JP2014197578A - 太陽電池の製造方法 - Google Patents

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光央 齋藤
奥村　智洋
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智洋 奥村
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Yoshikane Shishida
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Abstract

【課題】低コストと高効率を両立する太陽電池の製造において、受光面電極１０７を形成する際に、塗布膜１０３ｂおよびＳｉＮｘ膜１０６を除去する方法としてレーザースクライブ法を用いたが、残渣量のバラつきなどにより、接触抵抗にバラつきが生じていた。
【解決手段】基材の表面に濃度の異なるドープ拡散層を形成させることで選択エミッタ層を形成し、さらに基材およびドープ拡散層表面にパシベーション膜を形成しつつ、パシベーション膜の一部を開口して電極を接触させる太陽電池の製造方法において、
電極を接触させる領域の表面に形成するドープ膜と、電極を接触させる以外の領域の表面に形成するドープ膜の濃度と膜厚を変える第１の工程と、基材に熱エネルギーを加えることで基材表面にドープ拡散層を形成する第２の工程と、ドープ膜の一部を残してドープ膜を除去する第３の工程を含ませること。
【選択図】図１

Description

本発明は太陽電池の製造方法に関するものである。
近年、結晶シリコン太陽電池のさらなる高効率化を実現するために、幾つもの手段が研究されている。以下に、ある程度の低コスト化と、十分な高効率化を実現しするために、我々が有効と思う手段を述べる。
その手段とは、まず１つ目に、キャリアライフタイムを向上させるために基板としてｎ型シリコンを用い、その基板の表面あるいは基板の裏面に、ドーパントとしてボロンによるｐ型の拡散層を形成させた構造とすることである。
２つ目に、拡散層表面の表面再結合速度の極小化とシリコンと電極の接触抵抗の極小化を両立させるために、表面をできるだけ相性の良い絶縁膜で覆うこと、さらに、絶縁膜の一部を開口して、面内で濃度差の異なるドープ拡散層を形成して濃いドープ拡散層と電極を接触させた構造とすることである。なお、この構造を選択エミッタ構造と呼ぶ。
この構造を実現するための製造方法の一例を、従来例として、特許文献１を元にした図２を用いて、以下に述べる。
基板としてｎ型のシリコン基板１０１を用い、その基板の受光面に、拡散剤としてドーパントを含む溶液１０２ａをスピンコート法により均一に塗布した（ 図２（１））。次に、ｎ型のシリコン基板１０１を３００℃以下の温度 で１乃至６０分程度加熱し、塗布させた溶液１０２ａを乾燥して塗布膜１０２ｂに固化させた。次に、基板の受光面にフォトレジストをスピン塗布し、プリベークし、受光面電極のパターンと同形状のガラスマスクを用いて露光し、現像して、フォトレジスト１１０を形成させた（ 図２（２））。
次に、１乃至８％濃度のＨＦ水溶液を用いて、塗布膜１０２ｂのフォトレジスト１１０に覆われていない領域を除去し、次いで、フォトレジスト１１０を除去することで、高濃度にドープ拡散層を形成するべく領域を開口させた（ 図２（３））。
次に、基板の受光面に溶液１０２ａと同一組成の溶液１０３ａを同様の手順で新たに前面に塗布し（ 図２（４））、ｎ型のシリコン基板１０１を３００℃以下の温度で１乃至６０分程度加熱し、塗布された溶液１０３ａを乾燥して塗布膜１０３ｂに固化させた（ 図２（５））。
このとき、溶液１０２ａの塗布後における乾燥条件と、溶液１０３ａの塗布後における乾燥条件との差異に従い、拡散される不純物の濃度の差が変化するため、拡散後の不純物濃度の差を広げるためには溶液１０２ａの乾燥温度より溶液１０３ａの乾燥温度を低くする必要がある。
次に、溶液が塗布された基板を８００℃乃至１０００℃の高温炉に投入し、ｐ型のドーパントを拡散させることで、乾燥条件が低温または短時間であるドープ濃度の高い塗布膜１０３ｂと接触するシリコン基板１０１の表面には、高濃度ドープ拡散層１０４を形成した。
また同時に、乾燥条件が高温または長時間であるドープ濃度の低い塗布膜１０２ｂと接触するシリコン基板１０１の表面には低濃度ドープ拡散層１０５を、それぞれ形成した（図２（６））。
次に、反射防止膜としてＣＶＤ法により、厚みが６０乃至８０μｍのＳｉＮｘ膜１０６を形成し（図２（７））、レーザースクライブ法を用いてＳｉＮｘ膜１０６、拡散後の塗布膜１０３ｂを除去して、高濃度ドープ拡散層１０４を露出させた後（図２（８））、ＳＣ１、ＳＣ２および短時間のＨＦ水溶液にてスクライブ後の高濃度ドープ拡散層１０４表面に存在する残渣および酸化層を除去した。
次に、受光面電極用のペーストを印刷し、４００℃乃至８００℃で焼成を行なって、受光面電極１０７を形成した。
なお、裏面側には、全体にＩＴＯ膜１０８を形成し、その後、裏面電極用のペーストとしてＡｇペーストを印刷し、４３０℃以下の比較的低温度で焼成し、裏面電極１０９を形成した（図２（９））。
このような製造方法により、市場と同等レベルの変換効率：１．０（指数）を達成する太陽電池を作製できるとしている。
特開２００６−０１２９１３号公報
しかしながら、従来例の製造方法では、変換効率：１．０（指数）を達成する太陽電池の歩留まりが８割程度であった。
その歩留まり低下の推定原因は２つあり、１つ目は、受光面電極１０７を形成する際に、塗布膜１０３ｂおよびＳｉＮｘ膜１０６を除去する方法としてレーザースクライブ法を用いたが、透過率の異なる塗布膜１０３ｂとＳｉＮｘ膜１０６を１種類のレーザーで除去するために、残渣量のバラつきが多くなったためである。
このバラつきが受光面電極１０７と高濃度ドープ拡散層１０４の接触抵抗にバラつきを生じさせたと推定する。
２つ目は、ドーパントの拡散に８００℃乃至１０００℃の高温処理が必要なため、ｎ型のシリコン基板１０１が僅かに変形することがあり、ｎ型のシリコン基板１０１の端部に設けたアライメントマークと高濃度ドープ拡散層１０４の相対位置にズレが生じたためである。
この相対位置のズレが、受光面電極１０７と高濃度ドープ拡散層１０４の接触面積にバラつきを生じ、接触抵抗にバラつきが生じさせたと推定する。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、工程数を増やすことなく、低コストと高効率を両立する太陽電池の製造歩留まりを向上できる、製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の方法は、基材の表面に濃度の異なるドープ拡散層を形成させることで選択エミッタ層を形成し、さらに基材およびドープ拡散層表面にパシベーション膜を形成しつつ、パシベーション膜の一部を開口して電極を接触させる太陽電池の製造方法において、以下の特徴を有する。
〔１〕電極を接触させる領域の表面に形成するドープ膜と、電極を接触させる以外の領域の表面に形成するドープ膜の濃度と膜厚を変える第１の工程と、基材に熱エネルギーを加えることで基材表面にドープ拡散層を形成する第２の工程と、ドープ膜の一部を残してドープ膜を除去する第３の工程を含むことを備える構成とする。
〔２〕さらに好ましくは、基材がｎ型のシリコン基板であることが好ましい。
〔３〕さらに好ましくは、ドープ膜は、ドーパントを含んだ溶液を塗布方法により形成させる、塗布膜であることが好ましい。
〔４〕さらに好ましくは、電極を接触させる以外の領域の表面に形成するドープ膜よりも、電極を接触させる領域の表面に形成するドープ膜の膜厚が厚いことが好ましい。
〔５〕さらに好ましくは、電極を接触させる以外の領域の表面に形成するドープ膜よりも、電極を接触させる領域の表面に形成するドープ膜の濃度が高濃度であることが好ましい。
〔６〕さらに好ましくは、第３の工程では、膜厚が厚い部分のドープ膜を残して除去することが好ましい。
〔７〕さらに好ましくは、パシベーション膜よりも塗布膜の方が、塗布膜を除去する薬液に対し、エッチング速度が速いことが好ましい。
〔８〕さらに好ましくは、塗布方法として、印刷法を用いることが好ましい。
以上のように、本発明で開示する手段によれば、工程数を増やすことなく、低コストと高効率を両立する太陽電池の製造歩留まりを向上できる、製造方法を提供することができる。
本発明の実施の形態１における太陽電池の製造方法を示す模式図 本発明の従来例における太陽電池の製造方法を示す模式図
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明実施の形態１に係る、太陽電池の製造方法の模式図である。
基板としてｎ型のシリコン基板１を用い、その基板の受光面に、拡散剤としてドーパントを含む溶液２ａをスクリーン印刷法により間欠に塗布した（ 図１（１））。次に、ｎ型のシリコン基板１を５０乃至３００℃の温度で１乃至６０分程度加熱し、塗布させた溶液２ａを乾燥して塗布膜２ｂに固化させた。
次に、基板の受光面に溶液２ａよりもドープ濃度の高い組成の溶液３ａを同様の手順で新たに間欠に塗布した（ 図１（２））。この際、ドープ濃度の高い組成の溶液３ａは、塗布膜２ｂの１．５倍乃至５０倍の膜厚となる量にし、かつ塗布膜２ｂ上に覆いかかるように比較的ラフに塗布し、溶液２ａと同様に、５０乃至３００℃の温度で１乃至６０分程度加熱し、塗布させたドープ濃度の高い組成の溶液３ａを乾燥して、塗布膜３ｂに固化させた。
次に、溶液が塗布された基板を８００℃乃至１１００℃の高温炉に投入し、ｐ型のドーパントであるボロンを拡散させることで、ドープ濃度の低い塗布膜２ｂと接触するシリコン基板１の表面には低濃度ドープ拡散層５を、ドープ濃度の高い塗布膜３ｂと接触するシリコン基板１の表面には高濃度ドープ拡散層４を、それぞれ形成した（図１（３）） 。
次に、１乃至８％濃度のＨＦ水溶液を用いて塗布膜３ｂを残しつつ塗布膜２ｂを完全に除去した（図１（４））。
次に、基板の受光面全体に、つまり塗布膜３ｂも覆いつつ、反射防止膜としてＣＶＤ法により、厚みが６０乃至８０ｎｍのＳｉＮｘ膜６を形成した（図１（５））。
そして、リフトオフ法により、１乃至８％濃度のＨＦ水溶液を用いて塗布膜３ｂを完全に除去することで、ＳｉＮｘ膜６のうち、高濃度ドープ拡散層４の領域のみを開口させた（図１（６））。
次に、受光面電極用のペーストを印刷し、２００℃乃至８００℃で焼成を行なって、受光面電極７を形成した。
なお、裏面側には、全体にＩＴＯ膜８を形成し、その後、裏面電極用のペーストとしてＡｇペーストを印刷し、４３０℃以下の比較的低温度で焼成し、裏面電極９を形成した（図１（７））。
このような製造方法により、市場と同等レベルの変換効率：１．０（指数）以上を達成する太陽電池を作製できた。さらに、変換効率：１．０を達成する太陽電池の歩留まりを９５％以上に高めることができた。
なお、ドープ拡散層のドープ濃度は、本実施の形態では、高濃度ドープ拡散層４領域においては、ボロンのピーク濃度を５×１０19乃至５×１０20（ｃｍ-3）の範囲となるように、溶液濃度および熱拡散の処理温度と時間を調整し、低濃度ドープ拡散層５領域においては、ボロンのピーク濃度を１×１０18乃至２×１０19（ｃｍ-3）の範囲となるように、溶液濃度および熱拡散の処理温度と時間を調整した。
またさらに、本実施の形態では、低濃度ドープ拡散層５の領域に塗布した溶液２ａのＢ濃度は０．１乃至２．５％のものを用い、高濃度ドープ拡散層４の領域に塗布したドープ濃度の高い組成の溶液３ａのＢ濃度は、溶液２ａの２倍以上の濃度のものを用いた。
なお、塗布膜２ｂおよび塗布膜３ｂの膜厚は、シリコン基板の受光面にテクスチャを形成している場合、テクスチャの高さより厚い方が膜厚の均一性を確保しやすいため、好ましく、概ね、テクスチャの高さよりも１．５倍以上の厚み、かつ数μｍ以上とすることが好ましい。ただし、膜厚を厚くしすぎると、後工程のＨＦ水溶液による除去工程で、時間が掛かりすぎて好ましくなく、概ね１００μｍ以下が好ましい。
なお、塗布膜２ｂを除去した後に残す塗布膜の膜厚は、その後工程のＳｉＮｘ膜６よりも薄いとリフトオフが困難になるため、概ねＳｉＮｘ膜６の膜厚の２倍以上の厚みを残すことが好ましく、１００ｎｍ以上であることが好ましい。ただし、残す膜厚を厚くしすぎると、特に塗布膜の根元近傍でのＳｉＮｘ膜６の被覆性の悪化を引き起こすため、残す塗布膜の膜厚は概ね５０μｍ以下が好ましい。
以上のように、従来例よりも歩留まりを向上できた原因は、従来例のように、受光面電極７と高濃度ドープ拡散層４の間に残渣および残膜が発生するような工程を用いること無く、塗布膜を除去する際に、塗布膜３ｂの一部を残すという方法によって、ＳｉＮｘ膜６の開口にリフトオフ法を利用することができたからであると考える。
リフトオフ法を利用することにより、室温程度の低温でＳｉＮｘ膜６を容易に開口できたため、残渣も残膜も無く、かつ高濃度ドープ拡散層４上と受光面電極７の接触をセルフアライメント的に接触させることができる。
その結果、受光面電極７と高濃度ドープ拡散層４の間の接触抵抗に、殆どバラつきを生じさせることが無かったと考える。
本発明の太陽電池の製造方法によれば、低コストと高効率を両立する太陽電池の製造歩留まりを９５％以上に向上させることができる。
１，１０１ シリコン基板
２ａ，１０２ａ，１０３ａ 溶液
２ｂ，１０２ｂ，１０３ｂ 塗布膜
３ａ ドープ濃度の高い組成の溶液
３ｂ 塗布膜
４，１０４ 高濃度ドープ拡散層
５，１０５ 低濃度ドープ拡散層
６，１０６ ＳｉＮｘ膜
７，１０７ 受光面電極
８，１０８ ＩＴＯ膜
９，１０９ 裏面電極

Claims (8)

  1. 基材の表面に濃度の異なるドープ拡散層を形成させることで選択エミッタ層を形成し、さらに基材およびドープ拡散層表面にパシベーション膜を形成しつつ、パシベーション膜の一部を開口して電極を接触させる太陽電池の製造方法において、
    電極を接触させる領域の表面に形成するドープ膜と、電極を接触させる以外の領域の表面に形成するドープ膜の濃度と膜厚を変える第１の工程と、
    基材に熱エネルギーを加えることで基材表面にドープ拡散層を形成する第２の工程と、
    ドープ膜の一部を残してドープ膜を除去する第３の工程と、を含むこと、
    を特徴とする太陽電池の製造方法。
  2. 基材がｎ型のシリコン基板である、請求項１記載の太陽電池の製造方法。
  3. ドープ膜は、ドーパントを含んだ溶液を塗布方法により形成させる塗布膜である、請求項１又は２に記載の太陽電池の製造方法。
  4. 電極を接触させる以外の領域の表面に形成するドープ膜よりも、電極を接触させる領域の表面に形成するドープ膜の膜厚が厚い、請求項１記載の太陽電池の製造方法。
  5. 電極を接触させる以外の領域の表面に形成するドープ膜よりも、電極を接触させる領域の表面に形成するドープ膜の濃度が高濃度である、請求項１記載の太陽電池の製造方法。
  6. 第３の工程は、膜厚が厚い部分のドープ膜を残して除去する、請求項１記載の太陽電池の製造方法。
  7. パシベーション膜よりも塗布膜の方が、塗布膜を除去する薬液に対し、エッチング速度が速い、請求項１記載の太陽電池の製造方法。
  8. 塗布方法として、印刷法を用いる、請求項１記載の太陽電池の製造方法。
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