ヘテロ接合太陽電池

ヘテロ接合太陽電池（HJT）は、シリコンヘテロ接合（SHJ）または真性薄層ヘテロ接合（HIT）とも呼ばれ、^[1]異なるバンドギャップを持つ半導体間に形成されたヘテロ接合に基づく太陽光発電セル技術の一種です。従来の結晶太陽電池と薄膜太陽電池の側面を組み合わせたハイブリッド技術です。

シリコンヘテロ接合ベースの太陽電池パネルは、住宅市場や公共市場向けに商業的に大量生産されています。2023年現在^{[アップデート]}、シリコンヘテロ接合アーキテクチャは、商用サイズのシリコン太陽電池の中で最も高いセル効率を備えています。^[2] 2022～2024年には、SHJセルがアルミニウム裏面電界（Al-BSF）太陽電池の市場シェアを追い越し、PERC/TOPCon（パッシベーションエミッタリアセル/トンネル酸化物パッシベーションコンタクト）に次いで2番目に多く採用される商用太陽電池技術となり、2032年までに約20％に増加すると予想されています。^[3]

太陽電池は光を吸収して吸収体を励起することで動作します。これにより電子と正孔の対が生成されますが、これは太陽電池内の化学勾配^[4]または半導体接合部の電界によって提供される非対称性によって電子（負電荷キャリア）と正孔（正電荷キャリア）に分離される必要があります。^[5]分離後、キャリアはキャリア識別特性（選択接触として知られる）を持つ太陽電池の反対側の端子に移動します。 ^[6]太陽電池が効率的に動作するには、表面とインターフェースをパッシベーションから保護して、電子と正孔が表面欠陥に捕捉されないようにする必要があります。そうしないと、キャリアの相互消滅（再結合）の可能性が高まります。

SHJ セルは、一般的に、活性結晶シリコン吸収基板と、その上に水素化真性 アモルファスシリコンの薄層(a-Si:H と表記、"バッファ層") でパッシベーションされた基板、および適切にドープされたアモルファスまたはナノ結晶シリコンの選択接点のオーバーレイヤーで構成されています。選択接点材料と吸収体はバンドギャップが異なり、従来の太陽電池のpn 接合に類似したキャリア分離ヘテロ接合を形成します。ヘテロ接合太陽電池の高効率は、主にバッファ層の優れたパッシベーション特性によるもので、 ^{[7] [8] [9] [10]}特に、吸収体から再結合活性の高い金属接点を分離することに関して優れています。^{[11]対称構造のため、SHJ モジュールの}両面係数は一般に90% を超えます。^[12]

薄い層は通常温度に敏感なので、ヘテロ接合セルは低温製造プロセスに制限されます。^{[13] [14]これは}電極の金属化に課題をもたらします。典型的な銀ペーストスクリーン印刷法では、最大800℃での焼成が必要であり、^[15]ほとんどのバッファ層材料の上限許容値をはるかに上回ります。その結果、電極は硬化温度の低い銀ペースト、またはまれに^[3]銀コーティングされた銅ペーストまたは電気メッキされた銅で構成されます。

ヘテロ接合構造と、アモルファスシリコン層が結晶シリコンを効果的に不活性化する能力は、1970年代から十分に文書化されている。^{[9] [16] [17]}アモルファスシリコンと結晶シリコンを使用したヘテロ接合太陽電池は、1983年に12％を超える変換効率で開発された。^[18] 三洋電機株式会社（現在はパナソニックグループの子会社）は、1990年代初頭にa-Siおよびμc-Si真性層を含むヘテロ接合デバイスに関するいくつかの特許を出願し、「真性薄層付きヘテロ接合」（HIT）という商標を付けた。^{[19] [20]}真性層を含めることで、トラッピング状態の密度が減少し、暗トンネルリーク電流が減少するため、ドープされたa-Siヘテロ接合太陽電池よりも効率が大幅に向上した。^[21]

SHJ太陽電池の研究開発は、2011年に三洋電機が発行した特許が期限切れになるまで抑制されていたため、さまざまな企業がSHJ技術を開発して商品化することができた。^{[22] [11]} 2014年には、変換効率が25％を超えるHITセルがパナソニックによって開発され、これは当時の非集光型結晶シリコンセルの最高記録であった。^[23]この記録は、2018年にカネカ株式会社が26.7％効率の大面積インターディジットバックコンタクト（IBC）SHJ太陽電池を生産したことでさらに最近では破られ、^[24] 2022年と2023年にはLONG​​iがそれぞれ26.81％^[25]と27.09％^[26]の効率で再び記録した。2023年現在、これは非集光型結晶シリコン太陽電池で記録された最高効率である。^{[2] [27]}ヘテロ接合モジュールは、最大23.89％の効率で製造されています。^[28] 2023年には、モノリシックタンデムセルでペロブスカイトと組み合わせたSHJも、非集中型2接合セルの最高の効率33.9％を記録しました。^[29]

SHJ太陽電池は現在、ギガワット規模で量産されています。2022年には、SHJ生産ラインの新設または拡張プロジェクトが計画されており、追加容量は年間約350GWになります。^{[30] Huasun、Risen、Jingang（Golden Glass）、} LONGi、Meyer Burgerなど、 24社以上の（主に中国の）メーカーがヘテロ接合の生産能力を開始または増強しています。^[31]

2022年初頭、ブルガリアのEPC企業Inercom社は、ブルガリアのパザルジク州アプリルツィ村の近くに150MWのヘテロ接合型太陽光発電所を完成させた。モジュールサプライヤーのHuasun社のプレスリリースによると、これは当時最大のHJT太陽光発電所であった。 ^[32] 2023年には、同じサプライヤーがInercom社に対してさらに1.5GWのHJTモジュール供給契約を発表した。^[33]

SHJは、実験室（世界記録の効率）^{[2] [27] [29]}および商業生産（平均効率）の両方で結晶シリコン太陽電池の中で最も高い効率を持っています。2023年の商業用SHJセルの平均効率は25.0％で、n型TOPConでは24.9％、 p型PERCでは23.3％でした。^[34]この高い効率は、主に優れた表面パッシベーションの結果としての非常に高い開放電圧（一貫して700mV以上）によるものです。2023年以降、ペロブスカイトタンデムのSHJボトムセルは、非集中型2接合セルの最高の効率である33.9％も保持しています。^[29]優れた表面パッシベーションにより、ヘテロ接合セルは一般に他のシリコン太陽電池（TOPConなど）よりもダイオード飽和電流密度が低く、非常に高い充填率と電圧が可能になり、したがって記録的な高効率を実現します。^[35]

両面性とは、太陽電池が前面または背面から光を受け入れる能力を指します。背面から光を集めることで、展開された太陽電池アレイのエネルギー収量を大幅に向上させることができます。^[36] SHJセルは、両面に導電性ARCを使用して製造できるため、90％を超える両面性係数が可能になります。これは、背面グリッドを備えたPERCセルの約70％と比較して高い値です。^[12]両面ソーラーモジュールは、2032年までに単面モジュールに対して市場シェアを85％に大幅に増加させると予想されています。^[3]

シリコンヘテロ接合モジュールは、その高い両面性により、他のセル技術と比較して、ガラス-ガラスモジュール設計の利点をより多く活用できます。EPE封止材を使用したガラス-ガラスモジュールは、PVモジュールの性能低下の大きな原因である水の浸入を防ぐのに特に効果的です。適切なモジュール封止材と併用した場合、ガラス-ガラスSHJモジュールの動作寿命は通常30年以上になると予想されており、ガラス-ポリマー箔バックシート（2023年時点で市場シェアが最も高いモジュール技術）よりも大幅に長くなります。ガラス-ガラスモジュールはガラス-バックシートモジュールよりも重いですが、強化ガラス技術とモジュール設計の改善により、ガラスの厚さ（したがって重量）が軽減されると予想され、2030年代には3.2 mmから2 mm以下が主流になる傾向があります。^{[37] [38]}その結果、ITRPV（2023）によると、2020年代半ばにはガラス-ガラスモジュールがPV技術の主流になると予想されています。

例えば、30年間の性能低下率が93%のユーティリティ規模の680Wヘテロ接合モジュールが、2022年にエネルによって発表されました。 ^[39]

温度係数とは、太陽電池モジュールの出力電力が温度によってどのように変化するかを指します。通常、太陽電池モジュールは、高温になると出力電力と効率が低下します。ラボテストとサプライヤーのデータシート調査によると、SHJ セルで製造されたモジュールは、Al-BSF、PERC、PERT、ハイブリッド PERT/リアヘテロ接合太陽電池と比較して、一貫して同等またはより低い温度係数 (つまり、効率の低下がそれほど深刻ではない) を示しています。これは、開放電圧、最大電力点電力、短絡電流、充填率など、さまざまなパラメーターに当てはまります。^[40]太陽電池の温度感度は、吸収バンドギャップ電位と比較して高い開放電圧と逆相関しています。^{[41] 1982 年に}Martin Greenが指摘したように、「シリコン太陽電池の開放電圧が向上し続けると、広く認識されていない利点の 1 つとして、デバイス性能の温度感度が低下する」という利点があります。^[42]したがって、SHJ セルの温度感度が低いのは、十分にパッシベーションされた接点が高いためだと考えられています。 ^[43]${\displaystyle V_{OC}}$

SHJ生産ラインは基本的に拡散炉や金属ペースト硬化炉などの高温装置を使用しないため^[22]、製造されたセルのワットあたりの消費電力は平均して低くなっています。中国太陽光発電産業発展ロードマップによると、2022年のn型ヘテロ接合セルラインの平均電力消費量は47,000kWh/MWであるのに対し、p型PERC生産ラインは約53,000kWh/MW、n型TOPConは約56,000kWh/MWでした。2030年までに、n型ヘテロ接合、p型PERC、n型TOPConセル生産ラインの電力消費量はそれぞれ34,000kWh/MW、35,000kWh/MW、42,000kWh/MWに低下すると予測されています。^[34] 2014年の研究では、SHJモジュールのエネルギー回収期間は1.5年であるのに対し、通常の単結晶モジュールでは1.8年と推定されています。この数字は、2020年の見込みモジュールでは、効率を25%と仮定すると、それぞれ0.94年と1.2年に短縮されると推定されています。同様に、 2020年のSHJモジュールの1kWhあたりのライフサイクルCO2換算排出量は、通常の単結晶モジュールの25グラムに対して20グラムと推定されています。^[44]

太陽電池に使用される結晶シリコンウェーハの厚さは、通常 130 ～ 180 μm です。消費されるシリコンウェーハの質量は、太陽電池モジュールのコストのかなりの部分を占めるため、ウェーハの厚さを薄くすることで、大幅なコスト削減が実現できる可能性があります。^[45]シリコンが薄くなると、吸収される光子が少なくなります。ただし、表面再結合が効果的に抑制されている限り、ウェーハを薄くしても、非常に高い開放電圧を維持、または改善することができます。^[46]つまり、開放電圧の増加により、短絡電流の損失を補うことができます。これは基本的に、^{[47] [48]}表面が十分に不活性化されている場合、再結合の大部分が基板のバルクで発生するため、厚さを薄くするとバルク欠陥の量が減少します。^[49] SHJ セルは表面不活性化が優れているため、他の結晶シリコン太陽電池技術よりもウェーハの厚さを薄くすることが実現可能です。^{[22] [12]}そのため、幅広いウェーハ厚で高い効率が報告されており、最小値は50μm程度である。^[50]商用グレードのn型基板では、最適な厚さは40～60μmと推定されている。^[49]この利点は、最適な厚さが100μmを超えるPERCなどの非パッシベーション接点や表面再結合が悪い技術では見られない。^[45]

SHJモジュールはPERCモジュールよりも約3～4¢/Wp高価であると推定されています（どちらも中国での製造を想定、出典は2018年のベンチマークを引用）。運用コストの増加の大部分はメタライゼーション技術の違いによるもので、その差の約1.8¢/Wpを占めると推定されています。^[51] a-SiのPECVDとTCO層のスパッタリングのコストもコスト増加の大きな要因でした。その他の要因には、 n型ウェーハのコスト上昇と表面処理が含まれます。^[52]

2020年、SHJのCapExコストはPERCよりもはるかに高かった。SHJ生産ラインの構築にかかる主なコスト（最大50％）はPECVD装置によるものである。しかし、SHJ生産ラインのCapExは、PECVDツール価格が2018年以前の1億2500万米ドルから2020年末には3000万～4000万米ドルに下がったため、主に下降傾向にある。2021年時点で、欧州のSHJ生産ラインのCapExは依然として中国よりも大幅に高かった。^[52]ツールのスループットが高いと、ギガワットあたりのCapExコストも削減される。2019年、主要なPECVD装置の容量は3000ウェーハ/時未満（Meyer Burger、INDEOtec、Archers Suzhou Systems製）であったが、より新しいPECVDツール（MaxwellやGS Solar製など）では容量が5000～8000ウェーハ/時に増加している。^[53]

p型シリコン基板を使用して高効率 SHJ セルを製造することは可能ですが、SHJ 製造における低温制約によりゲッタリング (汚染欠陥の管理) プロセスが不可能となり、バルク水素化では過剰な欠陥を確実に不活性化できません。汚染遷移金属欠陥の濃度が同じ場合、n型ウェーハは、電子に比べて正孔 (少数電荷キャリア) の捕獲断面積が小さいため、少数キャリアの寿命が長くなります。同様に、表面状態 (シリコンのダングリングボンドなど) では電子と正孔の捕獲断面積の比が大きいため、n 型ウェーハでは十分に不活性化された表面を実現しやすくなります。[ ^{11] [43]}これらの理由から、バルク寿命を改善するための不便な手順が省略され、光誘起劣化のリスクが低減されるため、製造には n 型ウェーハが強く推奨されます。^{[54]ただし、} n型ウェーハのコストは通常​​、 p型よりも約 8～10% 高くなると言われています。^{[54] [55]}

n型ウェーハの価格が高いのは、ドープされた単結晶インゴットを成長させる際にシリコン中のリンの偏析係数が小さいことに起因しています。このため、インゴットの長さ全体にわたって抵抗率に問題のあるばらつきが生じ、^[56]そのため、PVメーカーが要求する抵抗率許容値を満たすのは体積の約75%にすぎません。 ^[52]さらに、何度も再利用されたるつぼ（再充電可能なチョクラルスキー法、RCz）で成長したn型インゴットは、受け入れられる可能性が低くなります。^{[52] [57]}

結晶シリコン太陽電池を製造する最初のステップの 1 つに、シリコン ウェーハ基板の表面のテクスチャリングと洗浄があります。単結晶ウェーハの場合、これにはアルカリ溶液 (通常は水酸化カリウムまたは金属イオンを含まないテトラメチルアンモニウム水酸化物) とエッチングの異方性を高めるための有機添加剤^[58] (従来はイソプロピルアルコールですが、現在は独自の添加剤が使用されています) の混合物を使用した異方性ウェット化学エッチングが含まれます。エッチングにより、完成した太陽電池の出力電流を向上させる光捕捉ピラミッド テクスチャが形成されます。PERC と比較して SHJ の表面清浄度に対する要件が厳しいため、テクスチャリングと洗浄のプロセスは比較的複雑で、より多くの化学薬品を消費します。これらの表面処理ステップには、RCA 洗浄、有機物を除去するための硫酸/過酸化物混合物、塩酸を使用した金属イオンの除去、硝酸酸化洗浄とエッチバックなどがあります。^[59]最近の研究では、オゾン水による酸化洗浄はプロセス効率の向上と廃棄物の削減に役立ち、表面品質を維持しながらRCA洗浄を完全に置き換える可能性があることがわかりました。^{[59] [60]}

太陽電池の大部分は、スクリーン印刷されたペースト電極を使用して製造されている。SHJセルは低温プロセスに制限されているため、PERC、TOPCon、Al-BSFセルで使用されているような従来の炉焼き銀ペーストを電極に使用することはできない。低温ペーストの組成は、銀消費量の増加やグリッド導電性の低下など、SHJの性能と経済性のいくつかの要因を損なう。^{[61] [62]}さらに、低温銀ペーストをSHJセルにスクリーン印刷するプロセスは、製造業者が高品質のグリッドを実現するために印刷速度と浸水速度を低くすることが多いため、PERCスクリーン印刷ラインに比べてスループットが一般的に大幅に低くなる。^[63]代替品が開発されない限り、テラワット規模の太陽光発電が世界の銀需要のかなりの割合を消費すると予想されている。^[64] SHJの銀消費量を削減できる可能性のある新技術には、銀コーティング銅ペースト、銀ナノ粒子インク、電気メッキ銅などがある。

SHJの生産ラインは主に新しい設備で構成されています。そのため、既存のPERC生産ラインを比較的簡単にTOPCon用に改造できるため、SHJはTOPCon生産との競争に苦労しています。ウッドマッケンジーのレポート（2022年12月）は、この理由からインフレ削減法に照らして、高効率と設備投資の間の好ましいバランスを挙げ、米国での新規モジュール生産ではTOPConがSHJよりも好まれると予測しています。^[65]

「フロント接合」ヘテロ接合太陽電池は、p-i-n-i-nドープされたシリコン層のスタックで構成され、中央はn型結晶シリコンウェーハで、その他はアモルファス薄層です。次に、透明導電性酸化物（TCO）反射防止コーティングと金属グリッドのオーバーレイヤーが光と電流の収集に使用されます。SHJ構造の高いバイフェイシャル性のため、同様のn-i-n-i-p「リア接合」構成も製造業者によって使用されており、プロセスによっては利点がある場合があります。^[66]特に、リア接合構成は、フロントTCOではなく吸収体で横方向の電子輸送の割合を増やすことができるため、製造において好まれています。したがって、フロントサイドのシート抵抗が低下し、TCOプロセスパラメータの制限が緩和され、効率とコストのメリットにつながります。^{[67] [68]}

電子正孔対が形成される基板は、通常、リンをドープしたn型単結晶シリコンです。高効率SHJ太陽電池の工業生産では、低温プロセスではゲッタリングとバルク水素化の利点が得られないため、高品質のn型チョクラルスキーシリコンが必要です。 ^{[15] [69]}基板の外側で吸収された光子は光電流に寄与せず、量子効率の損失となります。

PECVD 法を用いてシラン(SiH ₄ ) と水素(H ₂ )の混合物から基板の両面に真性アモルファスシリコンを堆積し、ヘテロ接合を形成して表面を不活性化する。真性バッファ層は実質的に非導電性であるが、厚さが通常 10 nm 未満であるため、電荷キャリアが拡散することができる。バッファ層は、十分な不活性化を提供するのに十分な厚さでなければならないが、キャリア輸送を著しく妨げたり光を吸収したりしない程度に薄くなければならない。吸収係数はバンドギャップに部分的に依存するため、光子の寄生吸収を最小限に抑えるためには、不活性化層のバンドギャップが高い方が有利である。バッファ層構造と金属–絶縁体–半導体 (MIS) 太陽電池は類似しているが、SHJ は低伝導性バッファ層を通るキャリア輸送に必ずしも量子トンネル効果に頼るわけではなく、キャリア拡散も重要な輸送メカニズムである。^{[11] [70]}

選択コンタクト（「ウィンドウ層」とも呼ばれる）は、同様にp型およびn型の高ドープアモルファスシリコン層の堆積によって形成される。^{[71] [72]}ドーパントガスの例としては、n型の場合はホスフィン（PH ₃） 、 p型の場合はトリメチルボラン（B(CH ₃ ) ₃）またはジボラン（B ₂ H ₆）が挙げられる。^[73]欠陥の性質上、ドープアモルファスシリコン（真性シリコンとは対照的に）は結晶シリコンにパッシベーションを提供できない。同様に、このようなa-Si層のエピタキシャル成長はパッシベーション品質とセル効率に重大な悪影響を及ぼすため、堆積中に防止する必要がある。^[74]

SHJ 効率の最近の進歩は、電子接点用のn型アモルファスシリコンの代わりにn型ナノ結晶シリコン酸化物 (nc-SiO _x :H) 膜を堆積することによってなされました。一般に「ナノ結晶シリコン酸化物」と呼ばれる材料は、実際には、アモルファスシリコン酸化物マトリックスに埋め込まれたナノスケールのシリコン結晶で構成された 2 相材料です。シリコン酸化物は、アモルファスシリコンよりもバンドギャップが高く、光学的に透明ですが、柱状のナノ結晶は垂直キャリア輸送を強化して導電性を高め、短絡電流密度の増加^[66]と接触抵抗の減少につながります。^[25]材料のバンドギャップは、PECVD 中に二酸化炭素のレベルを変えることで調整できます。 ^{[75]アモルファスシリコンをナノ結晶シリコン/シリコン酸化物に置き換えることは、} n型ですでに一部のメーカーによって統合されており、近い将来にp型 (ホール接点) が続く予定です。 ^{[27]最適化されたナノ結晶ホール接点は、Lin ら (2023)}の26.81% の電力変換効率の世界記録の達成に役立ちました。^[25]${\displaystyle J_{SC}}$

反射防止コーティング(ARC) とキャリア輸送層を兼ねたこの層は、通常、インジウムスズ酸化物(ITO) で構成され、選択接点の両側にスパッタリングされます。インジウムスズ酸化物は透明導電性酸化物(TCO) であり、光透過を大幅に妨げることなく、接点表面の横方向の導電性を高めます。これは、アモルファス層が高ドーピング レベルにもかかわらず比較的高い抵抗を持ち、TCO によって選択接点から金属電極にキャリアを輸送できるため、必要です。

破壊的干渉反射防止特性のために、TCOは、太陽光スペクトルのピーク（約550 nm）で最適な光捕捉に必要な厚さに堆積される。 単層ARCの最適な厚さは次のように表されます。

${\displaystyle d={\frac {\lambda }{4\eta }}}$

ここで、は層の厚さ、は最小反射の所望の波長、 は材料の屈折率です。 ${\displaystyle d}$${\displaystyle \lambda}$${\displaystyle \eta}$

ITOの屈折率（通常は約0.9）に依存しますが、^[76]最適な層の厚さは通常70〜80 nmです。薄膜干渉により、ITO（鈍い灰黒色のセラミック材料）はこの厚さでは鮮やかな青色に見えます。

インジウムの不足により、アルミニウムドープ酸化亜鉛（AZO）などの代替TCOがSHJセルでの使用に向けて研究されています。^[77] AZOはITOよりもはるかに高い化学的感受性を持ち、ニッケルシード層のエッチバックなどのエッチングを必要とする特定のメタライゼーション方法に課題をもたらし、 ^[61] p型およびn型アモルファス層の両方に対する界面接触が通常より劣っています。 ^{[78] AZOは、セルをモジュールで使用する場合、SiO} _xなどのキャッピング層が必要になる可能性がある長期的な安定性の問題を引き起こす可能性があります。^{[79] [80]}

ドープされていない酸化スズ（SnOx _）も、SHJセル上でインジウムフリーのTCOを製造するために使用され、効率は24.91%に達しています。^[81]

インジウム酸化物ベースのTCOの光学的および電子的特性の向上は、セリウムと水素の共ドーピングによって達成され、高い電子移動度をもたらします。このようなフィルムは、熱に敏感なSHJ製造プロセスと互換性があるほど十分に低い温度で成長させることができます。^{[82] [80]}セリウム酸化物、タンタル酸化物、チタン酸化物をドープしたインジウム酸化物も、好ましい電子特性をもたらしました。このプロセスは、スパッタリングチャンバーに水蒸気を導入することで調整可能であり^[75]、プラズマ中のヒドロキシルラジカルがTCOフィルムの酸素空孔を終端し、電子移動度の向上とシート抵抗の低下をもたらすと考えられていますが、この方法をSHJセルで使用する場合は、安定性と接触抵抗を考慮する必要があります。^[83]

蒸着により、フッ化マグネシウム（MgF ₂）^[84]または酸化アルミニウム（Al ₂ O ₃）^{[76]の二重反射防止コーティングを使用して表面反射をさらに低減することができますが、この手順は現在工業生産では使用されていません。SiO} _xなどのAZOキャッピング層も二重ARコーティングとして機能することができます。^[79]このような技術は、世界記録の電力変換効率を持つSHJセルの製造に使用されました。^[25]

SHJセルのTCO層は、理想的には、 TCOとp型アモルファス層との間の界面で寄生ショットキー障壁の形成を防ぐために、高い仕事関数^{[85] （すなわち、}フェルミ準位と真空準位との間のエネルギー差）を持つべきである。^{[86] [87] [88]これは、} p型層のドーピングを増加させることで部分的に緩和することができ、これにより障壁幅が減少し、開放電圧（）と充填率（）が向上する。しかし、ドーピングが増加すると接合の再結合が増加し、ゲインが減少する。タングステン酸化物（WO _x ）などのより高い仕事関数のTCOを堆積するか、ITOの堆積パラメータを調整することによっても障壁の高さを減らすことができる。通常、後者はITOの好ましい光学特性のために使用される。^[78]${\displaystyle V_{OC}}$${\displaystyle FF}$${\displaystyle V_{OC}}$

太陽電池から電気を取り出すには、金属電極が太陽電池と接触する必要があります。TCO だけでは、この目的を果たすのに十分な導電性がありません。両面太陽電池の電極は、前面と背面のグリッド パターンで構成されていますが、両面ではないセルでは、背面全体が金属でコーティングされている場合があります。インターディジット バック コンタクト セルでは、背面のみに金属があります。前面グリッドの場合、グリッドの形状は、太陽光を過度に遮ることなく、太陽電池表面のすべての領域に低抵抗の接触を提供するように最適化されています。

ヘテロ接合太陽電池は、通常、2つの異なる方法で金属化（すなわち、金属接点の製造）されます。銀ペーストのスクリーン印刷は、従来の太陽電池と同様に業界では一般的であり、98％以上の市場シェアを占めています。^[3]しかし、SHJセルには低温銀ペーストが必要です。これらのペーストは、約200℃の硬化温度で架橋するポリマーと組み合わせた銀粒子で構成されています。^[63]これらには、グリッド導電性が低く、銀消費量が多い、^{[62] [89]}製造コストが変動しやすい^[22]または前面への接着性が悪い [14] などの大きな欠点があります。^{[ 62]}コストが大幅に高いにもかかわらず、^[61]低温銀ペーストの抵抗率は、標準的な銀ペーストの4～6倍と推定されています。^[11]導電性の低下を補うために、低温銀ペーストは従来の銀ペーストよりも多くの銀を消費しますが、 ^{[62] [90]}スクリーン印刷可能な銀コーティング銅ペーストなど、低温ペーストの組成の改良により、銀の消費量がさらに削減されると期待されています。このようなペーストは従来の低温ペーストと同等の性能を発揮し、銀の消費量を最大30％削減します。^[91]銀コーティング銅ペーストは、2030年までに中国のSHJメーカーの間でますます支配的なメタライゼーション技術になりつつあり、2024年から2025年には50％の市場シェアが見込まれています。^[34]

非接触ペースト印刷法であるレーザーパターン転写印刷は、1:1のアスペクト比の細いフィンガーを製造するのに使用できます。ペーストを格子に押し込み、赤外線レーザーを使用してペーストを後ろから加熱します。蒸発した溶剤がペーストを型から押し出し、太陽電池基板に押し付けます。^[92]接触スクリーン印刷はセルに大きな力をかけるため、この代替技術は、特に非常に薄いウェーハの場合、セルの破損を減らすことができます。^[93]

銀ナノ粒子インクは、インクジェット印刷、または中空ガラス毛細管との接触堆積によって、SHJ太陽電池上に堆積することができる。インクジェット堆積は、従来の銀ペーストスクリーン印刷と比較して、銀の消費量をセルあたり200mgから10mg未満に削減すると報告されている。毛細管堆積（毛細管が柔軟でウェーハ表面を横切ることから「FlexTrail」と呼ばれる）を使用すると、堆積する銀の量を3mgまでさらに削減できる。^[91]銀のこのような大幅な削減は、伝導率の低下を補うためのグリッド設計、つまりバスバーレス設計に影響を与える。

印刷電極に代わる銀を使わない可能性のある^[44]代替品として、電気めっき銅が挙げられます。電気めっき銅の導電性は、バルク銅と同等です。^[94]これにより、グリッド抵抗が減少するため、SHJセルの電流密度が向上する可能性があります。フィーチャージオメトリの改善も実現できます。ただし、電気めっきでは、犠牲インクジェット印刷またはフォトリソグラフィーで生成されたマスクを使用した選択的なパターン形成が必要なため、工業生産は困難です。 ^{[89] [95]}その結果、電気めっきSHJセルは現在商業的に製造されていません。ITOに直接めっきされた銅も接着の問題を抱えています。そのため、通常は最初にスパッタリングまたは電着によってニッケルの薄い（約1μm）シード層を堆積する必要があります。^{[61] [62] [96] [97]あるいは、ドープされた酸化インジウムを選択的に}陰極還元することで、インジウムシード層をその場で開発することができます。^[98]ニッケル層とITO層は、セルへの銅の拡散バリアとしても機能し、銅は深刻な劣化を引き起こす深層不純物です。^[64]特にEVAカプセル化モジュールでは、銅フィンガーの腐食を防ぐために銀またはスズのキャップ層も一般的に必要です。^[99]

従来の太陽電池と同様に、ヘテロ接合太陽電池はダイオードであり、一方向にのみ電流を流します。したがって、n型側の金属化には、外部電源を使用するのではなく、太陽電池が照明によって独自のめっき電流を生成する必要があります。このプロセスは、p型側の電界誘導めっき (FIP) とは対照的に、光誘導めっき (LIP) として知られています。または、製造を複雑にする太陽電池への電気的接触を必要としない無電解プロセスを使用することもできます。ただし、無電解めっきは電気めっきよりもはるかに遅く、適切な厚さに達するまでに数分ではなく数時間かかる場合があります。^[100]

SHJ の温度感度は、SHJ ベースの太陽電池パネルを製造する際のセルの相互接続にも影響を及ぼします。はんだ付けに伴う高温は、セルのパッシベーションの劣化を避けるために慎重に制御する必要があります。低温ペーストは、相互接続ワイヤまたはリボンへの接着力が弱く、モジュールの耐久性に影響を及ぼします。これらのペーストと赤外線はんだ付けパラメータの最適化、およびはんだ合金の慎重な選択により、標準的な産業機器での相互接続プロセスの成功率が向上しました。^[101]

ヘテロ接合ペロブスカイト タンデム構造が製造されており、いくつかの研究グループは、結晶シリコンの29.43％ショックレー・クワイサー限界を超える電力変換効率を報告しています。この偉業は、モノリシックセル構成と4端子セル構成の両方で達成されています。 ^{[103] [29]}このようなデバイスでは、熱損失を減らすために、ワイドバンドギャップペロブスカイトトップセルが高エネルギー光子を吸収し、SHJボトムセルが低エネルギー光子を吸収します。両面構成では、ボトムセルは裏面からの光も受け入れることができます。

2017年には、SHJボトムセルとIII - V族半導体トップセルを使用したタンデム太陽電池が製造され、2接合および3接合の非モノリシックスタックでそれぞれ32.8%と35.9%の電力変換効率が達成されました。^[104]

2023年11月、LONGiはモノリシック構成のペロブスカイトトップセルを使用して、SHJタンデムの効率記録を33.9%に樹立しました。^[29]これは、非集光型2接合太陽電池で記録された最高の効率です。

典型的な c-Si/a-Si:H 構造の他に、さまざまなグループが c-Si/SiO _x、^[73] c-Si/ MoO _x ^{[105] [106]}および c-Si/poly-Si または c-Si/SiO _x /poly-Si (POLO; 酸化物上の多結晶シリコン) などの新しい半導体材料を使用して、パッシベーション接触シリコンヘテロ接合太陽電池の製造に成功しています。^{[107] [108]無機-有機ハイブリッドヘテロ接合太陽電池は、}ポリアニリンエメラルジンベースでコーティングされたn型シリコンを 使用して製造されています。^[109]ヘテロ接合太陽電池は、多結晶シリコン吸収体基板上にも製造されています。^[110]

ヘテロ接合太陽電池は IBC 技術と互換性があり、セルの金属化は完全に裏面にあります。ヘテロ接合 IBC セルは、しばしば HBC と略されます。HBC 構造には、従来の SHJ セルに比べていくつかの利点があります。主な利点は、前面グリッドからの陰影がなくなることで、光捕捉が改善され、したがって短絡電流密度が向上します。PERC と比較すると、従来の SHJ セルは、吸収係数が高いため、一部の光が前面のアモルファスシリコン層で寄生的に吸収されるため、値が 40 mA/cm ^{2 を超えることはめったになく、劣っていることがよくあります。 [66]}前面の金属接点が不要になることで、前面のアモルファスシリコン接点も回復できます。そのため、HBC セルは高効率の可能性を秘めています。特に、HBC 構造を採用したヘテロ接合セルは、カネカによって製造され、効率 26.7%、電流密度 42.65 mA/cm ²で長年世界記録を保持しています。^{[24] [117]} HBCは効率が高いにもかかわらず、製造工程が比較的簡単なため、工業生産では両面セルが主流となっている。^[75]しかし、HBCセルは、面積に大きな制約がある車両一体型PVシステムなどの特殊な用途に使われる可能性がある。 ^[118]${\displaystyle J_{SC}}$${\displaystyle J_{SC}}$${\displaystyle J_{SC}}$${\displaystyle J_{SC}}$

HBCセルは、裏面にp型とn型の領域を交互に配置した局所的なドーピングを施すことで製造されます。表面は特定のドーピングプロファイルを必要としません。^[119]

適切に設計されたシリコンヘテロ接合モジュールの期待される公称寿命は 30 年以上で、^[12]平均性能比は 75% です。^[44] SHJ セルおよびモジュールの故障、電力損失、劣化は、影響を受けるパラメータ (開放電圧、短絡電流、充填率など) によって分類できます。損失は通常、パッシベーション品質の低下、または欠陥の導入による再結合の増加に起因します。損失は通常、光損失に起因し、吸収体によって捕捉される光が少なくなります (日陰やモジュール構造の損傷などによる)。損失は通常、パッシベーション損失、および直列抵抗の増加またはシャント抵抗の減少に起因します。^[12]${\displaystyle V_{OC}}$${\displaystyle J_{SC}}$${\displaystyle FF}$

欠陥とは、電荷キャリアが意図せず「閉じ込められる」可能性のある場所であり、ショックレー・リード・ホール法 (SRH 再結合) によって再結合する可能性が高くなります。欠陥は、界面 (表面再結合)、結晶粒界および転位、または不純物に存在する可能性が最も高くなります。効率の低下を防ぐには、欠陥を不活性化 (化学的および電気的に中性にする) する必要があります。通常、これは欠陥界面と格子間水素との結合によって発生します。SHJ セルでは、水素化された真性アモルファス シリコンが、吸収体表面に存在する欠陥を不活性化するのに非常に効果的です。

欠陥の挙動と、それが時間の経過や製造プロセスで水素とどのように相互作用するかを理解することは、SHJ 太陽電池の安定性と性能を維持するために非常に重要です。

アモルファスシリコンネットワークにおける光感受性欠陥の不活性化の挙動は、 1977年にシュテーブラー・ロンスキー効果が発見されて以来、研究対象となっている。 ^[120] シュテーブラーとロンスキーは、数時間光にさらされると、アモルファスシリコン薄膜の光伝導性と暗伝導性が徐々に低下することを発見した。この効果は、150℃を超える温度での暗アニールによって可逆的であり、水素化アモルファスシリコンデバイスにおける可逆的な光誘起劣化（LID）の一般的な例である。新しいバンドギャップ状態の導入によりキャリア寿命が減少することが、劣化の背後にあるメカニズムであると提案された。その後の研究では、シュテーブラー・ロンスキー効果における水素の移動と準安定水素捕捉欠陥の役割が調査された。^[121]

多くの変数の中で、シュテーブラー・ロンスキー効果の速度論と程度は薄膜中の結晶粒径^[122]と光吸収照度^{[123]に依存する。}

一部のアモルファスシリコンデバイスでは、LID を通じて逆の効果も観測されます。たとえば、アモルファスシリコン太陽電池^{[124] [125]}や特に SHJ 太陽電池^[126]では、光照射により が増加します。Kobayashiら(2016) は、これはドープされたアモルファスシリコンの選択接点と接触すると、固有バッファ層のフェルミ準位がバンド端に近づくためであると提案しています^[126]。また、Scutoら(2015)は、水素化 a-Si 光起電デバイスを逆バイアス下で光照射したときに、Staebler-Wronski 効果の同様の逆転が観測されたことを指摘しています^[127]。${\displaystyle V_{OC}}$

工業用後処理工程でヘテロ接合セルを意図的にアニールすると、寿命が向上し、表面再結合速度が低下する可能性があります。熱アニールにより、格子間水素がヘテロ界面の近くに拡散し、ダングリングボンド欠陥の飽和度が高まることが示唆されています。^[128]このようなプロセスは、アニール中に照明を使用することで強化される場合がありますが、キャリア寿命の改善が達成される前に劣化を引き起こす可能性があるため、商業的な環境では慎重な最適化が必要です。^{[129]高温での照明アニールは、} UNSWが開発した欠陥軽減のためのインライン技術である高度水素化プロセス（AHP）に役立ちます。

ホウ素-酸素複合LID欠陥は、安価なp型ウェーハの効率と安定性に広く見られる問題であり、SHJ基板にn型が好まれる主な理由です。高度水素化プロセスを使用してB-O LIDに対してウェーハを安定化させることは、成功の度合いがまちまちで、信頼性の問題がありました。^[55]そのため、 SHJ吸収体に使用するための経済的に実現可能な代替p型ドーパントとしてガリウムが提案されました。 ^{[130] [54]}ガリウムドープセルは、ホウ素よりも安定性が高く、欠陥密度が低い可能性があり、研究グループはガリウムドープp型SHJで730 mVを超える電圧を達成しました。^{[55]ただし、ガリウムはCz成長シリコンインゴットでの分離効率がホウ素よりも低いため、インゴットの長さが短くなるという点で}n型と同様の問題があります。^[56]${\displaystyle V_{OC}}$

フィルファクターとは、開放状態または短絡状態と比較して、太陽電池が最大電力点でどれだけうまく機能するかを示します。

高効率太陽電池の充填率は、直列抵抗、バルクキャリアの寿命、飽和電流密度、ウェーハ抵抗率、ウェーハ厚さなど、いくつかの重要な要因の影響を受けます。これらの要因は、ダイオードの理想係数に影響します。86 %を超える充填率を達成するには、高効率ヘテロ接合セルに、非常に高いシャント抵抗、無視できるほどの直列抵抗、非常に長い少数キャリア寿命 (約 15 ms) を持つ高品質のバルクシリコン、優れたパッシベーション (飽和電流密度 0.8 fA/cm ²未満) が必要です。 ${\displaystyle V_{OC}}$

ダイオードの理想係数は、バルクウェーハの寿命が長くなると 2/3 に近づきます。これは、バルク欠陥密度が非常に低い場合にオージェ再結合が支配的なメカニズムになることを意味しています。バルク寿命が長い限り、理想係数が 1 未満であれば、86% を超える充填係数が可能になります。ウェーハの厚さを薄くすると、非常に長い寿命が達成しやすくなります。寿命が十分に長い場合は、バルクドーピング濃度を下げて（ウェーハ抵抗率を0.3 Ω·cm より高くして）、ウェーハが高注入条件（生成されたキャリアの数がドーパント濃度に比べて高い）になるようにすることも有利です。^[35]${\displaystyle \rho}$

太陽光モジュールは、屋外に設置されると、湿気、熱サイクル、紫外線など、さまざまなストレス要因にさらされます。太陽光モジュールは数十年にわたって使用されることが予想されますが、これらの要因を考慮しないと、モジュールの寿命が短くなる可能性があります。劣化のメカニズムには、ひび割れ、徐々に進行する腐食、欠陥の活性化によるセル自体の効率低下、モジュール層の剥離、セルまたはラミネーションの紫外線劣化、封止材の脆化または変色、金属導体（フィンガー、バスバー、タブ）の故障などがあります。^[131]モジュールの寿命に関する重要な設計上の考慮事項のいくつかは封止材の選択であり、モジュール効率への悪影響が少ない封止材を使用すると、モジュールの均等化電力コスト（LCOE）が大幅に削減されます。 ^[132]

電位誘起劣化（PID）とは、太陽電池モジュールの高電圧ストレスによって引き起こされる劣化を指します。これは、太陽電池モジュールの劣化の主なメカニズムの1つです。 ^[133]直列に接続されたモジュールのストリングは、太陽光発電システムで最大1000 Vを蓄積することがあり、そのような電位差は、太陽電池と接地されたモジュールフレーム間の短い距離に存在する可能性があり、漏れ電流を引き起こします。 PIDは主に電気化学プロセスであり、水分の浸入と表面汚染によって促進され、太陽電池モジュールとセルに腐食^[134]とイオン移動^{[135]を引き起こします。 [136] [137]}ソーダ石灰ガラスから浸出すると疑われるナトリウムイオンは特に問題があり、湿気があると劣化を引き起こす可能性があります（高電位がなくても）。^[138]これにより、PVシステムの効率と寿命が低下します。

PID は、すべてのタイプの結晶シリコン太陽電池のほか、薄膜太陽電池、CIGS セル、CdTe セルでも観察されています。研究では、サンプル モジュールに高バイアス電圧を印加することで、加速劣化試験で PID を再現できます。特に環境チャンバーで再現できます。SHJ セルでは、PID は主に光損失による減少によって特徴付けられ、他のモジュール技術で観察される PID とは異なり、SHJ モジュールでは PID はほとんど不可逆であり、逆バイアスを印加してもわずかに回復するだけです。これは、PID の一部の要素が SHJ モジュールで異なるメカニズムによって発生することを示しています。光損失は、TCO で沈殿するインジウム金属によって引き起こされると示唆されています。劣化したモジュールでは、セルの深部でナトリウム イオンの高濃度も測定されており、これは負のバイアスによって引き起こされる PID と一致しています。^[133]${\displaystyle J_{SC}}$

封止材は、太陽電池をモジュール内に封入して安定性を保つために使用される熱可塑性材料です。ラミネート工程では、セルを封止フィルムの間に挟み込み、フィルムを溶かします。従来、結晶シリコンモジュールでは、安価なエチレン酢酸ビニル共重合体（EVA）が封止材として使用されてきました。^[139]長時間湿気にさらされると、EVAは加水分解して酢酸を浸出させ^[140]、太陽電池の 金属端子^[141]や表面^{[142]を腐食させる可能性があります。}

非両面モジュールは、テクスチャ加工されたガラスのフロントと紫外線安定化ポリマー（通常はポリフッ化ビニル）のバックシートで構成されていますが、両面モジュールはガラス-ガラスである可能性が高いです。^[12]ポリマーバックシートは、ガラス-ガラスモジュール（EVAの加水分解を促進する）よりも水分の侵入に対して透過性が高いにもかかわらず、酢酸に対して「通気性」があり、酢酸が蓄積されないと言われています。SHJベースのモジュールは両面ガラス-ガラスである可能性が高いため、酢酸蓄積のリスクはより大きいと言われています。^[139]ただし、メーカーは、ガラス-ガラスモジュールの不浸透性は、通常、EVAの劣化を防ぐのに十分であり、モジュールが加速老化テストに合格できることを発見しました。いくつかの研究では、ガラス-ガラス構造により、ガラス-バックシートと比較してEVAカプセル化モジュールの劣化の程度が軽減されることも判明しています。^[143]

さらに、SHJセルに使用されるITOは酢酸エッチングの影響を受けやすく、損失を引き起こす可能性があります。^{[142] [ 144]}コストが高いにもかかわらず、ポリオレフィンエラストマー（POE）や熱可塑性オレフィン（TPO）などの酢酸を含まない低水蒸気透過性の封止材は、EVAと比較して湿熱試験後の劣化が少ないことが示されています。^{[139] [143]} EVAよりもPO​​EまたはTPOを使用すると、モジュール寿命が向上し、LCOEを約3％削減できると推定されています。^[132]${\displaystyle V_{OC}}$

長期的な劣化やCO2排出量の削減が期待できる、封止材を使用しないモジュール設計も開発されている。しかし、封止材によって前面ガラスとセル間の光学的結合が失われるため_、反射損失が発生する可能性がある。^[145]

POEはEVAに比べて耐水性が高く、PIDやその他の湿気関連の問題を防ぎます。しかし、ラミネート時間が長く、POEとセルまたはガラスとの接着力がEVAより劣ります。接着力の低さから封止材が剥離すると、モジュールが故障する可能性があります。そのため、POEは、両方のポリマーの利点を兼ね備えたEPE（EVA-POE-EVA）と呼ばれる、EVAとの3層共押出ポリマー封止材の中心層としてますます使用されています。^{[146] [147]}

紫外線はモジュールの封止材やバックシートの劣化を引き起こし、変色、脆化、剥離を引き起こし、モジュールの寿命と性能を低下させる。紫外線吸収によって生成されるホットキャリアも、このような材料の酸化を引き起こす可能性がある。さらに、ヘテロ接合を含む高効率太陽電池では、紫外線がパッシベーションの変化を引き起こし、モジュールの性能を低下させる可能性がある。ヘテロ接合モジュールを長時間紫外線にさらす研究によると、PERC または PERT モジュールよりも紫外線によるダメージを受けやすく、フィルファクターと開放電圧の大幅な低下が観察された。提案されているメカニズムは、パッシベーションされた表面界面からアモルファス層への水素の再分配である。^[148]

UVカット封止フィルムは、SHJセルをUV劣化から保護するために使用されていますが、そのような材料からのUVエネルギーは太陽電池では使用されません。2023年には、ユーロピウム/ジスプロシウムドープストロンチウムマグネシウムケイ酸塩（Sr _2-x MgSi ₂ O _7-x：Eu ²⁺、Dy ^{3+ ）などの}UVダウンコンバート 蛍光体を含む封止フィルムが、EPE封止材などのヘテロ接合太陽電池用途に導入されました。このような材料は、UV劣化から保護するだけでなく、生成された可視光子から光学的利得をもたらします。^[149]このようなフィルムは、中国のヘテロ接合封止材メーカーによって商業利用に向けて調査されており、60セルモジュールのテストでは、UV変換フィルムを使用することで5ワット（約1.5％）の電力増加が見られました。^{[150] [151]}

以下はヘテロ接合太陽電池に関連する用語の用語集です。

ヘテロ接合

異なるバンドギャップエネルギーによって形成される2つの物質間の接合

選択的接触

太陽電池の層 (例: ドープされたアモルファス シリコン) で、電子と正孔を区別して分離できるようにします。正孔と電子のどちらを収集するかに応じて、常に 2 つの接点があり、セルの前面と背面に (互いに対して) 反対の極性でドープされます。

不活性化

電荷キャリアが再結合する可能性を減らす現象。寄生欠陥 (例: 汚染原子、ダングリングボンド、結晶粒界) のパッシベーションとは、電荷キャリアを「捕らえ」ないように電気的に中和し、SRH 再結合を防ぐことです。太陽電池は、特に金属接点と半導体の界面で十分にパッシベーションされていることが望ましいです。パッシベーションは、Al-BSF 太陽電池 (電界効果パッシベーション) のように、電界を使用して実現することもできます。

水素化

格子間水素を利用して太陽電池の領​​域を不活性化する技術

バッファ層

非常に薄い電気的に不活性な層（典型的には真性アモルファスシリコン）で、SHJ基板の表面パッシベーションを提供する。

ウィンドウレイヤー

SHJセルの（理想的には）透明な選択的接触部は、通常、非常に薄い層のアモルファスまたはナノ結晶シリコンで作られる。

ピラミッド

アルカリ等方性エッチング処理後の太陽電池表面のマイクロスケールのピラミッド構造。ピラミッドにより太陽電池表面の反射率が低下し、より多くの光を捕捉できるようになります。

金属化

太陽電池の正極と負極の領域に金属電極を形成するプロセス。これらの電極が太陽電池と接触して電気を抽出します。