JP2017022379A - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い効率及び生産性を持つ太陽電池及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の実施例による太陽電池の製造方法は、半導体基板にまたは半導体層の少なくとも一面上にバリア膜を形成する段階と、前記バリア膜を通じて第１導電性ドーパントをイオン注入して前記半導体基板または前記半導体層の前記一面に第１導電領域を形成する段階と、前記バリア膜を除去する段階とを含む。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の実施例による太陽電池の製造方法は、半導体基板にまたは半導体層の少なくとも一面上にバリア膜を形成する段階と、前記バリア膜を通じて第１導電性ドーパントをイオン注入して前記半導体基板または前記半導体層の前記一面に第１導電領域を形成する段階と、前記バリア膜を除去する段階とを含む。
【選択図】図１
Description
本発明は太陽電池及びその製造方法に関するもので、より詳しくは製造方法を改善して優れた特性を持つ太陽電池及びその製造方法に関するものである。
近年、石油や石炭のような既存エネルギー資源の枯渇が予想されるに従い、これを取り替える代替エネルギーに対する関心が高くなっている。その中でも、太陽電池は太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換させる次世代電池として脚光を浴びている。
このような太陽電池は多様な層及び電極を設計によって形成することによって製造することができる。ところで、このような多様な層及び電極の設計によって太陽電池の効率を決定することができる。太陽電池の商用化のためには低効率を克服しなければならなく、多様な層及び電極が太陽電池の効率を最大化することができ、簡単な方法で製造することができるように設計することが要求される。
本発明は高い効率及び生産性を持つ太陽電池及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の実施例による太陽電池の製造方法は、半導体基板にまたは半導体層の少なくとも一面上にバリア膜を形成する段階と、前記バリア膜を通じて第１導電性ドーパントをイオン注入して前記半導体基板または前記半導体層の前記一面に第１導電領域を形成する段階と、前記バリア膜を除去する段階とを含む。
本発明の実施例による太陽電池は、半導体基板と、前記半導体基板にまたは前記半導体基板上に形成され、第１導電型を持つ第１導電領域、及び前記第１導電型と反対の第２導電型を持つ第２導電領域を含む導電領域と、前記第１導電領域に連結される第１電極と、前記第２導電領域に連結される第２電極を含む電極とを含み、前記第１導電領域がホウ素（Ｂ）を第１導電性ドーパントとして含み、前記第１導電領域のジャンクション深さが前記第２導電領域のジャンクション深さより浅く、前記第１導電領域の表面ドーピング濃度と前記第２導電領域の表面ドーピング濃度が３０％以内の差を持つ。
この実施例によれば、質量分析器を用いなくとも必要なドーパントイオン以外の不純物などを除去した状態でイオン注入を行うことができる。これにより、導電領域の特性を向上することができ、装置の価格を節減し、工程時間を減らして生産性を向上させることができる。
そして、導電領域の厚さまたはジャンクションの深さも減らして浅いエミッタを形成することで、太陽電池の開放電圧を向上することができる。また、導電領域を形成する工程中にドーパントが望まない部分にドープされることを防止することができる。これにより、太陽電池の特性を一層向上させることができる。
以下、添付図面に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。しかし、本発明がこのような実施例に限定されるものではなく、多様な形態に変形可能であるのは言うまでもない。
図面においては、本発明を明確で手短に説明するために、説明に関係ない部分の図示を省略し、明細書全般にわたって同一ないし極めて類似の部分に対しては同一の参照符号を使う。そして、図面には、より明確な説明のために、厚さ、広さなどを拡大または縮小して示したが、本発明の厚さ、広さなどは図面に示されているものに限定されない。
そして、明細書全般にわたってある部分が他の部分を“含む”というとき、特に反対の記載がない限り、他の部分を排除するものではなく、他の部分をさらに含むことができる。また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分“上に”あると言うとき、これは他の部分の“真上に”ある場合だけでなくその中間に他の部分が位置する場合も含む。層、膜、領域、板などの部分が他の部分の“真上に”あると言うときには中間に他の部分が位置しないことを意味する。
以下、添付図面に基づいて本発明の実施例による太陽電池及びその製造方法を説明する。本発明の実施例による太陽電池を先に説明した後に本発明の実施例による太陽電池の製造方法を説明する。
図１は本発明の実施例による太陽電池の製造方法によって製造される太陽電池の一例を示す断面図、図２は図１に示す太陽電池の部分背面平面図である。図２には半導体基板１１０と第１及び第２電極４２、４４を主に示した。
図１を参照すれば、この実施例による太陽電池１００は、ベース領域１０を含む半導体基板１１０と、導電領域２０、３０と、ベース領域１０及び／または導電領域２０、３０に連結される電極４２、４４とを含む。導電領域２０、３０は、第１導電型を持つ第１導電領域２０と第２導電型を持つ第２導電領域３０とを含む。そして、第１電極４２は第１導電領域２０に電気的に連結され、第２電極４４はベース領域１０または第２導電領域３０に電気的に連結される。ここで、第１、第２などの用語は相互間の区別のために使用したものに過ぎなく、本発明がこれに限定されるものではない。そして、パッシベーション膜２２、３２、反射防止膜２４などがさらに形成されることができる。これをより詳細に説明する。
半導体基板１１０は、導電領域２０、３０と、導電領域２０、３０が形成されていない部分であるベース領域１０とを含むことができる。
この実施例において、半導体基板１１０は結晶質半導体からなることができる。一例として、半導体基板１１０は単結晶または多結晶半導体（一例として、単結晶または多結晶シリコン）からなることができる。特に、半導体基板１１０は単結晶半導体（例えば、単結晶半導体ウェハー、より具体的には単結晶シリコンウェハー）からなることができる。特に、半導体基板１１０は単結晶半導体（例えば、単結晶半導体ウェハー、より具体的には、半導体シリコンウェハー）からなることができる。このように、半導体基板１１０が含まれれば、太陽電池１００が結晶質半導体（例えば、単結晶半導体、一例として、単結晶シリコン）太陽電池を構成することになる。このように、結晶質半導体太陽電池は結晶性が高くて欠陥の少ない半導体基板１１０を基にするので、電気的特性に優れている。
この実施例において、半導体基板１１０の一部をなすベース領域１０と導電領域２０、３０は含まれるドーパントによって定義されることができる。例えば、半導体基板１１０において第１導電性ドーパントを含んで第１導電型を持つ領域が第１導電領域２０と定義され、第２導電性ドーパントを低いドーピング濃度で含んで第２導電型を持つ領域がベース領域１０と定義され、第２導電性ドーパントをベース領域１０より高いドーピング濃度で含んで第２導電型を持つ領域が第２導電領域３０と定義されることができる。すなわち、ベース領域１０、導電領域２０、３０は半導体基板１１０の結晶構造を持ちながらも導電型やドーピング濃度が互いに異なる領域である。
この実施例においては、導電領域２０、３０が半導体基板１１０の内部にドーパントをドープすることによって形成され、半導体基板１１０の一部をなすドーピング領域であるものを例示した。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。よって、第１導電領域２０及び第２導電領域３０の少なくとも一方が半導体基板１１０上に別途の層からなる非晶質、微細結晶または多結晶半導体層などからなることもできる。その外にも多様な変形が可能である。
第１導電型がｎ型またはｐ型であることができ、第２導電型が第１導電型と反対のｐ型またはｎ型のドーパントであることができる。ｐ型のドーパントとしては３族元素であるホウ素（Ｂ）を使うことができ、ｎ型のドーパントとしてはリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）などの５族元素を使うことができる。ベース領域１０の第２導電性ドーパントと第２導電領域３０の第２導電性ドーパントは同一物質であることも、相異なる物質であることもできる。
一例として、第１導電領域２０がｐ型を、ベース領域１０及び第２導電領域３０がｎ型を持つことができる。第１導電領域２０とベース領域１０によって形成されたｐｎ接合に光が照射されれば、光電効果によって生成した電子が半導体基板１１０の後面側に移動して第２電極４４によって収集され、正孔が半導体基板１１０の前面側に移動して第１電極４２によって収集される。これによって電気エネルギーが発生する。すると、電子より移動速度が遅い正孔が半導体基板１１０の後面ではない前面に移動して変換効率を向上させることができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、ベース領域１０及び第２導電領域３０がｐ型を持ち、第１導電領域２０がｎ型を持つことも可能である。
半導体基板１１０の前面及び／または後面はテクスチャー加工（ｔｅｘｔｕｒｉｎｇ）されて外面に傾斜面（半導体基板１１０の前面または後面の傾斜面）を持つ凹凸を含むことができる。この際、凹凸の傾斜面は半導体基板１１０の特定面（例えば、シリコンの（１１１）面）からなることができ、凹凸は（１１１）面を外面とするピラミッド状を持つことができる。このように、半導体基板１１０の前面などにテクスチャー加工による凹凸が位置すれば、半導体基板１１０の前面などを通じて入射する光の反射率を低くすることができる。したがって、ベース領域１０と第１導電領域２０の界面に形成されたｐｎ接合まで到逹する光量を増加させることができ、光損失を最小化することができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、半導体基板１１０の前面及び後面にテクスチャー加工による凹凸が形成されないことも可能である。
半導体基板１１０の前面側には第１導電領域２０を形成されることができ、半導体基板１１０の後面側には第２導電領域３０を形成されることができる。このように、第１導電領域２０と第２導電領域３０はベース領域３０を挟んで位置することができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、ベース領域１０、第１導電領域２０、及び第２導電領域３０の配置は多様な変形が可能である。
第１導電領域２０はベース領域１０とｐｎ接合を形成するエミッタ領域を構成することができる。第２導電領域３０は裏面電界（ｂａｃｋ ｓｕｒｆａｃｅ ｆｉｅｌｄ）を形成する裏面電界領域を構成することができる。裏面電界領域は半導体基板１１０の表面（より正確には、半導体基板１１０の後面）で再結合によってキャリアが損失することを防止する役目をする。
この実施例においては、第１導電領域２０及び第２導電領域３０がそれぞれ全体的に均一なドーピング濃度を持つ均一な構造（ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を持つものを例示した。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。よって、他の実施例として、第１導電領域２０及び第２導電領域３０の少なくとも一方が選択的構造（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を持つことができる。選択的構造においては、導電領域２０、３０のうち電極４２、４４に隣接した部分で高いドーピング濃度、低い抵抗及び深いジャンクション深さを持ち、その以外の部分で低いドーピング濃度、高い抵抗及び浅いジャンクション深さを持つことができる。さらに他の実施例として、第２導電領域３０が局部構造（ｌｏｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を持つことができる。局部構造においては、第２導電領域３０が第２電極４４の形成された部分に対応して局部的に形成されることができる。
半導体基板１１０の表面上にはパッシベーション膜２２、３２、反射防止膜２４などの絶縁膜が形成されることができる。このような絶縁膜は別にドーパントを含んでいない非ドープ絶縁膜からなることができる。
より具体的には、半導体基板１１０の前面上に、より正確には、半導体基板１１０に形成された第１導電領域２０上にパッシベーション膜２２を形成（一例として、接触）し、パッシベーション膜２２上に反射防止膜２４を形成（一例として、接触）することができる。そして、半導体基板１１０の後面上に、より正確には、半導体基板１１０に形成された第２導電領域３０上にパッシベーション膜３２が形成されることができる。
パッシベーション膜２２及び反射防止膜２４は第１電極４２に対応する部分（より正確には、第１開口部１０２が形成された部分）を除き、実質的に半導体基板１１０の前面全部に形成されることができる。これと同様に、パッシベーション膜３２は第２電極４４に対応する部分（より正確には、第２開口部１０４が形成された部分）を除き、実質的に半導体基板１１０の後面全部に形成されることができる。
パッシベーション膜２２、３２は導電領域２０、３０に接触するように形成されて、導電領域２０、３０の表面またはバルク内に存在する欠陥を不動化させる。これにより、少数キャリアの再結合サイトを除去して太陽電池１００の開放電圧（Ｖｏｃ）を高めることができる。反射防止膜２４は半導体基板１１０の前面に入射する光の反射率を減少させる。このように、半導体基板１１０の前面を通じて入射する光の反射率を低下させることにより、ベース領域１０と第１導電領域２０の界面に形成されたｐｎ接合まで到達する光量を増加させることができる。これにより、太陽電池１００の短絡電流（Ｉｓｃ）を増加させることができる。このように、パッシベーション膜３２、２２及び反射防止膜２４によって太陽電池１００の開放電圧と短絡電流を増加させて太陽電池１００の効率を向上することができる。
一例として、パッシベーション膜２２、３２または反射防止膜２４は、シリコン窒化膜、水素を含むシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン酸化窒化膜、アルミニウム酸化膜、ＭｇＦ2、ＺｎＳ、ＴｉＯ2及びＣｅＯ2からなる群から選択されたいずれか一つの単一膜または二つ以上の膜が組み合わせられた多層膜構造を持つことができる。一例として、パッシベーション膜２２、３２は、導電領域２０、３０がｎ型を持つ場合には、固定正電荷を持つシリコン酸化膜、シリコン窒化膜などを含むことができ、ｐ型を持つ場合には、固定負電荷を持つアルミニウム酸化膜などを含むことができる。一例として、反射防止膜２４はシリコン窒化物を含むことができる。
しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、パッシベーション膜２２、３２、及び反射防止膜２４が多様な物質を含むことができる。そして、半導体基板１１０の前面及び／または後面上に積層される絶縁膜の積層構造も多様な変形が可能である。例えば、前述した積層順序とは違う積層順序に絶縁膜が積層されることができる。または、前述したパッシベーション膜２２、３２及び反射防止膜２４の少なくとも一方を含んでいないか、前述したパッシベーション膜２２、３２及び反射防止膜２４以外の他の絶縁膜を含むこともできる。その外にも多様な変形が可能である。
第１電極４２は半導体基板１１０の前面に位置する絶縁膜（例えば、パッシベーション膜２２及び反射防止膜２４）に形成された第１開口部１０２を通じて第１導電領域２０に電気的に連結される。第２電極４４は半導体基板１１０の後面に位置する絶縁膜（例えば、パッシベーション膜３２）に形成された第２開口部１０４を通じて第２導電領域３０に電気的に連結される。一例として、第１電極４２は第１導電領域２０に接触し、第２電極４４は第２導電領域３０に接触することができる。
第１及び第２電極４２、４４は多様な物質（一例として、金属物質）からなり、多様な形状を持つように形成されることができる。第１及び第２電極４２、４４の形状については図２を参照して説明する。
図２を参照すれば、第１及び第２電極４２、４４は一定のピッチを持って互いに離隔している複数のフィンガー電極４２ａ、４４ａを含むことができる。図面にはフィンガー電極４２ａ、４４ａが互いに平行であり、半導体基板１１０の縁部に平行なものを例示したが、本発明がこれに限定されるものではない。そして、第１及び第２電極４２、４４は、フィンガー電極４２ａ、４４ａと交差する方向に形成され、フィンガー電極４２ａ、４４ａを連結するバスバー電極４２ｂ、４４ｂを含むことができる。このようなバスバー電極４２ｂ、４４ｂは一つのみ設けられることも、図２に示したように、フィンガー電極４２ａ、４４ａのピッチより大きなピッチを持つ複数のフィンガー電極が設けられることもできる。この際、フィンガー電極４２ａ、４４ａの幅よりバスバー電極４２ｂ、４４ｂの幅が大きいことができるが、本発明がこれに限定されるものではなく、同一であるかそれより小さな幅を持つことができる。
断面を見ると、第１電極４２のフィンガー電極４２ａ及びバスバー電極４２ｂはいずれもパッシベーション膜２２及び反射防止膜２４を貫いて形成されることもできる。すなわち、開口部１０２が第１電極４２のフィンガー電極４２ａ及びバスバー電極４２ｂの両方に対応して形成されることができる。そして、第２電極４４のフィンガー電極４４ａ及びバスバー電極４４ｂはいずれもパッシベーション膜３２を貫いて形成されることもできる。すなわち、開口部１０４が第２電極４４のフィンガー電極４４ａ及びバスバー電極４４ｂの両方に対応して形成されることができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。他の例として、第１電極４２のフィンガー電極４２ａがパッシベーション膜２２及び反射防止膜２４を貫いて形成され、バスバー電極４２ｂがパッシベーション膜２２及び反射防止膜２４上に形成されることができる。そして、第２電極４４のフィンガー電極４４ａがパッシベーション膜３２を貫いて形成され、バスバー電極４４ｂはパッシベーション膜３２上に形成されることができる。
この実施例は、太陽電池１００の第１及び第２電極４２、４４が一定したパターンを持ち、太陽電池１００が半導体基板１１０の前面及び後面に光が入射することができる両面受光型（ｂｉ−ｆａｃｉａｌ）構造を持つ。これにより、太陽電池１００に使われる光量を増加させて太陽電池１００の効率向上に寄与することができる。
図面には、第１電極４２と第２電極４４が同一形状を持つものを例示した。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、第１電極４２のフィンガー電極及びバスバー電極の幅、ピッチなどは第２電極４４のフィンガー電極４４ａ及びバスバー電極４４ｂの幅、ピッチなどとは違う値を持つことができる。また、第１電極４２と第２電極４４の形状が互いに異なることも可能であり、その以外の多様な変形が可能である。例えば、第２電極４４がパターンを持っていなくて半導体基板１１０の後面に全体的に形成されることもできる。
この実施例においては、導電領域２０、３０を形成する工程を改善して優れた特性を持つ導電領域２０、３０を形成することができる。特に、この実施例においては、ホウ素（Ｂ）を含む第１導電領域２０を形成するとき、バリア膜（図３ｃの参照符号１２）を形成して第１導電領域２０のジャンクション深さを減らすことができる。それにもかかわらず、第１導電領域２０と第２導電領域３０の表面ドーピング濃度は類似した値（３０％以内の差）を持つので、第１電極４２または第２電極４４の接触抵抗が低い値を持つようにすることができる。一例として、第１導電領域２０の表面ドーピング濃度が１×１０19〜１×１０21／ｃｍ3であることができ、第２導電領域３０の表面ドーピング濃度が１×１０19〜１×１０21／ｃｍ3であることができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。
より具体的には、第１導電領域２０のジャンクション深さが第２導電領域３０のジャンクション深さより小さい。一例として、第２導電領域３０のジャンクション深さ：第１導電領域２０のジャンクション深さの割合が１：０．４〜１：０．８であることができる。または、第１導電領域２０のジャンクション深さが０．５μｍ〜０．８μｍ、第２導電領域３０のジャンクション深さが０．８μｍ〜１．３μｍであることができる。このような範囲内で第１導電領域２０を浅いエミッタで形成しながらもエミッタ領域としての役目を十分に果たすことができるからである。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。
そして、第１導電領域２０及び第２導電領域３０の不純物濃度が相対的に低い値を維持することができる。特に、第１導電領域２０の金属不純物（Ｍｇ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒなど）の濃度が第２導電領域３０の金属不純物の濃度と類似した値（２０％以内の差）を持つことができる。第２導電領域３０は第２導電性ドーパントを含む水素化物（例えば、第２導電性ドーパントとしてリンを使う場合、ＰＨ3などのリン水素化物）などから形成されるので、質量分析器なしにイオン注入されても低い不純物濃度を持つことができる。第１導電領域２０は第１導電性ドーパントを含むフッ化物（例えば、第１導電性ドーパントとしてホウ素を使う場合、ＢＦ3、Ｂ2Ｆ4などのフッ化ホウ素）がイオン注入されて他の不純物が一緒に流入する可能性が高いので、バリア膜１２を用いて不純物を濾し出す。これにより、第１及び第２導電領域２０、３０が質量分析器を使わなくても低いレベルの不純物濃度を持つことができる。
前記の説明では、エミッタ領域をホウ素を含む第１導電領域２０とし、裏面電界領域をリンを含む第２導電領域３０としたものを例示した。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。したがって、エミッタ領域をリンを含む第２導電領域３０とし、裏面電界領域をホウ素を含む第１導電領域２０とすることもできる。その以外の多様な変形が可能である。
以下では、図３ａ〜図３ｈに基づいて本発明の実施例による太陽電池１００の製造方法を詳細に説明する。前述したものに対しては詳細な説明を省略し、説明しなかったものを詳細に説明する。
図３ａ〜図３ｈは本発明の一実施例による太陽電池の製造方法を示す断面図である。
図３ａを参照すれば、第２導電性ドーパントを持つベース領域１０からなる半導体基板１１０を用意する。一例として、この実施例において、半導体基板１１０はｎ型のドーパント（特に、リン（Ｐ））を持つシリコン基板（一例として、シリコンウェハー）からなることができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、ベース領域１０がリン以外のｎ型のドーパントまたはｐ型のドーパントを持つこともできる。
この際、半導体基板１１０の前面及び後面の少なくとも一面が凹凸を持つようにテクスチャー加工されることができる。半導体基板１１０の表面のテクスチャー加工としては湿式または乾式テクスチャー加工を用いることができる。湿式テクスチャー加工はテクスチャー加工溶液に半導体基板１１０を浸漬することで行うことができ、工程時間が短い利点がある。乾式テクスチャー加工はダイヤモンドドリルまたはレーザーなどで半導体基板１１０の表面を切削するもので、凹凸を均一に形成することができる一方、工程時間が長くて半導体基板１１０で損傷が発生することができる。その外に、反応性イオン食刻（ＲＩＥ）などによって半導体基板１１０をテクスチャー加工することもできる。このように、本発明においては、多様な方法で半導体基板１１０をテクスチャー加工することができる。
図面には、半導体基板１１０の前面及び後面のいずれもテクスチャー加工されて、前面及び後面を通じて入射する光の反射を最小化するものを例示した。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、多様な変形が可能である。
ついで、図３ｂ〜図３ｆに示すように、半導体基板１１０にまたは半導体基板１１０上に導電領域２０、３０を形成する。一例として、この実施例において、第１導電領域２０は半導体基板１１０の前面に第１導電性ドーパントをドープすることによって形成され、第２導電領域３０は半導体基板１１０の後面に第２導電性ドーパントをドープすることによって形成される。第１及び第２導電領域２０、３０を形成する工程をより詳細に説明する。
図３ｂに示すように、半導体基板１１０の後面に第２導電領域３０を形成する。第２導電領域３０を形成するドーピング工程としては公知の多様な方法を使うことができる。一例として、イオン注入法、ドーパントを含む気体の雰囲気で熱処理する熱拡散法、ドーピング層を形成した後に行う熱処理法、レーザードーピング法などの多様な方法が適用可能である。この中で、イオン注入法によれば、半導体基板１１０の後面の片面にのみ第２導電領域３０を簡単な工程で形成することができる。この際、相対的に高い純度が要求されない裏面電界領域を構成する第２導電領域３０は質量分析器を使わないイオン注入装置によって形成されることができる。これにより、装置価格を節減し、製造工程時間を減らして生産性を向上することができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。
図３ｃに示すように、半導体基板１１０の前面及び後面にバリア膜１２を形成する。バリア膜１２は、後に第１導電領域２０を形成するためのドーピング工程において、所望のドーパントまたはイオンを通過または拡散することができ、その以外の元素が通過または拡散することができないようにする。このために、バリア膜１２は特定の物質、厚さ及び屈折率を持つことができる。
一例として、バリア膜１２は、シリコン酸化物を含むシリコン酸化物層、シリコン窒化物を含むシリコン窒化物層、またはシリコン炭化物を含むシリコン炭化物層からなるかこれを含むことができる。シリコン酸化物層、シリコン窒化物層、またはシリコン炭化物層はシリコンを含む半導体基板１１０に低温で形成されることができ、容易に除去されることができる。特に、バリア膜１２がシリコン酸化物層からなることができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、バリア膜１２が他の物質を含むこともできる。
バリア膜１２がシリコン酸化物層を含む場合、バリア膜１２の屈折率は１．４〜１．６であることができる。バリア膜１２がシリコン窒化物層を含む場合、バリア膜１２の屈折率は１．９〜２．３であることができる。バリア膜１２がシリコン炭化物層を含む場合、バリア膜１２の屈折率は２．０〜２．６であることができる。このような範囲の屈折率を持つとき、バリア膜１２が安定した構造を持ってバリア膜１２としての役目を効果的に果たすことができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、バリア膜１２の物質、組成などによってバリア膜１２の屈折率が他の値を持つこともできる。
バリア膜１２が前述した物質、厚さ及び／または屈折率を持てば、ドーパントとしてホウ素を使う場合、ドーピングに直接関与するＢ１１イオンがバリア膜１２を拡散または通過することができるが、Ｂ１１イオンより重くて大きなホウ素化合物（例えば、フッ化ホウ素、ＢＦ+、ＢＦ2+など）、ＳｉＦx、金属不純物（Ｍｇ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒなど）がバリア膜１２を拡散または通過することができないかあるいは拡散または通過を抑制することができる。Ｂ１１イオンは小さくて軽くてバリア膜１２を容易に通過することができるが、ＢＦ+、ＢＦ2+、ＳｉＦx、金属不純物（Ｍｇ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒなど）は大きくて重くてバリア膜１２を通過しにくいからである。
この際、半導体基板１１０の前面に形成されたバリア膜１２の第１部分１２１の厚さが半導体基板１１０の後面に形成されたバリア膜１２の第２部分１２２の厚さと同一であるかそれより小さいことができる。これは、第２導電領域３０上に形成される第２部分１２２がドープされなかった半導体基板１１０の前面上に形成される第１部分１２１と同一であるかそれより高い成長速度を持つからである。このように、第２部分１２２の厚さが第１部分１２１の厚さと同一であるかそれより大きければ、第２部分１２２が第２導電領域３０に含まれた第２導電型ドーパントが外部に拡散することを防止する外部拡散（ｏｕｔ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）防止膜としての役目をすることができる。
一例として、第１部分１２１の厚さ：第２部分１２２の厚さの割合が１：１〜１：２であることができる。前記の割合が１：１未満であれば、第２部分１２２が外部拡散防止膜としての役目を十分に果たしにくいことができる。前記の割合が１：２を超えるように第１部分１２１及び第２部分１２２を形成しにくいことができる。第２部分１２２による効果及び工程条件などを考慮すると、第１部分１２１の厚さ：第２部分１２２の厚さの割合が１：１．０５〜１：１．５であることができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。前述した厚さの割合は第２導電領域３０のドーピング濃度によって変わることができる。
または、第１部分１２１の厚さが５ｎｍ〜５０ｎｍ、第２部分１２２の厚さが５ｎｍ〜１００ｎｍであることができる。第１部分１２１の厚さが５ｎｍ未満であれば、ドーパントイオン以外の不純物が拡散することを防止するバリア膜１２の役目が十分でないことができる。バリア膜１２の厚さが５０ｎｍを超えれば、バリア膜１２を形成する工程時間が増加して生産性が低下することがありうる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、バリア膜１２の物質、組成などによってバリア膜１２の厚さが他の値を持つこともできる。第２部分１２２の厚さが５ｎｍ未満であれば、第２部分１２２の外部拡散防止膜の役目が十分でないこともできる。バリア膜１２の厚さが１００ｎｍを超えれば、バリア膜１２を形成する工程時間が増加して生産性が低下することがありえる。外部拡散防止膜としての役目を効果的に果たすために、第２部分１２２の厚さが１０ｎｍ〜１００ｎｍであることができる。
バリア膜１２において半導体基板１１０の側面に位置する部分の厚さは半導体基板１１０の側面に第２導電領域３０が位置するか否かによって第１部分１２１または第２部分１２２と同一の（一例として、１０％以内の偏差を持つ）厚さを持つことができる。すなわち、半導体基板１１０の側面に第２導電領域３０が位置する場合は、バリア膜１２において半導体基板１１０の側面に位置する部分の厚さが第２部分１２２と同一の厚さを持つことができる。半導体基板１１０の側面に第２導電領域３０が位置しない場合は、バリア膜１２において半導体基板１１０の側面に位置する部分の厚さが第１部分１２１と同一の厚さを持つことができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。
しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、バリア膜１２の物質、組成などによってバリア膜１２の厚さが他の値を持つこともできる。
バリア膜１２は多様な方法で形成されることができる。例えば、バリア膜１２が蒸着法で形成されることができる。一例として、バリア膜１２が常圧化学気相蒸着法（ＡＰＣＶＤ）によって形成されることができる。常圧化学気相蒸着法によれば、厳格ではない工程条件で容易にバリア膜１２を形成することができ、両面蒸着によってバリア膜１２が半導体基板１１０の前面及び後面に共に形成されることができる。より具体的には、バリア膜１２が特定のパターンまたは開口部を持っておらず、半導体基板１１０の全表面である前面、後面及び側面に全体的に形成することができる。
ついで、図３ｄに示すように、半導体基板１１０の前面側に第１導電性ドーパントをイオン注入を行ってドーパント層２００を形成する。イオン注入された第１導電性ドーパントはバリア膜１２が形成された部分を通過または貫通して半導体基板１１０の前面側に到逹することになる。一般に、イオン注入時には、開口部を含むマスク層などを用い、ドーパントがマスク層が位置しない部分（すなわち、開口部）を通じてイオン注入されたが、これとは異なり、この実施例においては、第１導電性ドーパントがバリア膜１２を通じて半導体基板１１０にイオン注入される。この際、第１導電性ドーパントはホウ素（Ｂ）であることができる。ホウ素は大きさが小さいのでバリア膜１２を容易に通過することができるが、その以外の物質はバリア膜１２を通過しにくいからである。
ドーパント層２００は、バリア膜１２に形成される第１ドーパント層２００ａとバリア膜１２に隣接した半導体基板１１０に形成される第２ドーパント層２００ｂを含むことができる。この際、第２ドーパント層２００ｂの厚さ（Ｔ２）は第１ドーパント層２００ａの厚さ（Ｔ１）より小さいことができる。バリア膜１２によってドーパントが半導体基板１１０の内部まで深くドープされにくいからである。一例として、第２ドーパント層２００ｂの厚さ（Ｔ２）がドーパント層２００の厚さの２０％〜４０％であることができる。第２ドーパント層２００ｂがこのように相対的に薄い厚さを持つので、これから形成された第１導電領域２０も第２導電領域３０より薄い厚さを持つことができる。
既存には、質量分析器（ｍａｓｓ ａｎａｌｙｚｅｒ）を備えているイオン注入装置を用い、第１導電領域２０またはこれを形成するためのドーパント層２００に不純物または不要なイオン、つまりホウ素化合物（例えば、フッ化ホウ素物質、ＢＦ+、ＢＦ2+など）、ＳｉＦx、金属不純物（Ｍｇ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒなど）を除去し、ドーピングに必要なＢ１１-イオンのみを注入した。質量分析器を備えているイオン注入装置は、装置価格が高くて工程時間が長くなって生産性が低い。この理由で質量分析器を使わないでそのままイオン注入すれば、不純物または不要なイオンによって第１導電領域２０の特性が著しく低下することができる。
そして、既存には、高温の工程において望まない部分（例えば、第２導電領域３０が形成された部分）が容易にドープされてカウンタードーピングが生じることがありうる。これにより、第２導電領域３０の特性も低下することがありうる。
一方、この実施例においては、イオン注入工程でバリア膜１２がドーパント（またはドーパントイオン）以外の物質を濾し出してドーパント層２００または第１導電領域２０の純度を低下することができる。したがって、質量分析器を備えていないイオン注入装置を使うことができる。すなわち、この実施例においては、質量分析器を除去した低価のプラズマタイプのイオン注入装置（ｐｌａｓｍａ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔｙｐｅ ｉｍｐｌａｎｔｅｒ）を使うことができるので、装置価格を節減し、工程時間を減らして生産性を向上することができる。そして、バリア膜１２の第２部分１２２が第２導電領域３０内の第２導電性ドーパントの外部拡散を防止し、第１導電型ドーパントが第２導電領域３０内に流入することも防止することができる。これにより、第２導電領域３０の優れた特性も維持することができる。
この実施例においては、エミッタ領域として機能する第１導電領域２０のドーパントを、バリア膜１２によって不純物が除去された状態でイオン注入することで、光電変換に直接関与する第１導電領域２０の純度及び特性を向上することができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、第２導電領域３０がホウ素を含み、第２導電領域３０をバリア膜１２によって不純物を除去した状態でイオン注入することもできる。その以外の多様な変形が可能である。
ついで、図３ｅに示すように、熱処理工程によって第１導電型ドーパントを半導体基板１１０の前面側に拡散させ、活性化熱処理することで、第１導電領域２０を形成する。
第１導電型ドーパントが拡散して第１導電領域２０が形成されるので、第１導電領域２０の厚さ（Ｔ３）はバリア膜１２の厚さ（または第１ドーパント層２００ａの厚さ（Ｔ１））及び第２ドーパント層２００ｂの厚さ（Ｔ２）より大きくなることができる。例えば、第１導電領域２０の厚さ（Ｔ３）が第１ドーパント層２００ａの厚さ（Ｔ１）の１０倍〜１６０倍（一例として、１０倍〜１００倍）であることができる。前記の割合が１０倍未満であれば、第１導電領域２０が十分に形成されにくいことができる。前記の割合が１６０倍を超えるように第１導電型ドーパントを拡散させることは難しく、前記の割合が１６０倍を超えると第１導電領域２０が浅いエミッタを形成しにくいことができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、第１ドーパント層２００ａ、第２ドーパント層２００ｂ及び第２導電領域３０の厚さは多様な値を持つことができる。
ただ、ドーパント層２００が半導体基板１１０内には相対的に薄く形成されていたので、第１導電領域２０も相対的に薄く形成され、第２導電領域３０より薄く形成されることができる。
前述したように、不純物または不要なイオンが濾された状態のドーパント層２００を熱処理して第１導電領域２０を形成するので、第１導電領域２０も低い不純物濃度を持ち、高純度及び向上した特性を持つことができる。
そして、バリア膜１２の第２部分１２２が半導体基板１１０の前面側に形成されたドーパント層２００の第１導電性ドーパントが半導体基板１１０の後面に流入することを効果的に防止することができる。したがって、カウンタードーピングによって第２導電領域３０の純度が低下するか特性が低下することを効果的に防止することができる。
熱処理方法としては公知の多様な方法を使うことができる。一例として、熱処理温度は９５０℃〜１２５０℃であることができる。これは、イオン注入された第１導電性ドーパントが効果的に拡散することができる温度に限定したものであるが、本発明がこれに限定されるものではない。この実施例において、第２導電領域３０もイオン注入によって形成された場合には、このた熱処理工程と一緒に活性化（ｃｏ−ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ）熱処理することができる。よって、製造工程を単純化することができる。
この実施例においては、ドーパント層２００を形成した後、バリア膜１２が存在する状態で活性化熱処理工程を直後に行うことを例示した。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、バリア膜１２を除去した後に熱処理を施すこともできる。そして、別途の熱処理工程を施さないで他の高温工程で活性化熱処理を施すこともできる。その以外の多様な変形が可能である。
ついで、図３ｆに示すように、バリア膜１２を除去する。バリア膜１２は公知の多様な方法で除去することができる。例えば、希釈されたフッ化水素酸（ＨＦ）を用いて除去することができる。希釈されたフッ化水素酸を用いる工程は別途の工程で行うこともでき、あるいは洗浄工程で希釈されたフッ化水素酸を用いてバリア膜１２を除去することもできる。
この実施例によれば、図３ｇに示すように、ついで半導体基板１１０の前面上（または第１導電領域２０上）及び／または半導体基板１１０の後面上（または第２導電領域３０上）に絶縁膜を形成する。
より具体的には、この実施例においては、第１導電領域２０上に第１パッシベーション膜２２及び反射防止膜２４を形成し、第２導電領域３０上に第２パッシベーション膜３２を形成する。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、第１及び第２パッシベーション膜２２、３２及び反射防止膜２４のいずれか一つのみを形成することもできる。
第１パッシベーション膜２２、反射防止膜２４及び／または第２パッシベーション膜３２は真空蒸着法、化学気相蒸着法、スピンコーティング、スクリーン印刷またはスプレーコーティングなどの多様な方法で形成することができる。
ついで、図３ｈに示すように、第１及び第２導電領域２０、３０にそれぞれ連結される第１及び第２電極４２、４４を形成する。
一例として、第１パッシベーション膜２２及び反射防止膜２４に開口部１０２を形成し、第２パッシベーション膜３２に開口部１０４を形成した後、開口部１０２、１０４内にメッキ法、蒸着法などの多様な方法で導電性物質を形成して第１及び第２電極４２、４４を形成することができる。
他の例として、第１及び第２電極形成用ペーストを第１パッシベーション膜２２及び反射防止膜２４、及び／または第２パッシベーション膜３２上にスクリーン印刷などで塗布した後、ファイアスルー（ｆｉｒｅ ｔｈｒｏｕｇｈ）またはレーザー焼成コンタクト（ｌａｓｅｒ ｆｉｒｉｎｇ ｃｏｎｔａｃｔ）などを行って前述した形状の第１及び第２電極４２、４４を形成することも可能である。この場合、第１及び第２電極４２、４４を形成するとき（特に、焼成するとき）開口部１０２、１０４が形成されるので、別に開口部１０２、１０４を形成する工程を付け加えなくても良い。
この実施例によれば、バリア膜１２を用いて、質量分析器なしにイオン注入に必要なドーパントイオン以外の不純物などを除去した状態でイオン注入を行うことができる。ドーパントイオン以外の不純物はバリア膜１２の内部に閉じこめられるかきわめて少量のみがバリア膜１２を通過することができるので、ドーパント層２００または第１導電領域２０内の不純物濃度を大きく減らすことができる。これにより、第１導電領域２０の不純物濃度を低下させ、純度を向上して、特性を向上することができる。そして、装置価格を節減し、工程時間を減らして生産性を向上することができる。
そして、バリア膜１２がドーパントイオンの拡散距離を減らす役目をするので、第１導電領域２０の厚さ（Ｔ３）またはジャンクション深さも減らすことができる。よって、浅いエミッタを形成することができるので、飽和電流（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ）を減少させて太陽電池１００の開放電圧（Ｖｏｃ）を向上させることができる。また、バリア膜１２が第１導電領域２０を形成する工程中に第１導電型ドーパントが第２導電領域３０にドープされることを防止して第２導電領域３０の優れた特性を維持することができる。
前述した説明においては、第１及び第２導電領域２０、３０（特に、第１導電領域２０）が半導体基板１１０の内部に形成されたドーピング領域であるものを例示にして説明した。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、導電領域２０、３０の少なくとも一つ（特に、第１導電領域２０）が半導体基板１１０上に別途の層として構成される非晶質、微細結晶または多結晶半導体層などから構成されることもできる。この場合は、第１導電領域２０に関連して半導体基板１１０で説明した部分を半導体層にそのまま適用することができる。
以下、本発明の実験例によって本発明をより詳細に説明する。しかし、本発明の実験例は本発明を例示するためのものに過ぎなく、本発明がこれに限定されるものではない。
実験例
ｎ型のベース領域を持つ半導体基板の後面にイオン注入法によってリン（Ｐ）をドープして裏面電界層を形成し、半導体基板の前面及び後面上にシリコン酸化物層であるバリア膜を形成した。バリア膜の前面の厚さが２０ｎｍ、後面の厚さが３０ｎｍ、屈折率が１．４５であった。半導体基板の前面側に質量分析器を備えていないプラズマイオン注入装置でホウ素（Ｂ）を注入してドーパント層を形成した。そして、１０００度℃で熱処理することにより、ドーパント層に含まれたホウ素を半導体基板の前面に拡散させながら活性化させてエミッタ層を形成し、裏面電界層を活性化させた。そして、バリア膜を希釈されたフッ化水素酸で除去した。そして、半導体基板の前面に前面パッシベーション膜及び反射防止膜を形成し、半導体基板の後面に後面パッシベーション膜を形成し、エミッタ層に連結される第１電極及び裏面電界層に連結される第２電極を形成することによって太陽電池を製造した。
比較例
バリア膜を形成しないで半導体基板の前面に直接プラズマイオン装置でホウ素を注入したことを除き、実験例と同様な方法で太陽電池を製造した。
実験例及び比較例による太陽電池において半導体基板の表面（前面）からの距離による第１導電型ドーパントのドーピング濃度の関係を図４に示した。
図４を参照すれば、実験例による太陽電池における表面ドーピング濃度（Ｃｓ）は比較例による太陽電池における表面ドーピング濃度（Ｃｓ）と類似した値を持つが、実験例による太陽電池においては、ジャンクション深さ（Ｘｊ）が比較例による太陽電池のジャンクション深さ（Ｘｊ’）より小さいことが分かる。これは、実験例においてはホウ素がバリア膜を通過した後に半導体基板に拡散して相対的に小さい厚さに拡散したからであると予測される。実験例のようにジャンクション深さが小くなれば飽和電流が減少して太陽電池の開放電圧を向上させることができる。したがって、実験例による太陽電池は効率を向上させることができることが分かる。
前述したような特徴、構造、効果などは本発明の少なくとも一実施例に含まれ、必ずしも一実施例にのみ限定されるものではない。さらに、各実施例に例示した特徴、構造、効果などは実施例が属する分野の通常の知識を持つ者によって他の実施例にも組み合わせられるか変形されて実施可能である。したがって、このような組合せや変形に係わる内容は本発明の範囲に含まれるものに解釈されなければならない。
Claims (20)
- 半導体基板にまたは半導体層の少なくとも一面上にバリア膜を形成する段階と、
前記バリア膜を通じて第１導電性ドーパントをイオン注入して前記半導体基板または前記半導体層の前記一面に第１導電領域を形成する段階と、
前記バリア膜を除去する段階と、
を含む、太陽電池の製造方法。 - 前記バリア膜が、シリコン酸化物、シリコン窒化物及びシリコン炭化物の少なくとも１種を含む、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記バリア膜がシリコン酸化物を含み、屈折率が１．４〜１．６である、
前記バリア膜がシリコン窒化物を含み、屈折率が１．９〜２．３である、又は、
前記バリア膜が前記シリコン炭化物を含み、屈折率が２．０〜２．６である、請求項２に記載の太陽電池の製造方法。 - 前記半導体基板または前記半導体層の一面上の前記バリア膜の厚さが５ｎｍ〜５０ｎｍである、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記第１導電性ドーパントがホウ素を含む、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記バリア膜を形成する段階に先立ち、前記半導体基板または前記半導体層の他面に第２導電領域を形成する段階をさらに含む、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記バリア膜は、前記一面上に位置する第１部分と前記他面上に位置する第２部分を含み、
前記第２部分の厚さが前記第１部分の厚さと同一であるか又はより大きい、請求項６に記載の太陽電池の製造方法。 - 前記第１部分の厚さ：前記第２部分の厚さの割合が１：１〜１：２である、請求項７に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記第１部分の厚さ：前記第２部分の厚さの割合が１：１．０５〜１：１．５である、請求項８に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記第１部分の厚さが５ｎｍ〜５０ｎｍであり、
前記第２部分の厚さが５ｎｍ〜１００ｎｍである、請求項７に記載の太陽電池の製造方法。 - 前記第１導電領域及び前記第２導電領域のそれぞれは質量分析器を使わないイオン注入によって形成される、請求項６に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記第１導電領域は第１導電性ドーパントを含むフッ化物を含むガスを用いてイオン注入され、
前記第２導電領域は第２導電性ドーパントを含む水素化物を含むガスを用いてイオン注入される、請求項６に記載の太陽電池の製造方法。 - 前記第１導電領域を形成する段階は、
前記第１導電性ドーパントをイオン注入してドーパント層を形成する段階と、
前記ドーパント層を熱処理して前記第１導電性ドーパントを拡散させて活性化させる熱処理段階と、
を含む、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。 - 前記ドーパント層は、前記バリア膜に形成される第１ドーパント層、及び前記バリア膜に隣接した前記半導体基板または前記半導体層の部分に形成される第２ドーパント層を含み、
前記第２ドーパント層の厚さが前記第１ドーパント層の厚さより薄い、請求項１３に記載の太陽電池の製造方法。 - 前記第２ドーパント層の厚さが前記第１ドーパント層の厚さの２０％〜４０％である、請求項１４に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記第１導電領域の厚さが前記第１ドーパント層及び前記第２ドーパント層のそれぞれの厚さより厚い、請求項１４に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記第１導電領域の厚さが前記第１ドーパント層の１０倍〜１６０倍である、請求項１４に記載の太陽電池の製造方法。
- 半導体基板と、
前記半導体基板または前記半導体基板上に形成され、第１導電型を持つ第１導電領域、及び前記第１導電型と反対の第２導電型を持つ第２導電領域を含む導電領域と、
前記第１導電領域に連結される第１電極、及び前記第２導電領域に連結される第２電極を含む電極と、
を含み、
前記第１導電領域がホウ素（Ｂ）を第１導電性ドーパントとして含み、
前記第１導電領域のジャンクション深さが前記第２導電領域のジャンクション深さより小さく、
前記第１導電領域の表面ドーピング濃度と前記第２導電領域の表面ドーピング濃度が３０％以内の差を持つ、太陽電池。 - 前記第２導電領域のジャンクション深さ：前記第１導電領域のジャンクション深さの割合が１：０．４〜１：０．８である、請求項１８に記載の太陽電池。
- 前記第１導電領域のジャンクション深さが０．５μｍ〜０．８μｍであり、
前記第２導電領域のジャンクション深さが０．８μｍ〜１．３μｍである、請求項１８に記載の太陽電池。
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