JP2019050385A - ローカルバックコンタクトを有する太陽電池の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ウエハの裏面における再結合損失を減少させることができる良好なパッシベーションスタックを有する太陽電池の製造方法を提供する。【解決手段】ｐ型シリコン層３に接触するＡｌＯｘからなる第１誘電体層１１と、第１誘電体層１１に付着された第２誘電体層１３との少なくとも２層からなる誘電体スタック１０を備えており、誘電体スタック１０に、好ましくはレーザーアブレーションにより、少なくとも１個の部分的な開口１５を、少なくとも第１誘電体層１１の一部がその開口内に残るようにして形成する工程を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、ローカルバックコンタクトを有する太陽電池の製造方法に関する。
本発明の方法は、例えば、パッシベーション化（不動態化）されたエミッタと、リアセルとを備えるＰＥＲＣ（ｐａｓｓｉｖａｔｅｄ ｅｍｉｔｔｅｒ ａｎｄ ｒｅａｒ ｃｅｌｌ）型、パッシベーション化されたエミッタと裏面局部拡散型であるＰＥＲＬ（ｐａｓｓｉｖａｔｅｄ ｅｍｉｔｔｅｒ ａｎｄ ｒｅａｒ ｌｏｃａｌｌｙ−ｄｉｆｆｕｓｅｄ）型、および相互デジタル化されたバックコンタクト型であるＩＢＣ（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ Ｂａｃｋ Ｃｏｎｔａｃｔ）型の太陽電池のようなあらゆる型の太陽電池の製造に適用することができる。
上記のすべてにおいて、再結合損失を減少させるため、ウエハの裏面における良好なパッシベーション性が必須である。
例えば、ＰＥＲＣ型の分野においては、太陽電池の裏面は、誘電体層と金属層とからなる反射コーティングを備えている。誘電体層は、前述のパッシベーションを提供する。この誘電体層は、バルクシリコンとその直後に付着された金属層との接触を許容するため、部分的に開口されている。
シリコン太陽電池において、最も一般的に使用されている誘電体層は、水素化窒化珪素（ＳｉＮｘ： Ｈ）である。この層は、メタルコンタクトの形成後に、再結合の増加の原因となる反転層とも呼ばれる、ｐ型基板の場合のための寄生的なエミッタ層を生成する、本質的に正味の正電荷を示す。
従って、ｐ型シリコンＰＥＲＣ型太陽電池においては、裏面のための標準的なパッシベーションスタック（積層体）は、この効果を減少させるため、酸化珪素（ＳｉＯ２）と 水素化窒化珪素（ＳｉＮｘ： Ｈ）とから形成されている。
近年、ｐ型シリコン太陽電池の裏面をパッシベーション化するのに、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）層を使用することが報告されている。このＡｌＯｘ層は、ｐ型シリコンにおける寄生的なエミッタの生成を妨げ、かつ電界効果パッシベーションを促進する本質的な負電荷を有していることを示している。
また、誘電体層内に部分的な開口を形成する一般的な方法は、パッシベーションスタックを完全に貫通するレーザーアブレーション（切除）により行うことである。
しかし、ＳｉＯ２およびＳｉＮｘのパッシベーション層にレーザーアブレーションを施すと、下層のシリコン表面を溶融させ、損傷を誘発することになる。レーザーによって誘発される様々な損傷は、シリコンを溶融させ、開口周辺の誘電体層を過熱し、開口周辺の誘電体層における層間剥離、または割れ等を生じさせる可能性がある。これらの損傷は、パッシベーション性能の低下を引き起こす。
さらに、そのＡｌＯｘ／ＳｉＮｘパッシベーション層に引き起こされる損傷は、ＡｌＯｘ層において電荷を変更させる可能性があり、ひいては、電界効果パッシベーションの減少をもたらし、太陽電池の性能に有害な寄生的なエミッタ層の創出をもたらすことになる。
本発明の技術分野における通常の知識を有する者においては、ＳｉＯ２またはＡｌＯｘのレーザーアブレーションは、性能を向上させるために完全に行われなければならない。これは、ＳｉＯｘ／ＳｉＮｘスタックに部分的なアブレーションを行う場合に、部分的なアブレーションは、太陽電池の直列抵抗を増加させ、太陽電池の性能を低下させるという事実によるものである。
このような先行技術を示す文書としては、「先進的な電池構造のためのＳｉＯ２／ＳｉＮｘ、およびＡｌＯｘ／ＳｉＮｘ裏面パッシベーションスタックのレーザーアブレーション」第２６回欧州太陽光エネルギー会議・展示会−ＥＵ−ＰＶＳＥＣ。２０１１．ｐｐ．２１８０−２１８３；（５−９ ２０１１年９月；ハンブルク、ドイツ）がある（非特許文献１）。
「先進的な電池構造のためのＳｉＯ２／ＳｉＮｘ、およびＡｌＯｘ／ＳｉＮｘ裏面パッシベーションスタックのレーザーアブレーション」第２６回欧州太陽光エネルギー会議・展示会−ＥＵ−ＰＶＳＥＣ。２０１１．ｐｐ．２１８０−２１８３；（５−９ ２０１１年９月；ハンブルク、ドイツ）。
この文献は、特にその§４において、完全に損傷のないレーザーアブレーションによって、最適条件が得られることを教示している。
完全なレーザアブレーションは、ＳｉＯ２／ＳｉＮｘおよびＡｌＯｘ／ＳｉＮｘ層に適用されている。ＡｌＯｘ／ＳｉＮｘ層の場合、ＳｉＯ２と比較して、ＡｌＯｘの方がよりよいパッシベーション性能が得られるとの予測に比して、得られた結果は、低い性能を示している。発泡効果さえも観察された。
本発明は、上述の欠点の少なくとも一部を軽減させることを目的としている。
上記目的を達成するため、本発明は、ｐ型シリコン層に接触するＡｌＯｘからなる第１誘電体層と、この第１誘電体層に付着された第２誘電体層との、少なくとも２層からなる誘電体スタックを備えるローカルバックコンタクトを有する太陽電池の製造方法であって、前記誘電体スタックに、開口内に前記第１誘電体層が少なくとも部分的に残るようにして、少なくとも１個の部分的な開口を形成する工程を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法を提供するものである。
この方法によると、例えば部分的な過熱、および層間剥離のようなレーザービームによって生じる損傷は、第２誘電体層においてのみ生じ、第１誘電体層は、少なくとも部分的に保護され、その下層のバルクシリコンは、全体的に保護される。
また、太陽電池の直列抵抗を増大させないために、レーザアブレーションが完全でなければならないことが一般的に認められているが、完全なレーザーアブレーションに関して、ＡｌＯｘ層の部分的なレーザーアブレーションのための太陽電池の性能が増加することが観察された。
また、誘電体層は、パッシベーション性能を有している。開口の周辺には、良好なパッシベーション特性が維持され、これは、誘電体層が完全に除去された電池に比較して、短絡電流（Ｊｓｃ）および開放電圧（Ｖｏｃ）における改良、並びに、特に出力における改良に寄与する。
次にあげるその他の特徴を、単独で、または組み合わせて、本発明に結合することができる。
・誘電体スタックに少なくとも１個の部分的な開口を形成する工程は、レーザーアブレーション工程を含んでいる。
・アブレーション工程は、パルス間隔が数ナノ秒未満であるパルスレーザーを用いて行われる。
・第１誘電体層は、電界効果パッシベーションを可能にする負電荷を有している。
・第１の誘電体層が、アブレーション後に、少なくとも幾つかの単一層の厚さを有している。
・第２誘電体層は、ＳｉＮｘからなっている。
・アブレーション工程は、具体的には、約３５５ｎｍの紫外線領域で放射するレーザーを使用して行われること。
本発明の上記した以外の利点および特徴は、以下の図面に基づく説明を読むことにより明らかとなると思う。
ＰＥＲＣ型太陽電池の製造方法を示す図である。 誘電体スタックの部分的なアブレーション後の裏面の詳細を示す図である。 ＰＥＲＬ型太陽電池の製造方法を示す図である。
全図において、同じ符号は同じ部材を示す。
図１は、本発明によるパッシベーション化された裏面とローカルバックコンタクトとを有する太陽電池の製造方法の３つの工程（ａ）（ｂ）および（ｃ）を示す。
図１の例は、ＰＥＲＣ型太陽電池（パッシベーション化されたエミッタおよびリアセル）で構成されている。
もちろん、これらの３工程は、電池の製造方法のすべてを示すものではなく、本発明に関連する工程のみを示すものである。他の製造工程は、当業者には公知であるので、本発明の説明においては省略する。
図１（ａ）から明らかなように、この製造工程においては、太陽電池１は、基板層３、またはｐ型シリコンウエハ、および表面７にｎ−ドープされたシリコン層５を備えている。
前面７には、例えば、窒化ケイ素ＳｉＮｘからなる反射防止層９（「反射防止膜」のためのＡＲＣ）が付着されている。
太陽電池１の裏面には、少なくとも２層の誘電体層１１、１３からなる誘電体スタック１０が付着されている。
この実施例では、第１誘電体層１１は、酸化アルミニウムＡｌＯｘである。
第２誘電体層１３は、例えば、窒化ケイ素ＳｉＮｘ、特に水素化シリコン窒化物ＳｉＮｘ：Ｈである。
第１誘電体層１１は基板３と接触し、第２誘電体層１３は、第１誘電体層１１に付着されている。
工程（ｂ）において、上述の第１誘電体層１１が少なくとも部分的に残るようにして、少なくとも１個の部分的な開口１５を、パッシベーションスタックである誘電体スタック１０に形成する工程によって実行することができる。この工程は、誘電体スタック１０に、ＳｉＮｘ層は完全に除去されるが、ＡｌＯｘ層は除去されないか、または部分的に除去されるようにして、部分的なレーザーアブレーションを施すことによって行われる。その一つの状態を図２に示してある。
このアブレーション工程のために、上述のような部分的なアブレーションを可能にする最適なレーザー条件（すなわち、パルス間隔、波長、出力等）は、実験的に決定することができる。これらは除去される誘電体スタックに特有のものである。例えば、数ナノ（１０−９）秒、ピコ（１０−１２）秒、もしくはフェムト（１０−１５）秒より小さいか、約３５５ｎｍの波長の紫外線領域における単一のパルスレーザーを使用することができる。
アブレーションの後、第１誘電体層１１は、負電荷を示すのに十分なほど厚く（少なくとも１ｎｍ）、かつ電極を形成するために、ＡｌＯｘを通してのＡｌ金属の低温拡散を許容するのに十分なほど薄い層の厚さを有しているのが好ましい。例えば、アブレーション後の幾つかの単一層の厚さは、アブレーション後に、１ｎｍと３０ｎｍとの間の厚さにあることを意味する。
このように、基板層３のシリコンがレーザーアブレーションによって損傷を受けることはない。
代表的には、上述のレーザーアブレーションによる部分的な開口は、良好な光学的反射特性のための最適なパターンで、また最適にメタルコンタクトされた領域で行われる。例えば、６００μｍだけ離れた約４０μｍの複数の開口からなるパターンを使用することができる。
この方法によると、例えば、局部加熱や層間剥離のようなレーザビームによる損傷は、第２誘電体層１３のレベルでのみ発生し、第１誘電体層１１は保護される。
次いで、工程（ｃ）においては、太陽電池の裏面１９に、金属化層１７を形成する工程が行われる。任意のＡｌベースの金属化方法を採用することができる。例えば、これは、太陽電池１の裏面１９にＡｌをスパッタリングすることによって実施することができる。
最後に、工程（ｄ）においては、少なくとも１個の部分的な開口１５が設けられている領域において、温度Ｔ＞７４０°Ｃ、例えば８１５°Ｃで、炉内で加熱することにより、バックサーフェイスフィールド（ＢＳＦ）を形成する。
本発明の方法によると、メタルコンタクトの周辺に、良好なパッシベーション性能が維持され、これは、パッシベーションスタックが完全に除去されているところで行われた工程により製造された太陽電池と実験的に比較して、短絡電流（Ｊｓｃ）については１．６％、開放電圧（Ｖｏｃ）については１．１％の値だけ改良される。同様に、フィルファクターＦＦは、０．３５％改善され、その効率は、ほぼ３％改善される。
図３は、図１におけるのと同様の太陽電池の製造工程を示しているが、ここでは、 ＰＥＲＬ型の太陽電池としてある。
この場合は、ＰＥＲＣ型のものと違って、形成しようとするメタルコンタクトの領域において、ｐ＋ドープ領域２１が、Ｂ拡散を伴うローカルＢＳＦとして予め形成されている。このことを除いては、工程（ａ）〜（ｃ）は、同様である。
次いで、金属化工程（ｃ）の後に、裏面１９に、例えば４００°Ｃで、メタルコンタクトの形成のためのアニーリング行程を行う。この場合においても、太陽電池の性能に向上が認められた。
１ 太陽電池
３ 基板層
５ シリコン層
７ 表面
９ 反射防止層
１０ 誘電体スタック
１１ 第１誘電体層
１３ 第２誘電体層
１５ 開口
１７ 金属化層
１９ 裏面
２１ ｐ＋ドープ領域

Claims (11)

  1. ローカルバックコンタクトを備える太陽電池（１）の製造方法であって、
    前記誘電体スタック（１０）は、第１誘電体層（１１）と、前記第１誘電体層（１１）に付着された第２誘電体層（１３）との少なくとも２層を含み、
    前記第１誘電体層（１１）は、ｐ型シリコンウエハ（３）に接触するＡｌＯｘから成り
    前記ローカルバックコンタクトは、誘電体スタック（１０）を有し、
    前記誘電体スタック（１０）に少なくとも１つの部分的な開口（１５）を形成する工程と、
    前記部分的な開口（１５）を形成する工程の後で、太陽電池の裏面（１９）に金属化層（１７）を形成する工程と、
    前記金属化層（１７）を形成する工程の後で、少なくとも１つの部分的な開口（１５）が設けられた領域において、Ｔ＞７４０℃の温度で、溶融炉内を加熱することにより、バックサーフェイスフィールドを形成するか、又は裏面（１９）におけるメタルコンタクトを形成するアニーリング工程とを含み、
    前記部分的な開口（１５）を形成する工程は、前記ｐ型シリコンウエハ（３）が露出しないように前記第１誘電体層（１１）を少なくとも部分的に残した前記開口（１５）を形成する工程をさらに含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。
  2. 誘電体スタック（１０）に少なくとも１個の部分的な開口（１５）を形成する工程は、レーザーアブレーション工程を含んでいる請求項１記載の太陽電池の製造方法。
  3. レーザーアブレーション工程は、パルス幅が１０−９秒より小さいパルスレーザーを使用してアブレーションするものである請求項２記載の太陽電池の製造方法。
  4. 第１誘電体層（１１）は、電界効果パッシベーションを許容する負電荷を呈するものである請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
  5. 第１誘電体層（１１）は、開口形成後に、少なくとも幾つかの単一層からなる厚さを有している請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
  6. ＡｌＯｘからなる第１誘電体層（１１）は、開口形成後に、１ｎｍ〜３０ｎｍの厚さを有している請求項１〜５のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
  7. 第２誘電体層（１３）は、ＳｉＮｘからなるものである請求項１〜６のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
  8. レーザーアブレーション工程は、紫外線領域の波長のレーザーを使用して行う請求項２〜７のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
  9. 前記レーザーアブレーション工程は、３５５ｎｍの波長のレーザーを使用して行う請求項８に記載の太陽電池の製造方法。
  10. 前記金属化層（１７）の形成は、アルミニウム−ベース金属化法により行う請求項１〜９のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法。
  11. 前記アニーリング行程を、４００℃以上の温度で行う請求項１〜１０のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
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