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JP2003298078A - 光起電力素子 - Google Patents

光起電力素子

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Publication number
JP2003298078A
JP2003298078A JP2002096229A JP2002096229A JP2003298078A JP 2003298078 A JP2003298078 A JP 2003298078A JP 2002096229 A JP2002096229 A JP 2002096229A JP 2002096229 A JP2002096229 A JP 2002096229A JP 2003298078 A JP2003298078 A JP 2003298078A
Authority
JP
Japan
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film
type
semiconductor
substrate
photovoltaic element
Prior art date
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Pending
Application number
JP2002096229A
Other languages
English (en)
Inventor
Takahiro Mishima
孝博 三島
Naoki Ishikawa
直揮 石川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ebara Corp
Original Assignee
Ebara Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Ebara Corp filed Critical Ebara Corp
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Priority to AU2003217486A priority patent/AU2003217486A1/en
Priority to PCT/JP2003/003507 priority patent/WO2003083955A1/en
Publication of JP2003298078A publication Critical patent/JP2003298078A/ja
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F10/00—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells
    • H10F10/10—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells having potential barriers
    • H10F10/16—Photovoltaic cells having only PN heterojunction potential barriers
    • H10F10/164—Photovoltaic cells having only PN heterojunction potential barriers comprising heterojunctions with Group IV materials, e.g. ITO/Si or GaAs/SiGe photovoltaic cells
    • H10F10/165—Photovoltaic cells having only PN heterojunction potential barriers comprising heterojunctions with Group IV materials, e.g. ITO/Si or GaAs/SiGe photovoltaic cells the heterojunctions being Group IV-IV heterojunctions, e.g. Si/Ge, SiGe/Si or Si/SiC photovoltaic cells
    • H10F10/166—Photovoltaic cells having only PN heterojunction potential barriers comprising heterojunctions with Group IV materials, e.g. ITO/Si or GaAs/SiGe photovoltaic cells the heterojunctions being Group IV-IV heterojunctions, e.g. Si/Ge, SiGe/Si or Si/SiC photovoltaic cells the Group IV-IV heterojunctions being heterojunctions of crystalline and amorphous materials, e.g. silicon heterojunction [SHJ] photovoltaic cells
    • H—ELECTRICITY
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

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  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低温処理プロセスを用いることで、大きなキ
ャリアライフタイムを有する高品質な半導体基板の状態
を維持し、これにより発電効率等の電気的特性に優れた
太陽電池等の光起電力素子を提供する。 【解決手段】 半導体基板１１の光入射面と反対の面に
ＰＮ接合と電極を形成した裏面接合型太陽電池におい
て、前記ＰＮ接合を形成する面全体に、０．１ｎｍ以上
５０ｎｍ以下の膜厚の真性半導体膜１２と、該膜上にＰ
型およびＮ型の導電性半導体層１３，１４と、該半導体
層上に設けた電極１５，１６とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光入射面と反対の
面にＰＮ接合と正負の電極を配置した裏面接合型太陽電
池等の光起電力素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】工業的に大量に生産されている太陽電池
は、非結晶（アモルファス）シリコン材料を用いたもの
が多い。しかしながら、このような太陽電池は生産コス
トは低いが発電効率が低いという問題がある。そこでこ
の改良のため、シリコン単結晶または多結晶基板に、該
基板とは反対導電型の非結晶シリコン膜を被着してＰＮ
接合を形成し、これにより光起電力の変換効率を向上さ
せる努力がなされている。
【０００３】このような結晶系シリコン基板と、非結晶
シリコン膜との組合せで接合を形成した場合に、異なる
種類の半導体層の界面で、界面順位の存在により光生成
キャリアの再結合が生じて、期待される性能を実現する
ことが困難であるという問題があった。このような問題
点を解決するため、結晶性シリコン基板と非結晶シリコ
ン膜との界面に真性非結晶半導体膜を形成し、界面順位
を低減する試みがなされている。
【０００４】また、一般に太陽電池は、光入射面側に透
明電極を備え、光入射面と反対面に設けた電極との間で
光起電力を取り出している。このため、光入射面側に設
けた透明電極による光の遮蔽損が存在し、このため発電
効率に限界が生じるという問題があった。このような問
題点を避けるため、光入射面側に透明電極を配置せず、
基板の光入射面と反対面側の近傍にＰＮ接合を形成し、
Ｐ層およびＮ層に接続する電極をそれぞれ配置し、Ｐ層
とＮ層とを交互に櫛の歯状に並べた裏面接合型太陽電池
が知られている。
【０００５】ところが、裏面接合型太陽電池では、半導
体基板の表面付近で生成したキャリアが基板の裏面近傍
に配置されたＰＮ接合まで到達するために、大きなキャ
リアライフタイムを有する高品質な結晶性半導体基板が
必要である。しかしながら、裏面接合型太陽電池の製造
工程では、熱酸化および熱拡散等の高温プロセスが必要
であるため、キャリアライフタイムが劣化し、期待した
発電効率等の性能が得られ難いという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した事情
に鑑みてなされたもので、低温処理プロセスを用いるこ
とで、大きなキャリアライフタイムを有する高品質な半
導体基板の状態を維持し、これにより発電効率の高い太
陽電池等の光起電力素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の光起電力素子
は、半導体基板の光入射面と反対の面にＰＮ接合と電極
を形成した裏面接合型太陽電池において、前記ＰＮ接合
を形成する面全体に、０．１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の膜
厚の真性半導体膜と、該膜上にＰ型およびＮ型の導電性
半導体層と、該半導体層上に設けた電極とを備えたこと
を特徴とする。ここで、前記Ｐ型およびＮ型の導電性半
導体層上に設けた電極は、櫛の歯状に交互に並べて配置
することが好ましい。
【０００８】また、真性半導体膜は、プラズマＣＶＤま
たは触媒ＣＶＤを用いて形成することが好ましく、特に
触媒ＣＶＤを用いることが好ましい。また、半導体基板
の光入射面側に基板と反対導電型の層を設けるようにし
てもよい。
【０００９】真性半導体膜をプラズマＣＶＤまたは触媒
ＣＶＤを用いて形成し、その真性半導体膜上にＰ型およ
びＮ型の櫛の歯状に交互に並べた接合および電極を同様
に低温処理プロセスで形成することで、半導体基板のキ
ャリアライフタイムを高い状態で維持することが可能と
なる。これにより、裏面接合型光起電力素子としての高
い発電効率等の良好な光電変換効率が得られる。特に、
触媒ＣＶＤを用いることで、高品位な状態に基板を維持
できると共に、膜生成の生産性を比較的高くすることが
できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
添付図面を参照しながら説明する。
【００１１】図１は、本発明の一実施形態の光起電力素
子を示す。この光起電力素子は太陽電池であり、例えば
Ｎ型の結晶性半導体基板１１の裏面側にＰＮ接合と電極
を配置した裏面接合型の太陽電池である。結晶性半導体
基板１１は、例えば厚さが１００μｍ程度のデンドリッ
クウェブからなるＮ型に不純物ドープしたシリコン単結
晶基板であり、この裏面側に真性半導体膜１２を備えて
いる。また、結晶性半導体基板１１として、リボン多結
晶を用いてもよい。
【００１２】係る単結晶または多結晶シリコン基板は、
所定温度に調整されたシリコン原料を溶融したるつぼか
ら、所定方位の結晶軸に沿って種結晶を引上げること
で、薄い帯状（シート状）の結晶を成長させて生産する
ことができる。即ち、この結晶をエンドレスベルトに挟
んで引上げることで、長尺の結晶を連続的に引上げるこ
とができる。そして、薄い帯状の結晶を適当な寸法で裁
断することにより、厚さ１５０μｍ以下の矩形シート形
状の単結晶または多結晶シリコン基板が得られる。この
詳細については、本出願人の特願２０００−２７５３１
５号を参照されたい。
【００１３】真性半導体膜１２は、厚さが０．１ｎｍ以
上、５０ｎｍ以下の極めて薄い非結晶性（アモルファ
ス）層である。そして、この真性半導体膜は、非結晶シ
リコン膜、または非結晶シリコンと微結晶シリコン膜と
のヘテロ構造膜、または非結晶炭化シリコン膜、または
非結晶炭化シリコン膜と微結晶シリコン膜とのヘテロ構
造膜等である。この真性半導体膜は、電気的に中性な膜
であり、この膜をＰＮ接合間に挟むことで、水素パッシ
ベーション効果があり、開放電圧が上昇する等の電気的
特性の改良が可能である。
【００１４】この真性半導体膜１２は、触媒ＣＶＤまた
はプラズマＣＶＤで形成することが好ましい。触媒ＣＶ
Ｄ法は、図２（ａ）に示すように、減圧可能な真空容器
内にガス供給系装置２１、高温触媒２２、成膜対象の基
板２３、基板ホルダ２４等を備える。ここで、高温触媒
２２は、タングステンまたはモリブデン等の線材を１５
００〜２４００℃に加熱して、対象ガスを活性化して基
板２３の表面に気相成長被膜を形成するものである。こ
れに対して、図３（ｂ）に示すプラズマＣＶＤ装置は、
電極２５，２６間に高周波電源２７より高周波電圧を供
給することで、成膜対象のガス分子２８をプラズマ化し
て図中の矢印方向に振動させ、これにより成膜対象の基
板２３の表面上に気相成長被膜を形成するものである。
この図３（ａ）に示す触媒ＣＶＤ法は、図３（ｂ）に示
すプラズマＣＶＤ法と比較すると、成膜対象基板へのプ
ラズマダメージがほとんど存在しない、装置の構造が簡
単でかつ低コストとなる、スケールアップが容易である
等の特徴がある。特に、成膜速度が、例えば５〜１０ｎ
ｍ／秒程度と比較的高く、アモルファスシリコン膜や微
結晶シリコン膜等の形成で品質が高い膜が比較的短時間
で得られる。
【００１５】この真性半導体膜１２の表面には、Ｐ型に
不純物ドープした導電性半導体層１３と、Ｎ型に不純物
ドープした導電性半導体層１４とが交互に並べて配置さ
れている。この半導体層１３，１４は、例えばメタルマ
スクを用いて触媒ＣＶＤまたはプラズマＣＶＤにより形
成された非結晶導電性シリコン層である。半導体層１
３，１４上にはそれぞれ電極１５，１６が配置されてい
る。これらの電極１５，１６は、例えば銀等の導電性ペ
ーストをスクリーン印刷によりパターン形成し、これを
加温硬化して形成される。Ｐ型およびＮ型にそれぞれ不
純物ドープした半導体層１３，１４間は、例えばポリイ
ミド樹脂膜等の絶縁膜１７により絶縁されている。半導
体基板１１の光入射面側にはＳｉＮからなる反射防止膜
１８が配置されている。
【００１６】図３は、この太陽電池の裏面側を模式的に
示した図であり、Ｐ型半導体層１３に接続する電極１５
と、Ｎ型半導体層１４に接続する電極１６とが、櫛の歯
状に交互に並べて互いに平行に配置されている。多数の
櫛の歯状の電極１５はその基部である母線部１５ａに接
続し、多数の櫛の歯状の電極１６はその基部である母線
部１６ａにそれぞれ接続されている。従って、この太陽
電池の起電力は母線部の電極１５ａ，１６ａ間で取り出
される。
【００１７】次に、この太陽電池の構造上の特徴につい
て説明する。この太陽電池は、基板１１の裏面側に触媒
ＣＶＤまたはプラズマＣＶＤで形成された薄い非結晶真
性シリコン層（半導体膜）１２を備え、その表面に触媒
ＣＶＤまたはプラズマＣＶＤで形成されたＰ型およびＮ
型に不純物ドープした半導体層１３，１４を備えてい
る。従って、真性半導体膜１２と導電性半導体層１３，
１４は共に触媒ＣＶＤまたはプラズマＣＶＤ等の低温プ
ロセスにより形成された膜を用いている。そして、絶縁
膜１７の形成、および電極１５，１６の形成も、それぞ
れスクリーン印刷等により被膜のパターンを形成し、こ
れを比較的低温の４００℃未満の加温硬化処理により形
成している。従って、すべてのプロセスが４００℃未満
の低温処理により被膜が形成されるので、半導体基板１
１において大きなキャリアライフタイムを有する高品質
な状態をそのまま維持することができる。そして、その
表面側には透明電極が存在しないので、これによる遮蔽
損が発生せず、高い発電効率等の良好な光電変換特性が
得られる。
【００１８】真性半導体膜１２、およびＰ型およびＮ型
の導電性半導体層１３，１４は、それぞれ触媒ＣＶＤを
用いて形成することが好ましい。触媒ＣＶＤにおいて
は、基板温度が１００〜４００℃程度であり、低温プロ
セスであるため、半導体基板１１がダメージを受けな
い。また、高濃度の水素ラジカルの存在により結晶内部
の欠陥を補修して欠陥順位密度を低減できる等の特徴が
ある。また、プラズマＣＶＤと異なり、プラズマによる
ダメージを受けないので、これにより半導体基板１１の
キャリアライフタイムの維持に寄与することができる。
【００１９】図４は、本発明の他の実施形態の光起電力
素子を示す。この実施形態においては、基板１１の光入
射面側にも真性半導体膜２０を備えている。その他の構
成は、図１に示す第１の実施形態と同様である。ここ
で、真性半導体膜２０は、基板裏面側の真性半導体膜１
２と同時に基板１１の表裏両面および側面に形成するこ
とが好ましい。これにより、結晶性シリコン基板１１の
光入射面側および側面もその表面が真性半導体膜で覆わ
れることにより、界面順位を低減して、電気的特性を向
上させることができる。
【００２０】図５は、本発明の更に他の実施形態の光起
電力素子を示す。この実施形態においては、基板１１の
光入射面側に基板１１と反対導電型の層２１を備えてい
る。この層２１は、Ｎ型の半導体基板１１に対して反対
導電型のＰ型層であり、反対導電型電荷により基板の内
部電界を利用してキャリア再結合を防止する機能を有し
ている。これにより、光電変換効率等の電気的特性を向
上することが可能である。
【００２１】次に、図６を参照して本発明の光起電力素
子の製造方法について説明する。まず、図６（ａ）に示
すように、Ｎ型の単結晶または多結晶シリコン基板１１
を準備する。これは、上述したようにデンドリックウェ
ブ結晶またはリボン多結晶を用いることができる。そし
て、次に洗浄を行い表面に付着した酸化膜等を除去し、
表面を清浄な状態にする。次に、図６（ｂ）に示すよう
に、触媒ＣＶＤにより非結晶真性シリコン膜１２，２０
を基板１１の表裏両面に形成する。この厚さは、０．１
ｎｍ以上５０ｎｍ以下が好ましいが、一例として１０ｎ
ｍ程度に形成する。この非結晶真性シリコン膜の形成条
件の一例は、次のとおりである。 ガス流量：ＳｉＨ４＝２０ｓｃｃｍ ガス比：ＳｉＨ４／Ｈ２＝１：１０ 成膜圧力：１Ｐａ 基板温度：２５０℃ フィラメント温度：１８００℃
【００２２】次に、図６（ｃ）に示すように、触媒ＣＶ
Ｄにより非結晶導電性シリコン層１３を形成する。ここ
で導電性シリコン層１３はＰ型であり、例えば膜厚を３
０ｎｍ程度とする。このＰ型非結晶シリコン層は、 ガス流量：ＳｉＨ４＝２０ｓｃｃｍ、Ｂ２Ｈ６＝１ｓｃ
ｃｍ（１％、Ｈ２希釈）、 ガス比：ＳｉＨ４／Ｈ２＝１：１０、 成膜圧力：１Ｐａ、 基板温度：２５０℃、 フィラメント温度：１８００℃、 により形成している。
【００２３】次に、図６（ｄ）に示すようにＮ型の非結
晶導電性シリコン層１４を形成する。これも同様にメタ
ルマスクを用いて導電性シリコン層１３の間に櫛の歯状
に間挿するように多数の平行パターンを形成する。膜厚
は例えば３０ｎｍ程度である。この条件は、 ガス流量：ＳｉＨ４＝２０ｓｃｃｍ、ＰＨ３＝１ｓｃｃ
ｍ（１％、Ｈ２希釈）、 ガス比：ＳｉＨ４／Ｈ２＝１：１０、 成膜圧力：１Ｐａ、 基板温度：２５０℃、 フィラメント温度：１８００℃、 により形成している。
【００２４】次に、図６（ｅ）に示すように、保護膜１
７を形成する。これは、例えばポリイミド樹脂ペースト
をスクリーン印刷法等により、導電性シリコン層１３，
１４の間に埋め込んで、２５０℃以下の温度で加温硬化
することにより形成する。この保護膜１７の形成によ
り、耐候性および耐はんだ付け性が向上する。そして、
図６（ｆ）に示すように、例えば銀ペーストをスクリー
ン印刷により塗布し、これを同様に２５０℃以下の比較
的低温で加温硬化することにより、図３に示す櫛の歯状
の交互に間挿した電極パターン１５，１６，１５ａ，１
６ａを形成する。
【００２５】なお、上記工程において、図示はしないが
基板１１の表面に反射防止膜を形成することが好まし
い。反射防止膜は、例えば高周波スパッタ法によるＳｉ
３Ｎ４膜等が好適であり、例えば膜厚６０ｎｍ程度に形
成する。また、図５に示すように、半導体基板１１の光
入射面側に基板と反対導電型の拡散層を設けるようにし
てもよい。これは、半導体基板１１にあらかじめ熱拡散
またはイオン注入等の方法により形成しておくことが好
ましい。
【００２６】なお、上記実施形態は本発明の実施例の一
態様を述べたもので、本発明の趣旨を逸脱することなく
種々の変形実施例が可能なことは勿論である。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、半
導体基板のキャリアライフタイムが大きく、発電効率等
の電気的特性に優れた裏面接合型太陽電池等の光起電力
素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の光起電力素子の概略構成
を示す断面図である。
【図２】（ａ）は触媒ＣＶＤ法を示す図であり、（ｂ）
はプラズマＣＶＤ法を示す図である。
【図３】図１の光起電力素子の底面の電極構成を示す図
である。
【図４】本発明の他の実施形態の光起電力素子の概略構
成を示す断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態の光起電力素子の概略構
成を示す断面図である。
【図６】本発明の光起電力素子の製造工程を示す図であ
る。
【符号の説明】
１１ 結晶性半導体基板 １２，２０ 真性半導体膜 １３ Ｐ型導電性シリコン層 １４ Ｎ型導電性シリコン層 １５，１６ 電極 １７ 絶縁層 １８ 反射防止膜 ２１ 反対導電型層

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板の光入射面と反対の面にＰＮ
    接合と電極を形成した裏面接合型太陽電池において、前
    記ＰＮ接合を形成する面全体に、０．１ｎｍ以上５０ｎ
    ｍ以下の膜厚の真性半導体膜と、該膜上にＰ型およびＮ
    型の導電性半導体層と、該半導体層上に設けた電極とを
    備えたことを特徴とする裏面接合型光起電力素子。
  2. 【請求項２】 前記Ｐ型およびＮ型の導電性半導体層上
    に設けた電極は、櫛の歯状に交互に並べて配置したこと
    を特徴とする請求項１記載の光起電力素子。
  3. 【請求項３】 前記基板が単結晶半導体基板または多結
    晶半導体基板であることを特徴とする請求項１記載の光
    起電力素子。
  4. 【請求項４】 前記真性半導体膜として、非結晶Ｓｉ
    膜、または非結晶Ｓｉ／微結晶Ｓｉヘテロ構造膜、また
    は非結晶ＳｉＣ膜、または非結晶ＳｉＣ／微結晶Ｓｉヘ
    テロ構造膜を用いたことを特徴とする請求項１記載の光
    起電力素子。
  5. 【請求項５】 前記真性半導体膜は、触媒ＣＶＤを用い
    て形成したことを特徴とする請求項１記載の光起電力素
    子。
  6. 【請求項６】 前記半導体基板の光入射面に反射防止膜
    を備えたことを特徴とする請求項１記載の光起電力素
    子。
  7. 【請求項７】 前記半導体基板の光入射面に前記半導体
    基板と反対導電型の層を備えたことを特徴とする請求項
    １記載の光起電力素子。
  8. 【請求項８】 前記半導体基板の光入射面に真性半導体
    膜を備えたことを特徴とする請求項１記載の光起電力素
    子。
  9. 【請求項９】 一導電型の半導体結晶基板を準備し、前
    記基板の少なくとも一面に真性非結晶半導体膜を被着
    し、該膜上にＰ型およびＮ型に不純物ドープした導電性
    半導体層を互いに離隔して配置することを特徴とする光
    起電力素子の製造方法。
JP2002096229A 2002-03-29 2002-03-29 光起電力素子 Pending JP2003298078A (ja)

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