JPH09237910A

JPH09237910A - 太陽電池

Info

Publication number: JPH09237910A
Application number: JP8041849A
Authority: JP
Inventors: Makoto Nishida; 誠西田; Minoru Kaneiwa; 実兼岩; Satoshi Okamoto; 諭岡本; Yuji Komatsu; 雄爾小松; Tasuke Shindou; 太介進藤
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1996-02-28
Filing date: 1996-02-28
Publication date: 1997-09-09
Anticipated expiration: 2016-02-28
Also published as: JP3193287B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】太陽電池の光電変換効率を向上させる。【解決手段】Ｐ型シリコン半導体基板１１の光入射側
の面にＮ型シリコン半導体層１２を形成し、Ｐ型シリコ
ン半導体基板１１の裏面上にシリコン酸化膜層１６を形
成し、シリコン酸化膜層上に水素化窒化シリコン膜層１
７を形成し、水素化窒化シリコン膜層上に、水素化窒化
シリコン膜層１７とシリコン酸化膜層１６とを貫通して
Ｐ型シリコン半導体基板１１に接続されるようにＰ⁺型
微結晶シリコン半導体層１８を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、太陽電池に関
し、特に高い光電変換効率を有する結晶系シリコン太陽
電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の結晶系シリコン太陽電池
においては、光電変換効率を高めるために、シリコン半
導体基板の光入射側の面（受光面）と反対側の裏面（基
板裏面）において、多数キャリアを取り出す部分では、
基板裏面とその基板裏面に設けた裏面電極との間に、シ
リコン酸化膜層と、このシリコン酸化膜層の複数部分を
貫通し、半導体基板と同一導電型で、かつ、よりドーパ
ント濃度が高い微結晶シリコン半導体層（「微結晶シリ
コン膜」ともいう）を設ける構造が知られている（特開
平４−１９２５６９号公報参照）。

【０００３】このような従来の太陽電池の構造は、図４
に示すように、Ｐ型シリコン半導体基板１１の受光面側
には、Ｎ型シリコン半導体層１２が形成されている。Ｎ
型シリコン半導体層１２はシリコン酸化膜層１３によっ
て覆われており、シリコン酸化膜層１３は反射防止膜層
１４によって覆われている。

【０００４】グリッド電極１５は、この反射防止膜層１
４とシリコン酸化膜層１３とを貫通してＮ型シリコン半
導体層１２に接続されており、電流は、このグリッド電
極１５を介して取り出される。

【０００５】Ｐ型シリコン半導体基板１１の裏面は、シ
リコン酸化膜層１６によって覆われており、Ｐ⁺型（高
濃度のＰ型）微結晶シリコン半導体層１８が、そのシリ
コン酸化膜層１６を覆い、かつシリコン酸化膜層１６の
複数部分を貫通して、Ｐ型シリコン半導体基板１１の裏
面に接続されている。さらに、Ｐ⁺型微結晶シリコン半
導体層１８は、裏面電極１９によって覆われている。裏
面での電流は、Ｐ型シリコン半導体基板１１からＰ⁺型
微結晶シリコン半導体層１８を介して取り出される。

【０００６】この構造では、基板裏面のシリコン酸化膜
層１６によってＰ型シリコン半導体基板１１の表面欠陥
を不活性化させ、キャリアの再結合を抑制している。ま
た、Ｐ⁺型微結晶シリコン半導体層１８とＰ型シリコン
半導体基板１１の間には内部電界が形成され、その内部
電界により基板裏面近傍で光発生したキャリアの内、少
数キャリアが半導体基板内部へ押し戻され、多数キャリ
アは電極側へ導出され（以下、「裏面電界効果」とい
う）、光電変換効率を高めている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この従来構造の太陽電
池の形成方法としては、シリコン基板の裏面に熱酸化法
や化学気相成長法（ＣＶＤ法）を用いてシリコン酸化膜
層１６を形成した後、フォトエッチングによりそのシリ
コン酸化膜に複数の開孔部を設け、その後、プラズマＣ
ＶＤ法により微結晶シリコン半導体層１８を形成する方
法が一般的である。

【０００８】しかしながら、微結晶シリコン半導体層
（微結晶シリコン膜）をシリコン酸化膜上に堆積する
と、微結晶シリコン半導体層の膜質が低下し、充分な裏
面電界効果を得ることができず、太陽電池の光電変換効
率の向上を制限するという不都合があった。

【０００９】この微結晶シリコン半導体層の膜質の低下
は、微結晶シリコン膜の堆積中に、シリコン酸化膜をプ
ラズマにさらすことによって、シリコン酸化膜中の酸素
原子の一部が微結晶シリコン膜中へ取り込まれるためで
ある。

【００１０】この発明は、このような事情に鑑みなされ
たもので、膜質の低下のない微結晶シリコン半導体層を
形成することによって、裏面電界効果が高く、光電変換
効率の高い太陽電池を提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は、第１導電型
のシリコン半導体基板からなり、その第１導電型のシリ
コン半導体基板の光入射側の面に第２導電型のシリコン
半導体層が形成された太陽電池において、第１導電型の
シリコン半導体基板の光入射側の反対面上に形成したシ
リコン酸化膜層と、このシリコン酸化膜層上に形成した
絶縁膜層と、この絶縁膜層上に、絶縁膜層とシリコン酸
化膜層との一部を貫通し第１導電型のシリコン半導体基
板の光入射側の反対面に接して形成した第１導電型の微
結晶シリコン半導体層とを設けたことを特徴とする太陽
電池である。

【００１２】この発明によれば、シリコン酸化膜層と第
１導電型の微結晶シリコン半導体層との間に絶縁膜層を
形成するので、第１導電型の微結晶シリコン半導体層の
形成に際し、第１導電型の微結晶シリコン半導体層にシ
リコン酸化膜中の酸素が取り込まれることがなくなり、
これにより太陽電池の光電変換効率を改善することがで
きる。

【００１３】この発明において、第１導電型と第２導電
型の区別は、第１導電型がＰ型であれば第２導電型はＮ
型であり、第１導電型がＮ型であれば第２導電型はＰ型
の各半導体を意味する。

【００１４】したがって、この発明における第１導電型
のシリコン半導体基板としては、Ｐ型、Ｎ型、いずれの
シリコン半導体基板でも用いることができる。また、単
結晶のシリコン半導体基板に限らず、多結晶のシリコン
半導体基板を用いることも可能である。

【００１５】このシリコン半導体基板の厚みは、充分に
光吸収をおこなう必要がある点から、１００μｍ〜６０
０μｍ程度のものを用いることが好ましい。

【００１６】この発明における第２導電型のシリコン半
導体層に用いる半導体としては、第１導電型がＰ型であ
ればＮ型の、第１導電型がＮ型であればＰ型の、それぞ
れシリコン半導体を用いることができる。このシリコン
半導体層の厚みは、０．０５μｍ〜１μｍ程度に形成す
ることが好ましい。

【００１７】この発明におけるシリコン酸化膜層として
は、通常はＳｉＯ₂膜を好ましくは１０ｎｍ〜１００ｎ
ｍ程度に形成する。

【００１８】この発明の絶縁膜層は、第１導電型の微結
晶シリコン半導体層にシリコン酸化膜中の酸素が取り込
まれないようにするために設けられている。したがっ
て、この絶縁膜層に用いる絶縁膜は、酸素を主成分とし
ない材料から構成される必要がある。さらに、この絶縁
膜は、例えば水素化窒化シリコンや水素化シリコンカー
バイド等の透明でかつ水素を含む材料からなる絶縁膜で
構成することが好ましい。絶縁膜層を透明絶縁膜で構成
した場合には、第１導電型のシリコン半導体基板を透過
した光を透明絶縁膜で反射させて再び第１導電型のシリ
コン半導体基板の内部へ戻し、光電変換に寄与させるこ
とができる（これを「光閉じ込め効果」という）。

【００１９】また、絶縁膜層を水素を含む絶縁膜で構成
した場合には、絶縁膜中に水素が含まれているので、水
素がシリコン酸化膜と第１導電型のシリコン半導体基板
界面の欠陥を不活性化し、この界面特性を向上させる
（これを「パッシベーション効果」という）。

【００２０】したがって、絶縁膜層に用いる絶縁膜を水
素化窒化シリコンの様な透明でかつ水素を含む材料から
なる絶縁膜で構成した場合には、上記「光閉じ込め効
果」と「パッシベーション効果」との２つの効果を同時
に得ることができる。

【００２１】絶縁膜層に用いる材料としては、このよう
に、透明でかつ水素を含む材料であればどのような材料
でも用いることができるが、高い光電変換効率を得るた
めには、水素化窒化シリコンを用いることが最も適して
いる。この絶縁膜層の膜厚は、１０ｎｍ以下の場合には
絶縁膜としての効果が小さくなるため、少なくとも１０
ｎｍ以上の厚みが必要であるが、これ以上であれば特に
膜厚に限定はない。

【００２２】この絶縁膜層は、プラズマＣＶＤ法、常圧
ＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法等の各種の方法を用いて形成す
ることができる。例えば、ＲＦプラズマＣＶＤ法で絶縁
膜を形成する場合には、原料ガスには、ＳｉＨ₄、Ｓｉ
Ｈ₂Ｃｌ₂、ＳｉＣｌ₄、ＮＨ₃、Ｎ₂等のガスを用い
ることができるが、水素原子を含むガスを用いると、絶
縁膜を形成する時に水素原子が生じ、これを膜中に取り
込んで上記したパッシベーション効果が得られるため、
ＳｉＨ₄、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂、ＮＨ₃等の水素元素を含む
ガスを用いるのが好ましい。

【００２３】形成される絶縁膜の膜質は、一般に、使用
するＣＶＤ法の装置によって大きく異なる。また、原料
ガスの流量もＣＶＤ法の装置によって各種のものが採用
されるが、例えば、原料ガスにＳｉＨ₄、ＮＨ₃、Ｎ₂
を用いる場合には、原料ガスの流量比は、ＮＨ₃／Ｓｉ
Ｈ₄を１〜２程度に設定することが望ましい。Ｎ₂はキ
ャリアガスとして用いるため、その流量は適宜設定して
よい。

【００２４】例えばＲＦプラズマＣＶＤ法で絶縁膜を形
成する場合、絶縁膜の形成に際しては、半導体基板の温
度は、流量ガスに水素原子を含むガスを用いる場合には
３５０℃以下に設定する。ＲＦパワーは、装置の大きさ
に応じて各種のパワーが設定されるが、パワー密度（電
極の単位面積当たりのパワー）でいえば、２００ｍＷ／
ｃｍ²程度に設定することが望ましい。

【００２５】この発明における第１導電型の微結晶シリ
コン半導体層（微結晶シリコン膜）に用いる半導体とし
ては、基板に用いたシリコン半導体と同じ導電型の微結
晶シリコン半導体を用いる。すなわち、シリコン半導体
基板がＰ型であればＰ型の、Ｎ型であればＮ型の微結晶
シリコン半導体を用いる。この微結晶シリコン半導体層
の厚みは、１００ｎｍ〜２５０ｎｍ程度に堆積すること
が好ましい。

【００２６】上記構成においては、第１導電型のシリコ
ン半導体基板の光入射側の反対面に、シリコン酸化膜層
と第１導電型の微結晶シリコン半導体層とに接して、第
１導電型のシリコン半導体基板よりも高濃度でかつ第１
導電型の微結晶シリコン半導体層よりも低濃度な不純物
を含む第１導電型のシリコン半導体層をさらに形成する
ことが好ましい。

【００２７】このように構成した場合には、第１導電型
のシリコン半導体基板の内部で第１導電型の微結晶シリ
コン半導体層から遠い位置にある正孔をも効率的に第１
導電型の微結晶シリコン半導体層内に引き抜くことが可
能となるので、これにより太陽電池の光電変換効率をさ
らに高めることができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、図面に示す実施例に基づい
てこの発明を詳述する。なお、これによってこの発明が
限定されるものではない。

【００２９】〔第１実施例〕図１はこの発明による太陽
電池の第１実施例の断面構造を示す説明図である。図１
において、図４の従来の太陽電池の構成図に示したもの
と同じ構成要素には同一の参照番号を付している。

【００３０】この図に示すように、第１実施例として示
すこの発明の太陽電池においては、Ｐ型シリコン半導体
基板１１の受光面側に、Ｎ型シリコン半導体層１２が形
成されている。このＮ型シリコン半導体層１２は、Ｓｉ
Ｏ₂からなるシリコン酸化膜層１３によって覆われてお
り、シリコン酸化膜１３は、反射防止膜層１４によって
覆われている。

【００３１】グリッド電極１５は、この反射防止膜層１
４とシリコン酸化膜層１３とを貫通してＮ型シリコン半
導体層１２に接続されており、電流は、このグリッド電
極１５を介して取り出される。

【００３２】Ｐ型シリコン半導体基板１１の裏面は、Ｓ
ｉＯ₂からなるシリコン酸化膜層１６によって覆われて
おり、シリコン酸化膜層１６は、水素化窒化シリコン膜
層１７によって覆われている。

【００３３】Ｐ⁺型（高濃度のＰ型）微結晶シリコン半
導体層１８は、その水素化窒化シリコン膜層１７を覆
い、かつ水素化窒化シリコン膜層１７とシリコン酸化膜
層１６との複数部分を貫通して、Ｐ型シリコン半導体基
板１１の裏面に接続されている。

【００３４】さらに、Ｐ⁺型微結晶シリコン半導体層１
８は、裏面電極１９によって覆われている。裏面での電
流は、Ｐ型シリコン半導体基板１１からＰ⁺型微結晶シ
リコン半導体層１８を介して取り出される。

【００３５】図２は第１実施例の太陽電池の製造方法を
示す製造フロー図である。第１実施例の太陽電池は、ま
ず、単結晶のＰ型シコン半導体基板１１を洗浄した後
（Ｐ型シリコン半導体基板洗浄の工程）、表面が凹凸に
なるように異方性エッチングを行う（異方性エッチング
の工程）。Ｐ型シコン半導体基板１１としては、厚さ約
６００μｍのものを用いた。このＰ型シリコン半導体基
板１１は、単結晶のＰ型シコン半導体基板に限らず、多
結晶のＰ型シリコン半導体基板を用いることも可能であ
る。

【００３６】次に、Ｐ型シリコン半導体基板１１の受光
面に、Ｎ型シリコン半導体層１２を、オキシ塩化リン
（ＰＯＣｌ₃）を用いた気相拡散によってリンを拡散し
て形成する（ＰＮ接合形成の工程）。本実施例では、Ｎ
型シリコン半導体層１２は、０．３μｍ程度の厚みで形
成した。

【００３７】続いて、Ｐ型シリコン半導体基板１１の裏
面側をエッチングして、裏面に形成されたＮ型シリコン
半導体層を除去する（裏面エッチングの工程）。Ｎ型シ
リコン半導体層１２の形成を、リン添加されたシリコン
酸化膜ガラス液のような塗布液を用いて、これをＰ型シ
リコン半導体基板１１の受光面だけに拡散して形成した
場合には、裏面のＮ型シリコン半導体層の除去は不要で
ある。

【００３８】続いて、シリコン酸化膜層１３およびシリ
コン酸化膜層１６を熱酸化法で形成する（シリコン酸化
膜層形成の工程）。本実施例では、シリコン酸化膜層１
３，１６は、厚さ２０ｎｍ程度に形成した。次に、窒化
シリコン膜からなる反射防止膜層１４をプラズマＣＶＤ
法により形成する（反射防止膜層形成の工程）。反射防
止膜層１４として酸化チタン（ＴｉＯ₂）膜やアルミナ
（Ａｌ₂Ｏ₃）膜等も使用できる。

【００３９】次に、シリコン酸化膜層１６上に水素化窒
化シリコン膜層１７を形成する（裏面水素化窒化シリコ
ン膜層形成の工程）。この水素化窒化シリコン膜層１７
の形成は、ＲＦプラズマＣＶＤ法で行ない、原料ガスに
ＳｉＨ₄、ＮＨ₃、Ｎ₂を用いて、流量はそれぞれ１０
SCCM、１５SCCM、５０SCCMとし、反応圧力は０．７５To
rr、基板温度は３５０℃、ＲＦパワーは１００Ｗとし
て、膜厚２００ｎｍ堆積した。

【００４０】水素化窒化シリコン膜層１７の形成には、
プラズマＣＶＤ法の他に常圧ＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法等
の方法があり、いずれの方法を用いていも良いが、原料
ガスにＳｉＨ₄、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂、ＮＨ₃等の水素元素
を含むガスを用いるのが好ましい。

【００４１】次に、フォトエッチング法を用いて裏面側
の水素化窒化シリコン膜層１７およびシリコン酸化膜層
１６の加工を行った後、プラズマＣＶＤ法により、Ｐ⁺
型微結晶シリコン半導体層１８を、水素化窒化シリコン
膜層１７とＰ型シリコン半導体基板１１を覆って形成す
る（Ｐ⁺型の微結晶シリコン半導体層形成の工程）。本
実施例では、Ｐ⁺型微結晶シリコン半導体層１８は、２
００ｎｍ程度の厚みで形成した。そして、さらに裏面電
極１９を、Ｐ⁺型微結晶シリコン半導体層１８を覆っ
て、真空蒸着法でアルムニウムや銀等の金属を蒸着する
ことにより形成する。

【００４２】次に、フォトエッチング法を用いて受光面
側のシリコン酸化膜層１３および反射防止膜１４の加工
を行った後、チタン、パラジウム、銀の順で金属の蒸着
を行う。そして最後に、リフトオフを行うことで、グリ
ッド電極１５を形成する（表裏電極形成の工程）。

【００４３】表１は本発明の第１実施例の太陽電池と図
４に示した従来の太陽電池との特性を比較した表であ
る。太陽電池特性の測定は、ソーラーシミュレータ（Ａ
Ｍ１．５グローバル、１００ｍＷ／ｃｍ²）を用い、太
陽電池の温度を２５℃として行った。

【００４４】両者の違いは、本発明の第１実施例の太陽
電池には、シリコン酸化膜層１６とＰ⁺型微結晶シリコ
ン半導体層１８との間に水素化窒化シリコン膜層１７が
存在している点である。

【００４５】

【表１】表１から明らかなように、本発明によって太陽電池の効
率が改善される。

【００４６】〔第２実施例〕図３はこの発明による太陽
電池の第２実施例の断面構造を示す説明図である。図３
において、図１の第１実施例の太陽電池の構成図に示し
たものと同じ構成要素には同一の参照番号を付しその説
明を省略する。

【００４７】この図に示すように、第２実施例として示
すこの発明の太陽電池は、第１実施例で示した太陽電池
と基本的には同じ構造であるが、第１実施例の太陽電池
と異なるところは、Ｐ型シリコン半導体基板１１の裏面
側に、高濃度のＰ型シリコン半導体層２０を形成した点
である。

【００４８】このＰ型シリコン半導体層２０は、Ｐ⁺型
微結晶シリコン半導体層１８よりも低濃度であるが、Ｐ
型シリコン半導体基板１１よりも高濃度の不純物を含ん
でおり、Ｐ⁺型微結晶シリコン半導体層１８による裏面
電界効果をＰ型シリコン半導体基板１１内部にむけて広
げるように作用する。

【００４９】すなわち、この第２実施例の太陽電池にお
いては、Ｐ型シリコン半導体基板１１の内部でＰ⁺型微
結晶シリコン半導体層１８から遠い位置にある正孔をも
効率的にＰ⁺型微結晶シリコン半導体層１８内に引き抜
くことが可能であり、これにより光電変換効率が高めら
れる。

【００５０】なお、上記第１、第２実施例では、Ｐ型の
シリコン基板を備える太陽電池について説明したが、本
発明はＮ型のシリコン基板を備える太陽電池にも適用す
ることができる。その場合、裏面電界層としては、Ｎ型
の微結晶シリコン半導体層が用いられる。

【００５１】

【発明の効果】以上のように、本発明の太陽電池によれ
ば、裏面のシリコン酸化膜層と微結晶シリコン半導体層
との間に絶縁膜層を形成したので、微結晶シリコン半導
体層にシリコン酸化膜中の酸素が取り込まれることがな
くなり、これにより微結晶シリコン半導体層の膜質の低
下を抑制することができ、光電変換効率の向上を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による太陽電池の第１実施例の断面構
造を示す説明図である。

【図２】第１実施例の太陽電池の製造方法を示す製造フ
ロー図である。

【図３】この発明による太陽電池の第２実施例の断面構
造を示す説明図である。

【図４】従来の太陽電池の断面構造を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１１Ｐ型シリコン半導体基板１２Ｎ型シリコン半導体層１３，１６シリコン酸化膜層１４反射防止膜層１５グリッド電極１７水素化窒化シリコン膜層１８Ｐ⁺型微結晶シリコン半導体層１９裏面電極２０Ｐ型シリコン半導体層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小松雄爾大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者進藤太介大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型のシリコン半導体基板からな
り、その第１導電型のシリコン半導体基板の光入射側の
面に第２導電型のシリコン半導体層が形成された太陽電
池において、第１導電型のシリコン半導体基板の光入射側の反対面上
に形成したシリコン酸化膜層と、このシリコン酸化膜層上に形成した絶縁膜層と、この絶縁膜層上に、絶縁膜層とシリコン酸化膜層との一
部を貫通し第１導電型のシリコン半導体基板の光入射側
の反対面に接して形成した第１導電型の微結晶シリコン
半導体層とを設けたことを特徴とする太陽電池。
【請求項２】第１導電型のシリコン半導体基板の光入
射側の反対面に、シリコン酸化膜層と第１導電型の微結
晶シリコン半導体層とに接して形成され、第１導電型の
シリコン半導体基板よりも高濃度でかつ第１導電型の微
結晶シリコン半導体層よりも低濃度な不純物を含む第１
導電型のシリコン半導体層をさらに設けたことを特徴と
する請求項１記載の太陽電池。
【請求項３】前記絶縁膜層が透明絶縁膜層からなるこ
とを特徴とする請求項１又は２記載の太陽電池。
【請求項４】前記絶縁間層が水素を含んでいることを
特徴とする請求項１又は２記載の太陽電池。
【請求項５】前記絶縁間層が水素化窒化シリコン膜層
からなることを特徴とする請求項１又は２記載の太陽電
池。