(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板を貫通する貫通電極により受光面電極を裏面電極に接続する光電変換素子において、
前記半導体基板の裏面に前記貫通電極の周囲に形成した接合分離部と、
前記半導体基板の裏面上に存在し、前記接合分離部の周囲を包囲する開口部を有する基板導電層と、
前記接合分離部を覆い、かつ前記開口部より外側の基板導電層上に形成され、前記貫通電極が貫通する絶縁膜と、
前記絶縁膜上に外径が前記開口部の直径より大きく形成され、前記受光面電極と接続される前記貫通電極に接続される裏面電極と
を備えることを特徴とする光電変換素子。
【請求項２】
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板に形成された基板貫通孔と、
前記半導体基板の裏面上に存在し、前記基板貫通孔の周囲を包囲する開口部を有する基板導電層と、
前記基板導電層と前記半導体層とを電気的に絶縁するために前記基板貫通孔の周囲に形成された接合分離部と、
前記半導体基板の裏面上に前記接合分離部を覆い、かつ前記開口部より外側の基板導電層上に形成され、前記基板貫通孔と連続する絶縁膜貫通孔を有する絶縁膜と、
前記絶縁膜上に外径が前記開口部の直径より大きく形成され、前記基板貫通孔及び絶縁膜貫通孔を通る貫通電極と電気的に接続された裏面電極と、
前記半導体層の受光面上に前記半導体層と電気的に接続され、前記貫通電極を介して前記裏面電極と接続される受光面電極と
を有することを特徴とする光電変換素子。
【請求項３】
第１導電型の半導体基板に基板貫通孔を形成する工程と、
前記半導体基板の裏面上に、前記基板貫通孔の周囲部分を除き、開口部を形成するように基板導電層を形成する工程と、
前記半導体基板の裏面の前記基板貫通孔の周囲に接合分離部を形成する工程と、
前記半導体基板の裏面上及び前記基板導電層上に前記接合分離部を覆い、かつ前記開口部より外側の基板導電層上に形成され、前記基板貫通孔に連続する絶縁膜貫通孔を有する絶縁膜を形成する工程と、
前記基板貫通孔及び絶縁膜貫通孔の内部に貫通電極を形成し及び前記絶縁膜上に外径が前記開口部の直径より大きい裏面電極を形成する工程と、
前記半導体基板の受光面上に前記半導体層と電気的に接続され、前記貫通電極を介して前記裏面電極と接続される受光面電極を形成する工程と
を備えることを特徴とする光電変換素子の製造方法。
【請求項４】
前記裏面電極は、前記接合分離部の少なくとも一部を覆うように形成された前記絶縁膜上にあって、前記接合分離部に少なくとも一部に重なるように形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換素子。
【請求項５】
前記裏面電極は、前記接合分離部の少なくとも一部と前記基板導電層の一部を被覆するように形成された前記絶縁膜上にあって、前記基板導電層の一部に重なるように形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電変換素子及びその製造方法に関し、特に受光面電極を半導体基板に形成した貫通孔を介して裏面に取り回す構造の光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光エネルギーを直接電気エネルギーに変換する、いわゆる太陽電池と言われる光電変換素子は、近年、特に地球環境問題の観点から、次世代のエネルギー源としての期待が急激に高まっている。太陽電池として使用される光電変換素子は、化合物半導体または有機材料を用いたものなど様々な種類があるが、現在、主流となっているのは、シリコン結晶を用いたものである。その他、非結晶シリコン、多結晶シリコンも多用される。
【０００３】
図５に、従来の太陽電池の一例の模式的な断面図を示す。
太陽電池は、半導体基板としてのｐ型シリコン基板１０の受光面にｎ+層１１が形成されることによって、ｐ型シリコン基板１０とｎ+層１１とによりｐｎ接合を形成する。ｐ型シリコン基板１０の受光面となる第１主面上には反射防止膜１２および銀電極１３がそれぞれ形成されている。なお、銀電極１３はインターコネクタに接続するためのバスバー電極と、バスバー電極から伸びるフィンガー電極とから構成される。
また、ｐ型シリコン基板１０の受光面と反対側の第２主面上にはｐ+層１５が形成されている。そして、ｐ型シリコン基板１０の裏面上にはアルミニウム電極１４およびインターコネクタに接続するための銀電極１６がそれぞれ形成されている。
ところが、上記のような構造では、第１主面上の銀電極１３及びバスバー電極、フィンガー電極によって入射光が遮られて影によるロスが発生するとともに、この銀電極１３下部でキャリアの再結合損失が発生するという問題がある。従って、第１主面上の銀電極１３及びバスバー電極、フィンガー電極はできる限り面積占有率を小さくする必要がある。
【０００４】
そこで、第１主面の銀電極１３の面積占有率を減少させるとともに、銀電極１３下部でのキャリアの再結を抑制するために図６の模式的な断面図に示されるような太陽電池(ＭＷＴ: Ｍｅｔａｌ Ｗｒａｐ Ｔｈｒｏｕｇｈ)が提案されている。
この太陽電池では、シリコン基板１０に予め形成された貫通孔を通じる貫通電極１９によって第１主面上の銀電極１７の一部を第２主面上の銀電極１８に取り回す構造である。この構造によれば、第１主面上の銀電極１７の面積占有率を減少させることができる。
この太陽電池では、第１主面上の銀電極１７と貫通電極１９により第２主面に取り回して接続される第２主面上の銀電極１８と、第２主面上のアルミニウム電極１４とを電気的に分離させる必要がある。そのため例えば文献１では、ｐ型シリコン基板１０の第２主面上の銀電極１８とアルミニウム電極１４の間のｎ＋層１１をレーザアブレーションにより除去することにより、接合分離部２０を形成している。
【非特許文献１】Filip Granek, A systematic approach to reduce process-induced shunts in back-contacted mc-Si solar cells、 4th-WCPEC (2006), Hawaii
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図６の模式的断面図に示す構造のＭＷＴ太陽電池の場合、銀電極１８はインターコネクタと接続をする必要があるため、接着強度および接触抵抗の観点から銀電極１８の面積は大きければ大きいほど良い。しかしながら、銀電極１８を大きく形成するためには、銀電極１８の部分のアルミニウム電極１４を除去するとともに、銀電極１８の周囲に接合分離部２０を形成する必要がある。このため銀電極１８の面積増大にしたがって、接合分離２０の周囲長が長くなり、絶縁抵抗が低下するという問題が発生する。
絶縁抵抗の低下は、太陽電池特性の曲線因子(fill factor: FF)の低下をもたらす。さらに、銀電極１８の面積増大にともない、アルミニウム電極１４の面積が減少することから、アルミニウム−シリコン合金層下のｐ+層１５の面積が減少し、太陽電池特性のＩｓｃおよびＶｏｃが低下するという問題がある。
本発明はこのような実情を鑑みてなされたものであり、接合分離部２０の周囲長を短くすることにより絶縁抵抗を改善し、高効率の太陽電池としての光電変換素子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】
【０００６】
本発明の光電変換素子は、上記課題を解決するために、第１導電型の半導体基板を貫通する貫通電極により受光面電極を裏面電極に接続する光電変換素子において、前記半導体基板の裏面に前記貫通電極の周囲に形成した接合分離部と、前記接合分離部を覆うように形成され、前記貫通電極が貫通する絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成され、前記受光面電極と接続される前記貫通電極に接続される裏面電極とを備えるものである。
また、本発明の光電変換素子は、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板に形成された基板貫通孔と、前記半導体基板の受光面および裏面の一部に設けられた第２導電型の半導体層と、前記半導体基板の裏面上に存在し、前記基板貫通孔の周囲を包囲する開口部を有する基板導電層と、前記基板導電層と前記半導体層とを電気的に絶縁するために前記基板貫通孔の周囲に形成された接合分離部と、前記半導体基板の裏面上に前記接合分離部を覆うように形成され、前記基板貫通孔と連続する絶縁膜貫通孔を有する絶縁膜と、前記絶縁膜の上に位置し、前記基板貫通孔及び絶縁膜貫通孔を通る貫通電極と電気的に接続された裏面電極と、前記半導体層の受光面上に前記半導体層と電気的に接続され、前記貫通電極を介して前記裏面電極と接続される受光面電極とを有するものである。
これにより、接合分離部の周囲長を短くすることができ、絶縁抵抗が改善され、さらに、アルミニウム電極面積を大きくすることができ、太陽電池特性の曲線因子、ＩｓｃおよびＶｏｃを改善することができる。したがって、本発明により高効率の光電変換素子を提供することができる。
【０００７】
また、本発明の光電変換素子は実施形態において、裏面電極は、接合分離部の径より大きい外径を有するがことが望ましい。これにより、接合分離部の周囲長を短くすることができ、絶縁抵抗が改善される。同時に裏面電極の外径を大きくできるので、インターコネクタと接続する場合に接着強度を大きくし、接触抵抗を小さくすることができる。
また、本発明の光電変換素子は実施形態において、前記絶縁膜が基板導電層の一部の上にも位置し、前記裏面電極の外径が基板導電層の開口部の直径より大きいことが望ましい。これにより、裏面電極の外径を大きくできるので、インターコネクタと接続する場合に接着強度を大きくし、接触抵抗を小さくすることができる。
【０００８】
また本発明は別の観点によれば、光電変換素子の製造方法であり、第１導電型の半導体基板に基板貫通孔を形成する工程と、前記半導体基板に第２導電型の半導体層を形成する工程と、前記半導体基板の裏面上に、前記基板貫通孔の部分を除いて基板導電層を形成する工程と、前記半導体基板の裏面の前記基板貫通孔の周囲に接合分離部を形成する工程と、前記半導体基板の裏面上及び前記基板導電層上に前記接合分離部を覆い、前記基板貫通孔に連続する絶縁膜貫通孔を有する絶縁膜を形成する工程と、前記基板貫通孔及び絶縁膜貫通孔の内部に貫通電極及び前記絶縁膜上に裏面電極を形成する工程と、前記半導体基板の受光面上に前記半導体層と電気的に接続され、前記貫通電極を介して前記裏面電極と接続される受光面電極を形成する工程とを備える。
これにより、本発明の光電変換素子を製造することが可能になる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、シリコン基板に形成された貫通孔を通じて受光面電極を裏面に取り回す構造の太陽電池において、前記貫通孔の周囲に形成する接合分離部上に絶縁膜を介して上記裏面電極を設けることにより、接合分離部の周囲長を短くすることができ絶縁抵抗が改善され、さらに、基板導電層を形成するアルミニウム電極面積を大きくすることができ太陽電池の性能を改善することができる。したがって、本発明により高効率の太陽電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１に、本発明の光電変換素子としての太陽電池の模式的断面図を示す。図１に示す太陽電池は、第１導電型の半導体基板１０の受光面および裏面の一部に不純物を拡散して第２導電型の半導体表面層１１を形成する。半導体表面層１１の受光面上に前記半導体表面層１１と電気的に接続される受光面電極１７を設ける。そして、半導体基板に、受光面電極１７を裏面側に導出するため基板貫通孔３０を形成する。
半導体基板１０の裏面上には、基板貫通孔３０の周囲を包囲する開口部Ｓを有する基板導電層１４を形成する。開口部Ｓの内側で、基板導電層１４と半導体表面層１１とを電気的に絶縁するために基板貫通孔の周囲に接合分離部２０を形成する。半導体基板１０の裏面上で、接合分離部２０を覆うように基板貫通孔３０と通じる絶縁膜貫通孔３１を有する絶縁膜３２を形成する。更に絶縁膜３２の上に位置し、基板貫通孔３０及び絶縁膜貫通孔３１を通る貫通電極１９により受光面電極１７に電気的に接続された裏面電極３３を形成する。
ここで、裏面電極３３の外径が接合分離部２０の径より大きいことが望ましい。また絶縁膜３２が基板導電層１４の一部の上にも位置し、裏面電極３３の外径が基板導電層１４の開口部Ｓの直径より大きいことが望ましい。
【００１１】
上記構成の太陽電池は、例えば以下のように製造することができる。
まず、第１導電型としてのｐ型シリコン基板１０の面内に直径50〜500μmの基板貫通孔３０を、例えば単位面積当り数個〜数１００個形成する。ｐ型シリコン基板１０はシリコン結晶が最も好ましいが、多結晶シリコン、非結晶シリコンであってもよい。基板貫通孔３０は、ＹＡＧレーザまたはＣＯ２レーザを集光して照射することによって形成される。
続いて、アルカリまたは酸によってｐ型シリコン基板１０の表面をエッチングすることによって、ｐ型シリコン基板１０のスライス時のダメージ層（図示しない）および基板貫通孔３０形成時の熱ダメージ層（図示しない）を除去する。このとき、エッチング条件を調整すると、ｐ型シリコン基板１０の表面に微小な凹凸（図示せず）を形成することができる。これにより、表面反射損失を低減することができる。
続いて、ＰＯＣｌ3気相中でｐ型シリコン基板１０を８００℃〜９５０℃の温度で５〜３０分間熱処理することによりｐ型シリコン基板１０の両面および基板貫通孔３０の側面に、第２導電型となるｎ+層１１を形成する（図２（ａ））。これによりｐｎ接合を形成する。ｎ＋層１１の形成方法には上記方法以外に、リンを含む化合物を含有したドーパント液を塗布して熱処理を施す方法や、スプレー方式による拡散方法も可能である。
次いで、ｎ+層１１の形成時にシリコン基板１０の両面および基板貫通孔３０の側面に形成されるガラス層を酸処理により除去した後、ｐ型シリコン基板１０の受光面となる第１主面上に反射防止膜１２を形成する（図２（ｂ））。反射防止膜１２は、例えば、プラズマＣＶＤ法を用いて窒化シリコン膜を堆積することにより形成する。
【００１２】
そして、ｐ型シリコン基板１０の裏面となる第２主面上に、貫通電極１９の周囲部分(アルミニウム開口部Ｓ)を除く略全面にアルミニウム電極１４を形成するとともに、ｐ型シリコン基板１０の第２主面にｐ+層１５を形成する（図２（ｃ））。アルミニウム電極１４は、たとえば、アルミニウム粉末、ガラスフリット、樹脂および有機溶剤を有するアルミニウムペーストをスクリーン印刷などにより印刷した後に、ｐ型シリコン基板１０を熱処理することによって形成される。さらに、アルミニウムが溶融してシリコンと合金化することにより形成されたアルミニウム−シリコン合金層（図示せず）下にｐ+層１５が形成される。
【００１３】
続いて、ｐ型シリコン基板１０の裏面側で、基板貫通孔３０の周囲部分、即ちアルミニウム開口部Ｓの内側のｎ＋層１１をレーザアブレーションにより除去し、接合分離部２０を形成する（図３（ｄ））。さらに、ｐ型シリコン基板１０の外周部に形成されたｎ＋層１１をレーザアブレーションにより除去する(図示せず)。ｎ＋層１１の除去にはレーザアブレーション以外に、サンドブラストや酸またはアルカリを用いたエッチング、プラズマを用いたエッチングによる方法も可能である。
次に、基板貫通孔３０を除き、ｐ型シリコン基板１０の裏面上の接合分離部２０、アルミニウム開口部Ｓおよびアルミニウム開口部Ｓの周囲のアルミニウム電極１４を含む部分に絶縁膜３２を形成する（図３（ｅ））。これにより、絶縁膜３２には、基板貫通孔３０に連続するように絶縁膜貫通孔３１が形成される。絶縁膜３２の形成は、たとえば、ガラスフリット、樹脂および有機溶剤を有するガラスペーストをスクリーン印刷などにより印刷した後に、ｐ型シリコン基板１０を熱処理することによって形成する。これ以外に、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜などを堆積することによっても形成可能である。
【００１４】
次いで、ｐ型シリコン基板１０の裏面上にインターコネクタに接続するための銀電極３４を形成する。同時に、上記基板貫通孔３０と絶縁膜貫通孔３１の内部に貫通電極１９と、絶縁膜３２上に銀電極３３を形成する（図４（ｆ））。銀電極３３と３４は、たとえば、銀粉末、ガラスフリット、樹脂および有機溶剤を有する銀ペーストをスクリーン印刷などにより印刷した後に、ｐ型シリコン基板１０を熱処理することによって得ることができる。
そして、ｐ型シリコン基板１０の受光面上に、基板貫通孔３０及び絶縁膜貫通孔３１内の貫通電極１９を介して、裏面の銀電極３３に集電するための受光面電極となる銀電極１７を形成する（図４（ｇ））。この際に、受光面上の銀電極１７と裏面上の銀電極３３が貫通電極１９を介して電気的に接触することになる。銀電極１７の形成方法としては、たとえば、反射防止膜１２の表面上に銀粉末、ガラスフリット、樹脂および有機溶剤を有する銀ペーストをスクリーン印刷などにより印刷した後に、ｐ型シリコン基板１０を熱処理することによって、銀ペーストが反射防止膜１２を貫通してｐ型シリコン基板１０の第１主面上のｎ＋層１１と良好な電気的接触が可能なファイアスルー方式により得ることができる。
【００１５】
以上のようにして、図３に示す構成の太陽電池を製造することができる。
なお、貫通電極１９、接合分離部２０、アルミニウム開口部Ｓ、絶縁膜３２および銀電極３３の形状および位置関係は、それぞれ同心円であるとして説明した。そして、具体的には一例として、貫通電極１９は直径０．３ｍｍ、接合分離部２０は直径１ｍｍ、アルミニウム開口部Ｓは直径２ｍｍ、銀電極３３は直径３ｍｍ、絶縁膜３２は直径４ｍｍであるが、接合分離部２０およびアルミニウム開口部Ｓの直径は小さいほど望ましい。さらに、本実施形態では、接合分離部２０の直径およびアルミニウム開口部Ｓの直径よりも銀電極３３直径の方が大きいことに特徴がある。また、アルミニウム開口部Ｓ、接合分離部２０、絶縁膜３２および銀電極３３の形状はそれぞれが必ずしも円形である必要はなく、三角形〜八角形のように多角形や楕円形のように任意形状でも本実施形態は実現可能である。このように任意形状の場合でも貫通電極１９、接合分離部２０、アルミニュウム開口部Ｓの順に径を大きくするとよい。更に銀電極３３、絶縁膜３２の順に大きくすることが好ましい。
なお、本実施形態に示した、受光面上の銀電極１７および裏面上の銀電極３３、アルミニウム電極１４、接合分離部２０、絶縁膜３２の形成順序は一例であり、この限りではない。
【００１６】
本実施形態により、シリコン基板に形成された貫通孔を通じて受光面電極を裏面に取り回す構造の太陽電池において、前記貫通孔の周囲に形成する接合分離部上に絶縁膜を介して上記裏面電極を設けることにより、接合分離部の周囲長を短くすることができ、絶縁抵抗が改善され、さらに、アルミニウム電極面積を大きくすることができ太陽電池の性能を改善することができる。したがって、本発明により高効率の太陽電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の太陽電池の模式的な断面図である。
【図２】本発明の太陽電池の製造方法を説明するはじめの３つの工程図である。
【図３】本発明の太陽電池の製造方法を説明する続く２つの工程図である。
【図４】本発明の太陽電池の製造方法を説明するさらに続く２つの工程図である。
【図５】従来の太陽電池の一例の模式的な断面図である。
【図６】従来の太陽電池の一例の模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００１８】
１０  ｐ型シリコン基板
１１  ｎ+層
１４  アルミニウム電極
１５  ｐ＋層
１７  銀電極
２０  接合分離部
３０  第１貫通孔
３１  第２貫通孔
３２  絶縁膜
３３  銀電極
Ｓ  アルミニウム開口部
【図１】
0005111063.tif 000002
【図２】
0005111063.tif 000003
【図３】
0005111063.tif 000004
【図４】
0005111063.tif 000005
【図５】
0005111063.tif 000006
【図６】
0005111063.tif 000007