JP3741565B2

JP3741565B2 - 太陽電池およびその製造方法

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Publication number: JP3741565B2
Application number: JP13558999A
Authority: JP
Inventors: 伸幸加藤
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-05-17
Filing date: 1999-05-17
Publication date: 2006-02-01
Anticipated expiration: 2019-05-17
Also published as: JP2000332267A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、太陽電池とその製造方法に関し、ＰＮ接合の形成を改良した太陽電池とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８に従って、従来の太陽電池の製造方法の一例を説明する。ここでは、基板１０１が、不純物濃度が３×１０¹⁵から４×１０¹⁶ｃｍ^-3で、結晶軸が（１００）の主面をもつ、シリコン基板からなるｐ型半導体基板が用いられている。
【０００３】
図８（ａ）において、まず、基板１０１の受光面に光の反射を低減する「テクスチャ表面」を形成するために、数％の水酸化ナトリウムを含む水溶液中にイソプロピルアルコールを添加して８０〜９０℃の温度でシリコン基板１０１を２０〜３０分間処理する。これにより、基板１０１の受光面に多くの微細な凹凸が形成される。
次に、図８（ｂ）において、リン化合物などの拡散源および反射防止膜１０２を形成するための酸化チタン等を含む薬剤１０２ａをＰ型半導体基板１０１の主面にスピン法で塗布する。
【０００４】
次に、図８（ｃ）において、９００℃前後の温度で数十分間熱処理を行い、約０．４ミクロンのｎ⁺層１０３を形成すると同時に反射防止膜１０２を形成する。これにより、基板１０１の主面のみならず、基板１０１の側面及び裏面にも形成されたｎ⁺層１０３あるいはｎ⁺層１０４が、Ｐ型半導体基板１０１との間にＰＮ接合を形成する。しかし、上記シリコン基板１０１の全表面にｎ⁺層が形成されていると、この太陽電池に負電極（ｎ側）と正電極（ｐ側）を形成する際に両電極の間が短絡されて、太陽電池セルの良好な電気特性が得られない。したがって、少なくともシリコン基板１０１の裏面の不要なｎ⁺層１０４を除去し、それによってＰＮ接合を一方の電極から分離する必要がある。
【０００５】
そこで、次に図８（ｄ）において、反射防止膜１０２上に耐酸性のレジスト１０５を、例えばスクリーン印刷法によって形成し、その後、フッ酸と硝酸の混酸（ＨＦ：ＨＮＯ₃＝１：３）でエッチングすることによって、基板１０１の側面及び裏面のｎ⁺層１０４を除去する。次いで、図８（ｅ）において、レジスト層１０５をトルエン、キシレン等の溶剤を用いて除去する。
【０００６】
図８（ｆ）において、銀を含むペースト１０６ａとアルミニウムを含むペースト１０７ａをそれぞれ所定のパターンで印刷して乾燥した後、７００〜８００℃で熱処理する。このとき、アルミニウムとシリコンが合金化してアルミ電極１０７が形成されるともに、このアルミ電極１０７の裏側にｐ⁺層１０８が形成される。このｐ⁺層１０８は約５μｍの厚みを有し、バック・サーフェイス・フィールド（Back Surface Field、略称ＢＳＦ）と呼ばれる背面電界構造を形成する。このＢＳＦ構造は、通常、ｐ⁺層１０８、ｐ型半導体基板１０１及びｎ⁺層１０３で形成されるｐ⁺ｐｎ⁺構造により、ｐ⁺ｐ接合付近で形成された電子を、そこでの内部電界によって表面方向に引き戻して裏面におけるキャリアの再結合を減少させるとともに、ｐ⁺層が拡散ポテンシャルを増大させて開放電圧を高める効果（以下、ＢＳＦ効果という）を生じる。
【０００７】
図８（ｇ）において、反射防止膜１０２上に、銀を含むペースト１０９ａを所定のパターンで印刷して乾燥した後、基板１０１を７００〜８００℃で熱処理して表面銀電極１０９を形成する。このとき、表面銀電極１０９は反射防止膜１０２を貫通してｎ⁺層１０３とオーミック接続を形成する。次いで、図８（ｈ）において、上記表面銀電極１０９および裏面銀電極１０６の表面に、はんだ１１０を被覆して太陽電池が完成する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記した太陽電池を製造するに際し、ｎ⁺層１０４を除去するためにレジスト印刷工程、エッチング工程、レジスト除去工程を必要とし、太陽電池の製造コストが高くなるという問題がある。この問題の解決のために、特開平２−３３９８０号公報には、ＰＮ接合を形成する基板の裏面に予めマスク材を形成しておくことにより、レジスト除去工程を不要とする方法が記載されている。しかし、マスク材と裏面のアルミ電極の「重なり部分」が大きいと、アルミ電極を用いることによって得られるＢＳＦ効果が阻害されるという問題がある。
【０００９】
さらに、特開平７−１３５３３３号公報には、上記と同様にマスク材を形成するとともに、後でマスク材を除去する方法が記載されている。マスク材の除去により、ＢＳＦ効果を有効に利用できるが、このマスク材の除去工程は太陽電池の製造コストの低減を妨げる要因となる。
【００１０】
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、高いＢＳＦ効果を有するとともに、製造工程の簡略化が図られた太陽電池及びその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ＰＮ接合が形成された半導体基板と、半導体基板の裏面に形成されたマスク材と、半導体基板の裏面に形成された裏面電極とを有し、マスク材は、ＰＮ接合の少なくとも一部を分離するとともに裏面電極のＢＳＦ構造を妨げない部位に形成されたことを特徴とする太陽電池が提供される。
【００１２】
すなわち、従来から、ＰＮ接合を基板の表面に成膜する工程で、半導体基板の裏面を含めた全面にＰＮ接合が形成されると、形成された太陽電池の負極と正極が短絡されて電気的特性が低下するため、基板の一部の表面にマスク材を形成してＰＮ接合を分離する手法が用いられている。一方、ＰＮ接合と対向する基板の裏面に裏面電極の形成と同時に、ＢＳＦ構造を形成する手法が従来から用いられている。この発明の太陽電池は、マスク材と裏面電極の互いの位置関係の最適化を図ることにより、マスク材によるＰＮ接合の確実な分離と有効なＢＳＦ構造の形成を保証するものである。
【００１３】
この発明における裏面電極のＢＳＦ構造とは、基板の表面のＰＮ接合及び裏面電極の不純物拡散によるｐ⁺層で形成されるｐ⁺ｐｎ⁺構造であり、このｐ⁺ｐｎ⁺構造により、ｐ⁺ｐ接合付近で形成された電子を、そこでの内部電界によって表面方向に引き戻して裏面におけるキャリアの再結合を減少させるとともに、ｐ⁺層が拡散ポテンシャルを増大させて開放電圧を高める効果を生じる。
【００１４】
この発明において、マスク材と裏面電極の互いの位置関係には２つの条件があり、１つはマスク材と裏面電極とが半導体基板の裏面で重ならないことであり、もう１つは、マスク材と裏面電極とが重なり部分を有して形成されてもよいが、その場合には、両者の重なり部分において、マスク材の厚みが０．１〜０．２μｍであること及び／またはマスク材の幅が２ｍｍを超えないことである。
【００１５】
また、本発明によれば、半導体基板の一面にチタンを含むドーパント液を塗布した後、熱処理を行いＰＮ接合と反射防止膜を同時に形成する工程と、チタンを溶媒中に含むマスク材塗布液を半導体基板の裏面に塗布してマスク材を形成する工程と、裏面電極を半導体基板の裏面に形成する工程とを含む太陽電池の製造方法において、マスク材を裏面電極と重ならない部位に形成することを特徴とする太陽電池の製造方法が提供される。
【００１６】
この発明の太陽電池の製造は、具体的には、半導体基板の一主面に二酸化チタンを含むドーパント液を塗布する一方、他主面にＰＮ接合の形成を防止する少なくともチタン酸アルキルを溶媒中に含むマスク液を塗布する工程、熱処理によって一主面にＰＮ接合を形成する工程、他主面に電気的に接続された裏面銀電極とアルミ電極を形成する工程、一主面におけるＰＮ接合上に表面銀電極を形成する工程からなるものが挙げられる。
【００１７】
この発明の太陽電池の製造において、半導体基板が丸形であれば、チタンを溶媒中に含むマスク液を、スピンコータを用いて基板上の電極形成部位に重ならないよう塗布してマスク材を形成することができる。また、半導体基板が角形であれば、マスク液を用いて、スクリーン印刷により基板上の電極形成部位に重ならないようマスク材を形成することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を実施例により説明する。図１は、本発明の太陽電池の構成の一例を示す。太陽電池２０は、ｐ型半導体基板１と、基板１の一主面に形成された反射防止膜２及びｎ⁺層３と、ｎ⁺層３に接続された表面銀電極９と、基板１の裏面に形成された裏面銀電極６、アルミ電極７及びマスク材１１と、基板１中にアルミ電極７のアルミニウムが拡散して形成されたｐ⁺層８と、各電極６、９を被覆するはんだ１０とから主に形成される。
【００１９】
ｐ型半導体基板１は、結晶軸が（１００）のシリコン基板であり、具体的にはＳｉ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＧｅ、ＳｉＯが使用できる。基板１の表面には微細な凹凸、例えばピラミッド状の凸部群からなるテクスチャを有する。
裏面銀電極６及び表面銀電極９は、銀及びアルミニウムを材料に用いて成膜により形成され、スパッタリング法あるいは蒸着法等の成膜方法を用いる。これらの電極には、銀と、アルミニウム、チタン、クロム、モリブデン、タングステン及びニッケル等を単独であるいはこれらを組み合わせて用いることができる。
【００２０】
アルミ電極７は、裏面銀電極６における銀の使用量を低減するとともに、ＢＳＦ構造を形成する。この実施例におけるＢＳＦ構造は、ｐ⁺層８、ｐ型半導体基板１及びｎ⁺層３で形成されるｐ⁺ｐｎ⁺構造により、ｐ⁺ｐ接合付近で形成された電子を、そこでの内部電界によって表面方向に引き戻して裏面におけるキャリアの再結合を減少させるとともに、ｐ⁺層が拡散ポテンシャルを増大させて開放電圧を高める効果（ＢＳＦ効果）を生じる構造をいう。
マスク材１１は、ＰＮ接合を確実に分離するために、ＴｉＯ₂等の電気絶縁性を有する層からなる膜を形成する材料で構成されるのが好ましい。
【００２１】
以下、太陽電池２０の製造方法の一例を図２を参照して説明する。
図２（ａ）において、ｐ型半導体基板１を酸溶液あるいはアルカリ溶液で処理して、表面のダメージ層を除去する。そして、ｐ型半導体基板１を８０〜９０℃の水酸化ナトリウム水溶液（数％の濃度）に浸漬して２０〜３０分間処理し、ｐ型半導体基板１の表面（受光面）に図中の拡大図に示すような微細なテクスチャを形成する。
【００２２】
次いで、図２（ｂ）において、従来と同様に、ノズル（図示せず）を介して基板１の中心に滴下されたチタン酸アルキルを含むドーパント液２ａをスピンコータ（図示せず）によって基板１の表面に塗布する。その際、裏面の周辺部にはチタン酸を含むマスク液１１ａを同時に塗布する。このマスク液１１ａは、塗布後の乾燥によりマスク材１１を形成する塗液であって、その一例としては、エタノール及びチタン酸イソプロピルを体積比で２０：３に混合した混合液である。上記のドーパント液２ａの塗布は、ノズルを介してドーパント液２ａを基板の中心に滴下することにより行われたのに対し、マスク液１１ａの塗布は、ノズルを介して上記混合液を基板１の周辺部に吹きつけることにより行われる。
【００２３】
次いで、図２（ｃ）において、上記ドーパント液２ａおよびマスク液１１ａが塗布されたｐ型半導体基板１を拡散炉で熱処理（９００℃、１５分）することによって、ｐ型半導体基板１の表面にｎ⁺層３を形成する。このとき、ドーパント液２ａは、チタン酸アルキルを含む溶液であるため、同時に、表面に反射防止膜２が形成される。その際、ｐ型半導体基板１の裏面におけるマスク液１１ａが塗布されていない領域にも薄いｎ⁺層４が形成される。一方、ｐ型半導体基板１の裏面のマスク材１１が形成されている領域ではＴｉＯ₂膜が形成され、その膜の下にはｎ⁺層は形成されない。このように、ｐ型半導体基板において裏面の中心部には薄いｎ⁺層４が形成されるが、表面のｎ⁺層３とは分離されているため、太陽電池２０の性能には影響を及ぼさない。
【００２４】
図２（ｄ）において、ｐ型半導体基板１の裏面に、銀を含むペースト６ａを所定のパターンで印刷、乾燥し、次いでアルミニウムを含むペースト７ａを所定のパターンで印刷・乾燥した後、７００〜８００℃の高温処理をして裏面銀電極６及びアルミ電極７を形成する。このとき、ｐ型半導体基板１中にアルミ電極７のアルミニウムが拡散して合金化し、ｐ⁺層８が形成され、前述したＢＳＦ構造を生じる。
図２（ｅ）において、ｐ型半導体基板１の表面の反射防止膜２上に、銀を含むペースト９ａを所定のパターンで印刷、乾燥した後、７００〜８００℃で高温熱処理し、表面銀電極９を形成する。上記の太陽電池を、約１９０℃のはんだ槽に浸漬し、表面銀電極９および裏面銀電極６の表面を、はんだ１０で被覆することにより、図１に示した太陽電池２０が形成される。
【００２５】
上述のように、本実施例における太陽電池２０の製造方法においては、ＰＮ接合の形成時に、基板１におけるマスク材１１の裏側の部分にはｎ⁺層４が形成されないため、ＰＮ接合の逆方向電流を低減でき、かつアルミ電極７のＢＳＦ効果を低下させないため、高出力の太陽電池２０が得られる。また、マスク材１１の除去が不要であるため、太陽電池の製造工程の簡略化が実現される。
【００２６】
この発明の太陽電池の製造において、図３に示すように、半導体基板１が丸形である太陽電池４０の場合には、基板１裏面の周縁部にスピンナーを用いて、上記と同様の組成からなるマスク液３１ａを塗布し、その内側に乾燥したマスク材３１と重ならないようにアルミ電極７を形成することができる。
また、図４に示すように、半導体基板１が角形である太陽電池６０の場合には、マスク液５１ａを用いて、スクリーン印刷により基板１上のアルミ電極７の形成部位に重ならないようマスク材５１を形成することができる。なお、図中の１０はともに、はんだである。
【００２７】
さらに、他の実施例により、この発明の太陽電池を説明する。
図５に示した太陽電池８０は、ｐ型半導体基板１と、基板１の一主面に形成された反射防止膜２及びｎ⁺層３と、ｎ⁺層３に接続された表面銀電極９と、基板１の裏面に形成された裏面銀電極６、アルミ電極７及びマスク材７１と、基板１中にアルミ電極７のアルミニウムが拡散して形成されたｐ⁺層８と、各電極６、９を被覆するはんだ１０とから主に形成される。
【００２８】
前記した実施例がマスク材１１とアルミ電極７が重ならないよう形成されたのに対し、この実施例では、マスク材７１とアルミ電極７が一部重なる場合の実施形態を示す。すなわち、マスク材７１は、図中の基板１の裏面においてその両端辺に沿って各端辺から所定の幅及び所定の厚みを有して前記と同様の手法で形成され、アルミ電極７がマスク材７１と所定の幅の重なり部分５を有してマスク材７１を覆うように形成されている。重なり部分５において、マスク材７１は、その厚みが０．１〜０．２μｍの範囲にあり、その重なり幅が２ｍｍを超えないよう形成されている。このような最適化のための条件設定がなされることにより、アルミ電極７による有効なＢＳＦ構造が形成される。
【００２９】
上記の最適化のための条件として設定された諸数値の根拠を以下に説明する。図６は、マスク材の厚みと逆方向電流の関係（図６ａ）及びマスク材の厚みと開放電圧の関係（図６ｂ）を実験により求めたものであり、ともにマスク材とアルミ電極との重なり幅は４ｍｍに設定されている。図６によれば、マスク材の厚みが厚くなるとマスク効果が増して、逆方向電流は減少する。一方、開放電圧は、マスク材がアルミニウムの拡散を阻害するため、ＢＳＦ効果の減少によって、低下する。したがって、逆方向電流が低く、かつ高い開放電圧を得るためには、マスク材の厚みを０．１〜０．２μｍの範囲に設定すればよいことがわかる。
【００３０】
図７は、マスク材及びアルミ電極の重なり幅と開放電圧の関係を実験により求めたものであり、マスク材の厚みは０．４μｍに設定されている。図７によれば、マスク材とアルミ電極の重なりが大きくなるとマスク材がアルミニウムの拡散を阻害するため、ＢＳＦ効果が減少し、開放電圧は低下する。したがって、マスク材とアルミ電極の重なり幅が２ｍｍ以上になれば開放電圧が低下し始めるため、開放電圧の低下を抑えて高いＢＳＦ効果を得るためには、重なり幅を２ｍｍ以内に設定すればよいことがわかる。
【００３１】
上記のように、図５に示した実施例における太陽電池８０は、アルミ電極７がマスク材７１と所定の幅の重なり部分５を有してマスク材７１を覆うように形成されているが、重なり部分におけるマスク材７１の厚み及びその重なり幅５を最適化することにより、ＰＮ接合の逆方向電流を低減でき、開放電圧の低下を抑え、かつアルミ電極７のＢＳＦ効果を低下させないため、高出力の太陽電池８０が得られる。また、マスク材７１の除去が不要であるため、太陽電池の製造工程の簡略化が実現される。
【００３２】
【発明の効果】
本発明では、マスク材と裏面電極の互いの位置関係の最適化を図ることにより、マスク材によるＰＮ接合の確実な分離と有効なＢＳＦ構造の形成が保証される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態による太陽電池の概略断面図。
【図２】図１の太陽電池の製造方法を工程順に説明するための概略断面図。
【図３】本発明の他の実施の形態による太陽電池の裏面模式図。
【図４】本発明の他の実施の形態による太陽電池の裏面模式図。
【図５】本発明のさらに他の実施の形態による太陽電池の概略断面図。
【図６】図５の太陽電池におけるマスク材の厚みと逆方向電流の関係を示すグラフ（ａ）及びマスク材の厚みと開放電圧の関係を示すグラフ（ｂ）。
【図７】図５の太陽電池におけるマスク材及びアルミ電極の重なり部分と、開放電圧の関係を示すグラフ。
【図８】従来の太陽電池の製造方法を工程順に説明するための概略断面図。
【符号の説明】
１ｐ型半導体基板
２反射防止膜
３ｎ⁺層（受光面側）
４ｎ⁺層（裏面側）
５重なり部分
６裏面銀電極
７アルミ電極
８ｐ⁺層
９表面銀電極
１０はんだ
１１マスク材
３１マスク材
５１マスク材
７１マスク材

Claims

裏面にマスク材が形成された半導体基板にＰＮ接合を形成する工程と、半導体基板の裏面に裏面電極を形成する工程とを備え、マスク材は、ＰＮ接合の少なくとも一部を分離するとともに半導体基板の裏面で裏面電極と重ならない部位に形成されることを特徴とする太陽電池の製造方法。
裏面にマスク材が形成された半導体基板にＰＮ接合を形成する工程と、半導体基板の裏面に裏面電極を形成する工程とを備え、マスク材は、ＰＮ接合の少なくとも一部を分離するとともに半導体基板の裏面で裏面電極と一部重なる部位に形成され、その重なり部分のマスク材の厚みが、０．１〜０．２μｍであることを特徴とする太陽電池の製造方法。
前記重なり部分のマスク材の幅が２ｍｍを超えない請求項２に記載の方法。
半導体基板は、丸形であり、マスク材は、スピンコータを用いて形成される請求項１又は２に記載の方法。
半導体基板は、角形であり、マスク材は、スクリーン印刷により形成される請求項１又は２に記載の方法。