JP2011505704A - メタルラップスルーと改良されたパッシベーションを有する光電池 - Google Patents

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Abstract

半導体基板中の光電池デバイスが、放射を受ける表面および裏面、一の導電型の第１領域（２９）、反対の導電型を有し表面に隣接する第２領域（２０）、および反射防止層（２７）を有する。裏面は、バイアの内面も覆う誘電体層（３９）により覆われる。表面は電流収集導電性コンタクト（２３）を有し、裏面は誘電体を通って延びる導電性コンタクト（３１）を有する。表面からの光発生電流のために、導電性パスはバイア中に設けられる。誘電体を全体に有することにより、アラインメントとマスキングが不要となり、同じ誘電体は、絶縁し、半導体の熱保護を提供し、表面とバルクのパッシベーションを助ける。これにより、また、バイア近傍のジャンクション領域が避けられ、望まない再結合電流を低減できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、太陽電池のような光起電デバイスに関する。特に、特有のパッシベーションスキームにより改良されたメタルラップスルー太陽電池（metal wrap through solar cells）と、費用効率の高い、その製造方法に関する。
従来技術で記載された多くの太陽電池は、それらの全体構造により多くのカテゴリーに分けられる。
それらのカテゴリーの１つは、いわゆるバックコンタクト太陽電池であり、太陽電池の２つの対向するドープ領域への双方のオーミックコンタクトが、太陽電池の裏面または照射されない面に配置される。このコンセプトは、標準の太陽電池上の表面金属コンタクトグリッドによるシャードーイング損失を除去または低減する。
バックコンタクト太陽電池を形成する最も直接的な方法は、電池の裏面に近い、反対にドーピングされた半導体領域の間にキャリア収集接合を配置することである（「バック接合」電池）。"1127.5-Percent Silicon Concentrator Solar Cells" (R.A. Sinton, Y. Kwark, J.Y. Gan, R.M. Swanson, IEEE Electron Device Letters, Vol. ED-7, No. 10, October 1986)にそのようなデバイスが記載されている。
光子（フォトン）の多くは電池の表面近傍で吸収されるため、それらの領域で形成されたキャリアは、電池ベース領域全体を横切って裏面近傍のキャリア収集接合に拡散しなければならない。このコンセプトでは、電池の厚さより長い少数キャリアの拡散長を有する高品質材料が必要となり、この解決法は、一般には短い拡散長を有する多くのソーラーグレードの材料には適用できない。更に、完全な表面パッシベーションが、裏面近傍にキャリア収集接合を有する電池に必要である。
太陽電池の最も大きなグループは、その表面近傍にキャリア収集接合を有する。それらの太陽電池からの電流は、表面上の、ドープされた領域に接続する金属コンタクトと、裏面上の、反対にドープされた領域に接続する第２コンタクトにより集められる。この表面グリッド構造は、高い収集効率を得るために比較的容易に最適化できるが、抵抗損失とシェーディング損失（Shading loss）の間のトレードオフは、全面積の６〜１２％までの表面の被覆を必要とする。
太陽電池の他のグループは、２つのアプローチの組み合わせである。そのような太陽電池は、裏面上の、反対にドープされた領域と、表面近傍の収集接合との双方に外部コンタクトを有する。表面からの収集電流は、ウエハを通って延びた開口部を通って、裏面に伝えられる。この構造を用いることにより、表面メタライゼーショングリッドにより一般に発生するシェーディング損失が大幅に低減される。
文献ＷＯ １９９８／０５４７６３（ＥＰ ０ ９８５ ２３３ Ｂ１）は、以下においてメタルラップスルー（ＭＷＴ：Metal Wrap Through）と呼ばれるそのような構造が記載されている。
これらの減少したシャドー領域にかかわらず、それらのＭＷＴ太陽電池は、バイア中や裏面のエミッタバスバーの下で起きる再結合のような過剰なシャントにより一般的に有効に制限される（例えば、文献"Processing and comprehensive characterisation of screen-printed MC-Si Metal Wrap Through (MWT) Solar cells", Clement et al., Proceedings of the 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milan, Italy (2007), p1400-1402, "Lifetime studies on laser drilled vias for application in Emitter-Wrap-Through-Solar Cells", Mingirulli et al., Proceedings of the 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milan, Italy (2007), p1415-1418に記載される）。
発明の目的
本発明の目的は、従来技術の問題を解決しまたは回避する、光電池と光電池の製造方法を提供することである。
本発明の第１の形態では、例えば太陽電池のような光起電デバイスが提供され、この光起電デバイスは、例えば太陽光のような衝突する光を受ける表面と、表面と対向する裏面とを有する半導体層と、表面上で電流を集めるための、エミッタコンタクトとも呼ばれるフロントコンタクトと、例えば裏面上で表側の電流を引き出すための、エミッタバスバーとも呼ばれるデバイスの裏のリアバスバーと、半導体層を通り、フロントコンタクトをリアバスバーに接続する導電性経路を有するバイアと、基板の裏面上の、即ち半導体層の裏面上の誘電体層と、誘電体層を通って半導体層まで延びる、半導体層の裏面のためのバックコンタクトと、を有し、誘電体層はバイアの内面も覆い、導電性経路を半導体層から絶縁する。
バイアを有する現在のデザインと比較して、バイア中に他の特定の絶縁体を有するよりむしろ、同じ誘電体をバイア中に形成することにより、バイアから誘電体を離すための、アラインメントとマスキングの工程が不要となる。このため、製造が安価で速くなる。更に、バイア中の誘電体は、バイア近傍および裏面上に接合領域を有する必要性の低減を助け、接合領域中または接合領域と隣り合って存在するバイアのドリリングからのダメージを低減できる。これは、望まない再結合電流の低減を助け、これにより効率を改良する。このように、誘電体は、表面およびバルクのパッシベーション、焼成により起きる熱ダメージに対する保護、効率を改良するための裏面反射、およびバイア中での半導体からの金属の絶縁のような、多くの目的を提供できる。
リアコンタクトの太陽電池は、通常、従来の太陽電池より撓むことが経験される。これは、裏のＡｌペーストにより形成される高い応力を補うためのバスバーが表に無いためである。誘電体スタックのおかげで、形成された太陽電池は、有害な撓みの問題を非常に少なくできる。
本発明の他の形態は、太陽光のような衝突する光を受ける表面と、表面と対向する裏面とを有する半導体層とを有する光起電デバイスの製造方法であって、半導体層を通るバイアを形成する工程と、基板の裏面上に、即ち半導体層の裏面上に、バイアの内面も覆うように誘電体層を形成する工程と、表面からの電流を収集し、誘電体層により半導体層から絶縁された、バイアを通る導電性経路を形成する工程と、例えばその裏面上のようなデバイスの裏面上に、バイアを通る導電性経路を接続するリアバスバーと、誘電体層を通って半導体層まで延びる、半導体層の裏面のためのバックコンタクトとを形成する工程と、を含む。
本発明の特別の好適な形態は、添付する独立請求項および従属請求項に述べられる。本発明の幾つかの形態の具体例は、幾つかの追加の特長を有し、そのような追加の特長の幾つかは従属請求項に述べられ、幾つかは詳細な説明の例に示される。従属請求項の特長は、必要に応じて、独立請求項の特長と組み合わせても良く、他の従属請求項の特長と組み合わせても良く、単に請求項に述べられた通りではない。
本発明の具体例にかかる例えば太陽電池のような光起電デバイスの製造プロセスの段階の例を示す。 本発明の他の具体例にかかる他の製造プロセスの段階を示す。 本発明の具体例にかかる光起電デバイスの断面図を示す。 他の具体例にかかる同様の断面図を示す。 本発明の他の具体例にかかる光起電デバイスの断面図を示す。 他の具体例にかかる製造方法の工程を示す。
本発明がどうように効果を発揮するかが、特定の具体例と所定の図面を参照しながら記載されるが、この発明はこれらに限定されるものではない。図面は、単に模式的であり限定するものではない。図面において、図示目的で、幾つかの要素の大きさは拡張され、縮尺通りには記載されていない。
更に、説明や請求の範囲中の、第１、第２、第３等の用語は、類似の要素の間で区別するために使用され、順序または時間的な順番を表す必要はない。そのように使用される用語は、適当な状況下で入替え可能であり、ここに記載された発明の具体例は、ここにおいて説明や図示されたものと異なる順序によっても操作できることを理解すべきである。
また、説明や請求の範囲中の、上、下、上に、下に、等の用語は、記載目的のために使用され、相対的な位置を示すものではない。そのように使用される用語は、適当な状況下で入替え可能であり、ここに記載された発明の具体例は、ここおいて説明や図示されたものと異なる位置でも操作できることを理解すべきである。
記載された具体例は、上述の公知のＭＷＴ構造の、そして文献ＷＯ ２００６／０９７３０３ Ａ１に記載されたいわゆるｉ−ｐｅｒｃ構造の、幾つかの特長を有する、新規で改良された構造を示す。新規な構造（いわゆるｉ−ｐｅｒｃ−ＢＣ）は、裏面だけでなくバイア中にも配置された、安定したｉ−ｐｅｒｃのパッシベーションスタックから恩恵を受ける。公知のＭＷＴ構造と比較した、少なくとも幾つかの具体例の重要な差異は、バイア中および裏側での拡散が無いことである。この結果、バイア形成中に発生し、エミッタ中および／または空乏領域中に存在する欠陥を低減または回避できる。そのような欠陥は、性能を低減させる再結合を引き起こす。その有益なパッシベート特性に加えて、スタックはエミッタに電気的に接続されバイアと裏面の一部を覆う金属ペーストと、下部のベアなベース領域との間のバリアを提供する。
ｉ−ｐｅｒｃ構造では、スタックは全てのベース領域を覆うように延びてコンタクトを形成するためだけに部分的に開口され、ベース側で表面の良好なパッシベーションを与える。同様に、新しい構造では、スタックは、ベース電極に覆われた領域と、裏側のエミッタとベース電極との間に配置されるベースのような領域に、パッシベーションを形成する。
プロセスの観点から、新しい構造は、裏側のエミッタ領域が無いことにより、裏側と表側の双方で接合分離が不要となるため、電池プロセスの簡略化において、初期のＭＷＴ構造に比較した利点が見出される。
図３〜６：本発明の具体例
図３は、本発明の具体例にかかるデバイスを示す。それは、ウエハを通る孔２５の形状のバイアを有する、Ｐ型シリコン２９の形状の半導体層である。表側は拡散領域２０を有し、ＳｉＮｘのパッシベーション層２７で覆われ、このパッシベーションを通って延びるエミッタコンタクトと呼ばれるコンタクト２３を有する。バイア中の導電性経路に、どのようコンタクトが共に接続され、裏側にあるエミッタバスバーとも呼ばれるバスバーに表側の電流を流すかは示されていない。裏側では、ｉ−ｐｅｒｃ型構造が示され、酸化層３９により形成された誘電体スタックの形状で、ＳｉＮｘ層２８により覆われる。これは、ＷＯ２００６ ０９７３０３に示された例を用いて行われる。リアコンタクトやベースコンタクトとも呼ばれるバックコンタクトＡｌ−ＢＳＦ３６は、誘電体スタック中の孔を通って延びてベースコンタクトと接続する、Ａｌ（３１）により到達するように示される。誘電体スタックは、バイアの中に延びる。堆積された酸化物はバイア中の全体を通って延び、ＳｉＮｘは、少なくとも部分的に延びる。バイア中の導電性経路は、酸化物またはＳｉＮｘ上に、一部は表側から、一部は裏側から、直接プリントされる。必要であれば、ペーストを吸うための特別な真空状態を用いて、裏側または表側のいずれかから、一の工程でプリントしても良い。
換言すれば、光起電デバイスのこの具体例は、少なくとも放射を受ける表面と、裏面とを有する半導体基板を有し、この基板は、一の導電型の第１領域（２９）（ベース領域となる）と、反対の導電型で表面に隣接する第２領域（２０）（エミッタ領域となる）とを含み、反射防止層（２７）により覆われる。裏面は、堆積された酸化層のような誘電体層（３９）や、酸化層とシリコン窒化層を含む誘電体スタック（２８）により覆われ、誘電体層または誘電体スタックは、バイアの内面も覆う。表面は第２領域（２０）への電流収集導電性コンタクト（２３）と、バイア（２５）中に延びる導電性層を有し、裏面は、誘電体を通って第１領域（２９）まで延びる電流収集導電性コンタクト（３１）と、裏面導電性終端電極（バスバー）（３３）を有する。これは、バイアの中へ延び、表面導電性層（２３）と接続し、表面から、裏面上の終端電極（３３）まで光生成電流の導電性経路を形成する。全体に誘電体を有することで、アライメントとマスキングが不要となり、同じ誘電体が絶縁を行い、半導体の熱保護を行い、表面とバルクのパッシベーションを助ける。また、これは、バイア近傍の接合領域を不要とし、バイアの形成プロセスからのバイア近傍の接合領域のダメージを低減し、これにより望まない再結合電流を低減する。
図４は、他の具体例であり、対応する参照番号は、図３の参照番号を用いている。図３と比較して、ＳｉＮｘはバイア全体の中をウエハを通って表面まで延びる。幾つかの場合、全体に堆積させて、製造工程の後半で、表面近傍のバイア中のＳｉＮｘを部分的に除去し、図３に示すようなＳｉＮ層を残す。この部分的な除去は、例えば表面金属ペーストの適用と、続く焼成工程により行う。図４に示された例は、スクリーンプリントされたＡｇ３３の形状の裏面バスバーを示し、これは表面グリッドが（Ａｇスクリーンプリントコンタクト２３の形状で）プリントされる前にプリントされる。
図５は類似の具体例であり、同一参照符号を有するが、裏側のＳｉＮｘ層はバイア中には延びていない。
図６は、ある具体例にかかる製造工程を示す。工程５４では、バイアが、レーザーまたは他のシリコンの機械加工またはエッチング法の手段により、ウエハを通って切削される。工程５２では、Ｎ＋拡散層がＰ型Ｓｉの表側に形成される。ＳｉＮｘおよびもしあれば他の表側の層が、続いて形成される。原則として、この工程は、バイアの形成前に行うことができる。いずれにしても、バイアに隣接してより深く延びないように、バイアの近傍に拡散層を形成するのを避けることが好ましい。工程５７では、アライメントやパターニング無しに、誘電体層が裏面全体に形成され、これはバイア中にも延びる。誘電体スタックの他の層は、誘電体層の上に形成され、選択的に工程５９でバイア中に延びる。工程６４では、誘電体スタックが部分的に開口される。工程６２および６８では、エミッタメタライゼーションが形成される。工程６８のように、エミッタバスバーは裏面上に形成され、複数のバイアを接続し、全ての表側の電流を集める。次に、エミッタコンタクトグリッドが表面に形成される。それらはバイアを通して互いに接続される。バイア中に延びるエミッタ電極は、誘電体層の上で、誘電体層により半導体のベースから分離される。バイア中へのそのような導電性経路の形成は、当業者に知られた多くの異なった方法で行われる。工程６６では、金属が堆積されて、誘電体層を通るバックコンタクトホールを埋めて、半導体に到達する。それらの半導体のベースへのアクセスは、互いに接続される。工程７２では、デバイスが焼成され、バックコンタクトとフロントコンタクトの熱処理を行う。
追加の特長
記載された具体例は、シリコン基板の形状の半導体層を示すが、本発明はこれに限定されるものではない。他の好適な基板も同様に用いることができる。誘電体層は、誘電体として働くワイドバンドギャップの半導体で行っても良い。損失を最小にし、表側の金属によるシェーディング量を最小にするために、通常のパターンに密集した多くのバイアを設けても良い。一般的な間隔は２ｍｍであるが、他の値を用いても良い。表面側のコンタクトはそれぞれのバイアから半径方向に離れた星形パターンに配置され、または以下の公知のプラクティスに従い他のパターンを用いても良い。半導体層は拡散領域を有し、拡領域は表面からの拡散により、バイアの近傍の半導体層中には深く延びないように形成される。水素添加のＳｉＮ（hydrogenerated SiN）を含むパッシベーション層は、誘電体層の上の誘電体スタック中に提供できる。パッシベーション層はバイア中に延びても良い。
裏側に形成されたエミッタコンタクトのバスバーは、例えば低温ペーストを用いて、表面グリッドとリアコンタクトの焼成後に形成される。
エミッタバスバーは、表面グリッドの前にプリントされ、バスバーの材料は誘電体分離層に直接コンタクトする。この材料は、表面グリッドに使用されるペーストの浸透に対して追加の保護を行う。表面グリッドは、表面上にＡＲＣ層として堆積されたＳｉＮｘを通して焼成中に浸透する必要があるため、より活動的である。裏のＳｉＮ層またはＳｉＮ：Ｈ層は、１００ｎｍより大きな膜厚を有し、好適には１２０ｎｍより厚く、１５０ｎｍより厚く、１８０ｎｍより厚く、２００ｎｍより厚い。
両面の太陽電池の場合、主表面と裏面との双方が入射光を受けるように適用される。この場合、主表面は、入射光のより多くの割合を受ける面である。
水素添加のＳｉＮ層は、（続く高温工程中に）水素を離し、誘電体／基板界面の良好な表面パッシベーションを行う電荷を誘起するパッシベーション層として機能する。
裏面上の誘電体層は、低品質の酸化物の堆積を含む。低品質の酸化物は、例えばアモルファスシリコン酸化物のような低品質アモルファス酸化物を含み、これは、高品質の酸化物の作製と比較した場合、製造コストを低減できる。低品質のアモルファス酸化物は、ＡＰＣＶＤ高温酸化物、スピンオン酸化物、スプレーオン酸化物、またはディップ酸化物でも良い。本発明の具体例では、誘電体層は堆積された誘電体層でも良い。堆積された誘電体層は、一般に、成長させた誘電体層より品質が低い。
例えばアモルファス酸化物のような低品質の誘電体層は、例えばスピンオン酸化物、ＡＰＣＶＤ（常圧ＣＶＤ）、高温ＣＶＤ（ｐｙｒｏｘ）、スピンオン、スプレーオン、またはディップ酸化物である。例えばシリコン酸化物、ＴｉＯ２（例えばゾルゲルで堆積）、またはＡｌ２Ｏ３／ＴｉＯ２擬似２元系合金（ＰＢＡｓ）でも良い。
所定の温度での、誘電体層またはワイドバンドギャップ半導体層の堆積は、所定の優位な効果をもたらし、それらの幾つかについて以下で述べる。本発明の具体例では、堆積温度は６００℃より低く、これにより基板の熱による劣化なしに処理できる。本発明の具体例では、誘電体は、例えば５００℃より低温のＰＥＣＶＤで堆積される。本発明の具体例では、堆積温度は４１０℃より低く、例えば（一般には４０４℃の堆積温度を有する）パイロックス（pyrox）を使用することで達成される。本発明の具体例では、誘電体またはワイドギャップ半導体層は、低温ＰＥＣＶＤ（＜３００℃）で堆積される。本発明の他の具体例では、堆積は、室温で、例えばスピンオン、スプレーオン、ディップ、または他の液体、ゾル、ゾルゲルからの堆積で行われる。結果の誘電体層またはワイドギャップ半導体層は、更により高い温度でのキュアが必要であり、これは更なる電池プロセス中に行われる。
本発明の幾つかの具体例では、シリコン基板を使用する場合、どのような種類のシリコン基板でも使用できる。シリコン基板の幾つかの例は、チョクラルスキＳｉ（ｃｚ−Ｓｉ）ウエハ、フロートゾーンＳｉ（ｆｚ−Ｓｉ）ウエハ、多結晶Ｓｉ（ｍｃ−Ｓｉ）ウエハ、およびリボンＳｉウエハである。層の幾つかの例は、ガラスまたはガラスセラミック上に乗せられる多結晶シリコン層、またはリフトオフプロセスで得られる単結晶Ｓｉ層である。
本発明の幾つかの具体例では、誘電体層、またはワイドギャップ半導体層、または誘電体層および／またはワイドギャップ半導体層のサブスタックの厚さは、１００ｎｍと５０００ｎｍの間であり、好適には１００ｎｍと４０００ｎｍの間であり、より好適には１００ｎｍと３０００ｎｍの間であり、より好適には１００ｎｍと２０００ｎｍの間であり、より好適には１００ｎｍと１５００ｎｍの間であり、より好適には１５０ｎｍと１２００ｎｍの間であり、より好適には２００ｎｍと１２００ｎｍの間であり、より好適には６００ｎｍと１２００ｎｍの間であり、より好適には８００ｎｍと１２００ｎｍの間である。代わりに、誘電体層またはワイドギャップ半導体層または誘電体層スタックの厚さは、４００ｎｍと８００ｎｍの間でも良い。本発明の幾つかの具体例では、誘電体層またはワイドバンドギャップ半導体層または誘電体層スタックの最小膜厚は、使用される材料に依存し、表面パッシベーションとコンタクト形成のために使用されるとともに、エミッタ拡散中の拡散マスクとして同時に機能する必要がある材料の量により規定される。パイロックスシリコン酸化物では、これは一般には３００ｎｍであり、ゾルゲルで堆積されたＡｌ２Ｏ３／ＴｉＯ２疑似２元系合金（ＰＢＡｓ）では約１５０ｎｍである。これらの厚さの値は単なる指標であり、所定の値から１０％、２０％、またはそれ以上のずれも可能である。また、異なる材料の組み合わせ、または層のスタックも可能であり、組み合わされた拡散マスク、表面パッシベーション、およびコンタクト形成プロセスの、予め決められた閾値の膜厚になるであろう。
バックコンタクト材料と基板表面との間の距離を増やすことは、本発明にかかる例えば太陽電池のような光起電デバイスの裏面の適用された誘電体層またはワイドギャップ半導体層の機能の一つである。驚くことに、１００ｎｍと５０００ｎｍとの間の距離では、例えば太陽電池のような光起電デバイスの裏面におけるコンタクト層と、基板の裏面との距離が大きいほど、低品質の誘電体材料またはワイドギャップ半導体層が適用された場合でも、より良好なパッシベーション結果が得られる。低品質の誘電体を用いた場合であっても十分なパッシベーション結果が得られることが本発明の幾つかの具体例の長所である。加えて、バイア中に堆積される厚い酸化物は、バイア中と裏面のバスバー領域で、エミッタ電極と半導体層のベースとの間でより良い分離を形成することが期待される。そのような低品質の誘電体層は、速いであろう低コストの堆積技術を用いて行われる。
幾つかの具体例では、バックコンタクトの形成工程は、誘電体層またはワイドギャップ半導体層およびパッシベーション中に、またはパッシベーション層とともに提供されうる誘電体スタック層中に孔を形成する工程と、誘電体層上または誘電体層スタック上にコンタクト材料層を堆積してホールを埋める工程とを含んでも良い。
孔を形成する工程は、例えば、機械的スクライビングやレーザー融解（laser ablation）のようなエッチングペーストを提供する工程により行われても良い。
本発明の幾つかの具体例では、コンタクト材料層の堆積工程は、蒸着、スパッタ、またはスクリーンプリンティング、インクジェットプリンティング、ステンシルプリンティングのより行われても良い。金属はコンタクト材料として使用でき、有利にはアルミニウムが使用できる。アルミニウムペーストの使用を含む幾つかの具体例では、部分的なＢＳＦ（Back Surface Field）コンタクトを形成できる。代わりに、パッシベーション層を形成してそれを焼成した後に、金属の代わりに、例えばＰＥＣＶＤを用いてｐ＋（またはｎ型基板上のｎ＋）半導体（例えばａ−Ｓｉ）を形成し、続いてその上に金属を堆積させても良い。
本発明の幾つかの具体例では、コンタクト材料は不連続でも良い。コンタクト材料層の堆積工程中に、コンタクト材料が孔の中に本質的に堆積される。そのような不連続のコンタクト材料層を堆積する異なる方法は存在し、当業者に知られている。
幾つかの具体例では、コンタクト材料層は、初期には不連続である。これは、異なる領域がコンタクト層によって覆われ、これにより、これらの異なる領域は互いに電気的に接続されていないことを意味する。これらの領域は、後に電気的に接続され、デバイスおよび／または外部負荷を通って最適な電流が流れるようにする。
本発明の幾つかの具体例では、コンタクト材料層は、裏側からデバイスに光が入るように堆積され、これにより両面太陽電池の作製を可能にする。
本発明の幾つかの具体例では、例えば高速熱プロセス（１０秒）でフロントコンタクトとリアコンタクトを焼成する工程のような高温工程、即ち６００℃と１０００℃の間の温度の工程が、コンタクト材料層に適用されても良い。一般に、高温工程を用いることが本発明にかかる方法の本質ではなく、誘電体層またはワイドギャップ半導体層または誘電体層スタックがそのような高温工程に耐えることができることが本質であり、このような高温工程は全ての工業太陽電池で一般的である。加えて、高温工程中に、例えばＳｉＮｘ：Ｈ／誘電体スタックを用いる特別の具体例では、誘電体／シリコン界面の表面パッシベーションが改良できる。この高温工程は、例えば７３０℃より高く９６０℃より低い温度で最大約数１０秒間行われるコンタクト焼成工程でも良い。焼成工程は、フロントコンタクトとリアコンタクトが同時に形成される同時焼成（co-firing）工程でも良い。これが切り離された場合、裏側を約８００℃より高温で焼成し、次に表側を約７５０℃で焼成する（可能であれば、続いて形成ガスアニール（ＦＧＡ）が行われる）。最後のパラグラフ中の数字は指標であり、（例えば約２５％の）変更は可能である。
本発明の幾つかの具体例では、バックコンタクトを形成する工程は、例えば金属のような連続したコンタクト材料層を適用し、コンタクト材料層の部分的な焼成、即ちレーザー手段による部分加熱を適用することで行われても良い。この場合、連続したコンタクト材料層は、バックミラーとして働く。
本発明の他の具体例では、バックコンタクトの形成工程は、例えば太陽電池のような光起電デバイスのパッシベートされた裏面に、パターニングされた金属層を適用する工程と、一般的な加熱工程を適用して行われる。
方法の幾つかの具体例は、更に、誘電体層またはワイドギャップ半導体層または誘電体層スタックを堆積する前に、拡散およびパッシベーションされる面（即ち、裏面）上でのエミッタ除去の工程を含む。しかしながら、誘電体層またはワイドギャップ半導体層または誘電体層スタックが拡散マスクとして使用するのに適している場合、それらの層は、エミッタの形成前に適用しても良い。この場合、デバイスの裏面では、ドーパントは基板に導入されず、このように、本発明の幾つかの具体例では、パッシベーションされる面でのエミッタの除去を避けられることが長所である。
例えば本発明の第１の形態の第１の具体例にかかる、本発明の具体例にかかる方法では、拡散工程は、誘電体層またはワイドギャップ半導体層の堆積工程の後で、パッシベーション層の堆積工程の前に適用される。
幾つかの具体例では、誘電体層またはワイドギャップ半導体層は、拡散マスクとして使用される。本発明の有利な具体例では、誘電体層またはワイドギャップ半導体層は、拡散マスクとして表面パッシベーションの目的として同時に使用でき、これにより電池プロセス手順が簡略化できる。誘電体層またはワイドギャップ半導体層は、パターニングの有無によらず拡散マスクとして使用できる。通常はパターニングされず、裏面全体の上のマスクである。しかしながら、互いに噛み合った電池またはバックコンタクト電池のようにパターニングされても良い。後で、誘電体層またはワイドバンドギャップ半導体層は、パターニングの有無によらず、部分的に除去、融解、エッチング、またはパターニングされ、基板表面への部分コンタクトのための開口を形成しても良い。
本発明の幾つかの具体例では、パッシベーション膜を拡散マスクとして使用できない場合、誘電体層またはワイドバンドギャップ半導体層の堆積前に、エッチオフされる他のマスクを用いた拡散、または続いて裏側の寄生エミッタを除去するマスクレス拡散の工程が更に含まれる。
本発明の幾つかの具体例では、表面は、一般的な太陽電池の表面処理が行われる。一般的な太陽電池の表面処理は、表面のテクスチュア加工、表側でのリン原子の拡散、リンガラスのエッチング、および表側でのシリコン窒化物層の堆積を含んでも良い。代わりに、裏面についての上述の方法の工程を、太陽電池の主表面に適用しても良い。
本発明の具体例では、例えばシリコン基板のような基板は、非常に薄い基板でも良く、一般には２５０ミクロンより薄く、好適には２００ミクロンより薄く、より好適には１５０ミクロンより薄い。基板の膜厚の低減は、最良の材料をより効果的に使用し、これにより低コストとなる。しかしながら、非常に薄い基板は、所定の処理中または処理後に撓む。本発明の幾つかの具体例では、そのような非常に薄い基板の撓みに対する耐性を改良でき、それゆえに、例えば太陽電池のような光起電デバイスの形成のために、非常に薄い基板を使用する困難性の少なくとも幾つかを低減する。
本発明の一の具体例では、厚いＳｉＮ層がシリコン基板の裏面上に堆積される。ＳｉＮ層は、１００ｎｍより厚い膜厚を有し、好適には少なくとも１８０ｎｍの膜厚である。太陽電池に形成した場合、そのような構造は、より高い誘電体膜厚について、増加した電池効率を示す。更に、１００ｎｍより厚い誘電体層の電池効率は、より低い誘電体膜厚を有する従来の電池効率より良好なことが見出された。
図１、２
図１は、具体例のかかる製造プロセスの段階を示す。バイアは示されていない。例えば１００ｎｍ、２００ｎｍ、８００ｎｍより厚い、例えば酸化物のような誘電体が、例えばシリコン表面のような基板表面４の上に堆積される。誘電体１の上には、水素の放出のために最適化されたＳｉＮｘ：Ｈ層３が堆積される。基板表面のパッシベーションは、水素生成により改良される。
誘電体層スタック１、３はこのように形成され、続いてスタック中の孔６を形成することにより開口され、部分的にコンタクト領域を形成する。コンタクト材料層５は、誘電体層スタック１、３の上に適用され、これにより孔が充填される。これは、スクリーンプリンティングにより行われ、例えば、表側と裏側のスクリーンプリンティングが同時に、または順次行われる。基板２とのコンタクトを形成するために、同時焼成のような高温工程が次に適用される。コンタクト材料５は、連続した層、または図２に示すような不連続の層として適用される。これは、異なる領域をコンタクト材料５で覆うことができ、これによりそれらの異なる領域は互いに電気的に接続されないことを意味する。それらの領域は、電気的接続手段８により後に電気的に接続され、デバイスおよび／または外部負荷を通って最適な電流が流れるようにする。
裏側のパッシベーション層は、（ａ）焼成工程中にその表面パッシベーション品質を保持または改良し、（ｂ）商業的なアルミニウムスクリーンプリンティングペーストではそこを通って焼成できず、一方で、メタライゼーションの前にそのような層を部分的に除去する最小のダメージで速い技術が存在し、そして（ｃ）焼成プロセス中に、または部分的なコンタクトがそうでなければそこを通って形成される場合に、キャップ金属層と相互作用しないように開発された。
その特長により、このプロセスは、
効果的な表面パッシベーションを提供し、
部分的なコンタクト（ＢＳＦ）の形成が可能であり、
このプロセスは、非常に薄いウエハや基板を用いた場合にも撓みの問題（非常に薄いウエハの上でＡｌのスクリーンプリントされたペーストを組み合わせた場合の問題）を無くすことができる。
一般的な低品質アモルファス酸化物（例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＯｘ、ＳＯＧ、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、またはそれらの疑似合金、ＳｉＯＮｘ）が、太陽電池の裏側のシリコン面に（例えばＡＰＣＶＤ、またはスピンコーティングにより）堆積された。誘電体層の表面パッシベーション特性は、最適化された水素添加の誘電体層（即ち、ＳｉＮｘ：Ｈ）の堆積により改良された。そのようなスタックは、短い高温処理中に、パッシベーション特性を保持する。パッシベーション特性は、この処理中でさえも改良される。この特長は、工業的シリコン太陽電池のプロセス手順の殆どで行われるコンタクトの同時焼成プロセスを使用できるようにするため、重要である。更に、ａ）焼成の耐性、即ちその適切な特長を失わない、ｂ）焼成されない、しかしｃ）例えばエッチングペーストやレーザー融解のような技術によりその中に部分的な開口や孔が形成できるため、この発明は、焼成プロセスそれ自身の間に、選択された合金により部分的バック表面フィールド（ＬＢＳＦ）を容易な方法で形成できる。合金化（alloy）プロセスは、部分的に、層の開口中に被るかもしれない表面ダメージを回復させ、これにより、更にプロセスを簡略化する。合金化中に、Ｓｉ表面と基板の一部が、金属と合金を形成する。表面の終端は、それゆえに、例えば他の半導体や誘電体の堆積のようには重要でない。裏面フィールドが形成され、ある程度まで、残渣表面ダメージの影響が低減される。
図１に示す例として、シリコン酸化物１が、常圧化学気相堆積（ＡＰＣＶＤ）でシリコン基板上に堆積される。シリコンの表面パッシベーションに優れているとして知られる従来の熱酸化や湿式酸化とは反対に、ＡＰＣＶＤ酸化物は貧弱なパッシベーション特性を有し、そのマイクロエレクトロニクスにおいて、安価で便利な拡散マスク、またはドーパントソースとしてその適用が見出されている。実際に、約４００℃で堆積され、これは低品質のシリコン材料であっても、熱による劣化無しに堆積プロセスに耐えることができることを意味する。
熱アニールは、ある程度、ＡＰＣＶＤ酸化物の表面パッシベーション品質を改良する。しかしながら、引き延ばされた処理は、試料の劣化をもたらす。
更に、空気に露出することによる表面パッシベーション品質の劣化があることが観察された。
水素添加のシリコン窒化物（ＳｉＮｘ：Ｈ）３は、酸化物／シリコン界面４の品質を安定して改良するのに用いられる。シリコン窒化物は優秀な表面とシリコン上のバルクパッシベーション特性をもたらすことが知られ、これが太陽電池技術で広く用いられる理由である。しかしながら、工業的な太陽電池の裏側のパッシベーションへの応用は直接にはいかない。シリコン窒化物と金属キャップ層（即ち、太陽電池の裏面コンタクト）との間に相互反応が存在し、これにより表面パッシベーションと電池効率を低下させる（この相互反応は、例えば、Dauwe S., Mittelstadt L., Metz A., Hezel R.,が "Experimental evidence of parasitic shunting in silicon nitride rear surface passivated solar cell" Prog. Photovolt. Res. Appl., 10(4), 271-278 (2002) に記載された「シャント（shunt）」効果より大きいと信じられている）。また、表面パッシベーションで最良として知られている窒化物のレシピは、コンタクトの同時焼成中に起きるような高温処理には耐えられない。一方、水素添加シリコン窒化物は、高温アニール処理中に水素を発生する。
シリコン窒化物は、下にある低品質酸化物のための水素源として使用でき、これにより表面パッシベーション特性が十分に改良されると信じられている。一の実験の酸化物層は、８００ｎｍの厚さであり、上に横たわるシリコン窒化物からのフィールド誘起パッシベーション効果（field-induced passivation effect）を排除し、これは従来技術では、良好なパッシベーション品質の理由と信じられている。
堆積直後には、酸化物の表面パッシベーション品質は非常に低い。酸化層の上に窒化物を堆積させた後、限定された改良（経路Ａ）があり、最後に試料を焼成した場合、優良な表面パッシベーションが得られる。例えば、ＰＯＣｌ３拡散と共に得られるような熱サイクルは、窒化物の堆積後で、焼成前に観察されるような限定された表面パッシベーションの改良を示す。酸化物上への窒化物の堆積と焼成は、もう一度、優秀な表面パッシベーションに導く（経路Ｂ）。上部に金属層を有し、または有さない焼成は、幾つかの良好な結果を導く。（最初にＳｉＮ層の堆積工程を有しない）焼成のみは、有益でないことが示される。もし、焼成が酸化層のみに適用されたら、その表面パッシベーション特性は低下する。それでもなお、続く窒化物堆積と焼成（経路Ｃ）により回復する。
技術の更なる特長は、低品質酸化物に適用できるため、拡散マスク酸化物にも直接適用でき、太陽電池プロセスが非常に単純化できることである。
膜厚が１００ｎｍと１５００ｎｍの間の誘電体層を備えた誘電体層スタックが堆積された。太陽電池の改良の場合、開回路電圧が、低品質の誘電体の膜厚の関数として測定された。１００ｎｍと８００ｎｍの間の誘電体膜厚は、完全に覆われたアルミニウムＢＳＦの標準的な従来のプロセスにより得られた電池の開回路電圧ついて、改良された開回路電圧を提供する。
上述のシリコン（基板）／低品質酸化物（誘電体層）／シリコン窒化物（パッシベーション層）スタック以外の他のスタックは、例えば、
シリコン（基板）／誘電体またはワイドギャップ（＞２ｅＶ、好適には＞３ｅＶ）半導体例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）または窒化ホウ素（ＢＮ）／シリコン窒化物、
シリコン（基板）／シリコン窒化物／低品質酸化物、
シリコン（基板）／シリコン窒化物／ワイドギャップ（＞２ｅＶ、好適には＞３ｅＶ）半導体または誘電体、
シリコン（基板）／Ａｌ２Ｏ３／低品質酸化物、
シリコン（基板）／Ａｌ２Ｏ３／ワイドギャップ（＞２ｅＶ、好適には＞３ｅＶ）半導体または誘電体、
である。
本発明では、上記スタックのそれぞれにおいて、誘電体層得タックは１００ｎｍより大きな膜厚を有する。
プロセス手順の例
バイアの内側を含む表面パッシベーションの一般的なプロセス手順は、以下の工程：
化学洗浄、
低品質酸化物の堆積（１００ｎｍ〜１５００ｎｍ）、
シリコン窒化物の堆積；例えば、ＳｉＨ４とＮＨ３の前駆体から４００℃で堆積された、低周波（４５０ｋＨｚ）直接ＰＥＣＶＤの水素添加ＳｉＮｘ、
速いベルト速度（例えば、１００インチ／分より速い）、９６０℃より高い炉のピーク設定温度を用いた、３ゾーンベルト炉での焼成、
を含む。
表面パッシベーションのこの方法は、以下の異なる状況において太陽電池のプロセス手順に組み込むことができる。
Ａ）拡散後の堆積
例えばレーザードリリングによるバイアの開口、
表側のテクスチュアリング、
基板の周囲全体、即ち表面および裏面の双方に、例えばｎ型ドープされたドープ領域を形成する、例えばリン拡散のような拡散、
例えばリンガラス除去のようなガラス除去、
（裏面とバイア中のｎ型ドープ領域の除去に十分な）裏面でのＳｉのエッチング、
化学洗浄、
低品質酸化物の堆積、
シリコン窒化物の堆積（裏面と、可能なら表面も）、
（例えば、エッチングペースト、スクライビング、またはレーザー融解を用いた）部分的なコンタクトの開口、
リアコンタクトのバスバー（バイアを通ってフロントコンタクトグリッドに接続されたフロントコンタクトグリッドの端子電極）の形成、
フロントコンタクトグリッドの形成、
（例えば裏面上への部分コンタクトのための（例えば、蒸着、スパッタ、スクリーンプリンティングによる）金属堆積による）ベースコンタクトの形成、
商業用のベルト炉中での焼成。
Ｂ）拡散前
例えばレーザードリリングによるバイアの開口、
化学洗浄、
裏面上とバイア中への低品質酸化物の堆積、
拡散（は、エミッタを形成するために表面でのみ行われ、裏面では低品質酸化物が堆積されて拡散のためのマスクとして機能する）、
シリコン窒化物の堆積（裏面と、可能なら表面も）、
（例えば、エッチングペースト、スクライビング、またはレーザー融解を用いた）部分的なコンタクトの開口、
リアコンタクトのバスバー（バイアを通ってフロントコンタクトグリッドに接続されたフロントコンタクトグリッドの端子電極）の形成、
フロントコンタクトグリッドの形成、
（例えば裏面上への部分コンタクトのための（例えば、蒸着、スパッタ、スクリーンプリンティングによる）金属堆積による）ベースコンタクトの形成、
商業用のベルト炉中での焼成。
他の技術との比較
標準の金属ラップスルー（ＭＷＴ）電池と比較して、検討された少なくとも幾つかの具体例は：
Ａｌ−ＢＳＦ層とＡｌ電極が、ｉ−ＰＥＲＣ誘電体スタックと部分的なバックコンタクトで置き換えられ、
パッシベーションスタックが、裏面全体とバイア中に形成され、そして、
バイア中にはｎ＋拡散層が無い。
ＭＷＴ電池と比較した、幾つかの具体例の幾つかの追加の特定の長所は、以下の通りである。
レーザーバイアドリリングで、バルク中に深く延びた構造上のダメージを形成する。レーザードリリングの直後に行われる化学エッチング中に、ダメージの全てが除去されるわけではない。ｎ＋層は、バイア中のダメージのあるバルク中に拡散するため、しばしば高い再結合電流が観察される。拡散工程前に誘電体スタックによりバイアが覆われる具体例では、裏側にはｎ＋層が無い。レーザーダメージ層が接合領域に近くないため、その再結合への寄与は最小となる。
公知のＭＷＴ電池の他の問題が、表側で起きるようなシリコン窒化物の反射防止被覆層の上よりも、むしろ、「被覆されない（non-covered）」ｎ＋層の上に直接プリントされる、バイア中や裏側の上の、メタライゼーションから発生する。正しいコンタクト焼成プロセスを見出すのは非常に困難であるため、表面メタライゼーションは低いコンタクト抵抗を有し、バイア中のメタライゼーションはシャントを形成しない。もし焼成温度が非常に高ければ、金属スパイクが十分なシャントを形成する。こでは性能を低下させる。
最後に、公知のＭＷＴ電池では、裏面上のｎ＋層は、直接Ａｌ−ＢＳＦ層にコンタクトし、シャントとなる。レーザー接合分離がｎ＋領域とｐ＋領域を分離するために適用される。接合分離のこの工程での不完全さは、シャンクに寄与する。記載された具体例では、裏面上にはｎ＋層が無く、両極の電極が誘電体上にプリントされ、そのため追加の分離は不要である。記載された具体例では、２つの極性のコンタクトのアライメントの制約は、緩和される。なぜなら金属プリンティング自身がコンタクト分離を形成し、ＭＷＴ構造の２つのコンタクトの間隔を決めなければならない、追加のレーザー工程が不要だからである。
可能性のある困難性または弱さの源は、フロントコンタクトの金属ペーストが基板のベース領域に非常に近く、バイア（特に、バイアの交差点や表面）中に堆積された酸化層により分離されている場所で発生する。ここで、裏面上より誘電体を少し薄くするチャンスがある。試験では、表側のＡｇペーストは、焼成中にＳｉＮｘ層を通り、これによりＳｉにダメージを与える。それで、ＳｉＮｘ層と、より薄い（しかし膜厚を定量化するのは非常に困難な）バイアの表側のエッジの酸化層と、を通ると予想する理由があった。実際、ベースパッシベーションのために最適化されたｉＰＥＲＣスタックは、Ａｇペーストの貫通に対して、予想しない効果的な保護層を提供することが分かった。
拡散がバイアに沿って延びる場合に発生する曲線因子（ＦＦ）の損失を避ける観点から、新しい構造は、より良好なことを証明する。また、もしバイアを拡散させない場合、バスバー領域を保護するのに必要な厚い誘電体は、裏側のｉ−ＰＥＲＣのために必要とされる厚い誘電体としても使用できる。
公知のＭＷＴ電池と比較して、異なるテクスチュアリングがあり、レーザー分離工程以外の２つの追加の誘電体堆積工程が除去できる。ｉ−ＰＥＲＣ標準電池と比較して、バイアのドリリングの追加があり、もう１つのメタライゼーションプリント工程が用いられる。
他の変形は、請求の範囲内で想像することができる。

Claims (16)

  1. 衝突する光を受ける表面と、表面と対向する裏面とを有する半導体層（２９）と、
    表面上で電流を集める表面コンタクト（２３）と、
    表面上で集められた電流のための、デバイスの裏のリアバスバー（３３）と、
    半導体層を通り、フロントコンタクトとリアバスバーとを接続する導電性経路を有するバイア（２５）と、
    半導体層の裏面上の誘電体層（３９）と、
    誘電体層を通って半導体層まで延びる、半導体層の裏面のためのバックコンタクト（３１）と、を有し、
    誘電体層はバイアの内面も覆い、導電性経路を半導体層から絶縁する光起電デバイス。
  2. 半導体層は、拡散領域（２０）を有し、拡散領域は、バイアの近傍の半導体層中に深く延びないように、表面から拡散により形成された請求項１に記載のデバイス。
  3. 誘電体層は、ＡＰＣＶＤ酸化物、熱酸化物、スピンオン酸化物、スプレーオン酸化物、ディップ酸化物、シリコン酸化物、ＴｉＯ２、ゾルゲルで堆積されたＴｉＯ２、またはＡｌ２Ｏ３／ＴｉＯ２疑似２元系合金（ＰＢＡｓ）のいずれか１つを含む低品質酸化層を含む請求項１または２に記載のデバイス。
  4. 誘電体層の上に、裏側のパッシベーション層（２８）を有する請求項３に記載のデバイス。
  5. 裏側のパッシベーション層は、少なくとも一部がバイア中に延びた請求項４に記載のデバイス。
  6. 裏側のパッシベーション層は、水素添加のＳｉＮを含む請求項５に記載のデバイス。
  7. 水素添加のＳｉＮ層は、１００ｎｍより大きな膜厚を有する請求項６に記載のデバイス。
  8. 誘電体層は、パターニングやバイアへのアラインメント無しに、バイアの周りの裏面上に延びる請求項１〜７のいずれかに記載のデバイス。
  9. 衝突する光を受ける表面と、表面と対向する裏面とを有する半導体層とを有する光起電デバイスの製造方法であって、
    半導体層を通るバイアを形成する工程と、
    半導体層の裏面上に、バイアの内面も覆うように誘電体層を形成する工程と、
    表面から電流を収集し、誘電体層により半導体層から絶縁された、バイアを通る導電性経路を形成する工程と、
    デバイスの裏にリアバスバーを形成し、バイアを通る導電性経路に接続する工程と、
    誘電体層を通って半導体層まで延びる、半導体層の裏面のバックコンタクトを形成する工程と、を含む方法。
  10. バイアの近傍の半導体層中に深く延びないように、表面からの拡散により、半導体層中に拡散領域（２０）を形成する工程を有する請求項９に記載の方法。
  11. 誘電体を形成する工程は、ＡＰＣＶＤ酸化物、熱酸化物、スピンオン酸化物、スプレーオン酸化物、ディップ酸化物、シリコン酸化物、ＴｉＯ２、ゾルゲルで堆積されたＴｉＯ２、またはＡｌ２Ｏ３／ＴｉＯ２疑似２元系合金（ＰＢＡｓ）のいずれか１つを含む酸化層を堆積する工程を含む請求項９または１０に記載のデバイス。
  12. 誘電体層の上に裏側のパッシベーション層（２８）を形成する工程を有する請求項１１に記載の方法。
  13. 裏側のパッシベーション層は、バイアの少なくとも一部に延びる請求項１２に記載の方法。
  14. 誘電体層は、パターニングやバイアへのアラインメント無しに、バイアの周りの裏面上に延びるように形成された請求項９〜１３のいずれかに記載の方法。
  15. バックコンタクトは、誘電体層とパッシベーション層との中に孔を形成する工程と、その孔を電気的に導電性のコンタクト材料で埋める工程により形成される請求項９〜１４に記載の方法。
  16. デバイスを焼成して、バックコンタクトを形成する工程を含む請求項９〜１５に記載の方法。
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