JP5545277B2 - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents
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Description
太陽電池の出力特性は、一般に、ソーラーシミュレーターを用いて出力電流電圧曲線を測定することにより評価される。この曲線上で出力電流Imaxと出力電圧Vmaxとの積、Imax×Vmaxが最大となる点を最大出力Pmaxとよび、該Pmaxを太陽電池に入射する総光エネルギー(S×I:Sは素子面積、Iは照射する光の強度)で除した値:
η={Pmax/(S×I)}×100(%)
が太陽電池の変換効率ηとして定義される。
FF=Pmax/(Isc×Voc)
で定義されるフィルファクタ(曲線因子)により評価でき、該FFの値が1に近いほど出力電流電圧曲線が理想的な角形に近づき、変換効率ηも高められることを意味する。
上記変換効率ηを向上させるには、キャリアの表面再結合を低減させることが重要である。シリコン結晶系太陽電池においては、太陽光の入射光によって光生成した少数キャリアが、主に拡散によってp−n接合面へ到達した後、受光面及び裏面に取り付けられた電極から多数キャリアとして外部へ取り出され、電気エネルギーとなる。
その際、電極面以外の基板表面に存在する界面準位を介して、本来電流として取り出すことのできたキャリアが再結合して失われることがあり、変換効率ηの低下に繋がる。
パッシベーション膜の形成方法としては、主に熱酸化法が用いられ、シリコン基板を酸素雰囲気中又は大気雰囲気中で熱酸化炉内において、900℃以上に加熱し、シリコン基板の表面に酸化膜を形成する。しかし、パッシベーション膜を熱酸化法にて形成する場合、900℃以上という高温でシリコン基板を処理する必要があり、このような高温処理による不純物の再拡散によって、シリコン基板のライフタイムが低下するといった問題が発生する。
R1 2−Al−O−Si−R2 3 (1)
(式中、R1は炭素数1〜4の有機基、R2は加水分解性基又はヒドロキシル基を示す。各R1及びR2は同一でも異なっていてもよい。)
[1]シリコン基板の受光面側に形成されるシリコン基板の導電型とは異なる導電型のp型拡散層と、該p型拡散層上に形成される誘電体膜と、上記p型拡散層に電気的に接続する受光面電極とを有する太陽電池であって、上記p型拡散層と誘電体膜との間に、下記一般式(1)
R1 2−Al−O−Si−R2 3 (1)
(式中、R1は炭素数1〜4の有機基、R2は加水分解性基又はヒドロキシル基を示す。各R1及びR2は同一でも異なっていてもよい。)
で示される化合物、該化合物に対する配合量10〜1000ppmの酸触媒及び溶剤からなる組成物を上記p型拡散層上に塗布し、その後に加熱処理することにより一般式(1)の化合物が加水分解・縮合した硬化膜をパッシベーション膜として有することを特徴とする太陽電池。
[2]シリコン基板の受光面側にシリコン基板の導電型とは異なる導電型のp型拡散層を形成し、次いで誘電体膜を形成した後、上記p型拡散層に電気的に接続する受光面電極を形成する工程を含む太陽電池の製造方法であって、上記誘電体膜の形成前に、上記p型拡散層上に、下記一般式(1)で示される化合物、該化合物に対する配合量10〜1000ppmの酸触媒及び溶剤からなる組成物を塗布し、その後に加熱処理することにより一般式(1)の化合物が加水分解・縮合した硬化膜を形成する工程を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。
R1 2−Al−O−Si−R2 3 (1)
(式中、R1は炭素数1〜4の有機基、R2は加水分解性基又はヒドロキシル基を示す。各R1及びR2は同一でも異なっていてもよい。)
[3]更に、シリコン基板の裏面側の少なくとも一部にシリコン基板の導電型と同じ導電型のn型拡散層を形成し、次いで誘電体膜を形成した後、上記n型拡散層に電気的に接続する裏面電極を形成する工程を含み、上記受光面側の誘電体膜の形成前に、上記受光面側p型拡散層上に、上記硬化膜を形成する工程を有することを特徴とする[2]記載の太陽電池の製造方法。
[4]上記加熱処理温度が80〜200℃である[2]又は[3]記載の太陽電池の製造方法。
[5]上記硬化膜の膜厚は、10〜100nmである[2]乃至[4]のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
[6]上記誘電体膜は、窒化珪素膜、二酸化チタン膜、酸化亜鉛膜、酸化スズ膜、酸化タンタル膜、酸化ニオブ膜、フッ化マグネシウム膜又は酸化アルミニウム膜であることを特徴とする[2]乃至[5]のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
[7]上記誘電体膜をプラズマCVD法により形成することを特徴とする[2]乃至[6]のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
R1 2−Al−O−Si−R2 3 (1)
(式中、R1は炭素数1〜4の有機基、R2は加水分解性基又はヒドロキシル基を示す。各R1及びR2は同一でも異なっていてもよい。)
図1(A)〜(F)は、本発明の太陽電池の製造方法における一実施形態の製造工程を示す概略断面図である。以下、各工程について詳細に説明する。
本発明で用いられるシリコン基板1はn型でもp型でもよいが、図1(A)においてはn型基板を示した。このシリコン単結晶基板はチョクラルスキー(CZ)法及びフロートゾーン(FZ)法のいずれの方法によって作製されていてもよい。シリコン基板1の比抵抗は、高性能の太陽電池を作る点から、0.3〜3.0Ω・cmが好ましく、0.5〜2.0Ω・cmがより好ましい。シリコン基板としては、比較的高いライフタイムが得られる点から、リンドープn型単結晶シリコン基板が好ましい。リンドープのドーパント濃度は1×1015cm-3〜5×1016cm-3が好ましい[図1(A)]。
例えば、シリコン基板1を水酸化ナトリウム水溶液に浸し、スライスによるダメージ層をエッチングで取り除く。この基板のダメージ除去は、水酸化カリウム等の強アルカリ水溶液を用いてもよく、フッ硝酸等の酸水溶液でも同様の目的を達成することが可能である。
ダメージエッチングを行った基板1にランダムテクスチャを形成する。太陽電池は通常、表面(受光面)に凹凸形状を形成するのが好ましい。その理由は、受光面における入射光の反射率を低減させるために、できる限り2回以上の反射を受光面で行わせる必要があるためである。これら一つ一つの山のサイズは1〜20μm程度が好ましい。代表的な表面凹凸構造としては、V溝、U溝が挙げられる。これらは、研削機を利用して形成可能である。また、ランダムな凹凸構造を作るには、水酸化ナトリウムにイソプロピルアルコールを加えた水溶液に浸してウェットエッチングや、他には、酸エッチングやリアクティブ・イオン・エッチング等を用いることができる。なお、図中では両面に形成したテクスチャ構造は微細なため省略する。
シリコン基板1がn型の場合は、裏面にドーパントを含む塗布剤を塗布した後に熱処理を行うことでn型拡散層3を裏面の少なくとも一部に、特に裏面全面に形成する[図1(B)]。なお、シリコン基板がp型の場合は受光面にドーパントを含む塗布剤を塗布した後に熱処理を行うことでn型拡散層を受光面に形成する。熱処理後、シリコン基板1に付いたガラス成分はガラスエッチング等により洗浄する。ドーパントはリンが好ましい。n型拡散層3の表面ドーパント濃度は、1×1018〜5×1020cm-3が好ましく、5×1018〜1×1020cm-3がより好ましい。
同様の処理を受光面で行い、p型拡散層2を受光面全体に形成する[図1(C)]。受光面にドーパントを含む塗布剤を塗布して熱処理を行い、p型拡散層2を形成する。ドーパントはボロンが好ましく、また、p型拡散層2の表面ドーパント濃度は、1×1018〜5×1020cm-3が好ましく、更には5×1018〜1×1020cm-3がより好ましい。
プラズマエッチャーを用い、pn接合分離を行う。このプロセスでは、プラズマやラジカルが受光面や裏面に侵入しないよう、サンプルをスタックし、その状態で端面を数ミクロン削る。接合分離後、基板に付いたガラス成分、シリコン粉等はガラスエッチング等により洗浄する。
引き続き、図1(D)に示すように、p型拡散層2上に硬化膜4を形成する。硬化膜は、下記一般式(1)で表される化合物を含有してなる組成物を加水分解・縮合反応させて得られる膜である。
R1 2−Al−O−Si−R2 3 (1)
(式中、R1は炭素数1〜4の有機基、特にアルコキシ基、R2は加水分解性基又はヒドロキシル基を示す。各R1及びR2は同一でも異なっていてもよい。)
ここで得られる硬化膜は、上記式(1)の化合物の加水分解縮合物であり、AlとSiとOとを含むものである。
引き続き、図1(D)に示すように、プラズマCVD法により、n型拡散層3及び/又はp型拡散層2上に誘電体膜5である窒化珪素膜を堆積する。この膜厚は70〜100nmが好ましい。他の反射防止膜として二酸化チタン膜、酸化亜鉛膜、酸化スズ膜、酸化タンタル膜、酸化ニオブ膜、フッ化マグネシウム膜、酸化アルミニウム膜等があり、代替が可能である。また、形成方法も上記以外にコーティング法、真空蒸着法等があるが、経済的な観点から、上記、窒化珪素膜をプラズマCVD法によって形成するのが好適である。
スクリーン印刷装置等を用い、受光面側及び裏面側に、例えば銀からなるペーストを、スクリーン印刷装置を用いてp型拡散層及びn型拡散層上に印刷し、櫛形電極パターン状に塗布して乾燥させる。シリコン基板にp型を使用する場合は、裏面側にアルミニウム粉末を有機バインダで混合したペーストをスクリーン印刷し乾燥させる。最後に、焼成炉において、500〜900℃で1〜30分間焼成を行い、前記p型拡散層及びn型拡散層と電気的に接続するフィンガー電極6、裏面電極7、及びバスバー電極8を形成する[図1(F)]。
図1に示すように、結晶面方位(100)、15.65cm角、200μm厚、アズスライス比抵抗2Ω・cm(ドーパント濃度7.2×1015cm-3)リンドープn型単結晶シリコン基板を、水酸化ナトリウム水溶液に浸してダメージ層をエッチングで取り除き、水酸化カリウム水溶液にイソプロピルアルコールを加えた水溶液に浸してアルカリエッチングすることでテクスチャ形成を行った。得られたシリコン基板1の裏面に、リンドーパントを含む塗布剤を塗布した後に、900℃,1時間熱処理を行い、n型拡散層3を裏面に形成した。熱処理後、基板に付いたガラス成分は高濃度フッ酸溶液等により除去後、洗浄した。
引き続き受光面にボロンドーパントを含む塗布剤を塗布した後に、1,000℃で1時間熱処理を行い、p型拡散層2を受光面全体に形成した。
引き続きジブトキシアルミノキシトリエトキシシラン5部、N,N−ジメチルアセトアミド10部、0.01mol/l塩酸水溶液0.02部を混合した組成物をスピンコート法にて塗布し、200℃で5分間ホットプレートにて加熱し、縮合反応させ、硬化膜4を形成させた。膜厚は30nmであった。
引き続き、受光面側及び裏面側にそれぞれ銀ペーストを電極印刷し、乾燥後800℃で20分間焼成を行い、フィンガー電極6、裏面電極7及びバスバー電極8を形成した。
pn接合分離後、硬化膜を形成する工程を省いた以外は、実施例1と同様な方法にて作製した。
即ち、p型拡散層2上に硬化膜4を形成せずに作製したものである。
実施例及び比較例で得られた太陽電池を、25℃の雰囲気の中、ソーラーシミュレーター(光強度:1kW/m2,スペクトル:AM1.5グローバル)の下で電流電圧特性を測定した。結果を表1に示す。なお、表中の数字は実施例1及び比較例1で作製したセル10枚の平均値である。
2 p型拡散層
3 n型拡散層
4 硬化膜
5 誘電体膜(反射防止膜)
6 受光面電極(フィンガー電極)
7 裏面電極
8 バスバー電極
Claims (7)
- シリコン基板の受光面側に形成されるシリコン基板の導電型とは異なる導電型のp型拡散層と、該p型拡散層上に形成される誘電体膜と、上記p型拡散層に電気的に接続する受光面電極とを有する太陽電池であって、上記p型拡散層と誘電体膜との間に、下記一般式(1)
R1 2−Al−O−Si−R2 3 (1)
(式中、R1は炭素数1〜4の有機基、R2は加水分解性基又はヒドロキシル基を示す。各R1及びR2は同一でも異なっていてもよい。)
で示される化合物、該化合物に対する配合量10〜1000ppmの酸触媒及び溶剤からなる組成物を上記p型拡散層上に塗布し、その後に加熱処理することにより一般式(1)の化合物が加水分解・縮合した硬化膜をパッシベーション膜として有することを特徴とする太陽電池。 - シリコン基板の受光面側にシリコン基板の導電型とは異なる導電型のp型拡散層を形成し、次いで誘電体膜を形成した後、上記p型拡散層に電気的に接続する受光面電極を形成する工程を含む太陽電池の製造方法であって、上記誘電体膜の形成前に、上記p型拡散層上に、下記一般式(1)で示される化合物、該化合物に対する配合量10〜1000ppmの酸触媒及び溶剤からなる組成物を塗布し、その後に加熱処理することにより一般式(1)の化合物が加水分解・縮合した硬化膜を形成する工程を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。
R1 2−Al−O−Si−R2 3 (1)
(式中、R1は炭素数1〜4の有機基、R2は加水分解性基又はヒドロキシル基を示す。各R1及びR2は同一でも異なっていてもよい。) - 更に、シリコン基板の裏面側の少なくとも一部にシリコン基板の導電型と同じ導電型のn型拡散層を形成し、次いで誘電体膜を形成した後、上記n型拡散層に電気的に接続する裏面電極を形成する工程を含み、上記受光面側の誘電体膜の形成前に、上記受光面側p型拡散層上に、上記硬化膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項2記載の太陽電池の製造方法。
- 上記加熱処理温度が80〜200℃である請求項2又は3記載の太陽電池の製造方法。
- 上記硬化膜の膜厚は、10〜100nmである請求項2乃至4のいずれか1項記載の太陽電池の製造方法。
- 上記誘電体膜は、窒化珪素膜、二酸化チタン膜、酸化亜鉛膜、酸化スズ膜、酸化タンタル膜、酸化ニオブ膜、フッ化マグネシウム膜又は酸化アルミニウム膜であることを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1項記載の太陽電池の製造方法。
- 上記誘電体膜をプラズマCVD法により形成することを特徴とする請求項2乃至6のいずれか1項記載の太陽電池の製造方法。
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