JP2014519723A - ポリシリコンエミッタ太陽電池のためのパターン化ドーピング - Google Patents

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Abstract

ポリシリコン製太陽電池の改良された製造方法が開示されている。ｐ型及びｎ型領域を有するポリシリコン層を形成すべく、ある型のドーパントのもとで層を成長させる。ドーピングされたポリシリコン層が作られた後、上記ドーパントとは反対の導電型のドーパントを有するイオンをポリシリコン層に選択的に注入する。この選択的注入は、シャドーマスクを用いて実行することができる。

Description

イオン注入は、導電性を変化させる不純物をワークピースに導入する際の標準的な方法である。所望の不純物材料はイオン源にてイオン化され、当該イオンが所定のエネルギを有するイオンビームになるよう加速されると、当該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イオンはワークピース材料のバルクに浸透し、当該材料の結晶格子に埋め込まれて所望の導電性領域を形成する。
太陽電池は、シリコン製のワークピースを用いるデバイスの一例である。高性能な太陽電池の製造又は生産コストの削減や、高性能な太陽電池の効率性の改善は、世界中の太陽電池の実装にプラスの効果をもたらすであろう。これにより、クリーンエネルギ技術のより広範囲にわたる可用性を実現できる。
従来、太陽電池は他の半導体デバイスと同様の工程を経て製造されており、多くの場合、その基板としてシリコンが用いられている。半導体太陽電池は内臓型の電界を有する単純なデバイスであり、この電界により、半導体材料内における光子の吸収によって生成された電荷キャリアを分離する。この電界は、通常、半導体材料の差別的なドーピングによって形成されるｐｎ接合（ダイオード）を用いて生成される。半導体基板の一部（例えば、表面領域）に、反対の極性の不純物をドーピングすると、光を電気に変換する光起電装置として使用できるｐｎ接合が形成される。
図１は、代表的な太陽電池１００の断面図である。ここでは、ｐｎ接合１２０の位置が被照面から離間している。また、光子１０は、矢印で示されるように、太陽電池１００の上面（又は被照面）から入光している。これらの光子は、基板１００を貫通する光子数を最大化し、かつ同基板１００に反射される光子数を最小化するよう設計された反射防止コーティング１０４を通過している。反射防止コーティング１０４は、ＳｉＮＸ層を具えることができる。反射防止コーティング１０４の下を、二酸化シリコンを含むパッシベーション層１０３とすることができる。もちろん、他の誘導体を用いることもできる。太陽電池１００の背面は、エミッタ１０６及びアルミニウム層１０７である。このような構成は、一例において、アルミニウムバックエミッタセルと称することができる。
太陽電池１００は、その内部にｐｎ接合１２０を有するよう形成される。このｐｎ接合１２０は、太陽電池１００の底面に実質的に平行に表れるが、太陽電池の底面に実質的に平行には表れない他の形態もある。いくつかの実施形態において、太陽電池１００はｎ型の基板１０１を用いて製造される。光子１０は、前面フィールド（ＦＳＦ）１０２としても知られるｎ＋ドープ領域を通って入光する。十分なエネルギ（半導体のバンドギャップを超えるエネルギ）を有する光子は、半導体材料の価電子帯内における電子の伝導帯への移動を促進することができる。この自由電子と関連しているのが、価電子帯に対応する正の荷電ホールである。外部負荷を駆動できる光電流を発生させるために、これらの電子−正孔（ｅ−ｈ）のペアを分離する必要がある。この分離作業は、ｐｎ接合１２０の電界を介して行われる。従って、ｐｎ接合１２０の空貧領域に生じたｅ−ｈペアは全て分離される。デバイスの空貧領域へ拡散する他の少数のキャリアも同様に分離される。入射光子の大半は、太陽電池１００の表面領域近くにて吸収されるので、エミッタ内で生成された大半のキャリアは、空貧領域に拡散して反対側に移動する必要がある。
いくらかの光子１０は、前面フィールド１０２を通過してｐ型エミッタ１０６に入る。これらの光子１０は、ｐ型エミッタ１０６内にて電子を励起したり、前面フィールド１０２内を自由に動くことができる。関連する孔はエミッタ１０６内に残される。このｐｎ接合１２０による電荷分離の結果、光子１０によって生成された余分なキャリア（電子及び正孔）は、外部負荷を駆動してサーキットを完成させるために用いることができる。
太陽電池の底面を、正面フィールド１０２を介して、外部負荷によって太陽電池の底部をエミッタ１０６に接続することにより、電流を導通して電力を供給することができる。これを達成すべく、通常は金属製（いくつかの実施形態ではシルバー製）のコンタクト１０５が正面フィールド１０２の外表面上に配置されている。
図２は、太陽電池２００の第２実施形態を示している。この実施形態において、ｐｎ接合は、基板２０１内に作られていない。むしろ、基板２０１、典型的にはｎ型シリコン基板は、薄いトンネル酸化物層２０２によって裏面から単離されている。トンネル酸化物層は、当該酸化物層を介して電子をトンネリング可能にするよう十分に薄く、１〜４ｎｍである。この層２０２は、シリコン酸化物又は他の好適な誘電材料である。トンネル酸化物層の反対側には、ポリシリコン層２０３を有する。この層はｎ型領域２０４ａと、ｐ型領域２０５ｂとを有し、これらの領域は互いに隣接している。これらの領域が接点では、ｐｎ接合２１０が形成されている。接点２０５は、次いでｎ型領域２０４ａとｐ型領域２０４ｂとに適用される。いくつかの実施形態において、第２のトンネル酸化物層２０６は、基板２０１の前表面にある。本実施形態において、ｎ型ポリシリコン層２０７が、第２のトンネル酸化物層２０６に適用することができる。
太陽電池に係る本実施形態は、いくつかの利点を有する。第一に、図１に示す従来の太陽電池よりも効率性に優れている点である。これによって、基板内のキャリアの再結合量が低減したことに起因し得る。
しかしながら、これらのポリシリコン太陽電池の製造には時間やコスト、又は多くのステップを要する。従って、ポリシリコン製の太陽電池の改善された製造方法が必要である。
ポリシリコン太陽電池の改良された製造方法が開示されている。ｐ型及びｎ型の領域を有するポリシリコン層を生成するために、層は、一種のドーパントのもとで成長させられる。ドープされたポリシリコン層が生成されると、伝導型が反対のドーパントイオンが、ポリシリコン層の一部に選択的に注入される。この選択的な注入は、シャドーマスクを用いて行うことができる。
本開示をより良く理解するために、添付することによって本明細書に組み込まれる添付の図面を参照する。
先行技術に係る太陽電池の第１形態を示す側断面図である。 先行技術に係る太陽電池の第２形態を示す側断面図である。 図３Ａ〜Ｅは、一連の製造工程の第１実施形態を示す図である。 図４Ａ〜Ｅは、一連の製造工程の第２実施形態を示す図である。 図５Ａ，Ｂは、一連の製造工程の第３実施形態を示す図である。
太陽電池の実施形態が、ここではイオン注入装置との関連で記載されている。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、又は、食品イオン注入装置等を使用することができる。さらに、他の注入システムが用いられており、例えば、質量分析や、プラズマシースを修正することによってイオンを集束するプラズマツールを具備しないイオン注入装置がある。太陽電池の特定の部分にのみ注入するために集束されたイオンビームや、グリッドに焦点を当てたプラズマシステム等も、本開示の実施形態に用いることができる。しかしながら、ガス拡散法、拡散炉法、レーザードーピング、他のプラズマ処理ツール又は当業者が既知の他の方法を用いることができる。さらに、ここではイオンの注入について記載されているが、ドープされた層を蒸着することもできる。また、特定のｎ型及びｐ型のドーパントが一覧表示されているが、他のｎ型やｐ型のドーパントを代わりに用いることができ、本明細書に記載される実施形態は、明細書中に記載されるドーパントに限定されるものではない。従って、本発明は、後述する特定の実施形態に制限されない。
上記のように、ポリシリコン太陽電池は、従来の太陽電池では不可能であった、効率性という観点に立った利点を提供することができる。しかしながら、現在の、これらのポリシリコン太陽電池の製造工程はコスト高な上に時間を要するため、ドーピングに影響を及ぼしている。これらのポリシリコン太陽電池の製造に関連する大きな問題の１つは、ｎ型領域とｐ型領域を有するポリシリコン層の形成にある。
図３Ａ〜Ｅは、ポリシリコン太陽電池３００を製造するための、一連の製造工程を示している。この基板３０１は、ｎ型シリコン基板のような任意の好適な基板とすることができる。基板３０１は前面３０２及び背面３０３を有し、前面３０２は太陽光にさらされ、背面３０３には電気接点が設けられる。
図３Ｂは、基板３０１の背面３０３上に形成されたトンネル酸化物層３０４を示している。トンネル酸化物層は、約１nm〜４nmの厚みとすることができる。いくつかの実施形態では、熱酸化することでトンネル酸化物層を成長させている。この工程は、８００℃を超える温度の炉内にて実行することができ、基板の背面と酸素（分子状酸素又は水蒸気のいずれか）とを反応させて二酸化シリコンを形成する。このように、湿式酸化及び乾式酸化の両方を用いることができる。
図３Ｃは、トンネル酸化物３０４に隣接するポリシリコン層３０５を示している。一実施形態において、ポリシリコン層３０５は、シラン（ＳｉＨ4）を１トル未満のような低圧且つ５７５℃〜６５０℃の温度下で用いることによって蒸着される。この工程は、低圧化学蒸着法（ＬＰＣＶＤ）としても知られている。他の実施形態において、気圧化学蒸着法（ＡＰＣＶＤ）、プラズマ増強ＣＶＤ法（ＰＥＣＶＤ）又は他の好適な工程を、ポリシリコン層３０５を成長させるのに用いることができる。このポリシリコン層３０５は、シランに加えてドーパント含有ガスを導入して成長させることができる。一実施形態では、蒸着工程でジボラン（Ｂ2Ｈ6）が導入される。成長中のポリシリコン層にｐ型ドーパントを加えると、ポリシリコン層３０５全体にｐ型領域が形成される。一例において、ポリシリコン層中のホウ素の濃度は、１e１７／cm3〜１e２０／cm3である。他の実施形態では、ホスフィン（ＰＨ3）又はアルシン（ＡｓＨ3）が蒸着工程の間に導入されると、ポリシリコン層３０５全体にｎ型領域が形成される。一例において、ポリシリコン層のリン（又はヒ素）の濃度は、１e１７／cm3〜１e２０／cm3である。このポリシリコン層３０５は、５０nm〜５００nmの厚みまで成長するが、他の厚さであってもよい。
図３Ｄは、ポリシリコン太陽電池３００の製造工程における次のステップを示している。シャドーマスク３２０のようなマスクが基板３０１の背面とイオンビーム３３０との間に導入されている。このマスク３２０は、ポリシリコン層３０５の一部にイオンが注入されるのを防ぐために用いられる。ここで注入されるイオンは、前述の蒸着工程において導入されたドーパントとは反対の導電型を有するものである。換言すると、ホウ素系のガスが蒸着された場合、このステップではＶ族元素のようなｎ型ドーパントのイオン、例えばリンが注入される。同様に、アルシン又はホスフィンが蒸着された場合、このステップではIII族のようなｐ型ドーパントのイオン、例えばホウ素が注入される。
反対の導電型のドーパントの注入量は、注入領域の導電型を反転させるのに十分である。換言すると、ポリシリコン層３０５にｐ型ドーパントを蒸着した場合、ｐ型ドーパントが注入された領域をｎ型領域に変えるのに十分な量のｎ型ドーパントが導入される。さらに、反対の導電型のドーパント量は、１e１７／cm3〜１e２０／cm3のネット自由キャリア密度を達成するのに十分である。
注入パラメータは、注入された種の大部分（例えば、９０％超）がポリシリコン層に留まり、トンネル酸化物層や基板にまで浸透しないように選択しなければならない。注入エネルギは１０ｋＶ未満が好ましく、特には５ｋＶ未満が好ましい。
一実施形態において、図３Ｃの蒸着中に、ポリシリコン層がｐ型ドーパントを用いてドープされたと仮定すると、図３Ｄでは、リンのようなｎ型ドーパントのイオンが注入される。これらのステップの結果、ポリシリコン層３０５のマスク３２０に覆われた領域にｐ型領域３３５が形成され、図３Ｄにてイオンが注入された領域にｎ型領域３３６が形成される。
他の実施形態において、図３Ｃの蒸着中に、ポリシリコン層がｎ型ドーパントを用いてドープされたと仮定すると、図３Ｄでは、ホウ素のようなｐ型ドーパントのイオンが注入される。これらのステップの結果、ポリシリコン層３０５のマスク３２０に覆われた領域にｎ型領域３３５が形成され、図３Ｄにてイオンが注入された領域にｐ型領域３３６が形成される。
図４Ａ〜Ｅは、ポリシリコン太陽電池４００を製造するための、一連の製造工程を示している。図４Ａは基板４０１を示している。この基板４０１は、ｎ型シリコン基板のような任意の好適な基板とすることができる。基板４０１は前面４０２及び背面４０３を有しており、前面４０２は太陽光にさらされ、背面には電気接点が設けられる。
図４Ｂは、基板４０１の背面４０３上に形成されたトンネル酸化物層４０４を示している。トンネル酸化物層は、約１nm〜４nmの厚みとすることができる。いくつかの実施形態では、熱酸化することでトンネル酸化物層を成長させている。この工程は、８００℃を超える温度の炉内にて実行することができ、基板の背面と酸素（分子状酸素又は水蒸気のいずれか）とを反応させて二酸化シリコンを形成する。このように、湿式酸化及び乾式酸化の両方を用いることができる。
図４Ｃは、トンネル酸化物４０４に隣接するポリシリコン層４０５を示している。一実施形態において、ポリシリコン層４０５は、シラン（ＳｉＨ4）を１トル未満のような低圧且つ５７５℃〜６５０℃の温度で用いることによって蒸着される。この工程は、低圧化学蒸着法（ＬＰＣＶＤ）としても知られている。他の実施形態において、気圧化学蒸着法（ＡＰＣＶＤ）、プラズマ増強ＣＶＤ法（ＰＥＣＶＤ）又は他の好適な工程を、ポリシリコン層４０５を成長させるのに用いることができる。このポリシリコン層４０５は、蒸着中にドーパントガスを導入することなく成長させることができ、蒸着の均一性を改善することが知られている。
図４Ｄは、ポリシリコン太陽電池４００の製造工程における次の工程を示している。第１ドーパントのイオン４２５がポリシリコン層４０５に注入されて、第１ドーパントの導電型を有するポリシリコン層４０５が形成される。例えば、リン又はＶ族の他のイオンが注入されると、ポリシリコン層４０５はｎ型になる。その反対に、ホウ素又はIII族の他イオンが注入されると、ポリシリコン層４０５はｐ型になる。注入されたドーパント濃度は１e１７／cm3〜１e２０／cm3である。これはブランケット注入であり、ポリシリコン層４０５の全表面にイオンが注入される。
図４Ｅは、ポリシリコン太陽電池４００の製造工程における次のステップを示している。シャドーマスク４２０のようなマスクが基板４０１の背面とイオンビーム４３０との間に配置されている。このマスク４２０は、ポリシリコン層４０５の一部にイオンが注入されるのを防ぐために用いられる。イオンは、図４Ｄに示す注入工程において導入されたドーパントとは反対の導電型を有するものである。換言すると、III族元素のイオンが予め注入されている場合、当該工程では、Ｖ族元素のようなｎ型ドーパントイオン、例えばリンが注入される。同様に、Ｖ族元素のイオンが予め注入されている場合、当該工程では、III族元素のようなｐ型ドーパントイオン、例えばホウ素が注入される。
図４Ｄ，Ｅに示されるステップは、逆の順序で実行できる点に留意されたい。言い換えれば、パターン化された注入をまず実行し、その後にブランケット注入をすることができる。
反対の導電型ドーパントの注入量は、注入領域を反転させるのに十分である。言い換えると、ポリシリコン層４０５にｐ型ドーパントを蒸着すると、ｐ型ドーパントが注入された領域をｎ型領域に変える量のｎ型ドーパントが導入される。
さらに、反対の導電型のドーパント量は、１e１７／cm3〜１e２０／cm3のネット自由キャリア密度を達成するのに十分である。
注入パラメータは、注入された種の大部分（例えば、９０％超）がポリシリコン層に留まり、トンネル酸化物層や基板にまで浸透しないように選択しなければならない。注入エネルギは１０ｋＶ未満が好ましく、特には５ｋＶ未満が好ましい。
イオン注入後、太陽電池は、ドーパントを拡散してイオン注入によるダメージを除去するよう熱処理される。ポリシリコンを使用しているため、低温且つ短時間の熱処理によって拡散を達成することができる。例えば、数秒から数分の５００℃〜６００℃の熱サイクルで行うことができる。他の実施形態において、高速熱アニール（ＲＴＰ）で行うこともできる。
高濃度にドープされたｐ型及びｎ型領域が、図３Ｅに示すように互いに接触する場合、トンネリング又は他のメカニズムによって寄生シャントに陥るリスクがある。このことは、多くの欠点を有するポリシリコン材料において特に重要な欠点である。従って、いくつかの実施形態では、寄生シャントの経路を断つために、ｎ型領域３３６からｐ型領域３３５を物理的に分離するための処理工程が実行される。例えば、ｎ型領域とｐ型領域との間にトレンチを形成するために、レーザを使用することができる。あるいは、トレンチは、湿式化学エッチングを用いて形成することができる。
他の実施形態において、基板は、図４Ａ〜Ｃに示されるようにして設けられる。これらのステップに続いて、基板には、図５Ａに示されるようなパターン化された注入によって一種目のイオン５１０が注入される。このパターン化されたイオン注入では、第１マスク５１５を用いて第１導電型のイオンを注入する。一実施形態において、第１導電型のイオンは、リン又は他のＶ族元素である。他の実施形態において、第１導電型のイオンは、ホウ素又は他のIII族元素である。このイオン注入によって注入領域５２０が形成される。
パターン化された第２のイオン注入は、図５Ｂのステップに示されるように、第１マスク５１５と同一線上に並ぶ第２マスク５３０を用いて実行される。２種目のイオン５４０を用いた第２注入によって注入領域５５０が形成される。１種目のイオンがＶ族元素の場合、２種目のイオンはホウ素又は他のIII族元素とすることができる。同様に、１種目のイオンがIII族元素の場合、２種目のイオンはリン又は他のＶ族元素とすることができる。
これらの２つのマスクは、隣接する注入領域５２０と５５０とが互いにオーバーラップしないように、これらの間にギャップ５６０を確保した設計となっている。上述のように、ｎ型領域とｐ型領域との間のギャップは、トンネル現象による寄生シャントを低減する。
本発明は、本明細書に記載される特定の実施形態の範囲に限定されない。実際には、他の種々の実施形態及び本開示への修正は、本明細書に記載される実施形態に加えて、前述の記載及び添付の図面から当業者には明らかであろう。従って、かような他の実施形態及び修正は、本発明の範囲に含まれるものと意図される。さらに、本明細書の開示は、特定の目的に対する、特定の環境における、特定の実施形態の文脈にて記載されているが、当業者は、その有用性はこれに限定されないこと及び、本発明があらゆる目的のために、あらゆる環境において有益に実行可能であることを認識するであろう。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るように、本発明の全範囲及び精神に鑑みて解釈されるべきである。

Claims (9)

  1. 第１表面及び第２表面を具える基板を用いた太陽電池の製造方法であって、
    前記基板の前記第２表面上にトンネル酸化物層を形成するステップと、
    前記トンネル酸化物層の上に、第１ドーパントを有するポリシリコン層を形成するステップを有し、該ポリシリコン層が第１導電型であり、さらに、
    前記ポリシリコン層とイオンビームとの間にマスクを設けて、前記ポリシリコン層の領域を前記イオンビームから保護するステップと、
    前記ポリシリコン層の領域に第２ドーパントのイオンを注入するステップを有し、当該第２ドーパントは前記第１導電型とは反対の第２導電型であり、前記イオンの注入量は、前記第１導電型の領域を前記第２導電型に変えるのに十分な量であり、これによって、前記第１導電型を有する第１注入領域と、当該第１注入領域とは反対の導電型を有する第２注入領域とを形成する、太陽電池の製造方法。
  2. 前記ポリシリコン層が、シランを含むガスの蒸着と、ジボラン、ホスフィン及びアルシンからなる群から選択されるドーパントガスとによって形成される、請求項１に記載の製造方法。
  3. 前記ドーパントガスがジボランを含み、前記第２ドーパントがＶ族元素を含む、請求項２に記載の製造方法。
  4. 前記ドーパントガスがホスフィン又はアルシンを含み、前記第２ドーパントがIII族元素を含む、請求項２の記載の製造方法。
  5. 前記基板を前記注入後に熱処理するステップをさらに含み、当該熱処理が５００℃〜６００℃の温度にて行われる、請求項１に記載の製造方法。
  6. 前記第１注入領域と前記第２注入領域との間に、当該第１注入領域と前記第２注入領域とが互いに接触するのを防止すべく、トレンチを設けるステップをさらに含む、請求項１に記載の製造方法。
  7. 第１表面及び第２表面を具える基板を用いた太陽電池の製造方法であって、
    前記基板の前記第２表面上にトンネル酸化物層を形成するステップと、
    前記トンネル酸化物層の上にポリシリコン層を形成するステップと、
    第１導電型を有する第１ドーパントイオンを、前記ポリシリコン層に注入するステップと、
    前記ポリシリコン層とイオンビームとの間にマスクを設けて、前記ポリシリコン層の領域を前記イオンビームから保護するステップと、
    前記ポリシリコン層の領域に第２ドーパントのイオンを注入するステップを有し、当該第２ドーパントは前記第１導電型とは反対の第２導電型であり、前記イオンの注入量は、前記第１導電型の領域を前記第２導電型に変えるのに十分な量であり、これによって、前記第１導電型を有する第１注入領域と、当該第１注入領域とは反対の導電型を有する第２注入領域とを形成する、太陽電池の製造方法。
  8. 前記第１注入領域と前記第２注入領域との間に、当該第１注入領域と前記第２注入領域とが互いに接触するのを防止すべく、トレンチを設けるステップをさらに含む、請求項７に記載の製造方法。
  9. 第１表面及び第２表面を具える基板を用いた太陽電池の製造方法であって、
    前記基板の前記第２表面上にトンネル酸化物層を成形するステップと、
    前記トンネル酸化物層の上にポリシリコン層を形成するステップと、
    前記ポリシリコン層の領域をイオンビームからブロックするよう、当該ポリシリコン層と前記イオンビームとの間に第１マスクを設けるステップと、
    第１導電型を有する前記第１ドーパントのイオンを前記ポリシリコン層に注入して、第１注入領域を生成するステップと、
    前記ポリシリコン層の領域をイオンビームからブロックするよう、当該ポリシリコン層と前記イオンビームとの間に第２マスクを設けるステップと、
    前記ポリシリコン層の領域に第２ドーパントのイオンを注入するステップと、
    を有し、前記第２ドーパントが前記第１導電型とは反対の第２導電型であり、これによって、前記第１注入領域とは反対の導電性を有する第２注入領域が形成され、前記第１注入領域と前記第２注入領域とを接触させないように、前記第１マスク及び前記第２マスクを同一直線上に配置する製造方法。
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