成果報告書詳細
管理番号20090000000300
タイトル平成18年度-平成20年度成果報告書 新エネルギー技術研究開発 太陽光発電システム未来技術研究開発 超薄型へテロ構造シリコン太陽電池の研究開発
公開日2009/8/21
報告書年度2006 - 2008
委託先名独立行政法人産業技術総合研究所
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー技術開発部 太陽電池グループ
和文要約XeF2を用いたプラズマレスガスエッチングによるテクスチャ形成では、面方位に依存しないエッチングという特徴を生かして、多結晶シリコン表面へのテクスチャ形成を行い、ランダムなテクスチャ形成を確認した。さらに、XeF2を用いたガスエッチングで多結晶シリコン基板に形成したテクスチャと反射防止膜(SiN膜)の組み合わせで、平成19年末中間目標である3%以下の反射率を実現した。これは、XeF2を用いたテクスチャ技術を太陽電池形成プロセスに適用して有用な成果を得た、世界で初めての成果である。また、XeF2を用いたガスエッチングによる結晶シリコン表面へのダメージ形成が無視できることも確認した。等方性エッチングという特徴を生かして、メタルマスクを用いて均一なテクスチャが形成できることも見出した。低温形成BSF(Back-surface-field)技術では、プラズマCVD法で、ボロンドープp型a-Si:H薄膜、または、ボロンドープp型微結晶シリコン(μc-Si:H)薄膜を、薄型多結晶シリコン太陽電池の裏面に形成した。形成温度は200-250℃であった。多結晶シリコン基板でp型a-Si:HをBSF層として使用した場合、1000cm/s以下(平成19年末中間目標)の裏面再結合速度Sbが実現された。この値は従来用いられていたアルミペーストを使用したBSF構造で報告されている値と遜色が無い。p型μc-Si:Hを多結晶シリコン基板のBSF構造に使用した場合も、最小で1500cm/sのSbが実現されたが、p型a-Si:Hを使用した場合に比べ、Sbがやや大きく、また同一条件で作成したにもかかわらず、その値は1500-21000cm/sとばらついていた。従来のアルミを用いたBSF構造と異なり、低温形成BSFは厚さ100μmの基板に形成しても反りが生じないことを確認した。薄型結晶シリコン太陽電池の要素技術検討とセル試作結果では、まず、p型単結晶シリコン基板を用いて、基板厚さ100μmレベルの結晶シリコン太陽電池の作成プロセスを検討し、シリコン窒化膜形成工程の改善による短波長感度の向上と、アルミBSF工程の最適化による長波長感度の改善で、厚さ100μmの単結晶シリコンセル(2cm角)で、変換効率17.3%を達成した。また、薄型基板において有利と考えられる塗布拡散によるn+層形成を検討した。PoCl3を用いた場合と遜色の無い変換効率が単結晶シリコンセル、多結晶シリコンセルどちらにおいても得られ、塗布拡散によるn+エミッタ層形成が、薄型結晶シリコン太陽電池にとって有用な要素技術であることが明らかとなった。次に、厚さ100μmの多結晶シリコン基板を用いた薄型太陽電池の検討を行った。多結晶シリコン基板においては、単結晶シリコン基板に比べ、シリコン窒化膜の作成条件がセル特性に与える影響が大きいと考えられるため、シリコン窒化膜製造装置(プラズマCVD装置)を改造し、多結晶シリコン基板に適したシリコン窒化膜形成工程を模索した。この結果、低温形成BSF構造の品質は基板厚さ100μmのセルで変換効率17%以上を実現できるレベルにあることが確認された。一方、装置改造を行ったにもかかわらず、再現性よく高品質なシリコン窒化膜を得ることが出来なかったため、セルの開放電圧Vocが0.5935Vと低く、開発してきた要素技術を最終的なセル特性に十分反映させることができなかった。
英文要約Title: Research and Development for Next Generation PV systems, Study on ultra-thin crystalline silicon solar cells with heterostructures (FY2006-2008) Final Report Plasma-less gas etching utilizing XeF2 was studied to prepare textured surfaces in polycrystalline silicon (poly-Si) solar cells. Randomly textured surfaces were formed by this method, and the surface reflectance of less than 3% was achieved by combining an antireflective coating (SiNx). It was found that the surface damage of the Si substrates is negligible in the plasma-less gas etching process. Since this etching process is isotropic, uniform textured surfaces can be obtained when we use metal masks. These are the first results of plasma-less gas etching utilizing XeF2 applied to the fabrication processes of solar cells. P-type hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) and p-type hydrogenated microcrystalline silicon (-c-Si:H) were deposited at 200-250 oC by plasma-enhanced CVD (PECVD) on the back surfaces of p-type poly-Si substrates to prepare back-surface-field (BSF) structures. Recombination velocities of minority carriers, Sb, of less than 1000cm/s were achieved when a-Si:H layers were adopted. This value was comparable to those reported for conventional BSF structures utilizing aluminum (Al-BSF). When uc-Si:H layers were used, Sb ranged from 1500 to 21000cm/s. Contrary to the Al-BSF, the present BSF structures prepared at low temperatures do not suffer from the bowing of Si substrates, which is beneficial particularly for thin cells. We fabricated thin Si solar cells to examine whether the newly developed technologies are useful in actual cell fabrication processes. First, we used single crystalline silicon (c-Si) substrates with a thickness of 100 micron-m as a platform for thin poly-Si cells. A conversion efficiency of 17.3 % was obtained in this single c-Si cell by improving the quality of silicon nitride (SiNx) films and adjusting the BSF formation processes. Here, note that the Al-BSF modified for thin substrates was used in this single c-Si cell. We also found that single- and poly- Si cells where n+ emitter layers were prepared by phosphorus spray diffusion have conversion efficiencies comparable to those prepared by conventional PoCl3 diffusion. We showed that phosphorus spray diffusion is suited for the fabrication of thin c-Si cells. After finishing the fabrication of thin single c-Si cells, we modified the PECVD system for the deposition of SiNx films since the preparation conditions and properties of SiNx films can affect the performance of poly-Si cells more than that of single c-Si cells. We fabricated poly-Si cells with a substrate thickness of 100 micron-m utilizing a-Si:H BSF structures, and found that the quality of a-Si:H BSF structure was very high and comparable to that of the Al-BSF used in the thin single c-Si cell having the efficiency of more than 17%. However, the reproducibility of obtaining high quality SiNx films was poor even after the modification of the PECVD system, and consequently, the open circuit voltage of the fabricated cell stayed at a low value of less than 0.6V.
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