JP2005166994A - Manufacturing method of solar cell, and solar cell manufactured by the method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-quality solar cell at low costs by improving the diffusion length of the minority carrier of a silicon substrate by an effective method of calcination. <P>SOLUTION: The manufacturing method of the solar cell is for manufacturing the solar cell having a p-type silicon substrate and a rear-surface electric field layer formed by the calcination of aluminum on a surface opposite to the photodetective surface of the p-type silicon substrate. A temperature-lowering speed from the highest temperature in a heat treatment process of forming the rear-surface electric field layer is ≥55°C/s. The solar cell is manufactured by the method. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体材料を用いた太陽電池に関する。   The present invention relates to a solar cell using a semiconductor material.

現在、単結晶または多結晶シリコンを用いた太陽電池は、材料費やエネルギ変換効率の面から、主に住宅用として広く使われている。太陽電池が今後さらに普及し、環境問題の解決に貢献するためには、製造工程および材料費の低コスト化と、より高いエネルギ変換効率が要求される。   At present, solar cells using single crystal or polycrystalline silicon are widely used mainly for homes in terms of material costs and energy conversion efficiency. In order for solar cells to become more widespread in the future and contribute to the solution of environmental problems, it is required to reduce the manufacturing process and material costs and to increase the energy conversion efficiency.

通常の単結晶シリコンあるいは多結晶シリコン太陽電池は、たとえば、図1に示すような工程により製造される(特許文献1参照)。まず、図1(a)に示すような洗浄後のp型シリコン基板1に対して、受光面側の全体にわたり、入射光を効率良く取り込むために、化学的または機械的に細かい凹凸を形成する。つぎに、図1(b)に示すように、POClの熱拡散などにより、p型シリコン基板1にn型半導体層2を形成する。その後、図1(c)に示すように、受光面をテープなどで保護した後、受光面以外の部分、すなわち、裏面および側面などに形成されたn型半導体層2をエッチングにより取り除く。 A normal single crystal silicon or polycrystalline silicon solar cell is manufactured, for example, by a process as shown in FIG. 1 (see Patent Document 1). First, fine unevenness is formed chemically or mechanically on the p-type silicon substrate 1 after cleaning as shown in FIG. 1A in order to efficiently capture incident light over the entire light receiving surface side. . Next, as shown in FIG. 1B, an n-type semiconductor layer 2 is formed on the p-type silicon substrate 1 by thermal diffusion of POCl 3 or the like. Thereafter, as shown in FIG. 1C, after the light receiving surface is protected with a tape or the like, the n-type semiconductor layer 2 formed on a portion other than the light receiving surface, that is, the back surface and the side surface is removed by etching.

つづいて、図1(d)に示すように、受光面側のn型半導体層2の上に、シリコン窒化膜などの反射防止膜3を形成する。つぎに、図1(e)に示すように、電極を形成するために、スクリーン印刷によりアルミペースト4を、裏面側の広い範囲にわたって印刷し、乾燥させる。ここで、アルミペーストが側面に付いて、拡散層が基板の側面に形成されるのを防ぐために、基板の端にはアルミペーストが付かないようにする。その後、図1(f)に示すように、基板をベルト炉などによって焼成することにより、裏面電界層(BSF)効果のあるp層5と裏面電極6を形成する。最後に、図1(g)に示すように、受光面側にスクリーン印刷で銀ペーストを印刷し、ベルト炉で焼成し、受光面側電極7を形成することにより太陽電池を製造することができる。 Subsequently, as shown in FIG. 1D, an antireflection film 3 such as a silicon nitride film is formed on the n-type semiconductor layer 2 on the light receiving surface side. Next, as shown in FIG.1 (e), in order to form an electrode, the aluminum paste 4 is printed over the wide range of a back surface by screen printing, and is dried. Here, in order to prevent the aluminum paste from adhering to the side surface and the diffusion layer from being formed on the side surface of the substrate, the end of the substrate is prevented from being attached with the aluminum paste. Thereafter, as shown in FIG. 1 (f), the substrate is baked in a belt furnace or the like to form the p + layer 5 and the back electrode 6 having a back surface field layer (BSF) effect. Finally, as shown in FIG. 1G, a solar cell can be manufactured by printing a silver paste on the light receiving surface side by screen printing, firing in a belt furnace, and forming the light receiving surface side electrode 7. .

従来の太陽電池をさらに高効率化するためには、材料となるシリコンの高品質化が重要なテーマである。一般に、太陽電池用半導体材料の品質を判断する目安としては、少数キャリアの拡散長あるいはライフタイムが採用される。通常、シリコン基板中の不純物が少なければ少ないほど、拡散長あるいはライフタイムは大きくなる傾向がある。ところが、太陽電池セルは、低コストで製造する必要があり、使用するシリコンウェハは、必ずしも集積回路などの半導体デバイスの製造で使用するシリコンウェハほど純度が高いものではない。高純度で高精度のものを用いれば、必然的にコストが高くつくからである。しかし、不純物が混入したシリコン基板を用いたり、あるいは太陽電池セルを製造する工程において、シリコン基板が不純物によって汚染されると、結果として完成した太陽電池のエネルギ変換効率が制限されるという問題がある。そこで、太陽電池級シリコンを用いて太陽電池を製造する工程の中で、シリコン基板の拡散長を向上させる試みが数多くなされている。   In order to further improve the efficiency of conventional solar cells, it is an important theme to improve the quality of silicon as a material. In general, the diffusion length or lifetime of minority carriers is adopted as a standard for judging the quality of the semiconductor material for solar cells. Usually, the smaller the impurity in the silicon substrate, the longer the diffusion length or lifetime. However, solar cells need to be manufactured at low cost, and the silicon wafers used are not necessarily as pure as silicon wafers used in the manufacture of semiconductor devices such as integrated circuits. This is because the use of high purity and high accuracy inevitably increases the cost. However, when a silicon substrate contaminated with impurities is used or a silicon substrate is contaminated with impurities in the process of manufacturing solar cells, there is a problem that the energy conversion efficiency of the completed solar cell is limited as a result. . Therefore, many attempts have been made to improve the diffusion length of the silicon substrate in the process of manufacturing a solar cell using solar cell grade silicon.

そうした試みのひとつが、ゲッタリングである。この方法の基本的概念は、ウェハ中でデバイスの特性に影響を与えない部分に、ウェハ全体の不純物を取り込むことである。通常、ゲッタリングの対象となる不純物は、Fe,Cu,Ti,Crなどの金属元素である。具体的なゲッタリングの方法としては、内因性ゲッタリング(intrinsic gettering)と外因性ゲッタリング(extrinsic gettering)がある。前者は、IC(集積回路)の製造などに標準的に用いられる方法であるが、主に金属不純物をシリコン基板の表面付近から、シリコン基板の中心部に移動させることが目的であるため、太陽電池のように基板全体にわたって、シリコンの品質を改善する必要がある場合には不適切である。したがって、太陽電池の製造工程に適用できるのは、外因性ゲッタリングである。   One such attempt is gettering. The basic concept of this method is to incorporate impurities from the entire wafer into a portion of the wafer that does not affect the device characteristics. In general, impurities to be gettered are metal elements such as Fe, Cu, Ti, and Cr. Specific gettering methods include intrinsic gettering and extrinsic gettering. The former is a standard method used in the manufacture of ICs (integrated circuits), etc., but the purpose is mainly to move metal impurities from the vicinity of the surface of the silicon substrate to the center of the silicon substrate. It is not appropriate when it is necessary to improve the quality of silicon over the entire substrate as in a battery. Therefore, exogenous gettering can be applied to the manufacturing process of the solar cell.

外因性ゲッタリングの具体的な手法が、多くの文献に記載されている(非特許文献1参照)。最も広く行なわれている方法は、シリコン基板の表面に、PまたはAlなどを高温で拡散させて、表面に金属不純物を取り込んでしまうという方法である。太陽電池の開発に多く用いられている理由は、太陽電池の製造過程において、PまたはAlの拡散が、それぞれ接合層を形成する工程と電極を形成する工程を兼ねているからである。したがって、太陽電池の製造において、PまたはAlを用いたゲッタリングの方法を最適化することは非常に重要である。   Specific methods of extrinsic gettering are described in many documents (see Non-Patent Document 1). The most widely used method is a method in which P or Al or the like is diffused at a high temperature on the surface of the silicon substrate and metal impurities are taken into the surface. The reason why it is often used in the development of solar cells is that, in the production process of solar cells, the diffusion of P or Al serves as the step of forming a bonding layer and the step of forming electrodes, respectively. Therefore, in the manufacture of solar cells, it is very important to optimize the method of gettering using P or Al.

ゲッタリングによる不純物除去のメカニズムに関しては、多くの理論的実験的解析が行なわれている(非特許文献2および非特許文献3参照)。しかし、これらの文献における主張は、どれもそれぞれ異なっており、実際には解明されていないことが多い。その中で、現在までのところ有力とされている説は、高温でシリコン基板の表面に拡散されたドーパントとシリコン基板とでは、除去したい金属不純物の固溶度が異なるため、金属不純物が表面付近に取り込まれていくとする説と、表面に拡散されたドーパントが、シリコン基板の表面に欠陥を誘起し、そこに金属不純物が取り込まれるとする説の2つである。おそらくは、ゲッタリングのメカニズムを、この2つの説のみで解明することはできないが、この2つの説の複合的効果を考えれば、実験結果をある程度定性的に説明することができるだろう。   Many theoretical and experimental analyzes have been performed on the mechanism of impurity removal by gettering (see Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3). However, the assertions in these documents are all different and are often not clarified in practice. Among them, the theory that has been considered so far is that the dopant diffused on the surface of the silicon substrate at high temperature and the silicon substrate have different solid solubility of the metal impurity to be removed. There are two theories that the dopant is diffused into the surface and the dopant diffused on the surface induces a defect on the surface of the silicon substrate, and the metal impurity is taken in there. Probably, the mechanism of gettering cannot be clarified only by these two theories, but considering the combined effect of these two theories, the experimental results can be explained to some extent qualitatively.

このような基板改質技術はすでに数十年の歴史があるが、最近の目新しい手法として、高速熱処理(Rapid Thermal Processing)法が挙げられる。RTPは、太陽電池における加熱のプロセスで通常使用されるベルト炉よりも大幅に加熱と冷却の速度を上げて処理を行なう方法であり、このような熱処理方法が通常の熱処理とは異なった効果をデバイスに与えることが太陽電池はもちろんのこと、その他の半導体デバイスの分野でも報告されている。一般に、RTPにおける高温状態からの急冷は、結晶に欠陥を引き起こすと主張する文献があるが(非特許文献4参照)、太陽電池の分野では、p型シリコン基板の受光面側にシリコン窒化膜を堆積し、裏面にアルミニウムペーストを印刷した状態で、RTP炉を用いて、約100℃/sで室温から750℃まで昇温し、1秒間その温度を維持した後、40℃/s以上の降温速度で冷却することにより、シリコン基板のライフタイムが向上し、またこの工程を導入して太陽電池を作製したところ特性が向上したという報告がある(非特許文献5参照)。この方法において太陽電池の特性が向上した理由を、この文献の著者らは、RTPでの焼成はアルミニウムとシリコンの界面に発生する空孔の量を多くし、その結果、シリコン基板はシリコン窒化膜中に含まれる水素をより多く取り込めるようになり、水素による欠陥の不活性化効果を高めるためだとしている。
特開2002−176186号公報 Appl. Phys. A, 1997, 64, p127-137 J. Appl. Phys., 2001, 90, p5388 J. Appl. Phys., 1989, 65(8), p2974 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, 1992, January, Vol. 39, NO. 1, p.96-104 Appl. Phys. Lett., 2003, 82, p.224
Such substrate reforming technology has already been several decades old, and a recent novel method is the rapid thermal processing method. RTP is a method in which the heating and cooling rates are significantly increased compared to the belt furnace normally used in the heating process in solar cells, and such a heat treatment method has an effect different from that of normal heat treatment. Not only solar cells but also other semiconductor device fields have been reported for devices. In general, there is a literature claiming that rapid cooling from a high temperature state in RTP causes defects in a crystal (see Non-Patent Document 4). In the field of solar cells, a silicon nitride film is formed on the light-receiving surface side of a p-type silicon substrate. After depositing and printing the aluminum paste on the back surface, the temperature was raised from room temperature to 750 ° C. at about 100 ° C./s using an RTP furnace, maintained at that temperature for 1 second, and then dropped to 40 ° C./s or more. There is a report that the lifetime of the silicon substrate is improved by cooling at a speed, and the characteristics are improved when a solar cell is manufactured by introducing this process (see Non-Patent Document 5). The reason why the solar cell characteristics are improved in this method is that the authors of this document indicate that firing with RTP increases the amount of vacancies generated at the interface between aluminum and silicon, and as a result, the silicon substrate becomes a silicon nitride film. It is said that it will be able to take in more hydrogen contained in it and increase the deactivation effect of defects caused by hydrogen.
JP 2002-176186 A Appl. Phys. A, 1997, 64, p127-137 J. Appl. Phys., 2001, 90, p5388 J. Appl. Phys., 1989, 65 (8), p2974 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, 1992, January, Vol. 39, NO. 1, p.96-104 Appl. Phys. Lett., 2003, 82, p.224

しかしながら、この方法は反射防止膜としてシリコン窒化膜を堆積することが前提となっており、太陽電池の設計を制限してしまい、汎用性のある方法とは言えない。つまり、二酸化チタンやフッ化マグネシウムなどを反射防止膜として採用した太陽電池には、この方法を使用することができない。   However, this method is based on the premise that a silicon nitride film is deposited as an antireflection film, which limits the design of the solar cell and is not a versatile method. In other words, this method cannot be used for solar cells that employ titanium dioxide, magnesium fluoride, or the like as an antireflection film.

本発明の太陽電池の製造方法は、p型シリコン基板と、p型シリコン基板における受光面と反対側の面にアルミニウムの焼成により形成された裏面電界層を有する太陽電池の製造方法であって、裏面電界層を形成する熱処理工程における最高温度からの降温速度が55℃/s以上であることを特徴とする。また、本発明の太陽電池は、かかる方法により製造されたことを特徴とする。   The method for manufacturing a solar cell of the present invention is a method for manufacturing a solar cell having a p-type silicon substrate and a back surface electric field layer formed by firing aluminum on the surface opposite to the light receiving surface in the p-type silicon substrate, The temperature decreasing rate from the maximum temperature in the heat treatment step for forming the back surface electric field layer is 55 ° C./s or more. In addition, the solar cell of the present invention is manufactured by such a method.

本発明による効果的な焼成方法により、シリコン基板の少数キャリアの拡散長を大きく向上させ、低コストで、高品質の太陽電池を提供することができる。   By the effective firing method according to the present invention, the diffusion length of minority carriers in a silicon substrate can be greatly improved, and a high-quality solar cell can be provided at low cost.

本発明の太陽電池の製造方法は、p型シリコン基板と、Alの焼成により形成された裏面電界層を有する太陽電池の製造方法であって、裏面電界層を形成する熱処理工程における最高温度からの降温速度が55℃/s以上であることを特徴とする。シリコン基板にAlを拡散し、裏面電解層を形成する熱処理過程において、最高温度から55℃/s以上で急冷することにより、シリコン基板の表面近傍に、通常よりも高濃度の欠陥を形成し、シリコン基板内部の金属不純物を効果的に除去することができる。この結果、Alによるゲッタリングにおいて、従来の方法よりも、シリコン基板の少数キャリアの拡散長を大きくし、高品質の太陽電池を提供することができる。欠陥の形成される基板裏面の表面近傍は、Alが高濃度に拡散されたp層であり、欠陥発生による影響は小さい。 The method for producing a solar cell of the present invention is a method for producing a solar cell having a p-type silicon substrate and a back surface electric field layer formed by firing Al, and is from the highest temperature in the heat treatment step for forming the back surface electric field layer. The temperature decreasing rate is 55 ° C./s or more. In the heat treatment process of diffusing Al in the silicon substrate and forming the back surface electrolytic layer, by rapidly cooling at 55 ° C./s or more from the maximum temperature, defects higher in concentration than usual are formed near the surface of the silicon substrate, Metal impurities inside the silicon substrate can be effectively removed. As a result, in the gettering by Al, the diffusion length of minority carriers in the silicon substrate can be increased compared to the conventional method, and a high-quality solar cell can be provided. The vicinity of the front surface of the back surface of the substrate where defects are formed is a p + layer in which Al is diffused at a high concentration, and the influence of the occurrence of defects is small.

つぎに、実施例により本発明の効果を実証するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。   Next, the effects of the present invention will be demonstrated by examples, but the present invention is not limited to these examples.

実施例1
本実施例では、p型多結晶シリコン基板(抵抗率0.5Ωcm,厚さ300μm)を用いた。本発明は、Alの拡散による効果的なゲッタリング方法を提供するものであるため、基板の処理前の品質を把握することを目的として、拡散長を測定した。
Example 1
In this example, a p-type polycrystalline silicon substrate (resistivity 0.5 Ωcm, thickness 300 μm) was used. Since the present invention provides an effective gettering method by Al diffusion, the diffusion length was measured for the purpose of grasping the quality of the substrate before processing.

まず、洗浄のために、NHOH/H/HO溶液で基板をボイルした後、HF/HO溶液にて酸化膜を除去し、その後、HCl/H/HO溶液でボイルした。つぎに、純水で充分にリンスした後、表面ダメージ層を除去するために、HNO/HF混合溶液でエッチングをした。その後、SEMILAB社のSPV−85XLを用いて表面光起電力(Surface Photovoltage)法によって、拡散長を測定した。測定した結果を、初期拡散長として表1に示す。 First, for cleaning, the substrate was boiled with NH 4 OH / H 2 O 2 / H 2 O solution, the oxide film was removed with HF / H 2 O solution, and then HCl / H 2 O 2 / Boiled with H 2 O solution. Next, after sufficiently rinsing with pure water, etching was performed with a HNO 3 / HF mixed solution in order to remove the surface damage layer. Thereafter, the diffusion length was measured by a surface photovoltage method using SPV-85XL manufactured by SEMILAB. The measured results are shown in Table 1 as the initial diffusion length.

Figure 2005166994
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このようにして、あらかじめ基板の品質に関する知見を得た後、つぎのようにして本発明を実施した。まず、基板に対して、スライス時の表面ダメージ層の除去およびテクスチャ加工の目的で、NaOH水溶液による異方性エッチングを行なった後、スピン乾燥した。つぎに、基板の表面にn型半導体層を形成することを目的として、POClの気相拡散によって、PをNおよびOの雰囲気中、850℃にて10分間拡散させた。つづいて、基板の受光面以外の部分、すなわち、基板の裏面および側面に形成された拡散層を除去するために、受光面として使用する部分に耐酸性のテープを貼って保護した後、HNO/HF混合水溶液でエッチングを行なった。その後、反射防止膜の形成を目的として、受光面側のn型半導体層の上に、プラズマCVD法によって、厚さ700Åのシリコン窒化膜を堆積した。基板の裏面側に電極層を形成するために、Alペーストを基板の縁を1mm残すようにして、ほぼ全面にスクリーン印刷し、150℃で充分に乾燥させた。 In this way, after obtaining knowledge about the quality of the substrate in advance, the present invention was carried out as follows. First, the substrate was subjected to anisotropic etching with an aqueous NaOH solution for the purpose of removing the surface damage layer during slicing and texturing, and then spin-dried. Next, for the purpose of forming an n-type semiconductor layer on the surface of the substrate, P was diffused at 850 ° C. for 10 minutes in an atmosphere of N 2 and O 2 by vapor phase diffusion of POCl 3 . Subsequently, in order to remove the diffusion layer formed on the back surface and the side surface of the substrate other than the light receiving surface of the substrate, the portion used as the light receiving surface is protected by applying an acid-resistant tape, and then HNO 3 Etching was performed with a / HF mixed aqueous solution. Thereafter, for the purpose of forming an antireflection film, a silicon nitride film having a thickness of 700 mm was deposited on the n-type semiconductor layer on the light receiving surface side by plasma CVD. In order to form an electrode layer on the back side of the substrate, Al paste was screen-printed on almost the entire surface leaving 1 mm of the edge of the substrate and sufficiently dried at 150 ° C.

つづいて、Alペーストの焼成により、SiとAlとの合金層を形成し、裏面電界層(BSF)効果のあるp層および裏面電極を形成した。本実施例において、基板を加熱するために用いた高速熱処理用の炉の横断面を図2を模式的に示す。図2に示す装置を用いたのは、熱処理過程における昇温速度および降温速度を正確に制御するためであるが、温度を十分に制御可能ならば、図2に示す炉に限定されることなく、本発明を実施可能である。まず、炉の扉23から、焼成すべきシリコン基板21を、石英ガラスでできたチェンバ22の中に挿入し、上下に設置されたタングステン・ハロゲンランプ24によって基板21を加熱した。基板の温度は、室温付近の低温領域においては、基板21のすぐそばにおいたダミーシリコン基板25上の熱電対(図示していない。)によって観測した。また、SiとAlが反応を起こすような高温領域においては、基板21の下方に設置された高速赤外放射温度計(パイロメータ)26によって観測した。 Subsequently, an Al and Al alloy layer was formed by firing an Al paste, and a p + layer and a back electrode having a back surface field layer (BSF) effect were formed. FIG. 2 schematically shows a cross section of a furnace for rapid heat treatment used for heating the substrate in this example. The reason why the apparatus shown in FIG. 2 is used is to accurately control the temperature rising rate and the temperature decreasing rate in the heat treatment process, but if the temperature can be sufficiently controlled, the apparatus is not limited to the furnace shown in FIG. The present invention can be implemented. First, a silicon substrate 21 to be fired was inserted into a chamber 22 made of quartz glass from a furnace door 23, and the substrate 21 was heated by tungsten / halogen lamps 24 installed at the top and bottom. The temperature of the substrate was observed by a thermocouple (not shown) on the dummy silicon substrate 25 located in the immediate vicinity of the substrate 21 in a low temperature region near room temperature. Further, in a high temperature region where Si and Al cause a reaction, observation was performed by a high-speed infrared radiation thermometer (pyrometer) 26 installed below the substrate 21.

パイロメータ26は、温度を正確にモニターするために、あらかじめ熱電対を用いて温度校正を行なった。また、昇温速度などの制御には、PID制御法を採用した。熱処理は、昇温速度10℃/sで750℃まで昇温し、最高温度である750℃に達した後、2分間この温度を維持し、その後、降温速度85℃/sで550℃まで温度を下げた。このとき降温速度は、チャンバーの周囲に流す冷却水(図示していない。)によって制御した。なお加熱処理中、炉にはNとOをチェンバの後の部分27から流した。それぞれの流量は、Nを2SLM(標準状態でのL/分)とし、Oを2SLMとした。つぎに、受光面側にスクリーン印刷で銀ペーストを印刷し、ベルト炉で焼成して、受光面側に電極を形成した。最後に、製造した太陽電池について、ソーラーシミュレータ(条件:AM1.5、25℃)で、短絡電流、開放電圧、曲率因子、変換効率を測定した。その結果を表2に示す。 The pyrometer 26 was temperature calibrated in advance using a thermocouple in order to accurately monitor the temperature. Moreover, the PID control method was employ | adopted for control, such as a temperature increase rate. In the heat treatment, the temperature is increased to 750 ° C. at a temperature increase rate of 10 ° C./s, and after reaching the maximum temperature of 750 ° C., this temperature is maintained for 2 minutes, and then the temperature is decreased to 550 ° C. at a temperature decrease rate of 85 ° C./s. Lowered. At this time, the temperature lowering rate was controlled by cooling water (not shown) flowing around the chamber. During the heat treatment, N 2 and O 2 were flowed into the furnace from the rear part 27 of the chamber. As for each flow rate, N 2 was 2 SLM (L / min in a standard state), and O 2 was 2 SLM. Next, a silver paste was printed by screen printing on the light receiving surface side, and baked in a belt furnace to form an electrode on the light receiving surface side. Finally, the short-circuit current, the open-circuit voltage, the curvature factor, and the conversion efficiency of the manufactured solar cell were measured with a solar simulator (conditions: AM1.5, 25 ° C.). The results are shown in Table 2.

Figure 2005166994
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製造した太陽電池において、焼成によるゲッタリングが、基板の特性にどのような影響を与えたかを調べるために、受光面側の電極、n拡散層、裏面電極と裏面電解層を、HNO/HF混合溶液でエッチングして取り除き、洗浄のために、NHOH/H/HO溶液でボイルした後、HF/HO溶液にて酸化膜を除去し、その後、HCl/H/HO溶液でボイルした。最後に、純水で充分にリンスした後、スピン乾燥を行ない、前述と同じ方法で拡散長を測定し、その結果を表1に併記した。その後、拡散長の変化とシリコン基板中の不純物との相関を見るため、太陽電池の性能を劣化させる不純物として最もよく知られているFeについて、その濃度を蛍光X線分析(X-ray Fluorescence Analysis)法により測定した。測定原理はつぎのとおりである。試料にX線が入射して原子を励起すると、その緩和過程において、特性X線もしくはオージェ電子を放出する。すなわち、励起された原子の外殻の電子が、内殻の空位準位に遷移することにより基底状態に移行し、そのエネルギ差に相当する電磁波を特性X線などにして放出する。このようにX線を用いて試料を励起し、その結果生じるX線を蛍光X線という。遷移に寄与する電子レベルのエネルギは、原子に固有であるため、放出された蛍光X線のエネルギは原子に固有のものである。したがって、蛍光X線を測定することにより元素の定性分析が可能であり、また、強度を比較することにより定量分析が可能となる。この方法で測定した焼成後の基板のFe濃度の結果を表3に示す。なお測定には島津製作所製のAXIS−ULTRAを用いた。 In the manufactured solar cell, in order to investigate how the gettering by firing has an influence on the characteristics of the substrate, the light receiving surface side electrode, the n + diffusion layer, the back surface electrode and the back surface electrolytic layer are made of HNO 3 / Etching and removing with HF mixed solution, and boiling with NH 4 OH / H 2 O 2 / H 2 O solution for cleaning, and then removing the oxide film with HF / H 2 O solution, followed by HCl / H Boiled with H 2 O 2 / H 2 O solution. Finally, after sufficiently rinsing with pure water, spin drying was performed, and the diffusion length was measured by the same method as described above. The results are also shown in Table 1. Then, in order to see the correlation between the change in diffusion length and the impurities in the silicon substrate, the concentration of Fe, which is the most well-known impurity that degrades the performance of solar cells, is measured by X-ray fluorescence analysis. ) Method. The measurement principle is as follows. When X-rays enter the sample and excite atoms, characteristic X-rays or Auger electrons are emitted in the relaxation process. That is, the electrons in the outer shell of the excited atom shift to the ground state by transitioning to the vacant level of the inner shell, and electromagnetic waves corresponding to the energy difference are emitted as characteristic X-rays or the like. The sample is excited using X-rays in this way, and the resulting X-rays are called fluorescent X-rays. Since the energy of the electron level that contributes to the transition is specific to the atom, the energy of the emitted fluorescent X-ray is specific to the atom. Therefore, qualitative analysis of elements can be performed by measuring fluorescent X-rays, and quantitative analysis can be performed by comparing intensities. Table 3 shows the results of the Fe concentration of the substrate after firing measured by this method. In addition, Shimadzu Corporation AXIS-ULTRA was used for the measurement.

Figure 2005166994
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実施例2
裏面電解層を形成する熱処理工程における最高温度からの降温速度を70℃/sとした以外は実施例1と同様に処理し、拡散長、Fe濃度および太陽電池特性を測定した。測定の結果を、表1、表2と表3に併記する。
Example 2
The diffusion length, Fe concentration, and solar cell characteristics were measured in the same manner as in Example 1 except that the rate of temperature decrease from the maximum temperature in the heat treatment step for forming the back surface electrolytic layer was 70 ° C./s. The measurement results are shown in Table 1, Table 2 and Table 3.

実施例3
裏面電解層を形成する熱処理工程における最高温度からの降温速度を55℃/sとした以外は実施例1と同様に処理し、拡散長、Fe濃度および太陽電池特性を測定した。測定の結果を、表1、表2と表3に併記する。
Example 3
The diffusion length, Fe concentration, and solar cell characteristics were measured in the same manner as in Example 1 except that the rate of temperature decrease from the maximum temperature in the heat treatment step for forming the back surface electrolytic layer was 55 ° C./s. The measurement results are shown in Table 1, Table 2 and Table 3.

実施例4
本発明による基板改質効果が、シリコン窒化膜以外の物質を反射防止膜として使用しても有効であるということを示すために、本実施例においては、反射防止膜として二酸化チタンを用いた。表面に、チタン酸化物(TiO)を含んだ溶液を塗布し、紫外線を照射することによって、塗膜を乾燥させるとともに、チタン酸化物が酸化あるいは還元され、厚さ10nm〜100nmの主として二酸化チタンよりなる酸化チタン反射防止膜を形成した。このようにして、反射防止膜が二酸化チタンであることと、裏面電解層を形成する熱処理工程における最高温度からの降温速度を70℃/sとした以外は実施例1と同様に処理し、拡散長、Fe濃度および太陽電池特性を測定した。測定の結果を、表1、表2と表3に併記する。
Example 4
In order to show that the substrate modification effect according to the present invention is effective even if a substance other than the silicon nitride film is used as the antireflection film, titanium dioxide was used as the antireflection film in this example. By applying a solution containing titanium oxide (TiO x ) to the surface and irradiating with ultraviolet rays, the coating film is dried, and the titanium oxide is oxidized or reduced, so that the thickness is mainly 10 to 100 nm. A titanium oxide antireflection film was formed. In this way, treatment and diffusion were performed in the same manner as in Example 1 except that the antireflection film was titanium dioxide and the rate of temperature decrease from the maximum temperature in the heat treatment step for forming the back surface electrolytic layer was 70 ° C./s. The length, Fe concentration and solar cell characteristics were measured. The measurement results are shown in Table 1, Table 2 and Table 3.

つぎに、本発明の有効性を確認する意味で比較例を提示する。   Next, a comparative example is presented in order to confirm the effectiveness of the present invention.

比較例1
裏面電解層を形成する熱処理工程における最高温度からの降温速度を50℃/sとした以外は実施例1と同様に処理し、拡散長、Fe濃度および太陽電池特性を測定した。測定の結果を、表1、表2と表3に併記する。
Comparative Example 1
The diffusion length, Fe concentration, and solar cell characteristics were measured in the same manner as in Example 1 except that the rate of temperature decrease from the maximum temperature in the heat treatment step for forming the back surface electrolytic layer was 50 ° C./s. The measurement results are shown in Table 1, Table 2 and Table 3.

比較例2
裏面電解層を形成する熱処理工程における最高温度からの降温速度を45℃/sとした以外は実施例1と同様に処理し、拡散長、Fe濃度および太陽電池特性を測定した。測定の結果を、表1、表2と表3に併記する。
Comparative Example 2
The diffusion length, Fe concentration, and solar cell characteristics were measured in the same manner as in Example 1 except that the rate of temperature decrease from the maximum temperature in the heat treatment step for forming the back surface electrolytic layer was 45 ° C./s. The measurement results are shown in Table 1, Table 2 and Table 3.

比較例3
裏面電解層を形成する熱処理工程における最高温度からの降温速度を40℃/sとした以外は実施例1と同様に処理し、拡散長、Fe濃度および太陽電池特性を測定した。測定の結果を、表1、表2と表3に併記する。
Comparative Example 3
The diffusion length, Fe concentration, and solar cell characteristics were measured in the same manner as in Example 1 except that the rate of temperature decrease from the maximum temperature in the heat treatment step for forming the back surface electrolytic layer was 40 ° C./s. The measurement results are shown in Table 1, Table 2 and Table 3.

比較例4
本比較例においては反射防止膜として二酸化チタンを用いた。表面に、チタン酸化物(TiO)を含んだ溶液を塗布し、紫外線を照射することによって、塗膜を乾燥させるとともに、チタン酸化物が酸化あるいは還元され、厚さ10nm〜100nmの主として二酸化チタンよりなる酸化チタン反射防止膜を形成した。このようにして、反射防止膜が二酸化チタンであることと、裏面電解層を形成する熱処理工程における最高温度からの降温速度を45℃/sとした以外は実施例1と同様に処理し、拡散長、Fe濃度および太陽電池特性を測定した。測定の結果を、表1、表2と表3に併記する。
Comparative Example 4
In this comparative example, titanium dioxide was used as the antireflection film. By applying a solution containing titanium oxide (TiO x ) to the surface and irradiating with ultraviolet rays, the coating film is dried, and the titanium oxide is oxidized or reduced, so that the thickness is mainly 10 to 100 nm. A titanium oxide antireflection film was formed. In this way, the treatment was performed in the same manner as in Example 1 except that the antireflection film was titanium dioxide, and the rate of temperature decrease from the maximum temperature in the heat treatment step for forming the back surface electrolytic layer was 45 ° C./s. The length, Fe concentration and solar cell characteristics were measured. The measurement results are shown in Table 1, Table 2 and Table 3.

表2の結果から明らかなとおり、エネルギ変換効率は、実施例における太陽電池では15.1〜15.4%であり、これに対して、比較例における太陽電池では13.8〜14.6%であり、実施例における太陽電池の方が、エネルギ変換効率が高いことがわかった。つぎに、表1と表3の結果のうち反射防止膜がシリコン窒化膜である実施例1〜3と比較例1〜3を、それぞれ図3と図4にグラフとして図示した。図3の結果から、降温速度が速くなるほど、拡散長が向上する傾向にあり、特に降温速度が55℃/s以上になると、拡散長の向上が顕著であった。さらに、図4の結果から、拡散長の向上が、ゲッタリングによる不純物除去の効果と相関しており、焼成後の不純物が少ないほど、拡散長が向上していることがわかった。再び表1と表3を見ると、この傾向は反射防止膜が二酸化チタン膜の場合でも成り立っており、従って反射防止膜の種類には依存しないということがわかった。前述のとおり、一般に、RTPにおける高温状態からの急冷は、結晶に欠陥を引き起こすと主張する文献があるが、本発明の実施例と比較例から判断すると、発生した欠陥の部分に、より多くの不純物元素を取り込むことができるようになった、と解釈することができそうである。さらに、不純物が取り込まれたシリコンとAlの界面近傍は、シリコン基板のpn接合部分から十分に遠く、太陽電池が電流を発生する機構に与える影響がもともと小さいだけでなく、裏面側の表面近傍は、Alが多量にドープされたp層となるので、構造上、元来、拡散長が低く、相対的に欠陥発生の影響が小さいためであると考えられる。このような理由により、本実施例における、焼成時の基板改質効果の優位性が、表2に示した太陽電池特性に反映されていると判断できた。 As is clear from the results in Table 2, the energy conversion efficiency is 15.1 to 15.4% in the solar cell in the example, whereas 13.8 to 14.6% in the solar cell in the comparative example. Thus, it was found that the solar cell in the example has higher energy conversion efficiency. Next, among the results of Tables 1 and 3, Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 in which the antireflection film is a silicon nitride film are shown as graphs in FIGS. 3 and 4, respectively. From the results shown in FIG. 3, the diffusion length tends to improve as the rate of temperature decrease increases. In particular, when the rate of temperature decrease is 55 ° C./s or more, the improvement in diffusion length is significant. Further, from the results of FIG. 4, it was found that the improvement of the diffusion length correlates with the effect of removing impurities by gettering, and the diffusion length is improved as the number of impurities after baking is small. Looking again at Tables 1 and 3, it was found that this tendency was established even when the antireflection film was a titanium dioxide film, and therefore did not depend on the type of antireflection film. As described above, in general, there is a document that claims that rapid cooling from a high temperature state in RTP causes defects in crystals, but judging from the examples of the present invention and comparative examples, more defects are generated in the portion of the generated defects. It can be interpreted that the impurity element can be taken in. Furthermore, the vicinity of the interface between silicon and Al, in which impurities are incorporated, is sufficiently far from the pn junction portion of the silicon substrate, and not only the influence of the solar cell on the mechanism for generating current is small, but also the vicinity of the surface on the back side is This is probably because the p + layer doped with a large amount of Al is inherently low in diffusion length and relatively less affected by the occurrence of defects. For these reasons, it was determined that the superiority of the substrate modification effect during firing in this example was reflected in the solar cell characteristics shown in Table 2.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

従来のシリコン太陽電池の製造方法を示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing method of the conventional silicon solar cell. 高速熱処理用の焼成炉の横断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross section of the baking furnace for rapid heat processing. 熱処理工程における最高温度からの降温速度と拡散長との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the temperature fall rate from the maximum temperature in a heat processing process, and diffusion length. 熱処理工程における最高温度からの降温速度と不純物(Fe)濃度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the temperature fall rate from the highest temperature in an annealing process, and impurity (Fe) density | concentration.

符号の説明Explanation of symbols

1 p型シリコン基板、2 n型半導体層、3 反射防止膜、4 アルミペースト、5 p層、6 裏面電極、7 受光面側電極。 1 p-type silicon substrate, 2 n-type semiconductor layer, 3 antireflection film, 4 aluminum paste, 5 p + layer, 6 back electrode, 7 light-receiving surface side electrode.

Claims (2)

p型シリコン基板と、該p型シリコン基板における受光面と反対側の面にアルミニウムの焼成により形成された裏面電界層を有する太陽電池の製造方法であって、前記裏面電界層を形成する熱処理工程における最高温度からの降温速度が55℃/s以上であることを特徴とする太陽電池の製造方法。   A solar cell manufacturing method having a p-type silicon substrate and a back surface field layer formed by firing aluminum on a surface opposite to the light receiving surface of the p type silicon substrate, the heat treatment step for forming the back surface field layer A method for producing a solar cell, wherein the temperature-decreasing rate from the maximum temperature is 55 ° C./s or more. p型シリコン基板と、該p型シリコン基板における受光面と反対側の面にアルミニウムの焼成により形成された裏面電界層を有する太陽電池であって、前記裏面電界層を形成する熱処理工程における最高温度からの降温速度が55℃/s以上であることを特徴とする方法により製造された太陽電池。   A solar cell having a p-type silicon substrate and a back surface electric field layer formed by firing aluminum on a surface opposite to the light receiving surface of the p type silicon substrate, the highest temperature in the heat treatment step for forming the back surface electric field layer The solar cell manufactured by the method characterized by the temperature-fall rate from 55 being 55 degree-C / s or more.
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