JP2018006744A - 結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造およびその調製方法 - Google Patents
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Abstract
Description
その中でも、機械的チャネリング法は低い表面反射率を実現する。しかし、当該方法によるシリコンウエハー表面での機械的損傷が比較的深刻であり、かつ、その歩留まりが比較的低いため、工業的生産に使用されることは少ない。
レーザエッチング法は、レーザを用いて様々なチャネリングパターンを形成する手法であり、縞状や逆ピラミッド状の表面が既に製造されている。その反射率は8.3%と低いが、調製された太陽電池の効率がいずれも比較的低いため生産用には不適である。
RIE法は異なるテンプレートを用いてエッチングでき、エッチングとして一般的に乾式エッチングが使用される。シリコンウエハーの表面にいわゆる「ブラックシリコン」構造を形成でき、その反射率を7.9%、さらには4%と低くすることができるが、機器が高価で生産コストが高いため、工業的生産に使用されることは少ない。
これに対し、化学エッチング法は工程が単純で、安価で品質が高く、従来のプロセスと適合性がある等の特徴を有することから、工業的に使用される例が最も多い方法となっている。
(1)シリコンウエハーを、酸化剤および金属塩を含むフッ化水素酸溶液に投入して、多孔質層構造を形成する工程;
(2)フッ化水素酸と硝酸との混合溶液である第1化学エッチング液で、表面エッチングを行う工程;
(3)上記シリコンウエハーを、アルカリ溶液である第2化学エッチング液に投入して浸漬し、テクスチャー構造を形成する工程。
(一)上記方法の工程(2)では、第1化学エッチング液は主に、金属触媒により形成された多孔質シリコン層をエッチングする作用と、シリコンウエハーの表面に残留した金属粒子を洗浄する作用と、の二つの作用を果たす。シリコンウエハーの処理量の増加に伴って、工程(2)の第1化学エッチング液(すなわちフッ化水素酸/硝酸の混合溶液)中のAgイオンが増加し、Agイオン濃度の高いフッ化水素酸/硝酸混合溶液になる。このとき、第1化学エッチング液中のAgイオンの作用により、意図しない化学エッチング反応が起きてしまう。これにより、テクスチャー構造の安定性や均一性が低下し、太陽電池の特性に悪影響を与えてしまう。
(二)シリコンウエハーの処理量の増加に伴って、上記方法の工程(2)の第1化学エッチング液中のAgイオンが増加するため、工程(2)においてAgイオンがシリコンウエハーに再付着する。このため、シリコンウエハーに付着したAg粒子の洗浄が困難になる。よって、フッ化水素酸/硝酸混合溶液の寿命が短くなり、更にコストが増加する。
(1)シリコンウエハーの表面に多孔質層構造を形成する工程と、
(2)アルカリ性薬液で洗浄する工程と、
(3)残留した金属粒子を第1洗浄液で除去する工程と、
(4)フッ化水素酸と酸化剤との混合溶液である第1化学エッチング液で表面エッチングを行って結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造を得る工程と、を含む。
金属イオンの濃度が1×10−3mol/L以下、または、
金属イオンの濃度が1×10−3mol/Lより大きいと同時にフッ化水素酸の濃度が1×10−2mol/L以下、である。
(5)水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、アンモニア水、または、水酸化テトラメチルアンモニウム、からなる群から選ばれるいずれか1種または複数種であり、濃度が0.05〜0.5mol/Lのアルカリ溶液である第2化学エッチング液に上記シリコンウエハーを投入して、5〜250秒間浸漬する工程と、
(6)上記シリコンウエハーを、塩酸と過酸化水素水との混合液、または、アンモニア水と過酸化水素水との混合液、のうちのいずれか1種の混合液である第2洗浄液に投入して、20〜80℃の温度で60〜300秒間洗浄する工程と、
(7)上記シリコンウエハーをフッ化水素酸溶液に浸漬する工程と、を含む。
工程(5)のみ;
工程(5)と工程(6)との二つの工程の組み合わせ;
工程(5)、工程(6)および、工程(7)の三つの工程の組み合わせ;
のいずれかの組み合わせを採用することができる。
前記略逆ピラミッド状の微細構造は、
下部が逆角錐状構造、上部が逆円錐台構造であり、
最上部が円形、楕円形、または、複数本の曲線により囲まれた閉じた図形、からなる群から選ばれる1種または複数種であり、
寸法が100〜900nmである。
前記テクスチャー構造はさらに、複数のピラミッド状の微細構造を有する。
(1)シリコンウエハーの表面に多孔質層構造を形成する工程と、
(2)アルカリ性薬液で洗浄して、残留した金属粒子を除去する工程と、
(3)フッ化水素酸と酸化剤との混合溶液である第1化学エッチング液で表面エッチングを行って、結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造を得る工程と、を含む。
金属イオンの濃度が1×10−3mol/L以下、または、
溶液における金属イオンの濃度が1×10−3mol/Lより大きいと同時にフッ化水素酸の濃度が1×10−2mol/L以下である。
(4)水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、アンモニア水、または、水酸化テトラメチルアンモニウム、からなる群から選ばれるいずれか1種または複数種であるアルカリ溶液である第2化学エッチング液に上記シリコンウエハーを投入して浸漬する工程と、
(5)上記シリコンウエハーを、塩酸と過酸化水素水との混合液、または、アンモニア水と過酸化水素水との混合液、のうちのいずれか1種の混合液である洗浄液に投入して洗浄する工程と、
(6)上記シリコンウエハーをフッ化水素酸溶液に浸漬する工程と、を含む。
前記略逆ピラミッド状の微細構造は、
下部が逆角錐状構造、上部が倒円錐台構造であり、
最上部が円形、楕円形、または、複数本の曲線により囲まれた閉じた図形、からなる群から選ばれる1種または複数種であり、
寸法が100〜900nmである。
前記テクスチャー構造はさらに複数のピラミッド状の微細構造を有する。
(1)シリコンウエハーを、酸化剤および金属塩を含むフッ化水素酸溶液に投入して、多孔質層構造を形成した。ここで、温度は50℃、時間は10〜1000秒とした。
(2)工程(1)のシリコンウエハーを水洗したのち、体積濃度が10%、温度が50℃の水酸化ナトリウム水溶液(アルカリ性薬液)で5〜250秒間洗浄した。
(3)工程(2)のシリコンウエハーを水洗したのち、残留した金属粒子を、硝酸、アンモニア水、塩酸と過酸化水素水との混合液、アンモニア水と過酸化水素水との混合液、からなる群から選ばれるいずれか1種の混合液である第1洗浄液で除去した。
(4)工程(3)のシリコンウエハーを水洗したのち、フッ化水素酸と硝酸との混合溶液である第1化学エッチング液を用いて、温度40℃、時間5〜25秒の条件で表面エッチングを行なった。
(5)工程(4)のシリコンウエハーを水洗したのち、上記シリコンウエハーを、濃度0.05〜0.5mol/Lの水酸化カリウム水溶液(アルカリ性薬液)である第2化学エッチング液に5〜250秒間浸漬して、テクスチャー構造を形成した。
(6)工程(5)のシリコンウエハーを水洗したのち、上記シリコンウエハーを、体積濃度10%のアンモニア水と体積濃度10%の過酸化水素水との混合液である第2洗浄液に投入して温度30℃の条件で洗浄し、残留した金属粒子を除去した。
(7)工程(6)のシリコンウエハーを水洗したのち、上記シリコンウエハーをフッ化水素酸溶液に浸漬し、これを水洗して結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造を得た。
(1)シリコンウエハーを、酸化剤および金属塩を含むフッ化水素酸溶液に投入して、多孔質層構造を形成した。ここで、温度は50℃、時間は10〜1000秒とした。
(2)工程(1)のシリコンウエハーを水洗したのち、体積濃度が10%、温度が50℃の水酸化ナトリウム水溶液(アルカリ性薬液)で5〜250秒間洗浄した。
(3)工程(2)のシリコンウエハーを水洗したのち、残留した金属粒子を、硝酸、アンモニア水、塩酸と過酸化水素水との混合液、アンモニア水と過酸化水素水との混合液、からなる群から選ばれるいずれか1種の混合液である第1洗浄液で除去した。
(4)工程(3)のシリコンウエハーを水洗したのち、フッ化水素酸と硝酸との混合溶液である第1化学エッチング液を用いて、温度40℃、時間5〜250秒の条件で表面エッチングを行い、これを水洗して結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造を得た。
(1)シリコンウエハーを、酸化剤および金属塩を含むフッ化水素酸溶液に投入して、多孔質層構造を形成した。ここで、温度は50℃、時間は10〜1000秒とした。
(2)工程(1)のシリコンウエハーを水洗したのち、フッ化水素酸と硝酸との混合溶液である第1化学エッチング液を用いて、温度40℃、時間5〜250秒の条件で表面エッチングを行った。
(3)工程(2)のシリコンウエハーを水洗したのち、上記シリコンウエハーを、濃度0.05〜0.5mol/Lの水酸化カリウム水溶液(アルカリ性薬液)である第2化学エッチング液に5〜250秒間浸漬して、テクスチャー構造を形成した。
(4)工程(3)のシリコンウエハーを水洗したのち、上記シリコンウエハーを第2洗浄液により洗浄して、残留した金属粒子を除去した。
(5)工程(4)のシリコンウエハーを水洗したのち、上記シリコンウエハーをフッ化水素酸溶液に浸漬し、水洗した。
Claims (16)
- 結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の調製方法であって、
(1)シリコンウエハーの表面に多孔質層構造を形成する工程と、
(2)アルカリ性薬液で洗浄する工程と、
(3)残留した金属粒子を第1洗浄液で除去する工程と、
(4)フッ化水素酸と酸化剤との混合溶液である第1化学エッチング液で表面エッチングを行って結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造を得る工程と、
を含むことを特徴とする結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の調製方法。 - 前記工程(1)において、シリコンウエハーを、酸化剤および金属塩を含むフッ化水素酸溶液に投入して多孔質層構造を形成することを特徴とする請求項1に記載の結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の調製方法。
- 前記工程(1)において、
先ずシリコンウエハーを金属イオンを含む溶液に浸漬してシリコンウエハーの表面に一層の金属ナノ粒子をコーティングし、
次にフッ化水素酸と酸化剤との混合溶液である化学エッチング液でシリコンウエハーの表面をエッチングして多孔質層構造を形成する、
ことを特徴とする請求項1に記載の結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の調製方法。 - 前記工程(1)と前記工程(2)の間と、前記工程(2)と前記工程(3)の間と、前記工程(3)と前記工程(4)の間と、に、それぞれ水洗工程を有することを特徴とする請求項1に記載の結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の調製方法。
- 前記工程(2)において、
洗浄時間は5〜250秒であり、
前記アルカリ性薬液において、アルカリ性物質の体積濃度が0.1〜30%、温度が20〜80℃であり、
前記アルカリ性薬液は水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、アンモニア水、アンモニア水と過酸化水素水との混合液、水酸化テトラメチルアンモニウム、からなる群から選ばれるいずれか1種または複数種である
ことを特徴とする請求項1に記載の結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の調製方法。 - 前記工程(3)において、
前記第1洗浄液は、塩酸と過酸化水素水との混合液、アンモニア水と過酸化水素水との混合液、硝酸、アンモニア水、の4種の溶液から選ばれる1種であり、
前記硝酸の体積濃度は5〜69%、前記アンモニア水の体積濃度は1〜30%であり、
前記第1洗浄液の温度は20〜80℃である
ことを特徴とする請求項1に記載の結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の調製方法。 - 前記工程(4)において、
前記第1化学エッチング液はフッ化水素酸と硝酸の混合液であり、
前記混合液中における各成分の濃度は、フッ化水素酸が0.05〜0.5mol/Lであり、硝酸が1〜15mol/Lである
ことを特徴とする請求項1に記載の結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の調製方法。 - 前記工程(4)の後に、さらに、
(5)上記シリコンウエハーを水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、アンモニア水、または、水酸化テトラメチルアンモニウム、からなる群から選ばれるいずれか1種または複数種であるアルカリ溶液である第2化学エッチング液に浸漬する工程と、
(6)上記シリコンウエハーを、塩酸と過酸化水素水との混合液、または、アンモニア水と過酸化水素水との混合液、のうちのいずれか1種の混合液である第2洗浄液に投入して洗浄する工程と、
(7)上記シリコンウエハーをフッ化水素酸溶液に浸漬する工程と、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の調製方法。 - 前記工程(5)〜(7)の各工程の前、および、工程(7)の後、に、それぞれ水洗工程を有することを特徴とする請求項8に記載の結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の調製方法。
- 結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の調製方法であって、
(1)シリコンウエハーの表面に多孔質層構造を形成する工程と、
(2)アルカリ性薬液で洗浄して孔底に残留した金属粒子を除去する工程と、
(3)フッ化水素酸と酸化剤との混合溶液である第1化学エッチング液で表面エッチングを行って結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造を得る工程と、
を含むことを特徴とする結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の調製方法。 - 前記工程(1)と前記工程(2)の間、および、前記工程(2)と前記工程(3)の間、には、それぞれ水洗工程を有することを特徴とする請求項10に記載の結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の調製方法。
- 前記工程(2)において、
洗浄時間は5〜250秒であり、
前記アルカリ性薬液において、アルカリ性物質は体積濃度が0.1〜30%、温度が20〜80℃であり、
前記アルカリ性薬液はアンモニア水、または、アンモニア水と過酸化水素水との混合液、のうちいずれか1種である
ことを特徴とする請求項10に記載の結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の調製方法。 - 前記工程(3)において、
前記第1化学エッチング液はフッ化水素酸と硝酸の混合液であり、
前記混合液中における各成分の濃度は、フッ化水素酸が0.05〜0.5mol/Lであり、硝酸が1〜15mol/Lである
ことを特徴とする請求項10に記載の結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の調製方法。 - 前記工程(3)の後に、さらに、
(4)上記シリコンウエハーを水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、アンモニア水、または、水酸化テトラメチルアンモニウム、からなる群から選ばれるいずれか1種または複数種であるアルカリ溶液である第2化学エッチング液に浸漬する工程と、
(5)上記シリコンウエハーを、塩酸と過酸化水素水との混合液、または、アンモニア水と過酸化水素水の混合液、のうちのいずれか1種の混合液である洗浄液に投入して洗浄する工程と、
(6)上記シリコンウエハーをフッ化水素酸溶液に浸漬する工程と、
を含むことを特徴とする請求項10に記載の結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の調製方法。 - 前記工程(4)〜(6)の各工程の前、および、前記工程(6)の後、に、それぞれ水洗工程を有することを特徴とする請求項14に記載の結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造の調製方法。
- 結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造であって、請求項1または10に記載の方法により調製された結晶シリコン太陽電池のテクスチャー構造。
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