JP3764843B2 - 太陽電池セル - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、劈開方向が直交する基板の受光面側にテクスチャを配列してなる太陽電池セルおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池セルのセル断面の一例を図６に示す。
【０００３】
この太陽電池セル１００は、一般にＮＲＳ／ＢＳＦ（Non-Reflective Surface／Back Surface Field）型太陽電池と称されるもので、Ｐ型シリコン基板４を有し、この基板４の受光面側には、光エネルギにより発生するキャリアを効率よく取り込むためのＮ+ 拡散層３がＮ型不純物を熱拡散することにより形成されるとともに、表面反射を低減させるために逆ピラミッド型に凹凸したテクスチャ８が施されている。Ｎ+ 拡散層３の上には表面でのキャリアの再結合を低減させるために酸化膜層７が形成され、また、酸化膜層７が形成されていない開口部には発生した電気を効率よく取り出すための表面電極２が櫛形に形成されてＮ+ 拡散層３と直接接続されている。さらに、図示されていないＮ電極接続部を除いた太陽電池セル１００の受光側のほぼ全面には、入射する光の表面反射を低減するための反射防止膜１０が被覆されている。
【０００４】
Ｐ型シリコン基板４の裏面側には、キャリアの発生量を増加させるために、Ｐ+ 拡散層５がＰ型不純物を熱拡散することにより形成され、その下にはキャリアの再結合を低減させるために酸化膜層７、および裏面から抜け出してしまう長波長光を反射させ、かつ発生した電気を取り出すための裏面電極６がほぼ全面にわたって形成されている。そして、Ｐ+ 拡散層５と裏面電極６とは酸化膜層７に形成された図示されていない開口部を介して接続されている。
【０００５】
図６に示したようなＮＲＳ／ＢＳＦ型の太陽電池セル１００において、受光面側に形成されるテクスチャ８は、入射光を多重反射させて電池内部へ到達する光量を増加させる役目を果たすものであって、その大きさ、形成面積率、形成具合等によって、発生する電気のエネルギーが変化して出力に大きな影響を及ぼすため、このテクスチャ８の大きさや形状をいかに設定するかが非常に重要な要素となる。
【０００６】
すなわち、図７に示すように、入射光は、このテクスチャ８によって受光面で多重反射し、表面反射率が低減する。その結果、基板４に吸収される光が増大することにより、より多くの電流を発生させることができる。特に、宇宙用の太陽電池セルの場合は、放射線（宇宙線）を浴びるが、基板４にテクスチャ８があると、テクスチャ８によって基板の平均厚さが薄くなり、かつ、入射光が受光面で屈折し、基板に斜め方向に入射するため、太陽電池セルの表面付近に形成されたＰＮ接合近傍で発生するキャリアが増加し、放射線劣化によるキャリアライフタイムの影響を受けにくくすることができる。従って、受光面上により大きいテクスチャ８の領域を形成することが太陽電池セルの出力改善を図る上で有効である。
【０００７】
そのため、従来の太陽電池セル１００では、たとえば図８、図９および図１０に示すようなテクスチャ８の配置構成としている。ここで、図８は太陽電池セル１００の全体を示す平面図、図９は図８の符号Ａで示す部分を拡大して示す平面図、図１０（ａ）は図９の符号Ｂで示す部分を拡大して示す平面図である。図８および図９において、１２は表面電極２のグリッド電極、１６は表面電極２のバー電極、１４は出力電力を取り出すコネクタ（パッド）電極である。
【０００８】
太陽電池セル１００では、表面電極２の形成箇所や太陽電池の端部を除く全ての領域にテクスチャ８が格子状に配列されており、それぞれのテクスチャ８は、図１０（ａ）に示すように、平面視で正方形をした逆ピラミッド型の凹凸を有し、かつ、その大きさや形状は全て同じ四角錐からなる。なお、図１０の各右下の２０は、基板４を構成するウエーハの劈開方向を示す。
また、図１０（ｂ）に示すように、基板４の結晶方位の違いによって、テクスチャ８の形成方向が異なる場合もある。なお、この例ではテクスチャ８の形成方向が図１０（ａ）に対して４５°ずれている。
【０００９】
図１０に示したような形状をもつテクスチャ８を形成するには、従来、例えば、図１１の（ａ）〜（ｇ）に示すような工程によっていた。
まず、同図（ａ）に示すように、面方位〔１００〕のシリコン基板４を準備する。次に、同図（ｂ）に示すように、このシリコン基板４の表面に熱酸化もしくはＣＶＤ等を用いて酸化膜層７を形成する。続いて、同図（ｃ）に示すように、酸化膜層７の上面および下面にレジスト１５を塗布する。そして、同図（ｄ）に示すように、受光面側に所定のテクスチャおよびアラインメントマークの各パターンを露光して現像する。これにより、酸化膜層７の上にはレジスト１５によりテクスチャおよび図示しないアラインメントマークの各パターンが形成される。
【００１０】
次いで、同図（ｅ）に示すように、エッチング等により不要な部分の酸化膜層７を除去し、その後、レジスト１５を除去する。これで、酸化膜層７によりテクスチャパターンがシリコン基板４上に形成される。この状態で、同図（ｆ）に示すように、所定の温度、濃度の、たとえば高温のアルカリ溶液のようなエッチング液により所定時間エッチングする。シリコン基板４の場合は、結晶面毎に化学薬品に腐食される速度に差があり、これを利用した異方性エッチングにより微細な逆ピラミッド型のテクスチャ８を形成することができる。このとき、アラインメントマークが凹状に形成される（図示略）。最後に同図（ｇ）に示すように、酸化膜層７を除去することにより、シリコン基板４の受光面側にテクスチャ８およびアラインメントマーク（図示せず）が形成される。
【００１１】
前記の工程を経て、図１２の斜視図に示すような、逆ピラミッド型のテクスチャ８が得られる。なお、太陽電池セル１００の受光面（図中上部）には、表面電極２の形成箇所およびセルの端部を除く全ての領域に、テクスチャ８が形成されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来型のテクスチャ８の構成を有する太陽電池セル１００では、製造中の反りが大きく、かつ割れやすいという問題点を有していた。以下に、その原因を説明する。
【００１３】
従来型のテクスチャ８の配置構造は、例えば面方位〔１００〕のシリコンウエーハを基板に使用した場合、前記の異方性エッチングを利用して図１０に示すようなテクスチャ８が、直交する２方向に連続して形成される。この２方向はともに、シリコン基板４を形成するウエーハの壁開方向と一致するため、テクスチャ８が形成されたウエーハは、テクスチャ８が形成されていないウエーハに比べて反りやすく、また劈開方向に沿って割れやすい。このため、太陽電池セルを生産する際に、生産性の低下や割れたシリコン基板４の破片などによる生産ラインの汚染を引き起こしていた。
この発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、割れや反りの発生を抑えたテクスチャの構成を有する太陽電池およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、直交する２方向に劈開方向を有する材料からなる基板の受光面側にテクスチャが形成されてなる太陽電池セルにおいて、テクスチャは、矩形の底辺を有する逆ピラミッド型の形状であり、各逆ピラミッド型の形状は、前記２方向の劈開方向に沿って形成されたそれぞれの底辺で互いに隣接し、少なくとも一方の劈開方向に沿う底辺が、該一方の方向に隣接する逆ピラミッド形状の底辺の延長線上とは異なる直線上にあることを特徴とする太陽電池セルが提供される。
【００１５】
すなわち、面方位〔１００〕のシリコンウエーハ等の、直交する二方向に劈開方向が連続する基板を使用してその表面に底辺で互いに隣接するテクスチャを形成する場合、二つの劈開方向で底辺が一直線に並ぶのを回避することにより、従来の異方性エッチングを利用しながら、太陽電池セルの割れや反りの発生を抑えることができる。
【００１６】
本発明において、テクスチャとは、従来から用いられている無反射表面形状を意味する。このテクスチャとは、鏡面の反射率を１００％とした場合に、０．５〜１．０μｍの波長の光に対し反射防止膜がない状態で、受光面の反射率が約１０％以下の表面形状であればよく、望ましくは表面が実質的に光を吸収して反射しない形状である。このような形状としては、例えば、逆ピラミッド状に窪んだ矩形の開口や、Ｖ溝状に窪んだ開口などが挙げられる。本発明の太陽電池セルにおいては、多数の微小なテクスチャが受光面に形成された構造となっている。なお、この発明のテクスチャは、矩形あるいは多角形の底辺を有する逆ピラミッド型の形状であってもよい。
この発明における「底辺の断続」とは、底辺の端（角部）どうしがつながって直線状の底辺の列を形成し、さらにこの底辺の列が、基板の少なくとも一方の劈開方向において基板を端から端まで横切ることがないようなテクスチャの配列を意味する。
つまり、基板の少なくとも一方の劈開方向において、底辺がその端どうしでつながらない部分があればよい。
【００１７】
この発明では、テクスチャの配列をその底辺の配置および大きさからみた場合に以下の形態が例示される。
すなわち、底辺が一方の劈開方向で断続し、かつ断続する劈開方向に沿う底辺のそれぞれが同じ長さの辺からなる形態（図１）、底辺が一方の劈開方向で断続し、かつ断続する劈開方向に沿う底辺が異なる長さの辺からなる形態（図２）、および底辺が両方の劈開方向で断続し、かつ断続する劈開方向に沿う底辺が異なる長さの辺からなる形態（図３）である。
前記の図１および図３の形態は、テクスチャが、底辺が断続する劈開方向で、底辺の長さの１／２だけずれて配列された構成が例示される。
【００１８】
前記３つの各形態は、基板を形成するウェハの結晶方位によって、テクスチャの配列方向が異なる場合がある。すなわち、テクスチャの形成領域を矩形の基板上に設定したとき、基板の一辺の延出方向が劈開方向に一致する場合のみならず、基板の一辺が劈開方向に対して所定の角度傾いている場合もこの発明の範疇に含まれる。
【００１９】
別の観点によれば、この発明は、異なる長さの底辺を有するそれぞれのテクスチャをマスキングパターンにより、劈開方向が直交する基板の受光面側に配列してなる太陽電池セルの製造方法であって、基板上に酸化膜で、長い底辺を有するテクスチャの形成領域に位置するマスキングパターンの線幅のほうが、短い底辺を有するテクスチャの形成領域に位置するマスキングパターンの線幅よりも大きいマスキングパターン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が提供される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の太陽電池セルの実施の形態について説明するが、この発明はこれらの実施の形態によって限定されない。
図１から図３は、太陽電池セルにおけるテクスチャの配列の具体例を示す平面図である。これらの実施の形態では、劈開方向が直交する基板の受光面側にテクスチャが配列され、テクスチャの形成領域３０は矩形の基板上である。
【００２１】
図１（ａ）において、テクスチャ８は、同じ長さの底辺Ｃからなる正四角錐の各テクスチャ８１をそれぞれの底辺Ｃで互いに隣接するようにテクスチャ形成領域３０に縦横に配設してなり、図中の縦方向に沿う底辺Ｃは断続して形成されている。すなわち、底辺Ｃが劈開方向２０の少なくとも一方で一直線上に並ばないようにテクスチャ８１が配列されている。
テクスチャ８の横ずれの長さは特に限定されないが、図１に示すように、底辺Ｃの長さの１／２である場合に、太陽電池セルの割れや反りの発生をより有効に抑えることができる。
【００２２】
図２（ａ）において、テクスチャ８は、異なる長さの底辺Ｃ1 、Ｃ2 からそれぞれがなる正四角錐の各テクスチャ８２、８３をそれぞれの底辺Ｃ1 、Ｃ2 で互いに隣接するようにテクスチャ形成領域３０に縦横に配設してなり、図中の縦方向に沿う底辺Ｃ1 、Ｃ2 は断続して形成されている。
すなわち、図中では、大きいテクスチャ８２が横方向に隣接して並ぶ列と、小さいテクスチャ８３が横方向に隣接して並ぶ列とが交互に連続するが、底辺Ｃ1 、Ｃ2 が劈開方向２０の少なくとも一方で一直線上に並ばないように、テクスチャ８２、８３が配列されている。
テクスチャ８２、８３の横ずれの長さは、底辺Ｃ1 、Ｃ2 の長さの違いにより異なる。
【００２３】
図３（ａ）において、テクスチャ８は、異なる長さの底辺Ｃ3 、Ｃ4 からなる正四角錐の各テクスチャ８４、８５をそれぞれの底辺Ｃ3 、Ｃ4 で互いに隣接するようにテクスチャ形成領域３０に縦横に配設してなり、図中の縦方向および横方向に沿う底辺Ｃ3 、Ｃ4 は断続して形成されている。
すなわち、図中では、大きいテクスチャ８４と小さいテクスチャ８５とが互いに他方を囲むように配列され、横方向に連続して並んでいない。テクスチャ８５の底辺Ｃ4 がテクスチャ８４の底辺Ｃ3 の１／２の長さを有し、底辺Ｃ3 、Ｃ4 が劈開方向２０の両方で一直線上に並ばないように、テクスチャ８２、８３が配列されている。
テクスチャ８ａの横ずれの長さは特に限定されないが、図３に示すように、底辺Ｃ3 の１／２の長さである場合に、太陽電池セルの割れや反りの発生をより有効に抑えることができる。
【００２４】
基板を形成するウェハの結晶方位によって、テクスチャの配設方向が異なる場合がある。すなわち、図１〜図３の前記の各（ａ）の各形態では、テクスチャ８（８１〜８５）の形成領域３０の一辺の延出方向が劈開方向２０に一致する場合を示したが、図１〜図３の各（ｂ）に示すように、テクスチャ８（８１〜８５）の形成領域３０の一辺が劈開方向２０に対して所定の角度傾いた構成が例示される。
【００２５】
前記の各形態で示したように、直交する二方向に劈開方向２０が連続する基板を使用してその表面に底辺Ｃ、Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 およびＣ4 で互いに隣接するテクスチャを形成する場合、二つの劈開方向２０で前記の底辺のそれぞれが一直線に並ぶのを回避することにより、太陽電池セルを形成する基板４の割れや反りの発生を抑えることができる。このようなテクスチャ８の配列は、後記のように、従来の異方性エッチングを利用して、ガラスマスクのパターンを変更するだけで形成できる。
【００２６】
図１から図３に示した各テクスチャ８は、図１１に示した従来のテクスチャ８の製造工程を用いて形成されるが、用いられるマスキングパターンの形状が異なる。これについて、以下に説明する。
【００２７】
図４および図５は、図１１（ｆ）で示した、シリコン基板４のエッチングの工程によって、大きさの異なるテクスチャ（例えば、図２、図３のテクスチャ８２〜８５）を形成する場合の、エッチング前後の工程別断面図を示す。
図４は、テクスチャ８の大きさに関係なく、同じ線幅ｄのマスキングパターンとしての酸化膜層７をテクスチャ８の形成に用いた場合、図５はテクスチャ８の大きさに応じて、酸化膜層７の線幅をｄ1 、ｄ2 とした場合（ｄ1 ＜ｄ2 ）をそれぞれ示す。
【００２８】
図４（ａ）に示すように、酸化膜層７により同じ線幅ｄのマスキングパターンがシリコン基板４上に形成されている状態で、実線で示す部分までエッチングが進み、底８０ａ、８０ｂが現れると、横方向へのエッチングが始まる。このとき、エッチングにより露出した〔１１１〕面は〔１００〕面に比較してエッチング速度が遅いため（図示せず）、それまで同じだったエッチング速度は、下方向に比べ横方向へのエッチング速度が速くなる。そして、破線で示す四角錐の頂点が形成されるまでエッチングを行うが、その場合、小さいテクスチャ、例えば、８３の横方向へのエッチングは、大きいテクスチャ、例えば、８２のエッチングが終了する頃には完全にオーバーエッチングとなり、小さいテクスチャ８３の頂点が欠落してしまう。その結果、酸化膜層７を除去したときには、図４（ｂ）およびその部分拡大図（ｃ）に示すように、小さいテクスチャ８３において、設計どおりのテクスチャ形状が形成できないために、若干出力が低下するとともに、外観不良をも引き起こしてしまう。
【００２９】
これに対して、図５（ａ）に示すように、酸化膜層７の線幅をｄ1 、ｄ2 とした場合（ｄ1 ＜ｄ2 ）には、酸化膜層７により異なる線幅のテクスチャパターンがシリコン基板４上に形成されている状態で、実線に示す部分までエッチングが進み、底８０ａ、８０ｂが現れると、横方向へのエッチングが始まる。このとき、それまで同じだったエッチング速度が、下方向に比べ横方向へのエッチング速度が速くなる。そして、破線で示すテクスチャ８の四角錐の頂点が形成されるまでエッチングを行う。その場合、小さいテクスチャ８３の酸化膜層７の線幅ｄ2 は、大きいテクスチャ８２の酸化膜層７の線幅ｄ1 よりも大きいので、大きいテクスチャ８２のエッチングが終了するときに、小さいテクスチャ８３のエッチングを同時に終了させることができる。したがって、テクスチャ８３の部分がオーバーエッチングされることはない。その結果、酸化膜層７を除去した際に、図５（ｂ）に示すように、設計どおりの形状を有するテクスチャ８２、８３を得ることができる。
【００３０】
前記のように、異なる大きさの一辺からなる正四角錐底面を有するテクスチャ８２、８３をマスキングパターンにより、直交する二方向に劈開方向が連続する基板４の受光面側に配列してなる太陽電池セルの製造においては、基板４上に酸化膜層７で、小さいテクスチャ８３の形成領域に位置するマスキングパターンの線幅ｄ2 のほうが、大きいテクスチャ８２の形成領域に位置するマスキングパターンの線幅ｄ1 よりも大きいマスキングパターンを形成し、そのマスキングパターンをマスクとして基板をエッチングすることにより、オーバーエッチングのないテクスチャ８３を得ることができる。なお、図３に示したテクスチャ８４、８５も、マスキングパターンの線幅を設定することにより前記と同様に設計どおりの形状のものを得ることができる。
【００３１】
以上説明したように、この発明の実施の形態によれば、従来と同様の装置を用いて製造可能でありながら、従来品とほぼ変わらない電気特性、光学特性を有し、反りが小さく、製造中や取り扱い中に割れにくい太陽電池セルを製造することができる。
【００３２】
この発明の実施の形態では、Ｐ型シリコン基板を用いた太陽電池セルについて説明したが、Ｎ型基板あるいはＧａＡｓ等シリコン単結晶以外の基板を用いた太陽電池セルに対してもこの発明の方法は応用可能である。また、この発明の実施の形態では、ＮＲＳ／ＢＳＦ型シリコン太陽電池セルの場合について説明したが、ＮＲＳ／ＬＢＳＦ型シリコン太陽電池セルに対しても同様に応用可能である。また、この発明の太陽電池セルは、宇宙用太陽電池として、あるいは地上用太陽電池として適用可能である。
【００３３】
【発明の効果】
この発明の太陽電池セルでは、直交する二方向に劈開方向が連続する基板を使用してその表面にテクスチャを形成する場合、劈開方向が連続する二方向のうちの両方向でテクスチャが一列に連続するのを回避することにより、従来の異方性エッチングを利用しながら、太陽電池セルの割れや反りの発生を抑えることができる。
この発明の太陽電池セルの製造方法によれば、太陽電池セルの生産性が高まり、得られた太陽電池セルは、取り扱いが容易なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の太陽電池セルにおけるテクスチャの配列の実施の一形態を示す平面図である。
【図２】この発明の太陽電池セルにおけるテクスチャの配列の実施の他の形態を示す平面図である。
【図３】この発明の太陽電池セルにおけるテクスチャの配列の実施のさらに他の形態を示す平面図である。
【図４】異なる長さの底辺を有する各テクスチャを形成する場合のエッチング前後の工程別断面図（テクスチャの大きさに関わらずマスキングパターンの線幅を全て同じとする場合）である。
【図５】異なる長さの底辺を有する各テクスチャを形成する場合のエッチング前後の工程別断面図（テクスチャの大きさに応じてマスキングパターンの線幅を変える場合）である。
【図６】太陽電池セルを説明する断面図である。
【図７】テクスチャ表面での光の反射と屈折の説明図である。
【図８】太陽電池セルの一例を示す平面図である。
【図９】図８の符号Ａ部分を拡大して示す平面図である。
【図１０】図９の符号Ｂ部分を拡大して示す、従来の太陽電池セルにおけるテクスチャの構成の実施の一形態を示す平面図である。
【図１１】太陽電池セルにおけるテクスチャの製造工程の一形態を説明する断面図である。
【図１２】従来型太陽電池セルの一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
２ 表面電極
３ Ｎ+ 拡散層
４ シリコン基板
５ Ｐ+ 拡散層
６ 裏面電極
７ 酸化膜層
８ テクスチャ
１０ 反射防止膜
１２ グリッド電極
１４ 電極パッド
１５ フォトレジスト
１６ バー電極
２０ ウエーハの劈開方向
３０ テクスチャ形成領域
８１〜８５ テクスチャ
８２、８４ 大きいテクスチャ
８３、８５ 小さいテクスチャ
１００ 太陽電池セル
ｃ 底辺
ｃ１〜ｃ4 底辺
ｄ1 マスキングパターンの狭い線幅
ｄ2 マスキングパターンの広い線幅
【発明の属する技術分野】
本発明は、劈開方向が直交する基板の受光面側にテクスチャを配列してなる太陽電池セルおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池セルのセル断面の一例を図６に示す。
【０００３】
この太陽電池セル１００は、一般にＮＲＳ／ＢＳＦ（Non-Reflective Surface／Back Surface Field）型太陽電池と称されるもので、Ｐ型シリコン基板４を有し、この基板４の受光面側には、光エネルギにより発生するキャリアを効率よく取り込むためのＮ+ 拡散層３がＮ型不純物を熱拡散することにより形成されるとともに、表面反射を低減させるために逆ピラミッド型に凹凸したテクスチャ８が施されている。Ｎ+ 拡散層３の上には表面でのキャリアの再結合を低減させるために酸化膜層７が形成され、また、酸化膜層７が形成されていない開口部には発生した電気を効率よく取り出すための表面電極２が櫛形に形成されてＮ+ 拡散層３と直接接続されている。さらに、図示されていないＮ電極接続部を除いた太陽電池セル１００の受光側のほぼ全面には、入射する光の表面反射を低減するための反射防止膜１０が被覆されている。
【０００４】
Ｐ型シリコン基板４の裏面側には、キャリアの発生量を増加させるために、Ｐ+ 拡散層５がＰ型不純物を熱拡散することにより形成され、その下にはキャリアの再結合を低減させるために酸化膜層７、および裏面から抜け出してしまう長波長光を反射させ、かつ発生した電気を取り出すための裏面電極６がほぼ全面にわたって形成されている。そして、Ｐ+ 拡散層５と裏面電極６とは酸化膜層７に形成された図示されていない開口部を介して接続されている。
【０００５】
図６に示したようなＮＲＳ／ＢＳＦ型の太陽電池セル１００において、受光面側に形成されるテクスチャ８は、入射光を多重反射させて電池内部へ到達する光量を増加させる役目を果たすものであって、その大きさ、形成面積率、形成具合等によって、発生する電気のエネルギーが変化して出力に大きな影響を及ぼすため、このテクスチャ８の大きさや形状をいかに設定するかが非常に重要な要素となる。
【０００６】
すなわち、図７に示すように、入射光は、このテクスチャ８によって受光面で多重反射し、表面反射率が低減する。その結果、基板４に吸収される光が増大することにより、より多くの電流を発生させることができる。特に、宇宙用の太陽電池セルの場合は、放射線（宇宙線）を浴びるが、基板４にテクスチャ８があると、テクスチャ８によって基板の平均厚さが薄くなり、かつ、入射光が受光面で屈折し、基板に斜め方向に入射するため、太陽電池セルの表面付近に形成されたＰＮ接合近傍で発生するキャリアが増加し、放射線劣化によるキャリアライフタイムの影響を受けにくくすることができる。従って、受光面上により大きいテクスチャ８の領域を形成することが太陽電池セルの出力改善を図る上で有効である。
【０００７】
そのため、従来の太陽電池セル１００では、たとえば図８、図９および図１０に示すようなテクスチャ８の配置構成としている。ここで、図８は太陽電池セル１００の全体を示す平面図、図９は図８の符号Ａで示す部分を拡大して示す平面図、図１０（ａ）は図９の符号Ｂで示す部分を拡大して示す平面図である。図８および図９において、１２は表面電極２のグリッド電極、１６は表面電極２のバー電極、１４は出力電力を取り出すコネクタ（パッド）電極である。
【０００８】
太陽電池セル１００では、表面電極２の形成箇所や太陽電池の端部を除く全ての領域にテクスチャ８が格子状に配列されており、それぞれのテクスチャ８は、図１０（ａ）に示すように、平面視で正方形をした逆ピラミッド型の凹凸を有し、かつ、その大きさや形状は全て同じ四角錐からなる。なお、図１０の各右下の２０は、基板４を構成するウエーハの劈開方向を示す。
また、図１０（ｂ）に示すように、基板４の結晶方位の違いによって、テクスチャ８の形成方向が異なる場合もある。なお、この例ではテクスチャ８の形成方向が図１０（ａ）に対して４５°ずれている。
【０００９】
図１０に示したような形状をもつテクスチャ８を形成するには、従来、例えば、図１１の（ａ）〜（ｇ）に示すような工程によっていた。
まず、同図（ａ）に示すように、面方位〔１００〕のシリコン基板４を準備する。次に、同図（ｂ）に示すように、このシリコン基板４の表面に熱酸化もしくはＣＶＤ等を用いて酸化膜層７を形成する。続いて、同図（ｃ）に示すように、酸化膜層７の上面および下面にレジスト１５を塗布する。そして、同図（ｄ）に示すように、受光面側に所定のテクスチャおよびアラインメントマークの各パターンを露光して現像する。これにより、酸化膜層７の上にはレジスト１５によりテクスチャおよび図示しないアラインメントマークの各パターンが形成される。
【００１０】
次いで、同図（ｅ）に示すように、エッチング等により不要な部分の酸化膜層７を除去し、その後、レジスト１５を除去する。これで、酸化膜層７によりテクスチャパターンがシリコン基板４上に形成される。この状態で、同図（ｆ）に示すように、所定の温度、濃度の、たとえば高温のアルカリ溶液のようなエッチング液により所定時間エッチングする。シリコン基板４の場合は、結晶面毎に化学薬品に腐食される速度に差があり、これを利用した異方性エッチングにより微細な逆ピラミッド型のテクスチャ８を形成することができる。このとき、アラインメントマークが凹状に形成される（図示略）。最後に同図（ｇ）に示すように、酸化膜層７を除去することにより、シリコン基板４の受光面側にテクスチャ８およびアラインメントマーク（図示せず）が形成される。
【００１１】
前記の工程を経て、図１２の斜視図に示すような、逆ピラミッド型のテクスチャ８が得られる。なお、太陽電池セル１００の受光面（図中上部）には、表面電極２の形成箇所およびセルの端部を除く全ての領域に、テクスチャ８が形成されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来型のテクスチャ８の構成を有する太陽電池セル１００では、製造中の反りが大きく、かつ割れやすいという問題点を有していた。以下に、その原因を説明する。
【００１３】
従来型のテクスチャ８の配置構造は、例えば面方位〔１００〕のシリコンウエーハを基板に使用した場合、前記の異方性エッチングを利用して図１０に示すようなテクスチャ８が、直交する２方向に連続して形成される。この２方向はともに、シリコン基板４を形成するウエーハの壁開方向と一致するため、テクスチャ８が形成されたウエーハは、テクスチャ８が形成されていないウエーハに比べて反りやすく、また劈開方向に沿って割れやすい。このため、太陽電池セルを生産する際に、生産性の低下や割れたシリコン基板４の破片などによる生産ラインの汚染を引き起こしていた。
この発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、割れや反りの発生を抑えたテクスチャの構成を有する太陽電池およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、直交する２方向に劈開方向を有する材料からなる基板の受光面側にテクスチャが形成されてなる太陽電池セルにおいて、テクスチャは、矩形の底辺を有する逆ピラミッド型の形状であり、各逆ピラミッド型の形状は、前記２方向の劈開方向に沿って形成されたそれぞれの底辺で互いに隣接し、少なくとも一方の劈開方向に沿う底辺が、該一方の方向に隣接する逆ピラミッド形状の底辺の延長線上とは異なる直線上にあることを特徴とする太陽電池セルが提供される。
【００１５】
すなわち、面方位〔１００〕のシリコンウエーハ等の、直交する二方向に劈開方向が連続する基板を使用してその表面に底辺で互いに隣接するテクスチャを形成する場合、二つの劈開方向で底辺が一直線に並ぶのを回避することにより、従来の異方性エッチングを利用しながら、太陽電池セルの割れや反りの発生を抑えることができる。
【００１６】
本発明において、テクスチャとは、従来から用いられている無反射表面形状を意味する。このテクスチャとは、鏡面の反射率を１００％とした場合に、０．５〜１．０μｍの波長の光に対し反射防止膜がない状態で、受光面の反射率が約１０％以下の表面形状であればよく、望ましくは表面が実質的に光を吸収して反射しない形状である。このような形状としては、例えば、逆ピラミッド状に窪んだ矩形の開口や、Ｖ溝状に窪んだ開口などが挙げられる。本発明の太陽電池セルにおいては、多数の微小なテクスチャが受光面に形成された構造となっている。なお、この発明のテクスチャは、矩形あるいは多角形の底辺を有する逆ピラミッド型の形状であってもよい。
この発明における「底辺の断続」とは、底辺の端（角部）どうしがつながって直線状の底辺の列を形成し、さらにこの底辺の列が、基板の少なくとも一方の劈開方向において基板を端から端まで横切ることがないようなテクスチャの配列を意味する。
つまり、基板の少なくとも一方の劈開方向において、底辺がその端どうしでつながらない部分があればよい。
【００１７】
この発明では、テクスチャの配列をその底辺の配置および大きさからみた場合に以下の形態が例示される。
すなわち、底辺が一方の劈開方向で断続し、かつ断続する劈開方向に沿う底辺のそれぞれが同じ長さの辺からなる形態（図１）、底辺が一方の劈開方向で断続し、かつ断続する劈開方向に沿う底辺が異なる長さの辺からなる形態（図２）、および底辺が両方の劈開方向で断続し、かつ断続する劈開方向に沿う底辺が異なる長さの辺からなる形態（図３）である。
前記の図１および図３の形態は、テクスチャが、底辺が断続する劈開方向で、底辺の長さの１／２だけずれて配列された構成が例示される。
【００１８】
前記３つの各形態は、基板を形成するウェハの結晶方位によって、テクスチャの配列方向が異なる場合がある。すなわち、テクスチャの形成領域を矩形の基板上に設定したとき、基板の一辺の延出方向が劈開方向に一致する場合のみならず、基板の一辺が劈開方向に対して所定の角度傾いている場合もこの発明の範疇に含まれる。
【００１９】
別の観点によれば、この発明は、異なる長さの底辺を有するそれぞれのテクスチャをマスキングパターンにより、劈開方向が直交する基板の受光面側に配列してなる太陽電池セルの製造方法であって、基板上に酸化膜で、長い底辺を有するテクスチャの形成領域に位置するマスキングパターンの線幅のほうが、短い底辺を有するテクスチャの形成領域に位置するマスキングパターンの線幅よりも大きいマスキングパターン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が提供される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の太陽電池セルの実施の形態について説明するが、この発明はこれらの実施の形態によって限定されない。
図１から図３は、太陽電池セルにおけるテクスチャの配列の具体例を示す平面図である。これらの実施の形態では、劈開方向が直交する基板の受光面側にテクスチャが配列され、テクスチャの形成領域３０は矩形の基板上である。
【００２１】
図１（ａ）において、テクスチャ８は、同じ長さの底辺Ｃからなる正四角錐の各テクスチャ８１をそれぞれの底辺Ｃで互いに隣接するようにテクスチャ形成領域３０に縦横に配設してなり、図中の縦方向に沿う底辺Ｃは断続して形成されている。すなわち、底辺Ｃが劈開方向２０の少なくとも一方で一直線上に並ばないようにテクスチャ８１が配列されている。
テクスチャ８の横ずれの長さは特に限定されないが、図１に示すように、底辺Ｃの長さの１／２である場合に、太陽電池セルの割れや反りの発生をより有効に抑えることができる。
【００２２】
図２（ａ）において、テクスチャ８は、異なる長さの底辺Ｃ1 、Ｃ2 からそれぞれがなる正四角錐の各テクスチャ８２、８３をそれぞれの底辺Ｃ1 、Ｃ2 で互いに隣接するようにテクスチャ形成領域３０に縦横に配設してなり、図中の縦方向に沿う底辺Ｃ1 、Ｃ2 は断続して形成されている。
すなわち、図中では、大きいテクスチャ８２が横方向に隣接して並ぶ列と、小さいテクスチャ８３が横方向に隣接して並ぶ列とが交互に連続するが、底辺Ｃ1 、Ｃ2 が劈開方向２０の少なくとも一方で一直線上に並ばないように、テクスチャ８２、８３が配列されている。
テクスチャ８２、８３の横ずれの長さは、底辺Ｃ1 、Ｃ2 の長さの違いにより異なる。
【００２３】
図３（ａ）において、テクスチャ８は、異なる長さの底辺Ｃ3 、Ｃ4 からなる正四角錐の各テクスチャ８４、８５をそれぞれの底辺Ｃ3 、Ｃ4 で互いに隣接するようにテクスチャ形成領域３０に縦横に配設してなり、図中の縦方向および横方向に沿う底辺Ｃ3 、Ｃ4 は断続して形成されている。
すなわち、図中では、大きいテクスチャ８４と小さいテクスチャ８５とが互いに他方を囲むように配列され、横方向に連続して並んでいない。テクスチャ８５の底辺Ｃ4 がテクスチャ８４の底辺Ｃ3 の１／２の長さを有し、底辺Ｃ3 、Ｃ4 が劈開方向２０の両方で一直線上に並ばないように、テクスチャ８２、８３が配列されている。
テクスチャ８ａの横ずれの長さは特に限定されないが、図３に示すように、底辺Ｃ3 の１／２の長さである場合に、太陽電池セルの割れや反りの発生をより有効に抑えることができる。
【００２４】
基板を形成するウェハの結晶方位によって、テクスチャの配設方向が異なる場合がある。すなわち、図１〜図３の前記の各（ａ）の各形態では、テクスチャ８（８１〜８５）の形成領域３０の一辺の延出方向が劈開方向２０に一致する場合を示したが、図１〜図３の各（ｂ）に示すように、テクスチャ８（８１〜８５）の形成領域３０の一辺が劈開方向２０に対して所定の角度傾いた構成が例示される。
【００２５】
前記の各形態で示したように、直交する二方向に劈開方向２０が連続する基板を使用してその表面に底辺Ｃ、Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 およびＣ4 で互いに隣接するテクスチャを形成する場合、二つの劈開方向２０で前記の底辺のそれぞれが一直線に並ぶのを回避することにより、太陽電池セルを形成する基板４の割れや反りの発生を抑えることができる。このようなテクスチャ８の配列は、後記のように、従来の異方性エッチングを利用して、ガラスマスクのパターンを変更するだけで形成できる。
【００２６】
図１から図３に示した各テクスチャ８は、図１１に示した従来のテクスチャ８の製造工程を用いて形成されるが、用いられるマスキングパターンの形状が異なる。これについて、以下に説明する。
【００２７】
図４および図５は、図１１（ｆ）で示した、シリコン基板４のエッチングの工程によって、大きさの異なるテクスチャ（例えば、図２、図３のテクスチャ８２〜８５）を形成する場合の、エッチング前後の工程別断面図を示す。
図４は、テクスチャ８の大きさに関係なく、同じ線幅ｄのマスキングパターンとしての酸化膜層７をテクスチャ８の形成に用いた場合、図５はテクスチャ８の大きさに応じて、酸化膜層７の線幅をｄ1 、ｄ2 とした場合（ｄ1 ＜ｄ2 ）をそれぞれ示す。
【００２８】
図４（ａ）に示すように、酸化膜層７により同じ線幅ｄのマスキングパターンがシリコン基板４上に形成されている状態で、実線で示す部分までエッチングが進み、底８０ａ、８０ｂが現れると、横方向へのエッチングが始まる。このとき、エッチングにより露出した〔１１１〕面は〔１００〕面に比較してエッチング速度が遅いため（図示せず）、それまで同じだったエッチング速度は、下方向に比べ横方向へのエッチング速度が速くなる。そして、破線で示す四角錐の頂点が形成されるまでエッチングを行うが、その場合、小さいテクスチャ、例えば、８３の横方向へのエッチングは、大きいテクスチャ、例えば、８２のエッチングが終了する頃には完全にオーバーエッチングとなり、小さいテクスチャ８３の頂点が欠落してしまう。その結果、酸化膜層７を除去したときには、図４（ｂ）およびその部分拡大図（ｃ）に示すように、小さいテクスチャ８３において、設計どおりのテクスチャ形状が形成できないために、若干出力が低下するとともに、外観不良をも引き起こしてしまう。
【００２９】
これに対して、図５（ａ）に示すように、酸化膜層７の線幅をｄ1 、ｄ2 とした場合（ｄ1 ＜ｄ2 ）には、酸化膜層７により異なる線幅のテクスチャパターンがシリコン基板４上に形成されている状態で、実線に示す部分までエッチングが進み、底８０ａ、８０ｂが現れると、横方向へのエッチングが始まる。このとき、それまで同じだったエッチング速度が、下方向に比べ横方向へのエッチング速度が速くなる。そして、破線で示すテクスチャ８の四角錐の頂点が形成されるまでエッチングを行う。その場合、小さいテクスチャ８３の酸化膜層７の線幅ｄ2 は、大きいテクスチャ８２の酸化膜層７の線幅ｄ1 よりも大きいので、大きいテクスチャ８２のエッチングが終了するときに、小さいテクスチャ８３のエッチングを同時に終了させることができる。したがって、テクスチャ８３の部分がオーバーエッチングされることはない。その結果、酸化膜層７を除去した際に、図５（ｂ）に示すように、設計どおりの形状を有するテクスチャ８２、８３を得ることができる。
【００３０】
前記のように、異なる大きさの一辺からなる正四角錐底面を有するテクスチャ８２、８３をマスキングパターンにより、直交する二方向に劈開方向が連続する基板４の受光面側に配列してなる太陽電池セルの製造においては、基板４上に酸化膜層７で、小さいテクスチャ８３の形成領域に位置するマスキングパターンの線幅ｄ2 のほうが、大きいテクスチャ８２の形成領域に位置するマスキングパターンの線幅ｄ1 よりも大きいマスキングパターンを形成し、そのマスキングパターンをマスクとして基板をエッチングすることにより、オーバーエッチングのないテクスチャ８３を得ることができる。なお、図３に示したテクスチャ８４、８５も、マスキングパターンの線幅を設定することにより前記と同様に設計どおりの形状のものを得ることができる。
【００３１】
以上説明したように、この発明の実施の形態によれば、従来と同様の装置を用いて製造可能でありながら、従来品とほぼ変わらない電気特性、光学特性を有し、反りが小さく、製造中や取り扱い中に割れにくい太陽電池セルを製造することができる。
【００３２】
この発明の実施の形態では、Ｐ型シリコン基板を用いた太陽電池セルについて説明したが、Ｎ型基板あるいはＧａＡｓ等シリコン単結晶以外の基板を用いた太陽電池セルに対してもこの発明の方法は応用可能である。また、この発明の実施の形態では、ＮＲＳ／ＢＳＦ型シリコン太陽電池セルの場合について説明したが、ＮＲＳ／ＬＢＳＦ型シリコン太陽電池セルに対しても同様に応用可能である。また、この発明の太陽電池セルは、宇宙用太陽電池として、あるいは地上用太陽電池として適用可能である。
【００３３】
【発明の効果】
この発明の太陽電池セルでは、直交する二方向に劈開方向が連続する基板を使用してその表面にテクスチャを形成する場合、劈開方向が連続する二方向のうちの両方向でテクスチャが一列に連続するのを回避することにより、従来の異方性エッチングを利用しながら、太陽電池セルの割れや反りの発生を抑えることができる。
この発明の太陽電池セルの製造方法によれば、太陽電池セルの生産性が高まり、得られた太陽電池セルは、取り扱いが容易なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の太陽電池セルにおけるテクスチャの配列の実施の一形態を示す平面図である。
【図２】この発明の太陽電池セルにおけるテクスチャの配列の実施の他の形態を示す平面図である。
【図３】この発明の太陽電池セルにおけるテクスチャの配列の実施のさらに他の形態を示す平面図である。
【図４】異なる長さの底辺を有する各テクスチャを形成する場合のエッチング前後の工程別断面図（テクスチャの大きさに関わらずマスキングパターンの線幅を全て同じとする場合）である。
【図５】異なる長さの底辺を有する各テクスチャを形成する場合のエッチング前後の工程別断面図（テクスチャの大きさに応じてマスキングパターンの線幅を変える場合）である。
【図６】太陽電池セルを説明する断面図である。
【図７】テクスチャ表面での光の反射と屈折の説明図である。
【図８】太陽電池セルの一例を示す平面図である。
【図９】図８の符号Ａ部分を拡大して示す平面図である。
【図１０】図９の符号Ｂ部分を拡大して示す、従来の太陽電池セルにおけるテクスチャの構成の実施の一形態を示す平面図である。
【図１１】太陽電池セルにおけるテクスチャの製造工程の一形態を説明する断面図である。
【図１２】従来型太陽電池セルの一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
２ 表面電極
３ Ｎ+ 拡散層
４ シリコン基板
５ Ｐ+ 拡散層
６ 裏面電極
７ 酸化膜層
８ テクスチャ
１０ 反射防止膜
１２ グリッド電極
１４ 電極パッド
１５ フォトレジスト
１６ バー電極
２０ ウエーハの劈開方向
３０ テクスチャ形成領域
８１〜８５ テクスチャ
８２、８４ 大きいテクスチャ
８３、８５ 小さいテクスチャ
１００ 太陽電池セル
ｃ 底辺
ｃ１〜ｃ4 底辺
ｄ1 マスキングパターンの狭い線幅
ｄ2 マスキングパターンの広い線幅
Claims (6)
- 直交する２方向に劈開方向を有する材料からなる基板の受光面側にテクスチャが形成されてなる太陽電池セルにおいて、
テクスチャは、矩形の底辺を有する逆ピラミッド型の形状であり、各逆ピラミッド型の形状は、前記２方向の劈開方向に沿って形成されたそれぞれの底辺で互いに隣接し、少なくとも一方の劈開方向に沿う底辺が、該一方の方向に隣接する逆ピラミッド形状の底辺の延長線上とは異なる直線上にあることを特徴とする太陽電池セル。 - 各逆ピラミッド形状の一方の劈開方向に沿う底辺が、該一方の方向に隣接する逆ピラミッド形状の底辺の延長線上とは異なる直線上にあり、かつ前記一方の劈開方向に沿って隣接する底辺のそれぞれが同じ長さの辺からなる請求項１に記載の太陽電池セル。
- 各逆ピラミッド形状の一方の劈開方向に沿う底辺が、該一方の方向に隣接する逆ピラミッド形状の底辺の延長線上とは異なる直線上にあり、かつ前記一方の劈開方向に沿って隣接する底辺が異なる長さの辺からなる請求項１に記載の太陽電池セル。
- 各逆ピラミッド形状の前記２方向の劈開方向に沿う底辺が、該２方向にそれぞれ隣接する逆ピラミッド形状の底辺とは異なる直線上にあり、かつ前記２方向の劈開方向に沿って隣接する底辺が異なる長さの辺からなる請求項１に記載の太陽電池セル。
- 隣接する底辺が、底辺の長さの１／２だけ互いにずれて配列された請求項２または４に記載の太陽電池セル。
- 基板が矩形を呈し、基板の一辺が、劈開方向に対して所定の角度傾いている請求項１から５のいずれか１つに記載の太陽電池セル。
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