JP2013131586A - 裏面電極型太陽電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非晶質半導体層及び半導体基板のキャリアライフタイムの低減を抑制することが可能な裏面電極型太陽電池の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板１の裏面の一部にｉ型非晶質半導体層２及び第１導電型の非晶質半導体層３を積層する工程と、第１導電型の非晶質半導体層３に一部重複させてｉ型非晶質半導体層４及び第２導電型の非晶質半導体層５を積層する工程と、第１導電型の非晶質半導体層３及び第２導電型の非晶質半導体層５上に透明電極６を形成する工程と、透明電極６上に金属電極７を形成する工程と、第１導電型の非晶質半導体層３と第２導電型の非晶質半導体層５の重複領域を含む領域の上方の、透明電極６及び金属電極７をウエットエッチングで分離する工程を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、裏面電極型太陽電池の製造方法、特に、裏面電極型太陽電池の入射光側の反対の面である裏面構造の製造方法に関する。

太陽光エネルギを電気エネルギに直接変換する太陽電池は、二酸化炭素を排出しないクリーンなエネルギ源として関心が高まっている。太陽電池の種類には、化合物半導体や有機物の材料を用いたものなど多くの種類があるが、主流はシリコン結晶を用いた太陽電池である。シリコン結晶を用いた太陽電池では、例えば、入射光側である受光面にｎ型半導体拡散層、裏面にｐ型半導体拡散層が形成されている両面電極型の太陽電池が広く開発されている。

また、高い光電変換効率を目指して、裏面にｎ型半導体拡散層とｐ型半導体拡散層を形成することによって受光面の受光面積を大きくし、光吸収による電流を大きくした裏面電極型太陽電池が開発されている。また、拡散層の代わりに、ｉ層と、ｐ層／ｎ層のアモルファスシリコン層を用いることによって、開放電圧を大きくしたヘテロ接合型太陽電池が開発されている。さらに、特許文献１には、上記に述べた２種類の太陽電池を組み合わせたヘテロ接合型の裏面電極型太陽電池が示されている。

図３は、特許文献１に開示されている裏面電極型太陽電池の裏面側の平面図である。裏面電極型太陽電池１１０の裏面には、収集電極層１２０が形成されている。１１１は半導体基板、１１６は絶縁層、１２０ａはｐ側電極層、１２０ｂはｎ側電極層である。

図４は、図３のＡ−Ａ線における断面図である。半導体基板１１１の裏面には、第１半導体層１１２及び第２半導体層１１４が形成されている。第１半導体層１１２は、半導体基板１１１の裏面側から順次積層された、ｉ型アモルファスシリコン層とｐ型アモルファスシリコン層によって構成されている。また、第２半導体層１１４は、半導体基板１１１の裏面側から順次積層された、ｉ型アモルファスシリコン層とｎ型アモルファスシリコン層によって構成されている。

絶縁層１１６は、第２半導体層１１４上から第１半導体層１１２上まで跨って形成されている。透明電極層１１８は、第１半導体層１１２及び第２半導体層１１４を覆っており、一対の絶縁層１１６上に跨って形成されている。そして、収集電極層１２０は、透明電極層１１８上に形成されている。

ここで、透明電極層１１８と収集電極層１２０は、絶縁層１１６上において第１方向に沿って形成される分離溝１３０によって分離される。分離溝１３０は、レーザ光の照射によって、透明電極層１１８と収集電極層１２０とを第１方向に沿って除去することにより形成される。これにより、収集電極層１２０は、第１半導体層１１２上に配置されるｐ側電極層１２０ａと、第２半導体層１１４上に配置されるｎ側電極層１２０ｂとに分離される。

特開２００９−２００２６７号公報（平成２１年９月３日公開）

特許文献１の裏面電極型太陽電池１１０では、分離溝１３０を形成するためのレーザ光が第１半導体層１１２及び第２半導体層１１４に照射されないように、絶縁層１１６が形成されている。一般的に、絶縁層１１６の形成温度は、３５０℃〜１０００℃で、第１半導体層１１２及び第２半導体層１１４のようなアモルファス半導体層の形成温度は、１２０〜２００℃である。

しかしながら、第１半導体層１１２及び第２半導体層１１４の形成後に、第１半導体層１１２及び第２半導体層１１４の形成時よりも処理温度の高い工程があると、第１半導体層１１２、第２半導体層１１４及び半導体基板１１１のキャリアライフタイムを低減させてしまうことになる。

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、半導体層及び半導体基板のキャリアライフタイムの低減を抑制しつつ、透明電極層と収集電極層を分離することが可能な裏面電極型太陽電池の製造方法を提供することにある。

本発明の裏面電極型太陽電池の製造方法は、半導体基板の裏面の一部に、ｉ型非晶質半導体層及び第１導電型の非晶質半導体層を積層する第１工程と、第１導電型の非晶質半導体層に一部重複させて、ｉ型非晶質半導体層及び第２導電型の非晶質半導体層を積層する第２工程と、第１導電型の非晶質半導体層及び第２導電型の非晶質半導体層上に、透明電極を形成する第３工程と、透明電極上に、金属電極を形成する第４工程と、第１導電型の非晶質半導体層と第２導電型の非晶質半導体層の重複領域の上方の、透明電極及び金属電極をウエットエッチングで除去する第５工程を備える。

ここで、本発明の裏面電極型太陽電池の製造方法は、第５工程は、フォトリソグラフィ法により行われてもよい。

また、本発明の裏面電極型太陽電池の製造方法は、第１導電型は、ｎ型であってもよい。

また、本発明の裏面電極型太陽電池の製造方法は、第３工程は、スパッタリング法により形成し、第４工程は、蒸着法により形成してもよい。

また、本発明の裏面電極型太陽電池の製造方法は、第１工程及び第２工程の処理温度は、他の工程の処理温度よりも高くてもよい。

また、本発明の裏面電極型太陽電池の製造方法は、第１工程及び第２工程の処理温度は、１２０℃〜２００℃であってもよい。

本発明によれば、非晶質半導体層の形成後に、非晶質半導体層の形成工程の処理温度と同程度か、より低い処理温度で、他の工程を処理することができ、かつ、透明電極及び金属電極の分離も可能となるので、非晶質半導体層及び半導体基板のキャリアライフタイムの低減を抑制することが可能な裏面電極型太陽電池の製造方法を提供することができる。

本発明の裏面電極型太陽電池の一例の模式的な断面構成図である。 本発明の裏面電極型太陽電池の製造方法の一例を示す模式的な図である。 従来技術の裏面電極型太陽電池の裏面側の平面図である。 図３のＡ−Ａ線における断面図である。

図１は、本発明の裏面電極型太陽電池の一例の断面構成図である。図１は、裏面電極型太陽電池の入射光側の面と反対の面である裏面（以下、「裏面電極型太陽電池の裏面」という）側が上となっている。

裏面電極型太陽電池１１には、第１導電型であるｎ型半導体基板１の入射光側の面と反対の面である裏面（以下、「ｎ型半導体基板の裏面」という）に、第１導電型であるｎ型領域８と、第２導電型であるｐ型領域９が形成されている。なお、図１では、説明の便宜上、ｎ型領域８とｐ型領域９はそれぞれ１領域ずつしか示していないが、ｎ型半導体基板１の裏面には、ｎ型領域８とｐ型領域９は所定の間隔を空けて複数形成されている。

ｎ型領域８には、ｎ型半導体基板１の裏面に、ｎ型半導体基板１側より、真性のｉ型非晶質半導体層２、ｎ型非晶質半導体層３が形成されている。そして、ｎ型非晶質半導体層３上には第１導電型のｎ型用電極８１が形成されている。ｎ型用電極８１は、ｎ型非晶質半導体層３側より、ｎ型用透明電極６１、ｎ型用金属電極７１が形成されている。また、ｐ型領域９には、ｎ型半導体基板１の裏面に、ｎ型半導体基板１側より、真性のｉ型非晶質半導体層４、ｐ型非晶質半導体層５が形成されている。そして、ｐ型非晶質半導体層５上には、第２導電型のｐ型用電極８２が形成されている。ｐ型用電極８２は、ｐ型非晶質半導体層５側より、ｐ型用透明電極６２、ｐ型用金属電極７２が形成されている。

ｉ型非晶質半導体層４、ｐ型非晶質半導体層５は、ｉ型非晶質半導体層２、ｎ型非晶質半導体層３に一部重なるように形成されている。

ｎ型用電極８１のエッジは、ｎ型非晶質半導体層３上で、ｉ型非晶質半導体層４、ｐ型非晶質半導体層５と接触しないように形成されている。

また、ｐ型用電極８２のエッジは、ｐ型非晶質半導体層５上で、ｎ型非晶質半導体層３と重複しない領域に形成されている。すなわち、ｐ型用電極８２の存在領域の下方には、ｉ型非晶質半導体層２、ｎ型非晶質半導体層３は存在しない。ｎ型非晶質半導体層３とｐ型非晶質半導体層５が重複する領域にｐ型用電極８２のエッジが形成されると、その真下に電流パスが形成されるので、光電変換効率が低下してしまうからである。

なお、ｎ型領域８、ｐ型領域９のエッジは、それぞれ、ｎ型用電極８１、ｐ型用電極８２のエッジと一致する。

このように、ｎ型非晶質半導体層３とｐ型非晶質半導体層５を一部重複して形成することで、ｎ型領域８とｐ型領域９の間は、ｎ型半導体基板１の裏面が露出しないようにしている。

以下に、本発明の裏面電極型太陽電池の製造方法の一例を示す。

図２は、図１に示す本発明の裏面電極型太陽電池の製造方法の一例であり、ｎ型半導体基板１の裏面側が上となっている。

まず、図２（ａ）を用いて説明する。半導体インゴットからスライスするなどによりｎ型半導体基板１を用意する。ここで、ｎ型半導体基板１としては、例えば、多結晶シリコン若しくは単結晶シリコンなどからなるシリコン基板、またはＧａＡｓやＩｎＰなどの化合物半導体からなる化合物半導体基板等を用いることができる。使用するｎ型半導体基板１は、スライスによって生じたダメージを除去しており、ｎ型半導体基板１の入射光側の面である受光面（以下、「ｎ型半導体基板の受光面」という）には、テクスチャ構造である凹凸構造が形成されていてもよい。なお、本実施形態では、ｎ型の単結晶シリコン基板を用いて説明する。

次に、ｎ型半導体基板１の裏面の一部の領域に遮蔽板９１を被せる。その後、プラズマ気相成長法（ｐｌａｓｍａ−ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＥＣＶＤ）や原子堆積法（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＤ）などの方法を用いて、ｉ型非晶質半導体層２及びｎ型非晶質半導体層３の順に形成する。ここで、ｉ型非晶質半導体層２及びｎ型非晶質半導体層３の膜厚は、各々数ｎｍ〜５０ｎｍ程度である。本実施形態では、ｉ型非晶質半導体層２及びｎ型非晶質半導体層３をプラズマ気相成長法によって形成し、その際の形成温度は、１２０℃〜２００℃であった。なお、ｉ型非晶質半導体層２はシランを用い、ｎ型非晶質半導体層３はホスフィンとシランを用いて形成する。

次に、図２（ｂ）に示すように、遮蔽板９１を除去した後、ｎ型非晶質半導体層３の一部に遮蔽板９２を被せて、プラズマ気相成長法や原子堆積法などの方法を用いて、非晶質半導体層４及びｐ型非晶質半導体層５の順に形成する。遮蔽板９２を被せた領域は、ｎ型領域８となる。ここで、ｉ型非晶質半導体層４及びｐ型非晶質半導体層５の膜厚は、各々数ｎｍ〜５０ｎｍ程度である。本実施形態では、ｉ型非晶質半導体層４及びｐ型非晶質半導体層５をプラズマ気相成長法によって形成し、その際の形成温度は、１２０℃〜２００℃であった。なお、ｉ型非晶質半導体層４はシランを用い、ｐ型非晶質半導体層５はジボランとシランを用いて形成する。

なお、ｎ型非晶質半導体層３とｐ型非晶質半導体層５が直接接すると、接した領域はｐｎ接合となり太陽電池の一部を形成することとなるが、一般的に、非晶質半導体の品質は、結晶半導体に比べ良くないため、非晶質半導体層が形成するｐｎ接合の存在は、結果的に太陽電池の光電変換効率を低下させることになる。したがって、ｎ型非晶質半導体層３とｐ型非晶質半導体層５は接しないことが望ましい。

また、図２（ｂ）において、成膜する際、遮蔽板９２のエッジは、ｎ型非晶質半導体層３が一部露出するように配置して、ｎ型非晶質半導体層３とｉ型非晶質半導体層４の重複領域を形成する。ｎ型半導体基板１が露出した領域ができると、ｎ型半導体基板１表面のキャリアの再結合が増加することになるので、ｎ型半導体基板１の露出部分がないようにすることが好ましい。そこで、ｎ型非晶質半導体層３とｉ型非晶質半導体層４の重複領域を形成することによって、ｎ型半導体基板１の露出を防ぐことができる。また、ｎ型非晶質半導体層３とｉ型非晶質半導体層４の重複領域を形成することによって、ｎ型非晶質半導体層３とｐ型非晶質半導体層５の間に、ｉ型非晶質半導体層４が形成される。

上記方法では、ｉ型非晶質半導体層２及びｉ型非晶質半導体層４をそれぞれ別々に形成するが、まず、最初にｎ型半導体基板１の裏面全面にプラズマ気相成長法等を用いてｉ型非晶質半導体層を形成し、その後、ｎ型非晶質半導体層３、ｐ型非晶質半導体層５を順に形成してもよい。この場合、ｎ型非晶質半導体層３とｐ型非晶質半導体層５の重複部分においては、ｎ型層とｐ型層が接することになるが、わずかな領域なので太陽電池の特性に影響を与えることはない。

次に、図２（ｃ）に示すように、例えば、スパッタリング法等を用いて、ｎ型非晶質半導体層３上と、ｐ型非晶質半導体層５上に透明電極６を形成する。ここで、透明電極６としては、例えば、酸化インジウムスズ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ等を用いることができる。本実施形態では、スパッタリング法でＩＴＯを形成した。その際の形成温度は、２００℃以下であった。

次に、図２（ｄ）に示すように、例えば、蒸着法や印刷法を用いて、透明電極６上に金属電極７を形成する。ここで、金属電極７としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、パラジウム（Ｐｄ）等の単体の金属からなる電極、もしくは、異なる種類の金属を積層させた電極がある。本実施形態では、蒸着法でアルミニウムを形成した。

次に、図２（ｅ）に示すように、スピンコータ等を用いて、金属電極７上にフォトレジスト材１０を塗布する。

次に、図２（ｆ）に示すように、フォトリソグラフィ法によってｎ型領域８とｐ型領域９の境界をパターニングする。この際、ｎ型非晶質半導体層３とｉ型非晶質半導体層４の重複領域を含む領域の上方はフォトレジストが除去されるようにする。

次に、図２（ｇ）に示すように、ｎ型用電極８１及びｐ型用電極８２を形成する。まず、金属電極７を溶解する水溶液に浸漬することで、金属電極７をウエットエッチングしてｎ型用電極７１とｐ型用電極７２に分離し、その後、透明電極６を溶解する水溶液に浸漬することで、透明電極６をウエットエッチングしてｎ型用透明電極６１とｐ型用透明電極６２に分離する。これによって、ｎ型用電極８１及びｐ型用電極８２を形成する。

この際、ｎ型用電極７１とｐ型用電極７２の分離、ｎ型用透明電極６１とｐ型用透明電極６２の分離は、いずれも、ｎ型非晶質半導体層３とのエッジ、および、ｐ型非晶質半導体層５のエッジを含む領域の上方で行う。つまり、ｎ型用電極８１のエッジは、ｎ型非晶質半導体層３上にあり、ｐ型用電極８２のエッジは、ｎ型非晶質半導体層３と重複しないｐ型非晶質半導体層５上にあるようにする。

また、透明電極６を溶解する水溶液のみに浸漬させることにより、リフトオフ法で、パターニングされた領域の金属電極７及び透明電極６を除去することもできる。本実施形態では、塩酸水溶液に浸漬することで、パターニングに沿ってＩＴＯとアルミニウムの両方をウエットエッチングして除去した。その後、フォトレジスト材１０を除去する。このようにして、裏面電極型太陽電池１１を作製することができる。

なお、上記方法では、透明電極６と金属電極７を形成した後に、フォトリソグラフィ法によりｎ型領域８とｐ型領域９に分離したが、透明電極６を形成した後にフォトリソグラフィ法によりｎ型用透明電極６１とｐ型用透明電極６２を分離し、その後、金属電極７を形成した後にフォトリソグラフィ法によりｎ型用金属電極７１とｐ型用金属電極７２に分離してもよい。

本実施形態の製造方法において、非晶質半導体層の形成後は、非晶質半導体層の形成工程の処理温度と比較して、同程度か、より低い処理温度で、他の工程を行うことができるので、ｎ型半導体基板１のバルク及び非晶質半導体層のキャリアライフタイムの低減を抑制することができる。したがって、ｎ型半導体基板１及び非晶質半導体層にダメージも与えることなく、ｎ型領域８とｐ型領域９に分離することができる。

今回、ｎ型単結晶シリコン基板について記載したが、ｐ型単結晶シリコン基板でも同様の結果が得られた。

１ ｎ型半導体基板、２ ｉ型非晶質半導体層、３ ｎ型非晶質半導体層、４ ｉ型非晶質半導体層、５ ｐ型非晶質半導体層、６ 透明電極、７ 金属電極、８ ｎ型領域、９ ｐ型領域、１０ フォトレジスト
材、１１ 裏面電極型太陽電池、６１ ｎ型用透明電極、６２ ｐ型用透明電極、７１ ｎ型用金属電極、７２ ｐ型用金属電極、８１ ｎ型用電極、８２ ｐ型用電極、９１ 遮蔽板、９２ 遮蔽板。

Claims (6)

1. 半導体基板の裏面の一部に、ｉ型非晶質半導体層及び第１導電型の非晶質半導体層を積層する第１工程と、
   前記第１導電型の非晶質半導体層に一部重複させて、ｉ型非晶質半導体層及び第２導電型の非晶質半導体層を積層する第２工程と、
   前記第１導電型の非晶質半導体層及び前記第２導電型の非晶質半導体層上に、透明電極を形成する第３工程と、
   前記透明電極上に、金属電極を形成する第４工程と、
   前記第１導電型の非晶質半導体層と前記第２導電型の非晶質半導体層の重複領域の上方の、前記透明電極及び前記金属電極をウエットエッチングで除去する第５工程を備えた裏面電極型太陽電池の製造方法。
2. 前記第５工程は、フォトリソグラフィ法により行われる請求項１に記載の裏面電極型太陽電池の製造方法。
3. 前記第１導電型は、ｎ型である請求項１または２に記載の裏面電極型太陽電池の製造方法。
4. 前記第３工程は、スパッタリング法により形成し、前記第４工程は、蒸着法により形成する請求項１〜３のいずれかに記載の裏面電極型太陽電池の製造方法。
5. 前記第１工程及び前記第２工程の処理温度は、他の工程の処理温度よりも高い請求項１〜４のいずれかに記載の裏面電極型太陽電池の製造方法。
6. 前記第１工程及び前記第２工程の処理温度は、１２０℃〜２００℃である請求項５に記載の裏面電極型太陽電池の製造方法。