特開 2024-103981 太陽電池、及び太陽電池の製造方法

(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】P2024103981

(43)【公開日】2024-08-02

(54)【発明の名称】太陽電池、及び太陽電池の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/0236 20060101AFI20240726BHJP

   H01L 31/0216 20140101ALI20240726BHJP

【ＦＩ】

H01L31/04 280

H01L31/04 240

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023007957

(22)【出願日】2023-01-23

(71)【出願人】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100179475

【弁理士】

【氏名又は名称】仲井 智至

(74)【代理人】

【識別番号】100216253

【弁理士】

【氏名又は名称】松岡 宏紀

(74)【代理人】

【識別番号】100225901

【弁理士】

【氏名又は名称】今村 真之

(72)【発明者】

【氏名】四谷 真一

(72)【発明者】

【氏名】藤井 正寛

(72)【発明者】

【氏名】北原 浩司

【テーマコード（参考）】

5F151

5F251

【Ｆターム（参考）】

5F151AA02

5F151AA03

5F151CB12

5F151CB15

5F151CB19

5F151CB21

5F151CB22

5F151DA03

5F151DA07

5F151DA20

5F151FA06

5F151FA13

5F151FA15

5F151HA07

5F251AA02

5F251AA03

5F251CB12

5F251CB15

5F251CB19

5F251CB21

5F251CB22

5F251DA03

5F251DA07

5F251DA20

5F251FA06

5F251FA13

5F251FA15

5F251HA07

(57)【要約】

【課題】効率よく集電することが可能な、太陽電池、及び太陽電池の製造方法を提供する。
【解決手段】第１電極２００と、第１電極２００の上に配置されたＰ型シリコン層３００と、Ｐ型シリコン層３００の上に配置されたシリコンナノワイヤ４５０を有するＮ型シリコン層４００と、シリコンナノワイヤ４５０を有する領域を覆うように配置された保護膜５００と、を備える。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

導電層と、
前記導電層の上に配置された第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に配置されたシリコンナノワイヤを有する第２半導体層と、
前記シリコンナノワイヤを有する領域を覆うように配置された保護膜と、
を備える、太陽電池。

【請求項2】

請求項１に記載の太陽電池であって、
前記保護膜は、前記シリコンナノワイヤの上層部に配置されている、太陽電池。

【請求項3】

請求項１に記載の太陽電池であって、
前記保護膜は、ＳｉＯ₂、ＳｉＯＮ、又は、ガラスである、太陽電池。

【請求項4】

請求項１に記載の太陽電池であって、
前記第２半導体層は、前記シリコンナノワイヤが配置された第１領域と、前記第１領域の外側の領域である第２領域と、を有し、
前記導電層には、第１電極が設けられており、
前記第２半導体層の前記第２領域には、第２電極が設けられている、太陽電池。

【請求項5】

請求項１に記載の太陽電池であって、
前記導電層は、前記第１半導体層と電気的に接続された第１電極と、前記第２半導体層と電気的に接続された第２電極と、を有し、
前記第１電極及び前記第２電極は、前記第１半導体層の裏面側及び前記第２半導体層の裏面側に設けられている、太陽電池。

【請求項6】

請求項１に記載の太陽電池であって、
前記第１半導体層は、Ｐ型シリコン層であり、
前記第２半導体層は、Ｎ型シリコン層である、太陽電池。

【請求項7】

Ｐ型シリコン層の上に、Ｎ型シリコン層を形成する工程と、
前記Ｎ型シリコン層の上に、触媒膜としての金膜を形成する工程と、
前記金膜及び前記Ｎ型シリコン層の上にアルミニウム膜を成膜する工程と、
前記アルミニウム膜に陽極酸化法を用いて細孔を形成する工程と、
前記細孔をマスクとして前記アルミニウム膜及び前記金膜をエッチングする工程と、
ＭＡＣＥ法を用いて前記Ｎ型シリコン層にシリコンナノワイヤを形成する工程と、
前記シリコンナノワイヤを有する領域に保護膜を成膜する工程と、
を有する、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、太陽電池、及び太陽電池の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、基板の表面に、太陽光などの光の反射を減少させる、言い換えれば、光を吸収することが可能な、ナノワイヤを備えた太陽電池の構成が開示されている。これによれば、太陽電池の発電効率を向上させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２０１２－５０８９７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、ナノワイヤは非常に脆く、その表面構造は指等で触れると簡単に破損してしまうため、ナノワイヤを形成してしまうと、上部の電極形成や以降の実装等の工程を通すことができなくなるなどの課題がある。即ち、光学的に理想的な表面構造であるが、製造上の課題が多く、実現が困難であった。

【課題を解決するための手段】

【0005】

太陽電池は、導電層と、前記導電層の上に配置された第１半導体層と、前記第１半導体層の上に配置されたシリコンナノワイヤを有する第２半導体層と、前記シリコンナノワイヤを有する領域を覆うように配置された保護膜と、を備える。

【0006】

太陽電池の製造方法は、Ｐ型シリコン層の上に、Ｎ型シリコン層を形成する工程と、前記Ｎ型シリコン層の上に、触媒膜としての金膜を形成する工程と、前記金膜及び前記Ｎ型シリコン層の上にアルミニウム膜を成膜する工程と、前記アルミニウム膜に陽極酸化法を用いて細孔を形成する工程と、前記細孔をマスクとして前記アルミニウム膜及び前記金膜をエッチングする工程と、ＭＡＣＥ法を用いて前記Ｎ型シリコン層にシリコンナノワイヤを形成する工程と、前記シリコンナノワイヤを有する領域に保護膜を成膜する工程と、を有する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】太陽電池の構成を示す斜視図。

【図2】太陽電池の構成を示す平面図。

【図3】図２に示す太陽電池のＡ－Ａ部に沿う断面図。

【図4】太陽電池の製造方法を示す断面図。

【図5】太陽電池の製造方法を示す断面図。

【図6】太陽電池の製造方法を示す断面図。

【図7】太陽電池の製造方法を示す断面図。

【図8】太陽電池の製造方法を示す断面図。

【図9】太陽電池の製造方法を示す断面図。

【図10】太陽電池の製造方法を示す断面図。

【図11】太陽電池の製造方法を示す断面図。

【図12】太陽電池の製造方法を示す断面図。

【図13】太陽電池の製造方法を示す断面図。

【図14】変形例の太陽電池の構成を示す斜視図。

【図15】各電解液におけるバリヤー層の細孔への影響を示す図表。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下の各図においては、互いに直交する３つの軸を、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸として説明する。また、Ｘ軸に沿う方向を「Ｘ方向」、Ｙ軸に沿う方向を「Ｙ方向」、Ｚ軸に沿う方向を「Ｚ方向」とし、矢印の方向が＋方向であり、＋方向と反対の方向を－方向とする。なお、＋Ｚ方向を「上」又は「上方」又は「表側」、－Ｚ方向を「下」又は「下方」又は「裏側」ということもあり、＋Ｚ方向及び－Ｚ方向から見ることを平面視あるいは平面的ともいう。また、Ｚ方向＋側の面を「上面」又は「表面」、これと反対側となるＺ方向－側の面を「下面」又は「裏面」として説明する。

【0009】

まず、図１～図３を参照しながら、太陽電池１０００の構成を説明する。

【0010】

図１～図３に示すように、太陽電池１０００は、保持基板１００と、導電層の一部である第１電極２００と、第１半導体層としてのＰ型シリコン層３００と、第２半導体層としてのＮ型シリコン層４００と、保護膜５００と、第２電極６００と、を備えている。

【0011】

図２及び図３に示すように、Ｎ型シリコン層４００には、シリコンナノワイヤ４５０が形成された第１領域４０１を有する。例えば、波長３５０ｎｍから１０５０ｎｍの範囲で測定した場合、鏡面のシリコン基板では全範囲において６０％から３５％の光が反射するのに対し、シリコンナノワイヤ４５０が形成された第１領域４０１の反射率は僅か０．２％以下にとどまっている。言い換えれば、９９．８％の光をシリコンナノワイヤ４５０の表面に吸収することが可能となり、非常に光の吸収率がよい。

【0012】

Ｎ型シリコン層４００の上において、シリコンナノワイヤ４５０が形成されている第１領域４０１の外側の領域である第２領域４０２には、第２電極６００が設けられている。つまり、第１電極２００と第２電極６００との電極間で、集電を行う構造となっている。第１電極２００の材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）などが挙げられる。第２電極６００の材料としては、例えば、銀（Ａｇ）などが挙げられる。

【0013】

例えば、第１電極２００を透明電極にした場合、赤外域光が裏面を透過してしまうことも多いので、裏面、つまり、保持基板１００側にもう一組の太陽電池を積層するタンデム型にして効率を高めても良い。

【0014】

保護膜５００は、シリコンナノワイヤ４５０が形成された第１領域４０１の全体を覆うように、成膜されている。保護膜５００は、例えば、酸化シリコン膜（ＳｉＯ₂）である。保護膜５００が成膜されていることにより、シリコンナノワイヤ４５０の上層部において、隣り合うシリコンナノワイヤ４５０どうしを繋ぎ合わせることができる。

【0015】

更に、保護膜５００を、Ｎ型シリコン層４００の第２領域４０２と接続するように成膜することにより、シリコンナノワイヤ４５０が形成された領域を密閉領域にすることが可能となり、シリコンナノワイヤ４５０の構造が破壊されにくい構造となっている。

【0016】

なお、保護膜５００は、酸化シリコン膜であることに限定されず、シリコンナノワイヤ４５０の領域を覆うように成膜でき、光の屈折率による影響が抑えられていればよく、例えば、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）やガラスなどであってもよい。また、窒化シリコン、インジウムスズ酸化物、酸化アルミニウム、酸化ガリウムなどであってもよい。

【0017】

また、シリコン酸化膜からなる保護膜５００の表面は光学的に反射しやすくなるので、保護膜５００に加えて、反射防止膜（ＡＲ膜）を成膜するようにしてもよい。反射防止膜は、例えば、シリコンナノワイヤ４５０を酸化して形成してもよい。

【0018】

次に、図４～図１３を参照しながら、太陽電池１０００の製造方法を説明する。

【0019】

図４に示す工程では、Ｐ型シリコン層３００の上に、Ｎ型シリコン層４００を形成する。具体的には、まず、抵抗率を１Ωｃｍ以下にしたＰ型シリコン層３００を準備する。Ｐ型シリコン層３００は、単結晶でも多結晶でも構わない。次に、Ｐ型シリコン層３００の上に、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて、Ｐｏｌｙ－Ｓｉ膜を成膜する。次に、Ｐｏｌｙ－Ｓｉ膜にリン（Ｐ）をイオン注入し、Ｎ型シリコン層４００を形成する。

【0020】

図５に示す工程では、Ｎ型シリコン層４００の上に、金膜７００をパターニングして形成する。具体的には、Ｎ型シリコン層４００の上の第１領域４０１に、シリコンナノワイヤ４５０を形成するための貴金属である金膜７００を成膜してパターニングする。金膜７００は、ＭＡＣＥ（メタルアシストケミカルエッチング）法で用いられる触媒膜として機能する。なお、本実施形態では、金膜７００を用いているが、ＭＡＣＥ反応を起こす触媒膜であれば特に限定されない。

【0021】

図６に示す工程では、金膜７００及びＮ型シリコン層４００を覆うようにアルミニウム膜８００を成膜する。アルミニウム膜８００の成膜方法としては、特に限定されないが、例えば、スパッタ法が挙げられる。

【0022】

図７に示す工程では、アルミニウム膜８００に細孔８０１を形成する。具体的には、アルミニウム膜８００に陽極酸化法を用いて細孔８０１を形成する。細孔８０１の孔径は、例えば、薬液の組成で制御することができる。各電解液におけるバリヤー層の細孔への影響は、一般的に図５に示されている。（文献：近畿アルミニウム表面処理研究会会誌Ｎｏ．３０５，Ｐ．１０－１８，２０１７）具体的には、図１５のように薬液により、１２０オングストロームから３３０オングストロームまで自在に変化させることができる。また、細孔８０１の密度に関しては、例えば、印加電圧により制御することができる。

【0023】

図８に示す工程では、細孔８０１が形成されたアルミ陽極酸化膜をマスク８０２として、金膜７００をエッチングする。具体的には、アルゴン（Ａｒ）を用いたスパッタ法を用いて、金膜７００をエッチングする。これにより、金膜７００には、細孔８０１の形状が反映された金膜パターン７０１が形成される。

【0024】

図９に示す工程では、ＭＡＣＥ加工を行って、シリコンナノワイヤ４５０を形成する。ＭＡＣＥ加工は、フッ酸と過酸化水素水を適量に混合した液を、室温で浸漬するだけで行える簡単なエッチング方法である。マスク８０２は、ＭＡＣＥの薬液で容易に溶解させることができる。また、シリコンナノワイヤ４５０の長さは、浸漬時間を調整することにより、容易に制御することができる。本実施形態のＭＡＣＥ加工では、Ｐ型シリコン層３００まで達しない程度の長さのシリコンナノワイヤ４５０を形成する。

【0025】

図１０に示す工程では、シリコンナノワイヤ４５０の底部に残った金膜パターン７０２を、金溶解液に浸漬し除去する。

【0026】

図１１に示す工程では、シリコンナノワイヤ４５０の上層部に保護膜５００を成膜する。保護膜５００は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）である。保護膜５００の成膜方法は、例えば、マスクを用いたスパッタ法である。なお、ＣＶＤ法によって成膜するようにしてもよい。

【0027】

なお、ＣＶＤ法やスパッタ法の場合、成膜粒子は斜め方向からも成膜されるので、シリコンナノワイヤ４５０の底まで保護膜５００が埋まらず、シリコンナノワイヤ４５０の上部のみが繋がった１枚の膜状となる。更に、保護膜５００は、シリコンナノワイヤ４５０が形成された第１領域４０１から第２領域４０２に跨って固定される。なお、マスクを用いたスパッタ法に限定されず、保護膜５００をＣＶＤ法やスパッタ法を用いて成膜した後、フォトリソグラフィ法やエッチング法を用いてパターニングするようにしてもよい。

【0028】

図１２に示す工程では、Ｎ型シリコン層４００における第２領域４０２に、第２電極６００を形成する。第２電極６００の材料は、例えば、銀（Ａｇ）である。具体的には、第２領域４０２において銀膜を成膜し、その後、銀膜をパターニングすることによって、第２電極６００を形成することができる。

【0029】

図１３に示す工程では、Ｐ型シリコン層３００の裏面側、即ち、Ｐ型シリコン層３００における保護膜５００の方向とは反対側に、第１電極２００を成膜する。第１電極２００は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）である。なお、第１電極２００の裏面に、保持基板１００を配置するようにしてもよい。以上により、太陽電池１０００が完成する。

【0030】

以上述べたように、本実施形態の太陽電池１０００は、導電層の一部である第１電極２００と、第１電極２００の上に配置された第１半導体層としてのＰ型シリコン層３００と、Ｐ型シリコン層３００の上に配置されたシリコンナノワイヤ４５０を有する第２半導体層としてのＮ型シリコン層４００と、シリコンナノワイヤ４５０を有する第１領域４０１を覆うように配置された保護膜５００と、を備える。

【0031】

この構成によれば、シリコンナノワイヤ４５０を有する第１領域４０１を覆うように保護膜５００が配置されているので、シリコンナノワイヤ４５０が隣接する領域に移動することを抑えることが可能となり、保護膜５００に固定された状態となる。よって、シリコンナノワイヤ４５０を、例えば、指などで触れてしまった場合でも、簡単に破損することを抑えることができる。また、シリコンナノワイヤ４５０の上部に電極などを形成することもできる。

【0032】

また、本実施形態の太陽電池１０００において、保護膜５００は、シリコンナノワイヤ４５０の上層部に配置されていることが好ましい。この構成によれば、シリコンナノワイヤ４５０の上層部に保護膜５００が配置されているので、シリコンナノワイヤ４５０の強度的に弱い部分を保護膜５００で固定することができ、シリコンナノワイヤ４５０に接触した場合でも、簡単に破損することを抑えることができる。

【0033】

また、本実施形態の太陽電池１０００において、保護膜５００は、ＳｉＯ₂、ＳｉＯＮ、又は、ガラスであることが好ましい。この構成によれば、上記の材料によって保護膜５００が構成されているので、シリコンナノワイヤ４５０の領域を覆うように成膜できると共に、光の屈折率による影響を抑えることができる。

【0034】

また、本実施形態の太陽電池１０００において、第２半導体層であるＮ型シリコン層４００は、シリコンナノワイヤ４５０が配置された第１領域４０１と、第１領域４０１の外側の領域である第２領域４０２と、を有し、導電層には、第１電極２００が設けられており、Ｎ型シリコン層４００の第２領域４０２には、第２電極６００が設けられていることが好ましい。この構成によれば、第１電極２００及び第２電極６００が設けられているので、第１電極２００と第２電極６００とによって、集電を行うことができる。

【0035】

また、本実施形態の太陽電池１０００において、第１半導体層は、Ｐ型シリコン層３００であり、第２半導体層は、Ｎ型シリコン層４００であることが好ましい。この構成によれば、上記のようにＰ型シリコン層３００及びＮ型シリコン層４００を構成することにより、太陽光を電気に効率よく変換することができる。

【0036】

また、本実施形態の太陽電池１０００の製造方法は、Ｐ型シリコン層３００の上に、Ｎ型シリコン層４００を形成する工程と、Ｎ型シリコン層４００の上に、触媒膜としての金膜７００を形成する工程と、金膜７００及びＮ型シリコン層４００の上にアルミニウム膜８００を成膜する工程と、アルミニウム膜８００に陽極酸化法を用いて細孔８０１を形成する工程と、細孔８０１をマスクとしてアルミニウム膜８００及び金膜７００をエッチングする工程と、ＭＡＣＥ法を用いてＮ型シリコン層４００にシリコンナノワイヤ４５０を形成する工程と、シリコンナノワイヤ４５０を有する領域に保護膜５００を成膜する工程と、を有する。

【0037】

この方法によれば、シリコンナノワイヤ４５０を有する領域を覆うように保護膜５００を成膜するので、シリコンナノワイヤ４５０が隣接する領域に移動することを抑えることが可能となり、保護膜５００に固定された状態となる。よって、シリコンナノワイヤ４５０を、例えば、指などで触れてしまった場合でも、簡単に破損することを抑えることができる。また、シリコンナノワイヤ４５０の上部に電極などを形成することもできる。

【0038】

以下、上記した実施形態の変形例を説明する。

【0039】

上記したように、Ｐ型シリコン層３００の裏面に第１電極２００を配置し、Ｎ型シリコン層４００の第２領域４０２に第２電極６００を配置することに限定されず、図１４に示すような構成にしてもよい。図１４に示すように、変形例の太陽電池２０００は、単結晶シリコン層４１０の裏面側に、Ｎ型シリコン層３１０とＰ型シリコン層３２０を形成している。更に、第１半導体層としてのＮ型シリコン層３１０の裏面に、Ｎ型シリコン層３１０と電気的に接続された第１電極２１０を設け、第２半導体層としてのＰ型シリコン層３２０の裏面に、Ｐ型シリコン層３２０と電気的に接続された第２電極２２０を設けている。なお、第１半導体層と第２半導体層とは、Ｎ型シリコン層とＰ型シリコン層とが逆になっている場合もある。

【0040】

この場合においても、太陽電池２０００の表側、即ち、＋Ｚ方向側には、シリコンナノワイヤ４５０の上層部を覆うように保護膜５００が配置されている。このように、２つの電極２１０，２２０を受光面の裏面に配置して、バックソーラー太陽電池として構成することで、受光面積を最大化することが可能となり、より効率的な発電を行うことができる。

【0041】

以上のように、変形例の太陽電池２０００において、導電層は、Ｎ型シリコン層３１０と電気的に接続された第１電極２１０と、Ｐ型シリコン層３２０と電気的に接続された第２電極２２０と、を有し、第１電極２１０及び第２電極２２０は、Ｎ型シリコン層３１０及びＰ型シリコン層３２０の裏面に設けられていることが好ましい。この構成によれば、太陽光が照射される単結晶シリコン層４１０の裏面側に第１電極２１０及び第２電極２２０が設けられているので、太陽光を受光するのに邪魔にならず、効率よく光を電気に変換することができる。

【符号の説明】

【0042】

１００…保持基板、２００…第１電極、２１０…第１電極、２２０…第２電極、３００…第１半導体層としてのＰ型シリコン層、３１０…第１半導体層としてのＮ型シリコン層、３２０…第２半導体層としてのＰ型シリコン層、４００…第２半導体層としてのＮ型シリコン層、４０１…第１領域、４０２…第２領域、４１０…単結晶シリコン層、４５０…シリコンナノワイヤ、５００…保護膜、６００…第２電極、７００…金膜、７０１…金膜パターン、７０２…金膜パターン、８００…アルミニウム膜、８０１…細孔、８０２…マスク、１０００…太陽電池、２０００…太陽電池。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】