CN102934206B - 太阳能电池的制造装置及太阳能电池的制造方法 - Google Patents

太阳能电池的制造装置及太阳能电池的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种批量生产性良好且成本低的太阳能电池的制造装置及太阳能电池的制造方法。具有装料闸室（2），其通过切换大气气氛和真空气氛取放基板（S）；处理室（4），其在真空气氛中对太阳能电池用的基板（S）导入pn结形成用的杂质离子；以及搬运室（1），其内置有在装料闸室（2）和处理室（4）之间搬运基板的搬运装置（6）。杂质离子的导入通过照射离子枪（5）发出的杂质离子来进行，离子枪（5）设置为作为其离子照射面的栅板（52）与搬运至处理室（4）的基板（S）相对设置。

Description

太阳能电池的制造装置及太阳能电池的制造方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池的制造装置及太阳能电池的制造方法。
背景技术
以往，有产品通过向单晶硅基板或多晶硅基板中导入磷或砷等杂质，形成pn结制成太阳能电池。通常已知的是在这种太阳能电池中，一旦以pn结形成的电子及电子空穴再结合，则转换效率（发电效率）降低。由此提出一种选择性发射极结构的方案，在导入杂质时，提高导入与表面电极接触部分的杂质的浓度并将无该电极的部分上的发射极层局部设置为高电阻。
以往，在这种选择性发射极结构中的杂质导入是通过涂布扩散法（喷雾法）来进行的（例如，参考专利文献1）。在该涂布扩散法中，首先制备将n型杂质溶于有机溶剂的涂布液，使用旋转涂布机等将该涂布液涂在p型基板表面。而且，为使涂布液中的n型杂质热扩散到基板内而进行退火处理。由此，在退火处理后的基板表面上形成高浓度的n+层，在比该n+层更深的位置上形成低浓度n层。接着，用掩膜覆盖基板表面的表面电极形成区域，通过刻蚀除去未用该掩膜覆盖的n+层而暴露出n层，除去掩膜。
此处，在上述涂布扩散法中，导入基板内的杂质浓度分布或距基板表面的深度由涂布液的浓度和退火处理时间来控制。其中，在以退火处理使杂质热扩散时处理时间（一般为925℃的退火温度下30分钟）变长，并且，在待处理基板彼此之间，难以用高精度来控制杂质距基板表面的深度。
再有，通过旋转涂布等方法涂布涂布液时，需要提高涂布液的润湿性。因此，在涂布液涂布之前，需要预先进行除去基板表面的自然氧化膜的工序，处理工序增加。并且，由于在涂布涂布液时一部分涂布液包覆到基板侧面，需要进行切割基板周边部的切边工序。结果，在用涂布扩散法导入杂质时，存在处理工序多，处理时间长，影响对太阳能电池制造的批量生产性的问题。
另一方面，也有方案提出将半导体器件制造中使用的离子注入装置，用于选择性发射极结构中的杂质导入（例如，参考专利文献2）。其中，上述离子注入装置通常用离子源产生多种离子，通过质量分离器从该多种离子中分离出需要的离子，通过加速器加速，控制到规定的注入能量，将离子束照射在基板上。为此，部件数很多因而价格提高。此外，由于使离子束在X、Y方向上对基板表面进行扫描注入规定的离子，因而其处理时间变长，在提高产量和批量生产率上受到限制。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:专利公开平成7－131043号公报
专利文献2:美国专利第4,353,160号说明书
发明内容
发明要解决的问题
鉴于以上内容，本发明的技术问题是提供一种有利于批量生产率提高且成本更低的太阳能电池的制造装置及太阳能电池的制造方法。
解决技术问题的手段
为解决上述技术问题，本发明的太阳能电池制造装置，其特征在于：具有装料闸室，其设置为通过切换大气气氛和真空气氛取放基板；处理室，其在真空气氛中对太阳能电池用的基板，导入pn结形成用的杂质离子；以及搬运室，其内置有在装料闸室和处理室之间搬运基板的搬运装置，所述杂质离子导入通过照射离子枪发出的杂质离子来进行，离子枪设置为其离子照射面与搬运至处理室内的基板相对设置。
根据本发明，将基板搬运到与离子枪的离子照射面相对的位置，通过离子枪对基板照射杂质离子，以此来将杂质导入基板内。此时，由于采用从大致正交于基板的方向照射杂质离子的结构，能够通过沟道效应将杂质离子导入到距基板表面任意深度的位置。为此，相比使用涂布扩散法的情况工序数减少，此外，不需要使导入基板内的杂质热扩散的退火处理，能够提高批量生产性。再有，导入杂质离子时不再需要质量分离器或加速器等，能够降低成本。
在本发明中，设从离子照射面朝向基板的一侧为下，优选离子枪具有：等离子体产生室，其能够产生含有杂质离子的等离子体；以及栅板，其设置在该等离子体产生室的下端部，构成离子照射面，该栅板上形成多个通孔，形成该通孔的区域大于基板面积，将该栅板保持为规定电压，等离子体产生室内产生的等离子体中的杂质离子通过各通孔被引出到下方。
由此，仅通过控制施加在栅板上的电压，能够以高精度控制基板内的杂质的深度及浓度。此外，由于将形成栅板的通孔的区域设置为大于基板面积，且在整个基板上同样照射杂质离子，所以相比对基板表面扫描离子束的装置能够缩短处理时间，并且能够进一步降低成本。
再有，在本发明中，优选还具有：掩膜，其位于离子照射面和基板之间局部屏蔽基板；以及运送装置，其在离子照射面和基板之间的屏蔽位置上进退自如地运送该掩膜。由此，仅通过使掩膜适当进退，就可对基板局部导入杂质离子，特别有利于在选择性发射极结构中导入杂质。此时，不需要在基板表面形成掩膜、和除去该掩膜等工序，能够进一步提高批量生产性。
上述搬运装置，是在平行于离子照射面的一个平面上自由旋转，可在周方向以规定间隔保持多张基板的基板用旋转工作台，所述运送装置，在基板用旋转工作台上以该基板用旋转工作台的旋转中心为中心自由旋转，设置为在周方向上以规定间隔保持多块掩膜的掩膜用旋转工作台。由此，能实现相对基板进出掩膜的结构。
进而为解决上述技术问题，本发明的太阳能电池制造方法，其特征在于包括：离子照射处理工序，从与该基板相对设置的离子枪的离子照射面，对太阳能电池用的基板照射选自P、As、Sb、Bi、B、Al、Ga及In中的杂质离子；缺陷修复工序，通过退火处理来修复因离子照射处理工序而在基板内产生的缺陷；杂质扩散工序，通过该退火处理使杂质扩散。此处，在本发明中，所述基板包括在照射杂质离子的面上具有纹理结构的基板。
根据本发明，由于可通过沟道效应将杂质离子从基板表面导入到任意深度位置，所以能以较低的能量进行注入。由此缺陷修复（即再结晶）用的退火处理所需时间短，进而前述现有例子中的用于使杂质扩散的退火处理变短，可提高太阳能电池的批量生产性。
附图说明
图1是说明本发明实施方式的太阳能电池制造装置的结构的剖面示意图。
图2是沿图1的II－II线的剖视图。
图3（a）~（c）是说明采用本发明的太阳能电池制造方法的选择性发射极结构的太阳能电池的制造流程图。
图4（a）~（c）是说明改变对栅板的施加电压并导入杂质后的浓度分布及深度的图。
具体实施方式
下面，参考附图，用单晶或多晶硅基板作为基板S，以向该基板S导入磷或硼制造选择性发射极结构的太阳能电池的情况为例，说明本发明实施方式的太阳能电池制造装置及太阳能电池制造方法。下面的文字说明以离子枪的离子照射面朝向基板的一侧为下（图2中的下方向）进行说明。
参考图1及图2，M是本发明实施方式的太阳能电池制造装置。太阳能电池制造装置M具有：中央的搬运室1，其大致为长方体形状；装料闸室2及退火室3，其通过闸阀V设置在搬运室1的周围。在搬运室1上，连接有与未图示的与真空泵相通的排气管11，可抽真空至规定的真空压力并保持。与搬运室1内的装料闸室2相对的位置上，设置有分隔出处理室4的隔板41。隔板41的下端，延伸至后文说明的掩膜用旋转工作台表面附近。而且，在搬运室1的上面，面对该处理室4设置有离子枪5。
离子枪5，由有底筒状的离子枪本体51和安装在该离子枪本体51的下端开口处作为离子照射面的栅板52构成，由离子枪本体51及栅板52所围绕出的内部空间构成等离子体产生室50。在隔板41分隔出的区域内形成于搬运室上面12上的开口12a上，从其上方插设离子枪本体51，通过形成于底板51a的凸缘51b与开口12a的周边部啮合而吊设离子枪本体51。在离子枪本体51的底板51a上，设置在等离子体产生室50内形成磁力线的永久磁石53，在永久磁石53上设置有高频天线54。而且，高频天线54通过匹配箱55与高频电源56连接。
离子枪本体51，与导入含磷气体的气体导入管57连接，该气体导入管57的另一端通过质量流量控制器，与储存有含磷气体的气体源连通。含磷气体例如有PH3、PF3、PF5、PCl3、PCl5、POCl3等。另外，要导入基板的杂质根据基板适当选择，除含磷气体外，使用含As气体（AsH3、AsF3、AsF5、AsCl3、AsCl5等)、含元素周期表V族的Sb或Bi气体、含B气体(B2H6、BF3、BCl3、BBr3等)，或含元素周期表III族的Al、Ga、In气体等。再有，气体的供给方法并不受上述限制，也可使含有磷等杂质的液体试样或固体试样气化，通过气体导入管57将该气化物质供给到等离子体产生室50。
另一方面，栅板52由C（碳）、Al（铝）、Si（硅）、CN（氮化碳）、SUS等具有导电性的材料板构成，其表面上形成有多个通孔52a。此时，根据导入的杂质适当选择通孔52a的直径、通孔的个数或通孔52a相互的间隔。而且，形成通孔52a的区域大小调整为比基板S面积还大；再有，栅板52与离子引出用的电源（未图示）连接，施加规定电位。由此，通过气体导入管57向等离子体产生室50内导入规定的气体向高频天线54施加规定的高频功率，以此在等离子体产生室50内用ISM（Inductive Super Magnetron)方式产生等离子体。而且，通过向栅板52施加规定的电位，通过栅板52的通孔52a将等离子体中的磷离子吸引到下方。
在搬运室1内，设置有在平行于栅板52的单一平面上自由旋转的基板用旋转工作台（搬运装置）6。在基板用旋转工作台6上，以周方向上90度间隔设置有基板保持装置61。基板保持装置61由具有正负电极的静电卡盘构成，以静电力吸附保持基板。在基板用旋转工作台6的下面中央处，连接有由未图示的伺服电机等驱动源驱动的中空的旋转轴62。而且，通过驱动源每隔90度间歇地旋转驱动旋转工作台6，以此在与装料闸室2相对的装/卸位置、后文说明的校准位置、照射离子枪5发出的离子的离子照射位置、与退火室相对的退火室搬运位置之间运送保持在基板保持装置61上的基板。
在基板用旋转工作台6上方设置有掩膜用旋转工作台7（运送装置）。在旋转工作台7上，以周方向上90度间隔形成圆形开口71。圆形开口71尺寸调整为大于基板S的面积，轮廓与该圆形开口71的轮廓一致的掩膜8可落下配套在各圆形开口71上。在掩膜用旋转工作台7的下面中央处，由未图示的伺服电机等驱动源驱动的旋转轴72与旋转轴62同心连接。而且，与上述基板用旋转工作台6相同，通过驱动源以基板用旋转工作台6的旋转中心为中心间歇地驱动掩膜用旋转工作台7，以此来在装载/卸载位置、校准位置、离子照射位置、退火室搬运位置之间运送配套在圆形开口71上的掩膜8。
此处，对于掩膜8，使用的是在硅材质的板81上，通过溅镀等以规定膜厚形成氧化铝等的屏蔽膜82，接着，在该屏蔽膜82上，根据选择性发射极的结构，通过刻蚀等以规定间隔设置线状开口83，并且在板81上设置通过该开口83的通孔84。而且，该掩膜8仅配套在旋转工作台7的4个开口71中彼此相对的2处，可选择离子照射位置处有、无掩膜的状态中的任意一种。由此，掩膜8在位于栅板52和基板S之间将基板S局部屏蔽的屏蔽位置上自由进退。
在搬运室1内，安装有穿过掩膜8的开口83拍摄基板S的CCD摄像头等摄像装置9，根据摄像装置9基板及掩膜用的两工作台6、7停止的位置为校准位置。在该校准位置上，通过摄像装置9基板穿过掩膜8的开口83拍摄基板S，对该拍摄到的图像进行数据处理算出掩膜8相对基板S的位置的校正量。而且，例如，使掩膜用旋转工作台7在周方向旋转以基板S来校准掩膜8。另外，掩膜8的校准方法不受上述内容限制，可用公知的基板校准方法。
再有，装料闸室2上连接有与未图示的真空泵相通的排气管，可抽真空至规定真空压力并保持。再有，在装料闸室2内，设置有可临时设置的台架21。而且，在大气压下将基板S搬运至装料闸室2，将该装料闸室2抽真空后，通过设置在在装料闸室2和旋转工作台6之间的搬运机械臂R1，在台架21和旋转工作台6之间进行基板S的交接。此时，作为搬运机械臂R1，例如使用多关节式的、在其前端具有能以非接触式保持基板S的伯努利盘C的装置。
与装料闸室2一样，退火室3连接有与未图示的真空泵相通的排气管，可抽真空至规定真空压力并保持。再有，在退火室3内，设置有载置基板S的台架31和加热基板S的灯泡等加热装置。而且，通过设置在退火室3和旋转工作台6之间的搬运机械臂R2，进行基板S的交接，进行退火处理，修复因照射磷离子而在基板S上产生的缺陷（即再结晶）。搬运机械臂R2也与上述搬运机械臂R1一样，例如为多关节式装置，在其前端具有能以非接触式保持基板S的伯努利盘C。
下面参考图3，以使用上述实施方式的太阳能电池制造装置M来制造选择性发射极结构的太阳能电池的情况为例说明本实施方式的太阳能电池制造方法。
首先，在掩膜用旋转工作台7的彼此相对的开口71上配套2张掩膜8后，关闭闸阀V，将搬运室1抽真空。与此同时也将退火室3抽真空。此时，校准位置上设为无掩膜8的状态。接着，在向大气压下的装料闸室2中移入是p型单晶硅基板的3张基板S后，将装料闸室2内抽真空。
当各室1、2、3达到规定真空度后，通过搬运机械臂R1取出第一块基板S（下称“基板S1”。），运送到旋转工作台6上（装载/卸载位置），旋转驱动旋转工作台6将基板S1运送到校准位置。而且，通过摄像装置9拍摄基板S1，对该拍摄到的图像进行数据处理算出掩膜8相对基板S1位置的校正量。而且，使掩膜用旋转工作台7在周方向旋转校准掩膜8。另外，在该校准作业中，第二张基板S（下称“基板S2”。）通过搬运机械臂R1搬运到装/卸位置。
对基板S1的掩膜8的校准一结束，旋转工作台6、7就被同步旋转驱动相同的旋转角度，基板S1及掩膜8被搬运至离子照射位置。而且，对基板S1进行通过了掩膜8的磷离子的导入（离子照射处理）。此处，使用含磷PH3（磷化氢）作为导入等离子体产生室50内的气体时，离子照射的条件设定为气体流量是0.1～20sccm，施加给天线54的交流功率设定为具有13.56MHz频率的高频功率20～1000W，施加给栅板52的电压设定为30kV，照射时间设定为0.1～3.0sec。由此，如图3（a）所示，通过掩膜8的开口83及通孔84将磷离子导入基板S1的电极形成区域形成n+层101。
如上所述一在基板S1上形成n+层101，就只旋转掩膜用旋转工作台7将位于离子照射位置的基板S1和栅板52之间设为无掩膜的状态。而且，在基板S1的整个面上同样照射磷离子。此时，对栅板52的施加电压变为5kV～10kV，离子照射时间变为0.1～3.0sec。由此，如图3（b）所示，在基板S1的浅表形成n层102。
如上所述那样，在对基板S1的n层102形成过程中，对于运送到校准位置的基板S2，相对基板S2对掩膜8进行校准。而且，在对基板S1的n层102形成后，同步旋转驱动旋转工作台6、7，将基板S2及掩膜8运送到离子照射位置，与上述同样，进行离子照射。另一方面，到达退火位置的基板S1由搬运机械臂R2运送到退火室3内进行退火处理。此时，例如进行退火处理，基板温度设定为900℃，处理时间设定为2分钟。由此，修复因离子照射而在基板S1上产生的缺陷（即再结晶）。另外，上述处理中，第三张基板S（下称“基板S3”。）通过搬运机械臂R1搬运到装/卸位置。
对第一及第二的各基板S1、S2的离子照射处理及退火处理一结束，就旋转驱动基板用旋转工作台6，最初的基板S1一到达装/卸位置，就通过搬运机械臂R1使基板S1返回装料闸室2。而且，在装料闸室2为大气气氛后，取出已处理的基板S1，并且送入处理前的其他基板。之后，重复上述过程，处理基板S。再有，在从装料闸室2取出的基板S1上，使用公知的丝网印刷法分别形成由Ag构成的表面电极103、位于该基板S1的背面由Al构成的背面电极104，以此得到图3（c）所示的选择性发射极结构的太阳能电池。
接着，进行试验，确认在上述太阳能电池制造装置M中，改变给栅板52的施加电压时杂质离子的浓度分布及深度的变化。
待处理基板S设为n型结晶硅基板，设导入该基板S内的杂质离子为硼离子。而且，给栅板52的施加电压设为30kV、20kV、10kV，硼离子的能量（keV）及掺杂剂量（atoms／cm2）设为30keV、2.0×1016（发明1），20keV、1.8×1015(发明2)、10keV、1.2×1015(发明3)。图4（a）~（c）是以发明1~发明3的条件照射硼离子后的SIMS分析結果。由此可知，一改变栅板52的施加电压，就能控制基板内的硼离子的浓度分布及深度。再有，通过片电阻值变为26.9Ω（发明1）、薄片60.2Ω（发明2）、104.1Ω（发明3）可知，也可通过栅板52的施加电压控制片电阻值。
如上说明的那样，采用上述实施方式，由于设置为从相对基板S大致正交的方向照射磷离子，所以可通过沟道效应从基板表面将磷离子导入到任意深度位置。为此，与上述现有的涂布扩散法相比可减少制造工序，此外，使导入基板S内的磷热扩散的退火处理时间缩短，能够提高批量生产性。再有，在导入磷离子时，无需质量分离器或加速器等，可降低成本。
再有，在导入磷离子时，仅控制施加给栅板52的电压，就可高精度地控制板S内的磷的深度及浓度，并且，由于栅板52上形成有通孔52a的区域大于基板面积并在基板整个面上同样照射磷离子，所以与对基板表面扫描离子束的装置相比可缩短处理时间，并且，可进一步降低成本。进而，仅旋转掩膜用旋转工作台7就可对基板S局部导入磷离子，尤其有利于选择性发射极结构中磷的导入。而且，无需在基板表面形成掩膜，或除去该掩膜等工序，可进一步提高批量生产性。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限于此。在上述实施方式中，以具有选择性发射极结构的太阳能电池的制造为例进行了说明，但并不限于此，也能广泛适用于给形成背面触点的n层、p层的注入等太阳能电池制造工序中导入杂质。
再有，在上述实施方式中，以在中央的搬运室1周围设置装料闸室2等，间歇地驱动旋转工作台6的情况为例进行了说明，但本发明并不限于此，也可设为在同一条线上搬运基板S，在该搬运路径中设置进行杂质导入的处理室或退火室。再有，此处对在搬运室1内设置处理室4的例子进行了说明，但可将处理室4与搬运室1分别构建。再有，在等离子体产生室50内产生等离子体的方式并不限于ISM方式，也可用ICP方式或灯丝电弧方式。再有，以旋转工作台6、7停止在离子照射位置上，在该状态下进行杂质导入的情况为例进行了说明，但为了进一步提高批量生产性，也可在使旋转工作台6、7以固定速度旋转的同时进行离子照射。
进而，在上述实施方式中，以使用旋转工作台6、7运送基板S及掩膜8为例进行了说明，但并不限于此。例如，也可设为在旋转轴的前端连接掩膜板，旋转该旋转轴并相对基板使掩膜进退的结构。
在上述实施方式中，以向结晶硅基板内导入磷离子的情况为例进行了说明，但向GaAs基板、CdS基板、CdTe基板、CuInSe2基板等化合物半导体基板及有机半导体基板内导入杂质离子的情况也可适用本发明。
在上述实施方式中，以在同一太阳能电池制造装置内进行离子照射处理和退火处理为例进行了说明，但也可设置为以不同的制造装置进行离子照射处理和退火处理。但是，通过在同一制造装置内连续进行两项处理，可获得高批量生产性。再有，在制造选择性发射极结构时，以在两次离子照射后进行退火处理的情况为例进行了说明，但也可在各离子照射进行退火处理。
附图标记说明
1.搬运室、2.装料闸室、4.处理室、5.离子枪、6.基板用旋转工作台、7.掩膜用旋转工作台、8.掩膜、50.等离子体产生室、52.栅板。

Claims (3)

1.一种太阳能电池制造装置，其特征在于，具有：
装料闸室，其通过切换大气气氛和真空气氛取放基板；
处理室，其在真空气氛中对该基板导入pn结形成用的杂质离子；以及
搬运室，其内置有在装料闸室和处理室之间搬运基板的搬运装置；
所述杂质离子的导入通过用离子枪发出的杂质离子照射来进行，离子枪设置为其离子照射面与搬运至处理室的基板相对设置；
还具有：
掩膜，其位于所述离子照射面和基板之间局部屏蔽基板；以及
运送装置，其在离子照射面和基板之间的屏蔽位置上进退自如地运送该掩膜；
所述搬运装置是一个基板用旋转工作台，其在平行于离子照射面的单一平面上自由旋转，在周方向以规定间隔保持多张基板；
所述运送装置是一个掩膜用旋转工作台，其在所述基板用旋转工作台上以该基板用旋转工作台的旋转中心为中心自由旋转，在周方向上以规定间隔保持多块掩膜；
所述处理室设置在所述搬运室内。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池制造装置，其特征在于：
以所述离子照射面朝向基板的一侧为下，该离子枪具有：
等离子体产生室，其能够产生含有杂质离子的等离子体；以及
栅板，其设置在该等离子体产生室的下端部，构成离子照射面；
该栅板上形成多个通孔，形成该通孔的区域大于所述基板面积，将该栅板保持为规定的电压，等离子体产生室内产生的等离子体中的杂质离子通过各通孔被引出到下方。
3.一种太阳能电池的制造方法，其特征在于，包括：
离子照射处理工序，从与具有纹理结构基板相对设置的离子枪的离子照射面对该基板照射选自P、As、Sb、Bi、B、Al、Ga及In中的杂质离子；
缺陷修复工序，通过退火处理来修复因离子照射处理工序而在基板内产生的缺陷；
杂质扩散工序，通过该退火处理使杂质扩散；
所述离子照射处理工序是：通过在平行于离子照射面的单一平面上自由旋转的基板用旋转工作台，在周方向以规定间隔保持多张基板，运送掩膜，其在离子照射面和基板之间局部屏蔽基板，使用该掩膜在基板之间的规定位置照射离子的工序；
运送所述掩膜的运送装置是掩膜用旋转工作台，其在基板用旋转工作台上以该基板用旋转工作台的旋转中心为中心自由旋转，在周方向上以规定间隔保持多块掩膜。
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