JP2014060430A - 直接パターンによるピンホールフリーのマスク層を利用した太陽電池の製造方法 - Google Patents

直接パターンによるピンホールフリーのマスク層を利用した太陽電池の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】短絡その他の欠陥を生じさせることがない太陽電池の電極の製造方法を提供する。
【解決手段】誘電体層が上に設けられた基板を準備する。次に、誘電体層の上にピンホールフリーのマスク層を形成する。次に、パターニングされたピンホールフリーのマスク層をマスクとして利用して誘電体層をエッチングして、パターニングされた誘電体層を形成して、基板の一部を露呈させる。次に、パターニングされたピンホールフリーのマスク層を除去して、パターニングされた誘電体積層体を露呈させて、パターニングされた誘電体積層体内に複数の金属コンタクトを形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、再生可能エネルギー研究所が管理する光起電（ＰＶ）製造研究開発（Ｒ＆Ｄ）プログラムにおいて、米国エネルギー省のＺＡＸ−４−３３６２８−０５として、政府による支援を受けて行われた。政府は本発明に対する一定の権利を主張する。
本発明の実施形態は太陽電池製造分野に係り、具体的には、太陽電池製造で利用される直接パターンによるピンホールフリーのマスクに係る。
光電池は、太陽電池として通常知られているが、太陽光を電気エネルギーに直接変換するデバイスとして公知である。一般的に、太陽電池は、基板の表面付近にｐ−ｎ接合を形成する半導体プロセス技術により、半導体ウェハまたは基板上に製造される。太陽光が基板の表面に入射すると、バルク基板内に電子と正孔との対が形成され、これが基板のｐドープ領域およびｎドープ領域に泳動することで、ドープ領域間に電圧差を生じる。ドープ領域は、太陽電池上の金属コンタクトと結合され、電流を電池から電池に結合された外部回路へと流す。
通常、金属コンタクトは、先ず、光起電基板の背面の誘電体層または誘電体積層体をパターニングすることにより形成される。例えば、スクリーン印刷プロセスを利用して、誘電体層上にインクパターンが形成される。次いでこのインクパターンをエッチングプロセスにおけるマスクとして利用して、誘電体層をパターニングする。しかし、概して全体的な（「局所的」と対の用語である）エッチングプロセスが利用されるので、インクパターンに存在するピンホールも全て誘電体層にパターニングされ、誘電体層にピンホールが形成されてしまう。こうして形成される、パターニングされた誘電体層のピンホール内には、パターニングされた誘電体層内への金属コンタクトの形成で利用される金属層が詰ってしまい、短絡その他の欠陥を生じさせることがあり、問題である。
本発明の一実施形態における太陽電池製造方法の一連の処理を表すフローチャートである。
本発明の一実施形態における、図１のフローチャートにおける処理１０２に対応する、誘電体層が上に形成された基板の断面図である。
本発明の一実施形態における、図１のフローチャートの処理１０４に対応する、ピンホールフリーのマスク層が上に形成された基板の断面図である。
本発明の一実施形態における、図１のフローチャートの処理１０６に対応する、パターニングされたピンホールフリーのマスク層が上に形成された基板の断面図である。
本発明の一実施形態における、図１のフローチャートの処理１０８に対応する、パターニングされた誘電体層とパターニングされたピンホールフリーのマスク層とが上に形成された基板の断面図である。
本発明の一実施形態における、図１のフローチャートの処理１１０に対応する、パターニングされた誘電体層が上に形成され、パターニングされたピンホールフリーのマスク層が除去された基板の断面図である。
本発明の一実施形態における、図１のフローチャートの処理１１２に対応する、複数の金属コンタクトが上に形成された基板の断面図である。
本明細書は、太陽電池の製造方法を記載する。本開示には、具体的な化学的適合性等の、数多くの詳細事項が提供されており、これは本発明の実施形態の完全な理解を提供するためのものである。当業者であれば、これら詳細事項がなくとも、本発明の実施形態を実施可能であることは理解できる。また、金属堆積工程等の周知の処理工程については、本発明の実施形態を曖昧にすること回避するために、詳細には記載していない。さらに、図面に示す様々な実施形態は、あくまで例示であるので、必ずしも実際の縮尺で描かれていない場合があることを理解されたい。
本明細書は、太陽電池の製造方法を開示する。先ず、誘電体層が上に設けられた基板を準備することができる。一実施形態では、次に、ピンホールフリーのマスク層を誘電体層の上に形成する。マスクを利用しない場合には、次にピンホールフリーのマスク層をパターニングして、パターニングされたピンホールフリーのマスク層を形成する。一実施形態では、パターニング中に誘電体層によって基板が保護される。一実施形態では、パターニングされたピンホールフリーのマスク層をマスクとして利用して誘電体層をエッチングして、パターニングされた誘電体層を形成して、基板の一部を露呈させる。次に、パターニングされたピンホールフリーのマスク層を除去して、パターニングされた誘電体積層体を露呈させて、パターニングされた誘電体積層体内に複数の金属コンタクトを形成する。
直接パターンによるピンホールフリーのマスク層を利用することで、太陽電池の背面への複数の金属コンタクトの形成に利用される誘電体層または誘電体積層体にピンホールが実質的に形成されなくなる。本発明の一実施形態においては、最終的に太陽電池の複数の金属コンタクトを形成するパターニングプロセスで、インク層の代わりに、ピンホールフリーのマスク層が利用される。マスクするパターニングプロセスとは対照的に、ピンホールフリーのマスク層は、直接パターンでパターニングすることができる。一実施形態においては、直接パターンによるピンホールフリーのマスク層は、レーザアブレーション法でパターニングされる。別の実施形態では、直接パターンによるピンホールフリーのマスク層は、スポットエッチング法（spot etching technique）でパターニングされる。
直接パターンによるピンホールフリーのマスク層は、太陽電池の製造において利用可能である。図１は、本発明の一実施形態における太陽電池製造方法の一連の処理を表すフローチャート１００である。図２Ａ−図２Ｆは、本発明の一実施形態における、フローチャート１００における各処理に対応する、太陽電池製造の各処理の断面図である。
図２Ａは、本発明の一実施形態における、フローチャート１００における処理１０２に対応する、誘電体層が上に形成された基板の断面図である。フローチャート１００の処理１０２およびこれに対応する図２Ａを参照すると、上に誘電体層が設けられた基板が準備される。
図２Ａを参照すると、基板２００は、受光面２０２と背面２０４とを有する。一実施形態では、受光面２０２は図２Ａに示すようにテクスチャリング加工を施されており、太陽光収集の際の効率に関して望ましくない反射が軽減されている。一実施形態では、反射保護被膜層２２０が、基板２００の受光面２０２の上に、共形となるよう（conformal）形成される。複数の活性領域２０６が、基板２００の背面２０４に形成される。本発明の一実施形態においては、複数の活性領域２０６では、図２Ａに示すようにＮ+領域とＰ＋領域とが交互に形成されている。一実施形態では、基板２００は、結晶シリコンからなり、Ｎ＋領域は、リン系のドーパント不純物原子を含み、Ｐ＋領域は、ボロンのドーパント不純物原子を含む。基板２００の背面２０４には、誘電体層２０８が設けられる。一実施形態では、誘電体層２０８が二酸化シリコン等の材料からなっていてよいが、これに限定はされない。別の実施形態では、誘電体層２０８は誘電体層の積層体であり、例えば、誘電体層２０８が基板２００上に設けられた二酸化シリコン層と、二酸化シリコン層の上に設けられた窒化シリコン層とを含む。
図２Ｂは、本発明の一実施形態における、フローチャート１００の処理１０４に対応する、ピンホールフリーのマスク層が上に形成された基板の断面図である。フローチャート１００の処理１０４およびこれに対応する図２Ｂを参照すると、ピンホールフリーのマスク層が誘電体層の上に形成される。
図２Ｂを参照すると、ピンホールフリーのマスク層２１０は、誘電体層２０８の表面上に形成される。ピンホールフリーのマスク層２１０は、ピンホールの形成を伴わずに誘電体層２０８を共形にカバーする（conformal coverage）のに適した技術により形成されてよい。本発明の一実施形態においては、ピンホールフリーのマスク層２１０の形成には、化学気相成長法が利用されてよい。一実施形態では、化学気相成長法の利用には、アモルファスシリコン、アモルファスカーボン、またはポリイミド等の材料の堆積が含まれてよいが、材料はこれらに限定はされない。特定の実施形態では、ピンホールフリーのマスク層２１０はアモルファスシリコンからなり、シラン（ＳｉＨ４）またはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）等のガスを利用して化学気相成長法により形成されてよいが、利用されるガスはこれらに限定はされない。別の特定の実施形態では、ピンホールフリーのマスク層２１０はアモルファスカーボンからなり、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、またはプロピレン（Ｃ３Ｈ６）等のガスを利用して化学気相成長法により形成されてよいが、利用されるガスはこれらに限定はされない。ピンホールフリーのマスク層２１０の堆積を、誘電体層２０８の堆積と同じプロセス工程で行うと効率的な製造が可能となる。例えば一実施形態では、誘電体層２０８は、窒化シリコン層を含む誘電体層の積層体であり、ピンホールフリーのマスク層２１０は、化学気相成長法で利用される堆積用のガスを順番に提供することにより窒化シリコン層と同じプロセスステップで同じプロセスチャンバで堆積される。別の実施形態では、ピンホールフリーのマスク層２１０の形成には、アモルファスシリコン層を二酸化シリコンの誘電体層２０８の上に別のプロセス処理で形成することが含まれる。
図２Ｃは、本発明の一実施形態における、フローチャート１００の処理１０６に対応する、パターニングされたピンホールフリーのマスク層が上に形成された基板の断面図である。フローチャート１００の処理１０６およびこれに対応する図２Ｃを参照すると、ピンホールフリーのマスク層が、マスクを利用することなくパターニングされて、パターニングされたピンホールフリーのマスク層が形成される。
図２Ｃを参照すると、誘電体層２０８上のピンホールフリーのマスク層２１０がパターニングされて、パターニングされたピンホールフリーのマスク層２３０が形成される。一実施形態では、パターニングされたピンホールフリーのマスク層２３０のパターンによって、次に誘電体層２０８内に形成される複数のコンタクト開口の位置が定まる。ピンホールフリーのマスク層２１０をパターニングしてパターニングされたピンホールフリーのマスク層２３０を形成するときには、誘電体層２０８にあまり影響を及ぼさずにピンホールフリーのマスク層２１０を選択的にパターニングするのに適した技術が利用されてよい。本発明の一実施形態においては、ピンホールフリーのマスク層２１０をパターニングしてパターニングされたピンホールフリーのマスク層２３０を形成することには、レーザを利用するレーザアブレーション法の利用が含まれてよい。一実施形態では、レーザアブレーション法の利用には、ピンホールフリーのマスク層２１０が誘電体層２０８よりも速いアブレーションレートを有するようにレーザの波長を選択することが含まれる。特定の実施形態では、レーザアブレーション処理中には誘電体層２０８が基板２００を保護する。これは、誘電体層２０８のバンドギャップが基板２００のバンドギャップよりも大きいからであり、誘電体層２０８を利用しないと、ピンホールフリーのマスク層２１０のパターニングに利用されるレーザアブレーション処理により基板２００が影響を受けて望ましくないからである。
本発明の別の実施形態においては、ピンホールフリーのマスク層２１０をパターニングしてパターニングされたピンホールフリーのマスク層２３０を形成することには、スポットエッチング法の利用が含まれる。一実施形態では、スポットエッチング法の利用には、ピンホールフリーのマスク層２１０が誘電体層２０８よりも速いエッチングレートを有するようにウェットエッチング溶液を選択することが含まれる。特定の実施形態では、ウェットエッチング溶液の選択には、水酸化カリウム水溶液の利用が含まれる。特定の実施形態では、スポットエッチング処理中に誘電体層２０８が基板２００を保護する。これは、誘電体層２０８のエッチレートが基板２００のエッチレートより大幅に遅いからであり、誘電体層２０８を利用しないと、ピンホールフリーのマスク層２１０のパターニングに利用されるスポットエッチング処理により基板２００が影響を受けて望ましくないからである。なお、誘電体層２０８の厚みがピンホールフリーのマスク層２１０の厚みよりもかなり厚いことから、誘電体層２０８に対して直接スポットエッチング処理を行っても効果がない。従って本発明の一実施形態においては、太陽電池に複数の金属コンタクトを製造する際に、直接パターンによるピンホールフリーのマスク層を利用して誘電体層をパターニングすると好適である。一実施形態では、誘電体層２０８は、約１００から５００ナノメートルの範囲の厚みを有し、ピンホールフリーのマスク層２１０は約１から１００ナノメートルの範囲の厚みを有する。一実施形態では、ピンホールフリーのマスク層２１０のパターニングには、パターニングプロセス中に誘電体層２１０全体を保存することが含まれる。
従って、図２Ａ−図２Ｃに関して記載したように、ピンホールフリーのマスク層は、マスクを利用せずにパターニングして、パターニングされたピンホールフリーのマスク層を形成することができる。パターニングされたピンホールフリーのマスク層の形成に続いて、背面接触太陽電池用の金属コンタクトを製造することができる（図２Ｄ−図２Ｆに関する記載を参照のこと）。
図２Ｄは、本発明の一実施形態における、フローチャート１００の処理１０８に対応する、パターニングされた誘電体層とパターニングされたピンホールフリーのマスク層とが上に形成された基板の断面図である。フローチャート１００の処理１０８およびこれに対応する図２Ｄを参照すると、ピンホールフリーのマスク層をマスクとして利用することで誘電体層がエッチングされて、パターニングされた誘電体層が形成されて、基板の一部が露呈している。
図２Ｄを参照すると、パターニングされたピンホールフリーのマスク層２３０をマスクとして用いて誘電体層２０８内に複数のコンタクト開口を形成することで、パターニングされた誘電体層２４０が形成されている。誘電体層２０８をパターニングしてパターニングされた誘電体層２４０を形成するときには、基板２００の背面２０４に過度に影響を与える（例えばエッチングする）ことなく（つまり、複数の活性領域２０６の有効性を劣化させることなく）、パターニングされたピンホールフリーのマスク層２３０のパターンを選択的に転写するのに適した技術が利用されてよい。本発明の一実施形態においては、全体的な緩衝酸化物エッチング溶液（ＢＯＥ）を利用して（つまり、基板２００を緩衝酸化物エッチング溶液に沈水させて）誘電体層２０８をエッチングすることで、誘電体層２０８をパターニングして、パターニングされた誘電体層２４０を形成する。一実施形態では、緩衝酸化物エッチング溶液は、フッ化水素酸（ＨＦ）およびフッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）を含む水溶液からなる。特定の実施形態では、ＨＦ：ＮＨ４Ｆの割合が、約１：４−１：１０の範囲であり、約３−１０分間の期間、約摂氏３０−４０度の温度で、誘電体層２０８を緩衝酸化物エッチング溶液に漬ける。
図２Ｅは、本発明の一実施形態における、フローチャート１００の処理１１０に対応する、パターニングされた誘電体層が上に形成され、パターニングされたピンホールフリーのマスク層が除去された基板の断面図である。フローチャート１００の処理１１０およびこれに対応する図２Ｅを参照すると、パターニングされたピンホールフリーのマスク層が除去されて、パターニングされた誘電体層が露呈している。
図２Ｅを参照すると、パターニングされたピンホールフリーのマスク層２１０を選択的に除去することで、パターニングされ、複数の開口が形成された誘電体層２４０が得られる。本発明の一実施形態においては、パターニングされたピンホールフリーのマスク層２１０を選択的に除去するときには、基板２００の背面２０４に過度に影響を与える（例えばエッチングする）ことなく（つまり、複数の活性領域２０６の有効性を劣化させることなく）、パターニングされた誘電体層２４０においてパターン整合性が維持されるような適切な技術が利用されてよい。一実施形態では、パターニングされたピンホールフリーのマスク層２３０の除去には、水酸化カリウム水溶液の利用が含まれる。
図２Ｆは、本発明の一実施形態における、フローチャート１００の処理１１２に対応する、複数の金属コンタクトが上に形成された基板の断面図である。フローチャート１００の処理１１２およびこれに対応する図２Ｆを参照すると、パターニングされた誘電体層内には複数の金属コンタクトが形成されている。
図２Ｆを参照すると、パターニングされた誘電体層２４０の内部および複数の活性領域２０６の上に、金属を含む材料を堆積させてパターニングすることで、複数の金属コンタクト２５０が形成されている。一実施形態では、複数の金属コンタクト２５０を形成する際に利用される、金属を含む材料は、アルミニウム、銀、パラジウム、またはこれらの合金等の金属を含んでよいが、これらに限定はされない。本発明の一実施形態において、背面接触太陽電池２６０はこのようにして形成される。
太陽電池の製造方法を上述した。本発明の一実施形態においては、誘電体が上に設けられた基板が準備される。ピンホールフリーのマスク層を誘電体層の上に形成する。マスクを利用しない場合には、ピンホールフリーのマスク層をパターニングして、パターニングされたピンホールフリーのマスク層を形成する。一実施形態では、パターニング中に誘電体層によって基板が保護される。

Claims (23)

  1. 太陽電池の製造方法であって、
    誘電体層が上に設けられた基板を準備する工程と、
    前記誘電体層の上にピンホールフリーのマスク層を形成する工程と、
    パターニングされたピンホールフリーのマスク層を形成するべく、マスクを利用せずに前記誘電体層で前記基板を保護しながら、前記ピンホールフリーのマスク層をパターニングする工程と
    を備える製造方法。
  2. 前記ピンホールフリーのマスク層をパターニングする工程は、
    波長を有するレーザによるレーザアブレーション法を利用する工程を含む請求項１に記載の製造方法。
  3. 前記レーザアブレーション法を利用する工程は、
    前記ピンホールフリーのマスク層が前記誘電体層よりも速いアブレーションレートを有するように前記レーザの前記波長を選択する工程を含む請求項２に記載の製造方法。
  4. 前記ピンホールフリーのマスク層をパターニングする工程は、
    ウェットエッチング溶液によるスポットエッチング法を利用する工程を含む請求項１に記載の製造方法。
  5. 前記スポットエッチング法を利用する工程は、
    前記ピンホールフリーのマスク層が前記誘電体層よりも速いエッチングレートを有するように前記ウェットエッチング溶液を選択する工程を含む請求項４に記載の製造方法。
  6. 前記ウェットエッチング溶液を選択する工程は、
    水酸化カリウム水溶液を利用する工程を含む請求項５に記載の製造方法。
  7. 前記ピンホールフリーのマスク層を形成する工程は、
    化学気相成長法を利用する工程を含む請求項１に記載の製造方法。
  8. 前記化学気相成長法を利用する工程は、
    アモルファスシリコン、アモルファスカーボン、およびポリイミドからなる群から選択された材料を堆積させる工程を含む請求項７に記載の製造方法。
  9. 前記誘電体層が上に設けられた基板を準備する工程は、
    二酸化シリコン層が上に設けられた結晶シリコン基板を準備する工程を含み、
    前記ピンホールフリーのマスク層を形成する工程は、
    前記二酸化シリコン層の上にアモルファスシリコン層を形成する工程を含む請求項１に記載の製造方法。
  10. 前記ピンホールフリーのマスク層をパターニングする工程は、
    前記誘電体層全体を保存する工程を含む請求項１に記載の製造方法。
  11. 太陽電池の製造方法であって、
    誘電体積層体が上に設けられた基板を準備する工程と、
    前記誘電体積層体の上にピンホールフリーのマスク層を形成する工程と、
    パターニングされたピンホールフリーのマスク層を形成するべく、マスクを利用せずに前記誘電体積層体で前記基板を保護しながら、前記ピンホールフリーのマスク層をパターニングする工程と、
    パターニングされた誘電体積層体を形成して前記基板の一部を露呈させるべく、前記パターニングされたピンホールフリーのマスク層をマスクとして利用して前記誘電体積層体をエッチングする工程と、
    前記パターニングされた誘電体積層体を露呈させるべく前記パターニングされたピンホールフリーのマスク層を除去する工程と、
    前記パターニングされた誘電体積層体内に複数の金属コンタクトを形成する工程と
    を備える製造方法。
  12. 前記誘電体積層体をエッチングする工程は、
    全体的な緩衝酸化物エッチング溶液を利用する工程を含む請求項１１に記載の製造方法。
  13. 前記パターニングされたピンホールフリーのマスク層を除去する工程は、
    水酸化カリウム水溶液を利用する工程を含む請求項１１に記載の製造方法。
  14. 前記ピンホールフリーのマスク層をパターニングする工程は、
    波長を有するレーザによるレーザアブレーション法を利用する工程を含み、
    前記レーザアブレーション法を利用する工程は、
    前記ピンホールフリーのマスク層が前記誘電体積層体よりも速いアブレーションレートを有するように前記レーザの前記波長を選択する工程を含む請求項１１に記載の製造方法。
  15. 前記ピンホールフリーのマスク層をパターニングする工程は、
    ウェットエッチング溶液によるスポットエッチング法を利用する工程を含み、
    前記スポットエッチング法を利用する工程は、
    前記ピンホールフリーのマスク層が前記誘電体積層体よりも速いエッチングレートを有するように前記ウェットエッチング溶液を選択する工程を含む請求項１１に記載の製造方法。
  16. 前記ウェットエッチング溶液を選択する工程は、
    水酸化カリウム水溶液を利用する工程を含む請求項１５に記載の製造方法。
  17. 前記ピンホールフリーのマスク層を形成する工程は、
    化学気相成長法を利用する工程を含む請求項１１に記載の製造方法。
  18. 前記化学気相成長法を利用する工程は、
    アモルファスシリコン、アモルファスカーボン、およびポリイミドからなる群から選択された材料を堆積させる工程を含む請求項１７に記載の製造方法。
  19. 前記誘電体積層体が上に設けられた基板を準備する工程は、
    二酸化シリコン層が結晶シリコン基板の上に設けられ、窒化シリコン層が前記二酸化シリコン層の上に設けられた前記結晶シリコン基板を準備する工程を含み、
    前記ピンホールフリーのマスク層を形成する工程は、
    前記窒化シリコン層の上にアモルファスシリコン層を形成する工程を含む請求項１１に記載の製造方法。
  20. 前記ピンホールフリーのマスク層をパターニングする工程は、
    前記誘電体積層体全体を保存する工程を含む請求項１１に記載の製造方法。
  21. パターニングされた誘電体層が上に設けられた基板と、
    前記パターニングされた誘電体層の上に設けられた、パターニングされたピンホールフリーのマスク層と
    を備え、
    前記パターニングされた誘電体層および前記パターニングされたピンホールフリーのマスク層は、略同じパターンを有する太陽電池。
  22. 前記パターニングされたピンホールフリーのマスク層は、アモルファスシリコン、アモルファスカーボン、およびポリイミドからなる群から選択された材料を含む請求項２１に記載の太陽電池。
  23. 前記基板は結晶シリコンを含み、
    前記パターニングされた誘電体層は、二酸化シリコンを含み、
    前記パターニングされたピンホールフリーのマスク層はアモルファスシリコンを含む請求項２１に記載の太陽電池。
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