JP2007266649A - 太陽電池素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 表面が微細な凹凸構造を有するシリコン基板上に形成される反射防止膜のパターニングが煩雑であったり、反射防止膜上に直接形成される電極強度が低下するという問題があった。
【解決手段】本発明の太陽電池素子の製造方法は、第1の導電型半導体不純物を含有するシリコン基板を準備する工程と、シリコン基板の第1の面に反応性イオンエッチングを行う工程と、シリコン基板の第1の面に反射防止膜を形成する工程と、反射防止膜に銀ペーストを印刷し焼成する工程と、を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は太陽電池素子の製造方法に関する。

シリコン基板を用いて太陽電池素子を形成する場合、まず基板の切断面を清浄化するために表面を１５μｍ程度エッチングする。このエッチングは、例えば濃度が１５％程度で８０℃程度の水酸化ナトリウム水溶液を用いて行う。また、基板表面での反射率をより低減するために、薄い濃度のアルカリ水溶液でエッチングする。例えば濃度が５％程度で７５℃程度の水酸化ナトリウム水溶液を用いてエッチングを行うと、表面に微細な凹凸が形成され、基板表面での反射率をある程度低減することができる。

（１００）面の単結晶シリコン基板を用いた場合は、このような方法で基板表面にテクスチャー構造と呼ばれる微細な凹凸を均一に形成することができるものの、多結晶シリコン基板で太陽電池素子を形成する場合、アルカリ水溶液によるエッチングは結晶の面方位に依存することから、テクスチャー構造を均一には形成できず、そのため全体の反射率も効果的には低減できないという問題があった。基板表面での反射率を低減できなければ、太陽電池素子の特性も効果的には向上させることができない。

このような問題を解決するために、多結晶シリコン基板で太陽電池素子を形成する場合に、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching:RIE）法で基板表面に微細な突起を形成することが提案されている（例えば特公昭６０−２７１９５号、特開平５−７５１５２号、特開平９−１０２６２５号公報参照）。この方法によると、多結晶シリコンにおける結晶の不規則な面方位に左右されることなく、微細な突起を均一に形成することができ、特に多結晶シリコンを用いた太陽電池素子においては、より効果的に表面反射を低減することができるようになる。

一方、表面が平坦な太陽電池では、シリコン基板上に反射防止膜として８５０Å程度の厚みを有する窒化シリコン膜を形成し、この窒化シリコン膜における電極形成部を弗酸（ＨＦ）などで除去して、この部分に銀ペーストをプリントして焼成することにより、電極を形成していた。

ところが、窒化シリコン膜のパターン抜きを行って電極を形成する場合、工程が多いために作業が煩雑となり、例えば窒化シリコン膜のパターン抜き部分に銀ペーストをプリントする際には、位置合わせが必要となり、この位置ずれなどは歩留りを低下させる要因となる。また、パターン抜き工程でも、プリンターや処理ラインなどの高価な設備を必要とする。

また、窒化シリコン膜のパターン抜きを行わずに銀ペーストを窒化シリコン膜上に直接プリントして焼成する方法もある。

ところが、窒化シリコン膜上に電極を直接形成する場合、電極の強度が弱く、モジュール化に対応できないという問題があった。

本発明はこのような従来技術に鑑みてなされたものであり、表面が微細な凹凸構造を有するシリコン基板上に形成される反射防止膜のパターニングの煩雑を解消すると共に、反射防止膜上に直接形成される電極強度の低下を解消した太陽電池素子を提供することを目的とする。

本発明の太陽電池素子の製造方法は、第1の導電型半導体不純物を含有するシリコン基板を準備する工程と、前記シリコン基板の第1の面に反応性イオンエッチングを行う工程と、前記シリコン基板の前記第1の面に反射防止膜を形成する工程と、前記反射防止膜に銀ペーストを印刷する工程と、前記銀ペーストを有する前記シリコン基板を焼成する工程と、を有することを特徴とする。

本発明に係る太陽電池素子の製造方法によれば、表面が微細な凹凸構造を有するシリコン基板上に形成される反射防止膜のパターニングの煩雑を解消でき、また反射防止膜上に直接形成される電極強度の低下を解消できる。

以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明の太陽電池素子の製造方法による太陽電池素子の一実施形態を示す断面図である。図１において、１はシリコン基板、２は反射防止膜、３は表面電極、４は裏面電極である。

シリコン基板１は、単結晶シリコン又は多結晶シリコンなどから成る。このシリコン基板１は、一導電型（第1の導電型）半導体不純物を１×１０¹⁶ａｔｏｍ／ｃｍ³ 程度含有し、比抵抗１．５Ωｃｍ程度の基板である。このシリコン基板１は、ｐ型、ｎ型のいずれでもよい。単結晶シリコンの場合は引き上げ法などによって形成され、多結晶シリコンの場合は鋳造法などによって形成される。多結晶シリコンは、大量生産が可能で製造コスト面で単結晶シリコンよりも有利である。引き上げ法や鋳造法によって形成されたインゴットを３００μｍ程度の厚みにスライスして、１０ｃｍ×１０ｃｍもしくは１５ｃｍ×１５ｃｍ程度の大きさに切断してシリコン基板となる。

シリコン基板１の表面側（第1の面側）には、微細な突起１ｃが多数形成されている。この微細な突起１ｃは、シリコン基板１の表面側に照射される光を多重反射させて、表面反射を減少させるために設ける。この微細な突起１ｃは、円錐形もしくは角錐形を呈し、ＲＩＥ法によるガス濃度若しくはエッチング時間を制御することにより、その大きさを変化させることができる。この微細な突起１ｃの幅と高さはそれぞれ２μｍ以下に形成される。この突起１ｃの幅と高さが２μｍ以上になると、エッチングの処理時間が長くなる反面、基板１表面での反射率はさほど低減されない。この微細な突起１ｃをシリコン基板１の表面側の全面にわたって均一且つ正確に制御性をもたせて形成するためには、１μｍ以下が好適である。また、この微細な突起は極めて微小なものでも反射率低減の効果はあるが、面内に均一かつ正確に形成するためには、製造工程上１ｎｍ以上であることが望まれる。

この微細な突起１ｃのアスペクト比（突起１ｃの幅／高さ）は、０．１〜２であることが望ましい。このアスペクト比が０．１以下の場合は、例えば波長５００〜１０００ｎｍの光の平均反射率が２５％程度であり、基板１表面での反射率が大きくなる。また、このアスペクト比が２以上の場合、製造過程で微細な突起１ｃが破損し、太陽電池素子を形成した場合にリーク電流が多くなって良好な出力特性が得られない。

シリコン基板１の表面側には、逆導電型（第2の導電型）半導体不純物が拡散された層１ａが形成されている。この逆導電型半導体不純物が拡散された層１ａは、シリコン基板１内に半導体接合部を形成するために設けるものであり、例えばｎ型の不純物を拡散させる場合、ＰＯＣｌ₃を用いた気相拡散法、Ｐ₂Ｏ₅を用いた塗布拡散法、及びＰ+イオンを直接拡散させるイオン打ち込み法などによって形成される。この逆導電型半導体不純物を含有する層１は、０．３〜０．５μｍ程度の深さに形成される。

このシリコン基板１の表面側には、反射防止膜２が形成されている。この反射防止膜２は、シリコン基板１の表面で光が反射するのを防止して、シリコン基板１内に光を有効に取り込むために設ける。また、シリコン基板の表面部の界面準位を低下させると共に、シリコン基板１の内部の結晶欠陥を緩和するために設ける。この反射防止膜２は、シリコン基板１との屈折率差などを考慮して、屈折率が２程度の材料で構成され、厚み５０〜６００Å程度の窒化シリコン（ＳｉＮx）膜で構成される。この窒化シリコン膜２の膜厚が５０Å以下の場合、パシベーション効果が不十分となり、特性の低下をもたらす。また、窒化シリコン膜２の膜厚が６００Å以上の場合、この上に形成される電極３がこの窒化シリコン膜２を透過しにくくなり、電極３の接着強度が弱くなる。また、反射防止効果もほとんど向上しない。したがって、この窒化シリコン膜は、５０〜６００Åの膜厚に形成しなければならない。

このように、窒化シリコン膜２を５０〜６００Åに形成すると、従来の８５０Åの膜厚を有する窒化シリコン膜２よりも反射防止効果を得にくいが、本発明の太陽電池素子では、シリコン基板１の表面自体が微細な凹凸に形成されることから、それ自体で反射防止効果が得られ、窒化シリコン膜２の膜厚が薄くなったことによる反射防止効果を充分にカバーできる。

シリコン基板１の裏面（第2の面）側には、一導電型半導体不純物が高濃度に拡散された層１ｂを形成することが望ましい。この一導電型半導体不純物が高濃度に拡散された層１ｂは、シリコン基板１の裏面近くでキャリアの再結合による効率の低下を防ぐために、シリコン基板１の裏面側に内部電界を形成するように設ける。つまり、シリコン基板１の裏面近くで発生したキャリアがこの電界によって加速される結果、電力が有効に取り出されることとなり、特に長波長の光感度が増大すると共に、高温における太陽電池特性の低下を低減できる。このように一導電型半導体不純物が高濃度に拡散された層１ｂが形成されたシリコン基板１の裏面側のシート抵抗は、１５Ω／□程度になる。

反射防止膜２上には、表面電極３が形成されている。この表面電極３は、銀（Ａｇ）ペーストを印刷、焼成して形成する。この表面電極３は、例えば幅８０μｍ程度に、またピッチ１．６ｍｍ程度に形成される多数のフィンガー電極と、この多数のフィンガー電極を相互に接続する２本のバスバー電極で構成される。この表面電極３の表面部には、複数の太陽電池素子同志をリード線で接続するための半田層などが被着形成される。

シリコン基板１の裏面側には、裏面電極４が形成されている。この裏面電極４も、銀（Ａｇ）ペーストを印刷、焼成して形成し、さらに半田層が被着形成される。

次に、本発明の太陽電池素子の製造方法を図２に基づいて詳細に説明する。まず、一導電型半導体不純物を含有するシリコン基板１を用意する。このシリコン基板１は、インゴットから所定寸法に切り出されたものである（同図（ａ）参照）。

このシリコン基板１の表面部のスライスダメージを除去するために、ＨＮＯ3：ＨＦ＝７：１の水溶液に浸漬して、１５μｍ程度エッチングした後、ＲＩＥ法で微細な突起１ｃを多数形成する。このＲＩＥ法では、例えば三フッ化メタン（ＣＨＦ₃）を１２．０ｓｃｃｍ程度、塩素（Ｃｌ₂）を７２ｓｃｃｍ程度、酸素（Ｏ₂）を９ｓｃｃｍ程度、および六フッ化硫黄（ＳＦ₆）を６５ｓｃｃｍ程度流しながら、反応圧力５０ｍＴｏｒｒ程度、プラズマをかけるＲＦパワー５００Ｗ程度で、１０秒〜１５分間程度行う。

次に、シリコン基板１の表面部に逆導電型半導体不純物を気相成長法、塗布拡散法、或いはイオン打ち込み法などで拡散して逆導電型半導体不純物を含有する層１ａを形成すると共に、この層１ａが基板１の表面側のみに残るように、他の部分をエッチング除去する（同図（ｃ）参照）。

次に、シリコン基板１の裏面側に例えばアルミニウム（Ａｌ）などを主成分とする金属ペーストを塗布して焼き付けることにより、シリコン基板１の裏面側に一導電型半導体不純物を多量に拡散させた層１ｂを形成する（同図（ｄ）参照）。

次に、シリコン基板１の表面側に例えば窒化シリコン膜から成る反射防止膜２をプラズマＣＶＤ法などで厚み５０〜６００Å程度の厚みに形成する（同図（ｅ）参照）。

最後に、シリコン基板１の表裏両面に銀（Ａｇ）ペーストを印刷、焼成し、フィンガー電極とバスバー電極を形成した後、半田ディップ法で半田をコーティングした表面電極３と裏面電極４を形成して完成する（図１参照）。

（実施例）
厚みが３００μｍで、比抵抗が１．５Ω・ｃｍの１５ｃｍ×１５ｃｍ角の多結晶シリコンから成る基板をＨＮＯ₃：ＨＦ＝７：１の溶液に浸漬して、片面１５μｍエッチングした後、三フッ化メタン（ＣＨＦ₃）を１２ｓｃｃｍ、塩素（Ｃｌ₂）を７２ｓｃｃｍ、酸素（Ｏ₂）を９ｓｃｃｍ、および六フッ化硫黄（ＳＦ₆）を６５ｓｃｃｍ流しながら、反応圧力５０ｍＴｏｒｒ、ＲＦパワー５００ＷでＲＩＥ法により基板表面に微細な突起を形成した。次に、シリコン基板の表面部のシート抵抗が８０Ω／□となるようにリン（Ｐ）を拡散した。次に、シリコン基板の裏面側にアルミニウム（Ａｌ）ペーストをスクリーン印刷して７５０℃の温度で焼成した。このシリコン基板の裏面側のシート抵抗は１５Ω／□であった。シリコン基板の表面側に、屈折率２．１、膜厚３０Å、５０Å、１００Å、２００Å、４００Å、６００Å、７００Åの窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法で形成して反射防止膜とした。シリコン基板の表裏両面に印刷、焼成法で銀（Ａｇ）を被着し、幅１００μｍ、ピッチ１．６ｍｍのフィンガー電極と、幅２ｍｍのバスバー電極を２本形成し、半田ディップ法で電極表面に半田層を形成して太陽電池素子を形成した。

それぞれの試料について、電気特性を測定した。その結果を図３に示す。図３から明らかなように、反射防止膜の膜厚が３０Åのときはバルクパシベーションが効かず、電圧の上昇がみられないが、５０Åのときはバルクパシベーションが効きはじめ、電圧が上昇し始める。そして、４００Åのときはモジュール後の電気特性が飽和し始め、６００Å以降ほとんど変化がなくなる。なお、図３（ａ）は反射防止膜厚（Å）と電流密度（Ａ／ｃｍ2 ）との関係を示す図、図３（ｂ）は反射防止膜厚（Å）と電圧（Ｖ）との関係を示す図、図３（ｃ）は反射防止膜厚（Å）と変換効率（Effi(%) ) との関係を示す図である。

本発明の製造方法による太陽電池素子の一実施形態を示す断面図である。 本発明の太陽電池素子の製造工程を示す図である。 本発明の製造方法による太陽電池素子の反射防止膜厚と電気特性との関係を示す図である。

符号の説明

１……シリコン基板
１ｃ……微細な突起
２……反射防止膜
３……表面電極
４……裏面電極

Claims (9)

1. 第1の導電型半導体不純物を含有するシリコン基板を準備する工程と、
   前記シリコン基板の第1の面に反応性イオンエッチングを行う工程と、
   前記シリコン基板の前記第1の面に反射防止膜を形成する工程と、
   前記反射防止膜に銀ペーストを印刷する工程と、
   前記銀ペーストを有する前記シリコン基板を焼成する工程と、を有することを特徴とする太陽電池素子の製造方法。
2. プラズマＣＶＤ法により、前記反射防止膜を５０Å以上の厚みに形成することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池素子の製造方法。
3. 前記反射防止膜が窒化シリコンであることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池素子の製造方法。
4. 反応性イオンエッチングにより、幅と高さがそれぞれ２μｍ以下の複数の微細な突起を前記シリコン基板の前記第1の面に形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池素子の製造方法。
5. 前記複数の微細な突起は、０．１〜２のアスペクト比を有することを特徴とする請求項４に記載の太陽電池素子の製造方法。
6. 反応性イオンエッチングが行われた前記シリコン基板の前記第1の面に、第2の導電型半導体不純物を含有させる工程をさらに有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の太陽電池素子の製造方法。
7. 前記第2の導電型半導体不純物を０．３〜０．５μmの厚みで前記シリコン基板に含有させることを特徴とする請求項６に記載の太陽電池素子の製造方法。
8. 前記シリコン基板の第2の面側に第1の導電型半導体不純物を含有させる工程をさらに有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の太陽電池素子の製造方法。
9. 前記シリコン基板の前記第2の面側のシート抵抗を１５Ω/□程度とすることを特徴とする請求項８に記載の太陽電池素子の製造方法。

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