JP2012138553A - 太陽電池素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ラミネートをする前に導電性の溝４に異物８が入ってしまうとリーク電流が発生し易く、光電変換効率を低下させる要因の一つとなる場合があった。また、半導体基板において、溝４を設けた部位については、レーザー処理の際にダングリングボンドが生じ易く、光電変換効率を低下させる要因の一つとなる場合があった。
【解決手段】半導体基板と、該半導体基板上に該半導体基板とｐｎ接合したドーパント層と、を備える太陽電池素子であって、前記ドーパント層には、前記ドーパント層を貫通する溝が前記ドーパント層の周縁に沿って設けられており、前記ドーパント層の表面および前記溝の内面に連続して反射防止膜が形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は太陽電池素子およびその製造方法に関する。

従来、半導体基板１とｐｎ接合したドーパント層２を有する太陽電池素子１０について、リーク電流の発生を抑制する観点から、ドーパント層２および半導体基板１の一部にレーザー処理による溝４を設ける場合がある（例えば特許文献１参照）。

特開平５−７５１４８号公報

一方、例えば、受光面側において、図５（ａ）〜（ｅ）のようにドーパント層２に反射防止膜３を形成した後に溝４を設けた場合、図６のようにラミネートをする前に導電性の溝４に異物８が入ってしまうとリーク電流が発生し、光電変換効率を低下させる場合があった。

また、例えば半導体基板において、溝４を設けた部位については、レーザー処理の際にダングリングボンドが生じ易く、光電変換効率を低下させる要因の一つとなる場合があった。

上記に鑑みて本発明の太陽電池素子は、半導体基板と、該半導体基板上に該半導体基板とｐｎ接合したドーパント層と、を備える太陽電池素子であって、前記ドーパント層には、前記ドーパント層を貫通する溝が前記ドーパント層の周縁に沿って設けられており、前記ドーパント層の表面および前記溝の内面に連続して反射防止膜が形成されている。

さらに本発明の太陽電池素子の製造方法は、前記半導体基板上にドーパントを拡散させてドーパント層を形成する第１工程と、第１のレーザー処理によって少なくとも前記ドーパント層を貫通する溝を形成する第２工程と、反射防止膜を前記ドーパント層の表面側に形成する第３工程と、を有する。

本発明の太陽電池素子によれば、特に溝の内面を反射防止膜で覆っているため異物が溝に入ることによるリーク電流の発生を抑制し、光電変換効率が良好な太陽電池素子を得ることができる。

また、溝を設けた部位におけるＳｉのダングリングボンドを水素を含有した反射防止膜からのパッシベーションで補償することによって、光電変換効率が良好な太陽電池素子を得ることができる。

さらに、本発明の太陽電池素子の製造方法によれば、ドーパント層の表面から溝の内面に亘り反射防止膜を連続的に形成することができる。

本発明の太陽電池素子の一実施形態に係る平面図である。 本発明の太陽電池素子の一実施形態に係る背面図である。 本発明の太陽電池素子の一実施形態に係る溝部分を拡大した断面模式図である。 本発明の太陽電池素子の製造プロセスを説明するための断面模式図であり、（ａ）は半導体基板を準備した状態、（ｂ）はドーパント層を形成した状態、（ｃ）は溝を形成した状態、（ｄ）は第２電極を形成した状態、（ｅ）は反射防止膜を形成した状態を示したものである。 従来の太陽電池素子の製造プロセスを説明するための断面模式図であり、（ａ）は半導体基板を準備した状態、（ｂ）はドーパント層を形成した状態、（ｃ）は第２電極を形成した状態、（ｄ）は反射防止膜を形成した状態、（ｅ）は溝を形成した状態を示したものである。 従来の太陽電池素子の溝部分を拡大した断面模式図である。

＜＜太陽電池素子＞＞
太陽電池素子１０は、一導電型を呈する半導体基板１と、半導体基板１と異なる導電型を有するドーパント層２を備えるものである。

半導体基板１としては、例えば、一導電型（例えば、ｐ型）を呈する単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板等の結晶シリコン基板が用いられる。半導体基板１の厚みは、例えば、２５０μｍ以下であるのがより好ましく、１５０μｍ以下であるのがさらに好ましい。半導体基板１の形状は特に限定されるものではないが、本実施形態のように四角形状であれば製法上の観点から好適である。本実施形態においては、半導体基板１として、ｐ型の導電型を呈する多結晶シリコン基板を用いる例で説明する。

結晶シリコン基板からなる半導体基板１がｐ型を呈するようにする場合、ドーパント元素としては、例えば、ボロンあるいはガリウムを用いるのが好適である。

半導体基板１の受光面側には、入射光の反射を低減させて太陽光を半導体基板１内へより多く吸収させるべく、多数の微細な突起からなるテクスチャ構造（凹凸構造）が形成されている。なお、テクスチャ構造は、本実施形態において必須の構成ではなく、必要に応じて形成すればよい。

＜ドーパント層＞
ドーパント層２は、半導体基板１とは逆の導電型を呈する層である。ドーパント層２は、半導体基板１の受光面側と非受光面側とに形成されたものを含んでなる。半導体基板１としてｐ型の導電型を呈するシリコン基板を使用する場合であれば、ドーパント層２は、ｎ型の導電型を呈するように形成される。一方で、半導体基板１としてｎ型の導電型を呈するシリコン基板を使用する場合であれば、ドーパント層２は、ｐ型の導電型を呈するように形成される。

ドーパント層２は、６０〜３００Ω／□程度のシート抵抗を有するｎ＋型として形成されるのが好適である。この範囲とすることで、受光面での表面再結合の増大および表面抵抗の増大を抑えることができる。ドーパント層２は、半導体基板１の受光面に、０．２μｍ〜０．５μｍ程度の深さに形成されることが好ましい。

＜選択エミッタ＞
ここで選択エミッタについては、図示していないが以下に説明する。

選択エミッタは、受光領域のドーパント層２の濃度を低濃度とし、電極下となる領域のドーパント層２の濃度を高濃度としたものである。

受光領域のドーパント層２の濃度を低濃度とすることによって、短波長側の分光感度を向上させ、また、電極下となる領域のドーパント層２の濃度を高濃度とすることによって、直列抵抗を小さくして、曲線因子を大きくすることができる。

このような選択エミッタは、ｐ型である半導体基板１の表面にｎ型ドーパントを含有した絶縁層（例えば、ＰＳＧ層）を設けて熱処理することにより、ｎ型ドーパントを拡散させて低濃度のドーパント層２を形成した後、太陽電池素子１０の受光面の電極に対応する位置の絶縁層にレーザを照射することにより、さらにｎ型ドーパントを拡散させて高濃度のドーパント層２を形成するものである。

＜反射防止膜＞
太陽電池素子１０は、半導体基板１の受光面側に反射防止膜３を有する。反射防止膜３は、半導体基板１の表面において入射光の反射を低減する役割を有するものであり、ドーパント層２上および溝４の内面に形成されている。

反射防止膜３は、窒化珪素膜あるいは酸化物材料膜などによって形成されるのが好適である。

反射防止膜３の厚みは、構成材料によって好適な値は異なるが、入射光に対して無反射条件が実現される値に設定される。例えば、半導体基板１としてシリコン基板を用いる場合であれば、屈折率が１．８〜２．３程度の材料によって５００〜１２００Å程度の厚みに反射防止膜３を形成すればよい。

本実施形態の太陽電池素子は、半導体基板と、半導体基板の受光面側に位置してｐｎ接合を形成したドーパント層とを備える太陽電池素子であって、ドーパント層には、ドーパント層を貫通する溝がドーパント層の周縁に沿って設けられており、ドーパント層の表面および溝の内面に連続して反射防止膜が形成されている。

図１において、太陽電池素子１０の受光面側を集電する第１電極５として、フィンガー電極５ｂと、このフィンガー電極５ｂから集電するバスバー電極５ａとが半導体基板１の受光面上に形成されており、半導体基板１の受光面側の周縁近傍には、溝４が形成されている。

図２において、太陽電池素子１０の非受光面側を集電する第２電極７として、裏面電極７ｂと、この裏面電極７ｂから集電する裏面取出電極７ａとが半導体基板１の非受光面上に形成されている。

図３において、溝４は、ドーパント層２を貫通して半導体基板１に達しており、さらに反射防止膜３がドーパント層２の表面に形成されており、さらに連続して溝４の内面に亘って形成されている。

ここで溝４はさらに半導体基板１にまで達して形成されていることが、溝４内でのドーパント層２の再形成を低減できる点で好ましい。

これにより、溝４における異物８を反射防止膜３で絶縁することによって、光電変換効率が良好な太陽電池素子１０を得ることができる。

また、溝４を設けた部位におけるＳｉのダングリングボンドを水素を含有した反射防止膜３からの水素のパッシベーションで補償することによって、光電変換効率が良好な太陽電池素子１０を得ることができる。

さらに、本実施形態の太陽電池素子は、ドーパント層の厚さは０．１〜１μｍである。

これにより、溝４を最低限のレーザー処理の出力密度で形成することができ、半導体基板１への損傷を低減することができる。

さらに、本実施形態の太陽電池素子は、溝の深さは５〜２０μｍ、幅は２０〜５０μｍである。

これにより、ドーパント層２を十分に分離でき、分離抵抗を高くすることができるので、リーク電流を低減することができる。

さらに、本実施形態の太陽電池素子は、反射防止膜の厚さは、５０〜１２０ｎｍである。

これにより、溝４における異物８を反射防止膜３で絶縁することによって、光電変換効率が良好な太陽電池素子１０を得ることができる。

また、溝４を設けた部位におけるＳｉの結合子の欠陥を反射防止膜３からの水素のパッシベーションで補償することによって、光電変換効率が良好な太陽電池素子１０を得ることができる。

なお、本実施形態の溝４は同様にＣＩＧＳ等の薄膜を有する基板にも用いることができる。

＜＜太陽電池素子の製造方法＞＞
＜半導体基板の準備工程＞
まず、ｐ型の導電型を呈する半導体基板１を準備する。

半導体基板１として単結晶シリコン基板を用いる場合であれば、ＦＺやＣＺ法など公知の製法で作製された単結晶シリコンインゴットを所定の厚みに切り出すことで半導体基板１を得ることができる。

また、多結晶シリコン基板を半導体基板１として用いる場合であれば、キャスト法や鋳型内凝固法などの公知の製法で作製された多結晶シリコンインゴットを所定の厚みに切り出すことで半導体基板１を得ることができる。

以下においては、ドーパント元素としてＢ（ボロン）あるいはＧａ（ガリウム）を１×１０^１５〜１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度ドープして成ることでｐ型の導電型を呈する結晶シリコン基板を半導体基板１として用いる場合を例にとって説明する。

なお、切り出し（スライス）に伴う半導体基板１の表層部の機械的ダメージ層や汚染層を除去するために、切り出した半導体基板１の表面側および裏面側の表層部をＮａＯＨやＫＯＨ、あるいはフッ酸と硝酸の混合液などでそれぞれ１０〜２０μｍ程度エッチングし、その後、純水などで洗浄することで、有機成分や金属成分を除去しておくようにする。

＜ドーパント層の形成工程＞
次に、ドーパント層２を形成する。ｐ型の導電型を呈する結晶シリコン基板を半導体基板１として用いる場合、ドーパント層２を形成するためのｎ型化ドーピング元素としては、Ｐ（リン）を用いることが好ましい。

ドーパント層２は、半導体基板１におけるその形成対象箇所にペースト状態にしたＰ_２Ｏ_５を塗布して熱拡散させる塗布熱拡散法、ガス状態にしたＰＯＣｌ_３（オキシ塩化リン）を拡散源として形成対象箇所に拡散させる気相熱拡散法、および形成予定箇所に対して直接に拡散させるイオン打ち込み法などによって形成する。気相拡散法を用いれば半導体基板１の両主面に逆導電型層２を形成できるので好ましい。

なお、形成対象箇所以外にも拡散領域が形成されるような条件下では、その部分にあらかじめ拡散防止層を形成したうえでドーパント層２を形成するようにすることにより、部分的に拡散を防止することができる。また、拡散防止層を形成せず、形成対象箇所以外に形成された拡散領域を後からエッチングして除去してもよい。

＜溝および選択エミッタの形成工程＞
ドーパント層２を形成した後に、半導体基板１の周縁について第１のレーザー処理で溝４を形成するとともに、フィンガー電極５ｂ、バスバー電極５ａについて第２のレーザー処理で選択エミッタを形成する。この工程の詳細については後述する。

＜電極の形成方法＞
半導体基板１の受光面に第１電極５を形成する。バスバー電極５ａとフィンガー電極５ｂとは、例えば、塗布法を用いて形成される。具体的には、半導体基板１の受光面上に、例えば銀等からなる金属粉末１００重量部に対して有機ビヒクルを１０〜３０重量部、ガラスフリットを０．１〜１０重量部を添加してなる導電性ペーストを、特定の形成パターンにて塗布することで塗布膜を形成した後、該塗布膜を最高温度５００〜８５０℃で数十秒〜数十分程度焼成することにより、バスバー電極５ａとフィンガー電極５ｂとを形成することができる。

また、導電性ペーストを塗布した後、焼成前に所定の温度で塗布膜中の溶剤を蒸散させて該塗布膜を乾燥させるのが好ましい。

第１電極５の形成に先立って反射防止膜３を形成する場合は、パターニングされた領域に第１電極５を形成するか、あるいは、ファイヤースルー法によって第１電極５を形成することになる。

一方で、第１電極５を形成した後に、反射防止膜３を形成してもかまわない。この場合、反射防止膜３をパターニングする必要もなく、またファイヤースルー法を用いる必要もないため、第１電極５の形成条件が緩やかなものとなる。このような工程であれば、例えば、８００℃程度の高温で焼成を行わずとも、第１電極５を形成することができる。

半導体基板１の非受光面には、第２電極７を形成する。裏面取出電極７ａは、例えば、銀または銅等の導電性ペーストを塗布し、加熱処理する方法や、銀または銅等の金属をスパッタ法または蒸着法を用いて形成することができる。

また、裏面電極７ｂは、錫または銀を含む厚さ５〜３０μｍのめっき層を有することが好ましい。

＜反射防止膜の形成工程＞
次に、ドーパント層２の上に、反射防止膜３を形成する。反射防止膜３の形成方法とし
ては、ＰＥＣＶＤ法、蒸着法やスパッタ法などを用いることができる。例えば、ＳｉＮｘ膜からなる反射防止膜３をＰＥＣＶＤ法で形成する場合であれば、反応室内を５００℃程度としてシラン（Ｓｉ_３Ｈ_４）とアンモニア（ＮＨ_３）との混合ガスを窒素で希釈し、グロー放電分解でプラズマ化させて堆積させることで反射防止膜３が形成される。

本実施形態の太陽電池素子の製造方法は、半導体基板上にドーパントを拡散させてドーパント層を形成する第１工程と、第１のレーザー処理によって少なくともドーパント層を貫通する溝を形成する第２工程と、反射防止膜をドーパント層の表面側に形成する第３工程と、を有する。

図４において、（ａ）の半導体基板１に、（ｂ）のようにｎ型ドーパントを熱拡散気相法などによって拡散してドーパント層２を形成する。

そして（ｃ）のようにレーザー処理で溝４を形成して、（ｄ）のように第２電極７を形成してから、（ｅ）のように反射防止膜３をＰＥＣＶＤ法などにより形成する。

これにより、ドーパント層の表面から溝４の内面に亘り反射防止膜３を連続的に有することができる。

ここで、レーザー処理により一部融解した細かなn相が、ところどころ存在していない
ことが、リーク電流を低減させる点で好ましい。

さらに、本実施形態の太陽電池素子の製造方法は、第２工程の前工程あるいは後工程であって、第２のレーザー処理によって溝の形成部分を除いてドーパント層中のドーパントを半導体基板の内部へとさらに拡散させる工程を有する。

これにより、溝４を形成するための工程と、選択エミッタを形成するための工程とを連続して行うことができ、工数を削減できる点で好ましい。

さらに、本実施形態の太陽電池素子の製造方法は、第２のレーザー処理の出力密度は、第１のレーザー処理の出力密度よりも大きい。

これにより、半導体基板１の表面にＰＳＧ（リン珪酸ガラス）が形成されていても、レーザー処理におけるパワーロスの影響を問題とすることなく、溝４を形成することが可能となる。レーザーの出力密度は０．０４〜０．０５ｍＷ／μｍ^２程度であることが好ましい。

さらに、本実施形態の太陽電池素子の製造方法は、第２のレーザー処理の単位面積当たりの処理速度は、第１のレーザー処理の単位面積当たりの処理速度よりも長い。

これにより、レーザー処理による急激な温度上昇を避けることができるので、半導体基板１に損傷を与えずに溝４を形成することが可能となる。レーザーの処理速度は５００〜２０００ｍｍ／秒程度であることが好ましい。

ここで、レーザー装置の仕様、照射条件について詳細に説明する。

レーザーで溝４を形成する場合は、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザー（波長１０６４ｎｍ）やＳＨＧ（ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）−ＹＡＧレーザー（波長５３２ｎｍ）、ＹＶＯ４（イットリウム・バナデイト）レーザー（波長１０６４ｎｍ）、エキシマレーザー（波長１９３〜３５３ｎｍ）な
どが使用可能である。ＹＡＧレーザーを使用する場合、その条件は、ＴＥＭ波、出力５〜３０Ｗ程度、パルス出力であって出力されたビームパルスの周波数１Ｈｚ〜１ＭＨｚ、ビームパルス幅１００フェムト秒〜１００マイクロ秒、ビームプロファイルはトップハット型とすることができる。

溝４を形成方法としては、半導体基板１表面の所定箇所へのレーザーの照射位置をガルバノミラーなどで走査させてレーザーを照射する方法や、半導体基板１を載置した作業テーブルをシーケンサーなどで制御されたサーボーモーターにより一定速度で移動させながら、レーザーをパルスで照射する方法などを用いることができる。さらに溝４の形成の際に、溝４の内周面を不活性化するガスを溝４の内面に吹き付けることができる。これによりレーザーによる溝４形成時の熱的ダメージ、機械的ダメージによる太陽電池素子１のリーク電流の発生を低減することができる。このような溝４の内周面を不活性化するガスとしては、窒素ガスや酸素ガス、二酸化炭素ガス、水蒸気などを用いることができる。なお、溝４の内周面を不活性化するガスとして窒素ガスを用いた場合、レーザー照射による溝４の形成時に発生する残渣の酸化を低減することができる。その結果、該残渣が溝４の内部に残り、導電性を持ちリーク電流を発生させることを低減することができる。

（試料作製）
シリコン半導体基板上に、ボロンをｎ型ドーパントとして熱拡散気相法によって拡散させてドーパント層２を形成し（第１工程）、第１のレーザー処理によってドーパント層２を貫通する溝４を各深さと幅で形成し（第２工程）、ＳｉＮｘ膜からなる反射防止膜３をドーパント層２の表面側にＰＥＣＶＤ法で形成した（第３工程）。

第２工程の前工程で第２のレーザー処理によってドーパント層２中のボロンドーパントを半導体基板１内部へと、さらに拡散させて選択エミッタを形成した。

ここで第２のレーザー処理の出力密度は、第１のレーザー処理の出力密度よりも大きくし、レーザーの出力密度は０．０４〜０．０５ｍＷ／μｍ^２で制御した。また第２のレーザー処理の単位面積当たりの処理速度は、第１のレーザー処理の単位面積当たりの処理速度よりも長くし、レーザーの処理速度は５００〜２０００ｍｍ／秒で制御した。

比較例としては、図５，６のように受光面側に形成され溝４内に反射防止膜３を有さないもの、および、第２電極７側に溝４を形成した特許文献１と同様のものを作製した。

本実施例において、溝４を形成するレーザーと、選択エミッタとを形成するレーザーは、ガルバノビームでプロファイルがガウシアン分布のものを用いた。

ｐｎ分離用レーザーの仕様および条件は、出力１４．５Ｗ程度、周波数５０ｋＨｚ、パルス幅２０ｎｓ、波長５３２ｎｍ、スポット径２０〜５０μｍ、移動速度１０００ｍｍ／秒とした。また、エミッタ形成用レーザーの仕様および条件は、出力 ０．５〜５Ｗ程度
、周波数８０〜２００ｋＨｚ、パルス幅２０ｎｓ程度、波長５３２ｎｍ、スポット径２０μｍ、移動速度２０００ｍｍ／秒とした。

（試料評価）
図１および図２のような太陽電池素子を用いて、光電変換効率を評価した。

以下、結果を表１に示す。

試料１〜５においてドーパント層２の厚さが０．１〜１μｍで好適な光電変換効率を得ることができた。

試料６〜１０において溝４の深さが５〜２０μｍで好適な光電変換効率を得ることができた。なお、試料６〜１０では、パワー密度と移動速度で深さを調節した。

試料１１〜１５において溝４の幅が２０〜５０μｍで好適な光電変換効率を得ることができた。なお、試料１１〜１５では、パワー密度と移動速度の他に、スポット径を随時制御して溝幅を調節した。

試料１５〜２０において反射防止膜３の厚さが０．１〜１μｍで好適な光電変換効率を得ることができた。

一方、比較例である図５，６のように受光面側に形成され溝４内に反射防止膜３を有さない試料２１は、異物８の介在により光電変換効率が低下したものと考えられる。

また、比較例である第２電極７側に溝４を形成した特許文献１と同様の試料２２も、本光電変換効率が低下するとともに、別工程で半導体基板１を反転させてからアライメントしてレーザー処理したため、工数が長くなってしまった。

１：半導体基板
２：ドーパント層
３：反射防止膜
４：溝
５：第１電極
５ａ：バスバー電極
５ｂ：フィンガー電極
７：第２電極
７ａ：裏面取出電極
７ｂ：裏面電極
８：異物
１０：太陽電池素子

Claims (9)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の受光面側に位置してｐｎ接合を形成したドーパント層と
   を備える太陽電池素子であって、
   前記ドーパント層には、前記ドーパント層を貫通する溝が前記ドーパント層の周縁に沿って設けられており、
   前記ドーパント層の表面および前記溝の内面に連続して反射防止膜が形成されている太陽電池素子。
2. 前記溝はさらに前記半導体基板にまで達して形成されている請求項１に記載の太陽電池素子。
3. 前記ドーパント層の厚さは０．１〜１μｍである請求項１または２に記載の太陽電池素子。
4. 前記溝の深さは５〜２０μｍ、幅は２０〜５０μｍである請求項２または３に記載の太陽電池素子。
5. 前記反射防止膜の厚さは、５０〜１２０ｎｍである請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池素子。
6. 請求項1〜５のいずれかに記載の太陽電池素子の製造方法であって、
   半導体基板の受光面側にドーパントを拡散させてドーパント層を形成する第１工程と、
   第１のレーザー処理によって少なくとも前記ドーパント層を貫通する溝を形成する第２工程と、
   反射防止膜を前記ドーパント層の表面および前記溝の内面に連続して形成する第３工程とを有する太陽電池素子の製造方法。
7. 前記第２工程の前工程あるいは後工程であって、
   第２のレーザー処理によって前記溝の形成部分を除いて前記ドーパント層中のドーパントを前記半導体基板の内部へとさらに拡散させる工程を有する請求項６に記載の太陽電池素子の製造方法。
8. 前記第２のレーザー処理の出力密度は、前記第１のレーザー処理の出力密度よりも大きい請求項６または７に記載の太陽電池素子の製造方法。
9. 前記第２のレーザー処理の単位面積当たりの処理速度は、前記第１のレーザー処理の単位面積当たりの処理速度よりも長い請求項７または８のいずれかに記載の太陽電池素子の製造方法。

Images