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JP2018026388A - 太陽電池及び太陽電池の製造方法 - Google Patents

太陽電池及び太陽電池の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】発電効率を高めた太陽電池を提供する。【解決手段】表面にテクスチャが設けられた第1導電型の結晶性シリコン基板10と、結晶性シリコン基板10の表面上に位置するi型非晶質シリコン層16と、を備え、テクスチャは、谷部の曲率半径R1が山部の曲率半径R2よりも大きく、結晶性シリコン基板10は、表面に第1導電型のドーパントを含む第1導電型高ドープ領域10bを備え、第1導電型高ドープ領域10bにおけるドーパント濃度は、結晶性シリコン基板10の厚み方向中心におけるドーパント濃度よりも高い太陽電池とする。【選択図】図2

Description

本開示は、太陽電池及び太陽電池の製造方法に関する。
表面に凹凸構造であるテクスチャを設けた太陽電池が知られている。テクスチャを設けることによって光の反射率を低下させると共に発電層における光路長を伸ばすことで発電効率を高めることができる。その透明導電層表面での光反射量を低減させるために、例えば、アルカリ性溶液や酸性溶液によりシリコン基板表面を処理し、面方位の違いによるウェットエッチング速度の違いを利用してテクスチャを形成する方法が知られている(特許文献1)。
特開2014−192426号公報
図4に示すように、シリコン基板50の表面にテクスチャが設けられた太陽電池では、シリコン基板50に入射した光が屈折して凹凸構造の山部(図中ハッチングで示したテクスチャの先端部)に集中する。したがって、テクスチャの山部において他の領域に比べて生成されるキャリアの密度が高くなる。このような太陽電池にあっても、密度の高いキャリアの再結合をできるだけ抑制し、更に出力を向上させた太陽電池が求められている。
本開示の目的は、テクスチャを有するシリコン基板を用いた場合において、シリコン基板の表面付近におけるキャリアのライフタイムを向上させた太陽電池及びそれを製造するための太陽電池の製造方法を提供することにある。
本開示の一態様は、表面にテクスチャが設けられた第1導電型の結晶性シリコン基板と、前記結晶性シリコン基板の前記表面上に位置する非晶質シリコン層と、を備え、前記テクスチャは、谷部の曲率半径が山部の曲率半径よりも大きく、前記結晶性シリコン基板は、前記表面に第1導電型のドーパントを含む第1導電型高ドープ領域を備え、前記第1導電型高ドープ領域におけるドーパント濃度は、前記結晶性シリコン基板の厚み方向中心部におけるドーパント濃度よりも高い、太陽電池である。
また、本開示の別態様は、第1導電型の結晶性のシリコン基板の表面にテクスチャを形成する第1工程と、前記シリコン基板の前記テクスチャが形成された前記表面に、前記シリコン基板の厚み方向中央部におけるドーパント濃度よりも高濃度になるように、第1導電型のドーパントを拡散させる第2工程と、前記シリコン基板の前記テクスチャが形成された前記表面側に非晶質シリコン層を形成する第3工程と、を備え、前記第1工程では、前記テクスチャの谷部の曲率半径を山部の曲率半径より大きく形成する、太陽電池の製造方法である。
本開示の一態様である太陽電池及び太陽電池の製造方法によれば、発電効率を高めた太陽電池を実現することができる。
本発明の実施の形態における太陽電池の構成を示す断面模式図である。 本発明の実施の形態における太陽電池の構成を示す拡大断面模式図である。 本発明の実施の形態における太陽電池の作用を説明するための図である。 従来の太陽電池での作用を説明するための図である。
以下に、本開示に係る実施の形態(以下、実施形態という)について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本開示の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。また、実施形態の説明で参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された構成要素の寸法比率などは現物と異なる場合がある。
図1は、太陽電池100の模式断面図である。図1に示すように、太陽電池100は、第1導電型としてのn型の結晶性シリコン基板(以下、シリコン基板という)10と、第1i型非晶質シリコン層12と、第2導電型としてのp型の非晶質シリコン層(以下、p型非晶質シリコン層という)14と、第2i型非晶質シリコン層16と、n型非晶質シリコン層18とを備える。
シリコン基板10は、n型多結晶シリコン基板であってもよいが、好ましくはn型単結晶シリコン基板である。本実施の形態では、後に説明するエッチング工程を実施する前の段階において、表面及び裏面の面方位が(100)面のシリコン基板10を用いる。
第1i型非晶質シリコン層12は、シリコン基板10の第1主面上に設けられる。また、p型非晶質シリコン層14は、シリコン基板10の第1主面側に設けられる。詳しくは、p型非晶質シリコン層14は、第1i型非晶質シリコン層12のシリコン基板10側とは反対側に設けられる。第2i型非晶質シリコン層16は、シリコン基板10の第2主面上に設けられる。n型非晶質シリコン層18は、第2i型非晶質シリコン層16のシリコン基板10側とは反対側に設けられる。
第1i型非晶質シリコン層12、p型非晶質シリコン層14、第2i型非晶質シリコン層16及びn型非晶質シリコン層18は、光生成キャリアの再結合を抑制する機能を有する。これらのシリコン層12,14,16,18は、化学気相成長法(CVD)特にプラズマCVD法により好適に成膜される。シリコン層12,14,16,18の成膜に使用する原料ガスとしては、SiH、Si等のシリコン含有ガス、又はそれらのガスとHを混合したものが好適に用いられる。p型又はn型非晶質シリコン層14,18を形成するためのドーパントガスとしては、例えばB又はPH等が好適に用いられる。PやBといった不純物の添加量は微量でよく、SiHやH等との混合ガスを用いることもできる。
第1及び第2i型非晶質シリコン層12,16は、i型水素化非晶質シリコン層(i型a−Si:H)であることが好ましく、p型非晶質シリコン層14は、p型水素化非晶質シリコン層(p型a−Si:H)であることが好ましい。また、n型非晶質シリコン層18は、n型水素化非晶質シリコン層(n型a−Si:H)であることが好ましい。i型a-Si:H層は、SiHをHで希釈した原料ガスを用いたCVD法により成膜できる。p型a-Si:H層の成膜には、SiHにBを添加して水素希釈した原料ガスが使用される。n型a-Si:H層の成膜には、Bの代わりにPHを含む原料ガスが使用される。尚、各非晶質シリコン層12,14,16,18は必ずしも水素化される必要はない。また、各半導体層の成膜法は特に限定されない。
太陽電池100は、n型非晶質シリコン層18側から光を受光することが想定される。図1に示すように、太陽電池100は、受光側とは反対側の裏面側でp型非晶質シリコン層14上に透明導電層20及び裏側集電極22をこの順に備える。また、太陽電池100は、受光側である表側でn型非晶質シリコン層18上に透明導電層24及び表側集電極26をこの順に備える。透明導電層20は、p型非晶質シリコン層14の裏面の略全域に形成され、透明導電層24は、n型非晶質シリコン層18の表側面の略全域に形成される。各透明導電層20,24は、透光性及び導電性を有する。各透明導電層20,24は、例えばIn、ZnO、SnO、又はTiOなどの金属酸化物で構成される。これらの金属酸化物に、Sn、Zn、W、Sb、Ti、Ce、Zr、Mo、Al、Gaなどのドーパントがドープされてもよい。
裏側集電極22及び表側集電極26は、例えば、多数のフィンガー部と、フィンガーよりも少ない本数のバスバー部とを含むパターンで導電性ペーストをスクリーン印刷して形成される。裏側集電極22は、表側集電極26よりも大面積に形成されることが好ましく、裏側集電極22のフィンガー部は表側集電極26のフィンガー部よりも多く形成されるのが好ましい。なお、電極の構造は特に限定されないので、例えば裏面側集電極を、透明導電層上の略全域に形成した金属層で構成してもよい。
太陽電池100は、n型非晶質シリコン層18側から光を受光することが想定されるが、太陽電池は、p型非晶質シリコン層14側から光を受光してもよい。また、太陽電池は、p型非晶質シリコン層14側及びn型非晶質シリコン層18側の両方から光を受光してもよい。
また、シリコン基板10の表面には、テクスチャが設けられる。テクスチャとは、表面反射を抑制してシリコン基板10の光吸収量を増大させるための表面の凹凸構造である。テクスチャは、例えば、受光面のみ、又は受光面と裏面の両方に形成される。
テクスチャ構造は、酸エッチングやアルカリエッチングを適用して、シリコン基板10の表面をエッチングすることにより形成することができる。酸エッチングでは、例えば、フッ化水素酸と酸化剤(硝酸やクロム酸)を含む水溶液を用いればよい。アルカリエッチングでは、例えば、ヒドラジン(NH)、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化カリウム(KOH)等を含む水溶液を用いればよい。
例えば、シリコン基板10がエッチング処理を行う前の段階で(100)面の表面を有する単結晶シリコン基板である場合、異方性エッチングを適用することで(111)面を斜面としたピラミッド形状の凹凸構造であるテクスチャが形成される。テクスチャの高さは、例えば1μm〜10μmである。
単結晶シリコン基板にテクスチャを形成した後、フッ硝酸(フッ酸と硝酸の混酸)を用いて更に処理を行うと、テクスチャの谷部をラウンドさせることができる。テクスチャの先端部分や谷部を丸くすることにより、太陽電池セルに衝撃が加わった際にテクスチャの先端部分が欠けたり、谷部から太陽電池セルが割れたりするのを抑制することができる。
本実施の形態では、図2の拡大断面図に示すように、テクスチャの凹凸構造において谷部の曲率半径R1は山部の曲率半径R2より大きく形成される。ここで、谷部は、テクスチャにおける谷の先端部分を意味し、山部は、テクスチャにおける山の先端部分を意味する。つまり、本実施の形態では、テクスチャの凹凸構造において、谷部は山部に比べてなだらかな形状とされる。谷部の曲率半径R1の上限値は、特に限定されるものではないが、実質的にテクスチャの光学的な作用を低下させない値とすることが好適である。
図2に示すように、シリコン基板10は、低ドープ領域10aと、第2主面側高ドープ領域10bとを有する。低ドープ領域10aは、n型にドーピングされる。また、第2主面側高ドープ領域10bは、低ドープ領域10aと受光面側となる第2i型非晶質シリコン層16との間に設けられる。第2主面側高ドープ領域10bは、低ドープ領域10aよりも多くのn型ドーパントがドーピングされたn領域である。すなわち、第2主面側高ドープ領域10bは、低ドープ領域10aよりも高いn型のドーパント濃度を有する。第2主面側高ドープ領域10bは、低ドープ領域10aのn型非晶質シリコン層18側の全面に設けられる。
第2主面側高ドープ領域10bは、イオン注入法、熱拡散法、プラズマドープ法又はエピタキシャル成長法等を用いて形成される。n型ドーパントとしては、P(リン)、As(砒素)、Sb(アンチモン)等が用いられ、特にPが好適に用いられる。
例えば、P(リン)は、テクスチャが形成されたシリコン基板10の表面にPOClガスを混ぜて熱処理を行うことによって欠陥生成を抑制した状態でドープすることができる。また、イオン注入法を用いる場合、イオン注入で生じた欠陥を低減するため高温アニールやRTA(Rapid Thermal Annealing)を併用するのが好ましい。これ以外に、ウエットプロセスによって、シリコン基板上に拡散源を形成したのち、加熱処理によってシリコン基板表面へとP(リン)等を拡散させることによって、第2主面側高ドープ領域10bを形成してもよい。
ここで、第2主面側高ドープ領域10bのドーピングプロファイルについて説明する。シリコン基板10にドーパントを拡散させる場合、その面方位によって異なるドーピングプロファイルが得られる。本実施形態では、シリコン基板10にP(リン)をドーピングする場合、(100)面では(111)面に対してP(リン)が拡散し易く、同じ熱拡散条件(例えば、850℃、1時間)では(100)面の方が(111)面に対してドーパントの拡散長が長くなり、ドーパント濃度も高くなる。
本実施の形態では、シリコン基板10の凹凸構造において谷部の曲率半径R1が山部の曲率半径R2より大きくなるようにテクスチャが形成されている。テクスチャの斜面は(111)面であり、大きな曲率半径R1を有する凹凸構造の谷部においては、他の領域に比べて(100)面に近い面方位の領域が広がっている。したがって、テクスチャの谷部では他の領域に比べてドーピング時の熱拡散によってドーパントが深さ方向に拡散し易い。すなわち、第2主面側高ドープ領域10bは、谷部において厚くなり、ドーパント濃度も高くなる。
例えば、谷部以外の領域において第2主面側高ドープ領域10bの層厚が50nm程度である場合に、谷部領域では第2主面側高ドープ領域10bの層厚を100nm程度とすることができる
ただし、第2主面側高ドープ領域10bの層厚の関係はこれに限定されるものではなく、第2主面側高ドープ領域10bの層厚が、テクスチャの谷部に近い領域において他の領域よりも大きくなっていればよい。第2主面側高ドープ領域10bの層厚は、ドーピング方法やドーピング条件等によって適宜調整することができる。
上記のように、テクスチャ形成後の処理によって谷部の曲率半径が大きくなるように形成し、谷部における第2主面側高ドープ領域10b中のドーパントの量を増加させることによって、テクスチャの山部に生成したキャリアを効率よく分離し、キャリアの再結合を抑制することができる。
また、低ドープ領域10aのP(リン)のドープ濃度の平均は1×1014〜1×1016cm−3程度であるのが好ましく、最も好ましくは1×1014〜1×1015cm−3である。これに対して、第2主面側高ドープ領域10bのP(リン)の濃度平均は1×1018cm−3程度とすることが好適である。第2主面側高ドープ領域10bを形成するのに熱拡散法又はプラズマドープ法を用いた場合は、シリコン基板10の低ドープ領域10aから離れるにしたがって濃度が徐々に高くなる濃度勾配が形成される。このとき、谷部領域では第2主面側高ドープ領域10bのドーパント濃度の平均値は谷部以外の領域に対して高くなる。
なお、低ドープ領域10aのドープ濃度を1×1014〜1×1016cm−3とし、第2主面側高ドープ領域10bのドープ濃度を1×1018cm−3以上としたが、各領域のドープ濃度はこれに限定されるものではない。すなわち、第2主面側高ドープ領域10bのドープ濃度が低ドープ領域10aのドープ濃度よりも大きければよい。具体的には、第2主面側高ドープ領域10bのドープ濃度は、低ドープ領域10aの100倍〜1000倍程度であるのが好ましい。
本実施の形態の太陽電池100では、従来の太陽電池に比べて発電効率を高めることができる。これは以下の作用によるものと推察される。
図3に示すように、シリコン基板10に入射した光が屈折して凹凸構造の山部(図中ハッチングで示したテクスチャの先端部)に集中する。したがって、テクスチャの山部において生成されるキャリアの密度は、他の領域に比べて高くなる。本実施の形態の太陽電池100は、シリコン基板10と第2i型非晶質シリコン層16との間に設けられた第2主面側高ドープ領域10bがテクスチャの谷部において他の領域に比べて厚く形成され、ドーパント濃度も高くなっている。ドーパント濃度が高い領域は導電性が高くなるため、光の入射によって生成されたキャリアが谷部に向かって流れやすくなり、キャリア分散が促進される。したがって、生成したキャリアが集中するテクスチャの山部におけるキャリアの再結合確率を低くすることができ、キャリアのライフタイムが向上し、太陽電池の発電効率が高めることができる。
なお、本実施の形態では、第2主面側高ドープ領域10bを、低ドープ領域10aのn型非晶質シリコン層18側の全面に設けた例について説明した。しかしながら、第2主面側高ドープ領域10bを、低ドープ領域のn型非晶質シリコン層18側の一部表面に設けてもよい。例えば、第2主面側高ドープ領域10bを厚さ方向に略直交する方向の両端部のみに設けてもよく、又は該略直交する方向の中央部のみに設けてもよい。
また、第2主面側、すなわちn型非晶質シリコン層18側を受光面として説明したが、第1主面側、すなわちp型非晶質シリコン層14側を受光面としてもよい。この場合、シリコン基板10の第1主面側にテクスチャを形成し、第1主面側にn型ドーパントをドープした高ドープ領域10bを設ければよい。このとき、シリコン基板10の凹凸構造において谷部の曲率半径R1が山部の曲率半径R2より大きくなるようにテクスチャを形成することによって、山部における高ドープ領域10bの層厚よりも谷部における高ドープ領域10bの層厚を大きくすることができる。
さらに、第1主面側及び第2主面側の両方にテクスチャを形成し、シリコン基板10の第1主面側及び第2主面側の両面にn型ドーパントをドープした高ドープ領域10bを設けてもよい。
なお、上記実施の形態では、第1及び第2i型非晶質シリコン層12,16は、i型水素化非晶質シリコン層(i型a−Si:H)であることが好ましく、p型非晶質シリコン層14は、p型水素化非晶質シリコン層(p型a−Si:H)であることが好ましく、n型非晶質シリコン層18は、n型水素化非晶質シリコン層(n型a−Si:H)であることが好ましいと説明した。しかし、これらの層(12、16、14、18)は、シリコン基板10の表面における再結合を抑制し、かつ光照射によりシリコン基板10内に生じた導電キャリアを分離することができる限り、材料は限定されない。
たとえば、シリコン基板10の表面に形成される層が単一層である場合、i型a-Si:Hに替えて、p型若しくはn型のa-Si:H、又はi型若しくはp型若しくはn型のa-SiC:Hを用いてよい。上記実施形態のように複数の層を積層させる場合には、シリコン基板10に近い側に、i型a-Si:Hやi型a-SiC:Hを設けるか、又はp型若しくはn型のa-Si:Hもしくはa-SiC:Hからなる低濃度層を設ける。i型層又は低濃度層上に、高濃度のp型若しくはn型のa-Si:H、又はp型μc-Si:H等を積層させてよい。なお、ここでは水素化された材料を例示したが、上記材料は水素化されていなくてもよい。
また、太陽電池100を構成する各層の層厚を、仕様によって適宜変動できるのは言うまでもない。例えば、シリコン基板10の厚さは、50μm〜300μmとできる。また、シリコン基板10の第1及び第2主面側にある再結合抑制層の夫々の厚さは、1nm〜50nm、好ましくは2nm〜15nmとできる。
また、本実施の形態では、シリコン基板10の第1及び第2主面側にある再結合抑制層上に保護層を形成しない例について説明した。しかしながら、シリコン基板10の第1及び第2主面側にある再結合抑制層の少なくとも一方上に保護層を形成してもよい。保護層は、例えば再結合抑制層の損傷を抑制し光の反射を抑制する機能を有する。保護層は、光透過性が高い材料から構成されることが好ましく、酸化ケイ素(SiO)、窒化ケイ素(SiN)、又は酸窒化ケイ素(SiON)等から構成されることが好適である。
以上のように、本発明の1つの態様は、表面にテクスチャが設けられた第1導電型の結晶性のシリコン基板(シリコン基板10)と、シリコン基板の表面側に位置する非晶質シリコン層(第1i型非晶質シリコン層12又は第2i型非晶質シリコン層16)と、を備え、テクスチャは、谷部の曲率半径R1が山部の曲率半径R2よりも大きく、シリコン基板(シリコン基板10)は、表面層に第1導電型のドーパントがドープされた第1導電型ドープ領域(第1主面側高ドープ領域10b)を有する太陽電池である。
ここで、第1導電型ドープ領域(第1主面側高ドープ領域10b)は、テクスチャの谷部における層厚が山部における層厚より厚いことが好適である。
また、本発明の別の態様は、第1導電型の結晶性のシリコン基板(シリコン基板10)の表面にテクスチャを形成する第1工程と、シリコン基板(シリコン基板10)のテクスチャが形成された表面に第1導電型のドーパントを拡散させる第2工程と、シリコン基板(シリコン基板10)のテクスチャが形成された表面側に非晶質シリコン層(第1i型非晶質シリコン層12又は第2i型非晶質シリコン層16)を形成する第3工程と、を備え、第1工程では、テクスチャの谷部の曲率半径R1を山部の曲率半径R2より大きく形成する、太陽電池の製造方法である。
また、第1導電型はn型であり、ドーパントはリンであることが好適である。
なお、本発明の適用範囲は、上記実施の形態に限定されるものではない。すなわち、基板表面にテクスチャの凹凸構造が形成されており、基板の表面に高ドープ層が設けられた構造を有する太陽電池であれば適用することができる。
10 シリコン基板、10a 低ドープ領域、10b 第2主面側高ドープ領域(高ドープ層)、12 第1i型非晶質シリコン層、14 p型非晶質シリコン層、16 第2i型非晶質シリコン層、18 n型非晶質シリコン層、20 透明導電層、22 裏側集電極、24 透明導電層、26 表側集電極、50 シリコン基板、50a 高ドープ層、52 i型非晶質シリコン層、100 太陽電池。

Claims (7)

  1. 表面にテクスチャが設けられた第1導電型の結晶性シリコン基板と、
    前記結晶性シリコン基板の前記表面上に位置する非晶質シリコン層と、
    を備え、
    前記テクスチャは、谷部の曲率半径が山部の曲率半径よりも大きく、
    前記結晶性シリコン基板は、前記表面に第1導電型のドーパントを含む第1導電型高ドープ領域を備え、前記第1導電型高ドープ領域におけるドーパント濃度は、前記結晶性シリコン基板の厚み方向中心部におけるドーパント濃度よりも高い、太陽電池。
  2. 請求項1に記載の太陽電池であって、
    前記第1導電型高ドープ領域は、前記テクスチャの前記谷部における厚みが前記山部における厚みより大きい、太陽電池。
  3. 請求項1又は2に記載の太陽電池であって、前記第1導電型はn型であり、前記ドーパントはリンである、太陽電池。
  4. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の太陽電池であって、前記第1導電型高ドープ領域は前記結晶性シリコン基板の受光面側に設けられている、太陽電池。
  5. 請求項4に記載の太陽電池であって、前記第1導電型高ドープ領域が前記結晶性シリコン基板の裏面側に設けられている、太陽電池。
  6. 第1導電型の結晶性のシリコン基板の表面にテクスチャを形成する第1工程と、
    前記シリコン基板の前記テクスチャが形成された前記表面に、前記シリコン基板の厚み方向中央部におけるドーパント濃度よりも高濃度になるように第1導電型のドーパントを拡散させる第2工程と、
    前記シリコン基板の前記テクスチャが形成された前記表面側上に非晶質シリコン層を形成する第3工程と、
    を備え、
    前記第1工程では、前記テクスチャの谷部の曲率半径を山部の曲率半径より大きく形成する、太陽電池の製造方法。
  7. 請求項6に記載の太陽電池の製造方法であって、
    前記第1導電型はn型であり、前記ドーパントはリンである、太陽電池の製造方法。
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