CN102396073B - 光电动势装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

得到一种在表面和背面的电极中得到期望的电阻值、并且即使基板厚度与以往相比变薄也能够比以往提高转换效率的光电动势装置的制造方法。包含如下工序：在p型硅基板(12)的第1面侧形成扩散了n型杂质的n型扩散层(13)；在n型扩散层(13)上形成防反射膜(14)；在硅基板(12)的第2面上形成由SiONH膜构成的背面钝化膜(15)；在防反射膜(14)上以表面电极形状形成包含银的膏材料；焙烧硅基板(12)来形成与n型扩散层(13)接触的表面电极(20)；在背面钝化膜(15)上以背面电极形状形成包含金属的膏材料；以及向背面电极的形成位置照射激光来使膏材料中的金属熔融、凝固而形成背面电极(30)。

Description

光电动势装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种光电动势装置及其制造方法。
背景技术
以往的硅晶系太阳能电池的制造方法中，重要的课题在于降低制造成本，作为其一个方法已知有用网板印刷法涂布了金属膏之后进行焙烧而形成电极的方法(例如，参照专利文献1)。在该专利文献1中，在防反射膜上将以银为主成分的膏印刷为梳子状并进行干燥，该防反射膜形成在形成了pn结的硅基板的受光面侧，另外，在硅基板的背面的大部分的面积上印刷包含铝的膏并进行干燥之后，进而在没有印刷包含铝的膏的位置印刷包含银的膏并进行干燥。之后，通过进行焙烧，在硅基板的表面用焙烧贯通法(fire-through method)形成有表面电极，该焙烧贯通法使被印刷的银贯通绝缘性的防反射膜来与基底的硅进行导通。另外，在硅基板的背面中，作为背面电极，在形成了包含铝的膏的位置中形成背面集电电极，在形成了包含银的膏的位置中形成背面取出电极，并且在形成了包含铝的膏的区域中，形成能够防止在硅基板中由光照射而产生的少数载流子的再结合的背面BSF(Back Surface Field：背面场)层。
另外，近年来，已知有用被称作LFC(Laser Fired Contact：激光点火接触)法的方法来形成太阳能电池的背面电极的技术(例如，参照非专利文献1)。这里，用CVD(Chemical Vapor Deposition：化学气相沉积)法来在硅基板的背面整面形成绝缘膜，进而在绝缘膜上的整面蒸镀铝膜，通过激光照射只熔融所需的部位来形成背面电极，该背面电极中，取得了形成在背面整面的铝电极与硅基板在多个点的导通、或者取得了在背面形成为梳子状的铝电极与硅基板的导通。
专利文献：日本特开2004-207493号公报
非专利文献1：E.Schneider lochner，et al.，”Laser Fired RearContacts for Crystalline Sillicon Solar Cells”，Progress inPhotovoltaics：Research and Applications，Vol.10，2002，pp.29-34.
发明内容
然而，能够降低太阳能电池中的电极的电阻值的最优焙烧温度、时间等的条件通常在表面和背面的电极中不同。因此，在专利文献1所述的方法中，没有表面和背面的电极都得到最优电阻值的焙烧条件，存在如下问题点：在某个电极中会成为比最优电阻值还差的电阻值。
另外，在专利文献1所述的方法中，作为背面电极，通过焙烧将会形成铝、银、以及铝与银的合金。这些3种类的金属的线膨胀系数各自不同，通过焙烧之后的冷却会产生因线膨胀系数的不同造成的应力，还存在导致背面电极变得容易剥落这样的问题点。
进而，近年来，占到成本的一大半的太阳能电池用的硅基板具有逐渐变薄的倾向，从表面(受光面)输入到太阳能电池的太阳光的红外线的一部分不对发电作出贡献而通过硅基板会从背面电极向外部透射。因此，将BSR(Back Surface Reflection：背面反射)效应赋予给太阳能电池也是重要的，该BSR效应是使到达背面电极的对发电没有作出贡献的光再次反射到硅基板侧来对发电作出贡献。但是，在使用了非专利文献1所述的LFC法的太阳能电池的制造方法中，存在如下问题点：无法使用比铝的反射率还高、具有高的BSR效果的Ag、Au、Pt、Pd等电极材料。
另外，在硅晶系太阳能电池中，要求削减其制造成本的同时提高转换效率的技术，但是今后在基板厚度变薄、扩散长度变得比基板厚度还大的情况下，也必须抑制背面中的少数载流子的再结合。
本发明是鉴于上述而作出的，其目的在于得到一种在表面和背面的电极中得到期望的电阻值、并且在基板厚度与以往相比变薄的情况下也能够比以往提高转换效率的光电动势装置及其制造方法。
为了达成上述目的，本发明的光电动势装置的制造方法，其特征在于，包含：杂质扩散层形成工序，在第1导电型的硅基板的第1主表面侧形成扩散了第2导电型的杂质的杂质扩散层；防反射膜形成工序，在所述杂质扩散层上形成防反射膜；背面钝化膜形成工序，在所述硅基板的第2主表面上形成由SiONH膜构成的背面钝化膜；表面电极形状形成工序，在所述防反射膜上以表面电极形状形成包含银的膏材料；表面电极形成工序，焙烧所述硅基板来形成与所述杂质扩散层接触的表面电极；背面电极形状形成工序，在所述硅基板的第2主表面侧形成包含金属的膏材料作为背面电极；以及背面电极形成工序，向所述背面电极的形成位置照射激光来使所述膏材料中的金属熔融、凝固而形成背面电极。
根据本发明，以不同的工序来进行表面电极的焙烧和背面电极的形成来使各自的条件最优化，因此表面电极和背面电极都能够得到电阻低的电极。另外，将背面电极通过激光进行熔融来与硅形成合金，因此与以往相比背面电极的剥落变难，具有对光电动势装置的长寿命化作出贡献这样的效果。进而，即使硅基板的厚度变薄，在表面以及背面形成了SiONH膜，因此也能够将再结合速度抑制得低。另外，在形成了背面电极的硅基板的背面形成反射率比铝高的金属膜，因此得到背面BSR效应，具有提高发电效率这样的效果。
附图说明
图1-1是示意性地表示本发明的实施方式1的太阳能电池的整体结构的一个例子的俯视图。
图1-2是示意性地表示本发明的实施方式1的太阳能电池的整体结构的一个例子的仰视图。
图1-3是图1-2的A-A剖面图。
图2是将太阳能电池的栅电极周边的一部分放大表示的剖面图。
图3-1是示意性地表示本发明的实施方式1的太阳能电池的制造方法的一个例子的一部分剖面图(其1)。
图3-2是示意性地表示本发明的实施方式1的太阳能电池的制造方法的一个例子的一部分剖面图(其2)。
图3-3是示意性地表示本发明的实施方式1的太阳能电池的制造方法的一个例子的一部分剖面图(其3)。
图3-4是示意性地表示本发明的实施方式1的太阳能电池的制造方法的一个例子的一部分剖面图(其4)。
图3-5是示意性地表示本发明的实施方式1的太阳能电池的制造方法的一个例子的一部分剖面图(其5)。
图3-6是示意性地表示本发明的实施方式1的太阳能电池的制造方法的一个例子的一部分剖面图(其6)。
图3-7是示意性地表示本发明的实施方式1的太阳能电池的制造方法的一个例子的一部分剖面图(其7)。
图3-8是示意性地表示本发明的实施方式1的太阳能电池的制造方法的一个例子的一部分剖面图(其8)。
图4是示意性地表示实施方式2的太阳能电池的一个例子的一部分剖面图。
附图标记说明
10：太阳能电池；11：光电转换层；12：p型硅基板；13：n型扩散层；14：防反射膜；15：背面钝化膜；16：背面反射金属膜；20：表面电极；21：栅电极；22：总线电极；30：背面电极；31：背面集电电极；32：背面取出电极；35：开口部。
具体实施方式
下面参照附图来详细地说明本发明的光电动势装置及其制造方法的优选实施方式。此外，在下面的实施方式中，作为光电动势装置举太阳能电池为例子来进行说明，但是该发明并不是被这些实施方式所限定。另外，下面的实施方式中使用的太阳能电池的剖面图是示意性的，层的厚度与宽度的关系、各层的厚度的比率等与实际不同。
实施方式1.
图1-1～图1-3是示意性地表示本发明的实施方式1的太阳能电池的整体结构的一个例子的图，图1-1是太阳能电池的俯视图，图1-2是太阳能电池的后视图，图1-3是图1-2的A-A剖面图。另外，图2是将图1-1～图1-3所示的太阳能电池的栅电极周边的一部分放大表示的剖面图。
如图1-1～图2所示，太阳能电池10具备光电转换层11，该光电转换层11包括：作为半导体基板的p型硅基板(下面，还简单称作硅基板)12、以及形成在该p型硅基板12的一个主表面(受光面)侧的表面的扩散了P等n型杂质的n型扩散层13。
在光电转换层11的受光面侧设置有：防反射膜14，防止向光电转换层11的受光面入射的入射光的反射并且补偿硅基板12的受光面侧的缺陷，并由SiONH膜构成；梳齿状的栅电极21，为了对在光电转换层11发出的电局部地进行集电而在受光面以规定的间距平行地设置多个，并由银等构成；以及总线电极22，为了将由栅电极21进行集电的电取出到外部而与栅电极21大致正交地设置，并由银等构成。这里，栅电极21和总线电极22贯通防反射膜14而与n型扩散层13接触。此外，在光电转换层11的受光面侧，也可以形成将入射到光电转换层11的光封闭在光电转换层11内的纹理结构。另外，下面将栅电极21和总线电极22合起来称为表面电极20。
在光电转换层11的背面侧具有：背面钝化膜15，补偿硅基板12的背面侧的缺陷并抑制背面再结合，由SiONH膜构成；梳齿状的背面集电电极31，为了对在光电转换层11发出的电进行集电而在背面以规定的间距平行地设置多个；以及背面取出电极32，为了将在该背面集电电极31产生的电取出到外部而与背面集电电极31大致正交地设置。这里，背面集电电极31和背面取出电极32贯通背面钝化膜15而与硅基板12接触。另外，背面集电电极31和背面取出电极32是由Al-Si熔融凝固层构成，该Al-Si熔融凝固层是由Al和Si熔融并凝固的合金形成，但是在与硅基板12的界面附近，具有向硅基板12导入了作为p型杂质的Al的BSF层。进而，在形成了背面钝化膜15、背面集电电极31以及背面取出电极32的光电转换层11上的整面中，形成有背面反射金属膜16，该背面反射金属膜16包含使透射光电转换层11而来的太阳光中的800～1200nm附近的红外线再次反射到光电转换层11侧的Ag、Au、Pt、Pd、Ti、Cu、Sn等对于上述波长范围的光的反射率比Al还高的金属中的至少1种。此外，下面将背面集电电极31和背面取出电极32合起来称为背面电极30。
在这样构成的太阳能电池10中，当太阳光从太阳能电池10的受光面侧照射到pn结面(p型硅基板12与n型扩散层13的接合面)时，产生空穴和电子。通过pn结面附近的电场，产生的电子朝向n型扩散层13进行移动，空穴朝向硅基板12的背面侧进行移动。由此，在n型扩散层13中成为电子过剩、在硅基板12的背面侧成为空穴过剩的结果，产生光电动势。该光电动势在将pn结向顺方向偏置的朝向上产生，与n型扩散层13连接的表面电极20成为负极，与硅基板12的背面连接的背面电极30成为正极，电流流向未图示的外部电路。
另外，入射到太阳能电池10且并不对光电转换作出贡献而透射到硅基板12的背面侧的光、主要是波长大于等于800nm的红外线在背面电极30和背面反射金属膜16中高效地反射到光电转换层11侧。由此，能够提高由光电转换层11进行光电转换的反射光的比例。
接着，说明这种结构的太阳能电池10的制造方法。图3-1～图3-8是示意性地表示本发明的实施方式1的太阳能电池的制造方法的一个例子的局部剖面图。此外，在此使用与图2相对应的剖面图来说明太阳能电池10的制造方法。
首先，例如准备比160～200μm薄的单晶体或者多晶体的p型硅基板12(图3-1)。作为单晶体硅基板或者多晶体硅基板，大多使用从通过牵引法或者铸造法制造的结晶块中直接进行切割的基板。在这种情况下，为了消除由于用于切割的钢丝锯等的损伤造成的基板表面的损坏、晶片切割工序中的污染，使用氢氧化钾水溶液、氢氧化钠水溶液等碱性水溶液、或者氟酸与硝酸的混合液等，来蚀刻基板表面大约10～20μm左右。另外，为了消除附着在基板表面的铁等重金属类，也可以附加用盐酸与过氧化氢的混合液来洗净的工序。进而，也可以使用氢氧化钾水溶液、氢氧化钠水溶液等碱性水溶液等来形成作为防反射结构的纹理结构(微细的凹凸结构)。
接着，为了在p型硅基板12形成pn结而将n型扩散层13只形成在硅基板12的受光面侧(图3-2)。例如，作为n型杂质的P(磷)的扩散源而使用三氯氧磷(POCl3)，并在800℃下进行10分钟的热处理，从而P扩散在p型硅基板12的表面，形成翻转了导电类型的n型扩散层13。之后，通过蚀刻等方法来消除形成在硅基板12的受光面侧以外的面的n型扩散层13。
接着，通过CVD法以硅烷、氨为主原料气体来在n型扩散层13上形成由SiONH膜形成的防反射膜14。由于通过该SiONH膜来降低对于太阳能电池10的入射光的表面反射率，因此能够大幅度地增加基于光电转换产生的电流。形成的防反射膜14是例如折射率为2.1，厚度为75nm。另外，在硅基板12的背面也通过CVD法以硅烷、氨为主原料来形成由SiONH膜形成的背面钝化膜15(图3-3)。
之后，通过网板印刷法在防反射膜14上将成为表面电极20的以Ag(银)为主成分的表面用银膏涂布为栅电极21和总线电极22的形状并进行干燥，并在对表面电极20最优的焙烧条件下进行焙烧，形成表面电极20(图3-4)。此时，由玻璃成分以及银熔块构成的表面用银膏在焙烧过程中熔融、贯通(焙烧贯通)作为防反射膜14的SiONH膜，成为能够实现与n型扩散层13的电接触的表面电极20。另外，通过该焙烧，构成光电转换层11的表面的防反射膜14和背面的背面钝化膜15的SiONH膜中的H(氢)向硅基板12中进行扩散，补偿硅基板12内的缺陷。由此，太阳能电池10的动作过程中的硅基板12的表面与背面附近处的再结合被抑制。
接着，向背面钝化膜15的规定的位置照射激光L1，使背面钝化膜15蒸发来形成开口部35(图3-5)。例如图1-2所示，该开口部35被图案形成为背面集电电极31和背面取出电极32的形状。另外，这里，当将激光L1的波长设为355nm、能量设为3mJ/cm2时，能够以硅基板12低损伤的状态只使背面钝化膜15(SiONH膜)蒸发。
接着，在形成了开口部35的背面钝化膜15上的所需部位，例如通过网板印刷法来印刷包含Al(铝)的背面用铝膏并进行干燥。之后，与形成了开口部35时同样地，与形成了开口部35的位置相对应而照射激光L2(图3-6)。通过该激光L2的照射，使开口部35内的Al熔融、凝固，在与基底的硅基板12之间形成由Al-Si熔融凝固层构成的背面电极30。在Al-Si熔融凝固层中的离硅基板12近的部分的凝固的部位，Al-Si一部分成为BSF层。然后，不需要的背面用铝膏是通过丙酮等有机溶剂、水洗来消除(图3-7)。
在图3-7的状态中，由于硅基板12薄，所以从表面入射的太阳光的一部分不会被吸收而向背面侧透射。透射到背面侧的光主要是波长大于等于800nm的红外线，但是如图3-7那样，仅仅通过局部地覆盖硅基板12的背面的Al-Si熔融凝固层(背面电极30)是无法使到达背面侧的光有效地反射到光电转换层11侧。因此，为了提高背面反射效应(BSR)，在形成了背面电极30的背面钝化膜15上，使用Ag、Au(金)、Pt(白金)、Pd(钯)、Ti(钛)、Cu(铜)、Sn(锡)等具有比Al还高的反射率的金属中的1种以上的金属，以蒸镀法、溅射法等来形成背面反射金属膜16(图3-8)。通过以上，制造出具有图1-1～图2所示的结构的太阳能电池10。
此外，在上述的说明中，在图3-6中在向背面钝化膜15照射激光L1来设置了开口部35之后，将背面用铝膏印刷到背面的规定部位，之后再次将激光L2照射到开口部35，但是也可以在背面钝化膜15上以规定的形状印刷背面用铝膏，之后向规定的位置照射激光，在进行照射的位置中形成由Al与Si的合金构成的背面电极30。但是，上述的图3-6的方法、即在背面钝化膜15设置开口部35之后将背面用铝膏涂布到该开口部35并照射激光L2的情况下，能够控制利用激光进行熔融的Al与背面钝化膜15(SiONH膜)之间的反应，并且背面电极30的尺寸被大致规定为形成在背面钝化膜15的开口部35的大小，因此能够形成尺寸稳定的背面电极30。
如以上那样形成的太阳能电池10，如果与如以往那样在光电转换层11的表面印刷表面用银膏、在背面的大致整面印刷背面用铝膏、在背面的其它地方印刷了背面用银膏之后通过同时焙烧表面电极20和背面电极30来形成的太阳能电池进行比较，则单元转换效率提高2％。
根据该实施方式1，用SiONH膜来形成表面的防反射膜14、和背面的背面钝化膜15，作为背面电极30形成Al-Si熔融凝固层，进而将背面整体用从由对800～1200nm附近的波长的红外线具有高反射率的Ag、Au、Pt、Pd、Ti、Cu、Sn构成的群中选择的至少1种金属进行覆盖，因此抑制了硅基板12的背面附近处的再结合，能够有效地将透射了光电转换层11的光再次反射到光电转换层11侧。其结果，具有如下效果：即使硅基板12(光电转换层11)的厚度与以往相比变薄、特别是硅基板12(光电转换层11)的厚度小于等于160～200μm的情况下，也能够在光电转换层11中高效地进行发电。
另外，将表面电极20的焙烧工序和背面电极30的形成工序设为不同的工序，因此具有如下效果：在各自的工序中电极的形成条件被最优化，能够得到适合于太阳能电池10的低电阻的电极。进而，得到适合于制造的太阳能电池10的电阻的电极，因此抑制电阻值变高造成的损耗，能够高效地得到发出的电。
另外，在该实施方式1中，背面电极30的焙烧不是在硅基板12整体上进行而只是在照射了激光L2的区域中进行，因此与如以往例那样通过对形成在半导体基板的背面的大致整面的铝膏、和形成在没有形成铝电极的位置的银膏进行焙烧来形成背面电极的情况相比，能够防止冷却时形成的电极变得容易剥落。其结果，与用以往的制造方法来形成的太阳能电池相比，还具有长寿命的效果。
实施方式2.
图4是示意性地表示实施方式2的太阳能电池的一个例子的一部分剖面图。如该图中所示，在该实施方式2的太阳能电池10中，与实施方式1相同地，背面电极30由形成为栅状的背面集电电极31以及以连接背面集电电极31之间的方式形成的背面取出电极32构成，但是与实施方式1不同，具有没有设置背面反射金属膜16的结构。另外，如该图中所示，背面集电电极31的形成位置形成为位于邻接的栅电极21与栅电极21之间的区域R以使得不与形成在表面的栅电极21的形成位置相重叠。
例如，在100～200mm□的尺寸的太阳能电池10中，通常形成在受光面侧的栅电极21的宽度为100μm、间距为1.5～3μm。因此，在该实施方式2的背面集电电极31中，在将栅电极21投影到硅基板12的背面侧的情况下，优选以宽度为0.5～1.5mm且与栅电极21相同的间距进行设计以使得填补其间隙。
这样，通过将背面集电电极31的形成位置与受光面的栅电极21的形成位置错开而进行配置，从而不进行光电转换而透射到光电转换层11的背面的光被存在于受光面侧的栅电极21的形成位置之间的背面集电电极31反射到光电转换层11侧。
根据该实施方式2，从受光面侧的梳齿状的栅电极21的形成位置错开而配置了背面的梳齿状的背面集电电极31，因此即使不形成背面反射金属膜16，也通过存在于受光面侧的栅电极21的形成位置之间的背面集电电极31来反射到光电转换层11侧，因此具有在光电转换层11中能够高效地进行发电这样的效果。
另外，由于不形成由从由Ag、Au、Pt、Pd、Ti、Cu、Sn构成的群中选择的至少1种金属构成的背面反射金属膜16，因此与实施方式1相比能够简化制造工序，另外不使用上述的金属，因此还具有能够降低制造成本这样的效果。
如以上那样，本发明的光电动势装置对硅基板形成为比以往更薄的太阳能电池有用。

Claims (5)

1.一种光电动势装置的制造方法，其特征在于，包含：
杂质扩散层形成工序，在第1导电型的硅基板的第1主表面侧形成扩散了第2导电型的杂质的杂质扩散层；
防反射膜形成工序，在所述杂质扩散层上形成防反射膜；
背面钝化膜形成工序，在所述硅基板的第2主表面上形成由SiONH膜构成的背面钝化膜；
表面电极形状形成工序，在所述防反射膜上以表面电极形状形成包含银的膏材料；
表面电极形成工序，焙烧所述硅基板来形成与所述杂质扩散层接触的表面电极；
背面电极形状形成工序，在所述硅基板的第2主表面侧形成包含金属的膏材料作为背面电极；以及
背面电极形成工序，向所述背面电极的形成位置照射激光来使所述膏材料中的金属熔融、凝固而形成背面电极，
所述背面电极形状形成工序包含：
对所述背面钝化膜的规定位置照射激光，使所述规定位置的所述背面钝化膜蒸发，从而设置作为所述背面钝化膜被去除的部分的背面电极形状的开口部的工序；以及
在所述开口部形成所述包含金属的膏材料的工序，
所述背面电极形成工序包含：
向所述开口部的形成位置照射激光来使所述膏材料中的金属熔融、凝固而在所述开口部形成由Si-Al合金构成的所述背面电极的工序。
2.根据权利要求1所述的光电动势装置的制造方法，其特征在于，
在所述背面电极形成工序之后还包含背面反射金属膜形成工序，该背面反射金属膜形成工序在形成了所述背面电极的所述背面钝化膜上形成背面反射金属膜，该背面反射金属膜由对于800～1200nm的波长范围的红外线的反射率比铝高的金属构成。
3.根据权利要求2所述的光电动势装置的制造方法，其特征在于，
所述背面反射金属膜是通过从由Ag、Au、Pt、Pd、Ti、Cu、Sn构成的群中选择的至少1种金属形成。
4.根据权利要求1所述的光电动势装置的制造方法，其特征在于，
在所述表面电极形状形成工序中，将表面电极图案形成在所述杂质扩散层上，所述表面电极图案具有沿第1方向延伸且平行地配置多个的栅电极图案、以及沿第2方向延伸且连接所述栅电极图案之间的总线电极图案，
在所述背面电极形状形成工序中，将背面电极图案形成在所述硅基板的第2主表面上，所述背面电极图案具有沿所述第1方向延伸且平行地配置多个的背面集电电极图案、以及沿所述第2方向延伸且连接所述背面集电电极图案之间的背面取出电极图案，并且在将所述栅电极图案的形成位置投影到所述第2主表面上时，所述背面集电电极图案形成在所述栅电极图案的形成位置之间。
5.根据权利要求1所述的光电动势装置的制造方法，其特征在于，
在所述背面电极形状形成工序中使用的所述膏材料是以铝为主成分的膏材料。
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