(57)【要約】【課題】本発明は太陽電池に関する。【解決手段】本発明の太陽電池（１）は第１導電型を有する半導体基板（１１０）と結晶質部(crystalline portion)を含む第１非晶質半導体部(amorphousｓ semiconductor layer)（１２０）と前記半導体基板の上に位置する第１電極部（１４１）、そして前記半導体基板の上に位置する第２電極部（１４２）を含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型を有する半導体基板と、
結晶質部を含む第１非晶質半導体部と、
前記半導体基板の上に位置する第１電極部と、
前記半導体基板の上に位置する第２電極部と
を含む太陽電池。
【請求項２】
前記第１非晶質半導体部は前記第１導電型と反対の第２導電型を有する第１半導体部を含む請求項１記載の太陽電池。
【請求項３】
前記第１非晶質半導体部は約１０％以下の結晶化度を有する請求項２記載の太陽電池。
【請求項４】
前記第１非晶質半導体部は前記第１半導体部と前記半導体基板の間に位置した真性半導体部を含む請求項１記載の太陽電池。
【請求項５】
前記真性半導体部は前記結晶質部を含む結晶質サブ膜を含む請求項４記載の太陽電池。
【請求項６】
前記第１導電型を有し前記半導体基板の上に位置する第２非晶質半導体部をさらに含む請求項１記載の太陽電池。
【請求項７】
前記第２非晶質半導体部と前記半導体基板の間に位置する真性半導体部をさらに含む請求項６記載の太陽電池。
【請求項８】
前記第２非晶質半導体部は３０％以下の結晶化度を有する請求項６記載の太陽電池。
【請求項９】
前記真性半導体部は前記結晶質部を含む結晶質サブ膜を含む請求項７記載の太陽電池。
【請求項１０】
前記第２非晶質半導体部は前記半導体基板の入射面の反対側に位置する前記半導体基板の後面上に位置する請求項６記載の太陽電池。
【請求項１１】
前記第２電極部は前記第２非晶質半導体部上に位置する請求項１０記載の太陽電池。
【請求項１２】
前記第２電極部は透明電極と金属電極を含む請求項１１記載の太陽電池。
【請求項１３】
前記半導体基板は多結晶シリコンまたは単結晶シリコンからなる請求項１記載の太陽電池。
【請求項１４】
前記第１非晶質半導体部は非晶質シリコンからなる請求項１記載の太陽電池。
【請求項１５】
前記第１非晶質半導体部は前記半導体基板の入射面上に位置する請求項１記載の太陽電池。
【請求項１６】
前記第１電極部は前記第１非晶質半導体部上に位置する請求項１５記載の太陽電池。
【請求項１７】
前記第１電極部は透明電極と金属電極を含む請求項１６記載の太陽電池。
【請求項１８】
前記第１非晶質半導体部は前記半導体基板の入射面の反対側に位置する前記半導体基板の後面上に位置する請求項１記載の太陽電池。
【請求項１９】
前記半導体基板の前記入射面上に位置する第２非晶質半導体部をさらに含む請求項１８記載の太陽電池。
【請求項２０】
前記第２非晶質半導体部は真性半導体部である請求項１９記載の太陽電池。
【請求項２１】
前記第２非晶質半導体部上に位置した反射防止部をさらに含む請求項１９記載の太陽電池。
【請求項２２】
前記第１電極部は前記第１非晶質半導体部上に位置する請求項１８記載の太陽電池。
【請求項２３】
前記第１電極部は透明電極と金属電極を含む請求項２２記載の太陽電池。
【請求項２４】
第１導電性タイプを有する半導体基板と、
前記半導体基板の上に位置し結晶質部を含み非晶質シリコンからなる第１保護膜と、
前記第１保護膜の上に位置し非晶質シリコンからなるエミッタ層と、
前記エミッタ層上に位置する第１電極部、そして
前記半導体基板の上に位置する第２電極部と
を含む太陽電池。
【請求項２５】
前記半導体基板の上に位置し結晶質部を含む後面電界部をさらに含む請求項２４記載の太陽電池。
【請求項２６】
前記後面電界部は前記エミッタ層の結晶化度より大きい結晶化度を有する請求項２５記載の太陽電池。
【請求項２７】
前記後面電界部の前記結晶化度は３０％以下である請求項２６記載の太陽電池。
【請求項２８】
前記結晶質部を含む第２後面保護膜と前記半導体基板の上に位置する後面電界部をさらに含む請求項２４記載の太陽電池。
【請求項２９】
前記後面電界部または前記第２保護膜部は前記エミッタ層より大きい結晶化度を有する請求項２８記載の太陽電池。
【請求項３０】
前記後面電界部または前記第２保護膜は３０％以下の結晶化度を有する請求項２９記載の太陽電池。
【請求項３１】
前記第１保護膜は１０％以下の結晶化度を有する請求項２４記載の太陽電池。
【請求項３２】
前記エミッタ層と前記後面電界部は前記半導体基板の後面に位置する請求項２５記載の太陽電池。
【請求項３３】
前記エミッタ層は前記半導体基板の前面に位置し、前記後面電界部は前記半導体基板の後面に位置する請求項２５記載の太陽電池。
【請求項３４】
前記第１電極部と前記第２電極部の中で少なくとも一つは透明電極と金属電極を含む請求項２４記載の太陽電池。
【請求項３５】
第１導電型を有し非晶質ではない半導体基板と、
前記半導体基板の上に位置する少なくとも一つの半導体部と、
前記半導体基板の上に位置する第１電極、そして
前記半導体基板の上に位置する第２電極を含み、
前記少なくとも一つの第１半導体部は結晶質である一部と非晶質である他の部分を含む太陽電池。
【請求項３６】
前記第１半導体部は真性である請求項３５記載の太陽電池。
【請求項３７】
前記第１半導体部は１０％以下の結晶化度を有する請求項３６記載の太陽電池。
【請求項３８】
前記第１半導体部上に位置し前記第１導電型と反対の第２導電型を有する他の半導体部をさらに含み、前記第１半導体部の結晶化度は１０％以下である請求項３６記載の太陽電池。
【請求項３９】
前記第１半導体部上に位置し前記第１導電型を有する他の半導体部をさらに含み、前記第１半導体部の結晶化度は３０％以下である請求項３６記載の太陽電池。
【請求項４０】
前記第１半導体部上に位置し前記第１導電型を有する半導体部、そして前記第１半導体部上に位置し前記第１導電型と反対の第２導電型を有する他の半導体部をさらに含み、
前記第１半導体部の結晶化度は１０％以下である請求項３５記載の太陽電池。
【請求項４１】
前記第１半導体部は前記第１導電型と反対の第２導電型を有する請求項３５記載の太陽電池。
【請求項４２】
前記第１半導体部は１０％以下の結晶化度を有する請求項４１記載の太陽電池。
【請求項４３】
前記第１半導体部は第１導電型を有する請求項３５記載の太陽電池。
【請求項４４】
前記第１半導体部は３０％以下の結晶化度を有する請求項４３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】
最近石油や石炭のような既存エネルギ資源の枯渇が予測されながらこれらを代替する代替エネルギに対する関心が高くなっている。その内でも太陽電池は太陽エネルギから電気エネルギを生産する電池として、エネルギ資源が豊かで環境汚染に対する問題点がなくて注目される。
【０００３】
一般的な太陽電池はＰ型とｎ型のように互いに異なる導電型(conductive type)の半導体からなる基板及びエミッタ層(emitter layer)、そして基板とエミッタ層にそれぞれ接続された電極を備える。この時、基板とエミッタ層の界面にはＰ−ｎ接合が形成される。
【０００４】
このような太陽電池に光が入射されると半導体で複数の電子-正孔対が生成され、生成された電子-正孔対は光起電力効果によって電荷である電子と正孔にそれぞれ分離し電子と正孔はｎ型の半導体とｐ型半導体の方に、例えばエミッタ層と基板の方に移動し、基板とエミッタ層と電気的に接続された電極によって収集され、この電極を電線で接続して電力を得る。
【０００５】
この時、エミッタ層と基板の上には、エミッタ層と基板に接続された電極とそれぞれ接続されるバス バーのような少なくとも一つの集電部を位置させ、その電極で収集された電荷が隣接した集電部を通じて外部に接続された負荷に容易に移動するようにする。
【０００６】
しかし、この場合、光が入射されない基板の上だけではなく光が入射される面、すなわち、受光面に形成されたエミッタ層上にも集電部が位置するので、集電部によって光の入射面積が減少し太陽電池の効率が低下する。
【０００７】
したがって光の入射面積を増加させるため、電子と正孔を収集する電極を全て基板の後面に位置させた後面電極(back contact)の太陽電池が開発されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、太陽電池の効率を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様による太陽電池は、第１導電型の半導体基板、半導体基板上の第１導電型と反対の第２導電型で、結晶塊(crystal lump)を含む第１半導体層と、半導体基板上で、半導体基板に電気的に接続された第１電極と、半導体基板上で、第１半導体層に電気的に接続された第２電極を備える。
【００１０】
第１半導体層は、１０％と等しいかより小さい結晶度を持ちえる。
【００１１】
太陽電池は、半導体基板上で、第１導電型の第２半導体層をさらに含む。第２半導体層は、結晶塊を含みうる。また、第２半導体層は、３０％と等しいかより小さい結晶度を持ちえる。
【００１２】
太陽電池は、半導体基板上の真性半導体層を更に含む。真性半導体層は結晶塊を含みえる。真性半導体層は１０％と等しいかより小さい結晶度を持ちえる。
【００１３】
半導体基板と第１半導体層はヘテロ接合を形成できる。
【００１４】
他の態様によれば、太陽電池は、第１導電型の基板と、基板上の第１導電型と反対の第２導電型で、結晶塊を含む第２導電型のエミッタ層と、エミッタ層と電気的に接続された第１電極と、基板上で、基板に電気的に接続された第２電極とを備え、基板とエミッタ層はヘテロ接合を形成し、エミッタ層は１０％と等しいかそれより小さい結晶度である。
【００１５】
基板は、単結晶シリコン又は多結晶シリコンから形成でき、エミッタ層は非晶質シリコンで形成できる。
【００１６】
太陽電池は、基板と第２電極の間に後面電界層(部）を更に含む。後面電界層は結晶塊を含みうる。後面電界層はエミッタ層の結晶度より大きな結晶度を持ちうる。後面電界層の結晶度は３０％に等しいかより小さい。
【００１７】
太陽電池は基板上に少なくとも一つのパッシベーション層(保護層）をさらに含みうる。少なくとも一つのパッシベーション層は結晶塊を含みうる。少なくとも一つのパッシベーション層は１０％と等しいか又はより小さい結晶度を持ちえる。少なくとも一つのパッシベーション層は、基板の表面上の表面パッシベーション層と、基板の裏面上の裏面パッシベーション層を含みうる。
【００１８】
エミッタ層と後面電界層は、基板の裏面上に位置しえる。裏面パッシベーション層はエミッタ層と後面電界層の間の基板上に位置しえる。
【００１９】
エミッタ層は基板の表面上に位置しえる。後面電界層は基板の裏面上に位置しえる。裏面パッシベーション層は基板と後面電界層との間に位置しえる。
【００２０】
太陽電池は、エミッタ層上の透明導電層と、後面電界層と第２電極との間の導電層とをさらに含む。
【００２１】
他の態様において、太陽電池は、第１導電型の非晶質でない半導体基板と、少なくとも結晶部分と他の非晶質部分を含む非晶質でない半導体基板上の少なくとも第１半導体層と、半導体基板上の第１電極と、半導体基板上の第２電極とを含む。
【発明の効果】
【００２２】
このような本発明によれば、結晶質シリコンをシード層として非晶質シリコンの結晶塊が成長される時、非晶質シリコンの結晶化度を最適化して結晶塊による電荷の損失が最小化される。したがって太陽電池の効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一つの実施の形態に係る太陽電池の部分斜視図である。
【図２】図１に示した太陽電池をＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】本発明の一つの実施の形態に係る単結晶シリコンの基板をシード層にして非晶質シリコンの前面保護膜に結晶塊が成長される時、前面保護膜の結晶化度によるキャリアライフタイムを測定したグラフである。
【図４】本発明の一実施の形態に係り単結晶シリコンの基板をシード層にして非晶質シリコンのエミッタ層に結晶塊が成長される時、エミッタ層の結晶化度によるキャリアライフタイムを測定したグラフである。
【図５】本発明の一実施の形態に係る単結晶シリコンの基板をシード層にして非晶質シリコンの後面電界部に結晶塊が成長される時、後面電界部の結晶化度によるキャリアライフタイムを測定したグラフである。
【図６】本発明の一実施の形態に太陽電池の他の例の断面図である。
【図７】本発明の一実施の形態に太陽電池の他の例の断面図である。
【図８】本発明の一実施の形態に太陽電池の他の例の断面図である。
【図９】本発明の一実施の形態に太陽電池の他の例の断面図である。
【図１０】本発明の一実施の形態に太陽電池の他の例の断面図である。
【図１１】本発明の他の実施の形態に係る太陽電池の部分斜視図である
【図１２】図１１に図示した太陽電池をXII-XII線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下では添付した図面を参照にして本発明の実施の形態に対して本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。しかし本発明はいろいろ相異なる形態に具現されることができ、ここで説明する実施の形態に限定されない。そして図面で本発明を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略し、明細書全体を通じて類似の部分に対しては類似の参照番号を付けた。
【００２５】
図では多くの層及び領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。明細書全体を通じて同様の部分に対しては同一の参照番号を付けた。層、膜、領域、基板などの部分が他の部分「上に」あると言う時、これは他の部分「真上に」ある場合だけではなくその中間に他の部分がある場合も含む。反対に何れの部分が他の部分「真上に」あると言う時には中間に他の部分がないことを意味する。また何れの部分が他の部分上に「全体的」に形成されていると言う時には他の部分の全面に形成されていることだけではなく端の一部には形成されないことも意味する。
【００２６】
それでは添付した図面を参照して本発明の一実施の形態に係る太陽電池について説明する。
【００２７】
先ず、図１及び図２を参照して本発明の一実施の形態に係る太陽電池の一例について詳細に説明する。
【００２８】
図１は本発明の一実施の形態に係る太陽電池の一例の部分斜視図であり、図２は図１に図示した太陽電池をＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【００２９】
図１及び図２を参照すると、本発明の一実施の形態に係る太陽電池１は基板１１０、光が入射される基板１１０の前面(front surface) 上に位置する前面保護膜１９１、前面保護膜１９１上に位置する反射防止膜１３０、光が入射されず基板１１０の前面と向い合う基板１１０の後面(rear surface) 上に位置する複数のエミッタ層１２０、基板１１０の後面上に位置し複数のエミッタ層１２０と離隔される複数の後面電界部(back surface field、ＢＳＦ)１７２、複数のエミッタ層１２０と複数の後面電界部１７２の間の基板１１０の後面上に位置する後面保護膜１９２、複数のエミッタ層１２０上に位置する複数の第１電極１４１、そして複数の後面電界部１７２上に位置する複数の第２電極１４２を含む。
【００３０】
基板１１０は第１導電型、例えばｎ導電型のシリコンからなる半導体基板である。この時、シリコンは単結晶シリコンまたは多結晶シリコンのような結晶質シリコンである。基板１１０がｎ導電型を有する場合、りん（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）のような５価元素の不純物を含むことができる。しかし、これとは異なり、基板１１０はｐ導電型で有り得、シリコン以外の他の半導体物質から成り得る。基板１１０がｐ導電型を有する場合、基板１１０は、ホウ素（Ｂ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）のような３価元素の不純物を含むことができる。
【００３１】
このような基板１００は前面がテクスチャリング(texturing)され凹凸面であるテクスチャリング表面(texturing surface)を有する。
【００３２】
基板１１０のテクスチャリング表面の上に位置した前面保護膜１９１は基板１１０の表面近くに存在するダングリングボンドのような結合を安定な結合に変え、結合によって基板１１０の前面の方へ移動した電荷、例えば電子が捕獲され消滅する現象を減少させる。
【００３３】
前面保護膜１９１は非晶質シリコンからなり、真性領域である。
【００３４】
このような前面保護膜１９１は主に多結晶からなる結晶塊(crystal lump)１８１を備える。
【００３５】
結晶塊１８１は基板１１０の結晶質シリコンを種結晶として前面保護膜１９１にエピタキシャル成長した多結晶シリコンである。この結晶塊１８１は主に基板１１０と接している前面保護膜１９１部分に形成される。
【００３６】
本発明の実施の形態で、非晶質シリコン膜(amorphous silicon layer)からなる前面保護膜１９１は非晶質ではない(non-amorphous) 部分を含む。この非晶質ではない部分は基板１１０と近接する前面保護膜１９１の部分に分散できる。この非晶質ではない部分は結晶塊１８１と呼ばれうる。一つ以上の結晶塊１８１は前面保護膜１９１に存在でき、結晶塊１８１は結晶質サブ膜(crystalline sublayer)を形成しえるか結晶質サブ膜は結晶塊１８１を含みえる。必ずしも要求されないが、本発明の実施の形態で、結晶質サブ膜は連続層で互いに接続される結晶塊１８１によって形成されうる。他の例では、結晶塊１８１は基板１１０と結合する前面保護膜１９１部分に非連続的に分散することができる。
【００３７】
このような結晶塊１８１は前面保護膜１９１の方へ移動したキャリアを捕獲し電荷の損失をもたらす。
【００３８】
図３を参照して、単結晶シリコンからなる基板に基づいて非晶質シリコンからなる保護膜に多結晶シリコンの結晶塊が成長する時、保護膜の結晶化度(crystallinity)とライフタイムの関係が示される。本実施の形態で、結晶化度は基板１１０上に積層される膜、例えば前面保護膜１９１の総体積に対して基板１１０をシード層に成長した多結晶シリコンの体積の割合を現わす。
【００３９】
図３は本発明の一実施の形態に係って単結晶シリコンの基板をシード層にして非晶質シリコンの前面保護膜に結晶塊が成長される時、前面保護膜の結晶化度によるキャリアライフタイムを測定したグラフである。
【００４０】
図３に示すように、結晶化度が増加するほど、すなわち前面保護膜１９１に成長された多結晶シリコンの量が増加するほどキャリア（例、正孔）のライフタイム（Ｔｅｆｆ）が減少する。言い換えれば、成長した多結晶シリコンの量が増加するほど成長した多結晶シリコンによって消滅したキャリアの量が増加した。
【００４１】
しかし、結晶化度が約１０％以下である場合、基板から少数キャリアに作用するキャリア（例、正孔）のライフタイム（Ｔｅｆｆ）が基準時間、例えば、約１ｍｓ以上を維持し、キャリアライフタイムが大きく増加することが分かった。この時、基準時間は開放電圧（Ｖｏｃ）の大きさによって決まり、少数キャリアのライフタイム（Ｔｅｆｆ）が約１ｍｓ以上の場合高効率太陽電池の製作が可能である開放電圧（Ｖｏｃ）が得られる。結局、少数キャリアのライフタイム（Ｔｅｆｆ）が約１ｍｓ以上である場合高効率の太陽電池の製作が可能になる。基準時間の少数キャリアのライフタイム（Ｔｅｆｆ）に関し、本実施の形態で、基準時間は約１ｍｓ以上である必要がない。少数キャリアのライフタイム（Ｔｅｆｆ）は０．１ｍｓ（約１００μｓ）以上で有り得また０．２ｍｓ(約２００μｓ)以上でもよい。
【００４２】
図３の測定結果によれば、非晶質シリコンの保護膜の結晶化度が約１０％と等しいかより大きい場合成長した多結晶シリコンによって消滅するキャリアの量が増加するためにキャリアのライフタイムが減少することが分かった。
【００４３】
したがって本実施の形態の場合、前面保護膜１９１の結晶化度は約１０％以下と等しいがより少なくして成長した多結晶シリコンによって消滅するキャリアの量は減少し、キャリアのライフタイムの減少が少なくなるかまたは防止する。結局、前面保護膜１９１の結晶化度が約０％に近いほどエピタキシャル成長した多結晶シリコンの非結晶化が促進する。これにより、キャリアの消滅量が減少し、太陽電池１の効率が向上する。
【００４４】
前面保護膜１９１上に位置した反射防止膜１３０はシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）やシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ）などからなる。反射防止膜１３０は太陽電池１に入射した光の反射度を減らし特定の波長領域の選択性を増加させ、太陽電池１の効率を高める。本実施の形態で、反射防止膜１３０は単一膜構造を有するが二重膜のような多層膜構造を有することができ、必要によって省略することができる。
【００４５】
基板１１０の後面上に位置した複数のエミッタ層１２０は基板１１０の導電型と反対の第２導電型、例えば、ｐ導電型を有し、基板１１０と異なる半導体、例えば、非晶質シリコンからなる。したがって、エミッタ層１２０は基板１１０とｐ−ｎ接合だけではなく異種接合を形成する。
【００４６】
図１に示すように、複数のエミッタ層１２０は互いに離隔され、実質的に平行で所定の方向に伸びる。
【００４７】
複数のエミッタ層１２０がｐ導電型を有する場合、エミッタ層１２０はホウ素（Ｂ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）のような３価元素の不純物を含むことができ、反対に複数のエミッタ層１２０がｎ導電型を有する場合、りん（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）のような５価元素の不純物を含むことができる。
【００４８】
前面保護膜１９１と同様に、各エミッタ層１２０はそれぞれが多結晶からなる複数の結晶塊１８２を備える。
【００４９】
すなわち、既に説明したように、結晶質シリコンからなる基板１１０をシード層にして各エミッタ層１２０に多結晶シリコンがエピタキシ成長で生成され結晶塊１８２が形成される。結晶塊１８２の多くは基板１１０と接しているエミッタ層１２０の部分に形成される。
【００５０】
本実施の形態で、非晶質シリコン層であるエミッタ層１２０は非晶質ではない部分を含む。この非晶質ではない部分は基板１１０と接している前面保護膜１９１の部分に分散しており、この非晶質ではない部分は結晶塊１８２と呼ばれる。一つ以上の結晶塊１８２はエミッタ層１２０に存在することができ、結晶塊１８２は結晶質サブ膜を形成することができるか結晶質サブ膜は結晶塊１８２を含むことができる。必ずしも要求されないが、本発明の実施の形態では、結晶質サブ膜は連続層で互いに接続される結晶塊１８２によって形成されうる。他の例では、結晶塊１８１は基板１１０と結合する前面保護膜１９１の部分に非連続的に分散することができる。
【００５１】
次に、図４を参照して、単結晶シリコンである基板１１０をシード層にして非晶質シリコンに形成されたエミッタ層１２０に結晶塊１８２が成長される時、エミッタ層１２０の結晶化度とキャリアライフタイムの関係を示す。
【００５２】
図４は本発明の一実施の形態に係って単結晶シリコンの基板をシード層にして非晶質シリコンのエミッタ層に結晶塊が成長される時、エミッタ層の結晶化度に依存するキャリアライフタイムを測定したグラフである。
【００５３】
図４に図示したグラフをよく見れば、エミッタ層１２０が約１０％と等しいかそれより小さい結晶化度を有する場合、キャリアライフタイム（Ｔｅｆｆ）は基準時間に対応する約０．２ｍｓと等しいかそれより大きかった。エミッタ層１２０の結晶化度が約１０％と等しいかそれより大きい場合、キャリアライフタイムは約０．２ｍｓと等しいかそれより小さかった。
【００５４】
非晶質シリコンで形成されたエミッタ層１２０の結晶化度が約１０％と等しいかそれより小さい場合、キャリアライフタイムは高効率異種接合太陽電池の製作ができる基準時間と等しいかそれより大きかったことが図４から理解できる。
【００５５】
したがって、成長した結晶塊１８２による電荷消滅を減らすため、本実施の形態の複数のエミッタ層１２０は約１０％と等しいかそれより小さい結晶化度であった。
【００５６】
図１及び図２を参照すると、基板１１０の後面上に位置する複数の後面電界部１７２は複数のエミッタ層１２０と分離しており、互いに実質的に平行に複数のエミッタ層１２０と同一の方向に伸びる。したがって、複数のエミッタ層１２０と複数の後面電界部１７１は基板１１０の後面に交互に位置する。
【００５７】
複数の後面電界部１７２は非晶質シリコンからなり、基板１１０と同一の導電型の不純物が基板１１０より高濃度に含む不純物部、例えばｎ＋部である。
【００５８】
これにより、基板１１０と後面電界部１７２との不純物ドーピング濃度差によって電位障壁が形成され基板１１０の後面に移動した正孔が複数の第２電極１４２の方へ移動するのが減少するかまたは防止される。複数の第２電極１４２の近傍で電子と正孔の再結合および／または消滅が減る。
【００５９】
このような後面電界部１７２も結晶質シリコンである基板１１０上に位置した非晶質シリコンからなるので、各後面電界部１７２は基板１１０をシード層としてエピタキシ成長した主に多結晶からなる結晶塊１８３を備える。
【００６０】
本実施の形態で、非晶質シリコン層である後面電界部１７２は非晶質ではない領域または部分を含む。この非晶質でない部分は基板１１０と近接している後面電界部１７２の部分に分散している。この非晶質ではない部分は結晶塊１８３と呼ばれる。一つ以上の結晶塊１８３は後面電界部１７２に存在することができ、結晶塊１８３は結晶質サブ膜(crystalline sublayer)を形成することができるか結晶質サブ膜は結晶塊１８３を含むことができる。必ずしも要求されないが、本発明の実施の形態で、結晶質サブ膜は連続層で互いに接続される結晶塊１８３によって形成されうる。他の例では、結晶塊１８３は基板１１０と結合する後面電界部１７２の部分に非連続的に分散することができる。
【００６１】
図５を参照して、非晶質シリコンからなる後面電界部１７２で多結晶シリコンが成長される時、後面電界部１７２の結晶化度とキャリアライフタイムの関係を示す。
【００６２】
図５は本発明の一実施の形態に係って単結晶シリコンの基板をシード層にして非晶質シリコンの後面電界部に結晶塊が成長される時、後面電界部の結晶化度によるキャリアライフタイムを測定したグラフである。
【００６３】
図３に図示したグラフと同様に、図５に図示したグラフをよく見れば、後面電界部１７２が約３０％以下の結晶化度を有する場合、キャリアライフタイム（Ｔｅｆｆ）は基準時間の約０．１ｍｓ以上であり、後面電界部１７２の結晶化度が約３０％を超過する場合、キャリアライフタイムは約０．１ｍｓ以下であった。
【００６４】
したがって、非晶質シリコンの後面電界部１７２の結晶化度が約３０％以下を維持する場合、成長された結晶塊１８３による電荷消滅が減少するので、後面電界部１７２は約３０％以下の結晶化度を有する。
【００６５】
基板１１０と反対の導電性タイプを有する複数のエミッタ層１２０と比べて、基板１１０と同一の導電性タイプを有する複数の後面電界部１７２は複数のエミッタ層１２０より大きい結晶化度の余裕度を有しており、その理由は次のようである。
【００６６】
本実施の形態の場合、後面電界部１７２が基板１１０と同一のｎ導電型を有しているから、後面電界部１７２は５価の原子をドーパント(dopant)として含んでいる。５価の原子は接している基板１１０のシリコン原子と結合するために電子一つを放出するから、後面電界部１７２の表面に存在する原子の固定電荷は（＋）値を有する。結局、後面電界部１７２の固定電荷は基板１１０から少数キャリアと作用する正孔と同一である値（＋）を有しているので電気的な反撥力によって後面電界部１７２の方への正孔移動の邪魔となる。
【００６７】
反対に、基板１１０と反対の導電型を有するエミッタ層１２０はドーパントとして３価元素を含んでいる。したがって、基板１１０のシリコン原子と結合するために電子一つを得るからエミッタ層１２０の表面に存在する原子の固定電荷は（−）になる。これにより、エミッタ層１２０の固定電荷は（＋）値を有する正孔と反対の電荷値を有するので、エミッタ層１２０の方への正孔移動が加速される。
【００６８】
このような理由で、基板１１０と同一の導電型の半導体材料が基板１１０上に位置する場合にエピタキシャル成長された多結晶シリコンによって少数キャリアの消失する量は、基板１１０と異なる導電型の半導体材料が基板１１０上に位置する場合に少数キャリアが損失される量より少なくなる。したがって基板１１０と同一の導電型を有する後面電界部１７２の結晶化度は基板１１０と異なる導電型を有するエミッタ層１２０の結晶化度より大きい余裕度を有する。
【００６９】
また、基板１１０と複数のエミッタ層１２０の間に形成されたｐ−ｎ接合による内部電位差によって、基板１１０に入射された光によって生成されたキャリア電子-正孔対は電子と正孔に分離し電子はｎ型の方に移動し正孔はｐ型の方に移動する。したがって、基板１１０がｎ型で複数のエミッタ層１２０がｐ型の場合、分離した正孔は各エミッタ層１２０の方へ移動し分離した電子は基板１１０より不純物濃度が高い複数の後面電界部１７２の方へ移動する。
【００７０】
各エミッタ層１２０は基板１１０とｐ−ｎ接合を形成するので、本実施の形態と異なり、基板１１０がｐ導電型を有する場合、エミッタ層１２０はｎ導電型を有するようになるので、分離した電子は複数のエミッタ層１２０の方へ移動し分離した正孔は複数の後面電界部１７２の方へ移動する。
【００７１】
複数のエミッタ層１２０と複数の後面電界部１７２の間に位置した後面保護膜１９２は、前面保護膜１９１と同様に、非晶質シリコンなどのような非導電性物質からなり、基板１１０の表面近くに存在する不安定な結合を安定した結合に変えて基板１１０の後面方へ移動した電子が欠陷によって消滅することを減少させ、第１電極１４１及び第２電極１４２の間の電気的な干渉を防止する。
【００７２】
前面保護膜１９１と同様に、このような後面保護膜１９２は基板１１０と接している部分から主にエピタキシャル成長された結晶塊１８４を備える。したがって前面保護膜１９１を参照して既に説明した結晶質サブ層の検討が後面保護膜９２にも適用されうる。
【００７３】
結晶塊１８４は結晶塊１８１と同様に図３に図示したものと同一のキャリアライフタイム特性を有するので、後面保護膜１９２も約１０％以下の結晶化度を有する。
【００７４】
複数のエミッタ層１２０上に位置する複数の第１電極１４１は複数のエミッタ層１２０によって延長され、複数のエミッタ層１２０と電気的に接続されている。
【００７５】
各第１電極１４１は該当のエミッタ層１２０の方へ移動した電荷、例えば、正孔を収集する。
【００７６】
複数の後面電界部１７２上に位置する複数の第２電極１４２は複数の後面電界部１７２によって延長され、複数の後面電界部１７２と電気的に接続される。
【００７７】
各第２電極１４２は各後面電界部１７２の方へ移動する電荷、例えば電子を収集する。
【００７８】
複数の第１電極１４１及び複数の第２電極１４２はニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）及びこれらの組合せからなる群から選択された少なくとも一つの導電性物質から成り得るが、その他の導電性金属物質から成り得る。
【００７９】
このような構造を有する本実施の形態に係る太陽電池１は複数の第１電極１４１と複数の第２電極１４２が光が入射されない基板１１０の後面に位置し、基板１１０と複数のエミッタ層１２０が互いに異なる種類の半導体からなる太陽電池として、その動作は次のようである。
【００８０】
太陽電池１に光が照射され反射防止膜１３０と前面保護膜１９１を順次にパスして基板１１０に入射されれば光エネルギによって基板１１０から電子-正孔対が発生する。この時、基板１１０の表面がテクスチャリング表面であるので基板１１０前面での光反射度が減少し、テクスチャリング表面で入射と反射動作が行われて光の吸収率が増加するので、太陽電池１の効率が向上する。さらに、反射防止膜１３０によって基板１１０に入射される光の反射損失が減って基板１１０に入射される光の量はさらに増加する。
【００８１】
これら電子-正孔対は基板１１０とエミッタ層１２０のｐ−ｎ接合によって互いに分離し正孔と電子はそれぞれｐ導電型を有するエミッタ層１２０とｎ導電型を有する後面電界部１７２の方へ移動し、それぞれ第１電極１４１と第２電極１４２によって収集される。このような第１電極１４１と第２電極１４２を導線で接続すれば電流が流れるようになり、これを外部で電力に利用する。
【００８２】
この時、基板１１０とこの基板１１０と接している部分（１９１、１２０、１７２、１９２）の結晶化度をそれぞれ調節し生成された結晶塊（１８１−１８４）による電荷損失を最小化させるので、太陽電池１の効率が向上する。また、本実施の形態では、基板がｎ型である時、ｎ型後面電界部１７２の結晶化度はｐ型であるエミッタ層１２０の結晶化度より大きい。したがって、基板の導電型と同一の導電型を有する層(または膜)の結晶化度は基板の導電型と異なる導電型を有する層(または膜)の結晶化度より大きい。
【００８３】
次に、図６ないし図１０を参照して本発明の一実施の形態に係る他の例を説明する。
【００８４】
図６ないし図１０は本発明の一実施の形態に係る太陽電池の他の例の断面図である。
【００８５】
図１及び図２に図示した太陽電池１と図６ないし図１０に図示した太陽電池（１１−１５）を比べると、基板の後面に位置する後面保護膜の形成位置と後面保護膜、複数のエミッタ層及び複数の後面電界部の結晶化度を除けば図１及び図２に図示した太陽電池１と同一であるので、同じ機能を遂行する構成要素に対しては同一の参照番号を付与し、それに対する詳細な説明は省略する。また、各例の太陽電池（１１−１５）に対する斜視図も省略する。
【００８６】
図６の太陽電池１１で、後面保護膜１９２１は非晶質シリコンなどからなる真性領域として、基板１１０の後面全面に位置し、後面保護膜１９２１の上に複数のエミッタ層１２０と複数の後面電界部１７２が離隔されるように位置する。このような後面保護膜１９２１は複数のエミッタ層１２０と複数の後面電界部１７２に移動するキャリアの移動を妨げない位の厚さを有する。
【００８７】
既に図１及び図２を参照して説明したように、後面保護膜１９２１は基板１１０の表面近くに存在する不安定な結合(すなわち、欠陷)を安定した結合に変えて、基板１１０の後面方へ移動した電荷が不安定な結合によって再結合されるか消滅することを減少させる。この時、基板１１０の後面の全面に後面保護膜１９２１が位置するので不安定な結合による電荷の再結合量や消滅量が大きく減り、また基板１１０を通ずる第１電極１４１及び第２電極１４２の間の電流漏洩現象が防止される。
【００８８】
このような後面保護膜１９２１は基板１１０と接している後面全体でエピタキシ成長された結晶塊１８１１を備えて、図１及び図２に図示した後面保護膜１９２と同様に後面保護膜１９２１での結晶化度は約１０％以下である。
【００８９】
図７に図示した太陽電池１２で、後面保護膜１９２２は複数のエミッタ層１２０と基板１１０の間に存在するが、複数の後面電界部１７２と基板１１０の間及び露出した基板１１０上には存在しない。図６と同様に、後面保護膜１９２２は複数のエミッタ層１２０に移動するキャリアの移動を妨げない位の厚さを有する。したがって、複数のエミッタ層１２０と基板１１０の間の界面で再結合されるか消滅する電荷の量が減少して各エミッタ層１２０に移動する電荷の量が増加する。
【００９０】
後面保護膜１９２２と後面電界部１７２はそれぞれ多結晶に成長された結晶塊１８１２ａ、結晶塊１８１２ｂを備える。この時、図１及び図２を参照して既に説明したように、後面保護膜１９２２の結晶化度は約１０％以下であり後面電界部１４２の結晶化度は約３０％以下である。
【００９１】
次に、図８に図示した太陽電池１３の場合、図７に図示した太陽電池１２とは異なり、後面保護膜１９２３は複数の後面電界部１７２と基板１１０の間にだけ存在する。後面保護膜１９２１も複数の後面電界部１７２に移動する電荷の移動を妨げない位の厚さを有する。したがって、複数の後面電界部１７２と基板１１０の間の界面で再結合されるか消滅する電荷の量が減少して各後面電界部１７２に移動する電荷の量が増加する。
【００９２】
後面保護膜１９２３とエミッタ層１２０はそれぞれ多結晶に成長された結晶塊１８１３ａ、結晶塊１８１３ｂを備える。この時、図１及び図２を参照にして既に説明したように、エミッタ層１２０は約１０％以下の結晶化度を有している。しかし、後面保護膜１９２３の上部に後面電界部１７２が位置し、既に図５を参照して説明したように、後面電界部１７２の場合前面保護膜１９１とエミッタ層１２０より大きい結晶化度を有しているので、後面電界部１７２下部に位置した後面保護膜１９２３の結晶化度は約３０％以下である。
【００９３】
図９及び図１０にそれぞれ図示した太陽電池（１４、１５）で、後面保護膜（１９２４、１９２５）は基板１１０と複数のエミッタ層１２０の間と、基板１１０と複数の後面電界部１７２の間に存在する。これら後面保護膜（１９２４、１９２５）も複数のエミッタ層１２０と複数の後面電界部１７２に移動する電荷の移動を妨げない位の厚さを有する。これにより、複数のエミッタ層１２０と基板１１０の間の界面そして複数の後面電界部１７２と基板１１０の間の界面で再結合されるか消滅する電荷の量が減少しエミッタ層１２０と後面電界部１７２にそれぞれ移動する電荷の量が増加する。
【００９４】
図９及び図１０の後面保護膜（１９２４、１９２５）は全て多結晶に成長された結晶塊（１８１４、１８１５ａ、１８１５ｂ）を有しているが、後面保護膜（１９２４、１９２５）の結晶化度は互いに異なる。
【００９５】
すなわち、図９で、複数のエミッタ層１２０下部に位置する後面保護膜１９２４と複数の後面電界部１７２下部に位置する後面保護膜１９２４は全て同一である結晶化度を有しており、例えば約１０％以下の結晶化度を有する。この場合、後面保護膜１９２４が基板１１０の後面全体に形成された後、該当の部分を蝕刻し後面保護膜１９２４の一部をとり除いた後、残っている後面保護膜１９２４上に複数のエミッタ層１２０と複数の後面電界部１７２を形成する。このように、複数のエミッタ層１２０と複数の後面電界部１７２下部にそれぞれ位置する後面保護膜１９２４は同時に形成されるので、同一の結晶化度を有するようになる。
【００９６】
反面、図１０に示した太陽電池１５で、複数のエミッタ層１２０下部に位置する後面保護膜１９２５ａと複数の後面電界部１７２下部に位置する後面保護膜１９２５ｂは互いに異なる結晶化度を有している。
【００９７】
例えば、複数のエミッタ層１２０下部に位置する後面保護膜１９２５ａは約１０％以下の結晶化度を有しており、複数の後面電界部１７２下部に位置する後面保護膜１９２５ｂは約３０％以下の結晶化度を有する。この時、後面保護膜１９２５ａと後面保護膜１９２５ｂを別に形成した後、該当の後面保護膜（１９２５ａ、１９２５ｂ）上にそれぞれ複数のエミッタ層１２０と複数の後面電界部１７２を形成する。したがって後面保護膜１９２５ａは上部に位置したエミッタ層１２０の影響によって約１０％以下の結晶化度を有し、後面保護膜１９２５ｂは上部に位置した後面電界部１７２の影響によって約３０％以下の結晶化度を有する。
【００９８】
このように、後面保護膜（１９２１−１９２５）の結晶化度を調節して結晶塊（１８１１、１８１２ａ、１８１２ｂ、１８１３ａ、１８１４、１８１５ａ、１８１５ｂ）による電荷損失を最小化させるので、太陽電池（１１−１５）の効率が向上する。
【００９９】
次に、図１１及び図１２を参照して、本発明の他の実施の形態に係る太陽電池に対して説明する。
【０１００】
図１１は本発明の他の実施の形態に係る太陽電池の部分斜視図であり、図１２は図１１に示した太陽電池をＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った断面図である。
【０１０１】
図１及び図２と比べて、同一の機能を遂行する構成要素に対しては同じ参照番号を付与し、これに対する詳しい説明も省略する。
【０１０２】
図１１及び図１２に図示した太陽電池１ａは結晶質シリコンからなる基板１１０、基板１１０の前面の上に位置する前面保護膜１９１、前面保護膜１９１上に位置するエミッタ層１２０ａ、エミッタ層１２０ａの上に位置する透明導電膜１６１、透明導電膜１６１上に位置する複数の第１電極１４１ａ、透明導電膜１６１上に位置し複数の第１電極１４１ａと交差する方向に伸びる少なくとも一つの集電部１４１１、基板１１０の後面上に位置する後面保護膜１９２ａ、後面保護膜１９２ａ上に位置する後面電界部１７２ａ、後面電界部１７２ａ上に位置する導電膜１６２、そして導電膜１６２上に位置する第２電極１４２ａを含む。
【０１０３】
図１及び図２に示された太陽電池１と比べる時、図６及び図７に示された太陽電池１ａにおいて、基板１１０と電気的に接続され非晶質シリコンからなるエミッタ層１２０ａが基板１１０の前面即ち、太陽電池１ａの入射面に実質的に全体的に形成される。さらに、エミッタ層１２０ａは、エミッタ層１２０ａと第２電極１４２ａとの間に位置する基板１１０の後面の第２電極１４２ａの反対に位置する。これにより、第２電極１４２ａは実質的に基板１１０の後面全体に形成され、基板１１０と第２電極１４２ａの間の後面電界部１７２ａも実質的に基板１１０の後面全体の上に形成される。
【０１０４】
図１及び図２と異なり、基板１１０は前面及び後面にテクスチャリング表面を有し、基板１１０の後面に形成されたテクスチャリング表面をとり除く別途の工程が必要でない。
【０１０５】
また、後面保護膜１９２ａも基板１１０の後面ほとんど大部分、すなわち、基板１１０と後面電界部１７２ａの間に実質的に位置する。したがって基板１１０の後面に移動したキャリアは後面保護膜１９２ａを通過して後面電界部１７２ａに移動する。このようなキャリアの移動を容易にするために後面保護膜１９２ａの厚さは図１及び図２に示した後面保護膜１９２より薄くできる。一例として、後面保護膜１９２ａは約１ないし１０μｍで有り得る。
【０１０６】
既に記載したように、図１及び図２とは異なり、本実施の形態に係る太陽電池１ａはエミッタ層１２０の直上に位置する透明導電膜（ＴＣＯ）１６１と後面電界部１７２ａと後面電極１４２ａの間に位置する導電膜１６２をさらに含む。これにより、複数の第１電極１４１ａは透明導電膜１６１の一部の上に位置し、透明導電膜１６１を通じてエミッタ層１２０ａと電気的に接続され、第２電極１４２ａは導電膜１６２を通じて基板１１０と電気的に接続される。
【０１０７】
透明導電膜１６１は酸化膜基盤の導電膜としてエミッタ層１２０ａに移動したキャリア(例、正孔)を収集して第１電極１４１ａに伝達し、反射防止膜の機能も遂行する。したがって透明導電膜１６１は大部分の入射光を通過させ良好なキャリアの流れのために高い光透過度と高い電気伝導度が要求される。このような透明導電膜１６１はインジウムスズ酸化物(indium tin oxide: ＩＴＯ)、スズ系酸化物（ＳｎＯ２など)、ＡｇＯ、ＺｎＯ−（Ｇａ２Ｏ３またはＡｌ２Ｏ３）、フッ素スズ酸化物(fluorine tin oxide: ＦＴＯ)及びこれらの混合物からなる群から選択されるもので形成されることができる。
【０１０８】
少なくとも一つの集電部１４１１は複数の第１電極１４１のような層に位置し複数の第１電極１４１ａと接続される。本実施の形態で、導電膜１６１、第１電極１４１ａ及び集電部１４１１は前面電極部または第１電極部を形成する。
【０１０９】
少なくとも一つの集電部１４１１は複数の第１電極１４１ａから伝達する電荷を収集して外部装置に出力する。
【０１１０】
導電膜１６２はシリコン物質からなる後面電界部１７２ａと金属成分を含む導電性物質からなる第２電極１４２ａの間の接触力を向上させ、後面電界部１７２ａで第２電極１４２ａへのキャリアの伝送率を高める。また導電膜１６２は基板１１０を通過した光をまた基板１１０の方へ反射させ、太陽電池１ａの効率を向上させる。このような導電膜１６２はＩＴＯやＺｎＯのような透明な導電性物質から成り得るが、他の物質から成り得る。本例で、導電膜１６２と第２電極１４２ａは後面電極部または第２電極部を形成する。
【０１１１】
既に図１ないし図５を参照して説明したように、結晶質基板１１０と接する非晶質シリコン膜であるエミッタ層１２０ａと後面保護膜１９２ａでそれぞれエピタキシャル成長で成長しエミッタ層１２０ａと後面保護膜１９２ａはそれぞれ主に多結晶からなる結晶塊（１８５、１８６）を備える。
【０１１２】
エミッタ層１２０ａと後面保護膜１９２ａの結晶化度は結晶塊（１８１、１８４）の場合と同様に約１０％以下である。これにより、エミッタ層１２０ａと後面保護膜１９２ａで成長された結晶塊（１８５、１８６）によってキャリアが失われる量を最小化させ、太陽電池１ａの効率が向上する。
【０１１３】
本発明は既に記述した形態の太陽電池だけではなく他の形態の太陽電池でもちろん適用可能である。例えば、ガラスなどのような透明部材などを基板にし、基板の上に半導体物質を薄膜に積層し製造された薄膜タイプの太陽電池にも適用される。
【０１１４】
本発明の実施の形態は非晶質ではない基板、この基板の上に第１真性半導体、第１真性半導体が位置する基板の面の反対側面の上に位置する第２真性半導体を備えた実施の形態である。第１真性半導体と第２真性半導体中の一つまたは全ては結晶塊(crystal lump)を含むとか、結晶塊の少なくとも一部分は結晶質であり、他の部分は非晶質を有する。第１真性半導体と第２真性半導体中の一つまたは全ては３０％以下の結晶化度で有り得るエミッタ層または後面電界部が第１真性半導体と第２真性半導体中の一つ上にまたは第１真性半導体と第２真性半導体それぞれの上に形成することができる。第１真性半導体と第２真性半導体中の一つまたは全ての結晶化度はエミッタ層と後面電界部が第１真性半導体と第２真性半導体の上の何れに形成されるかによって変わる。
【０１１５】
このような本発明によれば、結晶質シリコンをシード層にし非晶質シリコンから結晶塊が成長される時、非晶質シリコンの結晶化度を最適化し結晶塊によるキャリアの損失が最小化される。したがって太陽電池の効率が向上する。
【０１１６】
以上で本発明の望ましい実施の形態に対して詳細に説明したが本発明の権利範囲はここに限定されるのではなく次の請求範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の多くの変形及び改良形態も本発明の権利範囲に属する。
【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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【国際調査報告】
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2012519375.tif 000016