JP2002111027A

JP2002111027A - 太陽電池および太陽電池基板の粗面化方法

Info

Publication number: JP2002111027A
Application number: JP2000301420A
Authority: JP
Inventors: Kenji Fukui; 健次福井; Kouichirou Shinraku; 浩一郎新楽; Hideki Shiroma; 英樹白間
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2002-04-12

Abstract

(57)【要約】【課題】ガラスなどの安価な基板を用いた薄膜太陽電
池において、開放端電圧の低下や生産歩留まりの低下を
招くことなく光電変換特性の改善を図る。【解決手段】基板１ａ上に一方の電極層１ｃと半導体
接合部を有するシリコン層１ｅ、１ｆ、１ｇと他方の電
極層１ｈとを順次積層して形成した太陽電池において、
前記電極層１ｃ、１ｈとシリコン層１ｅ、１ｆ、１ｇと
を形成する側の基板１ａ表面をドライエッチング法で粗
面状にした基板を用いる。また、太陽電池基板１ａの表
面をドライエッチング法で粗面状にする太陽電池基板の
粗面化方法において、前記基板１ａの表面にエッチング
残渣を付着させながらエッチングして粗面化した後、こ
のエッチング残渣を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は太陽電池および太陽
電池基板の粗面化方法に関し、特に基板を粗面状にした
太陽電池とその基板の粗面化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】太陽電池のうち主要なものは使用材料の
種類により結晶系、アモルファス系、化合物系などに分
類される。このうち、現在市場で流通しているのはほと
んどが結晶系シリコン太陽電池である。一方、結晶系シ
リコン太陽電池は市場拡大と共に原料不足が懸念される
ようになってきた。これは、結晶系シリコン太陽電池の
原料シリコンは、主に半導体産業における単結晶シリコ
ンの規格外品などを用いているため、太陽電池市場の拡
大と共に不足するのは自明の理である。そこで原料問題
の対策および結晶シリコン太陽電池よりさらに低コスト
化を目指し、シリコン薄膜、特に多結晶シリコンや微結
晶シリコンのような結晶質シリコンを含む薄膜を利用し
た光電変換装置の開発が行なわれている。

【０００３】太陽電池は表面に入射した太陽光などの光
エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。こ
の電気エネルギーへの変換効率を向上させるための方法
にはいろいろな技術があり、従来より様々な試みがなさ
れてきた。その中のひとつに表面へ入射した光の反射を
少なくする技術があり、入射した光の反射を低減するこ
とで電気エネルギーへの変換効率を高めることができ
る。

【０００４】薄膜太陽電池の場合、長波長領域の光に対
しては、光吸収係数が小さいために充分な吸収ができ
ず、光電変換効率が低くなる。特に結晶質シリコン薄膜
太陽電池の場合、非晶質シリコンに比べても充分な吸収
が得られない。このようなことから、光電変換層に入射
した光をより有効に利用するために、光反射率の高い金
属層を裏面側に設けたり、またこの金属層に表面凹凸
（表面テクスチャ）構造を設けることによって光を光電
変換層に散乱反射させる工夫がなされている。

【０００５】また、光入射側の透明電極にも表面凹凸
（表面テクスチャ）構造を設け、それによって光を光電
変換層内へ散乱させ、さらに金属電極で反射された光を
乱反射させる工夫もなされている。上記のように表面テ
クスチャ構造を有する透明電極を含む光電変換装置は、
たとえば特公平６−１２８４０号公報、特開平７−２８
３４３２号公報などに開示されており、光電変換効率が
向上することが記載されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】光電変換層内における
光吸収を増大させるために、表面に凹凸構造を有する表
面透明電極や裏面電極を用いる場合、その凹凸形状によ
っては光吸収効率が向上して太陽電池の変換効率が向上
するものの、機械的および電気的な欠陥によって太陽電
池の開放端電圧が低下したり、短絡による歩留まりが低
下するという状況がしばしば見られる。すなわち表面凹
凸構造の形状によって光吸収効率を向上させるような形
状にすると、製膜時の不具合が発生しやすく、逆に製膜
時の不具合を抑制するような形状では、光吸収効率が低
下するという問題があった。

【０００７】このような問題を解決するためには、表面
凹凸を微細かつ均一に形成できる手法が必要である。多
結晶シリコンウェハを用いて太陽電池素子を形成する場
合、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etchin
g）法で形成することが提案されている（たとえば特公
昭６０−２７１９５号、特開平５−７５１５２号、特開
平９−１０２６２５号公報参照）。この方法によると、
多結晶シリコンウェハにおける不規則な結晶の面方位に
左右されることなく、微細な突起を均一に形成すること
ができ、特に多結晶シリコンウェハを用いた太陽電池素
子においては、反射率をより効果的に低減することがで
きるようになる。

【０００８】ところが、この方法を結晶質シリコン層を
用いた薄膜太陽電池にそのまま適用して、薄膜シリコン
層の表面をドライエッチング法で粗面化しようとするこ
とは、薄いシリコン層でも高効率が得られることによる
低コスト化に反し、せっかく形成したシリコン層をエッ
チング除去してしまうため、本来必要とする膜厚以上の
シリコン層を形成する必要が生じ、低コストで製造でき
なくなるという問題が発生する。

【０００９】本発明はこのような従来技術の問題点に鑑
みてなされたものであり、ガラスなどの安価な基板を用
いた薄膜太陽電池において、開放端電圧の低下や生産歩
留まりの低下を招くことなく光電変換特性の改善を図る
ことを目的とする。

【００１０】

【問題点を解決するための手段】上記目的を達成するた
めに、請求項１に係る太陽電池では、基板上に、一方の
電極層と半導体接合部を有するシリコン層と他方の電極
層とを積層して設けた太陽電池において、前記電極層と
シリコン層とを形成する側の基板表面をドライエッチン
グ法で粗面状にした基板を用いることを特徴とする。

【００１１】また、請求項２に係る太陽電池基板の粗面
化方法では、太陽電池基板の表面をドライエッチング法
で粗面状にする太陽電池基板の粗面化方法において、前
記基板の表面にエッチング残渣を付着させながらエッチ
ングして粗面化した後、このエッチング残渣を除去する
ことを特徴とする。

【００１２】上記太陽電池基板の粗面化方法では、前記
太陽電池基板の表面にエッチング残渣が残るエッチング
ガスを用いてエッチングした後、エッチング残渣が残ら
ないエッチングガスを用いてエッチングすることが望ま
しい。

【００１３】また、上記太陽電池基板の粗面化方法で
は、前記太陽電池基板の表面にエッチング残渣が残るエ
ッチングガスを用いてエッチングした後、超音波洗浄に
よりエッチング残渣を除去することが望ましい。

【００１４】また、上記太陽電池基板の粗面化方法で
は、前記ドライエッチング法が反応性イオンエッチング
法であることが望ましい。

【００１５】また、上記太陽電池基板の粗面化方法で
は、前記太陽電池基板がガラス、ステンレス、グラファ
イト、アルミナ、アルミニウム、あるいは有機フィルム
のうちのいずれかから成ることが望ましい。

【００１６】このように、薄膜太陽電池の場合、薄膜シ
リコン層をドライエッチングするのではなく、ガラス等
の支持基板をドライエッチングすると、その後の製膜時
にも不具合が起きにくいことを本発明者等は見出した。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、各請求項に係る発明の実施
形態を添付図面に基づき詳細に説明する。図１は請求項
１に係る太陽電池の構造を示す図である。図１におい
て、１ａは基板、１ｂは凹凸構造、１ｃは一方の電極
（裏面電極）、１ｄは裏面グリッド電極、１ｅはｐ⁺型
シリコン層、１ｆは光電変換シリコン層、１ｇはｎ型シ
リコン層、１ｈは他方の電極（透明導電膜）、１ｉは表
金属集電極を示している。

【００１８】ガラス等の低コスト基板１ａの表面側に
は、入射した光を反射させずに有効に取り込むために微
細な凹凸１ｂを形成する。これは、真空引きされたチャ
ンバー内にガスを導入し、一定圧力に保持して、チャン
バー内に設けられた電極にＲＦ電力を印加することでプ
ラズマを発生させ、生じた活性種であるイオン・ラジカ
ル等の作用により基板表面をエッチングして形成する。

【００１９】反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法と呼
ばれるこの方法は、図２又は図３のに示すような装置を
用いて行われる。図２及び図３において、２ａはマスフ
ローコントローラー、２ｂは基板、２ｃはＲＦ電極、２
ｄは圧力調整器、２ｅは真空ポンプ、２ｆはＲＦ電源、
２ｇはガス導入口である。

【００２０】発生した活性種のうち、イオンがエッチン
グに作用する効果を大きくした方法を反応性イオンエッ
チング法と呼んでいる。似た方法にプラズマエッチング
などがあるが、基本的にプラズマ発生の原理は同様であ
り、基板に作用する活性種の種類の分布をチャンバー構
造あるいは電極構造により変化させたものである。その
ため、本発明は反応性イオンエッチング法だけに限ら
ず、広くプラズマエッチング法全般に対して有効であ
る。

【００２１】本発明では例えば三フッ化メタン（ＣＨＦ
₃）を２０ｓｃｃｍ、塩素（Ｃｌ₂）を５０ｓｃｃｍ、酸
素（Ｏ₂）を１０ｓｃｃｍ、ＳＦ₆を８０ｓｃｃｍに加え
てＨ ₂Ｏを１ｓｃｃｍ流しながら、反応圧力７Ｐａ、プ
ラズマを発生させるＲＦパワー５００Ｗで３分間程度エ
ッチングを行なう。これにより基板表面には凹凸構造が
形成される。このとき、エッチング中は基板材料がエッ
チングされて基本的には気化されるが、一部は気化しき
れずに分子同士が吸着して基板表面に残渣として残る。
また、ガス条件、反応圧力、ＲＦパワーなどの条件を変
化させた結果、凹凸形成ガス条件のエッチング後に残渣
が基板表面に残るような条件であれば、確実に凹凸形成
が行うことができる。ただし、その凹凸のアスペクト比
や大きさに関しては、条件により最適化が必要である。
逆に、条件を変化させて、凹凸形成用のエッチング後の
表面に残渣が残らないような条件ではいかなる条件でも
凹凸形成を行うことは不可能であった。

【００２２】このようにエッチングマスクを用いない場
合のドライエッチングによる凹凸形成の形成過程は、基
板材料がエッチングされた際にエッチング生成物が基板
上に再付着し、これがマイクロマスクとなって次のステ
ップで下地の基板がエッチングされ、凹凸が形成される
ことによる。

【００２３】この微細な凹凸１ｂは円錐形もしくはそれ
が連なったような形状を呈し、ＲＩＥ法によりガス濃度
もしくはエッチング時間を制御することにより、その大
きさを変化させることができる。この微細な凹凸１ｂの
幅は０．０１〜５μｍ、高さは０．０１〜１μｍに形成
される。この微細な凹凸１ｂのアスペクト比（凹凸２の
高さ／幅）は、２以下であることが望ましい。このアス
ペクト比が２以上の場合、製造過程で微細な凹凸１ｂが
破損し、太陽電池セルを形成した場合にリーク電流が大
きくなって良好な出力特性が得られない。

【００２４】反応性イオンエッチング装置あるいは類似
のプラズマエッチング装置で凹凸形成を行った後、基板
表面に残ったエッチング残渣を除去する。これにより作
製する太陽電池の特性を向上させることができる。この
残渣を除去する方法の一つは、エッチングが可能なガス
を導入してドライエッチングを行うことで除去する。エ
ッチングが可能なガスとしては、たとえばＳＦ₆などが
あるが、残渣が除去できる能力があれば、ガス種は選ば
ない。このように連続して残渣を除去することにより、
別途残渣を除去する工程を設ける必要がなくなり、低コ
スト化が図れる。なお、この残渣除去のエッチングは、
凹凸形成を行ったのと同じチャンバー内で行ってもよい
し、別に設けられたチャンバーで行ってもよい。ただし
この方法ではエッチングも同時に行われるために凹凸の
形状が崩れやすくなる傾向があり、エッチング条件の管
理が必要である。

【００２５】エッチング残渣を除去する他の方法として
は、反応性イオンエッチング装置あるいは類似のプラズ
マエッチング装置によって凹凸形成を行って基板を取り
出した後に水槽内で超音波をかける方法もある。この超
音波を印加する装置の周波数としては数十ｋＨｚから数
百ｋＨｚまで種々あり、印加する振動子も材質、形状、
出力など様々なタイプがあるが、この装置のタイプは表
面の残渣除去の容易さによって選択することができる。
残渣除去の容易さは凹凸の形状・大きさ・残渣の残量・
基板の種類などによっても変化し、さらに超音波の周波
数によっても変化するが、比較的残渣除去が困難な条件
であっても印加時間を長くすることで残渣除去すること
が可能であり、本発明としてはいずれでも使用可能であ
る。

【００２６】このようにして基板１ａ上に微細な凹凸１
ｂを形成した上に、裏電極１ｃとなるＴｉ、Ｎｉ、Ａ
ｇ、Ａｌ等からなる金属、またはその窒化膜、あるいは
そのシリサイド膜で形成される薄膜層から成る裏電極２
を電子ビーム蒸着法、スパッタリング法等の真空成膜法
によりシート抵抗が１Ω／□以下となるように適当な膜
厚に堆積する。

【００２７】次に、裏電極１ｃ上に、ＢＳＦ層となるｐ
⁺型シリコン層１ｅをプラズマＣＶＤ法等で１μｍ程度
以下の膜厚に形成する。ｐ型不純物原子としてボロン、
アルミニウム等が１×１０¹⁸個／ｃｍ³〜１×１０²²個
／ｃｍ³程度含まれた多結晶Ｓｉ層をに成膜し、高ＢＳ
Ｆ機能を有する下地層とする。

【００２８】次に、ｐ⁺型シリコン層１ｅ上に、光電変
換層となるｐ型もしくは実質的にｉ型の結晶質を含むシ
リコン層１ｆをプラズマＣＶＤ法等で厚さ０．５〜２０
μｍ程度に形成する。ｐ型不純物原子としてはボロンを
ドープする。

【００２９】次に、前記光電変換層１ｆ上に、非晶質、
多結晶もしくは微結晶を含むｎ型シリコン層１ｇをプラ
ズマＣＶＤ法等で厚さ１μｍ以下に形成する。ｎ型不純
物原子としてリン等を１×１０¹⁸個／ｃｍ³〜１×１０
²²個／ｃｍ³程度の高濃度にドープする。

【００３０】次に、前記ｎ型シリコン層１ｇ上に、ＩＴ
Ｏ等の透明導電膜１ｈをスパッタリング法等で厚さ６０
〜１００ｎｍ程度に形成する。

【００３１】さらに、透明導電膜１ｈ上に、Ａｇ等から
成る櫛形状の表金属集電極１ｉおよび裏面グリッド電極
１ｄを蒸着法やプリント法等で厚さ１μｍ以上に形成す
る。

【００３２】以上によって、薄膜多結晶シリコン太陽電
池が得られる。

【００３３】なお、上記のように基板１ａ、裏面電極１
ｃ、シリコン層１ｅ、１ｆ、１ｇ、および透明導電膜１
ｈを順次積層して形成した太陽電池に限らず、基板、透
明導電膜、シリコン層、および金属電極を順次積層した
太陽電池であってもよい。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、請求項１に係る太陽電池
によれば、電極層とシリコン層とを形成する側の基板表
面をドライエッチング法で粗面状にした基板を用いるこ
とから、高い光閉じ込め効果と高い開放電圧を兼ね備え
たシリコン系薄膜太陽電池を提供することができ、シリ
コン系薄膜太陽電池の低コスト化と高性能化に大きく貢
献することができる。

【００３５】また、請求項２に係る太陽電池基板の粗面
化方法によれば、太陽電池基板の表面にエッチング残渣
を付着させながらエッチングして粗面化した後、このエ
ッチング残渣を除去することから、基板を均一かつ微細
にエッチングすることができ、高い光閉じ込め効果と高
い開放電圧を兼ね備えたシリコン系薄膜太陽電池を提供
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１に係る太陽電池の一実施形態を示す図
である。

【図２】請求項２に係る太陽電池基板を製造方法に用い
る装置の一例を示す図である。

【図３】請求項２に係る太陽電池基板の製造方法に用い
る装置の他の例を示す図である。

【符号の説明】

１ａ……基板、１ｂ……凹凸構造、１ｃ……裏面電極、
１ｄ……裏面グリッド電極、１ｅ……ｐ⁺型シリコン
層、１ｆ……光電変換層、１ｇ……n型シリコン層、１
ｈ……透明導電膜、１ｉ……表金属集電極、２ｃ……Ｒ
Ｆ電極、２ｄ……圧力調整器、２ｅ……真空ポンプ、２
ｆ……ＲＦ電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者白間英樹滋賀県八日市市蛇溝町長谷野1166番地の６京セラ株式会社滋賀工場八日市ブロック内Ｆターム(参考） 5F004 AA09 AA16 BA04 CA03 DA00 DA04 DA16 DA18 DA26 DB00 DB14 DB23 EA13 EA28 EB08 FA08 5F051 AA03 BA11 GA02 GA03 GA05 GA14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、一方の電極層と半導体接合部
を有するシリコン層と他方の電極層とを積層して設けた
太陽電池において、前記電極層とシリコン層とを形成す
る側の基板表面をドライエッチング法で粗面状にした基
板を用いることを特徴とする太陽電池。
【請求項２】太陽電池基板の表面をドライエッチング
法で粗面状にする太陽電池基板の粗面化方法において、
前記基板の表面にエッチング残渣を付着させながらエッ
チングして粗面化した後、このエッチング残渣を除去す
ることを特徴とする太陽電池基板の粗面化方法。
【請求項３】前記太陽電池基板の表面にエッチング残
渣が残るエッチングガスを用いてエッチングした後、エ
ッチング残渣が残らないエッチングガスを用いてエッチ
ングすることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池基
板の粗面化法。
【請求項４】前記太陽電池基板の表面にエッチング残
渣が残るエッチングガスを用いてエッチングした後、超
音波洗浄によりエッチング残渣を除去することを特徴と
する請求項２に記載の太陽電池基板の粗面化法。
【請求項５】前記ドライエッチング法が反応性イオン
エッチング法であることを特徴とする請求項２に記載の
太陽電池基板の粗面化方法。
【請求項６】前記太陽電池基板がガラス、ステンレ
ス、グラファイト、アルミナ、アルミニウム、あるいは
有機フィルムのうちのいずれかから成ることを特徴とす
る請求項２に記載の太陽電池基板の粗面化方法。