(57)【要約】  本発明は、第１の伝導型の結晶半導体材料からなる吸収体と、ヘテロ接触太陽電池の前面側に設けられ、吸収体よりも高くドーピングされた第１の伝導型のアモルファス半導体層と、ドーピングされた第１の伝導型のアモルファス半導体層の前面側に設けられた導電性の透明な前面伝導層と、ヘテロ接触太陽電池の前面の上にある、互いに間隔をおく接触構造を有する前面接触部と、ヘテロ接触太陽電池の裏面側に設けられた、ヘテロ接触太陽電池の第１の伝導型と反対の第２の伝導型のエミッタと、ヘテロ接触太陽電池の裏面に配置された裏面接触部とを有する、前面で太陽放射の入射が意図されているヘテロ接触太陽電池に関する。さらに本発明は、このような種類のヘテロ接触太陽電池を製造する方法に関する。本発明の課題は、ヘテロ接触太陽電池におけるエミッタに起因する吸収損失を除去し、それにもかかわらず、ヘテロ接触太陽電池を製造するための標準型テクノロジーを引き続き適用することができる、ヘテロ接触太陽電池コンセプトおよびそのような太陽電池を製造するためのテクノロジーを提供することにある。
2015516692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の伝導型の結晶半導体材料からなる吸収体（１）と、ヘテロ接触太陽電池（１０）の前面側に設けられ、前記吸収体（１）よりも高くドーピングされた第１の伝導型のアモルファス半導体層（３）と、ドーピングされた第１の伝導型の前記アモルファス半導体層（３）の前面側に設けられた透明な前面被覆層と、前記ヘテロ接触太陽電池（１０）の前面（１１）の上にある、互いに間隔をおく接触構造（５）を有する前面接触部と、前記ヘテロ接触太陽電池（１０）の裏面側に設けられた、第１の伝導型と反対の第２の伝導型のエミッタ（７）と、前記ヘテロ接触太陽電池（１０）の裏面（１２）に配置された裏面接触部とを有し、前記前面被覆層は前面のドーピングされたアモルファス半導体層（３）と前記前面接触部との間に設けられた導電性の透明な前面伝導層（４）である、前面（１１）で太陽放射（１３）の入射が意図されているヘテロ接触太陽電池（１０）において、
前記裏面接触部は前記ヘテロ接触太陽電池（１０）の裏面（１２）の面全体にわたって延びる裏面接触層（９）を有しており、前記前面伝導層（４）は７×１０−４から５０×１０−４Ωｃｍの範囲内の、好ましくは１１×１０−４Ωｃｍを超える範囲内の、特に１４×１０−４Ωｃｍを超える範囲内の抵抗率を有していることを特徴とするヘテロ接触太陽電池。
【請求項２】
前記エミッタ（７）と前記裏面接触部の間には、７×１０−４から５０×１０−４Ωｃｍの範囲内の、好ましくは１１×１０−４Ωｃｍを超える範囲内の、特に１４×１０−４Ωｃｍを超える範囲内の抵抗率を有する導電性の透明な裏面伝導層（８）が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のヘテロ接触太陽電池。
【請求項３】
前記前面伝導層（４）と前記裏面伝導層（８）は同じ固有の光学的および電気的な特性を有していることを特徴とする、請求項１または２に記載のヘテロ接触太陽電池。
【請求項４】
前記前面伝導層（４）と前記裏面伝導層（８）は同じドーピングおよびこれに伴って同じ抵抗率を有していることを特徴とする、請求項３に記載のヘテロ接触太陽電池。
【請求項５】
前記前面伝導層（４）と前記裏面伝導層（８）はそれぞれ別様にドーピングされていることを特徴とする、請求項２または３に記載のヘテロ接触太陽電池。
【請求項６】
前記前面伝導層（４）と前記裏面伝導層（８）は５５０ｎｍから１２００ｎｍの波長領域で８５％を超える透過性を有していることを特徴とする、請求項２から５のいずれか１項に記載のヘテロ接触太陽電池。
【請求項７】
前記裏面伝導層（８）は赤外スペクトル領域で前記前面伝導層（４）よりも高い透過性を有していることを特徴とする、請求項２から６のいずれか１項に記載のヘテロ接触太陽電池。
【請求項８】
前記前面伝導層（４）および／または前記裏面伝導層（８）は少なくとも１つのインジウム・スズ酸化物層を含んでいることを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項に記載のヘテロ接触太陽電池。
【請求項９】
前記前面伝導層（４）および／または前記裏面伝導層（８）はアルミニウムでドーピングされた少なくとも１つの亜鉛酸化物層を含んでいることを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項に記載のヘテロ接触太陽電池。
【請求項１０】
前記前面伝導層（４）および／または前記裏面伝導層（８）は少なくとも１つのインジウム酸化物層を含んでいることを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項に記載のヘテロ接触太陽電池。
【請求項１１】
前記第１の伝導型はｎドーピングによって構成されており、前記第２の伝導型はｐドーピングによって構成されていることを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項に記載のヘテロ接触太陽電池。
【請求項１２】
前記吸収体（１）と前面に設けられたドーピングされた前記アモルファス半導体層（３）との間に、および／または前記吸収体（１）と前記エミッタ（７）との間にアモルファス真性半導体層（２，６）が設けられていることを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項に記載のヘテロ接触太陽電池。
【請求項１３】
前記アモルファス真性半導体層（２，６）は水素含有のアモルファスシリコン層であることを特徴とする、請求項１２に記載のヘテロ接触太陽電池。
【請求項１４】
ドーピングされた前記アモルファス半導体層（３）および／または前記エミッタ（７）は水素含有のシリコン層であり、またはｘ?２であるＳｉＯＸ層であることを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項に記載のヘテロ接触太陽電池。
【請求項１５】
前記エミッタ（７）は構造化されていないことを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項に記載のヘテロ接触太陽電池。
【請求項１６】
前面（１１）で太陽放射（１３）の入射が意図されているヘテロ接触太陽電池（１０）を製造する方法であって、
第１の伝導型の結晶半導体材料から吸収体（１）が準備され、
前記ヘテロ接触太陽電池（１０）の前面側に前記吸収体（１）よりも高くドーピングされた第１の伝導型のアモルファス半導体層（３）が析出され、
ドーピングされた第１の伝導型の前記アモルファス半導体層（３）の前面側に導電性の透明な前面伝導層（４）が析出され、
前記ヘテロ接触太陽電池（１０）の前面（１１）に互いに間隔をおく接触構造（５）を有する前面接触部が生成され、
前記ヘテロ接触太陽電池（１０）の裏面側に第１の伝導型と反対の第２の伝導型のエミッタ（７）が析出され、前記ヘテロ接触太陽電池（１０）の裏面（１２）に裏面接触部が生成される、そのような方法において、
前記前面伝導層（４）を析出するために、当該層の抵抗率が７×１０−４から５０×１０−４Ωｃｍの範囲内、好ましくは１１×１０−４Ωｃｍを超える範囲内、特に１４×１０−４Ωｃｍを超える範囲内にある材料が選択され、
前記裏面接触部は前記ヘテロ接触太陽電池（１０）の裏面（１２）の面全体にわたって延びる裏面接触層（９）として析出されることを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記エミッタ（７）と前記裏面接触部の間に導電性の透明な裏面伝導層（８）が構成され、前記裏面伝導層（８）を析出するために、当該層の抵抗率が７×１０−４から５０×１０−４Ωｃｍの範囲内、好ましくは１１×１０−４Ωｃｍを超える範囲内、特に１４×１０−４Ωｃｍを超える範囲内にある材料が選択されることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記前面伝導層（４）と前記裏面伝導層（８）は同じ析出室で同時に生成されることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記前面伝導層（４）を析出するために、および前記裏面伝導層（８）を析出するために、同じ材料からなるターゲットが使用されることを特徴とする、請求項１７または１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記前面伝導層（４）と前記裏面伝導層（８）を析出するために異なる材料からなるターゲットおよび／またはドーピング物質濃度が異なるターゲットが使用されることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記ターゲットは、インジウム・スズ酸化物、アルミニウムでドーピングされた亜鉛酸化物、および／またはインジウム酸化物から選択されることを特徴とする、請求項１９または２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記前面伝導層（４）と前記裏面伝導層（８）を析出するときに析出室で当該層のドーピングのために同じＯ２濃度が適用されることを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
裏面研磨された吸収体（１）が使用されることを特徴とする、請求項１６から２２のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の伝導型の結晶半導体材料からなる吸収体と、ヘテロ接触太陽電池の前面側に設けられ、吸収体よりも高くドーピングされた第１の伝導型のアモルファス半導体層と、ドーピングされた第１の伝導型のアモルファス半導体層の前面側に設けられた導電性の透明な前面伝導層と、ヘテロ接触太陽電池の前面の上にある、互いに間隔をおく接触構造を有する前面接触部と、ヘテロ接触太陽電池の裏面側に設けられた、第１の伝導型と反対の第２の伝導型のエミッタと、ヘテロ接触太陽電池の裏面に配置された裏面接触部とを有する、前面で太陽放射の入射が意図されているヘテロ接触太陽電池に関する。さらに本発明は、前面で太陽放射の入射が意図されているヘテロ接触太陽電池を製造する方法に関するものであり、第１の伝導型の結晶半導体材料から吸収体が準備され、ヘテロ接触太陽電池の前面側に吸収体よりも高くドーピングされた第１の伝導型のアモルファス半導体層が析出され、ドーピングされた第１の伝導型のアモルファス半導体層の前面側に導電性の透明な前面伝導層が析出され、ヘテロ接触太陽電池の前面に互いに間隔をおく接触構造を有する前面接触部が生成され、ヘテロ接触太陽電池の裏面側に第１の伝導型と反対の第２の伝導型のエミッタが析出され、ヘテロ接触太陽電池の裏面に裏面接触部が生成される。
【背景技術】
【０００２】
標準型ヘテロ接触太陽電池は、ｎドーピングされた結晶シリコンからなる中央の吸収体の光のほうを向いている側に、ｐドーピングされたアモルファスシリコンからなるエミッタと、透明な伝導性の酸化物層（ＴＣＯ層）とが、フィンガ状のフロント接触をしながら配置された構造を有している。光のほうを向いている吸収体の前面に設けられたエミッタによって放射が吸収され、もはやこの放射が吸収体に達することはできない。光と反対を向いているほうのヘテロ接触太陽電池の裏面には、吸収体の上に、ｎ＋ドーピングされたアモルファスシリコン層が反射性の表面電界（”Ｂａｃｋ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｆｉｅｌｄ”，ＢＳＦ）の少数電荷担体を構成するために設けられており、その上に全面的な裏面接触部がある。
【０００３】
光のほうを向いている吸収体の前面にエミッタを有する従来式の層構造ジオメトリーを備えたヘテロ接触太陽電池における損失を減らすために、従来技術ではさまざまな取り組みが知られている。そのような取り組みの１つは、光と反対を向いているほうの吸収体の側にエミッタを配置することにある。特許文献１では、裏面に設けられたエミッタが帯状に構成されるとともに、反対のドーピングのアモルファス帯状部がインターディジタル（櫛形）構造のもとで配線されている。それぞれ別様にドーピングされた領域は、光と反対を向いているほうの太陽電池の裏面で、オーム接触構造によって接触される。ここではエミッタ構造だけでなく裏面電界構造も太陽電池の裏面に配置されており、そこで接触されなくてはならないので、これと結びついたテクノロジーは非常に高いコストがかかる。さらに、このような種類の太陽電池においても光のほうを向く太陽電池前面には、太陽電池の前面で光生成された電荷担体の再結合を低減させる役目をする追加のパッシベーション層が、いわゆるＦＳＦ（”Ｆｒｏｎｔ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｆｉｅｌｄ”、前面電界）を構成しながら設けられる。
【０００４】
前面に配置されたエミッタにより生成される損失を低減するための別の取り組みが、特許文献２で追求されている。同文献に記載されているヘテロ接触太陽電池は、従来知られているヘテロ接触太陽電池に比べて反転された層構造ジオメトリーおよびこれに伴って反転されたヘテロ接触を有している。ここではアモルファスエミッタは、光と反対を向いているほうの吸収体の裏面に配置されている。入射する光の強度が吸収体の後方で著しく低下するので、エミッタによってはほとんど放射を吸収することができず、それにより吸収損失が低く抑えられる。提案されているヘテロ接触太陽電池では、吸収体の前面にはただ１つの誘電性の透明な反射防止層があるにすぎず、この反射防止層は同時に電気的に作用するパッシベーション層としての役目を果たし、その際に、ダングリングボンドの飽和および少数電荷担体後方散乱を起こす表面電界（”Ｆｒｏｎｔ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｆｉｅｌｄ”，ＦＳＦ）による電荷担体再結合を、パッシベーション層に含まれる吸収体上の電荷によって防止する。このように、記載されているヘテロ接触太陽電池は、高ドーピングされたシリコンＦＳＦ層を前面に必要としない。
【０００５】
したがってこのような形態のヘテロ接触太陽電池では、エミッタは特許文献１のように帯状のアモルファスエミッタとしてではなく、容易に製造可能であり容易に接触させることができる、ウェーハ裏面全体にわたって構成されたアモルファスエミッタ層として設けられている。さらに別の利点として、特許文献２では、透明な反射防止層とエミッタを分離することで、それらの層厚を互いに独立して最適化することが可能であることが判明している。そのようにして、光と反対を向いているほうの吸収体の裏面のエミッタを、光のほうを向いている前面よりも厚く構成することができ、それによって安定した空間電荷ゾーンを生成し、それにより、エミッタと吸収体との間の境界面における電子特性を改善する。反射防止層を構成するために特別に好ましい材料として、特許文献２では窒化珪素が提案されている。
【０００６】
公知のヘテロ接触太陽電池の裏面に設けられる別のオーム接触構造は、エミッタの上で広面積に構成される。このとき特許文献２では、エミッタを接触させるために、電極としての透明な伝導性の酸化物層（ＴＣＯ）が必要なくなることが明示的に記載されている。その電流導出の機能は、直接的で全面的な金属被覆によって具体化される。
吸収体で生起され、晶質の吸収体とアモルファスエミッタとの間のヘテロ接触において空間電荷ゾーンで分離される電荷担体は、公知のヘテロ接触太陽電池構造では、太陽電池前面に設けられた細かい接触グリッドを介して、および太陽電池裏面に設けられた広面積の接触構造を介して導出される。
【０００７】
特許文献３には、ヘテロ接触太陽電池をエッジ絶縁するための方法が記載されている。ここでは特に、裏面にエミッタ構造を備える電池コンフィギュレーションが説明されている。記載されている実施形態では、エミッタの上に透明な裏面電極が設けられており、さらにその上に互いに間隔をおく、伝導性ペーストで構成されるコレクタ電極が太陽電池の裏面に設けられている。このようなヘテロ接触太陽電池の機能形態に関して特許文献３では、ｎ型吸収体とｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層とが共同で、ｐ型エミッタよりも電子を効率的に、光入射によって吸収体に生起されるホールへ集めることになると説明されている。しかしながら、これは物理的な視点からすると理解しがたい。ｎ型ドーピングされた側とｐ型ドーピングされた側のホールとでそれぞれ異なる電子のコレクタ効率はデバイスの帯電を生じさせることになり、それは中立性原理に反することになるからである。さらに特許文献３では、改善されると記載されている電子コレクタにより、ヘテロ接触太陽電池のｎ型側で金属被覆を希薄化することができ、それによっていっそう細いバスバーと少ないフィンガ個数とを適用することができると記載されている。このようにして、少ないシェーディングによっていっそう高い電流を実現できるとされている。
【０００８】
裏面に配置されたエミッタを備える上に述べたヘテロ接触太陽電池は、標準型ヘテロ接触太陽電池と比べたとき、太陽電池に入ってくる光エネルギーを明らかに高い効率で電気エネルギーに変換することができるという利点を有している。その場合、エミッタに起因する吸収損失が発生しないからである。さらに、たとえば特許文献２に記載されているヘテロ接触太陽電池は、比較的簡素なテクノロジーによって具体化することができる。しかしこのようなテクノロジーは、標準型ヘテロ接触太陽電池を製造するためのテクノロジーとは明らかに相違しており、そのため、既存の設備コンセプトを変更せざるを得ず、ないしは、いくつかのプロセスモジュールを利用することができなくなり、別のものを新たに設置しなければならなくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第７，１９９，３９５Ｂ２号明細書
【特許文献２】国際公開第２００６／１１１１３８Ａ１号パンフレット
【特許文献３】欧州特許出願公開第１６９６４９２Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって本発明の課題は、ヘテロ接触太陽電池におけるエミッタに起因する吸収損失を除去し、それにもかかわらず、ヘテロ接触太陽電池を製造するための標準型テクノロジーを引き続き適用することができる、ヘテロ接触太陽電池コンセプトおよびそのような太陽電池を製造するためのテクノロジーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題は、一方では、裏面接触部がヘテロ接触太陽電池の裏面の面全体にわたって延びる裏面接触層を有しており、前面伝導層は７×１０−４から５０×１０−４Ωｃｍの範囲内の、好ましくは１１×１０−４Ωｃｍを超える範囲内の、特に１４×１０−４Ωｃｍを超える範囲内の抵抗率を有している、上に述べた分野のヘテロ接触太陽電池によって解決される。
【００１２】
それにより、本発明によるヘテロ接触太陽電池ではエミッタが裏面にあり、すなわち吸収体の後方にあるにもかかわらず、本発明に基づくヘテロ接触太陽電池を製造するために、非反転式の標準型へテロ接触太陽電池を製造するのと同じステップ順序を適用することができる。太陽電池裏面にあるエミッタにより、本発明のヘテロ接触太陽電池では、エミッタに起因して生じる吸収損失がない。さらに、本発明によるヘテロ接触太陽電池ではエミッタは全面に設けられており、それにより、エミッタはヘテロ接触太陽電池の裏面で全面に接触させることができ、そのようにして、比較的簡素なエミッタ製造・接触テクノロジーが可能である。
【００１３】
本発明によるヘテロ接触太陽電池の好ましい変形例では、エミッタと裏面接触との間に、７×１０−４から５０×１０−４Ωｃｍの範囲内の、好ましくは１１×１０−４Ωｃｍを超える範囲内の、特に１４×１０−４Ωｃｍを超える範囲内の抵抗率を有する、導電性の透明な裏面伝導層が設けられている。
【００１４】
このようにして本発明のヘテロ接触太陽電池では、前面伝導層および場合により裏面伝導層が、比較的高い抵抗率をもつ従来式のＴＣＯ層で構成される。本発明によるヘテロ接触太陽電池では前面伝導層によって多数電荷担体が集められるので、前面伝導層（前面のＴＣＯ層）の伝導性が吸収体（基板）の伝導性によって補助される。吸収体の横伝導性に基づき、多数電荷担体から電池の横断面を通って前面にある前面接触部の接触構造（接触フィンガ）まで電流を伝導することができ、それにより、前面伝導層の伝導性に関して高い要求事項を課さなくてもよくなる。それに応じて前面伝導層（前面のＴＣＯ層）を高い透明性で構成することができ、太陽電池の直列抵抗にマイナスの影響を及ぼすことがない。前面伝導層の透明性を最適化することで、本発明によるヘテロ接触太陽電池の短絡電流密度ＪＳＣの値を改善することができる。ＴＣＯ層の透明性は、そのような層の伝導性と反比例するように振るまうので、前面伝導層の伝導性を吸収体の伝導性の補助によって低く抑えることができることにより、本発明によるヘテロ接触太陽電池の前面伝導層は、本発明で提案される抵抗範囲内で、高い光学的な透明性を有するように構成することができる。
【００１５】
このように本発明では、太陽電池裏面にエミッタを配置することで、高抵抗のＴＣＯ層（前面伝導層）を太陽電池の前面に設けることができ、太陽電池のフィルファクター（ＦＦ）が、太陽電池の増大する直列抵抗によって悪影響を被ることがない。このような高抵抗のＴＣＯ層は、標準型へテロ接触太陽電池であれば、高すぎるフィルファクターを生じさせることになる。本発明による太陽電池の前面における層列の直列抵抗は、前面伝導層（前面のＴＣＯ層）の抵抗と吸収体の抵抗とを合わせて成り立っており、吸収体の伝導性は、たとえば低抵抗のウェーハを使用することで、ないしは使用するセルの高い注入レベルを適用することで、非常に高く設定可能であるので、全体として低い直列抵抗が本発明のヘテロ接触太陽電池の前面に生じる。
【００１６】
本発明によるヘテロ接触太陽電池では、吸収体の良好な伝導性をさらに次のような効果のために利用することができる：拡散エミッタを有するように構成されていても、ヘテロ接触を有するように構成されていてもよい前面のエミッタを備える標準型太陽電池は、前面の拡散エミッタを備える標準型太陽電池の場合にはエミッタの伝導性による影響、また、ヘテロ接触太陽電池の場合には前面のＴＣＯ層の伝導性による影響をそれぞれ有意に受ける直列抵抗成分を常に有している。このような標準型太陽電池では、直列抵抗に果たす吸収体と太陽電池裏面の寄与は、太陽電池前面の層の低い伝導性から生じる直列抵抗への寄与に比べて、すなわち、拡散エミッタを備える標準型太陽電池におけるエミッタの伝導性もしくは前面のエミッタを備える標準型へテロ接触太陽電池におけるＴＣＯ層の伝導性から生じる寄与に比べて非常に小さい。公知の標準型太陽電池では、このような直列抵抗損失は、有意に低減させることができないので甘受せざるを得ない。それに対して本発明によるヘテロ接触太陽電池では、吸収体の伝導性が前面伝導層（前面のＴＣＯ層）の伝導性を補助する。容易に高めることができる、吸収体を構成するために使用される基板の伝導性に応じて、本発明のヘテロ接触太陽電池では、前面のＴＣＯ層（前面伝導層）の伝導性と吸収体の伝導性とを合わせたものによって規定される、太陽電池前面の伝導性が直列抵抗に果たす上に述べた寄与を、劇的に低減することができる。それにより、本発明によるヘテロ接触太陽電池は簡単で平易なテクノロジーによって構成することが可能であり、特に太陽電池裏面には、たとえば特許文献１ないしドイツ特許出願公開第１００４５２４９Ａ１号明細書から知られているような、太陽電池裏面のインターディジタル領域を形成した上での構造化を行わなくてすむ。
【００１７】
本発明によるヘテロ接触太陽電池の裏面においても、そこで場合により設けられるＴＣＯ層（裏面伝導層）は、原則として、比較的低い電気伝導性を有するように構成することができる。太陽電池裏面は全面的にそこに設けられる裏面接触層を介して、たとえば金属層を介して、電気的に接触されているからである。それに応じて裏面伝導層は、本発明に基づいて意図される抵抗範囲内で同じく高い透明性を有するように構成することができ、それにより、特にＩＲ（赤外）損失が太陽電池裏面で低減される。
【００１８】
本発明によるヘテロ接触太陽電池の好ましい実施形態では、前面伝導層と裏面伝導層は同じ固有の光学的および電気的な特性を有している。それにより、前面伝導層と裏面伝導層を同じ材料で、好ましくは同じプロセスを適用した上で、製作できるようにすることが可能である。このように、比較的簡素に構成されていてよい同じ析出設備を、前面伝導層と裏面伝導層の製作について利用することができる。このようなヘテロ接触太陽電池のオプションでは、前面伝導層と裏面伝導層の光学的および電気的な特性を別々に設定する必要がないからである。
【００１９】
前面伝導層と裏面伝導層が同じドーピング、およびそれに伴って同じ抵抗率を有していると、特別に好ましい。このことは、前面伝導層と裏面伝導層を同一の析出プロセスで、同じ材料と同じドーピングとを用いて製作することを可能にする。それにより、本発明によるヘテロ接触太陽電池の特別に効率的な製造可能性が確保される。さらに、前面伝導層と裏面伝導層の透明性と電気的特性を同じ仕方で一緒に的確に調整することができ、それによって両方の層の層特性を最適化することができる。
【００２０】
本発明によるヘテロ接触太陽電池の別の変形例では、前面伝導層と裏面伝導層はそれぞれ別様にドーピングされていてもよい。それにより、前面伝導層と裏面伝導層の光学的および電気的な特性をそれぞれ別様に設定することができる。
【００２１】
前面伝導層と裏面伝導層は、５５０から１２００ｎｍの波長領域で８５％を超える透過性を有しているのが好ましい。
【００２２】
このように透明な前面伝導層と裏面伝導層では、本発明によるヘテロ接触太陽電池の高い効率を実現することができる。それにより、一方では短絡電流密度を最適化することができ、また他方では、太陽電池の裏面での赤外における光学的な損失を低減することができるからである。
【００２３】
本発明の特別な実施変形例では、ヘテロ接触太陽電池の裏面伝導層は赤外スペクトル領域で前面伝導層よりも高い透過性を有する。それにより、太陽電池の裏面での赤外における光学的な損失が低減され、それに対して前面伝導層は、最適化された光学的および電気的な特性で利用することができる。
【００２４】
本発明によるヘテロ接触太陽電池の別のオプションでは、前面伝導層と裏面伝導層は少なくとも１つのインジウム・スズ酸化物層（ＩＴＯ層）を含んでいる。ＩＴＯ層は、同時に高い電気的な伝導性で非常に優れた透明性を有しており、したがって、ヘテロ接触太陽電池を高い効率で利用するために非常に良く適している。
【００２５】
本発明の別の変形例では、ヘテロ接触太陽電池の前面伝導層と裏面伝導層は、アルミニウムでドーピングされた少なくとも１つの亜鉛酸化物層（ＺｎＯ：Ａｌ層）を含むことができる。ＺｎＯ：ＡｌはＩＴＯよりも安価であるが、ヘテロ接触太陽電池にとって伝導性が十分になる程度まで層を良好に伝導性にしようとすると、これよりも低い透明性を有している。上で検証した通り、前面伝導層と裏面伝導層の伝導性は、本発明によるヘテロ接触太陽電池では、従来式のヘテロ接触太陽電池のＴＣＯ層よりも十分に低くなっていてよいので、ＺｎＯ層のドーピングを少なく調整し、それによって高い透明性を実現することができる。それにより、前面伝導層と裏面伝導層を構成するために、アルミニウムでドーピングされた亜鉛酸化物層を使用することも十分に有益であり得る。
【００２６】
本発明によるヘテロ接触太陽電池の前面伝導層と裏面伝導層が少なくとも１つのインジウム酸化物層（ＩＯ層）を含んでいるのも、好都合な場合がある。ＩＯ層も、伝導性と透明性の良好な比率で構成することができる。
【００２７】
本発明によるヘテロ接触太陽電池の好ましい実施形態では、第１の伝導型は、すなわち吸収体の伝導型および吸収体の前面に設けられたドーピングされたアモルファス半導体層の伝導型は、ｎドーピングによって構成されており、第２の伝導型は、すなわちエミッタ層の伝導型は、ｐドーピングによって構成されている。吸収体をｐ型、エミッタをｎ型にそれぞれドーピングすることも原則として可能ではあるが、上で提案したヘテロ接触太陽電池の態様が特別に効率的である。シリコンからなるｎ伝導型の吸収体は、非常に良好な輸送特性と高い電荷担体寿命とを有しているからである。したがって、ｎ伝導型の吸収体の場合には電子である多数電荷担体を、吸収体を通して前面接触部へと伝導することができるという利点がある。
【００２８】
本発明によるヘテロ接触太陽電池の好ましい構成では、吸収体と前面に設けられたドーピングされたアモルファス半導体層との間に、および／または吸収体とエミッタとの間に、真性すなわちドーピングされていないアモルファス半導体層が設けられる。真性半導体層は典型的には非常に薄く、すなわち数ナノメートルの層厚で構成されている。追加的に設けられる１つまたは複数の真性半導体層により、それぞれの層の間の境界面特性が改善され、効率損失が低減される。真性層には、生成される電荷担体の再結合が起こり得る最小の欠陥しか存在しないからである。
【００２９】
たとえばアモルファスの真性半導体層は、水素含有のアモルファスシリコン層である。
【００３０】
アモルファスのドーピングされた半導体層および／またはエミッタ層は、水素含有のシリコン層またはｘ?２のＳｉＯＸ層であるのが好都合である。このときアモルファスのドーピングされた半導体層とエミッタは、相応に互いに反対にドーピングされる。
【００３１】
本発明によるヘテロ接触太陽電池において、エミッタが構造化されずに構成されており、すなわち連続する層として構成されていると特別に好ましい。それにより、エミッタを特別に簡単に製作し、続いて接触させることができる。
【００３２】
さらに本発明の課題は、上に述べた分野に属するヘテロ接触太陽電池を製造する方法によって解決され、前面伝導層を析出するために、当該層の抵抗率が７×１０−４から５０×１０−４Ωｃｍの範囲内、好ましくは１１×１０−４Ωｃｍを超える範囲内、特に１４×１０−４Ωｃｍを超える範囲内にある材料が選択され、裏面接触部がヘテロ接触太陽電池の裏面の面全体にわたって延びる裏面接触層として析出される。
【００３３】
本発明による方法の好ましい実施形態では、上記に加えて、エミッタと裏面接触部との間に導電性の透明な裏面伝導層が構成され、裏面伝導層を析出するために、当該層の抵抗率が７×１０−４から５０×１０−４Ωｃｍの範囲内、好ましくは１１×１０−４Ωｃｍの範囲内、特に１４×１０−４Ωｃｍを超える範囲内にある材料が選択される。
【００３４】
このとき、前面伝導層と裏面伝導層が同じ析出室で同時に生成されると、きわめて特別に好ましい。
【００３５】
このように本発明の方法では、ヘテロ接触太陽電池を製造するための標準プロセスが利用されるが、ヘテロ接触太陽電池の裏面すなわち光と反対を向いている側にエミッタが配置される、反転されたヘテロ接触太陽電池が本発明の方法によって製造されるという相違がある。この場合、特許文献２に記載されているテクノロジーとは異なり、ヘテロ接触太陽電池構造の前面にも裏面にも導電性の透明な層すなわち典型的にはＴＣＯ層が構成される。前面伝導層ないし裏面伝導層として表現されるＴＣＯ層は、比較的高い抵抗率を有している。しかし、このことは本発明ではマイナスの作用を及ぼすことがない。吸収体が、太陽電池前面での前面伝導層の低い伝導性をそれによって補償することができるように、高い伝導性を有しているからである。太陽電池の裏面でも、裏面伝導層の比較的高い抵抗率はクリティカルではない。ヘテロ接触太陽電池の裏面の面全体にわたって延びる裏面接触層によって、それが補償されるからである。
【００３６】
本発明の方法では、エミッタがヘテロ接触太陽電池の裏面で吸収体の後方に配置されることにより、エミッタに起因する吸収損失がなくなり、効率の高い太陽電池を提供することができる。太陽電池前面のエミッタが省略されるので、太陽電池の前面の上にある、すなわち吸収体の上にある各層に対して、非反転型の構造をもつ標準型ヘテロ接触太陽電池では必要であるような高い要求事項が、層抵抗に関して課せられることがなくなる。そのようにして、同一の透明性で伝導性には劣るが、たとえば材料費の安い材料を前面伝導層に十分に使用することができる。さらに太陽電池裏面では、比較的低い電気伝導性をもつ裏面伝導層を構成することができるので、この層を特に赤外領域での高い透明性で構成することができる。それにより、太陽電池裏面で赤外損失を低減することができる。
【００３７】
このように本発明の方法は、既存の最適化された太陽電池製造設備と太陽電池製造プロセスステップを利用しながら実施することができ、それにもかかわらず、反転された構造により、従来式のヘテロ接触太陽電池に比べて高い効率を有するヘテロ接触太陽電池が製造される。このときエミッタを簡単な仕方で、たとえば構造化されていない層として、太陽電池裏面に設けることができ、そこで同じく簡単な仕方により、ヘテロ接触太陽電池の裏面の面全体にわたって延びる裏面接触層によって接触させることができる。
【００３８】
本発明による方法の特別に好ましい実施例では、前面伝導層を析出するために、および裏面伝導層を析出するために、同じ材料からなるターゲットが使用される。このようにして、前面伝導層と裏面伝導層を１つの設備のただ１つのプロセスで製作することができる。それにより、ヘテロ接触太陽電池の製造について特別に低い生産コストを実現することができる。このようにして前面伝導層と裏面伝導層が、同一または非常に類似する光学的および電気的な特性で構成される；このような条件のもとでも、電池コンセプトが最大の効率を実現することができれば、大きな利点となる。
【００３９】
本発明による方法の別の変形例では、前面伝導層と裏面伝導層を析出するために、異なる材料からなるターゲットおよび／または異なるドーピング材料濃度をもつターゲットが使用されると好都合な場合もある。このケースでは、一方における前面伝導層の特性と、他方における裏面伝導層の特性とを、特定の用途向けに最適化されたヘテロ接触太陽電池を製造できるようにするために、的確に調整することができる。
【００４０】
ターゲットは、たとえばインジウム・スズ酸化物、アルミニウムでドーピングされた亜鉛酸化物、および／またはインジウム酸化物から選択することができる。しかしながらこれに加えて、前面伝導層と裏面伝導層を製作するために、数多くの別の適当な材料がある。しかし上に挙げたＴＣＯ材料は、好ましい光学的および電気的な特性があるという特徴があり、特にアルミニウムでドーピングされた亜鉛酸化物は、さらに、比較的低いコストとも結びついている。
【００４１】
本発明による方法の別の実施形態では、析出室で使用されるＯ２流は、前面伝導層を析出するときと裏面伝導層を析出するときとで同じであり、ないしは、これらの層をドーピングするためのＯ２濃度は同じである。それにより、構成されるヘテロ接触太陽電池の前面と裏面のＴＣＯ層（前面伝導層および裏面伝導層）のドーピングは、同一または非常に類似している。それにより、前面伝導層と裏面伝導層の析出にあたって、ただ１つの室内でガス分離をすることなく、ただ１つの酸素ガス供給部を利用することができ、それによって設備コストもプロセスコストも低く抑えることができる。このとき前面伝導層と裏面伝導層は同じガス条件で析出され、したがって、同一または非常に類似する電気的および光学的な特性で構成される。このことは、従来技術に基づくヘテロ接触太陽電池の製造ではむしろ不都合である。その場合、太陽電池前面のＴＣＯ層をできる限り伝導的に構成することが意図され、したがって太陽電池裏面でも伝導性のＴＣＯ層が製作され、そのために、ひいては太陽電池裏面で赤外損失が発生するからである。本発明の方法では、吸収体の伝導性が透明な前面伝導層の伝導性を補助することにより、太陽電池前面のＴＣＯ層すなわち透明な前面伝導層は低い伝導性で、その代わりにいっそう透明にすることができるので、本発明の方法では、太陽電池裏面のＴＣＯ層すなわち裏面伝導層もいっそう透明に構成可能であり、それにより、太陽電池裏面での赤外損失を低減することができる。
【００４２】
次に、本発明の好ましい実施形態、その構造、機能、および利点について、図面を参照しながら詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明によるヘテロ接触太陽電池の考えられる構造を、その層構造の断面図として模式的に示す図である。
【図２】本発明によるヘテロ接触太陽電池を本発明の方法に即して製造するために考えられるプロセスフローを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
図１は、本発明によるヘテロ接触太陽電池１０の１つの実施形態を、その層列の断面図として模式的に示している。
【００４５】
ヘテロ接触太陽電池１０は、太陽放射１３の入射が意図される前面１１を有している。前面１１と向かい合っているヘテロ接触太陽電池１０の側は裏面１２である。
【００４６】
ヘテロ接触太陽電池１０は基板ないし吸収体１を有している。図示した実施例では吸収体１はｎドーピングされており、結晶シリコンでできている。本発明の図示しない別の実施形態では、吸収体１はこれ以外の半導体材料でできていてもよい。この材料は単結晶であるのが好ましいが、多結晶、マルチ結晶、または微結晶であってもよい。さらに吸収体１は、本発明の別の変形例では、ｐドーピングされていてもよい。このとき、そのつど適用されるドーピング物質の選択にあたっては多種多様な選択肢がある。たとえば図１に示す吸収体１は、リンｎ型ドーピングされていてよい。
【００４７】
吸収体１の前面側の表面には、図１に示す実施例では、真性すなわちドーピングされていないアモルファス半導体層２が設けられている。半導体層２は、図示した実施例では、水素が添加されたアモルファスの真性シリコン層であるが、本発明の別の実施形態では、使用する吸収体材料に応じて、これ以外の適当なアモルファス真性半導体材料で構成されていてよい。
【００４８】
本発明の図示しない別の実施形態では、アモルファス真性半導体層２を省略することもできる。
【００４９】
アモルファス真性半導体層２の上には、図１の実施例ではｎ＋ドーピングされたアモルファス半導体層３が設けられている。すなわち、ドーピングされたアモルファス半導体層３は、吸収体１よりも高いドーピングを有している。図１に示す実施例では、ドーピングされたアモルファス半導体層３は、たとえばリンドーピングのようなｎ型ドーピングを有する、水素が添加されたアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）でできている。本発明の図示しない別の実施形態では、吸収体１の材料の選択に応じて、ドーピングされたアモルファス半導体層３についてこれ以外の適当な半導体材料および／またはこれ以外の適当なドーピング物質を使用することもできる。
【００５０】
ドーピングされたアモルファス半導体層３の上方には、ヘテロ接触太陽電池１０の前面１１に透明な前面伝導層４が設けられている。透明な前面伝導層４は、ＴＣＯ（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｏｘｉｄｅ）層である。透明な前面伝導層４は、図１に示す実施例ではアルミニウムでドーピングされた亜鉛酸化物でできているが、本発明の図示しない別の実施形態では、たとえばインジウム・スズ酸化物層あるいはインジウム酸化物層であってもよい。
【００５１】
透明な前面伝導層４は、７×１０−４から５０×１０−４Ωｃｍの範囲内の層抵抗を有している。前面伝導層の層厚は、ヘテロ接触太陽電池１０に入射する光線のλ／４ｎに合わせて最適化されており、ここでｎは、前面伝導層４の屈折率である。図示した実施例では、透明な前面伝導層４の層厚は７０から１２０ｎｍの間である。
【００５２】
さらにヘテロ接触太陽電池１０の前面１１には、透明な前面伝導層４の上に、互いに間隔をおく複数の接触構造５を有する前面接触部が設けられている。接触構造５は専門分野ではしばしば接触フィンガとも呼ばれる。接触構造５は、たとえば銀で構成されていてよい。しかしながら原則として、伝導性のよいこれ以外の材料、たとえば金属も接触構造５を構成するために考慮の対象となる。
【００５３】
吸収体１の裏側の表面には、図１に示すヘテロ接触太陽電池１０では、薄い真性すなわちドーピングされていないアモルファス半導体層６が設けられている。真性アモルファス半導体層６は、上に説明した真性アモルファス層２と同一ないし類似の特性を有しており、したがってここでは、真性アモルファス半導体層６にも該当する、真性アモルファス半導体層２についての上記の説明を援用する。本発明の図示しない別の実施形態では、真性アモルファス半導体層６を省略することもできる。
【００５４】
真性アモルファス半導体層６の上にはエミッタ７が設けられている。エミッタ７は、図１の例では、ｐ＋ドーピングされたアモルファスシリコンでできている。図示した実施例では、エミッタ７はｐ型ドーピングを有する、水素が添加されたアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）でできている。エミッタ７は、ヘテロ接触太陽電池１０に入射する太陽放射１３から見て吸収体１の後方にある。したがってエミッタ７により、事実上、吸収体１へ入射する光を吸収することはできない。それに応じて、エミッタ７を適当な厚みで構成することが可能であり、このことは、標準型ヘテロ接触太陽電池において該当するように、エミッタが前面に構成されている場合には、エミッタによる吸収損失を少なく抑えるために限定的にしか可能ではない。さらに、エミッタ７に比較的高いドーピングを施すことができ、それにより、このエミッタは好ましい電気伝導性を有している。このことは標準型ヘテロ接触太陽電池ではやはり可能ではない。増やされたドーピングは透明性の劣化につながり、それがひいては太陽電池前面で不都合になるからであるが、本発明では、エミッタ７にとってこのことは重要ではない。光と反対を向いているほうのヘテロ接触太陽電池１０の側で吸収体１の後方に、エミッタがあるからである。エミッタ７は、図１の例では、吸収体１の上で連続する層として設けられている。
【００５５】
エミッタ７の裏側の表面には、ヘテロ接触太陽電池１０では裏面伝導層８が設けられている。裏面伝導層８はＴＣＯ層であり、すなわち、電気伝導性のある透明な酸化物層である。図１の実施例では、裏面伝導層８はアルミニウムでドーピングされた亜鉛酸化物でできている。本発明の図示しない別の実施形態では、裏面伝導層８を構成するためにインジウム・スズ酸化物層（ＩＴＯ層）、インジウム酸化物層、またはその他の適当なＴＣＯ層を使用することができる。
【００５６】
裏面伝導層８は、特に赤外領域で高い透明性を有している。上に説明した前面伝導層４と裏面伝導層８の透過性は、５５０ｎｍから１２００ｎｍの波長領域で８５％を超えているのが好ましい。
【００５７】
裏面伝導層８は、エミッタ層７の上の構造化されていない層として設けられている。裏面伝導層は、吸収体１とエミッタ７の間の空間電荷ゾーンで生起されて分離される電荷担体を集めるための電極としての役目を果たす。この電荷担体は、裏面伝導層８から、ヘテロ接触太陽電池１０の裏面１２で裏面伝導層８の上に設けられた裏面接触部へと転送される。ヘテロ接触太陽電池１０の裏面接触部は、図１の実施例では、裏面伝導層８の面全体にわたって延びる裏面接触層９でできている。裏面接触層９は、たとえば銀で構成されていてよい。しかしながら原則として、裏面接触層９を構成するために、非常に良好な導電性をもつ別の材料、たとえば種々の金属なども好適である。
【００５８】
本発明の図示しない別の実施形態では裏面伝導層８を省略することもでき、したがって、裏面接触層９をエミッタ７の上に直接構成することができる。裏面伝導層８として上に説明したＴＣＯ層が太陽電池の裏面で省略されるこのケースでは、全面的な金属被覆すなわち裏面接触層９の全面的な析出が太陽電池裏面で必要となる。しかし上で説明したように、裏面伝導層８がエミッタ７と裏面接触層９との間に設けられれば、裏面接触層９を全面的な金属被覆として構成し、あるいは、太陽電池前面の接触構造５のようなフィンガを備える構造として構成することが可能である。
【００５９】
図２は、たとえば図１に模式的に示すようなヘテロ接触太陽電池１０を製造する本発明の方法を実施するための考えられるプロセス手順を模式的に示している。
【００６０】
図２のプロセス順序では、まずステップ２０１で吸収体１が準備される。吸収体１は、上ですでに述べた通り、図２の実施例では一例としてｎドーピングされたシリコン基板である、適当な半導体基板である。
【００６１】
ステップ２０２で、特に吸収体１の表面前処理が行われ、それによって吸収体１の表面がテクスチャリングされる。このテクスチャリングは、その反射が低減されることによって、構成されるべきヘテロ接触太陽電池１０での光吸収を高める役目を果たす。テクスチャリングの後、洗浄が複数のステップで行われる。
【００６２】
これに続くプロセスステップ２０３で、吸収体１の前面に真性アモルファス層２が、水素を添加された薄いアモルファス真性シリコン層の形態で析出される。
【００６３】
次いでステップ２０４で、ドーピングされたアモルファス半導体層３の析出が、真性アモルファス層２の上に行われる。ドーピングされたアモルファス半導体層３は、図示した実施例ではｎ＋ドーピングされている。
【００６４】
プロセスステップ２０５で、吸収体１の裏面に真性アモルファス半導体層６が、水素を添加されたアモルファス真性シリコン層の形態で析出される。真性アモルファス半導体層６の上に、プロセスステップ２０６で、水素を添加されたアモルファスシリコンからなるｐ＋ドーピングされたエミッタ７が析出される。
【００６５】
本発明による方法の同じく好適な別の方法オプションでは、真性およびドーピングされたアモルファス半導体層２，３，６および７を析出するための上に説明したステップ順序を、これとは別の順番で実施することもできる。たとえば最初に吸収体１の裏面に、真性アモルファス半導体層６およびその上のエミッタ７を析出することができ、それに続いて吸収体１の前面に、真性アモルファス半導体層２およびその上のｎ＋ドーピングされたアモルファス半導体層３が析出される。
【００６６】
そしてただ１回のプロセスステップ２０７で、前面伝導層４（ＴＣＯ前面）と裏面伝導層８（ＴＣＯ裏面）が、ＰＶＤ（物理蒸着法）プロセスを利用して析出される。一例としての実施形態では、両方の層４および８が同じプロセス室内で、前面だけでなく裏面でのＴＣＯ層のドーピングにも同じ影響を及ぼす室の中で、ただ１種類のＯ２濃度で析出され、その結果として両方の層４および８は、同一または非常に類似する光学的および電気的な特性を有することになる。
【００６７】
裏面接触部の構成は、プロセスステップ２０８で、ＰＶＤプロセスまたはスクリーン印刷またはその他の金属析出プロセス（たとえばプレーティングなど）を利用した上で、裏面伝導層８の上への裏面接触層９の析出によって行われる。前面接触は、ステップ２０９で、接触構造のスクリーン印刷またはその他の金属析出プロセス（たとえばプレーティングなど）によって行われる。
【００６８】
上で説明した各ステップから読み取れるように、これらのステップは原理の点からして、いずれも標準型ヘテロ接触太陽電池の製造にも適用可能である。その帰結として基本的に、本発明によるヘテロ接触太陽電池１０を製造するためのプロセスステップとこれに帰属する設備に関して、標準型ヘテロ接触太陽電池と比べて改変を行わなくてもよい。簡単なプロセスパラメータの適合化を行うだけでよい。それにもかかわらず、上に説明したテクノロジーにより、エミッタに起因する標準型ヘテロ接触太陽電池の吸収損失が存在せず、したがって製造可能なヘテロ接触太陽電池１０の効率が非常に高い、反転されたヘテロ接触太陽電池構造（裏面ヘテロ接合型）が提供される。本発明によるテクノロジー手順およびそれにより製造可能なヘテロ接触太陽電池１０のこのような利点に基づき、たとえばコストを最低限に抑えるために、効率を高めるけれども高価であるさまざまな材料の使用を省略することができる。たとえば、透明な前面伝導層４ないし透明な裏面伝導層８を製作するための比較的コスト集中的なＩＴＯ層に代えて、たとえばアルミニウムでドーピングされた亜鉛酸化物のような低コストの材料を採用することができる。
【００６９】
本発明に基づいて適用される裏面へテロ接合型太陽電池コンセプトにより、エミッタ７をその層厚および／またはドーピングに関して、たとえば最大の無負荷電圧（ＶＯＣ）などの特別に好ましい電気特性を構成しながら最適化することができる。このことは、標準型ヘテロ接触太陽電池では該当しない。その場合、エミッタの層厚に関しては、無負荷電圧（ＶＯＣ）と短絡電流密度（ＪＳＣ）との間で常に妥協を見出さなくてはならないからである。
【００７０】
本発明による太陽電池製造テクノロジーは、たとえばヘテロ接触太陽電池１０の裏面１２を研磨することも可能にする。このケースでは、裏面パッシベーションに関わる裏面研磨の利点が、従来式のヘテロ接合型太陽電池よりもいっそう大きくなるが、それは、研磨された裏面にエミッタがあるからである：改善されたパッシベーションを表す指標としての少ない表面積は、エミッタと向かい合う表面電界におけるよりも、エミッタにおいていっそう有利である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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