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JP2012060080A - 結晶太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

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Hiroaki Katagiri
弘明 片桐
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孝 小松
Yukio Kikuchi
幸男 菊地
Shuji Osono
修司 大園
Yasushi Nishikata
靖 西方
Makiko Takagi
牧子 高木
Keisuke Kanazawa
圭祐 金澤
Yosuke Sakao
洋介 坂尾
Shin Asari
伸 浅利
Kazuya Saito
斎藤　　一也
Atsushi Ota
淳 太田
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Abstract

【課題】光電変換特性をさらに向上させた太陽電池を提供する。
【解決手段】本発明の太陽電池は、光を受光する受光面と該受光面と対向する裏面との間で光電変換機能を発現する結晶性基板を具備する結晶太陽電池であって、前記結晶性基板が、ｐ型若しくはｎ型の単結晶又は多結晶シリコンからなる平板状の基体であり、前記基体の前記受光面側に配され、該基体と逆又は同導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第一半導体層と、前記基体の前記裏面側に配され、該第一半導体層と逆導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第二半導体層と、前記基体と前記第一半導体層との間、又は前記基体と前記第二半導体層との間に配された酸化シリコン層を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、結晶太陽電池及びその製造方法に係り、より詳細には、光電変換特性の向上を図った結晶太陽電池及びその製造方法に関する。
太陽光エネルギーを利用して発電する太陽電池は、化石燃料の代替技術として期待される発電システムであり、地球環境を保全できる観点からもその生産量を急速に増加させる傾向にあり、積極的に種々の構造・構成のものが開発されている。その中でも、結晶シリコン（Ｓｉ）系の太陽電池は、その光電変換効率などの性能や製造コストの優位性などにより最も一般的に用いられている。
結晶シリコン系太陽電池における光電変換素子の構造は、受光面に電極を有しないバックコンタクト構造、単結晶シリコンと非晶質シリコンとのヘテロ接合を利用したｐｉｎ構造等、各種の構造によって変換効率の向上が図れている。
そして近年、半導体接合特性を改善することによって光電変換効率の向上を可能とする、いわゆるＨＩＴ（Heterojunction with Intrinsic Thin-Layer）型の太陽電池が知られている。ＨＩＴ型の太陽電池では、一導電型（例えば、ｎ型）の結晶系半導体基板と他導電型（例えば、ｐ型）の非晶質系半導体層とによって形成される半導体接合の間に、実質的に真性の非晶質系半導体層が介挿される（例えば、特許文献１参照）。
このように太陽電池の光電変換効率の向上は非常に重要なテーマであり、日々研究が進められている。
特許公開２０１０−３４１６２号公報
本発明はこのような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、光電変換特性をさらに向上させた太陽電池及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の請求項１に記載の結晶太陽電池は、光を受光する受光面と該受光面と対向する裏面との間で光電変換機能を発現する結晶性基板を具備する結晶太陽電池であって、前記結晶性基板が、ｐ型若しくはｎ型の単結晶又は多結晶シリコンからなる平板状の基体であり、前記基体の前記受光面側に配され、該基体と逆又は同導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第一半導体層と、前記基体の前記裏面側に配され、該第一半導体層と逆導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第二半導体層と、前記基体と前記第一半導体層との間、又は前記基体と前記第二半導体層との間に配された酸化シリコン層を備えていること、を特徴とする。
本発明の請求項２に記載の結晶太陽電池は、請求項１において、前記基体と前記第一半導体層との間、及び前記基体と前記第二半導体層との間にそれぞれ配された酸化シリコン層を備えていること、を特徴とする。
本発明の請求項３に記載の結晶太陽電池は、請求項１又は２において、前記基体の側面が酸化シリコン層で覆われていること、を特徴とする。
本発明の請求項４に記載の結晶太陽電池は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記第一半導体層の前記受光面側、及び／又は前記第二半導体層の前記裏面側に配された透明導電膜と、前記透明導電膜上に配されたくし型電極と、を備えていること、を特徴とする。
本発明の請求項５に記載の結晶太陽電池は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記基体の前記裏面側から透過する光を該基体の中部へ反射する白色塗膜又は反射層が、前記第二半導体層の前記裏面側に設けられていることを特徴とする。
本発明の請求項６に記載の結晶太陽電池は、請求項１乃至５のいずれか１項において、前記第二半導体層の前記裏面側を覆うように配された裏面電極を備えていること、を特徴とする。
本発明の請求項７に記載の結晶太陽電池の製造方法は、光を受光する受光面と該受光面と対向する裏面との間で光電変換機能を発現する結晶性基板を具備する結晶太陽電池の製造方法であって、前記結晶性基板として、ｐ型若しくはｎ型の単結晶又は多結晶シリコンからなる平板状の基体を用い、該基体の前記受光面側に配され、該基体と逆又は同導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第一半導体層を形成する工程と、前記基体の前記裏面側に配され、該第一半導体層と逆導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第二半導体層を形成する工程と、前記基体と前記第一半導体層との間、又は前記基体と前記第二半導体層との間に配された酸化シリコン層を形成する工程と、を少なくとも備えていること、を特徴とする。
本発明の請求項８に記載の結晶太陽電池の製造方法は、請求項７において、前記酸化シリコン層を形成する工程の後に、前記酸化シリコン層の表面を所望のプロセスガスからなるプラズマに曝す処理を行う工程をさらに備え、次いで、前記第一半導体層を形成する工程と、前記第二半導体層を形成する工程とを行うこと、を特徴とする。
本発明の請求項９に記載の結晶太陽電池は、光を受光する受光面と該受光面と対向する裏面との間で光電変換機能を発現する結晶性基板を具備する結晶太陽電池であって、前記結晶性基板が、ｐ型若しくはｎ型の単結晶又は多結晶シリコンからなる平板状の基体であり、前記基体の前記受光面側に配され、該基体と逆又は同導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第一半導体層と、前記基体の前記裏面側に配され、該第一半導体層と逆導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第二半導体層と、前記基体と前記第一半導体層との間、又は前記基体と前記第二半導体層との間に配された炭化シリコン層を備えていること、を特徴とする。
本発明の請求項１０に記載の結晶太陽電池は、請求項９において、前記基体と前記第一半導体層との間、及び前記基体と前記第二半導体層との間にそれぞれ配された炭化シリコン層を備えていること、を特徴とする。
本発明の請求項１１に記載の結晶太陽電池は、請求項９又は１０において、前記基体の側面が炭化シリコン層で覆われていること、を特徴とする。
本発明の請求項１２に記載の結晶太陽電池は、請求項９乃至１１のいずれか１項において、前記第一半導体層の前記受光面側、及び／又は前記第二半導体層の前記裏面側に配された透明導電膜と、前記透明導電膜上に配されたくし型電極と、を備えていること、を特徴とする。
本発明の請求項１３に記載の結晶太陽電池は、請求項９乃至１２のいずれか１項において、前記基体の前記裏面側から透過する光を該基体の中部へ反射する白色塗膜又は反射層が、前記第二半導体層の前記裏面側に設けられていることを特徴とする。
本発明の請求項１４に記載の結晶太陽電池は、請求項９乃至１３のいずれか１項において、前記第二半導体層の前記裏面側を覆うように配された裏面電極を備えていること、を特徴とする。
本発明の請求項１５に記載の結晶太陽電池の製造方法は、光を受光する受光面と該受光面と対向する裏面との間で光電変換機能を発現する結晶性基板を具備する結晶太陽電池の製造方法であって、前記結晶性基板として、ｐ型若しくはｎ型の単結晶又は多結晶シリコンからなる平板状の基体を用い、該基体の前記受光面側に配され、該基体と逆又は同導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第一半導体層を形成する工程と、前記基体の前記裏面側に配され、該第一半導体層と逆導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第二半導体層を形成する工程と、前記基体と前記第一半導体層との間、又は前記基体と前記第二半導体層との間に配された炭化シリコン層を形成する工程と、を少なくとも備えていること、を特徴とする。
本発明の請求項１６に記載の結晶太陽電池の製造方法は、請求項１５において、前記炭化シリコン層を形成する工程の後に、前記炭化シリコン層の表面を所望のプロセスガスからなるプラズマに曝す処理を行う工程をさらに備え、次いで、前記第一半導体層を形成する工程と、前記第二半導体層を形成する工程とを行うこと、を特徴とする。
本発明の請求項１７に記載の結晶太陽電池は、光を受光する受光面と該受光面と対向する裏面との間で光電変換機能を発現する結晶性基板を具備する結晶太陽電池であって、前記結晶性基板が、ｐ型若しくはｎ型の単結晶又は多結晶シリコンからなる平板状の基体であり、前記基体の前記受光面側に配され、該基体と逆又は同導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第一半導体層と、前記基体の前記裏面側に配され、該第一半導体層と逆導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第二半導体層と、前記基体と前記第一半導体層との間、又は前記基体と前記第二半導体層との間に配された酸化アルミニウム層を備えていること、を特徴とする。
本発明の請求項１８に記載の結晶太陽電池は、請求項１７において、前記基体と前記第一半導体層との間、及び前記基体と前記第二半導体層との間にそれぞれ配された酸化アルミニウム層を備えていること、を特徴とする。
本発明の請求項１９に記載の結晶太陽電池は、請求項１７又は１８において、前記基体の側面が酸化アルミニウム層で覆われていること、を特徴とする。
本発明の請求項２０に記載の結晶太陽電池は、請求項１７乃至１９のいずれか１項において、前記第一半導体層の前記受光面側、及び／又は前記第二半導体層の前記裏面側に配された透明導電膜と、前記透明導電膜上に配されたくし型電極と、を備えていること、を特徴とする。
本発明の請求項２１に記載の結晶太陽電池は、請求項１７乃至２０のいずれか１項において、前記基体の前記裏面側から透過する光を該基体の中部へ反射する白色塗膜又は反射層が、前記第二半導体層の前記裏面側に設けられていることを特徴とする。
本発明の請求項２２に記載の結晶太陽電池は、請求項１７乃至２１のいずれか１項において、前記第二半導体層の前記裏面側を覆うように配された裏面電極を備えていること、を特徴とする。
本発明の請求項２３に記載の結晶太陽電池の製造方法は、光を受光する受光面と該受光面と対向する裏面との間で光電変換機能を発現する結晶性基板を具備する結晶太陽電池の製造方法であって、前記結晶性基板として、ｐ型若しくはｎ型の単結晶又は多結晶シリコンからなる平板状の基体を用い、該基体の前記受光面側に配され、該基体と逆又は同導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第一半導体層を形成する工程と、前記基体の前記裏面側に配され、該第一半導体層と逆導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第二半導体層を形成する工程と、前記基体と前記第一半導体層との間、又は前記基体と前記第二半導体層との間に配された酸化アルミニウム層を形成する工程と、を少なくとも備えていること、を特徴とする。
本発明の請求項２４に記載の結晶太陽電池の製造方法は、請求項２３において、前記酸化アルミニウム層を形成する工程の後に、前記酸化アルミニウム層の表面を所望のプロセスガスからなるプラズマに曝す処理を行う工程をさらに備え、次いで、前記第一半導体層を形成する工程と、前記第二半導体層を形成する工程とを行うこと、を特徴とする。
本発明に係る第一の結晶太陽電池では、前記基体と前記第一半導体層との間、又は前記基体と前記第二半導体層との間に配された酸化シリコン層（ＳｉＯｘ又はＳｉＯｘ：Ｈ、ただし、０＜ｘ≦２）を備えているので、界面準位密度の減少と界面におけるバンドの湾曲によるパッシベーション効果により、光電変換特性を向上させた結晶シリコン太陽電池を提供することが可能である。
本発明に係る第一の結晶太陽電池の製造方法では、酸化シリコン層を形成する工程を備えることにより、上述したパッシベーション効果により光電変換特性を向上させた結晶シリコン太陽電池を安定して作製することが可能である。また、酸化シリコン層に対してプラズマ処理を施すことにより、さらに光電変換特性の改善された結晶シリコン太陽電池が得られる。
本発明に係る第二の結晶太陽電池では、前記基体と前記第一半導体層との間、又は前記基体と前記第二半導体層との間に配された炭化シリコン層（ＳｉＣｙ又はＳｉＣｙ：Ｈ、ただし、０＜ｙ≦１）を備えているので、界面準位密度の減少と界面におけるバンドの湾曲によるパッシベーション効果により、光電変換特性を向上させた結晶シリコン太陽電池を提供することが可能である。
本発明に係る第二の結晶太陽電池の製造方法では、炭化シリコン層を形成する工程を備えることにより、上述したパッシベーション効果により光電変換特性を向上させた結晶シリコン太陽電池を安定して作製することが可能である。また、炭化シリコン層に対してプラズマ処理を施すことにより、さらに光電変換特性の改善された結晶シリコン太陽電池が得られる。
本発明に係る第三の結晶太陽電池では、前記基体と前記第一半導体層との間、又は前記基体と前記第二半導体層との間に配された酸化アルミニウム（ＡｌＯｚ又はＡｌＯｚ：Ｈ、ただし、０＜ｚ≦１．５）を備えているので、界面準位密度の減少と界面におけるバンドの湾曲によるパッシベーション効果により、光電変換特性を向上させた結晶シリコン太陽電池を提供することが可能である。
本発明に係る第三の結晶太陽電池の製造方法では、酸化アルミニウム層を形成する工程を備えることにより、上述したパッシベーション効果により光電変換特性を向上させた結晶シリコン太陽電池を安定して作製することが可能である。また、酸化アルミニウム層に対してプラズマ処理を施すことにより、さらに光電変換特性の改善された結晶シリコン太陽電池が得られる。
本発明の太陽電池の一構成例（第一実施形態）を模式的に示す断面図。 本発明の太陽電池の一構成例（第二実施形態）を模式的に示す断面図。 本発明の太陽電池の一構成例（第三実施形態）を模式的に示す断面図。 本発明の太陽電池の一構成例（第四実施形態）を模式的に示す断面図。
以下、本発明に係る太陽電池の好適な実施形態について説明する。
＜第一実施形態＞
図１は、本発明の太陽電池の一構成例を模式的に示す断面斜視図である。
この太陽電池１Ａ（１）は、光を受光する受光面１αと該受光面１αと対向する裏面１βとの間で光電変換機能を発現する結晶性基板１０を具備する結晶太陽電池であって、前記結晶性基板１０が、ｐ型若しくはｎ型の単結晶又は多結晶シリコンからなる平板状の基体であり、前記基体の前記受光面側に配され、該基体と逆又は同導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第一半導体層１１と、前記基体の前記裏面側に配され、該第一半導体層と逆導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第二半導体層１２と、を備える。
そして本発明の太陽電池１Ａ（１）は、結晶性基板（基体）１０と前記第一半導体層１１との間、又は前記基体と前記第二半導体層１２との間に配された酸化シリコン層２０を備えていること、を特徴とする。
本発明では、結晶性基板（基体）１０と第一半導体層１１との間、又は結晶性基板１０と前記第二半導体層１２との間に配された酸化シリコン層２０を備えているので、界面準位密度の減少と界面におけるバンドの湾曲によるパッシベーション効果により、本発明の太陽電池１Ａ（１）は光電変換特性が向上したものとなる。
図１に示されるように、結晶太陽電池１Ａ（１）は、結晶性基板（基体）１０、第一半導体層１１、第二半導体層１２、透明導電膜１３、第一電極１４、透明導電膜１５、第二電極１６によって構成されている。
結晶性基板１０は、結晶性を有する半導体基板であり、例えば５０μｍ〜２００μｍの厚さを有する、ｐ型若しくはｎ型の単結晶又は多結晶シリコン（Ｓｉ）からなる平板状の基体を用いることができる。このような基体には、引き上げ法により形成される単結晶シリコンのインゴットから切り出されたウエハ、鋳造技術により形成される多結晶シリコンのインゴットから切り出されたウエハ等を利用することができる。
この結晶性基板１０の表面１０ａには、該結晶性基板１０と逆又は同導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第一半導体層１１が配されている。
例えば結晶性基板１０にｎ型シリコンからなる基体を用いる場合、第一半導体層１１は、ｐ型のアモルファスシリコン（ｐ−ａ−Ｓｉ）、ｐ型の微結晶シリコン（ｐ−μｃ−Ｓｉ）、ｎ型のアモルファスシリコン（ｎ−ａ−Ｓｉ）、ｎ型の微結晶シリコン（ｎ−μｃ−Ｓｉ）からなる。
また、結晶性基板１０の裏面１０ｂには、第一半導体層１１と逆導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第二半導体層１２が配されている。
例えば第一半導体層１１がｐ型の場合、第二半導体層１２は、ｎ型のアモルファスシリコン（ｎ−ａ−Ｓｉ）又はｎ型の微結晶シリコン（ｎ−μｃ−Ｓｉ）からなる。
そして特に本発明の太陽電池１Ａ（１）は、結晶性基板１０と第一半導体層１１との間、又は結晶性基板１０と第二半導体層１２との間に配された酸化シリコン層２０を備えていること、を特徴とする。図１に示す例では、結晶性基板１０と第二半導体層１２との間に酸化シリコン層２０を配した場合を示しているが、本発明はこれに限定されず、結晶性基板１０と第一半導体層１１との間に酸化シリコン層２０を配してもよい。
本発明では、結晶性基板１０と第一半導体層１１との間、又は結晶性基板１０と第二半導体層１２との間に配された酸化シリコン層２０を備えているので、界面準位密度の減少と界面におけるバンドの湾曲によるパッシベーション効果により、本発明の太陽電池１Ａ（１）は光電変換特性が向上したものとなる。
前記酸化シリコン層２０の厚みとしては特に限定されるものではないが、トンネル電流が流れる程度の厚みであればよく、具体的には例えば１０〜３０Åの範囲が好ましい。酸化シリコン層２０の厚みが１０Åを下回ると、バンドの湾曲が小さくなりパッシベーション効果が小さくなって芳しくない。一方、酸化シリコン層２０の厚みが３０Åを上回ると、トンネル電流が低下するので光電変換効率が低下して問題が生じる。ゆえに、酸化シリコン層２０の厚みの好適範囲は１０〜３０Åである。
第一半導体層１１の前記受光面側には透明導電膜１３が配され、前記透明導電膜１３上にくし型に形成された第一電極１４が配されている。
透明導電膜１３は、太陽光を透過する光透過性を有した導電材料により形成されている。この太陽電池１Ａ（１）に向けて太陽光（図１の矢印）が照射されるとき、透明導電膜１３を透過した太陽光は表面１０ａに到達し、結晶性基板１０の表面１０ａは太陽光を受光する受光面として機能する。
このような透明導電膜１３の構成材料としては、例えば、酸素欠陥を制御した酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウム等の電気伝導性酸化物の他、酸化亜鉛を主成分とする透明導電膜であるＡＺＯ（ＡｌドープＺｎＯ）、ＢＺＯ（ＢドープＺｎＯ）、ＦＺＯ（ＦドープＺｎＯ）、ＧＺＯ（ＧａドープＺｎＯ）等、酸化スズを主成分とする透明導電膜であるＡＴＯ（ＳｂドープＳｎＯ２）、ＦＴＯ（ＦドープＳｎＯ２）等、酸化インジウムを主成分とする透明導電膜であるＩＴＯ（ＳｂドープＩｎ２Ｏ３）、ＩＦＯ（ＦドープＩｎ２Ｏ３）等、を用いることができる。また、高移動度が得られるＩＧＺＯ（ＩｎＧａＺｎＯ）をはじめとする、いわゆるＴＡＯＳ（透明アモルファス酸化物半導体）を用いてもよい。特に、熱ＣＶＤ法やＭＯＣＶＤ法により成膜したＳｎＯ２ やＺｎＯ系の材料は、その表面にテクスチャーと呼ばれる凹凸が形成され、光の散乱効果が得られるため、光の入射側あるいは反射側に用いると光路が曲げられて、結晶性基板を通る距離が長くなり、キャリア生成効率が向上するため、光電変換特性がさらに向上する。
第一電極１４は結晶太陽電池１Ａ（１）の構造やプロセス設計に応じて選択される導電材料により形成されている。このような第一電極１４の構成材料としては、例えば電力損失を抑えるべく選択されるアルミニウム、銀等の低抵抗材料を用いることができる。
また、第二半導体層１２の前記裏面１β側には透明導電膜１５が配され、前記透明導電膜１５上にくし型に形成された第二電極１６が配されている。
透明導電膜１５の構成材料としては、例えば、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化スズインジウム（ＩＴＯ）等を用いることができる。
第二電極１６は結晶太陽電池１Ａ（１）の構造やプロセス設計に応じて選択される導電材料により形成されている。このような第二電極１６の構成材料としては、例えば電力損失を抑えるべく選択されるアルミニウム、銀等の低抵抗材料を用いることができる。
このような太陽電池１Ａ（１）において、太陽電池１Ａ（１）の表面（受光面）が太陽光を受けるとき、受光面から入射した太陽光は、第一半導体層１１を透過して、さらに結晶性基板１０及び第二半導体層１２にも進入する。次いで、結晶性基板１０の各部に吸収された光は、キャリアである電子や正孔を生成する。そして、生成されたキャリアは、結晶性基板１０と第二半導体層１２との接合部であるｐｎ接合あるいはヘテロ接合部の電位勾配に従って、第一半導体層１１と第二半導体層１２とに分離される。このようにして分離されたキャリアは、第一電極１４及び第二電極１６から収集されることにより、電気エネルギーに変換される。すなわち、結晶性基板１０に吸収された光は、結晶性基板１０の光電変換機能によって、電気エネルギーに変換される。
このとき、本発明の太陽電池１Ａ（１）では、結晶性基板１０と前記第一半導体層１１との間、又は前記基体と前記第二半導体層１２との間に酸化シリコン層２０が配されているので、該酸化シリコン層２０によりトンネル電流が流れ、より高エネルギーのキャリアが収集される。その結果、本発明の太陽電池１Ａ（１）は光電変換特性がさらに向上したものとなる。
半導体基板１０と第一半導体層１１との間、又は半導体基板１０と第二半導体層１２との間に酸化シリコン層２０を配することで、シリコン／酸化シリコン界面の欠陥数が少なくなり、追加ドープ無しでバンドを曲げることが可能である。
なお、上述する第一半導体層１１の厚さ、及び第二半導体層１２の厚さは、ｐ型半導体層をなす第一半導体層１１が相対的に厚く、ｎ型半導体層をなす第二半導体層１２が相対的に薄い構成が好ましい。このような厚さの構成であれば、第一半導体層１１で生成されるキャリアの再結合が軽減されるかたちとなり、変換効率が向上される。
さらに、前記結晶性基板１０の裏面１０ｂ側から透過する光を該結晶性基板１０の中部へ反射する白色塗膜又は反射層が、前記第二半導体層１２の裏面側に設けられている。ここでは、前記第一電極１６上に白色塗膜１７を形成した場合を例にあげて説明する。
白色塗膜１７は、結晶性基板１０の吸収波長の領域において高い反射率を有する白色の塗膜であり、その白色成分としては、例えば、硫酸バリウム、酸化マグネシウム及び酸化チタンからなる群から選択される少なくとも一種からなる化合物を用いることができる。白色塗膜１７は、上記白色成分の微粒子とバインダと溶剤とからなる白色塗料が前記第二半導体層１２の前記裏面側に塗布されることにより形成されている。こうした構成からなる白色塗膜１７は、結晶性基板１０を透過した光である太陽光の一部を裏面１０ｂへ拡散反射する反射面として機能する。
太陽電池１Ａ（１）の表面（受光面）が太陽光を受けるとき、表面から入射した太陽光は、結晶性基板１０に吸収される。だが、太陽電池１に掛かる原料使用量を低減すべく結晶性基板１０の厚みが薄くなると、結晶性基板１０で吸収できない光量が高くなってしまい、太陽光の一部が結晶性基板１０を透過するようになる。このようにして結晶性基板１０を透過した光の一部は、第二半導体層１２、透明電極１５までも透過して白色塗膜１７に到達する。この際、白色塗膜１７に到達した光は、白色塗膜１７が有する光反射性により反射される。そして、白色塗膜１７で反射された光は、再び透明電極１５、第二半導体層１２を透過して結晶性基板１０に吸収される。すなわち、結晶性基板１０を透過した光の一部は、白色塗膜１７の光反射機能によって、電気エネルギーに変換される。
したがって、この白色塗膜１７の光反射機能によって、結晶太陽電池１における光の利用効率を向上させることができる。そのうえ、白色塗膜１７の構成材料、膜厚、位置等は、他の構成要件である結晶性基板１０、第一電極１４及び第二電極１６の光学特性に応じて変更可能であり、このような白色塗膜１７の構成を適宜選択することにより、透過光の再利用がより適切に実現可能になる。ゆえに、結晶性基板１０、第一電極１４、及び第二電極１６に対して、その構成材料や設計ルールの変更等を強いることがなく、光の利用効率を向上することができる。
なお、結晶性基板１０としてシリコン基板を用いる場合、上述する白色塗膜１７は、特に５００ｎｍ〜１２００ｎｍの波長領域で９０％以上の反射率を有する構成が好ましい。このような反射率を有する構成であれば、結晶性基板１０を透過した光の中から結晶性基板１０で吸収可能な光を効率よく反射することができる。
また、前記白色塗膜１７の代わりに反射層を配する場合、該反射層は、例えばアルミニウムや、銀、銅などの膜により構成することができる。
上述したような太陽電池１Ａ（１）は、例えば以下のような製造工程により形成される。
結晶性基板１０に対して、図示しないテクスチャと呼ばれる表面の微細な凹凸を、ウェットエッチング又はドライエッチングにより形成した後、洗浄処理を施す。
次に、テクスチャ付きの結晶性基板１０の表面にシリコン酸化膜２０を形成する。
結晶性基板１０（シリコンからなる基体）の表面にシリコン酸化膜２０を形成する方法としては特に限定されるものではない。例えば、水蒸気や酸素による熱酸化や、プラズマＣＶＤ、ＡＬＤ（atomic layer deposition） などの堆積法が挙げられる。中でも、良質な極薄酸化膜を制御性良く形成する方法として、例えば、特開２００２−０６４０９３号公報に記載されるような方法を用いることができる。
具体的には、例えば半導体基板１０を酸化性の薬液に浸漬させて酸化処理することにより基板の表面に極薄の酸化膜を形成することを基本的な構成とする。その後、不活性ガス雰囲気中で熱処理して改質してもよい。半導体基板１０を酸化性の薬液に浸漬して化学的酸化処理を行うことにより酸化膜の膜厚制御を容易にする。またその後、必要に応じて、基板上の酸化膜を不活性ガス雰囲気中で熱処理することによりリーク電流密度を低下させている。この熱処理によりリーク電流密度が低下する理由としては、化学的に酸化された熱処理前の酸化膜はサブオキサイドの状態、即ち酸素が欠乏している状態にあって、これがリーク電流を大きくしており、熱処理をするとこのサブオキサイドを減少できること、あるいは基板と酸化膜の界面が熱処理によりスムーズになることが考えられる。ただし、この熱処理は、太陽電池では無くても実用上さしつかえない。
この酸化膜形成方法により、半導体基板１０の表面にリーク電流の少ない高品質の膜厚０．３〜３ｎｍの酸化膜を容易に形成することができる。また、半導体基板１０を浸漬させる酸化性の薬液の種類と温度を調整することにより、酸化膜の膜厚の制御を簡単に行うことができる。これは、半導体基板１０を薬液に浸漬させている時間が薬液により異なるある一定時間以上になると、形成される極薄酸化膜の膜厚がほとんど変化しなくなる特性があるからである。
また、前記薬液の種類が、硝酸、オゾン溶解水、過酸化水素水、塩酸及び過酸化水素水の混合溶液、硫酸及び過酸化水素水の混合溶液、アンモニア及び過酸化水素水の混合溶液、硫酸及び硝酸の混合溶液、過塩素酸、沸騰水から選ばれる少なくとも一つの薬液であることが好ましい。これは、膜厚が０．３〜３ｎｍの範囲で多様な厚さの極薄酸化膜が膜厚制御性良く形成できるからである。
また、前記不活性ガスが、窒素、アルゴン、ネオン、水素またはそれらの混合ガスから選ばれる少なくとも一つの気体であることが望ましい。これは、これらの不活性ガスを用いた場合、加熱によって酸化が生じることがないので、酸化膜の膜厚が変化しないからである。
また、半導体基板１０を酸化性の薬液に浸漬する前に、基板表面の自然酸化膜または不純物を除去する処理を行うことが望ましい。これにより、高品質の極薄酸化膜を安定的に形成する事が可能となる。
また、不活性ガス中の加熱温度が５００〜１２００℃の範囲であることが望ましい。この温度範囲で加熱すれば、リーク電流密度の減少など酸化膜の膜質が向上させられるからである。
このようにして、シリコンからなる結晶性基板１０の表面に酸化膜（酸化シリコン層２０）が形成される。
なお、上記酸化膜を結晶性基板１０の片面（一方の面）にのみ形成する場合は、例えば、非成膜面（他方の面）をマスクした成膜法の他に、酸化膜が両面に形成された結晶性基板１０を用い、非成膜面（他方の面）とする片面のみウェットエッチング（エッチャントで濡らしたローラーで片面塗布など）で除去する方法が用いられる。
さらに、シリコンからなる結晶性基板１０の表面に酸化膜（酸化シリコン層２０）を形成した後、酸化膜（酸化シリコン層２０）の表面を所望のプロセスガスからなるプラズマに曝す処理（以下、「プラズマ処理」とも呼ぶ）を行ってから、後述する第一半導体層１１や第二半導体層１２を形成してもよい。
第一半導体層１１あるいは第二半導体層１２がｐ型半導体の場合には、プロセスガスとしてボロン（Ｂ）を含むガス（例えば、Ｂ２Ｈ６）などが用いられる。一方、第一半導体層１１あるいは第二半導体層１２がｎ型半導体の場合には、プロセスガスとしてリン（Ｐ）を含むガス（例えば、ＰＨ３ ）などが用いられる。
このように、酸化膜（酸化シリコン層２０）の表面に対して、所望のプラズマに曝す処理を施すことによって、酸化膜（酸化シリコン層２０）のプラズマ処理された表面とその上に形成される第一半導体層１１あるいは第二半導体層１２との間の「電気的な障壁が低下して整流性が高くなるので、電荷の流れがよりスムーズとなり、発電効率の向上がもたらされる。換言すると、酸化膜（酸化シリコン層２０）の表面を所望のプラズマに曝す処理は、発電効率の向上に寄与する。
次に、例えばＣＶＤ法を用いた成膜処理が、結晶性基板１０の表面１０ａに施されて、これにより第一半導体層１１が形成される。
次いで、ＣＶＤ法を用いた成膜処理が、酸化シリコン層２０が形成された結晶性基板１０の裏面１０ｂに施されて、これにより酸化シリコン層２０上に第二半導体層１２が形成される。
次いで、スパッタ法を用いた成膜処理が、第一半導体層１１及び第二半導体層１２に施されて、これにより第一半導体層１１上に透明導電膜１３、第二半導体層１２上に透明導電膜１５がそれぞれ形成される。
そして、スパッタ法や印刷法あるいは塗布法を用いた成膜処理が透明導電膜１３と透明導電膜１５とに施されて、これにより第一電極１４と第二電極１６とが形成される。
そして、白色塗料を利用する塗布法を用いた成膜処理が第二電極１６上に施されて、これにより白色塗膜１７が形成される。
以上のようにして、図１に示したような太陽電池１Ａ（１）が得られる。
＜第二実施形態＞
以下、本発明の第二実施形態について説明する。
図２は、本実施形態の太陽電電池１Ｂ（１）の一構成例を模式的に示す断面図である。
なお、以下の説明では、上述した第一実施形態と異なる部分について主に説明し、第一実施形態と同様の部分については説明を省略する。
上述した第一実施形態では、結晶性基板１０と第二半導体層１２との間に酸化シリコン層２０が配されていたが、本実施形態の太陽電池１Ｂ（１）では、結晶性基板１０と第一半導体層１１との間、及び結晶性基板１０と第二半導体層１２との間にそれぞれ配された酸化シリコン層２０を備えている。
結晶性基板１０と前記第一半導体層１１との間、及び結晶性基板１０と第二半導体層１２との間にそれぞれ酸化シリコン層２０を配することで、より多くの高エネルギーのキャリアが収集され、光電変換効率をさらに高めることが可能である。
＜第三実施形態＞
以下、本発明の第三実施形態について説明する。
図３は、本実施形態の太陽電電池１Ｃ（１）の一構成例を模式的に示す断面図である。
なお、以下の説明では、上述した第一実施形態と異なる部分について主に説明し、第一実施形態と同様の部分については説明を省略する。
上述した第一実施形態では、前記第二半導体層１２上に透明導電膜１５が配され、該透明導電膜１５上に、くし形に形成された第一電極１６が配されていたが、本実施形態の太陽電池１Ｃ（１）では、前記第二半導体層１２の裏面側を覆うように配された裏面電極１６を備えている。すなわち、本実施形態の太陽電池１Ｃ（１）では、前記第二半導体層１２上に透明導電膜１５が配され、該透明導電膜１５の全面に亘って裏面電極１６が形成されている。
＜第四実施形態＞
以下、本発明の第四実施形態について説明する。
図４は、本実施形態の太陽電池１Ｄ（１）の一構成例を模式的に示す断面図である。
なお、以下の説明では、上述した実施形態と異なる部分について主に説明し、第一実施形態と同様の部分については説明を省略する。
上述した第二実施形態では、結晶性基板１０と前記第一半導体層１１との間、及び前記基体と前記第二半導体層１２との間にそれぞれ酸化シリコン層２０が配されていたが、本実施形態の太陽電池１Ｄ（１）では、結晶性基板１０の両主面に加えて、結晶性基板１０の側面１０ｃが酸化シリコン層２０で覆われている。
結晶性基板１０の側面１０ｃにも酸化シリコン層２０を配することで、表面欠陥が少なくなり、光電変換効率をさらに高めることが可能である。
表１は、上述した酸化シリコン層２０を備えた各種構成の太陽電池について、発電効率を調べた結果である。
表１の「酸化シリコン層２０」欄において、「上面部」とは結晶性基板１０と第一半導体層１１との間に酸化シリコン層２０を設けた場合を、「下面部」とは結晶性基板１０と第二半導体層１２との間に酸化シリコン層２０を設けた場合を、「側面部」とは結晶性基板１０の側面に酸化シリコン層２０を設けた場合を、各々示す。○印は、酸化シリコン層２０を設けたことを、×印は設けなかったことを表す。
また、表１の「プラズマ処理」欄において、○印は所望のプラズマ処理を施したことを、×印は当該プラズマ処理を行わなかったことを意味する。
Figure 2012060080
表１より、以下の点が明らかとなった。
（１）本発明に係る酸化シリコン２０を全く備えない従来の構成とした場合（実験例１）
に比べて、酸化シリコン２０を少なくとも一部（上面部、下面部、側面部のいずれか
の部分）に設けることによって、発電効率が向上する。
（２）実験例２、３、４、５の間では、番号が大きくなるほど、発電効率も高くなる傾向
があることが分かった。
（３）実験例５に比べて実験例６の発電効率が増えたことから、プラズマ処理が発電効率
の増加に寄与することが分かった。
以上では、本発明の太陽電池において、基体と第一半導体層との間、又は基体と第二半導体層との間に、酸化シリコン（ＳｉＯｘ 、ただし、０＜ｘ≦２）を設けた構成例について詳細に説明したが、図１〜図４において符号２０の位置に、酸化シリコンに代えて、炭化シリコンや酸化アルミニウムを設けても、同様の作用・効果、すなわち、界面準位密度の減少と界面におけるバンドの湾曲によるパッシベーション効果により、光電変換特性を向上させた結晶シリコン太陽電池を提供することができる。また、酸化シリコンに代えて炭化シリコンや酸化アルミニウムとした場合にも、上述したプラズマ処理が有効であり、発電効率の向上をもたらす。
以上、本発明の太陽電池について説明してきたが、本発明はこれらの例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
本発明は、結晶太陽電池に広く適用可能である。
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ．１Ｄ（１） 太陽電池、１０ 結晶性基板、１１ 第一半導体層、１２ 第二半導体層、１３ 透明導電膜、１４ 第一電極、１５ 透明導電膜、１６ 第二電極、１７ 白色塗膜、２０ 酸化シリコン層。

Claims (24)

  1. 光を受光する受光面と該受光面と対向する裏面との間で光電変換機能を発現する結晶性基板を具備する結晶太陽電池であって、
    前記結晶性基板が、ｐ型若しくはｎ型の単結晶又は多結晶シリコンからなる平板状の基体であり、
    前記基体の前記受光面側に配され、該基体と逆又は同導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第一半導体層と、
    前記基体の前記裏面側に配され、該第一半導体層と逆導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第二半導体層と、
    前記基体と前記第一半導体層との間、又は前記基体と前記第二半導体層との間に配された酸化シリコン層を備えていること、を特徴とする結晶太陽電池。
  2. 前記基体と前記第一半導体層との間、及び前記基体と前記第二半導体層との間にそれぞれ配された酸化シリコン層を備えていること、を特徴とする請求項１に記載の結晶太陽電池。
  3. 前記基体の側面が酸化シリコン層で覆われていること、を特徴とする請求項１又は２に記載の結晶太陽電池。
  4. 前記第一半導体層の前記受光面側、及び／又は前記第二半導体層の前記裏面側に配された透明導電膜と、
    前記透明導電膜上に配されたくし型電極と、を備えていること、を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の結晶太陽電池。
  5. 前記基体の前記裏面側から透過する光を該基体の中部へ反射する白色塗膜又は反射層が、前記第二半導体層の前記裏面側に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の結晶太陽電池。
  6. 前記第二半導体層の前記裏面側を覆うように配された裏面電極を備えていること、を特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の結晶太陽電池。
  7. 光を受光する受光面と該受光面と対向する裏面との間で光電変換機能を発現する結晶性基板を具備する結晶太陽電池の製造方法であって、
    前記結晶性基板として、ｐ型若しくはｎ型の単結晶又は多結晶シリコンからなる平板状の基体を用い、該基体の前記受光面側に配され、該基体と逆又は同導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第一半導体層を形成する工程と、
    前記基体の前記裏面側に配され、該第一半導体層と逆導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第二半導体層を形成する工程と、
    前記基体と前記第一半導体層との間、又は前記基体と前記第二半導体層との間に配された酸化シリコン層を形成する工程と、
    を少なくとも備えていること、を特徴とする結晶太陽電池の製造方法。
  8. 前記酸化シリコン層を形成する工程の後に、前記酸化シリコン層の表面を所望のプロセスガスからなるプラズマに曝す処理を行う工程をさらに備え、
    次いで、前記第一半導体層を形成する工程と、前記第二半導体層を形成する工程とを行うこと、を特徴とする請求項７に記載の結晶太陽電池の製造方法。
  9. 光を受光する受光面と該受光面と対向する裏面との間で光電変換機能を発現する結晶性基板を具備する結晶太陽電池であって、
    前記結晶性基板が、ｐ型若しくはｎ型の単結晶又は多結晶シリコンからなる平板状の基体であり、
    前記基体の前記受光面側に配され、該基体と逆又は同導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第一半導体層と、
    前記基体の前記裏面側に配され、該第一半導体層と逆導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第二半導体層と、
    前記基体と前記第一半導体層との間、又は前記基体と前記第二半導体層との間に配された炭化シリコン層を備えていること、を特徴とする結晶太陽電池。
  10. 前記基体と前記第一半導体層との間、及び前記基体と前記第二半導体層との間にそれぞれ配された炭化シリコン層を備えていること、を特徴とする請求項９に記載の結晶太陽電池。
  11. 前記基体の側面が炭化シリコン層で覆われていること、を特徴とする請求項９又は１０に記載の結晶太陽電池。
  12. 前記第一半導体層の前記受光面側、及び／又は前記第二半導体層の前記裏面側に配された透明導電膜と、
    前記透明導電膜上に配されたくし型電極と、を備えていること、を特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の結晶太陽電池。
  13. 前記基体の前記裏面側から透過する光を該基体の中部へ反射する白色塗膜又は反射層が、前記第二半導体層の前記裏面側に設けられていることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の結晶太陽電池。
  14. 前記第二半導体層の前記裏面側を覆うように配された裏面電極を備えていること、を特徴とする請求項９乃至１３のいずれか１項に記載の結晶太陽電池。
  15. 光を受光する受光面と該受光面と対向する裏面との間で光電変換機能を発現する結晶性基板を具備する結晶太陽電池の製造方法であって、
    前記結晶性基板として、ｐ型若しくはｎ型の単結晶又は多結晶シリコンからなる平板状の基体を用い、該基体の前記受光面側に配され、該基体と逆又は同導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第一半導体層を形成する工程と、
    前記基体の前記裏面側に配され、該第一半導体層と逆導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第二半導体層を形成する工程と、
    前記基体と前記第一半導体層との間、又は前記基体と前記第二半導体層との間に配された炭化シリコン層を形成する工程と、
    を少なくとも備えていること、を特徴とする結晶太陽電池の製造方法。
  16. 前記炭化シリコン層を形成する工程の後に、前記炭化シリコン層の表面を所望のプロセスガスからなるプラズマに曝す処理を行う工程をさらに備え、
    次いで、前記第一半導体層を形成する工程と、前記第二半導体層を形成する工程とを行うこと、を特徴とする請求項１５に記載の結晶太陽電池の製造方法。
  17. 光を受光する受光面と該受光面と対向する裏面との間で光電変換機能を発現する結晶性基板を具備する結晶太陽電池であって、
    前記結晶性基板が、ｐ型若しくはｎ型の単結晶又は多結晶シリコンからなる平板状の基体であり、
    前記基体の前記受光面側に配され、該基体と逆又は同導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第一半導体層と、
    前記基体の前記裏面側に配され、該第一半導体層と逆導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第二半導体層と、
    前記基体と前記第一半導体層との間、又は前記基体と前記第二半導体層との間に配された酸化アルミニウム層を備えていること、を特徴とする結晶太陽電池。
  18. 前記基体と前記第一半導体層との間、及び前記基体と前記第二半導体層との間にそれぞれ配された酸化アルミニウム層を備えていること、を特徴とする請求項１７に記載の結晶太陽電池。
  19. 前記基体の側面が酸化アルミニウム層で覆われていること、を特徴とする請求項１７又は１８に記載の結晶太陽電池。
  20. 前記第一半導体層の前記受光面側、及び／又は前記第二半導体層の前記裏面側に配された透明導電膜と、
    前記透明導電膜上に配されたくし型電極と、を備えていること、を特徴とする請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載の結晶太陽電池。
  21. 前記基体の前記裏面側から透過する光を該基体の中部へ反射する白色塗膜又は反射層が、前記第二半導体層の前記裏面側に設けられていることを特徴とする請求項１７乃至２０のいずれか１項に記載の結晶太陽電池。
  22. 前記第二半導体層の前記裏面側を覆うように配された裏面電極を備えていること、を特徴とする請求項１７乃至２１のいずれか１項に記載の結晶太陽電池。
  23. 光を受光する受光面と該受光面と対向する裏面との間で光電変換機能を発現する結晶性基板を具備する結晶太陽電池の製造方法であって、
    前記結晶性基板として、ｐ型若しくはｎ型の単結晶又は多結晶シリコンからなる平板状の基体を用い、該基体の前記受光面側に配され、該基体と逆又は同導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第一半導体層を形成する工程と、
    前記基体の前記裏面側に配され、該第一半導体層と逆導電型の非晶質又は微結晶シリコンからなる第二半導体層を形成する工程と、
    前記基体と前記第一半導体層との間、又は前記基体と前記第二半導体層との間に配された酸化アルミニウム層を形成する工程と、
    を少なくとも備えていること、を特徴とする結晶太陽電池の製造方法。
  24. 前記酸化アルミニウム層を形成する工程の後に、前記酸化アルミニウム層の表面を所望のプロセスガスからなるプラズマに曝す処理を行う工程をさらに備え、
    次いで、前記第一半導体層を形成する工程と、前記第二半導体層を形成する工程とを行うこと、を特徴とする請求項２３に記載の結晶太陽電池の製造方法。
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