光电转换元件和光电转换元件的制造方法

技术领域

本发明涉及背面接合型(也称为背接触型、里面电极型)的光电转换元件及其光电转换元件的制造方法。

背景技术

作为使用了半导体基板的太阳能电池等光电转换元件，存在在受光面侧和背面侧的两面形成有半导体层的例如异质接合型(以下，相对于背面接合型也称为两面接合型。也称为两面电极型。)的光电转换元件、仅在背面侧形成有电极的背面接合型的光电转换元件。在两面接合型的光电转换元件中，由于在受光面侧形成电极，因此通过该电极来遮挡太阳光。另一方面，在背面接合型的光电转换元件中，由于在受光面侧未形成电极，因此与两面接合型的光电转换元件比较，太阳光的受光率较高。在专利文献1中，作为背面接合型的光电转换元件，公开了里面电极型的太阳能电池。

专利文献1中记载的太阳能电池(光电转换元件)具备：在半导体基板的背面侧的一部分依次层叠的本征半导体层、第一导电型(例如n型)半导体层和第一电极层；以及在半导体基板的背面侧的另一部分依次层叠的本征半导体层、第二导电型(例如p型)半导体层和第二电极层。

专利文献1：日本特开2013-131586号公报。

如上述那样，在背面接合型的光电转换元件中，与两面接合型的光电转换元件比较，输出较高，但期望进一步的输出提高。

发明内容

本发明的目的在于，提供能够实现输出提高的光电转换元件和光电转换元件的制造方法。

本发明的光电转换元件包含：第一区域，在半导体基板的一个主面侧的一部分依次层叠有本征半导体层和第一导电型半导体层；以及第二区域，在半导体基板的一个主面侧的另一部分依次层叠有本征半导体层和第二导电型半导体层，在背面接合型的光电转换元件中，第一区域中的本征半导体层的折射率比第二区域中的本征半导体层的折射率小。

在本发明的光电转换元件的制造方法中，该光电转换元件包含：第一区域，在半导体基板的一个主面侧的一部分依次层叠有本征半导体层和第一导电型半导体层；第二区域，在半导体基板的一个主面侧的另一部分依次层叠有本征半导体层和第二导电型半导体层；以及重叠区域，是第一区域与第二区域之间的区域，且从第一区域中的本征半导体层和第一导电型半导体层延伸的第一本征半导体层和第一导电型半导体层重叠在第二本征半导体层和第二导电型半导体层上，所述第二本征半导体层和第二导电型半导体层从第二区域中的本征半导体层和第二导电型半导体层延伸，其中，该光电转换元件的制造方法包含：第二导电型半导体层层叠工序，在半导体基板的一个主面侧的第一区域、第二区域和重叠区域依次层叠本征半导体层的前体和第二导电型半导体层的前体；第二导电型半导体层形成工序，使用氢等离子体蚀刻法除去第一区域中的第二导电型半导体层的前体和本征半导体层的前体的一部分，由此在第一区域形成本征半导体层的一部分，在第二区域形成本征半导体层和第二导电型半导体层，在重叠区域形成第二本征半导体层和第二导电型半导体层；以及第一导电型半导体层形成工序，在第一区域中的本征半导体层的一部分形成本征半导体层的剩余的一部分和第一导电型半导体层，在重叠区域中的第二导电型半导体层上形成第一本征半导体层和第一导电型半导体层。

根据本发明，光电转换元件的输出提高。

附图说明

图1是示出本实施方式的光电转换模块的一例的侧视图。

图2是从背面侧观察本实施方式的光电转换元件的图。

图3是图2的光电转换元件的III-III线剖视图。

图4A是示出本实施方式的光电转换元件的制造方法中的第二导电型半导体层形成工序的图。

图4B是示出本实施方式的光电转换元件的制造方法中的第二导电型半导体层除去工序的图。

图4C是示出本实施方式的光电转换元件的制造方法中的第一导电型半导体层形成工序的图。

图4D是示出本实施方式的光电转换元件的制造方法中的电极层形成工序的图。

图5是从背面侧观察本实施方式的变形例的光电转换元件的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式的一例进行说明。此外，在各附图中对相同或者相当的部分标注相同的附图标记。另外，为了方便，有时也省略阴影线或部件附图标记等，但在该情况下，参照其他的附图。

(光电转换模块)

图1是示出本实施方式的光电转换模块的一例的侧视图。光电转换模块100具备呈二维状排列的多个光电转换元件1。

光电转换元件1通过布线部件2而串联和/或并联地连接。具体而言，布线部件2与光电转换元件1的电极层中的总线部(后述)连接。布线部件2例如为接头线等公知的内部连接器。

光电转换元件1和布线部件2被受光面保护部件3和背面保护部件4夹持。在受光面保护部件3与背面保护部件4之间填充有液体状或者固体状的密封材5，由此，光电转换元件1和布线部件2被密封。受光面保护部件3为例如玻璃基板，背面保护部件4为玻璃基板或者金属板。密封材5为例如透明树脂。

以下，详细地对光电转换元件1进行说明。

(光电转换元件)

图2是从背面侧观察本实施方式的光电转换元件的图。图2所示的光电转换元件1为背面接合型的光电转换元件。光电转换元件1具备具有2个主面的n型(第一导电型)半导体基板11，在半导体基板11的主面具有n型区域(第一区域)7和p型(第二导电型)区域(第二区域)8。

n型区域7形成所谓的梳型的形状，具有相当于梳齿的多个指部7f、以及相当于梳齿的支承部的总线部7b。总线部7b沿着半导体基板11的一个边部沿第一方向(X方向)延伸，指部7f从总线部7b沿与第一方向交叉的第二方向(Y方向)延伸。

同样，p型区域8为所谓的梳型的形状，具有相当于梳齿的多个指部8f和相当于梳齿的支承部的总线部8b。总线部8b沿着半导体基板11的与一个边部对置的另一个边部沿第一方向(X方向)延伸，指部8f从总线部8b沿第二方向(Y方向)延伸。

指部7f与指部8f沿第一方向(X方向)交替地设置。

此外，n型区域7和p型区域8也可以形成为条纹状。

在n型区域7与p型区域8之间存在重叠区域R。在重叠区域R中，如后述那样，为p型半导体层与n型半导体层重合的区域。

图3是图2的光电转换元件的III-III线剖视图。如图3所示，光电转换元件1具备在半导体基板11的主面中的受光侧的主面即受光面侧层叠的本征半导体层13。另外，光电转换元件1具备在半导体基板11的主面中的受光面的相反侧的主面(一个主面)即背面侧的一部分(主要为n型区域7)依次层叠的本征半导体层23、n型(第一导电型)半导体层25和第一电极层27。另外，光电转换元件1具备在半导体基板11的背面侧的另一部分(主要为p型区域8)依次层叠的本征半导体层33、p型(第二导电型)半导体层35和第二电极层37。

半导体基板11由单晶硅或者多晶硅等结晶硅材料形成。半导体基板11例如是在结晶硅材料中掺杂了n型掺杂剂的n型的半导体基板。作为n型掺杂剂，例如列举磷(P)。

半导体基板11作为吸收来自受光面侧的入射光而生成光载流子(电子和正孔)的光电转换基板发挥功能。

通过作为半导体基板11的材料，使用结晶硅，即使在暗电流比较小、入射光的强度较低的情况下也能够得到比较高的输出(与照度无关地稳定的输出)。

本征半导体层13形成在半导体基板11的受光面侧。本征半导体层33形成于半导体基板11的背面侧的p型区域8和重叠区域R。

本征半导体层23形成于半导体基板11的背面侧的n型区域7和重叠区域R。在本实施方式中，本征半导体层23包含2个层23a、23b。在半导体基板11的背面侧的n型区域7形成本征半导体层23的两个层23a、23b，在半导体基板11的背面侧的重叠区域R仅形成本征半导体层23的一个层23b。此外，n型区域7中的本征半导体层23的2个层23a、23b以无法视觉确认这些层的边界的程度一体地形成。

本征半导体层13、23、33例如由本征(i型)非晶硅材料形成。

本征半导体层13、23、33作为钝化层发挥功能，抑制半导体基板11上生成的载流子的再结合，提高载流子的回收效率。

在半导体基板11的受光面侧的本征半导体层13上，也可以设置例如由SiO、SiN、或者SiON等材料形成的防反射层。

n型半导体层25在本征半导体层23上、即在半导体基板11的背面侧的n型区域7和重叠区域R形成。n型半导体层25例如由非晶硅材料形成。n型半导体层25例如是在非晶硅材料中掺杂了n型掺杂剂(例如，上述的磷(P))而得的n型的半导体层。

p型半导体层35在本征半导体层33上，即在半导体基板11的背面侧的p型区域8和重叠区域R形成。p型半导体层35例如由非晶硅材料形成。p型半导体层35例如是在非晶硅材料中掺杂了p型掺杂剂而得的p型半导体层。作为p型掺杂剂，例如列举硼(B)。

在重叠区域R中，本征半导体层23的一部分23b和n型半导体层25重叠在邻接的本征半导体层33和p型半导体层35上。具体而言，在重叠区域R中，从n型区域7中的本征半导体层23的一部分23b延伸的本征半导体层(第一本征半导体层)23b、以及从n型区域7中的n型半导体层25延伸的n型半导体层25重叠在从p型区域8中的本征半导体层33延伸的本征半导体层(第二本征半导体层)33、以及从p型区域8中的p型半导体层35延伸的p型半导体层35上。

若将重叠区域R中的n型半导体层25的膜厚设为T1、将重叠区域R中的n型半导体层25和p型半导体层35所夹着的本征半导体层23b的膜厚设为T2、将n型区域7中的n型半导体层25的膜厚设为T3、将n型区域7中的本征半导体层23的膜厚设为T4，则这些膜厚T1、T2、T3、T4满足下述式(1)的关系。

T2/(T1+T2)＜T4/(T3+T4)···(1)

例如，膜厚T1、T2是重叠区域R中的n型半导体层25的表面最远离半导体基板11的背面的部位的膜厚。膜厚T3、T4是n型区域7中的平均膜厚。

换言之，关于重叠区域R中的本征半导体层33、第二导电型半导体层35、本征半导体层23b和第一导电型半导体层25的总膜厚(例如，最大膜厚)T11，与n型区域7中的本征半导体层23和n型半导体层25的总膜厚(例如，平均膜厚)T12与p型区域8中的本征半导体层33和第二导电型半导体层35的总膜厚(例如，平均膜厚)T13的总和相比较小。

T11＜T12+T13

另外，n型区域7中的本征半导体层23的折射率比p型区域8中的本征半导体层33的折射率小(详细情况后述说明)。

第一电极层27与n型半导体层25对应地，具体而言形成在半导体基板11的背面侧的n型区域7中的n型半导体层25上。而且，第一电极层27延伸为覆盖重叠区域R中的n型半导体层25的一部分。此外，第一电极层27也可以延伸为覆盖重叠区域R中的n型半导体层25的全部。

第二电极层37与p型半导体层35对应地，具体而言形成在半导体基板11的背面侧的p型区域8中的p型半导体层35上。第二电极层37从第一电极层27分离。

第一电极层27和第二电极层37也可以由透明电极层和金属电极层构成，也可以仅由金属电极层构成。透明电极层由透明的导电性材料形成。作为透明导电性材料，列举ITO(Indium Tin Oxide：氧化铟和氧化锡的复合氧化物)等。金属电极层由含有银等金属粉末的导电性糊剂材料形成。

接下来，参照图4A～图4D，关于本实施方式的光电转换元件1的制造方法、特别是背面侧的各层的形成方法进行说明。图4A～图4D分别是示出本实施方式的光电转换元件的制造方法中的第二导电型半导体层层叠工序、第二导电型半导体层形成工序、第一导电型半导体层形成工序和电极层形成工序的图。

首先，如图4A所示，在半导体基板11的整个背面侧、具体而言在n型区域7、p型区域8和重叠区域R依次层叠本征半导体层的前体33Z和p型半导体层的前体35Z(第二导电型半导体层层叠工序)。

例如，使用CVD法，在半导体基板11的整个背面侧依次层叠本征半导体层的前体33Z和p型半导体层的前体35Z。

接下来，如图4B所示，使用氢等离子体蚀刻法，除去半导体基板11的背面侧的一部分，具体而言除去n型区域7中的p型半导体层的前体35Z和本征半导体层的前体33Z的一部分。由此，在半导体基板11的背面侧的另一部分形成本征半导体层23的一部分23a、本征半导体层33和p型半导体层35。具体而言，在n型区域7形成本征半导体层23的一部分23a，在p型区域8形成本征半导体层33和p型半导体层35，在重叠区域R形成本征半导体层(第二本征半导体层)33和p型半导体层35(第二导电型半导体层形成工序)。

例如，通过使用了掩模M的氢等离子体蚀刻法，除去n型区域7中的p型半导体层的前体35Z和本征半导体层的前体33Z的一部分。此时，在掩模M下的重叠区域R中，也进行p型半导体层的前体35Z的一部分的蚀刻。

氢等离子体蚀刻被调整为在半导体基板11的背面侧的一部分，具体而言在n型区域7残留本征半导体层的一部分23a。

接下来，如图4C所示，在半导体基板11的背面侧的一部分形成本征半导体层23的剩余的一部分23b和n型半导体层25。具体而言，在n型区域7中的本征半导体层23的一部分23a上形成本征半导体层23的剩余的一部分23b和n型半导体层25，在重叠区域R中的第二导电型半导体层35上形成本征半导体层(第一本征半导体层)23b和n型半导体层25(第一导电型半导体层形成工序)。

例如，通过保持原样地使用了掩模M的CVD法而在半导体基板11的背面侧的n型区域7层叠本征半导体层23的剩余的一部分23b和n型半导体层25。此时，在掩模M下的重叠区域R中，也进行本征半导体层23的一部分23b和n型半导体层25的层叠。

这样，在重叠区域R中，在p型半导体层35上重叠的本征半导体层23b相当于n型区域7中的本征半导体层23的一部分23b。

由此，像上述那样，由重叠区域R中的n型半导体层25的膜厚T1、重叠区域R中的n型半导体层25和p型半导体层35夹着的本征半导体层23b的膜厚T2、n型区域7中的n型半导体层25的膜厚T3、以及n型区域7中的本征半导体层23的膜厚T4满足上述式(1)的关系。

换言之，如上述那样，关于重叠区域R中的本征半导体层33、第二导电型半导体层35、本征半导体层23b和第一导电型半导体层25的总膜厚T11，与n型区域7中的本征半导体层23和n型半导体层25的总膜厚T12与p型区域8中的本征半导体层33和第二导电型半导体层35的总膜厚T13的总和相比较小。

另外，通过氢等离子体蚀刻来形成本征半导体层23的一部分23a，在其上形成本征半导体层23的剩余的一部分23b，由此n型区域7中的本征半导体层23的折射率比p型区域8中的本征半导体层33的折射率小。这被认为是由于氢等离子体蚀刻而例如使本征半导体层23的一部分23a的表面成为多孔、或者在本征半导体层23的一部分23a的表面形成空隙从而在本征半导体层23中包含氢所产生的影响。

另外，若在本征半导体层23的低折射区域制成n型半导体层25，则n型半导体层25的掺杂杂质即磷向本征半导体层23稍微扩散(换言之，掺杂)，从而本征半导体层23的电阻率减少。

由此，在n型区域7中，维持载流子的寿命，并且本征半导体层23的电阻变小。因此，在光电转换元件1中，减少串联电阻，输出提高。

此外，n型区域7和重叠区域R中的本征半导体层的一部分23b和n型半导体层25的形成方法不限于此。

例如，也可以使用CVD法来在半导体基板11的整个背面侧层叠有本征半导体层的一部分23b的前体和n型半导体层25的前体之后，使用蚀刻法来形成本征半导体层的一部分23b和n型半导体层25。作为针对n型半导体层25的前体的蚀刻溶液，例如列举氢氧化钾这样的碱性溶液。

接下来，如图4D所示，在n型半导体层25上形成第一电极层27，在p型半导体层35上形成第二电极层37(电极层形成工序)。此时，第一电极层27延伸为覆盖重叠区域R中的n型半导体层25的一部分或者全部，形成第一电极层27。另外，以使第二电极层37从第一电极层27分离的方式形成第二电极层37。

例如，也可以在半导体基板11的整个背面侧层叠有电极层之后，使用蚀刻法而形成第一电极层27和第二电极层37。或者，也可以在半导体基板11的背面侧层叠电极层时，使用掩模而形成第一电极层27和第二电极层37。

第一电极层27和第二电极层37中的透明电极层的层叠也可以使用溅射法。另外，第一电极层27和第二电极层37中的金属电极层的层叠也可以使用印刷法或者蒸镀法。

通过以上的工序，得到图3所示的光电转换元件1。

如以上说明的那样，根据本实施方式的光电转换元件的制造方法，通过氢等离子体蚀刻，形成n型区域(第一区域)7中的本征半导体层23的一部分23a，在其上形成本征半导体层23的剩余的一部分23b。

根据如这样制造的光电转换元件1，n型区域(第一区域)7中的本征半导体层23的折射率比p型区域(第二区域)8中的本征半导体层33的折射率小。由此，在n型区域(第一区域)7中，维持载流子的寿命，并且本征半导体层23的电阻变小。因此，在光电转换元件1中，减少串联电阻，输出提高。

此外，在上述的实施方式中，将第一导电型半导体层25设为n型半导体层、将第二导电型半导体层35设为p型半导体层、将第一区域7设为n型区域、将第二区域8设为p型区域，但也可以将第一导电型半导体层25置换为p型半导体层、将第二导电型半导体层35置换为n型半导体层、将第一区域7置换p型区域、将第二区域8置换为n型区域。

在该情况下，通过氢等离子体蚀刻，形成p型区域(第一区域)7中的本征半导体层23的一部分23a，在其上形成本征半导体层23的剩余的一部分23b。

根据如这样制造的光电转换元件1，p型区域(第一区域)7中的本征半导体层23的折射率比n型区域(第二区域)8中的本征半导体层33的折射率小。由此，在p型区域(第一区域)7中，维持载流子的寿命，并且本征半导体层23的电阻变小。因此，在光电转换元件1中，减少串联电阻，输出提高。

这样，如果n型区域和p型区域中的任意一个区域的本征半导体层的折射率比另一个区域的本征半导体层的折射率小，则在光电转换元件1中，减少串联电阻，输出提高。

此外，在p型区域的本征半导体层的电阻变低的情况下，认为p型半导体层的p型掺杂剂(例如硼(B))的扩散增大，n型半导体基板(例如，半导体基板中的载流子的寿命)有可能受到影响。与此相对，在n型区域的本征半导体层的电阻变低的情况下，认为即使n型半导体层的n型掺杂剂(例如磷(P))的扩散增大，也不存在对n型半导体基板的影响。即，认为n型掺杂剂(例如磷(P))的扩散对n型半导体基板的影响(例如对载流子的寿命的影响)与p型掺杂剂(例如硼(B))的扩散对n型半导体基板的影响相比较小。由此，认为优选如上述的实施方式那样使n型区域7中的本征半导体层23的折射率比p型区域8中的本征半导体层33的折射率小。

另外，一般地，在异质接合型并且背面接合型的光电转换元件中，虽然得到较高转换效率，但很难不损害电特性而刻画非晶层，还花费成本。与此相对，根据本实施方式的光电转换元件1，能够简化工序，因此还能够减少成本。

另外，在重叠区域中由n型半导体层和p型半导体层夹着的本征半导体层接受来自n型半导体层的掺杂和来自p型半导体层的掺杂。

根据本实施方式的光电转换元件1，在重叠区域R中由n型半导体层25和p型半导体层35夹着的本征半导体层23b较薄，折射率也较低，因此容易掺杂p型、n型双方的掺杂剂，由于空乏层化而电阻变高。因此，重叠区域R中的PN间的泄漏减少，光电转换元件1的输出提高。

这里，一般地，n型半导体层与电极层和p型半导体层比较，耐碱性较低。因此，在模块化后，若碱成分侵入模块内，则光电转换元件的性能降低。

根据本实施方式的光电转换元件1，n型区域7中的与n型半导体层25对应的第一电极层27延伸为覆盖重叠区域R中的n型半导体层25的一部分或者全部。由此，保护重叠区域R中的n型半导体层25不受碱成分影响。

此外，也可以如图5所示，第一电极层27延伸为覆盖重叠区域R中的n型半导体层25的全部和p型区域8中的p型半导体层35的一部分。由此，即使存在重叠区域R中的n型半导体层25的制造误差(例如，如上述那样向掩模M下的迂回误差)，重叠区域R中的n型半导体层25的全部也被第一电极层27覆盖。由此，进一步保护重叠区域R中的n型半导体层25不受碱成分影响。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限于上述的实施方式，能够进行各种变更和变形。例如，在上述的实施方式中，通过氢等离子体蚀刻而形成n型区域(第一区域)7中的本征半导体层23的一部分23a(第二导电型半导体层形成工序)，在其上形成本征半导体层23的剩余的一部分23b(第一导电型半导体层形成工序)，由此得到光电转换元件1(例如，本征半导体层23的一部分23a与剩余的一部分23b为相同材料)。但是，本发明的光电转换元件的制造方法不限于此。

例如，也可以在第二导电型半导体层形成工序中，对第一区域中的第二导电型半导体层的前体和本征半导体层的全部进行蚀刻，在第一导电型半导体层形成工序中，在第一区域中的半导体基板的主面上形成本征半导体层和第一导电型半导体层。在该情况下，作为第一区域中的本征半导体层的材料，只要使用与第二区域中的本征半导体层的材料相比折射率较小的材料即可。此外，作为针对第二导电型半导体层的前体的蚀刻溶液，例如列举氟酸这样的酸性溶液。

或者，也可以在第二导电型半导体层层叠工序和第二导电型半导体层形成工序中，在使用CVD法而在半导体基板11的背面侧的第二区域层叠本征半导体层和p型半导体层时，使用掩模而形成本征半导体层和p型半导体层，在第一导电型半导体层形成工序中，在第一区域中的半导体基板的主面上形成本征半导体层和第一导电型半导体层。在该情况下也是，作为第一区域中的本征半导体层的材料，只要使用与第二区域中的本征半导体层的材料相比折射率较小的材料即可。

另外，不限于干法，也可以使用湿法而形成各层。在该情况下也是，作为第一区域中的本征半导体层的材料，只要使用与第二区域中的本征半导体层的材料相比折射率较小的材料即可。

另外，在上述的实施方式中，像图3和图5所示那样例示了异质接合型的光电转换元件1，但本发明不限于异质接合型的光电转换元件，能够应用于同质接合型的光电转换元件等各种光电转换元件。

另外，在上述的实施方式中，作为半导体基板11，例示了n型半导体基板，但半导体基板11也可以是在结晶硅材料中掺杂了p型掺杂剂(例如，上述的硼(B))的p型半导体基板。

另外，在上述的实施方式中，例示了具有结晶硅基板的光电转换元件，但不限于此。例如，光电转换元件也可以具有砷化镓(GaAs)基板。

附图标记的说明

1…光电转换元件；2…布线部件；3…受光面保护部件；4…背面保护部件；5…密封材；7…n型区域(第一区域)；8…p型区域(第二区域)；7b、8b…总线部；7f、8f…指部；11…半导体基板；13、23、33…本征半导体层；23a…本征半导体层的一部分；23b…本征半导体层的剩余的一部分；33Z…本征半导体层的前体；25…n型半导体层(第一导电型半导体层)；27…第一电极层；35…p型半导体层(第二导电型半导体层)；35Z…p型半导体层(第二导电型半导体层)的前体；37…第二电极层；100…光电转换模块；R…重叠区域。