JP2003258285A

JP2003258285A - 表面凹凸構造の作製方法及び太陽電池

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Publication number: JP2003258285A
Application number: JP2002051513A
Authority: JP
Inventors: Minkyo Yo; 民挙楊
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2003-09-12

Abstract

(57)【要約】【課題】低コストで高品質の表面凹凸構造を備えたシ
リコン基板の製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】シリコン基板の表面にレーザー光を照射
することで溝を形成する工程と、化学エッチングにより
溝を選択的にエッチングすることでシリコン基板の表面
に凹凸を形成する工程を含むことを特徴とする表面凹凸
構造の作製方法により上記課題を解決する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面凹凸構造の作
製方法及び太陽電池に関する。更に詳しくは、本発明
は、光閉じ込め用の表面凹凸構造の作製方法及びその方
法により作製された表面凹凸構造を含む太陽電池に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】単結晶シリコン太陽電池の一般的な製造
方法は、次のような工程からなる。まず、光入射面とな
るシリコン基板表面に表面反射を低減するための凹凸構
造を形成する。次に、熱拡散によるＰＮ接合を形成し、
反射防止膜を形成し、表面及び裏面の電極を形成する。

【０００３】上記表面凹凸構造は、単結晶シリコン基板
をＮａＯＨ、ＫＯＨ、ＮａＣＯ₃等アルカリ水溶液に浸
して、８０〜９０℃の温度でエッチングを行うことで形
成される。アルカリ水溶液は面方位に対して、エッチン
グ速度が違うため、シリコン面方位（１００）の基板を
用いた場合には低い反射率のピラミッド型の表面凹凸構
造が得られる。

【０００４】しかしながら、近年低コスト化の必要性か
ら、多結晶シリコン基板が単結晶に代わり用いられるよ
うになってきている。多結晶基板では、種々の面方位の
結晶粒から構成されるので、面方位（１００）に近い結
晶粒の表面以外は、低い反射率の表面凹凸を得ることは
困難である。従って、全体の表面反射率として低減の余
地がある。

【０００５】このため、各種の表面凹凸構造の形成技術
が開発されている。その中で、ダイサー等を用いる機械
加工、レーザー加工（例えば、特開平６−１３６３２号
公報参照）、フォトリソグラフィによる化学エッチング
での加工、プラズマとガス反応併用のエッチング加工
（ＲＩＥ）等の低い反射率の凹凸構造の作製方法の検討
が行われている。

【０００６】また、特開平１０−３０３４４３号公報に
記載されているように、エッチング速度の調整剤となる
リン酸あるいはカルボン酸を、添加した硝酸とフッ酸の
混酸に混合する又は界面活性剤を添加した硝酸とフッ酸
の混酸を用いた方法も検討されている。この方法では、
微小な球面状の凹部から構成されるテクスチャ表面が得
られる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】機械加工による溝形成
方法は、ダイサーの刃がシリコン基板と直接に接触する
ため、刃の消耗が大きい、また、特開平６−１３６３２
号公報に記載されているようなレーザー加工による溝形
成方法はＶ型溝の形成には、数回のスキャンニングが必
要とされ、１枚の基板加工時間はかなり長くなる。フォ
トリソグラフィ方法ではレジスト膜の形成、露光、現像
等複数工程が必要であり、低コスト化は困難である。ま
た、ＲＩＥ方法では、腐食性のガスを使い、真空プロセ
ス装置を使用するため、低コスト化、実用化の観点から
困難である。更に、前述の特開平１０−３０３４４３号
公報に記載されているようにフッ酸と硝酸を含む混酸を
用いた等方性エッチング方法では、鋭角の凹凸構造を形
成するのは難しく、反射率低減が十分ではない。

【０００８】

【課題を解決するための手段】かくして本発明によれ
ば、シリコン基板の表面にレーザー光を照射することで
溝を形成する工程と、化学エッチングにより溝を選択的
にエッチングすることでシリコン基板の表面に凹凸を形
成する工程を含むことを特徴とする表面凹凸構造の作製
方法が提供される。

【０００９】更に、本発明によれば、上記の方法を用い
て作製された表面凹凸構造を有するシリコン基板を備え
た太陽電池が提供される。

【００１０】

【発明の実施の形態】まず、本発明では、シリコン基板
の表面にレーザー光を照射することで溝を形成する。

【００１１】使用することができるシリコン基板として
は、単結晶、多結晶及びアモルファスのシリコン基板が
挙げられる。この内、表面凹凸構造の形成が比較的困難
な多結晶シリコン基板を使用することが好ましい。ま
た、シリコン基板は、Ｐ又はＮの導電型を有していても
よい。

【００１２】溝の形状は、後の化学エッチングにより所
望の凹凸を形成することができさえすれば特に限定され
ない。例えば、平面形状がストライプ状、ドット状等の
形状が挙げられ、断面形状が方形、Ｖ字型、Ｕ字型等の
形状が挙げられる。また、溝の幅は１０〜１００μｍ、
深さは１０〜１００μｍであることが好ましい。

【００１３】特に、溝は、一定のピッチで形成されたス
トライプ状であることが好ましい。ピッチは、１０〜１
００μｍであることが好ましい。また、シリコン基板表
面には、未照射面が残っていることが、加工速度という
観点から好ましい。

【００１４】レーザー光を生じるレーザー発振器は、シ
リコン基板の表面に溝を形成することができさえすれば
特に限定されず、公知の発振器を使用することができ
る。例えば、エキシマレーザー、ＣＯ₂レーザー、ＹＡ
Ｇレーザー等の光照射でシリコン基板表面部分を融解で
きるレーザー発振器が挙げられる。

【００１５】レーザー光の照射条件は、所望の形状の溝
を形成しうるように適宜調整される。例えば、４×１０
⁴〜１×１０⁶Ｗ／ｃｍ²のエネルギー密度になるよう
に、波長、周波数、照射形状等の条件が調整される。な
お、レーザー光の照射面積は、シリコン基板の表面積の
１／３以下であることが、未照射面を残すという観点か
ら好ましい。

【００１６】次に、化学エッチングにより溝を選択的に
エッチングすることでシリコン基板の表面に凹凸を形成
する。化学エッチングにより形成される凹凸の形状は、
レーザー光の照射による溝の形状に依存する。すなわ
ち、レーザー光が照射された部分は、レーザー光で溶解
した部分とその下部に結晶欠陥があるため、化学エッチ
ングのエッチング速度は、上記部分以外に比べて相対的
に速くなる。つまり、選択エッチングが生じる。この選
択エッチングを利用して、レーザー光が照射された部分
が優先的にエッチングされ、平坦部の面積が相対的に狭
くなっていき、溝の形状に依存した凹凸が形成される。

【００１７】化学エッチングは、ドライエッチング又は
ウェットエッチングのいずれでもよいが、ウェットエッ
チングであることが好ましい。このエッチングに使用で
きるエッチャントとしては、例えば、フッ酸と硝酸の混
酸が挙げられる。混酸中のフッ酸：硝酸は、３〜１０：
１（モル比）割合であることが好ましい。この割合の混
酸を使用すれば、酸化剤である硝酸の濃度が相当低いの
で、シリコン基板に酸化物層が形成されるより、シリコ
ン基板表面に多数存在する結晶欠陥部分からエッチング
を始めることができる。この混酸には、エッチング速度
を制御するため、酢酸、硫酸及びリン酸から選択される
いずれかの酸が更に含まれていてもよい。

【００１８】混酸中には、プロピオン酸、酪酸、ピバル
酸、カプロン酸、酒石酸、コハク酸、アジピン酸、プロ
パントリカルボン酸等を更に添加してもよい。

【００１９】化学エッチングは、０〜２５℃の範囲で行
なうことが好ましい。この範囲内では、上記欠陥部分の
反応比率を大きくでき、このことにより溝内の側面のエ
ッチング速度を抑えることができる。更に、エッチング
液を撹拌することで、溝底部へのエッチング液の供給を
促進することができる。それにより、より鋭角（例え
ば、シリコン基板表面に対する溝側面の角度が４５°以
上）な凹形状（例えば、Ｖ字型）の凹凸構造が形成でき
る。

【００２０】ここで、凹凸構造の凹部の深さは３０〜１
２０μｍ、幅は３０〜１２０μｍであることが好まし
い。深さは、３０〜８０μｍ、幅は３０〜８０μｍであ
ることがより好ましい。

【００２１】上記表面凹凸構造を備えたシリコン基板
は、太陽電池の基板として好適に使用される。

【００２２】太陽電池の製造方法は、例えば、シリコン
基板の表面凹凸構造側に、導電性不純物を拡散すること
でＰＮ接合を形成する。この半導体層は、シリコン基板
がＰの場合はＮ、Ｎの場合はＰの導電型を有している。
半導体層は、例えば、単結晶、多結晶、アモルファスの
シリコン層が使用できる。次いで、シリコン基板の裏面
に裏面電極、半導体層上の表面収集電極を形成すること
で太陽電池を製造することができる。

【００２３】なお、表面収集電極と半導体層の間に、反
射防止膜を形成してもよい。

【００２４】上記構成の太陽電池では、シリコン基板が
表面凹凸構造を有していることで、太陽電池の反射率を
著しく低減でき、その構造のない太陽電池より、光電変
換効率を向上させることができる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明を実施例により更に詳細に説明
するが、本発明は以下の実施例には限定されない。

【００２６】図１は本発明によるレーザー表面加工とウ
ェットエッチング方法の併用で表面凹凸構造を形成した
多結晶シリコン基板の概略断面図である。図２は、実施
例の多結晶太陽電池の概略断面図である。

【００２７】本実施例では、光照射でシリコン基板表面
を融解できるレーザー発振器として、ＹＡＧレーザーを
用いた。

【００２８】以下には、本発明の方法を用いた多結晶基
板の表面凹凸構造の形成及び太陽電池の作製について説
明する。

【００２９】まず、レーザー光による溝の形成について
説明する。

【００３０】基板は、厚さ約３５０μｍ、抵抗率１Ω・
ｃｍ程度のＰ型多結晶シリコン基板を用いた。最初に、
酸による等方性エッチングを行い、表面の研削ダメージ
層を除く。

【００３１】高速移動できる電動ステージに該多結晶シ
リコン基板を載せ、レーザー光を照射すると、照射した
面のシリコンが溶融、蒸発する。レーザー光は、波長
１．０６μｍ、周波数５ｋＨｚのパルス光を用いた。レ
ーザー光は、図４に示すように光強度分布があるものを
使用し、これを光学レンズで集光し、四角形のスリット
を通した。レーザー光照射形状は５０×５０μｍ²の正
方形であり、照射面におけるエネルギー密度を８×１０
⁵Ｗ／ｃｍ²とした。このレーザー光の１回照射で、浅い
Ｕ形の穴を形成する。すなわち、シリコン基板を載せた
電動ステージをＸ軸方向へ高速に移動すると、線形の浅
いＵ型溝が形成される。また、Ｙ軸方法へ一定ピッチ移
動し、Ｘ軸方向へ高速移動すると、もう一つのＵ型溝が
形成される。このように繰り返すと、図１中、レーザー
光照射後の表面形状である（Ａ）に示すように、Ｘ軸と
Ｙ軸におけるシリコン基板１表面に一定ピッチのＵ型溝
２が全面的に形成される。Ｕ型溝のピッチは７５μｍ、
幅は約５０μｍ、深さは約２０μｍである。図１中、３
は平坦部である。

【００３２】次に、ウェットエッチングを行う。この実
施例における処理方法では、まず、フッ酸：硝酸：リン
酸＝５：１：１２（モル比）の混酸からなるエッチャン
トを調製する。エッチャントの温度はエッチング槽外の
恒温槽により５℃程度に制御しておく。また、スタラー
を用いて磁石回転によるエッチャントを撹拌する。レー
ザー光で表面加工した基板をテフロン（登録商標）製の
キャリアに載せて、エッチング液と接触させることでエ
ッチングを行う。シリコンエッチング速度は約３μｍ／
ｍｉｎである。このウェットエッチングではレーザー光
に照射された部分とその下にある浅い部分が除去される
とともに、レーザー光で照射していない部分の平坦部が
少なくなる。図１のウェットエッチング後の表面形状で
ある（Ｂ）に示すように深いＶ型溝４からなる表面凹凸
構造が形成される。このＶ型溝４の幅は約７２μｍ、深
さは約３５μｍ、シリコン基板１表面に対するＶ型溝４
側面の角度は°である。この表面凹凸構造による反射率
スペクトルを図３に示す（図中ａ）。なお、図３には、
エッチング処理を行なわない場合（図中ｂ）と、レーザ
ー光照射及びエッチング処理の両方を行なわない場合
（図中ｃ）の反射率スペクトルも合わせて示している。

【００３３】この表面凹凸構造を形成した後に、ＲＣＡ
方法で洗浄し、燐拡散によりＰＮ接合を形成し、厚さ約
０．３μｍ、不純物濃度１．２×１０²⁰ｃｍ^-3のＮ型シ
リコン層５を形成する。続いて光入射面とする表面側の
拡散層だけを樹脂マスクで保護し、裏面とする反対側面
のＮ型拡散層を化学エッチングにより除去する。

【００３４】次に、Ｎ型シリコン層５の上にＴｉＯ₂反
射防止膜６を形成した後、裏面にＡｌペーストと表面に
銀ペーストを印刷し、それぞれ、ベルト焼成炉で乾燥、
焼成して（温度７００℃）、表面収集電極７及び裏面電
極８を形成する。また、半田用Ｓｎ溶融液にディップし
て、両電極を厚くする。最終に電極リード線を付けて、
表面凹凸構造を有する多結晶シリコン基板を含む太陽電
池が形成される。この太陽電池の概略断面図を図２に示
す。

【００３５】表面凹凸構造を形成することにより、太陽
電池表面の反射率を著しく低減でき、光電流密度が向上
した。その結果、太陽電池の変換効率向上に一層寄与で
きた。多結晶シリコン太陽電池の光電変換効率は、従来
アルカリ法で形成した表面凹凸構造の太陽電池の変換効
率の１４％程度から１７％程度まで顕著に向上させるこ
とができるという効果があった。この実施例で得られた
太陽電池の特性を従来例と共に表１に示す。

【００３６】

【表１】

【００３７】なお、表中、Ｊｓｃ（ｍＡ／ｃｍ²）、Ｖ
ｏｃ（ｍＶ）、Ｆ．Ｆ．及び効率は以下の方法により測
定した。

【００３８】測定ステージの温度を２５℃、ＡＭ１・５
の太陽光シュミレーターの照射強度１００ｍＷ／ｃ
ｍ²、太陽電池の面積を１００ｍｍ²として測定した。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、多結晶太陽電池の表面
凹凸形成において、レーザー光照射と化学エッチングの
併用により、低コストで高品質の表面凹凸構造を備えた
シリコン基板を得ることができる。更に、この表面凹凸
構造を備えたシリコン基板を太陽電池に用いることで、
より光電変換効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザー光照射と化学エッチング
の併用で表面凹凸構造を形成した多結晶シリコン基板の
概略断面図である。

【図２】実施例の太陽電池の概略断面図である。

【図３】実施例の表面凹凸構造による反射率スベクトル
である。

【図４】実施例で使用するレーザー光の光強度分布を示
すグラフである。

【符号の説明】

１シリコン基板２Ｕ型溝３平坦部４Ｖ型溝５Ｎ型シリコン層６反射防止膜７表面収集電極８裏面電極Ａレーザー光照射後の表面形状Ｂウェットエッチング後の表面形状

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板の表面にレーザー光を照射
することで溝を形成する工程と、化学エッチングにより
溝を選択的にエッチングすることでシリコン基板の表面
に凹凸を形成する工程を含むことを特徴とする表面凹凸
構造の作製方法。
【請求項２】化学エッチングが、フッ酸：硝酸＝３〜
１０：１（モル比）の混酸中で行なわれる請求項１に記
載の作製方法。
【請求項３】化学エッチングが、フッ酸及び硝酸と、
酢酸、硫酸及びリン酸から選択されるいずれかの酸との
混酸中で行なわれる請求項１又は２に記載の作製方法。
【請求項４】化学エッチングが、撹拌下、０〜２５℃
の範囲で行なわれる請求項１〜３のいずれか１つに記載
の作製方法。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか１つに記載の方
法を用いて作製された表面凹凸構造を有するシリコン基
板を備えた太陽電池。