JP5139502B2 - 裏面電極型太陽電池 - Google Patents
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Description
本発明は、受光面と反対側の面である裏面に電極が形成されている裏面電極型太陽電池、特に裏面電極型太陽電池の裏面側の構造に関する。
太陽光エネルギを直接電気エネルギに変換する太陽電池は、近年、特に地球環境問題の観点から、次世代のエネルギ源としての期待が急激に高まっている。太陽電池としては、化合物半導体または有機材料を用いたものなど様々な種類があるが、現在、主流となっているのは、シリコン結晶を用いたものである。
現在、最も多く製造および販売されている太陽電池は、太陽光が入射する側の面である受光面と、受光面の反対側である裏面とに電極が形成された構造のものである。
しかしながら、受光面に電極を形成した場合、電極における光の反射、吸収があることから、形成された電極の面積分だけ入射する太陽光が減少するので、裏面にのみ電極を形成した裏面電極型太陽電池が開発されている。
図８は、特許文献１に開示されている従来の裏面電極型太陽電池の断面を表す模式図である。以下に、従来の裏面電極型太陽電池１０１について説明する。
ｎ型シリコンウェーハ１０４の受光面側には凹凸形状１０５が形成され、ｎ型前面側拡散領域１０６であるＦＳＦ（Ｆｒｏｎｔ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）層が形成されている。そして、凹凸形状１０５上には、ｎ型シリコンウェーハ１０４側から、二酸化ケイ素を含む誘電性パッシベーション層１０８、窒化シリコンを含む反射防止コーティング１０７が形成されている。
また、ｎ型シリコンウェーハ１０４の裏面には酸化物層１０９が形成されている。さらに、ｎ型シリコンウェーハ１０４の裏面側にはｎ型ドープされたｎ＋領域１１０とｐ型ドープされたｐ＋領域１１１とが交互に形成されている。そして、ｎ＋領域１１０にはｎ型用金属コンタクト１０２が形成されており、ｐ＋領域１１１にはｐ型用金属コンタクト１０３が形成されている。
複数の裏面電極型太陽電池が直列または並列で接続される裏面電極型太陽電池モジュールにおいて、動作中に裏面電極型太陽電池モジュールの一部に太陽光があたらない影が生じた場合、影が生じた裏面電極型太陽電池は、他の裏面電極型太陽電池との関係で逆バイアス電圧がかかる。
この際、特許文献１に記載のように、裏面電極型太陽電池の裏面側の外周縁に、ｎ型シリコンウェーハと異なる導電型であるｐ＋領域を有し、その領域にｐ型用金属コンタクトが接続されている場合、逆バイアス電圧がかかると、外周縁を通してリーク電流が発生しやすくなる。
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、逆バイアス電圧がかかった際、リーク電流を抑えることが可能な裏面電極型太陽電池を提供することにある。
本発明の裏面電極型太陽電池は、シリコン基板の受光面とは反対側の面である裏面に第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域が形成され、第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域には、それぞれ第１導電型用電極、第２導電型用電極が形成された裏面電極型太陽電池において、第１導電型半導体領域の周囲には、第２導電型半導体領域が形成され、第２導電型半導体領域の周囲には外周縁半導体領域が形成されており、外周縁半導体領域は、第１導電型半導体領域と同じ導電型で、且つ第１導電型用電極及び第２導電型用電極に接触していない。
ここで、本発明の裏面電極型太陽電池は、第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域のうち、シリコン基板の導電型とは異なる導電型の半導体領域の合計面積が広くてもよい。
また、本発明の裏面電極型太陽電池は、第１導電型用電極及び第２導電型用電極のうち、最も外側の電極は全て同じ導電型用の電極であってもよい。
また、本発明の裏面電極型太陽電池は、第１導電型用電極及び第２導電型用電極のうち、最も外側の電極は、外周縁半導体領域とは異なる導電型用の電極であってもよい。
また、本発明の裏面電極型太陽電池は、シリコン基板の受光面側にシリコン基板と同じ導電型である受光面拡散層が形成されていてもよい。
また、本発明の裏面電極型太陽電池は、受光面拡散層の受光面上に受光面パッシベーション膜が形成され、受光面パッシベーション膜の受光面上にシリコン基板と同じ導電型の不純物を含む酸化チタンである反射防止膜が形成されていてもよい。
本発明によれば、裏面電極型太陽電池の裏面側の外周縁に、電極に接続していない半導体領域を形成することで、裏面電極型太陽電池に逆バイアス電圧がかかった際、リーク電流を抑えることができる。
図１、図２は、受光面と反対側の面である裏面にのみ電極を形成した本発明の一例の裏面電極型太陽電池を表す図である。図１は、裏面電極型太陽電池１の裏面側から見た図であり、裏面電極型太陽電池１の裏面には、ｎ型用電極２およびｐ型用電極３がそれぞれ帯状に交互に形成されている。
図２は、図１で示したＡ−Ａ′の断面を表す図である。単結晶シリコン基板であるｎ型シリコン基板４の受光面側にはテクスチャ構造である凹凸形状５が形成されている。この凹凸は数μｍ〜数十μｍオーダーである。受光面側全面には受光面拡散層６であるｎ−層がＦＳＦ（Ｆｒｏｎｔ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）層として形成され、受光面拡散層６の受光面側には受光面パッシベーション膜１３が形成されている。さらに、受光面側には反射防止膜１２が形成されている。ここで、受光面パッシベーション膜１３は酸化シリコン膜で、その膜厚は１５ｎｍ〜２００ｎｍであり、好ましくは１５ｎｍ〜６０ｎｍである。また、反射防止膜１２は酸化チタン膜である。膜厚は１０〜４００ｎｍである。さらに、反射防止膜にはリンが含まれており、その濃度はリン酸化物として１５〜３５ｗｔ％含有する。
また、ｎ型シリコン基板４の裏面には、ｎ型シリコン基板４側から、第２裏面パッシベーション膜８、第１裏面パッシベーション膜１１の２層からなる裏面パッシベーション膜１４が形成されている。ｎ型シリコン基板４の裏面側にはｎ型半導体領域であるｎ＋領域９とｐ型半導体領域であるｐ＋領域１０とが交互に隣接して形成されており、ｎ型シリコン基板４の裏面のｎ＋領域９の表面は、ｎ型シリコン基板４の裏面のｎ＋領域９以外の表面よりも凹状になっている。ここで、図２に示す凹状の深さｄは数十ｎｍのオーダーである。さらに、ｎ＋領域９にはｎ型用電極２が形成され、ｐ＋領域１０にはｐ型用電極３が形成されている。ｎ型シリコン基板４の裏面の最も外側には、電極が形成されていない、すなわち、電極に接触していない半導体領域であるｐ＋領域７１が形成されている。また、ｎ＋領域９上の裏面パッシベーション膜１４とｐ＋領域１０上の裏面パッシベーション膜１４とに膜厚差があり、ｎ＋領域９上の裏面パッシベーション膜１４の方が厚くなっている。ここで、ｎ＋領域９とｐ＋領域１０とが交互に隣接して形成されていることより、裏面電極型太陽電池１に逆方向のバイアスがかかったとき、部分的に電圧がかかることがなく、局所的なリーク電流による発熱をさけることができる。
図３は、裏面電極型太陽電池１からｎ型用電極２とｐ型用電極３とを除去し、さらに裏面パッシベーション膜１４を除去した場合に、ｎ＋領域９とｐ＋領域１０とを裏面側から見た図である。ｎ型シリコン基板４の裏面の外周縁には、電極に接触していない半導体領域であるｐ＋領域７１が形成されている（外周縁に形成された電極に接触していない半導体領域を、以下「外周縁半導体領域」という。）。ｎ＋領域９の周囲に、ｎ＋領域９とは導電型の異なる外周縁半導体領域であるｐ＋領域７１を形成することで、ｎ＋領域９とｐ＋領域１０との外側に半導体領域ができたとしても、ｎ＋領域９とｐ＋領域１０とは、電気的に分離できている。外周縁には、電極に接触していない半導体領域があるので、裏面電極型太陽電池１に逆方向のバイアスがかかったとき、外周縁を通して発生するリーク電流を抑えることができる。また、図３では、ｎ＋領域９は全てつながって１つの半導体領域を形成しているが、必ずしも全部がつながっていなくてもよい。さらに、図３では、ｐ＋領域１０は複数に分離して形成しているが、つながっている箇所があってもよい。
なお、最も外側の電極が同じ導電型用電極なので、形成した電極を回転対称構造にすることが可能になり、裏面電極型太陽電池を複数並べる太陽電池モジュールを作製する際、例えば、図１に示す裏面電極型太陽電池の上下が反対になっても問題ない。
以下に、本発明の裏面電極型太陽電池の製造方法の一例を示す。
図４は、図１、および図２に示す本発明の裏面電極型太陽電池の製造方法の一例である。図４に示すように模式的断面図を参照して説明する。
まず、図４（ａ）に示すように、１００μｍ厚のｎ型シリコン基板４の受光面となる面（以下「ｎ型シリコン基板の受光面」という。）の反対側の面である裏面（以下「ｎ型シリコン基板の裏面」という。）に、窒化シリコン膜等のテクスチャマスク２１をＣＶＤ法、またはスパッタ法等で形成する。その後、図４（ｂ）に示すように、ｎ型シリコン基板４の受光面にテクスチャ構造である凹凸形状５をエッチングにより形成する。エッチングは、たとえば、水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムなどのアルカリ水溶液にイソプロピルアルコールを添加し、７０℃以上８０℃以下に加熱した溶液により行われる。
次に、図４（ｃ）を用いて次工程を説明する。図４（ｃ）は、ｎ型シリコン基板４の裏面側が上となっている。図４（ｃ）に示すように、ｎ型シリコン基板４の裏面に形成したテクスチャマスク２１を除去後、ｎ型シリコン基板４の受光面に酸化シリコン膜等の拡散マスク２２を形成する。その後、ｎ型シリコン基板４の裏面において、ｎ＋領域９を形成しようとする箇所以外に、例えば、溶剤、増粘剤および酸化シリコン前駆体を含むマスキングペーストをインクジェット、またはスクリーン印刷等で塗布し、熱処理により拡散マスク２３を形成し、ＰＯＣｌ３を用いた気相拡散によって、ｎ型シリコン基板４の裏面の露出した箇所に、ｎ型不純物であるリンが拡散してｎ＋領域９が形成される。
次に、図４（ｄ）に示すように、ｎ型シリコン基板４に形成した拡散マスク２２ならびに拡散マスク２３、および拡散マスク２２、２３にリンが拡散して形成されたガラス層をフッ化水素酸処理により除去した後、酸素または水蒸気による熱酸化を行い、酸化シリコン膜２４を形成する。この際、図４（ｄ）に示すように、ｎ型シリコン基板４の裏面のｎ＋領域９上の酸化シリコン膜２４が厚くなる。９００℃で水蒸気による熱酸化を行い、ｎ＋領域９上以外の酸化シリコン膜２４の膜厚が７０ｎｍ〜９０ｎｍ、ｎ＋領域９上の酸化シリコン膜２４の膜厚は２５０ｎｍ〜３５０ｎｍになった。ここで、熱酸化前のｎ＋領域９のリンの表面濃度は、５×１０１９／ｃｍ３以上であり、熱酸化の処理温度の範囲としては、酸素による熱酸化で８００℃〜１０００℃、水蒸気による熱酸化で８００℃〜９５０℃である。
酸化シリコン膜２４を、ｐ＋領域形成時のｎ＋領域の拡散マスクとして使用するには、ｎ＋領域９上とｎ＋領域９上以外との酸化シリコン膜２４の膜厚差は、６０ｎｍ以上必要となる。
また、熱酸化時に、シリコン基板に拡散される不純物の種類と濃度により、熱酸化による酸化シリコン膜の成長速度が異なる。とくにｎ型不純物濃度が高い場合は、成長速度が速くなる。このため、ｎ型シリコン基板４よりもｎ型不純物濃度が高いｎ＋領域９上の酸化シリコン膜２４の膜厚の方がｎ型シリコン基板４上よりも厚くなる。酸化シリコン膜２４は、熱酸化時にシリコンと酸素とが結びつくことで形成されるので、ｎ型シリコン基板４の裏面のｎ＋領域９の表面は、ｎ型シリコン基板４の裏面のｎ＋領域９以外であるｐ＋領域の表面よりも凹状になる。
次に、図４（ｅ）に示すように、ｎ型シリコン基板４の受光面の酸化シリコン膜２４および裏面のｎ＋領域９上以外の酸化シリコン膜２４をエッチングにより除去する。裏面では、上記に示したように、酸化シリコン膜２４がｎ＋領域９上に厚く形成されているので、ｎ＋領域９上だけ酸化シリコン膜２４が残る。ｎ＋領域９上の酸化シリコン膜２４とｎ＋領域９上以外の酸化シリコン膜２４とのエッチングレートの差により、ｎ＋領域９上の酸化シリコン膜２４は１２０ｎｍ程度の膜厚となる。例えば、９００℃３０分の水蒸気による熱酸化で酸化シリコン膜２４を形成し、ｎ＋領域９上以外の酸化シリコン膜２４を除去するためにフッ化水素酸処理をした場合、ｎ＋領域９上の酸化シリコン膜２４の膜厚は１２０ｎｍ程度となる。先述したように６０ｎｍ以上あればｐ＋領域形成時の拡散マスクとして機能する。
さらに、ｎ型シリコン基板４の受光面に酸化シリコン膜等の拡散マスク２５を形成し、その後、ｎ型シリコン基板４の裏面に、有機性高分子にホウ素化合物を反応させたポリマーをアルコール系溶媒に溶解させた溶液を塗布し、乾燥後、熱処理によりｎ型シリコン基板４の裏面の露出した箇所にｐ型不純物であるボロンが拡散してｐ＋領域が形成される。この際、ｐ＋領域１０とｐ＋領域７１とが形成される。
次に、図４（ｆ）を用いて次工程を説明する。図４（ｆ）は、ｎ型シリコン基板４の受光面側が上となっている。図４（ｆ）に示すように、ｎ型シリコン基板４に形成した酸化シリコン膜２４ならびに拡散マスク２５、および酸化シリコン膜２４、拡散マスク２５にボロンが拡散して形成されたガラス層をフッ化水素酸処理により除去する。その後、ｎ型シリコン基板４の裏面に酸化シリコン膜等の拡散マスクを兼ねた第１裏面パッシベーション膜１１をＣＶＤ法、またはＳＯＧ（スピンオングラス）の塗布、焼成により形成する。その後、ｎ型シリコン基板４の受光面に受光面拡散層６であるｎ−層および反射防止膜１２を形成するため、ｎ型シリコン基板４の受光面にリン化合物、チタンアルコキシドおよびアルコールを少なくとも含む混合液２７の塗布を行い、乾燥する。ここで、混合液２７のリン化合物としては五酸化リン、チタンアルコキシドとしてはテトライソプロピルチタネート、およびアルコールとしてはイソプロピルアルコールを用いる。
次に、図４（ｇ）に示すように、熱処理によりｎ型不純物であるリンが拡散して受光面側全面に受光面拡散層６であるｎ−層および反射防止膜１２となるリンを含有した酸化チタン膜が形成される。ここで、熱処理後のｎ−層のシート抵抗値は、３０〜１５０Ω／□、望ましくは、８０±２０Ω／□である。
ｎ型シリコン基板４の裏面に酸化シリコン膜による第２裏面パッシベーション膜８を形成するため、酸素または水蒸気による熱酸化を行う。この際、ｎ型シリコン基板４の裏面に第２裏面パッシベーション膜８である酸化シリコン膜が形成されながら、図４（ｊ）に示すように、ｎ型シリコン基板４の受光面全面にも、酸化シリコン膜が形成される。この受光面全面に形成された酸化シリコン膜は、受光面拡散層６と反射防止膜１２との間に形成され、受光面パッシベーション膜１３となる。また、第２裏面パッシベーション膜８と受光面パッシベーション膜１３との形成は、受光面拡散層６および反射防止膜１２を形成する熱処理に引き続き、ガスを切り替えて酸素または水蒸気による熱酸化を行うことによっても可能である。
次に、図４（ｈ）に示すように、ｎ型シリコン基板４の裏面側に形成されたｎ＋領域９、ｐ＋領域１０に電極を形成するため、ｎ型シリコン基板の裏面に形成された裏面パッシベーション膜１４にパターニングを行う。パターニングは、エッチングペーストをスクリーン印刷法などで塗布し加熱処理により行われる。その後、パターニング処理を行ったエッチングペーストは超音波洗浄し酸処理により除去する。ここで、エッチングペーストとしては、例えば、エッチング成分としてリン酸、フッ化水素、フッ化アンモニウムおよびフッ化水素アンモニウムからなる群から選択された少なくとも１種を含み、水、有機溶媒および増粘剤を含むものである。
次に、図４（ｉ）に示すように、ｎ型シリコン基板４の裏面の所定の位置に銀ペーストをスクリーン印刷法により塗布し、乾燥する。その後、焼成により、ｎ＋領域９にはｎ型用電極２が形成され、ｐ＋領域１０にはｐ型用電極３が形成され、裏面電極型太陽電池１を作製した。
図５、図６は、本発明の他の一例の裏面電極型太陽電池を表す図である。実施例１と異なる点は、外周縁半導体領域がｎ＋領域である点である。
図５は、裏面電極型太陽電池５１の裏面側から見た図であり、裏面電極型太陽電池５１の裏面には、ｎ型用電極２およびｐ型用電極３がそれぞれ帯状に交互に形成されている。図６は、図５で示したＢ−Ｂ′の断面を表す図であり、ｎ型シリコン基板４の裏面の最も外側には、電極が形成されていない、すなわち、電極に接触していない半導体領域であるｎ＋領域７２が形成されている以外は、図２と同様である。
図７は、裏面電極型太陽電池５１からｎ型用電極２とｐ型用電極３とを除去し、さらに裏面パッシベーション膜１４を除去した場合に、ｎ＋領域９とｐ＋領域１０とを裏面側から見た図である。ｎ型シリコン基板４の裏面の外周縁には、電極に接触していない半導体領域であるｎ＋領域７２が形成されている。ｐ＋領域１０の周囲に、ｐ＋領域１０とは導電型の異なる外周縁半導体領域であるｎ＋領域７２を形成することで、ｎ＋領域９とｐ＋領域１０との外側に半導体領域ができたとしても、ｎ＋領域９とｐ＋領域１０とは、電気的に分離できている。外周縁には、電極に接触していない半導体領域があるので、裏面電極型太陽電池５１に逆方向のバイアスがかかったとき、外周縁を通してリーク電流を抑えることができる。また、図７では、ｐ＋領域１０は全てつながって１つの半導体領域を形成しているが、必ずしも全部がつながっていなくてもよい。さらに、図７では、ｎ＋領域９は複数に分離して形成しているが、つながっている箇所があってもよい。
なお、最も外側の電極が同じ導電型用電極なので、形成した電極を回転対称構造にすることが可能になり、裏面電極型太陽電池を複数並べる太陽電池モジュールを作製する際、例えば、図５に示す裏面電極型太陽電池の上下が反対になっても問題ない。
裏面電極型太陽電池５１の製造方法は、裏面電極型太陽電池１と同様であるので、省略した。
上記の実施例１、２では、太陽電池動作時、電極が形成されているｎ＋領域９と、ｎ−層である受光面拡散層６とが、ｎ型シリコン基板４のバルクのみを介して分離してので、互いの電位に影響されない。
さらに、より高い短絡電流を得るために、シリコン基板の導電型であるｎ型と異なる導電型であるｐ＋領域１０の合計面積のほうがｎ＋領域９の合計面積よりも大きい方がよい。この場合、隣接するｎ＋領域９は長さ方向に対し垂直方向に分離されていてもよい。その際、ｎ＋領域９間にはｐ＋領域１０が形成されている。また、ｐ＋領域１０が長さ方向に対し垂直方向に分離されている場合は、ｐ＋領域１０間にｎ＋領域９が形成されている。
実施例１、２では、ｎ型シリコン基板について記載したが、ｐ型シリコン基板を用いることも可能である。その際、受光面拡散層が存在する場合はｐ型不純物を用いたｐ−層となり、反射防止膜はｐ型不純物が含まれた膜となり、他の構造はｎ型シリコン基板について記載した上記構造と同様である。
また、ｐ型シリコン基板を用いる場合は、より高い短絡電流を得るために、シリコン基板の導電型であるｐ型と異なる導電型であり、電極が形成されたｎ＋領域の合計面積のほうが、電極が形成されたｐ＋領域の合計面積よりも大きい。この場合、隣接するｐ＋領域は長さ方向に対し垂直方向に分離されていてもよい。その際、ｐ＋領域間はｎ＋領域が形成されている。また、ｎ＋領域が長さ方向に対し垂直方向に分離されている場合は、ｎ＋領域間にｐ＋領域が形成されている。
さらに、本発明の裏面電極型太陽電池の概念には、半導体基板の裏面となる面のみにｐ型用電極およびｎ型用電極の双方が形成された構成の裏面電極型太陽電池だけでなく、ＭＷＴ（Metal Wrap Through）型（半導体基板に設けられた貫通孔に電極の一部を配置した構成の太陽電池）などの構成の太陽電池も含まれる。
１ 裏面電極型太陽電池、２ ｎ型用電極、３ ｐ型用電極、４ ｎ型シリコン基板、５ 凹凸形状、６ 受光面拡散層、８ 第２裏面パッシベーション膜、９ ｎ＋領域、１０ ｐ＋領域、１１ 第１裏面パッシベーション膜、１２ 反射防止膜、１３ 受光面パッシベーション膜、１４ 裏面パッシベーション膜、２１ テクスチャマスク、２２ 拡散マスク、２３ 拡散マスク、２４ 酸化シリコン膜、２５ 拡散マスク、２７ 混合液、５１ 裏面電極型太陽電池、７１ ｐ＋領域、７２ ｎ＋領域、１０１ 裏面電極型太陽電池、１０２ ｎ型用金属コンタクト、１０３ ｐ型用金属コンタクト、１０４ ｎ型シリコンウェーハ、１０５ 凹凸形状、１０６ ｎ型前面側拡散領域、１０７ 反射防止コーティング、１０８ 誘電性パッシベーション層、１０９ 酸化物層、１１０ ｎ＋領域、１１１ ｐ＋領域。
Claims (6)
- シリコン基板の受光面とは反対側の面である裏面に第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域が形成され、前記第１導電型半導体領域及び前記第２導電型半導体領域には、それぞれ第１導電型用電極、第２導電型用電極が形成された裏面電極型太陽電池において、
前記第１導電型半導体領域の周囲には、前記第２導電型半導体領域が形成され、前記第２導電型半導体領域の周囲には外周縁半導体領域が形成されており、前記外周縁半導体領域は、前記第１導電型半導体領域と同じ導電型で、且つ前記第１導電型用電極及び前記第２導電型用電極に接触していない裏面電極型太陽電池。 - 前記第１導電型半導体領域及び前記第２導電型半導体領域のうち、前記シリコン基板の導電型とは異なる導電型の半導体領域の合計面積が広い請求項１に記載の裏面電極型太陽電池。
- 前記第１導電型用電極及び前記第２導電型用電極のうち、最も外側の電極は全て同じ導電型用の電極である請求項１または２に記載の裏面電極型太陽電池。
- 前記第１導電型用電極及び前記第２導電型用電極のうち、最も外側の電極は、前記外周縁半導体領域とは異なる導電型用の電極である請求項１〜３のいずれかに記載の裏面電極型太陽電池。
- 前記シリコン基板の受光面側に前記シリコン基板と同じ導電型である受光面拡散層が形成されている請求項１〜４のいずれかに記載の裏面電極型太陽電池。
- 前記受光面拡散層の受光面上に受光面パッシベーション膜が形成され、
前記受光面パッシベーション膜の受光面上に前記シリコン基板と同じ導電型の不純物を含む酸化チタンである反射防止膜が形成されている請求項５に記載の裏面電極型太陽電池。
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