JP2006024757A - 太陽電池および太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】パッシベーション効果に優れたパッシベーション層を有し、発電効率が高く、さらに製造コストが低く安価な太陽電池およびその製造方法を提供する。
【解決手段】少なくとも、半導体基板の受光面側にエミッタ層およびパッシベーション層を有し、かつ前記半導体基板の受光面側および裏面側に電極が形成されている太陽電池であって、前記エミッタ層が熱拡散法によって前記半導体基板の受光面側の表面に形成されたものであり、かつ、前記パッシベーション層が前記熱拡散法によって前記エミッタ層の上に形成されたガラス層であることを特徴とする太陽電池。および、エミッタ層を熱拡散法によって形成し、前記熱拡散法において前記エミッタ層上に析出するガラス層を、除去せずにパッシベーション層として残留させ、然る後に受光面側電極を形成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】少なくとも、半導体基板の受光面側にエミッタ層およびパッシベーション層を有し、かつ前記半導体基板の受光面側および裏面側に電極が形成されている太陽電池であって、前記エミッタ層が熱拡散法によって前記半導体基板の受光面側の表面に形成されたものであり、かつ、前記パッシベーション層が前記熱拡散法によって前記エミッタ層の上に形成されたガラス層であることを特徴とする太陽電池。および、エミッタ層を熱拡散法によって形成し、前記熱拡散法において前記エミッタ層上に析出するガラス層を、除去せずにパッシベーション層として残留させ、然る後に受光面側電極を形成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、単結晶または多結晶のシリコン基板からなり、発電効率が高く製造コストが低い太陽電池およびその製造方法に関する。
一般に太陽電池は、シリコン等の半導体基板の受光面側に光を受光するためのpn接合が形成され、半導体基板の受光面側および裏面側のそれぞれに電力取り出し用の電極が形成されている。さらに、半導体基板の受光面側に、少数キャリアの再結合による損失を低減するためのパッシベーション層と、表面での太陽光の反射を抑え半導体基板内に太陽光を有効に取り込むための反射防止膜とが形成されている。
このような太陽電池は、例えば図2に示す工程によって製造される。
まず、単結晶シリコンあるいは多結晶シリコンなどからなる半導体基板13を準備し、スライス加工時の表面歪み層の除去などを施す(図2(a))。
まず、単結晶シリコンあるいは多結晶シリコンなどからなる半導体基板13を準備し、スライス加工時の表面歪み層の除去などを施す(図2(a))。
次に、熱拡散法により半導体基板13の表面にドーパントを拡散させ、エミッタ層11を形成しpn接合を形成する。例えば、p型の半導体基板13を拡散炉中に配置して、オキシ塩化リン(POCl3)などのガスを導入しながら加熱し、半導体基板13の表面部分にn型のエミッタ層11を形成する。その際、エミッタ層11の上にドーパント原子を含むガラス層12が形成される(図2(b))。
その後、半導体基板13の受光面側のエミッタ層11のみを残して、他のエミッタ層及びガラス層12を、フッ酸と硝酸を主成分としたエッチング液などに浸漬して除去した後、純水で洗浄する(図2(c))。そして、半導体基板13の裏面にp+拡散層15を形成する(図2(d))。
次に、エミッタ層11上にパッシベーション層18及び反射防止膜14を形成する(図2(e))。パッシベーション層18は、例えば半導体基板13をドライ熱酸化して酸化シリコンを形成したり(例えば特許文献1)、シリコン微粒子を含有するシリコン化合物を塗布し焼成してシリコン微粒子含有シリコン酸化物膜を形成する(特許文献2)ことによって形成される。また、反射防止膜14は、例えば窒化シリコン膜などからなり、シランとアンモニアとの混合ガスを用いたプラズマCVD法などによって形成される。
然る後に、裏面側電極16及び受光面側電極17を、印刷用マスクを当てて電極パターンを印刷、焼成して形成し、太陽電池19を完成させる(図2(f))。
然る後に、裏面側電極16及び受光面側電極17を、印刷用マスクを当てて電極パターンを印刷、焼成して形成し、太陽電池19を完成させる(図2(f))。
しかし、上記のような従来の太陽電池の製造工程では、受光面側のエミッタ層の上に形成されたガラス層を除去し、その後エミッタ層上に熱酸化などによりパッシベーション層を形成する必要があった。そのため太陽電池の製造コストアップの要因となっていた。
本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであって、パッシベーション効果に優れたパッシベーション層を有し、発電効率が高く、さらに製造コストが低く安価な太陽電池およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するための本発明は、少なくとも、半導体基板の受光面側にエミッタ層およびパッシベーション層を有し、かつ前記半導体基板の受光面側および裏面側に電極が形成されている太陽電池であって、前記エミッタ層が熱拡散法によって前記半導体基板の受光面側の表面に形成されたものであり、かつ、前記パッシベーション層が前記熱拡散法によって前記エミッタ層の上に形成されたガラス層であることを特徴とする太陽電池を提供する(請求項1)。
このように、エミッタ層が熱拡散法によって半導体基板の受光面側の表面に形成されたものであり、かつ、パッシベーション層が熱拡散法によってエミッタ層の上に形成されたガラス層であれば、ガラス層が高いパッシベーション効果を有しており、これをパッシベーション層に用いているので、光電変換効率の高い太陽電池とすることができる。また、従来のように、ガラス層を除去し熱酸化などによりパッシベーション層を形成するのではなく、エミッタ層の形成と同時にパッシベーション層を形成することになるので、製造コストの低い安価な太陽電池を得ることができる。
この場合、前記パッシベーション層を構成するガラス層が、リンガラスであることが好ましい(請求項2)。
このように、パッシベーション層を構成するガラス層がリンガラスであれば、優れたパッシベーション効果を有するパッシベーション層が得られるため、より発電効率の高い太陽電池とすることができる。
この場合、前記エミッタ層に含まれるリンの濃度が、1×1018〜1×1021atoms/cm3であることが好ましい(請求項3)。
このように、エミッタ層に含まれるリンの濃度が1×1018〜1×1021atoms/cm3であれば、十分なリンがドープされるので、p型の半導体基板表面に必要なpn接合が形成された太陽電池となる。さらに表面再結合時間が長くキャリアが捕捉されにくくなるために光電変換効率が高い太陽電池を得ることができるとともに、パッシベーション層の効果も優れたものとなる。
また、本発明は、少なくとも、半導体基板の受光面側の表面にエミッタ層を形成する工程と、前記半導体基板の受光面側および裏面側に電極を形成する工程とを含む太陽電池の製造方法であって、前記エミッタ層を熱拡散法によって形成し、前記熱拡散法において前記エミッタ層上に析出するガラス層を、除去せずにパッシベーション層として残留させ、然る後に前記受光面側電極を形成することを特徴とする太陽電池の製造方法を提供する(請求項4)。
このように、エミッタ層を熱拡散法によって形成し、熱拡散法においてエミッタ層上に析出するガラス層を、除去せずにパッシベーション層として残留させ、然る後に受光面側電極を形成すれば、従来の太陽電池の製造工程におけるエミッタ層形成後のガラス層除去工程およびパッシベーション層形成工程を省略することができるため、製造コストを著しく低下させることができる。また、ガラス層が高いパッシベーション効果を有するので、光電変換効率が高い太陽電池を製造することができる。
この場合、前記熱拡散によってエミッタ層を形成する工程で、リンをドーパントとしてp型半導体基板中に熱拡散させることが好ましい(請求項5)。
熱拡散によってエミッタ層を形成する工程において、リンをドーパントとしてp型半導体基板中に熱拡散させると、エミッタ層上にリンガラス層が析出する。リンガラスは優れたパッシベーション効果を発揮するため、このリンガラス層をパッシベーション層とすれば、より光電変換効率の高い太陽電池を製造することが可能となる。
この場合、前記エミッタ層に含まれるリンの濃度を、1×1018〜1×1021atoms/cm3の範囲内に制御することが好ましい(請求項6)。
このように、エミッタ層に含まれるリンの濃度を、1×1018〜1×1021atoms/cm3の範囲内に制御すれば、p型の半導体基板がn型に反転するのに十分なリンがドープされるので、必要なpn接合が形成された太陽電池とすることができる。さらに、表面再結合時間が長くキャリアが捕捉されにくくなり、光電変換効率の高い太陽電池を製造することができるとともに、パッシベーション層の効果も優れたものとなる。
以上、本発明によれば、熱拡散法によってエミッタ層を形成する時にエミッタ層上に析出するガラス層が高いパッシベーション効果を有するので、これをパッシベーション層とすることにより、光電変換効率の高い太陽電池とすることができる。特に、p型半導体基板にリンをドーパントとして熱拡散させた場合、エミッタ層上に形成されたリンガラス層は優れたパッシベーション効果を発揮するので、より光電変換効率の高い太陽電池となる。さらに、従来の太陽電池の製造工程におけるガラス層を除去する工程と、熱酸化などによりパッシベーション層を形成する工程とを省略することもできるので、製造コスト削減を実現することができ、安価な太陽電池を得ることが可能となる。
以下、本発明の実施の形態について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。
一般に、シリコン半導体基板にpn接合を形成したとき、半導体基板の表面にはOH、Oなどで終端している結合や未結合手が存在している。未結合手は反応性に富むため、未結合手が多く存在すると、受光したときに発生するキャリアが未結合手に捕捉されて光電変換効率が低下する。そのため、エミッタ層上に酸化シリコン膜などからなるパッシベーション層を形成し、未結合手を不活性化させていた。
一般に、シリコン半導体基板にpn接合を形成したとき、半導体基板の表面にはOH、Oなどで終端している結合や未結合手が存在している。未結合手は反応性に富むため、未結合手が多く存在すると、受光したときに発生するキャリアが未結合手に捕捉されて光電変換効率が低下する。そのため、エミッタ層上に酸化シリコン膜などからなるパッシベーション層を形成し、未結合手を不活性化させていた。
エミッタ層を形成するときにシリコン半導体基板表面に析出するガラス層は、従来エッチング処理で除去されていたが、本発明者らが検討した結果、ガラス層中の酸素が半導体基板表面の未結合手を終端させるか、またはOH基と置き換わってSi−O結合を形成することによって、ガラス層が高いパッシベーション効果を発揮することを見出した。特に、p型半導体基板にリンをドーパントとして拡散させる場合、エミッタ層のリン濃度が高いほどリンガラス層の厚さが厚くなり、これによりリンガラス層中の酸素量が高まるので、パッシベーション効果が一層高まることを見出した。そして、エミッタ層形成後にガラス層を除去することなくパッシベーション層として残留させて太陽電池を製造すると、従来の酸化シリコン膜をパッシベーション層とした太陽電池と同様に高い光電変換効率が得られることを見出し、本発明を完成させた。
図1に示すフロー図を用いて本発明の太陽電池およびその製造方法の一例を説明する。
まず、図1(a)に示すように、半導体基板3を準備する。本発明の半導体基板3としては、単結晶シリコン基板あるいは多結晶シリコン基板を用いる。抵抗値や結晶方位などのシリコン基板の物性は特に制限されず、例えば導電型としてp型あるいはn型のいずれの基板も用いることができる。
なお、この半導体基板3に対し、スライス加工を施した際に発生するダメージ層を除去するためのエッチング処理や、受光面側の表面にテクスチャ(光閉じ込め用凹凸)を形成するためのアルカリ処理を施しても良い。
まず、図1(a)に示すように、半導体基板3を準備する。本発明の半導体基板3としては、単結晶シリコン基板あるいは多結晶シリコン基板を用いる。抵抗値や結晶方位などのシリコン基板の物性は特に制限されず、例えば導電型としてp型あるいはn型のいずれの基板も用いることができる。
なお、この半導体基板3に対し、スライス加工を施した際に発生するダメージ層を除去するためのエッチング処理や、受光面側の表面にテクスチャ(光閉じ込め用凹凸)を形成するためのアルカリ処理を施しても良い。
次に、図1(b)のように、半導体基板3の受光面側の表面に、熱拡散法を用いてエミッタ層1を形成する。この際、エミッタ層1の上にドーパントとなる原子を含むガラス層2が形成される。p型半導体基板を用いる場合、基板と異なる導電型の不純物としてリンなどのV族(15族)の原子を拡散させ、n型のエミッタ層を形成する。n型半導体基板を用いる場合は、ホウ素などのIII族(13族)の原子を拡散させてp型のエミッタ層を形成する。エミッタ層1が深くなると、再結合層が深くなり少数キャリアの再結合が起こりやすくなるため、エミッタ層1の深さは半導体基板3の表面から0.2μm〜1μmであることが好ましい。なお、シリコン単結晶裏面へ不純物が拡散し、裏面に拡散層およびガラス層が形成されるのを防ぐため、裏面同士を重ねあわせ、2枚1組で熱拡散を行っても良い。
特に、p型半導体基板中にリンをドーパントとして熱拡散させた時エミッタ層上に析出するリンガラス層は、非常に高いパッシベーション効果を発揮するため、パッシベーション層として用いるのに好適である。
具体的には、p型半導体基板3を拡散炉中に配置して、オキシ塩化リン(POCl3)などのガスを導入しながら820〜880℃で数十分熱処理し、半導体基板3上にリンガラス層2を析出させるとともに、半導体基板3の表面部分にリンを拡散させてn型のエミッタ層1を形成する。
この場合、エミッタ層1に含まれるリンの濃度は、1×1018〜1×1021atoms/cm3であることが好ましい。このようなエミッタ層のリン濃度であれば、リンガラス層が十分な厚さとなり、これによりリンガラス層の酸素量が高まるので、高いパッシベーション効果が得られる。特に、深さ0.2μm〜0.5μmのエミッタ層表面付近の領域で、上記濃度に制御されていることが好ましい。エミッタ層に含まれるリンの濃度が上記範囲内であれば、十分なリンがドープされるので、p型の半導体基板表面に必要なpn接合が形成された太陽電池となる。さらに表面再結合時間が長くキャリアが捕捉されにくくなるために光電変換効率が高い太陽電池を得ることができるとともに、パッシベーション層の効果も優れたものとなる。
エミッタ層1およびガラス層2を形成した後、図1(c)に示すように、ガラス層2をエッチング除去することなく、ガラス層2上に反射防止膜4を形成する。例えば、反射防止膜4として、プラズマCVD法を用いて窒化シリコン(SiN)膜を形成する。この場合は、原料ガスとしてモノシランガスとアンモニアガスを使用し、プラズマを発生させるための電源の周波数としてマイクロ波を用い、圧力0.1〜10Torr(約13〜1.3×103Pa)、基板温度300℃〜400℃で、プラズマ処理を行う。処理時間は5分以上が好ましい。プラズマ処理により、ガラス層2の表面はプラズマによってダメージを受けるが、ガラス層2がプラズマダメージを吸収するため、半導体基板3にまでプラズマダメージが及ぶことはない。
その後、図1(d)に示すように、非受光面(裏面)にp+拡散層5を形成し、さらにp+拡散層5上に裏面側電極6を形成する。p+拡散層5の形成は、反射防止膜形成前に行っても構わない。裏面側電極6は、スクリーン印刷で銀ペーストもしくはAg/Alペーストを印刷し焼成することによって形成する。
そして、図1(e)のように、受光面側に受光面側電極7を形成し、太陽電池9を得る。受光面側の受光面側電極7は、受光面側に溝を形成し、その溝中にスクリーン印刷により銀ペーストをパターン印刷し焼成することで形成する。
上記製造工程を経て製造された太陽電池9は、ガラス層2が高いパッシベーション効果を有するので、従来の酸化シリコンからなるパッシベーション層と同等の効果を得ることができる。したがって、本発明の太陽電池は、光電変換効率が高いものとなる。特に、リンを熱拡散する時に析出するリンガラス層をパッシベーション層とする場合は、リンガラス層が優れたパッシベーション効果を発揮するため、より高い光電変換効率を有する太陽電池を得ることが可能となる。
また、上記の製造工程では、従来の製造工程のようにガラス層をエッチング除去する工程とパッシベーション層を形成する工程とを行っていない。このように、本発明によって太陽電池の製造工程を簡略化することができるため、製造コストを低減でき、安価な太陽電池を得ることができる。
また、上記の製造工程では、従来の製造工程のようにガラス層をエッチング除去する工程とパッシベーション層を形成する工程とを行っていない。このように、本発明によって太陽電池の製造工程を簡略化することができるため、製造コストを低減でき、安価な太陽電池を得ることができる。
以下に本発明の実施例を挙げて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。
(実施例)
厚さ300μm、抵抗率0.5Ω・cm、方位{100}のホウ素ドープp型アズカット単結晶シリコン基板3を用意し、濃水酸化カリウム水溶液によるエッチングを行ってスライス加工時に発生したダメージ層を除去した。その後、単結晶シリコン基板3を水酸化カリウム/2−プロパノール混合溶液中に浸漬し、表面にテクスチャを形成した。そして、基板3を水洗、乾燥後、RCA洗浄(アンモニア過水洗浄、フッ酸洗浄、塩酸過水洗浄、フッ酸洗浄)を行ってから、水洗・乾燥した。
(実施例)
厚さ300μm、抵抗率0.5Ω・cm、方位{100}のホウ素ドープp型アズカット単結晶シリコン基板3を用意し、濃水酸化カリウム水溶液によるエッチングを行ってスライス加工時に発生したダメージ層を除去した。その後、単結晶シリコン基板3を水酸化カリウム/2−プロパノール混合溶液中に浸漬し、表面にテクスチャを形成した。そして、基板3を水洗、乾燥後、RCA洗浄(アンモニア過水洗浄、フッ酸洗浄、塩酸過水洗浄、フッ酸洗浄)を行ってから、水洗・乾燥した。
次に、2枚の単結晶シリコン基板を1組とし裏面同士を重ね合わせ、石英ボートに移載して拡散炉に投入した。投入後、ヒーター温度を850℃まで昇温して、オキシ塩化リンを窒素ガス毎分1リットル/分にてバブリングさせた。バブリング蒸発したオキシ塩化リンは、酸素ガス毎分1リットル/分とともに拡散炉に導入してシリコン基板表面にリンガラスとして堆積させた。引き続き、窒素雰囲気中に30分間放置した後、拡散炉から取出した。この工程により、単結晶シリコン基板3の表面にエミッタ層1およびリンガラス層2を形成した。
そして、リンガラス層2上に、反射防止膜4としてプラズマCVD法により窒化シリコン膜を形成した。原料ガスとしてモノシランガスとアンモニアガスを使用した。また、プラズマ発生用電源の周波数としてマイクロ波を用い、圧力は0.1〜10Torr、基板温度は400℃、処理時間は5分間とした。
その後、単結晶シリコン基板3の裏面にp+拡散層5を形成した後、p+拡散層5上にスクリーン印刷で銀ペーストを印刷し、焼成して裏面側電極6を形成した。
そして、受光面側に溝を形成し、その溝中にスクリーン印刷により銀ペーストをパターン印刷し、焼成して受光面側電極7を形成し、太陽電池9を得た。
そして、受光面側に溝を形成し、その溝中にスクリーン印刷により銀ペーストをパターン印刷し、焼成して受光面側電極7を形成し、太陽電池9を得た。
(比較例1)
実施例と同様にして単結晶シリコン基板3表面にエミッタ層1およびリンガラス層2を形成した。そして、フッ酸を用いてリンガラス層2を除去し、この基板を900度の酸素雰囲気下で熱処理して、エミッタ層1上に酸化シリコン膜からなるパッシベーション層を形成した。その後、実施例と同様にして反射防止膜4、p+拡散層5、裏面側電極6および受光面側電極7を形成し、太陽電池を得た。
実施例と同様にして単結晶シリコン基板3表面にエミッタ層1およびリンガラス層2を形成した。そして、フッ酸を用いてリンガラス層2を除去し、この基板を900度の酸素雰囲気下で熱処理して、エミッタ層1上に酸化シリコン膜からなるパッシベーション層を形成した。その後、実施例と同様にして反射防止膜4、p+拡散層5、裏面側電極6および受光面側電極7を形成し、太陽電池を得た。
(比較例2)
実施例と同様にして単結晶シリコン基板3表面にエミッタ層1およびリンガラス層2を形成した。そして、フッ酸を用いてリンガラス層2を除去し、パッシベーション層を形成せずに実施例と同様の方法でエミッタ層上に直接反射防止膜4を形成した。その後、実施例と同様にしてp+拡散層5、裏面側電極6および受光面側電極7を形成し、太陽電池を得た。
実施例と同様にして単結晶シリコン基板3表面にエミッタ層1およびリンガラス層2を形成した。そして、フッ酸を用いてリンガラス層2を除去し、パッシベーション層を形成せずに実施例と同様の方法でエミッタ層上に直接反射防止膜4を形成した。その後、実施例と同様にしてp+拡散層5、裏面側電極6および受光面側電極7を形成し、太陽電池を得た。
実施例の太陽電池は、比較例1とほぼ同等の電流―電圧特性および発電効率を示した。また、比較例2はパッシベーション層を設けていないため、発電効率が低くなった。
このように、リンガラス層は酸化シリコン膜と同等の高いパッシベーション効果を発揮するために、リンガラス層をパッシベーション層に用いることで高い光電変換効率を有する太陽電池を得ることができる。また、実施例の太陽電池は比較例1の太陽電池よりも少ない工程数で作製しているため、製造コストを低く抑えることができ、安価な太陽電池を得ることができる。
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、如何なるものであっても本発明の技術範囲に包含される。
1…エミッタ層、 2…ガラス層、 3…半導体基板、4…反射防止膜、
5…P+拡散層、 6…裏面側電極、 7…受光面側電極、 9…太陽電池。
5…P+拡散層、 6…裏面側電極、 7…受光面側電極、 9…太陽電池。
Claims (6)
- 少なくとも、半導体基板の受光面側にエミッタ層およびパッシベーション層を有し、かつ前記半導体基板の受光面側および裏面側に電極が形成されている太陽電池であって、前記エミッタ層が熱拡散法によって前記半導体基板の受光面側の表面に形成されたものであり、かつ、前記パッシベーション層が前記熱拡散法によって前記エミッタ層の上に形成されたガラス層であることを特徴とする太陽電池。
- 前記パッシベーション層を構成するガラス層が、リンガラスであることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。
- 前記エミッタ層に含まれるリンの濃度が、1×1018〜1×1021atoms/cm3であることを特徴とする請求項2に記載の太陽電池。
- 少なくとも、半導体基板の受光面側の表面にエミッタ層を形成する工程と、前記半導体基板の受光面側および裏面側に電極を形成する工程とを含む太陽電池の製造方法であって、前記エミッタ層を熱拡散法によって形成し、前記熱拡散法において前記エミッタ層上に析出するガラス層を、除去せずにパッシベーション層として残留させ、然る後に前記受光面側電極を形成することを特徴とする太陽電池の製造方法。
- 前記熱拡散によってエミッタ層を形成する工程で、リンをドーパントとしてp型半導体基板中に熱拡散させ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。
- 前記エミッタ層に含まれるリンの濃度を、1×1018〜1×1021atoms/cm3の範囲内に制御することを特徴とする請求項5に記載の太陽電池の製造方法。
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