JP3468670B2 - 太陽電池セルおよびその製造方法 - Google Patents
太陽電池セルおよびその製造方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、太陽電池およびそ
の製造方法の改良に関するものである。
の製造方法の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の一般的な太陽電池は、たとえば図
９のような構造を持ち、それは次のようなプロセスで製
造される。以下の説明において受光面を表面といい、そ
の反対側を裏面というものとする。
９のような構造を持ち、それは次のようなプロセスで製
造される。以下の説明において受光面を表面といい、そ
の反対側を裏面というものとする。
【０００３】たとえば図９（ａ）に示されるように、厚
さが３０〜５００μｍで、１×１０ 15ｃｍ-3程度のボロ
ンを含むような単結晶シリコン基板（ウエハ）１００を
用意する。多結晶シリコン基板を使用することも可能で
ある。その裏面に１×１０17ｃｍ-3以上の高濃度のｐ型
拡散層１０２を部分的に形成する。これは部分ＢＳＦ層
となる。方法としては、裏面の拡散層を形成したい領域
のみを残して、他の部分をシリコン酸化膜などのマスク
材料１０１によって覆い、そのウエハをＢＢｒ 3 ガスと
酸素の混合された雰囲気中で、５００〜１２００℃の温
度に加熱することによって、ウエハ全面に高濃度のボロ
ンを含んだ酸化物が形成され、そこからの固相拡散によ
って、裏面のマスクされていない領域のシリコン基板内
にだけ高濃度のボロンが注入され、高濃度のｐ型拡散層
１０２が形成される。
さが３０〜５００μｍで、１×１０ 15ｃｍ-3程度のボロ
ンを含むような単結晶シリコン基板（ウエハ）１００を
用意する。多結晶シリコン基板を使用することも可能で
ある。その裏面に１×１０17ｃｍ-3以上の高濃度のｐ型
拡散層１０２を部分的に形成する。これは部分ＢＳＦ層
となる。方法としては、裏面の拡散層を形成したい領域
のみを残して、他の部分をシリコン酸化膜などのマスク
材料１０１によって覆い、そのウエハをＢＢｒ 3 ガスと
酸素の混合された雰囲気中で、５００〜１２００℃の温
度に加熱することによって、ウエハ全面に高濃度のボロ
ンを含んだ酸化物が形成され、そこからの固相拡散によ
って、裏面のマスクされていない領域のシリコン基板内
にだけ高濃度のボロンが注入され、高濃度のｐ型拡散層
１０２が形成される。
【０００４】その後図９（ｂ）に示すように、ウエハ面
上の酸化物やマスク材料などを取去った後、図９（ｃ）
に示すように、表面に１×１０18ｃｍ-3以上の高濃度な
ｎ型拡散層１０３を形成する。これも同様に裏面をマス
ク材料１０１で覆った後、ＰＯＣｌ3 ガスと酸素の混合
された雰囲気中で、５００〜１２００℃の温度に加熱す
ることによって、ウエハ全面に高濃度のリンを含んだ酸
化物が形成され、そこからの固相拡散によってマスクさ
れていない表面側のシリコン基板内にだけ高濃度のリン
が注入され、ｎ型拡散層１０３が形成される。このよう
にして受光面にｎ+ 拡散層１０３，裏面に部分的にｐ+
拡散層１０２を形成する。マスク材料１０１は除去さ
れ、その後全面はＳｉＯ2 膜１０４で覆われる。
上の酸化物やマスク材料などを取去った後、図９（ｃ）
に示すように、表面に１×１０18ｃｍ-3以上の高濃度な
ｎ型拡散層１０３を形成する。これも同様に裏面をマス
ク材料１０１で覆った後、ＰＯＣｌ3 ガスと酸素の混合
された雰囲気中で、５００〜１２００℃の温度に加熱す
ることによって、ウエハ全面に高濃度のリンを含んだ酸
化物が形成され、そこからの固相拡散によってマスクさ
れていない表面側のシリコン基板内にだけ高濃度のリン
が注入され、ｎ型拡散層１０３が形成される。このよう
にして受光面にｎ+ 拡散層１０３，裏面に部分的にｐ+
拡散層１０２を形成する。マスク材料１０１は除去さ
れ、その後全面はＳｉＯ2 膜１０４で覆われる。
【０００５】図９（ｄ）に示すように、余分な絶縁膜を
取除いた後、絶縁膜を取除いた部分にＡｇ／Ｐｄ／Ｔｉ
からなるＮ電極１０５を櫛型状に、裏面にはＡｇ／Ｐｄ
／Ｔｉ／ＡｌからなるＰ電極１０６を裏面全面に形成
し、部分ＢＳＦ型の単結晶シリコン太陽電池セルが製造
できる。図９（ｅ）はその底面図、図９（ｆ）は図９
（ｅ）のｘ−ｙ断面図である。なお、図示されていない
が受光面には反射防止膜が設けられる。
取除いた後、絶縁膜を取除いた部分にＡｇ／Ｐｄ／Ｔｉ
からなるＮ電極１０５を櫛型状に、裏面にはＡｇ／Ｐｄ
／Ｔｉ／ＡｌからなるＰ電極１０６を裏面全面に形成
し、部分ＢＳＦ型の単結晶シリコン太陽電池セルが製造
できる。図９（ｅ）はその底面図、図９（ｆ）は図９
（ｅ）のｘ−ｙ断面図である。なお、図示されていない
が受光面には反射防止膜が設けられる。
【０００６】基板にｎ型のものを使用するときは、前述
のｐとｎが置換えられる。このように、ｐ- （またはｎ
- ）型の基板の表面に、ｎ+ ／ｐ（またはｐ+ ／ｎ）ジ
ャンクションを設け、裏面にｐ+ ／ｐ- （またはｎ+ ／
ｎ- ）のlow-highジャンクションを設けることによっ
て、表面から裏面へのポテンシャルの勾配を作り込む構
造が、表裏両面に電極を有する一般的なシリコン太陽電
池の構造である。
のｐとｎが置換えられる。このように、ｐ- （またはｎ
- ）型の基板の表面に、ｎ+ ／ｐ（またはｐ+ ／ｎ）ジ
ャンクションを設け、裏面にｐ+ ／ｐ- （またはｎ+ ／
ｎ- ）のlow-highジャンクションを設けることによっ
て、表面から裏面へのポテンシャルの勾配を作り込む構
造が、表裏両面に電極を有する一般的なシリコン太陽電
池の構造である。
【０００７】一方で、たとえば図１０のような裏面だけ
に電極を設ける構造を持つ太陽電池も知られており、そ
れは次のようなプロセスで製造される。
に電極を設ける構造を持つ太陽電池も知られており、そ
れは次のようなプロセスで製造される。
【０００８】図１０（ａ）に示されるように、たとえば
厚さが３０〜５００μｍで、１×１０13ｃｍ-3程度の低
濃度のボロンを含むような単結晶シリコン基板（ウエ
ハ）１００を用意する。裏面にＢＳＦ層となる１×１０
17ｃｍ-3以上の高濃度なｐ型拡散層を島状に形成する。
方法としては、表裏両面をシリコン酸化膜などのマスク
材料１０１によって覆い隠した後、フォトリソグラフィ
の技術などを用い、裏面の必要な部分だけそのマスク材
料１０１を除去する。そのウエハをＢＢｒ3 ガスと酸素
の混合された雰囲気中で５００〜１２００℃の温度に加
熱することによって、ウエハ全面に高濃度のボロンを含
んだ酸化物が形成され、そこからの固相拡散によって裏
面のマスクされていない部分にだけ高濃度のボロンが注
入され、ｐ型拡散層１０２が形成される。その後、裏面
のＮ電極形成のために、以下のようにしてウエハ面上の
酸化物やマスク材料などを取去った後、裏面に１×１０
18ｃｍ-3以上の高濃度なｎ型拡散層を島状に形成する。
厚さが３０〜５００μｍで、１×１０13ｃｍ-3程度の低
濃度のボロンを含むような単結晶シリコン基板（ウエ
ハ）１００を用意する。裏面にＢＳＦ層となる１×１０
17ｃｍ-3以上の高濃度なｐ型拡散層を島状に形成する。
方法としては、表裏両面をシリコン酸化膜などのマスク
材料１０１によって覆い隠した後、フォトリソグラフィ
の技術などを用い、裏面の必要な部分だけそのマスク材
料１０１を除去する。そのウエハをＢＢｒ3 ガスと酸素
の混合された雰囲気中で５００〜１２００℃の温度に加
熱することによって、ウエハ全面に高濃度のボロンを含
んだ酸化物が形成され、そこからの固相拡散によって裏
面のマスクされていない部分にだけ高濃度のボロンが注
入され、ｐ型拡散層１０２が形成される。その後、裏面
のＮ電極形成のために、以下のようにしてウエハ面上の
酸化物やマスク材料などを取去った後、裏面に１×１０
18ｃｍ-3以上の高濃度なｎ型拡散層を島状に形成する。
【０００９】図１０（ｂ）に示すように、表裏両面をマ
スク材料１０１で覆った後、裏面の必要な部分だけその
マスク材料１０１を除去し、ＰＯＣｌ3 ガスと酸素の混
合された雰囲気中で、５００〜１２００℃の温度に加熱
することによって、図１０（ｃ）に示すように、ウエハ
全面に高濃度のリンを含んだ酸化物が形成され、そこか
らの固相拡散によって裏面側のマスクされていない部分
にだけ高濃度のリンが注入される。このようにして受光
面とは反対側の裏面に、島状のｎ+ 拡散層１０７とｐ+
拡散層１０２をそれぞれ形成する。
スク材料１０１で覆った後、裏面の必要な部分だけその
マスク材料１０１を除去し、ＰＯＣｌ3 ガスと酸素の混
合された雰囲気中で、５００〜１２００℃の温度に加熱
することによって、図１０（ｃ）に示すように、ウエハ
全面に高濃度のリンを含んだ酸化物が形成され、そこか
らの固相拡散によって裏面側のマスクされていない部分
にだけ高濃度のリンが注入される。このようにして受光
面とは反対側の裏面に、島状のｎ+ 拡散層１０７とｐ+
拡散層１０２をそれぞれ形成する。
【００１０】図１０（ｄ）に示されるように、余分な絶
縁膜を取除いた後、裏面全面にＣＶＤ法などによって、
シリコン酸化膜１０４を堆積し、フォトリソグラフィの
技術によって、島状のｎ+ 拡散層とｐ+ 拡散層に対して
コンタクトが取れるように、堆積したＣＶＤ酸化膜に窓
を開ける。窓開けした部分へ、Ａｇ／Ｐｄ／Ｔｉ／Ａｌ
からなる電極を、島状の各ｎ+ 拡散層同士を接続するＮ
電極と、島状の各ｐ+拡散層同士を接続するＰ電極に分
けて、櫛型状に形成する。図１０（ｅ）は電極を設ける
前の底面図、図１０（ｆ）は図１０（ｅ）の電極を設け
た後のｘ−ｙ断面図である。その後受光面には反射防止
膜を形成する。
縁膜を取除いた後、裏面全面にＣＶＤ法などによって、
シリコン酸化膜１０４を堆積し、フォトリソグラフィの
技術によって、島状のｎ+ 拡散層とｐ+ 拡散層に対して
コンタクトが取れるように、堆積したＣＶＤ酸化膜に窓
を開ける。窓開けした部分へ、Ａｇ／Ｐｄ／Ｔｉ／Ａｌ
からなる電極を、島状の各ｎ+ 拡散層同士を接続するＮ
電極と、島状の各ｐ+拡散層同士を接続するＰ電極に分
けて、櫛型状に形成する。図１０（ｅ）は電極を設ける
前の底面図、図１０（ｆ）は図１０（ｅ）の電極を設け
た後のｘ−ｙ断面図である。その後受光面には反射防止
膜を形成する。
【００１１】このように、低濃度のｐ- またはｎ- 型の
基板の裏面に、島状のｎ+ ／ｐ- （またはｐ+ ／ｎ- ）
ジャンクションとｐ+ ／ｐ- （またはｎ+ ／ｎ- ）のlo
w-highジャンクションを設けることによって、基板内で
ポテンシャルの勾配を作り込む構造が、一般的な片面に
両電極を持った裏面両極コンタクト型の太陽電池の構造
である。
基板の裏面に、島状のｎ+ ／ｐ- （またはｐ+ ／ｎ- ）
ジャンクションとｐ+ ／ｐ- （またはｎ+ ／ｎ- ）のlo
w-highジャンクションを設けることによって、基板内で
ポテンシャルの勾配を作り込む構造が、一般的な片面に
両電極を持った裏面両極コンタクト型の太陽電池の構造
である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】エネルギ密度の低い太
陽光を電力に変えることを目的とする太陽電池にとっ
て、その光電変換効率の改善は絶えずつきまとう課題で
ある。これについて、入射エネルギの有効利用という観
点から見れば、太陽光のうち比較的短い波長の光は太陽
電池の受光面表面近くでそのほとんどが光電変換される
のであるが、長波長光は利用されずに損失してしまうと
いう問題を抱えている。
陽光を電力に変えることを目的とする太陽電池にとっ
て、その光電変換効率の改善は絶えずつきまとう課題で
ある。これについて、入射エネルギの有効利用という観
点から見れば、太陽光のうち比較的短い波長の光は太陽
電池の受光面表面近くでそのほとんどが光電変換される
のであるが、長波長光は利用されずに損失してしまうと
いう問題を抱えている。
【００１３】この問題を克服して長波長側の光を利用す
るための１つの方法として、太陽電池セル内部で基板の
バンドギャップを変え、長波長側のエネルギの低い光で
も光電変換できるような構造にすることが考えられる。
るための１つの方法として、太陽電池セル内部で基板の
バンドギャップを変え、長波長側のエネルギの低い光で
も光電変換できるような構造にすることが考えられる。
【００１４】しかしながら一般に、単結晶系の基板を用
いた太陽電池では、基板内部のバンドギャップを変化さ
せることは難しい。なぜなら、均一な物性を持っている
単結晶中のバンドギャップは本来どこも均一なはずであ
り、他の半導体材料との重ね合わせを考えても、格子定
数や熱膨張係数などについて整合性のよいものが少ない
からである。
いた太陽電池では、基板内部のバンドギャップを変化さ
せることは難しい。なぜなら、均一な物性を持っている
単結晶中のバンドギャップは本来どこも均一なはずであ
り、他の半導体材料との重ね合わせを考えても、格子定
数や熱膨張係数などについて整合性のよいものが少ない
からである。
【００１５】一方、物性定数を膜厚方向に比較的自由に
変化できるアモルファス半導体は、その膜内部全体にギ
ャップ内準位やグレイン・バウンダリー等少数キャリア
再結合の核となる要素を多く含み、太陽電池の変換効率
を大きく左右するキャリアの拡散長が単結晶に比べ短
い、そのため、画期的な工夫がないと、高効率は期待で
きない。
変化できるアモルファス半導体は、その膜内部全体にギ
ャップ内準位やグレイン・バウンダリー等少数キャリア
再結合の核となる要素を多く含み、太陽電池の変換効率
を大きく左右するキャリアの拡散長が単結晶に比べ短
い、そのため、画期的な工夫がないと、高効率は期待で
きない。
【００１６】また、従来技術のどの場合でも重要となっ
ているのは、その異なるバンドギャップを持つ半導体材
料の成膜である。これはＣＶＤ法を用いて行なうのが一
般であるが、ＣＶＤによる成膜の場合、原料ガスの選択
と成膜条件設定の難しさに加え、膜成形が基板の状態に
対して敏感である点など、成膜自体の困難さが大きいこ
とと、処理面全面に成膜され、成膜領域が限定できない
ことなど、問題は多い。
ているのは、その異なるバンドギャップを持つ半導体材
料の成膜である。これはＣＶＤ法を用いて行なうのが一
般であるが、ＣＶＤによる成膜の場合、原料ガスの選択
と成膜条件設定の難しさに加え、膜成形が基板の状態に
対して敏感である点など、成膜自体の困難さが大きいこ
とと、処理面全面に成膜され、成膜領域が限定できない
ことなど、問題は多い。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明の太陽電池セルお
よびその製造方法においては、形成領域の制御が容易
で、かつプロセス的にも汎用のイオン注入法を用いて、
半導体基板の裏面の拡散層が形成されていない領域に、
欠陥の存在する層またはアモルファス層を形成する。こ
れにより太陽電池セルの高効率化を図ることができる。
注入される物質は、シリコン，ゲルマニウム，水素，フ
ッ素，酸素，炭素等のいずれか１つ以上であり、半導体
基板やプロセスによって適当な原子や分子を選択する。
よびその製造方法においては、形成領域の制御が容易
で、かつプロセス的にも汎用のイオン注入法を用いて、
半導体基板の裏面の拡散層が形成されていない領域に、
欠陥の存在する層またはアモルファス層を形成する。こ
れにより太陽電池セルの高効率化を図ることができる。
注入される物質は、シリコン，ゲルマニウム，水素，フ
ッ素，酸素，炭素等のいずれか１つ以上であり、半導体
基板やプロセスによって適当な原子や分子を選択する。
【００１８】単結晶シリコン基板を用いて太陽電池セル
の場合を一例として、その本発明の作用について説明す
る。
の場合を一例として、その本発明の作用について説明す
る。
【００１９】後述のように、受光面の裏側に適当な条件
で、たとえばシリコン（28Ｓｉ+ ）のイオン注入を行な
い、適当な熱処理を加えることによって、その結晶内部
にいくつもの結晶欠陥を形成することができる。結晶欠
陥が連続すると非晶質層が形成される。この欠陥の存在
する層が、受光面近傍やバルク内部で吸収できなかった
長波長の光を光電変換する。理想的なシリコンのバンド
ギャップは１．１２ｅＶであり、これは波長に換算する
と約１．１μｍとなるが、原理的にはこれより長い波長
の光は太陽電池セル内では光電変換されず、図７に示す
ように、セルの外へ通過するか、または熱に変換され
る。
で、たとえばシリコン（28Ｓｉ+ ）のイオン注入を行な
い、適当な熱処理を加えることによって、その結晶内部
にいくつもの結晶欠陥を形成することができる。結晶欠
陥が連続すると非晶質層が形成される。この欠陥の存在
する層が、受光面近傍やバルク内部で吸収できなかった
長波長の光を光電変換する。理想的なシリコンのバンド
ギャップは１．１２ｅＶであり、これは波長に換算する
と約１．１μｍとなるが、原理的にはこれより長い波長
の光は太陽電池セル内では光電変換されず、図７に示す
ように、セルの外へ通過するか、または熱に変換され
る。
【００２０】図７は欠陥層がない部分のバンド図であ
る。短波長の光はｈv ＞Ｅg で表わされ、これによって
励起されたホールは伝導帯に達する。長波長の光はｈv
＜Ｅgで表わされるが、光電変換には寄与することがな
い。セルの外へ通過するか、または熱に変換される。
る。短波長の光はｈv ＞Ｅg で表わされ、これによって
励起されたホールは伝導帯に達する。長波長の光はｈv
＜Ｅgで表わされるが、光電変換には寄与することがな
い。セルの外へ通過するか、または熱に変換される。
【００２１】本発明で受光面の裏側に形成した結晶欠陥
は、結晶の原子配列を部分的に変え、電子準位の縮退を
乱し、シリコンのバンドギャップの禁止帯中にトラップ
を作る。
は、結晶の原子配列を部分的に変え、電子準位の縮退を
乱し、シリコンのバンドギャップの禁止帯中にトラップ
を作る。
【００２２】図８は欠陥層が存在する部分のバンド図で
ある。伝導帯と価電子帯との間に欠陥層によって形成さ
れたエネルギ準位がトラップとなる。このトラップが欠
陥層がないときに吸収できなかった長波長の光に対し
て、図８に示すように、伝導体へのステップの役割を果
たす。バルクで吸収されない長波長の光がこの欠陥層で
吸収され、その１つのフォトンが価電子体の電子をトラ
ップまで上げて、次のフォトンがトラップの電子を伝導
帯まで上げるという、２段階の励起を行ない光電変換す
る。
ある。伝導帯と価電子帯との間に欠陥層によって形成さ
れたエネルギ準位がトラップとなる。このトラップが欠
陥層がないときに吸収できなかった長波長の光に対し
て、図８に示すように、伝導体へのステップの役割を果
たす。バルクで吸収されない長波長の光がこの欠陥層で
吸収され、その１つのフォトンが価電子体の電子をトラ
ップまで上げて、次のフォトンがトラップの電子を伝導
帯まで上げるという、２段階の励起を行ない光電変換す
る。
【００２３】また本発明では、形成する欠陥層を、受光
面の裏側へのイオン注入によって、その面の表面近傍で
かつ拡散領域以外の部分に形成するため、図５に示すよ
うにバルク内部で発生した少数キャリアの移動経路にそ
の欠陥層が干渉しない。つまり一般に結晶欠陥は、少数
キャリアに対してはキャリアターミネータとして働くこ
とが知られているが、入射した光によってバルク内で発
生するキャリアのほとんどは、この欠陥層に影響を受け
ることなく電極まで到達するため、これに対するデメリ
ットは少ない。
面の裏側へのイオン注入によって、その面の表面近傍で
かつ拡散領域以外の部分に形成するため、図５に示すよ
うにバルク内部で発生した少数キャリアの移動経路にそ
の欠陥層が干渉しない。つまり一般に結晶欠陥は、少数
キャリアに対してはキャリアターミネータとして働くこ
とが知られているが、入射した光によってバルク内で発
生するキャリアのほとんどは、この欠陥層に影響を受け
ることなく電極まで到達するため、これに対するデメリ
ットは少ない。
【００２４】また、裏面に両電極を設ける方式では、裏
面に基板とは逆の不純物系である拡散層を形成し、ジャ
ンクション部の空乏層内にその欠陥層を形成することに
よって、欠陥層で生成されたキャリア対に大きな電界を
かけて素早く移動させることで、欠陥層での再結合の影
響を少なくすることができる。
面に基板とは逆の不純物系である拡散層を形成し、ジャ
ンクション部の空乏層内にその欠陥層を形成することに
よって、欠陥層で生成されたキャリア対に大きな電界を
かけて素早く移動させることで、欠陥層での再結合の影
響を少なくすることができる。
【００２５】これに加えてその欠陥層で発生するキャリ
アを集めるという点では、不純物濃度の低い基板を用
い、受光面の反対側に島状に形成されたｎ型とｐ型の両
方の拡散層を持つ、裏面両極コンタクト型の太陽電池セ
ルの構造の方が、図６に示すように欠陥層におけるキャ
リア発生場所と電極である回収場所が近く、有利であ
る。
アを集めるという点では、不純物濃度の低い基板を用
い、受光面の反対側に島状に形成されたｎ型とｐ型の両
方の拡散層を持つ、裏面両極コンタクト型の太陽電池セ
ルの構造の方が、図６に示すように欠陥層におけるキャ
リア発生場所と電極である回収場所が近く、有利であ
る。
【００２６】一方、注入元素については結晶構造を乱す
という目的において、基板を形成する材料もしくは類似
の半導体材料、たとえばＳｉやＧｅを用いる。また、注
入後の熱処理条件によっては、熱処理による結晶欠陥の
回復，形成の程度が異なるため、欠陥層形成のためのプ
ロセスマージンが狭くなる場合がある。この場合、その
半導体材料の注入と併せて、水素，フッ素，酸素や炭素
を注入すると、これらの水素，フッ素，酸素，炭素がダ
ングリングボンドと結合し、欠陥の核になり、欠陥層形
成が容易になる。
という目的において、基板を形成する材料もしくは類似
の半導体材料、たとえばＳｉやＧｅを用いる。また、注
入後の熱処理条件によっては、熱処理による結晶欠陥の
回復，形成の程度が異なるため、欠陥層形成のためのプ
ロセスマージンが狭くなる場合がある。この場合、その
半導体材料の注入と併せて、水素，フッ素，酸素や炭素
を注入すると、これらの水素，フッ素，酸素，炭素がダ
ングリングボンドと結合し、欠陥の核になり、欠陥層形
成が容易になる。
【００２７】また、このようにしてイオン注入による欠
陥層を形成する方法の他に、同様の位置にイオン注入に
よるアモルファス層を形成する方法が、変換効率の向上
に効果的である。
陥層を形成する方法の他に、同様の位置にイオン注入に
よるアモルファス層を形成する方法が、変換効率の向上
に効果的である。
【００２８】アモルファス層は、先の欠陥層の欠陥の量
が増加した最終的な状態ではあるが、その物性は結晶と
は異なる。たとえばシリコンの場合、単結晶のバンドギ
ャップは均一で１．１ｅＶ（３００Ｋ）であるが、アモ
ルファスシリコンの見かけのバンドギャップ（タブツギ
ャップ）はこれに比べやや高く、１．７〜１．８ｅＶ程
度といわれている。この値は、アモルファスの形成条件
や、膜中の水素含有量やゲルマニウム，酸素などの多種
元素との合金化によって、広い範囲で変化させることが
できる。
が増加した最終的な状態ではあるが、その物性は結晶と
は異なる。たとえばシリコンの場合、単結晶のバンドギ
ャップは均一で１．１ｅＶ（３００Ｋ）であるが、アモ
ルファスシリコンの見かけのバンドギャップ（タブツギ
ャップ）はこれに比べやや高く、１．７〜１．８ｅＶ程
度といわれている。この値は、アモルファスの形成条件
や、膜中の水素含有量やゲルマニウム，酸素などの多種
元素との合金化によって、広い範囲で変化させることが
できる。
【００２９】このような物性を持つアモルファス層を利
用して、欠陥層と同様の長波長光の光電変換を行ない、
変換効率を向上させる。
用して、欠陥層と同様の長波長光の光電変換を行ない、
変換効率を向上させる。
【００３０】特に、ここでは、ゲルマニウムなどの原子
をイオン注入して、単結晶シリコンよりバンドギャップ
の小さいアモルファス層を、先に述べた欠陥層と同様の
位置に形成し、そこでの長波長光の光電変換という、欠
陥層の場合と同様の効果によって、太陽電池の変換効率
を向上する。
をイオン注入して、単結晶シリコンよりバンドギャップ
の小さいアモルファス層を、先に述べた欠陥層と同様の
位置に形成し、そこでの長波長光の光電変換という、欠
陥層の場合と同様の効果によって、太陽電池の変換効率
を向上する。
【００３１】図１１は、図８に対応する図で、アモルフ
ァス層が存在する部分のバンド図である。シリコンやゲ
ルマニウムなどのイオン注入でアモルファス化された層
は、その形成条件によって単結晶シリコンより小さいバ
ンドギャップを持ち、この層が、太陽電池の他の部分で
ある結晶領域で吸収できなかった長波長の光を光電変換
する。
ァス層が存在する部分のバンド図である。シリコンやゲ
ルマニウムなどのイオン注入でアモルファス化された層
は、その形成条件によって単結晶シリコンより小さいバ
ンドギャップを持ち、この層が、太陽電池の他の部分で
ある結晶領域で吸収できなかった長波長の光を光電変換
する。
【００３２】このようにして、形成領域の制御が容易
で、かつプロセス的にも汎用のイオン注入法を用いて、
基板を構成している半導体材料と同じまたは類似の物質
や、欠陥形成が容易な水素，フッ素，酸素，炭素等の元
素を注入し、受光面の反対側の所望の領域に欠陥層また
はアモルファス層を形成することによって、バルク内部
で吸収できなかった波長領域の光を光電変換し、太陽電
池セルの変換効率を改善することができる。
で、かつプロセス的にも汎用のイオン注入法を用いて、
基板を構成している半導体材料と同じまたは類似の物質
や、欠陥形成が容易な水素，フッ素，酸素，炭素等の元
素を注入し、受光面の反対側の所望の領域に欠陥層また
はアモルファス層を形成することによって、バルク内部
で吸収できなかった波長領域の光を光電変換し、太陽電
池セルの変換効率を改善することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】図１（ａ）〜（ｉ）は、第１の実
施の形態の各工程の断面図である。
施の形態の各工程の断面図である。
【００３４】図１（ａ）に示すように、たとえば厚さが
３０〜５００μｍで１×１０15ｃｍ -3程度のボロンを含
むような単結晶基板（ウエハ）１００を用意し、まず、
裏面に１×１０17ｃｍ-3以上の高濃度なｐ型例えばｐ型
拡散層を部分的に形成する。方法としては、表裏両面を
シリコン酸化膜などのマスク材料１０１によって覆い、
フォトリソグラフィとエッチングの技術によって、裏面
にのみ島状にマスク材料の穴を形成する。
３０〜５００μｍで１×１０15ｃｍ -3程度のボロンを含
むような単結晶基板（ウエハ）１００を用意し、まず、
裏面に１×１０17ｃｍ-3以上の高濃度なｐ型例えばｐ型
拡散層を部分的に形成する。方法としては、表裏両面を
シリコン酸化膜などのマスク材料１０１によって覆い、
フォトリソグラフィとエッチングの技術によって、裏面
にのみ島状にマスク材料の穴を形成する。
【００３５】図１（ｂ）に示すように、そのウエハをＢ
Ｂｒ3 ガスと酸素の混合された雰囲気中で、５００〜１
２００℃の温度に加熱することによって、ウエハ全面に
高濃度のボロンを含んだ酸化物が形成され、そこからの
固相拡散によってマスクされていない裏面側のシリコン
基板内にだけ高濃度のボロンが注入された結果、島状の
ｐ型拡散層１０２が得られる。
Ｂｒ3 ガスと酸素の混合された雰囲気中で、５００〜１
２００℃の温度に加熱することによって、ウエハ全面に
高濃度のボロンを含んだ酸化物が形成され、そこからの
固相拡散によってマスクされていない裏面側のシリコン
基板内にだけ高濃度のボロンが注入された結果、島状の
ｐ型拡散層１０２が得られる。
【００３６】次に、ウエハ面上の酸化物やマスク材料な
どを取去った後、今度は図１（ｃ）に示すように、裏面
をマスク材料で覆った後、ＰＯＣｌ3 ガスと酸素の混合
された雰囲気中で５００〜１２００℃の温度に加熱する
ことによって、図１（ｄ）に示されるように、ウエハ全
面に高濃度のリンを含んだ酸化物が形成され、そこから
の固相拡散によってマスクされていない表面側のシリコ
ン基板内にだけ高濃度のリンが注入され、表面側全面に
１×１０18ｃｍ-3以上の高濃度なｎ型例えばｎ型拡散層
１０３を形成する。
どを取去った後、今度は図１（ｃ）に示すように、裏面
をマスク材料で覆った後、ＰＯＣｌ3 ガスと酸素の混合
された雰囲気中で５００〜１２００℃の温度に加熱する
ことによって、図１（ｄ）に示されるように、ウエハ全
面に高濃度のリンを含んだ酸化物が形成され、そこから
の固相拡散によってマスクされていない表面側のシリコ
ン基板内にだけ高濃度のリンが注入され、表面側全面に
１×１０18ｃｍ-3以上の高濃度なｎ型例えばｎ型拡散層
１０３を形成する。
【００３７】このように、高温の熱処理を必要とする工
程を終えて、電極の形成工程に移る前の段階で、本発明
の欠陥層の形成工程に入る。図１（ｅ）に示すように、
裏面全面を酸化膜１０４などの注入保護膜で覆った後
に、フォトリソグラフィによって、裏面にある島状のｐ
型拡散層１０２を覆うように、レジストマスク１１０を
形成する。
程を終えて、電極の形成工程に移る前の段階で、本発明
の欠陥層の形成工程に入る。図１（ｅ）に示すように、
裏面全面を酸化膜１０４などの注入保護膜で覆った後
に、フォトリソグラフィによって、裏面にある島状のｐ
型拡散層１０２を覆うように、レジストマスク１１０を
形成する。
【００３８】図１（ｆ）に示すように、そのレジストを
マスクにして、裏面側にシリコンをイオン注入によって
打込む。たとえば28Ｓｉ+ イオンを、エネルギ４０ｋｅ
Ｖとドーズ量２×１０15ｃｍ-2の条件で注入する。28Ｓ
ｉ+ イオン注入後、同様にして19Ｆ+ イオンを、たとえ
ばエネルギ３０ｋｅＶとドーズ量５×１０14ｃｍ-2の条
件で注入する。
マスクにして、裏面側にシリコンをイオン注入によって
打込む。たとえば28Ｓｉ+ イオンを、エネルギ４０ｋｅ
Ｖとドーズ量２×１０15ｃｍ-2の条件で注入する。28Ｓ
ｉ+ イオン注入後、同様にして19Ｆ+ イオンを、たとえ
ばエネルギ３０ｋｅＶとドーズ量５×１０14ｃｍ-2の条
件で注入する。
【００３９】その後図１（ｇ）に示すように、レジスト
を除去し、適当な洗浄工程を経た後、最適な欠陥層ｖへ
仕上げるために熱処理を行なう。たとえば、窒素中で７
００℃１０分のアニールを行なう。これらのイオン注入
条件とその後の熱処理条件によって、そこに形成される
欠陥層の状態を決めることができる。
を除去し、適当な洗浄工程を経た後、最適な欠陥層ｖへ
仕上げるために熱処理を行なう。たとえば、窒素中で７
００℃１０分のアニールを行なう。これらのイオン注入
条件とその後の熱処理条件によって、そこに形成される
欠陥層の状態を決めることができる。
【００４０】この後は、従来の太陽電池セルの製造工程
と同様に、図１（ｈ）に示すように、表裏両面を酸化膜
１０４で覆い必要な部分に窓を開け、表裏両面の電極の
形成と、受光面での反射防止膜の形成等によって、太陽
電池セルを完成させる。図１（ｉ）はその断面図であ
る。
と同様に、図１（ｈ）に示すように、表裏両面を酸化膜
１０４で覆い必要な部分に窓を開け、表裏両面の電極の
形成と、受光面での反射防止膜の形成等によって、太陽
電池セルを完成させる。図１（ｉ）はその断面図であ
る。
【００４１】図２（ａ）〜（ｈ）は本発明の第２の実施
の形態の各工程の断面図である。これはＰＮ両電極を裏
面に設けた場合である。
の形態の各工程の断面図である。これはＰＮ両電極を裏
面に設けた場合である。
【００４２】図２（ａ）に示すように、たとえば、厚さ
が３０〜５００μｍで１×１０13ｃｍ-3程度の低濃度ボ
ロンを含むような単結晶シリコン基板（ウエハ）１００
を用意する。まず、裏面に１×１０13ｃｍ-3以上の高濃
度なｐ型拡散層を部分的に形成する。方法としては、表
裏両面をシリコン酸化膜などのマスク材料１０１によっ
て覆い、フォトリソグラフィとエッチングの技術によっ
て、裏面にのみ島状にマスク材料の穴を形成する。
が３０〜５００μｍで１×１０13ｃｍ-3程度の低濃度ボ
ロンを含むような単結晶シリコン基板（ウエハ）１００
を用意する。まず、裏面に１×１０13ｃｍ-3以上の高濃
度なｐ型拡散層を部分的に形成する。方法としては、表
裏両面をシリコン酸化膜などのマスク材料１０１によっ
て覆い、フォトリソグラフィとエッチングの技術によっ
て、裏面にのみ島状にマスク材料の穴を形成する。
【００４３】図２（ｂ）に示すように、そのウエハをＢ
Ｂｒ3 ガスと酸素の混合された雰囲気中で５００〜１２
００℃の温度に加熱することによって、ウエハ全面に高
濃度のボロンを含んだ酸化物が形成され、そこからの固
相拡散によってマスクされていない図面側のシリコン基
板内にだけ高濃度のボロンが注入された結果、島状のｐ
型拡散層１０２が得られる。
Ｂｒ3 ガスと酸素の混合された雰囲気中で５００〜１２
００℃の温度に加熱することによって、ウエハ全面に高
濃度のボロンを含んだ酸化物が形成され、そこからの固
相拡散によってマスクされていない図面側のシリコン基
板内にだけ高濃度のボロンが注入された結果、島状のｐ
型拡散層１０２が得られる。
【００４４】次に、図２（ｃ）示すように、ウエハ面上
の酸化物やマスク材料などを取去った後、もう１度裏面
に、今度は１×１０18ｃｍ-3以上の高濃度なｎ型拡散層
を、部分的に形成する。これも同様に表裏両面をマスク
材料１０１で覆った後、フォトリソグラフィとエッチン
グの技術によって、先に裏面側に形成したｐ型拡散層以
外の領域に島状にマスク材料の穴を形成する。
の酸化物やマスク材料などを取去った後、もう１度裏面
に、今度は１×１０18ｃｍ-3以上の高濃度なｎ型拡散層
を、部分的に形成する。これも同様に表裏両面をマスク
材料１０１で覆った後、フォトリソグラフィとエッチン
グの技術によって、先に裏面側に形成したｐ型拡散層以
外の領域に島状にマスク材料の穴を形成する。
【００４５】図２（ｄ）に示すように、このウエハをＰ
ＯＣｌ3 ガスと酸素の混合された雰囲気中で５００〜１
２００℃の温度に加熱することによって、ウエハ全面に
高濃度のリンを含んだ酸化物が形成され、そこからの固
相拡散によってマスクされていない裏面側のシリコン基
板内にだけ高濃度のリンが注入され、島状のｎ型拡散層
１０７が得られる。
ＯＣｌ3 ガスと酸素の混合された雰囲気中で５００〜１
２００℃の温度に加熱することによって、ウエハ全面に
高濃度のリンを含んだ酸化物が形成され、そこからの固
相拡散によってマスクされていない裏面側のシリコン基
板内にだけ高濃度のリンが注入され、島状のｎ型拡散層
１０７が得られる。
【００４６】このように、高温の熱処理を必要とする工
程を終えて、電極の形成工程に移る前の段階で、本発明
の欠陥層の形成工程に入る。図２（ｅ）に示すように、
裏面全面を注入保護膜で覆った後に、フォトリソグラフ
ィによって裏面にある島状のｐ型拡散層およびｎ型拡散
層を覆うように、レジストマスク１１０を形成する。
程を終えて、電極の形成工程に移る前の段階で、本発明
の欠陥層の形成工程に入る。図２（ｅ）に示すように、
裏面全面を注入保護膜で覆った後に、フォトリソグラフ
ィによって裏面にある島状のｐ型拡散層およびｎ型拡散
層を覆うように、レジストマスク１１０を形成する。
【００４７】図２（ｆ）に示すように、そのレジストを
マスクにして、裏面にシリコン（Ｓｉ）をイオン注入に
よって打込む。たとえば28Ｓｉ+ イオンを、エネルギ４
０ｋｅＶとドーズ量２×１０15ｃｍ-2の条件で注入す
る。28Ｓｉ+ イオン注入後、同様にして19Ｆ+ イオン
を、たとえばエネルギ３０ｋｅＶとドーズ量５×１０14
ｃｍ-2の条件で注入し欠陥層ｖを形成する。
マスクにして、裏面にシリコン（Ｓｉ）をイオン注入に
よって打込む。たとえば28Ｓｉ+ イオンを、エネルギ４
０ｋｅＶとドーズ量２×１０15ｃｍ-2の条件で注入す
る。28Ｓｉ+ イオン注入後、同様にして19Ｆ+ イオン
を、たとえばエネルギ３０ｋｅＶとドーズ量５×１０14
ｃｍ-2の条件で注入し欠陥層ｖを形成する。
【００４８】その後、図２（ｇ）に示すように、レジス
トマスク１１０を除去し、適当な洗浄工程を経た後、最
適な欠陥層ｖに仕上げるために熱処理を行なう。たとえ
ば、窒素中で７００℃１０分のアニールを行なう。これ
らのイオン注入条件とその後の熱処理条件によって、そ
こに形成される欠陥層の状態を決めることができる。
トマスク１１０を除去し、適当な洗浄工程を経た後、最
適な欠陥層ｖに仕上げるために熱処理を行なう。たとえ
ば、窒素中で７００℃１０分のアニールを行なう。これ
らのイオン注入条件とその後の熱処理条件によって、そ
こに形成される欠陥層の状態を決めることができる。
【００４９】この後は、従来の太陽電池セルの製造工程
と同様であり、受光面の反対側での電極の形成と受光面
での反射防止膜の形成等によって太陽電池セルが完成さ
れる。図２（ｈ）はその断面図である。
と同様であり、受光面の反対側での電極の形成と受光面
での反射防止膜の形成等によって太陽電池セルが完成さ
れる。図２（ｈ）はその断面図である。
【００５０】注入条件と熱処理条件による欠陥層形成状
態の関連について説明する。イオン注入の条件の注入エ
ネルギを変えることによって、注入されるイオンの半導
体基板中の平均自由工程が変わり、形成される欠陥の位
置（深さ）を変えることができる。また、平均自由行程
の大きさに関連して、その広がりも変化させることがで
きる。高いエネルギで打込んだイオンは、低いエネルギ
のそれと比べて、その平均位置が深く、深さの広がりも
大きい。加えて、注入エネルギは、半導体基板中の構成
原子を乱す力が大きく、イオン注入によって結晶をアモ
ルファス化しやすくなる。
態の関連について説明する。イオン注入の条件の注入エ
ネルギを変えることによって、注入されるイオンの半導
体基板中の平均自由工程が変わり、形成される欠陥の位
置（深さ）を変えることができる。また、平均自由行程
の大きさに関連して、その広がりも変化させることがで
きる。高いエネルギで打込んだイオンは、低いエネルギ
のそれと比べて、その平均位置が深く、深さの広がりも
大きい。加えて、注入エネルギは、半導体基板中の構成
原子を乱す力が大きく、イオン注入によって結晶をアモ
ルファス化しやすくなる。
【００５１】また、これに関連して、注入の角度を変え
ることによって、同じエネルギで深さと広がりを変える
ことができる。基板の法線方向に対する注入角度を大き
くとれば（６０°程度）、基板に垂直に注入した場合よ
りも浅く、狭い分布（６０°で約１／２の深さと広が
り）で欠陥を形成できる。
ることによって、同じエネルギで深さと広がりを変える
ことができる。基板の法線方向に対する注入角度を大き
くとれば（６０°程度）、基板に垂直に注入した場合よ
りも浅く、狭い分布（６０°で約１／２の深さと広が
り）で欠陥を形成できる。
【００５２】一方、イオンのドーズ量を変えることによ
って、結晶を乱す度合いを変えることができる。ドーズ
量が大きいと、注入された部分の状態がいわゆるアモル
ファス状態となる。これは、注入されるイオンのエネル
ギや質量数によっても変化を受け、高エネルギで重いイ
オンほど、結晶の構成原子位置は大きく乱れる。
って、結晶を乱す度合いを変えることができる。ドーズ
量が大きいと、注入された部分の状態がいわゆるアモル
ファス状態となる。これは、注入されるイオンのエネル
ギや質量数によっても変化を受け、高エネルギで重いイ
オンほど、結晶の構成原子位置は大きく乱れる。
【００５３】注入による基板構成原子の乱され方とその
後のアニール条件によって結晶欠陥の形成状態が変化す
る。たとえばＳｉ基板に28Ｓｉ+ イオンを注入した場
合、９００℃以上の高温のアニールを１０分以上行なう
ことによって、そのほとんどの結晶が回復される。その
中で十分にアモルファス化された層は、比較的低温のア
ニールで結晶を回復し、９００℃以上の高温アニールを
最初に行なうと、数μｍの比較的大きな転位ループが、
もとのアモルファス層の境界付近に不規則に形成され
る。基板の構成原子の乱れが少ない場合には、低温のア
ニールでは回復しにくく、比較的小さな欠陥を均一に形
成することができるが、高温のアニールを行なうと十分
に回復されて欠陥の形成はなされない。
後のアニール条件によって結晶欠陥の形成状態が変化す
る。たとえばＳｉ基板に28Ｓｉ+ イオンを注入した場
合、９００℃以上の高温のアニールを１０分以上行なう
ことによって、そのほとんどの結晶が回復される。その
中で十分にアモルファス化された層は、比較的低温のア
ニールで結晶を回復し、９００℃以上の高温アニールを
最初に行なうと、数μｍの比較的大きな転位ループが、
もとのアモルファス層の境界付近に不規則に形成され
る。基板の構成原子の乱れが少ない場合には、低温のア
ニールでは回復しにくく、比較的小さな欠陥を均一に形
成することができるが、高温のアニールを行なうと十分
に回復されて欠陥の形成はなされない。
【００５４】そのような背景で、基板構成原子は乱され
た層の中にフッ素，酸素，炭素などの異種原子を注入す
ると、これらの原子が核となって欠陥が形成される。注
入の条件は前述の半導体元素の注入条件の説明と同様
に、注入エネルギと注入角度、原子の質量数によって、
欠陥形成位置をコントロールすることができる。また、
注入する領域が予め十分にアモルファス化されている
と、比較的小さな原子を注入した場合でも、基板構成原
子間を縫って通り抜けてしまうチャネリングによる特異
な分布を起こしにくく、その分布をコントロールしやす
い。
た層の中にフッ素，酸素，炭素などの異種原子を注入す
ると、これらの原子が核となって欠陥が形成される。注
入の条件は前述の半導体元素の注入条件の説明と同様
に、注入エネルギと注入角度、原子の質量数によって、
欠陥形成位置をコントロールすることができる。また、
注入する領域が予め十分にアモルファス化されている
と、比較的小さな原子を注入した場合でも、基板構成原
子間を縫って通り抜けてしまうチャネリングによる特異
な分布を起こしにくく、その分布をコントロールしやす
い。
【００５５】これらの注入条件と得られる現象を組合せ
ることによって、デバイス構造に合った欠陥層を得るこ
とができる。得られた欠陥は、そのほとんどがバンド間
のトラップとして働き、少数キャリアの動きを考慮して
キャリアターミネータとして動作しにくい領域に形成す
ることで、セル特性（電流値）を向上することができ
る。
ることによって、デバイス構造に合った欠陥層を得るこ
とができる。得られた欠陥は、そのほとんどがバンド間
のトラップとして働き、少数キャリアの動きを考慮して
キャリアターミネータとして動作しにくい領域に形成す
ることで、セル特性（電流値）を向上することができ
る。
【００５６】第１の実施の形態の改良として、半導体基
板の裏面に形成された島状のｐ型拡散層の間の領域に、
電気的に浮いた状態で存在する島状のｎ型の拡散層を形
成することができる。
板の裏面に形成された島状のｐ型拡散層の間の領域に、
電気的に浮いた状態で存在する島状のｎ型の拡散層を形
成することができる。
【００５７】その製法は概ね第１の実施の形態と同様で
ある。裏面側にフローティングジャンクションを形成す
ることが異なるのみである。
ある。裏面側にフローティングジャンクションを形成す
ることが異なるのみである。
【００５８】図１（ｂ）の島状のｐ型拡散層が得られた
後、次にウエハ表面上の酸化物やマスク材料などを取り
去った後、もう１度裏面側に、フローティングジャンク
ションとなる１×１０17ｃｍ-3程度のｎ型拡散層を、部
分的に形成する。表裏両面をマスク材料で覆った後、フ
ォトリソグラフィとエッチングの技術によって、先に裏
面側に形成したｐ型拡散層の間の領域に、島状にマスク
材料の穴を形成する。そのウエハをＰＯＣｌ3 ガスと酸
素の混合された雰囲気中で５００〜１２００℃の温度に
加熱することによって、ウエハ全面に高濃度のリンを含
んだ酸化物が形成され、そこからの固相拡散によってマ
スクされていない裏面側のシリコン基板内にだけ高濃度
のリンが注入され、フローティングジャンクションを形
成する島状のｎ型拡散層が得られる。
後、次にウエハ表面上の酸化物やマスク材料などを取り
去った後、もう１度裏面側に、フローティングジャンク
ションとなる１×１０17ｃｍ-3程度のｎ型拡散層を、部
分的に形成する。表裏両面をマスク材料で覆った後、フ
ォトリソグラフィとエッチングの技術によって、先に裏
面側に形成したｐ型拡散層の間の領域に、島状にマスク
材料の穴を形成する。そのウエハをＰＯＣｌ3 ガスと酸
素の混合された雰囲気中で５００〜１２００℃の温度に
加熱することによって、ウエハ全面に高濃度のリンを含
んだ酸化物が形成され、そこからの固相拡散によってマ
スクされていない裏面側のシリコン基板内にだけ高濃度
のリンが注入され、フローティングジャンクションを形
成する島状のｎ型拡散層が得られる。
【００５９】その後の工程は図１（ｃ）以下と同様であ
り、完成された状態の断面図は図３に示される。１０８
はフローディングジャンクションを形成する島状のｎ型
拡散層である。
り、完成された状態の断面図は図３に示される。１０８
はフローディングジャンクションを形成する島状のｎ型
拡散層である。
【００６０】フローティングジャンクションセルは、裏
面において、ｐ型電極がコンタクトをとる領域以外の領
域に電気的に浮いた状態でｎ型拡散層を形成したセルを
指しており、シリコン基板と酸化膜界面での表面再結合
速度がｎ型拡散層の方が遅いことを利用してセルの暗電
流を抑え、特性を改善することを目的としている（22nd
IEEE Photovoltaic Specialists Conf. (1991)，p284
参照）。この構造は、少数キャリアのライフタイムが大
きな値を持つセルに対して効果があるが、従来の構造で
は、実際の太陽電池ではそれほど顕著な差は出ない。一
方、本発明は裏面のｐ型電極コンタクト周辺を除く領域
に、光電変換が盛んに行なわれる層を形成することに特
徴があり、従来のセルと比較して、裏面の酸化膜／ｐ型
拡散層の界面に多くのキャリアが達することとなる。そ
のため、本発明をフローティングジャンクション構造と
組合せることは、特に意味のある特性改善技術であり、
従来型のセルでの適用では効果がないフローティングジ
ャンクション構造を効果的に生かせる技術であるといえ
る。
面において、ｐ型電極がコンタクトをとる領域以外の領
域に電気的に浮いた状態でｎ型拡散層を形成したセルを
指しており、シリコン基板と酸化膜界面での表面再結合
速度がｎ型拡散層の方が遅いことを利用してセルの暗電
流を抑え、特性を改善することを目的としている（22nd
IEEE Photovoltaic Specialists Conf. (1991)，p284
参照）。この構造は、少数キャリアのライフタイムが大
きな値を持つセルに対して効果があるが、従来の構造で
は、実際の太陽電池ではそれほど顕著な差は出ない。一
方、本発明は裏面のｐ型電極コンタクト周辺を除く領域
に、光電変換が盛んに行なわれる層を形成することに特
徴があり、従来のセルと比較して、裏面の酸化膜／ｐ型
拡散層の界面に多くのキャリアが達することとなる。そ
のため、本発明をフローティングジャンクション構造と
組合せることは、特に意味のある特性改善技術であり、
従来型のセルでの適用では効果がないフローティングジ
ャンクション構造を効果的に生かせる技術であるといえ
る。
【００６１】注入場所については、フローティングジャ
ンクション部分を含めてｐ型電極コンタクト部（部分Ｂ
ＳＦ領域）以外の領域の中で任意であり、特に限定され
ない。
ンクション部分を含めてｐ型電極コンタクト部（部分Ｂ
ＳＦ領域）以外の領域の中で任意であり、特に限定され
ない。
【００６２】本発明の第２の実施の形態の改良として表
面にも、ｎ型拡散層を形成しＮ電極を設けることができ
る。
面にも、ｎ型拡散層を形成しＮ電極を設けることができ
る。
【００６３】その製法は概ね第２の実施の形態と同様で
ある。図２（ｂ）の島状のｐ型拡散層が得られた後、ウ
エハ面上の酸化物やマスク材料を取り去った後、受光面
全面と非受光面側の部分的な領域に、１×１０18ｃｍ -3
以上の高濃度なｎ型拡散層を、部分的に形成する。裏面
のみをマスク材料で覆った後、フォトリソグラフィとエ
ッチングの技術によって、先に裏面側に形成したｐ型拡
散層の間の領域に、島状にマスク材料の穴を形成する。
そのウエハをＰＯＣｌ3 ガスと酸素の混合された雰囲気
中で５００〜１２００℃の温度に加熱することによっ
て、ウエハ全面に高濃度のリンを含んだ酸化物が形成さ
れ、そこからの固相拡散によってマスクされていない表
面側全面と裏面側の一部の領域にだけ高濃度のリンが注
入されｎ型拡散層が得られる。
ある。図２（ｂ）の島状のｐ型拡散層が得られた後、ウ
エハ面上の酸化物やマスク材料を取り去った後、受光面
全面と非受光面側の部分的な領域に、１×１０18ｃｍ -3
以上の高濃度なｎ型拡散層を、部分的に形成する。裏面
のみをマスク材料で覆った後、フォトリソグラフィとエ
ッチングの技術によって、先に裏面側に形成したｐ型拡
散層の間の領域に、島状にマスク材料の穴を形成する。
そのウエハをＰＯＣｌ3 ガスと酸素の混合された雰囲気
中で５００〜１２００℃の温度に加熱することによっ
て、ウエハ全面に高濃度のリンを含んだ酸化物が形成さ
れ、そこからの固相拡散によってマスクされていない表
面側全面と裏面側の一部の領域にだけ高濃度のリンが注
入されｎ型拡散層が得られる。
【００６４】その後の工程は第２の実施の形態と同様で
あるが、表面にＮ電極が追加される。完成された状態の
断面図は図４に示される。
あるが、表面にＮ電極が追加される。完成された状態の
断面図は図４に示される。
【００６５】両面にＮ電極を設けると、少数キャリア
（電子）の収集先であるＮ電極に接続されたＮ型拡散層
が表と裏の両面にあるので、少数キャリアが電極に収集
されるまでに走る距離が約半分になる。少数キャリアの
走る距離が少なくなる利点は、基板の少数キャリアライ
フタイムに依存されにくくなる点である。たとえば、宇
宙用の太陽電池など放射線によって太陽電池の動作中に
基板のライフタイムが下がるような用途のものに対し
て、それに起因する特性の変化が少ないデバイスを作る
ことができる。
（電子）の収集先であるＮ電極に接続されたＮ型拡散層
が表と裏の両面にあるので、少数キャリアが電極に収集
されるまでに走る距離が約半分になる。少数キャリアの
走る距離が少なくなる利点は、基板の少数キャリアライ
フタイムに依存されにくくなる点である。たとえば、宇
宙用の太陽電池など放射線によって太陽電池の動作中に
基板のライフタイムが下がるような用途のものに対し
て、それに起因する特性の変化が少ないデバイスを作る
ことができる。
【００６６】両面に電極を設けたものに本発明を用いる
と、表裏両面に到達するキャリアの数が従来のものより
多くなる。そのためその領域にＮ型電極にコンタクトし
たｎ型拡散層を設けることによって、そこへ到達したキ
ャリアの収集が可能となり、この両面にｎ型拡散層があ
る構造の利点に加えて、本発明を十分に生かした特性改
善が可能となる。
と、表裏両面に到達するキャリアの数が従来のものより
多くなる。そのためその領域にＮ型電極にコンタクトし
たｎ型拡散層を設けることによって、そこへ到達したキ
ャリアの収集が可能となり、この両面にｎ型拡散層があ
る構造の利点に加えて、本発明を十分に生かした特性改
善が可能となる。
【００６７】前述の各実施の形態は部分ＢＳＦ構造のも
のについて説明した。部分ＢＳＦ構造以外にも適用はで
きるが、部分ＢＳＦ以外の構造の多くは非受光面の全面
がキャリアの移動経路となっており、欠陥層がキャリア
ターミネータとして働くデメリットの影響を受けやす
く、本発明の効果は小さくなる。
のについて説明した。部分ＢＳＦ構造以外にも適用はで
きるが、部分ＢＳＦ以外の構造の多くは非受光面の全面
がキャリアの移動経路となっており、欠陥層がキャリア
ターミネータとして働くデメリットの影響を受けやす
く、本発明の効果は小さくなる。
【００６８】さらに他の実施の形態について説明する。
たとえば、厚さが３０〜５００μｍで、１×１０15ｃｍ
-3程度のボロンを含むような単結晶シリコン基板を用意
し、まず裏面に１×１０17ｃｍ-3以上の高濃度なｐ型拡
散層を部分的に形成する。方法としては、表裏両面をシ
リコン酸化膜などのマスク材料によって覆い隠し、フォ
トリソグラフィとエッチングの技術によって、地面にの
み島状にマスク材料の孔を形成する。
たとえば、厚さが３０〜５００μｍで、１×１０15ｃｍ
-3程度のボロンを含むような単結晶シリコン基板を用意
し、まず裏面に１×１０17ｃｍ-3以上の高濃度なｐ型拡
散層を部分的に形成する。方法としては、表裏両面をシ
リコン酸化膜などのマスク材料によって覆い隠し、フォ
トリソグラフィとエッチングの技術によって、地面にの
み島状にマスク材料の孔を形成する。
【００６９】そのウエハをＢＢｒ3 ガスと酸素の混合さ
れた雰囲気中で、５００〜１２００℃の温度に加熱する
ことによって、ウエハ全面に高濃度のボロンを含んだ酸
化物が形成され、そこからの固相拡散によってマスクさ
れていない裏面側のシリコン基板内にだけ高濃度のボロ
ンが注入された結果、島状のｐ型拡散層が得られる。
れた雰囲気中で、５００〜１２００℃の温度に加熱する
ことによって、ウエハ全面に高濃度のボロンを含んだ酸
化物が形成され、そこからの固相拡散によってマスクさ
れていない裏面側のシリコン基板内にだけ高濃度のボロ
ンが注入された結果、島状のｐ型拡散層が得られる。
【００７０】次に、ウエハ面上の酸化物やマスク材料な
どを取り去った後、今度は表面側全面に１×１０18ｃｍ
-3以上の高濃度なｎ型拡散層を形成する。これも同様に
裏面をマスク材料で覆った後、ＰＯＣｌ3 ガスと酸素の
混合された雰囲気中で、５００〜１２００℃の温度に加
熱することによって、ウエハ全面に高濃度のリンを含ん
だ酸化物が形成され、そこからの固相拡散によってマス
クされていない表面側のシリコン基板内にだけ高濃度の
リンが注入される。
どを取り去った後、今度は表面側全面に１×１０18ｃｍ
-3以上の高濃度なｎ型拡散層を形成する。これも同様に
裏面をマスク材料で覆った後、ＰＯＣｌ3 ガスと酸素の
混合された雰囲気中で、５００〜１２００℃の温度に加
熱することによって、ウエハ全面に高濃度のリンを含ん
だ酸化物が形成され、そこからの固相拡散によってマス
クされていない表面側のシリコン基板内にだけ高濃度の
リンが注入される。
【００７１】このように、高温の熱処理を必要とする工
程を終えて、電極の形成工程に移る前の段階で、本発明
のアモルファス層の形成工程に入る。裏面側全面を酸化
膜などの注入保護膜で覆った後に、フォトリソグラフィ
によって裏面側にある島状のｐ型拡散層を覆うように、
レジストマスクを形成する。このフォトレジストをマス
クにして、裏面側にゲルマニウム（Ｇｅ）をイオン注入
によって打ち込む。たとえば73Ｇｅ+4を、エネルギ１０
０ｋｅＶとドーズ量２×１０15ｃｍ-2の条件で、注入す
る。
程を終えて、電極の形成工程に移る前の段階で、本発明
のアモルファス層の形成工程に入る。裏面側全面を酸化
膜などの注入保護膜で覆った後に、フォトリソグラフィ
によって裏面側にある島状のｐ型拡散層を覆うように、
レジストマスクを形成する。このフォトレジストをマス
クにして、裏面側にゲルマニウム（Ｇｅ）をイオン注入
によって打ち込む。たとえば73Ｇｅ+4を、エネルギ１０
０ｋｅＶとドーズ量２×１０15ｃｍ-2の条件で、注入す
る。
【００７２】この裏面側全面に覆った酸化膜厚と注入エ
ネルギによって、アモルファス層の形成深さを変えるこ
とができ、注入エネルギとドーズ量によってアモルファ
ス層の層厚と膜質、ドーズ量と注入イオン種によって、
アモルファス層の物性を変えることができる。
ネルギによって、アモルファス層の形成深さを変えるこ
とができ、注入エネルギとドーズ量によってアモルファ
ス層の層厚と膜質、ドーズ量と注入イオン種によって、
アモルファス層の物性を変えることができる。
【００７３】その後レジストを除去し、適当な洗浄工程
を行なう。この後は、アモルファス層を保つために高温
の熱処理は行なわない。
を行なう。この後は、アモルファス層を保つために高温
の熱処理は行なわない。
【００７４】この後は、従来の太陽電池セルの製造工程
と同様であり、表裏両面の電極の形成と、受光面での反
射防止膜の形成等によって、太陽電池セルを完成させ
る。
と同様であり、表裏両面の電極の形成と、受光面での反
射防止膜の形成等によって、太陽電池セルを完成させ
る。
【００７５】
【発明の効果】太陽電池の受光面の反対側の領域に、任
意の欠陥層やアモルファス層を形成することによって、
バルク内部で吸収できなかった波長領域の光を光電変換
することができ、太陽電池セルの特性を改善することが
でき、また、製造プロセスに形成領域の制御が容易で、
尚かつプロセス的にも汎用のイオン注入法を用いている
ため、安定で信頼性の高い太陽電池セルを製造すること
ができる。
意の欠陥層やアモルファス層を形成することによって、
バルク内部で吸収できなかった波長領域の光を光電変換
することができ、太陽電池セルの特性を改善することが
でき、また、製造プロセスに形成領域の制御が容易で、
尚かつプロセス的にも汎用のイオン注入法を用いている
ため、安定で信頼性の高い太陽電池セルを製造すること
ができる。
【図１】（ａ）〜（ｉ）は本発明の第１の実施の形態の
各工程の断面図である。
各工程の断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｈ）は本発明の第２の実施の形態の
各工程の略断面図である。
各工程の略断面図である。
【図３】本発明の他の実施の形態の略断面図である。
【図４】本発明のさらに他の実施の形態の略断面図であ
る。
る。
【図５】本発明の作用の説明図である。
【図６】本発明の作用の他の説明図である。
【図７】従来の太陽電池セルの欠陥層がない部分の作用
の説明図である。
の説明図である。
【図８】本発明の欠陥層がある部分の動作の説明図であ
る。
る。
【図９】（ａ）〜（ｄ）および（ｆ）は従来の一例の各
工程の断面図であり、（ｅ）は（ｄ）の工程後の底面図
である。
工程の断面図であり、（ｅ）は（ｄ）の工程後の底面図
である。
【図１０】（ａ）〜（ｄ）および（ｆ）は従来の他の例
の各工程の断面図であり、（ｅ）は（ｄ）の工程後の底
面図である。
の各工程の断面図であり、（ｅ）は（ｄ）の工程後の底
面図である。
【図１１】アモルファス層が存在する部分のバンド図で
ある。
ある。
１００ 単結晶シリコン基板
１０１ マスク材料
１０２ ｐ型拡散層
１０３，１０７，１０８ ｎ型拡散層
１０４ 酸化膜
１０５ Ｎ電極
１０６ Ｐ電極
１１０ レジストマスク
ｖ 欠陥層（またはアモルファス層）
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 31/04 - 31/078
Claims (14)
- 【請求項１】 真性または低濃度のｐ型の半導体基板
と、 半導体基板の受光面側に形成されたｎ型の拡散層と、 半導体基板の受光面の反対側に部分的に形成された高濃
度のｐ型の拡散層と、 部分的に形成された高濃度のｐ型の拡散層の間の領域に
イオン注入により形成された欠陥の存在する層と、 それぞれの拡散層に対して接続された電極とよりなるこ
とを特徴とする太陽電池セル。 - 【請求項２】 真性または低濃度のｐ型の半導体基板
と、 半導体基板の受光面の反対側に間隔をおいて部分的に形
成された高濃度のｐ型の拡散層およびｎ型の拡散層と、 これらの部分的に形成された拡散層の間にイオン注入に
より形成された欠陥の存在する層と、 受光面の反対側のそれぞれの拡散層に対して接続された
電極とよりなることを特徴とする太陽電池セル。 - 【請求項３】 真性または低濃度のｐ型の半導体基板
と、 半導体基板の受光面側に形成されたｎ型の拡散層と、 半導体基板の受光面と反対側の面に部分的に形成された
高濃度のｐ型の拡散層と、 部分的に形成された高濃度のｐ型の拡散層の間の領域に
電気的に浮いた状態で存在するｎ型の拡散層と、 受光面の反対側に部分的に形成されたｐ型の拡散層の間
の領域にイオン注入により形成された欠陥の存在する層
と、 受光面側のｎ型の拡散層と受光面の反対側のｐ型の拡散
層にそれぞれ接続された電極とよりなることを特徴とす
る太陽電池セル。 - 【請求項４】 真性または低濃度のｐ型の半導体基板
と、 半導体基板の受光面側に形成されたｎ型の拡散層と、 半導体基板の受光面の反対側に間隔をおいて部分的に形
成された高濃度のｐ型の拡散層およびｎ型の拡散層と、 これらの部分的に形成された拡散層の間にイオン注入に
より形成された欠陥の存在する層と、 受光面およびその反対側のｎ型の拡散層と受光面の反対
側のｐ型の拡散層にそれぞれ設けた電極とよりなること
を特徴とする太陽電池セル。 - 【請求項５】 イオン注入される物質は、水素，シリコ
ン，ゲルマニウム，フッ素，酸素，炭素等のうち、少な
くともシリコンまたはゲルマニウムのいずれかを含むい
ずれか１つ以上であることを特徴とする請求項１〜４の
いずれかに記載の太陽電池セル。 - 【請求項６】 イオン注入による欠陥の存在する層の代
わりに、イオン注入によるアモルファス層が設けられて
いることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の
太陽電池セル。 - 【請求項７】 アモルファス層は、シリコンまたはゲル
マニウムを３×１０14ｃｍ-2以上の注入量でイオン注入
することによって形成されることを特徴とする請求項６
記載の太陽電池セル。 - 【請求項８】 アモルファス層形成のためにイオン注入
される物質には、半導体基板の禁止帯幅よりも小さい禁
止帯幅を形成するような物質が含まれることを特徴とす
る請求項６記載の太陽電池セル。 - 【請求項９】 半導体基板がシリコン基板の場合に、ア
モルファス層形成のためにイオン注入される物質には、
基板の禁止帯幅よりも小さい禁止帯幅を形成するゲルマ
ニウムが含まれることを特徴とする請求項６記載の太陽
電池セル。 - 【請求項１０】 真性もしくは低濃度の第１導電型の不
純物を含む半導体基板に対して、その受光面側にｎ型の
拡散層を形成する工程と、 半導体基板の受光面の反対側に高濃度のｐ型の拡散層を
部分的に形成する工程と、 部分的に形成された高濃度のｐ型の間の領域にイオン注
入法により欠陥の存在する層またはアモルファス層を形
成する工程と、 受光面のｎ型の拡散層と受光面の反対側のｐ型の拡散層
のそれぞれに電極を形成する工程とを有することを特徴
とする太陽電池セルの製造方法。 - 【請求項１１】 真性または低濃度のｐ型の半導体基板
に対して、その受光面側にｎ型の拡散層を形成する工程
と、 受光面の反対側に高濃度のｐ型の拡散層を部分的に形成
する工程と、 前記の部分的に形成された拡散層の間の領域に電気的に
浮いた状態で存在するｎ型の拡散層を形成する工程と、 前記の部分的に形成された高濃度のｐ型の領域の間にイ
オン注入法により欠陥の存在する層またはアモルファス
層を形成する工程と、 受光面のｎ型の拡散層と受光面の反対側のｐ型の拡散層
のそれぞれに対して電極を形成する工程とを有すること
を特徴とする太陽電池セルの製造方法。 - 【請求項１２】 真性または低濃度のｐ型の半導体基板
に対して、その受光面側にｎ型の拡散層を形成する工程
と、 受光面の反対側に高濃度のｐ型の拡散層を部分的に形成
する工程と、 部分的に形成されたｐ型の拡散層の間にｎ型の拡散層を
部分的に形成する工程と、 前記の部分的に形成されたｐおよびｎ型の拡散層の領域
の間にイオン注入法により欠陥の存在する層またはアモ
ルファス層を形成する工程と、 受光面のｎ型の拡散層および受光面の反対側のｎ型の拡
散層ならびに受光面の反対側のｐ型の拡散層のそれぞれ
に電極を形成する工程とを有することを特徴とする太陽
電池セルの製造方法。 - 【請求項１３】 真性または低濃度のｐ型の半導体基板
に対して、その受光面の反対側に高濃度のｐ型の拡散層
を部分的に形成する工程と、 部分的に形成されたｐ型の拡散層の間にｎ型の拡散層を
部分的に形成する工程と、 部分的に形成されたｐおよびｎ型の拡散層の間の領域に
イオン注入法により欠陥の存在する層またはアモルファ
ス層を形成する工程と、 受光面の反対側のｐ型の拡散層およびｎ型の拡散層のそ
れぞれに対して電極を形成する工程を有することを特徴
とする太陽電池セルの製造方法。 - 【請求項１４】 イオン注入される物質は水素，シリコ
ン，ゲルマニウム，フッ素、酸素，炭素等のうち、少な
くともシリコンまたはゲルマニウムのいずれかを含むい
ずれか１つ以上であることを特徴とする請求項１０〜１
３のいずれかに記載の太陽電池セルの製造方法。
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