(57)【要約】【課題】発電効率の高い裏面電極型太陽電池を提供する。【解決手段】半導体基板と、半導体基板の受光面とは反対側の面に設けられた第１導電型の非晶質半導体膜および第２導電型の非晶質半導体膜と、第１導電型非晶質半導体膜上に設けられた第１電極と、第２導電型非晶質半導体膜上に設けられた第２電極を備え、第２電極は、第２導電型非晶質半導体膜上を実質的に被覆する導電層と、導電層上に形成されたメタル層からなり、第２電極の端部にメタル層がない裏面電極型太陽電池により、発電効率を向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の受光面とは反対側の面に設けられた第１導電型非晶質半導体膜および第２導電型非晶質半導体膜と、
前記第１導電型非晶質半導体膜上に設けられた第１電極と、
前記第２導電型非晶質半導体膜上に設けられた第２電極を備え、
前記第２電極は、前記第２導電型非晶質半導体膜上を被覆する導電層と、前記導電層上に形成されたメタル層からなり、
前記第２電極の端部に前記メタル層がない裏面電極型太陽電池セル。
【請求項２】
前記第１電極と前記第２電極のメタル層の材料が異なる請求項１に記載の裏面電極型太陽電池セル。
【請求項３】
前記導電層は、ＴｉまたはＩＴＯである請求項１または請求項２に記載の裏面電極型太陽電池セル。
【請求項４】
前記第１電極は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ，Ｐｄ、Ａｇから選ばれる金属およびそれらの合金を含み、
前記第２電極のメタル層は、Ｍｎ、Ｍｇ、Ａｇ，Ｔａ、Ａｌから選ばれる金属およびそれらの合金を含む請求項１から請求項３のいずれかに記載の裏面電極型太陽電池セル。
【請求項５】
半導体基板の受光面とは反対側の面に、第１のｉ型非晶質半導体膜と第１導電型非晶質半導体膜を選択的に形成する工程と、
前記半導体基板の受光面とは反対側の全面に第２のｉ型非晶質半導体膜と第２導電型非晶質半導体膜を形成する工程と、
前記第２導電型非晶質半導体膜上に電極を形成する工程と、
前記電極をエッチングマスクとして、前記第２のｉ型非晶質半導体膜と前記第２導電型非晶質半導体膜を選択的にエッチングする工程をこの順に含む裏面電極型太陽電池セルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、裏面電極型太陽電池セルおよび裏面電極型太陽電池セルの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光エネルギを電気エネルギに直接変換する太陽電池は、近年、特に、地球環境問題の観点から、次世代のエネルギ源としての期待が急激に高まっている。現在、最も多く製造および販売されている太陽電池は、太陽光が入射する側の面である受光面と受光面の反対側である裏面とにそれぞれ電極が形成された構造のものである。
【０００３】
しかしながら、受光面に電極を形成した場合には、電極における太陽光の反射および吸収があることから、電極の面積分だけ入射する太陽光の量が減少する。そのため、裏面のみに電極を形成した裏面電極型太陽電池の開発が進められている（たとえば特許文献１参照）。特許文献１では、光電変換素子としての太陽電池の裏面において、ｐ型半導体層上にｐ型電極が形成され、ｎ型半導体層上にｎ型電極が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１３３００５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
リーク電流がを抑制するため、ｐ型電極とｎ型電極は間隔をもって形成され、例えば特許文献１のような裏面電極型太陽電池においては、ｎ型半導体層の端部にはｎ型電極は設けられていない。しかしながら、ｎ型電極のない部分は電極による裏面反射効果がなく、いため、発電効率を損なうことになる。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、発電効率の高い裏面電極型太陽電池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】
【０００７】
本発明の裏面電極型太陽電池セルは、半導体基板と、半導体基板の受光面とは反対側の面に設けられた第１導電型の非晶質半導体膜および第２導電型の非晶質半導体膜と、第１導電型非晶質半導体膜上に設けられた第１電極と、第２導電型非晶質半導体膜上に設けられた第２電極を備え、第２電極は、第２導電型非晶質半導体膜上を実質的に被覆する導電層と、導電層上に形成されたメタル層からなり、第２電極の端部にメタル層がないものである。
【０００８】
また、本発明の裏面電極型太陽電池セルは、第１電極と第２電極のメタル層の材料が異なるものを含む。
また、本発明の裏面電極型太陽電池セルは、導電層は、ＴｉまたはＩＴＯであるものを含む。
【０００９】
また、本発明の裏面電極型太陽電池セルは、第１電極は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ，Ｐｄ、Ａｇから選ばれる金属およびそれらの合金を含み、第２電極のメタル層は、Ｍｎ、Ｍｇ、Ａｇ，Ｔａ、Ａｌから選ばれる金属およびそれらの合金を含むものである。
【００１０】
また、本発明の裏面電極型太陽電池セルの製造方法は、
半導体基板の受光面とは反対側の面に、第１のｉ型非晶質半導体膜と第１導電型非晶質半導体膜を選択的に形成する工程と、半導体基板の受光面とは反対側の全面に第２のｉ型非晶質半導体膜と第２導電型非晶質半導体膜を形成する工程と、第２導電型非晶質半導体膜上に電極を形成する工程と、電極をエッチングマスクとして、第２のｉ型非晶質半導体膜と第２導電型非晶質半導体膜を選択的にエッチングする工程をこの順に含むものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、発電効率の高い裏面電極型太陽電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の裏面電極型太陽電池を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の裏面電極型太陽電池の製造方法を示す模式的断面図である。
【図３】本発明の裏面電極型太陽電池の製造方法を示す模式的断面図である。
【図４】本発明の裏面電極型太陽電池の製造方法を示す模式的断面図である。
【図５】本発明の裏面電極型太陽電池の製造方法を示す模式的断面図である。
【図６】本発明の裏面電極型太陽電池の製造方法を示す模式的断面図である。
【図７】本発明の裏面電極型太陽電池の製造方法を示す模式的断面図である。
【図８】本発明の裏面電極型太陽電池の製造方法を示す模式的断面図である。
【図９】比較例の裏面電極型太陽電池の製造方法を示す模式的断面図である。
【図１０】比較例の裏面電極型太陽電池の製造方法を示す模式的断面図である。
【図１１】比較例の裏面電極型太陽電池の製造方法を示す模式的断面図である。
【図１２】比較例の裏面電極型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】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る説明をする。以下の説明では同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについて詳細な説明は繰り返さない。
【００１４】
なお、本明細書において「ｉ型」とは、完全な真性の状態だけでなく、十分に低濃度（ｎ型不純物濃度が１×１０15個／ｃｍ3未満、かつｐ型不純物濃度が１×１０15個／ｃｍ3未満）であればｎ型またはｐ型の不純物が混入された状態のものも含む意味である。また、本明細書において「ｎ型」はｎ型不純物濃度が１×１０15個／ｃｍ3以上の状態を意味し、「ｐ型」はｐ型不純物濃度が１×１０15個／ｃｍ3以上の状態を意味する。ｎ型不純物濃度およびｐ型不純物濃度は、たとえば二次イオン質量分析法によって測定することができる。
【００１５】
また、本明細書において「非晶質シリコン」には、シリコン原子の未結合手が水素で終端されていない非晶質シリコンだけでなく、水素化非晶質シリコンなどのシリコン原子の未結合手が水素で終端されたものも含まれるものとする。
（実施の形態１）
図１は、本発明の裏面電極型太陽電池を示す模式的断面図である。図示してないが、裏面電極型太陽電池セル１は、半導体基板１０の受光面の面１０ａには凹凸形状（図示せず）が形成されており、受光面上には誘電体膜（図示せず）が形成されている。本実施形態において、半導体基板１０は、ｎ型単結晶シリコン基板を用いる。
【００１６】
半導体基板１０の受光面とは反対側の面１０ｂ（裏面）上には、第１のｉ型非晶質半導体膜１１と第２のｉ型非晶質半導体膜１５とが設けられている。本実施形態において、第１のｉ型非晶質半導体膜１１および第２のｉ型非晶質半導体膜１５はそれぞれｉ型非晶質シリコン膜で形成されている。
【００１７】
第１のｉ型非晶質半導体膜１１上には第１導電型非晶質半導体膜１２が設けられている。また、第２のｉ型非晶質半導体膜１５上には第２導電型非晶質半導体膜１６が設けられている。本実施形態において、第１導電型非晶質半導体膜１２はｐ型非晶質シリコン膜であり、第２導電型非晶質半導体膜１６はｎ型非晶質シリコン膜である。
【００１８】
第１のｉ型非晶質半導体膜１１の側面および第１導電型非晶質半導体膜１２の側面は、第２のｉ型非晶質半導体膜１５に覆われている。第１導電型非晶質半導体膜１２上面と第２のｉ型非晶質半導体膜１５の間には半導体膜１３が形成されている。半導体膜１３としては、ｎ型非晶質シリコンまたはｉ型非晶質シリコンを用いることができる。
【００１９】
第１導電型非晶質半導体膜１２上には、メタル層１９が１００ｎｍ以上の厚さで設けられている。第１導電型非晶質半導体膜１２とメタル層１９の間の低抵抗コンタクト性を考慮して、ｐ型非晶質シリコン膜上のメタル層に使用される金属として、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ，Ｐｄ、Ａｇの金属およびそれらの合金を用いることができる。また、それらの複数の種類の金属を積層して形成することも可能である。このメタル層１９は、第１導電型非晶質半導体膜１２と電気的に接続する第１電極として機能する。
【００２０】
第２導電型非晶質半導体膜１６上には厚み１〜２００ｎｍ、好ましくは１〜１０ｎｍのＴｉやＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる導電層１７が配置されている。第２導電型非晶質半導体膜１６の上面の実質的に全面が導電層１７で被覆されている。導電層１７の上面に１００ｎｍ以上の厚さでメタル層１８が積層されている。
【００２１】
導電層１７とメタル層１８の間の低抵抗コンタクト性を考慮して、メタル層１８に使用される金属としては、Ｍｎ、Ｍｇ、Ａｇ，Ｔａ、Ａｌの金属およびそれらの合金を用いることができる。また、それらの複数の種類の金属を積層して形成することも可能である。導電層１７とメタル層１８で第２電極が構成される。
【００２２】
太陽電池１の裏面側からみたとき、メタル層１８は、導電層１７に囲まれるように配置されている。断面模式図において、導電層１７の幅は１４０μｍ~１２００μｍである。導電層１７の幅は、第２導電型非晶質半導体の幅と同じである。
【００２３】
一方、メタル層の１８の幅は導電層１７の幅よりも小さく１００〜１０００μｍ、好ましくは３００〜４００μｍ程度である。第２電極は、導電層１７とメタル層１８からなるが、太陽電池１を受光面とは反対側の裏面側からみたとき、１つの第２電極の端部は、電極層が導電層１７からなる１層であり、メタル層は形成されていない。第２電極のうち、導電層１７のみが形成された端部は、第２電極の端から２０μｍ以上１００μｍ以下の幅である。導電層１７のみが形成された端部に囲まれた第２電極の中央部は、導電層１７およびメタル層１８からなる２層以上の層で形成されている。
【００２４】
第２電極によって第２導電型非晶質半導体層全面を覆う方が、裏面反射効果により半導体基板を通り抜けてくる光を電極で反射して発電に寄与させることができるため、太陽電池セルの光の利用効率が高くなる。一方、第２導電型非晶質半導体層全面に厚い第２電極を設けると第２電極の端部は、第１電極や第１導電型半導体層に近くなるので、リーク電流が増大する。
【００２５】
そこで、第２電極の端部を導電層１７のみの１層とし、中央部を導電層１７とメタル層１８を積層することにより、第２電極の端部が中央部よりも薄く形成されることになる。そのため、端部における電極の内部抵抗が増大し、第２導電型非晶質半導体層全面に第２電極を設けても、リーク電流を抑制することができるので、太陽電池セルの発電効率を高めることができる。
【００２６】
太陽電池セル１を受光面と反対側の裏面から見た場合、導電層１７と、メタル層１８からなる第２電極の幅は１００μｍ以上１０００μｍ以下、好ましくは３００μｍ以上４００μｍ以下のストライプ状に形成され、そのうち厚さの小さい導電層１７が露出した端部は、ストライプ状の第２導電型非晶質半導体膜１６の端から２０μｍ以上１００μｍ以下の幅である。
【００２７】
また、２つの第２電極に挟まれた、第１電極の幅は、１００〜１０００μｍ、好ましくは６００〜７００μｍである。また、太陽電池セル１の外周部は第１電極で取り囲まれている。尚、第１電極と第２電極の間には幅１００〜４００μｍ程度の電極が設けられていない間隙がある。
【００２８】
ストライプ状の電極を有する太陽電池セルは、配線パターンを有する配線シートに載置されて、他の太陽電池セルと電気的に接続され太陽電池モジュールを形成することができる。
【００２９】
（実施の形態２）
また、電極の形状は、ストライプ状平行に並んだ電極をそれらの電極とそれぞれ交わる電極で接続した櫛歯状の形状であってもよい。例えば、第１電極を幅１００〜１０００μｍ、好ましくは６００〜７００μｍの櫛歯状にし、第２電極を幅１００〜１０００μｍ、好ましくは３００〜４００μｍの第１電極と交互に噛み合うような櫛歯状にしても良い。櫛歯状の電極は隣り合う太陽電池セルをインターコネクタで接続する場合に好適な電極形状である。
【００３０】
（実施の形態３）
また、第２電極の形状は、ドットを縦横に多数並べた形状であっても良い。例えば、第２電極を半径１００μｍから、５００μｍのドット状として、太陽電池セル１の裏面に多数配置して、第１電極は、第２電極を取り囲むような形状としてもよい。ドット状の電極を有する太陽電池セルは、配線パターンを有する配線シートに載置されて、他の太陽電池セルと電気的に接続され太陽電池モジュールを形成することができる。
【００３１】
（実施の形態４）
以下、図２〜図６の断面模式図を参照して、実施形態１の裏面電極型太陽電池の製造方法の一例について説明する。
【００３２】
まず、図２に示されるように、半導体基板１０の受光面とは反対側の面１０ｂの全面に第１のｉ型非晶質半導体膜１１を形成する。第１のｉ型非晶質半導体膜１１の形成方法は特に限定されないが、たとえばプラズマＣＶＤ法を用いることができる。
【００３３】
次に、第１のｉ型非晶質半導体膜１１上に第１導電型非晶質半導体膜１２を形成する。第１導電型非晶質半導体膜１２の形成方法は特に限定されないが、たとえばプラズマＣＶＤ法を用いることができる。さらに、当該第１導電型非晶質半導体膜１２上に半導体膜１３を形成する。半導体膜１３形成方法は特に限定されないが、たとえばプラズマＣＶＤ法を用いることができる。半導体膜１３は第２導電型非晶質半導体膜である。尚、半導体膜１３はｉ型非晶質シリコン膜であってもよい。
【００３４】
次に、図３に示すように、半導体膜１３上にフォトレジストマスク１４を形成する。フォトレジストマスク１４は、半導体膜の全面にフォトレジストを塗布した後に、エッチングする箇所を選択的に露光し、現像液でパターニングすることにより形成される。当該フォトレジストマスク１４には、第１のｉ型非晶質半導体膜１１、第１導電型非晶質半導体膜１２および半導体膜１３を厚さ方向にエッチングする箇所に開口部が形成されている。
【００３５】
次に、第１のｉ型非晶質半導体膜１１、第１導電型非晶質半導体膜１２および半導体膜１３からなる積層構造を厚さ方向にエッチングすることによって、半導体基板１０の受光面とは反対側の面１０ｂの一部を露出させる。上記積層構造のエッチング方法としては、たとえば、フッ酸水溶液と硝酸水溶液との混酸であるフッ硝酸水溶液をエッチング液として用いたウエットエッチングを用いてもよい。その後、フォトレジストマスク１４を除去する。このようにして、図４に示すように第１のｉ型非晶質半導体膜１１および第１導電型非晶質半導体膜１２、半導体膜１３を半導体基板１０の受光面とは反対側の面１０ｂ上に選択的に形成する。
【００３６】
また、図４に示す構造を得るのにエッチングペーストを用いても良い。図５に示すように、第１のｉ型非晶質半導体膜１１、第１導電型非晶質半導体膜１２および半導体膜１３を厚さ方向にエッチングする箇所にスクリーン印刷法でエッチングペースト２４を印刷する。エッチングペーストとしては、例えば、リン酸水とＮ-メチル-２-ピロリドンと増粘材の混合物を用いることができる。
【００３７】
続いて、加熱することにより、エッチングペースト２４を第１のｉ型非晶質半導体膜１１、第１導電型非晶質半導体膜１２および半導体膜１３と反応させて、エッチングペースト２４を塗布した部分の半導体基板１０の受光面とは反対側の面１０ｂを露出させる。加熱工程後は超音波洗浄を行った後乾燥させる。エッチングペーストを用いる場合には、半導体膜１３には、ｉ型非晶質シリコンを用いることが好ましい。このようにエッチングペーストを用いて、第１のｉ型非晶質半導体膜１１および第１導電型非晶質半導体膜１２、半導体膜１３を半導体基板１０の受光面とは反対側の面１０ｂ上に選択的に形成することもできる。
【００３８】
次に、図６に示すように、半導体基板１０の受光面とは反対側の面１０ｂの露出面、第１のｉ型非晶質半導体膜１１、第１導電型非晶質半導体膜１２および半導体膜１３を覆うようにして第２のｉ型非晶質半導体膜１５を形成する。第２のｉ型非晶質半導体膜１５の形成方法は特に限定されないが、たとえば、プラズマＣＶＤ法を用いることができる。
【００３９】
次に、第２のｉ型非晶質半導体膜１５上に第２導電型非晶質半導体膜１６を形成する。第２導電型非晶質半導体膜１６の形成方法は特に限定されないが、たとえばプラズマＣＶＤ法を用いることができる。このようにして、半導体基板１０の受光面とは反対側の全面に第２のｉ型非晶質半導体膜と第２導電型非晶質半導体膜を形成する。
【００４０】
次に、図７に示すように、半導体膜１３、第２のｉ型非晶質半導体膜１５、第２導電型非晶質半導体膜１６を残す部分、すなわち、第２電極を作成する部分に対応する第２導電型非晶質半導体膜１６上に第１の導電層１７を形成する。導電層１７には１０ｗｔ％以上のアルカリ水溶液への溶解性が小さい材料を使用する。具体的には、シャドウマスクを使用して、ＴｉやＩＴＯを１〜２００ｎｍ、好ましくは１〜１０ｎｍ蒸着させる。
【００４１】
続いて、導電層１７を形成するのに使用したシャドウマスクよりも小さい開口部をもつシャドウマスクを用いて、メタル層１８を蒸着法により第１の導電層１７上に形成する。図７において、導電層１７の幅は１００〜１０００μｍ、好ましくは３００〜４００μｍであり、メタル層１８の幅は１００〜１０００μｍ、好ましくは３００〜４００μｍ程度である。
【００４２】
次に、導電層１７をエッチングマスクとして、第２導電型非晶質半導体膜１６、第２のｉ型非晶質半導体膜１５、および半導体膜１３を厚さ方向に選択的にエッチングすることによって、図８に示すように、第１導電型非晶質半導体膜１２の表面を露出させる。第２導電型非晶質半導体膜１６、第２のｉ型非晶質半導体膜１５、および半導体膜１３のエッチング方法としては、ホウ酸カリウム水溶液若しくはホウ酸ナトリウム水溶液等のアルカリ水溶液をエッチング液として用いたウエットエッチング方法を用いる。続いて、シャドウマスクを用いて、第１電極である、メタル層１９を形成する。以上により、図１に示す構成の裏面電極型太陽電池を形成することができる。
（比較例）
図９から図１２は、比較例の太陽電池セルの製造工程を示す図である。実施例１と同様にして半導体基板５０上に、第１のｉ型非晶質半導体膜５１、第１導電型非晶質半導体膜５２、半導体膜５３、第２のｉ型非晶質半導体膜５５、第２導電型非晶質半導体膜５６を積層する。
【００４３】
続いて、図１０に示すように、フォトリソグラフィーにより、第１導電型非晶質半導体膜５２を露出させる。続いて図１１に示すように半導体基板５０の裏面全面にわたって、とＡｇ等のメタル層５７を積層する。
【００４４】
続いて、フォトリソグラフィーにより、第２導電型非晶質半導体膜５６上および、第１導電型非晶質半導体膜５２上に積層したメタル層のうち、第２導電型非晶質半導体膜５６端部付近のメタル層を取り除くことにより、第１電極６０および第２電極６１を形成して図１２に示される裏面電極型太陽電池セルを得る。
【００４５】
比較例の太陽電池セル５０の裏面から見て第２導電型非晶質半導体膜５６上の端部まで電極が存在せず、第２導電型非晶質半導体膜５６が露出している部分が存在する。これは、リーク電流の減少に寄与するが、それらの部分では、裏面反射による太陽電池の光収集が望めず、また、キャリアの収集ができないため、発電効率を向上させることが難しい。
【００４６】
また、第２電極が第２導電型非晶質半導体に接触する面積が少なく抵抗値が増大するため発電効率を向上させることが難しい。
【００４７】
また、第１電極と第２電極の金属が同じ金属を使用するため、第１導電型非晶質半導体および第２導電型非晶質半導体それぞれに適した低抵抗コンタクト性を有する金属を使用できないという問題がある。
【００４８】
また、太陽電池セルの裏面に各非晶質薄膜を形成した後、電極の形成のために２回のフォトリソグラフィーまたはエッチングペーストを用いたパターニングの工程が必要になる。
【００４９】
これに対し、実施の形態１および実施の形態２に示した裏面電極型太陽電池セルは、図後面と反対側の裏面から見て、非晶質半導体膜が電極の導電層で覆われていない部分が小さく、裏面反射による太陽電池の光収集効果が大きく、発電効率を向上させることができる。
【００５０】
さらに、第１電極と第２電極の金属それぞれに第１導電型非晶質半導体および第２導電型非晶質半導体に適した低抵抗コンタクトを有する材料を使用できるため、高発電効率を図ることができる。
【００５１】
また、太陽電池セルの裏面に各非晶質薄膜を形成した後、電極の形成のためのフォトリソグラフィーや印刷によるパターニングの工程が不要であるので、コストダウンを図ることができる。
【００５２】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５３】
１…太陽電池セル
１０…半導体基板
１１…第１のｉ型非晶質半導体膜
１２…第１導電型非晶質半導体膜
１３…半導体膜
１５…第２のｉ型非晶質半導体膜
１６…第２導電型非晶質半導体膜
１７…導電層
１８…メタル層
１９…メタル層
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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