(57)【要約】【課題】溝と電極を形成しやすく、溝でのキャリアの再結合が起こりにくい変換効率を向上させた太陽電池を提供する。【解決手段】結晶半導体基板の一面側に受光面が形成され、他面側にｐ型半導体層１９とｎ型半導体層２０とが交互に配設された太陽電池１０において、ｐ型半導体層１９とｎ型半導体層２０とが結晶半導体基板の他面に設けられた断面形状が三角形であるＶ溝１８に交互に形成され、Ｖ溝１８が同一電極材料で充填されている。【選択図】　図１
2004047825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の一面側に受光面が形成され、他面側にｐ型半導体層とｎ型半導体層とが交互に配設された太陽電池において、
前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層とが前記半導体基板の前記他面側に設けられた断面形状が三角形であるＶ溝に交互に形成され、
前記Ｖ溝が同一電極材料で充填されていることを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
前記Ｖ溝の外側の電気的接触部以外に光電変換により発生した電子および正孔の再結合を防止する再結合防止膜を形成し、
前記再結合防止膜を介して前記電極材料が前記Ｖ溝に充填され、
前記電気的接触部で前記電極材料が前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層とオーミック接触していることを特徴とする請求項１記載の太陽電池。
【請求項３】
前記半導体基板は結晶シリコンであり、前記ｐ型半導体層はｐ型シリコン層であり、前記ｎ型半導体層はｎ型シリコン層であることを特徴とする請求項１または２記載の太陽電池。
【請求項４】
前記再結合防止膜は酸化膜からなることを特徴とする請求項２記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池に関し、特に、太陽電池の光電変換効率を向上させるための構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、受光面の面積をなるべく大きく確保するために、電極を受光面と反対側に形成した太陽電池が開発されている。例えば、特開平３−１６５５７８号公報に、結晶シリコン基板のいずれか一方の面に、ｐ＋型シリコン層とｎ＋シリコン層とが正極および負極として交互に配設された太陽電池が開示されている。
【０００３】
従来例に係る太陽電池の部分断面図において、ｐ型の結晶シリコン基板の裏面側にｐ＋型シリコン層からなるＵ字形状の溝と、ｎ＋型シリコン層からなるＵ字形状の溝が形成されている。また、ｎ＋型シリコン層からなる溝の中には銀により構成された負電極用金属が埋め込まれており、ｐ＋型シリコン層からなる溝の中にはアルミニウム・シリコン合金により構成された正電極用金属が埋め込まれている。
【０００４】
従来例に係る太陽電池によれば、ｐ＋型シリコン層、ｎ＋型シリコン層とこれらに埋め込まれた正電極用金属および負電極用金属との接触面積を増大させ、これらの間の接触抵抗を低減できる。また、正電極用金属と負電極用金属の厚みを増大させることができるので、電極用金属を流れる電流に対する電気抵抗も低減することができる。また、ｐ＋型シリコン層、ｎ＋型シリコン層は、上述したように溝形状となっているので、この凹部と結晶シリコン基板の受光面との距離が短縮され、キャリア再結合せずに電極に到達するキャリア（自由電子、自由正孔）が増加することにより光電変換効率を向上できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、受光面の裏面側に形成された溝がＵ字形状をしているため、その溝を形成しにくいという問題点があった。また、上記従来技術においては、負電極用金属として銀を使用し、正電極用金属としてアルミニウム・シリコン合金を使用している。この場合、電極を形成するときに２種の電極材料を正電極となる溝と負電極となる溝に別々に充填しなくてはならず製造が容易ではないという問題点がある。さらに、アルミニウム・シリコン合金の形成時において、その合金化のために７５０℃程度の高温処理をする必要があるため、電極用金属の電気抵抗を高め、また、溝全面で電極材料とシリコンが接合しオーミック接触を形成するため電気的接触部の面積の増大によりキャリアの再結合を促進するので、太陽電池特性を劣化させるという問題点がある。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題を解決するため、溝と電極を形成しやすく、溝でのキャリアの再結合が起こりにくい変換効率を向上させた太陽電池を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明に係る太陽電池は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
【０００８】
第１の太陽電池（請求項１に対応）は、半導体基板の一面側に受光面が形成され、他面側にｐ型半導体層とｎ型半導体層とが交互に配設された太陽電池において、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とが半導体基板の他面側に設けられた断面形状が三角形であるＶ溝に交互に形成され、Ｖ溝が同一電極材料で充填されていることで特徴づけられる。
【０００９】
第１の太陽電池によれば、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とが結晶半導体基板の他面に設けられた断面形状が三角形であるＶ溝に交互に形成され、Ｖ溝が同一電極材料で充填されているため、溝を形成することが容易であり、また、２種の電極材料を用いるときのように正電極となる溝と負電極となる溝に別々に電極材料を充填する必要がないので、電極を容易に形成することが可能な太陽電池を得ることができる。
【００１０】
第２の太陽電池（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくはＶ溝の外側の電気的接触部以外に光電変換により発生した電子および正孔の再結合を防止する再結合防止膜を形成し、再結合防止膜を介して電極材料がＶ溝に充填され、電気的接触部で電極材料がｐ型半導体層およびｎ型半導体層とオーミック接触していることことで特徴づけられる。
【００１１】
第２の太陽電池によれば、Ｖ溝の外側の電気的接触部以外に光電変換により発生した電子および正孔の再結合を防止する再結合防止膜を形成し、再結合防止膜を介して電極材料がＶ溝に充填され、電気的接触部部で電極材料がｐ型半導体層およびｎ型半導体層とオーミック接触しているため、溝でのキャリアの再結合が起こりにくく、電気的接触部が面積を小さく、かつ接触抵抗を小さくでき、また、電極自身の電気抵抗も小さくできるので、変換効率を向上させた太陽電池を得ることができる。
【００１２】
第３の太陽電池（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは半導体基板は結晶シリコンであり、ｐ型半導体層はｐ型シリコン層であり、ｎ型半導体層はｎ型シリコン層であることで特徴づけられる。
【００１３】
第３の太陽電池によれば、半導体基板は結晶シリコンであり、ｐ型半導体層はｐ型シリコン層であり、ｎ型半導体層はｎ型シリコン層であるため、容易に安い価格で高効率の太陽電池を得ることができる。
【００１４】
第４の太陽電池（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくは再結合防止膜は酸化膜からなることで特徴づけられる。
【００１５】
第４の太陽電池によれば、再結合防止膜は酸化膜からなるため、容易に再結合防止膜を形成することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１と図２は、本実施形態に係る太陽電池の一部の断面図と、受光面とは反対側の面の電極パターンを示す平面図である。太陽電池１０は、受光部１１とキャリア生成部１２と電極部１３から形成される。受光部１１は、テクスチャー構造をしており、その構造の表面には、反射防止膜１４で覆われている。反射防止膜１４としては、例えば酸化チタン（ＴｉＯ２）と酸化シリコン（ＳｉＯ２）とからなる薄膜が用いられる。受光部１１をこの反射防止膜１４で覆われたテクスチャー構造にすることにより、入射された光がより多くキャリア生成部１２に入るようになり、太陽電池１０の変換効率を上げることができる。
【００１８】
キャリア生成部１２は、半導体１５から成り、受光部１１から入射された光、特に半導体１５のバンドギャップ以上のエネルギーを持つ光により、価電子帯の電子が伝導帯に励起され、伝導帯に自由電子が生成され、価電子帯に自由正孔が生成されるものである。自由電子と自由正孔をキャリアと呼ぶ。そして、このキャリア生成部１２で生成されたキャリアのうち再結合する前に、拡散により電極部１３に到達することにより、電極部１３により電流を取り出すことができる。それゆえ、キャリアの再結合が起こりにくい、すなわち、キャリア寿命が長い半導体を用いることにより、太陽電池１０の変換効率を上げることができる。そのため、このキャリア生成部１２に用いる半導体１５としては高抵抗の結晶シリコンが用いられる。
【００１９】
電極部１３は、キャリア生成部１２で生成されたキャリアを電流として取り出すところである。この電極部１３は、半導体１５の受光部１１側とは、反対側の面に形成される。電極部１３は、正電極１６と負電極１７とが半導体１５の面に断面形状が三角形であるＶ溝１８に交互に形成されている。Ｖ溝１８には、ｐ＋半導体層１９とｎ＋半導体層２０とが交互に形成されている。また、ｐ＋半導体層１９とｎ＋半導体層２０が形成されたＶ溝１８の表面には、酸化膜２１により覆われている。Ｖ溝１８には、同一電極材料、例えば銀２２で充填されている。Ｖ溝１８の底部２３は、酸化膜をファイヤースルーすることにより、電極材料が直接半導体と接合し、電気的接触部２４，２５を形成する。電気的接触部２４，２５では、電極材料がｐ＋型半導体層１９およびｎ＋型半導体層２０とオーミック接触している。電極部１３では、Ｖ溝１８の底部２３以外は、酸化膜がファイヤースルーしていない絶縁膜として電極材料と半導体１５の間に存在するので、Ｖ溝１８の外側の電気的接触部２４以外に光電変換により発生したキャリア、すなわち自由電子および自由正孔の再結合を防止することができる。それゆえ、その酸化膜２１を再結合防止膜と呼ぶ。また、電極部１３を形成する面には、パシベーション膜、たとえば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）が堆積されている。
【００２０】
次に、本実施形態に係る太陽電池１０の動作を説明する。太陽電池１０の受光部１１の受光面から入射された光は、テクスチャー構造の反射防止膜１４を形成した受光面により、反射が抑えられ、半導体１５内に透過する。半導体１５内に透過した光のうち、半導体１５のバンドギャップ以上のエネルギーを持つ光は、キャリア生成部１２において、価電子帯の電子を伝導帯に励起し、価電子帯には自由正孔を生じ、伝導帯には自由電子を生成する。自由電子と自由正孔は半導体１５中を拡散し、一部は、再結合し、一部は、電極部１３に到達する。半導体として、不純物の少ない高抵抗の半導体を用いているため、再結合を起こすキャリアの量は少なく、再結合せずに電極部１３に到達するキャリアの量は多い。
【００２１】
キャリアのうち、自由電子は、ｎ＋半導体層２０と電気的接触部２５を通して負電極１７に流れ込み、自由正孔はｐ＋半導体層１９と電気的接触部２４を通して正電極１６に流れ込む。このとき、Ｖ溝１８の電気的接触部２４，２５以外は、酸化膜２１による再結合防止膜が形成されているため、Ｖ溝１８の表面でのキャリアの再結合が抑えられ、電極部１３に到達したキャリアは、Ｖ溝１８の底部２３に形成された電気的接触部２４，２５から、銀で形成された電極１６，１７に流れ込む。これにより、電流を取り出すことができる。
【００２２】
このとき、Ｖ溝１８の底部２３近辺のみが電気的接触部であるため、電極面積が小さく、そのため、開放端電圧（ＶＯＣ）を増加することができる。また、電極は、Ｖ溝内で電気的接触部から上部にいくにしたがって面積が広くなっていくので、電極の金属内を電流が流れるときの電気抵抗が小さくなるため、フィルファクタ（ＦＦ）が大きくなる。さらに、Ｖ溝の大部分が酸化膜による再結合防止膜により覆われているため、電極部付近でのキャリア再結合が抑えられ、キャリア生成部で生成されたキャリアの多くが電気的接触部から電極に流れ込む。これらにより、変換効率を向上することができる。また、ｐ＋半導体層１９とｎ＋半導体層２０と受光部１１が近いため、半導体基板を薄くする必要がないので、半導体基板あるいはその基板を用いた太陽電池は割れにくく強固なものとなる。
【００２３】
次に、本実施形態に係る太陽電池の製造方法を図３により説明する。まず、厚さ約２５０μｍ（ミクロン）の高抵抗シリコン（１００）基板２６の両面に酸化膜を形成する。この酸化膜形成は、例えば、熱酸化で行う。その後、シリコン基板の一方の面に形成された酸化膜をフォトリソグラフィーやレーザエッチング等により、所定の幅、例えば、１００μｍの幅で、３００μｍの間隔でストライプ状に除去する。
【００２４】
その後、水酸化カリウム（ＫＯＨ）あるいは、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）等により異方性エッチングを行い、断面形状が三角形のストライプ状のＶ溝を３００μｍ間隔に形成する。
【００２５】
次に、その基板を拡散炉の中に入れ、リンを拡散する。それにより、図（３ａ）で示すようにＶ溝２７を形成するシリコン部分にｎ＋型シリコン層２８が形成される。また、このとき、拡散炉の中で、リンの材料となるガスを止め、その後、酸素だけを導入することにより、リンを拡散したＶ溝２７の表面が酸化膜で覆われる。
【００２６】
次に、Ｖ溝２７の３００μｍ幅の間の酸化膜２０のＶ溝２７からの距離が１００μｍになるように、１００μｍ幅に酸化膜２７をフォトリソグラフィーやレーザエッチングなどにより除去する。
【００２７】
その後、水酸化カリウム（ＫＯＨ）あるいは、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）等により異方性エッチングを行い、断面形状が三角形のストライプ状のＶ溝を１００μｍ間隔に形成する。
【００２８】
次に、その基板を拡散炉の中に入れ、ボロンを拡散する。それにより、図３（ｂ）で示すようにｎ＋型シリコン層２８が形成されたＶ溝２７の間のＶ溝３０を形成するシリコン部分にｐ＋型シリコン層３１が形成される。また、このとき、拡散炉の中で、ボロンの材料となるガスを止め、その後、酸素だけを導入することにより、ボロンを拡散したＶ溝３０の表面が酸化膜で覆われる。
【００２９】
そのシリコン基板２６のもう一方の表面を覆う酸化膜を除去し、水酸化カリウム（ＫＯＨ）あるいは、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）等により異方性エッチングを行い、断面形状が三角形のストライプ状のテクスチャー構造を形成する。そして、拡散炉によりドライ酸化を行うことにより、もう一方の面も酸化膜が形成される（図３（ｃ））。
【００３０】
その後、両面に酸化チタン（ＴｉＯ２）をスッパタリングなどにより常温で堆積する。これにより、もう一方の面にテクスチャー構造の反射防止膜を有する受光面が形成される。
【００３１】
次に、図３（ｄ）で示すように、ｐ＋シリコン層と、ｎ＋型シリコン層を有し、表面が酸化膜で覆われたＶ溝２７，３０に銀ペースト３２を埋め込む。このとき、Ｖ溝の底部近傍だけに銀ペーストを入れ、一度焼成することにより、底部のみシリコンと銀との電気的接触を形成する。その後、Ｖ溝全体に銀を埋め込み、前の焼成温度より低い温度で焼成する。その後、接触抵抗を低減し、またキャリア寿命を向上させために、水素雰囲気中でアニールする。これにより、Ｖ溝内の底部以外は、電気的接触を形成しない。
【００３２】
その後、電極部側の面を保護フィルムで多い、導電性インクを塗布することにより配線を形成し、ダイシングすることにより太陽電池が作製される。
【００３３】
なお、本実施形態においては、半導体として結晶シリコンを用いて説明したが、半導体として結晶シリコンに限らず、他の半導体、例えば、ひ化ガリウム（ＧａＡｓ）などの半導体を用いることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、次の効果を奏する。
【００３５】
ｐ型半導体層とｎ型半導体層とが結晶半導体基板の裏面に設けられた断面形状が三角形であるＶ溝に交互に形成され、Ｖ溝が同一電極材料で充填されているため、溝を形成することが容易であり、また、２種の電極材料を用いるときのように正電極となる溝と負電極となる溝に別々に充填する必要がないので、電極を容易に形成することが可能な太陽電池を得ることができる。また、Ｖ溝の外側の電気的接触部以外に光電変換により発生した電子および正孔の再結合を防止する再結合防止膜を形成し、再結合防止膜を介して電極材料がＶ溝に充填され、電気的接触部で電極材料がｐ型半導体層およびｎ型半導体層とオーミック接触しているため、開放端電圧（ＶＯＣ）を増加することができる。さらに、電極は、Ｖ溝内で電気的接触部から上部にいくにしたがって面積が広くなっていくので、電極の金属内を電流が流れるときの電気抵抗が小さくなるため、フィルファクタ（ＦＦ）が大きくなる。また、、Ｖ溝の大部分が酸化膜による再結合防止膜により覆われているため、電極部付近でのキャリア再結合が抑えられ、キャリア生成部で生成されたキャリアの多くが電気的接触部から電極に流れ込む。これらにより、変換効率を向上させた太陽電池を低コストで得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る太陽電池の一部の断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る太陽電池の一部の受光面とは反対側の面の電極パターンを示す平面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。
【符号の説明】
１０　　　　　太陽電池
１１　　　　　受光部
１２　　　　　キャリア生成部
１３　　　　　電極部
１４　　　　　反射防止膜
１５　　　　　半導体
１６　　　　　正電極
１７　　　　　負電極
１８　　　　　Ｖ溝
１９　　　　　ｐ＋半導体層
２０　　　　　ｎ＋半導体層
２１　　　　　酸化膜
２２　　　　　銀
２３　　　　　底部
２４，２５　　電気的接触部
【図１】
2004047825.tif 000003
【図２】
2004047825.tif 000004
【図３】
2004047825.tif 000005