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JP7633673B2 - Photovoltaic Cells and Solar Cells - Google Patents
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Description

本発明は、太陽電池セルおよび太陽電池に関し、例えば、単結晶シリコンを使用した太陽電池セルおよび太陽電池に適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to solar cells and solar cells, and, for example, to technology that is effective when applied to solar cells and solar cells that use single crystal silicon.

非特許文献1には、「i-TOPCon(industrial Tunnel Oxide Passivated Contact)」と呼ばれる構造の太陽電池セルに関する技術が記載されている。 Non-Patent Document 1 describes technology related to solar cell structures called "i-TOPCon (industrial tunnel oxide passive contact)."

非特許文献2には、「TOPCon」と呼ばれる構造の太陽電池セルにおいて、両電極を裏面に配置する、いわゆる「バックコンタクト構造」を採用する技術が記載されている。 Non-Patent Document 2 describes a technology that employs a so-called "back contact structure" in which both electrodes are placed on the back surface of a solar cell with a structure called "TOPCon."

Chengfa Liu etal,“Industrial TOPCon solar cells on n-type quasi-mono Si wafers with efficiencies above 23%“,Solar Energy Materials & Solar Cells 215 (2020) 110690Chengfa Liu etal,“Industrial TOPCon solar cells on n-type quasi-mono Si wafers with efficiencies above 23%“,Solar Energy Materials & Solar Cells 215 (2020) 110690 Paul Procel etal,“Numerical Simulations of IBC Solar Cells Based on Poly-Si Carrier-Selective Passivating Contacts”,IEEE JOURNAL OF PHOTOVOLTAICS, VOL.9 NO.2, March 2019Paul Procel etal, “Numerical Simulations of IBC Solar Cells Based on Poly-Si Carrier-Selective Passivating Contacts”, IEEE JOURNAL OF PHOTOVOLTAICS, VOL.9 NO.2, March 2019

再生可能なエネルギーは、エネルギー資源が枯渇することなく使用できるとともに、発電時に地球温暖化の原因となる二酸化炭素を排出しないことから、石油、石炭、天然ガスなどの化石燃料に替わるクリーンなエネルギーとして注目されている。 Renewable energy is attracting attention as a clean energy source that can be used to replace fossil fuels such as oil, coal, and natural gas, because it can be used without depletion and does not emit carbon dioxide, which causes global warming, when generating electricity.

再生可能なエネルギーの1つに太陽光があり、太陽電池を使用して太陽光を直接的に電力に変換する発電方式は、太陽光発電と呼ばれている。太陽電池とは、光エネルギーを吸収して電気エネルギーに変換する光電変換素子である。 Sunlight is one type of renewable energy, and the power generation method that uses solar cells to directly convert sunlight into electricity is called photovoltaic power generation. A solar cell is a photoelectric conversion element that absorbs light energy and converts it into electrical energy.

太陽電池には、有機太陽電池や多接合太陽電池など様々な種類があるが、結晶シリコン太陽電池が最も普及している。結晶シリコン太陽電池の最大の課題は、さらなる発電効率の向上(電力密度の向上)を図ることである。すなわち、最も普及している結晶シリコン太陽電池における発電効率の向上が望まれている。 There are various types of solar cells, including organic solar cells and multi-junction solar cells, but crystalline silicon solar cells are the most widely used. The biggest challenge for crystalline silicon solar cells is to further improve their power generation efficiency (improve power density). In other words, there is a demand to improve the power generation efficiency of crystalline silicon solar cells, which are the most widely used.

一実施の形態における太陽電池セルは、可視光を含む第1光を入射可能な第1面と、可視光を含む第2光を入射可能で第1領域および第2領域を含む第2面とを有する第1導電型の単結晶シリコン層と、第2面の第1領域と接する第1トンネル絶縁層と、第1トンネル絶縁層と接する第1導電型の第1シリコン層と、第1シリコン層と接する第1電極と、第2面の第2領域と接する第2導電型のエミッタ層と、エミッタ層と接する第2トンネル絶縁層と、第2トンネル絶縁層と接する第2導電型の第2シリコン層と、第2シリコン層と接する第2電極と、第1領域および第2領域以外の第2面と接するパッシベーション層と、を備える。 The solar cell in one embodiment includes a single crystal silicon layer of a first conductivity type having a first surface on which a first light including visible light can be incident and a second surface on which a second light including visible light can be incident and including a first region and a second region, a first tunnel insulating layer in contact with the first region of the second surface, a first silicon layer of the first conductivity type in contact with the first tunnel insulating layer, a first electrode in contact with the first silicon layer, an emitter layer of a second conductivity type in contact with the second region of the second surface, a second tunnel insulating layer in contact with the emitter layer, a second silicon layer of the second conductivity type in contact with the second tunnel insulating layer, a second electrode in contact with the second silicon layer, and a passivation layer in contact with the second surface other than the first region and the second region.

一実施の形態によれば、結晶シリコン太陽電池で得られる電力密度を向上できる。 According to one embodiment, the power density obtained from a crystalline silicon solar cell can be improved.

代表的な太陽光発電システムの構成を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a typical solar power generation system. 「i-TOPCon」型太陽電池セルの構成を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of an “i-TOPCon” type solar cell. 太陽電池セルの構成を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of a solar cell. 電極ピッチと電力密度との関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between electrode pitch and power density. エミッタ層の不純物濃度と電力密度の関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between the impurity concentration of an emitter layer and power density. 太陽電池セルの製造工程の流れを示すフローチャートである。3 is a flowchart showing the flow of a manufacturing process for a solar cell.

実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。 In all drawings used to explain the embodiments, the same components are generally given the same reference numerals, and repeated explanations will be omitted. In addition, hatching may be used even in plan views to make the drawings easier to understand.

<太陽光発電システム>
例えば、太陽光発電システムにおいては、複数の太陽電池モジュールを直列接続することにより、システム電圧を高めることが行われている。
<Solar power generation system>
For example, in a solar power generation system, a plurality of solar cell modules are connected in series to increase the system voltage.

図1は、代表的な太陽光発電システムの構成を模式的に示す図である。 Figure 1 is a diagram showing the configuration of a typical solar power generation system.

図1に示すように、例えば、太陽電池モジュール10a~10gが直列接続されて、パワーコンディショナー20と接続されている。そして、太陽電池モジュール10a~10gのそれぞれのモジュールフレームは、電気的に接続されて接地電位(基準電位)とされている。すなわち、太陽電池モジュール10a~10gのそれぞれのモジュールフレームの電位(フレーム電位)は0Vとなっている。一方、太陽電池モジュール10a~10gは、直列接続されているため、それぞれの出力電圧が加算されてパワーコンディショナー20に出力される。したがって、図1に示すように、太陽電池モジュール10gでは、太陽電池セルの電位(セル電位)がモジュールフレームの電位であるグランド電位に対して高い正電位(数百V)となる。一方、太陽電池モジュール10aでは、太陽電池セルの電位がモジュールフレームの電位であるグランド電位に対して低い負電位(-数百V)となる。このように、太陽光発電システムでは、複数の太陽電池モジュールを直列接続する構成が採用される結果、出力側に近い太陽電池モジュール(図1の太陽電池モジュール10gにおいては、モジュールフレームのフレーム電位に対して、太陽電池セルのセル電位が高い正電位となる。一方、出力側から遠い太陽電池モジュール(図1の太陽電池モジュール10a)においては、モジュールフレームのフレーム電位に対して、太陽電池セルのセル電位が低い負電位となる。ここで、太陽電池モジュール10a~10gのそれぞれには、複数の太陽電池セルが含まれている。本明細書では、太陽電池モジュール10a~10gのそれぞれを太陽電池と呼ぶこともある。すなわち、太陽電池は、複数の太陽電池セルから構成されていることになる。 As shown in FIG. 1, for example, solar cell modules 10a to 10g are connected in series and connected to a power conditioner 20. The module frames of the solar cell modules 10a to 10g are electrically connected and set to ground potential (reference potential). That is, the potential (frame potential) of the module frames of the solar cell modules 10a to 10g is 0V. On the other hand, since the solar cell modules 10a to 10g are connected in series, their output voltages are added together and output to the power conditioner 20. Therefore, as shown in FIG. 1, in the solar cell module 10g, the potential (cell potential) of the solar cell is a high positive potential (several hundred V) relative to the ground potential, which is the potential of the module frame. On the other hand, in the solar cell module 10a, the potential of the solar cell is a low negative potential (-several hundred V) relative to the ground potential, which is the potential of the module frame. In this way, a solar power generation system employs a configuration in which multiple solar cell modules are connected in series. As a result, in the solar cell module closer to the output side (solar cell module 10g in FIG. 1), the cell potential of the solar cell is a positive potential that is higher than the frame potential of the module frame. On the other hand, in the solar cell module farther from the output side (solar cell module 10a in FIG. 1), the cell potential of the solar cell is a negative potential that is lower than the frame potential of the module frame. Here, each of the solar cell modules 10a to 10g includes multiple solar cell cells. In this specification, each of the solar cell modules 10a to 10g is also referred to as a solar cell. In other words, a solar cell is composed of multiple solar cell cells.

<「i-TOPCon」型太陽電池セルの構成>
次に、太陽電池セルの構成例について説明する。
<Configuration of "i-TOPCon" type solar cell>
Next, a configuration example of a solar cell will be described.

太陽電池セルの構成例として、「i-TOPCon」型太陽電池セルと呼ばれる太陽電池セルがあるので、この太陽電池セルについて説明する。 As an example of the configuration of a solar cell, there is a solar cell called an "i-TOPCon" type solar cell, so we will explain this solar cell.

図2は、「i-TOPCon」型太陽電池セル100の構成を示す断面図である。 Figure 2 is a cross-sectional view showing the configuration of an "i-TOPCon" type solar cell 100.

図2において、「i-TOPCon」型太陽電池セル100は、例えば、リン(P)や砒素(As)などのn型不純物(ドナー)が導入された単結晶シリコン層30を有している。この単結晶シリコン層30は、太陽光が入射される表面(第1面)30aと、表面とは反対側の裏面(第2面)30bを有している。単結晶シリコン層30の表面30aには、テクスチャ構造と呼ばれる凹凸構造が形成されている結果、単結晶シリコン層30の表面30aは、凹凸面から構成されていることになる。これにより、単結晶シリコン層30の表面30a側から入射する太陽光の反射率を低減することができる。すなわち、単結晶シリコン層30の表面30aに形成されているテクスチャ構造は、表面30a側から入射する太陽光の表面30aでの反射を抑制する機能を有していることになる。 In FIG. 2, the "i-TOPCon" type solar cell 100 has a single crystal silicon layer 30 into which n-type impurities (donors) such as phosphorus (P) or arsenic (As) have been introduced. The single crystal silicon layer 30 has a surface (first surface) 30a on which sunlight is incident, and a back surface (second surface) 30b on the opposite side to the surface. A textured structure, which is called a textured structure, is formed on the surface 30a of the single crystal silicon layer 30, so that the surface 30a of the single crystal silicon layer 30 is composed of a textured surface. This makes it possible to reduce the reflectance of sunlight incident from the surface 30a side of the single crystal silicon layer 30. In other words, the textured structure formed on the surface 30a of the single crystal silicon layer 30 has the function of suppressing the reflection of sunlight incident from the surface 30a side on the surface 30a.

そして、「i-TOPCon」型太陽電池セル100は、単結晶シリコン層30の表面30aに接するエミッタ層31を有している。このエミッタ層31は、例えば、ボロン(B)などのp型不純物(アクセプタ)が導入されたp型シリコン層から構成されている。したがって、表面30aは、n型半導体層である単結晶シリコン層30とp型半導体層であるエミッタ層31とが接するpn接合面となる。このエミッタ層31に接するようにパッシベーション層32と金属電極33が形成されている。このパッシベーション層32は、例えば、窒化シリコン膜から構成されている。また、金属電極33は、例えば、アルミニウム膜と銀膜の積層膜から構成されている。 The "i-TOPCon" type solar cell 100 has an emitter layer 31 in contact with the surface 30a of the single crystal silicon layer 30. The emitter layer 31 is composed of a p-type silicon layer into which a p-type impurity (acceptor) such as boron (B) has been introduced. Therefore, the surface 30a is a pn junction surface where the single crystal silicon layer 30, which is an n-type semiconductor layer, and the emitter layer 31, which is a p-type semiconductor layer, are in contact. A passivation layer 32 and a metal electrode 33 are formed so as to be in contact with the emitter layer 31. The passivation layer 32 is composed of, for example, a silicon nitride film. The metal electrode 33 is composed of, for example, a laminated film of an aluminum film and a silver film.

一方、単結晶シリコン層30の裏面30bには、裏面30bと接するように、トンネル絶縁層34が形成されている。このトンネル絶縁層34は、例えば、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜あるいは酸化ハフニウム膜から構成されている。続いて、トンネル絶縁層34に接するように高濃度多結晶シリコン層35が形成されており、この高濃度多結晶シリコン層35と接するように、パッシベーション層36および金属電極37が形成されている。ここで、パッシベーション層36は、例えば、酸化シリコン膜から構成されている一方、金属電極37は、例えば、銀膜から構成されている。 On the other hand, a tunnel insulating layer 34 is formed on the back surface 30b of the single crystal silicon layer 30 so as to contact the back surface 30b. This tunnel insulating layer 34 is composed of, for example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, an aluminum oxide film, or a hafnium oxide film. Next, a high-concentration polycrystalline silicon layer 35 is formed so as to contact the tunnel insulating layer 34, and a passivation layer 36 and a metal electrode 37 are formed so as to contact the high-concentration polycrystalline silicon layer 35. Here, the passivation layer 36 is composed of, for example, a silicon oxide film, while the metal electrode 37 is composed of, for example, a silver film.

以上のようにして、「i-TOPCon」型太陽電池セル100が構成されている。 In this manner, the "i-TOPCon" type solar cell 100 is constructed.

<「i-TOPCon」型太陽電池セルの動作>
「i-TOPCon」型太陽電池セル100は、上記のように構成されており、以下では、「i-TOPCon」型太陽電池セル100の動作について説明する。
<Operation of "i-TOPCon" type solar cell>
The "i-TOPCon" type solar cell 100 is configured as described above, and the operation of the "i-TOPCon" type solar cell 100 will be described below.

まず、図2において、「i-TOPCon」型太陽電池セル100の上方から可視光や赤外光を含む太陽光40が照射されるとともに、「i-TOPCon」型太陽電池セル100の下方から可視光や赤外光を含む太陽光40の反射光50が照射される。すると、パッシベーション層32およびエミッタ層31を介して、単結晶シリコン層30の内部に太陽光40が照射される。一方、パッシベーション層36、高濃度多結晶シリコン層35およびトンネル絶縁層34を介して、単結晶シリコン層30の内部に反射光50が照射される。すなわち、「i-TOPCon」型太陽電池セル100では、表面30a側から太陽光40が単結晶シリコン層30の内部に照射されるとともに、裏面30b側から反射光50が単結晶シリコン層30の内部に照射される。このように、「i-TOPCon」型太陽電池セル100は、両面受光が可能な太陽電池セルを構成していることがわかる。 2, sunlight 40 including visible light and infrared light is irradiated from above the "i-TOPCon" type solar cell 100, and reflected light 50 of sunlight 40 including visible light and infrared light is irradiated from below the "i-TOPCon" type solar cell 100. Then, sunlight 40 is irradiated into the inside of the single crystal silicon layer 30 through the passivation layer 32 and the emitter layer 31. Meanwhile, reflected light 50 is irradiated into the inside of the single crystal silicon layer 30 through the passivation layer 36, the high concentration polycrystalline silicon layer 35, and the tunnel insulating layer 34. That is, in the "i-TOPCon" type solar cell 100, sunlight 40 is irradiated into the inside of the single crystal silicon layer 30 from the front surface 30a side, and reflected light 50 is irradiated into the inside of the single crystal silicon layer 30 from the back surface 30b side. In this way, it can be seen that the "i-TOPCon" type solar cell 100 constitutes a solar cell capable of receiving light from both sides.

このとき、太陽光40および反射光50のうち、シリコンのバンドギャップよりも大きな光エネルギーを有する光は吸収される。具体的には、価電子帯に存在する電子が、太陽光から供給される光エネルギーを受け取って伝導帯に励起される。これにより、伝導帯に電子が蓄積されるとともに価電子帯に正孔が生成される。このようにして、「i-TOPCon」型太陽電池セル100に太陽光40および反射光50が照射されることにより、太陽光40および反射光50に含まれるシリコンのバンドギャップよりも大きな光エネルギーを有する光が吸収されて伝導帯に電子が励起されるとともに、価電子帯に正孔が生成される。そして、生成された正孔は、p型半導体層であるエミッタ層31に蓄積される。一方、励起された電子は、n型の単結晶シリコン層30からトンネル絶縁層34をトンネルして高濃度多結晶シリコン層35に蓄積される。この結果、エミッタ層31と電気的に接続されている金属電極33と高濃度多結晶シリコン層35と電気的に接続されている金属電極37との間に起電力が生じる。そして、例えば、金属電極33と金属電極37との間に負荷を接続すると、金属電極37から負荷を通って金属電極33に電子が流れる。言い換えれば、金属電極33から負荷を通って金属電極37に電流が流れる。 At this time, among the sunlight 40 and the reflected light 50, light having a light energy larger than the band gap of silicon is absorbed. Specifically, electrons in the valence band receive the light energy supplied from the sunlight and are excited to the conduction band. As a result, electrons are accumulated in the conduction band and holes are generated in the valence band. In this way, when the "i-TOPCon" type solar cell 100 is irradiated with sunlight 40 and reflected light 50, light having a light energy larger than the band gap of silicon contained in the sunlight 40 and reflected light 50 is absorbed, electrons are excited to the conduction band, and holes are generated in the valence band. The generated holes are then accumulated in the emitter layer 31, which is a p-type semiconductor layer. Meanwhile, the excited electrons tunnel from the n-type single crystal silicon layer 30 through the tunnel insulating layer 34 and are accumulated in the high-concentration polycrystalline silicon layer 35. As a result, an electromotive force is generated between the metal electrode 33 electrically connected to the emitter layer 31 and the metal electrode 37 electrically connected to the high-concentration polycrystalline silicon layer 35. For example, when a load is connected between metal electrode 33 and metal electrode 37, electrons flow from metal electrode 37 through the load to metal electrode 33. In other words, a current flows from metal electrode 33 through the load to metal electrode 37.

このようにして、「i-TOPCon」型太陽電池セル100を動作させることにより、負荷を駆動することができる。 In this way, the "i-TOPCon" type solar cell 100 can be operated to drive a load.

<「i-TOPCon」型太陽電池セルの利点>
次に、上述した「i-TOPCon」型太陽電池セル100の利点について説明する。
<Advantages of "i-TOPCon" solar cells>
Next, advantages of the above-mentioned "i-TOPCon" type solar cell 100 will be described.

まず、第1利点は、両面受光が可能な点である。すなわち、「i-TOPCon」型太陽電池セル100は、「i-TOPCon」型太陽電池セル100に直接入射する太陽光40を利用するだけでなく、太陽光40が地表で反射した反射光50も利用していることから、発電効率の向上を図ることができる利点が得られる。 The first advantage is that it is possible to receive light from both sides. In other words, the "i-TOPCon" type solar cell 100 not only utilizes sunlight 40 that is directly incident on the "i-TOPCon" type solar cell 100, but also utilizes reflected light 50 that is sunlight 40 reflected by the earth's surface, which provides the advantage of improving power generation efficiency.

特に、地表からの太陽光の反射率は、「アルベド」と呼ばれ、地球上の広範囲の地域において、この「アルベド」が20%以上である。このことから、「i-TOPCon」型太陽電池セル100においては、太陽光からの反射光も有効利用していることから、地球上の広範囲の地域で発電効率の優れた太陽電池を提供することができる。 In particular, the reflectance of sunlight from the Earth's surface is called "albedo," and in a wide range of regions on Earth, this "albedo" is 20% or more. Because the "i-TOPCon" type solar cell 100 effectively utilizes reflected light from sunlight, it can provide solar cells with excellent power generation efficiency in a wide range of regions on Earth.

さらに、反射光を有効利用するため、「i-TOPCon」型太陽電池セル100では、「PERC(Passivated Emitter and Rear Cell)構造」が採用されている。この「PERC構造」とは、太陽電池セルの裏面側にパッシベーション層(不活性化層)を形成することにより、キャリア(電子と正孔)の再結合で生じる発電ロスを低減する構造である。 Furthermore, to make effective use of reflected light, the i-TOPCon solar cell 100 employs a PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) structure. This PERC structure is a structure that reduces power generation losses caused by recombination of carriers (electrons and holes) by forming a passivation layer (inactivation layer) on the back side of the solar cell.

続いて、第2利点は、トンネル絶縁層34を設けている点である。特に、このトンネル絶縁層34は、材料および厚さを適宜調整することにより、多数キャリアを通過させる一方、少数キャリアを非通過とするキャリア選択性を有する層として機能している。具体的に、図2に示す「i-TOPCon」型太陽電池セル100において、トンネル絶縁層34は、多数キャリアである電子を通過させる一方、少数キャリアである正孔を非通過とするキャリア選択性を有している。 The second advantage is that a tunnel insulating layer 34 is provided. In particular, by appropriately adjusting the material and thickness of this tunnel insulating layer 34, it functions as a layer with carrier selectivity that allows majority carriers to pass while blocking minority carriers. Specifically, in the "i-TOPCon" type solar cell 100 shown in FIG. 2, the tunnel insulating layer 34 has carrier selectivity that allows electrons, which are majority carriers, to pass while blocking holes, which are minority carriers.

例えば、太陽光40および反射光50を照射することにより、単結晶シリコン層30において電子が励起されるとともに正孔が生成されるが、多数キャリアである電子は、トンネル絶縁層34をトンネルして高濃度多結晶シリコン層35に移動することができる。一方、少数キャリアである正孔は、トンネル絶縁層34をトンネルすることができないため、高濃度多結晶シリコン層35に移動することができない。この結果、「i-TOPCon」型太陽電池セル100では、高濃度多結晶シリコン層35に少数キャリアである正孔が拡散することを抑制できる。このことは、高濃度多結晶シリコン層35での電子と正孔の再結合が抑制されることを意味し、これによって、「i-TOPCon」型太陽電池セル100によれば、電子と正孔の再結合で生じる発電ロスを低減することができる。このように、「i-TOPCon」型太陽電池セル100では、トンネル絶縁層34を設けることにより、電子と正孔の再結合で生じる発電ロスを低減できる利点を得ることができる。 For example, by irradiating the solar light 40 and the reflected light 50, electrons are excited in the single crystal silicon layer 30 and holes are generated, but the electrons, which are majority carriers, can tunnel through the tunnel insulating layer 34 and move to the high-concentration polycrystalline silicon layer 35. On the other hand, the holes, which are minority carriers, cannot tunnel through the tunnel insulating layer 34 and cannot move to the high-concentration polycrystalline silicon layer 35. As a result, in the "i-TOPCon" type solar cell 100, the diffusion of the holes, which are minority carriers, to the high-concentration polycrystalline silicon layer 35 can be suppressed. This means that the recombination of electrons and holes in the high-concentration polycrystalline silicon layer 35 is suppressed, and thus, according to the "i-TOPCon" type solar cell 100, the power generation loss caused by the recombination of electrons and holes can be reduced. In this way, the "i-TOPCon" type solar cell 100 has the advantage of being able to reduce the power generation loss caused by the recombination of electrons and holes by providing the tunnel insulating layer 34.

<改善の検討>
本発明者は、発電効率を向上する観点から、上述した利点を有する「i-TOPCon」型太陽電池セル100に対して、両電極を裏面に配置する、いわゆる「バックコンタクト構造」を採用することを検討している。なぜなら、「バックコンタクト構造」によれば、表面側から入射する太陽光を遮る構造物(電極)が存在しない結果、さらなる発電効率の向上を図ることができると考えられるからである。
<Consideration of improvements>
From the viewpoint of improving power generation efficiency, the present inventor is considering adopting a so-called "back contact structure" in which both electrodes are disposed on the back surface of the "i-TOPCon" type solar cell 100 having the above-mentioned advantages. This is because, with the "back contact structure", there is no structure (electrodes) that blocks the sunlight entering from the front surface side, and it is believed that this will enable further improvement in power generation efficiency.

ただし、「i-TOPCon」型太陽電池セル100は、両面受光型太陽電池セルであることから、「バックコンタクト構造」を採用しても、両面受光を可能とする構成を維持することが、さらなる発電効率を向上する観点から重要である。なぜなら、「バックコンタクト構造」を採用した結果、両面受光を可能とすることができなくなると、「バックコンタクト構造」によって、表面側から入射する太陽光の利用効率を向上できる一方、裏面側から入射する太陽光を利用できなくなる結果、思うような発電効率の向上を実現することが困難になると考えられるからである。したがって、発電効率のさらなる向上を図る観点から、「i-TOPCon」型太陽電池セル100において、「バックコンタクト構造」を採用しながらも、両面受光を可能とする構成を維持するための工夫が望まれている。 However, since the "i-TOPCon" type solar cell 100 is a bifacial solar cell, it is important from the viewpoint of further improving power generation efficiency to maintain a configuration that allows bifacial light reception even when the "back contact structure" is adopted. This is because if the adoption of the "back contact structure" results in the inability to allow bifacial light reception, it is considered difficult to achieve the desired improvement in power generation efficiency, since while the "back contact structure" can improve the efficiency of using sunlight incident from the front side, it will not be possible to use sunlight incident from the back side. Therefore, from the viewpoint of further improving power generation efficiency, it is desirable to devise a way to maintain a configuration that allows bifacial light reception while adopting the "back contact structure" in the "i-TOPCon" type solar cell 100.

そこで、本実施の形態では、発電効率のさらなる向上を図るために、「i-TOPCon」型太陽電池セル100において、「バックコンタクト構造」を採用しながらも、両面受光を可能とする構成を維持するための工夫を施している。以下では、この工夫を施した本実施の形態における技術的思想について説明する。 In this embodiment, therefore, in order to further improve power generation efficiency, the "i-TOPCon" type solar cell 100 is designed to maintain a configuration that allows bilateral light reception while adopting a "back contact structure." The technical concept of this embodiment that incorporates this design is explained below.

まず、本発明者の検討によると、「i-TOPCon」型太陽電池セル100において、「バックコンタクト構造」を採用しながらも、両面受光を可能とする構成を維持するためには、トンネル絶縁層に対する工夫が必要不可欠となる。このため、最初に、トンネル絶縁層に対する工夫の必要性について説明する。 First, according to the inventor's investigation, in order to maintain a configuration that allows bilateral light reception while adopting a "back contact structure" in the "i-TOPCon" type solar cell 100, it is essential to devise a tunnel insulating layer. For this reason, we will first explain the necessity of devising a tunnel insulating layer.

<トンネル絶縁層に対する工夫の必要性>
例えば、「バックコンタクト構造」を採用しながらも、両面受光を可能とする構成は、裏面に形成される第1電極と第2電極のそれぞれの面積を限定して、裏面のうち第1電極形成領域と第2電極形成領域を除くその他の領域を光透過領域とすることによって実現することができる。したがって、「i-TOPCon」型太陽電池セルにおいても、この構成を採用することにより、「バックコンタクト構造」を採用しながらも、両面受光を可能とする構成を実現することができると考えられる。
<Necessity for ingenuity in tunnel insulating layer>
For example, a configuration that allows for double-sided light reception while adopting a "back contact structure" can be realized by limiting the areas of the first electrode and the second electrode formed on the back surface and making the other areas of the back surface, excluding the first electrode formation area and the second electrode formation area, a light transmitting area. Therefore, by adopting this configuration in an "i-TOPCon" type solar cell, it is believed that a configuration that allows for double-sided light reception while adopting a "back contact structure" can be realized.

ここで、トンネル絶縁層を使用する「TOPCon」型太陽電池セルにおいては、単結晶シリコン層の裏面全面にトンネル絶縁層を形成することが暗黙の常識として認識されている。このことは、例えば、「背景技術」に記載した非特許文献2からも明らかである。すなわち、非特許文献2には、単結晶シリコン層の裏面全面に形成されたトンネル絶縁層を使用する「TOPCon」型太陽電池セルにおいて、「バックコンタクト構造」を採用する技術が記載されており、非特許文献2の図2に示すように、非特許文献2では、「バックコンタクト構造」を採用しながらも、単結晶シリコン層の裏面全面にトンネル絶縁層を形成する構成が前提となっている。 Here, in "TOPCon" type solar cells that use a tunnel insulating layer, it is implicitly recognized as common knowledge that the tunnel insulating layer is formed on the entire back surface of the monocrystalline silicon layer. This is clear, for example, from Non-Patent Document 2 described in the "Background Art". That is, Non-Patent Document 2 describes a technology that employs a "back contact structure" in "TOPCon" type solar cells that use a tunnel insulating layer formed on the entire back surface of the monocrystalline silicon layer, and as shown in Figure 2 of Non-Patent Document 2, Non-Patent Document 2 assumes a configuration in which a tunnel insulating layer is formed on the entire back surface of the monocrystalline silicon layer, even while employing a "back contact structure".

この点に関し、非特許文献2からもわかるように、単結晶シリコン層の裏面全面にトンネル絶縁層を形成する構成において、「バックコンタクト構造」を実現するためには、トンネル絶縁層には、n型シリコン層と接する第1領域とp型シリコン層と接する第2領域を有することが要求される。そして、n型シリコン層と接するトンネル絶縁層の第1領域では、電子を通過させる一方、正孔を非通過とするキャリア選択性が要求され、p型シリコン層と接するトンネル絶縁層の第2領域では、正孔を通過させる一方、電子を非通過とするキャリア選択性が要求される。このようなキャリア選択性を実現するために、非特許文献2に記載された技術では、非特許文献2の図2に示すように、トンネル絶縁層の第1領域をn型シリコン層で挟む「n型サンドウィッチ構造」を採用するとともに、トンネル絶縁層の第2領域をp型シリコン層で挟む「p型サンドウィッチ構造」が採用されている。 In this regard, as can be seen from Non-Patent Document 2, in order to realize a "back contact structure" in a configuration in which a tunnel insulating layer is formed on the entire back surface of a single crystal silicon layer, the tunnel insulating layer is required to have a first region in contact with an n-type silicon layer and a second region in contact with a p-type silicon layer. The first region of the tunnel insulating layer in contact with the n-type silicon layer is required to have carrier selectivity that allows electrons to pass while blocking holes, and the second region of the tunnel insulating layer in contact with the p-type silicon layer is required to have carrier selectivity that allows holes to pass while blocking electrons. In order to realize such carrier selectivity, the technology described in Non-Patent Document 2 adopts an "n-type sandwich structure" in which the first region of the tunnel insulating layer is sandwiched between n-type silicon layers, as shown in Figure 2 of Non-Patent Document 2, and adopts a "p-type sandwich structure" in which the second region of the tunnel insulating layer is sandwiched between p-type silicon layers.

以上のように、単結晶シリコン層の裏面全面に形成されたトンネル絶縁層を使用する「TOPCon」型太陽電池セルにおいて、「バックコンタクト構造」を採用するには、複雑で製造の困難な構成が必要となる。したがって、トンネル絶縁層を使用する「TOPCon」型太陽電池セルにおいて、「バックコンタクト構造」を簡素な構成で実現するためには、トンネル絶縁層に関する工夫が必要とされるのである。つまり、トンネル絶縁層を使用する「TOPCon」型太陽電池セルにおいて、「バックコンタクト構造」を簡素な構成で実現するためには、単結晶シリコン層の裏面全面にトンネル絶縁層を形成するという暗黙の常識を覆す変更を加える必要がある。 As described above, in order to adopt a "back contact structure" in a "TOPCon" type solar cell that uses a tunnel insulating layer formed on the entire back surface of a single crystal silicon layer, a complex configuration that is difficult to manufacture is required. Therefore, in order to realize a "back contact structure" in a simple configuration in a "TOPCon" type solar cell that uses a tunnel insulating layer, some ingenuity is required regarding the tunnel insulating layer. In other words, in order to realize a "back contact structure" in a simple configuration in a "TOPCon" type solar cell that uses a tunnel insulating layer, it is necessary to make a change that overturns the implicit common sense of forming a tunnel insulating layer on the entire back surface of a single crystal silicon layer.

この点に関し、本発明者は、「TOPCon」型太陽電池セルにおいて、「バックコンタクト構造」をより簡単な構成で実現できないかについて鋭意検討した結果、以下に示す技術的思想を想到したので、この技術的思想について説明する。 In this regard, the inventors have conducted extensive research into whether it is possible to realize a "back contact structure" in a "TOPCon" type solar cell with a simpler configuration, and have come up with the technical idea described below, which will now be explained.

<実施の形態における技術的思想>
本実施の形態における技術的思想は、「TOPCon」型太陽電池セルにおいて、「バックコンタクト構造」を採用しながらも、両面受光を可能とする構成として、裏面に形成される第1電極と第2電極のそれぞれの面積を限定して、裏面のうち第1電極形成領域と第2電極形成領域を除くその他の領域を光透過領域とする思想と、単結晶シリコン層の裏面全面にトンネル絶縁層を形成するのではなく、第1電極用のトンネル絶縁層と第2電極用のトンネル絶縁層とを別の分離された層として形成する思想とを組み合わせた思想である。この技術的思想によれば、トンネル絶縁層を使用した「TOPCon」型太陽電池セルにおいて、「バックコンタクト構造」を採用しながらも両面受光を可能とする構成を簡素な構成で実現し、かつ、太陽電池セルの電力密度を向上することができる。
<Technical Concept of the Embodiment>
The technical idea of the present embodiment is a combination of the idea of limiting the areas of the first electrode and the second electrode formed on the back surface and making the other area of the back surface, excluding the first electrode formation area and the second electrode formation area, a light transmitting area, as a configuration that enables bilateral light reception while adopting a "back contact structure" in a "TOPCon" type solar cell, and the idea of forming a tunnel insulating layer for the first electrode and a tunnel insulating layer for the second electrode as separate, separated layers, rather than forming a tunnel insulating layer on the entire back surface of the single crystal silicon layer. According to this technical idea, in a "TOPCon" type solar cell using a tunnel insulating layer, a configuration that enables bilateral light reception while adopting a "back contact structure" can be realized with a simple configuration, and the power density of the solar cell can be improved.

なぜなら、本実施の形態における技術的思想によれば、「バックコンタクト構造」による表面側からの入射光量の増加、両面受光による入射光量の増加およびトンネル絶縁層のキャリア選択性による電子と正孔の再結合の抑制とを合わせた相乗効果が得られる結果、太陽電池セルの電力密度を向上できると考えられるからである。 The reason is that the technical concept of this embodiment is believed to be able to improve the power density of the solar cell by achieving a synergistic effect of increasing the amount of incident light from the front side due to the "back contact structure", increasing the amount of incident light due to double-sided light reception, and suppressing the recombination of electrons and holes due to the carrier selectivity of the tunnel insulating layer.

特に、本実施の形態では、単結晶シリコン層の裏面全面にトンネル絶縁層を形成するのではなく、第1電極用のトンネル絶縁層と第2電極用のトンネル絶縁層とを別の分離された層として形成する思想が存在している結果、「バックコンタクト構造」を採用しながらも、両面受光を可能とする構成を簡素な構成で実現できる点で優れている。 In particular, in this embodiment, instead of forming a tunnel insulating layer on the entire back surface of the single crystal silicon layer, the idea exists of forming a tunnel insulating layer for the first electrode and a tunnel insulating layer for the second electrode as separate, separated layers, which is advantageous in that a configuration that enables double-sided light reception can be realized with a simple configuration while adopting a "back contact structure."

つまり、本実施の形態における技術的思想は、単結晶シリコン層の裏面全面にトンネル絶縁層を形成するという「TOPCon」型太陽電池セルに存在する暗黙の常識を覆す変更を加えることによって、「TOPCon」型太陽電池セルにおいて、「バックコンタクト構造」を採用しながらも、両面受光を可能とする構成を簡素な構成で実現している点で非常に優れた斬新な技術的思想ということができる。 In other words, the technical idea of this embodiment is an extremely excellent and innovative technical idea in that it realizes a simple configuration that allows for bilateral light reception while adopting a "back contact structure" in a "TOPCon" type solar cell by making a change that overturns the implicit common sense that exists in "TOPCon" type solar cells, which is to form a tunnel insulating layer on the entire back surface of the single crystal silicon layer.

例えば、「バックコンタクト構造」を採用していない「TOPCon」型太陽電池セルでは、トンネル絶縁層をパターニングする必要性はないことから、あえてトンネル絶縁層をパターニングする手間をかけずに、トンネル絶縁層を単結晶シリコン層の裏面全面に形成したままの構成を採用することは自然である。したがって、「バックコンタクト構造」を想定していなかった「TOPCon」型太陽電池セルでは、単結晶シリコン層の裏面全面にトンネル絶縁層を形成することが暗黙の常識として認識されていると考えられる。 For example, in a "TOPCon" type solar cell that does not employ a "back contact structure," there is no need to pattern the tunnel insulating layer, so it is natural to adopt a configuration in which the tunnel insulating layer is left formed on the entire back surface of the single crystal silicon layer, without taking the trouble of patterning the tunnel insulating layer. Therefore, in a "TOPCon" type solar cell that did not anticipate a "back contact structure," it is thought that forming a tunnel insulating layer on the entire back surface of the single crystal silicon layer is recognized as tacit common sense.

これに対し、「TOPCon」型太陽電池セルにおいて、「バックコンタクト構造」を採用する場合、この常識を踏襲すると、例えば、非特許文献2に記載されている技術のように、複雑で製造の困難な構成が必要となる(非特許文献2の図2参照)。この点について、非特許文献2は、シミュレーションに関する文献であり、実際に製造することをまったく考慮していないからこそ、単結晶シリコン層の裏面全面にトンネル絶縁層を形成するという暗黙の常識を前提としていると考えられる。 In contrast, if a "back contact structure" is adopted in a "TOPCon" type solar cell, following this common sense would require a complex and difficult to manufacture structure, such as the technology described in Non-Patent Document 2 (see Figure 2 in Non-Patent Document 2). In this regard, Non-Patent Document 2 is a document related to simulations, and since it does not take into account actual manufacturing at all, it is believed to be premised on the tacit common sense that a tunnel insulating layer is formed on the entire back surface of the single crystal silicon layer.

この点に関し、本発明者は、太陽電池セルを実際に製造することを考慮し、「TOPCon」型太陽電池セルにおいて、「バックコンタクト構造」を採用する場合には、あえてトンネル絶縁層をパターニングする技術を採用する方が簡素な構成を実現できるという知見を得て、上述したように、第1電極用のトンネル絶縁層と第2電極用のトンネル絶縁層とを別の分離された層として形成する思想を想到しているのである。この本発明者の知見は、暗黙の常識に捉われずにあえてトンネル絶縁層をパターニングする構成を採用している点で斬新であり、当業者にとっても容易に想到することができない知見といえる。 In this regard, the inventor, taking into consideration the actual manufacture of solar cells, discovered that when a "back contact structure" is adopted in a "TOPCon" type solar cell, a simpler configuration can be achieved by deliberately adopting a technique for patterning the tunnel insulating layer, and came up with the idea of forming the tunnel insulating layer for the first electrode and the tunnel insulating layer for the second electrode as separate, separated layers, as described above. The inventor's discovery is novel in that it goes beyond tacit common sense and deliberately adopts a configuration for patterning the tunnel insulating layer, and is a discovery that even a person skilled in the art would not easily have come up with.

以下では、この知見に基づいて想到された本実施の形態における技術的思想を具現化した太陽電池セルの構成について説明する。 The following describes the configuration of a solar cell that embodies the technical idea of this embodiment, which was conceived based on this knowledge.

なお、本明細書で使用している「電力密度」とは、「発電効率(変換効率)」と同義の意味で使用している。ただし、「発電効率(変換効率)」とは、通常、片面から標準太陽光を太陽電池セルに照射することを前提条件として使用されるため、片面からの太陽光の受光とともに対向面からの反射光も受光する両面受光タイプの太陽電池セルでは、「電力密度」という物理量で発電効率を評価することにしている。したがって、「電力密度」が大きいということは、発電効率が高いことを意味している。 Note that "power density" as used in this specification is used synonymously with "power generation efficiency (conversion efficiency)." However, "power generation efficiency (conversion efficiency)" is usually used under the assumption that standard sunlight is irradiated onto the solar cell from one side, so for bifacial solar cells that receive sunlight from one side as well as reflected light from the opposite side, power generation efficiency is evaluated using a physical quantity called "power density." Therefore, a high "power density" means high power generation efficiency.

<太陽電池セルの構成>
図3は、太陽電池セル100Aの構成を示す断面図である。
<Solar cell configuration>
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the solar cell 100A.

図3において、太陽電池セル100Aは、n型不純物(ドナー)が導入された単結晶シリコン層30を有している。この単結晶シリコン層30は、太陽光が入射される表面30a(第1面)と、表面30aとは反対側の裏面30b(第2面)を有している。 In FIG. 3, the solar cell 100A has a single crystal silicon layer 30 into which an n-type impurity (donor) has been introduced. This single crystal silicon layer 30 has a front surface 30a (first surface) on which sunlight is incident, and a back surface 30b (second surface) opposite the front surface 30a.

本実施の形態では、基本的に、単結晶シリコン層30の「表面30a(第1面)」に太陽光40が入射する一方、単結晶シリコン層30の「裏面30b(第2面)」に太陽光40の反射光50が入射する太陽電池セル100Aの配置(第1配置)を前提としている。 In this embodiment, the premise is basically an arrangement (first arrangement) of the solar cell 100A in which sunlight 40 is incident on the "front surface 30a (first surface)" of the single crystal silicon layer 30, while reflected light 50 of the sunlight 40 is incident on the "back surface 30b (second surface)" of the single crystal silicon layer 30.

ただし、これに限らず、単結晶シリコン層30の「表面30a(第1面)」に太陽光40の反射光50が入射する一方、単結晶シリコン層30の「裏面30b(第2面)」に太陽光40が入射する太陽電池セル100Aの配置(第2配置)を排除するものではない。例えば、太陽電池セル100Aの設置方法として、地面に対して傾斜を持たせて配置する設置方法だけでなく、垂直に設置する設置方法も可能である。この場合、例えば、朝に第1配置が実現されている場合、必然的に夕方には、太陽の方向が変わる結果、第2配置が実現されることになる。 However, this is not limited to this, and does not exclude an arrangement (second arrangement) of the solar cell 100A in which reflected light 50 of sunlight 40 is incident on the "front surface 30a (first surface)" of the single crystal silicon layer 30, while sunlight 40 is incident on the "back surface 30b (second surface)" of the single crystal silicon layer 30. For example, the solar cell 100A can be installed not only at an incline with respect to the ground, but also vertically. In this case, for example, if the first arrangement is realized in the morning, the direction of the sun will inevitably change in the evening, resulting in the second arrangement being realized.

このことを考慮して、請求項では、「第1光を入射可能な第1面と第2光を入射可能第2面とを有する第1導電型の単結晶シリコン層」と規定している。これは、「第1光」が太陽光40であり、かつ、「第2光」が反射光50である場合や、「第1光」が反射光50であり、「第2光」が太陽光40である場合を包含する広い概念の記載を意図している。 Taking this into consideration, the claims specify "a single crystal silicon layer of a first conductivity type having a first surface onto which the first light can be incident and a second surface onto which the second light can be incident." This is intended to describe a broad concept that includes cases where the "first light" is sunlight 40 and the "second light" is reflected light 50, and cases where the "first light" is reflected light 50 and the "second light" is sunlight 40.

単結晶シリコン層30の表面30aには、テクスチャ構造と呼ばれる凹凸構造が形成されている結果、単結晶シリコン層30の表面30aは、凹凸面から構成されていることになる。これにより、単結晶シリコン層30の表面30a側から入射する太陽光40の反射率を低減することができる。すなわち、単結晶シリコン層30の表面30aに形成されているテクスチャ構造は、表面30a側から入射する太陽光40の表面30aでの反射を抑制する機能を有していることになる。 The surface 30a of the single crystal silicon layer 30 has an uneven structure called a texture structure, so that the surface 30a of the single crystal silicon layer 30 is composed of an uneven surface. This makes it possible to reduce the reflectance of sunlight 40 incident on the surface 30a side of the single crystal silicon layer 30. In other words, the texture structure formed on the surface 30a of the single crystal silicon layer 30 has the function of suppressing the reflection of sunlight 40 incident on the surface 30a side at the surface 30a.

そして、太陽電池セル100Aは、単結晶シリコン層30の表面30aに接するパッシベーション層32を有している。このパッシベーション層32は、例えば、窒化シリコン膜から構成されている。 The solar cell 100A has a passivation layer 32 that contacts the surface 30a of the single crystal silicon layer 30. This passivation layer 32 is made of, for example, a silicon nitride film.

一方、単結晶シリコン層30の裏面30bは、第1領域R1と第2領域R2を有している。ここで、裏面30bの第1領域R1と接するように、トンネル絶縁層34aが形成されている。言い換えれば、裏面30bの第1領域R1と接する一方、裏面30bの第2領域R2とは接しないように、トンネル絶縁層34aが形成されている。このトンネル絶縁層34aは、例えば、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜あるいは酸化ハフニウム膜から構成されている。 On the other hand, the rear surface 30b of the single crystal silicon layer 30 has a first region R1 and a second region R2. Here, the tunnel insulating layer 34a is formed so as to contact the first region R1 of the rear surface 30b. In other words, the tunnel insulating layer 34a is formed so as to contact the first region R1 of the rear surface 30b but not to contact the second region R2 of the rear surface 30b. This tunnel insulating layer 34a is composed of, for example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, an aluminum oxide film, or a hafnium oxide film.

トンネル絶縁層34aは、多数キャリアを通過させる一方、少数キャリアを非通過とするキャリア選択性を有する膜である。今の場合、トンネル絶縁層34aを挟む単結晶シリコン層30と高濃度多結晶シリコン層35aはn型半導体層であることから、多数キャリアは電子であり、少数キャリアは正孔である。このことから、トンネル絶縁層34aは、電子を通過させる一方、正孔を非通過とするキャリア選択性を有する膜といえる。 The tunnel insulating layer 34a is a film that has carrier selectivity that allows majority carriers to pass while blocking minority carriers. In this case, the single crystal silicon layer 30 and the high concentration polycrystalline silicon layer 35a that sandwich the tunnel insulating layer 34a are n-type semiconductor layers, so the majority carriers are electrons and the minority carriers are holes. For this reason, the tunnel insulating layer 34a can be said to be a film that has carrier selectivity that allows electrons to pass while blocking holes.

トンネル絶縁層34aのキャリア選択性は、トンネル絶縁層34aの厚さを調整することにより実現できる。例えば、トンネル絶縁層34aの厚さが厚すぎると、少数キャリアだけでなく多数キャリアも非通過としてしまうことなる。一方、トンネル絶縁層34aの厚さが薄すぎると、多数キャリアだけでなく少数キャリアも通過させてしまう。すなわち、トンネル絶縁層34aの厚さが厚すぎても薄すぎても、トンネル絶縁層34aに対して、キャリア選択性を発現させることはできない。このため、多数キャリアを通過させる一方、少数キャリアを非通過とするように、トンネル絶縁層34aの厚さを適宜調整することにより、トンネル絶縁層34aに対して、キャリア選択性を発現させる必要がある。 The carrier selectivity of the tunnel insulating layer 34a can be achieved by adjusting the thickness of the tunnel insulating layer 34a. For example, if the tunnel insulating layer 34a is too thick, not only the minority carriers but also the majority carriers will not pass through. On the other hand, if the tunnel insulating layer 34a is too thin, not only the majority carriers but also the minority carriers will pass through. In other words, if the tunnel insulating layer 34a is too thick or too thin, carrier selectivity cannot be expressed in the tunnel insulating layer 34a. For this reason, it is necessary to express carrier selectivity in the tunnel insulating layer 34a by appropriately adjusting the thickness of the tunnel insulating layer 34a so that the majority carriers pass through while the minority carriers are not passed through.

続いて、トンネル絶縁層34aに接するように高濃度多結晶シリコン層35aが形成されている。この高濃度多結晶シリコン層35aに導入されている導電型不純物(ドナー)の不純物濃度は、単結晶シリコン層30に導入されている導電型不純物(ドナー)の不純物濃度よりも高くなっている。そして、この高濃度多結晶シリコン層35aと接するように、例えば、銀膜からなる金属電極37aが形成されている。 Next, a high-concentration polycrystalline silicon layer 35a is formed so as to contact the tunnel insulating layer 34a. The impurity concentration of the conductive impurity (donor) introduced into this high-concentration polycrystalline silicon layer 35a is higher than the impurity concentration of the conductive impurity (donor) introduced into the single crystal silicon layer 30. Then, a metal electrode 37a made of, for example, a silver film is formed so as to contact this high-concentration polycrystalline silicon layer 35a.

これに対し、裏面30bの第2領域R2と接するように、エミッタ層31が形成されている。このエミッタ層31は、例えば、p型シリコン層から構成される。そして、エミッタ層31と接するように、トンネル絶縁層34bが形成されている。このトンネル絶縁層34bは、例えば、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜あるいは酸化ハフニウム膜から構成されている。 On the other hand, an emitter layer 31 is formed so as to contact the second region R2 of the back surface 30b. This emitter layer 31 is composed of, for example, a p-type silicon layer. Then, a tunnel insulating layer 34b is formed so as to contact the emitter layer 31. This tunnel insulating layer 34b is composed of, for example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, an aluminum oxide film, or a hafnium oxide film.

トンネル絶縁層34bは、多数キャリアを通過させる一方、少数キャリアを非通過とするキャリア選択性を有する膜である。今の場合、トンネル絶縁層34bを挟むエミッタ層31と高濃度多結晶シリコン層35bはp型半導体層であることから、多数キャリアは正孔であり、少数キャリアは電子である。このことから、トンネル絶縁層34bは、正孔を通過させる一方、電子を非通過とするキャリア選択性を有する膜といえる。このトンネル絶縁層34bも、トンネル絶縁層34aと同様に、厚さを適宜調整することにより、キャリア選択性が発現するように構成されている。 The tunnel insulating layer 34b is a film having carrier selectivity that allows majority carriers to pass while blocking minority carriers. In this case, the emitter layer 31 and the high-concentration polycrystalline silicon layer 35b that sandwich the tunnel insulating layer 34b are p-type semiconductor layers, so the majority carriers are holes and the minority carriers are electrons. For this reason, the tunnel insulating layer 34b can be said to be a film having carrier selectivity that allows holes to pass while blocking electrons. This tunnel insulating layer 34b is also configured to exhibit carrier selectivity by appropriately adjusting the thickness, similar to the tunnel insulating layer 34a.

続いて、トンネル絶縁層34bに接するように高濃度多結晶シリコン層35bが形成されている。この高濃度多結晶シリコン層35bは、p型半導体層である。そして、この高濃度多結晶シリコン層35bと接するように、例えば、銀膜からなる金属電極37bが形成されている。 Next, a high-concentration polycrystalline silicon layer 35b is formed so as to contact the tunnel insulating layer 34b. This high-concentration polycrystalline silicon layer 35b is a p-type semiconductor layer. Then, a metal electrode 37b made of, for example, a silver film is formed so as to contact this high-concentration polycrystalline silicon layer 35b.

さらに、図3に示すように、太陽電池セル100Aにおいては、単結晶シリコン層30の裏面30bのうち、第1領域R1および第2領域R2以外の領域と接するように、パッシベーション層36が形成されている。 Furthermore, as shown in FIG. 3, in the solar cell 100A, a passivation layer 36 is formed on the rear surface 30b of the single crystal silicon layer 30 so as to contact the area other than the first region R1 and the second region R2.

以上のようにして、太陽電池セル100Aが構成されている。 This is how the solar cell 100A is constructed.

<実施の形態における特徴>
本実施の形態における特徴点は、例えば、図3に示すように、「TOPCon」型太陽電池セルにおいて、「バックコンタクト構造」を採用しながらも、両面受光を可能とする構成として、裏面に形成される金属電極37aと金属電極37bのそれぞれの面積を限定して、裏面のうち第1領域R1と第2領域R2を除くその他の領域を光透過領域とする点にある。これにより、本実施の形態によれば、「バックコンタクト構造」による表面側からの入射光量の増加、両面受光による入射光量の増加およびトンネル絶縁層のキャリア選択性による電子と正孔の再結合の抑制とを合わせた相乗効果が得られる結果、太陽電池セルの電力密度を向上することができる。
<Features of the embodiment>
A feature of this embodiment is that, for example, as shown in Fig. 3, in a "TOPCon" type solar cell, while adopting a "back contact structure", the areas of the metal electrodes 37a and 37b formed on the back surface are limited to enable bilateral light reception, and the other areas of the back surface, excluding the first region R1 and the second region R2, are made light transmitting regions. As a result, according to this embodiment, a synergistic effect is obtained that combines the increase in the amount of incident light from the front surface side due to the "back contact structure", the increase in the amount of incident light due to bilateral light reception, and the suppression of recombination of electrons and holes due to the carrier selectivity of the tunnel insulating layer, and thus the power density of the solar cell can be improved.

特に、本実施の形態では、単結晶シリコン層30の裏面30bの全面にトンネル絶縁層を形成するのではなく、裏面30bの第1領域R1に接するトンネル絶縁層34aと、裏面30bの第2領域R2に接するトンネル絶縁層34bとを別の分離された層として形成する点にも特徴点がある。これにより、裏面30bの全面にトンネル絶縁層を形成することを前提として、「バックコンタクト構造」を採用しながら両面受光を可能とする構成を実現するよりも、簡素な構成で「バックコンタクト構造」および両面受光構造を実現できる利点が得られる。この特徴点は、単結晶シリコン層の裏面全面にトンネル絶縁層を形成するという暗黙の常識に捉われない発想から想到された斬新性を有する。 In particular, in this embodiment, a tunnel insulating layer is not formed on the entire back surface 30b of the single crystal silicon layer 30, but the tunnel insulating layer 34a in contact with the first region R1 of the back surface 30b and the tunnel insulating layer 34b in contact with the second region R2 of the back surface 30b are formed as separate, separate layers. This provides the advantage of being able to realize a "back contact structure" and a double-sided light receiving structure with a simpler configuration than a configuration that enables double-sided light receiving while adopting a "back contact structure" on the premise that a tunnel insulating layer is formed on the entire back surface 30b. This feature is innovative, having been conceived from an idea that is not bound by the tacit common sense of forming a tunnel insulating layer on the entire back surface of the single crystal silicon layer.

具体的に、本実施の形態では、図3に示すように、単結晶シリコン層30の裏面30bは、第1領域R1と第2領域R2と第3領域R3を有している。そして、第1領域R1と第2領域R2は、互いに接触せずに物理的に離れている。また、第3領域は、裏面30bのうちの第1領域R1および第2領域R2以外の領域であり、この第3領域R3において、パッシベーション膜36が単結晶シリコン層30と直接接触している。 Specifically, in this embodiment, as shown in FIG. 3, the back surface 30b of the single crystal silicon layer 30 has a first region R1, a second region R2, and a third region R3. The first region R1 and the second region R2 are physically separated from each other and do not contact each other. The third region is a region of the back surface 30b other than the first region R1 and the second region R2, and in this third region R3, the passivation film 36 is in direct contact with the single crystal silicon layer 30.

これにより、本実施の形態では、裏面30bの第1領域R1に接するトンネル絶縁層34aと、裏面30bの第2領域R2に接するトンネル絶縁層34bとを別の分離された層として形成することができるとともに、第3領域R3において、パッシベーション膜36を単結晶シリコン層30と直接接触させることができる。この結果、本実施の形態によれば、簡素な構成で「バックコンタクト構造」および両面受光構造を実現できる。 In this embodiment, therefore, the tunnel insulating layer 34a in contact with the first region R1 of the back surface 30b and the tunnel insulating layer 34b in contact with the second region R2 of the back surface 30b can be formed as separate, separated layers, and the passivation film 36 can be brought into direct contact with the single crystal silicon layer 30 in the third region R3. As a result, according to this embodiment, a "back contact structure" and a double-sided light receiving structure can be realized with a simple configuration.

さらに、本実施の形態では、図3に示すように、エミッタ層31の面積よりも、エミッタ層31と接するトンネル絶縁層34bの面積を小さくしている点にも特徴点がある。すなわち、図3に示すように、エミッタ層31の裏面は、第4領域R4と第5領域R5を有し、第4領域R4に接するようにトンネル絶縁層34bが形成されている。この場合、金属電極37bの面積も低減することができることから、裏面受光面積を向上できる。 Furthermore, in this embodiment, as shown in FIG. 3, a feature is that the area of the tunnel insulating layer 34b in contact with the emitter layer 31 is smaller than the area of the emitter layer 31. That is, as shown in FIG. 3, the back surface of the emitter layer 31 has a fourth region R4 and a fifth region R5, and the tunnel insulating layer 34b is formed so as to be in contact with the fourth region R4. In this case, the area of the metal electrode 37b can also be reduced, thereby improving the back surface light receiving area.

<効果の検証>
以下では、本実施の形態における太陽電池セル100Aによれば、電力密度を向上できることを定量的に示す検証結果について説明する。
<Verification of effectiveness>
Below, a description will be given of verification results that quantitatively show that the power density can be improved according to the solar cell 100A of the present embodiment.

図4は、太陽電池セル100Aにおいて、電極ピッチ(裏面)と電力密度との関係を示すグラフである。図4では、基板抵抗率が70Ω・cmでの結果が示されている。 Figure 4 is a graph showing the relationship between electrode pitch (rear surface) and power density for solar cell 100A. Figure 4 shows the results when the substrate resistivity is 70 Ω cm.

図4に示すように、室温(25℃)において、電極ピッチが1.1mm(1100μm)のときの電力密度が29.9mW/cmに達していることがわかる。これは、現時点において、単一接合構造の結晶シリコン太陽電池セルの最高度の性能である。 As shown in Fig. 4, at room temperature (25°C), the power density reaches 29.9 mW/ cm2 when the electrode pitch is 1.1 mm (1100 µm). This is the highest performance of a single-junction crystalline silicon solar cell at present.

特に、この検証結果は、「TOPCon」型太陽電池セル系ロードマップの将来予測を上回る結果である。したがって、本実施の形態における太陽電池セル100Aは、当業者にとっても予測困難な顕著な効果を得ることができる点で非常に優れているといえる。 In particular, the results of this verification exceed the future predictions of the "TOPCon" solar cell roadmap. Therefore, it can be said that the solar cell 100A of this embodiment is extremely superior in that it can achieve remarkable effects that are difficult even for those skilled in the art to predict.

<さらなる電力密度の向上>
上述したように、本実施の形態における太陽電池セル100Aは、最大で29.9mW/cmの電力密度を実現できる。さらに、本発明者は、太陽電池セル100Aに対して、図3では図示されていないBSF層(裏面電界層)を設けるとともに、このBSF層とエミッタ層31に導入される導電型不純物の不純物濃度を高濃度にすると、電力密度をさらに向上できることを見出したので、以下に、この点について説明する。
<Further improvement in power density>
As described above, the solar cell 100A in this embodiment can achieve a maximum power density of 29.9 mW/cm 2. Furthermore, the present inventor has found that the power density can be further improved by providing a BSF layer (back surface field layer) not shown in Fig. 3 for the solar cell 100A and increasing the impurity concentration of the conductive impurity introduced into this BSF layer and the emitter layer 31, and this point will be described below.

なお、BSF層とは、裏面付近で電子と正孔を分離させて再結合を減少させる機能を有する層であり、電力密度を向上させる効果がある層である。 The BSF layer is a layer that has the function of separating electrons and holes near the back surface to reduce recombination, and is effective in improving power density.

図5は、エミッタ層31の不純物濃度と電力密度の関係を示すグラフである。 Figure 5 is a graph showing the relationship between the impurity concentration of the emitter layer 31 and the power density.

グラフ(1)は、BSF層の不純物濃度を1×1017/cmとしたグラフであり、グラフ(2)は、BSF層の不純物濃度を1×1018/cmとしたグラフである。また、グラフ(3)は、BSF層の不純物濃度を1×1019/cmとしたグラフであり、グラフ(4)は、BSF層の不純物濃度を1×1020/cmとしたグラフである。 Graph (1) is a graph in which the impurity concentration of the BSF layer is 1×10 17 /cm 3 , graph (2) is a graph in which the impurity concentration of the BSF layer is 1×10 18 /cm 3 , graph (3) is a graph in which the impurity concentration of the BSF layer is 1×10 19 /cm 3 , and graph (4) is a graph in which the impurity concentration of the BSF layer is 1×10 20 /cm 3 .

図5に示すように、エミッタ層31とBSF層に導入されている導電型不純物の不純物濃度を高濃度にするほど電力密度が向上することがわかる。特に、エミッタ層31とBSF層に導入されている導電型不純物の不純物濃度を1×1020/cmとすることにより、最大で30.03mW/cmの電力密度を実現できることがわかる。 5, it can be seen that the power density improves as the impurity concentration of the conductive impurity introduced into the emitter layer 31 and the BSF layer is increased. In particular, it can be seen that a power density of up to 30.03 mW/ cm2 can be realized by setting the impurity concentration of the conductive impurity introduced into the emitter layer 31 and the BSF layer to 1× 10 /cm.

<太陽電池セルの製造方法>
本実施の形態における太陽電池セル100Aは、上記のように構成されており、以下に、その製造方法について説明する。ここで説明する太陽電池セル100Aの製造方法は、一例であって、これに限定されるものではない。
<Method of manufacturing solar cell>
The solar cell 100A in the present embodiment is configured as described above, and a manufacturing method thereof will be described below. The manufacturing method of the solar cell 100A described here is one example, and the present invention is not limited to this.

図6は、太陽電池セル100Aの製造工程の流れを示すフローチャートである。 Figure 6 is a flowchart showing the manufacturing process for solar cell 100A.

まず、図6において、n型の単結晶シリコン層30を有する半導体基板(半導体ウェハ)を準備する(S101)。この段階で、例えば、洗浄処理やダメージ層の除去処理や表面平坦化処理などが行われる。次に、単結晶シリコン層30の表面30aに対して、凹凸形状からなるテクスチャ構造を形成する(S102)。このテクスチャ構造は、例えば、ウェットエッチング処理で実施される。そして、単結晶シリコン層30の裏面30bにシリコン層を形成して、このシリコン層にボロン(B)を導入した後、ボロンを導入したシリコン層をパターニングすることにより、裏面30bの第2領域R2と接するp型半導体層からなるエミッタ層31を形成する(S103)。 First, in FIG. 6, a semiconductor substrate (semiconductor wafer) having an n-type single crystal silicon layer 30 is prepared (S101). At this stage, for example, a cleaning process, a process for removing a damaged layer, a process for flattening the surface, etc. are performed. Next, a textured structure consisting of an uneven shape is formed on the surface 30a of the single crystal silicon layer 30 (S102). This textured structure is formed, for example, by a wet etching process. Then, a silicon layer is formed on the back surface 30b of the single crystal silicon layer 30, boron (B) is introduced into this silicon layer, and the silicon layer into which boron has been introduced is patterned to form an emitter layer 31 consisting of a p-type semiconductor layer that contacts the second region R2 of the back surface 30b (S103).

次に、エミッタ層31を覆う裏面30bの全面に、例えば、酸化シリコン膜からなる絶縁層を形成した後(S104)、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、絶縁層をパターニングする(S105)これにより、裏面30bの第1領域R1と接するトンネル絶縁層34aを形成するとともに、エミッタ層31と接するトンネル絶縁層34bを形成する。 Next, an insulating layer made of, for example, a silicon oxide film is formed on the entire back surface 30b covering the emitter layer 31 (S104), and then the insulating layer is patterned using photolithography and etching techniques (S105). This forms a tunnel insulating layer 34a that contacts the first region R1 of the back surface 30b, and a tunnel insulating layer 34b that contacts the emitter layer 31.

続いて、成膜技術およびパターニング技術を使用することにより、トンネル絶縁層34aと接する高濃度多結晶シリコン層35a(n型)を形成し、トンネル絶縁層34bと接する高濃度多結晶シリコン層35b(p型)を形成する(S106)。 Next, by using film formation and patterning techniques, a high-concentration polycrystalline silicon layer 35a (n-type) is formed in contact with the tunnel insulating layer 34a, and a high-concentration polycrystalline silicon layer 35b (p-type) is formed in contact with the tunnel insulating layer 34b (S106).

その後、例えば、単結晶シリコン層30の表面30aと接するパッシベーション層32を形成する。同様に、例えば、単結晶シリコン層30の裏面30bのうちの第1領域R1および第2領域R2以外の領域と接するパッシベーション層36を形成する(S107)。 Then, for example, a passivation layer 32 is formed in contact with the surface 30a of the single crystal silicon layer 30. Similarly, for example, a passivation layer 36 is formed in contact with the rear surface 30b of the single crystal silicon layer 30 other than the first region R1 and the second region R2 (S107).

次に、高濃度多結晶シリコン層35aと接続する金属電極37aを形成する。同様に、高濃度多結晶シリコン層35bと接続する金属電極37bを形成する(S108)。 Next, a metal electrode 37a is formed to connect to the high-concentration polycrystalline silicon layer 35a. Similarly, a metal electrode 37b is formed to connect to the high-concentration polycrystalline silicon layer 35b (S108).

以上のようにして、太陽電池セル100A(図3参照)を製造することができる。 In this manner, solar cell 100A (see Figure 3) can be manufactured.

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。 The invention made by the inventor has been specifically described above based on the embodiment thereof, but it goes without saying that the invention is not limited to the above embodiment and can be modified in various ways without departing from the gist of the invention.

なお、前記実施の形態では、「第1導電型」を「n型」とし、「第2導電型」を「p型」とする太陽電池セル100Aを例に挙げて説明したが、前記実施の形態における技術的思想は、これに限らず、例えば、「第1導電型」を「p型」とし、「第2導電型」を「n型」とする太陽電池セルにも適用することができる。 In the above embodiment, the solar cell 100A is described as an example in which the "first conductivity type" is "n-type" and the "second conductivity type" is "p-type." However, the technical idea of the above embodiment is not limited to this, and can also be applied to, for example, a solar cell in which the "first conductivity type" is "p-type" and the "second conductivity type" is "n-type."

10a 太陽電池モジュール
10b 太陽電池モジュール
10c 太陽電池モジュール
10d 太陽電池モジュール
10e 太陽電池モジュール
10f 太陽電池モジュール
10g 太陽電池モジュール
20 パワーコンディショナー
30 単結晶シリコン層
30a 表面
30b 裏面
31 エミッタ層
32 パッシベーション層
33 金属電極
34 トンネル絶縁層
34a トンネル絶縁層
34b トンネル絶縁層
35 高濃度多結晶シリコン層
35a 高濃度多結晶シリコン層
35b 高濃度多結晶シリコン層
36 パッシベーション層
37 金属電極
37a 金属電極
37b 金属電極
40 太陽光
50 反射光
100 「i-TOPCon」型太陽電池セル
100A 太陽電池セル
R1 第1領域
R2 第2領域
10a Solar cell module 10b Solar cell module 10c Solar cell module 10d Solar cell module 10e Solar cell module 10f Solar cell module 10g Solar cell module 20 Power conditioner 30 Single crystal silicon layer 30a Front surface 30b Back surface 31 Emitter layer 32 Passivation layer 33 Metal electrode 34 Tunnel insulating layer 34a Tunnel insulating layer 34b Tunnel insulating layer 35 Highly concentrated polycrystalline silicon layer 35a Highly concentrated polycrystalline silicon layer 35b Highly concentrated polycrystalline silicon layer 36 Passivation layer 37 Metal electrode 37a Metal electrode 37b Metal electrode 40 Sunlight 50 Reflected light 100 "i-TOPCon" type solar cell 100A Solar cell R1 First region R2 Second region

Claims (5)

可視光を含む第1光を入射可能な第1面と、可視光を含む第2光を入射可能で第1領域および第2領域を含む第2面とを有する第1導電型の単結晶シリコン層と、
前記第2面の前記第1領域と接する第1トンネル絶縁層と、
前記第1トンネル絶縁層と接する前記第1導電型の第1シリコン層と、
前記第1シリコン層と接する第1電極と、
前記第2面の前記第2領域と接する第2導電型のエミッタ層と、
前記エミッタ層と接する第2トンネル絶縁層と、
前記第2トンネル絶縁層と接する前記第2導電型の第2シリコン層と、
前記第2シリコン層と接する第2電極と、
前記第1領域および前記第2領域以外の前記第2面と接するパッシベーション層と、
を備え
前記エミッタ層は、
前記第2面と接する第3面と、
前記第3面と対向する第4面と、
を有し、
前記第4面は、
前記エミッタ層と前記第2トンネル絶縁層が接する第1接触領域と、
前記エミッタ層と前記パッシベーション層が接する第2接触領域と、
を有する、太陽電池セル。
a single crystal silicon layer of a first conductivity type having a first surface onto which a first light including visible light can be incident and a second surface onto which a second light including visible light can be incident, the second surface including a first region and a second region;
a first tunnel insulating layer in contact with the first region of the second surface;
a first silicon layer of the first conductivity type in contact with the first tunnel insulating layer;
a first electrode in contact with the first silicon layer;
an emitter layer of a second conductivity type in contact with the second region of the second surface;
a second tunnel insulating layer in contact with the emitter layer;
a second silicon layer of the second conductivity type in contact with the second tunnel insulating layer;
a second electrode in contact with the second silicon layer;
a passivation layer in contact with the second surface other than the first region and the second region;
Equipped with
The emitter layer is
a third surface in contact with the second surface;
a fourth surface opposite to the third surface; and
having
The fourth surface is
a first contact region where the emitter layer and the second tunnel insulating layer contact each other;
a second contact region where the emitter layer and the passivation layer meet;
A solar cell having the above structure.
請求項1に記載の太陽電池セルにおいて、
前記第1シリコン層に導入されている導電型不純物の不純物濃度は、前記単結晶シリコン層に導入されている導電型不純物の不純物濃度よりも高い、太陽電池セル。
The solar cell according to claim 1 ,
A solar cell, wherein a concentration of a conductive impurity introduced into the first silicon layer is higher than a concentration of a conductive impurity introduced into the single crystal silicon layer.
請求項1に記載の太陽電池セルにおいて、
前記第1トンネル絶縁層は、前記第1導電型における多数キャリアを通過させる一方、少数キャリアを非通過とするキャリア選択性を有し、
前記第2トンネル絶縁層は、前記第2導電型における多数キャリアを通過させる一方、少数キャリアを非通過とするキャリア選択性を有する、太陽電池セル。
The solar cell according to claim 1 ,
the first tunnel insulating layer has a carrier selectivity that allows majority carriers of the first conductivity type to pass while blocking minority carriers;
The second tunnel insulating layer has a carrier selectivity that allows majority carriers of the second conductivity type to pass therethrough while blocking minority carriers.
請求項1に記載の太陽電池セルにおいて、
前記第1シリコン層は、多結晶シリコン層であり、
前記第2シリコン層は、多結晶シリコン層である、太陽電池セル。
The solar cell according to claim 1 ,
the first silicon layer is a polycrystalline silicon layer;
The solar cell, wherein the second silicon layer is a polycrystalline silicon layer.
請求項1~4のいずれか1項に記載の太陽電池セルを複数備える太陽電池。 A solar cell comprising a plurality of solar cells according to any one of claims 1 to 4.
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