(57)【要約】【課題】電力変換効率の高い光起電力装置を提供する。【解決手段】光起電力装置１００は、ベース層１４と、ベース層１４の受光面に対向する裏面に設けられた溝部３２と、溝部３２に埋設された埋設電極３０と、ベース層１４の裏面に設けられ、埋設電極３０を選択的に覆う絶縁層２０と、絶縁層２０を含むベース層１４の裏面を被覆して設けられた裏面電極２８と、を備える。溝部３２は、互いに離間して一方向に延びて複数設けられており、埋設電極３０は、溝部３２のそれぞれを埋めるように設けられてもよい。ベース層１４は、結晶質シリコン層であり、埋設電極３０との間の領域にベース層１４と比較して高濃度にドープされたホモ接合領域Ｃ１が形成されており、裏面電極２８との間の領域に、実質的に真性である非晶質シリコン層を含むヘテロ接合領域Ｃ２が形成されていてもよい。【選択図】図１
2014072341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース層と、
前記ベース層の受光面に対向する裏面に設けられた溝部と、
前記溝部に埋設された第１電極と、
前記ベース層の裏面に設けられ、前記第１電極を選択的に覆う絶縁部と、
前記絶縁部を含む前記ベース層の裏面を被覆して設けられた第２電極と、
を備えることを特徴とする光起電力装置。
【請求項２】
前記溝部は、互いに離間して一方向に延びて複数設けられており、
前記第１電極は、前記溝部のそれぞれを埋めるように設けられることを特徴とする請求項１に記載の光起電力装置。
【請求項３】
前記ベース層は、結晶質シリコン層であり、
前記第１電極との間の領域に前記ベース層と比較して高濃度にドープされたホモ接合領域が形成されており、
前記第２電極との間の領域に、実質的に真性である非晶質シリコン層を含むヘテロ接合領域が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光起電力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光起電力装置に関し、特に支持基板上に複数の光起電力素子を形成した光起電力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光エネルギーを電気エネルギーに変換する光起電力素子の開発が各方面で精力的に行われている。例えば、単結晶シリコンや多結晶シリコン等の結晶質系シリコンを用いた光起電力素子または光起電力装置の研究および実用化が盛んに行われている。
【０００３】
近年、光入射面である受光面に対向する裏面にＰＮ接合と集電極を形成したバックコンタクト型（裏面接合型）の光起電力素子の開発も進んでいる。このタイプの光起電力素子では、受光面側にはテクスチャ構造や反射防止、及びキャリアの再結合防止のためのパッシベーション層が形成されるのみで、素子の構造に起因する損失を極力除き、高い変換効率が得られることから、注目を集めている。
【０００４】
例えば、バックコンタクト型の光起電力素子の製造方法として、背面に複数の溝を形成し、第１コンタクト（ベースコンタクト）領域を溝の間に形成し、第２コンタクト（エミッタコンタクト）領域を溝の底に形成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−４５６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光起電力装置は、発電した電力を取り出すためのベース電極とエミッタ電極の間で良好な電気的絶縁を確保しつつ、発電した電力をより多く取り出すことのできる構造の電極を用いることが望ましい。
【０００７】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電力変換効率の高い光起電力装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の光起電力装置は、ベース層と、ベース層の受光面に対向する裏面に設けられた溝部と、溝部に埋設された第１電極と、ベース層の裏面に設けられ、前記第１電極を選択的に覆う絶縁部と、絶縁部を含むベース層の裏面を被覆して設けられた第２電極と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電力変換効率の高い光起電力装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施の形態１における光起電力装置の構造を示す断面図である。
【図２】図１の光起電力装置を裏面から見た外観図である。
【図３】光起電力素子の製造に用いる材料基板を示す図である。
【図４】ベース層の表面にテクスチャ構造を形成した材料基板を示す図である。
【図５】パッシベーション層を形成した材料基板を示す図である。
【図６】ベース層から材料基板を分離した状態を示す図である。
【図７】材料基板を分離したベース層にドーパント層を形成した状態を示す図である。
【図８】図７のドーパント層の上からレーザを照射して第１導電型層及び溝部を形成した状態を示す図である。
【図９】図８のドーパント層を除去した状態を示す図である。
【図１０】図９の溝部に第１メタルマスクを用いて埋設電極を形成した状態を示す図である。
【図１１】図１０の埋設電極を接続電極で接続した状態を裏面から見た図である。
【図１２】図１０の埋設電極上に第２メタルマスクを用いて絶縁層を形成した状態を示す図である。
【図１３】図１２のベース層及び絶縁層の上にｉ型層及び第２導電型層を形成した状態を示す図である。
【図１４】図１３の第２導電型層の上に透明電極層及び裏面電極を形成した状態を示す図である。
【図１５】本実施の形態２における光起電力装置の構造を示す断面図である。
【図１６】図１５の光起電力装置を裏面から見た外観図である。
【図１７】材料基板を支持基板上に配置した状態を示す図である。
【図１８】図１７に示す材料基板と支持基板とを陽極接合する様子を示す図である。
【図１９】陽極接合後にベース層から材料基板を分離する様子を示す図である。
【図２０】支持基板上に複数の光起電力素子を形成した状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１における光起電力装置１００の構造を示す断面図であり、図２は、図１の光起電力装置１００を裏面から見た外観図である。光起電力装置１００は、光起電力素子７０で発電された電力を外部へ取り出す電極として、太陽光が入射する受光面１６ａに対向する裏面の全面に設けられる裏面電極２８と、光起電力素子７０の内部に設けられる埋設電極３０を備える。埋設電極３０は、太陽光を吸収し発電層となるベース層１４の裏面側に設けられ、櫛型電極を成すように形成される。このように、光起電力装置１００は、裏面電極２８と埋設電極３０がともに発電層の裏面側に設けられる裏面接合型の光起電力装置である。
【００１３】
光起電力装置１００は、光起電力素子７０を備える。光起電力素子７０は、第１導電型層１２、ベース層１４、パッシベーション層１６、絶縁層２０、ｉ型層２２、第２導電型層２４、透明電極層２６、裏面電極２８、埋設電極３０、接続電極４０を有する。
【００１４】
ベース層１４は、結晶質の半導体層であり、例えば、単結晶の半導体層や、多数の結晶粒が集合した多結晶の半導体層である。ここでは、ベース層１４として、ｎ型のドーパントが添加されたｎ型結晶質シリコン層を用い、ドーピング濃度は１０１６／ｃｍ３程度とする。ベース層１４は、光起電力素子７０の発電層となるため、発電層として十分にキャリアを発生できる膜厚とすることが好ましく、その膜厚は、例えば、１μｍ以上１００μｍ以下である。
【００１５】
ベース層１４の裏面側には、後述する埋設電極３０が設けられるための複数の溝部３２が形成される。溝部３２は、ベース層１４の裏面から受光面側に凹んだ形状を有し、幅ｗ１が約５０μｍ、深さｈが約５μｍで、互いに約２ｍｍの間隔ｗ２で一方向に周期的に設けられる。本実施の形態では溝部３２が設けられる間隔ｗ２は２ｍｍとしたが、光起電力装置１００の出力特性に応じて、これより狭い値としてもよく、広い値としてもよい。
【００１６】
パッシベーション層１６は、一方の面がベース層１４の表面に共有結合し、ベース層１４の未結合手（ダングリングボンド）を終端させる役割を果す。これにより、光起電力素子７０の受光面側におけるキャリアの再結合による損失を抑制することができる。パッシベーション層１６は、キャリアの再結合を抑制させるため窒化シリコン層（ＳｉＮ）を含むことが好ましく、酸化シリコン層（ＳｉＯｘ）と窒化シリコンとの積層構造とすることがより好ましい。例えば、酸化シリコン層及び窒化シリコン層をそれぞれ３０ｎｍ及び４０ｎｍの膜厚で順に積層した構造とする。
【００１７】
パッシベーション層１６は、受光面１６ａに光起電力素子７０の光吸収効率を向上させるためのテクスチャ構造６が設けられる。テクスチャ構造６を設けることで、受光面１６ａから入射した光の進行方向を変化させ、ベース層１４に入射した光の光路長を長くすることができる。なお、パッシベーション層１６は必須ではなく、ベース層１４の受光面側の表面にテクスチャ構造６が形成されていてもよい。
【００１８】
第１導電型層１２は、結晶質の半導体層である。第１導電型層１２は、ベース層１４と結晶質同士がホモ接合された第１導電型コンタクト領域Ｃ１を形成する。ここでは、第１導電型層１２として、ｎ型のドーパントが添加されたｎ型結晶質シリコン層を用い、ベース層１４よりも高いドーピング濃度とする。例えば、第１導電型層１２のドーピング濃度は１０１９／ｃｍ３程度とする。第１導電型層１２は、溝部３２に形成される埋設電極３０と接合される層であり、金属との接触抵抗を十分に低くできる範囲で薄くすることが好ましい。例えば、その膜厚は、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、好ましくは、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とする。
【００１９】
埋設電極３０は、例えば、アルミニウム、銀、銅、或いはこれらを含む金属ペーストなどであり、ベース層１４の裏面側に設けられる溝部３２を埋設して設けられる。埋設電極３０は、溝部３２と同様に、幅ｗ１が約５０μｍ、深さｈが約５μｍで、互いに約２ｍｍの間隔ｗ２で一方向に周期的に設けられる。また、埋設電極３０は、光起電力素子７０の一辺側に設けられる接続電極４０に電気的に接続されており、埋設電極３０及び接続電極４０により一つの櫛形電極を形成している。本実施の形態では埋設電極３０が設けられる間隔ｗ２は２ｍｍとしたが、光起電力装置１００の出力特性に応じて、これより狭い値としてもよく広い値としてもよい。なお、本実施の形態における間隔ｗ２の値は、所望の出力特性を満たす範囲で埋設電極３０の本数が最少となるように選択されたものである。
【００２０】
図２に示す接続電極４０は、所定の間隔ｗ２で設けられる埋設電極３０を互いに接続し、埋設電極３０に集電された電力を外部に取り出すための電極である。接続電極４０は、ベース層１４の上に設けられており、その材質は、埋設電極３０と同様、アルミニウム、銀、銅、或いはこれらを含む金属ペーストなどである。なお、接続電極４０は、金属ペーストの上に設けられる銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）を含む導電性の材料や、銅（Ｃｕ）や錫（Ｓｎ）等の電解メッキ層を含んでもよい。また、接続電極４０から外部へ電力を取り出せるよう、接続電極４０の上には絶縁層２０、ｉ型層２２、第２導電型層２４、透明電極層２６、裏面電極２８などが設けられていない。
【００２１】
図１に戻り、絶縁層２０は、第１導電型層１２及び埋設電極３０と後述するｉ型層２２とを電気的に絶縁する。絶縁層２０は、電気的に絶縁性を有する材料により構成され、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）又は樹脂材料とすればよい。絶縁層２０は、ベース層１４の光吸収量を増大させるため、光の吸収を生じない透明材料であることが望ましい。絶縁層２０の膜厚は、例えば１００ｎｍ以上１μm以下とすればよい。
【００２２】
ｉ型層２２及び第２導電型層２４は、非晶質系の半導体層であり、アモルファス相又はアモルファス相内に微少な結晶粒が析出している微結晶相を含む半導体層である。ここでは、水素を含有するアモルファスシリコンとする。ｉ型層２２は、実質的に真性のアモルファスシリコン層であり、第２導電型層２４は、ｐ型のドーパントが添加されたアモルファスシリコン層である。第２導電型層２４は、ｉ型層２２よりもドーピング濃度が高い半導体層であり、例えば、ｉ型層２２には意図的にドーピングを行わず、第２導電型層２４のドーピング濃度を１０１８／ｃｍ３程度とする。
【００２３】
ｉ型層２２の膜厚は、光の吸収が抑えられる程度に薄く、ベース層１４の表面が十分にパッシベーションされる程度に厚くすることが好ましい。ｉ型層２２の膜厚は、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすればよく、例えば１０ｎｍとする。また、第２導電型層２４の膜厚は、光の吸収が抑えられる程度に薄く、光起電力素子の開放電圧が十分に高くなる程度に厚くすることが好ましい。第２導電型層２４の膜厚は、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすればよく、例えば１０ｎｍとする。
【００２４】
ベース層１４とｉ型層２２とは結晶質と非晶質とがヘテロ接合された第２導電型コンタクト領域Ｃ２を形成する。第２導電型コンタクト領域Ｃ２の面積は、ベース層１４の主面上においてｉ型層２２とヘテロ接合されている領域の面積を意味する。第２導電型コンタクトをなすヘテロ接合は、第１導電型コンタクトをなすホモ接合に比べて、電気抵抗が高いため、高い変換効率を得るためには、第２導電型コンタクト領域Ｃ２の面積を、第１導電型コンタクト領域Ｃ１の面積より大きくすることが好適である。
【００２５】
透明電極層２６は、酸化錫（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等に錫（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、フッ素（Ｆ）、アルミニウム（Ａｌ）等をドープした透明導電性酸化物（ＴＣＯ）のうち少なくとも一種類又は複数種を組み合わせて用いることが好適である。特に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、透光性が高く、抵抗率が低い等の利点を有している。透明電極層２６の膜厚は、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすればよく、例えば１００ｎｍとする。
【００２６】
裏面電極２８は、光起電力素子７０の裏面側に設けられる電極層であり、透明電極層２６を介して第２導電型層２４に接続される。裏面電極２８は、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）を含む導電性の材料である。なお、銅（Ｃｕ）や錫（Ｓｎ）等の電解メッキ層を含んでもよい。ただし、これに限定されるものでなく、金、銀等の他の金属、他の導電性材料、又はそれらの組み合わせとしてもよい。
【００２７】
裏面電極２８は、図２に示すように、接続電極４０が一部露出するための領域を除いて、裏面側の略全面に形成される。これにより、光起電力素子７０の受光面から入射した光は、ベース層１４を一度通過しただけでは吸収が不十分であったとしても、裏面側の略全面に形成された裏面電極２８により反射されて、再度ベース層１４を通過することとなる。そのため、裏面電極２８が略全面に形成されていない場合と比較して、多くの光をベース層１４に反射させてベース層１４の光吸収量を増大させることができる。
【００２８】
次に、光起電力装置１００の製造方法について説明する。
図３は、光起電力素子７０の製造に用いる材料基板１０を示す図である。材料基板１０は、結晶質の半導体材料であり、例えば、シリコン、多結晶シリコン、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、インジウム燐（ＩｎＰ）等の半導体基板である。
【００２９】
なお、本実施の形態では、材料基板１０として単結晶シリコン基板を用いた例を示す。したがって、後述する第１導電型層１２、ベース層１４、ｉ型層２２及び第２導電型層２４もシリコン層とする。ただし、材料基板１０をシリコン以外の材料としてもよく、これらの層もシリコン層以外の材料としてもよい。
【００３０】
ポーラス層（脆化層）１０ａは、材料基板１０を陽極酸化処理等することにより形成される。陽極酸化に用いる電解質は、例えば、フッ化水素酸及びエタノールの混合液又はフッ化水素酸及び過酸化水素水の混合液とすることができる。陽極酸化の電流密度は、５ｍＡ／ｃｍ２以上６００ｍＡ／ｃｍ２以下とすればよく、例えば１０ｍＡ／ｃｍ２程度とする。
【００３１】
ポーラス層１０ａの厚さは、０．０１μｍ以上３０μｍ以下とすればよく、例えば１０μｍ程度とする。ポーラス層１０ａの空孔径は、０．００２μｍ以上５μｍ以下とすればよく、例えば０．０１μｍ程度とする。ポーラス層１０ａの空孔率は、１０％以上７０％以下とすればよく、例えば２０％程度とする。
【００３２】
材料基板１０のポーラス層１０ａ上には、ベース層１４が形成される。ベース層１４は、化学気相成長法（ＣＶＤ）で形成することができる。ベース層１４は、ポーラス層１０ａをシード層としたエピタキシャル成長により形成され、結晶質の半導体層同士が接合されたホモ接合領域を形成する。例えば、材料基板１０を９５０℃に加熱し、水素（Ｈ２）で希釈されたジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）を原料ガスとして供給することにより成膜することができる。水素（Ｈ２）とジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）の流量は、例えばそれぞれ０．５（ｌ／ｍｉｎ）及び１８０（ｌ／ｍｉｎ）とする。また、必要に応じてホスフィン（ＰＨ３）をドーピングガスとして添加する。
【００３３】
図４は、ベース層１４の表面にテクスチャ構造６を形成した材料基板１０を示す図である。材料基板１０、ポーラス層１０ａ及びベース層１４を、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液中で化学的にエッチングすることにより、ベース層１４の表面に微細な凹凸形状を有するテクスチャ構造６を形成する。なお、材料基板１０をベース層１４を生成するために繰り返し使用できるよう、材料基板１０の露出面を窒化シリコン（ＳｉＮ）または樹脂フィルムなどの保護層８でコーティングしておくことが望ましい。
【００３４】
図５は、パッシベーション層１６を形成した材料基板１０を示す図である。パッシベーション層１６は、ベース層１４に設けられたテクスチャ構造６の上に形成される。パッシベーション層１６は、シラン（ＳｉＨ４）に酸素（Ｏ２）又は窒素（Ｎ２）を混合した原料ガスをプラズマ化して供給するプラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）により形成することができる。
【００３５】
図６は、ベース層１４から材料基板１０を分離した状態を示す図である。図６に示す材料基板１０は、以降の説明をわかりやすくするため、図５に示す材料基板１０と上下を逆さまにして描いている。材料基板１０の分離処理では、例えば、材料基板１０及びベース層１４を真空チャックで吸着し、双方を引き離すように引っ張ることによって、ポーラス層１０ａ部分から材料基板１０を切り離すことができる。その他、パッシベーション層１６と材料基板１０とをそれぞれ別の仮支持基材に接着剤、或いはテープ等で固定し、これらの仮支持基材に外力を印加することで分離を行い、その後接着剤、或いはテープを除去してもよい。また、材料基板１０の側面からポーラス層１０ａにウォータージェットを吹き付けることによって、ポーラス層１０ａ部分から材料基板１０を切り離すことができる。
【００３６】
図７は、材料基板１０を分離したベース層１４にドーパント層３４を形成した状態を示す図である。まず、ベース層１４上に残留しているポーラス層１０ａの一部を除去するため、フッ化水素酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ３）とを混合したフッ硝酸を用いて、支持基板１８をエッチング洗浄する。
【００３７】
その後、第１導電型層１２を形成するためのドープ源となるドーパント層３４を形成する。ドーパント層３４は、ｎ型のドーパントであるリン（Ｐ）が添加されたアモルファスシリコン層であり、化学気相成長法（ＣＶＤ）により形成することができる。ドーパント層３４の膜厚は、例えば５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とする。なお、ドーパント層３４は、アモルファスシリコン層である必要はなく、ドーパント原子を含んだ微結晶シリコン又は固層ガラス（ＰＳＧ：Phosphorous Silicate Glass）層であってもよい。
【００３８】
図８は、図７のドーパント層３４の上からレーザ６０を照射して第１導電型層１２及び溝部３２を形成した状態を示す図である。ドーパント層３４を形成した上から、レーザ６０を走査しながら照射することで、溝部３２が形成されると同時に、レーザ６０により加熱された溝部３２の周辺領域にドーパント層３４に含まれるドーパントであるリン元素が熱的に拡散し、溝部３２の表面近傍に第１導電型層１２が形成される。レーザ６０を照射することで、溝部３２の形成とドーパントの拡散による第１導電型層１２の形成を同時に行うことができる。また、レーザ６０を照射して溝部３２の周辺領域が加熱されることで、ドーパントの活性化に必要なアニール工程を省くこともできる。これにより、ベース層１４と第１導電型層１２との間には、ホモ接合された第１導電型コンタクト領域Ｃ１が形成される。
【００３９】
なお、このドーパント拡散によるベース層１４と第１導電型層１２との間のホモ接合の形成は、レーザ６０を照射する方法以外を用いてもよい。例えば、フォトリソグラフィーの原理を用いて、第１導電型層１２を溝部３２の周辺領域に形成した後に、基板全体を加熱して熱拡散させる方法や、溝部３２に相当する位置に、プラズマを照射してドーピングを行うプラズマドーピングによる方法を用いてもよい。特にプラズマドーピングの場合、ドーパントの拡散深さが浅く、浅いホモ接合を形成することが可能であり、第１導電型層１２によるキャリア再結合の影響を最小限に抑えることが出来る。
【００４０】
図９は、図８のドーパント層３４を除去した状態を示す図である。エッチングガスによるドライエッチングにより、不必要なドーパント層３４を除去する。エッチングガスとして、例えば、三フッ化窒素（ＮＦ３）や、メタン（ＣＨ４）等を用いればよく、これらエッチングガスのプラズマに図８に示すドーパント層３４を暴露することで、ドーパント層３４を除去するとともに、ベース層１４の表面をクリーニングすることができる。
【００４１】
図１０は、溝部３２に第１メタルマスク３６を用いて埋設電極３０を形成した状態を示す図である。図１１に示すベース層１４の上に、溝部３２の領域に対応した開口部を有する第１メタルマスク３６を形成し、その上からスパッタリング法により、溝部３２を埋設するように埋設電極３０を形成する。なお、埋設電極３０の形成には、必ずしも第１メタルマスク３６を用いる必要はなく、フォトリソグラフィー、或いはアルミニウム、銀、銅等を含む金属ペーストをスクリーン印刷、或いはディスペンサーで塗布する方法等を用いてもよい。
【００４２】
図１１は、図１０の埋設電極３０を接続電極４０で接続した状態を裏面から見た図である。接続電極４０は、埋設電極３０に集電される電力を外部に取り出すための櫛型電極を形成するように、埋設電極３０の一端を電気的に接続し、周期的に設けられる埋設電極３０が離間する方向に延びて設けられる。接続電極４０は、例えば、埋設電極３０と同時に第１メタルマスク３６を用いて形成してもよいし、フォトリソグラフィー、或いは印刷法を用いて形成してもよい。なお、接続電極４０の下に位置するベース層１４には、埋設電極３０に対応する溝部３２と同様の溝が設けられていてもよいし、溝が設けられずにベース層１４の裏面上に直接導電性材料が延在していてもよい。
【００４３】
図１２は、図１０の埋設電極３０上に第２メタルマスク３８を用いて絶縁層２０を形成した状態を示す図である。埋設電極３０を形成した後、第１メタルマスク３６よりも僅かに開口部の幅が広い第２メタルマスク３８を用いて、溝部３２を埋めるように設けられた埋設電極３０の露出部を覆うように絶縁層２０を形成する。このとき、第２メタルマスク３８は、図１１の接続電極４０の上に絶縁層２０が形成されないよう接続電極４０を覆っている。なお、絶縁層２０も同様、第２メタルマスク３８を用いた方法に限定されず、フォトリソグラフィー、或いは印刷法を用いて形成してもよい。
【００４４】
図１３は、図１２のベース層１４及び絶縁層２０の上にｉ型層２２及び第２導電型層２４を形成した状態を示す図である。ｉ型層２２及び第２導電型層２４は、シラン（ＳｉＨ４）等のケイ素含有ガスを用いたプラズマ化学気相法（ＰＥＣＶＤ）により形成することができる。シラン（ＳｉＨ４）等のケイ素含有ガスを供給しつつ、高周波電源から高周波電極へ高周波電力を供給することによって原料ガスのプラズマが生成され、プラズマからベース層１４及び絶縁層２０上に原料が供給されてシリコン薄膜が形成される。原料ガスには、必要に応じてジボラン（Ｂ２Ｈ６）等のドーパント含有ガスを混合する。このとき、接続電極４０上にｉ型層２２及び第２導電型層２４が形成されないよう、適宜マスク処理を施すことが望ましい。これにより、ベース層１４とｉ型層２２との間には、結晶質と非晶質とがヘテロ接合された第２導電型コンタクト領域Ｃ２が形成される。
【００４５】
図１４は、図１３の第２導電型層２４の上に透明電極層２６及び裏面電極２８を形成した状態を示す図である。透明電極層２６及び裏面電極２８は、接続電極４０が形成されている領域を除いた第２導電型層２４が設けられる裏面の全面に形成される。透明電極層２６及び裏面電極２８は、スパッタリング法等により形成することができる。なお、透明電極層２６を形成した後に、電界メッキ法を用いて裏面電極２８を形成してもよい。この場合、透明電極層２６を形成しておくことで、電界メッキ時に裏面電極２８の成長を促進させる効果を得ることができる。なお、透明電極層２６を設けずに、第２導電型層２４の上に直接裏面電極２８を形成してもよい。
【００４６】
このようにして、図１、図２に示す光起電力装置１００が形成される。以上の製造方法により、光起電力装置１００は、パッシベーション層１６が受光面側となり、裏面電極２８及び埋設電極３０が発電層となるベース層１４よりも裏面側に設けられた裏面接合型となる。また図２に示すように、ベース層１４とｉ型層２２の間に埋設された埋設電極３０が外部に露出した接続電極４０と接続されているため、光起電力素子７０が発電した電力を裏面電極２８と接続電極４０により外部に取り出すことができる。
【００４７】
本実施の形態１における光起電力装置１００は、受光面１６ａ側に電極が設けられていない裏面接合型の光起電力素子であるため、受光面１６ａに入射する光が受光面１６ａに設けられる電極などにより反射され、光吸収量が低下することを抑えることができる。
【００４８】
また、光起電力装置１００の裏面側は、裏面電極２８により略全面が覆われているため、仮にベース層１４に吸収されずにベース層１４を通過してしまった入射光を反射させ、再度ベース層１４の方へ効率的に向かわせることができる。仮に、裏面側に櫛形電極を形成した場合には、櫛形電極の隙間として電極が設けられていない領域に達した光を発電層側へ反射させることができないが、本実施の形態では、略全面に電極層が設けられているため、裏面電極２８により反射される光の量を増大することができる。また、裏面電極２８が設けられていない領域についても接続電極４０が設けられていることで、裏面電極２８が設けられていない隙間領域が生じることによる光の反射量の低下を最小限に抑えることができる。これにより、光起電力素子７０の光吸収量を増大させ、光起電力装置１００の電力変換効率を向上させることができる。
【００４９】
また、光起電力装置１００は、埋設電極３０が溝部３２に設けられているため、溝部３２を設けずに電極を形成した場合と比較して、第１導電型層１２と接合する面積を増やすことができる。その結果、溝部３２を設けずに電極を形成した場合と比較して、より多くの電力を光起電力素子７０から集電することができ、光起電力装置１００の電力変換効率を向上させることができる。
【００５０】
また、光起電力装置１００は、埋設電極３０が溝部３２に設けられているため、同じ出力特性を得るために必要な埋設電極３０の幅ｗ１を、溝部３２に電極が設けられていない場合と比較して狭くすることができる。埋設電極３０の幅ｗ１を狭くすることにより、ベース層１４とｉ型層２２との界面に形成される第２導電型コンタクト領域Ｃ２の面積を広く取ることができるため、より多くの電力を光起電力素子７０から集電することができる。その結果、光起電力装置１００の電力変換効率を向上させることができる。
【００５１】
（実施の形態２）
図１５は、本実施の形態２における光起電力装置２００の構造を示す断面図である。以下、実施の形態１における光起電力装置１００との相違点を中心に説明する。光起電力装置２００は、支持基板１８と、複数の光起電力素子７０とを備え、光起電力素子７０は、支持基板１８の受光面１８ａに対向する裏面の接合部１８ｂに、互いに離間して配置されている。このとき、並置された複数の光起電力素子７０は、裏面電極２８及び接続電極４０を図示しない導電性のタブでそれぞれ接続することで直列又は並列に接続される。
【００５２】
光起電力装置２００は、充填材６２と封止材６４を備え、これらは光起電力素子７０の裏面側に設けられる。充填材６２及び封止材６４は、ＥＶＡ、ポリイミド等の樹脂材料である。これにより、光起電力装置１００の発電層への水分の浸入等を防ぐことができ、光起電力素子全体の強度を向上させることができる。なお、封止材６４は、支持基板１８と同じガラスや、プラスチック等の透明基板としてもよい。また、受光面から入射した光がベース層１４により多く吸収されるよう、充填材６２と封止材６４との間に反射層を設けることで、光起電力素子７０を透過した光を受光面側へ反射させてもよい。
【００５３】
図１６は、図１５の光起電力装置２００を裏面から見た外観図である。光起電力素子７０は、それぞれが互いに間隔をあけて設けられており、本図では、矩形の光起電力素子７０が縦４個、横６個、計２４個並んでいる様子を示す。このように、光起電力装置２００は、支持基板１８上に複数の光起電力素子７０を並置され、一つのモジュールを形成する。
【００５４】
支持基板１８は、受光面１８ａと、受光面１８ａに対向する裏面には光起電力素子７０と接合される接合部１８ｂと、光起電力素子７０が設けられない間隙１８ｃとを有する。支持基板１８は、複数の光起電力素子７０を機械的に支持し、光起電力素子７０を外部環境から保護するとともに、光起電力素子７０が発電のために吸収する波長帯域の光を透過する。支持基板１８は、アルカリ金属元素を含有するガラス基板であり、例えば、アルカリ金属元素としてナトリウム（Ｎａ）を２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（３．５重量％以上１５．０重量％以下）含む。なお、カリウム（Ｋ）などその他のアルカリ金属元素を含むガラス基板としてもよく、この場合にはその含有量を０．１重量％以上１．０重量％以下の範囲とすることが好ましい。また、支持基板１８は、熱膨張係数が２×１０−６／Ｋ以上１×１０−５／Ｋ以下であることが好ましい。
【００５５】
実施の形態２に係る光起電力素子７０は、実施の形態１における光起電力素子７０と同様であるが、図１に示すパッシベーション層１６に設けられるテクスチャ構造６を備えていない点が異なる。
【００５６】
次に、光起電力装置２００の製造方法について説明する。
図１７は、材料基板１０を支持基板１８上に配置した状態を示す図である。図１７に示す材料基板１０は、パッシベーション層１６にテクスチャ構造６が設けられていない点以外は、図５に示す材料基板１０と同様であり、その製造方法もテクスチャ構造６を形成する工程を省く点以外は同様である。例えば、図３に示す材料基板１０のベース層１４の上に、パッシベーション層１６を形成すればよい。
【００５７】
複数の材料基板１０は、支持基板１８の接合部１８ｂの上に間隔をあけて配置され、支持基板１８の表面には、材料基板１０が設けられない間隙１８ｃができる。材料基板１０は、パッシベーション層１６の表面が支持基板１８の接合部１８ｂに接するように配置される。なおこの時点では、パッシベーション層１６と支持基板１８とは共有結合をしておらず、その表面が互いに接している状態である。
【００５８】
図１８は、図１７に示す材料基板１０と支持基板１８とを陽極接合する様子を示す図である。陽極接合は、材料基板１０と支持基板１８とを電極５０、５２により挟み込み、真空に排気した状態で２００℃以上６００℃以下の温度範囲で加熱し、電極５０、５２間に３００Ｖから１ｋＶ程度の電圧を印加して行う。例えば、材料基板１０と支持基板１８とを４００℃に加熱し、支持基板１８側の電極５２が負電圧となるように６００Ｖの電圧を２０分間印加することにより、パッシベーション層１６と支持基板１８とを陽極接合する。
【００５９】
支持基板１８側の電極５２が負電圧となるように電圧を印加すると、支持基板１８に印加される電界により、支持基板１８中に含まれるアルカリ金属元素であるナトリウムが接合部１８ｂから電極５２の方向に移動する。これにより、接合部１８ｂのナトリウム濃度が、接合部１８ｂ以外の領域と比較して低くなる。具体的には、陽極接合前の支持基板１８のナトリウム濃度が、３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度であるのに対し、接合部１８ｂのナトリウム濃度は、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下となる。そして、ナトリウム濃度が減少した接合部１８ｂには、ＳｉＯ−イオンが残される。このＳｉＯ−イオンがパッシベーション層１６の主材料であるＳｉとＳｉ−Ｏ−Ｓｉ共有結合を形成することで、より強固な接合が形成される。
【００６０】
また、陽極接合することにより、パッシベーション層１６である窒化シリコン層（ＳｉＮ）から窒素（Ｎ）が抜け、パッシベーション層１６と支持基板１８との間にはＳｉ−Ｏ共有結合が形成される。これにより、パッシベーション層１６と支持基板１８とが強固に接合される。なお、陽極接合を行う前に、パッシベーション層１６と支持基板１８との間に酸素プラズマを発生させて接合面を予め表面処理してもよい。
【００６１】
図１９は、陽極接合後にベース層から材料基板を分離する様子を示す図である。陽極接合の際に加熱された材料基板１０が冷却されることによって、第１導電型層１２とポーラス層１０ａの接合面から材料基板１０が自然分離される。自然分離は、支持基板１８と材料基板１０との熱膨張係数の違いによる内部応力の発生により生じる。陽極接合による２００℃以上６００℃以下の加熱状態から室温程度の冷却状態へ移行することによって、支持基板１８と材料基板１０との熱膨張係数の違いによる内部応力が発生する。ガラスの熱膨張係数は９×１０−６／Ｋ程度であり、シリコンの熱膨張係数は２．５５×１０−６／Ｋ程度であることから、支持基板１８がベース層１４より大きく収縮することによって内部応力が発生する。この内部応力がポーラス層１０ａに掛かり、脆弱であるポーラス層１０ａと第１導電型層１２との間で剥離が生ずる。なお、材料基板１０の分離処理では、実施の形態１と同様に、機械的な処理を適用してもよい。
【００６２】
図２０は、支持基板１８上に複数の光起電力素子７０を形成した状態を示す図である。材料基板１０が分離されたベース層１４の上に、図７〜１４に示した処理を施すことで、光起電力素子７０が形成される。なお、各工程を処理する際に、複数の光起電力素子７０のそれぞれの間である間隙１８ｃの領域に膜が形成されないようにマスクを施しておいたり、膜が形成された後にエッチング等で選択的に除去することが望ましい。
【００６３】
その後、並置された複数の光起電力素子７０の裏面電極２８及び埋設電極３０に接続される接続電極４０を導電性のタブで接続し、光起電力素子の裏面側に充填材６２を塗布し、封止材６４で封止する。
【００６４】
このようにして、図１５に示す光起電力装置２００が形成される。以上の製造方法により、光起電力装置２００は、複数の光起電力素子７０がモジュール化されるとともに、支持基板１８が受光面側となり、裏面電極２８及び埋設電極３０が発電層の裏面側に設けられた裏面接合型となる。
【００６５】
以上、本発明を実施形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について述べる。
【００６６】
本実施の形態では、埋設電極３０がベース層１４に設けられる溝部３２を埋めるように設けられているが、溝部３２が形成されず、ベース層１４の一部領域に接合するように埋設電極３０が形成されていてもよい。
【００６７】
本発明の一態様の概要は、次の通りである。
【００６８】
（項目１）
本発明のある態様の光起電力装置は、ベース層と、前記ベース層の受光面に対向する裏面に設けられた溝部と、前記溝部に埋設された第１電極（埋設電極３０）と、前記ベース層の裏面に設けられ、前記第１電極を選択的に覆う絶縁部（絶縁層２０）と、前記絶縁部を含む前記ベース層の裏面を被覆して設けられた第２電極（裏面電極２８）と、を備える。
【００６９】
この態様によれば、ベース層に入射した光が光起電力素子に吸収されずに第２電極に達した場合であっても、第２電極により反射されるため、その反射光は再度光起電力装置の内部を透過することとなる。また、第２電極は、ベース層の略全面に設けられることとなるため、電極が櫛形に設けられ、電極層に隙間が生じてしまう場合と比較して、電極層まで達した光を効率的に反射することができる。したがって、第２電極が設けられない場合と比較して、光起電力素子の光吸収量を増大させ、電力変換効率を向上させることができる。
【００７０】
また、第１電極が溝部に設けられることにより、溝部の幅と同じ面積のベース層に第１電極が接合される場合と比較して、ベース層と第１電極とが接する面積を増大させることができる。これにより、第１電極はより多くの電力を集電することができるため、電力変換効率を向上させることができる。
【００７１】
（項目２）
前記溝部は、互いに離間して一方向に延びて複数設けられており、前記第１電極は、前記溝部のそれぞれを埋めるように設けられる項目１に記載の光起電力装置であってもよい。
【００７２】
この態様によれば、第１電極が複数の溝部に設けられることにより、溝部の幅と同じ面積のベース層に第１電極が接合される場合と比較して、ベース層と第１電極とが接する面積をさらに増大させることができる。これにより、第１電極はより多くの電力を集電することができるため、電力変換効率を向上させることができる。
【００７３】
（項目３）
前記ベース層は、結晶質シリコン層であり、前記第１電極との間の領域に前記ベース層と比較して高濃度にドープされたホモ接合領域が形成されており、前記第２電極との間の領域に、実質的に真性である非晶質シリコン層を含むヘテロ接合領域が形成されている項目１又は２に記載の光起電力装置であってもよい。
【００７４】
この態様によれば、ホモ接合領域と比較して接合による電気抵抗の高いヘテロ接合領域の面積を大きくとることができ、ベース層と第２電極との間におけるヘテロ接合の接続抵抗を小さくすることができる。その結果、より効率的に電力を集電することができ、光起電力素子の電力変換効率を向上することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１０…材料基板、１２…第１導電型層、１４…ベース層、１６ａ…受光面、１８…支持基板、２０…絶縁層、２２…ｉ型層、２４…第２導電型層、２６…透明電極層、２８…裏面電極、３０…埋設電極、３２…溝部、４０…接続電極、７０…光起電力素子、１００、２００…光起電力装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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