JP4557772B2

JP4557772B2 - 光起電力装置

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Publication number: JP4557772B2
Application number: JP2005103097A
Authority: JP
Inventors: 拓夫中井; 定司津毛; 孝裕羽賀
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP2006286820A

Description

本発明は、主面に光閉じ込めのためのテクスチャー構造の凹凸が形成された半導体基板を用いた光起電力装置に関するものである。

単結晶シリコン基板などの結晶系半導体基板を用いた光起電力装置は、光電変換効率が高く、既に太陽光発電システムとして広く一般に実用化されている。

これらの結晶系半導体基板を用いた光起電力装置においては、結晶系半導体基板の光入射側主面に、光閉じ込め構造により反射損失を低減するため、テクスチャー構造の凹凸が形成されている。表面にテクスチャー構造の凹凸を形成する方法としては、アルカリ性溶液を用いて結晶系半導体基板の表面をエッチングする方法が知られている（特許文献１など）。

このような結晶系半導体基板においては、光入射側主面のみにテクスチャー構造の凹凸を形成しており、高い光電変換効率を有する光起電力装置では、基板の主面と反対側の裏面は、従来から平坦な面となるように形成されている（特許文献２など）。
特開平１１−２３３４８４号公報特開平３−１７３４８１号公報

しかしながら、本発明者は、半導体基板の周辺からの入射光を考慮した場合、基板の側面及び裏面周辺部にもテクスチャー構造の凹凸を形成することにより、基板周辺からの光を効率的に吸収することができ、光電変換効率が向上することを見出した。

本発明の目的は、半導体基板を用いた光起電力装置において、光電変換効率に優れた光起電力装置を提供することにある。

本発明は、主面にテクスチャー構造の凹凸が形成された半導体基板を用いた光起電力セルを備える光起電力装置であり、半導体基板の側面及び裏面周辺部にもテクスチャー構造の凹凸が形成され、凹凸が形成される裏面周辺部が、基板周辺の側面端部から内側に２ｍｍ以下までの領域であることを特徴としている。

本発明に従い、半導体基板の側面及び裏面周辺部にもテクスチャー構造の凹凸を形成することにより、基板の側面及び裏面周辺部において光を効果的に吸収することができ、光電変換効率を高め、高い出力が得られる。

本発明において、凹凸が形成される裏面周辺部は、基板周辺の側面端部から内側に２ｍｍ以下までの領域であることが好ましい。凹凸を形成する裏面周辺部が、基板周辺の側面端部から内側に２ｍｍ以下までの領域を超えると、短絡電流が小さくなり、光電変換効率の向上が得られない場合がある。

本発明の光起電力装置は、上記半導体基板を用いた光起電力セルが複数並べて設けられており、これらが電気的に直列に接続されている太陽電池モジュールであることが好ましい。このような太陽電池モジュールにおいては、光起電力セルが所定間隔をあけて配置されている。本発明によれば、光起電力セル間の隙間を通り入射した光が、基板の側面及び裏面周辺部において吸収されるので、光電変換効率を高めることができる。従来の基板の側面及び裏面周辺部がフラットである光起電力装置においては、セル間の隙間から入射し散乱した光が十分に吸収されず反射されていた。本発明では、このような散乱光を効果的に吸収することができるため、高い光電変換効率が得られる。

本発明において、半導体基板は、結晶系半導体基板であることが好ましく、単結晶半導体基板であってもよいし、多結晶半導体基板であってもよい。また、結晶系半導体基板は、例えば、結晶系シリコン基板であり、最も一般的には、単結晶シリコン基板である。

本発明における光起電力セルとしては、単結晶系光起電力セル、多結晶系光起電力セル、単結晶と非晶質のハイブリッド型の光起電力セルなどが挙げられる。ハイブリッド型光起電力セルとしては、例えば、ｎ型結晶系シリコン基板の主面上にｉ型非晶質シリコン層を形成し、この上にｐ型非晶質シリコン層を形成したものが挙げられる。ｉ型非晶質シリコン層の厚みは、例えば、２〜１０ｎｍであり、ｐ型非晶質シリコン層の厚みは、例えば、２〜１０ｎｍである。

また、半導体基板の裏面には、裏面電極との間にＢＳＦ（back surface field）構造が形成されていてもよい。例えば、半導体基板がｎ型結晶系半導体基板である場合には、ｉ型非晶質シリコン層を介してｎ型非晶質シリコン層を設けてもよい。

本発明における半導体基板は、例えば、結晶系半導体基板の裏面において、裏面周辺部以外の領域をレジスト膜やマスク等で覆い、この状態で基板をウェットエッチングすることにより得ることができる。従って、基板の主面、側面及び裏面周辺部に同時にテクスチャー構造の凹凸を形成した基板を用いることができる。

本発明における光起電力セルとしては、上記のような光起電力セルが挙げられるが、例えば、ｎ型もしくはｐ型の結晶系シリコン基板の上に直接ｐ型もしくはｎ型の非晶質シリコン層を形成した光起電力セルであってもよい。また、ｎ型もしくはｐ型の結晶系シリコン基板の表面にｐ型もしくはｎ型のドーパントをドープすることによりｐｎ接合を形成した光起電力セルであってもよい。

本発明によれば、基板の側面及び裏面周辺部における散乱光を効果的に吸収することができ、高い光電変換効率を得ることができる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

図１は、本発明に従う一実施例の光起電力装置を示す模式的断面図である。本実施例の光起電力装置は太陽電池モジュールであり、複数の光起電力セル１０が並べて設けられている。これらの光起電力セル１０は、図示省略されているが、互いに電気的に直列に接続されている。

光起電力セル１０は、単結晶シリコン基板１を用いて作製されており、単結晶シリコン基板１の光入射側の主面１ａにはテクスチャー構造の凹凸が形成されている。また、側面１ｂにも同様にテクスチャー構造の凹凸が形成されている。また、単結晶基板１の裏面１ｄの周辺部１ｃにも、テクスチャー構造の凹凸が形成されている。

図１には、光起電力セル１０における単結晶シリコン基板１のみが図示されているが、光起電力セル１０は、図２に示すような構造を有している。すなわち、単結晶シリコン基板１はｎ型単結晶シリコン基板であり、その主面１ａの上には、ｉ型非晶質シリコン層２が形成されており、ｉ型非晶質シリコン層２の上には、ｐ型非晶質シリコン層３が形成されている。

ｐ型非晶質シリコン層３の上には、ＩＴＯ（インジュウム錫酸化物）などからなる透明電極４が形成されている。透明電極４の上には、集電極８が形成されている。

なお、ｉ型非晶質シリコン層２、ｐ型非晶質シリコン層３、及び透明電極４は、単結晶シリコン基板１の側面１ｂ及び側面周辺部１ｃには形成されていない。側面１ｂの部分は、単結晶シリコン基板の面がそのまま露出した状態である。

また、単結晶シリコン基板１の裏面１ｄの上には、図２に示すように、ｉ型非晶質シリコン層５を介してｎ型非晶質シリコン層６が形成されている。従って、ＢＳＦ構造が形成されている。ｎ型非晶質シリコン層６の上には透明電極７が形成されており、透明電極７の上には集電極９が形成されている。

図１に示すように、電気的に直列に接続された光起電力セル１０は、ＥＶＡ樹脂（エチレン酢酸ビニル共重合体）などからなる充填材１３に埋め込まれた状態で、裏面保護フィルム１２及び表面のガラス板１１に挟まれた状態で、太陽電池モジュールが構成されている。図１に示すように、主面１ａ側から光１４が入射し、単結晶シリコン基板１内で光が吸収され光電変換されて発電される。図１に示すように、光起電力セル１０間には隙間が設けられており、この隙間に光１４が入射する。隙間から入射した光１４は、裏面保護フィルム１２の表面で反射し散乱する。本発明においては、単結晶シリコン基板１の側面１ｂ及び裏面周辺部１ｃに凹凸が形成されているので、このようにして裏面保護フィルム１２で反射し散乱した光を効果的に吸収することができる。このため、従来から光電変換に利用することができなかった光を利用することができ、高い光電変換効率を得ることができる。裏面保護フィルム１２として、光反射率が高いフィルム、例えば白色などのフィルムを用いることにより、裏面保護フィルム１２の表面で反射する光が増えるため、より高い光電変換効率を得ることができる。

図５は、従来の比較例の光起電力装置を示す模式的断面図である。図５に示すように、従来の光起電力装置においては、単結晶シリコン基板１の側面１ｃ及び裏面周辺部１ｄに凹凸が形成されていない。従って、光起電力セル１０間の隙間に入射した光１４は、裏面保護フィルム１２で反射して散乱するが、基板１の側面及び裏面周辺部１ｃがフラットな面であるので、この散乱光を反射してしまい、効果的に吸収することができない。従って、従来は、このような散乱光を利用することができず、本発明のように高い光電変換効率を得ることができなかった。

図１に示す光起電力装置を以下のようにして製造し、光電変換特性を評価した。

主面の面方位が（１００）であるｎ型単結晶シリコンウェハを、７０℃の５重量％ＮａＯＨ水溶液に５分間浸漬し、その表面をエッチングした。

なお、エッチングの際には、図３に示すように、単結晶シリコンウェハ１の裏面１ｄの部分にレジスト膜２０を形成した。図３に示すように、ウェハ１の側面１ｂの端部から内側に幅Ｗまでの領域にはレジスト膜２０が設けられないように形成した。ここでは、幅Ｗを１ｍｍとした。従って、基板の側面１ｂの端部から内側に１ｍｍまでの領域１ｃにレジスト膜が設けられないようにレジスト膜２０を形成した。レジスト膜２０としては、アルカリエッチング耐性の樹脂膜を用いることができる。また、酸化シリコン膜等からなるマスクを用いてもよい。

以上のようにしてレジスト膜を形成したシリコンウェハを、３重量％のカプリル酸を含有した２重量％ＮａＯＨからなる水溶液に浸漬し、レジスト膜が設けられていないシリコンウェハの表面に（１１１）面からなるテクスチャー構造の凹凸を形成した。

次に、硫酸過水（硫酸：純水＝１：１、１２０℃）や、酸素プラズマによるアッシングにより、レジスト膜２０を除去した。レジスト膜が酸化シリコン膜である場合には、２重量％ＨＦ水溶液を用いて除去することができる。

水洗した後、２重量％ＨＦ水溶液を用いて、シリコンウェハの表面の酸化膜を除去し、次に超純水で水洗した。

以上のようにして主面、側面及び裏面周辺部にテクスチャー構造の凹凸を形成した単結晶シリコンウェハの上に、プラズマＣＶＤ装置を用いて非晶質シリコン薄膜を形成した。まず、シリコンウェハの裏面（フラット面）に水素プラズマ処理（圧力８０Ｐａ、ＲＦ出力２０Ｗ）を行い、続けてｉ型非晶質シリコン薄膜（厚み５ｎｍ）を圧力８０Ｐａ、ＲＦ出力３０Ｗで形成した。次に、ｎ型非晶質シリコン薄膜（厚み３０ｎｍ）を圧力８０Ｐａ、ＲＦ出力３０Ｗで連続して形成した。

次に、シリコンウェハの主面に対し、水素プラズマ処理（圧力８０Ｐａ、ＲＦ出力２０Ｗ）を行い、この上にｉ型非晶質シリコン薄膜（厚み５ｎｍ）を圧力８０Ｐａ、ＲＦ出力３０Ｗで形成した。さらに、この上にｐ型非晶質シリコン薄膜（厚み５ｎｍ）を圧力８０Ｐａ、ＲＦ出力３０Ｗで連続して形成した。

なお、裏面に形成したｎ型非晶質シリコン薄膜及びｎ型非晶質シリコン薄膜は、凹凸が形成されている裏面周辺部の領域にも形成した。

以上のようにして形成した主面上のｐ型非晶質シリコン薄膜及び裏面上のｎ型非晶質シリコン薄膜の上に、スパッタリング法により透明電極としてＩＴＯをそれぞれ１００ｎｍの厚みとなるように形成した。次に、透明電極の上に、銀ペーストをスクリーン印刷し、櫛形電極を形成し、集電極とした。

以上のようにして作製した光起電力セルを複数個接続した後、充填材としてのＥＶＡ樹脂、保護基板としてのガラス板、裏面保護フィルムとしてのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムをラミネートし、太陽電池モジュールとした。

比較として、図４に示すように、単結晶シリコンウェハ１の側面１ｃ及び裏面１ｄの全面にレジスト膜２０を形成してエッチングする以外は、上記実施例と同様にして太陽電池モジュールを作製し、比較例の太陽電池モジュールとした。

上記の実施例及び比較例の太陽電池モジュールについて、ソーラーシミュレータにより出力を測定したところ、本実施例の太陽電池モジュールは、比較例の太陽電池モジュールに比べ、短絡電流が１．８％増加した。この結果、本実施例の太陽電池モジュールは、比較例の太陽電池モジュールに比べ、出力Ｐｍａｘが１．８％向上した。

＜凹凸を形成する裏面周辺部の領域についての検討＞
図３に示す裏面周辺部１ｃの領域の幅Ｗを、表１に示すように変化させて上記実施例と同様にして太陽電池モジュールを作製し、光電変換特性を評価した。なお、上記と同様に、Ｗ＝０の比較例の太陽電池モジュールを基準にして評価した。すなわち、比較例の太陽電池モジュールの短絡電流（Ｉｓｃ）、開放電圧（Ｖｏｃ）、フィルファクタ（Ｆ．Ｆ．）、出力（Ｐｍａｘ）を１として、それぞれを評価した。評価結果を表１に示す。

また、裏面周辺部の幅Ｗと短絡電流の相対値との関係を図６に示す。表１及び図６に示す結果から明らかなように、裏面周辺部の幅Ｗが２ｍｍ以下であれば、短絡電流が比較例のものより高くなり、高い出力が得られている。従って、基板の裏面周辺部の幅Ｗとしては２ｍｍ以下が好ましいことがわかる。

本発明は上記実施例のセルに限定されるものではなく、半導体基板を用いた光起電力セルであれば適用することができるものである。

本発明に従う一実施例の光起電力装置を示す模式的断面図。図１に示す実施例における光起電力セルの構造を示す拡大断面図。本発明に従う実施例において用いる単結晶シリコンウェハをエッチングするときの状態を示す断面図。従来の比較例の単結晶シリコンウェハをエッチングするときの状態を示す断面図。従来の比較例の光起電力装置を示す模式的断面図。単結晶シリコンウェハの裏面周辺部の幅Ｗと短絡電流の相対値との関係を示す図。

符号の説明

１…単結晶シリコン基板
１ａ…単結晶シリコン基板の主面
１ｂ…単結晶シリコン基板の側面
１ｃ…単結晶シリコン基板の裏面周辺部
１ｄ…単結晶シリコン基板の裏面
２…ｉ型非晶質シリコン層
３…ｐ型非晶質シリコン層
４…透明電極
５…ｉ型非晶質シリコン層
６…ｎ型非晶質シリコン層
７…透明電極
８，９…集電極
１０…光起電力セル
１１…ガラス板
１２…裏面保護フィルム
１３…充填材
１４…入射光
２０…レジスト膜

Claims

主面にテクスチャー構造の凹凸が形成された半導体基板を用いた光起電力セルを備える光起電力装置において、
前記半導体基板の側面及び裏面周辺部にもテクスチャー構造の凹凸が形成され、
前記凹凸が形成されている裏面周辺部が、前記半導体基板周辺の側面端部から内側に２ｍｍ以下までの領域であることを特徴とする光起電力装置。
前記光起電力セルが複数並べて設けられ、これらを電気的に直列に接続することによって太陽電池モジュールが構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光起電力装置。
前記半導体基板が結晶系半導体基板であ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。
前記結晶系半導体基板が、ｎ型もしくはｐ型結晶系シリコン基板であることを特徴とする請求項３に記載の光起電力装置。
前記ｎ型もしくはｐ型結晶系シリコン基板の主面上に、ｉ型非晶質シリコン層を介してｐ型もしくはｎ型非晶質シリコン層が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の光起電力装置。
前記ｎ型もしくはｐ型結晶系シリコン基板の裏面上に、ｉ型非晶質シリコン層を介してｎ型もしくはｐ型非晶質シリコン層が設けられていることを特徴とする請求項４または５に記載の光起電力装置。
前記半導体基板の裏面において周辺部以外の領域を覆った状態で前記基板をウェットエッチングすることにより、前記凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光起電力装置。