JP2014049743A - 低濃度ドーピングのエミッタを備えた半導体デバイスの製造における、鉛−テルルをベースとする酸化物を含有する導電性組成物の使用 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】低濃度ドーピングのエミッタ20を含有するシリコン半導体デバイス、例えば、光電池上で電極501を形成するために、厚膜導電性ペースト組成物を使用する方法を提供する。厚膜ペーストは、有機媒体中に分散された、導電性金属の供給源およびPb−Teをベースとする酸化物を含む。また、この方法によって製造されたデバイス、ならびに厚膜導電性ペースト組成物から形成される低濃度ドーピングのエミッタ20および電極501を含む光電池も提供される。
【選択図】図1F
Description
(a)接合を有するシリコン半導体基板を提供する工程であって、前側表面および裏面表面を有し、そしてシリコン半導体基板の少なくとも前側表面上に配置された1以上の絶縁膜と、シリコン半導体基板の前側表面の低濃度ドーピングのエミッタとを含む接合を有するシリコン半導体基板を提供する工程と、
(b)1以上の絶縁膜の少なくとも一部分上へ、導電性金属およびPb−Teをベースとする酸化物の全重量に基づく重量%で、
i)80〜99.5重量%の導電性金属と、
ii)0.5〜20重量%のPb−Teをベースとする酸化物と、
iii)有機媒体と
を含む厚膜導電性ペースト組成物であって、導電性金属およびPb−Teをベースとする酸化物が有機媒体中に分散され、Pb−Teをベースとする酸化物が、Pb−Teをベースとする酸化物の全重量に基づく重量%で、30〜75重量%のPbOおよび25〜70重量%のTeO2を含む厚膜導電性ペースト組成物を塗布して、層状構造を形成する工程と、
(c)シリコン半導体基板、1以上の絶縁膜および厚膜ペーストを焼成する工程であって、厚膜ペーストの有機媒体は揮発し、それによって、1以上の絶縁層と接触し、シリコン半導体基板と電気的に接触する電極を形成する工程と
を含む方法を提供する。
本発明の実施形態は、電気伝導度をもたらす機能性材料、酸化物可融性材料および任意の添加剤を含む無機固体部分と、無機固体が分散される有機溶媒とを含み得るペースト組成物に関する。ペースト組成物は、界面活性剤、増粘剤、チキソトロープおよび結合剤などの追加的な成分をさらに含んでもよい。
厚膜組成物は、適切な電気的機能性を組成物に与える機能性成分を含む。電気的機能性成分は、導電性金属である。
一実施形態において、鉛−テルルをベースとする酸化物(Pb−Teをベースとする酸化物またはPb−Te−O)は、ガラス組成物であってもよい。一実施形態において、Pb−Teをベースとする酸化物は、可融性酸化物であることができる。本明細書で使用される場合、「可融性」という用語は、焼成作業で使用される加熱などの加熱時に流体となる材料の能力を指す。いくつかの実施形態において、可融性材料は、1種またはそれ以上の可融性従属成分から構成される。例えば、粉砕作業の結果としての微細粉末の形態のガラス材料は、しばしば、「フリット」と呼ばれ、そして本ペースト組成物に容易に組み込まれる。さらなる実施形態において、これらの組成物は、結晶質であってもよく、部分的結晶質であってもよく、非晶質であってもよく、部分的非晶質であってもよく、またはそれらの組み合わせであってもよい。一実施形態において、Pb−Teをベースとする酸化物組成物は、2種以上のガラス組成物を含んでもよい。一実施形態において、Pb−Teをベースとする酸化物組成物は、ガラス組成物、および結晶質組成物などの追加的な組成物を含んでもよい。本明細書において、これらの組成物は全て、ガラスまたはガラスフリットと呼ばれる。
Li2Oは、0〜2重量%、0.1〜1.4重量%または0.3〜1重量%であってもよく、
Na2Oは、0〜4重量%、0〜1重量%、0.25〜3重量%または0.35〜2.1重量%であってもよく、
Cr2O3は、0〜8重量%、0〜4重量%、0.4〜6重量%または1〜4重量%であってもよく、
そして、
Bi2O3は、0〜30重量%、0〜20重量%、2〜22重量%または5〜15重量%であってもよい。
SiO2は、0〜10重量%、0〜5重量%または0〜2重量%であってもよく、
B2O3は、0〜3重量%、0.2〜2.2重量%または0.4〜1.2重量%であってもよく、
CuOは、0〜4重量%、0〜1重量%または0.1〜0.5重量%であってもよく、
TiO2は、0〜4重量%、0〜1重量%または0.1〜1重量%であってもよく、
Ag2Oは、0〜15重量%、0〜10重量%または5〜10重量%であってもよく、
Fe2O3は、0〜4重量%、0〜2重量%または1〜2重量%であってもよく、
RuO2は、0〜4重量%、0〜1重量%または0.1〜1重量%であってもよく、
NiOは、0〜4重量%、0〜2重量%または1〜2重量%であってもよく、
そして、
Al2O3は0〜5重量%、0〜1重量%または0.1〜1重量%であってもよい。
上記のとおり、酸化物は、別の添加剤として本ペースト組成物に含まれてもよい。この添加剤は、(i)1種またはそれ以上の、Al、Li、Na、K、Rb、Cs、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Si、Mo、Hf、Ag、Ga、Ge、In、Sn、Sb、Se、Ru、Bi、PおよびYの酸化物、(ii)加熱時に上記酸化物の1種またはそれ以上を形成する1種またはそれ以上の物質、ならびにそれらの混合物からなる群から選択される。酸化物添加剤は、供給元から受け取ったまま粉末の形態で組成物に組み込むことができ、あるいは、より小さい平均粒径まで、粉末を粉砕またはミル粉砕することができる。それらを本ペースト組成物に組み込むことが可能であり、その必要とされる機能性を提供することが可能である限り、あらゆる径の粒子を使用することも可能である。一実施形態において、ペースト組成物は、5重量%までの別の酸化物添加剤を含む。
厚膜ペースト組成物の無機成分は、有機媒体と混合されて、印刷に適切な粘稠性およびレオロジーを有する粘性ペーストを形成する。混合物は、「ペースト」または「インク」と呼ばれる粘性材料を形成する。広範囲の種々の不活性粘性材料を、有機媒体として使用することができる。この有機媒体は、ペーストの製造、輸送および貯蔵の間、ならびにスクリーン印刷プロセスの間の印刷スクリーンにおいて、適度な安定性で無機成分が分散可能であるものであることが可能である。
本発明の一態様は、基板上で導電性構造を形成するために使用され得る方法を提供する。この方法は、一般に、基板を提供する工程と、ペースト組成物を塗布する工程と、基板を焼成する工程を含む。通常、基板は平面で比較的薄く、したがって、その両側において第1(前面)および第2(裏面)の主要表面を定義する。
一実施形態において、厚膜ペースト組成物は、いずれかの順番で、導電性金属粉末、Pb−Teをベースとする酸化物および有機媒体を混合することによって調製することができる。いくつかの実施形態において、無機材料は最初に混合され、次いで、それらは有機媒体に添加される。必要であれば、1種またはそれ以上の溶媒の追加によって粘度を調節することができる。高剪断を提供する混合方法は有用であり得る。
厚膜ペースト組成物を、様々な異なる構造またはパターンで、基板の主要表面のあらかじめ選択された部分上にペーストとして塗布することができる。あらかじめ選択された部分は、第1の主要表面、すなわち、前面の全表面積のいずれかの分数を含んでもよく、表面積の実質的に全てを含む。一実施形態において、ペーストは、単結晶、キャストモノ、多結晶(multi−crystal,polycrystalline)、リボンシリコンまたは他のいずれの半導体材料であってもよい半導体基板上で塗布される。
焼成作業は、析出されたペーストから有機媒体の実質的に完全な燃焼を実行するために本方法において使用される。焼成は、典型的に有機材料の揮発および/または熱分解を伴う。乾燥作業は、任意に印刷工程の後、焼成作業の前に行われて、そして、そのほとんどの揮発性有機物、例えば溶媒を除去することによって、ペースト組成物を硬化するために適切な温度で実行される。
本発明のいくつかの実施形態において、ペースト組成物は、基板の主要面の1以上において存在する1以上の絶縁層を有する半導体基板などの基板とともに使用される。1以上の絶縁層は、シリコン半導体基板の少なくとも前面上に配置される。層は、酸化アルミニウム、酸化チタン、窒化ケイ素、SiNx:H(その後の焼成処理間の不動態化のために水素を含有する窒化ケイ素)、酸化シリコンおよび酸化シリコン/酸化チタンから選択される1種またはそれ以上の成分を含んでもよく、そしてこれらの材料のいずれかの単一な均一層または複数の連続副層の形態でもよい。窒化ケイ素およびSiNx:Hが広く使われている。
本発明の実施形態は、上記方法によって形成されてもよい基板および導電性電極を含む構造に関する。
本明細書に記載される構造は、光起電性デバイスを含む半導体デバイスの製造において有用でもよい。本発明の実施形態は、本明細書に記載される1種またはそれ以上の構造を含有する半導体デバイスに関する。もう1つの実施形態は、本明細書に記載される1種またはそれ以上の構造を含有する光起電性デバイスに関する。またさらに、本明細書に記載される1種またはそれ以上の構造を含有する光電池、およびこれらの構造の1種またはそれ以上を含有する太陽パネルが提供される。
Si太陽電池は、精製されたSiに、制御された不純物(ドーパントと呼ばれる)を添加することによって作成される。種々のドーパントが、Siに、ポジ型(p型)およびネガ型(n型)半導体特性を与える。p型およびn型Siの間の境界(接合)は、太陽電池において電気的な電荷担体に動力を提供する関連(ビルトイン)電圧を有する。ドーパント濃度は、最適な電池性能を達成するために制御されなければならない。高いドーパント濃度は、Si範囲内で低い電気抵抗力を与え、そして(金属接触に対する)Si表面で抵抗損失を減少させる。それによって、再結合損失を増加させるSi格子の結晶欠陥または電気混乱も導入される。
表1の鉛−テルルをベースとする酸化物(Pb−Teをベースとする酸化物)組成物は、表1に記載される最終的な組成に基づき、Pb3O4、PbO、PbO2、TeO2、Li2O、Li2CO3、Bi2O3、Na2O、Na2CO3、Cr2O3、H3BO3またはB2O3の1種またはそれ以上を混合およびブレンドすることによって調製された。ブレンドされた粉末バッチ材料を白金合金るつぼに装填し、次いで、空気またはO2含有雰囲気を使用する900〜1000℃の炉に挿入した。加熱処理の期間は、成分の全溶液の達成後、20分であった。成分の融解から得られた低い粘度の液体を、次いで、金属ローラーでクエンチした。次いで、クエンチされたガラスはミル粉砕されて、スクリーンされ、0.1〜3.0ミクロンのD50を有する粉末が提供された。
一般には、表3のペーストは、以下の手順を使用して調製された。表2からの溶媒、結合剤および界面活性剤の適切な量を計量し、プラスチックジャーに入れた。次いで、全成分が十分にブレンドされるまで、それらを混合した。
70〜75Ω/γリンドーピングのn型低濃度ドーピングのエミッタ(LDE)層を有する180ミクロンp型単結晶シリコンウエハから、表3の厚膜ペーストの性能を試験するための太陽電池を製造した。これらの単結晶ウエハは、DuPont Innovalight,Sunnyvale,CAから得た。使用される太陽電池は、ピラミッド形酸性エッチングによってテクスチャリングされ、SiNX:Hの反射防止コーティング(ARC)を有した。OpTek System,UKからのレーザースクライビングツールを使用して、6平方インチのウエハを2.8平方cmに切断した。分離後、4点プローブを使用して、全てのチップの表面抵抗を測定し、そして65Ω/γ未満のチップを全て除去し、残りのチップを無作為化した。
本明細書に記載される方法によって構築された太陽電池の変換効率に関して試験した。効率を試験する代表的な方法を以下に示す。
表4に記載される最終組成物に示されるPb3O4、PbO、PbO2、TeO2、Li2O、Li2CO3、Bi2O3、Na2O、Na2CO3、Cr2O3、TiO2、Ag2O、AgNO3、NiO、Fe2O3、FeO、RuO2、CuO、Cu2O、Al2O3、SiO2、H3BO3またはB2O3の混合物を、15〜30分間、適切な容器で回転させ、出発粉末を混合した。出発粉末混合物を被覆白金るつぼに置き、そして10℃/分の加熱速度で、900℃まで空気中で加熱し、次いで、1時間900℃で保持し、混合物を溶融した。各溶解物を、円筒形ステンレス鋼ブロック(高さ8cm、直径10cm)の平坦な表面に注ぐことによって、別々にクエンチした。冷却されたボタンを、−100メッシュ粗製粉末へと微粉砕した。
本発明の態様に従って、表4のPb−Teをベースとする酸化物を、スクリーン印刷に適切なペースト組成物に調製した。ペーストは、追加的な溶媒で粘度を調節する前に、約9.7重量%の媒体と2〜6重量%の鉛−テルルをベースとする酸化物からなり、残りは銀粉末であった。
表6の電池の前面電極を形成するための表6のペースト組成物をそれぞれ使用して、本発明の態様に従って、光電池を製造した。(全ペースト組成物に基づく重量%での)各実施例のPb−Teをベースとする酸化物の量を下記表6に記載する。
表6のペースト組成物を使用してそのように製造された光電池の電気的特性を、ST−1000 IVテスター(Telecom STV Co.,Moscow,Russia)を使用して、25±1.0℃で測定した。IVテスターのXeアーク灯は、既知の強度の日光をシミュレーションし、電池の前面を照射した。テスターは、電流(I)および電圧(V)を測定するため、約400の負荷抵抗設定で4接触法を使用し、電池のI−V曲線を決定した。効率、フィルファクター(FF)および直列抵抗(Ra)は各電池のI−V曲線から得られた。Raは、従来の方法で、開放回路電圧条件付近のIV曲線の局所的勾配の逆数の負の値として定義される。当業者によって認識されるように、Raは都合よく決定され、そして電池の真の直列抵抗Rの近似値である。各組成物に関して、最適焼成温度は、各組成物および温度に対する5個の電池試験群に基づき、最高中央効率をもたらす温度として特定された。それぞれの最適焼成温度で焼成された電池群のための電気的結果を下記表6に示す。もちろん、この試験プロトコルは例示的であり、そして、効率を試験するための他の装置および手順は当業者によって認識されるであろう。
10: p型シリコン基板
20: n型拡散層
30: 絶縁膜
40: p+層(裏面電界、BSF)
60: 裏面に配置されたアルミニウムペースト
61: (裏面アルミニウムペーストを焼成することによって得られた)アルミニウム裏面電極
70: 裏面に配置された銀または銀/アルミニウムペースト
71: (裏面銀ペーストを焼成することによって得られた)銀または銀/アルミニウム裏面電極
500: 前面上に配置された厚膜ペースト
501: (厚膜ペーストを焼成することによって形成された)前面電極
Claims (11)
- 低濃度ドーピングのエミッタを含有するシリコン半導体基板上で電極を形成する方法であって、前記方法が、
(a)接合を有するシリコン半導体基板を提供する工程であって、前側表面および裏側表面を有し、かつ、前記シリコン半導体基板の少なくとも前記前側表面上に配置された1以上の絶縁膜と、前記シリコン半導体基板の前記前側表面の低濃度ドーピングのエミッタとを含む、接合を有するシリコン半導体基板を提供する工程と、
(b)厚膜導電性ペースト組成物を前記1以上の絶縁膜の少なくとも一部分上へ塗布して層状構造を形成する工程であって、前記厚膜導電性ペースト組成物が、
i)80〜99.5重量%の導電性金属と、
ii)0.5〜20重量%のPb−Teをベースとする酸化物と、
iii)有機媒体と
を含み、前記導電性金属および前記Pb−Teをベースとする酸化物が前記有機媒体中に分散されており、上記重量%が、前記導電性金属および前記Pb−Teをベースとする酸化物の全重量に基づいており、前記Pb−Teをベースとする酸化物が30〜75重量%のPbOおよび25〜70重量%のTeO2を含み、前記酸化物の重量%が前記Pb−Teをベースとする酸化物の全重量に基づく重量%である、層状構造を形成する工程と、
(c)前記シリコン半導体基板、前記1以上の絶縁膜、および前記厚膜ペーストを焼成する工程であって、前記厚膜ペーストの前記有機媒体が揮発することによって、前記1以上の絶縁層と接触し、かつ、前記シリコン半導体基板と電気的に接触する電極を形成する工程と
を含む方法。 - 前記厚膜導体組成物を乾燥させる工程をさらに含み、前記乾燥の工程が、工程(b)に続くが、工程(c)の前に実行される、請求項1に記載の方法。
- 前記Pb−Teをベースとする酸化物が、36〜52重量%のPbOおよび35〜55重量%のTeO2を含み、前記酸化物の重量%が前記Pb−Teをベースとする酸化物の全重量に基づいている、請求項1に記載の方法。
- 前記Pb−Teをベースとする酸化物が、Li2O、Na2OおよびCr2O3の全重量%が0.5〜8重量%の範囲となることを条件として、0〜2重量%の前記Li2O、0〜4重量%の前記Na2Oおよび0〜4重量%の前記Cr2O3をさらに含み、前記酸化物の重量%が、前記Pb−Teをベースとする酸化物の全重量に基づいている、請求項1に記載の方法。
- 前記Pb−Teをベースとする酸化物が、Li2OおよびBi2O3の全重量%が3.65〜20重量%の範囲となることを条件として、1.65〜20重量%の前記Bi2O3をさらに含み、前記酸化物の重量%が、前記Pb−Teをベースとする酸化物の全重量に基づいている、請求項4に記載の方法。
- 前記Pb−Teをベースとする酸化物が、SiO2、Al2O3、B2O3、CuO、TiO2、Ag2O、NiO、Fe2O3およびRuO2からなる群から選択される1種以上の酸化物をさらに含む、請求項5に記載の方法。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法によって製造された低濃度ドーピングのエミッタを含有するシリコン半導体デバイス。
- 前記シリコン半導体デバイスが光電池である請求項7に記載のシリコン半導体デバイス。
- 低濃度ドーピングのエミッタ、および、
i)80〜99.5重量%の導電性金属と、
ii)0.5〜20重量%のPb−Teをベースとする酸化物と、
iii)有機媒体と
を含む厚膜導電性ペースト組成物から形成された電極を含む光電池であって、前記導電性金属および前記Pb−Teをベースとする酸化物が前記有機媒体中に分散されており、上記重量%が前記導電性金属および前記Pb−Teをベースとする酸化物の全重量に基づいており、前記Pb−Teをベースとする酸化物が30〜75重量%のPbOおよび25〜70重量%のTeO2を含み、前記酸化物の重量%が前記Pb−Teをベースとする酸化物の全重量に基づいており、前記厚膜導電性ペースト組成物が焼成されていて前記有機媒体が除去されて前記電極を形成している、光電池。 - 前記Pb−Teをベースとする酸化物が、Li2O、Na2OおよびCr2O3の全重量%が0.5〜8重量%の範囲となることを条件として、0〜2重量%の前記Li2O、0〜4重量%の前記Na2Oおよび0〜4重量%の前記Cr2O3をさらに含み、前記酸化物の重量%が、前記Pb−Teをベースとする酸化物の全重量に基づいている、請求項9に記載の光電池。
- 前記Pb−Teをベースとする酸化物が、Li2OおよびBi2O3の全重量%が3.65〜20重量%の範囲となることを条件として、1.65〜20重量%の前記Bi2O3をさらに含み、前記酸化物の重量%が、前記Pb−Teをベースとする酸化物の全重量に基づいている、請求項10に記載の光電池。
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