JP2010010620A - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体基板の裏面上に形成される非晶質半導体層における短絡の発生を抑制できる裏面接合型の太陽電池及びその製造方法を提供する。
【解決手段】太陽電池１０において、ｉ型非晶質半導体層１２は、平面視において露出する露出部１２Ａと、ｐ型非晶質半導体層１３及びｎ型非晶質半導体層１４によって覆われる被覆部１２Ｂとを含む。半導体基板１１の裏面に直交する直交方向において、露出部１２Ａが有する第１厚さＴ１は、被覆部１２Ｂが有する第２厚さＴ２より小さい。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体基板の裏面上に形成されたｎ型半導体層及びｐ型半導体層を備える裏面接合型の太陽電池及びその製造方法に関する。
太陽電池は、クリーンで無尽蔵に供給される太陽光を直接電気に変換できるため、新しいエネルギー源として期待されている。
従来、半導体基板の裏面上に形成されたｎ型半導体層及びｐ型半導体層を備える、いわゆる裏面接合型の太陽電池が提案されている（特許文献１参照）。具体的には、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層それぞれは、半導体基板の裏面に形成される実質的に真正な非晶質半導体層上において、ライン状に交互に形成される。実質的に真正な非晶質半導体層は、半導体基板の裏面における光生成キャリアの再結合を抑制するパッシベーション性を有する。
特開２００５−１０１２４０号公報
しかしながら、上記非晶質半導体層は導電性を有するため、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間で短絡が発生するおそれがあった。特に、このような短絡は、光生成キャリアの収集効率の向上を目的としてｎ型半導体層とｐ型半導体層との間隔を微小にした場合に発生しやすい。
また、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層と半導体基板との間にのみ非晶質半導体層を介挿させることも考えられるが、この場合、半導体基板の裏面におけるパッシベーション性が低下してしまう。
本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、半導体基板の裏面上に形成される非晶質半導体層における短絡の発生を抑制できる裏面接合型の太陽電池及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の特徴に係る太陽電池は、受光面と、受光面の反対側に設けられる裏面とを有する半導体基板と、裏面上に形成される実質的に真正な非晶質半導体層と、非晶質半導体層上に形成されるｐ型半導体層と、非晶質半導体層上に形成されるｎ型半導体層とを備え、非晶質半導体層は、裏面側から見た平面視において露出する露出部と、平面視においてｐ型半導体層及びｎ型半導体層によって覆われる被覆部とを含み、裏面に直交する直交方向において、露出部が有する第１厚さは、被覆部が有する第２厚さより小さいことを特徴とする。
本発明の特徴に係る太陽電池によれば、半導体基板の裏面に平行な方向において、露出部の電気抵抗を、被覆部の電気抵抗よりも大きくすることができる。そのため、被覆部上に形成されるｐ型半導体層と、被覆部上に形成されるｎ型半導体層との間における短絡の発生を抑制することができる。また、半導体基板の裏面上には、被覆部だけでなく露出部が形成されるため、半導体基板の裏面におけるパッシベーション性を維持することができる。
本発明の特徴に係る太陽電池において、第２厚さに対する第１厚さの比は、０．４８以上１未満であることが好ましい。
本発明の特徴に係る太陽電池において、第１厚さは、１．４４ｎｍ以上２５ｎｍ未満であることが好ましい。
本発明の特徴に係る太陽電池の製造方法は、受光面と受光面の反対側に設けられる裏面とを有する半導体基板を備える太陽電池の製造方法であって、裏面上に、実質的に真正な第１非晶質半導体層を形成する工程と、第１非晶質半導体層上に設けられる第１領域及び第２領域に、実質的に真正な第２非晶質半導体層を形成する工程と、第１領域に形成された第２非晶質半導体層上にｐ型半導体層を形成する工程と、第２領域に形成された第２非晶質半導体層上にｎ型半導体層を形成する工程とを備えることを要旨とする。
本発明によれば、半導体基板の裏面上に形成される非晶質半導体層における短絡の発生を抑制できる裏面接合型の太陽電池及びその製造方法を提供することができる。
次に、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
（太陽電池の構成）
本発明の実施形態に係る太陽電池１０の構成について、図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る太陽電池１０を裏面側から見た平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線における拡大断面図である。
図１及び図２に示すように、太陽電池１０は、半導体基板１１、ｉ型非晶質半導体層１２、ｐ型非晶質半導体層１３、ｎ型非晶質半導体層１４、ｐ側電極１５及びｎ側電極１６を備える。
半導体基板１１は、太陽光を受ける受光面と、受光面の反対側に設けられた裏面とを有する。半導体基板１１は、受光面における受光によって光生成キャリアを生成する。光生成キャリアとは、光が半導体基板１１に吸収されて生成される正孔と電子とをいう。
半導体基板１１は、ｎ型又はｐ型の導電型を有する単結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉなどの結晶系半導体材料や、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの化合物半導体材料を含む一般的な半導体材料によって構成することができる。なお、半導体基板１１の受光面及び裏面には、微小な凹凸（テクスチャ）が形成されていてもよい。
ｉ型非晶質半導体層１２は、ドーパントを添加せず、或いは微量のドーパントを添加することによって形成される実質的に真正な非晶質半導体層である。ｉ型非晶質半導体層１２は、図１に示すように、半導体基板１１の裏面略全面を覆うように形成される。ｉ型非晶質半導体層１２は、半導体基板１１の裏面における光生成キャリアの再結合を抑制するパッシベーション性を有する。
本実施形態では、ｉ型非晶質半導体層１２は、半導体基板１１の裏面側から見た平面視において、ｐ型非晶質半導体層１３及びｎ型非晶質半導体層１４から露出する露出部１２Ａと、ｐ型非晶質半導体層１３及びｎ型非晶質半導体層１４によって覆われる被覆部１２Ｂとを有する。すなわち、図２に示すように、被覆部１２Ｂ上には、ｐ型非晶質半導体層１３及びｎ型非晶質半導体層１４が形成される。一方で、露出部１２Ａ上には、ｐ型非晶質半導体層１３及びｎ型非晶質半導体層１４は形成されず、図１に示すように、露出部１２Ａは平面視において露出する。露出部１２Ａと被覆部１２Ｂとは、半導体基板１１の裏面上において、第１方向に沿ってライン状に形成される。また、露出部１２Ａと被覆部１２Ｂとは、第１方向に略直交する第２方向において交互に形成される。
ここで、半導体基板１１の裏面に直交する直交方向において、露出部１２Ａが有する第１厚さＴ１は、被覆部１２Ｂが有する第２厚さＴ２より小さい。従って、図２に示すように、ｉ型非晶質半導体層１２の切断面は、凹凸形状を有する。
なお、後述するように、露出部１２Ａの第１厚さＴ１は、１．４４ｎｍ以上２５ｎｍ未満であることが好ましい。また、被覆部１２Ｂの第２厚さＴ２に対する露出部１２Ａの第１厚さＴ１の比は、０．４８以上１未満であることが好ましい。
ｐ型非晶質半導体層１３は、ｐ型ドーパントを添加することによって形成される非晶質半導体層である。ｐ型非晶質半導体層１３は、被覆部１２Ｂ上において、第１方向に沿ってライン状に形成される。このように、半導体基板１１とｐ型非晶質半導体層１３との間に実質的に真正なｉ型非晶質半導体層１２（被覆部１２Ｂ）が介挿された構造（ＨＩＴ構造）によれば、ｐｎ接合特性を向上することができる。
ｎ型非晶質半導体層１４は、ｎ型ドーパントを添加することによって形成される非晶質半導体層である。ｎ型非晶質半導体層１４は、被覆部１２Ｂ上において、第１方向に沿ってライン状に形成される。このように、半導体基板１１との裏面上にｉ型非晶質半導体層１２及びｎ型非晶質半導体層１４が順次積層された構造（ＢＳＦ構造）によれば、半導体基板１１の裏面における光生成キャリアの再結合を効果的に抑制することができる。
ｐ側電極１５は、ｐ型非晶質半導体層１３に集まる正孔を収集する収集電極である。ｐ側電極１５は、ｐ型非晶質半導体層１３上において、第１方向に沿ってライン状に形成される。ｐ側電極１５は、例えば、樹脂型或いは焼結型の導電性ペーストを印刷することにより形成できる。
ｎ側電極１６は、ｎ型非晶質半導体層１４に集まる電子を収集する収集電極である。ｎ側電極１６は、ｎ型非晶質半導体層１４上において、第１方向に沿ってライン状に形成される。ｎ側電極１６は、ｐ側電極１５と同様に形成できる。
なお、以上の構成を有する太陽電池１０の出力は、１枚当り数Ｗ程度である。そのため、太陽電池１０を電源として用いる場合には、複数の太陽電池１０を電気的に接続することにより出力を高めた太陽電池モジュールが用いられる。具体的には、一の太陽電池１０のｐ側電極１５と他の太陽電池１０のｎ側電極１６とを配線材によって接続することによって、一の太陽電池１０と他の太陽電池１０とが電気的に接続される。
（太陽電池の製造方法）
次に、太陽電池１０の製造方法について、図３〜５を参照しながら説明する。なお、各図（ａ）は、半導体基板１１を裏面側から見た平面図である。
まず、図３（ａ）に示すように、半導体基板１１の裏面略全面に、ＣＶＤ法を用いて、実質的に真正な第１ｉ型非晶質半導体層１２１を形成する。第１ｉ型非晶質半導体層１２１は、図３（ｂ）に示すように、直交方向、即ち厚み方向において厚さＴ１を有する。なお、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ線における拡大断面図である。
次に、第１ｉ型非晶質半導体層１２１上のうち、図３（ａ）に示す第１領域Ｓ１及び第２領域Ｓ２以外の領域にシャドウマスクを被せる。
次に、図４（ａ）に示すように、第１領域Ｓ１及び第２領域Ｓ２に、ＣＶＤ法を用いて、実質的に真正な第２ｉ型非晶質半導体層１２２を形成する。これにより、露出部１２Ａと被覆部１２Ｂとを含むｉ型非晶質半導体層１２が形成される。なお、図４（ｂ）に示すように、第２ｉ型非晶質半導体層１２２は、直交方向において厚さＴ３を有する。厚さＴ１と厚さＴ３との和は、被覆部１２Ｂの厚さＴ２である（図２参照）。なお、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＣ−Ｃ線における拡大断面図である。
次に、第１領域Ｓ１に形成された第２ｉ型非晶質半導体層１２２以外の領域にシャドウマスクを被せる。続いて、第１領域Ｓ１に形成された第２ｉ型非晶質半導体層１２２上に、ＣＶＤ法を用いて、ｐ型非晶質半導体層１３を形成する。ｐ型非晶質半導体層の厚さは、例えば約１０ｎｍである。
次に、第２領域Ｓ２に形成された第２ｉ型非晶質半導体層１２２以外の領域にシャドウマスクを被せる。続いて、第２領域Ｓ２に形成された第２ｉ型非晶質半導体層１２２上に、ＣＶＤ法を用いて、ｎ型非晶質半導体層１４を形成する。ｎ型非晶質半導体層１４の厚さは、例えば約１０ｎｍである。
以上によって、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、半導体基板１１の裏面上に「ＨＩＴ構造」と「ＢＳＦ構造」とが形成される。なお、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＤ−Ｄ線における拡大断面図である。
次に、印刷法や塗布法などを用いて、ｐ型非晶質半導体層１３上にｐ側電極１５を形成するとともに、ｎ型非晶質半導体層１４上にｎ側電極１６を形成する。
（被覆部の厚さの適正値）
次に、被覆部１２Ｂの厚さＴ２の適正値を求めるために行った検証実験について説明する。具体的には、実用可能な範囲でｉ型非晶質半導体層の層質及び層厚を変更したサンプルを作製し、各サンプルの太陽電池特性（出力値Ｐｍａｘ）を測定した。なお、各サンプルでは、ｉ型非晶質半導体層を一様な厚さで形成した。また、ｉ型非晶質半導体層の層質は、層内部に含まれる欠陥が少ないほど、また、導電率が小さいほど高品質である。
１．サンプルＡ
サンプルＡは、高品質なｉ型非晶質Ｓｉ層をパッシベーション層として備える太陽電池である。具体的には、ＣＶＤ装置の設定条件を、ＳｉＨ４流量５０ｓｃｃｍ、Ｈ２流量８０ｓｃｃｍ、圧力８０Ｐａ、温度１８０℃、ＲＦパワー５０Ｗとして、ｉ型非晶質Ｓｉ層を形成した。
サンプルＡでは、層厚２〜２６ｎｍまでの６種類のサンプルを作製した。
２．サンプルＢ
サンプルＢは、中程度の品質を有するｉ型非晶質Ｓｉ層をパッシベーション層として備える太陽電池である。具体的には、ＣＶＤ装置の設定条件を、ＳｉＨ４流量５０ｓｃｃｍ、Ｈ２流量８０ｓｃｃｍ、圧力８０Ｐａ、温度１８０℃、ＲＦパワー１００Ｗとして、ｉ型非晶質Ｓｉ層を形成した。
サンプルＢでは、層厚２〜３２ｎｍまでの６種類のサンプルを作製した。
３．サンプルＣ
サンプルＣは、低品質なｉ型非晶質Ｓｉ層をパッシベーション層として備える太陽電池である。具体的には、ＣＶＤ装置の設定条件を、ＳｉＨ４流量５０ｓｃｃｍ、Ｈ２流量８０ｓｃｃｍ、圧力８０Ｐａ、温度１８０℃、ＲＦパワー２００Ｗとして、ｉ型非晶質Ｓｉ層を形成した。
サンプルＣでは、層厚１４〜３８ｎｍまでの６種類のサンプルを作製した。
４．太陽電池特性の測定結果
図６は、サンプルＡ〜Ｃについて、層厚と太陽電池特性（出力値Ｐｍａｘ）との関係を示すグラフである。
図６に示すように、太陽電池特性のピークは、層厚３ｎｍのｉ型非晶質Ｓｉ層を備えるサンプルＡ、層厚１８ｎｍのｉ型非晶質Ｓｉ層を備えるサンプルＢ、層厚２５ｎｍのｉ型非晶質Ｓｉ層を備えるサンプルＣにおいて得られた。
従って、実用可能な範囲の層質では、ｉ型非晶質Ｓｉ層の層厚の適正値は、３〜２５ｎｍであることが判った。すなわち、本実施形態では、被覆部１２Ｂの厚さＴ２の適正値が３〜２５ｎｍであることが判った。
（厚さＴ２に対する厚さＴ１の比の適正値）
次に、被覆部１２Ｂの厚さＴ２に対する露出部１２Ａの厚さＴ１の比（Ｔ１／Ｔ２）の適正値を求めるために行った検証実験について説明する。具体的には、上記サンプルＡ〜Ｃそれぞれの層質（設定条件）で形成された露出部１２Ａ及び被覆部１２Ｂを備えるサンプルを作製し、各サンプルの太陽電池特性（出力値Ｐｍａｘ）を測定した。
図７は、各サンプルについて、比（Ｔ１／Ｔ２）と太陽電池特性（出力値Ｐｍａｘ）との関係を示すグラフである。
図７に示すように、層質に関わらず、比（Ｔ１／Ｔ２）と出力値（Ｐｍａｘ）との間に相関関係が存在することが確認された。また、図７に示すように、比（Ｔ１／Ｔ２）が０．４８以上１．０未満であれば、ｉ型非晶質Ｓｉ層の層厚が一様である場合よりも高い出力値Ｐｍａｘが得られることがわかった。このような結果が得られたのは、比（Ｔ１／Ｔ２）が０．４８未満である場合には、ｉ型非晶質Ｓｉ層の十分なパッシベーション性が得られないためである。
ここで、上述の通り、被覆部１２Ｂの厚さＴ２の適正値は、３〜２５ｎｍである。従って、０．４８≦（Ｔ１／Ｔ２）＜１．０であることを考慮すれば、露出部１２Ａの厚さＴ１の適正値は、１．４４ｎｍ以上２５ｎｍ未満である。
（作用及び効果）
本実施形態に係る太陽電池１０において、ｉ型非晶質半導体層１２は、平面視において露出する露出部１２Ａと、ｐ型非晶質半導体層１３及びｎ型非晶質半導体層１４によって覆われる被覆部１２Ｂとを含む。半導体基板１１の裏面に直交する直交方向において、露出部１２Ａが有する第１厚さＴ１は、被覆部１２Ｂが有する第２厚さＴ２より小さい。
従って、半導体基板１１の裏面に平行な方向において、露出部１２Ａの電気抵抗を、被覆部１２Ｂの電気抵抗よりも大きくすることができる。そのため、被覆部１２Ｂ上に形成されるｐ型非晶質半導体層１３と、被覆部１２Ｂ上に形成されるｎ型非晶質半導体層１４との間における短絡の発生を抑制することができる。
また、半導体基板１１の裏面上には、被覆部１２Ｂだけでなく露出部１２Ａが形成される。そのため、半導体基板１１の裏面におけるｉ型非晶質半導体層１２のパッシベーション性を維持することができる。
なお、上記検証実験によって確認されたように、被覆部１２Ｂの厚さＴ２に対する露出部１２Ａの厚さＴ１の比（Ｔ１／Ｔ２）は、０．４８以上１．０未満であることが好ましい。また、露出部１２Ａの厚さＴ１は、１．４４ｎｍ以上２５ｎｍ未満であることが好ましい。
また、本実施形態に係る太陽電池１０の製造方法は、半導体基板１１の裏面上に、第１ｉ型非晶質半導体層１２１を形成する工程と、第１ｉ型非晶質半導体層１２１上の第１領域Ｓ１及び第２領域Ｓ２に、第２ｉ型非晶質半導体層１２２を形成する工程と、第２ｉ型非晶質半導体層１２２上にｐ型非晶質半導体層１３及びｎ型非晶質半導体層１４を形成する工程とを備える。
従って、ｐ型非晶質半導体層１３及びｎ型非晶質半導体層１４にダメージを与えることなく、露出部１２Ａ及び被覆部１２Ｂを簡便に形成することができる。
（その他の実施形態）
本発明は上記の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
例えば、上記実施形態において、ｐ型非晶質半導体層１３とｎ型非晶質半導体層１４との本数及び形状は模式的なものであり、これに限られるものではない。ｐ型非晶質半導体層１３とｎ型非晶質半導体層１４との本数及び形状は、半導体基板１１のサイズなどに応じて適宜設定することができる。
また、上記実施形態では、被覆部１２Ｂ上に非晶質半導体層を形成することとしたが、被覆部１２Ｂ上に形成される半導体層は、多結晶，微結晶，非晶質のいずれであってもよい。
また、上記実施形態では、第１ｉ型非晶質半導体層１２１と第２ｉ型非晶質半導体層１２２とを順次積層することによってｉ型非晶質半導体層１２を形成したが、これに限られるものではない。例えば、半導体基板１１の裏面上に厚さＴ２の一様なｉ型非晶質半導体層を形成した後に、第１領域Ｓ１及び第２領域Ｓ２以外の領域にレーザ照射やエッチング処理を施すことによって、厚さＴ１の露出部１２Ａを形成してもよい。
また、上記実施形態では特に触れていないが、ｐ側電極１５及びｎ側電極１６それぞれと被覆部１２Ｂとの間には、透明導電膜（ＴＣＯ）が介挿されていてもよい。
また、上記実施形態では特に触れていないが、半導体基板１１の受光面上には、反射防止膜が形成されていてもよい。これにより、太陽電池１０の光電変換効率を向上させることができる。
本発明の実施形態に係る太陽電池１０を裏面側から見た平面図である。 図１のＡ−Ａ線における拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る太陽電池１０の製造方法を説明するための図である（その１）。 本発明の実施形態に係る太陽電池１０の製造方法を説明するための図である（その２）。 本発明の実施形態に係る太陽電池１０の製造方法を説明するための図である（その３）。 ｉ型非晶質Ｓｉ層の層厚と太陽電池特性との関係を示すグラフである。 比（Ｔ１／Ｔ２）と太陽電池特性との関係を示すグラフである。
符号の説明
１０…太陽電池
１１…半導体基板
１２…ｉ型非晶質半導体層
１２Ａ…露出部
１２Ｂ…被覆部
１３…ｐ型非晶質半導体層
１４…ｎ型非晶質半導体層
１５…ｐ側電極
１６…ｎ側電極
１２１…第１ｉ型非晶質半導体層
１２２…第２ｉ型非晶質半導体層
Ｓ１…第１領域
Ｓ２…第２領域

Claims (4)

  1. 受光面と、前記受光面の反対側に設けられる裏面とを有する半導体基板と、
    前記裏面上に形成される実質的に真正な非晶質半導体層と、
    前記非晶質半導体層上に形成されるｐ型半導体層と、
    前記非晶質半導体層上に形成されるｎ型半導体層と
    を備え、
    前記非晶質半導体層は、前記裏面側から見た平面視において露出する露出部と、前記平面視において前記ｐ型半導体層及び前記ｎ型半導体層によって覆われる被覆部とを含み、
    前記裏面に直交する直交方向において、前記露出部が有する第１厚さは、前記被覆部が有する第２厚さより小さい
    ことを特徴とする太陽電池。
  2. 前記第２厚さに対する前記第１厚さの比は、０．４８以上１未満である
    ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記第１厚さは、１．４４ｎｍ以上２５ｎｍ未満である
    ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  4. 受光面と前記受光面の反対側に設けられる裏面とを有する半導体基板を備える太陽電池の製造方法であって、
    前記裏面上に、実質的に真正な第１非晶質半導体層を形成する工程と、
    前記第１非晶質半導体層上に設けられる第１領域及び第２領域に、実質的に真正な第２非晶質半導体層を形成する工程と、
    前記第１領域に形成された前記第２非晶質半導体層上にｐ型半導体層を形成する工程と、
    前記第２領域に形成された前記第２非晶質半導体層上にｎ型半導体層を形成する工程と
    を備えることを特徴とする太陽電池の製造方法。
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