JP2016532317A - ナノ構造化されたシリコン系太陽電池およびナノ構造化されたシリコン系太陽電池を製造する方法 - Google Patents

ナノ構造化されたシリコン系太陽電池およびナノ構造化されたシリコン系太陽電池を製造する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 本発明は、シリコン系太陽電池のためのプラズマテクスチャ加工方法、およびそれによって製造されるナノ構造化されたシリコン太陽電池に関する。【解決手段】 シリコン系太陽電池は、その表面の少なくとも一部が、２００〜４５０ｎｍの平均高さ、および１００〜２００ｎｍのピッチを有する円錐形状ナノ構造を有するシリコン基板を有し、それによって低反射率を実現し、表面電荷再結合を最小化する。【選択図】 図１

Description

本発明は、ナノ構造を備えるシリコン系太陽電池、およびナノ構造化されたシリコン系太陽電池を製造するためのプラズマテクスチャ加工方法に関する。
高い反射率は、太陽電池の性能の損失の原因である。例えば、多結晶Ｓｉ太陽電池では、高い反射率は、一般に光損失による性能の損失の約８％を占める。
ブラックシリコン（ＢＳ：ｂｌａｃｋ ｓｉｌｉｃｏｎ）ナノ構造化によって、Ｓｉと空気との界面で結果として生じる勾配屈折率により低反射率を実現することが可能である。
シリコン表面をテクスチャ加工するための金属アシストウェットエッチングブラックシリコンプロセスおよび反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）は、シリコン表面をテクスチャ加工するための公知の方法である。ＲＩＥテクスチャ加工は、主には表面再結合の増加による電力変換効率の低下が結果として生じ、標準のウェットテクスチャ加工よりも優れているとはこれまで証明されていない。
したがって、低反射率および高性能を兼ね備えた改善されたシリコン太陽電池は、有利であろう。
表面の高い反射率を低減させることを目的とした光学的な最適化に関するいくつかの研究が知られている。しかしながら、これらの研究は、太陽電池での用途および太陽電池製造のための最適なナノ構造については実施されていない。さらに、表面の高い反射率を低減させることを目的とした光学的な最適化は、一般に散乱光に関連する問題には対処していない。
したがって、特に、（散乱光の照射に対して改善された効率を示すより効率的なシリコン太陽電池などの）光の入射角にそれほど依存しない低反射率を示す改善されたシリコン太陽電池は、有利であろう。
さらに、表面テクスチャ加工の最適化に関連する太陽電池の製造コストは、高い。
したがって、材料および製造コストを節約することが可能なシリコン系太陽電池を製造する改善された方法も有利であろう。
米国特許第６０９１０２１号明細書
本発明の目的は、拡散光の照射に対してでさえ改善された効率を有するシリコン太陽電池を提供することである。
シリコン系太陽電池のより効率的で低コストの製造方法を提供することも本発明の目的と見なされてもよい。
本発明によると、２００〜４５０ｎｍの平均高さを有し、１００〜２００ｎｍのピッチを有する円錐形に成形された構造が、低反射率を提供し、同時に電荷表面再結合を回避するまたは低減させる、シリコン表面上のナノ構造に対する最適な幾何学形状であることが示された。
したがって、上記の目的および他のいくつかの目的は、本発明の態様において、シリコン基板を備えるシリコン系太陽電池を提供することによって得られることが意図されており、シリコン基板が表面を有し、表面の少なくとも一部が、２００〜４５０ｎｍの平均高さ、および１００〜２００ｎｍのピッチを有する円錐形状ナノ構造を備える。
第１の態様では、本発明は、表面の少なくとも一部が低反射率を実現し、同時に表面電荷再結合が最小となるように最適化された特定のナノ構造トポロジーを備えるシリコン系太陽電池に関する。
特定のナノ構造トポロジーは、入射光の低反射率を提供する。同時に、本発明の特定のナノ構造トポロジーは、太陽電池の光起電力性能を最適化し、例えば、２％未満（１％未満など）の反射率、および高い電力変換効率、すなわち１６．５％程度の電力変換効率を提供する。
これらの特定のナノ構造を有するシリコン系太陽電池は、非理想の条件下での動作に対して最適化され、例えば、光の入射角にそれほど依存しない低反射率を有し、すなわち、太陽電池およびパネルの実際の非理想の動作条件を表わす散乱光、ならびに非理想の入射角でも高効率を実現する。
したがって、工業規格の電池と比較して、光の垂直入射でより低い反射率を実現する他、ナノ構造化された表面は、非理想の入射角において反射率がより低く、さらには反射率がそれほど増加しないという利点を有する。日光と太陽電池との相対角度が変わるとき（これは、角度が地球上のある位置で一日の間でおよび一年の間で変わるため、非常に関連性のある現象である）、ＲＩＥテクスチャ加工された電池の反射率は、標準のテクスチャ加工された太陽電池に比べてそれほど増加しない。その結果として、この太陽電池は、より多くの光を吸収し、効率的になる可能性を秘めている。
ナノ構造の幾何学形状、したがってシリコン系太陽電池表面のトポロジーは、太陽電池の性能に関して最適化され、その性能は、この場合、最適な光吸収と最適な電気的性質、より具体的には最適な光電流と開路電圧との折衷案である。ピッチまたは周期は、円錐形の構造の中心間の距離、すなわち円錐形の構造の先端間の距離として規定される。高さは、シリコン基板の表面と円錐形の構造の先端との間の距離として規定される。また、円錐形状ナノ構造は、円形の外周部、鋭い先端、およびより広い底部を有する。
一部の実施形態では、円錐形に成形された構造それぞれの底部は、１００ｎｍ程度であってもよい。円錐形に成形された構造の幅は、底部から頂部へと減少してもよく、底部よりも著しく小さい頂部の幅、例えば、わずか数ｎｍ（１〜２０ｎｍなど）となる。
一部の実施形態では、円錐形のナノ構造は、７５〜２００μｍ−２の平均密度を有する。
一部の実施形態では、円錐形状ナノ構造を備える表面の少なくとも一部は、１５０ｃｍ２よりも大きな面積を有する。
ナノ構造は、表面にランダムに配置されてもよい。しかし、一部の実施形態では、ナノ構造は、特定の順序に従って、例えば、ライン状に配置されてもよい。
表面テクスチャ加工として太陽電池に対して施されるそのようなナノ構造化されたトポロジーの利点は、この表面が関連する太陽スペクトル、すなわち３００ｎｍ〜１２００ｎｍのλにおいて、非常に低い反射率、したがって、太陽電池を貫く光の透過が無視できると仮定して太陽光の高い吸収をもたらす。そのようなナノ構造化された表面の加重平均反射率は、１％未満であり、これは、従来のテクスチャ加工の場合に、窒化シリコン反射防止コーティングが表面をカバーする単結晶シリコンに対して約２％、および多結晶シリコンに対して約８％の加重平均反射率を有する従来通りにテクスチャ加工された太陽電池の反射率よりも低い。記載されたナノ構造は、反射防止コーティングなしで１％未満の反射率を実現する。反射防止コーティングは、光吸収をさらに改善するために今までどおり使用されてもよい。
さらに、本発明の一部の態様に係るナノ構造トポロジーは、単結晶、多結晶、および疑似単結晶シリコンなどの異なる結晶グレードのシリコンに適用可能であるという利点を有する。
実際、一部の実施形態では、シリコン系太陽電池は、多結晶シリコンを含む。
一部の他の実施形態では、シリコン系太陽電池は、疑似単結晶シリコンを含む。
一部のさらなる実施形態では、多結晶シリコン太陽電池基板は、６０〜９０％の単結晶シリコンを含む。一部の例では、多結晶シリコン基板は、９０％を超える単結晶シリコンを含有する。一部の他の例では、多結晶シリコン基板は、６０％未満の単結晶シリコンを含有する。
一部の他の実施形態では、本発明の第１の態様に係るシリコン系太陽電池のスタックが提供される。
一部の実施形態では、シリコン系太陽電池は、不動態化層をさらに備える。不動態化は、「不活性」になる、すなわち、外部要因によってあまり影響を受けない材料を指す。不動態化層は、層、すなわち円錐形ナノ構造のまわりにシェルを生成し、このようにして電荷表面再結合の可能性を低減させる材料の薄い被膜として本明細書では規定される。
一部の実施形態によると、本発明は、ナノ構造化された表面を不動態化するために、ナノ構造トポロジーと堆積させた１つの材料の薄膜との組合せ、または材料の組合せを開示する。
電荷キャリアの表面再結合は、太陽電池の性能を低減させることが知られている。不動態化層の存在は、電荷表面再結合を低減させ、太陽電池の効率を増加させる。不動態化層は、例えば金属酸化膜を含んでもよい。
一部の実施形態では、不動態化層は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、または金属窒化物（Ｓｉ３Ｎ４など）を含む。
例えば、不動態化層は、Ａｌ２Ｏ３とともに積み重ねられたＳｉ３Ｎ４および／またはＳｉＯ２と組み合わされた、あるいはナノ構造化されたＳｉ表面と直接接触したＡｌ２Ｏ３を含んでもよい。Ａｌ２Ｏ３層は、５〜３０ｎｍの厚さを有してもよく、一方、アルミナ層の上に位置するＳｉ３Ｎ４の厚さは、５０〜１００ｎｍであってもよい。
不動態化層は、原子層堆積（ＡＬＤ：atomic layer deposition）、スパッタリング、またはプラズマ促進化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ：plasma-enhanced chemical vapour deposition）によって堆積させることができる。例えば、Ａｌ２Ｏ３層は、ＡＬＤまたはＰＥＣＶＤのいずれかを使用して堆積させることができる。Ｓｉ３Ｎ４層は、ＰＥＣＶＤまたは他の公知の被覆方法を使用して堆積させることができる。
ナノ構造の存在による表面積の増加によって、比較的高い効率を有し、工業規格よりも著しく薄い、すなわち、２００μｍ程度のＳｉ系太陽電池の製造が可能となる。これは、材料コストを節約するというさらなる利点を有する。
一部の実施形態では、シリコン系太陽電池は、１８０μｍを下回るトータルの電池厚さを有する。
一部のさらなる実施形態では、本発明の一部の態様に係るシリコン系太陽電池のトータルの電池厚さは、０．１〜７０μｍ（１０〜５０μｍなど）である。
一部の実施形態では、シリコン系太陽電池は、裏面を備え、この裏面が本発明の一部の態様に係る方法によって製造された構造を備える。
また、上述した目的および他のいくつかの目的は、マスクレスＲＩＥによってシリコン基板上に２００〜４５０ｎｍの高さ、および１００〜２００ｎｍのピッチを有する円錐形状ナノ構造を製造する方法を提供することによって本発明の第２の態様が得られることが意図されている。
ＲＩＥは、化学的に反応性の高いプラズマを使用して、表面上に、例えば、シリコンウェハ上に堆積させた材料を除去するためのドライエッチング技法である。
ＲＩＥは、いくつかのステップを含み、ＳＦ６およびＯ２などの異なる作動ガスを使用することがある。ＲＩＥの利点の１つは、ＲＩＥがマスクレスプロセスであるということであり、このことは、太陽電池の表面テクスチャ加工が単一のマスクレスステップで行われることを意味する。
本発明の方法の利点の１つは、室温、すなわち２０℃の使用であり、これによって、１２０℃程度の温度を使用する極低温（ＩＣＰ）ＲＩＥと比較して、製造プロセスによる費用を低減させる。また、室温ＲＩＥは、室温ＲＩＥがＩＣＰ ＲＩＥのような２つの電源ではなく、１つの電源のみを用いるため、プロセス費用が低減するという利点を有する。
本発明の一態様に係る方法のさらなる利点は、従来のテクスチャ加工とは対照的に、本方法が、結晶化度にかかわらずあらゆる種類のシリコン表面に適用され得るということである。さらに、ＫＯＨまたはＨＦ／ＨＮＯ３などの従来のウェットテクスチャ加工と比較して、ＲＩＥテクスチャ加工は、ウェットテクスチャ加工において消費される化学薬品の量と比較して比較的少量のガスを消費するドライテクスチャ加工プロセスであり、したがって電池製造において化学薬品および水の消費量を著しく低減させるという利点を有する。
典型的には、異なる基板に対しては、異なる方法、例えば、単結晶Ｓｉに対してはＫＯＨエッチングおよび多結晶Ｓｉに対しては酸性（ＨＦ、ＨＮＯ３）エッチングを使用しなければならない。一部の実施形態では、例えば、ＨＮＯ３／ＨＦ、ＫＯＨ、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）、または同様の化学薬品を用いた、ナノ構造化された表面の化学的な後処理が導入されてもよい。
また、記載された目的および他のいくつかの目的は、本発明の第１の態様に係るシリコン系太陽電池を製造する方法を提供することによって本発明の第３の態様において得られることが意図されており、本発明の第３の態様は、エミッタードーピング、メタルコンタクト堆積、および本発明の第２の態様に係る方法を含む。
本発明の第３の態様に係る方法の一部の実施形態では、本発明の第２の態様に係る方法は、エミッタードーピングおよびメタルコンタクト堆積の前に適用される。
一部の実施形態では、メタルコンタクト堆積は、スクリーン印刷によって行われてもよい。他の実施形態では、メタルコンタクト堆積は、めっき、電気めっき、スパッタリング、蒸着、インクジェット印刷、もしくはこれらの２つ以上の組合せ、および／またはスクリーン印刷によって行われてもよい。
一部の実施形態では、金属形成前面コンタクトは、金属、例えば、ＮｉおよびＣｕのスタックであってもよい。
具体的には、Ｎｉを蒸着させ、またはスパッタすることができ、Ｃｕをめっきし、または電気めっきすることができる。
本発明の第３の態様に係る方法の一部の実施形態では、本発明の第２の態様に係る方法は、エミッタードーピングおよびメタルコンタクト堆積の後に適用される。
本発明の第３の態様に係る方法の一部の実施形態では、本発明の第２の態様に係る方法は、エミッタードーピングの後に、およびメタルコンタクト堆積の前に適用される。
第４の態様では、選択ソーラーエミッター太陽電池は、本発明の第３の態様に係る方法によって製造される。
シリコン太陽電池の基本構造は、２つの積み重ねられた、正および負にドープされた領域、すなわちｐｎ接合に基づく。光電効果によって生成された電荷キャリアは、このｐｎ接合によって分離され、両側のメタルコンタクトを介して外部に伝導される。均質のエミッターを使用する従来の太陽電池では、エミッタードーピングは、常に、折衷案となる。半導体とメタルコンタクトとの間の抵抗率を最小化するために、高いｎドーピングがエミッター層で必要とされる。しかしながら、ｎドーピング濃度の上昇とともに発電に悪影響を及ぼす再結合損失が増加する。
選択ソーラーエミッター太陽電池は、負にドープされた領域およびメタルコンタクトを備え、負にドープされた領域のｎドーピングが、前記メタルコンタクトと接触しない部分よりも前記メタルコンタクトと接触する部分の方が高い。
本発明の一部の態様に係る方法によって、エミッター中のｎドーピングを部分的に精密に変えることができる。前面のメタルコンタクトの狭い領域は、高いｎドーピング濃度、したがって、低いエミッター抵抗率を有するが、残りの表面は、より低いｎドーピングにさらされ、それによって電池のより大きな部分を発電に使用することができる。その結果、太陽電池性能の向上が優れたオーミックコンタクトと組み合わされる。前面のメタルコンタクトの下のみのエミッターシート抵抗を選択的に減少させ、他の場所のエミッターシート抵抗を増加させることによって、コンタクト関連の抵抗性損失を最小化し、光電流生成を最大化することが同時にできる。
したがって、第５の態様では、選択エミッター太陽電池におけるドーピングレベルを調整する方法が提供される。
本発明の第５の態様に係る方法によって、ｎドープされたシリコン層の選択領域のｎドーピングを選択的に低減させることが可能となり、したがって、メタルコンタクトと接触する領域において最適なｎドーピング、すなわちより低いシート抵抗を有し、同時にメタルコンタクトと接触しない領域において最適なｎドーピングを有することが可能となり、それによって電池のより大きな部分を発電に使用することができる。特に、エミッタードーピングおよび金属堆積の後に前表面テクスチャ加工として使用されるＲＩＥの上記方法は、メタルコンタクトの下を除くあらゆる場所のエミッターをエッチングすることによって（「エッチバック」と呼ばれる）、選択エミッターを同時に生成し、したがって、メタルコンタクトの下を除くあらゆる場所のシート抵抗を著しく増加させる。これは、追加のプロセスステップを必要としないため、選択エミッターの形成に有利な手法である。シート抵抗は、コンタクトの下で、＜１０オーム／平方であり、他の場所では、４０〜２００オーム／平方の範囲にある。
したがって、本発明の一態様では、シート抵抗を変える方法が提供される。本方法は、マスクレスＲＩＥによってシリコン基板上に２００〜４５０ｎｍの高さ、および１００〜２００ｎｍのピッチを有する円錐形状ナノ構造を製造することによって、選択エミッター太陽電池のドーピングレベルを調整する。本方法は、エミッターのテクスチャ加工およびエッチバックとして同時に適用され、それによって、メタルコンタクトの下のシート抵抗が１〜２０オーム／平方の範囲内に低減し、反応性イオンエッチングされた表面の他の場所のシート抵抗が４０〜２００オーム／平方の範囲となる。
一部の実施形態では、本発明の第２の態様に係る方法は、エミッターのテクスチャ加工およびエッチバックの機能を有し、それによって、メタルコンタクトの下のシート抵抗が１〜２０オーム／平方の範囲となるように、および反応性イオンエッチングされた表面の他の場所のシート抵抗が４０〜２００オーム／平方の範囲となるように、選択エミッター太陽電池のドーピングレベルを調整し、エミッターのシート抵抗を変える。
一部のさらなる実施形態では、本発明の第２の態様に係る方法によって製造された選択エミッター太陽電池は、前面のメタルコンタクトを備え、前面のメタルコンタクトは、Ａｇを含み、スクリーン印刷により堆積されている。
一部の他の実施形態では、前面のメタルコンタクトは、積み重ねられたＮｉまたはＣｕを含み、蒸着、スパッタリング、インクジェット印刷、めっき、または電気めっき等により堆積されている。
一部の実施形態では、メタルコンタクト堆積は、選択エミッター太陽電池に適用され、積み重ねられたＮｉ、ＣｕおよびＡｇまたはＳｎの堆積を含み、堆積方法が、蒸着、スパッタリング、インクジェット印刷、めっき（電気めっき、無電解めっき、または光誘起めっきなど）である。
さらなる態様では、本発明は、室温での反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）の技法を用いることによってシリコン系太陽電池を製造する方法にも関し、本方法によってシリコン太陽電池の工業生産によって要求されるステップの最適化されたシーケンスが可能となり、それによって、材料および生産コストを節約することが可能となる。
本発明の第３の態様に係る方法の一部の実施形態では、エミッタードーピングのステップは、レーザドーピングを含む。
レーザドーピングは、３００〜１１００ｎｍの範囲の波長を有する光ビームにシリコン太陽電池をさらすステップを含むことができる。例えば、レーザドーピングは、５３２ｎｍの波長を有する光ビームにシリコン太陽電池をさらすステップを含むことができる。
一部の実施形態では、レーザドーピングは、パルスレーザによって行われてもよく、１ｓ〜１ｐｓ（１０−１２ｓ）（１μｓ（１０−６ｓ）〜１００ｎｓ（１０−９ｓ）など）の範囲のパルス幅を有する。例えば、レーザパルスは、１μｓ（１０−６ｓ）〜１ｐｓ（１０−１２ｓ）の範囲のパルス幅を有することができる。
一部の実施形態では、レーザドーピングは、パルスレーザによって行われ、レーザパルスが、１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚ（１００ｋＨｚ〜２００ｋＨｚなど）の範囲のパルス周波数を有する。
一部の他の実施形態では、レーザドーピングは、連続波レーザによって行われる。
本発明の第３の態様に係る方法の一部の他の実施形態では、誘電体材料の単一層または積層を堆積させることによって、シリコン系太陽電池を不動態化するステップをさらに含む。不動態化は、レーザドーピングに先立って行われてもよい。
一部の実施形態では、誘電体材料の単一層または積層を堆積させるステップは、原子層堆積（ＡＬＤ）によってＡｌ２Ｏ３を堆積させるステップを含む。
誘電体材料の単一層または積層を堆積させるステップは、プラズマ促進化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）によって堆積させたＳｉＮｘ：Ｈを堆積させるステップをさらに含んでもよい。
誘電体材料の単一層または積層を堆積させるステップは、５〜５０ｎｍ（５〜３０ｎｍなど）の範囲の厚さを有するＡｌ２Ｏ３の層を堆積させるステップを含む。
本発明の第３の態様に係る方法の利点は、ｎ型シリコン基板のＰ型ドーピングに本方法を効率的に適用することができるということである。
例えば、不動態化Ａｌ２Ｏ３層の堆積に続いて、不動態化された表面をレーザビームにさらすことによってアルミニウム原子が解放され、したがって、さらされた領域をドープすることができる。
言いかえれば、Ａｌ２Ｏ３層からのアルミニウム原子は、不動態化されたシリコン表面に施されるレーザドーピングプロセスの結果として、シート抵抗が１〜２０オーム／平方の高度にドープされた領域を形成するｐ型ドーパントとして使用される。
したがって、ＡＬＤ Ａｌ２Ｏ３層の使用は、数百μ秒の寿命が確認されているシリコン表面の非常に良好な不動態化を提供し、かつ効果的なＡｌドーピングを可能にするという二重の利点を有する。効果的なＡｌドーピングは、不動態化層の局所的な溶融および／または溶発、したがって不動態化層直下の溶解したシリコンのバルク中へのＡｌの拡散を引き起こすレーザドーピング中に実現される。
また、Ｐ型エミッタードーピングは、他の元素の拡散によって実現されてもよい。例えば、Ｐ型エミッタードーピングは、結果として９０〜２００オーム／平方の範囲のシート抵抗を有するエミッターおよび／または１０２０ｃｍ−３未満のボロン濃度を有するシリコン表面が得られるボロン拡散によって実現されてもよい。
ボロン拡散からの結果として生じるボロンシリケートガラスは除去されず、ボロンシリケートガラスからのボロン原子は、レーザビームにさらすためのｐ型ドーパントとして使用される。
さらなるドーパント源が使用されてもよい。例えば、ドーピングは、レーザドーピングに先立ってリンおよび／またはボロンなどの元素を含有する化合物をスピンオンドーピングすることによって実現されてもよい。
一部の実施形態では、メタルコンタクト堆積は、レーザドーピングの後に適用される。メタルコンタクト堆積は、レーザドーピングにさらされるシリコンの領域上に行われてもよい。メタルコンタクト堆積は、積み重ねられたＮｉ、ＣｕおよびＡｇまたはＳｎの堆積を含んでもよく、メタルコンタクト堆積は、無電解めっき、電気めっき、または光誘起めっきによる。
ＡｇまたはＳｎのオーバーレイヤーは、キャッピング層の機能を有することができる。
一部の実施形態では、不動態化のステップは、半導体の層を堆積させるステップをさらに含む。例えば、誘電体材料の単一層または積層を堆積させるステップは、ＳｉＯ２の層を堆積させるステップを含み、半導体の層を堆積させるステップは、非晶質シリコンまたは多結晶シリコンを堆積させるステップを含む。
一部の実施形態では、ＳｉＯ２の層の堆積は、２０〜１３０℃の範囲の温度で硝酸中でのウェット化学酸化、または８００〜１２００℃の範囲の温度で酸素または水雰囲気中での熱酸化によって０．８〜２ｎｍの厚さを有するＳｉＯ２の層を堆積させるステップを含む。
一部の他の実施形態では、半導体の層の堆積は、５００〜７００℃の範囲の温度でＳｉＨ４、Ｂ２Ｈ６、ＢＣｌ３、および／またはＰＨ３を使用する低圧化学気相堆積（ＬＰＣＶＤ）によって、あるいは２００〜４００℃の温度でＳｉＨ４、Ａｒ、Ｂ２Ｈ６、ＢＣｌ３、および／またはＰＨ３を使用するＰＥＣＶＤによって、５〜１００ｎｍの厚さを有する非晶質シリコンまたは多結晶シリコンの層を堆積させるステップを含む。
一部の実施形態では、レーザドーピングおよび金属堆積が不動態化ステップの後に行われる。
一部の実施形態では、シリコン系太陽電池は、６０〜９９％の単結晶シリコンを含有する疑似単結晶シリコン系太陽電池である。
本発明の第１の態様、第２の態様、および他の態様、ならびに実施形態はそれぞれ、他の態様および実施形態のいずれかと組み合わされてもよい。本発明のこれらおよび他の態様は、以降に記載される実施形態から明らかとなり、以降に記載される実施形態に関連して解明される。
ここで、本発明の一部の態様に係るシリコン太陽電池および方法について、添付図に関してより詳細に説明する。図は、本発明を実施する１つの仕方を示し、記載された添付の請求項の範囲内にある他の可能な実施形態を限定しているとして解釈されるべきではない。
本発明の一部の実施形態に係るナノ構造化された表面トポロジーの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscopy）画像である。 本発明の一部の実施形態に係るナノ構造化された表面トポロジーのＳＥＭ画像の上面図である。 本発明の一部の実施形態に係るＲＩＥによって作製された、ナノ構造化された表面の光の反射率の加重平均および最小値を表すグラフである。 本発明の一部の実施形態において、単結晶シリコン基板に対する入射角の関数としてのトータル加重（ＡＭ１．５）平均反射率を表すグラフであって、標準のＫＯＨテクスチャ加工された平均反射率（６）およびＲＩＥテクスチャ加工された平均反射率（７）を示す。 ブラックＳｉ電池およびＫＯＨテクスチャ加工された参照電池の内部量子効率（ＩＱＥ：Internal Quantum Efficiency）である。 本発明の一部の実施形態に係る方法の流れ図である。 本発明の一部の実施形態に係るＡｌ２Ｏ３の原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）の前にＲＩＥによって製造された、ナノ構造化された表面トポロジーのＳＥＭ画像である。 本発明の一部の実施形態に係る３０ｎｍの厚さを有するＡｌ２Ｏ３のＡＬＤの後にＲＩＥによって製造された、ナノ構造化された表面トポロジーのＳＥＭ画像である。 ＡＬＤ Ａｌ２Ｏ３を有するＲＩＥテクスチャ加工されたＣｚシリコンの表面再結合速度（ＳＲＶ：Surface Recombination Velocity）である。 本発明の一部の実施形態に係るＳｉＯ２およびｎ型多結晶Ｓｉによって不動態化された、ＲＩＥテクスチャ加工されたｐ型Ｃｚシリコンの少数キャリアの寿命である。
数ロットの商用サイズおよび商用グレードのシリコン太陽電池を本発明のナノ構造トポロジーを用いて作製し、光学および光起電力性能の点から特徴付けを行ったところ、優れた光吸収（＜２％（例えば、１％未満）の反射率）および高い電力変換効率、すなわち、１６．５％程度の電力変換効率を示した。非理想の入射角における改善された光学性能は、反射率測定によって確認された。
本発明の一部の実施形態に係る、太陽電池表面の簡単なマスクレスのスケーラブルなＲＩＥナノ構造化は、完全に最適化されたＲＩＥテクスチャ加工ではＡＭ１．５加重平均反射率を１％未満のレベルにまで低減させることが示され、したがって現在の工業規格と比較して、電池性能の改良にとって大きな可能性を有する。反射率は、高角度の入射においても従来のテクスチャ加工された電池の反射率を下回った状態であることが示されている。製造プロセスは、チョクラスキー（ＣＺ）シリコン出発材料に対する業界標準プロセスのみを使用して、太陽電池の作製に首尾よく統合された。本プロセスは、単結晶、多結晶、および疑似単結晶Ｓｉに等しく適用可能なことが示されている。結果として得られた電池性能は、従来のテクスチャ加工による電池と比較され、改善された性能を示した。
データは、ＲＩＥナノ構造が結晶グレードおよび入射角とは無関係に優れた光吸収を提供することを示している。
ナノ構造は、以下の太陽電池プロセスにおけるテクスチャ加工ステップとして作製された。すなわち、１）鋸損傷除去、２）Ｏ２およびＳＦ６プラズマ中でのマスクレスＲＩＥを使用するテクスチャ加工、３）ＰＯＣｌ３ドーピングプロセスを使用するエミッター形成に続いて、５％バッファードＨＦ中でのＰＳＧ除去、４）ＳｉＨ４、ＮＨ３およびＮ２を用いたＰＥＣＶＤを使用するＳｉＮＸ：Ｈ反射防止コーティングの堆積、５）前面および裏面のスクリーン印刷、６）レーザ溶発を使用するエッジ絶縁、である。
開始基板は、２００μｍの厚さおよび１〜２０Ωｃｍの抵抗率を有する１５６×１５６ｍｍのｐ型ＣＺ単結晶Ｓｉウェハであった。
ＲＩＥテクスチャ加工された単結晶、多結晶、および疑似単結晶Ｓｉ表面の反射率測定は、広帯域光源（Mikropack DH-2000）、積分球（Mikropack ISP-30-6-R）、および分光計（Ocean Optics QE65000、280〜1000nm）を使用して行われた。ＡＭ１．５に対する基準の太陽分光放射照度を使用して、２８０〜１０００ｎｍの波長領域の加重平均反射率を計算した。
キセノン電球を使用して、完成した電池に対するＩ−Ｖカーブを１太陽照射（１０００Ｗ／ｍ２）の下で測定した。
図１は、ＲＩＥテクスチャ加工した後のブラックシリコン表面の４５°傾けたＳＥＭ画像を示す。ナノ構造は、高さがｈ≒３〜４００ｎｍであり、面密度は、Ｄ≒１００μｍ−２である。
図２は、同様のナノ構造化されたＳｉ表面のＳＥＭ画像上面図である。ピークの密度は、５０〜１００μｍ−２であり、典型的には７５〜２００μｍ−２の範囲内にある。
図３は、単結晶、多結晶、および疑似単結晶Ｓｉ表面における加重（ＡＭ１．５）の平均反射率および最小反射率を表すグラフであって、エミッター拡散前の平均反射率（１０）、エミッター拡散後の平均反射率（８）および最小反射率（９）を示す。
図３は、Ｓｉの３つの結晶グレードすべてに対して、ＲＩＥテクスチャ加工されたＳｉの平均反射率（１０）が１％未満であることを示す。これは、標準の工業用Ｓｉ太陽電池で使用されるＫＯＨおよび酸性テクスチャ加工されたＳｉと比較して、明らかに改善されている。さらに、結果は、エミッター拡散後の反射率の増加が無視できることを示す。ＲＩＥテクスチャ加工されたＳｉは、結晶のグレードとは無関係にほぼ０の最小反射率を示す。
図４は、単結晶Ｓｉ基板に対する、入射角を関数としたトータルの加重（ＡＭ１．５）の平均反射率を表すグラフであって、標準のＫＯＨテクスチャ加工された平均反射率（６）およびＲＩＥテクスチャ加工された平均反射率（７）を示す。反射率は、Ｓｉ基板に対して入射光ファイバーの１軸の角度変化を有する積分球を使用して測定された。ＲＩＥ電池の反射率は、約４０度までの入射角には無関係であることを示している。
非理想の入射角での改善された光学性能は、一日中および一年中を通して、変化する角度に対して重要なだけではない。現実の用途では、利用可能な日光は、雲、空気中の粒子などにより典型的には拡散する。したがって、散乱光応答、すなわち非垂線入射角のある範囲内の、例えば、３０°〜６０°の光に対する応答は、非常に問題となる。
図４は、ＫＯＨテクスチャ加工されたＳｉの反射率が、５０°までの入射角に関してはＲＩＥテクスチャ加工されたＳｉの反射率よりもより大きく増加することを示す。５０°を上回る角度に対しては、ＲＩＥテクスチャ加工されたＳｉの反射率は、ＫＯＨテクスチャ加工されたＳｉよりも入射角とともにより大きく増加する。ＲＩＥテクスチャ加工されたＳｉの反射率は、０〜８０°の入射角に対してはＫＯＨテクスチャ加工されたＳｉよりも著しく低い。この結果は、非理想の入射角においてＲＩＥテクスチャ加工を使用した太陽電池の性能が改善される可能性を示す。
図５は、ブラックＳｉ電池（５）およびＫＯＨテクスチャ加工された参照太陽電池（４）のＩＱＥを示す。
図５は、ＲＩＥテクスチャ加工された太陽電池（５）のＩＱＥがＫＯＨテクスチャ加工された参照電池（４）のＩＱＥよりも、特に６００ｎｍ未満の波長で低いことを示す。６００ｎｍ未満の波長でＫＯＨ電池（４）と比較してブラックＳｉ電池（５）のＩＱＥが減少しているのは、短い波長の光ほど表面のより近くで吸収されるため、表面再結合が増加していること示すと考えられる。このことを確認するために、ＬＡＳＳＩＥツールを使用して違ったやり方でテクスチャ加工された太陽電池の電流密度の損失を評価した。この分析の結果が表１からわかる。
表１は、計算されたトータルのキャリア損失、ならびにＫＯＨテクスチャ加工された、およびＲＩＥテクスチャ加工された電池に対するエミッター、バルク、および裏面再結合によるキャリア損失を示す。
エミッター再結合が、ＲＩＥテクスチャ加工された電池の支配的なキャリア損失メカニズムであるため、エミッター再結合が、ＫＯＨテクスチャ加工されたものと比較して、ＲＩＥテクスチャ加工された電池に対するＩＱＥの低下の背後にある主な原因であるという仮定は、表１の計算されたキャリア損失によって確認される。
表２は、ＲＩＥテクスチャ加工された電池およびＫＯＨテクスチャ加工された電池の電力変換効率ＰＣＥ、短絡電流ＪＳＣ、開路電圧ＶＯＣ、フィルファクタＦＦ、およびエミッター拡散後の加重平均反射率（Ｒａｖ）を含むＰＶ性能結果を示す。
表２は、ＲＩＥテクスチャ加工された電池は、ＪＳＣがより低いためＫＯＨ電池よりも低いＰＣＥを有することを示す。電流損失は、表１に示されるエミッター再結合の増加によって説明される。これは不動態化層の導入によって解決され得る。１％未満の反射率を有し、１％未満の反射率を実現する電池の例を本発明の一部の態様によって製造することができる。
図６は、本発明の一部の実施形態に係る方法の流れ図である。
本発明の第１の態様に係るシリコン系太陽電池を製造する方法は、１．「エミッタードーピング」、２．「メタルコンタクト堆積」、ならびに３．「２００〜４５０ｎｍの高さ、および１００〜２００ｎｍのピッチを有する円錐形状ナノ構造を製造するマスクレスＲＩＥ」を含む。
ＲＩＥプロセスパラメータの仕様例。
○ 室温；２５℃＋／−１０度
○ ＳＦ６とＯ２のガス流比＝０．５〜２
○ １つの電源のみを使用。
エミッタードーピングの結果として生じるシート抵抗の一部の例。
従来のエミッター（ドーピング前のＲＩＥ）の場合は、４０〜２００オーム／平方。
選択エミッターの場合は、ＲＩＥ前は＜１０オーム／平方であり、ＲＩＥ後に非コンタクト領域で４０〜２００オーム／平方となる。
ドーピング後のＲＩＥの場合は、＜１０オーム／平方であり、ＲＩＥ後に４０〜２００オーム／平方となる。
図７ａは、本発明の一部の実施形態に係るＡｌ２Ｏ３の原子層堆積（ＡＬＤ）前にＲＩＥによって製造された、ナノ構造化された表面トポロジーのＳＥＭ画像を示す。
図７ｂは、本発明の一部の実施形態に係る３０ｎｍの厚さを有するＡｌ２Ｏ３のＡＬＤ後にＲＩＥによって製造された、ナノ構造化された表面トポロジーのＳＥＭ画像を示す。
図８は、ＡＬＤ Ａｌ２Ｏ３を有するＲＩＥテクスチャ加工されたＣｚシリコンの表面再結合速度（ＳＲＶ）を示す。
パーセント値は、その値以下のＳＲＶを有する部分が全表面のどれくらいの大きさかを示す。８８ｃｍ／ｓにまで低下したＳＲＶの値が得られた。
したがって、ＳＲＶの非常に低い値によって示されるように、本発明の一部の実施形態に係るナノ構造化されたシリコン基板上にＡＬＤ Ａｌ２Ｏ３を使用することによって、非常に良好な表面不動態化が提供される。
表３は、ＡＬＤ Ａｌ２Ｏ３、熱ＳｉＯ２、およびＰＥＣＶＤ ＳｉＮｘ：Ｈを有するＲＩＥテクスチャ加工されたＣｚシリコンの表面再結合速度（ＳＲＶ）をそれぞれ示す。３０ｎｍのＡＬＤ Ａｌ２Ｏ３が、最低の表面再結合速度を実現するため、本発明の一部の実施形態に係るナノ構造化されたシリコン基板上に最良の不動態化が提供されることがはっきりとわかる。
図９は、１．４ｎｍのＳｉＯ２および１５〜４０ｎｍのｎ型多結晶Ｓｉによって不動態化されたＲＩＥテクスチャ加工されたｐ型Ｃｚシリコンの少数キャリアの寿命を示す。
本発明の一部の実施形態に係るナノ構造化されたシリコン基板の不動態化は、トンネル酸化物および多結晶Ｓｉ不動態化の組合せによって実現することができる。
この不動態化は、第１にｐ型およびｎ型ＣｚＳｉ開始ウェハを洗浄することによって、例えば、ＲＣＡ洗浄によって実現される。この洗浄は、ＲＩＥナノ構造テクスチャ加工の有無にかかわらずＳｉ基板に対して行うことができる。
第２に、例えば、９０〜１００℃で１０分間、６８％のＨＮＯ３中で、１．３〜１．５ｎｍの測定厚さとなる酸化物を基板上に成長させることができる。
第３に、例えば、ＳｉＨ４およびＰＨ３を使用する５８０℃のＬＰＣＶＤにおいて、リンドープされた非晶質Ｓｉを酸化物上に堆積させることができる。
最後に、例えば、８００℃で１時間、ａ−Ｓｉがアニールされ、こうして多結晶Ｓｉとなる。
本発明は、特定の実施形態に関連して記載されたが、いかなる仕方においても提示された例に限定されると解釈されるべきでない。本発明の範囲は、添付の請求項一式によって述べられる。特許請求の範囲の文脈において、用語「備えている」または「備える」は、他の可能な要素またはステップを除外しない。また、「１つの（ａ）」または「１つの（ａｎ）」などの参照記号の言及は、複数を除外すると解釈されるべきではない。図に示された要素に関しての特許請求の範囲における引用符号の使用も、本発明の範囲を限定すると解釈されないものとする。さらに、異なる請求項において言及される個々の特徴は、ことによると有利に組み合わせられてもよく、異なる請求項におけるこれらの特徴の言及は、特徴の組合せが可能でなく有利ではないということを除外しない。

Claims (25)

  1. シリコン基板を備えるシリコン系太陽電池を製造する方法であって、前記シリコン基板が表面を有し、前記表面の少なくとも一部が、２００〜４５０ｎｍの平均高さ、および１００〜２００ｎｍのピッチを有する円錐形状ナノ構造を備え、前記方法が、エミッタードーピングのステップ、メタルコンタクト堆積のステップ、ならびにマスクレス反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって前記シリコン系太陽電池上に２００〜４５０ｎｍの高さ、および１００〜２００ｎｍのピッチを有する円錐形状ナノ構造を製造するステップを含む、方法。
  2. 前記円錐形状ナノ構造を製造するステップが前記エミッタードーピングのステップおよび前記メタルコンタクト堆積のステップの前に行われる、請求項１に記載の方法。
  3. 前記円錐形状ナノ構造を製造するステップが前記エミッタードーピングのステップおよび前記メタルコンタクト堆積のステップの後に行われる、請求項１に記載の方法。
  4. 前記円錐形状ナノ構造を製造するステップが前記エミッタードーピングのステップの後に、および前記メタルコンタクト堆積のステップの前に行われる、請求項１に記載の方法。
  5. 前記方法が前記エミッターのテクスチャ加工およびエッチバックの機能を有し、それによって、前記メタルコンタクトの下のシート抵抗が１〜２０オーム／平方の範囲になるように、および前記反応性イオンエッチングされた表面の他の場所のシート抵抗が４０〜２００オーム／平方の範囲となるように、選択エミッター太陽電池のドーピングレベルを調整し前記エミッターのシート抵抗を変える、請求項１、請求項３または請求項４に記載の方法。
  6. 前記メタルコンタクト堆積のステップが前記選択エミッター太陽電池に適用され、Ａｇの堆積を含み、前記堆積方法がスクリーン印刷である、請求項１から請求項５のいずれかに記載方法。
  7. 前記メタルコンタクト堆積のステップが前記選択エミッター太陽電池に適用され、積み重ねられたＮｉ、ＣｕおよびＡｇまたはＳｎの堆積を含み、前記堆積方法が、蒸着、スパッタリング、インクジェット印刷、めっき（電気めっき、無電解めっき、または光誘起めっきなど）である、請求項１から請求項５のいずれかに記載の方法。
  8. 前記エミッタードーピングのステップがレーザドーピングを含む、請求項１から請求項７のいずれかに記載の方法。
  9. 前記レーザドーピングが３００〜１１００ｎｍの範囲の波長を備える光ビームに前記シリコン太陽電池をさらす、請求項８に記載の方法。
  10. 前記レーザドーピングが５３２ｎｍの波長を備える光ビームに前記シリコン太陽電池をさらす、請求項８または請求項９に記載の方法。
  11. 前記レーザドーピングがパルスレーザによって行われ、レーザパルスが１ｓ〜１ｐｓ（１０−１２ｓ）（１μｓ（１０−６ｓ）〜１００ｎｓ（１０−９ｓ）など）の範囲のパルス幅を有する、請求項８から請求項１０のいずれかに記載の方法。
  12. 前記レーザドーピングがパルスレーザによって行われ、レーザパルスが１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚ（１００ｋＨｚ〜２００ｋＨｚなど）の範囲のパルス周波数を有する、請求項８から請求項１１のいずれかに記載の方法。
  13. 前記レーザドーピングが連続波レーザによって行われる、請求項８から請求項１０のいずれかに記載の方法。
  14. 誘電体材料の単一層または積層を堆積させることによって前記シリコン系太陽電池を不動態化するステップをさらに含む、請求項１から請求項１３のいずれかに記載の方法。
  15. 前記不動態化するステップが前記レーザドーピングに先立って行われる、請求項１４に記載の方法。
  16. 誘電体材料の前記単一層または積層を堆積させるステップが原子層堆積（ＡＬＤ）によってＡｌ２Ｏ３を堆積させるステップを含む、請求項１４または請求項１５のいずれかに記載の方法。
  17. 誘電体材料の前記単一層または前記積層を堆積させるステップがプラズマ促進化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）によって堆積させたＳｉＮｘ：Ｈを堆積させるステップをさらに含む、請求項１４から請求項１６のいずれかに記載の方法。
  18. 誘電体材料の前記単一層または前記積層を前記堆積させるステップが５〜５０ｎｍ（５〜３０ｎｍなど）の範囲の厚さを有するＡｌ２Ｏ３の層を堆積させるステップを含む、請求項１４から請求項１７のいずれかに記載の方法。
  19. 前記メタルコンタクト堆積のステップが前記レーザドーピング後に適用され、前記メタルコンタクト堆積のステップが前記レーザドーピングにさらされるシリコンの領域上に行われ、前記メタルコンタクト堆積のステップが積み重ねられたＮｉ、Ｃｕ、およびＡｇまたはＳｎの堆積を含み、前記メタルコンタクト堆積のステップが無電解／直流電気めっき、電気めっきまたは光誘起めっきによる、請求項８から請求項１８のいずれかに記載の方法。
  20. 前記不動態化するステップが半導体の層を堆積させるステップをさらに含む、請求項１４から請求項１９のいずれかに記載の方法。
  21. 誘電体材料の前記単一層または前記積層を前記堆積させるステップがＳｉＯ２の層を堆積させるステップを含み、前記半導体の層を堆積させるステップが非晶質シリコンまたは多結晶シリコンを堆積させるステップを含む、請求項２０に記載の方法。
  22. 前記ＳｉＯ２の層を前記堆積させるステップが、２０〜１３０℃の範囲の温度で硝酸中でのウェット化学酸化、または８００〜１２００℃の範囲の温度で酸素または水雰囲気中での熱酸化によって０．８〜２ｎｍの厚さを有するＳｉＯ２の層を堆積させるステップを含む、請求項２０に記載の方法。
  23. 前記半導体の層を前記堆積させるステップが、５００〜７００℃の範囲の温度でＳｉＨ４、Ｂ２Ｈ６、ＢＣｌ３、および／またはＰＨ３使用する低圧化学気相堆積（ＬＰＣＶＤ）によって、あるいは２００〜４００℃の温度でＳｉＨ４、Ａｒ、Ｂ２Ｈ６、ＢＣｌ３、および／またはＰＨ３を使用するＰＥＣＶＤによって５〜１００ｎｍの厚さを有する非晶質シリコンまたは多結晶シリコンの層を堆積させるステップを含む、請求項２０から請求項２２のいずれかに記載の方法。
  24. 前記レーザドーピングおよび前記金属堆積が前記不動態化するステップの後に行われる、請求項１５から請求項２３のいずれかに記載の方法。
  25. 前記シリコン系太陽電池が６０〜９９％の単結晶シリコンを含有する疑似単結晶シリコン系太陽電池である、請求項１から請求項２４のいずれかに記載の方法。
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