JP2015529401A - シリコン太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
結晶シリコン太陽電池の製造方法が開示され、この方法は、シリコン基板の表面上に、誘電体層を形成する工程と、それぞれの太陽電池のために表面コンタクトが形成される所定の位置に、誘電体層を通る開口部を形成する工程と、その後に、基板の表面上に第１金属層を形成する工程と、シリコン基板の裏面上に第２金属層を形成する工程と、その後に、ピークアニール温度でアニールする工程であって、第１金属層はピークアニール温度でシリサイド形成が可能なように選択される工程と、を含み、これにより、太陽電池の裏面に、裏面コンタクトと裏面電界領域を形成し、同時に、第１金属層がシリコン基板と直接コンタクトする位置で、表面にシリサイドを形成する。
Description
開示された技術は、シリコン太陽電池の製造方法に関し、特に、シリコン太陽電池の表面および裏面のメタライゼーション方法およびそれにより得られたシリコン太陽電池に関する。
例えばパッシベートされたエミッタと裏面セル（passivated emitter and rear cells :ＰＥＲＣ）型太陽電池のための表面メタライゼーションおよび裏面メタライゼーションのための多くのアプローチが知られている。
一般的なプロセスフローでは、セル（太陽電池）の裏面にパッシベーション層を、セルの表面に反射防止コーティングを形成した後、下層のシリコンにコンタクトが形成される位置に、裏面パッシベーション層中に開口部が形成される。次に、（例えばスクリーン印刷、蒸着、スパッタにより）裏面の上にＡｌ層が堆積され、パターニングされたＡｇペーストが、反射防止コーティングの上にスクリーン印刷される。次に、セルは、ピーク温度が少なくとも８３５℃（例えば、約８３５℃から９５０℃までの範囲、または約８３５℃と９５０℃との間）の比較的高温で典型的に焼成またはアニールされ、パターニングされたＡｇぺーストは、反射防止コーティングを通って下層のシリコンに達し、表面メタルコンタクトを形成する。同じ焼成プロセスで、良好なＡｌコンタクトと裏面電界（ＢＳＦ）領域が裏面に形成される。このプロセスは、同時焼成（co-firing）プロセスと呼ばれる。
表面コンタクトがＣｕ系である他のプロセスフローが知られている。例えば、Ｎｉ／Ｃｕスタックが、表面コンタクトのために用いることができる。そのようなプロセスでは、裏面コンタクトのみ焼成する必要がある。これは、一般には、７００℃から９００℃までの範囲のピーク温度で行われる。表面での良好なコンタクトの形成は、この後の、例えば４００℃のオーダーの温度で、Ｎｉシリサイドを形成する、別個のアニール工程中に得られる。そのようなアプローチで、裏面コンタクトは２回焼成（アリール）される。これは、裏側の誘電体層を通る金属スパイキングのリスクを増加させるかもしれない。
Ｃｕの下のコンタクト金属としてＮｉシリサイドを使用することは、低減された直列抵抗とコンタクト抵抗の明確な優位点と、シリコン中へのＣｕ拡散に対するバリアを提供する。太陽電池の製造プロセスでは、シリサイドは、例えばレーザー切断（laser ablation）で反射防止コーティング中に形成された狭い開口部中に形成される。これにより、スクリーン印刷技術で達成できるより著しく狭いフィンガーを有する表面コンタクトパターンの形成が可能になる。
表面にＳｉＮｘ反射防止コーティングを有し、裏面に誘電体スタック（パッシベーション）を有する部分的に処理された太陽電池から始まる、Ｃｕ系の表面コンタクトを有する一般的なメタライゼーションプロセスシーケンスは、以下の工程：裏面で誘電体スタックを部分的にレーザー切断する工程、次に裏面でＡｌを堆積する工程、その後にＡｌ裏面コンタクトを焼成する工程、表面で反射防止コーティングを部分的にレーザー切断する工程、次に表面のＮｉスパッタまたは電解めっきを行う工程、その後にニッケルシリサイドを形成するためにアニールする工程（シリサイド化）、および次に例えばバリアめっき、ＣｕめっきおよびＡｇめっきのようなめっき工程、を含む。
所定の発明の形態は、めっきされた表面コンタクトを有するシリコン太陽電池の製造方法に関し、複数のプロセス工程が、従来技術の方法に比較して低減される。所定の発明の形態は、表面コンタクトと裏面コンタクトとを同時焼成する工程を含むシリコン太陽電池の製造方法に関し、同時焼成の温度は、従来技術の方法に比較して低減される。
１つの発明の形態は、結晶シリコン太陽電池の製造方法に関し、この方法は、シリコン基板の表面上に、例えば反射防止コーティングのような誘電体層を形成する工程と、それぞれの太陽電池のために表面コンタクトが形成される所定の位置に、例えば反射防止コーティングのような誘電体層を通る開口部を形成する工程と、その後に基板の表面上に第１金属層を形成する工程と、シリコン基板の裏面上に第２金属層を形成する工程と、その後にピークアニール温度でアニールする工程であって、第１金属層はピークアニール温度で良好なシリサイド化またはシリサイド形成ができるように選択される工程とを含み、これにより、セルの裏面に、裏面コンタクトと裏面電界領域を形成し、同時に、これにより、第１金属層がシリコン基板と直接コンタクトする位置で、表面にシリサイドを形成する。
ピークアニール温度は、好適には５７０℃から８３０℃まで、または約５７０℃から８３０℃まで、例えば６６０℃から８００℃まで、または約６６０℃から８００℃までの範囲である。好適には、ピークアニール温度は、８００℃以下である。
誘電体層は、ＳｉＮｘ層、ＳｉＯｘ層、またはＡｌＯｘ層のような単一の誘電体層でも良く、または誘電体層は、ＡｌＯｘおよび／またはＳｉＮｘおよび／またはＳｉＯｘを含むスタックのような誘電体層のスタックでも良い。その膜厚は、反射防止コーティングとして機能するように選択される。シリコン基板の表面は、粗面化されている。
誘電体層を通る開口部の形成は、レーザー切断の手段により行われても良いし、フォトリソグラフィとそれに続くドライまたはウエットエッチング、ポリマーマスクのスクリーン印刷とそれに続くドライまたはウエットエッチング、または当業者に知られた他の好適な方法のような、当業者に知られた他の好適な方法で行われても良い。
第１金属層は、ピークアニール温度で金属シリサイドが形成できるように選択される。第１金属層は、例えばＣｏ層またはＴｉ層のような遷移金属層でも良いし、金属の混合物（例えばＴｉＷ、ＴｉＮ、またはＴａＮ）を含んでも良い。これは、例えばＰＶＤ、ＣＶＤ、電解めっき、または無電解めっきにより形成されても良い。
第２金属層は、例えば物理気相堆積（ＰＶＤ）、スクリーン印刷、または蒸着で形成されたＡｌ層でも良く、ＡｌＳｉ層のようなＡｌを含む層でも良い。しかしながら、本開示はこれに限定されず、第２金属層を形成するために他の金属を用いても良い。
所定の具体例では、本方法は、更に、太陽電池の裏面上に第２誘電体層を形成する工程と、シリコン基板の裏面上に第２金属層を形成する前に、例えばレーザー処理の手段で、裏面上の第２誘電体層中を部分的に開口する工程を含んでも良い。
アニール（または同時焼成）する間に、良好な裏面コンタクトとＢＳＦ領域がセルの裏面に形成されると供に、例えば誘電体層を通る開口部の位置のような、第１金属層がシリコン基板と直接コンタクトする位置の表面で、シリサイド化反応が起きる。
アニール後に、第１金属層の反応しない残渣が除去され、残った金属シリサイド層が、例えばＣｕやＮｉめっき工程のような、次のめっき工程のためのシード層として使用されても良い。
Ｎｉシリサイドが表面のシード層として使用される従来技術の方法と比較して、より安定なシリサイドを形成し、より低いシリコン中への拡散速度を有するＴｉのような他の金属を用いることが優位点である。この結果、接合スパイキングのリスクが減り、浅いエミッタ領域の使用が可能となる。
表面でニッケルシリサイドを用いる方法と比較して、セルの表面でシリサイドを形成し、セルの裏面に良好な裏面コンタクトとＢＳＦ領域を形成するために、単一のアニール工程または同時焼成工程を使用できることは、１つの発明の形態の優位点である。それゆえに、２つの別々のアニール工程が必要でなくなり、従来技術の方法に比較してプロセス工程の数が低減される。このアニール工程または同時焼成工程は、例えば８００℃より低い、または約８００℃より低い適度な温度で行われても良い。
スクリーン印刷された表面コンタクトと共に同時焼成する方法と比較して、同時焼成温度は、Ａｇスクリーン印刷表面コンタクトを用いる場合の少なくとも約８３５℃から、例えば第２金属層としてＡｌ層が裏面上で使用された場合には６６０℃または約６６０℃まで低減でき、例えば第２金属層としてＡｌＳｉ層が使用された場合には５７０℃または約５７０℃まで低減できる。
同時焼成工程が、表面レーザー切断後に行われることが、１つの発明の形態の優位点である。結果として、同時焼成またはアニール工程中に、例えばＳｉＮｘ：Ｈのような反射防止コーティングから放出される水素は、Ｓｉ−ＳｉＮｘ界面を水素でパッシベートするだけでなく、レーザー切断によりダメージを受けた領域もパッシベートする。低温（例えば、３００℃から４００℃、約３００℃から４００℃の温度）で堆積されたＰＥＣＶＤＳｉＮｘは、多量の水素（３０〜４０％まで、または約３０〜４０％まで）を組み込む。アニールまたは同時焼成中に、ＳｉＮｘ層から水素が放出され、表面パッシベーションを改良する。アニールまたは同時焼成は、また、少なくとも部分的に、レーザー切断のダメージを消滅させる。
アニールまたは同時焼成中に、ＳｉＮｘ層が緻密化されても良い。反射防止コーティングのレーザー切断工程が、例えばＳｉＮｘ層の緻密化前のような、コンタクト焼成前に行われることが、１つの発明の形態の優位点である。それゆえに、反射防止コーティングの切断は、焼成後の層密度に比較して、堆積されたままの低密度の層により、容易になる。この結果、より均一で、より完全な切断ができ、より良好な金属カバレージとなり、より低いコンタクト抵抗とより高い曲線因子となる。
基板の良好な洗浄が表面切断後に行われることは、１つの発明の形態の優位点である。なぜならば、そのような洗浄は、金属層が存在する前に行われるからである。それゆえに、使用される洗浄方法および洗浄物質については制限がなく、保護層を形成する必要も無い。
様々な発明の形態の所定の目的と優位点は、上述のように達成される。もちろん、本開示の特別な具体例に関して、そのような目的または優位点のすべてが達成される必要は無いことが理解される。このように、例えば、本開示は、ここで教示または示唆された他の目的または優位点を達成する必要無しに、ここで教示された１つ優位点または複数の優位点を達成または最適化する方法で、具体化または実施されることを、当業者は認識する。更に、この発明の概要は単なる例示であり、本開示の範囲を制限するものではないことが理解される。本開示は、組織と操作の方法の双方について、その特徴および優位点とともに、添付の図面とともに読んだ場合に、以下の記載を参照することにより最も理解されるであろう。
以下の詳細な説明において、多くの特定の細部が、本開示の全体の理解、およびそれらが特定の具体例でどのように実施されるかを提供するために説明される。しかしながら、本開示は、それらの特定の細部無しに実施できることが理解されるであろう。他の例では、本開示の理解を不明確にしないために、公知の方法、手順、および技術は詳細には示されていない。一方、本開示は、特定の具体例に関して、特定の図面を参照しながら記載されるが、本開示はこれに限定されない。ここに含まれ、記載された図面は、模式的であり、本開示の範囲を限定するものではない。また、図面において、いくつかの要素の大きさは誇張され、それゆえに記載目的で縮尺通りではない。
更に、開示中の、第１、第２、第３等の用語は、類似の要素の間で区別するために使用され、一時的、空間的に、順序または他の方法により順番を記載する必要はない。そのように使用される用語は、適当な状況下で入替え可能であり、ここに記載された本開示の具体例は、ここに記載や図示された順序とは異なる順序によっても操作できることを理解すべきである。
また、開示中の、上、下、上に、下に等の用語は、開示目的のために使用され、相対的な位置を示すものではない。そのように使用される用語は、適当な状況下で入替え可能であり、ここに記載された本開示の具体例は、ここに開示や図示されたものと異なる位置でも操作できることを理解すべきである。
なお、「含む（comprising）」の用語は、それ以降に列記される手段に限定して解釈すべきではなく、他の要素や工程を排除しない。このように、言及された特徴、数字、工程、または成分は、その通りに解釈され、１またはそれ以上の他の特徴、数字、工程、または成分、またはこれらの組み合わせの存在または追加を排除してはならない。このように、「手段ＡおよびＢを含むデバイス」の表現の範囲は、構成要素ＡとＢのみを含むデバイスに限定されるべきではない。
本開示の文脈では、太陽電池の表面または表側は、光源に向かうように配置され、これにより光を受ける面または側である。両面太陽電池の場合、双方の面がぶつかる光を受けるように適用される。そのような場合、表面または表側は、光または照明のより大きな部分を受けるために適用される面または側である。太陽電池の背面、背側、裏面、または裏側は、表面に対向する面または側である。基板の表面は、太陽電池の表面に対応する基板の側であり、基板の裏面または背側は太陽電池の背側に対応する。
１つの発明の形態にかかる結晶シリコン太陽電池の製造方法は、シリコン基板の表面上に、例えば反射防止コーティングのような誘電体層を形成する工程と、表面コンタクトが形成される所定の位置に、例えば反射防止コーティングのような誘電体層を通る開口部を形成する工程と、その後にシリコン基板の表面上に、例えば遷移金属層のような第１金属層を形成する工程と、シリコン基板の裏面上に、例えばＡｌ金属層のような第２金属層を形成する工程と、その後に、５７０℃から８３０℃まで、または約５７０℃から８３０℃まで、例えば６６０℃から８００℃まで、または約６６０℃から８００℃までの範囲のピークアニール温度でアニールする工程であって、第１金属層は、ピークアニール温度で良好なシリサイド化またはシリサイド形成ができるように選択される工程とを含む。アニールまたは同時焼成中に、良好な裏面コンタクトとＢＳＦ領域がセルの裏面に形成され、同時に、第１金属層がシリコン基板と直接コンタクトする位置の表面でシリサイド化反応が起きる。シリサイド化反応中に形成されたシリサイドは、少なくとも１つの更なる金属層のめっきのためのシード層として使用できる。
１つの発明の形態にかかる方法では、Ｎｉ以外の金属に基づいてシリサイドが形成され、この金属はシリサイド化温度に基づいて選択される。約５７０℃から８３０℃まで、例えば６６０℃から８００℃までの範囲のシリサイド化温度を有する金属を選択することにより、表面と裏面のコンタクトの同時焼成が行われ、これによりプロセス工程の数が従来技術の方法に比較して低減できる。
１つの具体例にかかる方法では、４〜１０族（ＩＵＰＡＣスタンダード）の様々な遷移金属が使用できる。シリサイド化温度が、安定なシリサイドになる所定の同時焼成温度ウインドウ中になるように、ＰｔやＮｉのような低温添加剤により、高温金属と化合物（Ｔｉ、Ｃｏ、ＴｉＷ）が調整された場合は、混合された金属溶液が使用できる。
１つの具体例にかかる方法では、裏面コンタクトの形成に適したプロセスウインドウと同様のプロセスウインドウ（温度や時間、昇温、安定、ピーク温度、および降温を含む焼成プロファイル）中で安定したシリサイド層を形成できるように、遷移金属が使用される。
１つの具体例にかかる方法が、Ａｌ裏面コンタクトを有するセルの作製と、部分的なＡｌ（およびＢＳＦ）裏面コンタクトを有するセル（例えばＰＥＲＣ型セル）の作製とのために使用できる。
１つの発明の形態の製造方法の例が、例えばＰＥＲＣ型シリコン太陽電池について、図１に模式的に示される。図４ａから図４ｆは、更に、製造工程の異なるステージにおける太陽電池を示すことで、その製造方法を示す。図１に示された製造方法は、基板１０（例えば結晶シリコンウエハまたは基板）の表面の粗面化工程と裏面の研磨工程と、洗浄工程と、例えば約８００℃から約９５０℃の範囲の温度で、ＰＯＣｌ３拡散炉中でのエミッタ拡散を行い、基板の表面（領域１２、エミッタ）と裏面（領域１１、裏エミッタ）の双方がドープ領域になる工程（図４ａ）と、裏面のドープされた（エミッタ）領域を除去する工程（図４ｂ）と、表面のエミッタ拡散中に形成されたホスホシリケートガラス（phosphosilicate glass: PSG）を除去する工程と、洗浄工程と、を含む。
次に、パッシベーションスタック１３がセルの裏面に形成され、例えばＳｉＮｘ：Ｈ層のような反射防止コーティング１４（ＡＲＣ）が表面に堆積される（図４ｃ）。これに続いて、裏面コンタクトが形成される位置１５で、例えばレーザー切断により、裏面のパッシベーションスタックの部分的な開口が行われ、表面コンタクトが形成される位置１６で、例えばレーザー切断により、反射防止コーティングの部分的な開口が行われる（図４ｄ）。レーザー切断工程の後に、ウエハは洗浄される。次に、例えばＡｌ層のような第２金属層１８が、裏面に形成され、Ｔｉ層またはＣｏ層のような第１金属層１９が、表面に形成される（図４ｅ）。次に、アニール工程または同時焼成工程が行われ、任意的に、未反応の金属残渣が除去される。これによりＢＳＦ領域１７が形成される。最後に、表面Ｃｕめっきが行われ、コンタクト２０を形成する（図４ｆ）。
図１のプロセスフローでは、１６０マイクロメータ膜厚のＣｚシリコン基板の上に、太陽電池（５ｃｍ×５ｃｍ）が形成された。基板の表面の粗面化後に、約６０から８０オーム／スクエア（Ｏｈｍ／□）のシート抵抗を有するエミッタが形成された。表面にシリコン窒化物パッシベーション層が堆積され、このシリコン窒化物層はまた反射防止コーティングの機能を有する。裏面に、ＰＥＣＶＤＳｉＯｘ層とＰＥＣＶＤＳｉＮｘ層を含むスタックが堆積された。表面と裏面のレーザー切断後に、洗浄工程（２分、２％ＨＦ）が行われた。次に、２マイクロメータ膜厚のＰＶＤＡｌ層が裏面に堆積された。第１金属層として、４０ｎｍ膜厚のＴｉ層が表面に提供された。同時焼成工程またはアニール工程が、窒素雰囲気中で、異なるピーク温度：６００℃、６１５℃、６２０℃、６２５℃および６３０℃のラピッドサーマルアニールで行われた。表面では、Ｔｉ層がシリコン基板と直接コンタクトする位置で、ＴｉＳｉｘ層が形成された。次に、希釈したＡＰＭ（Ｈ２Ｏ２／Ｈ２Ｏ／ＮＨ４ＯＨ）溶液を用いて、未反応のＴｉが除去された。次に、ＴｉＳｘ層をシード層に用いて、光誘起Ｎｉめっき工程が行われ、これにより１マイクロメータ膜厚のＮｉ層を形成し、続いて、９マイクロメータ膜厚のＣｕ層のＣｕ電解めっきを行った。
図２は、めっき工程前（黒の四角）とめっき工程後（白の四角）の、アニールピーク温度を関数とした測定されたｐＦＦ値を示す。図３は、めっき工程前（黒の四角）とめっき工程後（白の四角）の、アニール温度を関数とした測定されたＳｕｎｓＶｏｃ値を示す。それらの測定から、良好なｐＦＦ（示された例では約８０％）を有する太陽電池が、１つの具体例にかかる方法を用いて形成できることがわかる。比較的低い開回路電圧は、それらの実験で用いられる比較的低い焼成温度（約２００ｎｍ深さの浅いＢＳＦ領域を形成する）による、裏面の劣った裏面電界（ＢＳＦ）効果に関連するかもしれない。例えば６３０℃以上、または約６３０℃以上のように、実験で用いた温度より高い温度にピークアニール温度を上げることにより、そして温度の上昇プロファイルを調整することにより、ＢＳＦ効果は改良できる（これにより、開回路電圧が改良できる）。
先の記載は、本開示の所定の具体例を詳述する。しかしながら、当然のことながら、先の記載が如何に詳しくテキスト中に述べられても、本開示は多くの方法で実施できる。なお、本開示の所定の特徴または形態を記載する場合の、特定の用語の使用は、その用語が関連する開示の特徴または形態のいずれかの特別な特徴を含むように、その用語がここで再定義されることを暗示するものととるべきでは無い。
上記詳細な記載は、様々な具体例に適用された本開示の新規な特徴を示し、記載し、そして指摘するが、記載されたデバイスまたはプロセスの形態および細部における多くの省略、代替え、および変化が、本開示の精神から逸脱することなく、当業者により行われることが理解されるであろう。
Claims (16)
- 結晶シリコン太陽電池の製造方法であって、
シリコン基板の表面上に、誘電体層を形成する工程と、
それぞれの太陽電池のために表面コンタクトが形成される所定の位置に、誘電体層を通る開口部を形成する工程と、
その後に、
基板の表面上に第１金属層を形成する工程と、
シリコン基板の裏面上に第２金属層を形成する工程と、
その後に、ピークアニール温度でアニールする工程であって、第１金属層はピークアニール温度でシリサイド形成が可能なように選択される工程と、を含み、
これにより、太陽電池の裏面に、裏面コンタクトと裏面電界領域を形成し、同時に、第１金属層がシリコン基板と直接コンタクトする位置で、表面にシリサイドを形成する方法。 - ピークアニール温度は、５７０℃から８３０℃までの温度である請求項１に記載の方法。
- ピークアニール温度は、８００℃以下である請求項２に記載の方法。
- 誘電体層は、反射防止コーティングであり、または反射防止コーティングを含む請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
- 誘電体層は、単一の誘電体層であり、ＳｉＮｘ層、ＳｉＯｘ層、またはＡｌＯｘ層を含む請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
- 誘電体層は、ＡｌＯｘおよび／またはＳｉＮｘおよび／またはＳｉＯｘを含む誘電体層のスタックである請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
- 誘電体層は、水素を含み、表面パッシベーションを形成する請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
- レーザー切断の手段により、誘電体層を通る開口部を形成する工程を含む請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
- 第１金属層は、遷移金属層である請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
- 第１金属層は、ＴｉＷ、ＴｉＮまたはＴａＮを含む請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
- 第２金属層は、アルミニウムを含む請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
- 更に、第１金属層の未反応な残渣を除去する工程と、残った金属シリサイド層を、続くめっき工程のためのシード層として使用する工程とを含む請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
- 第１金属層はＡｇを含み、第２金属層はＡｌ層であり、ピークアニール温度は約６６０℃である請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
- 第１金属層はＡｇを含み、第２金属層はＡｌＳｉ層であり、ピークアニール温度は約５７０℃である請求項１〜１３のいずれかに記載の方法。
- 更に、誘電体層を通る開口部を形成した後、および基板上に金属層を形成する前に、基板を洗浄する工程を含む請求項１〜１４のいずれかに記載の方法。
- 更に、シリコン基板の裏面上に第２誘電体層を形成する工程と、第２金属層を形成する前に第２誘電体層を部分的に開口する工程とを含む請求項１〜１５のいずれかに記載の方法。
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