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技術 ヘテロ接合型太陽電池の製造方法

出願人 國立台湾師範大学
発明者 李敏鴻陳治瑜劉せい茹張書通
出願日 2017年12月26日 (2年4ヶ月経過) 出願番号 2017-248673
公開日 2018年7月12日 (1年9ヶ月経過) 公開番号 2018-110228
状態 特許登録済
技術分野 光起電力装置
主要キーワード 酸化インジウムスズ層 環境気体 スタッキング構造 エネルギー転換効率 ドーピングタイプ ヘテロ接合型太陽電池 PNジャンクション 研究課題
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2018年7月12日)のものです。
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図面 (5)

課題

ヘテロ接合型太陽電池の製造方法を提供する。

解決手段

ヘテロ接合型太陽電池は結晶シリコン基板110、本質単結晶シリコン層124、アモルファスシリコン層122、透明導電層130、2個の電極層141、142を有する。本質単結晶シリコン層124はアモルファスシリコン層122と結晶シリコン基板110に接触し、アモルファスシリコン層122と結晶シリコン基板110の間に位置する。本質単結晶シリコン層124とアモルファスシリコン層122の厚さはそれぞれ50ナノ以下で、しかも本質単結晶シリコン層124とアモルファスシリコン層122は共に、電子ビーム蒸着により形成される。透明導電層130はアモルファスシリコン層122上に形成される。2個の電極層141、142は透明導電層130上と結晶シリコン基板110上にそれぞれ形成され、結晶シリコン基板110はこの2個の電極層141、142の間に位置する。

概要

背景

シリコン系太陽電池(silicon based solar cell)は、現在しばしば見られる太陽電池である。
それは、光起電力効果(photovoltaic effect)を利用し、電気エネルギーを生み出すものである。
光線がシリコン系太陽電池に照射すると、シリコン系太陽電池は、光線中の一部の光子(photon)を吸収し、多数の電子ホールを発生する。
PNジャンクション(PN junction)が産生するビルトイン電場(built-in electric field)は、これら電子とホールを導引し、それぞれN型区とP型区へとドリフト(drift)させ、オープンサーキット電圧(open-circuit voltage)、即ち光電圧(photovoltage)を生じる。

オープンサーキット電圧が高ければ高いほど、シリコン系太陽電池のエネルギー転換効率(energy conversion efficiency)も高くなる。
そのため、いかにしてシリコン系太陽電池の効率を高めるかは、多くの製造会社(manufacturer)の主要な研究課題である。

概要

ヘテロ接合型太陽電池の製造方法を提供する。ヘテロ接合型太陽電池は結晶シリコン基板110、本質単結晶シリコン層124、アモルファスシリコン層122、透明導電層130、2個の電極層141、142を有する。本質単結晶シリコン層124はアモルファスシリコン層122と結晶シリコン基板110に接触し、アモルファスシリコン層122と結晶シリコン基板110の間に位置する。本質単結晶シリコン層124とアモルファスシリコン層122の厚さはそれぞれ50ナノ以下で、しかも本質単結晶シリコン層124とアモルファスシリコン層122は共に、電子ビーム蒸着により形成される。透明導電層130はアモルファスシリコン層122上に形成される。2個の電極層141、142は透明導電層130上と結晶シリコン基板110上にそれぞれ形成され、結晶シリコン基板110はこの2個の電極層141、142の間に位置する。

目的

そのため、いかにしてシリコン系太陽電池の効率を高めるかは、多くの製造会社(manufacturer)の主要な研究課題である

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

ヘテロ接合型太陽電池の製造方法であって、少なくとも以下を含み、結晶シリコン基板を提供し、それは第一平面、前記第一平面に相対する第二平面を有し、酸液を利用し前記第一平面を洗浄し、電子ビーム蒸着を行い、前記第一平面上に順番に本質単結晶シリコン層アモルファスシリコン層を形成し、前記本質単結晶シリコン層は、前記アモルファスシリコン層と前記結晶シリコン基板に接触し、前記アモルファスシリコン層と前記結晶シリコン基板の間に位置し、しかも前記本質単結晶シリコン層の厚さは、5ナノ〜50ナノの間で、前記アモルファスシリコン層の厚さは、10ナノ〜100ナノの間で、透明導電層を、前記アモルファスシリコン層上に形成し、前記透明導電層上には、電極層を形成し、前記第一電極層は、前記透明導電層の少なくとも一部分を露出し、前記第二平面上には、第二電極層を形成し、前記結晶シリコン基板は、前記第一電極層と前記第二電極層の間に位置し、前記第一電極層と前記第二電極層を形成した後、前記本質単結晶シリコン層、前記アモルファスシリコン層と前記結晶シリコン基板は、環境気体中で、高速熱アニーリングを行い、前記環境気体は水素を含むことを特徴とする、ヘテロ接合型太陽電池の製造方法。

請求項2

前記酸液は、硝酸酢酸及びフッ化水素酸により構成されることを特徴とする、請求項1に記載のヘテロ接合型太陽電池の製造方法。

請求項3

前記酸液中の硝酸、酢酸及びフッ化水素酸の重量比は、23:14:4.5であることを特徴とする、請求項2に記載のヘテロ接合型太陽電池の製造方法。

請求項4

前記酸液を利用し、前記第一平面を洗浄し、前記結晶シリコン基板を前記酸液に浸漬し、前記結晶シリコン基板を、前記酸液に浸漬する時間は、2分〜5分の間であることを特徴とする、請求項1に記載のヘテロ接合型太陽電池の製造方法。

請求項5

前記高速熱アニーリングの温度は、200℃〜400℃の間であることを特徴とする、請求項1に記載のヘテロ接合型太陽電池の製造方法。

請求項6

前記高速熱アニーリングの温度は、400℃〜600℃の間であることを特徴とする、請求項1に記載のヘテロ接合型太陽電池の製造方法。

請求項7

前記透明導電層は、物理気相成長により形成され、前記物理気相成長は、スパッタリングで、前記スパッタリングの背景圧力は、10-5トール〜10-6トールの間であることを特徴とする、請求項1に記載のヘテロ接合型太陽電池の製造方法。

請求項8

前記電子ビーム蒸着の背景圧力は、5×10-6トール以下であることを特徴とする、請求項1に記載のヘテロ接合型太陽電池の製造方法。

請求項9

前記第一電極層と前記第二電極層は共に、電子ビーム蒸着により形成されることを特徴とする、請求項1に記載のヘテロ接合型太陽電池の製造方法。

請求項10

前記環境気体は窒素をさらに含み、前記環境気体中において、窒素の濃度は、水素の濃度より高いことを特徴とする、請求項1に記載のヘテロ接合型太陽電池の製造方法。

技術分野

0001

本発明は太陽電池(solar cell)の製造方法に関し、特にヘテロ接合型太陽電池(Heterojunction with Intrinsic Thin layer solar cell,HIT solar cell)の製造方法に関する。

背景技術

0002

シリコン系太陽電池(silicon based solar cell)は、現在しばしば見られる太陽電池である。
それは、光起電力効果(photovoltaic effect)を利用し、電気エネルギーを生み出すものである。
光線がシリコン系太陽電池に照射すると、シリコン系太陽電池は、光線中の一部の光子(photon)を吸収し、多数の電子ホールを発生する。
PNジャンクション(PN junction)が産生するビルトイン電場(built-in electric field)は、これら電子とホールを導引し、それぞれN型区とP型区へとドリフト(drift)させ、オープンサーキット電圧(open-circuit voltage)、即ち光電圧(photovoltage)を生じる。

0003

オープンサーキット電圧が高ければ高いほど、シリコン系太陽電池のエネルギー転換効率(energy conversion efficiency)も高くなる。
そのため、いかにしてシリコン系太陽電池の効率を高めるかは、多くの製造会社(manufacturer)の主要な研究課題である。

発明が解決しようとする課題

0004

前記先行技術には、シリコン系太陽電池の効率が低いという欠点がある。

課題を解決するための手段

0005

本発明はヘテロ接合型太陽電池(HIT solar cell)の製造方法で、オープンサーキット電圧を高めることができるヘテロ接合型太陽電池の製造方法に関する。

0006

本発明によるヘテロ接合型太陽電池の製造方法は、先ず、結晶シリコン基板を提供し、それは第一平面、該第一平面に相対する第二平面を有する。
続いて、酸液を利用し、第一平面を洗浄する。
その後、電子ビーム蒸着を行い、第一平面上に順番に本質単結晶シリコン層アモルファスシリコン層を形成する。
本質単結晶シリコン層はアモルファスシリコン層と結晶シリコン基板に接触し、アモルファスシリコン層と結晶シリコン基板の間に位置する。
本質単結晶シリコン層の厚さは、5ナノ〜50ナノの間で、アモルファスシリコン層の厚さは、10ナノ〜100ナノの間である。
その後、透明導電層を、アモルファスシリコン層上に形成する。
続いて、透明導電層上に、第一電極層を形成し、第一電極層は、透明導電層の少なくとも一部分を露出する。
第二平面上には、第二電極層を形成し、結晶シリコン基板は、第一電極層と第二電極層の間に位置する。
第一電極層と第二電極層を形成した後、本質単結晶シリコン層、アモルファスシリコン層と結晶シリコン基板を、環境気体中に置き、高速熱アニーリングを行う。
環境気体は水素を含む。

0007

上述の技術的特徴に基づき、該酸液は、硝酸酢酸及びフッ化水素酸により構成される。

0008

上述の技術的特徴に基づき、該酸液中の硝酸、酢酸及びフッ化水素酸の重量比は、23:14:4.5である。

0009

上述の技術的特徴に基づき、酸液を利用し、該第一平面を洗浄し、該結晶シリコン基板を該酸液に浸漬する。
該結晶シリコン基板を、該酸液に浸漬する時間は、2分〜5分の間である。

0010

上述の技術的特徴に基づき、該高速熱アニーリングの温度は、200℃〜400℃の間である。

0011

上述の技術的特徴に基づき、該高速熱アニーリングの温度は、400℃〜600℃の間である。

0012

上述の技術的特徴に基づき、該透明導電層は、物理気相成長により形成されており。

0013

上述の技術的特徴に基づき、該物理気相成長は、スパッタリングで、該スパッタリングの背景圧力は、10-5トール〜10-6トールの間である。

0014

上述の技術的特徴に基づき、該電子ビーム蒸着の背景圧力は、5×10-6トール以下である。

0015

上述の技術的特徴に基づき、該第一電極層と該第二電極層は共に、電子ビーム蒸着により形成される。

0016

上述の技術的特徴に基づき、該環境気体は窒素をさらに含み、該環境気体中において、窒素の濃度は、水素の濃度より高い。

0017

上記の通り、本質単結晶シリコン層と結晶シリコン基板の間のインターフェース(interface)は、単結晶アモルファスの間の異なるエネルギーバンド(energy band)の接合(junction)を形成でき、チャージキャリア捕捉(trapping)される確率を減らし、これによりオープンサーキット電圧を高めることができる。

図面の簡単な説明

0018

本発明ヘテロ接合型太陽電池の製造方法中の結晶シリコン基板構造の模式図である。
本発明ヘテロ接合型太陽電池の製造方法中の三層スタッキング構造の模式図である。
本発明ヘテロ接合型太陽電池の製造方法中の四層スタッキング構造の模式図である。
本発明ヘテロ接合型太陽電池の製造方法中の多層スタッキング構造の模式図である。

実施例

0019

(一実施形態)
図1図4は、本発明ヘテロ接合型太陽電池の製造方法中の結晶シリコン基板構造の模式図、三層スタッキング構造の模式図、四層スタッキング構造の模式図及び多層スタッキング構造の模式図である。

0020

図1に示す通り、本実施形態のヘテロ接合型太陽電池の製造方法においては、先ず、結晶シリコン基板110を提供する。
それは、カッティング後或いは未カッティングのウエハ(wafer)である。
このウエハの組成は、単結晶シリコン(monocrystalline silicon)である。
よって、結晶シリコン基板110は、単結晶シリコン系基板である。
この他、結晶シリコン基板110はN型ドーピング(N-type doped)のウエハ或いはP型ドーピング(P-type doped)のウエハなどのドーピングされたウエハである。

0021

続いて、酸液を利用し、結晶シリコン基板110を洗浄する。
結晶シリコン基板110は、第一平面111と第二平面112を有する。
第二平面112は、第一平面111に相対し、酸液は主に、第一平面111を洗浄する。
上述の酸液は、硝酸、酢酸及びフッ化水素酸を含む。
或いは、酸液は、硝酸、酢酸及びフッ化水素酸により構成され、酸液中の硝酸、酢酸及びフッ化水素酸の重量比は順番に23:14:4.5である。
酸液を利用して第一平面111を洗浄する方法は、結晶シリコン基板110を酸液に浸漬する方法を含む。
結晶シリコン基板110を酸液に浸漬する時間は、2分〜5分の間で、例えば、約2分或いは5分の間、酸液に浸漬する。

0022

図2に示す通り、第一平面111を洗浄した後、電子ビーム蒸着(Electron Beam Evaporation,E-Beam Evaporation)を行う。
第一平面111上に順番に、本質単結晶シリコン層(intrinsic amorphous Si layer,i-a-Si layer)124とアモルファスシリコン層(doped amorphous Si layer)122を形成する。
よって、本質単結晶シリコン層124は、第一平面111上に形成され、アモルファスシリコン層122は、本質単結晶シリコン層124上に形成される。
すなわち、本質単結晶シリコン層124は、アモルファスシリコン層122と結晶シリコン基板110の間に位置し、アモルファスシリコン層122と結晶シリコン基板110に接触する。

0023

本質単結晶シリコン層124とアモルファスシリコン層122の厚さはそれぞれ、50ナノ(nm)以下である。
本質単結晶シリコン層124の厚さは、5ナノ〜50ナノの間で、例えば10ナノである。
アモルファスシリコン層122の厚さは、10ナノ〜100ナノの間で、例えば20ナノである。
結晶シリコン基板110の厚さ(例えば200ミクロンμm)と比べると、本質単結晶シリコン層124とアモルファスシリコン層122は極めて薄い。
この他、結晶シリコン基板110のドーピングタイプは、アモルファスシリコン層122のドーピングタイプとは異なる。
つまり、結晶シリコン基板110がN型ドーピングである時、アモルファスシリコン層122はP型ドーピングである。
或いは、結晶シリコン基板110がP型ドーピングである時、アモルファスシリコン層122はN型ドーピングである。

0024

電子ビーム蒸着の背景圧力(base pressure)は、5×10-6トール(torr)以下で、よってこの背景圧力は、高真空(high vacuum)或いは超高真空(ultra-high vacuum)である。
この他、アモルファスシリコン層122と本質単結晶シリコン層124を形成する期間、アモルファスシリコン層122、本質単結晶シリコン層124及び結晶シリコン基板110はすべて、真空環境中に保持され、空気(air)或いは大気(atmosphere)に接触することはない。
例えば、アモルファスシリコン層122と本質単結晶シリコン層124は、同一のチャンバー(chamber)内で形成される。
即ち、本質単結晶シリコン層124と結晶シリコン基板110両者の形成は、もとの場所(in situ)である。
こうして、薄いアモルファスシリコン層122と本質単結晶シリコン層124は、空気或いは大気に晒され酸化(oxidation)することはない。

0025

本質単結晶シリコン層124とアモルファスシリコン層122は共に、電子ビーム蒸着により形成されるため、従来の太陽電池で常用される化学気相蒸着(Chemical Vapor Deposition,CVD)に比べ、本質単結晶シリコン層124及びアモルファスシリコン層122の製造コストは低い。
そのため、ヘテロ接合型太陽電池(HIT solar cell)の生産コスト低下に有利である。

0026

図3に示す通り、続いて、透明導電層(transparent conductive layer)130を、アモルファスシリコン層122上に形成する。
透明導電層130は、酸化インジウムスズ層(Indium Tin Oxide layer,ITO layer)或いは酸化インジウム亜鉛層(Indium Zinc Oxide,IZO layer)である。
透明導電層130の厚さは、30ナノ〜200ナノの間で、例えば80ナノである。
透明導電層130は、スパッタリング(sputtering)或いは蒸着(evaporation)などの物理気相成長(Physical Vapor Deposition,PVD)により形成するが、電子蒸着とすることもできる。
上述のスパッタリングの背景圧力は、10-5トール〜10-6トールの間で、高真空に相当する。

0027

また、アモルファスシリコン層122、本質単結晶シリコン層124と透明導電層130を形成する期間において、アモルファスシリコン層122、本質単結晶シリコン層124と透明導電層130はすべて真空環境中に保持され、空気或いは大気に接触することはない。
さらに、アモルファスシリコン層122、本質単結晶シリコン層124と透明導電層130は、同一のチャンバー内で形成される。
即ち三者の形成は、もとの場所(in situ)である。

0028

図4に示す通り、その後、透明導電層130上には、電極層141を形成し、及び第二平面112上には、第二電極層142を形成する。
結晶シリコン基板110は、第一電極層141と第二電極層142の間に位置し、第二電極層142は、第一電極層141完成の後に形成される。

0029

第一電極層141は、一部の透明導電層130を露出させる。
例えば、第一電極層141は、少なくとも1個の開口(opening)を有し、透明導電層130を露出する。
或いは、第一電極層141の形状はメッシュ状(mesh)で、これにより透明導電層130を露出する。

0030

第一電極層141と第二電極層142を形成した後、ヘテロ接合型太陽電池100の層状構造(layer structure)はおおかた形成された。
ヘテロ接合型太陽電池100は、結晶シリコン基板110、本質単結晶シリコン層124、アモルファスシリコン層122、透明導電層130、第一電極層141及び第二電極層142を有する。

0031

第一電極層141と第二電極層142は共に電子ビーム蒸着により形成される。
ヘテロ接合型太陽電池100は、本質単結晶シリコン層124、アモルファスシリコン層122、透明導電層130、第一電極層141及び第二電極層142を有し、完成までは、真空環境中に保持され、空気と大気に接触することはない。
例えば、これら膜層はすべて同一のチャンバー内で形成され、即ちこれら膜層の形成はすべてもとの場所(in situ)である。
或いは、これら膜層はそれぞれ2個以上のチャンバー内で形成され、これらチャンバーの間は、フランジ(flange)を利用して相互に通じるため、これら膜層が形成されるまでは、空気或いは大気に接触することはない。

0032

第一電極層141と第二電極層142を形成後、本質単結晶シリコン層124、アモルファスシリコン層122と結晶シリコン基板110を、環境気体(ambient atmosphere)中に入れ、高速熱アニーリング(Rapid Thermal Annealing,RTA)を行う。
高速熱アニーリングの温度は、200℃〜400℃の間で、例えば220℃である。
或いは、高速熱アニーリングの温度は、400℃〜600℃の間で、例えば450℃である。
高速熱アニーリング後、ヘテロ接合型太陽電池100は基本的に完成である。

0033

環境気体は、水素を含み、水素により、本質単結晶シリコン層124とアモルファスシリコン層122中の欠陥(defeat)を減らすことができる。
例えば、ダングリングボンド(dangling bond)は、チャージキャリア(charge carrier)が捕捉される確率を減らすことができる。
本実施形態中において、環境気体は窒素をさらに含む。
環境気体中において、窒素の濃度は、水素の濃度より高い。
他の実施形態中において、環境気体は、水素だけである。

0034

高速熱アニーリングを行った後、本質単結晶シリコン層124とアモルファスシリコン層122のグレインサイズ(grain size)はやはり5ナノ以下であるため、上述の退火後の本質単結晶シリコン層124とアモルファスシリコン層122は、単結晶シリコンをやはり保持しており、単結晶シリコン或いは多結晶シリコン(polycrystalline silicon)に変化することはない。

0035

上記を総合すると、本質単結晶シリコン層と結晶シリコン基板の間のインターフェースは、単結晶とアモルファスの間異なるエネルギーバンドの接合を形成でき、自由なチャージキャリアが捕捉される確率を減らし、これによりオープンサーキット電圧を高めることができる。
この他、本質単結晶シリコン層とアモルファスシリコン層は、電子ビーム蒸着により形成されるため、従来の太陽電池が採用する化学気相蒸着に比べ、電子ビーム蒸着のコストは低い。
これにより、ヘテロ接合型太陽電池の生産コストを引き下げることができる。

0036

前述した本発明の実施形態は本発明を限定するものではなく、よって、本発明により保護される範囲は後述される特許請求の範囲を基準とする。

0037

100ヘテロ接合型太陽電池
110結晶シリコン基板
111 第一平面
112 第二平面
122アモルファスシリコン層
124 本質単結晶シリコン層
130 透明導電層
141 第一電極層
142 第二電極層

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