
  3. 　前記非晶質シリコン層は、前記シリコン基板の導電型と逆の導電型を有する、請求項１または２に記載の太陽電池。
  4. 　前記非晶質シリコン層は、前記シリコン基板の前記表面上に設けられる実質的に真性な第１の非晶質シリコン膜と、前記第１の非晶質シリコン膜の上に設けられる、前記シリコン基板の導電型と逆の導電型を有する第２の非晶質シリコン膜とを有する、請求項１または２に記載の太陽電池。
  5. 　前記非晶質シリコン層は、前記シリコン基板の導電型と同じ導電型を有する、請求項１または２に記載の太陽電池。
  6. 　前記非晶質シリコン層は、前記シリコン基板の前記表面上に設けられる実質的に真性な第１の非晶質シリコン膜と、前記第１の非晶質シリコン膜の上に設けられる、前記シリコン基板の導電型と同じ導電型を有する第２の非晶質シリコン膜とを有する、請求項１または２に記載の太陽電池。
  7. 　前記シリコン基板の前記表面と対向する裏面にも、前記テクスチャ構造が形成されており、前記裏面上に、前記谷部におけるエピタキシャル成長領域を有する非晶質シリコン層が設けられている、請求項１～６のいずれか１項に記載の太陽電池。
  8. 　前記表面の前記谷部におけるエピタキシャル成長領域の厚みが、前記裏面の前記谷部におけるエピタキシャル成長領域の厚みよりも厚い、請求項７に記載の太陽電池。
  9. 　前記裏面上に設けられる前記非晶質シリコン層は、前記表面上に設けられる前記非晶質シリコン層の導電型と逆の導電型を有する、請求項７または８に記載の太陽電池。
  10. 　前記裏面上に設けられる前記非晶質シリコン層は、前記シリコン基板の前記裏面上に設けられる実質的に真性な第１の非晶質シリコン膜と、前記第１の非晶質シリコン膜の上に設けられる、前記表面上に設けられる前記非晶質シリコン層の導電型と逆の導電型を有する第２の非晶質シリコン膜とを有する、請求項７または８に記載の太陽電池。
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