(57)【要約】  結晶シリコン基板を透過しようとする光を反射させることにより、短絡電流（Ｉｓｃ）を向上させることができる太陽電池を提供する。  受光面１１及び裏面１２を有する一導電型の結晶シリコン基板１０と、受光面１１または裏面１２のうちの一方の面上に設けられる他導電型の第１のシリコン層２０と、受光面１１または裏面１２のうちの他方の面上に設けられる一導電型の第２のシリコン層３０とを備え、結晶シリコン基板１０は、受光面１１に算術平均粗さＲａが１０００ｎｍ以上のテクスチャ構造を有し、裏面１２に算術平均粗さＲａが１０００ｎｍ未満の凹凸構造を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光面及び裏面を有する一導電型の結晶シリコン基板と、
前記受光面または裏面のうちの一方の面上に設けられる他導電型の第１のシリコン層と、
前記受光面または裏面のうちの他方の面上に設けられる一導電型の第２のシリコン層とを備え、
前記結晶シリコン基板は、前記受光面に算術平均粗さＲａが１０００ｎｍ以上のテクスチャ構造を有し、前記裏面に算術平均粗さＲａが１０００ｎｍ未満の凹凸構造を有する、太陽電池。
【請求項２】
前記第１のシリコン層の上に設けられる受光側透明電極、及び前記第２のシリコン層の上に設けられる裏面側透明電極をさらに備える、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記第１のシリコン層の上に設けられる受光側透明電極、及び前記裏面側透明電極の全面上に設けられる裏面側金属電極をさらに備える、請求項２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記第１のシリコン層が、第１の真性非晶質シリコン膜と、前記第１の真性非晶質シリコン膜の上に設けられる他導電型非晶質シリコン膜とから構成され、前記第２のシリコン層が、第２の真性非晶質シリコン膜と、前記第２の真性非晶質シリコン膜の上に設けられる一導電型非晶質シリコン膜とから構成される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽電池。
【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では、単結晶シリコン基板を用いた結晶シリコン系太陽電池において、入射面側に、算術平均粗さが１５００ｎｍ以下のテクスチャ構造を形成し、裏面側に、算術平均粗さが２０００ｎｍ以上のテクスチャ構造を形成することが提案されている。これにより、裏面に到達した８００ｎｍ以上の長波長光を散乱させ、広い波長範囲の光を効率的に閉じ込め、光電変換効率を向上させることができる旨記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−６１０３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来、裏面側において、乱反射光を積極的に利用した結晶シリコン基板を利用することは検討されていない。【０００５】
本発明の目的は、太陽電池の裏面側において、結晶シリコン基板を透過しようとする光を反射させることにより、短絡電流（Ｉｓｃ）を向上させることができる太陽電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の太陽電池は、受光面及び裏面を有する一導電型の結晶シリコン基板と、受光面または裏面のうちの一方の面上に設けられる他導電型の第１のシリコン層と、受光面または裏面のうちの他方の面上に設けられる一導電型の第２のシリコン層とを備え、結晶シリコン基板は、受光面に算術平均粗さＲａが１０００ｎｍ以上のテクスチャ構造を有し、裏面に算術平均粗さＲａが１０００ｎｍ未満の凹凸構造を有する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、太陽電池の裏面側において、結晶シリコン基板を透過しようとする光を反射させることにより、短絡電流（Ｉｓｃ）を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１の実施形態の太陽電池を示す模式的断面図である。
【図２】図２は、第２の実施形態の太陽電池を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の太陽電池を示す模式的断面図である。図１に示すように、太陽電池１は、結晶シリコン基板１０を備えている。本実施形態において、結晶シリコン基板１０の受光面１１には、テクスチャ構造が形成されている。結晶シリコン基板１０は、単結晶シリコンから構成されていてもよいし、多結晶シリコンから構成されていてもよい。
【００１１】
本実施形態において、受光面１１の算術平均粗さＲａは、１０００ｎｍ以上であり、好ましくは１０００ｎｍ以上６０００ｎｍ以下であり、さらに好ましくは１０００ｎｍ以上４０００ｎｍ以下である。受光面１１の算術平均粗さＲａが、上記範囲より小さいと、テクスチャ構造のサイズが太陽電池セルが主に吸収する波長帯と同程度になり、テクスチャ構造による反射抑制効果が低減する。また、受光面１１の算術平均粗さＲａが、上記範囲より大きすぎると、テクスチャ構造形成に必要なエッチング量が多くなることからテクスチャ構造形成後の結晶シリコン基板１０の厚みが薄くなり、光電変換に光を十分に寄与させることができず、短絡電流が減少する。
【００１２】
本実施形態において、裏面１２の算術平均粗さＲａは、１０００ｎｍ未満であり、好ましくは３００ｎｍ以上１０００ｎｍ未満である。裏面１２の算術平均粗さＲａが、上記範囲より大きいと、受光面１１と同様に形成に必要なエッチング量が多くなることからテクスチャ構造形成後の結晶シリコン基板１０の厚みが薄くなり、光電変換に光を十分に寄与させることができず、短絡電流が減少する。また、裏面１２の算術平均粗さＲａが、上記範囲より小さすぎると、平面に近い表面形状となり、光の散乱が生じにくくなる。
【００１３】
本実施形態において、結晶シリコン基板１０は、ｎ型の単結晶シリコン基板である。受光面１１の上には、第１のシリコン層であるｐ型の非晶質シリコン層２０が設けられている。非晶質シリコン層２０は、受光面１１上に形成される、第１のｉ型（真性）非晶質シリコン膜２１と、第１のｉ型非晶質シリコン膜２１の上に形成される、ｐ型非晶質シリコン膜２２から構成されている。
【００１４】
裏面１２の上には、第２のシリコン層であるｎ型の非晶質シリコン層３０が設けられている。非晶質シリコン層３０は、裏面１２の上に形成される、第２のｉ型（真性）非晶質シリコン膜３１と、第２のｉ型非晶質シリコン膜３１の上に形成される、ｎ型非晶質シリコン膜３２から構成されている。
【００１５】
光電変換部４０は、結晶シリコン基板１０、非晶質シリコン層２０及び非晶質シリコン層３０から構成されている。なお、本実施形態における「非晶質シリコン」には、微結晶シリコンを含むものとする。微結晶シリコンとは、非晶質シリコン中にシリコン結晶が析出しているものをいう。
【００１６】
非晶質シリコン層２０の上には、受光面側透明電極５０が設けられている。非晶質シリコン層３０の上には、裏面側透明電極６０が設けられている。透明電極５０の上には、金属電極５１が設けられている。透明電極６０の上にも、金属電極６１が設けられている。
【００１７】
第１のｉ型非晶質シリコン膜２１は、例えば、水素を含むアモルファスの真性シリコン半導体膜である。ここで、真性の半導体膜とは、含有されるｐ型又はｎ型のドーパントの濃度が５×１０１８／ｃｍ３以下である、または、ｐ型及びｎ型のドーパントが同時に含まれる場合にはｐ型又はｎ型のドーパント濃度の差が５×１０１８／ｃｍ３以下である半導体膜をいう。第１のｉ型非晶質シリコン膜２１は、光の吸収をできるだけ抑えられるように薄くし、一方で結晶シリコン基板１０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適である。第１のｉ型非晶質シリコン膜２１の膜厚は、１ｎｍ以上２５ｎｍ以下であり、好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
【００１８】
第１のｉ型非晶質シリコン膜２１は、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、Ｃａｔ−ＣＶＤ（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタリング法等により形成することができる。ＰＥＣＶＤは、ＲＦプラズマＣＶＤ法、周波数の高いＶＨＦプラズマＣＶＤ法、さらにはマイクロ波プラズマＣＶＤ法などいずれの手法を用いてもよい。本実施形態では、ＲＦプラズマＣＶＤ法を用いる場合について説明する。例えば、シラン（ＳｉＨ４）等のケイ素含有ガスを水素で希釈して供給し、平行平板電極等にＲＦ高周波電力を印加してプラズマ化して、加熱された結晶シリコン基板１０の成膜面に供給することによって形成することができる。成膜時の基板温度は１５０℃以上２５０℃以下、ＲＦ電力密度は１ｍＷ／ｃｍ２以上１０ｍＷ／ｃｍ２以下であることが好ましい。
【００１９】
ｐ型非晶質シリコン膜２２は、ｐ型の導電型のドーパントを含む非晶質半導体膜である。例えば、ｐ型非晶質シリコン膜２２は、水素を含有するアモルファスシリコンから形成される。ｐ型非晶質シリコン膜２２は、第１のｉ型非晶質シリコン膜２１よりも膜中のｐ型のドーパントの濃度が高くされる。例えば、ｐ型非晶質シリコン膜２２は、ｐ型のドーパントの濃度を１×１０２０／ｃｍ３以上とすることが好適である。ｐ型非晶質シリコン膜２２の膜厚は、光の吸収をできるだけ抑えられるように薄くすることが好適である一方で、結晶シリコン基板１０内で発生したキャリアがｐｎ接合部で効果的に分離され、かつ、発生したキャリアが透明電極５０で効率よく収集される程度に厚くすることが好適である。
【００２０】
ｐ型非晶質シリコン膜２２も、ＰＥＣＶＤ、Ｃａｔ−ＣＶＤ、スパッタリング法等により形成することができる。ＰＥＣＶＤは、ＲＦプラズマＣＶＤ法を適用することができる。例えば、シラン（ＳｉＨ４）等のケイ素含有ガス及びジボラン（Ｂ２Ｈ６）等のｐ型ドーパント含有ガスを水素で希釈して供給し、平行平板電極等にＲＦ高周波電力を印加してプラズマ化して、加熱された結晶シリコン基板１０のｉ型非晶質シリコン膜２１上に供給することによって形成することができる。なお、成膜時の基板温度は１５０℃以上２５０℃以下、ＲＦ電力密度は１ｍＷ／ｃｍ２以上１０ｍＷ／ｃｍ２以下とすることが好ましい。
【００２１】
第２のｉ型非晶質シリコン膜３１は、結晶シリコン基板１０の裏面１２上に形成される。すなわち、第１のｉ型非晶質シリコン膜２１及びｐ型非晶質シリコン膜２２を形成後、結晶シリコン基板１０の表裏を反転させ、結晶シリコン基板１０の裏面１２上に形成される。例えば、第２のｉ型非晶質シリコン膜３１は、水素を含むアモルファスの真性シリコン半導体膜とされる。ｉ型非晶質シリコン膜３１の膜厚は、第１のｉ型非晶質シリコン膜２１と同様に、１ｎｍ以上２５ｎｍ以下であり、好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
【００２２】
第２のｉ型非晶質シリコン膜３１は、ＰＥＣＶＤ、Ｃａｔ−ＣＶＤ、スパッタリング法等により形成することができる。ＰＥＣＶＤは、ＲＦプラズマＣＶＤ法を適用することができる。例えば、シラン（ＳｉＨ４）等のケイ素含有ガスを水素で希釈して供給し、平行平板電極等にＲＦ高周波電力を印加してプラズマ化して、加熱された結晶シリコン基板１０の成膜面に供給することによって形成することができる。成膜時の基板温度は、第１のｉ型非晶質シリコン膜２１と同様に、１５０℃以上２５０℃以下、ＲＦ電力密度は１ｍＷ／ｃｍ２以上１０ｍＷ／ｃｍ２以下であることが好ましい。
【００２３】
ｎ型非晶質シリコン膜３２は、ｎ型の導電型のドーパントを含む非晶質半導体膜からなる。例えば、ｎ型非晶質シリコン膜３２は、水素を含有するアモルファスシリコンから形成される。ｎ型非晶質シリコン膜３２は、第２のｉ型非晶質シリコン膜３１よりも膜中のｎ型のドーパントの濃度が高くされる。例えば、ｎ型非晶質シリコン膜３２は、ｎ型のドーパントの濃度を１×１０２０／ｃｍ３以上とすることが好適である。ｎ型非晶質シリコン膜３２の膜厚は、光の吸収をできるだけ抑えられるように薄くすることが好適である一方で、結晶シリコン基板１０内で発生したキャリアをＢＳＦ（Ｂａｃｋ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｆｉｅｌｄ）構造により効果的に分離しつつ、発生したキャリアを透明電極６０で効率よく収集される程度に厚くすることが好適である。
【００２４】
ｎ型非晶質シリコン膜３２も、ＰＥＣＶＤ、Ｃａｔ−ＣＶＤ、スパッタリング法等により形成することができる。ＰＥＣＶＤは、ＲＦプラズマＣＶＤ法を適用することができる。例えば、シラン（ＳｉＨ４）等のケイ素含有ガス及びホスフィン（ＰＨ３）等のｎ型ドーパント含有ガスを水素で希釈して供給し、平行平板電極等にＲＦ高周波電力を印加してプラズマ化して、加熱された結晶シリコン基板１０の第２のｉ型非晶質シリコン膜３１上に供給することによって形成することができる。なお、成膜時の基板温度は１５０℃以上２５０℃以下、ＲＦ電力密度は１ｍＷ／ｃｍ２以上１０ｍＷ／ｃｍ２以下とすることが好ましい。
【００２５】
なお、上記の実施形態では受光面１１側の第１のｉ型非晶質シリコン膜２１およびｐ型非晶質シリコン膜２２を形成した後、結晶シリコン基板１０を反転させ、裏面１２側の第２のｉ型非晶質シリコン膜３１およびｎ型非晶質シリコン膜３２を形成するとしたが、これらの形成順序は逆にしてもよい。
【００２６】
透明電極５０及び６０は、例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの透明導電性酸化物等から形成することができる。金属電極５１及び６１は、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎなどの金属や、それらの金属の少なくとも一種を含む合金や樹脂等から形成することができる。
【００２７】
上述のように、本実施形態では、結晶シリコン基板１０の受光面１１に、テクスチャ構造が形成されている。受光面１１に形成されたテクスチャ構造の凹凸は、第１のｉ型非晶質シリコン膜２１及びｐ型非晶質シリコン膜２２に引き継がれている。裏面１２に形成された表面構造の凹凸も同様に、第２のｉ型非晶質シリコン膜３１及びｎ型非晶質シリコン膜３２に引き継がれている。
【００２８】
テクスチャ構造は、例えば、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等のアルカリ水溶液を用いて結晶シリコン基板１０の（１００）面を異方性エッチングすることにより形成することができる。（１００）面を有する結晶シリコン基板１０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、結晶シリコン基板１０の受光面１１及び裏面１２に四角錐状の凸部が多数形成される。エッチング液に含まれるアルカリ水溶液の濃度は、例えば、１．０重量％〜７．５重量％であることが好ましい。
【００２９】
また、フッ酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ３）の混合溶液、フッ酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ３）と酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）の混合溶液を用いたウェットエッチングや、四フッ化メタン（ＣＦ４）と酸素（Ｏ２）の混合ガスを用いたドライエッチングなどで、テクスチャ構造を形成してもよい。
【００３０】
本実施形態では、受光面１１の算術平均粗さＲａが１０００ｎｍ以上であり、裏面１２の算術平均粗さＲａが１０００ｎｍ未満である。すなわち、受光面１１では、大きな凹凸のテクスチャ構造が形成され、裏面１２では、小さな凹凸構造が形成されている。したがって、受光面１１と裏面１２とで、異なる機能を付与することができる。受光面１１では、大きな凹凸のテクスチャ構造を形成することにより、入射光を散乱させて、結晶シリコン基板１０における光路長を長くし、受光効率を高めることができる。一方、裏面１２では、小さな凹凸構造を形成することにより、光の反射率を高めることができる。したがって、結晶シリコン基板１０を透過しようとする光を効率よく反射し、結晶シリコン基板１０に再入射させることができる。このため、短絡電流（Ｉｓｃ）を向上させることができる。
【００３１】
また、裏面１２に結晶シリコン基板の面方位に依存しない表面を有する凹凸構造とすることにより、光の入射角度に依存しない乱反射が生じるようにできる。また効果として、観察角度に因らない一様なセルの外観が得られる。透明バックシートを使用した太陽電池モジュールを裏面側から観察する場合を例に挙げると、結晶シリコン基板の面方位を使用した場合はモジュールに対する観察角度によりセル裏面側の光の反射強度が変化するが、本実施形態の面方位に依存しない表面を有するセルを使う事で観察角度に因らない一様な外観が得られる。
【００３２】
裏面１２の表面構造の凹凸を受光面１１のテクスチャ構造の凹凸より小さくし、かつ、結晶シリコン基板の面方位に依存しない構造とする方法としては、例えば、以下の方法が挙げられる。
【００３３】
（１）受光面１１と裏面１２とで、異なるエッチング処理を施す。例えば、受光面１１と裏面１２とで、種類または濃度などが異なるエッチング液を用いる。あるいは、受光面１１と裏面１２とで、ドライエッチングとウェットエッチングなどのように、エッチング方法を変える。
【００３４】
（２）裏面１２に、有機物やシリコン酸化物等のエッチング阻害物質が付着した状態で、受光面１１及び裏面１２をウェットエッチング処理する。結晶シリコン基板は、スライスされた直後においては、その表面に有機物等の汚れが付着している。この汚れを、裏面１２に対しては除去せずに残した状態で、エッチング処理する方法が挙げられる。あるいは、積極的に裏面１２に有機物等を塗布してエッチング処理してもよい。
【００３５】
（３）受光面１１に大きな凹凸のテクスチャ構造と裏面１２に小さな凹凸のテクスチャ構造を形成した後、両面にテクスチャ構造を崩すような処理を行う。具体的な処理としては、例えば、フッ硝酸によるエッチングを施すと、大きな凹凸の受光面側はテクスチャ谷部のみのラウンドエッチングとなるが、小さな凹凸の裏面側は結晶面を保持しないまでにエッチングされる。
【００３６】
（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態の太陽電池２を示す模式的断面図である。本実施形態では、図２に示すように、裏面側透明電極６０の上に、金属電極７０が形成されている。金属電極７０は、スパッタリング、蒸着、化学気相成長法、印刷やめっき等の薄膜形成方法により形成することができる。
【００３７】
その他の構成については、図１に示す第１の実施形態と同様である。
【００３８】
本実施形態のように、裏面１２側に金属電極７０が形成されていると、結晶シリコン基板１０を透過しようとする光は、金属電極７０に吸収されやすくなる。しかしながら、本実施形態では、裏面１２に、小さな凹凸構造が形成されている。このため、光の反射率が高められており、結晶シリコン基板１０を透過しようとする光は、裏面１２で反射されるので、結晶シリコン基板１０における光電変換効率を高めることができる。
【００３９】
上記実施形態では、裏面１２にテクスチャ構造を形成しているが、これに限定されるものではない。裏面１２にテクスチャ構造を形成せずに、裏面１２の算術平均粗さＲａを１０００ｎｍ未満にしてもよい。
【００４０】
本実施形態においては、非晶質シリコン層２０及び３０に、それぞれｉ型非晶質シリコン薄膜２１及び３１を設けているが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、非晶質シリコン層２０をｐ型非晶質シリコン膜２２のみから形成し、非晶質シリコン層３０をｎ型非晶質シリコン膜３２のみから形成してもよい。
【００４１】
また、本発明における第１のシリコン層及び第２のシリコン層は、ドーパントを結晶シリコン基板１０の表面に拡散することにより形成してもよい。
【００４２】
本実施形態においては、結晶シリコン基板１０として、ｎ型の単結晶シリコン基板を用いているが、ｐ型の単結晶シリコン基板を用いてもよい。また、非晶質シリコン層２０をｎ型、非晶質シリコン層３０をｐ型とし、受光面側と裏面側の極性を上記実施形態と入れ替えた構成としてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１，２…太陽電池
１０…結晶シリコン基板
１１…受光面
１２…裏面
２０…ｐ型の非晶質シリコン層
２１…第１のｉ型非晶質シリコン膜
２２…ｐ型非晶質シリコン膜
３０…ｎ型の非晶質シリコン層
３１…第２のｉ型非晶質シリコン膜
３２…ｎ型非晶質シリコン膜
４０…光電変換部
５０…受光面側透明電極
５１…金属電極
６０…裏面側透明電極
６１…金属電極
７０…金属電極
【図１】
2015045809.tif 000003
【図２】
2015045809.tif 000004
【国際調査報告】
2015045809.tif 000005
2015045809.tif 000006