JP2000332267A

JP2000332267A - 太陽電池およびその製造方法

Info

Publication number: JP2000332267A
Application number: JP11135589A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Kato; 伸幸加藤
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-05-17
Filing date: 1999-05-17
Publication date: 2000-11-30
Anticipated expiration: 2019-05-17
Also published as: JP3741565B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高いＢＳＦ効果を有するとともに、製造
工程の簡略化が図られた太陽電池及びその製造方法を提
供する。【解決手段】太陽電池は、ＰＮ接合が形成された半導
体基板と、半導体基板の裏面に形成されたマスク材と、
半導体基板の裏面に形成された裏面電極とを有し、マス
ク材は、ＰＮ接合の少なくとも一部を分離するとともに
裏面電極のバック・サーフェイス・フィールド（ＢＳ
Ｆ）構造を妨げない部位に形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、太陽電池とその
製造方法に関し、ＰＮ接合の形成を改良した太陽電池と
その製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図８に従って、従来の太陽電池の製造方
法の一例を説明する。ここでは、基板１０１が、不純物
濃度が３×１０¹⁵から４×１０¹⁶ｃｍ^-3で、結晶軸が
（１００）の主面をもつ、シリコン基板からなるｐ型半
導体基板が用いられている。

【０００３】図８（ａ）において、まず、基板１０１の
受光面に光の反射を低減する「テクスチャ表面」を形成
するために、数％の水酸化ナトリウムを含む水溶液中に
イソプロピルアルコールを添加して８０〜９０℃の温度
でシリコン基板１０１を２０〜３０分間処理する。これ
により、基板１０１の受光面に多くの微細な凹凸が形成
される。次に、図８（ｂ）において、リン化合物などの
拡散源および反射防止膜１０２を形成するための酸化チ
タン等を含む薬剤１０２ａをＰ型半導体基板１０１の主
面にスピン法で塗布する。

【０００４】次に、図８（ｃ）において、９００℃前後
の温度で数十分間熱処理を行い、約０．４ミクロンのｎ
⁺層１０３を形成すると同時に反射防止膜１０２を形成
する。これにより、基板１０１の主面のみならず、基板
１０１の側面及び裏面にも形成されたｎ⁺層１０３ある
いはｎ⁺層１０４が、Ｐ型半導体基板１０１との間にＰ
Ｎ接合を形成する。しかし、上記シリコン基板１０１の
全表面にｎ⁺層が形成されていると、この太陽電池に負
電極（ｎ側）と正電極（ｐ側）を形成する際に両電極の
間が短絡されて、太陽電池セルの良好な電気特性が得ら
れない。したがって、少なくともシリコン基板１０１の
裏面の不要なｎ⁺層１０４を除去し、それによってＰＮ
接合を一方の電極から分離する必要がある。

【０００５】そこで、次に図８（ｄ）において、反射防
止膜１０２上に耐酸性のレジスト１０５を、例えばスク
リーン印刷法によって形成し、その後、フッ酸と硝酸の
混酸（ＨＦ：ＨＮＯ₃＝１：３）でエッチングすること
によって、基板１０１の側面及び裏面のｎ⁺層１０４を
除去する。次いで、図８（ｅ）において、レジスト層１
０５をトルエン、キシレン等の溶剤を用いて除去する。

【０００６】図８（ｆ）において、銀を含むペースト１
０６ａとアルミニウムを含むペースト１０７ａをそれぞ
れ所定のパターンで印刷して乾燥した後、７００〜８０
０℃で熱処理する。このとき、アルミニウムとシリコン
が合金化してアルミ電極１０７が形成されるともに、こ
のアルミ電極１０７の裏側にｐ⁺層１０８が形成され
る。このｐ⁺層１０８は約５μｍの厚みを有し、バック
・サーフェイス・フィールド（Back Surface Field、略
称ＢＳＦ）と呼ばれる背面電界構造を形成する。このＢ
ＳＦ構造は、通常、ｐ⁺層１０８、ｐ型半導体基板１０
１及びｎ⁺層１０３で形成されるｐ⁺ｐｎ⁺構造により、
ｐ⁺ｐ接合付近で形成された電子を、そこでの内部電界
によって表面方向に引き戻して裏面におけるキャリアの
再結合を減少させるとともに、ｐ⁺層が拡散ポテンシャ
ルを増大させて開放電圧を高める効果（以下、ＢＳＦ効
果という）を生じる。

【０００７】図８（ｇ）において、反射防止膜１０２上
に、銀を含むペースト１０９ａを所定のパターンで印刷
して乾燥した後、基板１０１を７００〜８００℃で熱処
理して表面銀電極１０９を形成する。このとき、表面銀
電極１０９は反射防止膜１０２を貫通してｎ⁺層１０３
とオーミック接続を形成する。次いで、図８（ｈ）にお
いて、上記表面銀電極１０９および裏面銀電極１０６の
表面に、はんだ１１０を被覆して太陽電池が完成する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記した太陽電池を製
造するに際し、ｎ⁺層１０４を除去するためにレジスト
印刷工程、エッチング工程、レジスト除去工程を必要と
し、太陽電池の製造コストが高くなるという問題があ
る。この問題の解決のために、特開平２−３３９８０号
公報には、ＰＮ接合を形成する基板の裏面に予めマスク
材を形成しておくことにより、レジスト除去工程を不要
とする方法が記載されている。しかし、マスク材と裏面
のアルミ電極の「重なり部分」が大きいと、アルミ電極
を用いることによって得られるＢＳＦ効果が阻害される
という問題がある。

【０００９】さらに、特開平７−１３５３３３号公報に
は、上記と同様にマスク材を形成するとともに、後でマ
スク材を除去する方法が記載されている。マスク材の除
去により、ＢＳＦ効果を有効に利用できるが、このマス
ク材の除去工程は太陽電池の製造コストの低減を妨げる
要因となる。

【００１０】本発明は、上記のような問題点に鑑みてな
されたものであり、高いＢＳＦ効果を有するとともに、
製造工程の簡略化が図られた太陽電池及びその製造方法
を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、ＰＮ接
合が形成された半導体基板と、半導体基板の裏面に形成
されたマスク材と、半導体基板の裏面に形成された裏面
電極とを有し、マスク材は、ＰＮ接合の少なくとも一部
を分離するとともに裏面電極のＢＳＦ構造を妨げない部
位に形成されたことを特徴とする太陽電池が提供され
る。

【００１２】すなわち、従来から、ＰＮ接合を基板の表
面に成膜する工程で、半導体基板の裏面を含めた全面に
ＰＮ接合が形成されると、形成された太陽電池の負極と
正極が短絡されて電気的特性が低下するため、基板の一
部の表面にマスク材を形成してＰＮ接合を分離する手法
が用いられている。一方、ＰＮ接合と対向する基板の裏
面に裏面電極の形成と同時に、ＢＳＦ構造を形成する手
法が従来から用いられている。この発明の太陽電池は、
マスク材と裏面電極の互いの位置関係の最適化を図るこ
とにより、マスク材によるＰＮ接合の確実な分離と有効
なＢＳＦ構造の形成を保証するものである。

【００１３】この発明における裏面電極のＢＳＦ構造と
は、基板の表面のＰＮ接合及び裏面電極の不純物拡散に
よるｐ⁺層で形成されるｐ⁺ｐｎ⁺構造であり、このｐ⁺ｐ
ｎ⁺構造により、ｐ⁺ｐ接合付近で形成された電子を、そ
こでの内部電界によって表面方向に引き戻して裏面にお
けるキャリアの再結合を減少させるとともに、ｐ⁺層が
拡散ポテンシャルを増大させて開放電圧を高める効果を
生じる。

【００１４】この発明において、マスク材と裏面電極の
互いの位置関係には２つの条件があり、１つはマスク材
と裏面電極とが半導体基板の裏面で重ならないことであ
り、もう１つは、マスク材と裏面電極とが重なり部分を
有して形成されてもよいが、その場合には、両者の重な
り部分において、マスク材の厚みが０．１〜０．２μｍ
であること及び／またはマスク材の幅が２ｍｍを超えな
いことである。

【００１５】また、本発明によれば、半導体基板の一面
にチタンを含むドーパント液を塗布した後、熱処理を行
いＰＮ接合と反射防止膜を同時に形成する工程と、チタ
ンを溶媒中に含むマスク材塗布液を半導体基板の裏面に
塗布してマスク材を形成する工程と、裏面電極を半導体
基板の裏面に形成する工程とを含む太陽電池の製造方法
において、マスク材を裏面電極と重ならない部位に形成
することを特徴とする太陽電池の製造方法が提供され
る。

【００１６】この発明の太陽電池の製造は、具体的に
は、半導体基板の一主面に二酸化チタンを含むドーパン
ト液を塗布する一方、他主面にＰＮ接合の形成を防止す
る少なくともチタン酸アルキルを溶媒中に含むマスク液
を塗布する工程、熱処理によって一主面にＰＮ接合を形
成する工程、他主面に電気的に接続された裏面銀電極と
アルミ電極を形成する工程、一主面におけるＰＮ接合上
に表面銀電極を形成する工程からなるものが挙げられ
る。

【００１７】この発明の太陽電池の製造において、半導
体基板が丸形であれば、チタンを溶媒中に含むマスク液
を、スピンコータを用いて基板上の電極形成部位に重な
らないよう塗布してマスク材を形成することができる。
また、半導体基板が角形であれば、マスク液を用いて、
スクリーン印刷により基板上の電極形成部位に重ならな
いようマスク材を形成することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、この発明を実施例により説
明する。図１は、本発明の太陽電池の構成の一例を示
す。太陽電池２０は、ｐ型半導体基板１と、基板１の一
主面に形成された反射防止膜２及びｎ⁺層３と、ｎ⁺層３
に接続された表面銀電極９と、基板１の裏面に形成され
た裏面銀電極６、アルミ電極７及びマスク材１１と、基
板１中にアルミ電極７のアルミニウムが拡散して形成さ
れたｐ⁺層８と、各電極６、９を被覆するはんだ１０と
から主に形成される。

【００１９】ｐ型半導体基板１は、結晶軸が（１００）
のシリコン基板であり、具体的にはＳｉ、ＳｉＣ、Ｓｉ
Ｎ、ＳｉＧｅ、ＳｉＯが使用できる。基板１の表面には
微細な凹凸、例えばピラミッド状の凸部群からなるテク
スチャを有する。裏面銀電極６及び表面銀電極９は、銀
及びアルミニウムを材料に用いて成膜により形成され、
スパッタリング法あるいは蒸着法等の成膜方法を用い
る。これらの電極には、銀と、アルミニウム、チタン、
クロム、モリブデン、タングステン及びニッケル等を単
独であるいはこれらを組み合わせて用いることができ
る。

【００２０】アルミ電極７は、裏面銀電極６における銀
の使用量を低減するとともに、ＢＳＦ構造を形成する。
この実施例におけるＢＳＦ構造は、ｐ⁺層８、ｐ型半導
体基板１及びｎ⁺層３で形成されるｐ⁺ｐｎ⁺構造によ
り、ｐ⁺ｐ接合付近で形成された電子を、そこでの内部
電界によって表面方向に引き戻して裏面におけるキャリ
アの再結合を減少させるとともに、ｐ⁺層が拡散ポテン
シャルを増大させて開放電圧を高める効果（ＢＳＦ効
果）を生じる構造をいう。マスク材１１は、ＰＮ接合を
確実に分離するために、ＴｉＯ₂等の電気絶縁性を有す
る層からなる膜を形成する材料で構成されるのが好まし
い。

【００２１】以下、太陽電池２０の製造方法の一例を図
２を参照して説明する。図２（ａ）において、ｐ型半導
体基板１を酸溶液あるいはアルカリ溶液で処理して、表
面のダメージ層を除去する。そして、ｐ型半導体基板１
を８０〜９０℃の水酸化ナトリウム水溶液（数％の濃
度）に浸漬して２０〜３０分間処理し、ｐ型半導体基板
１の表面（受光面）に図中の拡大図に示すような微細な
テクスチャを形成する。

【００２２】次いで、図２（ｂ）において、従来と同様
に、ノズル（図示せず）を介して基板１の中心に滴下さ
れたチタン酸アルキルを含むドーパント液２ａをスピン
コータ（図示せず）によって基板１の表面に塗布する。
その際、裏面の周辺部にはチタン酸を含むマスク液１１
ａを同時に塗布する。このマスク液１１ａは、塗布後の
乾燥によりマスク材１１を形成する塗液であって、その
一例としては、エタノール及びチタン酸イソプロピルを
体積比で２０：３に混合した混合液である。上記のドー
パント液２ａの塗布は、ノズルを介してドーパント液２
ａを基板の中心に滴下することにより行われたのに対
し、マスク液１１ａの塗布は、ノズルを介して上記混合
液を基板１の周辺部に吹きつけることにより行われる。

【００２３】次いで、図２（ｃ）において、上記ドーパ
ント液２ａおよびマスク液１１ａが塗布されたｐ型半導
体基板１を拡散炉で熱処理（９００℃、１５分）するこ
とによって、ｐ型半導体基板１の表面にｎ⁺層３を形成
する。このとき、ドーパント液２ａは、チタン酸アルキ
ルを含む溶液であるため、同時に、表面に反射防止膜２
が形成される。その際、ｐ型半導体基板１の裏面におけ
るマスク液１１ａが塗布されていない領域にも薄いｎ⁺
層４が形成される。一方、ｐ型半導体基板１の裏面のマ
スク材１１が形成されている領域ではＴｉＯ₂膜が形成
され、その膜の下にはｎ⁺層は形成されない。このよう
に、ｐ型半導体基板において裏面の中心部には薄いｎ⁺
層４が形成されるが、表面のｎ⁺層３とは分離されてい
るため、太陽電池２０の性能には影響を及ぼさない。

【００２４】図２（ｄ）において、ｐ型半導体基板１の
裏面に、銀を含むペースト６ａを所定のパターンで印
刷、乾燥し、次いでアルミニウムを含むペースト７ａを
所定のパターンで印刷・乾燥した後、７００〜８００℃
の高温処理をして裏面銀電極６及びアルミ電極７を形成
する。このとき、ｐ型半導体基板１中にアルミ電極７の
アルミニウムが拡散して合金化し、ｐ⁺層８が形成さ
れ、前述したＢＳＦ構造を生じる。図２（ｅ）におい
て、ｐ型半導体基板１の表面の反射防止膜２上に、銀を
含むペースト９ａを所定のパターンで印刷、乾燥した
後、７００〜８００℃で高温熱処理し、表面銀電極９を
形成する。上記の太陽電池を、約１９０℃のはんだ槽に
浸漬し、表面銀電極９および裏面銀電極６の表面を、は
んだ１０で被覆することにより、図１に示した太陽電池
２０が形成される。

【００２５】上述のように、本実施例における太陽電池
２０の製造方法においては、ＰＮ接合の形成時に、基板
１におけるマスク材１１の裏側の部分にはｎ⁺層４が形
成されないため、ＰＮ接合の逆方向電流を低減でき、か
つアルミ電極７のＢＳＦ効果を低下させないため、高出
力の太陽電池２０が得られる。また、マスク材１１の除
去が不要であるため、太陽電池の製造工程の簡略化が実
現される。

【００２６】この発明の太陽電池の製造において、図３
に示すように、半導体基板１が丸形である太陽電池４０
の場合には、基板１裏面の周縁部にスピンナーを用い
て、上記と同様の組成からなるマスク液３１ａを塗布
し、その内側に乾燥したマスク材３１と重ならないよう
にアルミ電極７を形成することができる。また、図４に
示すように、半導体基板１が角形である太陽電池６０の
場合には、マスク液５１ａを用いて、スクリーン印刷に
より基板１上のアルミ電極７の形成部位に重ならないよ
うマスク材５１を形成することができる。なお、図中の
１０はともに、はんだである。

【００２７】さらに、他の実施例により、この発明の太
陽電池を説明する。図５に示した太陽電池８０は、ｐ型
半導体基板１と、基板１の一主面に形成された反射防止
膜２及びｎ⁺層３と、ｎ⁺層３に接続された表面銀電極９
と、基板１の裏面に形成された裏面銀電極６、アルミ電
極７及びマスク材７１と、基板１中にアルミ電極７のア
ルミニウムが拡散して形成されたｐ⁺層８と、各電極
６、９を被覆するはんだ１０とから主に形成される。

【００２８】前記した実施例がマスク材１１とアルミ電
極７が重ならないよう形成されたのに対し、この実施例
では、マスク材７１とアルミ電極７が一部重なる場合の
実施形態を示す。すなわち、マスク材７１は、図中の基
板１の裏面においてその両端辺に沿って各端辺から所定
の幅及び所定の厚みを有して前記と同様の手法で形成さ
れ、アルミ電極７がマスク材７１と所定の幅の重なり部
分５を有してマスク材７１を覆うように形成されてい
る。重なり部分５において、マスク材７１は、その厚み
が０．１〜０．２μｍの範囲にあり、その重なり幅が２
ｍｍを超えないよう形成されている。このような最適化
のための条件設定がなされることにより、アルミ電極７
による有効なＢＳＦ構造が形成される。

【００２９】上記の最適化のための条件として設定され
た諸数値の根拠を以下に説明する。図６は、マスク材の
厚みと逆方向電流の関係（図６ａ）及びマスク材の厚み
と開放電圧の関係（図６ｂ）を実験により求めたもので
あり、ともにマスク材とアルミ電極との重なり幅は４ｍ
ｍに設定されている。図６によれば、マスク材の厚みが
厚くなるとマスク効果が増して、逆方向電流は減少す
る。一方、開放電圧は、マスク材がアルミニウムの拡散
を阻害するため、ＢＳＦ効果の減少によって、低下す
る。したがって、逆方向電流が低く、かつ高い開放電圧
を得るためには、マスク材の厚みを０．１〜０．２μｍ
の範囲に設定すればよいことがわかる。

【００３０】図７は、マスク材及びアルミ電極の重なり
幅と開放電圧の関係を実験により求めたものであり、マ
スク材の厚みは０．４μｍに設定されている。図７によ
れば、マスク材とアルミ電極の重なりが大きくなるとマ
スク材がアルミニウムの拡散を阻害するため、ＢＳＦ効
果が減少し、開放電圧は低下する。したがって、マスク
材とアルミ電極の重なり幅が２ｍｍ以上になれば開放電
圧が低下し始めるため、開放電圧の低下を抑えて高いＢ
ＳＦ効果を得るためには、重なり幅を２ｍｍ以内に設定
すればよいことがわかる。

【００３１】上記のように、図５に示した実施例におけ
る太陽電池８０は、アルミ電極７がマスク材７１と所定
の幅の重なり部分５を有してマスク材７１を覆うように
形成されているが、重なり部分におけるマスク材７１の
厚み及びその重なり幅５を最適化することにより、ＰＮ
接合の逆方向電流を低減でき、開放電圧の低下を抑え、
かつアルミ電極７のＢＳＦ効果を低下させないため、高
出力の太陽電池８０が得られる。また、マスク材７１の
除去が不要であるため、太陽電池の製造工程の簡略化が
実現される。

【００３２】

【発明の効果】本発明では、マスク材と裏面電極の互い
の位置関係の最適化を図ることにより、マスク材による
ＰＮ接合の確実な分離と有効なＢＳＦ構造の形成が保証
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態による太陽電池の概略断
面図。

【図２】図１の太陽電池の製造方法を工程順に説明する
ための概略断面図。

【図３】本発明の他の実施の形態による太陽電池の裏面
模式図。

【図４】本発明の他の実施の形態による太陽電池の裏面
模式図。

【図５】本発明のさらに他の実施の形態による太陽電池
の概略断面図。

【図６】図５の太陽電池におけるマスク材の厚みと逆方
向電流の関係を示すグラフ（ａ）及びマスク材の厚みと
開放電圧の関係を示すグラフ（ｂ）。

【図７】図５の太陽電池におけるマスク材及びアルミ電
極の重なり部分と、開放電圧の関係を示すグラフ。

【図８】従来の太陽電池の製造方法を工程順に説明する
ための概略断面図。

【符号の説明】

１ｐ型半導体基板２反射防止膜３ｎ⁺層（受光面側）４ｎ⁺層（裏面側）５重なり部分６裏面銀電極７アルミ電極８ｐ⁺層９表面銀電極１０はんだ１１マスク材３１マスク材５１マスク材７１マスク材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＰＮ接合が形成された半導体基板と、半
導体基板の裏面に形成されたマスク材と、半導体基板の
裏面に形成された裏面電極とを有し、マスク材は、ＰＮ接合の少なくとも一部を分離するとと
もに裏面電極のバック・サーフェイス・フィールド構造
を妨げない部位に形成されたことを特徴とする太陽電
池。
【請求項２】マスク材が、半導体基板の裏面で裏面電
極と重ならない請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】マスク材が、半導体基板の裏面で裏面電
極の一部と重なって形成され、その重なり部分のマスク
材の厚みが、０．１〜０．２μｍである請求項１に記載
の太陽電池。
【請求項４】マスク材が、半導体基板の裏面で裏面電
極の一部と重なって形成され、その重なり部分のマスク
材の幅が２ｍｍを超えない請求項１または３に記載の太
陽電池。
【請求項５】半導体基板の一面にチタンを含むドーパ
ント液を塗布した後、熱処理を行いＰＮ接合と反射防止
膜を同時に形成する工程と、チタンを溶媒中に含むマス
ク材塗布液を半導体基板の裏面に塗布してマスク材を形
成する工程と、裏面電極を半導体基板の裏面に形成する
工程とを含む太陽電池の製造方法において、マスク材を裏面電極と重ならない部位に形成することを
特徴とする太陽電池の製造方法。
【請求項６】マスク材を形成する工程が、スピンコー
タを用いて丸形半導体基板上の裏面電極形成部位に重な
らないよう形成する工程からなる請求項５に記載の太陽
電池の製造方法。
【請求項７】マスク材を形成する工程が、スクリーン
印刷により角形半導体基板上の裏面電極形成部位に重な
らないよう形成する工程からなる請求項５に記載の太陽
電池の製造方法。