JP2010109201A - 太陽電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多くの工程と複雑な装置をなくすことによって、安価に光電変換効率が高い選択エミッタ構造の太陽電池を製造できるようにする。
【解決手段】シリコン基板１の受光面に、電極を形成する部位に応じて、インクジェット法あるいはオフセット印刷によりドーパント濃度の高い拡散剤を塗布し、高濃度膜３を形成する。シリコン基板１の受光面全体にスピンコートによって、先に塗布した拡散剤よりもドーパント濃度の低い拡散剤を塗布して、低濃度膜４を高濃度膜３に重ねて形成する。熱処理を行って、ドーパントを拡散させ、高濃度エミッタ層５および低濃度エミッタ層６を形成するとともに、拡散剤に含まれる金属化合物により、高濃度エミッタ層５の上に低屈折率の反射防止膜７を形成し、低濃度エミッタ層６の上に高屈折率の反射防止膜８を形成する。高濃度エミッタ層５の上に、受光面電極９を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光を電気に変換する、ｐｎ接合を有する太陽電池の製造方法に関する。

従来のｐｎ接合を有する太陽電池セルの製造に関して、例えばシリコン等のｐ型半導体基板に、ｎ型となるドーパントを拡散して、ｎ型拡散層を形成することにより、ｐｎ接合が形成される。この拡散層の上にＴｉＯ_２膜等の反射防止膜が形成される。そして、基板裏面に銀ペーストとアルミペーストを塗布し、さらに受光面に銀ペーストを塗布し、焼成することにより、ＢＳＦ層、裏面アルミ電極、裏面銀電極、受光面銀電極が形成される。

太陽電池セルの変換効率を高めるために、受光面側に凹凸が形成される。基板表面に凹凸を形成する方法として、ＮａＯＨやＫＯＨ等のアルカリやＩＰＡ（イソプロピルアルコール）等を加えた水溶液に基板を浸漬することにより、基板表面に高さ数μｍの微小ピラミッド状の凹凸を形成する方法が知られている。

基板にｐｎ接合を形成する方法としては、ｐ型半導体基板に対して、拡散剤として五酸化リンＰ_２Ｏ_５とＴｉ系化合物とアルコールの混合液からなるＰＴＧ（ＰｈｏｓｐｈｏｒｉｃＴｉｔａｎａｔｅ Ｇｌａｓｓ）液を塗布し、拡散して、ｎ型拡散層（エミッタ層）を形成する方法がある。この方法では、酸化チタンによる反射防止膜を同時に形成することが可能である。ｎ型拡散層のドーパント濃度は、ＰＴＧ液中のＰ_２Ｏ_５の濃度とドーパントの拡散時の処理温度または処理時間で調節することが可能である。また、同時形成される反射防止膜は、ドーパントとなるＰ_２Ｏ_５の濃度が高くなると、屈折率が低下するという性質を持っている。

特に光電変換効率を高めることを目的とした太陽電池セルの構造として、受光面側電極直下のドーパント濃度に対し、それ以外の部分のドーパント濃度を低くした選択エミッタ構造がある。この構造では、金属電極とシリコンの接触抵抗を低減でき、金属電極部分以外ではドーパント濃度が低くなって、太陽電池セルの短波長光側の量子効率をよくすることができる。

前述のような選択エミッタ構造を形成するためには、特許文献１に記載されているように、レジストパターン形成した後、パターンを抜いた部分の酸化シリコン膜を除去して、受光面電極に対応した欠落部分を形成する。その後、ドーパントを拡散することにより、欠落部分に高濃度の拡散層が形成され、他の部分に低濃度の拡散層が形成される。また、特許文献２には、複数のドーパント濃度の拡散剤をインクジェット法による基板に塗り分け、ドーパントを拡散することが記載されている。ただし、複数のドーパントを一度にパターニングするためには、複雑な設備を必要とする。
特開２００４−１９３３５０号公報 特開２００４−２２１１４９号公報

ｐ型シリコン基板にＰＴＧ液の塗布、拡散によって、ｎ型拡散層と反射防止膜を同時に形成する方法では、ＰＴＧ液内のＰ_２Ｏ_５がドーパントとなる。金属電極とシリコン基板の接触抵抗を低下させるためには、高濃度のｎ型拡散層が必要であり、Ｐ_２Ｏ_５の濃度を高くする、または、拡散の温度を高くしなければならない。しかし、前者では、反射防止膜内のＰ_２Ｏ_５濃度の増加による光閉じ込め効果の減少、後者ではシリコン基板のライフタイムの低下や拡散炉内の外方拡散の影響によるリーク電流の影響が増加することがある。そのため、ドーパント濃度の異なる拡散層を有する選択エミッタ構造を形成すればよい。

選択エミッタ構造を形成するための従来の製造方法では、パターン形成やエッチングのための工程が必要となり、工程数が多くなる。また、複数のヘッドを有する専用の装置が必要であり、各ヘッドからの噴射の制御も複雑となる。このように、製造コストの増大につながるため、実際の大量生産には使用されていない。

本発明は、上記に鑑み、選択エミッタ構造の太陽電池の量産に際して、多くの工程と複雑な装置をなくすことによって安価に光電変換効率が高い太陽電池を製造することを目的とする。

本発明は、ｐｎ接合を有する太陽電池の製造方法において、半導体基板の一面に、拡散剤を部分的に塗布した後、前記半導体基板の一面全体に、部分的に塗布した前記拡散剤よりドーパント濃度の低い拡散剤を塗布し、熱処理を行って、ドーパント濃度の異なるエミッタ層を形成し、拡散剤を部分的に塗布した領域上に電極を形成するものである。

半導体基板の一面に、ドーパント濃度の高いエミッタ層（高濃度エミッタ層）が部分的に形成され、他の部分に高濃度エミッタ層よりもドーパント濃度の低いエミッタ層（低濃度エミッタ層）が形成され、選択エミッタ構造の太陽電池となる。

半導体基板の受光面側の電極の形成部位に、半導体基板の一面全体に塗布する拡散剤よりもドーパント濃度の高い拡散剤を塗布する。これにより、拡散剤を部分的に塗布した領域である、受光面電極が形成される部位に、高濃度エミッタ層を形成することにより、受光面電極と半導体基板との接触抵抗が低くなり、曲線因子を大きくすることができる。

金属酸化物を含む拡散剤を用いることにより、ドーパント濃度の異なるエミッタ層上では、それぞれ屈折率の異なる反射防止膜が形成される。ドーパント濃度の低いエミッタ層の上の反射防止膜が、ドーパント濃度の高いエミッタ層上の反射防止膜よりも高い屈折率である。すなわち、高濃度エミッタ層の上に低屈折率の反射防止膜が形成され、低濃度エミッタ層の上に高屈折率の反射防止膜がそれぞれ同時に形成される。低濃度エミッタ層では、高屈折率の反射防止膜が形成されるので、受光面の電極以外の部分での光閉じ込め効果を高めることができる。

インクジェット法あるいはオフセット印刷法により、部分的に拡散剤を塗布する。一方、部分的に塗布した拡散剤よりもドーパント濃度の低い拡散剤は、例えばスピンコートによって一面全体に塗布すればよい。既存の装置を用いて、２回の工程で塗布することができる。

他の選択エミッタ構造の形成方法として、半導体基板の受光面全体に、拡散剤を塗布した後、電極の形成部位をレーザーでパターニングして、拡散剤を部分的に固着し、溶剤により他の部分の拡散剤を除去する。この後、受光面全体に、部分的に固着した前記拡散剤よりもドーパント濃度の低い拡散剤を塗布する。エッチングに比べて、簡単な工程でパターニングすることができる。

なお、拡散剤のドーパント濃度を下げるように変更した場合、熱処理の温度を高くする、あるいは処理時間を長くして、エミッタ層を形成すると、同時に形成される反射防止膜の屈折率を高くすることができる。拡散剤のドーパント濃度を上げるように変更した場合、熱処理の温度を低くする、あるいは処理時間を短くして、エミッタ層を形成すると、受光面電極と半導体基板との接触抵抗を低下させることができる。

本発明によると、多くの工程を要せず、かつ複雑な装置も用いることなく、容易に選択エミッタ構造を形成することができる。そのため、曲線因子が大きく、光閉じ込め効果の優れた、光電変換効率の高い太陽電池を安価に量産することができる。

本発明にかかる選択エミッタ構造を有する太陽電池を図１に示す。ｐ型半導体基板１の受光面に、２種類の異なるドーパント濃度のエミッタ層５，６が形成される。このときのドーパント拡散により、ｐｎ接合が形成される。そして、各エミッタ層５，６の上に、屈折率の異なる反射防止膜７，８が形成される。高濃度エミッタ層５の上には、低屈折率の反射防止膜７および受光面電極９が形成され、低濃度エミッタ層６の上には、高屈折率の反射防止膜８が形成される。半導体基板１の裏面には、ＢＳＦ層１１、ペースト電極１２、裏面電極１０が形成される。

上記の太陽電池における第１の実施例の製造方法を図２にしたがって説明する。ＮａＯＨ水溶液等のアルカリ溶液により、単結晶あるいは多結晶のｐ型シリコン基板１の表面をエッチングして、微小な凹凸を形成する。別のエッチング方法としては、酸を用いてもよい。ＮａＯＨ等のアルカリとイソプロパノール等のアルコールの混合液を用いて、テクスチャエッチングを行い、基板表面に微小ピラミッド状の凹凸を形成する。このような方法で、ｐ型シリコン基板１の表面に光閉じ込め構造を形成する。

（ａ）に示すように、ｐ型シリコン基板１の一面側の受光面電極９が形成される部位２に、（ｂ）に示すように、インクジェット法により、拡散剤を塗布する。拡散剤として、五酸化リンＰ_２Ｏ_５とＴｉ系化合物とアルコールの混合液からなるＰＴＧ液を塗布する。その後、部位２に塗布したＰＴＧ液の乾燥を行って高濃度膜３を形成してから、シリコン基板１の受光面側全体にスピンコートによってＰＴＧ液を塗布する。このＰＴＧ液は、先に部位２に塗布したＰＴＧ液よりＰ_２Ｏ_５を低濃度に含んだＰＴＧ液である。すなわち、先のＰＴＧ液のドーパント濃度は高く、後のＰＴＧ液のドーパント濃度は低い。（ｃ）に示すように、受光面電極９が形成されない部分では、Ｐ_２Ｏ_５の濃度が低い低濃度膜４が形成され、受光面電極９が形成される部分では、Ｐ_２Ｏ_５の濃度が高い高濃度膜３の上にＰ_２Ｏ_５の濃度が低い低濃度膜４が重なっている。

この基板１を石英チューブ炉に入れて、８００℃〜９５０℃の温度で５〜３０分間熱処理を行う。これによって、ドーパントが拡散して、エミッタ層５，６と反射防止膜７，８とが同時に形成される。（ｄ）に示すように、基板１には高濃度エミッタ層５と低濃度エミッタ層６が形成されると同時に、Ｐの濃度が高く屈折率が低くなっているＴｉＯ_２膜からなる高屈折率の反射防止膜８と、Ｐの濃度が低く屈折率が高くなっているＴｉＯ_２膜からなる低屈折率の反射防止膜７とが形成される。高屈折率の反射防止膜８は、低濃度エミッタ層６の上に形成され、低屈折率の反射防止膜７は、高濃度エミッタ層５の上に形成される。

次に、（ｅ）に示すように、基板裏面にアルミペーストと銀ペーストをスクリーン印刷によって塗布、乾燥を行う。また、受光面の高濃度エミッタ層５の上に銀ペーストをスクリーン印刷によって塗布し乾燥を行う。乾燥後、５００℃〜９００℃の温度で焼成することによって、（ｆ）に示すように、高濃度エミッタ層５の上に受光面電極９が形成され、両者が接続される。裏面では、全体にわたってＢＳＦ層１１が形成され、裏面電極１０とアルミニウムのペースト電極１２がそれぞれ形成され、結晶系シリコン太陽電池セルが作成される。

第２の実施例の製造方法を説明する。本実施例では、ドーパント濃度の高いＰＴＧ液をｐ型シリコン基板１の受光面電極９が形成される部位２に塗布するとき、オフセット印刷によって行う。その他の工程は、第１の実施例と同じである。

上記のように、高濃度の拡散剤をインクジェットあるいはオフセット印刷により、所定のパターニングを行い、パターニングした拡散剤より低濃度の拡散剤をスピンコートによって一面全体に塗布する、すなわち２種類のドーパント濃度の異なる拡散剤が一面内に存在することによって、ドーパント濃度の異なるエミッタ層を容易に形成することができる。したがって、エッチングなどの工程が不要となり、工程数が多くなることなく、しかも拡散剤を塗布するために専用の装置を使用することもなく、容易に選択エミッタ構造を形成することができる。

次に、第３の実施例の太陽電池の製造方法を図３にしたがって説明する。本製造方法においても、上記の実施例と同様に、２種類のドーピング濃度の異なる拡散剤を使用する。まず、光閉じ込め構造が形成されたｐ型シリコン基板１を用意し、（ａ）に示すように、受光面全体にスピンコートによってＰＴＧ液を塗布する。受光面全体に形成された高濃度膜３の乾燥を行った後、（ｂ）に示すように、受光面電極９が形成される部位２をレーザーで描画し、部位２の高濃度膜３を固着して、固着膜１３を形成する。その後、（ｃ）に示すように、ＰＴＧ液の一成分であるアルコール溶剤によって固着膜１３以外の高濃度膜３を除去する。このように、シリコン基板１の受光面に所定パターンの高濃度の固着膜１３がパターニングされる。

固着膜１３の乾燥後、（ｄ）に示すように、シリコン基板１の受光面全体にスピンコートによって、部分的に固着した拡散剤よりもドーパント濃度の低いＰＴＧ液を塗布する。Ｐ_２Ｏ_５の濃度が高い固着膜１３の上にＰ_２Ｏ_５の濃度が低い低濃度膜４が重なって形成される。

このシリコン基板１を石英チューブ炉に入れて、８００℃〜９５０℃の温度で５〜３０分間熱処理を行う。エミッタ層５，６の形成と反射防止膜７，８の形成とが同時に行われる。（ｄ）に示すように、基板１には高濃度エミッタ層５と低濃度エミッタ層６とが形成されると同時に、低濃度エミッタ層６の上の高屈折率の反射防止膜８と高濃度エミッタ層５の上の低屈折率の反射防止膜７とが形成される。以降は、（ｅ）（ｆ）に示すように、第１の実施例と同じ工程により、シリコン基板１の受光面および裏面にそれぞれ電極が形成され、太陽電池セルが作成される。

この製造方法によっても、少ない工程でウェハ全体に電極に応じたパターンを形成して、ドーパント濃度の異なるエミッタ層を簡単に形成することができる。したがって、多くの工程を有することなく、かつ複雑な装置を使用することなく、容易に選択エミッタ構造を有する太陽電池を製造することができる。

なお、実施例１〜３における高濃度のＰＴＧ液および低濃度のＰＴＧ液のドーパント濃度を変更した場合、拡散処理の条件を変更することによって、選択エミッタ構造の拡散層のドーパント濃度を調節することが可能である。ＰＴＧ液内のＰ_２Ｏ_５の濃度を５％増加させた場合、拡散温度を４０℃下げることによって、同程度のシート抵抗が得られる。

例えば、反射防止膜の屈折率を高めるために、高濃度のＰＴＧ液および低濃度のＰＴＧ液のドーパント濃度を下げたとき、拡散処理の温度を高くする、または処理時間を長くする。また、受光面電極と半導体基板の接触抵抗を低下させるために、高濃度のＰＴＧ液および低濃度のＰＴＧ液のドーパント濃度を上げたとき、拡散処理の温度を低くする、または処理時間を短くする。このように、ドーパント濃度に応じて、ドーパントの拡散処理の条件を適宜選定することにより、光閉じ込め効果の高い選択エミッタ構造を形成することが可能となる。

以上のように、ＰＴＧ液をドーパント拡散および反射防止膜の形成用に使用する太陽電池において、電極と半導体基板との接触抵抗を下げることにより曲線因子を向上しつつ、反射防止膜内のＰ_２Ｏ_５等のドーパント濃度を下げ、反射防止膜を高屈折率化して、光閉じ込め効果を高めることにより、高効率の太陽電池を作製することが可能となる。従来の方法で作製したセルは光電変換効率が１６．５％であったのに対し、実施例で述べた作製方法で作製したセルの光電変換効率は１７．０％を達成した。また、実施例で述べた製造方法では、多くの工程と複雑な装置をなくすことができるので、安価に光電変換効率が高い太陽電池を量産することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多くの修正および変更を加え得ることは勿論である。上記の製造方法をｐ型の半導体基板の代わりに、ｎ型の半導体基板に適用してもよい。これに応じて、ドーパントにボロンを用いた拡散剤が使用される。また、反射防止膜を形成するために拡散剤に混合される金属酸化物として、酸化チタン以外に、酸化アルミニウム、酸化スズ、窒化シリコンなどでもよい。

本発明にかかる太陽電池の概略断面図 第１、２の実施例の太陽電池の製造工程を示す図 第３の実施例の太陽電池の製造工程を示す図

符号の説明

１ 半導体基板
３ 高濃度膜
４ 低濃度膜
５ 高濃度エミッタ層
６ 低濃度エミッタ層
７ 低屈折率の反射防止膜
８ 高屈折率の反射防止膜
９ 受光面電極
１０ 裏面電極
１１ ＢＳＦ層
１２ ペースト電極

Claims (7)

1. ｐｎ接合を有する太陽電池の製造方法において、半導体基板の一面に、拡散剤を部分的に塗布した後、前記半導体基板の一面全体に、部分的に塗布した前記拡散剤よりドーパント濃度の低い拡散剤を塗布し、熱処理を行って、ドーパント濃度の異なるエミッタ層を形成し、拡散剤を部分的に塗布した領域上に電極を形成することを特徴とする太陽電池の製造方法。
2. 半導体基板の受光面側の電極の形成部位に、前記半導体基板の一面全体に塗布する拡散剤よりもドーパント濃度の高い拡散剤を塗布することを特徴とする請求項１記載の太陽電池の製造方法。
3. 金属酸化物を含む拡散剤を用いることにより、ドーパント濃度の異なるエミッタ層上では、それぞれ屈折率の異なる反射防止膜が形成されることを特徴とする請求項１または２記載の太陽電池の製造方法。
4. ドーパント濃度の低いエミッタ層の上の反射防止膜が、ドーパント濃度の高いエミッタ層上の反射防止膜よりも高い屈折率であることを特徴とする請求項３記載の太陽電池の製造方法。
5. インクジェット法あるいはオフセット印刷法により、部分的に拡散剤を塗布することを特徴とする請求項３または４記載の太陽電池の製造方法。
6. 半導体基板の受光面全体に、拡散剤を塗布した後、電極の形成部位をレーザーでパターニングして、拡散剤を部分的に固着し、溶剤により他の部分の拡散剤を除去した後、受光面全体に、部分的に固着した前記拡散剤よりドーパント濃度の低い拡散剤を塗布することを特徴とする請求項３記載の太陽電池の製造方法。
7. 拡散剤のドーパント濃度を下げるように変更した場合、熱処理の温度を高くする、あるいは処理時間を長くして、エミッタ層を形成することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。

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