(57)【要約】酸素が豊富な界面層(209)を使用する分極抵抗型太陽電池を提供する。酸素が豊富な界面層は、太陽電池に近い酸素が豊富な部分から、太陽電池から遠い窒素が豊富な部分までの間で変化する、徐々に変化するプロファイルを有し得るSiOxNyで構成され得る。酸化シリコンパッシベーション層は、太陽電池とSiOxNyの徐々に変化する誘電体層との間に挟まれ得る。この徐々に変化するSiOxNy誘電体層は、徐々に変化しないSiOxNy誘電体層およびSiN ARコーティングで置き換えられ得る。2013508998.tif 000003
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1の導電型のシリコンで構成される基板と、
該基板上に配置された第2の導電型のシリコン層と、
SiOxNyで構成され、該シリコン層に近い酸素が豊富な部分から、該シリコン層から遠い窒素が豊富な部分まで変化する、該シリコン層の上に配置される徐々に変化する層と
を含む、太陽電池。
【請求項２】
前記SiOxNyの徐々に変化する層中の酸素および窒素の合計に対する、該SiOxNyの徐々に変化する層中の酸素の比率が、該徐々に変化する層の第1の領域中の第1の範囲から該徐々に変化する層の第2の領域中の第2の範囲までの間で変化し、該徐々に変化する層の第1の領域が前記シリコン層の近位にあり、該徐々に変化する層の第2の領域が該シリコン層の遠位にあり、該第1の範囲が0.5〜0.99であり、該第2の範囲が0.01〜0.5である、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
【請求項３】
前記SiOxNyの徐々に変化する層中の酸素および窒素の合計に対する、該SiOxNyの徐々に変化する層中の酸素の比率が、該徐々に変化する層の第1の領域中の第1の範囲から該徐々に変化する層の第2の領域中の第2の範囲までの間で変化し、該徐々に変化する層の第1の領域が前記シリコン層の近位にあり、該徐々に変化する層の第2の領域が該シリコン層の遠位にあり、該第1の範囲が0.6〜0.99であり、該第2の範囲が0.01〜0.4である、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
【請求項４】
前記SiOxNyの徐々に変化する層中の酸素および窒素の合計に対する、該SiOxNyの徐々に変化する層中の酸素の比率が、該徐々に変化する層の第1の領域中の第1の範囲から該徐々に変化する層の第2の領域中の第2の範囲までの間の線形プロファイルに従い、該徐々に変化する層の第1の領域が前記シリコン層の近位にあり、該徐々に変化する層の第2の領域が該シリコン層の遠位にある、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
【請求項５】
前記SiOxNyの徐々に変化する層中の酸素および窒素の合計に対する、該SiOxNyの徐々に変化する層中の酸素の比率が、該徐々に変化する層の第1の領域中の第1の範囲から該徐々に変化する層の第2の領域中の第2の範囲までの間の非線形プロファイルに従い、該徐々に変化する層の第1の領域が前記シリコン層の近位にあり、該徐々に変化する層の第2の領域が該シリコン層の遠位にある、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
【請求項６】
前記SiOxNyの徐々に変化する層中の酸素および窒素の合計に対する、該SiOxNyの徐々に変化する層中の酸素の比率が、該徐々に変化する層の第1の領域中の第1の範囲から該徐々に変化する層の第2の領域中の第2の範囲までの間の段階的プロファイルに従い、該徐々に変化する層の第1の領域が前記シリコン層の近位にあり、該徐々に変化する層の第2の領域が該シリコン層の遠位にある、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
【請求項７】
前記徐々に変化する層が30〜200ナノメートルの厚みを有する、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
【請求項８】
前記徐々に変化する層が50〜140ナノメートルの厚みを有する、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
【請求項９】
前記徐々に変化する層が1.5〜2.4の範囲の屈折率を有する、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
【請求項１０】
パッシベーション層と組み合わされた前記徐々に変化する層に対応する厚みが30〜200ナノメートルである、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
【請求項１１】
パッシベーション層と組み合わされた前記徐々に変化する層に対応する厚みが50〜140ナノメートルである、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
【請求項１２】
前記徐々に変化する層および前記パッシベーション層に対応する屈折率が1.5〜2.4の範囲にある、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
【請求項１３】
前記シリコン層と前記徐々に変化する層との間に挟まれた酸化シリコン(SiOx)パッシベーション層をさらに含む、前記請求項のいずれか一項記載の太陽電池。
【請求項１４】
前記徐々に変化する層の上に形成されるSiN層をさらに含み、前記SiOx層、該徐々に変化する層、および該SiN層により、前記シリコン層上に配置される誘電体スタックが形成される、請求項13記載の太陽電池。
【請求項１５】
前記誘電体スタックが1.5〜2.4の範囲の屈折率を有する、請求項14記載の太陽電池。
【請求項１６】
前記誘電体スタックが3〜260ナノメートルの厚みを有する、請求項14〜15のいずれか一項記載の太陽電池。
【請求項１７】
前記SiOx層が1〜60ナノメートルの厚みを有し、前記徐々に変化する層が1〜100ナノメートルの厚みを有し、前記SiN層が1〜100ナノメートルの厚みを有する、請求項14〜16のいずれか一項記載の太陽電池。
【請求項１８】
前記SiOx層が1〜30ナノメートルの厚みを有し、前記徐々に変化する層が1〜30ナノメートルの厚みを有し、前記SiN層が10〜90ナノメートルの厚みを有する、請求項14〜17のいずれか一項記載の太陽電池。
【請求項１９】
前記SiOx層が5〜20ナノメートルの厚みを有し、前記徐々に変化する層が1〜20ナノメートルの厚みを有し、前記SiN層が40〜90ナノメートルの厚みを有する、請求項14〜18のいずれか一項記載の太陽電池。
【請求項２０】
前記徐々に変化する層中の酸素および窒素の合計に対する、該徐々に変化する層中の酸素の比率が、0.01〜0.99の範囲にある、請求項14〜19のいずれか一項記載の太陽電池。
【請求項２１】
前記徐々に変化する層中の酸素および窒素の合計に対する、該徐々に変化する層中の酸素の比率が、0.1〜0.9の範囲にある、請求項14〜20のいずれか一項記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
本願は、2009年12月24日に出願された米国特許出願第12/647,286号、および2009年10月27日に出願された米国特許仮出願第61/279,842号の恩典を主張し、これらの開示は参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
【０００２】
技術分野
本発明は、概して、太陽電池に関し、特に、分極抵抗型太陽電池設計に関する。
【背景技術】
【０００３】
背景
太陽電池と一般的に称される光起電力セルは、光子を電気エネルギーに変換する周知の半導体素子である。図1は、シリコンで構成されることの多い第1の導電型の基板101と、該基板上に形成されて、界面においてpn接合を形成している第2の導電型の層103とを含む、従来の太陽電池100の断面図を示す。太陽電池100はまた、基板101の少なくとも一部と接触している裏面電極105、および層103の少なくとも一部と接触している表面電極107も含む。太陽電池100に光が当たると、電子正孔対が作られ、太陽電池により電気エネルギーに変換される。
【０００４】
従来の太陽電池の性能を向上させるために、典型的に、誘電体層109が太陽電池の表面上に積層される。誘電体層109は、二重の目的を果たす。第一に、反射防止(AR)コーティングとして作用して、電池100に入る入射光のパーセンテージを高めて、変換効率の改善をもたらす。第二に、層103の表面上にパッシベーション層を形成する。一部の太陽電池では、誘電体層109は、一対の層(すなわち内部パッシベーション層および外部AR層)から構成される。
【０００５】
エネルギーコストの上昇、および従来のエネルギー源に関連した環境に関する関心の高まりの両方により、太陽電池は幅広い用途において一般的になりつつある。太陽エネルギーへの転換は、太陽電池の性能の漸進的な改善、および電池コストの一定的な低下によって促進されてきた。典型的な用途、例えば、住宅もしくは商業施設の屋上、またはソーラーファームにおいて使用される太陽アレイにおいては、多数の太陽パネルが互いと電気接続され、それぞれの太陽パネルが大型の太陽電池アレイを構成する。
【０００６】
太陽パネル、または太陽パネルのアレイが作動される際には、パネルフレームまたは外部接地と、個々のデバイスの1つ以上の端子との間に100Vを上回る高電圧が存在し得る。その結果、誘電体層または電池の加工に使用される層(例えば、図1のパッシベーション層およびAR層109)に電荷を生じ得る電場が生成される。時間経過と共に、単数または複数の誘電体層への電荷の蓄積は表面分極を生じ、これは、電池のpn接合において電場を誘起する。その結果、シャント抵抗およびpn接合特性が有意に低下し、電池変換効率の大幅な低下、および潜在的に電池出力の完全停止をもたらす。 従って、表面分極に抵抗するが、加工プロセス、全体的な電池製造コスト、または電池の性能に有意に影響を及ぼさない太陽電池設計が必要とされている。本発明はそのような設計を提供する。
【発明の概要】
【０００７】
概要
本発明は、酸素が豊富な界面層を使用する、分極効果に抵抗する太陽電池を提供する。
【０００８】
少なくとも一態様において、酸素が豊富な界面層はSiOxNy層であり、これは太陽電池基板に近い酸素が豊富な部分から、太陽電池基板から遠い窒素が豊富な部分までの間で変化する、徐々に変化する組成プロファイルを有する。SiOxNy層は線形の徐々に変化するプロファイルを使用し得る；あるいはまた、SiOxNy層は非線形の徐々に変化するプロファイルを使用し得る；あるいはまた、SiOxNy層は段階的に徐々に変化するプロファイルを使用し得る。太陽電池は、太陽電池とSiOxNyの徐々に変化する層との間に挟まれた酸化シリコン(SiOx)パッシベーション層をさらに含みうる。
【０００９】
少なくとも一つの態様では、界面層の誘電体スタックが太陽電池表面に配置されており、この誘電体スタックはSiOx層(内部層)、SiOxNy層(中間スタック層)、およびSiN層(外部層)で構成される。
【００１０】
本発明の性質および利点をさらに理解することは、本明細書の残りの部分および図面を参照することにより実現され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来のシリコン太陽電池の断面図である。
【図２】SiOxNyの徐々に変化する誘電体を利用する本発明の一態様による例示的なデバイス構造の断面図を示す。
【図３】図2に例示しているデバイスで使用される線形組成プロファイルを例示している。
【図４】図2に例示しているデバイスで使用される非線形組成プロファイルを例示している。
【図５】図2に例示しているデバイスで使用される段階的組成プロファイルを例示している。
【図６】基板と徐々に変化する酸窒化シリコン層との間に酸化シリコン層が挟まれている、図2に示すデバイスの改変を例示している。
【図７】徐々に変化する酸窒化シリコン層を、徐々に変化しない酸窒化シリコンおよびそれとは別個のARコーティングと置き換えた、図6に示すデバイスの改変を例示している。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
詳細な説明
本発明の以下の詳細な説明においては、本明細書の一部を形成し、本発明が実施され得る特定の態様を例示的に示す添付の図面を参照する。これらの態様は、当業者が本発明を実施するのに十分な程度に詳細に記載されている。他の態様を利用してもよく、構造的、論理的、および電気的な変更が行われ得る。
【００１３】
本発明者らは、太陽電池設計に酸素が豊富な界面層を組み込むことによって、誘電体層にわたる大きな電場に晒される従来の太陽電池において典型的に生じるデバイス劣化を、完全に無くすとはまではいかなくても、実質的に低下できることを発見した。図2は、本発明の好適な態様による太陽電池デバイス構造200の断面図を示す。シリコン基板201は、p型またはn型のいずれでもあり得る。従来の太陽電池では、第2の導電型のシリコン層203は基板201上に形成されて、電池のpn接合を形成している。例えばアルミニウムで構成される裏面電極205は、基板201の少なくとも一部に、または図示するように基板の裏面全体に接触している。デバイスの表面(より具体的には層203)に接触するために、好ましくは銀から構成される好ましくは複数の表面電極207を、例えば当業者に周知のようにフィンガー/母線構造を用いてデバイスの表面に適用する。
【００１４】
本発明によれば、徐々に変化する誘電体層209を電池200の表面に適用する。誘電体層209は、SiOxNyで構成され、電気化学ポテンシャルが電池200の表面付近で最大であって、基板からの距離が増すにつれて低下するよう徐々に変化する。従って、層209は、基板の表面付近では酸素が豊富であり、層の外面付近では窒素が豊富である。図3〜5は、層209について3つの組成プロファイルを例示しており、それぞれ、基板付近は高い割合の酸素で始まり、基板からの距離が増すにつれてそれが低下する。図3は、組成の線形バリエーションを例示し；図4は、放物線状の低下等の非線形組成バリエーションを例示し；図5は段階的プロファイルを例示している。
【００１５】
層209中の酸素および窒素の量は、層中の酸素の割合(すなわち、酸素と、酸素および窒素の合計との比率(すなわち、O/O+N)))として定義される。上記のように、基板201/層203付近の層209中の酸素の割合は、所望のレベルの電気化学ポテンシャルを獲得するために、高い。従って、基板201/層203付近の層209の領域において、酸素割合は、0.5〜0.99の範囲にあり、好ましくは0.6〜0.99の範囲にある。基板201/層203から離れると、層209の最外領域における酸素割合が0.01〜0.5の範囲、好ましくは0.01〜0.4の範囲になるまで、酸素割合は前述したように低下していく。典型的に、層209は、30〜200ナノメートルの範囲、好ましくは50〜140ナノメートルの範囲の厚みを有する。層209の屈折率は1.5〜2.4の範囲であり、従って、表面反射率を低減し、太陽電池の変換効率を上昇させる。
【００１６】
上述した態様の改変において、徐々に変化するSiOxNy層209と基板201/層203との間には、酸化シリコン(SiOx)パッシベーション層601が挟まれている(図6)。本態様は、徐々に変化する層の酸素割合が1で始まる(すなわち、窒素含量がゼロに落ちる)こと以外は先に開示した態様と概して同じである。窒素含量ゼロの最初の領域の後は、先に記載したように標準プロファイル(例えば、線形、非線形または段階的)に従って、酸素含量が低減すると共に窒素含量が上昇する。この構成において、層209および601を組み合わせた厚みは、30〜200ナノメートルの範囲、好ましくは50〜140ナノメートルの範囲にある。層601および209を組み合わせた屈折率は1.5〜2.4の範囲にある。
【００１７】
デバイス600の改変においては、徐々に変化するSiOxNy層209をSiOxNy単一組成層701(図7)に置き換える。次に、好ましくはSiNで構成されるARコーティング層703が層701に塗布される。誘電体スタックは、組み合わせられると、3〜260ナノメートルの範囲の厚み、および1.5〜2.4の範囲の屈折率を有する。
【００１８】
SiOx層601は、1〜60ナノメートルの範囲、好ましくは1〜30ナノメートルの範囲、より好ましくは5〜20ナノメートルの範囲の厚みを有する。SiOxNy層701は、1〜100ナノメートルの範囲、好ましくは1〜30ナノメートルの範囲、より好ましくは1〜20ナノメートルの範囲の厚みを有する。SiOxNy層701の酸素割合は、0.01〜0.99の範囲、好ましくは0.1〜0.9の範囲にある。SiN層703は、1〜100ナノメートルの範囲、好ましくは10〜90ナノメートルの範囲、より好ましくは40〜90ナノメートルの範囲の厚みを有する。
【００１９】
層203を形成し、誘電体層(例えば、層209、601、701および703)を形成し、接触205および207を適用するために、多種ある技術のどれもが使用でき、本発明の設計が特定の加工方法論に限定されないことが理解されよう。例示的なプロセスにおいて、SiOxNy層は、インサイチュー酸窒化シリコン積層プロセス(例えば、SiOxNyのCVD蒸着)を使用して積層される。代替的なプロセスにおいては、SiOxNy層は以下のように形成される。まず、好ましくは厚みが4ナノメートルを上回る酸化層を、例えば、熱酸化、化学酸化、またはCVD酸化物蒸着を使用して作製する。次に、この作製した酸化シリコンの全てまたは一部が、所望の厚みおよび徐々に変化する組成を有する酸窒化シリコンに変換するように、窒化層を積層する。あるいはまた、先に作製した酸化層を窒素が豊富な環境中で焼きなまして、酸化シリコンを所望の酸窒化シリコンに変換することができる。
【００２０】
太陽電池の一部の例として以下が挙げられる。
A．第1の導電型のシリコンで構成される基板と、
該基板上に配置された第2の導電型のシリコン層と、
SiOxNyで構成され、該シリコン層に近い酸素が豊富な部分から、該シリコン層から遠い窒素が豊富な部分まで変化する、該シリコン層の上に配置される徐々に変化する層と
を含む、太陽電池。
B. 前記SiOxNyの徐々に変化する層中の酸素および窒素の合計に対する、該SiOxNyの徐々に変化する層中の酸素の比率が、該徐々に変化する層の第1の領域における第1の範囲から該徐々に変化する層の第2の領域における第2の範囲までの間で変化し、該徐々に変化する層の第1の領域が前記シリコン層の近位にあり、該徐々に変化する層の第2の領域が該シリコン層の遠位にあり、該第1の範囲が0.5〜0.99であり、該第2の範囲が0.01〜0.5である、前記例のいずれか一つに記載の太陽電池。
C. 前記SiOxNyの徐々に変化する層中の酸素および窒素の合計に対する、該SiOxNyの徐々に変化する層中の酸素の比率が、該徐々に変化する層の第1の領域における第1の範囲から該徐々に変化する層の第2の領域における第2の範囲までの間で変化し、該徐々に変化する層の第1の領域が前記シリコン層の近位にあり、該徐々に変化する層の第2の領域が該シリコン層の遠位にあり、該第1の範囲が0.6〜0.99であり、該第2の範囲が0.01〜0.4である、前記例A〜Bのいずれか一つに記載の太陽電池。
D. 前記SiOxNyの徐々に変化する層中の酸素および窒素の合計に対する、該SiOxNyの徐々に変化する層中の酸素の比率が、該徐々に変化する層の第1の領域における第1の範囲から該徐々に変化する層の第2の領域における第2の範囲までの間の線形プロファイルに従い、該徐々に変化する層の第1の領域が前記シリコン層の近位にあり、該徐々に変化する層の第2の領域が該シリコン層の遠位にある、前記例A〜Cのいずれか一つに記載の太陽電池。
E. 前記SiOxNyの徐々に変化する層中の酸素および窒素の合計に対する、該SiOxNyの徐々に変化する層中の酸素の比率が、該徐々に変化する層の第1の領域における第1の範囲から該徐々に変化する層の第2の領域における第2の範囲までの間の非線形プロファイルに従い、該徐々に変化する層の第1の領域が前記シリコン層の近位にあり、該徐々に変化する層の第2の領域が該シリコン層の遠位にある、前記例A〜Dのいずれか一つに記載の太陽電池。
F. 前記SiOxNyの徐々に変化する層中の酸素および窒素の合計に対する、該SiOxNyの徐々に変化する層中の酸素の比率が、該徐々に変化する層の第1の領域における第1の範囲から該徐々に変化する層の第2の領域における第2の範囲までの間の段階的プロファイルに従い、該徐々に変化する層の第1の領域が前記シリコン層の近位にあり、該徐々に変化する層の第2の領域が該シリコン層の遠位にある、前記例A〜Eのいずれか一つに記載の太陽電池。
G. 前記徐々に変化する層が30〜200ナノメートルの厚みを有する、前記例A〜Fのいずれか一つに記載の太陽電池。
H. 前記徐々に変化する層が50〜140ナノメートルの厚みを有する、前記例A〜Gのいずれか一つに記載の太陽電池。
I. 前記徐々に変化する層が1.5〜2.4の範囲の屈折率を有する、前記例A〜Hのいずれか一つに記載の太陽電池。
J. パッシベーション層と組み合わされた前記徐々に変化する層に対応する厚みが30〜200ナノメートルである、前記例A〜Iのいずれか一つに記載の太陽電池。
K. パッシベーション層と組み合わされた前記徐々に変化する層に対応する厚みが50〜140ナノメートルである、前記例A〜Jのいずれか一つに記載の太陽電池。
L.前記徐々に変化する層および前記パッシベーション層に対応する屈折率が1.5〜2.4の範囲にある、前記例A〜Kのいずれか一つに記載の太陽電池。
M. 前記シリコン層と前記徐々に変化する層との間に挟まれた酸化シリコン(SiOx)パッシベーション層をさらに含む、前記例A〜Bのいずれか一つに記載の太陽電池。
N. 前記徐々に変化する層の上に形成されるSiN層をさらに含み、前記SiOx層、該徐々に変化する層、および該SiN層により、前記シリコン層上に配置される誘電体スタックが形成される、前記例Mに記載の太陽電池。
O. 前記誘電体スタックが1.5〜2.4の範囲の屈折率を有する、前記例Nに記載の太陽電池。
P. 前記誘電体スタックが3〜260ナノメートルの厚みを有する、前記例N〜Oのいずれか一つに記載の太陽電池。
Q. 前記SiOx層が1〜60ナノメートルの厚みを有し、前記徐々に変化する層が1〜100ナノメートルの厚みを有し、前記SiN層が1〜100ナノメートルの厚みを有する、前記例N〜Pのいずれか一つに記載の太陽電池。
R. 前記SiOx層が1〜30ナノメートルの厚みを有し、前記徐々に変化する層が1〜30ナノメートルの厚みを有し、前記SiN層が10〜90ナノメートルの厚みを有する、前記例N〜Qのいずれか一つに記載の太陽電池。
S. 前記SiOx層が5〜20ナノメートルの厚みを有し、前記徐々に変化する層が1〜20ナノメートルの厚みを有し、前記SiN層が40〜90ナノメートルの厚みを有する、前記例N〜Rのいずれか一つに記載の太陽電池。
T. 前記徐々に変化する層中の酸素および窒素の合計に対する、該徐々に変化する層中の酸素の比率が、0.01〜0.99の範囲にある、前記例N〜Sのいずれか一つに記載の太陽電池。
U. 前記徐々に変化する層中の酸素および窒素の合計に対する、該徐々に変化する層中の酸素の比率が0.1〜0.9の範囲にある、前記例N〜Tのいずれか一つに記載の太陽電池。
【００２１】
複数の図面において使用される構成要素の同一の符号は、同じ構造、または同等の機能性の構造を指すことを理解されたい。さらに、添付の図面は、本発明の範囲を限定するものではなく、例示することを意図しただけのものであり、正確な縮尺と考えられるべきではない。
【００２２】
本発明のいくつかの態様を記載しているが、上記リストは網羅することを意図したものではない。本明細書において特定の態様を例示および記載してきたが、当業者には、同じ目的を達成するために計算されたあらゆるアレンジメントが、記載した特定の態様に置き換わり得ることが理解されよう。本願は、本発明のあらゆる適応または変更にまで及ぶことが意図される。上記記載は、限定的なものではなく例示的なものであることを意図することが理解されよう。上記態様、および他の態様の組み合わせは、上記記載を検討することにより当業者には明らかであろう。
【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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【国際調査報告】
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