CN108140686B - 太阳能电池单元的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种太阳能电池单元的制造方法，其包括：在半导体基板(10)上形成导电性薄膜层(20)的第1工序；在导电性薄膜层(20)上形成绝缘膜(22)的第2工序；通过将绝缘膜(22)的一部分除去而形成导电性薄膜层露出部的第3工序；在导电性薄膜层露出部形成电镀覆膜(24)的第4工序；以及将不与电镀覆膜(24)重叠的区域的绝缘膜(22)和导电性薄膜层(20)除去的第5工序；其中，在第4工序中形成的电镀覆膜(24)以覆盖绝缘膜(22)的方式形成。

Description

太阳能电池单元的制造方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池单元的制造方法，尤其涉及背面粘接型太阳能电池单元的制造方法。
背景技术
作为发电效率较高的太阳能电池，有在位于光所入射的受光面的相反侧的背面形成有n型半导体层及p型半导体层这两者的背面粘接型的太阳能电池。被形成在n型半导体层上的n侧电极和被形成在p型半导体层上的p侧电极需要彼此不相接触地绝缘。作为使两者绝缘的方法，需要进行激光照射、以及通过利用了光掩模的平版印刷而将在太阳能电池单元制造工序中暂时连接的n型半导体层和p型半导体层切离。
[在先技术文献]
[专利文献]
【专利文献1】国际公开第2010/104098号公报
发明内容
〔发明所要解决的课题〕
在以往的方法中，在例如使用光阻材料将n侧电极与p侧电极分离时，能减小分离的宽度，但反过来存在光阻材料和光阻的剥离材料的成本较高的课题。另一方面，也考虑通过丝网印刷蚀刻糊料来使n侧电极和p侧电极分离，但存在印刷精度不够，无法减小分离的宽度这样的限制。除此以外，在利用激光使n侧电极和p侧电极分离的情况下，存在无法形成比激光的照射宽度更细的槽这样的限制。
本发明是鉴于上述课题而研发的，其目的在于提供一种制造成本降低，且光电转换效率提高了的太阳能电池单元。
〔用于解决课题的手段〕
提供一种太阳能电池单元的制造方法，其包括：在半导体基板上形成导电性薄膜层的第1工序；在导电性薄膜层上形成绝缘膜的第2工序；通过将绝缘膜的一部分除去而形成导电性薄膜层露出部的第3工序；在导电性薄膜层露出部形成电镀覆膜的第4工序；以及将处于未与电镀覆膜重叠的区域的绝缘膜和导电性薄膜层除去的第5工序；其中，第4工序形成的电镀覆膜以覆盖绝缘膜的方式形成。
[发明效果]
根据本发明，能提供一种制造成本降低、且光电转换效率提高了的太阳能电池单元。
附图说明
图1是表示实施方式的太阳能电池单元的俯视图。
图2是表示实施方式的光电转换部的制造方法的示意性剖视图。
图3是表示实施方式的光电转换部的制造方法的示意性剖视图。
图4是表示实施方式的光电转换部的制造方法的示意性剖视图。
图5是表示实施方式的光电转换部的制造方法的示意性剖视图。
图6是表示实施方式的太阳能电池单元的电极部的制造方法的示意性剖视图。
图7是表示实施方式的太阳能电池单元的电极部的制造方法的示意性剖视图。
图8是表示实施方式的太阳能电池单元的电极部的制造方法的示意性剖视图。
图9是表示实施方式的太阳能电池单元的电极部的制造方法的示意性剖视图。
图10是表示实施方式的太阳能电池单元的电极部的制造方法的示意性剖视图。
图11是表示实施方式的太阳能电池单元的电极部的制造方法的示意性剖视图。
图12是图1的B-B线处的剖视图。
具体实施方式
使用附图说明本发明的实施方式。在以下的附图的记载中，对相同或类似的部分标注了相同或类似的附图标记。但应注意，附图只是示意性的，各尺寸的比率等与实际有所不同。因此，具体的尺寸等应参照以下的说明进行判断。此外，当然在附图彼此间也包含有彼此的尺寸关系和比率不同的部分。首先，说明基于本发明的实施方式形成的太阳能电池单元的构成，然后说明该太阳能电池单元的制造方法。
(太阳能电池单元的构成)
图1是表示本发明实施方式的太阳能电池单元70的俯视图，表示了太阳能电池单元70的背面的构造。本实施方式是完全不对从受光面入射的光遮光而使其用于发电的、仅在背面具有电极的背面粘接型太阳能电池单元。这里，所谓受光面，是指在太阳能电池单元70中主要供光(太阳光)入射的主面，具体来说，是指向太阳能电池单元70入射的光的大部分都入射的面。另一方面，所谓背面，是指位于受光面的背面的另一个主面。
太阳能电池单元70具有被设在背面的n侧电极14和p侧电极15。n侧电极14被形成为包括沿y方向延伸的母线电极和沿x方向延伸的多个指状电极的梳齿状。同样地，p侧电极15被形成为包括沿y方向延伸的母线电极和沿x方向延伸的多个指状电极的梳齿状。n侧电极14及p侧电极15被形成为彼此的梳齿啮合地相互间隔插入的方式。需要说明的是，n侧电极14及p侧电极15各自也可以仅由多个指构成、不具有母线的无母线型的电极。
图10是表示本实施方式的太阳能电池单元70的构造的剖视图，表示图1的AA线剖面。太阳能电池单元70包括半导体基板10、第1i型层12i、第1导电型层12n、第2i型层13i、第2导电型层13p、第1d、第3i型层17i、第1导电型层17n、第2绝缘层18、铜电极24。铜电极24由n侧电极14及p侧电极15构成。此外，图11表示实施方式的太阳能电池单元70的B-B线剖面。
(太阳能电池单元70的制造方法)
接下来，说明本实施方式的太阳能电池单元70的制造方法。首先，一边参照图2～图5一边说明太阳能电池单元70中的光电转换部的形成。然后，一边参照图6～图10一边说明用于取出光电转换部所产生的光生载流子的电极形成方法。需要说明的是，在本实施方式中，特别利用图1中的A-A线的剖面处的剖视图来说明制造方法。
(光电转换部的制造方法)
首先，准备半导体基板10。在本实施方式中，使用厚度约200μm的n型单晶硅制的半导体基板10，但并非限定于此。导电型可以是n型也可以是p型，可以是单晶半导体基板也可以是多晶半导体基板。半导体基板10的厚度也是任意的。
然后，如图2所示那样在半导体基板10的背面上层积半导体层。在本实施方式中，形成由第1i型层12i及第1导电型层12n构成的第1层积体12。第1i型层12i由含氢(H)的i型非晶硅构成，例如具有数nm～25nm程度的厚度。第1i型层12i的形成方法并不特别限定，例如能够由等离子体CVD法等化学气相生长(CVD)法形成。第1导电型层12n由添加了与半导体基板10相同的导电型的掺杂剂的非晶质半导体构成。本实施方式中的第1导电型层12n由含氢的n型非晶硅构成。第1导电型层12n例如具有2nm～50nm程度的厚度。在第1层积体12上还层积有第1绝缘层16。第1绝缘层16例如由氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)等形成。第1绝缘层16特别优选由氮化硅形成，优选含有氢。
接下来，如图3所示那样对第1绝缘层16及第1层积体12进行图案形成(patterning)处理。在本实施方式中，以保留约500μm宽度的绝缘层的方式进行图案形成处理。在本实施方式中，对由氮化硅(SiN)构成的第1绝缘层16照射激光来进行图案形成，由非晶形半导体层构成的第1层积体12利用化学蚀刻法进行图案形成。如下这样实施基于激光的第1绝缘层16的图案形成。为减少对激光照射部的热影响，激光优选采用脉冲宽度为纳秒(ns)或皮秒(ps)程度的短脉冲激光。作为这样的激光50，可以使用YAG激光、激元激光等。在本实施方式中，作为激光光源，使用Nd:YAG激光(波长1064nm)的第3高次谐波(波长355nm)，以每1脉冲约0.1～0.5J/cm2的强度进行照射。需要说明的是，为能够由激光短时间地形成图案，优选使用重复频率高的激光光源。
如下这样实施基于化学蚀刻法的第1层积体12的图案形成。将上述的利用激光进行了图案形成的第1绝缘层16作为掩模，对第1层积体12进行蚀刻。在第1绝缘层16由氧化硅、氮化硅或氮氧化硅构成的情况下，第1层积体12的蚀刻例如可以利用碱性的蚀刻剂来进行蚀刻。
接下来，如图4所示那样，在进行了图案形成的第1层积体12及第1绝缘层16上形成由第2i型层13i及第2导电型层13p构成的第2层积体13。第2i型层13i由含氢的i型非晶硅构成，例如具有数nm～25nm程度的厚度。第2导电型层13p由被添加了与半导体基板10不同的导电型掺杂剂的非晶质半导体构成。本实施方式中的第2导电型层13p由含氢的p型非晶硅构成。第2导电型层13p例如具有2nm～50nm程度的厚度。需要说明的是，第2i型层13i和第2导电型层13p的形成方法除在形成第1导电型层12n时要添加的掺杂剂的种类外，与第1i型层12i和第1导电型层12n的形成方法是同样的。
接下来，如图5所示那样图案形成第2层积体13，并形成使第1层积体12露出的开口部。该开口部在后面形成太阳能电池单元70的电极时成为与电极直接接触的电引出部。
首先，利用激光进行第2层积体13的图案形成。在该工序中也可以使用与图案形成第1层积体12时同样的条件的激光来进行图案形成，具体来说，使用Nd:YAG激光(波长1064nm)的第3高次谐波(波长355nm)作为激光光源，以每1脉冲约0.1～0.5J/cm2的强度进行照射。
然后对第1绝缘层16进行蚀刻而使第1层积体12露出。该工序为不使第2层积体13除去而采用氢氟酸水溶液等酸性的蚀刻剂来进行。通过该工序，被包含于第1层积体12的第1导电型层12n露出。
接下来，在半导体基板10中的、与形成了第1层积体12和第2层积体13的背面相反的面、即受光面上，形成由第3i型层17i和第1导电型层17n构成的第3层积体17。第3i型层17i由含氢的i型非晶硅形成，例如具有数nm～25nm程度的厚度。在第3i型层17i上设有第1导电型层17n。第1导电型层17n由被添加了与半导体基板10相同的导电型掺杂剂的非晶质半导体构成。本实施方式的第1导电型层17n由含氢的n型非晶硅构成，例如具有2nm～50nm程度的厚度。第3i型层17i和第1导电型层17n的层积方法也与第1i型层12i和第1导电型层12n的形成方法相同。
在第1导电型层17n上设置具有作为防反射膜及保护膜功能的第2绝缘层18。第2绝缘层18例如由氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiNO)等形成。第2绝缘层18的厚度根据作为防反射膜的防反射特性等适当设定，例如80nm～1000nm程度。
需要说明的是，关于至此所说明的制造方法，第1层积体12、第2层积体13和第3层积体17的形成顺序并不特别限定。光电转换部的剖面构造可以按任意的顺序形成各层积体，使得成为图5所示的结构。以上是光电转换部的制造方法。
(太阳能电池单元70的电极形成方法)
关于在半导体基板10中的形成了第1层积体12和第2层积体13面、即太阳光不直接入射的背面侧设置的电极引出用的电极形成方法，分5个工序进行说明。
所谓5个工序，即(S1)在光电转换部的背面侧形成由铜等金属构成的导电性薄膜层20的第1工序、(S2)在导电性薄膜层20上设置由氮化硅(SiN)等构成的第3绝缘层22的第2工序、(S3)通过将第3绝缘层22的一部分除去而形成种子层第1露出部的第3工序、(S4)在种子层第1露出部形成铜电极24的第4工序、以及(S5)将露出于铜电极24的开口部的第3绝缘层22和导电性薄膜层20除去而使p侧电极15和n侧电极14分离的第5工序。
(S1)
按照上述的光电转换部的制造方法，准备出形成了具有图5的剖面的光电转换部的太阳能电池单元。如图6所示那样，S1是在光电转换部的背面侧的表面形成由透明导电性氧化物层20t和金属薄膜层20m构成的导电性薄膜层20的工序。本工序所形成的导电性薄膜层20在之后进行的电解电镀工序中成为电镀种子层。
透明导电性氧化物层20t例如由氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)、铟锡氧化物(ITO)等透明导电性氧化物形成。在本实施方式中，透明导电性氧化物层20t的厚度是50nm～100nm程度。透明导电性氧化物层20t被通过溅射法或真空蒸镀法等薄膜形成方法均匀地形成在光电转换部的背面侧的表面。
金属薄膜层20m由铜(Cu)、锡(Sn)、金(Au)、银(Ag)、镍(Ni)、钛(Ti)等金属构成。在本实施方式中，形成了由铜(Cu)构成的金属薄膜层20m。在本实施方式中，金属薄膜层20m形成为约50～300nm程度的厚度。因此，S1工序所形成的导电性薄膜层20的厚度合计为100nm～400nm程度。
(S2)
S2是如图7所示那样在S1工序所形成的导电性薄膜层20上设置第3绝缘层22的工序。对于构成第3绝缘层22的材料，除氮化硅(SiN)外还可以使用氧化硅(SiO2)或氮氧化硅(SiON)等。除此以外，也可以涂覆光阻膜作为第3绝缘层22。由氮化硅等构成的第3绝缘层22被通过溅射法或真空蒸镀法等薄膜形成法按约10～500nm的厚度均匀地形成在导电性薄膜层20上。在涂覆光阻膜的情况下，按约100～5000nm的厚度形成。在本实施方式中，形成由氮化硅(SiN)构成的、厚度约100nm的第3绝缘层22。
(S3)
S3是如图8所示那样通过图案形成，将S2所形成的第3绝缘层22的一部分除去，而形成导电性薄膜层露出部的工序。在本实施方式中，对S2所形成的第3绝缘层22照射激光，并在之后的工序中要形成指状电极的预定区域，形成具有比指状电极的预定宽度小的宽度的导电性薄膜层露出部。此时，以能仅除去第3绝缘层22的强度照射激光，使得能在激光照射部保留导电性薄膜层20。具体来说，可以采用YAG激光或激元激光等。在本实施方式中，使用Nd:YAG激光(波长1064nm)的第3高次谐波(波长355nm)作为激光光源，按每1脉冲约0.1～0.5J/cm2的强度照射激光。
在本实施方式中，例如从正面看图8时，以由氮化硅(SiN)构成的第3绝缘层22保留约100μm宽度的方式使激光扫描，进行第3绝缘层22的图案形成。这样，将导电性薄膜层20露出的区域作为本实施方式中的导电性薄膜层露出部。
(S4)
S4是在S3所形成的导电性薄膜层露出部形成铜电极24的工序。在本实施方式中，在由透明导电性氧化物层20t和金属薄膜层20m的2层构造的导电性薄膜层20形成的电镀种子层上，使用电解电镀的方法形成约10～30μm程度厚度的由铜电镀覆膜构成的铜电极24。
此时，由氮化硅(SiN)构成的第3绝缘层22的厚度约100nm，铜电极24被形成得比S2所形成的第3绝缘层22厚。在电解电镀工序中，一般来说若电镀覆膜的厚度超过由绝缘膜构成的壁的厚度，则电镀覆膜不仅朝高度方向(图中z方向)扩大，还朝宽度方向(y方向)扩大。因此，在本实施方式中，第3绝缘层22的端部成为侵入到铜电极24中的形状，铜电极24的形成结束阶段的剖视图成为图9那样。此时，例如按100μm宽度留下的第3绝缘层22中的、从两侧端部起的约30μm的区域被铜电极24覆盖。这样形成的铜电极24成为背面粘接型太阳能电池单元的指状电极。
(S5)
S5是将S4所形成的相邻的铜电极24彼此电分离，形成p侧电极15和n侧电极14的电极分离工序。结束至S4的工序，对成为图9所示的剖面构造的太阳能电池单元70照射激光。激光的照射位置例如可以是图10中L所示的范围。激光为能仅除去第3绝缘层22的强度。激光的能量容易被铜吸收，故被铜电极24覆盖的部分的第3绝缘层22不会被除去，仅没有被铜电极24覆盖的部分的第3绝缘层22被除去。即，铜电极24本身成为利用激光除去第3绝缘层22时的掩模，第3绝缘层22被与铜电极24的端部相一致地除去。需要说明的是，该工序所使用的激光的使用条件可以与(S3)步骤中使用的激光的条件相同。
接下来，除去从第3绝缘层22的开口部露出的导电性薄膜层20，使相邻的铜电极24彼此电分离。例如，对于铜电极24彼此的分离，适用采用了硫酸双氧水混合液(硫酸水溶液与双氧水的混合水溶液)或盐酸双氧水混合液(塩化氢水溶液与双氧水的混合水溶液)等蚀刻液的化学蚀刻法。需要说明的是，在本实施方式中，是使用化学蚀刻液在导电性薄膜层20上形成槽的，但对于该槽的形成，也可以使用激光。此时，变更成能除去导电性薄膜层20的激光输出来进行槽的形成。这样，相邻的铜电极24彼此被电分离，分别成为p侧电极15和n侧电极14。此时，为进行电极分离而形成的槽的宽度可以是约50μm程度。即，p侧电极15和n侧电极14能够靠近到约50μm宽度。
这里，激光照射位置和宽度例如可以如图11所示那样。即，可以对图11中L所示的位置照射激光，同时形成2条槽。在此情况下，与各形成1条槽时相比，作业时间被缩短，能以较细的宽度进行电极分离。
(发明效果)
通过采用本实施方式的制造方法，能够不使用蚀刻糊料或光阻材料等地形成宽度较小的槽，进行p侧电极与n侧电极的分离。由此，能形成比激光的照射宽度窄的宽度的槽。能通过激光加工形成的槽的宽度的最小值是取决于激发出激光的装置的，若要减小槽宽度的最小值，则装置变贵。通过本发明，能与槽宽度的最小值无关地使用激光装置形成宽度较小的槽。进而，由于能通过比以往更窄的宽度的槽加工进行p侧电极15与n侧电极14的电极分离，故能提高太阳能电池单元表面上的p侧电极15和n侧电极14的填充率，能在相同面积的太阳能电池单元表面形成更多的电极。详细来说，由于被覆盖于第3绝缘层22的导电性薄膜层20不会被激光的照射或化学蚀刻法除去，故能扩大光电转换时收集载流子的p侧电极15和n侧电极14的面积。由此，能提高光电转换时产生的载流子的收集效率，提高太阳能电池单元的特性。
(对太阳能电池单元的母线部的适用)
上述制造方法是针对背面粘接型太阳能电池单元的电极中的指状电极部进行详细说明的，但例如当然也适用于进行n侧电极14的指部的前端和p侧电极15的母线部的分离。将图1中的B-B线的剖视图示于图12。
如图12所示，以在n侧电极14的指状电极的前端部保留由SiN构成的第3绝缘层22、和由透明导电性氧化物层20t与金属薄膜层20m构成的导电性薄膜层20的方式进行电极分离。此时，以如下方式照射激光：将被形成在p侧电极15的母线部的铜电极24的端部作为电极分离时的掩模，对p侧电极15的母线部照射激光，但对n侧电极14的指状电极不照射激光。即，激光照射位置的端部成为图12中的L的位置。未被n侧电极14及第3绝缘层22覆盖的导电性薄膜层20能将光电转换部所产生的载流子经由导电性高的导电性薄膜层20收集到n侧电极14。因此，扩大导电性薄膜层20的面积，收集导电性薄膜层20的近邻区域所产生的载流子的效率得到提高，能提高太阳能电池单元的特性。
以上基于实施方式说明了本发明，但本发明并不限定于此。在不脱离本发明的意图的范围内可以进行变更。例如，在(S1)中，使透明导电性氧化物层20t和金属薄膜层20m层积而形成导电性薄膜层20，但导电性薄膜层20也可以是透明导电性氧化物层20t单体。另外，在本实施方式中，在(S5)中没有特别除去侵入到铜电极24下方的第3绝缘层22，但第3绝缘层22也可以通过湿蚀刻等而被除去。
[附图标记说明]
10:半导体基板、12:第1层积体、13:第2层积体、16:第1绝缘层、17:第3层积体、18:第2绝缘层、20:导电性薄膜层、22:第3绝缘层(绝缘膜)、24:铜电极(电镀皮膜)、15:p侧电极、14:n侧电极
[工业可利用性]
通过本发明，能提供一种制造成本降低、光电转换效率提高的太阳能电池单元。

Claims (6)

1.一种太阳能电池单元的制造方法，包括：
在设置于半导体基板上的由第1i型层和第1导电型层构成的第1层积体上和在设置于半导体基板上的由第2i型层和第2导电型层构成的第2层积体上形成导电性薄膜层的第1工序，
在所述导电性薄膜层上形成绝缘膜的第2工序，
通过将所述绝缘膜的一部分除去而形成导电性薄膜层露出部的第3工序，
在所述导电性薄膜层露出部形成电镀覆膜的第4工序，以及
将处于未与所述电镀覆膜重叠的区域的所述绝缘膜和所述导电性薄膜层除去的第5工序；
其中，所述第4工序形成的所述电镀覆膜以覆盖所述绝缘膜的一部分而未与所述绝缘膜的剩余部分重叠的方式形成。
2.如权利要求1所述的太阳能电池单元的制造方法，其特征在于，
在所述第5工序中使用激光。
3.如权利要求1或2所述的太阳能电池单元的制造方法，其特征在于，
在所述第3工序中使用激光。
4.如权利要求1或2所述的太阳能电池单元的制造方法，其特征在于，
在所述第5工序中使用湿蚀刻。
5.如权利要求1或2所述的太阳能电池单元的制造方法，其特征在于，
所述导电性薄膜层包括金属薄膜层和透明导电性氧化膜层中的至少一者。
6.如权利要求1或2所述的太阳能电池单元的制造方法，其特征在于，
所述半导体基板包括由含氢的非晶硅构成的光电转换层。
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