JP2009295913A

JP2009295913A - 太陽電池およびその製造方法

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Publication number: JP2009295913A
Application number: JP2008150537A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Matsushita; 充宏松下
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2008-06-09
Filing date: 2008-06-09
Publication date: 2009-12-17

Abstract

【課題】太陽電池の半導体基板の反りを、太陽電池の出力特性を維持しつつ、コスト増加に繋がる工程を追加することなく防止する。
【解決手段】太陽電池８は、半導体接合層９の受光面側に配され、当該半導体接合層の表面における光の反射を防止する反射防止膜３と、受光面側とは反対側に配され、半導体接合層９において生じた電流を取り出す金属電極層５とを備え、反射防止膜３は、半導体接合層９において生じる引張り応力の少なくとも一部を打ち消す圧縮性応力を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池およびその製造方法に関するものである。

従来の太陽電池の製造方法を図３に従って説明する。図３は、従来の太陽電池８０の製造方法を示す図である。図３（ａ）に示すように、例えばシリコン等のｐ型の半導体基板１０を用い、表面側にｎ型となるドパーントを拡散して図３（ｂ）に示すｎ型の拡散層２０を形成することにより、ｐｎ接合を形成している。そして、図３（ｃ）に示すように、拡散層２０の上には反射防止膜３０が形成されている。

図３（ｄ）に示すように、半導体基板１０の表側には、太陽光により発電した電流を外部に取り出すための表面電極６０を、半導体基板１０の裏面側には、アルミ電極５０と裏面電極７０とをそれぞれスクリーン印刷法等により塗布して乾燥する。

各電極は焼成することにより形成され、また、図３（ｅ）に示すように、半導体基板１０の裏面側のアルミ電極５０を形成する際に、半導体基板１の裏面側にアルミニウムの拡散が起こってＰ＋層からなるＢＳＦ層４が形成され、太陽電池セルの電流・電圧特性が向上して高変換効率化が達成される。

今後の太陽電池セルの普及にあたっては、低コスト化が求められており、これに伴って半導体基板の薄型化、大面積化が要求されている。しかし、上述した太陽電池の製造方法においては、半導体基板１０とアルミ電極５０の熱膨張率の違いにより、半導体基板１０に図３（ｅ）に示すような反りが発生し、半導体基板が薄くなるに伴い、あるいは、半導体基板１０が大きくなるに伴い、アルミ電極５０を全面に形成した半導体基板１０の反りが大きくなる。

このため、次工程での半導体基板１０の搬送が困難となり、半導体基板１０の割れが発生し、生産効率や歩留を悪化させる問題点がある。

このような問題を回避するために、例えば特許文献１には、アルミ電極および裏面電極の表面を厚み方向へ一部エッチングすることによりアルミ電極による応力を緩和し、反りを低減させる方法が開示されている。

また、例えば特許文献２には、アルミ電極の中に多数の気孔を設けたり、セラミック粒子を分散させたりすることにより、アルミニウムと半導体基板との熱収縮率の違いによる半導体基板の反りの発生を抑制し、太陽電池素子の割れを防ぐ方法が開示されている。
特開２００２−３５３４７６号公報（２００２年１２月６日公開）特開２００４−２３５２６７号公報（２００４年８月１９日公開）

しかし、特許文献１に記載の方法によれば、アルミ電極および裏面電極をエッチングする工程が追加されるため、太陽電池セル製造コストの増加は避けられず、また、太陽電池セルへの物理ダメージによる太陽電池セル製造歩留が低下する問題があった。

また、特許文献２に記載の方法によれば、アルミ電極に気孔を持たせたり、セラミック粒子を分散させることにより半導体基板との接着強度の低下や経年変化が起き易い問題が
あり、また、気孔を有するためにアルミペーストを印刷する際の印刷圧力を充分に上げることが困難となる問題があった。

本発明の目的は、アルミニウム電極等の金属電極層とシリコン等の半導体接合層との熱収縮率の違いによって焼成後に発生する基板（半導体接合層）の反りを、太陽電池の出力特性を維持しつつ、コスト増加に繋がる工程を追加することなく防止することができる太陽電池およびその製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る太陽電池は、半導体接合層において受光することにより発電する太陽電池であって、上記半導体接合層の受光面側に配され、当該半導体接合層の表面における光の反射を防止する反射防止膜と、上記受光面側とは反対側に配され、上記半導体接合層において生じた電流を取り出す金属電極層とを備え、上記反射防止膜は、上記半導体接合層において生じる引張り応力の少なくとも一部を打ち消す圧縮性応力を有していることを特徴としている。

本発明に係る太陽電池の製造方法は、半導体接合層において受光することにより発電する太陽電池の製造方法であって、上記半導体接合層の受光面側に、当該半導体接合層の表面における光の反射を防止する反射防止膜を形成する反射防止膜形成工程と、上記受光面側とは反対側に、上記半導体接合層において生じた電流を取り出す金属電極層を形成する金属電極層形成工程とを含み、上記反射防止膜形成工程において、上記半導体接合層において生じる引張り応力の少なくとも一部を打ち消す圧縮性応力を有するように上記反射防止膜を形成することを特徴としている。

上記の構成によれば、半導体接合層は、光起電力効果を利用して光エネルギーを電気エネルギーに変換する。この半導体接合層は具体的には、例えば、ｐ型半導体の層とｎ型半導体の層との積層体である。

半導体接合層の受光面側には、当該半導体接合層へ入射する光の反射を防止するための反射防止膜が配されており、半導体接合層の受光面側とは反対側には、金属電極層が配されている。この金属電極層によって、半導体接合層において生じた電流が取り出される。

さらに、反射防止膜は、半導体接合層において生じる引張り応力の少なくとも一部を打ち消す圧縮性応力を有している。

それゆえ、金属電極層を焼成することによって生じる、半導体接合層と金属電極層との熱収縮率の違いによる当該半導体接合層の反りを低減することができる。その結果、太陽電池の特性を劣化させることなく、簡単な構成で太陽電池が割れる可能性を低減することができる。

また、上記反射防止膜は、２×１０^９ｄｙｎ/ｃｍ^２より大きい圧縮性応力を有するこ
とが好ましい。

反射防止膜の圧縮性応力を２×１０^９ｄｙｎ/ｃｍ^２より大きくすることにより、半導
体接合層と金属電極層との熱収縮率の違いによる当該半導体接合層の反りを従来よりも低減することができる。

また、上記反射防止膜は、ケイ素と窒素とを含むことが好ましい。

上記の構成により、反射防止膜に圧縮性応力を効果的に持たせることができる。

また、上記反射防止膜の膜厚は、５０ｎｍより大きく１００ｎｍより小さいことが好ましい。

上記の構成により、反射防止膜によって反射光の波長が大きく変わる可能性を低減することができ、充分な太陽電池特性を満たせることができる。

また、上記反射防止膜の屈折率は、１．６より大きく２．８より小さいことが好ましい。

上記の構成により、入射する太陽光を効率良く収集でき、充分な太陽電池特性を満たせることができる。

以上のように、本発明に係る太陽電池は、半導体接合層の受光面側に配され、当該半導体接合層の表面における光の反射を防止する反射防止膜と、上記受光面側とは反対側に配され、上記半導体接合層において生じた電流を取り出す金属電極層とを備え、上記反射防止膜は、上記半導体接合層において生じる引張り応力の少なくとも一部を打ち消す圧縮性応力を有する構成である。

また、本発明に係る太陽電池の製造方法は、半導体接合層の受光面側に、当該半導体接合層の表面における光の反射を防止する反射防止膜を形成する反射防止膜形成工程と、上記受光面側とは反対側に、上記半導体接合層において生じた電流を取り出す金属電極層を形成する金属電極層形成工程とを含み、上記反射防止膜形成工程において、上記半導体接合層において生じる引張り応力の少なくとも一部を打ち消す圧縮性応力を有するように上記反射防止膜を形成する構成である。

本発明の実施の一形態について図１〜図２に基づいて説明すれば、以下のとおりである。

（太陽電池８の構成）
図１（ａ）〜（ｅ）は、本実施形態に係る太陽電池８の製造工程の好ましい一例を示す断面図である。図１（ｅ）を参照しつつ、太陽電池８の構成を説明する。

太陽電池８は、半導体基板１、ｎ+拡散層２、反射防止膜３、ＢＳＦ層４、アルミ電極
（金属電極層）５、表面電極６および裏面電極７を備えている。

半導体基板１は、Ｐ型単結晶シリコンまたはＰ型多結晶シリコンなどからなる半導体層である。また、ｎ+拡散層２は、ｎ型不純物であるリンが拡散された層である。これら半
導体基板１とｎ+拡散層２とによって半導体接合層９が形成されている。この半導体接合
層９に光が入射すると、光起電力効果によって光エネルギーが電気エネルギーに変換される。

反射防止膜３は、半導体接合層９へ入射する光の、半導体接合層９の表面における反射
を防止するための膜であり、半導体接合層９の受光面側（表側）に配されている。この反射防止膜３は、半導体接合層９において生じる引張り応力の少なくとも一部を打ち消す圧縮性応力（圧縮性反り応力）を有している。

反射防止膜３は、その圧縮性応力が２×１０^９ｄｙｎ/ｃｍ^２より大きく、５×１０^１
^１ｄｙｎ/ｃｍ^２以下であることが望ましい。反射防止膜の圧縮性応力が２×１０^９ｄｙ
ｎ/ｃｍ^２以下であると、後述するアルミ電極５の反りを充分に相殺できなくなる。また
、半導体接合層９の反りは、一般的に凸方向に約５ｍｍであり、反射防止膜３の圧縮性応力によって上記反りを完全に相殺するためには、半導体基板１の面積の上限が一般的に２５０ｃｍ^２であることから、反射防止膜３の圧縮応力は５×１０^１１ｄｙｎ/ｃｍ^２であ
ればよい。反射防止膜３の圧縮応力を５×１０^１１ｄｙｎ/ｃｍ^２より大きくすることは
不要であり、反射防止膜３自身の反りによって半導体接合層９が凹方向へ反ってしまう可能性もあるため、反射防止膜３の圧縮応力は、５×１０^１１ｄｙｎ/ｃｍ^２以下であるこ
とが好ましい。

反射防止膜３は、ケイ素（Ｓｉ）と窒素（Ｎ）とを含むことが望ましい。例えば、反射防止膜３は、窒化ケイ素からなり、これらの組成を含む反射防止膜では圧縮性反り応力を有する。なお、これらの組成はＳＥＭ−ＥＤＸ（走査型分析電子顕微鏡）等の元素分析により測定できる。

また、反射防止膜３の膜厚は、５０ｎｍより大きく１００ｎｍより小さいことが望ましい。反射防止膜３の膜厚が５０ｎｍ以下または１００ｎｍ以上の場合、反射光の波長が大きく変わるため、充分な太陽電池特性を満たせない。なお、反射防止膜３の膜厚は、エリプソメトリーや分光反射測定等により測定できる。

また、反射防止膜３の屈折率は、１．６より大きく２．８より小さいことが望ましい。反射防止膜３の屈折率が１．６以下または２．８以上の場合、入射する太陽光の収集の損失が大きくなり、充分な太陽電池特性を満たせない。

ＢＳＦ（Back Surface Field）層４は、半導体基板１の裏面側にアルミニウムの拡散が起こることによって形成される層であり、この不純物濃度の高い領域によって、内部電界が形成され、裏面近傍での光生成キャリアが有効に収集される。

アルミ電極５および裏面電極７は、太陽光により発電した電流を外部に取り出すための電極であり、半導体接合層９の裏側に配される電極である。主にアルミ電極５によって収電され、裏面電極７によって収電された電気エネルギーが取り出される。

表面電極６は、太陽光により発電した電流を外部に取り出すための電極であり、半導体接合層９の受光面側に配される電極である。

（太陽電池８の製造方法）
（半導体基板１のエッチング）
まず、図１（ａ）に示すように、半導体基板１の表面を、ＮａＯＨなどを含むアルカリ水溶液を用いてエッチングする。ここで、アルカリ水溶液の代わりに、酸を用いてもよく、ＮａＯＨまたはＫＯＨなどのアルカリ水溶液にイソプロピルアルコールなどを加えたエッチャントに半導体基板１を浸漬することで、結晶方位に沿った異方性エッチングを行ない、テクスチャ構造と呼ばれる微小なピラミッド状の凹凸を半導体基板１の表面に形成する。また、ドライエッチングによる方法などで微小な凹凸を形成してもよい。

（ｎ+拡散層２の形成）
次に、半導体基板１に対し、例えば、Ｐ_２Ｏ_５若しくはＰＯＣ１３などによる気相拡散や、リン化合物を含んだ溶液を塗布して行なう拡散法などを用いて８００℃〜９５０℃で５〜３０分間熱処理することにより、図１（ｂ）に示すように、半導体基板１の受光面側の表面にｎ型不純物であるリンを拡散して、ｎ+拡散層２を形成する。

（反射防止膜３の形成）
次いで、図１（ｃ）に示すように、ｎ+拡散層２上にプラズマＣＶＤ（化学的気相成長
）法によって反射防止膜３を形成する。このとき、周波数制御法（プラズマ周波数の制御）、ナローギャップ法（電極間隔を数mm程度と著しく狭くしたもの）または組成制御法（成膜ガスの流量を調整することにより、膜組成を制御）などを用い、反射防止膜３の圧縮性応力を２×１０^９ｄｙｎ/ｃｍ^２より大きく、５×１０^１１ｄｙｎ/ｃｍ^２以下に調整する。

例えば、組成制御法によりＳｉＨ_４、ＮＨ_３、Ｎ_２の流量をそれぞれ６００、１３５、１３６０ｓｃｃｍとし、高濃度Ｓｉを含有し、低濃度Ｈを含有するＳｉＮ膜を反射防止膜３として形成することにより、反射防止膜３の圧縮性応力を２×１０^９ｄｙｎ/ｃｍ^２よ
り大きくすることが出来る。

なお、反射防止膜３の圧縮性応力は、ひずみゲージ法やＸ線回折により測定できる。

また、堆積膜の応力の一般式は以下のとおりである。
σｆ=(αｆ−αｓ)・[Ｅｆ/(１−νｆ)]・（Ｔｄ−Ｔ）＋σｉ
上記式において、σｆは堆積膜の応力であり、σｉは真性応力であり、αｆはＣＶＤ膜の熱膨張係数であり、αｓは基板の熱膨張係数であり、ＥｆはＣＶＤの弾性定数であり、νｆはポアソン比であり、Ｔｄは堆積温度であり、Ｔは室温である。

（アルミ電極５およびＢＳＦ層４の形成）
続いて、図１（ｄ）に示すように、半導体基板１の裏面側の表面に、スクリーン印刷法によりアルミニウム含有ペーストを５〜８０μｍ印刷し、１００〜２５０℃で１〜３分間乾燥させ、アルミ電極５を形成する。

このアルミニウムペースト印刷におけるパターンについては、ある間隔を有する直線状、格子状、魚骨状、櫛形状、複数の分離した島状、あるいはその他必要に応じたパターンとしても良い。なお、本発明において、アルミニウム含有ペーストとしては、例えば樹脂中にアルミニウム粉末とガラスとを含むアルミニウムペーストなどの従来から公知のものを用いることができる。

アルミ電極５は、５００〜９００℃の温度で焼成することで形成され、同時に半導体基板１内にＢＳＦ層４が形成される。

（表面電極６および裏面電極７の形成）
続いて、表面側および裏面側にスクリーン印刷法により１０〜８０μｍ銀ペーストを印刷し、１００〜２５０℃で１〜３分間乾燥させ、表面電極６および裏面電極７を形成する。

裏面電極７は、５００〜９００℃の温度で１〜３分間、焼成することで形成される。

また、表面電極６は、５００〜９００℃の温度で１〜３分間、焼成することで、表面を覆った反射防止膜３を貫通し、反射防止膜３に５〜６０μｍの表面電極６が露出する。同時に表面側銀ペーストは、焼成により表面電極６となる際、反射防止膜３を貫通して、ｎ
型の拡散層２に対して良好なオーミック接合を形成する。

（変更例）
なお、本発明においては、例えば図１（ｄ）に示す以外に、表面電極６や裏面電極７をアルミ電極５形成前に印刷し、乾燥して形成することもできる。また、アルミ電極５の焼成は、表面電極６や裏面電極７と同時焼成でも個別焼成でも構わない。

図２は、太陽電池の製造工程の別の例を示す断面図である。また、図２（ｃ）に示すように、反射防止膜３を成膜する前にアルミ電極５を印刷し乾燥して形成してもよい。

なお、図２（ｃ）に示す以外に、裏面電極７をアルミ電極５形成前に印刷し乾燥して形成することもできる。また、アルミ電極５の焼成は、表面電極６や裏面電極７と同時焼成でも個別焼成でも構わない。

図２（ａ）、（ｂ）、（ｄ）および（ｅ）については、図１に記載のものと同様であるため、その説明を省略する。

（反射防止膜３が圧縮性応力を有する理由）
反射防止膜３がケイ素および窒素を含むことにより、圧縮性応力を有するようになる原理について説明する。

半導体基板１のＳｉ−Ｓｉ結合に比べ、反射防止膜３のＳｉ−Ｎ結合は、Ｎの原子がＳｉよりも小さいために短い結合となり、半導体基板１よりも反射防止膜３の収縮性が大きくなることが圧縮性の一般的な原理である。

また、プラズマＣＶＤ法にて成膜されたＳｉＮ膜中には高濃度（２０％以上）の水素が含まれており、水素は結合手が１つしかなく結合力が弱いため、水素の含有率が多くなると圧縮性応力は小さくなる。換言すれば、反射防止膜３をプラズマＣＶＤ法にて成膜することにより、反射防止膜３の圧縮性応力を大きくすることができる。

さらに、熱膨張率からは半導体基板１のＳｉに対して、反射防止膜３のようなケイ素と窒素とを含む膜は膨張率が小さいため、半導体基板１に対して反射防止膜３は圧縮性が十分にある。

（太陽電池８の効果）
以上のように、太陽電池８では、反射防止膜３は、アルミ電極５を焼成することによって生じる、半導体接合層９とアルミ電極５との熱収縮率の違いによる当該半導体接合層９（特に、半導体基板１）の反りによって生じる引張り応力の少なくとも一部を打ち消す圧縮性応力を有している。

換言すれば、アルミ電極５と半導体接合層９との熱収縮率の違いによって生じる半導体接合層９の引張り反り応力と、反射防止膜３の圧縮性応力とを調整することにより、双方の反りを相殺する。

それゆえ、太陽電池８の特性を劣化させることなく、簡単な構成により半導体接合層９の反りを防止でき、太陽電池８が割れる可能性を低減することができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施形態に開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

なお、本発明は、以下のようにも表現できる。

すなわち、本発明の太陽電池の製造方法は、半導体接合部を有する半導体基板の表面側に圧縮性応力を有する反射防止膜を成膜する工程と、前記半導体基板の裏面側にアルミ電極を形成する工程と、前記アルミ電極を焼成する工程と、を含むことを特徴としている。

太陽電池の出力特性を維持しつつ、かつ、コスト増加に繋がる工程を追加することなく、太陽電池が有する半導体基板の反りを低減できるため、破損しにくい太陽電池を、その出力特性を損なうことなく低コストで実現できる。

（ａ）〜（ｅ）は、本発明の一実施形態に係る太陽電池の製造工程の一例を示す断面図である。（ａ）〜（ｅ）は、上記太陽電池の製造工程の変更例を示す断面図である。（ａ）〜（ｅ）は、従来の太陽電池の製造工程を示す断面図である。

符号の説明

１半導体基板（半導体接合層）
２拡散層（半導体接合層）
３反射防止膜
５アルミ電極（金属電極層）
９半導体接合層

Claims

半導体接合層において受光することにより発電する太陽電池であって、
上記半導体接合層の受光面側に配され、当該半導体接合層の表面における光の反射を防止する反射防止膜と、
上記受光面側とは反対側に配され、上記半導体接合層において生じた電流を取り出す金属電極層とを備え、
上記反射防止膜は、上記半導体接合層において生じる引張り応力の少なくとも一部を打ち消す圧縮性応力を有していることを特徴とする太陽電池。
上記反射防止膜は、２×１０^９ｄｙｎ/ｃｍ^２より大きい圧縮性応力を有することを特
徴とする請求項１に記載の太陽電池。
上記反射防止膜は、ケイ素と窒素とを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池。
上記反射防止膜の膜厚は、５０ｎｍより大きく１００ｎｍより小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池。
上記反射防止膜の屈折率は、１．６より大きく２．８より小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池。
半導体接合層において受光することにより発電する太陽電池の製造方法であって、
上記半導体接合層の受光面側に、当該半導体接合層の表面における光の反射を防止する反射防止膜を形成する反射防止膜形成工程と、
上記受光面側とは反対側に、上記半導体接合層において生じた電流を取り出す金属電極層を形成する金属電極層形成工程とを含み、
上記反射防止膜形成工程において、上記半導体接合層において生じる引張り応力の少なくとも一部を打ち消す圧縮性応力を有するように上記反射防止膜を形成することを特徴とする太陽電池の製造方法。