JP2011181606A - 太陽電池素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】基板の受光面と反対側の電極形成面側に電極を備えた構造の太陽電池素子について、所望の耐圧特性を確実に確保することを課題とする。
【解決手段】光が照射される受光面と、受光面の反対側に電極形成面を備えた半導体基板と、前記半導体基板の電極形成面の表面近傍に形成されたｐ+活性化領域およびｎ+活性化領域と、前記ｐ+活性化領域と前記ｎ+活性化領域との上に、それぞれ形成された金属電極と、隣接する前記ｐ+活性化領域と前記ｎ+活性化領域との間に、半導体基板の電極形成面を掘り込んだ凹形状の分離部とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】光が照射される受光面と、受光面の反対側に電極形成面を備えた半導体基板と、前記半導体基板の電極形成面の表面近傍に形成されたｐ+活性化領域およびｎ+活性化領域と、前記ｐ+活性化領域と前記ｎ+活性化領域との上に、それぞれ形成された金属電極と、隣接する前記ｐ+活性化領域と前記ｎ+活性化領域との間に、半導体基板の電極形成面を掘り込んだ凹形状の分離部とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１
Description
この発明は、太陽電池素子に関し、特に、基板の受光面と反対側の面に、電極を形成した構造を有する太陽電池素子と、その製造方法に関する。
従来の太陽電池素子の中には、基板の受光面と、その反対側の面（裏面）にそれぞれ電極を設けるタイプのものが利用されている。
しかし、このタイプの素子は、受光面側に電極を設ける必要があったので、この電極が光の入射をさまたげ、遮蔽損失が問題となっていた。
そこで、このような遮蔽損失を低減させるために、受光面側に配置していた電極を、基板の裏面側に配置したタイプの太陽電池素子が提案されている（特許文献１参照）。
しかし、このタイプの素子は、受光面側に電極を設ける必要があったので、この電極が光の入射をさまたげ、遮蔽損失が問題となっていた。
そこで、このような遮蔽損失を低減させるために、受光面側に配置していた電極を、基板の裏面側に配置したタイプの太陽電池素子が提案されている（特許文献１参照）。
この特許文献１の素子は、受光面であるシリコン基板の主面側には、凹凸部と反射防止膜を形成し、シリコン基板の裏面側には、多数のｎ+領域とｐ+領域とを形成し、ｎ+領域と点状に接触する電極と、ｐ+領域と点状に接触する電極とを、それぞれの領域の上に櫛歯状に形成したものである。
このような構造の太陽電池素子では、受光面側に光の入射をさえぎる電極がないため、光影面積はゼロとなり、発電に必要な光を、太陽電池素子内に多く取り込むことができる。
このような構造の素子は、一般的に、裏面コンタクト型の太陽電池素子と呼ばれる。
このような構造の太陽電池素子では、受光面側に光の入射をさえぎる電極がないため、光影面積はゼロとなり、発電に必要な光を、太陽電池素子内に多く取り込むことができる。
このような構造の素子は、一般的に、裏面コンタクト型の太陽電池素子と呼ばれる。
ところで、特許文献１のような裏面コンタクト型構造の太陽電池素子では、ｐ+領域の表面積を大きくすればするほど、発電変換効率を向上させることができる。
しかし、所定の面積を持つ素子基板上に、ｐ+領域とｎ+領域とを並べて配置する必要があり、ｐ+領域の面積を最大化するのにも限界がある。
また、ｐ+領域の面積を大きくすると、隣接するｎ+領域との距離を短くせざるをえない。
しかし、所定の面積を持つ素子基板上に、ｐ+領域とｎ+領域とを並べて配置する必要があり、ｐ+領域の面積を最大化するのにも限界がある。
また、ｐ+領域の面積を大きくすると、隣接するｎ+領域との距離を短くせざるをえない。
ｐ+領域とｎ+領域が近接した場合、たとえば、両領域の距離を１μｍ程度にしたとすると、製造のばらつき等のために、必要な耐圧を確保できず、リーク電流が大きくなってしまうという問題が生じる。
そこで、発電変換効率を向上させるとともに、所望の十分な耐圧特性を有するような構造の素子を提供することが望まれる。
この発明は、以上のような事情を考慮してなされたものであり、所望の発電変換効率と耐圧特性とを、どちらも得ることのできる構造を持つ太陽電池素子を提供することを課題とする。
そこで、発電変換効率を向上させるとともに、所望の十分な耐圧特性を有するような構造の素子を提供することが望まれる。
この発明は、以上のような事情を考慮してなされたものであり、所望の発電変換効率と耐圧特性とを、どちらも得ることのできる構造を持つ太陽電池素子を提供することを課題とする。
この発明は、光が照射される受光面と、前記受光面の反対側に電極形成面を備えた半導体基板と、前記半導体基板の電極形成面の表面近傍に形成されたｐ+活性化領域およびｎ+活性化領域と、前記ｐ+活性化領域と前記ｎ+活性化領域との上に、それぞれ形成された金属電極と、隣接する前記ｐ+活性化領域と前記ｎ+活性化領域との間に、半導体基板の電極形成面を掘り込んだ凹形状の分離部とを備えたことを特徴とする太陽電池素子を提供するものである。
これにより、ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域との間に、分離部を形成しているので、両活性化領域の分離が確実にでき、所望の耐圧特性を確実に確保できる。
これにより、ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域との間に、分離部を形成しているので、両活性化領域の分離が確実にでき、所望の耐圧特性を確実に確保できる。
また、前記分離部の深さは、前記ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域の基板内方向の厚さと同一か、あるいはその厚さよりも深いことを特徴とする。
これにより、２つの活性化領域の分離を、より確実にできる。
さらに、前記分離部の基板表面に平行な方向の幅が、１μｍ以上，４０μｍ以下であることを特徴とする。
これにより、２つの活性化領域の分離を、より確実にできる。
さらに、前記分離部の基板表面に平行な方向の幅が、１μｍ以上，４０μｍ以下であることを特徴とする。
また、この発明は、半導体基板の光が照射される受光面と反対側の電極形成面に、複数個のｐ+活性化領域とｎ+活性化領域を形成する工程と、その後、隣接するｐ+活性化領域とｎ+活性化領域との間に、半導体基板の電極形成面を掘り込んだ凹形状の溝を形成する工程と、前記溝を含む電極形成面全体に、絶縁膜を形成する工程と、前記ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域の上に形成された前記絶縁膜の一部を除去して開口部を形成する工程と、前記開口部と開口部近傍であって前記溝の外部に形成された絶縁膜の一部とを覆うように金属電極を形成する工程とから、前記電極形成面を形成することを特徴とする太陽電池素子の製造方法を提供するものである。
ここで、前記溝の形成工程は、ドライエッチング法，ウェットエッチング法，レーザ法，あるいはメカニカルスクラブ法のいずれかを用いて行うことを特徴とする。
ここで、前記溝の形成工程は、ドライエッチング法，ウェットエッチング法，レーザ法，あるいはメカニカルスクラブ法のいずれかを用いて行うことを特徴とする。
この発明によれば、半導体基板の電極形成面側であって、隣接するｐ+活性化領域とｎ+活性化領域との間に、分離部を形成しているので、両活性化領域を確実に物理的に分離でき、所望の耐圧特性を確実に確保することが可能な太陽電池素子を提供することができる。
以下、図面を使用して本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の実施例の記載によって、この発明が限定されるものではない。
＜太陽電池素子の構造＞
図１に、この発明の太陽電池素子の一実施例の断面図を示す。
ここでは、半導体基板１０１の受光面と反対側の面（以下、電極形成面、または裏面と呼ぶ）に、ｐ+活性化領域と、ｎ+活性化領域とを形成し、この２つの活性化領域の間に、両活性化領域を物理的に分離する構造（以下、分離部と呼ぶ）を設けることを特徴とする。
分離部の１つの構造として、電極形成面の一部を掘り込んだ溝（凹部）を形成する。
＜太陽電池素子の構造＞
図１に、この発明の太陽電池素子の一実施例の断面図を示す。
ここでは、半導体基板１０１の受光面と反対側の面（以下、電極形成面、または裏面と呼ぶ）に、ｐ+活性化領域と、ｎ+活性化領域とを形成し、この２つの活性化領域の間に、両活性化領域を物理的に分離する構造（以下、分離部と呼ぶ）を設けることを特徴とする。
分離部の１つの構造として、電極形成面の一部を掘り込んだ溝（凹部）を形成する。
図１において、半導体基板１０１としては、たとえば、シリコン基板を用いる。ただし
多結晶シリコン基板，非結晶シリコン基板を用いてもよい。
シリコン基板１０１としては、たとえば、ｎ型，９ｃｍ×９ｃｍの正方形，厚さ３００μｍ，抵抗率２Ω・ｃｍの基板を用いることができる。
図１に示すシリコン基板０１の上側の表面が、この上方から光が照射される受光面１０６である。受光面１０６は、光の反射を低減させるために、微細な凹凸を持つピラミッド構造の面として形成され、その表面には、反射防止膜１０７が形成される。
多結晶シリコン基板，非結晶シリコン基板を用いてもよい。
シリコン基板１０１としては、たとえば、ｎ型，９ｃｍ×９ｃｍの正方形，厚さ３００μｍ，抵抗率２Ω・ｃｍの基板を用いることができる。
図１に示すシリコン基板０１の上側の表面が、この上方から光が照射される受光面１０６である。受光面１０６は、光の反射を低減させるために、微細な凹凸を持つピラミッド構造の面として形成され、その表面には、反射防止膜１０７が形成される。
一方、図１に示すシリコン基板の下側の面、すなわち受光面１０６と反対側の表面である電極形成面側には、ｎ+活性化領域１０２と、ｐ+活性化領域１０３と、絶縁膜１０４と、分離部１０５と、コンタクト部（開口部）１０８と、金属電極１０９とが、形成される。
ｎ+活性化領域１０２と、ｐ+活性化領域１０３とは、それぞれ電極形成面の表面近傍の所定の領域内部に対して、所定の材料を拡散させることにより形成される。２つの活性化領域の形成工程の詳細については後述する。
ｎ+活性化領域１０２と、ｐ+活性化領域１０３とは、それぞれ電極形成面の表面近傍の所定の領域内部に対して、所定の材料を拡散させることにより形成される。２つの活性化領域の形成工程の詳細については後述する。
このように電極形成面の表面近傍の基板内部に形成された２つの活性化領域（１０２，１０３）が接触することなく、また、確実に所定の距離以上離れて形成されるようにするために、分離部１０５（以下、溝とも呼ぶ）を設ける。
分離部１０５は、隣接するｐ+活性化領域１０３とｎ+活性化領域１０２との間に設けられ、半導体基板の電極形成面を掘り込んだ凹形状の部分をいい、たとえば断面が台形形状の溝（凹部）として設ける。
分離部１０５は、隣接するｐ+活性化領域１０３とｎ+活性化領域１０２との間に設けられ、半導体基板の電極形成面を掘り込んだ凹形状の部分をいい、たとえば断面が台形形状の溝（凹部）として設ける。
この溝は、たとえば、後述するようなドライエッチング法や、ウェットエッチング法、レーザ法、あるいはメカニカルスクラブ法などを用いて形成すればよい。
隣接するｐ+活性化領域とｎ+活性化領域との間の距離は、分離部（溝）１０５の幅（Ｗ0）に等しいものとする。この２つの活性化領域間の距離は、素子の耐圧特性に大きな影響を与える。
分離部１０５の幅は、基板の表面に平行な方向の幅を意味し、断面が台形形状の傾斜面の場合は、上底の端を分離部の幅（ＷO）と定義するものとする。ただし、断面形状により、その他の長さ（たとえば幅の平均値）を、分離部の幅としてもよい。
隣接するｐ+活性化領域とｎ+活性化領域との間の距離は、分離部（溝）１０５の幅（Ｗ0）に等しいものとする。この２つの活性化領域間の距離は、素子の耐圧特性に大きな影響を与える。
分離部１０５の幅は、基板の表面に平行な方向の幅を意味し、断面が台形形状の傾斜面の場合は、上底の端を分離部の幅（ＷO）と定義するものとする。ただし、断面形状により、その他の長さ（たとえば幅の平均値）を、分離部の幅としてもよい。
溝１０５は、図１では、１つの例として、断面が台形形状のものを示しているが、これに限られるものではない。
たとえば、溝の幅が一定のコの字形状や、くさび形形状であってもよく、２つの活性化領域（１０２，１０３）が、所定距離以上確実に分離することができる形状であればよい。
また、後述するように、所望の耐圧特性を満たすためには、隣接するｐ+活性化領域１０３とｎ+活性化領域１０２との距離が少なくとも１μｍ以上となるように、溝の幅と深さと形状とを設定することが好ましい。
たとえば、溝の幅が一定のコの字形状や、くさび形形状であってもよく、２つの活性化領域（１０２，１０３）が、所定距離以上確実に分離することができる形状であればよい。
また、後述するように、所望の耐圧特性を満たすためには、隣接するｐ+活性化領域１０３とｎ+活性化領域１０２との距離が少なくとも１μｍ以上となるように、溝の幅と深さと形状とを設定することが好ましい。
たとえば、両活性化領域の距離に相当する溝の幅（Ｗ0）を５μｍ、溝の深さ（Ｄ0）を２μｍとしてもよい。
この場合、９ｃｍ×９ｃｍのシリコン基板上では、図１の断面方向のｐ+活性化領域１０３の幅（Ｗp）は、たとえば１３７５μｍ程度であり、またｎ+活性化領域１０２の幅（Ｗn）は、１２０μｍ程度となる。
このように、これらの２つの活性化領域（１０２，１０３）の間は、５μｍの幅の溝１０５により物理的に分離されるので、所望の十分な耐圧特性を確実に確保できる。
この場合、９ｃｍ×９ｃｍのシリコン基板上では、図１の断面方向のｐ+活性化領域１０３の幅（Ｗp）は、たとえば１３７５μｍ程度であり、またｎ+活性化領域１０２の幅（Ｗn）は、１２０μｍ程度となる。
このように、これらの２つの活性化領域（１０２，１０３）の間は、５μｍの幅の溝１０５により物理的に分離されるので、所望の十分な耐圧特性を確実に確保できる。
また、溝の深さは、２つの活性化領域の厚さ（基板内方向の厚さ）と同一か、好ましくはその厚さよりも深くすることが好ましい。溝の深さを活性化領域の厚さよりも深くすることによって、２つの活性化領域の分離がより確実にできる。
また、図１に示すように、シリコン基板の電極形成面には、溝を形成した後、溝を含む電極形成面全体に、絶縁膜１０４を形成する。この絶縁膜１０４は、電極が直接接触しないように絶縁する機能のために設けられる。
絶縁膜１０４としては、たとえば、膜厚５００μｍ程度の二酸化珪素（ＳｉＯ2）を用いることができる。
絶縁膜１０４としては、たとえば、膜厚５００μｍ程度の二酸化珪素（ＳｉＯ2）を用いることができる。
さらに、活性化領域（１０２，１０３）と、金属電極１０９との電気的接続を行うために、図１に示すように、それぞれの活性化領域（１０２，１０３）の下部に、開口部１０８（コンタクト部とも呼ぶ）を設ける。
このコンタクト部１０８は、ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域の上に形成された絶縁膜１０４の一部を除去することにより形成し、活性化領域の一部分を露出させる。
コンタクト部１０８の開口幅（ＷC）は、たとえば、８０μｍ程度とすればよい。
このコンタクト部１０８は、ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域の上に形成された絶縁膜１０４の一部を除去することにより形成し、活性化領域の一部分を露出させる。
コンタクト部１０８の開口幅（ＷC）は、たとえば、８０μｍ程度とすればよい。
金属電極１０９は、２つの活性化領域（１０２，１０３）を露出させるように形成されたコンタクト部１０８と、コンタクト部１０８の近傍であって溝の外部に形成された絶縁膜の一部とを覆うように形成する。
たとえば、電極材料としては銀（Ａｇ）を用い、スパッタリング法や蒸着法を用いて、所定の位置に、銀ペーストを形成すればよい。
たとえば、電極材料としては銀（Ａｇ）を用い、スパッタリング法や蒸着法を用いて、所定の位置に、銀ペーストを形成すればよい。
なお、図１は、シリコン基板を横方向から見た断面図を示しているが、シリコン基板を上方向から見て、２つの活性化領域（１０２，１０３）と溝１０５のパターン形状の一実施例を示すと、図２のようになる。
図２において、符号２０１は、図１のｎ+活性化領域１０２に相当し、符号２０２はｐ+活性化領域１０３に相当し、符号２０３は分離部１０５に相当し、符号２０４はコンタクト部１０８に相当する。
ここで、隣接する２つの活性化領域（１０２，１０３）の間には、すべて溝１０５が形成され、隣接する２つの活性化領域の端部は、たとえば５μｍ以上の間隔をあけて形成される。
図２において、符号２０１は、図１のｎ+活性化領域１０２に相当し、符号２０２はｐ+活性化領域１０３に相当し、符号２０３は分離部１０５に相当し、符号２０４はコンタクト部１０８に相当する。
ここで、隣接する２つの活性化領域（１０２，１０３）の間には、すべて溝１０５が形成され、隣接する２つの活性化領域の端部は、たとえば５μｍ以上の間隔をあけて形成される。
もし、製品ごとの製造のばらつきのために、ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域を形成した直後の状態において、隣接した２つの活性化領域の端部どおしが所定の設計値の距離よりも短くなってしまっていたとしても、本発明のような溝を形成することにより、両活性化領域の距離を確実に所定値以上にすることができるので、十分な耐圧特性を確保できる。
＜発電変換効率の説明＞
図３に、ｐ+活性化領域の幅と発電変換効率との関係のグラフを示す。
上記したように、光が入射するｐ+活性化領域の面積が、発電変換効率に影響を与え、その面積が大きいほど、発電変換効率は大きい。
図３において、擬似的な太陽光照射条件を、ＡＭ−１．５，１００Ｗ／ｃｍ2として、発電変換効率を測定した。
また、ｎ+活性化領域の幅（Ｗn）を１２０μｍ，コンタクト部の幅（ＷC）を８０μｍ，金属電極の幅（ＷK）を１２０μｍに固定した。
このような条件で、ｐ+活性化領域の幅（ＷP）を変化させて、発電変換効率を測定した結果が、図３のグラフである。
図３に、ｐ+活性化領域の幅と発電変換効率との関係のグラフを示す。
上記したように、光が入射するｐ+活性化領域の面積が、発電変換効率に影響を与え、その面積が大きいほど、発電変換効率は大きい。
図３において、擬似的な太陽光照射条件を、ＡＭ−１．５，１００Ｗ／ｃｍ2として、発電変換効率を測定した。
また、ｎ+活性化領域の幅（Ｗn）を１２０μｍ，コンタクト部の幅（ＷC）を８０μｍ，金属電極の幅（ＷK）を１２０μｍに固定した。
このような条件で、ｐ+活性化領域の幅（ＷP）を変化させて、発電変換効率を測定した結果が、図３のグラフである。
図３によれば、ｐ+活性化領域の幅（ＷP）が増加すればするほど、発電変換効率が向上することがわかる。
この実施例の測定では、基板の設計上、ｐ+活性領域の幅として最大値となるＷP＝１３８０μｍの場合に、短絡電流密度が最も大きくなり、発電変換効率は１９．８％（最大値）となった。
この実施例の測定では、基板の設計上、ｐ+活性領域の幅として最大値となるＷP＝１３８０μｍの場合に、短絡電流密度が最も大きくなり、発電変換効率は１９．８％（最大値）となった。
＜逆方向電流密度の測定＞
ここでは、耐圧特性を示す１つのパラメータとなる逆方向電流密度について説明する。
２つの活性化領域（１０２，１０３）の間に溝を形成しない場合と、本発明の図１のように溝を形成した場合について、ｐ+活性化領域の幅を変化させて測定した逆方向電流密度のグラフを示す。
まず、図４に、ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域との間に、溝を形成しない素子構造の場合の逆方向電流密度の測定グラフを示す。
横軸が、ｐ+活性化領域の幅であり、縦軸が逆方向電流密度である。
逆方向電流密度［ｍＡ／ｃｍ2］は、暗時、２端子測定により行った。
また、この実施例では、逆耐圧特性で要求される仕様数値（スペック）は、１８Ｖ、かつ６［ｍＡ／ｃｍ2］以下とする。
ここでは、耐圧特性を示す１つのパラメータとなる逆方向電流密度について説明する。
２つの活性化領域（１０２，１０３）の間に溝を形成しない場合と、本発明の図１のように溝を形成した場合について、ｐ+活性化領域の幅を変化させて測定した逆方向電流密度のグラフを示す。
まず、図４に、ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域との間に、溝を形成しない素子構造の場合の逆方向電流密度の測定グラフを示す。
横軸が、ｐ+活性化領域の幅であり、縦軸が逆方向電流密度である。
逆方向電流密度［ｍＡ／ｃｍ2］は、暗時、２端子測定により行った。
また、この実施例では、逆耐圧特性で要求される仕様数値（スペック）は、１８Ｖ、かつ６［ｍＡ／ｃｍ2］以下とする。
図４によれば、ｐ+活性化領域の幅が設計上の最大値であるＷP＝１３７９μｍのとき、逆方向電流密度は、１００［ｍＡ／ｃｍ2］となり、上記した逆耐圧特性の要求仕様（６［ｍＡ／ｃｍ2］以下）を満たさなかった。
この測定では、ｐ+活性化領域の幅（ＷP）が１３７９μｍのとき、ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域との間の距離は、１μｍである。
この測定では、ｐ+活性化領域の幅（ＷP）が１３７９μｍのとき、ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域との間の距離は、１μｍである。
また、ｐ+活性化領域の幅（ＷP）が１３７６μｍのとき、逆方向電流密度は、０．０１［μＡ／ｃｍ2］以下となり、上記した逆耐圧特性の要求仕様を満たした。
さらに、ＷPが１３７６μｍ以下でも、同様に、逆方向電流密度は、０．０１［μＡ／ｃｍ2］以下となり、要求仕様を満たしていた。
ｐ+活性化領域の幅ＷPが１３７６μｍのとき、２つの活性化領域間の距離は、４μｍである。
さらに、ＷPが１３７６μｍ以下でも、同様に、逆方向電流密度は、０．０１［μＡ／ｃｍ2］以下となり、要求仕様を満たしていた。
ｐ+活性化領域の幅ＷPが１３７６μｍのとき、２つの活性化領域間の距離は、４μｍである。
以上のことより、溝を形成しない場合でも、隣接するｐ+活性化領域とｎ+活性化領域との間の距離が、４μｍ以上となるように、確実に両活性化領域を形成できれば、十分に要求仕様を満たすことができる。
しかし、マスクを用いて所定の開口部に２つの活性化領域を拡散によって形成する方法では、製造誤差やばらつきが発生し、両活性化領域の距離を確実に４μｍ以上とするのが難しい場合もある。
そこで、２つの活性化領域の間に溝を設けることにより、活性化領域の形成位置に製造誤差があっても、十分な逆耐圧特性が得られるような２つの活性化領域間の距離を確保するようにする。
しかし、マスクを用いて所定の開口部に２つの活性化領域を拡散によって形成する方法では、製造誤差やばらつきが発生し、両活性化領域の距離を確実に４μｍ以上とするのが難しい場合もある。
そこで、２つの活性化領域の間に溝を設けることにより、活性化領域の形成位置に製造誤差があっても、十分な逆耐圧特性が得られるような２つの活性化領域間の距離を確保するようにする。
図５に、ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域との間に、図１のような溝１０５を形成した素子構造の場合の逆方向電流密度の測定グラフを示す。
逆方向電流密度の測定は、図４と同様の方法（暗時，２端子測定）で行い、ｐ+活性化領域の幅を変化させて測定した。
ここで、ｐ+活性化領域の幅（ＷP）が設計上の最大値である１３７９μｍのとき、２つの活性化領域間の距離（溝の幅ＷO）は、１μｍである。
また、ｐ+活性化領域の幅（ＷP）が１３７９μｍよりも短くなるにしたがって、逆に溝の幅（ＷO）は、その短くなった長さだけ長くなる。
逆方向電流密度の測定は、図４と同様の方法（暗時，２端子測定）で行い、ｐ+活性化領域の幅を変化させて測定した。
ここで、ｐ+活性化領域の幅（ＷP）が設計上の最大値である１３７９μｍのとき、２つの活性化領域間の距離（溝の幅ＷO）は、１μｍである。
また、ｐ+活性化領域の幅（ＷP）が１３７９μｍよりも短くなるにしたがって、逆に溝の幅（ＷO）は、その短くなった長さだけ長くなる。
図５によれば、ｐ+拡散領域の幅（ＷP）が最大値１３７９μｍの場合、逆方向電流密度は、０．０１［μＡ／ｃｍ2］以下となり、上記したのと同じ逆耐圧特性の要求仕様（６ｍＡ／ｃｍ2以下）を満たすことができた。
また、ｐ+拡散領域の幅ＷPが１３７９μｍよりも小さい場合も、同様に逆方向電流密度は、０．０１［μＡ／ｃｍ2］以下程度となっており、要求仕様を満たしている。
したがって、溝を設けなかった場合に要求仕様を満たさなかったＷP＝１３７９μｍの場合でも、幅ＷO＝１μｍの溝を設けて、２つの活性化領域の距離を１μｍとすれば、逆耐圧特性の要求仕様を満たすことができるようになる。
また、ｐ+拡散領域の幅ＷPが１３７９μｍよりも小さい場合も、同様に逆方向電流密度は、０．０１［μＡ／ｃｍ2］以下程度となっており、要求仕様を満たしている。
したがって、溝を設けなかった場合に要求仕様を満たさなかったＷP＝１３７９μｍの場合でも、幅ＷO＝１μｍの溝を設けて、２つの活性化領域の距離を１μｍとすれば、逆耐圧特性の要求仕様を満たすことができるようになる。
また、図５によれば、上記逆耐圧特性の要求仕様を満たすためには、両活性化領域の間の距離に相当する溝の幅（ＷO）を１μｍ以上とすればよいことがわかる。
ただし、溝の加工をする場合、実際にはその幅を小さくするのにも限界があるので、現実的な製造技術の観点からは、溝の幅（ＷO）は、５μｍ以上とすることが好ましい。
ただし、溝の加工をする場合、実際にはその幅を小さくするのにも限界があるので、現実的な製造技術の観点からは、溝の幅（ＷO）は、５μｍ以上とすることが好ましい。
さらに、溝の幅（ＷO）を太くすればするほど、十分な耐圧特性を確保できるが、溝の幅（ＷO）を太くすると、ｐ+活性化領域の幅（ＷP）が小さくなるので、素子の発電変換効率が悪くなる。
そこで、現実的に実用上十分と考えられる発電変換効率（たとえば、１９．５％）を確保するためには、溝の幅（ＷO）は、４０μｍ以下とすることが好ましい。
以上より、ｐ+活性化領域１０３とｎ+活性化領域１０２とを確実に分離するために、これらの活性化領域の間に形成する分離部（溝）１０５の幅（Wo）、言いかえれば、隣接するｐ+活性化領域とｎ+活性化領域との間の距離は、１μｍ以上、４０μｍ以下とすることが好ましい。
そこで、現実的に実用上十分と考えられる発電変換効率（たとえば、１９．５％）を確保するためには、溝の幅（ＷO）は、４０μｍ以下とすることが好ましい。
以上より、ｐ+活性化領域１０３とｎ+活性化領域１０２とを確実に分離するために、これらの活性化領域の間に形成する分離部（溝）１０５の幅（Wo）、言いかえれば、隣接するｐ+活性化領域とｎ+活性化領域との間の距離は、１μｍ以上、４０μｍ以下とすることが好ましい。
また、溝の深さ（ＤO）は、上記したように基板内に形成されるｐ+活性化領域とｎ+活性化領域の基板内方向の厚さと同一か、あるいは２つの活性化領域の分離を確実にするためにこれらの領域の厚さよりも長くなるようにする。
たとえば、２つの活性化領域の厚さが、１μｍ程度となるように形成された素子の場合は溝の深さは、１μｍ以上となるようにすればよい。なお、溝の深さの上限は、基板の厚さであるが、実際には、溝の深さは、２つの活性化領域の厚さと同一かあるいは１０％程度長ければよく、基板の厚さよりも短く設定すればよい。
さらに、溝の形状は、上記したように種々のものが考えられるが、加工コストの観点からは、図１のような形状が好ましい。
たとえば、２つの活性化領域の厚さが、１μｍ程度となるように形成された素子の場合は溝の深さは、１μｍ以上となるようにすればよい。なお、溝の深さの上限は、基板の厚さであるが、実際には、溝の深さは、２つの活性化領域の厚さと同一かあるいは１０％程度長ければよく、基板の厚さよりも短く設定すればよい。
さらに、溝の形状は、上記したように種々のものが考えられるが、加工コストの観点からは、図１のような形状が好ましい。
＜太陽電池素子の製造方法＞
以下に、この発明の太陽電池素子の製造方法の一実施例について説明する。
＜第１工程：活性化領域の形成＞
図６に、この発明の活性化領域形成後の基板の断面図を示す。
ここで、図６の符号６０１，６０２，６０３は、それぞれ、図１のシリコン基板１０１，ｎ+活性化領域１０２，ｐ+活性化領域１０３に相当する。
シリコン基板１０１の一方の表面近傍に、ｎ+活性化領域１０２と、ｐ+活性化領域１０３とを形成する。この表面が、受光面と反対側の面（裏面）となる。
シリコン基板１０１としては、ｎ型、９ｃｍ×９ｃｍの正方形状，厚さ３００μｍ，抵抗率２Ω・ｍのものを用いる。
以下に、この発明の太陽電池素子の製造方法の一実施例について説明する。
＜第１工程：活性化領域の形成＞
図６に、この発明の活性化領域形成後の基板の断面図を示す。
ここで、図６の符号６０１，６０２，６０３は、それぞれ、図１のシリコン基板１０１，ｎ+活性化領域１０２，ｐ+活性化領域１０３に相当する。
シリコン基板１０１の一方の表面近傍に、ｎ+活性化領域１０２と、ｐ+活性化領域１０３とを形成する。この表面が、受光面と反対側の面（裏面）となる。
シリコン基板１０１としては、ｎ型、９ｃｍ×９ｃｍの正方形状，厚さ３００μｍ，抵抗率２Ω・ｍのものを用いる。
ｎ+活性化領域１０２は、形成すべき領域部分を開口するようにしたノンドープの二酸化珪素膜（ＳｉＯ2）をマスクとして基板表面上に形成し、その後、この開口内に、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ3）を気相拡散させて形成する。
このときの主な形成条件は、以下のとおりである。
温度：９００℃，時間：１４．５分
これにより、たとえば、幅（Ｗn）＝１２０μｍ，深さ＝１μｍ程度の長方形形状のパターンを持つｎ+活性化領域が、上記開口部分に形成される。
このときの主な形成条件は、以下のとおりである。
温度：９００℃，時間：１４．５分
これにより、たとえば、幅（Ｗn）＝１２０μｍ，深さ＝１μｍ程度の長方形形状のパターンを持つｎ+活性化領域が、上記開口部分に形成される。
ｐ+活性化領域１０３は、形成すべき領域部分を開口するようにしたノンドープの二酸化珪素（ＳｉＯ2）をマスクとして基板表面上に形成し、その後、ボロンドープ酸化膜（ＢＳＧ）を、厚さ０．４μｍ程度、表面上に堆積する。
その後、熱処理し、上記ＢＳＧを固相拡散させて形成する。
このときの主な形成条件は、以下のとおりである。
温度：９００℃，時間：５０分
その後、熱処理し、上記ＢＳＧを固相拡散させて形成する。
このときの主な形成条件は、以下のとおりである。
温度：９００℃，時間：５０分
これにより、たとえば、幅（ＷP）＝１３７９μｍ，深さ＝０．９μｍ程度の長方形形状のパターンを持つｐ+活性化領域が、上記開口部分に形成される。
また、この工程の実施直後には、ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域との間の距離は、１μｍ程度となる。ただし、次の工程で両活性化領域を分離する溝を形成するので、この距離を厳密に制御する必要はない。
また、この工程の実施直後には、ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域との間の距離は、１μｍ程度となる。ただし、次の工程で両活性化領域を分離する溝を形成するので、この距離を厳密に制御する必要はない。
＜第２工程：分離部（溝）の形成＞
図７に、この発明の分離部を形成した後の基板の断面図を示す。
ここで、図７の符号７０１は、図１の分離部（溝）１０５に相当する。
図６のように２つの活性化領域を形成した基板１０１の裏面に、フォトレジストを塗布する。
次に、ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域との境界部分であって、溝を形成すべき位置に塗布されたフォトレジストを露光，現像処理により除去した後、たとえばドライエッチング法を用いて、フォトレジストのない部分をエッチングする。
その後、残りのフォトレジストを、酸素プラズマ法により除去する。
これにより、エッチングされた部分に、台形形状の溝１０５が形成される。
図７に、この発明の分離部を形成した後の基板の断面図を示す。
ここで、図７の符号７０１は、図１の分離部（溝）１０５に相当する。
図６のように２つの活性化領域を形成した基板１０１の裏面に、フォトレジストを塗布する。
次に、ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域との境界部分であって、溝を形成すべき位置に塗布されたフォトレジストを露光，現像処理により除去した後、たとえばドライエッチング法を用いて、フォトレジストのない部分をエッチングする。
その後、残りのフォトレジストを、酸素プラズマ法により除去する。
これにより、エッチングされた部分に、台形形状の溝１０５が形成される。
ドライエッチングをするときの主な条件は、たとえば、以下のとおりである。
エッチング室に、臭化水素ガス（ＨＢｒ）と、六フッ化硫黄ガス（ＳＦ6）と、酸素ガス（Ｏ2）とを、１：５：５程度の割合で混合した反応ガスを導入する。
室内の反応ガスの圧力を２００ｍＴｏｒｒ程度とし、ＲＦパワーを９００Ｗ程度とする。そして、この反応ガスを、エッチング室内に設置した基板の裏面に出力し、１５秒間程度エッチングする。
以上のような条件で溝を形成した場合、溝の幅（ＷO）は５μｍ程度で、溝の深さ（ＤO）は２μｍ程度となる。
また、この工程を実施した直後は、溝が形成されているので、ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域との間の距離は、５μｍ程度となる。これにより、所望の耐圧特性を持つように、両活性化領域を確実に分離できる。
エッチング室に、臭化水素ガス（ＨＢｒ）と、六フッ化硫黄ガス（ＳＦ6）と、酸素ガス（Ｏ2）とを、１：５：５程度の割合で混合した反応ガスを導入する。
室内の反応ガスの圧力を２００ｍＴｏｒｒ程度とし、ＲＦパワーを９００Ｗ程度とする。そして、この反応ガスを、エッチング室内に設置した基板の裏面に出力し、１５秒間程度エッチングする。
以上のような条件で溝を形成した場合、溝の幅（ＷO）は５μｍ程度で、溝の深さ（ＤO）は２μｍ程度となる。
また、この工程を実施した直後は、溝が形成されているので、ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域との間の距離は、５μｍ程度となる。これにより、所望の耐圧特性を持つように、両活性化領域を確実に分離できる。
なお、分離部（溝）の形成は、その他に、ウェットエッチング法，レーザー法，あるいはメカニカルスクラブ法などのいずれかを用いてもよい。
＜第３工程：絶縁膜の形成＞
図８に、絶縁膜を形成した後の基板の断面図を示す。
ここで、図８の符号８０１は、図１の絶縁膜１０４に相当する。
絶縁膜１０４としては、たとえば二酸化珪素（ＳｉＯ2）を用いることができ、図６のように溝を形成した後の裏面全体に、膜厚５００ｎｍ程度形成する。
絶縁膜の形成は、まず、乾燥酸素雰囲気中において、基板に対して９００℃の熱酸化処理を行い、その後、常圧化学気相反応法を用いて、ノンドープの二酸化珪素（ＳｉＯ2）を堆積すればよい。
図８に、絶縁膜を形成した後の基板の断面図を示す。
ここで、図８の符号８０１は、図１の絶縁膜１０４に相当する。
絶縁膜１０４としては、たとえば二酸化珪素（ＳｉＯ2）を用いることができ、図６のように溝を形成した後の裏面全体に、膜厚５００ｎｍ程度形成する。
絶縁膜の形成は、まず、乾燥酸素雰囲気中において、基板に対して９００℃の熱酸化処理を行い、その後、常圧化学気相反応法を用いて、ノンドープの二酸化珪素（ＳｉＯ2）を堆積すればよい。
＜第４工程：受光面の形成＞
図９に、受光面を形成した後の基板の断面図を示す。
ここで、図９の符号９０１は、図１の受光面１０６に相当し、符号９０２は、図１の反射防止膜１０７に相当する。
図８のように溝と絶縁膜とを形成した裏面とは反対側の基板表面は、まだ平坦な面である。この平坦な表面を、水酸化カリウムとイソプロピルアルコールとを混合した溶液中に、１５分間程度浸漬させる。これにより、基板の表面に、ピラミッド構造の凹凸が形成される。
この凹凸形状の面が、光を入射させる受光面１０６となる。その後、凹凸形状の受光面の全体にわたって、反射防止膜１０７を形成する。
反射防止膜１０７の形成は、たとえばプラズマ化学気相反応法により行えばよい。これにより、太陽光の反射を低減させることのできる受光面が形成される。
図９に、受光面を形成した後の基板の断面図を示す。
ここで、図９の符号９０１は、図１の受光面１０６に相当し、符号９０２は、図１の反射防止膜１０７に相当する。
図８のように溝と絶縁膜とを形成した裏面とは反対側の基板表面は、まだ平坦な面である。この平坦な表面を、水酸化カリウムとイソプロピルアルコールとを混合した溶液中に、１５分間程度浸漬させる。これにより、基板の表面に、ピラミッド構造の凹凸が形成される。
この凹凸形状の面が、光を入射させる受光面１０６となる。その後、凹凸形状の受光面の全体にわたって、反射防止膜１０７を形成する。
反射防止膜１０７の形成は、たとえばプラズマ化学気相反応法により行えばよい。これにより、太陽光の反射を低減させることのできる受光面が形成される。
＜第５工程：コンタクト部および金属電極の形成＞
図１０に、コンタクト部および金属電極形成後の基板の断面図を示す。
ここで、図１０の符号１００１は、図１のコンタクト部１０８に相当し、符号１００２は、図１の金属電極１０９に相当する。
図９に示した基板に対して、まず、コンタクト部１０８を形成する。
コンタクト部１０８は、絶縁膜を除去し、ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域の所定の表面を露出させた開口部であり、ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域の上方に形成された絶縁膜１０４の一部分を除去することにより形成する。
絶縁膜１０４の除去は、たとえば、５％のフッ酸溶液によりエッチングすればよい。
コンタクト部１０８の幅は、たとえば８０μｍとすればよい。
図１０に、コンタクト部および金属電極形成後の基板の断面図を示す。
ここで、図１０の符号１００１は、図１のコンタクト部１０８に相当し、符号１００２は、図１の金属電極１０９に相当する。
図９に示した基板に対して、まず、コンタクト部１０８を形成する。
コンタクト部１０８は、絶縁膜を除去し、ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域の所定の表面を露出させた開口部であり、ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域の上方に形成された絶縁膜１０４の一部分を除去することにより形成する。
絶縁膜１０４の除去は、たとえば、５％のフッ酸溶液によりエッチングすればよい。
コンタクト部１０８の幅は、たとえば８０μｍとすればよい。
その後、この各コンタクト部１０８をそれぞれ完全に覆うように、基板の裏面に金属材料を蒸着等することにより、金属電極を形成する。
金属材料としては、たとえば銀ペーストを用い、スパッタリング法や蒸着法を用いて、所定のパターニングをすればよい。
各金属電極１０９は、コンタクト部１０８と、コンタクト部の周辺の絶縁膜１０４とを覆い、溝にかからないように形成する。
金属電極１０９の形状や大きさは、特に限定するものではないが、たとえば、その幅を１２０μｍ，高さを１０μｍとしてもよい。
以上の５つの工程をこの順に実行することにより、この発明の太陽電池素子が形成される。
金属材料としては、たとえば銀ペーストを用い、スパッタリング法や蒸着法を用いて、所定のパターニングをすればよい。
各金属電極１０９は、コンタクト部１０８と、コンタクト部の周辺の絶縁膜１０４とを覆い、溝にかからないように形成する。
金属電極１０９の形状や大きさは、特に限定するものではないが、たとえば、その幅を１２０μｍ，高さを１０μｍとしてもよい。
以上の５つの工程をこの順に実行することにより、この発明の太陽電池素子が形成される。
１０１ シリコン基板
１０２ ｎ+活性化領域
１０３ ｐ+活性化領域
１０４ 絶縁膜
１０５ 分離部
１０６ 受光面
１０７ 反射防止膜
１０８ コンタクト部
１０９ 金属電極
２０１ ｎ+活性化領域
２０２ ｐ+活性化領域
２０３ 分離部
２０４ コンタクト部
６０１ シリコン基板
６０２ ｎ+活性化領域
６０３ ｐ+活性化領域
７０１ 分離部
８０１ 絶縁膜
９０１ 受光面
９０２ 反射防止膜
１００１ コンタクト部
１００２ 金属電極
１０２ ｎ+活性化領域
１０３ ｐ+活性化領域
１０４ 絶縁膜
１０５ 分離部
１０６ 受光面
１０７ 反射防止膜
１０８ コンタクト部
１０９ 金属電極
２０１ ｎ+活性化領域
２０２ ｐ+活性化領域
２０３ 分離部
２０４ コンタクト部
６０１ シリコン基板
６０２ ｎ+活性化領域
６０３ ｐ+活性化領域
７０１ 分離部
８０１ 絶縁膜
９０１ 受光面
９０２ 反射防止膜
１００１ コンタクト部
１００２ 金属電極
Claims (5)
- 光が照射される受光面と、前記受光面の反対側に電極形成面を備えた半導体基板と、
前記半導体基板の電極形成面の表面近傍に形成されたｐ+活性化領域およびｎ+活性化領域と、前記ｐ+活性化領域と前記ｎ+活性化領域との上に、それぞれ形成された金属電極と、
隣接する前記ｐ+活性化領域と前記ｎ+活性化領域との間に、半導体基板の電極形成面を掘り込んだ凹形状の分離部とを備えたことを特徴とする太陽電池素子。 - 前記分離部の深さは、前記ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域の基板内方向の厚さと同一か、あるいはその厚さよりも深いことを特徴とする請求項１の太陽電池素子。
- 前記分離部の基板表面に平行な方向の幅が、１μｍ以上，４０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２の太陽電池素子。
- 半導体基板の光が照射される受光面と反対側の電極形成面に、複数個のｐ+活性化領域とｎ+活性化領域を形成する工程と、
その後、隣接するｐ+活性化領域とｎ+活性化領域との間に、半導体基板の電極形成面を掘り込んだ凹形状の溝を形成する工程と、
前記溝を含む電極形成面全体に、絶縁膜を形成する工程と、
前記ｐ+活性化領域とｎ+活性化領域の上に形成された前記絶縁膜の一部を除去して開口部を形成する工程と、
前記開口部と開口部近傍であって前記溝の外部に形成された絶縁膜の一部とを覆うように金属電極を形成する工程とから、
前記電極形成面を形成することを特徴とする太陽電池素子の製造方法。 - 前記溝の形成工程は、ドライエッチング法，ウェットエッチング法，レーザ法，あるいはメカニカルスクラブ法のいずれかを用いて行うことを特徴とする請求項４の太陽電池素子の製造方法。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2018050032A (ja) * | 2016-09-19 | 2018-03-29 | エルジー エレクトロニクス インコーポレイティド | 太陽電池及びその製造方法 |
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-
2010
- 2010-02-26 JP JP2010042737A patent/JP2011181606A/ja active Pending
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