JP2013115258A - 光電変換素子および光電変換素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】裏面パッシベーション型の光電変換素子において、裏面電極のまわりに均質にＢＳＦを形成し、変換効率を向上させる。
【解決手段】光電変換素子１は、片面にｎ型拡散層１１が形成され、前記片面と反対側の面に凹部１０ｂを有するｐ型結晶シリコン基板１０と、ｐ型結晶シリコン基板１０の前記片面と反対側の面に接して形成され、凹部１０ｂと対応する位置に開口部３０ａを有するパッシベーション膜３０と、開口部３０ａを介して凹部１０ｂと接するように形成されたアルミニウム電極４１とを備える。ｐ型結晶シリコン基板１０は、ｐ型結晶シリコン基板１０よりもドーパント濃度の高い高濃度ｐ型拡散層１２を凹部１０ｂに有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光電変換素子および光電変換素子の製造方法に関するものである。

従来、いわゆる裏面パッシベーション型の光電変換素子が知られている（例えば特開２００９−２１３５８号公報（特許文献１）を参照）。裏面パッシベーション型の光電変換素子では、裏面電極は点状に離散して形成され、裏面のそれ以外の部分は絶縁膜（パッシベーション膜）で覆われている。

パッシベーション膜として、酸化ケイ素膜、窒化ケイ素膜、および炭化ケイ素膜等が用いられる。特に、窒化ケイ素膜は、プラズマＣＶＤにより比較的低温で形成することができるため、形成時の基板へのダメージを少なくすることができる。また、プラズマＣＶＤで形成された窒化ケイ素膜は水素を多く含むため、より高いパッシベーション効果が期待できる。

特開２００９−２１３５８号公報

しかしながら、窒化ケイ素膜は、膜中に正の固定電荷を有する。そのため、ｐ型シリコン基板上に窒化ケイ素膜を形成すると、界面に反転層が形成される。この反転層と裏面電極とが接触すると、反転層中のキャリアがリーク電流として裏面電極に流れ込んでしまうという問題があった。

この問題に対し、裏面電極のまわりに局所的な裏面電界層（ＢＳＦ）を形成するという対策がある。具体的には、まず、シリコン基板の裏面全体を覆っているパッシベーション膜に、コンタクトのための開口部を形成する。この開口部を覆って、アルミニウムペーストを塗布する。次に、アルミニウムペーストを焼成して、裏面電極を形成する。このとき同時に、アルミニウムがシリコン基板内へ拡散する。これにより、シリコン基板には、裏面電極と接している部分にＢＳＦが形成される。この方法によれば、裏面電極の形成とＢＳＦの形成とを同時に行うことができ、製造工程を簡略化することができる。

しかし、この方法により形成されたＢＳＦは不均質で、リーク電流を十分に抑制できない場合があった。

本発明の目的は、裏面パッシベーション型の光電変換素子において、裏面電極のまわりに均質にＢＳＦを形成し、変換効率を向上させることである。

ここに開示する光電変換素子は、片面にｎ型拡散層が形成され、前記片面と反対側の面に凹部を有するｐ型結晶シリコン基板と、前記ｐ型結晶シリコン基板の前記片面と反対側の面に接して形成され、前記凹部と対応する位置に開口部を有するパッシベーション膜と、前記開口部を介して前記凹部と接するように形成されたアルミニウム電極とを備える。前記ｐ型結晶シリコン基板は、該ｐ型結晶シリコン基板よりもドーパント濃度の高い高濃度ｐ型拡散層を前記凹部に有する。

ここに開示する光電変換素子の製造方法は、片面にｎ型拡散層が形成されたｐ型結晶シリコン基板を準備する工程と、前記ｐ型結晶シリコン基板の前記片面とは反対側の面に、パッシベーション膜を形成する工程と、前記パッシベーション膜に開口部を形成する工程と、前記開口部を覆ってアルミニウム電極を形成する工程と前記アルミニウム電極を焼成する工程とを備える。前記開口部を形成する工程において、前記開口部と平面視で重畳する部分において、前記ｐ型結晶シリコン基板に凹部を形成する。

上記の光電変換素子の構成によれば、ｐ型結晶シリコン基板は凹部を有する。アルミニウム電極は、この凹部に沿って形成されている。このアルミニウム電極が焼成されて、凹部から等方的にアルミニウムが拡散されることにより、凹部には均質な高濃度ｐ型拡散層が形成されている

均質な高濃度ｐ型拡散層により、少数キャリアに対する十分な障壁効果が得られる。また、十分な反転層抑制効果が得られる。さらに、より良好なオーミック接触が得られる。そのため、変換効率が向上する。

上記の光電変換素子の製造方法によれば、開口部を形成する工程において、開口部と平面視で重畳する部分において、ｐ型結晶シリコン基板に凹部を形成する。続いて、凹部に接してアルミニウム電極が形成される。

このアルミニウム電極を焼成することにより、凹部からアルミニウムがｐ型結晶シリコン基板へ拡散する。凹部からアルミニウムを拡散させることによって、平坦な面から拡散させる場合と比較して、より等方的にアルミニウムをｐ型結晶シリコン基板へ拡散させることができる。したがって、均質な高濃度ｐ型拡散層が得られ、光電変換素子の変換効率が向上する。

図１は、本発明の一実施形態にかかる光電変換素子の構成を模式的に示す断面図である。 図２は、本発明の一実施形態にかかる光電変化素子の製造方法を、模式的に示す断面図である。 図３は、本発明の一実施形態にかかる光電変化素子の製造方法を、模式的に示す断面図である。 図４は、比較例にかかる光電変換素子の構成を模式的に示す断面図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化または模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

図１は、本発明の一実施形態にかかる光電変換素子１の構成を模式的に示す断面図である。光電変換素子１は、ｐ型結晶シリコン基板（以下、基板という）１０、反射防止膜２０、裏面パッシベーション膜３０、裏面電極４１、受光面電極５０、および合金層６０を備える。

基板１０は、単結晶基板であっても良く、多結晶基板であっても良い。基板１０の比抵抗は、特に限定されないが、例えば、０．１〜１．０Ωｃｍである。基板１０の厚さは、特に限定されないが、好ましくは１００〜３００μｍである。より好ましくは、１００〜２００μｍである。

基板１０の片方の表面には、ランダムなピラミッド型の凹凸からなるテクスチャ構造１０ａが形成されている。テクスチャ構造１０ａは、光の反射を低減するとともに基板１０に入射した光を閉じ込めて、光の利用率を高める。

以下では、基板１０の、テクスチャ構造１０ａが形成されている側の面を受光面、反対側の面を裏面と呼んで参照する。

基板１０の受光面側の表面には、ｎ型拡散層１１が形成されている。ｎ型拡散層１１は、基板１０のバルク領域とｐｎ接合を形成する。ｎ型拡散層１１のドーパント濃度は、特に限定されないが、例えば１０^１８〜１０^１９ｃｍ^−３である。

ｎ型拡散層１１を覆って、反射防止膜２０が形成されている。反射防止膜２０として、酸化ケイ素、窒化ケイ素、および炭化ケイ素等の膜が用いられる。特に、窒化ケイ素膜が好適に用いられる。反射防止膜２０の厚さは、特に限定されないが、例えば、５〜１００ｎｍである。

基板１０の受光面側には、受光面電極５０が形成されている。受光面電極５０は、反射防止膜２０を貫通して、ｎ型拡散層１１と接している。受光面電極５０は、銀粉末等を含む導電性ペーストを焼成したものであり、一般的には縞状（ライン状）に形成される。受光面電極５０の厚さは特に限定されないが、例えば０．５〜５０μｍである。図１は模式図であって簡略化しているが、受光面電極５０の一本あたりの幅は５０〜１００μｍで、０．５〜２．０ｍｍピッチで基板１０の受光面の全面にわたって形成されている。図１には図示していないが、光電変換素子１は、受光面電極５０に直交して、複数の受光面電極５０と接するように形成されたメイン電極（バスバー）を備えていても良い。

基板１０の裏面の全面（後述する開口部３０ａを除く）を覆って、裏面パッシベーション膜３０が形成されている。裏面パッシベーション膜３０は、裏面での光生成キャリアの再結合を抑制し、光電変換素子１の変換効率を高める。裏面パッシベーション膜３０として、酸化ケイ素、窒化ケイ素、および炭化ケイ素等の膜が用いられる。特に、窒化ケイ素が好適に用いられる。裏面パッシベーション膜３０の厚さは、特に限定されないが、例えば、５０〜１５０ｎｍである。

さらに、開口部３０ａを覆って、裏面電極４１が形成されている。裏面電極４１は、アルミニウム粉末を含む導電性ペーストを焼成したものである。裏面電極４１の厚さは特に限定されないが、３０〜４０μｍである。

裏面パッシベーション膜３０には、一定間隔で複数の開口部３０ａが形成されている。図１は模式図であって簡略化しているが、開口部３０ａは、例えば１００μｍ×１００μｍの正方形であって、基板全面に、１ｍｍ程度の間隔で縦横にわたって形成されている。

裏面電極４１は、開口部３０ａを介して、基板１０と接している。開口部３０ａの大きさ（面積）は、裏面電極４１と基板１０との導通を安定的に確保できる範囲で、小さい方が好ましい。広い面積をパッシベーション膜３０で覆った方が、より高いパッシベーション効果が得られるためである。開口部３０ａの一辺の長さは、好ましくは２００μｍ以下である。

基板１０の、裏面電極４１と接している部分には、基板１０の裏面から３０〜４０μｍ窪んだ凹部１０ｂが形成されている。基板１０の、凹部１０ｂの近傍には、アルミニウム‐シリコンからなる合金層６０が形成されている。合金層６０の厚さは３０〜４０μｍである。さらに、合金層６０の近傍には、高濃度ｐ型拡散層１３が形成されている。高濃度ｐ型拡散層１２の厚さは、１０μｍ程度である。

高濃度ｐ型拡散層１２のドーパント濃度は、基板１０のドーパント濃度よりも高く、例えば、１０^１９〜１０^２０ｃｍ^−３である。

高濃度ｐ型拡散層１２は、少数キャリアに対する障壁電界を生じさせて多数キャリアの収集効率を向上させる、局所的なＢＳＦとして機能する。また、反転層によるリーク電流の発生を防止する。

本実施形態では、裏面電極４１を開口部３０ａに対応する部分にのみ形成している。しかし、裏面電極４１は、裏面側全面にわたって形成されていても良い。

［光電変換素子１の製造方法］
以下、図２〜図３を参照して、光電変換素子１の製造方法を説明する。

図２（ａ）に示すように、基板１０を準備する。基板１０は、既述のように、単結晶基板であっても良く、多結晶基板であっても良い。基板１０は、単結晶または多結晶シリコンのインゴットから、１００〜３００μｍ、好ましくは１００〜２００μｍの厚さにスライスされたものである。以下の工程に先立って、基板１０を酸溶液等に浸漬し、スライスによって形成されたダメージ層を取り除く処理を行っておいても良い。

図２（ｂ）に示すように、基板１０の一方の面（受光面）にテクスチャ構造１０ａを形成する。テクスチャ構造１０ａは、基板１０の表面を、アルカリ溶液等によってウェットエッチングすることで形成される。基板１０が多結晶シリコンである場合には、テクスチャ構造１０ａは、ＲＩＥ等のドライエッチングプロセスによって形成することができる。

図２（ｃ）に示すように、基板１０の受光面にｎ型拡散層１１を形成する。ｎ型拡散層１１は、ｎ型のドーパントを含む雰囲気下で基板１０を熱処理することによって形成することができる。例えば、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ_３）を含む雰囲気下で、７００〜１０００℃で熱処理することで形成することができる。この場合、基板１０の表裏の主面および側面のすべてに拡散層が形成される。受光面のみにｎ型拡散層１１を残すためには、受光面をレジストで覆って、不要な拡散層をエッチングで除去すれば良い。また、受光面にも、不要なリンガラス層が形成される場合があるため、これを除去するためのエッチングを行っても良い。

ｎ型拡散層１１の形成方法としては上記の他、ｎ型ドーパント源を基板１０の受光面側に形成し、熱処理によってドーパントを基板１０に拡散させる方法がある。ｎ型ドーパント源は、ＣＶＤ等によって基板１０上に積層して形成しても良いし、ｎ型ドーパントを含むペーストを基板１０に塗布して形成しても良い。

図２（ｄ）に示すように、ｎ型拡散層１１を覆って、反射防止膜２０を形成する。反射防止膜２０の厚さは、例えば、５〜１００ｎｍである。

図３（ａ）に示すように、基板１０の裏面に裏面パッシベーション膜３０を形成する。裏面パッシベーション膜３０の厚さは、５０〜１５０ｎｍである。

図３（ｂ）に示すように、裏面パッシベーション膜３０に耐酸レジスト９９を形成する。耐酸レジスト９９は、次工程で形成する開口部３０ａ（図３（ｃ）を参照）以外の領域を覆って形成する。耐酸レジスト９９は、例えばフォトリソグラフィによって形成することができる。

耐酸レジスト９９をマスクとして、エッチングを行う。これにより、図３（ｃ）に示すように、裏面パッシベーション膜３０に開口部３０ａが形成される。ここで、基板１０に対しても腐食性のあるエッチャントを用いることで、基板１０に凹部１０ｂが形成される。このようなエッチャントとしては、フッ化水素と硝酸との混酸が挙げられる。開口部３０ａおよび凹部１０ｂを形成後、耐酸レジスト９９を除去する。

開口部３０ａの大きさは、次工程で形成するアルミニウムペースト４０（図３（ｄ）を参照）が流動して基板１０と接触できるだけの大きさが必要である。一方で、裏面パッシベーション膜３０が基板１０を覆う面積が大きいほど、パッシベーション効果は高まるので、開口部３０ａの大きさは小さいことが好ましい。また、開口部３０ａの大きさが小さいほど、エッチング作用が強くなり、凹部１０ｂが均一に形成される。この点でも、開口部３０ａの大きさは小さいことが好ましい。開口部３０ａの一辺の長さは、例えば１００μｍである。

図３（ｄ）に示すように、開口部３０ａを覆って、アルミニウムペースト４０を形成する。アルミニウムペースト４０は、開口部３０ａを介して、基板１０の凹部１０ｂと接触している。アルミニウムペースト４０は、アルミニウム粉末、水、有機溶媒および増粘剤等を混合したものである。アルミニウムペースト４０は、スクリーン印刷法等によって、開口部３０ａに対応する位置に形成される。アルミニウムペースト４０は、少なくとも開口部３０ａを覆う大きさに形成される。好ましくは、形成時の位置ずれを考慮して、開口部３０ａよりも一回り大きく形成される。アルミニウムペースト４０の大きさは、例えば、一辺の長さ（あるいは直径）が３００μｍである。アルミニウムペースト４０の厚さは、例えば３０〜４０μｍである。

アルミニウムペースト４０を形成後、１００〜４００℃で乾燥させる。その後、図３（ｅ）に示すように、アルミニウムペースト４０を焼成して裏面電極４１とする。焼成は、例えば、６００〜９００℃で、１〜３００秒間行う。

このとき、基板１０の、裏面電極４１（アルミニウムペースト４０）と接している部分では、アルミニウムペースト４０中のアルミニウムと基板１０中のシリコンとが反応し、アルミニウム‐シリコンの合金層６０が形成される。

アルミニウムペースト４０の焼成時にはさらに、ｐ型のドーパントであるアルミニウムが、アルミニウムペースト４０および合金層６０から基板１０へ拡散する。これにより、合金層６０の近傍に、高濃度ｐ型拡散層１２が形成される。高濃度ｐ型拡散層１２の厚さは、約１０μｍである。

最後に、図３（ｆ）に示すように、受光面側に受光面電極５０を形成する。受光面電極５０を形成するために、まず、銀粉末等の導電性微粒子、ガラス粉末と、水、有機溶媒、および増粘剤等を混合した導電ペーストを、スクリーン印刷法等により反射防止膜２０の上に形成する。そして、これを焼成する。焼成は例えば、６００〜９００℃で、１〜３００秒間行う。このとき、導電ペーストに混合されたガラス粉末の作用によって、受光面電極５０が反射防止膜２０を破って、受光面電極５０と基板１０のｎ型拡散層１１とが接触する。

上記では、いわゆるファイヤースルーと呼ばれる手法で受光面電極５０を形成した。しかし、ファイヤースルーを用いずに受光面電極５０を形成しても良い。すなわち、反射防止膜２０に開口部を形成した後、受光面電極５０を形成しても良い。

以上、本実施形態にかかる光電変換素子１の構成および製造方法について説明した。なお、本実施形態では、アルミニウムペースト４０を開口部３０ａに対応する位置に形成し、これを焼成することで裏面電極４１を形成した。しかし、裏面電極４１は、蒸着やスパッタリング等により裏面パッシベーション膜３０上にアルミニウム膜を形成し、これを焼成することで形成しても良い。

再び図１を参照して、光電変換素子１の構成による効果を述べる。本実施形態にかかる光電変換素子１の構成によれば、基板１０は凹部１０ｂを有する。裏面電極４１は、この凹部１０ｂに沿って形成されている。この裏面電極４１が焼成されて、凹部１０ｂから等方的にアルミニウムが拡散されることにより、凹部１０ｂには均質な高濃度ｐ型拡散層１２が形成されている。

図１では、凹部１０ｂは、断面が円弧状に形成されている。しかしながら、凹部１０ｂは、基板１０の結晶方位などによって、様々な形状を取り得る。しかし、凹部１０ｂがどのような形状であっても、平坦な面からアルミニウムを拡散させた場合と比較して、高濃度ｐ型拡散層１２を均質に形成することができる。

均質な高濃度ｐ型拡散層１２が得られれば、少数キャリアに対する十分な障壁効果が得られる。また、十分な反転層抑制効果が得られる。さらに、より良好なオーミック接触が得られる。そのため、変換効率が向上する。

また、本実施形態にかかる光電変換素子１の製造方法によれば、裏面パッシベーション膜３０に開口部３０ａを形成する工程において、開口部３０ａと平面視で重畳する部分において、基板１０に凹部１０ｂを形成する。続いて、凹部１０ｂに接してアルミニウムペースト４０が形成される。

このアルミニウムペースト４０を焼成することにより、凹部１０ｂからアルミニウムが拡散する。平坦な面から拡散させる場合と比較して、凹部１０ｂから拡散させることによって、より等方的にアルミニウムを基板１０へ拡散させることができる。したがって、均質な高濃度ｐ型拡散層１２が得られ、光電変換素子１の変換効率が向上する。

［比較例］
ここで、本実施形態の効果を説明するために、仮想的な比較例について述べる。図４は、比較例にかかる光電変換素子９の概略構成を模式的に示す断面図である。

光電変換素子９は、光電変換素子１と、裏面側の構成が異なっている。光電変換素子９は、基板１０に凹部１０ｂが形成されていない。

裏面電極４２は、裏面パッシベーション膜３０の開口部３０ａを介して、基板１０の平坦な裏面と接触している。正確には、裏面電極４２と基板１０との界面には、アルミニウム‐シリコンの合金層６１が形成されている。合金層６１の厚さは、３０〜４０μｍである。そして、合金層６１の近傍には、高濃度ｐ型拡散層１３が形成されている。高濃度ｐ型拡散層１３の厚さは、１０μｍ程度である。

光電変換素子９の構成では、アルミニウムは、裏面電極４２と合金層６１との平坦な界面から基板１０内へ拡散する。このため、アルミニウムは、基板１０の深さ方向（図４の上下方向）に主に拡散する。したがってアルミニウムは、基板１０の深さ方向には、比較的深くまで拡散しているが、基板１０の面内方向（図４の左右方向）には、あまり拡散していない。

これにより、高濃度ｐ型拡散層１３の厚さが不均一になる。特に図４において一点鎖線で囲った領域Ｓ１において、高濃度ｐ型拡散層１３が十分に形成されない場合がある。その場合、少数キャリアに対する障壁効果が十分に得られない。また、反転層抑制効果が十分に得られない。

一方、本実施形態にかかる光電変換素子１の構成によれば、凹部１０ｂから等方的にアルミニウムが拡散されることにより、凹部１０ｂに均質な高濃度拡散層１２が形成される。

以上、本発明についての実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態のみに限定されず、発明の範囲内で種々の変更が可能である。

本発明は、光電変換素子および光電変換素子の製造方法として産業上の利用が可能である。

１，９ 光電変換素子、１０ ｐ型結晶シリコン基板、１０ａ テクスチャ構造、１０ｂ 凹部、１１ ｎ型拡散層、１２，１３ 高濃度ｐ型拡散層、２０ 反射防止膜、３０ 裏面パッシベーション膜、３０ａ 開口部、４０ アルミニウムペースト、４１，４２ 裏面電極、５０受光面電極、６０，６１ 合金層

Claims (12)

1. 片面にｎ型拡散層が形成され、前記片面と反対側の面に凹部を有するｐ型結晶シリコン基板と、
   前記ｐ型結晶シリコン基板の前記片面と反対側の面に接して形成され、前記凹部と対応する位置に開口部を有するパッシベーション膜と、
   前記開口部を介して前記凹部と接するように形成されたアルミニウム電極とを備え、
   前記ｐ型結晶シリコン基板は、該ｐ型結晶シリコン基板よりもドーパント濃度の高い高濃度ｐ型拡散層を前記凹部に有する、光電変換素子。
2. 前記開口部の一辺の長さは、２００μｍ以下である、請求項１に記載の光電変換素子。
3. 前記パッシベーション膜は、窒化ケイ素膜である、請求項１または２に記載の光電変換素子。
4. 前記ｐ型結晶シリコン基板は、ｐ型多結晶シリコン基板である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光電変換素子。
5. 前記ｐ型結晶シリコン基板は、ｐ型単結晶シリコン基板である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光電変換素子。
6. 片面にｎ型拡散層が形成されたｐ型結晶シリコン基板を準備する工程と、
   前記ｐ型結晶シリコン基板の前記片面とは反対側の面に、パッシベーション膜を形成する工程と、
   前記パッシベーション膜に開口部を形成する工程と、
   前記開口部を覆ってアルミニウム電極を形成する工程と、
   前記アルミニウム電極を焼成する工程とを備え、
   前記開口部を形成する工程において、前記開口部と平面視で重畳する部分において、前記ｐ型結晶シリコン基板に凹部を形成する、光電変換素子の製造方法。
7. 前記開口部を形成する工程は、
   前記開口部を形成する領域以外をマスクで覆う工程と、
   前記マスクで覆われた前記パッシベーション膜および前記ｐ結晶型シリコン基板をエッチングする工程とを備える、請求項６に記載の光電変換素子の製造方法。
8. 前記エッチングを、フッ化水素酸と硝酸との混酸により行う、請求項７に記載の光電変換素子の製造方法。
9. 前記開口部の一辺の長さは、２００μｍ以下である、請求項６〜８のいずれか一項に記載の光電変換素子の製造方法。
10. 前記パッシベーション膜は、窒化ケイ素膜である、請求項６〜９のいずれか一項に記載の光電変換素子の製造方法。
11. 前記ｐ型結晶シリコン基板は、ｐ型多結晶シリコン基板である、請求項６〜１０のいずれか一項に記載の光電変換素子の製造方法。
12. 前記ｐ型結晶シリコン基板は、ｐ型単結晶シリコン基板である、請求項６〜１０のいずれか一項に記載の光電変換素子の製造方法。

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