JP2012099822A - 太陽電池および太陽電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】不動態化層の良好な不動態化効果と同時に不動態化層と金属層との間の良好な接着が得られる、太陽電池および太陽電池の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板（１）と、半導体基板（１）の、光から遠い後部側表面（１１）上に配置される後部側不動態化層（２）と、後部側不動態化層（２）上に配置される被覆層（３）と、被覆層（３）上に配置されるメタライゼーション層（４）とを含む太陽電池であって、被覆層（３）は、後部側不動態化層（２）に対向する保護層セクション（３１）およびメタライゼーション層（４）に対向する接触層セクション（３２）を有し、接触層セクション（３２）は保護層セクション（３１）よりも高い屈折率を有することを特徴とする、太陽電池および、そのための太陽電池の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は太陽電池および太陽電池の製造方法に関する。

将来の太陽電池においては、半導体表面における電荷担体の結合を最小限に抑え、それにより、太陽電池の効率を増大させるために、それらの半導体基板の後部側表面上に誘電体不動態化層が配置されることが期待されている。不動態化層用の一連の材料が知られている。セルの観点からすれば、特に、酸化アルミニウムが最も大きな可能性を有している。なぜなら、半導体と酸化アルミニウムとの間の界面において負電荷が生じ、その電荷が、ｐ型材料上に結果として生ずる電界効果のおかげでいわゆる電界効果不動態化をもたらすからである。

不動態化後、太陽電池に接触する目的のために、誘電体不動態化の不動態化層上に金属層が作られなければならない。現在の太陽電池のための、工業生産において最も一般的となっている種類の接触接続部においては、金属層は、半導体基板に塗布されてその後、熱処理を受ける金属ペーストを用いて製造される。この熱処理工程は一般的に焼成工程として知られる。

この場合、完成した太陽電池モジュールにおける太陽電池の長期安定性のために、金属ペーストは下層の不動態化層に充分に接着することが重要である。一方、不動態化を損なわないようにするために、接着を生じさせる反応は強力すぎてはならない。通常、金属層の接着特性および焼成工程中の反応速度は、金属ペースト内のガラスフリットの割合の適当な選択によって設定される。しかし、反応速度および反応深さは不動態化層の材料の種類および組成にも本質的に依存している。この場合、金属ペーストが充分強力でない、すなわち全く接着しない場合と、それが強力すぎる、すなわち不動態化を破壊する場合との間のプロセスウィンドウは非常に狭い。不動態化層は一般的に１００ナノメートル前後の層厚さを持つように非常に薄くなければならないという事実によって、状況は一層厳しくなる。さらに、反応の進行は誘電体内の不均一性によって、例えばピンホール、内包物（膨れ）、割れ目（亀裂）などによって、あるいは非晶質および結晶質領域間の遷移によって影響を受ける。

その結果、不動態化層材料および金属ペースト材料の適当な組み合わせの選定は、常に不動態化層の不動態化特性と金属層の接着効果との間の妥協につながる。その上、例として、酸化アルミニウム不動態化層を侵さない適当な金属ペースト材料は知られていない。最後に、高品質の不動態化層は一般的に非常に高価でもあるため、不動態化層の層厚さを増すことは実際上、経済的でない。

本発明の目的は、不動態化層の良好な不動態化効果と同時に不動態化層と金属層との間の良好な接着が得られる、太陽電池および太陽電池の製造方法を提供することである。

本発明の目的は、本発明によって、請求項１の特徴を含む太陽電池を用いて、および請求項１５の特徴を含む太陽電池の製造方法を用いて達成される。従属クレームでは、本発明の有利な発展が提示される。

本発明は、上述の妥協の制約を回避するために、不動態化の効果とその上に配置されるメタライゼーションの接着効果とを互いに分離するとの判断に基づく。この目的のために、後部側の後部側不動態化層に被覆層が施される。それは、第一に、後部側不動態化層を保護し、第二に、メタライゼーションと半導体基板との間の接着または接触を最適化する。

発明者らは、焼成工程中の、金属ペーストに対する層材料の安定性は、屈折率に直接関連する材料特性に依存することを発見した。それによれば、より低い屈折率を有する層は金属ペーストに対してより安定しており、一方、より高い屈折率を有するものは、そこから生じる金属層とのより密接な接合または接続を形成し、それ故、半導体基板上の金属層のより良好な接着を可能にする。その結果、後部側不動態化層に対向する、被覆層の保護層セクションは、低い屈折率を有し、それ故、後部側不動態化層を保護するように製造され得る。同時に、メタライゼーション層に対向する、被覆層の接触層セクションはより高い屈折率を有し、従って、メタライゼーション層のより良好な接着のための役割を果たす。

この種の太陽電池を製造するためには、半導体基板上への後部側不動態化層の施層、好ましくは堆積の後、より低い屈折率を有する保護層セクションおよび比較的より高い屈折率を有する接触層セクションを含む被覆層が施される。その後、メタライゼーション層は、好ましくは、金属ペースト、例えばアルミニウム含有ペースト、の塗布、およびそれに続く焼成工程を用いて施される。代替的に、メタライゼーション層は、堆積法を用いること、例えば、気相からの物理的堆積（物理蒸着（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｕｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）−ＰＶＤ）を用いること、または何らかの他の適当な方法を用いること等により、製造され得る。メタライゼーション層は、好ましくは、例えば半導体基板の格子型の様式で分布させた、レーザ誘起接触（いわゆるレーザ焼成接触（ｌａｓｅｒ ｆｉｒｅｄ ｃｏｎｔａｃｔ）−ＬＦＣ）を用いて半導体基板に接触接続される。

従って、太陽電池の完成後、後部側不動態化層とメタライゼーション層との間に配置される被覆層は、後部側不動態化層に対向する保護層セクションおよびメタライゼーション層に対向する接触層セクションを有する。用いられる製造方法に応じて、接触層セクションは半導体基板の後部側表面全体上の一部にまたは全面に得られ得る。しかし、特定の実施形態では、被覆層のこの接触層セクションは、その組成に関して部分的にまたは（その厚さについて）完全に変換される（変質される）様式で、メタライゼーション層と結合するかまたは金属層内に融合することになる。

しかし、いずれの場合でも、完成した太陽電池における被覆層は接触層セクションを、少なくとも表面領域内に、すなわち例えば、メタライゼーション層が被覆層を覆わない表面領域内に、または接触層セクションが、それとメタライゼーション層との間の反応が接触層セクションの厚さを完全に貫通しないように充分厚く作られる表面領域内に、有することになる。これは、例えば、半導体基板の後部側表面の縁部領域を、例えば後部側表面の周囲のフレームの形で含むことができる、および／または半導体基板の後部側表面内部の島領域を含むことができる。

１つの好ましい実施形態では、被覆層は２層以上の部分層から形成されるように設けられ、保護層セクションおよび接触層セクションは各々、部分層の１つである。この場合は、まず保護層が被覆層の保護層セクションとして施され、その上に接触層が被覆層の接触層セクションとして配置される。２つのセクションの間にさらなる中間層が形成されることもできる。被覆層が部分層から形成される実施形態は、被覆層がどちらかと言えば階段状の屈折率プロファイルを有するという点で、以下の実施形態による傾斜状の屈折率プロファイルとは異なる。

１つの有利な発展では、被覆層は、保護層セクションから接触層セクションまで増大する傾斜状の屈折率プロファイルを有するように設けられる。屈折率プロファイルは線形的にまたは非線形的に増大することができる。この目的のために、被覆層における対応する屈折率勾配を得るべく、被覆層の堆積中の堆積条件および／または出発材料を、傾斜状の様式にまたは小階段状に変更することが可能である。

１つの好都合な構成によれば、保護層セクションおよび接触層セクションは、太陽電池の作動範囲である、スペクトル範囲における約１．５〜４．５の屈折率を各々有するように提供される。好ましくは、保護層セクションは約１．９の屈折率を有し、一方、接触層セクションは約２．０５の屈折率を有する。傾斜状の屈折率プロファイルの場合、後者は好ましくは、後部側不動態化層の近くの１．９とメタライゼーション層の近くの２．０５との間で変化する。ここで言及している屈折率値は太陽電池の作動範囲に当てはまり、好ましくは、電磁スペクトルの可視光および／あるいは赤外光範囲内に、特に約６３０ナノメートルの波長に調和させることができる。

特定の実施形態では、保護層セクションはおおよそで１．７〜２．４、または１．８〜２．１、または１．８５〜１．９５の屈折率を有し、接触層セクションはおおよそで１．５〜４．５、または１．８〜２．８、または３．５〜４．５の屈折率を有していれば都合がよい。保護層セクションおよび接触層セクションのための正確な屈折率値は、接触層セクションが保護層セクションよりも高い屈折率を有するかぎり、互いとは独立して選定され得る。

好ましくは、保護層セクションおよび接触層セクションは材料化合物から形成され、保護層セクションと接触層セクションとの間の屈折率の差は材料化合物内の材料の、異なる化学量論的組成に基づくように提供される。これは、太陽電池の製造の間、被覆層の堆積中に出発材料の量比を変化させることによって達成される。例として、プラズマ促進蒸着法（ＰＥＣＶＤ−Ｐｌａｓｍａ−ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｕｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（プラズマ促進化学蒸着））を用いる際、被覆層の堆積中に、出発材料の気体流を階段状的に（複数の部分層の場合）または傾斜的に（傾斜状の屈折率プロファイルの場合）変化させることが可能である。

１つの好都合な実施形態では、保護層セクションと接触層セクションとの間の屈折率の差は２つのセクション内の異なる水素含有量に基づくように提供される。換言すると、被覆層の２つのセクション内の水素含有量が異なる。この場合、保護層セクションおよび接触層セクションは好ましくは同じ材料から、および好ましくはさらに同じ化学量論的組成をもって形成される。しかし、代替的に、２つのセクション内の化学量論的組成および水素含有量はどちらも、所望の屈折率または所望の屈折率プロファイルが生じるように設定され得る。

１つの有利な構成では、被覆層は非晶質または微結晶シリコンから、窒化シリコンから、ならびに／あるいは酸窒化シリコンから形成されるように提供される。これらの材料の場合における屈折率を変化させるために、それぞれの材料化合物において、窒化シリコンにおいてはシリコンと窒素との間の比を、および／または酸窒化シリコンにおいては窒化シリコンと酸素との間の比を変更することが可能である。言い換えれば、ＳｉＮｘにおけるおよび／またはＳｉＮ（１−ｘ）Ｏｘにおけるｘを変化させることが可能である。しかし、酸素以外に、屈折率を制御するために他の適当な材料、例えば炭素、が窒化シリコン内に組み込まれることもできる。

メタライゼーション層が、金属ペーストの塗布およびそれに続く焼成工程によって製造される場合には、ガラスフリットを包含する金属ペーストが一般的に用いられる。焼成工程の最中、前記ガラスフリットは、金属ペーストの下方にある層と反応し、いわゆる共晶層（例えば、Ａｌペーストが用いられるときはＡｌ−Ｓｉ共晶物）を作り出す。前記共晶層は通常、不動態化層として、および太陽電池へのメタライゼーション層の接着のための接着層としての両方の機能を果たす。

特に、被覆層の接触層セクションがシリコンを包含する場合には、ガラスフリットを包含しない金属ペーストが後部側メタライゼーションのために用いられ得る。それに続く焼成工程の最中、金属ペーストは次に接触層セクションのシリコンと反応し、それにより、ここでも共晶層が形成される。このプロセスにおいて、シリコンは部分的にまたは完全に変質される。従って、１つの好ましい構成によれば、被覆層の保護層セクションは窒化シリコンを包含し、被覆層の接触層セクションは非晶質または微結晶シリコンを包含する。

１つの好ましい発展によれば、後部側不動態化層は酸化アルミニウムから形成されるように提供される。例えば化学量論比Ａｌ_２Ｏ_３のこの種の酸化アルミニウム層は好ましくは原子層堆積（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＡＬＤ）、ＰＥＣＶＤまたはＰＶＤによって施される。酸化アルミニウムで構成される後部側不動態化層は好ましくは、１００ナノメートル未満の層厚さ、好ましくは約３０ナノメートル、特に好ましくは１０ナノメートル、の層厚さを有する。

後部側不動態化層は半導体基板上に直接形成され、被覆層は後部側不動態化層上に直接形成され、および／またはメタライゼーション層は被覆層上に直接形成されるように有利に提供される。直接的な配置は、関連層間にさらなる中間層が配置されないことを意味する。しかし、代替的に、例えばプロセスの影響を受ける方法では、後部側不動態化層の施層の前または最中に、半導体基板と後部側不動態化層との間の中間層として、半導体基板上に薄い酸化物層が生じてもよい。

１つの好ましい構成によれば、被覆層は実質的に半導体基板の後部側表面全体を覆うように提供される。この場合、それは実質的に、プロセスの影響を受ける方法では、半導体基板の、被覆層によって覆われない領域、特に縁部領域、が存在しうることを意味する。好ましくは、被覆層は半導体基板の後部側表面の少なくとも９０％、好ましくは少なくとも９５％または９９％を覆う。被覆層に関する本段落における実施形態により提示される特徴は、対応して、保護層セクションおよび接触層セクションにも当てはめることができる。ただし、上述したように、特定の実施形態における接触層セクションは表面領域にのみ存在することができる。前記表面領域は、例えば、半導体基板の後部側表面の少なくとも約０．５％、３％または１０％を含むことができる。

接触層セクションがもはや存在しないかまたはその元の層厚さの一部しか存在しない表面領域は、例えば、焼成中にメタライゼーション層が接触層を「使い尽くす」領域である。ペーストが印刷されないセル端部においては、焼成後でも完全な被覆層がなお存在する。ペーストがセル端部のごく近くで印刷される場合は、この面積の割合は非常に小さくなる。

好ましくは、両側にある接触接続部が提供される。それは、太陽電池は光入射側（前部側）および光から遠い後部側の両方にメタライゼーションを有することを意味する。前部側では、メタライゼーションは好ましくは細片形状の接触電極を用いてまたは接触格子を用いて実現される。

１つの好都合な発展では、後部側不動態化層および被覆層は全体として、太陽電池の作動範囲であるスペクトル範囲のための反射層系を形成するように提供される。換言すると、後部側不動態化層の光学特性および被覆層の光学特性は、半導体基板を貫通する光をそれらが反射するように互いに連携し合う。屈折率値に関連して上述したように、ここで言及しているとおりの太陽電池のスペクトル作動範囲は好ましくは可視および／または赤外領域内にある。

図１は、後部側不動態化層およびその上に配置される被覆層を含み、両側において接触接続される太陽電池を示す図である。

本発明は、以下において、図を参照しながら例示的な実施形態に基づいて説明される。この場合、ただ１つの図である図１は、後部側不動態化層およびその上に配置される被覆層を含み、両側において接触接続される太陽電池を示している。

図１は、半導体基板１を含む太陽電池を示す。太陽電池の作動中に入射光に対向する前部側表面１２に沿って、ドーピングを用いて半導体基板１内にエミッタ層１３が形成される。例として、半導体基板１が初めにｎ型半導体を含む場合、ドーピングを用いてｐ型エミッタ１３が形成され得る。エミッタ層１３は、その上に配置される前部側電極５を用いて接触接続される。

半導体基板１の後部側表面１１上に後部側不動態化層２が配置される。それは後部側表面１１を不動態化するための役割を果たす。後部側不動態化層２上に被覆層３が配置され、該被覆層は後部側不動態化層２を保護すると同時に、その上に配置されるメタライゼーション層４の接着を向上させる。

この目的のために、被覆層３は、後部側不動態化層２に対向する保護層セクション３１およびメタライゼーション層４に対向する接触層セクション３２を有する。保護層セクション３１は、例えば約１．９の、より低い屈折率を有する。対照的に、接触層セクション３２は、例えば約２．０５または３．５の、より高い屈折率を有する。

ここで示されている実施形態では、保護層セクション３１および接触層セクション３２は各々において被覆層３の別々の部分層を形成しており、それらの間には、もし適切ならば、２つのセクション３１、３２のものの間の屈折率値を有するさらなる中間層（図には示されていない）が配置され得る。代替的に、保護層セクション３１および接触層セクション３２は、傾斜状の屈折率プロファイルを有する被覆層３のセクションとすることができる。この場合、傾斜状の屈折率プロファイルは保護層セクション３１から接触層セクション３２に向かって線形的にまたは何らかの他の適当な様式で増大することができる。

１ 半導体基板
１１ 後部側表面
１２ 前部側表面
１３ エミッタ層
２ 後部側不動態化層
３ 被覆層
３１ 保護層セクション
３２ 接触層セクション
４ メタライゼーション層
５ 前部側電極

Claims (15)

1. 半導体基板（１）と、前記半導体基板（１）の、光から遠い後部側表面（１１）上に配置される後部側不動態化層（２）と、前記後部側不動態化層（２）上に配置される被覆層（３）と、前記被覆層（３）上に配置されるメタライゼーション層（４）とを含む太陽電池であって、前記被覆層（３）は前記後部側不動態化層（２）に対向する保護層セクション（３１）、および、少なくとも表面領域内に、前記メタライゼーション層（４）に対向する接触層セクション（３２）を有し、前記接触層セクション（３２）は前記保護層セクション（３１）よりも高い屈折率を有することを特徴とする、太陽電池。
2. 前記被覆層（３）は２層以上の部分層（３１、３２）から形成され、前記保護層セクション（３１）および前記接触層セクション（３２）は各々、前記部分層（３１、３２）のうちの１つであることを特徴とする、請求項１記載の太陽電池。
3. 前記被覆層（３）は、前記保護層セクション（３１）から前記接触層セクション（３２）まで増大する傾斜状の屈折率プロファイルを有することを特徴とする、請求項１記載の太陽電池。
4. 前記保護層セクション（３１）および前記接触層セクション（３２）は各々、前記太陽電池の作動範囲であるスペクトル範囲内の約１．５〜４．５の屈折率を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池。
5. 前記保護層セクション（３１）はおおよそで１．７〜２．４、または１．８〜２．１、または１．８５〜１．９５の屈折率を有し、前記接触層セクション（３２）はおおよそで１．５〜４．５、または１．８〜２．８、または３．５〜４．５の屈折率を有することを特徴とする、請求項４記載の太陽電池。
6. 前記保護層セクション（３１）および前記接触層セクション（３２）は材料化合物から形成され、前記保護層セクション（３１）と前記接触層セクション（３２）との間の屈折率の差は前記材料化合物内の前記材料の、異なる化学量論的組成に基づくことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽電池。
7. 前記保護層セクション（３１）と前記接触層セクション（３２）との間の屈折率の差は前記２つのセクション（３１、３２）内の異なる水素含有量に基づくことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の太陽電池。
8. 前記被覆層（３）は、非晶質もしくは微結晶シリコンから、窒化シリコンから、および／または酸窒化シリコンから形成されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の太陽電池。
9. 前記被覆層（３）の前記保護層セクション（３１）は窒化シリコンを包含し、および／または前記被覆層（３）の前記接触層セクション（３２）は非晶質もしくは微結晶シリコンを包含することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の太陽電池。
10. 前記後部側不動態化層（２）は酸化アルミニウム、非晶質シリコン、非晶質窒化シリコンまたは非晶質酸化シリコンから形成されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の太陽電池。
11. 前記後部側不動態化層（２）は前記半導体基板（１）上に直接形成され、前記被覆層（３）は前記後部側不動態化層（２）上に直接形成され、および／または前記メタライゼーション層（４）は前記被覆層（３）上に直接形成されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の太陽電池。
12. 前記被覆層（３）は前記半導体基板（１）の前記後部側表面（１１）全体を実質的に覆うことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の太陽電池。
13. 両側にある接触接続部によって特徴付けられる、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の太陽電池。
14. 前記後部側不動態化層（２）および前記被覆層（３）は全体として、前記太陽電池の作動範囲であるスペクトル範囲のための反射層系を形成することを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の太陽電池。
15. 太陽電池の製造方法であって、
    半導体基板（１）を設けるステップと、
    前記半導体基板（１）の、光から遠い後部側表面（１１）に後部側不動態化層（２）を施すステップと、
    前記後部側不動態化層（２）に被覆層（３）を施すステップと、
    前記被覆層（３）にメタライゼーション層（４）を施すステップと、
    を含み、前記被覆層（３）には、前記後部側不動態化層（２）に対向する保護層セクション（３１）および前記メタライゼーション層（４）に対向する接触層セクション（３２）が、前記接触層セクション（３２）が前記保護層セクション（３１）よりも高い屈折率を有するように施される、太陽電池の製造方法。
    

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