(57)【要約】【課題】  少数キャリアの収集効率を高めることができ、出力特性を高くすることができる太陽電池素子、太陽電池モジュールおよび太陽光発電装置を提供すること。【解決手段】  第１主面と該第１主面に対して背面側に位置する第２主面とを有する一導電型の第１半導体層と、該第１半導体層の前記第１主面側に設けられた、光を所定方向へ導く導光部と、前記第１半導体層の前記第２主面側に設けられた、前記導光部からの光を受ける逆導電型の第２半導体層とを備えている太陽電池素子とし、この太陽電池素子を備えている太陽電池モジュールとし、この太陽電池モジュールを発電手段として用いる太陽光発電装置とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１主面と該第１主面に対して背面側に位置する第２主面とを有する一導電型の第１半導体層と、
該第１半導体層の前記第１主面側に設けられた、光を所定方向へ導く導光部と、
前記第１半導体層の前記第２主面側に設けられた、前記導光部からの光を受ける逆導電型の第２半導体層とを備えていることを特徴とする太陽電池素子。
【請求項２】
前記第１半導体層の前記第２主面側に、前記第２半導体層と離間して一導電型の第３半導体層が設けられ、
前記導光部が前記第３半導体層に対面する部位に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池素子。
【請求項３】
前記導光部は光を前記第２半導体層へ導くための溝を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池素子。
【請求項４】
前記導光部は光を前記第２半導体層へ導くための透光性の屈折体を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の太陽電池素子。
【請求項５】
前記第１半導体層の前記第１主面側に凹凸構造を備えており、前記溝は前記凹凸構造の凹部よりも深いことを特徴とする請求項３に記載の太陽電池素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の太陽電池素子を備えていることを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項７】
請求項６に記載の太陽電池モジュールを発電手段として用いることを特徴とする太陽光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は太陽電池素子、この太陽電池素子を備えた太陽電池モジュール、およびこの太陽電池モジュールを発電手段として用いた太陽光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、太陽電池素子の主流製品は、結晶シリコン基板を用いたバルク型の結晶シリコン太陽電池素子である。この太陽電池素子は、結晶シリコン基板が素子化工程を経て加工されることにより作製される。
【０００３】
また、例えば太陽電池素子の複数個を電気的に接続して構成したものが太陽電池モジュールであり、このような太陽電池モジュールを発電手段として用いて、電気機器等の負荷へ電力を供給できるようにしたものが太陽光発電装置である。
【０００４】
上記結晶シリコン太陽電池素子には、受光面に金属からなる表電極（例えば、バスバーおよびフィンガー）を有するタイプのほか、受光面には電極を設けず、正・負の両電極を非受光面側に配置したいわゆるバックコンタクトまたは裏面コンタクト（以下、ＢＣと略記する）型太陽電池素子が知られている。
【０００５】
従来、少数キャリアの収集効率を高め、さらに出力特性を大きくすることを目的として、p型半導体基板を用いた際に、受光面側からｎ＋型Ｓｉ層に向かって断面三角形のＶ溝が形成されたＢＣ型太陽電池素子が提案されている（例えば、下記の特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２２９２１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記構造では基板の薄型化に伴い十分な少数キャリアの収集を図ることができない。
【０００８】
本発明は、少数キャリアの収集効率を高めることができ、出力特性の高いバックコンタクト型（ＢＣ型）として好適な太陽電池素子、これを用いた太陽電池モジュールおよび太陽光発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一形態に係る太陽電池素子は、第１主面と該第１主面に対して背面側に位置する第２主面とを有する一導電型の第１半導体層と、該第１半導体層の前記第１主面側に設けられた、光を所定方向へ導く導光部と、前記第１半導体層の前記第２主面側に設けられた、前記導光部からの光を受ける逆導電型の第２半導体層とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の一形態に係る太陽電池モジュールは、上記太陽電池素子を備えていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の一形態に係る太陽光発電装置は、上記太陽電池モジュールを発電手段として用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
上記構成の太陽電池素子、太陽電池モジュールおよび太陽光発電装置によれば、太陽電池素子の半導体接合部に向かって光を導くことができるため、キャリア生成が生じやすくなり少数キャリアの再結合が減少するため、特に長波長光によって生成する少数キャリアの収集効率を高めることができ、出力特性を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一形態に係る太陽電池素子の構造例の部分を示す断面模式図である。
【図２】（ａ）は本発明の一形態に係る太陽電池素子の一例を表面（受光面）側からみた平面模式図であり、（ｂ）は（ａ）の太陽電池素子を裏面側からみた背面模式図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の一形態に係る太陽電池素子の構造例の部分を示す断面模式図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の一形態に係る太陽電池素子の構造例の部分を示す断面模式図である。
【図５】本発明の一形態に係る太陽電池素子の構造例の部分を示す断面模式図である。
【図６】本発明の一形態に係る太陽電池素子の構造例の部分を示す断面模式図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の一形態に係る太陽電池素子を裏面側からみた部分拡大平面模式図である。
【図８】（ａ）は本発明の一形態に係る太陽電池モジュールの一例を示す断面模式図であり、（ｂ）は（ａ）の太陽電池モジュールを表面（受光面）側からみた平面模式図である。
【図９】本発明の一形態に係る太陽光発電装置の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１５】
＜＜太陽電池素子＞＞
まず、太陽電池素子の基本構成について説明する。図１に示すように、太陽電池素子２０の基本構成は、第１主面１ａとこの第１主面１ａに対して背面側に位置する第２主面１ｂとを有する一導電型の第１半導体層１と、この第１半導体層１の第１主面１ａ側に設けられた、光を所定方向へ導く導光部である凹部６と、第１半導体層１の第２主面１ｂ側に設けられた、導光部６からの光を受ける逆導電型の第２半導体層３とを備えたものとする。なお、上記導光部は上記凹部６の代わりに透光性の屈折体等の光を所定方向へ導く構成を有するもの採用してもよい。
【００１６】
また、太陽電池素子２０は、図１に示すように、第１半導体層１の第２主面１ｂ側に、第１半導体層１と同じ導電型の第３半導体層２を第２半導体層３と離間して設けられてもよい。この場合、第２半導体層３へ光を導くための導光部である凹部６は、第１半導体層１の第１主面１ａ側において、第３半導体層２に対面する部位に設けられている。
【００１７】
以下に、より具体的な太陽電池素子の形態例について説明する。
【００１８】
＜第１実施形態＞
図１に示すように、例えば、ｎ型の多結晶シリコン基板からなる第１半導体層１の裏面である第１主面１ｂ側には、ｐ型拡散層の第２半導体層３およびｎ型拡散層の第３半導体層２が形成されている。また、第１半導体層１の受光面側から平面透視した際に、第３半導体層２に対面する部位には、溝状に形成された凹部である導光部６が設けられている。そして、第３半導体層２に負電極である第１電極４が、第２半導体層３に正電極である第２電極５がそれぞれ接続されている。このようにして、太陽電池素子２０はＢＣ型の太陽電池素子に構成されている。
【００１９】
第１半導体層１としては、例えば所定のドーパント元素（導電型制御用の不純物）を有して一導電型を有する単結晶シリコン基板または多結晶シリコン基板等の結晶シリコン基板が好適に用いられる。この基板としてｐ型の結晶シリコン基板が用いられる場合、例えばドーパント元素としてＢあるいはＧａが１×１０１４〜１×１０１７atoms／ｃｍ３程度の濃度でドープされる。なお、基板としてリボン法等の引き上げ法で得られた板状シリコンが用いられてもよい。第１半導体層１の厚みは３００μｍ以下であるのが好ましく、より好ましくは２５０μｍ以下であるとし、１５０μｍ以下であるのがさらに好ましい。
【００２０】
また、図１において、第１半導体層１の第１主面１ａ側はテクスチャ構造（凹凸構造）１ｃとされていてもよい。また、第１主面１ａ側には、反射防止層７が形成されている。
【００２１】
テクスチャ構造（凹凸構造）１ｃは、第１半導体層１の表面において入射光の反射率を低減する役割を有しており、第１半導体層１の受光面側に多数の微細な突起からなる凹凸面を構成する。かかる突起は、幅と高さがそれぞれ２μｍ以下であり、かつアスペクト比（高さ／幅）が０．１以上２以下であるのが好適である。これにより、特に１０００ｎｍ以上を除く全波長域で低い反射率が得られる。
【００２２】
反射防止層７は、第１半導体層１の第１主面１ａの凹凸形状が反映された表面になっており、この表面において入射光の反射を低減する役割を有するものである。反射防止層７は、窒化珪素膜（ＳｉＮｘ膜（Ｓｉ３Ｎ４ストイキオメトリを中心にして組成比（ｘ）には幅がある））あるいは酸化物材料膜（ＴｉＯ２膜、ＭｇＯ膜、ＩＴＯ膜、ＳｎＯ２膜、ＺｎＯ膜またはＳｉＯｘ膜）などによって形成されるのが好適である。なお、反射防止層７を構成する膜に表面パッシベーション効果を有する膜を使用してもよく、または、半導体基板と反射防止膜の間に水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）膜、水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）膜、ＳｉＣ膜、窒化シリコン膜または酸化シリコン膜の、単層もしくはこれら膜の積層によって形成されるパッシベーション膜を設けてもよい。
【００２３】
第１実施形態の第１半導体層１の裏面である第２主面１ｂ側には、逆導電型を有する第２半導体層３（ｐ型拡散層）と一導電型を有する第３半導体層２（ｎ型拡散層）とが設けられている。第３導体層２上には第１電極４（負電極）が設けられており、第２半導体層３上には第２電極５（正電極）が設けられている。そして、太陽電池素子２０を受光面側から平面透視した際に第３半導体層２に対面する部位に、光を屈折させる構造となる導光部である凹部６が形成されている。
【００２４】
第３半導体層２は、例えば、第１半導体層１となるｎ型シリコン基板にリンを拡散させ、ドーパント濃度が１×１０１８〜１×１０２１atoms／ｃｍ３程度を有し、０．２〜１０μｍ程度の深さに形成される。
【００２５】
第２半導体層３は、例えば、第１半導体層１となるｎ型シリコン基板にボロンやアルミニウムを拡散させ、ドーパント濃度が１×１０１８〜１×１０２１atoms／ｃｍ３程度を有し、０．２〜２０μｍ程度の深さに形成される。
【００２６】
第１電極４および第２電極５は、半導体層上に導電層を形成した構成を有する。この導電層は、例えば、Ａｌ、ＡｇまたはＣｕ等を主成分とした単層、またはこのような単層が積層された複層に形成される。導電層の厚みは０．１〜３μｍ程度であるのが好適であるが、さらに抵抗を低減するために厚く形成しても構わない。また、半導体層と導電層との間に透明導電層を配置してもよく、受光面側から入射する入射光のうち第１半導体層１を透過する成分、例えば９００ｎｍ以上の長波長光をより高い反射率で反射させて、第１半導体層１に再入射させる役割も有する。透明導電層として、例えば、ＩＴＯ膜、ＳｎＯ２膜またはＺｎＯ膜などが用いられ、その厚みは５〜１００ｎｍ程度であるのが好適である。また、必要に応じて、第１電極４および第２電極５の上に、半田領域を形成してもよい。
【００２７】
なお、図１においては、太陽電池素子が１つの負極部（第１領域）８と２つの正極部（第２領域）９とを備える部分を示している。実際の太陽電池素子２０においては、図２（ｂ）に示すように、第１電極４と第２電極５とがそれぞれ、所謂櫛歯状（モジュール化する際に複数の太陽電池素子間を接続する配線が接続される第１の線部４ａ，５ａと、第１の線部４ａ，５ａに接続されており、互いに所定距離を隔てた複数の第２の線部４ｂ，５ｂとを含む構成）の電極として形成されている。つまり図１は、図２（ｂ）に示されている、第１電極４と第２電極５のそれぞれの電極指（第２の線部４ｂ，５ｂ）が交互に配列してなる箇所の断面構造を、部分的かつ模式的に示している。第１電極４の第２の線部４ｂと第２電極５の第２の線部５ｂの幅は、０．１〜２ｍｍに形成され、第１電極４の第２の線部４ｂと第２電極５の第２の線部５ｂのとの間隔は、０．１〜０．５ｍｍに形成される。
【００２８】
また、第２の線部４ｂ、５ｂの下部には、第２の線部４ｂ、５ｂの幅と同一もしくは少し広く第２半導体層３と第３半導体層２とが形成される。さらに、第３半導体層２の幅が第２半導体層３の幅よりも狭く形成され、それに合わせて第１電極４の第２の線部４ｂの幅も第２電極５の第２の線部５ｂの幅よりも狭く形成される。これにより、半導体接合部であるｐｎ空乏領域の面積が多くなることからキャリアの収集効率を高めることができる。例えば、第１電極４の第２の線部４ｂの幅は０．１〜１ｍｍ、好ましくは０．１〜０．５ｍｍに形成され、第２電極４の第２の線部５ｂの幅は、１〜２ｍｍに形成される。
【００２９】
このように、第１実施形態の太陽電池素子２０は、複数の半導体接合部を有する半導体を備え、この半導体の表面に少なくとも２つの半導体接合部（第１半導体層１と第２半導体層３との間）へ光を導くための導光部を１以上設けている。すなわち、太陽電池素子２０は、一導電型の半導体基板である第１半導体層１と、この第１半導体層１の受光面の背面に逆導電型を示す第２半導体層３と一導電型を示す第３半導体層２とを有し、第１半導体層１の受光面側に第２半導体層３の方向へ光を導くための導光部である凹部６を１以上設けている。
【００３０】
また、第１半導体層１を受光面側から平面透視した際に、第３半導体層２の上に位置する受光面である第１主面１ａに、導光部であり光を屈折させる構造となる凹部６が形成されている。凹部６は少なくとも第１主面１ａの水平面と凹部６の斜面とのなす角θが鈍角となるような斜面を有していればよく、例えば、Ｖ字やＵ字状に形成される。また、凹部６の斜面は第２の線部４ｂ、５ｂとほぼ平行となるように形成されている。凹部６が上記形状を有することにより、第３半導体層２の上部受光面に入射してきた光は、凹部６にて屈折し、第２半導体層３に向かって進むことになる。キャリア生成が半導体接合部であるｐｎ接合空乏領域近傍で生じやすくなり、少数キャリアの再結合を減少させる。このため、特に長波長光によって生成する少数キャリアの収集効率を高めることができ、出力特性を高くすることができる。また、通常であれば半導体基板の薄型化に伴い長波長光の光吸収が減少するが、光を屈折させることから、光経路が長くなり長波長光の光吸収を大きくすることができ、さらに出力特性を高くすることができる。
【００３１】
ここで、凹部６の形状（幅、深さ、斜面の角度）は、第１半導体層１の厚みおよび第３半導体層２の幅等によって適宜設定される。
【００３２】
例えば、凹部６の幅は第１電極４の第２の線部４ｂの幅の半分以上とし、凹部６の深さが第１半導体層１の厚みの半分以下となるように、第１主面１ａの水平面と凹部６の斜面とのなす角θを決定することが好ましく、凹部６の第２の線部４ｂの幅を２５０μｍ以下、なす角θを１６０度以下と凹部６の幅および角度を小さくすることが好ましい。さらには、凹部６の幅と第１電極４の第２の線部４ｂの幅を同じに設定することが好ましい。
【００３３】
なお、第１半導体層１の第１主面１ａ側に凹凸構造を形成する場合には、凹部６の深さは上記凹凸構造の凹部よりも深く、例えば、深さは１５μｍ以上、より好ましくは３０μｍ以上に設定される。
【００３４】
また、第１主面１ａの水平面と凹部６の斜面とのなす角θを凹部６の深さが深くなるにつれ小さくすることが好ましい。凹部６の深さが深い位置は、第１半導体層１を受光面側から平面透視した際に、第３半導体層２の中央付近に位置することから、光をより大きく屈折させる必要がある。そのため凹部６の深さが深い位置において、なす角θを小さくすることにより、大きく光を屈折させることができ、また、凹部６の深さを浅くすることができる。この場合、なす角θが段階的または連続的に小さくなるように凹部６が設けられる。
【００３５】
また、第３半導体層２を第２半導体層３よりも狭く形成することにより、凹部６の幅も上述した引用文献１に開示されている構成に比べ狭く形成されることから、凹部６を設けたことによる基板強度低下を低減することができる。
【００３６】
＜第２実施形態＞
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、太陽電池素子２０は、ｎ型の多結晶シリコン基板の裏面である第２主面１ｂ側に第２半導体層３と第３半導体層２とが形成され、第１半導体層１を受光面である第１主面１ａ側から平面透視した際に、第３半導体層２の上に位置する受光面側に導光部である透光性の屈折体１０が設けられる。なお、以下、第１実施形態と同様の内容についての説明は省略し、変更部分のみの説明をする。
【００３７】
第２実施形態の第１半導体層（ｎ型シリコン基板）１の非受光面である第２主面１ｂ側には、逆導電型を有する第２半導体層（ｐ型拡散層）３と一導電型を有する第３半導体層（ｎ型拡散層）２とが設けられている。第３半導体層２上には第１電極（負電極）４が設けられており、第２半導体層３上には第２電極（正電極）５が設けられている。そして、第１半導体層１を受光面である第１主面１ａ側から平面透視した際に、第３半導体層２の上に位置する受光面１ａに、光を屈折させる構造となる凸レンズ状または凹レンズ状に形成された屈折体１０が設けられている。
【００３８】
図３（ａ）に示すように、光を屈折させる構造となる屈折体１０が凸レンズ状の場合、屈折体１０の屈折率は、太陽電池モジュールにした際に太陽電池素子上にあるＥＶＡ（エチレンビニルアセテート共重合体）等の充填材の屈折率よりも小さく、例えば１．５未満とし、凸部の先端の角度αは全反射が起きない角度にすることが好ましい。例えば、全反射の起こる角度より最大で１０度大きい角度までの範囲となるようにすることがより好ましい。屈折体１０の幅は第１電極４の第２の線部４ｂの幅と同じにすることが好ましく、屈折体１０の材質としては、例えば、酢酸ビニル樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、フッ素樹脂またはシリコーン樹脂等を用いることができる。
【００３９】
図３（ｂ）に示すように、光を屈折させる構造となる屈折体１０が凹レンズ状の場合、屈折体１０の屈折率は、太陽電池モジュールにした際に太陽電池素子上にあるＥＶＡ等の充填材の屈折率よりも大きく、例えば１．５より大きくし、この凹部１０ａの開口角度βは９０度（直角）以下、高さを１．５ｍｍ以上とすることがより好ましい。屈折体１０の凹部１０ａが形成されている幅は第１電極４の第２の線部４ｂの幅と同じにすることが好ましく、材質としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリスチレン樹脂、メラミン樹脂または塩化ビニリデン樹脂等を用いることができる。また、屈折した光が屈折体１０の側部に達すると全反射して光の経路が変わってしまうため、屈折体１０の側部側には上面が第１半導体層表面の水平面と平行な部分を有することが好ましい。さらには、凹部の部分に充填材の屈折率よりも小さい透明樹脂を埋め込んでもよい。
【００４０】
また、屈折体１０の凹部１０ａの開口角度βを凹部１０ａの深さが深くなるにつれ小さくなるように凹部１０ａの斜面を形成することが好ましい。凹部１０ａの深さが深い位置は、第１半導体層１を受光面側から平面透視した際に、第３半導体層２の中央付近に位置することから、光をより大きく屈折させる必要がある。そのため凹部１０ａの深さが深い位置において、開口角度βを小さくすることにより、大きく光を屈折させることができ、また、凹部１０ａの深さを浅くすることができる。この場合、開口角度βが段階的または連続的に小さくなるように凹部１０ａが設けられる。
【００４１】
第３半導体層２の上部受光面に入射してきた光は、屈折体１０にて屈折し、第２半導体層３に向かって進むことになる。この際、キャリア生成が半導体接合部であるｐｎ接合空乏領域近傍で生じやすくなり少数キャリアの再結合を減少させる。このため、特に長波長光によって生成する少数キャリアの収集効率を高めることができ、出力特性を高くすることができる。また、通常であれば半導体基板の薄型化に伴い長波長光の光吸収が減少するが、光を屈折させることから、光経路が長くなり長波長光の光吸収を大きくすることができ、さらに出力特性を高くすることができる。
【００４２】
なお、屈折体１０は図示のように太陽電池素子２０と接する必要はなく、屈折体１０と太陽電池素子２０との間にＥＶＡ等の他の透明体が介在しても構わない。
【００４３】
＜変形例＞
次に変形例について説明する。以下、変形例については第１実施形態を用いて説明を行うが、第２実施形態においても適用することができる。
【００４４】
図４（ａ）（ｂ）に示すように、第２半導体層３または第３半導体層２が薄膜層で形成されてもよい。図４（ａ）では、第１半導体層１の裏面である２主面１ｂ側に、ｐ型シリコン薄膜層である第２半導体層３とｎ型シリコン薄膜層である第３半導体層２とが形成されている。図４（ｂ）では、第１半導体層１の第２主面１ｂ側に、ｐ型シリコン薄膜層である第２半導体層３とｎ型拡散層である第３半導体層２とが形成されている。また、第１半導体層１と第２半導体層３との間、および、第１半導体層１と第３半導体層２との間には、不純物がほとんどドープされていないｉ型シリコン薄膜層１１が形成されている。このように、結晶シリコン基板、ｐ型シリコン薄膜層およびｎ型シリコン薄膜層からなる、いわゆるヘテロ接合を形成することによって、少数キャリア再結合を抑制するポテンシャル障壁を形成できる。これにより、飽和暗電流密度を小さくでき、より高い開放電圧を得ることができる。
【００４５】
第２半導体層３は、例えばドーパントとしてBがドープされてなるp型の水素化アモルファスシリコン膜（ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｐ）膜）あるいはｐ型の水素化微結晶シリコン膜（μｃ−Ｓｉ：Ｈ（ｐ）膜）によって、厚みが５〜５０ｎｍ程度、ドーパント濃度が１×１０１８〜１×１０２１atoms／ｃｍ３程度で形成されるのが好適である。
【００４６】
第３半導体層２は、例えばドーパントとしてＰ（リン）がドープされてなるｎ型の水素化アモルファスシリコン膜（ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｎ）膜）あるいはｎ型の水素化微結晶シリコン膜（μｃ−Ｓｉ：Ｈ（ｎ）膜）によって、厚みが５〜５０ｎｍ程度、ドーパント濃度が１×１０１８〜１×１０２１atoms／ｃｍ３程度で形成されるのが好適である。
【００４７】
ｉ型シリコン薄膜層１１は、ｉ型の水素化アモルファスシリコン膜（ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｉ）膜）あるいはｉ型の水素化微結晶シリコン薄膜（μｃ−Ｓｉ：Ｈ（ｉ）膜）によって、厚みが０．５〜１０ｎｍ程度で形成されるのが好適である。
【００４８】
また、図５に示すように、第１半導体層１の受光面である第１主面１ａ側に、第１半導体層１のドーパント濃度よりも高い一導電型の第４半導体層１２を形成してもよい。これにより、受光面側に移動してきた少数キャリアを反射し、半導体接合領域に到達するキャリア量を増加させることができる。第４半導体層１２は第３半導体層２と同様に拡散層または薄膜層によって形成される。
【００４９】
また、図６に示すように、第１半導体層１の裏面である第２主面１ｂ側にパッシベーション膜１３を設けるようにしてもよく、これにより裏面側のキャリア再結合を低減することができる。また、第１電極４と第２電極５がパッシベーション膜１３上に形成され、第２半導体層３と第３半導体層２とポイント状に接続することによって、電極部での金属と半導体接触による再結合を低減させ、飽和暗電流密度を低減させて、さらに高い開放電圧を得ることができる。なお、第２半導体層３と第３半導体層２とは、図７（ａ）に示すように、電極形状に合わせて帯状に形成してもよく、また図７（ｂ）に示すように、電極部と接続する部分に合わせて点状に設けてもよい。
【００５０】
＜＜第１実施形態の太陽電池素子の製造方法＞＞
以下に、第１実施形態の太陽電池素子２０の製造方法の例について工程毎に説明する。
【００５１】
＜半導体基板の準備工程＞
ｎ型の導電型を有し、主として第１半導体層１になる半導体基板を準備する。この半導体基板として単結晶シリコン基板を用いる場合であれば、例えば、ＦＺ（Floating Zone）法またはＣＺ（Czochralski）法などにより作製された単結晶シリコンインゴットを所定の厚みに切り出すことで結晶シリコン基板を得ることができる。また、多結晶シリコン基板を半導体基板として用いる場合、例えば、キャスト法または鋳型内凝固法などにより作製された多結晶シリコンインゴットを所定の厚みに切り出すことで半導体基板を得ることができる。このようなｎ型の導電型を有する結晶シリコン基板は、ドーパント元素としてＰを１×１０１３〜１×１０１７atoms／ｃｍ３、より好ましくは１×１０１４〜１×１０１６atoms／ｃｍ３程度ドープされて成る。
【００５２】
なお、切り出し（スライス）に伴う半導体基板の表層部の機械的ダメージ層および汚染層を除去するために、切り出した半導体基板の受光面側となる側および裏面側となる側の表層部を、ＮａＯＨもしくはＫＯＨ、または、フッ酸と硝酸の混合液などでそれぞれの側に対して１０〜２０μｍ程度エッチングし、その後、純水などで洗浄することで、有機成分および金属成分を除去しておくようにする。加えて、次述する工程でシリコン薄膜層を形成する場合には、希フッ酸処理＋純水リンス処理によって、シリコン薄膜層が形成される側の面を水素で終端させておくことが好ましい。かかる場合、第１半導体層１とシリコン薄膜層との間に、品質の優れたヘテロ接合界面をより容易に形成することができる。
【００５３】
以上により、結晶シリコン基板からなり、主に第１半導体層１となる半導体基板を準備することができる。
【００５４】
＜凹部の形成工程＞
次に、第１半導体層１を受光面側から平面透視した際に第３半導体層２の形成予定となる上に位置する受光面に溝である凹部６を形成する。
【００５５】
凹部６はダイシング、レーザーもしくはサンドブラスト等を用いたドライエッチング、または、上記の形成領域以外に耐エッチングマスクを形成した後、酸溶液またはアルカリ溶液からなるウエットエッチングにより形成することができる。特に、断面Ｖ字状またはＵ字状の凹部を形成する際には、結晶方位を利用したウエットエッチングまたはレーザーグルービングによる形成が適している。
【００５６】
＜第３半導体層の形成工程＞
次に、第１半導体層１の裏面である第２主面１ｂ側に第３半導体層２を形成する。第３半導体層２としてｎ型拡散層を形成する場合には、ペースト状態にしたＰ２Ｏ５をシリコン基板表面に塗布して熱拡散させる塗布熱拡散法、ガス状態にしたＰＯＣｌ３（オキシ塩化リン）を拡散源とした気相熱拡散法、または直接拡散させるイオン打ち込み法などによって形成される。なお、第１領域８のみに拡散層を形成する場合には、この形成領域以外に予め拡散防止膜（不図示）を形成したり、その部分を後からエッチングして除去すればよい。
【００５７】
また、第１半導体層１の受光面である第１主面１ａ側に第４半導体層１２を拡散層にて形成する場合においても、上記と同様の方法を用いればよく、気相熱拡散法であれば第１主面１ａと第２主面１ｂの両方同時に第３半導体層２と第４半導体層１２を形成することができる。
【００５８】
第３半導体層２として、ｎ型シリコン薄膜層を形成する場合、具体的には、ｎ型シリコン薄膜層として、ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｎ）膜あるいはμｃ−Ｓｉ：Ｈ（ｎ）膜を形成する。ここで、上述したように、真性型（ｉ型）を有する半導体層であるｉ型シリコン薄膜層１１（例えば、ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｉ）膜あるいはμｃ−Ｓｉ：Ｈ（ｉ）膜）を形成した上で、ｎ型シリコン薄膜層２を形成するのが好ましい。
【００５９】
また、シリコン薄膜層を形成する前に、第１半導体層１の基板面をクリーニングガスで処理する態様であってもよい。例えば、ＣＦ４またはＳＦ６等のガスプラズマで基板上の該形成面を微量エッチング処理すると、表面を好適に清浄化することができる。
【００６０】
これらのシリコン薄膜層（第３半導体層２およびｉ型シリコン薄膜層１１）の形成方法としては、ＣＶＤ法、特に、ＰＥＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）法またはＣａｔ−ＣＶＤ法などを好適に用いることができる。特に、Ｃａｔ−ＰＥＣＶＤ法を用いれば、極めて品質の高いシリコン薄膜層を形成することが可能であるので、第１半導体層１とシリコン薄膜層との間に形成されるヘテロ接合の品質が向上する。これにより、太陽電池素子の高特性・高歩留まりをより実現し易くなる。
【００６１】
これらＣＶＤ法を用いる場合、シランと水素とを原料ガスとして用い、適宜ドーパントガスを原料ガスに混合すればよい。また、その際の成膜条件としては、プラズマＣＶＤ法を用いる場合、電力密度を調整し、Ｃａｔ−ＣＶＤ法を用いる場合、熱触媒体の種類、温度を調整し、Ｃａｔ−ＰＥＣＶＤ法を用いる場合、電力密度および熱触媒体の種類、温度を調整する。具体的には、基板温度を１００〜３００℃（例えば２００℃程度）、ガス圧力を１０〜５００Ｐａ、熱触媒体としてタングステン等を使用する場合、熱触媒体の温度を１５００〜２０００℃、電力密度を０．０１〜１Ｗ／ｃｍ２とする。これにより、極めて品質の高いシリコン薄膜層を２００℃程度という比較的低温でかつ短時間で形成することができる。
【００６２】
なお、第１領域８のみに第３半導体層２を形成する場合には、この形成領域以外を覆うようにメタルマスクを形成し、第３半導体層２の形成後、不必要な薄膜層をメタルマスクとともに除去すればよい。また、後述する第２領域９にｐ型シリコン薄膜層である第２半導体層３を形成する場合には、ｉ型シリコン薄膜層１１は第１半導体層１の第２主面１ｂ全面に形成しても構わない。
【００６３】
＜第２半導体層の形成工程＞
次に、第１半導体層１の第２主面１ｂ側に第２半導体層３を形成する。第２半導体層３としてｐ型拡散層を形成する場合には、ＢＢｒ３（三臭化ボロン）を拡散源とした熱拡散法を用いて温度８００〜１１００℃程度で形成したり、アルミニウム粉末と、有機ビヒクルなどからなるアルミペーストを印刷法で塗布した後、温度６００〜８５０℃程度で熱処理（焼成）してアルミニウムをシリコン基板に向けて拡散する方法を用いることができる。なお、第２領域９のみに拡散層を形成する場合は、この形成領域以外に予め拡散防止膜（不図示）を形成したり、その部分を後からエッチングして除去すればよい。またアルミニウムペーストを印刷して焼成する方法を用いれば、印刷面だけに所望の拡散領域を形成することができるだけではなく、第３半導体層２の形成時に、同時に第２領域９にも形成されている第３半導体層２を除去する必要もなく、ｎ型拡散層とｐ型拡散層との境界部分にレーザー等を用いてｐｎ分離を行えばよい。
【００６４】
第２半導体層３として、ｐ型シリコン薄膜層を形成する場合、具体的には、ｐ型シリコン薄膜層として、ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｐ）膜あるいはμｃ−Ｓｉ：Ｈ（ｐ）膜を形成する。これによって基板／薄膜層間にヘテロ接合が形成される。ここで、上述したように、真性型（ｉ型）を有する半導体層であるｉ型シリコン薄膜層１１（例えば、ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｉ）膜あるいはμｃ−Ｓｉ：Ｈ（ｉ）膜）を形成した上で、ｐ型シリコン薄膜層の第２半導体層３を形成するのが好ましい。
【００６５】
第２半導体層３の形成方法としては、第３半導体層２と同様に、ＣＶＤ法、特に、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）法またはＣａｔ−ＣＶＤ法などを薄膜層の形成工程と同様の条件で好適に用いることができる。
【００６６】
なお、第２領域９のみに第２半導体層３を形成する場合には、この形成領域以外を覆うようにメタルマスクを形成し、第２半導体層３の形成後、不必要な薄膜層をメタルマスクとともに除去すればよい。
【００６７】
＜第１電極および第２電極の形成工程＞
次に、第２半導体層３と第３半導体層２の上に導電層を形成する。特に、上述した透明導電層を形成した上で、導電層を形成すると、光学的反射率我向上するため好ましい。
【００６８】
透明導電層は、スパッタ法、蒸着法、イオンプレーティング法、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ゾルゲル法、もしくは液状にした原料を噴霧加熱する方法、または、インクジェット法などを用いて形成することができる。例えば、透明導電層としてのＩＴＯ膜またはＺｎＯ膜をスパッタ法により形成する場合であれば、ＳｎＯ２を０．５〜４質量％ドープしたＩＴＯターゲット、またはＡｌを０．５〜４質量％ドープしたＺｎＯターゲットを用いて、Ａｒガス、またはＡｒガスとＯ２ガスの混合ガスを流し、基板温度が２５〜２５０℃、ガス圧力が０．１〜１．５Ｐａ、電力が０．０１〜２ｋＷという条件でスパッタ処理を行うのが好適な一例である。なお、第１電極４と第２電極５を隔離するために、形成領域以外を覆うようにメタルマスクを形成し、透明導電膜形成後、不必要な透明導電膜をメタルマスクとともに除去すればよく、または形成後エッチングにより除去しても良い。
【００６９】
導電層は、スパッタ法、蒸着法、イオンプレーティング法またはインクジェット法等を用いて形成することができる。特に、加熱温度を低く抑えることができ、また、加熱時間を短くでき、接着力が高いという観点から、スパッタ法を用いることが好ましい。例えば、導電層としてのＡｇ膜、またはＡｌ膜をスパッタ法により形成する場合、それぞれ銀またはアルミニウムのターゲットを用いて、Ａｒガス、またはＡｒガスとＯ２ガスの混合ガスを流し、基板温度が２５〜２５０℃、ガス圧力が０．１〜１．５Ｐａ、電力が０．０１〜２ｋＷという条件でスパッタ処理を行うのが好適な一例である。なお、第１電極４と第２電極５を隔離するために、上記と同様にメタルマスクを形成するか、形成後エッチングにて除去すればよい。
【００７０】
また、印刷法などの塗布法によってＡｇやＡｌ等の金属粉末と有機成分とを混成した金属ペーストからなる電極パターンを形成し、その後焼成することによって形成してもよい。また、第２半導体層３と第３半導体層２とが拡散層からなる場合は、金属ペーストを焼成炉内にて最高温度が６００〜８５０℃で数十秒〜数十分程度焼成すればよいが、シリコン薄膜層からなる場合には、シリコン薄膜層にダメージを与えないために、２００℃近傍で硬化する樹脂系のバインダを使用する。このような樹脂系のバインダとしては、エポキシ樹脂，フェノール樹脂，ウレタン樹脂，ポリエステル樹脂のうちの一つまたは複数のものを使用できる。焼成は約１時間程度行えばよい。また、メッキ法によってＣｕ膜を形成してもよく、上記製法を組み合わせて形成しても構わない。
【００７１】
＜テクスチャ構造の形成工程＞
次に、第１半導体層１の第１主面１ａ側に、エッチング法等によりテクスチャ構造１ａを形成することが好ましい。
【００７２】
テクスチャ構造１ｃの形成方法としては、アルカリ水溶液によるウエットエッチング法、または、エッチングガスを用いるドライエッチング法を用いることができる。
【００７３】
ここで、ドライエッチング法には様々な手法があるが、特に、ＲＩＥ法（Reactive Ion Etching法）を用いると、広い波長域に渡って極めて低い光反射率に抑えられる微細なテクスチャ構造１ｃを広い面積に渡って短時間で形成することができる。
【００７４】
なお、テクスチャ構造１ｃの形成をこの段階で行うことは必須の態様ではなく、例えば、凹部６または第３半導体層２の形成前に行ってもよいし、電極を形成した後に行う態様であっても構わない。なお、ウエットエッチング法を用いる場合は、先に述べた基板表層部のダメージ層を除去するプロセスに連続してテクスチャ構造１ｃを形成することができる。
【００７５】
＜反射防止層の形成工程＞
次に、第１半導体層１の第１主面１ａ側に反射防止層７を形成する。反射防止層７は、ＰＥＣＶＤ法、蒸着法またはスパッタ法などを用いて形成することができる。反射防止層７を形成する場合、成膜温度は４００℃以下、より好ましくは３００℃以下とする。なお、反射防止層７がパッシベーション層を兼用するようにしてもよい。
【００７６】
＜パッシベーション膜の形成工程＞
次に、第１半導体層１の第２主面１ｂ側に、パッシベーション膜１３を形成する。パッシベーション膜１３を形成する場合には、第１電極４および第２電極５を形成する前に形成する。
【００７７】
パッシベーション膜１３の形成方法としては、ＳｉＯｘ膜、ＳｉＣｘ膜もしくはＴｉＯ２膜などの酸化膜、または、ＳｉＮｘの窒化膜もしくはａ−Ｓｉ：Ｈ膜などを、スパッタ法、蒸着法またはＣＶＤ法などを用いて、１０〜１０００ｎｍ程度の厚みに形成する。また、酸化シリコン膜の形成においては、１０００℃以上の高温を用いる熱酸化処理によって形成することができる。ただし、室温〜４００℃程度の低温でパッシベーション膜１３を形成することができるＣＶＤ法を用いることにより、第１半導体層１の結晶品質の劣化を低減することができる。
【００７８】
＜半田の形成工程＞
必要であれば、さらに、半田ディップ処理によって、第１電極４および第２電極５上に半田領域を形成する態様であってもよい。
【００７９】
以上のような手順によって、第１実施形態の太陽電池素子２０を作製することができる。
【００８０】
＜＜第２実施形態の太陽電池素子の製造方法＞＞
次に、第２実施形態の太陽電池素子２０の製造方法の例について説明する。第２実施形態に係る太陽電池素子２０の製造方法は、一導電型を有する第１半導体層１となるシリコン基板を準備し、このシリコン基板の裏面に一導電型を示す第３半導体層２を形成する工程と、シリコン基板の裏面側に逆導電型を示す第２半導体層３を形成する工程と、シリコン基板を受光面側から平面透視した際に第３半導体層２の上に位置する受光面側に透光性の屈折体１０を形成する工程とを有する。なお、以下、第１実施形態と同様の内容については説明を省略し、変更部分のみの説明を行う。
【００８１】
＜透明屈折体の形成工程＞
テクスチャ構造および反射防止層の形成工程後、半導体基板を受光面側から平面透視した際に第３半導体層２の形成予定となる部位と対面する部位の受光面に屈折体１０が形成される。
【００８２】
屈折体１０はフィルム状のものを半導体基板上に貼り付けたり、樹脂ペーストを印刷して光硬化させることにより形成することができる。
【００８３】
また、屈折体１０は太陽電池素子２０の完成後、後述する太陽電池モジュール作製時に形成しても構わない。
【００８４】
＜＜太陽電池モジュール＞＞
次に、上記太陽電池素子の複数を電気的に接続してなる太陽電池モジュールについて説明する。
【００８５】
単独の太陽電池素子の電気出力が小さい場合、複数の太陽電池素子を直列および並列に接続することで太陽電池モジュールが構成される。この太陽電池モジュールを複数個組み合わせることによって、実用的な電気出力の取り出しが可能となる。
【００８６】
図８は、図１の太陽電池素子２０を複数用いて構成された太陽電池モジュール３０の構成を概略的に示す図である。図８（ａ）は太陽電池モジュール３０の断面図であり、図８（ｂ）は太陽電池モジュール３０を表面（受光面）側からみた平面図である。
【００８７】
図８（ａ）に示すように、太陽電池モジュール３０は、例えば、ガラスなどの透明部材２２と、透明のＥＶＡなどからなる表側充填材２４と、配線部材２１によって隣接する太陽電池素子の第１電極４と第２電極５とを交互に接続して成る複数の太陽電池素子２０と、ＥＶＡなどからなる裏側充填材２５と、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）や金属箔をＰＶＦ（ポリフッ化ビニル樹脂）で挟みこんだ裏面保護材２３と、を主として備える。隣接する太陽電池素子２０同士は、例えば、厚さ０．１〜０．２ｍｍ程度、幅２ｍｍ程度の銅箔の全面を半田材料によって被覆された配線部材２１が用いられる。
【００８８】
また、直列接続された複数の太陽電池素子２０のうち、最初の太陽電池素子２０と最後の太陽電池素子２０の電極の一端は、出力取出部である端子ボックス２７に、出力取出配線２６によって接続される。また、図８（ａ）では図示を省略しているが、図８（ｂ）に示すように、本実施形態の太陽電池モジュール３０は、アルミニウムなどからなる枠２８を備える。
【００８９】
本実施形態の太陽電池モジュール３０によれば、従来よりも低コストかつ高効率な光電変換を行う光電変換モジュールとすることができる。
【００９０】
＜＜変形例＞＞
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。例えば、上述の実施形態においては、ｎ型の導電型を有するシリコン基板を用いた場合について説明しているが、これに代えてｐ型の導電型を有するシリコン基板を用いることもできる。この場合、各層の極性を逆にすれば、上述の実施形態と同様な工程を施すことにより、同様の作用効果を奏する太陽電池素子を得ることができる。
【００９１】
また、上述の実施形態においては、第１半導体層１および薄膜層としてシリコンを例に挙げて説明しているが、本発明において第１半導体層１および薄膜層の材料はこれに限定されるわけではなく、ＳｉＣ、ＳｉＧｅまたはＧｅなどの他の半導体材料を用いる場合についても適用することができる。
【００９２】
また、太陽電池素子の形成順序は上記順序に限定されるものではなく、まず受光面側のテクスチャ構造の形成工程、反射防止層の形成工程を行った後、裏面側の半導体層形成工程および導電層形成工程を行っても構わない。
【００９３】
また、第３半導体層２は必ずしも設ける必要はなく、その箇所が第１半導体層１のままであっても構わない。この場合、導光部は第１半導体層１を受光面側から平面透視した際に、第２主面１ｂ側において第１半導体層１が露出した部位、つまり第２半導体層３の間隙の上に位置する受光面である第１主面１ａに設けられる。
【００９４】
＜＜太陽光発電装置＞＞
本発明の一形態に係る太陽光発電装置は、例えば図９に示すように、太陽光発電装置５０は、上記太陽電池モジュールの１以上を電気的に接続した太陽電池モジュール４０と、太陽電池モジュール４０の直流電力が入力される電力変換装置４５とを備えたものである。電力変換装置４５は、入力フィルタ回路４１、電力変換回路４２、出力フィルタ回路４３および制御回路４４を備えたものである。このようにして電力変換装置４５からの商用電力が商用電源系統４６に入力される。この太陽光発電装置５０によれば、これを構成する太陽電池モジュールが高効率であるので、高効率の優れた太陽光発電装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００９５】
１      ：第１半導体層
２      ：第３半導体層
３      ：第２半導体層
４      ：第１電極（負電極）
５      ：第２電極（正電極）
６      ：凹部（導光部）
１０    ：屈折体（導光部）
２０    ：太陽電池素子
３０    ：太陽電池モジュール
【図１】
2011009733.tif 000003
【図２】
2011009733.tif 000004
【図３】
2011009733.tif 000005
【図４】
2011009733.tif 000006
【図５】
2011009733.tif 000007
【図６】
2011009733.tif 000008
【図７】
2011009733.tif 000009
【図８】
2011009733.tif 000010
【図９】
2011009733.tif 000011