JP2005347339A - 太陽電池の製造方法及び太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】量産性に優れ、低コストで性能のバラツキが少ない高効率の太陽電池を安定して製造することのできる太陽電池の製造方法、及びその方法で製造された太陽電池を提供する。
【解決手段】第一の導電型を有する半導体基板にｐｎ接合を形成して太陽電池を製造する方法であって、少なくとも、前記半導体基板の受光面となる第一主表面と該受光面とは反対側の第二主表面とに前記第一の導電型とは異なる第二の導電型の拡散層を形成する拡散層形成工程と、前記第二主表面に前記拡散層の厚さよりも深い裏面電極溝を形成する裏面電極溝形成工程と、該裏面電極溝を形成した第二主表面に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記第一主表面及び第二主表面の両面に、または前記第二主表面のみに電極を形成する電極形成工程とを具備することを特徴とする太陽電池の製造方法。
【選択図】図１
【解決手段】第一の導電型を有する半導体基板にｐｎ接合を形成して太陽電池を製造する方法であって、少なくとも、前記半導体基板の受光面となる第一主表面と該受光面とは反対側の第二主表面とに前記第一の導電型とは異なる第二の導電型の拡散層を形成する拡散層形成工程と、前記第二主表面に前記拡散層の厚さよりも深い裏面電極溝を形成する裏面電極溝形成工程と、該裏面電極溝を形成した第二主表面に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記第一主表面及び第二主表面の両面に、または前記第二主表面のみに電極を形成する電極形成工程とを具備することを特徴とする太陽電池の製造方法。
【選択図】図１
Description
本発明は、太陽電池の製造方法及び太陽電池に関し、さらに詳しくは、量産性に適し、コストを低く抑えた、性能のバラツキの少ない高効率の太陽電池を安定して供給することのできる太陽電池の製造方法及びその製造方法により製造された太陽電池に関する。
一般的に、単結晶シリコン基板等の半導体基板を用いて太陽電池を製造する際には、太陽電池の受光面にｐｎ接合を形成する必要があるため、例えばｐ型のシリコン単結晶ウエーハにリン等の不純物を拡散させて、ｎ型の拡散層（エミッタ層とも呼ばれる）を形成することが行われる。
従来行われている不純物の拡散方法としては、例えば、石英の炉心管内に複数のｐ型シリコン単結晶基板を間隔を開けて配置し、オキシ塩化リン等の不純物ガスを炉心管に導入して半導体基板の周辺に不純物ガスが行き渡るようにして８００℃から９００℃に加熱する方法が用いられており、それによって、ｐ型単結晶シリコン基板にｎ型の導電型を示す拡散層を形成することができる。しかしながら、このような不純物拡散法では、例えば非特許文献１の第６．５図（ａ）に示されているように、上記半導体基板の両面に不純物が拡散されて拡散層が形成されることになる。
一般的に、シリコン太陽電池は、単結晶シリコン基板にｐｎ接合を形成する際に受光面となる基板表面に拡散層が形成されるものの、高効率の太陽電池を安定して供給するためには、基板裏面にｐｎ接合ができないように不純物の基板裏面への回り込みを極力避けるべきと考えられている。そのため、上記のような従来の拡散方法を用いる場合には、拡散を行う前に予め半導体基板の一方の面に熱ＣＶＤ窒化膜や熱酸化膜、またはプラズマＣＶＤなどによる低温形成の窒化膜や酸化膜などからなる拡散防止膜を形成した後に拡散を行うか、あるいは、半導体基板の両面に不純物を拡散した後に一方の面に形成された拡散層をエッチングや機械的研削により除去する必要があった。
したがって、従来の太陽電池の製造では、拡散防止膜の形成やエッチングなどの工程が別途に行われるため経済的でなく、生産性の低下や製造コストの増大を招くといった問題があった。また、特に熱酸化などの高温熱処理を追加することにより、半導体基板の少数キャリヤライフタイムが低下するなどの品質低下が発生したり、さらには、拡散層形成後の処理で不純物の再拡散が生じて不純物プロファイルが変化し、最適プロファイルを得ることが出来なくなるなどの問題が発生し、太陽電池の光電変換効率の低下を引き起こしていた。さらに、上記のようにエッチングや機械的研削などを行う場合には、半導体基板の表面形状が変化してしまうため、例えば光反射防止構造として半導体基板の受光面側に形成されているテクスチャ構造の形状が変化して光反射防止機能の低下を招き、太陽電池の光電変換効率が低下してしまうという問題もあった。
このような問題を解決するために、例えば特許文献１や特許文献２には、太陽電池を製造するための不純物拡散方法として、半導体基板の受光面上にスピン塗布法によってドーパント剤を塗布し、そのドーパント剤が塗布された２つの半導体基板の裏面同士を重ね合わせて熱処理することによって、ドーパント剤が裏面に拡散することを防止しつつ受光面のみに拡散層を形成する技術が開示されている。このように２枚の半導体基板の受光面とは反対側の面を互いに重ね合わせて拡散層の形成を行うことにより、簡単な工程で基板裏面へのドーパント剤の拡散を防止することができ、それによって、暗電流が低減されて低照度特性と光電変換効率が改善され得る太陽電池セルを簡易かつ低コストで製造することができるとしている。
しかしながら、このような所謂重ね合わせ拡散は、太陽電池の量産には適しているものの、半導体基板の裏面へのドーパントの回り込みを確実に防止することはできないため、太陽電池の性能低下を招いたり、また太陽電池の性能にバラツキを生じさせる原因の一つにもなっていた。さらに、重ね合わせ拡散は、拡散炉への基板搬送装置が大掛りなものとならざるを得ず、また、熱処理炉内で基板を載せるための基板ホルダ（台座）も特殊な形状のものが必要となるため、コストの増加を招くという問題があった。
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、量産性に優れ、低コストで性能のバラツキが少ない高効率の太陽電池を安定して製造することのできる太陽電池の製造方法、及びその方法で製造された太陽電池を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明によれば、第一の導電型を有する半導体基板にｐｎ接合を形成して太陽電池を製造する方法であって、少なくとも、前記半導体基板の受光面となる第一主表面と該受光面とは反対側の第二主表面とに前記第一の導電型とは異なる第二の導電型の拡散層を形成する拡散層形成工程と、前記第二主表面に前記拡散層の厚さよりも深い裏面電極溝を形成する裏面電極溝形成工程と、該裏面電極溝を形成した第二主表面に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記第一主表面及び第二主表面の両面に、または前記第二主表面のみに電極を形成する電極形成工程とを具備することを特徴とする太陽電池の製造方法が提供される（請求項１）。
このように半導体基板の両面に拡散層を形成し、受光面とは反対側の第二主表面に拡散層の厚さよりも深い裏面電極溝を形成した後に絶縁膜を形成し、その後電極を形成する電極形成工程を行って太陽電池を製造することにより、従来の重ね合わせ拡散で生じるような太陽電池の性能のバラツキを抑制することができ、また、基板裏面に形成された拡散層がフローティング層となって光生成した少数キャリアを追い返し、裏面における実効的な光生成キャリアの再結合速度を低減することができるため、光電変換効率が向上した高性能の太陽電池を製造することができる。さらに、上記のような本発明の太陽電池の製造方法は、拡散層形成工程等で従来一般的に使用されている凡庸の装置を用いることができるため、高品質の太陽電池を低コストで安定して製造することができるし、量産性にも優れている。
特に、前記絶縁膜形成工程において、前記絶縁膜を、前記拡散層上の拡散領域と前記裏面電極溝の内壁の非拡散領域とに形成し、該非拡散領域に形成した絶縁膜の厚さが拡散領域に形成した絶縁膜よりも薄くなるものとすることができる（請求項２）。
このように裏面電極溝を形成した第二主表面に絶縁膜を形成する際に、絶縁膜を拡散層上の拡散領域と裏面電極溝の内壁の非拡散領域とに形成し、非拡散領域に形成した絶縁膜の厚さが拡散領域に形成した絶縁膜よりも薄くなるものとすることにより、太陽電池を製造した際に、絶縁膜厚の薄い非拡散領域では絶縁膜を介したトンネル電流が流れるようになり、一方拡散領域では厚い絶縁膜によって拡散層と裏面電極とを絶縁することができる。それにより、この太陽電池裏面の拡散層／絶縁膜界面では、電子と正孔の濃度に差が生じるようになるため、光生成キャリアの再結合が抑えられ、結果的に太陽電池の性能を向上させることができる。
このように裏面電極溝を形成した第二主表面に絶縁膜を形成する際に、絶縁膜を拡散層上の拡散領域と裏面電極溝の内壁の非拡散領域とに形成し、非拡散領域に形成した絶縁膜の厚さが拡散領域に形成した絶縁膜よりも薄くなるものとすることにより、太陽電池を製造した際に、絶縁膜厚の薄い非拡散領域では絶縁膜を介したトンネル電流が流れるようになり、一方拡散領域では厚い絶縁膜によって拡散層と裏面電極とを絶縁することができる。それにより、この太陽電池裏面の拡散層／絶縁膜界面では、電子と正孔の濃度に差が生じるようになるため、光生成キャリアの再結合が抑えられ、結果的に太陽電池の性能を向上させることができる。
このとき、前記絶縁膜を、７５０℃以上９５０℃以下の温度で熱処理することによって形成することが好ましい（請求項３）。
このように７５０℃以上９５０℃以下の温度で熱処理を行って絶縁膜を形成することによって、緻密な絶縁膜を短時間で容易に形成することができる。
このように７５０℃以上９５０℃以下の温度で熱処理を行って絶縁膜を形成することによって、緻密な絶縁膜を短時間で容易に形成することができる。
またこの場合、前記裏面電極溝を、機械的研削手段を用いて平行に複数形成することが好ましく（請求項４）、特に、前記機械的研削手段をスライサーまたはダイサーとすることが好ましい（請求項５）。
このように機械的研削手段を用いて裏面電極溝を平行に形成することにより、複数の裏面電極溝を容易にかつ安定して形成することができ、また機械的研削手段としてスライサーまたはダイサーを用いることにより、複数の裏面電極溝を効率良く形成することができる。
このように機械的研削手段を用いて裏面電極溝を平行に形成することにより、複数の裏面電極溝を容易にかつ安定して形成することができ、また機械的研削手段としてスライサーまたはダイサーを用いることにより、複数の裏面電極溝を効率良く形成することができる。
さらに、前記電極の形成をスクリーン印刷法により行うことが好ましい（請求項６）。
このように電極の形成をスクリーン印刷法により行えば、電極を効率的に形成できるため量産性に優れ、低コストの太陽電池を安定して製造することができる。
このように電極の形成をスクリーン印刷法により行えば、電極を効率的に形成できるため量産性に優れ、低コストの太陽電池を安定して製造することができる。
そして、本発明によれば、前記本発明の太陽電池の製造方法により製造された太陽電池を提供することができる（請求項７）。
このように、本発明の太陽電池の製造方法により製造された太陽電池であれば、太陽電池の性能にバラツキがなく、また光電変換効率の高い高品質の太陽電池とすることができるし、さらに、低コストで、量産性にも優れたものとなる。
このように、本発明の太陽電池の製造方法により製造された太陽電池であれば、太陽電池の性能にバラツキがなく、また光電変換効率の高い高品質の太陽電池とすることができるし、さらに、低コストで、量産性にも優れたものとなる。
また、本発明によれば、第一の導電型を有する半導体基板にｐｎ接合を形成して成る太陽電池であって、少なくとも、前記半導体基板の受光面となる第一主表面と該受光面とは反対側の第二主表面とに前記第一の導電型とは異なる第二の導電型の拡散層が形成されており、前記第二主表面には前記拡散層の厚さよりも深い裏面電極溝が形成されており、該裏面電極溝が形成されている第二主表面には絶縁膜が形成されており、さらに、前記第一主表面及び第二主表面の両面に、または前記第二主表面のみに電極が形成されているものであることを特徴とする太陽電池が提供される（請求項８）。
このような特徴を有する太陽電池であれば、従来の重ね合わせ拡散を利用して製造した太陽電池のように太陽電池の性能にバラツキが生じることがなく、また、基板裏面に形成された拡散層がフローティング層となって光生成した少数キャリアを追い返し、裏面における実効的な光生成キャリアの再結合速度を低減することができるものとなるため、光電変換効率の高い高品質の太陽電池とすることができる。さらに、このような本発明の太陽電池は、拡散層を形成する際等に従来一般的に使用されている凡庸の装置を用いて製造することができるため、低コストで、量産性にも優れたものとすることができるし、また単位発電量あたりの製造コストも従来よりも低下させることが可能なる。
このとき、前記第二主表面の絶縁膜は、前記拡散層の形成されている拡散領域と前記裏面電極溝の内壁の非拡散領域とに形成されており、該非拡散領域に形成された絶縁膜の厚さが拡散領域に形成された絶縁膜よりも薄いものであるものとすることができる（請求項９）。
このように第二主表面の絶縁膜が、拡散層の形成されている拡散領域と裏面電極溝の内壁の非拡散領域とに形成されており、かつ、非拡散領域に形成された絶縁膜の厚さが拡散領域に形成された絶縁膜よりも薄いものであれば、絶縁膜厚の薄い非拡散領域では絶縁膜を介したトンネル電流が流れるようになり、一方拡散領域では厚い絶縁膜によって拡散層と裏面電極とを絶縁することができるものとなる。それによって、太陽電池裏面の拡散層／絶縁膜界面では、電子と正孔の濃度に差が生じるようになるため、光生成キャリアの再結合を抑制することが可能となり、光電変換効率が非常に向上した太陽電池とすることができる。
このように第二主表面の絶縁膜が、拡散層の形成されている拡散領域と裏面電極溝の内壁の非拡散領域とに形成されており、かつ、非拡散領域に形成された絶縁膜の厚さが拡散領域に形成された絶縁膜よりも薄いものであれば、絶縁膜厚の薄い非拡散領域では絶縁膜を介したトンネル電流が流れるようになり、一方拡散領域では厚い絶縁膜によって拡散層と裏面電極とを絶縁することができるものとなる。それによって、太陽電池裏面の拡散層／絶縁膜界面では、電子と正孔の濃度に差が生じるようになるため、光生成キャリアの再結合を抑制することが可能となり、光電変換効率が非常に向上した太陽電池とすることができる。
この場合、前記絶縁膜の厚さは、前記拡散層の形成されている拡散領域上で５ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、前記裏面電極溝の内壁の非拡散領域上で１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましい（請求項１０）。
このように拡散領域上に形成される絶縁膜の厚さが５ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、また、非拡散領域上に形成される絶縁膜の厚さが１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であれば、拡散領域上に形成した絶縁膜で拡散層と電極とを確実に絶縁することができるものとなるとともに、非拡散領域上に形成した絶縁膜では電極と非拡散領域とを電気的に容易に接触させることができるものとなる。
このように拡散領域上に形成される絶縁膜の厚さが５ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、また、非拡散領域上に形成される絶縁膜の厚さが１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であれば、拡散領域上に形成した絶縁膜で拡散層と電極とを確実に絶縁することができるものとなるとともに、非拡散領域上に形成した絶縁膜では電極と非拡散領域とを電気的に容易に接触させることができるものとなる。
以上のように、本発明によれば、太陽電池の性能にバラツキが生じるのを抑制し、また、光電変換効率が向上した高性能で高品質の太陽電池を提供することができる。さらに、本発明では、従来一般的に使用されている凡庸の装置を用いて太陽電池を製造することが可能であるため、高品質の太陽電池を低コストで安定して製造することができ、また量産性にも優れているし、さらに単位発電量あたりの製造コストも従来よりも低下させることが可能となる。
以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
従来の太陽電池の製造では、半導体基板の受光面となる基板表面に拡散層を形成する際には、受光面とは反対側の基板裏面に不純物が拡散しないようにするために、前述のように、基板の裏面に窒化膜や酸化膜等の拡散防止膜を形成して拡散処理を行ったり、２枚の半導体基板を裏面で互いに重ね合わせた状態で拡散処理（重ね合わせ拡散）を行う必要があった。したがって、拡散防止膜の形成やエッチングなどの工程が別途に行われるため生産性の低下や製造コストの増大を招いたり、また重ね合わせ拡散等では基板裏面へのドーパントの回り込みを確実に防止できないため、太陽電池の性能の低下や性能のバラツキが生じるといった問題があった。
従来の太陽電池の製造では、半導体基板の受光面となる基板表面に拡散層を形成する際には、受光面とは反対側の基板裏面に不純物が拡散しないようにするために、前述のように、基板の裏面に窒化膜や酸化膜等の拡散防止膜を形成して拡散処理を行ったり、２枚の半導体基板を裏面で互いに重ね合わせた状態で拡散処理（重ね合わせ拡散）を行う必要があった。したがって、拡散防止膜の形成やエッチングなどの工程が別途に行われるため生産性の低下や製造コストの増大を招いたり、また重ね合わせ拡散等では基板裏面へのドーパントの回り込みを確実に防止できないため、太陽電池の性能の低下や性能のバラツキが生じるといった問題があった。
そこで、本発明者等は、上記のような問題を解消し、低コストで性能のバラツキが少なく、高性能の太陽電池を安定して製造することのできる太陽電池の製造方法について鋭意実験及び検討を重ねた。その結果、半導体基板の受光面となる第一主表面（基板表面）に拡散層を形成する際に、受光面とは反対側となる第二主表面（基板裏面）にもあえて拡散層を形成し、その後、第二主表面に拡散層の厚さよりも深い裏面電極溝を形成する裏面電極溝形成工程、裏面電極溝を形成した第二主表面に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程、及び、第一主表面及び第二主表面の両面に、または前記第二主表面のみに電極を形成する電極形成工程を順次行って太陽電池を製造すれば、性能のバラツキが少なく、光電変換効率の向上した太陽電池を低コストで安定して供給できることを見出して、本発明を完成させた。
先ず、本発明の太陽電池の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに何ら限定されるものではない。ここで、図１は、太陽電池の製造方法を概略的に説明する概略説明図である。
始めに、第一の導電型を有する半導体基板として、図１の工程（ａ）に示したように、例えばホウ素あるいはガリウムをドープしたｐ型の単結晶シリコン基板１を準備する。このｐ型の単結晶シリコン基板を作製する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、以下のような方法で作製することができる。すなわち、高純度シリコンにホウ素あるいはガリウムのような３族元素をドープして比抵抗を０．１〜５Ω・ｃｍ程度とした方位｛１００｝の単結晶を育成し、この育成した単結晶をスライスしてウエーハに加工する。このとき、単結晶の育成方法は、チョクラルスキー法（ＣＺ法）やフローティングゾーン法（ＦＺ法）等の何れの方法を用いることもできるが、機械的強度の面からＣＺ法を用いることが望ましい。その後、スライス加工時にシリコン基板の表面及び裏面に生じたダメージ層を、濃度５〜６０％の水酸化ナトリウムや水酸化カリウムのような高濃度のアルカリ溶液、もしくはフッ酸と硝酸の混酸などを用いて基板をエッチングすることによって除去する。
始めに、第一の導電型を有する半導体基板として、図１の工程（ａ）に示したように、例えばホウ素あるいはガリウムをドープしたｐ型の単結晶シリコン基板１を準備する。このｐ型の単結晶シリコン基板を作製する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、以下のような方法で作製することができる。すなわち、高純度シリコンにホウ素あるいはガリウムのような３族元素をドープして比抵抗を０．１〜５Ω・ｃｍ程度とした方位｛１００｝の単結晶を育成し、この育成した単結晶をスライスしてウエーハに加工する。このとき、単結晶の育成方法は、チョクラルスキー法（ＣＺ法）やフローティングゾーン法（ＦＺ法）等の何れの方法を用いることもできるが、機械的強度の面からＣＺ法を用いることが望ましい。その後、スライス加工時にシリコン基板の表面及び裏面に生じたダメージ層を、濃度５〜６０％の水酸化ナトリウムや水酸化カリウムのような高濃度のアルカリ溶液、もしくはフッ酸と硝酸の混酸などを用いて基板をエッチングすることによって除去する。
引き続き、単結晶シリコン基板の表面にテクスチャ形成を行なう。テクスチャは、加熱した水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウムなどのアルカリ溶液（濃度１〜１０％、温度６０〜１００℃）中に１０〜３０分程度浸漬することによって容易に形成することができる。一般的に、上記のアルカリ溶液中に所定量の２−プロパノールを溶解させて、反応を促進させることが多い。特に、均一なテクスチャ形成のためには、６０〜７０℃に加熱した濃度約２％の水酸化ナトリウムもしくは水酸化カリウム溶液中に２−プロパノールを混合した溶液を用いるのが好ましい。また、液温度を高くすること等により、上記ダメージ層のエッチングとテクスチャ形成とを同一の工程で行なうことも可能である。
テクスチャ形成後、塩酸、硫酸、硝酸、ふっ酸、もしくはこれらの混合液等のような酸性水溶液を用いて、単結晶シリコン基板を洗浄する。この単結晶シリコン基板の洗浄では、経済的及び効率的見地から、特に塩酸による洗浄を行うことが好ましい。また、清浄度を向上させるために、塩酸溶液中に０．５〜５％程度の過酸化水素を混合させ、６０〜９０℃に加温して洗浄しても良い。
次に、上記のようにして準備したｐ型単結晶シリコン基板に、図１の工程（ｂ）に示したように、シリコン基板１の受光面となる第一主表面（基板表面）と受光面とは反対側の第二主表面（基板裏面）とに、第一の導電型（ｐ型）とは異なる第二の導電型（ｎ型）の拡散層２を形成する拡散層形成工程を行う。従来の太陽電池の製造では、ｐ型の単結晶シリコン基板にｎ型の拡散層を形成する場合、基板の裏面に不純物が拡散しないように、前述のように重ね合わせ拡散等が行われるが、本発明ではあえて基板の裏面にも不純物を拡散させて拡散層を形成する。
具体的には、拡散層形成工程において、ｐ型の単結晶シリコン基板を、基板同士を重ね合わせることなく、オキシ塩化リン雰囲気中、８１０〜８８０℃程度で１０〜１２０分間熱処理することによって、基板の表裏両面にｎ型拡散層を容易に形成することができる。本発明において、単結晶シリコン基板の両面に形成するｎ型拡散層の厚さ及びシート抵抗は特に限定されないが、例えばｎ型拡散層の厚さを０．１〜０．５μｍとし、シート抵抗を４０〜１５０Ω／□とすることができる。このとき、基板の裏面に形成されたｎ型拡散層はフローティング層となり、その後太陽電池を製造した際に光生成した少数キャリアを追い返し、裏面における実効的な表面再結合速度を低減し、光電変換効率を高める作用をする。
上記のような拡散層形成工程を行った後、図１の工程（ｃ）に示したように、基板裏面に拡散層２の厚さよりも深い裏面電極溝３を形成する裏面電極溝形成工程を行う。このような裏面電極溝３は、ウエーハ切断用のスライサーやダイサー等の機械的切削手段を使用したり、またレーザー加工を利用することにより形成することができるが、レーザー加工を利用した場合では電極溝の形成の際にシリコンが酸化する場合がある。そのため、裏面電極溝の形成は、機械的切削手段を用いて行うことが好ましく、それにより、基板の裏面に複数の平行な電極溝を容易にかつ安定して形成することができる。特に、機械的切削手段としてスライサーまたはダイサーを用いることにより、複数の平行な裏面電極溝を効率良く形成することができる。
このとき、基板の裏面に形成する電極溝３は拡散層２の厚さよりも深く形成することができれば溝の形状や寸法は特に限定されるものではないが、例えば、深さ５〜８０μｍ、幅２０〜２００μｍ、周期１〜３ｍｍ程度の長方形状を有する複数の溝を形成することができる。また、その後電極の形成を行う際に基板の裏面全面に電極を形成する場合であれば、それぞれの電極溝が必ずしも連続して形成される必要はない。
また、上記のように機械的切削手段を用いて裏面電極溝を形成した場合、溝形成部には機械的なダメージが残るため、例えば高濃度のアルカリやフッ酸と硝酸の混酸などの溶液に５〜１２０秒間浸漬し、ダメージ層をエッチング除去することが好ましい。尚、このエッチングの際に、前記の拡散層形成時に基板に形成されたリンガラスも同時に除去することができる。
また、上記のように機械的切削手段を用いて裏面電極溝を形成した場合、溝形成部には機械的なダメージが残るため、例えば高濃度のアルカリやフッ酸と硝酸の混酸などの溶液に５〜１２０秒間浸漬し、ダメージ層をエッチング除去することが好ましい。尚、このエッチングの際に、前記の拡散層形成時に基板に形成されたリンガラスも同時に除去することができる。
次に、裏面電極溝を形成した基板裏面に、図１の工程（ｄ）に示したように、絶縁膜４ａ、４ｂを形成する絶縁膜形成工程を行う。この絶縁膜形成工程は、例えば裏面電極溝を形成した単結晶シリコン基板を従来行われているような一般的な熱酸化法で熱処理することによって、絶縁膜となる酸化膜を容易に形成することができる。この場合、受光面となるシリコン基板の表面にも酸化膜８が成長するが、反射防止の観点から、この基板表面に形成される酸化膜８の膜厚が極力薄くなるようにするために、比較的低温の熱処理温度で絶縁膜の形成を行うことが好ましい。そして、このような基板表面に薄い酸化膜の成長する条件下の熱処理では、酸化は主に反応律速となり、不純物（リン）の存在が酸化反応に大きく影響を及ぼす。
すなわち、図１に示すように、基板の裏面において、酸化膜は拡散層２上の拡散領域と裏面電極溝３の内壁の非拡散領域とに同時に形成されるが、拡散領域と非拡散領域とでは不純物（リン）の存在の有無により酸化速度が大きく異なるため、非拡散領域に形成した絶縁膜４ａの厚さを拡散領域に形成した絶縁膜４ｂよりも薄くなるものとすることができる。具体的には、例えば基板裏面に形成する絶縁膜の厚さを、拡散層の形成されている拡散領域上では５ｎｍ以上６０ｎｍ以下、好ましくは２５ｎｍ以上４０ｎｍ以下となるように、また裏面電極溝の内壁の非拡散領域上では１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上１５ｎｍ以下となるようにすることができる。
このように非拡散領域に形成した絶縁膜の厚さが拡散領域に形成した絶縁膜よりも薄くなるものとすれば、例えばその後電極を形成して太陽電池を製造した際に、絶縁膜厚の薄い非拡散領域では絶縁膜を介したトンネル電流が流れるようになって、電極と非拡散領域とを電気的に接触させることができるようになり、一方拡散領域では厚い絶縁膜によって電極と拡散層とを絶縁することができる。
尚、本発明において、絶縁膜を形成するために行う熱処理の熱処理条件は特に限定されるものではないが、例えば熱処理温度が７５０℃未満では酸化膜の成長速度が遅過ぎて緻密な絶縁膜を形成できない場合が考えられ、また熱処理温度が９５０℃を超えると酸化膜の成長速度が速過ぎて絶縁膜の膜厚を制御することが難しくなることが考えられる。したがって、絶縁膜を形成する際には、酸素雰囲気中、７５０℃以上９５０℃以下の比較的低温度下で１０〜３０分程度熱処理することが好ましく、このような条件で絶縁層の形成を行うことによって、短時間で所望の膜厚を有する緻密な絶縁膜を容易に形成することができる。例えば、酸素雰囲気中、９００℃で１７分間の熱処理を行った場合では、非拡散領域上に１０ｎｍ程度の厚さの絶縁膜４ａを形成するとともに、拡散領域上に３０〜４０ｎｍ程度の厚い絶縁膜４ｂを形成することができる。
上記のようにして絶縁膜を形成した後、基板の表裏両面に、または基板の裏面のみに電極を形成する電極形成工程を行う（図１の工程（ｅ）〜（ｇ））。
例えば、絶縁膜を形成したシリコン基板に、図１の工程（ｅ）に示すように、裏面電極５をスクリーン印刷法を用いて形成する。すなわち、シリコン基板の裏面に、アルミニウム粉末を有機物バインダで混合したペーストをスクリーン印刷し、その後、７００〜８００℃の温度で５〜３０分間焼成することにより裏面電極を効率的に形成することができる。
例えば、絶縁膜を形成したシリコン基板に、図１の工程（ｅ）に示すように、裏面電極５をスクリーン印刷法を用いて形成する。すなわち、シリコン基板の裏面に、アルミニウム粉末を有機物バインダで混合したペーストをスクリーン印刷し、その後、７００〜８００℃の温度で５〜３０分間焼成することにより裏面電極を効率的に形成することができる。
このとき、裏面電極５は、図２の（ａ）に示したように、シリコン基板１の裏面全面に形成されるが、例えば図２の（ｂ）に示したように、裏面電極５を前記で形成した裏面電極溝のみに形成するようにしても良く、このように裏面電極を電極溝のみに形成することにより、太陽電池を製造した際にリーク電流が低減してより高い性能を得ることが可能となる。
また、本発明では、例えば図２の（ｃ）に示したように、裏面電極溝上の絶縁膜に形成される電極５ａと、ｎ型拡散層上の絶縁膜に形成される電極５ｂの２つの電極を基板裏面に有するように電極形成を行うことも可能である。この場合、ｎ型拡散層と電極間には前記のように厚い酸化膜が形成されているため、ｎ型拡散層上に形成される電極５ｂにはガラスフリットおよび銀粉末を有機物バインダで混合した銀ペーストを用いて印刷し、その後の焼成でファイアースルーさせてコンタクトをとるようにする。この場合は、以下で説明にするような受光面における電極形成は不要となる。
裏面電極を形成した後、図１の工程（ｆ）に示すように、基板の表面に反射防止膜６を形成する。反射防止膜の形成は、従来一般的に用いられているＰＶＤ法やＣＶＤ法等で行うことができる。また、形成する反射防止膜としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化セリウム、アルミナ、二酸化錫、二酸化チタン、フッ化マグネシウム、酸化タンタル等からなる単層膜、またはこれらを二種組み合わせた二層膜を使用することができる。この場合、ｎ型拡散層と反射防止膜の間には酸化膜８が存在しているため、太陽電池を製造した際に基板表面での電子−正孔の再結合を抑制することができ、太陽電池の開放電圧が増加する等の高性能化に寄与する。
そして、基板表面に反射防止膜６を形成した後、図１の工程（ｇ）に示すように、スクリーン印刷法を用いて表面電極７を形成することによって、太陽電池９を製造することができる。この表面電極７の形成は、例えば、銀粉末とガラスフリットを有機物バインダで混合した銀ペーストをスクリーン印刷した後、熱処理を行うことにより反射防止膜に銀粉末を貫通させ（ファイアースルー）、電極とシリコンを導通させるように行っても良いし、または、反射防止膜を形成した基板表面に機械的研削手段を用いて表面電極溝を形成した後にスクリーン印刷法で銀ペーストを塗布し、その後焼成を行うことによって表面電極を形成するようにしても良い。
尚、本発明において、裏面電極及び表面電極を形成する方法は特に限定されるものではなく、上記スクリーン印刷法の他に、蒸着法やスパッタ法等を用いて電極の形成を行うこともできるが、上記のようにスクリーン印刷法を用いることによって、電極を効率的に形成できるので、量産性に優れ、低コストの太陽電池を安定して製造することができる。
以上のような本発明の太陽電池の製造方法によれば、従来の重ね合わせ拡散で生じるような太陽電池の性能のバラツキを抑制することができ、また、基板裏面に形成された拡散層がフローティング層となって光生成した少数キャリアを追い返し、裏面における実効的な光生成キャリアの再結合速度を低減することができるため、光電変換効率が高められた高性能の太陽電池を製造することができる。さらに、上記のような本発明の太陽電池の製造方法は、拡散層形成工程等で従来一般的に使用されている凡庸の装置を用いることができるため、高品質の太陽電池を低コストで安定して製造することができ、また量産性にも優れている。さらに、裏面拡散防止膜の形成や裏面拡散層の除去といった工程も不要であるという大きな利点がある。
そして、このような本発明によって製造された太陽電池は、ｐ型を有する半導体基板にｐｎ接合を形成して成る太陽電池であって、少なくとも、半導体基板の受光面となる基板表面と受光面とは反対側の基板裏面とにｎ型の拡散層が形成されており、その基板裏面には拡散層の厚さよりも深い裏面電極溝が形成されており、その裏面電極溝が形成されている基板裏面には絶縁膜が形成されており、さらに、基板の表裏両面（または、基板の裏面のみ）に電極が形成されている太陽電池となる。
このような本発明の太陽電池であれば、前記のように太陽電池の性能にバラツキがなく、また光電変換効率の高い高品質の太陽電池とすることができる。さらに、低コストで、量産性にも優れたものとなるし、また単位発電量あたりの製造コストも従来よりも低下させることが可能なる。
特に、このような太陽電池は、基板裏面の絶縁膜が、拡散層の形成されている拡散領域と裏面電極溝の内壁の非拡散領域とに形成されており、非拡散領域に形成された絶縁膜の厚さが拡散領域に形成された絶縁膜よりも薄いものであるので、絶縁膜厚の薄い非拡散領域では絶縁膜を介したトンネル電流が流れるようになり、一方拡散領域では厚い絶縁膜によってｎ型拡散層と電極とを絶縁することができるものとなる。
この場合、裏面電極溝の内壁の非拡散領域に形成される絶縁膜の厚さが薄過ぎると、拡散領域に同時形成される絶縁膜の厚さも必然的に薄くなり、ｎ型拡散層と電極とを確実に絶縁することが困難になることが考えられ、一方非拡散領域に形成される絶縁膜の厚さが厚過ぎると、トンネル電流が流れなくなる恐れが考えられる。また、拡散領域に形成される絶縁膜の厚さが薄過ぎると、電子のトンネリング現象が生じて絶縁膜としての機能が果たせなくことが考えられ、一方、拡散領域に形成される絶縁膜の厚さが厚過ぎると、非拡散領域に同時形成される絶縁膜の厚さも必然的に厚くなり、非拡散領域上の絶縁膜でトンネル電流が流れなくなる恐れがある。
したがって、基板裏面に形成される絶縁膜の厚さは、拡散層の形成されている拡散領域上で５ｎｍ以上６０ｎｍ以下、特に２５ｎｍ以上４０ｎｍ以下であり、裏面電極溝の内壁の非拡散領域上で１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、特に５ｎｍ以上１５ｎｍ以下であるものとすることが好ましく、このような膜厚を有する絶縁膜であれば、拡散領域上に形成した絶縁膜で拡散層と電極とを確実に絶縁することができるとともに、非拡散領域上に形成した絶縁膜では電極と非拡散領域とを容易に電気的に接触させることができる。そしてそれにより、太陽電池裏面の拡散層／絶縁膜界面では、電子と正孔の濃度に差が生じるようになるため、光生成キャリアの再結合を抑制することが可能となり、光電変換効率が非常に向上した太陽電池とすることができる。
尚、上記では、裏面の絶縁膜の形成を拡散領域と非拡散領域とで同時に同一処理で形成する場合につき説明しているが、これらは個別に形成したり、また、同時形成後、一方の厚さを薄くする等の調整を行っても良い。
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図３に示すような工程の異なるフローに基づいて太陽電池を３種類製造し、太陽電池の能力を測定してそれらの比較を行った。尚、図３に示した方法Ａは、本発明に係る太陽電池の製造を示しており（実施例）、方法Ｂは、重ね合わせ拡散を利用した太陽電池の製造を示しており（比較例１）、方法Ｃは、基板裏面に拡散防止膜を形成して太陽電池を製造する場合を示している（比較例２）。それぞれの製造条件の詳細を以下に説明する。
図３に示すような工程の異なるフローに基づいて太陽電池を３種類製造し、太陽電池の能力を測定してそれらの比較を行った。尚、図３に示した方法Ａは、本発明に係る太陽電池の製造を示しており（実施例）、方法Ｂは、重ね合わせ拡散を利用した太陽電池の製造を示しており（比較例１）、方法Ｃは、基板裏面に拡散防止膜を形成して太陽電池を製造する場合を示している（比較例２）。それぞれの製造条件の詳細を以下に説明する。
（実施例）
ＣＺ法によりホウ素をドープした比抵抗０．５Ω・ｃｍ、方位｛１００｝の単結晶を育成し、この育成した単結晶をスライスしてウエーハに加工した後、濃水酸化カリウム水溶液によるエッチングを行ってダメージ層を除去し、水酸化カリウム／２−プロパノール水溶液中に浸漬してテクスチャ形成を行い、引き続き塩酸／過酸化水素混合溶液中で洗浄を行うことによって、ｐ型の単結晶シリコン基板を準備した。
ＣＺ法によりホウ素をドープした比抵抗０．５Ω・ｃｍ、方位｛１００｝の単結晶を育成し、この育成した単結晶をスライスしてウエーハに加工した後、濃水酸化カリウム水溶液によるエッチングを行ってダメージ層を除去し、水酸化カリウム／２−プロパノール水溶液中に浸漬してテクスチャ形成を行い、引き続き塩酸／過酸化水素混合溶液中で洗浄を行うことによって、ｐ型の単結晶シリコン基板を準備した。
次に、準備したｐ型単結晶シリコン基板を、オキシ塩化リン雰囲気下、８５０℃で熱処理を行って基板の両面に厚さが３３０ｎｍのｎ型拡散層を形成した。拡散層形成後、形成したｎ型拡散層のシート抵抗を直流四探針法により測定した結果、約６０Ω／□であった。
続いて、シリコン基板の裏面に、深さ５０μｍ、幅６０μｍ、周期２ｍｍの裏面電極溝を、ダイサーを用いて平行に複数形成した後、濃水酸化カリウム水溶液によるエッチングを行ってダメージ除去を行い、さらに塩酸／過酸化水素混合溶液による洗浄を行った。
続いて、シリコン基板の裏面に、深さ５０μｍ、幅６０μｍ、周期２ｍｍの裏面電極溝を、ダイサーを用いて平行に複数形成した後、濃水酸化カリウム水溶液によるエッチングを行ってダメージ除去を行い、さらに塩酸／過酸化水素混合溶液による洗浄を行った。
酸洗浄後、基板を９００℃の酸素雰囲気下で熱酸化処理を行って基板両面に酸化膜を形成した。このとき、基板裏面において、拡散層上の拡散領域と裏面電極溝の内壁の非拡散領域とに形成された酸化膜の厚さをエリプソメータを用いて測定したところ、非拡散領域に形成された酸化膜の厚さは１１ｎｍであり、一方、拡散領域に形成された酸化膜の厚さは３２ｎｍであった。
その後、基板の裏面全面に裏面電極をスクリーン印刷および焼成を行うことにより形成した。次いで、プラズマＣＶＤ法を用いて受光面となる基板表面に窒化シリコン膜を反射防止膜として形成した後、表面電極をスクリーン印刷および焼成を行うことにより形成して、太陽電池Ａを製造した。
（比較例１）
上記実施例と同様のｐ型単結晶シリコン基板を準備した後、２枚のシリコン基板の裏面を重ね合わせた状態で、オキシ塩化リン雰囲気下、８５０℃で熱処理する重ね合わせ拡散を行うことによって、基板表面に厚さが３３０ｎｍのｎ型拡散層を形成した。このとき、形成したｎ型拡散層のシート抵抗を測定した結果、約６０Ω／□であった。
次に、シリコン基板の端面をポリッシャーで研磨して、以下で形成する裏面電極とｎ型拡散層が導通しないように端面接合分離を行った後、フッ酸による洗浄を行った。その後、上記実施例と同様にして、裏面電極、反射防止膜、表面電極を順次形成して、太陽電池Ｂを製造した。
上記実施例と同様のｐ型単結晶シリコン基板を準備した後、２枚のシリコン基板の裏面を重ね合わせた状態で、オキシ塩化リン雰囲気下、８５０℃で熱処理する重ね合わせ拡散を行うことによって、基板表面に厚さが３３０ｎｍのｎ型拡散層を形成した。このとき、形成したｎ型拡散層のシート抵抗を測定した結果、約６０Ω／□であった。
次に、シリコン基板の端面をポリッシャーで研磨して、以下で形成する裏面電極とｎ型拡散層が導通しないように端面接合分離を行った後、フッ酸による洗浄を行った。その後、上記実施例と同様にして、裏面電極、反射防止膜、表面電極を順次形成して、太陽電池Ｂを製造した。
（比較例２）
上記実施例と同様のｐ型単結晶シリコン基板を準備した後、プラズマＣＶＤ法により基板裏面に拡散防止膜として窒化シリコン膜を約６０ｎｍ堆積した。次に、拡散防止膜を形成したｐ型単結晶シリコン基板を、オキシ塩化リン雰囲気下、８５０℃で熱処理することによって、基板表面に厚さが３３０ｎｍのｎ型拡散層を形成した。このとき、形成したｎ型拡散層のシート抵抗を測定した結果、約６０Ω／□であった。
続いて、ｎ型拡散層を形成した基板をフッ酸に約２０分間浸漬して、基板裏面の窒化シリコン膜を完全に除去し、その後、上記実施例と同様にして、裏面電極、反射防止膜、表面電極を順次形成して、太陽電池Ｃを製造した。
上記実施例と同様のｐ型単結晶シリコン基板を準備した後、プラズマＣＶＤ法により基板裏面に拡散防止膜として窒化シリコン膜を約６０ｎｍ堆積した。次に、拡散防止膜を形成したｐ型単結晶シリコン基板を、オキシ塩化リン雰囲気下、８５０℃で熱処理することによって、基板表面に厚さが３３０ｎｍのｎ型拡散層を形成した。このとき、形成したｎ型拡散層のシート抵抗を測定した結果、約６０Ω／□であった。
続いて、ｎ型拡散層を形成した基板をフッ酸に約２０分間浸漬して、基板裏面の窒化シリコン膜を完全に除去し、その後、上記実施例と同様にして、裏面電極、反射防止膜、表面電極を順次形成して、太陽電池Ｃを製造した。
以上のようにして製造した太陽電池Ａ〜Ｃについて、ソーラーシミュレータを用い、標準条件下でこれら太陽電池の電流−電圧特性を測定し、それぞれの太陽電池の変換効率を求めた。その結果を以下の表１に示す。
本発明の製造方法で製造した太陽電池Ａは、表１に示したように、基板の裏面に形成したｎ型拡散層がフローティング層として作用する効果により、短絡電流および開放電圧が太陽電池Ｂ及びＣに比べて著しく増加し、また変換効率も２％以上向上していることがわかった。すなわち、本発明の太陽電池Ａは、従来の方法で製造した太陽電池ＢやＣに比べて、単位発電量あたりの製造コストを低下させることが可能である。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
１…単結晶シリコン基板、 ２…拡散層、 ３…裏面電極溝、
４ａ…非拡散領域に形成した絶縁膜、 ４ｂ…拡散領域に形成した絶縁膜、
５，５ａ，５ｂ…裏面電極、 ６…反射防止膜、 ７…表面電極、
８…基板表面に形成した酸化膜、 ９…太陽電池。
４ａ…非拡散領域に形成した絶縁膜、 ４ｂ…拡散領域に形成した絶縁膜、
５，５ａ，５ｂ…裏面電極、 ６…反射防止膜、 ７…表面電極、
８…基板表面に形成した酸化膜、 ９…太陽電池。
Claims (10)
- 第一の導電型を有する半導体基板にｐｎ接合を形成して太陽電池を製造する方法であって、少なくとも、前記半導体基板の受光面となる第一主表面と該受光面とは反対側の第二主表面とに前記第一の導電型とは異なる第二の導電型の拡散層を形成する拡散層形成工程と、前記第二主表面に前記拡散層の厚さよりも深い裏面電極溝を形成する裏面電極溝形成工程と、該裏面電極溝を形成した第二主表面に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記第一主表面及び第二主表面の両面に、または前記第二主表面のみに電極を形成する電極形成工程とを具備することを特徴とする太陽電池の製造方法。
- 前記絶縁膜形成工程において、前記絶縁膜を、前記拡散層上の拡散領域と前記裏面電極溝の内壁の非拡散領域とに形成し、該非拡散領域に形成した絶縁膜の厚さが拡散領域に形成した絶縁膜よりも薄くなるものとすることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記絶縁膜を、７５０℃以上９５０℃以下の温度で熱処理することによって形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記裏面電極溝を、機械的研削手段を用いて平行に複数形成することを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記機械的研削手段をスライサーまたはダイサーとすることを特徴とする請求項４に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記電極の形成をスクリーン印刷法により行うことを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか一項に記載の太陽電池の製造方法。
- 請求項１ないし請求項６の何れか一項に記載の太陽電池の製造方法により製造されたことを特徴とする太陽電池。
- 第一の導電型を有する半導体基板にｐｎ接合を形成して成る太陽電池であって、少なくとも、前記半導体基板の受光面となる第一主表面と該受光面とは反対側の第二主表面とに前記第一の導電型とは異なる第二の導電型の拡散層が形成されており、前記第二主表面には前記拡散層の厚さよりも深い裏面電極溝が形成されており、該裏面電極溝が形成されている第二主表面には絶縁膜が形成されており、さらに、前記第一主表面及び第二主表面の両面に、または前記第二主表面のみに電極が形成されているものであることを特徴とする太陽電池。
- 前記第二主表面の絶縁膜は、前記拡散層の形成されている拡散領域と前記裏面電極溝の内壁の非拡散領域とに形成されており、該非拡散領域に形成された絶縁膜の厚さが拡散領域に形成された絶縁膜よりも薄いものであることを特徴とする請求項８に記載の太陽電池。
- 前記絶縁膜の厚さは、前記拡散層の形成されている拡散領域上で５ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、前記裏面電極溝の内壁の非拡散領域上で１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の太陽電池。
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