JP2008078661A - 複数のアニール作業とともに光電池を金属化するための方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】第一種の導電性を有する半導体をベースとする基板（１０２）、第二種の導電性で不純物をドープされて基板中に製造され、基板の正面を形成している層（１０４）、基板の正面上に製造されて、光電池の正面（１０８）を形成する反射防止層（１０６）、を備える少なくとも一つの光電池（１００）を金属化する方法を提供する。
【解決手段】ａ）光電池（１００）の正面（１０８）上に少なくとも一つの金属化層（１１０）を形成すること、ｂ）約８００℃及び９００℃の間の温度で光電池（１００）に第１のアニールをすること、ｃ）基板（１０２）の裏面上に少なくとも一つの金属化層（１１２）を形成すること、ｄ）約７００℃及び８００℃の間の温度で光電池（１００）に第２のアニールをすること、のステップを少なくとも含む。
【選択図】図２Ｅ
【解決手段】ａ）光電池（１００）の正面（１０８）上に少なくとも一つの金属化層（１１０）を形成すること、ｂ）約８００℃及び９００℃の間の温度で光電池（１００）に第１のアニールをすること、ｃ）基板（１０２）の裏面上に少なくとも一つの金属化層（１１２）を形成すること、ｄ）約７００℃及び８００℃の間の温度で光電池（１００）に第２のアニールをすること、のステップを少なくとも含む。
【選択図】図２Ｅ
Description
本発明は、光電池の分野及びより詳しくは光電池の金属化のための方法に関する。
Ｐ型又は型結晶（単結晶又は多結晶）シリコンをベースにした光電池２０の工業生産用に使用される標準的な方法が、図１Ａ−図１Ｅに示される。Ｎ型又はＰ型基板２は、水酸化カリウム溶液を用いて最初にその表層の織地化（テクスチャライゼーション）を施されて、これらの表層の反射率を減らして、従って、基板２に入る光線のより良好な光の閉じ込め特性を得ることを可能にする。Ｎ＋型の層４は、基板２の全ての面の位置で、リンの拡散によって、基板２中に形成される（図１Ａ）。そして、図１Ｂに示すように、光電池２０の正面８を形成する、水素リッチな窒化ケイ素（ＳｉＮ―Ｈ）の反射防止層６は、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）によって、Ｎ＋層４上に堆積される。銀１０及びアルミニウム１２による金属化層（メタライゼーション）は、それぞれシルクスクリーン印刷によって、基板２の正面８そして裏面に形成される（図１Ｃ）。最終的に、これらの金属化層１０、１２は、後部金属化層１２の下で一部のＮ＋層４を置換する、基板２におけるアルミニウム及びシリコン合金ベースの層１６及びＰ＋タイプ層１８と同様に、正面の金属化層１０及びＮ＋層４との間に接触部１４を形成して、赤外線通過炉中でのアニール作業を受ける。
最後に、図１Ｅに示されるように、層１８を接触部１４に接続している、すなわち、正面の金属化層１０を裏面の金属化層１２に電気的に接続している、Ｎ＋層４の部分は、除去される。図１Ｅにおいて、例えばレーザー、プラズマ、コーティング又は他の任意のエッチング手段によって、平面ＡＡ及びＢＢの外側にある光電池２０の全ての要素は、取り除かれる。
Ｐ型基板２の場合、Ｎ＋層４の残余部分及び基板２は、光電池２０のＰＮ接合を形成する。Ｐ＋層１８は、この例では電子の、少数キャリヤーを基板２中に押込む裏面電界効果（ＢＳＦ）によって、基板２の裏面のパッシベーションを可能にする。Ｎ型基板２の場合、Ｐ＋層１８及び基板２が光電池２０のＰＮ接合を形成し、そして、Ｎ＋層４は、この例ではホールの、少数キャリヤーを基板２中に押込む正面電界効果（ＦＳＦ）によって、基板２の表面のパッシベーションを、このパッシベーションに寄与する反射防止層６とともに、実行する。S.Martinuzzi他の文献「太陽電池のためのＮ型マルチ結晶質のシリコン」第２０版のＥＰＳＥＣ、２００５年、バルセロナ、６３１〜６３４頁には、８５０℃及び９００℃の間で記述されているアニール温度での、この種の光電池が記載されている。
アニール作業において、水素は、シリコン基板２中での拡散が制限されて、結晶学欠陥及び不純物を皮膜で保護する水素イオンのような特性を有しない、水素分子Ｈ２を形成する前に、水素リッチな反射防止層６から数マイクロメートル以上、イオンの形態で移動する。しかしながら、合金層１６の形成中において、ギャップが基板２中において移動して、Ｈ２分子の解離を可能にし、そして、水素イオンが基板中のより深くに拡散することができ、基板２中のキャリヤーの寿命を強化して、従って、光電池２０の変換効率を向上する。加えて、この合金層１６も、分離メカニズムによって不純物をトラップする、ゲッター効果によって基板２のシリコンの品質を向上することを可能にする。このアニール作業中の水素化現象は、S.Martinuzzi他の文献「マルチ結晶体シリコン太陽電池の瑕疵の水素パッシベーション」、太陽エネルギー材料及び太陽電池、第８０巻、３４３〜３５３頁、２００３年に記載されている。
基板２中での水素の拡散は、拡張した結晶欠陥（例えばずれ又は双晶境界）の密度が高いときに、特に効果的である。例えば低品質の充填材（冶金のシリコン充填材）又は転位の多い材料（例えば電磁連続鋳造又はテープドローイングからの材料）から構築される材料中で、（主に金属性の）不純物の濃度が高いときに、水素によるパッシベーションは、非常に役立つ。
D.S.Kim他による、太陽エネルギー材料及び太陽電池、第９０巻、１２２７〜１２４０頁、２００６年の、文献「水素化欠陥による１８％以上の効率を有するリボンＳｉ太陽電池」には、ＲＴＰ（急速熱処理）炉中において７００℃及び８００℃間の温度で光電池の裏面をアニールすることが記載されている。記載されている例において、正面上の金属化層は、反射防止層及びチタン、パレディアム及び銀の蒸着のフォトリソグラフィ及びエッチングによって実行される。得られた電池は、テープドローイングによって得られたＰ型多結晶質のシリコン基板を有する１８％より僅かに上の効率を提供する、しかし、提案される方法は、経済的に現実的ではなく、産業的に適用するのが困難である。
本発明の目的は、上記の従来技術に従って製造される光電池よりも効率的であり、そして、産業上において経済的に現実的に光電池を得ることを可能にする光電池の金属化の方法を提案することにある。
これを行うために、本発明は、第一種の導電性を有する半導体をベースとする基板、第二種の導電性で不純物をドープされて基板中に製造され、基板の正面を形成している層、基板の正面上に製造されて、光電池の正面を形成する反射防止層、を備える少なくとも一つの光電池を金属化するための方法を提案する。そして、この方法は、
ａ）光電池の正面上に少なくとも一つの金属化層を形成すること、
ｂ）約８００℃及び９００℃の間の温度で光電池に第１のアニールをすること、
ｃ）基板の裏面上に少なくとも一つの金属化層を形成すること、
ｄ）約７００℃及び８００℃の間の温度で光電池に第２のアニールをすること、
のステップを少なくとも含む。
ａ）光電池の正面上に少なくとも一つの金属化層を形成すること、
ｂ）約８００℃及び９００℃の間の温度で光電池に第１のアニールをすること、
ｃ）基板の裏面上に少なくとも一つの金属化層を形成すること、
ｄ）約７００℃及び８００℃の間の温度で光電池に第２のアニールをすること、
のステップを少なくとも含む。
このように、本発明の方法によって、光電池の金属化層の形成中に光電池の基板中において、従来技術に比して不純物及び結晶欠陥の良好なバッシベーションが得られる。それ故、この方法は、低品質及び転位の豊富な材料（例えば電磁連続鋳造又はテープドローイングからのシリコン）の充填材から得られた基板を備える光電池の製造に特に好適である。
この方法は、Ｎ型及びＰ型基板のいずれにも適用されうる。
本発明は、少なくとも一つの光電池を製造する方法にも関する。そして、この方法は、少なくとも次のステップを含む。すなわち、
第一種の導電性を有する半導体をベースとして基板の表面をテクスチャライジング（織地化）すること、
第二種の導電性でドープされる、基板の正面を形成する層を、基板中に形成すること、
基板の正面上に、光電池の正面を形成する反射防止層を堆積させること、
本発明の目的でもある上述の金属化する方法を実施すること、
光電池の正面の金属化層を裏面の金属化層に電気的に接続する、第二種の導電性でドープされる層の少なくとも一部を取り除くこと、である。
第一種の導電性を有する半導体をベースとして基板の表面をテクスチャライジング（織地化）すること、
第二種の導電性でドープされる、基板の正面を形成する層を、基板中に形成すること、
基板の正面上に、光電池の正面を形成する反射防止層を堆積させること、
本発明の目的でもある上述の金属化する方法を実施すること、
光電池の正面の金属化層を裏面の金属化層に電気的に接続する、第二種の導電性でドープされる層の少なくとも一部を取り除くこと、である。
本発明は、添付の図面を参照して、非限定的な表示として単に提供される例示の実施の形態の以下の説明を読むことで、よりよく理解される。
図１Ａ−図１Ｅは、上述の従来技術に従って光電池を製造するための方法のステップを示し、
図２Ａ−図２Ｅは、本発明に従って形成される金属化層を含む光電池を、本発明に従って製造するための方法のステップを示す。
図１Ａ−図１Ｅは、上述の従来技術に従って光電池を製造するための方法のステップを示し、
図２Ａ−図２Ｅは、本発明に従って形成される金属化層を含む光電池を、本発明に従って製造するための方法のステップを示す。
後述する異なる図面において、同一であるか、類似であるか、等価な部位は、図面同士の間の整合性のために同じ参照番号を有する。
図面の読込みをより容易にするために、図面に示される異なる部分は、均一なスケールに従って必ずしも示されるというわけではない。
様々な可能性（変形例及び実施例）は、相互に排他的なものではなく、互いと結み合わせられてもよいものとして理解されなければならない。
光電池１００を製造するための方法のステップを示す、図２Ａ−図２Ｅを参照する。光電池１００を金属化する方法のステップも、これらの図に関連して記載されている。
例えばＰ型の多結晶又は単結晶シリコンをベースの、第一種の導電性の基板１０２を図２Ａに示す。光電池１００を製造するために、基板２の表面は、水酸化カリウム溶液を使用して、最初に織地化される。例えばＮ＋型の、第二種の導電性でドープされる層１０４は、それから、基板１０２中でのリンの拡散によって形成される。この層１０４は、特に、例えばＰＥＣＶＤによって、反射防止層１０６が堆積する基板１０２の正面を形成する、反射防止層１０６は、例えば水素リッチな窒化ケイ素又は炭化ケイ素をベースとした、光電池１００の正面１０８を形成する。光電池１００のＰＮ接合は、Ｐ型基板１０２及びＮ＋層１０４によって形成される。
基板１０２の水素化ステップは、例えばプラズマによって、この処理中に、行われうる。このステップは、例えば反射防止層１０６の堆積前及び／又は堆積後に、実行されうる。
次に、光電池１００を金属化層するための方法について説明する。図２Ａに示すように、（例えば銀ベースの）金属化層１１０は、例えば光電池１００の正面１０８上のシルクスクリーン印刷によって製造されうる。金属化層１１０は、銀以外の少なくとも一つの金属をベースにしてもよく、他の技術（例えばフォトリソグラフィ又はプリンティング）にもよっても形成されうる。（例えばアルミニウムベースの）金属化層１１２は、基板１０２の裏面上に製造される。
そして、太陽電池１００は、第１のアニール作業を受けるために、例えば赤外線通過炉に置かれる。この第１のアニール作業は、約８００℃及び９００℃の間の温度で実行され、従って、金属化層１１０及びＮ＋層１０４間の接触部１１４を形成する（図２Ｂ）。この第１のアニール作業において、水素は、水素リッチな反射防止層１０６から基板１０２中にイオンの形態で移動して、結晶欠陥及び基板１０２の不純物のパッシベーションを実行する。この第１のアニール作業は、従来のアニール炉において、又は、他の周知のアニール技術によっても実行されうる。この第１のアニール作業は、約１秒及び１０秒の間の期間で、約８５０℃に等しい温度で好ましくは実行される。
そして、例えばアルミニウムベースの金属化層１１２は、基板１０２の裏面に生じる（図２Ｃ参照）。この金属化層１１２は、例えば、シルクスクリーン印刷、又は、フォトリソグラフィ又はプリンティングによって形成されうる。
そして、第２のアニール作業は、例えば赤外線通過炉中において、約７００℃及び８００℃間の温度で、光電池１００に対して実行される（図２Ｄ参照）。この第２のアニール作業によって、基板１０２の欠陥又は不純物のより良好なパッシベーションが可能となる。何故なら、この温度範囲は、基板１０２中への反射防止層１０６からの水素イオンの移動によって形成され、及び／又は、基板１０２の水素化のステップによって基板１０２中に埋め込まれる、Ｈ２分子の解離を可能にする、第１のアニール作業の温度範囲（約８００℃及び９００℃の間）よりも、水素と不純物又は結晶欠陥との間の結合の形成により好適だからである。この約７００℃及び８００℃の間の第２のアニール温度は、水素イオンの拡散の強さと、基板１０２中の不純物及び欠陥との結合を形成するというこれらのイオンの能力との間の理想的な折衷を構成する。この第２のアニール作業は、従来のアニール炉において、又は、他の周知のアニール技術によっても実行されうる。
この第２のアニール作業は、裏面の金属化層１１２下でＮ＋層１０４を置換する、基板１０２中のＰ＋ドープ層１１８の形成、並びに、アルミニウム及びシリコン合金をベースにした層１１６の形成をもたらす。Ｐ型基板に対して、Ｐ＋層１１８は、少数キャリヤーを基板１０２に押込む裏面電界効果（ＢＳＦ）によって、基板１０２の後面のパッシベーション（不活性化）を実行する。アルミニウム以外の金属も、金属化層１１２を形成するために用いられうる。また、この金属は、Ｐ＋ドープ層１１８を得られるように選択される。この第２のアニール作業も、特に基板１０２の良好な水素化を可能にするように、約１秒及び１０秒の間の期間で約７７０℃に等しいアニール温度を選択することによって最適化されうる。
最後に、図２Ｅに示すように、層１１８及び接触部１１４を接続しているＮ＋層１０４の部分は、すなわち正面の金属化層１１０を裏面の金属化層１１２に電気的に接続する部分は、取り除かれる。図２Ｅにおいて、例えばレーザー、プラズマ、コーティング又は他の任意のエッチング手段によっても、平面ＡＡ及びＢＢの外側にある光電池１００の全ての要素は、取り除かれる。
本発明による方法は、特にＮ型基板を備える光電池の製造にも適している。この場合、Ｐ＋ドープ層１１８は、光電池のＰＮ接合のエミッタとして作用する。そして、Ｎ＋ドープ層１０４は、少数キャリヤーを基板１０２中に押込む正面電界効果（ＦＳＦ）によって、基板１０２の正面のパッシベーションを行う。反射防止層１０６も、このパッシベーションに寄与する。第２の導電性でドープされる層１０４が、例えば基板１０２中のボロンの拡散によって得られる、Ｐ＋ドープ層であることも可能である。
この代換例によれば、光電池が、例えば約２００℃及び５００℃の間の低温で第３のアニール作業を受けることも、可能である。この第３のアニール作業は、周囲圧力で行うことができ、基板１０２中の水素で基板１０２中の結晶欠陥又は不純物とのさらなる結合を形成することが可能になる。
１００ 光電池
１０２ Ｐ型基板
１０４ Ｎ＋層
１０６ 反射防止層
１１０ 金属化層
１１２ 金属化層
１１４ 接触部
１０２ Ｐ型基板
１０４ Ｎ＋層
１０６ 反射防止層
１１０ 金属化層
１１２ 金属化層
１１４ 接触部
Claims (16)
- 第一種の導電性を有する半導体をベースとする基板（１０２）、第二種の導電性で不純物をドープされて前記基板中に製造され、前記基板の正面を形成している層（１０４）、前記基板の正面上に製造されて、光電池の正面（１０８）を形成する反射防止層（１０６）、を備える少なくとも一つの光電池（１００）を金属化するための方法であって、
前記方法は、
ａ）前記光電池（１００）の正面（１０８）上に少なくとも一つの金属化層（１１０）を形成すること、
ｂ）約８００℃及び９００℃の間の温度で前記光電池（１００）に第１のアニールをすること、
ｃ）前記基板（１０２）の裏面上に少なくとも一つの金属化層（１１２）を形成すること、
ｄ）約７００℃及び８００℃の間の温度で前記光電池（１００）に第２のアニールをすること、
のステップを少なくとも含む、方法。 - 前記反射防止層（１０６）は、水素リッチである、請求項１に記載の方法。
- 前記基板（１０２）の水素化の少なくとも１つのステップを含む、請求項１又は２に記載の方法。
- ステップｄ）の後で、約２００℃及び５００℃の間の温度で光電池（１００）の第３のアニールのステップを更に含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記第二種の導電性でドープされる層（１０４）は、Ｎ＋ドープ層である、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記反射防止層（１０６）は、窒化ケイ素をベースにしている、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
- 前記基板（１０２）は、多結晶シリコンをベースにした基板である、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
- 前記光電池（１００）の正面（１０８）上に製造された金属化層（１１０）は、銀をベースにしている、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
- 前記基板（１０２）の裏面に生じた金属化層（１１２）は、アルミニウムをベースにしている、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
- 前記正面上の金属化層（１１０）及び／又は前記裏面上の金属化層（１１２）は、シルクスクリーン印刷によって実行される、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
- 前記第１及び／又は第２のアニール作業は、赤外線通過炉中で実行される、請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
- 少なくとも一つの光電池（１００）を製造する方法であって、
第一種の導電性を有する半導体をベースとして基板（１０２）の表面を織地化すること、
第二種の導電性でドープされる、前記基板（１０２）の正面を形成する層（１０４）を、前記基板（１０２）中に形成すること、
前記基板（１０２）の正面上に、前記光電池（１００）の正面（１０８）を形成する反射防止層（１０６）を堆積させること、
請求項１から１１のいずれか１項に記載の金属化を実施すること、
前記光電池（１００）の前記正面（１０８）の金属化層（１１０）を前記裏面の金属化層（１１２）に電気的に接続する、第二種の導電性によってドープされる層（１０４）の少なくとも一部を取り除くこと、
というステップを少なくとも含む、方法。 - 前記織地化ステップは、水酸化カリウムをベースとした溶液によって行われる、請求項１２に記載の方法。
- 第二種の導電性でドープされた層（１０４）は、前記基板（１０２）中にリンの拡散によって形成したＮ＋層である、請求項１２又は１３に記載の方法。
- 前記反射防止層（１０６）は、ＰＥＣＶＤによって堆積する窒化ケイ素をベースにした層である、請求項１２から１４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記反射防止層（１０６）の堆積前及び／又は堆積後に実行される水素化ステップを更に含む、請求項１２から１５のいずれか１項に記載の方法。
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