JP2017143267A - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、太陽電池及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の一例に係る太陽電池の製造方法は、第１導電型の不純物を含有する半導体基板の後面に制御パッシベーション膜を形成する段階と、前記制御パッシベーション膜上に前記第１導電型と反対の第２導電型の不純物を含有するエミッタ部と前記第１導電型の不純物を含有する後面電界部を形成する段階と、前記エミッタ部と前記後面電界部上に保護膜を形成する段階と、連続的に均等な強度を有するパルス形態のレーザを用いて前記保護膜に第１開口部及び第２開口部を形成する段階と、前記第１開口部を介して、前記エミッタ部と電気的及び物理的に接続される第１電極を形成する段階と、前記第２開口部を介して、前記後面電界部と電気的及び物理的に接続される第２電極を形成する段階を含む。【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。
最近石油や石炭のような既存エネルギー資源の枯渇が予測されながらこれらを取り替える代替エネルギーに対する関心が高くなり、 太陽エネルギーから電気エネルギーを生産する太陽電池が注目されている。
一般的なシリコン太陽電池は、ｐ型とｎ型のように、異なる導電型（conductive type）を有する半導体からなる基板（substrate）及びエミッタ部（emitter layer）それと半導体基板とエミッタ部にそれぞれ接続された電極を備える。この時、半導体基板とエミッタ部の界面には、ｐ−ｎ接合が形成される。
このような太陽電池に光が入射されれば半導体部で複数の電子―正孔対が生成され、生成された電子―正孔対は光起電力効果（photovoltaic effect）によって電荷である電子と正孔にそれぞれ分離され、電子と正孔はｎ型の半導体とｐ型の半導体部の方向に、例えばエミッタ部と半導体基板の方向にそれぞれ移動し、半導体基板とエミッタ部と電気的に接続された電極によって収集され、この電極を電線で接続して電力を得る。
しかし、この場合、光が入射されない半導体基板の面だけでなく、光が入射される面、すなわち、入射面に形成されたエミッタ部の上にも電極が位置するので、光の入射面積が減少して、太陽電池の効率が落ちる。
したがって、光の入射面積を増加させるために、電子と正孔を収集する電極をすべて半導体基板の後面に位置させた後面電極型構造（back contact）の太陽電池が開発されている。
本発明の目的は、効率が向上した太陽電池及びその製造方法を提供することである。
本発明の実施の形態に係れば、太陽電池の製造方法は、第１導電型の不純物を含有する半導体基板の後面に制御パッシベーション膜を形成する段階と、前記制御パッシベーション膜上に前記第１導電型と反対の第２導電型の不純物を含有するエミッタ部と前記第１導電型の不純物を含有する後面電界部を形成する段階と、前記エミッタ部と前記後面電界部上に保護膜を形成する段階と、連続的に均等な強度を有するパルス系態のレーザを用いて前記保護膜に第１開口部と第２開口部を形成する段階と、前記第１開口部を介して、前記エミッタ部と電気的、物理的に接続される第１電極を形成する段階と、前記第２開口部を介して、前記後面電界部と電気的、物理的に接続される第２電極を形成する段階を含む。
本発明に係る太陽電池は、電極形成のために、同じ強さのレーザを連続的に照射することで、短時間で半導体基板への損傷なしに電極を形成することができる。これにより、太陽電池の効率がさらに増加することができる。
以下では、添付した図面を参考にして本発明の実施の形態について本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は、さまざまな形で実現することができ、ここで説明する実施の形態に限定されない。そして図面で本発明を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略し、明細書全体を通じて類似の部分には同様の符号を付与した。
図面で複数の層と領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。層、膜、領域、板などの部分が他の部分“上に”あるとする時、これは他の部分“真上に”ある場合だけでなく、その中間に他の部分がある場合も含む。逆にどの部分が他の部分“真上に”あるとするときは、中間に他の部分がないことを意味する。また、どの部分が他の部分の上に“全体的”に形成されるとするときは、他の部分の全体面に形成されるものだけでなく、端の一部には形成されないことを意味する。
以下で前面とは、直射光が入射される半導体基板の一面で有り得、後面とは、直射光が入射されないか、直射光ではなく、反射光が入射することができる半導体基板の反対面で有り得る。
併せて、以下の説明において、互いに異なる構成要素の長さや幅が同じであることの意味は、１０％の誤差の範囲以内で互いに同じことを意味する。
それでは、添付した図面を参考にして、本発明の一実施の形態に係る太陽電池について説明する。
図１は、本発明の第１実施の形態に係る太陽電池を説明するための図であり、図２は図１に示した太陽電池をＩＩ−ＩＩ線に沿って切って示した概略図である。
図１及び図２に示すように、第１実施の形態に係る太陽電池１は、半導体基板１１０、反射防止膜１３０、前面保護膜１９０、制御パッシベーション膜１５２、エミッタ部１２１、後面電界部１７２、真性半導体層１６０、後面保護膜１９２、第１及び第２電極（１４１、１４２）を含むことができる。
ここで、反射防止膜１３０と前面保護膜１９０、真性半導体層１６０、及び制御パッシベーション膜１５２は省略されることもあるが、備えた場合、太陽電池１の効率がさらに向上されるので、以下では、備えた場合を一例として説明する。
半導体基板１１０は、第１面（以下、「前面」と称する）と第２面（以下、「後面」 称する）を含み、前面（front surface）と後面（back surface）は、互いに反対側に位置する。
半導体基板１１０は、第１導電型、例えば、ｎ型導電型を有することができ、このような半導体基板１１０は、単結晶シリコンまたは多結晶シリコンの内、いずれか１つで形成することができる。一例として、半導体基板１１０は、結晶質シリコンウエハに形成することができる。
半導体基板１１０がｎ型の導電型を有する場合、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）などのように５価元素の不純物が半導体基板１１０にドーピングすることができる。しかし、これとは異なり、半導体基板１１０は、ｐ型導電型で有り得る。半導体基板１１０がｐ型の導電型を有する場合、ホウ素（Ｂ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）のような３価元素の不純物が半導体基板１１０にドーピング（doping）されることができる。
このような半導体基板１１０の前面と後面での光の反射度を減少させ、光の吸収率を増加させるために、半導体基板１１０の前面と後面の内、少なくとも一面は、複数の凹凸面を有することができる。便宜上、図１及び図２で半導体基板１１０の端の部分だけを凹凸面で示したが、実質的に半導体基板１１０の前面全体が凹凸面を有しており、これにより、半導体基板１１０の前面上に位置した反射防止膜１３０と前面保護膜１９０もまた凹凸面を有する。
例えば、複数の凹凸を有する半導体基板１１０の前面の方向に入射される光は、反射防止膜１３０及び前面保護膜１９０と半導体基板１１０の表面に形成された複数の凹凸により、複数回の反射動作が発生しながら、半導体基板１１０の内部に入射される。これにより、半導体基板１１０の前面から反射される光の量が減少して、半導体基板１１０の内部に入射される光の量が増加する。また、凹凸表面のために、光が入射される半導体基板１１０と反射防止膜１３０と前面保護膜１９０の表面積が増加し、半導体基板１１０に入射される光の量もまた増加する。
また、図１及び図２に示したものと違って、半導体基板１１０は、前面だけでなく、後面にも凹凸面を有することができますが、説明の便宜上、半導体基板１１０の前面（SF1）だけ凹凸が形成された場合を一例として説明する。
図１及び図２に示すように、反射防止膜１３０は、半導体基板１１０の前面に位置し、太陽電池１に入射される特定の波長領域の選択性を増加させて、光の反射を削減し、併せて、半導体基板１１０の前面に存在するダングリングボンド（dangling bond）を減らし、半導体基板１１０の前面に移動する電子や正孔のようなキャリアがダングリングボンドによって再結合されることを防止するパッシベーション機能も実行する。
これにより、反射防止膜１３０は、太陽電池１の効率を高めることができる。このような反射防止膜１３０は、シリコン酸化膜（ＳｉＯｘ）、シリコン酸化窒化膜（ＳｉＯｘＮｙ）、シリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）、亜鉛酸化膜（ＺｎＯ； Zinc Oxide）またはアルミニウム亜鉛酸化膜（ＡＺＯｘ；aluminum zinc oxide）の内、少なくとも一つを含んで形成されることができるが、必ずしもこれに限定されるものではなく、他の物質も使用が可能である。
本実施の形態において、反射防止膜１３０は、単一膜構造を有するが、２重膜のような多層膜構造を有することができ、このようにすることで、反射防止膜１３０のパッシベーション機能をさらに強化することができ、太陽電池の光電効率をさらに向上させることができる。一方、必要に応じて反射防止膜１３０は、省略することができる。
このような反射防止膜１３０は、プラズマ気相成長法（ＰＥＣＶＤ、plasma enhanced chemical vapor deposition）または化学的気相成長法（ＣＶＤ、chemical vapor deposition）のような、さまざまな膜形成方法を用いて、半導体基板１１０の前面に形成することができる。
図１及び図２に示すように、前面保護膜１９０は、半導体基板１１０の前面に位置し、非結晶質半導体で形成することができる。例えば、前面保護膜１９０は、水素化された真性非晶質シリコン（intrinsic amorphous silicon、ｉ−ａ−Ｓｉ：Ｈ）で形成することができる。前面保護膜１９０は、前面保護膜１９０に含有された水素（Ｈ）を用いて、基板１１０の表面及びその付近に主に存在するダングリングボンド（dangling bond）のような欠陥（defect）を安定する結合に代えて、欠陥によって基板１１０の表面の方向に移動した電荷が消滅することを減少させるパッシベーション機能（passivation function）を有し、欠陥によって基板１１０の表面およびその付近で失われる電荷の量を減少ささせる。これにより、基板１１０の前後面に位置する前面保護膜１９０によって欠陥によって基板１１０の表面及びその付近で失われる電荷の量が減少されることにより、太陽電池１の効率を増加することができる。
このような前面保護膜１９０は、図１及び図２に示すように、単一膜でも形成が可能であるが、これと異なるように複数の膜でも形成することができる。
図１及び図２に示すように、制御パッシベーション膜１５２は、半導体基板１１０の後面全体に直接接触して配置され、誘電体材質を含むことができる。したがって、 制御パッシベーション膜１５２は、単結晶シリコン材質で形成される半導体基板１１０の後面に直接接触するように形成することができ、半導体基板１１０で生成されるキャリアを通過させることができる。
このような制御パッシベーション膜１５２は、半導体基板１１０で生成されたキャリアを通過させ、半導体基板１１０の後面のパッシベーション機能を実行することができる。
さらに、制御パッシベーション膜１５２は、６００℃以上の高温工程にも耐久性が強いＳｉＣｘまたはＳｉＯｘで形成される誘電体材質で形成することができる。しかし、この他にもsilicon nitride（ＳｉＮｘ）、hydrogenerated ＳｉＮｘ、aluminum oxide（ＡｌＯｘ）、silicon oxynitride（ＳｉＯＮ）またはhydrogenerated ＳｉＯＮで形成が可能で、このような制御パッシベーション膜１５２の厚さは、０．５ｎｍ乃至５ｎｍの間で形成されることができる。
ここで、制御パッシベーション膜１５２の厚さを０．５ｎｍ以上に形成することは、半導体基板１１０の表面のパッシベーション機能を確保するためであり、制御パッシベーション膜１５２の厚さを５ｎｍ以下に形成することはキャリアが制御パッシベーション膜１５２を介してエミッタ部１２１と後面電界部１７２に移動するトンネル効果を確保するためである。
したがって、制御パッシベーション膜１５２の厚さが５ｎｍを超えると、トンネル効果が減少して、制御パッシベーション膜１５２を介して、第１及び第２電極（１４１、１４２）に移動するキャリアの量が減少することがある。このような制御パッシベーション膜１５２のパッシベーション機能とトンネル効果により、太陽電池１の短絡電流がさらに向上することができる。
図１及び図２に示すようにエミッタ部１２１は、制御パッシベーション膜１５２の後面の一部に直接接触して、複数個が第１方向（ｘ）に長く配置され、第１導電型と反対の第２導電型を有する多結晶シリコン材質で形成することができ、エミッタ部１２１は、制御パッシベーション膜１５２を間に置いて、半導体基板１１０とｐ−ｎ接合を形成することができる。エミッタ部１２１は、後面電界部１７２と並行するように第１方向（ｘ）に伸びており、交互に位置することができる。
各エミッタ部１２１は、半導体基板１１０とｐ−ｎ接合を形成するので、エミッタ部１２１は、ｐ型の導電型を有することができる。しかし、本発明の一例とは異なり、半導体基板１１０がｐ型の導電型を有する場合、エミッタ部１２１は、ｎ型の導電型を有する。この場合、分離された電子は、エミッタ部１２１の方向に移動し、分離された正孔は、後面電界部１７２の方向に移動することができる。
複数のエミッタ部１２１がｐ型の導電型を有する場合、エミッタ部１２１には、３価元素の不純物がドーピングされることがあり、逆に複数のエミッタ部１２１がｎ型の導電型を有する場合、エミッタ部１２１には、５価元素の不純物がドーピングされることができる。
このようなエミッタ部１２１は、制御パッシベーション膜１５２の後面に真性半導体層１６０を蒸着し、真性半導体層１６０の内部に第２導電型の不純物を拡散させて形成することができる。
図１及び図２に示すように、後面電界部１７２は、制御パッシベーション膜１５２の後面の内、前述した複数のエミッタ部１２１のそれぞれと離隔された一部の領域に直接接触して、複数個がエミッタ部１２１と同じ第１方向（ｘ）に長く位置するように形成することができる。後面電界部１７２は、エミッタ部１２１と並行するように第１方向（ｘ）に伸びており、交互に位置することができる。
このような後面電界部１７２は、第１導電型の不純物が半導体基板１１０より高濃度にドーピングされる多結晶シリコン材質で形成することができる。例えば、半導体基板１００がｎ型タイプの不純物でドーピングされる場合、複数の後面電界部１７２は、ｎ＋の不純物領域で有り得る。
このような後面電界部１７２は、半導体基板１１０と後面電界部１７２との不純物濃度の差による電位障壁によって、電子の移動方向である後面電界部１７２の方向への正孔移動を妨害する一方、後面電界部１７２の方向にのキャリア（例えば、電子）の移動を容易にすることができる。
したがって、後面電界部１７２とその付近又は第１及び第２電極（１４１、１４２）で、電子と正孔の再結合で失われる電荷の量を減少させ、電子の移動を加速させて、後面電界部１７２への電子移動量を増加させることができる。
真性半導体層１６０は、制御パッシベーション膜１５２の後面に直接接触して形成されるが、制御パッシベーション膜１５２の後面の内、エミッタ部１２１と後面電界部１７２との間の離隔された空間に形成することができ、このような真性半導体層１６０は、エミッタ部１２１と後面電界部１７２と異なり第１導電型の不純物または第２導電型の不純物がドーピングされない真性多結晶シリコン層に形成することができる。
したがって、真性半導体層１６０は、制御パッシベーション膜１５２の後面の内、エミッタ部１２１と後面電界部１７２との間の離隔された空間に形成されるが、図１及び図２に示すように真性半導体層１６０の両側面のそれぞれは、エミッタ部１２１の側面と後面電界部１７２の側面に直接接触する構造を有することができる。
真性半導体層１６０は、例えば、プラズマ気相成長法（ＰＥＣＶＤ）または化学的気相成長法（ＣＶＤ）のような積層工程で半導体基板１１０の後面に形成することができる。
図１及び図２に示すように、複数の第１電極１４１のそれぞれは、複数のエミッタ部１２１上に位置して、複数のエミッタ部１２１に沿って延びており、複数のエミッタ部１２１と電気的及び物理的に接続されている。各第１電極１４１は、エミッタ部１２１の方向に移動した電荷、例えば、正孔を収集する。
図１及び図２に示すように、複数の第２電極１４２は、複数の後面電界部１７２上に位置して、複数の後面電界部１７２に沿って長く延長されており、複数の後面電界部１７２と電気的及び物理的に接続されている。各第２電極１４２は、その後面電界部１７２の方向に移動する電荷、例えば、電子を収集する。
このような複数の第１及び第２電極（１４１、１４２）は、導電性金属物質で形成することができる。例えば、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）及びこれらの組み合わせからなる群から選択された少なくとも一つの導電性物質からなることもでき、これと違って、透明導電性金属、例えば、ＴＣＯを含んで形成することもできる。
図１及び図２に示すように、後面保護膜１９２は、半導体基板１１０の後面と接触する第１後面保護膜１９２ａと、第１後面保護膜１９２ａの後面と接触する第２後面保護膜１９２ｂを含むことができる。
具体的に、第１後面保護膜１９２ａは、シリコン酸化膜（ＳｉＯｘ）からなり、第２後面保護膜１９２ｂは、シリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）からなることができる。
このような後面保護膜１９２の厚さは、パッシベーション効果を考慮して５０ｎｍ乃至１００ｎｍの間で形成されることができる。
後面保護膜１９２は、エミッタ部１２１及び後面電界部１７２の一部を露出する複数の開口部（Ｈ）を含むことができる。この時、複数の開口部（Ｈ）の間の間隔は、１００μｍ乃至５００μｍで形成することができる。
ここで、複数の開口部（Ｈ）の間の間隔を限定する理由は、開口部（Ｈ）を形成するために、半導体基板１１０にレーザビームを照射するとき、開口部（Ｈ）の間の間隔が過度に狭い場合には、半導体基板１１０にレーザビームが照射される領域が過度に増加して、半導体基板１１０の特性が悪くなるためであり、開口部（Ｈ）の間の間隔が過度に大きい場合には、太陽電池１のフィルファクタ（ＦＦ）が低下するからである。
これにより、第１後面保護膜１９２ａは、半導体基板１１０の後面の内、第１電極１４１とエミッタ部１２１が接続される部分及び、第２電極１４２と後面電界部１７２が接続される部分を除外した残りの領域に形成することができる。
そして、複数の開口部（Ｈ）を介して露出されたエミッタ部１２１の後面には、第１電極１４１が形成され、複数の開口部（Ｈ）を介して露出された後面電界部１７２の後面には、第２電極１４２が形成されることができる。
これにより、第１電極１４１とエミッタ部１２１、それと第２電極１４２と後面電界部１７２は、複数の開口部（Ｈ）を介してそれぞれ電気的及び物理的に接続することができる。この時、複数の開口部（Ｈ）は、レーザ工程を用いて、レーザを均等な強さに連続的に照射して、短時間で、後面保護膜１９２をエッチングして、太陽電池１に機械的損傷なしに形成することができる。
後面保護膜１９２は、第１及び第２電極（１４１、１４２）と一部が重畳されて形成されることができる。
このような後面保護膜１９２は、第１電極１４１と第２電極１４２の間を絶縁させ、併せて、半導体基板１１０の前面に存在するダングリングボンド（dangling bond）を減少させ、半導体基板１１０の前面に移動する電子や正孔のようなキャリアがダングリングボンドによって再結合されることを防止するパッシベーション機能も共に実行する。
一方、後面保護膜１９２は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯｘＮｙ、ＳｉＯｘ及びＳｉＮｘの内、いずれか１つが、単一層で形成されることも可能であり、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯｘＮｙ、ＳｉＯｘ及びＳｉＮｘの内、２つ以上が、多重膜で形成されることも可能である。
本実施の形態において、複数の開口部（Ｈ）は、選択的にレーザ照射装置２を用いて形成することができる。
図４に示すように、レーザ照射装置２は、レーザ源（２１０、laser source）、光学部（２２０、optic unit）と移送部２３０を含むことができる。
レーザ源２１０は、クラックの生成をするものであって、例えば、グリーンレーザ源（green laser source）、Ｎｄ/ＹＡＧレーザ源が用いられることができる。
光学部２２０は、レーザの直径などを調節するためのコリメータ（２２１、collimator）と、カメラ（２２、camera）とレーザを所望する場所に伝達するための焦点部２２３を含むことができる。
レーザの照射条件は、図５に示すように、レーザのエネルギー（Total Energy、Ｅ）、パルス幅（Pulse Width、Ｗ）、パルス数（Pulse Number、Ｎ）及びパルスギャップ（Pulse Gap、Ｇ）などのようなパラメータ（parameter）を調節することができる。
本実施の形態において、レーザのエネルギー（Ｅ）は、約０．１Ｊ/ｃｍ２乃至３Ｊ/ｃｍ２であり、レーザのエネルギー（Ｅ）が０．１Ｊ/ｃｍ２未満の場合には、後面保護膜１９２のエッチング工程が円滑でないことがあり、エネルギー（Ｅ）が３Ｊ/ｃｍ２を超える場合には、レーザ照射装置２に過負荷がかかるおそれがある。
この時、レーザのエネルギー（Ｅ）は、同じ強さ、つまり、均等な強さを有することができる。本実施の形態において、同じ強さを有するレーザのエネルギー（Ｅ）により半導体基板１１０に損傷せずに電極を形成することができる。
また、レーザのパルス幅（Ｗ）は、エッチング工程の効率性を考慮する時、１０ｐｓ乃至１５ｐｓで有り得る。
また、レーザのパルス数（Ｎ）は、レーザアブレーション（laser ablation）の効率性を考慮する時、１回〜８回で有り得、さらに好ましく２〜４回であるが。必ずこれに限定されるものではない。この時、レーザのパルス数（Ｎ）は、所定周期の反復率を有することができる。つまり、同じパルス幅（Ｗ）及び同じエネルギー（Ｅ）を有するパルス形態のレーザを連続的に発生することができる。また、レーザのパルスギャップ（Ｇ）は、レーザアブレーション（laser ablation）の効率性とレーザ照射装置２の寿命の影響などを考慮する時、２０ｎｓで有り得る。
本実施の形態において、一周期当たり４回のパルスが同じギャップ（Ｇ）の違いを置いて同じエネルギー（Ｅ）を有するパルスを連続的に発生させることができる。
これにより、本実施の形態においては、最大１０６４ｎｍの波長帯域のレーザを生成することができる。
光学部２２０は、レーザ源２１０からパルス形態のレーザの入力を受け、太陽電池１でパルス形態のレーザを照射して、第１及び第２電極（１４１、１４２）の形成のための複数の開口部（Ｈ）を生成することができる。
移送部２３０は、ベルトコンベアのように、光学部２２０の下部に配置され、太陽電池１を一方向に移送することができる。
このような構造を有する本実施の形態に係る太陽電池１は、第１電極１４１と第２電極１４２の全て光が入射されない半導体基板１１０の後面に位置する後面電極型構造の太陽電池として、その動作は次の通りである。
太陽電池１に光が照射されて半導体基板１１０に入射されると、光エネルギーによって半導体基板１１０から電子‐正孔対が発生する。これらの電子‐正孔対は、半導体基板１１０とエミッタ部１２１のｐ−ｎ接合によって互いに分離されて正孔はｐ型の導電型を有するエミッタ部１２１の方向に移動し、電子はｎ型の導電型を有する後面電界部１７２の方向に移動して、それぞれ第１電極１４１と第２電極１４２に伝達され、第１及び第２電極（１４１、１４２）によって収集される。このような第１電極１４１と第２電極１４２を導線に接続すると、電流が流れるようになり、これを外部から電力として利用することになる。
図３Ａ〜図３Ｊは、図１及び図２に示した太陽電池の製造方法を順次に示した図である。
図３Ａを参考にすれば、まず、ｎ型単結晶シリコンからなる半導体基板１１０を用意し、半導体基板１１０の一方の面、例えば後面（back surface）にシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ）などからなるエッチング防止膜１１１を積層することができる。
このとき、半導体基板１１０は、第１導電型の不純物または第１導電型と反対の第２導電型の不純物を含有することができる。例えば、半導体基板１１０は、ｐ型の不純物を含有するか、ｎ型の不純物を含有した半導体基板１１０で有り得る。
次に、図３Ｂに示すように、エッチング防止膜１１１をマスクにしてエッチング防止膜１１１が形成されない半導体基板１１０の面、すなわち前面をエッチングして入射面である半導体基板１１０の前面に複数の突出部を備えたテクスチャリング表面を形成した後、エッチング防止膜１１１を除去することができる。この時、半導体基板１１０が単結晶シリコンからなる場合、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＴＭＡＨなどの塩基溶液を使用して、半導体基板１１０の表面をテクスチャリングすることができる。一方、半導体基板１１０が多結晶シリコンからなる場合、ＨＦやＨＮＯ３のような酸溶液を使用して、半導体基板１１０の表面をテクスチャリングすることができる。
次に、図３Ｃに示すように、ｎ型半導体基板１１０の後面に制御パッシベーション膜１５２を形成することができる。このような、トンネル層１５２は、半導体基板１１０で生成されたキャリアを通過させ、半導体基板１１０の後面のパッシベーションの機能を実行することができる。
制御パッシベーション膜１５２は、６００℃以上の高温工程にも耐久性が強いＳｉＣｘまたはＳｉＯｘで形成される誘電体材質で形成することができる。
次に、図３Ｄに示すように、半導体基板１１０の前面に前面保護膜１９０と反射防止膜１３０を蒸着することができる。
このような前面保護膜１９０と反射防止膜１３０は、例えば、プラズマ気相成長法（ＰＥＣＶＤ）または化学的気相成長法（ＣＶＤ）のような積層工程で半導体基板１１０の前面に形成することができる。
反射防止膜１３０の屈折率は、空気の屈折率とシリコン基板１１０の屈折率（例えば、約３．５）の間の屈折率、例えば、約１．９乃至２．３の屈折率を有することができる。これにより、空気から基板１１０への屈折率変化が順次行われるため、反射防止膜１３０の反射防止効果が向上する。
前面保護膜１９０と反射防止膜１３０は、単一膜構造または多層膜構造で形成することができ、これらの形成物質は、ａ−Ｓｉ、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣｘ、ＳｉＣＮのような物質の内、いずれか１つ、またはこれらの組み合わせになることができる。
次に、図３Ｅに示すように、制御パッシベーション膜１５２の後面に真性半導体層１６０を蒸着することができる。
このような真性半導体層１６０は、例えば、プラズマ気相成長法（ＰＥＣＶＤ）または化学的気相成長法（ＣＶＤ）のような積層工程で半導体基板１１０の後面に形成することができる。
次に、図３Ｆに示すように、真性半導体層１６０内にホウ素（Ｂ）などのような３価元素の不純物を含む不純物ドーピング物質を拡散させ、複数のエミッタ部１２１と真性半導体層１６０内にリン（Ｐ）などの５価元素の不純物を含む不純物ドーピング物質を拡散させ、複数の後面電界部１７２を形成することができる。
具体的には、複数のエミッタ部１２１は、半導体基板１１０の第１導電型と反対の第２導電型を有する。これにより、半導体基板１１０と、複数のエミッタ部１２１の間にｐ−ｎ接合が形成される。また、複数の半導体基板１１０と、複数のエミッタ部１２１は、互いに異なる半導体物質で構成されているので、半導体基板１１０と、複数のエミッタ部１２１は、異種接合を形成する。
複数の後面電界部１７２は、半導体基板１１０より高い不純物濃度を有する不純物領域となる。この時、複数のエミッタ部１２１と、複数の後面電界部１７２の形成順序は変更可能である。
一方、このようなエミッタ部１２１と後面電界部１７２は、レーザドーピング（laser doping）を用いた工程、レーザパターニング（laser patterning）とレーザドーピングを用いた工程、または拡散防止膜を用いた工程などを介して形成されることができる。
次に、図３Ｇに示すように、半導体基板１１０の後面に第２後面保護膜１９２ｂを蒸着することができる。
具体的には、半導体基板１１０の後面に第１後面保護膜１９２ａを蒸着し、第１後面保護膜１９２ａの後面に第２後面保護膜１９２ｂを順次蒸着して、第２後面保護膜１９２ｂを形成することができる。第１後面保護膜１９２ａと第２後面保護膜１９２ｂのそれぞれは、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣｘ、ＳｉＣＮのような物質の内、いずれか１つ、またはこれらの組み合わせによって形成することができる。
この時、後面保護膜１９２は、前面保護膜１９１と同じ工程で形成することができ、構造上単一膜または多層膜を形成することができる。
次に、図３Ｈに示すように、太陽電池１をレーザ照射装置２の移送部２０３に位置させ、後面保護膜１９２の一部の領域に選択的にレーザを照射することができる。
次に、図３Ｉに示すように、後面保護膜１９２の一部の領域には、レーザアブレーション（laser ablation）を用いて、複数の開口部（Ｈ）を形成することができる。これにより、複数の開口部（Ｈ）を介してエミッタ部１２１と後面電界部１７２が露出することができる。
複数の開口部（Ｈ）は、半導体基板１１０の後面の内、第１電極１４１とエミッタ部１２１が接続される部分と、第２電極１４２と後面電界部１７２が接続される部分に形成することができる。これにより、複数の開口部（Ｈ）を介して第１電極１４１とエミッタ部１２１それと第２電極１４２と後面電界部１７２のそれぞれが電気的及び物理的に接続することができる。
このような開口部（Ｈ）は、選択的にレーザ照射装置２を用いて、均等な強さで連続的に照射されて短時間で形成されることにより、半導体基板１１０の特性が低下することを最小化することができる。
従来は、パルスの強度が同一ではない非対称（asymmetric）の強度を有するパルスを有するレーザを照射して開口部を形成したから、半導体基板に一時的に大きいダメージ（damage）を与え、太陽電池の特性が低下することができた。
具体的には、従来のように非対称型パルスが使用される場合には、通常、最初のパルスがピークエネルギーを有するようにパワーが最も強く、時間が進むにつれて徐々に減少するパワーを有するパルスが使用される。だから、半導体基板は、最初のパルスでピークエネルギーへ露出されるため、ダメージを大きく受けるしかない。このようなダメージの問題は、ピークエネルギーを有するレーザパルスを使用するために発生するものなので、レーザを１回照射する場合にも発生することができる。
これと比較して、本願発明においては、レーザの総量は、従来と同じエネルギーの合計を有するが、各レーザパルスが有するエネルギーは、従来のピークエネルギーより低いエネルギーを有しており、半導体基板に加わるダメージを従来技術より減らすことができる。好ましくは、本願発明においては、各レーザパルスが有するエネルギーを全て同じように構成して、レーザの総量はそのまま維持しながらも、各レーザパルスのパワーは効果的に減らすことができ、これにより、半導体基板が受けるダメージをさらに効果的に減少させることができる。ここで、レーザの総量は、開口部を形成するために照射されたレーザパルスが有する各パルスのエネルギーを全て合わせた値をいう。
そして、パルスの数や、各パルスが有するエネルギーの大きさは、レーザを受ける層の構成物質に応じて調整されることができる。一例として、非結晶質シリコンは、熱吸収係数が単結晶シリコンより高く、同じエネルギーを有するレーザパルスにもダメージは、単結晶シリコンより多く受ける。したがって、非結晶質シリコンに照射されるレーザパルスは、単結晶シリコンに照射されるレーザパルスより低いエネルギーを有し、パルスの数は、多くのものが望ましいことがある。
下記の表１は、従来のように、非対称な強さのレーザを使用した場合（比較例）と本発明の一実施の形態のように、レーザの総量は同じであるが、レーザパルスが有するエネルギーは、比較例のピークエネルギーより小さくし、レーザパルスは、すべて同じエネルギーを有する場合（実験例）において、ダメージがいくら発生するかを実験した結果を示す。実験は、レーザを照射する前後を分けて、それぞれ開放電圧を測定する方法で行われ、表１の数値は、レーザを照射する前と後の開放電圧の差を示す。
下記の表１のように、比較例１〜３においては、それぞれ、レーザを照射する前と後において開放電圧がそれぞれ４（ｍＶ）、６（ｍＶ）、６（ｍＶ）ずつ低下した一方、実験例１〜３においては、それぞれ、３（ｍＶ）、３（ｍＶ）、２（ｍＶ）ずつ低下することが実験結果で示され、実験例が比較例と比較して効果的にダメージが減少することがわかる。
次に、図３Ｊに示すように、後面保護膜１９２の開口部（Ｈ）を介してエミッタ部１２１に接続される第１電極１４１を形成し、後面保護膜１９２の開口部（Ｈ）を介して後面電界部１７２に接続される第２電極１４２を形成することができる。
ここで、第１電極１４１と第２電極１４２を形成する方法としては、スクリーン印刷方法とメッキ（plating）方法などいずれの方法を使用しても構わない。しかし、アラインメントの問題と工程過程中の半導体基板１１０の特性（例えば、キャリアのライフタイム（life time））への影響を考慮すると、メッキの方法で、第１電極１４１と第２電極１４２を形成することが望ましい。
一方、第１電極１４１と第２電極１４２は、後面保護膜１９２の一部と重畳されて形成することができる。
以下の図６及び図７は、本発明が適用される太陽電池の他の実施の形態を説明するための図である。
図６は、本発明の第２実施の形態に係る太陽電池２を説明する。
図６に示された太陽電池２は、半導体基板１１０の第１面及び第２面を介して光がそれぞれ入射される両面受光型太陽電池（bifacial solar cell）として、第１面と第２面を介して入射された光を用いて電流を生産することができる。これにより、半導体基板１１０の前面には、第１電極１４０が形成され、半導体基板１１０の後面には、第２電極１５０が形成されることができる。
図６に示すように、図１及び図２とは異なるように、第１電極１４０が第１方向（ｘ）に長く伸びた前面フィンガー１４１だけでなく、前面フィンガー１４１の長さ方向と交差する方向である第２方向（ｙ）に長く伸びた前面バスバー１４２を備えることもできる。
また、第２電極１５０は、半導体基板１１０の後面上に互いに離隔して位置し、第１方向（ｘ）に長く伸びた後面フィンガー１５１と、後面フィンガー１５１と長さ方向に交差する第２方向（ｙ）に長く伸びた後面バスバー１５３を備えることができる。
例えば、後面フィンガー１５１は、第１電極１４０の前面フィンガー１４１に対応する位置に形成され、後面バスバー１５３は、第１電極１４０の前面バスバー１４２に対応する位置に形成されることができる。
半導体基板１１０の前面に位置する第１保護膜１９０には、レーザアブレーションを用いて、複数の第１開口部（Ｈ１ａ、Ｈ１ｂ）を形成し、半導体基板１１０の後面に位置する第２保護膜１９２には、レーザアブレーションを用いて、複数の第２開口部（Ｈ２ａ、Ｈ２ｂ）を形成することができる。
これにより、第１開口部（Ｈ１ａ、Ｈ１ｂ）によって露出されたエミッタ部１２０には、第１電極１４０を形成し、第２開口部（Ｈ２ａ、Ｈ２ｂ）によって露出された後面電界部１７０には、第２電極１５０を形成して太陽電池２を完成することができる。
図７は、本発明の第３実施の形態に係る太陽電池３を説明する。
図７に示された太陽電池３は、ＰＥＲＣ（Passivated Emitter and Rear Cell）で有り得る。
図７に示すように、図１及び図２とは異なるように、半導体基板１１０の前面にエミッタ部１２０と電気的に接続されている複数の前面電極１４１、複数の前面電極１４１と接続されており、複数の前面電極１４１と交差する方向に延びている複数の前面電極用集電部１４２を備えることができる。
また、半導体基板１１０の後面に保護膜１９０上に位置し、基板１１０と電気的に接続されている複数の後面電極１５１を備える後面電極用導電層１５５、保護膜１９０の上に位置し、後面電極用導電層１５５と電気的に接続されている複数の後面電極用集電部１６２、複数の後面電極１５１と基板１１０との間に位置する複数の後面電界部１７０を備えることができる。
このとき、保護膜１９０は、少なくとも一つのホールが形成され、真性シリコン（ｉ−Ｓｉ）を含有することができる。
これに、半導体基板１１０の前面に位置する反射防止膜１３０には、レーザアブレーションを用いて、複数の第３開口部（Ｈ３ａ、Ｈ３ｂ）を形成して、半導体基板１１０の後面に位置する保護膜１９０には、レーザアブレーションを用いて、複数の第４開口部（Ｈ４）を形成することができる。
これにより、第３開口部（Ｈ３ａ、Ｈ３ｂ）によって露出されたエミッタ部１２０には、複数の前面電極１４１と、複数の前面電極用集電部１４２を形成し、第４開口部（Ｈ４）によって露出された半導体基板１１０の後面には、後面電極用導電層１５５を形成して太陽電池３を完成することができる。
以上、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、次の請求の範囲で定義している本発明の基本的な概念を利用した当業者の様々な変形及び改良形態また、本発明の権利範囲に属するものである。
Claims (20)
- 第１導電型の不純物を含有する半導体基板の後面に制御パッシベーション膜を形成する段階と、
前記制御パッシベーション膜上に前記第１導電型と反対の第２導電型の不純物を含有するエミッタ部と前記第１導電型の不純物を含有する後面電界部を形成する段階と、
前記エミッタ部と前記後面電界部上に保護膜を形成する段階と、
連続的に均等な強度を有するパルス形態のレーザを用いて前記保護膜に第１開口部及び第２開口部を形成する段階と、
前記第１開口部を介して、前記エミッタ部と電気的及び物理的に接続される第１電極を形成する段階と、
前記第２開口部を介して、前記後面電界部と電気的及び物理的に接続される第２電極を形成する段階を含む、太陽電池の製造方法。 - 前記第１開口部及び第２開口部は、
前記パルス形態のレーザのレーザアブレーション（laser ablation）法によって形成される、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。 - 前記レーザのパルス数は、１〜８個である、請求項２に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記レーザのパルス数は、２〜４個である、請求項３に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記レーザのエネルギーは０．１Ｊ/cm2乃至３Ｊ/cm2である、請求項２に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記レーザのパルス幅は、１０ｐｓ乃至１５ｐｓである、請求項２に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記レーザのパルスギャップは２０ｎｓである、請求項２に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記保護膜は、シリコン酸化膜（ＳｉＯｘ）からなる第１保護膜とシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）からなる第２保護膜を含む、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記保護膜は、前記開口部を介して前記エミッタ部と前記後面電界部の一部を露出する、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記保護膜は、前記半導体基板の後面の内、前記第１電極と前記エミッタ部が接続される部分及び前記第２電極と前記後面電界部が接続される部分を除外した残りの領域に形成される、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記制御パッシベーション膜上に真性半導体層を形成する段階をさらに含み、
前記エミッタ部と前記後面電界部は、前記真性半導体層に形成される、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。 - 前記真性半導体層は、多結晶シリコンを含む、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記エミッタ部と前記後面電界部は、レーザドーピング（laser doping）、レーザパターニング（laser patterning）、及び拡散防止膜を用いた工程のいずれかにより形成される、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
- 第１導電型の不純物を含有する半導体基板に前記第１導電型の不純物を含有する後面電界部と、前記第１導電型と反対の第２導電型の不純物を含有するエミッタ部を形成する段階と、
前記エミッタ部と前記後面電界部上に保護膜を形成する段階と、
互いに均等な強度を有する第１パルスと第２パルスを有するパルス形態のレーザを用いて、前記保護膜に第１開口部及び第２開口部を形成する段階と、
前記第１開口部に前記エミッタ部と接続される第１電極を形成する段階と、
前記第２開口部に前記後面電界部と接続される第２電極を形成する段階と、
を含む太陽電池の製造方法。 - 第１導電型の不純物を含有する半導体基板に前記第１導電型の不純物を含有する後面電界部と、前記第１導電型と反対の第２導電型の不純物を含有するエミッタ部を形成する段階と、
前記エミッタ部と前記後面電界部の少なくとも一つの上に保護膜を形成する段階と、
前記保護膜にパルス形態のレーザを用いて開口部を形成する段階と、
前記エミッタ部と前記後面電界部の少なくとも一つと電気的及び物理的に接続される電極を形成する段階を含み、
前記パルス形態のレーザの数は複数であり、
前記複数のパルスの第１パルスと第２パルスは、互いに均等な強度を有する、太陽電池の製造方法。 - 前記開口部は、前記パルス形態のレーザを介するレーザアブレーション（laser ablation）法によって形成される、請求項１５に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記レーザのパルス数は、１〜８個である、請求項１５に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記レーザのパルス数は、２〜４個である、請求項１７に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記レーザのエネルギーは０．１Ｊ／cm2から３Ｊ/cm2である、請求項１５に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記レーザのパルス幅は、１０ｐｓ乃至１５ｐｓであり、前記レーザのパルスギャップは２０ｎｓである、請求項１５に記載の太陽電池の製造方法。
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