JP2005116906A - シリコン太陽電池セルとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
太陽電池グレードのシリコン基板を使用して、基板初期の値に近いライフタイムを持つｎ⁺ｐｐ⁺ＢＳＦ型太陽電池セルを提供すること。
【解決手段】
本発明のシリコン太陽電池セルは、シリコン基板の裏側の面にボロンを拡散する裏面ボロン拡散工程と、該裏面ボロン拡散工程の後に行う、前記シリコン基板の表側の面にリンを拡散する、おもて面リン拡散工程と、該おもて面リン拡散工程の後に行う、温度６００℃以下で１時間以上のアニール処理を行う低温アニール工程と、ピーク温度７００℃以下かつ１分以下の条件で、電極を焼成する電極焼成工程とを経て製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン太陽電池セルと、その製造方法に関する。

従来技術のシリコン太陽電池セルは、ｐ型シリコン基板を使用し、表側の面にリン拡散によってｎ⁺ 層を形成し、次いで、この表側の面にグリッド状銀電極を、裏側の面全面にアルミ電極を印刷・焼成によって形成する。この際、約８００℃で焼成するが、裏側の面全面に印刷したアルミ・ペースト中のアルミニウム原子がシリコン基板内に拡散し、裏側の面にｐ⁺層が形成される。このｐ⁺層はセル性能を向上させる裏面電界（Back Surface Field：以下ＢＳＦと略す。）として働く。上記のリン拡散時にリンゲッタリングが起こり、また電極焼成過程でアルミゲッタリングが起こって、シリコンバルクのライフタイムが向上し、高いセル性能を得ている。このような従来技術の太陽電池セルの製造方法が例えば特許文献１に記載されている。

また、別の従来技術として、ｐ型シリコン基板の表側の面にリン拡散によるｎ⁺ 層を形成してｎ⁺ｐ接合を作成し、裏側の面側にはボロン拡散によってｐ⁺ＢＳＦを形成し、裏側の面電極をグリッド状電極とした両面受光セルがある。この両面受光セルでは、ライフタイムが低く、裏側の面照射時の変換効率は表側の面効率の６０％程度以下である。

従来技術の太陽電池セルでは、フィンガー電極とバスバー電極とを備えたグリッド状電極で、フィンガー電極の形状が、バスバー電極に接続する部分まで、１２０から１４０μｍ程度の同じ電極幅で設計されている。

特開平１０−１４４９４３号公報；（００２６）段落、（００２７）段落、（００３０）段落の記載

前記従来技術のリン拡散及びボロン拡散によるｎ⁺ｐｐ⁺構造のシリコン太陽電池では、シリコン基板製造過程及びセル製造過程で、Ｆｅ汚染を受ける。またｐ型シリコンにボロン拡散を行うと、バルク有効ライフタイムは１０μｓ程度まで低下し、リン拡散に伴うリンゲッタリングだけでは、ライフタイムの回復は小さく、十分なセル性能を得ることが困難である。また、電極形成過程での熱処理によって、ライフタイム低下を引き起こす。

前記別の従来技術の両面受光セルでは、ライフタイムが低く、特に裏側の面が照射された時の変換効率は、表側の面が照射された時の効率の５０％から６０％程度と低い。

従来技術の片面受光セルを用いたダブルガラスモジュールは、セルの裏側の面のアルミ電極がまだらな茶褐色であり、さらにバスバー用銀電極があり、裏面が見えるような設置用途では外観上の課題がある。また、従来技術の片面受光セルでは、裏側の面が全面アルミ電極のため、セルを薄くすると、セル割れやマイクロクラックの発生が起こり易く、薄型化が困難である。

さらに、従来技術のセルのグリッド電極は、印刷・焼成法で作成したフィンガー電極とバスバー電極で構成されるが、電極を微細に形成するとフィンガー電極のバスバー電極付根が細る現象が起こり易く、この結果、電流密度の高くなる当該部での電気抵抗が大きくなり、セル性能低下が起こり、歩留りを悪化させるという課題がある。

本発明の目的は、太陽電池グレードのシリコン基板を使用して、基板初期の値に近いライフタイムを有するボロン拡散によるｐ⁺ 層を形成したｎ⁺ｐｐ⁺ＢＳＦ型太陽電池セルを実現し、高い効率の片面受光セルや両面受光セルを製造することである。

本発明の太陽電池は、高いライフタイムを得るために、ライフタイムの低下を起こすボロン拡散をセルの裏側の面にまず行い、次に、ボロン拡散面の反対面であるセルの表側の面にリンを拡散し、ボロン拡散で低下したシリコン基板のライフタイムをリン拡散に伴うリンゲッタリングで回復させ、次に約６００℃以下の低い温度で時間オーダのアニール処理をして、基板の素子活性領域に存在するライフタイムキラーであるＦｅ⁺とＢ^-とがペアとなっているＦｅ・ＢペアのＦｅをボロン拡散層ｐ⁺ 領域をゲッタリングサイトとしてゲッタリングする低温ボロンゲッタリングを生起させてライフタイムを回復し、さらに、太陽電池製造工程中の最終熱工程である電極焼成で、約７００℃以下の低い温度で両面電極の同時焼成を行って、上記低温ボロンゲッタリングで回復したライフタイムを確保した。

本発明によれば、ボロン拡散及びリン拡散によるｎ⁺ｐｐ⁺ＢＳＦ型太陽電池セルの製造過程で必要な一連の熱処理プロセスを行っても、素子活性領域の有効ライフタイムを初期基板の有するライフタイムに近い値まで回復及び維持でき、高い効率の片面受光セルや両面受光セルを実現できる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。

図１は、本実施例のシリコン太陽電池セルの断面説明図である。シリコン基板１は、ｐ型でもｎ型でも何れでも使用できるが、以下、本実施例ではｐ型シリコン基板を例に説明する。

本実施例のシリコン太陽電池セルは、シリコン基板１の表側の面にリン拡散によるｎ⁺層２を、裏側の面にボロン拡散によるｐ⁺層３を形成している。このｎ⁺層２とシリコン基板１のｐ層とでｐｎ接合を形成し、裏側の面側のｐ⁺層３がＢＳＦを形成している。ｎ⁺層２及びｐ⁺層３の上には、シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂ ）４を形成している。このｎ⁺ｐｐ⁺ＢＳＦ構造の拡散基板に、表側の面に（−）電極である、おもて電極５と、裏側の面に（＋）電極である裏面電極６とを形成している。本実施例のシリコン太陽電池セルのグリッド状電極は図２に示すように、バスバー電極８とフィンガー電極９とを備え、幅の広いバスバー電極８から、幅の狭いフィンガー電極９が延在している。

図３は、本実施例のｎ⁺ｐｐ⁺ＢＳＦ構造の太陽電池セルの製造プロセスフローを示す説明図である。本願発明者の数多くのサンプルで実験した結果から、シリコン基板にボロン拡散を行うと基板のバルクライフタイムが１０μｓ程度に低下することが確認されている。

本実施例では、図３に示すように、基板にテクスチャーエッチを施す工程の後に、裏側の面にボロンを拡散するボロン拡散工程を行い、続いて、表側の面にリンを拡散するリン拡散工程、次いで低温アニール工程の順で熱処理を行う。

本実施例では、裏側の面のボロン拡散で大幅に低下したライフタイムを、（１）リン拡散工程のリンの拡散によるリンゲッタリングと、（２）低温アニール工程による低温ボロンゲッタリングとの組合せで、基板初期のライフタイムに近い値に回復させ、高いライフタイムのｎ⁺ｐｐ⁺ＢＳＦ拡散基板を実現する。

一方、低温ボロンゲッタリングは、窒素に代表される不活性ガス雰囲気中で約６００℃以下の低い温度で１時間以上の時間オーダの処理時間でアニール処理する工程である。

Ｆｅに汚染されたｐ型シリコン基板内で、格子置換されたＢ^-と格子間Ｆｅ⁺とがＦｅＢペアをつくり、温度平衡して存在することが知られている。このＦｅＢペアが大きな捕獲断面積を有して、ライフタイムキラーとして働くので、素子活性領域のｐ層の格子間に拡散汚染したＦｅを、ボロン拡散によって形成したｐ⁺ 層をゲッタリングサイトとして、低温でアニール処理してゲッタリングし、ライフタイムを回復する。

図４は、図３に示した本実施例の製造プロセスで、基板のバルク・ライフタイムが回復する代表的な例を実験結果に基づいて示したグラフである。図４から、ボロン拡散工程で大きく低下したライフタイムが、実線で示すように、図４の（１）に示すリンゲッタリングと、同じく（２）に示す低温ボロンゲッタリングとの組合せによって、初期基板のライフタイムの７５％以上（図４の例では８５％以上）に回復していることが分かる。

上記の様に製造した本実施例のｎ⁺ｐｐ⁺ＢＳＦ型セルは、次に表側の面と裏側の面とに電極を形成する。この電極形成は、図３の表側の面と裏側の面の電極印刷工程とこれに続く電極同時焼成工程で行う。本実施例では、焼成温度をピーク温度約７００℃以下で、このピーク温度での焼成時間を１分以下の条件に設定して、表側の面と裏側の面電極を同時に焼成する。この焼成工程後でも本実施例ではライフタイムが初期基板のライフタイムの７５％以上（図４の例では８５％以上）を保持している。

一方比較例として、低温アニール工程を経ずに、８００℃程度の高温焼成した場合を、図４に破線で示す。図４に示すように、８００℃程度の高温での電極焼成によってライフタイムが初期基板のライフタイムの５０％以下（図４の例では４０％以下）に低下している。比較例でライフタイムが低下する理由は、前述の低温ボロンゲッタリングが、高温熱処理によって逆反応を起こしたためである。

このように、本実施例によれば、ボロン拡散及びリン拡散によるｎ⁺ｐｐ⁺ＢＳＦ型太陽電池セルの製造過程で必要な一連の熱処理プロセスを行っても、素子活性領域の有効ライフタイムを初期基板の有するライフタイムに近い値まで回復及び維持でき、高いセル性能を実現できる。

本実施例のｎ⁺ｐｐ⁺ＢＳＦ型セルでは、裏側の面の電極を表側の面と同様に、図２に示すグリッド状電極とし、裏側の面にもシリコンに太陽光を取り込める。本実施例のｎ⁺ｐｐ⁺ＢＳＦ型セルでは、セルの両面の電極がグリッド状電極であって、電極の占有面積が約６％と少ないので、両面に入射する日光を高い効率で受光できる。本実施例によれば、セルのライフタイムが高いので、裏側の面の変換効率を高くでき、表側の面の変換効率に対する裏側の面の変換効率の比(Bifaciality）は、太陽電池グレードＣＺ基板を使用した場合に８０％以上になる。

本実施例では両面受光セルに図２に示す電極を形成するので、裏側の面からの光入射に対し、発生する電子は、裏側の面の表面近傍で多く発生し、特に表面から１０μｍの深さまでで、全発生量の約９０％が発生し、発生した電子がｐｎ接合のある表側の面近傍（多くの太陽電池セルでは表側の面の表面から０.３μｍ の深さに接合がある。）までの必要拡散距離が大きくなるが、ライフタイムが大きく、薄いセルを製造できるので、これらのキャリアーが接合に到達する割合が大きくなり、裏側の面に光を照射した時にも光・電気変換効率を上げることができる。

本実施例は、実施例１のｎ⁺ｐｐ⁺ＢＳＦ型セルの表側の面に図２に示すようなグリッド状電極を形成し、裏側の面では積極的な受光を期待しないので、図５に示すような電極占有率が大きくて微細で密なグリッド状電極を形成した点だけが、実施例１と異なる。すなわち、表側の面に形成したグリッド状電極の面積が表側の面で占める割合より、裏側の面に形成したグリッド状電極の面積が裏側の面で占める割合が大きい。

従来技術の片面受光セルでは、図６に示すようにｎ⁺ｐ 拡散基板１２の裏側の面全面にアルミ電極１３を有し、このアルミ電極１３が、むらのあるこげ茶色を呈している。これに対して、図５に示すように本実施例の片面受光セルでは、ｎ⁺ｐｐ⁺拡散基板７の裏側の面に意匠性に優れたバスバー電極８やフィンガー電極１０を配置し、しかも裏面全面アルミ電極がないので、厚さ２００μｍ以下の薄いセルにしてもセルの反りや割れが起こり難い。

このように本実施例の片面受光セルは、ＢＳＦによる性能向上に加えて、セルの比較的深い部位で発生するキャリアーのライフタイムが向上して性能、特にフィル・ファクターの向上に寄与する。さらに、セルの裏側の面の電極に、意匠性に優れた微細な銀電極で形成できる。

本実施例では図７に示すように、実施例１や実施例２に記載したセルで、幅１００μｍ以下の微細化なフィンガー電極９のバスバー電極８の付根部１１を図７に示すように太くした。本実施例ではバスバー電極８の幅はフィンガー電極９の幅の１０倍以上の１〜３mmである。図７（Ａ）では矩形状に、図７（Ｂ）では三角状にして太くし、バスバー電極８の付根部１１から１mm程度の部分のフィンガー電極９の幅を、２倍〜４倍の幅に拡大した。フィンガー電極９の幅は、付根部１１から測ってバスバー電極の幅の０.３ 倍〜２倍の部分を基点に付根部１１にかけて拡大していれば良い。本実施例では、グリッド電極のフィンガー電極９を微細にし、フィンガー電極９の数を増やしてセルの直列抵抗を低減したのでセルの性能が向上している。

このように本実施例によれば、太陽電池セルのフィンガー電極を仕上がり幅で１００μｍ以下に設計製造しても、フィンガー電極のバスバー電極付根部での細りがなくなり、セルの直列抵抗を小さくでき、高い効率のセルが実現できる。

実施例１の太陽電池セルの断面構造説明図である。 実施例１の太陽電池セルのグリッド状電極の説明図である。 実施例１の太陽電池セルを製造するプロセスフローの説明図である。 実施例１の太陽電池セルを製造する際に各熱処理プロセス後のシリコン基板のライフタイム推移の代表例を説明する図である。 実施例２の太陽電池セルの裏側の面の電極バターンを示す説明図である。 従来技術の太陽電池セルの裏側の面の電極を説明する図である。 実施例３の太陽電池の微細電極のフィンガー付根部を説明する図である。

符号の説明

１…シリコン基板、２…ｎ⁺層、３…ｐ⁺層、４…シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）、５…おもて電極、６…裏面電極、７…ｎ⁺ｐｐ⁺拡散基板、８…バスバー電極、９，１０…フィンガー電極、１１…付根部、１２…ｎ⁺ｐ拡散基板、１３…アルミ電極。

Claims (7)

1. ｐ型シリコン基板に、リンを拡散したｎ⁺層とボロンを拡散したｐ⁺層とを形成したｎ⁺ｐｐ⁺構造を有するシリコン太陽電池セルの製造方法において、
   該シリコン太陽電池セルの製造方法が、
   前記シリコン基板の裏側の面にボロンの拡散処理を行う、裏面ボロン拡散工程と、
   該裏面ボロン拡散工程の後に行う、前記シリコン基板の表側の面にリンを拡散する、おもて面リン拡散工程と、
   該おもて面リン拡散工程の後に行う、温度６００℃以下で１時間以上のアニール処理を行う低温アニール工程と、を有することを特徴とするシリコン太陽電池セルの製造方法。
2. 請求項１に記載のシリコン太陽電池セルの製造方法において、
   前記低温アニール工程の後で行う電極印刷工程と、
   該電極印刷工程の後に行う電極焼成工程とを有し、
   該電極焼成工程が、ピーク温度７００℃以下でピーク温度時間１分以下の温度条件で、電極を焼成することを特徴とするシリコン太陽電池セルの製造方法。
3. ｐ型シリコン基板の第１の面にリンを拡散したｎ⁺層と、該基板の第２の面にボロンを拡散したｐ⁺層とを形成したｎ⁺ｐｐ⁺構造を有するシリコン太陽電池セルにおいて、
   該シリコン基板のｎ⁺ｐｐ⁺構造が、請求項１あるいは請求項２の何れかに記載の製造法によって製造されたものであり、
   前記第１の面と、第２の面とにそれぞれグリッド状電極を備え、
   該グリッド状電極がバスバー電極とフィンガー電極とを備えていることを特徴とするシリコン太陽電池セル。
4. 請求項３に記載のシリコン太陽電池セルにおいて、前記シリコン太陽電池セルが両面受光型太陽電池セルであることを特徴とするシリコン太陽電池セル。
5. 請求項３に記載のシリコン太陽電池セルにおいて、前記第１の面に形成したグリッド状電極と、前記第２の面に形成したグリッド状電極とが異なる形状であることを特徴とするシリコン太陽電池セル。
6. 請求項３に記載のシリコン太陽電池セルにおいて、前記第１の面に形成したグリッド状電極の面積が第１の面で占める割合が、前記第２の面に形成したグリッド状電極の面積が第２の面で占める割合より小さいことを特徴とするシリコン太陽電池セル。
7. 請求項３から請求項６の何れかに記載のシリコン太陽電池セルにおいて、前記フィンガー電極の幅が１００μｍより狭く、前記バスバー電極の幅が該フィンガー電極の幅の１０倍より大きく、かつ前記フィンガー電極とバスバー電極とが接続する付根部で、前記フィンガー電極の幅が拡大していることを特徴とするシリコン太陽電池セル。
   

Images