JP2013520800A - Ｉｂｃ太陽電池用の自己整合のイオン注入 - Google Patents
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Abstract
基板にドーピングを行う改善方法を開示する。本方法は、相互嵌合バックコンタクト型（ＩＢＣ）太陽電池の生成に、特に、有益である。第１の導電型のドーパントを有するペーストを基板の表面に塗布する。このペーストは、後のイオン注入ステップ用のマスクとしての機能を果し、反対導電型を有するドーパントのイオンを、基板の露出部分に導入することを可能にする。イオンを注入した後に、マスクを除去することができ、ドーパントを活性化させることができる。アルミニウム主成分のペースト及びリン主成分のペーストを用いる方法を開示する。
Description
本発明は、太陽電池に関し、特に、イオン注入を用いて形成される太陽電池に関する。
イオン注入は、導電率を変える不純物をワークピースに導入するための標準的な技術である。所望の不純物材料がイオン源内でイオン化され、イオンは所定のエネルギーのイオンビームを形成するように加速され、イオンビームはワークピースの表面に向けられる。ビーム内のエネルギーイオンはワークピース材料の大部分に浸透し、所望の導電率の領域を形成するようにワークピース材料の結晶格子に埋め込まれる。
太陽電池は、シリコンワークピースを用いるデバイスの一例である。高性能太陽電池の製造もしくは生産コストの低減又は高性能太陽電池の効率の向上は、世界中で、太陽電池の実装にプラスの効果をもたらしている。これは、このクリーンエネルギー技術のより広い有用性を可能にする。
太陽電池は典型的には、ｐ−ｎ半導体接合から成る。図１は相互嵌合バックコンタクト型（interdigitated back contact (ＩＢＣ)）太陽電池の断面図である。ＩＢＣ太陽電池では、ｐ−ｎ接合は太陽電池の裏面、即ち、非被照面にある。光子１０は、矢印により示すように、頂面（即ち、非被照面）から太陽電池１００に入る。これらの光子は、基板１００に入り込む光子の数を最大にし、且つ、基板から反射される光子の数を最小にするように設計された反射防止膜（ＡＲＣ）１０４を通過する。ＡＲＣは、SiNx層で構成することができる。ＡＲＣ１０４の下は、パッシベーション層としても知られるSiO2層１０３とすることができる。もちろん、他の誘電体を用いることができる。太陽電池１００の裏面側にはエミッタ領域２０４がある。
太陽電池１００は、内部的には、ｐ−ｎ接合を有するように形成される。ｐ−ｎ接合は太陽電池１００の頂面に対してほぼ平行にならないようにする他の実装方法もあるけれども、このｐ−ｎ接合は、太陽電池１００の頂面に対してほぼ平行となるように示してある。いくつかの実施形態では、太陽電池１００は、ｎ型基板１０１を用いて製造される。光子１０は、正面電界層（ＦＳＦ）１０２としても知られるｎ＋ドープ領域から太陽電池１００に入る。（半導体のバンドギャップより上の）十分なエネルギーを有する光子は、半導体材料の価電子帯内の電子を伝導帯へと移動させることができる。この自由電子に関連付けられるのが、価電子帯における対応する正に帯電された正孔である。外部負荷を駆動することができる光電流を生成するためには、これらの電子-正孔（e-h）対を分離する必要がある。これは、ｐ−ｎ接合での内蔵電界により行われる。従って、ｐ−ｎ接合の空乏領域に生成されるe-h対は、デバイスの空乏領域へ拡散する他の少数キャリアのように、分離される。入射光子の大多数は、デバイスの表面領域の近くで吸収されるため、エミッタで生成される少数キャリアは、空乏領域に拡散させて、反対側に一掃する必要がある。
このｐ−ｎ接合の存在により引き起こされる電荷分離の結果として、光子によって生成される追加のキャリア（電子及び正孔）は、この場合、回路を完成させるように、外部負荷を駆動させるのに、用いることができる。
ドーピングパターンは、この特定の実施態様では、ｐ型とｎ型のドーパント領域が交互になっている。ｎ＋裏面電界領域（ＢＳＦ）２０４は、幅が約０．１〜０．７ｍｍの間であり、リン又は他のｎ型ドーパントでドープすることができる。ｐ＋エミッタ２０３は、幅が約０．５〜３ｍｍの間であり、ホウ素又は他のｐ型ドーパントでドープすることができる。このドーピングによって、ＩＢＣ太陽電池のｐ−ｎ接合を機能させ、効率を向上させることができる。図６は、ＩＢＣ太陽電池の裏面用の一般的なパターンを示す。金属のコンタクト又はフィンガー２２０は、全て、太陽電池１００の底面に取り付けられる。底面のある部分にｐ型ドーパントを注入して、エミッタ２０３を生成することができる。他の部分にｎ型ドーパントを注入して、もっと負にバイアスされる裏面電界領域２０４を生成する。裏面にはパッシベーション層２１０を被覆して、裏面の反射率を高める。金属フィンガー２２０ｂはエミッタ２０３に取り付けられ、金属フィンガー２２０ａはＢＳＦ２０４に取り付けられる。
このように、ＩＢＣ太陽電池を形成するには、２つのパターンドーピングのステップが必要とされる。これらのパターンドーピングのステップは、ｐ＋エミッタ２０３及びｎ＋裏面電界領域２０４が重なり合わないように、位置合わせをする必要がある。ｐ＋エミッタ２０３とｎ＋裏面電界領域２０４との間に隙間を残すことにより、お粗末な位置合わせ又は重なりを防ぐことができるが、これは、ＩＢＣ太陽電池の性能を劣化させる。適切に位置合わせをした場合でも、そのようなパターンドーピングは製造コストを高めることになる。例えば、フォトリソグラフィー又は（酸化膜のような）ハードマスクを用いることができるが、これらは共に高価であり、追加の処理ステップを必要とする。
図２は、従来技術によるＩＢＣ太陽電池を形成する第１の方法のブロック図である。このプロセスは、図６のパターンを生成するために良好に位置合わせしなければならない、（「スクリーン印刷によるパターンのレジスト」として示される）２つのパターン拡散ステップを必要とする。図３は、ＩＢＣ太陽電池を形成する第２の方法のブロック図である。この実施態様は、第１のブランケット拡散を実施する。次いで、エミッタをエッチングして下層のシリコンを露出する。酸化膜マスクをエッチングして、下層のシリコンにドープするのに、異なる化学物質を用いることができるけれども、エッチングマスク及び拡散マスクは同じものとすることができる。
図２〜３の実施態様は、ＩＢＣ太陽電池を形成するために、両方共、多くの高価なプロセスステップを必要とする。図３の実施態様は、図２の実施態様よりも少ないプロセスステップを用いるが、なお、複雑であり、多数の湿潤ステップを用いる。図２〜３のこれらの実施態様にとっては、酸化物層の追加が、さらに別の追加のプロセスステップとなっている。
従って、従来の太陽電池のドーピング技術は改善する必要があり、より具体的には、イオン注入を用いてのＩＢＣ太陽電池のドーピング法は改善する必要がある。
基板にドーピングを行う改善方法を開示する。本方法は、相互嵌合バックコンタクト型（ＩＢＣ）太陽電池の生成に、特に、有益である。第１の導電型のドーパントを有するペーストを基板の表面に塗布する。このペーストは、後のイオン注入ステップ用のマスクとしての機能を果し、反対導電型を有するドーパントのイオンを、基板の露出部分に導入することを可能にする。イオンを注入した後に、マスクを除去することができ、ドーパントを活性化させることができる。アルミニウム含有ペースト及びリン含有ペーストを用いる方法を開示する。
本発明をより良く理解するために、以下に、本明細書に参照用として含まれる添付図面を参照する。
太陽電池の実施形態をイオン注入装置に関連して本明細書で説明する。ビームラインイオン注入装置、プラズマドーピングイオン注入装置、集束プラズマシステム、プラズマシースを変調するシステム又はフラッドイオン注入装置を用いることができる。しかしながら、ガス拡散、炉拡散、レーザドーピング、他のプラズマ処理ツール又は当業者に知られた他の方法も用いることができる。特定のｎ型及びｐ型ドーパントを記載しているが、代わりに他のｎ型又はｐ型ドーパントを用いることができ、本明細書の実施形態は、記載したドーパントだけに限定されない。さらに、太陽電池の１つの特定の実施形態を具体的に記載しているが、このプロセスの実施形態は、他の太陽電池の設計又は半導体ウエーハ又はフラットパネルのような他のワークピースに適用することもできる。従って、本発明は、以下に説明する特定の実施形態に限定されない。
図４のＡ〜Ｄは、ＩＢＣ太陽電池を形成する第１の方法の断面図である。図４のＡでは、太陽電池３００の上にアルミニウムのペースト３０１をエミッタのパターンで印刷する。一例では、スクリーン印刷を用いるが、当業者に知られた他の印刷方法を同様に用いることができる。
図４のＢでは、太陽電池３００を炉で焼成する。温度は、アルミニウムが太陽電池３００に溶け込むことができるように、十分に高くする。炉は、一実施形態では、約５５０℃と８５０℃との間で動作するインライン炉とすることができる。アルミニウムペースト３０１は、溶融して、太陽電池３００のシリコンとともに、共融混合物を形成する。アルミニウムペースト３０１は、太陽電池３００のシリコンの中に、約２〜１０μｍのドープ層３０３も形成する。このドープ層は、太陽電池３００のｐ＋エミッタ３０３を形成する。
図４のＣでは、次いで、種３１０を太陽電池３００に注入する。種３１０はリンとすることができ、ｎ＋裏面電界領域３０４を形成することができる。他の実施形態では、他のＶ族元素をｎ型ドーパントとして用いることができる。アルミニウムペースト３０１は、種３１０がアルミニウムペースト３０１の下の太陽電池３００内に注入されるのを実質上阻止するマスクとしての機能を果すことができる。言い換えれば、種３１０の大多数は、アルミニウムペースト３０１を経て浸入することはない。いくつかの実施形態では、種３１０の少なくとも９０％は、アルミニウムペースト３０１を経て浸入することはない。いくつかの実施形態では、イオンの１００％をブロックすることができる。
１つの特定の実施形態では、太陽電池３００のｎ＋裏面電界領域３０４とは反対側に、少なくとも部分的に同時に、又は、後のステップの間に、リン又は別のｎ型ドーパントを注入することができる。これは前面電界領域を生成する。
図４のＤでは、アルミニウムペースト３０１及びアルミニウム−シリコンの共融混合物を、例えば、湿潤ステップを用いて除去する。いくつかの実施形態では、これは酸エッチングである。図４のＣの注入の間にアモルファス化されドープされたシリコンは、この湿潤ステップに耐性がある。共融混合物を除去して、ｐ＋エミッタ３０３の適切なパッシベーションを可能にする。注入したドーパントを、次いで、アニールステップのような熱活性化ステップで活性化させる。一例では、このアニールステップの間に、酸化物層を、少なくとも部分的に成長させて、太陽電池３００の前面及び裏面の両方共をパッシベートすることができる。
図５のＡ〜Ｄは、ＩＢＣ太陽電池を形成する第２の方法の断面図である。図５のＡでは、リンのドーピングペースト４０１を太陽電池４００に塗布する。他の実施形態では、ヒ素又はアンチモンのようなｎ型ドーパントを用いることができる。ホウ素、アルミニウム、ガリウム又はインジウムのようなｐ型ドーパントも用いることができる。
次いで、図５のＢでは、種４０５を太陽電池４００に注入する。種４０５はホウ素又は別のｐ型ドーパントとすることができ、ｐ＋エミッタ４０３を形成することができる。リンのドーピングペースト４０１は、種４０５がリンのドーピングペースト４０１の下の太陽電池４００に注入されるのを実質上阻止するマスクとしての機能を果すことができる。言い換えれば、種４０５の大多数は、ドーピングペースト４０１を経て浸入することはない。いくつかの実施形態では、種４０５の少なくとも９０％は、ドーピングペースト４０１を貫通しない。いくつかの実施形態では、イオンの１００％をブロックすることができる。
他の実施形態では、種４０５は、アルミニウム、ヒ素、アンチモン、リン、ガリウム及びインジウムを含む上述した種のいずれかとすることができる。言い換えれば、ｐ型ドーパントを含むペーストを塗布し、その後に、ｎ型ドーパントのイオンを注入することができる。他の実施形態では、上記のように、ｎ型ドーパントを含むペーストを塗布し、その後に、ｐ型ドーパントからのイオンを注入することができる。
リンのドーピングペースト４０１は、基板に浸入するのに、アルミニウムペースト３０１よりも、より多くの時間がかかる。従って、処理時間を低減させるために、拡散ステップを、図５のＢに例示した注入ｐ＋エミッタ４０３のアニール又は活性化と組み合わせることができる。従って、これと同時に、注入ホウ素が活性化され、リンはペーストからシリコン内へと拡散する。別の実施形態では、リンの拡散を、ｐ型ドーパントの活性化とは異なる時間に、行うことができる。
従って、図５のＣでは、太陽電池４００をアニールする。これは、ｐ＋エミッタ４０３を活性化させ、リンを太陽電池４００内に拡散させ、ｎ＋裏面電界領域４０４を形成する。もちろん、リンの拡散及びホウ素の活性化用の熱ステップは別々に行うことができる。一例では、熱ステップ又はアニールステップ中に、太陽電池のｎ＋裏面電界領域４０４とは反対側に、酸化物層が成長する。
図５のＤでは、リンのドーピングペースト４０１を除去する。リンのドーピングペースト４０１は、アニールプロセスの間に、リン−ケイ酸塩ガラスを形成することができる。一例では、リンのドーピングペースト４０１を除去するために、エッチングステップ又は緩衝ＨＦのプロセスを用いることができる。
図４〜５の実施形態によれば、ドープされるｎ型及びｐ型領域を、互いに、直接隣併せにするか、又は隣接させることができる。従って、ｎ型及びｐ型領域が整合し、ｐ−ｎ接合の両側のドーパント濃度が高くなることにより、このｐ−ｎ接合は狭くすることができる。キャリアは、量子力学トンネリングにより、ｐ−ｎ接合を横切ることができる。図４〜５の実施形態の熱ステップは、ドーパントをｐ−ｎ接合を横切って拡散させることを可能にするように、長くすることができる。ドーパントはこのｐ−ｎ接合を横切って拡散するので、境界における正味のキャリア濃度は低減し、空乏層の深さは増大する。より深い空乏層領域はトンネリングを抑制する。
他の実施形態では、用いる２つのドーパントの導電型を同じとすることができる。例えば、あるドーパントを太陽電池の一部に拡散し、その一方で、同じ導電型のイオンを太陽電池の隣接部分に注入するのが有益なことがある。
本発明は、本明細書に記載した特定の実施形態による範囲に限定すべきではない。実際に、本明細書に記載した実施形態に加えて、本発明の他の様々な実施形態及び変更は、前述の記載及び添付図面から当業者には明らかであろう。従って、そのような他の実施形態及び変更は、本発明の範囲内に入ることを意図している。さらに、本発明は、特定の目的のため、特定の環境で、特定の実施のコンテキストで、本明細書に記載したけれども、当業者は、その有用性がそれらに限定されず、本発明が、任意の数の目的のため、任意の数の環境で、有用に実施することができることを理解するであろう。従って、以下に記載の特許請求の範囲は、本明細書に記載されているように、本発明の全容及び精神に鑑みて解釈すべきである。
Claims (18)
- 導電性領域を基板に生成する方法であって、
第１のドーパント種を含むペーストを前記基板の表面の一部に塗布するステップと、
前記ペーストが前記表面の一部にある間に、前記第１のドーパント種とは反対の導電型を有する第２のドーパント種のイオンを前記表面に注入するステップであって、前記第２のドーパント種の前記イオンの大半は、前記ペーストに浸透しない、ステップと、
熱処理を行うステップと、
前記第２のドーパント種のイオンの注入後に、前記ペーストを除去するステップと、
を含む、導電性領域を基板に生成する方法。 - 前記第１のドーパント種及び前記第２のドーパント種のそれぞれは、アルミニウム、ホウ素、ガリウム、インジウム、リン、ヒ素及びアンチモンから成る群から選択される、請求項１に記載の方法。
- 前記熱処理は、前記ペーストを塗布した後で、前記第２のドーパント種の前記イオンを注入する前に行って、前記第１のドーパント種を前記基板内に拡散させる、請求項１に記載の方法。
- 前記第２のドーパント種は、前記第１のドーパント種とは反対の導電型を有するイオンを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記第２のドーパント種は、前記第１のドーパント種と同じの導電型を有するイオンを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記ペーストを除去した後、第２の熱処理を行うステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
- 前記第２の熱処理の間に、前記基板の前記表面及び前記表面の反対側の表面のうちの少なくとも１つに、パッシベーション剤を塗布する、請求項６に記載の方法。
- 前記熱処理は、前記第１のドーパント種を拡散させ、且つ前記第２のドーパント種からの注入ダメージをアニールするように、前記第２のドーパント種の前記イオンの前記注入後に行う、請求項１に記載の方法。
- 前記熱処理の間に、前記基板の表面の反対側の表面に、パッシベーション剤を塗布するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
- 前記大半は、前記イオンの９０％より大きい、請求項１に記載の方法。
- 反対の導電型の領域を基板に生成する方法であって、
アルミニウムを含むペーストを前記基板の表面の一部に塗布するステップと、
共融混合物を前記基板の表面の一部に生成するように、前記基板及び前記ペーストを加熱するステップと、
前記基板の加熱後で、前記ペーストが前記表面上にある間に、ｎ型ドーパントのイオンを前記表面に注入するステップであって、前記ｎ型ドーパントの前記イオンの大半は、前記ペーストに浸透しない、ステップと、
前記ｎ型ドーパントの前記イオンの注入後に、前記ペースト及び前記共融混合物を除去するステップと、
前記ｎ型ドーパントの前記イオンをアニールするために、第２の熱処理を行うステップと、
を含む、反対の導電型の導電領域を基板に生成する方法。 - 前記第２の熱処理の間に、前記基板の前記表面及び前記表面の反対側の表面のうちの少なくとも１つに、パッシベーション剤を塗布するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
- 前記加熱は、前記アルミニウムを前記基板内に溶融させるのに十分な温度で、行う、請求項１１に記載の方法。
- 前記温度は、約５５０℃と８５０℃との間である、請求項１３に記載の方法。
- 前記大半は、前記イオンの９０％より大きい、請求項１１に記載の方法。
- 反対の導電型の領域を基板に生成する方法であって、
リンを含むペーストを前記基板の表面の一部に塗布するステップと、
前記ペーストが前記表面上にある間に、ホウ素イオンを前記表面に注入するステップであって、前記ホウ素イオンの大半は、前記ペーストに浸透しない、ステップと、
前記リンを拡散させ、且つ前記ホウ素からの注入ダメージをアニールするように、前記ホウ素イオンの注入後で、前記ペーストが前記表面にある間に、熱活性化処理を行う、ステップと、
前記ペーストを除去するステップと、
を含む、反対の導電型の領域を基板に生成する方法。 - 前記熱活性化処理の間に、前記基板の前記表面の反対側の表面に、パッシベーション剤を塗布するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
- 前記大半は、前記イオンの９０％より大きい、請求項１６に記載の方法。
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