JP2003282907A - 太陽電池素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 変換効率が低いという問題があった。 【解決手段】 一導電型半導体不純物を含有する多結晶
シリコン基板１の一主面側に逆導電型半導体不純物の拡
散層２を形成すると共に、他の主面側に裏面電界層４を
形成して上記基板１の一主面側と他の主面側に電極６、
７を形成した太陽電池素子であって、上記基板１の他の
主面側の結晶粒界部分のみに上記裏面電界層４を形成す
る元素とシリコンから成る合金層５を形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は太陽電池素子に関
し、特に多結晶シリコン基板を用いた太陽電池素子に関
する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】太陽
電池のうち主要なものは使用材料の種類によって結晶
系、アモルファス系、化合物系などに分類される。この
うち、現在市場で流通しているのはほとんどが結晶系の
シリコン太陽電池である。

【０００３】従来の結晶系シリコン太陽電池を図３に示
す。例えばＰ型シリコン基板１の一主面側にＮ型半導体
不純物が一定の深さまで拡散した拡散層２を設けるとも
に、この拡散層２上に窒化シリコン膜などから成る反射
防止膜３を設け、シリコン基板１の一主面側にグリッド
状の表面電極６を形成するとともに、他の主面側にグリ
ッド状もしくは平面状の裏面電極７を形成して構成され
ていた。また、シリコン基板１の他の主面側の表面領域
には、例えばアルミニウムなどのＰ型半導体不純物を高
濃度に拡散させた裏面電界層４が形成されていた。

【０００４】この裏面電界層４は、シリコン基板１の他
の主面側にアルミニウムペーストを印刷して６００〜９
５０℃で焼成することによって形成されるが、シリコン
基板１の表面部にはアルミニウムとシリコンとの合金層
５も形成され、また合金層５の表面部には酸化物やペー
スト中の樹脂成分の残留物等から成る燃焼層（図不示）
も形成される。このうち、合金層５は金属的な性質を持
つことから、そのまま残して表面の燃焼層のみを除去し
て合金層５上にアルミニウムや銀などの電極を形成して
いた。

【０００５】ところが、シリコン基板１の表面部にアル
ミニウムとシリコンとの合金層５を残して電極７を形成
すると、製造工程は簡略化されるが、この合金層５で光
が吸収され、太陽電池としての変換効率が低下するとい
う問題があった。すなわち、シリコン基板１の裏面側全
面に電極７を設ける場合、合金層５が残っていると、シ
リコン基板１の表面側から入射した光が裏面電極７で反
射して再びシリコン基板１に取り込まれる光量が減少す
る。また、シリコン基板１の裏面側に部分的に格子状
（グリッド状）の裏面電極７を設ける場合、合金層５が
残っていると、シリコン基板１の表面側から入射した光
が格子状の裏面電極７で反射して再びシリコン基板１に
取り込まれる光量が減少するとともに、シリコン基板１
の裏面側からシリコン基板１内に取り込まれる光量も減
少するという問題があった。

【０００６】一方、特許第２９９９８６７号では、上述
のような燃焼層と合金層５を塩酸でエッチング除去し
て、裏面電極７を形成することが提案されている。この
太陽電池では、アルミニウムとシリコンとの合金層５を
介することなく裏面電界層４に電極７を部分的に直接形
成するとともに、光反射率の高い銀または銅からなる電
極７を略全面に直接接触するように形成しているため、
裏面での光反射率が高まり、シリコン基板１中、すなわ
ち太陽電池の活性層での光吸収量が増し、より大きな出
力電流が得られる。なお、キャリア濃度勾配を有する裏
面電界層４は残っているので、この裏面電界層４により
変換効率の改善に大きな効果がある裏面電界効果は従来
通り得られる。

【０００７】ところが、この特許第２９９９８６７号の
太陽電池では、電気抵抗が小さい合金層５をすべて除去
することから、シリコン基板１として多結晶シリコンを
用いた場合は、粒界８部分の電気抵抗が大きくなって特
性が向上しないという問題があった。すなわち、多結晶
シリコン太陽電池の場合、基板１の表面には多くの結晶
粒界８が存在することから、この結晶粒界８が電気的抵
抗となって特性が向上しない。

【０００８】本発明はこのような従来技術の問題点を解
消するためになされたものであり、裏面電界層を形成す
る元素とシリコン基板との合金層を全面に残したり、全
て除去すると変換効率が向上しないという従来の問題を
解消した太陽電池素子を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の多結晶シリコン太陽電池は、一導電型半導
体不純物を含有する多結晶シリコン基板の一主面側に逆
導電型半導体不純物の拡散層を形成すると共に、他の主
面側に裏面電界層を形成して前記基板の一主面側と他の
主面側に電極を形成した太陽電池素子において、前記基
板の他の主面側の結晶粒界のみに前記裏面電界層を形成
する元素とシリコンから成る合金層を形成したことを特
徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る太陽電池素子
の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。図１は
本発明に係る太陽電池素子の一実施形態を示す断面図で
あり、１は多結晶シリコン、２は逆導電型不純物の拡散
層、３は反射防止膜、４は裏面電界層、５は裏面電界層
を形成する元素とシリコン基板１の構成元素との合金
層、６は表面電極、７は裏面電極である。

【００１１】本発明の太陽電池素子も基本的な構造は従
来の太陽電池素子と同じである。すなわち、一導電型例
えばＰ型の多結晶シリコン基板１の表面近傍全面に一定
の深さまで逆導電型例えばＮ型不純物を拡散させて逆導
電型例えばＮ型を呈する拡散層２を形成するとともに、
この拡散層２の表面に反射防止膜３を形成し、裏面側に
裏面電界層４を形成したものである。また、表面側には
表面電極４が形成され、裏面側には裏面電極５が形成さ
れている。

【００１２】多結晶シリコン基板１はＰ型、Ｎ型いずれ
でもよく、鋳造法などで形成される。多結晶シリコン
は、大量生産が可能で製造コスト面で単結晶シリコンよ
りもきわめて有利である。鋳造法などで形成されたシリ
コンブロックを１０ｃｍ×１０ｃｍもしくは１５ｃｍ×
１５ｃｍ程度の大きさに切断してインゴットとし、３０
０μｍ程度の厚みにスライスして多結晶シリコン基板１
とする。このような多結晶シリコン基板１には多数の結
晶粒界８が存在する。この結晶粒界８は電子や正孔の移
動の障害になり、一般的には太陽電池の変換効率の向上
の障害になる。

【００１３】多結晶シリコン基板１の表面側には、逆導
電型半導体不純物の拡散層２が形成されている。この拡
散層２は、シリコン基板１内に半導体接合部を形成する
ために設けるものであり、例えばＮ型の不純物を拡散さ
せる場合、ＰＯＣｌ₃を用いた気相拡散法、Ｐ₂Ｏ₅を用
いた塗布拡散法、及びＰ⁺イオンを電界で基板に直接導
入するイオン打ち込み法などで形成される。この拡散層
２は０．３〜０．５μｍ程度の深さに形成される。

【００１４】また、シリコン基板１の表面側には、反射
防止膜３が形成されている。この反射防止膜３は、シリ
コン基板１の表面で光が反射するのを防止して、シリコ
ン基板１内に光を有効に取り込むために設ける。この反
射防止膜３はシリコン基板１との屈折率差等を考慮して
屈折率が２程度の材料で構成され、厚み５００〜２００
０Å程度の窒化シリコン膜や酸化シリコン（ＳｉＯ₂）
膜などで構成される。

【００１５】シリコン基板１の裏面側には、一導電型半
導体不純物が高濃度に拡散された裏面電界層４が形成さ
れている。この裏面電界層４は、シリコン基板１の裏面
近くでキャリアの再結合による効率の低下を防ぐため
に、シリコン基板１の裏面側に内部電界を形成するもの
である。つまり、シリコン基板１の裏面近くで発生した
キャリアがこの電界で加速される結果、電力が有効に取
り出されることとなり、特に長波長の光感度が増大する
と共に、高温における太陽電池特性の低下を軽減でき
る。このように裏面電界層４が形成されたシリコン基板
１の裏面側のシート抵抗は１５Ω／□程度になる。

【００１６】シリコン基板１の表面側および裏面側には
表面電極６および裏面電極７が形成されている。この表
面電極６及び裏面電極７はＡｇなどから成り、その上に
はんだ層を形成している。表面電極６は、例えば幅２０
０μｍ程度に、またピッチ３ｍｍ程度に形成される多数
のフィンガー電極（不図示）と、この多数のフィンガー
電極を相互に接続する２本のバスバー電極（１ｅ）で構
成される。この表面電極は厚み１０〜３μｍ程度に形成
される。

【００１７】裏面電極７は、例えばシリコン基板１の略
全長にわたって幅１０ｍｍ程度に形成された帯状の出力
取出部とこの出力取出部以外の略全面にわたって形成さ
れた集電部とで構成される。この出力取出部は１０μｍ
程度、集電部は厚み５０μｍ程度に形成される。なお、
この裏面電極７は、略全面にわたって形成する場合に限
らず、格子状（グリッド状）に形成したものであっても
よい。

【００１８】本発明の太陽電池素子では、多結晶シリコ
ン基板１の他の主面側の結晶粒界８部分のみに裏面電界
層４を形成する元素とシリコンから成る合金層５を形成
する。この合金層４は裏面電界層４を形成する際に形成
される合金層５を結晶粒界８部分のみに残るように、他
の部分を除去して形成する。このように、結晶粒界８部
分のみに裏面電界層４を形成する元素とシリコンから成
る合金層５を形成すると、結晶粒界８部分の電気抵抗が
下がって太陽電池素子の変換効率が向上することとな
る。

【００１９】次に、本発明に係る太陽電池素子の製造方
法を図２に基づいて説明する。まず、Ｐ型シリコン基板
１を準備する（図２（ａ）参照）。基板１をスライスす
るときについたダメージや、表面の酸化物などを除去す
ると共に、基板１の表面反射を低減させるために、基板
１の表面を例えば５％、８０℃程度の水酸化ナトリウム
などのアルカリ水溶液で１０分程度エッチングする。こ
れにより表面に微細な凹凸が形成され、基板１の表面反
射をある程度低減させることができる。

【００２０】次に、シリコン基板１をＮ型不純物雰囲気
中で熱処理などして表面近傍の全面にＮ型不純物を一定
の深さまで拡散させてＮ型を呈する拡散層２を形成する
（図２（ｂ）参照）。次に、シリコン基板１の表面にプ
ラズマＣＶＤ法などで反射防止膜３を形成する。また、
拡散層２を分離する（図２（ｃ）参照）。

【００２１】次に、図２（ｄ）に示すように、シリコン
基板１の裏面側にアルミニウムペースト９を印刷して６
００〜９５０℃の温度で焼成すると、アルミニウムが拡
散した裏面電界層４、合金層５（図１参照）、および焼
成時にできた酸化物やペースト中の樹脂成分の残留物等
から成る燃焼層（図不示）ができる。その後、燃焼層と
合金層５を例えば３０℃の塩酸を用いて１０分程度のエ
ッチングにより除去するが、アルカリ水溶液でエッチン
グしたときに形成された結晶粒界８の段差により、結晶
粒界８には合金層５を残すことができる。

【００２２】次に、シリコン基板１の表面に銀ペースト
をスクリーン印刷するとともに、裏面にアルミニウムペ
ーストおよび銀ペーストをスクリーン印刷して焼成する
ことにより、図２（ｅ）に示す表面電極６と裏面電極７
を有する太陽電池を得る。

【００２３】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多くの
修正および変更を加えることができる。たとえば、上記
のようにアルカリ水溶液でエッチングした後、特性向上
のためにシリコン基板１の表面をプラズマエッチングな
どの異方性エッチングの方法でエッチングしてもよい。
結晶粒界に合金層５を形成することにより、裏面電界層
４と良好な電気的接触をする電極７を部分的につけただ
けの構造でも太陽電池素子の特性を向上させることがで
きる。また、燃焼層とアルミニウム・シリコン合金層５
を除去するときのエッチング液としては塩酸のほかに、
フッ酸、塩酸と硝酸の混合液等を用いることができる。

【００２４】

【実施例】以下に本発明の実施例を示す。シリコン基板
として１５ｃｍ角で厚さ０．３ｍｍ、比抵抗１．５Ω・
ｃｍのＰ型多結晶シリコン基板を準備し、表面を５％、
８０℃程度の水酸化ナトリウムのアルカリ水溶液で１０
分間エッチングした。そして、熱拡散法でオキシ塩化リ
ン（ＰＯＣｌ₃）を拡散源として深さ０．５μｍのＮ型
拡散層を形成した。次に、表面にプラズマＣＶＤ法で窒
化シリコンの反射防止膜を８００Åの厚さで形成した
後、拡散層を分離した。

【００２５】次に、シリコン基板の裏面にアルミニウム
ペーストを印刷して７５０℃で焼成して裏面電界層を形
成した後、３０℃の塩酸に１０分浸漬することにより、
燃焼層とアルミニウム・シリコン合金層を除去した。し
かし、アルカリ水溶液でエッチングしたときに形成され
た結晶粒界の段差により、結晶粒界部分には合金層が残
った。

【００２６】その後、表面には銀ペーストをスクリーン
印刷して焼成することによって電極を形成すると共に、
裏面には銀によって部分的に電極を形成した太陽電池
（試料Ｎｏ．１）を作成して変換効率を測定した。ま
た、略全面にアルミニウムの集電用電極と部分的に銀の
取出用電極を形成した太陽電池（試料Ｎｏ．２）を作成
して変換効率を測定した。さらに、従来技術のように合
金層をすべて残した太陽電池（試料Ｎｏ．３）と全て除
去した太陽電池（試料Ｎｏ．４、５）も作成して変換効
率を測定した。その結果を表１に示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】合金層を全て残して裏面の略全面に集電用
電極を形成した従来のもの（試料Ｎｏ．３）では変換効
率が１４．１％であった。また、合金層を全て除去して
裏面の略全面に集電用電極を形成した従来のもの（試料
Ｎｏ．５）では１４．５％であった変換効率が部分的な
電極を形成したもの（試料Ｎｏ．４）では１３．８％に
変換効率が低下した。これに対して本発明の太陽電池で
は、裏面の略全面に集電用電極を形成したもの（試料Ｎ
ｏ．２）では１４．８％であった変換効率が部分的な電
極を形成したもの（試料Ｎｏ．１）でも１４．４％まで
しか変換効率は低下しない。また、同じ電極構造の従来
技術と本発明による太陽電池の変換効率を比較してみて
も、本発明による変換効率の向上は明らかであった。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、多結晶
シリコン太陽電池の裏面電界層を形成する側の結晶粒界
部分のみに金属的な性質を持つ合金層を形成することに
より、多結晶シリコン特有の問題である結晶粒界での抵
抗を下げることができる。そのため、裏面電界層と良好
な電気的接触をして裏面電界層上に部分的に形成された
電極と、光反射率の高い金属材料とを用いて電極を形成
すれば、裏面での光反射率が高まり、シリコン基板中す
なわち太陽電池の活性層での光吸収量が増し、より大き
な出力電流が得られる。キャリア濃度勾配を有する裏面
電界層は残っているので、変換効率の改善に大きな効果
がある裏面電界効果は従来通り得られる。

【００３０】また、本発明によれば、裏面側から入射し
た光も有効にシリコン基板内に取り込まれ、かつ結晶粒
界での抵抗が下がるため、裏面電界層と良好な電気的接
触をする電極を部分的に形成しただけでも特性が向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る太陽電池素子の一実施形態を示す
図である。

【図２】本発明に係る太陽電池素子の製造工程を示す図
である。

【図３】従来の太陽電池素子を説明するための図であ
る。

【符号の説明】

１：多結晶シリコン基板、２：拡散層、３：反射防止
膜、４：裏面電界層、５：合金層、６：表面電極、７：
裏面電極、８：結晶粒界

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一導電型半導体不純物を含有する多結晶
   シリコン基板の一主面側に逆導電型半導体不純物の拡散
   層を形成すると共に、他の主面側に裏面電界層を形成し
   て前記基板の一主面側と他の主面側に電極を形成した太
   陽電池素子において、前記基板の他の主面側の結晶粒界
   部分のみに前記裏面電界層を形成する元素とシリコンか
   ら成る合金層を形成したことを特徴とする太陽電池素
   子。
2. 【請求項２】 前記多結晶シリコン基板にアルミニウム
   を拡散して前記裏面電界層を形成したことを特徴とする
   請求項１に記載の太陽電池素子。