JP2009164544A - 太陽電池のパッシベーション層構造およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】表面パッシベーション効果を高め、太陽電池の光電変換効率を直接向上させることができる太陽電池のパッシベーション層構造を提供する。
【解決手段】パッシベーション層構造は、第１のパッシベーション層２０および第２のパッシベーション層３０を有する。第１のパッシベーション層２０は、基板１０上に配置されている。第２のパッシベーション層３０は基板１０と第１のパッシベーション層２０との間に配置され、第２のパッシベーション層３０の材料は、基板の材料の酸化物である。第２のパッシベーション層３０が基板と第１のパッシベーション層２０の間で配置されるので、光電デバイスの表面パッシベーション効果およびキャリア寿命が向上し、太陽電池の光電変換効率も同様に向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、概ね光電デバイスに関し、特に、光電変換効率を向上させることができる太陽電池のパッシベーション層構造、および、その製造方法に関する。
太陽エネルギーは、汚染を生じない無尽蔵なエネルギーである。石油化学エネルギー源が汚染およびエネルギー不足課題に直面する中、太陽エネルギーは、ますます注目の的になっている。近年では、太陽電池を直接電力エネルギーに変換することがかなり重要な研究課題となっている。
シリコンベースの太陽電池は、業界において一般的な太陽電池である。シリコンベースの太陽電池の動作原則は、ｐ型半導体およびｎ型半導体を形成し、ｐ型半導体およびｎ型半導体を接合することによりｐｎ接合を形成するよう、半導体材料が異なる特徴を有するように高純度の半導体材料（シリコン）に、不純物添加されるということである。ｐｎ接合は、正のドナーイオンおよび負のアクセプタイオンによって形成され、正および負のイオンが位置する領域内に拡散電位が存在する。拡散電位は、領域内の可動キャリアを追い払うことができるので、その領域は、空乏領域と呼ばれる。ｐｎ形構造を有する半導体に太陽光線が照射される場合、電子正孔対を生成するよう、光子によってもたらされるエネルギーが半導体内の電子を励起する。電子および正孔は、どちらも拡散電位の影響を受け、正孔が電界の方向に移動する一方で、電子は、反対方向へと移動する。太陽電池が配線を介しロードに接続されることによりループが形成される場合、電流はロード中を流れる。これが太陽電池が電気を生成する原理である。太陽電池の改良を意図する場合は、光電変換効率の向上から着手するのがよい。
一般的に、反射防止層の他に、太陽電池の効率を決定するための重要な要因の１つにパッシベーション層がある。望ましいパッシベーション層は、シリコン表面および欠陥位置における電子正孔対の再結合速度を効率よく低下させるよう、シリコン表面または欠陥位置（例えばずれ、結晶粒界、または、点欠陥にダングリングボンドを形成することができ、それによって、多少のキャリアの寿命を伸ばし、太陽電池の効率を向上させる。パッシベーション層のパッシベーション効果を改良することが可能であれば、太陽電池の効率を上げることができる。
したがって、本発明は、表面パッシベーション効果を高め、太陽電池の光電変換効率を直接向上させることができる太陽電池のパッシベーション層構造を目的とする。
上記に鑑み、本発明は、光電変換層に配置された太陽電池のパッシベーション層構造を提供する。パッシベーション層構造は、第１のパッシベーション層および第２のパッシベーション層を含む。第１のパッシベーション層は、光電変換層に配置されている。第２のパッシベーション層は、光電変換層と第１のパッシベーション層の間に配置され、そして、第２のパッシベーション層の材料は、光電変換層の材料の酸化物である。
本発明は、太陽電池のパッシベーション層構造を製造する方法を提供する。方法は、以下のプロセスを含む。まず、光電変換層が設けられる。次に、光電変換層の上に第２のパッシベーション層は形成され、第２のパッシベーション層の上に第１のパッシベーション層が形成される。第２のパッシベーション層の材料は、光電変換層の材料の酸化物である。
本発明の構造において、第２のパッシベーション層は、パッシベーション層のパッシベーション効果を強化するよう、基板と第１のパッシベーション層との間で配置され、それによって太陽電池の光電変換効率が大いに高まる。
本発明の更なる理解を提供すべく、添付の図面が本願明細書中に組み込まれ、その一部を構成する。図面は、説明と共に本発明の実施形態を例示し、本発明の原理を説明する役目を果たす。
本発明の一実施形態に従う太陽電池のパッシベーション層構造の断面図である。
本発明の一実施形態に従う太陽電池の断面図である。
本発明への実施形態への参照が詳細になされ、その例は、添付の図面に示される。図面中、同じまたは同様の部分を参照する際は可能な限り同じ参照番号が用いられる。
図１は、本発明の一実施形態に従う太陽電池のパッシベーション層構造の断面図である。
図１を参照すると、本発明の太陽電池のパッシベーション層構造は、基板１０に配置され、第１のパッシベーション層２０および第２のパッシベーション層３０を有する。第１のパッシベーション層２０は、基板１０に配置される。第２のパッシベーション層３０は基板１０と第１のパッシベーション層２０の間に配置され、第２のパッシベーション層３０の材料は、第１のパッシベーション層２０の材料とは異なる。基板１０は、例えば、太陽電池の光電変換層である。
例えば、第１のパッシベーション層２０は、２ナノメートル乃至１００ナノメートルの厚さを有する。例えば、第１のパッシベーション層２０は、酸化アルミニウム、酸化亜鉛またはインジウム酸化スズでできている。第１のパッシベーション層２０を形成するプロセスは、例えば、原子層堆積法（ＡＬＤ）、スパッタリング、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）および分子線エピタキシ（ＭＢＥ）からなる群から選択されるものである。
第２のパッシベーション層３０は、例えば、基板１０と第１のパッシベーション層２０との間に配置される。第２のパッシベーション層３０の材料は、例えば、基板１０の材料の酸化物である。例えば、基板１０の材料がシリコンである場合、第２のパッシベーション層３０の材料は酸化シリコンである。例えば、第２のパッシベーション層３０は、１ナノメートル乃至１５ナノメートルの厚さを有する。第２のパッシベーション層３０を形成するプロセスは、例えば、熱酸化プロセスである。
本発明の太陽電池のパッシベーション層構造およびその製造方法においては、表面パッシベーション効果およびキャリア寿命を効率よく向上させるべく、基板１０と第１のパッシベーション層２０との間に第２のパッシベーション層３０が配置される。
本発明における表面パッシベーション効果を向上させるための構造およびその製造方法は上記で示している。本発明における表面パッシベーション効果を向上させるための構造を本発明の一実施形態における太陽電池へ適用することを以下に例示する。
図２は、本発明の一実施形態に従う太陽電池の断面図である。
図２を参照すると、太陽電池１００は、例えば、光電変換層１０２、第２のパッシベーション層１０４ａ、第２のパッシベーション層１０４ｂ、第１のパッシベーション層１０６ａ、第１のパッシベーション層１０６ｂ、反射防止層１０８ａ、反射防止層１０８ｂ、第１の電極１１０、および、第２の電極１１２によって形成される。
例えば、光電変換層１０２は、シリコンおよびその合金、ＣｄＳ、ＣｕＩｎＧａＳｅ２（ＣＩＧＳ）、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｄＴｅ、有機材料、または、上記材料が積み重ねられた多層構造でできている。シリコンは、単結晶シリコン、ポリシリコンおよびアモルファスシリコンを含む。シリコン合金とは、シリコンにＨ原子、Ｆ原子、Ｃｌ原子、Ｇｅ原子、Ｏ原子、Ｃ原子、Ｎ原子または他の原子を加えることである。
本実施形態において、シリコンベースの太陽電池として、太陽電池１００を例に挙げる。光電変換層１０２は、例えば、ｐ型半導体層１１４およびｎ型半導体層１１６によって形成される。ｐ型半導体層１１４は、例えばＢ、ＧａおよびＩｎなど周期表における３族の元素をドーピングされる。ｎ型半導体層１１６は、例えばＰ、ＡｓおよびＳｂなど周期表における５族の元素をドーピングされる。ｐ型半導体層１１４およびｎ型半導体層１１６が接触することにより、ｐｎ接合が形成される。光電変換層１０２は第１の表面１０２ａおよび第二表面１０２ｂを有し、第１の表面１０２ａは第二表面１０２ｂの反対側にある。
第１のパッシベーション層１０６ａおよび第１のパッシベーション層１０６ｂは、例えば、光電変換層１０２の第１の表面１０２ａおよび第２の表面１０２ｂ上にそれぞれ配置される。例えば、第１のパッシベーション層１０６ａおよび第１のパッシベーション層１０６ｂは、２ナノメートル乃至１００ナノメートルの厚さを有する。第１のパッシベーション層１０６ａおよび第１のパッシベーション層１０６ｂは、固定の陰電荷を有する金属酸化物でできている。例えば、第１のパッシベーション層１０６ａおよび第１のパッシベーション層１０６ｂは、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、または、インジウム酸化スズでできている。
第２のパッシベーション層１０４ａおよび第２のパッシベーション層１０４ａは、例えば、光電変換層１０２の第１の表面１０２ａおよび第二表面１０２ｂ上にそれぞれ配置され、それらは、光電変換層１０２と第１のパッシベーション層１０６ａとの間に、そして、光電変換層１０２および第１のパッシベーション層１０６ｂとの間にそれぞれ位置する。第２のパッシベーション層１０４ａおよび第２のパッシベーション層１０４ｂの材料は、第１のパッシベーション層１０６の材料とは異なる。第２のパッシベーション層１０４ａおよび第２のパッシベーション層１０４ｂの材料は、例えば、光電変換層１０２の材料の酸化物である。例えば、第２のパッシベーション層１０４ａおよび第２のパッシベーション層１０４ｂは、酸化シリコンでできている。例えば、第２のパッシベーション層１０４は、１ナノメートル乃至１５ナノメートルの厚さを有する。
反射防止層１０８ａおよび反射防止層１０８ｂは、例えば、第１のパッシベーション層１０６ａおよび第１のパッシベーション層１０６ｂの上にそれぞれ配置されている。例えば、反射防止層１０８ａおよび反射防止層１０８ｂは、オキシ窒化ケイ素および窒化シリコンなどでできている。
第１の電極１１０は、例えば、光電変換層１０２の第１の表面１０２ａに配置されている。第１の電極１０８は、例えば、反射防止層１０８ａ、第１のパッシベーション層１０６ａおよび第２のパッシベーション層１０４ａを貫通することにより、光電変換層１０２に電気的に接続している。
第２の電極１１２は、例えば、光電変換層１０２の第２の表面１０２ｂに配置されている。第２の電極１１２は、例えば、光電変換層１０２の第２の表面１０２ｂを覆い、反射防止層１０８ｂ、第１のパッシベーション層１０６ｂおよび第２のパッシベーション層１０４ｂを貫通することにより、光電変換層１０２に電気的に接続している。第１の電極１１０および第２の電極１１２は、金属材料（例えばアルミニウム）または透明導性電酸化物（ＴＣＯ）でできている。第１の電極１１０および第２の電極１１２を形成するプロセスは、例えば、ＣＶＤ法、スパッタリング法、スクリーン印刷および焼成法、あるいは、他の適切なプロセスである。
本実施形態において、表面パッシベーション効果およびキャリア寿命を効率よく強化し、かつ、太陽電池の効率を大幅に向上させるべく、光電変換層１０２と第１のパッシベーション層１０６ａ（１０６ｂ）との間に第２のパッシベーション層１０４ａ（１０４ｂ）が配置される。他の実施形態では、第１のパッシベーション層および第２のパッシベーション層のスタッキング構造が、光電変換層１０２の第１の表面１０２ａおよび第２の表面１０２ｂのうちの１つに形成されるだけでもかまわないのはもちろんのことである。
本発明は、以下の実験例によって示される。
＜キャリア寿命の実験＞
第２のパッシベーション層を調べるべく類似したキャリア寿命を有する２つのチョクラルスキー（ＣＺ）シリコンウェーハが準備される。
実験例１
２ナノメートルの厚さを有する酸化シリコン層がシリコンウェーハ上で成長して第２のパッシベーション層として機能し、１５ナノメートルの厚さを有する酸化アルミニウムの層がＡＬＤプロセスによりコーティングされて第１のパッシベーション層として機能する。
比較例１
１５ナノメートルの厚さを有する酸化アルミニウムの層がＡＬＤプロセスによりシリコンウェーハの上にコーティングされることにより、第１のパッシベーション層として機能する。
その後、窒素と水素の混合雰囲気（フォーミングガス）の処理の前後で実験例１および比較例１のサンプルに対してキャリア寿命測定がそれぞれ実行される。その結果を表１に示す。
Figure 2009164544
表１の結果に基づき、窒素と水素の混合ガスの処理の前後を問わず、実験例１のキャリア寿命は、比較例１のキャリア寿命より長い。窒素と水素の混合ガスの処理の後、実験例のキャリア寿命は、１００μｓを超えるまでになる。実験は、第２のパッシベーション層を配置することによってより良好な表面パッシベーション効果が達成されることを証明している。
＜太陽電池性能の実験＞
類似したキャリア寿命を有する３つのポリシリコン・ウェーハが準備され、それらは、以下の状況に従い太陽電池にそれぞれ製造される。そして、第２のパッシベーション層を調べるべく、関連した太陽電池性能が測定される。
実験例２
太陽電池の光電変換層は、ホウ素をドーピングした１＊１０２０ｃｍ−３のｐ型ポリシリコン・ウェーハ（ｍｃ−Ｓｉウェーハ）によって形成される。ポリシリコンウェーハの平均粒度は、ほぼ５ｍｍである。ウェーハの表面にピラミッド構造が予め形成される。ＮＰ接合は、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）を用いて８５０°Ｃで２０分の間の拡散を実行することにより完成する。その後、ウェーハの表面および裏面の上にそれぞれパッシベーション層が形成される。パッシベーション層は、第２のパッシベーション層および第１のパッシベーション層により形成され、その形成プロセスは、以下を含む。まず、２ナノメートルの厚さを有する酸化シリコンの層がポリシリコンウェーハの表面および裏面上で成長することにより、第２のパッシベーション層として機能する。その後、１５ナノメートルの厚さを有する酸化アルミニウムの層がＡＬＤプロセスによりコーティングされて第１のパッシベーション層として機能する。反射防止層は、ほぼ９０ナノメートルのＳｉＮｘ：Ｈフィルムにより形成されるウェーハの両面にそれぞれ形成される。反射防止層は、容量結合型ＲＦプラズマ（ＣＣＰ）を用い、ＳｉＨ４およびＮＨ３を前駆体として採用することにより、３５０°Ｃの反応温度で堆積プロセスを実行することによって形成される。その後、ポリシリコンウェーハの表面および裏面に金属電極が生成される。表面の金属電極は、金属印刷し、その後、９３０°Ｃの焼結プロセスによって製作されるアルミニウム電極である。また、裏面の電極は、スパッタリング法により成長した後、それからレーザ焼結により処理されるアルミニウム電極である。
比較例２
このプロセスは、熱酸化プロセスによって形成される２０ナノメートルの厚さを有する単一層の酸化シリコンのみがパッシベーション層としてみなされることを除けば実験例と同様である。
比較例３
このプロセスは、ＡＬＤプロセスにより形成される１５ナノメートルの厚さを有する単一層の酸化アルミニウムのみがパッシベーション層としてみなされることを除けば実験例と同様であり、その結果を表２に示す。
Figure 2009164544
表２の結果によれば、実験例２の光電変換効率は比較例２および３の光電変換効率より高く、実験は、第２のパッシベーション層を配置することにより、より良好な表面パッシベーション効果を得ることができることを証明している。
焼結プロセスは、第１のパッシベーション層が従来技術の太陽電池電極を製作するために用いられる場合に要求される。高温焼結プロセスの後、第１のパッシベーション層は、結晶化を生じさせることができ、陰電荷を有する第１のパッシベーション層の格子定数は、通常、半導体材料の格子定数とは異なる。異なる格子定数を有する２つの材料が接合される場合、ずれが生じる。しかしながら、本発明において、光電変換層と第１のパッシベーション層との間より薄い第２のパッシベーション層が配置され、第１のパッシベーション層の結晶化の間に界面に生じる欠陥が減少するばかりでなく、陰電荷を有する第１のパッシベーション層が表面パッシベーション効果およびキャリア寿命を効果的に向上させることができるので、太陽電池の光電変換効率は大いに向上する。
要するに、本発明の太陽電池のパッシベーション層構造およびその製造方法においては、光電変換層と第１のパッシベーション層との間に第２のパッシベーション層が配置されることにより、効果的に表面パッシベーション効果およびキャリア寿命を効果的に向上させ、それによって、太陽電池の光電変換効率は大いに高まる。
本発明の範囲または趣旨から逸脱せずに本発明の構造に様々な修正および変更が成され得ることは、当業者にとって明らかであろう。上記に鑑み、添付の請求項およびその均等物の範囲に納まる限り、本発明は、その修正および変更を含むことが意図される。

Claims (17)

  1. 一の光電変換層に配置される一の太陽電池のパッシベーション層構造であって、前記光電変換層に配置される一の第１のパッシベーション層と、前記光電変換層と前記第１のパッシベーション層との間に配置される一の第２のパッシベーション層とを含み、
    前記第２のパッシベーション層の一の材料は、前記光電変換層の一の材料の一の酸化物である、パッシベーション層構造。
  2. 前記第１のパッシベーション層の一の厚さは、２ナノメートル乃至１００ナノメートルである、請求項１に記載の一の太陽電池のパッシベーション層構造。
  3. 前記第１のパッシベーション層の一の材料は、複数の固定陰電荷を有する一の金属酸化物である、請求項１に記載の一の太陽電池のパッシベーション層構造。
  4. 前記第１のパッシベーション層の前記材料は、酸化アルミニウム、酸化亜鉛およびインジウム酸化スズからなる一の群から選択されるものである、請求項１に記載の一の太陽電池のパッシベーション層構造。
  5. 前記第２のパッシベーション層の一の厚さは、１ナノメートル乃至１５ナノメートルである、請求項１に記載の一の太陽電池のパッシベーション層構造。
  6. 前記第２のパッシベーション層の前記材料は、酸化シリコンである、請求項１に記載の一の太陽電池のパッシベーション層構造。
  7. 前記第２のパッシベーション層の前記材料は酸化シリコンであり、前記第１のパッシベーション層の前記材料は酸化アルミニウムである、請求項１に記載の一の太陽電池のパッシベーション層構造。
  8. 前記第１のパッシベーション層の前記材料は、一の原子層堆積法（ＡＬＤ）によって形成される一のアルミニウム層である、請求項１に記載の一の太陽電池のパッシベーション層構造。
  9. 一の太陽電池の一のパッシベーション層構造を製造する方法であって、一の光電変換層を提供することと、前記光電変換層に、前記光電変換層の一の材料の一の酸化物である一の材料からなる一の第２のパッシベーション層を形成することと、前記第２のパッシベーション層上に一の第１のパッシベーション層を形成すること、を含む一の太陽電池の一のパッシベーション層構造を製造する方法。
  10. 前記第１のパッシベーション層を形成する一のプロセスは、一のＡＬＤ、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、スパッタリング法、および、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）からなる一の群から選択されるものである、請求項９に記載の一の太陽電池の一のパッシベーション層構造を製造する方法。
  11. 前記第１のパッシベーション層の一の厚さは、２ナノメートル乃至１００ナノメートルである、請求項９に記載の一の太陽電池の一のパッシベーション層構造を製造する方法。
  12. 前記第１のパッシベーション層一の材料は、複数の固定陰電荷を有する一の金属酸化物である、請求項９に記載の一の太陽電池の一のパッシベーション層構造を製造する方法。
  13. 前記第１のパッシベーション層の前記材料は、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、および、インジウム酸化スズからなる一の群から選択されるものである、請求項９に記載の一の太陽電池の一のパッシベーション層構造を製造する方法。
  14. 前記第２のパッシベーション層を形成する一のプロセスは、一の熱酸化プロセスを実行することである、請求項９に記載の一の太陽電池の一のパッシベーション層構造を製造する方法。
  15. 前記第２のパッシベーション層の一の厚さは、１ナノメートル乃至１５ナノメートルである、請求項９に記載の一の太陽電池の一のパッシベーション層構造を製造する方法。
  16. 前記第２のパッシベーション層の前記材料は、酸化シリコンである、請求項９に記載の一の太陽電池の一のパッシベーション層構造を製造する方法。
  17. 前記第１のパッシベーション層の前記材料は前記ＡＬＤにより形成される酸化アルミニウムであり、前記第２のパッシベーション層の前記材料は、酸化シリコンである、請求項９に記載の一の太陽電池の一のパッシベーション層構造を製造する方法。
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