JP2010177655A - Method for manufacturing back junction type solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光入射面と反対の面にPN接合が形成された裏面接合型太陽電池に関し、シリコン基板上に基板と異なる導電型または不純物濃度の領域を形成する際に、遮蔽マスクを利用したスパッタエピタキシャル堆積法によって従来のフォトリソグラフィ工程もしくは印刷工程を代替することによって製造コストを低減しなおかつ効率を向上できる裏面接合型太陽電池の製造方法に関する。The present invention relates to a back-junction solar cell in which a PN junction is formed on a surface opposite to a light incident surface, and a shielding mask is used when a region having a conductivity type or impurity concentration different from that of a substrate is formed on a silicon substrate. The present invention relates to a method for manufacturing a back junction solar cell that can reduce the manufacturing cost and improve the efficiency by substituting a conventional photolithography process or printing process by a sputter epitaxial deposition method.
まず最初に、本明細書で使用する単語について説明しておく。本明細書においては、原則として「遮蔽マスク」とは開口部が形成されているシートのことであり、スパッタや蒸着等の真空堆積では開口部の形状通りにパターン化された膜が堆積される。また「真空堆積」とは、堆積時圧力が40mTorr以下、望ましくは10mTorr以下の真空度で蒸着やスパッタ法を用いて膜を堆積することを指す。First, the words used in this specification will be described. In this specification, in principle, a “shielding mask” is a sheet in which an opening is formed. In vacuum deposition such as sputtering or vapor deposition, a film patterned according to the shape of the opening is deposited. . “Vacuum deposition” refers to depositing a film by vapor deposition or sputtering at a vacuum pressure of 40 mTorr or less, preferably 10 mTorr or less.
近年、大気中のCO2の増加のような地球環境問題などからクリーンなエネルギの開発が望まれており、特に太陽電池を用いた再生エネルギが新しいエネルギ源として開発、実用化され、発展の道を歩んでいる。In recent years, development of clean energy has been desired due to global environmental problems such as an increase in CO 2 in the atmosphere, and in particular, renewable energy using solar cells has been developed and put into practical use as a new energy source, and the path of development Is walking.
現在工業的に大量に生産されている太陽電池の殆どは、単結晶もしくは多結晶シリコン基板を用いたものである。これはシリコン材料が比較的安いことと、無毒であることと、変換効率が高いことによる。しかしながら、太陽電池の発電コストは火力発電と比べるとまだ高く、それが太陽電池が普及する上でのネックとなっている。発電コストを下げるには、太陽電池の発電効率を上げると同時に製造コストを下げる必要がある。Currently, most of the solar cells that are industrially produced in large quantities use single crystal or polycrystalline silicon substrates. This is due to the relatively cheap silicon material, non-toxicity and high conversion efficiency. However, the power generation cost of solar cells is still higher than that of thermal power generation, which is a bottleneck in the spread of solar cells. In order to reduce the power generation cost, it is necessary to increase the power generation efficiency of the solar cell and at the same time reduce the manufacturing cost.
発電効率を上げる観点から言えば、シリコン基板の受光面には電極を形成せず、シリコン基板の裏面にpn接合を形成するいわゆる裏面接合型太陽電池が開発されている。裏面接合型太陽電池は一般的に受光面に電極を有しないことから、電極による損失がなく、従来のシリコン基板の受光面に電極を有する太陽電池と比べて高い出力を得ることができる。From the viewpoint of increasing power generation efficiency, a so-called back junction solar cell has been developed in which an electrode is not formed on the light receiving surface of a silicon substrate, but a pn junction is formed on the back surface of the silicon substrate. Since a back junction solar cell generally does not have an electrode on the light receiving surface, there is no loss due to the electrode, and a higher output can be obtained compared to a solar cell having an electrode on the light receiving surface of a conventional silicon substrate.
裏面接合型太陽電池の製造方法の典型的な例として印刷法による裏面接合型太陽電池の製造方法を示した特許文献1がある。しかし印刷法の問題点としては、パターンの精密度と複数パターン間の位置合わせ精度がある。
一般的に印刷法で形成きる最小パターンはおおよそ0.1mm、更に位置合わせ精度を0.1mmとする。この精密度と精度の限界により、裏面に形成されるp+型領域とn+型領域の間隔はこの位置合わせ精度を仮定した場合で0.5mm程度となる。しかしpn電極間の間隔がこれほど長いとキャリアが途中で再結合する確率が高くなるので、変換効率は低下してしまう。変換効率を上げるためにはキャリア拡散距離が長いFZ基板(浮遊帯溶融(floating zone melting)法により製造される基板)を使うことができるが、しかしこの基板は従来のCz基板(チョクラルスキー(Czochralski)法により製造される基板)と比べると格段に高い。従って効率は向上するが、コストは高くなるとの問題は残る。従来のCz基板で効率を上げるためには、pn櫛型電極の間隔を狭くする工夫が必要である。Generally, the minimum pattern that can be formed by printing is approximately 0.1 mm, and the alignment accuracy is 0.1 mm. Due to the limit of precision and accuracy, the distance between the p + type region and the n + type region formed on the back surface is about 0.5 mm when this alignment accuracy is assumed. However, if the interval between the pn electrodes is so long, the probability that carriers are recombined in the middle increases, and the conversion efficiency decreases. In order to increase the conversion efficiency, an FZ substrate having a long carrier diffusion distance (a substrate manufactured by a floating zone melting method) can be used, but this substrate is a conventional Cz substrate (Czochralski ( Compared with the substrate manufactured by the Czochralski method). Therefore, efficiency is improved, but the problem of high cost remains. In order to increase the efficiency of the conventional Cz substrate, it is necessary to devise a method for narrowing the interval between the pn comb electrodes.
続いて製造コストを下げる観点から言えば、基板を薄くすることで使用材料を減らすことができる。しかし基板を150μm以下にすれば、現在のスクリーン印刷法による電極の形成工程では、基板が割れやすくなり、結局歩留まりが下がってコスト増になってしまう。150μm以下の基板を扱うには、すべてのプロセスを真空堆積法により太陽電池を作製する方法が望まれている。Subsequently, from the viewpoint of lowering the manufacturing cost, the material used can be reduced by making the substrate thinner. However, if the substrate is made 150 μm or less, in the current electrode forming process by the screen printing method, the substrate is likely to be cracked, resulting in a decrease in yield and an increase in cost. In order to handle a substrate of 150 μm or less, a method of manufacturing a solar cell by vacuum deposition is desired for all processes.
また、従来の太陽電池作製プロセスでは900℃に近い熱拡散方式を使ってp+型シリコン領域とn+型シリコン領域を形成させている。この高温プロセスではシリコン基板に熱による応力がかかって、キャリアライフタイムが下がってしまい、結果として効率が下がるという問題があった。In the conventional solar cell manufacturing process, the p + type silicon region and the n + type silicon region are formed using a thermal diffusion method close to 900 ° C. In this high-temperature process, there is a problem that stress due to heat is applied to the silicon substrate and the carrier lifetime is lowered, resulting in a reduction in efficiency.
これまで裏面接合型太陽電池のpn櫛型電極高解像度化、基板薄型化への対応、低温作製プロセス化、を低い製造コストで実現できる裏面接合型太陽電池の製造方法がなかった。Until now, there has been no method for manufacturing a back-junction solar cell that can realize high resolution of the pn comb-shaped electrode of the back-junction solar cell, support for substrate thinning, and low-temperature fabrication process at a low manufacturing cost.
本発明の目的は、低温スパッタエピタキシャル堆積法と遮蔽マスクの組み合わせによって、フォトリソグラフィ工程または印刷工程を用いない低コストで且つ高効率の裏面接合型太陽電池の製造方法を提供することにある。An object of the present invention is to provide a low-cost and high-efficiency manufacturing method of a back-junction solar cell that does not use a photolithography process or a printing process by combining a low-temperature sputter epitaxial deposition method and a shielding mask.
本発明はシリコン基板上の受光面ではない方の裏面に第一導電型シリコン領域と第二導電型シリコン領域と第一電極と第二電極を形成した裏面接合型太陽電池の製造方法において、前記第一導電型シリコン領域と前記第二導電型シリコン領域の少なくとも一方をスパッタエピタキシャル堆積法を用いて形成することを特徴とする、太陽電池の製造方法である。The present invention provides a method for manufacturing a back junction solar cell in which a first conductivity type silicon region, a second conductivity type silicon region, a first electrode, and a second electrode are formed on the back surface of the silicon substrate that is not the light receiving surface. At least one of the first conductivity type silicon region and the second conductivity type silicon region is formed using a sputter epitaxial deposition method.
スパッタエピタキシャル堆積法では堆積温度が300℃以下であるので(非特許文献1参照)、従来の拡散法による接合形成温度の900℃よりも600℃も低く、長いキャリアライフタイムが維持できる。Since the deposition temperature is 300 ° C. or lower in the sputter epitaxial deposition method (see Non-Patent Document 1), the junction formation temperature by the conventional diffusion method is lower by 600 ° C., and a long carrier lifetime can be maintained.
本発明のもうひとつの特徴として前記スパッタエピタキシャル堆積法を用いて形成する第一導電型シリコン領域とは、シリコン基板上に固定された遮蔽マスクを通して第一導電型シリコン領域をスパッタエピタキシャル堆積する工程と、前記シリコン基板上に固定された遮蔽マスクを通して第一電極を真空堆積する工程とを備えることを特徴とする。As another feature of the present invention, the first conductivity type silicon region formed using the sputter epitaxial deposition method is a step of sputter epitaxial depositing the first conductivity type silicon region through a shielding mask fixed on a silicon substrate; And vacuum depositing the first electrode through a shielding mask fixed on the silicon substrate.
前記第一導電型シリコン領域と前記第二導電型シリコン領域の少なくとも一方をスパッタエピタキシャル堆積法で形成する太陽電池の製造方法とは、シリコン基板上に固定された遮蔽マスクを通して第一導電型シリコン領域をスパッタエピタキシャル堆積する工程と、前記シリコン基板上に固定された遮蔽マスクを通して第一電極を真空堆積する工程と、前記シリコン基板上に固定された遮蔽マスクを通して絶縁膜を真空堆積する工程と、遮蔽マスクを外す工程と、露出しているシリコン基板に第二導電型シリコン領域をスパッタエピタキシャル堆積する工程と、第二導電型シリコン領域上に第二電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする太陽電池の製造方法である。A method of manufacturing a solar cell in which at least one of the first conductivity type silicon region and the second conductivity type silicon region is formed by a sputter epitaxial deposition method is the first conductivity type silicon region through a shielding mask fixed on a silicon substrate. Sputter epitaxial depositing, vacuum depositing the first electrode through a shielding mask fixed on the silicon substrate, vacuum depositing an insulating film through the shielding mask fixed on the silicon substrate, shielding A step of removing the mask, a step of sputter epitaxially depositing a second conductivity type silicon region on the exposed silicon substrate, and a step of forming a second electrode on the second conductivity type silicon region. This is a method for manufacturing a solar cell.
前記第一導電型シリコン領域と前記第二導電型シリコン領域の少なくとも一方をスパッタエピタキシャル堆積法で形成する太陽電池の製造方法とは、シリコン基板上に固定された遮蔽マスクを通して第一電極としてのアルミ膜を真空堆積する工程と、前記シリコン基板上に固定された遮蔽マスクを通して絶縁膜を真空堆積する工程と、前記遮蔽マスクを外す工程と、露出している前記シリコン基板に第二導電型シリコン領域をスパッタエピタキシャル堆積する工程と、前記第二導電型シリコン領域上に第二電極を形成する工程と、熱処理することにより前記アルミ膜と前記シリコン基板の界面に第一導電型シリコン領域としてのp+型シリコン領域を形成する工程と、を備えることを特徴とする太陽電池の製造方法である。A method of manufacturing a solar cell in which at least one of the first conductivity type silicon region and the second conductivity type silicon region is formed by a sputter epitaxial deposition method includes: an aluminum as a first electrode through a shielding mask fixed on a silicon substrate; A step of vacuum-depositing a film, a step of vacuum-depositing an insulating film through a shielding mask fixed on the silicon substrate, a step of removing the shielding mask, and a second conductivity type silicon region on the exposed silicon substrate. And a step of forming a second electrode on the second conductivity type silicon region, and p + as a first conductivity type silicon region at the interface between the aluminum film and the silicon substrate by heat treatment. And a step of forming a mold-type silicon region.
また第一導電型シリコン領域をスパッタエピタキシャル成長してから第一電極を堆積する代わりに、シリコン基板上に固定された遮蔽マスクを通して第一電極としてのアルミ膜を真空堆積してから熱処理することによりアルミ膜とシリコン基板の界面に第一導電型シリコン領域としてのp+型領域を形成する方法にしてもよい。Also, instead of depositing the first electrode after sputter epitaxial growth of the first conductivity type silicon region, the aluminum film as the first electrode is vacuum deposited through a shielding mask fixed on the silicon substrate and then heat-treated. A method of forming a p + type region as a first conductivity type silicon region at the interface between the film and the silicon substrate may be employed.
第一電極と第一電極外部接続電極は電気的に接触する必要があるが、そのためには第一電極上に絶縁膜を形成する工程で第一電極の一部を露出させる必要がある。これは前記シリコン基板上に固定された遮蔽マスクを通して絶縁膜を真空堆積する工程で、前記第一電極の一部を遮蔽する第一遮蔽板を通して絶縁膜を真空堆積することで第一遮蔽板で遮蔽された部分に第一電極は露出する。The first electrode and the first electrode external connection electrode need to be in electrical contact. For this purpose, it is necessary to expose a part of the first electrode in the step of forming an insulating film on the first electrode. This is a step of vacuum-depositing an insulating film through a shielding mask fixed on the silicon substrate. The first shielding plate is formed by vacuum-depositing an insulating film through a first shielding plate that shields a part of the first electrode. The first electrode is exposed at the shielded portion.
露出しているシリコン基板の一部に第二導電型シリコン領域をスパッタエピタキシャル堆積する工程においては、堆積する前記第二導電型シリコン領域と前記第一電極の露出部の短絡を避けるために、前記第一電極の露出部分を完全に遮蔽できる第二遮蔽板を通してなされる。In the step of sputter epitaxial depositing the second conductivity type silicon region on a part of the exposed silicon substrate, in order to avoid short circuit between the second conductivity type silicon region to be deposited and the exposed portion of the first electrode, This is done through a second shielding plate that can completely shield the exposed portion of the first electrode.
前記第二導電型シリコン領域上に第二電極を形成する工程では、前記第二遮蔽板により形成された第二導電型シリコン膜の境目を完全に遮蔽する第三遮蔽板を通して電極材料を真空堆積することで、第二導電型シリコン領域上に第二電極を形成すると同時に第一電極の外部接続電極を形成する。In the step of forming the second electrode on the second conductivity type silicon region, the electrode material is vacuum deposited through the third shield plate that completely shields the boundary of the second conductivity type silicon film formed by the second shield plate. As a result, the second electrode is formed on the second conductivity type silicon region, and at the same time, the external connection electrode of the first electrode is formed.
また前記第一導電型シリコン領域と前記第二導電型シリコン領域の少なくとも一方をスパッタエピタキシャル堆積法で形成する太陽電池の製造方法とは、シリコン基板上に固定された遮蔽マスクを通して第一導電型シリコン領域をスパッタエピタキシャル堆積する工程と、前記シリコン基板上に固定された遮蔽マスクを通して第一電極を真空堆積する工程と、前記シリコン基板上に固定された遮蔽マスクを通して絶縁膜を真空堆積する工程と、遮蔽マスクを外す工程と、露出しているシリコン基板に第二電極としてアルミ膜を真空堆積する工程と、第一電極の外部接続電極を形成する工程と、熱処理することでアルミ膜とシリコン基板の界面に第二導電型シリコンとしてのp+型領域を形成する工程からなる太陽電池の製造方法である。Further, a method for manufacturing a solar cell in which at least one of the first conductivity type silicon region and the second conductivity type silicon region is formed by a sputter epitaxial deposition method includes: a first conductivity type silicon through a shielding mask fixed on a silicon substrate; Sputter epitaxial depositing the region; vacuum depositing the first electrode through a shielding mask fixed on the silicon substrate; vacuum depositing an insulating film through the shielding mask fixed on the silicon substrate; Removing the shielding mask; vacuum depositing an aluminum film as a second electrode on the exposed silicon substrate; forming an external connection electrode of the first electrode; and heat-treating the aluminum film and the silicon substrate. This is a method for manufacturing a solar cell comprising a step of forming a p + type region as second conductivity type silicon at the interface.
ここでも第一電極と第一電極外部接続電極は電気的に接触する必要があるが、そのためには第一電極上に絶縁膜を形成する工程で第一電極の一部を露出させる必要がある。これは前記シリコン基板上に固定された遮蔽マスクを通して絶縁膜を真空堆積する工程で、前記第一電極の一部を遮蔽する第一遮蔽板を通して絶縁膜を真空堆積する。Here again, the first electrode and the first electrode external connection electrode need to be in electrical contact. For this purpose, it is necessary to expose a part of the first electrode in the step of forming an insulating film on the first electrode. . This is a process of vacuum-depositing an insulating film through a shielding mask fixed on the silicon substrate. The insulating film is vacuum-deposited through a first shielding plate that shields a part of the first electrode.
露出しているシリコン基板の一部に第二電極としてアルミ膜を真空堆積する工程では、第一電極と第二電極の短絡を避けるために、前記第一電極の露出する部分を完全に遮蔽する第二遮蔽板を通してアルミを真空堆積する。In the step of vacuum depositing an aluminum film as a second electrode on a part of the exposed silicon substrate, the exposed portion of the first electrode is completely shielded in order to avoid a short circuit between the first electrode and the second electrode. Aluminum is vacuum deposited through the second shielding plate.
第一電極の外部接続電極を形成する工程では、前記第二遮蔽板により形成されたアルミ電極の境目を完全に遮蔽する第三遮蔽板を通して電極材料を真空堆積することで、第一電極外部接続電極を形成すると同時に第二電極上に第二電極外部接続電極を形成する。In the step of forming the external connection electrode of the first electrode, the electrode material is vacuum-deposited through the third shield plate that completely shields the boundary of the aluminum electrode formed by the second shield plate, thereby the first electrode external connection Simultaneously with the formation of the electrode, the second electrode external connection electrode is formed on the second electrode.
前記遮蔽マスクとは、直線的に延びかつお互いが平行にある開口部を備えることを特徴とする。The shielding mask includes openings that extend linearly and are parallel to each other.
遮蔽マスクを、直線的に延びかつお互いが平行にある開口部を備えるとしたことで、直径が0.01ミリから0.1ミリの細線を0.01ミリから0.1ミリの間隔で並べただけで低コスト且つ高精度な遮蔽マスクを実現する。Since the shielding mask is provided with openings that extend linearly and are parallel to each other, fine wires having a diameter of 0.01 mm to 0.1 mm are arranged at intervals of 0.01 mm to 0.1 mm. A simple and cost-effective shielding mask is realized.
前記電極材料とは、銀である。The electrode material is silver.
前記第一電極上に前記絶縁膜を堆積する際、前記絶縁膜は前記第一電極の表と側面を被覆する必要があるため、前記絶縁膜の堆積圧力を前記第一電極の堆積圧力よりも高くして、絶縁膜を遮蔽マスク開口部の少し横側へ周り込ませて堆積させる。When depositing the insulating film on the first electrode, the insulating film needs to cover the front and side surfaces of the first electrode, so that the deposition pressure of the insulating film is higher than the deposition pressure of the first electrode. The insulating film is deposited slightly around the side of the opening of the shielding mask.
シリコン基板上の受光面では、凹凸加工と反射防止膜の形成が必要である。すべての工程を真空工程にするために、本発明では反応性イオンエッチング法により凹凸を形成する工程し、スパッタ堆積法または化学気相堆積法により反射防止膜を形成する。On the light receiving surface on the silicon substrate, it is necessary to process the unevenness and form an antireflection film. In order to make all the steps vacuum, in the present invention, the step of forming irregularities is performed by reactive ion etching, and the antireflection film is formed by sputter deposition or chemical vapor deposition.
以下に本発明の形態として実施例1から3を示す。実施例1から3の違いは、一導電型シリコン領域の形成の仕方にあり、実施例1では第一導電型シリコン領域及び第二導電型シリコン領域が共にスパッタエピタキシャル堆積法で形成したところに特徴がある。実施例2では第一導電型シリコン領域は第一電極としてのアルミ電極を形成してから熱処理することで、アルミ電極とシリコン基板の界面に第一導電型シリコン領域としてのp+型領域を形成し、第二導電型シリコン領域としてのn+型領域はスパッタエピタキシャル堆積法で形成したところに特徴がある。そして実施例3では第一導電型シリコン領域としてのn+型領域はスパッタエピタキシャル堆積法で形成したが、第二導電型シリコン領域は第二電極としてのアルミ電極を形成してから熱処理することで、アルミ電極とシリコン基板の界面に第二導電型シリコン領域としてのp+型領域を形成したところに特徴がある。Examples 1 to 3 are shown below as modes of the present invention. The difference between the first to third embodiments lies in the formation of one conductivity type silicon region. In the first embodiment, the first conductivity type silicon region and the second conductivity type silicon region are both formed by the sputter epitaxial deposition method. There is. In Example 2, the first conductivity type silicon region is formed by forming an aluminum electrode as the first electrode and then heat-treating to form a p + type region as the first conductivity type silicon region at the interface between the aluminum electrode and the silicon substrate. The n + type region as the second conductivity type silicon region is characterized by being formed by a sputter epitaxial deposition method. In Example 3, the n + -type region as the first conductivity type silicon region was formed by the sputter epitaxial deposition method, but the second conductivity type silicon region was heat-treated after forming the aluminum electrode as the second electrode. The p + type region as the second conductivity type silicon region is formed at the interface between the aluminum electrode and the silicon substrate.
まず、図2(a)に示すように、p型の(100)面の単結晶シリコン基板1を用意する。本実施例ではシリコン基板の大きさは2cmx2cmのものを用いた。また、シリコン基板1はn型であってもよく、シリコン基板1がn型である場合にはシリコン基板1の裏面のp+層とn型のシリコン基板1とによって裏面にpn接合が形成される。基板の厚さは220μmの物を用いた。First, as shown in FIG. 2A , a p-type (100) plane single
次にシリコン基板1の表面をHF:HNO3:CH3COOH=3:5:3のフッ硝酸溶液で鏡面エッチングする。次に、シリコン基板を取り出し、表面の酸化膜をフッ化水素水溶液などにより除去する。ここでフッ化水素水溶液以外にも例えば触媒CVD法により生成した活性水素により真空中で除去することも可能である。Next, the surface of the
次に遮蔽マスクをシリコン基板の受光面と反対面となる裏面に被せ、遮蔽マスクとシリコン基板の相対位置が変化しないように両者を固定した。遮蔽マスクとシリコン基板間の距離は本実施例では密着させたが実際には遮蔽マスクの表面粗さにより十数μm以内の間隙が生じる。図1(a)に本実施例で使用する遮蔽マスク210を示す。遮蔽マスクには開口部210aがあり、真空堆積ではこの遮蔽マスク210を一基板上に設置することで、一基板上にはこの開口部210aと同じパターンの膜がシリコン基板100に堆積される。したがって遮蔽マスク210の開口部のパターンは一般的な櫛型裏面電極のフィンガー部分となるようなパターンを有している。本実施例では遮蔽マスク210の加工のしやすさから開口部210aは直線状で互いに平行となっているが、例えば図1(b)の遮蔽マスク210のような彎曲したフィンガー形状を開口部210aに使うこともできる。また図1(c)に示すように細線250を張って遮蔽マスク210とすることもできる。この方法では断面径の小さい細線250を間隔を空けながら密に張ることで高精細な遮蔽マスク210を簡単に作ることができる。Next, the shielding mask was put on the back surface opposite to the light receiving surface of the silicon substrate, and both were fixed so that the relative position between the shielding mask and the silicon substrate did not change. In the present embodiment, the distance between the shielding mask and the silicon substrate is in close contact, but in reality, a gap of 10 μm or less is generated due to the surface roughness of the shielding mask. FIG. 1A shows a shielding
本実施例で用いた遮蔽マスクは、図1(a)に示すような形状であり、開口部210aの実際の開口幅は0.1mm、開口部間の間隔は0.1mm、長さは25mmであった。The shielding mask used in this example has a shape as shown in FIG. 1A. The actual opening width of the
続く各工程後のシリコン基板100の模式的な断面図と受光面と反対面である裏面から見た平面図を、それぞれ図2(a)〜(f)と図3(a)〜(e)に示した。図2(a)〜(e)のそれぞれ断面図は図3(a)〜(e)のおのおのに示されたI−I線に沿った断面図である。唯、図2(f)に対応する平面図は図3(e)と同様なので表示を省略した。また図2の断面図では受光面となる表面は下向きで、裏面は上向きで表示した。FIGS. 2A to 2F and FIGS. 3A to 3E are schematic cross-sectional views of the
続いてシリコン基板100をシリコン堆積用スパッタ装置へ導入した。このスパッタ装置は抵抗率が0.001Ωcm以下のp+型シリコンをターゲットにしており、ターゲットの直径は75mmであった。電源には直流電源を用い、スパッタガスはArであった。堆積条件は、基板温度175℃、Ar圧力2.5mTorr、電源パワー300Wである。この条件で図2(a)と図3(a)に示すようにシリコン基板100の裏面に遮蔽マスク210を通してp+型シリコンを300nm堆積した。この結果第一導電型シリコン領域としてp+領域110が形成された。ここで前記非特許文献1に示すように、スパッタ膜はシリコン基板上でエピタキシャル成長するので、シリコン基板100とp+領域110は結晶的に連続している。Subsequently, the
次にシリコン基板100を熱蒸着チャンバへ搬送し、1mTorr以下の条件で、図2(b)と図3(b)に示されるように、p+型領域110上に第一電極でp型電極120となる、アルミ膜を200nm堆積した。Next, the
次に遮蔽マスク210の上から第一遮蔽板220を重ね、p型電極120の各フィンガーの一部分を第一遮蔽板220によって遮蔽するようにした。図3(c)に点線で囲まれた領域が第一遮蔽板220である。次に絶縁膜130としてSiO2膜をパルス直流反応性スパッタ堆積法(非特許文献2)により150Wの条件で、遮蔽マスク210を通して400nm堆積した。堆積圧力は2.5〜10mTorrでp+型領域110とp電極120を堆積した圧力よりも高いので、堆積された絶縁膜130は図2(c)に示すように遮蔽マスク開口部210aの側面に数μmから十数μm程度回りこみ、p+型領域110とp電極120を完全に包み込むように堆積される。ここでp型電極120の第一遮蔽板220で遮蔽された部分は図3(c)に示すように絶縁膜130から露出した。
続いて遮蔽マスク210と第一遮蔽板220をシリコン基板100から外し、図3(d)に示すように前記第一遮蔽板220で遮蔽された領域を完全に遮蔽する第二遮蔽板230を通して、第二導電型シリコン領域としてのn+型領域をスパッタ堆積した。堆積条件はターゲットを0.001Ωcm以下のn+型シリコンに換えた以外は前記p+型シリコンを堆積した条件と同じである。図2(d)と図3(d)に示すように、シリコン基板100が露出している部分に堆積されたシリコンはエピタキシャル成長してn+型領域140aが形成されるが、絶縁膜上に堆積された部分ではアモルファスシリコン化したn+型領域140bとなる。しかしこのアモルファスシリコン化したn+型領域140bは太陽電池の特性にはほとんど影響しない。Subsequently, the shielding
続いて第二遮蔽板230をシリコン基板100から外し、図3(e)に示すように前記第二遮蔽板230により形成されたn+型シリコン膜140の境目を完全に遮蔽する第三遮蔽板240を設置して、電極材料としての銀膜をスパッタ堆積した。この工程により第二電極としてのn型電極150とp型電極外部接続電極160が形成される。これでシリコン基板100の裏面の工程は完成する。Subsequently, the
次に図2(f)の受光面反射防止のための凹凸構造170形成に関してはCF4ガスとO2ガスを原料にしたマグネトロン平行平板型反応性イオンエッチングで形成した。電源パワーは10Wで、CF4:O2流量比は1:1、エッチング圧力は15mTorrであった。この結果2%以下の可視光反射率が得られた。
次に反応性スパッタ法によりSiO2を堆積して反射防止膜180とした。堆積した膜厚は特に限定されないが、たとえば60nm以上140nm以下の厚さとすることができる。Next, regarding the formation of the concavo-
Next, SiO 2 was deposited by reactive sputtering to form an
最後に試料を300℃から450℃の温度に維持され、水素を5%程度含む窒素を流した管状炉で熱処理をした。Finally, the sample was heat-treated in a tube furnace maintained at a temperature of 300 ° C. to 450 ° C. and flowing nitrogen containing about 5% of hydrogen.
そして、実施例1の裏面接合型太陽電池の特性をソーラシミュレータにより評価した。And the characteristic of the back junction solar cell of Example 1 was evaluated with the solar simulator.
この結果実施例1の裏面接合型太陽電池のJsc(短絡電流密度)は38.2mA/cm2であり、Voc(開放電圧)は0.612Vであり、F.F(フィルファクタ)は0.680であり、Eff(変換効率)は15.7%であった。As a result, Jsc (short circuit current density) of the back junction solar cell of Example 1 is 38.2 mA / cm 2 , Voc (open voltage) is 0.612 V, and F.I. F (fill factor) was 0.680 and Eff (conversion efficiency) was 15.7%.
使用シリコン基板の種類、大きさと前処理はすべて実施例1と同様であるので説明を省略する。使用する遮蔽マスクも実施例1と全く同様であり、また遮蔽マスクをシリコン基板へ固定するまでの工程も全く変わらないので説明を省略する。Since the type, size, and pretreatment of the silicon substrate used are all the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted. The shielding mask to be used is exactly the same as that of the first embodiment, and the process until the shielding mask is fixed to the silicon substrate is not changed at all, so that the description thereof is omitted.
続く各工程後のシリコン基板100の模式的な断面図と受光面と反対面である裏面から見た平面図を、それぞれ図4(a)〜(e)と図5(a)〜(d)に示した。図4(a)〜(d)のおのおのの断面図は図5(a)〜(d)のおのおのに示されたI−I線に沿った断面図である。唯、図4(e)に対応する平面図は図5(d)と同様なので表示を省略した。また図4の断面図では受光面となる表面は下向きで、裏面は上向きで表示した。FIGS. 4A to 5E and FIGS. 5A to 5D are a schematic cross-sectional view of the
遮蔽マスク210をシリコン基板100に固定した後、シリコン基板100を熱蒸着チャンバへ搬送し、1mTorr以下の条件で、図4(a)と図5(a)に示されるように、遮蔽マスク210を通して、第一電極でp型電極120となる、アルミ電極を500nm堆積した。After the shielding
次に遮蔽マスク210の上から図5(b)の点線で囲まれる領域に示される第一遮蔽板220を重ね、p型電極120の各フィンガーの一部分を第一遮蔽板220によって遮蔽するようにした。次に絶縁膜130としてSiO2膜をパルス直流反応性スパッタ堆積法(非特許文献2)により150Wの条件で、遮蔽マスク210を通して400nm堆積した。堆積圧力は2.5〜10mTorrでp電極120を堆積した圧力よりも高いので、堆積された絶縁膜130は図4(b)に示すように遮蔽マスク開口部210aの側面に数μmから十数μm程度回りこみ、p型電極120を完全に包み込むように堆積される。ここでp型電極120の第一遮蔽板220で遮蔽された部分は図5(b)に示すように絶縁膜130から露出した。Next, the
続いて遮蔽マスク210と第一遮蔽板220をシリコン基板100から外し、図5(c)に示すように前記第一遮蔽板220で遮蔽された領域を完全に遮蔽する第二遮蔽板230を通して、第二導電型シリコン領域としてのn+型領域をスパッタ堆積した。n+領域のスパッタ堆積に使ったスパッタ装置は抵抗率が0.001Ωcm以下のn+型シリコンをターゲットにしており、直径は75mmであった。電源には直流電源を用い、スパッタガスはArであった。堆積条件は、基板温度175℃、Ar圧力2.5mTorr、電源パワー300Wである。ここで図4(c)と図5(c)に示すように、シリコン基板100が露出している部分に堆積されたシリコンはエピタキシャル成長してn+型領域140aが形成されるが、絶縁膜上に堆積された部分ではアモルファスシリコン化したn+型領域140bとなる。しかしこのアモルファスシリコン化したn+型領域140bは太陽電池の特性にはほとんど影響しない。Subsequently, the shielding
続いて第二遮蔽板230をシリコン基板100から外し、図5(d)に示すように前記第二遮蔽板230により形成されたn+型シリコン膜140の境目を完全に遮蔽する第三遮蔽板240を設置して、電極材料としての銀膜をスパッタ堆積した。この工程により第二電極としてのn型電極150とp型電極外部接続電極160が形成される。Subsequently, the
次に図4(e)の受光面反射防止のための凹凸構造170を形成した。方法はCF4ガスとO2ガスを原料にしたマグネトロン平行平板型反応性イオンエッチングを用いた。電源パワーは10Wで、CF4:O2流量比は1:1、エッチング圧力は15mTorrであった。この結果2%以下の可視光反射率が得られた。Next, the concavo-
次に反応性スパッタ法によりSiO2を堆積して反射防止膜180とした。堆積した膜厚は特に限定されないが、たとえば60nm以上140nm以下の厚さとすることができる。Next, SiO 2 was deposited by reactive sputtering to form an
次に試料を550℃〜650℃のオーブンに入れて熱処理し、p型電極としてのアルミ電極120とシリコン基板100の界面に第一導電型シリコンとしてのp+型領域を形成した。この熱処理工程は図4(c)〜図4(d)の工程後に行ってもよい。また図4(a)〜図4(b)の工程後に行ってもよいが、しかし表面に形成される薄い酸化シリコン膜が図4(c)のスパッタエピタキシャル堆積を妨げるので、スパッタエピタキシャル堆積前にフッ酸溶液か水素プラズマで酸化膜を除去する必要がある。Next, the sample was put in an oven at 550 ° C. to 650 ° C. and heat-treated to form a p + type region as the first conductivity type silicon at the interface between the
最後に試料を、300℃から450℃の温度に維持され、水素を5%程度含む窒素を流した管状炉で熱処理をした。Finally, the sample was heat-treated in a tubular furnace maintained at a temperature of 300 ° C. to 450 ° C. and flowing nitrogen containing about 5% of hydrogen.
そして、実施例2の裏面接合型太陽電池の特性をソーラシミュレータにより評価した。And the characteristic of the back junction solar cell of Example 2 was evaluated with the solar simulator.
この結果実施例2の裏面接合型太陽電池のJsc(短絡電流密度)は38.0mA/cm2であり、Voc(開放電圧)は0.62Vであり、F.F(フィルファクタ)は0.71であり、Eff(変換効率)は16.5%であった。As a result, Jsc (short circuit current density) of the back junction solar cell of Example 2 is 38.0 mA / cm 2 , Voc (open voltage) is 0.62 V, and F.I. F (fill factor) was 0.71, and Eff (conversion efficiency) was 16.5%.
使用シリコン基板の種類、大きさと前処理はすべて実施例1と同様であるので説明を省略する。使用する遮蔽マスクも実施例1と全く同様であり、また遮蔽マスクをシリコン基板へ固定するまでの工程も全く変わらないので説明を省略する。Since the type, size, and pretreatment of the silicon substrate used are all the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted. The shielding mask to be used is exactly the same as that of the first embodiment, and the process until the shielding mask is fixed to the silicon substrate is not changed at all, so that the description thereof is omitted.
続く各工程後のシリコン基板100の模式的な断面図と受光面と反対面である裏面から見た平面図を、それぞれ図6(a)〜(f)と図7(a)〜(e)に示した。図6(a)〜(e)のそれぞれ断面図は図7(a)〜(e)のおのおのに示されたI−1線に沿った断面図である。唯、図6(f)に対応する平面図は図7(e)と同様なので表示を省略した。また図6の断面図では受光面となる表面は下向きで、裏面は上向きで表示した。FIGS. 6A to 6F and FIGS. 7A to 7E are schematic cross-sectional views of the
続いてシリコン基板100をシリコン堆積用スパッタ装置へ導入した。このスパッタ装置は抵抗率が0.001Ωcm以下のn+型シリコンをターゲットにしており、ターゲットの直径は75mmであった。電源には直流電源を用い、スパッタガスはArであった。堆積条件は、基板温度175℃、Ar圧力2.5mTorr、電源パワー300Wである。この条件で図6(a)と図7(a)に示すようにシリコン基板100の裏面に遮蔽マスク210を通してn+型シリコンを300nm堆積した。この結果第一導電型シリコン領域としてn+型領域140aが形成された。ここで前記非特許文献1に示すように、スパッタ膜はシリコン基板上でエピタキシャル成長するので、シリコン基板100とn+領域140aは結晶的に連続している。Subsequently, the
次にシリコン基板100をスパッタ装置へ搬送し、2mTorr以下の条件で、図6(b)と図7(b)に示されるように、n+型領域140a上に第一電極でn型電極150となる銀電極を、遮蔽マスク210を通して200nm堆積した。Next, the
次に遮蔽マスク210の上から図7(c)の点線で囲まれた第一遮蔽板220を重ね、n型電極150の各フィンガーの一部分を第一遮蔽板220によって遮蔽するようにした。次に絶縁膜130としてSiO2膜をパルス直流反応性スパッタ堆積法(非特許文献2)により150Wの条件で、遮蔽マスク210を通して400nm堆積した。堆積圧力は2.5〜10mTorrでn+型領域140aとn電極150を堆積した圧力よりも高いので、堆積された絶縁膜130は図6(c)に示すように遮蔽マスク開口部210aの側面に数μmから十数μm程度回りこみ、n+型領域140aとn電極150を完全に包み込むように堆積される。ここでn型電極150の第一遮蔽板220で遮蔽された部分は図7(c)に示すように絶縁膜130から露出した。Next, a
続いて遮蔽マスク210と第一遮蔽板220をシリコン基板100から外し、図6(d)と図7(d)に示すように前記第一遮蔽板220で遮蔽された領域を完全に遮蔽する第二遮蔽板230を通して、第二電極としてp型電極120となるアルミ膜を200nm堆積した。アルミ膜は熱蒸着で行った。Subsequently, the shielding
続いて第二遮蔽板230をシリコン基板100から外し、図7(e)に示すように前記第二遮蔽板230により形成されたp型電極120の境目を完全に遮蔽する第三遮蔽板240を設置して、電極材料としての銀膜をスパッタ堆積した。この工程によりn型電極150のn型電極外部接続電極160とp型電極120のp型電極外部接続電極190が同時に形成される。Subsequently, the
次に図6(f)の受光面反射防止のための凹凸構造170形成に関してはCF4ガスとO2ガスを原料にしたマグネトロン平行平板型反応性イオンエッチングで形成した。電源パワーは10Wで、CF4:O2流量比は1:1、エッチング圧力は15mTorrであった。この結果2%以下の可視光反射率が得られた。
次に反応性スパッタ法によりSiO2を堆積して反射防止膜180とした。堆積した膜厚は特に限定されないが、たとえば60nm以上140nm以下の厚さとすることができる。Next, regarding the formation of the concavo-
Next, SiO 2 was deposited by reactive sputtering to form an
次に試料を550℃〜650℃のオーブンに入れて熱処理し、図6(f)に示すように、アルミp型電極120とシリコン基板100の界面に第二導電型シリコンとしてのp+型領域を形成した。この熱処理工程は図6(d)の工程後でも図6(e)の工程後にでもよい。Then cured, or placed in the sample to 550 ° C. to 650 ° C. oven, as shown in FIG. 6 (f), p + -type region serving as a second conductivity type silicon at the interface of the aluminum p-
最後に試料を300℃から450℃の温度に維持され、水素を5%程度含む窒素を流した管状炉で熱処理をした。Finally, the sample was heat-treated in a tube furnace maintained at a temperature of 300 ° C. to 450 ° C. and flowing nitrogen containing about 5% of hydrogen.
そして、実施例3の裏面接合型太陽電池の特性をソーラシミュレータにより評価した。And the characteristic of the back junction type solar cell of Example 3 was evaluated with the solar simulator.
この結果実施例3の裏面接合型太陽電池のJsc(短絡電流密度)は38.0mA/cm2であり、Voc(開放電圧)は0.63Vであり、F.F(フィルファクタ)は0.72であり、Eff(変換効率)は16.8%であった。As a result, Jsc (short circuit current density) of the back junction solar cell of Example 3 is 38.0 mA / cm 2 , Voc (open voltage) is 0.63 V, and F.I. F (fill factor) was 0.72, and Eff (conversion efficiency) was 16.8%.
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種種の変更を加えることが可能である。The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various changes can be made without departing from the spirit of the present invention.
本発明は、スパッタエピタキシャル堆積法による低温接合形成と遮蔽マスクによる一導電型領域の形成により、これまでの課題であった裏面接合型太陽電池のpn電極の高解像度化、製造プロセスの低温化、全真空薄膜工程による基板の薄型化、を同時に解決したことで、発電効率が高く且つ低コストな太陽電池の製造方法を実現した。The present invention provides a high-resolution pn electrode for a back-junction solar cell, which has been a problem, and a low-temperature manufacturing process by forming a low-temperature junction by a sputter epitaxial deposition method and forming a one-conductivity type region by a shielding mask. By simultaneously solving the thinning of the substrate by the all vacuum thin film process, a solar cell manufacturing method with high power generation efficiency and low cost was realized.
100 シリコン基板、
110 p+型領域
120 p型電極
130 絶縁膜
140 n+シリコン膜
140a エピタキシャル成長したn+型領域
140b アモルファス化したn+型領域
150 n型電極
160 p型電極外部接続電極
170 表面凹凸構造
180 反射防止膜
210 遮蔽マスク
210a 遮蔽マスクの開口部
220 第一遮蔽板
230 第二遮蔽板
240 第三遮蔽板
250 細線100 silicon substrate,
110 p + type region 120
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2009
- 2009-01-27 JP JP2009035855A patent/JP2010177655A/en active Pending
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