JP2024502932A - バックコンタクト型太陽電池及びその製造 - Google Patents

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Abstract

本発明は、バックコンタクト型太陽電池（１０）を製造する方法、並びにオモテ面（１６）及び裏面（１４）を有する半導体基板（１２）、特にシリコンウェハを含むバックコンタクト型太陽電池（１０）に関し、太陽電池（１０）は、裏面に第１の極性の電極（３６）及び第２の極性の電極（３８）を備え、ここで、第１の極性の電極（３６）が、第１の極性の高ドープシリコン層（２０）上に位置し、高ドープシリコン層（２０）が、半導体基板上に位置する第１のパッシベーション層（１８）上に位置し、第２の極性の電極（３８）が、半導体基板（１２）の第２の極性の高ドープベース領域（３０）を介して半導体基板（１２）に直接電気的に且つ機械的にコンタクトすることを特徴とする。

Description

本発明は、太陽電池及び太陽電池を製造する方法に関する。
周知のように、太陽電池は、光を電気エネルギーに変換するための光起電力素子として機能する。光吸収中に半導体基板内に作られる電荷キャリアのペアは、第１の極性を生み出すための第１のドーピング型、例えばｎ型又はｐ型、を有するエミッタ領域と、反対の極性を生み出すための反対のドーピング型を有するベース領域との間の移行部で分離される。このようにして生成され分離された電荷キャリアのペアは、エミッタ領域にコンタクトするエミッタコンタクト（ｅｍｉｔｔｅｒ ｃｏｎｔａｃｔｓ）とベース領域にコンタクトするベースコンタクト（ｂａｓｅ ｃｏｎｔａｃｔｓ）とを介して外部回路に供給することができる。
一方の極性のコンタクトがオモテ面（ｆｒｏｎｔ ｓｉｄｅ）に配置され、反対の極性のコンタクトが裏面（ｂａｃｋ ｓｉｄｅ）に配置された太陽電池が知られている。太陽に面する面はオモテ面と呼ばれ、したがって裏面は遠い方を向いている面を指す。オモテ面に配置されたコンタクトによるシャドーイングに起因する損失を最小限に抑え、それにより効率を高めるために、両方のコンタクトタイプ、すなわちエミッタコンタクト及びベースコンタクトが半導体基板の裏面に配置されるバックコンタクト型太陽電池が開発されている。
２つの極性の電極が、太陽電池の裏面にサイドバイサイドで配置される。したがって、生成された電荷キャリアは、太陽電池内で横方向にも流れなければならない。この横方向電流の流れによる抵抗損失を最小限に抑えるとともに、自由電荷キャリアが電極に到達する前に再結合するのを妨げるために、２つの極性の電極は互いに可能な限り近くにあるべきである。これらの電極は極性に応じてｐ型シリコン又はｎ型シリコンに接続されるので、ｐｎ接合もまた互いに可能な限り近接する。ｐｎ接合は、５００μｍ未満の分解能を有する微細な櫛状構造であり、例えば、レーザー照射によって実現することができる。このプロセスでは、パルスレーザービームが、時間的及び場所的に分離されたやり方で表面を溶融することにより、２つの異なるドーパント、例えばホウ素及びリン、をシリコン内へ局所的にドライブし、ドーパントに応じて高ｐ型ドーピング又は高ｎ型ドーピングを生み出す。このことは、例えば、ＤＥ１０２０１３２１９５６４Ａ１に開示されている。そのような微細構造は、低い内部直列抵抗及びη＝２４％までの効率ηを可能にする。より高い効率は、ベース内での、並びに高ドープコンタクト形成面及びコンタクト非形成面上での再結合機構によって実質的に制限される。ベース内での再結合は、ウェハの品質に左右され、太陽電池のさらなる製造プロセスではわずかに影響を受けるだけであり得る。高ドープのｎ型表面及びｐ型表面での再結合は、アモルファス水素化シリコンなどの良好な表面パッシベーションを有するコンタクト非形成領域内では制限されるが、オージェ再結合はシリコン中のドーパント濃度と共に増加する。コンタクト形成領域内では、シリコンが金属とコンタクトしており、その結果、高い界面再結合をもたらす。太陽電池プロセスでは、コンタクト非形成表面でのオージェ再結合は、シリコン中に位置するドーパントが可能な限り少なければ低減することができるのに対して、金属／シリコンコンタクトでの界面再結合は、可能な限り小さいコンタクト面により低減することができる。しかしながら、ドーパント及びコンタクト面を単純に減少させると直列列抗が増加し、これは効率の制限要因となる。
このため、例えばＤＥ１０２０１３２１９５６４Ａ１又はＷＯ２０１４／１００００４Ａ１から知られる、不動態化されたコンタクト又は選択的コンタクトも使用される。この場合、電極は、結晶ベースに直接電気的には接続されず、薄いトンネル酸化物によって隔てられるが、この薄いトンネル酸化物は、シリコン表面を不動態化するが、同時に電子が酸化物を通って極性に応じて半導体から電極内へ、又は電極から半導体内へ、トンネルすることができるほど薄い。電子をトンネルするよう励起するためには、トンネル酸化物に電場が存在していなければならない。電場は、トンネル酸化物上の高ドープのｎ型シリコン又はｐ型シリコンによって生成され得る。トンネル酸化物の上方のこのシリコンへのドーピングはトンネル酸化物の下方のシリコンベース内にバンド曲がりを引き起こすので、シリコンベースへのより高いドーピングはもはや必要ではない。高ドープｎ型シリコンでは、電子だけがトンネル酸化物を通過し、電子流とも呼ばれる。一方、高ドープｐ型シリコンでは、いわゆる正孔流だけが起こる。そして、電子は高ドープｐ型シリコンからシリコンベースに入る。金属電極自体は、トンネル酸化物の上方の高ドープのｎ型シリコン又はｐ型シリコンとのみ、依然として電気的に且つ機械的にコンタクトしている。トンネル酸化物と組み合わせた高ドープシリコン領域の選択性は、ドーピングに応じて、金属／シリコンコンタクト面における一方のタイプの電荷キャリアのほぼ排他的な輸送を確実にするとともに、界面再結合を最小限にする。提示された構造は、さらに、トンネル酸化物側のシリコンベース表面でのオージェ再結合をさらに低減するが、これは、ｐｎ接合のための高ドーピング又はベースとのオーミックコンタクトがこの界面で必要とされないためである。不動態化されたコンタクトを有するバックコンタクト型太陽電池は、これまでにη＝２６．７％という記録的な効率に達している。しかしながら、そのような太陽電池の製造はこれまで非常に複雑であったが、これは、異なるドーピングをされた前記２つの選択的コンタクトは、種々の複雑なマスキングステップ及び構造化ステップを使用してしか付与することができないからである。この場合、マスキング／構造化の高精度及び微細解像度が確保されなければならない。選択的コンタクトの間隔は、大き過ぎるものであってはならず、自由電荷キャリアの拡散長を超えるべきではなく、またベース内の横方向電流の流れによる内部直列抵抗の増加を引き起こすべきではない。
これらの欠点は、本発明に係る太陽電池及び本発明に係る前記太陽電池を製造する方法によって解決される。同時に、本発明に係る方法は、低いプロセスコストを有する工業的製造を可能にする。
本発明によれば、オモテ面及び裏面を有する半導体基板、特にシリコンウェハ、を含むバックコンタクト型太陽電池であって、裏面に第１の極性の電極及び第２の極性の電極を備えるバックコンタクト型太陽電池について、第１の極性の電極を、第１の極性の高ドープシリコン層上に配置し、該高ドープシリコン層を、半導体基板上に配置された第１のパッシベーション層上に配置し、第２の極性の電極を、半導体基板の第２の極性の高ドープベース領域を介して半導体基板に直接電気的に且つ機械的にコンタクトさせることが提案される。
したがって、本発明によって提案されるバックコンタクト型太陽電池の場合には、両方のコンタクト概念が組み合わされるように、第１の極性の電極と第２の極性の電極とに異なるコンタクト概念を使用することが提案される。第１の極性の電極については、これらの電極を、トンネル層とも呼ばれるパッシベーション層上に堆積（deposit）された高ドープシリコン層にコンタクトさせることが提案される。第２の極性の電極については、これらの電極を半導体基板に直接コンタクトさせることが提案される。このことは、製造中におけるマスキング及びマスキング除去を必要とする。
一実施形態によれば、第２の極性の高ドープベース領域は、太陽電池の裏面の第２の極性のドープベース領域内に形成するものとし、前記高ドープベース領域におけるドーパント濃度はドープベース領域におけるドーパント濃度よりも高いものとし、前記高ドープベース領域内のドーピング濃度は、太陽電池のオモテ面のドープされた領域のドーパント濃度よりも高いものとする。裏面のドープベース領域は、１×１０１７ｃｍ－３～１×１０１９ｃｍ－３という表面のドーパント濃度を有する。オモテ面全体のドーピングもまた、１×１０１７ｃｍ－３～１×１０１９ｃｍ－３という表面のドーパント濃度を有してもよい。ベースコンタクトのための前記高ドープベース領域の、表面のドーパント濃度は、好ましくはドーパント濃度２×１０１９ｃｍ－３を上回る。
一実施形態によれば、第２のパッシベーション層には、第１の極性の電極はコンタクトしておらず、第２の極性の電極はコンタクトしていない、裏面の表面領域上に配置されるものとする。この場合、第２のパッシベーション層は、第１のパッシベーション層よりも厚い。異なる極性の２つの電極間の領域は、第２のパッシベーション層が配置されている領域、並びに第１のパッシベーション層及び第２のパッシベーション層を含む積層物が配置されている領域、を含む。
したがって、本発明に係る太陽電池の表面は、異なるドープを受けた以下の領域：
●太陽電池の裏面の、半導体基板上に配置された第１のパッシベーション層上の第１の極性の高ドープ多結晶シリコン層、ここで該高ドープ多結晶シリコン層のドーパント濃度はベースのドーパント濃度よりも高い；
●前記裏面の、第２の極性のドープされた単結晶ベース領域、ここで該ドープベース領域のドーパント濃度はベースのドーパント濃度よりも高い；
●前記裏面の、前記ドープベース領域内の第２の極性の高ドープ単結晶ベース領域、ここで該高ドープベース領域のドーパント濃度は、ベースのドーパント濃度及び前記ドープベース領域のドーパント濃度よりも高い；
●オモテ面全体の第１の極性又は第２の極性のドープされた単結晶表面、ここで該ドープされた表面のドーパント濃度はベースのドーパント濃度よりも高い
を含む。
さらなる実施形態は、上述の実施形態に係るバックコンタクト型太陽電池を製造する方法に関する。
太陽電池の半導体基板は、裏面、特には研磨若しくはテクスチャ形成された（textured）裏面、及びオモテ面、特にはテクスチャ形成された（textured）オモテ面、を有する。テクスチャ形成は、例えば、湿式化学溶液によって行われる。
第１のパッシベーション層、特には二酸化シリコンを含む第１のパッシベーション層が、裏面の表面上に、及び／又はオモテ面の表面上に、付与される。第１のパッシベーション層は、例えば、好ましくは４ｎｍ以下の厚さを有する。第１のパッシベーション層は、例えば、熱プロセス若しくは湿式化学プロセスで、又は堆積によって、作製される。
一実施形態によれば、前記方法は、裏面及び／又はオモテ面の第１のパッシベーション層上に第１の極性の高ドープシリコン層、特には全表面にわたる第１の極性の高ドープシリコン層、を堆積（deposit）させるステップをさらに含む。第１の極性の高ドープシリコン層の堆積（deposition）は、例えば、プラズマ支援化学気相成長ＰＥＣＶＤ、常圧化学気相成長ＡＰＣＶＤ、低圧化学気相成長ＬＰＣＶＤ、又はカソードスパッタリングによって行うことができる。第１の極性の高ドープシリコン層は、おおよそ、５０ｎｍ～４００ｎｍの厚さを有する。前記高ドープシリコン層のドーパント濃度は、半導体基板のドーパント濃度よりも高い。シリコン層内にｉｎ ｓｉｔｕで付与（deposit）されるドーパントは、例えば、ホウ素、アルミニウム又はガリウムである。
第１の極性の高ドープシリコン層の堆積（deposition）は、１つのステップではなく２つのステップで行うこともできる。この場合、最初にドープされていないシリコンが堆積（deposit）され、その後にドーパントが導入される。前記ドーパントは、例えば、イオン注入若しくはドーパント源の使用、及びその後の熱プロセスによる拡散若しくはレーザー拡散によって導入される。前記ドーパントは、例えば、ホウ素、アルミニウム又はガリウムである。拡散はまた、後の時点でのみ起こるようにしてもよい。例えば、前記方法は、さらなるドーパントを導入する後のステップも含むことができる。この場合、前記ドーパントの拡散は、一般的な熱プロセスにおいて第２のドーパントの拡散と同時に起こってもよい。
一実施形態によれば、誘電体層が裏面に付与されるものとする。前記誘電体層は、例えば、シリコン窒化物、シリコン酸化物、炭化シリコン又は酸化アルミニウムを含む。前記誘電体層は、後に付与されるドーパント、例えばリン、に対するいわゆる拡散障壁として機能し、後に付与される湿式化学溶液に対するエッチング耐性を有する。前記誘電体層は、例えば、第１のパッシベーション層よりも大きい厚さ、好ましくは４ｎｍを超える厚さを有する。
一実施形態によれば、裏面の前記誘電体層及び前記第１の極性の高ドープシリコン層及び前記第１のパッシベーション層を局所的に除去することにより、裏面の半導体基板のベース領域が露出されるものとする。個々の層は、例えば、レーザー照射によって少なくとも部分的に除去される。
一実施形態によれば、半導体基板の一部が、裏面の、半導体基板のベース領域内で局所的に除去されるものとする。これもレーザー照射によって実現することができる。
一実施形態によれば、裏面の半導体基板のベース領域を露出させることは、ベース領域内で局所的に、第１の極性の高ドープシリコン層及び／又は第１のパッシベーション層及び／又は半導体基板の一部をエッチングすることを含むものとする。例えば、湿式化学溶液が、先にレーザー照射されたベース領域において前記高ドープシリコン層、第１のパッシベーション層及び半導体基板の一部をエッチングするものとしてもよい。あるいは、湿式化学溶液は、前記高ドープシリコン層のみ又は半導体基板の一部のみをエッチングするものとしてもよい。この場合、その他の層、例えば第１のパッシベーション層又は前記高ドープシリコン層はレーザー照射によって除去される。有利には、高ドープシリコン層（任意に（optionally）半導体基板のオモテ面に堆積（deposit）されている）、及び／又は半導体基板のオモテ面に堆積（deposit）されたパッシベーション層もまた、湿式化学溶液によってエッチングされるようにしてもよい。
前記エッチングすることが領域を研磨するための等方性エッチングを含むようにしても、及び／又は前記エッチングすることが領域をテクスチャ形成（texturing）するための異方性エッチングを含むものとしてもよい。例えば、ベース領域は、裏面で湿式化学溶液を使用して等方性エッチングすることにより研磨してもよい。あるいは、ベース領域は、裏面において湿式化学溶液を使用して異方性エッチングすることによりテクスチャ形成する（textured）ことができる。オモテ面が湿式化学溶液を使用した異方性エッチングによりテクスチャ形成される（textured）ことも有利であり得る。異なる層を除去し、また任意に（optionally）表面をテクスチャ形成及び／又は研磨するために、異なる湿式化学溶液を使用してもよい。
一実施形態によれば、前記方法は、ドーパントを含む前駆体層、特にはリンを含む前駆体層、を裏面に、又は裏面及びオモテ面に、設ける（attach）ステップを含むものとする。前駆体層は、１つの方法ステップで、又は異なる方法ステップ（複数形）で、オモテ面及び裏面に堆積（deposit）することができる。オモテ面及び裏面の前駆体層は、同じ特性又は異なる特性を有することができる。前駆体層は、第２の極性のドーパントを含む層であり、特にはリンケイ酸ガラス層ＰＳＧである。前駆体層は、特には誘電体層上に付与され、特には裏面及びオモテ面の湿式化学エッチングされた領域上に付与される。第１の極性の高ドープシリコン層がｐ型シリコン層である場合、シリコンを第２の極性によってドープするための前駆体層におけるドーパントは、例えばリンである。前駆体層を付与するためには、例えば、裏面及びオモテ面で、先にエッチングされた領域上でリンケイ酸ガラス層が成長する炉拡散プロセスを行うことができる。特定の場合には、ＰＳＧ層は、裏面の誘電体層上でも成長し得る。炉拡散プロセスは、炉拡散プロセスの後におけるリンケイ酸ガラス層内に高比率のリンが含まれるように行うことができる。さらなる実施形態では、前駆体層、例えばＰＳＧは、例えばＰＥＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ又はＡＰＣＶＤによって堆積（deposit）することができる。
一実施形態によれば、ドーパントが前駆体層から裏面のベース領域内に且つ／又はオモテ面の表面内に拡散する高温ステップを用いて、裏面のベース領域内のドーピングを増加させ、且つ／又はオモテ面にドープされた領域を生み出すものとする。ドーパントは、裏面のベース領域を、高ドープシリコン層の第１の極性とは逆の第２の極性によってドープし、したがってドープベース領域が形成される。裏面の前記ドープベース領域は、半導体基板のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度を有する。裏面では、誘電体層が前駆体層からのドーパントに対する拡散障壁として機能するので、ドーパントは前駆体層から高ドープシリコン層内に拡散しない。オモテ面では、第２の極性による表面のドーピングによってオモテ面にドープされた領域が形成される。オモテ面の前記ドープされた領域のドーパント濃度は、半導体基板のドーパント濃度よりも高い。前記高温ステップは、例えば、前駆体層を付与するための前記炉拡散ステップである。あるいは、前記高温ステップは、追加的な高温ステップであってもよい。
前記高温ステップは、例えば、第２ドーパントの一部のみが前駆体層から裏面のベース領域内に拡散するように行うことができる。
一実施形態によれば、ドーパント濃度を局所的に増加させることにより、特にはレーザー照射によって増加させることにより、裏面のベース領域内に高ドープベース領域が形成されるものとする。レーザー照射の結果、照射領域内における裏面の表面は局所的に加熱され溶融する。前駆体層からのさらなるドーパントは、照射領域内における表面内へと拡散し、冷却及び再結晶化後に、高ドープベース領域が形成されるように照射領域を第２の極性によってさらにドープする。高ドープベース領域におけるドーパント濃度は、半導体基板のドーパント濃度よりも著しく高く、裏面のドープベース領域におけるドーパント濃度よりも高く、且つオモテ面の前記ドープされた領域におけるドーパント濃度よりも高い。
レーザー照射によって高ドープベース領域を生み出すことにより、ドーピング、特には太陽電池のオモテ面に最適化されたドーピングを、先行する前記炉拡散ステップで有利に作ることができる。オモテ面は、理想的には、裏面のベース領域よりも低度にドープされる。オモテ面及び裏面が１つのみの共通プロセスステップでドープされる場合、ドーピングの妥協が必要とされる。この欠点は、レーザー照射により裏面に高ドープベース領域を作ることによって解決される。
一実施形態によれば、前記方法は、前駆体層、特にリンケイ酸ガラス、をオモテ面から、及び／又は裏面から除去するステップを含むものとする。この除去は、例えば、湿式化学洗浄ステップで行われる。有利には、前記湿式化学洗浄ステップ又は化学洗浄後のさらなるステップは、誘電体層の残留している残渣も高ドープシリコン層から除去する。
一実施形態によれば、前記方法は、裏面の第２のパッシベーション層及び／又はオモテ面の第３のパッシベーション層を付与するステップを含むものとする。パッシベーション層は、例えば、二酸化シリコン、シリコン窒化物、酸化アルミニウム、又は２層以上の誘電体層からなる積層物を含む。この場合、裏面のパッシベーション層の厚さ、屈折率及び組成は、オモテ面のパッシベーション層の厚さ、屈折率及び組成とは異なっていてもよい。パッシベーション層の厚さは、有利には、反射がオモテ面で低減され、裏面で増加するように最適化される。第２のパッシベーション層及び／又は第３のパッシベーション層は、有利には、第１のパッシベーション層よりも大きい厚さを有する。第２のパッシベーション層及び／又は第３のパッシベーション層の厚さは、有利には４ｎｍより大きい。
一実施形態によれば、前記方法は、裏面の第２のパッシベーション層を選択的に除去するステップを含むものとする。パッシベーション層は局所的に除去することができるが、これは例えばレーザー照射によってなされる。
一実施形態によれば、前記方法は、太陽電池の裏面に第１の極性の電極及び第２の極性の電極を付与するステップを含むものとする。電極は、例えば、１種又は複数種の金属又は他の導電層をスクリーン印刷、蒸着、スパッタリング、又はガルバニック堆積（galvanic deposition）することによって付与することができる。電極は、例えば、銀ペースト、銀／アルミニウムペースト、アルミニウムペースト若しくは純アルミニウム、銅、スズ、パラジウム、銀、チタン、ニッケル、若しくは上述の金属の積層物若しくは合金、又はその他の導電層、特には導電性ポリマー若しくは導電性酸化物、又はそのような層と金属との組み合わせ、を含んでもよい。電極の組成及び付与（deposition）プロセスは、２つの極性の電極について異なっていてもよい。好ましくは、第２の極性の電極は、高ドープベース領域のみにコンタクトしており、ドープベース領域にはコンタクトしていない。
本発明はまた、上記の極性がそれぞれ上記の極性とは反対の極性を含む太陽電池及び太陽電池を製造する方法に関する。その場合、太陽電池は、例えば、ｐ型のドープされたベース、それに対応してｎ型のドープされたエミッタ、及びさらに対応して表面のｐ型ベースドーピング、を含む。
本発明のさらなる特徴、可能な用途、及び利点は、図面の図に示されている本発明の実施形態についての以下の説明から明らかになる。この場合、記載又は図示される特徴はすべて、それ自体又は任意に組み合わせて本発明の主題を形成するが、このことには特許請求の範囲におけるそれら特徴のグループ化又はそれらの従属関係は影響せず、そして明細書又は図面におけるそれら特徴の記載文言又は表示も影響しない。
図１は本発明に係る太陽電池の詳細の模式図である。 図２ａ～図２ｈは太陽電池を製造する方法の種々のステップにおける図１に係る太陽電池を示す。 図２ａ～図２ｈは太陽電池を製造する方法の種々のステップにおける図１に係る太陽電池を示す。 図２ａ～図２ｈは太陽電池を製造する方法の種々のステップにおける図１に係る太陽電池を示す。 図２ａ～図２ｈは太陽電池を製造する方法の種々のステップにおける図１に係る太陽電池を示す。 図２ａ～図２ｈは太陽電池を製造する方法の種々のステップにおける図１に係る太陽電池を示す。 図２ａ～図２ｈは太陽電池を製造する方法の種々のステップにおける図１に係る太陽電池を示す。 図２ａ～図２ｈは太陽電池を製造する方法の種々のステップにおける図１に係る太陽電池を示す。 図２ａ～図２ｈは太陽電池を製造する方法の種々のステップにおける図１に係る太陽電池を示す。
図１は、半導体基板１２、特にはシリコンウェハ、裏面１４、及び太陽電池の動作中に太陽に面するオモテ面１６を有する太陽電池１０の詳細を示す。シリコンウェハ１２は、ｎ型ドープされていても、ｐ型ドープされていてもよい。太陽電池１０は、シリコンウェハ１２の、つまり「ベース」の、ｎ型ドーピングに基づいた例を参照して説明する。
太陽電池１０のオモテ面１６は、好ましくはテクスチャ形成されている（textured）。太陽電池１０の裏面１４は研磨又はテクスチャ形成されていてよく、特には異なる領域において研磨又はテクスチャ形成されていてよい。
裏面１４には、多結晶高ドープｐ型シリコン層２０が設けられる。これにより、裏面１４に第１のドーピング濃度を有する第１の極性が形成される。高ドープｐ型シリコン層２０の領域内では、特に二酸化シリコンを含む第１のパッシベーション層１８、特には二酸化シリコンを含む第１のパッシベーション層１８が、シリコンウェハ１２の表面を不動態化する。さらに、第１の極性とは反対の第２の極性のドープベース領域２４が設けられる。裏面１４のドープベース領域２４は、半導体基板１２と比較して、同じ極性を有するが、より高いドーパント濃度を有する。
ドープ領域２８はオモテ面１６に位置する。ドープ領域２８も同様に、半導体基板１２と比較して、同じ極性を有するが、より高いドーパント濃度を有する。
高ドープベース領域３０が、裏面のドープベース領域２４内に形成される。高ドープベース領域も同様に、第２の極性を有するが、半導体基板１２よりも、ドープベース領域２４よりも、そしてドープ領域２８よりも、顕著に高いドーパント濃度を有する。
太陽電池１０は、裏面１４に第２のパッシベーション層３２、及びオモテ面１６に第３のパッシベーション層３４をさらに含む。パッシベーション層３２は、電極３６、３８とコンタクトしていない領域内で、高ドープシリコン層２０、ドープベース領域２４、及び高ドープベース領域３０を少なくとも部分的に覆う。第２のパッシベーション層３２、例えば誘電体層又は誘電体積層物によって形成された第２のパッシベーション層３２は、好ましくは、第１のパッシベーション層１８よりも大きい厚さ、好ましくは４ｎｍを超える厚さを有する。第２のパッシベーション層３２は、例えば、二酸化シリコン、シリコン窒化物、若しくは酸化アルミニウムからなるものであってもよく、又はこれらの層の積層物からなるものであってもよい。パッシベーション層３２の厚さ及び屈折率は、太陽電池によって吸収されなかった電磁放射線のうち可能な限り多くを裏面で反射して太陽電池内へ戻すように、最適化することができる。
オモテ面１６の第３のパッシベーション層３４もまた、好ましくは、第１のパッシベーション層１８よりも大きい厚さ、好ましくは４ｎｍを超える厚さを有する。第３のパッシベーション層３４は、例えば、二酸化シリコン、窒化シリコン、若しくは酸化アルミニウムからなっていてもよく、又はこれらの層の積層物からなっていてもよい。第３のパッシベーション層３４の厚さ及び屈折率は、オモテ面１６に入射する電磁放射線のうち可能な限り多くが反射及び吸収されないように、最適化することができる。
太陽電池１０は、裏面１４に、第１の極性の電極３６及び第２の極性の電極３８を含む。第１の極性の電極３６は、第１のパッシベーション層１８上に堆積（deposit）された第１の極性の高ドープシリコン層２０にコンタクトする。有利には、電極３６は、第１のパッシベーション層１８を貫通していない。しかしながら、電極３６は第１のパッシベーション層１８を部分的に貫通し、半導体基板１２にコンタクトすることが起こり得る。第２の極性の電極３８は、ドープベース領域２４内で、好ましくはドープベース領域２４の高ドープ領域３０内でのみ、半導体基板１２と電気的に且つ機械的に直接コンタクトする。
電極３６、３８がコンタクトしていない領域は、第１の極性の第１のパッシベーション層１８及び高ドープシリコン層２０の積層物によって覆われて不動態化される、またはドープベース領域２４及び高ドープベース領域３０内の第２のパッシベーション層３２によって覆われて不動態化されることができる。第２のパッシベーション層３２は、コンタクト非形成領域内で高ドープシリコン層２０を覆うこともできる。
好ましくは、第２の極性の電極３６が電気的にコンタクトする表面は、第２の極性の高ドープベース領域３０の表面に対応する。
太陽電池１０の製造プロセスについて、図２ａ～図２ｈを参照して以下に説明する。図２ａ～図２ｈは、高ドープシリコン層２０の領域内の不動態化コンタクト及び高ドープベース領域３０の領域内の拡散コンタクトを有するバックコンタクト型太陽電池１０を製造するためのプロセスシーケンスを例示する。半導体基板１２は、出発原料として、ｎ型ドープであってもｐ型ドープであってもよい。プロセスシーケンスは、ウェハの、つまり「ベース」の、ｎ型ドーピングに基づいて説明される。
図２ａは、研磨された裏面１４及びテクスチャ形成されたオモテ面１６を有するシリコンウェハ１２の初期形態を示す。さらなる初期形態（図示せず）によれば、オモテ面及び裏面は、どちらも研磨されていてもよく、またはどちらもテクスチャ形成されていてもよい。図示の実施形態によれば、好ましくは約４ｎｍ以下の厚さを有する第１のパッシベーション層１８、例えば二酸化シリコンが、例えば熱プロセス若しくは湿式化学プロセスで又は堆積（deposition）によって、オモテ面１６及び裏面１４に形成される。あるいは、図示されていない第１のパッシベーション層のさらなる実施形態によれば、堆積（deposition）は裏面１４でのみ行われてもよい。
次のステップでは、図２ｂを参照すると、第１の極性の高ドープシリコン層２０、特には全表面の高ドープシリコン層２０、が裏面１４のトンネル層１８上に堆積（deposit）される。以下では、高ドープシリコン層の第１の極性がｐ型ドーピングであると仮定する。高ドープｐ型シリコン層２０の堆積（deposition）は、例えば、プラズマ支援化学気相成長ＰＥＣＶＤ、常圧化学気相成長ＡＰＣＶＤ、低圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）、又はカソードスパッタリングによって行うことができる。高ドープｐ型シリコン層２０は、５０ｎｍ～４００ｎｍ程度の厚さを有する。図示されていないさらなる実施形態によれば、高ドープシリコン層の堆積（deposition）は、両面、すなわちオモテ面及び裏面で行うこともできる。
高ドープｐ型シリコン層２０の堆積（deposition）は、１つのステップで行う代わりに２つのステップで行うことができる。この場合、ｐ型シリコン層２０の堆積（deposition）は、非ドープのシリコンの堆積（deposition）及びその後のドーパントの導入を含む。ドーパントは、例えば、シリコン層に適用されるドーピング源からの炉拡散又はレーザー拡散によって、又はイオン注入によって導入される。ドーパントは、例えば、ホウ素、アルミニウム、又はガリウムである。
前記方法の次のステップでは、図２ｃを参照すると、誘電体層２２が、裏面１４で高ドープシリコン層２０上に堆積（deposit）される。層の堆積（deposition）は、裏面１４でのみ行われる。オモテ面１６の寄生堆積（deposition）を完全に排除することはできない。誘電体層２２は、例えば、ＰＥＣＶＤ、ＡＰＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ、又はＰＶＤによって堆積（deposit）される。誘電体層２２は、第１のパッシベーション層１８の厚さよりも大きい厚さを有し、したがって４ｎｍよりも厚い。
図２ｄは、誘電体層２２、第１の極性の高ドープシリコン層２０、及び第１のパッシベーション層１８を局所的に除去することにより、裏面１４において半導体基板１２のベース領域２４を露出させるさらなる方法ステップを示す。さらに、オモテ面１６のパッシベーション層１８の除去が示されている。図示されていないさらなる実施形態では、オモテ面１６のシリコン層の除去も必要であり得る。
ベース領域２４の露出は、例えば、レーザー照射による誘電体層２２の局所的な除去によって行われる。また、第２の誘電体層２２を完全には除去しないことも考えられる。
高ドープシリコン層２０、第１のパッシベーション層１８、及び任意に（optionally）半導体基板１２の一部も同様に、レーザー照射によって少なくとも部分的に局所的に除去することができる。
あるいは、高ドープシリコン層２０及び／又は第１のパッシベーション層１８は、湿式化学溶液によって局所的に、部分的にエッチングしてもよい。誘電体層２２は、有利には、湿式化学溶液が誘電体層２２をエッチングしないか、又は高ドープシリコン層２０及び第１のパッシベーション層１８よりも実質的にゆっくりとエッチングするように選択された。どの層がレーザー照射によって既に先だって除去されているかに応じて、湿式化学溶液は任意に（optionally）、誘電体層２２、オモテ面１６の第１のパッシベーション層１８、並びに任意に（optionally）オモテ面１６及び裏面１４の半導体基板の一部、の残留する残渣もエッチングする。あるいは、第１のパッシベーション層１８は、第１のパッシベーション層及び半導体基板１２がエッチングされないように、エッチング障壁として機能することもできる。高ドープシリコン層がオモテ面１６にも配置される場合には、さらなる実施形態（図示せず）ではこの層もエッチングされる。
前記エッチングすることは領域を研磨するための等方性エッチングを含むものとし、及び／又は前記エッチングすることは領域をテクスチャ形成するための異方性エッチングを含むものとすることができる。例えば、裏面１４において、ベース領域２４は、湿式化学溶液を使用して等方性エッチングすることによって研磨することができる。あるいは、裏面１４において、ベース領域２４は、湿式化学溶液を使用して異方性エッチングすることによりテクスチャ形成することができる。湿式化学溶液を使用した異方性エッチングにより、オモテ面１６にテクスチャ形成する場合も有利であり得る。異なる層及び表面を除去し、任意に（optionally）テクスチャ形成及び／又は研磨するために、異なる湿式化学溶液を使用してもよい。
図２ｅは、太陽電池１０の裏面１４全体及びオモテ面１６全体の前駆体層２６の堆積（deposition）を示す。オモテ面１６及び裏面１４への堆積（deposition）は、例えば同時に行われる。オモテ面１６及び裏面１４の前駆体層２６は異なる特性を有していてもよく、例えば、厚さ又は前駆体層２６に含まれるドーパント量に関して異なる特性を有していてもよい。裏面では、異なる表面上の前駆体層２６、誘電体層２２、又は露出したベース領域２４は、異なるやり方で堆積（deposit）させることができ、したがって異なる特性を有することができる。前駆体層２６は、第２の極性のドーパントを含む層、特にはリンケイ酸ガラス層ＰＳＧである。前駆体層２６を付与するためには、例えば、裏面１４及びオモテ面１６の高ドープシリコン層２０上にリンケイ酸ガラス層が成長する炉拡散プロセスを行うことができる。炉拡散プロセスは、炉拡散プロセスの後にはリンケイ酸ガラス層内に高比率のリンが含まれることになるように行うことができる。あるいは、前駆体層２６、例えばＰＳＧは、例えばＰＥＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ又はＡＰＣＶＤによって堆積（deposit）させることができる。
ドーパントが前駆体層２６から裏面１４のベース領域２４内に、及び／又はオモテ面１６の表面内に拡散する高温ステップでは、裏面１４のベース領域２４内のドーピングが増加し、且つ／又はドープ領域２８がオモテ面１６に形成される。ドーパントは、裏面１４のベース領域２４を、高ドープシリコン層２０の第１の極性とは逆の第２の極性によってドープし、したがってドープベース領域２４が形成される。裏面１４のドープベース領域２４は、半導体基板１２のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度を有する。裏面１４では、誘電体層２２が前駆体層２６からのドーパントに対する拡散障壁として機能するので、ドーパントは前駆体層２６から高ドープシリコン層２０内に拡散しないか、又は少量しか拡散しない。オモテ面１６では、オモテ面１６の前記ドープ領域２８は、第２の極性による表面のドーピングによって形成される。オモテ面１６の前記ドープされた領域２８のドーパント濃度は、半導体基板１２のドーパント濃度よりも高い。前記高温ステップは、例えば、前駆体層２６を付与するための炉拡散ステップである。あるいは、前記高温ステップは、追加的な高温ステップであってもよい。
前記高温ステップは、例えば、第２のドーパントの一部のみが前駆体層から裏面のベース領域内に拡散するように行うことができ、その場合したがって、その後かなりの量のドーパントが好ましくは依然として前駆体層２６内に位置する。前記高温ステップはまた、高ドープ層２０内のドーパントを活性化する機能も果たすことができる。
図２ｆは、ドーパント濃度を局所的に増加させることにより、特にはレーザー照射によって増加させることにより、ドープベース領域２４内に高ドープベース領域３０を生み出すことを示す。レーザー照射の結果として、先に堆積（deposit）された前駆体層２６は溶融又は蒸発し、裏面の表面は照射された領域内で局所的に加熱され溶融する。前駆体層からのさらなるドーパントは、照射された領域で表面内に拡散し、冷却及び再結晶化後に、照射された領域を第２の極性によってさらにドープし、そのようにして高ドープベース領域３０が形成される。高ドープベース領域３０におけるドーパント濃度は、半導体基板１２、ドープベース領域２４、及びオモテ面１６のドープ領域２８のドーパント濃度よりも顕著に高い。レーザーパラメータを適切に選択することにより、高ドープベース領域３０内に局所的に選択的に異なる形で（differently）高ドープ部分を生み出すこともできる。
さらに、特に、前駆体層２６の残留する残渣がオモテ面１６及び裏面１４から除去されるものとする。この除去は、レーザー照射後に、例えば湿式化学洗浄ステップで行われる。有利には、誘電体層２２の残留する残渣もまた、前記湿式化学洗浄ステップ又は化学洗浄後のさらなるステップによって高ドープシリコン層２０から除去される。
前記方法は、裏面１４の第２のパッシベーション層３２、及びオモテ面１６の第３のパッシベーション層３４を付与するステップをさらに含む（図２ｇ参照）。パッシベーション層３２、３４は、例えば、二酸化シリコン、シリコン窒化物、酸化アルミニウム、又は２層以上の誘電体層からなる積層物を含む。この場合、裏面１４の第２のパッシベーション層３２の厚さ、屈折率及び組成は、オモテ面１６の第３のパッシベーション層３４の厚さ、屈折率及び組成とは異なっていてもよい。パッシベーション層３２、３４の厚さは、有利には、反射がオモテ面１６で低減され、裏面１４で増大するように最適化される。パッシベーション層３２、３４は、有利には、第１のパッシベーション層１８よりも大きい厚さを有する。第２のパッシベーション層３２の厚さは、有利には４ｎｍより大きい。パッシベーション層３２、３４の、熱二酸化シリコンの成長のための高温ステップはまた、高ドープ層２０内のドーパントを活性化する機能も果たしてもよい。
前記方法は、太陽電池１０の裏面１４に第１の極性の電極３６及び第２の極性の電極３８を付与するステップをさらに含む（図２ｈ参照）。電極３６、３８は、例えば、１種又は複数種の金属又はその他の導電層のスクリーン印刷、蒸着、スパッタリング、又はガルバニック堆積（deposition）によって付与することができる。電極３６、３８は、例えば、銀ペースト、銀／アルミニウムペースト、アルミニウムペースト若しくは純アルミニウム、銅、スズ、パラジウム、銀、チタン、ニッケル、若しくは上述の金属の積層物若しくは合金、又はその他の導電層、特には導電性ポリマー若しくは導電性酸化物、又はそのような層と金属との組み合わせ、を含むことができる。電極３６、３８の組成及び堆積（deposition）プロセスは、２つの極性の電極３６、３８によって異なり得る。電極３６、３８は、パッシベーション層３２を局所的に貫通することができ、これは特にスクリーン印刷後の高温ステップで起こることができ、電極３６、３８の極性に応じて、ドープベース領域２４、高ドープシリコン層２０、又は高ドープベース領域３０のいずれかにコンタクトすることができる。好ましくは、第２の極性の電極３８は、高ドープベース領域３０にのみコンタクトし、ドープベース領域２４にはコンタクトしない。
任意に（optionally）、電極３６、３８を付与する前に、これら電極が、選択的に除去された領域内でのみ、高ドープシリコン層２０に直接コンタクトする、又は局所的に高ドープベース領域３０に直接コンタクトするように、パッシベーション層３２を選択的に除去、例えばレーザー照射によって選択的に除去、することができる。
一方の極性のコンタクトがオモテ面（ｆｒｏｎｔ ｓｉｄｅ）に配置され、反対の極性のコンタクトが裏面（ｂａｃｋ ｓｉｄｅ）に配置された太陽電池が知られている。太陽に面する面はオモテ面と呼ばれ、したがって裏面は遠い方を向いている面を指す。オモテ面に配置されたコンタクトによるシャドーイングに起因する損失を最小限に抑え、それにより効率を高めるために、両方のコンタクトタイプ、すなわちエミッタコンタクト及びベースコンタクトが半導体基板の裏面に配置されるバックコンタクト型太陽電池が開発されている。
バックコンタクト型太陽電池は、例えば、ＵＳ２０２０／２７９９６８Ａ１、ＵＳ２０１４／０９６８２１Ａ１、ＵＳ２０１４／３３８７４７Ａ１、ＣＮ２０９０８７８８３Ｕ、及びＵＳ２０１７／１１７４３３Ａ１から知られている。
本発明によれば、請求項１に係るバックコンタクト型太陽電池が提案される。該バックコンタクト型太陽電池は、オモテ面及び裏面を有する半導体基板、特にシリコンウェハ、を含み、前記太陽電池は、裏面に第１の極性の電極及び第２の極性の電極を備え、ここで、第１の極性の電極を、第１の極性の高ドープシリコン層上に配置し、該高ドープシリコン層を、半導体基板上に配置された第１のパッシベーション層上に配置し、第２の極性の電極を、半導体基板の第２の極性の高ドープベース領域を介して半導体基板に直接電気的に且つ機械的にコンタクトさせることが提案される。
第２の極性の高ドープベース領域は、太陽電池の裏面の第２の極性のドープベース領域内に形成するものとし、前記高ドープベース領域におけるドーパント濃度はドープベース領域におけるドーパント濃度よりも高いものとし、前記高ドープベース領域内のドーピング濃度は、太陽電池のオモテ面のドープされた領域のドーパント濃度よりも高いものとする。裏面のドープベース領域は、１×１０１７ｃｍ－３～１×１０１９ｃｍ－３という表面のドーパント濃度を有する。オモテ面全体のドーピングもまた、１×１０１７ｃｍ－３～１×１０１９ｃｍ－３という表面のドーパント濃度を有してもよい。ベースコンタクトのための前記高ドープベース領域の、表面のドーパント濃度は、好ましくはドーパント濃度２×１０１９ｃｍ－３を上回る。

Claims (17)

  1. オモテ面（１６）及び裏面（１４）を有する半導体基板（１２）、特にはシリコンウェハ、を含むバックコンタクト型太陽電池（１０）であり、前記太陽電池（１０）は、前記裏面に第１の極性の電極（３６）及び第２の極性の電極（３８）を含む、バックコンタクト型太陽電池（１０）であって、
    前記第１の極性の電極（３６）が、第１の極性の高ドープシリコン層（２０）上に配置され、前記高ドープシリコン層（２０）が、前記半導体基板上に配置された第１のパッシベーション層（１８）上に配置され、前記第２の極性の電極（３８）が、前記半導体基板（１２）の第２の極性の高ドープベース領域（３０）を介して前記半導体基板（１２）に直接電気的に且つ機械的にコンタクトすることを特徴とする、バックコンタクト型太陽電池（１０）。
  2. 前記第２の極性の高ドープベース領域（３０）が、前記太陽電池（１０）の前記裏面（１４）の第２の極性のドープベース領域（２４）内に形成され、前記高ドープベース領域（３０）におけるドーパント濃度が、前記ドープベース領域（２４）におけるドーパント濃度よりも高く、前記高ドープベース領域（３０）におけるドーパント濃度が、前記太陽電池（１０）の前記オモテ面（１６）のドープ領域（２８）のドーパント濃度よりも高いことを特徴とする、請求項１に記載のバックコンタクト型太陽電池（１０）。
  3. 第２のパッシベーション層（３２）が、前記第１の極性の電極（３６）がコンタクトしておらず、前記第２の極性の電極（３８）がコンタクトしていない前記裏面（１４）の表面領域上に配置され、前記第２のパッシベーション層が前記第１のパッシベーション層よりも厚いことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のバックコンタクト型太陽電池（１０）。
  4. 前記太陽電池（１０）の半導体基板（１２）が、裏面（１４）、特には研磨若しくはテクスチャ形成された裏面（１４）、及びオモテ面（１６）、特にはテクスチャ形成されたオモテ面（１６）、を有する、請求項１～３の少なくとも一項に記載のバックコンタクト型太陽電池を製造する方法であって、
    第１のパッシベーション層（１８）、特には二酸化シリコンを含む第１のパッシベーション層（１８）が、前記オモテ面（１６）の表面上に且つ／又は前記裏面（１４）の表面上に付与されることを特徴とする、方法。
  5. 前記方法が、前記裏面（１４）の前記第１のパッシベーション層（１８）上に第１の極性の高ドープシリコン層（２０）、特に全表面の高ドープシリコン層（２０）、を堆積（deposit）させるステップを含むことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
  6. 誘電体層（２２）が前記裏面（１４）に付与されることを特徴とする、請求項４又は請求項５に記載の方法。
  7. 前記裏面（１４）の前記誘電体層（２２）及び前記第１の極性の高ドープシリコン層（２０）及び前記第１のパッシベーション層（１８）を局所的に除去することにより、前記裏面（１４）の前記半導体基板のベース領域（２４）が露出されることを特徴とする、請求項４～６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記半導体基板（１２）の一部が、前記ベース領域（２４）内で局所的に除去されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
  9. 前記裏面の、前記半導体基板の前記ベース領域（２４）を露出させることが、前記ベース領域（２４）内で局所的に、前記第１の極性の高ドープシリコン層（２０）をエッチングすること及び／又は前記第１のパッシベーション層（１８）をエッチングすること及び／又は前記半導体基板の一部をエッチングすることを含むことを特徴とする、請求項７又は請求項８に記載の方法。
  10. 前記エッチングすることが領域を研磨するための等方性エッチングを含み、及び／又は前記エッチングすることが領域をテクスチャ形成するための異方性エッチングを含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
  11. 前記方法が、ドーパント、特にはリン、を含む前駆体層（２６）を、前記裏面（１４）に、又は前記裏面（１４）及び前記オモテ面（１６）に設ける（attach）ステップを含むことを特徴とする、請求項４～１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記ドーパントが前記前駆体層（２６）から前記裏面（１４）のベース領域（２４）内に及び／又は前記オモテ面（１６）の表面内に拡散する高温ステップによって、前記裏面のベース領域（２４）内のドーピングを増加させ、及び／又は前記オモテ面（１６）にドープ領域（２８）を生み出すことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
  13. ドーパント濃度を局所的に増大させることにより、特にはレーザー照射によって増大させることにより、前記裏面（１４）のドープベース領域（２４）内に高ドープベース領域（３０）が形成されることを特徴とする、請求項４～１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記方法が、前駆体層（２６）、特にリンシリケートガラス、を前記オモテ面（１６）から、及び／又は前記裏面（１４）から除去するステップを含むことを特徴とする、請求項１１～１３の少なくとも一項に記載の方法。
  15. 前記方法が、前記裏面（１４）の第２のパッシベーション層（３２）及び／又は前記オモテ面（１６）の第３のパッシベーション層（３４）を付与するステップを含むことを特徴とする、請求項４～１４の少なくとも一項に記載の方法。
  16. 前記方法が、前記裏面（１４）の前記第２のパッシベーション層（３２）を選択的に除去するステップを含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記方法が、前記太陽電池（１０）の前記裏面（１４）に第１の極性の電極（３６）及び第２の極性の電極（３８）を付与するステップを含むことを特徴とする、請求項４～１６の少なくとも一項に記載の方法。
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