JP2009501436A - 二酸化シリコンおよび基礎のシリコンのためのエッチングとドーピング用の複合媒体 - Google Patents
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Abstract
Description
用語「太陽電池」は、他の物質に基づく太陽電池タイプとは関係なく、単結晶および単結晶のシリコン太陽電池として定義される。
太陽電池の動作モードは、光電効果、即ち光子エネルギーの電気エネルギーへの変換、に基づく。
太陽電池に光子エネルギーを与えると(太陽光)、荷電キャリアがこのp−n接合に形成され、その結果として空間−電荷領域が増大し、電圧が増大する。太陽電池に接点を設け電圧を取り出し、太陽電池電流が消費者にもたらされる。
1.p型にドープされたSiシートの前面の構築
2.n+のドープ(通常はリンを用いる)
3.PSG(リン珪酸塩ガラス(phosphosilicate))のエッチング
4.酸化シリコンまたはシリコン窒化物層による不動態/反射防止のコーティング
5.前面および背面の金属化
先行する製造方法において、熱的に生成されたSiO2層の形成を通じて不動態層が得られる[1]。Si面上の不飽和結合の多数が飽和してそこが不活性になることにより機能する。欠陥密度及び再結合速度が減少するのである。SiO2層の厚さを約100nm(=λ/4基準)とすることによって、反射低減のための層が追加的に生成される。
高効率の太陽電池を製造するために、とくにシリコン窒化物層を不動態層として使用するのが実用的にとくに有利であることが分かっている。その優れた不動態化特性は、半導体技術において、たとえば集積回路、FET、キャパシタなどの障壁または不動態層として知られている。
研究室での実験では、効率を高めるために、エミッタ側に接触した状態の領域に対して、周りを囲まれたn+領域を超えてドープする、つまりn++拡散を実行することが有用であることが分かっている。これらの構造は、選択的または2段階エミッタとして知られている[7]。n+領域におけるドープは、1018cm−3の大きさであり、n++領域は、約1020cm−3の規模である。24%までの効率は、実験室レベルでこのタイプの高効率太陽電池により達成されている。
非常に複雑で高価な手法であるため、これらの方法は、研究室段階を超えて実行されていない。
これらの方法に共通する特徴は、フッ化水素酸またはフッ化水素酸の塩を用いて、不動態層を局所的に開口しなくてはいけない点である。さらに、ドープは、リンス工程および乾燥工程の後に気体相で行われなくてはならない。
DE10150040A1は、エッチングとドーピングを組み合わせた媒体について記載しており、これは、シリコン窒化物層をエッチングすることができ、続いて選択的な工程において、エッチング除去した(etched away)部分でシリコン窒化物の下のシリコンをドープすることができる。
実用的な使用においては、300℃の温度でも十分に高いエッチング速度を二酸化シリコン層で達成することは今まで不可能であり、これにより、たとえば光電池の適用のためには、リン酸またはその塩を基礎とするエッチング媒体の使用が有用であった。これと対照的に、PE−CVD法を用いて生成された、70nmの厚さを有するシリコン窒化物層は、同じエッチング媒体を300℃で使用して、60秒未満で完全にエッチングすることができる。
本発明は、太陽電池上の二酸化シリコンの不動態層および反射防止層のエッチングのための方法であって、リン酸またはその塩を含むエッチング媒体を、表面全体にわたって、またはエッチングすべき領域に選択的に、単一の工程で適用する方法に関する。本発明による方法において、エッチング媒体が与えられたシリコン基板を、350〜400℃の範囲の温度まで30〜120秒間表面全体にわたって、または局所的に加熱し、また、選択的に、追加のn++ドープのために、次いで800℃より高い温度まで1〜60分間加熱する。800〜1050℃の範囲の温度まで加熱すると良好なドープの結果が得られることが分かった。プリント可能なペースト状のエッチング媒体が本発明の方法を実施するのにとくに適している。使用されるエッチング媒体は、調和性に応じて、スプレー、スピンコーティング、ディッピングによって、またはスクリーン、ステンシル、スタンプ、パッド若しくはインクジェットプリントによって、適用することができる。次の加熱は、IR放射、UV放射またはマイクロ波によって従来型のオーブン内でホットプレート上で実行することができる。局所的な加熱は、レーザ、とくに800℃を超える温度まで加熱するためのIRレーザを用いて実行することができる。本発明にしたがって、請求された方法は、2段階エミッタを備えた太陽電池の製造に供することができる。
使用するエッチング媒体は、HF/フッ化物が含まれていない、容易に取り扱うことのできる鉱酸またはその塩、および/またはこれらの混合物であり、溶液またはペーストの形態であることができる。
選択的適用は、材料の消費の点でより好ましいだけでなく、レーザを用いた表面の連続書込みによって可能となるものよりも、エッチングされる基板の処理を相当に迅速に行うことができる。
使用されるエッチング媒体がペースト状である場合、これらは、表面全体にわたって、またはドープすべき領域に選択的に、適用することができる。
ペースト状のエッチング液は、同時にドーピング要素として作用するので、上述したように実際のエッチング工程において、ドーピング源としても作用させることができる。
したがって、エッチングすべき所望の表面領域に、このペーストを単一の工程で適用することができる。ペーストを表面に移送するのに適した高度の自動化された技術は、プリントである。スクリーン、ステンシル、パッドおよびスタンププリント技術は、とくにこの目的のために当業者に知られた方法である。
本発明のエッチングペーストは、下記の構成要素を含む。
a.エッチングおよび選択的ドーピング要素
b.溶剤
c.増粘剤
d.消泡剤、チキソトロープ剤、フロー制御剤、脱気剤、粘着促進剤などの選択的な添加剤
エッチング要素は、エッチングペーストの総重量を基準に1〜80重量%の範囲の濃度で存在する。二酸化シリコンのエッチングおよび除去の速度は、エッチング要素の濃度によって相当の影響を受けうる。
エッチング剤をプリント可能とするため、すなわちプリント可能なペーストの形成のための、具体的かつ基本的な粘性範囲を定めるために必要な増粘剤の割合は、エッチングペーストの総重量を基準として、1〜20重量%の範囲である。
・エチル−、ヒドロキシプロピル−、またはヒドロキシエチルセルロースまたはカルボキシメチルセルロースナトリウムなどのセルロース/セルロース誘導体
・カルボキシメチルデンプンナトリウム(vivastar(登録商標))、アニオン性ヘテロ多糖類などのデンプン/デンプン誘導体
・アクリレート(Borchigel(登録商標))
・ポリビニルアルコール(Mowiol(登録商標))、ポリビニルピロリドン(PVP)などのポリマー
・Aerosil(登録商標)などの高分散ケイ酸
有機増粘剤と対照的に、無機増粘剤、たとえば高分散ケイ酸は、800℃を超える温度での次のドーピング工程の間も基質上に留まり、そのため、ドーピングするガラス特性を調節するために使用することができる。有機および無機の両方のタイプの増粘剤は、エッチング媒体において所望により互いに組み合わせて使用することができ、適用に応じて選択される異なる組成にすることができる。
[2]J. Horzel, J. Slufzik, J. Nijs, R. Mertens, Proc. 26th IEEE PVSC, (1997), pp. 139-42
[3]M. Schnell, R. Luedemann, S. Schaefer, Proc. 16th EU PVSEC, (2000), S. 1482-85
[4]D.S. Ruby, P. Yang, S. Zaidi, S. Brueck, M. Roy, S. Narayanan, Proc. 2nd World Conference and Exhibition on PVSEC, (1998), pp. 1460-63
[5]US 6,091,021 (2000), D.S. Ruby, W.K. Schubert, J.M. Gee, S.H. Zaidi
[6]US 5,871,591 (1999), D.S. Ruby, J.M. Gee, W.K. Schubert
[7]EP 0229915 (1986), M. Bock, K. Heymann, H.-J. Middeke, D. Tenbrink
以上および以下で示したすべての出願、特許および特許公開の完全な開示の内容並びに2005年7月12日付出願の対応する出願DE10 2005 032 807.5の内容は、参照することにより本願に組み入れる。
例1:
ペーストの用意と組成
6gのAerosil200(Degussa−Huels AG)を、85%のオルト−リン酸(Merck Art.1.00573)100g中に攪拌しながら導入した。その結果得られたペーストをパドル攪拌機を使ってさらに20分間攪拌した。
ペーストの用意と組成
3重量%のPVP K90を、48.5重量%のH3PO4と48.5重量%の1−メチル−2−ピロリドンの混合物に攪拌しながら導入した。その結果得られたペーストを、パドル攪拌機を使ってさらに20分間攪拌した。
リン酸ガラス層を除去した後、局所的な、リン酸を高度にドーピングした1020cm−3の領域を、4点サンプルの手法を用いて電気伝導性の尺度により決定する。
Claims (14)
- 太陽電池において二酸化シリコンの不動態化および反射防止層のエッチング方法であって、リン酸またはその塩を含有するエッチング媒体を、表面全体にわたって、またはエッチングされる表面領域に対して選択的に、単一の工程ステップで適用することを特徴とする、前記方法。
- エッチング媒体が与えられるシリコン基板が、その表面全体にわたって、または局所的に、350℃〜400℃の温度範囲まで、30〜120秒間加熱され、選択的に、追加のn++ドーピング、次いで800℃よりも高い温度まで、とくに800〜1050℃の温度範囲まで、1〜60分間加熱されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- プリント可能なペースト状のエッチング媒体を用いることを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
- エッチング媒体を、調和性にしたがって、スプレー、スピンコーティング、ディッピングによって、またはスクリーン、ステンシル、スタンプ、パッド若しくはインクジェットプリントによって、適用することを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
- 対流式オーブンの中において、ホットプレート上で、IR放射、UV放射またはマイクロ波によって加熱を行うことを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の方法。
- 局所的な加熱のために、レーザ、とくに800℃よりも高い温度まで加熱するためのIRレーザを用いることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の方法。
- 2段エミッタを備えた太陽電池の生産のための、請求項1〜6のいずれかに記載の方法。
- 太陽電池において、無機不動態化および反射防止層のエッチングのためのエッチング媒体であって、活性要素として、オルト−リン酸、メタ−リン酸若しくはピロリン酸および/若しくはメタ−5酸化リン酸またはその混合物を含有し、エッチング要素およびドーピング要素の両方として作用する、前記エッチング媒体。
- 熱エネルギーの入力を通じてエッチング用リン酸を放散する、1または2以上のリン酸のアンモニウム塩および/またはリン酸のモノエステル若しくはジエステルを含有する、請求項8に記載のエッチング媒体。
- ペースト状の請求項8または9に記載のエッチング媒体であって、少なくとも1つのエッチングおよびドーピング要素、溶剤、増粘剤および選択的に消泡剤、チキソトロープ剤、フロー制御剤、脱気剤、粘着促進剤などの添加剤を含有する、前記エッチング媒体。
- シリコンのn++ドーピングのための請求項8〜10のいずれかに記載のエッチング媒体の使用。
- 2段エミッタを備えた太陽電池の生産のための請求項8〜10のいずれかに記載のエッチング媒体の使用。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の方法における請求項8〜10のいずれかに記載のエッチング媒体の使用。
- 請求項1〜7のいずれか1または2以上に記載の方法によって生産された太陽電池。
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