JP2013098462A - 太陽電池素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1導電型の半導体基板1の受光面の少なくとも一部に静電チャック部材13により静電気を発生させる工程と、その後、前記受光面をドーパントを含む気体中で気相熱拡散処理して第1導電型と反対の第2導電型拡散層を形成する工程と、前記拡散層と前記半導体基板の裏面とに、各導電性ペーストのスクリーン印刷とその後の焼成を行い、前記静電気を発生させた受光面の上の拡散層上に受光面電極を形成し、前記半導体基板の裏面にBSF層を介して裏面電極を形成する工程とを少なくとも含んでなる太陽電池素子の製造方法を提供する。
【選択図】図3
Description
しかし、このようなインクジェット方式によるドーパント塗布を用いた太陽電池素子の作製においては、ドーパントとしてリン酸などを用いる場合、腐食対策が必要であり、装置が複雑となる上、メンテナンスも煩雑となるといった問題がある。
本発明は、第1導電型の半導体基板の受光面の少なくとも一部に静電気を発生させる工程と、その後、前記受光面をドーパントを含む気体中で気相熱拡散処理して第1導電型と反対の第2導電型の拡散層を形成する工程と、前記拡散層と前記半導体基板の裏面とに、各導電性ペーストのスクリーン印刷とその後の焼成を行い、前記静電気を発生させた受光面の上の拡散層上に受光面電極を形成し、前記半導体基板の裏面にBSF層を介して裏面電極を形成する工程とを含んでなる太陽電池素子の製造方法を提供する。
図1は、本発明による太陽電池素子の一般的な構造を示す断面図である。図1は、第1導電型の半導体基板1、第2導電型の拡散領域2、反射防止膜兼パッシベーション膜3、BSF層4、受光面電極5、裏面電極6、第2導電型の高濃度拡散領域7を示す。
まず、第1導電型の半導体基板1を用意する。この半導体基板1は、単結晶または多結晶シリコンなどからなり、p型、n型いずれでもよいが、ボロンなどのp型の半導体不純物を含み、比抵抗は0.1〜4.0Ω・cmのp型シリコン基板が用いられることが多い。以下、第1導電型の半導体基板1としてp型シリコン基板を用いた太陽電池素子製造方法を例にとって説明する。大きさは100〜150mm角、厚みは0.05〜0.30mmの板状のものが好適に用いられる。そして、太陽電池素子の受光面となるp型シリコン基板の表面に、例えば、酸性溶液中に浸漬してスライスなどによる表面のダメージを除去してから、さらにアルカリ溶液で化学エッチングして洗浄、乾燥することで、テクスチャとよばれる凹凸構造を形成する。凹凸構造は、太陽電池素子受光面において光の多重反射を生じさせる。そのため、凹凸構造を形成することにより、実効的に反射率が低減し、変換効率が向上する。これら一つ一つの山のサイズは1〜20μmが好ましい。
図5に示す従来の結晶シリコン太陽電池素子では、表面準位が非常に高くなるため、受光面近傍でのキャリヤ再結合が促進され、短絡電流、開放電圧が制限され、変換効率が頭打ちとなってしまう。しかし、受光面の少なくとも一部に静電気を発生させることにより、静電気を発生された箇所に形成された拡散層の導電率は、静電気を発生させていない箇所に形成された拡散層の導電率より低くなり、フィンガー電極直下にドーパントを高濃度に含む高濃度拡散層を形成できるので、良好なオーミックコンタクトを形成しつつ受光面の他の部分の拡散層の表面濃度を下げることができ、受光面近傍でのキャリヤ再結合が抑制されるので、高い変換効率の太陽電池素子となる。
受光面の少なくとも一部に静電気を発生させるのだから、受光面の一部又は全部に静電気を発生させてよい。受光面の全面積の好ましくは1%以上、さらに好ましくは3%以上において静電気を発生させれば効果的である。
使用される静電チャックは、誘電層部の体積抵抗率が好ましくは1×1016Ω・cm以上であるクーロン力型でも、誘電層部の体積抵抗率が好ましくは1×109〜12Ω・cm程度であるジョンソン・ラベック力型のどちらでもよい。ここで使用される静電チャックの主な素材は、アルミナや窒化アルミなどが好適に用いられるが、これらに限定されるものではない。前述した半導体基板表面への静電気発生方法は代表的なものであり、これに限定されるものではない。
図2の上面には凹凸が形成されているが、この凸部が半導体基板の表面に近づけられる箇所である。静電チャック表面の凹凸は、ブラスト加工などを施すことにより形成することが出来る。凸部は必要に応じて角柱、三角柱、円柱などの形状を有していてもよく、円柱のばあいはその頂面が真円であっても、楕円であってもよい。凹(窪み)部は、凸(突)部と比較して突出していない部分の意味であり、凸部が静電気を所望の箇所に発生させる際に、静電気を発生したくない箇所に静電気を発生させないように、凸部と比較して突出していなければよい。所望の箇所に静電気を発生させ、それ以外の箇所に静電気を発生させない凹部と凸部の段差を突出の程度と考えることもできる。
図2では、高濃度拡散層をフィンガー電極直下の全面に形成できるように、凸部の頂面形状が長方形であるが、前述の通り高濃度拡散層はフィンガー電極下の一部に形成されていてもよいので、凸部はフィンガー電極と重なる一部のみに部分的に近づくように形成されていてもよい。図3の形状は代表的なものであり、使用可能な形状はこれに限定されるものでは無い。
静電チャックの凸部が近づけられた箇所では、半導体基板表面に静電気が発生する。図3にその様子を模式的に示す。上記のような構成の静電チャック装置において、半導体基板は、図示されるように、静電チャック部材の凸部の頂面に吸い付いたかのようにして、吸着用電極(図示せず)により静電気を介して吸着され、安定に保持し、固定される。この際、半導体基板に静電気が発生する。この半導体基板を熱拡散処理すると、静電引力により静電気発生箇所にドーパントが多く集まってきて濃く拡散されるようになり、結果として高濃度拡散層が選択的に形成される。そのため、静電チャックの凸部を近づけた箇所の拡散層の導電率は、静電チャックの凸部を近づけていない箇所の拡散層の導電率より低くなる。これにより、フィンガー電極直下にドーパントを高濃度に含む高濃度拡散層を形成できるので、良好なオーミックコンタクトを形成しつつ受光面の他の部分の拡散層の表面濃度を下げることが、一度の熱拡散処理で可能になる。結果的に受光面近傍でのキャリヤ再結合が抑制されるので、高い変換効率の太陽電池素子が簡便な方法で作製できるようになる。
静電気を発生させる物体としては、好ましくは、凹凸を持つスタンプが挙げられる。例えばp型半導体基板への熱拡散工程の前に、p型半導体基板の表面へ、凹凸を持つスタンプを接触させた後に離すことによっても可能である。凹凸を持つスタンプは、高濃度拡散層を形成したい箇所、すなわちフィンガー電極と良好なオーミックコンタクトを形成したい箇所の形状が、凸状に膨らんでおり、高濃度拡散層を形成したくない箇所、すなわちフィンガー電極と良好なオーミックコンタクトを形成する必要の無い箇所は、p型半導体基板表面と接触しないように凹んでいるものが好ましい。
土台21の凹凸をコーティングしているコーティング部22の素材は、半導体基板と接触する表面の素材であるので、前述の通り例えば天然ゴム、イソプレンゴム、二トリルゴム、水素化ニトリルゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロプレンゴム、クロロスルフォン化ポリエチレン、エピクロルヒドリンゴム、スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、多硫化ゴム、ノルボルネンゴム、熱可塑性エラストマー、ポリウレタン、ポリエステル、ポリエチレン、ナイロン、アクリル、ポリテトラフルオロエチレン、塩化ビニルなど、有機高分子が好適に用いられる。前述した素材は代表的なものであり、使用可能な素材はこれらに限定されるものでは無い。
図4では、高濃度拡散層をフィンガー電極直下の全面に形成できるように、凸部の頂面形状が長方形であるが、前述の通り高濃度拡散層はフィンガー電極下の一部に形成されていてもよいので、凸部はフィンガー電極と重なる一部のみに部分的に近づくように形成されていてもよい。図4の形状は代表的なものであり、使用可能な形状はこれに限定されるものでは無い。
例えばPOCl3などを含む、好ましくは約850℃以上、より好ましくは850〜1100℃、さらに好ましくは900〜1000℃の高温ガス中にp型シリコン基板を設置し、p型シリコン基板の全面にリン等のn型不純物元素を拡散させる熱拡散法により、好ましくは30〜300Ω/□のシート抵抗のn型拡散層を受光面に形成する。ドーパントとしては、POCl3のほか、P2O5等が挙げられる。なお、n型拡散層を熱拡散法により形成する場合には、p型シリコン基板の両面および端面にもn型拡散層が形成されることがあるが、この場合には、必要なn型拡散層の受光面を耐酸性樹脂で被覆したp型シリコン基板をフッ硝酸溶液中に浸漬することによって、不要なn型拡散層を除去することが出来る。その後、例えば希釈したフッ酸溶液などの薬品に浸漬させることにより、拡散時に半導体基板の表面に形成されたガラス層を除去し、純水で洗浄する。
例えば、裏面に、例えば、アルミニウム粉末60〜90質量%と、ガラスフリット0.1〜20質量%と、有機バインダー(例えばワニス)1〜20質量%と、必要に応じてチクソ剤などを含む導電性ペーストをスクリーン印刷し、乾燥させる。しかる後、受光面に、例えば、銀粉末60〜90質量%と、ガラスフリット0.1〜20質量%と、有機バインダー(例えばワニス)1〜20質量%と、必要に応じてチクソ剤などを含む導電性ペーストをスクリーン印刷し、乾燥させる。この後、各電極用ペーストを好ましくは500℃〜950℃程度の温度で焼成することで、受光面電極5とBSF層4と裏面電極6を形成する。BSF層4と裏面電極6の同時形成は、例えばアルミニウムが溶融してシリコンと合金化して形成されたアルミニウムシリコン合金の裏面電極の下に、p+層であるBSF層も形成されるためである。
なお、上記の例では裏面を先にスクリーン印刷しているが、受光面を先にスクリーン印刷してもよい。また、上記の例では一度の焼成で受光面電極5とBSF層4と裏面電極6を形成しているが、受光面に導電性ペーストをスクリーン印刷した後に焼成し、次に裏面に導電性ペーストをスクリーン印刷して焼成してもよく、あるいは、裏面に導電性ペーストをスクリーン印刷した後に焼成し、次に受光面に導電性ペーストをスクリーン印刷して焼成してもよい。さらに、上記の例では受光面電極5とBSF層4を同時に形成しているが、両者を別個に形成してもよい。
静電気が発生していない箇所に形成される第1拡散層と、静電気が発生した箇所に形成される第1拡散層よりも導電率が低い第2拡散層とが形成された半導体基板の表面に、パッシベーション膜が形成され、光生成された電荷を半導体基板から取出すフィンガー電極が形成される。好ましくは、フィンガー電極に少なくとも部分的に接し、フィンガー電極で集められた電荷を集めるバスバー電極が形成される。このとき、第2拡散層の少なくとも一部もしくは全部とフィンガー電極が重なるように配置されていて、少なくともフィンガー電極がパッシベーション層を貫通するように形成される。
<p型シリコン基板の準備>
まず、ボロンがドープされ、厚さ0.2mmにスライスして作製された比抵抗が約1Ω・cmのp型の単結晶シリコンからなるp型シリコン基板に外径加工を行うことによって、一辺15cmの正方形の板状とした。そして、このp型シリコン基板をフッ硝酸溶液中に15秒間浸漬させてダメージエッチし、さらに2質量%のKOHと2質量%のイソプロピルアルコール(IPA)を含む70℃の水溶液で5分間化学エッチングした後、純水で洗浄し、乾燥させることで、p型シリコン基板表面にテクスチャ構造を形成した。
実施例1では、熱拡散処理を行う前に、2mmピッチで総計74本の幅100μm、長さ148mm、高さ150μmの凸を持つ静電チャックを、上記p型シリコン基板の受光面の全面に近づけて静電気を発生させた後に離すという処理を施した(静電気の発生領域は受光面の100%)。静電チャックは96%アルミナセラミック製であり、静電チャックの凸のパターンは、フィンガー電極と同じパターンであった。
実施例2では、熱拡散処理を行う前に、2mmピッチで総計74本の幅100μm、長さ148mm、高さ150μmの凸を持つスタンプを、上記p型シリコン基板の受光面の全表面積の95%に手で5秒間接触させた後に離すという処理を施した(静電気の発生領域は受光面の95%)。凹凸のあるスタンプは、フェノール樹脂をプラスチック射出成形で形成し、その凹凸の表面を約30μm厚のポリテトラフルオロエチレンでコーティングしたものであり、スタンプの凸のパターンは、フィンガー電極と同じパターンであった。
比較例1では、熱拡散処理を行う前の前処理を行わなかった。
ここで、実施例1で用意したp型シリコン基板表面の、静電チャックの凸部を接触させて静電気を発生させた箇所のシート抵抗は約25Ω/□、深さは1.8μmであった。さらに、静電チャックの凸部を接触させていない箇所のシート抵抗は約80Ω/□、深さは0.3μmであった。また、実施例2で用意したp型シリコン基板表面の、スタンプの凸部を接触させた箇所のシート抵抗は約30Ω/□、深さは1.5μmであった。さらに、スタンプの凸部を接触させていない箇所のシート抵抗は約80Ω/□、深さは0.3μmであった。比較例1で用意したp型シリコン基板表面の熱処理後のシート抵抗は、一面が約80Ω/□、深さは0.3μmであった。
このように、実施例1と実施例2を用いることで、一度の拡散熱処理で二段エミッタが形成できていることが確認された。
続いて、SiH4とNH3、N2を用いたプラズマCVD法により、p型シリコン基板のn層を形成されている表面上に、反射防止膜兼パッシベーション膜となるSiNを厚さ1000Åで形成した。次に、p型シリコン基板の裏面に、スクリーン印刷法を用いて、導電性アルミペーストを印刷し、150℃で乾燥させた。更に、p型シリコン基板の受光面の、前記高濃度拡散層が形成されたパターンとフィンガー電極が重なるように、スクリーン印刷法を用いて、導電性銀ペーストを印刷し、150℃で乾燥させた。その後、フィンガー電極と直交するように、バスバー電極を、スクリーン印刷法を用いて、導電性銀ペーストを印刷し、150℃で乾燥させた。その後、焼成炉にこれまでの処理済の基板を投入することにより、最高温度800℃で導電性ペーストを焼成して電極を形成することで、太陽電池素子を作製した。
表1に、実施例1、実施例2及び比較例1の方法で、それぞれ10枚ずつの太陽電池素子を作製した際の、太陽電池素子の電気特性の平均を示す。短絡電流、開放電圧、フィルファクタ(曲線因子)及び変換効率は、エヌ・ピー・シー社製セルテスターを用いて測定した。
2、102 拡散領域
3、103 反射防止膜兼パッシベーション膜
4、104 BSF層
5、105 受光面電極
6、106 裏面電極
7、107 高濃度拡散領域
11 静電チャックの基体
12 接着剤層
13 静電チャック部材
21 スタンプの土台
22 コーティング部
Claims (7)
- 第1導電型の半導体基板の受光面の少なくとも一部に静電気を発生させる工程と、
その後、前記受光面をドーパントを含む気体中で気相熱拡散処理して第1導電型と反対の第2導電型の拡散層を形成する工程と、
前記拡散層と前記半導体基板の裏面とに、各導電性ペーストのスクリーン印刷とその後の焼成を行い、前記静電気を発生させた受光面の上の拡散層上に受光面電極を形成し、前記半導体基板の裏面にBSF層を介して裏面電極を形成する工程と
を少なくとも含んでなる太陽電池素子の製造方法。 - 前記受光面の少なくとも一部が、前記受光面の一部であり、前記拡散層が、前記受光面の静電気を発生させていない箇所に形成される第1拡散層と、前記受光面の静電気を発生させた箇所に形成される、第1拡散層より導電率が低い第2拡散層である請求項1に記載の太陽電池素子の製造方法。
- 前記静電気を発生させる工程が、前記半導体基板の受光面の少なくとも一部に、静電チャックを近づけることにより帯電させることを含む請求項1又は請求項2に記載の太陽電池素子の製造方法。
- 前記静電気を発生させる工程が、前記半導体基板の受光面の少なくとも一部に、静電気を発生させる物体を接触させた後、離すことを含む請求項1又は請求項2に記載の太陽電池素子の製造方法。
- 前記静電気を発生させる物体の、少なくとも前記半導体基板の受光面と接触させた表面が有機高分子である請求項4に記載の太陽電池素子の製造方法。
- さらに、前記拡散層を形成する工程の後で、前記受光面電極を形成する工程の前に、前記半導体基板の受光面側に、前記拡散層上の前記受光面電極の形成予定位置をマスクしてパッシベーション膜を堆積させる工程を含む請求項1〜5のいずれかに記載の太陽電池素子の製造方法。
- 前記第1導電型がp型であり、前記第2導電型がn型であるか、又は前記第1導電型がn型であり、前記第2導電型がp型である請求項1〜6のいずれかに記載の太陽電池素子の製造方法。
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