JP2015525961A - 太陽電池 - Google Patents

Abstract

本発明は、半導体ウェハ１と、第１の導電型の少なくとも第１の層３及びキャリア抽出又は注入を可能にする第１の接触層４を含む少なくとも１つのエミッタ領域２０によって形成されたエミッタと、前記第１の導電型と反対の第２の導電型の少なくとも第２の層６、及びキャリア抽出又は注入を可能にする第２の接触層４を含む裏面接触部と、前記エミッタ領域２０及び前記裏面接触部にそれぞれ接続され、太陽電池から電流を輸送するように設計された電気接触部８、９とを含む太陽電池に関する。本発明によれば、エミッタの区域は、エミッタ領域２０が設けられるウェハ１の側の区域の０．５％から１５％の間を覆い、ウェハ１の前記側の区域の残りの部分が、少なくとも第１の不動態化層１２、１６と、第１の不動態化層がキャリア抽出又は注入を可能にしないようにする少なくとも１つの第１のオプションの追加層とを含む第１の不動態化領域４０によって覆われ、前記第１の不動態化領域は、エミッタ領域２０の第１の導電型の第１の層３によって全面的には覆われない。

Description

本発明は、太陽電池の分野に関し、詳細には、高効率結晶シリコン太陽電池の分野に関する。より詳細には、本発明は、半導体ウェハと、第１の導電型の少なくとも第１の層及びキャリア抽出又は注入を可能にする第１の接触層を含む少なくとも１つのエミッタ領域によって形成されたエミッタと、前記第１の導電型と反対の第２の導電型の少なくとも第２の層及びキャリア抽出又は注入を可能にする第２の接触層を含む裏面接触部と、前記エミッタ領域及び前記裏面接触部にそれぞれ接続され、太陽電池から電流を輸送するように設計された電気接触部とを含む太陽電池に関する。

本発明の特に有利な用途は、電気エネルギーを発生させるように意図された光電池の生成に関するものであるが、本発明は、より一般的には、光放射が電気信号に変換される任意の構造体、例えば光検出器などにも当てはまる。

伝統的な光起電太陽電池は、一般に、前側に金属格子パターンを含む。接触フィンガが金属で製作される。光学活性区域（すなわち、接触格子によって覆われていない）にわたって均一に発生され、薄いフィンガ又は格子接触部によって収集される電流を抽出するために、バスバーが、通常、高導電性金属バンドに接触される（はんだ付けされる、溶接される、又は導電性グルー若しくは接着剤で取り付けられる）。

金属接触部が半導体に直接触れると、半導体中の過剰な少数キャリア（接合部で収集されるべきである）がこの接触部で再結合する傾向がある。したがって、伝統的な太陽電池は、金属と半導体との間の接触区域を最小にする必要がある。高度な太陽電池では、そのような接触部がある場合、高いドーピングを接触部の下方に試みて、金属を「遮蔽する」。電池の残りの部分は、通常、太陽電池の電子不動態化を可能にする層で被覆される。

より良好な電気接触部を製作する別の手法は、電流抽出（光発生キャリアを収集することによって生成される電流）と接触部の不動態化を同時に可能にする層スタックを使用することである。これは、いわゆるアモルファス・シリコン／結晶シリコン・ヘテロ接合概念に当てはまる。図１に示すように、そのような電池は、通常、以下のように形成される。一般的なｎ型結晶シリコン・ウェハ１は、両側にある５〜１５ｎｍ厚の水素化アモルファス・シリコンの真性層２及び５で電子的に不動態化される。前面には、ドープされたｐ層３が存在し、前面透明導電性酸化物（ＴＣＯ）４が前面ｐ層３を覆う。本明細書では、ｉ−ｐ−ＴＣＯスタックは「エミッタ」と呼ばれる。光発生キャリアはエミッタを通して収集される、すなわち、照明下で、光電流は照明された区域から均一に収集される。

裏面では、ｎ層６がｉ層５を覆い、ＴＣＯ７がｎ層６を覆う。本明細書では、ｉ−ｎ−ＴＣＯスタックは「裏面接触部」と呼ばれる。電流はこの接触部を通して流れることができる（ｉ層が薄いので）が、良好な電子不動態化は保証される。太陽電池の前側において、電流は、後でバスバーにつながる格子フィンガと名付けられた金属導体８（前側の）によって太陽電池から輸送され、一方、裏側は前側と同様のパターンを有するか、又は裏面のバスバーに電流を伝導することになる金属層９によって覆うことができる。距離が一般に数ｍｍを超えるや否や、ＴＣＯの横方向導電率は抵抗損失なしに輸送を可能にするには十分な高さでなくなるので、前面及び裏面の金属が必要とされる。この構成は前面ＳＨＪ（Ｆｒｏｎｔ ＳＨＪ）と呼ばれる。ＴＣＯ層４は反射防止被覆としても働く。

前側のＴＣＯは高い導電率（２０から２００のオーム／□の範囲のシート抵抗）を有し、それにより、エミッタによって収集された電流を隣の接触フィンガに横方向に輸送することが可能になる。スタックｉ−ｐ−ＴＣＯは、短絡を避けるための縁部を除いて太陽電池の前面全部を覆う。

これらのデバイスの特質は、標準拡散型結晶太陽電池よりも高い、一般に７１０ｍＶから７５０ｍＶの高開放電圧の達成であり、半導体とＴＣＯ（又は等価的に金属）との間の直接接触はより低い電圧をもたらす。

図２で示されるような別の構成では、電池はｎ型ウェハ１を含むが、金属層９によって覆われたエミッタ（スタックｉ−ｐ−ＴＣＯ、２−３−４）及び裏面接触部（スタックｉ−ｎ−ＴＣＯ、５−６−７）の両方が、エミッタ領域２０と裏面接触部領域３０とを交互にして太陽電池の裏面に配置される。裏面にすべての接触部があるこの構成は、裏面接触型ヘテロ接合電池（ＩＢＣ−ＳＨＪ）と呼ばれる。この場合、効率的な不動態化は、通常、反射防止効果と、時には、電流の流れによって生成される抵抗損失を減少させるための何らかの横方向導電率と組み合わせて、層１０を介して前面で実現される必要がある。

電池の光発生キャリアを最も効率的に収集するために、これまで、全ての著者は、エミッタで太陽電池が覆われる範囲を最大にしている。前面ＳＨＪ構成では、前表面の１００％近くがエミッタで覆われ、ＩＢＣ−ＳＨＪ構成では、エミッタで覆われるのは、一般に裏側の５０％から７０％であり、一方、残りの部分は裏面接触部で覆われる。

上述の構成（ｓｃｈｅｍｅ）は高効率をもたらす（前面ＳＨＪの場合には２３．７％及びＩＢＣ−ＳＨＪの場合には２０．２％の今日の認証効率が報告されている）けれども、これらの太陽電池は標準１ＳＵＮ照明（ｓｔａｎｄａｒｄ１ １ ｓｕｎ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）の下で動作する太陽電池として働き、電池のより高い性能をもたらすことができる集光効果（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ）を利用することができない。集光は、通常、電池Ｖｏｃ及び効率を高める（高い直列抵抗がないならば）レンズ又はミラーを使用して達成される。

別の欠点は、ｉ層、ｐ及びｎ層、並びにＴＣＯ（電池の両側の）は太陽電池で使用することができない寄生光吸収をもたらすことである。これは、特に、スペクトルの青緑色の部分での強力な吸収がｉ層及びｐ層で起こる前面ＳＨＪ、及びスペクトルの赤色の部分で自由キャリア吸収を生成するＴＣＯに当てはまる。ＩＢＣ−ＳＨＪの場合には、これらの層は、吸収が小さくなる。しかし、この場合には、ＴＣＯ４若しくは７、又はＴＣＯ／金属スタック４＋９若しくは７＋９をできるだけｐ及びｎ層をもつ領域の縁部まで近づけるために、裏側での正確なパターニングが必要とされ、それは製造することを困難にする。

本発明は、先行技術の欠点を避けることができる太陽電池を提供する。

それゆえに、本発明は、
− 半導体ウェハと、
− 第１の導電型の少なくとも第１の層及びキャリア抽出又は注入を可能にする第１の接触層を含む少なくとも１つのエミッタ領域によって形成されたエミッタと、
− 前記第１の導電型と反対の第２の導電型の少なくとも第２の層及びキャリア抽出又は注入を可能にする第２の接触層を含む裏面接触部と、
− 前記エミッタ領域及び前記裏面接触部にそれぞれ接続され、太陽電池から電流を輸送するように設計された電気接触部と
を含む太陽電池に関する。

本発明によれば、エミッタの区域は、エミッタ領域が設けられるウェハの側の区域の０．５％から１５％の間、好ましくは１％と１０％との間、及びより好ましくは２％と５％との間を覆い、ウェハの前記側の区域の残りの部分が、少なくとも第１の不動態化層と、第１の不動態化層がキャリア抽出又は注入を可能にしないようにする少なくとも１つの第１の任意の追加層とを含む第１の不動態化領域によって覆われ、前記第１の不動態化領域が、エミッタ領域の第１の導電型の第１の層によって全面的には覆われない。好ましくは、エミッタ領域の第１の導電型の第１の層は、第１の不動態化領域の表面のせいぜい１０％を覆うことができる。

いくつかの実施例では、エミッタは太陽電池の前側に設けられる。裏面接触部は伝統的なタイプのものとすることができ、又は裏面接触部は、第２の導電型の少なくとも第２の層と、キャリア抽出又は注入を可能にする第２の接触層とを含む少なくとも１つの裏面接触部領域によって形成することができ、裏面接触部の区域は、ウェハの裏側の区域の０．５％から１５％の間、好ましくは１％と１０％との間、及びより好ましくは２％と５％との間を覆い、ウェハの裏側の区域の残りの部分が、少なくとも第２の不動態化層と、第２の不動態化層がキャリア抽出又は注入を可能にしないようにする少なくとも１つの第２の任意の追加層とを含む第２の不動態化領域によって覆われ、前記第２の不動態化領域は、裏面接触部領域の第２の導電型の第２の層によって全面的には覆われない。好ましくは、裏面接触部領域の第２の導電型の第２の層は、第２の不動態化領域の表面のせいぜい１０％を覆うことができる。

他の実施例では、エミッタは、太陽電池の裏側にもまた設けることができ、裏面接触部は、第２の導電型の少なくとも第２の層と、キャリア抽出又は注入を可能にする第２の接触層とを含む少なくとも１つの裏面接触部領域によって形成することができ、エミッタの区域及び裏面接触部の区域は、ウェハの裏側の区域の０．５％から１５％の間、好ましくは１％と１０％との間、及びより好ましくは２％と５％との間を覆い、ウェハ裏側の区域の残りの部分が、少なくとも第３の不動態化層と、第３の不動態化層がキャリア抽出又は注入を可能にしないようにする少なくとも１つの第３の任意の追加層とを含む第３の不動態化領域によって覆われ、前記第３の不動態化領域が、エミッタ領域の第１の導電型の第１の層によって、又は裏面接触部領域の第２の導電型の第２の層によって全面的には覆われず、裏面接触部領域が代替的にエミッタ領域を備え、第３の不動態化領域が、エミッタ領域と裏面接触部領域との間に設けられる。好ましくは、エミッタ領域の第１の導電型の第１の層又は裏面接触部領域の第２の導電型の第２の層は、第３の不動態化領域の表面のせいぜい１０％を覆うことができる。

いくつかの実施例では、裏面接触部領域は互いに接続されなくてもよい。

他の実施例では、裏面接触部領域はすべて互いに接続されてもよい。

好ましい実施例では、各裏面接触部領域は、少なくとも０．０９ｍｍ^２の区域を有する連続面によって形成される

好ましくは、裏面接触部領域は、太陽電池の内側から外側に、真性層と、第２の導電型の第２の層と、キャリア抽出又は注入を可能にする第２の接触層とを含むことができる。

前記第２の接触層は、透明導電性酸化物層、金属層、及びそれらの組合せから選択することができる。

いくつかの実施例では、太陽電池の前側は前面不動態化表面を含むことができる。

いくつかの実施例では、エミッタ領域は互いに接続されなくてもよい。

他の実施例では、エミッタ領域はすべて互いに１つに接続されてもよい。

好ましい実施例では、各エミッタ領域は、少なくとも０．０９ｍｍ^２の区域を有する連続面によって形成される。

好ましくは、エミッタ領域は、太陽電池の内側から外側に、真性層と、第１の導電型の第１の層と、キャリア抽出又は注入を可能にする第１の接触層とを含むことができる。

前記第１の接触層は、透明導電性酸化物層、金属層、及びそれらの組合せから選択される。

好ましくは、第１、第２、又は第３の不動態化層は少なくとも真性層を含むことができる。

いくつかの実施例では、真性層は水素化アモルファス・シリコンで製作することができる。

有利なことには、第３の不動態化層の真性層は、エミッタ領域の真性層及び裏面接触部領域の真性層と同じである。

他の実施例では、第１、第２、又は第３の不動態化層は、ＳｉＮ_ｘ層と、Ａｌ_２Ｏ_３層と、ＳｉＯ_ｘ／ＳｉＮ_ｙスタックと、Ｓｉ、Ｏ、及びＮを含む層と、それらの組合せとから選択された非吸収層とすることができる。

好ましくは、第１、第２、又は第３の任意の追加層は保護層である。

有利なことには、第１の導電型の第１の層又は第２の導電型の前記第２の層は、８０％までのラマン・シリコン結晶画分（Ｒａｍａｎ Ｓｉ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ）をもつシリコンの相を含有することができる水素化アモルファス・シリコンを含むことができる。

水素化アモルファス・シリコンは、Ｏ、Ｎ、Ｃ、及びＧｅから選択された原子と合金化することができ、Ｓｉ原子の割合は、存在するＨ原子を数えずに、層の原子の３０％にとどまる。

先行技術に対応する前面ＳＨＪ電池の典型的な断面図である。 先行技術に対応する裏面接触型ＩＢＣ−ＳＨＪ電池の典型的な断面図である。 本発明の前面ＳＨＪ電池の断面図である。 本発明の前面ＳＨＪ電池の断面図である。 本発明のＩＢＣ−ＳＨＪ電池の断面図である。 本発明のＩＢＣ−ＳＨＪ電池の断面図である。 本発明のＩＢＣ−ＳＨＪ電池のエミッタ領域及び裏面接触部領域の概略底面図である。 本発明のＩＢＣ−ＳＨＪ電池のエミッタ領域及び裏面接触部領域の概略底面図である。 図３の断面図に対応する、本発明の前面ＳＨＪ電池の概略斜視図である。 標準デバイスと比較した、本発明のいくつかの太陽電池で得られた曲線因子（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ）を示す図である。

本明細書において、ｎ型ウェハに関して説明するものはすべて、ｎ層及びｐ層の役割を逆にすればｐドープ・ウェハ及び真性ウェハにも当てはまる。

本明細書において、同じ参照番号は同じ要素を意図するために使用される。

本発明による太陽電池は、半導体ウェハと、第１の導電型の少なくとも第１の層及びキャリア抽出又は注入を可能にする第１の接触層を含む少なくとも１つのエミッタ領域によって形成されたエミッタと、前記第１の導電型と反対の第２の導電型の少なくとも第２の層及びキャリア抽出又は注入を可能にする第２の接触層を含む裏面接触部とを含む。電気接触部は、前記エミッタ領域及び前記裏面接触部にそれぞれ接続され、太陽電池から電流を輸送するように設計される。本発明によれば、エミッタの区域は、エミッタ領域が設けられるウェハの側の区域の０．５％から１５％の間、好ましくは１％と１０％との間、及びより好ましくは２％と５％との間を覆い、ウェハの前記側の区域の残りの部分は、少なくとも第１の不動態化層と、第１の不動態化層がキャリア抽出又は注入を可能にせず、接触部に電気的に接触されないようにする少なくとも１つの第１の任意の追加層とを含む第１の不動態化領域によって覆われ、前記第１の不動態化領域は、エミッタ領域の第１の導電型の第１の層によって全面的には覆われない。

太陽電池が、最も普通の場合に対応していくつかのエミッタ領域２０を含む場合、エミッタの区域は、ウェハの前記側を覆う各エミッタ領域２０の区域の合計に対応する。

図３及び４は、前面ＳＨＪの場合への本発明の２つの可能な適用を示す。

図３の構成では、電池は、ｎ型結晶シリコン・ウェハ１と、裏面において、裏面メタライゼーションのために金属層９によって覆われた裏面ＴＣＯ層７によって覆われたｎ層６によって覆われたｉ層５を含む伝統的な裏面接触部とを含む。

太陽電池の前側において、エミッタ領域２０は、上述で定義したように、太陽電池の内側から外側に、スタックｉ層２／ｐ層３／前面ＴＣＯ層４を含む。本発明によれば、前記エミッタ領域２０は、ウェハ１の前表面全部を覆うのではなくそのごく一部分のみ、一般に１％から１０％のみを覆う。金属フィンガ８は残っているエミッタ領域２０と接触するが、前面ＴＣＯ層４を全面的に覆うか、又は単に部分的に覆うことができる。エミッタが前面に存在しない、より詳細には、電流の収集に寄与することができるｐ層がない場合、デバイスのこの部分は、不動態化層１２を含む「前面不動態化部分」と呼ばれる第１の不動態化領域４０である。それは、前記不動態化層１２を含む第１の不動態化領域４０が２つのエミッタ領域２０間に設けられていることを意味する。この部分の長さはＬ_{ｐａｓｓ，ｆｒｏｎｔ}と呼ばれる。そのような不動態化層１２は、ｐ層が横方向導電率をほとんど有しておらず（＞１０ｋＯｈｍ ｓｑｕａｒｅ）、光発生電流の収集に寄与できないような場合には、最も簡単な構成のｉ層又はｉｐスタックとすることができる。一般に、かなり大きい横方向導電率をもつＴＣＯは不動態化層１２と接触していない。保護追加層１３は、反射防止効果を生成するのに有用な光学的性質をもつ誘電体に対応し、一般に、不動態化層１２の上に存在する。層１２及び１３の機能は融合させることもできる。

図４では、同じ原理が太陽の裏側にも適用される。

太陽電池の前側では、エミッタ領域２０は図３で示したものと同じである。この実施例では、太陽電池の裏面接触部は、太陽電池の内側から外側に、上述で定義したようにスタックｉ層５／ｎ層６／裏面ＴＣＯ層７を含む裏面接触部領域３０を含む。本発明によれば、前記裏面接触部領域３０は、ウェハの裏表面全部を覆うのではなくそのごく一部分のみ、一般に１％から１０％のみを覆う。金属フィンガ９は残っている裏面接触部領域と接触するが、裏面ＴＣＯ層７を全面的に覆うか、又は単に部分的に覆うことができる。裏面接触部が裏側に存在しない、より詳細には、電流の収集に寄与することができるｎ層がない場合、デバイスのこの部分は、不動態化層１４を含む「裏面不動態化部分」と呼ばれる第２の不動態化領域５０である。それは、前記不動態化層１４を含む第２の不動態化領域５０が２つの裏面接触部領域３０間に設けられていることを意味する。この部分の長さはＬ_{パス，バック}と呼ばれる。そのような不動態化層１４は、ｎ層が横方向導電率をほとんど有しておらず（＞１０ｋＯｈｍ ｓｑｕａｒｅ）、光発生電流の収集に寄与することができないような場合には、最も簡単な構成のｉ層又はｉ−ｎスタックとすることができる。一般に、かなり大きい横方向導電率をもつＴＣＯは不動態化層１４と接触していない。追加層１５は、反射防止効果を生成するのに有用な光学的性質をもつ誘電体に対応し、一般に、不動態化層１４の上に存在する。層１５は、金属接触部９で、又はＴＣＯ及び金属からなる層によって全面的に覆うこともできる。

本発明によれば、裏面接触部の区域は、ウェハ１の裏側の区域の０．５％から１５％の間、好ましくは１％と１０％との間、及びより好ましくは２％と５％との間を覆い、ウェハ１の裏側の区域の残りの部分は、不動態化層１４を含む第２の不動態化領域５０によって覆われる。

太陽電池が、最も普通の場合に対応していくつかの裏面接触部領域３０を含む場合、裏面接触部の区域は、ウェハの前記裏側を覆う各裏面接触部領域３０の区域の合計に対応する。

そのような実施例は所望の効果の強化を可能にし、電流は裏側表面よりもやはり小さい裏面接触部区域を通って流れなければならない。

図５及び６は、ＩＢＣ−ＳＨＪの場合への本発明の２つの可能な適用を示す。

これらの実施例では、エミッタ領域は太陽電池の裏側に設けられ、エミッタの区域及び裏面接触部の区域は、ウェハの裏側の区域の０．５％から１５％の間、好ましくは１％と１０％との間、及びより好ましくは２％と５％との間を覆い、ウェハの裏側の区域の残りの部分は、不動態化層を含む第３の不動態化領域によって覆われる。

図５の太陽電池は、ｎ型ウェハ１と、前側において前面不動態化及び反射防止表面１０と、裏側において各々が不動態化層１６を含む第３の不動態化領域６０によって互いに分離されたエミッタ領域２０及び裏面接触部領域３０とを含む。保護の追加層１７は、絶縁層に対応し、不動態化層１６の上に存在し、さらに、良好な光学反射率を与えるように選ばれる。

太陽電池は金属フィンガ９をさらに含む。

エミッタの区域及び裏面接触部の区域（エミッタ領域の区域の合計及び裏面接触部領域の区域の合計を意味する）は、ウェハの裏側の区域の０．５％から１５％の間、好ましくは１％と１０％との間、及びより好ましくは２％と５％との間を覆い、ウェハの裏側の区域の残りの部分は、不動態化層１６を含む前記第３の不動態化領域６０によって覆われる。

上述で定義したように、太陽電池の内側から外側に、エミッタ領域２０はスタックｉ層２／ｐ層３／ＴＣＯ層４を含み、裏面接触部領域３０はスタックｉ層５／ｎ層６／ＴＣＯ層７を含む。

図６の太陽電池は、図５の実施例と同様のＩＢＣ−ＳＨＪの一実施例に対応するが、第３の不動態化領域６０の不動態化層１６の真性層が、それぞれ、エミッタ領域２０及び裏面接触部領域３０の真性層２及び５と同じである。

この実施例では、長さＬ_エミッタ及びＬ_バックを画定するＴＣＯ層４又は７は、ｉ−ｐスタック全部又はｉ−ｎスタック全部を覆う必要がなく、それにより、より簡単な処理が可能となる。

これらの構成はすべて、特に、良好な寿命をもつウェハが使用される（一般に、ｎ型ウェハでは１ミリ秒以上）場合、著しい利点を有する。

実際、ヘテロ接合が高い注入レベルで働く（電池の動作点、すなわち、照明下でのデバイスの電圧×電流の積が最大となる点で高電圧であるので）とき、ウェハのまわりにある不動態化層１２、１４、１６は非常に良好な電子不動態化を保証し、しかも高抵抗をもつウェハが使用される場合でさえ多数のキャリアの存在のために高い導電率が保証される。これにより、ほとんど抵抗損失がない、及びほとんど再結合がない電流の輸送が可能になるが、その理由は、十分な寿命をもつウェハが使用される場合、拡散距離が数ｍｍもの長さになりうるからである。次に、キャリアは限定された領域を通って抽出されるが、電流は大きい面積にわたって発生している。これは、太陽電池の集光の条件の動作点で生じる。この条件は、より高い抽出電力（その結果、太陽電池の曲線因子）をもたらす。

例えば、図３の形状寸法では、不動態化区域長Ｌ_{パス，フロント}に対するエミッタ領域の長さＬ_エミッタの比をとる場合、より高い効率をもたらすＬ_エミッタ／Ｌ_{パス，フロント}の集光係数が達成される。興味深いことに、概して、曲線因子は増加するが、全体的な不動態化品質によって及びオージェ再結合によって制限されるＶｏｃは増加しない。

有利には、典型的な電池形状寸法では、側面及び接触格子を通る断面において、前面ＳＨＪ電池の典型的なピッチ（Ｌ_エミッタ＋Ｌ_{パス，フロント}）若しくはＬ_バック＋Ｌ_{バック，パス}、又はＩＢＣ−ＳＨＪ電池のＬ_エミッタ＋Ｌ_バック＋Ｌ_{バック，パス}は、１００ミクロンから１．５ｍｍの範囲に、好ましくは３００ミクロンと１．０ｍｍとの間にある。

明確になるように、説明した長さは覆っている区域に比例すると仮定している（二次元（２Ｄ）形状において、図が第３の次元に延びていると仮定している）。

いくつかの実施例では、各エミッタ領域２０は不連続の点によって形成され、各裏面接触部領域３０は不連続の点によって形成され、各領域は、一般に、２０×２０μｍ^２と１００×１００μｍ^２との間に含まれる区域を有する。そのような構成が、ＩＢＣ−ＳＨＪ電池に対して図７に概略的に示される。

他の好ましい実施例では、前記エミッタ領域２０及び前記裏面接触部領域３０は、それぞれ、少なくとも１つの実質的に連続面によって形成される。そのような構成が、ＩＢＣ−ＳＨＪ電池に対して図８に概略的に示される。好ましくは、前記連続面の形態は、電池が電池の上面又は底面から見られるとき、図８で示すように、実質的に長方形である。

そのような場合、シリコンに接する前記エミッタ領域又は裏面接触部領域は、少なくとも３０μｍ×３ｍｍの典型的な寸法をもつ少なくとも０．０９ｍｍ^２の区域を有する。そのような寸法は、図８で示すように、電池に形成され、電池の上面又は底面から見た連続面の寸法である。

いくつかの実施例では、各エミッタ領域２０は互いに接続されなくてもよく、各裏面接触部領域３０は互いに接続されなくてもよい。

他の好ましい実施例では、太陽電池のエミッタ領域２０はすべて互いに接続され、又は裏面接触部領域３０はすべて互いに接続される。そのような実施例が前面ＳＨＪ電池について図９で示され、エミッタ領域２０は連続面であり、すべての太陽電池に対してネットワークを形成する。

この構成の別の利点は、太陽電池の大部分がエミッタ領域によって覆われないので、不動態化の性質を改善するために、及び光学的寄生吸収を低減するために、層１０、１２及び１３、又は１４及び１５、又は１６、１７、及び２０の性質を別々に最適化することが可能であることである。例えば、これらの部分では、ＴＣＯ層はＳｉＮ_ｘ層と取り替えることができ、ｐ層厚は減少させることができ、又はｐ層は、ｉ−ｐスタックが層１２又は１６を構成している場合、全体的に抑制することができる。逆に、エミッタの区域は接触フィンガの区域と同様になるので、適した性質をもつ（例えば、より高いドーピングをもつ）ＴＣＯを使用すること、又は金属が直接上面上にあり、それによって損失を避ける場合、非常に薄いＴＣＯを使用することさえ可能になる。ＴＣＯを完全に抑制し、ｐ型アモルファス層に直接接触する金属又は合金でＴＣＯを取り替えることさえ可能である。

図５及び６で示すようなＩＢＣ−ＳＨＪ機構に適用される場合、集光効果はやはり同様である。本発明は、１％から２０％のＬ_エミッタ／（Ｌ_エミッタ＋Ｌ_バック＋Ｌ_{パス，バック}）の比で最高に機能する。この解決策の利点は、集光効果以上に、図６に示すように、エミッタ及び／又はＴＣＯ及び金属接触部を位置合わせするのにより大きい許容範囲があることである。

本明細書において、ｉ、ｎ、及びｐ層という表示はすべて水素化アモルファス・シリコンに基づき、数パーセントのＯ、Ｎ、Ｃ、又はＧｅをさらに含有することができ、シリコン原子の割合は、存在するＨ原子を計算に入れないで、層の原子の３０％にとどまる。好ましくは、Ｏ、Ｎ、Ｃ、又はＧｅの量は０〜２０％に等しく、より好ましくは０〜１０％に等しく、及びより好ましくは０〜５％に等しい。

ｐ及びｎ層は、８０％までのラマン・シリコン結晶画分のシリコンの相を含有することができる。

エミッタ領域は、一般に、４ｎｍと１０ｎｍとの間に含まれる厚さを有するａ−Ｓｉ層と、３ｎｍと１５ｎｍとの間に含まれる厚さを有するｐ層と、１０ｎｍと８０ｎｍとの間、又はエミッタが裏面に配置される場合１０ｎｍと３００ｎｍとの間に含まれる厚さを有するＴＣＯ接触層とから成る。

裏面接触部領域は、一般に４ｎｍと１０ｎｍとの間に含まれる厚さを有するａ−Ｓｉ層と、３ｎｍと１５ｎｍとの間に含まれる厚さを有するｎ層と、１０ｎｍと３００ｎｍとの間に含まれる厚さを有するＴＣＯ層とから成る。

製造を簡単にするために、層１２（前面不動態化層）は、ｉ層又はｉ−ｐスタック（多分、ｐ層はより薄い）又はさらにｉ−ｎスタックとすることができる。前面不動態化層の厚さは５ｎｍ以上である。それは、ＳｉＮ_ｘ若しくはＡｌ_２Ｏ_３のような非吸収層、又はスタックＳｉＯ_ｘ／ＳｉＮ_ｙ、又は一般にＳｉ、Ｏ、及びＮを含む層、又はそれらの組合せとすることもできる。

製造を簡単にするために、層１４（裏面不動態化層）は、ｉ−層又はｉ−ｎスタック（多分、ｎ層はより薄い）、又はさらにｉ−ｐスタックとすることができる。裏面不動態化層の厚さは５ｎｍ以上である。それは、ＳｉＮ_ｘ若しくはＡｌ_２Ｏ_３のような非吸収層、又はスタックＳｉＯ_ｘ／ＳｉＮ_ｙ、又は一般にＳｉ、Ｏ、及びＮを含む層、又はそれらの組合せとすることもできる。そのような場合、層１７を省略することが可能である。

光学及び電気絶縁層１３、１５、又は１７は、ＳｉＮ_ｘ層若しくはＳｉＮＯ_ｘ層スタックによって又は弱吸収層によって覆われた水素化アモルファス・シリコン層の薄いスタックとすることができる。

前面不動態化及び反射防止層１０は、当業者から見れば既知であり、例えば、多分、ＳｉＮ_ｘ層若しくはＳｉＮ_ｙＯ_ｘ層、又はＳｉ、Ｏ、及びＮを含む層のスタック、又は弱ドープＴＣＯ層（キャリア濃度＜１０^２０ｃｍ^−３）によって覆われた１〜５ｎｍのドープ・アモルファスＳｉによって覆われた非常に薄い真性水素化アモルファス・シリコン層（３〜１０ｎｍ）とすることができる。これらの層の厚さは、反射防止効果を得るように選択される。一般に、１．８と２との間に含まれる屈折率及び７０ｎｍの厚さをもつＳｉＮ_ｘ層を使用することができる。

光学層と、キャリアの注入又は抽出を防止する電気絶縁層との役割を果たし、めっきプロセスのためのマスキング層としておそらく使用することができる層１０、及び１３、１５、又は１７は、電気的に活性である必要がないので、中間でグレーディング屈折率を用いて調整することができる。

表面の大部分がキャリア抽出のために活性であるデバイスでは、前面で十分な面内導電率（２０Ｏｈｍ ｓｑから２００Ｏｈｍ ｓｑ）もち、前面で反射防止及び裏面で屈折率整合を行うのにＴＣＯの使用が要求されるが、ＴＣＯ層を抑制し、ＴＣＯ層を直接金属接触部と取り替えることが可能である。そのとき、これは、前面ＳＨＪではエミッタ領域が格子フィンガと同じサイズであることを必要とする。

ＴＣＯ層は当業者から見れば既知であり、一般に、スズ（Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｓｎ）又は他の金属ドーパントでドープしたＩＴＯ（インジウム酸化スズ）、又は水素でドープしたＩＴＯ（Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｈ）、或いはこれらの層のスタックで製作することができ、キャリア濃度は１０^１９ｃｍ^−３と２×１０^２１ｃｍ^−３との間に含まれる。ＴＣＯ層は、ドープＺｎＯ、又はＩｎ、Ｚｎ、及びＳｎを含有する他のＴＣＯで製作することもできる。ＴＣＯ層の厚さは、前面にある場合、１０ｎｍと３００ｎｍとの間、一般に７０ｎｍと９０ｎｍとの間に含まれ、裏側にある場合、８０ｎｍから３００ｎｍの間に含まれる。

太陽電池で使用されるウェハは、一般に、２×２ｃｍ^２と２２×２２ｃｍ^２との間に含まれるサイズを有する。

ウェハの前表面は、当業者には既知であるように、反射を低減し、ウェハの内部に光を閉じ込めるためにテクスチャを有する。
実例

以下の実例は本発明を示すが、しかし、その範囲を限定しない。

この実験では、最初に、２０×２０ｍｍ^２の通常の前面ＳＨＪデバイスが８０ｎｍ厚ＩＴＯを用いて準備され、約１ｍｍの処理の後のフィンガ間隔（Ｌ_エミッタ＋Ｌ_{パス，フロント}）が準備された。次に、接触フィンガ及びＩＴＯの一部がフォトレジストによって保護された。フォトレジストがエッチング除去され、次に、ＩＴＯは、フォトレジストが開けられたところを単にエッチング除去された。次に、好適な反射防止状態を保証するために、ＩＴＯが除去されているところに誘電体が堆積された。ＩＴＯの様々な適用範囲比を試験した。図９は、本発明のいくつかの前面ＳＨＪ電池と比較の標準デバイスとに対して得られた曲線因子ＦＦ（ＦＦは、抽出できる最大電力を短絡電流×開放電圧の積で割った比である）を示す。丸形ドットは前面ＴＣＯの除去の後の本発明の太陽電池に対応し、四角いドットは前面ＴＣＯの除去の前の比較の標準デバイスに対応する。実例３は基準サンプルであり、実例１は低いエミッタ適用範囲率（５％）に対応し、実例３及び４は極めて低いエミッタ適用範囲率（２％）に対応し、実例５及び６は中間のエミッタ適用範囲率（２０％）に対応する。

図１０は、前面ＳＨＪ電池について、本発明が、標準デバイスと比較したときにいくつかのタイプのサンプルで数パーセントの曲線因子増加を可能にしたことを示す。最良な結果は、ウェハの区域の２％と１０％との間に含まれるエミッタの適用範囲で得られている。この場合、エミッタは、図９で示したようにすべてのエミッタ領域を互いに接続することによって一部においてのみ、すなわち、２０×２０ｍｍ^２の２％と１０％との間の区域で形成された。

本発明の太陽電池は、ほとんど完璧な光起電デバイスである可能性がある。光学レンズが使用されていないにもかかわらず、電池構造体は、強力な有効集光を生じさせることができ、それは、結晶太陽電池の効率を現在の世界記録の２５％より十分上に押し上げることができ、原理的に、結晶シリコン太陽電池の理論限界により近い２９〜３０％に近づけることができる。

Claims (22)

1. 太陽電池であって、
   − 半導体ウェハ（１）と、
   − 第１の導電型の少なくとも第１の層（３）及びキャリア抽出又は注入を可能にする第１の接触層（４）を含む少なくとも１つのエミッタ領域（２０）によって形成されたエミッタと、
   − 前記第１の導電型と反対の第２の導電型の少なくとも第２の層（６）、及びキャリア抽出又は注入を可能にする第２の接触層（７）を含む裏面接触部と、
   − 前記エミッタ領域（２０）及び前記裏面接触部にそれぞれ接続され、前記太陽電池から電流を輸送するように設計された電気接触部（８、９）と
   を含む太陽電池において、
   前記エミッタの区域は、前記エミッタ領域（２０）が設けられる前記ウェハ（１）の側の区域の０．５％から１５％の間、好ましくは１％と１０％との間、及びより好ましくは２％と５％との間を覆い、前記ウェハ（１）の前記側の前記区域の残りの部分が、少なくとも第１の不動態化層（１２、１６）と、前記第１の不動態化層（１２、１６）がキャリア抽出又は注入を可能にしないようにする少なくとも１つの第１の任意の追加層（１３、１７）とを含む第１の不動態化領域（４０）によって覆われ、前記第１の不動態化領域（４０）が、前記エミッタ領域（２０）の前記第１の導電型の前記第１の層（３）によって全面的には覆われないことを特徴とする太陽電池。
2. 前記エミッタが前記太陽電池の前側に設けられることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
3. 前記裏面接触部が、前記第２の導電型の少なくとも第２の層（６）と、キャリア抽出又は注入を可能にする第２の接触層（７）とを含む少なくとも１つの裏面接触部領域（３０）によって形成され、前記裏面接触部の区域が、前記ウェハ（１）の裏側の区域の０．５％から１５％の間、好ましくは１％と１０％との間、及びより好ましくは２％と５％との間を覆い、前記ウェハの前記裏側の前記区域の残りの部分が、少なくとも第２の不動態化層（１４）と、前記第２の不動態化層（１４）がキャリア抽出又は注入を可能にしないようにする少なくとも１つの第２の任意の追加層（１５）とを含む第２の不動態化領域（５０）によって覆われ、前記第２の不動態化領域（５０）が、前記裏面接触部領域（３０）の前記第２の導電型の前記第２の層（６）によって全面的には覆われないことを特徴とする請求項２に記載の太陽電池。
4. 前記エミッタが前記太陽電池の裏面に設けられ、前記裏面接触部が、前記第２の導電型の少なくとも第２の層（６）と、キャリア抽出又は注入を可能にする第２の接触層（７）とを含む少なくとも１つの裏面接触部領域（３０）によって形成され、前記エミッタの区域及び前記裏面接触部の区域が、前記ウェハの前記裏側の前記区域の０．５％から１５％の間、好ましくは１％と１０％との間、及びより好ましくは２％と５％との間を覆い、前記ウェハの前記裏側の前記区域の残りの部分が、少なくとも第３の不動態化層（１６）と、前記第３の不動態化層（１６）がキャリア抽出又は注入を可能にしないようにする少なくとも１つの第３の任意の追加層（１７）とを含む第３の不動態化領域（６０）によって覆われ、前記第３の不動態化領域（６０）が、前記エミッタ領域（２０）の前記第１の導電型の前記第１の層（３）によって、又は前記裏面接触部領域（３０）の前記第２の導電型の前記第２の層（６）によって全面的には覆われないことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
5. 前記裏面接触部領域（３０）が互いに接続されないことを特徴とする請求項３又は４に記載の太陽電池。
6. 前記裏面接触部領域（３０）がすべて互いに１つに接続されることを特徴とする請求項３又は４に記載の太陽電池。
7. 各裏面接触部領域（３０）が、少なくとも０．０９ｍｍ^２の区域を有する連続面によって形成されることを特徴とする請求項３から６までのいずれか一項に記載の太陽電池。
8. 前記裏面接触部領域（３０）が、前記太陽電池の内側から外側に、真性層（５）と、前記第２の導電型の前記第２の層（６）と、キャリア抽出又は注入を可能にする前記第２の接触層（７）とを含むことを特徴とする請求項３から７までのいずれか一項に記載の太陽電池。
9. 前記第２の接触層（７）が、透明導電性酸化物層、金属層、及びそれらの組合せから選択されることを特徴とする請求項８に記載の太陽電池。
10. 前記太陽電池の前側が前面不動態化表面（１０）を含むことを特徴とする請求項３から９までのいずれか一項に記載の太陽電池。
11. 前記エミッタ領域（２０）が互いに接続されないことを特徴とする請求項１から１０までのいずれか一項に記載の太陽電池。
12. 前記エミッタ領域（２０）がすべて互いに１つに接続されることを特徴とする請求項１から１１までのいずれか一項に記載の太陽電池。
13. 各エミッタ領域（２０）が、少なくとも０．０９ｍｍ^２の区域を有する連続面によって形成されることを特徴とする請求項１から１２までのいずれか一項に記載の太陽電池。
14. 前記エミッタ領域（２０）が、前記太陽電池の内側から外側に、真性層（２）と、前記第１の導電型の前記第１の層（３）と、キャリア抽出又は注入を可能にする前記第１の接触層（４）とを含むことを特徴とする請求項１から１３までのいずれか一項に記載の太陽電池。
15. 前記第１の接触層（４）が、透明導電性酸化物層、金属層、及びそれらの組合せから選択されることを特徴とする請求項１４に記載の太陽電池。
16. 第１、第２、又は第３の不動態化層（１２、１４、１６）が少なくとも真性層を含むことを特徴とする請求項１から１５までのいずれか一項に記載の太陽電池。
17. 前記真性層が水素化アモルファス・シリコンで製作されることを特徴とする請求項８、１４、及び１６に記載の太陽電池。
18. 前記第３の不動態化層（１６）の前記真性層が、前記エミッタ領域（２０）の前記真性層及び前記裏面接触部領域（３０）の前記真性層と同じであることを特徴とする請求項４、８、１４、１６、及び１７に記載の太陽電池。
19. 前記第１、第２、又は第３の不動態化層（１２、１４、１６）が、ＳｉＮ_ｘ層と、Ａｌ_２Ｏ_３層と、スタックＳｉＯ_ｘ／ＳｉＮ_ｙと、Ｓｉ、Ｏ、及びＮを含む層と、それらの組合せとから選択された非吸収層であることを特徴とする請求項１から１５までのいずれか一項に記載の太陽電池。
20. 前記第１、第２、又は第３の任意の追加層（１３、１５、１７）が保護層であることを特徴とする請求項１から１９までのいずれか一項に記載の太陽電池。
21. 前記第１の導電型の前記第１の層（３）又は前記第２の導電型の前記第２の層（６）が、８０％までのラマン・シリコン結晶画分をもつシリコンの相を含有することができる水素化アモルファス・シリコンを含むことを特徴とする請求項１から２０までのいずれか一項に記載の太陽電池。
22. 前記水素化アモルファス・シリコンが、Ｏ、Ｎ、Ｃ、及びＧｅから選択された原子と合金化され、Ｓｉ原子の割合が、存在するＨ原子を計算に入れないで、前記層の原子の３０％にとどまることを特徴とする請求項１７又は２１に記載の太陽電池。