高効率多結晶シリコン太陽電池の開発

∪･D･C･〔る21.383.51:523.9-35〕:〔54る.28-1占2:548.23〕

高効率多結晶シリコン太陽電池の開発

Deve10PmentOfHighlY EfficientPoIYCryStallineSiliconSolarCe‖s

多結晶シリコン太陽電池のシリコン基板には結晶粒界や粒内欠陥が存在し,

これが太陽電池の光電変換効率を単結晶に比べて低くする原因の一つになって

いる｡効率を制限しているこれらの要田を明らかにし,新しいバッシベーショ

ン技術による結晶粒界の不活性化や埋め込み印刷電極の開発などにより,15%

を超えるレベルの光電変換効率を得た｡

□

緒

言 多結晶シリコン太陽電池はSOG(Solar _{Grade:太陽電池} 級)シリコンを原料として,キャスト碁根やリボン基板の形で 製造できるので,経済性からみて実用化の期待が大きく,｢サ

ンシャイン計画+の中で,アモルファス(非晶質)シリコン太

陽電池とともに多結晶シリコン太陽電池の開発研究が強力に 進められている｡ 日立製作所は｢サンシャイン計画+の下で,多結晶シリコ ン太陽電池の量産化技術,光電変換効ヰ与の高効率化技術につ いて研究を行っている｡ 量産化技術については,昭和55年,SOGシリコン原料工程 から,基板工程,素子工程,パネル組立工程まで一貫した

SOG多結晶シリコン太陽電池の500kW/年級連続生産技術の

開発が着手され,昭和58年度から,これら全工程を通した運

転研究が開始された｡素子⊥程(乾式PN接合工程)では,基板

+二程で実験製作された大口径キャスト(鋳物)および広幅リボ

ン(帯)多結晶シリコン底板を川いて,イオン打ち込み法によ

るpn接合形成,ファイヤースルー(焼成一貫通)法による反射防

止膜･電極形成など1),2)の連続生産￣方式によって太陽電池素子 の実験製作を行った｡ 高効率化技術に関しては,多結品シリコン基板には結晶粒 界や粒内欠陥が存在し,光電変換効率を低下させる原因の一 つになっていることが知られており,まず,SOG多結晶シリ コン基板中の酸素濃度,結晶粒径,粒内欠陥密度などの基板 品質と素子特性との相関関係を調べた3)｡この結果は基板製造 二1二程にフィードバックされ,基板品質の改善に寄与した4),5)｡ 次に,光電変換効率の高効率化を目的として,結晶粒界の効

果を考慮した素子特性の計算機シミュレーション予測6),結晶

粒界や粒内欠陥の水素パッシベーション(不満惟化)7),および

スクリ-イ印刷法による低抵抗の埋め込み電極形成8)などの開

松熊邦浩*

八木秀幸**

穀内

滋**

中谷光雄***

西野入一雄****

+町∼′柁オんわⅥノ肋ね肘ん〟7乃α 〃オ〟(ツ〟々7†1材オ 5ムなどγZJ+打〃カ〟乃〟g ルタオね乙(〃∧b丘αJα邦才 +打αZ〝/ノ+V由良∠刀/)Jγ才 発を行い,15%を超える光電変換効率を持つ多結晶シリコン 太陽電池を開発した｡ 本稿では,主として多結晶シリコン太陽電池の光電変換効 率を制限する要因について解析実験を行った結果を述べ,合 わせて高効率化の検討結果の概要について述べる｡

切

実験方法

太陽電池素子の製作に用いた多結晶シリコン堪板はSOGシ リコンによるキャスト基板とリボン基放であり,いずれも大 きさが一辺94mmの角形,厚さが0.4∼0.5mm,比抵抗がp形 0.5∼1.5ncm,少数キャリヤライフタイムが2l⊥S以上を目標 に作られたものである｡ 製作した太陽電池素子の構造を図1に,また素子製作70ロ セスを図2に示す｡本プロセスは素子の連続生産を可能にす るため開発されたもので,生産性および素子の高効率化の点 で有利な低温度熱処理法を取り入れている｡)素子の製作は基

板の表面にP(リン)イオンを打ち込み,裏面にAl(アルミニウ

ム)ペーストをスクリーン印刷し乾燥した後,窒素雰囲気中の 連続炉で焼成した｡次に,表面にTi-Sn(チタンとスズ)の金属錯 体液を回転塗布して乾燥した後,この上にAg(銀)ペーストを スクリーン印刷し,窒素雰囲気中の連続炉で焼成した｡次に, 表裏のAg電極上にディップ法によりはんだ屑を形成した｡図3 に示す素子の製造設備は,前記プロセスに見合って,素子の 連続生産ができるように構成している〔,なお,前記のP(リン)

イオン打ち込みのほかPOC13(オキン塩化リン)拡散法について

も検討した｡ 素子特性の測定はソーラーシミュレータを用い,基準とし

て,財団法人機械電子検定協会でAMl.5全天日射光の条件で

較正されたレファレンス太陽電池を用いた｡少数キャリヤラ *l+並製作所R立+二場工学博上 **口克製作所H立二1二場 _{***H立製作所生産技術研究所 ****日立製作所エネルギー開発推進木部}

□94 A -こ｢-t七 ＼￣1

_』

受光面平面図 マイナス側 釘②魯 H シ ② ①

ト

ン

＋

0址

裏面平面図 プラス側 光

山

∈)極 セル平面図

J打￣

一--P土一--断面BB ㊥極 図l 太陽電池素子構造 _{AR(AntトReflection} した太陽光はシリコン部で正孔と電子を発生させ, マイナス電極に集電され電力を発生する｡ パターン電極

乃

匂 プレ

r

A部拡大図

(二こ妄竺王墓羞)

イオン打ち込み層 P11接合 ①はんだ ②電極 (釘AR膜 反射防止)膜を透過 それぞれプラス電極, イフタイムの測定は,レーザーダイオード･マイクロ波法で 行った｡少数キャリヤ拡散長の測定は,分光感度特作評価装

置を用い計算解析法で,また,MBIC(Monochromatic-1ight

BeamInducedCurrent:分光ビーム誘起電流)評価は電子技 術総合研究所で開発された装置9)を用いて行った｡酸素濃度お よび炭素濃度の測定はFTIR(FourierTransformInfra【Red absorptionspectrumニフーリエ変換赤外吸収分光)法で行っ た(,

,クモ

/

[頭重頭

も＼

S

注:一は,工程を示す｡ リ _{ンイオン打ち込み} Alペースト印刷,乾燥 熱 処 理 A _{R膜材塗布乾燥} Agペースト印刷,幸乞燥 熱 処 理 は _ん だ 付 け n＋ 一-P P＋ リンイオン打ち込み層 Alペースト Agペースト AR膜 Al はんだ AR膜 ∩＋ 一￣ P p＋

/

Ag

ノ■

はんだ 図2 太陽電池素子製作プロセス 熱処理が2回だけでよく,スク リーン印刷法で電極が形成できるようになったことなど,プロセスが大 幅に簡素化されたので連木売自動生産が可能となった｡

由

実験結果

3.1SOGキャスト素子特性 SOGキャスト基板を約1万5,000枚用いて素子の製作実験を 行った｡得られた素子の変換効率分布を図4(a)に示す｡ばら つきが人きく,平均値は7.7%である｡また,基根ロットの素 子特性分布のうち,短絡電流分布については二つのピークを

J

転;⊆三三重囲

で転二三

≧隈

S

§;

囁

匝直垂画

＼

匝頑

直正垂画

海ゝ

直垂垂画

＼｢二_丁__丁そ丁_丁 ウェーハ投入 焼成(Ⅰ)装

麺画

自動表面処理装置 ライフタイム受け入れ検査装置 ＼J//

晦蕊

P 角形ウェーハ用イオン打ち込み装置

ヽ馳J

ウェーハ用イオン打ち込み装置 図3 素子製造設備の鳥観図 各設備は連続接続されており,素子 の連続自動生産が可能となっている｡

高効率多結晶シリコン太陽電池の開発 185 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 7 丘U ｢〇 4 つ) 2 1 (訳)感 触 Ⅳ=14,531 克=7.7% 012 3 4 5 6 7 8 9101112 変換効率(%) (a)キャスト素子 0 0 0 0 nU O O O O O 8 7 6 5 4 3 2･-(訳)顛 雌 八･r=2,845 耳=6.0% 2 3 4 5 6 7 8 9101112 変換効率(%) (b)リボン素子 図4 キャスト素子(a)およびリボン素子(b)の変換効率分布 共にばらつきが大き く,平均値も低い｡キャスト素子の短絡電流分布については二つのピークを持つ特徴が みられ,リボン素子については,基板にSiC突起がみられた｡ 持つ特徴がみられ,この掠因は其板品質にあるものと予想さ れた｡ 3.2 _{SOGリボン素子今寺性} SOGリボン基板を約3,000枝川いて,素子の製作実験を行っ た｡得られた素子の変換効率分布を図4(b)にホす｡素子粘性 が出ないものが8%あるなど,ばらつきが大きく平均値は6.0 %である｡また,准板にSiCから成る突起があー),これに原因 があるものと予想された(, 3.3 _{キャスト基板品質と素子特性との関連性} 素子製作実験結果からキャストおよびリボン基根ともに某 根占占質に問題があると予想されたことから,この要凶を明ら かにするため,それぞれについて基板品質と素子特件との関 連性の検討を行った｡ まず,キャストインゴット(鋳塊:直径3nOmm,高さ250

mmのlり柱)内の基板切り出し位置による素子特性の分布を調

べた｡キャストインゴットの_L部から下部方向へ,切r)出し た基板の25柁ごとを1小口ソトとして順次番号を付け,素子 製作後の素子特性について調べた()結果を図5にホす｡短絡 電流分布および変換効率がNo.6以降大きく低￣卜する傾向カミみ られる｡前述の製作実験で,素子の短絡電流が二つのピーク を持った煉囚と考えられる｡ 基板品質の低￣卜の原閃として,令属,酸素,炭素などの不 純物混入や,結晶粒界,桃内微小欠陥の存在が考えられる｡ まず,基板中の酸素,炭素濃度と素子特件との関係を調べた｡ 得られたインゴット内基板位置と酸素濃度,炭素濃度との関 係を図6(a)に示す｡Ⅰ司凶から炭素濃度は関連怖がみられない が,酸素濃度については明確な関連性がみられる｡この結果 を整理して酸素濃度と素子の短絡電流との関係を同図(b)にホ す｡CZ(CZochralski:引き上げ方式)単結.∼も基板でも基板中 の酸素が熱処理との関連で微小欠陥を発生させ,素子特件を 低下させることが知られている10)｡また,丙ドイツWacker社

のSILSO(商品名)キャスト基板でもほぼ同様の結果が報告さ

れている11)｡キャストインゴット製作時に取り込まれた酸素は, インゴット製作時の熱処理や素子製作時の熱処理で,結晶粒 6 4 2 0 4 2 0 8 8 7 丘U O 9 8 5 5 5 ･5 2 2 2 1 0 0 0 1 0 ∩) 0 0 (>)世紆責匪 (三喋師資湖 叶直涯戌 (訳)棟讃車軸

▲三遷≧頑完毒蔓≧ね包＼｡

ち聖篭毒ゝヾ

あ=炉壁≡含羞≡ま≡;食==部￣△△-△ 2 3 4 5 6 7 8 910 上部 _下部 インゴット内位置 図5 キャスト基板位置と素子特性との関係 キ ャストインゴットから切り出される基板の位置で素子 特性に差があり,インゴット下部で特性が低い｡

界や粒内微小欠陥部に析∼-I=ノ,この部分の再結合速度を増力r†

させ,実効少数キャリヤ拡散長を減ずる12)･13)｡同図(b)からみ ると,某板小酸素濃度は7.5×1017cmr3以下にする必要がある と考えられる｡ 次に,結晶粒界,粒内微小欠陥と素子特性との関連性を調 ∩) 0 0 × × × 一l ｢〇 2 (m.∈0)世朝鮮準○¶鴇條恕 2.4 ( 2.2 q: セミ2･0

璧1.8

､〉I≡一 盟1.6 0--一叫酸素 -‖_炭素 ヽ ､､ヽ一一→､ ′′ ヽ ′ ヽ ′ Y 2 3 4 5 6 7 8 9 10 上部 下部 インゴット内位置 (a)基板位置と酸素,炭素濃度の関係

｢

1･4

+

1×10 2×1017 _{5×1d171×1018} 2×1018 酸素濃度(cm￣3) (b)酸素濃度と短絡電流の関係 図6 _{キャスト基板位置と酸素,炭素濃度(∂)および酸素濃度と素子} 特性(b)の関係 インゴット内の基板位置で酸素濃度に差がみられ,素 子特性を低下させない酸素濃度は7.5×1017cm￣3以下である｡

18_5 18.1 19.4 2ト6 20.2208 202 20.7 19_4 21_】 2】_4 20_2 178 柑.8 18.8 21こi 19_g 18.2 208 2†.6 20_0 208 20.9 柑3

/

20.B 21,2 21.1 21_1 21.0 20,3 20_0

/

1g_6 20.6 ₂₀₉ 20.2 20.4 け9 20-8 204 21.6 20,5 20-4 206 21.0 20_7 20.g 19.8 1g_8 20.5 204 19_8 a b c d e f _g h 上部 〓10 9 87 6 5 4 321 175 椅.1 18_2 1巳7 20_1 椅6 197 柑.1 17_6 195 201 】B2 18_3 200 204 205 柑7 202 208 / 197 200 18_2 18,7 1臥6 206 202 193 20.4 2D_】 208

/

198 186 2ト4 195 / 206 柑g 17_8 204 柑一8 柑,8 207 190 柑.4 ₂₀₃ 20月 21.1 208 21_1 柑9 b 只u .レn C d e f _g h (a)代表的素子特性を示すインゴット 123 4 56 789 10〓 193 lg3 柑6 l2言219_3 柑.4 19_9 18.1 柑.7 柑5 2D2 20_0 柑9 柑7 204 201 189 205 203 201 柑.7 20_4 207 203 19.7 20.4 2(10 205 19_4 193 20.3 19_6 19_3 20_4 195 19.6 18_6 1⊆)5 20.9 20_2 18.1 へ〟U k _b c d _e f _{g h} L j k 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 10_8 11.3 ‖〕8 】03 11_7 10_2 110 1し6 11.7 111 10_7 111 11_4 114 117 11_0 1し4 12_0 =_3 1し6 12.3 1D_5 10.4 1ト3 12_1 1†.4 125 11_6 114 12_3 10.8 1†.0 116 †し8 10.8 111 11.2 】2.6 11.9 117 _1し8 12_2 127 】乙8 12.7 11_6 10_9 11_2 114 a b c d e f _g h11k 下部 上部 下部 (b)低い素子特性を示すインゴット ‖ 109 8 7 6 5 43 2 1 図了 インゴット(a)およびインゴット(b)の上部,下部の小面積素子の短絡電流密度分布 基板の一隅が悪く,下部ほどその割合が大きい｡ 二れはインゴットの周辺の品質が低いと推定され,また下部には全体的に非常に悪い特性を示すものがみられる｡ ベた｡キャストインゴット上部および下部の甚根に121分割の 小さな素子(5mm角)を作r),各素子特性と結晶粒界,粒内 微小欠陥との関係を調べた｡各素子の短絡電流密度分布を 図7に示す｡同図(a)のインゴットロットについては,短絡電

流密度の低い素子が隅の特定部分(図小口印)に集まる傾向が

みられる｡素子製作で,大口径(￠300mm)丸形インゴットか ら94mm角の角柱が4部分切り出されることから,この特定 部をインゴットの外周部に近い部分と考えれば,外周部の品 質は内部よりも低〈,かつ下部ほどその割合が増加している と推定される14)｡同図(b)のインゴットロットでは,下部基板の 素子の短絡電流密度は,上部と比較して非常に小さい｡この ロットの上部と下部の素子の中から代表的素子特性を示す素

子を選び(図中○印),まず,結晶粒界と対応させたMIiIC分布

を調べた｡結果を図8に示す｡同図(a)および(b)は,それぞれ 上部素子および下部素子の表面とラインスキャンによるMBIC 出力分布を示す｡上部素子のMBIC出力は不規則状粒界15)で 大きな低下を示している｡一方,下部素子のMBIC出力は低 〈,かつ粒界に関係なく低下し,変化が大きい｡同図(C)は上 部素子のA部分の粒界の形状(直線状粒界,不規則状粒界)と 対応したMBICマップを示す｡MBIC出力は不規則状粒界に対 応して大きな低下を示している｡ここで,素子特性に影響を 与える粒界は不規則状粒界だけであるとし,上部および下部 素子の粒径を計測した｡上部素子では180トLm,下部素子では 450l⊥mであり,結晶粒径だけではこの特性の差を説明できな いことがわかった｡次に,分光感度特性を測定し,少数キャ リヤ拡散長を計算解析法で求めた｡上部素子では60トLm,下部 素子では5トImであり,短絡電流密度と相関がある｡ 以上のことから,下部素子では粒内微小欠陥により特惟が 低下しているものと考えられた｡そこで,これらの素子を

Seccoエッチング(微小欠陥観察のためのエッチングの一種)16)

して,粒内の微小欠陥を観察した｡下部素子のSeccoエッチン グ後の顕微鏡写真を同図(d)に示す｡ループ状のエッチピット

(小傾角粒界と呼ばれる｡同図中矢印)がみられる｡同図の(b)

と(d)を比較すると,このループ状小傾角粒界と前述のMBIC出 力の低下との対応はないことがわかる｡これは小傾角粒界が 柱状になっていないためと考えられる｡なお,上部素子には この小傾角粒界はみられなかった｡以上のことから,下部の 素子では小傾角粒界のような粒内微′ト欠陥が存在し,素子特 性を低下させているものと考えられる｡ 以上述べたように,キャスト基板内の酸素濃度や不規則状 結晶粒界,粒内の高密度の微小欠陥が素子特性を劣化させて いることが明らかとなり,キャスト製造プロセスの,鋳型材 および離巧叫オの改良による酸素濃度の低減化,インゴット冷 却法の改良による大粒径化などのインゴット製造技術の開発 が行われ,300mm角の大面積のインゴットが製作可能な製造 法(2号炉と呼ばれる300mm角柱インゴットの連続製造法)へ と改善されている2〉･3)｡ 3.4 _{リボン基板品質と素子特性} 使用したリボン基根はEFG(Edge-defined Film-fed Growth)法で製作されている｡前述のように基板表面にSiC突 起がみられたので,まず基板製作時に基枚に取r)込まれてい るSiCの数を目視で計測し,これと素子特性との関連性を調べ た｡結果を図9に示す｡同図から明確な関連性がみられる17)｡ SiC以外の基板品質低下の要因をキャスト基板品質の場合と同 様に考えて,基板中の酸素濃度および炭素濃度や結晶粒界, 粒内微小欠陥と素子特性の関連性を調べた｡ 酸素濃度および炭素濃度と素子特性との関連性については 明確な相関はみられなかった｡結晶粒界,粒内微小欠陥との 関連性についても明確な関連性を見いだすことができなかっ た｡ リボン基板の結晶粒界は,ほぼリボン基板の引き上げ方向 に直線状に存在していた｡Seccoエッチング後の粒内微小欠陥 の顕微鏡写真を図川に示す｡同一基根内に粒内微小欠陥が少 ない個所と多い個所がみられる｡微小欠陥が無数に重なって

高効率多結晶シリコン太陽電池の開発 187

ふわ

A部

㌣ヤ

(⇒ヱ 尺玉0盃∋ 01,000 2,000 ヤ叫√㌦叫､ 3,0004,000 スキャン距離(卜m) (a)上部素子(C-1)の表面とMBIC分布 ゝ琴極

尊

+r nU (⇒佃) 只召〇一皿≡

し脚㌦柵榊巧

01,0002.0003,0004,000 スキャン距離(卜m) (b)下部素子(++)の表面とMBIC分布 〆 / ､′ 〆V _へ (c)上部素子のA部拡大表面とMBICマッフ 好､､〉モア･桝ふ､呵ごまゼ青息･畷′き鍵･ご二川〆､′巾､■Y.モ￣､照付､へ￣｢∼-･■l′ト､ 与"∼こ I れミニ竜一′､､= ･･′ゝヤへ､r′･′ ･･､㌦㌦ ーヽ ､.レ B善臣･ ∴⊃､二′誘発ゝこ怒℃;γ､か妄､㌣､¶￣●ふ

■小義逝…､;･ミ･女ラ:越野､苧三二

くノ 或ミ 榊､蕊㌫議 0 ∩) 2 (∈ュ)策山地八キ廿ぺ 00 0 1.000 2.000 スキャン距離(仰1) B部拡大

＼､･

争

〆.プ

小傾角粒界 50l▲m トーー+ ふ

/

(d)下部素子のSeccoエッチ後の表面とB部拡大表面 注:略語説明など

MBIC(Monochromatic-1ight Beamlnduced _{Current:分光ビーム誘起電流)}

Seccoエッチ(微′ト欠陥観察のためのエッチングの一種) 小傾角粒界(微小欠陥の一種) 図8 インゴット上部(a),(C)および下部(b),(d)の基板に作製した小 面積素子の表面とMBIC分布 MBIC出力は上部素子では高く,不規則 状粒界に対応した部分で低下し,下部素子では関係なく低下し,変化が 大きい｡下部素子には小傾角粒界と呼ばれる微小欠陥がみられる｡ 00 7 6 5 (訳)併存紫朗

ピー

●0 ● ヽ 注:o SEG ● _SOG 0 1 2 3 4 SiC密度(個/cmZ) 注:略語説明 SOG(Solar Grade:太陽電池級) SEG(Semiconductor Grade:半導体級) 図9 _{リボン基板のSiC突起密度と素子特性の関係} リボン基板で は基板表面に小さなSiC突起がみられ,素子特性を劣化させる原因の一つ になっている｡ 巌′草 (a)欠陥密度の高い部分 `､汐滋′ 春 雪 ゝ¥

繁･態

尊 ■妙 叫報,弓 し懲■♂泡 100トIm ∧ ヰ ヰ≠一 箪( ず｡書 ぷミ 観 (b)欠陥密度の低い部分

_山

国10 リボン基板のSeccoエッチング後の表面 微小欠陥が無数に 重なって存在する写莫の黒い部分(写真矢印)には,SiCが存在している｡ また,粒内微小欠陥密度は少ない部分でも104∼川5cm￣￣2と高い｡

存在する写真の黒い部分(図中矢印)にはSiCが存在している｡

また,粒内微小欠陥密度は少ない部分でも104∼105cm-2と高 い｡このようにリボン基板では基板内にSiCや結晶粒界,粒内 微′ト欠陥が不均一に存在するため,素子特性が基板品質の悪 い個所に引っ張られて全体的に低いことが予想される｡そこ で,素子を6分割して,各素子と元の素子との特件を比較し た｡予想どおり分割素子の中に,素子特性が極端に悪いもの があり,全体的に低いことがわかった｡ 以上述べたように,リボン基板内のSiC突起が素子特性を劣 化させていることが明らかとなr),リボン製造プロセスでの SiC突起発生の抑制,かつ大粒径化の改善も含めて,EFG法か

らESP(EdgeSupportedPulling)法へと改善されている｡

巴

素子の高効率化の検討

4.1素子特性計算予測 多結晶シリコン太陽電池の高効率化を図るためには,基板 品質の向上,素子構造,製法の改良が必要であり,この指針 を得るために太陽電池特性解析プログラムの検討を行った｡

素子特性の解析計算はn十-p【p＋層の不純物濃度分布をステッ

プ分布とし,計算条件として問題となる結晶粒界の効果は Ghosh外柑)およびLoferskiの式19)を用いた｡計算結果を図‖(a) に示す｡ここでベース層の少数キャリヤライフタイムはShockley 外のライフタイム20)を用いた｡基板のライフタイムは,この値 とオージュ効果分21),結晶粒界効果分とで表される｡図‖(a)中 に基板品質の良いキャストインゴット上部から切り出された 基板を用いて製作した素子の実測値をホす｡同固から,結晶 粒径の効果については結晶粒界を円筒状粒径として,ライフ タイムに及ぼす影響を表したLoferskiの式のほうが,計算値と 実測値の良い一致が得られた｡ また,その他の特性についても一応の一致がみられたので, この解析計算プログラムを用いて,素子の高効率化に必妾な 前述の課題について計算検討を行った｡ 素子製造プロセスでの課題は,n＋層表面の酸化膜バッシベ ーションによる表面再結合速度の低減,n＋層濃度の低減など による開放電圧の向上,反射防止膜の無反射化による短絡電 流の向上,′受光而電極の微細化による曲線閃子および短絡電 流の向上などである｡また,基板製造プロセスでの課題は結 晶粒径の拡大や,不純物音昆入の低減による少数キャリヤライ フタイムの向上を低比抵抗基板で達成することである｡これ

までの素子高効率化実験結果をもとに,n十層表面再結合速度

を102cm/s,n十屑濃度を5×1019cm￣3,反射防止膜屈折率を

2.4,印刷電極線幅を100トLmと仮定して特性の計算予測を行っ た｡ 計算結果を図=(b)に示す｡同[架1から,素子の変換効率を15 %以上とするためには,基板の結晶粒径を5001⊥m以上,比抵

抗を1ncm,ベース屑のSRHライフタイムを10l▲S以上にする

5 4 2 0 (訳)線素紫糾 20 8 6 4 (訳)棟誘発樹 12 ベース層比抵抗:下から上へ1.5,1,0.5g2･Cm ベース層SRHライフタイム:叫S Oは実測値を示す｡ 式界 ■の粒 Sk状 即仙同 L｡f椚 Ghoshの式 (立方状粒界) 101 ₁₀₂ 103 104 結晶粒径(いnl) (a)計算値と実測値 ペース層比抵抗:下から上へ1,0.5,0.2日･Cm ベース層SRHライフタイム:1叫S ベース層SRHライフタイム:5叫S ′一=■ニニ シノン￣￣

串5

0ト1S / /Jl // 10I▲S 101 102 103 ₁₀₄ 結晶粒径(トm) (b)高効奉化計算 注二略語説明 SRHライフタイム(W.Schokley,W.T.Read,R.N.Hallのライフタイム) 図Il結晶粒径と素子光電変換効率の計算と実測(a)および高効率化 の計算例(b) 結晶粒界の効果はLoferskiの粒界モデルのほうが良い一致 を示している｡高効率化にはベース層の少数キャリヤライフタイムを低 比抵抗基板で大きくすることが必要である｡ 必要があることがわかる｡ さらに,種々の特性劣化原因を持つ多結占占太陽電池の特性 什上を図るため,より厳密な数値計算プログラムを作成し, 高効率化のための素子特性計算予測を行った6)｡ 4.2 高効率化試作 次に,多結晶シリコン太陽電池の結晶粒界,粒内欠陥によ る支配的な損失を低減し高効率化を凶るため,水素イオン打 ち込み法による結晶粒界,粒内欠陥の水素バッシベーション を行った7)｡水素は結晶粒界,粒内欠陥部のダングリングボン

ド(Dangling-Bond:末結合手)や析出酸素と化学結合し,こ

の部分を電気的に不柄性化する働きがある22)｡水素イオン打ち 込み法による水素バッシベーションは,低温度,短時間処理, 素子製作後にバッシベーションができるなどの長所がある反

＋ フィラメント 電源 アーク電源 加速電源 減速電蒋 ＋ ＋ ＋ 熱電対 ｢ l J t､

[〓…=]

氾こ+□?ロこ]

≡』遜

｢J｢■= i⊥†1 氾泊二三√ 試料台 水素ガス 永久磁石 陽極 フィラメント 加速電極 絶縁物 減速電極 真空 ポンプ 冷却水 図ほ バケット形イオン源を持つ水素イオン打ち込み装置の構 成 水素プラズマは,周囲に配置された永久磁石のカスプ磁場に より均一に閉じ込められるため発散が少なく,純度の高い水素イオ ン束が得られる｡ 面,打ち込まれた水素による素子の損傷や装置からの重金属 汚染などの逆効果の問題があった｡このため,イオン独をバ ケット形23)にすることによr),水素イオン束の発散を少なくし た図12に示す装置を開発し,卑金属汚染の低減を図った｡ま た,素子の裏面から水素イオン打ち込みを行い,素子の清作 屑の損傷低減を図った｡結晶粒界,粒内欠陥の水素バッシベ ーションの最適な水素イオン打ち込み条件を見いだし,2号 炉で製作された良質のキャスト基板を川いて製作した素子に

適用した｡なお,素子の製作は高効率化のため,二層反射防

止膜処理とn＋層の表面濃度の低濃度化処理を加えた｡この結

果を表1に示す｡同表から,′受光面のn＋層のシート抵抗を高

くするとn＋屑での再結合損失が減少するため知給電流寓度が

増加けるが,n＋屑での抵抗損失が大きくなるため曲線因子が

低下する｡結果的に,n＋屑のシート抵抗が50n/口で15.2%の

変換効率が得られた｡したがって,n＋層の高抵抗化に伴うn十

埋め込み電極(バスバー) 埋め込み電極(フィンガー) 電極に直交する溝 テクスチュア面 ∧{ ハト♪｢ ‡JJヨ

/

ー一 MgF2/TiO2/SiO2 ∩十 P P 裏面電極 図13 埋め込み電極構造の太陽電池素子 抵抗損失の低減のため, 埋め込み電極と,電極と直交する溝を持つ構造としている｡ 高効率多結晶シリコン太陽電池の開発 189

層の抵抗損失の増加を抑制できれば,さらに高効率化が期待

できる｡ このため,素子を図13に示す埋め込み電極と電極と南交す る微細な溝を持つ構造とし,電棒に向かって流れるn＋J百の電

流パスの断両横を増加させ,n＋層を高抵抗化しても,その抵

抗損失が増加しないようにした8)｡なお,素子の製作は拙め込 み電極および電極と直交する微細な溝の形成をスクリーン印 刷法で行い,さらに高効率化のため,表面酸化膜パッシベー

ション処理,水素雰岡気中での熱処理(アニール)を加えた｡

この結果を表2に示す｡同表から,埋め込み電極と溝を設

けた素子は,n＋倍のシート抵抗を高くしても曲線因--√は低▼卜

せず,変換効率の最大値は15.7%に達した｡ 以上述べたように,単結晶シリコン太陽電池に匹敵する光 電変換効率を持つ量産多結晶シリコン太陽電池の高効率化が 達成された()現存,ベース屑での吋結合損失の低減のための 素イ･の薄形化,表面再結合損失の低減のための表面バッシベ ーションの高品質化,および光の閉じ込め化に関する技術の 向上研究が進められており,いっそうの低価格化と高効率化 が達成されるものと期待されている｡ 表l _{n十層の表面高濃度層エッチング除去,ニ層反射防止膜および} 水素イオン打ち込みの効果 水素イオン打ち込みに加えて,二層反 射防止膜,n一層のシート抵抗の適正化により15.2%の変換効率が得られ た｡ 素 子 の 蕃 ￣7∋￣ 水 素 イ オ ン 打 ち 込 み 反 射 防 +上 膜 nl 層 シ l 卜 抵 抗 (n/□) yり(､ (V) Jsc (mA/cm2) FF _ワ (%) P ′く l ス 拡 散 長 Ln (ドm) 218-4-C なし TiO2 50 0.608 30.Z 0.753 14.0 62 218-4-C なし _TiO2/MgF2 50 0.609 3l.5 0.750 14.4 62 Z柑-4-A 218-4-B 218-4-C 218-4-D 2帽一4-F あり あり あり あり あり TiO2/MgF2 TiO2/MgF2 TiO2/MgF2 TiO2/MgF2 TiO2/MgF2 29* 45 50 60 79 0.608 0.609 0.616 0.609 30.2 3l.8 33.0 33.l 33.6 0.752 0.753 0.748 0.735 0.719 13.8 14.6 15.2 190 185 190 180 185 14.8 0.610 _14.7 注:* _{29(n/□)はPOCl3拡散後の初期の∩＋層シート抵抗で45,50,60,} 79(n/□)は∩＋層の表面高濃度層をエッチング除去して作製した｡ レり(一:開放電圧,Js〔､:短絡電流密度,FF=曲線国子,ワ=変換効 率

表2 _{n＋層のシート抵抗,表面酸化膜バッシベーション,水素バッ} シベーションおよび埋め込み電極の効果 埋め込み電極と萬を設け た素子は,∩←層のシート抵抗を高くしても曲線国子は低下せず,変換効 率の最大値は15,了%に達した｡ 素 子 の 番 ￣7ラ￣ ∩十 層 シ l 卜 抵 抗 (n/ロ) SiO2 表 面 ′ヾ ツ モ へ 】 シ ∃ ン 水* 素 ノ〈 ツ シ へ l シ ≡】 ン 埋 め 込 み 電 極 と 溝 の 深 さ (ドm) yoc (V) Jsc (mA′√/cm2) FF _〝 (%) 415-1 45 なし なし 0 0.586 29.2 0.749 12.8 415-2 69 なし なし 0 0.584 29.7 0.718 12.5 415-3 89 なし なし 0 0.588 29.5 0.690 ll.9 4】5-4 45 あり なし 0 0,587 29.7 0.748 13.0 415-5 69 _{あり なし} 0 0.589 30.9 0.710 12.9 415-6 89 あり なし 0 0.5引 30.2 0.691 12.3 415-4 45 あり あり 0 0.597 32.1 0.746 】4.3 415-5 69 あり あり 0 0.616 33.3 0,705 14.5 4【5-6 89 あり あり 0 0.615 34.】 0.680 14.3 415-7 89 あり あり 20 0.6柑 33,l 0,723 14.8 415-8 89 あり あり 30 0.615 34.5 0.731 15.5 415-9 89 あり あり 40 0.619 34.2 0.739 15.7 注:* 水素バッシベーションは,水素イオン打ち込みと水素雰囲気中 熱処理を行った｡

8

結

言

(1)SOGキャスト基板のインゴット内切r)出し位置によって 素子特性に差がある原因は,基板中の酸素濃度に関係があり, 酸素濃度が7×1017cm-3以下であれば素子特性に与える影響 が少ない｡また,不規則粒界がセル特性低下をもたらすこと をも明らかにした｡この結果は,酸素濃度の低減と粒径の大 形化が図られた2号炉の固化法として良品質のキャスト基板 量産技術に生かされている｡ (2)SOGリボン基板では,基板表面に小さなSiCの突起がある と,突起の周辺に高密度の転位が発生し,素子特性を低下さ せることを明らかにした｡これらはSiC突起の発生が抑制され たリボン基板の製造に寄与している｡ (3)多結晶シリコン太陽電池の構造設計計算プログラムの作 成とこれを用いた特性予測,および結晶粒界,粒内欠陥の水 素バッシベーション法の採用,ならびに埋め込み電極構造の 適用などによって,15%を超える光電変換効率を持つ量産形 の多結晶シリコン太陽電池を開発した｡ 終わりに,本稿は通商産業省｢サンシャイン計画+の一環 として新エネルギー･産業技術総合開発機構からの委託研究 によって行われたものであり,また,九州大学工学博士論文

を完成するための研究の一部である｡ご指導,ご鞭撞(べんた

つ)をいただいた関係各位に対し,深謝する次第である｡

参考文献 1)松熊,外:サンシャインジャーナル,Vol.4,No.1,2,p.27 (1983)

2)M.Nakatani,et _{al.:Conf.Record17th} IEEE

3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 1()) 11) 12) 13) 14) 15) 16) 17) 18) 19) 20) 21) 22) 23)

Ⅰ)hotovoltaic Specialists Conf.,Florida,USA,

p.1352(1984) 松熊,外:電気学会,半導体電力変換研究会資料SPC-85 76,p.1(1985) K.Kaneko,et _al. Tokyo,Japan,p. T.Misawa,etal. Sydney,Australia, :TechnicalDigestofInt'1PVSEC-3, 810(1987) :TechnicalDigestofInt'1PVSEC-4, p.449(1989) K.Matsukuma,etal.:TechnicalDigestofInt'1PVSEC-3,Tok)70,Japan,p.223(1987) K.Matsukuma,et _{al∴Jpn.J.Appl.Phys.28,p.167} (1989)

H.Yagi,et _{al∴TechnicalDigest ofInt'1PVSEC-4,}

Sydney,Australia,p.129(1989) R.Shimokawa,etal.:J.Appl.Phys.59,2751(1986) S.Kishino,et _al D.Huber,et _al. SpecialistsConfり L.L.Kazmerski :Jpn.J.Appl.Phys.2l,1(1982) Conf.Record16thIEEE Photovoltaic SanDiego,USA,p.480(1982)

Proc.5th E.C.Photovoltaic Solar

EnergyConf.,Athens,Greece,p.40(1983) K.Yasutake,etal∴TechnicalDigestofInt'1PVSEC-3, T()ky(),Japan,p.409(1987) J.H.Wohlgemuth,et al I)VSEC-3,T()kyo,Japan, R.Shimokawa,et _al. 751(1988) F.Secco d'Aragona: 948(1972) ∴TechnicalDigest _ofInt'1 p.93(1987) :Jpn.J.Appl.Phys.27, J.Electrochem.Soc.119, 穀内,外:第45回応用物理学会学術講演会予稿集,13p-A-13,p.402(昭59-10) A.K.Ghosh,etal.:J.Appl.Phys.51,446(1980)

J.J.Loferski:Proc.of Nat'1Workshop on Low Cost

I)()1ycrystallineSiliconSolarCells,p.408(1976)

W.Shockley,etal∴Phys.Rev.87,835(1952)

J.Dziewior,etal∴Appl.Phys.Lett.31,346(1977)

L.L.Kazmerski:Proc.6th E.C.Photovoltaic Solar

EnergyConf.,p.83(1985)