JP2008034583A - Method of manufacturing solar battery element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽電池素子の製造方法に関するものであり、特にPN接合を形成する半導体形成工程として半導体基板の一主面側に、拡散炉によりドーピング不純物元素を拡散させて形成した逆導電型半導体領域を有する太陽電池素子の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a solar cell element, and in particular, a reverse conductivity type semiconductor formed by diffusing a doping impurity element in a main surface side of a semiconductor substrate as a semiconductor forming step for forming a PN junction using a diffusion furnace. The present invention relates to a method for manufacturing a solar cell element having a region.
太陽電池は入射した光エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。太陽電池のうち主要なものは使用材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る。このうち、現在市場で流通しているものはほとんどが結晶系シリコン太陽電池である。 A solar cell converts incident light energy into electrical energy. Major solar cells are classified into crystalline, amorphous, and compound types depending on the type of materials used. Of these, most of those currently on the market are crystalline silicon solar cells.
この結晶系シリコン太陽電池はさらに単結晶型、多結晶型に分類される。単結晶型のシリコン太陽電池は、太陽電池を形成する単結晶シリコン基板の品質がよいために高効率化が容易であるという長所を有する反面、基板の製造が高コストになるという短所を有する。これに対して多結晶型のシリコン太陽電池は、太陽電池を形成する多結晶シリコン基板の品質が劣るために高効率化が難しいという短所はあるものの、低コストで製造できるという長所がある。また、最近では多結晶シリコン基板の品質の向上やセル化技術の進歩により、研究レベルでは18%程度の変換効率が達成されている。 This crystalline silicon solar cell is further classified into a single crystal type and a polycrystalline type. The single crystal silicon solar cell has the advantage that it is easy to increase the efficiency because the quality of the single crystal silicon substrate forming the solar cell is good, but has the disadvantage that the production of the substrate is expensive. On the other hand, a polycrystalline silicon solar cell has an advantage that it can be manufactured at a low cost although it has a disadvantage that it is difficult to increase efficiency because the quality of the polycrystalline silicon substrate forming the solar cell is inferior. In recent years, conversion efficiency of about 18% has been achieved at the research level due to the improvement of the quality of the polycrystalline silicon substrate and the advancement of cell technology.
一方、量産レベルの多結晶シリコン太陽電池は低コストであったため、従来から市場に流通してきたが、近年環境問題が取りざたされる中でさらに需要が増してきており、低コストでより高い変換効率が求められるようになった。 On the other hand, mass-produced polycrystalline silicon solar cells have been distributed in the market because of their low cost. However, in recent years, demand has increased further as environmental issues have been addressed, resulting in higher conversion efficiency at lower costs. Is now required.
太陽電池では電気エネルギーへの変換効率を向上させるため、従来から様々な試みがなされてきた。そのひとつに太陽電池素子表面に入射する光の反射を低減する技術があり、例えば、半導体基板の受光面側に微細な凹凸を設けることにより太陽電池素子表面での光の反射を低減することで電気エネルギーヘの変換効率を高めることができる。 Various attempts have been made for solar cells in order to improve the conversion efficiency into electric energy. One of the technologies is to reduce the reflection of light incident on the surface of the solar cell element. For example, by reducing the reflection of light on the surface of the solar cell element by providing fine irregularities on the light receiving surface side of the semiconductor substrate. The conversion efficiency to electrical energy can be increased.
また、PN接合を形成する逆導電型半導体形成工程として、一導電型を有する半導体基板の一主面側(受光面側)、すなわち上述の微細な凹凸を設けたのと同じ面側に逆導電型半導体領域を形成する方法がある。 Further, as a reverse conductivity type semiconductor forming step for forming a PN junction, reverse conductivity is provided on one main surface side (light receiving surface side) of a semiconductor substrate having one conductivity type, that is, on the same surface side as the above-described fine unevenness is provided. There is a method of forming a type semiconductor region.
この逆導電型半導体領域の形成は、一般に気相拡散の方法として、半導体基板を設置した容器内に加熱しながらキャリアガスを用いてPOCl3(オキシ塩化リン)を流すことで不純物拡散源となるリンガラスを半導体基板の表面に形成し、同時に半導体基板の表面への熱拡散も行う。 This reverse conductivity type semiconductor region is generally formed as an impurity diffusion source by flowing POCl 3 (phosphorus oxychloride) using a carrier gas while heating in a container provided with a semiconductor substrate as a vapor phase diffusion method. Phosphorous glass is formed on the surface of the semiconductor substrate, and at the same time, thermal diffusion is performed on the surface of the semiconductor substrate.
POCl3を拡散源とした熱拡散法を用いた場合、例えば、温度700〜1000℃程度で、半導体基板の表面にドーピング不純物元素を拡散させることによって、逆導電型半導体領域を形成することができる。このとき逆導電型半導体領域の厚さは0.2〜1μm程度とするが、これは拡散温度と拡散時間を調節することで、所望の厚さとすることができる。
このとき、逆導電型半導体領域の厚さは半導体基板の表面に成長した自然酸化膜の影響を受けると考えられる。ドーピング不純物の拡散においては、一般に気相拡散の方法として、半導体基板を設置した容器内に加熱しながらキャリアガスを用いてPOCl3(オキシ塩化リン)を流すことでドーピング不純物の拡散源となるリンガラスを半導体基板の表面に形成し、同時に半導体基板の表面への熱拡散を行うが、その際半導体基板に自然酸化膜が形成されていると、熱拡散の妨げになり、自然酸化膜であるため膜厚はばらついており、半導体基板表面とドーピング不純物ガスの接触、熱拡散に影響を与え、逆導電型半導体領域の厚さが所望の厚さに調整できず、基板表面内部の逆導電型半導体領域を均一に形成することは困難である。 At this time, it is considered that the thickness of the reverse conductivity type semiconductor region is affected by a natural oxide film grown on the surface of the semiconductor substrate. In the diffusion of doping impurities, generally, as a vapor phase diffusion method, POCl 3 (phosphorus oxychloride) is flowed using a carrier gas while heating in a container in which a semiconductor substrate is placed, thereby forming a phosphorus impurity serving as a diffusion source of doping impurities. Glass is formed on the surface of the semiconductor substrate, and at the same time, thermal diffusion to the surface of the semiconductor substrate is performed. If a natural oxide film is formed on the semiconductor substrate at that time, the thermal diffusion is hindered and the natural oxide film is formed. Therefore, the film thickness varies, which affects the contact between the semiconductor substrate surface and the doping impurity gas, thermal diffusion, and the thickness of the reverse conductivity type semiconductor region cannot be adjusted to the desired thickness, and the reverse conductivity type inside the substrate surface. It is difficult to form the semiconductor region uniformly.
半導体基板内部に形成される逆導電型半導体領域が不均一である場合、半導体基板内部の接合深さが不均一になり、光の到達による短絡電流(Isc)の増加が部分的に見込まれなくなる。その結果として、基板全面からの発電効率が下がることになる。 When the reverse conductivity type semiconductor region formed inside the semiconductor substrate is non-uniform, the junction depth inside the semiconductor substrate becomes non-uniform, and an increase in short-circuit current (Isc) due to the arrival of light is not expected in part. . As a result, the power generation efficiency from the entire surface of the substrate is lowered.
このように従来の製造方法においては、ドーピング不純物の拡散の前に半導体基板が大気中に放置されることによって、基板表面に不均一な自然酸化膜を成長させ、その結果逆導電型半導体領域の深さが不均一になることで、発電効率の損失を生じさせていたと考えられる。 上記問題を解決するために、熱酸化処理を行うことにより半導体基板表面に厚さ5〜50nmの酸化膜を形成し、その後、この半導体基板に気相拡散により均質な逆導電型半導体領域を形成することが開示されている。(例えば、特許文献1参照)
しかしながら、上記方法を用いて作製した太陽電池素子では、十分な素子特性の向上は見られなかった。
As described above, in the conventional manufacturing method, the semiconductor substrate is left in the atmosphere before the diffusion of the doping impurities, so that a non-uniform natural oxide film is grown on the substrate surface. It is thought that the generation efficiency was lost due to the uneven depth. In order to solve the above problem, a thermal oxidation treatment is performed to form an oxide film having a thickness of 5 to 50 nm on the surface of the semiconductor substrate, and then a homogeneous reverse conductivity type semiconductor region is formed on the semiconductor substrate by vapor phase diffusion. Is disclosed. (For example, see Patent Document 1)
However, in the solar cell element produced using the above method, sufficient improvement in element characteristics was not observed.
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、安定的に高出力な太陽電池素子を得るための製造方法を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the problem of such a prior art, and it aims at providing the manufacturing method for obtaining a solar cell element stably high output.
上記目的を達成するために、本発明の太陽電池素子の製造方法は、オゾンを含有する溶液に、一導電型を示す半導体基板を浸漬する工程と、前記溶液から引揚げられた前記半導体基板の少なくとも一部に、前記一導電型と逆の導電型を示す逆導電型領域を形成する工程と、を有してなることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a method for manufacturing a solar cell element according to the present invention includes a step of immersing a semiconductor substrate exhibiting one conductivity type in a solution containing ozone, and a step of the semiconductor substrate lifted from the solution. Forming a reverse conductivity type region having a conductivity type opposite to the one conductivity type at least partially.
また、本発明の他の太陽電池素子の製造方法は、前記半導体基板の一主面に多数の凹凸を形成する工程、をさらに有することを特徴とする。 Moreover, the manufacturing method of the other solar cell element of this invention further has the process of forming many unevenness | corrugations in one main surface of the said semiconductor substrate, It is characterized by the above-mentioned.
また、本発明の他の太陽電池素子の製造方法は、前記凹凸形成工程と、該工程により凹凸が形成された前記半導体基板をフッ酸溶液中でエッチングする工程と、を前記浸漬工程に先立って行うことを特徴とする。 Moreover, the manufacturing method of the other solar cell element of this invention is a process of etching the said unevenness | corrugation formation process and the said semiconductor substrate in which the unevenness | corrugation was formed by this process in a hydrofluoric acid solution prior to the said immersion process. It is characterized by performing.
また、本発明の他の太陽電池素子の製造方法は、前記溶液は、水を溶媒とすることを特徴とする。 Moreover, the manufacturing method of the other solar cell element of this invention is characterized by the said solution using water as a solvent.
また、本発明の他の太陽電池素子の製造方法は、前記逆導電型領域は、所定のドーピング元素を用いた拡散法によって形成されることを特徴とする。 In another method for manufacturing a solar cell element of the present invention, the reverse conductivity type region is formed by a diffusion method using a predetermined doping element.
さらに、本発明の他の太陽電池素子の製造方法は、前記逆導電型領域は、700度以上1000度以下のピーク温度で形成されることを特徴とする。 Furthermore, in another method for manufacturing a solar cell element of the present invention, the reverse conductivity type region is formed at a peak temperature of 700 ° C. or more and 1000 ° C. or less.
本発明の太陽電池素子の製造方法によれば、オゾンを含有する溶液に、一導電型を示す半導体基板を浸漬する工程と、前記溶液から引揚げられた前記半導体基板の少なくとも一部に、前記一導電型と逆の導電型を示す逆導電型領域を形成する工程と、を有するようにしたことで、オゾン溶液への浸漬工程により半導体基板表面に緻密で均一な酸化膜を形成した上で、逆導電型領域を形成することによって、逆導電型領域の深さの均一化を図り、もって太陽電池素子の短絡電流の増加を達成することが可能となる。 According to the method for manufacturing a solar cell element of the present invention, a step of immersing a semiconductor substrate showing one conductivity type in a solution containing ozone, and at least a part of the semiconductor substrate lifted from the solution, Forming a reverse conductivity type region showing a conductivity type opposite to the one conductivity type, and forming a dense and uniform oxide film on the surface of the semiconductor substrate by an immersion process in an ozone solution. By forming the reverse conductivity type region, it is possible to make the depth of the reverse conductivity type region uniform and thereby to increase the short-circuit current of the solar cell element.
また、本発明の他の太陽電池素子の製造方法によれば、前記半導体基板の一主面に多数の凹凸を形成する工程、をさらに有するようにしたことで、凹凸が形成された半導体基板に対して、特に、逆導電型領域の深さの均一化の制御を効果的に行うことができる。 According to another method of manufacturing a solar cell element of the present invention, the method further includes the step of forming a number of irregularities on one main surface of the semiconductor substrate. On the other hand, in particular, it is possible to effectively control the uniform depth of the reverse conductivity type region.
また、本発明の他の太陽電池素子の製造方法によれば、前記凹凸形成工程と、該工程により凹凸が形成された前記半導体基板をフッ酸溶液中でエッチングする工程と、を前記浸漬工程に先立って行うようにしたことで、フッ酸溶液中で半導体基板表面の不純物を除去することによってオゾン酸化膜の均一性向上を図るとともに、フッ酸溶液中で疎水化された半導体基板を効果的に親水化することによって水切り性の向上を図り、ウォーターマークの形成を抑制することができる。 Further, according to another method for manufacturing a solar cell element of the present invention, the concavo-convex forming step and the step of etching the semiconductor substrate on which the concavo-convex has been formed in the hydrofluoric acid solution are included in the dipping step. By performing the process in advance, it is possible to improve the uniformity of the ozone oxide film by removing impurities on the surface of the semiconductor substrate in the hydrofluoric acid solution, and to effectively make the semiconductor substrate hydrophobized in the hydrofluoric acid solution. By making it hydrophilic, drainage can be improved and formation of a watermark can be suppressed.
また、本発明の他の太陽電池素子の製造方法によれば、前記溶液は、水を溶媒とすることで、溶液コストの低減をはかることができる。 Moreover, according to the manufacturing method of the other solar cell element of this invention, the said solution can aim at reduction of solution cost by using water as a solvent.
また、本発明の他の太陽電池素子の製造方法によれば、前記逆導電型領域は、所定のドーピング元素を用いた気相拡散法によって形成されるようにしたことで、一度に大量の半導体基板を処理することができるとともに、半導体基板の面内バラツキを抑え、逆導電型領域の深さの均一性の制御が容易となる。 In addition, according to another method of manufacturing a solar cell element of the present invention, the reverse conductivity type region is formed by a vapor phase diffusion method using a predetermined doping element, so that a large amount of semiconductors are formed at a time. The substrate can be processed, the in-plane variation of the semiconductor substrate is suppressed, and the depth uniformity of the reverse conductivity type region can be easily controlled.
さらに、本発明の他の太陽電池素子の製造方法によれば、前記逆導電型領域は、700度以上1000度以下のピーク温度で形成されるようにしたことで、逆導電型領域の深さを最適化することができ、さらに均一性の制御がより容易となる。 Furthermore, according to another method for manufacturing a solar cell element of the present invention, the reverse conductivity type region is formed at a peak temperature of 700 ° C. or more and 1000 ° C. or less, so that the depth of the reverse conductivity type region is increased. Can be optimized, and the uniformity can be controlled more easily.
以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は本発明にかかる太陽電池素子の製造方法で形成される太陽電池素子の構造図である。図1において、1は半導体基板、2は逆導電型半導体領域、3は凹凸構造、4は反射防止膜、5は裏面側のP+領域(BSF:Back Surface Field)、6は表面電極、7は裏面電極、7aは出力取出電極、7bは集電電極を示す。 FIG. 1 is a structural diagram of a solar cell element formed by the method for manufacturing a solar cell element according to the present invention. In FIG. 1, 1 is a semiconductor substrate, 2 is a reverse conductivity type semiconductor region, 3 is an uneven structure, 4 is an antireflection film, 5 is a P + region (BSF: Back Surface Field) on the back side, 6 is a surface electrode, 7 Denotes a back electrode, 7a denotes an output extraction electrode, and 7b denotes a current collecting electrode.
なお、本発明では多結晶シリコン基板を例に説明しているが、結晶系基板を用いたバルク型の太陽電池であればその種類は問わない。 In the present invention, a polycrystalline silicon substrate has been described as an example, but any type of bulk solar cell using a crystalline substrate may be used.
半導体基板1はp型、n型いずれでもよいが、ここでは便宜上ドーピング不純物元素としてB(ホウ素)を含有したp型の半導体シリコン基板によって説明する。
The
本発明による太陽電池素子の形成方法の一例を図2のフローチャートに示す。 An example of a method for forming a solar cell element according to the present invention is shown in the flowchart of FIG.
まず、半導体基板を形成する半導体基板の形成工程にて半導体基板1を形成する。基板を切り出すインゴットとしては、CZ法・FZ法・EFG法などの方法で作られた単結晶シリコンインゴットや、キャスト法で鋳造された多結晶シリコンインゴットを用いることができる。なお、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きわめて有利である。
First, the
上述の方法により、形成されたインゴットを10cm×10cmもしくは25cm×25cm程度の大きさに切断し、300μm以下、より好ましくは200μm以下の厚みにワイヤーソーなどを用いてスライスし、半導体基板1とすることができる。また、切断又はスライスがされた面における機械的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。
The formed ingot is cut into a size of about 10 cm × 10 cm or 25 cm × 25 cm by the above-described method, and sliced with a wire saw or the like to a thickness of 300 μm or less, more preferably 200 μm or less, to obtain a
なお、半導体基板1のドーピングはドーピング不純物元素単体を適量インゴット製造時に含ませてもよいし、半導体基板1と同様の材料中に、既にドープ濃度の分かっている添加用の半導体材料を適量添加して、これを溶融し、所定のドープ濃度を有する半導体インゴットとしてもよい。
The
次に、太陽光を反射させないため、半導体基板の表面に凹凸構造を形成させるための粗面化工程によって、半導体基板1の表面側には入射する光を反射させずに有効に取り込むための凹凸構造3を形成する。形成方法としてはRIE等のドライエッチング法やNaOH等のウェットエッチング法などが用いられる。
Next, in order not to reflect sunlight, a roughening process for forming a concavo-convex structure on the surface of the semiconductor substrate, the concavo-convex for effectively capturing incident light on the surface side of the
次に、半導体基板の表面に形成された自然酸化膜を除去するための第一の酸化膜除去工程によって、半導体基板1から酸化膜を除去する。特に微細な凹凸構造3の部分は、表面積が大きいため、表面に自然酸化膜が形成されやすい。これを除去することによって、後工程である逆導電型半導体領域形成工程において、清浄な面に対して半導体接合層を形成することができ、太陽電池素子の特性が向上する。
Next, the oxide film is removed from the
さらに、この酸化膜除去工程はフッ酸を含有する溶液、例えば、0.1〜50重量%のフッ酸の水溶液、あるいは、混酸(フッ酸と硝酸とを例えば、1:10の比率で混合したもの)などによるウェットエッチング処理であることが望ましい。このように酸化膜除去工程において、フッ酸を含有する溶液を用いれば、特にシリコン系の太陽電池においてシリコンの酸化膜を効率良く除去することができる。 Further, this oxide film removing step is a solution containing hydrofluoric acid, for example, an aqueous solution of 0.1 to 50% by weight hydrofluoric acid, or a mixed acid (hydrofluoric acid and nitric acid are mixed at a ratio of 1:10, for example. It is desirable that the wet etching process be performed by a method. Thus, in the oxide film removal step, if a solution containing hydrofluoric acid is used, the silicon oxide film can be efficiently removed particularly in a silicon-based solar cell.
そして、本発明においては、第一の酸化膜除去工程の後にオゾンを溶存させた水や有機溶媒等の溶液に半導体基板を浸漬させることにより強制酸化膜を形成するオゾン溶液への浸漬工程にて強制酸化膜を形成する。浸漬する溶液に溶存するオゾンは1ppm以上30ppm以下が好ましく、数秒と1分以下の低時間浸漬させることによって、所望の酸化膜を形成することができる。オゾンの溶存濃度が上記範囲より高いと、オゾンの自己分解の影響が大きく、溶液中のオゾンの溶存濃度を一定にすることが難しく、また、上記範囲より低いと処理時間が数分間かかるため好ましくない。オゾンが溶存している水溶液に浸漬させることにより、酸化膜を低時間で厚さが15Å以上40Å以下に形成させることができる。 In the present invention, after the first oxide film removing step, in the step of immersing in the ozone solution to form a forced oxide film by immersing the semiconductor substrate in a solution such as water or organic solvent in which ozone is dissolved. A forced oxide film is formed. The ozone dissolved in the dipping solution is preferably 1 ppm or more and 30 ppm or less, and a desired oxide film can be formed by dipping for a short time of several seconds and 1 minute or less. If the dissolved ozone concentration is higher than the above range, the influence of the self-decomposition of ozone is great, and it is difficult to make the dissolved ozone concentration constant in the solution. Absent. By immersing in an aqueous solution in which ozone is dissolved, the oxide film can be formed in a thickness of 15 to 40 mm in a short time.
その後、PN接合を形成するための逆導電型半導体形成工程として、一導電型を有する半導体基板1の一主面側、すなわち上述の微細な凹凸構造3を設けたのと同じ面側に逆導電型半導体領域2を形成する。
Thereafter, as a reverse conductivity type semiconductor forming step for forming a PN junction, reverse conductivity is provided on one main surface side of the
オゾン溶液への浸漬工程により半導体基板表面に緻密で均一な酸化膜を形成した上で、逆導電型領域を形成することによって、逆導電型領域の深さの均一化を図り、もって太陽電池素子の短絡電流の増加を達成することが可能となる。 A dense and uniform oxide film is formed on the surface of the semiconductor substrate by an immersion process in an ozone solution, and then the reverse conductivity type region is formed to make the depth of the reverse conductivity type region uniform. An increase in the short-circuit current can be achieved.
また、粗面化工程にて凹凸が形成された半導体基板に対して、特に、逆導電型領域の深さの均一化の制御を効果的に行うことができる。 In addition, it is possible to effectively control the uniformization of the depth of the reverse conductivity type region, particularly for the semiconductor substrate on which the unevenness is formed in the roughening step.
さらに、前記凹凸形成工程と、該工程により凹凸が形成された前記半導体基板をフッ酸溶液中でエッチングする工程と、を前記浸漬工程に先立って行うようにしたことにより、フッ酸溶液中で半導体基板表面の不純物を除去することによってオゾン酸化膜の均一性向上を図るとともに、フッ酸溶液中で疎水化された半導体基板を効果的に親水化することによって水切り性の向上を図ることができる。 Further, the step of forming the unevenness and the step of etching the semiconductor substrate on which the unevenness has been formed by the step in a hydrofluoric acid solution are performed prior to the dipping step. By removing impurities on the substrate surface, the uniformity of the ozone oxide film can be improved, and the drainage can be improved by effectively hydrophilizing the semiconductor substrate hydrophobized in the hydrofluoric acid solution.
この逆導電型半導体領域2の形成は、一般に気相拡散の方法として、半導体基板1を設置した容器内に加熱しながらキャリアガスを用いてPOCl3(オキシ塩化リン)を流すことでドーピング不純物の拡散源となるリンガラスを半導体基板1の表面に形成し、同時に半導体基板1の表面への熱拡散も行う。
This reverse conductivity
前記逆導電型領域は、所定のドーピング元素を用いた気相拡散法によって形成されるようにしたことにより、逆導電型領域の深さの均一性の制御が容易となる。 Since the reverse conductivity type region is formed by a vapor phase diffusion method using a predetermined doping element, it becomes easy to control the uniformity of the depth of the reverse conductivity type region.
POCl3を拡散源とした熱拡散法を用いた場合、例えば、温度700〜1000℃程度で、半導体基板1の表面にドーピング不純物元素を拡散することによって、逆導電型半導体領域2を形成することができる。このとき逆導電型半導体領域の厚さは0.2〜1μm程度とするが、これは拡散温度と拡散時間を調節することで、所望の厚さとすることができる。
When a thermal diffusion method using POCl 3 as a diffusion source is used, for example, the reverse conductivity
前記逆導電型領域は、気相拡散法において、700度以上1000度以下のピーク温度で形成されるようにしたことにより、逆導電型領域の深さの均一性の制御がより容易になる。 The reverse conductivity type region is formed at a peak temperature of 700 ° C. or more and 1000 ° C. or less in the vapor phase diffusion method, thereby making it easier to control the uniformity of the depth of the reverse conductivity type region.
そして、本発明による酸化膜形成をさらに有効なものとするために、逆導電型半導体領域の厚さを発電効率が最適化されるよう拡散条件をコントロールすればよい。 In order to make the oxide film formation according to the present invention more effective, the diffusion condition may be controlled so that the power generation efficiency is optimized for the thickness of the reverse conductivity type semiconductor region.
通常の拡散法では、目的とする面とは反対側の面や基板のエッジ部にも拡散領域が形成されるが、その部分は後からエッチングしたり、レーザー等などによって除去すればよい。あるいは、後述するように、裏面側のP+領域5をAlペーストによって形成する場合は、p型のドーピング不純物元素であり拡散係数の高いAlを充分な濃度かつ充分な深さまで拡散させることができるので、既に拡散された浅い領域のn型の逆導電型半導体領域の影響は無視できる。 In a normal diffusion method, a diffusion region is also formed on the surface opposite to the target surface and the edge portion of the substrate, but this portion may be etched later or removed by a laser or the like. Alternatively, as will be described later, when the P + region 5 on the back surface side is formed of an Al paste, Al having a high diffusion coefficient, which is a p-type doping impurity element, can be diffused to a sufficient concentration and a sufficient depth. Therefore, the influence of the already diffused shallow n-type reverse conductivity semiconductor region can be ignored.
また、逆導電型半導体領域2の表面側のシート抵抗は60〜300Ω/□程度にするとよい。この値は四探針法により測定することができる。すなわち半導体基板1の表面に一直線上に並んだ4本の金属針を加圧しながら接触させ、外側の2本の針に電流を流したときに内側の2本の針の間に発生した電圧を測定し、この電圧と流した電流からオームの法則により抵抗値を求める。
The sheet resistance on the surface side of the reverse conductivity
このシート抵抗の値を60〜300Ω/□とすることによって太陽電池を形成したときの短絡電流を大幅に増大させることができる。その理由としては次のように推測される。まず、半導体基板1の表面に上記のような微細な凹凸構造3を形成する場合、このような凹凸構造3を形成しない場合に比較して、ドーピング不純物元素が半導体基板1の表面側に拡散されやすくなり、ドーピング不純物元素が深く、かつ大量に拡散される。したがって、半導体接合部が半導体基板1の表面から離れた深いところに形成され、この半導体接合部に光が到達しにくくなって短絡電流が向上しない。このように、半導体基板1の表面に微細な凹凸構造3を多数形成した場合には半導体基板1の表面部のシート抵抗値を従来品よりも高くなるように設定すれば、半導体接合部が半導体基板1の比較的浅いところで形成されるようになるので、短絡電流値の向上を図ることができる。
By setting the value of the sheet resistance to 60 to 300Ω / □, the short-circuit current when the solar cell is formed can be greatly increased. The reason is estimated as follows. First, when the fine concavo-
しかし、基板表面のシート抵抗値が60Ω/□未満の場合、短絡電流の低下が起こり、300Ω/□を超えると半導体基板1の表面側全面にわたって逆導電型半導体不純物を均一に拡散させることが困難になるので、発電効率は低下する。
However, when the sheet resistance value on the surface of the substrate is less than 60Ω / □, the short circuit current decreases, and when it exceeds 300Ω / □, it is difficult to uniformly diffuse the reverse conductivity type semiconductor impurities over the entire surface side of the
本発明においては、一導電型の半導体基板に逆導電型半導体領域を形成する太陽電池素子の製造方法において、オゾンを溶存させた水溶液に半導体基板を浸漬した後、半導体基板にドーピング不純物元素を拡散させることにより均一な逆導電型半導体領域を形成することができ、短絡電流(Isc)が増加し、発電効率が上昇する。 In the present invention, in a method of manufacturing a solar cell element in which a reverse conductivity type semiconductor region is formed on a one conductivity type semiconductor substrate, the semiconductor substrate is immersed in an aqueous solution in which ozone is dissolved, and then a doping impurity element is diffused into the semiconductor substrate. By doing so, a uniform reverse conductivity type semiconductor region can be formed, the short circuit current (Isc) is increased, and the power generation efficiency is increased.
半導体基板を通常大気中に放置した場合と、オゾンが20ppm溶存している水溶液に浸漬させた場合の、酸化膜厚の違いを図3に示す。 FIG. 3 shows the difference in oxide film thickness between when the semiconductor substrate is left in the normal atmosphere and when it is immersed in an aqueous solution in which 20 ppm of ozone is dissolved.
これは、半導体基板としてシリコン基板を大気中に放置したものと、オゾンが20ppm溶存している水溶液に浸漬させたものに対して、プラズマCVD法によりSiN膜を100Å程度成膜し、シリコン基板からSiN膜までの間の密度遷移領域をGI−XR法(全反射X線回折分析)で観察したものである。 This is because a silicon substrate was left in the atmosphere as a semiconductor substrate and a silicon substrate immersed in an aqueous solution in which 20 ppm of ozone was dissolved. The density transition region up to the SiN film is observed by the GI-XR method (total reflection X-ray diffraction analysis).
GI-XR法によるX線照射範囲は半導体基板表面上2mmφであり、SiとSiNの密度が異なる範囲の間に、SiO2の密度を示す部分が存在していることが示されている。 The X-ray irradiation range by the GI-XR method is 2 mmφ on the surface of the semiconductor substrate, and it is shown that a portion showing the density of SiO 2 exists between the ranges where the densities of Si and SiN are different.
大気中放置サンプルの場合、このSiO2領域は約10Åであり、これは自然酸化膜の存在と推測される。また、オゾン水溶液浸漬サンプルは、SiO2領域は約15〜20Åを示しており、これはオゾン水溶液浸漬による強制酸化が生じていると推測される。 In the case of a sample left in the air, this SiO 2 region is about 10 mm, which is presumed to be the presence of a natural oxide film. Moreover, the ozone aqueous solution immersion sample has a SiO 2 region of about 15 to 20%, which is presumed to be caused by forced oxidation due to the ozone aqueous solution immersion.
自然放置サンプルにおいては、このSiO2の密度がやや不明確であり、またSiO2−SiNの遷移領域も不明確であるのに対して、オゾン水溶液浸漬によるサンプルは、このSiO2の密度が明確であり、SiO2−SiNの遷移領域も少なくなっている。 In the natural standing sample, the density of SiO 2 is slightly unclear and the transition region of SiO 2 —SiN is also unclear, whereas in the sample immersed in an ozone solution, the density of SiO 2 is clear. And the transition region of SiO 2 —SiN is also reduced.
SiO2領域が不明確である自然放置サンプルにおいては、GI−XR法によるX線照射範囲2mmφにおいて、SiO2が存在している部分と、存在していない部分があるため、境界がはっきりしない。またSiO2からSiNへなだらかに密度が変化していく様相も同様の理由である。 In a natural standing sample in which the SiO 2 region is unclear, the boundary is not clear because there are a portion where SiO 2 exists and a portion where SiO 2 does not exist in the X-ray irradiation range 2 mmφ by the GI-XR method. Moreover, the aspect in which the density gradually changes from SiO 2 to SiN is the same reason.
それに対し、オゾン水溶液浸漬サンプルは、明確にSiO2の密度を示しており、SiO2-SiNの遷移層も小さくなっている。これは、不均一に存在している自然酸化膜に対して、オゾンによる酸化膜がより均一に存在していることを示す。 In contrast, the sample immersed in the ozone solution clearly shows the SiO 2 density, and the SiO 2 —SiN transition layer is also small. This indicates that the oxide film by ozone exists more uniformly than the natural oxide film that exists unevenly.
このような自然酸化膜よりもより均一な酸化膜の存在は、半導体基板が大きいほど、その面積に対して効果を多く発揮する。 The presence of such a more uniform oxide film than the natural oxide film is more effective for the area of the semiconductor substrate.
また、熱酸化処理に形成された酸化膜では、短絡電流(Isc)の増加がみられず、発電効率は上昇しなかった。これは、オゾンを溶存させた水溶液に浸漬することにより、基板表面の有機物の除去された影響だけではなく、本発明により形成された酸化膜と、熱酸化処理により形成された酸化膜とでは、膜の均一性および膜質が異なると考えられる。 Further, in the oxide film formed by the thermal oxidation treatment, the short circuit current (Isc) was not increased and the power generation efficiency was not increased. This is not only the effect of removing organic substances on the substrate surface by immersing in an aqueous solution in which ozone is dissolved, but also the oxide film formed by the present invention and the oxide film formed by thermal oxidation treatment, It is believed that the film uniformity and film quality are different.
そこで、本発明により形成された酸化膜を有する半導体基板と、熱酸化処理により形成された酸化膜を有する半導体基板とを、純水で満たされている槽に基板表面が垂直になるように浸漬させ、引上げた際の水の濡れ性を確認した。 Accordingly, a semiconductor substrate having an oxide film formed according to the present invention and a semiconductor substrate having an oxide film formed by thermal oxidation treatment are immersed in a tank filled with pure water so that the substrate surface is vertical. The wettability of water when pulled up was confirmed.
本発明により形成された酸化膜を有する半導体基板では、引上げ直後において、基板表面が完全に濡れた状態で一様に水の膜が形成され、その後、水は重力に伴って表面の水を掻き取るように下部へ移動し、上部から乾燥している。 In a semiconductor substrate having an oxide film formed according to the present invention, immediately after pulling, a water film is uniformly formed with the substrate surface completely wet, and then the water scrapes the surface water with gravity. Move to the bottom to take and dry from the top.
熱酸化処理により形成された酸化膜を有する半導体基板では、引上げ直後において、部分的な乾燥が起こり、その後、上部から乾燥する傾向にはあるが、まばらに乾燥している。 In a semiconductor substrate having an oxide film formed by thermal oxidation treatment, partial drying occurs immediately after the pulling, and then there is a tendency to dry from the top, but it is sparsely dried.
また、本発明により形成された酸化膜を有する半導体基板と、熱酸化処理により形成された酸化膜を有する半導体基板において、濡れ性を評価するために、協和界面化学株式会社製接触角装計DM500Rにより純水(25℃)を滴下したときの接触角を測定すると、本発明により形成された酸化膜を有する半導体基板では15度以下より好ましくは10度以下とかなりの親水性を示すが、熱酸化処理により形成された酸化膜を有する半導体基板では25〜40度であった。 In addition, in order to evaluate wettability in a semiconductor substrate having an oxide film formed by the present invention and a semiconductor substrate having an oxide film formed by thermal oxidation treatment, contact angle instrument DM500R manufactured by Kyowa Interface Chemical Co., Ltd. When the contact angle when pure water (25 ° C.) is dropped is measured by the semiconductor substrate, the semiconductor substrate having the oxide film formed according to the present invention shows a considerable hydrophilicity of 15 degrees or less, more preferably 10 degrees or less. In the case of a semiconductor substrate having an oxide film formed by oxidation treatment, the temperature was 25 to 40 degrees.
このように、オゾンを溶存させた水溶液に浸漬させ形成した酸化膜は熱酸化処理により形成された酸化膜に比べて、膜質が異なり、均一で緻密な極薄い膜が形成されていると推察でき、その結果、より均一な逆導電型半導体領域を形成でき、素子特性として短絡電流(Isc)が増加する。 In this way, it can be inferred that the oxide film formed by immersing in an aqueous solution in which ozone is dissolved has a different film quality compared to the oxide film formed by thermal oxidation treatment, and a uniform and dense ultrathin film is formed. As a result, a more uniform reverse conductivity type semiconductor region can be formed, and the short circuit current (Isc) increases as element characteristics.
次に、第二の酸化膜除去工程によって、本発明による拡散前に形成された均一な酸化膜および、半導体基板1から熱拡散等によって得られる不純物元素を含有した酸化膜を除去する。酸化膜を除去することによって、後工程、例えば、反射防止膜形成工程や電極形成工程などにおいて、清浄な面に対して必要な処理をすることができるので、形成される太陽電池素子の特性が向上する。
Next, in the second oxide film removing step, the uniform oxide film formed before diffusion according to the present invention and the oxide film containing the impurity element obtained from the
さらに、太陽電池素子の製造方法において、この第二の酸化膜除去工程は、第一の酸化膜除去工程と同様に、フッ酸を含有する溶液、例えば、0.1〜50重量%のフッ酸の水溶液、あるいは、混酸(フッ酸と硝酸とを例えば、1:10の比率で混合したもの)などによるウェットエッチング処理であることが望ましい。このように酸化膜除去工程において、フッ酸を含有する溶液を用いれば、特に本発明による酸化膜を効率良く除去することができる。 Furthermore, in the method for manufacturing a solar cell element, the second oxide film removing step is similar to the first oxide film removing step in a solution containing hydrofluoric acid, for example, 0.1 to 50% by weight hydrofluoric acid. It is desirable that the wet etching process be performed using an aqueous solution of the above or a mixed acid (a mixture of hydrofluoric acid and nitric acid in a ratio of, for example, 1:10). In this way, in the oxide film removal step, if a solution containing hydrofluoric acid is used, the oxide film according to the present invention can be removed particularly efficiently.
そして、半導体基板1の表面側には、反射防止膜を形成する反射防止膜形成工程にて反射防止膜4を形成する。この反射防止膜4の形成は、プラズマCVD法、蒸着法、スパッタ法などを用いることができる。通常は、プラズマCVD法を用いて形成する。
Then, the
反射防止膜4の材質としては、Si3N4膜・TiO2膜・SiO2膜・MgO膜・ITO膜・SnO2膜・ZnO膜などを用いることができる。一般的には、Si3N4膜がパッシベーション性を有することから好適に用いられ、原料ガスとしてシランとアンモニアの混合ガスをRFやマイクロ波などによってプラズマ化し、Si3N4を生成させて反射防止膜5を形成する。
As the material of the
さらに、半導体基板1の裏面側には、一導電型半導体不純物が高濃度に拡散されたP+層5を形成するP+層形成工程にてP+層5を形成することが望ましい。不純物元素としてはB(ボロン)やAl(アルミニウム)を用いることができ、不純物元素濃度を高濃度として、p+型とすることによって後述する裏面電極7との間にオーミックコンタクトを得ることができる。
Further, it is desirable to form the P + layer 5 on the back surface side of the
製法としてはBBr3(三臭化ボロン)を拡散源とした熱拡散法を用いて温度800〜1100℃程度で形成したり、特にAlの場合はAl粉末と、有機溶剤、バインダーなどからなるAlペーストを印刷法で塗布したのち温度700〜850℃程度で熱処理(焼成)してAlを拡散したりする方法を用いることができる。なお、このP+層5を熱拡散法で形成する場合は、既に形成してある逆導電型半導体領域2には酸化膜などの拡散バリアをあらかじめ形成しておくことが望ましい。またAlペーストを印刷して焼成する方法を用いれば、印刷面だけに所望の拡散層を形成することができるだけではなく、既に述べたように逆導電型半導体領域2形成時に同時に裏面側にも形成されているn型の逆導電型の拡散層を除去する必要もない。また、焼成されたAlは除去せずに、そのまま裏面電極の集電電極7bとして利用することもできる。このP+層5は、半導体基板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、半導体基板1の裏面側に内部電界を形成するものである。
As a production method, a thermal diffusion method using BBr 3 (boron tribromide) as a diffusion source is used and formed at a temperature of about 800 to 1100 ° C. Especially in the case of Al, an Al powder, an organic solvent, a binder, etc. A method in which the paste is applied by a printing method and then heat-treated (fired) at a temperature of about 700 to 850 ° C. to diffuse Al can be used. When the P + layer 5 is formed by the thermal diffusion method, it is desirable to previously form a diffusion barrier such as an oxide film in the reverse conductivity
半導体基板1の表面側および裏面側には、表面電極と裏面電極とを形成する電極形成工程にて表面電極6と裏面電極7とを形成する。これらの電極の製法としては、主にAgなどの金属粉末、ガラスフリット、有機溶剤、バインダーを含んだペーストを用いた印刷法などの厚膜による成膜プロセスや、スパッタ法、蒸着法などの真空プロセスを用いた成膜プロセスを用いることができる。
On the front surface side and the back surface side of the
表面電極6の材料は、特に限定するものではないが、Ag、Cu、Alといった低抵抗
金属を少なくとも1種含む材料を用いることが望ましい。また、裏面電極7の材料についても特に限定するものではないが、シリコン系の半導体基板1を用いた場合、シリコンに対して反射率の高いAgを主成分に含む金属を用いることが望ましい。これらの電極材料としては一種類に限るものではなく、目的に応じて複数の材料を積層したり、混合したりすることも可能である。また、出力取出電極7aにAgを主成分に含む金属を用い、集電電極7bにAlを主成分に含む金属を用いても構わない。
The material of the
また、電極材料のパターンは、太陽電池素子から集電するために一般的に用いられるパターン、例えば表面電極6の場合であれば、一般的な櫛形パターンとすればよい。さらに、電極を所定形状にするためのマスクとしては、材質・形状は特に問わず、内部の雰囲気などに大きな影響を及ぼさないものであれば使用可能である。電極パターンにあわせたマスクの加工性の面などからは金属で作製するのが簡便である。
In addition, the electrode material pattern may be a pattern generally used for collecting current from the solar cell element, for example, a general comb pattern in the case of the
このようにして本発明の太陽電池素子は形成される。 Thus, the solar cell element of the present invention is formed.
なお、上述のようにして作製された太陽電池素子は、通常は所要の出力電圧や出力電流を得ることができるように、複数個直列および並列に電気的に接続した状態で耐候性のある素材で覆われ太陽電池モジュールとなる。例えば、太陽電池素子の受光面にはガラス板や合成樹脂板などの光透過板を配置し、その裏面である非受光面にはテフロン(登録商標)(デュポン社)製のフィルムやPVF(ポリフッ化ビニル)、PET(ポレエチレンテレフタレート)などの耐候性フィルムが被着されている。そして、光透過板と耐候性フィルムとの間には、充填材として、例えばEVA(エチレン−酢酸ビニル共重合樹脂)などからなる透明な合成樹脂を介在させている。そして、これらの光透過板、太陽電池素子および耐候性フィルムの重ね構造の本体に対し、その各辺周囲をアルミニウムやSUSなどからなる枠体を挟み込むように装着し、太陽電池モジュール全体の強度を高めている。 It should be noted that the solar cell element produced as described above is usually a weather-resistant material in a state where a plurality of series and parallel electrical connections are made so that the required output voltage and output current can be obtained. It is covered with a solar cell module. For example, a light transmissive plate such as a glass plate or a synthetic resin plate is disposed on the light receiving surface of the solar cell element, and a film made of Teflon (registered trademark) (DuPont) or PVF (polyfluoride) is provided on the non-light receiving surface as the back surface. Weather resistant films such as vinyl chloride and PET (polyethylene terephthalate) are applied. A transparent synthetic resin made of, for example, EVA (ethylene-vinyl acetate copolymer resin) is interposed as a filler between the light transmission plate and the weather resistant film. Then, the light transmitting plate, the solar cell element, and the weatherproof film are stacked on the main body so as to sandwich the frame made of aluminum, SUS, or the like around each side, thereby increasing the strength of the entire solar cell module. It is increasing.
さらにこのような太陽電池モジュールを複数配設して太陽電池アレイとし、この太陽電池アレイで発電された電力によって、系統連系用のインバータへと送電し、一般の交流負荷に供給したり、もしくは系統連系により電力会社へ売電することができるようになっている。 Further, a plurality of such solar cell modules are arranged to form a solar cell array, and the electric power generated by the solar cell array is transmitted to an inverter for grid interconnection and supplied to a general AC load, or It is now possible to sell electricity to power companies through grid connection.
なお、本発明の実施形態は上述の例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸
脱しない範囲内において種々変更を加え得ることはもちろんである。
It should be noted that the embodiment of the present invention is not limited to the above-described example, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
例えば、上記説明では両主面側に電極を形成した構造について説明を行ったが、非受光面側のみに出力取出電極を設けたバックコンタクト構造であっても良い。 For example, in the above description, the structure in which the electrodes are formed on both main surface sides has been described, but a back contact structure in which the output extraction electrode is provided only on the non-light receiving surface side may be used.
(実施例)
厚さが250μmで、外形が15cm×15cmの多結晶シリコンのp型の半導体基板1表面のダメージ層をNaOHでエッチングして洗浄した。次に、RIEによるドライエッチング法により基板表面に微細な凹凸構造3を形成した。そして、ドーピング不純物の拡散の前に、実施例として、オゾンが20ppm溶存している水溶液に30秒間浸漬させた。また、比較例1として、何も処理せず次の拡散を行うもの、比較例2として、半導体基板を酸素雰囲気内で900度の温度において60分ほど加熱した。そして、それぞれの半導体基板1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、半導体基板1の表面にリン原子を拡散させて、シート抵抗が60Ω/□となるn型の逆導電型半導体領域2を形成した。その上にプラズマCVD法によって反射防止膜4となる窒化シリコン膜を形成した。
(Example)
The damaged layer on the surface of the p-
そして、アルミニウムペーストを裏面側全面に塗布して加熱し、P+層と裏面電極7の集電電極7bを形成した。
Then, an aluminum paste was applied to the entire back side and heated to form a P + layer and a collecting
この半導体基板1の表面側、裏面側に銀ペーストを塗布して加熱し、表面電極6と裏面電極7の出力取出電極を形成した。尚、表面電極6は櫛形パターンとなるように形成した。
Silver paste was applied to the front side and the back side of the
上記方法で得られた太陽電池素子を各50枚について素子特性を測定し、各条件の平均値の結果を表1に示す。
表1に示されるように、本発明の効果は明らかであり、比較例2は比較例1の短絡電流に比べて若干高い値を示しているが、実施例と比較すると、本発明に短絡電流の増加が大変大きいことが確認できた。 As shown in Table 1, the effect of the present invention is clear, and Comparative Example 2 shows a slightly higher value than the short-circuit current of Comparative Example 1. It was confirmed that the increase of
1:半導体基板
2:逆導電型半導体領域
3:凹凸構造
4:反射防止膜
5:P+領域
6:表面電極
7:裏面電極
7a:出力取出電極
7b:集電電極
1: Semiconductor substrate 2: Reverse conductivity type semiconductor region 3: Uneven structure 4: Antireflection film 5: P + region 6: Front electrode 7: Back
Claims (6)
前記溶液から引揚げられた前記半導体基板の少なくとも一部に、前記一導電型と逆の導電型を示す逆導電型領域を形成する工程と、を有してなる太陽電池素子の製造方法。 Immersing a semiconductor substrate having one conductivity type in a solution containing ozone to oxidize the surface of the semiconductor substrate;
Forming a reverse conductivity type region having a conductivity type opposite to the one conductivity type on at least a part of the semiconductor substrate drawn from the solution.
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