JP5274277B2 - 太陽電池素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は太陽電池素子の製造方法に関する。
現在、太陽電池素子の主流製品は、結晶シリコン基板を用いたバルク型の結晶シリコン太陽電池素子である。この結晶シリコン太陽電池素子は、結晶シリコン基板が素子化工程により加工されることで作製される。この結晶シリコン太陽電池素子を複数個接続した構成を有するのが、結晶シリコン太陽電池モジュールである。
結晶シリコン太陽電池素子には、受光面に金属からなる表電極（多くはバスバー及びフィンガーと呼ばれる金属電極からなる）を有するタイプのほか、受光面には電極を設けず、正・負の両電極を非受光面側に配置したいわゆるＢＣ（バックコンタクト）型太陽電池素子がある。
従来のＢＣ型太陽電池素子には、光生成キャリアが結晶粒界に衝突することを抑制でき、さらに出力特性を大きくすることを目的として、多結晶シリコン基板の結晶粒の長手方向が基板の厚さ方向に対して、ほぼ垂直になるように形成したＢＣ型太陽電池素子があった（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、上記構造において電極および拡散領域は櫛歯状に形成され、ｐ型領域とｎ型領域がかなり近接した状態で設けられる。そのため、それぞれ対極の電極が同じ結晶粒界と直接接触することにより、結晶粒界が電極間の橋渡しとなることからリークが起こり易い。また、基板内部にそれぞれ導電型の異なる拡散領域が同じ結晶粒界内に存在することにより、結晶粒界では不純物拡散速度が速いため、それぞれのドーパントが結晶粒界へ拡散して結晶粒界で高濃度のｐ型領域とｎ型領域が接触することからトンネル電流が増大するといった問題があり、十分な出力特性の向上が得られなかった。
本発明は、出力特性の高いＢＣ型の太陽電池素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の太陽電池素子の製造方法は、受光面と該受光面の裏面とを含み、結晶粒の長手方向が基板の厚み方向に対してほぼ垂直となるｎ型を有する多結晶シリコン基板を備え、該多結晶シリコン基板の裏面側にアモルファスシリコンである真性の第一薄膜層を備え、前記多結晶シリコン基板の裏面側の第一領域では、前記第一薄膜層の上にｐ型を示す第二薄膜層と、第一電極とを有し、前記多結晶シリコン基板の裏面側の第二領域では、前記第一薄膜層の上にｎ型を示す第三薄膜層と、第二電極とを有し、前記第一電極と前記第二電極とはそれぞれ、前記多結晶シリコン基板の前記裏面側に複数の電極指を有する櫛歯状電極として形成されており、前記第一電極および前記第二電極の前記電極指の延びる方向が、結晶粒の長手方向に対してほぼ垂直となる太陽電池素子の製造方法であって、キャスト法によって、結晶成長方向の高さが前記多結晶シリコン基板の１辺の長さよりも大きく、ドーパント元素がＰである多結晶シリコンインゴットを得て、該多結晶シリコンインゴットの前記結晶成長方向の高さにおける上部を除去して、下部を前記結晶成長方向に対して平行にスライスして、受光面と該受光面の裏面とを含み、結晶粒の長手方向が基板の厚み方向に対してほぼ垂直であって、比抵抗の範囲が最小ρｂ≧最大ρｂ／２であるｎ型の多結晶シリコン基板を準備する工程と、前記多結晶シリコン基板の裏面側にアモルファスシリコンである真性の第一薄膜層を形成する工程と、前記多結晶シリコン基板の裏面側の第一領域に、前記第一薄膜層の上にｐ型を示す第二薄膜層を形成する工程と、前記多結晶シリコン基板の裏面側の第二領域に、前記第一薄膜層の上にｎ型を示す第三薄膜層を形成する工程と、前記第二薄膜層の上に複数の電極指を有する櫛歯状電極である第一電極を前記電極指の延びる方向が、結晶粒の長手方向に対してほぼ垂直となるように形成する工程と、前記第三薄膜層の上に複数の電極指を有する櫛歯状電極である第二電極を前記電極指の延びる方向が、結晶粒の長手方向に対してほぼ垂直となるように形成する工程と、
を有する。
を有する。
本発明の太陽電池素子の製造方法によれば、電極と結晶粒界とが隔離されるためリークが生じる問題を低減することができる。さらに、接合領域がヘテロ接合により形成されるため、少なくとも一方のドーパントが結晶粒界へ拡散しないことから、トンネル電流が増大するといった問題を低減することができる。
本明細書において、ａＥｎという表記は、ａ×１０ｎを表すものとする。
＜第一の実施の形態＞
≪太陽電池素子≫
図１は、第一の実施形態の太陽電池素子の構造を部分的に示す断面模式図である。図２（ａ）は図１に示す太陽電池素子２０を表面（受光面）側から見た図、図２（ｂ）は太陽電池素子を裏面側から見た図、図２（ｃ）は図２（ｂ）のＲ部分拡大図である。なお、図１、図２をはじめ、各図において図示される構成要素同士のサイズの大小関係は、必ずしも実際の関係を反映しているわけではない。
≪太陽電池素子≫
図１は、第一の実施形態の太陽電池素子の構造を部分的に示す断面模式図である。図２（ａ）は図１に示す太陽電池素子２０を表面（受光面）側から見た図、図２（ｂ）は太陽電池素子を裏面側から見た図、図２（ｃ）は図２（ｂ）のＲ部分拡大図である。なお、図１、図２をはじめ、各図において図示される構成要素同士のサイズの大小関係は、必ずしも実際の関係を反映しているわけではない。
本実施形態の太陽電池素子は、シリコン基板１の裏面側（図１においては下面側）に、不純物がドープされていない真性の第一薄膜層２（ｉ型シリコン薄膜層）が設けられている。また、第一薄膜層２上には、逆導電型を有する第二薄膜層３と一導電型を有する第三薄膜層４とが設けられている。第二薄膜層３上には第一電極５が形成されており、第一薄膜層４上には第二電極６が形成されている。このように本実施形態の太陽電池素子はＢＣ型太陽電池素子である。そして、シリコン基板１の結晶粒９は、その長手方向がシリコン基板１の厚み方向ａに対してほぼ垂直となるように形成されている。本実施形態において、第一領域７とは第一薄膜層２上において、第二薄膜層３と第一電極５が形成された領域をいい、第二領域８とは第一薄膜層２上において、第三薄膜層４が形成された領域をいう。
図１に示した太陽電池素子のシリコン基板１としては、例えば所定のドーパント元素（導電型制御用の不純物）を有して一導電型を有する多結晶シリコン基板１が用いられる。ｐ型の結晶シリコン基板１が用いられる場合、例えばドーパント元素としてＢあるいはＧａが１Ｅ１４〜１Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度ドープされて成る。ｎ型の結晶シリコン基板１が用いられる場合は、例えばドーパント元素としてＰが１Ｅ１４〜１Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度ドープされて成る。なお、板状シリコンが用いられてもよい。このようなシリコン基板１の厚みは、３００μｍ以下であるのが好ましく、２５０μｍ以下であるのがより好ましく、１５０μｍ以下であるのがさらに好ましい。そして、多結晶シリコンインゴットの結晶成長方向に対して平行にスライスすることにより、結晶粒９の長手方向が基板の厚み方向に対してほぼ垂直となるように形成される。以下、本実施の形態においては、半導体基板１としてｎ型シリコン基板が用いられる場合を対象に説明を行う。
図１において、太陽電池素子のシリコン基板１の受光面側（図１においては上面側）はテクスチャ構造（凹凸構造）１ａとされてもよい。
テクスチャ構造（凹凸構造）１ａは、シリコン基板１の表面において入射光の反射率を低減する役割を有しており、シリコン基板１の受光面側に多数の微細な突起１ｂからなる凹凸面を構成する。係る突起１ｂは、幅と高さがそれぞれ２μｍ以下であり、かつアスペクト比（高さ／幅）が０．１以上２以下であるのが好適である。
テクスチャ構造（凹凸構造）１ａは、シリコン基板１の表面において入射光の反射率を低減する役割を有しており、シリコン基板１の受光面側に多数の微細な突起１ｂからなる凹凸面を構成する。係る突起１ｂは、幅と高さがそれぞれ２μｍ以下であり、かつアスペクト比（高さ／幅）が０．１以上２以下であるのが好適である。
反射防止層１１は、入射光の反射を低減する役割を有するものであり、シリコン基板１の受光面上に形成されている。反射防止層１１は、窒化珪素膜（ＳｉＮｘ膜（Ｓｉ３Ｎ４ストイキオメトリを中心にして組成比（ｘ）には幅がある））あるいは酸化物材料膜（ＴｉＯ２膜、ＭｇＯ膜、ＩＴＯ膜、ＳｎＯ２膜、ＺｎＯ膜、ＳｉＯｘ膜）などによって形成されるのが好適である。なお、反射防止層１１を構成する膜に表面パッシベーション効果を有する膜を使用してもよく、または、シリコン基板と反射防止膜の間に水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）膜あるいは水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）膜、ＳｉＣ膜、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜の単層または積層によって形成されるパッシベーション膜を設けてもよい。
ｉ型シリコン薄膜層２は、ｉ型の水素化アモルファスシリコン膜（ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｉ）膜）あるいはｉ型の水素化微結晶シリコン薄膜（μｃ−Ｓｉ：Ｈ（ｉ）膜）によって、厚みが０．５〜１０ｎｍ程度で形成されるのが好適である。
第二薄膜層（p型シリコン薄膜層）３は、第一領域（ｐ型領域）７となるｉ型シリコン薄膜層２a上に、例えばドーパントとしてBがドープされてなるp型の水素化アモルファスシリコン膜（ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｐ）膜）あるいはｐ型の水素化微結晶シリコン膜（μｃ−Ｓｉ：Ｈ（ｐ）膜）によって、厚みが５〜５０ｎｍ程度、ドーパント濃度が１Ｅ１８〜１Ｅ２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度で形成されるのが好適である。
第三薄膜層（ｎ型シリコン薄膜層）４は、第二領域（ｎ型領域）８となるｉ型シリコン薄膜層２ｂ上に、例えばドーパントとしてＰがドープされてなるｎ型の水素化アモルファスシリコン膜（ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｎ）膜）あるいはｎ型の水素化微結晶シリコン膜（μｃ−Ｓｉ：Ｈ（ｎ）膜）によって、厚みが５〜５０ｎｍ程度、ドーパント濃度が１Ｅ１８〜１Ｅ２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度で形成されるのが好適である。
なお、本明細書における微結晶シリコンとは、結晶シリコン粒の結晶粒界をアモルファスシリコンが埋めている状態のシリコンを指し示すものとする。
なお、本明細書における微結晶シリコンとは、結晶シリコン粒の結晶粒界をアモルファスシリコンが埋めている状態のシリコンを指し示すものとする。
これによって、ｎ型である多結晶シリコン基板１とｉ型シリコン薄膜層２及びp型シリコン薄膜層３、ｎ型シリコン薄膜層４によって、いわゆるヘテロ接合が形成される。
第一電極（正電極）５および第二電極（負電極）６は、図２（ｂ）に示す半導体基板１の裏面側に、複数の電極指を有する櫛歯状の出力取出電極として設けられている。第一電極５は、第二薄膜層３上に設けられており、第二電極６は第三薄膜層４上に設けられており、それぞれ、太陽電池素子をモジュール化する際に異なる太陽電池素子と接続するための配線が接続されるバスバー部５ａ、６ａと、それぞれのバスバー部５ａ、６ａから延在し、所定間隔で交互に位置する複数のフィンガー部５ｂ、６ｂとを含んで構成される。第一電極のフィンガー部５ｂと第二電極のフィンガー部６ｂの幅は、０．１〜２ｍｍとされ、第一電極のフィンガー部５ｂと第二電極のフィンガー部６ｂとの間隔は、０．１〜０．５ｍｍとされる。
また、正電極５および負電極６は、例えば、シリコン薄膜層上に透光性導電層を形成し、さらに導電層を形成した構成を有する。透光性導電層はシリコン薄膜層と導電層との接着強度を高める役割を有する。さらに、受光面側から入射する入射光のうちシリコン基板１を透過する成分、例えば９００ｎｍ以上の長波長光をより高い反射率で反射させて、シリコン基板１に再入射させる役割も有する。透光性導電層として、例えば、ＩＴＯ膜、ＳｎＯ２膜、ＺｎＯ膜などが用いられ、その厚みは５〜１００ｎｍ程度であるのが好適である。導電層は、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ等を主成分として単層または複層に形成される。導電層の厚みは０．１〜３μｍ程度であるのが好適であるが、さらに抵抗を低減するために厚く形成しても構わない。
また、必要に応じて、正電極５及び負電極６の上に、半田領域を形成してもよい。
第一の実施形態の太陽電池素子は、図２（ａ）に示されるように、シリコン基板１の結晶粒９の長手方向が基板の厚み方向ａに対してほぼ垂直となるように形成されている。また、図２（ｃ）に示されるように第一電極のフィンガー部５ｂおよび第二電極のフィンガー部６ｂの延びる方向が、結晶粒９の長手方向に対してほぼ垂直となるように形成されている。光生成キャリアはシリコン基板１の内部を横方向に拡散および移動して、接合部分に到達しなければ、光電流として取出すことができないが、基板の主表面にほぼ垂直に結晶粒界１０を設けないように形成されていることから、光生成キャリアが結晶粒界１０に衝突することを減少させることができる。すなわち、形成された光生成キャリアのうち、結晶粒界に衝突せずに接合の部分に到達する光生成キャリアを多くすることができる。
そして、第一電極５および第二電極６はシリコン基板１との間に第一薄膜層２が介在していることから、第一電極５および第二電極６が結晶粒界１０と隔離されるためにリークが生じる問題を低減することができる。さらに、接合領域がヘテロ接合により形成されるため、従来のようにドーパントが接合領域内に拡散しないため、高濃度のｐ型領域とｎ型領域とが結晶粒界１０を通して接触することがなく、トンネル電流の増大を低減することができる。さらには、基板裏面表面に水素化アモルファスシリコン膜（第一薄膜層２）を形成することによって、水素を拡散し、結晶粒界１０を水素パッシベーションすることができるため、さらに出力特性を向上させることができる。
以上の理由から、第一の実施形態の太陽電池素子は出力特性が高い高効率な太陽電池素子を得ることができる。
≪太陽電池素子の製造方法≫
第一の実施形態に係る太陽電池素子の製造方法は、結晶粒の長手方向が基板の厚み方向に対してほぼ垂直となる一導電型を有する多結晶シリコン基板を準備し、シリコン基板１の裏面側に真性の第一薄膜層２を形成する工程と、シリコン基板１の裏面側の第一領域７に、第一薄膜層２の上に逆導電型を示す第二薄膜層３を形成する工程と、シリコン基板１の裏面側の第二領域８に、第一薄膜層２の上に一導電型を示す第三薄膜層４を形成する工程と、第二薄膜層３の上に第一電極５を形成する工程と、第三薄膜層４の上に第二電極６を形成する工程と、を有する。
第一の実施形態に係る太陽電池素子の製造方法は、結晶粒の長手方向が基板の厚み方向に対してほぼ垂直となる一導電型を有する多結晶シリコン基板を準備し、シリコン基板１の裏面側に真性の第一薄膜層２を形成する工程と、シリコン基板１の裏面側の第一領域７に、第一薄膜層２の上に逆導電型を示す第二薄膜層３を形成する工程と、シリコン基板１の裏面側の第二領域８に、第一薄膜層２の上に一導電型を示す第三薄膜層４を形成する工程と、第二薄膜層３の上に第一電極５を形成する工程と、第三薄膜層４の上に第二電極６を形成する工程と、を有する。
＜シリコン基板の準備工程＞
まずｎ型の導電型を有するシリコン基板１を準備する。図５に示されるようにキャスト法や鋳型内凝固法などにより作製された多結晶シリコンインゴット１４を結晶成長方向に対して平行に切り出すことで、結晶粒９の長手方向が基板の厚み方向に対してほぼ垂直となる多結晶シリコン基板を得ることができる。このようなｎ型の導電型を有する結晶シリコン基板は、ドーパント元素としてＰを１Ｅ１３〜１Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、より好ましくは１Ｅ１４〜１Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度ドープされて成る。
まずｎ型の導電型を有するシリコン基板１を準備する。図５に示されるようにキャスト法や鋳型内凝固法などにより作製された多結晶シリコンインゴット１４を結晶成長方向に対して平行に切り出すことで、結晶粒９の長手方向が基板の厚み方向に対してほぼ垂直となる多結晶シリコン基板を得ることができる。このようなｎ型の導電型を有する結晶シリコン基板は、ドーパント元素としてＰを１Ｅ１３〜１Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、より好ましくは１Ｅ１４〜１Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度ドープされて成る。
しかし、シリコン融液中のドーパント元素は凝固成長に際して偏析現象により一定の比率でシリコン固体結晶中に取り込まれていくため、結晶成長方向において比抵抗値（ρｂ）の変動を生じる。特に、Ｐの偏析係数は０．３５とＢの偏析係数に比べかなり小さく、多結晶シリコンインゴット１４の高さ方向において大きく比抵抗が異なる。つまり、切り出した多結晶シリコン基板は比抵抗のバラツキが大きくなる。そのため、多結晶シリコン基板の比抵抗の範囲が最小ρｂ≧最大ρｂ／２となるように、多結晶シリコンインゴット１４の高さを多結晶シリコン基板の１辺の長さよりも大きく調整し、多結晶シリコンインゴット１４の上部を除去して、多結晶シリコンインゴット１４の下部を結晶成長方向に対して平行にスライスする。なお、多結晶シリコンインゴット１４の上部は、ウェットエッチングやブラスト処理などにより、最表面に偏析している不純物を除去して、次のシリコンインゴットを作製する原料として再利用される。
なお、切り出し（スライス）に伴うシリコン基板１の表層部の機械的ダメージ層や汚染層を除去するために、切り出したシリコン基板１の表面側及び裏面側の表層部をＮａＯＨやＫＯＨ、あるいはフッ酸と硝酸の混合液などでそれぞれ１０〜２０μｍ程度エッチングし、その後、純水などで洗浄することで、有機成分や金属成分を除去しておくようにする。加えて、希フッ酸処理＋純水リンス処理によって、次述する工程でシリコン薄膜層が形成される側の面を水素で終端させておくことが好ましい。係る場合、シリコン基板１とシリコン薄膜層との間に、品質の優れたヘテロ接合界面をより容易に形成することができる。
＜第一薄膜層の形成工程＞
次に、シリコン基板の非受光面側に、真性の第一薄膜層であるｉ型シリコン薄膜層２を形成する。具体的には、ｉ型シリコン薄膜層２として、ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｉ）膜あるいはμｃ−Ｓｉ：Ｈ（ｉ）膜）を形成する。なお、必要に応じて、ｉ型シリコン薄膜層２が形成される基板面をクリーニングガスで処理する態様であってもよい。例えば、ＣＦ４、ＳＦ６等のガスプラズマで基板上の該形成面を微量エッチング処理すると、表面を好適に清浄化することができる。
次に、シリコン基板の非受光面側に、真性の第一薄膜層であるｉ型シリコン薄膜層２を形成する。具体的には、ｉ型シリコン薄膜層２として、ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｉ）膜あるいはμｃ−Ｓｉ：Ｈ（ｉ）膜）を形成する。なお、必要に応じて、ｉ型シリコン薄膜層２が形成される基板面をクリーニングガスで処理する態様であってもよい。例えば、ＣＦ４、ＳＦ６等のガスプラズマで基板上の該形成面を微量エッチング処理すると、表面を好適に清浄化することができる。
ｉ型シリコン薄膜層２の形成方法としては、ＣＶＤ法、特に、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）法やＣａｔ−ＣＶＤ法などを好適に用いることができる。特に、Ｃａｔ−ＰＥＣＶＤ法を用いれば、極めて品質の高いシリコン薄膜層を形成することが可能であるので、シリコン基板１とシリコン薄膜層との間に形成されるヘテロ接合の品質が向上する。これにより、太陽電池素子の高特性・高歩留まりをより実現し易くなる。
これらＣＶＤ法を用いる場合、シランと水素とを原料ガスとして用いればよい。
また、その際の成膜条件としては、プラズマＣＶＤ法を用いる場合、電力密度を調整し、Ｃａｔ−ＣＶＤ法を用いる場合、熱触媒体の種類、温度を調整し、Ｃａｔ−ＰＥＣＶＤ法を用いる場合、電力密度および熱触媒体の種類、温度を調整する。具体的には、基板温度を１００℃〜３００℃（例えば２００℃程度）、ガス圧力を１０Ｐａ〜５００Ｐａ、熱触媒体としてタングステン等を使用する場合、熱触媒体の温度を１５００℃〜２０００℃、電力密度を０．０１Ｗ／ｃｍ２〜１Ｗ／ｃｍ２とする。これにより、極めて品質の高いシリコン薄膜層を２００℃程度という比較的低温でかつ短時間で形成することができる。
＜第二薄膜層の形成工程＞
次に、ｉ型シリコン薄膜層２の上に、逆導電型を有する第二薄膜層であるｐ型シリコン薄膜層３を形成する。具体的には、ｐ型シリコン薄膜層３として、ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｐ）膜あるいはμｃ−Ｓｉ：Ｈ（ｐ）膜を形成する。これによって基板／薄膜層間にヘテロ接合が形成される。
次に、ｉ型シリコン薄膜層２の上に、逆導電型を有する第二薄膜層であるｐ型シリコン薄膜層３を形成する。具体的には、ｐ型シリコン薄膜層３として、ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｐ）膜あるいはμｃ−Ｓｉ：Ｈ（ｐ）膜を形成する。これによって基板／薄膜層間にヘテロ接合が形成される。
ｐ型シリコン薄膜層の形成方法としては、第一薄膜層２と同様に、ＣＶＤ法、特に、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）法やＣａｔ−ＣＶＤ法などを第一薄膜層の形成工程と同様の条件で好適に用いることができる。
なお、第一領域７のみに第二薄膜層３を形成する場合には形成領域以外を覆うようにメタルマスクを形成し、第二薄膜層形成後、不必要な薄膜層をメタルマスクとともに除去すればよい。
＜第三薄膜層の形成工程＞
次に、ｉ型シリコン薄膜層２の上に、一導電型を有する第三薄膜層であるｎ型シリコン薄膜層４を形成する。具体的には、ｎ型シリコン薄膜層４として、ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｎ）膜あるいはμｃ−Ｓｉ：Ｈ（ｎ）膜を形成する。
次に、ｉ型シリコン薄膜層２の上に、一導電型を有する第三薄膜層であるｎ型シリコン薄膜層４を形成する。具体的には、ｎ型シリコン薄膜層４として、ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｎ）膜あるいはμｃ−Ｓｉ：Ｈ（ｎ）膜を形成する。
ｎ型シリコン薄膜層４の形成方法としては、第一薄膜層２と同様に、ＣＶＤ法、特に、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）法やＣａｔ−ＣＶＤ法などを第一薄膜層の形成工程と同様の条件で好適に用いることができる。
なお、第二領域８のみに第三薄膜層４を形成する場合には形成領域以外を覆うようにメタルマスクを形成し、第三薄膜層形成後、不必要な薄膜層をメタルマスクとともに除去すればよい。
＜第一電極、第二電極の形成工程＞
次に、ｐ型シリコン薄膜層３、ｎ型シリコン薄膜層４上に導電層を形成する。特に、上述した透光性導電層を形成した上で、導電層を形成すると、光学的反射率が向上するため好ましい。
次に、ｐ型シリコン薄膜層３、ｎ型シリコン薄膜層４上に導電層を形成する。特に、上述した透光性導電層を形成した上で、導電層を形成すると、光学的反射率が向上するため好ましい。
透光性導電層は、スパッタ法、蒸着法、イオンプレーティング法、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ゾルゲル法、あるいは液状にした原料を噴霧加熱する方法やインクジェット法などを用いて形成することができる。例えば、透光性導電層としてのＩＴＯ膜、またはＺｎＯ膜をスパッタ法により形成する場合であれば、ＳｎＯ２を０．５ｗｔ％〜４ｗｔ％ドープしたＩＴＯターゲット、またはＡｌを０．５ｗｔ％〜４ｗｔ％ドープしたＺｎＯターゲットを用いて、ＡｒガスまたはＡｒガスとＯ２ガスの混合ガスを流し、基板温度が２５℃〜２５０℃、ガス圧力が０．１〜１．５Ｐａ、電力が０．０１ｋＷ〜２ｋＷという条件でスパッタ処理を行うのが好適な一例である。なお、第一電極と第二電極を隔離するために、形成領域以外を覆うようにメタルマスクを形成し、透光性導電膜形成後、不必要な透光性導電膜をメタルマスクとともに除去すればよく、または形成後エッチングにより除去しても良い。
導電層は、スパッタ法、蒸着法、イオンプレーティング法、インクジェット法等を用いて形成することができる。特に、加熱温度を低く抑えることができ、また、加熱時間を短くでき、接着力が高いという観点から、スパッタ法を用いることが好ましい。例えば、導電層としてのＡｇ膜、またはＡｌ膜をスパッタ法により形成する場合、それぞれ銀またはアルミニウムのターゲットを用いて、ＡｒガスまたはＡｒガスとＯ２ガスの混合ガスを流し、基板温度が２５℃〜２５０℃、ガス圧力が０．１〜１．５Ｐａ、電力が０．０１ｋＷ〜２ｋＷという条件でスパッタ処理を行うのが好適な一例である。なお、第一電極と第二電極を隔離するために、上記と同様にメタルマスクを形成するか、形成後エッチングにて除去すればよい。また、印刷法などの塗布法によってＡｇやＡｌ等の金属粉末と有機成分とを混成した金属ペーストからなる電極パターンを形成し、その後焼成することによって形成してもよい。このときシリコン薄膜層にダメージを与えないために、２００℃近傍で硬化する樹脂系のバインダを使用する。このような樹脂系のバインダとしては、エポキシ樹脂，フェノール樹脂，ウレタン樹脂，ポリエステル樹脂の中の一つまたは複数のものを使用できる。焼成は約１時間程度行えばよい。また、メッキ法によってＣｕ膜を形成してもよく、上記製法を組み合わせて形成しても構わない。
＜テクスチャ構造の形成工程＞
次に、シリコン基板１の表面（受光面）側に、エッチング法によりテクスチャ構造１ａを形成することが好ましい。
次に、シリコン基板１の表面（受光面）側に、エッチング法によりテクスチャ構造１ａを形成することが好ましい。
テクスチャ構造１ａの形成方法としては、アルカリ水溶液によるウェットエッチング法や、エッチングガスを用いるドライエッチング法を用いることができる。なお、ウェットエッチング法の場合は、上記薄膜層を形成する前に行う方が好ましい。
ドライエッチング法を用いる場合は、処理面側（受光面側）にだけ微細なテクスチャ構造１ａを形成することができる。本実施の形態に係る太陽電池素子２０ＡのようなＢＣ型太陽電池素子の場合、ドライエッチング法を用いることによって半導体基板１の受光面側にのみテクスチャ構造が形成されるようにすれば、ｎ／ｐあるいはｐ／ｐ＋接合の形成箇所にテクスチャ構造が形成されることはないので、これらの接合部に起因するダイオード電流の電流密度（≒暗電流密度）や、導電層界面起源のダイオード電流の電流密度が小さい、より特性の優れた太陽電池素子を得ることができる。また、ウェットエッチング法を用いる場合、裏面側にマスクを形成した後、エッチングを行っても良い。
ここで、ドライエッチング法には様々な手法があるが、特に、ＲＩＥ法（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ法）を用いると、広い波長域に渡って極めて低い光反射率に抑えられる微細なテクスチャ構造１ａを広い面積に渡って短時間で形成することができる。
ＲＩＥ法を用いる場合、例えば、塩素ガス（Ｃｌ２）、酸素ガス（Ｏ２）、及び六フッ化硫黄ガス（ＳＦ６）を、１：５：５程度の混合比となるようにエッチング装置のエッチング室（チャンバー）に処理対象の基板を導入し、反応ガス圧力を７Ｐａ程度、プラズマ生成のためＲＦパワー密度を５ｋＷ/ｍ２程度として、５分間程度エッチング処理を行うことで、テクスチャ構造１ａを良好に形成することができる。なお、ガス流量等の示量変数はチャンバーのサイズに依存する。なお、必要に応じて、上記の混合ガスにさらに三フッ化メタンガス（ＣＨＦ３）やＨ２Ｏガスを適量混合させてもよい。
なお、テクスチャ構造１ａの形成をこの段階で行うことは必須の態様ではなく、例えば、シリコン薄膜層の形成前に行ってもよいし、電極を形成した後に行う態様であっても構わない。なお、ウェットエッチング法を用いる場合は、先に述べた基板表層部のダメージ層を除去するプロセスに連続してテクスチャ構造１ａを形成することができる。
＜反射防止層の形成工程＞
次にシリコン基板１の受光面側に反射防止層１１を形成する。
反射防止層１１は、ＰＥＣＶＤ法、蒸着法、スパッタ法などを用いて形成することができる。反射防止層１１を形成する場合、成膜温度は、４００℃以下、より好ましくは３００℃以下とする。なお、反射防止層１１がパッシベーション層を兼用するようにしてもよい。
次にシリコン基板１の受光面側に反射防止層１１を形成する。
反射防止層１１は、ＰＥＣＶＤ法、蒸着法、スパッタ法などを用いて形成することができる。反射防止層１１を形成する場合、成膜温度は、４００℃以下、より好ましくは３００℃以下とする。なお、反射防止層１１がパッシベーション層を兼用するようにしてもよい。
＜半田の形成工程＞
必要であれば、さらに、半田ディップ処理によって、第一電極５及び第二電極６上に半田領域を形成する態様であってもよい。
以上のような手順によって、太陽電池素子が作製される。
必要であれば、さらに、半田ディップ処理によって、第一電極５及び第二電極６上に半田領域を形成する態様であってもよい。
以上のような手順によって、太陽電池素子が作製される。
＜第二の実施の形態＞
図３は、第二の実施形態の太陽電池素子の構造を部分的に示す断面模式図である。なお、太陽電池素子の構成要素のうち、第一の実施の形態に係る太陽電池素子の構成要素と同様の作用効果を奏するものについては、同一の符号を付してその説明を省略する。
図３は、第二の実施形態の太陽電池素子の構造を部分的に示す断面模式図である。なお、太陽電池素子の構成要素のうち、第一の実施の形態に係る太陽電池素子の構成要素と同様の作用効果を奏するものについては、同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施形態の太陽電池素子のシリコン基板１は、裏面側（図３においては下面側）の第二の領域８において、内部に拡散層１２を有する。また、シリコン基板１の裏面側には、第一薄膜層２（ｉ型シリコン薄膜層）が設けられており、第一領域７における第一薄膜層２上には、逆導電型を有する第二薄膜層３と第一電極５とが順次積層されている。また、第一薄膜層２は、第二領域８において、第一薄膜層２は貫通孔を有しており、貫通孔内に露出した拡散層１２上と第一薄膜層２上とに第二電極６が形成されている。このように本実施形態の太陽電池素子はＢＣ型太陽電池素子である。
以下、本実施の形態においては、半導体基板１としてｎ型シリコン基板が用いられる場合を対象に説明を行う。
以下、本実施の形態においては、半導体基板１としてｎ型シリコン基板が用いられる場合を対象に説明を行う。
ｎ型拡散層１２は、第二領域８となるシリコン基板表面に、例えばドーパントとしてＰ（リン）が基板内部にドープされ、深さが０．２μｍ〜０．５μｍ程度、ドーパント濃度が１Ｅ１８〜１Ｅ２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度で形成されるのが好適である。
これによって、ｎ型である多結晶シリコン基板１とｉ型シリコン薄膜層２及びp型シリコン薄膜層３によって、いわゆるヘテロ接合が形成される。
第二の実施形態の太陽電池素子は、第一の実施形態の太陽電池素子と同様に、シリコン基板１の結晶粒９の長手方向が基板の厚み方向に対してほぼ垂直となるように形成されている。また、第一電極の第二の線部５ｂおよび第二電極の第二の線部６ｂの延びる方向が、結晶粒９の長手方向に対してほぼ垂直となるように形成されている。上記構成により形成された光生成キャリアのうち、結晶粒界に衝突せずに接合の部分に到達する光生成キャリアを多くすることができる。
そして、第一電極５はシリコン基板１との間に第一薄膜層２が介在していることから、第二電極６が結晶粒界１０と接触しているものの第一電極５が結晶粒界１０と隔離されるためにリークが生じる問題を低減することができる。さらに、接合領域がヘテロ接合により形成されるため、逆導電型のドーパント（ｐ型）は接合領域内に拡散しないため、高濃度ｎ型領域は形成されるものの結晶粒界１０を通してｐ型領域と接触することがなく、トンネル電流の増大を低減することができる。さらには、基板裏面表面に水素化アモルファスシリコン膜（第一薄膜層２）を形成することによって、水素を拡散し、結晶粒界１０を水素パッシベーションすることができるため、さらに出力特性を向上させることができる。
また、第二電極６は第一薄膜層２を介して第一拡散層１２と接続してもよい。
また、図３においては第一拡散層１２上に第一薄膜層２が形成されているが、図４（ａ）に示すように、第一拡散層１２上に第一薄膜層２を設けなくてもよい。さらに、図４（ｂ）に示すように、シリコン基板１の受光面側に第二拡散層１３を形成してもよく、受光面側に移動してきた光生成キャリアを反射し、接合領域に到達するキャリア量を増加させることができる。さらに、図４（ｃ）に示すように、第一拡散層の上に第三薄膜層４を形成し、その上に第二電極６を形成してもよく、ＢＳＦ効果が高まり少数キャリアの再結合を低減することができる。
以上の理由から、第二の実施形態の太陽電池素子は出力特性が高い高効率な太陽電池素子を得ることができる。
第二の実施形態に係る太陽電池素子の製造方法は、結晶粒の長手方向が基板の厚み方向に対してほぼ垂直となる一導電型を有する多結晶シリコン基板１を準備し、シリコン基板１の裏面側の第二領域８に、一導電型を示す第一拡散層１２を形成する工程と、シリコン基板１の裏面側に真性の第一薄膜層２を形成する工程と、多結晶シリコン基板の裏面側の第一領域７に、第一薄膜層２の上に逆導電型を示す第二薄膜層３を形成する工程と、第二薄膜層の上に第一電極５を形成する工程と、第一拡散層１２の上に第二電極６を形成する工程と、を有する。なお、以下第一の実施形態と同様の内容については省略し、変更部分のみ説明を行う。
＜第一拡散層の形成工程＞
第一の実施形態と同様にシリコン基板を準備した後、シリコン基板１の非受光面側に、第一拡散層であるｎ型拡散層１１を形成する。具体的にはシリコン基板中にＰを拡散させる。
第一の実施形態と同様にシリコン基板を準備した後、シリコン基板１の非受光面側に、第一拡散層であるｎ型拡散層１１を形成する。具体的にはシリコン基板中にＰを拡散させる。
ｎ型拡散層１１の形成方法として、ペースト状態にしたＰ２Ｏ５をシリコン基板１表面に塗布して熱拡散させる塗布熱拡散法、ガス状態にしたＰＯＣｌ３（オキシ塩化リン）を拡散源とした気相熱拡散法、及び直接拡散させるイオン打ち込み法などによって形成される。なお、第二領域８のみに拡散層を形成する場合には、形成領域以外に予め拡散防止膜を形成したり、その部分を後からエッチングして除去すればよい。
また、シリコン基板１の受光面側に第二拡散層１３を形成する場合においても、上記と同様の方法を用いればよく、気相熱拡散法であれば受光面と非受光面の両方同時に拡散層を形成することができる。
次に、第一の実施形態と同様にシリコン基板１の非受光面側に、第二領域８の少なくとも一部を除いてｉ型シリコン薄膜層２を形成し、第一領域７においてｉ型シリコン薄膜層２の上にｐ型シリコン薄膜層３を形成する。そして、ｐ型シリコン薄膜層３、ｎ型拡散層１１上に導電層を設けて第一電極５、第二電極６とが形成されることによって、太陽電池素子が作製される。
≪太陽電池モジュール≫
太陽電池モジュールは、複数の太陽電池素子を直列および並列に接続することで構成される。
太陽電池モジュールは、複数の太陽電池素子を直列および並列に接続することで構成される。
図６は、図１の太陽電池素子２０を複数用いて構成された太陽電池モジュール３０の構成を概略的に示す図である。図６（ａ）は太陽電池モジュール３０の断面図であり、図６（ｂ）は太陽電池モジュール３０を表面（受光面）側から見た平面図である。
図６（ａ）に示すように、太陽電池モジュール３０は、例えば、ガラスなどの透明部材２２と、透明のエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）などからなる表側充填材２４と、配線部材２１によって隣接する太陽電池素子の第一電極１１と第二電極１２とを交互に接続して成る複数の太陽電池素子２０と、ＥＶＡなどからなる裏側充填材２５と、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）や金属箔をポリフッ化ビニル樹脂（ＰＶＦ）で挟みこんだ裏面保護材２３と、を主として備える。隣接する太陽電池素子２０同士は、例えば、厚さ０．１〜０．２ｍｍ程度、幅２ｍｍ程度の銅箔の全面を半田材料によって被覆された配線部材２１が用いられる。
また、直列接続された複数の太陽電池素子２０のうち、最初の太陽電池素子２０と最後の太陽電池素子２０の電極の一端は、出力取出部である端子ボックス２７に、出力取出配線２６によって接続される。また、図６（ａ）では図示を省略しているが、図６（ｂ）に示すように、本実施形態の太陽電池モジュール３０は、アルミニウムなどの枠２８を備える。
本実施形態の太陽電池モジュール３０は、従来よりも低コストかつ高効率な光電変換素子及び光電変換モジュールとなる。
＜変形例＞
尚、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
尚、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
たとえば、上述の実施形態においては、ｎ型の導電型を有するシリコン基板を用いた場合について説明しているが、これに代えてｐ型の導電型を有するシリコン基板を用いることもできる。この場合、各層の極性を逆にすれば、上述の実施形態と同様の工程で、同様の作用効果を奏する太陽電池素子を得ることができる。
また、上述の実施形態においては、シリコン基板１および薄膜層としてシリコンを例に挙げて説明しているが、本発明においてシリコン基板１および薄膜層の材料はこれに限定されるわけではなく、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、Ｇｅなどの他の半導体材料を用いる場合についても適用することができる。
また、太陽電池素子の形成順序は上記順序に限定されるものではなく、まず受光面側のテクスチャ構造の形成工程、反射防止膜の形成工程を行った後、非受光面側の薄膜形成工程および導電層形成工程を行っても構わない。
１ ：シリコン基板
２ ：第一薄膜層（ｉ型シリコン薄膜層）
３ ：第二薄膜層（ｐ型シリコン薄膜層）
４ ：第三薄膜層（ｎ型シリコン薄膜層）
５ ：第一電極（正電極）
６ ：第二電極（負電極）
１２ ：第一拡散層（ｎ型拡散層）
２０ ：太陽電池素子
２ ：第一薄膜層（ｉ型シリコン薄膜層）
３ ：第二薄膜層（ｐ型シリコン薄膜層）
４ ：第三薄膜層（ｎ型シリコン薄膜層）
５ ：第一電極（正電極）
６ ：第二電極（負電極）
１２ ：第一拡散層（ｎ型拡散層）
２０ ：太陽電池素子
Claims (3)
- 受光面と該受光面の裏面とを含み、結晶粒の長手方向が基板の厚み方向に対してほぼ垂直となるｎ型を有する多結晶シリコン基板を備え、該多結晶シリコン基板の裏面側にアモルファスシリコンである真性の第一薄膜層を備え、前記多結晶シリコン基板の裏面側の第一領域では、前記第一薄膜層の上にｐ型を示す第二薄膜層と、第一電極とを有し、前記多結晶シリコン基板の裏面側の第二領域では、前記第一薄膜層の上にｎ型を示す第三薄膜層と、第二電極とを有し、前記第一電極と前記第二電極とはそれぞれ、前記多結晶シリコン基板の前記裏面側に複数の電極指を有する櫛歯状電極として形成されており、前記第一電極および前記第二電極の前記電極指の延びる方向が、結晶粒の長手方向に対してほぼ垂直となる太陽電池素子の製造方法であって、
キャスト法によって、結晶成長方向の高さが前記多結晶シリコン基板の１辺の長さよりも大きく、ドーパント元素がＰである多結晶シリコンインゴットを得て、該多結晶シリコンインゴットの前記結晶成長方向の高さにおける上部を除去して、下部を前記結晶成長方向に対して平行にスライスして、受光面と該受光面の裏面とを含み、結晶粒の長手方向が基板の厚み方向に対してほぼ垂直であって、比抵抗の範囲が最小ρｂ≧最大ρｂ／２であるｎ型の多結晶シリコン基板を準備する工程と、
前記多結晶シリコン基板の裏面側にアモルファスシリコンである真性の第一薄膜層を形成する工程と、
前記多結晶シリコン基板の裏面側の第一領域に、前記第一薄膜層の上にｐ型を示す第二薄膜層を形成する工程と、
前記多結晶シリコン基板の裏面側の第二領域に、前記第一薄膜層の上にｎ型を示す第三薄膜層を形成する工程と、
前記第二薄膜層の上に複数の電極指を有する櫛歯状電極である第一電極を前記電極指の延びる方向が、結晶粒の長手方向に対してほぼ垂直となるように形成する工程と、
前記第三薄膜層の上に複数の電極指を有する櫛歯状電極である第二電極を前記電極指の延びる方向が、結晶粒の長手方向に対してほぼ垂直となるように形成する工程と、
を有することを特徴とする太陽電池素子の製造方法。 - 前記多結晶シリコン基板を準備する工程において、前記多結晶シリコン基板は、その受光面側にＲＩＥ法によってテクスチャ構造を形成したものを準備することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池素子の製造方法。
- 前記第一薄膜層を形成する工程において、Ｃａｔ−ＰＥＣＶＤ法を用いることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池素子の製造方法。
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