JP2008294080A

JP2008294080A - 太陽電池セル及び太陽電池セルの製造方法

Info

Publication number: JP2008294080A
Application number: JP2007135807A
Authority: JP
Inventors: Yuji Hishida; 有二菱田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2007-05-22
Filing date: 2007-05-22
Publication date: 2008-12-04
Also published as: EP1995792A2; EP1995792A3; US8053666B2; US20090314346A1

Abstract

【課題】受光面で生成された電流をスルーホールを介して裏面で集電する集電構造を形成する際、スルーホール周辺に不要なアモルファスシリコン層が堆積することを防止する。
【解決手段】ｎ型単結晶シリコン基板１１の一主面に、ｐ型アモルファスシリコン層１２をＣＶＤにより積層し、続いてｐ型アモルファスシリコン層１２を積層した面の反対面にｎ型アモルファスシリコン層１３を積層し、ｎ型単結晶シリコン基板１１、ｐ型アモルファスシリコン層１２、ｎ型アモルファスシリコン層１３にレーザアブレーション加工等によりスルーホール１４を形成する。次に、スルーホール１４の内壁面に絶縁層１５を形成し、導電体１６を充填する。これにより、太陽電池セル１の受光面で生成された電流を裏面側に確実に導通することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、受光面の反対側に設けられた裏面側にｐ、ｎ両電極の取出構造を有する太陽電池セル、この太陽電池セルの製造方法に関する。

太陽電池は、クリーンで無尽蔵のエネルギー源である太陽からの光を直接電気に変換できることから、新しいエネルギー源として期待されている。このような太陽電池は、太陽電池市場の拡大による低コスト化の必要性、及びシリコン原材料の減量という両目的から薄型化が課題になっている。また、太陽電池は、薄型化とともに高効率化が要求されている。

結晶系シリコン太陽電池の多くは、単結晶シリコン基板の表裏のいずれか一方の面にｐ型領域が形成されており、他方の面にｎ型領域が形成されている。表裏面上には、受光面（又は裏面）で生成した電流を集電するための集電極（バスバー電極、フィンガー電極）が形成されている。集電極は、導電性を高め、抵抗損失を少なくするために、集電極の断面積を拡大することが重要である。しかし、この集電極の存在によって入射光が遮られる、いわゆるシャドウロスを減少させることも重要である。このように、集電極の低抵抗化と太陽電池セルの有効受光面積を増加させるという相反する要求を両立することは困難であった。

有効受光面積を増加するための一解決手法として、太陽電池セルの受光面の反対側に設けられた裏面側にｐドープ領域とｎドープ領域とを交互に設けて、電荷の取出構造を全て裏面側に形成した、いわゆるバックコンタクト型の太陽電池セルが提案されている（特許文献１参照）。

また、貫通孔（スルーホール）を設けた基板にｐ／ｎ接合を形成し、スルーホール内壁及び裏面側のスルーホール周辺部まで表面（受光面）側のドープ層を形成し、裏面側で受光面の電流を取り出すセル構造が提案されている（特許文献２参照）。

また、薄型化と高効率化を両立することができる太陽電池セルの一例として、単結晶シリコン基板と非晶質シリコン層との間に実質的に真性な非晶質シリコン層を挟み込み、その界面での欠陥を低減し、ヘテロ結合界面の特性を改善した、いわゆるＨＩＴ（Heterojunction with Intrinsic Thin-layer）構造を有する太陽電池セルがある。ＨＩＴ構造を有する太陽電池セルは、結晶系シリコン太陽電池又は薄膜太陽電池と比べて一層の薄型化、高効率化を実現することができる。しかし、表裏対称構造を有するので、入射面側にも集電極が形成されている。そこで、このように薄型化と高効率化を両立が可能な太陽電池セルにおいても、集電極によるシャドウロスを取り除くことにより、更なる高効率化が期待されている。
特表２００６−５２３０２５号公報特開平２−５１２８２号公報

薄型化と高効率化を実現可能なＨＩＴ構造を有する太陽電池セルは、ｎ型単結晶シリコンウエハの受光面に、プラズマＣＶＤにより、ｉ型アモルファスシリコン層及びｐ型アモルファスシリコン層が順次積層されている。また、ｎ型単結晶シリコンウエハの裏面に、ｉ型アモルファスシリコン層及びｎ型アモルファスシリコン層が順次積層されている。

ＨＩＴ構造を有する太陽電池セルにおいて、集電極によるシャドウロスの低減を試みたとき、一例としてあげた特許文献１の技術では、ｐ型領域とｎ型領域とをドープして同一面上に形成することができるが、この太陽電池セルは、ＣＶＤにより、アモルファスシリコン層が形成される。そのため、受光面で生成された電流と裏面で生成された電流とをともに裏面側で取り出す構造を形成する工程が、より複雑になる。

また、特許文献２に記載された方法に倣って、単結晶シリコンウエハにスルーホールを設け、スルーホール内壁及び裏面側のスルーホール周辺部まで受光面側のアモルファスシリコン層構造を形成しようとすると、受光面側のアモルファスシリコン層を順次積層する段階で、裏面側のスルーホール周辺までアモルファスシリコンが回り込み、不要なアモルファスシリコン層が堆積してしまう。そのため、裏面側のスルーホール周辺部では、単結晶シリコンウエハ表面に堆積されるアモルファスシリコン層構造の管理が困難になる。

このように、裏面側のスルーホール周辺へのアモルファスシリコン層の回り込みが、太陽電池セルの特性へ悪影響を及ぼしていた。

そこで、本発明は、上述した従来の実情に鑑みて提案されたものであり、受光面で生成された電流を貫通孔（スルーホール）を介して裏面で取り出す構造を形成する際、スルーホール周辺における基板の裏面側の表面に不要な半導体層が堆積することを防止することができる太陽電池セルを提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一の特徴は、半導体基板と、前記半導体基板の第１の主面上に形成された第１導電型を有する第１の非晶質半導体層と、前記半導体基板の第２の主面上に形成された第２導電型を有する第２の非晶質半導体層と、前記第１の非晶質半導体層と、前記半導体基板と前記第２の非晶質半導体層とを貫通する複数の貫通孔と、前記貫通孔の内壁から前記貫通孔近傍における前記第２の非晶質半導体層の表面にまで跨って形成された絶縁層と、前記第１の非晶質半導体層の表面に形成された細線電極と、前記貫通孔の内部に形成された導電層と、前記第２の非晶質半導体層の表面に前記絶縁層を介して形成されており前記導電層によって前記細線電極と電気的に接続された第１の取出電極と、前記第２の非晶質半導体層の表面に形成された第２の取出電極とを有することを要旨とする。

かかる特徴によれば、第１の主面上で生成した電流を第１の取出電極によって第２の主面側で取り出すことができる。貫通孔は、第１の非晶質半導体層と、半導体基板と第２の非晶質半導体層とを貫通して形成されており、貫通孔の内壁から貫通孔近傍における第２の非晶質半導体層の表面にまで跨って絶縁層が形成される。導電層は、この絶縁層を介して貫通孔内部及び第２の非晶質半導体層表面に形成される。

また、上述した目的を達成するために、本発明の一の特徴は、第１の主面と前記第１の主面の反対に設けられた第２の主面とを有する半導体基板を有する太陽電池セルを製造する太陽電池セルの製造方法であって、前記半導体基板の前記第１の主面上に第１導電型を有する第１の非晶質半導体層を形成する工程（Ａ）と、前記第２の主面上に第２導電型を有する第２の非晶質半導体層を形成する工程（Ｂ）と、前記第１の非晶質半導体層と、前記半導体基板と前記第２の非晶質半導体層とを貫通する複数の貫通孔を形成する工程（Ｃ）と、前記貫通孔の内壁から前記貫通孔近傍における前記第２の非晶質半導体層の表面にまで跨って絶縁層を形成する工程（Ｄ）と、前記第１の非晶質半導体層の表面に細線電極を形成する工程（Ｅ）と、前記貫通孔の内部に導電層を形成する工程（Ｆ）と、前記導電層によって前記細線電極と電気的に接続された第１の取出電極を前記第２の非晶質半導体層の表面に前記絶縁層を介して形成する工程（Ｇ）と、前記第２の非晶質半導体層の表面に第２の取出電極を形成する工程（Ｈ）とを有することを要旨とする。

かかる特徴によれば、第１の主面上で生成した電流を第１の取出電極によって第２の主面側で取り出すことができる。貫通孔は、半導体基板の主面上に第１の非晶質半導体層と第２の非晶質半導体層とが形成された後に、第１の非晶質半導体層と半導体基板と第２の非晶質半導体層とを貫通して形成される。

本発明によれば、受光面で生成された電流をスルーホールを介して裏面で集電する集電構造を形成する際、スルーホール周辺の単結晶シリコンウエハ表面に不要なアモルファスシリコン層が堆積することを防止することができる。

次に、図面を用いて、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

本発明の実施形態として示す太陽電池セルの構成について、図１乃至図３を参照して説明する。

図１は、太陽電池セル１を受光面からみた平面図である。図２は、太陽電池セルを裏面からみた平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ’断面を示す断面図である。

太陽電池セル１は、ｎ型単結晶シリコン基板１１と、ｎ型単結晶シリコン基板１１の受光面上に形成されるｐ型アモルファスシリコン層１２と、ｎ型アモルファスシリコン層１３とが積層された光電変換部１０を有する。太陽電池セル１は、単結晶シリコン基板と非晶質シリコン層との間に実質的に真性な非晶質シリコン層を挟み、その界面での欠陥を低減し、ヘテロ結合界面の特性を改善した構造、いわゆるＨＩＴ構造を有する。基板１１は、多結晶シリコンを主体として形成されていてもよい。

ｎ型単結晶シリコン基板１１とｐ型アモルファスシリコン層１２との界面部分でｐｎ接合部が形成されている。また、ｎ型単結晶シリコン基板１１とｎ型アモルファスシリコン層１３との界面部分でＢＳＦ接合が形成されている。

光電変換部１０には、ｐ型アモルファスシリコン層１２と基板１１とｎ型アモルファスシリコン層１３とを貫通する複数の貫通孔（以下、スルーホールという）１４が設けられている。スルーホール１４は、光電変換部１０の受光面（ｐ型アモルファスシリコン層１２）のフィンガー電極２１上の所定位置に設けられる。複数のスルーホール１４の各々の内壁面には、絶縁層１５が形成されている。また、スルーホール１４には、絶縁層１５を介して導電体１６が充填されている。スルーホール１４内部に絶縁層１５を介して充填された導電体１６は、光電変換部１０の受光面で生成された電流を裏面側へ流す役割を担っている。

スルーホールの形成には、フッ硝酸、アルカリ溶液を用いたウェットエッチング法、Ｃｌ_２，ＣＦ_４，ＢＣｌ_３等のガスを用いたドライエッチング法、レーザアブレーション加工を適用することができる。レーザアブレーション加工は、シリコン基板上へのレジストパターン形成が不要であるため、好適に用いることができる。

レーザアブレーション加工に際しては、１Ｊ／ｃｍ_２を超える出力を有するレーザであれば使用可能である。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（基本波、２倍波、３倍波）、及びＸｅＣｌエキシマレーザ、ＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ等のレーザを用いることができる。

光電変換部１０のｐ型アモルファスシリコン層１２表面（以下において、「受光面」という。）には、集電効率を向上するために、集電極として透明導電膜（図示せず）及びフィンガー電極２１が形成されている。本実施形態では、受光面にバスバー電極はなく、フィンガー電極２１により集められた電流は、導電体１６により光電変換部１０の裏面側に導通されるようになっている。図１では、簡略化のため、フィンガー電極２１は、５本のみ示されているが、通常は、太陽電池セル１の表面全域に亘って多数本が形成されている。このフィンガー電極２１は、例えば、銀ペーストをスクリーン印刷して百数十度の温度で硬化させて形成したものである。

また、光電変換部１０の裏面に形成されるｎ型アモルファスシリコン層１３表面（以下において、「裏面」という。）にも透明導電膜（図示せず）及び集電極が設けられている。裏面側の集電極には、フィンガー電極２２と、フィンガー電極２２を接続するバスバー電極２３とがある。太陽電池セル１を裏面からみた図２では、簡略化のため、フィンガー電極２２は、１０本のみ示されているが、通常は、太陽電池セル１の裏面全域に亘って多数本が形成されている。このフィンガー電極２２は、例えば、銀ペーストをスクリーン印刷して百数十度の温度で硬化させて形成したものである。なお、太陽電池セル１の裏面側は、受光面積の減少を考慮しなくてもよいことから、受光面よりも多くのフィンガー電極を形成することもできる。

また、裏面にはバスバー電極２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄが形成されている。図３に示すように、バスバー電極２３ａ，２３ｃは、光電変換部１０の裏面上において、導電体１６に接続されており、光電変換部１０の受光面で生成された電流は、バスバー電極２３ａ，２３ｃに導かれる。バスバー電極２３ｂ，２３ｄは、フィンガー電極２２に接続されている。

本実施形態の太陽電池セル１は、上述した構成を有するので、受光面に導通された導電体１６をバスバー電極２３ａ，２３ｃに接続すれば、光電変換部１０の受光面で生成された電流を光電変換部１０の裏面で集めることができる。これにより、太陽電池セル１を用いて太陽電池モジュールを製造するとき、太陽電池セル同士を接続するための配線材を、裏面のみに設けることができる。したがって、受光面と裏面とで生成された電流をともに裏面側に集める集電構造を、ＨＩＴ構造を有する太陽電池セルにおいて実現することができる。

また、この太陽電池セル１を用いて太陽電池モジュールを製造すれば、受光面に設けられる配線材による遮蔽を無くすことができ、太陽電池セル１の有効受光面積を増やすことができる。これにより、ＨＩＴ構造を有する太陽電池セルの変換効率を一層向上することができる。

次に、本発明の実施形態として示す太陽電池セルの製造方法について、図４（ａ）〜（ｅ）を参照して説明する。

図４（ａ）に示すように、ｎ型単結晶シリコン基板１１の一主面に、ｐ型アモルファスシリコン層１２をＣＶＤにより積層する。次に、ｐ型アモルファスシリコン層１２を積層した面の反対面にｎ型アモルファスシリコン層１３をＣＶＤにより積層する（図４（ｂ））。

次に、ｎ型単結晶シリコン基板１１の一主面にｐ型アモルファスシリコン層１２及び透明導電膜が形成され、他の主面にｎ型アモルファスシリコン層１３及び透明導電膜が形成されて作製された光電変換部１０に、レーザアブレーション加工等によりスルーホール１４を形成する（図４（ｃ））。

次に、光電変換部１０に形成されたスルーホール１４の内壁面に絶縁層１５を形成する（図４（ｄ））。また、絶縁層１５は、光電変換部１０の裏面のスルーホール１４の開口部周囲にまで形成する。続く工程で充填される導電体１６が開口部周囲から光電変換部１０の裏面上に接触しない十分な領域を覆うように、絶縁層１５を形成する。

次に、複数のスルーホール１４の内壁面に導電体１６を充填する（図４（ｅ））。スルーホール１４の内壁面と導電体１６は、絶縁層１５により絶縁されている。したがって、このように形成されたスルーホール１４と、その内部に絶縁層１５を介して形成される導電体１６とによれば、太陽電池セル１の受光面で生成された電流を裏面側に確実に導通することができる。

図４（ａ）乃至（ｅ）を用いて説明したように、本実施形態の太陽電池セルの製造方法では、ｎ型単結晶シリコン基板１１の受光面上にｐ型アモルファスシリコン層１２をＣＶＤにより積層し、続いて、ｎ型アモルファスシリコン層１３をＣＶＤにより積層して光電変換部１０を形成し、表裏面に透明導電膜を形成した後に、ｐ型アモルファスシリコン層１２とｎ型単結晶シリコン基板１１とｎ型アモルファスシリコン層１３と、表裏面の透明導電膜とを貫通するスルーホール１４を形成する。

したがって、最初に基板にスルーホールを設けた後に、基板の一主面（或いは他の主面）にアモルファスシリコン層をＣＶＤ形成するときに起こる問題点、すなわち、受光面（又は裏面）を形成するアモルファスシリコン層が裏面（又は受光面）上のスルーホール１４の開口部周辺に不要に堆積されるという問題点を解決することができる。これにより、スルーホール１４周辺部に形成される不安定な層構造が太陽電池セル特性に及ぼす悪影響を防止することができる。また、スルーホール１４の内壁面と導電体１６とは、絶縁層１５により確実に絶縁されるので、太陽電池セル１の受光面で生成された電流を、裏面側に確実に導通させる集電構造を形成することができる。

上述した太陽電池セルの製造方法によれば、受光面と裏面とで生成された電流をともに裏面側に集める集電構造を、ＨＩＴ構造を有する太陽電池セルにおいて実現することができる。また、この太陽電池セル１を用いて太陽電池モジュールを製造すれば、受光面に設けられる配線材による遮蔽を無くすことができるので、太陽電池セル１の有効受光面積を増やすことができる。これにより、ＨＩＴ構造を有する太陽電池セルの変換効率を一層向上することができる。

なお、上述した実施形態では、ｎ型単結晶シリコン基板を用いた例について説明したが、単結晶シリコン基板に限らず、多結晶シリコン、ＧａＡｓ等の他の半導体材料からなる基板を用いてもよい。また、半導体基板の導電型についても、ｎ型に限らず、ｐ型のものを用いることもできる。更に、基板の受光面側にＢＳＦ接合を備え、裏面側にｐｎ接合を有する構造を用いることもできる。

本発明は、上述した本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものではない。

本発明の実施形態として示す太陽電池セルを受光面側からみた平面図である。本発明の実施形態として示す太陽電池セルを裏面側からみた平面図である。図２に示すＡ−Ａ’断面を示す断面図である。（ａ）乃至（ｅ）は、本発明の実施形態として示す太陽電池セルを製造する方法を説明する説明図である。

符号の説明

１…太陽電池セル、１０…光電変換部、１１…ｎ型単結晶シリコン基板、１２…ｐ型アモルファスシリコン層、１３…ｎ型アモルファスシリコン層、１４…スルーホール、１５…絶縁層、１６…導電体

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板の第１の主面上に形成された第１導電型を有する第１の非晶質半導体層と、
前記半導体基板の第２の主面上に形成された第２導電型を有する第２の非晶質半導体層と、
前記第１の非晶質半導体層と、前記半導体基板と前記第２の非晶質半導体層とを貫通する複数の貫通孔と、
前記貫通孔の内壁から前記貫通孔近傍における前記第２の非晶質半導体層の表面にまで跨って形成された絶縁層と、
前記第１の非晶質半導体層の表面に形成された細線電極と、
前記貫通孔の内部に形成された導電層と、
前記第２の非晶質半導体層の表面に前記絶縁層を介して形成されており前記導電層によって前記細線電極と電気的に接続された第１の取出電極と、
前記第２の非晶質半導体層の表面に形成された第２の取出電極と
を有する太陽電池セル。
第１の主面と前記第１の主面の反対に設けられた第２の主面とを有する半導体基板を有する太陽電池セルを製造する太陽電池セルの製造方法であって、
前記半導体基板の前記第１の主面上に第１導電型を有する第１の非晶質半導体層を形成する工程（Ａ）と、
前記第２の主面上に第２導電型を有する第２の非晶質半導体層を形成する工程（Ｂ）と、
前記第１の非晶質半導体層と、前記半導体基板と前記第２の非晶質半導体層とを貫通する複数の貫通孔を形成する工程（Ｃ）と、
前記貫通孔の内壁から前記貫通孔近傍における前記第２の非晶質半導体層の表面にまで跨って絶縁層を形成する工程（Ｄ）と、
前記第１の非晶質半導体層の表面に細線電極を形成する工程（Ｅ）と、
前記貫通孔の内部に導電層を形成する工程（Ｆ）と、
前記導電層によって前記細線電極と電気的に接続された第１の取出電極を前記第２の非晶質半導体層の表面に前記絶縁層を介して形成する工程（Ｇ）と、
前記第２の非晶質半導体層の表面に第２の取出電極を形成する工程（Ｈ）と
を有する太陽電池セルの製造方法。