JP2005340358A - 太陽電池、その製造方法および反射防止膜成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
反射防止膜としてＨ_２パッシベーション効果の高い窒化シリコン膜を有する太陽電池を提供する。
【解決手段】
シリコン基板からなる太陽電池の反射防止膜として窒化シリコン膜を用いる。窒化シリコン膜の形成は、反射防止膜形成装置３０１によって行われる。チャンバー３０２に搬送されたシリコン基板は搬送室３０５に格納された搬送装置によって表面波励起プラズマＣＶＤ装置３０３に搬送される。そして、表面波励起プラズマＣＶＤ装置３０３によって窒化シリコン膜が形成される。次に搬送室３０５に格納された搬送装置によって加熱室３０４に搬送される。そして加熱室３０４においてランプヒータにより水素雰囲気中で熱処理がなされる。
【選択図】図３

Description

本発明は、太陽電池、製造方法および反射防止膜成膜装置に関する。

太陽電池は、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する電子デバイスであり、人工衛星や腕時計、電卓の電源などに実用化されている。太陽電池は、基本的には、ｎ型シリコンとｐ型シリコンという積層構成の半導体で構成されており、この半導体に光が当たると光電効果により電気が発生する。太陽電池は、太陽光を効率よく吸収するために、通常、太陽電池の受光面を反射防止膜で被覆している。従来、この種の反射防止膜として、プラズマＣＶＤ法により、水素を含有する窒化シリコン膜を太陽電池の受光面に形成する技術が知られている（特許文献１）。また、太陽電池の反射防止膜である窒化シリコン膜中の水素が太陽電池のシリコン基板に拡散され、太陽電池の効率が上がるパッシベーション効果が知られている（特許文献２）。

特開２０００−２９９４８２号公報 特開２００３−２７３３８２号公報

特許文献１および特許文献２の窒化シリコン膜は、プラズマＣＶＤ法による成膜時の成膜条件によって窒化シリコン中の水素の濃度を調節する。このため、Ｈ_２パッシベーション効果を高めるために窒化シリコン中の水素の含有量を大きくしようとすると、成膜時の反応ガス使用量が増加したり、成膜条件の制御が困難になるなど、生産性の低下をもたらすという問題点があった。また特許文献２では、Ｈ_２パッシベーション効果を高めるために３５０℃以上の温度で成膜しなくてはならない。このため、プラズマＣＶＤ装置の内部に付着する生成物が多くなり、プラズマＣＶＤ装置内のクリーニング頻度が高くなるという問題点があった。

請求項１の発明による太陽電池の製造方法は、結晶性シリコン基板の受光面側に窒化シリコン膜の反射防止膜を形成して成る太陽電池の製造方法において、前記窒化シリコン膜を高密度プラズマＣＶＤ法により形成する成膜工程と、前記窒化シリコン膜を水素を含む雰囲気中で熱処理する熱処理工程とを有することを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１の太陽電池の製造方法において、前記成膜工程は、表面波励起プラズマ装置によって成膜することを特徴とする。
請求項３の発明による太陽電池は、請求項１または２の方法で製造されたものである。
請求項４の発明による反射防止膜成膜装置は、結晶性シリコン基板の受光面側に窒化シリコン膜の反射防止膜を形成して成る太陽電池の反射防止膜成膜装置において、前記窒化シリコン膜を高密度プラズマＣＶＤ法により形成する成膜手段と、前記窒化シリコン膜を水素を含む雰囲気中で熱処理する熱処理手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、生産性を低下させず、またプラズマＣＶＤ装置の温度を上げずに太陽電池の反射防止膜として、Ｈ_２パッシベーション効果の高い窒化シリコン膜の形成が可能となる。

以下、本発明の実施の形態による太陽電池について、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態による太陽電池の断面図である。太陽電池１は、ｐ型シリコン基板層１１、ｎ型拡散層１２、ｐ^＋裏面側不純物拡散層１３、反射防止膜１４、表面電極１５、裏面電極１６および半田層１７、１８から構成される。

ｐ型シリコン基板層１１は、ホウ素などの３価元素を微量に加えて作製されたシリコン基板により形成される。ｐ型シリコン基板層は単結晶でも多結晶でもよい。ｎ型拡散層１２は、ｐ型シリコン基板の表面にｎ型のドーパントとしてリンを拡散することによって形成され、ｐ型シリコン基板層１１とｎ型拡散層１２によってｐｎ結合が形成される。ｐ^＋裏面側不純物拡散層１３は、ｐ型シリコン基板の表面にｐ型のドーパントとしてアルミニウムを拡散することによって形成される。反射防止膜１４には、窒化シリコンが用いられ、表面電極１５および裏面電極１６はＡｇ電極が用いられる。

以下、本実施の形態の太陽電池の製造方法について、図２を参照しながら説明する。
ステップＳ２０１で、ｐ型シリコン基板の表面に微細凹凸構造を形成するために表面処理を行う。アルカリ水溶液でエッチングする方法や反応性イオンエッチング法による方法などによって表面処理を行う。シリコン基板の表面に微細凹凸構造を形成することによってシリコン基板表面の光の反射を抑えることができる。ステップＳ２０２で、ｎ型ドーパントをｐ型シリコン基板の表面から拡散させ、ｎ型拡散層１２を形成する。ｎ型ドーパントとしてリン（Ｐ）を使用する。ＰＯＣｌ_３を用いた気相拡散法、Ｐ_２Ｏ_５を用いた塗布拡散法、Ｐイオンを直接拡散させるイオン打ち込み法などにより、リンをｐ型シリコン基板の表面に拡散させる。ステップＳ２０３で、ｎ型ドーパントを拡散したｐ型シリコン基板の一方の面のｎ型拡散層を除去するためにエッチング処理を行う。ステップＳ２０４で、エッチングしたｐ型シリコン基板の表面からｐ型のドーパントを拡散させ、ｐ＋裏面側不純物拡散層１３を形成する。ｐ型のドーパントとしてアルミニウム（Ａｌ）を使用する。エッチングしたｐ型シリコン基板の表面にＡｌペーストを塗布し、熱処理することによってアルミニウムをｐ型シリコン基板の表面に拡散させる。

ステップＳ２０５で、ｎ型拡散層１２の表面に反射防止膜１４を形成する。反射防止膜として窒化シリコン膜を使用し、高密度プラズマＣＶＤ装置を使用して形成する。ステップＳ２０６で、表面電極１５および裏面電極１６のパターニングを行う。パターニングは、Ａｇ粉、バインダ、フリットからなるＡｇペーストをスクリーン印刷することによって行う。太陽電池の効率を高めるために電極はくし型パターンに形成される。ステップＳ２０７で、印刷されたＡｇペーストが焼成され、電極が形成される。ステップＳ２０８で、半田ディップ法で半田層１７、１８が形成される。

ステップＳ２０４の製造工程まで完了した太陽電池は、図３に示される反射防止膜形成装置３０１に搬送され、反射防止膜１４が形成される。ステップＳ２０４の製造工程まで完了した太陽電池を、便宜上、反射防止膜形成前基板３１１と呼ぶ。反射防止膜形成装置３０１は、チャンバー３０２、表面波励起プラズマＣＶＤ装置３０３、加熱室３０４、搬送室３０５から構成される。チャンバー３０２は、反射防止膜形成前基板３１１が反射防止膜形成装置３０１に搬送された際、雰囲気を外気から反射防止膜形成装置３０１内部の雰囲気に置換する装置である。表面波励起プラズマＣＶＤ装置３０３は、反射防止膜形成前基板３１１の表面に窒化シリコン膜を形成する装置である。加熱室３０４は、表面波励起プラズマ装置３０３において窒化シリコン膜が形成された反射防止膜形成前基板３１１の熱処理をする装置である。搬送室３０５には、反射防止膜形成前基板３１１をチャンバー３０２から表面波プラズマＣＶＤ装置３０３に搬送するとともに、表面波励起プラズマＣＶＤ装置３０３により窒化シリコン膜を形成した反射防止膜形成前基板３１１を加熱室３０４に搬送し、加熱室３０４で熱処理を完了した反射防止膜形成前基板３１１をチャンバー３０２に搬送するための搬送装置が格納されている。図３中の矢印Ａ〜Ｃは、搬入された反射防止膜形成前基板３１１の移動を順に示す。

図３に示される表面波励起プラズマＣＶＤ装置３０３の詳細を、図４を参照しながら説明する。図４は、表面波励起プラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す断面図である。表面波励起プラズマＣＶＤ装置（以下、ＳＷＰ−ＣＶＤ装置という）は、表面波を利用して大面積で高密度のプラズマを容易に発生させることができ、このプラズマは、表面波励起プラズマ（ＳＷＰ：Surface Wave Plasma）と呼ばれる。

図４において、ＳＷＰ−ＣＶＤ装置３０３は、チャンバー４０１、マイクロ波導波管４０２、終端整合器４０３、スロットアンテナ４０４、誘電体板４０５、側面反射板４０６、プロセスガス導入管４０７、材料ガス導入管４０８、真空排気管４０９および基板ホルダー４１０を備える。チャンバー４０１は、その内部空間に生成する表面波励起プラズマＰを利用して、基板ホルダー４１０に保持された基板の表面に成膜するための密閉容器である。基板ホルダー４１０は、上下方向の移動と回転が可能であり、必要に応じて、成膜対象である基板の加熱、冷却、電界印加などが可能に構成される。

チャンバー４０１の上部には、石英、アルミナまたはジルコニアなどで作製された誘電体板４０５が設けられている。誘電体板３０５の上面に接して、マイクロ波導波管４０２が載置されている。誘電体板４０５と接するマイクロ波導波管４０２の底板には、長矩形の開口であるスロットアンテナ４０４が複数個設けられている。

成膜ガスのうち、プロセスガス導入管４０７からチャンバー４０１へ導入されるプロセスガスは、Ｎ_２ガス、Ｏ_２ガス、Ｈ_２ガス、ＮＯ_２ガス、ＮＯガス、ＮＨ_３ガス等の反応性活性種の原料となるガスおよびＡｒガス、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス等の希ガスである。成膜ガスのうち材料ガス導入管４０８からチャンバー４０１へ導入される材料ガスは、ＳｉＨ_４ガス、Ｓｉ_２Ｈ_６ガス等のシリコン薄膜或いはシリコン化合物薄膜の成分であるＳｉ元素を含むガスである。

チャンバー４０１の底板には、不図示の真空排気ポンプに接続される真空排気管４０９が配設されている。プロセスガス導入管４０７、材料ガス導入管４０８を通してそれぞれ所定のガスを所定流量でチャンバー４０１内に導入しながら排気を行うことによって、チャンバー４０１内を所定圧力に保持することができる。

上記のように構成されたＳＷＰ−ＣＶＤ装置３０３では、マイクロ波発生源から周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波をマイクロ波導波管４０２内に伝搬させ、終端整合器４０３によってＴＥ１０モードの電磁波の定在波Ｔを発生させる。そして定在波Ｔは、定在波Ｔの波長の間隔に設置したスロットアンテナ４０４から誘電体板４０５へ放射される。スロットアンテナ４０４から放射された電磁波は誘電体板４０５の内部を伝播し、側面反射板４０６で囲われた範囲で固有の定在波を発生させる。そして誘電体板４０５表面に表面波ＳＷを発生させる。この表面波ＳＷによって誘電体板４０５直下の成膜ガスが電離、解離されて表面波励起プラズマＰが生成する。

表面波励起プラズマＰはマイクロ波のカットオフ密度以上の電子密度となり、プラズマ境界面で電磁波を全反射し、プラズマ内へ電磁波が吸収されないため、電磁波によるイオン、電子の加熱が生じることがなく、イオンエネルギーは１０ｅＶ以下の低温を維持する。表面波励起プラズマＰは、誘電体板４０５表面とプラズマ境界面の間でエネルギーの授受が行われ、誘電体板４０５表面近傍のみに高エネルギーのプラズマが分布し、誘電体表面から離れるにしたがって指数関数的にエネルギーレベルが減少する。誘電体板４０５から２００ｍｍ程度の距離ではイオンエネルギーは２０ｅｖ以下となる。このように表面波励起プラズマＰには高エネルギー領域と低エネルギー領域が発生するので、高エネルギー領域でラジカル生成を行い、低エネルギー領域に材料ガスを導入することによって、高効率ラジカル生成と、低ダメージ高速成膜が可能となる。

表面波ＳＷは、誘電体板４０５の内面全域に拡がるので、表面波励起プラズマＰもチャンバー４０１内でそれに対応した領域に拡がる。よって誘電体板４０５を拡張することで大面積対応が可能となる。この表面波励起プラズマＰを利用して、反射防止膜形成前基板３１１上に反射防止膜１４の成膜を行う。

図３に示される加熱室３０４の詳細を、図５を参照しながら説明する。図５は、加熱室３０４の概略構成を示す断面図である。加熱室３０４は、ランプヒータ５０１、基板ホルダー５０２、プロセスガス導入管５０３および真空排気管５０４を備える。ランプヒータ５０１は、ランプから発せられる赤外線によって試料ホルダー５０２に搭載された反射防止膜形成前基板３１１を加熱する。プロセスガス導入管５０３から加熱室３０４へ導入されるプロセスガスは、Ｈ_２ガスである。加熱室３０４の底板には、不図示の真空排気ポンプに接続される真空排気管５０４が配設されている。プロセスガス導入管４０７を通してそれぞれ所定のガスを所定流量で加熱室３０４内に導入しながら排気を行うことによって、加熱室３０４内を所定圧力に保持することができる。

以下、ステップＳ２０５の反射防止膜の形成工程を詳述する。
（１）窒化シリコン層の形成
反射防止膜形成前基板３１１を、搬送室３０５に格納されている搬送装置によってＳＷＰ−ＣＶＤ装置３０３の基板ホルダー４１０にセットして、チャンバー４０１内を０．０１Ｐａ程度の高真空に排気する。プロセスガス導入管４０７を通してＮＨ_３ガス、Ａｒガスをそれぞれチャンバー４０１内に導入し、材料ガス導入管４０８を通してＳｉＨ_４ガスをチャンバー４０１内に導入し、チャンバー４０１内を圧力４．０Ｐａに保持する。マイクロ波電力２．０ｋＷにより生成した表面波プラズマＰにより２０秒間の成膜を行い、厚さ８００Åの窒化シリコン層１４を形成する。この場合のガス流量は、ＳｉＨ_４ガス、５０ｓｃｃｍ、ＮＨ_３ガス、５０ｓｃｃｍおよびＡｒガス、１００ｓｃｃｍとした。また、成膜温度は７０〜１００℃とした。

（２）窒化シリコン層の熱処理
ＳＷＰ−ＣＶＤ装置３０３によって窒化シリコン層を形成した反射防止膜形成前基板３１１を搬送室３０５に格納されている搬送装置によってＳＷＰ−ＣＶＤ装置３０３から加熱室３０４へ搬送する。そして反射防止膜形成前基板３１１を基板ホルダー５０２にセットする。プロセスガス導入管５０３を通してＨ_２ガスを加熱室３０４内に導入する。そしてランプヒータ５０１によって３００℃〜３５０℃で３０分間加熱する。以上のようにして、反射防止膜形成前基板３１１の反射防止膜１４の形成が完了する。

上記のように作製した窒化シリコン膜は高いＨ_２パッシベーション効果を有する。以下その理由を説明する。
ＳＷＰ−ＣＶＤ装置などの高密度プラズマＣＶＤ装置を使用した成膜の速度は非常に速いので、膜厚が数百Å程度の太陽電池の反射防止膜１４は短時間に形成される。このため、高密度プラズマＣＶＤ装置によって生成された窒化シリコン膜の結晶性は非常に悪くなり、熱処理の際、水素の拡散が容易に進むようになる。よって、窒化シリコン膜中の水素の拡散が容易であるため、雰囲気中の水素は容易にｎ型拡散層１２やｐ型シリコン基板層１１に拡散され、また窒化シリコン膜の水素含有量を高めることができる。このため上記作製した反射防止膜１４のＨ_２パッシベーション効果は高い。高密度プラズマＣＶＤ装置によって生成された窒化シリコン膜は加熱室３０４によって熱処理されることによって最終的には結晶性の改善された緻密な膜となる。また、窒化シリコン膜を形成した後に膜中の水素含有量を高くする処理を行うため、成膜時の反応ガス使用量が増加したり、成膜条件の制御が困難になるなど、生産性の低下をもたらすという問題点も発生しない。

本実施の形態では、高密度プラズマＣＶＤ装置によって反応ガスは完全に解離するので、高密度プラズマＣＶＤ装置の内部に付着する生成物の量は少ない。このため、高密度プラズマＣＶＤ装置のクリーニングの頻度は少なくなる。また、高密度プラズマＣＶＤ装置の内部の温度が低いので、クリーニング作業が可能となる温度に下がるまでに要する時間が短い。このためクリーニングをするために高密度プラズマＣＶＤ装置を停止させる時間を短くすることができる。

本実施の形態では、反射防止膜１４の成膜装置として、ＳＷＰ−ＣＶＤ装置について説明したが、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマまたは誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を用いるＣＶＤ装置を使用することもできる。ＳＷＰ−ＣＶＤ装置、ＥＣＲ−ＣＶＤ装置およびＩＣＰ−ＣＶＤ装置は、いずれも電子密度が１０^１２ｃｍ^−３程度の高密度プラズマが得られ、成膜速度が非常に速い。従って、生成が不完全な窒化シリコン膜を作製することができるので、他のプラズマＣＶＤ装置に比べてＨ_２ハッシベーション効果を高くすることができる。

以下、本実施の形態では、ＳＷＰ−ＣＶＤ装置３０３で窒化シリコン膜を形成する際、ＳｉＨ_４、ＮＨ_３、Ａｒガスを使用したが、ＳｉＨ_４、ＮＨ_３、Ｎ_２ガスを使用してもよい。また、加熱室３０４で熱処理をする際、反射防止膜形成前基板３１１の加熱にランプヒータ５０１を使用したが、ランプヒータ５０１の代わりにホットプレートやシースヒータを使用してもよい。

本発明の太陽電池の断面図である。 本発明の太陽電池の製造工程を示すフローチャートである。 本願発明の一実施形態である反射防止膜形成装置を説明する図である。 本願発明の一実施形態であるＳＷＰ−ＣＶＤ装置を説明する図である。 本願発明の一実施形態である加熱室を説明する図である。

符号の説明

１ 太陽電池
１１ ｐ型シリコン基板層
１２ ｎ型拡散層
１３ ｐ^＋裏面側不純物拡散層
１４ 反射防止膜
１５ 表面電極
１６ 裏面電極
１７、１８ 半田層
３０１ 反射防止膜形成装置３０１
３０２ チャンバー
３０３ 表面波励起プラズマＣＶＤ装置
３０４ 加熱室
３０５ 搬送室

Claims (4)

1. 結晶性シリコン基板の受光面側に窒化シリコン膜の反射防止膜を形成して成る太陽電池の製造方法において、
   前記窒化シリコン膜を高密度プラズマＣＶＤ法により形成する成膜工程と、
   前記窒化シリコン膜を水素を含む雰囲気中で熱処理する熱処理工程とを有することを特徴とする太陽電池の製造方法。
2. 請求項１の太陽電池の製造方法において、
   前記成膜工程は、表面波励起プラズマ装置によって成膜することを特徴とする太陽電池の製造方法。
3. 請求項１または２の方法で製造された太陽電池。
4. 結晶性シリコン基板の受光面側に窒化シリコン膜の反射防止膜を形成して成る太陽電池の反射防止膜成膜装置において、
   前記窒化シリコン膜を高密度プラズマＣＶＤ法により形成する成膜手段と、
   前記窒化シリコン膜を水素を含む雰囲気中で熱処理する熱処理手段とを備えることを特徴とする太陽電池の反射防止膜成膜装置。

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