WO2017163506A1 - 太陽電池セル - Google Patents

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幹英 甲斐
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • This disclosure relates to solar cells.
  • an n-type amorphous silicon layer and a p-type amorphous silicon layer respectively provided on the back surface of a crystalline silicon wafer, and a silicon nitride layer that is an insulating layer interposed between the silicon layers are provided.
  • a solar battery cell is known (see, for example, Patent Document 1).
  • an electrode is provided only on the back side of the silicon wafer.
  • a diffusion prevention film for preventing diffusion of nitrogen into the silicon layer is further provided between the silicon nitride layer and the amorphous silicon layer, so that the amorphous silicon layer and the silicon wafer The deterioration of the passivation performance at the interface is suppressed.
  • the back junction type structure is provided with electrodes only on the back side of the silicon wafer, the amount of incident light can be reduced compared to the case where electrodes are provided on the light receiving side of the wafer. Can be increased.
  • a solar battery cell includes a crystalline silicon wafer, a first silicon nitride layer formed mainly on silicon nitride and formed on a light receiving surface of the crystalline silicon wafer, and a back surface of the crystalline silicon wafer.
  • the refractive index is higher than that of the silicon nitride layer.
  • the solar cell according to the present disclosure has high open circuit voltage and short circuit current, and is excellent in output characteristics. In addition, the amount of light incident on the silicon wafer is large, and high power generation efficiency is obtained.
  • the present inventors have determined that the refractive index of the silicon nitride layer on the back surface side (second silicon nitride layer) is the silicon nitride layer on the light receiving surface side (the second silicon nitride layer).
  • a new cell structure has been found in which the refractive index of the silicon nitride layer is higher than that of the silicon nitride layer. By adopting such a structure, it becomes possible to improve the open circuit voltage and the short circuit current without reducing the amount of incident light.
  • the present inventors have found that the output characteristics of the solar battery cell are improved by increasing the refractive index of the silicon nitride layer.
  • the refractive index of the silicon nitride layer when the refractive index of the silicon nitride layer is increased, the amount of absorption of light having a short wavelength increases.
  • the refractive index of the first silicon nitride layer on the light receiving surface side is not increased, but the refractive index of the second silicon nitride layer on the back surface side is increased, so that the light enters the silicon wafer.
  • the output characteristics are improved without reducing the amount of light.
  • the passivation performance at the interface between the silicon wafer and the first amorphous silicon layer is improved, and the output characteristics are improved.
  • Conceivable As will be described in detail later, as a factor for improving the passivation performance, hydrogen contained in the second silicon nitride layer diffuses into the first amorphous silicon layer, and the hydrogen concentration of the amorphous silicon layer increases. Conceivable.
  • the description of “substantially to” is intended to include the case where substantially the entire region is recognized as well as the entire region, taking the entire region as an example.
  • the description “formed on” is explained by taking the light receiving surface of the silicon wafer as an example. Not only when the first silicon nitride layer is formed directly on the light receiving surface of the wafer, but also on the light receiving surface. It is intended to include the case where the first silicon nitride layer is formed through another layer formed in step (b).
  • the n-type dopant means an impurity that functions as a donor, and the p-type dopant means an impurity that functions as an acceptor.
  • an n-type crystalline silicon wafer doped in n-type is exemplified as the crystalline silicon wafer.
  • a p-type crystalline silicon wafer doped in p-type is used as the crystalline silicon wafer.
  • a p-type amorphous silicon layer mainly composed of p-type amorphous silicon is used as the first conductive type first amorphous silicon layer, and the second conductive type second amorphous silicon layer is used.
  • an n-type amorphous silicon layer mainly composed of n-type amorphous silicon is preferable to use an n-type amorphous silicon layer mainly composed of n-type amorphous silicon.
  • the same configuration as that when an n-type crystalline silicon wafer is used can be applied.
  • FIG. 1 is a view of a solar battery cell 10 as an example of the embodiment as viewed from the back side.
  • FIG. 2 is a diagram showing a part of a cross section taken along line AA in FIG. 1 and 2, one direction along the back surface of the solar battery cell 10 is represented as an ⁇ direction, another direction orthogonal to the one direction is represented as a ⁇ direction, and the thickness direction of the solar battery cell 10 is represented as a ⁇ direction. ing.
  • the solar battery cell 10 includes an n-type crystalline silicon wafer 11 and an electrode formed on the back surface of the n-type crystalline silicon wafer 11.
  • the electrodes include a collector electrode 20 (n-type region collector electrode) that collects carriers from an n-type region described later and a collector electrode 30 (p-type region collector electrode) that collects carriers from a p-type region described later.
  • no electrode is provided on the light receiving surface side of the n-type crystalline silicon wafer 11, and an electrode is provided only on the back surface side.
  • the “light-receiving surface” of the n-type crystalline silicon wafer 11 means a surface on which light is mainly incident (over 50% to 100%), and “back surface” is a surface opposite to the light-receiving surface. means.
  • the n-type crystalline silicon wafer 11 may be an n-type polycrystalline silicon wafer, but is preferably an n-type single crystal silicon wafer.
  • concentration of the n-type dopant in the n-type crystalline silicon wafer 11 is, for example, 1 ⁇ 10 14 to 1 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 .
  • phosphorus (P) is used as the n-type dopant.
  • the n-type crystalline silicon wafer 11 has, for example, a substantially square surface shape with one side of 120 to 160 mm.
  • the substantially square includes an octagon having two sets of long sides in which short sides and long sides are alternately continuous and parallel to each other.
  • the thickness of the n-type crystalline silicon wafer 11 is, for example, 50 to 300 ⁇ m.
  • a texture structure (not shown) is formed on the surface of the n-type crystalline silicon wafer 11.
  • the texture structure is a surface uneven structure for increasing the light absorption amount of the n-type crystalline silicon wafer 11 by suppressing the surface reflection, and is provided on one of the light receiving surface and the back surface or on the light receiving surface and the back surface. Formed on both. Since the solar cell 10 of the present embodiment has a back surface junction type structure, it is preferable that the texture structure is provided only on the light receiving surface side of the n-type crystalline silicon wafer 11.
  • the texture structure can be formed by anisotropic etching of the (100) plane of the single crystal silicon wafer using an alkaline solution, and the surface of the single crystal silicon wafer has a pyramidal uneven structure with the (111) plane as an inclined surface. It is formed.
  • the height of the unevenness of the texture structure is, for example, 1 to 15 ⁇ m.
  • the solar battery cell 10 includes a first silicon nitride layer 12 formed on the light receiving surface of an n-type crystalline silicon wafer 11.
  • a passivation layer 13 is provided between the n-type crystalline silicon wafer 11 and the first silicon nitride layer 12.
  • the solar cell 10 includes an n-type amorphous silicon layer 14, a p-type amorphous silicon layer 15, and a second silicon nitride layer 16 formed on the back side of the n-type crystalline silicon wafer 11. Is provided.
  • an n-type region doped n-type by the n-type amorphous silicon layer 14 is p-type doped by the p-type amorphous silicon layer 15. Each region is formed.
  • the n-type amorphous silicon layer 14 is formed on the first region on the back surface of the n-type crystalline silicon wafer 11.
  • the p-type amorphous silicon layer 15 is formed on the second region on the back surface of the n-type crystalline silicon wafer 11.
  • the first region where the n-type amorphous silicon layer 14 is formed becomes the n-type region
  • the second region where the p-type amorphous silicon layer 15 is formed The region becomes a p-type region.
  • the second silicon nitride layer 16 is formed on a part of the n-type amorphous silicon layer 14.
  • a p-type amorphous silicon layer 15 is formed on the second region and the second silicon nitride layer 16.
  • the solar cell 10 further includes a passivation layer 17 formed between the n-type crystalline silicon wafer 11 and the n-type amorphous silicon layer 14, an n-type crystalline silicon wafer 11 and a p-type amorphous silicon layer. And a passivation layer 18 formed between 15.
  • the passivation layer 17 is formed in substantially the entire region where the n-type amorphous silicon layer 14 is formed (first region), and the passivation layer 18 is a region where the p-type amorphous silicon layer 15 is formed (second region). And on the second silicon nitride layer 16).
  • the first silicon nitride layer 12 is formed on the light receiving surface of the n-type crystalline silicon wafer 11 via the passivation layer 13.
  • the first silicon nitride layer 12 and the passivation layer 13 are formed over substantially the entire light receiving surface of the n-type crystalline silicon wafer 11.
  • the passivation layer 13 may cover the entire surface of the approximately square or exclude an outer peripheral region of 2 mm or less from the end of the approximately square. The entire surface may be covered.
  • the thickness of the first silicon nitride layer 12 is, for example, 50 to 150 nm.
  • the thickness of the passivation layer 13 is, for example, 1 to 25 nm.
  • the first silicon nitride layer 12 functions as a protective layer for protecting the light-receiving surface of the n-type crystalline silicon wafer 11 and the passivation layer 13 and as an antireflection layer for suppressing reflection of incident light.
  • the first silicon nitride layer 12 is composed mainly of silicon nitride (SiN).
  • the first silicon nitride layer 12 may contain components other than SiN, such as silicon oxide and silicon oxynitride, but the content of SiN is 50% by weight or more, preferably 80% by weight with respect to the layer weight. Or about 100% by weight.
  • the first silicon nitride layer 12 can be formed by CVD or sputtering.
  • the first silicon nitride layer 12 preferably has a refractive index of light having a wavelength of 633 nm of less than 2.1, particularly preferably 1.9 to 2.0.
  • the refractive index of the first silicon nitride layer 12 is measured using a spectroscopic ellipsometer (the same applies to the refractive index of the second silicon nitride layer 16).
  • the composition ratio Si / N of SiN constituting the first silicon nitride layer 12 is, for example, 0.8 to 1.2. Generally, the higher the Si / N, the higher the refractive index of SiN.
  • the first silicon nitride layer 12 contains, for example, 2 ⁇ 10 21 to 1 ⁇ 10 22 atoms / cm 3 of hydrogen.
  • the passivation layer 13 suppresses carrier recombination on the light receiving surface side of the n-type crystalline silicon wafer 11.
  • the passivation layer 13 may be substantially intrinsic amorphous silicon (hereinafter sometimes referred to as “i-type amorphous silicon”) or amorphous silicon having a dopant concentration lower than that of the n-type amorphous silicon layer 14. It is preferable that it is comprised as a main component.
  • the passivation layer 13 may have a single-layer structure of an i-type amorphous silicon layer, or may have a stacked structure of an i-type amorphous silicon layer and an n-type amorphous silicon layer.
  • the passivation layer 13 can be formed by CVD or sputtering.
  • the n-type amorphous silicon layer 14 is formed on the first region on the back surface of the n-type crystalline silicon wafer 11 via the passivation layer 17.
  • the n-type amorphous silicon layer 14 is composed mainly of n-type amorphous silicon.
  • the concentration of the n-type dopant in the n-type amorphous silicon layer 14 is, for example, 1 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 or more.
  • the n-type dopant is not particularly limited, but generally phosphorus (P) is used.
  • the thickness of the n-type amorphous silicon layer 14 is, for example, 1 to 25 nm, and preferably 1 to 10 nm.
  • the n-type amorphous silicon layer 14 can be formed by CVD or sputtering.
  • the p-type amorphous silicon layer 15, the second silicon nitride layer 16, and the passivation layers 17 and 18 can also be formed by CVD or sputtering.
  • the solar battery cell 10 is formed after forming the second silicon nitride layer 16, the passivation layer 18, and the p-type amorphous silicon layer 15 so as to cover the entire n-type amorphous silicon layer 14.
  • Each layer covering the n-type amorphous silicon layer 14 is patterned.
  • the n-type amorphous silicon layer 14 contains, for example, 5 ⁇ 10 21 to 1 ⁇ 10 22 atoms / cm 3 or more of hydrogen.
  • the hydrogen concentration is increased due to the diffusion of hydrogen from the second silicon nitride layer 16.
  • the increase in the hydrogen concentration due to the diffusion of hydrogen contributes to the improvement of the passivation performance in the n-type region.
  • the p-type amorphous silicon layer 15 is formed on the second region on the back surface of the n-type crystalline silicon wafer 11 and on the second silicon nitride layer 16 via the passivation layer 18.
  • the p-type amorphous silicon layer 15 is composed mainly of p-type amorphous silicon.
  • the concentration of the p-type dopant in the p-type amorphous silicon layer 15 is, for example, 1 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 or more.
  • the p-type dopant is not particularly limited, but boron (B) is generally used.
  • the thickness of the p-type amorphous silicon layer 15 is, for example, 1 to 25 nm, and preferably 1 to 10 nm.
  • the p-type amorphous silicon layer 15 contains hydrogen of 5 ⁇ 10 21 to 1 ⁇ 10 22 atoms / cm 3 , for example.
  • the n-type amorphous silicon layer 14 and the p-type amorphous silicon layer 15 are formed over substantially the entire back surface of the n-type crystalline silicon wafer 11. For this reason, a part of the n-type amorphous silicon layer 14 and a part of the p-type amorphous silicon layer 15 are overlapped and formed without a gap.
  • the p-type amorphous silicon layer 15 overlaps the n-type amorphous silicon layer 14 via the second silicon nitride layer 16, and each silicon layer is the back surface of the n-type crystalline silicon wafer 11. Are formed in stripes alternately in the ⁇ direction.
  • each amorphous silicon layer may cover the entire surface of the substantially square, or an outer peripheral region of 2 mm or less from the end of the approximately square. The entire surface except for may be covered.
  • the passivation layer 17 is substantially intrinsic amorphous silicon (i-type amorphous silicon) or has a lower n-type dopant concentration than the n-type amorphous silicon constituting the n-type amorphous silicon layer 14. It is preferable that the main component is amorphous silicon.
  • the passivation layer 18 is mainly composed of i-type amorphous silicon or amorphous silicon having a p-type dopant concentration lower than that of the p-type amorphous silicon constituting the p-type amorphous silicon layer 15. It is preferred that The passivation layers 17 and 18 are, for example, a single layer structure of an i-type amorphous silicon layer.
  • the thickness of the passivation layers 17 and 18 is, for example, 1 to 25 nm, and preferably 1 to 10 nm.
  • the passivation layer 17 contains, for example, 5 ⁇ 10 21 to 1 ⁇ 10 22 atoms / cm 3 of hydrogen.
  • the passivation layer 17 is also considered to have an increased hydrogen concentration due to the diffusion of hydrogen from the second silicon nitride layer 16.
  • the second silicon nitride layer 16 is formed on the back surface of the n-type crystalline silicon wafer 11 via the passivation layer 17 and the n-type amorphous silicon layer 14.
  • the second silicon nitride layer 16 is interposed between the n-type amorphous silicon layer 14 and the p-type amorphous silicon layer 15 and functions as an insulating layer in a portion where each amorphous silicon layer overlaps. That is, the second silicon nitride layer 16 is formed on the n-type amorphous silicon layer 14 over substantially the entire region where the p-type amorphous silicon layer 15 overlaps.
  • the second silicon nitride layer 16 is composed mainly of SiN.
  • the second silicon nitride layer 16 may contain components other than SiN, such as silicon oxide and silicon oxynitride, but the content of SiN is 50% by weight or more, preferably 80% by weight with respect to the layer weight. Or about 100% by weight.
  • the second silicon nitride layer 16 can be formed by CVD or sputtering.
  • the thickness of the second silicon nitride layer 16 is, for example, 30 to 100 nm.
  • the second silicon nitride layer 16 has a higher refractive index than the first silicon nitride layer 12.
  • the ratio of the refractive index for light having a wavelength of 633 nm (the refractive index of the second silicon nitride layer 16 / the refractive index of the first silicon nitride layer 12) is, for example, 1.05 to 1.35.
  • the solar battery cell 10 increases the amount of incident light by suppressing the refractive index of the first silicon nitride layer 12 on the light receiving surface side of the n-type crystalline silicon wafer 11 and increases the refractive index of the second silicon nitride layer 16 on the back surface side. To improve passivation performance.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the refractive index of light having a wavelength of 633 nm of the second silicon nitride layer 16 and the open circuit voltage Voc of the solar battery cell 10.
  • the inventors have found that the Voc of the solar battery cell 10 is improved and the output characteristics are improved by increasing the refractive index of the second silicon nitride layer 16. It was done. In particular, Voc is significantly improved when the refractive index of the second silicon nitride layer 16 is 2.1 or more.
  • the second silicon nitride layer 16 preferably has a refractive index of light having a wavelength of 633 nm (hereinafter sometimes referred to as “refractive index (633 nm)”) of 2.1 or more.
  • refractive index (633 nm) a refractive index of light having a wavelength of 633 nm (hereinafter sometimes referred to as “refractive index (633 nm)”) of 2.1 or more.
  • the refractive index (633 nm) of the second silicon nitride layer 16 is 2.5 or less. It is preferable.
  • a preferable range of the refractive index (633 nm) of the second silicon nitride layer 16 is 2.1 to 2.5, and more preferably 2.1 to 2.2.
  • the second silicon nitride layer 16 As a suitable method for adjusting the refractive index of the second silicon nitride layer 16 within the above range, a method of reducing the nitrogen radical concentration in the raw material gas used in the CVD can be mentioned.
  • silane (SiH 4 ) and ammonia (NH 3 ) are used as source gases, but by reducing the NH 3 / SiH 4 gas flow ratio, the second The refractive index of the silicon nitride layer 16 can be increased.
  • the film quality of the second silicon nitride layer 16 can also be changed by changing the temperature, pressure, and the like during film formation. For example, when the temperature during film formation is increased, the refractive index of the second silicon nitride layer 16 tends to increase.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the refractive index (633 nm) of the second silicon nitride layer 16 and the hydrogen concentration.
  • the hydrogen concentration of the second silicon nitride layer 16 is a relative value measured by a Fourier transform infrared spectrophotometer (FT-IR). As shown in FIG. 4, when the refractive index of the second silicon nitride layer 16 is increased, the hydrogen concentration of the second silicon nitride layer 16 is increased.
  • FT-IR Fourier transform infrared spectrophotometer
  • the hydrogen concentration does not substantially change even if the refractive index is increased, and the hydrogen concentration is proportional to the refractive index within the range where the refractive index is 2.1 or more. There is a relationship.
  • the second silicon nitride layer 16 has a higher hydrogen concentration than the first silicon nitride layer 12, and the second silicon nitride layer 16 includes, for example, 1.0 ⁇ 10 22 to 2.5 ⁇ 10 22 atoms / cm 3 of hydrogen. Is included. Since the Voc of the solar battery cell 10 is greatly improved at the refractive index 2.1 at which the hydrogen concentration starts to rise, the hydrogen concentration of the second silicon nitride layer 16 contributes to the improvement of Voc as described above. it is conceivable that.
  • FIG. 5A is a diagram showing the relationship between the hydrogen concentration of the second silicon nitride layer 16 and the hydrogen concentrations of the n-type amorphous silicon layer 14 and the passivation layer 17.
  • FIG. 5B shows a conventional example as a comparison.
  • the second silicon nitride layer 16 has a higher refractive index and a higher hydrogen concentration than the silicon nitride layer of the conventional solar battery cell.
  • the n-type amorphous silicon layer 14 and the passivation layer 17 that are in contact with the second silicon nitride layer 16 having a high hydrogen concentration are subjected to, for example, heat applied during the formation of the p-type amorphous silicon layer 15 and the passivation layer 18.
  • Part of the hydrogen diffuses from the second silicon nitride layer 16. Thereby, it is considered that the hydrogen concentration of the n-type amorphous silicon layer 14 and the passivation layer 17 increases, the passivation performance of the n-type region is improved, and the output characteristics of the solar battery cell 10 are improved.
  • the p-type amorphous silicon layer 15 and the passivation layer 18 are formed, the entire n-type amorphous silicon layer 14 and the passivation layer 17 are covered with the second silicon nitride layer 16. For this reason, it is considered that hydrogen diffuses substantially uniformly throughout the n-type amorphous silicon layer 14 and the passivation layer 17, and the hydrogen concentration in each layer is substantially uniform throughout the layer.
  • the hydrogen concentration of the silicon nitride layer is low, the hydrogen of the n-type amorphous silicon layer and the passivation layer diffuses into the silicon nitride layer, and the n-type amorphous silicon layer and the passivation layer It is considered that the hydrogen concentration of the layer is lower than that at the time of film formation.
  • a method for increasing the hydrogen concentration of the n-type amorphous silicon layer 14 a method of adding a large amount of hydrogen when forming the silicon layer is also conceivable, but in this case, the n-type is not formed when the silicon layer is formed. This causes a problem that hydrogen diffuses into the crystalline silicon wafer 11 to cause defects.
  • the second silicon nitride layer 16 has a lower density than the first silicon nitride layer 12.
  • the density of the second silicon nitride layer 16 is, for example, 2.3 to 2.7 g / cm 3 and is preferably less than 2.7 g / cm 3 .
  • the density of the first silicon nitride layer 12 is, for example, 2.7 to 2.9 g / cm 3 . Note that the density tends to decrease as the refractive index of the silicon nitride layer increases.
  • the collector electrode 20 is formed on the n-type amorphous silicon layer 14 and has a plurality of finger portions 21 extending substantially parallel to each other, and the longitudinal ends of the finger portions 21 substantially perpendicular to the finger portions 21. And a bus bar portion 22 for connecting the two.
  • the collector electrode 30 is formed on the p-type amorphous silicon layer 15. As with the collector electrode 20, the collector electrode 30 has a plurality of finger portions 31 and a bus bar portion 32. On the back surface of the n-type crystalline silicon wafer 11, the finger portions 21 and 31 extend in the ⁇ direction, and the bus bar portions 22 and 32 extend in the ⁇ direction.
  • Finger portions 21 and 31 are provided alternately in the ⁇ direction.
  • the finger part 31 is formed wider than the finger part 21.
  • the collector electrodes 20, 30 have a comb-like shape in a plan view that meshes with each other with a groove 35 formed on the second silicon nitride layer 16. Note that a wiring material is attached to the bus bar portions 22 and 32 when the solar cells 10 are connected in series to form a module.
  • the collector electrodes 20 and 30 may be formed using a conductive paste, but are preferably formed by electrolytic plating.
  • the collector electrodes 20 and 30 are made of, for example, a metal such as nickel (Ni), copper (Cu), silver (Ag), etc., and may have a laminated structure of a Ni layer and a Cu layer, in order to improve corrosion resistance. You may have a tin (Sn) layer in the outermost surface.
  • the collector electrodes 20 and 30 have a thickness of, for example, 50 nm to 1 ⁇ m, and the collector electrode 20 is formed thicker than the collector electrode 30.
  • the solar battery cell 10 was further formed between the transparent conductive layer 23 formed between the n-type amorphous silicon layer 14 and the collector electrode 20, and between the p-type amorphous silicon layer 15 and the collector electrode 30.
  • the transparent conductive layers 23 and 33 are separated from each other by a groove 35, similarly to the collector electrodes 20 and 30.
  • the transparent conductive layers 23 and 33 are transparent in which tungsten (W), tin (Sn), antimony (Sb), or the like is doped into a metal oxide such as indium oxide (In 2 O 3 ) or zinc oxide (ZnO). It is composed of a conductive oxide (IWO, ITO, etc.).
  • the thickness of the transparent conductive layers 23 and 33 is, for example, 30 to 500 nm.
  • FIGS. 6A to 6E are diagrams for explaining an example of a method for manufacturing the solar battery cell 10 having the above-described configuration.
  • “z” is added to the reference numerals of the respective layers before patterning into a final shape.
  • an n-type crystalline silicon wafer 11 having a texture structure is prepared.
  • the n-type crystalline silicon wafer 11 for example, an n-type single crystal silicon wafer in which a texture structure is formed only on one surface serving as a light receiving surface is used.
  • a passivation layer 17z, an n-type amorphous silicon layer 14z, and a second silicon nitride layer 16z are formed in this order on the other surface serving as the back surface of the n-type crystalline silicon wafer 11.
  • Each of these layers is formed over substantially the entire back surface of the n-type crystalline silicon wafer 11.
  • the passivation layer 17z, the n-type amorphous silicon layer 14z, and the second silicon nitride layer 16z are formed by CVD or sputtering.
  • a source gas obtained by diluting silane with hydrogen is used for forming the passivation layer 17z by CVD (the same applies to the passivation layers 13 and 18).
  • a source gas diluted with hydrogen by adding phosphine (PH 3 ) to silane is used. By changing the mixed concentration of phosphine, the dopant concentration of the n-type amorphous silicon layer 14z can be adjusted.
  • the ammonia / silane gas flow ratio is lowered to increase the refractive index of the second silicon nitride layer 16z.
  • the ammonia / silane gas flow rate ratio during film formation of the second silicon nitride layer 16 z is set lower than the ammonia / silane gas flow rate ratio during film formation of the first silicon nitride layer 12.
  • the above layers formed on the back surface of the n-type crystalline silicon wafer 11 are patterned.
  • the second silicon nitride layer 16z is etched using, for example, a hydrogen fluoride (HF) aqueous solution using a resist film as a mask.
  • HF hydrogen fluoride
  • the exposed n-type amorphous silicon layer 14z and the passivation layer 17z are etched using a sodium hydroxide (NaOH) aqueous solution using the patterned second silicon nitride layer 16z as a mask.
  • NaOH sodium hydroxide
  • a passivation layer 18z and a p-type amorphous silicon layer 15z are formed on substantially the entire back surface of the n-type crystalline silicon wafer 11 including the patterned second silicon nitride layer 16z.
  • a source gas diluted with hydrogen by adding diborane (B 2 H 6 ) to silane is used for forming the p-type amorphous silicon layer 15z.
  • B 2 H 6 diborane
  • the p-type amorphous silicon layer 15z and the passivation layer 18z formed on the second silicon nitride layer 16z are patterned, and the exposed portion of the second silicon nitride layer 16 is etched.
  • the etching of the p-type amorphous silicon layer 15z one having a higher concentration than the NaOH aqueous solution generally used for etching the n-type amorphous silicon layer 14z is used.
  • the region etched in this step is a region where the transparent conductive layer 23 and the collector electrode 20 are formed in a later step.
  • a patterned passivation layer 18, a p-type amorphous silicon layer 15, and a second silicon nitride layer 16 are formed on the back surface of the n-type crystalline silicon wafer 11.
  • a passivation layer 13 and a first silicon nitride layer 12 are formed in this order on the other surface (light receiving surface) of the n-type crystalline silicon wafer 11 by CVD or sputtering.
  • the first silicon nitride layer 12 and the passivation layer 13 are formed over substantially the entire light receiving surface of the n-type crystalline silicon wafer 11 as described above.
  • the transparent conductive layer 23 and the collector electrode 20 are formed on the n-type amorphous silicon layer 14, and the transparent conductive layer 33 and the collector electrode 30 are formed on the p-type amorphous silicon layer 15.
  • the solar battery cell 10 is obtained.

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Abstract

実施形態の一例である太陽電池セル１０は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１と、当該ウェーハの受光面上に形成された第１窒化ケイ素層１２と、当該裏面の第１領域上に形成されたｎ型非晶質シリコン層１４と、ｎ型非晶質シリコン層１４上の一部に形成された第２窒化ケイ素層１６と、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面の第２領域上、および第２窒化ケイ素層１６上に形成されたｐ型非晶質シリコン層１５とを備える。第２窒化ケイ素層１６は、第１窒化ケイ素層１２より屈折率が高い。

Description

太陽電池セル
　本開示は、太陽電池セルに関する。
　従来、結晶性シリコンウェーハの裏面上にそれぞれ設けられたｎ型非晶質シリコン層およびｐ型非晶質シリコン層と、当該各シリコン層の間に介在する絶縁層である窒化ケイ素層とを備えた太陽電池セルが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の太陽電池セルでは、シリコンウェーハの裏面側のみに電極が設けられている。また、当該太陽電池セルでは、窒化ケイ素層と非晶質シリコン層との間に当該シリコン層への窒素の拡散を防止する拡散防止膜をさらに設けて、非晶質シリコン層とシリコンウェーハとの界面におけるパッシベーション性能の低下を抑制している。
　特許文献１の太陽電池セルのように、シリコンウェーハの裏面側のみに電極を設けた裏面接合型の構造とすれば、ウェーハの受光面側に電極を設ける場合と比較して光の入射量を増加させることができる。
特開２０１６－６８４１号公報
　ところで、太陽電池セルにおいて、シリコンウェーハに入射する光量を増加させると共に、開放電圧と短絡電流を向上させて出力特性を改善することは重要な課題である。
　本開示に係る太陽電池セルは、結晶性シリコンウェーハと、窒化ケイ素を主成分として構成され、結晶性シリコンウェーハの受光面上に形成された第１窒化ケイ素層と、結晶性シリコンウェーハの裏面の第１領域上に形成された第１導電型の第１非晶質シリコン層と、窒化ケイ素を主成分として構成され、第１非晶質シリコン層上の一部に形成された第２窒化ケイ素層と、結晶性シリコンウェーハの裏面の第２領域上、および第２窒化ケイ素層上に形成された第２導電型の第２非晶質シリコン層とを備え、第２窒化ケイ素層は、第１窒化ケイ素層より屈折率が高いことを特徴とする。
　本開示に係る太陽電池セルは、開放電圧と短絡電流が高く、出力特性に優れる。また、シリコンウェーハに入射する光の量が多く、高い発電効率が得られる。
実施形態の一例である太陽電池セルを裏面側から見た図である。 図１中のＡＡ線断面の一部を示す図である。 第２窒化ケイ素層の屈折率とセルの開放電圧の関係を示す図である。 第２窒化ケイ素層の屈折率と水素濃度の関係を示す図である。 第２窒化ケイ素層の水素濃度とｎ型非晶質シリコン層および第１パッシベーション層の水素濃度の関係を示す図である。 実施形態の一例である太陽電池セルの製造方法を説明するための図である。 実施形態の一例である太陽電池セルの製造方法を説明するための図である。 実施形態の一例である太陽電池セルの製造方法を説明するための図である。 実施形態の一例である太陽電池セルの製造方法を説明するための図である。 実施形態の一例である太陽電池セルの製造方法を説明するための図である。
　本発明者らは、太陽電池セルの出力特性をさらに改善すべく鋭意検討を行った結果、裏面側の窒化ケイ素層（第２窒化ケイ素層）の屈折率を受光面側の窒化ケイ素層（第１窒化ケイ素層）の屈折率より高くした新たなセル構造を見出した。かかる構造を採用することにより、光の入射量が減少することなく、開放電圧と短絡電流を向上させることが可能となる。本発明者らは、窒化ケイ素層の屈折率を高くすることで、太陽電池セルの出力特性が向上することをつきとめた。但し、窒化ケイ素層の屈折率を高くすると、特に短波長の光の吸収量が多くなる。そこで、本開示に係る太陽電池セルでは、受光面側の第１窒化ケイ素層の屈折率は高くせず、裏面側の第２窒化ケイ素層の屈折率を高くすることにより、シリコンウェーハに入射する光量を減少させることなく、出力特性の向上を図っている。
　本開示に係る太陽電池セルでは、第２窒化ケイ素層の屈折率を高くすることで、シリコンウェーハと第１非晶質シリコン層との界面におけるパッシベーション性能が向上して、出力特性が改善されたと考えられる。詳しくは後述するが、パッシベーション性能が向上する要因として、第２窒化ケイ素層に含まれる水素が第１非晶質シリコン層に拡散して、当該非晶質シリコン層の水素濃度が上昇することが考えられる。
　以下、図面を参照しながら、本開示に係る太陽電池セルの実施形態の一例について詳細に説明する。なお、本開示に係る太陽電池セルは、以下で説明する実施形態に限定されない。実施形態の説明で参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された構成要素の寸法比率などは以下の説明を参酌して判断されるべきである。
　本明細書において「略～」との記載は、略全域を例に説明すると、全域はもとより実質的に全域と認められる場合を含む意図である。また、「～上に形成された」との記載は、シリコンウェーハの受光面を例に説明すると、第１窒化ケイ素層がウェーハの受光面上に直接形成される場合だけでなく、受光面上に形成された他の層を介して第１窒化ケイ素層が形成される場合を含む意図である。また、ｎ型ドーパントとはドナーとして機能する不純物を意味し、ｐ型ドーパントとはアクセプターとして機能する不純物を意味する。
　以下で説明する実施形態では、結晶性シリコンウェーハとして、ｎ型にドーピングされたｎ型結晶性シリコンウェーハを例示する。但し、結晶性シリコンウェーハには、ｐ型にドーピングされたｐ型結晶性シリコンウェーハを用いることも可能である。この場合は、第１導電型の第１非晶質シリコン層としてｐ型非晶質シリコンを主成分とするｐ型非晶質シリコン層を用い、第２導電型の第２非晶質シリコン層としてｎ型非晶質シリコンを主成分とするｎ型非晶質シリコン層を用いることが好ましい。第１窒化ケイ素層および第２窒化ケイ素層には、ｎ型結晶性シリコンウェーハを用いる場合と同様の構成を適用できる。
　図１は、実施形態の一例である太陽電池セル１０を裏面側から見た図である。図２は、図１中のＡＡ線断面の一部を示す図である。図１および図２では、太陽電池セル１０の裏面に沿った一の方向をα方向、当該一の方向に直交する他の方向をβ方向、太陽電池セル１０の厚み方向をγ方向としてそれぞれ表している。
　図１および図２に示すように、太陽電池セル１０は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１と、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面上に形成された電極とを備える。電極には、後述のｎ型領域からキャリアを収集する集電極２０（ｎ型領域集電極）と、後述のｐ型領域からキャリアを収集する集電極３０（ｐ型領域集電極）とが含まれる。太陽電池セル１０では、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面側に電極が設けられず、裏面側のみに電極が設けられている。ここで、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の「受光面」とは、光が主に入射（５０％超過～１００％）する面を意味し、「裏面」とは受光面と反対側の面を意味する。
　ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１は、ｎ型多結晶シリコンウェーハであってもよいが、好ましくはｎ型単結晶シリコンウェーハである。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１におけるｎ型ドーパントの濃度は、例えば、１×１０14～１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3である。ｎ型ドーパントには、一般的にリン（Ｐ）が用いられる。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１は、例えば、１辺が１２０～１６０ｍｍの略正方形の表面形状を有する。略正方形には、短辺と長辺とが交互に連続し、互いに平行な２組の長辺を備えた八角形が含まれる。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の厚みは、例えば、５０～３００μｍである。
　ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の表面には、テクスチャ構造（図示せず）が形成されていることが好ましい。テクスチャ構造とは、表面反射を抑制してｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の光吸収量を増大させるための表面凹凸構造であって、受光面および裏面のうちの一方に、または、受光面および裏面の両方に形成される。本実施形態の太陽電池セル１０は裏面接合型の構造を有するので、テクスチャ構造はｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面側のみに設けられることが好ましい。テクスチャ構造は、アルカリ性溶液を用いて単結晶シリコンウェーハの（１００）面を異方性エッチングすることで形成でき、単結晶シリコンウェーハの表面に（１１１）面を斜面としたピラミッド形状の凹凸構造が形成される。テクスチャ構造の凹凸の高さは、例えば、１～１５μｍである。
　太陽電池セル１０は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面上に形成された第１窒化ケイ素層１２を備える。本実施形態では、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１と第１窒化ケイ素層１２の間に、パッシベーション層１３が設けられている。また、太陽電池セル１０は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面側にそれぞれ形成されたｎ型非晶質シリコン層１４と、ｐ型非晶質シリコン層１５と、第２窒化ケイ素層１６とを備える。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面上には、ｎ型非晶質シリコン層１４によってｎ型にドーピングされたｎ型領域が、ｐ型非晶質シリコン層１５によってｐ型にドーピングされたｐ型領域がそれぞれ形成されている。
　ｎ型非晶質シリコン層１４は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面の第１領域上に形成される。他方、ｐ型非晶質シリコン層１５は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面の第２領域上に形成される。言い換えると、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面上において、ｎ型非晶質シリコン層１４が形成される第１領域がｎ型領域となり、ｐ型非晶質シリコン層１５が形成される第２領域がｐ型領域となる。第２窒化ケイ素層１６は、ｎ型非晶質シリコン層１４上の一部に形成される。そして、ｐ型非晶質シリコン層１５が、上記第２領域、および第２窒化ケイ素層１６上に形成される。
　太陽電池セル１０は、さらに、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１とｎ型非晶質シリコン層１４の間に形成されたパッシベーション層１７と、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１とｐ型非晶質シリコン層１５の間に形成されたパッシベーション層１８とを備える。パッシベーション層１７はｎ型非晶質シリコン層１４が形成される領域（第１領域）の略全域に形成され、パッシベーション層１８はｐ型非晶質シリコン層１５が形成される領域（第２領域および第２窒化ケイ素層１６上）の略全域に形成される。パッシベーション層１７，１８を設けることで、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面側におけるパッシベーション性能が向上する。
　第１窒化ケイ素層１２は、パッシベーション層１３を介して、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面上に形成される。第１窒化ケイ素層１２およびパッシベーション層１３は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面の略全域に形成される。１辺が１２０～１６０ｍｍの略正方形のｎ型結晶性シリコンウェーハ１１を用いる場合、パッシベーション層１３は、略正方形の全面を覆ってもよいし、略正方形の端から２ｍｍ以下の外周領域を除いた全面を覆ってもよい。第１窒化ケイ素層１２の厚みは、例えば、５０～１５０ｎｍである。パッシベーション層１３の厚みは、例えば、１～２５ｎｍである。
　第１窒化ケイ素層１２は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面およびパッシベーション層１３を保護する保護層として、また入射光の反射を抑制する反射防止層として機能する。第１窒化ケイ素層１２は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）を主成分として構成される。第１窒化ケイ素層１２は、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素など、ＳｉＮ以外の成分を含んでいてもよいが、ＳｉＮの含有量は層重量に対して５０重量％以上であり、好ましくは８０重量％以上、あるいは約１００重量％である。第１窒化ケイ素層１２は、ＣＶＤまたはスパッタリングにより成膜できる。
　第１窒化ケイ素層１２は、波長６３３ｎｍの光の屈折率が２．１未満であることが好ましく、１．９～２．０が特に好ましい。第１窒化ケイ素層１２の屈折率は、分光エリプソメーターを用いて測定される（第２窒化ケイ素層１６の屈折率についても同様）。第１窒化ケイ素層１２を構成するＳｉＮの組成比Ｓｉ／Ｎは、例えば、０．８～１．２である。一般的に、Ｓｉ／Ｎが高いほどＳｉＮの屈折率が高くなる。第１窒化ケイ素層１２には、例えば、２×１０21～１×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の水素が含まれる。
　パッシベーション層１３は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面側におけるキャリアの再結合を抑制する。パッシベーション層１３は、実質的に真性な非晶質シリコン（以下、「ｉ型非晶質シリコン」という場合がある）か、またはｎ型非晶質シリコン層１４よりドーパント濃度が低い非晶質シリコンを主成分として構成されることが好ましい。パッシベーション層１３は、例えば、ｉ型非晶質シリコン層の単層構造であってもよく、ｉ型非晶質シリコン層とｎ型非晶質シリコン層の積層構造であってもよい。パッシベーション層１３は、ＣＶＤまたはスパッタリングにより成膜できる。
　ｎ型非晶質シリコン層１４は、パッシベーション層１７を介して、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面の第１領域上に形成される。ｎ型非晶質シリコン層１４は、ｎ型非晶質シリコンを主成分として構成される。ｎ型非晶質シリコン層１４におけるｎ型ドーパントの濃度は、例えば、１×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上である。ｎ型ドーパントは、特に限定されないが、一般的にはリン（Ｐ）が用いられる。ｎ型非晶質シリコン層１４の厚みは、例えば、１～２５ｎｍであり、好ましくは１～１０ｎｍである。
　ｎ型非晶質シリコン層１４は、ＣＶＤまたはスパッタリングにより成膜できる。また、ｐ型非晶質シリコン層１５、第２窒化ケイ素層１６、パッシベーション層１７，１８についても、ＣＶＤまたはスパッタリングにより成膜できる。詳しくは後述するが、太陽電池セル１０は、ｎ型非晶質シリコン層１４の全体を覆って第２窒化ケイ素層１６、パッシベーション層１８、およびｐ型非晶質シリコン層１５を成膜した後、ｎ型非晶質シリコン層１４を覆う各層をパターニングして作製される。
　ｎ型非晶質シリコン層１４には、例えば、５×１０21～１×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上の水素が含まれる。ｎ型非晶質シリコン層１４では、第２窒化ケイ素層１６からの水素の拡散により、水素濃度が上昇していると考えられる。そして、かかる水素の拡散による水素濃度の上昇が、ｎ型領域におけるパッシベーション性能の向上に寄与していると考えられる。
　ｐ型非晶質シリコン層１５は、パッシベーション層１８を介して、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面の第２領域上、および第２窒化ケイ素層１６上に形成される。ｐ型非晶質シリコン層１５は、ｐ型非晶質シリコンを主成分として構成される。ｐ型非晶質シリコン層１５におけるｐ型ドーパントの濃度は、例えば、１×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上である。ｐ型ドーパントは、特に限定されないが、一般的にはボロン（Ｂ）が用いられる。ｐ型非晶質シリコン層１５の厚みは、例えば、１～２５ｎｍであり、好ましくは１～１０ｎｍである。ｐ型非晶質シリコン層１５には、例えば、５×１０21～１×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の水素が含まれる。
　ｎ型非晶質シリコン層１４およびｐ型非晶質シリコン層１５は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面の略全域に形成される。このため、ｎ型非晶質シリコン層１４の一部とｐ型非晶質シリコン層１５の一部が重なって隙間なく形成される。本実施形態では、ｐ型非晶質シリコン層１５が第２窒化ケイ素層１６を介してｎ型非晶質シリコン層１４上にオーバーラップし、各シリコン層がｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面のβ方向に交互に並んでストライプ状に形成されている。１辺が１２０～１６０ｍｍの略正方形のｎ型結晶性シリコンウェーハ１１を用いる場合、各非晶質シリコン層は、略正方形の全面を覆ってもよいし、略正方形の端から２ｍｍ以下の外周領域を除いた全面を覆ってもよい。
　パッシベーション層１７は、実質的に真正な非晶質シリコン（ｉ型非晶質シリコン）か、またはｎ型非晶質シリコン層１４を構成するｎ型非晶質シリコンよりｎ型ドーパントの濃度が低い非晶質シリコンを主成分として構成されることが好ましい。また、パッシベーション層１８は、ｉ型非晶質シリコンか、またはｐ型非晶質シリコン層１５を構成するｐ型非晶質シリコンよりｐ型ドーパントの濃度が低い非晶質シリコンを主成分として構成されることが好ましい。パッシベーション層１７，１８は、例えば、ｉ型非晶質シリコン層の単層構造である。パッシベーション層１７，１８の厚みは、例えば、１～２５ｎｍであり、好ましくは１～１０ｎｍである。
　パッシベーション層１７には、例えば、５×１０21～１×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の水素が含まれる。パッシベーション層１７についても、第２窒化ケイ素層１６からの水素の拡散により、水素濃度が上昇していると考えられる。
　第２窒化ケイ素層１６は、パッシベーション層１７とｎ型非晶質シリコン層１４を介して、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面上に形成される。第２窒化ケイ素層１６は、ｎ型非晶質シリコン層１４とｐ型非晶質シリコン層１５の間に介在し、各非晶質シリコン層が重なる部分において絶縁層として機能する。すなわち、ｎ型非晶質シリコン層１４上においてｐ型非晶質シリコン層１５が重なる領域の略全域に、第２窒化ケイ素層１６が形成される。
　第２窒化ケイ素層１６は、第１窒化ケイ素層１２と同様に、ＳｉＮを主成分として構成される。第２窒化ケイ素層１６は、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素など、ＳｉＮ以外の成分を含んでいてもよいが、ＳｉＮの含有量は層重量に対して５０重量％以上であり、好ましくは８０重量％以上、あるいは約１００重量％である。第２窒化ケイ素層１６は、第１窒化ケイ素層１２と同様に、ＣＶＤまたはスパッタリングにより成膜できる。第２窒化ケイ素層１６の厚みは、例えば、３０～１００ｎｍである。
　第２窒化ケイ素層１６は、第１窒化ケイ素層１２より屈折率が高い。波長６３３ｎｍの光についての屈折率の比（第２窒化ケイ素層１６の屈折率／第１窒化ケイ素層１２の屈折率）は、例えば、１．０５～１．３５である。太陽電池セル１０は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面側では第１窒化ケイ素層１２の屈折率を低く抑えて光の入射量を増やし、裏面側では第２窒化ケイ素層１６の屈折率を高くしてパッシベーション性能を向上させる。
　図３は、第２窒化ケイ素層１６の波長６３３ｎｍの光の屈折率と太陽電池セル１０の開放電圧Ｖｏｃの関係を示す図である。図３に示すように、本発明者らの検討により、第２窒化ケイ素層１６の屈折率を高くすることで、太陽電池セル１０のＶｏｃが向上し、出力特性が改善されることが見出された。特に、第２窒化ケイ素層１６の屈折率が２．１以上においてＶｏｃが大幅に向上している。
　第２窒化ケイ素層１６は、波長６３３ｎｍの光の屈折率（以下、「屈折率（６３３ｎｍ）」と表記する場合がある）が２．１以上であることが好ましい。一方、第２窒化ケイ素層１６の屈折率を高くし過ぎると、成膜の安定性が損なわれる場合があるため、第２窒化ケイ素層１６の屈折率（６３３ｎｍ）は、２．５以下であることが好ましい。第２窒化ケイ素層１６の屈折率（６３３ｎｍ）の好適な範囲は、２．１～２．５であり、より好ましくは２．１～２．２である。
　第２窒化ケイ素層１６の屈折率を上記範囲内に調整する好適な方法としては、ＣＶＤで使用する原料ガス中の窒素ラジカル濃度を低くする方法が挙げられる。ＣＶＤによる第２窒化ケイ素層１６の成膜には、例えば、原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ4）およびアンモニア（ＮＨ3）を使用するが、ＮＨ3／ＳｉＨ4ガス流量比を下げることにより、第２窒化ケイ素層１６の屈折率を高くすることができる。なお、成膜時の温度、圧力等を変更することによっても、第２窒化ケイ素層１６の膜質を変えることができる。例えば、成膜時の温度を高くすると、第２窒化ケイ素層１６の屈折率は高くなり易い。
　図４は、第２窒化ケイ素層１６の屈折率（６３３ｎｍ）と水素濃度の関係を示す図である。ここで、第２窒化ケイ素層１６の水素濃度は、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ－ＩＲ）によって測定した相対値である。図４に示すように、第２窒化ケイ素層１６の屈折率を高くすると、第２窒化ケイ素層１６の水素濃度が高くなる。より詳しくは、第２窒化ケイ素層１６の屈折率が２．１未満では屈折率を上げても水素濃度は略変化せず、屈折率が２．１以上の範囲で水素濃度と屈折率の比例関係がある。
　第２窒化ケイ素層１６は、第１窒化ケイ素層１２より水素濃度が高く、第２窒化ケイ素層１６には、例えば、１．０×１０22～２．５×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の水素が含まれる。水素濃度が上昇し始める屈折率２．１で、太陽電池セル１０のＶｏｃが大幅に向上することから、上述のように、第２窒化ケイ素層１６の水素濃度がＶｏｃの向上に寄与していると考えられる。
　図５（ａ）は、第２窒化ケイ素層１６の水素濃度とｎ型非晶質シリコン層１４およびパッシベーション層１７の水素濃度の関係を示す図である。図５（ｂ）には、比較として従来例を示している。図５に示すように、第２窒化ケイ素層１６は、従来の太陽電池セルの窒化ケイ素層と比べて屈折率が高く、水素濃度が高い。そして、水素濃度が高い第２窒化ケイ素層１６に接するｎ型非晶質シリコン層１４とパッシベーション層１７には、例えば、ｐ型非晶質シリコン層１５およびパッシベーション層１８の成膜時に加わる熱によって第２窒化ケイ素層１６から水素の一部が拡散する。これにより、ｎ型非晶質シリコン層１４とパッシベーション層１７の水素濃度が上昇し、ｎ型領域のパッシベーション性能が向上して、太陽電池セル１０の出力特性が改善されると考えられる。
　詳しくは後述するが、ｐ型非晶質シリコン層１５およびパッシベーション層１８の成膜時には、ｎ型非晶質シリコン層１４およびパッシベーション層１７の全体が第２窒化ケイ素層１６によって覆われている。このため、ｎ型非晶質シリコン層１４とパッシベーション層１７の全体に水素が略均一に拡散し、当該各層における水素濃度が層の全体で略均一になると考えられる。
　一方、従来の太陽電池セルでは、窒化ケイ素層の水素濃度が低いため、逆にｎ型非晶質シリコン層とパッシベーション層の水素が窒化ケイ素層に拡散し、ｎ型非晶質シリコン層とパッシベーション層の水素濃度は成膜時より低下すると考えられる。なお、ｎ型非晶質シリコン層１４の水素濃度を高くする方法として、当該シリコン層の成膜時に水素を多く添加する方法も考えられるが、この場合は、当該シリコン層の成膜時にｎ型結晶性シリコンウェーハ１１に水素が拡散して欠陥を生じるという不具合を招く。つまり、ｎ型領域のパッシベーション性能を高めてセルの出力特性を向上させるには、第２窒化ケイ素層１６からｎ型非晶質シリコン層１４とパッシベーション層１７に水素を拡散させることが重要であると考えられる。
　第２窒化ケイ素層１６は、第１窒化ケイ素層１２より密度が低い。第２窒化ケイ素層１６の密度は、例えば、２．３～２．７ｇ／ｃｍ3であり、２．７ｇ／ｃｍ3未満であることが好ましい。他方、第１窒化ケイ素層１２の密度は、例えば、２．７～２．９ｇ／ｃｍ3である。なお、窒化ケイ素層の屈折率が高くなると、密度は低下する傾向にある。
　ここで、再び図１および図２を参照する。集電極２０は、ｎ型非晶質シリコン層１４上に形成され、互いに略平行に延びた複数のフィンガー部２１と、各フィンガー部２１と略直交して各フィンガー部２１の長手方向端部同士を接続するバスバー部２２とを有する。集電極３０は、ｐ型非晶質シリコン層１５上に形成される。集電極３０は、集電極２０と同様に、複数のフィンガー部３１と、バスバー部３２とを有する。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面上において、フィンガー部２１，３１はα方向に延び、バスバー部２２，３２はβ方向に延びている。
　フィンガー部２１，３１は、β方向に交互に設けられる。フィンガー部３１は、フィンガー部２１より幅広に形成されている。そして、集電極２０，３０は、第２窒化ケイ素層１６上に形成された溝３５を隔てて互いに噛み合った平面視櫛歯形状を有する。なお、バスバー部２２，３２には、太陽電池セル１０同士を直列接続してモジュール化する際に配線材が取り付けられる。
　集電極２０，３０は、導電性ペーストを用いて形成されてもよいが、好ましくは電解めっきにより形成される。集電極２０，３０は、例えばニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の金属から構成され、Ｎｉ層とＣｕ層との積層構造であってもよく、耐食性を向上させるために最表面に錫（Ｓｎ）層を有していてもよい。集電極２０，３０の厚みは、例えば、５０ｎｍ～１μｍであり、集電極２０は集電極３０より厚く形成される。
　太陽電池セル１０は、さらに、ｎ型非晶質シリコン層１４と集電極２０の間に形成された透明導電層２３と、ｐ型非晶質シリコン層１５と集電極３０の間に形成された透明導電層３３とを備える。透明導電層２３，３３は、集電極２０，３０と同様に、溝３５によって互いに分離されている。透明導電層２３，３３は、例えば酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の金属酸化物に、タングステン（Ｗ）、錫（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）等がドーピングされた透明導電性酸化物（ＩＷＯ、ＩＴＯ等）から構成される。透明導電層２３，３３の厚みは、例えば、３０～５００ｎｍである。
　図６Ａ～図６Ｅは、上記構成を備えた太陽電池セル１０の製造方法の一例を説明するための図である。図６Ａ～図６Ｃでは、最終的な形状にパターニングされる前の各層の符号に「ｚ」を付する。太陽電池セル１０の製造工程では、まず初めに、テクスチャ構造が形成されたｎ型結晶性シリコンウェーハ１１を準備する。ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１には、例えば、受光面となる一方の面のみにテクスチャ構造が形成されたｎ型単結晶シリコンウェーハが用いられる。
　図６Ａに示すように、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面となる他方の面上に、パッシベーション層１７ｚ、ｎ型非晶質シリコン層１４ｚ、および第２窒化ケイ素層１６ｚをこの順に形成する。これら各層は、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面の略全域に形成される。
　パッシベーション層１７ｚ、ｎ型非晶質シリコン層１４ｚ、および第２窒化ケイ素層１６ｚは、上述の通り、ＣＶＤまたはスパッタリングにより成膜される。ＣＶＤによるパッシベーション層１７ｚ（パッシベーション層１３，１８の場合も同様）の成膜には、例えば、シランを水素で希釈した原料ガスが使用される。また、ｎ型非晶質シリコン層１４ｚの場合は、例えば、シランにホスフィン（ＰＨ3）を添加し、水素で希釈した原料ガスを使用する。ホスフィンの混合濃度を変化させることにより、ｎ型非晶質シリコン層１４ｚのドーパント濃度を調整できる。
　ＣＶＤによる第２窒化ケイ素層１６ｚ（第１窒化ケイ素層１２の場合も同様）の成膜には、原料ガスとしてシランおよびアンモニアを使用する。このとき、アンモニア／シランガス流量比を下げ、第２窒化ケイ素層１６ｚの屈折率を高くする。太陽電池セル１０の製造工程では、第２窒化ケイ素層１６ｚの成膜時におけるアンモニア／シランガス流量比を第１窒化ケイ素層１２の成膜時におけるアンモニア／シランガス流量比より低くする。これにより、第２窒化ケイ素層１６の屈折率を第１窒化ケイ素層１２の屈折率より高くすることができる。
　次に、図６Ｂに示すように、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面上に形成された上記各層をパターニングする。第２窒化ケイ素層１６ｚは、例えば、レジスト膜をマスクとして、フッ化水素（ＨＦ）水溶液を用いてエッチングする。第２窒化ケイ素層１６ｚのエッチング終了後、パターニングされた第２窒化ケイ素層１６ｚをマスクとして、露出したｎ型非晶質シリコン層１４ｚとパッシベーション層１７ｚを水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液を用いてエッチングする。この工程により、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面上にパターニングされたパッシベーション層１７、ｎ型非晶質シリコン層１４、および第２窒化ケイ素層１６ｚが形成される。
　次に、図６Ｃに示すように、パターニングされた第２窒化ケイ素層１６ｚ上を含むｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面の略全域にパッシベーション層１８ｚ、およびｐ型非晶質シリコン層１５ｚをこの順に形成する。ｐ型非晶質シリコン層１５の成膜には、例えば、シランにジボラン（Ｂ2Ｈ6）を添加し、水素で希釈した原料ガスが使用される。上述のように、ｐ型非晶質シリコン層１５ｚおよびパッシベーション層１８ｚの成膜時に加わる熱によって、第２窒化ケイ素層１６ｚ中の水素がｎ型非晶質シリコン層１４とパッシベーション層１７に拡散すると考えられる。
　次に、図６Ｄに示すように、第２窒化ケイ素層１６ｚ上に形成されたｐ型非晶質シリコン層１５ｚおよびパッシベーション層１８ｚをパターニングすると共に、第２窒化ケイ素層１６の露出した部分をエッチングする。ｐ型非晶質シリコン層１５ｚのエッチングには、一般的にｎ型非晶質シリコン層１４ｚのエッチングに使用されるＮａＯＨ水溶液よりも高濃度のものが使用される。この工程でエッチングする領域は、後工程で透明導電層２３および集電極２０が形成される領域である。この工程により、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の裏面上にパターニングされたパッシベーション層１８、ｐ型非晶質シリコン層１５、および第２窒化ケイ素層１６が形成される。
　次に、図６Ｅに示すように、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の他方の面（受光面）上に、ＣＶＤまたはスパッタリングにより、パッシベーション層１３、および第１窒化ケイ素層１２をこの順に形成する。第１窒化ケイ素層１２およびパッシベーション層１３は、上述のように、ｎ型結晶性シリコンウェーハ１１の受光面の略全域に形成される。図示は省略するが、次に、ｎ型非晶質シリコン層１４上に透明導電層２３と集電極２０を形成し、ｐ型非晶質シリコン層１５上に透明導電層３３と集電極３０を形成して、太陽電池セル１０が得られる。
　１０　太陽電池セル、１１　ｎ型結晶性シリコンウェーハ、１２　第１窒化ケイ素層、１３，１７，１８　パッシベーション層、１４　ｎ型非晶質シリコン層、１５　ｐ型非晶質シリコン層、１６　第２窒化ケイ素層、２０，３０　集電極、２１，３１　フィンガー部、２２，３２　バスバー部、２３，３３　透明導電層、３５　溝

Claims (7)

  1. 　結晶性シリコンウェーハと、
    　窒化ケイ素を主成分として構成され、前記結晶性シリコンウェーハの受光面上に形成された第１窒化ケイ素層と、
    　前記結晶性シリコンウェーハの裏面の第１領域上に形成された第１導電型の第１非晶質シリコン層と、
    　窒化ケイ素を主成分として構成され、前記第１非晶質シリコン層上の一部に形成された第２窒化ケイ素層と、
    　前記結晶性シリコンウェーハの裏面の第２領域上、および前記第２窒化ケイ素層上に形成された第２導電型の第２非晶質シリコン層と、
    　を備え、
    　前記第２窒化ケイ素層は、前記第１窒化ケイ素層より屈折率が高い、太陽電池セル。
  2. 　前記結晶性シリコンウェーハは、ｎ型結晶性シリコンウェーハであり、
    　前記第１非晶質シリコン層は、ｎ型非晶質シリコンを主成分として構成され、
    　前記第２非晶質シリコン層は、ｐ型非晶質シリコンを主成分として構成される、請求項１に記載の太陽電池セル。
  3. 　実質的に真正な非晶質シリコンか、または前記第１非晶質シリコン層を構成するｎ型非晶質シリコンよりｎ型ドーパントの濃度が低い非晶質シリコンを主成分として構成され、前記結晶性シリコンウェーハと前記第１非晶質シリコン層との間に形成されたパッシベーション層をさらに備える、請求項２に記載の太陽電池セル。
  4. 　前記第２窒化ケイ素層は、波長６３３ｎｍの光の屈折率が２．１以上である、請求項１～３のいずれか１項に記載の太陽電池セル。
  5. 　前記第２窒化ケイ素層は、波長６３３ｎｍの光の屈折率が２．５以下である、請求項４に記載の太陽電池セル。
  6. 　前記第２窒化ケイ素層は、前記第１窒化ケイ素層より水素濃度が高い、請求項１～５のいずれか１項に記載の太陽電池セル。
  7. 　前記第２窒化ケイ素層は、前記第１窒化ケイ素層より密度が低い、請求項１～６のいずれか１項に記載の太陽電池セル。
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