JP2007095972A - Solar cell silicon substrate and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽電池用シリコン基板及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a silicon substrate for a solar cell and a method for manufacturing the same.
太陽電池はクリーンな石油代替エネルギー源として小規模な家庭用から大規模な発電システムまでの広い分野でその実用化が期待されている。これらは使用原料の種類によって結晶系、アモルファス系、化合物系などに分類され、現在市場に流通しているものの多くは結晶系シリコン太陽電池である。この結晶系シリコン太陽電池は、さらに単結晶型と多結晶型に分類されている。単結晶シリコン太陽電池は基板の品質がよいために変換効率の高効率化が容易であるという長所を有する反面、基板の製造コストが高いという短所を有する。これに対して多結晶シリコン太陽電池は従来から市場に流通してきたが、近年、環境問題への関心が高まる中でその需要は増加し、より低コストで高い変換効率が求められている。 Solar cells are expected to be put to practical use in a wide range of fields, from small households to large-scale power generation systems, as a clean petroleum alternative energy source. These are classified into crystalline, amorphous, and compound types depending on the type of raw material used, and most of those currently on the market are crystalline silicon solar cells. This crystalline silicon solar cell is further classified into a single crystal type and a polycrystalline type. Single crystal silicon solar cells have the advantage that conversion efficiency can be easily increased because the quality of the substrate is good, but the disadvantage is that the manufacturing cost of the substrate is high. On the other hand, polycrystalline silicon solar cells have been distributed in the market for a long time, but in recent years, the demand for environmental problems has been increasing, and higher conversion efficiency is required at lower cost.
多結晶シリコン太陽電池に用いるシリコン基板は一般的にキャスティング法と呼ばれる方法で製造される。このキャスティング法とは、離型材を塗布した石英等からなる鋳型内のシリコン融液を冷却固化することによってシリコンインゴットを形成する方法である。このシリコンインゴットの端部を除去し、所望の大きさに切断して切り出し、切り出したインゴットを所望の厚みにスライスして太陽電池を形成するためのシリコン基板を得る。 A silicon substrate used for a polycrystalline silicon solar cell is generally manufactured by a method called a casting method. This casting method is a method of forming a silicon ingot by cooling and solidifying a silicon melt in a mold made of quartz or the like coated with a release material. The ends of the silicon ingot are removed, cut into a desired size, and the cut out ingot is sliced to a desired thickness to obtain a silicon substrate for forming a solar cell.
特許文献1に開示された、シリコン等を鋳造する一般的な鋳造装置を用いて説明する。鋳造装置の上部にシリコン原料を溶融するための溶融坩堝が保持坩堝に保持されて配置され、溶融坩堝の上縁部には溶融坩堝を傾けてシリコン融液を注湯するための注湯口が設けられる。また、溶融坩堝、保持坩堝の周囲には加熱手段が配置され、溶融坩堝、保持坩堝の下部にはシリコン融液が注ぎ込まれる鋳型が配置される。溶融坩堝は耐熱性能とシリコン融液中に不純物が拡散しないこと等を考慮して、例えば高純度の石英等が用いられる。保持坩堝は石英等でできた溶融坩堝がシリコン融液近傍の高温で軟化してその形状を保てなくなるため、これを保持するためのものであり、その材質はグラファイト等が用いられる。加熱手段は、例えば抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイル等が用いられる。
Description will be made using a general casting apparatus for casting silicon or the like disclosed in
そして、上記の溶融坩堝、保持坩堝の下部に配置された鋳型は石英や黒鉛等からなり、その内側に窒化珪素、酸化珪素等を主成分とする離型材を塗布して用いられる。また、この鋳型の周りには抜熱を抑制するため鋳型断熱材が設置される。鋳型断熱材は耐熱性、断熱性等を考慮してカーボン系の材質が一般的に用いられる。また、鋳型の下方には注湯されたシリコン融液を冷却・固化するための冷却板が設置される場合もある。なお、これらはすべて真空容器内に配置される。 The mold disposed at the lower part of the melting crucible and holding crucible is made of quartz, graphite or the like, and is used by applying a release material mainly composed of silicon nitride, silicon oxide or the like to the inside thereof. Further, a mold heat insulating material is installed around the mold to suppress heat removal. As the mold heat insulating material, a carbon-based material is generally used in consideration of heat resistance, heat insulating properties, and the like. In some cases, a cooling plate for cooling and solidifying the poured silicon melt is installed below the mold. These are all arranged in a vacuum vessel.
このような鋳造装置では、溶融坩堝内にシリコン原料を投入し、加熱手段により溶融坩堝内のシリコン原料を溶解させ、その後、溶融坩堝内のシリコン原料がすべて溶解したのちに、坩堝を傾けて溶解坩堝の上縁部にある注湯口から下部に設置してある鋳型にシリコン融液が注湯される。 In such a casting apparatus, the silicon raw material is charged into the melting crucible, the silicon raw material in the melting crucible is melted by heating means, and then all the silicon raw material in the melting crucible is melted, and then the crucible is tilted and melted. The silicon melt is poured from a pouring port at the upper edge of the crucible into a mold installed at the bottom.
注湯後は、鋳型内のシリコンを底部から冷却して一方向凝固させた後、炉外に取り出せる温度まで温度制御しながら徐冷し、最終的に炉外に取り出して鋳造が完了する。 After pouring, the silicon in the mold is cooled from the bottom and solidified in one direction, and then slowly cooled while controlling the temperature to a temperature at which it can be taken out of the furnace. Finally, the silicon is taken out of the furnace and casting is completed.
そして、得られたシリコンインゴットをバンドソー切断機等の周知の切断装置を用いて、所望の大きさに切断し、その後、ワイヤーソー装置等を用いてスライスし、太陽電池用のシリコン基板を形成することができる。
しかしながら、上記方法により得られたシリコン基板にはエッチピットが存在する領域があり、このエッチピットの密度が大きくなるほど太陽電池特性に影響を与えると考えられる拡散長等の基板特性が低下する傾向になることが知られている。エッチピットとは、選択エッチング液による基板のエッチングに伴って欠陥部分が穴状になったものを指し、欠陥部分が他の部分に対して早くエッチングされることに依るものである。 However, the silicon substrate obtained by the above method has a region where etch pits exist, and the substrate characteristics such as diffusion length, which is considered to affect the solar cell characteristics, tend to decrease as the density of the etch pits increases. It is known to be. The etch pit refers to a defect portion that has become a hole as the substrate is etched with a selective etchant, and is due to the fact that the defect portion is etched earlier with respect to other portions.
また、シリコン基板の製造過程で混入する金属不純物や異物、特に、Feはシリコン結晶中で深い準位を形成しデバイス特性に悪影響を及ぼすことが知られており、その存在によっても太陽電池特性に影響が与えられるという問題がある。 In addition, it is known that metallic impurities and foreign matters mixed in the manufacturing process of the silicon substrate, especially Fe, form deep levels in the silicon crystal and adversely affect device characteristics. There is a problem of being affected.
そこで、本発明者は、シリコン基板のFe濃度とエッチピット密度との間に何らかの因果関係が存在するか否かについて実験・検討を重ねた結果、シリコン基板の製造過程で混入するFeの存在がエッチピットの増加に関与していることを見出した。この関係は次のように理解することができる。 Therefore, as a result of repeated experiments and examinations as to whether or not there is any causal relationship between the Fe concentration and the etch pit density of the silicon substrate, the present inventor found that the presence of Fe mixed in during the manufacturing process of the silicon substrate. We found that it was involved in the increase of etch pits. This relationship can be understood as follows.
すなわち、シリコン基板の製造過程において、例えば図5に示すように、面方位の異なる結晶粒21同士が並列で成長している時に、その結晶粒21間に形成されている結晶粒界部22の成長がFeの濃化による組成的過冷低減のために遅れる結果、更にFeの濃化が進むことにより、結晶粒界部22に多くのFeが取り込まれたFe濃化領域23が形成される。その後の凝固・冷却過程においてFeは熱拡散により結晶粒21内に広がると考えられる。そのため、結晶粒界部22近傍においては多くのFeが取り込まれた影響により、結晶成長が乱れて転位の発生し易い結晶粒が成長することでエッチピットが生じるものと考えられる。
That is, in the manufacturing process of the silicon substrate, for example, as shown in FIG. 5, when
以上のことから、太陽電池の特性を向上させるためにシリコン融液中のFe量を低減してエッチピット密度を抑制することが重要であるが、上述のようなキャスティング法では、Feは、グラファイトあるいは二酸化珪素などの鋳型材料及びその内面に塗布された窒化珪素などの離型材材料からシリコン融液に混入するため、Fe濃度が抑制されたシリコン基板を形成することは極めて難しかった。 From the above, in order to improve the characteristics of the solar cell, it is important to suppress the etch pit density by reducing the amount of Fe in the silicon melt, but in the casting method as described above, Fe is a graphite. Alternatively, since the silicon melt is mixed from a mold material such as silicon dioxide and a mold release material such as silicon nitride applied to the inner surface of the mold material, it is extremely difficult to form a silicon substrate in which the Fe concentration is suppressed.
本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、Fe濃度との関係においてエッチピット密度を抑制した高品質な太陽電池用シリコン基板を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of these problems, and an object thereof is to provide a high-quality silicon substrate for a solar cell in which the etch pit density is suppressed in relation to the Fe concentration.
本発明の太陽電池用シリコン基板は、Fe濃度a及びエッチピット密度(EPD)bが、log(b)<0.5log(a)−2.5を満足するものである。ここで、Fe濃度a(atoms/cm3)とは、シリコン基板中に含まれるFe数を示すものであり、エッチピット密度b(個/cm2)とは、顕微鏡視野でのシリコン基板の撮影画像について、画像処理を行なって白黒画像による二値化画像としてエッチピットの個数を計測し、それを単位面積で割り戻した値の平均値をいう。選択エッチング液として、HF:HNO3:CH3COOH=1:3:15で表されるdash液が用いられる。 The silicon substrate for solar cells of the present invention has an Fe concentration a and an etch pit density (EPD) b satisfying log (b) <0.5 log (a) −2.5. Here, the Fe concentration a (atoms / cm 3 ) indicates the number of Fe contained in the silicon substrate, and the etch pit density b (pieces / cm 2 ) indicates the imaging of the silicon substrate in a microscope view. For an image, the average value of values obtained by performing image processing and measuring the number of etch pits as a binarized image by a black and white image and dividing it back by a unit area. As the selective etching solution, a dash solution represented by HF: HNO 3 : CH 3 COOH = 1: 3: 15 is used.
また本発明の太陽電池用シリコン基板の製造方法は、鋳型内部でシリコン融液を一方向凝固して形成されたシリコンインゴットを切断して成るものであって、前記一方向凝固の過程において、前記シリコン融液の液面温度は中央部と端部とで20℃以上異なることを特徴とする。 The method for producing a silicon substrate for a solar cell according to the present invention is obtained by cutting a silicon ingot formed by unidirectionally solidifying a silicon melt inside a mold, and in the process of unidirectionally solidifying, The liquid surface temperature of the silicon melt is different by 20 ° C. or more between the central portion and the end portion.
本発明の太陽電池用シリコン基板は、Fe濃度a及びエッチピット密度bが、log(b)<0.5log(a)−2.5を満足することから、Fe濃度aに対するエッチピット密度bが比較的小さいため太陽電池の特性向上が可能となる。 In the silicon substrate for solar cell of the present invention, the Fe concentration a and the etch pit density b satisfy log (b) <0.5 log (a) −2.5. Since it is relatively small, the characteristics of the solar cell can be improved.
また本発明の太陽電池用シリコン基板の製造方法は、鋳型内部でシリコン融液を一方向凝固して形成されたシリコンインゴットを切断して成るものであって、前記一方向凝固の過程において、前記シリコン融液の液面温度は中央部と端部とで20℃以上異なることから、シリコン融液液面から(鋳型側面に沿って)底部に向かうマランゴニ対流が発生し、当該対流による撹拌作用によって結晶粒界部におけるFeの不均一な濃化を抑制することで、エッチピット密度bを低減する事が可能となる。 The method for producing a silicon substrate for a solar cell according to the present invention is obtained by cutting a silicon ingot formed by unidirectionally solidifying a silicon melt inside a mold, and in the process of unidirectionally solidifying, Since the liquid surface temperature of the silicon melt differs by 20 ° C. or more at the center and at the end, Marangoni convection from the silicon melt liquid surface (along the mold side surface) to the bottom occurs, and the stirring action by the convection causes It is possible to reduce the etch pit density b by suppressing non-uniform concentration of Fe at the grain boundary.
以下、本発明について図面を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
≪シリコン基板の製造方法≫
図1は、本発明の太陽電池用シリコン基板の製造方法に用いる鋳造装置を示す断面図であり、(a)は坩堝、(b)は鋳型を示す図である。1は坩堝(1aは溶融坩堝、1bは保持坩堝)、2は注湯口、3は加熱手段、4はシリコン融液、5は鋳型、6は離型材、7は鋳型断熱材、8は冷却板、9は鋳型上部加熱手段を示す。これらは鋳造炉(不図示)内に配置される。
≪Silicon substrate manufacturing method≫
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a casting apparatus used in the method for producing a silicon substrate for solar cells of the present invention, wherein (a) shows a crucible and (b) shows a mold. 1 is a crucible (1a is a melting crucible, 1b is a holding crucible), 2 is a pouring port, 3 is a heating means, 4 is a silicon melt, 5 is a mold, 6 is a mold release material, 7 is a mold heat insulating material, and 8 is a cooling plate , 9 indicates a mold upper part heating means. These are arranged in a casting furnace (not shown).
まず始めに、坩堝1内で、シリコン原料を抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイル等の加熱手段3を用いて加熱することで溶融させてシリコン融液にする。
First, in the
ここで、溶融坩堝1aは、耐熱性能及びシリコン融液中に不純物が拡散しないこと等を考慮して高純度の石英等が用いられる。保持坩堝1bは、溶融坩堝1aの加熱時における形状保持を目的とするものであり、グラファイト等が用いられる。
Here, for the
次に、坩堝1を傾けて、シリコン融液を坩堝1の注湯口2から下方の鋳型5に供給する。
Next, the
ここで、鋳型5は、例えば石英や黒鉛からなり、その内壁にはFeを1e+17〜1e+18atoms/cm3程度含有する一般的な二酸化珪素或いは窒化珪素からなる離型材6を塗布して用いられる。
Here, the
次に、鋳型5の上部を高温に保持しながら鋳型5の下部を冷却することによって、供給されたシリコン融液を、下方から一方向に凝固させてシリコンインゴットを形成する。即ち、インゴットの形成は、鋳型5の周りに設けられ抜熱を抑制するためのカーボン系の材質などからなる鋳型断熱材7、及び鋳型5の下方に設けられシリコン融液を冷却・固化するための冷却板8によって、鋳型5下方から上方に向かって一方向に凝固されるよう制御することで行なう。
Next, by cooling the lower part of the
ここで、図2に示されるように、シリコン融液の液面温度は、中央部11が端部12(鋳型側面付近)よりも20℃以上高くなるように保持される。これによって、シリコン融液の液面から鋳型側面に沿って底部に向かうマランゴニ対流10を継続的に発生させ、固液界面前方に有効な対流が生じ固液界面近傍での攪拌作用が発生する。その結果、結晶粒界部22でのFeの不均一な濃化を効果的に抑制することで、エッチピット密度bを低減する事が可能となる。
Here, as shown in FIG. 2, the liquid surface temperature of the silicon melt is maintained so that the
マランゴニ対流10は、鋳型上部加熱手段9の加熱出力を調整してシリコン融液4液面の中央部11温度を制御するとともに、冷却板8の抜熱効果を調整して端部12(鋳型側面部材5b及び離型材6の上端部)の温度を制御することで、シリコン融液の液面温度を中央部11を端部12よりも高くすることによって発生させる。シリコン融液の液面温度は、鋳造炉外からシリコン融液の液面を観察する目的で設置されたのぞき窓(不図示)に放射温度計を設置して測定する。
The
その後、得られたシリコンインゴットは、バンドソー装置等により、その側面を切断除去した上で、10cm×10cmや15cm×15cmなどの大きさのシリコンブロックとして切り出される。そして、ワイヤーソー装置等により所定厚み、例えば300μm以下の厚みにスライスして、複数枚のシリコン基板31を形成する。なお、切断又はスライス加工が施された面での機械的なダメージ層や汚染層を清浄化するために、表面をNaOHやKOH、或いはフッ酸やフッ硝酸等でごく微量エッチングすることが望ましい。 Thereafter, the obtained silicon ingot is cut out as a silicon block having a size of 10 cm × 10 cm or 15 cm × 15 cm after the side surface is cut and removed by a band saw device or the like. Then, a plurality of silicon substrates 31 are formed by slicing to a predetermined thickness, for example, 300 μm or less, using a wire saw device or the like. In order to clean the mechanically damaged layer or the contaminated layer on the surface that has been cut or sliced, it is desirable that the surface is etched by a very small amount with NaOH, KOH, hydrofluoric acid, or hydrofluoric acid.
以上のようにして形成されたシリコン基板31は、Fe濃度aとエッチピット密度bとが、log(b)<0.5log(a)−2.5を満足する。このように、Fe濃度aに対するエッチピット密度bが比較的小さいシリコン基板31であるため特性にすぐれた太陽電池を形成することが可能となる。 In the silicon substrate 31 formed as described above, the Fe concentration a and the etch pit density b satisfy log (b) <0.5 log (a) −2.5. Thus, since the silicon substrate 31 has a relatively small etch pit density b with respect to the Fe concentration a, a solar cell having excellent characteristics can be formed.
≪太陽電池の製造方法≫
以下、太陽電池の製造方法について図3を用いて説明する。
≪Solar cell manufacturing method≫
Hereinafter, the manufacturing method of a solar cell is demonstrated using FIG.
図3は、本発明の太陽電池用シリコン基板を用いて形成された太陽電池を示す図であり、(a)は概略断面図、(b)は上方から見た平面図、(c)は下方から見た底面図である。図中、31はシリコン基板、32は逆導電型拡散領域、33は反射防止膜、34は表面電極、34aは表面側のバスバー電極、34bは表面側のフィンガー電極、35は裏面電極、35aは裏面側の取出電極、35bは裏面側の集電電極、36は裏面電界領域を示す。 FIG. 3 is a view showing a solar cell formed using the silicon substrate for solar cell of the present invention, where (a) is a schematic sectional view, (b) is a plan view seen from above, and (c) is below. It is the bottom view seen from. In the figure, 31 is a silicon substrate, 32 is a reverse conductivity type diffusion region, 33 is an antireflection film, 34 is a surface electrode, 34a is a bus bar electrode on the front side, 34b is a finger electrode on the front side, 35 is a back electrode, 35a is An extraction electrode on the back surface side, 35b indicates a collecting electrode on the back surface side, and 36 indicates a back surface electric field region.
上述のようにして得られた本発明の太陽電池用シリコン基板は、まず始めに、ドライエッチング方法やウェットエッチング方法などを用いて、シリコン基板31の表面に微小な突起を形成するのが望ましい。 As for the silicon substrate for solar cells of the present invention obtained as described above, first, it is desirable to form minute protrusions on the surface of the silicon substrate 31 by using a dry etching method or a wet etching method.
その後、シリコン基板31の一主面側にn型の導電型を呈する逆導電型拡散領域32を形成する。この逆導電型拡散領域32の形成方法としては、例えば、容器内にシリコン基板31を設置し、加熱しながら拡散源となるガスを導入することによって行う。例えば、POCl3を流すことでn型のドーパントであるPを含有する不純物拡散源となるリンガラスをシリコン基板31の表面に形成し、同時にシリコン基板1の表面への熱拡散も行うという気相拡散法が一般的である。その後、例えば、希釈したフッ酸溶液などの薬品に浸漬させることにより、シリコン基板31の表面に形成されたリンガラスを除去する。
Thereafter, a reverse conductivity type diffusion region 32 exhibiting n-type conductivity is formed on one main surface side of the silicon substrate 31. As a method of forming the reverse conductivity type diffusion region 32, for example, the silicon substrate 31 is placed in a container, and a gas serving as a diffusion source is introduced while heating. For example, by flowing POCl 3 , a phosphor glass serving as an impurity diffusion source containing P, which is an n-type dopant, is formed on the surface of the silicon substrate 31, and at the same time, thermal diffusion is performed on the surface of the
そしてシリコン基板31の受光面側の逆導電型拡散領域32を残して他の部分を除去した後、純水で洗浄する。この除去方法としては、例えば、シリコン基板31の表面側にフッ酸に耐性を有する膜を塗布し、フッ酸と硝酸の混合液を用いてこのシリコン基板31の受光面側以外の逆導電型拡散領域をエッチング除去した後、フッ酸に耐性を有する膜を除去すれば良い。 Then, the remaining portion of the silicon substrate 31 on the light-receiving surface side is removed, and other portions are removed, followed by washing with pure water. As this removal method, for example, a film having resistance to hydrofluoric acid is applied to the surface side of the silicon substrate 31, and a reverse conductivity type diffusion other than the light receiving surface side of the silicon substrate 31 is performed using a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid. After removing the region by etching, a film having resistance to hydrofluoric acid may be removed.
次に、シリコン基板31の受光面側に反射防止膜33を形成する。この反射防止膜33は例えば窒化シリコン膜、酸化シリコン膜等から成り、例えば窒化シリコン膜はシラン(SiH4)とアンモニア(NH3)との混合ガスをグロー放電分解でプラズマ化させて堆積させるプラズマCVD法等で形成される。この反射防止膜33は、シリコン基板31との屈折率差等を考慮して、屈折率が1.8〜2.3程度になるように形成され、厚み500〜1200Å程度の厚みに形成される。このように窒化シリコン膜を、水素プラズマの存在下で成膜して形成した場合、パッシベーション効果も同時に有するので、反射防止の機能と併せて、太陽電池の電気特性を向上させる効果がある。 Next, an antireflection film 33 is formed on the light receiving surface side of the silicon substrate 31. The antireflection film 33 is made of, for example, a silicon nitride film, a silicon oxide film, or the like. For example, the silicon nitride film is a plasma that is deposited by making a mixed gas of silane (SiH 4 ) and ammonia (NH 3 ) into plasma by glow discharge decomposition. It is formed by a CVD method or the like. This antireflection film 33 is formed so as to have a refractive index of about 1.8 to 2.3 in consideration of a refractive index difference with the silicon substrate 31 and is formed to a thickness of about 500 to 1200 mm. . When the silicon nitride film is formed in the presence of hydrogen plasma in this way, it has a passivation effect at the same time, so that it has an effect of improving the electric characteristics of the solar cell in addition to the antireflection function.
次に表面電極34と、裏面電極35を形成する。裏面電極35を構成する裏面側の集電電極35bは、例えばアルミニウム粉末等からなる金属を主成分とし、有機ビヒクルとガラスフリットをアルミニウム100重量部に対してそれぞれ10〜30重量部、0.1〜5重量部添加してペースト状にした第一金属を主成分とする電極材料を用いる。具体的な形状としては、例えば、図3(c)に示すように、裏面側の取出電極35aを形成する部位を除いた開口部を設けて裏面のほぼ全面とする。塗布方法としては、スクリーン印刷法等の周知の方法を用いることができ、塗布後、所定の温度で溶剤を蒸散させて乾燥させる。
Next, the
裏面電極35を構成する裏面側の取出電極35a及び表面電極34を構成する表面側のバスバー電極34aおよびフィンガー電極34bは、第一金属より半田濡れ性の良い金属材料、例えば銀粉末等を主成分とし、有機ビヒクルとガラスフリットを銀100重量部に対してそれぞれ10〜30重量部、0.1〜5重量部を添加してペースト状にした第二金属を主成分とする電極材料を用いる。
The rear-side extraction electrode 35a constituting the back-
なお、表面電極34については、図3(b)に示すように、一般的な太陽電池として表面から出力を取り出すためのバスバー電極34aと、これに直交するように設けられた集電用のフィンガー電極34bによって格子状に形成すれば良い。
As for the
なお、塗布方法としては、スクリーン印刷法等の周知の方法を用いることができ、塗布後、所定の温度で溶剤を蒸散させて乾燥させる。 As a coating method, a known method such as a screen printing method can be used, and after coating, the solvent is evaporated at a predetermined temperature and dried.
上述のようにして塗布・乾燥した表面電極34、裏面電極35は、最高温度を600〜800℃として1〜30分程度焼成する焼成工程を経ることによって、シリコン基板31に対して電極を焼き付けて形成することができる。また、裏面側の集電電極35bを形成すると同時に、シリコン基板31中にアルミニウムが拡散して、裏面で発生したキャリアが再結合することを防ぐ裏面電界領域36が形成される。なお、あらかじめ反射防止膜33の表面電極34に相当する部分をエッチングし、その箇所に第二金属を主成分とする電極材料(銀ペースト等)を塗布し焼成して逆導電型拡散領域32と導通を取るようにしても良いし、反射防止膜33の上に直接、第二金属を主成分とする電極材料(銀ペースト等)を塗布して焼成し、いわゆるファイアースルー法によって反射防止膜33を貫通させて逆導電型拡散領域32と導通を取るようにしても良い。
The
上記方法により、得られた太陽電池はFe濃度aに対するエッチピット密度bが比較的小さいシリコン基板であり、より特性にすぐれたものとすることが可能となる。また、本発明のシリコン基板において、Fe濃度aが1e+14atoms/cm3より高くても、従来方法と比較すればエッチピット密度bを低下させることができ、その結果、リンガラスを形成することによる拡散工程によるFeのゲッタリング、水素を含有した反射防止膜33によるパッシベーション効果、アルミ電極を形成することにより形成される裏面電界領域36等により、従来における太陽電池では変換効率が10%以下と低特性であったものが、より特性の高い太陽電池を形成することが可能となる。 The solar cell obtained by the above method is a silicon substrate having a relatively small etch pit density b with respect to the Fe concentration a, and can have more excellent characteristics. Further, in the silicon substrate of the present invention, even when the Fe concentration a is higher than 1e + 14 atoms / cm 3 , the etch pit density b can be reduced as compared with the conventional method, and as a result, diffusion caused by forming phosphorous glass Due to the Fe gettering process, the passivation effect by the antireflection film 33 containing hydrogen, the back surface field region 36 formed by forming the aluminum electrode, etc., the conventional solar cell has a low conversion efficiency of 10% or less. However, it becomes possible to form a solar cell with higher characteristics.
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能であり、例えば、上述の工程は、坩堝1を用いることなく、鋳型5内でシリコン原料を溶解した後、そのまま鋳型5内でインゴットを形成させても良い。
In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, A various change, improvement, etc. are possible in the range which does not deviate from the summary of this invention, For example, the above-mentioned process does not use the
<シリコン基板の作製>
以下、本発明の実施例について説明する。
<Production of silicon substrate>
Examples of the present invention will be described below.
なお、特記しない限り、上述の図1に示す鋳造装置を用いて上述の通り実施した。 Unless otherwise specified, the above-described casting apparatus shown in FIG. 1 was used as described above.
鋳型5としては、石英からなる溶融坩堝1aをグラファイトからなる保持坩堝1bで保持し、溶融坩堝1a内にシリコン原料を投入した。
As the
溶融坩堝1aの周囲に加熱手段3を設け、加熱手段によって溶融坩堝1a内のシリコン原料を溶解させ、シリコン融液4を鋳型1内に注湯した。
The heating means 3 was provided around the
ここで、Feがシリコン基板に与える影響を正確に把握するため、故意にシリコン融液中にFe粉を投入することとし、その量を種々変化させた。 Here, in order to accurately grasp the influence of Fe on the silicon substrate, the Fe powder was intentionally introduced into the silicon melt, and the amount thereof was variously changed.
その後、鋳型5の下方に配された冷却板8及び鋳型5を上方から加熱する鋳型加熱手段9によって、鋳型5に対して下方から上方に向けて所定の温度勾配を付与しながらシリコン融液4を一方向凝固させた。
Thereafter, the
尚、本発明の実施例D、E、Fにおいては、シリコン融液表面の端部12(鋳型近辺領域)と中央部11の温度差を20℃とし、マランゴニ対流10を発生させながらシリコンインゴットを作製した。マランゴニ対流の発生の確認は、シリコン融液の液面にφ5μm程度の粉末状シリコン原料を定期的に落下させて浮遊させ流れを観察することにより行なった。また、実施例D、E、FよりもFe投入量が多い他の実施例として、実施例G、H、Iを設定した。
In Examples D, E, and F of the present invention, the temperature difference between the end portion 12 (region near the mold) and the
また、従来法の比較例A、B、Cにおいては、上記温度差をつけずにシリコンインゴットを作製した。なお、AとD、BとE、CとFは、それぞれシリコン融液に対するFe投入量を同一とした。 Moreover, in Comparative Examples A, B, and C of the conventional method, silicon ingots were produced without the above temperature difference. Note that A and D, B and E, and C and F have the same amount of Fe input to the silicon melt.
このように凝固させて得られたシリコンインゴットを切断することにより、厚さが250μmで、外形が15cm×15cmのシリコン基板を得た。 By cutting the silicon ingot obtained by solidification in this manner, a silicon substrate having a thickness of 250 μm and an outer shape of 15 cm × 15 cm was obtained.
以上のようにして、シリコン融液中のFe量を変化させて作製されたシリコン基板について、それぞれの基板のFe濃度a及びエッチピット密度bを測定した。ここで、Fe濃度aは、ICP(誘導結合プラズマ質量分析/島津製作所製、型番:ICPS‐8100型)にて測定し、エッチピット密度bは、選択エッチング液を用いてエッチピットを顕在化させ、200倍の顕微鏡視野でシリコン基板全領域を撮影し、その撮影画像について画像処理を行なうことで、白黒画像による二値化画像としてエッチピットの個数を計測し、単位面積で割り戻し、これをシリコン基板全領域で測定を行い、測定値を平均化した。 As described above, for the silicon substrates manufactured by changing the amount of Fe in the silicon melt, the Fe concentration a and the etch pit density b of each substrate were measured. Here, the Fe concentration a is measured by ICP (inductively coupled plasma mass spectrometry / manufactured by Shimadzu Corporation, model number: ICPS-8100 type), and the etch pit density b is obtained by revealing etch pits using a selective etchant. The entire area of the silicon substrate is photographed with a 200 × microscope field of view, and the number of etch pits is measured as a binarized image by a black and white image by performing image processing on the photographed image. Measurements were performed over the entire area of the silicon substrate, and the measured values were averaged.
その結果を図4に示す。 The result is shown in FIG.
図4に示すように、実施例に係るシリコン基板は、log(b)<0.5log(a)−2.5を満足し、Fe濃度aとの関係においてエッチピット密度bが抑制されていることが分かり、比較例に係るシリコン基板は当該関係式を満足しないことが分かった。また、実施例G、H、Iは、比較例A、B、CとFe量がそれぞれ同一であるものの、エッチピット密度は極めて少ないことが分かった。 As shown in FIG. 4, the silicon substrate according to the example satisfies log (b) <0.5 log (a) −2.5, and the etch pit density b is suppressed in relation to the Fe concentration a. It was found that the silicon substrate according to the comparative example does not satisfy the relational expression. In addition, although Examples G, H, and I had the same amount of Fe as Comparative Examples A, B, and C, it was found that the etch pit density was extremely small.
<太陽電池の作製>
上述のようにして得られたシリコン基板は、その表面のダメージ層をNaOHでエッチングして洗浄し、シリコン基板を拡散炉中に配置して、オキシ塩化リン(POCl3)の中で加熱することによって、シリコン基板1の表面にリン原子を1e+20atoms/cm3の濃度となるように拡散させて、n型の逆導電型拡散領域を形成した。
<Production of solar cell>
The silicon substrate obtained as described above is cleaned by etching the damaged layer on its surface with NaOH, and the silicon substrate is placed in a diffusion furnace and heated in phosphorus oxychloride (POCl 3 ). Thus, phosphorus atoms were diffused on the surface of the
その上にプラズマCVD法によって反射防止膜となる厚み850Åの窒化シリコン膜を形成した。このシリコン基板1の裏面側に、アルミニウム粉末と有機ビヒクルとガラスフリットをペースト状にした電極材料をスクリーン印刷法によって、裏面全面に塗布して乾燥させた。そして、裏面側に出力を取り出すための取出電極と、表面側に格子状の表面電極を形成するために、銀粉末と有機ビヒクルとガラスフリットをペースト状にした電極材料をスクリーン印刷法によって、塗布して乾燥させた。その後、焼成炉にて最高温度を800℃として15分間焼き付けて、同時に表面電極と裏面電極を形成し、太陽電池を形成した。
A silicon nitride film having a thickness of 850 mm serving as an antireflection film was formed thereon by plasma CVD. On the back side of the
以上のようにして形成した太陽電池の特性として太陽電池変換効率を測定した。 The solar cell conversion efficiency was measured as a characteristic of the solar cell formed as described above.
その結果を表1に示す。
表1に示すように、実施例Dの変換効率16.28%に対して、Fe投入量が同一である比較例Aの変換効率は15.21%であるなど、本発明のシリコン基板を用いて形成された全ての太陽電池は、従来法を用いて形成された太陽電池よりも特性が優れていることが分かった。また、実施例G、H、Iは、基板のFe濃度a及びエッチピット密度bが、log(b)<0.5log(a)−2.5を満足しており、また、Fe量がそれぞれ同一である比較例A、B、Cよりも変換効率が高いことが分かった。 As shown in Table 1, using the silicon substrate of the present invention, the conversion efficiency of Comparative Example A having the same Fe input amount is 15.21%, while the conversion efficiency of Example D is 16.28%. It was found that all the solar cells formed in this way have better characteristics than solar cells formed using conventional methods. In Examples G, H, and I, the Fe concentration a and the etch pit density b of the substrate satisfy log (b) <0.5 log (a) −2.5, and the amount of Fe is respectively It was found that the conversion efficiency was higher than those of Comparative Examples A, B, and C that were the same.
1:坩堝
1a:溶融坩堝
1b:保持坩堝
2:注湯口
3:加熱手段
4:シリコン融液
5:鋳型
6:離型材
7:鋳型断熱材
8:冷却板
9:鋳型上部加熱手段
10:シリコン融液のマランゴニ対流
11:中央部
12:端部
21:結晶粒
22:結晶粒界部
23:Fe濃化領域
31:半導体基板(シリコン基板)
32:逆導電型拡散領域
33:反射防止膜
34:表面電極
34a:表面側のバスバー電極
34b:表面側のフィンガー電極
35:裏面電極
35a:裏面側の取出電極
35b:裏面側の集電電極
36:裏面電界領域
1:
32: Reverse conductivity type diffusion region 33: Antireflection film 34: Front surface electrode 34a: Front side bus bar electrode 34b: Front side finger electrode 35: Back side electrode 35a: Back side extraction electrode 35b: Back side current collecting electrode 36 : Back surface electric field area
Claims (2)
前記一方向凝固の過程において、前記シリコン融液の液面温度は中央部と端部とで20℃以上異なることを特徴とする太陽電池用シリコン基板の製造方法。 A method for producing a silicon substrate for a solar cell, comprising cutting a silicon ingot formed by unidirectionally solidifying a silicon melt inside a mold,
The method for producing a silicon substrate for a solar cell, wherein a liquid surface temperature of the silicon melt differs by 20 ° C. or more between a central portion and an end portion in the unidirectional solidification process.
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