JP4146524B2 - Ｐ−型多結晶性シリコン表面の組織化方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
結晶性シリコンは、光電子学、光電池、光学、熱、ミクロ電子光学の分野、および半導体工業において、多く応用されている。本発明は、光線を受ける表面が多結晶性シリコンによって構成されている太陽電池または光電池に関する。本発明は特に、光学性能を高めるためにその表面が組織化処理によって改質されているシリコンを含む太陽電池に関する。
【０００２】
組織化（texturization ）は、材料表面を粗くして、その表面上で光入射を多重反射させ、それによってその材料内での光の吸収を多くすることから成る。このようにして得られた粗さにより、二つの相補的な効果を生ずる。第一の効果は、表面の屈折力または光学反射率を小さくすることであり、第二の効果は、材料内に入射した光による光学距離を長くすることである。光電池では、シリコンにおける光吸収の増加により、光が電気に変換される効率が増加する。
【０００３】
この結果を達成し、表面を均一に組織化して明瞭な結晶学平面をそこに示すことができる方法はいくつかある。例えば、機械的彫刻、レーザーエッチング、写真平板、マスキングなどの方法が挙げられるが、それらは、手段が複雑であり、かつ高価である。現在知られている、工業的規模で使用される表面の組織化は、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）または水酸化カリウム（ＫＯＨ）をベースとするアルカリ水溶液を高温で使用することから成る。それらの水溶液は、表面に位置する結晶の結晶方向に依存してシリコンを異方的にエッチングする性質を有し、それによってシリコンの表面形態学が改変される。エッチング速度は、[100] の結晶方向を有する平面上の方が、[111] の平面上よりも約 100倍大きい。このため、その表面は、入射光を捕捉する[100] 平面上に位置する正角錐の形状で組織化され、これを「マクロ組織化」という。多結晶性シリコンの場合、表面のほんの 20 % がこの結晶方向を有する結晶で構成されると推定され、これは、その処理が、光学反射性に関してあまり有効でないことを意味する。従って、その方法は、処理すべき表面に結晶方向 [100]を有する単結晶性シリコンという特別の場合にのみ十分有効である。
【０００４】
ｎ−型単結晶性シリコン表面の光学反射性をかなり減少させるために、酸媒体中での光電気化学エッチングに関する研究が、A. Lagoubiら（11th Photo-voltaic Solar Energy Conference, Montreux, 1992）によって行なわれた。ナノポーラスの外層（直径が 50 nm未満の孔を有する層）およびマクロポーラスの内層（直径が 50 nmより大きい孔）の重ね合わせは、ナノポーラス層を溶解することにより明らかにされる。マクロポーラス層で被覆された表面の反射率は、未処理表面よりも低い。
【０００５】
その研究は、ただｎ−型単結晶性シリコンのみに関するという欠点がある。また、光電気化学法を工業的媒体中で行なうことは容易でない。
【０００６】
従って、表面にある結晶の結晶方向に関係なく多結晶性シリコンの表面を均一に組織化するために工業的に適用できる方法を得ることが必要である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、多結晶性シリコンを含む太陽電池であって、その効率が、現在使用されている公知の太陽電池よりも改善された太陽電池を提供することである。
【０００８】
本発明の別の目的は、有効で安価であり、光学反射率をかなり減少させることができ、有効な吸収を増加させることができるｐ−型多結晶性シリコンの表面を組織化する方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段および発明の実施の形態】
本発明は、多結晶性シリコンまたはその合金を含み、光線を受け入れるべき表面を有する太陽電池を提供し、該電池は、該シリコン表面が、深さ0.10μm 〜10μm 、直径 0.1μm 〜10μm で深さと直径との比が１より大きいピット状の穴（hole）を多数含み、穴の占める面積がシリコン表面の面積の半分より大きいことを特徴とする。
【００１０】
本発明の太陽電池は、ｐ−型電導性を有する多結晶性シリコン（ポリ結晶性シリコンとも言う）、またはその合金、特にゲルマニウムとの合金から作られる。シリコンは、塊の形状（例えば厚さが数百ミクロンである薄いプレート状）であってもよく、または厚さ約50μm のテープ状もしくは薄層であってもよい。
【００１１】
本発明の電池のシリコンは、ピットと称す規則的な形の凹部が形成された表面を有し、そのピットは均一に分布し、表面の結晶の結晶方向に関係なく位置している。穴の深さと穴の直径との比は、入射光が材料内で捕捉される効率を決定する主要パラメーターの一つである。光を吸収するための効率は、穴の深さが15μm より小さいならばそれを増加させ、深さ／直径の比をできるだけ大きくして１より大きくすると、改善される。
【００１２】
本発明はまた、ｐ−型多結晶性シリコンおよびその合金の表面の組織化方法を提供し、該方法は、本質的に下記の二つの工程：
−シリコン表面を多孔性にして層を形成するための、フッ素イオンも含む酸化溶液による該表面の部分的化学酸化によって構成される第一工程；および
−該層を溶解して組織化された表面を得ることから成る第二工程
を組み合わせて成ることを特徴とする。
【００１３】
処理すべき表面は、特に、それに限らないが、切断により得られる。切断したままの表面はきれいであり、化学酸化を妨害する可能性のある不純物を含まない。化学的光沢を有する表面を得るために、化学的に清浄する必要はない。場合によっては、市販の溶液によって化学的に磨きをかけてもよい。
【００１４】
多孔性シリコンは、ｐ−型多結晶性シリコンの表面上で局所的に化学酸化することにより、第一工程中に得られる。この操作は、シリコンの一部の酸化をフッ素化錯体を形成することにより行なうことから成り、フッ素化錯体は溶解して、孔（pores ）を呼ばれる穴を含む表面層となる。シリコンの等方性酸化は、フッ素イオンの存在下でのみ得られる。腐食速度は、一部には、0.01 M〜25 Mの範囲であるフッ素イオンの濃度によって制限される。そのような条件下では、シリコンの腐食は均一ではなくて局在化し、それによって、多孔性シリコンのひずみが生じる。
【００１５】
本発明の第一の態様において、該酸化溶液は、フッ素イオンも含む酸水溶液である。その溶液のｐＨは、好ましくは５未満である。
【００１６】
本発明の第二の態様において、該酸化溶液は、フッ素イオンも含む有機溶液であり、例えば、有機溶媒は、アセトニトリルＣＮ−ＣＨ₃ によって構成することができる。
【００１７】
酸化は、好ましくは、例えばクロム酸ＨＣｒＯ₃ 由来のクロム酸イオンＣｒＯ₃ ^- 、例えば臭素酸カリウムＫＢｒＯ₃ によって供給される臭素酸イオンＢｒＯ₃ ^- 、例えば硝酸ＨＮＯ₃ 由来の硝酸イオンＮＯ₃ ^- 、例えば亜硝酸ナトリウムＮａＮＯ₂ によって供給される亜硝酸イオンＮＯ₂ ^- 、例えばエチレンジアミン由来のアミンイオン、例えばＣｕ²⁺／Ｃｕ⁺ 、Ｆｅ²⁺／Ｆｅ³⁺、Ｉ₂ ^- ／Ｉ^- 、Ｍｎ⁷⁺／Ｍｎ²⁺、またはＳ⁷⁺／Ｓ⁶⁺などの金属レドックス対、およびそれらの混合物から選択される酸化剤を含む溶液によって行なわれる。表面の過剰の乱れを避けるために、低濃度の酸化剤を使用するのが好ましい。
【００１８】
反応をより良好に制御するために、シリコン腐食速度を遅らす目的で、例えば酢酸ＣＨ₃ ＣＯＯＨまたはその反応条件と適合し且つ酢酸と大体同程度の誘電率を有する他の化合物などの阻害剤を酸化溶液に添加することができる。
【００１９】
第二工程が終わると、多孔性シリコンの制御された溶解により、ピットのあいた表面が得られる。この様相を以下、「ミクロ組織化」という。
【００２０】
第二工程は、多孔性シリコンを、アルカリ水溶液、エチレングリコールの有機溶液およびヒドラジンの有機溶液から選択される溶液に溶解することから成る。アルカリ水溶液の場合、該アルカリは、好ましくは、水酸化ナトリウムＮａＯＨ、水酸化カリウムＫＯＨ、水酸化アンモニウムＮＨ₄ ＯＨおよびそれらの混合物から選択される。
【００２１】
この溶解工程の目的は、表面の多孔性層とその材料のコアとの間の界面を明らかにするために、該多孔性層を取り除くことである。すなわち、その考えは、第一工程中に形成された多孔性層を制御された方法で溶解することである。溶解速度は溶解溶液の濃度に関係し、その場合、低いのが有利である。反応の進行を制御して、多孔性シリコンを溶解することにより得られる新しい表面の構造の乱れを避けるようにするのが重要である。
【００２２】
好ましい態様では、第二工程は、アルカリ水溶液中で行なわれ、そのアルカリ濃度は 0.001 M〜2 M の範囲であり、温度は 0℃〜30℃の範囲である。一般に、１秒〜５分の素早い接触で十分である。
【００２３】
溶解は、表面がほとんどミクロ組織化を示さなくなるまで時間を延長することができる。反射率の測定によると、表面は、溶解時間が増加するほど反射率がだんだん小さくなり、本発明のミクロ組織化表面に対応する最小値の反射率に達することを示す。その後、表面がより滑らかになるにつれて、反射率は増加する。
【００２４】
別の態様では、該方法は、第一工程の前に、30℃より高い温度でアルカリ水溶液により該表面を限定的化学エッチングする（limited chemical etching）前工程も含む。この工程は、表面のシリコンの一部を溶解することから成る。従来の方法に類似するこの処理は、[100] 方向を有する表面に対してピラミッドである[111] 結晶面によって定義される構造状態で、シリコンの表面のマクロ組織化をもたらす。次いで、本発明の第一工程および第二工程が行なわれる。多孔性シリコン層の溶解はミクロ組織化を引き起し、それは、前工程中に得られたミクロ組織化に追加されて、その効率を高めると考えられる。
【００２５】
別の態様では、該方法はさらに、第二工程の後に、組織化された表面上に反射防止層を付着させることから成る第三工程を含む。本発明方法によって組織化された表面により得られる性能は、場合によっては、反射防止層の使用を回避することを可能とし、それによって、対応する製造コストの削減が達成される。
【００２６】
本発明方法の利点は、ミクロ組織化表面から始まるシリコン内での光線の拡散を増加させることである。光学的拘束が改善され、それによって、電子特性がより小さい材料、すなわち安価な材料の使用が可能となる。組織化された表面の規則的形態により、特に電流を集めるために、例えばシルクスクリーンプリントにより微細な付着を達成することができる。すなわち、本発明の太陽電池は、コストを下げるための、改善された光−電流変換効率を提供する。
【００２７】
【実施例】
本発明は、以下の実施例および添付する図面を参照することにより、よりよく理解され、他の利点および特徴が明らかにされるが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【００２８】
実施例１
ｐ−型多結晶性シリコンのサンプルＡの表面を本発明方法によって組織化した。サンプルＡの表面の一部を硝酸ＨＮＯ₃ およびフッ化水素酸ＨＦを 1:3の割合で含む水溶液に接触させた。その処理を室温で約５分続けた。こうして処理した表面のシリコンは多孔性になった。次いで、多孔層を、約0.12 Mの濃度の水酸化ナトリウムＮａＯＨのアルカリ水溶液と素早く接触させることにより溶解させた。
【００２９】
そのとき、直径および深さが約10μm である複数のピットを有するミクロ組織化された表面が得られた。
【００３０】
実施例２
ｐ−型多結晶性シリコンのサンプルＢの表面を本発明方法によって組織化した。その表面をフッ化水素酸ＨＦおよび亜硝酸ナトリウムＮａＮＯ₂ を 1:400の割合で含む水溶液に接触させた。生成した多孔性シリコン層は、その全面積にわたって均一であり、その厚さは約 0.6μm であった。次いで、多孔性層を実施例１の記載と同様に溶解させた。
【００３１】
図１は、シリコンサンプルＡの表面の処理ゾーン10を示す。ミクロ組織化された表面は、大きさが 0.1μm 〜 0.3μm の範囲であるピットを含み、それは、第一工程中に形成された多孔性シリコンの穴の大きさよりかなり大きい。隣接のゾーン11には処理を施さなかった。
【００３２】
実施例３
ｐ−型多結晶性シリコンのサンプルＣおよびＤの表面組織化を行なった。
【００３３】
サンプルの表面を、温度 80 ℃で、濃度 0.5 Mの水酸化ナトリウムＮａＯＨのアルカリ水溶液と接触させた。図２は、公知のマクロ組織化処理の後のサンプルの表面に現れたピラミッド 20 を示す。
【００３４】
その後、サンプルＤの表面を、実施例２に記載したフッ化水素酸ＨＦおよび亜硝酸ナトリウムＮａＮＯ₂ を含む水溶液に接触させた。次いで、多孔性層を実施例１に記載したアルカリ水溶液によって溶解させた。
【００３５】
図３は、本発明のミクロ組織化処理の後のサンプルＤの表面を示す。そこでは、ピラミッド30の形がわずかに変形されて、そのかどの鋭さが特にピラミッドの土台部分でにぶくなっていることが分かり、その表面は外観が綿毛でおおわれているようであることが分かる。ミクロ組織化は表面全体にわたって存在し、孔の直径は、0.1 μm 〜 0.2μm 程度である。このミクロ組織化は、実施例２のサンプルＢに対して認められるものと同様である。
【００３６】
全体の反射測定を、先に作ったサンプルＣおよびＤに対して行なった。得られた結果を図４に示す。本発明方法を使用してサンプルＤに対して行なった組織化（曲線 40 ）は、公知方法を使用してサンプルＣに対して行なったマクロ組織化（曲線 41 ）よりも、可視範囲での光の吸収が良好であることが分かる。
【００３７】
実施例４
サンプルＥおよびＦを、各々、実施例３のサンプルＣおよびＤと同様に作ったが、それらは、その後に、反射防止層で被覆した。
【００３８】
全体の反射測定を、実施例３と同じ方法でサンプルＦに対して行なった。図４は、本発明方法を使用して組織化を行なったサンプルＦに反射防止層を付着すると、可視範囲での光の吸収（曲線 42 ）が、本発明の方法によるサンプルＤに対して行なったミクロ組織化の場合（曲線 40 ）よりも良好になったことを示す。
【００３９】
実施例５
サンプルＧ、ＨおよびＪから、次のようにして太陽電池を作った。サンプルを、大きい面積の二つの面を有するｐ−型多結晶性シリコンの薄いプレート状にした。各面を組織化した。サンプルＧを、実施例３のサンプルＣに対して使用した条件と同様の条件下で、公知方法により処理した。サンプルＨおよびＪを、実施例３のサンプルＤと同様の方法で本発明方法により作った。ｎ−ｐ接合を、常法によるドーピングにより、プレートの一方の面に作った。次いで、サンプルＪのその面を反射防止層で被覆した。その後、サンプルに常法を使用して、光線の影響下で作られる電気を集めた。
【００４０】
サンプルＪと同様の方法で作ったｐ−型多結晶性シリコンを含む本発明の太陽電池の断面を図５に示す。一辺が 10 cmで厚さが 200μm の正方形のプレート形状である。ｐ−型多結晶性シリコンプレートの一方の面を組織化した後、不純物（リン、ヒ素などの原子）をその表面に拡散させて、その表面の外観を変えることなく、ｐ−型多結晶性シリコンをｎ−型にドーピングした。そのとき、そのプレートは、組織化された面を有し、その表面上にｎ−型多結晶性シリコンの薄層２が被覆された、ｐ−型多結晶性シリコンのコア１を含んでいた。層２の厚さは約 0.1μm 〜 1μm であった。こうして、ｎ−ｐ接合が得られた。光線を受けるこの表面を、例えばＴｉＯ₂ の反射防止層３で被覆した。電池の負極を構成する、銀粉末をベースとする集電装置グリッド４を、シルクスクリーンプリントにより付着させた。同様に、反対の面を、電池の正極を構成する集電装置グリッド５で被覆した。
【００４１】
種々の太陽電池の性能を下記方法により評価し、得られた結果を下記表Ｉにまとめる。
【００４２】
電池の電流／電圧特性を、太陽光のスペクトル分布に関して言及した規格 CEI 904-3（または IEC 904-3）に明記されているように、1 kW/m² の入射エネルギー下で、0 mV〜600 mVまで変化する電圧をかけることにより測定した。
【００４３】
この特性を、図６に示す。本発明のサンプルＨに対しては曲線60であり、従来法のサンプルＧに対しては曲線 61 である。こうして、電池により供給されうる電流の最大値Ｉ_max および電圧の最大値Ｖ_max を推定することができる。
【００４４】
短絡電流Ｉ_ccを、室温（25℃）、ゼロ電圧Ｖ＝０で測定した。
【００４５】
光−電流変換効率を、入射光エネルギーに対する復元電気エネルギーの割合として計算した。
【００４６】
【表１】

【００４７】
本発明の太陽電池の性能は、従来技術に対して、光−電流変換効率Ｒが 6.4 %増加している。反射防止層を追加すると、さらに26 %の改善が本発明の電池の使用により得られた。同様に、本発明電池の短絡電流Ｉ_ccは、従来の電池より5.4 % 多かった。
【００４８】
実施例６
各々約 400個の太陽電池を含む二つのバッチを、各々サンプルＪおよびＫに対して工業的に製造した。サンプルＪの製造は、上記実施例５で記載した。サンプルＫは、実施例５のサンプルＧと同様の方法で作ったが、サンプルＪと同様の方法で反射防止層の被覆を行なった。
【００４９】
電池の評価を、電気テストにより行なった。テストは、各電池に450 mVの電圧をかけ、それによって運ばれる電流を測定することから成る。得られる光−電流変換効率Ｒによって、電池をクラスａ〜ｌに分類した。ａは最も高い効率（Ｒが14 %以上）に対応し、クラスｌは、最も低い効率（Ｒが 11.50 %〜11.25%の範囲）を有する電池に対応する。
【００５０】
分布のヒストグラムを図７および８に示す。それらは、各々、サンプルＪおよびＫに対応する。
【００５１】
従来技術によるサンプルＫを使用して製造したバッチでは、クラスｄ（Ｒが 13.50 %〜13.25 % の範囲）が中心であり、電池の大部分は効率がクラスｃ〜ｅ（Ｒが 13.75 %〜13 %の範囲）にある。より高い効率（Ｒが 13.75 %以上）に対応するクラスａおよびｂにある電池は非常に少ないことが認められる。
【００５２】
本発明のサンプルＪを使用したバッチは、大部分の電池の効率がクラスａ〜ｃ（Ｒが 13.50 %以上）にあり、これは、最も高い効率に対応する。
【００５３】
種々の例を実施例のみによって示したが、本発明はもちろん、記載した態様に限定されるものではなく、本発明の精神を逸脱しないならば、当業者に利用できる多くの変更が可能である。特に、方法の種々の工程に対する時間または温度などのパラメトリック条件は、本発明の範囲を超えないならば、変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によって部分的にミクロ組織化されたシリコンの表面組織を示す走査電子顕微鏡（0.5 cm〜 1μm ）による写真である。
【図２】図１と同様であるが、公知の方法によってマクロ組織化されたシリコンの表面組織を示す写真である。
【図３】図１と同様であるが、前化学エッチング工程を含む本発明方法によって組織化したシリコンの表面組織を示す写真である。
【図４】シリコン表面上での入射光線の反射率をその波長の関数として、表面が公知方法または本発明方法のどちらによって組織化されているかに依存して示し、反射率Ｒは、座標の縦軸に %の 10 倍（すなわち、×10 %）でプロットし、入射波の波長Ｌは、座標の横軸に nm でプロットした。
【図５】本発明の太陽電池の図式的断面図である。
【図６】太陽電池のシリコン表面が公知方法または本発明方法のどちらによって組織化されているかに依存して、電流が太陽電池の電圧の関数としてどのように変化するかを示し、電流Ｉは座標の縦軸にmAでプロットし、電圧Ｖは座標の縦軸にmVでプロットした。
【図７】本発明の太陽電池のバッチを工業的に製造した際に得られた光−電流変換効率の分布を示すヒストグラムであり、電池の数Ｎは座標の縦軸にプロットし、変換効率Ｒは横軸に分類して示す（分類はａ〜ｌ）。
【図８】図７と同様であるが、公知方法によって製造した電池のバッチに対する図である。

Claims (10)

1. ｐ−型多結晶性シリコン材料およびその合金の表面の組織化方法であって、該方法が、本質的に下記の二つの工程：
   −フッ素イオンも含む酸化溶液によるシリコン材料の表面の部分的等方性化学酸化によって、シリコン表面に該材料のコアとの界面を定める多孔質層を形成することから構成され、該界面は、深さと直径が０．１０μｍ〜１０μｍで深さと直径との比が１より大きい凹部が形成されたミクロ組織化された表面を有する、第一工程；および
   −該多孔質層を溶解して前記ミクロ組織化された表面を明らかにすることから成る第二工程
   を組み合わせて成ることを特徴とする方法。
2. 溶液が酸水溶液であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 溶液が有機溶液であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 溶液が、クロム酸イオン、臭素酸イオン、硝酸イオン、亜硝酸イオン、アミンイオン、金属レドックス対およびそれらの混合物から選択される酸化剤を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 溶液がさらに阻害剤を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 第二工程が、アルカリ水溶液、エチレングリコールの有機溶液およびヒドラジンの有機溶液から選択される溶液での溶解から成ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 溶解がアルカリ水溶液で行なわれ、そのアルカリ濃度が０．００１Ｍ〜２Ｍの範囲であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. アルカリが、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化アンモニウムおよびそれらの混合物から選択されることを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
9. 第一工程の前に、さらに、アルカリ水溶液によって３０℃より高い温度で該表面の限定的化学エッチングを行なう前工程を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 第二工程の後に、さらに、該表面上に反射防止層を付着させることから成る第三工程を含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。

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