JP2018046177A - 太陽電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト化が可能な太陽電池の製造方法を提供する。【解決手段】太陽電池の製造方法は、結晶系シリコン基板１１０の表面にｉ型の第１非晶質シリコン層１１１が形成されることを含む。第１非晶質シリコン層の表面に第１導電型の第２非晶質シリコン層１１１ｐが形成される。第２非晶質シリコン層内に第２導電型の不純物元素が選択的に注入される。不純物元素が注入された第２非晶質シリコン層の領域の導電型を反転させることにより、第２導電型の非晶質シリコン領域１１１ｎが形成される。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池の製造方法に関する。

結晶系シリコンを基板とする太陽電池（結晶系太陽電池）の中で、ヘテロタイプのバックコンタクト型（ＨＢＣ型）結晶系太陽電池は、高い発電効率が確認され、多方面から注目されている。

ＨＢＣ型結晶系太陽電池では、シリコン基板の裏面（受光面の反対側に位置する面）に、ｉ型の非晶質シリコン層が配置され、非晶質シリコン層にｎ型非晶質シリコン領域とｐ型非晶質シリコン領域とが離間するように配置されている。非晶質シリコン層にｎ型非晶質シリコン領域とｐ型非晶質シリコン領域とが配置された構成を得るため、ＨＢＣ型結晶系太陽電池では、成膜工程、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程が複数回、繰り返される（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−２４３７９７号公報

しかしながら、上記の製造工程では、製造工程数が増え、製造ラインのコストが上昇し、太陽電池の低コスト化が困難な状況にある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、低コスト化が可能な太陽電池の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る太陽電池の製造方法は、結晶系シリコン基板の表面にｉ型の第１非晶質シリコン層が形成されることを含む。
前記第１非晶質シリコン層の表面に第１導電型の第２非晶質シリコン層が形成される。
前記第２非晶質シリコン層内に第２導電型の不純物元素が選択的に注入される。前記不純物元素が注入された前記第２非晶質シリコン層の領域の導電型を反転させることにより、前記領域に第２導電型の非晶質シリコン領域が形成される。
これにより、太陽電池の製造工程数がより削減され得る。この結果、製造ラインのコストが減少する。

上記の太陽電池の製造方法においては、前記不純物元素のドーズ量は、２×１０^１５（ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）以上１×１０^１７（ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）以下であってもよい。
これにより、太陽電池においては、最適なライフタイムが得られる。

上記の太陽電池の製造方法においては、前記不純物元素が注入された後、前記非晶質シリコン領域に２００℃以上２８０℃以下での加熱処理がなされてもよい。
これにより、太陽電池においては、さらに最適なライフタイムが得られる。

上記の太陽電池の製造方法においては、前記加熱処理の時間は、少なくとも３０分間行われてもよい。これにより、太陽電池においては、さらに最適なライフタイムが得られる。

上記の太陽電池の製造方法においては、前記第２非晶質シリコン層は、イオン注入または化学的気相成長法により形成されてもよい。
これにより、第２非晶質シリコン層は、結晶となりにくく、非晶質状態を維持する。

上記の太陽電池の製造方法においては、ｉ型の第３の非晶質シリコン層が前記第１非晶質シリコン層が形成された前記結晶系シリコン基板の前記表面とは反対側の表面にさらに形成されてもよい。
これにより、結晶系シリコン基板の上下の主面に非晶質シリコン層が設けられ、非晶質シリコン層によるパシベーション効果が促進し、結晶系シリコン基板で発生したキャリアのライフタイムが長くなる。

上記の太陽電池の製造方法においては、前記不純物元素は、非質量分離型のイオン注入法によって注入されてもよい。
これにより、大面積に渡り不純物元素を注入することができるので、太陽電池製造におけるスループットが向上する。

また、上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る太陽電池の製造方法は、結晶系シリコン基板の表面にｉ型の第１非晶質シリコン層が形成されることを含む。
前記第１非晶質シリコン層内に第１導電型の非晶質シリコン領域が選択的に形成される。
前記第１非晶質シリコン層内及び前記非晶質シリコン領域内に前記非晶質シリコン領域の導電型が反転しないように第２導電型の不純物元素が注入される。前記第１非晶質シリコン層の前記表面に、第２導電型の第２非晶質シリコン層と、第１導電型の前記非晶質シリコン領域と、が形成される。
これにより、太陽電池の製造工程数がより削減され得る。この結果、製造ラインのコストが減少する。

以上述べたように、本発明によれば、製造工程に要されるコストがより低減する。

図Ａは、本実施形態に係る太陽電池の製造方法により製造される太陽電池の概略構成図である。図Ｂは、本実施形態に係る太陽電池の製造方法に適用されるイオン注入装置の概略構成図である。 本実施形態に係る太陽電池の製造方法の概略的フロー図である。 本実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明する概略断面図である。 本実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明する概略断面図である。 本実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明する概略断面図である。 図Ａは、本実施形態に係るサンプルの電流電圧曲線を示す概略的なグラフ図である。図Ｂは、図Ａのデータを取得したサンプルの概略断面図である。 本実施形態に係るｐ型非晶質シリコン層の暗導電率を示す概略的なグラフ図である。 図Ａは、本実施形態に係るサンプルのドーズ量とライフタイムとの関係を示す概略的なグラフ図である。図Ｂ及び図Ｃは、図Ａのデータを取得したサンプルの概略断面図である。 本実施形態に係る低温加熱処理における加熱温度と処理時間との関係を示す表図である。 本実施形態に係る太陽電池の製造方法の変形例を説明する概略断面図である。 本実施形態に係る太陽電池の製造方法の変形例を説明する概略断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。各図面には、ＸＹＺ軸座標が導入される場合がある。

［太陽電池の概要］
図１Ａは、本実施形態に係る太陽電池の製造方法により製造される太陽電池の概略構成図である。

図１Ａに示す太陽電池１００は、ＨＢＣ型結晶系太陽電池である。太陽電池１００は、ｎ型の結晶系シリコン基板１１０と、ｉ型の非晶質シリコン層１１１（第１非晶質シリコン層）と、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐ（第２非晶質シリコン層）と、ｎ型非晶質領域１１１ｎ（非晶質シリコン領域）と、ｉ型の非晶質シリコン層（第３非晶質シリコン層）１１２と、反射防止膜１２０と、ｎ側電極１３０ｎと、ｐ側電極１３０ｐとを具備する。

本実施形態において「ｉ型」とは、意図的にｐ型（第１導電型）またはｎ型（第２導電型）の不純物元素をドーピングしていないことを意味する。また、「非晶質シリコン層」、「非晶質領域」は、水素化非晶質シリコン層を含む。また、本実施形態では、ｐ型を第１導電型、ｎ型を第２導電型としたが、ｐ型を第２導電型、ｎ型を第２導電型として入れ替えても、同じ効果が得られる。

太陽電池１００では、結晶系シリコン基板１１０の下面（第１面）１１０ａに非晶質シリコン層１１１が設けられている。非晶質シリコン層１１１の上面１１１ｂは、結晶系シリコン基板１１０の下面１１０ａに接している。非晶質シリコン層１１１の厚さｄ１は、例えば、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐが化学的気相成長法（ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で形成される場合には、５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であり、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐがイオン注入法で形成される場合には、１０ｎｍ以上１９０ｎｍ以下に予め形成される。非晶質シリコン層１１１の下面１１１ａには、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐと、ｎ型非晶質領域１１１ｎとが設けられている。

ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐは、非晶質シリコン層１１１の下面１１１ａにｐ型の不純物元素が注入されて形成された層または下面１１１ａにＣＶＤ法によって形成された層である。ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐは、Ｚ軸方向において非晶質シリコン層１１１に接する。ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐと結晶系シリコン基板１１０との間には、非晶質シリコン層１１１の一部が存在する。ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐは、非晶質シリコン層１１１の下面１１１ａの側において露出している。ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐの厚さｄｐは、例えば、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

ｎ型非晶質領域１１１ｎは、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐにｎ型の不純物元素が注入されて形成された局在領域である。ｎ型非晶質領域１１１ｎは、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐに、いわゆるカウンタドープ法により形成される。ｎ型非晶質領域１１１ｎは、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐに選択的に設けられている。ｎ型非晶質領域１１１ｎは、Ｙ軸方向においてｐ型非晶質シリコン層１１１ｐに接する。ｎ型非晶質領域１１１ｎは、Ｚ軸方向において非晶質シリコン層１１１に接する。ｎ型非晶質領域１１１ｎと結晶系シリコン基板１１０との間には、非晶質シリコン層１１１の他の一部が存在する。ｎ型非晶質領域１１１ｎは、非晶質シリコン層１１１の下面１１１ａの側において露出している。ｎ型非晶質領域１１１ｎの厚さｄｎは、例えば、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

ｐ側電極１３０ｐは、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐに接続されている。ｎ側電極１３０ｎは、ｎ型非晶質領域１１１ｎに接続されている。ｐ側電極１３０ｐまたはｎ側電極１３０ｎは、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）等の少なくともいずれかを含む。

また、太陽電池１００では、受光面が結晶系シリコン基板１１０の下面１１０ａとは反対側に位置している。例えば、結晶系シリコン基板１１０の上面１１０ｂ（第２面）は、太陽光を効率よく取り込むために凹凸構造（テクスチャ構造）を有する。上面１１０ｂには、上面１１０ｂの凹凸表面に沿って、ｉ型の非晶質シリコン層（第２の非晶質シリコン層）１１２が設けられている。非晶質シリコン層１１２の厚さは、例えば、５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。また、非晶質シリコン層１１２上には、太陽光の反射による光量損失を抑制するために、反射防止膜１２０が設けられている。

このように、太陽電池１００では、結晶系シリコン基板１１０の上面１１１ｂから太陽光を受光し、上面１１１ｂとは反対側に電極構造(裏面電極構造）が設けられている。これにより、太陽電池１００では、電極が受光面にない構造となり、電極による太陽光のシャドウロスが抑制される。

また、太陽電池１００では、結晶系シリコン基板１１０の下面１１０ａが非晶質シリコン層１１１で覆われ、上面１１０ｂが非晶質シリコン層１１２で覆われている。これにより、結晶系シリコン基板１１０と非晶質シリコン層１１１、１１２との界面（ヘテロ接合界面）でのキャリア（正孔、電子）の再結合が抑制されて（パッシベーション効果）、結晶系シリコン基板１１０で発生したキャリアのライフタイムが長くなる。この結果、太陽電池１００では、高い開放電圧（Ｖ_ｏｃ）が得られる。

また、本実施形態では、非晶質シリコン層１１１にｐ型非晶質シリコン層１１１ｐを形成した後、ｎ型非晶質領域１１１ｎがカウンタドープ法またはＣＶＤ法により形成される。これにより、製造工程数が減少し、製造ラインのコストが減少する。さらに、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐを形成するときには、マスクを用いない。これにより、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐの位置あわせが不要になり、製造過程が簡便になる。

また、イオン注入法としては、非質量分離型のイオン注入（プラズマドーピング）が用いられる。非質量分離型のイオン注入法は、大面積に渡り不純物元素を注入することができるので、太陽電池製造におけるスループットが向上する。

なお、非晶質シリコン層１１１に不純物元素をイオンの状態で導入するものであれば、手法は非質量分離型のイオン注入法には限らず、質量分離型のイオン注入法などでも可能である。以下の説明では、不純物導入法の代表例として非質量分離型のイオン注入法を用いて詳述する。簡便のため、非質量分離型のイオン注入を「イオン注入」と表現することとする。次に、イオン注入を行う装置を説明する。なお、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐがＣＶＤ法によって形成される場合は、通常のＣＶＤ装置が用いられ、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐが非晶質シリコン層１１１の下面１１１ａに形成される。

［イオン注入装置の概要］
図１Ｂは、本実施形態に係る太陽電池の製造方法に適用されるイオン注入装置の概略構成図である。

図１Ｂに示すイオン注入装置１０００は、真空槽１００１（下側真空槽）と、真空槽１００２（上側真空槽）と、絶縁部材１００３と、ステージ１００４と、ガス供給源１００５とを具備する。イオン注入装置１０００は、さらに、ＲＦ導入コイル１１００と、永久磁石１１０１と、ＲＦ導入窓（石英窓）１１０２と、電極１２００と、電極１２０１と、直流電源１３００と、交流電源１３０１とを具備する。

真空槽１００２は、真空槽１００１よりも小径で、絶縁部材１００３を介して真空槽１００１上に設けられている。真空槽１００１及び真空槽１００２は、ターボ分子ポンプ等の真空排気手段により減圧状態を維持することができる。ステージ１００４は、真空槽１００１内に設けられている。ステージ１００４は、基板Ｓ１を支持することができる。ステージ１００４内には、基板Ｓ１を加熱する加熱機構が設けられてもよい。基板Ｓ１は、太陽電池１００の製造用の半導体ウェーハ、ガラス基板等である。また、真空槽１００２内にはガス供給源１００５によってイオン注入用のガスが導入される。

ＲＦ導入コイル１１００は、ＲＦ導入窓１１０２上に永久磁石１１０１を囲むように配置される。永久磁石１１０１の形状は、リング状である。ＲＦ導入コイル１１００の形状は、コイル状である。ＲＦ導入コイル１１００の直径は、基板Ｓ１のサイズに応じて適宜設定できる。真空槽１００２内にイオン注入用のガスが導入されて、ＲＦ導入コイル１１００に交流電源１３０１から所定の電力が供給されると、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）放電により真空槽１００２内にプラズマ１０１０が発生する。

電極１２００は、複数の開口を有する電極（例えば、メッシュ電極）であり、絶縁部材１００３に支持されている。電極１２００の電位は、浮遊電位である。これにより、真空槽１００２と電極１２００とによって囲まれた空間に、安定したプラズマ１０１０が発生する。

電極１２００の下には、複数の開口を有する別の電極（例えば、メッシュ電極）１２０１が配置されている。電極１２０１は、基板Ｓ１に対向している。電極１２０１とＲＦ導入コイル１１００との間には直流電源１３００が接続され、電極１２０１には負の電位（加速電圧）が印加される。これにより、プラズマ１０１０中の正イオンが電極１２０１によってプラズマ１０１０から引き出される。

引き出された正イオンは、メッシュ状の電極１２００、１２０１を通過して基板Ｓ１（非晶質シリコン層１１１）にまで到達することができる。イオン注入装置１０００において、正イオンの加速電圧は、例えば、１ｋＶ以上３０ｋＶ以下の範囲で設定することができる。また、ステージ１００４には、加速電圧を調整できるバイアス電源を接続してもよい。

真空槽１００２には、基板Ｓ１に注入する不純物元素（ｎ型不純物元素またはｐ型不純物元素）を含むガスが導入される。このガスによって真空槽１００２内にプラズマ１０１０が形成されて、プラズマ１０１０中のｎ型不純物イオンまたはｐ型不純物イオンが基板Ｓ１に注入される。ｎ型不純物イオンは、例えば、Ｐ、ＰＸ^＋、ＰＸ_２ ^＋、ＰＸ_３ ^＋等の少なくも１つである。ここで、「Ｘ」は、水素、ハロゲン（Ｆ、Ｃｌ）のいずれかである。ｐ型不純物イオンは、例えば、Ｂ^＋、ＢＹ^＋、ＢＹ_２ ^＋、ＢＹ_３ ^＋、Ｂ_２Ｙ_２ ^＋、Ｂ_３Ｙ_２ ^＋、Ｂ_４Ｙ_２ ^＋等の少なくも１つである。ここで、「Ｙ」は、水素、ハロゲン（Ｆ、Ｃｌ）のいずれかである。

ｎ型非晶質領域１１１ｎの不純物元素及びｐ型非晶質シリコン層１１１ｐの不純物元素の濃度は、ｎ型非晶質領域１１１ｎ及びｐ型非晶質シリコン層１１１ｐの導電率が最適になるように調整される。但し、ｎ型非晶質領域１１１ｎに注入される不純物元素の濃度は、結晶系シリコン基板１１０におけるｎ型不純物元素の濃度より高く設定される。

本実施形態では、プラズマ１０１０を形成する手段として、ＩＣＰ方式に限らず、電子サイクロトン共鳴プラズマ（Electron Cyclotron resonance Plasma）方式、ヘリコン波励起プラズマ（Helicon Wave Plasma）方式等でもよい。

また、本実施形態では、不純物元素の非晶質シリコン層１１１への注入を行う際に、イオン注入用のガスに水素を含むガス（例えば、ＰＨ_３、ＢＨ_２等）を添加してもよい。これにより、非晶質シリコン層１１１に水素が注入されて、非晶質シリコン層１１１の構造欠陥が修復される。これにより、キャリアの構造欠陥での再結合が抑制され、ｎ型非晶質領域１１１ｎ及びｐ型非晶質シリコン層１１１ｐに到達するキャリアの総量が増加する。これにより、光電変換効率が向上し、開放電圧（Ｖ_ｏｃ）が上昇する。

［太陽電池の製造方法］
図２は、本実施形態に係る太陽電池の製造方法の概略的フロー図である。
例えば、結晶系シリコン基板１１０の下面１１０ａに、例えば、ＣＶＤ法によって、ｉ型の非晶質シリコン層１１１が形成される（ステップＳ１０）。さらに、結晶系シリコン基板１１０の上面１１０ｂに、例えば、ＣＶＤ法によってｉ型の非晶質シリコン層１１２が形成される。
次に、非晶質シリコン層１１１内にｐ型の不純物元素を注入するか、または、ＣＶＤ法により、非晶質シリコン層１１１の表面にｐ型非晶質シリコン層１１１ｐが形成される（ステップＳ２０）。
次に、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐ内にｎ型の不純物元素を選択的に注入され、ｎ型の不純物元素が選択的に注入された領域の導電型を反転させることにより、この領域にｎ型非晶質領域１１１ｎが形成される（ステップＳ３０）。

このような製造方法によれば、裏面電極構造を形成するために、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐ及びｎ型非晶質領域１１１ｎを形成するために、成膜工程、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程のそれぞれを複数回繰り返す必要がなくなり、太陽電池を製造する製造工程数がより削減する。

本実施形態に係る太陽電池の製造方法の具体的な工程を説明する。
図３Ａ〜図５Ｂは、本実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明する概略断面図である。

まず、図３Ａに示すように、結晶系シリコン基板１１０の上面１１０ｂに凹凸が形成される。例えば、結晶系シリコン基板１１０の上面１１０ｂには、Ｙ軸方向にマスクＭ１が周期的に配置される。そして、マスクＭ１から露出された結晶系シリコン基板１１０の上面１１０ｂに、エッチング溶液（例えば、水酸化カリウム溶液、水酸化ナトリウム溶液等）を接触させる。これにより、マスクＭ１から露出された上面１１０ｂがウェットエッチングにより除去され、結晶系シリコン基板１１０の上面１１０ｂに凹凸が形成される。マスクＭ１は、この後、除去される。

次に、図３Ｂに示すように、結晶系シリコン基板１１０の下面１１０ａに、非晶質シリコン層１１１がＣＶＤ法等により形成される。ＣＶＤ法で用いられる原料ガスとしては、例えば、シラン（ＳｉＨ_４）及びジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）の少なくともいずれかの成膜用ガスが用いられる。また、この成膜用ガスには、水素（Ｈ_２）が添加されてもよい。ここで、非晶質シリコン層１１１の厚さｄ１は、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐがＣＶＤ法で形成される場合には、５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下に調整される。ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐがイオン注入法で形成される場合には、１０ｎｍ以上１９０ｎｍ以下に調整される。また、結晶系シリコン基板１１０の上面１１０ｂにも、非晶質シリコン層１１２がＣＶＤ法等により形成される。

次に、図４Ａに示すように、非晶質シリコン層１１１の下面１１１ａの全域に、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐがＣＶＤ法またはイオン注入法により形成される。ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐは、非晶質シリコン層１１１の下面１１１ａの全域に形成されることから、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐを下面１１１ａに選択的に形成するための位置あわせが略される。また、ＣＶＤ法またはイオン注入法によってｐ型非晶質シリコン層１１１ｐを形成することにより、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐは、結晶となりにくく、非晶質状態を維持する。ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐの不純物濃度は、例えば、１×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下である。

ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐがＣＶＤ法により形成される場合には、上記の成膜用ガスに、例えば、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）等のガスが添加される。これにより、非晶質シリコン層１１１の下面１１１ａにｐ型非晶質シリコン層１１１ｐが形成される。

ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐがイオン注入法により形成される場合には、上述したｐ型不純物イオンが非晶質シリコン層１１１の下面１１１ａの全域に注入される。これにより、非晶質シリコン層１１１の下面１１１ａから５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の深さ部分がｐ型非晶質シリコン層１１１ｐに変化する。

イオン注入法の場合、ｐ型不純物イオンの加速エネルギーは、例えば、２ＫｅＶ以上２０ＫｅＶ以下であることが好ましい。これにより、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐは、例えば、高温（例えば、１０００℃前後）で加熱処理されることなく活性化される。ここで、ｐ型不純物イオンの加速エネルギーが２ＫｅＶより小さくなると、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐの活性化が不充分となり充分な暗導電率が得られなくなる。一方、ｐ型不純物イオンの加速エネルギーが２０ＫｅＶより大きくなると、ｐ型不純物イオンが非晶質シリコン層１１１を突き抜けて結晶系シリコン基板１１０にまで到達したり、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐに欠陥が発生しやすくなったりする。このような場合、結晶系シリコン基板１１０で発生したキャリアがｐ型非晶質シリコン層１１１ｐ中の多数キャリアまたはｐ型非晶質シリコン層１１１ｐ中の欠陥によって捕獲され、キャリアのライフタイムが短くなる。

次に、図４Ｂに示すように、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐにマスクＭ２を対向させる。マスクＭ２については、開口Ｍ２ｈがｎ型非晶質領域１１１ｎが形成される位置に対応するように位置あわせが行われる。マスクＭ２は、板状のマスクであり、バッチごとの繰り返し使用が可能になっている。また、マスクＭ２は、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐと離れて配置されているが、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐに接触させてもよい。

次に、図５Ａに示すように、ｎ型不純物イオン１５０ｎがｐ型非晶質シリコン層１１１ｐ内の所定領域に選択的に注入される。これにより、ｎ型非晶質領域１１１ｎがｐ型非晶質シリコン層１１１ｐに選択的に形成される。ｎ型不純物イオン１５０ｎは、例えば、上述したｎ型不純物イオンである。例えば、マスクＭ２を介してｐ型非晶質シリコン層１１１ｐにｎ型不純物イオン１５０ｎを照射すると、マスクＭ２によって遮蔽されないｎ型不純物イオン１５０ｎが開口Ｍ２ｈを通過する。そして、開口Ｍ２ｈを通過したｎ型不純物イオン１５０ｎは、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐの所定領域に選択的に注入される。この後、マスクＭ２は、除去される。

ｎ型不純物イオン１５０ｎは、ｎ型不純物イオンが注入されるｐ型非晶質シリコン層１１１ｐの領域の導電型がｎ型に反転するまでｐ型非晶質シリコン層１１１ｐに注入される。また、ｎ型不純物イオン１５０ｎは、ｎ型非晶質領域１１１ｎが非晶質シリコン層１１１に接し、結晶系シリコン基板１１０に到達しない程度に注入される。

ｎ型不純物イオン１５０ｎの加速エネルギーは、例えば、２ＫｅＶ以上２０ＫｅＶ以下であることが好ましい。この加速エネルギーにより、ｎ型非晶質領域１１１ｎは、高温加熱処理（例えば、１０００℃前後）がなされることなく、活性化される。ここで、ｎ型不純物イオン１５０ｎの加速エネルギーが２ＫｅＶより小さくなると、ｎ型非晶質領域１１１ｎの活性化が不充分となり、ｎ型非晶質領域１１１ｎの充分な暗導電率が得られなくなる。一方、ｎ型不純物イオン１５０ｎの加速エネルギーが２０ＫｅＶより大きくなると、ｎ型不純物イオン１５０ｎが非晶質シリコン層１１１を突き抜けて結晶系シリコン基板１１０にまで到達しやすくなったり、ｎ型非晶質領域１１１ｎに欠陥が発生しやすくなったりする。このような場合、結晶系シリコン基板１１０で発生したキャリアがｎ型非晶質領域１１１ｎ中の多数キャリアまたはｎ型非晶質領域１１１ｎ中で捕獲され、キャリアのライフタイムが短くなる。

また、ｎ型不純物イオン１５０ｎのドーズ量は、２×１０^１５（ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）以上１×１０^１７（ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）以下に設定される。これにより、太陽電池１００においては、最適なライフタイムが得られる。ここで、ｎ型不純物イオン１５０ｎのドーズ量が２×１０^１５（ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）より小さくなると、カウンタドープが充分になされず、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐが選択的にｎ型領域にならない場合がある。一方、ｎ型不純物イオン１５０ｎのドーズ量が１×１０^１７（ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）より大きくなると、非晶質シリコン層１１１またはｎ型非晶質領域１１１ｎに欠陥が発生しやすくなる。このような場合、結晶系シリコン基板１１０で発生したキャリアが非晶質シリコン層１１１中の欠陥またはｎ型非晶質領域１１１ｎ中の欠陥に捕獲され、ライフタイムが短くなる。

また、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐにｎ型不純物元素が注入された後、ｎ型非晶質領域１１１ｎには、２００℃以上２８０℃以下の加熱処理が施されてもよい。このような加熱処理により、例えば、非晶質シリコン層１１１内で発生したダングリングボンドが水素によって終端されたり、ｎ型不純物イオンがより充分に活性化されたりして、キャリアのライフタイム低減が抑制される。ここで、加熱処理における温度が２００℃より小さくなると、ダングリングボンドの水素終端またはｎ型不純物イオンの活性化が不充分になりキャリアのライフタイムが低下する。一方、加熱処理における温度が２８０℃より大きくなると、非晶質シリコン層１１１及び非晶質シリコン層１１２が結晶に転位しやすくなり、非晶質シリコン層１１１、１１２によるパシベーション効果が失われる。

また、加熱処理の時間は、少なくとも３０分間行われる。加熱処理の時間は、加熱温度に応じて変化させて、例えば、３０分以上３００分以下の範囲の時間に設定される。加熱処理の時間が３０分より短くなると、ダングリングボンドの水素終端またはｎ型不純物元素の活性化が不充分になりキャリアのライフタイムが低下する。一方、加熱処理の時間が３００分より長くなると、加熱温度が高いほど、非晶質シリコン層１１１及び非晶質シリコン層１１２が結晶に転位しやすくなり、非晶質シリコン層１１１、１１２によるパシベーション効果が失われる。

次に、図５Ｂに示すように、非晶質シリコン層１１２上には、反射防止膜１２０がＣＶＤ法、スパッタリング法等によって形成される。さらに、ｎ型非晶質領域１１１ｎに接続されたｎ側電極１３０ｎが形成される。また、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐに接続されたｐ側電極１３０ｐが形成される。なお、非晶質シリコン層１１２については、ｎ型非晶質領域１１１ｎ及びｐ型非晶質シリコン層１１１ｐを形成した後に、反射防止膜１２０の形成する前に形成してもよい。

このように、本実施形態によれば、ｎ型非晶質領域１１１ｎ及びｐ型非晶質シリコン層１１１ｐを形成するために、成膜工程、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程のそれぞれを複数回行う必要がなくなり、太陽電池を製造する製造工程数がより削減する。これにより、太陽電池を製造する製造コストがより低減する。

また、本実施形態によれば、非晶質シリコン層１１１に、ｐ型不純物イオンを注入した後において、不純物イオンの活性化を行う高温加熱処理（例えば、１０００℃前後）を要しない。また、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐにｎ型不純物イオンを注入した後においても、不純物イオンの活性化を行う高温加熱処理を要しない。これにより、太陽電池１００は、簡便に製造される。さらに、太陽電池１００においては、高温加熱処理を要しないことから、非晶質シリコン層１１１、１１２が非晶質状態を維持し、非晶質シリコン層１１１、１１２によるパシベーション効果が失われない。

また、本実施形態によれば、カウンタドープにおけるｎ型不純物イオン１５０ｎのドーズ量が２×１０^１５（ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）以上１×１０^１７（ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）以下に設定される。これにより、太陽電池１００においては、キャリアのライフタイムが最適になる。

また、本実施形態によれば、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐ内にｎ型不純物元素が注入された後、２００℃以上２８０℃以下の低温加熱処理が行われてもよい。また、低温加熱処理の時間は、少なくとも３０分間行われ、例えば、３０分以上３００分以下に設定されてもよい。これにより、キャリアのライフタイムがさらに最適になる。

［太陽電池の評価］
図６Ａは、本実施形態に係るサンプルの電流電圧曲線を示す概略的なグラフ図である。図６Ｂは、図６Ａのデータを取得したサンプルの概略断面図である。
図６Ａの横軸は、電圧（Ｖ）であり、縦軸は、電流値（規格値（ｎ．ｕ．））である。

図６Ｂに示すサンプル２００は、ｎ型の結晶系シリコン基板２１０と、ｉ型の非晶質シリコン層２１１ａ、２１１ｂと、ｐ型非晶質シリコン層２１１ｐと、ｎ側電極２３０ｎと、ｐ側電極２３０ｐとを具備する。結晶系シリコン基板２１０は、非晶質シリコン層２１１ａと非晶質シリコン層２１１ｂとの間に設けられている。ｐ型非晶質シリコン層２１１ｐは、非晶質シリコン層２１１ａ内に設けられている。ｎ側電極２３０ｎは、非晶質シリコン層２１１ｂに接続されている。ｐ側電極２３０ｐは、ｐ型非晶質シリコン層２１１ｐに接続されている。

結晶系シリコン基板２１０は、例えば、上述した結晶系シリコン基板１１０と同じ基板である。非晶質シリコン層２１１ａ、２１１ｂは、例えば、上述した非晶質シリコン層１１１と同じ条件で形成される。ｐ型非晶質シリコン層２１１ｐは、非晶質シリコン層２１１ａに上述したｐ型不純物イオンが注入されて形成される。ここで、ｐ型不純物イオンの加速エネルギーは、例えば、２ＫｅＶである。ｐ型不純物イオンのドーズ量は、例えば、１×１０^１６（ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）である。また、サンプル２００には、ｐ型不純物イオンが注入された後、高温加熱処理（例えば、１０００℃前後）が行われていない。

サンプル２００は、ｐ側領域としてのｐ型非晶質シリコン層２１１ｐとｎ側領域としての結晶系シリコン基板１１０とを有する。すなわち、サンプル２００は、ｐｎダイオード構造を有している。サンプル２００の電流電圧曲線を測定すると、図６Ａに示すように整流特性を示すことが判明している。つまり、高温加熱処理を要さずに、ｉ型の非晶質シリコン層２１１ａにｐ型不純物イオンを注入することにより、ｐ型非晶質シリコン層２１１ｐがｐ型半導体領域として機能している。すなわち、高温加熱処理を要さずに、ｉ型の非晶質シリコン層２１１ａにｐ型不純物イオンを注入することにより、非晶質シリコン層２１１ａ内でｐ型不純物イオンが充分に活性化される。

以上のことから、太陽電池１００においては、イオン注入法で形成されたｐ型非晶質シリコン層１１１ｐがｐ型の半導体領域として充分に機能する。または、イオン注入法で形成されたｎ型非晶質領域１１１ｎがｎ型の半導体領域として充分に機能する。

図７は、本実施形態に係るｐ型非晶質シリコン層の暗導電率を示す概略的なグラフ図である。
図７の横軸は、ｐ型不純物イオン（例えば、ボロンイオン）の加速エネルギー（ＫｅＶ）である。図７の縦軸は、暗導電率（Ｓ／ｃｍ）である。

図７に示すように、ｐ型不純物イオンの加速エネルギーが２ＫｅＶからさらに上昇すると、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐの暗導電率は、すなわち、ｐ型不純物イオンの加速エネルギーが上昇するほど、ｐ型不純物イオンの活性化がさらに促進される。つまり、半導体特性としての暗導電率は、イオン注入後の加熱温度ではなく、ｐ型不純物イオンの加速エネルギーによって制御できる。

図８Ａは、本実施形態に係るサンプルのドーズ量とライフタイムとの関係を示す概略的なグラフ図である。図８Ｂ及び図８Ｃは、図８Ａのデータを取得したサンプルの概略断面図である。
図８Ａの横軸は、ドーズ量（ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）であり、縦軸は、キャリアのライフタイム（規格値（ｎ．ｕ．））である。縦軸のライフタイム値は、図８Ｂに示すサンプル３００のライフタイム（μｓ）に対する図８Ｃに示すサンプル３００のライフタイム（μｓ）の割合である。図８Ａの横軸、縦軸は、対数表示になっている。

図８Ｂに示すサンプル３００は、ｎ型の結晶系シリコン基板３１０と、ｉ型の非晶質シリコン層３１１ａ、３１１ｂと、ｐ型非晶質シリコン層３１１ｐと、ＳｉＮ層３１５とを具備する。結晶系シリコン基板３１０は、非晶質シリコン層３１１ａと非晶質シリコン層３１１ｂとの間に設けられている。ｐ型非晶質シリコン層３１１ｐは、非晶質シリコン層２１１ａ上に設けられている。サンプル３００は、結晶系シリコン基板３１０内に発生したキャリアのライフタイムを測定し得るサンプルである。

結晶系シリコン基板３１０は、例えば、上述した結晶系シリコン基板１１０と同じ基板である。非晶質シリコン層３１１ａ、３１１ｂは、例えば、上述した非晶質シリコン層１１１と同じ条件で形成される。ｐ型非晶質シリコン層３１１ｐは、例えば、上述したＣＶＤ法により形成される。

図８Ｂに示すサンプル３００に対して、ｐ型非晶質シリコン層３１１ｐにｎ型不純物イオンによるカウンタドープを行い、ｐ型非晶質シリコン層３１１ｐをｎ型非晶質領域３１１ｎに変化させる。この変化させたサンプルが図８Ｃに示されている。ここで、ｎ型不純物イオン（例えば、リンイオン）の加速エネルギーは、例えば、５ＫｅＶである。ｎ型不純物イオンのドーズ量は、例えば、１×１０^１５（ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）以上１×１０^１７（ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）以下である。また、図８Ｃに示すサンプル３００には、ｎ型不純物イオンが注入された後、低温加熱処理が行われている。ここでの低温加熱処理は、例えば、２５０℃、３時間である。

図８Ｃに示すサンプル３００のライフタイムを図８Ａに示す。サンプル３００におけるライフタイムは、ｎ型不純物イオンのドーズ量が１×１０^１６（ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）のとき最大値を示している。ここで、ライフタイムの目標値を、例えば、０．２以上と定めたとき、ｎ型不純物イオンのドーズ量が２×１０^１５（ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）以上１×１０^１７（ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）以下に設定されたとき、所望のライフタイムが得られることが判明している。さらに、ライフタイムの目標値を、例えば、０．８以上と定めたとき、ｎ型不純物イオンのドーズ量が６×１０^１５（ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）以上５×１０^１６（ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）以下に設定されたとき、特に好ましいライフタイムが得られることが判明している。

また、ｎ型不純物イオンによるドーズ量が２×１０^１５（ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）以上１×１０^１７（ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）以下に設定されたときの低温加熱処理の最適条件を図９に示す。

図９は、本実施形態に係る低温加熱処理における加熱温度と処理時間との関係を示す表図である。図９の横欄には、時間（ｍｉｎ）が示され、縦欄には、温度（℃）が示されている。図９には、所望のライフタイム（例えば、６５０（μｓ）以上）が得られる条件が「○」で示され、所望のライフタイムが得られない条件は、「Ｎ１」、「Ｎ２」で示されている。

所望のライフタイムを得るには、２００℃以上２８０℃以下の低温加熱処理が行われ、処理時間は、少なくとも３０分間行うことが適切であることが判明している。

例えば、処理時間は、加熱温度に応じて変化させる。例えば、所望のライフタイムを得るには、加熱温度が２００℃のときは、処理時間が２４０分以上３００分以下であることが好ましく、加熱温度が２５０℃のときは、処理時間が３０分以上３００分以下であることが好ましく、加熱温度が２８０℃のときは、処理時間が３０分以上２４０分以下であることが好ましい。「Ｎ１」で示された条件では、温度が低すぎるか、または、時間が短すぎるかにより低温加熱処理の効果がなく、「Ｎ２」で示された条件では、加熱処理が過剰になり、非晶質シリコン層１１１、１１２が結晶に転位し、非晶質シリコン層１１１、１１２によるパシベーション効果が失われる傾向にある。なお、加熱温度が２００℃以上２５０℃以下では、加熱時間が３００分を超えても、非晶質シリコン層１１１、１１２は、結晶に転位しにくい結果が得られている。

［太陽電池の製造方法の変形例］
図１０Ａ〜図１１は、本実施形態に係る太陽電池の製造方法の変形例を説明する概略断面図である。

例えば、図１０Ａに示すように、結晶系シリコン基板１１０の下面１１０ａに、非晶質シリコン層１１１がＣＶＤ法等により形成される。非晶質シリコン層１１１の厚さｄ１は、１０ｎｍ以上１９０ｎｍ以下に調整される。また、結晶系シリコン基板１１０の上面１１０ｂには、非晶質シリコン層１１２がＣＶＤ法等により形成される。

次に、図１０Ｂに示すように、非晶質シリコン層１１１にマスクＭ２を対向させる。マスクＭ２については、開口Ｍ２ｈがｎ型非晶質領域１１１ｎが形成される位置に対応するように位置あわせが行われる。マスクＭ２は、非晶質シリコン層１１１と離れて配置されているが、非晶質シリコン層１１１に接触させてもよい。

次に、マスクＭ２を介してｎ型不純物イオン１５０ｎが非晶質シリコン層１１１内の所定領域に選択的に注入される。これにより、ｎ型非晶質領域１１１ｎが非晶質シリコン層１１１内に選択的に形成される。ｎ型不純物イオン１５０ｎは、ｎ型非晶質領域１１１ｎが結晶系シリコン基板１１０に到達しない程度に非晶質シリコン層１１１内に注入される。この後、マスクＭ２は、除去される。

ｎ型不純物イオン１５０ｎの加速エネルギーは、例えば、２ＫｅＶ以上２０ＫｅＶ以下であることが好ましい。この加速エネルギーにより、ｎ型非晶質領域１１１ｎは、高温加熱処理（例えば、１０００℃前後）がなされることなく、活性化される。

次に、図１１に示すように、ｐ型不純物イオン１５０ｐが非晶質シリコン層１１１内及びｎ型非晶質領域１１１ｎ内に注入される。ここで、ｐ型不純物イオン１５０ｐは、ｎ型非晶質領域１１１ｎの導電型が反転しないように、非晶質シリコン層１１１内及びｎ型非晶質領域１１１ｎ内に注入される。これにより、非晶質シリコン層１１１の下面１１１ａに、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐと、ｎ型非晶質領域１１１ｎとが形成される。また、
非晶質シリコン層１１１の厚さｄ１は、例えば、５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。

ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐは、ｎ型非晶質領域１１１ｎを除く非晶質シリコン層１１１の下面１１１ａの全域に形成されることから、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐを下面１１１ａに選択的に形成するための位置あわせが略される。また、イオン注入法によってｐ型非晶質シリコン層１１１ｐを形成することにより、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐは、結晶となりにくく、非晶質状態を維持する。

ｐ型不純物イオン１５０ｐの加速エネルギーは、例えば、２ＫｅＶ以上２０ＫｅＶ以下であることが好ましい。これにより、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐは、例えば、高温（例えば、１０００℃前後）で加熱処理されることなく活性化される。

また、ｐ型不純物イオン１５０ｐが非晶質シリコン層１１１及びｎ型非晶質領域１１１ｎに注入された後、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐには、２００℃以上２８０℃以下の加熱処理が施されてもよい。加熱処理の時間は、少なくとも３０分間行われ、例えば、３０分以上３００分以下である。このような加熱処理により、例えば、非晶質シリコン層１１１内で発生したダングリングボンドが水素によって終端されたり、ｐ型不純物イオンがより充分に活性化されたりして、キャリアのライフタイム低減が抑制される。

この後は、非晶質シリコン層１１２上に反射防止膜１２０がＣＶＤ法、スパッタリング法等によって形成される。さらに、ｎ型非晶質領域１１１ｎに接続されたｎ側電極１３０ｎが形成される。また、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｐに接続されたｐ側電極１３０ｐが形成される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。

１００…太陽電池
１１０ａ…下面
１１０ｂ…上面
１１０…結晶系シリコン基板
１１１…非晶質シリコン層
１１１ｐ…ｐ型非晶質シリコン層
１１１ｎ…ｎ型非晶質領域
１１１ｂ…上面
１１１ａ…下面
１１２…非晶質シリコン層
１２０…反射防止膜
１３０ｎ…ｎ側電極
１３０ｐ…ｐ側電極
１５０ｎ…ｎ型不純物イオン
１５０ｐ…ｐ型不純物イオン
２００、３００…サンプル
２１０、３１０…結晶系シリコン基板
２１１ａ、２１１ｂ、３１１ａ、３１１ｂ…非晶質シリコン層
２１１ｐ、３１１ｐ…ｐ型非晶質シリコン層
２３０ｎ…ｎ側電極
２３０ｐ…ｐ側電極
３１１ｎ…ｎ型非晶質領域
３１５…ＳｉＮ層
１０００…イオン注入装置
１００１、１００２…真空槽
１００３…絶縁部材
１００４…ステージ
１００５…ガス供給源
１０１０…プラズマ
１１００…ＲＦ導入コイル
１１０１…永久磁石
１１０２…ＲＦ導入窓
１２００、１２０１…電極
１３００…直流電源
１３０１…交流電源
Ｍ１、Ｍ２…マスク
Ｍ２ｈ…開口
Ｓ１…基板

Claims (8)

1. 結晶系シリコン基板の表面にｉ型の第１非晶質シリコン層を形成し、
   前記第１非晶質シリコン層の表面に第１導電型の第２非晶質シリコン層を形成し、
   前記第２非晶質シリコン層内に第２導電型の不純物元素を選択的に注入して、前記不純物元素が注入された前記第２非晶質シリコン層の領域の導電型を反転させることにより、前記領域に第２導電型の非晶質領域を形成する
   太陽電池の製造方法。
2. 請求項１に記載された太陽電池の製造方法であって、
   前記不純物元素のドーズ量は、２×１０^１５（ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）以上１×１０^１７（ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）以下である
   太陽電池の製造方法。
3. 請求項１または２に記載された太陽電池の製造方法であって、
   前記不純物元素が注入された後、前記非晶質領域に２００℃以上２８０℃以下での加熱処理がされる
   太陽電池の製造方法。
4. 請求項３に記載された太陽電池の製造方法であって、
   前記加熱処理の時間は、少なくとも３０分間行われる
   太陽電池の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載された太陽電池の製造方法であって、
   前記第２非晶質シリコン層は、化学的気相成長法またはイオン注入により形成される
   太陽電池の製造方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載された太陽電池の製造方法であって、
   前記第１非晶質シリコン層が形成された前記結晶系シリコン基板の前記表面とは反対側の表面に、ｉ型の第３の非晶質シリコン層がさらに形成される
   太陽電池の製造方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載された太陽電池の製造方法であって、
   前記不純物元素は、非質量分離型のイオン注入法によって注入される
   太陽電池の製造方法。
8. 結晶系シリコン基板の表面にｉ型の第１非晶質シリコン層を形成し、
   前記第１非晶質シリコン層内に第１導電型の非晶質領域を選択的に形成し、
   前記第１非晶質シリコン層内及び前記非晶質領域内に前記非晶質領域の導電型が反転しないように第２導電型の不純物元素を注入して、前記第１非晶質シリコン層の前記表面に、第２導電型の第２非晶質シリコン層と、第１導電型の前記非晶質領域と、を形成する
   太陽電池の製造方法。

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