JP2018073969A

JP2018073969A - 太陽電池の製造方法

Info

Publication number: JP2018073969A
Application number: JP2016211381A
Authority: JP
Inventors: 山口　昇; Noboru Yamaguchi; 昇山口; 英夫鈴木; Hideo Suzuki
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2018-05-10

Abstract

【課題】製造工程数をより削減させる。
【解決手段】太陽電池の製造方法は、結晶系シリコン基板の第１の面に、ｉ型の第１の非晶質シリコン層が形成されることを含む。前記第１の非晶質シリコン層上に、犠牲層が形成される。前記犠牲層を介して、前記第１の非晶質シリコン層内に、第１導電型の不純物元素がイオン注入により選択的に注入される。前記第１の非晶質シリコン層内に、第１の厚みを有する第１導電型の第１領域が形成される。前記犠牲層を介して、前記第１の非晶質シリコン層内に、第２導電型の不純物元素がイオン注入により選択的に注入される。前記第１の非晶質シリコン層内に、前記第１領域に隣接し第２の厚みを有する第２導電型の第２の領域が形成される。
【選択図】図２

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上昇に繋がり、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、製造工程数をより削減すること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第１の面に、ｉ型の第１の非晶質シリコン層が形成されることを含む。
前記第１の非晶質シリコン層上に、犠牲層が形成される。
前記犠牲層を介して、前記第１の非晶質シリコン層内に、第１導電型の不純物元素がイオン注入により選択的に注入される。前記第１の非晶質シリコン層内に、第１の厚みを有する第１導電型の第１領域が形成される。
前記犠牲層を介して、前記第１の非晶質シリコン層内に、第２導電型の不純物元素がイオン注入により選択的に注入される。前記第１の非晶質シリコン層内に、前記第１領域に隣接し第２の厚みを有する第２導電型の第２の領域が形成される。
これにより、太陽電池を製造する製造工程数がより削減する。

上記の太陽電池の製造方法において、前記結晶系シリコン基板の前記第１の面とは反対側の第２の面に、ｉ型の第２の非晶質シリコン層が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と非晶質シリコン層との界面で生じるキャリアの再結合がより抑制されて、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、前記第１導電型の不純物元素または前記第２導電型の不純物元素の加速エネルギーは、５ＫｅＶ以上２０ＫｅＶ以下に設定されてもよい。
これにより、第１導電型及び第２導電型の不純物元素が結晶系シリコン基板に注入されることなく、第１導電型及び第２導電型の不純物元素が第１の非晶質シリコン層内に確実に注入される。

上記の太陽電池の製造方法において、前記第１の非晶質シリコン層として、膜厚が５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の層が用いられてもよい。
これにより、適切な光電変換効率が得られる。

上記の太陽電池の製造方法において、前記イオン注入は、非質量分離型のイオン注入法によってなされてもよい。
これにより、大面積に渡って、第１の非晶質シリコン層内に第１導電型及び第２導電型の不純物元素が注入される。

上記の太陽電池の製造方法において、
前記犠牲層の少なくとも一部は、除去されてもよい。
前記犠牲層として、前記第１の非晶質シリコン層とは異なる材料を含む層が用いられてもよい。
これにより、第１の非晶質シリコン層よりもエッチング耐性の弱い犠牲層が選ばれた場合、犠牲層がエッチングにより効率よく除去され、第１の非晶質シリコン層が確実に残存する。

上記の太陽電池の製造方法において、
前記犠牲層は、導電材料を含んでもよい。
前記犠牲層は、前記第１領域に接続された第１の電極及び前記第２領域に接続された第２の電極としてパターニングされてもよい。
これにより、犠牲層が電極として用いられ、太陽電池を製造する製造工程数がより削減する。

以上述べたように、本発明によれば、製造工程数がより削減できる。

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。図Ａ及び図Ｂ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。図Ａ及び図Ｂ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。図Ａ及び図Ｂ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。図Ａ及び図Ｂ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。図Ａは、犠牲層を非晶質シリコン層に設けてイオン注入を行った場合のｐ型領域の不純物濃度プロファイルを示す概略図である。図Ｂは、犠牲層を非晶質シリコン層に設けないでイオン注入を行った場合のｐ型領域の不純物濃度プロファイルを示す概略図である。図Ａは、不純物イオンの加速エネルギーと、ｎ型領域及びｐ型領域の暗導電率との関係を表す概略的グラフ図である。図Ｂは、犠牲層を用いない場合の不純物イオンの加速エネルギーと、キャリアのライフタイムとの関係を表す概略的グラフ図である。図Ａ及び図Ｂ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。

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（第１導電型）の結晶系シリコン基板１１０と、ｉ型の非晶質シリコン層（第１の非晶質シリコン層）１１１と、ｎ型領域（第１の領域）１１１ｎと、ｐ型領域（第２の領域）１１１ｐと、ｉ型の非晶質シリコン層（第２の非晶質シリコン層）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ｎ型またはｐ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。

太陽電池１００では、結晶系シリコン基板１１０の下面（第１の面）１１０ａに非晶質シリコン層（水素化非晶質シリコン層）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内には、ｎ型領域１１１ｎと、ｐ型領域１１１ｐとが設けられている。ｎ型領域１１１ｎと、ｐ型領域１１１ｐは、イオン注入法により形成される（後述）。ｎ型領域１１１ｎ及びｐ型領域１１１ｐのそれぞれは、非晶質シリコン層１１１に所望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型領域１１１ｎ及びｐ型領域１１１ｐは、非晶質シリコン層１１１の下面１１１ａにおいて露出している。

ｎ型領域１１１ｎは、Ｙ軸方向においてｐ型領域１１１ｐに隣接する。本実施形態において「隣接」とは、ｎ型領域１１１ｎとｐ型領域１１１ｐとが離れて隣り合う意味で用いられているほか、ｎ型領域１１１ｎとｐ型領域１１１ｐとが接触して隣り合う場合も含む意味で用いられる。例えば、図１Ａの例では、ｎ型領域１１１ｎは、Ｙ軸方向においてｐ型領域１１１ｐと離間して配置されている。ｎ型領域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の一部が存在する。また、ｐ型領域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。

ｎ型領域１１１ｎには、ｎ側電極１３０ｎが接続されている。ｐ型領域１１１ｐには、ｐ側電極１３０ｐが接続されている。ｎ側電極１３０ｎまたはｐ側電極１３０ｐ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の面）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１００ｎｍ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で覆われている。さらに、結晶系シリコン基板１１０の上面１１０ｂも、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。

例えば、太陽電池１００において、ｎ型領域１１１ｎまたはｐ型領域１１１ｐ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に達すると、上記のパッシベーション効果が減少し、キャリアのライフタイムが短くなる。この結果、太陽電池１００の開放電圧（Ｖ_ｏｃ）が低くなってしまう。すなわち、太陽電池１００では、結晶系シリコン基板１１０の下面１１０ａ及び上面１１０ｂが薄い非晶質シリコン層によって確実に覆われることが重要になる。

但し、非晶質シリコン層１１１の厚さｄ１は、例えば、５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であり、極めて薄い。すなわち、ｎ型領域１１１ｎ及びｐ型領域１１１ｐが結晶系シリコン基板１１０に達することなく、ｎ型領域１１１ｎ及びｐ型領域１１１ｐを確実に薄い非晶質シリコン層１１１内に形成することが課題の１つになる。

なお、非晶質シリコン層１１１の厚さｄ１が５ｎｍより小さくなると、結晶系シリコン基板１１０で発生したキャリアに対するパッシベーション効果が減少し好ましくない。一方、非晶質シリコン層１１１の厚さｄ１が１５０ｎｍより大きくなると、ｎ型領域１１１ｎとｐ型領域１１１ｐとの間の距離が離れ、ｎ型領域１１１ｎとｐ型領域１１１ｐとの間の抵抗が増加する。これにより、太陽電池１００の光電変換効率が減少する。太陽電池１００では、非晶質シリコン層１１１の厚さｄ１を５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下とすることにより、光電変換効率が適切になり、高い開放電圧（Ｖ_ｏｃ）が得られる。

また、ｎ型領域１１１ｎの厚さ（第１の厚さ）ｄｎ及びｐ型領域１１１ｐの厚さ（第２の厚さ）ｄｐは、非晶質シリコン層１１１の厚さｄ１よりも薄い。例えば、ｎ型領域１１１ｎの厚さｄｎは、例えば、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。ｐ型領域１１１ｐの厚さｄｐは、例えば、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

また、本実施形態では、非晶質シリコン層１１１に、ｎ型領域１１１ｎとｐ型領域１１１ｐとを形成するために非質量分離型のイオン注入法（プラズマドーピング法）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。

［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型領域１１１ｎの不純物元素及びｐ型領域１１１ｐの不純物元素の濃度は、ｎ型領域１１１ｎ及びｐ型領域１１１ｐの導電率が最適になるように調整される。但し、ｎ型領域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における再結合が抑制され、ｎ型領域１１１ｎ及びｐ型領域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（Chemical Vapor Deposition）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にも、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上に、ＣＶＤ法、スパッタリング法等によって犠牲層（後述）が形成される（ステップＳ２０）。
次に、この犠牲層を介して、非晶質シリコン層１１１内に、ｎ型の不純物元素がイオン注入により選択的に注入される。これにより、非晶質シリコン層１１１内に、厚さｄｎのｎ型領域１１１ｎが形成される（ステップＳ３０）。

次に、犠牲層を介して、非晶質シリコン層１１１内に、ｐ型の不純物元素がイオン注入により選択的に注入される。これにより、非晶質シリコン層１１１内に、厚さｄｐのｐ型領域１１１ｐが形成される（ステップＳ４０）。この後、犠牲層は、除去される。または、犠牲層は、電極としてパターニングされる。

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、ｎ型領域１１１ｎ及びｐ型領域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６Ｂ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、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て、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、厚さｄ１（５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下））の非晶質シリコン層１１１がＣＶＤ法等により形成される。また、結晶系シリコン基板１１０の上面１１０ｂに非晶質シリコン層１１２がＣＶＤ法等により形成される。非晶質シリコン層１１２の厚さは、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

次に、図４Ａに示すように、非晶質シリコン層１１１の下面１１１ａに犠牲層１５０がＣＶＤ法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等により形成される。犠牲層１５０の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。犠牲層１５０は、非晶質シリコン層１１１とは異なる材料を含む。例えば、犠牲層１５０の材料は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、アルミニウム酸化物、カーボン及び金属の少なくともいずれかを含む。また、犠牲層１５０は、例えば、スピンコート法等により形成されたレジスト層でもよい。

次に、図４Ｂに示すように、犠牲層１５０を介して非晶質シリコン層１１１の下面１１１ａにマスクＭ２を対向させる。マスクＭ２には、開口Ｍ２ｈが設けられている。開口Ｍ２ｈの位置は、ｎ型領域１１１ｎが形成される位置に対応している。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、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、図５Ａに示すように、非晶質シリコン層１１１の下面１１１ａの所定領域にｎ型不純物イオン２００ｎが選択的に注入される。ｎ型不純物イオン２００ｎは、例えば、リン（Ｐ）イオン等である。例えば、ｎ型不純物を含むガスが真空槽１００２内に導入されて、このガスによるプラズマを発生させる。そして、イオン注入法によって、マスクＭ１を介して非晶質シリコン層１１１の下面１１１ａにｎ型不純物イオン２００ｎを照射すると、ｎ型不純物イオン２００ｎの一部がマスクＭ２の開口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２００ｎは、犠牲層１５０を介して非晶質シリコン層１１１の所定領域に選択的に注入される。

ここで、ｎ型領域１１１ｎは、結晶系シリコン基板１１０に到達することなく、非晶質シリコン層１１１の下面１１１ａから内部にかけて非晶質シリコン層１１１に選択的に形成される。また、ｎ型不純物イオン２００ｎの加速エネルギーは、例えば、５ＫｅＶ以上２０ＫｅＶ以下に設定される。ｎ型不純物イオン２００ｎの加速エネルギーが５ＫｅＶより小さくなると、ｎ型領域１１１ｎの暗導電率が下がり、好ましくない（後述）。また、ｎ型不純物イオン２００ｎ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２００ｎが結晶系シリコン基板２１０にまで到達し、好ましくない。

次に、図５Ｂに示すように、犠牲層１５０を介して非晶質シリコン層１１１の下面１１１ａにマスクＭ３を対向させる。マスクＭ３には、開口Ｍ３ｈが設けられている。開口Ｍ３ｈの位置は、ｐ型領域１１１ｐが形成される位置に対応している。マスクＭ３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Ｍ３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。例えば、ｎ型不純物を含むガスがｐ型不純物を含むガスに切り換えられ、真空槽１００２内に、ｐ型不純物を含むガスによるプラズマを発生させる。そして、イオン注入法によって、マスクＭ３を介して非晶質シリコン層１１１の下面１１１ａに、ｐ型不純物イオン２００ｐを照射すると、ｐ型不純物イオン２００ｐの一部が犠牲層１５０を介して非晶質シリコン層１１１の所定領域に選択的に注入される。ｐ型不純物イオン２００ｐは、例えば、ボロン（Ｂ）イオン等である。ｐ型領域１１１ｐは、Ｙ軸方向において、ｎ型領域１１１ｎと離間して形成される。

ここで、ｐ型領域１１１ｐは、結晶系シリコン基板１１０に到達することなく、非晶質シリコン層１１１の下面１１１ａから内部にかけて非晶質シリコン層１１１の所定領域に選択的に形成される。また、ｐ型不純物イオン２００ｐの加速エネルギーは、例えば、５ＫｅＶ以上２０ＫｅＶ以下に設定される。ｐ型不純物イオン２００ｐの加速エネルギーが５ＫｅＶより小さくなると、ｐ型領域１１１ｐの暗導電率が下がり、好ましくない（後述）。また、ｐ型不純物イオン２００ｐ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２００ｐが結晶系シリコン基板２１０にまで到達し、好ましくない。

次に、図６Ａに示すように、犠牲層１５０が非晶質シリコン層１１１、ｎ型領域１１１ｎ及びｐ型領域１１１ｐからウェットエッチングにより除去される。ここで、犠牲層１５０の材料としては、エッチング溶液に対して非晶質シリコン層１１１よりもエッチング耐性の弱い材料が予め選択されている。例えば、犠牲層１５０がシリコン酸化物を含む場合、犠牲層１５０にフッ化水素酸溶液を接触させると、犠牲層１５０が効率よく除去されて、非晶質シリコン層１１１、ｎ型領域１１１ｎ及びｐ型領域１１１ｐが確実に残存する。また、犠牲層１５０がシリコン窒化物を含む場合には、エッチング溶液としてリン酸を用いれば、犠牲層１５０が効率よく除去されて、非晶質シリコン層１１１、ｎ型領域１１１ｎ及びｐ型領域１１１ｐが確実に残存する。

次に、図６Ｂ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型領域１１１ｎには、ｎ型領域１１１ｎに接続されたｎ側電極１３０ｎが形成される。また、ｐ型領域１１１ｐには、ｐ型領域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型領域１１１ｎ及びｐ型領域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型領域１１１ｎ及びｐ型領域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。

さらに、本実施形態に係る太陽電池１００においては、結晶系シリコン基板１１０の下面１１０ａに薄い非晶質シリコン層１１１（膜厚：５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下）が設けられている。そして、この薄い非晶質シリコン層１１１内に所定の深さで、ｎ型領域１１１ｎ及びｐ型領域１１１ｐを確実に形成することも重要になる。このような薄い非晶質シリコン層１１１内に所定の深さで、ｎ型領域１１１ｎ及びｐ型領域１１１ｐを確実に形成する必要性について以下に詳細に説明する。

図７Ａは、犠牲層を非晶質シリコン層に設けてイオン注入を行った場合のｐ型領域の不純物濃度プロファイルを示す概略図である。図７Ｂは、犠牲層を非晶質シリコン層に設けないでイオン注入を行った場合のｐ型領域の不純物濃度プロファイルを示す概略図である。横軸は、ｐ型領域の下面からの深さ（ｎｍ）を示し、縦軸は、不純物濃度（任意値（a.u.））を示している。また、縦軸と平行に描かれた波線は、犠牲層１５０、ｐ型領域１１１ｐ、非晶質シリコン層１１１及び結晶系シリコン基板１１０における各界面の位置が示されている。

例えば、犠牲層１５０を非晶質シリコン層１１１に設け、犠牲層１５０を介してｐ型不純物イオンを非晶質シリコン層１１１に注入すると、図７Ａのように、ｐ型不純物元素のプロファイルは、犠牲層１５０とｐ型領域１１１ｐとの界面付近でピークを形成し、その後、徐々に減少して、非晶質シリコン層１１１の手前で、不純物濃度が０（ゼロ）になっている。つまり、イオン注入の際に、犠牲層１５０によってｐ型不純物イオンの加速エネルギーが抑制されて、ｐ型不純物イオンが非晶質シリコン層１１１内に留まる。これにより、非晶質シリコン層１１１の厚さよりも薄いｐ型領域１１１ｐが確実に形成される。

ここで、ｐ型不純物イオン２００ｐの加速エネルギーは、５ＫｅＶ以上２０ＫｅＶ以下に設定される。ｐ型不純物イオン２００ｐの加速エネルギーが５ＫｅＶより小さくなると、ｐ型領域１１１ｐの導電率が下がる可能性がある（後述）。また、ｐ型不純物イオン２００ｐ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２００ｐの運動エネルギーが過大になりすぎてｐ型不純物イオン２００ｐが結晶系シリコン基板１１０に到達する可能性がある。

また、犠牲層１５０の膜厚は、例えば、５ｎｍ以上４０ｎｍ以下である。犠牲層１５０の膜厚が５ｎｍより薄くなると、ｐ型不純物イオンの加速エネルギーが抑制できなくなり、ｐ型不純物イオンが結晶系シリコン基板１１０に到達する可能性がある。また、犠牲層１５０の膜厚が４０ｎｍより厚くなると、ｐ型不純物イオンが犠牲層１５０内に留まり、非晶質シリコン層１１１にｐ型不純物元素が注入され難くなるか、非晶質シリコン層１１１に注入されるｐ型不純物元素の濃度が減少する。

このように、ｐ型不純物イオンの加速エネルギー及び犠牲層１５０の厚さを上記の範囲に制御することで、ｐ型不純物元素を非晶質シリコン層１１１内に確実に留めることができる。なお、ｎ型不純物元素の場合でも、ｐ型不純物元素の例と同じ効果が得られる。

一方、図７Ｂには、犠牲層１５０を非晶質シリコン層１１１に設けないでイオン注入を行った場合のｐ型領域１１１ｐの不純物濃度プロファイルが示されている。この場合、非晶質シリコン層１１１に注入されたｐ型不純物イオンの運動エネルギーは、犠牲層１５０によって抑制されることがない。従って、ｐ型不純物イオンは、結晶系シリコン基板１１０にまで到達する可能性がある。

例えば、図７Ｂに示すように、ｐ型領域１１１ｐは、非晶質シリコン層１１１を突き抜け、結晶系シリコン基板１１０に接触している。この結果、非晶質シリコン層１１１によるパッシベーション効果が減退し、開放電圧（Ｖ_ｏｐ）が低くなる可能性がある。すなわち、ｐ型領域１１１ｐがｎ型の結晶系シリコン基板１１０に接触することで、ｐ型領域１１１ｐと結晶系シリコン基板１１０との間の非晶質シリコン層１１１が消滅してしまう。

これに対し、図７Ａの例では、ｐ型領域１１１ｐ（または、ｎ型領域１１１ｎ）と結晶系シリコン基板１１０との間に確実にｉ型の非晶質シリコン層１１１が残存する。つまり、非晶質シリコン層１１１は、単一膜として結晶系シリコン基板１１０を被覆し、パッシベーション膜としての機能が維持されている。この場合には、ｐ型領域１１１ｐと結晶系シリコン基板１１０との間に確実に非晶質シリコン層１１１が残存する。

また、不純物イオンの加速エネルギーが５ＫｅＶ以上２０ＫｅＶ以下に設定される別の理由を以下に説明する。

図８Ａは、不純物イオンの加速エネルギーと、ｎ型領域及びｐ型領域の暗導電率との関係を表す概略的グラフ図である。横軸は、不純物イオンの加速エネルギー（ＫｅＶ）であり、縦軸は、ｎ型領域１１１ｎ及びｐ型領域１１１ｐの暗導電率（任意値（a.u.））である。なお、縦軸は、対数スケールである。なお、図８Ａにおけるイオン注入は、犠牲層１５０が設けられた状態で行われている。

図８Ａに示すように、不純物イオン（例えば、Ｂ^＋、Ｐ^＋）の加速エネルギーが増加するほど、ｐ型領域１１１ｐ及びｎ型領域１１１ｎの暗導電率が上昇する。例えば、不純物イオンの加速エネルギーが５ＫｅＶ以上になると、暗導電率が高い値を示すことが判明している。

この理由の１つとして、不純物イオンの加速エネルギーが高くなるほど、非晶質シリコン層１１１中の水素（Ｈ）と、不純物イオンとが容易に置換され、不純物イオンが非晶質シリコン層１１１内で容易に活性化されることが考えられる。なお、不純物イオンの加速エネルギーが２０ＫｅＶ以上になると、不純物イオンが結晶系シリコン基板１１０にまで到達する可能性がある。これにより、不純物イオンの加速エネルギーは、５ＫｅＶ以上２０ＫｅＶ以下であることが好ましい。

さらに、不純物イオンの加速エネルギーが５ＫｅＶ以上２０ＫｅＶ以下では、ｐ型領域１１１ｐ及びｎ型領域１１１ｎの暗導電率が飽和する傾向にある。換言すれば、不純物イオンの加速エネルギーを５ＫｅＶ以上２０ＫｅＶ以下に制御することで、ｐ型領域１１１ｐ及びｎ型領域１１１ｎの暗導電率が安定して高くなる。すなわち、本実施形態によれば、高い暗導電率のｐ型領域１１１ｐ及びｎ型領域１１１ｎを得る不純物イオンの加速エネルギーの制御マージンが拡大する。

また、図８Ｂは、犠牲層を用いない場合の不純物イオンの加速エネルギーと、キャリアのライフタイムとの関係を表す概略的グラフ図である。横軸は、不純物イオンの加速エネルギー（ＫｅＶ）であり、縦軸は、キャリアのライフタイム（μsec）である。

犠牲層１５０を用いない場合は、不純物イオン（例えば、ＢＦ_３ ^＋、ＰＨ_３ ^＋）の加速エネルギーが高くなるほど、不純物イオンが結晶系シリコン基板１１０にまで達し、キャリアのライフタイムが短くなる。例えば、図８Ｂに示すように、犠牲層１５０を用いない場合は、不純物イオンの加速エネルギーが５ＫｅＶになると、キャリアのライフタイムが著しく短くなる。

しかし、ｐ型領域１１１ｐ及びｎ型領域１１１ｎにおいて高い導電率を得るには、不純物イオンの加速エネルギーとして、５ＫｅＶ以上を要する（図８Ａ）。この相反関係を解消するために、本実施形態では、犠牲層１５０を用いた製造プロセスを採用している。すなわち、犠牲層１５０を非晶質シリコン層１１１上に形成することで、不純物イオンの加速エネルギーが減少することなく、不純物イオンが非晶質シリコン層１１１に注入される。これにより、高い暗導電率を持ったｐ型領域１１１ｐ及びｎ型領域１１１ｎが非晶質シリコン層１１１に形成される。さらに、非晶質シリコン層１１１は、結晶系シリコン基板１１０を確実に被覆する。これにより、非晶質シリコン層１１１のパッシベーション効果が維持され、キャリアのライフタイムが長くなる。

また、本実施形態では、注入した不純物元素を活性化するためのアニール工程を要しない。例えば、結晶系シリコンに直接不純物イオンを注入して、不純物元素の活性化を行うには、通常、イオン注入後、８００℃以上のアニール処理が必要とされる。しかし、本実施形態では、不純物イオンが上述した加速エネルギーによって効率よく活性化されるため、不純物元素のアニール工程を要しない。つまり、本実施形態によれば、不純物元素を活性化するためのアニール工程を削除することができる。なお、必要に応じて、アニール処理は、行われてもよい。これにより、注入した不純物元素がより活性化される。

また、不純物元素のドーズ量が６×１０^１５（atoms/cm²）以上１×１０^１６（atoms/cm²）以下の範囲では、ｐ型領域１１１ｐ及びｎ型領域１１１ｎの暗導電率に大差がないことが判明している。すなわち、ｐ型領域１１１ｐ及びｎ型領域１１１ｎの暗導電率は、不純物イオンの加速エネルギーによって制御できる。

なお、犠牲増１５０を形成せずに、犠牲層１５０の厚さ分だけ非晶質シリコン層１１１を予め厚く形成し、この非晶質シリコン層１１１にｎ型不純物イオンまたはｐ型不純物イオンを注入した後、犠牲層１５０の厚さ分の非晶質シリコン層１１１を除去（エッチバック）することにより、ｎ型領域１１１ｎ及びｐ型領域１１１ｐを形成する方法も考えられる。

しかし、非晶質シリコン層１１１は、その厚さが５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であり、薄い膜となって構成される。このような薄い膜をエッチバックによって、均一な厚さに制御することは難しい。従って、本実施形態のように、非晶質シリコン層１１１とは材料が異なる犠牲層１５０を用いて、不純物イオンを注入することが好ましい。

［太陽電池の製造方法の変形例］
図９Ａ及び図９Ｂ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。

犠牲層１５０が導電材料を含む場合、犠牲層１５０をｐ側電極１５０ｐ及びｎ側電極１５０ｎとして加工することができる。導電材料は、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル等との少なくともいずれかを含む。

例えば、図９Ａに示すように、ｎ型領域１１１ｎ及びｐ型領域１１１ｐを非晶質シリコン層１１１内に形成した後、犠牲層１５０をｎ型領域１１１ｎ、ｐ型領域１１１ｐ及び非晶質シリコン層１１１から除去することなく、犠牲層１５０を介してｎ型領域１１１ｎ及びｐ型領域１１１ｐにマスクＭ４を対向させる。マスクＭ４は、犠牲層１５０に接する。

例えば、犠牲層１５０がアルミニウムを含む場合、マスクＭ４から表出した犠牲層１５０は、塩素系ガスによるプラズマによりエッチングされる。これにより、図９Ｂに示すように、犠牲層１５０の一部が除去される。このように、犠牲層１５０から分離されたｎ側電極１５０ｎは、ｎ型領域１１１ｎに接続され、ｐ側電極１５０ｐは、ｐ型領域１１１ｐに接続されている。つまり、犠牲層１５０を電極としてパターニングすることにより、電極形成工程が不要になり、太陽電池を製造する製造工程数がより削減する。なお、ｐ側電極１５０ｐには、ｐ型不純物元素が含まれ、ｎ側電極１５０ｎには、ｎ型不純物元素が含まれている。

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
１１０…結晶系シリコン基板
１１０ａ…下面
１１０ｂ…上面
１１０…結晶系シリコン基板
１１１、１１２…非晶質シリコン層
１１１ａ…下面
１１１ｂ…上面
１１１ｎ…ｎ型領域
１１１ｐ…ｐ型領域
１２０…反射防止膜
１３０ｎ、１５０ｎ…ｎ側電極
１３０ｐ、１５０ｐ…ｐ側電極
１５０…犠牲層
２００ｎ…ｎ型不純物イオン
２００ｐ…ｐ型不純物イオン
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
Ｓ１…基板
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４…マスク
Ｍ２ｈ、Ｍ３ｈ…開口

Claims

結晶系シリコン基板の第１の面に、ｉ型の第１の非晶質シリコン層を形成し、
前記第１の非晶質シリコン層上に、犠牲層を形成し、
前記犠牲層を介して、前記第１の非晶質シリコン層内に、第１導電型の不純物元素をイオン注入により選択的に注入し、前記第１の非晶質シリコン層内に、第１の厚みを有する第１導電型の第１領域を形成し、
前記犠牲層を介して、前記第１の非晶質シリコン層内に、第２導電型の不純物元素をイオン注入により選択的に注入し、前記第１の非晶質シリコン層内に、前記第１領域に隣接し第２の厚みを有する第２導電型の第２の領域を形成する
太陽電池の製造方法。
請求項１に記載された太陽電池の製造方法であって、
前記結晶系シリコン基板の前記第１の面とは反対側の第２の面に、ｉ型の第２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。
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、
前記第１導電型の不純物元素または前記第２導電型の不純物元素の加速エネルギーは、５ＫｅＶ以上２０ＫｅＶ以下に設定される
太陽電池の製造方法。
請求項１〜３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の非晶質シリコン層として、膜厚が５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の層が用いられる
太陽電池の製造方法。
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、
前記イオン注入は、非質量分離型のイオン注入法によってなされる
太陽電池の製造方法。
請求項１〜５のいずれか１つに記載された記載された太陽電池の製造方法であって、
前記犠牲層の少なくとも一部は、除去され、
前記犠牲層として、前記第１の非晶質シリコン層とは異なる材料を含む層が用いられる
太陽電池の製造方法。
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、
前記犠牲層は、導電材料を含み、
前記犠牲層は、前記第１領域に接続された第１の電極及び前記第２領域に接続された第２の電極としてパターニングされる
太陽電池の製造方法。