WO2017069257A1 - 太陽電池素子、太陽電池モジュールおよび太陽電池素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明の実施形態にかかる太陽電池素子は、結晶質の半導体基板と、前記半導体基板上に積層されている非晶質の第１半導体層と、前記第１半導体層上に積層されている非晶質の第２半導体層と、を備えている。また、前記第１半導体層における半導体材料の原子の密度は、前記第２半導体層における前記半導体材料の原子の密度よりも大きい。

Description

太陽電池素子、太陽電池モジュールおよび太陽電池素子の製造方法

　本発明は、太陽電池素子、太陽電池モジュールおよび太陽電池素子の製造方法に関する。

　従来、太陽電池基板にパッシベーション膜を設けた太陽電池が知られている。例えば、特開２０１２－１４２４５６号公報には、パッシベーション膜に非晶質半導体層を使用している太陽電池が記載されている。

　本発明の実施形態にかかる太陽電池素子は、結晶質の半導体基板と、前記半導体基板上に積層されている非晶質の第１半導体層と、前記第１半導体層上に積層されている非晶質の第２半導体層と、を備えている。また、前記第１半導体層における半導体材料の原子の密度は、前記第２半導体層における前記半導体材料の原子の密度よりも大きい。

本発明の実施形態にかかる太陽電池を示す断面図である。 本発明の実施形態にかかる太陽電池を示す拡大図である。 本発明の実施形態にかかる太陽電池を示す断面図である。 本発明の実施形態にかかる太陽電池を示す断面図である。 本発明の実施形態にかかる太陽電池モジュールを示す断面図である。

　＜太陽電池＞
　以下に、本発明の実施形態にかかる太陽電池素子について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面では直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を定義し、以下の説明ではＺ軸方向の正側を上方とする。また、図面において「上方」は、実際の太陽電池素子における「受光側」である。

　＜第１の実施形態＞
　図１に、太陽電池素子を上下方向に切断したときの、太陽電池素子の断面を示す。図２に、太陽電池素子の一部を拡大した断面を示す。

　太陽電池素子１は、太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換する機能を有している。太陽電池素子１は、半導体基板２と、半導体基板２の両主面（上下面）のそれぞれに配置されている非晶質の半導体層３と、半導体層３上に配置されている電極４とを有している。

　半導体基板２は、光を受けてキャリアを発生させる機能を有している。半導体基板２は、例えば、板状である。また、半導体基板２の平面形状は、例えば、矩形状である。半導体基板２は、結晶質の基板である。半導体基板２は、例えば、シリコン（Ｓｉ）の多結晶または単結晶から形成される。

　半導体基板２は、一導電型の第１領域５と、他導電型の第２領域６とを有している。第１領域５と第２領域６とは接触しており、第１領域５と第２領域６との境界ではｐｎ接合が形成されている。そのため、第１領域５と第２領域６との境界に光が入射することによって、半導体基板２内にはキャリアが発生する。なお、本例では、一導電型をｎ型とし、他導電型をｐ型として説明するが、一導電型をｐ型とし、他導電型をｎ型としても構わない。

　本実施形態にかかる半導体基板２は、層状の第１領域５および層状の第２領域６を有している。言い換えれば、半導体基板２は、第１領域５であるｎ型層および第２領域６であるｐ型層を有している。そして、ｐ型層（第２領域６）はｎ型層（第１領域５）に積層されている。

　第１領域５は、例えば、ｎ型の不純物が拡散しているシリコン（Ｓｉ）層である。シリコン（Ｓｉ）に対するｎ型の不純物は、例えば、リン（Ｐ）またはアンチモン（Ｓｂ）などである。

　第２領域６は、例えば、ｐ型の不純物が拡散しているシリコン（Ｓｉ）層である。シリコン（Ｓｉ）に対するｐ型の不純物は、例えばボロン（Ｂ）またはガリウム（Ｇａ）などである。

　半導体基板２は、従来から周知の方法で形成することができる。

　半導体層３は、いわゆるパッシベーション層である。具体的には、半導体層３は、半導体基板２を保護したり、半導体基板２で発生したキャリアの消滅を低減したりする機能を有する。

　半導体層３は、半導体基板２の主面に配置されている第１半導体層７と、第１半導体層７の主面に配置されている第２半導体層８とを有している。第１半導体層７および第２半導体層８は、半導体基板２と同一の半導体材料を有している。すなわち、本実施形態にかかる半導体基板２はシリコン（Ｓｉ）基板であることから、第１半導体層７および第２半導体層８はシリコン（Ｓｉ）原子を含んでいる。

　また、第１半導体層７および第２半導体層８（半導体層３）は、非晶質の状態である。すなわち、本実施形態にかかる第１半導体層７および第２半導体層８（半導体層３）は、アモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）層である。

　そして、第１半導体層７における半導体材料の原子の密度は、第２半導体層８における半導体材料の原子の密度よりも大きい。すなわち、本実施形態にかかる太陽電池素子１では、第１半導体層７のシリコン（Ｓｉ）原子の密度は、第２半導体層８のシリコン（Ｓｉ）原子の密度よりも大きい。

　なお、第１半導体層７における半導体材料（本例ではシリコン（Ｓｉ））の原子の密度は、例えば、２．２ｇ／ｃｍ^３以上である。また、第２半導体層８の半導体材料（本例ではシリコン（Ｓｉ））の原子の密度は、例えば、１．８ｇ／ｃｍ^３以上２．１ｇ／ｃｍ^３以下である。第１半導体層７および第２半導体層８の半導体材料の原子の密度は、例えば、Ｘ線反射率法によって測定することができる。

　ここで、従来、例えば半導体基板と電極との間に非晶質半導体層が介在している場合、半導体基板と非晶質半導体層との組成の違いに起因して、半導体基板と非晶質半導体層との界面における電気抵抗が大きくなるおそれがあった。そのため、太陽電池素子から取り出す電流が小さくなり、太陽電池素子の発電効率が低下するおそれがあった。

　これに対して、本開示の太陽電池素子１は、第１半導体層７および第２半導体層８が上記の構成を有している。すなわち、第１半導体層７は、シリコン（Ｓｉ）原子の数が多い。そのため、半導体基板２との境界部における半導体層３の組成を、結晶質の半導体基板２の組成に近づけることができる。言い換えれば、単に半導体基板２上に第２半導体層８が配されているのではなく、半導体基板２と第２半導体層８との間に、第２半導体層８よりも半導体基板２の組成に近い第１半導体層７が介在している。その結果、半導体基板２と半導体層３との境界での電気抵抗を低減することができる。したがって、太陽電池素子１の発電効率を向上させることができる。

　第１半導体層７の厚みは、第２半導体層８の厚みよりも厚くてもよい。その結果、第１半導体層７を厚くすることによって、半導体層３における電気抵抗を低減させることができる。

　一方、第２半導体層８を薄くすることによって、半導体層３の全体の厚みを薄くすることができる。その結果、半導体層３で吸収される光の量を低減することができ、太陽電池１の発電効率を向上させることができる。

　第１半導体層７の厚みは、例えば、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。第２半導体層８の厚みは、例えば、３ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。好ましくは、例えば、第１半導体層７の厚みは４ｎｍ以上であり、第２半導体層８の厚みは４ｎｍ未満であってもよい。第１半導体層７および第２半導体層８の厚みは、例えば、Ｘ線反射率法によって測定することができる。

　半導体層３（第１半導体層７および第２半導体層５）がアモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）層である場合、半導体層３（第１半導体層７および第２半導体層５）は水素（Ｈ）原子を含んでいてもよい。その結果、半導体基板２と半導体層３の界面における半導体原子のダングリングボンドに水素原子を結合させることができ、キャリアの消滅を低減することができる。

　半導体層３がアモルファスシリコン層であり、水素原子を含んでいる場合、半導体層３内の第１半導体層７と第２半導体層８のそれぞれは、Ｓｉ－Ｈ結合とＳｉ－Ｈ_２結合が形成されている。そして、第１半導体層７において、Ｓｉ－Ｈ結合の数はＳｉ－Ｈ_２結合の数よりも多くてもよい。その結果、第１半導体層７のダングリングボンドの数を低減することができ、太陽電池素子１の発電効率を向上させることができる。

　一方、第２半導体層８において、Ｓｉ－Ｈ_２結合の数はＳｉ－Ｈ結合の数よりも多くてもよい。その結果、Ｓｉ－Ｈ結合が多い場合に比べて、Ｓｉ同士の結合が少なく、原子間の自由空間が増加することから、半導体基板２に対する半導体３の熱膨張の影響を小さくすることができる。

　なお、上記の構成によれば、第１半導体層７のＳｉ－Ｈ結合の数は、第２半導体層８のＳｉ－Ｈ結合の数よりも多くなる。言い換えれば、第１半導体層７のＳｉ－Ｈ結合以外の高次結合の数は、第２半導体層８の高次結合の数よりも少なくなる。したがって、第２半導体層８は疎密化しやすいため、第１半導体層７のシリコン原子の密度は、第２半導体層８のシリコン原子の密度よりも大きくなる。

　また、第１半導体層７中のＳｉ－Ｈ_２／Ｓｉ－Ｈ比は、例えば、０．２５以上１．００以下である。第２半導体層８中のＳｉ－Ｈ_２／Ｓｉ－Ｈ比は、例えば、０．５０以上３．００以下である。好ましくは、例えば、第１半導体層７中のＳｉ－Ｈ_２／Ｓｉ－Ｈ比は１．００未満であり、第２半導体層８中のＳｉ－Ｈ_２／Ｓｉ－Ｈ比は、１．００より大きくてもよい。

　また、半導体層３中のＳｉ－Ｈ_２／Ｓｉ－Ｈ比は、例えば、フーリエ変換赤外分光法によって測定することができる。また、半導体層３のＳｉ－Ｈ_２／Ｓｉ－Ｈ比を測定した後、第２半導体層８を研磨して、第１半導体層７のＳｉ－Ｈ_２／Ｓｉ－Ｈ比を測定することによって、第１半導体層７および第２半導体層８のそれぞれのＳｉ－Ｈ_２／Ｓｉ－Ｈ比を測定することが可能になる。

　第１半導体層７および第２半導体層８は、例えば、ＰＥＣＶＤ（Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition）法によって形成することができる。第１半導体層７および第２半導体層８の製造時に、雰囲気中に水素ガスを導入することによって、第１半導体層７および第２半導体層８内に水素原子を導入させることができる。また、水素ガスの導入量またはプラズマの出力などの種々の成膜条件を調整することによって、第１半導体層７および第２半導体層８におけるＳｉ－Ｈ_２／Ｓｉ－Ｈ比を調整することができる。

　半導体層３は（第１半導体層７および第２半導体層８）は、ｉ型の半導体層であってもよい。その結果、半導体層３がｎ型またはｐ型の半導体層である場合と比較して、不純物をドーピングする必要がないことから、不純物のドーピングによる欠陥密度の増加を防ぐことができる。したがって、太陽電池素子１は、ライフタイムの低減を防ぐことができる。

　電極４は、半導体基板２からキャリアを取りだす機能を有している。電極４は、第１電極９と第２電極１０とを有している。第１電極９は、電子または正孔のどちらか一方のキャリアを取り出す機能を有する。第２電極１０は、電子または正孔のうち第１電極９と異なるキャリアを取り出す機能を有する。

　本実施形態にかかる太陽電池素子１では、第１電極９は、半導体基板２の第１領域５側に位置している。すなわち、第１電極９は第１領域５から第１領域５の多数キャリアを取り出すため、本例の第１電極９は電子を取りだしている。

　一方、第２電極１０は、半導体基板３の第２領域６側に位置している。すなわち、第２電極１０は第２領域６の多数キャリアを取り出すため、本例の第２電極１０は正孔を取りだしている。

　電極４は、例えば格子状に形成されている、電極４は、例えば、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）またはクロム（Ｃｒ）などの金属材料で形成される。電極４の厚みは、例えば１μｍ以上１００μｍ以下に設定される。

　電極４は、蒸着法や印刷法などによって、半導体基板２上に、従来周知の方法によって形成することができる。

　（第２の実施形態）
　図３に、本発明の第２の実施形態にかかる太陽電池素子１を示す。

　本実施形態にかかる太陽電池素子１は、第２半導体層８に積層されている絶縁層１１をさらに有している。その結果、太陽電池素子１の耐久性を向上させることができる。

　絶縁層１１は、例えば、透光性の材料からなる。また、絶縁層１１は、例えば、窒化ケイ素（ＳｉＮ）などからなる。絶縁層１１の厚みは、例えば、３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。

　なお、本実施形態にかかる太陽電池素子１では、絶縁層１１は貫通孔１２を有している。そして、電極４は、絶縁層１１の貫通孔１２内に配置されており、半導体層３に接続している。

　（第３の実施形態）
　図４に、本発明の第３の実施形態にかかる太陽電池素子１を示す。

　本実施形態にかかる太陽電池素子１は、第２半導体層８と第１電極９との間に配置されている第３半導体層１３をさらに有している。第３半導体層１３は、第２半導体層８とバンドギャップが半導体基板２（本例ではシリコン（Ｓｉ））よりも高い材料で形成されている。そのため、バンドベンディングによるライフタイム向上という顕著な効果を奏する。

　第３半導体層１３は、例えば、三酸化モリブデン（ＭｏＯ_３）、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）などである。

　また、太陽電池素子１は、第２半導体層８と第２電極１０との間に配置されている第４半導体層１４をさらに有している。第４半導体層１４は、第２半導体層８とバンドギャップが半導体基板２（本例ではシリコン（Ｓｉ））よりも低い材料で形成されている。そのため、バンドベンディングによるライフタイム向上という顕著な効果を奏する。

　第４半導体層１４は、例えば、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、六ホウ化ランタン（ＬａＢ_６）などである。

　なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良などが可能である。

　上記の実施形態にかかる太陽電池１では、半導体基板２が層状の第１領域５および層状の第２領域６を有している構成を例に説明した。しかしながら、半導体基板２の第１領域５および第２領域６は、層状である場合に限られない。すなわち、第１領域５または第２領域６との間でｐｎ接合が形成されていればよく、第１領域５または第２領域６のいずれかは部分的に形成されていてもよい。

　また、上記の実施形態にかかる太陽電池１では、第１領域５および第２領域６に不純物（ドーパント）が拡散されている構成を例に説明した。しかしながら、第１領域５および第２領域６のいずれも不純物が拡散されている必要はない。すなわち、例えば、半導体基板２の材料と異なる仕事関数の材料を半導体層３上に積層することによって、半導体基板２内の一部の導電型を反転させて、第１領域５および第２領域６を形成してもよい。

　＜太陽電池モジュール＞
　図５、本発明の実施形態にかかる太陽電池モジュール１００を示す。

　本実施形態にかかる太陽電池モジュール１００は、複数の太陽電池素子１と、複数の太陽電池素子１を電気的に接続している配線部材１０１と、を備えている。より具体的には、太陽電池モジュール１００は、複数の太陽電池素子１の上方に配置された透明部材１０２と、複数の太陽電池素子１の下方に配置された保護材１０３と、透明部材１０２と保護材１０３との間に配されて、複数の太陽電池素子１および配線部材１０１を封止している封止材１０４と、を備えている。

　透明部材１０２は、太陽電池モジュール２０において太陽光を受光する受光面を保護するための部材である。この透明部材１０２は、例えば、透明な平板状の部材である。透明部材１０２の材料は、例えば、ガラスなどである。

　保護材１０３は、太陽電池モジュール２０を裏面から保護するための部材である。保護材１０３の材料は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）またはポリフッ化ビニル樹脂（ＰＶＦ）などである。なお、保護材１０３は、単層構造を有していても積層構造を有していてもよい。

　封止材１０４は、例えば、透明な部材である。封止材１０４の材料は、例えば、エチレン・酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）などである。

　配線部材１０１は、複数の太陽電池素子１を電気的に接続する部材（接続部材）である。太陽電池モジュール１００に含まれる複数の太陽電池素子１のうちの一方向に隣り合う太陽電池素子１同士は、一方の太陽電池素子１の第１電極９と他方の太陽電池素子１の第２電極１０とが配線部材２１によって接続されている。

１　　・・・太陽電池素子
２　　・・・半導体基板
３　　・・・半導体層
４　　・・・電極
５　　・・・第１領域
６　　・・・第２領域
７　　・・・第１半導体層
８　　・・・第２半導体層
９　　・・・第１電極
１０　・・・第２電極
１１　・・・絶縁層
１２　・・・貫通孔
１３　・・・第３半導体層
１４　・・・第４半導体層
１００・・・透明部材
１０１・・・配線部材
１０２・・・透明部材
１０３・・・保護材
１０４・・・封止材

Claims (9)

1. 　結晶質の半導体基板と、
   　前記半導体基板上に積層されている非晶質の第１半導体層と、
   　前記第１半導体層上に積層されている非晶質の第２半導体層と、を備えており、
   　前記第１半導体層における半導体材料の原子の密度は、前記第２半導体層における前記半導体材料の原子の密度よりも大きい、太陽電池素子。
2. 　前記第１半導体層の厚みは、前記第２半導体層の厚みよりも厚い、請求項１に記載の太陽電池素子。
3. 　前記半導体基板はＳｉ基板であり、
   　前記第１半導体層および前記第２半導体層はａ－Ｓｉ層である、請求項１または２に記載の太陽電池素子。
4. 　前記第１半導体層および前記第２半導体層の導電型は、ｉ型である、請求項１～３のいずれかに記載の太陽電池素子。
5. 　前記第１半導体層および第２半導体層は、水素原子をさらに有している、請求項１～４のいずれかに記載の太陽電池素子。
6. 　前記第１半導体層は、Ｓｉ‐Ｈ結合とＳｉ-Ｈ_２結合とを有しており、
   　前記第１半導体層中の前記Ｓｉ‐Ｈ結合の数は、前記第１半導体層中の前記Ｓｉ-Ｈ_２結合の数よりも多い、請求項５に記載の太陽電池素子。
7. 　前記第２半導体層は、Ｓｉ‐Ｈ結合とＳｉ-Ｈ_２結合とを有しており、
   　前記第２半導体層中の前記Ｓｉ‐Ｈ_２結合の数は、前記第２半導体層中の前記Ｓｉ-Ｈ結合の数よりも多い、請求項６に記載の太陽電池素子。
8. 　請求項１～７のいずれかに記載されている、複数の太陽電池素子と、
   　前記複数の太陽電池素子同士を電気的に接続している配線と、を備えている太陽電池モジュール。
9. 　半導体基板を準備する工程と、
   　前記半導体基板上に非晶質の第１半導体層を形成する工程と、
   　前記第１半導体層上に、前記第１半導体層よりも半導体材料の原子の密度が小さくなるように、非晶質の第２半導体層を形成する工程と、を備えている、太陽電池素子の製造方法。
    

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