JP2012038915A - 太陽電池およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】裏面側に部分コンタクト構造をもつ高効率の結晶シリコン太陽電池をより簡易な作製工程で、かつ、より低コストで実現する技術を提供する。
【解決手段】本発明の太陽電池は、単結晶シリコンまたは多結晶シリコンからなる第一導電型の結晶シリコン基板と、該結晶シリコン基板の受光面側に形成された第二導電型の不純物拡散層と、該結晶シリコン基板の受光面側の不純物拡散層表面に形成された第一電極と、該結晶シリコン基板の裏面側に形成された第二電極と、該結晶シリコン基板の裏面側表面に形成された、複数の開口部を有するポリイミドまたはポリアミドイミドの裏面反射層と、を備える。そして、該第二電極は、該結晶シリコン基板の裏面側表面と該複数の開口部を通してコンタクトを形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池の構造およびその製造方法に関し、特に単結晶シリコンまたは多結晶シリコンからなる結晶シリコン基板を用いた太陽電池の構造およびその製造方法に関する。

単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板を用いた結晶シリコン太陽電池において、その高効率化および低価格化は重要な課題となっている。

図１は、現在主に用いられている結晶シリコン太陽電池の構造を示す図面である。現在主に用いられている結晶シリコン太陽電池は、結晶シリコン基板１、拡散層２、表面反射防止膜３、BSF（back surface field）層４、第一電極５（受光面側の電極）、第二電極
６（裏面側の電極）を備える。

各電極の形成について、受光面側の電極（図１の第一電極５）は銀（Ag）ペーストを、裏面側の電極（図１の第二電極６）はアルミニウム（Al）ペーストを塗布し、焼成することにより形成される。

しかしながら、現在主に用いられている結晶シリコン太陽電池は、特に裏面側において、シリコンとアルミニウムとの熱膨張係数の違いから、焼成後に基板が反ってしまうこと、キャリアの再結合が大きいこと、反射率が小さいことといった問題点を抱えている。これらの問題点は太陽電池の高効率化の障害となる。また、太陽電池の厚さを薄くしようとする場合、これらの問題点は太陽電池の高効率化のより顕著な障害となる。

これらの問題点を解決する手法として、結晶シリコン太陽電池の裏面側の構造をAlペーストによる全面電極ではなく、裏面の一部分に電極を形成し、そのほかの部分をシリコン酸化膜やシリコン窒化膜（SiN膜）といった表面パッシベーション膜で裏面を覆うように
した構造の裏面ポイントコンタクトセルが提案されている（非特許文献１, 2）。しかし
ながら、非特許文献１および2において提案されている手法では、裏面にシリコン酸化膜
やSiN膜を形成した後、フォトリソグラフィとエッチングとを用いて膜に孔をあけること
で、コンタクトが形成されているため、コストの観点からは望ましくない。また、コンタクトを形成する方法に関して、特許文献１では、ダイシングソーを用いる方法や、レーザを用いる方法が提示されている。しかしながら、膜を全面に堆積してから、コンタクトの孔をあける方法では、作製行程が複雑となる問題があった。

また、裏面側の反射率の向上は、表面パッシベーション膜とアルミニウムや銀で形成された電極からの反射を増加させることにより行われている。例えば、特許文献１では、裏面側に形成したSiN膜（特許文献１における「窒化シリコン膜」）の膜厚を限定すること
で裏面での反射を増加させている。しかしながら、裏面側に用いるSiN膜は、主に化学気
相堆積法（CVD法）で作製されるため、作製コストが高いという問題があった。

特開２００８−１７２２７９号公報

J. Zhao 他、"Twenty-four percent efficient silicon solar cells with double layer antireflection coating and reduced resistance loss" , Appl. Phys. Lett. , Vol. 66, p. 3636, 1995. R. Ozaki 他、"Fabrication of SiN rear passivated thin multi-crystalline silicon solar cell with 30 mm-wide screen-printed front electrode", Proc. of 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, p. 1175, 2009.

以上の問題点を鑑み、本発明が解決しようとする課題は、裏面側に部分コンタクト構造をもつ高効率の結晶シリコン太陽電池をより簡易な作製工程で、かつ、より低コストで実現することにある。

本発明の太陽電池は、上記の課題を解決するために、以下の構成を採用する。

すなわち、本発明の太陽電池は、単結晶シリコンまたは多結晶シリコンからなる第一導電型の結晶シリコン基板と、該結晶シリコン基板の受光面側に形成された第二導電型の不純物拡散層と、該結晶シリコン基板の受光面側の不純物拡散層の表面に形成された第一電極と、該結晶シリコン基板の裏面側に形成された第二電極と、該結晶シリコン基板の裏面側表面に形成された、複数の開口部を有するポリイミドまたはポリアミドイミドの裏面反射層と、を備える。そして、該第二電極は、該結晶シリコン基板の裏面側表面と該複数の開口部を通してコンタクトを形成する。

または、本発明の太陽電池は、単結晶シリコンまたは多結晶シリコンからなる第一導電型の結晶シリコン基板と、該結晶シリコン基板の受光面側に形成された第二導電型の不純物拡散層と、該結晶シリコン基板の受光面側の不純物拡散層の表面に形成された第一電極と、該結晶シリコン基板の裏面側に形成された第二電極と、該結晶シリコン基板の裏面側の一部または全部に該結晶シリコン基板より高濃度に不純物が添加された第一導電型の不純物拡散層と、該第一導電型の不純物拡散層を含む該結晶シリコン基板の裏面側表面に形成された、複数の開口部を有するポリイミドまたはポリアミドイミドの裏面反射層と、を備える。そして、該第二電極は、該結晶シリコン基板の裏面側の不純物拡散層表面と該複数の開口部を通してコンタクトを形成する。

上記構成によれば、裏面反射層がポリイミドまたはポリアミドイミドを用いた作製コストの低い方法で作製されるため、裏面側に部分コンタクト構造をもつ高効率の結晶シリコン太陽電池を従来よりも低コストで実現することができる。

また、上記構成によれば、裏面側表面全面に第二電極を形成していないため、つまり、裏面側表面（または不純物拡散層表面）の一部と第二電極とがコンタクトしているため、第二電極をAlペーストにより形成し、基板を薄型化しても、電極焼成時の基板の反りを低減することができ、基板の割れを少なくすることができる。

なお、上記裏面反射層のポリイミドまたはポリアミドイミドは、光を反射させる効果を持つ白色顔料を含むポリイミドまたはポリアミドイミドであることが望ましい。

上記構成によれば、裏面反射層のポリイミドまたはポリアミドイミドの反射率を高めることができるため、裏面反射率が向上した高効率の太陽電池を実現することができる。

また、これらの太陽電池の製造方法において、ポリイミドまたはポリアミドイミドの裏面反射層がスクリーン印刷、オフセット印刷、インクジェット印刷、あるいは、ディスペ
ンサーによる塗布によって任意のパターンに形成される工程が含まれることが望ましい。

上記工程によれば、印刷法により、裏面反射層の形成とコンタクト用のパターンの形成が同時に行われるため、太陽電池の作製工程を簡略化することができる。

本発明によれば、裏面側に部分コンタクト構造をもつ高効率の結晶シリコン太陽電池をより簡易な作製工程で、かつ、より低コストで実現することができる。

従来の太陽電池の構造。 本発明の太陽電池の断面構造の一例を示す図面。 本発明の太陽電池の断面構造の一例を示す図面。

以下に、本発明の実施形態（以下、「本実施形態」と表記する。）を詳細に説明する。まず、本発明による太陽電池の構造について図２、３を元に説明する。図２は、本実施形態における太陽電池の断面構造の一例を示す図面である。

本発明で用いる結晶シリコン基板１は、単結晶シリコン、多結晶シリコンのどちらを用いてもよい。また、本発明で用いる結晶シリコン基板１は、導電型がp型の結晶シリコン
、または、導電型がn型の結晶シリコンのどちらを用いてもよい。以下、本実施形態にお
ける結晶シリコン基板１は、p型単結晶シリコンを用いた例について説明する。なお、当
該結晶シリコン基板１に用いる単結晶シリコンまたは多結晶シリコンは、任意のものでよいが、抵抗率が0.5-10Ω・cmである単結晶シリコンまたは多結晶シリコンが望ましい。

ｐ型の結晶シリコン基板1の受光面側に、リンなどのV族の元素をドーピングしたｎ型の拡散層２が形成される。そして、結晶シリコン基板１と拡散層２との間でpn接合が形成される。拡散層２の表面には、SiN膜などの表面反射防止膜３（表面パッシベーション膜の
効果を兼ねてもよい。SiN膜は、表面反射防止膜と表面パッシベーション膜の効果を両方
兼ね備えることができる。）および、Agなどを用いた第一電極５（受光面側の電極）が形成される。

なお、本発明は、表面反射防止膜３の有無にかかわらず適用することが可能である。また、太陽電池の受光面は、表面での反射率を低減するため、凹凸構造（テクスチャー構造）が形成されることが望ましいが、本発明は、テクスチャー構造の有無にかかわらず適用することが可能である。

一方、結晶シリコン基板１の裏面側には、アルミニウムやボロンなどのIII族の元素を
ドーピングした層であるBSF層４が形成される。ただし、本発明は、BSF層４の有無にかかわらず適用することができる。

この結晶シリコン基板１の裏面側には、BSF層４（BSF層が無い場合は結晶シリコン基板１の裏面側表面）とコンタクトをとるために、アルミニウムなどからなる第二電極６（裏面側の電極）が形成されている。

さらに本実施形態では、BSF層４（BSF層が無い場合は結晶シリコン基板１の裏面側表面）と第二電極6とのコンタクト領域をのぞいた部分に、ポリイミドまたはポリアミドイミ
ドの裏面反射層７が形成されている。受光面側から入射した光は、この裏面反射層７で反射されるため、図１のセルに比べ、より多くの少数キャリアを基板内に閉じ込めることが
できる。このため、短絡電流が増加し、効率が向上することが期待される。

また、本発明の図2に示す太陽電池構造の別形態として、図３に示すようにBSF層４が第二電極６とのコンタクト領域を含む裏面側の一部のみに形成され、裏面全面に形成がなされていない太陽電池においても同様の効果が得られる。図３に示される太陽電池は、BSF
層４、つまり、アルミニウムやボロンなどのIII族の元素をドーピングすることで結晶シ
リコン基板１よりも不純物が高ドーピングされた領域が少ないため、図２に示される太陽電池より高い効率を得ることが可能である。

さらに、図２、３では、裏面電極６は、コンタクト領域と裏面反射層７上の全面に形成されているが、コンタクト領域のみあるいは、コンタクト領域とポリイミド層上の一部のみに裏面電極６が形成されている太陽電池構造であっても同様の効果を得ることができる。

次に、上記構成をもつ本発明の太陽電池について、その作製方法の一例について述べる。ただし、本発明は、以下に述べる方法で作製した太陽電池に限るものではない。

まず、結晶シリコン基板１（以下、「基板１」とも表記する。）の表面にテクスチャー構造を形成する。テクスチャー構造の形成は、基板１の両面に形成しても、片面（受光面側）のみに形成してもかまわない。テクスチャー構造を形成するため、まず、基板１を、加熱した水酸化カリウムあるいは、水酸化ナトリウム溶液に浸して、基板１のダメージ層を除去する。その後、水酸化カリウム/イソプロピルアルコールを主成分とする溶液に浸
すことで、基板１の両面または片面（受光面側）にテクスチャー構造を形成する。なお、上述したとおり、本発明は、当該テクスチャー構造の有無にかかわらず適用が可能であるため、本工程は省略してもよい。

続いて、上記の基板１を塩酸・フッ酸などの溶液で洗浄後、結晶シリコン基板１にPOCl₃などの熱拡散により、リン拡散層（n⁺層）（拡散層２）を形成する。リン拡散層は、リ
ンを含んだ溶液を塗布し、熱処理をすることによっても形成できる。周知の方法で任意にこのリン拡散層を形成してよいが、リン拡散層の深さを0.2-0.5μmの範囲に、シート抵抗を40-100Ω/□（ohm/square）の範囲に形成することが望ましい。

なお、上述した、基板１の両面又は片面（受光面側）にテクスチャー構造を形成しない場合、本実施形態の太陽電池の作製は、当該基板１を、加熱した水酸化カリウムあるいは、水酸化ナトリウム溶液に浸して、基板１のダメージ層を除去した後、当該リン拡散層（n⁺層）（拡散層２）を形成することから開始する。

その後、拡散層２の上に、表面反射防止膜３である窒化シリコン膜を形成する。周知の方法で任意に表面反射防止膜３を形成してよいが、厚さを60-100nmの範囲に、屈折率を1.9-2.2の範囲に形成することが望ましい。表面反射防止膜３は、窒化シリコン膜に限らず
、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタンなどが用いられる。窒化シリコン膜は、プラズマCVD、熱CVDなどの方法で作製できるが、350-500℃の温度範囲で形成できるプラ
ズマCVDで作製することが望ましい。なお、上述したとおり、本発明は、表面反射防止膜
３の有無にかかわらず適用が可能であるため、本工程は省略してもよい。

その後、基板１の裏面側にアルミニウムを主成分とするペーストなどの溶液を塗布し、熱処理を行うことで、裏面側のBSF層４を形成する。塗布には、スクリーン印刷、インク
ジェット、ディスペンス、スピンコートなどの方法を用いることができる。熱処理後、裏面に形成されたアルミニウム層を塩酸等によって除去することでBSF層４が形成される。
周知の方法で任意に当該BSF層４を形成してよいが、望ましくは、濃度の範囲が10¹⁸-10²²
cm^-3であるアルミニウムを用い、ドット状またはライン状にBSF層４を形成することが望
ましい。なお、上述したとおり、本発明は、BSF層４の有無にかかわらず適用することが
できるため、本工程は省略してもよい。

次に、受光面側の電極である第一電極５を形成する。第一電極５は、表面反射防止膜３上に銀を主成分とするペーストをスクリーン印刷により形成し、熱処理（ファイアースルー）を行うことで形成される。当該第一電極５の形状は、任意の形状でよく、例えば、フィンガー電極とバスバー電極とからなる周知の形状でよい。なお、BSF層４と第一電極５
の作製における熱処理を同時に行ってもよい。この場合、当該熱処理の後に、裏面に形成されたアルミニウム層を塩酸等によって除去する。

その後、裏面反射層７を形成する。裏面反射層７は、例えば、裏面に形成された酸化膜をフッ酸で除去後、ポリイミドあるいはポリアミドイミドをスクリーン印刷、オフセット印刷、インクジェットによる印刷、あるいは、ディスペンサーによる印刷などの印刷法により、コンタクト用の孔を含んだ所定のパターンに塗布することによって形成される。なお、ポリイミドあるいはポリアミドイミドを塗布後、100−400℃の範囲でアニールし、溶媒を蒸発させることが望ましい。また、ポリイミドあるいはポリアミドイミドは、任意のポリイミドまたはポリアミドイミドでよいが、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化カルシウム、酸化ケイ素、硫酸バリウムなどの光を反射させる効果を持つ白色顔料を含むポリイミドまたはポリアミドイミドであることが望ましい。更に、コンタクト用の孔は、BSF層４上に、ドット状またはライン状に形成することが望ま
しい。

最後に、裏面側の電極である第二電極６を形成する。第二電極６は、アルミニウム、銀などをスクリーン印刷、ディスペンス、蒸着することによって形成できるが、100−500℃の低温で焼成できるアルミニウムあるいは、銀を主成分としたペーストを用いることが望ましい。また、第二電極６の形状は、BSF層４の形状と同じであるか、裏面全面、櫛型状
、格子状であることが望ましい。

なお、上記説明では、結晶シリコン基板１にp型結晶シリコンを用いた構造例及び作製
例を示したが、結晶シリコン基板１にはn型結晶シリコン基板も用いることができる。こ
の場合は、拡散層２は、ボロンなどのIII族の元素をドーピングした層で形成され、BSF層４は、リンなどのV属をドーピングした層で形成される。

また、上記説明では、結晶シリコン基板１に単結晶シリコンを用いた構造例及び作製例を示したが、結晶シリコン基板１には多結晶シリコンを用いることができる。この場合には、テクスチャー構造の形成にフッ酸と硝酸とを主成分とする液を用いて、ダメージ層の除去とテクスチャー構造の形成とを同時に行ってもよい。また、フッ酸と硝酸とを主成分とする液でテクスチャー構造を形成せず、ダメージ層の除去のみを行ってもよい。その他の工程における変更点は特にない。

ボロンをドーパンとした多結晶シリコン基板（結晶シリコン基板１）を用いて、図２の構造の多結晶シリコン太陽電池を作製した。基板表面をテクスチャー処理した後、POCl₃
を用いたリン拡散層（拡散層２）を形成した。次に、反射防止膜（表面反射防止膜３）として、プラズマCVDで作製したSiN膜を形成した。AgペーストによるパターンをSiN膜上に
、アルミニウムペーストによるパターンを裏面側にスクリーン印刷し、焼成を行い、受光面側の電極（第一電極５）を形成した。そして、裏面側の金属層を塩酸により除去し、裏面BSF層（BSF層４）のみを残した。その後、ポリイミドをスクリーン印刷により所定のパターンに塗布し、裏面反射層（裏面反射層７、表面パッシベーション膜の効果も兼ねる。
ポリイミドやポリアミドイミドにより作製された裏面反射層は、表面パッシベーション膜の効果を兼ね備えることができる。）を形成した。裏面側の電極（第二電極６）は、アルミニウムを蒸着することで形成した。

比較のために、上記作製工程のうち、ポリイミドの印刷を行わず、裏面BSF層上にアル
ミニウムを全面に蒸着したサンプルを作製した。結果を表１に示す。

裏面反射層の効果を示す短絡電流を比較すると、ポリイミド層があることにより0.5 mA/cm² 増加しており、本発明の効果が示されている。

１．結晶シリコン基板
２．拡散層
３．表面反射防止膜
４．BSF層
５．第一電極
６．第二電極
７．裏面反射層

Claims (4)

1. 単結晶シリコンまたは多結晶シリコンからなる第一導電型の結晶シリコン基板と、
   該結晶シリコン基板の受光面側に形成された第二導電型の不純物拡散層と、
   該結晶シリコン基板の受光面側の不純物拡散層表面に形成された第一電極と、
   該結晶シリコン基板の裏面側に形成された第二電極と、
   該結晶シリコン基板の裏面側表面に形成された、複数の開口部を有するポリイミドまたはポリアミドイミドの裏面反射層と、を備え、
   該第二電極が該結晶シリコン基板の裏面側表面と該複数の開口部を通してコンタクトを形成していることを特徴とする太陽電池。
2. 単結晶シリコンまたは多結晶シリコンからなる第一導電型の結晶シリコン基板と、
   該結晶シリコン基板の受光面側に形成された第二導電型の不純物拡散層と、
   該結晶シリコン基板の受光面側の不純物拡散層の表面に形成された第一電極と、
   該結晶シリコン基板の裏面側に形成された第二電極と、
   該結晶シリコン基板の裏面側の一部または全部に該結晶シリコン基板より高濃度に不純物が添加された第一導電型の不純物拡散層と、
   該第一導電型の不純物拡散層を含む該結晶シリコン基板の裏面側表面に形成された、複数の開口部を有するポリイミドまたはポリアミドイミドの裏面反射層と、を備え、
   該第二電極が該結晶シリコン基板の裏面側の不純物拡散層表面と該複数の開口部を通してコンタクトを形成していることを特徴とする太陽電池。
3. 前記ポリイミドまたは前記ポリアミドイミドが、光を反射させる効果を持つ白色顔料を含むポリイミドまたはポリアミドイミドであることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池。
4. 前記ポリイミドまたは前記ポリアミドイミドの裏面反射層が、スクリーン印刷、オフセット印刷、インクジェットによる印刷、あるいは、ディスペンサーによる印刷によって形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法。

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