JP2009043822A - 光起電力装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高いエネルギー変換効率を持つｐｎ接合型の光起電力装置を製造する方法を提供する。
【解決手段】少なくとも、第一導電型の半導体基板１を用意する工程Ａと、該半導体基板１にその受光面に対して垂直に溝７ａ又は孔を形成する工程Ｂと、該溝又は孔の形成された半導体基板の表面に第一導電型とは逆の導電型である第二導電型の層２を形成する工程Ｃと、該第二導電型の層２の形成された半導体基板１から電流を取出すための表面電極４及び裏面電極５を形成する工程Ｄとを具備する光起電力装置の製造方法であって、工程Ｃにおいて、少なくとも溝７ａ又は孔を含む半導体基板１の表面に第二導電型の層２を気相成長で形成することを特徴とする光起電力装置の製造方法。
【選択図】図１
【解決手段】少なくとも、第一導電型の半導体基板１を用意する工程Ａと、該半導体基板１にその受光面に対して垂直に溝７ａ又は孔を形成する工程Ｂと、該溝又は孔の形成された半導体基板の表面に第一導電型とは逆の導電型である第二導電型の層２を形成する工程Ｃと、該第二導電型の層２の形成された半導体基板１から電流を取出すための表面電極４及び裏面電極５を形成する工程Ｄとを具備する光起電力装置の製造方法であって、工程Ｃにおいて、少なくとも溝７ａ又は孔を含む半導体基板１の表面に第二導電型の層２を気相成長で形成することを特徴とする光起電力装置の製造方法。
【選択図】図１
Description
本発明は、光エネルギーを電力に変換する光起電力装置を製造する方法に関し、特には、半導体シリコン単結晶基板を用いてｐｎ接合面の形成された太陽電池を製造する方法に関する。
光起電力装置を代表する太陽電池は、光エネルギーを電力に変換する半導体素子である。この太陽電池には、ｐｎ接合型、ｐｉｎ型、ショットキー型などがあるが、ｐｎ接合型が最も広く用いられている。太陽電池をその基板材料をもとに分類すると、シリコン結晶系太陽電池、アモルファス（非晶質）シリコン系太陽電池、化合物半導体系太陽電池の３種類に大きく分けられる。シリコン結晶系太陽電池は、さらに、単結晶系太陽電池と多結晶系太陽電池に分類される。これらのうち最もエネルギー変換効率が高いものは、化合物半導体系太陽電池である。
しかし、化合物半導体系太陽電池は、その材料となる化合物半導体を作ることが非常に難しく、太陽電池基板の製造コスト面で一般に普及するには問題があり、その用途は限られたものとなっている。他方、化合物半導体系太陽電池の次に変換効率の高い太陽電池としては、シリコン単結晶系太陽電池が続く。太陽電池用シリコン単結晶基板は比較的容易に製造できることから、シリコン単結晶系太陽電池が最も普及している。
太陽電池の出力特性は、一般に、ソーラーシミュレータを用いて出力電流電圧曲線を測定することにより評価される。この曲線上で、出力電流Ｉｐと出力電圧Ｖｐとの積Ｉｐ・Ｖｐが最大となる点を最大出力Ｐｍと呼び、該最大出力を太陽電池に入射する総光エネルギー（Ｓ×Ｉ：Ｓは素子面積、Ｉは照射する光の強度）にて除した値：
η＝｛Ｐｍ／（Ｓ×Ｉ）｝×１００（％）…（１）
が太陽電池の変換効率ηとして定義される。変換効率ηを高めるには、短絡電流Ｉｓｃ（電流電圧曲線上にてＶ＝０のときの出力電流値）あるいは開放電圧Ｖｏｃ（同じくＩ＝０のときの出力電圧値）を大きくすること、及び、出力電流電圧曲線をなるべく角型に近い形状のものとすることが重要である。
η＝｛Ｐｍ／（Ｓ×Ｉ）｝×１００（％）…（１）
が太陽電池の変換効率ηとして定義される。変換効率ηを高めるには、短絡電流Ｉｓｃ（電流電圧曲線上にてＶ＝０のときの出力電流値）あるいは開放電圧Ｖｏｃ（同じくＩ＝０のときの出力電圧値）を大きくすること、及び、出力電流電圧曲線をなるべく角型に近い形状のものとすることが重要である。
尚、出力電流電圧曲線の角型の度合いは、一般に、
ＦＦ＝Ｉｐｍ×Ｖｐｍ／（Ｉｓｃ×Ｖｏｃ）…（２）
にて定義されるフィルファクタＦＦ（曲線因子）により評価でき、該フィルファクタの値が１に近いほど出力電流電圧曲線が理想的な角型に近づき、変換効率ηも高められることを意味する。
ＦＦ＝Ｉｐｍ×Ｖｐｍ／（Ｉｓｃ×Ｖｏｃ）…（２）
にて定義されるフィルファクタＦＦ（曲線因子）により評価でき、該フィルファクタの値が１に近いほど出力電流電圧曲線が理想的な角型に近づき、変換効率ηも高められることを意味する。
上記変換効率ηを向上させるには、キャリア（電子とホール）の再結合を低減させることが重要である。具体的に説明すれば、単結晶シリコン又は多結晶シリコンなどを基板として用いた太陽電池においては、太陽光などの入射光によって光生成した少数キャリアが、主に拡散によってｐｎ接合面へ到達した後、受光面及び裏面に取り付けられた電極から多数キャリアとして外部へ取出され、電気エネルギーとなる。その際、基板バルクや表面に存在する再結合中心を介して、本来電流として取出すことのできたキャリアが再結合して失われることがあり、変換効率ηの低下につながる。
そこで、基板表面でのキャリアの再結合を抑制するには、半導体基板の受光面（表面）と裏面とを、電極との接続部分を除いて絶縁膜で保護し、半導体基板と各絶縁膜との界面におけるキャリア再結合を抑制し、変換効率ηの向上が図られている（いわゆる表面パッシベーション効果）。このような絶縁膜としては、酸化珪素膜が古くから使われているが、屈折率が１．４程度と低く、受光面側に用いた場合の反射損失がやや大きいため、近年では、より高屈折率の窒化珪素が、パッシベーション効果だけでなく反射防止効果にも優れていることから、広く用いられるようになってきている。
一方、基板バルクでの再結合については、現在の単結晶棒製造方法の主流であるＣＺ法で作った単結晶は、太陽電池に加工した際に太陽電池セルに強い光を照射すると太陽電池基板中にキャリア再結合中心が生成されてしまうことが知られている（例えば非特許文献１参照）。そのため、ライフタイムの低下が起こり、十分な変換効率を得ることができず、太陽電池の性能が低下する。
その対策として、ｐ型のドープ剤としてＢ（ボロン）の代わりにＧａ（ガリウム）がドープされたシリコン基板を使用することが提案されている（例えば特許文献１参照）。これにより、光劣化が生じにくく、高い変換効率を有するシリコン単結晶が得られるようになった。
単結晶系太陽電池の基板材料となるシリコンウエーハとしては、その特性の一つである基板ライフタイム（以下、Ｌｉｆｅｔｉｍｅ、ＬＴと記することがある）の値が１０μｓ以上でなければ太陽電池基板として利用することはできず、さらには、変換効率の高い太陽電池を得るためには基板ライフタイムは好ましくは２００μｓ以上であることが要求されている。
その理由は、前述のように単結晶シリコン又は多結晶シリコンなどを基板として用いた太陽電池においては、太陽光などの入射光によって光生成した少数キャリアが、主に拡散によってｐｎ接合面へ到達した後、受光面（表面）及び裏面に取り付けられた電極から多数キャリアとして外部へ取出され、電気エネルギーとなる。そのため、基板のいたるところで光生成した少数キャリアが、再結合によって消滅することなくｐｎ接合面に到達するまで生き残っている必要がある。
単結晶系太陽電池用に用いられる基板の場合、基板の厚みは数百μｍから１ｍｍ程度である。通常、ｐｎ接合面は表面近くに形成されるため、最も深い位置で光生成された少数キャリアは、ｐｎ接合面までの数百μｍから１ｍｍ程度の距離を拡散することになる。その間に少数キャリアが再結合しないためには、拡散長Ｌは拡散していく距離の数倍、つまり数百μｍから１ｍｍ以上必要となる。少数キャリアが電子の場合、拡散長Ｌは、
Ｌ=√（Ｄｅτ）
Ｄｅ：電子の拡散係数（３０〜４０ｃｍ２／ｓｅｃ）
τ ：ライフタイム
で決まる為、数百μｓｅｃの高いライフタイムが要求されることになる。
Ｌ=√（Ｄｅτ）
Ｄｅ：電子の拡散係数（３０〜４０ｃｍ２／ｓｅｃ）
τ ：ライフタイム
で決まる為、数百μｓｅｃの高いライフタイムが要求されることになる。
一方、低いライフタイム（短い拡散長）でも少数キャリアがｐｎ接合面まで十分到達できるように、基板の厚みを薄くする方法もある。この方法は薄膜化により太陽電池に使用される単位面積あたりの半導体シリコン単結晶基板量を低減することができ、コスト低減にもつながっている。しかし、基板の厚みを薄くすると光生成される少数キャリア量も少なくなってしまう為、単位面積当たりのエネルギー変換効率が下がってしまうという問題があった。
Ｔ．Ｙｏｓｈｉｄａ ａｎｄ Ｙ．Ｋｉｔａｇａｗａｒａ， Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｖ．９６−１３， Ｐ．４５０（１９９６）
国際公開ＷＯ ００／７３５４２号パンフレット
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、高いエネルギー変換効率を持つｐｎ接合型の光起電力装置を製造する方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、少なくとも、第一導電型の半導体基板を用意する工程と、該半導体基板にその受光面に対して垂直に溝又は孔を形成する工程と、該溝又は孔の形成された半導体基板の表面に前記第一導電型とは逆の導電型である第二導電型の層を形成する工程と、該第二導電型の層の形成された半導体基板から電流を取出すための表面電極及び裏面電極を形成する工程とを具備する光起電力装置の製造方法であって、前記第二導電型層の形成工程において、少なくとも前記溝又は孔を含む半導体基板の表面に前記第二導電型の層を気相成長で形成することを特徴とする光起電力装置の製造方法を提供する（請求項１）。
このように本発明では、少なくとも、第一導電型の半導体基板を用意し、該半導体基板にその受光面に対して垂直に溝又は孔を形成し、該半導体基板の表面に第一導電型とは逆の導電型である第二導電型の層を形成し、電流を取出すための表面電極及び裏面電極を形成する光起電力装置の製造方法であって、第二導電型層の形成工程において、少なくとも溝又は孔を含む半導体基板の表面に第二導電型の層を気相成長で形成する。
これにより、溝又は孔を含む半導体基板の表面上に、第二導電型の層を、半導体基板の厚さ方向における深い位置にまで簡単に形成することができるようになり、基板の厚さ方向の深い位置で光生成した少数キャリアを再結合させることなく効率的にｐｎ接合面に拡散させることが可能となり、光起電力装置のエネルギー変換効率を向上させることができる。
特に、半導体基板に孔を形成することにより、孔が半導体基板を貫通しているので、半導体基板とは逆の導電型の第二導電型の層を気相成長する際に、半導体基板の表面側及び裏面側の両側から行うことができるので、第二導電型の層形成時間を短縮することができ、光起電力装置の製造歩留も向上させることができる。
この場合、前記第二導電型層の形成工程において、該第二導電型の層で前記溝又は孔を埋めることが好ましい（請求項２）。
このように、半導体基板に形成された溝又は孔を気相成長により第二導電型の層で埋めることにより、少数キャリアの再結合中心の原因となる欠陥やボイドを抑制でき、光起電力装置のエネルギー変換効率がさらに向上する。
このように、半導体基板に形成された溝又は孔を気相成長により第二導電型の層で埋めることにより、少数キャリアの再結合中心の原因となる欠陥やボイドを抑制でき、光起電力装置のエネルギー変換効率がさらに向上する。
そして、前記表面電極の形成工程において、該表面電極を、前記第二導電型層と接しかつ前記受光面に対して垂直になるように形成することができる（請求項３）。
このように、第二導電型層と接しかつ受光面に対して垂直になるように表面電極を形成すれば、電流を取出すための表面電極が溝又は孔の内部にも形成されることになるので、受光面に対して水平方向にのみ接するように形成するよりも光の受光面積が増加し、結果的に、光起電力装置のエネルギー変換効率の更なる向上につながる。
このように、第二導電型層と接しかつ受光面に対して垂直になるように表面電極を形成すれば、電流を取出すための表面電極が溝又は孔の内部にも形成されることになるので、受光面に対して水平方向にのみ接するように形成するよりも光の受光面積が増加し、結果的に、光起電力装置のエネルギー変換効率の更なる向上につながる。
また、前記半導体基板は、その受光面側の面方位が（１００）若しくは（０１０）であるものを用意し、前記溝又は孔の形成工程において、該溝又は孔の側面の面方位が（０１０）若しくは（−１１１）又は（−１１０）となるように形成することが好ましい（請求項４）。
このように、使用する半導体基板の受光面側の面方位が（１００）の場合、溝又は孔の側面の面方位が（０１０）、若しくは、使用する半導体基板の受光面側の面方位が（０１０）の場合、溝又は孔の側面の面方位が（−１１１）又は（−１１０）となるような面方位の組み合わせで半導体基板に溝又は孔を形成することにより、溝又は孔の表面上に、半導体基板の第一導電型層とは逆の導電型の第二導電型層を気相成長により形成する際、結晶欠陥やボイドを抑制しつつ、第二導電型層であるエピタキシャル層を成長させることができる。
このように、使用する半導体基板の受光面側の面方位が（１００）の場合、溝又は孔の側面の面方位が（０１０）、若しくは、使用する半導体基板の受光面側の面方位が（０１０）の場合、溝又は孔の側面の面方位が（−１１１）又は（−１１０）となるような面方位の組み合わせで半導体基板に溝又は孔を形成することにより、溝又は孔の表面上に、半導体基板の第一導電型層とは逆の導電型の第二導電型層を気相成長により形成する際、結晶欠陥やボイドを抑制しつつ、第二導電型層であるエピタキシャル層を成長させることができる。
本発明の光起電力装置の製造方法であれば、半導体基板に形成した溝又は孔により半導体基板の厚さ方向の深い位置で光生成した少数キャリアがｐｎ接合面まで移動する距離が少なく、且つ、ｐｎ接合面を作る第二導電型の層を気相成長により形成することで、ボイドや結晶欠陥の形成を抑制することができるので、光生成した少数キャリアが再結合することを抑制でき、効率的にｐｎ接合面に拡散させることにより光起電力装置のエネルギー変換効率を向上させることができる。
前述したように、従来の単結晶シリコン太陽電池は、半導体基板の厚さが厚いと、半導体基板の深い位置で発生したキャリアが再結合してしまうという問題があった。一方、低いライフタイムであっても、少数キャリアがｐｎ接合面まで到達できるように基板の厚みを薄くしたものもあった。
図５に、従来の単結晶シリコン太陽電池の原理図を示す。第一導電型であるｐ型の半導体シリコン単結晶基板５１の受光面側（表面）上に、第一導電型とは逆の導電型であるｎ＋型の第二導電型層５２が形成され、その境界面がｐｎ接合面５３となっている。受光面側から光が入射すると、その光エネルギーによってｐ型の半導体基板５１の内部に少数キャリアである電子が励起される。励起された電子は、主に拡散とバンドの曲がりによるドリフトでｐｎ接合面にまで移動する。移動して、ｎ＋型の第二導電型層５２に流入した過剰な電子が、表面電極５４によって光起電力として抽出される。これが、太陽電池の原理である。つまり、光によって励起された少数キャリアをいかに消滅させずにｐｎ接合面まで到達させるかが、光起電力装置のエネルギー変換効率に大きく関係している。従来ではできるだけライフタイムの長い、すなわち純度の高いシリコン結晶を用いることで、再結合による少数キャリアの減少を抑えている。
そこで、本発明者は、光起電力装置のエネルギー変換効率の高い太陽電池を製造する方法を鋭意検討したところ、ｐ型の半導体シリコン単結晶基板に溝又は孔を形成し、その表面上にｎ型の層を気相成長によりエピタキシャル成長させればよいことに想到し、本発明を完成させた。
以下、本発明の光起電力装置の製造方法における実施形態を、図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明の光起電力装置の製造方法における第１実施形態のフローを示す図である。図３は、本発明の方法によって製造された光起電力装置の概略図である。図４は、半導体基板に形成する溝の形状を示す概略図であり、図４（ａ）は、溝を平行状に形成した場合、図４（ｂ）は、溝を碁盤目状に形成した場合、図４（ｃ）は、溝を円柱状とした場合である。図６は、半導体基板に孔を貫通させる場合の概略図である。
図１は、本発明の光起電力装置の製造方法における第１実施形態のフローを示す図である。図３は、本発明の方法によって製造された光起電力装置の概略図である。図４は、半導体基板に形成する溝の形状を示す概略図であり、図４（ａ）は、溝を平行状に形成した場合、図４（ｂ）は、溝を碁盤目状に形成した場合、図４（ｃ）は、溝を円柱状とした場合である。図６は、半導体基板に孔を貫通させる場合の概略図である。
まず、本発明に係る光起電力装置１０の製造方法の第１実施形態について説明する。
始めに、図１の工程Ａにて第一導電型の半導体基板１を用意する。
この用意する半導体基板１は、例えば、高純度シリコン単結晶にホウ素あるいはガリウム等のＩＩＩ族元素をドープしたシリコン単結晶インゴット（不図示）から、基板１の受光面側の表面の面方位が（１００）となるように切り出したｐ型のシリコン単結晶基板１を用意する。尚、シリコン単結晶インゴット作製時に例えばドーパント量を調整することにより、ｐ型シリコン単結晶基板の比抵抗を、例えば０．５〜５．０Ω・ｃｍとなるようにするとよい。また、シリコン単結晶インゴットは、ＣＺ（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法又はＦＺ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ）法のどちらの方法によって作製されてもよいが、機械的強度の面から、ＣＺ法で作製される方が望ましい。
始めに、図１の工程Ａにて第一導電型の半導体基板１を用意する。
この用意する半導体基板１は、例えば、高純度シリコン単結晶にホウ素あるいはガリウム等のＩＩＩ族元素をドープしたシリコン単結晶インゴット（不図示）から、基板１の受光面側の表面の面方位が（１００）となるように切り出したｐ型のシリコン単結晶基板１を用意する。尚、シリコン単結晶インゴット作製時に例えばドーパント量を調整することにより、ｐ型シリコン単結晶基板の比抵抗を、例えば０．５〜５．０Ω・ｃｍとなるようにするとよい。また、シリコン単結晶インゴットは、ＣＺ（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法又はＦＺ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ）法のどちらの方法によって作製されてもよいが、機械的強度の面から、ＣＺ法で作製される方が望ましい。
また、ｐ型シリコン単結晶基板の受光面側ではない裏面に対して、熱拡散等によりｐ＋層８が形成されたものであってもよい。後に形成する第二導電型層の導電型をｎ＋型で形成することにより、製造される光起電力装置は、ｎ＋ｐｐ＋構造（ＢＳＦ（ｂａｃｋ ｓｕｒｆａｃｅ ｆｉｅｌｄ）構造と呼ばれる）となる。
このＢＳＦ構造を形成することにより、ｐ型シリコン基板１とｐ＋層８との間の障壁によって、裏面に向かう少数キャリアが反射され、後に形成する裏面電極部分での再結合が抑制される。さらに、ｐ型シリコン基板１とｐ＋層８との間のエネルギー差が開放電圧の増加につながり、ｐ＋層８が多数キャリアのホールに対して低抵抗のオーム性電極となり、フィルファクタの改善につながる。
このＢＳＦ構造を形成することにより、ｐ型シリコン基板１とｐ＋層８との間の障壁によって、裏面に向かう少数キャリアが反射され、後に形成する裏面電極部分での再結合が抑制される。さらに、ｐ型シリコン基板１とｐ＋層８との間のエネルギー差が開放電圧の増加につながり、ｐ＋層８が多数キャリアのホールに対して低抵抗のオーム性電極となり、フィルファクタの改善につながる。
そして、このようなアズカット状態のｐ型シリコン単結晶基板（表面の面方位は（１００））に対し、塩酸、硫酸、硝酸、ふっ酸等、若しくはこれらの混合液の酸性水溶液中で洗浄する。
次に、工程Ｂにおいてｐ型シリコン基板１の受光面に対して垂直になるようにｐ型シリコン基板の表面から溝７ａを形成する。
この場合、ｐ型シリコン単結晶基板１には例えば幅１００μｍ程度、深さ数１００μｍ程度の多数の溝７ａを形成することが好ましい。これらの溝７ａは、例えば、同軸的に結合された一体回転する数百枚から数千枚の回転刃（不図示）により一括的に形成することができるが、数回の操作に分けて形成してもよい。
この場合、ｐ型シリコン単結晶基板１には例えば幅１００μｍ程度、深さ数１００μｍ程度の多数の溝７ａを形成することが好ましい。これらの溝７ａは、例えば、同軸的に結合された一体回転する数百枚から数千枚の回転刃（不図示）により一括的に形成することができるが、数回の操作に分けて形成してもよい。
また、形成する溝７ａは、図４のように様々なパターンとすることができる。例えば、図４（ａ）のように一方向に平行に並んだ複数の溝や、図４（ｂ）のように、それと９０°で交差する方向に碁盤目状に溝を形成してもよい。さらに、平行状や碁盤目状でなくても、図４（ｃ）のように半導体基板１の厚み方向に伸びる多数の円柱状のものでも構わない。
図４（ａ）のように平行状に溝７ａを形成する際、用意された半導体基板１の表面の面方位が（１００）である場合、溝７ａの側面の面方位が（０１０）となるように形成することが好ましい。
一方、用意された半導体基板１の表面の面方位が（０１０）である場合、溝７ａの側面の面方位が（−１１１）又は（−１１０）となるように形成することが好ましい。
このような面方位の組み合わせで半導体基板１に溝７ａを形成することにより、溝を含む半導体基板の表面上に、ｎ＋型の第二導電型層を気相成長により形成する際、結晶欠陥やボイドを抑制しつつ、第二導電型層であるエピタキシャル層を成長させることができる。
一方、用意された半導体基板１の表面の面方位が（０１０）である場合、溝７ａの側面の面方位が（−１１１）又は（−１１０）となるように形成することが好ましい。
このような面方位の組み合わせで半導体基板１に溝７ａを形成することにより、溝を含む半導体基板の表面上に、ｎ＋型の第二導電型層を気相成長により形成する際、結晶欠陥やボイドを抑制しつつ、第二導電型層であるエピタキシャル層を成長させることができる。
図４では、溝７ａを半導体基板に形成するパターンを示したが、この溝の代わりに図６に示すように半導体基板１を貫通するような孔７ｂを形成してもよい。
このように、半導体基板１に貫通した孔７ｂを形成することにより、孔７ｂが半導体基板を貫通しているので、半導体基板１のｐ型とは逆の導電型であるｎ型の第二導電型層を気相成長する際に、半導体基板の表面側及び裏面側の両側から行うことができるので、第二導電型の層形成時間を短縮することができ、光起電力装置の製造歩留も向上させることができる。
このように、半導体基板１に貫通した孔７ｂを形成することにより、孔７ｂが半導体基板を貫通しているので、半導体基板１のｐ型とは逆の導電型であるｎ型の第二導電型層を気相成長する際に、半導体基板の表面側及び裏面側の両側から行うことができるので、第二導電型の層形成時間を短縮することができ、光起電力装置の製造歩留も向上させることができる。
そして、工程Ｃにおいて溝７ａ又は孔７ｂの形成された半導体基板１の表面に第一導電型のｐ型とは逆の導電型であるｎ型の第二導電型層２を気相成長で形成する。
この第二導電型層を形成するには、２つの方法が挙げられる。
１つ目の方法は、図１に示すように、溝７ａを含む半導体基板１の表面上にｎ＋型のシリコンからなるエピタキシャル層をその厚さが例えば０．５μｍになるまで成長させ、これを第二導電型層２とする。このとき、第二導電型層２のシート抵抗は例えば４０〜１００Ω／□となるようにする。
２つ目の方法については、本発明の第２実施形態にて後述する。
この第二導電型層を形成するには、２つの方法が挙げられる。
１つ目の方法は、図１に示すように、溝７ａを含む半導体基板１の表面上にｎ＋型のシリコンからなるエピタキシャル層をその厚さが例えば０．５μｍになるまで成長させ、これを第二導電型層２とする。このとき、第二導電型層２のシート抵抗は例えば４０〜１００Ω／□となるようにする。
２つ目の方法については、本発明の第２実施形態にて後述する。
次に、工程Ｄにおいて、半導体基板１から電流を取出すための表面電極４及び裏面電極５を形成する。
裏面電極５の形成方法は、導電体及び被膜電極層には銀や銅等の金属のほか、導電性の酸化インジウム、酸化錫等を用いてもよいが、経済性、加工性の観点からアルミニウムが最も好ましい。導電体及び被膜電極層の堆積は、スパッタ法、真空蒸着法、スクリーン印刷法等いずれの方法でも可能である。
裏面電極５の形成方法は、導電体及び被膜電極層には銀や銅等の金属のほか、導電性の酸化インジウム、酸化錫等を用いてもよいが、経済性、加工性の観点からアルミニウムが最も好ましい。導電体及び被膜電極層の堆積は、スパッタ法、真空蒸着法、スクリーン印刷法等いずれの方法でも可能である。
上記のように裏面電極５となる導電体あるいは被膜電極層並びに帯状電極等を形成した後、表面電極４の形成を行う。この表面電極４は、図１のようにｎ＋型の第二導電型層２と接しかつ受光面に対して垂直になるように形成する。この表面電極４は蒸着法、メッキ法等で形成することができる。
このように、第二導電型層と接しかつ受光面に対して垂直になるように表面電極を形成すれば、電流を取出すための表面電極が溝又は孔の内部に形成されることになるので、内部で発生したキャリアの再結合が抑制され、かつ、受光面に対して水平方向に接するように形成するよりも光の受光面積が増加し、結果的に、光起電力装置のエネルギー変換効率の更なる向上につながる。
このように、第二導電型層と接しかつ受光面に対して垂直になるように表面電極を形成すれば、電流を取出すための表面電極が溝又は孔の内部に形成されることになるので、内部で発生したキャリアの再結合が抑制され、かつ、受光面に対して水平方向に接するように形成するよりも光の受光面積が増加し、結果的に、光起電力装置のエネルギー変換効率の更なる向上につながる。
この工程Ｄによる電極形成の後、反射防止膜６を受光面の主面に形成してもよい。反射防止膜６には、酸化シリコン、窒化シリコンをはじめ、酸化セリウム、アルミナ、二酸化錫、二酸化チタン、フッ化マグネシウム、酸化タンタル等、及びこれらを二種組み合わせた二層膜が使用され、いずれを用いても問題ない。反射防止膜形成６には、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法等が用いられ、いずれの方法でも可能である。
このような工程Ａ〜Ｄの製造過程を経て、光起電力装置１０を得る。
尚、本発明においては、表面電極４及び裏面電極５の形成の順序は、どちらを先に行っても何ら問題はない。
尚、本発明においては、表面電極４及び裏面電極５の形成の順序は、どちらを先に行っても何ら問題はない。
続いて、本発明の光起電力装置の製造方法の第２実施形態について以下説明する。
図２は、本発明の光起電力装置の製造方法における第２実施形態のフローを示す図である。
尚、第１実施形態と同じ要素は、同じ指示番号を用いて説明する。
図２は、本発明の光起電力装置の製造方法における第２実施形態のフローを示す図である。
尚、第１実施形態と同じ要素は、同じ指示番号を用いて説明する。
まず、工程Ａ’において、ｐ型の半導体基板１を用意する。そして、工程Ｂ’において、半導体基板１にその受光面に対して垂直に溝又は孔を形成する。ここまでは、前述した第１実施形態の工程Ａ、工程Ｂと同様の方法であるので、詳しい説明は割愛する。
次に、工程Ｃ’において、溝７ａの形成された半導体基板１の表面に第一導電型であるｐ型とは逆の導電型であるｎ型の第二導電型層２を気相成長で形成する。
その際、第二導電型の層で溝７ａを埋める。このように埋めることにより、少数キャリアの再結合中心の原因となる欠陥やボイドを抑制でき、光起電力装置のエネルギー変換効率がさらに向上する。
その際、第二導電型の層で溝７ａを埋める。このように埋めることにより、少数キャリアの再結合中心の原因となる欠陥やボイドを抑制でき、光起電力装置のエネルギー変換効率がさらに向上する。
次に、工程Ｄ’において、表面電極４を、ｎ＋型である第二導電型層と接しかつ受光面に対して垂直になるように形成する。
その際、溝７ａは第二導電型層２で充填されているので、表面電極４を形成できるように、表面電極形成用の空間を設ける必要がある。
この表面電極形成用の空間は、上記工程Ｃ’において、第二導電型層２を気相成長させている際、その途中で、金属蒸着をすることによって表面電極を得ることもできるし、工程Ｃ’において完全に溝７ａを埋めた場合は、表面電極を差し込めるように新たに機械的に表面電極用の溝を形成し、その表面電極用の溝に表面電極となるべく金属板あるいは金属棒を差し込んだり、金属蒸着等によっても形成することができる。
その際、溝７ａは第二導電型層２で充填されているので、表面電極４を形成できるように、表面電極形成用の空間を設ける必要がある。
この表面電極形成用の空間は、上記工程Ｃ’において、第二導電型層２を気相成長させている際、その途中で、金属蒸着をすることによって表面電極を得ることもできるし、工程Ｃ’において完全に溝７ａを埋めた場合は、表面電極を差し込めるように新たに機械的に表面電極用の溝を形成し、その表面電極用の溝に表面電極となるべく金属板あるいは金属棒を差し込んだり、金属蒸着等によっても形成することができる。
このように、第二導電型層と接しかつ受光面に対して垂直になるように表面電極を形成すれば、電流を取出すための表面電極が溝又は孔の内部に形成されることになるので、内部で発生したキャリアの再結合が抑制され、かつ、受光面に対して水平方向に接するように形成するよりも光の受光面積が増加し、結果的に、光起電力装置のエネルギー変換効率の更なる向上につながる。
次に、第１実施形態の工程Ｄと同様の方法で、裏面電極５を半導体基板１の裏面に形成する。
この工程Ｄ’の後、反射防止膜６を受光面の主面に形成してもよい。
このような工程Ａ’〜Ｄ’の製造過程を経て、光起電力装置１０を得ることができる。
この工程Ｄ’の後、反射防止膜６を受光面の主面に形成してもよい。
このような工程Ａ’〜Ｄ’の製造過程を経て、光起電力装置１０を得ることができる。
上記説明したように、本発明の方法で光起電力装置１０を製造することにより、図３のように半導体基板１に形成した溝７ａにより半導体基板１の厚さ方向の深い位置で光生成した少数キャリアがｐｎ接合面３まで移動する距離が少なく、且つ、ｐｎ接合面３を作る第二導電型の層２を気相成長により形成することで、ボイドや結晶欠陥の形成を抑制することができるので、光生成した少数キャリアが再結合することを抑制でき、効率的にｐｎ接合面に拡散させることにより光起電力装置のエネルギー変換効率を向上させることができる。
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
１，５１…第一導電型層（ｐ型半導体基板）、 ２，５２…第二導電型層、
３，５３…ｐｎ接合面、 ４，５４…表面電極、 ５…裏面電極、
６…反射防止膜、 ７ａ…溝、 ７ｂ…孔、 ８…ｐ＋層、
１０，５０…光起電力装置（太陽電池）。
３，５３…ｐｎ接合面、 ４，５４…表面電極、 ５…裏面電極、
６…反射防止膜、 ７ａ…溝、 ７ｂ…孔、 ８…ｐ＋層、
１０，５０…光起電力装置（太陽電池）。
Claims (4)
- 少なくとも、第一導電型の半導体基板を用意する工程と、
該半導体基板にその受光面に対して垂直に溝又は孔を形成する工程と、
該溝又は孔の形成された半導体基板の表面に前記第一導電型とは逆の導電型である第二導電型の層を形成する工程と、
該第二導電型の層の形成された半導体基板から電流を取出すための表面電極及び裏面電極を形成する工程とを具備する光起電力装置の製造方法であって、
前記第二導電型層の形成工程において、少なくとも前記溝又は孔を含む半導体基板の表面に前記第二導電型の層を気相成長で形成することを特徴とする光起電力装置の製造方法。 - 前記第二導電型層の形成工程において、該第二導電型の層で前記溝又は孔を埋めることを特徴とする請求項１に記載の光起電力装置の製造方法。
- 前記表面電極の形成工程において、該表面電極を、前記第二導電型層と接しかつ前記受光面に対して垂直になるように形成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光起電力装置の製造方法。
- 前記半導体基板は、その受光面側の面方位が（１００）若しくは（０１０）であるものを用意し、前記溝又は孔の形成工程において、該溝又は孔の側面の面方位が（０１０）若しくは（−１１１）又は（−１１０）となるように形成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光起電力装置の製造方法。
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