JP2017208520A - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池を提供する。【解決手段】半導体基板と、それぞれ先端を含む複数のピラミッド構造を有し、且つ任意の隣接するピラミッド構造の間に曲率半径が２５〜５００ｎｍである谷部を具備する入光面と、入光面に近接して前記半導体基板内に位置するエミッタ層と、半導体基板に位置する電極と、を備える太陽電池。【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池及びその製造方法に関する。

太陽電池分野において、入射光に対する多重反射、多重利用を達成させ、受光面積を増加させ、光線が吸収される機会を増加させるために、太陽電池表面の粗さ構造化（ｔｅｘｔｕｒｅ）設計は、既に不可欠な工程となった。太陽電池において粗面化エッチングによって入光面に異なるサイズのピラミッド形状を形成する目的は、光の有効光路を増加して、更に太陽光の吸収率を増加することにある。粗面化エッチングの途中、エッチング液がシリコンウェハ（１００）の表面をエッチングして、更に（１１１）の断面を露出させ、ピラミッド構造を生成する。

しかしながら、各ピラミッド構造の底部の間に形成した谷部が小さすぎると、谷部に残される金属不純物を後の洗浄プロセスにおいてきれいに洗浄しにくく、更に太陽電池の開回路電圧及び光電変換効率に影響を及ぼす。

本発明の複数の実施形態によれば、それぞれ先端を含む複数のピラミッド構造を有する入光面を具備し、任意の隣接する前記ピラミッド構造の間に曲率半径が２５〜５００ｎｍである谷部を有する半導体基板と、該入光面に近接して該半導体基板内に位置するエミッタ層と、該半導体基板に位置する電極と、を備える太陽電池を提供する。

ある実施形態において、太陽電池は、ヘテロ接合太陽電池（Ｈｅｔｅｒｏ−Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌ）であり、且つエミッタ層は、ホウ素のＰ型ドーピングである。

ある実施形態において、エミッタ層を被覆する反射層を更に備える。

本発明の複数の実施形態は、プロセス面を有する半導体基板を提供するステップと、プロセス面に粗面化エッチングを行って複数のピラミッド構造を形成し、任意の隣接する複数のピラミッド構造の間に谷部を有するステップと、酸化層を形成するようにピラミッド構造の表面を酸化して、谷部のそれぞれの酸化されない部分に丸み構造を形成させるステップと、酸化層を除去して丸み構造を露出させるステップと、を含む太陽電池の製造方法を提供する。

ある実施形態において、酸化層を除去した後に、エミッタ層をプロセス面に近接して半導体基板内に形成するように、プロセス面に対してドーピングプロセスを行うステップを更に含む。

ある実施形態において、エミッタ層を形成した後に、エミッタ層に反射防止層を形成するステップを更に含む。

ある実施形態において、該酸化層を形成する方法は、大気圧プラズマを使用するステップを含む。

ある実施形態において、酸化層に対するエッチングは、ＨＦ、ＨＣｌ又はその組み合わせからなるエッチング剤を使用するステップを含む。

ある実施形態において、大気圧プラズマの電力は、１〜２．５ＫＷである。

ある実施形態において、エミッタ層に接触する複数の電極を形成するステップを更に含む。

本発明の上記及び他の目的、特徴、及びメリットをより分かりやすくするため、以下で、特に好ましい実施例を例示し、且つ添付図面を参照して詳細に以下のように説明する。

本発明の一実施形態による太陽電池の製造方法の各プロセス段階を示す断面模式図である。 本発明の一実施形態による太陽電池の製造方法の各プロセス段階を示す断面模式図である。 本発明の一実施形態による太陽電池の製造方法の各プロセス段階を示す断面模式図である。 図１Ｃにおける谷部の丸み構造を示す拡大模式図である。 本発明のある実施形態による太陽電池を示す断面模式図である。

以下、本実施例の製造及び使用を詳細に検討するが、本発明が実務的な革新概念を提供し、広い各種の特定内容で表現することができると理解すべきである。以下で叙述する実施形態又は実施例は、説明するためのものだけであり、本発明の範囲を制限することができない。

なお、本文で、図面に示すある素子又は特徴と他の素子又は特徴との関係を説明しやすくするために、空間相対用語、例えば「…下方にある」、「…下にある」、「より低い」、「…上方にある」、「より高い」及び類似する用語を使用することがある。これらの空間相対用語は、素子の使用又は操作時の全ての異なる向きを含み、図面に示す向きに制限されない。装置は他の方式で配向（９０度回転して又は他の向きに位置決めする）してもよく、したがって、本文で使用する空間相対用語を相対的に理解してもよい。

以下で、各種の太陽電池及びその製造方法に関する実施例を提供し、この太陽電池の構造及び性質、並びにこの太陽電池の製造工程又は操作を詳細に説明する。

本発明は、太陽電池を開示する。図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の一実施形態による太陽電池の製造方法の各プロセス段階を示す断面模式図である。図１Ａを参照されたい。反射光の損失を減少するように、半導体基板１１０のプロセス面に粗面化エッチングして複数のピラミッド構造を含む粗面を形成する。一実施例において、水酸化カリウムのアルカリ性エッチング溶液で半導体基板１１０の（１００）表面をエッチングして、更に（１１１）の断面を露出させ、複数のピラミッド構造を生成する。これらのピラミッド構造の大きさは、均一であってもよいし、異なってもよい（ランダム分布）。各ピラミッド構造は、先端１２０を有し、且つ任意の２つのピラミッド構造の底部の間に谷部１３０を有する。他のある実施例において、上記のピラミッド構造は、他の形の突起構造であってもよい。

半導体基板１１０は、Ｎ型又はＰ型であってもよく、アモルファスシリコン（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ）、ポリシリコン（ｐｏｌｙ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰなどの半導体又はＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を使用することができる。異なる半導体基板１１０の材料を使用する場合、複数のピラミッド構造を含む粗面を形成するように、対応する異なるエッチング液又はエッチング方式を使用することができる。ある実施例において、エッチングプロセスには、異方性エッチング又は等方性エッチングを使用してもよいし、化学酸性エッチングプロセス（エッチング液は、例えばフッ化水素酸又は硝酸である）、又は化学アルカリ性エッチングプロセス（エッチング液は、例えば水酸化カリウム又はイソプロパノールである）を使用してもよい。ここで、これらのプロセス条件は説明するためのものだけであり、実施例の範囲から逸脱しない限り、任意の適切なプロセス条件を使用できると、当業者が理解すべきである。

図１Ｂでは、複数のピラミッド構造を含む粗面を完成した後に、半導体基板１１０の粗面を酸化して、粗面における各ピラミッド構造の表面に酸化層１５０を形成させ、且つ各谷部１３０の酸化されない部分に１つの丸み構造１３２を形成させる。一実施例において、酸化層１５０を形成するように、大気圧プラズマ（Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ−ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｐｌａｓｍａ；ＡＰ）を使用してピラミッド構造の表面を酸化する。大気圧プラズマの電力は、１〜２．５ＫＷ、例えば１．２ＫＷ、１．４ＫＷ、１．６ＫＷ、１．８ＫＷ、２ＫＷ又は２．２ＫＷであり、好ましくは１．４-２．０ＫＷである。酸化層１５０を形成するように、例えば熱酸化プロセスのようないずれかの従来の酸化プロセスは、いずれもピラミッド構造の表面の酸化に使用されることができる。

図１Ｃにおいて、ピラミッド構造の表面に形成した酸化層１５０を除去して、谷部１３０の丸み構造１３２を露出させる。一実施例において、ウェットエッチングを使用し、エッチング液がＨＦ、ＨＣｌ又はその組み合わせを含む。ドライエッチング又は反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈ；ＲＩＥ）を使用することもできる。一実施例において、酸化層１５０が完全に除去されることを確保するように、エッチングプロセスは、オーバーエッチング（Ｏｖｅｒ Ｅｔｃｈｉｎｇ）である。

図１Ｄは、上記谷部の丸み構造１３２を示す拡大模式図である。谷部の丸み構造１３２は、２５-５００ｎｍ、例えば５０ｎｍ、１００ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍ、２５０ｎｍ、３００ｎｍ、３５０ｎｍ、４００ｎｍ又は４５０ｎｍであり、好ましくは１００-３５０ｎｍである曲率半径（ｒｖ）を有する。なお、各谷部１３０の丸み構造１３２は、酸化層１５０を形成する時に既に形成されたものであり、エッチングによって酸化層１５０を除去した後に丸み構造１３２を露出させる。

粗面化エッチングを行って複数のピラミッド構造を形成した後に、ピラミッド構造の底部の間の谷部１３０が狭すぎる場合、金属不純物がその中に残留しやすく、後のプロセスでも除去されにくく、残留した金属不純物が太陽電池の光電変換効率と開回路電圧（Ｖｏｃ）に影響を及ぼすため、谷部１３０の丸み構造１３２の曲率半径は、小さすぎるようにすることができない。ピラミッド構造の底部間の谷部１３０の丸み構造１３２の曲率半径が大きすぎると、光電変換効率を低下させる。これは、ピラミッド構造の凹凸表面形態を酸化する時、体積の膨脹によって半導体基板１１０に大きな応力を発生させ、これらの応力が半導体基板１１０表面の臨界剪断応力を超えると、転位タイプの欠陥を形成してキャリアの再結合確率を増加させ、更に太陽電池の光電変換効率を低下させるためである。

表１は、本発明の一実施例によって得られた太陽電池の効率データである。比較群は、谷部１３０に丸み構造がない太陽電池であり、実験群は、谷部１３０に丸み構造１３２がある太陽電池であり、ピラミッド構造表面を酸化する方法は電力が１．６ＫＷである大気圧プラズマを使用する方法である。表１から分かるように、谷部１３０に丸み構造１３２がある太陽電池は、平均光電変換効率が０．１１％向上し、開回路電圧が０．００３Ｖ向上する。

図２に示すように、ピラミッド構造表面に形成される酸化層１５０を除去した後に、エミッタ層２６０をプロセス面に近接して半導体基板内に形成するように、半導体基板１１０のプロセス面にドーピングプロセスを行うことができる。ドーピングプロセスに使用されるドーパントの導電型は、半導体基板１１０の導電型と違って、一実施例において、半導体基板１１０はＰ型であるがドーパントはＮ型であり、例えば単結晶シリコン太陽電池又はポリシリコン太陽電池において、半導体基板１１０はＰ型であるがドーパントはＮ型のリンであってよい。別の実施例において、半導体基板１１０はＮ型であるがドーパントはＰ型であり、例えばヘテロ接合太陽電池（Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌ）において、半導体基板１１０はＮ型であるがドーパントはＰ型のホウ素であってよい。エミッタ層２６０は、いずれかの従来のエミッタ、例えば選択エミッタであってよい。

一実施例において、太陽電池の光吸収を増加し、更に太陽電池の変換効率を向上させるように、エミッタ層２６０を形成した後にエミッタ層２６０の上面に反射防止層２７０を形成することができる。反射防止層のタイプは、例えば単層反射防止膜、多層反射防止膜、サブ波長構造反射防止層又はナノ構造反射防止層であってよい。反射防止層２７０は、プラズマ化学気相成長（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＰＥＣＶＤ）又は他の従来の方式によってエミッタ層２６０に堆積されることができる。

一実施例において、反射防止層２７０を形成した後にエミッタ層２６０に接触する複数の電極２８０を形成することができ、電極２８０がいずれかの従来の電極、例えばフィンガー電極であってよい。一実施例において、スクリーン印刷機により金属ペーストをチップに塗ってから、高温で燃焼することによって電極を形成する。

本発明の実施例のメリットは、ピラミッド構造の底部間の谷部に丸み構造を有し、金属不純物の残留を減少して光電変換効率及び開回路電圧を向上させることができる太陽電池であることにある。

以上で複数の実施例を概略的に説明したため、当業者は前記開示した各部分をより理解できる。当業者は、これと同様な目的及び／又はこの紹介と同様なメリットを有する実施例を実施するように、これを基礎として、その他の合成及び構造を設計又は修正する必要があると理解できる。当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱しない限り、任意の置き換え、取り替え及び変更を加えることができることも理解できる。

１００ 太陽電池
１１０ 半導体基板
１２０ 先端
１３０ 谷部
１５０ 酸化層
１３２ 点線ブロックで示した谷部
２００ 太陽電池
２１０ 半導体基板
２６０ エミッタ層
２７０ 反射防止層
２８０ 電極

Claims (10)

1. それぞれ先端１２０を含む複数の突起構造を有する入光面を具備し、任意の隣接する前記突起構造の間に曲率半径が２５〜５００ｎｍである谷部を有する半導体基板と、
   前記入光面に近接して前記半導体基板内に位置するエミッタ層と、
   前記半導体基板に位置する電極と、
   備える太陽電池。
2. ヘテロ接合太陽電池（Ｈｅｔｅｒｏ−Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）であり、且つ前記エミッタ層はホウ素のＰ型ドーピングである請求項１に記載の太陽電池。
3. 前記エミッタ層を被覆する反射層を更に備える請求項２に記載の太陽電池。
4. プロセス面を有する半導体基板を提供するステップと、
   前記プロセス面に粗面化エッチングを行って複数の突起構造を形成し、また、任意の隣接する前記突起構造の間に谷部を有するステップと、
   酸化層を形成するように前記突起構造の表面を酸化して、各前記谷部の酸化されない部分に丸み構造を形成させるステップと、
   前記酸化層を除去して前記丸み構造を露出させるステップと、
   を含む太陽電池の製造方法。
5. 前記酸化層を除去した後に、エミッタ層を前記プロセス面に近接して前記半導体基板内に形成するように、前記プロセス面に対してドーピングプロセスを行うステップを更に含む請求項４に記載の太陽電池の製造方法。
6. 前記エミッタ層に反射防止層を形成するステップを更に含む請求項５に記載の太陽電池の製造方法。
7. 前記酸化層を形成する方法は、大気圧プラズマを使用するステップを含む請求項４に記載の太陽電池の製造方法。
8. 前記酸化層に対するエッチングは、ＨＦ、ＨＣｌ又はその組み合わせからなるエッチング剤を使用するステップを含む請求項４に記載の太陽電池の製造方法。
9. 前記大気圧プラズマの電力は、１〜２．５ＫＷである請求項７に記載の太陽電池の製造方法。
10. 前記エミッタ層に接触する複数の電極を形成するステップを更に含む請求項６に記載の太陽電池の製造方法。

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