JP5858889B2 - Solar cell substrate, method for manufacturing the same, solar cell and method for manufacturing the same - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to a solar cell substrate, a manufacturing method thereof, a solar cell, and a manufacturing method thereof, and in particular, a solar cell substrate having a concavo-convex portion (texture) constituting an antireflection structure, a solar cell, and a solar cell manufacturing method. About.
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。 In a solar cell that converts incident light into electricity by a photoelectric conversion unit, if the light reflection at the surface is large, the light that enters the solar cell is reduced, and the power obtained is also reduced. Therefore, in order to increase the photoelectric conversion efficiency of the solar cell, it is important to reduce the light reflectivity on the surface and capture more light. In order to reduce the light reflectance, for example, it is effective to provide an antireflection film on the surface of the solar cell.
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。 However, even if an antireflection film is used, loss due to reflection of several percent of incident light occurs. Therefore, a minute uneven part called a texture is formed on the surface of the solar cell to reduce the reflectance by the light confinement effect. Yes.
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。 For example, single crystal silicon can easily form a random pyramid-shaped uneven portion as a texture by performing anisotropic etching using an alkaline solution. By these methods, it is possible to significantly reduce the light reflectivity on the surface of the solar cell by the effect of light confinement by multiple scattering.
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。 Conventionally, in a solar cell using a crystalline silicon substrate such as a single crystal silicon substrate, a pyramidal uneven portion caused by a {111} plane is obtained by etching the surface of a silicon (100) substrate by anisotropic etching. Form.
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)。 On the other hand, a heterojunction solar cell technology in which an amorphous silicon layer or a microcrystalline silicon layer is stacked on a single crystal silicon substrate to form a pn junction is disclosed (Patent Document 1). However, in such a heterostructure, many defects are generated at the heterojunction interface, and the generated carriers are recombined. Therefore, there is a problem that high conversion efficiency cannot be obtained. Therefore, a solar cell technology is disclosed in which a thin intrinsic amorphous silicon layer is sandwiched between a single crystal silicon substrate and an amorphous silicon substrate to reduce defects at the heterojunction interface (Patent Document 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。 However, even in the solar cell structure as in Patent Document 2, since the {111} plane constituting the texture surface is not flat at the atomic level, defects may occur in the amorphous silicon layer formed on the substrate. It has been confirmed that an epitaxial layer partially containing crystals is formed.
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。 Thus, various techniques for solving the above problems have been disclosed. In Patent Document 3, the above problem is solved by having a step portion and a terrace portion that can be defined on the {111} surface. In Patent Document 4, the {111} surface is composed of a terrace portion and a step portion, and an epitaxial layer having a height of 2 nm or less is formed between the amorphous layer and the substrate to solve the above problem. Furthermore, in patent document 5, the said problem is solved by making the unevenness | corrugation height of a {111} surface into 2 nm or less.
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。 However, as a result of intensive studies, we have found that the cell characteristics may be deteriorated even when the height of the stepped portion and the uneven portion on the {111} surface is low. This is because even if the step height or unevenness height of the {111} surface is suppressed to 2 nm or less, due to the steep shape, defects and epitaxial portions are formed from the step portion to the crystalline substrate-amorphous film interface and in the film. It is thought that this is because it occurs.
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。 Therefore, the present invention has an object to obtain a textured solar cell substrate, a manufacturing method thereof, a solar cell, and a manufacturing method thereof that capture the surface roughness shape of the {111} surface in three dimensions and give high photoelectric conversion efficiency. And
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における平均面粗さ(Ra)と、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。 To solve the above problems and achieve the object, a solar cell according to the present invention, the average surface roughness in the pyramid sides of the pyramid-shaped concave and convex portion formed on crystalline substrate surface and the (Ra), spatial All the ratios (λ / Ra) of the periods (λ) are 100 or more.
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。 According to the present invention, the crystal system front surface shape of the substrate is slowed with the uneven portion as a texture, since sharp shape change point, such as a terrace / step does not exist, amorphous it was the core Generation of defects in the silicon layer and formation of the epitaxial layer are suppressed. As a result, the texture substrate-amorphous silicon film interface and defects in the film are reduced, and the cell characteristics such as the open circuit voltage (Voc) and fill factor (FF) of the solar cell are improved.
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。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, the board | substrate for solar cells concerning this invention, the solar cell using the same, and embodiment of the manufacturing method of a solar cell are described in detail based on drawing. In addition, this invention is not limited to the following description, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it can change suitably. In the drawings shown below, the scale of each member may be different from the actual scale for easy understanding.
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。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a solar cell according to Embodiment 1 of the present invention. In this solar cell, an n-type single crystal silicon substrate having a specific resistance of 1 to 10 Ω · cm, a crystal orientation plane composed of (100) as a main surface (first surface 1A), and a thickness of 50 μm to 300 μm 1 is used. On the surface of the n-type single crystal silicon substrate 1, a texture (uneven portion 1T) composed of {111} planes of λ / Ra ≧ 100 or more is processed.
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。 Here, λ is the surface shape waveform of the {111} surface obtained by measuring the {111} surface (side surface S) of the textured substrate, that is, the n-type single crystal silicon substrate 1 on which the concavo-convex portion is formed, with an atomic force microscope. This refers to the spatial period obtained by Fourier transforming a curve. Ra refers to the average surface roughness of the {111} plane obtained by measuring the {111} surface of the texture substrate with an atomic force microscope. The {111} plane, which is the crystal lattice plane of the Miller index {111}, refers to a plane group equivalent to the crystal lattice plane of the Miller index (111), and the Miller index (−111), (1-11), (− 1-11) and the like. FIG. 2 shows an enlarged perspective view of the surface of the n-type single crystal silicon substrate 1. In the atomic force microscope measurement in this embodiment, the surface of the n-type single crystal silicon substrate 1 {111} as a texture substrate is measured using a probe having a tip tip radius of 10 nm or less and a height of about 10 μm or more. did. In the measurement, the height h of the step portion and the period λ in the {111} plane (side S) are measured by scanning a 500 nm × 500 nm region of the n-type single crystal silicon substrate 1 {111} surface, and the average value thereof Was calculated.
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。 I-type amorphous silicon layers 2a and 2b each having a thickness of about 5 nm are formed on both surfaces of the first surface 1A and the second surface 1B of the n-type single crystal silicon substrate 1 subjected to the uneven processing. ing. A p-type amorphous silicon layer 3 having a thickness of about 5 nm is formed on the i-type amorphous silicon layer 2a. A thickness of about 5 nm is formed on the i-type amorphous silicon layer 2b formed on the second surface 1B opposite to the first surface 1A side where the p-type amorphous silicon layer 3 is formed. The n-type amorphous silicon layer 4 is formed. Here, the i-type amorphous silicon layers 2a and 2b act to reduce the interface state of the substrate surface. The n-type amorphous silicon 4 is a BSF (Back Surface Field) layer for preventing carrier recombination in the vicinity of the back electrode and capturing generated carriers efficiently. The layers 2a and 2b and the n-type amorphous silicon 4 do not necessarily have to be formed. The texture structure may be formed only on the light receiving surface side.
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。 Furthermore, translucent electrodes 5 a and 5 b having a thickness of about 70 nm are formed on the p-type amorphous silicon layer 3 and the n-type amorphous silicon layer 4. A current collecting electrode 6a having a thickness of about 50 μm made of silver (Ag) is formed on the light transmitting electrode 5a, and a current collecting electrode having a thickness of about 40 μm made of silver (Ag) is formed on the light transmitting electrode 5b. An electrode 6b is formed.
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。
Next, a method for manufacturing a crystalline silicon solar cell according to Embodiment 1 of the present invention will be described.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the procedure of the method for manufacturing the crystalline silicon solar cell according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 4 is a flowchart showing the manufacturing process.
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。 First, an n-type single crystal silicon substrate 1 having a crystal plane orientation of <100> as a crystal substrate is prepared (FIG. 3A). The n-type single crystal silicon substrate 1 is formed by slicing with a multi-wire saw from a single crystal silicon ingot doped to an n-type with a desired concentration.
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)。 Here, the n-type single crystal silicon substrate 1 is used as the substrate, but since it is usually cut out by slicing an ingot obtained by pulling, a natural oxide film and structural defects are formed on the surface. It is contaminated with metals. Therefore, the n-type single crystal silicon substrate 1 used here is cleaned and damaged layer etched (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。 After cleaning and damage layer etching are performed on the n-type single crystal silicon substrate 1, gettering is performed to remove impurities in the n-type single crystal silicon substrate 1 (S1002). In the gettering step, impurities are segregated in a phosphorus glass layer formed by thermal diffusion of phosphorus at a processing temperature of about 1000 ° C., and the phosphorus glass layer is etched with hydrogen fluoride or the like.
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。 Next, anisotropic etching is performed on the surfaces of the first surface 1A, which is the light receiving surface of the n-type single crystal silicon substrate 1, and the second surface 1B, which is the back surface, so that the n-type single crystal silicon substrate 1 Textures are formed on the first surface 1A and the second surface 1B (FIG. 3-2: S1003). In this anisotropic etching, for example, an alkaline solution containing an appropriate amount of an organic substance is supplied to the surface of the n-type single crystal silicon substrate 1. As the alkaline solution, for example, a sodium hydroxide (NaOH) aqueous solution or a potassium hydroxide (KOH) aqueous solution is used. The concentration of these aqueous solutions is appropriately changed depending on the kind of the organic substance to be added. For example, the alkali concentration is preferably 1% by weight or more and 10% by weight or less, and the organic substance is an alcohol such as isopropyl alcohol (IPA). , Sulfonic acid, and ester are used. Further, a surfactant or the like may be added in order to enable uniform texture formation in the surface. Furthermore, in order to form a texture with good in-plane uniformity, the temperature of these aqueous solutions during etching is preferably 70 ° C. or higher and 90 ° C. or lower. The texture formation on the entire surface of the substrate may be performed by etching for about 20 to 40 minutes. In this embodiment mode, the etching process is performed by the dipping method. However, the etching solution may be stirred during the etching, and the uneven portion may be formed only on the light incident side.
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。 When the surface of the n-type single crystal silicon substrate 1 is anisotropically etched with an alkaline aqueous solution, the etching proceeds on a {100} plane having a high etching rate, and a pyramidal uneven portion having a {111} plane having a very low etching rate. Is formed, and the progress of etching is delayed. Therefore, the pyramidal concavo-convex portion is constituted by a slope whose crystal plane is {111}.
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。 Strictly speaking, since the ratio of the etching rate of {100} plane or {110} plane and the etching rate of {111} plane is not infinite, the concave angle of the texture formed by {111} plane is It is larger than the theoretical value of 70.5 °, and the {111} plane described in this embodiment means a substantially {111} plane.
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。 On the other hand, before the formation of the concavo-convex portion 1T, the substrate is cleaned to suppress etching unevenness, but this step may be omitted. Furthermore, although the process of removing the damage layer on the substrate surface at the time of slicing is performed by wet etching using an acid or alkali solution, this process may be omitted. In addition, it is desirable to improve the performance by performing gettering treatment of impurities in the substrate after the damaged layer removing step, but it is not necessary to carry out it.
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、1×1011atoms/cm2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/cm2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。 After forming the texture (uneven portion 1T) in this way, organic matter contamination and metal contamination adhered to the surface of the textured n-type single crystal silicon substrate 1 are removed by washing (S1004). If the target contaminant can be removed, examples of the cleaning method include a method of cleaning the substrate surface by ozone water cleaning or RCA cleaning. The substrate surface was cleaned by various cleaning methods to obtain substrates of various contamination levels, solar cells were manufactured using the substrates, and their output characteristics were measured. As a result of the experiment, the amount of metal contamination such as titanium (Ti), chromium (Cr), iron (Fe), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), etc. on the substrate surface after cleaning is 1 × 10 11. It has been clarified that the output characteristic (Voc) of the solar cell is remarkably deteriorated at atoms / cm 2 or more. In addition, regarding organic contamination, it was confirmed that the total organic contamination amount must be controlled to 3 ng / cm 2 or less. When there is metal contamination on the substrate surface, metal ions are taken into the silicon substrate, forming a defect level in the band gap, and when operating as a solar cell, the generated carriers recombine at the defect level. This is because the characteristics are degraded.
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。 Since the metal contamination amount and the total organic contamination amount are considered to be related to the surface roughness of the textured surface, the metal contamination and the total contamination amount can be obtained by a cleaning process prior to the texture etching process if possible to obtain a smoother textured surface. It is desirable to reduce organic contamination.
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。 Next, as shown in FIG. 3C, an i-type amorphous silicon layer 2a and a p-type amorphous silicon layer 3 are formed on one side of an n-type single crystal silicon substrate 1 in this order by chemical vapor deposition (CVD). (S1005, 1006). Each of the i-type amorphous silicon layer 2a and the p-type amorphous silicon layer 3 has a thickness of 5 nm. Although the layer thickness is 5 nm in this embodiment mode, the layer thickness may be in the range of 3 nm to 10 nm depending on the layer formation conditions. As the CVD method, it is desirable to use a plasma CVD method, a thermal CVD method, or the like. In order to generate a sufficient built-in electric field with respect to the n-type single crystal silicon substrate 1 which is a photoelectric conversion layer, the band gap and activation energy of the p-type amorphous silicon layer 3 are 1.7 eV or more and 0. It must be 4 eV or less. Instead of the i-type amorphous silicon layer 2a, an i-type amorphous silicon carbide layer, an i-type amorphous silicon oxide layer, or a multilayer film in which these layers are stacked may be used. Instead of the p-type amorphous silicon layer 3, a p-type amorphous silicon carbide layer, a p-type amorphous silicon oxide layer, a p-type microcrystalline silicon layer, or a multilayer film in which these layers are stacked may be used.
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。 After forming the i-type amorphous silicon layer 2a and the p-type amorphous silicon layer 3 on one side of the n-type single crystal silicon substrate 1, the opposite side of the n-type single crystal silicon substrate 1 as shown in FIG. Then, the i-type amorphous silicon layer 2b and the n-type amorphous silicon layer 4 are formed in this order using the CVD method (S1007, 1008). Each of the i-type amorphous silicon layer 2b and the n-type amorphous silicon layer 4 has a thickness of 5 nm. Although the layer thickness is 5 nm in this embodiment mode, the layer thickness may be in the range of 3 nm to 20 nm depending on the layer formation conditions. Here again, it is desirable to use a plasma CVD method, a thermal CVD method or the like as the CVD method.
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。 In order to generate a sufficient built-in electric field with respect to the n-type single crystal silicon substrate 1 which is a photoelectric conversion layer, the band gap and activation energy of the n-type amorphous silicon layer 4 are 1.7 eV or more and 0. It must be 3 eV or less. Instead of the i-type amorphous silicon layer 2b, an i-type amorphous silicon carbide layer, an i-type amorphous silicon oxide layer, or a multilayer film in which these layers are stacked may be used. Instead of the n-type amorphous silicon layer 4, an n-type amorphous silicon carbide layer, an n-type amorphous silicon oxide layer, an n-type microcrystalline silicon layer, or a multilayer film in which these layers are stacked may be used.
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。 After forming the i-type amorphous silicon layer 2b and the n-type amorphous silicon layer 4 on one surface of the n-type single crystal silicon substrate 1, the interface between the i-type amorphous silicon layer 2b and the n-type single crystal silicon substrate 1 In order to reduce defects, thermal annealing may be performed in an inert gas or hydrogen gas diluted with an inert gas. The annealing temperature is desirably 200 ° C. or lower.
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(In2O3: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100cm2/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。 After the thermal annealing treatment, translucent electrodes 5a and 5b are formed on the p-type amorphous silicon layer 3 and the n-type amorphous silicon layer 4 by sputtering or vapor deposition as shown in FIG. S1009). The film thickness of the translucent electrodes 5a and 5b is preferably about 70 nm from the viewpoint of reducing the reflectance. As the translucent electrode material, indium tin oxide (ITO) or indium oxide (In 2 O 3 : Indium Oxide) is used. In addition, it is desirable that the translucent electrode has a low resistivity, but if the carrier density responsible for conductivity is high, the light absorptance increases. Therefore, the material used as the translucent electrode must have high mobility. In order to achieve a sufficiently low resistivity with a layer thickness of 70 nm, the mobility is desirably 100 cm 2 / Vs or more. Note that zinc oxide (ZnO: Zinc Oxide) to which aluminum (Al), gallium (Ga), or the like is added may be used as the lower transparent electrode material.
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。 After forming the translucent electrodes 5a and 5b, the collector electrodes 6a and 6b made of Ag are formed on the translucent electrodes 5a and 5b as shown in FIG. 3-6 by screen printing (S1010). The width of the grid electrode constituting the current collecting electrode 6a is preferably as narrow as possible to suppress light shielding, but the resistance increases. Therefore, it is desirable that the collecting electrode 6a has a narrow width and a large layer thickness. In this embodiment, the width is 70 μm and the layer thickness is 50 μm. The width of the grid electrode constituting the current collecting electrode 6b is preferably as narrow as possible for cost reduction, but the contact resistance with the translucent conductive film constituting the translucent electrode 5b is increased. Therefore, it is desirable that the current collecting electrode 6b has a narrow width and hardly increases the contact resistance with the translucent electrode 5b. In this embodiment, the width is 100 μm and the layer thickness is 40 μm. In addition to the screen printing method, the current collecting electrode may be formed by a plating method or the like, and aluminum (Al), gold (Au), copper (Cu), or the like may be used instead of Ag. After the collector electrode is printed, firing is performed at 200 ° C. or lower.
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。 In Embodiment 1 of the present invention, n after texture formation when IPA or sulfonic acid is used as a main component in an organic substance in an etching solution (hereinafter sometimes referred to as a texture solution) for performing texture etching. Table 1 shows the reflectivity of the single crystal silicon substrate 1 at a wavelength of 700 nm, the unevenness height of the surface roughness of the {111} plane, and the cell characteristic results.
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。 The unevenness height on the {111} plane that is the side surface of the textured uneven portion 1T is about 3 nm when sulfonic acid is used as the organic substance in the etching solution for texture etching, and when IPA is used. About 2 nm. When sulfonic acid is used as the organic substance in the etching solution for texture etching, the photoelectric conversion efficiency (cell) is high even though the unevenness on the {111} plane is 3 nm higher than when IPA is used. Efficiency).
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。 FIG. 5 shows an atomic force microscope measurement result of the {111} plane which is the side surface of the uneven portion 1T of the substrate when texture etching is performed using IPA as an organic substance in the texture liquid. FIG. 6 shows the atomic force microscope measurement result of the {111} plane that is the side surface of the uneven portion 1T of the substrate. 5 and 6, when IPA is used as the organic substance in the texture liquid, the interval between the surface irregularities on the {111} surface of the irregularities 1T that are the side surfaces of the substrate is shorter than when sulfonic acid is used. It can be seen that the shape is steeper.
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。 Therefore, on the {111} plane, in order to extract the periodic component of the shape waveform curvature constituting the surface shape, the surface shape waveform curve of the {111} plane obtained by atomic force microscope measurement is Fourier transformed, The spatial frequency of the surface shape was obtained, and the spatial period λ was calculated.
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。 As a result, when the sulfonic acid is used, the {111} plane of the uneven portion 1T of the substrate consists of only a spatial frequency component with a long period, whereas when IPA is used, in addition to those components, It contained many short spatial frequency components.
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Ra1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λ1の場合を示す曲線、bは周期λ2の場合を示す曲線である。ここでλ2=0.2λ1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。 In order to evaluate the gentleness of the shape, the ratio (λ / Ra) of λ and Ra determined by measurement was determined. Here, in order to understand the magnitude relationship of λ / Ra and the surface roughness shape of the {111} plane, a figure of the shape of the {111} surface when Ra is set to a constant value Ra 1 and is changed by λ is shown. 7 shows. a is a curve indicating the case of the period λ 1 , and b is a curve indicating the case of the period λ 2 . Here, λ 2 = 0.2λ 1 . Even if Ra is the same, when the surface shape period is short (1/5 period), it can be seen that the shape of the {111} surface becomes steep.
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、Ra2を1/2(Ra2=0.5R1)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、λ2=0.2λ1、Ra2=0.5R1であるため、λ2/Ra2=0.4(λ1/Ra1)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。 Furthermore, FIG. 8 shows a shape image diagram of the {111} surface when Ra of a component having a short spatial period (broken line b) is halved from the case of FIG. When the spatial period is short, even if Ra 2 is reduced to 1/2 (Ra 2 = 0.5R 1 ), the spatial period indicated by the broken line b is shorter than the case where the spatial period is long as indicated by the solid line a. It can be seen that the shape is steep. Here, since λ 2 = 0.2λ 1 and Ra 2 = 0.5R 1 , λ 2 / Ra 2 = 0.4 (λ 1 / Ra 1 ), and the ratio of λ to Ra (λ / Ra) is smaller. That is, it does not depend only on Ra, but the surface shape becomes gentler as λ / Ra increases. From the above, it can be determined that the spatial period is important together with the height of the {111} surface shape in order to define the gradient of the surface shape. That is, λ / Ra is effective as a parameter that three-dimensionally expresses the features related to the steepness of the fine unevenness of the {111} surface shape.
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。 Table 2 shows the results of λ / Ra and cell characteristics when IPA or sulfonic acid is used as the main component for the organic substance in the texture liquid. Λ / Ra shown here is obtained by extracting λ having a peak from λ having a power value of 0.3 or more when the highest power value obtained by Fourier transform is 1.
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。 When sulfonic acid is used as the organic substance in the texture liquid, the height of the irregularities is higher, but λ / Ra is composed of 100 or more components, most of which are composed of shape waveform components with λ / Ra = 398. It was found that the shape was gradual. On the other hand, when IPA is used, the {111} plane is composed of shape waveform components consisting of five types of periods, and λ / Ra = 78, which includes many sharper shapes than the substrate. It was. The {111} plane of the texture substrate when IPA is used indicates that a gentle shape and a steep shape are mixed.
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。 From Table 2, it is confirmed that Voc and FF are improved as the shape of the {111} plane which is the side surface of the uneven portion 1T of the substrate becomes gentle. When sulfonic acid is used as the organic substance in the texture liquid, the unevenness height was high, but the shape was gentle, so the formation of an epitaxial layer centered on the steep shape was suppressed, and the substrate-amorphous silicon film It is considered that the interface and defects in the film are reduced, and as a result, Voc and FF are improved.
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。 Further, when the translucent electrodes 5a and 5b and the back surface side electrode 7 are formed by sputtering or the like, the {111} plane is inclined by about 55 ° with respect to the surface orientation <100>. When there is a steep shape on the 111} plane, a part of the steep shape is shaded with respect to the film forming direction, resulting in nonuniform film quality and film thickness. Therefore, it is considered that a substrate having a {111} surface shape with λ / Ra ≧ 100 has the accompanying effect that the above problem is reduced due to the gentle shape, and as a result, the FF is improved.
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。 As described above, a solar cell formed by a textured substrate having a {111} surface shape, which is the side surface of the concavo-convex portion of the substrate having the pyramidal concavo-convex portion 1T according to the present invention, is λ / Ra ≧ 100, The texture substrate-amorphous silicon film interface formed by the steep shape and defects in the film are reduced, and as a result, Voc and FF are improved. As a result, according to Embodiment 1 of the present invention, a solar cell having high Voc and FF and good photoelectric conversion efficiency can be realized.
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。
Embodiment 2. FIG.
The second embodiment relates to a substrate in which the surface of {111} is smoothed by performing a smoothing process as an additional process on the substrate for solar cells on which the uneven portion 1T as the texture is formed. FIG. 9 is a flowchart showing the manufacturing process of this solar cell. The schematic configuration diagram of the solar cell is the same as that of the first embodiment, and the manufacturing method is the same as that of the first embodiment except for the additional processing after the formation of the uneven portion 1T.
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。 In the present embodiment, as shown in the flowchart in FIG. 9, the texture formation step S1003 and the substrate cleaning step S1004 are finished, and the substrate surface is smoothed before the i-type amorphous silicon layers 2a and 2b are formed. A smoothing processing step S2000 is added. Other steps are the same as those in the flowchart of the first embodiment shown in FIG.
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(NH4F)、アンモニア水(NH4OH)、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。 Regarding the {111} surface smoothing treatment (step S2000) after the formation of the uneven portion 1T, at least one of a hydrofluoric acid solution, ammonium fluoride (NH 4 F), aqueous ammonia (NH 4 OH), and hydrofluoric acid (HF) is used. The method of immersing in the aqueous solution containing two or more is mentioned. The treatment temperature may be room temperature, and the treatment time is 10 seconds to 5 minutes although it varies depending on the type and concentration of the solution used.
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、NH4F:NH4OH:HF:H2O=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。 A substrate textured using a texture liquid mainly composed of IPA as an organic substance is mixed with a solution mixed at a volume ratio of NH 4 F: NH 4 OH: HF: H 2 O = 5: 1: 1: 4 at room temperature. Table 3 shows the results of measuring λ / Ra for the solar cell substrate subjected to the immersion treatment for 1 minute. Table 3 shows the cell characteristics when a solar cell was formed using this solar cell substrate in the same manner as in the first embodiment.
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。 It can be seen that by performing the smoothing process after the texture formation, the value of λ / Ra increases and the shape of the {111} surface becomes gentle. As described above, by performing the smoothing process as an additional process after the texture formation, it is possible to smooth the uneven portions of the {111} surface and obtain a smooth surface shape. As a result, the embodiment Voc and FF improved for the same reason as 1.
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。 From the above, the solar cell formed by the textured substrate in which the {111} surface shape, which is the concavo-convex portion side surface of the crystalline substrate having the pyramidal concavo-convex portion according to the present invention, is λ / Ra ≧ 100 is steep. The texture substrate-amorphous silicon film interface and defects in the film formed by the shape are reduced, and as a result, Voc and FF are improved. As a result, according to Embodiment 2 of the present invention, a solar cell with high Voc and FF and good photoelectric conversion efficiency can be realized.
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。
Embodiment 3 FIG.
In the third embodiment, a step of measuring {111} surface roughness, which is a side surface of the uneven portion 1T, using an atomic force microscope with respect to the solar cell substrate on which the uneven portion 1T as a texture is formed (step S2001). The solar cell is created only for the smooth surface. FIG. 10 is a flowchart showing the manufacturing process of this solar cell. The schematic configuration diagram of the solar cell is the same as in the first and second embodiments, and the manufacturing method is the same as in the first embodiment except for the measurement process after the formation of the concavo-convex portion 1T and the additional processing.
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。 In the present embodiment, as shown in the flowchart of FIG. 10, the texture forming step S1003 and the substrate cleaning step S1004 are finished, and the concavo-convex portion 1T is formed prior to forming the i-type amorphous silicon layers 2a and 2b. The solar cell substrate is characterized by adding a step (step S2001) of measuring {111} surface roughness using an atomic force microscope. In order to extract the periodic component of the shape waveform curvature constituting the surface shape on the {111} plane, the surface shape waveform curve of the {111} plane obtained by atomic force microscope measurement is Fourier transformed to obtain the surface shape And the spatial period λ was calculated.
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。 And in order to evaluate the gentleness of a shape, ratio (lambda / Ra) of (lambda) and Ra calculated | required by measurement was calculated | required, and the average value of (lambda) / Ra was computed. And if it is No after the process (step S2002) which judges whether the average value of (lambda) / Ra is 100 or more, like the said Embodiment 2, the smoothing process process (smoothing the substrate surface) ( Step S2000) is added. On the other hand, if it is Yes in the step of determining whether or not the average value of λ / Ra is 100 or more (step S2002), the i-type amorphous silicon layer forming step (step S1005) is entered, and the solar cell is installed. To manufacture. Other steps are the same as those in the flowchart of the first embodiment shown in FIG.
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。 After texture formation, the surface roughness is measured with an atomic force microscope, and if the value of λ / Ra is not 100 or more, a smoothing process is performed. Then, a solar cell is manufactured by forming a functional film made of an amorphous silicon layer on the solar cell substrate that has been determined that the value of λ / Ra has increased and the shape of the {111} surface has become gentle. .
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。 According to the present embodiment, the step of forming the concavo-convex portion includes the step of measuring the {111} surface roughness of the side surface of the concavo-convex portion using an atomic force microscope after the etching step, and the average surface roughness And calculating a ratio between the roughness Ra and the spatial period λ, and determining whether or not the ratio is 100 or more. As described above, when the surface roughness is measured and the value of λ / Ra is not 100 or more, the unevenness portion of the {111} surface is smoothed by performing a smoothing process as an additional process after the texture formation. Thus, it is possible to obtain a smooth surface shape and improve Voc and FF as in the first embodiment.
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。 In addition, it is effective to reduce the amount of metal contamination in the etching solution, and the cleaning treatment after texture formation is very important in improving the characteristics of the heterojunction solar cell. This is important from the viewpoint of suppressing surface recombination on the substrate surface, apart from the roughness of the {111} plane. Even in this cleaning process, if the metal contamination in the cleaning liquid is large, the surface of the formed texture {111} may be roughened. In order to obtain the best state, it is extremely important that the metal contamination in the processing solution is low even in the cleaning process to keep the substrate surface clean and form a smooth texture.
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。 Note that the crystalline semiconductor substrate can be applied to a crystalline silicon substrate such as a silicon compound substrate such as a silicon carbide substrate in addition to a crystalline silicon substrate such as a single crystal silicon substrate or a polycrystalline silicon substrate. As for the intrinsic or conductive amorphous silicon layer, an amorphous silicon layer such as an amorphous silicon carbide film and an amorphous silicon oxide film, a microcrystalline silicon thin film, a polycrystalline silicon thin film, etc. It can also be applied to crystalline thin films.
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。 The solar cell substrates of the first and second embodiments are particularly effective in preventing abnormal film formation of an epitaxially grown layer in a so-called heterojunction solar cell in which an amorphous thin film or the like is formed on a crystalline semiconductor substrate. . On the other hand, in the case of a diffusion type solar cell in which a junction is formed by diffusion from the surface of the crystalline semiconductor substrate, it is possible to prevent defects from being formed even when a passivation film such as SiN is formed on the light receiving surface side. The solar cell substrates of Embodiments 1 and 2 are also effective for solar cells having other structures.
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。 As described above, the solar cell substrate according to the present invention is suitable for realizing a solar cell having a pyramidal texture structure and having low light reflectance and high photoelectric conversion efficiency.
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。 1 n-type single crystal silicon substrate, 2a, 2b i-type amorphous silicon layer, 3 p-type amorphous silicon layer, 4 n-type amorphous silicon layer, 5a, 5b translucent electrode, 6a, 6b electrode.
Claims (13)
前記凹凸部の側面における、表面ラフネスの平均面粗さRaと空間周期λの比が100以上であることを特徴とする、太陽電池用基板。 Consists of a substrate of one conductivity type having a concavo-convex portion on the surface,
The solar cell substrate, wherein the ratio of the average surface roughness Ra of the surface roughness to the spatial period λ on the side surface of the uneven portion is 100 or more.
前記凹凸部を形成する工程が、
前記凹凸部の側面を原子間力顕微鏡により測定することによって得られる、表面ラフネスの平均面粗さRaと空間周期λの比が100以上となるように、前記凹凸部を形成するエッチング工程であることを特徴とする、太陽電池用基板の製造方法。 A method for manufacturing a substrate for a solar cell including a step of forming a concavo-convex portion on a surface of a crystalline silicon substrate,
Forming the concavo-convex portion,
It is an etching process for forming the concavo-convex portion so that the ratio of the average surface roughness Ra of the surface roughness and the spatial period λ is 100 or more, which is obtained by measuring the side surface of the concavo-convex portion with an atomic force microscope. The manufacturing method of the board | substrate for solar cells characterized by the above-mentioned.
前記エッチング工程後に、平滑化処理工程を含むことを特徴とする、請求項4に記載の太陽電池用基板の製造方法。 The step of forming the uneven portion includes
Wherein after the etching process, characterized in that it comprises a smoothing process, a manufacturing method of a substrate for a solar cell according to claim 4.
前記エッチング工程後に、
前記基板表面における、チタン(Ti)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)の金属汚染が、それぞれ1×1011atoms/cm2以下であるように前記基板表面を洗浄する工程を含むことを特徴とする、請求項4または5に記載の太陽電池用基板の製造方法。 The step of forming the uneven portion includes
After the etching process,
Metal contamination of titanium (Ti), chromium (Cr), iron (Fe), nickel (Ni), copper (Cu), and zinc (Zn) on the substrate surface is 1 × 10 11 atoms / cm 2 or less, respectively. The method for producing a substrate for a solar cell according to claim 4 or 5, further comprising a step of cleaning the surface of the substrate so as to exist.
前記基板の表面に設けられた凹凸部の側面における、表面ラフネスの平均面粗さRaと空間周期λの比が、100以上であることを特徴とする、太陽電池。 A solar cell in which a second conductivity type semiconductor layer is formed on the surface of a first conductivity type substrate having a large number of irregularities formed on the surface,
A solar cell, wherein the ratio of the average surface roughness Ra of the surface roughness to the spatial period λ on the side surface of the concavo-convex portion provided on the surface of the substrate is 100 or more.
前記結晶系シリコン基板表面に第2導電型の半導体層を形成する工程とを含む太陽電池
の製造方法であって、
前記凹凸部を形成する工程が、
前記凹凸部の側面を原子間力顕微鏡により測定することによって得られる、表面ラフネスの平均面粗さRaと空間周期λの比が100以上となるように、前記凹凸部を形成するエッチング工程であることを特徴とする、太陽電池の製造方法。 Forming a concavo-convex portion on the surface of the first conductive type crystalline silicon substrate;
Forming a second conductivity type semiconductor layer on the surface of the crystalline silicon substrate,
Forming the concavo-convex portion,
It is an etching process for forming the concavo-convex portion so that the ratio of the average surface roughness Ra of the surface roughness and the spatial period λ is 100 or more, which is obtained by measuring the side surface of the concavo-convex portion with an atomic force microscope. The manufacturing method of the solar cell characterized by the above-mentioned.
前記エッチング工程後に、平滑化処理工程を含むことを特徴とする、請求項11に記載の太陽電池の製造方法。 The step of forming the uneven portion includes
The method for manufacturing a solar cell according to claim 11, further comprising a smoothing treatment step after the etching step.
前記エッチング工程後に、
前記基板表面における、チタン(Ti)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)の金属汚染が、それぞれ1×1011atoms/cm2以下であるように前記基板表面を洗浄する工程を含むことを特徴とする、請求項11または12に記載の太陽電池の製造方法。 The step of forming the uneven portion includes
After the etching process,
Metal contamination of titanium (Ti), chromium (Cr), iron (Fe), nickel (Ni), copper (Cu), and zinc (Zn) on the substrate surface is 1 × 10 11 atoms / cm 2 or less, respectively. The method for manufacturing a solar cell according to claim 11, further comprising a step of cleaning the substrate surface.
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