(57)【要約】  太陽電池１０は、複数の凸状部２６を含むテクスチャ構造２５が形成された半導体基板２０を備える。テクスチャ構造２５は、凸状部２６の各主斜面２６ａ同士の間に面取り部２６ｃを有し、隣り合う複数の凸状部２６に挟まれた谷部２７が尖っている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の凸状部を含むテクスチャ構造が形成された半導体基板を備え、
前記テクスチャ構造は、前記凸状部の各主斜面同士の間に面取り部を含み、隣り合う複数の前記凸状部に挟まれた谷部が尖っている太陽電池。
【請求項２】
請求項１に記載の太陽電池であって、
前記面取り部には、稜線が形成されている太陽電池。
【請求項３】
請求項２に記載の太陽電池であって、
前記稜線は、前記面取り部の幅方向中央部に形成されており、
前記面取り部の前記稜線により隔てられた各部分の面積は略同等である太陽電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池であって、
前記谷部は、隣り合う２つの前記凸状部間において屈曲している太陽電池。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池であって、
前記谷部では、隣り合う複数の前記凸状部間で前記面取り部同士が結合している太陽電池。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池であって、
前記谷部では、隣り合う複数の前記凸状部間で前記面取り部と前記主斜面とが結合している太陽電池。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の太陽電池であって、
前記凸状部の平均サイズは、２μｍ〜５μｍである太陽電池。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の太陽電池であって、
前記テクスチャ構造上には、非晶質半導体層及び透明導電層が順に形成されている太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、光の反射を低減するための微細な表面凹凸構造であるテクスチャ構造が形成された半導体基板を有する太陽電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第９８／４３３０４号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、テクスチャ構造の形状は、半導体基板の割れや欠けといった損傷の発生に影響することがある。このため、テクスチャ構造の形状を改良して、耐損傷性に優れた太陽電池を提供することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る太陽電池は、複数の凸状部を含むテクスチャ構造が表面に形成された半導体基板を備え、テクスチャ構造は、凸状部の各主斜面同士の間に面取り部を含み、隣り合う複数の凸状部に挟まれた谷部が尖っている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、耐損傷性に優れた太陽電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明に係る実施形態の一例である太陽電池を受光面側から見た平面図である。
【図２】図１のＡ‐Ａ線断面の一部を示す図である。
【図３】図２に示すテクスチャ構造の谷部の拡大図である。
【図４】図２に示すテクスチャ構造の先端部の拡大図である。
【図５】本発明に係る実施形態の一例であるテクスチャ構造の斜視図である。
【図６】図５に示すテクスチャ構造を上方から見た平面図である。
【図７】本発明に係る実施形態の他の一例であるテクスチャ構造の斜視図である。
【図８】本発明に係る実施形態の一例である太陽電池において、テクスチャ構造の変形例を示す図である。
【図９】図８に示すテクスチャ構造を上方から見た平面図である。
【図１０】本発明に係る実施形態の一例である太陽電池において、光電変換部の変形例を示す図である。
【図１１】本発明に係る実施形態の一例である太陽電池において、光電変換部の他の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図面を参照しながら、本発明に係る実施形態について以下詳細に説明するが、本発明の適用はこれに限定されない。実施形態で参照する図面は、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。具体的な寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
【０００９】
本明細書では、「第１の部材（例えば、光電変換部）上に、第２の部材（例えば、透明導電層）が形成される」との記載は、特に限定を付さない限り、第１及び第２の部材が直接接触して形成される場合のみを意図しない。即ち、この記載は、第１及び第２の部材の間に、その他の部材が存在する場合を含むものである。
【００１０】
図１は、実施形態の一例である太陽電池１０を受光面側から見た平面図である。図２は、図１のＡ‐Ａ線断面の一部を示す図であって、第１電極１２及び第２電極１３のフィンガー部に直交する方向に沿って太陽電池１０を厚み方向に切断した断面を示す。
【００１１】
太陽電池１０は、太陽光を受光することでキャリアを生成する光電変換部１１と、光電変換部１１の受光面上に形成された受光面電極である第１電極１２と、光電変換部１１の裏面上に形成された裏面電極である第２電極１３とを備える。太陽電池１０では、光電変換部１１で生成されたキャリアが第１電極１２及び第２電極１３により収集される。
【００１２】
「受光面」とは、太陽電池１０の外部から光が主に入射する面を意味する。例えば、太陽電池１０に入射する光のうち５０％超過〜１００％が受光面側から入射する。「裏面」とは、受光面と反対側の面を意味する。以下、受光面及び裏面を総称して「主面」という。
【００１３】
光電変換部１１は、半導体基板２０（以下、「基板２０」とする）を有する。光電変換部１１は、基板２０の受光面側に形成された非晶質半導体層２１と、基板２０の裏面側に形成された非晶質半導体層２２とを有することが好適である。さらに、非晶質半導体層２１上に透明導電層２３が、非晶質半導体層２２上に透明導電層２４がそれぞれ形成されることが好ましい。
【００１４】
基板２０は、例えば、結晶系シリコン（ｃ−Ｓｉ）や多結晶シリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）等の半導体材料からなる。これらのうち、単結晶シリコンが好適であり、ｎ型単結晶シリコンが特に好適である。基板２０上には、表面凹凸構造であるテクスチャ構造２５が形成されている。テクスチャ構造２５は、例えば、基板２０の受光面のみに形成されてもよいが、受光面及び裏面の両方に形成されることが好適である。テクスチャ構造２５の詳細については後述する。
【００１５】
非晶質半導体層２１は、例えば、ｉ型非晶質シリコン層と、ｐ型非晶質シリコン層とが基板２０側から順に形成された層構造である。非晶質半導体層２２は、例えば、ｉ型非晶質シリコン層と、ｎ型非晶質シリコン層とが基板２０側から順に形成された層構造である。非晶質半導体層２１，２２は、テクスチャ構造２５上に形成される。光電変換部１１は、基板２０の受光面上にｉ型非晶質シリコン層と、ｎ型非晶質シリコン層とが順に形成され、基板２０の裏面上にｉ型非晶質シリコン層と、ｐ型非晶質シリコン層とが順に形成された構造であってもよい。非晶質半導体層２１，２２の厚みは、１ｎｍ〜２０ｎｍ程度が好適であり、５ｎｍ〜１５ｎｍ程度が特に好適である。
【００１６】
非晶質半導体層２１，２２は、化学気相蒸着（ＣＶＤ）やスパッタリングにより形成できる。ＣＶＤによるｉ型非晶質シリコン層の成膜には、例えば、シラン（ＳｉＨ４）を水素（Ｈ２）で希釈した原料ガスを使用する。ｐ型非晶質シリコン層の場合は、シランにジボラン（Ｂ２Ｈ６）を添加し、水素（Ｈ２）で希釈した原料ガスを使用することができる。ｎ型非晶質シリコン層の場合は、シランにホスフィン（ＰＨ３）を添加し、水素（Ｈ２）で希釈した原料ガスを使用することができる。透明導電層２３，２４もＣＶＤやスパッタリングにより形成できる。
【００１７】
透明導電層２３，２４は、例えば、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の金属酸化物に、錫（Ｓｎ）やアンチモン（Ｓｂ）等をドープした透明導電性酸化物から構成される。透明導電層２３，２４は、非晶質半導体層２１，２２をそれぞれ介してテクスチャ構造２５上に形成されている。透明導電層２３，２４は、生産性等の観点から、非晶質半導体層上の端縁を除く領域に形成される。透明導電層２３，２４の厚みは、３０ｎｍ〜２００ｎｍ程度が好適であり、４０ｎｍ〜１００ｎｍ程度が特に好適である。
【００１８】
第１電極１２は、透明導電層２３を介してキャリアを集める金属電極である。第１電極１２は、例えば、テクスチャ構造２５の谷部２７を埋めて透明導電層２３上に形成された複数（例えば、５０本）のフィンガー部と、フィンガー部と交差する方向に延びる複数（例えば、２本）のバスバー部とを含む。フィンガー部は、透明導電層２３上の広範囲に形成される細線状の電極である。バスバー部は、フィンガー部からキャリアを収集する電極であって、例えば、フィンガー部よりも幅が太く、太陽電池１０をモジュール化する際に配線材が接続される。
【００１９】
第１電極１２は、バインダ樹脂中に銀（Ａｇ）等の導電性フィラーが分散した構造、或いはニッケル（Ｎｉ）や銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の金属のみからなる構造を有する。例えば、前者は、導電性ペーストを用いたスクリーン印刷により形成され、後者は、電解めっきにより形成される。第１電極１２は、テクスチャ構造２５の谷部２６（後述の図３参照）を埋めて、透明導電層２３等を介してテクスチャ構造２５上に形成されている。
【００２０】
第２電極１３は、第１電極１２と同様に、テクスチャ構造２５の谷部２７を埋めて透明導電層２４上に形成された複数のフィンガー部と、これに交差する複数のバスバー部とを含むことが好適である。但し、第２電極１３は、第１電極１２よりも大面積に形成されることが好ましく、例えば、フィンガー部は第１電極１２の場合よりも多く形成される（例えば、２５０本）。第２電極１３は、透明導電層２４上の略全域に形成される金属層であってもよい。
【００２１】
図３〜図６は、受光面側のテクスチャ構造２５を拡大して示す図である。図３は谷部２７の断面図であり、図４は先端部２６ｂの断面図である。図５，６は、テクスチャ構造２５の第１の例を示し、図７は、テクスチャ構造２５の第２の例を示す。ここでは、受光面側の構造を例示するが、裏面側の構造も受光面側と同様である。
【００２２】
テクスチャ構造２５とは、光の表面反射を抑制し、光電変換部１１の光吸収量を増大させる機能を有する表面凹凸構造である。かかる構造には、略四角錐状の凸状部２６が多数含まれ、隣り合う凸状部２６同士は互いに接している。凸状部２６の中には形が歪んで四角錐状に見えないものもあるが、少なくとも半数以上の凸状部２６は、上端に向かって面積が小さくなる平坦な斜面である４つの主斜面部２６ａを有し、上端に先端部２６ｂが形成された略四角錐状を呈している。
【００２３】
テクスチャ構造２５のサイズ（以下、「Ｔｘサイズ」という場合がある）は、１μｍ〜１５μｍ、好ましくは１．５μｍ〜５μｍ程度である。Ｔｘサイズとは、基板２０の主面を平面視した状態における寸法を意味し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）やレーザーマイクロスコープを用いて測定できる。Ｔｘサイズの定義は特に限定されないが、以下では、基板２０の主面を平面視した状態でテクスチャ構造２５の一つ一つの凸状部２６を正方形に見立てて、その一辺をＴｘサイズとする。Ｔｘサイズは、２００個程度の凸状部２６について測定した中央値を意味するものとする。
【００２４】
凸状部２６の高さｈ（図５参照）は、例えば、１μｍ〜１０μｍ、好ましくは１．５μｍ〜５μｍ程度である。非晶質半導体層２１、透明導電層２３の厚みは、数ｎｍ〜数百ｎｍ程度であるから、これら薄膜層の上にもテクスチャ構造２５が現れる。換言すると、非晶質半導体層２１、透明導電層２３は、テクスチャ構造２５の形状に追従して形成される。凸状部２６の高さｈは、凸状部２６の最も高い部分である先端部２６ｂから、周囲の谷部２７のうち最も深い谷部２７までの基板２０の厚み方向に沿った長さを意味する。即ち、高さｈは谷部２７の深さといえる。
【００２５】
テクスチャ構造２５では、隣り合う複数の凸状部２６に挟まれた凹状部である谷部２７が尖っている（図３参照）。即ち、隣り合う凸状部２６の平坦な主斜面部２６ａ同士が直接繋がって谷部２７が形成されており、谷部２７に主面の面方向（基板２０の厚み方向に直交する方向）に沿った平らな部分は存在しない。谷部２７におけるテクスチャ構造２５の曲率半径（以下、「曲率半径ｒ２６」という）は、極めて小さく、例えば、１０ｎｍ未満である。谷部２７をＶ字状に形成して尖らせることにより、入射した光が谷部２７において効率良く多重反射し、光電変換部１１の光吸収効率を向上させることができる。
【００２６】
凸状部２６は、その半数以上において、先端部２６ｂが丸みを帯びており、先端部２６ｂが鋭く尖っていない（図４参照）。即ち、先端部２６ｂの断面形状は、略円弧形状を呈している。先端部２６ｂにおけるテクスチャ構造２５の曲率半径（以下、「曲率半径ｒ２７」という）は、曲率半径ｒ２６よりも大きく、例えば、５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度である。曲率半径ｒ２７は、曲率半径ｒ２６の５倍以上が好ましく、１０倍以上がより好ましく、５０倍以上が特に好ましい。先端部２６ｂを丸く形成することにより、太陽電池１０の製造時や使用時に先端部２６ｂが欠損することを抑制できる。
【００２７】
凸状部２６は、その半数以上において、各主斜面部２６ａの間に面取り部２６ｃを有する。即ち、凸状部２６は、隣接する２つの主斜面部２６ａの境界に位置する四角錐の辺が面取りされた形状を有する。面取り部２６ｃは、例えば、１つの凸状部２６に４つ形成されている。面取り部２６ｃは、主斜面部２６ａと同様に平坦な面又は緩やかに湾曲した面であり、先端部２６ｂに近づくほど幅が小さくなることが好適である。
【００２８】
面取り部２６ｃは、例えば、その両側にある主斜面部２６ａのうち、一方の主斜面部２６ａが向いた方向と、他方の主斜面部２６ａが向いた方向との中間の方向を向いている。面取り部２６ｃの面積は、主斜面部２６ａの面積よりも小さく、例えば、主斜面部２６ａの面積の１０％未満である。
【００２９】
図５に示す例では、谷部２７において、隣り合う複数の凸状部２６間で面取り部２６ｃと主斜面部２６ａとが結合している。即ち、谷部２７には、隣り合う凸状部２６の主斜面部２６ａ同士が繋がって形成される部分と、一方の凸状部２６の主斜面部２６ａ及び他方の凸状部２６の面取り部２６ｃが繋がって形成される部分とが存在する。
【００３０】
図６は、図５に例示する谷部２７を上方から見た平面図である。図６に示すように、谷部２７は、隣り合う２つの凸状部２６の間で屈曲している。かかる曲がりくねった谷部２７の形状は、面取り部２６ｃに起因して形成される。主斜面部２６ａ同士が繋がって形成された谷部２７（谷部２７ｖとする）は一の方向に延びた直線状であるが、面取り部２６ｃは主斜面部２６ａと異なる方向を向くので、直線状の谷部２７ｖが面取り部２６ｃの位置で一の方向と交差する方向に折れ曲がる。図６に示す例では、紙面左側の凸状部２６の面取り部２６ｃによって谷部２７ｖが左側に折れ曲がり、紙面右側の凸状部２６の面取り部２６ｃによって谷部２７ｖが右側に折れ曲がっている。これにより、谷部２７ｘ，２７ｙが形成され、一の方向に直線状に延びる谷部２７ｖの長さが短くなる。
【００３１】
図７に示す例では、谷部２７において、隣り合う凸状部２６の面取り部２６ｃ同士が結合している。即ち、谷部２７の一部は、面取り部２６ｃ同士が繋がって形成される。テクスチャ構造２５では、通常、隣り合う凸状部２６間において、主斜面部２６ａ同士の結合により形成される谷部２７（図６の谷部２７ｖ）、主斜面部２６ａと面取り部２６ｃの結合により形成される谷部２７（図６の谷部２７ｘ，２７ｙ）、及び面取り部２６ｃ同士の結合により形成される谷部２７ｚが混在している。
【００３２】
テクスチャ構造２５は、エッチング液を用いて基板２０をエッチングすることにより形成できる。好適なエッチング液としては、基板２０が（１００）面を有する単結晶シリコン基板である場合、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）溶液や水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液等のアルカリ溶液が例示できる。アルカリ溶液の濃度は、１重量％〜１０重量％程度であることが好ましい。溶媒は、例えば、水を主成分とする水系溶媒であり、１重量％〜１０重量％程度の添加剤を含有する。添加剤としては、イソプロピルアルコール、シクロヘキサンジオール、オクタノール等のアルコール系溶媒、４−プロピル安息香酸、４−ｔ−ブチル安息香酸、４−ｎ−ブチル安息香酸、４−ペンチル安息香酸、４−ブトキシ安息香酸、４−ｎ−オクチルベンゼンスルホン酸、カプリル酸、ラウリン酸等の有機酸などが例示できる。
【００３３】
（１００）面を有する単結晶シリコン基板をアルカリ溶液に浸漬すると、（１１１）面に沿って異方性エッチングされ、基板２０の主面上に略四角錐状の凸状部が多数形成される。使用する基板２０やエッチング液の濃度や温度、組成比、処理時間等を変更することにより、Ｔｘサイズを調整することが可能である。エッチングガスを用いて、テクスチャ構造２５を形成することもできる。
【００３４】
テクスチャ構造２５の形成後に、基板２０の洗浄処理工程を設けてもよいが、かかる工程では、基板２０がさらにエッチングされるような薬液を用いないことが好適である。例えば、従来においては、アルカリ溶液による基板２０のエッチング後に、フッ酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ３）の混合溶液（フッ硝酸）を用いて基板２０を処理する工程が設けられていたが、太陽電池１０の製造工程ではフッ硝酸を使用しない。
【００３５】
以上のように、太陽電池１０は、隣り合う複数の凸状部２６に挟まれた谷部２７が尖っており、且つ凸状部２６の各主斜面部２６ａ同士の間に面取り部２６ｃを有する。これにより、光電変換部１１の光吸収効率を向上させ、且つ谷部２７を尖らせた場合であっても基板２０の耐損傷性を高めることができる。凸状部２６及びそれが形成された基板２０は、太陽電池１０の製造時や使用時に衝撃が加わると欠損するおそれがあるが、面取り部２６ｃにより当該欠損を抑制できる。例えば、面取り部２６ｃにより、凸状部２６の辺が欠けることを抑制できる。また、基板２０は谷部２７が尖るほど谷部２７に沿って割れ易くなるが、面取り部２６ｃにより谷部２７が屈曲して曲がりくねった形状となるため、衝撃が谷部２７に沿って伝搬し難くなり谷部２７に沿った割れを抑制できる。
【００３６】
面取り部２６ｃは基板２０の耐損傷性を向上させるが、Ｔｘサイズも基板２０の耐損傷性に影響する。具体的には、Ｔｘサイズが小さくなるほど、基板２０が割れ難くなり耐損傷性が向上する。基板２０の割れは谷部２７に沿って生じやすいが、Ｔｘサイズが小さくなるほど、基板２０の主面に荷重が加わった場合の谷部２７に作用する応力は小さくなる。これにより、Ｔｘサイズが小さなテクスチャ構造２５を有する基板２０は、良好な耐損傷性を発現する。基板２０の耐損傷性と生産性との両立等の観点から、Ｔｘサイズは１μｍ〜５μｍ程度が特に好適である。
【００３７】
太陽電池１０によれば、尖った谷部２７により光電変換特性を向上させることができると共に、面取り部２６ｃにより尖った谷部２７の問題点を解消して信頼性を高めることができる。
【００３８】
上記実施形態は、本発明の目的を損なわない範囲で適宜設計変更できる。図８，９に例示するように、面取り部２６ｃには、稜線２８が形成されていてもよい。稜線２８は、１つの面取り部２６ｃにおいて、その長手方向に沿って１本形成されることが好適である。稜線２８は、例えば、面取り部２６ｃの半数以上に形成され、面取り部２６ｃの上部から下部に亘って直線状に形成される。テクスチャ構造２５は、稜線２８がある面取り部２６ｃと、稜線２８のない面取り部２６ｃ（図５に示す形態）とが混在していてもよい。また、実質的に全ての面取り部２６ｃに稜線２８が形成されていてもよい。稜線２８は、例えば、基板２０の異方性エッチングにおいて０．２％〜８％（ｍｏｌ／Ｌ又はｗ／ｖ％）の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）溶液や水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液等のアルカリ溶液とイソプロピルアルコールとを用いることにより形成できる。
【００３９】
稜線２８は、面取り部２６ｃの幅方向（短手方向）中央部に形成されている。そして、面取り部２６ｃの稜線２８により隔てられた各部分Ｃ１，Ｃ２の面積は略同等である。略同等とは、実質的に同じであることを意味し、具体的には、各部分Ｃ１，Ｃ２の面積の差が１０％未満、好ましくは５％未満である。稜線２８を有する形態、特に部分Ｃ１，Ｃ２の面積が略同等である形態では、稜線２８を有さない形態に比べて主斜面部２６ａと面取り部２６ｃとの境界の形状が緩やかであり、角張りの程度が小さい。したがって、稜線２８を形成することにより、例えば、凸状部２６の辺の欠損をさらに抑制できる。また、稜線２８を有する形態では、谷部２７においても面取り部２６ｃによる屈曲の程度が緩やかになるため、谷部２７に沿った基板２０の割れをさらに抑制できる。
【００４０】
光電変換部として、光電変換部１１以外の構成を適用してもよい。図１０に例示するように、ｎ型単結晶シリコン基板５１の受光面側にｉ型非晶質シリコン層５２、ｎ型非晶質シリコン層５３が順に形成され、基板５１の裏面側にｉ型非晶質シリコン層５４とｐ型非晶質シリコン層５５とで構成されたｐ型領域、及びｉ型非晶質シリコン層５６とｎ型非晶質シリコン層５７とで構成されたｎ型領域がそれぞれ形成された光電変換部５０であってもよい。光電変換部５０では、ｐ型領域とｎ型領域との間に絶縁層５８が形成され、ｐ型領域上及びｎ型領域上のそれぞれに透明導電層５９，６０が形成されている。図１０に例示する形態では、基板５１の受光面のみにテクスチャ構造６１が形成されているが、基板５１の裏面にテクスチャ構造が形成されてもよい。また、図１１に例示するように、ｐ型単結晶シリコン基板７１と、基板７１の受光面側に形成されたｎ型拡散層７２と、基板７１の裏面上に形成されたアルミニウム等の金属層７３とから構成された光電変換部７０であってもよい。図１１に例示する形態では、基板７１の受光面及び裏面の両方に、テクスチャ構造７４が形成されている。
【符号の説明】
【００４１】
１０  太陽電池、１１  光電変換部、１２  第１電極、１３  第２電極、２０  基板、２１，２２  非晶質半導体層、２３，２４  透明導電層、２５  テクスチャ構造、２６  凸状部、２６ａ  主斜面部、２６ｂ  先端部、２６ｃ  面取り部、２７  谷部、２８  稜線。
【図１】
2014064769.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2014064769.tif 000006
【図５】
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【図６】
2014064769.tif 000008
【図７】
2014064769.tif 000009
【図８】
2014064769.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
2014064769.tif 000014
2014064769.tif 000015
2014064769.tif 000016
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