JP2013168605A - 太陽電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】第１導電型アモルファスシリコン膜と第２導電型アモルファスシリコン膜を、より確実に電気的に分離させることが可能な太陽電池の製造方法を提供する。
【解決手段】ｉ型アモルファスシリコン膜７及び第１導電型アモルファスシリコン膜８をシリコン基板５１に積層する工程と、ｉ型アモルファスシリコン膜７及び第１導電型アモルファスシリコン膜８の一部を除去する工程と、ｉ型アモルファスシリコン膜１９及び第２導電型アモルファスシリコン膜２０を積層する工程と、第２導電型アモルファスシリコン膜２０を一部残す領域に、マスク材３１を形成する工程と、ｉ型アモルファスシリコン膜７と第１導電型アモルファスシリコン膜８とのエッチング速度の差を利用して、ｉ型アモルファスシリコン膜１９及び第２導電型アモルファスシリコン膜２０をエッチングして除去する工程とを備えた太陽電池の製造方法。
【選択図】図４

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、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激に高まっている。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。

現在、最も多く製造および販売されている太陽電池は、太陽光が入射する側の面である受光面と、受光面の反対側である裏面とに電極が形成された構造のものである。

しかしながら、受光面に電極を形成した場合、電極における光の反射、吸収があることから、形成された電極の面積分だけ入射する太陽光が減少するので、裏面にのみ電極を形成した太陽電池が開発されている。この裏面にのみ電極を形成した太陽電池は、裏面電極型太陽電池とも呼ばれる。

図６、図７は、特許文献１に開示されている、裏面にのみ電極を形成した従来の太陽電池を表す図である。図６は、太陽電池の裏面側の平面図であり、図７は、図６のＡ−Ａ線における断面図であのる。

太陽電池１００の裏面には、ｎ側電極１４０ｎ及びｐ側電極１４０ｐが形成されている。また、半導体基板１１１の裏面には、ｉｎ接合１２０、ｉｐ接合１３０が形成されている。ｉｎ接合１２０は、ｉ型アモルファスシリコン層１２０ｉとｎ型アモルファスシリコン層１２０ｎとによって構成されている。また、ｉｐ接合１３０は、ｉ型アモルファスシリコン層１３０ｉとｐ型アモルファスシリコン層１３０ｐとによって構成されている。ｎ型アモルファスシリコン層１２０ｎとｐ型アモルファスシリコン層１３０ｐとは、ｉ型アモルファスシリコン層１３０ｉによって電気的に分離されている。１２０ｆは斜面である。

図８は、特許文献１に開示されている太陽電池の製造方法の一例である。図８に示すように模式的断面図を参照して説明する。

まず、図８（ａ）に示すように、ｎ型単結晶シリコン基板である半導体基板１１１の裏面上に、ＣＶＤ法を用いて、ｉ型アモルファスシリコン層１２０ｉとｎ型アモルファスシリコン層１２０ｎを順次形成する。これによって、ｉｎ接合１２０が形成される。

次に、図８（ｂ）に示すように、ｎ型アモルファスシリコン層１２０ｎ上に、ＣＶＤ法を用いて、被覆層１５０を形成する。被覆層１５０としては、例えば、窒化シリコンや酸化シリコンなどを用いることができる。

次に、図８（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ法によって、被覆層１５０の一部を所定間隔で第１方向に沿って除去する。これによって、第１方向に沿ってそれぞれ延びる複数の第１溝１５０ｇが形成される。

次に、図８（ｄ）に示すように、被覆層１５０をマスクとし、アルカリ水溶液を用いた等方性エッチング法によって、ｉ型アモルファスシリコン層１２０ｉとｎ型アモルファスシリコン層１２０ｎとの一部を所定間隔で第１方向に沿って除去する。これによって、第１方向に沿ってそれぞれ延びる複数本の第２溝１２０ｇが形成される。第２溝１２０ｇは、第１溝１５０ｇから半導体基板１１１側に延び、半導体基板１１１まで達するように形成される。

ここで、第２溝１２０ｇを形成する工程では、ｎ型アモルファスシリコン層１２０ｎのうち、被覆層１５０の第１方向と略直交する第２方向における一端部と半導体基板１１１との間に設けられた部分をも除去する。すなわち、被覆層１５０の下に設けられたｎ型アモルファスシリコン層１２０ｎを抉るように除去する。被覆層１５０の下でエッチングを等方的に進めることによって、ｉｎ接合１２０に斜面１２０ｆが形成される。

次に、図８（ｅ）に示すように、第２溝１２０ｇの底面上及び側面上に、ＣＶＤ法を用いて、ｉ型アモルファスシリコン層１３０ｉとｐ型アモルファスシリコン層１３０ｐとを順次形成する。これによって、ｉｐ接合１３０が形成される。被覆層１５０の下部にも回り込むようにｉ型アモルファスシリコン層１３０ｉ及びｐ型アモルファスシリコン層１３０ｐを形成することによって、ｉｎ接合１２０の斜面１２０ｆは、ｉｐ接合１３０のｉ型アモルファスシリコン層１３０ｉによって覆われる。ｎ型アモルファスシリコン層１２０ｎとｐ型アモルファスシリコン層１３０ｐとは、ｉ型アモルファスシリコン層１３０ｉによって電気的に分離される。

次に、図８（ｆ）に示すように、エッチング法によって、被覆層１５０を全て除去する。これによって、ｉｐ接合１３０とｎ型アモルファスシリコン層１２０ｎとが露出する。なお、このときｐ型アモルファスシリコン層１３０ｐの端部は、ｉ型アモルファスシリコン層１３０ｉによって覆われており、ｐ型アモルファスシリコン層１３０ｐの中央部は露出する。また、本工程において、被覆層１５０の表面に形成されたｉ型アモルファスシリコン層１３０ｉとｐ型アモルファスシリコン層１３０ｐとは、被覆層１５０とともに除去される。

次に、スパッタリング法を用いて、ｎ型アモルファスシリコン層１２０ｎ上及びｐ型アモルファスシリコン層１３０ｐ上に、第１方向に沿って、ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）層である透明電極層を形成する。続いて、印刷法や塗布法などを用いて、透明電極層上に銀ペーストである導電層を配ける。このようにして、太陽電池１００を形成した。

特開２０１０−８０８８７号公報（平成２２年４月８日公開）

しかしながら、被覆層１５０の下を抉るようにｎ型アモルファスシリコン層１２０ｎを形成した後に、ｉｐ接合１３０形成を行うと、被覆層１５０の下側であるｉｎ接合１２０が抉れた箇所において、ｉ型アモルファスシリコン層１３０ｉの膜厚が薄くなることがあり、ｎ型アモルファスシリコン層１２０ｎとｐ型アモルファスシリコン層１３０ｐが電気的に分離されない虞があった。アモルファスシリコンの品質は、結晶シリコンに比べると良くないため、ｎ型アモルファスシリコン層１２０ｎとｐ型アモルファスシリコン層１３０ｐが分離されずに直接接すると、太陽電池の光電変換効率は低下してしまう。したがって、アモルファスシリコンを用いた場合は、ｐｉｎ接合構造とすることが望ましい。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、ｎ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を、より確実に電気的に分離させる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、半導体基板の一表面に、第１のｉ型アモルファスシリコン膜及び第１導電型アモルファスシリコン膜を積層する第１工程と、第１のｉ型アモルファスシリコン膜及び第１導電型アモルファスシリコン膜の一部を除去する第２工程と、半導体基板の一表面及び第１導電型アモルファスシリコン膜上に、第２のｉ型アモルファスシリコン膜及び第２導電型アモルファスシリコン膜を積層する第３工程と、第２導電型アモルファスシリコン膜上の所定の領域に、マスク材を形成する第４工程と、マスク材が形成された領域以外の、第２のｉ型アモルファスシリコン膜及び第２導電型アモルファスシリコン膜をエッチングして除去する第５工程を備え、所定の領域は、第２工程で、ｉ型アモルファスシリコン膜及び第１導電型アモルファスシリコン膜を除去した領域の上方の領域を含み、エッチングにおいては、第２のｉ型アモルファスシリコン膜をエッチングする速度と、第１導電型アモルファスシリコン膜をエッチングする速度に差のあるエッチング液を用いる。

また、本発明の太陽電池の製造方法は、エッチング液は、アルカリ性溶液であってもよい。

また、本発明の太陽電池の製造方法は、アルカリ性溶液は、アルカリ濃度が１０ｗｔ％以上であり、第１導電型アモルファスシリコン膜のドーパント濃度は、５×１０^１７／ｃｍ^３より大きくてもよい。

また、本発明の太陽電池の製造方法は、第４工程は、第２導電型アモルファスシリコン膜上に、フォトレジストを塗布する第６工程と、所定の領域を、露光によりフォトレジストに転写する第７工程と、所定の領域以外のフォトレジストを現像液により除去する第８工程を備えてもよい。

また、本発明の太陽電池の製造方法は、第８工程及び第５工程を１工程で行ってもよい。

また、本発明の太陽電池の製造方法は、第１導電型は、ｐ型であり、第２導電型は、ｎ型であってもよい。

本発明によれば、第１導電型アモルファスシリコン膜と、第２導電型アモルファスシリコン膜を、より確実に電気的に分離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裏面図である。 図１のＡ−Ａ′の断面を表す模式的な図である。 図２の電極を除去し裏面から見た模式的な図である。 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。 アモルファスシリコン膜のドーパント濃度に対するアルカリ性溶液のエッチング速度の結果を示した図である。 従来技術の太陽電池の裏面側の平面図である。 図６のＡ−Ａ線における断面図である。 従来技術の太陽電池の製造方法を示す模式的な図である。

図１は、受光面と反対側の面である裏面にのみ電極を形成した本発明の一例の太陽電池を表す図である。図１は、太陽電池１の裏面側の平面図であり、太陽電池１の裏面には、第１導電型であるｐ型アモルファスシリコン膜に接しているｐ電極２、及び第２導電型であるｎ型アモルファスシリコン膜に接しているｎ電極３がそれぞれ帯状に交互に形成されている。

図２は、図１で示したＬ−Ｌ′の断面を表す模式的な図である。図２は、太陽電池の裏面側が上となっている。

第２導電型半導体基板である、ｎ型のシリコン基板５１の受光面には、テクスチャ構造１３が形成されており、テクスチャ構造１３の上には、表面不活性化と反射防止を目的とした窒化シリコン膜からなる反射防止膜１２が形成されている。

また、シリコン基板５１の裏面には、第１のｉ型アモルファスシリコン膜７とボロンをドーピングしたｐ型アモルファスシリコン膜８からなる積層膜、及び第２のｉ型アモルファスシリコン膜１９とリンをドーピングしたｎ型アモルファスシリコン膜２０からなる積層膜が所望の形状に形成されている。なお、ｉ型アモルファスシリコン膜７及び１９、ｐ型アモルファスシリコン膜８、ｎ型アモルファスシリコン膜２０の膜厚は、いずれも約１０ｎｍである。ｐ電極２、ｎ電極３は、アモルファスシリコン膜とオーミックコンタクトを形成する銀電極を用いる。

シリコン基板５１の裏面に形成されたアモルファスシリコン膜は、主に３つの領域から構成されており、第１領域４は、シリコン基板５１側から、ｉ型アモルファスシリコン膜７／ｐ型アモルファスシリコン膜８／ｉ型アモルファスシリコン膜１９／ｎ型アモルファスシリコン膜２０の順である構造である。また、第２領域５は、シリコン基板５１側から、ｉ型アモルファスシリコン膜７／ｐ型アモルファスシリコン膜８の順である構造である。さらに、第３領域６は、シリコン基板５１側から、ｉ型アモルファスシリコン膜１９／ｎ型アモルファスシリコン膜２０の順である構造である。

図３は、図２を裏面側から見た図であり、ｐ電極２及びｎ電極３を除いた場合の図である。第２領域５と第３領域６は、第１領域４によって、分離されている。第１領域４の短辺方向の幅は、１ｍｍよりも大きいと、光電効果により発生した少数キャリアが電極まで到達できなくなり発電効率の低下が生じるので、１ｍｍ以下であることが望ましい。

以下に、本発明の太陽電池の製造方法の一例を示す。

図４は、図１、および図２に示す本発明の太陽電池の製造方法の一例である。なお、図４は、太陽電池の裏面側が上となっている。

まず、図４（ａ）を用いて説明する。シリコン基板５１の一表面である受光面となる面（以下「シリコン基板の受光面」という。）の反対側の面である裏面（以下「シリコン基板の裏面」という。）に、窒化シリコン膜等のテクスチャマスク（図示せず）をＣＶＤ法、またはスパッタ法等で形成する。その後、シリコン基板５１の受光面にテクスチャ構造１３をエッチングにより形成する。エッチングは、たとえば、アルカリ水溶液を用いる。次に、テクスチャマスクを除去後、テクスチャ構造１３の上に、反射防止膜１２となる窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成する。

次に、図４（ｂ）に示すように、シリコン基板５１の裏面全面に、ｉ型アモルファスシリコン膜７及びｐ型アモルファスシリコン膜８を順次堆積して積層する。アモルファスシリコン膜の形成は、プラズマＣＶＤ法を用いる。

次に、図４（ｃ）に示すように、シリコン基板５１の裏面に形成したｉ型アモルファスシリコン膜７及びｐ型アモルファスシリコン膜８を、フォトリソグラフィとエッチングを用いて一部除去する。

次に、図４（ｄ）に示すように、シリコン基板５１の裏面側全面、すなわち、シリコン基板５１の裏面及びｐ型アモルファスシリコン膜８上に、ｉ型アモルファスシリコン膜１９及びｎ型アモルファスシリコン膜２０を順次堆積して積層する。この際のアモルファスシリコン膜形成も、プラズマＣＶＤ法を用いる。

次に、図４（ｅ）に示すように、マスク材３１を形成する。マスク材３１の形成領域は、図４（ｃ）の工程で、ｉ型アモルファスシリコン膜７及びｐ型アモルファスシリコン膜８を除去した領域の上方を含む、ｉ型アモルファスシリコン膜１９及びｎ型アモルファスシリコン膜２０を残す領域である。マスク材３１は、マスキングペースト等をインクジェット、またはスクリーン印刷等で塗布して形成する。

次に、図４（ｆ）に示すように、マスク材３１をマスクにし、アルカリ性溶液を用いて、ｉ型アモルファスシリコン膜１９及びｎ型アモルファスシリコン膜２０の一部をエッチングして除去する。

次に、図４（ｇ）に示すように、マスク３１を除去し、その後、ｐ型アモルファスシリコン膜８上にｐ電極２を、ｎ型アモルファスシリコン膜２０上にｎ電極３を、銀蒸着により形成する。このようにして、太陽電池１を形成する。

次に、図４（ｆ）工程における、アルカリ性溶液による、アモルファスシリコン層のエッチング速度について検討した結果を示す。

図５は、ｉ型、ｐ型、ｎ型アモルファスシリコン膜のアルカリ性溶液によるエッチング速度を示したものである。ｐ型、ｎ型アモルファスシリコン膜については、ボロン、またはリンのドーパント濃度を変えた場合の、エッチング速度の変化を示している。

ボロンを含むｐ型アモルファスシリコン膜の場合、アルカリ濃度が１ｗｔ％では、ボロンのドーパント濃度を変えても、エッチング速度は、３〜４Å／ｓｅｃ程度で大きな変化は見られないが、アルカリ濃度が２ｗｔ％以上になると、ボロンのドーパント濃度が高くなるに従って、エッチング速度は遅くなる。さらに、アルカリ濃度が１０ｗｔ％の場合、ボロンのドーパント濃度が５×１０^１７／ｃｍ^３のときに３Å／ｓｅｃ程度であったエッチング速度が、ドーパント濃度が５×１０^１７／ｃｍ^３より高くなると急激に遅くなり、８×１０^１８／ｃｍ^３で０．５Å／ｓｅｃ程度、１×１０^２０／ｃｍ^３で０．０３Å／ｓｅｃ程度と、２桁の違いがある。

一方、ｉ型アモルファスシリコン膜のエッチング速度は、アルカリ濃度１０ｗｔ％の場合に、５Å／ｓｅｃ程度で、アルカリ濃度を変化させても、エッチング速度に大きな変化は見られない。

また、リンを含むｎ型アモルファスシリコン膜のエッチング速度は、アルカリ濃度が１０ｗｔ％の場合に４〜５Å／ｓｅｃ程度で、リンのドーパント濃度を変化させてもエッチング速度の変化は小さい。アルカリ濃度を変化させても同様に、エッチング速度の変化は少ない。

以上のような結果から、アルカリ性溶液は、ｎ型アモルファスシリコン膜又はｉ型アモルファスシリコン膜をエッチングする場合は、アルカリ濃度・ドーパント濃度を変化させてもエッチング速度は変化せず、ｐ型アモルファスシリコン膜をエッチングする場合には、アルカリ濃度・ドーパント濃度によって、エッチング速度が変化することが分かった。その結果、ｐ型アモルファスシリコン膜のドーパント濃度が５×１０^１９／ｃｍ^３以上あり、アルカリ溶液の濃度が高い場合は、エッチング速度の差を利用して、ｐ型アモルファスシリコン膜上のｉ型アモルファスシリコン膜、ｐ型アモルファスシリコン膜をパターニングする際に用いることができることがわかった。

本実施例の太陽電池は、ｎ型アモルファスシリコン膜２０のリンのドーパント濃度は、1×１０^１９／ｃｍ^３で、ｐ型アモルファスシリコン膜８のボロンのドーパント濃度は、３×１０^１９／ｃｍ^３である。したがって、ｉ型アモルファスシリコン膜１９とｐ型アモルファスシリコン膜８の、アルカリ溶液によるエッチング速度の違いを利用して、パターニングすることができた。なお、ｉ型、ｐ型、ｎ型、いずれのアモルファス膜の場合も、アルカリ性溶液の処理温度は３５℃である。

本実施例では、実施例１の製造方法において、マスク材３１をフォトレジストで形成している点が異なる。

図４（ｅ）の工程において、ｎ型アモルファスシリコン膜２０上にフォトレジストを塗布し、ｉ型アモルファスシリコン膜１９及びｎ型アモルファスシリコン膜２０を残す領域のパターンを、フォトマスクを用いて露光によりフォトレジストに転写する。その後、現像液により、ｉ型アモルファスシリコン膜１９及びｎ型アモルファスシリコン膜２０を残す領域以外のフォトレジストを除去する。

さらに、現像液をアルカリ性の現像液にすれば、その現像液を用いて、ｎ型アモルファスシリコン膜２０及びｉ型アモルファスシリコン膜１９もエッチングして除去することが可能となり、図４（ｅ）と図４（ｆ）の工程を続けて行うことができ、２工程を１工程に低減することが可能となる。

本実施例では、水酸化カリウムを含むアルカリ性の現像液を用い、フォトレジスト除去後、さらに、その現像液によりｎ型アモルファスシリコン膜２０及びｉ型アモルファスシリコン膜１９もエッチングして除去した。現像液のアルカリ濃度は、１０ｗｔ％であり、処理温度は、３５℃であった。

フォトレジストの除去、ｎ型アモルファスシリコン膜２０及びｉ型アモルファスシリコン膜１９の除去の時間は、合わせて約３分であった。

上記では、ｎ型アモルファスシリコン膜及びｉ型アモルファスシリコン膜をエッチングする際、水酸化カリウムを含むアルカリ性の現像液を用いたが、他のアルカリ性の現像液を用いることも可能である。

以上のように、実施例１、２の製造方法において、アルカリ性溶液の、ｉ型アモルファスシリコン膜とｐ型アモルファスシリコン膜とのエッチング速度の差を用いることで、ｐ型アモルファスシリコン膜上の、ｉ型アモルファスシリコン膜とｎ型アモルフアスシリコン膜の積層膜をパターニングすることができる。したがって、ｎ型アモルファスシリコン膜と、ｐ型アモルファスシリコン膜を、より確実に電気的に分離することができる。

さらに、マスク材をフォトレジストにした場合、アルカリ性の現像液を用いることで、フォトレジスト除去工程を行い、ｐ型アモルファスシリコン膜上の、ｎ型アモルファスシリコン膜及びｉ型アモルファスシリコン膜のパターニング、すなわち、ｎ型アモルファスシリコン膜及びｉ型アモルファスシリコン膜除去工程を連続して１工程で行うことができるので、工程を低減することができる。

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

１ 太陽電池、２ ｐ電極、３ ｎ電極、４ 第１領域、５ 第２領域、６ 第３領域、７ ｉ型アモルファスシリコン膜、８ ｐ型アモルファスシリコン膜、１２ 反射防止膜、１３ テクスチャ構造、１９ ｉ型アモルファスシリコン膜、２０ ｎ型アモルファスシリコン膜、３１ マスク材、５１ シリコン基板。

Claims (6)

1. 半導体基板の一表面に、第１のｉ型アモルファスシリコン膜及び第１導電型アモルファスシリコン膜を積層する第１工程と、
   前記第１のｉ型アモルファスシリコン膜及び前記第１導電型アモルファスシリコン膜の一部を除去する第２工程と、
   前記半導体基板の一表面及び前記第１導電型アモルファスシリコン膜上に、第２のｉ型アモルファスシリコン膜及び第２導電型アモルファスシリコン膜を積層する第３工程と、
   前記第２導電型アモルファスシリコン膜上の所定の領域に、マスク材を形成する第４工程と、
   前記マスク材が形成された領域以外の、前記第２のｉ型アモルファスシリコン膜及び前記第２導電型アモルファスシリコン膜をエッチングして除去する第５工程を備え、
   前記所定の領域は、前記第２工程で、前記ｉ型アモルファスシリコン膜及び前記第１導電型アモルファスシリコン膜を除去した領域の上方の領域を含み、
   前記エッチングにおいては、前記第２のｉ型アモルファスシリコン膜をエッチングする速度と、前記第１導電型アモルファスシリコン膜をエッチングする速度に差のあるエッチング液を用いた太陽電池の製造方法。
2. 前記エッチング液は、アルカリ性溶液である請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
3. 前記アルカリ性溶液は、アルカリ濃度が１０ｗｔ％以上であり、
   前記第１導電型アモルファスシリコン膜のドーパント濃度は、５×１０^１７／ｃｍ^３より大きい請求項２に記載の太陽電池の製造方法。
4. 前記第４工程は、
   前記第２導電型アモルファスシリコン膜上に、フォトレジストを塗布する第６工程と、
   前記所定の領域を、露光によりフォトレジストに転写する第７工程と、
   前記所定の領域以外の前記フォトレジストを現像液により除去する第８工程を備える請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
5. 前記第８工程及び前記第５工程を１工程で行う請求項４に記載の太陽電池の製造方法。
6. 前記第１導電型は、ｐ型であり、前記第２導電型は、ｎ型である請求項１〜５のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。