JP2013105850A - 太陽電池セルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池セルの欠けの発生抑制とＰＮ分離を確実に実施することが出来る太陽電池セルの製造方法を得ること。
【解決手段】太陽電池セルの製造方法は、第１導電型のシリコンウエハの表面に第１導電型とは異なる第２導電型の層を形成し、シリコンウエハの第２導電型の層が形成された表面の内側を取り囲む外周部の一点を始点１５としてそれを含む部分と含まない部分とに表面を分割する分割線と交差させながら外周部に沿ってエネルギービームを照射走査し、エネルギービームをさらに照射走査して外周部を一周させ、交差が発生した分割線の外周部に含まれる部分をエネルギービームが再度交差して含まない部分を照射するまで照射走査を継続することにより、エネルギービームにより照射された部分の第２導電型の層を取り除いて加工溝７を形成し、表面の内側に不純物を拡散させることにより第１導電型の層を形成し、分割線１４に沿ってシリコンウエハを切断する。
【選択図】図３

Description

本発明は、光起電力装置に用いる太陽電池セルの製造方法に関する。

結晶系太陽電池のＰＮ接合形成後に、太陽電池セルにレーザを照射して加工溝を形成することで、Ｐ層とＮ層を電気的に絶縁する技術（レーザＰＮ分離技術）が開示されている。

特開平５−０７５１４８号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば太陽電池セル上でレーザ加工溝が一部でも途切れると、その部分で電流が流れるためダイオードとしての性能が低下し、太陽電池セルの光―電力変換効率が低下してしまう。これに対して、切れ目無く確実にレーザ加工溝を繋げるために、レーザ加工溝同士を交差させたり、一部を重ねたりする必要が生じていた。しかし、レーザ加工溝同士が重なるとその部分では局所的に加工溝が深くなるため、その部分で太陽電池セルが欠けてしまうという問題が生じる。レーザＰＮ分離加工においては、太陽電池セルの外縁部に近いところにレーザ加工溝を形成するために、特に欠けが生じやすいという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザＰＮ分離工程における太陽電池セルの欠けの発生の抑制とＰＮ分離を確実に実施することが出来る太陽電池セルの製造方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、第１導電型のシリコンウエハの表面に第１導電型とは異なる第２導電型の層を形成する工程と、前記シリコンウエハの第２導電型の層が形成された表面の内側を取り囲む外周部の一点を始点として当該始点を含む部分と含まない部分とに前記表面を分割する分割線と交差させながら前記外周部に沿ってエネルギービームを照射走査し、エネルギービームをさらに照射走査して前記外周部を一周させ、前記交差が発生した前記分割線の前記外周部に含まれる部分をエネルギービームが再度交差して前記含まない部分を照射するまで照射走査を継続することにより、エネルギービームにより照射された部分の第２導電型の層を取り除いて加工溝を形成する工程と、前記加工溝を形成した後に、前記表面の前記内側に不純物を拡散させることにより第１導電型の層を形成する工程と、前記第１導電型の層を形成した後に、前記分割線に沿って前記シリコンウエハを切断する工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、太陽電池セル上において、レーザＰＮ分離工程で形成するレーザ加工溝の深さを均一化することで、レーザ加工溝が一部深くなることによって生じる太陽電池セルの欠けの発生を抑制することが可能となり、ＰＮ分離の信頼性の向上という効果を奏する。

図１−１は、本発明の実施の形態にかかる太陽電池セルの製造方法を示す工程図である。 図１−２は、本発明の実施の形態にかかる太陽電池セルの製造方法を示す工程図である。 図１−３は、本発明の実施の形態にかかる太陽電池セルの製造方法を示す工程図である。 図１−４は、本発明の実施の形態にかかる太陽電池セルの製造方法を示す工程図である。 図１−５は、本発明の実施の形態にかかる太陽電池セルの製造方法を示す工程図である。 図１−６は、本発明の実施の形態にかかる太陽電池セルの製造方法を示す工程図である。 図１−７は、本発明の実施の形態にかかる太陽電池セルの製造方法を示す工程図である。 図２は、本発明の実施の形態におけるレーザ加工溝を形成するレーザ加工装置の概略構成図である。 図３は、本発明の実施の形態におけるレーザ加工溝を加工する太陽電池セルを裏側から見た平面図である。 図４は、本発明の実施の形態における切断工程後の太陽電池セルの外形図である。

以下に、本発明にかかる太陽電池セルの製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１−１〜図１−７は、本発明の実施の形態にかかる太陽電池セルの製造方法を示す工程図であり、各工程におけるシリコンウエハの横断面を示している。

まず、Ｐ型の結晶シリコンインゴットを所定の厚さ（２００［μｍ］程度）にスライシングし、Ｐ型シリコンウエハ１を形成する（図１−１）。なお、本実施の形態においては一例として、Ｐ型を第１導電型、Ｎ型を第２導電型とするが、シリコンウエハとしてＮ型のものを用いた場合は以下のＰ型とＮ型の導電型を入れ替えて本実施の形態にかかる太陽電池セルの製造方法を実施すれば、以下に述べるのと同様な効果が得られる。

次に、Ｐ型シリコンウエハ１の表面のダメージ層に対してダメージエッチングを行う。さらに、Ｐ型シリコンウエハ１に対し、オキシ塩化リンを用いて表面にリンを拡散し、Ｎ+層２を形成する（図１−２）。また、太陽光を用いる太陽電池セルにおける太陽光の反射率を低減させるため、Ｐ型シリコンウエハ１の一方の面のＮ+層２の表面に反射防止膜３を形成する（図１−３）。

次に、Ｐ型シリコンウエハ１の反射防止膜３を形成した面（以下、表面）に表面電極４を、対向する面（以下、裏面）に裏面電極５をそれぞれ形成するため、ＡｌペーストやＡｇペーストをスクリーン印刷して乾燥する（図１−４）。ここで、裏面電極５としてはＡｌペーストを用いる。

Ｐ型シリコンウエハ１の両面のペーストが乾燥した後、Ｐ型シリコンウエハ１を加熱して焼成する。この時、Ｐ型シリコンウエハ１の裏面に印刷したＡｌペーストからＰ型シリコンウエハ１内に拡散されたＡｌ原子は、Ｎ+層２を相殺してＰ型シリコンウエハ１内にＰ+層６を形成する。その結果上からみてＮ+層２、Ｐ型シリコンウエハ１、Ｐ+層６が接合されたＮ+ＰＰ+接合が形成される（図１−５）。

次に、レーザビームをＰ型シリコンウエハ１の裏面のＮ＋層２に照射してレーザ加工溝７を形成する（図１−６）。このレーザ加工溝７の形成工程は後に詳述する。レーザ加工溝７は深さ数μｍから数十μｍであり、Ｎ＋層２の厚みよりは深い必要がある。即ち、レーザ加工溝７が形成された部分のＮ＋層２は取り除かれている。この時点でほぼ太陽電池セル１２は完成する。なお、レーザ加工溝７の形成は、上記した裏面電極５の形成、Ｐ+層６の形成と適宜工程の順番が入れ替わってもかまわない。なお、加工溝を形成することができるならばレーザビーム以外のエネルギービームを照射して加工溝を形成してもかまわない。

最後に、ダイシングソーによる切断、レーザアブレーションによる切断、レーザアブレーションによる溝加工と物理的折割を組み合わせた方法、レーザ加工やダイサーによる加工やレーザスクライブと折り割りの組み合わせなどによって太陽電池セル１２を切断することで、太陽電池セル１２Ａおよび１２Ｂが完成する（図１−７）。

以上の工程を経て作製された複数の太陽電池セルを並べて構成し、モジュール化することによって太陽電池モジュールが完成する。この太陽電池モジュールを用いて光起電力装置を製造することができる。

以下、本発明の実施の形態に係るレーザＰＮ分離工程及び太陽電池セル切断工程について詳述する。レーザ加工溝７を形成するレーザ加工装置１００の概略構成の一例を図２に示す。レーザ加工装置１００は、レーザ発振器８、ガルバノミラー１０、ｆθレンズ１１、および保護ガラス１３を備える。

レーザ発振器８から発生したレーザビーム９をガルバノミラー１０により偏向し、ｆθレンズ１１により太陽電池セル１２上に集光する。ガルバノミラー１０によりレーザビーム９の角度を走査する事で、太陽電池セル１２上のレーザビーム９を高速に走査することが可能である。太陽電池セル１２上にレーザビーム９を集光してレーザビーム９を走査することで太陽電池セル１２上にレーザアブレーション加工によりレーザ加工溝７を形成する。

レーザ発振器８としては、ＬＤ励起ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧ（Ｙｔｔｌｉｕｍ Ａｌｍｉｎｉｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）レーザ、ＬＤ励起ＱスイッチＮｄ：ＹＶＯ₄レーザ、ファイバーレーザやその２倍波・３倍波を使用することが出来る。太陽電池セル１２上のレーザビーム径を小さくするために、集光性の高いレーザを用いることが必要である。レーザ加工時のレーザ加工溝７の周辺への熱影響を抑制するために、レーザ発振器８はパルスレーザであることが望ましい。

上記レーザの基本波である波長１μｍ近辺の近赤外領域は、シリコンに対する吸収係数が低いため、レーザ加工時の熱影響による影響が大きい。一方で、２倍波・３倍波はシリコンに対する吸収係数が高いため、レーザ加工時の熱影響を低減することが可能であるものの、レーザ発振器８の構成部品が多くなり、初期コスト・ランニングコストが高くなりがちである。レーザ平均出力は数Ｗから数十Ｗ、繰返し周波数は数十ｋＨｚであり、典型的な値としては、レーザ平均出力２０Ｗ、繰返し周波数４０ｋＨｚである。

ｆθレンズ１１はワークエリアが太陽電池セル１２より広範囲であることが必要である。太陽電池セル１２を加工すると加工屑が飛散し、ｆθレンズ１１に付着することから、レーザ加工点の付近にはガスブローを実施し、また、ｆθレンズ１１の下部には容易に交換できる保護ガラス１３を設置することが望ましい。ｆθレンズ１１によるレーザビーム９の集光径は直径２０μｍ〜６０μｍ程度である。大きな集光径になるようにすると、太陽電池セル１２の厚みばらつきに対する余裕度は拡大するが、一方でレーザビーム９のエネルギー密度を高めるために高いレーザ出力が必要となる。

太陽電池セル１２上でのレーザビーム９の走査速度は４００ｍｍ／ｓ〜１２００ｍｍ／ｓである。パルスレーザ照射によって形成される隣接するレーザビームスポット同士の重ね合わせを２０％〜８０％とする。重ね合わせが大きいと、レーザ加工溝７の底面は滑らかになるが、レーザ加工溝７が深くなり、太陽電池セル１２が欠けやすくなる。重ね合わせを小さくすると、レーザ加工溝７の形状の不均一性が拡大し、ＰＮ分離部の絶縁性が十分高く出来ずに太陽電池セルの光−電力変換効率が低下する。

レーザ加工溝７の深さは２μｍ〜４０μｍである。レーザ加工溝７を深くすれば、ＰＮ分離部の絶縁性が高くなるというわけではなく、太陽電池セルの表面状態によって絶縁性が高くなるレーザ加工溝７の深さが異なる。太陽電池セルの欠け抑制のためにはレーザ加工溝７が浅い方が望ましいが、ＰＮ分離部の絶縁性を確保するために、止むを得ずレーザ加工溝７を深くする必要があることがある。

太陽電池セル１２上でのレーザ加工溝７の場所を示すため、レーザ加工溝７を加工する太陽電池セル１２の裏側から見た平面図を図３に示す。太陽電池セル１２に対して、レーザ加工溝７を形成する際、レーザ加工溝加工開始位置１５（始点）は、太陽電池セル切断予定ライン１４（分割線）より上の部分とし、そこから下向きにレーザビーム９を走査照射してレーザ加工溝７を加工し、裏面電極５の外側をレーザ加工溝７同士が重なることがないようにレーザビーム９を走査して一周させる。レーザ加工溝７が太陽電池セル切断予定ライン１４を超えた下の部分であるレーザ加工溝加工完了位置１６のところまで形成されたところでレーザビーム９によるレーザ加工溝７の加工を完了する。即ち、レーザビーム９は太陽電池セル１２の裏面の外周部を走査する。この外周部は裏面電極５が形成された領域あるいは裏面電極５の形成予定領域を取り囲んだ領域である。図３においては、レーザ加工溝７は太陽電池セル１２の裏側に形成したが、太陽電池セル１２の表側に形成しても同様の効果を得ることができる。

レーザ加工時のレーザビーム９の走査速度が遅くなると、その領域でレーザ加工溝７が深くなり、欠けの原因となるので、レーザビーム９の走査速度は、ほぼ一定とする必要がある。太陽電池セル１２の四隅は円弧又は斜線で構成されるため、この領域でレーザビーム９の走査の方向を変える必要がある。レーザビーム走査方向変更時にも、レーザビーム走査速度を一定にするため、レーザビーム走査方向変更地点は滑らかな曲線形状で加工する必要がある。こうしてレーザ加工溝７を形成した太陽電池セル１２は、レーザ加工溝７に隙間があるために完全にＰＮ分離がなされておらず、太陽電池として不完全である。

続いて、太陽電池セル１２を所望のサイズに切断する。図４に切断後の太陽電池セル１２Ａおよび１２Ｂの外形図を示す。太陽電池セル１２が二つの太陽電池セル１２Ａおよび１２Ｂに切断されている。太陽電池セル１２を二つに切断する方法としては、ダイシングソーによる切断、レーザアブレーションによる切断、レーザアブレーションによる溝加工と物理的折割を組み合わせた方法などの各種手法を使うことが出来る。こうして切断された各々の太陽電池セル１２Ａ及び１２Ｂはその外周上でＰＮ分離が出来ていない領域は存在せず、太陽電池として光−電力変換が可能となる。

以上説明したように、レーザで加工溝を形成する太陽電池セル１２のレーザＰＮ分離工程後に、太陽電池セル１２の切断工程を実施する。レーザＰＮ分離工程で形成するレーザ加工溝は互いに重なる部分を有さず、レーザ加工溝７と太陽電池セル１２の切断ラインとを交差させることで、太陽電池セル１２Ａ及び１２Ｂ上のＰ層とＮ層を完全に絶縁することが可能となる。レーザ加工溝同士を重ねないことにより、加工溝が局所的に深くなることによるセルの欠け発生を抑制すると共に、太陽電池セル１２を切断することにより完全なＰＮ分離が可能となる。

さらに、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。例えば、上記実施の形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。すなわち、上記実施の形態に示された構成要素を適宜組み合わせてもよい。

以上のように、本発明にかかる太陽電池セルの製造方法は、レーザＰＮ分離に有用であり、特に、太陽電池セル切断工程を実施する太陽電池セルの製造方法に適している。

１ Ｐ型シリコンウエハ
２ Ｎ＋層
３ 反射防止膜
４ 表面電極
５ 裏面電極
６ Ｐ＋層
７ レーザ加工溝
８ レーザ発振器
９ レーザビーム
１０ ガルバノミラー
１１ fθレンズ
１２，１２Ａ，１２Ｂ 太陽電池セル
１３ 保護ガラス
１４ 太陽電池セル切断予定ライン（分割線）
１５ レーザ加工溝加工開始位置（始点）
１６ レーザ加工溝加工完了位置
１００ レーザ加工装置

Claims (7)

1. 第１導電型のシリコンウエハの表面に第１導電型とは異なる第２導電型の層を形成する工程と、
   前記シリコンウエハの第２導電型の層が形成された表面の内側を取り囲む外周部の一点を始点として当該始点を含む部分と含まない部分とに前記表面を分割する分割線と交差させながら前記外周部に沿ってエネルギービームを照射走査し、エネルギービームをさらに照射走査して前記外周部を一周させ、前記交差が発生した前記分割線の前記外周部に含まれる部分をエネルギービームが再度交差して前記含まない部分を照射するまで照射走査を継続することにより、エネルギービームにより照射された部分の第２導電型の層を取り除いて加工溝を形成する工程と、
   前記加工溝を形成した後に、前記表面の前記内側に不純物を拡散させることにより第１導電型の層を形成する工程と、
   前記第１導電型の層を形成した後に、前記分割線に沿って前記シリコンウエハを切断する工程と、
   を備えたことを特徴とする太陽電池セルの製造方法。
2. 第１導電型のシリコンウエハの表面に第１導電型とは異なる第２導電型の層を形成する工程と、
   前記シリコンウエハの第２導電型の層が形成された表面の内側に不純物を拡散させることにより第１導電型の層を形成する工程と、
   前記第１導電型の層を形成した後に、前記表面の前記内側を取り囲む外周部の一点を始点として当該始点を含む部分と含まない部分とに前記表面を分割する分割線と交差させながら前記外周部に沿ってエネルギービームを照射走査し、エネルギービームをさらに照射走査して前記外周部を一周させ、前記交差が発生した前記分割線の前記外周部に含まれる部分をエネルギービームが再度交差して前記含まない部分を照射するまで照射走査を継続することにより、エネルギービームにより照射された部分の第２導電型の層を取り除いて加工溝を形成する工程と、
   前記加工溝を形成した後に、前記分割線に沿って前記シリコンウエハを切断する工程と、
   を備えたことを特徴とする太陽電池セルの製造方法。
3. 第１導電型はＰ型である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池セルの製造方法。
4. 前記不純物はＡｌ原子である
   ことを特徴とする請求項３に記載の太陽電池セルの製造方法。
5. エネルギービームはレーザビームである
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池セルの製造方法。
6. 前記レーザビームの集光径は直径２０μｍ〜６０μｍである
   ことを特徴とする請求項５に記載の太陽電池セルの製造方法。
7. 前記加工溝の深さは２μｍ〜４０μｍである
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の太陽電池セルの製造方法。