特開 2015-5718 太陽電池及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2015-5718(P2015-5718A)

(43)【公開日】2015年1月8日

(54)【発明の名称】太陽電池及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/06 20120101AFI20141205BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/04 Y

【審査請求】有

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2013-265749(P2013-265749)

(22)【出願日】2013年12月24日

(31)【優先権主張番号】特願2013-109707(P2013-109707)

(32)【優先日】2013年5月24日

(33)【優先権主張国】JP

(71)【出願人】

【識別番号】502379505

【氏名又は名称】久保 征治

(74)【代理人】

【識別番号】100166372

【弁理士】

【氏名又は名称】山内 博明

(74)【代理人】

【識別番号】100115451

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 武史

(74)【代理人】

【識別番号】100182877

【弁理士】

【氏名又は名称】池田 抄太郎

(72)【発明者】

【氏名】久保 征治

(72)【発明者】

【氏名】斉藤 忠

【テーマコード（参考）】

5F151

【Ｆターム（参考）】

5F151AA02

5F151AA03

5F151CB19

5F151CB20

5F151DA03

5F151DA16

5F151FA10

5F151FA14

5F151GA15

5F151HA03

(57)【要約】

【課題】電変換効率の向上を阻害する事情を低減させた太陽電池を提供することを課題とする。
【解決手段】第一導電型の半導体基板１０１と、半導体基板１０１の光透過面に形成されていて中長波長の太陽光線に基づく光生成キャリアを収集する第二導電型の第一半導体層１０２Ａと、半導体基板１０１の光入射面に形成されていて短波長の太陽光線に基づく光生成キャリアを収集するとともに前記中長波長の太陽光線に基づく光生成キャリアのうち第一半導体層１０２Ａに到達しない光生成キャリアを収集する第二導電型の第二半導体層１０２Ｂとを備える。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第一導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の光透過面に形成されていて中長波長の太陽光線に基づく光生成キャリアを収集する第二導電型の第一半導体層と、
前記半導体基板の光入射面に形成されていて短波長の太陽光線に基づく光生成キャリアを収集するとともに前記中長波長の太陽光線に基づく光生成キャリアのうち第一半導体層に到達しない光生成キャリアを収集する第二導電型の第二半導体層と、
を備える太陽電池。

【請求項2】

前記半導体基板の光透過面では、前記第一半導体層で収集された光生成キャリアに基づく電気信号を取り出すための電極に接続される第一導電型の半導体層の形成箇所を除き、前記第一半導体層が全面的に接する態様で形成されている、請求項１記載の太陽電池。

【請求項3】

前記第二半導体層から出力される電流と前記第一半導体層から出力される電流とを加算して出力する、請求項１記載の太陽電池。

【請求項4】

前記第一半導体層と前記第二半導体層とは、同一工程によって製造されている、請求項１記載の太陽電池。

【請求項5】

前記半導体基板は、前記第一半導体層で収集された光生成キャリアに基づく電気信号を取り出す電極に接続される第一導電型の半導体層の形成箇所を除き、前記第一半導体層と前記第二半導体層とによって覆われている、請求項１記載の太陽電池。

【請求項6】

前記第一半導体層から出力される電流の値が、前記第二半導体層から出力される電流の値よりも大きい、請求項１記載の太陽電池。

【請求項7】

第一導電型の光透過面に中長波長の太陽光線に基づく光生成キャリアを収集する第二導電型の第一半導体層を形成するステップと、
前記半導体基板の光入射面に短波長の太陽光線に基づく光生成キャリアを収集するとともに前記中長波長の太陽光線に基づく光生成キャリアのうち第一半導体層に到達しない光生成キャリアを収集する第二導電型の第二半導体層を形成するステップと、
を含む太陽電池の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光電変換装置、それを備えた太陽電池に関し、特に、単結晶シリコン及びもしくは多結晶シリコン等の結晶系半導体を用いた、太陽電池及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、特許文献１には、キャリアの取出し効率に優れ、特性の向上した太陽電池を提供するための技術が開示されている。この太陽電池は、光の入射により結晶系半導体層内で生成される光生成キャリアのうち、少数キャリアの取出しを前記結晶系半導体層の両側から行うものである。換言すると、この太陽電池は、一導電型を有する結晶系半導体層の光入射面側に他導電型を有する第一の半導体層を備えた太陽電池であって、前記結晶系半導体層の光透過面側に他導電型を有する第二の半導体層を備えている。

【0003】

【特許文献1】公開平１１−２２４９５４号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、太陽電池の性能向上のためには、光生成キャリア及び注入キャリアの再結合を低減させることが必要であるが、特許文献１に開示されている太陽電池は、この種の対応がなされていない。このため、特許文献１に開示されている太陽電池の性能向上には限界があった。

【0005】

そればかりか、特許文献１に開示されている太陽電池は、それを構成する半導体基板が相対的に厚いため、少数キャリアの大半は第一の半導体層又は第二の半導体層に到達できない。このため、結果的には、光生成キャリアが再結合することになり、第一の半導体層又は第二の半導体層から取り出せる電流は僅かであった。また、再結合電流の増加は、開放電圧の低下を招くという問題もある。

【0006】

そこで、本発明は、光電変換効率の向上を阻害する事情を低減させた太陽電池を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明の太陽電池は、
第一導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の光透過面に形成されていて中長波長の太陽光線に基づく光生成キャリアを収集する第二導電型の第一半導体層と、
前記半導体基板の光入射面に形成されていて短波長の太陽光線に基づく光生成キャリアを収集するとともに前記中長波長の太陽光線に基づく光生成キャリアのうち第一半導体層に到達しない光生成キャリアを収集する第二導電型の第二半導体層と、
を備える。

【0008】

本発明によれば、第二半導体層を備えることから、第一半導体層に到達しない光生成キャリアを収集することが可能となるので、光生成キャリアの再結合を防止することができる。

【0009】

なお、前記半導体基板の光透過面では、前記第一半導体層で収集された光生成キャリアに基づく電気信号を取り出すための電極に接続される第一導電型の半導体層の形成箇所を除き、前記第一半導体層が全面的に接する態様で形成されていると、半導体基板の光透過面における開放電圧の低下を防止できるので好ましい。

【0010】

また、前記第一半導体層と前記第二半導体層とを、同一工程によって製造されていると、製造工程を簡易なものとすることができるので、製造コストを低廉化できるという利点もある。

【0011】

さらに、前記半導体基板は、前記第一半導体層で収集されたキャリアに基づく電気信号を取り出す電極に接続される第一導電型の半導体層の形成箇所を除き、前記第一半導体層と前記第二半導体層とによって覆われているとよい。半導体基板の側面においても、少なからず、第一半導体層に到達しない光生成キャリアを収集することが可能となるので、光生成キャリアの再結合を更に防止することができる。

【0012】

また、前記第一半導体層から出力される電流の値が、前記第二半導体層から出力される電流の値よりも大きくしてもよい。

【0013】

また、本発明の太陽電池の製造方法は、
第一導電型の半導体基板の光透過面に中長波長の太陽光線に基づいて発生するキャリアを収集する第二導電型の第一半導体層を形成するステップと、
前記半導体基板の光入射面に短波長の太陽光線に基づいて発生するキャリアを収集するとともに前記中長波長の太陽光線に基づいて発生するキャリアのうち第一半導体層に到達しないキャリアを収集する第二導電型の第二半導体層を形成するステップと、
を含む。

【0014】

本発明によれば、半導体基板に第二半導体層を形成していることから、第一半導体層に到達しない光生成キャリアを、第二半導体層において収集することが可能となるので、光生成キャリアの再結合を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施形態１の太陽電池を構成する太陽電池セル１００の光入射面側から見た模式的な斜視図である。

【図2】図１の裏面側である光透過面側から見た模式的な斜視図である。

【図3】図１及び図２の破線Ａに沿った断面図である。

【図4】図３に示す太陽電池セル１００の製造工程図である。

【図5】本発明の実施形態２の太陽電池セル１００の模式的な断面図である。

【符号の説明】

【0016】

３１ 反射防止膜
３２ 酸化膜
１００ 太陽電池セル
１０１ 単結晶Ｎ型半導体基板
１０２Ａ Ｐ型第一半導体層
１０２Ｂ Ｐ型第二半導体層
１４３ Ｎ^＋型半導体層
１７０ バスバー配線
１７１ 第一の電極
１７２ 第二の電極
１７３ 側面電極
１７４ 光入射面メイン・バスバー

【発明の実施の形態】

【0017】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

【0018】

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１の太陽電池を構成する太陽電池セル１００の光入射面側から見た模式的な斜視図である。図１に示すように、太陽電池セル１００は、以下説明する、単結晶Ｎ型半導体基板１０１と、バスバー配線１７０と、光入射面メイン・バスバー１７４と、側面電極１７３とを備えている。

【0019】

なお、図１には、太陽光線１３０と、バスバー配線１７０間のピッチ１７５とを付記している。一例としては、太陽電池セル１００は、Ｘ方向、Ｙ方向の長さともに１５０ｍｍ〜１６０ｍｍ程度、厚さは１５０μｍ〜２００μｍ程度とすればよい。

【0020】

単結晶Ｎ型半導体基板１０１は、その比抵抗が例えば０．１Ω・ｃｍ〜１Ω・ｃｍであり、その厚さが例えば１５０μｍ〜２００μｍであり、その不純物濃度が１０^１７ｃｍ^−３〜６×１０^１６ｃｍ^−３である。もっとも、単結晶Ｎ型半導体基板１０１に代えて、多結晶のＮ型半導体基板を用いてもよく、以後、説明する半導体の導電型を逆型にすることで、単結晶又は多結晶のＰ型半導体基板を用いてもよい。本実施形態では、単結晶Ｎ型半導体基板１０１の厚さを相対的に薄くしており、これも、光生成キャリアの再結合を防止することに寄与するため、光電変換効率の向上させることができる。

【0021】

バスバー配線１７０は、Ｙ方向に沿って、単結晶Ｎ型半導体基板１０１の光入射面に形成されている配線である。ここでは、例えば、合計１２本のバスバー配線１７０を模式的に示しているが、実際には、約１０００本の配線が形成されている。もっとも、バスバー配線１７０の数は、これよりも多くてもよいし、少なくてもよい。

【0022】

バスバー配線１７０は、一例を示すと、電極長を約７５ｍｍ、電極幅を約３μｍ、厚さを約３μｍとしている。この条件の場合、太陽電池セル１００の開口率は、約９９％である。また、バスバー配線１７０は、比抵抗が２．５×１０^−６Ω・ｃｍ〜３．０×１０^−６Ω・ｃｍ程度の材料を選択するとよい。

【0023】

このような材料としては、例えば、アルミニウム、銀又は銅を用いることができる。これらの材料は、例えばこれらをペースト状にして用いてもよいし、単独で用いるだけでなく混合させて用いてもよい。バスバー配線１７０間のピッチ１７５は、３００μｍ程度とすることができる。

【0024】

光入射面メイン・バスバー１７４は、Ｘ方向に沿って形成されていて、各バスバー配線１７０が接続されている。光入射面メイン・バスバー１７４のサイズは、例えば、幅が約１５０ｍｍ、長さが約２０μｍ、厚さが約３μｍのものとすることができる。

【0025】

側面電極１７３は、単結晶Ｎ型半導体基板１０１の側面に形成されていて、光入射面メイン・バスバー１７４及び後述する第二の電極１７２（図２）に接続されている。側面電極１７３のサイズは、例えば、Ｘ方向の長さが約１５０ｍｍ、Ｘ方向及びＹ方向に直交するＺ方向（図示せず）の長さが約１５０μｍ〜２００μｍ、厚さが約３μｍのものを採用することができる。

【0026】

なお、側面電極１７３の材料としてアルミニウムを用いた場合には、バスバー配線１７０に比して、光入射面メイン・バス・バー１７４の配線抵抗は無視できるので、上記のサイズの場合には、光入射面メイン・バスバー１７４の抵抗値は約２５０ｍΩとなる。

【0027】

図２は、図１の裏面側である光透過面側から見た模式的な斜視図である。図２には、図１に示した部分のほかに、以下説明する、第一の電極１７１と、第二の電極１７２とを示している。

【0028】

第一の電極１７１は、後述するＮ^＋型半導体層１４３（図３）に接続されていて、Ｎ^＋型半導体層１４３を通じて、太陽光線１３０によって生成された光生成キャリアに基づく電気信号を取り出すための電極である。第一の電極１７１は、例えば、中央部分がＹ方向に延びる軸部分と、当該軸部分に対して直交するＸ方向に一体的に延びる複数の櫛歯状部分とによって構成されている。

【0029】

また、第一の電極１７１の材料は、これに限定されるものではないが、例えば、アルミニウムから構成することができ、その厚さは１０μｍ程度とすればよい。

【0030】

第二の電極１７２は、後述するＰ型第一半導体層１０２Ａ（図３）に接続されていて、Ｐ型第一半導体層１０２Ａを通じて太陽光線１３０によって生成された光生成キャリアに基づく電気信号を取り出すための電極である。

【0031】

第二の電極１７２は、第一の電極１７１の周辺を、例えば１０μｍといった所定の電極間ギャップ１７７をもって形成されている。第二の電極１７２は、これに限定されるものではないが、例えば、アルミニウムから構成することができ、その厚さは１０μｍ程度とすることができる。

【0032】

図３は、図１及び図２の破線Ａに沿った断面図である。図３には、図１又は図２に示した部分のほかに、以下説明する、Ｐ型第一半導体層１０２Ａと、Ｐ型第二半導体層１０２Ｂと、Ｎ^＋型半導体層１４３と、反射防止膜３１と、酸化膜３２とを示している。

【0033】

Ｐ型第一半導体層１０２Ａは、単結晶Ｎ型半導体基板１０１の光透過面のうち、Ｎ^＋型半導体層１４３を除く領域に形成されている。Ｐ型第一半導体層１０２Ａは、単結晶Ｎ型半導体基板１０１とともに、太陽光線１３０のうち主として中長波長の光線に基づいて光生成キャリアを生成させるものである。Ｐ型第一半導体層１０２Ａは、そのシート抵抗が例えば１０Ω／□〜２００Ω／□、その不純物濃度が例えば１０^２０ｃｍ^−３〜１０^１８ｃｍ^−３のものとすればよい。

【0034】

Ｐ型第一半導体層１０２Ａは、後述の製造工程によって形成してもよいが、これに代えて、単結晶Ｎ型半導体基板１０１に溝を形成して、或いは、単結晶Ｎ型半導体基板１０１の厚さ２００μｍとほぼ等しい厚さの太陽電池セルの半導体基板を用意して、それをＸ，Ｙ方向に適宜区切ってマイクロセル構造とし、マイクロセル間の側面に壁状の溝を形成して、当該溝に第二の電極１７２とともに形成してもよい。係る場合には、第二の電極１７２の面積を大きくできるので、太陽電池セル１００の光電変換特性を更に改善できる。

【0035】

Ｐ型第二半導体層１０２Ｂは、単結晶Ｎ型半導体基板１０１の光入射面及び側面を覆う態様で形成されている。なお、Ｐ型第二半導体層１０２Ｂは、光生成キャリアの再結合防止の観点からすれば、僅かな面積でしかない単結晶Ｎ型半導体基板１０１の側面までをも覆う態様で形成することは必須ではないが、後述する製造工程によれば側面も一体的に覆うように製造することになる。

【0036】

Ｐ型第二半導体層１０２Ｂは、単結晶Ｎ型半導体基板１０１とともに、太陽光線１３０のうち主として短波長の太陽光線により光生成キャリアを生成させるものである。Ｐ型第二半導体層１０２Ｂは、そのシート抵抗は例えば１００Ω／□、その不純物濃度は例えば１０^２０ｃｍ^−３〜１０^１８ｃｍ^−３、その厚さは太陽光線１００のうち、例えば波長λが０．４５μｍ以下、更には０．３μｍ以下の太陽光線に基づいて光生成キャリアを生成できる条件とすればよい。

【0037】

なお、波長λが０．４５μｍ以下という条件は、太陽光線１３０の全体のうち光生成キャリアを生成させる光子の数が全体の光子数のほぼ５％〜１０％となること、波長λが０．３μｍ以下という条件は、太陽光線１３０の全体のうち光生成キャリアを生成させる光子の数が全体の光子数のほぼ０％となることと、それぞれ同義である。

【0038】

ここで、本実施形態では、単結晶Ｎ型半導体基板１０１の表面につき、第一の電極１７１に対応するＮ^＋型半導体層１４３の形成箇所を除いて、Ｐ型第二半導体層１０２Ｂ又はＰ型第一半導体層１０２Ａを全面的に形成している。

【0039】

そして、単結晶Ｎ型半導体基板１０１とＰ型第一半導体層１０２Ａとによる光入射面側のＰＮ接合のビルトイン・ポテンシャルを、単結晶Ｎ型半導体基板１０１とＰ型第二半導体層１０２Ｂとによる光透過面側のＰＮ接合のビルトイン・ポテンシャルと同様としている。

【0040】

各ビルトイン・ポテンシャルは、単結晶Ｎ型半導体基板１０に対するＰ型第二半導体層１０２Ｂ及びＰ型第一半導体層１０２Ａの濃度を調整すればよい。具体的には、ビルトイン・ポテンシャルは、Ｐ型第二半導体層１０２Ｂ及びＰ型第一半導体層１０２Ａのアクセプタ密度に比例するので、これらの濃度を同様とすればよい。

【0041】

Ｎ^＋型半導体層１４３は、光透過側に設けられていて、第一の電極１７１に接続されている電気信号を取り出すための半導体層である。Ｎ^＋型半導体層１４３の不純物濃度は、例えば３×１０^２０ｃｍ^−３〜３×１０^１８ｃｍ^−３とすればよい。なお、図３には、Ｐ型第一半導体層１０２Ａ及びＮ^＋型半導体層１４３の形状としてストライプ状のものを示しているが、これに代えて、グリッド状又はそれらのうち片方をドット状としてＰ型第一半導体層１０２Ａに対するＮ^＋型半導体層１４３面積比率を例えば１０％程度に小さくしてもよい。

【0042】

反射防止膜３１は、Ｐ型第二半導体層１０２Ｂの光入射面側であって、バスバー配線１７０間に形成されている。反射防止膜３１は、これに限定されるものではないが、窒化膜（ＳｉＮ）等を用いることができる。なお、ここでは、反射防止膜３１の形状を簡略化しているが、実際には、例えば、逆ピラミッド型をしたテクスチャ構造としている。

【0043】

酸化膜３２は、既知のように、光透過面での再結合電流を抑制するために、光透過面側に設けられたパッシベーション膜である。

【0044】

図４は、図３に示す太陽電池セル１００の製造工程図である。まず、単結晶Ｎ型半導体基板１０１のダメージを除去するために、例えば弗酸を用いて単結晶Ｎ型半導体基板１０１の両面を約１０μｍエッチングする。つぎに、単結晶Ｎ型半導体基板１０１の少なくとも光入射面に対して、アルカリ性溶液（例えば、ＫＯＨ液）に浸せるなどして異方性エッチングを行う。こうして、単結晶Ｎ型半導体基板１０１の少なくとも光入射面に、例えば、底辺が約３０μｍ、高さが約２０μｍとなる条件で、逆ピラミッド形状のテクスチャ構造（図示せず）を形成する（ステップＳ１）。

【0045】

その後、後工程によって単結晶Ｎ型半導体基板１０１の裏面にリン注入を行うために、単結晶Ｎ型半導体基板１０１の裏面に例えばリンガラスを塗布して、リンガラス層２３１を形成する。それから、ホトリソグラフィでリンガラスの必要部分を残す態様で他の部分を除去する（ステップＳ２）。

【0046】

つづいて、単結晶Ｎ型半導体基板１０１を、例えばボロン雰囲気下において、約９００℃の温度下で熱処理を行う。熱処理時間は、単結晶Ｎ型半導体基板１０１へのボロンのデポジション量が例えば約１０^２０ｃｍ^−３となる条件とすればよい。この結果、ボロンが単結晶Ｎ型半導体基板１０１内に、拡散深さが約０．１μｍの場合にシート抵抗が１００Ω／□となる態様で拡散する。これにより、単結晶Ｎ型半導体基板１０１内にはＰ型第一半導体層１０２Ａ及びＰ型第二半導体層１０２ＢとなるＰ型半導体層１０２領域が形成され、かつ、単結晶Ｎ型半導体基板１０１の表面は全面的にボロンガラス層２３２で覆われる。なお、図３では、説明の都合上、リンガラス層２３１表面にボロンガラス層２３２が積層状態となるように図示していないが、実際には、リンガラス層２３１表面に僅かにボロンガラス層２３２が積層状態となる。また、この熱処理によって、ステップＳ３において塗布したリンガラス層２３１のリンが単結晶Ｎ型半導体基板１０１内に拡散し、単結晶Ｎ型半導体基板１０１内にＮ^＋型半導体層１４３が形成される（ステップＳ３）。

【0047】

つぎに、単結晶Ｎ型半導体基板１０１を、例えば酸化雰囲気下において、約９５０℃の温度下で熱処理を行う。熱処理時間は、ボロンガラス層２３２が酸化膜３２に置換されるのに十分な時間とすればよい（ステップＳ４）。

【0048】

それから、単結晶Ｎ型半導体基板１０１の光入射面側の酸化膜３２を除去してから、又は、当該酸化膜３２を除去することなく、反射防止膜３１を、例えば低温ＣＶＤ法によって形成する（ステップＳ５）。

【0049】

つづいて、単結晶Ｎ型半導体基板１０１の光入射面側にバスバー配線１７０を、単結晶Ｎ型半導体基板１０１の光透過面側に第一の電極１７１及び第二の電極１７２を、それぞれ形成するために、単結晶Ｎ型半導体基板１０１の光入射面側の反射防止膜３１の対応位置と、光透過面側の酸化膜３２及びリンガラス層２３１の対応位置とに、それぞれ開口部２５１を形成する（ステップＳ６）。

【0050】

その後、単結晶Ｎ型半導体基板１０１の光入射面側の反射防止膜３１の表面と、光透過面側の酸化膜３２及びリンガラス層２３１の表面とに、例えば液相のアルミニウムを被着させてから、各開口部２５１にもアルミニウムを拡散させるために、例えば、約８００℃の温度で熱処理を行う。その後、アルミニウムをスパッタ若しくは蒸着法で光入射面には約３μｍの厚さ、光透過面は約１０μｍの厚さとした後に、ホトリソグラフィ法等を用いて露光する。この露光は、光入射面と光透過面との両面露光が好ましい。その後、バスバー配線１７０、第一の電極１７１及び第二の電極１７２となる部分を除くアルミニウムを、所要の薬品を用いたウエット・エッチング若しくはドライ・エッチング化学エッチングなどによって除去する。もっとも、バスバー配線１７０、第一の電極１７１及び第二の電極１７２は、上記手法に代えてペースト法を用いて形成してもよい（ステップＳ７）。

【0051】

それから、こうして製造した太陽電池セル１００の中間生成物を複数用意し、それらを重ね合わせる。そして、それらの側面に向けてアルミニウムを溶射することなどにより、側面電極１７３を形成する。

【0052】

なお、太陽電池セル１００の中間生成物を、側面電極１７３の形成面が段状となるようにややずらして重ね合わせ、さらに、それらをチルト回転させれば、側面電極１７３のみならず、これと一体的に光入射面メイン・バスバー１７４も形成することができ、さらには、光入射面メイン・バスバー１７４と各バスバー配線１７０との接続、及び、側面電極１７３と第二の電極１７２との接続も可能となる。

【0053】

もっとも、側面電極１７３等の形成には、既知のように、アルミニウムペーストのような金属ペーストを採用してもよいし、金属蒸着（スパッタを含む）を採用してもよいし、メッキ法を採用してもよい。以上の工程により、図１に示す太陽電池セルが複数枚完成する。

【0054】

つづいて、本実施形態の太陽電池セル１００の動作について説明する。太陽電池セル１００に、太陽光線１３０が照射されると、太陽光線１００のうち波長λが０．４５μｍ以下の紫外光線領域以下の太陽光線、つまり、短波長の太陽光線が、単結晶Ｎ型半導体基板１０１とＰ型第二半導体層１０２Ｂとの光照射面のＰＮ接合に到達すると、当該太陽光線に基づく光生成キャリアが生成される。

【0055】

これによって生じた正孔は、単結晶Ｎ型半導体基板１０１とＰ型第二半導体層１０２Ｂとの光照射面のＰＮ接合付近に形成される空乏層に向けてドリフトし、当該空乏層に到達すれば、バスバー配線１７０及びこれに接続されている光入射面メイン・バスバー１７４から電気信号を取り出すことができる。

【0056】

一方、太陽電池セル１００に照射された太陽光線１３０のうち波長λが０．４５μｍを超える可視光領域以上の太陽光線、つまり、中長波長の太陽光線が、単結晶Ｎ型半導体基板１０１とＰ型第一半導体層１０２Ａとの光透過面のＰＮ接合に到達すると、当該太陽光線に基づく光生成キャリアが生成される。

【0057】

これによって生じた正孔は、主として、単結晶Ｎ型半導体基板１０１とＰ型第一半導体層１０２Ａとの光透過面のＰＮ接合付近に形成される空乏層に向けてドリフトし、当該空乏層に到達すれば、第二の電極１７２から電気信号を取り出すことができる。

【0058】

換言すると、太陽電池セル１００に太陽光線１３０が照射されることで生じた正孔は、上記各ＰＮ接合付近に形成される空乏層のいずれかに到達すればよいから、正孔の拡散長は短くて済む。このため、本実施形態では、既述のように、単結晶Ｎ型半導体基板１０１の厚さを相対的に薄くすることができる。そして、正孔の拡散長が短いとなれば、光生成キャリアの再結合を低減できるので、太陽電池セル１００の光電変換効率が向上する。

【0059】

また、光生成キャリアの再結合を低減することができるということは、その再結合前の光生成キャリアに基づく電気信号を光入射面メイン・バスバー１７４から取り出せていることになるので、この電気信号も、太陽電池セル１００全体の出力に加算できるので、太陽電池セル１００全体の光電変換効率の向上につながる。

【0060】

つぎに、簡単に、本実施形態の太陽電池セル１００の光電変換効率を、電圧降下（ＩＲ降下）の観点からシミュレーションしてみる。まず、単結晶Ｎ型半導体基板１０１とＰ型第二半導体層１０２Ｂとの光入射面側のＰＮ接合に係る電流が２００ｍＡで、単結晶Ｎ型半導体基板１０１とＰ型第一半導体層１０２Ａとの透過面側のＰＮ接合に係る電流が１２Ａあると仮定する。この場合、単結晶Ｎ型半導体基板１０１におけるＩＲ降下は、約６６ｍＶ（≒５．４ｍΩ×１２．２Ａ）となる。

【0061】

つづいて、Ｐ型第二半導体層１０２Ｂの抵抗値は、既述の条件の場合には約３７ｍΩであるから、Ｐ型第二半導体層１０２ＢでのＩＲ降下は７．４ｍＶ（＝３７．０ｍΩ×２００ｍＡ）となる。同様に、バスバー配線１７０の抵抗値は、既述の条件の場合には約２５０ｍΩであるから、光入射面メイン・バスバー１７４でのＩＲ降下は５０ｍＶ（＝２５０ｍΩ×２００ｍＡ）となる。

【0062】

そして、側面電極１７３の抵抗値が小さいので、これらでの電圧降下は無視できるくらい小さいため、太陽電池セル１００に入射した太陽光線１３０のうち、短波長の光線に基づく電流が、単結晶Ｎ型半導体基板１０１とＰ型第二半導体層１０２Ｂとの光入射面側のＰＮ接合、バスバー配線１７０、光入射面メイン・バスバー１７４、及び、側面電極１７３を通る際に受ける電圧降下の総計は、約１２６ｍＶ（≒６６ｍＶ＋５７．４ｍＶ）となる。

【0063】

同様に、光透過面側の電圧降下について見てみると、Ｐ型第一半導体層１０２ＡにおけるＩＲ降下は、約６５ｍＶ（≒５．４ｍΩ×１２Ａ）となる。したがって、太陽電池セル１００に入射した太陽光線１３０のうち、中長波長の光線に基づく電流が単結晶Ｎ型半導体基板１０１とＰ型第一半導体層１０２Ａとの光透過面側のＰＮ接合、及び、第二の電極１７２を通る際に受ける電圧降下の総計は、約１３１ｍＶ（＝６６ｍＶ＋６５ｍＶ）となる。

【0064】

この場合、光入射面側及び光透過面側の各ＰＮ接合での開放電圧をいずれも７５０ｍＶと仮定すると、太陽電池セル１００の動作状態での両ＰＮ接合の電圧は、それぞれ、６２４ｍＶ（＝７５０ｍＶ−１２６ｍＶ）及び６１９ｍＶ（＝７５０ｍＶ−１３１ｍＶ）となる。

【0065】

この時の両ＰＮ接合でのパワーは、それぞれ０．１２Ｗ（≒６２４ｍＶ×２００ｍＡ）及び７．４３Ｗ（≒６１９ｍＶ×１２Ａ）であり、これらの合計は７．５５Ｗ（＝０．１２Ｗ＋７．４３Ｗ）となる。これを１平方メートルあたりのパワーに換算すると３７８Ｗとなるので、光電変換効率は、約３７．８％ということになる。

【0066】

以上のシミュレーションによれば、本実施形態の太陽電池セル１００は、Ｐ型第一半導体層１０２Ａを形成することにより中長波長の太陽光線に基づく電気信号を、また、Ｐ型第二半導体層１０２Ｂを形成することにより、Ｐ型第一半導体層１０２Ａに到達しない光生成キャリアを収集することが可能となるので、光生成キャリアの再結合を防止することができる。

【0067】

なお、バスバー配線１７０につき、そのサイズを、幅約１０μｍ、厚さ約１０μｍ、長さ約７５ｍｍと変更し、かつ、本数を３，０００本に変更することで太陽電池セル１００の、開口率を約９０％に変更し、その他の条件は上記と同じとした場合、その光電変換効率は、約４６．２％にまで向上することになる。

【0068】

（実施形態２）
図５は、本発明の実施形態２の太陽電池セル１００の模式的な断面図であり、図３に対応するものである。図５に示す太陽電池セル１００は、図３に示したバスバー配線１７０、光入射面メイン・バスバー１７４及び側面電極１７３が設けられていないタイプのものである。なお、図５において、図３に示した部分と同様の部分には、同一符号を付している。

【0069】

図５に示す太陽電池セル１００は、バスバー配線１７０等を設けていないため、Ｐ型第二半導体層１０２Ｂのシート抵抗値が、Ｐ型第二半導体層１０２Ｂと単結晶Ｎ型半導体基板１０１との光入射面側のＰＮ接合で生成される電気信号の上限値を規定することになる。

【0070】

この上限値はできるだけ大きい値がよいが、Ｐ型第二半導体層１０２Ｂは半導体で構成されるために、Ｐ型第二半導体層１０２Ｂのシート抵抗値は１Ω／□以上の値とすると、Ｐ型第二半導体層１０２Ｂと単結晶Ｎ型半導体基板１０１との光入射面側のＰＮ接合で生成される電気信号は、Ｐ型第一半導体層１０２Ａと単結晶Ｎ型半導体基板１０１との光透過面側のＰＮ接合で生成される電気信号よりも常に小さい（ゼロを含む）。

【0071】

そして、Ｐ型第二半導体層１０２Ｂと単結晶Ｎ型半導体基板１０１との光入射面側のＰＮ接合で生成される電気信号には上限があるから、それ以上の電気信号は、Ｐ型第一半導体層１０２Ａと単結晶Ｎ型半導体基板１０１との光透過面側のＰＮ接合で得られることになり、具体的には、上記及び下記諸条件で製造した太陽電池セルの場合には、総生成電流の９９．９％以上をＰ型第一半導体層１０２Ａと単結晶Ｎ型半導体基板１０１との光透過面側のＰＮ接合から取得することができる。

【0072】

本実施形態では、Ｐ型第二半導体層１０２Ｂを、例えば、イオン打ち込み法によって形成することができる。単結晶Ｎ型半導体基板１０１の光入射面に形成されるＰ型第二半導体層１０２Ｂについては、ボロンを不純物として選択し、その拡散深さは実施形態１と同様で例えば約０．１μｍとすることができる。

【0073】

また、単結晶Ｎ型半導体基板１０１の側面を覆うＰ型第二半導体層１０２Ｂ及びＰ型第一半導体層１０２Ａは、例えば、液相からの拡散法によって形成することができる。これらについては、アルミニウムもしくはアルミニウムとボロンの複層構造を不純物として選択し、各拡散深さは例えば０．５μｍとすることができる。

【0074】

もっとも、Ｐ型第一半導体層１０２Ａと単結晶Ｎ型半導体基板１０１との光透過面側のＰＮ接合によって太陽光スペクトラムの過半の光子に基づく光生成キャリアを収集できる条件であれば、Ｐ型第二半導体層１０２Ｂ及びＰ型第一半導体層１０２Ａの双方の製法、各不純物及び各拡散深さは、上記のものに限定されるものではない。

【0075】

したがって、例えば、イオン打ち込み法に代えて固体、液体の不純物源又は気体ガスの不純物源からのドーピングを採用したり、Ｐ型第二半導体層１０２Ｂ及びＰ型第一半導体層１０２Ａの双方をボロンのみを不純物として選択して、各拡散深さは例えば０．２μｍとしたりといった対応も可能である。

【0076】

なお、実施形態１同様に、Ｐ型第二半導体層１０２Ｂのうち単結晶Ｎ型半導体基板１０１の側面を覆うＰ型第二半導体層１０２Ｂを形成することは必須ではないが、これを形成しておく利点も存在する。

【0077】

具体的には、本実施形態の太陽電池セル１００は、実施形態１と異なり、バスバー配線１７０、光入射面メイン・バスバー１７４及び側面電極１７３が設けられていないことから、Ｐ型第二半導体層１０２Ｂに到達したキャリアに基づく電流を、太陽電池セル１００の外部に取り出さなければならず、このためには、別途、Ｐ型第二半導体層１０２Ｂをプラス電源接続するなどの対策が考えられるが、Ｐ型半導体層１０２Ｂを設けていれば、これがＰ型第二半導体層１０２Ｂに流れる経路として機能するから、プラス電源接続などが不要となるという利点が存在する。

【0078】

さらに、本実施形態では、単結晶Ｎ型半導体基板１０１とＰ型第一半導体層１０２Ａとによる光入射面側のＰＮ接合のビルトイン・ポテンシャルを、単結晶Ｎ型半導体基板１０１とＰ型第二半導体層１０２Ｂとによる光透過面側のＰＮ接合のビルトイン・ポテンシャルよりも高くする。或いは、単結晶Ｎ型半導体基板１０１の中央部から接合方向に向けて、半導体基板１０１のイオン濃度を高くするといった濃度勾配を設けてもよい。このためには、実施形態１で説明した製造方法に対して、ボロン雰囲気下での処理に先だって、リン又はアンチモンをデポジションすることで、単結晶Ｎ型半導体基板１０１よりも高濃度（例えば、１０^１７ｃｍ^−３〜１０^１８ｃｍ^−３）のＮ層を単結晶Ｎ型半導体基板１０１内のボロン層の内側に形成できる。もっとも、濃度勾配を設けるという対応は、実施形態１の太陽電池セル１００において両ビルトイン・ポテンシャルを同様にする際にも採用することができる。

【0079】

例えば、Ｐ型第二半導体層１０２Ｂのアクセプタ密度を、Ｐ型第一半導体層１０２Ａのアクセプタ密度に比して２ケタほど大きくすると、ビルトイン・ポテンシャルには、約１２０ｍＶの差が生じる。具体的には、Ｐ型第二半導体層１０２Ｂのアクセプタ密度を例えば１０^２０ｃｍ^−３、Ｐ型第一半導体層１０２Ａのアクセプタ密度を、例えば１０^１８ｃｍ^−３、単結晶Ｎ型半導体基板１０１のドナー密度を、例えば１０^１６ｃｍ^−３とすればよい。このような設定とすれば、単結晶Ｎ型半導体基板１０１で生じた少数キャリアの電子は、障壁の低い光透過面のＰＮ接合から障壁を超えて流れるようにことになる。

【0080】

付言すると、Ｐ型第二半導体層１０２Ｂのアクセプタ密度を、Ｐ型第一半導体層１０２Ａのアクセプタ密度に比して小さくすれば、単結晶Ｎ型半導体基板１０１で生じた少数キャリアの電子は、反対に、障壁の低い光入射面のＰＮ接合から障壁を超えて流れるようにことになるし、両アクセプタ密度を等しくすれば、その光スペクトラムの波長に対応したＰＮ接合に向かって移動することになる。

【0081】

本実施形態の太陽電池セル１００は、実施形態１のものに比して、簡易な構造とすることで製造コストを安価にしたにも拘わらず、光透過面のＰＮ接合の開放電圧を実施形態１のものと同等の値とすることができる。その結果、本実施形態の太陽電池セル１００の光電変換効率は、約３７．８％ということになる。

【図3】

【図4】

【図5】

【図1】

【図2】

【手続補正書】

【提出日】2014年3月31日

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第一導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の光透過面に形成されていて中長波長の太陽光線に基づく光生成キャリアを収集する第二導電型の第一半導体層と、
前記半導体基板の光入射面に形成されていて短波長の太陽光線に基づく光生成キャリアを収集するとともに前記中長波長の太陽光線に基づく光生成キャリアのうち第一半導体層に到達しない光生成キャリアを収集する第二導電型の第二半導体層と、
を備え、
前記半導体基板の中央部から前記第一半導体層との接合方向に向けて当該半導体基板のイオン濃度が高い太陽電池。

【請求項2】

前記半導体基板の光透過面では、前記第一半導体層で収集された光生成キャリアに基づく電気信号を取り出すための電極に接続される第一導電型の半導体層の形成箇所を除き、前記第一半導体層が全面的に接する態様で形成されている、請求項１記載の太陽電池。

【請求項3】

前記第二半導体層から出力される電流と前記第一半導体層から出力される電流とを加算して出力する、請求項１記載の太陽電池。

【請求項4】

前記第一半導体層と前記第二半導体層とは、同一工程によって製造されている、請求項１記載の太陽電池。

【請求項5】

前記半導体基板は、前記第一半導体層で収集された光生成キャリアに基づく電気信号を取り出す電極に接続される第一導電型の半導体層の形成箇所を除き、前記第一半導体層と前記第二半導体層とによって覆われている、請求項１記載の太陽電池。

【請求項6】

前記第一半導体層から出力される電流の値が、前記第二半導体層から出力される電流の値よりも大きい、請求項１記載の太陽電池。

【請求項7】

第一導電型の光透過面に中長波長の太陽光線に基づく光生成キャリアを収集する第二導電型の第一半導体層を形成するステップと、
前記半導体基板の光入射面に短波長の太陽光線に基づく光生成キャリアを収集するとともに前記中長波長の太陽光線に基づく光生成キャリアのうち第一半導体層に到達しない光生成キャリアを収集する第二導電型の第二半導体層を形成するステップと、
前記半導体基板の中央部から前記第一半導体層との接合方向に向けて当該半導体基板のイオン濃度を高くするステップと、
を含む太陽電池の製造方法。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0078】

さらに、本実施形態では、単結晶Ｎ型半導体基板１０１とＰ型第二半導体層１０２Ａとによる光入射面側のＰＮ接合のビルトイン・ポテンシャルを、単結晶Ｎ型半導体基板１０１とＰ型第一半導体層１０２Ｂとによる光透過面側のＰＮ接合のビルトイン・ポテンシャルよりも高くする。単結晶Ｎ型半導体基板１０１の中央部から接合方向に向けて、半導体基板１０１のイオン濃度を高くするといった濃度勾配を設けてもよい。このためには、実施形態１で説明した製造方法に対して、ボロン雰囲気下での処理に先だって、リン又はアンチモンをデポジションすることで、単結晶Ｎ型半導体基板１０１よりも高濃度（例えば、１０^１７ｃｍ^−３〜１０^１８ｃｍ^−３）のＮ層を単結晶Ｎ型半導体基板１０１内のボロン層の内側に形成できる。もっとも、濃度勾配を設けるという対応は、実施形態１の太陽電池セル１００において両ビルトイン・ポテンシャルを同様にする際にも採用することができる。

【手続補正書】

【提出日】2014年7月1日

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第一導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の光透過面に形成されていて中長波長の太陽光線に基づく光生成キャリアを収集する第二導電型の第一半導体層と、
前記半導体基板の光入射面に形成されていて短波長の太陽光線に基づく光生成キャリアを収集するとともに前記中長波長の太陽光線に基づく光生成キャリアのうち第一半導体層に到達しない光生成キャリアを収集する第二導電型の第二半導体層と、
を備え、
前記半導体基板の中央部から前記第一半導体層との接合方向に向けて当該半導体基板の不純物濃度が高く、
前記第二半導体層の不純物密度を前記第一半導体層の不純物密度に比して２ケタほど大きくしている太陽電池。

【請求項2】

前記半導体基板の光透過面では、前記第一半導体層で収集された光生成キャリアに基づく電気信号を取り出すための電極に接続される第一導電型の半導体層の形成箇所を除き、前記第一半導体層が全面的に接する態様で形成されている、請求項１記載の太陽電池。

【請求項3】

前記第二半導体層から出力される電流と前記第一半導体層から出力される電流とを加算して出力する、請求項１記載の太陽電池。

【請求項4】

前記第一半導体層と前記第二半導体層とは、同一工程によって製造されている、請求項１記載の太陽電池。

【請求項5】

前記半導体基板は、前記第一半導体層で収集された光生成キャリアに基づく電気信号を取り出す電極に接続される第一導電型の半導体層の形成箇所を除き、前記第一半導体層と前記第二半導体層とによって覆われている、請求項１記載の太陽電池。

【請求項6】

前記第一半導体層から出力される電流の値が、前記第二半導体層から出力される電流の値よりも大きい、請求項１記載の太陽電池。

【請求項7】

第一導電型の光透過面に中長波長の太陽光線に基づく光生成キャリアを収集する第二導電型の第一半導体層を形成するステップと、
前記半導体基板の光入射面に短波長の太陽光線に基づく光生成キャリアを収集するとともに前記中長波長の太陽光線に基づく光生成キャリアのうち第一半導体層に到達しない光生成キャリアを収集する第二導電型の第二半導体層を形成するステップと、
前記半導体基板の中央部から前記第一半導体層との接合方向に向けて当該半導体基板の不純物濃度を高くするステップと、
前記第二半導体層の不純物密度を前記第一半導体層の不純物密度に比して２ケタほど大きくするステップと、
を含む太陽電池の製造方法。

【手続補正書】

【提出日】2014年10月29日

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第一導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の光透過面に形成されていて中長波長の太陽光線に基づく光生成キャリアを収集する第二導電型の第一半導体層と、
前記半導体基板の光入射面に形成されていて短波長の太陽光線に基づく光生成キャリアを収集するとともに前記中長波長の太陽光線に基づく光生成キャリアのうち第一半導体層に到達しない光生成キャリアを収集する第二導電型の第二半導体層と、
を備え、
前記半導体基板の中央部から前記第一半導体層との接合方向に向けて当該半導体基板の不純物濃度が高く、
前記第二半導体層の不純物濃度を前記第一半導体層の不純物濃度に比して２ケタほど大きくしている太陽電池。

【請求項2】

前記半導体基板の光透過面では、前記第一半導体層で収集された光生成キャリアに基づく電気信号を取り出すための電極に接続される第一導電型の半導体層の形成箇所を除き、前記第一半導体層が全面的に接する態様で形成されている、請求項１記載の太陽電池。

【請求項3】

前記第二半導体層から出力される電流と前記第一半導体層から出力される電流とを加算して出力する、請求項１記載の太陽電池。

【請求項4】

前記半導体基板は、前記第一半導体層で収集された光生成キャリアに基づく電気信号を取り出す電極に接続される第一導電型の半導体層の形成箇所を除き、前記第一半導体層と前記第二半導体層とによって覆われている、請求項１記載の太陽電池。

【請求項5】

前記第一半導体層から出力される電流の値が、前記第二半導体層から出力される電流の値よりも大きい、請求項１記載の太陽電池。

【請求項6】

第一導電型の光透過面に中長波長の太陽光線に基づく光生成キャリアを収集する第二導電型の第一半導体層を形成するステップと、
前記半導体基板の光入射面に短波長の太陽光線に基づく光生成キャリアを収集するとともに前記中長波長の太陽光線に基づく光生成キャリアのうち第一半導体層に到達しない光生成キャリアを収集する第二導電型の第二半導体層を形成するステップと、
前記半導体基板の中央部から前記第一半導体層との接合方向に向けて当該半導体基板の不純物濃度を高くするステップと、
前記第二半導体層の不純物濃度を前記第一半導体層の不純物濃度に比して２ケタほど大きくするステップと、
を含む太陽電池の製造方法。