JP2006135017A - 光電変換装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光電変換装置において、半導体層の膜厚が５０μｍ以下という極薄膜であっても、光電変換装置を歩留良く製造できる方法および当該光電変換装置を提供する。
【解決手段】 本発明は、半導体層と、該半導体層の主面上に形成された表面電極と、該半導体層の主面と対向する面上に形成された裏面電極と、を備える光電変換装置であって、前記裏面電極において前記半導体層に接触している側の面は、前記半導体層における接触面より大きいことを特徴とする光電変換装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光電変換装置およびその製造方法に関するものであり、より特定的には、太陽電池およびその製造方法に関する。

従来の技術として、図７に示すような光電変換装置が例えば下記特許文献１に開示されている。この従来技術にかかる光電変換装置は、図７において、太陽光を受光する半導体基板１０１主面上に表面電極１０２が形成され、その反対の主面上には裏面電極１０３が形成されている。ここで、図７において、（ａ）は、光電変換装置の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）と対向する面からみた平面図であり、（ｃ）は当該光電変換装置の断面図である。

しかしながら、上記従来技術において、半導体基板１０１に、半導体層の層厚が５０μｍ以下の極薄膜の単結晶半導体を形成している場合では、当該文献に記載の方法では製造が困難である。

具体的には、図７に示した従来の技術により製造された光電変換装置は、半導体基板１０１に対し、裏面電極１０３の面積が小さく、特に半導体基板１０１外周部にかからないように形成されている。

これは、半導体基板１０１外周部より外側に裏面電極１０３が形成されると、裏面電極１０３は半導体基板側面に接触し短絡が発生する可能性があるためである。

しかし、半導体層の厚さが５０μｍ以下のような極薄膜の単結晶半導体を用いる場合には、半導体基板外周部まで裏面電極を形成しないと、極薄膜の単結晶半導体は機械的な強度が低く、多少の衝撃が加わっても割れや欠けが発生し、結果として歩留の低下を招いてしまう。

したがって従来の方法では、層厚が５０μｍ以下のように極薄膜の単結晶半導体太陽電池の製造は困難であり、問題であった。
特開２００４−１４００２３号公報

本発明は、上記従来の技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、光電変換装置において、半導体層の膜厚が５０μｍ以下という極薄膜であっても、光電変換装置を歩留良く製造できる方法および当該光電変換装置を提供するものである。

本発明の１つの局面によれば、半導体層と、該半導体層の主面上に形成された表面電極と、該半導体層の主面と対向する面上に形成された裏面電極と、を備える光電変換装置であって、前記裏面電極において前記半導体層に接触している側の面は、前記半導体層における接触面より大きいことを特徴とする光電変換装置が提供される。

好ましくは、前記半導体層は単結晶半導体よりなる。

好ましくは、前記半導体層の厚さは２〜５０μｍの範囲内である。

好ましくは、前記裏面電極の厚さは１〜８μｍの範囲内である。

本発明の別の局面によれば、基板上に半導体層を積層する工程と、該半導体層をエッチングして該半導体層の主面上に表面電極を形成する工程と、前記基板を除去する工程と、前記半導体層において前記表面を形成した面と対向する面に裏面電極を形成する工程と、を含む光電変換装置の製造方法であって、前記裏面電極において前記半導体層に接触している側の面は、前記半導体層における接触面より大きいことを特徴とする光電変換装置の製造方法が提供される。

好ましくは、前記基板を除去する工程の前でかつ前記表面電極を形成する工程の後に、前記半導体層をエッチングして前記基板上にメサを形成する工程と、前記半導体層、前記表面電極および前記メサを覆うように樹脂を形成する工程と、前記樹脂上に支持基板を形成する工程と、前記支持基板に対して前記基板方向に圧力を印加する工程とをさらに含む。

好ましくは、前記裏面電極を形成する工程の後、前記樹脂をエッチングして除去し、あわせて前記支持基板も除去する工程をさらに含む。

好ましくは、前記半導体層は単結晶半導体よりなる。

好ましくは、前記半導体層の厚さは２〜５０μｍの範囲内である。

好ましくは、前記裏面電極の厚さは１〜８μｍの範囲内である。

本発明によれば、半導体層の膜厚が極薄膜であっても、光電変換装置を歩留良く製造できる方法および当該光電変換装置が提供される。

本発明の光電変換装置は、半導体層と、該半導体層の主面上に形成された表面電極と、該半導体層の主面と対向する面上に形成された裏面電極と、を備える光電変換装置であって、前記裏面電極において前記半導体層に接触している側の面は、前記半導体層における接触面より大きいことを特徴とする。

また、本発明の光電変換装置の製造方法によれば、基板上に半導体層を積層する工程と、該半導体層をエッチングして該半導体層の主面上に表面電極を形成する工程と、前記基板を除去する工程と、前記半導体層において前記表面を形成した面と対向する面に裏面電極を形成する工程と、を含む光電変換装置の製造方法であって、前記裏面電極において前記半導体層に接触している側の面は、前記半導体層における接触面より大きいことを特徴とする。

このように、裏面電極の接触側の面が半導体層の接触面より大きいことにより、光電変換装置の製造プロセスにおける半導体層の割れや欠けを防止することができ、製造の歩留まりを向上することができる。

以下、本発明を、図を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の光電変換装置の概略図であって、（ａ）は、表面電極側からみた平面図であり、（ｂ）は裏面電極側からみた平面図であり、（ｃ）は、光電返還装置の断面図である。

図１に示すように、本発明の光電変換装置は、半導体層２の両主面に表面電極３および裏面電極４が形成されている。表面電極３は、図１（ａ）に示すように、櫛型の形状で半導体層２の主面に形成されており、裏面電極４は、図１（ｂ）に示すように、半導体層２の接触面から外側を含めて半導体層２と接触している。

図１（ｂ）および（ｃ）からわかるように、本発明の光電変換装置は、裏面電極４において前記半導体層２に接触している側の面は、前記半導体層２における接触面より大きいことを特徴とする。これにより、半導体層を極めて薄くした場合であっても、製造プロセスにおいて割れや欠け等の欠陥を防止し、歩留まりを向上することができる。

ここで、本発明において、半導体層における接触面とは、半導体層２の主面のうち裏面電極４と接触している側の面である。また、裏面電極において半導体層２に接触している側の面とは、裏面電極４が有する主面のうち半導体層２と接触している側の面をいう。すなわち、本発明においては、裏面電極４の、半導体層２と接触している側の面は、対応して接触している半導体層２の面よりも大きいことになる。

次に、本発明の光電変換の製造方法について、図２〜図６を用いて説明する。図２〜図６は、本発明の光電変換装置の製造工程のそれぞれを示す概略断面図である。まず、図２に示すように、半導体基板５上に半導体層２を積層し、当該半導体層２の主面に表面電極３を形成する。

本発明において、半導体基板としては、Ｓｉ、Ｇｅなどの元素単体の半導体基板を用いることができ、また、ＧａＡｓなどの化合物半導体基板を用いてもよい。半導体基板は、好ましくは単結晶半導体基板である。単結晶とすることで、当該半導体基板上に容易に半導体層をエピタキシャル成長して積層することができるからである。

半導体基板上には、ｐｎ接合を含む半導体層を形成する。必要に応じて、ｐｎ接合を含む多層膜からなる半導体層であってもよい。本発明において用いることができる半導体層の材料としては特に限定されず、用途に応じて公知のものを用いることができるが、一例を挙げると、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓを用いることができる。また、当該半導体層は半導体基板を全てまたはその一部を除去するために歪の小さいエピタキシャル層が望ましい。

本発明において、半導体層は上述のとおりエピタキシャル成長により積層することができるが、その方法としては、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＶＰＥ法などを用いることができる。また、当該半導体層は光電変換装置として用いるためには２μｍ以上５０μｍ以下の層厚が好ましい。２μｍ未満であると、光の吸収が不十分であるため、光電変換効率が劣化するおそれがあり、５０μｍを超えると、光電変換装置の重量が増すが光電変換効率は頭打ちになるため、重量あたりの光電変換効率が劣化するという問題がある。好ましくは、３μｍ以上１０μｍ以下である。

次に、半導体層の主面に表面電極を形成する工程について説明する。具体的には、半導体層上に例えば通常のフォトリソグラフィ法、蒸着法、リフトオフ法、シンター法により表面電極を形成する。また、その他の通常の電極形成法を用いることができる。本発明のいて、表面電極に用いることができる材料は特に限定されず当該分野で公知のものを用いることができるが、例えば、銀（Ａｇ）からなる導電材料を一例として挙げることができる。

ここで、表面電極は、図１（ａ）および図２に示すように、櫛型形状にすることが好ましい。本発明においては、当該櫛型形状に限定されず、その他、光電変換装置として機能できる全ての電極形状を採用することができる。

また、当該櫛型形状等の形成方法は、公知の方法を用いることができるが、具体的には、半導体層を所望する形状にマスクを介してエッチングし、当該エッチング部分に表面電極を形成する等の方法が挙げられる。

次に、図３に示すように、フォトリソグラフィ法により、半導体層２および表面電極３上の所望する部分にマスク６を形成し、不要部を例えばエッチング工程によりエッチング除去することによって、メサ７を形成する。

当該メサを形成する工程において、エッチングをする深さは、目的に応じて適宜選択することができる。たとえば、半導体層２の一部を光電変換装置に使用する場合、半導体層を形成する層のより下層の部分までエッチング除去するか、または少なくとも半導体基板の一部までエッチング除去するのが好ましい。また、半導体層２の全部を光電変換装置に使用する場合、半導体層２を全部エッチング除去するか、またはは少なくとも半導体基板５の一部までエッチング除去するのが好ましい。また、半導体層２の全層に加え半導体基板５の一部を含め光電変換装置に使用する場合、不要な半導体基板５の厚さまでエッチング除去するのが好ましい。

当該メサ形成のためのエッチングは、ドライエッチング法またはウェットエッチング法でも構わないが、特定の層で実質上エッチングの進行が停止する選択エッチング法を用いるのが好ましい。また、表面電極を形成する工程を行う前に、メサを形成する工程を先に行っていてもよい。

次に、図４に示すように、メサ７、半導体層２および表面電極３を覆うようにして樹脂８を形成する。当該樹８の形成には、スピンコート法を用いて塗布することができる。また、当該樹脂８の材料としては、フェノール樹脂をイソプロピルアルコール、シクロヘキサンなどの有機溶剤に溶解させたものを用いることができる。

次に、半導体基板５のエッチング後のプロセスを平易にするために、予め支持基板９を、樹脂８を解して半導体層２上に形成するのが好ましい。支持基板９は適当な硬度をもったものが好ましい。当該支持基板９は、上述のようにスピンコート法で表面電極３、半導体層２およびメサ７を被覆するように塗布して得た樹脂８を介して、支持基板９を接着させる。

その後、図５に示すように、通常のエッチング工程により半導体基板５の一部または全部、あるいは、半導体層２の一部を含めエッチング除去する。

次に、半導体基板５のエッチング後、図６に示すように、通常のマスキング法により、用途に応じて適宜不要部にマスク１０を形成し、蒸着法などにより裏面電極４を形成する。当該裏面電極４の形成には、その他、当該分野で公知である通常の電極形成方法を用いることができる。

当該裏面電極形成において、樹脂８がメサ７側面まで被覆されているので、メサ７側面に電極が形成されることがない。よって裏面電極４がメサ７側面部に接触することがなく、リーク電流などによる光電変換装置の特性を損なうことがない。

裏面電極４は例えば、銀（Ａｇ）からなる導電材料からなる。また、裏面電極４は、全面電極である。その他、光電変換装置として機能できる全ての電極形状を採用することができる。ただし、半導体層２の接触面よりも大きくする必要がある。

本発明において、裏面電極４の膜厚は１μｍ以上８μｍ以下であることが好ましい。裏面電極４を半導体層２の支持体として機能させるには１μｍ以上の膜厚が必要となるからである。裏面電極の膜厚が８μｍを超えると半導体層２と裏面電極４の熱線膨張係数の差異により、半導体層２が湾曲するおそれがある。より好ましくは、２μｍ以上５μｍ以下である。

その後、樹脂８をエッチングして除去することにより、あわせて支持基板９も除去されることとなる。また、マスク１０もエッチング等により除去する。このようにして、図１に示すような本発明の光電変換装置を製造することができる。

また、本発明において、表面電極３上にさらに反射防止膜を形成する工程を備えてもよい。またさらに、外部に電気的接続を得るためのインターコネクタを接続する工程を備えてもよい。

上述した本発明の光電変換装置の製造方法により、メサ側面部に裏面電極が接触することなく、少なくとも太陽光を受光する主面外周側面部より外側を含め裏面電極が形成された光電変換装置を作製することができる。

本発明の光電変換装置において、裏面電極は少なくとも太陽光を受光する主面外周側面部より外側を含め形成されているので、極薄膜の単結晶半導体が単独で存在する部分がなく、よって機械的強度が高くなり、衝撃などで当該半導体層に割れ・欠けが発生しない特徴を有し、光電変換装置の低コスト化、軽量化を達成することができる。

実施例において、図１に示すような光電変換装置を作製した。まず、図２に示すように、Ｇｅ材料を用いた半導体基板５上に、有機金属気相積層（ＭＯＣＶＤ）法により、多層半導体層２をエピタキシャル成長した。ここで、当該多層半導体層２は、膜厚１μｍのｐ型ＧａＡｓ層および膜厚３μｍのｎ型ＧａＡｓ層とした。光電変換装置を太陽電池として機能させる場合は、半導体層２が２μｍ以上の総膜厚であればよい。次いで、従来知られているフォトリソグラフィ法と蒸着工程法とリフトオフ法と熱処理を組み合わせて、銀（Ａｇ）を主材料とする表面電極３を、多層半導体層２の主面上に形成した。

次に、図３に示すように、多層半導体層２の主面上の必要な部分に、従来知られているフォトリソグラフィ工程によりエッチングマスク６を形成し、不必要な多層半導体層２を、ウェットエッチング法を用いてエッチング除去し、メサ７を形成した。エッチング液には、クエン酸と過酸化水素水の混合水溶液を用いた。

次に、図４に示すように、メサ７を形成した多層半導体層２上にイソプロピルアルコール、シクロヘキサンなどの有機溶剤に溶解したフェノール樹脂８をスピンコート法で表面電極３およびメサ７を被覆するように塗布し、オーブンで１００℃で溶剤を軽く揮発させることにより、樹脂８を形成した。さらに樹脂８上にガラス製支持基板９を乗せ、１４０℃で加熱し、ガラス上から均一に圧力を加えることにより樹脂８を介して、多層半導体２を含むＧｅ基板５とガラス製支持基板９を一体化させた。

次いで、図５に示すように、ガラス製支持基板９と一体化したＧｅ基板５をフッ酸（ＨＦ）と過酸化水素水（Ｈ_２Ｏ_２）の混合水溶液に浸漬させることにより、Ｇｅ基板５をエッチング除去した。

次いで、図６に示すように、多層半導体層２主面と反対の面上の不必要な部分に、従来知られているマスキング工程によりマスク１０を形成し、蒸着法により銀（Ａｇ）を主材料とする裏面電極４を多層半導体層２の主面の反対面上に形成した。裏面電極４の膜厚は、裏面電極４を半導体層２の支持体として機能に必要な１μｍ以上の膜厚でかつ、半導体層２の湾曲が少ない８μｍ以下とした。

この時、メサ７の側面には樹脂８が存在するために裏面電極４はメサ側面に形成されることなく、太陽光を受光する主面外周側面部より外側を含め形成することが可能となる。またメサ形成で得られる面と基板エッチングで得られる面は一致させることが必要である。本実施例においては、クエン酸系のエッチング液はＧａＡｓ層のみをフッ酸系のエッチング液はＧｅのみを実質上エッチングすることが可能である。本実施例では、上記半導体材料とエッチング液の組み合わせで行ったが、実質上選択的にエッチングできるエッチング液と半導体材料の組み合わせを選択することにより他半導体材料、エッチング液を使用することも可能である。

その後、図示していないが、リフトオフ法によりマスク１０およびマスク１０上に蒸着された金属膜を除去する。その後、アセトンに浸漬することにより樹脂８を溶解させ、ガラス製支持基板９を除去し、従来知られている有機洗浄工程を経て、図１に示す光電変換装置が得られる。この光電変換装置は、例えば宇宙用太陽電池（人工衛星搭載用）に用いることができる。

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。

本発明の光電変換装置の模式図である。 本発明の光電変換装置の製造プロセスの概略断面図である。 本発明の光電変換装置の製造プロセスの概略断面図である。 本発明の光電変換装置の製造プロセスの概略断面図である。 本発明の光電変換装置の製造プロセスの概略断面図である。 本発明の光電変換装置の製造プロセスの概略断面図である。 従来の光電変換装置の模式図である。

符号の説明

１ 光電変換装置、２，１０１ 半導体層、３，１０２ 表面電極、４，１０３ 裏面電極、５ 半導体基板、６，１０ マスク、７ メサ、８ 樹脂、９ 支持基板。

Claims (10)

1. 半導体層と、該半導体層の主面上に形成された表面電極と、該半導体層の主面と対向する面上に形成された裏面電極と、を備える光電変換装置であって、
   前記裏面電極において前記半導体層に接触している側の面は、前記半導体層における接触面より大きいことを特徴とする、光電変換装置。
2. 前記半導体層は単結晶半導体よりなることを特徴とする、請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記半導体層の厚さは２〜５０μｍの範囲内であることを特徴とする、請求項１または２に記載の光電変換装置。
4. 前記裏面電極の厚さは１〜８μｍの範囲内であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の光電変換装置。
5. 基板上に半導体層を積層する工程と、該半導体層をエッチングして該半導体層の主面上に表面電極を形成する工程と、前記基板を除去する工程と、前記半導体層において前記表面を形成した面と対向する面に裏面電極を形成する工程と、を含む光電変換装置の製造方法であって、前記裏面電極において前記半導体層に接触している側の面は、前記半導体層における接触面より大きいことを特徴とする、光電変換装置の製造方法。
6. 前記基板を除去する工程の前でかつ前記表面電極を形成する工程の後に、前記半導体層をエッチングして前記基板上にメサを形成する工程と、前記半導体層、前記表面電極および前記メサを覆うように樹脂を形成する工程と、前記樹脂上に支持基板を形成する工程と、前記支持基板に対して前記基板方向に圧力を印加する工程とをさらに含むことを特徴とする、請求項５に記載の光電変換装置の製造方法。
7. 前記裏面電極を形成する工程の後、前記樹脂をエッチングして除去し、あわせて前記支持基板も除去する工程をさらに含む、請求項６に記載の光電変換装置の製造方法。
8. 前記半導体層は単結晶半導体よりなることを特徴とする、請求項５〜７のいずれかに記載の光電変換装置の製造方法。
9. 前記半導体層の厚さは２〜５０μｍの範囲内であることを特徴とする、請求項５〜８のいずれかに記載の光電変換装置の製造方法。
10. 前記裏面電極の厚さは１〜８μｍの範囲内であることを特徴とする、請求項５〜９のいずれかに記載の光電変換装置の製造方法。

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