JP2012253253A

JP2012253253A - 太陽電池の製造方法

Info

Publication number: JP2012253253A
Application number: JP2011125890A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Hironiwa; 大輔廣庭
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2011-06-06
Filing date: 2011-06-06
Publication date: 2012-12-20

Abstract

【課題】反射防止膜にドーパントを含む太陽電池において、反射防止膜上からレーザ照射を行っても、ＰＮ分離を行うことが可能な太陽電池の製造方法を提供する。
【解決手段】第１導電型のシリコン基板の受光面に、第２導電型のドーパント及びチタン系化合物を少なくとも含む溶液を塗布し熱処理することにより、第２導電型半導体層及び前記ドーパントを含む反射防止膜を形成する工程と、シリコン基板の受光面と反対の面に、第１導電型のドーパントを少なくとも含むペーストを塗布し熱処理することにより、第１導電型半導体層を形成する工程と、反射防止膜上から第２導電型半導体層に複数回レーザを照射することによって、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層とを電気的に分離するための溝を形成する工程とを備えた太陽電池の製造方法である。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池の製造方法、特に、太陽電池の入射光側の面である受光面の電極と、受光面の反対側の面である裏面の電極とを、電気的に絶縁するための製造方法に関する。

太陽光エネルギを直接電気エネルギに変換する太陽電池は、近年、特に地球環境問題の観点から、次世代のエネルギ源としての期待が急速に高まっている。太陽電池としては、化合物半導体または有機材料を用いたものなど様々な種類があるが、現在、主流となっているのは、シリコン結晶を用いたものである。

図５は、特許文献１に開示されている半導体基板であるシリコン基板を用いた太陽電池の断面図を表す模式図である。図５（ａ）は、太陽電池１１１の入射光側の面である受光面の反対の面である裏面に溝１０８を形成したものであり、図５（ｂ）は、太陽電池１１２の受光面に溝１０８を形成したものである。また、１０１はシリコンウエハ、１０２はＮ^＋層、１０３は反射防止膜、１０４はＡｌ電極、１０５はＡｇ電極、１０６はＡｇ電極、１０７はＰ^＋層である。Ｐ^＋層１０７により、ＢＳＦ（ＢａｃｋＳｕｒｆａｃｅＦｉｅｌｄ）構造を形成する。

図５に示す太陽電池では、シリコンウエハ１０１の側面にＮ^＋層１０２が形成されているので、太陽電池の受光面のｎ型電極形成領域と太陽電池の裏面のｐ型電極形成領域とを電気的に絶縁するため、図５（ａ）では、太陽電池の裏面に、図５（ｂ）では、太陽電池の受光面に溝１０８を設けている。（この電気的な絶縁を、以下「ＰＮ分離」という。）溝１０８形成は、レーザ照射により行われている。ＰＮ分離がなされていない状態では、太陽電池の逆耐圧特性がよくない。ＰＮ分離により、太陽電池の漏れ電流を低減することができ、さらに、曲線因子の向上、低照度特性の向上、逆バイアス印加時の発熱部発生を抑制することが可能である。

図６は、特許文献１に開示されている図５（ａ）の太陽電池１１１の製造方法である。

まず、図６（ａ）に示すように、ｐ型の結晶シリコンインゴットを所定の厚さにスライシングしてシリコンウエハ１０１を形成する。次に、図６（ｂ）に示すように、シリコンウエハ１０１のダメージ層をエッチングにより除去し、そして、反射率低減のためのテクスチャエッチングを行う。さらに、オキシ塩化リンを用いてリンを拡散しＮ^＋層１０２を形成する。その後、シリコンウエハ１０１の受光面のＮ^＋層１０２上に反射防止膜１０３を形成する。

次に、図６（ｃ）に示すように、シリコンウエハ１０１の裏面にＡｌペーストとＡｇペーストとを用いて、それぞれ所定のパターンにスクリーン印刷し乾燥させる。次に、図６（ｄ）に示すように、シリコンウエハ１０１の受光面にＡｇペーストを用いて、それぞれ所定のパターンにスクリーン印刷し乾燥させる。

次に、図６（ｅ）に示すように、シリコンウエハ１０１を焼成することにより、シリコンウエハ１０１の裏面では、Ａｌ電極１０４とＡｇ電極１０５とからなるｐ型電極が、シリコンウエハ１０１の受光面では、Ａｇ電極１０６からなるｎ型電極が形成される。

次に、図６（ｆ）に示すように、レーザを照射により、シリコンウエハ１０１の裏面に溝１０８を形成する。これにより、シリコンウエハ１０１の受光面のｎ型電極形成領域とシリコンウエハ１０１の裏面のｐ型電極形成領域とが電気的に絶縁され、ＰＮ分離が実現し、太陽電池１１１が作製される。

また、図５（ｂ）に示す太陽電池１１２の製造方法は、図６（ｅ）までは、太陽電池１０１の製造方法と同様であり、その後、レーザを照射により、シリコンウエハ１０１の受光面に溝１０８を形成する。

図７は、特許文献２に開示されている半導体基板であるシリコン基板を用いた太陽電池３２０の断面図を表す模式図である。ｐ型シリコン基板３０１の入射光側である受光面（以下「ｐ型シリコン基板の受光面」という。）に、ｎ^＋層３０３が形成され、ｎ^＋層３０３上には反射防止膜３０２が形成されている。また、ｐ型シリコン基板３０１の受光面の反対の面である裏面（以下「ｐ型シリコン基板の裏面」という。）に、ｐ^＋層３０８が形成されＢＳＦ構造を形成する。また、ｐ^＋層３０８上にはアルミ電極３０７が形成されている。３０４は薄いｎ^＋層、３０６は裏面銀電極、３０９は表面銀電極、３１０は半田、３１１はマスク材である。

太陽電池３２０は、ｎ型ドーパント及び反射防止膜となるチタン系化合物を少なくとも含む溶液を、ｐ型シリコン基板３０１に塗布して熱処理することで、ｎ^＋層３０３と反射防止膜３０２とを１工程で形成する。その際に、ｐ型シリコン基板３０１の側面に薄いｎ^＋層３０４が形成されてしまうので、薄いｎ^＋層３０４を通じて、表面銀電極３０９と接続しているｎ^＋層３０３と、アルミ電極３０７を介して裏面銀電極３０６と接続しているｐ^＋層３０８とは電気的に接続されていることになる。そこで、ＰＮ分離を行うため、マスク材形成工程を用いている。

太陽電池の受光面構造を形成するに際し、特許文献１では、Ｎ^＋層１０２を形成して、その後反射防止膜１０３を形成するため、２工程必要であるが、特許文献２では、ｎ^＋層３０３と反射防止膜３０２とを１工程で形成することが可能となるので、より効率的に太陽電池を形成することができる。

ＷＯ２００６／０８７７８６号公報（２００６年８月２４日公開）特開２０００−３３２２６７号公報（２０００年１１月３０日公開）

特許文献２に開示されている太陽電池の特性をより良くするには、マスク材３１１の幅を狭くしてｐ^＋層３０８の領域を広げることが考えられる。そこで、ｐ^＋層３０８の領域を広げるため、マスク材３１１形成を行わず、レーザ照射によるＰＮ分離が考えられる。

しかしながら、特許文献２に示されている方法で太陽電池の受光面構造を形成した場合、ｐ型シリコン基板の裏面及び側面にｎ^＋層が形成されると共に反射防止膜も形成されてしまう。この反射防止膜には、ｎ^＋層を形成するためのドーパントが含まれているので、ｐ型シリコン基板の受光面、または裏面の反射防止膜上からレーザ照射によりＰＮ分離を行うと、溝が形成されるとともに、反射防止膜に含まれる上記ドーパントによって新たなｎ型半導体層がｐ型シリコン基板に形成されてしまい、ＰＮ分離の妨げになった。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、反射防止膜にドーパントを含む太陽電池において、反射防止膜上からレーザ照射を行っても、ＰＮ分離を行うことが可能な太陽電池の製造方法を提供することにある。

本発明の太陽電池の製造方法は、第１導電型のシリコン基板の受光面に、第２導電型のドーパント及びチタン系化合物を少なくとも含む溶液を塗布し熱処理することにより、第２導電型半導体層及びドーパントを含む反射防止膜を形成する第１工程と、シリコン基板の受光面と反対の面に、第１導電型のドーパントを少なくとも含むペーストを塗布し熱処理することにより、第１導電型半導体層を形成する第２工程と、反射防止膜上から第２導電型半導体層に複数回レーザを照射することによって、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層とを電気的に分離するための溝を形成する第３工程とを備える。

ここで、本発明の太陽電池の製造方法は、溝は、シリコン基板の外周縁に形成されてもよい。

また、本発明の太陽電池の製造方法は、第２導電型のドーパントは、リンであってもよい。

また、本発明の太陽電池の製造方法は、第３工程において、シリコン基板の裏面側からレーザ照射を行ってもよい。

また、本発明の太陽電池の製造方法は、レーザは、パルスレーザであってもよい。

本発明によれば、反射防止膜にドーパントを含む太陽電池において、反射防止膜上からレーザを複数回照射することで、ＰＮ分離するための溝を形成することができるため、多くの工程を必要としないので、効率的に製造することが可能な太陽電池の製造方法を提供することができる。

本発明の太陽電池の一例の模式的な断面構成図である。本発明の太陽電池の製造方法の一例を示す模式的な図である。本発明の太陽電池の製造方法のＰＮ分離のための溝形成を示す模式的な図である。本発明の太陽電池の製造方法の他の一例を示す模式的な図である。従来技術の太陽電池の一例の模式的な断面構成図である。従来技術の太陽電池の製造方法の一例を示す模式的な図である。従来技術の太陽電池の他の一例の模式的な断面構成図である。

図１は、本発明の太陽電池の一例の断面図を表す模式図である。図１（ａ）に示す太陽電池２１は、第１導電型のｐ型シリコン基板１の受光面にＰＮ分離のための溝８を形成したものであり、図１（ｂ）に示す太陽電池２２は、ｐ型シリコン基板１の裏面にＰＮ分離のための溝８を形成したものである。２は第２導電型のｎ型半導体層、３は反射防止膜、４は受光面電極、５はアルミニウム電極、６は裏面電極、７は第１導電型のｐ型半導体層であるＢＳＦ層であり、第１導電型のｐ型半導体層である。

図２は、図１（ａ）に示す本発明の太陽電池２１の製造方法の一例である。

まず、図２（ａ）に示すように、テクスチャエッチング処理により凹凸構造を形成したｐ型シリコン基板１の受光面に、ドーパントであるリンを含む五酸化リンとチタン系化合物とアルコールの混合液を少なくとも含むＰＴＧ（ＰｈｏｓｐｈｏｒｉｃＴｉｔａｎａｔｅＧｌａｓｓ）液９をスピンコータで塗布する。その後、塗布したＰＴＧ液９の乾燥を行う。この際、ＰＴＧ液の塗布の状態によっては、ＰＴＧ液がｐ型シリコン基板１の裏面に回りこんでしまうことがある。なお、図２では、受光面側の凹凸構造を省略している。

次に、図２（ｂ）に示すように、ｐ型シリコン基板１を８００℃以上で熱処理し、リンを拡散したｎ型半導体層２及びリンを含むチタン酸化物膜である反射防止膜３を形成する。上記に示したｐ型シリコン基板１の裏面に回りこんだＰＴＧ液は、ｐ型シリコン基板１の裏面にｎ型半導体層を形成することになる。また、熱処理中に、ｐ型シリコン基板１に塗布されたＰＴＧ液よりアウトディフュージョンされたリンによって、ｐ型シリコン基板１の裏面には、リン濃度の薄いｎ型半導体層１５が形成されてしまう。

次に、図２（ｃ）に示すように、ｐ型シリコン基板１の裏面に、アルミニウムペーストと銀ペーストを塗布し、乾燥する。また、ｐ型シリコン基板１の受光面の反射防止膜３上に銀ペーストを塗布し、乾燥する。その後、ｐ型シリコン基板１を５００℃以上で焼成して、ｐ型シリコン基板１の受光面には、ｎ型半導体領域２上に受光面電極４を形成する。焼成の際に、銀ペーストはファイヤースルーにより反射防止膜３を貫通して受光面電極４を形成し、ｎ型半導体層２と接続する。また、ｐ型シリコン基板１の裏面には、アルミニウム電極５、裏面電極６、ＢＳＦ層７をそれぞれ形成する。ここで、アルミニウムペーストを塗布し乾燥した領域では、ｎ型半導体層１５のｎ型ドーパントであるリンよりも高い濃度の、ｐ型ドーパントであるアルミニウムが、焼成により拡散するので、ＢＳＦ層７を形成することができる。

次に、図２（ｄ）に示すように、反射防止膜３上からレーザ照射することにより、受光面電極４と接続しているｎ型半導体層２と、アルミニウム電極５を介して裏面電極６と接続しているＢＳＦ層７とをＰＮ分離するための溝８をｐ型シリコン基板１の受光面側に形成する。この際、レーザはパルスレーザを用いた。パルスレーザは、ＣＷ（ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅ）レーザより制御しやすく、出力密度の高いレーザ光を得ることができる。溝８は、ｎ型半導体層２に形成し、ｐ型シリコン基板１の受光面の外周縁に形成した。しかし、１回のレーザ照射ではＰＮ分離することができなかった。

図３は、ＰＮ分離のための溝を形成する箇所を拡大した模式図である。図３（ａ）は、１回目のレーザ照射後の模式図であり、図３（ｂ）は、２回目のレーザ照射後の模式図である。図３（ａ）に示すように、１回目のレーザ照射で、照射箇所のｎ型半導体層２と反射防止膜３の多くは、昇華し取り除かれ溝１１を形成するが、反射防止膜３に含まれているリンの一部が熱拡散してしまい、新たにｎ型半導体層１２を形成することになる。そして、図３（ｂ）に示すように、ｎ型半導体層１２を取り除くための２回目のレーザ照射を行う。ｎ型半導体層１２の多くは、昇華し取り除かれ溝８を形成するが、ｎ型半導体層１２に含まれているリンの一部が熱拡散してしまい、新たにｎ型半導体層を形成することになる。しかしながら、この新たなｎ型半導体層（図示せず）のリン濃度は、ｎ型半導体層１２のリン濃度よりも低く、太陽電池の光電変換特性に影響を与えないことを確認した。よって、２回のレーザ照射で、太陽電池の光電変換特性に影響を与えないＰＮ分離するための溝を形成することができた。上記のレーザ照射条件は１回目、２回目とも同じ条件である。

なお、レーザ照射の出力が高すぎると、レーザで形成された溝付近のシリコンが溶け、ｎ型ドーパントであるリンが混ざり固化してしまい、ＰＮ分離を行うことができない。また、レーザ照射の出力が低すぎると、溝は形成されるが、電気的な分離ができない。なお、分離するための溝を形成することができれば、必ずしも、１回目と２回目のレーザ照射条件は同じでなくてもよい。

このようにして、同じ箇所にＰＮ分離を行うようなレーザ照射を２回行うことによって、ＰＮ分離のための溝形成を行い太陽電池２１を作製した。

なお、図１（ｂ）に示す太陽電池２２の場合の作製方法は、レーザ照射による溝８形成をｐ型シリコン基板１の裏面側に行う以外は、太陽電池２１の作製方法と同様である。この際の溝８形成は、ｎ型半導体層２に形成し、ｐ型シリコン基板１の裏面の外周縁に対して行った。

図４は、図１に示す本発明の太陽電池の製造方法の他の一例である。

図４の製造方法は、リンを拡散したｎ型半導体層２及びリンを含むチタン酸化物膜である反射防止膜３を形成した後、電極を形成する前に反射防止膜３上からレーザ照射することによりＰＮ分離のための溝８を形成する以外は、図２の製造方法と同様である。

図４（ａ）、図４（ｂ）は、図２（ａ）、図２（ｂ）と同様であるので、図４（ｃ）より説明する。図４（ｃ）に示すように、反射防止膜３上からレーザ照射することにより、受光面電極４と接続するｐ型シリコン基板１の受光面に形成したｎ型半導体層２と、ＢＳＦ層７と接続するｐ型シリコン基板１に形成されたｎ型半導体層２とをＰＮ分離するための溝８をｐ型シリコン基板１の受光面側に形成する。この際、実施例１と同様にレーザはパルスレーザを用いた。溝８は、ｎ型半導体層２に形成し、ｐ型シリコン基板１の受光面の外周縁に形成した。また、１回のレーザ照射ではＰＮ分離することができなかったので、同じ箇所にＰＮ分離を行うようなレーザ照射を２回行うことによって、ＰＮ分離のための溝形成を行い太陽電池２１を作製した。ここで、レーザ照射条件は１回目、２回目とも同じ条件である。なお、上記に示したように、必ずしも、１回目と２回目のレーザ照射条件は同じでなくてもよい。

次に、図４（ｄ）に示すように、ｐ型シリコン基板１の裏面に、アルミニウムペーストと銀ペーストを塗布し、乾燥する。また、反射防止膜３上に銀ペーストを塗布し、乾燥する。その後、ｐ型シリコン基板１を５００℃以上で焼成して、ｐ型シリコン基板１の受光面には、ｎ型半導体領域２上に受光面電極４を形成する。焼成の際に、銀ペーストはファイヤースルーにより反射防止膜３を貫通して受光面電極４を形成し、ｎ型半導体層２と接続する。また、ｐ型シリコン基板１の裏面には、アルミニウム電極５、裏面電極６、ＢＳＦ層７をそれぞれ形成する。ここで、アルミニウムペーストを塗布し乾燥した領域では、ｎ型半導体層１５のｎ型ドーパントであるリンよりも高い濃度の、ｐ型ドーパントであるアルミニウムが、焼成により拡散するので、ＢＳＦ層７を形成することができる。

また、この製造方法での図１（ｂ）に示す太陽電池２２の作製方法は、レーザ照射によるＰＮ分離のための溝８形成をｐ型シリコン基板１の裏面側に行う以外、図４の作製方法と同様である。この際の溝８形成は、ｎ型半導体層２に形成し、ｐ型シリコン基板１の裏面の外周縁に対して行った。

よって、実施例１、２から、反射防止膜にｎ型半導体層を形成するドーパントを含む太陽電池において、反射防止膜上からレーザを２回照射することで、ＰＮ分離のための溝を形成することができるため、多くの工程を必要としない。また、２回のレーザ照射は、同じ設備を使用するので、別々の設備を必要としない。

次に、実施例１と比較例の太陽電池の光電変換効率を比較した。比較例１は、特許文献１に開示されている図７の製造方法で作製した太陽電池、そして、比較例２は、実施例１の製造方法において、レーザ照射を１回だけにして作製した太陽電池である。

実施例１、比較例２で用いた１回のレーザ照射条件を下記に示す。

・レーザ：ファイバレーザ：ネオジム（Ｎｄ）添加ファイバを増幅器として用い、光路を光ファイバで構成したレーザ
・レーザ出力：４０Ｗ以下
・パルス幅：１８０μｓ以下
表１に結果を示す。表１は、実施例１、比較例１、比較例２、それぞれ１０サンプルについて測定を行い、その平均値とし、比較例１を１．０００とした場合の値である。

表１の結果から、実施例１は、比較例１に対し１％光電変換効率が高くなることがわかる。また、比較例２は、比較例１に対し３％光電変換効率が低くなっているので、１回のレーザ照射では、ＰＮ分離のための溝が光電変換効率に影響を与えていることがわかる。したがって、ＰＮ分離のための溝を形成するために、多くの工程数を必要としないので、効率的に太陽電池を製造することができる。

今回、ｐ型シリコン基板について記載したが、ｎ型シリコン基板を用いることも可能である。その場合は、ｎ型シリコン基板の受光面にｐ型半導体層を形成し、反射防止膜はｐ型のドーパントが含まれた膜となる。

１ｐ型シリコン基板、２ｎ型半導体層、３反射防止膜、４受光面電極、５アルミニウム電極、６裏面電極、７ＢＳＦ層、８溝、９ＰＴＧ液、１１溝、１２ｎ型拡散層、１５ｎ型半導体層、２１太陽電池、２２太陽電池。

Claims

第１導電型のシリコン基板の受光面に、第２導電型のドーパント及びチタン系化合物を少なくとも含む溶液を塗布し熱処理することにより、第２導電型半導体層及び前記ドーパントを含む反射防止膜を形成する第１工程と、
前記シリコン基板の受光面と反対の面に、第１導電型のドーパントを少なくとも含むペーストを塗布し熱処理することにより、第１導電型半導体層を形成する第２工程と、
前記反射防止膜上から前記第２導電型半導体層に複数回レーザを照射することによって、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層とを電気的に分離するための溝を形成する第３工程とを備えた太陽電池の製造方法。
前記溝は、前記シリコン基板の外周縁に形成される請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
前記第２導電型のドーパントは、リンである請求項１または２に記載の太陽電池の製造方法。
前記第３工程において、
前記シリコン基板の裏面側から前記レーザ照射を行う請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
前記レーザは、パルスレーザである請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。