JP2019110185A

JP2019110185A - 太陽電池の製造方法

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Publication number: JP2019110185A
Application number: JP2017241631A
Authority: JP
Inventors: 山口　昇; Noboru Yamaguchi; 昇山口; 大輔廣庭; Daisuke Hironiwa; 英夫鈴木; Hideo Suzuki
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2017-12-18
Filing date: 2017-12-18
Publication date: 2019-07-04
Also published as: CN109935658A

Abstract

【課題】簡便な方法で太陽電池の裏面構造を形成でき、ＴＯＰＣｏｎ構造の太陽電池において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１００の表面に絶縁層を形成することを含む。上記絶縁層の表面に第１導電型の第１非晶質シリコン層が形成される。上記第１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て、上記不純物元素が注入された領域の導電型を反転させることにより、上記領域に第２導電型の非晶質領域が形成される。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池の製造方法に関する。

近年、高い光電効率を有する結晶シリコン太陽電池として、ＴＯＰＣｏｎ（Tunnel oxide passivated contacts）構造の太陽電池が注目されている（例えば、特許文献１参照）。

ＴＯＰＣｏｎ型の太陽電池に、例えば、ＨＢＣ（ヘテロバックコンタクト）型の太陽電池の構造を適用した場合、結晶シリコン基板の裏面（受光面の反対側に位置する面）に、数ナノオーダーの絶縁層が設けられ、絶縁層上にｐ型シリコン層とｎ型シリコン層とが設けられることになる。

特開２０１７−１８８６２９号公報

しかしながら、上記の太陽電池においては、結晶シリコン基板の裏面側に、導電型が異なるｐ型シリコン層及びｎ型シリコン層を形成する必要があるため、その製造工程においては成膜工程、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程等が複数回繰り返されることになる。この結果、製造コスト上昇を招来してしまう。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、簡便な方法で太陽電池の裏面構造を形成でき、ＴＯＰＣｏｎ構造の太陽電池において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絶縁層を形成することを含む。上記絶縁層の表面に第１導電型の第１非晶質シリコン層が形成される。上記第１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て、上記不純物元素が注入された領域の導電型を反転させることにより、上記領域に第２導電型の非晶質領域が形成される。
これにより、太陽電池の製造工程数が簡便になり、製造工程数の増加が抑えられる。この結果、太陽電池の低コスト化が実現する。

上記の太陽電池の製造方法においては、上記不純物元素が注入された後、上記第１非晶質シリコン層及び上記非晶質領域に７００℃以上９００℃以下での加熱処理がされてもよい。
これにより、第１非晶質シリコン層及び非晶質領域が結晶化し、第１非晶質シリコン層及び非晶質領域の抵抗率が下がる。この結果、光電効率が向上する。

上記の太陽電池の製造方法においては、上記第１非晶質シリコン層内に第２導電型の上記不純物元素とともに水素が注入されてもよい。
これにより、イオン注入による欠陥が水素で修復されて、太陽電池のライフタイムがより向上する。

上記の太陽電池の製造方法においては、上記第１非晶質シリコン層内に第２導電型の上記不純物元素と上記水素とを含むイオンが注入されてもよい。
これにより、第２導電型の不純物元素と水素とを含むイオンが一括して第１非晶質シリコン層内に注入されるので、太陽電池の製造コストがより低コストになる。

上記の太陽電池の製造方法においては、上記不純物元素は、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、大面積で不純物元素を注入することができるので、太陽電池の生産性が向上する。

以上述べたように、本発明によれば、簡便な方法で太陽電池の裏面構造を形成でき、ＴＯＰＣｏｎ構造の太陽電池において低コスト化が可能な太陽電池の製造方法が提供される。

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。キャリアのライフタイムの一例を示す概略的な棒グラフである。加熱処理後のキャリアのライフタイムの回復率の一例を示す概略的な３次元棒グラフである。

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１（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１（ａ）に示す太陽電池１００は、ＴＯＰＣｏｎ型の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、絶縁層１１５と、ｐ型シリコン層１１１ｐと、ｎ型シリコン領域１１１ｎ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。本実施形態では、ｐ型を第１導電型、ｎ型を第２導電型とするが、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に絶縁層１１５が設けられている。絶縁層１１５の上面１１５ｂは、結晶系シリコン基板１１０の下面１１０ａに接している。絶縁層１１５の厚さｄ１は、例えば、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下である。絶縁層１１５は、例えば、酸化シリコン膜（ＳｉＯ_ｘ膜）である。

絶縁層１１５の下面１１５ａには、ｐ型シリコン層１１１ｐと、ｎ型シリコン領域１１１ｎとが設けられている。ｐ型シリコン層１１１ｐは、ｐ型ポリシリコン層である。ｎ型シリコン領域１１１ｎは、ｎ型ポリシリコン領域である。

ｐ型シリコン層１１１ｐは、絶縁層１１５の下面１１５ａにＣＶＤ法と加熱処理とによって形成された層である。ｐ型シリコン層１１１ｐは、Ｚ軸方向において絶縁層１１５に接する。ｐ型シリコン層１１１ｐと結晶系シリコン基板１１０との間には、絶縁層１１５の一部が存在する。ｐ型シリコン層１１１ｐの厚さｄｐは、例えば、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

ｎ型シリコン領域１１１ｎは、ｐ型シリコン層１１１ｐにｎ型の不純物元素が注入されて、加熱処理されて形成された局在領域である。ｎ型シリコン領域１１１ｎは、ｐ型シリコン層１１１ｐに、いわゆるカウンタドープ法により形成される。ｎ型シリコン領域１１１ｎは、ｐ型シリコン層１１１ｐに選択的に設けられている。ｎ型シリコン領域１１１ｎは、Ｚ軸方向において絶縁層１１５に接する。ｎ型シリコン領域１１１ｎは、Ｙ軸方向においてｐ型シリコン層１１１ｐに接する。ｎ型シリコン領域１１１ｎと結晶系シリコン基板１１０との間には、絶縁層１１５の他の一部が存在する。ｎ型シリコン領域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型シリコン層１１１ｐに接続されている。ｎ側電極１３０ｎは、ｎ型シリコン領域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。

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、太陽光の反射による光量損失を抑制する反射防止膜１２０が設けられている。反射防止膜１２０は、例えば、窒化ケイ素膜（ＳｉＮ_ｘ膜）である。なお、反射防止膜１２０と結晶系シリコン基板１１０との間に、絶縁層１１５を設けてもよい。

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１１０ｂから太陽光を受光し、上面１１０ｂ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、電極パターンが受光面側にない構造となり、電極パターン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及び上面１１０ｂが絶縁層で覆われている。これにより、結晶系シリコン基板１１０と絶縁層との界面（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。

さらに、結晶系シリコン基板１１０の下面１１０ａに形成された絶縁層１１５は、その厚みが極薄（３．０ｎｍ以下）に設定されている。結晶系シリコン基板１１０とｐ型シリコン層１１１ｐとの間、及び結晶系シリコン基板１１０とｎ型シリコン領域１１１ｎとの間には、電位障壁が形成されるものの、結晶系シリコン基板１１０で発生したキャリアは、トンネル効果によって絶縁層１１５を通過し、ｐ型シリコン層１１１ｐまたはｎ型シリコン領域１１１ｎに到達する。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、絶縁層１１５にｐ型シリコン層１１１ｐを形成した後、ｎ型シリコン領域１１１ｎがカウンタドープ法により形成される。これにより、ｐ型シリコン層１１１ｐ及びｎ型シリコン領域１１１ｎを製造する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）が用いので、大面積に渡り不純物元素を注入することができる。これにより、太陽電池製造におけるスループットが向上する。

また、非質量分離型のイオン注入によれば、ｎ型シリコン領域１１１ｎを形成する際には、ｎ型不純物元素とともに、水素（Ｈ）もｐ型シリコン層１１１ｐに導入することが可能になる。これにより、イオン注入によって発生したｎ型シリコン領域１１１ｎ中の欠陥が水素によって終端される。この結果、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減少がさらに抑制される。

また、水素による修復効果によって、より多くのｎ型の不純物元素をｐ型シリコン層１１１ｐに注入することも可能である。これにより、予め高濃度のｐ型不純物元素が導入されたｐ型シリコン層１１１ｐを形成しておき、高濃度のｎ型不純物元素を注入したｎ型シリコン領域１１１ｎを形成すれば、ｐ型シリコン層１１１ｐ及びｎ型シリコン領域１１１ｎの抵抗率をさらに下げることが可能になる。この結果、開放電圧（Ｖｏｃ）がより高い太陽電池１００が得られる。

なお、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装置が用いられる。

［イオン注入装置の概要］

図１（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。

図１（ｂ）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を含むガスが導入される。イオン注入装置１０００では、ｎ型不純物元素のほかに、ｐ型不純物元素の注入も可能である。これら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^＋（リン）、ＰＸ^＋、ＰＸ_２ ^＋、ＰＸ_３ ^＋等の少なくも１つである。ここで、「Ｘ」は、水素のほか、ハロゲン（Ｆ、Ｃｌ）等も含まれる。ｐ型不純物イオンは、例えば、Ｂ^＋（ホウ素）、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、水素のほか、ハロゲン（Ｆ、Ｃｌ）のいずれかである。

ｎ型シリコン領域１１１ｎの不純物元素及びｐ型シリコン層１１１ｐの不純物元素の濃度は、ｎ型シリコン領域１１１ｎ及びｐ型シリコン層１１１ｐの導電率が最適になるように調整される。但し、ｎ型シリコン領域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。

［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、湿式または乾式の酸化処理がなされて、絶縁層１１５が形成される（ステップＳ１０）。
次に、絶縁層１１５の下面１１５ａに、ＣＶＤ法によりｐ型非晶質シリコン層１１１ｉｐが形成される（ステップＳ２０）。
次に、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｉｐ内にｎ型の不純物元素が選択的に注入され、ｎ型の不純物元素が選択的に注入された領域の導電型がｐ型からｎ型に反転することにより、この領域にｎ型非晶質領域１１１ｉｎが形成される（ステップＳ３０）。
次に、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｉｐ及びｎ型非晶質領域１１１ｉｎに７００℃以上９００℃以下での加熱処理がなされる（ステップＳ４０）。これにより、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｉｐがｐ型シリコン層１１１ｐになり、ｎ型非晶質領域１１１ｉｎがｎ型シリコン領域１１１ｎになる。

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、ｐ型シリコン層１１１ｐ及びｎ型シリコン領域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。また、７００℃以上９００℃以下での加熱処理によって、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｉｐ及びｎ型非晶質領域１１１ｉｎが結晶化（ポリシリコン化）すると、より低抵抗率のｐ型シリコン層１１１ｐ及びｎ型シリコン領域１１１ｎが形成される。この結果、光電効率が向上する。

さらに、本実施形態では、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｉｐ内にｎ型不純物元素とともに水素が注入されてもよい。これにより、イオン注入による欠陥が水素で修復されて、太陽電池のライフタイムがより向上する。この場合、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｉｐ内にｎ型不純物元素と水素とを含むイオンが一括して注入されてもよい。これにより、ｎ型不純物元素と水素とを含むイオンが一括してｐ型非晶質シリコン層１１１ｉｐ内に注入されるので、太陽電池の製造コストがより低コストになる。

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３（ａ）〜図５（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３（ａ）に示すように、結晶系シリコン基板１１０の上面１１０ｂに凹凸（テクスチャ構造）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３（ｂ）に示すように、結晶系シリコン基板１１０の下面１１０ａに、オゾン（Ｏ_３）を含む水が晒されて、結晶系シリコン基板１１０の下面１１０ａ側の一部が酸化することにより、絶縁層１１５が形成される。絶縁層１１５を形成する手法としては、湿式法のほか、紫外線でオゾンを活性化させたガスを結晶系シリコン基板１１０に晒してもよい。

次に、図４（ａ）に示すように、絶縁層１１５の下面１１５ａの全域に、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｉｐがＣＶＤ法により形成される。ここで、成膜用ガスには、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）等のガスが添加される。ｐ型非晶質シリコン層１１１ｉｐは、絶縁層１１５の下面１１５ａの全域に形成されることから、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｉｐを下面１１５ａに選択的することを要しない。ｐ型非晶質シリコン層１１１ｉｐ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１１１ｉｐの厚さｄｐは、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。なお、本実施形態での「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。

ｐ型非晶質シリコン層１１１ｉｐは、イオン注入法によっても形成され得る。例えば、絶縁層１１５の下面１１５ａの全域に、ｉ型の非晶質シリコン層をＣＶＤ法で予め形成し、この後に、ｐ型不純物元素をｉ型の非晶質シリコン層の全域に注入する。ｐ型非晶質シリコン層１１１ｉｐは、ＣＶＤ法またはイオン注入法によって形成されるので、結晶となりにくく、非晶質状態を維持する。

次に、図４（ｂ）に示すように、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｉｐ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１１１ｉｎの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１１１ｉｐと離れて配置されているが、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｉｐに接触させてもよい。

次に、図５（ａ）に示すように、ｎ型不純物イオン１５０ｎが開口Ｍ２ｈで露出したｐ型非晶質シリコン層１１１ｉｐに選択的に注入される。これにより、ｎ型非晶質領域１１１ｉｎがｐ型非晶質シリコン層１１１ｉｐに選択的に形成される。例えば、マスクＭ２を介してｐ型非晶質シリコン層１１１ｉｐ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１１１ｉｐの所定領域に選択的に注入される。ｎ型不純物イオン１５０ｎとしては、例えば、ＰＨ_３ ^＋が用いられる。

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１１１ｉｐ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１１１ｉｐ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１１１ｉｎが絶縁層１１５を通過し、結晶系シリコン基板１１０に到達しない程度に注入される。これにより、絶縁層１１５の下面１１５ａから厚さｄｎが５ｎｍ以上１００ｎｍ以下のｎ型シリコン領域１１１ｎが形成される。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１１１ｉｎを加熱処理した後の活性化が充分でなくなる。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が絶縁層１１５を突き抜けて結晶系シリコン基板１１０にまで到達したり、ｎ型非晶質領域１１１ｉｎ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型シリコン領域１１１ｎ中で捕獲されやすく、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１１１ｉｐが選択的にｎ型非晶質領域１１１ｉｎ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、絶縁層１１５またはｎ型非晶質領域１１１ｉｎ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絶縁層１１５中の欠陥またはｎ型シリコン領域１１１ｎ中の欠陥に捕獲され、ライフタイムが短くなる。

続いて、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｉｐ及びｎ型非晶質領域１１１ｉｎには、７００℃以上９００℃以下の加熱処理がなされる。これにより、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｉｐがｐ型シリコン層１１１ｐになり、ｎ型非晶質領域１１１ｉｎがｎ型シリコン領域１１１ｎになる（図５（ｂ））。

この加熱処理により、例えば、ｎ型不純物イオン及びｐ型不純物イオンが充分に活性化されたり、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｉｐまたはｎ型非晶質領域１１１ｉｎ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７００℃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、ｐ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。

続いて、結晶系シリコン基板１１０の上面１１０ｂ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型シリコン領域１１１ｎに接続されたｎ側電極１３０ｎが形成される。また、ｐ型シリコン層１１１ｐに接続されたｐ側電極１３０ｐが形成される。

このように、本実施形態によれば、ｎ型シリコン領域１１１ｎ及びｐ型シリコン層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。

［太陽電池の評価］

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、キャリアのライフタイムの一例を示す概略的な棒グラフである。

図６（ａ）、（ｂ）のそれぞれにおいて、３つのサンプルが準備されている。図６（ａ）、（ｂ）には、３つのサンプルのそれぞれについて、ｐ型非晶質シリコン層にｎ型非晶質領域を形成する前の結晶系シリコン基板におけるキャリアのライフタイム（Ｔ１）と、ｐ型非晶質シリコン層にｎ型不純物イオンを注入してｐ型非晶質シリコン層内にｎ型非晶質領域を形成した後の結晶系シリコン基板におけるキャリアのライフタイム（Ｔ２）と、ｐ型非晶質シリコン層内にｎ型非晶質領域を形成し、加熱処理をした後の結晶系シリコン基板におけるキャリアのライフタイム（Ｔ３）とが示されている。ここで、ライフタイム（Ｔ１）は、不純物イオンが注入される前の初期値である。なお、ここでは加熱温度を実際のアニール温度（７００℃以上９００℃以下）よりも低く、例えば、２５０℃としている。これは、加熱する場合と加熱しない場合とで、ライフタイムがどのような変化をするのかを確認する意義に基づく。

３つのサンプル中、サンプルＡでは、ｎ型不純物イオンとして、ＰＨ_３ ^＋のみが注入されている。サンプルＢでは、ｎ型不純物イオンとして、Ｐ^＋が注入された後に、Ｈ^＋が注入されている。サンプルＣでは、ｎ型不純物イオンとして、Ｐ^＋が注入されている。

また、図６（ａ）では、イオン注入のドーズ量が１×１０^１５個／ｃｍ^２に設定され、図６（ｂ）では、イオン注入のドーズ量が１×１０^１６個／ｃｍ^２に設定されている。図６（ａ）、（ｂ）では、縦軸方向におけるバーの長さが長いほど、キャリアのライフタイム（μｓ）が長いことを意味する。

図６（ａ）に示すように、Ｐ^＋のみが注入されたサンプルＣでは、Ｐ^＋が注入されると、ライフタイムがおよそ１／１００程度にまで減少することが分かった。さらに、サンプルＣに加熱処理を行ってもライフタイムに大きな回復が認めらなかった。

これに対し、Ｐ^＋を注入した後にＨ^＋を注入したサンプルＢでは、Ｐ^＋が注入されると、ライフタイムがおよそ１／１００程度にまで減少するものの、加熱処理を行うことでライフタイムに大きな回復が認められた。但し、サンプルＢでは、イオン注入工程で、Ｐ^＋の注入と、Ｈ^＋の注入とをそれぞれ分けて行う必要があった。

これに対し、ＰＨ_３ ^＋を注入したサンプルＡでは、ＰＨ_３ ^＋が注入されると、ライフタイムがおよそ１／１００程度にまで減少するものの、加熱処理を行うことでライフタイムに大きな回復が認められた。さらに、サンプルＡでは、イオン注入を２回に分ける必要がなく、ＰＨ_３ ^＋のみの１回の注入で足りている。

さらに図６（ａ）よりもドーズ量が高い図６（ｂ）の結果では、ＰＨ_３ ^＋を注入したサンプルＡのほうがＰ^＋を注入した後にＨ^＋を注入したサンプルＢよりも、加熱処理後のライフタイムがより増加することが分かった。

以上の結果から、ｐ型非晶質シリコン層１１１ｉｐにｎ型非晶質領域１１１ｉｎを形成するには、ｎ型不純物元素と水素とを含む不純物イオンを一括して注入することにより、イオン注入工程も１回で済み、さらにドーズ量を増加させた場合、加熱処理後の回復率がより増加することが分かった。

図７は、加熱処理後のキャリアのライフタイムの回復率の一例を示す概略的な３次元棒グラフである。

縦軸は、キャリアのライフタイムの回復率の規格値（０〜１（１は１００％に相当））を示している。縦軸方向におけるバーの長さが長いほど、キャリアのライフタイムの回復率が高くなる。横軸には、結晶系シリコン基板とｎ型非晶質領域との界面における、リン濃度（個／ｃｍ^３）と、水素濃度（個／ｃｍ^３）とが示されている。

図７に示すように、リン濃度が高くなるほど、キャリアのライフタイムの回復率が低くなっている。しかし、水素濃度を高く設定することにより、その回復率が高くなることが分かった。特に、リン濃度よりも水素濃度を高くすることで、回復率が略１に近くなることが分かった。従って、ｎ型不純物元素と水素とを含む不純物イオンとして、リン化水素を用いる場合、リンに対しての水素の化学量論比が１より大きいリン化水素（例えば、ＰＨ_２ ^＋、ＰＨ_３ ^＋）を用いることが望ましく、リンに対しての水素の化学量論比が３とするとよいことが分かった。

（変形例）

また、非質量分離型のイオン注入では、ｎ型不純物イオン１５０ｎのエネルギーを調整することにより、ｎ型シリコン領域１１１ｎにおけるｎ型不純物元素の濃度プロファイルに関し、そのピーク位置をｎ側電極１３０ｎ側に寄せたり、絶縁層１１５側に寄せたりすることが可能になる。例えば、そのピーク位置の調整で電極とのコンタクト抵抗の調整ができる。

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。各実施形態は、独立の形態とは限らず、技術的に可能な限り複合させることができる。

１００…太陽電池
１１０…結晶系シリコン基板
１１０ａ…下面
１１０ｂ…上面
１１１ｎ…ｎ型シリコン領域
１１１ｉｎ…ｎ型非晶質領域
１１１ｐ…ｐ型シリコン層
１１１ｉｐ…ｐ型非晶質シリコン層
１１５…絶縁層
１１５ａ…下面
１１５ｂ…上面
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
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…マスク
Ｍ２ｈ…開口

Claims

結晶系シリコン基板の表面に絶縁層を形成し、
前記絶縁層の表面に第１導電型の第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。
請求項１に記載された太陽電池の製造方法であって、
前記不純物元素が注入された後、前記第１非晶質シリコン層及び前記非晶質領域に７００℃以上９００℃以下での加熱処理がされる
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非晶質シリコン層内に第２導電型の前記不純物元素以外に水素が注入される
太陽電池の製造方法。
請求項３に記載された太陽電池の製造方法であって、
前記第１非晶質シリコン層内に第２導電型の前記不純物元素と前記水素とを含むイオンが注入される
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。