专利汇可以提供Substrate for solar cell, method of manufacturing the same, solar cell, and method of manufacturing the same专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a solar cell giving high photoelectric conversion efficiency by three-dimensionally capturing the surface roughness shape of [111] surface.SOLUTION: The rate of a space period λ obtained when performing Fourier transformation of a [111] surface shape waveform curve to average surface roughness Ra of [111] surface roughness obtained by measuring the [111] surface that is the side face S of a pyramidal projecting and recessed part 1T formed on the surface of an n-type single crystal silicon substrate 1 by an atomic force microscope is always 100 or higher (λ/Ra≥100). Accordingly, since there is no steep shape change on the [111] surface of the substrate, formation of an epitaxial layer using it as a nucleus can be suppressed. As a result, defects between the substrate and an amorphous layer boundary face and in a film are reduced, and Voc, FF of a photoelectric conversion element is improved.,下面是Substrate for solar cell, method of manufacturing the same, solar cell, and method of manufacturing the same专利的具体信息内容。
本発明は、太陽電池用基板、その製造方法、太陽電池及びその製造方法に係り、特に、反射防止構造を構成する凹凸部(テクスチャ)を有する太陽電池用基板、太陽電池及び太陽電池の製造方法に関する。
入射した光を光電変換部で電気に変換する太陽電池では、表面での光反射が大きいと太陽電池内部に入射する光が減少して、得られる電力も少なくなる。 したがって、太陽電池の光電変換効率を高めるには、表面での光反射率を低減し、より多くの光を取り込むことが重要となる。 光反射率の低減には、例えば太陽電池の表面に反射防止膜を設けることが有効である。
しかし、反射防止膜を用いても入射光の数%の反射による損失が生じるため、さらに太陽電池の表面にテクスチャと呼ばれる微小な凹凸部を形成して、光閉じ込め効果による反射率低減を図っている。
例えば、単結晶シリコンは、アルカリ溶液を用いて異方性エッチングを行うことで、テクスチャとしてランダムなピラミッド形状の凹凸部を容易に形成可能である。 これらの方法によって、多重散乱による光閉じ込めの効果で、太陽電池の表面での光反射率を大幅に低減することが可能である。
従来、単結晶シリコン基板などの結晶系シリコン基板を用いる太陽電池では、シリコン(100)基板の表面を、異方性エッチングによって、エッチングすることにより、{111}面に起因したピラミッド状の凹凸部を形成する。
一方、単結晶シリコン基板上に非晶質シリコン層或いは微結晶シリコン層を積層し、pn接合を形成したヘテロ接合型太陽電池技術が開示されている(特許文献1)。 しかし、このようなヘテロ構造においては、ヘテロ接合界面に欠陥が多く発生し、生成したキャリアが再結合されてしまうため、高い変換効率が得られないという問題があった。 そこで、単結晶シリコン基板と非晶質シリコン基板との間に薄い真性非晶質シリコン層を挟み、ヘテロ接合界面での欠陥を低減した構造の太陽電池技術が開示されている(特許文献2)。
しかし、特許文献2のような太陽電池構造でも、テクスチャ表面を構成する{111}面が原子レベルで平坦でない形状のため、基板上に製膜される非晶質シリコン層に欠陥が発生したり、部分的に結晶を含むエピタキシャル層が形成されたりすることが確認されている。
そこで、上記問題を解決する種々の技術が開示されている。 特許文献3では、{111}表面において規定可能なステップ部とテラス部を有することで、上記問題を解決する。 また、特許文献4では、{111}表面がテラス部とステップ部からなり非晶質層と基板との間に2nm以下の高さのエピタキシャル層を形成することで、上記問題を解決する。 さらにまた、特許文献5では、{111}表面の凹凸高さを2nm以下とすることで、上記問題を解決する。
しかしながら、われわれが鋭意検討した結果、{111}表面のステップ部や凹凸部の高さが低くても、セル特性が低下してしまう場合があることを見出した。 これは{111}表面のステップ高さや凹凸高さを2nm以下に抑制しても、その急峻な形状によって、ステップ部から結晶系基板―非結晶性膜界面及び膜中に、欠陥やエピタキシャル部が発生するためであると考えられる。
そこで、本発明は、{111}表面の表面ラフネス形状を三次元で捉え、高い光電変換効率を与える、テクスチャ付きの太陽電池用基板、その製造方法、太陽電池およびその製造方法を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる太陽電池は、結晶系基板表面に形成されたピラミッド状の凹凸部のピラミッド側面である{111}表面を原子間力顕微鏡で測定することによって得られる平均面粗さ(Ra)と、{111}の表面形状波形曲線をフーリエ変換した際に得られる空間周期(λ)の比(λ/Ra)が全て100以上であることを特徴とする。
この発明によれば、テクスチャとしての凹凸部を有する結晶系基板の{111}表面形状が緩やかになって、テラス/ステップのような急峻な形状変化点が存在しないため、それを核とした非晶質シリコン層の欠陥発生や、エピタキシャル層形成が抑制される。 その結果、テクスチャ基板―非結晶性シリコン膜界面及び膜中の欠陥が低減し、太陽電池の開放電圧(Voc)、曲線因子(FF)などのセル特性が向上する。
以下に、本発明にかかる太陽電池用基板、これを用いた太陽電池及び太陽電池の製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。 また、以下に示す図面においては、理解容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1による太陽電池の概略構成を示す断面図である。 この太陽電池は、比抵抗が1〜10Ω・cmで、(100)で構成される結晶配向面を主面(第1の面1A)とし、厚みが50μm以上300μm以下のn型単結晶シリコン基板1を用いたものである。 このn型単結晶シリコン基板1の表面に、すべてλ/Ra≧100以上の{111}面からなるテクスチャ(凹凸部1T)が加工されている。
ここでλとは、テクスチャ基板すなわち凹凸部を形成したn型単結晶シリコン基板1の{111}表面(側面S)を原子間力顕微鏡で測定することによって得られる{111}面の表面形状波形曲線を、フーリエ変換することで得られる空間周期のことをいう。 また、Raはテクスチャ基板の{111}表面を原子間力顕微鏡で測定することによって得られる{111}面の平均面粗さをいう。 ミラー指数{111}の結晶格子面である{111}面とは、ミラー指数(111)の結晶格子面と等価な面群を指し、ミラー指数(-111)、(1-11)、(-1-11)の結晶格子面等を挙げることができる。 図2にn型単結晶シリコン基板1表面の拡大斜視図を示す。 本実施の形態における原子間力顕微鏡測定は、チップ先端半径が10nm以下で、高さが約10μm以上のプローブを使用して、テクスチャ基板としてのn型単結晶シリコン基板1{111}表面を測定した。 測定に際しては、n型単結晶シリコン基板1{111}表面の500nm×500nm領域を走査して{111}面(側面S)におけるステップ部の高さhと周期λの測定を行い、その平均値を算出した。
凹凸加工されたn型単結晶シリコン基板1の第1の面1Aおよび第2の面1Bの両側の表面に、厚さがそれぞれ約5nmのi型の非晶質シリコン層2a、2bが形成されている。 i型非晶質シリコン層2a上には厚さが約5nmのp型非晶質シリコン層3が製膜されている。 p型非晶質シリコン層3が形成されている第1の面1A側と反対側である第2の面1Bに形成された、i型非晶質シリコン層2b上には厚さが約5nmのn型非晶質シリコン層4が製膜されている。 ここで、i型非晶質シリコン層2a、2bは、基板表面の界面準位を低減するのに作用する。 また、n型非晶質シリコン4は、裏面電極付近でのキャリア再結合を防ぎ、発生したキャリアを効率良く捕獲するためのBSF(Back Surface Field)層であるが、これらi型非晶質シリコン層2a、2b、及び、n型非晶質シリコン4は必ずしも形成されなければいけないわけではない。 また、テクスチャ構造については受光面側のみに形成してもよい。
さらに、p型非晶質シリコン層3、及び、n型非晶質シリコン層4上に厚みが約70nmの透光性電極5a、5bが形成されている。 そして、透光性電極5a上には、銀(Ag)からなる厚みが約50μmの集電電極6aが、前記透光性電極5b上には銀(Ag)からなる厚みが約40μmの集電電極6bが形成されている。
次に、本発明の実施の形態1による結晶系シリコン太陽電池の製造方法を説明する。
図3は本発明の実施の形態1の結晶系シリコン太陽電池の製造方法の手順を示す断面図である。 図4は同製造工程を示すフローチャートである。
まず、結晶系基板として主面の結晶面方位が<100>であるn型単結晶シリコン基板1を用意する(図3−1)。 n型単結晶シリコン基板1は、所望の濃度のn型にドープされた単結晶シリコンインゴットからマルチワイヤーソーでスライスして形成したものである。
ここで、基板としては、n型の単結晶シリコン基板1を用いるが、通常、引き上げにより得られたインゴットをスライスすることにより切り出されたものであるため、表面に自然酸化膜、および構造的欠陥、金属等による汚染をはらんでいる。 このため、ここで用いられるn型の単結晶シリコン基板1に対して洗浄および、ダメージ層エッチングを行う(S1001)。
n型の単結晶シリコン基板1に対し、洗浄、ダメージ層エッチングを行った後、n型の単結晶シリコン基板1内の不純物を除去するためにゲッタリングを行う(S1002)。 ゲッタリング工程では、処理温度1000℃程度のリンの熱拡散により形成されたリンガラス層に不純物を偏析させ、リンガラス層をフッ化水素等でエッチングする。
次に、n型単結晶シリコン基板1の受光面である第1の面1A側および裏面側である第2の面1Bの表面に対して異方性エッチングを施し、n型単結晶シリコン基板1の第1の面1Aおよび第2の面1Bにテクスチャを作製する(図3−2:S1003)。 この異方性エッチングでは、例えば、有機物を適量含むアルカリ溶液をn型単結晶シリコン基板1の表面に供給する。 アルカリ溶液としては、例えば水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液や水酸化カリウム(KOH)水溶液などを用いる。 これらの水溶液の濃度は、添加する有機物の種類に依存して適宜変更されるが、例えばアルカリ濃度は、1重量%以上10重量%以下が好ましく、有機物としては例えばイソプロピルアルコール(IPA)などのアルコールやスルホン酸、エステルが用いられる。 また、面内均一なテクスチャ形成を可能とするために、界面活性剤などを添加してもよい。 さらにまた、面内均一性の良好なテクスチャ形成のためには、エッチング時のこれらの水溶液の温度は、70℃以上90℃以下とすることが好ましい。 基板全面へのテクスチャ形成は、20〜40分程度のエッチング形成を実施すればよい。 本実施の形態では浸漬法によるエッチング処理を実施したが、エッチング中はエッチング溶液を攪拌しても良く、凹凸部形成は光入射側だけでも良い。
アルカリ水溶液によりn型単結晶シリコン基板1の表面を異方性エッチングすると、エッチングの速度の速い{100}面などでエッチングが進み、エッチング速度の極めて遅い{111}面からなるピラミッド状の凹凸部が形成され、エッチングの進行が遅くなる。 そのためピラミッド状の凹凸部は、結晶面が{111}である斜面によって構成される。
ここで厳密に言うと、{100}面や{110}面などのエッチング速度と{111}面のエッチング速度の比は無限大ではないため、{111}面で形成されるテクスチャの凹部角度は理論値の70.5°よりも大きく、本実施の形態で述べる{111}面は略{111}面のことを意味する。
一方、凹凸部1T形成前に、エッチングムラを抑制するために、基板に洗浄を施したが、この工程は省略しても良い。 さらに、スライス時の基板表面のダメージ層を酸またはアルカリ溶液を用いたウェットエッチングで除去する工程を実施したが、この工程についても省略しても良い。 加えてダメージ層除去工程後に、基板内不純物のゲッタリング処理を施すと性能向上に望ましいが、実施しなくてもよい。
このようにしてテクスチャ(凹凸部1T)を形成した後、テクスチャの形成されたn型単結晶シリコン基板1表面に付着した有機物汚染や金属汚染を洗浄により除去する(S1004)。 対象とする汚染物を除去できれば、洗浄方法として、例えば、オゾン水洗浄やRCA洗浄によって基板表面を清浄化する方法が挙げられる。 種々の洗浄方法により、基板表面を清浄化し、さまざまな汚染レベルの基板を得、この基板を用いて太陽電池を製造し、その出力特性を測定した。 実験の結果、洗浄後の基板表面のチタン(Ti)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)などの金属汚染量が、1×10 11 atoms/cm 2以上のとき、太陽電池の出力特性(Voc)が著しく低下することが明らかとなった。 また、有機物汚染に関しては、総有機物汚染量が3ng/cm 2以下に管理する必要があることを確認した。 基板表面に金属汚染があると、金属イオンがシリコン基板内部に取り込まれ、バンドギャップ中に欠陥準位を形成し、太陽電池として作動させた時に、生成したキャリアが欠陥準位において再結合してしまい、特性の低下を招くためである。
金属汚染量と総有機物汚染量は、テクスチャ形成面の表面粗さにも関係すると考えられることから、より平滑なテクスチャ表面を得るためにもできればテクスチャエッチング工程に先立ち、洗浄工程により金属汚染と総有機物汚染とを低減するのが望ましい。
次に、図3−3のように、n型単結晶シリコン基板1の片面にi型非晶質シリコン層2a、p型非晶質シリコン層3をこの順番で化学気相成長(CVD)法を用いて形成する(S1005,1006)。 i型非晶質シリコン層2a、p型非晶質シリコン層3のそれぞれの層厚は5nmである。 本実施の形態では層厚は5nmとしたが、層の形成条件によっては3nm以上10nm以下の範囲の層厚でもよい。 CVD法としてはプラズマCVD法、熱CVD法などを用いることが望ましい。 光電変換層であるn型単結晶シリコン基板1に対して十分な内蔵電界を発生させるためには、p型非晶質シリコン層3のバンドギャップ、活性化エネルギーはそれぞれ1.7eV以上、0.4eV以下であることが必要である。 なおi型非晶質シリコン層2aの代わりに、i型非晶質炭化シリコン層、i型非晶質酸化シリコン層或いはそれらを積層した多層膜を用いても良い。 またp型非晶質シリコン層3の代わりにp型非晶質炭化シリコン層、p型非晶質酸化シリコン層、p型微結晶シリコン層或いはそれらを積層した多層膜などを用いても良い。
n型単結晶シリコン基板1の片面にi型非晶質シリコン層2a、p型非晶質シリコン層3を形成した後、図3−4のようにこのn型単結晶シリコン基板1の反対側にi型非晶質シリコン層2b、n型非晶質シリコン層4をこの順番でCVD法を用いて形成する(S1007,1008)。 i型非晶質シリコン層2b、n型非晶質シリコン層4それぞれの層厚は5nmである。 本実施の形態では層厚は5nmとしたが、層の形成条件によっては3nm以上20nm以下の範囲の層厚でも構わない。 ここでも、CVD法としてはプラズマCVD法、熱CVD法などを用いることが望ましい。
光電変換層であるn型単結晶シリコン基板1に対して十分な内蔵電界を発生させるためには、n型非晶質シリコン層4のバンドギャップ、活性化エネルギーはそれぞれ1.7eV以上、0.3eV以下であることが必要である。 なおi型非晶質シリコン層2bの代わりに、i型非晶質炭化シリコン層、i型非晶質酸化シリコン層或いはそれらを積層した多層膜を用いても良い。 またn型非晶質シリコン層4の代わりにn型非晶質炭化シリコン層、n型非晶質酸化シリコン層、n型微結晶シリコン層或いはそれらを積層した多層膜などを用いても良い。
n型単結晶シリコン基板1の片面にi型非晶質シリコン層2b、n型非晶質シリコン層4を形成した後、i型非晶質シリコン層2bとn型単結晶シリコン基板1の界面欠陥低減のため、不活性ガス或いは不活性ガスで希釈した水素ガス中で熱アニール処理を施しても良い。 アニール温度は200℃以下が望ましい。
熱アニール処理の後、図3−5のようにp型非晶質シリコン層3、n型非晶質シリコン層4の上に透光性電極5a、5bをスパッタ法或いは蒸着法で形成する(S1009)。 透光性電極5a、5bの膜厚は反射率低減の観点から、約70nmが望ましい。 透光性電極材料としては酸化インジウムスズ(ITO:Indium Tin Oxide)或いは、酸化インジウム(In 2 O 3 :Indium Oxide)を用いる。 また透光性電極の抵抗率は低いことが望ましいが、導電性を担うキャリア密度が高いと光吸収率が増加してしまう。 そのため透光性電極として用いた材料は高移動度でなければならない。 70nmの層厚で十分低い抵抗率を達成するために移動度は100cm 2 /Vs以上が望ましい。 なお下層の透光性電極材料としてアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)などを添加した酸化亜鉛(ZnO:Zinc Oxide)を用いてもよい。
透光性電極5a、5bを形成した後、図3−6のように透光性電極5a、5b上にAgで構成される集電電極6a、6bをスクリーン印刷法で形成する(S1010)。 集電電極6aを構成しているグリッド電極の幅は遮光を押さえるため狭いほどよいが、抵抗が増加してしまう。 従って集電電極6aは幅が狭く、層厚が大きいことが望ましい。 本実施の形態では幅を70μm、層厚を50μmとした。 集電電極6bを構成しているグリッド電極の幅はコスト低減のため狭いほどよいが、透光性電極5bを構成する透光性導電膜とのコンタクト抵抗が増加してしまう。 従って集電電極6bは、幅が狭く、透光性電極5bとのコンタクト抵抗の増加がほとんどないことが望ましい。 本実施の形態では幅を100μm、層厚を40μmとした。 なおスクリーン印刷法の他に、メッキ法などで集電電極を形成してもよく、Agの代わりにアルミニウム(Al)、金(Au)、銅(Cu)などを用いてもよい。 集電電極の印刷後、200℃以下で焼成する。
本発明の実施の形態1において、テクスチャエッチングを行なうためのエッチング液(以下テクスチャ液ということもある)中の有機物にIPA、または、スルホン酸を主成分として使用した場合の、テクスチャ形成後のn型単結晶シリコン基板1の波長700nmにおける反射率、及び、{111}面の表面ラフネスの凹凸高さ、及び、セル特性結果を表1に示す。
テクスチャすなわち凹凸部1Tの側面である{111}面上の凹凸高さは、テクスチャエッチングを行なうためのエッチング液中の有機物にスルホン酸を使用した場合、約3nmであり、IPAを使用した場合は約2nmであった。 テクスチャエッチングを行なうためのエッチング液中の有機物にスルホン酸を使用した場合、{111}面上の凹凸高さがIPAを使用した場合よりも3nmと高いにも関わらず、高い光電変換効率(セル効率)が得られている。
テクスチャ液中の有機物としてIPAを使用してテクスチャエッチングを行なった場合の基板の凹凸部1Tの側面である{111}面の原子間力顕微鏡測定結果を図5に、スルホン酸を使用した場合の基板の凹凸部1Tの側面である{111}面の原子間力顕微鏡測定結果を図6に示す。 図5及び図6より、テクスチャ液中の有機物にIPAを使用した場合、スルホン酸を使用した場合よりも、基板の側面である凹凸部1Tの{111}面上の表面凹凸形状の間隔が短く、形状がより急峻であることがわかる。
そこで、{111}面上で、表面形状を構成する形状波形曲性の周期成分を抽出する為、原子間力顕微鏡測定によって得られる、{111}面の表面形状波形曲線をフーリエ変換して、表面形状の空間周波数を求め、空間周期λを算出した。
その結果、スルホン酸を使用した場合の基板の凹凸部1Tの{111}面は、周期の長い空間周波数成分のみから成るのに対し、IPAを使用した場合は、それらの成分に加え、周期の短い空間周波数成分を多く含んでいた。
形状の緩やかさを評価する為、測定で求められたλとRaの比(λ/Ra)を求めた。 ここで、λ/Raの大小関係と{111}面の表面ラフネス形状を理解する為に、RaをRa 1として一定値に揃え、λだけ変化させた場合の{111}表面の形状イメージ図を図7に示す。 aは周期λ 1の場合を示す曲線、bは周期λ 2の場合を示す曲線である。 ここでλ 2 =0.2λ 1である。 Raが同じでも、表面形状周期が短い場合(1/5周期)、{111}表面の形状が急峻になってしまうことがわかる。
さらに、図7の場合から、空間周期が短い成分(破線b)のRaを1/2にした場合の{111}表面の形状イメージ図を図8に示す。 空間周期が短い場合、Ra 2を1/2(Ra 2 =0.5R 1 )と低くしても、実線aで示すように空間周期が長い場合に比べ破線bで示す空間周期が短い場合は、形状が急峻であることがわかる。 ここでは、λ 2 =0.2λ 1 、Ra 2 =0.5R 1であるため、λ 2 /Ra 2 =0.4(λ 1 /Ra 1 )となっており、λとRaの比(λ/Ra)は小さくなっている。 つまり、Raにのみ依存するのではなく、λ/Raが大きいほど表面形状は緩やかになる。 以上より、表面形状の勾配を規定するためには、{111}表面形状の高さと共に空間周期が重要であると判断できる。 すなわち、λ/Raは{111}表面形状の微細な凹凸の急峻さに関わる特徴を三次元的に表現したパラメータとして有効である。
テクスチャ液中の有機物にIPA、または、スルホン酸を主成分として使用した場合の、λ/Ra、及び、セル特性結果を表2に示す。 ここで示したλ/Raは、フーリエ変換した際に得られる最も高いパワー値を1としたときに、0.3以上のパワー値を有するλにおいて、ピークを有するλを抽出している。
テクスチャ液中の有機物にスルホン酸を使用した場合の方が、凹凸高さは高かったものの、λ/Raは100以上の成分からなり、その多くがλ/Ra=398である形状波形成分によって構成されており、形状が緩やかであることがわかった。 一方、IPAを使用した場合は、{111}面が、5種類の周期からなる形状波形成分で構成されており、λ/Ra=78と、前記基板と比較し急峻な形状が多く含まれていた。 IPAを使用した場合のテクスチャ基板の{111}面は、緩やかな形状と急峻な形状が混在していることを示している。
表2より、基板の凹凸部1Tの側面である{111}面形状が緩やかになるに従って、Voc及びFFが向上していることが確認される。 テクスチャ液中の有機物にスルホン酸を使用した場合、凹凸高さは高かったものの、形状が緩やかであるため、急峻な形状を核としたエピタキシャル層の形成が抑制され、基板―非結晶性シリコン膜界面、及び、膜中の欠陥が減少し、その結果Voc及びFFが向上したと考えられる。
また、スパッタ法等によって透光性電極5a、5b、及び、裏面側電極7を製膜する際、{111}面は面方位<100>に対して約55°傾いているため、基板の{111}面上に急峻形状がある場合、その急峻な形状のために一部分が製膜方向に対して陰になってしまい、膜質や膜厚が不均一になってしまう。 そのため、λ/Ra≧100の{111}表面形状を有する基板は、その緩やかな形状によって、上記問題が低減され、その結果FFが向上するという、付随の効果を有していると考えられる。
以上説明してきたように、本発明によるピラミッド状の凹凸部1Tをもつ基板の凹凸部側面である{111}表面の形状が、λ/Ra≧100からなるテクスチャ基板によって形成された太陽電池は、急峻な形状によって形成される、テクスチャ基板―非結晶性シリコン膜界面、及び、膜中の欠陥が低減され、その結果Voc及びFFが向上する。 結果として本発明の実施の形態1によればVoc及びFFが高く、光電変換効率が良好な太陽電池を実現することができる。
実施の形態2.
実施の形態2は、テクスチャとしての凹凸部1Tを形成した太陽電池用基板に追加処理として平滑化処理を実施して{111}表面を平滑化した基板に関する。 図9はこの太陽電池の製造工程を示すフローチャートである。 太陽電池の概略構成図に関しては実施の形態1と同様であり、凹凸部1T形成後の追加処理を除いては、実施の形態1と同様の製造方法である。
本実施の形態では、図9にフローチャートを示すように、テクスチャ形成ステップS1003、基板洗浄ステップS1004を終えて、i型非晶質シリコン層2a、2bを形成するに先立ち、基板表面を平滑化する平滑化処理ステップS2000を追加したことを特徴とするものである。 他の工程については図4に示した実施の形態1のフローチャートと同様であるので、説明は省略する。
凹凸部1T形成後の{111}面平滑化処理(ステップS2000)に関しては、フッ硝酸溶液や、フッ化アンモニウム(NH 4 F)、アンモニア水(NH 4 OH)、フッ酸(HF)の少なくとも1つ以上を含む水溶液に浸漬する方法が挙げられる。 処理温度は、室温で良く、処理時間は使用する溶液種や濃度によっても異なるが10秒〜5分があげられる。
有機物としてIPAを主成分としたテクスチャ液を用いてテクスチャ形成した基板を、NH 4 F:NH 4 OH:HF:H 2 O=5:1:1:4の体積比で混合した溶液に室温で1分間浸漬処理を実施した太陽電池用基板に対してλ/Raを測定した結果を表3に示す。 またこの太陽電池用基板を用いて実施の形態1と同様に太陽電池を形成した場合の、セル特性を表3に示す。
テクスチャ形成後に平滑化処理を実施することで、λ/Raの値が増加し、{111}表面の形状が緩やかになっていることがわかる。 このように、テクスチャ形成後に追加処理工程として平滑化処理工程を実施することでも、{111}表面の凹凸部を平滑化し、平滑な表面形状を得ることが可能であり、その結果、実施の形態1と同様の理由で、Voc及びFFが向上した。
以上のことから、本発明によるピラミッド状の凹凸部を有する結晶系基板の凹凸部側面である{111}表面形状が、λ/Ra≧100からなるテクスチャ基板によって形成された太陽電池は、急峻な形状によって形成される、テクスチャ基板―非結晶性シリコン膜界面、及び、膜中の欠陥が減少され、その結果Voc及びFFが向上する。 結果として本発明の実施の形態2によればVoc及びFFが高く、光電変換効率が良好な太陽電池を実現できる。
実施の形態3.
実施の形態3は、テクスチャとしての凹凸部1Tを形成した太陽電池用基板に対し、原子間力顕微鏡を用いて凹凸部1Tの側面である{111}面粗さを測定する工程(ステップS2001)を追加し、平滑な面となったものに対してのみ、太陽電池を作成するようにしたものである。 図10はこの太陽電池の製造工程を示すフローチャートである。 太陽電池の概略構成図に関しては実施の形態1、2と同様であり、凹凸部1T形成後の測定工程と、追加処理を除いては、実施の形態1と同様の製造方法である。
本実施の形態では、図10にフローチャートを示すように、テクスチャ形成ステップS1003、基板洗浄ステップS1004を終えて、i型非晶質シリコン層2a、2bを形成するに先立ち、凹凸部1Tを形成した太陽電池用基板に対し、原子間力顕微鏡を用いて{111}面粗さを測定する工程(ステップS2001)を追加したことを特徴とするものである。 {111}面上で、表面形状を構成する形状波形曲性の周期成分を抽出する為、原子間力顕微鏡測定によって得られる、{111}面の表面形状波形曲線をフーリエ変換して、表面形状の空間周波数を求め、空間周期λを算出した。
そして形状の緩やかさを評価する為、測定で求められたλとRaの比(λ/Ra)を求め、λ/Raの平均値を算出した。 そしてλ/Raの平均値が100以上であるか否かを判断する工程(ステップS2002)を経て、Noであれば、前記実施の形態2と同様、基板表面を平滑化する平滑化処理工程(ステップS2000)を追加する。 一方、λ/Raの平均値が100以上であるか否かを判断する工程(ステップS2002)で、Yesであれば、i型非晶質シリコン層形成ステップ(ステップS1005)に入り、太陽電池を製造する。 他の工程については図4に示した実施の形態1のフローチャートと同様であるので、説明は省略する。
テクスチャ形成後に原子間力顕微鏡で表面粗さを測定し、λ/Raの値が100以上でない場合は、平滑化処理を実施する。 そして、λ/Raの値が増加し、{111}表面の形状が緩やかになっていると判断した太陽電池用基板に対し、非晶質シリコン層からなる機能膜を形成し太陽電池を製造する。
本実施の形態によれば、凹凸部を形成する工程が、エッチング工程後に、原子間力顕微鏡を用いて前記凹凸部の側面の{111}面粗さを測定する工程と、表面ラフネスの平均面粗さRaと空間周期λの比を算出し、この比が、100以上であるか否かを判断する工程とを含むようにしている。 このように、表面粗さを測定し、λ/Raの値が100以上でない場合は、テクスチャ形成後に追加処理工程として平滑化処理工程を実施することで、{111}表面の凹凸部を平滑化し、平滑な表面形状を得、実施の形態1と同様、Voc及びFFを向上させることが可能となる。
加えて、エッチング液中の金属汚染量を抑えるのは有効であり、また、テクスチャ形成後の洗浄処理は、ヘテロ接合型太陽電池の特性向上において非常に重要である。 これは{111}面の荒れとは別に、基板表面での表面再結合を抑制するという観点からも重要である。 そしてこの洗浄工程においても、洗浄液中の金属汚染が多いと、形成されたテクスチャ{111}表面が荒れていく可能性が考えられる。 最良の状態にするためには、洗浄工程においても、処理液中に金属汚染が低いことが、基板表面を清浄に保ち、平滑なテクスチャを形成する極めて重要である。
なお、結晶系半導体基板としては、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板などの結晶シリコン基板の他、シリコンカーバイド基板などのシリコン化合物基板をはじめとする結晶シリコン系基板などにも適用可能である。 真性または各導電型の非晶質シリコン層についても、非晶質炭化シリコン膜、非晶質酸化シリコン膜などの非晶質シリコン層の他、微結晶シリコン系薄膜、多結晶シリコン系薄膜などの結晶系薄膜にも適用可能である。
また、実施の形態1および2の太陽電池用基板は、特に、結晶系半導体基板上に非晶質薄膜などを形成したいわゆるヘテロ接合型太陽電池における、エピタキシャル成長層の異常成膜防止に有効である。 一方、結晶系半導体基板表面から拡散により接合を形成する、拡散型太陽電池の場合、受光面側にSiNなどのパッシベーション膜を形成する際にも、欠陥が形成されるのを防ぐことができるなど、実施の形態1および2の太陽電池用基板は他の構造の太陽電池にも有効である。
以上のように、本発明にかかる太陽電池用基板は、ピラミッド型のテクスチャ構造を有して低光反射率および高光電変換効率を有する太陽電池の実現に適している。
1 n型単結晶シリコン基板、2a,2b i型非晶質シリコン層、3 p型非晶質シリコン層、4 n型非晶質シリコン層、5a,5b 透光性電極、6a,6b 集電電極。
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