JP5237791B2 - ヘテロ接合太陽電池 - Google Patents

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Description

発明の説明
本発明は、反転した幾何形状の層構造（invertierten Schichtstrukturgeometrie）を有するヘテロ接合太陽電池に関しており、ｐ型又はｎ型ドーピング結晶半導体材料製のアブソーバー（吸収層）と、アブソーバー（吸収層）とは逆にドーピングされたアモルファス半導体材料製のエミッタと、アブソーバー（吸収層）とエミッタとの間のアモルファス半導体材料製の真性（高純度）中間層と、アブソーバー（吸収層）の光と同じ方向の面上のカバー層と、少数荷電坦体（キャリア）を反射する表面電界を形成する層列と、並びに、アブソーバー（吸収層）の光と同じ方向の面上の最小の陰影面を備えた一方のオーミックコンタクト構造と、前記アブソーバー（吸収層）の光とは反対方向の面上の他方のオーミックコンタクト構造とを備えた層構造のヘテロ接合（コンタクト）太陽電池に関する。
従来技術
結晶化シリコンとアモルファスシリコンを有するヘテロ接合太陽電池は、益々技術的な意義が増大しつつある。ヘテロ接合太陽電池の通常の構造については、例えば、Ｋ．Ｂｒｅｎｄｅｌ他の刊行物Ｉ： "Interface properties of a-Si:H/c-Si heterostructures" (Annual Report 2003, Hahn-Meitner-lnstitut, 78/79) から公知である。結晶化したｐ型ドーピングシリコン（ｃ−Ｓｉ（ｐ））及び微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）製の中央のアブソーバー（吸収層）の、光と同じ方向の面上に、水素と「合金」された、乃至、水素を増加したｎ型ドーピングアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｎ＋））製のエミッタ及び透明の導電性の酸化層（ＴＣＯ）がカバー層としてフィンガ状のフロントコンタクトの下側に設けられている。アブソーバー（吸収層）の光と同じ側の表面上のエミッタは、それに相応してアブソーバー（吸収層）に最早達することができない放射を吸収する。光と反対側の下側の面上には、アブソーバー（吸収層）と裏側コンタクトの全面との間に、水素を増加したアモルファスｐ型高ドーピングされたアモルファスシリコン層（ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｐ＋））が、小数荷電坦体（キャリア）を反射する表面電界（裏面電界：Back Surface Field：ＢＳＦ）を形成するために設けられている。
各タイプの太陽電池の場合同様に、エミッタを、アブソーバー（吸収層）の、光と同じ側の表面上に位置決めする公知の幾何形状の層構造のヘテロ接合太陽電池も、太陽電池内に侵入する光エネルギが電磁エネルギに転換される際に損失を生じる。基本的に、アモルファス領域は、当該領域の無秩序な構造に基づいて、結晶化領域よりも劣悪な荷電坦体（キャリア）の輸送特性を示す。変換連鎖での損失過程は、必ずしも、入射放射のフォトンが全て、太陽電池の「活性」領域内で、電子／ホール対に変換されるとは限らない故に生じる。その際、「活性領域」とは、電子及びホールが、充分に大きな寿命により集められ、後続して、オーミックコンタクト系を介して流出することができるような、太陽電池内のゾーンのことである。効率的に作動する太陽電池の必須前提条件は、できる限り大きな放射成分が活性領域内で吸収される点にある。ヘテロ接合太陽電池では、これは、結晶シリコン製のアブソーバー（吸収層）の活性領域であり、他方、それとは異なり、アモルファスシリコン製の高ドーピングエミッタ（この高ドーピングエミッタを通って、光がアブソーバー（吸収層）内に入射する）は、「非活性領域」と呼ばれる。と言うのは、この層内で形成された電子及びホールは、寿命が比較的かなり短く、従って、殆ど集めることができないからである。アモルファスのエミッタ材料の高い吸収係数によって、照射太陽光のかなりの部分がエミッタ内に吸収される。
アブソーバー（吸収層）の光と同じ側の表面上にエミッタを備えた通常の幾何形状の層構造のヘテロ接合太陽電池で、前述の損失過程を低減するために、本発明に最も近い従来技術であるヨーロッパ特許公開第１１８７２２３号公報から、サンヨー社の所謂"ＨＩＴ"太陽電池（Heterojunction with Intrinsic Thin-layer）では、高ドーピングアモルファスシリコン製のエミッタの厚みを低減する（その際、ｐｎヘテロ接合の完全な形成のためには、５ｎｍの最小層厚を維持する必要がある）か、又は、エミッタ内の光吸収を、バンドギャップを拡大することによって低減することが公知である。そのために、エミッタのアモルファスシリコンに、炭素が混合される。ヨーロッパ特許公開第１１８７２２３号公報に開示された、冒頭に記載したようなヘテロ接合太陽電池は、ｎ型ドーピング結晶化シリコンウエーハの層構造を真ん中にアブソーバー（吸収層）として有している。アブソーバー（吸収層）の両側面上には、ヘテロ接合が、各隣接アモルファスシリコン層に対して形成されている。アブソーバー（吸収層）の、光と同じ側の面上には、２つの真性（高純度）中間層、アモルファスのエミッタ及び透明の導電性電極（ＩＴＯ）がカバー層として設けられている。アブソーバー（吸収層）の、光とは反対側の面上には、裏面電界（Back Surface Field：ＢＳＦ）を形成するために、荷電坦体（キャリア）が集められる裏面電極の前に、少なくとも２つの別のアモルファス層が設けられ、この少なくとも２つのアモルファス層のうち、一方は非ドーピングであり、他方はアブソーバー（吸収層）のｎ型（但し、強くドーピングされている）と同じである。両面上に、ヘテロ接合太陽電池は、荷電坦体（キャリア）を集めるＩＴＯ層上に格子状のコンタクト系を有している。
従って、公知のＨＩＴ太陽電池も、劣悪な導電性のアモルファスのエミッタ内に集められた電荷を排出するために、透明の導電層（ＴＣＯ，ＩＴＯ）を、光と同じ側の表面上に有している。Ａ．Ｇ．Ｕｌｙａｓｈｉｎ他の刊行物ＩＩ："The influence of the amorphous silicon deposition temperature on the efficiency ofthe ITO/a-Si:H/c-Si Heterojunction (HJ) solar cells and properties of interfaces" (Thin Solid Films 403-404 (2002) 259-362)から、この透明の導体層を、アモルファスのエミッタ上に析出することは、アモルファスシリコンと結晶化シリコンとの間の境界面（エミッタ／アブソーバー（吸収層））での電子的な特性を劣化させてしまう恐れがあることが分かる。
更に、ドイツ連邦共和国特許公開第１００４５２４９号公報からは、結晶化エミッタが、アブソーバー（吸収層）の、光とは反対側の面上に設けられている結晶化太陽電池が公知である。そこでは、太陽電池は、高い温度での製造過程を用いてストライプ状に形成され、裏面電界ＢＳＦを形成する、逆ドーピングの結晶ストライプでインターリーブされている。この純粋な結晶のインターディジタルの半導体構造は、非常に複雑な製造過程でしか形成することができず、両方のオーミックコンタクト構造が太陽電池の裏側の、光とは反対側の面上に設けられていて、同様に相互にインターリーブされている裏側面コンタクトにしか専ら使われない。アブソーバー（吸収層）の、光の側の表面上に設けられた、被覆部内に統合された反射防止膜の下側に、公知の太陽電池は、更に付加的なパッシベーション層を有しており、このパッシベーション層は、太陽電池の前側の面上で光を発生する荷電坦体（キャリア）の再結合を低減するのに使われるが、付加的な光も吸収する。更に、インターディジタルな太陽電池は、米国特許第４９２７７７０号明細書から非常に小さなエミッタ領域を有するものが公知であり、及び、米国特許第２００４／０２００５２０号明細書から溝内に比較的大きなエミッタ領域が設けられているものが公知である。両方の公知のインターディジタル太陽電池では、光の側の表面上に、パッシベーション層及び反射防止膜の他に、少数荷電坦体（キャリア）を反射する表面電界（Front Surface Field：ＦＳＦ）を形成するためにドーピングされたフロント層も設けられている。殊に、表面電界を形成する層は、強くドーピングされたＳｉ層の場合には、従って、太陽電池の活性領域内への光の入射を強く吸収及び低減し、荷電坦体（キャリア）の収量を低減する。光の側の表面上では、しかし、表面電界ＦＳＦの形成が特に重要である。と言うのは、ここでは、強い光入射によって、高い荷電坦体（キャリア）の形成が生じ、この荷電坦体（キャリア）の再結合を最少にする必要がある。
ドイツ連邦共和国特許公開第１００４２７３３号公報からは、同様に、光が入射する側の面上に透明なガラス上層部分を有する、純粋な結晶の薄膜太陽電池が公知であり、この太陽電池は、アブソーバー（吸収層）とｐ型高ドーピング多結晶シリコン（ｐ＋−ｐｃ−Ｓｉ）製のガラス基板との間にコンタクト層を備えたｐ型ドーピング多結晶アブソーバー（吸収層）（ｐ−ｐｃ−Ｓｉ）を有しており、このｐ型高ドーピング多結晶シリコンは、それと同時に、透明電極及び表面電界ＦＳＦの形成用の層として使われる。しかし、光の側の面上の透明電極によって、表面電界ＦＳＦの形成及び電流収集は、ここでも、入口窓内での吸収損失を被る。機能がガラス上層部分によって担われる必要がある、光の側の面上に反射防止膜は、設けられていない。アブソーバー（吸収層）の、光と反対側の面上には、アブソーバー（吸収層）の直ぐ上に、ｎ型ドーピングされたマイクロ結晶シリコン（ｎ＋−ｕｃ−Ｓｉ）製のエミッタが設けられており、このエミッタの光と反対側の表面上には、アルミニウム層が反射コンタクト層及び電極として設けられている。
発明の課題
ＨＩＴ太陽電池と関連して詳細に上述したような、冒頭に記載したヘテロ接合太陽電池に基づいて、本発明の課題は、光の側の面上に、透明な導電性の電極（ＴＯＣ）を設けないにも拘わらず、通常の幾何形状の層構造を備えた公知のヘテロ接合太陽電池に比肩し得る、太陽エネルギから電流を獲得する際の変換効率を提供するような、できる限り簡単に製造可能な、光学的な損失が僅かなヘテロ接合太陽電池用の幾何形状の層構造を提供することにある。簡単且つコスト上有利な製造方法で、できる限り僅かな材料、時間、特にエネルギを使って製造されたヘテロ接合太陽電池で、できる限り短いエネルギ回収期間（Energieruecklaufzeit）を達成する必要がある。
この課題は、本発明によると、独立請求項記載の各要件によって、つまり、ｐ型又はｎ型ドーピング結晶半導体材料製のアブソーバー（吸収層）と、アブソーバー（吸収層）とは逆にドーピングされたアモルファス半導体材料製のエミッタと、アブソーバー（吸収層）とエミッタとの間のアモルファス半導体材料製の真性（高純度）中間層と、アブソーバー（吸収層）の光と同じ方向の面上のカバー層と、少数荷電坦体（キャリア）を反射する表面電界を形成する層列と、並びに、アブソーバー（吸収層）の光と同じ方向の面上の最小の陰影面を備えた一方のオーミックコンタクト構造と、アブソーバー（吸収層）の光とは反対方向の面上の他方のオーミックコンタクト構造とを備えた層構造のヘテロ接合太陽電池において、反転した幾何形状の層構造（invertierten Schichtstrukturgeometrie）で、エミッタは、アブソーバー（吸収層）の、光とは反対側の下側面上に設けられており、カバー層は、アブソーバー（吸収層）の、光の側の面上に、吸収材料に依存する材料選択により、透明の反射防止膜としても、少数荷電坦体（キャリア）を反射する表面電界としても形成された、前記アブソーバー（吸収層）のパッシベーション層としても形成されており、アブソーバー（吸収層）の、光の側の表面上のオーミックコンタクト構造は、透明の反射防止膜を透過し、別のオーミックコンタクト構造は、大部分、アブソーバー（吸収層）の、光とは反対側の下側面上のエミッタ上に形成されていること解決される。
本発明の有利な変形実施例は、従属請求項に記載されており、以下、本発明と関連して詳細に説明する。
本発明のヘテロ接合太陽電池は、公知のヘテロ接合太陽電池と基本的に異なって、反転した幾何形状の層構造を有しており、従って、反転したヘテロ接合を有している。アモルファスのエミッタは、アブソーバー（吸収層）の、光とは反対側の下側面上に設けられている。アブソーバー（吸収層）の後ろ側では、入射光の強度は、エミッタ内に殆どビームが入らずにアブソーバー（吸収層）で吸収されるので、既に強く低減されており、その結果、吸収損失を僅かに保持することができる。アブソーバー（吸収層）の、光側の表面上では、本発明のヘテロ接合太陽電池では、反射防止特性が改善された、単に唯一の透明な反射防止膜がカバー層として設けられており、この反射防止膜は、材料の選択により、同時に電気的に作用するパッシベーション層として、荷電坦体（キャリア）を散乱させて戻す表面電界（ＦＳＦ）の少数荷電坦体（キャリア）の形成による荷電坦体（キャリア）の再結合を阻止する。反射防止膜の反射防止特性は、空気の屈折率（ｎＬ）よりも大きいが、アブソーバー（吸収層）の結晶化半導体材料の屈折率（ｎＡＢ）よりもちいさな（ｎＬ＜ｎＡＲＳ＜ｎＡＢ）屈折率（ｎＡＲＳ）を有する、当該反射防止膜の材料の選択により形成されている。透明の反射防止膜として、及び、パッシベーション層としてのカバー層の２重の機能によって、殊に、光の側の面上に透明の導電性電極（ＴＣＯ）をなくすことができる。と言うのは、カバー層の、電流導出の機能は、微細なコンタクト格子によって担うことができるからである。更に、別の各層、殊に、高ドーピングＳｉ−ＦＳＦ層をなくすことができ、従って、強く吸収するパッシベーション層、及び、当該パッシベーション層を太陽電池の表面上に前処理しなくてよい。付加的なカバー層をなくすことによって、本発明のヘテロ接合太陽電池で、材料、時間及びエネルギの使用量に関して製造コストを有意義に低減して簡素化することができる。
結晶、ストライプ状のエミッタを、光とは反対側の吸収面上にも有している公知のインターディジタル結晶太陽電池とは異なり、本発明のヘテロ接合太陽電池のアモルファス状態のエミッタは、通り抜け層（durchgaengige Schicht）として構成されており、その結果、本発明のヘテロ接合太陽電池は、簡単に製造することができ、効率的に作動し、簡単にコンタクト接続することができる。更に、ヘテロ接合太陽電池のエミッタは、９００℃以上の温度で、相応のドーピング種を拡散して混入することにより形成されるのではなく、例えば、プラズマ支援の析出によって、２５０℃以下の基板温度で気相（プラズマ化学気相成長:ＰＥＣＶＤ）から形成される。
更に、本発明のヘテロ接合太陽電池では、透明の反射防止膜とエミッタを分離することによって、それらの各層厚を相互に独立して最適に調整することができる。エミッタは、アブソーバー（吸収層）の、光とは反対側の下側面上に、アブソーバー（吸収層）の、光の側の表面上よりも大きな層厚で形成することができ、それにより、良好且つ安定した空間電荷ゾーンを形成することができる。エミッタとアブソーバー（吸収層）との間の活性の接合面の電子的な特性は、それにより改善される。透明の反射防止膜の形成の際、その下側の各層及び当該各層の電子的な特性への影響を考慮する必要はない。
アブソーバー（吸収層）内で生成された荷電坦体（キャリア）は、結晶化アブソーバー（吸収層）とアモルファスのエミッタとの間のヘテロ接合で、空間電荷ゾーン内に分離され、オーミックコンタクト構造を介して排出される。その際、最小化された陰影面で形成されたアブソーバー（吸収層）の光の側の表面上の一方のオーミックコンタクト構造は、透明の反射防止層を貫通して形成されている。他方のオーミックコンタクト構造は、アブソーバー（吸収層）の、光とは反対側の下側面上のエミッタ上に大きな面積で形成されている。有利には、透明の反射防止層を貫通してアブソーバー（吸収層）内に形成されているコンタクト構造の下側にも、荷電坦体（キャリア）を反射するゾーンを形成することができ、その結果、透明の反射防止膜によって生じた荷電坦体（キャリア）を散乱させて戻す表面電界（ＦＳＦ）と共働して、アブソーバー（吸収層）の表面全体に、閉じた表面電界が形成される。エミッタのコンタクト接続のために、透明の導電性の酸化膜（ＴＣＯ：例えば、ＩＴＯ）を電極として最早必要としない。この酸化膜は、アモルファスのエミッタ上に析出する恐れがあり、それにより、ヘテロ接合部での電子特性が劣化してしまう（上記参照）。この技術的な難点は、本発明では、例えば、熱蒸着を介して大面積のコンタクト接続構造を形成するために、大面積の良好なコンタクト接続が可能となるアモルファスのエミッタの軟金属化によって、回避することができる。その際、大面積のコンタクト接続構造は、エミッタの下側面全体をカバーすることができ、又は、マスキング技術を用いることによって、エミッタの比較的大きな面積の領域をカバーすることができる。
特に有利には、アブソーバー（吸収層）が、ｎ型ドーピングされた結晶シリコンから形成され、エミッタが真性、即ち、非ドーピングアモルファス中間層を有するｐ型ドーピングアモルファスシリコンから形成されている場合、反転したヘテロ接合部を有する本発明のヘテロ接合太陽電池で、前述の利点が得られる。そのような材料の選択の際、技術的に良好に制御可能な、ｎ導電型のシリコン製アブソーバー（吸収層）は、単結晶、多結晶又は微結晶製にすることができる、非常に良好な伝搬特性及び荷電坦体（キャリア）の長い寿命のシリコンから形成することができる。そのような材料系の選択の際、表面電界ＦＳＦを形成するパッシベーション層を、従来技術から公知のように、酸化シリコンから形成するのではなく、窒化珪素から形成することができる。その光学屈折率は、空気の屈折率とシリコンの屈折率の間であり、その結果、パッシベーション層は、それと同時に良好に透明な反射防止膜として作用する。相応して２重に機能する透明な反射防止膜は、アブソーバー（吸収層）がｐ導電型にドーピングされている場合にも可能である。前述の材料の屈折率は、空気の屈折率とアブソーバー（吸収層）の屈折率との間にする必要があり、材料は、アブソーバー（吸収層）にパッシベートして作用する必要がある。更に、シリコン製のアブソーバー（吸収層）は、当該アブソーバー（吸収層）の、光とは反対側の下側面上に、簡単に、低温処理で、アモルファスシリコンによってパッシベートすることができ、それにより、非常に僅かな境界面の再結合が形成され、と言うのは、開いた結合、所謂「ダングリングボンド」が、非常に効率的に化学的に飽和して消滅するからである。バンドギャップが結晶シリコンのかなり上側にあるアモルファスシリコンでダングリングボンドが飽和して消滅することによって、非常に良好なｐｎヘテロ接合の接合部が形成される。これに対して、エミッタのアモルファスシリコンは、強い吸収及び再結合特性を示す。従って、活性領域の後ろ側での薄膜エミッタの装置構成は最適である。
更に、一方のオーミックコンタクト構造は、アブソーバー（吸収層）の、光の側の表面上に、銀又はアルミニウム製のコンタクトフィンガ又は格子として構成することができ、他方のオーミックコンタクト構造は、エミッタ上に、平坦な、銀又はそれ以外の適切な金属製の薄膜金属層として構成することができる。両貴金属は、比較的高価ではあるが、その非常に良好な導電特性及び加工特性を優先させるようにして僅かな量が使用される。しかも、大面積の構造では、コスト上もっと有利な金属で、各コンタクトを肉厚にしてもよい。更に、アブソーバー（吸収層）は、自己保持型のウエーハとして、殊にシリコンウエーハとして、比較的大きな層厚で構成するとよい。しかし、本発明の太陽電池は、薄膜技術でも、即ち、ｎｍ〜μｍ領域内の層厚の個別層で構成してもよく、アブソーバー（吸収層）の、光とは反対側の下側面上のガラス基板によって、所要の安定性を得ることができる。別の装置構成、材料系、及び、製造過程について、以下、特定の説明部分を用いて説明する。
実施例の説明
本発明の反転幾何形状の層構造を有するヘテロ接合太陽電池について、以下、図示の実施例を用いて詳細に説明する。
その際：
図１は、ヘテロ接合太陽電池の層構造の横断面図、
図２は、製造されたヘテロ接合太陽電池の暗特性及び明特性のダイアグラム、
図３は、図２のヘテロ接合太陽電池のスペクトル量子収量のダイアグラムである。
図１は、アブソーバー（吸収層）の、光の側の表面ＬＯに光ビーム（自然光又は人工光、可視及び／又は不可視）が入射する（矢印）、アブソーバー（吸収層）ＡＢを備えたヘテロ接合太陽電池ＨＫＳを示す。アブソーバー（吸収層）ＡＢは、ｎ導電型ドーピング結晶シリコンｎ ｃ−Ｓｉ製の層厚ｄＡＢの自己保持型ウエーハから形成されている。その際、用いられているシリコンは、単結晶、多結晶又は微結晶シリコンで形成され、相応に製造することができる。
アブソーバー（吸収層）ＡＢの、光と反対側の表面ＬＯ上には、カバー層ＤＳとして、窒化珪素Ｓｉ３Ｎ４製の透明の反射防止膜ＡＲＳが設けられており、この反射防止膜ＡＲＳは、それと同時に、パッシベーション層ＰＳとしてアブソーバー（吸収層）ＡＢ上に作用し、荷電坦体（キャリア）を散乱させて戻す表面電界ＦＳＦ（図１に破線で示されている）が、光入射面上での荷電坦体（キャリア）再結合を回避するために構成されている。カバー層ＤＳの２重機能は、アブソーバー（吸収層）の材料に依存して材料を選択することによって得られる。透明反射防止膜の反射防止特性は、当該反射防止膜の光屈折率ＨＡＲＳを、空気の屈折率ｎＬとアブソーバー（吸収層）の材料の屈折率ｎＡＢとの間に選択することによって得られる（ｎＬ＜ｎＡＲＳ＜ｎＡＢ）。パッシベーション特性は、選択された材料の、アブソーバー（吸収層）表面への電気的な作用に依存している。アブソーバー（吸収層）ＡＢ上の唯一のカバー層ＤＳによって、吸収による光子の損失は、エミッタＥＭがアブソーバー（吸収層）ＡＢの、光の側の表面ＬＯ上に構成された通常のヘテロ接合太陽電池に較べて著しく低減される。更に、透明な反射防止膜ＡＲＳを形成する際に、その下側に位置している各層及び当該各層の電子的特性を損なう恐れはない。
反転した幾何形状の層構造を有するヘテロ接合太陽電池ＨＫＳの場合、エミッタＥＭは、アブソーバー（吸収層）ＡＢの、光とは反対側の下側面ＬＵ上に設けられている。選択された実施例では、エミッタＥＭは、水素Ｈの成分が増加された、ｐ導電型ドーピングのアモルファスシリコンｐ ａ−Ｓｉ：Ｈから形成されている。アブソーバー（吸収層）ＡＢの後ろ側に、エミッタを反転して位置決めすることによって、エミッタＥＭは光を吸収せず、従って、エミッタの層厚ｄｄｏｔを個別に、殊に充分な厚みに選定することができる。しかし、アモルファスシリコン内での荷電坦体（キャリア）の移動は、結晶シリコン内での荷電坦体（キャリア）の移動よりも非常に僅かであるので、エミッタの層厚ｄｄｏｔをあまり厚くする必要はない。従って、エミッタの層厚ｄｄｏｔは、ヘテロ接合太陽電池ＨＫＳの僅かな直列抵抗に関して最適化することができる。アブソーバー（吸収層）ＡＢとエミッタＥＭとの間の層厚ｄの非常に薄い真性（非ドーピング）中間層ＩＺＳは、選択された実施例では、アモルファスシリコンｉ ａ−Ｓｉ：Ｈから形成されている。
反転した幾何形状の層構造を有するヘテロコンタクト太陽電池ＨＫＳは、当該太陽電池の、光の側の表面上に、アブソーバー（吸収層）ＡＢを最小面積しか陰影をつけず、その結果、最大の光が入射することができるように構成された上側のコンタクト構造ＯＫＳを有している。そのために、コンタクト構造ＯＫＳは、フィンガ又は格子状に構成するとよい。選択された実施例では、上側のコンタクト構造ＯＫＳは、銀Ａｇ製のコンタクト格子ＫＧから形成されている。コンタクト格子ＫＧの領域内には、透明の反射防止膜ＡＲが浸透されており、その結果、コンタクトフィンガの直ぐ下側には、先ず、少数荷電坦体（キャリア）を反射しない表面電界ＦＳＦが形成されている。しかし、コンタクト格子ＫＧの形成の際、選択された実施例で、コンタクト格子ＫＧの下側のアブソーバー（吸収層）ＡＢ内で高いｎドーピングｎ＋堆積に形成する手段（下記参照）を構成することができ、その結果、ここでは、少数荷電坦体（キャリア）を反射する表面電界ＦＳＦ（図１に破線で図示されている）が形成される。従って、アブソーバー（吸収層）ＡＢの表面全体をパッシベートすることができる。
エミッタＥＭの下側面上には、光の入射に晒されない下側コンタクト構造ＵＫＳが設けられている。従って、下側コンタクト構造は、当該下側コンタクト構造の陰影面を最小にする必要もなく、むしろ、導電性がよくないアモルファスエミッタＥＭを、できる限り大きな面積で、別個の荷電坦体（キャリア）を集めるようにコンタクト接続することができる。選択された実施例では、下側コンタクト構造ＵＫＳが、金Ａｕ製の平坦な金属膜ＭＳとして形成されている。
図１に図示されている、反転した幾何形状の層構造を有するヘテロコンタクト太陽電池ＨＫＳは、例えば、以下の経過に従って製造するとよい。しかし、これ以外の製造方法を同様に用いてもよい。
層厚ｄＡＢのアブソーバー（吸収層）ＡＢの形成のための、０．７〜１．５Ωｃｍのｎ型ドーピングシリコンウエーハの、アブソーバー（吸収層）の大きさの部分上に、公知の標準レセプタにより、水素（Ｈ）ターミネート（停止）された表面が湿式化学により調製される。調製された表面上に、続いて３２５℃〜３４５℃でプラズマＣＶＤを用いて、約７０ｍｍ層厚の窒化珪素Ｓｉ３Ｎ４が、透明の反射防止膜ＡＲＳとして析出される。これは、続いて、市販により入手し得る導電性の銀ペーストの注入圧力により、蛍光物質源がコーティングされたコンタクト格子ＫＧにより、６００℃〜８００℃で浸透するとよい（コンタクトを、透明の反射防止膜ＡＲＳによって燃焼する）。その際、コンタクト格子ＫＧの下側に、蛍光物質を局所的に拡散浸透することによって、強ｎ型ドーピング領域ｎ＋が得られ、この強ｎ型ドーピング領域ｎ＋が、小数荷電坦体（キャリア）を反射する表面領域ＦＳＦとして、光を発生する荷電坦体（キャリア）の再結合を低減し、且つ、透明の反射防止膜ＡＲＳにより、コンタクト格子ＫＧの領域内で小数荷電坦体（キャリア）を反射する表面電界ＦＳＦを閉じる。択一的に、透明の反射防止膜ＡＲＳは、コンタクト格子ＫＧとしてアルミニウムが蒸着された、光の側の表面ＬＯ上に、アブソーバー（吸収層）ＡＢのシリコンをオーミックコンタクトすることができるようにするために、例えば、フォトリソグラフィのステップを用いて部分的に開くことができる。
それから、アブソーバー（吸収層）ＡＢの、光とは反対側の下側面ＬＵ上には、この表面のエッチクリーニングステップ後、希薄フッ酸内で同様にプラズマデポジションを用いてアモルファスシリコンが太陽電池ＳＺのエミッタＥＭとして析出される。これは、２つの段階で行われる：先ず、非ドーピングシリコン（ｉ ａ−Ｓｉ：Ｈ）の層厚ｄｉの数ｎｍの薄さの真性中間層ＩＳが成長され、続いて、約１００００ｐｐｍのホウ素でドーピングされた２０ｎｍ−４０ｎｍ厚（層厚ｄｄｏｔ）のエミッタ層（ｐ ａ−Ｓｉ：Ｈ）が堆積される。
エミッタＥＭは、光とは反対側の下側面ＬＵ上に、直ぐ次のステップで、約１５０ｎｍ厚の、金Ａｕ製の金属層ＭＳの蒸着により金属化されており、このようにして、下側のコンタクト構造ＵＫＳが形成され、その際、種々の大きさのマスクを用いることによって、コンタクト構造の横方向の拡がりを形成することができる。
択一的に、このために、このようにして開けられた個所をガリウムインジウム共融混合物ＧａＩｎを塗布し、銀含有の導電性接着剤を用いてしっかり密閉することによって、室温で、Ｓｉ３Ｎ４製の透明の反射防止膜ＡＲＳ上の上側のコンタクト構造ＯＫＳをマニュアルにより調製してもよい。
前述の方法により初めて製造された、図１の反転された幾何形状の層構造を有するヘテロ太陽電池セルＨＫＳは、結晶化シリコンで典型的な外部スペクトル量子効率で（図３は、ｎｍで示した波長λに亘っての外部量子効率ｅＱＡを示す、図２の太陽電池用のスペクトル量子効率を示すダイアグラムを示す）、１１．０５％以上の効率を示す（図２は、Ｖで示した電位Ｐに亘ってのＡ／ｃｍ２での電流密度ＳＤを示す暗特性及び明特性を有するダイアグラム）。比較的高い直列抵抗によって制限される効率は、上側のコンタクト構造ＯＫＳの最適化によって更に明らかに上昇可能である。
公知のヘテロコンタクト太陽電池では、アモルファスのエミッタが、結晶アブソーバー（吸収層）の、光の側の表面上に設けられ、入射光を吸収し、従って、入射光は、荷電坦体（キャリア）形成のためにアブソーバー（吸収層）に寄与することができない。ｐｎ接合部に負に作用するカバー層としての透明の導電性酸化層（ＴＣＯ）を回避することができる。本発明のヘテロコンタクト太陽電池（ＨＫＳ）は、反転した幾何形状の層構造を有しており、従って、反転したヘテロコンタクトを有している。アモルファスのエミッタ（ＥＭ）は、結晶性の吸収層（ＡＢ）の、光とは反対側の下側面（ＬＵ）上に設けられている。吸収層（ＡＢ）は、光と同じ側の上側面（ＬＯ）上に、透明の反射防止層（ＡＲＳ）によってのみ覆われており、当該材料の選択に基づいて、同時に導電作用するパッシベーション層（ＰＳ）として作用する。従って、吸収損失を最小にすることができる。材料、時間及びエネルギ使用に関するエネルギ回収期間を、エミッタ（ＥＭ）及び反射防止層（ＡＲＳ）を低温で２５０℃〜３５０℃でのプラズマＣＶＤ処理によって製造することにより低減することができる。上側のコンタクト構造（ＯＫＳ）は、透明の反射防止層（ＡＲＳ）をフィンガ状に貫通して形成されており、透明の反射防止層は、大きな面積が金属層（ＭＳ）として形成されている。
ヘテロ接合太陽電池の層構造の横断面図 製造されたヘテロ接合太陽電池の暗特性及び明特性のダイアグラム 図２のヘテロ接合太陽電池のスペクトル量子収量のダイアグラム
符号の説明
ＡＢ アブソーバー（吸収層）
ＡＲＳ 透明の反射防止膜
ｄＡＢ アブソーバー（吸収層）の層厚
ｄｄｏｔ ドーピングされたエミッタの層厚
ｄｉ 真性中間層の層厚
ＤＳ カバー層
ＥＭ エミッタ
ＦＳＦ 小数荷電坦体（キャリア）を反射する表面電界
ＨＫＳ ヘテロジニアスなヘテロコンタクト太陽電池
ＩＺＳ 真性中間層
ｉ ａ−Ｓｉ：Ｈ 真性アモルファスシリコン
ＫＧ コンタクト格子
ＬＯ 光の側の表面
ＬＵ 光と反対側の下側面
ＭＳ 金属層
ｎＡＢ アブソーバー（吸収層）の光屈折率
ｎＡＲＳ 反射防止膜の光学的屈折率
ｎ ｃ−Ｓｉｎ−ｎ型ドーピングされた結晶シリコン
ｎＬ 空気の光学屈折率
ＯＫＳ 上側のコンタクト構造
ｐ ａ−Ｓｉ：Ｈｐ ｐ型ドーピングされたアモルファスシリコン
Ｐ 電位
ＰＳ パッシベーション層
ｅＱＡ 外部量子効率
ＳＤ 電流密度
ＵＫＳ 下側のコンタクト構造

Claims (7)

  1. ヘテロ接合太陽電池において、
    該ヘテロ接合太陽電池は、
    ・ ｐ型又はｎ型ドーピング結晶半導体材料製のアブソーバー（ＡＢ）と、
    ・ 前記アブソーバー（ＡＢ）とは逆の型でドーピングされたアモルファス半導体材料製の全面にわたるエミッタ（ＥＭ）とを有しており、
    当該のエミッタ（ＥＭ）は、反転した層構造幾何形状で、アブソーバー（吸収層）（ＡＢ）の光側とは反対側の下側の面（ＬＵ）に配置されており、
    さらに前記ヘテロ接合太陽電池は、
    ・ 前記アブソーバー（ＡＢ）と前記エミッタ（ＥＭ）との間の前記アモルファス半導体材料製の真性の中間層（ＩＺＳ）と、
    ・ 前記アブソーバー（ＡＢ）の光側を向いた上側の面（ＬＯ）に設けられたただ１つのカバー層（ＤＳ）とを有しており、
    当該のカバー層（ＤＳ）は、吸収材料に依存する材料選択により、透明の反射防止膜（ＡＲＳ）としても、また前記アブソーバー（吸収層）（ＡＢ）のパッシベーション層（ＰＳ）としても形成されており、当該のパッシベーション層（ＰＳ）は、少数荷電坦体を反射する表面電界（ＦＳＦ）として構成されており、
    ただし前記のアブソーバー（ＡＢ）の光側を向いた上側面（ＬＯ）には、透明な導電性電極も、高濃度にドーピングされかつ当該上側面（ＬＯ）全面にわたる連続したＳｉ-表面電界（ＦＳＦ）の層も配置されてはおらず、
    さらに前記ヘテロ接合太陽電池は、
    ・ 前記のアブソーバー（ＡＢ）の光側を向いた上側面（ＬＯ）に最小の陰影面を有するオーミックコンタクト構造（ＯＫＳ）を有しており、
    ・ 前記のアブソーバー（ＡＢ）の光側を向いた上側面（ＬＯ）のオーミック構造（ＯＫＳ）は、前記のカバー層（ＤＳ）を貫通しかつコンタクトフィンガ又はコンタクト格子として構成されており、
    さらに前記ヘテロ接合太陽電池は、
    ・ 前記のアブソーバー（ＡＢ）の光側とは反対側を向いた下側面（ＬＵ）にオーミックコンタクト構造（ＵＫＳ）を有しており、当該のオーミックコンタクト構造は、エミッタ（ＥＭ）全面に薄い平面状の金属層（ＭＳ）として構成されていることを特徴とするヘテロ接合太陽電池。
  2. 前記の透明なカバー層（ＤＳ）を貫通するコンタクト構造（ＯＫＳ）の下側のアブソーバー（ＡＢ）内に荷電坦体を反射する領域（ｎ＋）が形成されている、
    請求項１記載のヘテロ接合太陽電池。
  3. 前記アブソーバー（ＡＢ）は、ｎ型ドーピング結晶シリコン（ｎ ｃ−Ｓｉ）製であり、
    前記エミッタ（ＥＭ）は、ｐ型ドーピングアモルファスシリコン（ｐ ｓ−Ｓｉ：Ｈ）製であり、
    前記の真性の中間層（ＩＺＳ）は、非ドーピングアモルファスシリコン（ｉ ａ−Ｓｉ：Ｈ）製である、
    請求項１記載のヘテロ接合太陽電池。
  4. 前記のアブソーバー（ＡＢ）は、自己保持型のウエーハからなる、
    請求項１から３迄の何れか１記載のヘテロ接合太陽電池。
  5. 前記のヘテロ接合太陽電池（ＨＫＳ）の個々の層は、ｎｍからμｍの範囲の層厚でガラス基板に被着され、
    当該のガラス基板は、前記のアブソーバー（ＡＢ）の光側とは反対側の下側面（ＬＵ）に配置されている、
    請求項１から３までのいずれか１項に記載のヘテロ接合太陽電池。
  6. 前記のコンタクトフィンガ又はコンタクト格子（ＫＧ）は、銀（Ａｇ）製であり、
    前記の薄い平面状の金属層（ＭＳ）は金（Ａｕ）製である、
    請求項１から５までのいずれか１項に記載のヘテロ接合太陽電池。
  7. 前記のカバー層（ＤＳ）は、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）製でありかつほぼ70nmの厚さを有する、
    請求項１から６迄の何れか１記載のヘテロ接合太陽電池。
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