JP2010080576A - 光電変換素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】発電効率が低下するのを抑制することが可能な光電変換素子を提供する。
【解決手段】この太陽電池セル（光電変換素子）１は、貫通孔１０ａが形成されたｐ型のシリコン基板１０と、シリコン基板１０の受光面上に設けられた受光面電極２１と、貫通孔１０ａの内部に設けられた貫通孔電極２２と、シリコン基板１０の裏面上に設けられた裏面電極２３とを備える。貫通孔電極２２および裏面電極２３は、受光面電極２１よりもガラスフリットの含有率が小さい。
【選択図】図１
【解決手段】この太陽電池セル（光電変換素子）１は、貫通孔１０ａが形成されたｐ型のシリコン基板１０と、シリコン基板１０の受光面上に設けられた受光面電極２１と、貫通孔１０ａの内部に設けられた貫通孔電極２２と、シリコン基板１０の裏面上に設けられた裏面電極２３とを備える。貫通孔電極２２および裏面電極２３は、受光面電極２１よりもガラスフリットの含有率が小さい。
【選択図】図１
Description
この発明は、光電変換素子およびその製造方法に関し、特に、貫通孔が形成された半導体基板を備えた光電変換素子およびその製造方法に関する。
太陽光エネルギーを直接電気エネルギーに変換する光電変換素子、いわゆる太陽電池は、近年、特に地球環境問題の観点から、次世代のエネルギー源としての期待が急激に高まっている。太陽電池は、化合物半導体または有機材料を用いたものなど、様々な種類があるが、単結晶シリコンを用いたものが、現在、主流となっている。また、単結晶シリコン以外に、多結晶シリコンや非結晶シリコンなどもよく用いられている。
図８は、従来の一例による太陽電池セルの構造を示した断面図である。従来の一例による太陽電池セル１０１は、図８に示すように、ｐ型のシリコン基板１１０と、シリコン基板１１０の受光面上に設けられた絶縁膜１２０および受光面電極１２１と、シリコン基板１１０の裏面上に設けられた裏面電極１２２およびアルミニウム電極１２３とを備えている。
ｐ型のシリコン基板１１０には、ｐ型不純物領域１１１と、シリコン基板１１０の受光面側の部分に設けられたｎ+型不純物領域１１２と、シリコン基板１１０の裏面側の部分の所定領域に設けられたｐ+型不純物領域１１３とが形成されている。そして、ｐ型不純物領域１１１とｎ+型不純物領域１１２とによって、ｐｎ接合が形成されている。
受光面電極１２１は、銀などにより形成されている。また、受光面電極１２１は、インターコネクタ（図示せず）に接続されるバスバー電極と、バスバー電極から延びるフィンガー電極（図示せず）とによって構成されている。
裏面電極１２２は、銀などにより形成されている。また、裏面電極１２２は、インターコネクタ（図示せず）に接続するように形成されている。
しかしながら、太陽電池セル１０１のような構造では、シリコン基板１１０の受光面上に設けられた受光面電極１２１（バスバー電極およびフィンガー電極）によって、太陽からの光が遮られ、シリコン基板１１０に入射する光の量が減少する。このため、太陽電池セル１０１の発電効率が低下するという不都合がある。また、受光面電極１２１の下部においてキャリアの再結合損失が発生するので、太陽電池セル１０１の発電効率がより低下するという不都合がある。したがって、太陽電池セル１０１の発電効率が低下するのを抑制するためには、受光面電極１２１の面積を、できる限り小さくする必要がある。
そこで、受光面電極の面積を小さくするために、ＭＷＴ（Ｍｅｔａｌ Ｗｒａｐ Ｔｈｒｏｕｇｈ）構造を有する太陽電池セルが提案されている。
図９は、ＭＷＴ構造を有する従来の太陽電池セルの構造を示した断面図である。ＭＷＴ構造を有する従来の太陽電池セル２０１は、図９に示すように、貫通孔２１０ａが設けられたｐ型のシリコン基板２１０と、シリコン基板２１０の受光面上に設けられた絶縁膜２２０および受光面電極２２１と、シリコン基板２１０の貫通孔２１０ａに埋め込まれた貫通孔電極２２２と、シリコン基板２１０の裏面上に設けられた裏面電極２２３およびアルミニウム電極２２４とを備えている。
ｐ型のシリコン基板２１０には、ｐ型不純物領域２１１と、シリコン基板２１０の受光面側の部分に設けられたｎ+型不純物領域２１２と、シリコン基板２１０の裏面側の部分の所定領域に設けられたｎ+型不純物領域２１３およびｐ+型不純物領域２１４と、貫通孔２１０ａの内面部分に設けられたｎ+型不純物領域２１５とが形成されている。そして、ｐ型不純物領域２１１とｎ+型不純物領域２１２とによって、ｐｎ接合が形成されている。
ｎ+型不純物領域２１２は、受光面電極２２１に電気的に接続されている。
ｎ+型不純物領域２１３は、シリコン基板２１０の裏面側の貫通孔２１０ａの周囲で、かつ、アルミニウム電極２２４の後述する開口部２２４ａの内側に設けられている。
ｎ+型不純物領域２１５は、ｎ+型不純物領域２１２とｎ+型不純物領域２１３とを接続し、シリコン基板２１０の厚み方向に延びるように形成されている。
絶縁膜２２０は、シリコン基板２１０（ｎ+型不純物領域２１２）の受光面上の受光面電極２２１が形成されていない領域に設けられている。
受光面電極２２１は、貫通孔２１０ａの上側（シリコン基板２１０の受光面側）を覆うように配置されている。また、受光面電極２２１は、ｎ+型不純物領域２１２の所定領域上に配置されており、ｎ+型不純物領域２１２に電気的に接続されている。
貫通孔電極２２２は、受光面電極２２１に電気的に接続されている。
裏面電極２２３は、貫通孔２１０ａの下側（シリコン基板２１０の裏面側）を覆うように配置されており、貫通孔電極２２２に電気的に接続されている。すなわち、受光面電極２２１は、貫通孔電極２２２を介して、裏面電極２２３に電気的に接続されている。また、裏面電極２２３は、インターコネクタ（図示せず）に接続されている。
また、受光面電極２２１は、ガラスフリットを含有している。すなわち、受光面電極２２１は、ガラスフリットを含有する導電性ペーストを焼成（熱処理）することにより形成されている。
具体的には、受光面電極２２１を形成する場合、シリコン基板２１０の受光面上の全面に絶縁膜２２０が形成された状態で、絶縁膜２２０上の所定領域にガラスフリットを含有する導電性ペーストを配置する。そして、導電性ペーストを、焼成することにより絶縁膜２２０を貫通させることによって、受光面電極２２１を、ｎ+型不純物領域２１２に電気的に接続するように形成する。
また、貫通孔電極２２２および裏面電極２２３も、受光面電極２２１と同様、ガラスフリットを含有している。すなわち、貫通孔電極２２２および裏面電極２２３も、ガラスフリットを含有する導電性ペーストを焼成（熱処理）することにより形成されている。
また、アルミニウム電極２２４は、アルミニウムペースト（導電性ペースト）を焼成することにより形成されている。また、アルミニウム電極２２４は、ｐ+型不純物領域２１４の裏面上に配置されており、ｐ+型不純物領域２１４に電気的に接続されている。また、アルミニウム電極２２４は、裏面電極２２３とは逆極性になっている。
また、アルミニウム電極２２４には、貫通孔２１０ａの周囲に位置する領域に、開口部２２４ａが形成されている。この開口部２２４ａ内に位置するシリコン基板２１０の裏面には、裏面電極２２３およびｎ+型不純物領域２１２などとアルミニウム電極２２４とを絶縁するために、分離溝２１０ｂが形成されている。
図９に示したＭＷＴ構造を有する従来の太陽電池セル２０１では、受光面電極２２１を、貫通孔電極２２２を介して裏面電極２２３に電気的に接続することによって、ｐ型不純物領域２１１で生成されｎ+型不純物領域２１２に収電されたキャリアを、受光面電極２２１、貫通孔電極２２２および裏面電極２２３を介して、シリコン基板２１０の裏面側から取り出すことが可能である。これにより、受光面電極２２１の面積を小さくすることが可能である。
このようなＭＷＴ構造を有する太陽電池セルは、例えば、特許文献１に開示されている。
特開２００８−３４６０９号公報
図９に示したＭＷＴ構造を有する従来の太陽電池セル２０１では、上記のように、受光面電極２２１をｎ+型不純物領域２１２に電気的に接続するために、受光面電極２２１は、ガラスフリットを含有する導電性ペーストを用いて形成されている。そして、貫通孔電極２２２および裏面電極２２３も、受光面電極２２１と同様、ガラスフリットを含有する導電性ペーストを用いて形成されている。
しかしながら、貫通孔電極２２２および裏面電極２２３を、ガラスフリットを含有する導電性ペーストを用いて形成する場合、導電性ペーストに含まれるガラスフリットが、ｎ+型不純物領域２１５やｎ+型不純物領域２１３を貫通する場合がある。この場合、貫通孔電極２２２とｐ型不純物領域２１１との間や、裏面電極２２３とｐ型不純物領域２１１との間でリークが発生し、太陽電池セル２０１の曲線因子ＦＦ（Ｆｉｌｌ Ｆａｃｔｏｒ）が低下する。これにより、太陽電池セル２０１の発電効率が低下するという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、発電効率が低下するのを抑制することが可能な光電変換素子およびその製造方法を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による光電変換素子は、第１導電型の第１不純物層を含むとともに、貫通孔が形成された半導体基板と、半導体基板の受光面に設けられ、第１不純物層に接する第２導電型の第２不純物層と、半導体基板の裏面の一部に設けられ、第１不純物層に接する第２導電型の第３不純物層と、半導体基板の貫通孔の内面に設けられるとともに、第１不純物層に接し、かつ、第２不純物層および第３不純物層を接続する第２導電型の第４不純物層と、第２不純物層の第１不純物層とは反対側の面上に設けられ、第２不純物層に電気的に接続された受光面電極と、貫通孔の内部に設けられ、受光面電極に電気的に接続された貫通孔電極と、第３不純物層の第１不純物層とは反対側の面上に設けられ、貫通孔電極に電気的に接続された裏面電極とを備え、貫通孔電極および裏面電極は、受光面電極よりもガラスフリットの含有率が小さい。
この第１の局面による光電変換素子では、上記のように、貫通孔電極および裏面電極を、受光面電極よりもガラスフリットの含有率を小さくすることによって、貫通孔電極および裏面電極を形成するための電極材料のガラスフリットの含有率を小さくすることができる。これにより、貫通孔電極および裏面電極を形成する際に、電極材料のガラスフリットが第３不純物層や第４不純物層を貫通するのを抑制することができるので、貫通孔電極と第１不純物層との間や、裏面電極と第１不純物層との間でリークが発生するのを抑制することができる。その結果、光電変換素子の曲線因子ＦＦが低下するのを抑制することができるので、光電変換素子の発電効率が低下するのを抑制することができる。
上記第１の局面による光電変換素子において、好ましくは、貫通孔電極および裏面電極のガラスフリットの含有率は、１ｗｔ％以下である。このように構成すれば、貫通孔電極および裏面電極を形成する際に、電極材料のガラスフリットが第３不純物層や第４不純物層を貫通するのを、十分に抑制することができるので、貫通孔電極と第１不純物層との間や、裏面電極と第１不純物層との間でリークが発生するのを、十分に抑制することができる。
上記貫通孔電極および裏面電極のガラスフリットの含有率が１ｗｔ％以下である光電変換素子において、貫通孔電極および裏面電極の少なくとも一方が、ガラスフリットを含有していなくてもよい。
上記貫通孔電極および裏面電極の少なくとも一方がガラスフリットを含有していない光電変換素子において、貫通孔電極および裏面電極の両方が、ガラスフリットを含有していなくてもよい。
上記第１の局面による光電変換素子において、好ましくは、第２不純物層、第３不純物層および第４不純物層は、半導体基板に第２導電型の不純物を導入することにより形成されている。このように構成すれば、第２不純物層、第３不純物層および第４不純物層を同時に形成することができるので、製造プロセスを簡略化することができる。
この発明の第２の局面による光電変換素子の製造方法は、第１導電型の第１不純物層を含む半導体基板に、貫通孔を形成する工程と、第１不純物層に接するように、半導体基板の受光面に第２導電型の第２不純物層を設ける工程と、第１不純物層に接するように、半導体基板の裏面に第２導電型の第３不純物層を設ける工程と、第１不純物層に接し、かつ、第２不純物層および第３不純物層を接続するように、半導体基板の貫通孔の内面に第２導電型の第４不純物層を設ける工程と、ガラスフリットを含有する第１電極材料を用いて、第２不純物層に電気的に接続するように、第２不純物層の第１不純物層とは反対側の面上に受光面電極を設ける工程と、第１電極材料よりもガラスフリットの含有率が小さい第２電極材料を用いて、受光面電極に電気的に接続するように、貫通孔の内部に貫通孔電極を設ける工程と、第１電極材料よりもガラスフリットの含有率が小さい第３電極材料を用いて、貫通孔電極に電気的に接続するように、第３不純物層の第１不純物層とは反対側の面上に裏面電極を設ける工程とを備える。
この第２の局面による光電変換素子の製造方法では、上記のように、第１電極材料よりもガラスフリットの含有率が小さい第２電極材料を用いて貫通孔電極を設ける工程と、第１電極材料よりもガラスフリットの含有率が小さい第３電極材料を用いて裏面電極を設ける工程とを設けることによって、第２電極材料および第３電極材料のガラスフリットの含有率を小さくすることができる。これにより、貫通孔電極および裏面電極を形成する際に、第２電極材料および第３電極材料のガラスフリットが第３不純物層や第４不純物層を貫通するのを抑制することができるので、貫通孔電極と第１不純物層との間や、裏面電極と第１不純物層との間でリークが発生するのを抑制することができる。その結果、光電変換素子の曲線因子ＦＦが低下するのを抑制することができるので、光電変換素子の発電効率が低下するのを抑制することができる。
上記第２の局面による光電変換素子の製造方法において、好ましくは、第２電極材料および第３電極材料のガラスフリットの含有率は、１ｗｔ％以下である。このように構成すれば、貫通孔電極および裏面電極を形成する際に、第２電極材料および第３電極材料のガラスフリットが第３不純物層や第４不純物層を貫通するのを、十分に抑制することができるので、貫通孔電極と第１不純物層との間や、裏面電極と第１不純物層との間でリークが発生するのを、十分に抑制することができる。
上記第２電極材料および第３電極材料のガラスフリットの含有率が１ｗｔ％以下である光電変換素子の製造方法において、第２電極材料および第３電極材料の少なくとも一方が、ガラスフリットを含有していなくてもよい。
上記第２電極材料および第３電極材料の少なくとも一方がガラスフリットを含有していない光電変換素子の製造方法において、第２電極材料および第３電極材料の両方が、ガラスフリットを含有していなくてもよい。
上記第２の局面による光電変換素子の製造方法において、好ましくは、第２不純物層、第３不純物層および第４不純物層は、半導体基板に第２導電型の不純物を導入することにより形成される。このように構成すれば、第２不純物層、第３不純物層および第４不純物層を同時に形成することができるので、製造プロセスを簡略化することができる。
上記第２の局面による光電変換素子の製造方法において、好ましくは、受光面電極を設ける工程に先立って、第２不純物層の第１不純物層とは反対側の面上に、絶縁膜を設ける工程をさらに備え、受光面電極を設ける工程は、絶縁膜の第２不純物層とは反対側の面上の所定領域に、第１電極材料を配置する工程と、第１電極材料を、熱処理することにより絶縁膜を貫通させ、第２不純物層に電気的に接続するように受光面電極を設ける工程とを含む。このように構成すれば、ガラスフリットを含有する第１電極材料を用いて、容易に、受光面電極を形成することができる。
以上のように、本発明によれば、発電効率が低下するのを抑制することが可能な光電変換素子およびその製造方法を容易に得ることができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態による太陽電池セルの構造を示した断面図である。まず、図１を参照して、本発明の一実施形態によるＭＷＴ構造を有する太陽電池セル１の構造について説明する。なお、太陽電池セル１は、本発明の「光電変換素子」の一例である。
本発明の一実施形態による太陽電池セル１は、図１に示すように、複数の貫通孔１０ａが設けられたｐ型のシリコン基板１０と、シリコン基板１０の受光面上に設けられた反射防止膜２０および受光面電極２１と、シリコン基板１０の貫通孔１０ａに埋め込まれた貫通孔電極２２と、シリコン基板１０の裏面上に設けられた裏面電極２３およびアルミニウム電極２４と、アルミニウム電極２４の裏面上の所定領域に設けられた銀電極２５とを備えている。なお、シリコン基板１０は、本発明の「半導体基板」の一例であり、反射防止膜２０は、本発明の「絶縁膜」の一例である。また、ｐ型（ｐ+型）は、本発明の「第１導電型」の一例であり、ｎ型（ｎ+型）は、本発明の「第２導電型」の一例である。
シリコン基板１０は、単結晶シリコンにより形成されていることが最も好ましいが、多結晶シリコンや非結晶シリコンにより形成されていてもよい。
また、シリコン基板１０の貫通孔１０ａは、例えば、約５０μｍ〜約５００μｍの内径を有する。また、貫通孔１０ａは、例えば、単位面積（１ｃｍ2）当りに、数個〜数十個形成されている。
また、シリコン基板１０の受光面には、凹凸構造（テクスチャ構造）（図示せず）が形成されている。これにより、太陽からの光がシリコン基板１０の表面（受光面）で反射するのを抑制することが可能である。なお、シリコン基板１０の受光面に、凹凸構造が形成されていなくてもよい。
また、ｐ型のシリコン基板１０には、ｐ型不純物領域１１と、シリコン基板１０の受光面側の部分に設けられたｎ+型不純物領域１２と、シリコン基板１０の裏面側の部分の所定領域に設けられたｎ+型不純物領域１３およびｐ+型不純物領域１４と、貫通孔１０ａの内面部分に設けられたｎ+型不純物領域１５とが形成されている。そして、ｐ型不純物領域１１とｎ+型不純物領域１２とによって、ｐｎ接合が形成されている。なお、ｐ型不純物領域１１は、本発明の「第１不純物層」の一例であり、ｎ+型不純物領域１２は、本発明の「第２不純物層」の一例である。また、ｎ+型不純物領域１３は、本発明の「第３不純物層」の一例であり、ｎ+型不純物領域１５は、本発明の「第４不純物層」の一例である。
ｎ+型不純物領域１２、１３および１５は、ｐ型不純物領域１１に接している。
また、ｎ+型不純物領域１２は、受光面電極２１に電気的に接続されている。
また、ｎ+型不純物領域１３は、シリコン基板１０の裏面側の貫通孔１０ａの周囲で、かつ、アルミニウム電極２４の後述する開口部２４ａの内側に設けられている。また、ｎ+型不純物領域１３は、裏面電極２３とｐ型不純物領域１１とが電気的に接続されるのを抑制する機能を有する。
また、ｎ+型不純物領域１５は、貫通孔１０ａの周囲を覆うように設けられている。また、ｎ+型不純物領域１５は、ｎ+型不純物領域１２とｎ+型不純物領域１３とを接続し、シリコン基板１０の厚み方向に延びるように形成されている。また、ｎ+型不純物領域１５は、貫通孔電極２２とｐ型不純物領域１１とが電気的に接続されるのを抑制する機能を有する。
反射防止膜２０は、例えば窒化シリコン膜からなり、光の表面反射を抑制する機能と、絶縁性とを有する。また、反射防止膜２０は、シリコン基板１０（ｎ+型不純物領域１２）の受光面上の受光面電極２１が形成されていない領域に設けられている。
受光面電極２１は、シリコン基板１０の受光面（ｎ+型不純物領域１２のｐ型不純物領域１１とは反対側の面）上の所定領域に配置されており、ｎ+型不純物領域１２に電気的に接続されている。
受光面電極２１は、貫通孔１０ａの上側（シリコン基板１０の受光面側）を覆うように配置されている。
また、受光面電極２１は、ＰｂＯ、Ｂｉ2Ｏ3、Ｂ2Ｏ3、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3およびＺｎＯなどからなるガラスフリットを、例えば約５ｗｔ％含有している。すなわち、受光面電極２１は、ガラスフリットを含有する導電性ペーストを焼成（熱処理）することにより形成されている。
ここで、本実施形態では、貫通孔電極２２および裏面電極２３は、受光面電極２１よりもガラスフリットの含有率が小さい。すなわち、貫通孔電極２２および裏面電極２３は、受光面電極２１を形成するための導電性ペーストよりも小さいガラスフリットの含有率（例えば約５ｗｔ％未満）を有する導電性ペーストを焼成することによって形成されている。
なお、貫通孔電極２２および裏面電極２３のガラスフリットの含有率は、約１ｗｔ％以下であることが好ましい。また、貫通孔電極２２および裏面電極２３の一方または両方が、ガラスフリットを含有していなくてもよい。
また、貫通孔電極２２は、受光面電極２１に電気的に接続されている。
裏面電極２３は、シリコン基板１０の裏面上（ｎ+型不純物領域１３のｐ型不純物領域１１とは反対側の面上）の所定領域に配置されている。また、裏面電極２３は、貫通孔１０ａの下側（シリコン基板１０の裏面側）を覆うように配置されており、貫通孔電極２２に電気的に接続されている。すなわち、受光面電極２１は、貫通孔電極２２を介して、裏面電極２３に電気的に接続されている。これにより、ｐ型不純物領域１１で生成されｎ+型不純物領域１２に収電されたキャリアを、受光面電極２１、貫通孔電極２２および裏面電極２３を介して、シリコン基板１０の裏面側から取り出すことが可能である。その結果、受光面電極２１の面積を小さくすることが可能である。
また、裏面電極２３は、インターコネクタ（図示せず）を介して、隣接する他の太陽電池セル１の銀電極２５に電気的に接続されている。
アルミニウム電極２４は、アルミニウムペースト（導電性ペースト）を焼成することにより形成されている。また、アルミニウム電極２４は、ｐ+型不純物領域１４の裏面上に配置されており、ｐ+型不純物領域１４に電気的に接続されている。また、アルミニウム電極２４は、裏面電極２３とは逆極性になっている。
また、アルミニウム電極２４には、貫通孔１０ａの周囲に位置する領域に、開口部２４ａが形成されている。この開口部２４ａ内に位置するシリコン基板１０の裏面には、裏面電極２３およびｎ+型不純物領域１２などとアルミニウム電極２４とを絶縁するために、分離溝１０ｂが周状に形成されている。
銀電極２５は、銀ペースト（導電性ペースト）を焼成することにより形成されている。また、銀電極２５は、アルミニウム電極２４と電気的に接続されている。
図２〜図７は、図１に示した本発明の一実施形態による太陽電池セルの製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１〜図７を参照して、本発明の一実施形態によるＭＷＴ構造を有する太陽電池セル１の製造プロセスについて説明する。
まず、図２に示すように、ｐ型のシリコン基板１０の所定の位置に、例えば、約５０μｍ〜約５００μｍの内径を有する貫通孔１０ａを形成する。このとき、貫通孔１０ａを、例えば、単位面積（１ｃｍ2）当りに、数個〜数十個形成する。なお、貫通孔１０ａの形成方法は特に限定されず、例えば、ＹＡＧレーザやＣＯ2レーザを集光して照射することにより、貫通孔１０ａを形成することが可能である。また、貫通孔１０ａを、ドリルを用いて機械的に形成したり、エッチングにより化学的に形成してもよい。
その後、アルカリ性または酸性の溶液を用いて、シリコン基板１０の表面をエッチングすることによって、シリコン基板１０のスライス時のダメージ層（図示せず）と、貫通孔１０ａを形成した際の熱によるダメージ層（図示せず）とを除去する。このとき、エッチング条件を調整すると、シリコン基板１０の表面に凹凸構造（テクスチャ構造）（図示せず）を形成することが可能である。
そして、シリコン基板１０にｎ型の不純物を導入する。具体的には、シリコン基板１０を、例えば、ＰＯＣｌ3（オキシ塩化リン）を含む気体中で、約８００℃〜約９５０℃の温度で約５分〜約３０分間熱処理することにより、シリコン基板１０にｎ型の不純物を導入する。これにより、ｐ型不純物領域１１に接するように、シリコン基板１０の受光面側の部分に、ｎ+型不純物領域１２が形成される。また、ｐ型不純物領域１１に接するように、シリコン基板１０の裏面側の部分に、ｎ+型不純物領域１３が形成される。また、ｐ型不純物領域１１に接し、かつ、ｎ+型不純物領域１２とｎ+型不純物領域１３とを接続するように、ｎ+型不純物領域１５が形成される。このとき、ｐ型不純物領域１１とｎ+型不純物領域１２とによって、ｐｎ接合が形成される。
なお、ｎ+型不純物領域１２、１３および１５の形成方法は、上記方法に限定されない。例えば、Ｐ（リン）などを含む化合物を含有したドーパント液を塗布して熱処理を施す方法や、スプレー方式による拡散方法を用いて、ｎ+型不純物領域１２、１３および１５を形成してもよい。
次に、ｎ+型不純物領域１２、１３および１５を形成した際にシリコン基板１０の受光面、裏面および貫通孔１０ａの内面部分に形成されたガラス層（図示せず）を、酸処理により除去する。そして、図３に示すように、シリコン基板１０の受光面上（ｎ+型不純物領域１２のｐ型不純物領域１１とは反対側の面上）に、例えば、プラズマＣＶＤ法などを用いて、窒化シリコン膜からなる反射防止膜２０を形成する。なお、反射防止膜２０は、光の表面反射を抑制する機能を有するものであれば、材料および形成方法は特に限定されない。
その後、図４に示すように、シリコン基板１０の裏面上の貫通孔１０ａの周囲（開口部２４ａとなる領域）を除く領域に、アルミニウム電極２４を形成する。このとき、シリコン基板１０の裏面のアルミニウム電極２４と接している部分に、ｐ+型不純物領域１４が形成される。
具体的には、シリコン基板１０の裏面上の貫通孔１０ａの周囲を除く領域に、例えば、アルミニウム粉末、ガラスフリット、樹脂および有機溶剤などを含有するアルミニウムペースト２４ｂをスクリーン印刷などにより印刷する。そして、アルミニウムペースト２４ｂを焼成（熱処理）することにより、アルミニウム電極２４が形成される。このとき、アルミニウムが溶融してシリコンと合金化することにより、アルミニウム−シリコン合金層（図示せず）が形成されるとともに、その合金層よりも内側（受光面側）の部分にｐ+型不純物領域１４が形成される。
なお、アルミニウムペースト２４ｂを焼成することにより、アルミニウム電極２４およびｐ+型不純物領域１４を形成する場合、ｐ型の不純物であるアルミニウムを、高濃度で十分な深さまで拡散させることが可能である。このため、ｎ+型不純物領域１３の不純物の影響は無視することができ、ｐ+型不純物領域１４を形成する領域のｎ+型不純物領域１３を、除去しなくてもよい。
その後、図５に示すように、アルミニウム電極２４の裏面上の所定領域に、銀電極２５を形成する。具体的には、アルミニウム電極２４の裏面上の所定領域に、例えば、銀粉末、ガラスフリット、樹脂および有機溶剤などを含有する銀ペースト２５ａをスクリーン印刷などにより印刷する。そして、銀ペースト２５ａを焼成（熱処理）することにより、銀電極２５が形成される。
そして、図６に示すように、貫通孔１０ａの内部に貫通孔電極２２を形成するとともに、シリコン基板１０の裏面上の所定領域に裏面電極２３を形成する。
具体的には、貫通孔１０ａの内部、および、シリコン基板１０の裏面（ｎ+型不純物領域１３のｐ型不純物領域１１とは反対側の面）上の所定領域に、例えば、銀粉末、樹脂および有機溶剤などを含有する銀ペースト（導電性ペースト）２２ａおよび２３ａをスクリーン印刷などにより印刷する。なお、銀ペースト２２ａは、本発明の「第２電極材料」の一例であり、銀ペースト２３ａは、本発明の「第３電極材料」の一例である。
その後、銀ペースト２２ａおよび２３ａを焼成（熱処理）することにより、互いに電気的に接続された貫通孔電極２２および裏面電極２３が形成される。
このとき、本実施形態では、貫通孔電極２２および裏面電極２３の両方が、受光面電極２１を形成するための後述する銀ペースト（導電性ペースト）２１ａよりも小さいガラスフリットの含有率（例えば約５ｗｔ％未満）を有する銀ペースト２２ａおよび２３ａを用いて形成される。なお、銀ペースト２１ａは、本発明の「第１電極材料」の一例である。
また、銀ペースト２２ａおよび２３ａの含有率は、約１ｗｔ％以下であることが好ましい。また、銀ペースト２２ａおよび２３ａの一方または両方が、ガラスフリットを含有していなくてもよい。
そして、図７に示すように、シリコン基板１０（ｎ+型不純物領域１２）の受光面上の所定領域に、例えばファイアスルー法を用いて、受光面電極２１を形成する。具体的には、反射防止膜２０のシリコン基板１０（ｎ+型不純物領域１２）とは反対側の面上の所定領域に、銀粉末、ガラスフリット、樹脂および有機溶剤などを含有する銀ペースト２１ａをスクリーン印刷などにより印刷する。なお、このとき用いる銀ペースト２１ａは、例えば約５ｗｔ％のガラスフリットを含有している。
その後、銀ペースト２１ａを、焼成（熱処理）することにより反射防止膜２０を貫通させることによって、ｎ+型不純物領域１２に電気的に接続するように、シリコン基板１０の受光面（ｎ+型不純物領域１２のｐ型不純物領域１１とは反対側の面）上の所定領域に、受光面電極２１が形成される。このとき、銀ペースト２１ａが反射防止膜２０を貫通し、かつ、ｎ+型不純物領域１２を貫通しないように、焼成条件などを適切に調節する。
また、このとき、受光面電極２１は、貫通孔電極２２にも電気的に接続される。
そして、図１に示すように、シリコン基板１０の裏面の貫通孔１０ａの周囲に位置する領域（シリコン基板１０の裏面の開口部２４ａ内）に、レーザアブレーションによりｎ+型不純物領域１３（シリコン基板１０）の一部を除去することによって、分離溝１０ｂを形成する。さらに、シリコン基板１０の外周部に形成されたｎ+型不純物領域（図示せず）を、レーザアブレーションにより除去する。
なお、ｎ+型不純物領域を除去する方法は、レーザアブレーションに限定されない。例えば、サンドブラストによる除去や、アルカリ性または酸性の溶液を用いたり、プラズマを用いたエッチングによる除去を行うことも可能である。
以上のようにして、本発明の一実施形態による太陽電池セル１が製造される。
なお、上記した太陽電池セル１の製造プロセスの順序は、一例であり、各工程を別の順序で行ってもよい。例えば、反射防止膜２０および受光面電極２１を形成した後に、貫通孔電極２２、裏面電極２３、アルミニウム電極２４および銀電極２５を形成してもよい。また、例えば、分離溝１０ｂを形成した後に、受光面電極２１、貫通孔電極２２、裏面電極２３、アルミニウム電極２４および銀電極２５を形成してもよい。
また、本実施形態では、上記のように、銀ペースト２１ａよりもガラスフリットの含有率が小さい銀ペースト２２ａおよび２３ａをそれぞれ用いて、貫通孔電極２２および裏面電極２３を設けるように構成することによって、貫通孔電極２２および裏面電極２３を形成する際に、銀ペースト２２ａおよび２３ａのガラスフリットがｎ+型不純物領域１３やｎ+型不純物領域１５を貫通するのを抑制することができる。これにより、貫通孔電極２２とｐ型不純物領域１１との間や、裏面電極２３とｐ型不純物領域１１との間でリークが発生するのを抑制することができる。その結果、太陽電池セル１の曲線因子ＦＦが低下するのを抑制することができるので、太陽電池セル１の発電効率が低下するのを抑制することができる。
また、本実施形態では、上記のように、銀ペースト２２ａおよび２３ａのガラスフリットの含有率を、１ｗｔ％以下にすれば、貫通孔電極２２および裏面電極２３を形成する際に、銀ペースト２２ａおよび２３ａのガラスフリットがｎ+型不純物領域１３やｎ+型不純物領域１５を貫通するのを、十分に抑制することができるので、貫通孔電極２２とｐ型不純物領域１１との間や、裏面電極２３とｐ型不純物領域１１との間でリークが発生するのを、十分に抑制することができる。
また、本実施形態では、上記のように、ｎ+型不純物領域１２、１３および１５を、シリコン基板１０にｎ型の不純物を導入することにより形成することによって、ｎ+型不純物領域１２、１３および１５を同時に形成することができるので、製造プロセスを簡略化することができる。
次に、上記した本発明の一実施形態による太陽電池セル１の効果を確認するために行った比較実験について説明する。この比較実験では、上記実施形態に対応する実施例１〜３による太陽電池セルと、比較例１による太陽電池セルとを作製するとともに、それらの作製した太陽電池セルについて絶縁抵抗を評価した。以下、詳細に説明する。
まず、ガラスフリットを含有していない銀ペースト（実施例１）と、約０．５ｗｔ％のガラスフリットの含有率を有する銀ペースト（実施例２）と、約３ｗｔ％のガラスフリットの含有率を有する銀ペースト（実施例３）と、約５ｗｔ％のガラスフリットの含有率を有する銀ペースト（比較例１）とを準備した。
そして、ガラスフリットを含有していない銀ペーストを用いて貫通孔電極２２および裏面電極２３を形成することによって、実施例１による太陽電池セルを作製した。同様に、約０．５ｗｔ％、約３ｗｔ％および約５ｗｔ％のガラスフリットの含有率を有する銀ペーストを用いて、実施例２、実施例３および比較例１による太陽電池セルをそれぞれ作製した。なお、太陽電池セルのその他の製造方法は、上記実施形態と同様にした。
次に、各太陽電池セルについて、裏面電極２３（貫通孔電極２２）と銀電極２５との間の絶縁抵抗を測定した。そして、実施例１による太陽電池セルの絶縁抵抗が１となるように規格化を行った。その結果を、表１に示す。
上記表１に示すように、実施例１〜３による太陽電池セルは、比較例１による太陽電池セルに比べて、絶縁抵抗が大きくなることが判明した。具体的には、実施例１、２および３による太陽電池セルの規格化絶縁抵抗は、それぞれ、１、約１．０３および約０．８であった。その一方、比較例１による太陽電池セルの規格化絶縁抵抗は、約０．６であった。
これは、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、実施例１〜３による太陽電池セルでは、ガラスフリットの含有率が約５ｗｔ％よりも小さい銀ペーストを用いたので、貫通孔電極２２および裏面電極２３を形成する際に、銀ペーストのガラスフリットがｎ+型不純物領域１３やｎ+型不純物領域１５を貫通するのを抑制することができた。これにより、裏面電極２３（貫通孔電極２２）と銀電極２５との間の絶縁抵抗が低下するのを抑制することができたと考えられる。
その一方、比較例１による太陽電池セルでは、ガラスフリットの含有率が約５ｗｔ％の銀ペーストを用いたので、貫通孔電極および裏面電極を形成する際に、銀ペーストのガラスフリットがｎ+型不純物領域１３やｎ+型不純物領域１５を貫通した。これにより、裏面電極（貫通孔電極）と銀電極２５との間の絶縁抵抗が低下したと考えられる。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
例えば、上記実施形態では、本発明の光電変換素子を、太陽電池セルに適用した例について示したが、本発明はこれに限らず、太陽電池セル以外の光電変換素子に適用してもよい。
また、上記実施形態では、第１導電型をｐ型（ｐ+型）とし、第２導電型をｎ型（ｎ+型）とした例について示したが、本発明はこれに限らず、第１導電型をｎ型（ｎ+型）とし、第２導電型をｐ型（ｐ+型）としてもよい。
また、上記実施形態では、ｎ+型不純物領域を、半導体基板に不純物を導入することにより形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、ｎ+型不純物領域を、例えばＣＶＤ法などを用いて、半導体基板に不純物層を積層することにより形成してもよい。
また、上記実施形態では、電極を、銀やアルミニウムなどを含有するように構成した例について示したが、本発明はこれに限らず、電極を、銀やアルミニウム以外の金属を含有するように構成してもよい。
１ 太陽電池セル（光電変換素子）
１０ シリコン基板（半導体基板）
１０ａ 貫通孔
１１ ｐ型不純物領域（第１不純物層）
１２ ｎ+型不純物領域（第２不純物層）
１３ ｎ+型不純物領域（第３不純物層）
１５ ｎ+型不純物領域（第４不純物層）
２０ 反射防止膜（絶縁膜）
２１ 受光面電極
２１ａ 銀ペースト（第１電極材料）
２２ 貫通孔電極
２２ａ 銀ペースト（第２電極材料）
２３ 裏面電極
２３ａ 銀ペースト（第３電極材料）
１０ シリコン基板（半導体基板）
１０ａ 貫通孔
１１ ｐ型不純物領域（第１不純物層）
１２ ｎ+型不純物領域（第２不純物層）
１３ ｎ+型不純物領域（第３不純物層）
１５ ｎ+型不純物領域（第４不純物層）
２０ 反射防止膜（絶縁膜）
２１ 受光面電極
２１ａ 銀ペースト（第１電極材料）
２２ 貫通孔電極
２２ａ 銀ペースト（第２電極材料）
２３ 裏面電極
２３ａ 銀ペースト（第３電極材料）
Claims (11)
- 第１導電型の第１不純物層を含むとともに、貫通孔が形成された半導体基板と、
前記半導体基板の受光面に設けられ、前記第１不純物層に接する第２導電型の第２不純物層と、
前記半導体基板の裏面の一部に設けられ、前記第１不純物層に接する第２導電型の第３不純物層と、
前記半導体基板の貫通孔の内面に設けられるとともに、前記第１不純物層に接し、かつ、前記第２不純物層および前記第３不純物層を接続する第２導電型の第４不純物層と、
前記第２不純物層の前記第１不純物層とは反対側の面上に設けられ、前記第２不純物層に電気的に接続された受光面電極と、
前記貫通孔の内部に設けられ、前記受光面電極に電気的に接続された貫通孔電極と、
前記第３不純物層の前記第１不純物層とは反対側の面上に設けられ、前記貫通孔電極に電気的に接続された裏面電極とを備え、
前記貫通孔電極および前記裏面電極は、前記受光面電極よりもガラスフリットの含有率が小さいことを特徴とする光電変換素子。 - 前記貫通孔電極および前記裏面電極のガラスフリットの含有率は、１ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
- 前記貫通孔電極および前記裏面電極の少なくとも一方は、ガラスフリットを含有していないことを特徴とする請求項２に記載の光電変換素子。
- 前記貫通孔電極および前記裏面電極の両方が、ガラスフリットを含有していないことを特徴とする請求項３に記載の光電変換素子。
- 前記第２不純物層、前記第３不純物層および前記第４不純物層は、前記半導体基板に第２導電型の不純物を導入することにより形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光電変換素子。
- 第１導電型の第１不純物層を含む半導体基板に、貫通孔を形成する工程と、
前記第１不純物層に接するように、前記半導体基板の受光面に第２導電型の第２不純物層を設ける工程と、
前記第１不純物層に接するように、前記半導体基板の裏面に第２導電型の第３不純物層を設ける工程と、
前記第１不純物層に接し、かつ、前記第２不純物層および前記第３不純物層を接続するように、前記半導体基板の貫通孔の内面に第２導電型の第４不純物層を設ける工程と、
ガラスフリットを含有する第１電極材料を用いて、前記第２不純物層に電気的に接続するように、前記第２不純物層の前記第１不純物層とは反対側の面上に受光面電極を設ける工程と、
前記第１電極材料よりもガラスフリットの含有率が小さい第２電極材料を用いて、前記受光面電極に電気的に接続するように、前記貫通孔の内部に貫通孔電極を設ける工程と、
前記第１電極材料よりもガラスフリットの含有率が小さい第３電極材料を用いて、前記貫通孔電極に電気的に接続するように、前記第３不純物層の前記第１不純物層とは反対側の面上に裏面電極を設ける工程とを備えることを特徴とする光電変換素子の製造方法。 - 前記第２電極材料および前記第３電極材料のガラスフリットの含有率は、１ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項６に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記第２電極材料および前記第３電極材料の少なくとも一方は、ガラスフリットを含有していないことを特徴とする請求項７に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記第２電極材料および前記第３電極材料の両方が、ガラスフリットを含有していないことを特徴とする請求項８に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記第２不純物層、前記第３不純物層および前記第４不純物層は、前記半導体基板に第２導電型の不純物を導入することにより形成されることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記受光面電極を設ける工程に先立って、前記第２不純物層の前記第１不純物層とは反対側の面上に、絶縁膜を設ける工程をさらに備え、
前記受光面電極を設ける工程は、
前記絶縁膜の前記第２不純物層とは反対側の面上の所定領域に、前記第１電極材料を配置する工程と、
前記第１電極材料を、熱処理することにより前記絶縁膜を貫通させ、前記第２不純物層に電気的に接続するように前記受光面電極を設ける工程とを含むことを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載の光電変換素子の製造方法。
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