JP2020043255A

JP2020043255A - バックコンタクト型太陽電池セルの製造方法

Info

Publication number: JP2020043255A
Application number: JP2018170509A
Authority: JP
Inventors: ダムリンマルワン; Marwan Dhamrin; 孝輔辻; Kosuke Tsuji
Original assignee: Toyo Aluminum KK
Current assignee: Toyo Aluminum KK
Priority date: 2018-09-12
Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2020-03-19
Anticipated expiration: 2038-09-12
Also published as: JP7126909B2

Abstract

【課題】少ない工程数で実施可能な、バックコンタクト型太陽電池セルの製造方法を提供すること。【解決手段】半導体基板の主面及び／又は裏面に拡散層を形成する工程（Ａ）、前記拡散層にレーザーを照射して切り欠き部を形成せしめ、１つ又は複数の拡散層の島部を形成する工程（Ｂ）、前記工程（Ｂ）で得られた半導体基板の全面にパッシベーション膜を形成する工程（Ｃ）、及び前記島部の表面のパッシベーション膜を除去し、露出した拡散層表面に１つ又は複数のアルミニウム電極を形成する工程（Ｄ）を、この順に備えることを特徴とする、バックコンタクト型太陽電池セルの製造方法。【選択図】図２

Description

本発明は、バックコンタクト型太陽電池セルの製造方法に関する。

近年、高変換効率の結晶系太陽電池として、バックコンタクト型太陽電池（IBC：Interdigitated Back Contact）と呼ばれる、シリコン太陽電池セルの裏面にｎ＋拡散層とｐ＋拡散層とを設け、その上に裏面電極を形成した構造のセルの開発が盛んに行われている。

通常のＰＥＲＣ（Passivated Emitter and Rear Cell）構造では、ｎ型半導体側の電極と、裏面であるｐ型半導体側の電極とが設けられる。このように、受光面（表面）に電極を形成する場合、電極における太陽光の反射および吸収があることから、電極の面積分だけ入射する太陽光の量が減少してしまう。一方、バックコンタクト型太陽電池においては、裏面に配線を集約することにより配線抵抗を低減され、電力ロスを減らすことができるばかりではなく、受光面に電極を設ける必要がないことから、受光面を広くし、多くの光を取り込むことが可能である。

こうしたバックコンタクト型太陽電池において、半導体基板の受光面表面をテクスチャエッチングや剥離樹脂により凹凸形状を形成し、半導体基板の全面に接するように誘電体層を形成し、更に絶縁層を形成し、併せて半導体基板の裏面にｎ＋層とＰ＋層を形成するためにパターニングとエッチングを繰り返すことにより、ｐ電極とｎ電極間の短絡が低減された太陽電池が開示されている（例えば特許文献１）。

しかしながら、特許文献１の技術では、ｎ＋層とｐ＋層を形成するためにパターニングとエッチングが繰り返す必要があり、製造工程が多くなってしまう。また、剥離樹脂の印刷、硬化および剥離に起因する粘着剤が残留するリスクが高く、残留物の洗浄処理に時間を要する。さらに、ｎ＋層及びｐ＋層電極形成には蒸着法やスパッタ法が用いられるが、かかる方法も長い処理時間を要する。

特開２０１６−１７１０９５号公報

上記のような事情に鑑み、本発明の目的とするところは、少ない工程数で実施可能な、バックコンタクト型太陽電池セルの製造方法を提供することにある。

本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、切り欠き部を形成する工程を設けることで、少ない工程数でバックコンタクト型太陽電池セルを製造できることを見出した。本発明者らは、かかる知見に基づきさらに研究を重ね、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、以下のバックコンタクト型太陽電池セルの製造方法を提供する。
項１．
半導体基板の表面及び／又は裏面に拡散層を形成する工程（Ａ）、
前記拡散層にレーザーを照射して切り欠き部を形成せしめ、１つ又は複数の拡散層の島部を形成する工程（Ｂ）、
前記工程（Ｂ）で得られた半導体基板の全面にパッシベーション膜を形成する工程（Ｃ）、及び
前記島部の表面のパッシベーション膜を除去し、露出した拡散層表面に１つ又は複数のアルミニウム電極を形成する工程（Ｄ）を、
この順に備えることを特徴とする、バックコンタクト型太陽電池セルの製造方法。
項２．
前記工程（Ｃ）の後に、パッシベーション膜表面に１つ又は複数の銀電極を形成する工程（Ｄ´）をさらに備え、
前記工程（Ｄ）及び前記工程（Ｄ´）は順不同である、項１記載の製造方法。
項３．
前記アルミニウム電極は、アルミニウム粉末１００質量部に対し、
有機ビヒクル２〜２０質量部及びガラスフリット０．１５〜１５質量部を含むアルミニウムペーストを前記島部に塗布し、６５０〜９００℃で焼成して形成される、項１又は２に記載の製造方法。
項４．
前記アルミニウム電極及び前記銀電極が、交互に配置されていることを特徴とする、項２又は３に記載の製造方法。

本発明のバックコンタクト型太陽電池セルの製造方法によれば、少ない工程数でバックコンタクト型太陽電池セルを製造することができる。

本発明のバックコンタクト型太陽電池セルの製造方法の説明図。実施例のバックコンタクト型太陽電池セルの概略図。実施例のバックコンタクト型太陽電池セル概略の拡大図。比較例のバックコンタクト型太陽電池セルにおける層構成の説明図。

本発明のバックコンタクト型太陽電池セルの製造方法は、
半導体基板の主面及び／又は裏面に拡散層を形成する工程（Ａ）、
前記拡散層にレーザーを照射して切り欠き部を形成せしめ、１つ又は複数の拡散層の島部を形成する工程（Ｂ）、
前記工程（Ｂ）で得られた半導体基板の全面にパッシベーション膜を形成する工程（Ｃ）、及び
前記島部の表面のパッシベーション膜を除去し、露出した拡散層表面に１つ又は複数のアルミニウム電極を形成する工程（Ｄ）を、
この順に備えることを特徴とする。

工程（Ａ）
工程（Ａ）では、半導体基板１０（図１（ａ））の主面及び／又は裏面に拡散層２０を形成する（図１（ｂ））。尚、本明細書において主面とは、半導体基板１０の裏面と反対側に存在するおもて面であると定義される。

使用する半導体基板としては、バックコンタクト型太陽電池セルに使用される公知の半導体基板を広く採用することが可能であり、特に限定はない。また、ｎ型のシリコン半導体基板及びｐ型のシリコン半導体基板のいずれでもよく、所望とする太陽電池の用途や仕様に応じ、適宜選択することができる。

また、半導体基板は、予め切断面のダメージ層の除去とテクスチャを形成する目的で、アルカリ液等によりウエットエッチングを行ってもよい。

半導体基板の厚さとしては、特に限定はされないが、たとえば１００〜２５０μｍとすることができ、１５０〜２００μｍとすることが好ましい。

拡散層を形成する方法としては、特に限定はなく、例えば、気層熱拡散法によって半導体基板の表面に拡散層を形成する方法を例示することができる。

具体的には、ガス状にしたＰＯＣｌ_３（オキシ塩化リン）やＰ_２Ｏ_５、ＰＨ_３等のリン雰囲気において半導体基板の表面にリン酸ガラス（ＰＳＧ）を形成し、更にアルゴン雰囲気中にて、例えば８００〜９００℃の熱処理を施して、上記ＰＳＧから半導体基板にリンを拡散させることにより、拡散層を形成することができる。この場合、ＰＳＧは必ずしも必要ではないため、フッ酸若しくは硝酸、又はこれらの混合液等により除去することが好ましい。

拡散層の厚さは特に限定されないが、０．１〜２μｍとすることが好ましく、０．３〜１μｍとすることがより好ましい。シート抵抗は４０〜２００Ω／□の範囲とすることが好ましい。

工程（Ｂ）
工程（Ｂ）では、前記拡散層２０にレーザーを照射して切り欠き部３０を形成せしめ、１つ又は複数の拡散層の島部３２を形成する（図１（ｃ））。工程（Ｂ）は、前記工程（Ａ）において得られた主面及び／又は裏面の拡散層に対して実施される。

切り欠き部は、拡散層にレーザーを照射することにより、拡散層の下にある半導体基板を露出させることにより形成されることが好ましい。より具体的な方法としては、例えば、レーザーにより拡散層の一部を除去することにより、深さ０．３〜１．０μｍ、幅３０μｍのライン状の切り欠き部を形成することが好ましい。

レーザー照射を調整し、上記島部を形成し、且つ、半導体基板の表面の一部が露出した開口部を形成することも好ましい。また、その開口部間の距離としては、後述するアルミニウム電極を形成する領域のアルミニウム電極の幅方向の隣接したレーザー開口部の中心から中心までの距離が１００〜２５０μｍとなるようにすることが好ましい。

工程（Ｃ）
工程（Ｃ）では、前記工程（Ｂ）で得られた半導体基板の全面にパッシベーション膜４０、４２を形成する（図１（ｄ））。すなわち、切り欠き部が存在している場所については、当該切り欠き部の上に、切り欠き部の存在しない場所については、拡散層の上にパッシベーション膜を形成する。

パッシベーション膜はシリコン基板の露出単面との界面における固定電化によるパッシベーション効果を有するような膜であれば特に限定はない。具体的には、窒化ケイ素膜、酸化ケイ素膜及び酸化アルミニウム膜からなる群より選択される一種以上を例示することができる。これらの膜は一層のみの単層でもよいし、複数の多様な層を積層させても良い。

形成する方法としては、特に限定はなく、例えば、プラズマＣＶＤ法、半導体用常圧ＣＶＤ法、ＡＬＤ法（原子層堆積法）などの各種の化学気相法を例示することができる。より具体的には、トリメチルアルミニウムを原料としてＡＬＤ法によって酸化アルミニウムからなるパッシベーション膜を形成する方法が挙げられる。

パッシベーション膜の厚さは特に限定されないが、パッシベーション効果と後述のパッシベーション膜除去工程の不完全の虞から、１０〜２００ｎｍとすることが好ましく、３０〜５０ｎｍｎｍとすることがより好ましい。なお、パッシベーション膜の表面には、更に反射防止膜を備えることが好ましく、反射防止膜は、プラズマＣＶＤ法によってシランガス及びアンモニアガス雰囲気下で、パッシベーション膜表面に窒化ケイ素膜を形成することで得られる。

工程（Ｄ）
工程（Ｄ）では、前記島部３２の表面のパッシベーション膜４０を除去し（図１（ｅ））、露出した拡散層表面３４に１つ又は複数のアルミニウム電極６０を形成する（図１（ｆ））。ここで、１つ又は複数の島部の表面のパッシベーション膜を除去し、露出した拡散層表面１つに対して１つずつアルミニウム電極を設けることが好ましい。

島部表面のパッシベーション膜は、島部表面の一部のみを除去しても良いし、全体を除去してもよい。パッシベーション膜を除去するための方法としては特に限定はなく、例えば、エッチングペースト、及びレーザービームを照射する方法を例示することができる。

パッシベーション膜が除去され、露出した拡散層にアルミニウム電極を形成する方法としては、公知の方法を広く採用することが可能であり、特に限定はない。具体的には、露出した拡散層の領域にアルミニウムペーストを塗布等の適宜の方法で設け、焼成する方法を例示することができる。かかる手法により、半導体基板に合金層及びＢＳＦ層が形成される。例えば図１（ｈ）では、アルミニウムペースト６０が焼成されて半導体基板１０にアルミニウムシリコン合金層６２、ＢＳＦ層６４が形成され、アルミニウム電極となる。

アルミニウムペーストの焼成温度は特に限定されないが、例えば５５０〜９００℃であることが好ましい。アルミニウムペーストの組成は特に限定されないが、例えばアルミニウム粉末を１００質量部に対して、ガラスフリットを０．１５〜１５質量部、樹脂や有機溶剤を含んだ有機ビヒクルを２〜２０質量部を含有したペーストであることが好ましい。

さらに、アルミニウム粉末は高純度のアルミニウムであってもよいが、アルミニウム合金であってもよく、アルミニウムシリコン合金、アルミニウムシリコンマグネシウム合金、が好適に用いられる。

アルミニウム電極の形状やサイズは、露出した拡散層を覆う必要性から、幅４０μｍ〜２００μｍが好ましく、電極の抵抗値を低くするために、電極高さは高いほどよい。印刷したＡｌラインのアスペクト（幅／高さ）が大きいほどよい。

工程（Ｄ´）
工程（Ｄ´）では、前記工程（Ｃ）の後に、拡散層２０の上に残されたパッシベーション膜４０表面に１つ又は複数の銀電極５０を形成することも好ましい（図１（ｇ））。ここで、島部の周囲（換言すれば、島部とは異なる領域である。）表面のパッシベーション膜表面上に、銀電極５０を１つ又は複数設けることが好ましい。また、工程（Ｃ）を実施した後、工程（Ｄ）及び工程（Ｄ´）はいずれを先に実施してもよい。

銀電極を形成する工程とは、例えば図１（ｇ）に示すように、パッシベーション膜４０の表面に銀ペースト５０を塗布して、５５０〜９００℃の範囲で焼成することで銀電極を形成することができる。

銀ペーストの組成は特に限定されないが、例えば銀粉末を１００質量部に対して、ガラスフリットを０．１〜１０質量部、並びに、樹脂及び／又は有機溶剤を含んだ有機ビヒクルを３〜１５質量部を含有したペーストであることが好ましい。さらに、銀粉末はフレーク状であってもよいが、球状粉であってもよく、球状粉が好適に用いられる。

銀電極の形状やサイズは、アルミニウム電極と櫛歯の配置になるように５０〜１３０μｍの直線状のラインを印刷することが好ましい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

以下、実施例に基づき、本発明の実施形態をより具体的に説明するが、本発明がこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
ｐ型の単結晶シリコンからなる半導体基板を準備した（基板：６ｉｎｃｈ、厚み２００μｍ）。準備したシリコン基板の切断面ダメージ層の除去とテクスチャを形成する目的で、シリコン基板の表面をＫＯＨでウエットエッチングを行った。

工程（Ａ）
続いてガス状にしたＰＯＣｌ_３（オキシ塩化リン）を用いて気層熱拡散法によって０．３〜１μｍ程度の厚み、及び４０〜２００Ω／□程度のシート抵抗を有するようにｎ＋層を形成した。具体的にはＰＯＣｌ_３からなる拡散ガスを有する雰囲気中で６００〜８００℃にてシリコン基板を３０分熱処理し、リン酸ガラス（ＰＳＧ）をシリコンウエハ主面と裏面に形成した。その後、アルゴン雰囲気中にて８００〜９００℃においてさらに熱処理を施し、ＰＳＧからシリコン基板側にリンを拡散させ、ｎ＋層を形成した。

次いでｎ＋層が形成された一方の面についてフッ酸と硝酸の混合溶液に浸漬させ、ｎ＋層を除去し、その後、残されたもう一方のｎ＋層側に付着したＰＳＧをフッ酸にてエッチング除去した。

以上によりテクスチャを有し、片面がｎ＋半導体層である単結晶シリコン基板を準備した。

工程（Ｂ）
続いて、拡散層の一部を除去する工程として、深さ０．３〜１．０μｍ幅３０μｍのライン状となるようにレーザー照射を調整し、ｎ＋層形成面に島状に分断され且つ半導体基板の表面の一部が露出した開口部を形成した。

工程（Ｃ）
その開口部間の距離としては、Ａｌ電極を印刷する領域のＡｌ電極幅方向の隣接したレーザー開口部の中心から中心までの距離Ｌが１５０μｍとなるように開口部を形成した。

次にプラズマCVD法によって酸化アルミニウムからなるパッシベーション膜を約３０〜５０ｎｍ形成した後、反射防止膜としてプラズマＣＶＤ法によってシランガス及びアンモニアガスを用いて、窒化ケイ素膜をシリコン基板表裏全体に形成した。

工程（Ｄ）
続いてアルミ電極を用いたＰ＋層形成用の開口部を形成する工程として、島状に分断された拡散層表面のパッシベーション膜について、前記Ｌの開口部間の中央に深さ０．３〜１．０μｍ幅３０μｍのライン状となるようにレーザー照射を調整し、Ａｌ電極によるＰ＋層形成用開口部を設けた。

次いでＰ＋層形成用開口部に対して、開口部を満たすように、スクリーン印刷機を用いてアルミニウムペーストを厚さ２０μｍ、７０μｍ幅の線状に塗布し、アルミニウムペーストが塗布されたシリコン基板を１００℃で１０分乾燥させた。

工程（Ｄ´）
また図２及び３に示すように、Ａｌ電極と櫛歯で対応するように、Ａｇ電極の幅方向の中心から中心までの距離が２０００μｍとなるように、公知のＡｇ電極を印刷幅５０μｍで印刷し、１００℃で１０分乾燥させ、ベルト炉にてピーク温度を９００℃に設定して焼成した。以上のようにして、バックコンタクト型太陽電池セルを得た。

工程が簡素であるため、バックコンタクト型太陽電池セル製造に要した時間は２８０分間であった。

（比較例１）
従来技術と同様に、半導体基板の受光面表面をテクスチャエッチングにより凹凸形状を形成し、半導体基板の全面に接するように誘電体層を形成し、更に絶縁層を形成し、併せて半導体基板の裏面にｎ＋層とＰ＋層を形成するためにパターニングとエッチングを繰りかえすことでバックコンタクト型太陽電池セルを得た。具体的な手順を以下に詳述する。

まずｎ型の単結晶シリコンからなる半導体基板を準備した（基板：６ｉｎｃｈ、厚み２００μｍ）。準備したシリコン基板の切断面ダメージ層の除去する目的で、シリコン基板の表裏をフッ酸と硝酸の混合溶液等の溶液でウエットエッチングを行った。

続いて前記シリコン基板の裏面側に、エミッタ層及びＢＳＦを形成した。図４に示すように、所望の拡散領域を、ｎ型拡散領域とｐ型拡散領域が交互に帯状に形成されているパターンを形成した。具体的にはｎ型拡散領域の幅は２５００μｍ（Ａ）、ｐ型拡散領域の幅は１０００μｍ（Ｂ）。ｎ型拡散領域とｐ型拡散領域のスペースは２５０μｍ（Ｃ）、基板端にもっとも近い拡散層端と基板端間は１０００μｍ（Ｄ）とした。まずはＰ型拡散層を形成するため、ＢＢｒ_３を用いた気相拡散にて９００〜１０００℃で熱処理を行い、ｐ型拡散領域を形成した。

熱処理後、シリコン基板に付いたガラス成分はガラスエッチング等により洗浄・除去した。

続いて、プラズマCVD法によって酸化ケイ素からなるパッシベーション膜を約３０〜５０ｎｍ形成した後、反射防止膜としてプラズマＣＶＤ法によってシランガス及びアンモニアガスを用いて、窒化ケイ素膜をシリコン基板裏面に形成した。その後、シリコンウエハ表側にＢが拡散したＰ型拡散領域をフッ酸と硝酸の混合溶液に浸漬させ、表面のＰ型拡散層を除去した。酸化させた。

続いてｎ型拡散層を形成するための拡散マスクとして、同様の処理により、裏面に所望のｎ型拡散領域以外に酸化膜を製膜した。ＰＯＣｌ３を用いた気相拡散によって９００〜１０００℃で熱処理を行うことでｎ型拡散領域を裏面に形成した。シリコン基板表面の酸化膜除去とテクスチャを形成する目的で、シリコン基板の表面をＫＯＨ等のアルカリ溶液でウエットエッチングを行った。

その後表面にＰ拡散したｎ＋層を形成するため、ＰＯＣｌ_３を用いた気相拡散によって９００〜１０００℃で熱処理を行い、ｎ型拡散領域を表面に形成した。

続いて、熱処理後、シリコン基板に付いたガラス成分は同様にしてガラスエッチング等により洗浄した。その後、反射防止膜としてプラズマＣＶＤ法によってシランガス及びアンモニアガスを用いて、窒化ケイ素膜をシリコン基板表裏全体に形成した。

続いて、電極を形成するため、Ｓｉウエハ裏面のＳｉＮｘコンタクト部分にｐａｔｔｅｒｎｉｎｇを施し、ＡＬ蒸着、ＡＬ電極を形成した。

その後、ＡＬとコンタクトをとれるようにするため、Ｎｉ，Ｃｕ、Ａｇめっきを行い、アニール処理を行った。

以上のようにして、バックコンタクト型太陽電池セルを得た。

工程が複雑であるため所要した時間は４８０分間であった。

１０半導体基板
２０拡散層
３０切り欠き部
３２島部
３４露出した拡散層表面
４０パッシベーション膜
４２パッシベーション膜
５０銀電極
６０アルミニウム電極
７０アルミニウム電極
７２銀電極
７４アルミニウム接合用銀電極

Claims

半導体基板の主面及び／又は裏面に拡散層を形成する工程（Ａ）、
前記拡散層にレーザーを照射して切り欠き部を形成せしめ、１つ又は複数の拡散層の島部を形成する工程（Ｂ）、
前記工程（Ｂ）で得られた半導体基板の全面にパッシベーション膜を形成する工程（Ｃ）、及び
前記島部の表面のパッシベーション膜を除去し、露出した拡散層表面に１つ又は複数のアルミニウム電極を形成する工程（Ｄ）を、
この順に備えることを特徴とする、バックコンタクト型太陽電池セルの製造方法。
前記工程（Ｃ）の後に、パッシベーション膜表面に１つ又は複数の銀電極を形成する工程（Ｄ´）をさらに備え、
前記工程（Ｄ）及び前記工程（Ｄ´）は順不同である、請求項１記載の製造方法。
前記アルミニウム電極は、アルミニウム粉末１００質量部に対し、
有機ビヒクル２〜２０質量部及びガラスフリット０．１５〜１５質量部を含むアルミニウムペーストを前記島部に塗布し、６５０〜９００℃で焼成して形成される、請求項１又は２に記載の製造方法。
前記アルミニウム電極及び前記銀電極が、交互に配置されていることを特徴とする、請求項２又は３に記載の製造方法。