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WO2014118863A1 - 光起電力装置 - Google Patents

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WO2014118863A1
WO2014118863A1 PCT/JP2013/007546 JP2013007546W WO2014118863A1 WO 2014118863 A1 WO2014118863 A1 WO 2014118863A1 JP 2013007546 W JP2013007546 W JP 2013007546W WO 2014118863 A1 WO2014118863 A1 WO 2014118863A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
electrode
conductive layer
base layer
metal electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2013/007546
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
亘 篠原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Corp filed Critical Panasonic Corp
Publication of WO2014118863A1 publication Critical patent/WO2014118863A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F10/00—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells
    • H10F10/10—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells having potential barriers
    • H10F10/14—Photovoltaic cells having only PN homojunction potential barriers
    • H10F10/146—Back-junction photovoltaic cells, e.g. having interdigitated base-emitter regions on the back side
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F19/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one photovoltaic cell covered by group H10F10/00, e.g. photovoltaic modules
    • H10F19/90—Structures for connecting between photovoltaic cells, e.g. interconnections or insulating spacers
    • H10F19/902—Structures for connecting between photovoltaic cells, e.g. interconnections or insulating spacers for series or parallel connection of photovoltaic cells
    • H10F19/908—Structures for connecting between photovoltaic cells, e.g. interconnections or insulating spacers for series or parallel connection of photovoltaic cells for back-contact photovoltaic cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Definitions

  • the present invention relates to a photovoltaic device.
  • photovoltaic elements that convert light energy into electrical energy are energetically conducted in various directions.
  • research and practical application of photovoltaic elements or photovoltaic devices using crystalline silicon such as single crystal silicon and polycrystalline silicon have been actively conducted.
  • a through-hole that penetrates from the light receiving surface that is the light incident surface to the back surface that faces the light receiving surface is formed.
  • a photovoltaic element having a metal wrap-through structure that draws output power obtained from the side to the back side through a through hole has attracted attention.
  • a method of manufacturing such a type of photovoltaic device a method is provided in which a through-hole is provided in a single crystal silicon layer that generates photovoltaic power, and a heterojunction of an amorphous silicon layer is formed on a part of the inner wall of the through-hole. Is known (see, for example, Patent Document 1).
  • the through hole is generally embedded with a metal material, but this metal material contacts the region other than the light receiving surface on the wall surface forming the through hole or the back surface of the photovoltaic device. If this happens, the positive and negative electrodes may be short-circuited and the output characteristics may be greatly impaired.
  • the present invention has been made in view of these problems, and an object thereof is to provide a photovoltaic device with improved reliability.
  • a photovoltaic device includes a first conductive layer having one conductivity type, a base layer provided on the first conductive layer, and a base layer provided on the base layer.
  • a first electrode a through hole that penetrates the first electrode and the base layer, an insulating layer that covers substantially the entire surface of the first electrode, covers an inner wall of the through hole, and is provided on the insulating layer.
  • a second electrode The second electrode is in contact with the first conductive layer through the through hole.
  • a photovoltaic device with improved reliability can be provided.
  • FIG. 1 It is sectional drawing which shows the structure of the photovoltaic apparatus in 1st Embodiment. It is the external view which looked at the photovoltaic apparatus of FIG. 1 from the back surface. It is the external view which looked at the photovoltaic apparatus of FIG. 1 from the light-receiving surface. It is a figure which shows the material board
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the photovoltaic device 100 according to the first embodiment.
  • the photovoltaic device 100 includes a photovoltaic element 70 and a tab electrode 80 for taking out the electric power generated by the photovoltaic element 70 to the outside.
  • the photovoltaic element 70 includes a first metal electrode 20 and a second metal electrode 30 provided on the back surface 70b side facing the light receiving surface 70a on which light (sunlight) A is incident as an electrode for taking out the generated electric power to the outside.
  • the second metal electrode 30 includes a first conductive layer 26 and a second transparent electrode layer 28 formed on the light receiving surface 70a side through a through hole 36 that penetrates the light receiving surface 70a and the back surface 70b of the photovoltaic element 70. Connected.
  • the photovoltaic device 100 has a metal wrap-through structure that can draw the power from the light receiving surface 70a side to the back surface 70b side through the second metal electrode 30 filling the through hole 36.
  • the photovoltaic element 70 includes a base layer 12, a second i-type layer 14, a second conductive layer 16, a first transparent electrode layer 18, a first metal electrode 20, an insulating layer 22, a first layer
  • the i-type layer 24, the first conductive layer 26, the second transparent electrode layer 28, and the second metal electrode 30 are provided.
  • the base layer 12 is a crystalline semiconductor layer, for example, a single crystal semiconductor layer or a polycrystalline semiconductor layer in which a large number of crystal grains are aggregated.
  • an n-type crystalline silicon substrate to which an n-type dopant is added is used as the base layer 12, and the doping concentration is about 10 16 / cm 3 .
  • the base layer 12 is provided with a texture structure on the light receiving surface 70a side for improving the efficiency of absorbing light incident on the photovoltaic element 70. By providing the texture structure, the traveling direction of light incident on the photovoltaic element 70 can be changed, and the optical path length of the light incident on the base layer 12 can be increased.
  • the second i-type layer 14 and the second conductive layer 16 are amorphous semiconductor layers, and are semiconductor layers including an amorphous phase or a microcrystalline phase in which minute crystal grains are precipitated in the amorphous phase. .
  • amorphous silicon containing hydrogen is used.
  • the second i-type layer 14 is substantially intrinsic amorphous silicon
  • the second conductive layer 16 is amorphous silicon to which an n-type dopant is added.
  • the second conductive layer 16 is silicon having a dopant concentration higher than that of the second i-type layer 14.
  • the second i-type layer 14 is not intentionally doped, and the dopant concentration of the second conductive layer 16 may be about 10 18 / cm 3 .
  • the thickness of the second i-type layer 14 is desirably as thin as possible in order to suppress light absorption as much as possible, and is preferably set to such an extent that the surface of the base layer 12 is sufficiently passivated.
  • the thickness of the second i-type layer 14 may be 1 nm or more and 50 nm or less, for example, 10 nm.
  • the second conductive layer 16 is desirably as thin as possible in order to suppress light absorption as much as possible, and is preferably thick enough to increase the open circuit voltage of the photovoltaic element 70 sufficiently.
  • the thickness of the second conductive layer 16 may be, for example, 1 nm or more, for example, 200 nm.
  • the first i-type layer 24 and the first conductive layer 26 are amorphous semiconductor layers, and are semiconductor layers including an amorphous phase or a microcrystalline phase in which minute crystal grains are precipitated in the amorphous phase.
  • amorphous silicon containing hydrogen is used.
  • the first i-type layer 24 is substantially intrinsic amorphous silicon
  • the first conductive layer 26 is amorphous silicon to which a p-type dopant is added.
  • the first conductive layer 26 is a silicon layer having a dopant concentration higher than that of the first i-type layer 24.
  • the first i-type layer 24 is not intentionally doped, and the dopant concentration of the first conductive layer 26 may be about 10 18 / cm 3 .
  • the thickness of the first i-type layer 24 may be thick enough that the surface of the base layer 12 is sufficiently passivated. Specifically, the thickness of the first i-type layer 24 may be 1 nm or more, for example, 10 nm. Further, the thickness of the first conductive layer 26 is preferably set so that the open circuit voltage of the photovoltaic element 70 becomes sufficiently high. The thickness of the first conductive layer 26 may be 1 nm or more and 50 nm or less, for example, 10 nm.
  • the second i-type layer 14 and the second conductive layer 16 form a heterojunction on the back surface 70b side, and the first i-type layer 24 and the first conductive layer 26 form a heterojunction on the light receiving surface 70a side. . Thereby, a built-in potential is formed in the photovoltaic device 70.
  • the first transparent electrode layer 18 and the second transparent electrode layer 28 are made of tin oxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), indium tin oxide (ITO), etc., tin (Sn), antimony (Sb), fluorine (F ), Transparent conductive oxide (TCO) doped with aluminum (Al) or the like, it is preferable to use at least one kind or a combination of plural kinds.
  • zinc oxide (ZnO) has advantages such as high translucency and low resistivity.
  • the film thicknesses of the first transparent electrode layer 18 and the second transparent electrode layer 28 may be 10 nm or more and 500 nm or less, for example, 100 nm.
  • an antireflection film for reducing the reflectance of the incident light A may be formed on the second transparent electrode layer 28 provided on the light receiving surface 70a side.
  • the first metal electrode 20 and the second metal electrode 30 are electrodes for taking out the electric power generated by the photovoltaic element 70 to the outside.
  • the first metal electrode 20 serves as a temporary support substrate in the manufacturing process described later, the thickness of the first metal electrode 20 is desirably 50 ⁇ m or more.
  • FIG. 2 is an external view of the photovoltaic device 100 of FIG. 1 viewed from the back surface 70b
  • FIG. 3 is an external view of the photovoltaic device 100 of FIG. 1 viewed from the light receiving surface 70a.
  • the second metal electrode 30 is provided on the back surface 70b side of the photovoltaic element 70, and is provided so as to fill a plurality of through holes 36 penetrating the light receiving surface 70a and the back surface 70b of the photovoltaic element 70.
  • the plurality of through holes 36 filled with the second metal electrode 30 are arranged apart from each other in order to increase the current collection efficiency of the second metal electrode 30.
  • the thickness of the second metal electrode 30 is desirably 10 ⁇ m or more in order to reduce the electric resistance.
  • the second metal electrode 30 is formed on the back surface 70b side so as to cover a region C1 in which a plurality of through holes 36 are arranged.
  • the first metal electrode 20 is formed so as to cover a region other than the region C ⁇ b> 1 where the plurality of through holes 36 are arranged. For this reason, the back surface 70 b side of the photovoltaic element 70 is substantially entirely covered with the first metal electrode 20 or the second metal electrode 30.
  • the insulating layer 22 is provided so as to cover substantially the entire surface of the first metal electrode 20 and to form the inner wall of the through hole 36, and the second metal electrode 30 includes the base layer 12, the second i-type layer 14, Insulation is performed so as not to contact the second conductive layer 16, the first transparent electrode layer 18, and the first metal electrode 20.
  • the insulating layer 22 is made of an electrically insulating material, and is preferably a transparent material that does not absorb light in order to increase the light absorption amount of the base layer 12.
  • the insulating layer 22 may be, for example, silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or a resin material, and the film thickness may be, for example, 100 nm or more and 1 ⁇ m or less. .
  • the insulating layer 22 may not be formed in the region where the tab electrode 80 is provided so that power can be taken out from the first metal electrode 20 to the outside.
  • the second transparent electrode layer 28 of the photovoltaic element 70 becomes the light receiving surface 70a.
  • the light receiving surface means a main surface on which light (sunlight) A is mainly incident on the photovoltaic element 70, and specifically, a large amount of light A incident on the photovoltaic element 70. This is the surface on which the part is incident.
  • FIG. 4 is a diagram showing the material substrate 10 on which the base layer 12 is formed.
  • the material substrate 10 is a crystalline semiconductor material, for example, a semiconductor substrate such as silicon, polycrystalline silicon, gallium arsenide (GaAs), or indium phosphide (InP). Note that in this embodiment, an example in which a single crystal silicon substrate is used as the material substrate 10 is described. Therefore, the base layer 12, the second i-type layer 14, the second conductive layer 16, the first i-type layer 24, and the first conductive layer 26 described later are also silicon layers. However, the material substrate 10 may be made of a material other than silicon, and these layers may be made of materials other than the silicon layer.
  • the porous layer (brittle layer) 10a is formed by anodizing the material substrate 10 or the like.
  • the electrolyte used for anodization can be, for example, a mixed solution of hydrofluoric acid and ethanol, or a mixed solution of hydrofluoric acid and hydrogen peroxide solution.
  • the current density of the anodization may be a 5 mA / cm 2 or more 600 mA / cm 2 or less, for example, 10 mA / cm 2 approximately.
  • the thickness of the porous layer 10a may be 0.01 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less, for example, about 10 ⁇ m.
  • the pore diameter of the porous layer 10a may be 0.002 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less, for example, about 0.01 ⁇ m.
  • the porosity of the porous layer 10a may be 10% or more and 70% or less, for example, about 20%.
  • a base layer 12 is formed on the porous layer 10 a of the material substrate 10.
  • the base layer 12 can be formed by chemical vapor deposition (CVD).
  • the base layer 12 is formed by epitaxial growth using the porous layer 10a as a seed layer, and forms a homojunction region in which crystalline semiconductor layers are joined to each other.
  • the film formation can be performed by heating the material substrate 10 to 950 ° C. and supplying dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) diluted with hydrogen (H 2 ) as a source gas.
  • the flow rates of hydrogen (H 2 ) and dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) are, for example, 0.5 (l / min) and 180 (l / min), respectively.
  • phosphine (PH 3 ) is added as a doping gas.
  • a texture structure is formed on the surface 12 a of the base layer 12.
  • the material substrate 10, the porous layer 10a, and the base layer 12 are chemically etched in an aqueous solution of sodium hydroxide (NaOH) to form a texture structure having a fine uneven shape on the surface 12a of the base layer 12.
  • NaOH sodium hydroxide
  • sapphire Al 2 O 3
  • a fine texture structure is provided on the sapphire substrate, and the base layer 12 is epitaxially grown on the surface to thereby form the surface.
  • the base layer 12 in which the texture structure is formed can be obtained.
  • FIG. 5 is a diagram showing the material substrate 10 on which the second i-type layer 14 and the second conductive layer 16 are formed. A second i-type layer 14 and a second conductive layer 16 are sequentially formed on the base layer 12.
  • the second i-type layer 14 and the second conductive layer 16 can be formed by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) using a silicon-containing gas such as silane (SiH 4 ). While supplying a silicon-containing gas such as silane (SiH 4 ) and supplying high-frequency power from a high-frequency power source to a high-frequency electrode, a raw material gas plasma is generated, and the raw material is supplied from the plasma onto the base layer 12 to form a silicon thin film. Is formed. The source gas is mixed with a dopant-containing gas such as phosphine (PH 3 ) as necessary.
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • FIG. 6 is a diagram showing the material substrate 10 on which the first transparent electrode layer 18 and the first metal electrode 20 are formed.
  • the first transparent electrode layer 18 can be formed by a thin film forming method such as sputtering or plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD).
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • a metal layer made of an alloy of nickel and iron is formed by a plating method.
  • FIG. 7 is a view showing a state in which the first hole 32 penetrating from the first metal electrode 20 to the second i-type layer 14 is formed.
  • the irradiation condition of the first laser 60 is, for example, a pulsed focused laser beam having a wavelength of 355 nm, a repetition frequency of 25 kHz, a power of 0.90 W, and a pulse energy of 3.6 ⁇ J.
  • the first hole 32 having a diameter of about 45 ⁇ m penetrating from the first metal electrode 20 to the second i-type layer 14 is formed. Can do.
  • FIG. 8 is a diagram showing a state in which the second hole penetrating the base layer 12 is formed.
  • the irradiation condition of the second laser 62 is, for example, a pulsed focused laser beam having a wavelength of 1064 nm, a repetition frequency of 15 kHz, a power of 25 W, and a pulse energy of 1.7 mJ.
  • a second hole 34 having a diameter of about 30 ⁇ m is formed through the base layer 12 and reaching the surface of the porous layer 10a. To do.
  • FIG. 9 is a diagram showing how the inner walls of the first hole 32 and the second hole 34 are dry-etched.
  • scattered matter called so-called debris is generated from the irradiation region of the laser beam, and the inner walls of the first hole 32 and the second hole 34 and the first metal are formed. It adheres to the upper surface 20a of the electrode 20. If such a deposit causes a short circuit between the layers formed between the base layer 12 and the first metal electrode 20, the output characteristics of the photovoltaic device 70 will be degraded. Therefore, after forming the first hole 32 and the second hole 34, they are exposed to the plasma gas 64 of carbon tetrafluoride and oxygen (CF 4 + O 2 ) from above the first metal electrode 20.
  • CF 4 + O 2 carbon tetrafluoride and oxygen
  • the kimono is dry-etched to clean the inner walls of the first hole 32 and the second hole 34 and the upper surface 20a of the first metal electrode 20.
  • the gas used for etching is not limited to CF 4 + O 2 , and nitrogen trifluoride (NF 3 ), sulfur hexafluoride (SF 6 ), or the like may be used.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a state in which the insulating layer 22 is formed.
  • the insulating layer 22 is formed so as to cover the upper surface 20a of the first metal electrode 20 and the inner walls of the first hole 32 and the second hole 34 from above the first metal electrode 20 that has been dry-etched.
  • the insulating layer 22 is a silicon nitride layer having a thickness of about 200 nm, and is supplied by plasmaizing a raw material gas in which silane (SiH 4 ) and hydrogen (H 2 ) are mixed with nitrogen (N 2 ) or ammonia (NH 3 ). It can be formed by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD).
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • a side surface portion 22 a that covers the inner walls of the first hole 32 and the second hole 34 and a bottom surface portion 22 b that covers the surface of the porous layer 10 a exposed by the second hole 34 are formed.
  • the insulating layer 22 is not formed by applying a mask to a partial region C3 of the first metal electrode 20 so that the tab electrode 80 for taking out power from the first metal electrode 20 to the outside can be connected. .
  • FIG. 11 is a diagram showing a state in which the material substrate 10 is separated.
  • the base layer 12 side and the material substrate 10 side are mechanically separated from each other with the porous layer 10a as a boundary.
  • the diameter of the second hole 34 is about 30 ⁇ m
  • the film thickness of the insulating layer 22 is about 200 nm, which is extremely thin with respect to the diameter of the second hole 34, and thus the diameter above the porous layer 10 a.
  • the bottom surface portion 22b formed in the range of about 30 ⁇ m remains on the material substrate 10 side. For this reason, the bottom surface portion 22b formed on the porous layer 10a is cut off from the side surface portion 22a, and the through hole 36 is formed by the side surface portion 22a covering the first hole 32 and the second hole 34.
  • the material substrate 10 and the insulating layer 22 are adsorbed by a vacuum chuck and pulled so as to separate them, whereby the material substrate 10 can be separated from the porous layer 10a portion.
  • the insulating layer 22 and the material substrate 10 are respectively fixed to different temporary support bases with an adhesive or tape, and separated by applying external force to these temporary support bases, and then the adhesive, Alternatively, the tape may be removed.
  • the material substrate 10 can be separated from the porous layer 10a portion by spraying a water jet from the side surface of the material substrate 10 onto the porous layer 10a.
  • FIG. 12 is a view showing a state in which the first i-type layer 24, the first conductive layer 26, and the second transparent electrode layer 28 are formed. These layers are the base layer 12 in which the through hole 36 is provided. Are formed in order.
  • the first i-type layer 24 and the first conductive layer 26 are formed by plasma chemical vapor deposition using a silicon-containing gas such as silane (SiH 4 ). (PECVD).
  • the source gas is mixed with a dopant-containing gas such as diborane (B 2 H 6 ) as necessary.
  • the second transparent electrode layer 28 can be formed by a thin film forming method such as sputtering or plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), as with the first transparent electrode layer 18.
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • an antireflection layer having a refractive index smaller than that of the second transparent electrode layer 28 may be formed on the second transparent electrode layer 28. In this case, it is desirable to form the antireflection film at a temperature of 250 ° C. or lower so as not to affect the already formed heterojunction.
  • the first i-type layer 24, the first conductive layer 26, and the second transparent electrode layer 28 are extremely thin compared to the diameter of the through hole 36. Even if formed, the through hole 36 is not buried. As a result, the through hole 36 penetrates from the insulating layer 22 to the second transparent electrode layer 28.
  • FIG. 13 is a view showing a state in which the second metal electrode 30 and the tab electrode 80 are formed.
  • a metal mask having an opening corresponding to the region C1 where the first metal electrode 20 is not formed is disposed on the insulating layer 22, and a CVD method with high adhesion to the wall surface from above is used. It is formed by a sputtering method.
  • the inside of the through hole 36 is filled, and the second metal electrode 30 is formed so as to cover a partial region C1 of the insulating layer 22.
  • the second metal electrode 30 is connected to the first conductive layer 26 and the second transparent electrode layer 28 on the light receiving surface 70 a side through the through hole 36.
  • the tab electrode 80 is provided in the region C3 where the first metal electrode 20 is exposed.
  • the photovoltaic device 100 has the first metal electrode 20 and the second metal electrode 30 formed on the back surface 70b side, and the first conductive layer 26 on the light receiving surface 70a side through the through hole 36. And a metal wrap-through structure in which a second metal electrode 30 connected to the second transparent electrode layer 28 is provided.
  • a metal wrap-through structure in which a second metal electrode 30 connected to the second transparent electrode layer 28 is provided.
  • the second metal electrode 30 is electrically insulated from each layer provided between the base layer 12 and the first metal electrode 20 by the insulating layer 22 covering the through hole 36 and the first metal electrode 20. It will be. For this reason, it prevents that the area
  • first metal electrode 20 and the second metal electrode 30 are formed on different planes with the insulating layer 22 interposed therebetween, it is not necessary to make one of the metal electrodes comb-like or the like, as shown in FIG. In addition, a metal electrode having a large area can be obtained. For this reason, an electrode structure can be manufactured simply and cost increase can be prevented.
  • the second metal electrode 30 is formed so as to cover the region C1 where the first metal electrode 20 is not formed, the back surface 70b side of the photovoltaic element 70 is connected to the first metal electrode 20 or the first metal electrode 20. It will be covered with either of the two metal electrodes 30. As a result, even if a part of the incident light, for example, the light is transmitted to the back surface 70b side, either the first metal electrode 20 or the second metal electrode 30 reflects the transmitted light and directs it to the photovoltaic element 70 again. A confinement effect can be obtained and power conversion efficiency can be increased.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing the structure of the photovoltaic device 200 according to the second embodiment.
  • the difference from the photovoltaic device 100 in the first embodiment will be mainly described.
  • the photovoltaic device 200 includes a plurality of photovoltaic elements 70 shown in the first embodiment, and is connected to each other by a tab electrode 80.
  • FIG. 15 is an external view of the photovoltaic device 200 of FIG. 14 as viewed from the back surface 70 b, and shows a state in which a plurality of photovoltaic elements 70 are connected by tab electrodes 80.
  • the tab electrode 80 connects a plurality of photovoltaic elements 70 in series by connecting the first metal electrode 20 and the second metal electrode 30 of the adjacent photovoltaic elements 70.
  • a plurality of photovoltaic elements 70 are simply connected by the tab electrode 80. be able to.
  • the photovoltaic device 200 includes a protective substrate 40, a protective layer 42, and a back sheet 50.
  • the protective substrate 40 protects the photovoltaic element 70 from the external environment and transmits light in a wavelength band that the photovoltaic element 70 absorbs for power generation.
  • the protective substrate 40 is, for example, a glass substrate.
  • the protective substrate 40 is disposed so as to be in contact with the light receiving surface 70a. Can do. Thereby, since the adhesive for bonding the light receiving surface 70a and the protective substrate 40 can be omitted, the absorption loss of incident light by the adhesive can be prevented, and the power conversion efficiency can be increased.
  • the protective layer 42 and the back sheet 50 are resin materials such as EVA and polyimide. This prevents moisture from entering the power generation layer of the photovoltaic device 200 and improves the strength of the entire photovoltaic device 200.
  • the back sheet 50 may be the same glass as the protective substrate 40 or a transparent substrate such as plastic. Further, by providing a reflective layer between the protective layer 42 and the back sheet 50 so that a large amount of light incident from the protective substrate 40 side is absorbed by the base layer 12, the back sheet is transmitted through the photovoltaic device 70. The light reaching 50 may be reflected to the photovoltaic element 70.
  • FIG. 16 is a diagram showing a state in which a plurality of photovoltaic elements 70 are sealed with the protective substrate 40 and the back sheet 50.
  • the protective substrate 40 is disposed on the light receiving surface 70a side, and the protective layer 42 is sandwiched on the back surface 70b side.
  • the back sheet 50 is arranged.
  • the photovoltaic device 70 shown in FIG. 14 is removed by thermocompression bonding with the photovoltaic element 70 sandwiched between the protective substrate 40 and the backsheet 50 and by removing the protective layer 42 protruding from the protective substrate 40. It is formed.
  • the photovoltaic device 200 includes a plurality of photovoltaic elements 70 that are modularized, the protective substrate 40 is on the light receiving surface side, and the first metal electrode 20 and the second metal electrode 30 are on the back surface side. Will be provided. Moreover, it has a metal wrap through structure in which the second metal electrode 30 connected to the second transparent electrode layer 28 on the light receiving surface 70a side through the through hole 36 is provided. Thereby, the effect similar to 1st Embodiment can be acquired.
  • the present invention has been described with reference to the above-described embodiments.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the configurations of the embodiments are appropriately combined or replaced. Those are also included in the present invention. Further, it is possible to appropriately change the combination and processing order in each embodiment based on the knowledge of those skilled in the art and to add various modifications such as various design changes to each embodiment. Embodiments to which is added can also be included in the scope of the present invention.
  • the metal electrode is not provided on the second transparent electrode layer 28 on the light receiving surface 70a side, but the metal electrode formed in a comb shape is formed on the second transparent electrode layer 28. May be. In this case, the light receiving area is reduced by the amount of the metal electrodes formed in a comb shape, but the current collection efficiency on the light receiving surface 70a side can be increased.
  • the second metal electrode 30 covers a region other than the region C1. It may be formed as follows.
  • the second metal electrode 30 may be formed so as to cover a region slightly wider than the region C1, and the second metal electrode 30 may overlap the first metal electrode 20 with the insulating layer 22 interposed therebetween.
  • the second metal electrode 30 may be formed so as to cover substantially the entire surface of the insulating layer 22.
  • an n-type crystalline silicon substrate to which an n-type dopant is added is used as the base layer 12, but a p-type crystalline silicon substrate to which a p-type dopant is added may be used.
  • the doping concentration may be about 10 16 / cm 3 .
  • the second conductive layer 16 is an n-type conductive layer to which an n-type dopant is added
  • the first conductive layer 26 is a p-type conductive layer to which a p-type dopant is added.
  • These conductivity types may be reversed. That is, the second conductive layer 16 may be a p-type conductive layer to which a p-type dopant is added, and the first conductive layer 26 may be an n-type conductive layer to which an n-type dopant is added.
  • photovoltaic devices having the following combinations can also be included in the scope of the present invention.
  • a photovoltaic device includes a first conductive layer having one conductivity type, a base layer provided on the first conductive layer, a first electrode provided on the base layer, a first electrode and a base A through-hole penetrating the layer; an insulating layer provided to cover substantially the entire surface of the first electrode; and covering an inner wall of the through-hole; and a second electrode provided on the insulating layer. The second electrode is in contact with the first conductive layer through the through hole.
  • the first electrode is almost entirely covered with the insulating layer, and the second electrode is in contact with the first conductive layer through the through hole covered with the insulating layer, the first electrode, the base layer, and the second electrode It is possible to secure electrical insulation between the two and increase the reliability of the photovoltaic device.
  • the first electrode has a transparent electrode layer provided on the base layer and a metal electrode provided on the transparent electrode layer, and the second electrode is formed on the metal electrode with the insulating layer interposed therebetween.
  • the photovoltaic device according to (1) may have a region overlapping with.
  • the metal electrode is formed on the base layer, and the second electrode is provided on the metal electrode so as to overlap, so that both electrodes are formed so as to cover substantially the entire surface of the base layer. It becomes possible to do. For this reason, even if the light incident from the first conductive layer serving as the light receiving surface is transmitted to the back side without being absorbed by the base layer, it can be reflected by the electrode formed on the back side and be directed again to the base layer. it can. As a result, the photoelectric conversion efficiency can be increased as compared with the case where the electrode is not formed on substantially the entire back surface side.
  • a plurality of through-holes are provided so as to be spaced apart from each other, and the second electrode is in contact with the first conductive layer via the plurality of through-holes provided (1) or (2)
  • the photovoltaic device described may be used.
  • the base layer is a crystalline silicon layer to which a dopant of the same conductivity type as that of the second conductive layer is added, and the second conductive layer is a layer doped at a higher concentration than the base layer,
  • the photovoltaic device according to (4), wherein a heterojunction region including an amorphous silicon layer that is substantially intrinsic in a region between the base layer and the base layer may be formed.
  • the base layer is a crystalline silicon layer to which a dopant of the same conductivity type as that of the first conductive layer is added, and the first conductive layer is a layer doped at a higher concentration than the base layer,
  • the photovoltaic device according to any one of (1) to (4), wherein a heterojunction region including an amorphous silicon layer that is substantially intrinsic in a region between the base layer and the base layer may be formed.
  • SYMBOLS 12 Base layer, 14 ... 2nd i-type layer, 16 ... 2nd conductive layer, 18 ... 1st transparent electrode layer, 20 ... 1st metal electrode, 22 ... Insulating layer, 24 ... 1st i-type layer, 26 ... 1st conductive layer, 28 ... 2nd transparent electrode layer, 30 ... 2nd metal electrode, 36 ... Through-hole, 40 ... Protection board, 42 ... Protection layer, 50 ... Back sheet, 70 ... Photovoltaic element, 70a Light receiving surface, 70b ... Back surface, 80 ... Tab electrode, 100, 200 ... Photovoltaic device.
  • a photovoltaic device with improved reliability can be provided.

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  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

光起電力装置（１００）は、第１導電層（２６）と、第１導電層（２６）の上に設けられるベース層（１２）と、ベース層（１２）の上に設けられる第１金属電極（２０）と、第１金属電極（２０）およびベース層（１２）を貫通する貫通孔（３６）と、第１金属電極（２０）の略全面を覆うように設けられ、貫通孔（３６）の内壁を被覆する絶縁層（２２）と、絶縁層（２２）の上に設けられる第２金属電極（３０）と、を備える。第２金属電極（３０）は、絶縁層（２２）により被覆された貫通孔（３６）を介して第１導電層（２６）と接する。

Description

光起電力装置
　本発明は、光起電力装置に関する。
　光エネルギーを電気エネルギーに変換する光起電力素子の開発が各方面で精力的に行われている。例えば、単結晶シリコンや多結晶シリコン等の結晶質系シリコンを用いた光起電力素子または光起電力装置の研究および実用化が盛んに行われている。
　近年、光入射面の受光面積を拡大して電力変換効率を高めた光起電力素子として、光入射面である受光面から受光面に対向する裏面までを貫通する貫通孔を形成し、受光面側から得られる出力電力を貫通孔を介して裏面側に引き出すメタルラップスルー構造の光起電力素子が注目されている。このようなタイプの光起電力素子の製造方法として、光起電力を生じる単結晶シリコン層に貫通孔を設けるとともに、貫通孔の内壁の一部に非晶質シリコン層によるヘテロ結合を形成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１０－８０８８５号公報
　メタルラップスルー構造を有する光起電力素子では、一般に貫通孔が金属材料で埋設されるが、この金属材料が貫通孔を形成する壁面や光起電力素子の裏面において受光面以外の領域と接触してしまうと、正負極間が短絡され出力特性を大きく損ねるおそれがある。
　本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、信頼性を高めた光起電力装置を提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明のある態様の光起電力装置は、一導電型を有する第１導電層と、第１導電層の上に設けられるベース層と、ベース層の上に設けられる第１電極と、第１電極およびベース層を貫通する貫通孔と、第１電極の略全面を覆うように設けられ、貫通孔の内壁を被覆する絶縁層と、絶縁層の上に設けられる第２電極と、を備える。第２電極は、貫通孔を介して第１導電層と接する。
　本発明によれば、信頼性を高めた光起電力装置を提供することができる。
第１の実施形態における光起電力装置の構造を示す断面図である。 図１の光起電力装置を裏面から見た外観図である。 図１の光起電力装置を受光面から見た外観図である。 ベース層が形成された材料基板を示す図である。 第２のｉ型層および第２導電層が形成された材料基板を示す図である。 第１透明電極層および第１金属電極が形成された材料基板を示す図である。 第１金属電極から第２のｉ型層までを貫通する第１の孔が形成された状態を示す図である。 ベース層を貫通する第２の孔が形成された状態を示す図である。 第１の孔および第２の孔の内壁をドライエッチングする様子を示す図である。 絶縁層が形成された状態を示す図である。 材料基板を分離した状態を示す図である。 第１のｉ型層、第１導電層および第２透明電極層が形成された状態を示す図である。 第２金属電極およびタブ電極が形成された状態を示す図である。 第２の実施形態における光起電力装置の構造を示す断面図である。 図１４の光起電力装置を裏面から見た外観図である。 複数の光起電力素子を保護基板およびバックシートで封止する様子を示す図である。
　以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
　＜第１の実施形態＞
　図１は、第１の実施形態に係る光起電力装置１００の構造を示す断面図である。光起電力装置１００は、光起電力素子７０と、光起電力素子７０が発電した電力を外部に取り出すためのタブ電極８０を備える。光起電力素子７０は、発電した電力を外部へ取り出す電極として、光（太陽光）Ａが入射する受光面７０ａに対向する裏面７０ｂ側に設けられる第１金属電極２０と第２金属電極３０を備える。第２金属電極３０は、光起電力素子７０の受光面７０ａと裏面７０ｂを貫通する貫通孔３６を介して、受光面７０ａ側に形成される第１導電層２６および第２透明電極層２８と接続される。このように、光起電力装置１００は、受光面７０ａ側からの電力を貫通孔３６を充填する第２金属電極３０を介して裏面７０ｂ側に引き出すことのできるメタルラップスルー構造を有する。
　光起電力素子７０は、ベース層１２と、第２のｉ型層１４と、第２導電層１６と、第１透明電極層１８と、第１金属電極２０と、絶縁層２２と、第１のｉ型層２４と、第１導電層２６と、第２透明電極層２８と、第２金属電極３０を備える。
　ベース層１２は、結晶質の半導体層であり、例えば、単結晶の半導体層や、多数の結晶粒が集合した多結晶の半導体層である。ここでは、ベース層１２として、ｎ型のドーパントが添加されたｎ型結晶質シリコン基板を用い、ドーピング濃度は１０１６／ｃｍ３程度とする。また、ベース層１２は、光起電力素子７０に入射する光吸収効率を向上させるためのテクスチャ構造が受光面７０ａ側に設けられる。テクスチャ構造を設けることで、光起電力素子７０に入射する光の進行方向を変化させ、ベース層１２に入射した光の光路長を長くすることができる。
　第２のｉ型層１４及び第２導電層１６は、非晶質系の半導体層であり、アモルファス相又はアモルファス相内に微少な結晶粒が析出している微結晶相を含む半導体層である。ここでは、水素を含有するアモルファスシリコンとする。第２のｉ型層１４は、実質的に真性のアモルファスシリコンであり、第２導電層１６は、ｎ型のドーパントが添加されたアモルファスシリコンである。第２導電層１６は、第２のｉ型層１４よりもドーパント濃度が高いシリコンとされる。例えば、第２のｉ型層１４には意図的にドーピングを行わず、第２導電層１６のドーパント濃度は１０１８／ｃｍ３程度とすればよい。
　第２のｉ型層１４の厚さは、光の吸収をできるだけ抑えるためにはできるだけ薄くすることが望ましく、ベース層１２の表面が十分にパッシベーションされる程度にすることが好ましい。具体的には、第２のｉ型層１４の厚さは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすればよく、例えば１０ｎｍとする。また、第２導電層１６は、光の吸収をできるだけ抑えられるためにはできるだけ薄くすることが望ましく、光起電力素子７０の開放電圧が十分に高くなるような程度に厚くすることが好ましい。具体的には、第２導電層１６の厚さは、例えば、１ｎｍ以上とすればよく、例えば２００ｎｍとする。
　第１のｉ型層２４及び第１導電層２６は、非晶質系の半導体層であり、アモルファス相又はアモルファス相内に微少な結晶粒が析出している微結晶相を含む半導体層であり、ここでは、水素を含有するアモルファスシリコンとする。第１のｉ型層２４は、実質的に真性のアモルファスシリコンであり、第１導電層２６は、ｐ型のドーパントが添加されたアモルファスシリコンである。第１導電層２６は、第１のｉ型層２４よりもドーパント濃度が高いシリコン層とされる。例えば、第１のｉ型層２４には意図的にドーピングを行わず、第１導電層２６のドーパント濃度は１０１８／ｃｍ３程度とすればよい。
　第１のｉ型層２４の厚さは、ベース層１２の表面が十分にパッシベーションされる程度に厚くするとよい。具体的には、第１のｉ型層２４の厚さは１ｎｍ以上とすればよく、例えば１０ｎｍとする。また、第１導電層２６の厚さは、光起電力素子７０の開放電圧が十分に高くなるような程度にするとよい。第１導電層２６の厚さは１ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすればよく、例えば１０ｎｍとする。
　第２のｉ型層１４および第２導電層１６は、裏面７０ｂ側においてヘテロ接合を形成し、第１のｉ型層２４および第１導電層２６は、受光面７０ａ側においてヘテロ接合を形成する。これにより、光起電力素子７０内にビルトインポテンシャルを形成する。
　第１透明電極層１８及び第２透明電極層２８は、酸化錫（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等に錫（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、フッ素（Ｆ）、アルミニウム（Ａｌ）等をドープした透明導電性酸化物（ＴＣＯ）のうち少なくとも一種類又は複数種を組み合わせて用いることが好適である。特に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、透光性が高く、抵抗率が低い等の利点を有している。第１透明電極層１８及び第２透明電極層２８の膜厚は、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすればよく、例えば１００ｎｍとする。
　なお、受光面７０ａ側に設けられる第２透明電極層２８の上には、入射する光Ａの反射率を低減させるための反射防止膜が形成されてもよい。
　第１金属電極２０及び第２金属電極３０は、光起電力素子７０が発電する電力を外部に取り出すための電極であり、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）またはこれらの合金、もしくはこれらの金属粒子を含むペーストなどである。第１金属電極２０は、後述する製造工程において一時的な支持基板としての役割を果たすため、その厚さは５０μｍ以上とすることが望ましい。
　図２は、図１の光起電力装置１００を裏面７０ｂから見た外観図であり、図３は、図１の光起電力装置１００を受光面７０ａから見た外観図である。第２金属電極３０は、光起電力素子７０の裏面７０ｂ側に設けられるとともに、光起電力素子７０の受光面７０ａと裏面７０ｂを貫通する複数の貫通孔３６を充填するように設けられる。第２金属電極３０が充填される複数の貫通孔３６は、第２金属電極３０による集電効率を高めるため、それぞれが互いに離間して配列される。なお、第２金属電極３０は、電気抵抗を小さくするためその厚さを１０μｍ以上とすることが望ましい。
　第２金属電極３０は、図２に示すように、複数の貫通孔３６が配列する領域Ｃ１を覆うようにして裏面７０ｂ側に形成される。また、第１金属電極２０は、図１に示すように、複数の貫通孔３６が配列する領域Ｃ１以外の領域を覆うようにして形成される。このため、光起電力素子７０の裏面７０ｂ側は、第１金属電極２０または第２金属電極３０によりその略全面が覆われることとなる。これにより、光起電力素子７０の受光面７０ａから入射した光は、ベース層１２を一度通過しただけでは吸収が不十分であったとしても、裏面７０ｂ側に形成された第１金属電極２０および第２金属電極３０により反射されて、再度ベース層１２を通過することとなる。そのため、第１金属電極２０または第２金属電極３０により裏面７０ｂ側の略全面が覆われていない場合と比較して、より多くの光をベース層１２に反射させてベース層１２の光吸収量を増大させることができる。
　絶縁層２２は、第１金属電極２０の略全面を被覆するとともに、貫通孔３６の内壁を形成するように設けられ、第２金属電極３０が、ベース層１２、第２のｉ型層１４、第２導電層１６、第１透明電極層１８及び第１金属電極２０と接触しないように絶縁する。絶縁層２２は、電気的に絶縁性を有する材料により構成され、ベース層１２の光吸収量を増大させるため、光の吸収を生じない透明材料であることが望ましい。絶縁層２２は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）又は樹脂材料とすればよく、その膜厚は、例えば１００ｎｍ以上１μｍ以下とすればよい。なお、絶縁層２２は、第１金属電極２０から外部に電力が取り出せるよう、タブ電極８０が設けられる領域には形成されないようにしてもよい。
　本実施の形態では、光起電力素子７０の第２透明電極層２８が受光面７０ａとなる。ここで、受光面とは、光起電力素子７０において主に光（太陽光）Ａが入射される主面を意味し、具体的には、光起電力素子７０に入射される光Ａの大部分が入射される面である。
　次に、光起電力装置１００の製造方法について説明する。
　図４は、ベース層１２が形成された材料基板１０を示す図である。材料基板１０は、結晶質の半導体材料であり、例えば、シリコン、多結晶シリコン、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、インジウム燐（ＩｎＰ）等の半導体基板である。なお、本実施の形態では、材料基板１０として単結晶シリコン基板を用いた例を示す。したがって、後述するベース層１２、第２のｉ型層１４、第２導電層１６、第１のｉ型層２４、第１導電層２６もシリコン層とする。ただし、材料基板１０をシリコン以外の材料としてもよく、これらの層もシリコン層以外の材料としてもよい。
　ポーラス層（脆化層）１０ａは、材料基板１０を陽極酸化処理等することにより形成される。陽極酸化に用いる電解質は、例えば、フッ化水素酸及びエタノールの混合液又はフッ化水素酸及び過酸化水素水の混合液とすることができる。陽極酸化の電流密度は、５ｍＡ／ｃｍ２以上６００ｍＡ／ｃｍ２以下とすればよく、例えば１０ｍＡ／ｃｍ２程度とする。
　ポーラス層１０ａの厚さは、０．０１μｍ以上３０μｍ以下とすればよく、例えば１０μｍ程度とする。ポーラス層１０ａの空孔径は、０．００２μｍ以上５μｍ以下とすればよく、例えば０．０１μｍ程度とする。ポーラス層１０ａの空孔率は、１０％以上７０％以下とすればよく、例えば２０％程度とする。
　材料基板１０のポーラス層１０ａ上には、ベース層１２が形成される。ベース層１２は、化学気相成長法（ＣＶＤ）で形成することができる。ベース層１２は、ポーラス層１０ａをシード層としたエピタキシャル成長により形成され、結晶質の半導体層同士が接合されたホモ接合領域を形成する。例えば、材料基板１０を９５０℃に加熱し、水素（Ｈ２）で希釈されたジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）を原料ガスとして供給することにより成膜することができる。水素（Ｈ２）とジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）の流量は、例えばそれぞれ０．５（ｌ／ｍｉｎ）及び１８０（ｌ／ｍｉｎ）とする。また、必要に応じてホスフィン（ＰＨ３）をドーピングガスとして添加する。
　図示していないが、ベース層１２の表面１２ａにテクスチャ構造が形成される。材料基板１０、ポーラス層１０ａ及びベース層１２を、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液中で化学的にエッチングすることにより、ベース層１２の表面１２ａに微細な凹凸形状を有するテクスチャ構造を形成する。なお、テクスチャ構造の凹凸形状は、エッチングに用いるＮａＯＨ水溶液の濃度や反応時間などを変えることにより制御することが望ましい。
　なお、材料基板１０として、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）などのシリコン以外を材料とする基板を用いてもよい。この場合、材料基板１０の上にポーラス層１０ａを形成する必要はなく、ポーラス層１０ａを設ける替わりにサファイア基板上に微細なテクスチャ構造を設け、この上にベース層１２をエピタキシャル成長させることで表面にテクスチャ構造が形成されたベース層１２を得ることができる。
　図５は、第２のｉ型層１４および第２導電層１６が形成された材料基板１０を示す図である。ベース層１２の上に第２のｉ型層１４と第２導電層１６が順に形成される。
　第２のｉ型層１４及び第２導電層１６は、シラン（ＳｉＨ４）等のケイ素含有ガスを用いたプラズマ化学気相法（ＰＥＣＶＤ）により形成することができる。シラン（ＳｉＨ４）等のケイ素含有ガスを供給しつつ、高周波電源から高周波電極へ高周波電力を供給することによって原料ガスのプラズマが生成され、プラズマからベース層１２上に原料が供給されてシリコン薄膜が形成される。原料ガスには、必要に応じてホスフィン（ＰＨ３）等のドーパント含有ガスを混合する。
　図６は、第１透明電極層１８および第１金属電極２０が形成された材料基板１０を示す図である。第１透明電極層１８は、スパッタリング法又はプラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）等の薄膜形成方法で形成することができる。第１金属電極２０は、ニッケルと鉄の合金からなる金属層がメッキ法により形成される。
　図７は、第１金属電極２０から第２のｉ型層１４までを貫通する第１の孔３２が形成された状態を示す図である。第１金属電極２０の上から第１のレーザ６０を照射することで、第１金属電極２０から第２のｉ型層１４までを貫通し、ベース層１２が露出される第１の孔３２を形成する。第１のレーザ６０の照射条件は、例えば波長３５５ｎｍ、繰り返し周波数２５ｋＨｚ、パワー０．９０Ｗ、パルスエネルギー３．６μＪのパルス状集光レーザビームである。これを第１金属電極２０の上から直径５０μｍの領域Ｃ１に照射することにより、第１金属電極２０から第２のｉ型層１４まで貫通する直径約４５μｍの第１の孔３２を形成することができる。
　図８は、ベース層１２を貫通する第２の孔が形成された状態を示す図である。第１の孔３２の内部に第２のレーザ６２を照射することで、ベース層１２を貫通し、ポーラス層１０ａが露出される第２の孔３４を形成する。第２のレーザ６２の照射条件は、例えば波長１０６４ｎｍ、繰り返し周波数１５ｋＨｚ、パワー２５Ｗ、パルスエネルギー１．７ｍＪのパルス状集光レーザビームである。これを第１の孔３２により露出したベース層１２の直径４０μｍの領域Ｃ２に照射することにより、ベース層１２を貫通してポーラス層１０ａの表面に至る直径約３０μｍの第２の孔３４を形成する。
　図９は、第１の孔３２および第２の孔３４の内壁をドライエッチングする様子を示す図である。上述した第１の孔３２および第２の孔３4を形成する際、レーザビームの照射領域からいわゆるデブリと呼ばれる飛散物が生じ、第１の孔３２および第２の孔３4の内壁や第１金属電極２０の上面２０ａに付着する。このような付着物によりベース層１２から第１金属電極２０の間に形成された各層の間で短絡が生じてしまうと、光起電力素子７０の出力特性が低下することとなる。そこで、第１の孔３２および第２の孔３４を形成した後に、第１金属電極２０の上から四フッ化炭素および酸素（ＣＦ４＋Ｏ２）によるプラズマガス６４に晒すことにより、これらの付着物をドライエッチングし、第１の孔３２および第２の孔３４の内壁や第１金属電極２０の上面２０ａをクリーニングする。なお、エッチングに用いるガスは、ＣＦ４＋Ｏ２には限定されず、三フッ化窒素（ＮＦ３）や、六フッ化硫黄（ＳＦ６）などを用いてもよい。
　図１０は、絶縁層２２が形成された状態を示す図である。絶縁層２２は、ドライエッチングがなされた第１金属電極２０の上から、第１金属電極２０の上面２０ａと第１の孔３２および第２の孔３４の内壁を被覆するように形成される。絶縁層２２は、膜厚が２００ｎｍ程度の窒化シリコン層であり、シラン（ＳｉＨ４）と水素（Ｈ２）に窒素（Ｎ２）又はアンモニア（ＮＨ３）を混合した原料ガスをプラズマ化して供給するプラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）により形成することができる。これにより、第１の孔３２および第２の孔３４の内壁を被覆する側面部２２ａと、第２の孔３４により露出するポーラス層１０ａの表面を被覆する底面部２２ｂが形成される。なお、第１金属電極２０から外部へ電力を取り出すためのタブ電極８０が接続できるよう、第１金属電極２０の一部領域Ｃ３にマスクを施すことにより、絶縁層２２が形成されないようにしている。
　図１１は、材料基板１０を分離した状態を示す図である。ポーラス層１０ａを境界として、ベース層１２側と材料基板１０側とを機械的に切り離す。このとき、第２の孔３４の直径が約３０μｍであるのに対し、絶縁層２２の膜厚は２００ｎｍ程度と第２の孔３４の直径に対して極めて薄いため、ポーラス層１０ａの上の直径約３０μｍの範囲に形成される底面部２２ｂは材料基板１０側に残ることとなる。このため、ポーラス層１０ａの上に形成される底面部２２ｂは側面部２２ａから切り離され、第１の孔３２と第２の孔３４を被覆する側面部２２ａにより貫通孔３６が形成される。
　材料基板１０の分離処理では、例えば、材料基板１０及び絶縁層２２を真空チャックで吸着し、双方を引き離すように引っ張ることによって、ポーラス層１０ａ部分から材料基板１０を切り離すことができる。その他、絶縁層２２と材料基板１０とをそれぞれ別の仮支持基材に接着剤、或いはテープ等で固定し、これらの仮支持基材に外力を印加することで分離を行い、その後接着剤、或いはテープを除去してもよい。また、材料基板１０の側面からポーラス層１０ａにウォータージェットを吹き付けることによって、ポーラス層１０ａ部分から材料基板１０を切り離すことができる。
　図１２は、第１のｉ型層２４、第１導電層２６および第２透明電極層２８が形成された状態を示す図であり、これらの層は、貫通孔３６が設けられたベース層１２の上に順に形成される。第１のｉ型層２４及び第１導電層２６は、第２のｉ型層１４および第２導電層１６と同様に、シラン（ＳｉＨ４）等のケイ素含有ガスを用いたプラズマ化学気相法（ＰＥＣＶＤ）により形成することができる。原料ガスには、必要に応じてジボラン（Ｂ２Ｈ６）等のドーパント含有ガスを混合する。
　第２透明電極層２８は、第１透明電極層１８と同様、スパッタリング法又はプラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）等の薄膜形成方法で形成することができる。なお、第２透明電極層２８を形成した後に、第２透明電極層２８よりも屈折率の小さい反射防止層を第２透明電極層２８の上に形成してもよい。この場合、反射防止膜は、既に形成されているヘテロ接合に影響を与えないよう２５０℃以下の温度で形成することが望ましい。
　なお、第１のｉ型層２４、第１導電層２６および第２透明電極層２８の膜厚は、貫通孔３６の直径の大きさと比べて極めて薄いため、貫通孔３６の上からこれらの層を形成したとしても、貫通孔３６が埋設されることはない。その結果、貫通孔３６は、絶縁層２２から第２透明電極層２８までを貫通することとなる。
　図１３は、第２金属電極３０およびタブ電極８０が形成された状態を示す図である。第２金属電極３０は、第１金属電極２０が形成されていない領域Ｃ１に対応した開口を有するメタルマスクを絶縁層２２の上に配置し、その上から壁面への付着性の高いＣＶＤ法やスパッタリング法により形成される。これにより、貫通孔３６の内部が充填されるとともに、絶縁層２２の一部領域Ｃ１を被覆するようにして第２金属電極３０が形成される。また、第２金属電極３０は、貫通孔３６を介して受光面７０ａ側の第１導電層２６および第２透明電極層２８と接続される。なお、第２金属電極３０は、金属ペーストをスクリーン印刷する方法により、貫通孔３６を埋設するよう形成してもよい。最後に、第１金属電極２０が露出した領域Ｃ３にタブ電極８０を設ける。
　以上の製造方法により、光起電力装置１００は、裏面７０ｂ側に第１金属電極２０及び第２金属電極３０が形成されるとともに、貫通孔３６を介して受光面７０ａ側の第１導電層２６および第２透明電極層２８と接続される第２金属電極３０が設けられるメタルラップスルー構造を有する。その結果、受光面７０ａの上に集電極を形成する必要がなくなるため、受光面７０ａ上に集電極を形成した場合と比較して受光面７０ａの受光面積を大きくすることができ、電力変換効率を高めることができる。
　また、第２金属電極３０は、貫通孔３６および第１金属電極２０の上を被覆する絶縁層２２により、ベース層１２から第１金属電極２０の間に設けられる各層と電気的に絶縁されることとなる。このため、受光面７０ａ側に設けられる第１のｉ型層２４、第１導電層２６および第２透明電極層２８以外の領域と、第２金属電極３０とが接触してしまうことを防ぐことができ、信頼性の高いメタルラップスルー構造とすることができる。
　また、第１金属電極２０と第２金属電極３０は、絶縁層２２を挟んで異なる平面上に形成されているため、どちらかの金属電極を櫛形等にする必要がなく、図２に示すように、広い面積を有する金属電極とすることができる。このため、電極構造を簡便に製造することができ、コストアップを防止することが出来る。
　また、第２金属電極３０は、第１金属電極２０が形成されていない領域Ｃ１の上を覆うように形成されるため、光起電力素子７０の裏面７０ｂ側は、第１金属電極２０または第２金属電極３０のいずれかによって被覆されることとなる。その結果、入射光の一部、例えば裏面７０ｂ側に透過したとしても、第１金属電極２０または第２金属電極３０のいずれかが透過光を反射させて再度光起電力素子７０に向かわせる光閉じ込め効果を得ることができ、電力変換効率を高めることができる。
　＜第２の実施形態＞
　図１４は、第２の実施形態に係る光起電力装置２００の構造を示す断面図である。以下、第１の実施形態における光起電力装置１００との相違点を中心に説明する。
　光起電力装置２００は、第１の実施形態において示した光起電力素子７０を複数備え、タブ電極８０によって互いに接続される。図１５は、図１４の光起電力装置２００を裏面７０ｂから見た外観図であり、複数の光起電力素子７０がタブ電極８０により接続される様子を示す。図１５に示すように、タブ電極８０は、隣接する光起電力素子７０の第１金属電極２０と第２金属電極３０を接続することにより、複数の光起電力素子７０を直列接続する。本実施の形態において、第１金属電極２０と第２金属電極３０はいずれも光起電力素子７０の裏面７０ｂ側に設けられるため、タブ電極８０により簡便に複数の光起電力素子７０を接続することができる。
　図１４に戻り、光起電力装置２００は、保護基板４０と、保護層４２と、バックシート５０を備える。保護基板４０は、光起電力素子７０を外部環境から保護するとともに、光起電力素子７０が発電のために吸収する波長帯域の光を透過する。保護基板４０は、例えば、ガラス基板である。なお、本実施の形態における光起電力素子７０の受光面７０ａは、櫛形状に形成される電極が設けられず平坦に形成されるため、保護基板４０を受光面７０ａに接するように配置することができる。これにより、受光面７０ａと保護基板４０を接着するための接着剤を省くことができるため、接着剤による入射光の吸収損失を防ぎ、電力変換効率を高めることができる。
　保護層４２及びバックシート５０は、ＥＶＡ、ポリイミド等の樹脂材料である。これにより、光起電力装置２００の発電層への水分の浸入等を防ぐとともに、光起電力装置２００全体の強度を向上させる。なお、バックシート５０は、保護基板４０と同じガラスや、プラスチック等の透明基板としてもよい。また、保護基板４０側から入射した光がベース層１２により多く吸収されるよう、保護層４２とバックシート５０との間に反射層を設けることで、光起電力素子７０を透過してバックシート５０に達した光を光起電力素子７０へ反射させてもよい。
　次に、光起電力装置２００の製造方法を示す。
　図１６は、複数の光起電力素子７０を保護基板４０およびバックシート５０で封止する様子を示す図である。図４～１３に示す工程により製造された複数の光起電力素子７０をタブ電極８０により直列接続した後、受光面７０ａ側に保護基板４０を配置し、裏面７０ｂ側に保護層４２を挟み込むようにしてバックシート５０を配置する。その後、光起電力素子７０を保護基板４０とバックシート５０で挟み込んだ状態で加熱圧着するとともに、保護基板４０からはみ出た保護層４２を除去することで、図１４に示す光起電力装置１００が形成される。
　以上の製造方法により、光起電力装置２００は、複数の光起電力素子７０がモジュール化されるとともに、保護基板４０が受光面側となり、第１金属電極２０および第２金属電極３０が裏面側に設けられることとなる。また、貫通孔３６を介して受光面７０ａ側の第２透明電極層２８と接続される第２金属電極３０が設けられるメタルラップスルー構造を有する。これにより、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
　以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
　上述の実施形態においては、受光面７０ａ側の第２透明電極層２８上に金属電極が設けられない構造としたが、第２透明電極層２８の上に櫛形状に形成した金属電極を形成してもよい。この場合、櫛形状に形成される金属電極の分だけ受光面積が低下してしまうが、受光面７０ａ側の集電効率を高めることができる。
　上述の実施形態においては、複数の貫通孔３６が配列する領域Ｃ１を覆うようにして第２金属電極３０が形成される場合について述べたが、第２金属電極３０は、領域Ｃ１以外領域を覆うように形成されてもよい。例えば、領域Ｃ１よりも少し広い領域を覆うように第２金属電極３０を形成し、第２金属電極３０が絶縁層２２を挟んで第１金属電極２０と重なるようにしてもよい。また、絶縁層２２の略全面を覆うように第２金属電極３０を形成してもよい。このように、第１金属電極２０の上に第２金属電極３０の少なくとも一部領域が重なるようにして電極を形成することで、光閉じ込め効果をさらに高めることができる。
　上述の実施形態においては、ベース層１２として、ｎ型のドーパントが添加されたｎ型結晶質シリコン基板を用いたが、ｐ型のドーパントが添加されたｐ型結晶質シリコン基板を用いても良い。この場合のドーピング濃度は１０１６／ｃｍ３程度とすればよい。
　上述の実施形態においては、第２導電層１６をｎ型のドーパントを添加したｎ型導電層とし、第１導電層２６をｐ型のドーパントを添加したｐ型導電層としたが、これらの層の導電型を逆にしても良い。つまり、第２導電層１６をｐ型のドーパントを添加したｐ型導電層とし、第１導電層２６をｎ型のドーパントを添加したｎ型導電層としてもよい。
　なお、以下の組合せによる光起電力装置についても本発明の範囲に含まれうる。
　（１）光起電力装置は、一導電型を有する第１導電層と、第１導電層の上に設けられるベース層と、ベース層の上に設けられる第１電極と、第１電極およびベース層を貫通する貫通孔と、第１電極の略全面を覆うように設けられ、貫通孔の内壁を被覆する絶縁層と、絶縁層の上に設けられる第２電極と、を備える。第２電極は、貫通孔を介して第１導電層と接する。
　この態様によれば、受光面となる第１導電層の上に電極を設けない構造とすることができるため、受光面の受光面積を大きくすることができ、電力変換効率を高めることができる。また、第１電極は略全面が絶縁層により覆われており、第２電極は絶縁層により被覆された貫通孔を介して第１導電層と接するため、第１電極及びベース層と第２電極との間で電気的な絶縁を確保し、光起電力装置の信頼性を高めることができる。
　（２）第１電極は、ベース層の上に設けられる透明電極層と、透明電極層の上に設けられる金属電極と、を有し、第２電極は、絶縁層を挟んで金属電極の上に重なる領域を有する（１）に記載の光起電力装置であってもよい。
　この態様によれば、ベース層の上に金属電極が形成されるとともに、金属電極の上に第２電極が重なるように設けられるため、双方の電極でもってベース層の略全面を覆うように形成することが可能となる。このため、受光面となる第１導電層から入射した光がベース層に吸収されずに裏面側に透過したとしても、裏面側に形成される電極により反射して再度ベース層に向かわせることができる。その結果、裏面側の略全面に電極が形成されない場合と比較して、光電変換効率を高めることができる。
　（３）貫通孔は、それぞれが互いに離間して配列するように複数設けられており、第２電極は、複数設けられる貫通孔を介して第１導電層と接する（１）または（２）に記載の光起電力装置であってもよい。第２電極が互いに離間して配列する複数の貫通孔を介して第１導電層と接することで、第２電極による集電効率を高めることができる。
　（４）ベース層と第１電極との間に、第１導電層とは異なる導電型を有する第２導電層をさらに備える（１）から（３）のいずれかに記載の光起電力装置であってもよい。
　（５）ベース層は、第２導電層と同じ導電型のドーパントが添加された結晶質シリコン層であり、第２導電層は、ベース層と比較して高濃度にドープされた層であり、ベース層との間の領域において実質的に真性である非晶質シリコン層を含むヘテロ接合領域が形成される（４）に記載の光起電力装置であってもよい。
　（６）ベース層は、第１導電層との間の領域に、実質的に真性である非晶質シリコン層を含むヘテロ接合領域が形成される（５）に記載の光起電力装置であってもよい。
　（７）ベース層は、第１導電層と同じ導電型のドーパントが添加された結晶質シリコン層であり、第１導電層は、ベース層と比較して高濃度にドープされた層であり、ベース層との間の領域において実質的に真性である非晶質シリコン層を含むヘテロ接合領域が形成される（１）から（４）のいずれかに記載の光起電力装置であってもよい。
　（８）ベース層は、第１電極との間の領域に、実質的に真性である非晶質シリコン層を含むヘテロ接合領域が形成される（７）に記載の光起電力装置であってもよい。
　１２…ベース層、１４…第２のｉ型層、１６…第２導電層、１８…第１透明電極層、２０…第１金属電極、２２…絶縁層、２４…第１のｉ型層、２６…第１導電層、２８…第２透明電極層、３０…第２金属電極、３６…貫通孔、４０…保護基板、４２…保護層、５０…バックシート、７０…光起電力素子、７０ａ…受光面、７０ｂ…裏面、８０…タブ電極、１００、２００…光起電力装置。
　本発明によれば、信頼性を高めた光起電力装置を提供することができる。

Claims (8)

  1. 　一導電型を有する第１導電層と、
    　前記第１導電層の上に設けられるベース層と、
    　前記ベース層の上に設けられる第１電極と、
    　前記第１電極および前記ベース層を貫通する貫通孔と、
    　前記第１電極の略全面を覆うように設けられ、前記貫通孔の内壁を被覆する絶縁層と、
    　前記絶縁層の上に設けられる第２電極と、
    　を備え、
    　前記第２電極は、前記貫通孔を介して前記第１導電層と接することを特徴とする光起電力装置。
  2. 　前記第１電極は、前記ベース層の上に設けられる透明電極層と、前記透明電極層の上に設けられる金属電極と、を有し、
    　前記第２電極は、前記絶縁層を挟んで前記金属電極の上に重なる領域を有することを特徴とする請求項１に記載の光起電力装置。
  3. 　前記貫通孔は、それぞれが互いに離間して配列するように複数設けられており、
    　前記第２電極は、複数設けられる前記貫通孔を介して前記第１導電層と接することを特徴とする請求項１または２に記載の光起電力装置。
  4. 　前記ベース層と前記第１電極との間に、前記第１導電層とは異なる導電型を有する第２導電層をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光起電力装置。
  5. 　前記ベース層は、前記第２導電層と同じ導電型のドーパントが添加された結晶質シリコン層であり、
    　前記第２導電層は、前記ベース層と比較して高濃度にドープされた層であり、前記ベース層との間の領域において実質的に真性である非晶質シリコン層を含むヘテロ接合領域が形成されることを特徴とする請求項４に記載の光起電力装置。
  6. 　前記ベース層は、前記第１導電層との間の領域に、実質的に真性である非晶質シリコン層を含むヘテロ接合領域が形成されることを特徴とする請求項５に記載の光起電力装置。
  7. 　前記ベース層は、前記第１導電層と同じ導電型のドーパントが添加された結晶質シリコン層であり、
    　前記第１導電層は、前記ベース層と比較して高濃度にドープされた層であり、前記ベース層との間の領域において実質的に真性である非晶質シリコン層を含むヘテロ接合領域が形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光起電力装置。
  8. 　前記ベース層は、前記第１電極との間の領域に、実質的に真性である非晶質シリコン層を含むヘテロ接合領域が形成されることを特徴とする請求項７に記載の光起電力装置。
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