JP3789474B2 - バックサーフィスフィールドを有するソーラーセル及びその製造方法 - Google Patents

Description

シリコンソーラーセルの厚さを低減しようとすると、ソーラーセルの効率の低下が見られる。このことは、一方では吸収長が比較的薄くなると、もはや太陽光の完全な吸収ができないためである。他方では、電荷担体が裏面の近傍で多量に生成され、小数電荷担体が拡散によって裏面電極に到達することができ、これにより多数電荷担体によって発生される電流が低下する。
裏面のハイドーピング層によって、小数電荷担体の拡散を妨害する領域、いわゆるバックサーフィスフィールド（back-surface-field）を形成することができる。このためには、ｐドーピングされたソーラーセル本体及びこのソーラーセルの光入射側面又は表面側にｎ⁺ドーピングされたエミッタを有するソーラーセル構造の場合、ｐ⁺ドーピングが裏面側に必要である。このｐ⁺ドーピングの形成のためによくアルミニウムが提案される。アルミニウムは、薄い層として例えば裏面側への蒸着によって塗付され、さらにアニーリング段階によって注入乃至は合金化される。また、アルミニウムを含有する裏面端子を塗付することによって、及びアルミニウムの相応の注入によってｐ⁺ドーピングを形成することもできる。さらに、アルミニウムを固体拡散源からソーラーセル基板内に拡散させることもできる。これは当然次のような不利な点に結びつく。すなわち、ソーラーセル基板が両面側でアルミニウムドーピングされ、これによりｐ⁺ｐｐ⁺構造が形成される、という不利な点と結びつく。
ホウ素もまたｐドーピングの形成には適当である。この場合、相応のバックサーフィスフィールドは、相応の揮発性の又はガス状のホウ素化合物のガス拡散によって、及びホウ素含有シリコン層を裏面側に塗付又はドープ剤を含有する液体性溶剤を塗付することによって形成される。しかし、ドーピングを注入するのに必要な温度において、ホウ素化合物の高い揮発性のために、常に周囲全体拡散が観察される。この周囲全体拡散は、ドーピングするべきではないソーラーセル領域をマスキングによって阻止されなければならない。
方法的には簡単に製造される、アルミニウムによるｐ⁺ドーピングは非常に腐食しやすいという不利な点を有する。時間の経過すると、アルミニウムを含有する層領域は腐食し解離しうる。これは裏面端子を損傷させ、ソーラーセル性能を低下させる。
IEEE PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY CONFERENCE,12.-16.10.1992,MOTREAX,schweiz,１６４〜１６７頁からシリコンソーラーセルの製造のための方法が公知である。この方法では、ホウ素ドーピングされた酸化層をシリコンウェハの裏面側に塗布し、続いてホウ素を９４０℃の温度でシリコンの中へ拡散する。この後でリン拡散によってエミッタ層を生成し、最後にエッチングによって端子を塗付する。
国際公開第９１１９３２３号からシリコンソーラーセルの製造のための方法が公知である。この方法はとりわけドーピングされる領域の製造に目を向けている。この方法ではドープ剤を含有する酸化物形成マスク層を半導体基板の表面の一部分に塗布し、続いてこの基板を、このドープ剤の一部分がマスク層から半導体基板内へ拡散するのに十分な温度で加熱する。この際、露出した半導体表面のオートドーピング（autodope）も発生する。半導体基板のオートドーピングされた領域はエッチングによって除去され、その一方でマスク層はこのマスク層の下のドーピングされた領域の保護層となる。
本発明の課題は、シリコンソーラーセルにおけるバックサーフィスフィールドの製造方法を提供することである。この方法は、大きなコストをかけずに、従来のソーラーセルの製造方法に統合されうる。この方法は、簡単に確実に実施しうる。そしてこの方法は腐食しやすさを低減することにより長期間安定したソーラーセルをもたらす。この本発明の方法によって次のことが可能になる。すなわち、比較的薄いソーラーセルによってシリコン材料を節約でき、それにもかかわらずより高いソーラーセル効率を達成することが可能になる。
上記化課題は本発明においては請求項１記載の方法によって解決される。このやり方で製造されたソーラーセルは請求項９に示されている。他方で、本発明のその他の実施形態は従属請求項に示されている。
本発明の基本的なアイデアは、バックサーフィスフィールドのｐ⁺ドーピングをホウ素含有拡散源層からホウ素を追い出すことによって形成することである。ウェハの周縁部及び表面側の望ましくないドーピングは阻止される。この阻止は、酸素含有雰囲気の中で９００〜１２００℃の高温でホウ素を追い出すことによって行われる。この条件下では、ウェハの周縁部及び表面側にすぐに酸化層が形成される。この酸化層はマスキングに使用され、これによりこの箇所での望ましくないドーピングが阻止される。注入の後で、酸化層及び拡散源層は簡単なエッチング段階によって除去される。
従って、バックサーフィスフィールド（ＢＳＦ）の製造は半導体接合の前にすなわちソーラーセルの表面側にリンを拡散する前に行われる。選択される高温によって確実にホウ素ドーピングは深く注入される。このホウ素ドーピングはソーラーセルのそれ以後の製造工程全てと同様に安定している。このソーラーセルのこれ以後の製造工程全てははるかに低い温度下で実施される。
本発明のさらに別の利点は、リンの拡散による接合の製造の際に得られる。このリンの拡散は周囲で、すなわちウェハの両面側及び周縁部で行われる。それゆえリン拡散に対しては、所定の領域への望ましくないドーピングを排除するために層領域のマスキングも被覆も必要ない。深く注入されるＢＳＦドーピングは表面付近でのみリンによって過剰補償される。
裏面端子のアルミニウム含有材料によって今度はこの裏面端子の焼き入れの際にｐ⁺層への貫通接続が可能であり、この場合この裏面端子領域でｎ⁺層を再補償することができる。この裏面端子はこの場合構造的に又は完全に平坦に塗付される。
拡散源層はホウ素含有層である。このホウ素含有層からホウ素は熱によって追い出される。有利には、この拡散源層はホウ素ドーピングレジストによって塗付される。このレジストは、ホウ素又はホウ素化合物の他にパウダ状のＳｉＯ₂を懸濁液中に含んでいる。このドーピングレジストは通常は電力用半導体においてハイドーピングを製造するために使用される。これは液体状で塗付され、例えば回転塗付（spin on）される。
有利にはソーラーセルの裏面側は疎水性であり、よって酸化物がない。このソーラーセルの表面側にはできるだけ薄い層としてドーピングレジストが塗付され乾燥される。これによって、拡散源層が注入の際にひび割れを形成したり又は剥離することが阻止される。均質で損なわれていない拡散源層によって裏面の均質なドーピングが達成される。
拡散源層からホウ素をソーラーセル内への注入は、９００〜１２００℃で、有利には１０００〜１１００℃で行われる。この範囲は、使用目的のためのドーピングレジストの製造者が提案する１２８０℃より下にある。しかし、注入温度は、ソーラーセルでこれまで通常温度とされてきた温度よりも高い。
ホウ素ドーピングレジストの使用に対しては、このドーピングレジストの製造者はこれまでは構成要素又はウェハの片側面をレジストで被覆し、それぞれドーピングすべき面又はドーピングされない面が互いに上下に重なるように積層体状に重ね合わせることを提案した。これによって、それぞれ上下に重ね合わさる面のドーピングは、マスキングをする必要なしに阻止される。この提案された方法は、しかし、次のような不利な点を有している。すなわち、構成要素又はウェハは必要とされる高い注入温度において一つの塊になり、続いて機械的に又は化学的に互いに分離分解されざるおえない、という不利な点を有している。
本発明の方法では、ドーピングされない領域を積層することによってマスキングすることも被覆することも必要ない。ドーピングの注入の際には、ソーラーセル（ウェハ）は、互いに間隔をあけて配置される。この結果、塊になることは起こりえない。
ドーピングの注入の際には、雰囲気は酸素を含有していなければならない。有利には、この工程は純粋な酸素雰囲気の中で処理される。酸化層がすぐに形成されるように、ソーラーセルは注入温度に予め加熱された炉の中に直接挿入される。酸化物の迅速な形成の後で、この酸素雰囲気は別の気体ガス例えば窒素によって取って代わられる。
さらに別の本発明の方法の利点は、酸化層のホウ素に対する親和力から得られる。この親和力はシリコンのホウ素に対する親和力よりも大きい。これによって、場合によっては、ドーピングの注入の際に雰囲気の中に逃れ出る揮発性のホウ素が酸化層によって吸収され、このホウ素がほんのわずかであるがホウ素ドーピングから除外されるべき面領域に侵入することが起こりうる。
冷却の後で拡散源層も酸化層も例えばＨＦディップによって除去される。
ソーラーセルに必要な半導体接合はリン拡散によって生産される。これは周囲拡散によって行われる。この場合、表面側のｎ⁺ドーピングされたエミッタ層のほかに、裏面側にも平坦なｎ⁺ドーピングされた層領域が成立する。リン拡散の際には、ホウ素注入の際よりもはるかに低い温度ほぼ８００〜９００℃に設定されるので、ソーラーセルの裏面側には、１〜５μｍを有するはるかに深いｐ⁺ドーピングがほぼ０．２μｍの深さのｎ⁺ドーピングの下に残る。
性能のよい半導体構成要素を得るためには、ソーラーセルの周縁部のｐ⁺ドーピングを分離するしなくてはならない。これによって、短絡そしてこの短絡の結果生じるソーラーセルの出力損失が回避される。分離するためには、ソーラーセルを互いに上下に積層し、短時間エッチングプラズマにさらせばよい。
性能のよい裏面端子を得るためには、裏面側にｐ⁺層がｎ⁺を貫いて接続されなければならない。これはほぼ重量の１〜３％のアルミニウムを含有する裏面端子によって達成される。このアルミニウムは裏面端子に焼きつけする際にソーラーセルの裏面側に侵入し、そこでｐ⁺ドーピングを生成する。この裏面端子の下のｐ⁺ドーピングは、ｎ⁺ドーピングを過剰補償する。したがって、この裏面端子の下に低オーム抵抗の接続領域が生成される。この接続領域はソーラーセルの動作中に良好な電流通路を確保する。
性能のよいソーラーセルにまだ欠けている表面側の電流導通端子（表面端子）は、公知のやり方で、裏面端子の前に、裏面端子の間に、又は裏面端子と同時に、又は裏面端子の焼き付けの後で製造すればよい。
次に本発明を実施例及び７つの図に基づいて詳しく説明する。
図１〜４は、ソーラーセルの概略的な断面に基づいて異なる方法ステップを示す。
図５及び６はソーラーセルの本発明によって生成されたドーピングの形を示す。
図７は、完成したソーラーセルの概略的な断面図を示す。
図１：ソーラーセルとして例えば＜１００＞の配向を有するｐドーピングされたＣｚシリコンウェハが選択される。このウェハの場合、短い塩基性の結晶配向するエッチング（crystal-oriented etching）を用いて面のテキスチャリング（texturing）が生成される。この組織化は、反射を低減するために光入射の幾何学的構造を改善する（図１には図示されてはいない）。
裏面側ＲＳには薄いドーピングレジスト層２（例えばSiodop▲Ｒ▼,Firma Merck）が回転塗付され乾燥させられる。
図２：こうして用意されたウェハが今やトレイ又は棚にセットされ、１０００〜１１００℃までの予め加熱された炉の中に挿入される。炉の中には純粋な酸素雰囲気が入れられており、この結果、すぐにドーピングレジスト層２によって被覆されていないウェハ１の全ての面に酸化層４が形成される。同時に、ドーピングレジスト層２からホウ素が追い出され、ウェハ１の裏面側ＲＳの中に拡散する。この際、ほぼ１〜５μｍの深さのｐ⁺ドーピングされた領域５が形成される。
ＨＦディップによって酸化層４及びドーピングレジスト層２がこのウェハから除去される。
図３：リン拡散（矢印６を参照）によって平坦なｎ⁺ドーピングされた面領域７が周囲に生成される。条件は、ｎ⁺ドーピングされた領域７がほぼ１μｍ、有利には０．２μｍの深さに達するように調整される。
図４：このディスクの周縁部のｎ⁺領域を（たとえばプラズマでの）エッチングによって分離した後で裏面端子３が塗付される。これは例えばペーストを有するスクリーン印刷によって行われる。このペーストは結合剤及び酸化物添加物の他に、導電性の銀の粒子及び重量にして１〜３％のアルミニウムを含有している。プリントした後で、裏面端子３はほぼ７００〜８００℃で焼き付けられる。この際付加的にこのペーストに含有されているドープ剤アルミニウムがソーラーセル裏面側に注入され、そこの接続領域８においてｎ⁺ドーピングの過剰補償によってｐ⁺ドーピングが確保され、これによりｐ⁺領域５と裏面端子３との間に良好なオーム抵抗を確保する。
図５は、裏面端子を焼き付ける前のソーラーセルの形成されたドーピングの形を概略的に図示している。この場合、ドーピング濃度は裏面側ＲＳと表面側ＶＳとの間のディスクの厚さに対して示されている。領域１は低い均一な本来のウェハのｐドーピングである。領域５はｐ⁺ドーピングを示し、ウェハの裏面側ＲＳにほぼ５μｍ注入されている。リン拡散によって生成された、ほぼ０．２μｍの小さい侵入深度を有するｎ⁺ドーピング７は表面側にエミッタを形成し、裏面側ではｐ⁺ドーピングの過剰補償によって同様にｎ⁺ドーピングされた領域を形成している。
図６では裏面端子の焼き付け後のドーピングの形を図示している。ここでは、図示された切断面の切断領域に裏面端子がある。アルミニウムによって接続領域では裏面側のｎ⁺ドーピングが過剰補償され、このため裏面端子の下に連続するｐ⁺ドーピングされた領域が成立している。こうして、プリントされ焼き付けされた裏面端子のソーラーセルに対する良好なオーム抵抗接続が保証される。
図７はそれ自体は公知の方法ステップで製造されたソーラーセルの概略的な断面図を示している。このセルは少なくとも１つの表面端子９ならびに選択的に表面側の反射防止層１０ならびに裏面側不活性化層１１、例えば不活性化酸化物を有する。この反射防止層１０は例えば酸化物又は窒化珪素から形成される。これら両方の層は選択的に表面端子及び/又は裏面端子の塗付の前に製造される。高い面ドーピングのために、この場合酸化物がとりわけ迅速に成長し、このため不活性化のためには適度な温度及び短い処理時間で十分である。

Claims (11)

1. バックサーフィスフィールド（back-surface-field）を有するシリコンソーラーセルの製造方法において、
   該製造方法は以下のステップを有する、すなわち、
   ａ）ドープ剤としてホウ素を含有する拡散源層（２）を、ｐドーピングされたシリコンウェハ（１）の裏面側（ＲＳ）に塗付し、
   ｂ）酸化層（４）を生成し前記ドープ剤を注入するために、前記ウェハ（１）を酸素を含む雰囲気の中で９００℃〜１２００℃の温度で処理し、
   ｃ）前記拡散源層（２）及び前記酸化層（４）を除去し、
   ｄ）ｎ⁺ドーピングされたエミッタ層（７）を生成するためにリンをウェハの全ての側面に拡散注入し、
   ｅ）前記ウェハ（１）の周縁部のｎ⁺ドーピングされた層（７）を分離し、
   ｆ）アルミニウムを含有する裏面端子（３）を塗付し、
   ｇ）該裏面端子（３）を焼き付け、
   ｈ）表面端子（９）を製造するステップを有するバックサーフィスフィールドを有するシリコンソーラーセルの製造方法。
2. ステップａ）において、拡散源層（２）としてホウ素ドーピングレジスト層を塗付する、請求項１記載の方法。
3. ステップｂ）において、前記ウェハ（１）を１０００℃〜１１００℃までの温度にさらす、請求項１又は２記載の方法。
4. ステップｃ）において、前記拡散源層（２）及び前記酸化層（４）をＨＦ溶液によるエッチングによって除去する請求項１〜３のうちの１項記載の方法。
5. ステップｅ）において、ウェハ（１）を密接に互いに上下に又は隣接して積層し、
   ｐ⁺ドーピングされた層（７）の分離を、前記ウェハの外部周縁部をエッチングして除去することによって行う、請求項１〜４までのうちの１項記載の方法。
6. 裏面端子を、アルミニウムを含有する銀スクリーン印刷用ペーストをプリントすることによって塗付する、請求項１〜５までのうちの１項記載の方法。
7. ステップｆ）において、重量の１〜３パーセントのアルミニウムを含有する裏面端子（３）を塗付する、請求項１〜６までのうちの１項記載の方法。
8. ステップｂ）において、ホウ素を１〜５μｍの深さに注入する、請求項１〜７までのうちの１項記載の方法。
9. ｐドーピングされたソーラーセル本体（１）を有し、
   該ソーラーセル本体（１）の裏面側（ＲＳ）に１〜５μｍの深さの、ホウ素によってｐ⁺ドーピングされた層領域（５）を有し、
   前記ソーラーセル本体（１）の少なくとも表面側にｎ⁺ドーピングされた層領域（７）を有し、
   表面端子（９）を有し、
   裏面側に焼き付けられた、アルミニウムを含有する銀の裏面端子（３）を有し、
   該裏面端子（３）の領域にアルミニウムドーピングされた接続領域（８）を有し、連続するｐ ⁺ ドーピングされた領域が裏面端子の下に存在する、ソーラーセル。
10. 前記裏面端子（３）は面全体には塗付されず、
    前記裏面端子（３）によって被覆される裏面側の領域の間で、前記ホウ素ドーピング（５）は比較的平坦なｎ⁺ドーピング（７）によって過剰補償される、請求項９記載のソーラーセル。
11. 反射防止層（１０）を表面側（ＶＳ）に有し、酸化層（１１）を不活性化層として裏面側（ＲＳ）に有する、請求項９又は１０記載のソーラーセル。

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