JP5501549B2 - Photoelectric conversion element and photoelectric conversion module composed thereof - Google Patents
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Description
本発明は、光電変換素子、およびそれから構成される光電変換モジュールに関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element and a photoelectric conversion module including the photoelectric conversion element.
太陽電池や光センサー等の光電変換装置は、表面に入射した太陽光などの光エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。現在、光電変換装置のなかでも、CO2を排出しないクリーンエネルギーとして、太陽電池が注目されている。 Photoelectric conversion devices such as solar cells and optical sensors convert light energy such as sunlight incident on the surface into electrical energy. At present, solar cells are attracting attention as clean energy that does not emit CO 2 among photoelectric conversion devices.
太陽電池の主流製品としては、結晶シリコン基板を用いた太陽電池素子からなるバルク型結晶シリコン太陽電池があげられる(例えば、特許文献1参照)。特に多結晶シリコン基板を用いたタイプのものは、高効率と低コストとを両立できるため、その生産規模は現在最大となっており、今後もさらに生産量が伸びていくものと期待されている。 As a mainstream product of solar cells, there is a bulk type crystalline silicon solar cell composed of a solar cell element using a crystalline silicon substrate (see, for example, Patent Document 1). In particular, the type using a polycrystalline silicon substrate can achieve both high efficiency and low cost, so its production scale is currently the largest and is expected to increase further in the future. .
多結晶シリコン基板は、シリコンを融解及び凝固させて得られるインゴットから切り出されることで得られる。多結晶シリコン太陽電池素子は、この多結晶シリコン基板が、素子化工程により加工されることで作製されるものであり、また、多結晶シリコン太陽電池モジュールは、この多結晶シリコン太陽電池素子を複数個接続したものを備えてなるものである。
ここで、多結晶シリコン太陽電池の性能である変換効率(太陽電池素子の場合は、「素子特性」ともいう)は、短絡電流Isc(あるいは短絡電流密度Jsc)×開放電圧Voc×曲線因子FFに比例しており、FFを決定づける主因のひとつとして、各種の直列抵抗成分があげられる。 Here, the conversion efficiency (also referred to as “element characteristics” in the case of a solar cell element), which is the performance of the polycrystalline silicon solar cell, is a short circuit current Isc (or short circuit current density Jsc) × open circuit voltage Voc × curve factor FF. One of the main factors that determine FF is proportional to various series resistance components.
この直列抵抗成分のうち、主成分のひとつは、金属電極と半導体基板表面との界面のコンタクト抵抗に起因するものである。特に表面電極は、通常、細い線状の電極形状(フィンガー電極及びバスバー電極)になるため、表電極/半導体界面のコンタクト面積が制限され、表電極/半導体界面のコンタクト抵抗への相対的影響割合は大きくなる傾向にある。 Among the series resistance components, one of the main components is due to the contact resistance at the interface between the metal electrode and the semiconductor substrate surface. In particular, the surface electrode usually has a thin linear electrode shape (finger electrode and bus bar electrode), so the contact area at the surface electrode / semiconductor interface is limited, and the relative influence ratio on the contact resistance at the surface electrode / semiconductor interface Tend to grow.
実際、現在主流の多結晶Si太陽電池では、表面電極として銀(Ag)ペーストを印刷・焼成した銀(Ag)電極が一般的に用いられているが、このAg電極とSi基板との界面のコンタクト抵抗は、FF特性の向上を阻む主因のひとつとなっており、特に、今後の高効率化に向けては、さらにその影響度が大きくなってくると考えられる(例えば、光入射面側の銀電極の細線化に伴うコンタクト面積の減少や、短絡電流向上を目指した拡散領域(p型基板に対しては表面側のn型領域)の高シート抵抗化に伴ってのオーミック接触性の低下、等は、コンタクト抵抗を増大させる傾向がある)。 Actually, in the current mainstream polycrystalline Si solar cells, a silver (Ag) electrode obtained by printing and baking a silver (Ag) paste is generally used as a surface electrode. However, the interface between the Ag electrode and the Si substrate is generally used. Contact resistance is one of the main factors that hinder the improvement of FF characteristics, and in particular, it is considered that the degree of influence will increase further in the future for higher efficiency (for example, on the light incident surface side). Decrease in ohmic contact with increased sheet resistance in the diffusion region (n-type region on the surface side for p-type substrates) aimed at improving short circuit current, as the contact area decreases with the thinning of the silver electrode , Etc. tend to increase contact resistance).
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、金属電極と半導体間のコンタクト抵抗を低減することによって、出力特性を向上させた光電変換素子、ならびにそれから構成される光電変換モジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and provides a photoelectric conversion element having improved output characteristics by reducing contact resistance between a metal electrode and a semiconductor, and a photoelectric conversion module including the photoelectric conversion module. The purpose is to do.
本発明者らは、とくに、金属電極部のコンタクト抵抗の起源について鋭意分析・解析し、コンタクト抵抗値と金属電極と半導体基板表面間の界面構造との間に、ある種の相関関係が存在することを知見した。この知見を受けてさらに鋭意実験・検討を繰返し行い、本発明の構成を見出すに至った。 In particular, the present inventors have intensively analyzed and analyzed the origin of the contact resistance of the metal electrode part, and there is a certain correlation between the contact resistance value and the interface structure between the metal electrode and the semiconductor substrate surface. I found out. In response to this knowledge, further experiments and examinations were repeated, and the configuration of the present invention was found.
すなわち、本発明は、表面に凹凸が形成された半導体基板と、該半導体基板表面の凹凸上に形成された金属電極と、前記半導体基板表面と前記金属電極との界面の少なくとも一部に存在するガラス層と、該ガラス層中にあって前記半導体基板表面の前記凹に沿って存在するとともに、該凹から一部が突出した金属粒子と、を有する光電変換素子であって、前記ガラス層の厚さt、前記金属粒子の厚さ粒径m、前記金属粒子の長さ粒径n、前記凹凸の高さoおよび前記凹凸のピッチの長さpが以下の関係を満たすことを特徴とする。
m/t≧0.5、n/t≧1、o/t≧0.25、p/t≧1.5
(150nm≦t≦400nm、m≦330nm、n≦800nm、o≦300nm、p≦800nm)
That is, the present invention exists in at least a part of an interface between a semiconductor substrate having a concavo-convex surface formed thereon, a metal electrode formed on the concavo-convex surface of the semiconductor substrate surface, and the semiconductor substrate surface and the metal electrode. A photoelectric conversion element comprising: a glass layer; and a metal particle present in the glass layer along the recess on the surface of the semiconductor substrate and partially protruding from the recess . The thickness t, the thickness particle diameter m of the metal particles, the length particle diameter n of the metal particles, the height o of the unevenness and the length p of the uneven pitch satisfy the following relationship: .
m / t ≧ 0.5, n / t ≧ 1, o / t ≧ 0.25, p / t ≧ 1.5
(150 nm ≦ t ≦ 400 nm, m ≦ 330 nm, n ≦ 800 nm, o ≦ 300 nm, p ≦ 800 nm)
前記ガラス層が微結晶質層から構成されることが好ましい。 The glass layer is preferably composed of a microcrystalline layer.
前記微結晶質層が前記半導体基板に接触して配置され、前記微結晶質層上に非晶質層が配置されていることが好ましい。 Preferably, the microcrystalline layer is disposed in contact with the semiconductor substrate, and an amorphous layer is disposed on the microcrystalline layer .
前記金属電極は銀(Ag)電極であることが好ましい。 The metal electrode is preferably a silver (Ag) electrode.
前記半導体基板は結晶シリコン(Si)から構成されることが好ましい。 The semiconductor substrate is preferably composed of crystalline silicon (Si).
本発明は、前記光電変換素子から構成される光電変換モジュールに関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion module including the photoelectric conversion element.
本発明によれば、金属粒子の厚さ粒径、金属粒子の長さ粒径、凹凸の高さ、または、凹凸のピッチの長さと、ガラス層の厚さとの関係式であるm/t、n/t、o/tまたはp/tの値がそれぞれ一定以上の大きさを示すことにより、コンタクト抵抗を抑制させた光電変換素子、およびそれから構成される光電変換モジュールを提供することができる。 According to the present invention, m / t, which is a relational expression between the thickness of the metal particles, the length of the metal particles, the height of the unevenness, or the pitch length of the unevenness and the thickness of the glass layer, When the value of n / t, o / t, or p / t shows a certain size or more, a photoelectric conversion element in which contact resistance is suppressed, and a photoelectric conversion module including the photoelectric conversion element can be provided.
本発明は、以下の態様(1)〜(4)の光電変換素子をいう。 This invention says the photoelectric conversion element of the following aspects (1)-(4).
<<光電変換素子>>
態様(1)の光電変換素子は、表面に凹凸が形成された半導体基板と、該半導体基板表面の凹凸上に形成された金属電極と、半導体基板表面と金属電極との界面の少なくとも一部に存在するガラス層と、該ガラス層中にあって半導体基板表面に接触して存在し、ガラス層の厚さtとの関係式m/t≧0.5(150nm≦t≦400nm)を満足する厚さ粒径mを有する金属粒子と、を有するものをいう。
<< Photoelectric conversion element >>
In the photoelectric conversion element of aspect (1), a semiconductor substrate having irregularities formed on the surface, a metal electrode formed on the irregularities on the surface of the semiconductor substrate, and at least part of an interface between the surface of the semiconductor substrate and the metal electrode It exists in the glass layer and in contact with the surface of the semiconductor substrate in the glass layer, and satisfies the relational expression m / t ≧ 0.5 (150 nm ≦ t ≦ 400 nm) with the thickness t of the glass layer. And a metal particle having a thickness m.
態様(2)の光電変換素子は、表面に凹凸が形成された半導体基板と、該半導体基板表面の凹凸上に形成された金属電極と、半導体基板表面と金属電極との界面の少なくとも一部に存在するガラス層と、該ガラス層中にあって半導体基板表面に接触して存在し、ガラス層の厚さtとの関係式n/t≧1(150nm≦t≦400nm)を満足する長さ粒径nを有する金属粒子と、を有するものをいう。 The photoelectric conversion element of aspect (2) includes a semiconductor substrate having irregularities formed on the surface, a metal electrode formed on the irregularities on the surface of the semiconductor substrate, and at least part of an interface between the surface of the semiconductor substrate and the metal electrode. A length that exists in the glass layer and is in contact with the surface of the semiconductor substrate and satisfies the relational expression n / t ≧ 1 (150 nm ≦ t ≦ 400 nm) with the thickness t of the glass layer. And metal particles having a particle size n.
態様(3)の光電変換素子は、表面に凹凸が形成された半導体基板と、半導体基板の凹凸上に形成された金属電極と、半導体基板表面と金属電極との界面の少なくとも一部に存在し、凹凸の高さoとの関係式o/t≧0.25(150nm≦t≦400nm)を満足する厚さtを有するガラス層と、該ガラス層中にあって半導体基板に接触して存在する金属粒子と、を有するものをいう。 The photoelectric conversion element of aspect (3) is present in at least a part of the interface between the semiconductor substrate having a concavo-convex formed on the surface, the metal electrode formed on the concavo-convex of the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate surface and the metal electrode. A glass layer having a thickness t satisfying the relational expression o / t ≧ 0.25 (150 nm ≦ t ≦ 400 nm) with the height o of the unevenness, and present in contact with the semiconductor substrate in the glass layer It has what has a metal particle to do.
態様(4)の光電変換素子は、表面に凹凸が形成された半導体基板と、半導体基板の凹凸上に形成された金属電極と、半導体基板表面と金属電極との界面の少なくとも一部に存在し、凹凸のピッチの長さpとの関係式p/t≧1.5(150nm≦t≦400nm)を満足する厚さtを有するガラス層と、該ガラス層中にあって半導体基板に接触して存在する金属粒子と、を有するものをいう。 The photoelectric conversion element according to aspect (4) is present on at least a part of an interface between a semiconductor substrate having a concavo-convex surface, a metal electrode formed on the concavo-convex surface of the semiconductor substrate, and the surface of the semiconductor substrate and the metal electrode. A glass layer having a thickness t satisfying a relational expression p / t ≧ 1.5 (150 nm ≦ t ≦ 400 nm) with the length p of the uneven pitch, and in contact with the semiconductor substrate in the glass layer And metal particles present.
<半導体基板>
本発明の態様(1)〜(4)の光電変換素子において、半導体基板は、その表面に凹凸が形成されており(図1参照)、凹凸の形成によって光反射率低減性能が得られる。ここで、半導体基板の表面とは、半導体の光入射面側および/または裏面を意味する。半導体基板としては、とくに前記性能が充分に得られることから、半導体の光入射面側に凹凸が形成されていることが好ましい。
<Semiconductor substrate>
In the photoelectric conversion elements of aspects (1) to (4) of the present invention, the semiconductor substrate has irregularities formed on the surface thereof (see FIG. 1), and the light reflectance reduction performance can be obtained by forming the irregularities. Here, the front surface of the semiconductor substrate means the light incident surface side and / or the back surface of the semiconductor. As the semiconductor substrate, it is preferable that irregularities are formed on the light incident surface side of the semiconductor because the above-mentioned performance can be obtained sufficiently.
本発明において、半導体基板の表面への凹凸の形成法としては、一般的に、NaOHなどのアルカリ液による異方性ウェットエッチング法などがあげられるが、通常のアルカリ液によるウェットエッチング法では、シリコン基板がキャスト法などによる多結晶シリコン基板である場合は、基板面内での結晶面方位が結晶粒ごとにランダムにばらつくので、基板全域にわたって光反射率を効果的に低減せしめる良好な凹凸構造を一様に形成することは困難な傾向がある。 In the present invention, as a method for forming irregularities on the surface of a semiconductor substrate, an anisotropic wet etching method using an alkali solution such as NaOH is generally used. When the substrate is a polycrystalline silicon substrate such as a cast method, the crystal plane orientation in the substrate surface varies randomly for each crystal grain, so a good uneven structure that effectively reduces the light reflectivity over the entire substrate can be obtained. Uniform formation tends to be difficult.
そのため、半導体基板の表面への凹凸の形成としては特に、RIE(Reactive Ion Etching)法によるガスエッチングを行うことが好ましい。それにより、比較的容易に、ウェットエッチング法により得られた凹凸よりも約1桁程小さく、良好な凹凸構造を基板全域にわたって一様に形成し、凹凸のピッチの長さと凹凸の高さとを独立して制御することができる。さらに、シリコン基板がキャスト法などによる多結晶シリコン基板である場合に生じる基板面内での結晶面方位が結晶粒ごとのランダムなバラツキを抑え、基板全域にわたって光反射率を効果的に低減せしめる良好な凹凸が形成できる。 Therefore, it is particularly preferable to perform gas etching by the RIE (Reactive Ion Etching) method as the formation of unevenness on the surface of the semiconductor substrate. As a result, it is relatively easy to form a good concavo-convex structure uniformly over the entire substrate, approximately one order of magnitude smaller than the concavo-convex obtained by the wet etching method, and the concavo-convex pitch length and concavo-convex height are independent. Can be controlled. In addition, the crystal plane orientation in the substrate plane that occurs when the silicon substrate is a polycrystalline silicon substrate by a cast method or the like suppresses random variations for each crystal grain, and effectively reduces the light reflectivity over the entire substrate Unevenness can be formed.
RIE法によるガスエッチング法を用いる場合、反応ガスとしては、例えば、塩素ガス(Cl2)、酸素ガス(O2)、及び六フッ化硫黄ガス(SF6)、三フッ化メタンガス(CHF3)、H2Oガスなどがあげられる。例えば、塩素ガス(Cl2)、酸素ガス(O2)、及び六フッ化硫黄ガス(SF6)を、1:5:5程度の体積割合となるようにエッチング室に導入すればよい。また、RIEによるガスエッチングにおける条件として、反応ガス圧力は7Pa程度、プラズマをかけるRFパワー密度は5kW/m2程度であればよい。 When the gas etching method by the RIE method is used, examples of the reaction gas include chlorine gas (Cl 2 ), oxygen gas (O 2 ), sulfur hexafluoride gas (SF 6 ), and trifluoromethane gas (CHF 3 ). And H 2 O gas. For example, chlorine gas (Cl 2), oxygen gas (O 2), and sulfur hexafluoride gas (SF 6) may be introduced into the etching chamber so that the volume ratio is about 1: 5: 5. As conditions for gas etching by RIE, the reaction gas pressure may be about 7 Pa, and the RF power density for applying plasma may be about 5 kW / m 2 .
そして、ガス流量を制御することで、とくに、凹凸の高さ(凹凸高低差)を制御することができる。例えば、ガス流量を増大させることによって、凹凸の高さを大きくすることができる。なお、ガス流量はチャンバーサイズに依存するものである。
In particular, by controlling the gas flow rate, the height of the unevenness (the unevenness height difference) can be controlled. For example, the height of the unevenness can be increased by increasing the gas flow rate. The gas flow rate depends on the chamber size.
また、エッチング時間としては、1〜20分が好ましい。そうすることで、とくに、凹凸高さ(凹凸高低差)や凹凸ピッチなどを制御することができる。 The etching time is preferably 1 to 20 minutes. By doing so, it is possible to control the uneven height (uneven height difference), uneven pitch, and the like.
また、その他に、ガス種、ガス濃度(混合比)、ガス圧力、プラズマパワー密度、プラズマ周波数、などのパラメーターを独立に制御することで、凹凸ピッチと凹凸高さとをある程度独立に制御できることも、本発明の低コンタクト抵抗構造実現の制御性を高める方向に供するので好適である。 In addition, by independently controlling parameters such as gas type, gas concentration (mixing ratio), gas pressure, plasma power density, plasma frequency, etc., the uneven pitch and uneven height can be controlled to some extent independently. This is suitable because the controllability for realizing the low contact resistance structure of the present invention is enhanced.
RIE法によるガスエッチングは、上記した各パラメーターを総合的に考慮して、最適条件を探すことができる。また、エッチング時間のみをパラメーターにすると、前記からわかるように、凹凸ピッチと凹凸高さの両方を同時に制御できるので、ある程度の好ましい凹凸形状が得られた場合は、この条件を基準にして、エッチング時間のみをパラメーターにすることで本発明に適した凹凸形状に調整することができる。 In the gas etching by the RIE method, the optimum conditions can be searched in consideration of the above-mentioned parameters comprehensively. Also, if only the etching time is used as a parameter, as can be seen from the above, both the uneven pitch and the uneven height can be controlled at the same time. By using only time as a parameter, it is possible to adjust to an uneven shape suitable for the present invention.
本発明の光電変換素子において、凹凸の高さoは、70nm以上が好ましい。凹凸の高さが70nm未満では、凹凸上に形成される金属粒子の厚み粒径が小さくなる傾向がある。ここで、前記凹凸の高さoとは、半導体の基板主面に対して垂直方向における、隣接する凸部の頂点と凹部の底点との間の高低差のうち最大のものをいう。具体的に図2に示す。 In the photoelectric conversion element of the present invention, the unevenness height o is preferably 70 nm or more. If the height of the unevenness is less than 70 nm, the thickness particle size of the metal particles formed on the unevenness tends to be small. Here, the height o of the unevenness means the maximum height difference between the apex of the adjacent convex portion and the bottom point of the concave portion in the direction perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate. Specifically, it is shown in FIG.
また、凹凸のピッチの長さpは、500nm以上が好ましい。凹凸のピッチの長さpが500nm未満では、凹凸上に形成される金属粒子の長さ粒径が小さくなる傾向がある。ここで、前記凹凸ピッチの長さpとは、半導体の基板主面と平行な方向における、隣接する凸部の頂点間における長さのうち最大のものをいう。具体的には図2に示す。 Further, the length p of the uneven pitch is preferably 500 nm or more. If the length p of the uneven pitch is less than 500 nm, the length of the metal particles formed on the unevenness tends to be small. Here, the length p of the concavo-convex pitch refers to the maximum length among the lengths between vertices of adjacent convex portions in a direction parallel to the semiconductor substrate main surface. Specifically, it is shown in FIG.
<金属電極>
本発明の態様(1)〜(4)の光電変換素子において、金属電極は、前記半導体基板表面の凹凸上に形成される。
<Metal electrode>
In the photoelectric conversion elements according to aspects (1) to (4) of the present invention, the metal electrode is formed on the irregularities on the surface of the semiconductor substrate.
金属電極としては、銀電極、アルミニウム電極などがあげられるが、金属粒子を形成させやすく(例えば、焼成時に昇温したのち降温させて金属粒子を形成する場合、金属粒子を析出させやすい)また、電力ロスをできるだけ低減することが可能であることから、銀電極であることが好ましい。 Examples of the metal electrode include a silver electrode and an aluminum electrode, but it is easy to form metal particles (for example, when forming metal particles by raising the temperature after firing and then forming metal particles), Since it is possible to reduce power loss as much as possible, a silver electrode is preferable.
金属電極の作製法としては、印刷焼成法、真空製膜法などがあげられる。真空成膜法としては、スパッタ法、蒸着法などがあげられる。なかでも、ファイヤースルー法によって、反射防止膜(図12における116)をパターニングすることなく、表面電極(図16における111)となる金属ペーストを反射防止膜(図16における116)上に直接印刷して焼成処理することで、表面電極(図16における111)と逆導電型領域(図16における114)との間の電気的コンタクトをとることができ、さらに、製造コスト低減を達成することができることから、印刷焼成法が好ましい。さらに、RIE法とともに使用することで、本発明において好適なガラス層を作成し、さらに、凹凸上に金属粒子を形成させる場合において、ガラス層の厚さおよび金属粒子の大きさが制御しやすく、コンタクト抵抗を精度よく低い値に制御できることから、印刷焼成法のなかでも、急速熱処理(Rapid Thermal Processing/RTP処理)による焼成が好ましい。 Examples of the method for producing the metal electrode include a printing firing method and a vacuum film forming method. Examples of the vacuum film forming method include a sputtering method and a vapor deposition method. In particular, the metal paste that becomes the surface electrode (111 in FIG. 16) is directly printed on the antireflection film (116 in FIG. 16) without patterning the antireflection film (116 in FIG. 12) by the fire-through method. By performing the baking process, electrical contact can be made between the surface electrode (111 in FIG. 16) and the reverse conductivity type region (114 in FIG. 16), and a reduction in manufacturing cost can be achieved. Therefore, the printing and baking method is preferable. Furthermore, when used together with the RIE method, a glass layer suitable for the present invention is created, and when forming metal particles on the unevenness, the thickness of the glass layer and the size of the metal particles can be easily controlled, Since the contact resistance can be accurately controlled to a low value, firing by rapid thermal processing (RTP treatment) is preferable among the printing firing methods.
ここで、RTP処理とは、キセノンランプ、クリプトンランプ等の発光波長が紫外領域のランプや、ハロゲンランプ等の発光波長が近赤外領域(IR領域)にあるランプを用いることによる印刷焼成法をいう。 Here, the RTP treatment is a printing and firing method using a lamp having an emission wavelength in the ultraviolet region such as a xenon lamp or a krypton lamp, or a lamp having an emission wavelength in the near infrared region (IR region) such as a halogen lamp. Say.
従来よりも昇温速度および降温速度が大きく、好適にガラス層や金属粒子の制御をおこなうことが可能である。この焼成法によれば、高速焼成が可能であるため、必要以上のガラス層厚の増大を効果的に抑制することができる。また、高速焼成においては、ガラス層が均一に形成されやすいため、比較的少ないガラス量であっても連続した状態でシリコン面全面を覆うように形成することができる。 It is possible to control the glass layer and the metal particles suitably because the temperature rising rate and the temperature falling rate are higher than those in the past. According to this baking method, since high-speed baking is possible, an increase in the glass layer thickness more than necessary can be effectively suppressed. In high-speed firing, since the glass layer is easily formed uniformly, it can be formed so as to cover the entire silicon surface in a continuous state even with a relatively small amount of glass.
印刷焼成法における焼成温度は、600〜800℃とすることが好ましい。焼成温度が600℃未満では、焼成不足による電極強度の低下や凹凸上に金属粒子が形成しにくい傾向があり、また、800℃をこえると、過熱のためpn接合領域が破壊される傾向がある。 The firing temperature in the printing firing method is preferably 600 to 800 ° C. If the firing temperature is less than 600 ° C., the electrode strength tends to decrease due to insufficient firing or metal particles tend not to form on the irregularities. If the firing temperature exceeds 800 ° C., the pn junction region tends to be destroyed due to overheating. .
印刷焼成法における昇温速度は30℃/秒以上が好ましい。昇温速度が30℃/秒未満では、凹凸上に金属粒子が形成しにくい傾向がある。 The heating rate in the printing and firing method is preferably 30 ° C./second or more. When the rate of temperature increase is less than 30 ° C./second, metal particles tend to be difficult to form on the unevenness.
印刷焼成法における降温速度は30℃/秒以上が好ましい。降温速度が30℃/秒未満では、凹凸上に金属粒子が形成しにくい傾向がある。 The cooling rate in the printing and firing method is preferably 30 ° C./second or more. When the temperature lowering rate is less than 30 ° C./second, metal particles tend not to be easily formed on the unevenness.
なお、上記昇温速度および降温速度は、半導体基板に熱電対を取り付けて温度プロファイル(温度−時間)をとり、ピーク温度前後の温度プロファイルの傾きから算出される。 The temperature increase rate and the temperature decrease rate are calculated from the temperature profile gradient before and after the peak temperature by attaching a thermocouple to the semiconductor substrate and taking a temperature profile (temperature-time).
金属電極が印刷焼成法により作製される場合、電極と半導体領域との接着強度をとくに高めることが可能であることから、金属電極の作製に用いられる金属ペーストはTiO2などの酸化物成分を含むことが好ましい。 When the metal electrode is produced by a printing and firing method, the adhesive strength between the electrode and the semiconductor region can be particularly increased, so that the metal paste used for producing the metal electrode contains an oxide component such as TiO 2. It is preferable.
また、金属電極が真空製膜法により作製される場合も、電極と半導体領域との接着強度をとくに高めることが可能であることから、電極と半導体領域との界面において、Tiを主成分とする金属層を挿入することが好ましい。なお、裏側電極の場合は、該金属層の挿入による反射率の低減の抑制をするために、該金属層の厚さは5nm以下が好ましい。 In addition, even when the metal electrode is manufactured by a vacuum film forming method, it is possible to particularly increase the adhesive strength between the electrode and the semiconductor region, so that Ti is the main component at the interface between the electrode and the semiconductor region. It is preferable to insert a metal layer. In the case of the back side electrode, the thickness of the metal layer is preferably 5 nm or less in order to suppress the reduction in reflectance due to the insertion of the metal layer.
本発明において、金属電極としては、具体的に、表面電極(図12における111)、裏面集電極(図12における118)、裏面出力電極(図12における119)などがあげられる。 In the present invention, specific examples of the metal electrode include a front electrode (111 in FIG. 12), a back collector (118 in FIG. 12), a back output electrode (119 in FIG. 12), and the like.
表面電極111と裏面出力電極119とは、それらの作製において、同時に(1回で)焼成することがコスト的には望ましいが、特に裏面電極の電極強度特性の関係上、2回に分けて焼成した方が良い場合もある(例えば、先に表面電極111を印刷焼成し、次いで裏面出力電極119を印刷焼成する、など)。
It is desirable in terms of cost that the
また、表面電極111と裏面出力電極119とは、前記p+型領域117(BSF領域)形成時に同時に形成することがコスト的にはさらに望ましい。
Further, it is more desirable in terms of cost to form the
表面電極は、図13に示すように、一般的には線幅の狭いフィンガー電極111b(枝電極)と、それらフィンガー電極の少なくとも一端が接続される線幅が太いバスバー電極111a(幹電極)とからなることが好ましい。なお、表面電極111の形成は、裏面側のp+型領域の形成に先立っておこなわれてもかまわない。
As shown in FIG. 13, the surface electrode generally includes a
また、裏面集電極118と裏面出力電極119とが重なる領域は基板割れや電極剥離が生じやすいので、出力取出用の裏面出力電極119を形成した後、裏面集電極118は、裏面出力電極119をできるだけ覆わないように導通が取れる程度の状態で形成するのが望ましい。この裏面出力電極119と裏面集電極118を形成する順番はこの逆でも良い。また、裏側電極においては前記構造をとらず、表面電極111と同様の銀を主成分とするバスバー部とフィンガー部で構成された構造としても良い。
Further, since the region where the back
裏面集電極118としては、銀電極、アルミニウム電極などであってもよいが、とくにアルミニウム電極とすることが好ましい。
The
裏面集電極は、裏面に到達した長波長の反射率を高めることが可能であるため、基板の裏面全面に形成されることが好ましい。 The back collector electrode is preferably formed on the entire back surface of the substrate because it can increase the reflectance of the long wavelength reaching the back surface.
裏面出力電極119は、裏面集電極118から電流を集めるために設けられることが好ましい。裏面集電極としては、銀電極、アルミニウム電極などであってもよいが、とくに、銀電極とすることが好ましい。
The
<ガラス層>
本発明の態様(1)〜(4)における光電変換素子において、半導体基板表面と金属電極との界面の少なくとも一部には、ガラス層が存在する(図1参照)。ガラス層とは、半導体基板表面と金属電極との界面において、一様に層を形成していることをいうが、界面において一部だけ存在していてもかまわない。
<Glass layer>
In the photoelectric conversion elements according to aspects (1) to (4) of the present invention, a glass layer is present at least at a part of the interface between the semiconductor substrate surface and the metal electrode (see FIG. 1). The glass layer means that a layer is uniformly formed at the interface between the surface of the semiconductor substrate and the metal electrode, but may be present only partially at the interface.
前記ガラス層は、金属電極の作製に使用される金属ペースト中のガラス成分(ガラスフリット)などから構成され、金属電極の焼成において半導体基板表面と金属電極との界面に形成される。また、その他に、ガラス層には、反射防止膜がガラス成分と反応した結果得られた生成物も含まれる。 The glass layer is composed of a glass component (glass frit) or the like in a metal paste used for producing a metal electrode, and is formed at the interface between the surface of the semiconductor substrate and the metal electrode in firing the metal electrode. In addition, the glass layer includes a product obtained as a result of the antireflection film reacting with the glass component.
表面電極111などの金属電極形成にあたって、主に表面電極と半導体基板との界面に形成されるガラスフリット起源のガラス層の厚さを制御することが、本発明の低コンタクト抵抗構造を得るためには重要である。すなわち、ガラス層の厚さを必要以上に厚くするとコンタクト抵抗が急激に上昇してしまい特性低下を招く。一方で、ガラス層の形成が不充分でガラス層が連続した状態でシリコン面全面を覆うように形成されない場合などは、電極強度の低下をもたらし信頼性の低下を招く。
In forming the metal electrode such as the
金属ペーストは、金属粉末、ガラスフリット、有機ビヒクル、酸化物から構成されることが好ましい。また、金属ペースト中のガラスフリットの組成の元素としては、Si、O、Pbなどの元素があげられる。 The metal paste is preferably composed of metal powder, glass frit, organic vehicle, and oxide. Further, examples of the element of the glass frit composition in the metal paste include elements such as Si, O, and Pb.
前記金属ペーストにおけるガラスフリットの含有量は、金属ペースト中の金属粉末100重量部に対して、0.1〜5重量部が好ましい。ガラスフリットの含有量が0.1重量部未満では、電極強度の低下をもたらし信頼性の低下を招く傾向がある。また、ガラスフリットの含有量が5重量部をこえると、コンタクト抵抗が大きくなり特性の低下を招く傾向がある。 The glass frit content in the metal paste is preferably 0.1 to 5 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the metal powder in the metal paste. If the glass frit content is less than 0.1 parts by weight, the electrode strength tends to be lowered, and the reliability tends to be lowered. On the other hand, if the glass frit content exceeds 5 parts by weight, the contact resistance tends to increase and the characteristics tend to deteriorate.
金属ペーストにおいて、有機ビヒクルの含有量は、金属粉末100重量部に対して、10〜30重量部が好ましい。 In the metal paste, the content of the organic vehicle is preferably 10 to 30 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the metal powder.
本発明の光電変換素子において、ガラス層の厚さtは、とくに低いコンタクト抵抗を得ることが可能であることから、150〜400nmが好ましい。ガラス層の厚さtが150nm未満では、ガラス層形成が不十分であり、ガラス層が連続した状態で半導体前面を覆うように形成されないため、電極強度の低下をもたらす傾向がある。また、ガラス層の厚さtが400nmをこえると、コンタクト抵抗が急激に上昇してしまい、特性低下をまねく傾向がある。ここで、ガラス層の厚さtとは、半導体の基板主面に対して垂直方向におけるガラス層の長さのうち最大のものをいう。具体的には図2に示す。 In the photoelectric conversion element of the present invention, the thickness t of the glass layer is preferably 150 to 400 nm because particularly low contact resistance can be obtained. If the thickness t of the glass layer is less than 150 nm, the formation of the glass layer is insufficient, and the glass layer is not formed so as to cover the front surface of the semiconductor in a continuous state, which tends to cause a decrease in electrode strength. Further, when the thickness t of the glass layer exceeds 400 nm, the contact resistance increases rapidly, and there is a tendency for the characteristics to deteriorate. Here, the thickness t of the glass layer refers to the maximum length of the glass layer in the direction perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate. Specifically, it is shown in FIG.
ガラス層の厚さの制御は、前記凹凸構造との関係で決まるが、前記したように必要以上にガラス層の厚さを増大させないことが第一に重要であり、とくに、前記したRTP処理による焼成により、比較的容易に実現できる。この焼成法によれば、高速焼成が可能であるため、必要以上のガラス層厚の増大を効果的に抑制することができる。また、高速焼成においては、ガラス層が均一に形成されやすいため、比較的少ないガラス量であっても連続した状態でシリコン面全面を覆うように形成することができる。 The control of the thickness of the glass layer is determined by the relationship with the concavo-convex structure, but as described above, it is first important not to increase the thickness of the glass layer more than necessary. It can be realized relatively easily by firing. According to this baking method, since high-speed baking is possible, an increase in the glass layer thickness more than necessary can be effectively suppressed. In high-speed firing, since the glass layer is easily formed uniformly, it can be formed so as to cover the entire silicon surface in a continuous state even with a relatively small amount of glass.
ガラス層が微結晶質層から構成されることが好ましい。そうすることにより、コンタクト抵抗の上昇による光電変換素子の特性低下を抑制することができる。 The glass layer is preferably composed of a microcrystalline layer. By doing so, it is possible to suppress deterioration in characteristics of the photoelectric conversion element due to increase in contact resistance.
ガラス層の非晶質化を防止して微結晶質とするために、例えば、結晶化を促進するPbO−ZnO−B2O3系のガラス成分や、PbO−TiO2系のガラス成分、あるいは、金属(金、銀、銅、など)、酸化物(ジルコニアZrO2、チタニアTiO2、アルミナAl2O3、酸化リチウムLi2O、リン酸P2O5、など)、フッ化物などを添加物として、適量金属ペースト中に加えたり、焼成プロセスにおける降温速度(冷却速度)を低めたりすればよい。場合によっては追加アニールを加えることによって結晶化を促進することもできる。 In order to prevent the glass layer from becoming amorphous and to be microcrystalline, for example, a PbO—ZnO—B 2 O 3 glass component that promotes crystallization, a PbO—TiO 2 glass component, or , Metals (gold, silver, copper, etc.), oxides (zirconia ZrO 2 , titania TiO 2 , alumina Al 2 O 3 , lithium oxide Li 2 O, phosphoric acid P 2 O 5 , etc.), fluoride, etc. are added What is necessary is just to add a suitable quantity in a metal paste as a thing, or to reduce the temperature-fall rate (cooling rate) in a baking process. In some cases, crystallization can be promoted by adding additional annealing.
微結晶質層は、半導体基板に接触して配置され、微結晶質層上に非晶質層が配置されていることが好ましい。そうすることにより、優れたコンタクト抵抗の低減効果が得られる傾向がある。 The microcrystalline layer is preferably disposed in contact with the semiconductor substrate, and an amorphous layer is preferably disposed on the microcrystalline layer . By doing so, there exists a tendency for the outstanding reduction effect of contact resistance to be acquired.
また、ガラス層は、微結晶質層とともに非晶質層を含むことができ、さらにその場合、微結晶質層を半導体側に、および非晶質層が金属電極層に配されることが好ましい。 Further, the glass layer can include an amorphous layer together with the microcrystalline layer, and in that case, the microcrystalline layer is preferably disposed on the semiconductor side, and the amorphous layer is preferably disposed on the metal electrode layer. .
また、微結晶質層の割合が大きいほど、コンタクト抵抗の低減効果が得られる傾向があるため、ガラス層は微結晶質層のみからなることが好ましい。 Further, since the effect of reducing the contact resistance tends to be obtained as the proportion of the microcrystalline layer increases, the glass layer is preferably composed of only the microcrystalline layer.
<金属粒子>
本発明の態様(1)〜(4)の光電変換素子において、金属粒子は、ガラス層中であって前記半導体基板表面に接触して形成される。ここで、金属粒子が半導体基板表面に接触しているとは、金属粒子と該基板表面との間にガラス層などを介さずに、物理的に接触していることをいう。この金属粒子は、RTP処理による焼成工程において、金属電極の作製に使用される金属ペースト中の金属成分が、昇温過程においてガラスフリットなどに溶解し、その後、降温過程において析出して得られたものであると考えられる。
<Metal particles>
In the photoelectric conversion elements of aspects (1) to (4) of the present invention, the metal particles are formed in contact with the surface of the semiconductor substrate in the glass layer. Here, the term “the metal particles are in contact with the surface of the semiconductor substrate” means that the metal particles are in physical contact with the surface of the substrate without using a glass layer or the like. The metal particles were obtained in the firing step by RTP treatment, in which the metal component in the metal paste used for the production of the metal electrode was dissolved in glass frit or the like in the temperature rising process, and then precipitated in the temperature lowering process. It is thought to be a thing.
金属粒子は、前記のようなRTP処理による焼成において、さらに、半導体基板表面の凹凸の影響を大きく受けており、それにより形状や大きさが左右されるものと考えられる。 It is considered that the metal particles are greatly affected by the irregularities on the surface of the semiconductor substrate in the firing by the RTP treatment as described above, and the shape and size thereof are influenced thereby.
本発明の光電変換素子において、前記金属粒子の厚さ粒径mは、150nm以上が好ましい。前記金属粒子の厚さ粒径mが150nm未満では、コンタクト抵抗が高くなる傾向がある。ここで金属粒子の厚さ粒径mとは、半導体の基板主面に対して垂直方向における金属粒子の長さのうち最大のものをいう。具体的には図2に示す。 In the photoelectric conversion element of the present invention, the metal particles preferably have a thickness particle size m of 150 nm or more. When the thickness m of the metal particles is less than 150 nm, the contact resistance tends to increase. Here, the thickness particle diameter m of the metal particles refers to the maximum length of the metal particles in the direction perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate. Specifically, it is shown in FIG.
本発明の光電変換素子において、前記金属粒子の長さ粒径nは、480nm以上が好ましい。前記金属粒子の長さ粒径nが480nm未満では、コンタクト抵抗が高くなる傾向がある。ここで金属粒子の長さ粒径nとは、半導体の基板主面と平行な方向における金属粒子の長さのうち最大のものをいう。具体的には図2に示す。 In the photoelectric conversion element of the present invention, the metal particles preferably have a length particle size n of 480 nm or more. When the length n of the metal particles is less than 480 nm, the contact resistance tends to increase. Here, the length particle size n of the metal particles refers to the maximum length of the metal particles in the direction parallel to the main surface of the semiconductor substrate. Specifically, it is shown in FIG.
態様(1)の光電変換素子において、ガラス層の厚さtと金属粒子の厚さ粒径mとは、関係式m/t≧0.5を満足する。関係式がm/t<0.5では、コンタクト抵抗値が急激に上昇する。なお、m/tは、0.6以上が好ましく、0.7以上がより好ましい。 In the photoelectric conversion element of aspect (1), the thickness t of the glass layer and the thickness particle diameter m of the metal particles satisfy the relational expression m / t ≧ 0.5. When the relational expression is m / t <0.5, the contact resistance value rapidly increases. In addition, m / t is preferably 0.6 or more, and more preferably 0.7 or more.
態様(2)の光電変換素子において、ガラス層の厚さtと金属粒子の長さ粒径nとは、関係式n/t≧1を満足する。関係式がn/t<1では、コンタクト抵抗値が急激に上昇する。なお、n/tは2以上が好ましい。 In the photoelectric conversion element of aspect (2), the thickness t of the glass layer and the length particle size n of the metal particles satisfy the relational expression n / t ≧ 1. When the relational expression is n / t <1, the contact resistance value increases rapidly. In addition, n / t is preferably 2 or more.
態様(3)の光電変換素子において、ガラス層の厚さtと凹凸の高さoとは、関係式o/t≧0.25を満足する。関係式がo/t<0.25では、コンタクト抵抗値が急激に上昇する。なお、o/tは0.5以上が、好ましい。 In the photoelectric conversion element of the aspect (3), the thickness t of the glass layer and the height o of the unevenness satisfy the relational expression o / t ≧ 0.25. When the relational expression is o / t <0.25, the contact resistance value rapidly increases. In addition, o / t is preferably 0.5 or more.
態様(4)の光電変換素子において、ガラス層の厚さtと凹凸のピッチの長さpとは、関係式p/t≧1.5を満足する。関係式がp/t<1.5では、コンタクト抵抗値が急激に上昇する。なお、p/tは2以上が、好ましい。 In the photoelectric conversion element of the aspect (4), the thickness t of the glass layer and the length p of the uneven pitch satisfy the relational expression p / t ≧ 1.5. When the relational expression is p / t <1.5, the contact resistance value rapidly increases. Note that p / t is preferably 2 or more.
本発明の態様(1)〜(4)における光電変換素子は、好ましくは0.05Ω・cm2以下、さらに好ましくは0.03Ω・cm2以下のコンタクト抵抗にまで抑制することができる。 The photoelectric conversion element in embodiment (1) to (4) of the present invention is preferably 0.05? · Cm 2 or less, more preferably it is possible to suppress to a contact resistance of 0.03Ω · cm 2 or less.
このように、金属粒子や半導体基板の凹凸が、ガラス層に対して大きいほど、金属電極と半導体との導通確率が増大して、コンタクト抵抗が低減されるものと考える。この場合、具体的な導通経路としては、[金属電極−金属粒子−半導体]、あるいは、[金属電極−ガラス層−金属粒子−半導体]がありうると考えられる。後者においては、ガラス層が薄いほど低抵抗となると考えられるが、非常に薄いガラス層であればトンネル現象の発現によって非常に効果的に低抵抗化が実現されている可能性がある。 Thus, it is considered that the larger the unevenness of the metal particles and the semiconductor substrate with respect to the glass layer, the greater the probability of conduction between the metal electrode and the semiconductor and the lower the contact resistance. In this case, it is considered that the specific conduction path may be [metal electrode-metal particle-semiconductor] or [metal electrode-glass layer-metal particle-semiconductor]. In the latter case, it is considered that the thinner the glass layer, the lower the resistance. However, if the glass layer is very thin, there is a possibility that the resistance is very effectively reduced by the occurrence of a tunnel phenomenon.
<<光電変換素子及び光電変換モジュールの作製工程>>
以下に本発明の光電変換素子及び光電変換モジュールの作製工程について順次説明する。
<< Production Process of Photoelectric Conversion Element and Photoelectric Conversion Module >>
The production steps of the photoelectric conversion element and the photoelectric conversion module of the present invention will be sequentially described below.
本発明における半導体基板とは、p型(あるいはn型)バルク領域、逆導電型領域およびp+型(あるいはn+型)領域からなる領域をいう。なお、以下はp型シリコン基板を用いた光電変換装置について記載するが(図12における113参照)、n型シリコン基板を用いた場合にも、説明中の極性を逆にすれば、同様の工程によって適用することができる。 The semiconductor substrate in the present invention refers to a region composed of a p-type (or n-type) bulk region, a reverse conductivity type region, and a p + type (or n + type) region. In the following, a photoelectric conversion device using a p-type silicon substrate will be described (see 113 in FIG. 12). However, when an n-type silicon substrate is used, the same process can be performed by reversing the polarity in the description. Can be applied by.
p型シリコン基板としては、多結晶シリコン基板、単結晶シリコン基板などがあげられる。 Examples of the p-type silicon substrate include a polycrystalline silicon substrate and a single crystal silicon substrate.
p型多結晶シリコン基板は、鋳造法により得られたシリコンインゴットをスライス工程において板状に切り出すことで得られる。ここで、鋳造法としては、キャスト法、鋳型内溶解・凝固法などの既知のものがあげられる。p型ドーピング元素としては、B(ボロン)やGa(ガリウム)を用い、1×1016〜1×1017atom/cm3の範囲内でドープする。具体的には、BやGaが所定の値で高濃度に含まれた結晶Si塊を適量、鋳造工程中のシリコン融液中に投入すればよい。また、スライス工程においては、基板厚を300μm以下とすることが好ましく、250μm以下とすることがより好ましく、150μm以下とすることがさらに好ましい。 The p-type polycrystalline silicon substrate is obtained by cutting a silicon ingot obtained by a casting method into a plate shape in a slicing step. Here, examples of the casting method include known methods such as a casting method and in-mold dissolution / solidification method. As the p-type doping element, B (boron) or Ga (gallium) is used, and the doping is performed within the range of 1 × 10 16 to 1 × 10 17 atoms / cm 3 . Specifically, an appropriate amount of a crystalline Si lump containing B or Ga at a high concentration with a predetermined value may be introduced into the silicon melt during the casting process. In the slicing step, the substrate thickness is preferably 300 μm or less, more preferably 250 μm or less, and even more preferably 150 μm or less.
また、単結晶シリコン基板を用いる場合は、CZ法やFZ法等の既知の手法で形成されたシリコンインゴットを同じくスライスすることで所望の基板を得ることができ、同様のセル化プロセスで素子化することができる。 If a single crystal silicon substrate is used, a desired substrate can be obtained by slicing a silicon ingot formed by a known method such as the CZ method or the FZ method. can do.
なお、リボン法などの引き上げ法で得られた板状シリコンを用いる場合は、この板状シリコンを所定の大きさにカットし、必要に応じて表面研磨処理等を施すことで所望の基板を得ることができる。 In addition, when using plate-like silicon obtained by a pulling-up method such as a ribbon method, a desired substrate is obtained by cutting the plate-like silicon into a predetermined size and performing surface polishing treatment or the like as necessary. be able to.
なおまた、所定の基板上に形成された微結晶シリコン膜に代表される結晶質シリコン薄膜を用いる場合にも、本発明を適用することができる
すなわち、所定の基板上に形成された微結晶シリコン膜に代表される結晶質シリコン膜を用いる場合は、熱CVD法、プラズマCVD法、Cat-CVD法、Cat-PECVD法、等の製膜技術を用いて異種基板上に結晶質シリコン膜を形成することができる。ここで所定の基板とは、シリコン基板、金属基板、ガラス基板などを主体とするもので、これに所定の加工が施されている場合を含む。この場合の所定の加工とは、シリコン基板の場合は、エッチング、熱拡散、成膜、電極形成、などといった加工を含み、金属基板の場合は、エッチング、成膜、電極形成、などといった加工を含み、ガラス基板の場合は、エッチング、成膜、電極形成、などといった加工を含む。
The present invention can also be applied to the case where a crystalline silicon thin film typified by a microcrystalline silicon film formed on a predetermined substrate is used, that is, microcrystalline silicon formed on a predetermined substrate. When a crystalline silicon film typified by a film is used, a crystalline silicon film is formed on a dissimilar substrate using a film forming technique such as thermal CVD, plasma CVD, Cat-CVD, or Cat-PECVD. can do. Here, the predetermined substrate mainly includes a silicon substrate, a metal substrate, a glass substrate, and the like, and includes a case where predetermined processing is performed on the substrate. The predetermined processing in this case includes processing such as etching, thermal diffusion, film formation, and electrode formation in the case of a silicon substrate, and processing such as etching, film formation, electrode formation, and the like in the case of a metal substrate. In the case of a glass substrate, processing such as etching, film formation, electrode formation, and the like is included.
次に、基板のスライスにともなう基板表層部の機械的ダメージ層や汚染層を除去するために、この基板の表面側及び裏面側の表層部をNaOHやKOH、あるいはフッ酸と硝酸の混合液などでそれぞれ10〜20μm程度エッチングし、その後、純水などで洗浄することが好ましい。 Next, in order to remove the mechanical damage layer and the contamination layer on the surface layer portion of the substrate due to the slicing of the substrate, the surface layer portion on the front surface side and the back surface side of this substrate is made of NaOH, KOH, or a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid It is preferable to etch with about 10 to 20 μm and then wash with pure water or the like.
次に前述した凹凸形成方法を用いて、光入射面となる基板表面側に、光反射率低減機能を有する凹凸(粗面)構造を形成する。 Next, using the above-described unevenness forming method, an unevenness (rough surface) structure having a light reflectivity reduction function is formed on the substrate surface side serving as a light incident surface.
逆導電型領域としては、p型バルク領域の光入射面側に設置されており、P(リン)原子などが高濃度に拡散されてn型となることで、p型バルク領域との間にpn接合部を形成するものである。ここで、pn接合部は、p型バルク領域115側に広がった空乏領域と逆導電型領域114側に広がった空乏領域から構成される。
The reverse conductivity type region is disposed on the light incident surface side of the p-type bulk region, and P (phosphorus) atoms and the like are diffused at a high concentration to become n-type, so that it is between the p-type bulk region. A pn junction is formed. Here, the pn junction is composed of a depletion region extending to the p-
逆導電型領域の形成におけるn型化ドーピング元素としては、とくにP(リン)を用いることが好ましい。 P (phosphorus) is particularly preferably used as the n-type doping element in the formation of the reverse conductivity type region.
ドーピング濃度は1×1018〜5×1021atom/cm3が好ましい。 The doping concentration is preferably 1 × 10 18 to 5 × 10 21 atoms / cm 3 .
また、シート抵抗は30〜300Ω/□が好ましく、45〜120Ω/□がより好ましく、65〜100Ω/□がさらに好ましい。 The sheet resistance is preferably 30 to 300Ω / □, more preferably 45 to 120Ω / □, and still more preferably 65 to 100Ω / □.
逆導電型領域は、ガス状態にしたPOCl3(オキシ塩化リン)を拡散源とした熱拡散法を用いて、温度700〜1000℃程度でp型バルク領域の表層部にドーピング元素(P)を拡散させることによって形成されることが好ましい。このとき、拡散層厚は0.2〜0.5μm程度とするが、これは拡散温度と拡散時間を調節することで、所望のドーププロファイルを形成することで実現できる。 The reverse conductivity type region is formed by applying a doping element (P) to the surface layer portion of the p-type bulk region at a temperature of about 700 to 1000 ° C. using a thermal diffusion method using POCl 3 (phosphorus oxychloride) in a gas state as a diffusion source. It is preferably formed by diffusing. At this time, the thickness of the diffusion layer is set to about 0.2 to 0.5 μm, and this can be realized by forming a desired dope profile by adjusting the diffusion temperature and the diffusion time.
なお、上述の通常のガス拡散源を用いた熱拡散法では、目的とする面とは反対側の面にも拡散領域が形成されるが、その部分は後からエッチングして除去すればよい。このとき、この基板の表面側以外の逆導電型領域114の除去は、シリコン基板の表面側にレジスト膜を塗布し、フッ酸と硝酸の混合液を用いてエッチング除去した後、レジスト膜を除去することにより行う。また、後述するように、裏面のp+型領域117(BSF領域)をアルミニウムペーストによって形成する場合は、p型ドープ剤であるアルミニウムを充分な濃度で充分な深さまで拡散させることができるので、既に拡散してあった浅いn型拡散層の影響は無視できるようにすることができ、この裏面側に形成されたn型拡散層を特に除去する必要はない。
In the above thermal diffusion method using a normal gas diffusion source, a diffusion region is also formed on the surface opposite to the target surface, but this portion may be etched away later. At this time, the reverse
また、逆導電型領域114の形成方法は上記した熱拡散法に限定されるものではなく、例えば、薄膜技術及び条件を用いて、水素化アモルファスシリコン膜や、微結晶シリコン膜を含む結晶質シリコン膜などを基板温度400℃程度以下で形成してもよい。
Further, the method of forming the reverse
薄膜技術を用いて形成する場合は、以下に述べる各工程の温度を考慮して後段工程ほど低い工程温度となるようにその形成順序を決めることが必要である。 In the case of forming using thin film technology, it is necessary to determine the order of formation so that the temperature of each subsequent process is lower so that the process temperature is lower in the subsequent process.
逆導電型領域が、水素化アモルファスシリコン膜を用いることにより形成される場合、水素化アモルファスシリコン膜の厚さは、50nm以下が好ましく、20nm以下がより好ましい。 When the reverse conductivity type region is formed by using a hydrogenated amorphous silicon film, the thickness of the hydrogenated amorphous silicon film is preferably 50 nm or less, and more preferably 20 nm or less.
また、逆導電型領域が、結晶質シリコン膜を用いることにより形成される場合、結晶質シリコン膜の厚さは、500nm以下が好ましく、200nm以下がより好ましい。 When the reverse conductivity type region is formed by using a crystalline silicon film, the thickness of the crystalline silicon film is preferably 500 nm or less, and more preferably 200 nm or less.
逆導電型領域114を前記薄膜技術で形成するときは、p型バルク領域115と逆導電型領域114との間にi型シリコン領域(不図示)を厚さ20nm以下で形成すると特性向上に有効である。
When forming the reverse
p+型領域は、光入射面の反対側に設けられており、アルミニウムなどのp型ドーピング元素を多量に含んでいることが好ましい。このp+型領域(図12における117)はBSF(Back Surface Field)領域とも呼ばれ、光生成電子キャリアが裏面集電極(図12における118)に到達して再結合損失する割合を低減する役割を果たすものであり、光電流密度Jscを向上させることができる。また、このp+型領域では、少数キャリア(電子)密度が低減されるので、このp+型領域117及び裏面集電極118に接する領域でのダイオード電流量(暗電流量)が低減され、開放電圧Vocを向上させることができる。
The p + type region is provided on the opposite side of the light incident surface, and preferably contains a large amount of a p type doping element such as aluminum. This p + -type region (117 in FIG. 12) is also called a BSF (Back Surface Field) region, and plays a role in reducing the rate of recombination loss when photogenerated electron carriers reach the back collector electrode (118 in FIG. 12). The photocurrent density Jsc can be improved. Further, since the minority carrier (electron) density is reduced in this p + type region, the amount of diode current (dark current amount) in the region in contact with the p +
p+型領域の作製には、金属ペーストが好適に使用される。 For the production of the p + -type region, a metal paste is preferably used.
金属ペーストは、アルミニウム粉末、有機ビヒクル、望ましくはガラスフリットから構成されることが好ましい。 The metal paste is preferably composed of aluminum powder, an organic vehicle, desirably glass frit.
金属ペーストにおいて、ガラスフリットの含有量は、アルミニウム粉末100重量部に対して、0.1〜5重量部が好ましい。 In the metal paste, the glass frit content is preferably 0.1 to 5 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the aluminum powder.
金属ペーストにおいて、有機ビヒクルの含有量は、アルミニウム粉末100重量部に対して、10〜30重量部が好ましい。 In the metal paste, the content of the organic vehicle is preferably 10 to 30 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the aluminum powder.
金属ペーストの印刷工程においては、スクリーン印刷法などが挙げられる。 Examples of the metal paste printing process include screen printing.
前記金属ペーストの焼成温度は、600〜850℃とすることが好ましく、それによって、金属(Al)がシリコン基板中に拡散し、裏面で発生したキャリアが再結合することを防ぐp+型領域(BSF領域)を形成することができる。 The firing temperature of the metal paste is preferably 600 to 850 ° C., thereby preventing the metal (Al) from diffusing into the silicon substrate and preventing the carriers generated on the back surface from recombining (BSF). Region) can be formed.
p+型領域117の金属ドープ濃度は、1×1018atom/cm3〜1×1019atom/cm3程度とする。これによってp型バルク領域115とこのp+型領域117との間にLow−High接合を形成することができる。
The metal doping concentration of the p + -
このとき、このペースト中の金属成分のうち、p+型領域117の形成に使われずこのp+型領域117の上に残存したものは、そのまま裏面集電極118の一部として使うこともでき、この場合は残存成分を塩酸などで特に除去する必要はない。なお、本明細書では、このp+型領域117の上に残存したアルミニウムを主成分とする裏面集電極118が存在するものとして扱うが、除去した場合は代替電極材料を形成すれば良い。この代替電極材料としては、後述する裏面出力電極119となる銀ペーストや銀系の薄膜を使うことが、裏面に到達した長波長光の反射率を高めるために望ましい。なお、p型化ドーピング元素としてはB(ボロン)を用いることもできる。
At this time, the metal component in the paste that is not used for forming the p +
また、印刷焼成法を用いてこのp+型領域117を形成する場合は、既に述べたように、基板表面側の逆導電型領域114形成時に同時に基板裏面側にも形成されているn型の領域を除去する必要もなくすことができる。
When the p + -
さらに、このp+型領域117(裏面側)は、印刷焼成法に代えて、ガスを用いた熱拡散法で形成することも可能である。この場合は、BBr3を拡散源として温度800〜1100℃程度で形成する。このとき、既に形成してある逆導電型領域114(表面側)には酸化膜などの拡散バリアをあらかじめ形成しておく。また、この工程によって反射防止膜116にダメージが生じる場合は、この工程を反射防止膜116形成工程の前に行うことができる。またドーピング元素濃度は、1×1018atom/cm3〜5×1021atom/cm3程度とする。これによってp型バルク領域115とこのp+型領域117との間にLow−High接合を形成することができる。
Further, the p + -type region 117 (back surface side) can be formed by a thermal diffusion method using a gas instead of the printing and baking method. In this case, it is formed at a temperature of about 800 to 1100 ° C. using BBr 3 as a diffusion source. At this time, a diffusion barrier such as an oxide film is formed in advance in the reverse conductivity type region 114 (surface side) already formed. Further, when the
なお、p+型領域117の形成方法は、印刷焼成法やガスを用いた熱拡散法に限定されるものではなく、例えば、薄膜技術を用いて水素化アモルファスシリコン膜や微結晶シリコン相を含む結晶質シリコン膜などを基板温度400℃程度以下で形成しても良い。特にpn接合部を、薄膜技術を用いて形成した場合は、p+型領域117の形成も薄膜技術を用いて行うことが望ましい。このとき膜厚は10〜200nm程度とする。このとき、p+型領域117とp型バルク領域115との間にi型シリコン領域(不図示)を厚さ20nm以下で形成すると特性向上に有効である。ただし、薄膜技術を用いて形成する場合は、以下に述べる各プロセスの温度を考慮して後段プロセスほど低いプロセス温度となるようにその形成順序を決めることが望ましい。
Note that the method for forming the p + -
なお、逆導電型領域114やp+型領域117を、薄膜技術を用いて形成した場合も、表面電極111、裏面集電極118及び裏面出力電極119は、印刷法、スパッタ法、蒸着法、などを用いて形成することができるが、プロセス温度は薄膜層のダメージを考慮して400℃以下にする。
Even when the reverse
本発明の光電変換素子は、さらに、光入射面側の半導体上に反射防止膜を有することが好ましい。 The photoelectric conversion element of the present invention preferably further has an antireflection film on the semiconductor on the light incident surface side.
反射防止膜116の材料としては、SiNx膜(Si3N4ストイキオメトリを中心にして組成比(x)には幅がある)、TiO2膜、SiO2膜、MgO膜、ITO膜、SnO2膜、ZnO膜などを用いることができる。その厚さは、材料によって適宜選択されて、適当な入射光に対して無反射条件を実現できるようにする。ここで、反射防止膜材料の屈折率をnとし、無反射にしたい光の波長をλとすれば、(λ/n)/4=dが反射防止膜116の最適膜厚となる。例えば、一般的に用いられるSiNx膜(n=約2)の場合は、無反射としたい波長を太陽光スペクトル特性を考慮して600nmとするならば、膜厚を75nm程度とすれば良い。
As a material of the
反射防止膜116の製法としては、PECVD法、蒸着法、スパッタ法などを用い、pn接合部を薄膜技術で形成した場合は温度400℃以下でこれを形成する。なお反射防止膜116は、ファイヤースルー法で表面電極111を形成しない場合は、表面電極111を形成するために所定のパターンでパターニングしておく。パターニング法としてはレジストなどマスクに用いたエッチング法(ウェットあるいはドライ)や、反射防止膜116形成時にマスクを予め形成しておき、反射防止膜116形成後にこれを除去する方法を用いることができる。一方、反射防止膜116の上に表面電極111の電極材料を直接塗布し焼き付けることによって表面電極111と逆導電型領域114を電気的に接触させるいわゆるファイヤースルー法を用いる場合は前記パターニングの必要はない。このSiNx膜には、形成の際には表面パッシベーション効果、その後の熱処理の際にはバルクパッシベーション効果があり、反射防止の機能と併せて、太陽電池素子の電気特性を向上させる効果がある。
As a manufacturing method of the
本発明の光電変換素子は、必要に応じて半田ディップ処理により表面電極111及び裏側電極上に半田領域を形成することができる。なお、半田材料を用いない半田レス電極とする場合は半田ディップ処理を省略する。
In the photoelectric conversion element of the present invention, a solder region can be formed on the
次に、図12を用いて、光電変換素子による電流の発生について以下に説明する。 Next, generation of current by the photoelectric conversion element will be described below with reference to FIG.
光電変換素子11の光入射面側である反射防止膜116の側から光が入射すると、半導体領域113において、吸収・光電変換されて電子−正孔対(光生成キャリア)が生成される。この光励起起源の電子キャリアおよび正孔キャリア(光生成キャリア)によって、太陽電池素子11の表側に設けられた略線状の表面電極111と、裏側に設けられた裏側電極118、119との間に光起電力が生じ、発生した光生成キャリアはこれらの電極で集められて、出力端子にまで導かれる。また、光起電力に応じて光電流とは反対方向にダイオード電流(≒暗電流)が流れる。なお、半導体領域113は、逆導電型領域114、p型バルク領域115およびp+型領域117から構成される。
When light is incident from the side of the
本発明の光電変換モジュールは、光電変換素子から構成されることが好ましい。 The photoelectric conversion module of the present invention is preferably composed of a photoelectric conversion element.
光電変換モジュールは、複数の光電変換素子を直列または並列に接続して、発生する電気出力を向上させ、実用的な電気出力を取り出せるものをいう。光電変換モジュールは、光電変換素子1枚では得られなかった十分な電気出力を得ることが可能となる。 The photoelectric conversion module is a module in which a plurality of photoelectric conversion elements are connected in series or in parallel to improve the generated electric output and take out a practical electric output. The photoelectric conversion module can obtain a sufficient electrical output that cannot be obtained with one photoelectric conversion element.
図15および29にて光電変換モジュールを示す。なお、図15は、一般的な太陽電池モジュールの構造を示す断面図であり、図16は、図15の太陽電池モジュールを光入射面側から見た上視図である。 15 and 29 show the photoelectric conversion module. FIG. 15 is a cross-sectional view showing the structure of a general solar cell module, and FIG. 16 is a top view of the solar cell module of FIG. 15 viewed from the light incident surface side.
光電変換モジュールは、図15に示されるように、透明部材142の上に、透明のエチレンビニルアセテート共重合体(EVA)などからなる表側充填材144、配線部材141によって隣接太陽電池素子の表面電極と裏面電極とを交互に接続された複数の光電変換素子11、EVAなどからなる裏側充填材145、および、ポリエチレンテレフタレート(PET)や金属箔をポリフッ化ビニル樹脂(PVF)で挟み込んだ裏面保護材143を順次積層し、さらに、ラミネータ中にて脱気、加熱して押圧することによって一体化することにより作製されることが好ましい。
As shown in FIG. 15, the photoelectric conversion module has a surface electrode of an adjacent solar cell element on a
配線部材141は、通常、厚さが0.1〜0.2mm、幅が約2mmの銅箔の全面を半田材料によって被覆したのち、所定の長さに切断することにより得られることが好ましい。
It is preferable that the
光電変換モジュールとしては、複数の光電変換素子を、直列または並列に電気接続したものがあげられる。 An example of the photoelectric conversion module is one in which a plurality of photoelectric conversion elements are electrically connected in series or in parallel.
光電変換モジュールは、複数の光電変換素子が直列接続されている場合、複数の素子の最初の素子と最後の素子の電極の一端を、出力取出部である端子ボックス147に、出力取出配線146によって接続していることが好ましい。
In the photoelectric conversion module, when a plurality of photoelectric conversion elements are connected in series, one end of the electrodes of the first element and the last element of the plurality of elements is connected to a
光電変換モジュールは、図16に示すように、必要に応じてアルミニウムなどの枠148を周囲にはめ込むことが好ましい。
As shown in FIG. 16, in the photoelectric conversion module, it is preferable to fit a
上述の説明では、シングル接合の場合について説明したが、半導体多層膜からなる薄膜接合層をバルク基板使用接合素子に積層して形成した多接合型であっても、本発明を適用することができる。 In the above description, the case of single junction has been described. However, the present invention can be applied even to a multi-junction type formed by laminating a thin film junction layer made of a semiconductor multilayer film on a junction element using a bulk substrate. .
また、上述の説明では、バルク型シリコン太陽電池を例にとったが、発明の原理・目的を逸脱しない限り任意の形態とすることができる。すなわち、光入射面を有する結晶シリコンを構成要素にもつpn接合部を備えた光電変換素子であって、前記光入射面への光照射によって前記半導体領域で生じた光生成キャリアを電流として集める太陽電池以外の光センサーなどの光電変換素子一般に適用できる。 In the above description, the bulk type silicon solar cell is taken as an example, but any form can be adopted without departing from the principle and purpose of the invention. That is, a photoelectric conversion element having a pn junction having a crystalline silicon having a light incident surface as a component, and collecting the photogenerated carriers generated in the semiconductor region by light irradiation on the light incident surface as a current Applicable to general photoelectric conversion elements such as photosensors other than batteries.
また、ガラス層中に前記半導体基板表面に接触せずに存在する金属粒子を含んでいても構わない。このように、ガラス層内に金属粒子を含むことで、導通経路として[金属電極−ガラス層−金属粒子−ガラス層−金属粒子−半導体]となるため、効果的に低抵抗化が実現されている可能性がある。 Further, the glass layer may contain metal particles that exist without contacting the surface of the semiconductor substrate. In this way, by including metal particles in the glass layer, it becomes [metal electrode-glass layer-metal particle-glass layer-metal particle-semiconductor] as a conduction path, so that low resistance is effectively realized. There is a possibility.
実施例にもとづいて本発明を詳細に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in detail based on examples, but the present invention is not limited to the examples.
以下に示す作製法により、素子を作製した。 A device was manufactured by the following manufacturing method.
多結晶シリコン基板は、キャスト法によって鋳造された多結晶シリコンインゴットをスライスすることで得られた基板を用いた。このとき、ドーパントはB(ボロン)とし、比抵抗値は約2Ωcmとした。基板厚は250μmとした。 As the polycrystalline silicon substrate, a substrate obtained by slicing a polycrystalline silicon ingot cast by a casting method was used. At this time, the dopant was B (boron) and the specific resistance value was about 2 Ωcm. The substrate thickness was 250 μm.
次に素子化にあたっては、前記した最適の実施形態で説明した内容に沿って素子作製を行ったが、本発明に関わる多結晶シリコン基板の表面凹凸形成、及び表電極形成においては、以下のような条件で実施した。 Next, in making the device, the device was manufactured in accordance with the contents described in the above-described optimum embodiment. In the formation of the surface irregularities and the surface electrode of the polycrystalline silicon substrate according to the present invention, the following is performed. Was carried out under various conditions.
まず、表面凹凸形成は、RIE法を用いて行い、予め条件出しした適当なエッチング条件を基準にして、主にエッチング時間とガス流量をパラメーターにし、表1及び表2に示す各実験条件に対応する凹凸形状を形成した。RIE条件としては、塩素ガス(Cl2)、酸素ガス(O2)、及び六フッ化硫黄ガス(SF6)を、体積割合として1:5:5程度の混合割合となるようにエッチング室に導入し、反応ガス圧力を7Pa程度、プラズマをかけるRFパワー密度を5kW/m2程度として、5分間程度エッチング処理を行った。 First, surface irregularities are formed using the RIE method, and based on the appropriate etching conditions determined in advance, the etching time and the gas flow rate are mainly used as parameters, and each experimental condition shown in Table 1 and Table 2 is supported. An uneven shape was formed. As RIE conditions, chlorine gas (Cl 2 ), oxygen gas (O 2 ), and sulfur hexafluoride gas (SF 6 ) are mixed in the etching chamber so that the volume ratio is about 1: 5: 5. Then, the etching process was performed for about 5 minutes by setting the reactive gas pressure to about 7 Pa and the RF power density for applying plasma to about 5 kW / m 2 .
また、表面凹凸形成後、POCl3を拡散源とした熱拡散法により逆導電型領域114を形成した。
Further, after the surface irregularities were formed, the reverse
次に、表面電極形成は、Agペーストを印刷・焼成する方法で形成した。このとき、Agペーストは全実験条件で同一の材料を用い、印刷条件も同一とした(Agペースト中において、Ag100重量部に対するガラスフリットの含有量2重量部、Ag100重量部に対する有機ビヒクルの含有量20重量部)。RTP処理は、IR(近赤外)ランプを用いたIR焼成炉を用いて行い、焼成条件については、焼成によって電極/Si界面に形成されるガラス層厚が極端に厚くなったり、不足したりしない条件を、前記RIE法での基準エッチング条件で得られた基板を素子化に用いた場合について予め求めておき(FF特性が良好となる焼成条件を予め求めておき)、これを基準条件として全実験条件に適用した。実験条件は、昇温速度は35℃/秒および降温速度は37℃/秒、焼成ピーク温度750℃とした。 Next, the surface electrode was formed by a method of printing and baking Ag paste. At this time, the same material was used for the Ag paste in all experimental conditions, and the printing conditions were the same (in Ag paste, the content of glass frit was 2 parts by weight with respect to 100 parts by weight of Ag, and the content of organic vehicle with respect to 100 parts by weight of Ag. 20 parts by weight). RTP treatment is performed using an IR firing furnace using an IR (near infrared) lamp. Regarding firing conditions, the thickness of the glass layer formed at the electrode / Si interface due to firing becomes extremely thick or insufficient. The conditions not to be used are obtained in advance for the case where the substrate obtained under the reference etching conditions in the RIE method is used for elementization (calculating in advance a firing condition that provides good FF characteristics), and this is used as a reference condition. Applied to all experimental conditions. The experimental conditions were a temperature increase rate of 35 ° C./second, a temperature decrease rate of 37 ° C./second, and a firing peak temperature of 750 ° C.
また、表面電極形成に先だっての反射防止膜116形成においては、PECVD法を用い、膜厚約75nm前後狙いのSiNx膜を形成した。さらに、図14に示されるように、裏電極(裏面集電極118、裏面出力電極119)形成には、それぞれAlペーストおよびAgペーストを印刷・焼成する方法で形成した。また、Alペーストを印刷・焼成することにより、p+型領域117を形成した。
Further, in the formation of the
次に、以上で得られた素子について、素子特性の測定と、表Ag電極とシリコン界面のコンタクト抵抗の測定を行った。 Next, with respect to the element obtained above, the element characteristics were measured, and the contact resistance between the front Ag electrode and the silicon interface was measured.
素子特性は、ソーラーシミュレーターを用いたAM1.5条件下でV−I特性測定を行い、これから、短絡電流密度Jsc、開放電圧Voc、曲線因子FFの諸特性を求めた。 The element characteristic measured the VI characteristic on AM1.5 conditions using a solar simulator, and calculated | required various characteristics of the short circuit current density Jsc, the open circuit voltage Voc, and the fill factor FF from this.
コンタクト抵抗の測定にあたっては、素子をフィンガー電極方向と垂直方向にカットすることで幅約10mm程度の短冊状の測定サンプルを作製し、以下の(1)〜(6)の手順により行った。 In measuring the contact resistance, a strip-shaped measurement sample having a width of about 10 mm was prepared by cutting the element in a direction perpendicular to the finger electrode direction, and the following procedures (1) to (6) were performed.
(1) 短冊状サンプル上の複数のフィンガー電極に関して、コンタクト抵抗を評価したいフィンガー電極をひとつ選択する。 (1) For a plurality of finger electrodes on a strip-shaped sample, select one finger electrode for which contact resistance is to be evaluated.
(2) 選択したフィンガー電極と、これに隣接するフィンガー電極(第1隣接フィンガー電極)間の抵抗を測定する。 (2) The resistance between the selected finger electrode and the adjacent finger electrode (first adjacent finger electrode) is measured.
(3) 選択したフィンガー電極と、前記第1隣接フィンガー電極と隣接するフィンガー電極のうち既述のフィンガー電極ではないフィンガー電極(第2隣接フィンガー電極)間の抵抗を測定する。 (3) The resistance between the selected finger electrode and a finger electrode (second adjacent finger electrode) that is not the finger electrode described above among the finger electrodes adjacent to the first adjacent finger electrode is measured.
(4) 上記測定を、第n隣接フィンガー電極まで繰り返す。 (4) The above measurement is repeated up to the nth adjacent finger electrode.
(5) 上記で得られたフィンガー電極間抵抗値とフィンガー電極間距離について、フィンガー電極間抵抗値Rms×短冊状サンプル幅W(W:短冊状サンプル上のフィンガー電極の長さ)をY軸に、フィンガー電極間距離LをX軸にしてプロットし、そのプロット点列の近似直線のY切片を求めた。このY切片がm×ρc/Dcを与える。ここでmは定数、ρcはコンタクト抵抗、Dcはコンタクト面の幅で通常フィンガー電極の線幅Wfで置き換えることができる。このとき定数mは、Ag電極/Si間がオーミック接触である場合は2、整流性接触(ショットキー接触)である場合には1とする。経験的にはm=1とした場合に各種実験結果と整合する傾向にあり、本発明の説明においてもm=1として以下述べる。 (5) About the inter-finger electrode resistance value and finger electrode distance obtained above, the inter-finger electrode resistance value Rms × the strip sample width W (W: the length of the finger electrode on the strip sample) is taken as the Y axis. Then, the distance L between the finger electrodes was plotted with the X axis, and the Y intercept of the approximate straight line of the plotted point sequence was obtained. This Y intercept gives m × ρc / Dc. Here, m is a constant, ρc is contact resistance, and Dc is the width of the contact surface, which can be replaced with the line width Wf of the normal finger electrode. At this time, the constant m is 2 when the Ag electrode / Si is in ohmic contact, and 1 when it is rectifying contact (Schottky contact). Empirically, when m = 1, there is a tendency to be consistent with various experimental results. In the description of the present invention, m = 1 will be described below.
(6) コンタクト抵抗ρc(単位は[Ωcm2])は、ρc=Y切片×Dc によって求められる。 (6) The contact resistance ρc (unit: [Ωcm 2 ]) is obtained by ρc = Y intercept × Dc.
以上の(1)〜(6)の要領で、コンタクト抵抗測定はセル面内の任意の位置において可能となる。実際には、素子面内にほぼ均等に分散させた20点(4行×5列)の測定点範囲で行い、その平均値を改めてその素子のコンタクト抵抗評価値ρcとした(以後、特に断らない限り、ρcと表記するときは、この素子のコンタクト抵抗評価値とする)。 As described in the above (1) to (6), the contact resistance can be measured at an arbitrary position in the cell plane. Actually, the measurement was performed in a measurement point range of 20 points (4 rows × 5 columns) distributed almost evenly in the element surface, and the average value was changed to the contact resistance evaluation value ρc of the element (hereinafter, especially, it was refused). Unless indicated otherwise, ρc is the contact resistance evaluation value of this element).
コンタクト抵抗ρc[Ωcm2]は、素子にした場合、r_cnt=(ρc/Dc)×(Dp−Wf) の面直列抵抗[Ωcm2]成分として素子特性に影響する(以後、r_cntをコンタクト抵抗起源の素子換算面直列抵抗と言う)。ここで、Dc:コンタクト幅(前記)、Dp:フィンガー電極ピッチ、Wf:フィンガー電極幅 であり、前記したように通常、Dc≒Wf とみなしてよい。なお、素子面積がSの場合、この素子の該コンタクト抵抗に起因した直列抵抗成分は r_cnt/ S [Ω] と書かれる。 The contact resistance ρc [Ωcm 2 ] affects the element characteristics as a surface series resistance [Ωcm 2 ] component of r_cnt = (ρc / Dc) × (Dp−Wf) in the case of an element (hereinafter r_cnt originates from the contact resistance) This is referred to as the element equivalent surface series resistance. Here, Dc: contact width (described above), Dp: finger electrode pitch, Wf: finger electrode width, and as described above, it may normally be regarded as Dc≈Wf. When the element area is S, the series resistance component resulting from the contact resistance of this element is written as r_cnt / S [Ω].
ここで、前記コンタクト抵抗起源の素子換算面直列抵抗とそれ以外の全成分とを合わせた素子トータルとしての素子面直列抵抗(以後単に素子面直列抵抗と言う)をrs[Ωcm2]とすると、素子面積がSの場合の素子の直列抵抗をRsとしたとき、Rs=rs/ S [Ω]と書くことができる。Rsは、素子のV-I特性(明特性及び暗特性、あるいは単に暗特性)から公知の方法で算出することができるのでrsを求めることができる。 Here, when the element surface series resistance (hereinafter simply referred to as element surface series resistance) as an element total including the element converted surface series resistance originating from the contact resistance and all other components is rs [Ωcm 2 ], When the series resistance of the element when the element area is S is Rs, Rs = rs / S [Ω] can be written. Since Rs can be calculated by a known method from the VI characteristics (bright and dark characteristics, or simply dark characteristics) of the element, rs can be obtained.
以上のようにしてもとめた実験条件1〜10の素子におけるコンタクト抵抗ρc、コンタクト抵抗起源の素子換算面直列抵抗r_cnt、素子面直列抵抗rs、及び素子特性との関係を表1に示す。
ここで、図7にはρcとFF特性との関係を、図8にはrsとFF特性の関係を、図9にはρcとrsとの関係を示す。なお、測定手法上、rsが素子全体の平均的値を示すのに対して、前記ρcやr_cntは素子面内の一部領域の測定値の平均値で代表させるとなるため、両者間の厳密な定量的関係付けは一般には困難であることが多い。しかしながら、図7〜図9に示すごとく、両者間には比例関係が認められ、コンタクト抵抗と特性との関係を以下議論する上での実際的な支障は特にない。 7 shows the relationship between ρc and FF characteristics, FIG. 8 shows the relationship between rs and FF characteristics, and FIG. 9 shows the relationship between ρc and rs. In the measurement method, rs indicates the average value of the entire element, whereas ρc and r_cnt are represented by the average value of the measured values in a partial area in the element plane. Such quantitative relationships are often difficult. However, as shown in FIGS. 7 to 9, a proportional relationship is recognized between the two, and there is no practical trouble in discussing the relationship between the contact resistance and the characteristics.
図7、8および9ではどの場合も、直線状の逆比例関係または比例関係が確認されている。これにより、表面電極部のコンタクト抵抗が直列抵抗成分の主成分のひとつとして素子特性に影響していることが明らかである。 7, 8 and 9, a linear inverse proportionality or proportionality is confirmed in any case. As a result, it is clear that the contact resistance of the surface electrode part affects the element characteristics as one of the main components of the series resistance component.
次に、前記コンタクト抵抗評価値に最も近い値を有するコンタクト抵抗測定箇所について、表面電極/シリコン界面の断面TEM観察による構造解析を行った。構造解析においては、TEM写真から、ガラス層の厚さt、銀粒子の厚さ粒径m、銀粒子の長さ粒径n、凹凸の高さo、および凹凸のピッチの長さpに注目し、その値を読み取った。解析用のTEM写真としては、最大写真長が約5μmとなるような倍率で撮影したものを用いた。図10に、実験条件9、7および4、ならびに図11−1〜図11−4において、それぞれ実験条件1、5、8および10のTEM写真を示す。また、表2に、断面TEM観察結果と前記コンタクト抵抗評価結果とをまとめて示す。
なお、ガラス層の厚さとは、半導体の基板主面に対して垂直方向におけるガラス層の長さのうち最大値、金属粒子の厚さ粒径とは、半導体の基板主面に対して垂直方向における金属粒子の長さのうち最大値、金属粒子の長さ粒径とは、半導体の基板主面と平行な方向における金属粒子の長さのうち最大値、凹凸の高さとは、半導体の基板主面に対して垂直方向における、隣接する凸部の頂点と凹部の底点との間の高低差のうち最大値、凹凸のピッチの長さとは、半導体の基板主面と平行な方向における、隣接する凸部の頂点間における長さのうち最大値をいう。 The thickness of the glass layer is the maximum value of the length of the glass layer in the direction perpendicular to the semiconductor main surface of the semiconductor, and the thickness of the metal particles is the direction perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate. The maximum value among the lengths of metal particles in the above, the length particle size of the metal particles is the maximum value among the lengths of metal particles in the direction parallel to the main surface of the semiconductor substrate, and the height of the irregularities is the substrate of the semiconductor The maximum value of the height difference between the apex of the adjacent convex part and the bottom point of the concave part in the direction perpendicular to the main surface, the length of the concave and convex pitch, in the direction parallel to the main surface of the semiconductor substrate, The maximum value among the lengths between the vertices of adjacent convex portions.
図3としてコンタクト抵抗評価値と銀粒子の厚さ粒径m/ガラス層の厚さt(m/t)との関係をプロットした図を示す。非常に明瞭な反比例の関係が明らかである。また、m/tが約0.5よりも小さくなると、急激にコンタクト抵抗値が上昇することもわかる。すなわち、充分に小さいコンタクト抵抗を実現するにはm/tを0.5以上にする必要があり、好ましくは0.6以上、より好ましくは0.7以上とするのが望ましいことがわかる。 FIG. 3 shows a plot of the relationship between the contact resistance evaluation value and the silver particle thickness m / glass layer thickness t (m / t). A very clear inverse relationship is evident. It can also be seen that when m / t is smaller than about 0.5, the contact resistance value rapidly increases. That is, to realize a sufficiently small contact resistance, m / t needs to be 0.5 or more, preferably 0.6 or more, more preferably 0.7 or more.
また、図5に、コンタクト抵抗評価値と、銀の長さ粒径/ガラス層の厚さ(n/t)との関係を示す。コンタクト抵抗評価値と、銀の長さ粒径/ガラス層の厚さ(n/t)とが反比例の関係をとっていることが明らかである。また、n/tが約1.0よりも小さくなると、急激にコンタクト抵抗値が上昇することもわかる。すなわち、充分に小さいコンタクト抵抗を実現するにはn/tを1.0以上にする必要があり、好ましくは2.0以上とするのが望ましいことがわかる。 FIG. 5 shows the relationship between the contact resistance evaluation value and the length of silver particles / the thickness of the glass layer (n / t). It is clear that the contact resistance evaluation value and the silver length particle size / glass layer thickness (n / t) have an inversely proportional relationship. It can also be seen that when n / t is smaller than about 1.0, the contact resistance value rapidly increases. That is, it is understood that n / t needs to be 1.0 or more, and preferably 2.0 or more in order to realize a sufficiently small contact resistance.
図4はコンタクト抵抗評価値と、凹凸の高さ/ガラス層の厚さ(o/t)の関係を示した図である。ここでも、明瞭な反比例の関係が明らかである。また、o/tが約0.25よりも小さくなると急激にコンタクト抵抗値が上昇することもわかる。すなわち、充分に小さいコンタクト抵抗を実現するにはo/tを0.25以上にする必要があり、好ましくは0.5以上とするのが望ましいことがわかる。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the contact resistance evaluation value and the height of the unevenness / the thickness of the glass layer (o / t). Again, a clear inverse relationship is evident. It can also be seen that the contact resistance value increases abruptly when o / t is less than about 0.25. That is, in order to realize a sufficiently small contact resistance, it is necessary to set o / t to 0.25 or more, preferably 0.5 or more.
さらに、図6には、コンタクト抵抗評価値と、凹凸のピッチの長さ/ガラス層の厚さ(p/t)との関係を示す。コンタクト抵抗と、凹凸のピッチの長さとガラス層の厚さとの比との間にも反比例関係があることが明らかである。また、p/tが約1.5よりも小さくなると急激にコンタクト抵抗値が上昇することもわかる。すなわち、充分に小さいコンタクト抵抗を実現するには、p/tを1.5以上にする必要があり、好ましくは2.0以上とするのが望ましいことがわかる。 Further, FIG. 6 shows the relationship between the contact resistance evaluation value and the length of the uneven pitch / the thickness of the glass layer (p / t). It is clear that there is an inverse relationship between the contact resistance and the ratio between the length of the uneven pitch and the thickness of the glass layer. It can also be seen that when the p / t is smaller than about 1.5, the contact resistance value rapidly increases. That is, in order to realize a sufficiently small contact resistance, p / t needs to be 1.5 or more, and preferably 2.0 or more.
以上、ガラス層の厚さと、RIEにより得られた凹凸の構造とを制御することで、充分に低いコンタクト抵抗を実現することが可能であり、高特性の光電変換素子及び光電変換モジュールを実現できることが示された。 As described above, it is possible to realize a sufficiently low contact resistance by controlling the thickness of the glass layer and the uneven structure obtained by RIE, and to realize a high-performance photoelectric conversion element and photoelectric conversion module. It has been shown.
111 表面電極
111a バスバー電極
111b フィンガー電極
113 半導体
114 逆導電型領域
115 p型バルク領域
116 反射防止膜
117 p+型領域
118 裏面集電極
119 裏面出力電極
11 太陽電池素子(光電変換素子)
141 配線部材
142 透明部材
143 裏面保護材
144 表側充填材
145 裏側充填材
146 出力取出配線
147 端子ボックス
148 枠
H 加熱ヒーター・断熱部材
111
141
Claims (6)
該半導体基板表面の凹凸上に形成された金属電極と、
前記半導体基板表面と前記金属電極との界面の少なくとも一部に存在するガラス層と、
該ガラス層中にあって前記半導体基板表面の前記凹に沿って存在するとともに、該凹から一部が突出した金属粒子と、を有する光電変換素子であって、
前記ガラス層の厚さt、前記金属粒子の厚さ粒径m、前記金属粒子の長さ粒径n、前記凹凸の高さoおよび前記凹凸のピッチの長さpが以下の関係を満たすことを特徴とする光電変換素子。
m/t≧0.5、n/t≧1、o/t≧0.25、p/t≧1.5
(150nm≦t≦400nm、m≦330nm、n≦800nm、o≦300nm、p≦800nm) A semiconductor substrate having irregularities formed on the surface;
A metal electrode formed on the irregularities on the surface of the semiconductor substrate;
A glass layer present in at least a part of the interface between the semiconductor substrate surface and the metal electrode;
A photoelectric conversion element having a metal particle in the glass layer and present along the recess on the surface of the semiconductor substrate and partially protruding from the recess ,
The thickness t of the glass layer, the thickness particle size m of the metal particles, the length particle size n of the metal particles, the height o of the unevenness, and the length p of the pitch of the unevenness satisfy the following relationship: A photoelectric conversion element characterized by the above.
m / t ≧ 0.5, n / t ≧ 1, o / t ≧ 0.25, p / t ≧ 1.5
(150 nm ≦ t ≦ 400 nm, m ≦ 330 nm, n ≦ 800 nm, o ≦ 300 nm, p ≦ 800 nm)
(m≧150nm、n≧480nm、o≧70nm、p≧500nm) The glass layer is composed of a microcrystalline layer, and the thickness particle diameter m of the metal particles, the length particle diameter n of the metal particles, the height o of the unevenness, and the length p of the unevenness pitch are the photoelectric conversion device according to claim 1 which satisfies the following relationship.
(M ≧ 150 nm, n ≧ 480 nm, o ≧ 70 nm, p ≧ 500 nm)
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