JP2012160694A - p型拡散層形成組成物、p型拡散層の製造方法及び太陽電池素子の製造方法 - Google Patents

p型拡散層形成組成物、p型拡散層の製造方法及び太陽電池素子の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】シリコン基板の反りの発生を抑制しながら、p型拡散層を形成することが可能なp型拡散層形成組成物、p型拡散層の製造方法、及び太陽電池素子の製造方法を提供する。
【解決手段】p型拡散層形成組成物を、窒化ホウ素及び窒化ホウ素に由来する酸化物を含み、酸素含有率が15質量%以下である窒化ホウ素粒子と、分散媒とを含有して構成する。このp型拡散層形成組成物をシリコン基板上に塗布し熱拡散処理を施すことで、p型拡散層、及びp型拡散層を有する太陽電池素子が製造される。
【選択図】なし

Description

本発明は、p型拡散層形成組成物、p型拡散層の製造方法及び太陽電池素子の製造方法に関する。
従来のシリコン太陽電池素子の製造工程について説明する。
まず、光閉じ込め効果を促して高効率化を図るよう、テクスチャー構造を形成したp型シリコン基板を準備し、続いてオキシ塩化リン(POCl)、窒素、酸素の混合ガス雰囲気において800℃〜900℃で数十分の処理を行って一様にn型拡散層を形成する。この従来の方法では、混合ガスを用いてリンの拡散を行うため、表面のみならず、側面、裏面にもn型拡散層が形成される。そのため、側面のn型拡散層を除去するためのサイドエッチングを行う。また、裏面のn型拡散層はp型拡散層へ変換する必要があり、裏面にアルミペーストを印刷し、これを焼成して、n型拡散層をp型拡散層にするのと同時に、オーミックコンタクトを得ている。
しかしながら、アルミペーストから形成されるアルミ層は導電率が低いため、シート抵抗を下げるために、通常裏面全面に形成したアルミ層は焼成後において10μm〜20μmほどの厚みを有していなければならない。さらに、シリコンとアルミニウムでは熱膨張率が大きく異なることから、焼成および冷却の過程で、シリコン基板中に大きな内部応力を発生させ、結晶粒界のダメージ、結晶欠陥増長及び反りの原因となる。
この問題を解決するために、アルミペーストの塗布量を減らし、裏面電極層を薄くする方法がある。しかしながら、アルミペーストの塗布量を減らすと、p型シリコン半導体基板の表面から内部に拡散するアルミニウムの量が不十分となる。その結果、所望のBSF(Back Surface Field)効果(p型拡散層の存在により生成キャリアの収集効率が向上する効果)を達成することができないため、太陽電池の特性が低下するという問題が生じる。
上記に関連して、例えば、ホウ酸や酸化ホウ素などのホウ素化合物を拡散源として用いる手法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、ホウ素拡散材として窒化ホウ素焼結体を用いる手法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特開2002−539615号公報 特許第4347254号明細書
しかしながら、特許文献1に記載されているように、p型拡散層を形成するためにドーパント源にホウ酸又はBを用いて拡散工程を行うと、拡散能力が不十分であり、十分なBSF効果が得られない場合があった。さらにホウ酸等がシリコン基板と反応して結晶性成分を析出してこれが抵抗成分となる場合があった。さらにまたホウ酸やBを含む拡散層形成用溶液は、保存安定性に問題が有る場合があった。また特許文献2に記載の方法においては、1000℃以上の高温でホウ素を拡散させる必要があるため、シリコン基板に損傷が生じてセル効率が低下する場合があった。またホウ素を部位選択的に拡散するためには、非拡散領域をSiOなどでマスクする必要があり、これが工程数の増加を招きプロセスが複雑になるという問題がある。
本発明は、以上の従来の問題点に鑑みなされたものであり、熱処理時におけるシリコン基板の反りの発生を抑制しながら、p型拡散層形成組成物の成分と基板との高温での反応を抑制可能で、低抵抗なp型拡散層を形成することが可能なp型拡散層形成組成物、p型拡散層の製造方法及び太陽電池素子の製造方法の提供を課題とする。
前記課題を解決するための具体的手段は以下の通りである。
<1> 窒化ホウ素及び窒化ホウ素に由来する酸化物を含み、酸素含有率が15質量%以下である窒化ホウ素粒子と、分散媒と、を含有するp型拡散層形成組成物。
<2> 前記窒化ホウ素粒子の酸素含有率が0.3質量%以上5.0質量%以下である前記<1>に記載p型拡散層形成組成物。
<3> 前記窒化ホウ素粒子の酸素含有率が1.2質量%以上2.0質量%以下である前記<1>又は<2>に記載のp型拡散層形成組成物。
<4> 前記窒化ホウ素粒子は、機械的表面改質処理物及び熱処理物の少なくとも一方である前記<1>〜<3>のいずれか1項に記載のp型拡散層形成組成物。
<5> 前記窒化ホウ素粒子は、機械的表面改質処理物である前記<1>〜<4>のいずれか1項に記載のp型拡散層形成組成物。
<6> 前記機械的表面改質処理物は、湿式粉砕処理物である前記<5>に記載のp型拡散層形成用組成物。
<7> 前記湿式粉砕処理物は、ビーズミル又はボールミルを用いて得られる前記<6>に記載のp型拡散層形成組成物。
<8> 前記湿式粉砕処理物は、水を含む分散媒中で湿式粉砕処理してなる前記<6>又は<7>に記載のp型拡散層形成組成物。
<9> 前記熱処理物は、酸素を含む雰囲気中、900℃以上で熱処理してなる前記<4>に記載のp型拡散層形成組成物。
<10> シリコン基板上に、前記<1>〜<9>のいずれか1項に記載のp型拡散層形成組成物を付与する工程と、熱拡散処理を施す工程とを有するp型拡散層の製造方法。
<11> シリコン基板上に、前記<1>〜<9>のいずれか1項に記載のp型拡散層形成組成物を付与する工程と、熱拡散処理を施して、p型拡散層を形成する工程と、形成されたp型拡散層上に電極を形成する工程とを有する太陽電池素子の製造方法。
<12> 前記<11>に記載の製造方法により得た太陽電池素子と、前記太陽電池素子の電極上に配置されたタブ線とを有する太陽電池。
本発明によれば、熱拡散時におけるシリコン基板の反りの発生を抑制しながら、p型拡散層形成組成物の成分と基板との高温での反応を抑制可能で、低抵抗なp型拡散層を形成することが可能なp型拡散層形成組成物、p型拡散層の製造方法及び太陽電池素子の製造方法の提供することができる。
本発明にかかるp型拡散層の製造工程の一例を概念的に示す断面図である。 本発明にかかる太陽電池素子の製造工程の一例を概念的に示す断面図である
本明細書において「工程」との語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の作用が達成されれば、本用語に含まれる。また本明細書において「〜」を用いて示された数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値および最大値として含む範囲を示す。さらに本明細書において組成物中の各成分の量について言及する場合、組成物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合には、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。
<p型拡散層形成組成物>
本発明のp型拡散層形成組成物は、窒化ホウ素と窒化ホウ素に由来する酸化物とを含む窒化ホウ素粒子であって、酸素含有率が15質量%以下である窒化ホウ素粒子の少なくとも1種と、分散媒とを含有し、更に塗布性などを考慮してその他の添加剤を必要に応じて含有して構成される。
窒化ホウ素粒子に含まれる酸素含有率が特定の範囲であることで、優れた拡散性を発揮することができ、さらにp型拡散層形成組成物と基板との高温での反応を抑制し、低抵抗なp型拡散層を形成することができる。さらに熱拡散時におけるシリコン基板の反りの発生を抑制することができる。
p型拡散層を形成する際に、ホウ素化合物としてホウ酸又はBを用いると、シリコン基板と反応して結晶性の抵抗成分を形成するおそれがある。またこれらのホウ素化合物を用いると、分散媒と反応する、吸湿するなどの原因によりp型拡散層形成組成物の保存安定性が低下するおそれがある。
一方、ホウ素化合物として窒化ホウ素粒子を用いると吸湿性や分散媒との反応性を抑止することができ、p型拡散層形成組成物の保存安定性が向上する。またシリコン基板との反応が抑制されて、結晶性の抵抗成分の生成が抑制されるため、形成されるp型拡散層の低抵抗化が可能となる。特に前記窒化ホウ素粒子の酸素含有率が特定の範囲であることで、優れた拡散性を達成することができ、抵抗率の低いp型拡散層を均一に形成することができる。
ここで、p型拡散層形成組成物とは、ホウ素化合物を含有し、シリコン基板に塗布した後にホウ素化合物に含まれるホウ素原子をシリコン基板中に熱拡散することでp型拡散層を形成することが可能な材料をいう。
窒化ホウ素粒子を含むp型拡散層形成組成物を用いることで、p型拡散層形成工程とオーミックコンタクト形成工程とを分離でき、オーミックコンタクト形成のための電極材の選択肢が広がるとともに、電極の構造の選択肢も広がる。例えば銀等の低抵抗材を電極に用いれば薄い膜厚で低抵抗が達成できる。また、電極も全面に形成する必要はなく、櫛型等の形状のように部分的に形成してもよい。以上のように薄膜あるいは櫛型形状等の部分的形状にすることで、シリコン基板中の内部応力、基板の反りの発生を抑えながらp型拡散層を形成することも可能となる。
したがって、本発明のp型拡散層形成組成物を適用すれば、従来広く採用されている方法、つまりアルミペーストを印刷し、これを焼成してn型拡散層をp型拡散層を形成するのと同時にオーミックコンタクトを得る方法では発生してしまう基板の内部応力及び基板の反りの発生が抑制される。
また、両面受光型の太陽電池のように、全面にアルミペーストを印刷できない場合であっても、本発明のp型拡散層形成組成物はp型拡散層の形成に適用することができ、所望の形状を有するp型拡散層を形成することができる。
(A)窒化ホウ素粒子
本発明にかかる窒化ホウ素粒子について、詳細に説明する。
本発明でいう窒化ホウ素粒子とは、窒化ホウ素と、窒化ホウ素に由来する酸化物の少なくとも1種とを構成成分として含み、窒化ホウ素粒子全体として酸素原子の含有率が15質量%以下の範囲となるように前記酸化物を含む粒子を指す。またさらに前記窒化ホウ素粒子は、必要に応じて、窒化ホウ素以外のその他のホウ素化合物を構成成分として含んでいてもよい。
尚、前記窒化ホウ素粒子が、窒化ホウ素を構成成分として含んでいるかどうかは、粉末X線回折などによって窒化ホウ素に由来するピークの有無を調べることで、判別することができる。
前記p型拡散層形成組成物を、窒化ホウ素粒子を含んで構成することで、吸湿性や分散媒との反応性を抑止するという効果が得られる。また、熱拡散時に発生する恐れのあるホウ素化合物に由来するシリコンとの反応生成物の生成を抑制することができる。これは例えば、窒化ホウ素は化学的な安定性が高いためと考えることができる。
また窒化ホウ素粒子が酸素原子の含有率が15質量%以下となるように窒化ホウ素由来の酸化物を含むことで、優れた拡散性を達成することができる。
さらに窒化ホウ素粒子が後述する分散媒中に分散されていることで、ホウ素原子の拡散状態がより均一なp型拡散層を形成することができる。また部位選択的にp型拡散層を形成することもできる。
前記窒化ホウ素粒子の酸素含有率は15質量%以下であるが、0.3質量%以上5.0質量%以下であることが好ましく、1.2質量%以上2.0質量%以下であることがより好ましい。窒化ホウ素粒子の酸素含有率が15質量%を超えると十分な拡散性を達成できない場合がある。またその場合、窒化ホウ素粒子の表面に存在する窒化ホウ素由来の酸化物(例えば、酸化ホウ素)の存在量が多くなるため、窒化ホウ素粒子全体としてみると酸化物に起因する吸湿性等の性質が相対的に強くなり、窒化ホウ素に起因する化学的安定性等の性質が相対的に弱くなる場合がある。
尚、窒化ホウ素粒子の酸素含有率は、市販の酸素・窒素分析装置を用い、不活性ガス融解・赤外線吸収法により行うことができる。酸素・窒素分析装置としては例えば、LECO社製の酸素・窒素分析装置や、堀場製作所製の固体中高精度酸素・窒素分析装置を挙げることができる。
窒化ホウ素に由来する酸化物は、窒化ホウ素が酸化されて形成される化合物であれば、特に制限はされず、窒化ホウ素を酸化処理して形成される酸化物であっても、市販の窒化ホウ素粒子に不純物として含まれる酸化物であってもよい。具体的には、酸化ホウ素、ホウ化シリコンに由来する酸化物(例えば、ホウ素を含む酸化ケイ素)等を挙げることができる。中でも酸化ホウ素であることが好ましい。
また前記酸化物は、窒化ホウ素粒子の酸素含有率が所定の範囲である限り、窒化ホウ素粒子の粒子表面に含まれていても、粒子内部に含まれていてもよい。中でもホウ素原子拡散性の観点から、窒化ホウ素粒子の少なくとも粒子表面に含まれていることが好ましい。
前記窒化ホウ素由来の酸化物を含む窒化ホウ素粒子を製造する方法は特に制限されない。例えば、窒化ホウ素粒子の粒子表面を酸化処理する方法、窒化ホウ素粒子の粒子表面に窒化ホウ素由来の酸化物を付与する方法、窒化ホウ素と窒化ホウ素由来の酸化物とから窒化ホウ素粒子を形成する方法等を挙げることができる。中でも、ホウ素原子拡散性と粒子の化学的安定性の観点から、窒化ホウ素粒子の粒子表面を酸化処理する方法が好ましい。
粒子表面のみを酸化処理することで、窒化ホウ素由来の化学的安定性と、酸化物(好ましくは、酸化ホウ素)由来の拡散能力とをより高いレベルで両立することができる。
一般に市販されている高純度の窒化ホウ素粒子の酸素含有率は1.0質量%以下であることが多い。本発明においては、粒子表面を酸化処理して窒化ホウ素粒子の酸素含有率を所望の範囲に調節することが好ましい。酸素含有率を所望の範囲に調節することで、粒子表面にN−O基、B−O基などが生成されやすくなる。表面にB−O基を含む窒化ホウ素粒子は高温においてホウ素を含むガスが揮発しやすくなり、拡散性能がより向上すると考えられる。
窒化ホウ素粒子の粒子表面を酸化処理する方法としては、例えば、窒化ホウ素粒子に対して機械的表面改質処理を行って窒化ホウ素粒子表面を酸化する方法、窒化ホウ素粒子に対して酸素の存在下に熱処理を行って窒化ホウ素粒子表面を酸化する方法、酸素プラズマ処理する方法、等を挙げることができる。中でもホウ素原子拡散性の観点から、機械的表面改質処理を行う方法、熱処理を行う方法が好ましく、機械的表面改質処理を行う方法がより好ましい。
窒化ホウ素粒子を熱処理する方法としては、酸素を含む雰囲気中、高温で熱処理する方法が好ましい。熱処理における温度及び時間を適宜調整することで窒化ホウ素粒子の酸素含有率を所望の範囲に調節することができる。
熱処理温度としては、900℃以上であることが好ましく、900℃〜1150℃であることがより好ましく、950℃〜1050℃であることが更に好ましい。熱処理温度が900℃以上であると、窒化ホウ素粒子の粒子表面の酸化が効率的に進行し、酸化処理の効果が得られやすくなる。また1150℃以下であると、窒化ホウ素粒子の粒子表面の酸化速度が速くなりすぎることを抑制でき、処理時間の制御が容易になる。
熱処理時間には特に制限はなく、所望の酸素含有率及び熱処理温度に応じて適宜選択することができる。例えば5分間〜120分間であることが好ましく、より好ましくは10分間〜60分間である。5分以上であると、粒子間における酸素含有率のバラつきが大きくなることを抑制できる傾向にある。また120分間以下であると製造コストの上昇を抑制できる傾向にある。
また熱処理における雰囲気に含まれる酸素の含有率は特に制限されない。例えば0.1体積%〜100体積%とすることができ、1体積%〜30体積%であることが好ましい。
前記窒化ホウ素粒子は機械的表面改質処理により粒子表面を酸化処理されたものであることが好ましい。ここでいう機械的表面改質処理とは、窒化ホウ素粒子を粉砕処理する方法や、窒化ホウ素粒子に剪断力を与える方法により粒子表面の物理化学的状態を変化させて表面改質する処理方法を指す。この中でも粉砕処理を施すことが好ましい。
粉砕処理としては、乾式粉砕処理及び湿式粉砕処理を挙げることができる。乾式粉砕処理としては、ジェットミル、振動ミル、ボールミル等を用いた粉砕処理を挙げることができる。また湿式粉砕処理としてはビーズミル、ボールミル等を用いて分散媒中で粉砕処理する方法を挙げることができる。
粉砕処理に際して粉砕装置に起因する不純物が窒化ホウ素粒子に混入すると、ドーパント特性が劣化する場合があるため、粉砕容器、ビーズ及びボール等の材質はドーパント特性への影響の少ない材質を選択することが好ましい。具体的には、ナイロン、アルミナ、部分安定化ジルコニア等を使用することができる。
窒化ホウ素粒子の粉砕処理は、酸素含有率を容易に調節できる観点から、湿式粉砕処理であることが好ましい。湿式粉砕処理に用いられる分散媒は特に制限されず、水であっても、溶剤であっても、これらの混合溶媒であってもよい。乾式で粉砕処理すると、酸化が促進され、好ましい酸素含有率に調整することが容易ではない場合がある。
溶剤として具体的には、アセトン、メチルエチルケトン、メチル−n−プロピルケトン、メチル−iso−プロピルケトン、メチル−n−ブチルケトン、メチル−iso−ブチルケトン、メチル−n−ペンチルケトン、メチル−n−ヘキシルケトン、ジエチルケトン、ジプロピルケトン、ジ−iso−ブチルケトン、トリメチルノナノン、シクロヘキサノン、シクロペンタノン、メチルシクロヘキサノン、2,4−ペンタンジオン、アセトニルアセトン等のケトン系溶剤;ジエチルエーテル、メチルエチルエーテル、メチル−n−プロピルエーテル、ジ−iso−プロピルエーテル、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、ジメチルジオキサン、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジ−n−プロピルエーテル、エチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル、ジエチレングリコールメチル−n−プロピルエーテル、ジエチレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールジ−n−プロピルエーテル、ジエチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールメチルエチルエーテル、トリエチレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、トリエチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、トリエチレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジエチルエーテル、テトラジエチレングリコールメチルエチルエーテル、テトラエチレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、テトラエチレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、テトラエチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールジエチルエーテル、プロピレングリコールジ−n−プロピルエーテル、プロピレングリコールジブチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールジエチルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエチルエーテル、ジプロピレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、ジプロピレングリコールジ−n−プロピルエーテル、ジプロピレングリコールジ−n−ブチルエーテル、ジプロピレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、トリプロピレングリコールジメチルエーテル、トリプロピレングリコールジエチルエーテル、トリプロピレングリコールメチルエチルエーテル、トリプロピレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、トリプロピレングリコールジ−n−ブチルエーテル、トリプロピレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、テトラプロピレングリコールジメチルエーテル、テトラプロピレングリコールジエチルエーテル、テトラジプロピレングリコールメチルエチルエーテル、テトラプロピレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、ジプロピレングリコールジ−n−ブチルエーテル、テトラプロピレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、テトラプロピレングリコールジ−n−ブチルエーテル等のエーテル系溶剤;酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸n−プロピル、酢酸i−プロピル、酢酸n−ブチル、酢酸i−ブチル、酢酸sec−ブチル、酢酸n−ペンチル、酢酸sec−ペンチル、酢酸3−メトキシブチル、酢酸メチルペンチル、酢酸2−エチルブチル、酢酸2−エチルヘキシル、酢酸2−(2−ブトキシエトキシ)エチル、酢酸ベンジル、酢酸シクロヘキシル、酢酸メチルシクロヘキシル、酢酸ノニル、アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル、酢酸ジエチレングリコールメチルエーテル、酢酸ジエチレングリコールモノエチルエーテル、酢酸ジプロピレングリコールメチルエーテル、酢酸ジプロピレングリコールエチルエーテル、ジ酢酸グリコール、酢酸メトキシトリグリコール、プロピオン酸エチル、プロピオン酸n−ブチル、プロピオン酸i−アミル、シュウ酸ジエチル、シュウ酸ジ−n−ブチル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸n−ブチル、乳酸n−アミル、エチレングリコールメチルエーテルプロピオネート、エチレングリコールエチルエーテルプロピオネート、エチレングリコールメチルエーテルアセテート、エチレングリコールエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールプロピルエーテルアセテート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等のエステル系溶剤;アセトニトリル、N−メチルピロリジノン、N−エチルピロリジノン、N−プロピルピロリジノン、N−ブチルピロリジノン、N−ヘキシルピロリジノン、N−シクロヘキシルピロリジノン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶剤;メタノール、エタノール、n−プロパノール、i−プロパノール、n−ブタノール、i−ブタノール、sec−ブタノール、t−ブタノール、n−ペンタノール、i−ペンタノール、2−メチルブタノール、sec−ペンタノール、t−ペンタノール、3−メトキシブタノール、n−ヘキサノール、2−メチルペンタノール、sec−ヘキサノール、2−エチルブタノール、sec−ヘプタノール、n−オクタノール、2−エチルヘキサノール、sec−オクタノール、n−ノニルアルコール、n−デカノール、sec−ウンデシルアルコール、トリメチルノニルアルコール、sec−テトラデシルアルコール、sec−ヘプタデシルアルコール、フェノール、シクロヘキサノール、メチルシクロヘキサノール、ベンジルアルコール、エチレングリコール、1,2−プロピレングリコール、1,3−ブチレングリコール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリエチレングリコール、トリプロピレングリコール等のアルコール系溶剤;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノ−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールモノ−n−ヘキシルエーテル、エトキシトリグリコール、テトラエチレングリコールモノ−n−ブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノエチルエーテル、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル等のグリコールモノエーテル系溶剤;α−テルピネン、α−テルピネオール、ミルセン、アロオシメン、リモネン、ジペンテン、α−ピネン、β−ピネン、ターピネオール、カルボン、オシメン、フェランドレン等のテルペン系溶剤が挙げられる。これらは1種類を単独で又は2種類以上を組み合わせて使用される。
分散媒としてはこれらの中でも水を用いることが好ましい。これにより純度の管理が容易となり、また、窒化ホウ素の粉砕が容易となる傾向になる。
また粉砕処理時の分散媒とp型拡散層形成組成物の分散媒が異なる場合には、粉砕処理後に乾燥し、再度別の分散媒に分散して使用する。機械的粉砕処理をすることで、結晶性の高い窒化ホウ素であっても拡散能力が向上する傾向にある。
粉砕処理における処理条件は、所望の酸素含有率が達成できる限り特に制限されず、用いる粉砕装置や、分散媒等に応じて適宜選択することができる。
また粉砕装置以外の表面改質装置としては、公知の表面改質装置(ホソカワミクロン製メカノフュージョン、ノビルタ、奈良機械製ハイブリダイザー等)を挙げることができる。
粉砕装置以外の表面改質装置を用いた機械的表面改質処理における処理条件は、所望の酸素含有率が達成できる限り特に制限されず、用いる表面改質装置に応じて適宜選択することができる。
前記窒化ホウ素粒子は、必要に応じて窒化ホウ素以外のその他のホウ素化合物をさらに含んでいてもよい。その他のホウ素化合物としては、炭化ホウ素、酸化ホウ素、ホウ酸、アルキルホウ酸エステル、テトラアルキルボレート、テトラフェニルボレート、ボラン、ボロン酸、及び塩化ホウ素などを挙げることができる。
窒化ホウ素粒子におけるその他のホウ素化合物の含有量は特に制限されない。例えば、窒化ホウ素に対して100質量%以下とすることができ、30質量%以下であることが好ましく、1質量%以下であることがより好ましい。
その他のホウ素化合物は、窒化ホウ素粒子の表面に含まれていてもよく、また窒化ホウ素粒子の内部に含まれていてもよい。
前記窒化ホウ素粒子は、純度の高い窒化ホウ素粒子を表面酸化処理して得られるものであることが好ましい。具体的には、表面酸化処理に供する窒化ホウ素粒子における窒化ホウ素の純度は99質量%以上であることが好ましい。
特に窒化ホウ素以外のFe、Cr、Ni、Cu、W、及びMnなどの不純物元素の含有率を低くすることで、前記p型拡散層形成組成物を用いて構成した太陽電池素子における発電効率の低下をより効果的に抑制することが出来る。
前記窒化ホウ素粒子は、そのX線回折スペクトルにおいて、(100)、(101)、(102)のそれぞれに対応するピークのピーク強度比((I(100)+I(101))/(I(102)))が3.5以下であることが好ましい。下限は特にはないが、0.1以上である。前記強度比は0.1〜2.0であることがより好ましい。
前記ピーク強度が3.5以下であると、窒化ホウ素粒子に含まれる窒化ホウ素の結晶性が高く、又は配向性が良好で、シリコン基板への熱拡散時のホウ素拡散能力がより向上する傾向にある。ここでいう「配向性」とは、窒化ホウ素粒子が、特定の窒化ホウ素の結晶軸に沿ってシリコン基板上に配置される場合の並びやすさの指標を示す。結晶性が高く、シリコン基板へ配向しやすいことで、窒化ホウ素から揮発するホウ素含有ガスが閉じ込め易くなり、シリコン基板表面近傍のホウ素含有ガスの濃度がより高くなるため、ホウ素の拡散能力がより向上すると考えられる。逆に、配向性が低い場合、窒化ホウ素から揮発するホウ素含有ガスが拡散しやすくなり、シリコン基板と接触する確率が低下し、拡散性能が低下すると考えられる。
前記窒化ホウ素粒子の粒子形状としては、略球状、扁平状、ブロック状、板状、および鱗片状等が挙げられる。p型拡散層形成組成物とした場合の基板への塗布性や均一拡散性の点から略球状、扁平状、または板状であることが好ましく、扁平状または板状であることがより好ましい。
アスペクト比の高い扁平状や板状粒子の窒化ホウ素粒子をもちいることで、窒化ホウ素粒子を含むp型拡散層形成組成物をシリコン基板に付与した際に窒化ホウ素粒子が配向しやすくなり、より低抵抗化が可能となる。詳細な理由は不明であるが、熱拡散時において、窒化ホウ素粒子が配向していることで、窒化ホウ素粒子でシリコン基板を覆いやすくなり、窒化ホウ素粒子から揮発するホウ素化合物の外気への拡散を抑制し、ホウ素化合物気体とシリコン基板との接触をより容易にするため、ホウ素の拡散を促進するものと考えられる。
前記窒化ホウ素粒子の平均一次粒子径は特に制限されない。例えば10nm〜15μmであることが好ましく、10nm〜12μmであることがより好ましく、10nm〜5μmであることがより好ましく、50nm〜5μmであることが更に好ましい。本発明おいて「一次粒子」とは、単独で存在することができる最小粒子を表し、「平均一次粒子径」とは、走査型電子顕微鏡で観察される一次粒子径の長径を意味する。「一次粒子径の長径」とは、球状粒子については一次粒子の最大直径を意味し、六角板状または円板状粒子については、それぞれ厚み方向から観察した粒子の投影像における最大直径または最大対角線長を意味する。
具体的に「平均一次粒子径」は、300個の粒子の長径を上記方法により測定し、その個数平均として算出する。
平均一次粒子径が15μm以下であると、拡散性能及び拡散の均一性がより向上する。
前記窒化ホウ素粒子の体積平均二次粒子径(50%D)は、15μm以下であることが好ましく、12μm以下であることがより好ましい。15μm以下とすることにより、シリコン基板表面へ均一に分散させることができ、より均一にシリコン基板中にホウ素を拡散させやすい。
下限は特に制限されないが、10nm以上であることが好ましく、50nm以上であることがより好ましい。10nm以上とすることで、分散媒への分散を容易にすることができる。
窒化ホウ素粒子の体積平均二次粒子径(50%D)は、p型拡散層の形成性と分散安定性の観点から、10nm以上15μm以下であることが好ましく、50nm以上12μm以下であることがより好ましい。
ここで、50%Dとはメジアン径を指し、レーザー散乱回折法粒度分布測定装置等により測定することができる。
前記窒化ホウ素粒子は、拡散性能、拡散の均一性及び分散安定性の観点から、体積平均二次粒子径(50%D)が10nm〜15μmであり、平均一次粒子径が10nm〜12μmであることが好ましく、体積平均二次粒子径(50%D)が50nm〜12μmであり、平均一次粒子径が10nm〜5μmであることがより好ましい。
前記窒化ホウ素粒子の平均一次粒子径及び体積平均二次粒子径を前記範囲とする方法は特に制限はされないが、粉砕処理を施すことが好ましい。粉砕処理を施すことで、平均一次粒子径を小さくすることができる。粉砕手法としては、乾式粉砕法及び湿式粉砕法が挙げられるが、湿式粉砕法であることが好ましい。粉砕処理の詳細については既述の通りである。
窒化ホウ素粒子のBET比表面積は3m/g〜200m/gであることが好ましく、10m/g〜50m/gであることがより好ましい。
なお、BET比表面積は−196℃における窒素の吸着等温線から算出できる。BET比表面積が3m/g以上であると十分な拡散性能が得られる傾向にある。また、200m/g以下であると分散媒への分散性が良好になる傾向がある。またBET比表面積が高いことで、窒化ホウ素粒子から揮発するホウ素含有ガスの量が多くなり、拡散性能がより向上すると考えられる。
前記窒化ホウ素粒子のアスペクト比に特に制限はないが、アスペクト比が高い方が好ましい。具体的には、2〜10であることが好ましい。アスペクト比が高い窒化ホウ素粒子をシリコン基板へ塗布して熱処理すると拡散性能が向上する傾向がある。これは例えば、アスペクト比が高い窒化ホウ素粒子は、高温で揮発したホウ素化合物を閉じ込める効果があるためと考えられる。
尚、アスペクト比は、窒化ホウ素粒子の電子顕微鏡像を画像処理システムによって解析することで算出できる。なお、ここでいうアスペクト比とは、長軸の長さ(長径)と短軸の長さ(短径)の比率(長径/短径)である。
窒化ホウ素粒子に含まれる窒化ホウ素の結晶形は、六方晶(hexagonal)、立方晶(cubic)、菱面体晶(rhombohedral)のいずれであってもよいが、粒子径を容易に制御できること及び配向性の観点から六方晶が好ましい。
窒化ホウ素の調製方法は特に制限されず、通常の方法で調製することができる。例えば、ホウ素粉末を窒素気流中で1500℃以上に加熱する方法、融解した無水ホウ酸と窒素あるいはアンモニアをリン酸カルシウム存在下で反応させる方法、ホウ酸やホウ化アルカリと、尿素、グアニジン、メラミンなどの有機窒素化合物を高温の窒素−アンモニア雰囲気中で反応させる方法、融解ホウ酸ナトリウムと塩化アンモニウムをアンモニア雰囲気中で反応させる方法、三塩化ホウ素とアンモニアを高温で反応させる方法等を例示する事ができるが、上記以外の製造方法でもなんら問題ない。上記製造方法の中では、高純度の窒化ホウ素を得る事ができることから、三塩化ホウ素とアンモニアを高温で反応させる方法を用いることが好ましい。
p型拡散層形成組成物中の窒化ホウ素粒子の含有比率は、塗布性、ホウ素の拡散性等を考慮して決定される。一般には、p型拡散層形成組成物中における窒化ホウ素粒子の含有比率は、5質量%以上80質量%以下であることが好ましく、10質量%以上60質量%以下であることがより好ましく、15質量%以上40質量%以下であることがさらに好ましい。
5質量%以上であると、十分なホウ素拡散能力が得られ、形成されるp型拡散層の低抵抗化が容易になる傾向にある。80質量%以下であるとp型拡散層形成組成物を均一に塗布することが容易になる傾向にある。
(B)分散媒
本発明のp型拡散層形成組成物は、分散媒を含むことを特徴とする。分散媒を含んで構成されていることで、より生産性よく所望の形状に均一性の高いp型拡散層を形成することができる。
分散媒とは、組成物中において前記窒化ホウ素粒子を分散させる媒体である。具体的に分散媒は、少なくとも溶剤や水等の液状媒体を含み、必要に応じて有機バインダを含んで構成される。
溶剤としては、粉砕処理の項で説明した溶剤と同様のものを例示することができる。
これらの溶剤の中でもp型拡散層形成組成物とした場合、基板への塗布性の観点から、α−テルピネオール、ジエチレングリコールモノ−n−ブチルエーテル、酢酸ジエチレングリコールモノ−n−ブチルエーテルが好ましく、α−テルピネオール、ジエチレングリコールモノ−n−ブチルエーテルが好ましい溶剤として挙げられる。
p型拡散層形成組成物における溶剤の含有率は特に制限されず、組成物としての所望の粘度を鑑みて適宜調整することができる。例えば、p型拡散層形成組成物中に、10質量%〜95質量%とすることができ、50質量%〜90質量%であることが好ましい。
前記p型拡散層形成組成物は、有機バインダの少なくとも1種を含むことが好ましい。有機バインダは例えば、窒化ホウ素粒子を結着させるために用いられる。
有機バインダとしては例えば、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド類、ポリビニルアミド類、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンオキサイド類、ポリスルホン酸、アクリルアミドアルキルスルホン酸、セルロースエーテル類、セルロース誘導体、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、エチルセルロース、ゼラチン、澱粉及び澱粉誘導体、アルギン酸ナトリウム類、キサンタン、グア及びグア誘導体、スクレログルカン及びスクレログルカン誘導体、トラガカント及びトラガカント誘導体、デキストリン誘導体及びデキストリン誘導体、並びに、(メタ)アクリル酸樹脂、(メタ)アクリル酸エステル樹脂(例えば、アルキル(メタ)アクリレート樹脂、ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート樹脂等)、ブタジエン樹脂、スチレン樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂及びこれらの共重合体などを挙げることができ、これらから適宜選択しうる。これらは1種類を単独で又は2種類以上を組み合わせて使用される。
これらの中でも、エチルセルロース、ポリビニルアセタール樹脂、(メタ)アクリル酸樹脂、ヒドロキシエチルセルロース、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル樹脂からなる群から選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましく、エチルセルロース、ポリビニルアセタール樹脂、(メタ)アクリル酸樹脂からなる群から選ばれる少なくとも1種を含むことがより好ましい。
有機バインダの分子量は特に制限されず、組成物としての所望の粘度を鑑みて適宜調整することができる。例えば、重量平均分子量を1万〜50万とすることができ、5万〜30万であることが好ましい。
p型拡散層形成組成物における有機バインダの含有量は特に制限されず、組成物としての所望の粘度を鑑みて適宜調整することができる。例えばp型拡散層形成組成物中に0.5質量%〜10質量%とすることができ、2質量%〜8質量%であることが好ましい。
p型拡散層形成組成物中の分散媒の構成及び含有比率は、塗布性、ホウ素濃度を考慮して決定される。
前記分散媒は、α−テルピネオール、ジエチレングリコールモノ−n−ブチルエーテル及び酢酸ジエチレングリコールモノ−n−ブチルエーテルから選ばれる溶剤をp型拡散層形成組成物中に10質量%〜95質量%含み、エチルセルロース、ポリビニルアルコールからなる群から選ばれる有機バインダをp型拡散層形成組成物中に0.5質量%〜10質量%含んで構成されることが好ましく、α−テルピネオール及びジエチレングリコールモノ−n−ブチルエーテルから選ばれる溶剤を10質量%〜95質量%含み、エチルセルロース、ポリビニルアルコールからなる群から選ばれる有機バインダをp型拡散層形成組成物中に0.5質量%〜10質量%含んで構成されることがより好ましい。
p型拡散層形成組成物の粘度は特に制限されず、シリコン基板への付与特性等に鑑みて適宜調整することができる。例えば、p型拡散層形成組成物中の粘度は25℃において10mPa・s〜10000Pa・sとすることができ、1Pa・s〜1000Pa・sであることが好ましい。
(C)その他の成分
前記p型拡散層形成組成物は、上記窒化ホウ素粒子及び分散媒に加えてその他の成分として、ケイ素含有物質、酸化促進剤、増粘剤、湿潤剤、各種添加剤を含んでもよい。その他の成分として具体的には、界面活性剤、無機粉末、有機ホウ素化合物、有機アルミニウム化合物、ケイ素原子を含む樹脂、チキソ剤などが挙げられる。
界面活性剤としては、ノニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤などが挙げられる。中でも、半導体デバイスへのアルカリ金属や重金属等の不純物の持ち込みが少ないことからノニオン系界面活性剤又はカチオン系界面活性剤が好ましい。更にはノニオン系界面活性剤としてシリコン系界面活性剤、フッ素系界面活性剤、炭化水素系界面活性剤が例示されるが、拡散等の熱処理時に速やかに焼成されることから、炭化水素系界面活性剤が好ましい。
前記炭化水素系界面活性剤としては、エチレンオキサイド−プロピレンオキサイドのブロック共重合体、アセチレングリコール化合物等が例示されるが、形成されるp型拡散層の抵抗値のバラツキをより低減することから、アセチレングリコール化合物がより好ましい。
無機粉末は、フィラーとして機能させることができる。具体的には酸化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素などを例示することができる。
有機ホウ素化合物としては、有機ホウ素ポリマーとしては、分子中に10個以上のホウ素原子を含むものであればよく、分子構造に特に制約はない。
前記p型拡散層形成組成物は、ホウ素化合物を還元する可能性のある添加剤を含んでもよい。例えば、ポリエチレングリコール及びポリプロピレングリコール等のポリアルキレングリコール及びその末端アルキル化物;グルコース、フルクトース、ガラクトース等の単糖類又はその誘導体;スクロース、マルトース等の二糖類又はその誘導体;並びに多糖類又はその誘導体等を挙げることができる。これらの添加剤の中でも、ポリアルキレングリコールが好ましく、ポリプロピレングリコールが更に好ましい。
ホウ素化合物を還元する添加剤を加えることで、ホウ素のシリコン基板への拡散が容易になる場合がある。
また前記p型拡散層形成組成物は、チキソ剤を含んでいてもよい。これにより容易にチキソ性を制御することができ、印刷に適切な粘度をもつスクリーン印刷用のペースト組成物を構成することができる。さらにまた、チキソ性が制御されていることより、印刷時におけるペーストの印刷パターンからの滲みやダレを抑制することができる。
チキソ剤としては、分散媒に溶解しない有機粒子を挙げることができる。有機粒子としては、特に限定されず、例えばポリエチレングリコール、末端を架橋したポリプロピレンジグリシジルエーテル等からなる有機粒子が挙げられ、中でもポリエチレングリコールからなる有機粒子が好ましく用いられる。
<p型拡散層及び太陽電池の製造方法>
次に、本発明のp型拡散層及び太陽電池素子の製造方法について説明する。以下ではp型シリコン基板を用いた方法について記載するが、n型シリコン基板を用いた方法についても同様に適用できる。
まず、p型シリコン基板にアルカリ溶液を付与してダメージ層を除去し、テクスチャー構造をエッチングにて得る。
詳細には、インゴットからスライスした際に発生するシリコン表面のダメージ層を20質量%苛性ソーダで除去する。次いで1質量%苛性ソーダと10質量%イソプロピルアルコールの混合液によりエッチングを行い、テクスチャー構造を形成する。太陽電池素子は、受光面(表面)側にテクスチャー構造が形成されることにより、光閉じ込め効果が促され、高効率化が図られる。
次に、オキシ塩化リン(POCl)、窒素、酸素の混合ガス雰囲気において800℃〜900℃で数十分の処理を行って一様にn型拡散層を形成する。このとき、オキシ塩化リン雰囲気を用いた方法では、リンの拡散は側面及び裏面にも及び、n型拡散層は表面のみならず、側面、裏面にも形成される。そのために、側面のn型拡散層を除去するために、サイドエッチング処理が施される。
そして、p型シリコン基板の裏面すなわち受光面ではない面のn型拡散層の上に、上記p型拡散層形成組成物を塗布する。本発明においては塗布方法には制限がない。例えば、印刷法、スピン法、刷毛塗り、スプレー法、ドクターブレード法、ロールコーター法、インクジェット法を挙げることができる。
前記p型拡散層形成組成物の塗布量としては特に制限はない。例えば、窒化ホウ素粒子量として0.01g/m〜100g/mとすることができ、0.05g/m〜10g/mであることが好ましく、0.1g/m〜10g/mであることが好ましい。塗布量が多くなるほど、シリコン基板へのホウ素の拡散が容易になる傾向にある。
なお、p型拡散層形成組成物の組成によっては、塗布後に、組成物中に含まれる溶剤を揮発させるための乾燥工程を設けることが好ましい場合がある。その場合には80℃〜300℃程度の温度で、例えばホットプレートを使用する場合は1分〜10分、乾燥機などを用いる場合は10分〜30分程度で乾燥させる。この乾燥条件は、p型拡散層形成組成物の溶剤組成に依存して適宜選択可能であり、本発明では特に上記条件に限定されない。
前記p型拡散層形成組成物を塗布したシリコン基板を、酸素を含む雰囲気下、又は酸素を含むガスを流しながら(例えば大気を流しながら)、例えば、200℃〜800℃で、好ましくは300℃〜800℃、より好ましくは400℃〜700℃、更に好ましくは400℃〜600℃で熱処理する。この熱処理により、大部分の分散媒を除去することができ、より良好な特性のp型拡散層を形成することができる。
熱処理時間は特に制限されず、p型拡散層形成組成物の構成等に応じて適宜選択できる。例えば1分〜30分とすることができる。
次いで前記p型拡散層形成組成物を塗布したシリコン基板を、例えば、600℃〜1250℃で、好ましくは800℃〜1050℃で熱拡散処理する。この熱拡散処理により、シリコン基板中へホウ素が拡散し、p型拡散層が形成される。熱拡散処理には公知の連続炉、バッチ炉等が適用できる。また熱拡散処理における熱拡散雰囲気は酸素の割合が5体積%未満であることが好ましい。
熱拡散処理温度が600℃以上であると、ホウ素の拡散が十分に行われ、十分なBSF効果が得られる。また1250℃以下であると、基板が劣化することを抑制できる。
熱拡散処理時間は特に制限されず、p型拡散層形成組成物の構成等に応じて適宜選択できる。例えば5分〜120分とすることができる。
尚、p型拡散層を形成する熱拡散処理は、短時間熱処理(RTP)技術を用いて実施することもできる。
熱処理後にp型拡散層の表面にガラス層等の熱処理物層が形成される場合、このガラス層等をエッチングにより除去する。エッチングとしては、ふっ酸等の酸に浸漬する方法、苛性ソーダ等のアルカリに浸漬する方法など公知の方法が適用できる。エッチングにより除去した後、過剰のホウ素化合物を除去するために、超音波洗浄などを行うことが好ましい。
また、従来の製造方法では、裏面にアルミペーストを印刷し、これを焼成してn型拡散層をp型拡散層にするのと同時に、オーミックコンタクトを得ている。しかしながら、アルミペーストから形成されるアルミ層の導電率が低く、シート抵抗を下げるために、通常裏面全面に形成したアルミ層は焼成後において10μm〜20μmほどの厚みを有していなければならない。さらに、シリコンとアルミでは熱膨張率が大きく異なることから、焼成および冷却の過程で、シリコン基板中に大きな内部応力を発生させ、反りの原因となる場合があった。
この内部応力は、シリコン結晶の結晶粒界に損傷を与え、電力損失が大きくなるという課題があった。また、反りは、モジュール工程における太陽電池素子の搬送や、タブ線と呼ばれる銅線との接続において、太陽電池素子を破損させ易くしていた。近年では、スライス加工技術の向上から、シリコン基板の厚みが薄型化されつつあり、更に太陽電池素子が割れ易い傾向にある。
しかし本発明の製造方法によれば、上記本発明のp型拡散層形成組成物によってn型拡散層をp型拡散層に変換した後、別途このp型拡散層の上に電極(裏面電極)を設ける。そのため裏面の電極に用いる材料はアルミニウムに限定されず、例えばAg(銀)やCu(銅)などを適用することができ、裏面の電極の厚さも従来のものよりも薄く形成することが可能となり、さらに全面に形成する必要もなくなる。そのため焼成および冷却の過程で発生するシリコン基板中の内部応力及び反りを低減できる。
上記形成したn型拡散層の上に反射防止膜を形成する。反射防止膜は公知の技術を適用して形成される。例えば、反射防止膜がシリコン窒化膜の場合には、SiHとNHの混合ガスを原料とするプラズマCVD法により形成する。このとき、水素が結晶中に拡散し、シリコン原子の結合に寄与しない軌道、即ちダングリングボンドと水素が結合し、欠陥を不活性化(水素パッシベーション)する。
より具体的には、上記混合ガス流量比NH/SiHが0.05〜1.0、反応室の圧力が13.3Pa(0.1Torr)〜266.6Pa(2Torr)、成膜時の温度が300℃〜550℃、プラズマの放電のための周波数が100kHz以上の条件下で形成される。
表面(受光面)の反射防止膜上に、表面電極用金属ペーストをスクリーン印刷法で印刷塗布乾燥させ、表面電極用金属ペースト層を形成する。表面電極用金属ペーストは、金属粒子とガラス粒子とを必須成分とし、必要に応じて有機バインダ、その他の添加剤などを含む。
次いで、上記裏面のp型拡散層上にも裏面電極用金属ペースト層を形成する。前述のように、本発明では裏面電極の材質や形成方法は特に限定されない。例えば、アルミニウム、銀、又は銅などの金属を含む裏面電極用ペーストを塗布し、乾燥させて、裏面電極用金属ペースト層を形成してもよい。このとき、裏面にも、モジュール工程における太陽電池素子間の接続のために、一部に銀電極形成用銀ペースト層を設けてもよい。
上記表面及び裏面の電極用金属ペースト層を焼成して、太陽電池素子を完成させる。600℃〜900℃の範囲で数秒〜数分間焼成すると、表面側では電極用金属ペーストに含まれるガラス粒子によって絶縁膜である反射防止膜が溶融し、更にシリコン表面も一部溶融して、ペースト中の金属粒子(例えば銀粒子)がシリコン基板と接触部を形成し凝固する。これにより、形成した表面電極とシリコン基板とが導通される。これはファイヤースルーと称されている。
表面電極の形状について説明する。表面電極は例えば、バスバー電極、及び該バスバー電極と交差しているフィンガー電極で構成される。
このような表面電極は、例えば、上述の電極用金属ペーストのスクリーン印刷、又は電極材料のメッキ、高真空中における電子ビーム加熱による電極材料の蒸着などの手段により形成することができる。バスバー電極とフィンガー電極とからなる表面電極は受光面側の電極として一般的に用いられていて周知であり、受光面側のバスバー電極及びフィンガー電極の公知の形成手段を適用することができる。
なお上述のp型拡散層及び太陽電池素子の製造方法では、p型シリコン基板にn型拡散層を形成するのに、オキシ塩化リン(POCl)、窒素および酸素の混合ガスを用いているが、n型拡散層形成組成物を用いてn型層を形成してもよい。n型拡散層形成組成物にはP(リン)やSb(アンチモン)などの第15族の元素がドナー元素として含有される。
n型拡散層の形成にn型拡散層形成組成物を用いる方法では、まず、p型シリコン基板の表面である受光面にn型拡散層形成組成物を塗布し、裏面に本発明のp型拡散層形成組成物を塗布し、600℃〜1200℃で熱処理する。この熱処理により、表面ではp型シリコン基板中へドナー元素が拡散してn型拡散層が形成され、裏面ではホウ素が拡散してp型拡散層が形成される。この工程以外は上記方法と同様の工程により、太陽電池素子が作製される。
また、上記では、表面にn型拡散層、裏面にp型拡散層を形成し、更にそれぞれの層の上に表面電極及び裏面電極を設けた太陽電池素子について説明したが、本発明のp型拡散層形成組成物を用いればバックコンタクト型の太陽電池素子を作製することも可能である。
バックコンタクト型の太陽電池素子は、電極を全て裏面に設けて受光面の面積を大きくするものである。つまりバックコンタクト型の太陽電池素子では、裏面にn型拡散部位及びp型拡散部位の両方を形成しpn接合構造とする必要がある。本発明のp型拡散層形成組成物は、特定の部位にp型拡散部位を形成することが可能であり、よってバックコンタクト型の太陽電池素子の製造に好適に適用することができる。
次に図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図1はp型拡散層を製造する工程図の一例を例示するものである。但し、この工程図は本発明の使用方法をなんら制限するものではない。
p型シリコン基板1の表面上に、p型拡散層形成組成物を塗布してp型拡散層形成組成物層を形成し、これを熱処理することでp型シリコン基板1の表面近傍にp型拡散層3を形成する。図1(a)に示すように、p型シリコン基板1の表面近傍にp型拡散層3が形成され、p型拡散層3の上にはp型拡散層形成組成物の熱処理物層2として、例えばガラス層が形成されている。
次いで、p型拡散層3の上に形成されたp型拡散層形成組成物の熱処理物層2をエッチング等により除去する。図1(b)に示すように、図1(a)におけるp型拡散層形成組成物の熱処理物層2がエッチング除去され、表面近傍にp型拡散層3が形成されたn型シリコン基板1が得られる。
型拡散層が形成されたp型シリコン基板1のp型拡散層3の上に、電極ペーストを塗布し、熱処理することで、図1(c)に示すように、p型拡散層3の上に電極4が形成される。
図2はn型拡散層とp型拡散層とを選択的に同時に形成する工程図を説明するものである。受光面の反対側にn型拡散層とp型拡散層とを選択的に形成することで、いわゆるバックコンタクト型の太陽電池素子を構成することができる。
p型シリコン体基板1の表面にp型拡散層形成組成物及びn型拡散層形成組成物を、それぞれ部分的に塗布し、これを熱処理することで、p型拡散層3及びn型拡散層6を、それぞれ特定の領域に形成することができる。ペーストの塗布はインクジェットやパターン印刷法を用いることができる。
これにより図2(a)に示すように、p型シリコン基板1のp型拡散層3の上にはp型拡散層形成組成物の熱処理物層2が形成され、n型拡散層6の上にはn型拡散層形成組成物の熱処理物層5が形成される。
次いで、p型拡散層3の上に形成されたp型拡散層形成組成物の熱処理物層2、及び、n型拡散層6の上に形成されたn型拡散層形成組成物の熱処理物層5をエッチング等により除去する。
これにより図2(b)に示すように、図2(a)におけるp型拡散層形成組成物の熱処理物層2及びn型拡散層形成組成物の熱処理物層5がエッチング除去され、表面近傍にp型拡散層3とn型拡散層6とが選択的に形成されたp型シリコン基板1が得られる。
次いでp型シリコン基板1の上に反射膜又は表面保護膜7を常法により形成する。このとき図2(c1)に示すように、p型拡散層3とn型拡散層6とが表面に露出するように部分的に反射膜又は表面保護膜7を形成してもよい。
また図2(c2)に示すように、p型シリコン基板1の全面に反射膜又は表面保護膜7を形成してもよい。
次いでp型拡散層3及びn型拡散層6の上に、電極ペーストを選択的に塗布し熱処理することで、図2(d)に示すようにp型拡散層3及びn型拡散層6の上に、電極4及び電極8をそれぞれ形成することができる。
尚、図2(c2)に示すようにp型シリコン基板1の全面に反射膜又は表面保護膜を形成した場合は、電極ペーストとしてファイヤースルー性を有するガラス粉末を含むものを用いることで、図2(d)に示すようにp型拡散層3及びn型拡散層6の上に、電極4及び電極8をそれぞれ形成することができる。
図2に示す製造工程を含む製造方法で製造される太陽電池素子では、受光面に電極が存在しないため、太陽光を有効に取り込むことができる。
上述した実施の形態では、p型シリコン基板を用いた場合について説明を行ったが、n型シリコン基板を用いても同様にして、太陽電池素子を製造することができる。
<太陽電池>
本発明の太陽電池は、前記太陽電池素子の少なくとも1つを含み、太陽電池素子の電極上にタブ線が配置されて構成される。太陽電池はさらに必要に応じて、タブ線を介して複数の太陽電池素子が連結され、さらに封止材で封止されて構成されていてもよい。
前記タブ線及び封止材としては特に制限されず、当業界で通常用いられているものから適宜選択することができる
なお、太陽電池素子は、pn接合が形成された半導体基板と、半導体基板上に配置された電極とを有するものを意味する。また太陽電池とは、太陽電池素子の電極上にタブ線が配置され、必要に応じて複数の太陽電池素子がタブ線を介して接続されて構成され、封止樹脂等で封止された状態のものを意味する。
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。尚、なお、特に記述が無い限り、薬品は全て試薬を使用した。また「%」は断りがない限り「質量%」を意味する。
<実施例1>
(p型拡散層形成組成物の調製)
エチルセルロース(有機バインダ、日進化成製エトセル)を6.0質量%含むテルピネオール(分散媒(B)、日本テルペン化学)溶液を調製した。この溶液8gと、六方晶の窒化ホウ素粒子(和光純薬工業製、試薬特級、体積平均二次粒子径:11.7μm、平均一次粒子径:11μm)2gを乳鉢で混合して、p型拡散層形成組成物(以下、単に「ペースト」ともいう)を調製した。
窒化ホウ素粒子の体積平均粒子径はレーザー回折式粒度分布測定装置により測定した。
またペーストの粘度を東京計器製E型粘度計により測定した。25℃、0.5rpmにおける粘度が61Pa・s、5rpmにおける粘度が37Pa・sであった。
窒化ホウ素の粉末X線回折スペクトルをX線回折計(リガク製LAD−2X)を用いて測定した。X線源はCu−Kα、出力は40kV、20mA、入射スリット:1°、散乱スリット:1°、受光スリット:0.3mm、走査速度は2°min−1で測定した。その結果、六方晶の窒化ホウ素に帰属される回折パターンが観察された。
(熱拡散及びエッチング工程)
スライスしたn型シリコン基板(以下、「n型スライスシリコン基板」ともいう)表面上に、得られたペーストをスクリーン印刷によって塗布し、150℃のホットプレート上で5分間乾燥させて、膜厚が18μmのp型拡散層形成組成物層を形成した。
続いて、空気を5L/min.で流した600℃の環状炉で1分間、熱処理をした。次いで窒素ガスを5L/min.で流した950℃のトンネル炉で20分間、熱拡散処理を行った。冷却後、n型シリコン基板を流水水洗し、n型シリコン基板表面上に形成されたガラス層を除去するため、基板を、2.5質量%HF水溶液に5分間浸漬し、次いで流水洗浄、超音波洗浄、乾燥を行って、p型拡散層が形成されたn型シリコン基板を得た。
得られたp型拡散層が形成されたn型シリコン基板には反りが発生していなかった。
また、n型シリコン基板表面を光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡で観察したところ、窒化ホウ素粒子を含むペーストを塗布した部分と、塗布していない部分とでは、特に違いは観察されず、異物も観察されなかった。
[評価]
(シート抵抗の測定)
p型拡散層が形成されたn型スライスシリコン基板の表面のシート抵抗を、三菱化学(株)製Loresta−EP MCP−T360型低抵抗率計を用いて四探針法により測定した。
p型拡散層形成組成物を塗布した部分は120Ω/□であり、B(ほう素)が拡散しp型拡散層が形成されていた。結果を表1に示す。尚、非塗布部のシート抵抗は950Ω/□であった。
(基板のXRDパターンの測定)
p型拡散層が形成されたn型スライスシリコン基板のXRDパターンを測定したところ、シリコン基板由来以外のピークは観察されなかった。
(窒化ホウ素粒子の酸素含有率の測定)
ペーストの調製に用いた窒化ホウ素粒子の酸素含有率を以下のようにして測定した。
窒化ホウ素粒子の酸素含有率は、酸素・窒素分析装置(TC436:LECO社製)を用いて測定した。インパルス炉を5400Wに設定することで炉内の温度を1600℃とした。窒化ホウ素粉末0.1g〜0.2gを不活性ガス(ヘリウム)気流中で加熱し、酸素を赤外検出器にて測定した。得られたスペクトルを酸素含有率が分かっている基準物質(酸化イットリウム)と比較することで酸素含有率を算出した。結果を表1に示す。
<実施例2>
湿式粉砕装置としてビーズミル(アイメックス製NVM−2)を用いた。直径0.5mmのイットリア安定化ジルコニアビーズを用い、水媒体中にて窒化ホウ素(電気化学工業製、デンカボロンナイトライド[GP])を30分間、湿式粉砕処理した。得られた水分散スラリーを140℃にて蒸発乾固して、窒化ホウ素粒子を得た。
得られた窒化ホウ素粒子について、実施例1と同様にしてX線回折スペクトル及び酸素含有率を測定した。得られた窒化ホウ素粒子のX線回折スペクトルから、六方晶の窒化ホウ素に帰属される回折パターンが観察された。
また酸素含有率は1.22質量%であった。
得られた窒化ホウ素粒子を用いた以外は実施例1と同様にして、p型拡散層形成組成物を調製した。得られたp型拡散層形成組成物について、実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
得られたp型拡散層が形成されたn型シリコン基板には反りが発生していなかった。また、n型シリコン基板表面を光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡で観察したところ、窒化ホウ素を含むペーストを塗布した部分と塗布していない部分とでは、違いは観察されなかった。
<実施例3>
実施例2において、ビーズミルでの粉砕時間を30分間から60分間に変更した以外は、実施例2と同様にして、窒化ホウ素粒子を得て、p型拡散層形成組成物を調製した。
得られたp型拡散層形成組成物について、実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
得られた窒化ホウ素粒子のX線回折スペクトルから、六方晶の窒化ホウ素に帰属される回折パターンが観察された。また酸素含有率は1.28質量%であった。
得られたp型拡散層が形成されたn型シリコン基板には反りが発生していなかった。また、n型シリコン基板表面を光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡で観察したところ、窒化ホウ素を含むペーストを塗布した部分と塗布していない部分とでは、違いは観察されなかった。
<実施例4>
実施例2において、ビーズミルでの粉砕時間を30分間から90分間に変更した以外は、実施例2と同様にして、窒化ホウ素粒子を得て、p型拡散層形成組成物を調製した。
得られたp型拡散層形成組成物について、実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
得られた窒化ホウ素粒子のX線回折スペクトルから、六方晶の窒化ホウ素に帰属される回折パターンが観察された。また酸素含有率は1.81質量%であった。
得られたp型拡散層が形成されたn型シリコン基板には反りが発生していなかった。また、n型シリコン基板表面を光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡で観察したところ、窒化ホウ素を含むペーストを塗布した部分と塗布していない部分とでは、違いは観察されなかった。
<実施例5>
実施例2において、ビーズミルでの粉砕時間を30分間から120分間に変更した以外は、実施例2と同様にして、窒化ホウ素粒子を得て、p型拡散層形成組成物を調製した。
得られたp型拡散層形成組成物について、実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
得られた窒化ホウ素粒子のX線回折スペクトルから、六方晶の窒化ホウ素に帰属される回折パターンが観察された。また酸素含有率は1.78質量%であった。
得られたp型拡散層が形成されたn型シリコン基板には反りが発生していなかった。また、n型シリコン基板表面を光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡で観察したところ、窒化ホウ素を含むペーストを塗布した部分と塗布していない部分とでは、違いは観察されなかった。
<実施例6>
窒化ホウ素(電気化学工業製、デンカボロンナイトライド[GP])を空気雰囲気中にて、950℃、10分間焼成して、窒化ホウ素粒子を調製した。
得られた窒化ホウ素粒子のX線回折スペクトルから、六方晶の窒化ホウ素に帰属される回折パターンが観察された。また酸素含有率は2.06質量%であった。
得られた窒化ホウ素粒子を用いた以外は実施例1と同様にして、p型拡散層形成組成物を調製した。得られたp型拡散層形成組成物について、実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
得られたp型拡散層が形成されたn型シリコン基板には反りが発生していなかった。また、n型シリコン基板表面を光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡で観察したところ、窒化ホウ素を含むペーストを塗布した部分と塗布していない部分とでは、違いは観察されなかった。
<実施例7>
窒化ホウ素(電気化学工業製、デンカボロンナイトライド[GP])を空気雰囲気中にて、950℃、60分間焼成して、窒化ホウ素粒子を調製した。
得られた窒化ホウ素粒子のX線回折スペクトルから、六方晶の窒化ホウ素に帰属される回折パターンが観察された。また酸素含有率は3.45質量%であった。
得られた窒化ホウ素粒子を用いた以外は実施例1と同様にして、p型拡散層形成組成物を調製した。得られたp型拡散層形成組成物について、実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
得られたp型拡散層が形成されたn型シリコン基板には反りが発生していなかった。また、n型シリコン基板表面を光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡で観察したところ、窒化ホウ素を含むペーストを塗布した部分と塗布していない部分とでは、違いは観察されなかった。
<実施例8>
窒化ホウ素(電気化学工業製、デンカボロンナイトライド[GP])を空気雰囲気中にて、1000℃、30分間焼成して、窒化ホウ素粒子を調製した。
得られた窒化ホウ素粒子のX線回折スペクトルから、六方晶の窒化ホウ素に帰属される回折パターンが観察された。また酸素含有率は4.28質量%であった。
得られた窒化ホウ素粒子を用いた以外は実施例1と同様にして、p型拡散層形成組成物を調製した。得られたp型拡散層形成組成物について、実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
得られたp型拡散層が形成されたn型シリコン基板には反りが発生していなかった。また、n型シリコン基板表面を光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡で観察したところ、窒化ホウ素を含むペーストを塗布した部分と塗布していない部分とでは、違いは観察されなかった。
<実施例9>
フリッチュ製遊星型ボールミルを用い、直径1mm及び3mmのイットリア安定化ジルコニアビーズを各30g用いて、45ccのジルコニア容器に窒化ホウ素を1g、及び超純水4gを入れ、600rpmにて30分間粉砕した。得られた窒化ホウ素粉砕物の体積平均二次粒子径は6.3μm、平均一次粒子径は2μmであった。また酸素含有率は1.60質量%であった。
この窒化ホウ素粉砕物を用いた以外は同様にしてp型拡散層形成組成物を調製し、これを用いて上記と同様にしてp型拡散層が形成されたn型シリコン基板を得た。
得られたペーストの粘度は、25℃、0.5rpmにおける粘度が78Pa・s、5rpmにおける粘度が48Pa・sであった。
またp型拡散層形成組成物を塗布した部分のシート抵抗は45Ω/□であり、B(ほう素)が拡散しp型拡散層が形成されていた。非塗布部のシート抵抗は610Ω/□であった。p型拡散層を形成したシリコン基板のXRDパターンを測定したところ、シリコン基板由来以外のピークは観察されなかった。
さらに得られたp型拡散層が形成されたn型シリコン基板には反りが発生していなかった。
<実施例10>
フリッチュ製遊星型ボールミルを用い、直径1mm及び3mmのイットリア安定化ジルコニアビーズを各30g用いて、45ccのジルコニア容器に窒化ホウ素を4g、及び超純水16gを入れ、600rpmにて30分間粉砕処理した。得られた窒化ホウ素粉砕物の体積平均二次粒子径は9.4μm、平均一次粒子径は4μmであった。また酸素含有率は1.30質量%であった。
この窒化ホウ素粉砕物を用いた以外は同様にしてp型拡散層形成組成物を調製し、これを用いて上記と同様にしてp型拡散層が形成されたn型シリコン基板を得た。
得られたペーストの粘度は、25℃、0.5rpmにおける粘度が73Pa・s、5rpmにおける粘度が41Pa・sであった。
p型拡散層形成組成物を塗布した部分のシート抵抗は65Ω/□であり、B(ほう素)が拡散しp型拡散層が形成されていた。非塗布部のシート抵抗は670Ω/□であった。p型拡散層を形成したシリコン基板のXRDパターンを測定したところ、シリコン基板由来以外のピークは観察されなかった。
さらに得られたp型拡散層が形成されたn型シリコン基板には反りが発生していなかった。
<比較例1>
窒化ホウ素(電気化学工業製、デンカボロンナイトライド[GP])を空気雰囲気中にて、1200℃、60分間焼成して、試料を調製した。
得られた試料のX線回折スペクトルから、六方晶の窒化ホウ素に帰属される回折パターンが観察された。また酸素含有率は20.2質量%であった。
得られた窒化ホウ素粒子を用いた以外は実施例1と同様にして、p型拡散層形成組成物を調製した。得られたp型拡散層形成組成物について、実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
得られたp型拡散層が形成されたn型シリコン基板には反りが発生していなかった。しかしながら、n型シリコン基板表面を光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡で観察したところ、酸化ホウ素を含むp型拡散層形成組成物を塗布した部分はフッ酸によるエッチング、水洗後においても黒色の析出物が残存していた。
またシート抵抗は1000Ω/□以上であった。

以上より、酸素含有率を所定の範囲とした窒化ホウ素粒子を含むp型拡散層形成組成物を用いることで、シート抵抗の低いp型拡散層を形成することができた。またシリコン基板とホウ素化合物の反応を抑制でき、さらにシリコン基板における反りの発生を抑制できる。
1 p型シリコン基板
2、5 熱処理物層
3 p型拡散層
4、8 電極
6 n型拡散層
7 反射膜又は表面保護膜

Claims (12)

  1. 窒化ホウ素及び窒化ホウ素に由来する酸化物を含み、酸素含有率が15質量%以下である窒化ホウ素粒子と、
    分散媒と、
    を含有するp型拡散層形成組成物。
  2. 前記窒化ホウ素粒子の酸素含有率が0.3質量%以上5.0質量%以下である請求項1に記載p型拡散層形成組成物。
  3. 前記窒化ホウ素粒子の酸素含有率が1.2質量%以上2.0質量%以下である請求項1又は請求項2に記載のp型拡散層形成組成物。
  4. 前記窒化ホウ素粒子は、機械的表面改質処理物及び熱処理物の少なくとも一方である請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のp型拡散層形成組成物。
  5. 前記窒化ホウ素粒子は、機械的表面改質処理物である請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のp型拡散層形成組成物。
  6. 前記機械的表面改質処理物は、湿式粉砕処理物である請求項5に記載のp型拡散層形成用組成物。
  7. 前記湿式粉砕処理物は、ビーズミル又はボールミルを用いて得られる請求項6に記載のp型拡散層形成組成物。
  8. 前記湿式粉砕処理物は、水を含む分散媒中で湿式粉砕処理してなる請求項6又は請求項7に記載のp型拡散層形成組成物。
  9. 前記熱処理物は、酸素を含む雰囲気中、900℃以上で熱処理してなる請求項4に記載のp型拡散層形成組成物。
  10. シリコン基板上に、請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載のp型拡散層形成組成物を付与する工程と、熱拡散処理を施す工程とを有するp型拡散層の製造方法。
  11. シリコン基板上に、請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載のp型拡散層形成組成物を付与する工程と、熱拡散処理を施して、p型拡散層を形成する工程と、形成されたp型拡散層上に電極を形成する工程とを有する太陽電池素子の製造方法。
  12. 請求項11に記載の製造方法により得た太陽電池素子と、前記太陽電池素子の電極上に配置されたタブ線とを有する太陽電池。
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