JP2018195649A - Method for manufacturing crystal-type solar battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非質量分離タイプのイオン注入装置を用いて基板に注入されたイオンが、活性化アニール時に基板の外に抜けてしまう外方拡散を抑制できる、結晶系太陽電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a crystalline solar cell, in which ions implanted into a substrate using a non-mass separation type ion implantation apparatus can suppress outward diffusion that escapes out of the substrate during activation annealing.
太陽光エネルギーを利用して発電する太陽電池は、化石燃料の代替技術として期待される発電システムであり、地球環境を保全できる観点からもその生産量を急速に増加させる傾向にあり、積極的に種々の構造・構成のものが開発されている。その中でも、結晶シリコン(Si)系の太陽電池は、その光電変換効率などの性能や製造コストの優位性などにより最も一般的に用いられている。 Solar power generation using solar energy is a power generation system that is expected as an alternative technology for fossil fuels. Various structures and configurations have been developed. Among these, crystalline silicon (Si) solar cells are most commonly used due to their performance such as photoelectric conversion efficiency and superior manufacturing costs.
結晶シリコン系太陽電池における光電変換素子の構造は、エミッタ層を拡散方式で形成したホモ接合型、非晶質シリコンを用いたヘテロ接合型に大きく分類される。ホモ接合型においては、両面に電極を有したPERC(passivated emitter and rear contact)構造や、PERL(passivated emitter rear locally diffused)構造、受光面に電極を有しないIBC(Interdigitated Back Contact)構造など、各種の構造によって変換効率の向上が図れている(たとえば、特許文献1)。 The structure of a photoelectric conversion element in a crystalline silicon solar cell is roughly classified into a homojunction type in which an emitter layer is formed by a diffusion method and a heterojunction type using amorphous silicon. In the homojunction type, PERRC (passivated emitter and rear contact) structure with electrodes on both sides, PERL (passivated emitter rear locally diffused) structure, IBC (Interdigitated Back Contact) structure without electrodes on the light receiving surface, etc. With this structure, conversion efficiency can be improved (for example, Patent Document 1).
たとえば、図16に示すように、結晶シリコン系太陽電池100は、光を受光する受光面と、受光面と対向する裏面との間で光電変換機能を発現する、n型の結晶シリコンからなる基板(以下、シリコン基板とも呼ぶ)50を備えている。受光面をなす基板の一方の主面側には高濃度のp型領域51が形成され、裏面をなす他方の主面側にはn型領域52が形成される。この基板に対して光を照射することにより、基板において励起された少数キャリアである正孔をp+領域51に接続された電極57に、多数キャリアである電子をn+型領域に接続された電極58に、それぞれ収集させ、収集させた電子、正孔による電流を発生させることができる。図16において、符号54A、54Bはパッシベーション膜(passivation film)、符号55Aは反射防止膜(Anti Reflection Coating:ARC)、符号55Bは裏面光閉じ込め膜であり、必要に応じて設けられる。
For example, as shown in FIG. 16, a crystalline silicon
従来、このようなp+型領域やn+型領域のパターニングの形成には、固相拡散法や気相拡散法によってp+層、n+層を形成した後、レーザーやエッチングによるパターニング等の複雑な工程が必要であった。そのため、製造コストが嵩み、製造工程が複雑となるので、製造工程の簡素化とともに、コストの削減が求められていた。 Conventionally, patterning of such p + -type region and n + -type region is performed by forming a p + layer or n + layer by a solid phase diffusion method or a vapor phase diffusion method, and then patterning by laser or etching. A complicated process was required. For this reason, the manufacturing cost is increased and the manufacturing process becomes complicated. Therefore, the manufacturing process is simplified and the cost reduction is required.
レーザーやエッチングによるパターニング技術に代えて、製造工程の短縮およびコストを低減する手法として、マスクを用いたイオン注入技術が注目されている(特許文献2)。その中でも、非質量分離タイプのイオン装置では低コストが図れることから期待されている。
非質量分離タイプのイオン注入装置では、イオン源内の乖離したプラズマ中のイオン全てが注入されるため、例えばBF3ガスを用いた場合には、BF3 +〜B+までのイオン全てが注入され、シリコン基板の表層にボロンイオンが通常のシングルイオン注入とは異なった濃度プロファイルで注入される。
An ion implantation technique using a mask has attracted attention as a technique for shortening the manufacturing process and reducing the cost in place of the patterning technique by laser or etching (Patent Document 2). Among them, the non-mass separation type ion apparatus is expected from the low cost.
In the non-mass separation type ion implantation apparatus, all ions in the separated plasma in the ion source are implanted. For example, when BF 3 gas is used, all ions from BF 3 + to B + are implanted. Boron ions are implanted into the surface layer of the silicon substrate with a concentration profile different from that of normal single ion implantation.
また、ダメージを与えないためにも、注入エネルギーを低くするために注入されたイオンは、基板表面から数nm〜数十nmの深さ領域に多く存在する注入プロファイルを持つ。このために、活性化アニール時にボロンの場合は、シリコン基板の内部から外部へとボロンが抜けてしまう外方拡散を起してしまいアクセプタ濃度が減少してしまうことと、一方でアクセプタにならないドーパントがシリコン基板の内部に多数残留してしまう課題があった。なお、この外方拡散という現象は、リンの場合も類似した現象が生じる。 Also, in order to prevent damage, ions implanted to lower the implantation energy have an implantation profile in which many ions exist in a depth region of several nm to several tens of nm from the substrate surface. For this reason, in the case of boron at the time of activation annealing, an out-diffusion that causes boron to escape from the inside of the silicon substrate to the outside is caused and the acceptor concentration is reduced, while on the other hand, a dopant that does not become an acceptor However, there has been a problem that a large number remain in the silicon substrate. This phenomenon of outward diffusion is similar to that of phosphorus.
上述した外方拡散が生じると、イオン注入領域の抵抗値が変化したり、あるいはイオン注入領域内で(たとえば基板深さ方向において)抵抗値の分布が発生し、太陽電池の発電特性に影響を及ぼす虞があった。ゆえに、太陽電池の発電特性の安定化を図るためには、イオン注入後に行われる活性化アニール時に、注入したイオン(ボロン、リン)が外方拡散を起さない構造を備えた、太陽電池の開発が期待されていた。 When the above-described outward diffusion occurs, the resistance value of the ion implantation region changes or a distribution of resistance value occurs in the ion implantation region (for example, in the substrate depth direction), which affects the power generation characteristics of the solar cell. There was a risk of effect. Therefore, in order to stabilize the power generation characteristics of the solar cell, the solar cell having a structure in which the implanted ions (boron, phosphorus) do not cause outward diffusion at the time of activation annealing performed after ion implantation. Development was expected.
本発明は、以上のような点を考慮してなされたものであり、基板に対してイオン注入した後、活性化アニール時に外方拡散を起さない構造を備えた、結晶系太陽電池の製造方法を提供する。 The present invention has been made in consideration of the above points, and is a method for manufacturing a crystalline solar cell having a structure that does not cause outward diffusion during activation annealing after ion implantation into a substrate. Provide a method.
本発明の請求項1に係る結晶系太陽電池の製造方法は、光電変換機能を発現する第一導電型の結晶基板を具備する結晶系太陽電池の製造方法であって、前記結晶基板として、単結晶又は多結晶シリコンからなる平板状の基体を用い、前記基体のうち、一方の主面側に対して前記第一導電型と異なる導電型のイオンを注入する第一工程と、前記基体のうち、他方の主面側に対して前記第一導電型と同じ導電型のイオンを注入する第二工程と、前記第一工程および前記第二工程によりイオン注入された前記基体の一方の主面と他方の主面を覆うようにキャップ膜を形成する第三工程と、前記第三工程を経た前記基体に対してアニール処理を行う第四工程と、を少なくとも順に備えることを特徴とする。
すなわち、本発明の請求項1に係る結晶系太陽電池の製造方法において、結晶基板の第一導電型がn型の場合は、第一工程では前記第一導電型と異なる導電型(p+)のイオン[たとえば、ボロン(B)イオン]を注入し、第二工程では前記第一導電型と同じ導電型(n+)のイオン[たとえば、リン(P)イオン]を注入する。逆に、結晶基板の第一導電型がp型の場合は、第一工程では前記第一導電型と異なる導電型(n+)のイオンを注入し、第二工程では前記第一導電型と同じ導電型(p+)のイオンを注入する。
A manufacturing method of a crystalline solar cell according to
That is, in the method for manufacturing a crystalline solar cell according to
本発明の請求項2に係る結晶系太陽電池の製造方法は、請求項1において、前記キャップ膜が、前記基体の一方の主面と他方の主面上に、気相成膜法(たとえば、CVD法、PVD法)により堆積された被膜であることを特徴とする。
本発明の請求項3に係る結晶系太陽電池の製造方法は、請求項1又は2において、前記キャップ膜が、酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜から選択される単層膜、あるいは、これらの積層膜であることを特徴とする請求項1又は2に記載の結晶系太陽電池の製造方法。
本発明の請求項4に係る結晶系太陽電池の製造方法は、請求項1乃至3のいずれか一項において、前記キャップ膜の厚さが、30nm以上300nm以下であることを特徴とする。
本発明の請求項5に係る結晶系太陽電池の製造方法は、請求項1乃至3のいずれか一項において、前記キャップ膜の厚さが、50nm以上300nm以下であることを特徴とする。
A method for producing a crystalline solar cell according to a second aspect of the present invention is the method according to the first aspect, wherein the cap film is formed on one main surface and the other main surface of the base by a vapor deposition method (for example, It is a film deposited by a CVD method or a PVD method).
The method for producing a crystalline solar cell according to claim 3 of the present invention is the method according to
The method for producing a crystalline solar cell according to claim 4 of the present invention is characterized in that, in any one of
The method for producing a crystalline solar cell according to claim 5 of the present invention is characterized in that, in any one of
本発明に係る結晶系太陽電池の製造方法によれば、基板に対してイオン注入(第一工程、第二工程)した後、このイオン注入した領域を覆うようにキャップ膜を形成(第三工程)してから、アニール処理(第四工程)を行う。すなわち、イオン注入領域がキャップ膜により封止された状態で、アニール処理が行われる。ゆえに、本発明は、イオン注入後に行われる活性化アニール時に、注入したイオン(ボロン、リン)が外方拡散を起さない構造を備えた、太陽電池の製造方法をもたらす。
前記キャップ膜は、前記基体の一方の主面と他方の主面上に、気相成膜法(CVD法、PVD法)により堆積された被膜が好適である。
前記キャップ膜は、酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜から選択される単層膜、あるいは、これらの積層膜であることが好ましい。
前記キャップ膜の厚さは、好ましくは30nm以上300nm以下であり、より好ましくは50nm以上300nm以下である。
According to the method for manufacturing a crystalline solar cell according to the present invention, after ion implantation (first step, second step) into the substrate, a cap film is formed so as to cover the ion-implanted region (third step). ) And then an annealing process (fourth step) is performed. That is, annealing is performed in a state where the ion implantation region is sealed with the cap film. Therefore, the present invention provides a method for manufacturing a solar cell having a structure in which implanted ions (boron, phosphorus) do not cause outward diffusion during activation annealing performed after ion implantation.
The cap film is preferably a film deposited on one main surface and the other main surface of the substrate by a vapor deposition method (CVD method, PVD method).
The cap film is preferably a single layer film selected from a silicon oxide film, an aluminum oxide film, and a silicon nitride film, or a laminated film thereof.
The thickness of the cap film is preferably 30 nm to 300 nm, more preferably 50 nm to 300 nm.
以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。 Hereinafter, based on a preferred embodiment, the present invention will be described with reference to the drawings.
<結晶系太陽電池>
図1は、本発明に係る結晶系太陽電池の製造方法を示すフローチャートである。図2は、図1の製法により作製される結晶系太陽電池の一例を示す模式的な断面図である。
図2に示すように、本発明に係る製法により作製される結晶系太陽電池1A(1)は、光を受光する受光面(図2では上面)と、受光面と対向する裏面(図2では下面)との間で光電変換機能を発現する結晶基板10を備えた太陽電池である。
<Crystal solar cell>
FIG. 1 is a flowchart showing a method for manufacturing a crystalline solar cell according to the present invention. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a crystalline solar cell manufactured by the manufacturing method of FIG.
As shown in FIG. 2, a crystalline
結晶基板10は、第一導電型(n型)の単結晶又は多結晶シリコンからなる平板状の基体である。結晶基板(基体)10は、その一方の主面(受光面)10aに、反射防止構造(表面微小凹凸構造とも呼ぶ)を備えていることが好ましい。反射防止構造は、受光面における反射率低減効果や入射した光の閉じ込め効果をもたらす。また、反射防止構造として、逆転型ピラミッドの大きな凹凸構造を設けてもよい(図13、図14)。
The
結晶基板(基体)10は、その一方の主面(受光面)10a側に対して前記第一導電型と異なる導電型(p+)のイオン[ボロン(B)イオン]が注入された領域11を、他方の主面(裏面)10b側に対して前記第一導電型と同じ導電型(n+)のイオン[リン(P)イオン]が注入された領域12を、それぞれ備えている。
The crystal substrate (base body) 10 has a
そして、領域11は、パッシベーション膜14A、及びARC膜15Aが順に重ねて配された積層構造体16Aにより覆われている。領域12は、パッシベーション膜14B、及びARC膜15Bが順に重ねて配された積層構造体16Bにより覆われている。
The
さらに、p型の領域11は、積層構造体16Aを貫通するように形成された第一電極(受光面電極とも呼ぶ)17と、電気的に接続されている。n型の領域12は、積層構造体16Bを貫通するように形成された第二電極(裏面電極とも呼ぶ)18と、電気的に接続されている。
Further, the p-
<結晶系太陽電池の製造方法>
本発明に係る結晶系太陽電池の製造方法は、以下に述べる第一工程〜第四工程を、少なくとも順に備えている。
上述したように、結晶基板としては、単結晶又は多結晶シリコンからなる平板状の基体10を用いる。本実施形態における結晶基板は、光電変換機能を発現する第一導電型(n)のシリコン基板であり、光を受光する受光面側には反射閉じ込め構造を形成したものが好適に用いられる(図1のS1)。
<Method for producing crystalline solar cell>
The method for producing a crystalline solar cell according to the present invention comprises at least the first to fourth steps described below in order.
As described above, the
まず、前記基体のうち、一方の主面側(受光面となる表面側)に対して前記第一導電型と異なる導電型(p+)のイオン[ボロン(B)イオン]を注入する(以下、第一工程とも呼ぶ:図1のS2)。図2において、符号11がボロンを注入したp型領域である。
次に、前記基体のうち、他方の主面側(受光面と対向する裏面側)に対して前記第一導電型と同じ導電型(n+)のイオン[リン(P)イオン]を注入する(以下、第二工程とも呼ぶ:図1のS3)。図2において、符号12がリンを注入したn型領域である。
First, ions [boron (B) ions] having a conductivity type (p + ) different from the first conductivity type are implanted into one main surface side (surface side serving as a light receiving surface) of the substrate (hereinafter referred to as “boron (B) ions”). Also referred to as the first step: S2 in FIG. In FIG. 2,
Next, ions of the same conductivity type (n + ) as the first conductivity type [phosphorus (P) ions] are implanted into the other main surface side (the back surface side facing the light receiving surface) of the substrate. (Hereinafter also referred to as the second step: S3 in FIG. 1). In FIG. 2,
次いで、第一工程S2および第二工程S3によりイオン注入された前記基体の一方の主面と他方の主面を覆うようにキャップ膜13A、13Bを形成する(以下、第三工程とも呼ぶ:図1のS4)。
その後、第三工程S4を経た前記基体に対してアニール処理を行う(以下、第四工程とも呼ぶ:図1のS5)。これにより、基体の表面側にはp型領域が、基体の裏面側にはn型領域が、それぞれ形成される。
Next, cap films 13A and 13B are formed so as to cover one main surface and the other main surface of the base body ion-implanted in the first step S2 and the second step S3 (hereinafter also referred to as a third step: FIG. 1 S4).
Thereafter, annealing is performed on the substrate that has undergone the third step S4 (hereinafter also referred to as a fourth step: S5 in FIG. 1). As a result, a p-type region is formed on the front surface side of the substrate, and an n-type region is formed on the back surface side of the substrate.
第四工程S5を経た前記基体に対して、必要に応じて、キャップ層13A、13Bを除去(図1のS6)し、パッシベーション膜14A、14Bの形成(図1のS7)、ARC膜15A、15Bの形成(図1のS8)を行う。
最後に、基体の表面側には、基体のp型領域と電気的な導通をとる第一電極17を形成する。基体の裏面側には、基体のn型領域と電気的な導通をとる第二電極18を形成する(図1のS9)。
If necessary, the cap layers 13A and 13B are removed from the substrate that has undergone the fourth step S5 (S6 in FIG. 1) to form
Finally, on the surface side of the substrate, a
上述した第一工程や第二工程におけるイオンの注入は、たとえば、図3に示すイオン注入装置1200を用いて行う。
図3は、本発明において、p型イオン注入工程(第一工程)およびn型イオン注入工程(第二工程)に用いる、イオン注入装置1200の断面図である。イオン注入装置1200は真空槽1201と、永久磁石1205、RF導入コイル1206、RF導入窓(石英)1212を用いたICP放電によるプラズマ発生手段と、真空排気手段(不図示)とを備えている。真空槽1201の内部は、メッシュ電極1208、1209により、プラズマ発生室とプラズマ処理室とに分離されている。
The ion implantation in the first process and the second process described above is performed using, for example, an
FIG. 3 is a cross-sectional view of an
プラズマ処理室には、被処理体である基板(反射防止構造を形成した後の基板10に相当)1203を支持する基板支持台1204が配されている。なお、メッシュ電極1208は、浮遊電位とされており、プラズマ1207の電位を安定させる機能を有する。また、メッシュ電極1209は、負電位を印加され、プラズマ1207から正イオンを引き出す機能を有する。
In the plasma processing chamber, a
真空層1201内を減圧し、プラズマ発生室に、基板1203の表面[結晶基板10の一方の主面(受光面)10a側]に注入するp型の不純物原子を含んだガスを導入する。そして、プラズマ発生手段を用いてプラズマ1207を励起させることにより、不純物原子をイオン化させ、メッシュ電極1208、1209を経由して引き出されたp型のイオンを、基板1203の表面に注入させることができる。これにより、結晶基板10は、その一方の主面(受光面)10a側に対して前記第一導電型と異なる導電型(p+)のイオン[たとえば、ボロン(B)イオン]が注入された領域11を得る[第一工程]。
The inside of the
次に、基板1203の移動手段(不図示)により、基板1203の上下面を逆転させて、基板支持台1204に載置する。これにより、基板1203の裏面[結晶基板10の他方の主面側(受光面と対向する裏面側)]が、メッシュ電極1208、1209と対向する位置に配される。
Next, the upper and lower surfaces of the
プラズマ発生室に、基板1203の裏面に注入するn型の不純物原子を含んだガスを導入する。そして、プラズマ発生手段を用いてプラズマ1207を励起させることにより、不純物原子をイオン化させ、メッシュ電極1208、1209を経由して引き出されたn型のイオンを、基板1203の裏面に注入させることができる。これにより、結晶基板10は、その他の主面(受光面と対向する裏面側)10b側に対して前記第一導電型と同じ導電型(n+)のイオン[たとえば、リン(P)イオン]が注入された領域12を得る[第二工程]。
A gas containing n-type impurity atoms to be injected into the back surface of the
次に、領域11および領域12を覆うように、第三工程としてキャップ膜を形成する。
上記キャップ膜の形成には、たとえば、図4に示すインターバック式のCVD装置1400を用いて行う。
Next, a cap film is formed as a third step so as to cover the
The cap film is formed using, for example, an inter-back
図4の製造装置1400においては、基板1458(領域11および領域12が形成された基板10に相当)は、不図示の搬送手段により、仕込取出室(L/UL)1451、加熱室(H)1452、第一成膜室(S1)1453、第二成膜室(S2)1454の内部を移動可能とされている。
上記の各室1451,1452、1453、1454には個別に、その内部空間を減圧可能とするための排気手段1451P、1452P、1453P、1454Pが配されている。
In the
Exhaust means 1451P, 1452P, 1453P, and 1454P are arranged in each of the
まず、基板1458は製造装置から外部(大気雰囲気)から大気圧とされた仕込取出室1451へ導入される。その後、仕込取出室1451は排気手段1451Pを用いて減圧雰囲気とされる。次いで、基板1458は減圧雰囲気とされた仕込取出室1451から加熱室1452へ搬送され、加熱手段1459により所望の熱処理が施される。
First, the
次に、熱処理後の基板1458は、加熱室1452から第一成膜室1453へ搬送され、シリコンからなるターゲット1462の前を通過させることにより、基板1458の表面(領域11)上にキャップ膜として酸化シリコン膜を形成する。これにより、領域11を覆うように、キャップ膜13Aが形成される。
その際、温度調整手段1461により、基板1458は所望の温度とされる。ターゲット1462はバッキングプレート1463に載置されており、スパッタ時にはガス供給源1465から所望のプロセスガスが導入されるとともに、バッキングプレート1463には電源1464から所望の電力が供給される。
Next, the
At that time, the
次に、キャップ膜13Aが形成された基板1458は、第一成膜室1453から第二成膜室1454へ搬送され、シリコンからなるターゲット1472の前を通過させることにより、基板1458の裏面(領域12)上にキャップ膜として酸化シリコン膜を形成する。これにより、領域12を覆うように、キャップ膜13Bが形成される。
その際、温度調整手段1471により、基板1458は所望の温度とされる。ターゲット1472はバッキングプレート1473に載置されており、スパッタ時にはガス供給源1475から所望のプロセスガスが導入されるとともに、バッキングプレート1473には電源1474から所望の電力が供給される。
上述したキャップ膜(酸化シリコン膜)の代表的な作製条件を、表1に示す。
Next, the
At that time, the
Table 1 shows typical manufacturing conditions of the cap film (silicon oxide film) described above.
そして、キャップ膜13Aとキャップ膜13Bが形成された基板1458は、第二成膜室1454から仕込取出室1451へ搬送され、製造装置から外部(大気雰囲気)へ取り出される。
Then, the
キャップ膜13A、13Bの膜厚は、好ましくは30nm以上300nm以下であり、より好ましくは50nm以上300nm以下である。
後述するように、キャップ膜の膜厚が30nm以上の場合は、キャップ膜なしの場合(キャップ膜を設けない場合)に比べて、シート抵抗値を10%程度低く抑えることができる。キャップ膜の膜厚が50nm以上の場合は、さらにシート抵抗値の抑制が図れ、キャップ膜なしの場合に比べて、40%程度低く抑えることが可能となる。
The film thickness of the cap films 13A and 13B is preferably 30 nm to 300 nm, and more preferably 50 nm to 300 nm.
As will be described later, when the thickness of the cap film is 30 nm or more, the sheet resistance value can be suppressed by about 10% lower than when the cap film is not provided (when no cap film is provided). When the film thickness of the cap film is 50 nm or more, the sheet resistance value can be further suppressed, and can be reduced by about 40% compared to the case without the cap film.
なお、キャップ膜13Aとキャップ膜13Bは、酸化シリコン膜に限定されるものではない。酸化シリコン膜に代えて、酸化アルミニウム膜や窒化シリコン膜としてもよい。これらの単層膜に限定されるものではなく、酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜からなる2層以上の積層膜としても構わない。 Note that the cap film 13A and the cap film 13B are not limited to silicon oxide films. Instead of the silicon oxide film, an aluminum oxide film or a silicon nitride film may be used. It is not limited to these single layer films, and may be a laminated film of two or more layers including a silicon oxide film, an aluminum oxide film, and a silicon nitride film.
次に、キャップ膜13A、13Bを覆うように、第四工程としてアニール処理を行う。すなわち、イオン注入領域(領域11および領域12)がキャップ膜により封止された状態で、アニール処理が行われる。
第四工程のアニール処理は、たとえば、図5に示すアニール処理装置1500を用いて行う。図5のアニール装置1500は、第一バッファ室1502、第一加熱室1503、第二加熱室1504、第三加熱室1505、及び、第二バッファ室1506、から構成される。
Next, an annealing process is performed as a fourth step so as to cover the cap films 13A and 13B. That is, annealing is performed in a state where the ion implantation regions (
The annealing process in the fourth step is performed using, for example, an
アニール装置1500によるアニール処理は、以下の第一〜第五ステップを経て行われる。すなわち、第一ステップとして、第一加熱室1503が所望の昇温状態となるまで、被処理体である基板[イオン注入領域(領域11および領域12)がキャップ膜により封止された状態の基板に相当]1501を、窒素(N2 )ガスが供給された第一バッファ室1502に待機させる。次に、第二ステップとして、酸素ガス(O2 )が供給された第一加熱室1503において、ランプを用いて、600℃で基板1501を加熱する。次に、第三ステップとして、酸素ガス(O2 )が供給された第二加熱室1504において、ランプを用いて、所望のアニール温度で基板1501を加熱する。次に、第四ステップとして、第三加熱室1505において、室温になるように、基板1501を冷却する。そして、第五ステップとして、アニール装置1500からの搬出準備ができるまで、基板1501を、窒素(N2 )ガスが供給された第二バッファ室1506に待機させる。
The annealing process by the
アニール処理の条件は、基板内部における、n型イオン及びp型イオンの活性化、再結晶化に応じた最適な条件として決定される。たとえば、アニール処理の温度は、900℃以上であることが望ましい。また、アニール処理にかける時間は、30分〜60分程度であることが望ましい。 The conditions for the annealing treatment are determined as optimum conditions corresponding to the activation and recrystallization of n-type ions and p-type ions inside the substrate. For example, the annealing temperature is desirably 900 ° C. or higher. Moreover, it is desirable that the time required for the annealing treatment is about 30 to 60 minutes.
次に、アニール処理を経た基板のキャップ膜13A、13Bを除去した後、パッシベーション膜14A、14B、反射防止膜15A、15Bが、必要に応じて設けられる。これらは、所望のスパッタ装置により作製される。なお、キャップ膜13A、13Bがパッシベーション膜14A、14Bの機能を有する場合、キャップ膜13A、13Bをパッシベーション膜14A、14Bに充てることができる。
パッシベーション膜14A、14Bとしては、たとえば、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸化シリコン、などが挙げられる。
反射防止膜15A、15Bとしては、たとえば、屈折率および膜厚の異なる薄膜を多層に重ねてなる構造体や、膜の深さ方向に対して屈折率変化のある膜、表面が凹凸形状を有する膜、などが挙げられる。
Next, after removing the cap films 13A and 13B from the annealed substrate,
Examples of the
As the
最後に、公知の製造方法により、電極17、18を形成する。公知の製造方法としては、たとえば、穴あき方式や、貫通(Fire through)方式が挙げられる。以下の説明において、ポイントコンタクトとは、イオン注入領域(領域11および領域12)と電気的接続をとる箇所(部位)を意味する。
Finally, the
穴あき方式とは、基板の表裏両面に対して各々、上述したキャップ膜、パッシベーション膜および反射防止膜からなる積層体を形成した後、ポイントコンタクト部分のみ、レーザーまたはエッチングペーストを用いて積層体を除去し、開口部を形成する。この開口部で、基板と電極となるアルミまたは銀を接触させる方法である。 The perforated method is to form a laminate composed of the above-described cap film, passivation film and antireflection film on both the front and back surfaces of the substrate, and then to form the laminate using only a point contact portion or a laser or etching paste. Remove to form an opening. In this opening, the substrate is brought into contact with aluminum or silver serving as an electrode.
Fire through方式とは、基板の表裏両面に対して各々、上述したキャップ膜、パッシベーション膜および反射防止膜からなる積層体を形成した後、ポイントコンタクト部分に、Fire through用の銀ペーストを塗布する。セル焼成時に、銀ペーストと積層体を反応させてFire throughさせることにより、コンタクトをとる手法である。 In the fire through method, a laminate composed of the above-described cap film, passivation film, and antireflection film is formed on both the front and back surfaces of the substrate, and then a silver paste for Fire through is applied to the point contact portion. This is a technique for making contact by causing a silver paste and a laminate to react and fire through during cell firing.
上述した工程を経ることにより、図2に示した構成の太陽電池を製造することができる。
以下では、注入イオンのアニール処理による影響を評価した。ここでは、注入イオンがボロン(B)の場合についてSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)を用いて評価した。その際、アニール処理は一定の処理条件(大気雰囲気、1000℃、60min)とした。
By passing through the process mentioned above, the solar cell of the structure shown in FIG. 2 can be manufactured.
In the following, the influence of the annealing treatment of the implanted ions was evaluated. Here, the case where the implanted ions are boron (B) was evaluated using SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry). At that time, the annealing treatment was performed under certain treatment conditions (atmosphere, 1000 ° C., 60 min).
表2に示した4種類の試料1〜4を用意し、SIMSを用いて評価した。
ここで、キャップ膜は、酸化シリコン(SiOx)であり、その膜厚は50nmとした。注入エネルギーは2条件(10keV、5keV)の異なる試料1、2を用意した。比較のために、キャップ膜を設けない試料3、4も用意した。試料1〜4は全て、パッシベーション膜や、反射防止膜、電極は設けていない。
Four types of
Here, the cap film was silicon oxide (SiO x ), and the film thickness was 50 nm.
図6、図7は何れも、SIMSの結果を示すグラフであり、横軸が評価した深さ(位置)、縦軸がその深さ(位置)で観測されたボロン濃度、を表わしている。
図6、図7において、横軸は注入領域1における深さである。横軸の0は注入領域1の表面、すなわち、電極がコンタクトする部分を表わしている。横軸の数字が大きくなるほど、注入領域1において、深さが増す方向である。
図6は深さ範囲が0〜1000nmを示すグラフであり、図7は図6の浅い領域(深さ範囲:0〜100nm)を拡大して示すグラフである。
6 and 7 are graphs showing the SIMS results, where the horizontal axis represents the evaluated depth (position) and the vertical axis represents the boron concentration observed at the depth (position).
6 and 7, the horizontal axis represents the depth in the
FIG. 6 is a graph showing the depth range of 0 to 1000 nm, and FIG. 7 is a graph showing the shallow region (depth range: 0 to 100 nm) of FIG. 6 in an enlarged manner.
図6、7より、以下の点が明らかとなった。
(A1)表面から深くなるに伴い、ボロン濃度が減少する傾向は、全ての試料1〜4で同一であった。0〜400nmの範囲では緩やかに減少するのに対して、400nm付近を超えると減少傾向が強まる。
(A2)キャップ膜の有無によって、深さが0〜400nmの範囲におけるボロン濃度に違いが確認された。キャップ膜を設けた試料1、2は、キャップ膜を設けない試料3、4に比べて2〜3倍程度高いボロン濃度であった。
(A3)特に、深さが0〜20nmの範囲では、上記(A2)の傾向が著しく強い。キャップ膜を設けた試料1、2は、キャップ膜を設けない試料3、4に比べて10倍程度のボロン濃度であった。
(A4)キャップ膜を設けた試料1、2では、上記(A2)、(A3)の傾向は注入エネルギーには依存せず、ボロン濃度は同様の深さ方向のファイルであった。
(A5)キャップ膜を設けない試料3、4では、上記(A2)、(A3)の傾向は注入エネルギーに依存する。注入エネルギーが大きい試料3は、注入エネルギーが少ない試料4に比べて、2倍程度高いボロン濃度であった。
The following points became clear from FIGS.
(A1) The tendency for the boron concentration to decrease with increasing depth from the surface was the same for all samples 1-4. While it gradually decreases in the range of 0 to 400 nm, it tends to decrease when it exceeds 400 nm.
(A2) Depending on the presence or absence of the cap film, a difference was confirmed in the boron concentration in the depth range of 0 to 400 nm.
(A3) In particular, in the range where the depth is 0 to 20 nm, the tendency of (A2) is remarkably strong.
(A4) In
(A5) In the samples 3 and 4 where no cap film is provided, the tendency of the above (A2) and (A3) depends on the implantation energy. Sample 3 with a large implantation energy had a boron concentration about twice as high as that of sample 4 with a small implantation energy.
以上の結果より、キャップ膜は、イオン注入後に行われる活性化アニール時に、注入したイオン(ボロン)が外方拡散を防止する効果をもたらすことが確認された。
ここでは、詳述しないが、ボロンに代えてリンを注入した場合にも、上述した(A1)〜(A5)と同様の結果が得られた。
これより、キャップ膜を設けた構造は、注入したイオン(ボロン、リン)の種類に依存せず、イオン注入後に行われる活性化アニール時に生じる外方拡散を抑制することに寄与することが分かった。
From the above results, it was confirmed that the cap film has an effect of preventing outward diffusion of implanted ions (boron) during activation annealing performed after ion implantation.
Although not described in detail here, the same results as (A1) to (A5) described above were obtained when phosphorus was implanted instead of boron.
From this, it was found that the structure provided with the cap film does not depend on the type of implanted ions (boron, phosphorus) and contributes to suppressing the outward diffusion that occurs during the activation annealing performed after the ion implantation. .
図8は、上述した試料1、3、4について、シート抵抗を測定した結果を示すグラフである。すなわち、試料1は、酸化シリコン(膜厚50nm)からなるキャップ膜を設けた場合であり、試料3、4はキャップ膜を設けない場合である。試料1と試料3は注入エネルギーが10keVであり同一である。試料4は注入エネルギーが5keVである。
図8に示した比較例[Refと表示(=60Ω/□]]は、APCVD法(常圧CVD法)を用いた固相拡散法で作製した太陽電池におけるシート抵抗値である。本発明(イオン注入法)は、この比較例の数値を目標とした。
FIG. 8 is a graph showing the results of measuring the sheet resistance for the
8 is a sheet resistance value in a solar cell manufactured by a solid phase diffusion method using an APCVD method (atmospheric pressure CVD method). The target of the ion implantation method was the numerical value of this comparative example.
図8より、以下の点が明らかとなった。
(B1)キャップ膜を設けない試料3、試料4においては、シート抵抗が110Ω/□程度あり、比較例のレベル(60Ω/□:図8の中に「Ref」と表示)には未達であった。
(B2)キャップ膜を設けた試料1では、シート抵抗が半減する(110→55Ω/□)ことが分かった。
以上より、キャップ膜を設けることにより、イオン注入後に行われる活性化アニール時に、注入したイオン(ボロン)の外方拡散が防止された結果、目標としたAPCVD法での固相拡散法と同等レベルのシート抵抗値が、イオン注入法でも実現できることが確認された。
The following points became clear from FIG.
(B1) In Sample 3 and Sample 4 where no cap film is provided, the sheet resistance is about 110Ω / □, and the level of the comparative example (60Ω / □: indicated as “Ref” in FIG. 8) has not been reached. there were.
(B2) In
As described above, the provision of the cap film prevents the outward diffusion of the implanted ions (boron) during the activation annealing performed after the ion implantation. As a result, the target APCVD method is equivalent to the solid phase diffusion method. It was confirmed that the sheet resistance value can be realized by the ion implantation method.
図9は、成膜方法とイオン注入量(Dose)を変更した4つの試料(試料6,7、8,9)を作製し、各試料のシート抵抗値を示すグラフである。成膜方法は、試料6、8がAPCVD法(常圧CVD法)であり、試料7、9がPECVD法(プラズマCVD法)である。イオン注入量(Dose[ions/cm2])は、試料6、7が8E+15、試料8、9が4E+15である。キャップ膜の膜厚は一定(300nm)とした。
各試料の詳細は表3に示す。表3に示したシート抵抗は、アニール処理(1000℃、60min)を行った後の数値である。
FIG. 9 is a graph showing the sheet resistance values of four samples (
Details of each sample are shown in Table 3. The sheet resistance shown in Table 3 is a numerical value after annealing (1000 ° C., 60 min).
図9及び表3より、以下の点が明らかとなった。
(C1)APCVD法とPECVD法では、ほぼ同様のシート抵抗値が確認された。
(C2)イオン注入量が2倍異なっても、上記(C1)の注入量の低下に伴い、シート抵抗が増加する傾向に差はない。
以上より、APCVD法とPECVD法では、キャップ膜として酸化シリコン膜を設ける効果は、同様であることが確認された。
From FIG. 9 and Table 3, the following points became clear.
(C1) In the APCVD method and the PECVD method, substantially the same sheet resistance value was confirmed.
(C2) Even if the ion implantation amount differs twice, there is no difference in the tendency of the sheet resistance to increase as the implantation amount in (C1) decreases.
From the above, it was confirmed that the effect of providing the silicon oxide film as the cap film was the same between the APCVD method and the PECVD method.
図10は、上述した試料1において、キャップ膜(酸化シリコン膜)の膜厚を極薄範囲で変更した試料1a、試料1b、試料1cを作製し、各試料のシート抵抗値を示すグラフである。
試料1a、試料1b、試料1cのキャップ膜の膜厚[nm]は順に、0、2.7、4.7である。つまり、試料1aはキャップ膜を設けない場合(上述した試料3)に相当する。
図11は、上述した試料1において、キャップ膜(SiOx膜)の膜厚を広範囲(0〜300nm)で変更して試料を作製し、各試料のシート抵抗値を示すグラフである。
FIG. 10 is a graph showing the sheet resistance values of samples 1a, 1b, and 1c prepared by changing the thickness of the cap film (silicon oxide film) in the extremely thin range in the
The thicknesses [nm] of the cap films of Sample 1a, Sample 1b, and Sample 1c are 0, 2.7, and 4.7 in order. That is, the sample 1a corresponds to the case where the cap film is not provided (sample 3 described above).
FIG. 11 is a graph showing the sheet resistance value of each sample prepared by changing the film thickness of the cap film (SiO x film) in a wide range (0 to 300 nm) in the
図10、図11より、以下の点が明らかとなった。
(D1)極薄のキャップ膜(2.7nm、4.7nm)は、シート抵抗値に全く影響を及ぼさないことが分かった(図9)。
(D2)膜厚を30nm以上とすることにより、シート抵抗値が100Ω/□を下回り、減少傾向を示す。
(D3)膜厚を50nm以上とすることにより、60Ω/□程度のシート抵抗値が得られる。膜厚50nm〜300nmの範囲で同等のシート抵抗値が確認された。
以上より、キャップ膜として酸化シリコン膜を設ける場合、シート抵抗値の低減効果を図るためには、30nm以上の膜厚が好ましい。膜厚を50nm以上300nm以下の範囲としたキャップ膜を設けることにより、60Ω/□程度のシート抵抗値が安定して得られることから、より好ましい。
The following points were clarified from FIGS.
(D1) It was found that the ultra-thin cap film (2.7 nm, 4.7 nm) had no influence on the sheet resistance value (FIG. 9).
(D2) By setting the film thickness to 30 nm or more, the sheet resistance value is less than 100Ω / □, indicating a decreasing tendency.
(D3) By setting the film thickness to 50 nm or more, a sheet resistance value of about 60Ω / □ can be obtained. Equivalent sheet resistance values were confirmed in the film thickness range of 50 nm to 300 nm.
From the above, when a silicon oxide film is provided as a cap film, a film thickness of 30 nm or more is preferable in order to reduce the sheet resistance value. By providing a cap film having a thickness in the range of 50 nm or more and 300 nm or less, a sheet resistance value of about 60Ω / □ is stably obtained, which is more preferable.
図12は、太陽電池の特性[J(電流密度)−V(電圧)曲線]を示すグラフである。図12において、符号APCVDは、拡散源としてAPCVD法(常圧CVD法)を用いて作製した太陽電池(α)の場合、符号PVIは、本発明(イオン注入法)を用い、キャップ膜(酸化シリコン膜、50nm)を設けた太陽電池(β)の場合、をそれぞれ表わしている。比較のため、後者については、キャップ膜を設けない場合の太陽電池(γ)についても検討した。
表4は、上記3種類の太陽電池の評価結果である。表3に示した評価パラメータは、短絡電流密度(JSC)、開放電圧(VOC)、曲線因子(FF)、変換効率(Eff)、直列抵抗(RS)、シャント抵抗(RSh)である。
FIG. 12 is a graph showing the characteristic [J (current density) -V (voltage) curve] of the solar cell. In FIG. 12, in the case of a solar cell (α) manufactured using the APCVD method (atmospheric pressure CVD method) as a diffusion source, the symbol APCVD uses the present invention (ion implantation method) and the cap film (oxidation method). In the case of a solar cell (β) provided with a silicon film (50 nm), respectively. For comparison, the latter was also examined for a solar cell (γ) without a cap film.
Table 4 shows the evaluation results of the three types of solar cells. The evaluation parameters shown in Table 3 are the short circuit current density (J SC ), the open circuit voltage (V OC ), the fill factor (FF), the conversion efficiency (E ff ), the series resistance (R S ), and the shunt resistance (R Sh ). It is.
図12及び表4より、以下の点が明らかとなった。
(D1)キャップ膜(酸化シリコン膜、50nm)を設けることにより、全ての評価パラメータにおいて数値が向上する(太陽電池βとγの比較)。その結果、変換効率(Eff)が3.3%改善した。
(D2)キャップ膜(酸化シリコン膜、50nm)を設けた本発明(イオン注入法)の太陽電池は、APCVD法での固相拡散を用いて作製した太陽電池(α)と同等の特性を有する(太陽電池βとαの比較)。
以上より、キャップ膜として酸化シリコン膜を設ける本発明の製法(イオン注入法)によれば、APCVD法と同等レベルの太陽電池が製造できることが確認された。
From FIG. 12 and Table 4, the following points became clear.
(D1) By providing a cap film (silicon oxide film, 50 nm), numerical values are improved in all evaluation parameters (comparison between solar cells β and γ). As a result, the conversion efficiency (E ff ) was improved by 3.3%.
(D2) The solar cell of the present invention (ion implantation method) provided with a cap film (silicon oxide film, 50 nm) has the same characteristics as the solar cell (α) manufactured by solid phase diffusion in the APCVD method. (Comparison of solar cells β and α).
From the above, it was confirmed that according to the manufacturing method (ion implantation method) of the present invention in which a silicon oxide film is provided as a cap film, a solar cell of the same level as that of the APCVD method can be manufactured.
なお、キャップ膜を酸化シリコン膜から窒化シリコン膜及び酸化アルミニウム膜に変更して同様の検証を行った結果、酸化シリコン膜と同様の結果を得た。つまり、キャップ膜を窒化シリコン膜及び酸化アルミニウム膜とした場合においても、30nm以上の膜厚が好ましく、50nm以上300nm以下とすることがより好ましい。 As a result of changing the cap film from the silicon oxide film to the silicon nitride film and the aluminum oxide film and performing similar verification, the same result as that of the silicon oxide film was obtained. That is, even when the cap film is a silicon nitride film and an aluminum oxide film, the film thickness is preferably 30 nm or more, and more preferably 50 nm or more and 300 nm or less.
図13は、PERC(passivated emitter and rear contact)構造の結晶系太陽電池に、上述したキャップ膜を適用した例を示す模式的な断面図である。
図13における各符号は、図2と同様である。すなわち、符号10は結晶基板10は、第一導電型(n型)の単結晶又は多結晶シリコンからなる平板状の基体である。ただし、図13の場合、結晶基板(基体)10は、その一方の主面(受光面)10aに逆転型ピラミッド(inverted pyramid)構造を備えている点が、図2と相違している。その他の点は、図2と同様である。
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing an example in which the above-described cap film is applied to a crystalline solar cell having a PERC (passivated emitter and rear contact) structure.
Reference numerals in FIG. 13 are the same as those in FIG. That is,
受光面をなす表面、及び、受光面の反対側に位置する裏面の両面に、キャップ膜13A、13Bを設けることにより、ドープしたイオンの外方拡散を低減する。また、両面のキャップ膜13A、13Bを除去した後に、p+層とn+層それぞれパッシベーション膜14A、14Bと、ARC膜15A、裏面光閉じ込め膜15Bを重ねて設け、積層構造体とする。このような積層構造体を設けても、受光面をなす表面側は、逆転型ピラミッド構造が最表面に位置するARC膜15A、15Bまで反映されるので、積層構造体の厚さに依存することなく、表面反射の抑制効果が安定して得られる。
By providing the cap films 13A and 13B on both the front surface forming the light receiving surface and the back surface located on the opposite side of the light receiving surface, the outward diffusion of the doped ions is reduced. Further, after removing the cap films 13A and 13B on both sides, the p + layer and the n + layer are respectively provided with the
図14は、PERL(passivated emitter rear locally diffused)構造の結晶系太陽電池に、上述したキャップ膜を適用した例を示す模式的な断面図である。
図14における各符号は、図2と同様である。すなわち、符号10は結晶基板10は、第一導電型(n型)の単結晶又は多結晶シリコンからなる平板状の基体である。図15の場合も、図13と同様に、結晶基板(基体)10は、その一方の主面(受光面)10aに逆転型ピラミッド(inverted pyramid)構造を備えている点が、図2と相違している。その他の点は、図2と同様である。
図13のPERC構造と同様に、図14のPERL構造においても、上述した積層構造体が適用できる。ゆえに、PERL構造の結晶系太陽電池においても、本発明のキャップ膜を適用する作用・効果が得られる。
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing an example in which the above-described cap film is applied to a crystalline solar cell having a PERL (passivated emitter rear locally diffused) structure.
Each symbol in FIG. 14 is the same as that in FIG. That is,
Similar to the PERC structure of FIG. 13, the above laminated structure can be applied to the PERL structure of FIG. 14. Therefore, even in the crystal solar cell having the PERL structure, the operation and effect of applying the cap film of the present invention can be obtained.
本発明によれば、基板に対してイオン注入(第一工程、第二工程)した後、このイオン注入した領域を覆うようにキャップ膜を形成(第三工程)してから、アニール処理(第四工程)を行うことにより、イオン注入領域がキャップ膜により封止された状態で、アニール処理が行われる。これにより、本発明は、イオン注入後に行われる活性化アニール時に、注入したイオン(ボロン、リン)が外方拡散を起さない構造を備えた、結晶系太陽電池の製造方法の提供に貢献する。 According to the present invention, after ion implantation (first step and second step) into the substrate, a cap film is formed so as to cover the ion-implanted region (third step), and then an annealing process (first step). By performing the four steps, annealing is performed in a state where the ion implantation region is sealed with the cap film. Thus, the present invention contributes to providing a method for manufacturing a crystalline solar cell having a structure in which implanted ions (boron and phosphorus) do not cause outward diffusion during activation annealing performed after ion implantation. .
本発明は、結晶系太陽電池の製造方法に広く適用可能である。この製法は、単位面積当たりの高い発電効率が求められる構造の太陽電池の製造に好適に用いられる。 The present invention can be widely applied to a method for manufacturing a crystalline solar cell. This manufacturing method is suitably used for manufacturing a solar cell having a structure that requires high power generation efficiency per unit area.
S1 テクスチャ形成、S2 第一工程(ボロン注入)、S3 第二工程(リン注入)、S4 第三工程(キャップ形成)、S5 第四工程(アニール)、S6 キャップ除去、S7 パッシベーション形成、S8 ARC形成、S9 電極形成。 S1 texture formation, S2 first step (boron implantation), S3 second step (phosphorus implantation), S4 third step (cap formation), S5 fourth step (annealing), S6 cap removal, S7 passivation formation, S8 ARC formation , S9 Electrode formation.
Claims (5)
前記結晶基板として、単結晶又は多結晶シリコンからなる平板状の基体を用い、
前記基体のうち、一方の主面側に対して前記第一導電型と異なる導電型のイオンを注入する第一工程と、
前記基体のうち、他方の主面側に対して前記第一導電型と同じ導電型のイオンを注入する第二工程と、
前記第一工程および前記第二工程によりイオン注入された前記基体の一方の主面と他方の主面を覆うようにキャップ膜を形成する第三工程と、
前記第三工程を経た前記基体に対してアニール処理を行う第四工程と、
を少なくとも順に備えることを特徴とする結晶系太陽電池の製造方法。 A method for producing a crystalline solar cell comprising a first conductivity type crystal substrate that exhibits a photoelectric conversion function,
As the crystal substrate, a flat substrate made of single crystal or polycrystalline silicon is used,
A first step of implanting ions of a conductivity type different from the first conductivity type into one main surface side of the substrate;
A second step of implanting ions of the same conductivity type as the first conductivity type on the other main surface side of the substrate;
A third step of forming a cap film so as to cover one main surface and the other main surface of the base body ion-implanted by the first step and the second step;
A fourth step of performing an annealing process on the substrate that has undergone the third step;
Are provided in order at least in order. The manufacturing method of the crystalline solar cell characterized by the above-mentioned.
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