(57)【要約】  本発明は、ヘテロ接合太陽電池のための薄膜アモルファスシリコン／結晶シリコン裏面ヘテロ接合及び裏面電界デバイス構成を提供する。この構成は、結晶シリコンの裏面に低温でヘテロ接合を形成することによって実現される。低温による製造によって、低解像度リソグラフィ及び／又はシャドウマスキングプロセスを用いて、構造を実現することができる。電気コンタクトを裏面に配設し、入射光の経路から取り除くことによって、シャドウロスをなくすことができる。裏面コンタクトは、シャドウロスを考慮することなく、電荷キャリアの収集効率を最大化するように最適化することができる。裏面ヘテロ接合デバイスの開路電圧は、結晶シリコンのみから構成されるデバイスに比べて高い。この太陽電池構成は、結晶シリコンウエハ光吸収体及び様々な製造プロセスを用いて形成される薄膜シリコン層にも同様に適用することができる。【選択図】      図１
2009524916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）裏面及び受光面を有する結晶シリコンウエハと、
ｂ）前記裏面に配設されたシリコン含有遷移パッシベーション層であって、前記シリコン含有遷移パッシベーション層上に交互に配置された水素化アモルファスシリコンのｎドープ領域（ｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）及びｐドープ領域（ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）を配置してヘテロ接合構造が形成された、シリコン含有遷移パッシべーション層と、
ｃ）前記交互に配置された水素化アモルファスシリコンのｎドープ領域（ｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）及びｐドープ領域（ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）上に配設され、前記結晶シリコンウエハに光が吸収されて、前記結晶シリコンウエハに生成された電子及び正孔を集める電気コンタクト電極及び電流バスとを備え、動作時に前記受光面に光が入射するように配向される太陽電池。
【請求項２】
前記受光面上に配設されたパッシベーション層を備える請求項１記載の太陽電池。
【請求項３】
前記パッシベーション層上に配設された反射防止コーティングを備える請求項２記載の太陽電池。
【請求項４】
前記受光面上に配設された反射防止コーティングを備える請求項１記載の太陽電池。
【請求項５】
前記反射防止コーティングは、ＰＥＣＶＤ二酸化シリコン、二酸化チタン、フッ化マグネシウム、水素化アモルファスシリコン、水素化アモルファスカーボン、二酸化チタン、窒化シリコン、真性水素化アモルファスシリコン及び他の適切な合金からなるグループから選択される材料から形成される請求項３又は４記載の太陽電池。
【請求項６】
前記受光面は、前記受光面から反射した光を閉じ込める形状を有するようにテクスチャ化されている請求項１乃至５いずれか１項記載の太陽電池。
【請求項７】
前記裏面に配設された真性水素化アモルファスシリコン（ｉ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）遷移層の露出領域を含む領域上に配設され、前記結晶シリコンウエハの厚さ方向に亘る経路において吸収されなかった光を反射し、前記結晶シリコンウエハに戻す反射コーティングを備える請求項１乃至６いずれか１項記載の太陽電池。
【請求項８】
前記電気コンタクト電極及び電流バスは、アルミニウム、銀、銅及び適切な金属／合金からなるグループから選択される金属から形成されている請求項１乃至６いずれか１項記載の太陽電池。
【請求項９】
前記真性水素化アモルファスシリコン（ｉ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）遷移層と、前記交互に配置された水素化アモルファスシリコンのｎドープ領域（ｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）及びｐドープ領域（ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）との厚さの合計は、数Å〜数十ｎｍの範囲にある請求項１乃至８いずれか１項記載の太陽電池。
【請求項１０】
前記シリコン含有遷移パッシベーション層は、真性水素化アモルファスシリコン、シリコン含有材料のイオン打込み、ドープされた水素化アモルファスシリコン、又は適切なシリコン又は水素化シリコン系のアモルファス合金、ミクロ／ナノ結晶又はエピタキシャル構造又は適切な同等な合金からなるグループから選択される材料から形成される請求項１乃至９いずれか１項記載の太陽電池。
【請求項１１】
前記ｐドープ層及びｎドープ層は、真性水素化アモルファスシリコン、シリコン含有材料のイオン打込み、ドープされた水素化アモルファスシリコン、又は適切なシリコン又は水素化シリコン系のアモルファス合金、ミクロ／ナノ結晶又はエピタキシャル構造又は適切な同等な合金からなるグループから選択される材料から形成される請求項１乃至１０いずれか１項記載の太陽電池。
【請求項１２】
前記真性真性及びドープされたアモルファス又はミクロ／ナノ結晶層及び／又はシリコン含有遷移パッシベーション層は、イオン打込みを含む表面再構成によって形成される請求項１乃至１１いずれか１項記載の太陽電池。
【請求項１３】
前記シリコンウエハは、薄膜及びエピタキシャル成長プロセスのいずれか１つを用いて形成される厚さの範囲が約１〜数十μｍの薄膜シリコン層である請求項１乃至１２いずれか１項記載の太陽電池。
【請求項１４】
前記シリコンウエハは、光閉じ込めのための要素及び電流抽出のための電気コンタクトと一体化されている請求項１乃至１４いずれか１項記載の太陽電池。
【請求項１５】
電波起電力又は電子−電圧エネルギ変換デバイスのために使用される請求項１乃至１４いずれか１項記載の太陽電池。
【請求項１６】
前記ｐドープ層及びｎドープ層は、真性水素化アモルファスシリコン、シリコン含有材料のイオン打込み、ドープされた水素化アモルファスシリコン、又は適切なシリコン又は水素化シリコン系のアモルファス合金、ミクロ／ナノ結晶又はエピタキシャル構造又は適切な同等な合金からなるグループから選択される材料から形成される請求項１１記載の太陽電池。
【請求項１７】
約２００℃未満の温度で、結晶シリコン基板の前記裏面に前記シリコン含有遷移パッシベーション層を堆積し、前記シリコン含有遷移パッシベーション層上に前記交互に配置された水素化アモルファスシリコンのｎドープ領域（ｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）及びｐドープ領域（ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）を堆積することによって製造された請求項１乃至１６いずれか１項記載の太陽電池。
【請求項１８】
前記パッシベーション層は、約２００℃未満の温度で前記受光面上に成長され、前記反射防止コーティングは、約２００℃未満の温度で前記パッシベーション層に堆積されている請求項１７記載の太陽電池。
【請求項１９】
ａ）裏面及び受光面を有する結晶シリコンウエハと、
ｂ）前記裏面に配設され、真性水素化アモルファスシリコン、シリコン含有材料のイオン打込み、ドープされた水素化アモルファスシリコン、又は適切なシリコン又は水素化シリコン系のアモルファス合金、ミクロ／ナノ結晶又はエピタキシャル構造又は適切な同等な合金からなるグループから選択される材料から形成されたシリコン含有遷移パッシベーション層と、
ｃ）前記シリコン含有遷移パッシベーション層上にヘテロ接合構造を形成する、交互に配置された水素化アモルファスシリコンのｎドープ領域（ｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）及びｐドープ領域（ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）と、
ｄ）前記交互に配置された水素化アモルファスシリコンのｎドープ領域（ｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）及びｐドープ領域（ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）上に配設され、前記結晶シリコンウエハに光が吸収されて、前記結晶シリコンウエハに生成された電子及び正孔を集める電気コンタクト電極及び電流バスとを備え、動作時に前記受光面に光が入射するように配向される太陽電池。
【請求項２０】
前記ｐドープ層及びｎドープ層は、真性水素化アモルファスシリコン、シリコン含有材料のイオン打込み、ドープされた水素化アモルファスシリコン、又は適切なシリコン又は水素化シリコン系のアモルファス合金、ミクロ／ナノ結晶又はエピタキシャル構造又は適切な同等な合金からなるグループから選択される材料から形成される請求項１９記載の太陽電池。
【請求項２１】
前記受光面上に配設されたパッシベーション層と、前記パッシベーション層上に配設された反射防止コーティングとを備える請求項１９又は２０記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温で製造される薄膜裏面ヘテロ接合、アモルファス／結晶シリコン光起電力デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在のシリコン光起電力デバイスの多くは、高温によるドーパントの拡散によってシリコン内にｐｎ接合が形成され、受光側及び裏側に電極が設けられるように構成されている。高温プロセスを用いてシリコン光起電力デバイスの裏面にコンタクトを形成することによって、受光側のシャドウロスが実質的になくなる。アモルファス／結晶シリコンヘテロ接合光起電力デバイスは、結晶シリコン上にアモルファスシリコン層を堆積させることによって形成され、それによって、実質的に、低温プロセスによって製造される。この場合、電極は、デバイスの受光側である受光面と、裏面とに設けられる。
【０００３】
浜川他による日本国特許第１８４１３３５８号及び米国特許第４，４９６，７８８号には、アモルファス（微結晶）／結晶半導体ヘテロ接合太陽電池が開示されている。京セラ株式会社の新田他による特開昭６２−１２８５７２号には、アモルファス（又はｍｃ）−Ｓｉ／ａ−Ｓｉ（Ｉ）／結晶Ｓｉヘテロ接合太陽電池が開示されている。岩本他による日本国特許第２７４０２８４号及び米国特許第５，０６６，３４０号には、アモルファスＳｉ／（ｍｃ）−Ｓｉ（Ｉ）／結晶Ｓｉヘテロ接合太陽電池が開示されている。能口他による日本国特許第２１３２５２７号及び米国特許第５，２１３，６２８号には、アモルファス（Ｐ又はＮ）／アモルファス（Ｉ）／結晶（Ｎ又はＰ）ヘテロ接合太陽電池が開示されている。
【０００４】
米国特許第４，４８７，９８９号には、太陽電池のコンタクトが開示されている。米国特許第５，６４１，３６２号には、アルミニウム合金接合の構造及び製造プロセスが開示されている。米国特許第４，９２７，７７０号には、太陽電池のための裏面ポイントコンタクトの製造方法が開示されている。
【０００５】
従来のシリコン光起電力デバイスには幾つかの短所がある。すなわち、デバイスの受光面に形成された電極が、光を遮断及び吸収し、基底にあるアクティブなシリコン層に光が到達しなくなり、この結果、デバイスのアクティブなシリコン層における電子−正孔対の光生成の効率が低下する。受光面に電気コンタクトを設ける場合、電気コンタクトは、光透過性と導電性の両方を有する必要があるため、受光面に電気コンタクトがあると、受光面に最適な反射防止層を設けることが困難になる。更に、コンタクトは、入射光の経路にあるので、直列抵抗を更に低減するために、受光面上の電気コンタクト及びバスの寸法を著しく増加させることはできない。
【０００６】
裏面にコンタクトを備える従来のシリコン光起電力デバイス、すなわち、裏面コンタクト光起電力デバイスにも、幾つかの問題点がある。これらのデバイスは、例えば、ドーパントの熱拡散、パッシベーション及び反射防止コーティングの成長等、高温プロセスを用いて製造される。薄膜シリコンウエハが好まれる傾向があるが、この場合、これらの高温プロセスによって熱による損傷が生じやすい。また、高温プロセスの使用によって、プロセスのコストが増加し、この結果、デバイスのコストが増加する。更に、これらの裏面コンタクト光起電力デバイスは、常に、高解像度のフォトリソグラフィ及び関連する半導体プロセスを必要とする。
【０００７】
低温プロセスを用いる従来のシリコン光起電力デバイス、すなわち、アモルファス／結晶シリコンヘテロ接合光起電力デバイスも幾つかの短所を有する。これらのデバイスの受光面に形成された電極は、光を遮断及び吸収し、基底にあるアクティブなシリコン層に光が到達しなくなり、この結果、デバイスのキャリアの光生成の効率が低下する。受光面に電気コンタクトを設ける場合、電気コンタクトは、光透過性と導電性の両方を有する必要があるため、受光面に電気コンタクトがあると、受光面に最適な反射防止層を設けることが困難になる。更に、コンタクトは、入射光の経路にあるので、直列抵抗を更に低減するために、受光面上の電気コンタクト及びバスの寸法を著しく増加させることはできない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、電気コンタクトが裏面に設けられた、低温で製造できる、薄膜裏面ヘテロ接合、アモルファス／結晶シリコン光起電力デバイスを実現することが強く望まれている。このようなデバイスにより、シャドウロス（shading losses）をなくすことができるとともに、受光面上に最適な反射防止層を形成することができる。また、低温プロセスを用いることによって、より薄いウエハを使用することができる。更に、このようなデバイスでは、低解像度のフォトリソグラフィ法及び単純なシャドウマスキング法を使用することができる。この新規なデバイスにより、上述した従来の技術の問題点が解決されることに加えて、更なるデバイスの開発の可能性が広がる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、低温で形成される薄膜アモルファスシリコン／結晶シリコン裏面ヘテロ接合及び裏面電界デバイス構成を有する新規なヘテロ接合太陽電池を提供する。従来の裏面接合デバイスとは異なり、この裏面ヘテロ接合デバイスは、低コストなプロセスを用いて製造される。これらには、低温による薄膜層の堆積及び低解像度の機械的／シャドウマスキング／リソグラフィの採用が含まれる。低温での製造は、薄膜シリコンウエハを用いる場合に好ましい。この構成により、受光面及びバルクにおける効率的な光吸収及びキャリアの生成と、裏面における電荷キャリアの収集とに関する最適化要求を分離することができる。
【００１０】
電気コンタクトは、裏面に配設され、入射光の経路に存在しないので、シャドウロスをなくすことができる。裏面コンタクトは、シャドウロスを考慮することなく、電荷キャリアの収集効率を最大化するように最適化することができる。ヘテロ接合及び表面電界は、いずれも裏面に存在するので、様々な要素／合金を用いてバンドベンディングを引き起こしてもよい。これらの全ての特徴によって、非常に効率が高い太陽電池が実現される。裏面ヘテロ接合デバイスの開路電圧は、結晶シリコンのみから構成されるデバイスに比べて高い。
【００１１】
したがって、本発明の一形態として提供される太陽電池は、
ａ）裏面及び受光面を有する結晶シリコンウエハと、
ｂ）裏面に配設されたシリコン含有遷移パッシベーション層であって、シリコン含有遷移パッシベーション層上に交互に配置された水素化アモルファスシリコンのｎドープ領域（ｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）及びｐドープ領域（ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）を配置してヘテロ接合構造が形成された、シリコン含有遷移パッシべーション層と、
ｃ）交互に配置された水素化アモルファスシリコンのｎドープ領域（ｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）及びｐドープ領域（ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）上に配設され、結晶シリコンウエハに光が吸収されて、結晶シリコンウエハに生成された電子及び正孔を集める電気コンタクト電極及び電流バスとを備え、当該太陽電池は、動作時に受光面に光が入射するように配向されるものである。
【００１２】
シリコンウエハの受光側は、光閉じ込めのためにテクスチャ化してもよく、光閉じ込めのためのテクスチャ構造を有する表面上には、多くの場合、反射防止コーティングが設けられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、太陽電池の実施形態に関するシステムを包括的に説明する。ここでは、本発明の実施形態を開示するが、ここに開示する実施形態は、単に例示的なものであり、本発明は、他の多くの代替となる形式を含むことは明らかである。更に、図面の各要素は、同じ縮尺では描かれておらず、特定の特徴の詳細を示すために、幾つかの要素を拡大又は縮小して示している場合もあり、新規な側面を明瞭にするために、関連する要素を省略している場合もある。したがって、ここに開示する特定の構造及び機能に関する詳細事項は、限定的には解釈されず、単に、特許請求の範囲の基礎として、及び当業者が本発明を様々な様式で実施するための代表例として開示しているに過ぎない。ここに示す実施形態は、限定ではなく、教示を目的として、全て太陽電池の実施形態に関するものである。
【００１４】
本明細書で用いる「約」という語は、例えば、太陽電池の層の厚さ等の寸法、若しくは太陽電池を製造する際のプロセスの温度等の他の物理的特性又は特徴の範囲に関連して用いられる場合、寸法又は温度等の範囲の上限及び下限における僅かな差異が許容され、寸法の大部分が平均的にこの範囲を満たすが、一部の寸法が統計的にこの範囲から外れる実施形態が排除されないことを意図する。すなわち、これらの実施形態は、本発明の範囲から除外されない。
【００１５】
本発明は、新規な低温、薄膜裏面ヘテロ接合、アモルファス／結晶シリコン光起電力デバイスを提供する。ここでは、従来の裏面コンタクト光起電力デバイス及びヘテロ接合光起電力デバイスを進化及び向上させたデバイスを開示する。ここに開示するデバイスは、既存のデバイスにおける高温拡散によって形成された裏面接合とは異なり、結晶シリコン上にドーピングされていない及びドーピングされたアモルファスシリコンが堆積された、低温成膜によって準備される低温薄膜裏面ヘテロ接合を用いる。
【００１６】
図１に示す薄膜裏面ヘテロ接合、アモルファス／結晶シリコン光起電力デバイス１０は、約１００μｍ〜約３００μｍの範囲の厚さの結晶シリコンウエハ１２を備える。
【００１７】
結晶シリコンウエハ１２の受光面は、通常、光閉じ込め（light trap）のためにテクスチャ化されており、通常、パッシベーション（不動態化）層１３及び／又はパッシベーション層１３上の反射防止コーティング１４を備える。パッシベーション層１３は、表面欠陥密度を最小化し、この結果、キャリアの再結合を減少させることに役立ち、反射防止コーティング１４は、光閉じ込めの効率を高めることに役立つ。反射防止コーティング１４及び／又はパッシベーション層１３は、二酸化シリコン、窒化シリコン、二酸化チタン、フッ化マグネシウム、水素化アモルファスシリコン及び水素化アモルファスカーボンの薄膜層を含んでいてもよい。低温パッシベーションは、例えば、プラズマ化学気相成長（plasma enhanced chemical vapour deposition：ＰＥＣＶＤ）法を用いて、テクスチャ構造を有する表面に水素化アモルファスシリコン又は二酸化シリコンの薄膜層を形成することによって実現できる。また、パッシベーションは、様々な熱及び／又はプラズマ処理を介して、様々なガス組成を用いて、及び当業者にとって周知の様々な表面処理によって実現してもよい。テクスチャ構造を有する表面上の薄膜層は、複数の副層／処理から構成してもよい。
【００１８】
結晶シリコンウエハ１２の裏面は、真性水素化アモルファスシリコン（ｉ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）遷移層１６を備えていてもよく、真性水素化アモルファスシリコン（ｉ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）遷移層１６には、適切な水素化アモルファスシリコンのｎドープ領域（ｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）１８及びｐドープ領域（ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）２０が交互に堆積され、裏面ヘテロ接合構造が形成されている。これらの層１６、１８／２０の総合的な厚さは、通常、数Å〜数十ｎｍ程度の実用的な薄さに維持される。
【００１９】
裏面上のドープ領域には、アルミニウム、銀又は適切な金属／合金コンタクト３０及び最適化された寸法及び組成の電流バスが成膜されている。遷移層１６の露出領域及びデバイスの水素化アモルファスシリコンのｎドープ領域１８及びｐドープ領域２０には、反射層２６が成膜されており、これにより、初期の経路において吸収されなかった光は、アクティブな結晶シリコンウエハ１２に戻され、吸収される。反射層２６は、電気的に絶縁性を有する。
【００２０】
このデバイスの主な特徴は、電気コンタクトを備える裏面にヘテロ接合が低温で形成され、受光面が光学的に透明であるという点である。裏面に低温ヘテロ接合を選択的に配置することによって、接合領域が大幅に縮小され、したがって、デバイス性能が向上する。更に、裏面に低温でヘテロ接合を形成することによって、当該デバイスの構造を実現するために、低解像度のリソグラフィ及び／又はシャドウマスキングプロセスを使用することができるという利点がある。アクティブな結晶シリコンウエハ１２の受光面では、光は、マスキング又はシェーディングされず、よって、全ての光が妨げられることなくデバイス表面に入射することが可能となる。受光面は、パッシベーション層１３を用いてパッシベート（不動態化）され、表面欠陥密度を最小化しており、したがって、キャリアの再結合が低減されている。テクスチャ化され、反射防止コーティングを有する受光面は、実質的に全ての入射光を透過させる。シリコンウエハ１２／１３の受光面上の反射防止コーティング１４は、反射損失を低減するためにのみ最適化され、導電性を有する必要はない。光は、シリコンウエハ１２の受光面のコーティング１３、１４を介して吸収され、電流は、シリコンウエハ１２の裏面のコンタクト３０に集められる。シリコンウエハ１２の裏面に配設されている反射層２６は、吸収されなかった光を反射して戻し、これにより、光の経路長を長くし、光吸収の効率を高めている。電気的な接合及びコンタクトをデバイスの一方の面に設けることによって、デバイスのパッキング密度が高まり、及び直列接続及び並列接続を行う際の柔軟性が高まる。
【００２１】
ここに開示するデバイスには、幾つかの重要な利点がある。すなわち、裏面に低温で接合を形成することによって、低解像度のリソグラフィ及び／又はシャドウマスキングプロセスを使用することができ、及びデバイスのヘテロ接合領域を最小化することができる。また、このような構成によって、薄膜シリコンウエハを用いてデバイスを製造することができる。更に、既存のアモルファス／結晶シリコンヘテロ接合デバイスでは、コンタクトによるシェーディング及び光吸収があったが、このデバイスの受光面には、電極及び接合がない。電気コンタクトを裏面に設けることによってシャドウロスがなくなり、光透過性と導電性の両方を有する必要があった反射防止層とは異なり、最適な反射防止層を受光面に設けることができる。更に、コンタクトは、入射光の経路内にないので、シェーディングを考慮する必要がなく、裏面の電気コンタクト及びバスは、直列抵抗を最小化するためだけに最適化できる。更に、アモルファス／結晶ヘテロ接合（１８／２０−１６−１２）を用いることによって、結晶シリコンのみから構成されるデバイスに比べて、デバイスの開路電圧を高めることができる。
【００２２】
このデバイスは、当業者にとって周知の様々な手法で製造することができる。非限定的な例示的な手法として、結晶シリコン基板から開始し、全ての又は実質的に全てのデバイス製造工程を低温（２００℃以下）プロセスで行って、デバイスを製造することができる。これらの低温プロセスによって、用いられる薄い基板に熱的損傷が生じることを防止し、サーマルバジェット（thermal budget：熱的見積もり量）を減少させることができる。デバイスの製造は、基本的に、接合形成、コンタクト、裏面反射、反射防止及びパッシベーションのための薄膜の成膜を含む。界面パッシベーションは、例えば、真性又は低ドープ水素化アモルファスシリコンの堆積、ＰＥＣＶＤ又は同様の手法で成長されたエピタキシャルシリコン、様々なプロセスパラメータ下における熱及びプラズマ処理を含む様々な手法で実現される。デバイスの製造は、費用効率が高い単純なシャドウ／機械的マスキング及び／又は低解像度のホトリソグラフィ法によって行われる。例えば、１つの簡単なシャドウマスキング法では、結晶ウエハ１２の研磨された裏面上に、パターン化された研磨された結晶ウエハマスクを用いる。電極が形成されていない受光面は、テクスチャ化され、上述したパッシベーション層１３及び反射防止コーティング１４によって覆われる。薄いｎ型層及びｐ型層（１８、２０）、並びにキャリアを集めるための電極３０は、裏面に成膜される。裏面は、反射層２６によってコーティングされる。
【００２３】
本発明に基づいて製造されたデバイスは、薄膜裏面ヘテロ接合アモルファス／結晶シリコン光起電力デバイスとしての光起電力効果を明らかに示した。このようなデバイスの構造を図２に示す。これらの構造は、全てのマスキング工程及びアラインメント工程を含む基本的な製造プロセスを用いて製造された。
【００２４】
構成Ａは、結晶シリコンウエハ１２を備え、結晶シリコンウエハ１２は、まず、裏面の半分をマスキングし、真性水素化アモルファスシリコン層４０を堆積し、真性水素化アモルファスシリコン層４０上にｎ型水素化アモルファスシリコン層４２を堆積することによって形成された裏面電極構造を有する。そして、真性水素化アモルファスシリコン層４０上に形成されたｎ型水素化アモルファスシリコン層４２の表面をマスキングし、シリコンウエハ１２上に真性水素化アモルファスシリコン層４６を堆積し、真性水素化アモルファスシリコン層４６上にｐ型水素化アモルファスシリコン層４８を堆積する。そして、層４２、４６の内側の辺が重なる中心線に沿ったマスクを用いて、ｎ型水素化アモルファスシリコン層４２及びｐ型水素化アモルファスシリコン層４８上にアルミニウム電極を蒸着する。
【００２５】
構成Ｂは、結晶シリコンウエハ１２を備え、結晶シリコンウエハ１２は、まず、結晶シリコンウエハ１２の裏面の全体に真性水素化アモルファスシリコン層５０を堆積することによって形成された裏面電極構造を有する。そして、一方の側をマスキングし、真性水素化アモルファスシリコン層５０のマスキングされていない半分の上に、ｎ型水素化アモルファスシリコン層５２を堆積する。そして、ｎ型水素化アモルファスシリコン層５２をマスキングし、真性水素化アモルファスシリコン層５０の裏面の他方の半分の上に、ｐ型水素化アモルファスシリコン層５４を堆積する。層５２、５４の内側の辺が重なる中心線に沿ったマスクを用いて、ｎ型水素化アモルファスシリコン層５２及びｐ型水素化アモルファスシリコン層５４上にアルミニウム電極を蒸着する。
【００２６】
これらの２つの構成を有するデバイスの光起電力応答を図３に示す。これらの結果は、本発明に基づいて製造されたデバイスが光起電力効果を明確に生じることを示している。
【００２７】
なお、シリコンウエハに関連して、キャリアが光生成される光活性素子１２を説明したが、光活性素子は、薄膜シリコン太陽電池であってもよいことは、当業者にとって明らかである。特定のケースとして、シリコンの厚みが数十μｍ程度であり、したがって慣例的には「ウエハ」とは呼ばれない、ガラス及び他の基板上の薄膜シリコンにおいても、ここに開示した低温裏面ヘテロ接合構成を実現することができ、したがって、本明細書における「ウエハ」という語は、このようなより薄い膜を用いる実施形態も包含する。
【００２８】
本発明に基づいて製造されるデバイスの新規な特徴は、ホモ接合からヘテロ接合、受光面及び裏面の電気コンタクトから裏面コンタクト、高温のプロセス又は製造条件から低温のプロセス又は製造条件、高解像度リソグラフィから低解像度マスキング技術及び薄いウエハの使用に好都合な工程への変更の集合として要約することができる。
【００２９】
ここで用いた「備える」、「有する」、「含む」、「包含する」等の表現は、排他的ではなく、包括的で非限定的な表現として解釈される。具体的には、本明細書及び特許請求の範囲において用いられる「備える」、「有する」、「含む」、「包含する」等及びこれらの活用形は、特定の特徴、工程、プロセス又は要素が含まれることを意味する。これらの表現は、他の特徴、工程又は要素の存在を除外するようには解釈されない。
【００３０】
本発明の好ましい実施形態に関するこれまでの説明は、本発明の原理を例示的に示すものであり、本発明をここに示した特定の実施形態に限定するものではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲内に含まれる実施形態及びその等価物の全てによって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に基づいて構成されたデバイスの断面図である。
【図２】２つの構成（Ａ及びＢ）を有するデバイスの断面図である。
【図３】基本的な製造工程を用いて準備された薄膜裏面アモルファス／結晶ヘテロ接合（ＢＡＣＨ：商標）シリコン光起電力デバイス（構造的な定義に関しては図２参照）において測定された光起電力応答を示す図である。
【図１】
2009524916.tif 000003
【図２】
2009524916.tif 000004
【図３】
2009524916.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成20年9月30日(2008.9.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池であって、
ａ）裏面及び受光面を有する結晶シリコンウエハと、
ｂ）前記裏面に配設されたシリコン含有遷移パッシベーション層であって、前記シリコン含有遷移パッシベーション層上に交互に配置された水素化アモルファスシリコンのｎドープ領域（ｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）及びｐドープ領域（ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）を配置してヘテロ接合構造が形成された、シリコン含有遷移パッシべーション層と、
ｃ）前記交互に配置された水素化アモルファスシリコンのｎドープ領域（ｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）及びｐドープ領域（ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）上に配設され、前記結晶シリコンウエハに光が吸収されて、前記結晶シリコンウエハに生成された電子及び正孔を集める電気コンタクト電極及び電流バスとを備え、前記太陽電池は、動作時に前記受光面に光が入射するように配向され、
さらに、
ｄ）裏面に配設されたシリコン含有遷移パッシベーション層の露出領域に配設され、結晶シリコンウエハの厚さ方向に亘る経路において吸収されなかった光を反射し、結晶シリコンウエハに戻す電気的に絶縁された反射コーティングを備える、太陽電池。
【請求項２】
前記受光面上に配設されたパッシベーション層を備える請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記パッシベーション層上に配設された反射防止コーティングを備える請求項２記載の太陽電池。
【請求項４】
前記受光面上に配設された反射防止コーティングを備える請求項１に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記反射防止コーティングは、ＰＥＣＶＤ二酸化シリコン、二酸化チタン、フッ化マグネシウム、水素化アモルファスシリコン、水素化アモルファスカーボン、窒化シリコン、及び、真性水素化アモルファスシリコンからなるグループから選択される材料から形成される請求項３又は４に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記受光面は、前記受光面から反射した光を閉じ込める形状を有するようにテクスチャ化されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項７】
前記電気コンタクト電極及び電流バスは、アルミニウム、銀及び銅からなるグループから選択される金属から形成されている請求項１乃至６のいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項８】
前記シリコン含有遷移パッシベーション層と、水素化アモルファスシリコンの前記交互に配設されたｎドープ領域（ｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）及びｐドープ領域（ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）との厚さの合計は、数Å（オングストローム）〜数ｎｍ（ナノメートル）の範囲にある請求項１乃至７のいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項９】
前記シリコン含有遷移パッシベーション層は、真性水素化アモルファスシリコン、シリコン含有材料のイオン打込み、ドープされた水素化アモルファスシリコン、シリコン系アモルファス合金材料、水素化シリコン系のアモルファス合金材料、ミクロ／ナノ結晶シリコン材料、及びエピタキシャルシリコン含有構造からなるグループから選択される材料から形成される請求項１乃至９のいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項１０】
前記ｐドープ層及びｎドープ層は、真性水素化アモルファスシリコン、シリコン含有材料のイオン打込み、ドープされた水素化アモルファスシリコン、又は適切なシリコン又は水素化シリコン系のアモルファス合金、ミクロ／ナノ結晶又はエピタキシャル構造又は適切な同等な合金からなるグループから選択される材料から形成される請求項１乃至９のいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項１１】
前記シリコン含有遷移パッシベーション層は、イオン打込みを含む表面再構成によって形成される請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項１２】
前記真性及びドープされたアモルファス又はミクロ／ナノ結晶層は、イオン打込みを含む表面再構成によって形成される請求項１１に記載の太陽電池。
【請求項１３】
前記シリコンウエハは、薄膜及びエピタキシャル成長プロセスの少なくともいずれか１つを用いて形成される厚さの約１ミクロンの薄膜シリコン層である請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項１４】
前記シリコンウエハは、光閉じ込め（light trapping）のための要素及び電流抽出のための電気コンタクトと一体化されている請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項１５】
電波起電力又は電子−電圧エネルギ変換デバイスのために使用される請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項１６】
前記ｐドープ層及びｎドープ層は、真性水素化アモルファスシリコン、シリコン含有材料のイオン打込み、ドープされた水素化アモルファスシリコン、シリコン系アモルファス合金材料、水素化シリコン系アモルファス合金材料、ミクロ／ナノ結晶材料、及びエピタキシャルシリコンが入構造からなるグループから選択される材料から形成される請求項１１に記載の太陽電池。
【請求項１７】
約２００℃未満の温度で、結晶シリコン基板の前記裏面に前記シリコン含有遷移パッシベーション層を堆積し、前記シリコン含有遷移パッシベーション層上に前記交互に配置された水素化アモルファスシリコンのｎドープ領域（ｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）及びｐドープ領域（ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）を堆積することによって製造された請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項１８】
前記パッシベーション層は、約２００℃未満の温度で前記受光面上に成長され、前記反射防止コーティングは、約２００℃未満の温度で前記パッシベーション層に堆積されている請求項１７に記載の太陽電池。
【請求項１９】
前記裏面に配置された前記シリコン含有遷移パッシベーション層は、連続層である請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項２０】
ａ）裏面及び受光面を有する結晶シリコンウエハと、
ｂ）前記裏面に配設され、真性水素化アモルファスシリコン、シリコン含有材料のイオン打込み、ドープされた水素化アモルファスシリコン、シリコン系アモルファス合金材料、水素化シリコン系アモルファス合金材料、ミクロ／ナノ結晶、及びエピタキシャルシリコン含有構造からなるグループから選択される材料から形成されたシリコン含有遷移パッシベーション層と、
ｃ）前記シリコン含有遷移パッシベーション層上にヘテロ接合構造を形成する、交互に配置された水素化アモルファスシリコンのｎドープ領域（ｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）及びｐドープ領域（ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）と、
ｄ）前記交互に配置された水素化アモルファスシリコンのｎドープ領域（ｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）及びｐドープ領域（ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）上に配設され、前記結晶シリコンウエハに光が吸収されて、前記結晶シリコンウエハに生成された電子及び正孔を集める電気コンタクト電極及び電流バスと、を備え、前記太陽電池は、動作時に前記受光面に光が入射するように配向され、さらに、
ｅ）裏面に配設されたシリコン含有遷移パッシベーション層の露出領域に配設され、結晶シリコンウエハの厚さ方向に亘る経路において吸収されなかった光を反射し、結晶シリコンウエハに戻す電気的に絶縁された反射コーティングを備える太陽電池。
【請求項２１】
前記ｐドープ層及びｎドープ層は、真性水素化アモルファスシリコン、シリコン含有材料のイオン打込み、ドープされた水素化アモルファスシリコン、シリコン系アモルファス合金材料、水素化シリコン系のアモルファス合金材料、ミクロ／ナノ結晶、及びエピタキシャルシリコン含有構造からなるグループから選択される材料から形成される請求項２０に記載の太陽電池。
【請求項２２】
前記受光面上に配設されたパッシベーション層と、前記パッシベーション層上に配設された反射防止コーティングとを備える請求項２０又は２１に記載の太陽電池。
【請求項２３】
前記裏面に配置された前記シリコン含有遷移パッシベーション層は、連続層である請求項２０乃至２２のいずれか１項に記載の太陽電池。  
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
したがって、本発明の一形態として提供される太陽電池は、
ａ）裏面及び受光面を有する結晶シリコンウエハと、
ｂ）裏面に配設されたシリコン含有遷移パッシベーション層であって、シリコン含有遷移パッシベーション層上に交互に配置された水素化アモルファスシリコンのｎドープ領域（ｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）及びｐドープ領域（ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）を配置してヘテロ接合構造が形成された、シリコン含有遷移パッシべーション層と、
ｃ）交互に配置された水素化アモルファスシリコンのｎドープ領域（ｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）及びｐドープ領域（ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）上に配設され、結晶シリコンウエハに光が吸収されて、結晶シリコンウエハに生成された電子及び正孔を集める電気コンタクト電極及び電流バスを備え、当該太陽電池は、動作時に受光面に光が入射するように配向されるものであり、さらに、
ｄ）裏面に配設されたシリコン含有遷移パッシベーション層の露出領域に配設され、結晶シリコンウエハの厚さ方向に亘る経路において吸収されなかった光を反射し、結晶シリコンウエハに戻す電気的に絶縁された反射コーティングを備えるものである。
また、本発明の他の態様として提供される太陽電池は、
ａ）裏面及び受光面を有する結晶シリコンウエハと、
ｂ）裏面に配設され、真性水素化アモルファスシリコン、シリコン含有材料のイオン打込み、ドープされた水素化アモルファスシリコン、又は適切なシリコン又は水素化シリコン系のアモルファス合金、ミクロ／ナノ結晶又はエピタキシャル構造又は適切な同等な合金からなるグループから選択される材料から形成されたシリコン含有遷移パッシベーション層と、
ｃ）シリコン含有遷移パッシベーション層上にヘテロ接合構造を形成する、交互に配置された水素化アモルファスシリコンのｎドープ領域（ｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）及びｐドープ領域（ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）と、
ｄ）交互に配置された水素化アモルファスシリコンのｎドープ領域（ｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）及びｐドープ領域（ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）上に配設され、結晶シリコンウエハに光が吸収されて、結晶シリコンウエハに生成された電子及び正孔を集める電気コンタクト電極及び電流バスとを備え、当該太陽電池は、動作時に受光面に光が入射するように配向されるものであり、さらに、
ｅ）裏面に配設されたシリコン含有遷移パッシベーション層の露出領域に配設され、結晶シリコンウエハの厚さ方向に亘る経路において吸収されなかった光を反射し、結晶シリコンウエハに戻す電気的に絶縁された反射コーティングを備えるものである。
【国際調査報告】
2009524916.tif 000006
2009524916.tif 000007