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TW201539774A - 太陽能電池及太陽能電池之製造方法 - Google Patents

太陽能電池及太陽能電池之製造方法 Download PDF

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TW201539774A
TW201539774A TW104108569A TW104108569A TW201539774A TW 201539774 A TW201539774 A TW 201539774A TW 104108569 A TW104108569 A TW 104108569A TW 104108569 A TW104108569 A TW 104108569A TW 201539774 A TW201539774 A TW 201539774A
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Yukimi Ichikawa
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Japan Science & Tech Agency
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Abstract

本發明之太陽能電池(300)，例如為層積有設於光入射側之上部電池(100)及設於此上部電池(100)之下方的下部電池(200)之串接式太陽能電池，且選擇上部電池(100)之能隙較下部電池(200)的能隙大之材料。本發明中，設上部電池(100)之結晶矽層的厚度為30μm以下，較佳為5μm~10μm之範圍。於n型晶矽層之厚度為10μm以下，結晶矽層內之載體的奧杰復合明顯被抑制之結果，開路電壓顯著提高。此外，由於可自上部電池(100)及下部電池(200)分別獨立地取出輸出，因此，不需要取得串聯連接型串接式電池中所需要之發電電流的匹配。

Description

太陽能電池及太陽能電池之製造方法
本發明係關於太陽能電池技術，更詳細而言，係關於光電轉換效率較先前之太陽能電池高之矽太陽能電池及其製造方法。
於太陽能電池之領域中，已知一種串接式(多接面式)太陽能電池，其層積有複數之光電轉換部，藉由對寬頻域之太陽光進行光電轉換以圖提高光電轉換效率(例如，參照專利文獻1~3)。為了進一步提高此種串接式太陽能電池之光電轉換效率，需要進一步增加光之利用效率來提高輸出電流。
作為使用單晶矽晶圓之太陽能電池，目前已實現高光電轉換效率者，係將非晶矽沉積於單晶矽晶圓之兩面的異質接面太陽能電池、及於入射光側之相反側的面形成有射極及背面電場區域(BSF區域)之背接觸式太陽能電池。
為了進一步提高串接式矽太陽能電池之光電轉換效率，對結晶矽層內之奧杰復合的抑制成為重要之課題。作為用以解決此問題之方法之一，具有將結晶矽 層之厚度減薄的方法，於研究層級上將結晶矽層減薄至100μm左右能獲得較高之光電轉換效率的太陽能電池。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開平10-335683號公報
專利文獻2：日本特開2001-267598號公報
專利文獻3：日本特開平2009-260310號公報
如上述，為了進一步提高串接式矽太陽能電池之光電轉換效率，將結晶矽層之厚度減薄，對抑制結晶矽層內之奧杰復合相當有效。然而，相反若將結晶矽層之厚度減薄，則會因光吸收長度變短，而招致短路電流密度之減少，若對太陽能電池整體進行評價，則有無法達到所希望之光電轉換效率的問題。而且，於太陽能電池之製造步驟中，還要求開發用以不使薄結晶矽層破損之方法。
本發明係鑑於此種問題而完成者，其目的在於提供一種將上部電池之結晶矽層減薄，抑制結晶矽層內之奧杰復合，且於製造步驟中也不會使薄結晶矽層破損，且光電轉換效率高之串接式矽太陽能電池及其製造方法。
為了解決上述問題，本發明之太陽能電池， 其特徵在於：上部電池設於基體之主面上，該上部電池包括自光入射側起依序具有透明導電層、第1導電型非晶矽材料層、與該第1導電型相反之第2導電型結晶矽層、第2導電型非晶矽層之層積構造，且於該上部電池之表面設置有受光面電極，於該基體設置有背面電極，該上部電池之第2導電型結晶矽層的厚度為30μm以下。
較佳構成為，該上部電池之第2導電型結晶矽層的厚度為3μm~30μm。
此外，較佳構成為，該上部電池之第2導電型結晶矽層的厚度為4μm~20μm。
較佳構成為，該上部電池之第2導電型結晶矽層的厚度為5μm~10μm。
一形態中，該上部電池係於該第1導電型非晶矽材料層與第2導電型結晶矽層之間具備i型非晶矽材料層。
此外，一形態中，該上部電池係於該第2導電型結晶矽層與第2導電型非晶矽層之間具備i型非晶矽層。
並且，一形態中，於該上部電池與該基體之間具備絕緣性透明保護層。
較佳構成為，該絕緣性透明保護層係由矽氧化物或鋁氧化物構成之層。
例如，該基體係由單晶矽構成。
一形態中，該基體係由單晶矽構成，於該上部電池與該基體之間具備由氧化銦錫(ITO)構成的層。
此外，一形態中，該基體係由單晶矽構成之 下部電池，該上部電池側係第2導電型區域，於其下方形成有第1導電型區域，於該下部電池之背面設置有該背面電極且被串接。
並且，一形態中，該下部電池係於該第2導電 型區域之該上部電池側具備施體濃度較該第2導電型區域高的第2導電型層。
一形態中，該上部電池具有設於該第2導電型 非晶矽層之下側的第2透明導電層。
並且，一形態中，該上部電池係自上方觀察 時，該第2透明導電層之表面呈具有匯流排部及自該匯流排部延伸之複數個手指部的梳齒狀而露出。
一形態中，於該上部電池之表面設置有電性 連接於該透明導電層之第1梳齒狀的受光面電極、及電性連接於該第2透明導電層之第2梳齒狀的受光面電極。
並且，一形態中，於該下部電池之背面側形 成有該第1導電型區域及第2之第2導電型區域，該第1導電型區域係形成為具有匯流排部及自該匯流排部延伸的複數個手指部之梳齒狀，該第2之第2導電型區域係形成為具有匯流排部及自該匯流排部延伸之複數個手指部的梳齒狀，且施體濃度較該第2導電型區域高，該第1導電型區域之手指部與該第2之第2導電型區域的手指部係以既定間隔交互配置。
一較佳形態中，於該下部電池之背面設置有 電性連接於該第1導電型區域之第1梳齒狀的背面電極、及電性連接於該第2之第2導電型區域的第2梳齒狀之背 面電極。
又，一較佳形態中，當自上方觀察該太陽能 電池時，該第1梳齒狀之受光面電極的匯流排部與該第2梳齒狀之背面電極的匯流排部係於一端側位於平行之位置，該第2梳齒狀之受光面電極的匯流排部與該第1梳齒狀之背面電極的匯流排部係於另一端側位於平行之位置。
例如，設於該上部電池之透明導電層係氧化 銦錫(ITO)。
較佳構成為，設於該上部電池之光入射側的 透明導電層係兼作反射防止層。
較佳構成為，該上部電池之該第2導電型結晶 矽層，係設計為該上部電池與該下部電池之發電電流相同之厚度。
並且，較佳構成為，於自上方觀察該太陽能 電池時，該上部電池具備之具有透明導電層、第1導電型非晶矽材料層、第2導電型結晶矽層、第2導電型非晶矽層的層積構造，係具有被劃分成以既定間隔2維排列之複數條奈米線或壁面對齊於既定的方向且以既定間隔2維排列之複數個壁狀的奈米牆之陣列構造，該奈米線之直徑或該奈米牆的厚度，於該第2導電型結晶矽層的部位上為10nm以下。
較佳構成為，相互鄰接之該奈米線或該奈米 牆係由絕緣性物質隔離。
本發明之太陽能電池的製造方法，係於基體 上具備上部電池之太陽能電池的製造方法，該製造方法 包含：第1步驟，其以400℃以下之溫度使第1之第2導電型矽結晶基板與該基體的表面彼此貼合，該第1之第2導電型矽結晶基板係於表面區域形成有第2導電型非晶矽層，且於該第2導電型非晶矽層上設置有透明導電層，該基體係於表面形成有透明導電層或絕緣性透明保護層；及第2步驟，其自背面將該第1之第2導電型矽結晶基板薄化至厚度30μm以下，作為該上部電池之第2導電型結晶矽層。
較佳構成為，該基體係於表面區域形成有施 體濃度較塊狀體高之第2導電型層，且於該第2導電型層上設置有絕緣性透明保護層之第2之第2導電型矽結晶基板。
較佳構成為，該第1步驟具備對該第1之第2 導電型矽結晶基板的表面及該基體之表面的至少一者實施表面活化處理之次步驟。
例如，該表面活化處理係以電漿處理或臭氧 處理之至少一者執行。
例如，該透明導電層係氧化銦錫(ITO)，該絕 緣性透明保護層係由矽氧化物或鋁氧化物構成之層。
一形態中，具備於該第1步驟之前朝該第1之 第2導電型矽結晶基板的表面區域植入既定配量之氫而形成氫離子植入層的步驟，於該第2步驟中，藉由對該氫離子植入層施加機械或熱衝擊，使第2導電型結晶矽層自該第1之第2導電型矽結晶基板剝離，而作為該上部電池之第2導電型結晶矽層。
此外，一形態中，於該第2步驟之後，具備於 該第2導電型結晶矽層之上方形成與第2導電型相反之第1導電型非晶矽材料層的第3步驟。
並且，一形態中，該第3步驟具備於該第1導 電型非晶矽材料層的形成之前，將該第2導電型結晶矽層劃分為奈米線或奈米牆的次步驟，其中該奈米線係以既定間隔2維排列之複數條奈米線，且是於該第2導電型結晶矽層的部位上直徑為10nm以下者，該奈米牆係壁面對齊於既定方向且以既定間隔2維排列之複數個壁狀的奈米牆且是於該第2導電型結晶矽層的部位上厚度為10nm以下者。
本發明之太陽能電池係採用較先前技術的構成明顯地將上部電池之第2導電型結晶矽層減薄之構造。其結果，與將第2導電型結晶矽層設定為100μm之構成比較，上部電池之開路電壓變得高出0.1V以上，可利用高電壓擷取電流，因而可提高光電轉換效率。
此外，於將本發明設為串接式太陽能電池之情況下，由於可自上部電池及下部電池分別獨立地取出輸出，因此，不需要取得串聯連接型串接式電池中所需要之發電電流的匹配。
而且，本發明之太陽能電池的製造方法，係應用所謂「貼合」技術，於400℃以下進行上部電池與基體或下部電池的「貼合」，因此無氫自氫化非晶矽層脫離而使膜質降低之情況，也不會對結晶矽層產生新的缺 陷。因此，於將本發明設為串接式太陽能電池之情況下，不會產生伴隨串接化之異質接面電池的劣化。
10‧‧‧第1之n型矽結晶基板
20‧‧‧第2之n型矽結晶基板
100‧‧‧上部電池
110‧‧‧透明導電層
120‧‧‧p型非晶矽層
130‧‧‧n型結晶矽層
140‧‧‧n型非晶矽層
150‧‧‧第2透明導電層
160‧‧‧絕緣性透明保護層
200‧‧‧下部電池
210‧‧‧n型區域
220‧‧‧作為發射極層之p型區域
230‧‧‧施體濃度高之n型層
240‧‧‧施體濃度高之第2之n型層
250‧‧‧絕緣性膜
260‧‧‧第1背面電極
270‧‧‧第2背面電極
280‧‧‧導電性材料
300‧‧‧太陽能電池
第1圖為用於說明本發明之串接式矽太陽能電池的基本構造之概要的剖面圖。
第2圖為顯示光電轉換效率之上部電池n型結晶矽層的厚度依賴性之圖。
第3圖為顯示上部電池之開路電壓的n型結晶矽層之厚度依賴性的模擬結果之圖。
第4圖為用於說明本發明之太陽能電池具備的受光面電極的形態之圖。
第5圖為說明自本發明之太陽能電池的光入射側(上方)觀察時之受光面電極的形態之圖(第5(A)圖)、及說明自背面側(下方)觀察時之背面電極的形態之圖(第5(B)圖)。
第6圖為顯示設為2端子串接式電池構造時之，第5(A)圖及第5(B)圖之圖中的虛線顯示部分之剖面構造的概要之圖。
第7圖為製造本發明之太陽能電池的製程例之流程圖。
第8圖為用於說明上部電池為被劃分為以既定間隔2維排列之複數個壁狀的奈米牆之陣列構造的情況之串接式太陽能電池的構成之立體示意圖。
第9圖為觀察具有被劃分為以既定間隔2維排列之複 數個壁狀的矽之奈米牆的陣列構造之上部電池的一部分之穿透式電子顯微鏡圖像。
第10圖為顯示被劃分為奈米牆之陣列構造(A)的反射率、及於奈米牆相互間埋入絕緣性物質即SiO2之陣列構造(B)的反射率之波長依賴性之圖。
下面，參照圖式對本發明之太陽能電池及其製造方法進行說明。再者，之後之說明中，設第1導電型為p型，且設第2導電型為n型進行說明，但也可為相反之關係，亦即設第1導電型為n型，且設第2導電型為p型。此外，之後之說明中，將「非晶矽材料層」作為非晶矽層進行說明，除此以外，也可作為非結晶SiO層或非結晶SiN層等。
之後，對本發明之太陽能電池為串接式太陽能電池的情況進行說明，但不一定要為串接式。本發明之太陽能電池也可為不具備下部電池，於基體上設置有上部電池之太陽能電池。亦即，「下部電池」不一定要作為太陽能電池發揮作用。
〔本發明之串接式太陽能電池的基本構造之概要〕
第1圖為用於說明本發明之串接式矽太陽能電池的基本構之概要的剖面圖。太陽能電池300係將設於光入射側(圖之上側)之上部電池100、及設於該上部電池100之下方的下部電池200層積而成的串接式太陽能電池。
上部電池100係使用第1之n型矽結晶基板10 ，且藉由後述的製程例而製造。該上部電池100係自光入射側起依序具備透明導電層110、作為p型非結晶材料層的p型非晶矽層120、n型結晶矽層130、n型非晶矽層140。第1圖所示之例子中，於n型非晶矽層140之下側設置有第2透明導電層150，藉由將透明導電層110及第2透明導電層150作為2個電極層，可與下部電池200獨立地取出上部電池100之輸出。透明導電層110例如由氧化銦錫(ITO)構成，也能使其兼作反射防止層。再者，關於設在上部電池100之表面的受光面電極(未圖示)，容待後述。
再者，p型非結晶材料層也可設為p型非結晶 SiO層及p型非結晶SiN層，以取代該p型非晶矽層120。此外，也可於p型非晶矽層120與n型結晶矽層130之間設置作為i型非結晶材料層的i型非晶矽層，也可取代i型非晶矽層，而設置i型非結晶SiO層或i型非結晶SiN層。
再者，該p型非晶矽層120、i型非晶矽層、n 型非晶矽層140，於多數情況下皆被設為被氫化之非結晶層。這點於p型非晶矽層120及i型非晶矽層為上述其他非晶矽材料層的情況時也同樣。
下部電池200係使用第2之n型矽結晶基板20 ，且藉由後述之製程例而製造。此下部電池200係由單晶矽構成，上部電池側係n型區域210，於其下方(亦即太陽能電池之背面側)設置有作為發射極層的p型區域220。
此外，於該圖所示之例子中，於下部電池200 之n型區域210的上部電池側設置有施體濃度較作為塊狀體之n型區域高的n型層230，而作為表面電場層(FSF)。 並且，與作為發射極層之p型區域220鄰接形成有施體濃度較作為塊狀體的n型區域高的第2之n型層240，而作為背面電場層(BSF)。
第1背面電極260及第2背面電極270經由絕緣 性膜250電性連接於發射極層即p型區域220及第2之n型層240之各者，藉由將發射極層即p型區域220及第2之n型層240作為2個電極層，可與上部電池100獨立地取出下部電池200之輸出。
再者，後述之形態中，將p型區域220形成為 具有匯流排部及自該匯流排部延伸之複數個手指部的梳齒狀，並且第2之n型區域240也同樣形成為具有匯流排部及自該匯流排部延伸之複數個手指部的梳齒狀，且使p型區域220之手指部與第2之n型區域240的手指部以既定間隔交互地配置。
在此，該p型區域220中的匯流排部，不一定 要為p型之導電型，但為方便起見，將該匯流排部也包含在內稱為「p型區域」。同樣，該第2之n型區域240中的匯流排部，也不一定要為n型之導電型，但為方便起見，將該匯流排部也包含在內稱為「n型區域」。換言之，p型區域220之手指部及第2之n型區域240的手指部分別為「p型」及「n型」」，也可使這些手指部以既定間隔呈條紋狀交互配置。
設於上部電池100與下部電池200之間的以符 號160所示之層，係絕緣性透明保護層，且是於後述之製造製程中用於貼合的層。絕緣性透明保護層160例如為由 矽氧化物、鋁氧化物構成的層。
上部電池100之各層的組成及厚度等，例如按 下述方式進行設計。透明導電層110係0.1μm左右的ITO，p型非晶矽層120與i型非晶矽層的總厚為0.01μm左右，n型結晶矽層130之厚度為30μm以下，i型非晶矽層與n型非晶矽層140之總厚為0.01μm左右，第2透明導電層150係0.1μm左右的ITO。再者，上部電池之n型結晶矽層的厚度，較佳為3μm~30μm，更佳為4μm~20μm，最佳為5μm~10μm。關於其理由容待後述。
由單晶矽構成之下部電池200的各層之厚度 等，例如可按下述方式進行設計。作為塊狀體的n型區域210，其厚度為200~500μm左右且比電阻為1Ωcm左右，作為發射極層之p型區域220，其受體濃度為5×1019cm-3左右，且厚度為2~3μm左右，作為表面電場層(FSF)之n型層230，其施體濃度為1×1019cm-3左右，且厚度為0.1~1μm左右，作為背面電場層(BSF)之第2之n型層240，其施體濃度為5×1019cm-3~1×1020cm-3左右，且厚度為1~2μm左右。
再者，作為絕緣性膜250可適宜使用SiO2。此 外，SiO2也能適宜地使用於設於上部電池100與下部電池200之間的絕緣性透明保護層160，其厚度例如為0.1μm左右。
此外，後述之受光面電極或該背面電極260 、270，係利用濺鍍及蒸鍍對形成於全面之金屬(例如，Al或Ag等)進行圖案處理而形成，或使用Al、Ag等的糊 膏進行網版印刷後燒結形成。
〔上部電池之n型結晶矽層的厚度〕
第2圖為顯示光電轉換效率之上部電池n型結晶矽層的厚度依賴性之模擬結果的圖。於該模擬中，設下部電池之厚度為300μm，且將上部電池之n型結晶矽層的厚度作為參數求取光電轉換效率。根據該結果，上部電池之n型結晶矽層的厚度為100μm之情況時的光電轉換效率，與n型結晶矽層之厚度為1μm的情況大致相等(23.5%)，若厚度超過100μm，則該值下降。
n型結晶矽層之厚度為30μm以下，可獲得24%以上之光電轉換效率，若n型結晶矽層之厚度在3~30μm的範圍，則可獲得24%以上之光電轉換效率。此外，於n型結晶矽層之厚度為4μm~20μm的範圍內可獲得超過24.1%之光電轉換效率，於5μm~10μm之範圍內可獲得超過24.2%的光電轉換效率。
第3圖為顯示上部電池之開路電壓Voc的n型結晶矽層之厚度依賴性的模擬結果之圖，圖中以圓符號顯示假定為塊狀體之矽而獲得的開路電壓Voc的值。第3(A)圖顯示n型結晶矽層之厚度在1~100μm的範圍內之開路電壓，第3(B)圖顯示n型結晶矽層之厚度在1~10μm的範圍內之開路電壓。
根據這些圖所示之結果，於n型結晶矽層之厚度為10~20μm附近，開路電壓確有提高，特別是在n型結晶矽層之厚度為10μm以下，開路電壓明顯提高，能獲得0.8V以上之值。這表示藉由將n型結晶矽層之厚度減薄 ，結晶矽層內之載體的奧杰復合明顯被抑制。
根據第3圖所示之結果，於n型結晶矽層之厚 度為10μm以下，開路電壓確有明顯提高，另一方面，根據第2圖所示之結果，考慮到若n型結晶矽層之厚度變得較5μm更薄則光電轉換效率逐漸下降之事實，可認為最佳之n型結晶矽層的厚度範圍為5μm~10μm。
〔取出來自上部電池及下部電池之輸出〕
第4圖為用於說明本發明之太陽能電池具備的受光面電極的形態之圖。該形態中，於上部電池100之表面設置有電性連接於該透明導電層110之第1受光面電極170、及電性連接於第2透明導電層150之第2受光面電極180，藉由將透明導電層110及第2透明導電層150作為2個電極層，可與下部電池200獨立地取出上部電池100之輸出。
再者，如已說明者，下部電池200之輸出也可藉由將發射極層即p型區域220與第2之n型層240作為2個電極層，而可與上部電池100獨立地取出下部電池200之輸出。
第5(A)及第5(B)圖分別為說明自太陽能電池300之光入射側(上方)觀察時之受光面電極的形態之圖(第5(A)圖)、及說明自太陽能電池300之背面側(下方)觀察時之背面電極的形態之圖(第5(B)圖)。
如第5(A)圖所示，自上方觀察時，於上部電池100設置有第1梳齒狀之受光面電極170及第2梳齒狀的受光面電極180。並且，上部電池100之第2透明導電層150 的表面係呈具有匯流排部及自該匯流排部延伸之複數個手指部的梳齒狀而露出，第1梳齒狀的受光面電極170電性連接於透明導電層110，第2梳齒狀之受光面電極180電性連接於第2透明導電層150。
亦即，上部電池100於自上方觀察時，第2透 明導電層150之表面呈具有匯流排部及自該匯流排部延伸之複數個手指部的梳齒狀而露出，且設置有電性連接於透明導電層110之第1梳齒狀的受光面電極170、及電性連接於第2透明導電層150之第2梳齒狀的受光面電極180，藉此，可與下部電池200獨立地取出上部電池100之輸出。
此外，本形態中，於下部電池200之背面側形 成有p型區域220及第2之n型區域240，該p型區域220係形成為具有匯流排部及自該匯流排部延伸之複數個手指部的梳齒狀，該第2之n型區域240係形成為具有匯流排部及自該匯流排部延伸之複數個手指部的梳齒狀，且施體濃度較作為塊狀體的n型區域210高，p型區域220之手指部及第2之n型區域240的手指部係以既定間隔交互地配置。
並且，於下部電池200之背面設置有電性連接 於p型區域220的第1梳齒狀之背面電極260、及電性連接於第2之n型區域240的第2梳齒狀之背面電極270，藉此，可與上部電池100獨立地取出下部電池200之輸出。
此種形態之受光面電極的構造，對無法忽視 因上部電池100之透明導電層(110、150)的膜電阻高而造成的損失之情況尤其有效。並且，由於能獨立地取出上 部電池100之輸出及下部電池200的輸出，因此，不需要像電性串聯連接之2端子串接式電池那樣取得兩者的發電電流之匹配，從而可減少電池設計之限制。
此外，於該形態中，由於上部電池100之輸出 端子位於入射光面側，下部電池200之輸出端子位於背面側，因此於藉由組入幾片電池來製作模組之情況下，將上部電池彼此或下部電池彼此串聯連接，且模組之端子係設為4端子。
再者，也可藉由調整上部電池100之結晶矽層 130的厚度，以使上部電池100及下部電池200之發電電流變得相同。該情況下還能實現2端子化。例如，可串聯連接上部電池及下部電池之輸出而組入模組中，也可於模組之端子箱內串聯連接來自上部電池的輸出及來自下部電池的輸出而設為2端子。
為了設為2端子串接式電池構造，例如，可採 用如下之電極間連接關係。
第6圖為顯示第5(A)圖及第5(B)圖之圖中的 虛線顯示部分之剖面構造的概要之圖。首先，調整上部電池100之結晶矽130層的厚度，以使上部電池100及下部電池200之最適動作電流大致相等。然後，以於電池之厚度方向上橫切下部電池200之端部的形式，由導電性材料280連接用以取出來自下部電池200之發射極的輸出之梳齒電極260的母線、及電性連接於設在上部電池100之n型非晶矽層側的第2透明導電層150之梳齒電極180的母線。
該情況下，以成為電池之相同端部邊緣之方 式預先配置欲連接的梳齒電極之母線彼此。亦即，於自上方觀察太陽能電池100時，使第2梳齒狀之受光面電極即第2透明導電層150的匯流排部與第1梳齒狀之背面電極即第1背面電極260之匯流排部於另一端側位於平行之位置。另一方面，第1梳齒狀之受光面電極即第1透明導電層110的匯流排部與第2梳齒狀之背面電極即第2背面電極270之匯流排部係於另一端側位於平行之位置。
當進行此種之電極間的連接時，以發電電流 引起之電壓下降變得充分小之方式進行。於電池背面之絕緣性膜250為由熱氧化或電漿CVD形成的氧化膜之情況下，若考慮到電池之端面也由此種絕緣性膜250被覆，而且電池之厚度為數百μm之情況，則以使用厚度為數μm以上之Ag糊膏等的導電性糊膏為較佳。若使用此種導電性糊膏，只要以接觸於上述兩母線之方式塗佈於電池之端部且進行燒結，即可使發電電流產生之該連接部位的電壓下降較發電電壓充分地小。
[實施例]
以下，藉由例示對該構造之本發明的太陽能電池之製造方法的概要進行說明。再者，下述實施例中，設第1導電型為p型，且設第2導電型為n型，但也可為相反之關係，亦即設第1導電型為n型，且設第2導電型為p型，這點誠如已作之敘述。此外，「非晶矽材料層」還可不作為非晶矽層，而是作為非結晶SiO層或非結晶SiN層等，這點也誠如已作之敘述。
第7圖為製造本發明之太陽能電池的製程例 之流程圖。首先，準備該2片之n型單晶矽基板(10、20)。對矽基板之厚度無特別之限制，一般為200~500μm。第1之n型矽結晶基板10係上部電池製作用者，第2之n型矽結晶基板20係下部電池製作用者。下述之實施例中，第1之n型矽結晶基板10可使用單面鏡面加工者亦無妨，但第2之n型矽結晶基板20係使用雙面鏡面加工者。此外，矽基板之比電阻值為太陽能電池的設計事項，在此採用1Ωcm左右者。
於第1之n型矽結晶基板10的表面形成n型氫 化非晶矽層140(S101)，並且於該n型氫化非晶矽層140上形成由ITO構成之透明導電層150(S102)。
另一方面，於第2之n型矽結晶基板20的背面 ，呈條紋狀(或梳子狀)形成n+區域(磷濃度1019~1020cm-3左右)及p+區域(硼濃度1019~1020cm-3左右的p+層)，且將這些設為作為背面電場層(BSF)之第2之n型層240及作為發射極層的p型區域220(S201)。這些n+區域及p+區域係藉由離子植入法、熱擴散法或激光摻雜法等形成。
接著，於第2之n型矽結晶基板20的表面形成 作為表面電場層(FSF)之n型層230(磷濃度1019cm-3左右的n+層)(S202)。此FSF層係藉由熱擴散法及離子植入法形成。
接著，於作為表面電場層(FSF)之n型層230 的上面形成絕緣性透明保護層160(S203)。該保護膜係熱氧化膜、CVD之沉積氧化膜、電漿CVD或熱絲CVD形成 之氫化非結晶SiO膜等。
接著，對第1之n型矽結晶基板10的表面(即， 由ITO構成之透明導電層150)及第2之n型矽結晶基板20的表面(即，絕緣性透明保護層160)之至少一者實施表面活化處理(S301)。此表面活化處理例如為電漿處理或臭氧處理。
接續該表面活化處理，應用已公知之半導體 基板間的貼合技術，使第1之n型矽結晶基板的表面(即，由ITO構成之透明導電層150)與第2之n型矽結晶基板的表面(即，由矽氧化物或鋁氧化物等構成之絕緣性透明保護層160)彼此貼合(S302)。再者，該貼合係於400℃以下的溫度下進行。這是為了抑制上部電池之因氫自氫化非晶矽層的脫離而引起之膜質降低、及朝上部電池之結晶矽層的缺陷導入，不使串接化時之太陽能電池特性產生劣化。
再者，為了提高該貼合之強度的目的，也可 於上部電池側之由ITO構成的透明導電層150上面再預先沉積氫化非結晶SiO膜。
於該貼合之後，除去第1之n型矽結晶基板的 背面側之結晶部分，薄化至厚度30μm以下(一般為10μm以下)，形成上部電池之n型結晶矽層130(S303)。
該薄化步驟除機械研磨第1之n型矽結晶基板 的背面側以外，也可藉由所謂「智能切割法」等之手法進行。
於智能切割法之情況下，於步驟S101之前， 在第1之n型矽結晶基板的表面區域植入既定配量之氫而預先形成氫離子植入層，於步驟S303中，藉由對該氫離子植入層施加機械或熱衝擊以使n型結晶矽層自第1之n型矽結晶基板剝離而作為上部電池的n型結晶矽層。
於此種薄化步驟之後，根據需要進行研磨損傷層之蝕刻去除，將結晶矽層之厚度調整至希望的值。
此後，於光入射面側依序沉積氫化i型非晶矽層、氫化p型非晶矽層120、由ITO構成之透明導電層110(S304~S306)。
接著，如第4圖所示，藉由光微影技術使第2透明導電層150之一部分露出(S307)，形成受光面電極170、180(S308)。藉此，第1受光面電極170電性連接於透明導電層110，第2受光面電極180電性連接於第2透明導電層150，進而完成上部電池。
最後，於第2之n型矽結晶基板的背面側形成接觸孔，形成如第4圖所示之背面電極260、270(S309)，完成上部電池並完成太陽能電池。
如已說明者，藉由像本發明之太陽能電池那樣將上部電池的結晶矽層之厚度減薄，可提高開路電壓。另一方面，若上部電池之結晶矽層的厚度變薄，則上部電池之光吸收長度(光路長)變短，其結果，短路電流密度變小，輸出功率與結晶矽層厚之電池比較而下降。然而，由於本發明之太陽能電池為串接式構造，因此在上部電池不能吸收之光可由下部電池吸收，從而能提供發電。其結果，與以下部電池單體進行發電之情況比較 ，可改善相當於能以高電壓能擷取上部電池的發電電流的部分之轉換效率。
如此，本發明之太陽能電池係採用較先前之 構成明顯將上部電池的第2導電型結晶矽層減薄的構造。其結果，與將第2導電型結晶矽層設為100μm之構成比較，由於上部電池之開路電壓增高0.1V以上，可以高電壓擷取電流，因此可提高光電轉換效率。
此外，由於可自上部電池及下部電池分別獨 立地取出輸出，因此不需要取得串聯連接型串接式電池所需要之發電電流的匹配。
並且，由於本發明之太陽能電池的製造方法 係應用所謂「貼合」技術，且於400℃以下進行上部電池與下部電池的「貼合」，因此無氫自氫化非晶矽層脫離而使膜質降低之情況，也不會對結晶矽層產生新的缺陷，因此，不會產生伴隨串接化之異質接面電池的劣化。
至此，對本發明之太陽能電池為串接式太陽 能電池的情況進行了說明。然而，本發明之太陽能電池不一定要為串接式，也可為不具備下部電池，於基體上設置有該上部電池之太陽能電池。亦即，上述「下部電池」不一定要作為太陽能電池發揮作用。
於不將該「下部電池」作為太陽能電池而為 所謂基體之情況，本發明之太陽能電池，其特徵在於：上部電池設於基體之主面上，該上部電池係具有自光入射側起依序具有透明導電層、第1導電型非晶矽材料層、與該第1導電型相反之第2導電型結晶矽層、第2導電型非 晶矽層的層積構造，且於該上部電池之表面設置有受光面電極，於該基體設置有背面電極，該上部電池之第2導電型結晶矽層的厚度為30μm以下。
作為該情況下之基體，例如可使用單晶矽。 此外，於基體由單晶矽構成之情況，也可為於上部電池與基體之間具有由氧化銦錫(ITO)構成的層之形態。
並且，該基體也可為於表面區域形成有施體 濃度較塊狀體高之第2導電型層，且於該第2導電型層上設置有絕緣性透明保護層的第2之第2導電型矽結晶基板的形態。
該情況下，於太陽能電池之製造時，也可於 該步驟S303(貼合之後，除去第1之n型矽結晶基板的背面側之結晶部分，減薄至厚度30μm以下，形成上部電池之n型結晶矽層130的步驟)之後，具備於第2導電型結晶矽層之上方形成與第2導電型相反之第1導電型非晶矽材料層的步驟。
此外，也可將上部電池之構造作為陣列排列 有奈米線及奈米牆的形態者。藉由設為此種奈米構造者，可提高量子效應，提高太陽能電池之光電轉換效率。
具備此種構造之上部電池的太陽能電池，為 具有以下之構造的太陽能電池，亦即，具有該上部電池具備之透明導電層、第1導電型非晶矽材料層、第2導電型結晶矽層、第2導電型非晶矽層之層積構造，於自上方觀察該太陽能電池時，具有以既定間隔2維排列之複數條奈米線或壁面對齊於既定方向且被劃分為以既定間隔2 維排列的複數個壁狀之奈米牆的陣列構造，該奈米線之直徑或該奈米牆的厚度，係於該第2導電型結晶矽層的部位上為10nm以下。
於採用此形態之情況下，以相互鄰接之該奈 米線或該奈米牆，係藉由絕緣性物質隔離為較佳。
此外，於作為奈米構造之上部電池時，於在 第2導電型結晶矽層之上方形成與第2導電型相反的第1導電型非晶矽材料層的步驟中，較佳為具備於第1導電型非晶矽材料層的形成之前，將第2導電型結晶矽層劃分為奈米線或奈米牆的次步驟，其中該奈米線係以既定間隔2維排列之複數條奈米線，且是於該第2導電型結晶矽層的部位上直徑為10nm以下者，該奈米牆係壁面對齊於既定方向且以既定間隔2維排列之複數個壁狀的奈米牆且是於該第2導電型結晶矽層的部位上厚度為10nm以下者。
第8圖為用於說明上部電池為被劃分為以既 定間隔2維排列之複數個壁狀的奈米牆之陣列構造的情況之串接式太陽能電池的構成之立體示意圖。
已知矽的帶隙於塊狀體中為1.1eV左右，但於 作為奈米級之牆及線的情況下，若其大小較10nm小則會變大。並且，藉由改變奈米牆及奈米線之尺寸(寬度)，可藉由量子封閉效應進行帶隙控制。亦即，藉由將上部電池設為使此種大小的奈米牆或奈米線2維排列之構造者，積極地利用量子封閉效應，能提高作為太陽能電池之性能。
假定為奈米牆，理論上若將牆的厚度縮小至 2nm，則實效之帶隙約為1.6eV，較塊狀體之矽的帶隙(約1.1eV)擴大了45%左右之帶隙，從而能期待高效率化。
第9圖為觀察具有被劃分為以既定間隔2維排 列之複數個壁狀的矽之奈米牆的陣列構造之上部電池的一部分之穿透式電子顯微鏡圖像。奈米牆之尺寸為10nm以下，於該圖所示之例子中約為2nm。此外，於奈米牆相互間埋入絕緣性物質(SiO2或Al2O3)。
第10圖為顯示被劃分為奈米牆之陣列構造 (A)的反射率、及於奈米牆相互間埋入絕緣性物質即SiO2之陣列構造(B)的反射率的波長依賴性之圖。
由該圖可知，藉由於奈米牆相互間埋入絕緣 性物質，將反射率抑制地較低，可提高太陽光之利用效率。
此種奈米牆例如可藉由下述之製程進行製作 。首先，藉由使用浸液光微影之圖案處理形成數十nm寬度之牆。藉此，例如能形成寬度75nm左右，高度1μm左右的牆。再者，若設作為基材之矽的主面為(1,1,0)面，例如(1,-1,1)面直接移至(1,1,0)面，因而可將壁面為(1,-1,1)面之牆垂直地形成於主面。接著，藉由反復地進行氧化處理及蝕刻處理，形成寬度為數nm之奈米牆。
再者，當然不用再作解釋，即使取代上述牆 ，而設為被劃分為以既定之間隔2維排列的複數條奈米線的陣列構造，且將奈米線之直徑設為10nm以下的尺寸者，也可獲得同樣之量子效應。
[產業上之可利用性]
根據本發明，提供一種將上部電池之結晶矽層減薄，抑制結晶矽層內之奧杰復合，且於製造步驟中也不會使薄結晶矽層破損，且光電轉換效率高的矽太陽能電池及其製造方法。
10‧‧‧第1之n型矽結晶基板
20‧‧‧第2之n型矽結晶基板
100‧‧‧上部電池
110‧‧‧透明導電層
120‧‧‧p型非晶矽層
130‧‧‧n型結晶矽層
140‧‧‧n型非晶矽層
150‧‧‧第2透明導電層
160‧‧‧絕緣性透明保護層
200‧‧‧下部電池
210‧‧‧n型區域
220‧‧‧作為發射極層之p型區域
230‧‧‧施體濃度高之n型層
240‧‧‧施體濃度高之第2之n型層
250‧‧‧絕緣性膜
260‧‧‧第1背面電極
270‧‧‧第2背面電極
300‧‧‧太陽能電池

Claims (31)

  1. 一種太陽能電池，其特徵在於：上部電池設於基體之主面上，該上部電池包括自光入射側起依序具有透明導電層、第1導電型非晶矽材料層、與該第1導電型相反之第2導電型結晶矽層、第2導電型非晶矽層之層積構造，且於該上部電池之表面設置有受光面電極，於該基體設置有背面電極，該上部電池之第2導電型結晶矽層的厚度為30μm以下。
  2. 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中該上部電池之第2導電型結晶矽層的厚度為3μm~30μm。
  3. 如申請專利範圍第2項之太陽能電池，其中該上部電池之第2導電型結晶矽層的厚度為4μm~20μm。
  4. 如申請專利範圍第3項之太陽能電池，其中該上部電池之第2導電型結晶矽層的厚度為5μm~10μm。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之太陽能電池，其中該上部電池係於該第1導電型非晶矽材料層與第2導電型結晶矽層之間具備i型非晶矽材料層。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之太陽能電池，其中該上部電池係於該第2導電型結晶矽層與第2導電型非晶矽層之間具備i型非晶矽層。
  7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之太陽能電池，其中於該上部電池與該基體之間具備絕緣性透明保護層。
  8. 如申請專利範圍第7項之太陽能電池，其中該絕緣性透明保護層係由矽氧化物或鋁氧化物構成之層。
  9. 如申請專利範圍第1至8項中任一項之太陽能電池，其中該基體係由單晶矽構成。
  10. 如申請專利範圍第9項之太陽能電池，其中該基體係由單晶矽構成，於該上部電池與該基體之間具備由氧化銦錫(ITO)構成的層。
  11. 如申請專利範圍第9或10項之太陽能電池，其中該基體係由單晶矽構成之下部電池，該上部電池側係第2導電型區域，於其下方形成有第1導電型區域，於該下部電池之背面設置有該背面電極且被串接。
  12. 如申請專利範圍第11項之太陽能電池，其中該下部電池係於該第2導電型區域之該上部電池側具備施體濃度較該第2導電型區域高的第2導電型層。
  13. 如申請專利範圍第1至12項中任一項之太陽能電池，其中該上部電池具有設於該第2導電型非晶矽層之下側的第2透明導電層。
  14. 如申請專利範圍第13項之太陽能電池，其中該上部電池係自上方觀察時，該第2透明導電層之表面呈具有匯流排部及自該匯流排部延伸之複數個手指部的梳齒狀而露出。
  15. 如申請專利範圍第14項之太陽能電池，其中於該上部電池之表面設置有電性連接於該透明導電層之第1梳齒狀的受光面電極、及電性連接於該第2透明導電層之第2梳齒狀的受光面電極。
  16. 如申請專利範圍第11至15項中任一項之太陽能電池，其中於該下部電池之背面側形成有該第1導電型區域及第2之第2導電型區域，該第1導電型區域係形成為具有匯流排部及自該匯流排部延伸的複數個手指部之梳齒狀，該第2之第2導電型區域係形成為具有匯流排部及自該匯流排部延伸之複數個手指部的梳齒狀，且施體濃度較該第2導電型區域高，該第1導電型區域之手指部與該第2之第2導電型區域的手指部係以既定間隔交互配置。
  17. 如申請專利範圍第16項之太陽能電池，其中於該下部電池之背面設置有電性連接於該第1導電型區域之第1梳齒狀的背面電極、及電性連接於該第2之第2導電型區域的第2梳齒狀之背面電極。
  18. 如申請專利範圍第15及17項之太陽能電池，其中當自上方觀察該太陽能電池時，該第1梳齒狀之受光面電極的匯流排部與該第2梳齒狀之背面電極的匯流排部係於一端側位於平行之位置，該第2梳齒狀之受光面電極的匯流排部與該第1梳齒狀之背面電極的匯流排部係於另一端側位於平行之位置。
  19. 如申請專利範圍第1至18項中任一項之太陽能電池，其中設於該上部電池之透明導電層係氧化銦錫(ITO)。
  20. 如申請專利範圍第1至19項中任一項之太陽能電池，其中設於該上部電池之光入射側的透明導電層係兼作反射防止層。
  21. 如申請專利範圍第11至20項中任一項之太陽能電池 ，其中該上部電池之該第2導電型結晶矽層，係設計為該上部電池與該下部電池之發電電流相同之厚度。
  22. 如申請專利範圍第1至21項中任一項之太陽能電池，其中於自上方觀察該太陽能電池時，該上部電池具備之具有透明導電層、第1導電型非晶矽材料層、第2導電型結晶矽層、第2導電型非晶矽層的層積構造，係具有被劃分成以既定間隔2維排列之複數條奈米線或壁面對齊於既定的方向且以既定間隔2維排列之複數個壁狀的奈米牆之陣列構造，該奈米線之直徑或該奈米牆的厚度，於該第2導電型結晶矽層的部位上為10nm以下。
  23. 如申請專利範圍第22項之太陽能電池，其中相互鄰接之該奈米線或該奈米牆係由絕緣性物質隔離。
  24. 一種太陽能電池的製造方法，係於基體上具備上部電池之太陽能電池之製造方法，該製造方法包含：第1步驟，其以400℃以下之溫度使第1之第2導電型矽結晶基板與該基體的表面彼此貼合，該第1之第2導電型矽結晶基板係於表面區域形成有第2導電型非晶矽層，且於該第2導電型非晶矽層上設置有透明導電層，該基體係於表面形成有透明導電層或絕緣性透明保護層；及第2步驟，其自背面將該第1之第2導電型矽結晶基板薄化至厚度30μm以下，作為該上部電池之第2導電型結晶矽層。
  25. 如申請專利範圍第24項之太陽能電池之製造方法，其 中該基體係於表面區域形成有施體濃度較塊狀體高之第2導電型層，且於該第2導電型層上設置有絕緣性透明保護層之第2之第2導電型矽結晶基板。
  26. 如申請專利範圍第24或25項之太陽能電池之製造方法，其中該第1步驟具備對該第1之第2導電型矽結晶基板的表面及該基體之表面的至少一者實施表面活化處理之次步驟。
  27. 如申請專利範圍第26項之太陽能電池之製造方法，其中該表面活化處理係以電漿處理或臭氧處理之至少一者執行。
  28. 如申請專利範圍第24至27項中任一項之太陽能電池之製造方法，其中該透明導電層係氧化銦錫(ITO)，該絕緣性透明保護層係由矽氧化物或鋁氧化物構成之層。
  29. 如申請專利範圍第24至28項中任一項之太陽能電池之製造方法，其中具備於該第1步驟之前朝該第1之第2導電型矽結晶基板的表面區域植入既定配量之氫而形成氫離子植入層的步驟，於該第2步驟中，藉由對該氫離子植入層施加機械或熱衝擊，使第2導電型結晶矽層自該第1之第2導電型矽結晶基板剝離，而作為該上部電池之第2導電型結晶矽層。
  30. 如申請專利範圍第29項之太陽能電池之製造方法，其中於該第2步驟之後，具備於該第2導電型結晶矽層之上方形成與第2導電型相反之第1導電型非晶矽材料層的第3步驟。
  31. 如申請專利範圍第30項之太陽能電池之製造方法，其 中該第3步驟具備於該第1導電型非晶矽材料層的形成之前，將該第2導電型結晶矽層劃分為奈米線或奈米牆的次步驟，其中該奈米線係以既定間隔2維排列之複數條奈米線，且是於該第2導電型結晶矽層的部位上直徑為10nm以下者，該奈米牆係壁面對齊於既定方向且以既定間隔2維排列之複數個壁狀的奈米牆且是於該第2導電型結晶矽層的部位上厚度為10nm以下者。
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