JP2010123759A - 太陽電池用基板の粗面化方法および太陽電池セルの製造方法 - Google Patents

太陽電池用基板の粗面化方法および太陽電池セルの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】にじみの少ない高精細なパターンの電極を有して光電変換特性に優れる太陽電池セルの製造を可能とする太陽電池用基板の粗面化方法および太陽電池セルの製造方法を得る。
【解決手段】第1導電型の半導体基板の一面側に、レーザー照射による加工が可能な第1マスク膜を形成する工程と、レーザー耐性を有する第2マスクを前記第1マスク膜上における電極形成領域に選択的に形成する工程と、前記半導体基板の一面側にレーザー照射を行い、前記半導体基板に達する開口部を前記第1マスク膜に形成して第1マスクを形成する工程と、前記第2マスクを除去する工程と、前記第1マスクをエッチングマスクとして前記半導体基板の一面側に対してウェットエッチングによる等方性エッチングを行って、前記半導体基板の一面側における前記開口部に対応した位置に凹部を形成する工程と、前記第1マスクを除去する工程と、を含む。
【選択図】 図1−1

Description

本発明は、太陽電池用基板の粗面化方法および太陽電池セルの製造方法に関するものである。
従来の太陽電池セルは、例えばp型多結晶シリコン基板の表面側の表面全体にn型の拡散層が形成され、該n型の拡散層の受光面側にテクスチャーと呼ばれる微小な凹凸と表面電極とが設けられている。この微細な凹凸は、外部から太陽電池セルに入射した光の反射を抑えて閉じ込め、光を電気に変換する光電変換効率を向上させるために形成されたものである。微小な凹凸上には、反射防止膜として例えばシリコン窒化膜が形成されている。また、多結晶シリコン基板の裏面側には、裏面電極が設けられている。
このような太陽電池セルは、以下のようにして作製されている。まず、アルカリ溶液とアルコールとの混合液を用いたウェットエッチングプロセス、または反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)法を用いたドライエッチングプロセスを用いて、p型多結晶シリコン基板の表面に微小な凹凸を形成する。
次に、例えばオキシ塩化リン(POCl)ガス中において、気相拡散法によりp型多結晶シリコン基板にリン酸等を拡散させてn型不純物拡散層を形成する。そして、p型多結晶シリコン基板をフッ化水素溶液に浸して表面のガラスを主成分とする膜を除去し、さらに端面と裏面側のn型不純物拡散層を除去する。その後、p型多結晶シリコン基板のn型不純物拡散層を形成した受光面側に反射防止膜として窒化シリコン膜をプラズマCVD(化学的気層成長)法により形成する。
次に、p型シリコン基板の受光面と反対側の面に、アルミニウムペーストを裏面電極の形状に印刷法で塗布し、また、p型シリコン基板の受光面に、銀ペーストを受光面電極の形状に印刷法で塗布することで、電極ペースを配置する。そして、このペーストを例えば150℃で乾燥した後に例えば700℃〜800℃で焼成して表面電極および裏面電極を形成することで太陽電池セルが完成する。
また、上述した微細な凹凸の形成としては、ウェットエッチングプロセスやドライエッチングプロセスを使用する方法の他にも数多くの方法が提案されており、例えばシリコン基板の表面にレーザー光を照射することでU字状やV字状等の溝を形成し、化学エッチングにより溝を選択的にエッチングすることでシリコン基板の表面に凹凸を形成する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2003−258285号公報
しかしながら、上記従来の技術によれば、シリコン基板の表面をレーザー光で加工してU字状やV字状等の溝を形成した後にウェットエッチングで凹凸形成する。このため、単結晶シリコン基板を用いる場合には表面の状態を均一に、一様に加工できる可能性はあるが、多結シリコン晶基板を用いる場合には結晶粒界に起因してレーザー加工精度にばらつきが発生する。形成された溝にばらつきが生じた場合には、ウェットエッチング工程後の凹凸形成においてもそのばらつきが広がる。そして、電極ペーストの印刷面に大きな凹凸が形成されている場合には、その後の印刷による電極形成時において、印刷面の不均一性に起因して印刷面に印刷された電極ペーストがにじみ、形成される電極の線幅が広がる、という問題があった。この電極の線幅の広がりは、受光面積を減少させ、光電変換特性の低下の原因となる。これについては一般的なウェットエッチング法やドライエッチング法でも同様な問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、にじみの少ない高精細なパターンの電極を有して光電変換特性に優れる太陽電池セルの製造を可能とする太陽電池用基板の粗面化方法および太陽電池セルの製造方法を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる太陽電池用基板の粗面化方法は、第1導電型の半導体基板の一面側に、レーザー照射による加工が可能な第1マスク膜を形成する第1マスク膜形成工程と、レーザー耐性を有する第2マスクを前記第1マスク膜上における電極形成領域に選択的に形成する第2マスク形成工程と、前記半導体基板の一面側にレーザー照射を行い、前記半導体基板に達する開口部を前記第1マスク膜に形成して第1マスクを形成する第1マスク形成工程と、前記第2マスクを除去する第2マスク除去工程と、前記第1マスクをエッチングマスクとして前記半導体基板の一面側に対してウェットエッチングによる等方性エッチングを行って、前記半導体基板の一面側における前記開口部に対応した位置に凹部を形成する凹部形成工程と、前記第1マスクを除去する第1マスク除去工程と、を含む。
この発明によれば、表銀電極の電極形成領域には微小凹部を形成せずに良好な平坦性を保持し、受光面のみに選択的に微小凹部を形成して太陽電池用基板を粗面化することができる、という効果を奏する。また、このようにして粗面化した太陽電池用基板に対して電極ペーストにより電極を形成することにより、高精細なパターンを有する電極を形成することができ、光電変換特性に優れる太陽電池セルが得られる、という効果を奏する。
以下に、本発明にかかる太陽電池用基板の粗面化方法および太陽電池セルの製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。
実施の形態1.
図1−1〜図1−3は、本実施の形態にかかる太陽電池セルの製造方法により作製した太陽電池セル1の概略構成を示す図であり、図1−1は、太陽電池セル1の要部断面図、図1−2は、受光面側から見た太陽電池セル1の上面図、図1−3は、受光面と反対側から見た太陽電池セル1の下面図である。図1−1は、図1−3の線分A−Aにおける要部断面図である。
太陽電池セル1は、図1−1〜図1−3に示されるように、第1導電型の半導体基板としてのp型シリコン基板11および該p型シリコン基板11の表面の導電型が反転した(第2導電型)n型不純物拡散層12と、高濃度不純物を含んだp+層(BSF(Back Surface Field)ともいう)13と、からなる光電変換機能を有する半導体層部10と、n型不純物拡散層12上に設けられて受光面での入射光の反射を防止するシリコン窒化膜からなる反射防止膜14と、半導体層部10で発電された電気を集電するために受光面に局所的に設けられる長尺細長形状を有する表銀グリッド電極15と、表銀グリッド電極15で集電された電気を取り出すために表銀グリッド電極15にほぼ直交して設けられる表銀バス電極16と、半導体層部10で発電された電気の取り出しと入射光の反射を目的として半導体層部10の裏面(n型不純物拡散層12が設けられた受光面と反対側の面)のほぼ全面に設けられた裏アルミニウム電極17と、裏アルミニウム電極17に生じた電気を集電する裏銀電極18と、を備える。なお、表銀グリッド電極15と表銀バス電極16をまとめて表銀電極(上部電極)という。また、裏アルミニウム電極17と裏銀電極18とにより裏面電極が構成される。
半導体基板としてはp型の単結晶もしくは多結晶のシリコン基板を用いることができる。なお、基板はこれに限定されるものではなく、n型のシリコン基板を用いてもよい。また、反射防止膜14には、シリコン窒化膜の他にシリコン酸化膜などを用いてもよい。
また、太陽電池セル1の半導体基板の受光面側の表面には、テクスチャー構造として微小凹凸形状が形成されている。すなわち、n型不純物拡散層12の受光面側の表面には、テクスチャー構造として直径5μmの略半球面状の微小凹部19が等ピッチで多数形成されており、これによりn型不純物拡散層12の表面にテクスチャー構造が形成されている。この微小凹凸形状は、受光面において外部からの光を吸収する面積を増加し、受光面における反射率を抑え、光を閉じ込める構造となっている。
このような微小凹部19は、n型不純物拡散層12の受光面側の表面において、表銀電極(表銀グリッド電極15と表銀バス電極16)の下部領域以外の領域に形成されている。すなわち、表銀電極(表銀グリッド電極15と表銀バス電極16)の下部領域においては微小凹部19は形成されておらず、n型不純物拡散層12の受光面側の表面における表銀電極(表銀グリッド電極15と表銀バス電極16)の下部領域は、略平坦な面とされている。
このように構成された太陽電池セル1では、太陽光が太陽電池セル1の受光面側から半導体層部10のpn接合面(p型シリコン基板11とn型不純物拡散層12との接合面)に照射されると、ホールと電子が生成する。pn接合部の電界によって、生成した電子はn型不純物拡散層12に向かって移動し、ホールはp+層13に向かって移動する。これにより、n型不純物拡散層12に電子が過剰となり、p+層13にホールが過剰となる結果、光起電力が発生する。この光起電力はpn接合を順方向にバイアスする向きに生じ、n型不純物拡散層12に接続した表銀バス電極16がマイナス極となり、p+層13に接続した裏銀電極18がプラス極となって、図示しない外部回路に電流が流れる。
上述した実施の形態1にかかる太陽電池セル1は、表銀電極(表銀グリッド電極15と表銀バス電極16)の下部領域においては微小凹部19は形成されておらず、n型不純物拡散層12の受光面側の表面における表銀電極(表銀グリッド電極15と表銀バス電極16)の下部領域は、略平坦な面とされている。これにより、表銀電極の形成時における電極ペーストのにじみが抑制されており、高精細なパターン形状を有する表銀電極が形成されている。特に表銀グリッド電極15は受光面積を極力広く確保するために長尺細長形状に形成されているが、電極ペーストのにじみが抑制されることで表銀グリッド電極15も高精細なパターン形状で形成されており、広い受光面積が確保されている。したがって、実施の形態1にかかる太陽電池セル1によれば、広い受光面積が確保され、光電変換特性に優れた太陽電池セルが実現されている。
つぎに、上記の本実施の形態にかかる太陽電池セル1の製造方法について図2−1〜図2−9を参照して説明する。図2−1〜図2−9は、実施の形態1にかかる太陽電池セル1の製造方法を説明するための断面図である。
まず、半導体基板としてp型シリコン基板11を用意し、該p型シリコン基板11をフッ化水素や純水で洗浄する。そして、洗浄したp型シリコン基板11の受光面側の表面に第1マスク膜21aを形成する(図2−1)。第1マスク膜21aは、後のウェットエッチングにおいてマスクとして使用する第1マスク21を形成するための膜であり、レーザー照射による加工が可能な材料膜が用いられる。このような第1マスク膜21aとして、例えばシランとアンモニアとの混合ガスを用いたプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法などの成膜法によってシリコン窒化膜を60nm〜100nmの膜厚で形成する。
次に、レーザー耐性を有する第2マスク22を第1マスク膜21a上における電極形成領域に選択的に形成する(図2−2)。この電極形成領域は、表銀電極の形成領域、すなわち表銀グリッド電極15と表銀バス電極16の形成領域である。第2マスク22は、表銀電極と同じパターン形状で形成する。第2マスク22の形成は、ディスペンサー塗布やスプレー塗布、スクリーン印刷法などの方法で形成することができる。その中でも、容易に短時間で大面積の処理が可能であるスクリーン印刷法が好ましい。
この第2マスク22は、後に形成する表銀電極の寸法に近い微細寸法で形成することが必要であり、レーザー加工に対する耐性も必要である。また、後の除去工程を考えると、マスク除去が容易であることが好ましい。以上のような条件を満たす第2マスク22の材料としては、例えば樹脂材料を用いることができ、その中でも後の除去を容易にするために低温で加熱分解する樹脂を用いることが好ましい。このような樹脂材料としては、例えばポリビニルアルコール(PVA)、ポリアセタール(PAC)、ポリスチレン(PS)、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、エチルセルロース、メチルセルロースなどの熱分解後に残渣の残らない樹脂を用いることが好ましい。そして、第2マスク22を形成する際には、このような樹脂を水または有機溶剤に溶解した樹脂ペーストとして用いる。
第2マスク22は、表銀電極と同じパターン形状で形成するが、第2マスク22の幅寸法(短手方向寸法)は、実際の表銀電極の設計電極幅寸法(短手方向幅)より幅広く形成する。これは第2マスク22の形成時および表銀電極の形成時の機械精度とセルサイズ精度(半導体基板の寸法精度)を含む位置あわせマージンを確保するためである。
例えば第2マスク22の幅寸法が300μm程度のマスク幅であれば、前述の樹脂ペーストでも第2マスク22としての機能は十分である。一方、幅寸法の設計値が100μm前後の第2マスク22を形成する場合には、前述の樹脂ペーストだけではペーストの粘度が不十分であり、ペーストの粘度を高くしてもペーストのチクソ性が低く、印刷後の第2マスク22の線幅が広がる。第2マスク22の印刷マスク幅を細く設計した場合には、前述の樹脂ペーストだけでは、第2マスク22の直線性が低く、波打った線になり、第2マスク22の厚みも薄くなる。このような場合は、十分なレーザー耐性を有するマスクの形成は不可能である。
そこで、この樹脂ペーストに例えば2μm〜10μm程度の粒径を有する粒子(フィラー)を混入して樹脂ペーストのチクソ性を高めることで、高精細な第2マスク22の形成とレーザー耐性とを両立することができる。これにより、幅100μm以下の高精細な印刷が可能なる。樹脂ペーストの混入する粒子の材料には、金属、セラミックやガラスなど無機材料、樹脂材料などを用いることができる。その中でも、後の第2マスク22の除去を容易にするためには、樹脂材料の微粒子を用いることが好ましい。樹脂ペーストに混合するフィラーとして樹脂材料の微粒子を用いることにより、加熱除去後の残渣をなくすることができ、洗浄工程が不要となる。
p型シリコン基板11(第1マスク膜21a)上への第2マスク22の形成は、後の電極形成工程において再度同じ位置に表銀電極を形成するため、予め設定された所定の位置への印刷が必要である。そこで、樹脂ペーストを印刷するためのスクリーン印刷装置における印刷ステージ(基板保持テーブル)上のp型シリコン基板11のエッジ2辺の3ヶ所に対して固定カメラによって位置合わせを行い、同じくスクリーン印刷装置の既定の位置にセットされるように調整した印刷マスクで樹脂ペーストを印刷する。これにより、予め設定された絶対位置への第2マスク22の印刷が可能である。
この位置合わせは、カメラ解像度や印刷ステージ(基板保持テーブル)の位置精度にもよるが、高精度の画像認識装置を使用することで例えば5μm以下の精度内の位置合わせが可能である。印刷マスクのパターンの幅寸法は、後の電極形成工程において銀を含むペーストの印刷ができるマージンを含めて、電極設計値の1.5倍〜2倍程度の幅寸法とする。これにより、位置精度に対する基板サイズや装置による誤差を吸収することができ、表銀電極の電極パターンとのずれをなくすることができる。
そして、このように所定の位置に樹脂ペーストが印刷されたp型シリコン基板11を乾燥炉内で例えば150℃で10分間程度乾燥する。これにより、p型シリコン基板11の第1マスク膜21aの電極形成領域に、表銀電極と同じパターン形状の第2マスク22が形成される。
次に、第2マスク22を形成したp型シリコン基板11を、レーザー装置にセットし、例えばYAGレーザーを用いて直径2μmのレーザー光を、p型シリコン基板11上に形成した第1マスク膜21aであるシリコン窒化膜に例えば10μmピッチで全面に照射する(図2−3)。レーザー光の照射は、ホログラフィク光学素子(HOE:Holographic Optical Element)を用いてパターン照射することで照射時間の短縮化を図ることができる。例えば、YAGレーザー(波長532nm)を用いて、10μmピッチ、直径2μmにHOEでパターン化したレーザー光を照射する。これにより、第1マスク膜21aに2μm径の開口部23が形成される。これにより、第1マスク21が形成される。
また、第2マスク22はレーザー耐性を有するため、第2マスク22が保護マクスとして機能する。これにより、第1マスク膜21aにおける第2マスク22の形成された領域の第1マスク膜21aにはレーザー光が照射されないため、開口部23は形成されない。すなわち、第1マスク膜21aにおける電極形成領域には開口部23は形成されない。したがって、第1マスク膜21aにおける電極形成領域は、略平坦な面が保持される。これにより、第1マスク21が形成される。
なお、第2マスク22を使用せずに第1マスク膜21aにおける電極形成領域に開口部23を形成しないようにレーザー光を高速スピードでON−OFFを行って第1マスク21をパターン化する方法もあるが、この場合はレーザー光を照射するために複雑な制御が必要となり、レーザー加工処理時間の増大、レーザー装置の構造の複雑化、レーザー装置のコストの増大などの問題が生じる。
レーザー光の照射による開口部23の形成後、第2マスク22を除去する(図2−4)。第2マスク22を形成する樹脂ペーストに混入した粒子が無機材料フィラーである場合は、有機溶剤または純水による超音波装置で第2マスク22の除去を行うことができる。ただし、この場合は、溶剤除去工程、洗浄工程および乾燥工程が必要であり、工程時間が長くなる。
一方、樹脂微粒子を混入した樹脂ペーストにより形成した第2マスク22の場合は、加熱による樹脂熱分解除去を短時間で行うことが可能である。この場合の熱処理温度は、例えば450℃、1分間であり、ベルト搬送やビーム搬送、ベルト搬送の赤外線加熱炉などを用いて、短時間で除去することができる。また、この場合は、洗浄工程が不要である。したがって、第2マスク22の除去の観点からは、第2マスク22に用いる樹脂および樹脂フィラーは低温熱分解して残渣のないものが好ましい。
次に、p型シリコン基板11の受光面側に対して、第1マスク21をエッチングマスクとして、フッ酸と硝酸との混酸液を用いたウェットエッチングによる等方性エッチングを行う。これにより、第1マスク21における開口部23に対応した位置に略半球面状の微小凹部19が等ピッチで多数形成され、p型シリコン基板11の表面に微小凹凸形状が形成される(図2−5)。このようなテクスチャー構造をp型シリコン基板11の受光面側に形成することで、太陽電池セル1の表面で光の多重反射を生じさせて、実効的に反射率を低減し、変換効率を向上させることができる。
ここで、p型シリコン基板11の受光面側の表面において、電極形成領域以外の領域には微小凹部19が等ピッチで多数形成され、p型シリコン基板11の表面に微小凹凸形状が形成される。一方、p型シリコン基板11の受光面側の表面における電極形成領域では、第1マスク21に開口部23が形成されていないため、微小凹部19は形成されない。その後、第1マスク21であるシリコン窒化膜をフッ酸で除去する(図2−6)。
次に、p型シリコン基板11をオキシ塩化リン(POCl)ガス中で気相拡散法により高温でリンを熱拡散させて、p型シリコン基板11の表面層に、リンが拡散されたn型不純物拡散層12を形成して半導体pn接合を形成する(図2−7)。これにより、n型不純物拡散層12の受光面側の表面が、微小凹凸形状が形成されたテクスチャー構造とされる。このときに拡散させるリンの濃度は、オキシ塩化リン(POCl)ガスの濃度および温度雰囲気、加熱時間により制御することが可能である。なお、p型シリコン基板11の端面と裏面側に形成された不純物拡散層は除去する。
リンの拡散後、p型シリコン基板11の受光面側の一面に、すなわちn型不純物拡散層12上に反射防止膜14を形成する(図2−8)。反射防止膜14の形成は、例えばプラズマCVD法により、シランとアンモニアとの混合ガスを用いて窒化シリコン膜を一様な厚みで形成する。この反射防止膜14は、p型シリコン基板11の表面のパッシベーション膜としての機能を兼ねている。
次に、p型シリコン基板11の裏面に、裏面電極である裏アルミニウム電極17および裏銀電極18を形成する。裏面電極のうち裏アルミニウム電極17は、p型シリコン基板11の裏面のほぼ全体に形成する。裏面電極の形成方法としては、印刷法、インクジェット法、スパッタリング法、蒸着法などの手法を用いることができるが、電極形成の容易さと工程時間との観点からは印刷法が好ましい。
印刷法により裏面電極を形成する場合は、まずp型シリコン基板11の裏面に銀(Ag)ペーストを裏銀電極18の形状にスクリーン印刷し、例えば150℃程度の温度で乾燥させて裏銀電極18を形成する(焼成前)。次に、p型シリコン基板11の裏面において銀(Ag)ペーストを印刷していない領域にアルミニウム(Al)ペーストを裏アルミニウム電極17の形状にスクリーン印刷し、例えば150℃程度の温度で乾燥させて裏アルミニウム電極17を形成する(焼成前)。
次に、表銀電極である表銀グリッド電極15および表銀バス電極16を形成する。表銀電極の形成方法としては、印刷法、インクジェット法、スパッタリング法、蒸着法などの手法を用いることができるが、電極形成の容易さと工程時間との観点からは印刷法が好ましい。
印刷法により表銀電極を形成する場合は、まず反射防止膜14上の電極形成領域、すなわちn型不純物拡散層12の受光面側の表面に微小凹部19が形成されていない領域に銀(Ag)ペーストを表銀グリッド電極15と表銀バス電極16との形状にスクリーン印刷し、例えば150℃程度の温度で乾燥させて表銀グリッド電極15および表銀バス電極16を形成する(焼成前)。
銀(Ag)ペーストの印刷位置は、スクリーン印刷装置における印刷ステージ(基板保持テーブル)上に第2マスク22の印刷のときと同じ方向にp型シリコン基板11を配置し、p型シリコン基板11のエッジ2辺の3ヶ所に対して固定カメラによって位置合わせすることで、p型シリコン基板11の絶対位置を合わせることが可能である。これにより、予め設定された絶対位置(電極形成領域)への銀(Ag)ペーストの印刷が可能である。
微小凹部19の形成のエッチングなどでp型シリコン基板11のサイズが変わると電極形成領域のズレを生じるので、基板縮小量を予めオフセットしておくとよい。また、微小凹部19と電極形成領域とでは表面凹凸による反射光が変わるため、この反射光の差を画像認識装置により形状で認識して自動で位置合わせすることも可能である。
その後、赤外線焼成炉で例えば700℃〜800℃で電極ペーストを焼成する。これにより、表銀電極である表銀グリッド電極15および表銀バス電極16、裏面電極である裏アルミニウム電極17および裏銀電極18が形成されるとともに、p型シリコン基板11の裏面側における裏アルミニウム電極17に接する領域周辺に、裏アルミニウム電極17からアルミニウムが高濃度に拡散したp+層13が形成される。また、表銀電極中の銀が反射防止膜14を貫通して、n型不純物拡散層12と表銀電極とが電気的に接続する(図2−9)。
以上により、図1−1〜図1−3に示す実施の形態1にかかる太陽電池セルが作製される。なお、電極材料であるペーストの塗布の順番を、受光面側と裏面側とで入れ替えてもよい。
実施例
以上のような実施の形態1にかかる太陽電池セルの製造方法により、150mm×150mm、厚さ0.2mmのp型多結晶シリコン基板を用いて太陽電池セルを作製し、特性を評価した。
第1マスクは、シリコン窒化膜をプラズマCVD法により50nmの膜厚で形成した。第2マスクは、ポリビニルアルコール(PVA)15%の水系バインダーに平均粒径5μmのPMMA(アクリル樹脂)粒子を10%混合した樹脂ペーストをスクリーン印刷法で塗布した。樹脂ペーストの印刷に用いた印刷マスクのパターンは、147mm角の範囲において、表銀グリッド電極の電極形成領域においては幅寸法120μmのパターンを70本、表銀バス電極の電極形成領域においては幅寸法2.5mmのパターンを2本形成した。樹脂ペーストの塗布後、p型多結晶シリコン基板を180℃で10分間乾燥した。
レーザー処理は、YAGレーザー(波長532nm)を用いて、10μmピッチ、直径2μmにHOEでパターン化したレーザー光を操作しながら30秒で照射完了した。第2マスクの除去は、ランプアニール炉で450℃、3分間加熱することにより行った。微小凹部の形成は、フッ酸と硝酸との混酸液を用いたウェットエッチングを3分間行い、p型多結晶シリコン基板の表面における電極形成領域以外の領域全面に直径10μm、深さ8μmの略半球状の微少凹部を形成した。第1マスクの除去は、フッ酸を用いて行った。
n型不純物拡散層を形成後のp型多結晶シリコン基板の表面のシート抵抗は、55Ω/□〜60Ω/□であった。反射防止膜としては、プラズマCVDにより窒化シリコン膜を80nmの厚みで形成した。
表銀グリッド電極は、幅60μmのマスクで銀(Ag)ペーストをスクリーン印刷して形成した。これに対して、形成された表銀グリッド電極の幅は85μmであり、電極形成領域から外れることなく印刷することができた。表銀バス電極は、幅2.0mmのマスクで銀(Ag)ペーストをスクリーン印刷して形成した。これに対して、形成された表銀バス電極の幅は2.1mmであり、電極形成領域から外れることなく印刷することができた。以上のようにして実施例1の太陽電池セルを得た。
また比較対象として、第2マスクを形成しないこと以外は実施例1の太陽電池セルと同じプロセスにより太陽電池セルを作製し、太陽電池セルを得た(比較例1)。比較例1の太陽電池セルでは、形成された表銀グリッド電極の幅は95μmであり、第2マスクを形成した実施例1の太陽電池セルよりも表銀グリッド電極の幅が広くなった。
このような実施例1および比較例1の太陽電池セルの受光面積を求めた。また、実施例1および比較例1の太陽電池セルを用いて実際に電池を作動させ、太陽電池出力特性を測定して光電変換効率を求めた。その結果、実施例1の太陽電池セルの受光面積は、比較例1の太陽電池セルの受光面積と比較して0.45%増加した。また、実施例1の太陽電池セルは、短絡電流:36.0mA/cm、開放電圧:330mV、光電変換効率:17.0%であった。比較例1の太陽電池セルは、短絡電流:34.0mA/cm、開放電圧:329mV、光電変換効率:16.7%であった。これにより、実施例1の太陽電池セルでは、比較例1の太陽電池セルと比較して広い受光面積が確保され、また高い光電変換特性を得られていることが分かる。
上述したように、実施の形態1にかかる太陽電池セルの製造方法によれば、第1マスク21と第2マスク22とを用いることにより、表銀電極の電極形成領域には微小凹部19を形成せずに受光面のみに選択的に微小凹部19を形成することができ、電極形成領域における微小凹部19に起因した平坦性の劣化を防止して、電極形成領域を略平坦な面とすることができる。これにより、電極形成領域における電極ペーストの印刷にじみを抑制することができ、高精細なパターン形状を有する表銀電極を形成することができる。特に、表銀グリッド電極15は受光面積を極力広く確保するために長尺細長形状に形成することが必要であるが、電極ペーストのにじみが抑制されることで表銀グリッド電極15も高精細なパターン形状で形成することができ、広い受光面積が確保することができる。したがって、実施の形態1にかかる太陽電池セルの製造方法によれば、広い受光面積が確保された、光電変換特性に優れた太陽電池セルを簡略な工程で効率良く作製することができる。
実施の形態2.
実施の形態2では、電極形成領域と受光面との抵抗値を異ならせる太陽電池セルの製造方法について説明する。実施の形態2にかかる太陽電池セルの製造方法は、実施の形態1で説明した太陽電池セルの製造方法において、シリコン基板の洗浄後に低濃度での不純物拡散を行ってシリコン基板の電極形成領域に抵抗値の低いn型不純物拡散層を形成し、表銀電極(表銀グリッド電極15と表銀バス電極16)の下部領域における電流の流れを良好にする。また、微小凹部19の形成後に受光面に対して高濃度での不純物拡散を行って、受光面における抵抗値を高くして電子の再結合を防ぎ、太陽電池セルの変換効率を向上させる。以下、実施の形態2にかかる太陽電池セルの製造方法について図3−1〜図3−10を参照して説明する。
最初に半導体基板としてp型シリコン基板11を用意し、該p型シリコン基板11をフッ化水素や純水で洗浄する。次に、洗浄したp型シリコン基板11をオキシ塩化リン(POCl)ガス中で気相拡散法により高温でリンを熱拡散させる拡散工程を実施する。この工程では、p型シリコン基板11の表面層に、実施の形態1の場合よりも低い第1の濃度でリンを拡散させて低抵抗である低抵抗不純物拡散層(第1不純物拡散層)32を形成して半導体pn接合を形成する(図3−1)。ここでは、例えばシート抵抗値が20Ω/□〜30Ω/□である低抵抗不純物拡散層32を形成する。なお、p型シリコン基板11の端面と裏面側に形成された不純物拡散層は除去する。
次に、p型シリコン基板11の受光面側の表面に、すなわち低抵抗不純物拡散層32の表面に第1マスク膜21aを形成する(図3−2)。第1マスク膜21aとしては、例えばシランとアンモニアとの混合ガスを用いたプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法などの成膜法によってシリコン窒化膜を60nm〜100nmの膜厚で形成する。
次に、レーザー耐性を有する第2マスク22を第1マスク膜21a上における電極形成領域に選択的に形成する(図3−3)。第2マスク22は、表銀電極と同じパターン形状で形成する。
次に、第2マスク22を形成したp型シリコン基板11を、レーザー装置にセットし、例えばYAGレーザーを用いて直径2μmのレーザー光を、p型シリコン基板11上に形成した第1マスク膜21aであるシリコン窒化膜に例えば10μmピッチで全面に照射する(図3−4)。例えば、YAGレーザー(波長532nm)を用いて、10μmピッチ、直径2μmにHOEでパターン化したレーザー光を照射する。これにより、第1マスク膜21aに2μm径の開口部23が形成される。
第2マスク22はレーザー耐性を有するため、第2マスク22が保護マクスとして機能する。これにより、第1マスク膜21aにおける第2マスク22の形成された領域の第1マスク膜21aにはレーザー光が照射されないため、開口部23は形成されない。すなわち、第1マスク膜21aにおける電極形成領域には開口部23は形成されない。したがって、第1マスク膜21aにおける電極形成領域は、略平坦な面が保持される。これにより、第1マスク21が形成される。開口部23の形成後、第2マスク22を除去する(図3−5)。
次に、p型シリコン基板11の受光面側に対して、第1マスク21をエッチングマスクとして、フッ酸と硝酸との混酸液を用いたウェットエッチングによる等方性エッチングを行う。これにより、第1マスク21における開口部23に対応した位置に略半球面状の微小凹部19が等ピッチで多数形成され、p型シリコン基板11の表面に微小凹凸形状が形成される(図3−6)。
ここで、p型シリコン基板11の受光面側の表面において、電極形成領域以外の領域には微小凹部19が等ピッチで多数形成され、p型シリコン基板11の表面に微小凹凸形状が形成される。一方、p型シリコン基板11の受光面側の表面における電極形成領域では、第1マスク21に開口部23が形成されていないため、微小凹部19は形成されない。その後、第1マスク21であるシリコン窒化膜をフッ酸で除去する(図3−7)。この状態においては、電極形成領域および微小凹凸形状の凸部の表面には低抵抗不純物拡散層32が残存する。一方、微小凹凸形状の微小凹部19の表面は、該微小凹部19形成時のエッチングにより低抵抗不純物拡散層32が除去されているため、低抵抗不純物拡散層32が存在しない。
次に、再度、拡散工程を行う。この工程では、p型シリコン基板11の受光面に、実施の形態1の場合よりも高い第2の濃度でリンを拡散させて高抵抗である高抵抗不純物拡散層(第2不純物拡散層)33を形成して半導体pn接合を形成する(図3−8)。ここでは、シート抵抗値が例えば80Ω/□〜90Ω/□である高抵抗不純物拡散層33を形成する。また、高抵抗不純物拡散層33の表面は、微小凹凸形状が形成されたテクスチャー構造とされる。したがって、p型シリコン基板11の表面において、電極形成領域はシート抵抗値が例えば20Ω/□〜30Ω/□の低抵抗となり、受光面はシート抵抗値が例えば80Ω/□〜90Ω/□の高抵抗となる。なお、p型シリコン基板11の端面と裏面側に形成された高抵抗不純物拡散層は除去する。
高抵抗不純物拡散層33の形成後、p型シリコン基板11の受光面側の一面に、すなわち低抵抗不純物拡散層32上および高抵抗不純物拡散層33上に反射防止膜14を形成する(図3−9)。反射防止膜14の形成は、例えばプラズマCVD法により、シランとアンモニアとの混合ガスを用いて窒化シリコン膜を一様な厚みで形成する。
その後、実施の形態1の場合と同様にして、表銀電極である表銀グリッド電極15および表銀バス電極16を反射防止膜14上に形成し、p型シリコン基板11の裏面に裏面電極である裏アルミニウム電極17および裏銀電極18、p+層13を形成する。(図3−10)。
以上により、図3−10に示す実施の形態2にかかる太陽電池セル31が完成する。なお、電極材料であるペーストの塗布の順番を、受光面側と裏面側とで入れ替えてもよい。
上述した実施の形態2にかかる太陽電池セル31は、実施の形態1にかかる太陽電池セル1と同様に表銀電極(表銀グリッド電極15と表銀バス電極16)の下部領域においては微小凹部19は形成されておらず、n型不純物拡散層12の受光面側の表面における表銀電極(表銀グリッド電極15と表銀バス電極16)の下部領域は、略平坦な面とされている。これにより、表銀電極の形成時における電極ペーストのにじみが抑制されており、高精細なパターン形状を有する表銀電極が形成されている。特に表銀グリッド電極15は受光面積を極力広く確保するために長尺細長形状に形成されているが、電極ペーストのにじみが抑制されることで表銀グリッド電極15も高精細なパターン形状で形成されており、設計に即した広い受光面積が確保されている。したがって、実施の形態2にかかる太陽電池セル31によれば、広い受光面積が確保され、光電変換特性に優れた太陽電池セルが実現されている。
また、実施の形態2にかかる太陽電池セル31は、表銀電極(表銀グリッド電極15と表銀バス電極16)の下部領域は、抵抗値が低い低抵抗不純物拡散層32とされており、電流の流れが良好である。また、受光面においては、抵抗値が高い高抵抗不純物拡散層33とされており、電子の再結合を防止する。これにより、実施の形態2にかかる太陽電池セル31では、より光電変換効率に優れた太陽電池セルが実現されている。
実施例
以上のような実施の形態2にかかる太陽電池セルの製造方法により、150mm×150mm、厚さ0.2mmのp型多結晶シリコン基板を用いて太陽電池セルを作製し、特性を評価した。
低抵抗不純物拡散層は、p型多結晶シリコン基板をフッ酸洗浄した後に拡散炉でオキシ塩化リン(POCl)ガス中で気相拡散法により880℃でリンを拡散させた。拡散炉から取り出したp型多結晶シリコン基板における低抵抗不純物拡散層のシート抵抗を測定した結果、28Ω/□であった。
第1マスクは、シリコン窒化膜をプラズマCVD法により50nmの膜厚で形成した。第2マスクは、ポリビニルアルコール(PVA)15%の水系バインダーに平均粒径5μmのPMMA(アクリル樹脂)粒子を10%混合した樹脂ペーストを印刷法で塗布した。樹脂ペーストの印刷に用いた印刷マスクのパターンは、p型多結晶シリコン基板の表面の147mm角の範囲において、表銀グリッド電極の電極形成領域においては幅寸法100μmのパターンを70本、表銀バス電極の電極形成領域においては幅寸法2.5mmのパターンを2本形成した。樹脂ペーストの塗布後、p型多結晶シリコン基板を180℃で10分間乾燥した。
レーザー処理は、YAGレーザー(波長532nm)を用いて、10μmピッチ、直径2μmにHOEでパターン化したレーザー光を操作しながら30秒で照射完了した。第2マスクの除去は、ランプアニール炉で450℃、3分間加熱することにより行った。微小凹部の形成は、フッ酸と硝酸との混酸液を用いたウェットエッチングを3分間行い、p型多結晶シリコン基板の表面における電極形成領域以外の領域全面に直径10μm、深さ8μmの略半球状の微少凹部を形成した。第1マスクの除去は、フッ酸を用いて行った。
高抵抗不純物拡散層は、第1マスクの除去後、p型多結晶シリコン基板を再度拡散炉に投入し、820℃で浅い拡散を行って形成した。p型多結晶シリコン基板における高抵抗不純物拡散層のシート抵抗を測定した結果、92Ω/□であった。反射防止膜としては、プラズマCVDにより窒化シリコン膜を80nmの厚みで形成した。
表銀グリッド電極は、幅60μmのマスクで銀(Ag)ペーストをスクリーン印刷して形成した。表銀バス電極は、幅2mmのマスクで銀(Ag)ペーストをスクリーン印刷して形成した。これに対して、形成された表銀グリッド電極の幅は90μmであり、電極形成領域から外れることなく印刷することができた。また、形成された表銀バス電極の幅は2.2mmであり、電極形成領域から外れることなく印刷することができた。電極ペーストの乾燥は、150℃の温度で10分間行った。また、電極ペーストの焼成は、赤外線加熱炉を使用し、800℃で行った。以上のようにして実施例2の太陽電池セルを得た。
また比較対象として、第1マスクおよび第2マスクを用いてp型シリコン基板の受光面側に略半球状の微少凹部を形成する代わりにウェットエッチングによりp型シリコン基板の受光面側に10μmの凹凸を形成したこと以外は実施例2の太陽電池セルと同じプロセスにより太陽電池セルを作製した(比較例2)。また、第2マスクを用いずにp型シリコン基板の受光面側の全面に略半球状の微少凹部を形成したこと以外は実施例2の太陽電池セルと同じプロセスにより太陽電池セルを作製した(比較例3)。
比較例2の太陽電池セルでは、形成された表銀グリッド電極の幅は100μmであり、実施例2の太陽電池セルよりも表銀グリッド電極の幅が広くなった。また、比較例3の太陽電池セルでは、形成された表銀グリッド電極の幅は95μmであり、実施例2の太陽電池セルよりも表銀グリッド電極の幅が広くなった。
このような実施例2、比較例2および比較例3の太陽電池セルの受光面積を求めた。また、実施例2、比較例2および比較例3の太陽電池セルを用いて実際に電池を作動させ、太陽電池出力特性を測定して光電変換効率を求めた。
その結果、実施例2の太陽電池セルの受光面積は、比較例2の太陽電池セルの受光面積と比較して0.81%増加した。また、実施例2の太陽電池セルの受光面積は、比較例3の太陽電池セルの受光面積と比較して0.31%増加した。これらの結果より、実施例2の太陽電池セルでは、比較例2および比較例3の太陽電池セルと比較して広い受光面積が確保されていることが確認された。
また、実施例2の太陽電池セルは、短絡電流:37.0mA/cm、開放電圧:332mV、光電変換効率:17.8%であった。比較例2の太陽電池セルは、短絡電流:33.5mA/cm、開放電圧:315mV、光電変換効率:16.1%であった。比較例2の太陽電池セルは、短絡電流:35.0mA/cm、開放電圧:325mV、光電変換効率:17.1%であった。これらの結果より、実施例2の太陽電池セルは、比較例2および比較例3の太陽電池セルと比較して電流増加と開放電圧の向上し、光電変換効率が向上していることが確認された。
したがって、実施の形態2にかかる太陽電池セルの製造方法により太陽電池セルを形成することで、受光面における凹凸部の均一微小化と受光面の高抵抗化、電極下部の低抵抗化により太陽電池セルの特性向上を図ることができた。
上述したように、実施の形態2にかかる太陽電池セルの製造方法によれば、第1マスク21と第2マスク22とを用いることにより、表銀電極の電極形成領域には微小凹部19を形成せずに受光面のみに選択的に微小凹部19を形成することができ、電極形成領域における微小凹部19に起因した平坦性の劣化を防止して、電極形成領域を略平坦な面とすることができる。これにより、電極形成領域における電極ペーストの印刷にじみを抑制することができ、高精細なパターン形状を有する表銀電極を形成することができる。したがって、実施の形態2にかかる太陽電池セルの製造方法によれば、広い受光面積が確保された、光電変換特性に優れた太陽電池セルを簡略な工程で効率良く作製することができる。
また、実施の形態2にかかる太陽電池セルの製造方法によれば、表銀電極(表銀グリッド電極15と表銀バス電極16)の下部領域は、抵抗値が低い低抵抗不純物拡散層32とされるため、電流の流れが良好とされる。また、受光面においては、抵抗値が高い高抵抗不純物拡散層33としているため、電子の再結合を防止することができる。これにより、実施の形態2にかかる太陽電池セルの製造方法によれば、より光電変換効率に優れた太陽電池セルを作製することができる。
以上のように、本発明にかかる太陽電池セルの製造方法は、高精細なパターンの電極の製造に有用である。
本発明の実施の形態1にかかる太陽電池セルの概略構成を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる太陽電池セルを受光面側から見た上面図である。 本発明の実施の形態1にかかる太陽電池セルを受光面と反対側から見た下面図である。 本発明の実施の形態1にかかる太陽電池セルの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる太陽電池セルの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる太陽電池セルの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる太陽電池セルの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる太陽電池セルの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる太陽電池セルの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる太陽電池セルの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる太陽電池セルの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる太陽電池セルの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態2にかかる太陽電池セルの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態2にかかる太陽電池セルの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態2にかかる太陽電池セルの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態2にかかる太陽電池セルの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態2にかかる太陽電池セルの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態2にかかる太陽電池セルの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態2にかかる太陽電池セルの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態2にかかる太陽電池セルの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態2にかかる太陽電池セルの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態2にかかる太陽電池セルの製造方法を説明するための断面図である。
符号の説明
1 太陽電池セル
10 半導体層部
11 p型シリコン基板
12 n型不純物拡散層
13 p+層
14 反射防止膜
15 表銀グリッド電極
16 表銀バス電極
17 裏アルミニウム電極
18 裏銀電極
19 微小凹部
21 第1マスク
21a 第1マスク膜
22 第2マスク
23 開口部
31 太陽電池セル
32 低抵抗不純物拡散層
33 高抵抗不純物拡散層

Claims (9)

  1. 第1導電型の半導体基板の一面側に、レーザー照射による加工が可能な第1マスク膜を形成する第1マスク膜形成工程と、
    レーザー耐性を有する第2マスクを前記第1マスク膜上における電極形成領域に選択的に形成する第2マスク形成工程と、
    前記半導体基板の一面側にレーザー照射を行い、前記半導体基板に達する開口部を前記第1マスク膜に形成して第1マスクを形成する第1マスク形成工程と、
    前記第2マスクを除去する第2マスク除去工程と、
    前記第1マスクをエッチングマスクとして前記半導体基板の一面側に対してウェットエッチングによる等方性エッチングを行って、前記半導体基板の一面側における前記開口部に対応した位置に凹部を形成する凹部形成工程と、
    前記第1マスクを除去する第1マスク除去工程と、
    を含むことを特徴とする太陽電池用基板の粗面化方法。
  2. 前記第2マスクを、加熱分解可能な樹脂材料により形成すること、
    を特徴とする請求項1に記載の太陽電池用基板の粗面化方法。
  3. 前記第2マスクが、前記樹脂材料中に微粒子を含有してなること、
    を特徴とする請求項2に記載の太陽電池用基板の粗面化方法。
  4. 前記微粒子が、樹脂材料からなること、
    を特徴とする請求項3に記載の太陽電池用基板の粗面化方法。
  5. 前記第2マスク形成工程では、水または溶剤に前記樹脂材料が溶解された樹脂ペーストを前記第1マスク膜上に印刷法により塗布することにより前記第2マスクを形成すること、
    を特徴とする請求項2に記載の太陽電池用基板の粗面化方法。
  6. 請求項1〜5のいずれか1つに記載の太陽電池用基板の粗面化方法により前記半導体基板の一面側を粗面化する粗面化工程と、
    前記半導体基板の一面側に、第2導電型の不純物元素を拡散して不純物拡散層を形成する不純物拡散層形成工程と、
    前記半導体基板の一面側における電極形成領域および前記半導体基板の他面側に電極ペーストを配置する電極ペースト配置工程と、
    前記電極ペーストを焼成して電極を形成する焼成工程と、
    を含むことを特徴とする太陽電池セルの製造方法。
  7. 前記不純物拡散層形成工程の後に、前記不純物拡散層上に反射防止膜を形成する工程を有し、
    前記電極ペースト配置工程では、前記半導体基板の一面側においては前記反射防止膜上における前記電極形成領域に対応した領域に前記電極ペーストを配置すること、
    を特徴とする請求項6に記載の太陽電池セルの製造方法。
  8. 前記粗面化工程の前に、前記半導体基板の一面側に前記第2導電型の不純物元素を第1の濃度で拡散して第1不純物拡散層を形成する第1不純物拡散層形成工程を有し、
    前記第1マスク膜形成工程では、前記第1不純物拡散層上に前記第1マスク膜を形成し、
    前記第1マスク形成工程では、前記第1不純物拡散層に達する開口部を前記第1マスク膜に形成して第1マスクを形成し、
    前記不純物拡散層形成工程が、前記半導体基板の一面側における前記電極形成領域に前記第2導電型の不純物元素を前記第1の濃度よりも高い第2の濃度で拡散して第2不純物拡散層を形成する第2不純物拡散層形成工程であること、
    を特徴とする請求項6に記載の太陽電池セルの製造方法。
  9. 前記第2不純物拡散層形成工程の後に、前記第1不純物拡散層上および前記第2不純物拡散層上に反射防止膜を形成する工程を有し、
    前記電極ペースト配置工程では、前記半導体基板の一面側においては前記反射防止膜上における前記電極形成領域に対応した領域に前記電極ペーストを配置すること、
    を特徴とする請求項8に記載の太陽電池セルの製造方法。
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