JP2010520631A - 太陽電池の製造方法及びそれによって得られた太陽電池 - Google Patents

Abstract

シリコン基板（４）から太陽電池（２０）を製造する方法において、前面及び裏面に最初に、３．６〜３．９の光屈折率ｎを有する第１の反射防止層（２、５）が適用される。次いで、１．９４〜２．１の光屈折率ｎを有する第２の反射防止層（１、６）が適用される。シリコン基板（４）まで金属接点（７、９）を導入するために、反射防止層（１、２、５、６）を下地のシリコン基板（４）まで下がって分離する。

Description

本発明は、シリコンまたはシリコン基板から太陽電池を製造する方法、並びにそのような方法を用いて製造された太陽電池に関する。

通常、太陽電池の効率は、前記太陽電池の表面の性質、または表面コーティングによって影響される。特に太陽電池への太陽光の最大入射を可能にするために、反射防止及び不動態化特性が非常に重要視されている。通常、太陽電池の前面は反射防止層、例えばＳｉＮを有する。

従来の太陽電池の製造は、下文に要約形式で記述される、加工工程のシーケンスを含む。主構造は、通常、吸収特性を改良するためにエッチング加工によって表面がテクスチャリングされた単結晶または多結晶のｐ−Ｓｉウエハによって提供される。単結晶シリコンの場合は、エッチング加工は水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムの溶液と、イソプロピルアルコールとの混合物を用いて行われる。多結晶シリコンは、フッ化水素酸及び硝酸の溶液を用いてエッチングされる。次いで、次の拡散工程用の最適表面を調製するために、さらなるエッチング洗浄シーケンスが行われる。この工程では、約０．５μｍの深さまでリンが拡散することによって、シリコン中にｐ−ｎ接合が形成される。ｐ−ｎ接合は光によって生成される電荷キャリアを分離する。ｐ−ｎ接合を作るために、リン源、通常、気体混合物または水溶液の存在下において加熱炉の中で、ウエハを約８００℃〜９５０℃に加熱する。リンはシリコンの表面に浸透する。リンをドープした層は、正の導電性を有するホウ素をドープしたベースとは反対に、負の導電性を有する。この工程ではリンガラスが表面上に形成されるが、リンガラスは次の工程でＨＦを用いたエッチングによって除去される。続いて、反射を低減するため、及び不動態化の目的のために、シリコンの表面に約８０ｎｍ厚の、通常、ＳｉＮ：Ｈを含む層が適用される。次いで、金属の接点が、前面（銀）及び裏面（金または銀）に適用される。いわゆるＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ：裏面電界）を有利にはアルミニウムから形成するために、前記方法においてウエハの裏面に適用されたアルミニウムの一部が、次の焼成工程においてシリコンと合金化される。

本発明の課題は、従来技術の不利点を避けることができ、そして特に太陽電池の効率をさらに向上することができる、前述の方法とそれによって製造される太陽電池とを提供することである。

この課題は、請求項１の特徴を有する方法と請求項１２の特徴を有する太陽電池とによって解決される。本発明の利点及び好ましい実施態様が、さらなる請求項の対象を構成し、下文に詳細に説明される。特許請求の範囲の表現が本発明の記載に明確に参照される。さらに、同じ出願人による２００７年３月８日に出願された優先権主張出願第ＤＥ１０２００７０１２２６８．５号の表現が、本発明の記載に明確に参照される。

本発明によれば、太陽電池のさらなる生産用に既にあらかじめ処理されたドープされたシリコン基板の少なくとも１面上に、３．５〜４．０の光屈折率ｎを有する第１の層が適用される。前記の第１の層上に、１．９〜２．２の光屈折率ｎを有する第２の層が適用される。このように、本発明の範囲内において、２層構造が、太陽電池の表面コーティング用または反射防止層用に作られる。これは、太陽電池に入射する光の反射を低減することができるため、より多くの光が太陽電池に入射して、結果としてその効率が向上する。さらに、そのような多層構造を用いて、太陽電池の前面の不動態化を改良することも可能である。

本発明の実施態様によれば、第１の層は３．６〜３．９の屈折率を有することができる。第１の層はシリコン及び／またはゲルマニウムを含むことができるか、またはシリコン及び／またはゲルマニウムから形成され得る。有利には、第１の層はａ−ＳｉＧｅまたはａ−ＳｉＧｅ：Ｈから形成される。したがって、この場合は、前記材料の前記層は半導体層としては用いられないが、その代わりに反射防止機能を有する。

本発明のさらなる実施態様では、第２の層が１．９４〜２．１の屈折率ｎを有することができる。そのような層構造によって、特に良好に機能する反射防止コーティング全体が得られる。さらに、第２の層はシリコン、有利にはＳｉＮ（ｘ）：Ｈを含むことができるか、またはシリコン、有利にはＳｉＮ（ｘ）：Ｈから形成することができる。

例えば前面にのみ光が照射される太陽電池の場合、前面上にだけ反射防止層用の上記の２重の層構造を提供することが可能である。しかしながら、少なくとも２面に光が照射される場合、有利には太陽電池の両面が上記の２重の層構造を有する。

製造方法において、第１の層を用いてシリコン基板の両面を最初にコーティングすることが可能である。次いで、第２の層を両面に適用することができる。このように、より簡単に管理しやすい加工が可能である。

本発明の実施態様によれば、第１の層は、シリコン及びゲルマニウム、例えば前述の化合物を含むことができる。少なくとも第１の層、特にまた第２の層、または第１の層及び第２の層の両方が、増加するゲルマニウムの濃度勾配を有することが可能である。そのような勾配を、例えば層の形成または適用の際に作ることができる。これは反射防止特性及び不動態化特性に良い影響を与えることを可能とする。

シリコン基板のさらなる加工の際、下地のドープされたシリコン基板に接点を形成または適用するために、基板の少なくとも１面上の層を部分的に除去することが可能である。そのような接点は有利には金属であるかまたは金属から作られる。接点は有利には線形形状または格子状であることができるが、最小限のシャドウイングのみとするために、太陽電池の少なくとも前面上にて最小の表面積のみを占める。

本発明のさらなる実施態様によれば、例えば線接触として適用される電気接点が、第１の層と直接接触しないか、または第１の層といかなる接続も有さないように作られる。この目的のために、例えば第１の層を、誘電体層によって電気接点と分離することができ、そのような誘電体層は例えばＳｉＮから作られる。有利には、誘電体層は第２の層によって形成される。本発明の製造方法においては、適用すべき電気接点の形状に構造的なパターンが基本的に相当するように、第１の層をシリコン基板に適用し、次いで構造化することが可能である。しかしながら、若干、より大きい面積にわたって、若しくはいずれの場合にも、若干、より広い幅を有する構造を層内に導入することができ、または同じものを除去することができる。次いで、第２の層を第１の層上に適用し、次いで、第２の層をまた、第１の層内の構造パターンが適切に除去された領域に導入する。続いて、電気接点が所望のパターンを有して得られた構造内に導入されるように、第２の層をより薄いパターンで構造化するか、または下地のシリコン基板まで下がって除去する。この方法において、本発明の層構造が達成され、同時に、第１の層と接触しない電気接点が得られる。層の構造化は、例えば機械的に行われるが、有利にはレーザーが用いられる。

準備目的のために、本発明の層を適用する前に、シリコン基板の表面側を、有利にはリンを用いて、ｎ型にドープすることができる。より薄くあるべきであり、有利にはホウ素をドープされたａ−ＳｉＧｅでドープされるか、またはホウ素をドープされたａ−ＳｉＧｅから作られる、ｐ型にドープされた層を裏面に作ることができる。

基板の両面上の反射防止及び不動態化特性のために、上述の２層構造を提供することができ、上述の電気接点が両面に提供される。裏面構造はｐ型にドープされたシリコンに適用される。

これらの及びさらなる特徴を特許請求の範囲、明細書、及び図面から得ることができ、個々の特徴は、それぞれの場合にそのままで、または本発明の実施態様及び他の分野におけるサブコンビネーションの形式で、実現することができ、そして本願で特許を請求するための有益で個々に特許性のある構成を表すことができる。個々の区分及び小見出しへの本発明の細分化は、その条件の下で作成された本明細書の記載内容の普遍性を全く制限しない。

本発明の実施態様は、添付図面に図式的に表される。

両面上に異なる光屈折率を有する２つの層、並びに両面上に導入された接点を有する太陽電池の断面図。 前面上に若干変更された接点の配置を有する図１の太陽電池の変形例。 前面上及び裏面上にさらに変更された接点を有する図１の太陽電池のさらなる変形例。

図１は太陽電池２０の断面を表す。ｐ型にドープされたシリコン基板４上で、リンをドープしたｎ型シリコンのより薄い層３が上方に向いた前面に適用される。３．６〜３．９の光屈折率ｎを有する、前面の第１の反射防止層２が、層３上に適用される。前記の前面の第１の層２上に、１．９４〜２．１の光屈折率ｎを有する第２の反射防止層１が適用される。

基板４の裏面上に、前面の第１の反射防止層２に相当する屈折率ｎを有する、裏面の第１の反射防止層５を適用する。その上に、前面の第１の反射防止層１に相当する屈折率ｎを有する、裏面の第２の反射防止層６を同様に適用する。

基板４のコーティング及びその前のドーピングについては、上に詳細に記載した。有利には、ｎ型シリコン層３を有する基板４の前面上及び裏面上に、第１の反射防止層２及び５を最初に適用する。さらなる加工工程において、前面及び裏面の第２の反射防止層１及び６が適用される。

電気接点の形成のために、前面に、または前面の第１及び第２の反射防止層１及び２に、例えばレーザー加工によって、溝が形成される。先に記載した方法、例えば印刷によって、前記溝に金属接点９を導入する。電気接点９は有利にはアルミニウムから作られ、そしてまたｎ型シリコン層３と接触する。

同様の接触が、太陽電池２０の裏面上で行われ、最初に２つの裏面の反射防止層５及び６が、基板４まで下がって分離される。得られた溝において、前面用の前述の接点と同様の、アルミニウムから作られたさらなる金属接点７が導入される。同業者に概して知られるように、アルミニウム接点７及びｐ型にドープされたシリコン基板４の間で、いわゆるアルミニウム裏面電界８が形成される。

従来の単一層の反射防止層、例えばＳｉＮに比べて、太陽電池２０の、前面上の２重の反射防止層１及び２、並び裏面上の層５及び６の利点は、特に５５０ｎｍ未満及び７００ｎｍより長い波長の範囲における、非常に低い反射性である。それゆえに本発明の太陽電池の光効率ひいてはエネルギー効率もまた著しく改善される。

図２は、図１に関連して記載されるように、その表面側にリンがドープされたｎ型シリコン層１０３を有する基板１０４によって同様に構成される他の太陽電池を示す。第１の反射防止層１０２及び１０５が前面上及び裏面上に適用され、これらの上に同様に第２の反射防止層１０１及び１０６を適用する。光屈折率は図１に関して記載されたものと同様であることができる。

２つの裏面の反射防止層内の溝にアルミニウム金属接点１０７を導入して裏面上に接触が同様に生じることによってアルミニウム裏面電界１０８を生じる一方で、前面への接触が若干異なる。ここで、前面の第１の反射防止層１０２に、続いて適用されるべき電気接点１０９よりも非常に大きい幅に分離されて溝が形成される。次いで、前面の第２の反射防止層１０１が適用される。次いで、この中に、接点１０９の幅に相当する幅で、ｎ型シリコン層１０３まで下がって分離されて、さらなる溝が形成される。続いて、接点１０９が先に記載した方法で導入される。ここでの利点は、金属接点１０９が、上述のように、単に直接、ｎ型シリコン層１０３に接続または接触すること、並びに金属接点１０９が、前面の第１の反射防止層１０２に接触しないことである。前面の第１の反射防止層１０２及び金属接点１０９の間に位置する前面の第２の反射防止層１０１の部分が、太陽電池１２０の前面の接触を分離するために、誘電体層として機能する。

図３は、図２における場合と同様に、前面の接触、及び裏面の接触の形成を提供する太陽電池２２０のさらなる変形例を示す。これは、裏面の第１の反射防止層２０５及び裏面に適用されたアルミニウム金属接点２０７の間に、基板２０４の裏面上に部分２１３を有する裏面の第２の反射防止層２０６が拡がることを意味する。裏面の第１の反射防止層２０５に対して裏面の金属接点２０７を絶縁するために、部分２１３が誘電体層を形成する。ここで、アルミニウム裏面電界２０８が同様に形成される。それ以外では、基板２０４、ｎ型シリコン層２０３、並びに前面の金属接点２０９とともに、前面の第１の反射防止層２０２及び前面の第２の反射防止層２０１からなる前面の反射防止層、を有する太陽電池２２０の構造は、図２の構造に相当する。これは製造方法にも適用する。

前面及び裏面の接触の形成は、それぞれ図面に示したものと同じであるが、異なることもでき、例えば一面上に線形形状の接点、及び他面上にそれとは異なる形状の接点を形成することができる。

第１の反射防止層の特性によって、特に前面において、下地のシリコン基板に対して光学特性の最適調整を行うことができる。加えて、シリコン基板の非常に歪みのないコーティングも可能である。

Claims (12)

1. ドープされたシリコン基板（４、１０４、２０４）の少なくとも１面上に３．５〜４．０の光屈折率ｎを有する第１の層（２、５、１０２、１０５、２０２、２０５）を適用し、該第１の層（２、５、１０２、１０５、２０２、２０５）上に１．９〜２．２の光屈折率ｎを有する第２の層（１、６、１０１、１０６、２０１、２０６）を適用する、シリコンから作られる太陽電池（２０、１２０、２２０）を製造する方法。
2. 該第１の層（２、５、１０２、１０５、２０２、２０５）が３．６〜３．９の屈折率ｎを有する、請求項１に記載の方法。
3. 該第１の層（２、５、１０２、１０５、２０２、２０５）が、シリコン及び／またはゲルマニウムを含み、好ましくはａ−ＳｉＧｅまたはａ−ＳｉＧｅ：Ｈである、請求項１に記載の方法。
4. 該第１の層（２、５、１０２、１０５、２０２、２０５）がＳｉＧｅを含み、好ましくは少なくとも該第１の層（２、５、１０２、１０５、２０２、２０５）、特に該第２の層（１、６、１０１、１０６、２０１、２０６）または両方の層が共にそれぞれ、増加するゲルマニウムの濃度勾配を有し、またはそのような勾配が生じる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 該第２の層（１、６、１０１、１０６、２０１、２０６）が１．９４〜２．１の屈折率ｎを有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 該第２の層（１、６、１０１、１０６、２０１、２０６）が、シリコンを含み、好ましくはＳｉＮ（ｘ）：Ｈである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 該第１の層（２、５、１０２、１０５、２０２、２０５）が該ドープされたシリコン基板（４、１０４、２０４）の両面上に最初に適用され、次いで、該第２の層（１、６、１０１、１０６、２０１、２０６）が両面上に適用される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 該シリコン基板（４、１０４、２０４）の少なくとも１面上において、該下地のドープされたシリコン基板（４、１０４、２０４）に接点（７、９、１０７、１０９、２０７、２０９）を適用するために、２つの層（１、２、５、６、１０１、１０２、１０５、１０６、２０１、２０２、２０５、２０６）が少なくとも部分的に、好ましくは線形形状に除去される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 該第１の層（１０２、２０２、２０５）が電気接点（１０７、１０９、２０７、２０９）と直接接触しないように、該電気接点（１０７、１０９、２０７、２０９）が好ましくは線形形状で該シリコン基板（１０４、２０４）に適用され、好ましくは該第１の層（１０２、２０２、２０５）が好ましくはＳｉＮから作られる誘電体層（１１２、２１２、２１３）によって該電気接点から分離される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 該第１の層（１０２、２０２、２０５）の適用に続いて、適用される該電気接点（１０９、２０７、２０９）に相当し、かつ該電気接点（１０９、２０７、２０９）よりも幅が広い構造パターンが構築され、
    次いで、該第２の層（１０１、２０１、２０６）が該第１の層（１０２、２０２、２０５）上に適用され、そして該第２の層（１０１、２０１、２０６）内に該電気接点の最終パターンを有する接触構造が導入され、
    次いで、該電気接点（１０９、２０７、２０９）が該接触構造内に導入される、
    請求項９に記載の方法。
11. 該シリコン基板（４、１０４、２０４）が、表面側（３、１０３、２０３）において、好ましくはリンでｎ型にドープされ、
    裏面上に、ｐ型にドープされた層であって、特により薄い層が形成され、
    好ましくは該ｐ型にドープされた層が、ホウ素をドープされたａ−Ｓｉ：Ｇｅでドープされるか、またはホウ素をドープされたａ−Ｓｉ：Ｇｅから作られる、
    請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法を用いて処理されたシリコン基板（４、１０４、２０４）から作られた太陽電池（２０、１２０、２２０）。

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