JP2023534501A - 太陽電池の製造 - Google Patents

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Abstract

【解決手段】本開示は、太陽電池を製造する方法に関し、この方法では、順番に、半導体基板(50)の少なくとも１つの表面(503) にトンネル酸化物(52)を形成し、トンネル酸化物上に、第１型の導電性のドーパントでドープされた第１のドープ層(54)を形成し、第１のドープ層上にマスク(56)を形成し、マスク上に、第２型の導電性のドーパントでドープされた第２のドープ層(57)を形成し、第２型の導電性のドーパントでドープされた第２のドープ層を通して、第１のドープ層の少なくとも第１の領域(542, 66) を、レーザを使用してドープする。

Description

本開示は一般的に太陽電池に関し、より具体的にはバックコンタクト型太陽電池の構造及び製造プロセスに関する。
太陽電池は、太陽光を電気エネルギーに変換する装置である。一般的に、太陽電池の構造は、同一の半導体基板上にｐ型領域及びｎ型領域が設けられている構成に基づいている。バックコンタクト型太陽電池では、外部の電気回路又はデバイスが、米国特許出願公開第2016／0351737 号明細書及び米国特許第7468485 号明細書に記載されているような太陽電池に連結されて、このような太陽電池によって電力供給されることを可能にすべく、各領域が太陽電池の後側で金属接点に連結されている。
現在の太陽電池及びそのプロセスを改善する必要があり、特にプロセス時間を短縮する必要がある。
一実施形態は、既知の太陽電池及びその製造プロセスの欠点の全て又は一部に対処する。
一実施形態は、太陽電池を製造する方法であって、順番に、
半導体基板の少なくとも１つの表面に亘ってトンネル酸化物を形成し、
前記トンネル酸化物に亘って第１型の導電性のドーパントでドープされた第１のドープ層を形成し、
前記第１のドープ層上にマスクを形成し、
前記マスクに亘って第２型の導電性のドーパントでドープされた第２のドープ層を形成し、
前記第２型の導電性のドーパントでドープされた前記第２のドープ層を通して、前記第１のドープ層の少なくとも１つの第１の領域を、レーザを使用してドープする、方法を提供する。
実施形態によれば、前記方法では、前記第２のドープ層を形成した後、前記第２のドープ層、前記マスク、前記第１のドープ層及び前記トンネル酸化物に延びるトレンチを形成する。
実施形態によれば、前記トレンチは、前記第１のドープ層の第１の領域を前記第１のドープ層の第２の領域から分離する。
実施形態によれば、前記方法では、前記半導体基板を別の表面でテクスチャ加工する。
実施形態によれば、前記方法では、前記トレンチの内部を覆う不動態化膜を前記第１のドープ層に亘って形成する。
一実施形態は、上述したような方法によって得られるIBC (interdigited-back-contact)太陽電池を提供する。
一実施形態は、前記IBC 太陽電池を備えている太陽電池パネルを提供する。
前述及び他の特徴及び利点は、添付図面を参照して本発明を限定するものではない例として与えられる以下の特定の実施形態に詳細に記載されている。
太陽電池の例を示す断面図である。 図１に示されている太陽電池を製造する方法の例の工程を示す断面図である。 図２の製造方法の別の工程を示す図である。 図２の製造方法の別の工程を示す図である。 図２の製造方法の別の工程を示す図である。 図２の製造方法の別の工程を示す図である。 図２の製造方法の別の工程を示す図である。 図２の製造方法の別の工程を示す図である。 図２の製造方法の別の工程を示す図である。 図２の製造方法の別の工程を示す図である。 図２の製造方法の別の工程を示す図である。 図２の製造方法の別の工程を示す図である。 図２の製造方法の別の工程を示す図である。 図２の製造方法の別の工程を示す図である。 図２の製造方法の別の工程を示す図である。 図２の製造方法の別の工程を示す図である。 本明細書の実施形態に係る太陽電池を示す断面図である。 本明細書の実施形態に係る太陽電池を製造する方法の工程を示す断面図である。 図１８の製造方法の別の工程を示す図である。 図１８の製造方法の別の工程を示す図である。 図１８の製造方法の別の工程を示す図である。 図１８の製造方法の別の工程を示す図である。 図１８の製造方法の別の工程を示す図である。 図１８の製造方法の別の工程を示す図である。 図１８の製造方法の別の工程を示す図である。 図１８の製造方法の別の工程を示す図である。 図１８の製造方法の別の工程を示す図である。
同様の特徴が、様々な図で同様の参照符号によって示されている。特に、様々な実施形態に共通する構造的特徴及び／又は機能的特徴は同一の参照符号を有してもよく、同一の構造特性、寸法特性及び材料特性を有してもよい。
明瞭化のために、本明細書に記載されている実施形態の理解に有用な動作及び要素のみが示されて詳細に記載されている。
特に示されていない場合、共に接続された２つの要素を参照するとき、これは、導体以外のいかなる中間要素も無しの直接接続を表し、共に連結された２つの要素を参照するとき、これは、これら２つの要素が接続され得るか、又は一若しくは複数の他の要素を介して連結され得ることを表す。
以下の開示では、特に示されていない場合、「前」、「後ろ」、「最上部」、「底部」、「左」、「右」などの絶対位置、若しくは「上方」、「下方」、「高」、「低」などの相対位置を限定する文言、又は「水平」、「垂直」などの向きを限定する文言を参照するとき、この文言は図面の向きを指す。
特に指定されていない場合、「約」、「略」、「実質的に」及び「程度」という表現は、該当する値の１０％の範囲内、好ましくは５％の範囲内を表す。
図１は、太陽電池の例を示す断面図である。
図１に示されている太陽電池は、通常動作中に日射を受けるように構成されている前側部分と、太陽電池の金属接点が形成されている後側部分とを有している半導体基板10で形成されている。太陽電池は、ドープ層37で覆われているテクスチャ加工の前部を備えている。
図１の太陽電池は、基板10の後面に亘って非ドープ層30B に形成されているｐ型領域などの第１型の導電性の第１の領域32及びｎ型領域などの第２型の導電性の第２の領域36を備えている。トンネル酸化物層20B が、基板10の後面に形成されてもよく、より正確には基板10と非ドープ層30B との間に形成されてもよい。ドープ層37は、第２型の導電性を有する。
外部回路及びデバイスが太陽電池から電力を受けることを可能にすべく、金属接点41が第１の領域32及び第２の領域36に接続されている。
図１の太陽電池は、構造体を外部の電気的損傷から保護するために不動態化層38, 39, 40を備えてもよい。
図２～１６は、図１に示されている太陽電池を製造する方法の例の工程を示す断面図である。
図１に示されている太陽電池の製造プロセスは、
－ 半導体基板10を準備する工程（図２）、
－ 基板10の前面101 にトンネル酸化物層20F を形成して、基板10の後面103 に別のトンネル酸化物層20B を形成する工程（図３）、
－ トンネル酸化物層20F の前面に半導体層30F を形成して、トンネル酸化物層20B の後面に別の半導体層30B を形成する工程、
－ 半導体層30B 全体に亘って形成されて第１型（ｐ型又はｎ型）の導電性のドーパントを含むドープ層とドープ層全体に亘って形成された非ドープ層とで形成された層31を半導体層30B の後面に形成する工程（図４）、
－ 例えばウェットエッチング処理を使用して層31に開口部310 を形成する工程（図５）、
－ レーザを使用して層31のドーパントを半導体層30B に熱拡散することによって、半導体層30B に領域32を形成する工程（図６）、
－ 構造全体に亘ってマスク層33を形成する工程（図７）、
－ 構造体の前面から、より正確には半導体層30F の前面と半導体層30F の側面、トンネル酸化物層20F の側面及び基板10の一部の側面とからマスク層33を除去する工程（図８）、
－ トンネル酸化物層20F 及び半導体層30F を除去して、基板の前面のテクスチャ処理を行う工程（図９）、
－ マスク層33に開口部34を形成する工程（図１０）、
－ 半導体層30B に領域36を形成して基板10の前面に層37を形成するために、第２型の導電性のドーパントを含むガス雰囲気35下で処理を行う工程（図１１）、
－ マスク層33を除去する工程（図１２）、
－ 半導体層30B の深さ全体に亘って領域36のドーパントを拡散させるために熱処理を行う工程（図１３）、
－ 層37の前面に不動態化・反射防止膜38を形成する工程（図１４）、
－ 構造体の後面に不動態化膜39を形成して、構造体の側面に不動態化膜40を形成する工程（図１５）、並びに
－ 不動態化膜39のウェットエッチング工程及び金属の堆積工程により構造体の後面に電極41を形成する工程（図１６）
を有してもよい。
図１７は、本明細書の実施形態に係る太陽電池を示す断面図である。
図１７に示されている太陽電池は、通常動作中に日射を受けるように構成されている前側部分と、太陽電池の金属接点が形成されている後側部分とを有している半導体基板50で形成されている。太陽電池は、ドープ層64で覆われているテクスチャ加工の前部を備えている。
図１７の太陽電池は、基板50の後面に亘って形成されている、ｐ型領域などの第１型の導電性の一又は複数の領域541 、及びｎ型領域などの第２型の導電性の一又は複数の領域66を備えている。トンネル酸化物層52が、基板50の後面に形成されてもよく、より正確には基板50と領域541, 66 との間に形成されてもよい。
外部回路及びデバイスが太陽電池から電力を受けることを可能にすべく、金属接点76及び金属接点78が領域541 及び領域66に夫々接続されている。
図１７の太陽電池は、構造体を外部の電気的損傷から保護するために不動態化層70, 72, 74を備えてもよい。
更に、図１７に示されている太陽電池は、領域541 と領域66との間にトレンチ60を備えてもよく、第２型の導電性のドーパントでドープされた浅い深さの基板68を基板50に備えてもよい。
図１８は、本明細書の実施形態に係るコンタクト型太陽電池を製造する工程を示す。
本実施形態では、基板50は半導体基板であり、例えば、好ましくはリン(P) などのｎ型ドーパント、又はガリウム(Ga)及びホウ素(B) などのｐ型ドーパントでドープされたシリコンウエハである。
基板50は、前面501 及び後面503 を有している。前面501 は、日射を受けるように構成されている太陽電池の側にある。基板50は、ウエハの表面から損傷もエッチングする処理（SDE (Saw Damage Etching)）を使用して、例えば約240 μｍの厚さに薄くされている。
図１９は、本明細書の実施形態に係るコンタクト型太陽電池を製造する別の工程を示す。
図１９では、ドープ層54、例えばｐ型にドープされたポリシリコン層がトンネル酸化物層52に亘って形成されている。
トンネル酸化物層52は、基板50の後面503 に亘って形成されており、例えば基板50の前面に亘って形成されている。トンネル酸化物層52は、電子がトンネル酸化物層52を直接通り抜ける確率を高めるために十分薄いように形成されている。トンネル酸化物層52の厚さは、約７オングストローム～約20オングストロームであってもよい。一実施形態では、トンネル酸化物層52の厚さは約10オングストロームである。トンネル酸化物層52は、例えば熱成長又は化学的堆積（例えば、プラズマ化学蒸着法(PECVD) 又は低圧化学蒸着法(LPCVD））によって形成されてもよい。トンネル酸化物層52は、オゾン酸化処理を使用して形成されてもよい。オゾン酸化処理は、脱イオン水に懸濁したオゾンを含む槽に基板50を浸す工程を含む。例えば、まず基板50に、水酸化カリウムを用いたウェットエッチングを行って基板50を薄くし、次に洗浄して清浄化するサイクルを行い、その後、オゾン酸化処理を行って、トンネル酸化物層52を形成する処理を、全て同じ装置で行ってもよい。オゾン酸化処理中、基板50の両側にトンネル酸化物層が成長する。
代替的な実施形態によれば、トンネル酸化物層52は、本明細書の利点を損なうことなく他の処理を使用して形成されてもよい。
ポリシリコン層54の厚さは、約2000オングストロームであってもよい。ポリシリコン層は、シラン(SiH4)と共に三塩化ホウ素(BCl3)又はジボラン(B2H6)を使用してPECVD 又はLPCVD によってトンネル酸化物層52上に堆積してもよい。
図１９では、層54を堆積させた後、構造体を完全に包むために、マスク層56が層54の上下に亘って形成されている。マスク層56は、層54の一部を露出するその後のエッチング・レーザ処理（図２３～２５）で使用される。
図１９では、構造体を完全に包むために、層57がマスク層56の上下に亘って形成されている。一例では、層57はｎ型ドーパントでドープされてもよい。一実施形態では、層57は、例えばホスフィン(PH3) 及びオルトケイ酸テトラエチル(TEOS)の大気反応によって、リンケイ酸塩ガラス(PSG) で形成されている。
図１９では、構造体を完全に包むために、別のマスク層58が層57に亘って形成されている。
マスク層56, 58及び層57は、例えば熱成長又は化学的堆積（PECVD 又はLPCVD ）によって形成されてもよい。しかしながら、マスク層56, 58及び層57を形成するために、他の様々な方法を適用してもよい。
マスク層56, 58は、導電性のドーパントを含まない非ドープ材料であるため、及びｎ型の導電性のドーパントの拡散を防止する能力のために選択される材料で形成されてもよい。一例では、マスク層56, 58は、酸化シリコン(SiOx)、窒化シリコン(SiHx)、酸窒化シリコン(SiOxNy)、真性アモルファスシリコン、炭化シリコン(SiC) 又はこれらの材料の組み合わせを含む単層であってもよい。特に、マスク層56, 58が炭化シリコンで形成された単層である場合、マスク層56, 58はドーパントの拡散を効果的に防止してもよい。
図２０は、本明細書の実施形態に係るコンタクト型太陽電池を製造する別の工程を示す。
図２０では、マスク層56, 58及び層57が、構造体の前側から（基板50の前面501 の側から）除去されている。マスク層56, 58及び層57が前の工程でPECVD によって形成されている場合、この除去工程をスキップすることができる。
図２１は、本明細書の実施形態に係るコンタクト型太陽電池を製造する別の工程を示す。
一実施形態では、トレンチ60を形成するために、マスク層56, 58、層57、トンネル酸化物層52、層54、及び基板50の一部を一部の領域で後側から（基板50の後面503 の側から）除去する。トレンチ60を、例えばレーザを使用して形成する。
他の一実施形態では、一工程で開口部を形成するために、マスク層56, 58及び層57を一部の領域で後側から（基板50の後面503 の側から）除去する。開口部を、例えばレーザを使用して形成する。別の工程で、ｐ型ドーパント層54及びトンネル酸化物層52をエッチングする際にマスク層56, 58及び層57を使用する。同一の実施形態では、層54、トンネル酸化物層52及び基板50を、バッファードフッ酸、水酸化カリウム及びイソプロピルアルコール、又はTMAH（水酸化テトラメチルアンモニウム）の溶液を含むウェットエッチング処理を使用してパターン化する。ウェットエッチング処理により、マスク層56, 58及び層57で覆われていない層54、トンネル酸化物層52及び基板50の部分をエッチングする。開口部から層54、トンネル酸化物層52及び基板50に延びるトレンチ60を形成するためにウェットエッチング処理を行う。領域541 及び領域542 は層54に形成される。
図２１では、マスク層56, 58、層57、層54、トンネル酸化物層52及び基板50に２つのトレンチ60が形成されているが、トレンチ60の数は２と異なってもよい。各トレンチ60の幅は、30nm～200 μｍの範囲内である。
図２１は、領域66を形成するための領域542 のドーピングを更に示している。領域542 のドーピング処理をレーザを使用して行う。
レーザの波長は1064nm以下であってもよい。これは、1064nmを超える波長のレーザの生成が難しいためである。つまり、赤外線、紫外線及び可視光線の全ての波長をレーザとして使用してもよい。このとき、一例では、レーザは、500 nm～650 nmの範囲内の波長を有するレーザ、すなわち緑色レーザであってもよい。
図２２は、本明細書の実施形態に係るコンタクト型太陽電池を製造する別の工程を示す。
図２２では、基板50の前面501 がテクスチャ加工されている。前面501 は、例えば水酸化カリウム及びイソプロピルアルコール又はTMAH（水酸化テトラメチルアンモニウム）の溶液を含むウェットエッチング処理又は別の化学処理を使用してテクスチャ加工されてもよい。ウェットエッチング処理により、前面501 をランダムな角錐体にテクスチャ加工し、これにより、日射収集効率が有利に向上する。
本実施形態は、半導体基板50の前面501 が、この工程でテクスチャ加工されることを示している。しかしながら、本明細書の実施形態はこれに限定されない。
図２３は、本明細書の実施形態に係るコンタクト型太陽電池を製造する別の工程を示す。
図２２に示されている構造が、図２３では、ｎ型の導電性のドーパントを含むガス雰囲気62に入れられている。ガス雰囲気62は、ｎ型の導電性のドーパントを含む様々なガスを用いて生成されてもよい。一例では、導電性のドーパントがリン(P) である場合、ガス雰囲気62は塩化ホスホリル(POCl3) を含んでもよい。
このとき、半導体基板50の前面501 はｎ型の導電性のドーパントでドープされてもよい。これにより、ドーピング処理中に前面フィールド領域64が更に形成されてもよい。しかしながら、本明細書の実施形態はこれに限定されない。従って、ドーピング処理で前面フィールド領域64が形成されないように、ドーピング処理で拡散防止膜が半導体基板50の前面501 に亘って形成されてもよい。この場合、前面フィールド領域64は、例えばイオン注入、熱拡散及びレーザドーピングを含む様々な処理から選択された別の処理で形成されてもよい。
図２３に示されている工程の間、前面フィールド領域64及び領域68を、POCl3に基づく同一のドーピング処理中に形成する。
この工程の後、構造体を、例えばアニールする。
図２４は、本明細書の実施形態に係るコンタクト型太陽電池を製造する別の工程を示す。
このとき、マスク層56, 58及び層57を除去し、構造体をガス雰囲気62から出す。
図２５は、本明細書の実施形態に係るコンタクト型太陽電池を製造する別の工程を示す。
図２５では、半導体基板50の前面に絶縁膜70が形成されている。絶縁膜70は、層64の前面に形成されている前面不動態化膜及び反射防止膜を含んでいる。例えば、前面不動態化膜及び反射防止膜は、層64の前面全体に亘って形成されている。前面不動態化膜及び反射防止膜は、例えば真空蒸着、化学蒸着、スピンコーティング、スクリーン印刷又はスプレーコーティングなどの様々な方法を使用して形成されてもよい。前面不動態化膜及び反射防止膜を形成する順序は規定されない。
図２６は、本明細書の実施形態に係るコンタクト型太陽電池を製造する別の工程を示す。
図２６では、絶縁膜72及び絶縁膜74は、構造体の後面及び側面に夫々形成されている。
例えば、後面不動態化膜72が構造体の後面全体に亘って形成されている。後面不動態化膜72は、例えば真空蒸着、化学蒸着、スピンコーティング、スクリーン印刷又はスプレーコーティングなどの様々な方法を使用して形成されてもよい。
図２７は、本明細書の実施形態に係るコンタクト型太陽電池を製造する別の工程を示す。
図２７は、導電性領域541 及び導電性領域66に夫々接続されている第１の電極76及び第２の電極78の形成を示している。
第１の電極76及び第２の電極78は、例えばスクリーン印刷によってペーストを後面に塗布し、その後、例えばファイアスルー又はレーザ焼成コンタクトを行うことにより形成されてもよい。金属被膜を形成するために金属を堆積させる前に後面、例えば不動態化膜72をエッチングする。
第２の実施形態及び実施モードの利点は、トンネル酸化物、ドープ層及びマスクの堆積を、第１の実施形態とは異なり一工程で行うということである。
第２の実施形態及び実施モードの利点は、太陽電池の製造プロセスが第１の実施形態より短く安価であるということである。
様々な実施形態及び変形例が述べられている。当業者は、これらの実施形態のある特徴を組み合わせることができると理解し、他の変形例が当業者に容易に想起される。
最後に、本明細書に記載されている実施形態及び変形例の実際の実施は、上記の機能的な記載に基づく当業者の技能の範囲内である。
本願は、「procede de fabrication de contacts passives pour cellules solaires IBC」という題名で2020年７月13日付で出願された仏国特許出願第2007382 号、及び「Fabrication de cellules solaires」という題名で2020年10月28日付で出願された仏国特許出願第2011026 号の優先権を主張しており、これらの内容は、特許法で許容可能な最大限に至るまで参照して組み込まれる。

Claims (7)

  1. 太陽電池を製造する方法であって、順番に、
    半導体基板(50)の少なくとも１つの表面(503) に亘ってトンネル酸化物(52)を形成し、
    前記トンネル酸化物に亘って第１型の導電性のドーパントでドープされた第１のドープ層(54)を形成し、
    前記第１のドープ層上にマスク(56)を形成し、
    前記マスクに亘って第２型の導電性のドーパントでドープされた第２のドープ層(57)を形成し、
    前記第２型の導電性のドーパントでドープされた前記第２のドープ層を通して、前記第１のドープ層の少なくとも１つの第１の領域(542, 66) を、レーザを使用してドープする、方法。
  2. 前記第２のドープ層(57)を形成した後、前記第２のドープ層(57)、前記マスク(56)、前記第１のドープ層(54)及び前記トンネル酸化物(52)に延びるトレンチ(60)を形成する、請求項１に記載の方法。
  3. 前記トレンチ(60)は、前記第１のドープ層の第１の領域(542, 66) を前記第１のドープ層の第２の領域(541) から分離する、請求項２に記載の方法。
  4. 前記トレンチの内部を覆う不動態化膜(72)を前記第１のドープ層に亘って形成する、請求項２又は３に記載の方法。
  5. 前記半導体基板(50)を別の表面(501) でテクスチャ加工する、請求項１～４のいずれか１つに記載の方法。
  6. 請求項１～５のいずれか１つに記載の方法によって得られる、IBC 太陽電池。
  7. 請求項６に記載のIBC 太陽電池を備えている、太陽電池パネル。
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