JP4197193B2 - Method for manufacturing photoelectric conversion device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板を用いた光電変換装置に関するものであり、具体的には太陽電池に関する。太陽電池の構造の形態としては、周知の単結晶ウェハーや多結晶ウェハー等のバルク半導体を用いた様々なタイプの太陽電池に応用することができる。
【0002】
更に、本発明は、絶縁性または導電性の基板上に形成した薄膜半導体を光電変換層に利用した光電変換装置に関するものであり、薄膜半導体を用いた太陽電池に応用することができる。
【0003】
本発明は、PN接合を基本とする接合型太陽電池、ショットキー障壁やMIS構造等による非接合型太陽電池、多層接合型太陽電池、ヘテロ接合型太陽電池などに応用することが可能である。
【0004】
【従来の技術】
太陽電池は、各種半導体材料や有機化合物材料を用いて作製が可能であるが、工業的には半導体であるシリコン(珪素)が主に用いられている。シリコンを用いた太陽電池は、大別して単結晶シリコンや多結晶シリコン等のウェハ−を用いたバルク型太陽電池と、基板上にシリコン薄膜を形成した薄膜太陽電池に分類することができる。
【0005】
また、太陽電池の普及には、製造コストの削減が必要とされているが、特に薄膜太陽電池はバルク型太陽電池と比較して使用する原材料が少なくて済むため、低コスト化の効果が期待されている。
【0006】
現在、薄膜太陽電池の分野では、非晶質シリコン太陽電池が実用化されているが、単結晶シリコンや多結晶シリコンを利用した太陽電池と比較して変換効率が低く、また、光劣化等の問題を有しているため用途が限定されている。そのために、その他の手段として結晶性シリコン膜を用いた薄膜太陽電池の開発も行われている。
【0007】
この様に、太陽電池は高い変換効率と製造コストの削減を同時に求められるのであるが、実質的に両者は相反するものである。例えば、変換効率を追及する場合、高級グレード(欠陥等が極めて少ない)の単結晶ウェハーを用いることで比較的容易に達成できるが、その分製造コストは高くなる。
【0008】
逆に、低級グレード(いわゆる太陽電池級など)の単結晶ウェハーを用いることでコストを削減することができても、変換効率は多少落ちるのは止むを得ないのが現状である。特に、多結晶ウェハーや薄膜太陽電池等は、コスト削減が主体となって開発されたものであり、変換効率は二の次となっている。
【0009】
また低コストの面で、結晶性シリコン薄膜を用いた薄膜太陽電池は特に注目を浴びている。しかし、結晶性シリコン薄膜、例えば多結晶シリコン薄膜は吸収係数が小さいので、膜厚を稼がないと光電変換素子としてと十分な機能を果たさないといった問題がある。
【0010】
一般的に得られる多結晶シリコン薄膜には必ず結晶粒界が存在するので、その結晶粒界が禁止帯に相当するエネルギーを持つ電子状態を形成し、キャリアのライフタイムを低下させる。即ち、膜厚を稼ぐと電極に到達する前に再結合してしまい、十分な光電変換率を確保することが困難である。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、近年新しいエネルギー源として注目される太陽電池の開発は重要視されており、如何に製造コストを抑えて、変換効率の高い太陽電池を製造するかが、この先のエネルギー開発に向けて大きな課題となっている。
【0012】
そこで、上述した課題を解決するために、本発明は。バルク型太陽電池にによく利用される、程度の低い結晶性シリコン基板(例えば、太陽電池級など)を、さらに欠陥等の少ない、程度の高い結晶性を有する結晶性(例えば、半導体級など)に変成させるための技術を提供することを第1の課題とする。
そして、その高い結晶性を有する結晶性シリコン基板を用いて太陽電池を製造することによって、高い変換効率と低コストとを同時に達成するバルク型太陽電池を提供することを目的とする。
【0013】
更に本発明は、薄膜太陽電池において、光電変換領域となる結晶性シリコン薄膜を、従来よりさらに欠陥等の少ない、高い結晶性を有する結晶性シリコン薄膜とするための技術を提供することを第2の課題とする。
そして、その高い結晶性を有する結晶性シリコンを用いて太陽電池を製造し、高い変換効率と低コストとを同時に達成可能な薄膜太陽電池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】
(イ)上述した課題を解決するために、本明細書で開示する発明の構成は、結晶性を有する半導体基板を用いた光電変換装置において、半導体基板内部の欠陥に前記触媒元素を偏析させる。しかる後、ハロゲン元素又は15族元素によって、半導体基板内の触媒元素をゲッタリングすると同時に、半導体基板内部の欠陥を除去することを主要な構成とする。
【0015】
上記半導体基板としては、Si系、GaAs系、CdS系材料を用いた基板などが挙げられるが、特に一般的な例として例えば単結晶シリコンウェハーや多結晶シリコンウェハーを挙げることができる。現在においては、シリコンウェハー上に太陽電池を形成する手段は様々な手段が公知となっている。
【0016】
例えば、一般的には、例えばP型シリコンウェハーの表面に浅い逆導電型を有する層(N型層)を設けてPN接合を形成し、N型層に収集されたキャリアを電極で引き出して電流を得る構成となっている。また、PN接合に限らず、PIN接合(結晶シリコンの場合、実質的にはP+ PN接合、P+ - N接合などを指す)などの接合形態を利用する場合もある。
【0017】
(ロ)また、明細書で開示する発明の構成は、結晶性を有する半導体基板と、前記半導体基板上に密接して保持された触媒元素を含む層とに対して加熱処理を加え、前記半導体薄膜内部の欠陥に前記触媒元素を偏析させる。しかる後、結晶性半導体薄膜内の触媒元素をハロゲン元素又は15族元素によってゲッタリングすると同時に、半導体薄膜内部の欠陥を除去することを主要な構成とする。
【0018】
上記(ロ)において、基板材料としては、例えばセラミック、ステンレス、金属シリコン、タングステン、石英、サファイア等を用いることができる。また、薄膜太陽電池の作製方法については様々な手段が報告されているが、本発明は太陽電池の構造および作製方法に関わらず、広い範囲で応用することが可能である。
【0019】
例えば、実質的に真性なI型(または弱いP型)を有する結晶性シリコン薄膜に対し、その主表面(太陽光が入射する側)近傍にP(リン)等の逆導電型を付与する不純物(N型層を形成する)を添加してIN(またはPN)接合を形成する方法がある。また、結晶性シリコン薄膜上にN型を有する結晶性シリコン層を積層してIN(またはPN)接合を形成する場合もある。さらに、場合によってはP型導電層、実質的に真性なI型導電層、N型導電層を積層したPIN接合を形成しても良い。
【0020】
この様にして形成される太陽電池は、I型(またはP型)層とN型層との接合部において光励起によりキャリアを生成し、N型層に収集されたキャリアを電極で引き出して電流を得る構成となっている。また、PN接合、PIN接合に限らず、P+ PN接合などの接合を利用する場合もある。
【0021】
本発明の基本的な構成は、バルク型太陽電池や、薄膜太陽電池等の光電変換装置において、光電変換領域の結晶性を改善するため、触媒元素の結晶化を助長する作用を利用する点にある。
【0022】
しかし、この触媒元素は結晶化を助長する作用を有するものの、光電変換領域に含まれていると電気的特性、信頼性を損なうおそれがある。そこで本発明はおいては、光電変換領域から触媒元素を除去するために、ハロゲン元素または15族元素のゲッタリング作用を利用する。
【0023】
上記(イ)、(ロ)において、触媒元素としては、Fe、Co、Pt、Cu、Au等を用いることができ、触媒元素層の形成方法として、プラズマ処理法、蒸着法、スピンコート法等を利用することができる。好ましくは、半導体基板表面または半導体薄膜に損傷を与えにくい点で蒸着法、スピンコート法が有利である。特に、スピンコート法は触媒元素の添加量の制御性が良く、本発明者らはこの方法を主に利用している。
【0024】
また、上記(イ)、(ロ)において、触媒元素をゲッタリングする方法には大別して2種類あり、第1に、ハロゲン元素を含む雰囲気において、加熱処理する方法が上げられる。ゲッタリングに利用できるハロゲン元素としては、Cl(塩素)、F(フッ素)が特に好ましい。ハロゲン元素を雰囲気に添加するためのガスとしては、HCl、HF、HBr、Cl2、NF3 、ClF3 、F2 、Br2 から選ばれた一種または複数種類のガスなどが挙げられる。
【0025】
第2に、15族に属する元素を含む層を半導体基板表面又は半導体薄膜表面に形成し、半導体基板表面又は半導体薄膜表面と15族に属する元素を含む層に加熱処理する方法が挙げられる。15族に属する元素を含む層を形成するには、液相法、気相法を用いることができる。例えば、15族に属する元素を添加された酸化珪素膜やシリコン膜を形成すればよい。あるいは、イオン注入法やプラズマドーピング法等によって、15族に属する元素を半導体基板又は半導体薄膜に導入する方法も用いることができる。
【0026】
15族に属する元素としては、N(窒素)、P(リン)、As(砒素)、Sb(アンチモン)、Bi(ビスマス)が挙げられる。本発明人の研究によると、顕著なゲッタリング効果を奏するものはPであった。
【0027】
また15族に属する元素を含む層内の15族に属する元素の濃度は最低でも、半導体基板または半導体薄膜内の触媒濃度よりも1桁高くなるようにすることが重要である。例えば触媒が偏析された半導体基板の触媒濃度が約1×1019/cm3であれば、15族に属する元素を含む層内の15族元素の濃度は1×1020/cm3以上にする。
【0028】
また、ハロゲン元素又は15族に属する元素用いたゲッタリングにおいて、加熱温度、加熱時間によりゲッタリングの効果は変化する。そのため、ゲッタリングのための加熱処理の条件は、基板の耐熱性等の材料の特性、生産性、経済性等を考慮して適宜に設定すればよい。
【0029】
【発明の実施の形態】
[実施形態1] 本実施形態を図1を用いて説明する。本発明の実施の形態は、バルク型太陽電池に関するものであり、触媒元素としてNiを用いる。またNiを除去するためにハロゲン元素を用いる例を示す。
【0030】
図1(A)において、101は半導体基板であり、ここでは太陽電池級の単結晶シリコン基板である。なお、図1(A)において、半導体基板101の内部にバツ印で示したのは単結晶シリコンの内部に僅かに残留する欠陥である。この欠陥は転移や未結合手などであり、1100℃以上のかなり高温の加熱処理を行わないと除去することは困難である。
【0031】
勿論、結晶性を有する他のシリコン基板を用いることもできる。従って、ここでは一例として単結晶シリコン基板を用いる例を示すが、例えば多結晶シリコン基板に対しても同様に適用することができる。
【0032】
次に、この半導体基板101表面に対して、Ni(ニッケル)元素を含んだ層の形成を行う。Ni層102の形成は、プラズマ処理法、蒸着法、スピンコート法等を利用することができる。好ましくは、基板表面に損傷を与えにくい点で蒸着法、スピンコート法が有利である。特に、スピンコート法は半導体基板に対して極微量にNiを添加する際の制御性が良く、本発明者らはこの方法を主に利用している。
【0033】
こうして図1(A)に示す状態が得られたら、450 〜700 ℃の温度範囲で加熱処理を行う。加熱処理は不活性雰囲気で行うことが好ましい。この加熱処理によりNi層102よりNi元素が拡散し、バツ印で示した欠陥において優先的にSi−Ni結合を生成してゆく。図1(A)でバツ印で示した欠陥を図1(B)においてマル印で示したのは、Ni元素が欠陥で結合し、実質的に欠陥が補償されたことを示すためである。
【0034】
図1(B)に示した加熱処理により、半導体基板101の表面にはNi層102と半導体基板101とが反応してニッケルシリサイド層103が形成される。このニッケルシリサイド層103は高濃度にNi元素を含むので、次に行うNiゲッタリング処理の前に予めフッ酸等の薬液でエッチング除去しておくことが望ましい。
【0035】
次に、半導体基板101内部に拡散させたNi元素のゲッタリング除去を行う。ゲッタリングに利用できる元素としては、Cl、F等のハロゲン元素が好ましい。ハロゲン元素を導入するためのガスとしては、HCl、HF、HBr、Cl2、NF3 、F2 、Br2 から選ばれた一種または複数種類のガスなどが挙げられる。
【0036】
ここでは、上記ハロゲン元素をその組成に含むガス、代表的にはHCl、NF3 等のガスを用いた気相法によりゲッタリング処理を行う例を示す。この処理は700 〜1100℃の温度範囲で行われ、加熱処理の処理雰囲気にHCl、NF3 等のガスが含まれた状態で行われる。
【0037】
この様にして得られた図1(C)の状態では、半導体基板101内に存在していたNi元素は殆どハロゲン元素によってゲッタリング除去され、半導体基板101表面に形成された酸化膜104内に取り込まれるか、ガス状になって揮発してしまう。従って、半導体基板101の内部には実質的にNi元素は残留せず、例え残ったとしても、その濃度は1/10〜1/1000にまで低減される。具体的には、 5×1018/cm3 以下、好ましくは 5×1016/cm3 以下とすることができる。なお、本明細書における元素の濃度は、SIMS(二次イオン質量分析法)で測定された測定値の最小値として定義される。
【0038】
また、半導体基板101は太陽電池級であるので最初からある程度の金属元素が含有されているが、Ni元素の除去と同時にこれらの金属元素もゲッタリングされるので半導体基板101内部の不純物は殆ど除去されると考えられる。
【0039】
また、この加熱処理と同時に半導体基板101の内部では次に様なことが起こると考えられる。まず、ハロゲン元素によりNi元素がゲッタリングされて脱離する時、代表的には次の様な反応が生じていると考えられる。
2Si−Ni+4Cl(またはF ) → Si−Si+2NiCl2 (またはNiF2
上記反応に式に示すように、Niが脱離することで形成されたSiの未結合手は互いに隣接しているので、図1(A)においてバツ印で示した未結合手よりも少ないエネルギーで互いに再結合してSi−Si結合を形成する。
【0040】
特に、NiCl2 は揮発性が高いため、加熱処理中に熱酸化膜に取り込まれる以外に大部分は気相中へと拡散してしまう。図20には、参考資料としてNiCl2 (塩化ニッケル)の蒸気圧と温度の関係を示す。例えば、950 ℃におけるNiCl2 の蒸気圧は約0.8 atm となり、大気圧に近い圧力を示す。
【0041】
以上の様に、図1(C)に示す工程において、Ni元素のゲッタリングとSi同士の再結合が同時に行われ、半導体基板101の内部に存在した欠陥を殆ど無くすことが可能となるのである。従って、図1(D)に示す様に、酸化膜104をエッチング除去して得られた半導体基板105は、図1(A)に示す状態の半導体基板101と比較して欠陥密度が少なく、半導体級シリコン基板に匹敵するグレードの高いシリコン基板とすることができる。
【0042】
なお、このゲッタリング工程において、半導体基板101の内部にはハロゲン元素が 1×1016〜 1×1020/cm3 の濃度で残留する。このハロゲン元素はSiの未結合手を終端する形で存在していることが多い。
【0043】
また、ここではNi元素を触媒元素として用い、ハロゲン元素によりゲッタリングする例を示したが、同様の効果を得られる触媒元素としては、Fe、Co、Pt、Cu、Au等を用いることができる。
【0044】
以上の様に、本発明を利用することで太陽電池級といった低級グレードのシリコン基板を、半導体級といった高級グレードのシリコン基板に匹敵する結晶性の高いシリコン基板に変成して利用することが可能となる。従って、可能な限り安価な材料を用いて、高い変換効率を達成する太陽電池を製造することができるのである。
【0045】
図1(D)に示す様な半導体基板105が得られたら、表面(図1(D)において上面)に半導体基板105とは逆の導電型を有する不純物イオンを注入する。なお、この先、半導体基板105がP型シリコン基板であると仮定して説明を行うこととする。
【0046】
そして、加熱処理により前記不純物イオン(この場合はP(リン))を拡散させて、半導体基板105の表面層に浅いN型層を形成する。このN型層の最表面層はイオン注入により損傷を受けているので、ウェット法によるエッチング等で除去することが望ましい。また、その際、N型層の表面に意図的に凹凸を設けるテクスチャー構造とすると太陽光を効率良く活用することができる。また、必要に応じてその上に反射防止膜を形成しても良い。
【0047】
最後に、半導体基板105の表面および裏面に、取り出し電極を形成して太陽電池が完成する。太陽光が入射する側の取り出し電極は、太陽光を遮蔽しない様な形状(例えば、櫛歯形状)とする必要がある。また、取り出し電極として透明電極を用いることもできる。
【0048】
この様にして製造した太陽電池は、安価なシリコン基板を利用して形成されているので製造コストを抑えることができる。さらに、安価な低級グレードのシリコン基板でありながら、高級グレードに匹敵する結晶性を有しているので、高い変換効率を達成するバルク型太陽電池を製造することが可能である。
【0049】
また、本実施の形態では、バルク型太陽電池の半導体基板の結晶性を改善する方法について述べたが、薄膜太陽電池の半導体薄膜に同様な処理を施すことにより、高い変換効率を達成する薄膜太陽電池を製造することが可能である。
【0050】
[実施形態2]
本実施の形態を図3を用いて説明する。本実施形態は、バルク型太陽電池に関するものであり、触媒元素としてNiを用い、Niを除去するために15族元素を用いる例を示す。
【0051】
図3(A)において、先ず半導体基板201表面に対して触媒元素(例えばNi元素)を保持させ、加熱処理を行うことで半導体基板201内にNi元素を拡散させる。そして、半導体基板201内部の欠陥に対して優先的にNi元素を偏析させる。
【0052】
次に、半導体基板201表面に、リンを含有する層202を気相法、液相法によって、形成する。リンを含有する層202として、リン・シリケーと・ガラス(PSG)や、リンドープ多結晶シリコンを形成すればよい。または、イオン注入法によって、半導体基板201に浅くリンを注入して、N型層を形成することができる。
【0053】
そして、図3(B)に示すように、半導体基板201とリンを含有する層202とを加熱処理する。触媒元素としてニッケルを用いて、ゲッタリング元素としてリンを用いた場合、600℃前後の加熱によってニッケルとリンが安定な結合状態、Ni3P、Ni52、Ni2P、Ni32、Ni23、NiP3をと
りうる。
【0054】
このため、このため図3(B)に示す加熱処理によって、半導体基板201中のニッケルがリンを含有する層202に吸い取られる。
【0055】
半導体基板201の粒界では、シリコンの不対結合とニッケルが結合し、Si−Ni−Siのような結合状態で示されるようにシリサイド化しているが、ゲッタリングのための加熱処理を施すことにより、ニッケルとシリコンの結合が切れる。そしてNiが脱離することで形成されたSiの未結合手は互いに隣接しているので、未結合手よりも少ないエネルギーで互いに再結合してSi−Si結合を形成する。
【0056】
以上の様に、図3(B)に示す工程において、Ni元素のゲッタリングとSi同士の再結合が同時に行われ、半導体基板201の内部に存在した欠陥を殆ど無くすことが可能となるのである。よって、図3(C)に示すリンを含有する層202をエッチング除去して得られた半導体基板203は、図3(A)に示す状態の半導体基板201と比較して欠陥密度が少なく、半導体級シリコン基板に匹敵するグレードの高いシリコン基板とすることができる。
【0057】
なお、ゲッタリングのための加熱処理は電気炉内において、500℃以上、好ましくは550〜650℃で加熱し、加熱温度は2時間以上、好ましくは4〜12時間
とする。なお、650℃以上の温度で加熱すると、Niをゲッタリングしたリンが再拡散してしまい、所望の効果がえられなくなってしまう。また加熱処理の雰囲気としては、不活性雰囲気、水素雰囲気、酸化性雰囲気で行えばよい。特に、酸化性雰囲気にハロゲン元素を添加させることにより、ゲッタリングの効果を増大させることができる。
【0058】
以上に様にして得られた半導体基板203は、元の状態よりも結晶性が向上したものとなる。例えば、低級グレードのシリコン基板を高級グレードのシリコン基板と同等の結晶性を有する基板とすることができる。
【0059】
また、本実施の形態では、バルク型太陽電池の半導体基板の結晶性を改善する方法について述べたが、薄膜太陽電池の半導体薄膜に同様な処理を施すことにより、高い変換効率を達成する薄膜太陽電池を製造することが可能である。
【0060】
【実施例】
〔実施例1〕 本実施例では、半導体基板として低級グレード、具体的には太陽電池級と呼ばれる単結晶シリコン基板(シリコンウェハー)上に、太陽電池の如き光電変換素子を製造する例を示す。
【0061】
なお、本発明は太陽電池を構成する主要部分である半導体の結晶性を向上させる技術であるので、あらゆる公知となっているあらゆる構造および構成の太陽電池に適用することができる。従って、本実施例はその中の一例を示すものであり、実施例中の構成や数値に関してはこれに限るものではない。
【0062】
まず、シリコン基板の前処理について図1を用いて説明する。まず、主表面(図中の上面側)の面方位が(100)面である太陽電池級シリコン基板101を準備する。膜厚は300 μmである。なお、バツ印で示したのは内部に残留した欠陥である。太陽電池用のシリコン基板は内部の欠陥密度や不純物等に関して多少許容範囲を広くとってあるので、インゴットを作製する段階での精製が荒く、比較的低コストであるメリットがある。
【0063】
また、本実施例では一般的に用いられるP型のシリコン基板を用いる。なお、N型であっても構わないがN型とする場合は本実施例と全て導電型を逆にする必要がある。即ち、N型はP型に、P型はN型に置き換えれば良い。
【0064】
次に、シリコン基板101の表面に対してスピンコート法により触媒元素(本実施例ではNi元素を例にする)を含む溶液の塗布を行う。塗布工程は以下の様にして行う。
【0065】
まず、シリコン基板101の表面に薄い酸化膜層(図示せず)を形成する。図示しない酸化膜層の形成方法は、過水アンモニア溶液に基板を浸して70℃、5分間処理する方法、UV処理により5分間処理する方法などを用いれば良い。こうして形成された図示しない酸化膜層は、Ni元素を含むニッケル塩溶液(例えば、酢酸ニッケル塩や硝酸ニッケル塩など)を塗布する際にシリコン表面の濡れ性を改善する。
【0066】
次に、図示しない回転支持体上でスピン回転する基板中央にニッケル塩溶液を滴下して、基板表面の全体に薄いニッケル塩溶液の水膜を形成する。そして、スピナの回転の回転数を上げて水膜を吹き飛ばし、ニッケル層102を形成する。こうして図1(A)に示す状態となる。
【0067】
次に窒素雰囲気中において、450 〜700 ℃、代表的には550 〜650 ℃の温度範囲で加熱処理を行い、Ni元素の拡散を行う。本実施例では、600 ℃、4hr の加熱処理を行う。この加熱処理によりNi元素はシリコン基板101内部へと拡散して、優先的にシリコン基板101内部の欠陥に偏析する。
【0068】
このNi元素の導入量は半導体膜中において 1×1019〜 1×1020/cm3 となる様に、塗布溶液中にNi濃度、塗布量等の条件を調節する。この濃度以下では効率良く欠陥にNi元素を偏析させられず、本発明の効果を得にくい。また、この濃度以上では後にゲッタリングすることが困難となるので好ましくない。
【0069】
また、欠陥に形成されるニッケルシリサイドは格子定数がシリコンの格子定数に近いので、整合性の良い結合状態となる。また、Ni層102は接したシリコン基板101と反応して高濃度にNi元素を含むニッケルシリサイド層103となる(図1(B))。
【0070】
本発明の大きな特徴は、欠陥に対して意図的に触媒元素であるNi元素を偏析させた点であり、その理由は上述の様に不規則な結合状態にあった欠陥を整合性の良好な結合状態とすることにある。これは、後のハロゲン元素によるNi元素のゲッタリング工程において重要な意味を持つ。
【0071】
なお、本実施例ではシリコン基板を例として説明しているのでNi元素が有効であると説明したが、他の半導体基板(例えばGaAs系、CdS系など)を用いる場合であっても、格子定数の近い触媒元素(遷移金属が好ましい)を用いることで本実施例と同様の効果を得ることができる。
【0072】
次に、フッ酸溶液等でシリコン基板101に対してエッチング処理を施して、ニッケルシリサイド層103を除去する。ニッケルシリサイド層103は高濃度にNi元素を含有しているため、後のゲッタリングによるNi元素の除去工程において不都合だからである。
【0073】
次に、ハロゲン元素を含む雰囲気において、700 〜1100℃、代表的には800 〜950 ℃の温度範囲での加熱処理を行う。本実施例では、酸素に対して0.1 〜10wt%、代表的には3wt%のHCl(塩化水素)を混合した酸化性雰囲気において、950 ℃、30min の加熱処理を行う。この加熱処理により、シリコン基板101内部の欠陥を補償していたNi元素は、Cl元素によってゲッタリングされて脱離する。
【0074】
Cl元素によってゲッタリングされたNi元素は、揮発性ガスであるニッケルクロライドとなって空中へ拡散したり、シリコン基板101の表面に形成された酸化膜104の内部に取り込まれたりして、シリコン基板101の内部から除去される。
【0075】
従って、シリコン基板101の内部に残留するNi元素の濃度は極めて低いものとなり、処理後は元の状態の1/10〜1/1000にまで低減される。具体的には、 5×1018/cm3 以下、好ましくは 5×1016/cm3 以下とすることができる。このNi元素が 5×1018/cm3 以上含まれた状態では、半導体に金属としての特性が顕れてしまい好ましくない。即ち、ゲッタリングによってNi濃度を 5×1018/cm3 以下、好ましくは 5×1016/cm3 以下に低減することで、太陽電池としての機能に何ら影響を与えないシリコン基板とすることができる。
【0076】
さらに、Ni元素が脱離した後に残されたSiの未結合手は相互に近接して、かつ活性な状態にあるため、加熱処理の間にSi−Si結合を形成して整合性に優れた結晶性を実現する。即ち、実質的に欠陥は除去される。
【0077】
ここで注意すべきなのは、この工程がNi元素のゲッタリングのみを目的としたものではない点である。ゲッタリング工程自体は公知の手段であるが、前述のNi元素の導入と、ハロゲン元素によるNi元素のゲッタリングと、ゲッタリングと同時に行われる欠陥の除去(再結合)と、が組み合わさってはじめて本発明の目的が達成されるのである。
【0078】
また、図1(C)に示すように、ゲッタリングのための加熱処理によって半導体基板101の表面が酸化されて、酸化膜104が形成される。このままでは、比較的高濃度にNi元素を含有した酸化膜104からの逆拡散が起こってしまうので、フッ酸溶液等で酸化膜104をエッチング除去して図1(D)に示す様なシリコン基板105を得ることができる。
【0079】
さらに、ドライエッチング法またはヒドラジンや水酸化ナトリウム等によるウェットエッチング法により半導体基板105の表面層を0.1 〜1 μm程度除去すると、半導体基板105と酸化膜103との界面に偏析していたNi元素も除去できるので好ましい。
【0080】
この図1(D)の状態にあるシリコン基板105は、元々低級グレードであったものが、内部の欠陥を極力低減してあるので、いわゆる半導体級と呼ばれる単結晶シリコン基板と同程度の結晶性を有している。こうしてシリコン基板の前処理が終了する。以下に記載するのは太陽電池を製造する一例である。この説明は図2を用いて行う。
【0081】
まず、本実施例では(100)面を主表面(図中において上面)とするシリコン基板105に対して、NaOH等の薬液を用いてアルカリエッチング処理を施すことで選択的に(111)面のみを露出させて、シリコン基板105の最表面に意図的に凹凸部(テクスチャー部)106を形成したテクスチャ構造をとる。図2(A)に示す様に、表面に凹凸部106を形成したテクスチャ構造は、太陽光を散乱させて光路長を稼ぎ、効率良く太陽光を吸収することができるので有効である。
【0082】
本実施例では、2%NaOH水溶液を80℃に加熱し、シリコン基板105の表面層をエッチングしてテクスチャ処理を行う。エッチングは5分間とし、その後反応を瞬時に止めるために沸騰水に浸漬し、さらに純水で十分に洗浄する。電子顕微鏡による表面観察では、不規則ではあるが0.1 〜5 μm程度の凹凸が観察された。
【0083】
次に、図2(B)において、上記の工程を経て得られたシリコン基板105の表面(図において上面)にシリコン基板105とは逆の導電型(本実施例ではN型)を有する導電性領域を形成する。この形成方法は、N型導電性を有するシリコン膜を堆積する方法や、N型を付与する不純物元素(例えばP(リン))を添加する方法などがあるが、本実施例では後者を採用する。
【0084】
本実施例では図2(B)に示す様に、シリコン基板105に対してPイオンの注入をイオンドーピング法またはプラズマドーピング法により行う。そして、シリコン基板105の表面近傍に打ち込まれたPイオンを加熱処理により拡散させてN型の導電性領域107を形成する。
【0085】
こうしてシリコン基板105および導電性領域107の接合部において良好なPN接合108が形成される。この接合深さは、ここでは0.5 μmとする。なお、前述のイオン注入工程は、イオンドーピング法の方が接合深さの制御が容易であるので好ましい。
【0086】
なお、上記の様にして形成されたN型導電性領域107の最表面はイオン注入の際に損傷を受けて結晶性が悪くなっているので、表面近傍をヒドラジン、水酸化ナトリウム、フッ硝酸(フッ酸と硝酸を混合したもの)等でエッチング除去して、結晶性の悪い領域は排除するのが好ましい。
【0087】
次いで、N型導電性領域107上に反射防止膜109を形成する。本実施例では反射防止膜109として、CVD法により成膜した厚さ0.1 〜1 μmのSiO2 膜を用いる。この膜厚はシリコン基板105の屈折率と反射防止膜108の屈折率とで最適値を選ぶ必要がある。また、反射防止膜109としては、他にもSiO、SiN、TiO2 、ITO、MgF2 等の様々な材料を用いることができる。
【0088】
次に、図2(C)において、シリコン基板105の裏面(図中の下面)にBSF(back surface field) として、半導体基板105よりも高いP型の導電性を有したP+ 領域110を形成する。形成方法は固相拡散法やイオン注入法などがあるが、本実施例ではイオン注入により0.2 μmの深さに形成する。
【0089】
この様なBSF構造とすると、シリコン基板105とP+ 領域110との間にフェルミ準位の差による電界ができるので、基板105内で生成した小数キャリアの内裏面に向かうものは、そこで反射されてPN接合部へ到達しやすくなる。特に、単結晶シリコンは長波長光に対する光吸収係数が小さいので、シリコン基板105の奥深く(裏面近く)で小数キャリアが生成し易い。BSF構造はその様なキャリアを有効に利用できるので、長波長領域の太陽光に対する感度を向上させる上で有効である。
【0090】
最後に、導電性領域107とP+ 領域110にアルミニウム膜等の導電性膜でなる取り出し電極111、112を形成する。導電性膜はスパッタ法や蒸着法により形成すれば良い。また、電極111、112を形成した後、150 〜300 ℃で数分間の加熱処理を行うと下地膜との密着性が高まり、良好な電気特性を得られる。
【0091】
また、必要に応じてシリコン基板105の裏面側にAl、Au、Ag、Cu等の裏面反射膜を設けることもできる(図中において基板105の上面側から太陽光が入射する場合)。こうすることで、シリコン基板105内で吸収されなかった太陽光を裏面で反射させ、太陽光の利用効率を向上させることができる。
【0092】
以上の様にして、図2(D)に示す様な太陽電池を製造することができる。こうして製造された太陽電池は、次の様な利点がある。(1)母体となるシリコン基板が低コストなので、太陽電池そのものの製造コストを低減することが可能となる。(2)シリコン基板は低コストであるが本発明により結晶性を著しく改善してあるので、高い変換効率を実現することができる。
【0093】
従って、本発明を利用することで安価な値段で、高い変換効率を有する太陽電池を製造することが可能である。即ち、太陽電池を次世代のエネルギー媒体として日常生活に利用するにあたって、その普及率に大きく貢献する技術であると言える。
【0094】
〔実施例2〕 本実施例では、シリコン基板として多結晶シリコン基板を用いた場合の例を示す。本実施例による太陽電池の製造方法は、実施例1と同様であるので、多結晶シリコン基板を用いた場合の特徴のみを記載する。
【0095】
多結晶シリコン基板は、単結晶シリコン基板よりも安価であるため、太陽電池の製造コストを低減する上で有力視されている。しかしながら、多結晶シリコンには必ず粒界が存在するため、PN接合部で生成したキャリアが粒界にトラップされて再結合することが問題となっている。
【0096】
本発明を用いて多結晶シリコン基板の結晶性を改善した場合、結晶粒内の結晶性が向上することは勿論のこと、粒界においても同様の効果が期待できる。即ち、シリコン基板内に添加されたNi元素は粒界においても偏析してニッケルシリサイドを形成する。そして、ハロゲン元素やリン元素によるゲッタリング処理を行うと同時に、粒界に形成されたSiの未結合手は整合性良く再結合して、実質的に結晶粒界のエネルギーギャップを低減することができる。
【0097】
以上の様に、本発明は単結晶シリコン基板のみならず、多結晶シリコン基板に対しても十分に適用することが可能な技術である。多結晶シリコン基板を用いて太陽電池を形成すると、大幅に太陽電池の製造コストを削減することが可能となる。
【0098】
〔実施例3〕 実施例1ではHClガスを用いて触媒元素(Ni元素)のゲッタリングを行ったが、例えばNF3 、ClF3 ガス等のフッ素系ガスを用いることもできる。この場合、ゲッタリング処理の際に未結合手がフッ素で終端されるが、Si−F結合はSi−H結合よりも結合力が強いので好ましい。
【0099】
また、NF3 ガスは実施例1のHClガスよりも低温で分解するので、加熱処理の温度を低くすることができる。ただし、本発明の様に比較的高い温度の加熱処理でSi同士を再結合させる必要がある場合にはそのメリットを生かすことができない。そこで、本実施例では酸素に対してHClを0.1 〜10wt%、代表的には3wt%、NF3 ガスを0.1 〜3wt %、代表的には0.3wt%混合させた雰囲気中において、800 ℃30〜60min の加熱処理を行うことでNi元素のゲッタリングおよびシリコン基板中の欠陥の除去を行う。
【0100】
以上の様に、触媒元素を除去した後にSiの未結合手をSi同士で再結合させ、再結合しきれなかった未結合手をフッ素で終端することで欠陥の除去が効率的に行われる。
【0101】
また、酸素に対して水素を3wt%、ClF3 ガスを0.3wt%混合させた雰囲気中において、500 〜600 ℃の温度範囲で30〜60min のウェット酸化処理を行うことでも同様の効果を得ることが可能である。この場合はさらにCl元素とF元素とでNi元素のゲッタリングが行われるので、欠陥の除去がより効果的に達成されるが、温度が低いのでSi同士の再結合の効率は犠牲になる。
【0102】
〔実施例4〕 実施例1〜3においては、ゲッタリング元素としてハロゲン元素である塩素、フッ素を用いた例を示した。本実施例ではゲッタリング元素として15族元素に属するリンを用いた例を示し、リンを含有する層を気相法、液相法で形成する例を示す。本実施例を、図3を用いて説明する。
【0103】
まず、主表面(図中の上面側)の面方位が(100)面である太陽電池級のP型シリコン基板201を準備する。膜厚は300 μmである。そして、実施例1と同様に、シリコン基板201にニッケルを導入して、欠陥にニッケルを偏析させる。
【0104】
次に、シリコン基板201表面に、リンを含有する層として、PSG膜202を形成する。なお、シリコン基板表面にニッケルシリサイドが形成されていれば、PSG膜202を形成する前に、ニッケルシリサイドを除去する。PSG膜202は、常圧CVD法によってシラン、フォスフィン、酸素を原料に形成した。PSG膜202内のリン濃度は最低でも、シリコン基板内のニッケル濃度よりも1桁高くなるようにすることが重要である。例えばニッケルが偏析されたシリコン基板のニッケル濃度が約1×1019/cm3であれば、PSG膜202内のリン濃度は1×1020/cm3以上になるようにする(図3(A))。
【0105】
次に、図3(B)に示すようにゲッタリングのために、550℃〜650 ℃で、数時間加熱処理をする。本実施例では、窒素雰囲気にした電気炉内で、加熱温度600 ℃で、8時間加熱した。この加熱処理により、シリコン基板201内部に拡散して欠陥を補償していたNi元素は、PSG膜202内のリンによってゲッタリングされてシリコン基板201から除去される。
【0106】
従って、シリコン基板201の内部に残留するNi元素の濃度は極めて低いものとなり、処理後は元の状態の1/10〜1/1000にまで低減される。具体的には、 5×1018/cm3 以下、好ましくは 5×1016/cm3 以下とすることができる。このNi元素が 5×1018/cm3 以上含まれた状態では、半導体に金属としての特性が顕れてしまい好ましくない。即ち、ゲッタリングによってNi濃度を 5×1018/cm3 以下、好ましくは 5×1016/cm3 以下に低減することで、太陽電池としての機能に何ら影響を与えないシリコン基板とすることができる。
【0107】
さらに、Ni元素が脱離した後に残されたSiの未結合手は、相互に近接して、かつ活性な状態にあるため、加熱処理の間にSi−Si結合を形成して整合性に優れた結晶性を実現する。即ち、実質的に欠陥は除去される。
【0108】
このままでは、比較的高濃度にNi元素を含有したPSG膜202からの逆拡散が起こってしまうので、フッ酸溶液等でPSG膜202をエッチング除去することによって、図3(C)に示す結晶性が改善されたシリコン基板203を得ることができる。
【0109】
さらに、ドライエッチング法またはヒドラジンや水酸化ナトリウム等によるウェットエッチング法によりシリコン基板203の表面層を0.1 〜1 μm程度除去すると、シリコン基板203とPSG膜202との界面に偏析していたNi元素も除去できるので好ましい。
【0110】
本実施例ではシリコン基板203は元々低級グレードであったものを、リンのゲッタリング作用によってシリコン基板201の内部の欠陥が極力低減されたため、いわゆる半導体級と呼ばれる単結晶シリコン基板と同程度の結晶性を有している。以上により、シリコン基板の前処理が終了する。得られたシリコン基板203を用いて、例えば実施例1に記載された太陽電池を製造すればよい。
【0111】
〔実施例5〕 実施例4では、ゲッタリング膜として、気相法でPSG膜202を形成する例を示したが、他のリンを含む層を用いることができる。
【0112】
例えば、液相法を用いて膜を形成することもできる。例えば、リンを添加した有機珪化物の溶液を、スピンコーティング法により、シリコン基板201表面に塗布し、しかる後、焼成することにより、リンを添加した酸化珪素膜が形成される。
【0113】
また、気相法によって、リンが添加された非晶質もしくは多結晶シリコン膜で形成することもできる。ゲッタリング膜はゲッタリング工程の後エッチングにより除去されるため、ゲッタリング膜は半導体基板とのエッチング選択比が大きなものが好ましい。よって、ゲッタリング膜にリン添加シリコン膜を用いる場合には、ゲッタリング膜の除去に注意が必要である。
【0114】
リン添加シリコン膜のエッチングを容易にする方法として、ゲッタリングのための加熱工程において、リン添加シリコン膜を酸化させる方法が挙げられる。この結果、酸化されたシリコン膜のみを選択的に除去することができる。シリコンを酸化させるためには、加熱処理雰囲気を酸化性雰囲気とすればよい。例えば、窒素(分圧比89%)、酸素(分圧比10%)、塩化水素(分圧比1%)の混合気体雰囲気とすればよい。あるいは、加熱時間と加熱温度を制御して、シリコン膜を酸化させればよい。
【0115】
〔実施例6〕 実施例4、5においては、ゲッタリング膜となるリンを含む層を気相法、あるいは液相法で形成する方法を示したが、本実施例では、このリンを含む層を、半導体基板にリンをドーピングする方法で作製する例を示す。また本実施例では、半導体基板への前処理のみを示す。本実施例を、図4を用いて説明する。
【0116】
まず、主表面(図中の上面側)の面方位が(100)面である太陽電池級P型のシリコン基板211を準備する。膜厚は300 μmである。そして、実施例1と同様な工程によって、シリコン基板211内にニッケルを偏析させる。
この際、シリコン基板211の表面に図示しないシリサイド層が形成されるので、エッチング処理を施して、このニッケルシリサイド層を除去する。
【0117】
次に、図4(A)に示すように、イオン注入法、プラズマドーピング法を用いてシリコン基板211表面に、リンを導入して、リン添加領域212を形成する。本実施例では、イオン注入法を用いてリンをドーピングした。この結果リン添加領域212はリンを高濃度に含有した領域となるとともに、ドーピングの衝撃により非晶質化される。リン添加領域212内のリン濃度は最低でも、半導体基板211内のニッケル濃度よりも1桁高くなるようにすることが重要である。例えばニッケルが偏析された半導体基板211のニッケル濃度が約1×1019/cm3であれば、リン添加領域212内のリン濃度は1×1020/cm3以上にする。
【0118】
次に、図4(B)に示すようにゲッタリングのための加熱処理を行った。本実施例では、窒素(分圧比89%)、酸素(分圧比10%)、塩化水素(分圧比1%)の混交気体でなる酸化性雰囲気にした電気炉内で、600℃、4時間加熱した。この加熱処理により、シリコン基板211内部に拡散して欠陥を補償していたNi元素は、リン添加領域212内のリンによってゲッタリングされてシリコン基板211から除去される。さらに、ニッケルがゲッタリングされると同時に、シリコン基板211の欠陥が実質的に除去される。本実施例では、リン添加領域212を非晶質化したため、リンのゲッタリング効果だけでなく、結晶構造の欠陥、転位によるゲッタリング効果、雰囲気に添加された塩素のゲッタリング効果との相乗効果を得ることができる。
【0119】
また、加熱処理によって、リン添加領域212は酸化されて、熱酸化膜213が形成される。なお、加熱処理の条件によって、熱酸化膜213はリンが添加されなかった半導体基板211が酸化された部分も含む。リン添加領域212を酸化させたことによって、シリコン基板211とのエッチング選択比を大きくすることができる。
【0120】
熱酸化膜213が残存したままでは、比較的高濃度にNi元素を含有した酸化膜213からの逆拡散が起こってしまうので、フッ酸溶液等で酸化膜213をエッチング除去して図4(C)に示す様な、欠陥が除去されたシリコン基板214を得ることができる。
【0121】
以上により、シリコン基板の前処理が終了する。得られたシリコン基板214を用いて、例えば実施例1に記載された太陽電池を製造すればよい。
【0122】
〔実施例7〕 本実施例も、実施例6を同様にリンをゲッタリングに用いる例を示す。実施例6では、半導体基板表面全体にリンイオンを添加したが、本実施例では、半導体基板に選択的にリン添加領域を形成する例を示す。以下に、本実施例を図5を用いて説明する。
【0123】
まず、主表面(図中の上面側)の面方位が(100)面であり、膜厚は300 μmの太陽電池級P型のシリコン基板221を準備する。そして、実施例1と同様に、シリコン基板221内の欠陥にニッケルを偏析させた。
【0124】
そして、図5(A)に示すように、シリコン基板221にリンイオンを選択的に導入する。そのために、シリコン基板221表面に酸化珪素でなるマスク222を形成した。
【0125】
マスク222を形成した後、プラズマドーピング法を用いてリンイオンをドーピングした。この結果、シリコン基板221にはリン添加領域223が選択的に形成された。リン添加領域223内のリン濃度は最低でも、シリコン基板221内のニッケル濃度よりも高くする必要があり、ニッケルの濃度よりも1桁以上高くなるようにすることが重要である。
【0126】
次に、図5(B)に示すようにゲッタリングのための加熱処理を行った。本実施例では、窒素雰囲気にした電気炉内で、600℃、8時間加熱した。この加熱処理により、シリコン基板401内部に拡散して欠陥を補償していたNi元素は、リン添加領域223内のリンによってゲッタリングされてシリコン基板221から除去されるとともに、シリコン基板221の欠陥が実質的に除去される。その結果、半導体級のシリコン基板224を得ることができる。
【0127】
以上により、シリコン基板の前処理が終了する。得られたシリコン基板224を用いて、例えば実施例1に記載された太陽電池を製造する。まず、図5(C)に示すように実施例1と同様にテクスチャ処理を行って、シリコン基板224に凹凸部225を形成した。電子顕微鏡による表面観察では、不規則ではあるが0.1 〜5 μm程度の凹凸が観察されていた。
【0128】
次に、シリコン基板224に対してPイオンの注入をイオンドーピング法またはプラズマドーピング法により行う。そして、シリコン基板224の表面近傍に打ち込まれたPイオンを加熱処理により拡散させて、N型の導電性領域226を形成する。N型の導電性領域226の接合深さは、0.5 μmとする。イオン注入方法は、イオンドーピング法の方が接合深さの制御が容易であるので好ましい。
【0129】
ここで、ゲッタリングシンクに用いたリン添加領域223も、半導体にリンが添加された領域であるのでN型導電性領域として機能する。こうしてシリコン基板224と導電性領域226の接合部、シリコン基板224とリン添加領域223の接合部においてPN接合227が形成される。
【0130】
次いで、N型導電性領域226上に反射防止膜228を形成する。本実施例では反射防止膜228として、CVD法により成膜した厚さ0.1 〜1 μmのSiO2 膜を用いる。この膜厚はシリコン基板105の屈折率と反射防止膜228の屈折率とで最適値を選ぶ必要がある。また、反射防止膜228としては、他にもSiO、SiN、TiO2 、ITO、MgF2 等の様々な材料を用いることができる。
【0131】
次にシリコン基板224の裏面(図中の下面)に、イオン注入によりP+ 領域229を0.2 μmの深さに形成して、図5(D)に示す構造を得る。
【0132】
最後に、N型導電性領域226、P+ 領域229に接続される、アルミニウム膜等の導電性膜でなる取り出し電極230、231を成膜する。以上の様にして、図5(E)に示す様な太陽電池を製造することができる。
【0133】
本実施例では、ゲッタリングシンクに用いたリン添加領域223も太陽電池のN型導電性領域に用いたが、リン添加領域223にはニッケルを含有しており、このニッケルが半導体基板へ逆拡散してしまうおそれがあるため、リン添加領域223を除去してもよい。たとえば、工程数を増加させずに除去する場合は、ゲッタリング後の半導体基板226のエッチングによる表面層の除去工程や、テクスチャー処理工程と同時に行えばよい。
【0134】
〔実施例8〕 実施例1〜7では、太陽電池を作製する前に、半導体基板にニッケルを添加し、しかる後ニッケルをゲッタリングすることにより、太陽電池級の半導体基板を半導体級に結晶性を高める方法を示したが、本実施例では、このように得られた半導体基板中のニッケル濃度をより低減する太陽電池の作製方法を示す。本実施例を図6に従って、説明する。
【0135】
まず、図6(A)に示すように実施例1〜7で説明された前処理を施した、N型の半導体基板に対して、実施例1と同様にテクスチャ処理を行って、シリコン基板241に凹凸部242を形成した。
【0136】
次に、図5(B)に示す様に、シリコン基板241に0.5 μmの深さにPイオンを注入して、N型の導電性領域243を形成する。しかる後、窒素雰囲気において加熱処理を施して、シリコン基板241に残存するニッケルをN型の導電性領域243にゲッタリングさせる。なお、加熱温度は、ゲッタリング効果が得られる600℃前後とすればよい。
【0137】
シリコン基板241内のニッケルの濃度は、前処理によってSIMSの測定限界以下である5×1016/cm3以下とすることができるが、更にこの加熱処理によって、よりその濃度を下げることができる。
【0138】
以下図6(D)に示すように、実施例1と同様に、反射防止膜244、P+ 領域245を順次に形成し、最後に、N型導電性領域243、P+ 領域245に接続される、アルミニウム膜等の導電性膜でなる取り出し電極246、247を形成する。
【0139】
〔実施例9〕 本実施例では、実施例1とは異なる構造の太陽電池を製造する場合の例を示す。説明は図7を用いて行う。
【0140】
先ず、実施例1と同様の手順で図7(A)に示す状態(図2(A)に示す状態と同じ)を得る。この状態でP型のシリコン基板301の表面にはテクスチャーが形成されている。
【0141】
この状態でシリコン基板301に対して熱酸化処理を施す。熱酸化のための加熱処理は、酸素に対して3wt%のHClを添加した雰囲気中で1000℃、30min という条件とする。この熱酸化処理によりシリコン基板301全面に熱酸化膜302が1000Åの厚さに形成される。熱酸化の方法はこれに限らず公知の様々な手段を用いることができる。例えば、ドライまたはウェットO2 酸化、パイロジェニック酸化等であっても良い。ハロゲン元素を添加した雰囲気にすることにより、半導体基板301に残存するニッケル元素を一層低減する効果を得ることができる(図7(A)) 。
【0142】
次に、熱酸化膜302の内、シリコン基板301の側面に形成された領域のみを残す様に選択的に熱酸化膜302を除去する。この方法としては、例えば、側面のみを残す様なマスクを用いてドライエッチング法で除去すれば良い。この工程により図7(B)に示す様な状態で熱酸化膜303が残存する。
【0143】
図7(B)に示す状態で、シリコン基板301の表面側にN型を付与するPイオンの注入を行い、N型導電性領域(N+ 領域)304を形成する。また、裏面側にはP型を付与するBイオンの注入を行い、シリコン基板301よりも強い導電性領域(P+ 領域) 305を形成する。
【0144】
ところで、従来、上記導電性領域を形成する際に、シリコン基板の側面に対しても僅かなイオンが回り込みにより注入され、導電性領域、即ち電流パスが形成されてリーク電流の原因となることが問題となっていた。しかしながら、本実施例によれば熱酸化膜303が保護膜として機能するため、側面に電流パスとなる導電層が形成されることがない。
【0145】
即ち、シリコン基板301の側面では酸化膜303によって保護されているのでN型またはP型を付与するイオンがシリコン基板303まで到達できず、酸化膜303中でストップしてしまうのである。従って、側面に形成された酸化膜303中にはPおよび/またはBイオンが 1×1016〜 1×1020/cm3 の濃度で含まれることになる。
【0146】
次に、シリコン基板301の表面側を覆う様に、パッシベーション膜として窒化珪素膜306を1000Åの厚さに成膜する。成膜方法は、プラズマダメージを避けて、減圧熱CVD法で行うのが好ましい。また、膜厚を適宜設定することで、窒化珪素膜306は反射防止膜としても機能する。
【0147】
次に、窒化珪素膜306にコンタクトホール(紙面に向かって奥手方向に長い溝状を有する)を形成し、シリコン基板301の表面側に取り出し電極307を、裏面側に取り出し電極308を形成する。本実施例では表面側の電極307を櫛歯形状にして太陽光を取り入れ易い構成とする。また、裏面側の電極308も櫛歯形状とする。基板全面に裏面電極308を形成する構成とすることも可能であるが、電極と半導体との界面では生成したキャリアが再結合し易いのでなるべく接触面積の少ない構成が望ましい。
【0148】
以上の様にして、図7(D)に示す構造の太陽電池が完成する。この構造では、前述の様にシリコン基板301の側面に電流パスとなる様な導電領域が形成されないのでリーク電流がなく、高性能な太陽電池を実現することができる。
【0149】
〔実施例10〕 本実施例では、実施例1〜9とは異なる構造のバルク型太陽電池を製造する場合の例を示す。説明は図8を用いて行う。
【0150】
先ず、実施例1と同様の手順で図8(A)に示す状態(図2(A)に示す状態と同じ)を得る。この状態でP型のシリコン基板311の表面にはテクスチャーが形成されている。
【0151】
この状態でシリコン基板311に対して熱酸化処理を施し、熱酸化膜312を形成する。熱酸化の条件は実施例9と同様の条件でも良いし、他の熱酸化方法や熱酸化条件でも良い。即ち、形成したい熱酸化膜の膜質、膜厚に応じて変えることができる(図8(A)) 。
【0152】
次に、熱酸化膜312の一部に、後の取り出し電極を形成するためのコンタクトホール313を形成する。コンタクトホール313の形成は、レジストを用いた公知のフォトリソグラフィ技術を用いれば良い。また、紙面に向かって奥手方向に長い溝状形状となっている。
【0153】
次に、図8(B)に示す状態で、シリコン基板311の表面側にN型を付与するPイオンの注入を行い、N型導電性領域(N+ 領域)314を形成する。また、裏面側にはP型を付与するBイオンの注入を行い、シリコン基板311よりも強い導電性領域(P+ 領域) 315を形成する(図8(B))。
【0154】
本実施例では、イオン注入の際にコンタクトホール313以外の領域は、熱酸化膜312を通してスルードーピングを行うことになる。従って、スルードーピングによってイオン注入された領域は、直接的にイオン注入による損傷を受けないので、半導体層に欠陥等に再結合中心が形成されないという利点がある。
【0155】
また、残存した熱酸化膜312はそのまま反射防止膜としても機能するので、別途設けることも可能であるが、反射防止膜を省略することもできる。
【0156】
また、本実施例においても、実施例9と同様に熱酸化膜312が保護膜として機能するため、側面に電流パスとなる導電層が形成されることがない。
【0157】
次に、シリコン基板311の表面側に取り出し電極316を、裏面側に取り出し電極317を形成する。本実施例においても、表面側および裏面側の取り出し電極の形状は櫛歯形状とする。以上の様にして、図8(C)に示す構造の太陽電池が完成する。
【0158】
本実施例の場合、図8(C)からも明らかな様に、導電性領域314(または315)は、電極316(または317)と接する領域と接しない領域とで深さ方向のイオン濃度分布が異なるという特徴がある。
【0159】
〔実施例11〕 本実施例では、実施例9においてシリコン基板301の表面側および裏面側に形成された取り出し電極307、308の材料を変えた場合の例を示す。基本的な構造は図7(D)と同様であるので、必要に応じて図7(D)の符号を参照して説明する。
【0160】
まず、実施例9において、図7(D)に示された取り出し電極307を透明電極(例えば、ITO膜に代表されるインジウム、スズの酸化化合物)321とした場合の例を図9(A)に示す。この場合、透明電極501を用いる利点としては、まず太陽光を遮蔽することなく有効に活用することができる点である。
【0161】
従って、図9(A)に示す様に、シリコン基板の表面側の全面に透明電極321を形成することができる。即ち、透明電極321をパターニングする必要がなくなり、製造プロセスを簡略化することができる。
【0162】
また、例えばITO膜の様な透明電極は反射防止膜としても機能するので、透明電極321と窒化珪素膜306との積層膜を反射防止膜として利用することも可能である。
【0163】
次に、実施例9において、図7(D)に示された取り出し電極308を裏面全面に形成する場合の例を図9(B)に示す。図9(B)に示す様に取り出し電極322をシリコン基板の裏面全面に設ける利点は、実施例9においてP+ 領域305をイオン注入法で形成する必要がない点である。
【0164】
具体的には、シリコン基板の裏面全面に形成された取り出し電極322を、P型を付与する不純物の拡散源として固相拡散法を用いてP+ 領域323を形成することができる。即ち、イオン注入による半導体層の損傷などがないので、生成されたキャリアが再結合するのを低減することが可能である。
【0165】
また、取り出し電極322としてAl、Au、Ag、Cu等の金属を用いれば、半導体層で吸収しきれなかった太陽光を裏面側から反射させて再び半導体層中へ戻す反射膜として機能させることができる。これは、いわゆるBSR構造と呼ばれるもので、太陽光を有効に活用するために効果的である。
【0166】
〔実施例12〕 本実施例では、実施例9〜11とは異なる方法でシリコン基板側面の電流パスの形成を防止する例を示す。説明は図10を用いて行う。図10(A)において331で示すのは、実施例1と同様の工程を経て形成されたテクスチャー構造を有するシリコン基板である。
【0167】
このシリコン基板(P型)331に対してN型導電性を付与するPイオンを含む雰囲気において加熱処理を施し、Pイオンを拡散させてN型導電層332を形成する。本実施例ではこの加熱処理において、シリコン基板331の全面(表面、裏面、側面)にN型導電層332を0.3 μmの厚さに形成する。
【0168】
次に、シリコン基板331の裏面を1 〜10μm程度ドライエッチング法またはウェットエッチング法によりエッチング除去して図10(B)に示す状態を得る。この工程によりシリコン基板331の裏面は露出面333が生じる。
【0169】
また、この際、シリコン基板331の表面側は、例えばUV処理等で形成した薄い酸化膜で保護しておくと汚染を防ぐことができるので好ましい。ただし、後で除去する必要がある。
【0170】
図10(B)の状態が得られたら、後の工程は例えば実施例9に従えば良く、パッシベーション膜および反射防止膜として機能する窒化珪素膜(勿論、酸化珪素膜であっても良い)334を成膜する。
【0171】
次いで、シリコン基板331の裏面側に必要に応じてP+ 領域336を形成する。この時、シリコン基板331の側面付近において、N型導電性領域332とP+ 領域336とが接触しない様に注意しなければならない。P+ 領域336の形成方法は、イオン注入法によっても固相拡散法によっても構わないが、本実施例では固相拡散法により形成する。
【0172】
この場合、図10(C)に示す様に、例えばAl電極335をフォトリソグラフィ技術を用いて形成し、加熱処理によりAl元素を拡散させて336で示されるP+ 領域を形成する。固相拡散法を用いた理由は、パターニング精度が良いのでN型導電性領域332とAl電極335との距離を正確に設定することができる点にある。
【0173】
図10(C)に示す状態が得られたら、窒化珪素膜334の必要箇所にコンタクトホールを形成して、シリコン基板331の表面側とコンタクトする櫛歯形状の取り出し電極337を形成する。以上の様にして、図10(D)に示す構造の太陽電池を製造することができる。
【0174】
〔実施例13〕 実施例1〜12では、半導体基板を用いたバルク型太陽電池を示したが、本実施例では、石英基板上に形成した半導体薄膜、具体的には結晶性シリコン薄膜を用いて薄膜太陽電池を製造する場合の例を示す。結晶性シリコン薄膜は、減圧熱CVD法等で直接成膜することも可能であるが、本実施例では非晶質シリコン薄膜を結晶化して得ることにする。説明は図11を用いて行う。
【0175】
まず、石英基板401上に下地膜として、酸化シリコン膜402を0.3 μmの厚さに成膜する。この酸化シリコン膜は、四珪酸メチル(TEOS)を原料としたプラズマCVD法により成膜したが、他の方法としてスパッタ法やスピンコート法でも形成可能である。また、窒化珪素膜等の絶縁膜を用いても良い。
【0176】
次に、プラズマCVD法によって、シランガスを原料として、非晶質シリコン膜(アモルファスシリコン膜)403の成膜を行う。非晶質シリコン薄膜の形成は、プラズマCVD法の他にも、減圧熱CVD法、スパッタ法、真空蒸着法を用いても良い。また、非晶質シリコン膜は、実質的に真正な非晶質シリコン薄膜でも良いし、ボロン(B)が0.001 〜0.1 原子%添加された非晶質シリコン薄膜であっても良い。なお、本実施例では非晶質シリコン薄膜403の厚さは10μmとする。勿論この厚さは、必要とする厚さとすればよい。
【0177】
次に、非晶質シリコン薄膜403の表面に薄い酸化膜層(図示せず)を形成する。図示しない酸化膜層の形成方法は、過水アンモニア溶液に基板を浸して70℃、5分間処理する方法、UV処理により5分間処理する方法などを用いれば良い。こうして形成された図示しない酸化膜層は、Ni元素を含むニッケル塩溶液(例えば、酢酸ニッケル塩や硝酸ニッケル塩など)を塗布する際にシリコン表面の濡れ性を改善する。
【0178】
次に、図示しない回転支持体上でスピン回転する基板中央にニッケル塩溶液を滴下して、基板表面の全体に薄いニッケル塩溶液の水膜を形成する。そして、スピン回転の回転数を上げて水膜を吹き飛ばし、ニッケル層404を形成する。こうして図11(A)に示す状態となる。
【0179】
なお、Ni元素は、非晶質シリコン膜が結晶化する際に結晶化を助長する触媒元素としても機能する。結晶化を助長する効果については、本出願人による特開平6-232059号公報、特開平6-244103号公報に詳細が記載してある。同公報では、他の元素として、Fe、Co、Pt、Cu、Au等の金属元素を用いることができる旨が記載してある。
【0180】
次に窒素雰囲気中において、450 ℃の温度で1時間保持することにより、非晶質シリコン膜403中の水素を離脱させる。これは、非晶質シリコン膜403中に不対結合手を意図的に形成することにより、後の結晶化に際してのしきい値エネルギーを下げるためである。
【0181】
そして窒素雰囲気中において、450 〜700 ℃、代表的には550 〜65℃、4 〜8hr の加熱処理を施すことにより、非晶質シリコン薄膜403を結晶化させて、結晶性シリコン薄膜405を得る。この結晶化の際の温度を550 ℃とすることができたのは、Ni元素の作用によるものである。
【0182】
上記加熱処理中、Ni元素は結晶性を促進させながらシリコン薄膜中を移動して粒内の欠陥を優先的に補償してゆく。特に、この様にして形成される結晶性シリコン薄膜405は多数の結晶粒界(結晶性シリコン薄膜405を横切る線で表される)を有しているので、エネルギー的に不連続な結晶粒界には他の領域と比較して高濃度のNi元素が偏析する。この様にしてNi元素が偏析した様子を図11(B)において、バツ印で表す。
【0183】
このNi元素の導入量は結晶性シリコン薄膜405中において 1×1019〜 1×1020/cm3 となる様に、塗布溶液中のNi濃度、塗布量等の条件を調節する。この濃度以下では効率良く欠陥にNi元素を偏析させられず本発明の効果を得にくい。他方この濃度以上では後にゲッタリングすることが困難となるので好ましいものではない。
【0184】
また、欠陥に形成されるニッケルシリサイドは格子定数がシリコンの格子定数に近いので、整合性の良い結合状態となる。また、Ni層404は接した結晶性シリコン薄膜403と反応して高濃度にNi元素を含むニッケルシリサイド層406となって存在する(図11(B))。
【0185】
本発明の大きな特徴は、欠陥に対して意図的に触媒元素であるNi元素を偏析させた点であり、その理由は上述の様に不規則な結合状態にあった欠陥を、整合性の良好な結合状態とすることにある。これは、後のハロゲン元素によるNi元素のゲッタリング工程において重要な意味を持つ。
【0186】
次に、フッ酸溶液等でエッチング処理を施し、ニッケルシリサイド層406を除去する。ニッケルシリサイド層406は高濃度にNi元素を含有しているため、後のゲッタリングによるNi元素の除去工程において不都合だからである。
【0187】
次に、ハロゲン元素を含む雰囲気において、700 〜1100℃、代表的には800 〜950 ℃の温度範囲での加熱処理を行う。本実施例では、酸素に対して0.1 〜10wt%、代表的には3wt%のHCl(塩化水素)を混合した酸化性雰囲気において、950 ℃30min の加熱処理を行う。この加熱処理により、結晶性シリコン薄膜405内部に拡散して欠陥を補償していたNi元素はCl元素によってゲッタリングされて、多結晶シリコン薄膜405から脱離する。
【0188】
Cl元素によってゲッタリングされたNi元素は、揮発性ガスであるニッケルクロライドとなって空中へ拡散したり、結晶性シリコン薄膜405の表面に形成された熱酸化膜206の内部に取り込まれたりして、結晶性シリコン薄膜405の内部からは除去される。この様にしてNi元素がゲッタリングされた様子を図11(C)においてはバツ印で表している。
【0189】
従って、結晶性シリコン薄膜405の内部に残留するNi元素の濃度は極めて低いものとなり、処理後は元の状態の1/10〜1/1000にまで低減される。具体的には、 5×1018/cm3 以下、好ましくは 5×1016/cm3 以下とすることができる。
【0190】
このNi元素が 5×1018/cm3 以上含まれた状態では、半導体に金属としての特性が顕れてしまい好ましくない。即ち、ゲッタリングによってNi濃度を 5×1018/cm3 以下、好ましくは 5×1016/cm3 以下に低減することで、太陽電池としての機能に何ら影響を与えない結晶性シリコン薄膜を得ることができる。
【0191】
さらに、Ni元素が脱離した後に残されたSiの未結合手は、相互に近接して、かつ活性な状態にあるため、加熱処理の間にSi−Si結合を形成して整合性に優れた結晶性を実現する。即ち、実質的に欠陥は除去される。
【0192】
また、同様の現象が結晶粒界においても行われるので、結晶粒界のエネルギー障壁は極めて低くなる、若しくは実質的に結晶粒界が存在しないと見なせる状態となる。なお、本実施例ではその状態を示すために熱酸化後の結晶粒界は点線で示すこととする。
【0193】
ここで注意すべきなのは、この工程がNi元素のゲッタリングのみを目的としたものではない点である。ゲッタリング工程自体は公知の手段であるが、前述のNi元素の導入と、ハロゲン元素によるNi元素のゲッタリングと、ゲッタリングと同時に行われる欠陥の除去(再結合)と、が組み合わさってはじめて本発明の目的が達成されるのである。
【0194】
こうして、図11(C)に示すように、結晶性シリコン薄膜405は、Ni濃度が極めて低く、かつ実質的に欠陥が消滅された結晶性シリコン薄膜407とされる。また、結晶性シリコン薄膜407の表面は、ニッケルを高濃度に含む熱酸化膜408が形成される。このままでは、比較的高濃度にNi元素を含有した熱酸化膜407からの逆拡散が起こってしまうので、フッ酸溶液等で熱酸化膜408をエッチング除去して結晶性シリコン薄膜407を露出させる。
【0195】
さらに、ドライエッチング法またはヒドラジンや水酸化ナトリウム等によるウェットエッチング法により結晶性シリコン薄膜407の表面層を数百Åだけ除去すると、結晶性シリコン薄膜407と熱酸化膜408との界面に偏析していたNi元素も除去できるので好ましい。
【0196】
次に、図11(D)に示すように、結晶性シリコン薄膜407の表面にN型を有する結晶性シリコン薄膜409を減圧熱CVD法により成膜する。また、その厚さは0.01〜0.5 μmの厚さで成膜すれば良いが、本実施例では、0.1 μmの厚さに成膜する。通常、直接成膜した結晶性シリコン薄膜はあまり結晶性が高くないので、レーザーアニールやランプアニール等を利用した熱アニールで結晶性を改善する必要がある。
【0197】
あるいは、N型を有する結晶性シリコン薄膜409もゲッタリングシンクとして機能させるように、熱処理を施してもよい。この結果、塩素のゲッタリング作用と、リンのゲッタリング作用によって、結晶性シリコン薄膜407内のニッケル濃度を一層下げることができる。
【0198】
なお、N型を有する結晶性シリコン薄膜409は微結晶状態で用いる構成としても良い。また、本実施例では結晶性シリコン薄膜を用いているが、場合によっては非晶質シリコン薄膜を用いることも可能である。
【0199】
次いで、N型結晶性シリコン膜409上に透明電極410を形成する。透明電極410は、スパッタ法を用いて、酸化インジウム・スズ合金(ITO)を0.1 μmの厚さに形成する。この透明電極410は反射防止膜としての機能を有している。なお、反射防止膜としては、他にも酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化チタン膜、フッ化マグネシウム膜、酸化スズ膜、酸化タンタル膜、酸化セリウム、酸化アルミニウム等の様々な材料を用いることができる(図11(D))。
【0200】
最後に、取り出し電極を設ける工程を行う。取り出し電極を設けるに当たっては、先ず図11(E)に示すように、透明電極410、N型結晶性シリコン409、結晶性シリコン薄膜407の一部を除去する。そして、結晶性シリコン薄膜407に接続されるプラス側の電極411を設ける構成とする。透明電極410に接続されるマイナス側の電極412を形成する。
【0201】
そして、取り出し電極411、412は、スパッタ法や真空蒸着法で形成する、アルミニウムや銀、または、銀ペ−スト等を用いて形成することができる。さらに、電極を設けた後、150 〜300 ℃で数分間熱処理すると、下地膜との密着性が良くなり、良好な電気的特性が得られる。本実施例では、オ−ブンを用い、窒素雰囲気中で200 ℃、30min の熱処理を行う。
【0202】
なお、本実施例ではマイナス側の電極412は遮光面積を可能な限り抑えるために櫛歯状の構造としている。即ち、櫛歯形状に歯の部分の断面が図11(E)の様に見えるのである。従って、図面では電極412が3つある様に見えるが、実際には全て電気的に繋がっている。
【0203】
以上の工程により、図11(E)に示す様な薄膜太陽電池を完成することができる。この薄膜太陽電池は結晶性シリコン薄膜中において、生成したキャリアの再結合中心となる欠陥や結晶粒界が極めて低減されるので、吸収係数の小さい結晶性シリコン薄膜であっても、膜厚を稼ぐことで十分な変換効率を達成することができる。
【0204】
〔実施例14〕 実施例13ではHClガスを含む雰囲気において熱処理を施し、ハロゲン元素(実施例1ではCl元素)による触媒元素のゲッタリングを行ったが、例えばNF3 ガスやClF3 等のフッ素系ガスを用いることもできる。
【0205】
フッ素系ガスの特徴としては、HClガスよりも低い温度、具体的には500 〜700 ℃程度の温度で熱酸化膜の形成およびゲッタリング効果が得られる点が挙げられる。この事は、基板として安価なガラス基板を利用できることを意味しており、製造コストを低減する上で非常に有効である。また、例えば柔軟性を有する薄いステンレス基板上に太陽電池を形成して、フレキシブルな太陽電池を形成することも可能となる。
【0206】
また、HClガスよりも少ない導入量でゲッタリング効果を得られることも製造コストを低減する上で大きな利点である。実際には、HClの約1/10の量を導入することで、十分な効果を期待できる。
【0207】
本実施例では、酸素に対して水素を3wt%、NF3 ガスを50〜200ppm混合させた雰囲気中において、500 〜600 ℃の温度範囲で30〜60min のウェット酸化処理を行うこととする。ただし、実施例1と比較すると処理温度が低いので、Ni元素をゲッタリングした後のSi同士の再結合は効率が良いとは言えない。
【0208】
しかしこの場合、ゲッタリング処理の際に未結合手をフッ素で終端する二次的な効果が期待できる。即ち、加熱処理の際に再結合しきれなかった未結合手をフッ素で終端して不活性化することが可能である。この場合、Si−F結合はSi−H結合よりも結合力が強いので結晶性の向上に効果的である。
【0209】
この様に、NF3 ガスを用いての加熱処理はあくまで触媒元素のゲッタリングが目的なのであるが、未結合手の終端効果と製造コストの低減といった効果も付加されるので、本実施例の様に結晶性シリコン薄膜などの結晶粒界を有する半導体層を用いて太陽電池を製造する様な場合においては効果的である。
【0210】
なお、フッ素を含有する酸化性雰囲気としては、上記条件以外にも次の(1)、(2)に示す条件で行っても良い。(1)酸素に対してHClを 1〜5wt%、NF3 を10〜200ppm含んだ雰囲気。(2)酸素に対して水素を3wt%、ClF3 を50〜100ppm含んだ雰囲気。特に、(2)の条件で行えばCl元素とF元素の両方のゲッタリング効果を期待することができる。
【0211】
〔実施例15〕 実施例13、14においては、ゲッタリング元素としてハロゲン元素である塩素、フッ素を用いた例を示した。本実施例ではゲッタリング元素として15族元素に属するリンを用いた例を示す。本実施例を、図12を用いて説明する。
【0212】
まず、実施例13と同様に、石英基板421上に下地膜として、プラズマCVD法により図示しない酸化シリコン膜を0.3 μmの厚さに成膜する。次に、プラズマCVD法によって、シランガスを原料として、非晶質シリコン膜(アモルファスシリコン膜)を厚さ10μm形成し、実施例1と同様に、Ni元素を用いて結晶化し、結晶性シリコン薄膜422を形成する。
【0213】
なお、結晶性シリコン薄膜422中においてNi元素の導入量は1×1019〜 1×1020/cm3 となる様に、塗布溶液中のNi濃度、塗布量等の条件を調節する。また、結晶性シリコン薄膜中の結晶粒界には他の領域と比較して高濃度のNi元素が偏析する。この様にしてNi元素が偏析した様子を図12(A)において、バツ印で表す。
【0214】
このNi元素の導入量は結晶性シリコン薄膜422中において 1×1019〜 1×1020/cm3 となる様に、塗布溶液中のNi濃度、塗布量等の条件を調節する。この濃度以下では効率良く欠陥にNi元素を偏析させられず、本発明の効果を得にくい。また、この濃度以上では後にゲッタリングすることが困難となるので好ましいものではない。
【0215】
また、欠陥に形成されるニッケルシリサイドは格子定数がシリコンの格子定数に近いので、整合性の良い結合状態となる
【0216】
次に、結晶性シリコン薄膜422表面に、リンを含有する層として、PSG膜423を形成する。PSG膜423は、常圧CVD法によってシラン、フォスフィン、酸素を原料に形成した。PSG膜423内のリン濃度は最低でも、結晶性シリコン薄膜422内のニッケル濃度よりも1桁高くなるようにすることが重要である。例えばニッケルが偏析された結晶性シリコン薄膜422のニッケル濃度が約1×1019/cm3であれば、PSG膜423内のリン濃度は1×1020/cm3以上になるようにする。
【0217】
次に、図12(D)に示すようにゲッタリングのために、500℃〜650℃で、
数時間加熱処理をする。本実施例では、窒素雰囲気にした電気炉内で、加熱温度600 ℃で、8時間加熱した。この加熱処理により、結晶性シリコン薄膜422内部に拡散して欠陥を補償していたNi元素は、PSG膜423内のリンによってゲッタリングされて結晶性シリコン薄膜422から除去される。
【0218】
従って、結晶性シリコン薄膜422の内部に残留するNi元素の濃度は極めて低いものとなり、処理後は元の状態の1/10〜1/1000にまで低減される。具体的には、 5×1018/cm3 以下、好ましくは 5×1016/cm3 以下とすることができる。このNi元素が 5×1018/cm3 以上含まれた状態では、半導体に金属としての特性が顕れてしまい好ましくない。即ち、ゲッタリングによってNi濃度を 5×1018/cm3 以下、好ましくは 5×1016/cm3 以下に低減することで、太陽電池としての機能に何ら影響を与えない結晶性シリコン薄膜とすることができる。
【0219】
さらに、Ni元素が脱離した後に残されたSiの未結合手は、相互に近接して、かつ活性な状態にあるため、加熱処理の間にSi−Si結合を形成して整合性に優れた結晶性を実現する。即ち、実質的に欠陥は除去される。
【0220】
こうして、図12(B)に示す状態が得られる。このままでは、比較的高濃度にNi元素を含有したPSG膜423からの逆拡散が起こってしまうので、フッ酸溶液等でPSG膜423をエッチング除去して、図12(C)に示す結晶性が改善された結晶性シリコン薄膜424を得ることができる。
【0221】
さらに、ドライエッチング法またはヒドラジンや水酸化ナトリウム等によるウェットエッチング法により結晶性シリコン薄膜424の表面層を0.1 〜1 μm程度除去すると、結晶性シリコン薄膜424とPSG膜423との界面に偏析していたNi元素も除去できるので好ましい。
【0222】
本実施例ではリンのゲッタリング作用によって、結晶性シリコン薄膜424の欠陥は極力低減されたため、いわゆる単結晶シリコンと同程度の結晶性を有している。この結晶性シリコン薄膜424を光電変換層に用いて、例えば実施例13に記載された太陽電池を製造すればよい。
【0223】
〔実施例16〕 本実施例15では、ゲッタリングシンクとして、気相法でPSG膜を形成する例を示したが、他のリンを含む層を用いることができる。
【0224】
例えば、液相法を用いてリンを含む被膜を形成することもできる。リンを添加した有機珪化物の溶液をスピンコーティング法により塗布し、しかる後焼成することにより、リンを添加した酸化珪素膜を形成してもよい。
【0225】
また、気相法によって、リンが添加された非晶質もしくは多結晶シリコン膜を形成することもできる。また、イオン注入法やプラズマドーピング法を用いて、結晶性シリコン薄膜表面にリンイオンを注入して、リン添加層を形成してもよい。だたし、ゲッタリング膜はゲッタリング工程の後エッチングにより除去されるため、ゲッタリング膜は半導体基板とのエッチング選択比が大きなものが好ましい。よって、ゲッタリング膜にリン添加シリコン膜を用いる場合には、ゲッタリング膜の除去に注意が必要である。
【0226】
リン添加シリコン膜のエッチングを容易にする方法として、ゲッタリングのための加熱工程において、リン添加シリコン膜を酸化させる方法が挙げられる。この結果、酸化されたシリコン膜のみを選択的に除去することができる。シリコンを酸化させるためには、加熱処理雰囲気を酸化性雰囲気とすればよい。例えば、窒素(分圧比89%)、酸素(分圧比10%)、塩化水素(分圧比1%)の混合気体雰囲気とすればよい。あるいは、加熱時間と加熱温度を制御して、シリコン膜を酸化させればよい。
【0227】
〔実施例17〕
本実施例では、結晶性シリコン薄膜に選択的にリンイオンを添加して、ゲッタリングシンクを形成する方法を示す。
【0228】
まず、石英基板431上に下地膜として、プラズマCVD法により酸化シリコン膜432を0.3 μmの厚さに成膜する。次に、プラズマCVD法によって、シランガスを原料として、非晶質シリコン膜(アモルファスシリコン膜)を厚さ10μm形成し、実施例1と同様に、Ni元素を用いて結晶化し、結晶性シリコン薄膜433を形成する。
【0229】
なお、結晶性シリコン薄膜433中において、Ni元素の導入量は1×1019〜1×1020/cm3 となる様に、塗布溶液中のNi濃度、塗布量等の条件を調節する。また、結晶性シリコン薄膜433中の結晶粒界には他の領域と比較して高濃度のNi元素が偏析し、不対結合を補償している。この様にしてNi元素が偏析した様子を図13(A)において、バツ印で表す。
【0230】
次に、図13(B)に示すように、結晶性シリコン薄膜433上に、酸化珪素膜でなるマスク膜434を形成する。そして、プラズマドーピング法、イオン注入法を用いて結晶性シリコン薄膜433に燐イオンを選択的に導入して、リン添加領域435を形成する。
【0231】
次に、マスク膜を除去した後、窒素、酸素、塩素の混合気体雰囲気において、600℃、8時間加熱処理した。この加熱処理によって、結晶性シリコン薄膜433内部に拡散して欠陥を補償していたNi元素は、リン添加領域435内のリンによってゲッタリングされて、結晶性シリコン薄膜433から脱離する。
【0232】
この結果、結晶性シリコン薄膜433の内部に残留するNi元素の濃度は極めて低くくなり、処理後は元の状態の1/10〜1/1000にまで低減される。具体的には、 5×1018/cm3 以下、好ましくは 5×1016/cm3 以下とすることができる。また、Niが脱離することによって、粒界でのSiの不対結合手がSi−Si結合を形成するため、実質的に粒界が除去される。
【0233】
本実施例では、Ni元素の導入と、リンによるNi元素のゲッタリングと、ゲッタリングと同時に行われる欠陥の除去(再結合)とが組み合わさって、はじめて本発明の目的が達成されるのである。
【0234】
こうして、結晶性シリコン薄膜433は、Ni元素の濃度が極めて低く、かつ欠陥が実質的に除去された結晶性シリコン薄膜436とされる。また、結晶性シリコン薄膜436、リン添加領域435の表面は酸化されて薄い酸化膜が形成されるているので、フッ酸溶液等で熱酸化膜をエッチング除去する。(図13(B))
【0235】
次に、図13(C)に示すように、結晶性シリコン薄膜436の表面にN型を有する結晶性シリコン膜437を減圧熱CVD法により厚0.1 μmの厚さに成膜する。次いで、N型結晶性シリコン膜437上に透明電極438を形成する。透明電極438は、スパッタ法を用いて、酸化インジウム・スズ合金(ITO)を0.1 μmの厚さに形成した。
【0236】
最後に、取り出し電極を設ける工程を行う。取り出し電極を設けるに当たっては、図13(D)に示すように、先ず透明電極438、N型結晶性シリコン437、そして結晶性シリコン薄膜436の表面層の一部を除去する(図13(D))。
【0237】
そして、図13(E)に示すように、スパッタ法や真空蒸着法で形成したアルミニウムや銀、または、銀ペ−スト等を用いて、透明電極438に接続されるマイナス側の電極439と、結晶性シリコン薄膜436に接続されるプラス側の電極440を設ける。
【0238】
なお、本実施例では、N型導電性領域をN型を有する結晶性シリコン薄膜437だけでなく、一部のリン添加領域435とで構成されているが、リン添加領域435はニッケルを比較的高濃度に含有している。そのため、信頼性等の問題が懸念される場合は、リン添加領域435を全て除去してもよい。例えば、図13(D)示した結晶性シリコン薄膜436を除去する箇所にだけリン添加領域435を形成すればよい。あるいは、結晶性シリコン薄膜436を分断するような太陽電池の構造にする場合は、その分断部分だけにリン添加領域435を形成するようにすればよい。
【0239】
〔実施例18〕 実施例13ないし実施例17において、得られた結晶性シリコン薄膜表面に対してテクスチャー構造を形成すると、太陽光の吸収効率が向上し、光電変換率を上げることができる。これは、表面に形成された凹凸部(テクスチャー)が太陽光を散乱させて光路長を稼ぐので効率良く太陽光を吸収することができるからである。本実施例では、以下の様な技術でテクスチャ構造を形成している。
【0240】
まず、2%NaOH水溶液を80℃に加熱し、結晶性シリコン薄膜表面層をエッチングしてテクスチャ処理を行う方法を採用する。エッチングは5分間とし、その後反応を瞬時に止めるために沸騰水に浸漬し、さらに純水で十分に洗浄する。電子顕微鏡による表面観察では、不規則ではあるが0.1 〜5 μm程度の凹凸が観察されている。
【0241】
なお、単結晶シリコンを用いた太陽電池では(100)面をアルカリエッチングすることで(111)面のみを選択的にエッチングしてピラミッド構造のテクスチャーを形成しているが、本実施例の様に結晶性シリコン薄膜(ただし、非単結晶、例えば多結晶、微結晶)を用いる場合においては、配向性が不規則であるのでテクスチャー構造も不規則なものとなる。
【0242】
従って、テクスチャー構造の効果を十分に引き出すために、テクスチャー処理をパターニングと組み合わせて行い、積極的にパターン構造(テクスチャー構造)を制御することも効果的である。
【0243】
この様なテクスチャー構造を有した太陽電池の断面図を図14(A)に示す。構造は図11で説明した薄膜太陽電池と殆ど同一であるので、同じ部分については図11で用いた符号を用いる。
【0244】
図14(A)において、石英基板401上には下地膜402が成膜され、その上には実施例13で示したニッケル導入、ゲッタリング処理を施された結晶性シリコン薄膜405が形成される。結晶性シリコン薄膜407はその主表面を上記テクスチャー処理によりエッチングされ、501で示される様な凹凸形状を有するテクスチャーが形成される。そして、N型導電層409、透明導電膜410、電極410、411を形成して図14(A)に示す太陽電池を構成することができる。
【0245】
なお、同様にして、テクスチャー処理を基板に対して施し、基板表面にテクスチャーを形成することも可能である。この場合の太陽電池の断面構造は図14(B)に示す様になる。この場合、502で示すように、基板401表面層を化学的にエッチングしたり、サンドブラスト等で物理的にエッチングして、テクスチャー構造を形成する。図14(A)に示す方法では、結晶性シリコン薄膜の膜厚が減少するのに対し、図14(B)に示す方法では、膜厚を変えることなくテクスチャー構造を得られる。
【0246】
テクスチャー構造は、太陽光を効率良く利用することが可能となるので、吸収係数の小さい結晶性シリコン薄膜を利用する太陽電池にとって非常に有効な技術である。従って、本発明に対してテクスチャー構造を併用した図14で示される太陽電池は非常に高い変換効率を有するものとなる。
【0247】
〔実施例19〕 実施例13で説明した太陽電池は、図11(D)において上面からの太陽光を利用するものであった。従って、図15(A)に示す様に、基板401の裏面にアルミニウム膜やチタン膜等の遮光性を有する薄膜511を形成すると、半導体層405、408で吸収されずに透過した太陽光を反射して再び利用し、太陽光の吸収効率を向上させることができる。
【0248】
また、実施例13の様に基板401として透光性基板(ここでは石英基板)を使用した場合には、基板401の裏面側から入射した太陽光を利用することも可能である。その場合、図15(B)に示す様に、図11(D)の透明導電膜409の代わりに遮光性を有する薄膜512を用いることで、太陽光を効率良く利用することができる。
【0249】
ただし、この場合は基板401の裏面側での太陽光の反射を防ぐため、反射防止膜513として酸化珪素膜や窒化珪素膜等を形成することが望ましい。
【0250】
また、本実施例は実施例3で説明したテクスチャー構造と併用するとさらに太陽光の吸収効率を向上させる上で効果的である。特に、本実施例の様に、光電変換層に吸収係数の小さい結晶性シリコン薄膜を用いる場合においては、非常に有効な技術である。
【0251】
〔実施例20〕 本実施例では、実施例13とは異なる方法でN型を有する結晶性シリコン薄膜を形成する例を示す。具体的には、図11(D)において結晶性シリコン薄膜の主表面に対してN型導電性を付与する不純物元素を添加する例を示す。
【0252】
図16(A)は、実施例13ないし17に示した、ニッケル導入工程、ゲッタリング工程によって結晶性シリコン薄膜を形成した状態であり、基板521、下地膜522、結晶性シリコン薄膜523で構成されている。この状態でN型を付与する不純物元素としてリンをイオン注入法またはプラズマドープ法により添加する。こうして、図16(B)に示す様なN型導電層524が形成される。
【0253】
また、不純物元素の添加量はN型導電層524の主表面からの深さ(接合深さ)を0.01〜0.5 μmとする様に調節する。N型導電層524はキャリアを収集して電極へ送り込むだけの機能しか有していないので、可能な限り接合深さを浅くしてキャリアが再結合する確率を減じることが望ましい。
【0254】
さらに、形成されたN型導電層524をレーザーアニールやランプアニール等で活性化することが望ましい。この活性化はイオン注入等により損傷を受けた結晶性を回復する効果を併せ持っている。勿論、特に損傷を受けやすいN型導電層524の表面(図16(B)において上面側)を化学的にエッチング除去することは非常に効果的である。
【0255】
以上の様にしてN型導電層524が形成されたら、その上に反射防止膜525を成膜する。本実施例では、反射防止膜として1000Å厚の酸化珪素膜を用いることにする。
【0256】
反射防止膜525を成膜したら、コンタクトホールの形成および結晶性シリコン薄膜のエッチングを行い、取り出し電極526、527を形成して図16(C)に示す様な構造の太陽電池が完成する。
【0257】
なお、結晶性シリコン薄膜523上に反射防止膜525を成膜した後に、不純物元素をスルードーピングにより添加することも可能である。この様な構成とすると、結晶シリコン薄膜523(正確にはN型導電層524)の主表面に与える損傷を抑えることができるので、再結合中心となる欠陥を低減できる。
【0258】
〔実施例21〕 本実施例では、本発明を利用した太陽電池の別の構造の例を示す。まず、実施例13等で説明したように、ニッケル元素による結晶化工程、ハロゲン元素やリンによるゲッタリング工程を経て、本発明を利用した結晶性を改善した結晶性シリコン薄膜を得る。図17(A)において、531はアルミナ基板、532は酸化珪素膜でなる下地膜、533は本発明により得られた結晶性シリコン薄膜である。
【0259】
また、結晶性シリコン薄膜533上には反射防止膜として窒化珪素膜534が成膜されており、窒化珪素膜534の少なくとも一部にはコンタクトホール535が形成されている。このコンタクトホール535は、後に取り出し電極を形成するために形成している。(図17(A))
【0260】
こうして図17(A)に示す状態が得られたら、この状態でN型を付与する不純物元素としてPイオンをイオン注入(イオンドーピング)法により添加する。即ち、この場合、窒化珪素膜に覆われた領域はスルードーピングによりPイオンが添加され、コンタクトホール535により露出した領域は直接Pイオンの添加が行われる。
【0261】
従って、Pイオンを添加されることによって形成されたN型導電層536は図17(B)に示す様な形状となる。即ち、N型導電性領域536は結晶性シリコン薄膜533(厳密にはN型導電層536)の主表面から見て深さ方向にイオン濃度分布が異なる領域を有することになる。
【0262】
そして、実施例13と同様の手段により取り出し電極537、538を形成して、図17(C)に示す構造の太陽電池が完成する。以上の様にして形成された本実施例の太陽電池は、基本的には窒化珪素膜534を通して不純物元素の添加を行っているので、結晶性シリコン薄膜533に大きな損傷を与えることなく、N型導電層536を形成することができる。
【0263】
また、窒化珪素膜534の膜厚を変えることで不純物元素の添加する深さを調節することができるので、PN接合の接合深さを制御しやすい。さらに、結晶性シリコン薄膜533とN型導電層536との接合面積が実質的に増加するので変換効率の改善が期待される。
【0264】
〔実施例22〕 本実施例では、本発明を利用した太陽電池の別の構造の例を示す。まず、実施例13ないし実施例17で説明したように、ニッケル元素による結晶化工程、ハロゲン元素やリンによりゲッタリング工程を経て、本発明を利用した結晶性を改善した結晶性シリコン薄膜を得る。図18(A)において、541はセラミックス基板、542は窒化珪素膜でなる下地膜、543は本発明により得られた結晶性シリコン薄膜である。セラミックス基板541の上面はサンドブラスト処理により人工的に凹凸が形成されており、テクスチャー構造となっている。
【0265】
次に、結晶性シリコン薄膜543上にN型導電層(N型を有する結晶性シリコン薄膜)544を成膜し、レーザーアニールにより結晶性の改善を行う。さらに、結晶性シリコン薄膜543、N型導電層544の一部を選択的にエッチング除去して図18(B)に示す状態を得る。
【0266】
図18(B)の状態が得られたら、熱酸化処理を行い結晶性シリコン薄膜543、N型導電層544の表面に対して熱酸化膜545を形成する。この熱酸化処理は、500 〜700 ℃程度の酸素雰囲気中で行えば十分である。勿論、さらに高い温度で行っても構わない。
【0267】
この熱酸化処理により、例えば546で示される様な結晶性シリコン薄膜の側面にも熱酸化膜545が形成される。この様な側面に形成された熱酸化膜545は結晶性シリコン薄膜が大気中に露出するのを防ぐ保護膜として機能する。こうして、図18(C)に示す状態が得られる。
【0268】
次に、反射防止膜547として例えばTiO2 で示される酸化チタン膜を成膜する。なお、熱酸化膜545を反射防止膜として利用することも可能であるが、膜厚が薄すぎる場合などには十分に機能しないことがある。その様な場合には、本実施例に様に反射防止膜を2層構造とすると良い。
【0269】
そして、熱酸化膜545、反射防止膜547の一部に対してコンタクトホールを形成し、取り出し電極548、549を形成して、図18(D)に示す構造の太陽電池が完成する。
【0270】
本実施例で示す太陽電池は、熱酸化膜545によって結晶性シリコン薄膜543が覆われているので、大気中に露出する面が存在しないことに特徴がある。この様な構造とすると、大気中からの汚染や水分等の影響を受けず、高い信頼性を有する太陽電池を製造することが可能である。
【0271】
〔実施例23〕 実施例1〜12で説明したPN接合タイプのバルク型太陽電池または、実施例13〜22で説明したPN接合タイプの薄膜太陽電池に以外にも、本発明はMINP構造、埋め込み電極構造といった構造においても適用することができる。
【0272】
本発明は母体となる半導体層(光電変換層)の結晶性を向上させる技術であるので、その応用である太陽電池の構成および構造は問わない。従って、本発明は極めて広い範囲の太陽電池に適用することができるのである。
【0273】
〔実施例24〕 本発明を利用して製造した太陽電池は、様々な分野で使用することができる。例えば、電卓、時計、ソーラーカー(バッテリー)は勿論のこと、家庭の電力供給システム、電話BOX、自動販売機、携帯機器、人工衛星を利用した発電システム、電気分解装置(海水を酸素と水素に分解する場合などに利用)、などに応用することが可能である。
【0274】
ここで、本発明を様々な用途に利用した例を図19を用いて説明する。なお、ここで挙げるのは一例であり、太陽光の存在する範囲内ならば、これ以外の用途であっても十分応用可能である。
【0275】
まず、図19(A)に示すのは、家庭の電力供給システムである。家屋601の屋根と一体化して光電変換装置(太陽電池)602が設置されている。屋根を利用するのは大面積を確保する上で都合が良い。光電変換装置602の変換効率が向上すれば、占有面積を下げることも可能となる。また、603は昼間に蓄えた余剰電力を一時的に貯蔵し、夜間に有効利用するための装置である。
【0276】
図19(B)に示すのは、電話BOXである。604はBOX、605は電話、606は光電変換装置である。現状において電話BOXは道端などに無数に配置されているが、太陽光を利用すれば大幅な電力の節約になる。また、同様の理由で自動販売機に適用しても有効であることは言うまでもない。
【0277】
図19(C)に示すのは、携帯端末機器(モバイルコンピュータまたはモービルコンピュータ)であり、607は本体、608は電源となる光電変換装置、609は入力ペンである。即ち、この携帯端末機器は入力ペン609で液晶ディスプレイ610の画面上を押すと、表示画面611が現れるタッチパネルタイプの例である。携帯端末機器は低消費電力が要求されているので、光電変換装置608を電源として利用することが可能である。
【0278】
図19(D)に示すのは、人工衛星を利用した発電システムであり、612は送電ユニット、613は光電変換装置である。送電ユニット612は人工衛星としての機能や光電変換装置613で得られた直流をマイクロ波に変換する機能などを有して構成される。
【0279】
宇宙空間においては得られる太陽光614の放射エネルギー密度が、地上で得られる太陽光よりも1.4 倍程大きく、かつ昼夜の区別がないというメリットを有している。従って、太陽光614は光電変換装置613、送電ユニット612を経由して、最終的にマイクロ波615として地球上で受信され利用される。
【0280】
これらの応用製品は、基本的に電力を供給できない場所においても恒久的に電気機器を使用する目的や、太陽光という永久的なエネルギー源を有効に活用する目的で開発されるものであり、これらが日常生活に普及するためには必ず製造コストの削減が要求される。
【0281】
本発明は、その様な場合において極めて有効な技術であり、太陽電池の発展において、非常に有益な技術である。
【0282】
【発明の効果】
本発明を利用して製造されたバルク型太陽電池は、安価なシリコン基板等を利用して形成することができるので製造コストを大幅に低減することができる。さらに、比較的低級グレードのシリコン基板(またはシリコン薄膜)であっても、内部欠陥等の様な生成されたキャリアの再結合中心となるトラップを低減することで高級グレードに匹敵する結晶性を有しているので、高い変換効率を達成する太陽電池を製造することが可能である。
【0283】
また、本発明を利用して製造された薄膜太陽電池は、結晶性シリコン薄膜を光電変換層として用いても、結晶性シリコン薄膜の内部欠陥が極めて少ないので膜厚を稼ぐことができる。即ち、結晶性シリコン薄膜の吸収係数が小さいというデメリットを克服し、再結合中心の極めて少ない太陽電池を形成することが可能である。
【0284】
また、本発明を利用して得られる結晶性シリコン薄膜は内部欠陥が極めて少なく、かつ、結晶性に優れているので高い変換効率を達成する太陽電池を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例1の結晶性を向上させる過程を説明するための図。
【図2】 実施例1の太陽電池の製造過程を説明するための図。
【図3】 実施例4、5の結晶性を向上させる過程を説明するための図。
【図4】 実施例6の結晶性を向上させる過程を説明するための図。
【図5】 実施例7の太陽電池の製造過程を説明するための図。
【図6】 実施例8の太陽電池の製造過程を説明するための図。
【図7】 実施例9の太陽電池の製造過程を説明するための図。
【図8】 実施例10の太陽電池の製造過程を説明するための図。
【図9】 実施例11の太陽電池の製造過程を説明するための図。
【図10】 実施例12の太陽電池の製造過程を説明するための図。
【図11】 実施例13の太陽電池の製造過程を説明するための図。
【図12】 実施例16の結晶性を向上させる過程を説明するための図。
【図13】 実施例17の太陽電池の製造過程を説明するための図。
【図14】 実施例18の太陽電池の構造を説明するための図。
【図15】 実施例19の太陽電池の構造を説明するための図。
【図16】 実施例20の太陽電池の構造を説明するための図。
【図17】 実施例21の太陽電池の構造を説明するための図。
【図18】 実施例22の太陽電池の構造を説明するための図。
【図19】 実施例24の太陽電池の応用例を示す図。
【図20】 ニッケル塩化物の蒸気圧特性を示す図。
【符号の説明】
101 半導体(シリコン)基板
102 Ni層
103 ニッケルシリサイド
104 酸化膜
105 結晶性が向上したシリコン基板
106 テクスチャー部
107 N型導電性領域
109 反射防止膜
110 強いP型を示す領域
111、112 取り出し電極
401 石英基板
402 下地膜(酸化珪素膜)
403 非晶質シリコン薄膜
404 Ni(ニッケル)層
405 結晶性シリコン薄膜
406 ニッケルシリサイド層
407 結晶性が向上したシリコン
408 酸化膜
409 N型導電層
410 透明導電膜
411、412 取り出し電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a photoelectric conversion device using a semiconductor substrate, and specifically to a solar cell. The solar cell structure can be applied to various types of solar cells using a bulk semiconductor such as a known single crystal wafer or polycrystalline wafer.
[0002]
Furthermore, the present invention relates to a photoelectric conversion device using a thin film semiconductor formed on an insulating or conductive substrate as a photoelectric conversion layer, and can be applied to a solar cell using the thin film semiconductor.
[0003]
The present invention can be applied to a junction type solar cell based on a PN junction, a non-junction type solar cell with a Schottky barrier or MIS structure, a multilayer junction type solar cell, a heterojunction type solar cell, and the like.
[0004]
[Prior art]
Solar cells can be manufactured using various semiconductor materials and organic compound materials, but silicon (silicon), which is a semiconductor, is mainly used industrially. Solar cells using silicon can be broadly classified into bulk solar cells using a wafer such as single crystal silicon or polycrystalline silicon, and thin film solar cells in which a silicon thin film is formed on a substrate.
[0005]
In addition, the spread of solar cells requires a reduction in manufacturing costs. In particular, thin-film solar cells require less raw materials than bulk solar cells, and are expected to reduce costs. Has been.
[0006]
At present, in the field of thin film solar cells, amorphous silicon solar cells have been put into practical use. However, conversion efficiency is low compared to solar cells using single crystal silicon or polycrystalline silicon, and photodegradation, etc. Applications are limited due to problems. For this reason, development of a thin film solar cell using a crystalline silicon film has been carried out as another means.
[0007]
In this way, solar cells are required to have high conversion efficiency and reduction in manufacturing cost at the same time, but both are substantially contradictory. For example, when pursuing conversion efficiency, it can be achieved relatively easily by using a high-grade single crystal wafer (having very few defects), but the manufacturing cost is increased accordingly.
[0008]
Conversely, even if the cost can be reduced by using a low-grade (so-called solar cell grade) single crystal wafer, the conversion efficiency is inevitably reduced to some extent. In particular, polycrystalline wafers, thin film solar cells, and the like have been developed mainly for cost reduction, and conversion efficiency is secondary.
[0009]
Moreover, the thin film solar cell using a crystalline silicon thin film attracts attention especially at a low cost. However, since a crystalline silicon thin film, for example, a polycrystalline silicon thin film has a small absorption coefficient, there is a problem that a sufficient function as a photoelectric conversion element is not achieved unless the film thickness is increased.
[0010]
In general, the polycrystalline silicon thin film obtained always has a crystal grain boundary, so that the crystal grain boundary forms an electronic state having an energy corresponding to a forbidden band, thereby reducing the lifetime of carriers. That is, when the film thickness is increased, recombination occurs before reaching the electrode, and it is difficult to secure a sufficient photoelectric conversion rate.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the development of solar cells, which have attracted attention as a new energy source in recent years, has been regarded as important, and how to manufacture solar cells with high conversion efficiency at a lower cost is the key to future energy development. Is a big issue.
[0012]
Therefore, in order to solve the above-described problems, the present invention provides. Low crystalline silicon substrate (for example, solar cell grade) often used for bulk solar cells, crystallinity with high degree of crystallinity (eg, semiconductor grade) with less defects It is a first problem to provide a technique for transforming into the first.
And it aims at providing the bulk type solar cell which achieves high conversion efficiency and low cost simultaneously by manufacturing a solar cell using the crystalline silicon substrate which has the high crystallinity.
[0013]
Furthermore, the present invention provides a technique for forming a crystalline silicon thin film that becomes a photoelectric conversion region in a thin film solar cell into a crystalline silicon thin film having high crystallinity with fewer defects and the like. It is an issue.
And it aims at providing a thin film solar cell which manufactures a solar cell using the crystalline silicon which has the high crystallinity, and can achieve high conversion efficiency and low cost simultaneously.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
(A) In order to solve the above-described problems, the structure of the invention disclosed in this specification causes the catalytic element to segregate to defects inside the semiconductor substrate in a photoelectric conversion device using a crystalline semiconductor substrate. Thereafter, the main component is to getter the catalytic element in the semiconductor substrate with a halogen element or a group 15 element and simultaneously remove defects in the semiconductor substrate.
[0015]
Examples of the semiconductor substrate include substrates using Si-based, GaAs-based, and CdS-based materials. Particularly common examples include a single crystal silicon wafer and a polycrystalline silicon wafer. At present, various means are known as means for forming solar cells on a silicon wafer.
[0016]
For example, generally, for example, a layer having a shallow reverse conductivity type (N-type layer) is formed on the surface of a P-type silicon wafer to form a PN junction, and carriers collected in the N-type layer are drawn out by an electrode to supply current. It is the composition which obtains. Further, not only a PN junction but also a PIN junction (in the case of crystalline silicon, P + PN junction, P + P - In some cases, a bonding form such as N junction) is used.
[0017]
(B) The structure of the invention disclosed in the specification is that the semiconductor includes a semiconductor substrate having crystallinity and a layer containing a catalytic element held in close contact with the semiconductor substrate, and the semiconductor The catalyst element is segregated to defects inside the thin film. After that, the main structure is to getter the catalytic element in the crystalline semiconductor thin film with a halogen element or a group 15 element and to remove defects inside the semiconductor thin film.
[0018]
In the above (b), as the substrate material, for example, ceramic, stainless steel, metal silicon, tungsten, quartz, sapphire, or the like can be used. Various means have been reported for a method for manufacturing a thin film solar cell, but the present invention can be applied in a wide range regardless of the structure and the manufacturing method of the solar cell.
[0019]
For example, an impurity imparting a reverse conductivity type such as P (phosphorus) in the vicinity of the main surface (the side on which sunlight is incident) of a crystalline silicon thin film having a substantially intrinsic I type (or weak P type) There is a method of forming an IN (or PN) junction by adding (forming an N-type layer). In some cases, an IN (or PN) junction is formed by stacking an N-type crystalline silicon layer on a crystalline silicon thin film. Further, in some cases, a PIN junction in which a P-type conductive layer, a substantially intrinsic I-type conductive layer, and an N-type conductive layer are stacked may be formed.
[0020]
The solar cell formed in this way generates carriers by photoexcitation at the junction between the I-type (or P-type) layer and the N-type layer, and draws the carriers collected in the N-type layer with an electrode to generate current. It is the structure to obtain. Moreover, not only PN junction and PIN junction but also P + In some cases, a junction such as a PN junction is used.
[0021]
The basic configuration of the present invention is to use an effect of promoting crystallization of a catalytic element in order to improve crystallinity of a photoelectric conversion region in a photoelectric conversion device such as a bulk type solar cell or a thin film solar cell. is there.
[0022]
However, although this catalytic element has an action of promoting crystallization, if it is contained in the photoelectric conversion region, there is a risk of impairing electrical characteristics and reliability. Therefore, in the present invention, a gettering action of a halogen element or a group 15 element is used in order to remove the catalytic element from the photoelectric conversion region.
[0023]
In the above (a) and (b), Fe, Co, Pt, Cu, Au or the like can be used as the catalyst element, and a plasma treatment method, a vapor deposition method, a spin coat method or the like can be used as a method for forming the catalyst element layer. Can be used. Preferably, the vapor deposition method and the spin coating method are advantageous in that the semiconductor substrate surface or the semiconductor thin film is hardly damaged. In particular, the spin coating method has good controllability of the addition amount of the catalytic element, and the present inventors mainly use this method.
[0024]
In the above (a) and (b), there are roughly two types of methods for gettering the catalyst element. First, a method of heat treatment in an atmosphere containing a halogen element is raised. As halogen elements that can be used for gettering, Cl (chlorine) and F (fluorine) are particularly preferable. Gases for adding halogen elements to the atmosphere include HCl, HF, HBr, Cl. 2 , NF Three , ClF Three , F 2 , Br 2 One kind or plural kinds of gases selected from the above.
[0025]
Second, there is a method in which a layer containing an element belonging to Group 15 is formed on the surface of a semiconductor substrate or a semiconductor thin film, and the semiconductor substrate surface or semiconductor thin film surface and a layer containing an element belonging to Group 15 are heat-treated. In order to form a layer containing an element belonging to Group 15, a liquid phase method or a gas phase method can be used. For example, a silicon oxide film or a silicon film to which an element belonging to Group 15 is added may be formed. Alternatively, a method of introducing an element belonging to Group 15 into a semiconductor substrate or a semiconductor thin film by an ion implantation method, a plasma doping method, or the like can be used.
[0026]
Examples of elements belonging to Group 15 include N (nitrogen), P (phosphorus), As (arsenic), Sb (antimony), and Bi (bismuth). According to the inventor's research, P has a remarkable gettering effect.
[0027]
In addition, it is important that the concentration of the element belonging to Group 15 in the layer containing the element belonging to Group 15 is at least one order of magnitude higher than the catalyst concentration in the semiconductor substrate or semiconductor thin film. For example, the catalyst concentration of the semiconductor substrate on which the catalyst is segregated is about 1 × 10 19 /cm Three If so, the concentration of the Group 15 element in the layer containing the element belonging to Group 15 is 1 × 10 20 /cm Three That's it.
[0028]
In the gettering using a halogen element or an element belonging to Group 15, the effect of gettering changes depending on the heating temperature and the heating time. Therefore, the heat treatment conditions for gettering may be set as appropriate in consideration of material properties such as heat resistance of the substrate, productivity, economy, and the like.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1 This embodiment will be described with reference to FIG. The embodiment of the present invention relates to a bulk type solar cell, and uses Ni as a catalytic element. An example in which a halogen element is used to remove Ni is shown.
[0030]
In FIG. 1A, reference numeral 101 denotes a semiconductor substrate, here a solar cell grade single crystal silicon substrate. Note that in FIG. 1A, the defects indicated by crosses in the semiconductor substrate 101 are defects that remain slightly in the single crystal silicon. These defects are dislocations, dangling bonds, and the like, and are difficult to remove without heat treatment at a considerably high temperature of 1100 ° C. or higher.
[0031]
Of course, other silicon substrates having crystallinity can also be used. Therefore, although an example using a single crystal silicon substrate is shown here as an example, the present invention can be similarly applied to, for example, a polycrystalline silicon substrate.
[0032]
Next, a layer containing Ni (nickel) element is formed on the surface of the semiconductor substrate 101. The Ni layer 102 can be formed using a plasma treatment method, a vapor deposition method, a spin coating method, or the like. Preferably, the vapor deposition method and the spin coating method are advantageous in that they do not easily damage the substrate surface. In particular, the spin coating method has good controllability when adding a very small amount of Ni to the semiconductor substrate, and the present inventors mainly use this method.
[0033]
When the state shown in FIG. 1A is thus obtained, heat treatment is performed in a temperature range of 450 to 700 ° C. The heat treatment is preferably performed in an inert atmosphere. By this heat treatment, Ni element diffuses from the Ni layer 102, and Si—Ni bonds are preferentially generated in the defects indicated by crosses. The defect indicated by the cross mark in FIG. 1A is indicated by the circle mark in FIG. 1B in order to show that the Ni element is bonded by the defect and the defect is substantially compensated.
[0034]
By the heat treatment shown in FIG. 1B, the Ni layer 102 and the semiconductor substrate 101 react on the surface of the semiconductor substrate 101 to form a nickel silicide layer 103. Since this nickel silicide layer 103 contains Ni element at a high concentration, it is desirable that the nickel silicide layer 103 be removed by etching with a chemical solution such as hydrofluoric acid in advance before the next Ni gettering process.
[0035]
Next, gettering removal of the Ni element diffused inside the semiconductor substrate 101 is performed. As elements that can be used for gettering, halogen elements such as Cl and F are preferable. Gases for introducing halogen elements include HCl, HF, HBr, Cl. 2 , NF Three , F 2 , Br 2 One kind or plural kinds of gases selected from the above.
[0036]
Here, a gas containing the above halogen element in its composition, typically HCl, NF Three An example in which gettering processing is performed by a vapor phase method using a gas such as the above will be described. This treatment is performed in a temperature range of 700 to 1100 ° C., and HCl, NF is used in the heat treatment treatment atmosphere. Three Etc. are performed in a state in which the gas is contained.
[0037]
In the state shown in FIG. 1C obtained in this manner, the Ni element existing in the semiconductor substrate 101 is almost gettered and removed by the halogen element, and the oxide element 104 formed on the surface of the semiconductor substrate 101 is removed. It is taken in or becomes gaseous and volatilizes. Therefore, substantially no Ni element remains in the semiconductor substrate 101, and even if it remains, its concentration is reduced to 1/10 to 1/1000. Specifically, 5 × 10 18 /cm Three Below, preferably 5 × 10 16 /cm Three It can be as follows. In addition, the element concentration in this specification is defined as the minimum value of the measured value measured by SIMS (secondary ion mass spectrometry).
[0038]
Further, since the semiconductor substrate 101 is a solar cell grade, it contains some metal elements from the beginning, but these metal elements are gettered simultaneously with the removal of the Ni element, so the impurities inside the semiconductor substrate 101 are almost removed. It is thought that it is done.
[0039]
In addition, the following may occur inside the semiconductor substrate 101 simultaneously with the heat treatment. First, when the Ni element is gettered by the halogen element and desorbed, it is considered that the following reaction typically occurs.
2Si-Ni + 4Cl (or F) → Si-Si + 2NiCl 2 (Or NiF 2 )
As shown in the above equation, since the Si dangling bonds formed by the elimination of Ni are adjacent to each other, the energy less than the dangling bonds indicated by crosses in FIG. To recombine with each other to form Si-Si bonds.
[0040]
In particular, NiCl 2 Because of its high volatility, most of it diffuses into the gas phase other than being taken into the thermal oxide film during the heat treatment. FIG. 20 shows NiCl as a reference material. 2 The relationship between the vapor pressure of (nickel chloride) and temperature is shown. For example, NiCl at 950 ° C 2 The vapor pressure of is about 0.8 atm, indicating a pressure close to atmospheric pressure.
[0041]
As described above, in the process shown in FIG. 1C, gettering of Ni element and recombination of Si are performed at the same time, and defects existing in the semiconductor substrate 101 can be almost eliminated. . Accordingly, as shown in FIG. 1D, the semiconductor substrate 105 obtained by etching away the oxide film 104 has a smaller defect density than the semiconductor substrate 101 in the state shown in FIG. A high-grade silicon substrate comparable to a high-grade silicon substrate can be obtained.
[0042]
Note that in this gettering step, a halogen element is contained in the semiconductor substrate 101 at 1 × 10 6. 16 ~ 1 × 10 20 /cm Three Remains at a concentration of. This halogen element often exists in the form of terminating a dangling bond of Si.
[0043]
Further, although an example in which Ni element is used as a catalyst element and gettering is performed with a halogen element is shown here, Fe, Co, Pt, Cu, Au, or the like can be used as a catalyst element that can obtain the same effect. .
[0044]
As described above, by using the present invention, it is possible to convert a low-grade silicon substrate such as a solar cell class into a highly crystalline silicon substrate comparable to a high-grade silicon substrate such as a semiconductor grade. Become. Therefore, a solar cell that achieves high conversion efficiency can be manufactured using a material that is as inexpensive as possible.
[0045]
When the semiconductor substrate 105 as shown in FIG. 1D is obtained, impurity ions having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate 105 are implanted into the surface (the upper surface in FIG. 1D). In the following description, it is assumed that the semiconductor substrate 105 is a P-type silicon substrate.
[0046]
Then, the impurity ions (in this case, P (phosphorus)) are diffused by heat treatment to form a shallow N-type layer on the surface layer of the semiconductor substrate 105. Since the outermost surface layer of the N-type layer is damaged by ion implantation, it is desirable to remove it by etching using a wet method. At that time, if the texture structure is intentionally provided with unevenness on the surface of the N-type layer, sunlight can be used efficiently. Moreover, you may form an anti-reflective film on it as needed.
[0047]
Finally, extraction electrodes are formed on the front and back surfaces of the semiconductor substrate 105 to complete the solar cell. The extraction electrode on the side on which sunlight is incident needs to have a shape (for example, a comb shape) that does not shield sunlight. A transparent electrode can also be used as the extraction electrode.
[0048]
Since the solar cell manufactured in this way is formed using an inexpensive silicon substrate, the manufacturing cost can be reduced. Furthermore, since it is an inexpensive low-grade silicon substrate, it has crystallinity comparable to that of a high-grade grade, so that it is possible to manufacture a bulk type solar cell that achieves high conversion efficiency.
[0049]
In the present embodiment, the method for improving the crystallinity of the semiconductor substrate of the bulk type solar cell has been described. However, the thin film solar cell that achieves high conversion efficiency by performing the same treatment on the semiconductor thin film of the thin film solar cell. It is possible to manufacture a battery.
[0050]
[Embodiment 2]
This embodiment will be described with reference to FIG. The present embodiment relates to a bulk type solar cell, and shows an example in which Ni is used as a catalyst element and a group 15 element is used to remove Ni.
[0051]
In FIG. 3A, first, a catalyst element (for example, Ni element) is held on the surface of the semiconductor substrate 201 and heat treatment is performed to diffuse the Ni element into the semiconductor substrate 201. Then, Ni element is preferentially segregated with respect to defects inside the semiconductor substrate 201.
[0052]
Next, a layer 202 containing phosphorus is formed on the surface of the semiconductor substrate 201 by a vapor phase method or a liquid phase method. As the layer 202 containing phosphorus, phosphorus silicate and glass (PSG) or phosphorus-doped polycrystalline silicon may be formed. Alternatively, phosphorus can be implanted shallowly into the semiconductor substrate 201 by an ion implantation method to form an N-type layer.
[0053]
Then, as shown in FIG. 3B, the semiconductor substrate 201 and the layer 202 containing phosphorus are subjected to heat treatment. When nickel is used as the catalytic element and phosphorus is used as the gettering element, nickel and phosphorus are stably bonded by heating at around 600 ° C., Ni Three P, Ni Five P 2 , Ni 2 P, Ni Three P 2 , Ni 2 P Three , NiP Three And
Yes.
[0054]
For this reason, nickel in the semiconductor substrate 201 is absorbed by the layer 202 containing phosphorus by the heat treatment shown in FIG.
[0055]
At the grain boundary of the semiconductor substrate 201, silicon dangling bonds and nickel are bonded and silicified as shown in a bonded state such as Si-Ni-Si. However, heat treatment for gettering is performed. As a result, the bond between nickel and silicon is broken. Since the Si dangling bonds formed by the elimination of Ni are adjacent to each other, they recombine with each other with less energy than the dangling bonds to form Si-Si bonds.
[0056]
As described above, in the step shown in FIG. 3B, gettering of Ni element and recombination of Si are performed at the same time, and defects existing in the semiconductor substrate 201 can be almost eliminated. . Therefore, the semiconductor substrate 203 obtained by etching and removing the phosphorus-containing layer 202 illustrated in FIG. 3C has a smaller defect density than the semiconductor substrate 201 in the state illustrated in FIG. A high-grade silicon substrate comparable to a high-grade silicon substrate can be obtained.
[0057]
Note that heat treatment for gettering is performed in an electric furnace at 500 ° C. or more, preferably 550 to 650 ° C., and the heating temperature is 2 hours or more, preferably 4 to 12 hours.
And In addition, when heated at a temperature of 650 ° C. or higher, phosphorus gettered with Ni re-diffuses, and a desired effect cannot be obtained. As an atmosphere for the heat treatment, an inert atmosphere, a hydrogen atmosphere, or an oxidizing atmosphere may be used. In particular, the effect of gettering can be increased by adding a halogen element to the oxidizing atmosphere.
[0058]
The semiconductor substrate 203 obtained as described above has improved crystallinity than the original state. For example, a lower grade silicon substrate can be a substrate having the same crystallinity as a higher grade silicon substrate.
[0059]
In the present embodiment, the method for improving the crystallinity of the semiconductor substrate of the bulk type solar cell has been described. However, the thin film solar cell that achieves high conversion efficiency by performing the same treatment on the semiconductor thin film of the thin film solar cell. It is possible to manufacture a battery.
[0060]
【Example】
Example 1 In this example, a photoelectric conversion element such as a solar cell is manufactured on a low-grade semiconductor substrate, specifically, a single crystal silicon substrate (silicon wafer) called a solar cell class.
[0061]
In addition, since this invention is a technique which improves the crystallinity of the semiconductor which is the main part which comprises a solar cell, it can apply to the solar cell of all the structures and structures which are all known. Therefore, the present embodiment shows an example thereof, and the configuration and numerical values in the embodiment are not limited thereto.
[0062]
First, pretreatment of a silicon substrate will be described with reference to FIG. First, a solar cell grade silicon substrate 101 having a main surface (upper surface side in the drawing) having a (100) plane orientation is prepared. The film thickness is 300 μm. In addition, what is indicated by a cross is a defect remaining inside. Since the silicon substrate for solar cells has a somewhat wide tolerance for internal defect density, impurities, etc., there is a merit that the purification at the stage of producing the ingot is rough and the cost is relatively low.
[0063]
In this embodiment, a commonly used P-type silicon substrate is used. It should be noted that the N-type may be used, but when the N-type is used, it is necessary to reverse the conductivity type of this embodiment. That is, the N type may be replaced with the P type, and the P type may be replaced with the N type.
[0064]
Next, a solution containing a catalytic element (Ni element is taken as an example in this embodiment) is applied to the surface of the silicon substrate 101 by spin coating. The coating process is performed as follows.
[0065]
First, a thin oxide film layer (not shown) is formed on the surface of the silicon substrate 101. A method of forming an oxide film layer (not shown) may be a method of immersing the substrate in a perwater ammonia solution and treating at 70 ° C. for 5 minutes, a method of treating for 5 minutes by UV treatment, or the like. The oxide film layer (not shown) formed in this way improves the wettability of the silicon surface when a nickel salt solution containing Ni element (for example, nickel acetate salt or nickel nitrate salt) is applied.
[0066]
Next, a nickel salt solution is dropped on the center of the substrate that spins on a rotating support (not shown) to form a thin nickel salt solution water film on the entire surface of the substrate. Then, the rotation speed of the spinner is increased and the water film is blown off to form the nickel layer 102. Thus, the state shown in FIG.
[0067]
Next, in a nitrogen atmosphere, heat treatment is performed in a temperature range of 450 to 700 ° C., typically 550 to 650 ° C., and Ni element is diffused. In this embodiment, heat treatment is performed at 600 ° C. for 4 hours. By this heat treatment, Ni element diffuses into the silicon substrate 101 and preferentially segregates into defects inside the silicon substrate 101.
[0068]
The amount of introduced Ni element is 1 × 10 5 in the semiconductor film. 19 ~ 1 × 10 20 /cm Three Then, conditions such as Ni concentration and coating amount are adjusted in the coating solution. Below this concentration, Ni elements cannot be segregated efficiently in the defects, and it is difficult to obtain the effects of the present invention. On the other hand, if the concentration is higher than this, gettering becomes difficult later, which is not preferable.
[0069]
In addition, since nickel silicide formed in the defect has a lattice constant close to that of silicon, the nickel silicide is in a bonded state with good matching. Further, the Ni layer 102 reacts with the silicon substrate 101 in contact therewith to become a nickel silicide layer 103 containing Ni element at a high concentration (FIG. 1B).
[0070]
A major feature of the present invention is that the Ni element, which is a catalytic element, is intentionally segregated with respect to defects, and the reason is that defects having irregular bonding states as described above have good consistency. It is in a combined state. This is important in the subsequent gettering process of the Ni element by the halogen element.
[0071]
In this embodiment, the silicon substrate has been described as an example, and thus it has been described that the Ni element is effective. However, even if another semiconductor substrate (for example, GaAs-based or CdS-based) is used, By using a catalyst element having a close proximity (preferably a transition metal), the same effect as in this embodiment can be obtained.
[0072]
Next, the nickel silicide layer 103 is removed by etching the silicon substrate 101 with a hydrofluoric acid solution or the like. This is because the nickel silicide layer 103 contains Ni element at a high concentration, which is inconvenient in the Ni element removal process by gettering later.
[0073]
Next, heat treatment is performed in a temperature range of 700 to 1100 ° C., typically 800 to 950 ° C., in an atmosphere containing a halogen element. In this embodiment, heat treatment is performed at 950 ° C. for 30 minutes in an oxidizing atmosphere in which 0.1 to 10 wt%, typically 3 wt% HCl (hydrogen chloride) is mixed with respect to oxygen. By this heat treatment, the Ni element that has compensated for defects in the silicon substrate 101 is gettered by the Cl element and desorbed.
[0074]
The Ni element gettered by the Cl element is diffused into the air as nickel chloride, which is a volatile gas, or is taken into the oxide film 104 formed on the surface of the silicon substrate 101 to form a silicon substrate. 101 is removed from the inside.
[0075]
Accordingly, the concentration of Ni element remaining in the silicon substrate 101 is extremely low, and is reduced to 1/10 to 1/1000 of the original state after processing. Specifically, 5 × 10 18 /cm Three Below, preferably 5 × 10 16 /cm Three It can be as follows. This Ni element is 5 × 10 18 /cm Three In the state of being included above, the characteristics as a metal appear in the semiconductor, which is not preferable. That is, the Ni concentration is set to 5 × 10 5 by gettering. 18 /cm Three Below, preferably 5 × 10 16 /cm Three By reducing to the following, it can be set as the silicon substrate which does not affect the function as a solar cell at all.
[0076]
Furthermore, since the Si dangling bonds left after the Ni element is desorbed are close to each other and in an active state, a Si—Si bond is formed during the heat treatment, and the consistency is excellent. Achieve crystallinity. That is, the defect is substantially removed.
[0077]
It should be noted that this process is not intended only for Ni element gettering. Although the gettering process itself is a known means, it is not until the introduction of the Ni element described above, the gettering of the Ni element by the halogen element, and the removal (recombination) of defects performed simultaneously with the gettering. The object of the present invention is achieved.
[0078]
In addition, as illustrated in FIG. 1C, the surface of the semiconductor substrate 101 is oxidized by heat treatment for gettering, so that an oxide film 104 is formed. In this state, reverse diffusion occurs from the oxide film 104 containing Ni element at a relatively high concentration. Therefore, the oxide film 104 is removed by etching with a hydrofluoric acid solution or the like, and a silicon substrate as shown in FIG. 105 can be obtained.
[0079]
Further, when the surface layer of the semiconductor substrate 105 is removed by about 0.1 to 1 μm by a dry etching method or a wet etching method such as hydrazine or sodium hydroxide, Ni element segregated at the interface between the semiconductor substrate 105 and the oxide film 103 is also removed. This is preferable because it can be removed.
[0080]
The silicon substrate 105 in the state of FIG. 1D is originally of a lower grade, but the internal defects are reduced as much as possible, so that it has a crystallinity equivalent to that of a so-called semiconductor grade single crystal silicon substrate. have. Thus, the pretreatment of the silicon substrate is completed. Described below is an example of manufacturing a solar cell. This will be described with reference to FIG.
[0081]
First, in this embodiment, the silicon substrate 105 having the (100) plane as the main surface (the upper surface in the figure) is subjected to an alkali etching process using a chemical solution such as NaOH, so that only the (111) plane is selectively used. Is exposed, and a texture structure is formed in which uneven portions (texture portions) 106 are intentionally formed on the outermost surface of the silicon substrate 105. As shown in FIG. 2A, the texture structure in which the concavo-convex portion 106 is formed on the surface is effective because it can scatter sunlight to increase the optical path length and efficiently absorb sunlight.
[0082]
In this embodiment, a 2% NaOH aqueous solution is heated to 80 ° C., and the texture layer is processed by etching the surface layer of the silicon substrate 105. Etching is carried out for 5 minutes, and then immersed in boiling water to stop the reaction instantaneously, and further thoroughly washed with pure water. In the surface observation with an electron microscope, irregularities of about 0.1 to 5 μm were observed although they were irregular.
[0083]
Next, in FIG. 2B, the surface (upper surface in the drawing) of the silicon substrate 105 obtained through the above steps has conductivity opposite to that of the silicon substrate 105 (N-type in this embodiment). Form a region. This formation method includes a method of depositing a silicon film having N-type conductivity, a method of adding an impurity element imparting N-type (for example, P (phosphorus)), and the latter is adopted in this embodiment. .
[0084]
In this embodiment, as shown in FIG. 2B, P ions are implanted into the silicon substrate 105 by ion doping or plasma doping. Then, P ions implanted in the vicinity of the surface of the silicon substrate 105 are diffused by heat treatment to form an N-type conductive region 107.
[0085]
Thus, a good PN junction 108 is formed at the junction between the silicon substrate 105 and the conductive region 107. This junction depth is 0.5 μm here. Note that in the above-described ion implantation process, the ion doping method is preferable because it is easy to control the junction depth.
[0086]
It should be noted that the outermost surface of the N-type conductive region 107 formed as described above is damaged during ion implantation and has poor crystallinity. Therefore, hydrazine, sodium hydroxide, hydrofluoric acid ( It is preferable to remove the region having poor crystallinity by etching with a mixture of hydrofluoric acid and nitric acid.
[0087]
Next, an antireflection film 109 is formed on the N-type conductive region 107. In this embodiment, as the antireflection film 109, SiO having a thickness of 0.1 to 1 μm formed by the CVD method. 2 Use a membrane. It is necessary to select an optimum value for the film thickness based on the refractive index of the silicon substrate 105 and the refractive index of the antireflection film 108. In addition, as the antireflection film 109, SiO, SiN, TiO are also used. 2 , ITO, MgF 2 Various materials such as can be used.
[0088]
Next, in FIG. 2C, a PSF having a P-type conductivity higher than that of the semiconductor substrate 105 is used as a BSF (back surface field) on the back surface (lower surface in the drawing) of the silicon substrate 105. + Region 110 is formed. The formation method includes a solid phase diffusion method and an ion implantation method. In this embodiment, the film is formed to a depth of 0.2 μm by ion implantation.
[0089]
With such a BSF structure, the silicon substrate 105 and P + Since an electric field is generated between the region 110 and the region 110 due to the difference in Fermi level, the minority carriers generated in the substrate 105 that are directed to the inner and rear surfaces are easily reflected there and reach the PN junction. In particular, since single crystal silicon has a small light absorption coefficient with respect to long-wavelength light, it is easy to generate decimal carriers deep in the silicon substrate 105 (near the back surface). Since the BSF structure can effectively use such carriers, it is effective in improving sensitivity to sunlight in a long wavelength region.
[0090]
Finally, conductive region 107 and P + Extraction electrodes 111 and 112 made of a conductive film such as an aluminum film are formed in the region 110. The conductive film may be formed by sputtering or vapor deposition. In addition, when the electrodes 111 and 112 are formed and then heat treatment is performed at 150 to 300 ° C. for several minutes, adhesion with the base film is increased, and good electrical characteristics can be obtained.
[0091]
Further, if necessary, a back surface reflection film such as Al, Au, Ag, Cu or the like can be provided on the back surface side of the silicon substrate 105 (when sunlight enters from the top surface side of the substrate 105 in the figure). By doing so, sunlight that has not been absorbed in the silicon substrate 105 can be reflected on the back surface, and the utilization efficiency of sunlight can be improved.
[0092]
As described above, a solar cell as shown in FIG. 2D can be manufactured. The solar cell manufactured in this way has the following advantages. (1) Since the base silicon substrate is low in cost, the manufacturing cost of the solar cell itself can be reduced. (2) Although the silicon substrate is low in cost, crystallinity is remarkably improved by the present invention, so that high conversion efficiency can be realized.
[0093]
Therefore, it is possible to manufacture a solar cell having high conversion efficiency at a low price by using the present invention. In other words, it can be said that this technology greatly contributes to the penetration rate when solar cells are used as a next-generation energy medium in daily life.
[0094]
Example 2 In this example, an example in which a polycrystalline silicon substrate is used as a silicon substrate is shown. Since the method for manufacturing a solar cell according to this example is the same as that of Example 1, only the characteristics when a polycrystalline silicon substrate is used will be described.
[0095]
Since a polycrystalline silicon substrate is cheaper than a single crystal silicon substrate, it is considered promising in reducing the manufacturing cost of solar cells. However, since grain boundaries always exist in polycrystalline silicon, there is a problem that carriers generated at the PN junction are trapped in the grain boundaries and recombined.
[0096]
When the crystallinity of the polycrystalline silicon substrate is improved by using the present invention, the same effect can be expected at the grain boundaries as well as the crystallinity within the crystal grains. That is, the Ni element added in the silicon substrate is segregated at the grain boundary to form nickel silicide. And at the same time as the gettering process with a halogen element or a phosphorus element, the Si dangling bonds formed at the grain boundaries can be recombined with good consistency, substantially reducing the energy gap at the grain boundaries. it can.
[0097]
As described above, the present invention is a technique that can be sufficiently applied not only to a single crystal silicon substrate but also to a polycrystalline silicon substrate. When a solar cell is formed using a polycrystalline silicon substrate, the manufacturing cost of the solar cell can be greatly reduced.
[0098]
[Example 3] In Example 1, gettering of a catalytic element (Ni element) was performed using HCl gas. Three , ClF Three A fluorine-based gas such as a gas can also be used. In this case, the dangling bond is terminated with fluorine in the gettering process, but the Si—F bond is preferable because the bonding force is stronger than the Si—H bond.
[0099]
Also, NF Three Since the gas decomposes at a lower temperature than the HCl gas of Example 1, the temperature of the heat treatment can be lowered. However, when it is necessary to recombine Si by heat treatment at a relatively high temperature as in the present invention, the advantage cannot be utilized. Therefore, in this embodiment, HCl is 0.1 to 10 wt%, typically 3 wt%, NF with respect to oxygen. Three In an atmosphere in which a gas is mixed at 0.1 to 3 wt%, typically 0.3 wt%, heat treatment is performed at 800 ° C. for 30 to 60 minutes to getter Ni elements and remove defects in the silicon substrate.
[0100]
As described above, after removing the catalytic element, the dangling bonds of Si are recombined with each other, and the dangling bonds that could not be recombined are terminated with fluorine, thereby efficiently removing defects.
[0101]
Also, 3 wt% hydrogen with respect to oxygen, ClF Three A similar effect can be obtained by performing a wet oxidation treatment for 30 to 60 minutes in a temperature range of 500 to 600 ° C. in an atmosphere containing 0.3 wt% of gas. In this case, gettering of the Ni element is further performed by the Cl element and the F element, so that the defect removal can be achieved more effectively. However, since the temperature is low, the efficiency of recombination of Si is sacrificed.
[0102]
[Example 4] In Examples 1 to 3, examples in which chlorine and fluorine which are halogen elements were used as gettering elements were shown. In this embodiment, an example in which phosphorus belonging to a group 15 element is used as a gettering element is shown, and an example in which a layer containing phosphorus is formed by a vapor phase method or a liquid phase method is shown. This embodiment will be described with reference to FIG.
[0103]
First, a solar cell-grade P-type silicon substrate 201 having a (100) plane orientation on the main surface (upper surface side in the drawing) is prepared. The film thickness is 300 μm. Then, similarly to Example 1, nickel is introduced into the silicon substrate 201 to segregate nickel into defects.
[0104]
Next, a PSG film 202 is formed on the surface of the silicon substrate 201 as a layer containing phosphorus. If nickel silicide is formed on the surface of the silicon substrate, the nickel silicide is removed before the PSG film 202 is formed. The PSG film 202 was formed using silane, phosphine, and oxygen as raw materials by an atmospheric pressure CVD method. It is important that the phosphorus concentration in the PSG film 202 is at least an order of magnitude higher than the nickel concentration in the silicon substrate. For example, the nickel concentration of a silicon substrate on which nickel is segregated is about 1 × 10 19 /cm Three Then, the phosphorus concentration in the PSG film 202 is 1 × 10 20 /cm Three This is done (FIG. 3A).
[0105]
Next, as shown in FIG. 3B, heat treatment is performed at 550 ° C. to 650 ° C. for several hours for gettering. In this example, heating was performed at 600 ° C. for 8 hours in an electric furnace in a nitrogen atmosphere. By this heat treatment, Ni element diffused into the silicon substrate 201 and compensated for defects is gettered by phosphorus in the PSG film 202 and removed from the silicon substrate 201.
[0106]
Therefore, the concentration of Ni element remaining in the silicon substrate 201 is extremely low, and is reduced to 1/10 to 1/1000 of the original state after processing. Specifically, 5 × 10 18 /cm Three Below, preferably 5 × 10 16 /cm Three It can be as follows. This Ni element is 5 × 10 18 /cm Three In the state of being included above, the characteristics as a metal appear in the semiconductor, which is not preferable. That is, the Ni concentration is set to 5 × 10 5 by gettering. 18 /cm Three Below, preferably 5 × 10 16 /cm Three By reducing to the following, it can be set as the silicon substrate which does not affect the function as a solar cell at all.
[0107]
Furthermore, since the Si dangling bonds left after the Ni element is desorbed are close to each other and in an active state, Si-Si bonds are formed during the heat treatment, and excellent consistency is achieved. Realize crystallinity. That is, the defect is substantially removed.
[0108]
In this state, reverse diffusion occurs from the PSG film 202 containing Ni element at a relatively high concentration. Therefore, by removing the PSG film 202 by etching with a hydrofluoric acid solution or the like, the crystallinity shown in FIG. Can be obtained.
[0109]
Further, when the surface layer of the silicon substrate 203 is removed by about 0.1 to 1 μm by a dry etching method or a wet etching method such as hydrazine or sodium hydroxide, Ni element segregated at the interface between the silicon substrate 203 and the PSG film 202 is also removed. This is preferable because it can be removed.
[0110]
In this embodiment, the silicon substrate 203 is originally of a lower grade, but defects inside the silicon substrate 201 are reduced as much as possible by the gettering action of phosphorus, so that the crystal of the same degree as that of a so-called semiconductor grade single crystal silicon substrate is obtained. It has sex. Thus, the pretreatment of the silicon substrate is completed. For example, the solar cell described in Example 1 may be manufactured using the obtained silicon substrate 203.
[0111]
[Embodiment 5] In Embodiment 4, an example in which the PSG film 202 is formed by a vapor phase method as the gettering film is shown, but another layer containing phosphorus can be used.
[0112]
For example, a film can be formed using a liquid phase method. For example, an organosilicide solution to which phosphorus is added is applied to the surface of the silicon substrate 201 by a spin coating method, and then baked to form a silicon oxide film to which phosphorus is added.
[0113]
Alternatively, an amorphous or polycrystalline silicon film to which phosphorus is added can be formed by a vapor phase method. Since the gettering film is removed by etching after the gettering step, it is preferable that the gettering film has a high etching selectivity with the semiconductor substrate. Therefore, when a phosphorus-added silicon film is used as the gettering film, care must be taken in removing the gettering film.
[0114]
As a method for facilitating the etching of the phosphorus-added silicon film, there is a method of oxidizing the phosphorus-added silicon film in the heating step for gettering. As a result, only the oxidized silicon film can be selectively removed. In order to oxidize silicon, the heat treatment atmosphere may be an oxidizing atmosphere. For example, a mixed gas atmosphere of nitrogen (partial pressure ratio 89%), oxygen (partial pressure ratio 10%), and hydrogen chloride (partial pressure ratio 1%) may be used. Alternatively, the silicon film may be oxidized by controlling the heating time and the heating temperature.
[0115]
[Embodiment 6] In Embodiments 4 and 5, a method for forming a layer containing phosphorus to be a gettering film by a vapor phase method or a liquid phase method has been shown. In this embodiment, this layer containing phosphorus. An example in which a semiconductor substrate is manufactured by a method of doping phosphorus into a semiconductor substrate is shown. Further, in this embodiment, only pretreatment for a semiconductor substrate is shown. This embodiment will be described with reference to FIG.
[0116]
First, a solar cell grade P-type silicon substrate 211 having a main surface (upper surface side in the drawing) having a (100) plane orientation is prepared. The film thickness is 300 μm. Then, nickel is segregated in the silicon substrate 211 by the same process as in the first embodiment.
At this time, since a silicide layer (not shown) is formed on the surface of the silicon substrate 211, the nickel silicide layer is removed by performing an etching process.
[0117]
Next, as illustrated in FIG. 4A, phosphorus is introduced into the surface of the silicon substrate 211 by an ion implantation method or a plasma doping method, so that a phosphorus-added region 212 is formed. In this embodiment, phosphorus is doped using an ion implantation method. As a result, the phosphorus-added region 212 becomes a region containing phosphorus at a high concentration and is made amorphous by the impact of doping. It is important that the phosphorus concentration in the phosphorus addition region 212 is at least an order of magnitude higher than the nickel concentration in the semiconductor substrate 211. For example, the nickel concentration of the semiconductor substrate 211 on which nickel is segregated is about 1 × 10 19 /cm Three If so, the phosphorus concentration in the phosphorus addition region 212 is 1 × 10 20 /cm Three That's it.
[0118]
Next, heat treatment for gettering was performed as illustrated in FIG. In this example, heating is performed at 600 ° C. for 4 hours in an electric furnace having an oxidizing atmosphere composed of a mixed gas of nitrogen (partial pressure ratio 89%), oxygen (partial pressure ratio 10%), and hydrogen chloride (partial pressure ratio 1%). did. By this heat treatment, Ni element that has diffused into the silicon substrate 211 and compensated for defects is gettered by phosphorus in the phosphorus addition region 212 and removed from the silicon substrate 211. Further, at the same time as the gettering of nickel, defects in the silicon substrate 211 are substantially removed. In this embodiment, since the phosphorus-added region 212 is made amorphous, not only the phosphorus gettering effect, but also the synergistic effect of the crystal structure defects, the gettering effect due to dislocations, and the gettering effect of chlorine added to the atmosphere. Can be obtained.
[0119]
In addition, the phosphorus-added region 212 is oxidized by the heat treatment, and a thermal oxide film 213 is formed. Note that depending on the heat treatment conditions, the thermal oxide film 213 includes a portion where the semiconductor substrate 211 to which phosphorus is not added is oxidized. By oxidizing the phosphorus-added region 212, the etching selectivity with respect to the silicon substrate 211 can be increased.
[0120]
If the thermal oxide film 213 remains, reverse diffusion occurs from the oxide film 213 containing Ni element at a relatively high concentration. Therefore, the oxide film 213 is removed by etching with a hydrofluoric acid solution or the like, as shown in FIG. The silicon substrate 214 from which defects are removed as shown in FIG.
[0121]
Thus, the pretreatment of the silicon substrate is completed. For example, the solar cell described in Example 1 may be manufactured using the obtained silicon substrate 214.
[0122]
[Embodiment 7] This embodiment also shows an example in which phosphorus is used for gettering as in Embodiment 6. In Example 6, phosphorus ions were added to the entire surface of the semiconductor substrate. However, in this example, an example in which a phosphorus addition region is selectively formed in the semiconductor substrate is shown. Hereinafter, this embodiment will be described with reference to FIG.
[0123]
First, a solar cell grade P-type silicon substrate 221 having a main surface (upper surface side in the drawing) having a (100) plane orientation and a film thickness of 300 μm is prepared. In the same manner as in Example 1, nickel was segregated to defects in the silicon substrate 221.
[0124]
Then, phosphorus ions are selectively introduced into the silicon substrate 221 as shown in FIG. For this purpose, a mask 222 made of silicon oxide is formed on the surface of the silicon substrate 221.
[0125]
After forming the mask 222, phosphorus ions were doped using a plasma doping method. As a result, the phosphorus added region 223 was selectively formed in the silicon substrate 221. The phosphorus concentration in the phosphorus addition region 223 needs to be at least higher than the nickel concentration in the silicon substrate 221, and it is important to make it higher by one digit or more than the nickel concentration.
[0126]
Next, heat treatment for gettering was performed as shown in FIG. In this example, heating was performed at 600 ° C. for 8 hours in an electric furnace in a nitrogen atmosphere. By this heat treatment, Ni element diffused into the silicon substrate 401 and compensated for defects is gettered by phosphorus in the phosphorus added region 223 and removed from the silicon substrate 221, and defects in the silicon substrate 221 are removed. Substantially eliminated. As a result, a semiconductor grade silicon substrate 224 can be obtained.
[0127]
Thus, the pretreatment of the silicon substrate is completed. For example, the solar cell described in Example 1 is manufactured using the obtained silicon substrate 224. First, as shown in FIG. 5C, texture treatment was performed in the same manner as in Example 1 to form an uneven portion 225 on the silicon substrate 224. In the surface observation with an electron microscope, irregularities of about 0.1 to 5 μm were observed although they were irregular.
[0128]
Next, P ions are implanted into the silicon substrate 224 by ion doping or plasma doping. Then, P ions implanted in the vicinity of the surface of the silicon substrate 224 are diffused by heat treatment to form an N-type conductive region 226. The junction depth of the N-type conductive region 226 is 0.5 μm. As the ion implantation method, the ion doping method is preferable because the junction depth can be easily controlled.
[0129]
Here, the phosphorus added region 223 used for the gettering sink also functions as an N-type conductive region since phosphorus is added to the semiconductor. Thus, a PN junction 227 is formed at the junction between the silicon substrate 224 and the conductive region 226 and at the junction between the silicon substrate 224 and the phosphorus-added region 223.
[0130]
Next, an antireflection film 228 is formed on the N-type conductive region 226. In this embodiment, as the antireflection film 228, SiO having a thickness of 0.1 to 1 μm formed by the CVD method. 2 Use a membrane. It is necessary to select an optimum value for the film thickness according to the refractive index of the silicon substrate 105 and the refractive index of the antireflection film 228. In addition, as the antireflection film 228, other than that, SiO, SiN, TiO 2 , ITO, MgF 2 Various materials such as can be used.
[0131]
Next, P is ion-implanted into the back surface of the silicon substrate 224 (the lower surface in the figure). + The region 229 is formed to a depth of 0.2 μm to obtain the structure shown in FIG.
[0132]
Finally, N-type conductive region 226, P + Extraction electrodes 230 and 231 made of a conductive film such as an aluminum film connected to the region 229 are formed. As described above, a solar cell as shown in FIG. 5E can be manufactured.
[0133]
In this embodiment, the phosphorus-added region 223 used for the gettering sink is also used for the N-type conductive region of the solar cell. However, the phosphorus-added region 223 contains nickel, and this nickel is diffused back into the semiconductor substrate. Therefore, the phosphorus-added region 223 may be removed. For example, when removing without increasing the number of steps, the removal may be performed simultaneously with the surface layer removal step by etching of the semiconductor substrate 226 after gettering or the texture treatment step.
[0134]
[Example 8] In Examples 1 to 7, before manufacturing a solar cell, nickel is added to the semiconductor substrate, and then nickel is gettered to thereby make the solar cell-class semiconductor substrate crystalline. In this example, a method for manufacturing a solar cell in which the nickel concentration in the semiconductor substrate thus obtained is further reduced will be described. This embodiment will be described with reference to FIG.
[0135]
First, as shown in FIG. 6A, the N-type semiconductor substrate subjected to the pretreatment described in the first to seventh embodiments is subjected to texture treatment in the same manner as in the first embodiment to obtain a silicon substrate 241. An uneven portion 242 was formed on the surface.
[0136]
Next, as shown in FIG. 5B, N ions are implanted into the silicon substrate 241 to a depth of 0.5 μm to form an N-type conductive region 243. After that, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere, and nickel remaining on the silicon substrate 241 is gettered to the N-type conductive region 243. Note that the heating temperature may be about 600 ° C. at which a gettering effect can be obtained.
[0137]
The concentration of nickel in the silicon substrate 241 is equal to or lower than the SIMS measurement limit by pretreatment. 16 /cm Three The concentration can be further reduced by this heat treatment.
[0138]
Hereinafter, as shown in FIG. 6D, the antireflection film 244, P + Regions 245 are sequentially formed, and finally, N-type conductive regions 243, P + Extraction electrodes 246 and 247 made of a conductive film such as an aluminum film connected to the region 245 are formed.
[0139]
[Example 9] In this example, an example of manufacturing a solar cell having a structure different from that of Example 1 is shown. The description will be given with reference to FIG.
[0140]
First, the state shown in FIG. 7A (same as the state shown in FIG. 2A) is obtained in the same procedure as in the first embodiment. In this state, a texture is formed on the surface of the P-type silicon substrate 301.
[0141]
In this state, the silicon substrate 301 is subjected to thermal oxidation treatment. The heat treatment for thermal oxidation is performed at 1000 ° C. for 30 minutes in an atmosphere in which 3 wt% HCl is added to oxygen. By this thermal oxidation treatment, a thermal oxide film 302 is formed on the entire surface of the silicon substrate 301 to a thickness of 1000 mm. The thermal oxidation method is not limited to this, and various known means can be used. For example, dry or wet O 2 Oxidation, pyrogenic oxidation, etc. may be used. By setting the atmosphere to which a halogen element is added, an effect of further reducing the nickel element remaining in the semiconductor substrate 301 can be obtained (FIG. 7A).
[0142]
Next, the thermal oxide film 302 is selectively removed so as to leave only the region formed on the side surface of the silicon substrate 301 in the thermal oxide film 302. As this method, for example, it may be removed by dry etching using a mask that leaves only the side surfaces. By this step, the thermal oxide film 303 remains in the state shown in FIG.
[0143]
In the state shown in FIG. 7B, P-type ions imparting N-type are implanted into the surface side of the silicon substrate 301 to form an N-type conductive region (N + region) 304. Further, B ions imparting P-type are implanted on the back surface side, and a conductive region (P + Region) 305 is formed.
[0144]
Conventionally, when the conductive region is formed, a small amount of ions are also implanted into the side surface of the silicon substrate by wraparound, and a conductive region, that is, a current path is formed, causing a leakage current. It was a problem. However, according to this embodiment, since the thermal oxide film 303 functions as a protective film, a conductive layer serving as a current path is not formed on the side surface.
[0145]
That is, since the side surface of the silicon substrate 301 is protected by the oxide film 303, ions imparting N-type or P-type cannot reach the silicon substrate 303 and stop in the oxide film 303. Therefore, in the oxide film 303 formed on the side surface, P and / or B ions are 1 × 10 6. 16 ~ 1 × 10 20 /cm Three Will be included at a concentration of.
[0146]
Next, a silicon nitride film 306 is formed to a thickness of 1000 mm as a passivation film so as to cover the surface side of the silicon substrate 301. The film forming method is preferably performed by a low pressure thermal CVD method while avoiding plasma damage. Further, by appropriately setting the film thickness, the silicon nitride film 306 also functions as an antireflection film.
[0147]
Next, a contact hole (having a groove shape extending in the depth direction toward the paper surface) is formed in the silicon nitride film 306, and an extraction electrode 307 is formed on the front surface side of the silicon substrate 301, and an extraction electrode 308 is formed on the back surface side. In this embodiment, the electrode 307 on the front side is formed in a comb shape so that sunlight can be easily taken. In addition, the back-side electrode 308 is also shaped like a comb. Although it is possible to form the back electrode 308 over the entire surface of the substrate, it is desirable that the contact area be as small as possible because the generated carriers are likely to recombine at the interface between the electrode and the semiconductor.
[0148]
As described above, the solar cell having the structure shown in FIG. 7D is completed. In this structure, as described above, a conductive region that forms a current path is not formed on the side surface of the silicon substrate 301, so that there is no leakage current and a high-performance solar cell can be realized.
[0149]
[Example 10] In this example, an example in the case of manufacturing a bulk type solar cell having a structure different from those of Examples 1 to 9 will be described. The description will be given with reference to FIG.
[0150]
First, the state shown in FIG. 8A (same as the state shown in FIG. 2A) is obtained in the same procedure as in the first embodiment. In this state, a texture is formed on the surface of the P-type silicon substrate 311.
[0151]
In this state, a thermal oxidation process is performed on the silicon substrate 311 to form a thermal oxide film 312. The conditions for thermal oxidation may be the same as those in Example 9, or may be other thermal oxidation methods or thermal oxidation conditions. That is, it can be changed according to the film quality and film thickness of the thermal oxide film to be formed (FIG. 8A).
[0152]
Next, a contact hole 313 for forming a later extraction electrode is formed in part of the thermal oxide film 312. The contact hole 313 may be formed using a known photolithography technique using a resist. Further, the groove shape is long in the depth direction toward the paper surface.
[0153]
Next, in the state shown in FIG. 8B, P ions for imparting N-type are implanted into the surface side of the silicon substrate 311 to form an N-type conductive region (N + Region) 314 is formed. Also, B ions imparting P-type are implanted on the back surface side, and a conductive region (P + Region) 315 is formed (FIG. 8B).
[0154]
In this embodiment, the region other than the contact hole 313 is subjected to through doping through the thermal oxide film 312 during ion implantation. Therefore, since the region implanted by through doping is not directly damaged by the ion implantation, there is an advantage that a recombination center is not formed in a defect or the like in the semiconductor layer.
[0155]
Further, since the remaining thermal oxide film 312 functions as an antireflection film as it is, it can be provided separately, but the antireflection film can be omitted.
[0156]
Also in the present embodiment, since the thermal oxide film 312 functions as a protective film as in the ninth embodiment, a conductive layer serving as a current path is not formed on the side surface.
[0157]
Next, an extraction electrode 316 is formed on the front surface side of the silicon substrate 311 and an extraction electrode 317 is formed on the rear surface side. Also in the present embodiment, the shape of the extraction electrodes on the front surface side and the back surface side is a comb tooth shape. As described above, the solar cell having the structure shown in FIG. 8C is completed.
[0158]
In this embodiment, as is clear from FIG. 8C, the conductive region 314 (or 315) has an ion concentration distribution in the depth direction between the region in contact with the electrode 316 (or 317) and the region not in contact with the electrode 316 (or 317). Is different.
[0159]
[Example 11] In this example, an example in which the material of the extraction electrodes 307 and 308 formed on the front surface side and the back surface side of the silicon substrate 301 in Example 9 is changed will be described. Since the basic structure is the same as FIG. 7D, description will be made with reference to FIG. 7D as necessary.
[0160]
First, in Example 9, an example in which the extraction electrode 307 shown in FIG. 7D is a transparent electrode (for example, an indium and tin oxide compound typified by an ITO film) 321 is shown in FIG. Shown in In this case, an advantage of using the transparent electrode 501 is that it can be effectively utilized without first shielding sunlight.
[0161]
Therefore, as shown in FIG. 9A, the transparent electrode 321 can be formed over the entire surface of the silicon substrate. That is, it is not necessary to pattern the transparent electrode 321 and the manufacturing process can be simplified.
[0162]
Further, since a transparent electrode such as an ITO film also functions as an antireflection film, a laminated film of the transparent electrode 321 and the silicon nitride film 306 can be used as the antireflection film.
[0163]
Next, FIG. 9B shows an example in which the extraction electrode 308 shown in FIG. 7D is formed on the entire back surface in Example 9. As shown in FIG. 9B, the advantage of providing the extraction electrode 322 over the entire back surface of the silicon substrate is + There is no need to form the region 305 by ion implantation.
[0164]
Specifically, the extraction electrode 322 formed on the entire back surface of the silicon substrate is formed by using a solid phase diffusion method as a diffusion source of an impurity imparting P-type. + Region 323 can be formed. That is, since there is no damage of the semiconductor layer due to ion implantation, it is possible to reduce the recombination of the generated carriers.
[0165]
Further, when a metal such as Al, Au, Ag, or Cu is used as the extraction electrode 322, it can function as a reflection film that reflects sunlight that could not be absorbed by the semiconductor layer from the back surface side and returns it to the semiconductor layer again. it can. This is a so-called BSR structure and is effective for effectively utilizing sunlight.
[0166]
[Embodiment 12] This embodiment shows an example in which the formation of a current path on the side surface of a silicon substrate is prevented by a method different from that in Embodiments 9 to 11. The description will be given with reference to FIG. In FIG. 10A, reference numeral 331 denotes a silicon substrate having a texture structure formed through the same process as in the first embodiment.
[0167]
The silicon substrate (P type) 331 is subjected to heat treatment in an atmosphere containing P ions imparting N type conductivity, and the P ions are diffused to form the N type conductive layer 332. In this embodiment, in this heat treatment, an N-type conductive layer 332 is formed to a thickness of 0.3 μm on the entire surface (front surface, back surface, side surface) of the silicon substrate 331.
[0168]
Next, the back surface of the silicon substrate 331 is etched away by a dry etching method or a wet etching method by about 1 to 10 μm to obtain the state shown in FIG. By this step, an exposed surface 333 is generated on the back surface of the silicon substrate 331.
[0169]
At this time, it is preferable to protect the surface side of the silicon substrate 331 with a thin oxide film formed by, for example, UV treatment because contamination can be prevented. However, it must be removed later.
[0170]
After the state shown in FIG. 10B is obtained, the subsequent steps may be performed in accordance with, for example, Embodiment 9, and a silicon nitride film (of course, a silicon oxide film may be used) 334 functioning as a passivation film and an antireflection film. Is deposited.
[0171]
Next, P on the back side of the silicon substrate 331 as necessary. + Region 336 is formed. At this time, near the side surface of the silicon substrate 331, the N-type conductive region 332 and P + Care must be taken to avoid contact with region 336. P + The formation method of the region 336 may be an ion implantation method or a solid phase diffusion method. In this embodiment, the region 336 is formed by a solid phase diffusion method.
[0172]
In this case, as shown in FIG. 10C, for example, an Al electrode 335 is formed by using a photolithography technique, and Al element is diffused by heat treatment, so that P indicated by 336 is obtained. + Form a region. The reason for using the solid phase diffusion method is that the patterning accuracy is good, so that the distance between the N-type conductive region 332 and the Al electrode 335 can be set accurately.
[0173]
When the state shown in FIG. 10C is obtained, contact holes are formed in necessary portions of the silicon nitride film 334, and comb-shaped extraction electrodes 337 that are in contact with the surface side of the silicon substrate 331 are formed. As described above, a solar cell having the structure illustrated in FIG. 10D can be manufactured.
[0174]
[Example 13] In Examples 1 to 12, a bulk solar cell using a semiconductor substrate was shown. However, in this example, a semiconductor thin film formed on a quartz substrate, specifically, a crystalline silicon thin film was used. An example of manufacturing a thin film solar cell will be described. Although the crystalline silicon thin film can be directly formed by a low pressure thermal CVD method or the like, in this embodiment, the amorphous silicon thin film is obtained by crystallization. The description will be given with reference to FIG.
[0175]
First, a silicon oxide film 402 is formed as a base film on a quartz substrate 401 to a thickness of 0.3 μm. This silicon oxide film is formed by a plasma CVD method using methyl tetrasilicate (TEOS) as a raw material, but can also be formed by a sputtering method or a spin coating method as another method. Further, an insulating film such as a silicon nitride film may be used.
[0176]
Next, an amorphous silicon film (amorphous silicon film) 403 is formed by a plasma CVD method using silane gas as a raw material. In addition to the plasma CVD method, the amorphous silicon thin film may be formed by using a low pressure thermal CVD method, a sputtering method, or a vacuum deposition method. The amorphous silicon film may be a substantially genuine amorphous silicon thin film or an amorphous silicon thin film to which boron (B) is added in an amount of 0.001 to 0.1 atomic%. In this embodiment, the thickness of the amorphous silicon thin film 403 is 10 μm. Of course, this thickness may be a required thickness.
[0177]
Next, a thin oxide film layer (not shown) is formed on the surface of the amorphous silicon thin film 403. A method of forming an oxide film layer (not shown) may be a method of immersing the substrate in a perwater ammonia solution and treating at 70 ° C. for 5 minutes, a method of treating for 5 minutes by UV treatment, or the like. The oxide film layer (not shown) formed in this way improves the wettability of the silicon surface when a nickel salt solution containing Ni element (for example, nickel acetate salt or nickel nitrate salt) is applied.
[0178]
Next, a nickel salt solution is dropped on the center of the substrate that spins on a rotating support (not shown) to form a thin nickel salt solution water film on the entire surface of the substrate. Then, the number of spin rotations is increased and the water film is blown away to form the nickel layer 404. Thus, the state shown in FIG.
[0179]
Note that the Ni element also functions as a catalyst element that promotes crystallization when the amorphous silicon film is crystallized. The effect of promoting crystallization is described in detail in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 6-232059 and 6-244103 by the present applicant. This publication describes that metal elements such as Fe, Co, Pt, Cu, and Au can be used as other elements.
[0180]
Next, hydrogen in the amorphous silicon film 403 is released by holding at 450 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. This is because the threshold energy for subsequent crystallization is lowered by intentionally forming a dangling bond in the amorphous silicon film 403.
[0181]
Then, in a nitrogen atmosphere, the amorphous silicon thin film 403 is crystallized by performing heat treatment at 450 to 700 ° C., typically 550 to 65 ° C. and 4 to 8 hours, whereby a crystalline silicon thin film 405 is obtained. . The reason why the temperature during the crystallization could be set to 550 ° C. is due to the action of Ni element.
[0182]
During the heat treatment, the Ni element moves through the silicon thin film while promoting crystallinity, and preferentially compensates for defects in the grains. In particular, since the crystalline silicon thin film 405 formed in this way has a large number of crystal grain boundaries (represented by lines crossing the crystalline silicon thin film 405), the crystal grain boundaries are discontinuous in terms of energy. In this case, a higher concentration of Ni element is segregated than in other regions. A state in which the Ni element is segregated in this manner is represented by a cross mark in FIG.
[0183]
The amount of introduced Ni element is 1 × 10 5 in the crystalline silicon thin film 405. 19 ~ 1 × 10 20 /cm Three Then, conditions such as the Ni concentration in the coating solution and the coating amount are adjusted. Below this concentration, Ni elements cannot be segregated efficiently in the defects, and it is difficult to obtain the effects of the present invention. On the other hand, if the concentration is higher than this, it is difficult to getter later, which is not preferable.
[0184]
In addition, since nickel silicide formed in the defect has a lattice constant close to that of silicon, the nickel silicide is in a bonded state with good matching. Further, the Ni layer 404 exists as a nickel silicide layer 406 containing Ni element at a high concentration by reacting with the crystalline silicon thin film 403 in contact therewith (FIG. 11B).
[0185]
A major feature of the present invention is that Ni element which is a catalytic element is intentionally segregated with respect to defects, and the reason is that defects having irregular bonding states as described above have good consistency. It is to make it a combined state. This is important in the subsequent gettering process of the Ni element by the halogen element.
[0186]
Next, an etching process is performed with a hydrofluoric acid solution or the like to remove the nickel silicide layer 406. This is because the nickel silicide layer 406 contains Ni element at a high concentration, which is inconvenient in the Ni element removal step by gettering later.
[0187]
Next, heat treatment is performed in a temperature range of 700 to 1100 ° C., typically 800 to 950 ° C., in an atmosphere containing a halogen element. In this embodiment, heat treatment is performed at 950 ° C. for 30 minutes in an oxidizing atmosphere in which HCl (hydrogen chloride) of 0.1 to 10 wt%, typically 3 wt%, is mixed with respect to oxygen. By this heat treatment, the Ni element that has diffused into the crystalline silicon thin film 405 and compensated for the defects is gettered by the Cl element and desorbed from the polycrystalline silicon thin film 405.
[0188]
The Ni element gettered by the Cl element is diffused into the air as nickel chloride, which is a volatile gas, or is taken into the thermal oxide film 206 formed on the surface of the crystalline silicon thin film 405. The crystalline silicon thin film 405 is removed from the inside. A state in which the Ni element is gettered in this manner is indicated by a cross mark in FIG.
[0189]
Therefore, the concentration of Ni element remaining in the crystalline silicon thin film 405 is extremely low, and is reduced to 1/10 to 1/1000 of the original state after the treatment. Specifically, 5 × 10 18 /cm Three Below, preferably 5 × 10 16 /cm Three It can be as follows.
[0190]
This Ni element is 5 × 10 18 /cm Three In the state of being included above, the characteristics as a metal appear in the semiconductor, which is not preferable. That is, the Ni concentration is set to 5 × 10 5 by gettering. 18 /cm Three Below, preferably 5 × 10 16 /cm Three By reducing to the following, a crystalline silicon thin film that does not affect the function as a solar cell can be obtained.
[0191]
Furthermore, since the Si dangling bonds left after the Ni element is desorbed are close to each other and in an active state, Si-Si bonds are formed during the heat treatment, and excellent consistency is achieved. Realize crystallinity. That is, the defect is substantially removed.
[0192]
In addition, since the same phenomenon is also performed at the crystal grain boundary, the energy barrier of the crystal grain boundary becomes extremely low, or it can be regarded that there is substantially no crystal grain boundary. In this embodiment, in order to show the state, the crystal grain boundary after thermal oxidation is shown by a dotted line.
[0193]
It should be noted that this process is not intended only for Ni element gettering. Although the gettering process itself is a known means, it is not until the introduction of the Ni element described above, the gettering of the Ni element by the halogen element, and the removal (recombination) of defects performed simultaneously with the gettering. The object of the present invention is achieved.
[0194]
Thus, as shown in FIG. 11C, the crystalline silicon thin film 405 is a crystalline silicon thin film 407 in which the Ni concentration is extremely low and defects are substantially eliminated. A thermal oxide film 408 containing nickel at a high concentration is formed on the surface of the crystalline silicon thin film 407. In this state, since the reverse diffusion occurs from the thermal oxide film 407 containing Ni element at a relatively high concentration, the thermal oxide film 408 is removed by etching with a hydrofluoric acid solution or the like to expose the crystalline silicon thin film 407.
[0195]
Further, when several hundreds of surface layers of the crystalline silicon thin film 407 are removed by a dry etching method or a wet etching method using hydrazine, sodium hydroxide or the like, segregation occurs at the interface between the crystalline silicon thin film 407 and the thermal oxide film 408. Ni element is also preferable because it can be removed.
[0196]
Next, as shown in FIG. 11D, an N-type crystalline silicon thin film 409 is formed on the surface of the crystalline silicon thin film 407 by low pressure thermal CVD. The film thickness may be 0.01 to 0.5 μm. In this embodiment, the film is formed to a thickness of 0.1 μm. Usually, a crystalline silicon thin film formed directly is not so high in crystallinity, so it is necessary to improve the crystallinity by thermal annealing using laser annealing, lamp annealing or the like.
[0197]
Alternatively, heat treatment may be performed so that the crystalline silicon thin film 409 having N type also functions as a gettering sink. As a result, the nickel concentration in the crystalline silicon thin film 407 can be further reduced by the gettering action of chlorine and the gettering action of phosphorus.
[0198]
Note that the crystalline silicon thin film 409 having N type may be used in a microcrystalline state. In this embodiment, a crystalline silicon thin film is used, but an amorphous silicon thin film may be used depending on circumstances.
[0199]
Next, a transparent electrode 410 is formed on the N-type crystalline silicon film 409. The transparent electrode 410 is formed by sputtering using an indium tin oxide alloy (ITO) with a thickness of 0.1 μm. The transparent electrode 410 has a function as an antireflection film. As the antireflection film, various other materials such as a silicon oxide film, a silicon nitride film, a titanium oxide film, a magnesium fluoride film, a tin oxide film, a tantalum oxide film, cerium oxide, and aluminum oxide can be used. Yes (FIG. 11D).
[0200]
Finally, a step of providing an extraction electrode is performed. In providing the extraction electrode, first, as shown in FIG. 11E, the transparent electrode 410, the N-type crystalline silicon 409, and the crystalline silicon thin film 407 are partially removed. Then, a positive electrode 411 connected to the crystalline silicon thin film 407 is provided. A negative electrode 412 connected to the transparent electrode 410 is formed.
[0201]
The extraction electrodes 411 and 412 can be formed using aluminum, silver, silver paste, or the like formed by sputtering or vacuum deposition. Further, when the electrode is provided and then heat-treated at 150 to 300 ° C. for several minutes, the adhesion with the base film is improved and good electrical characteristics can be obtained. In this embodiment, an oven is used and heat treatment is performed at 200 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere.
[0202]
In this embodiment, the negative electrode 412 has a comb-like structure in order to suppress the light shielding area as much as possible. That is, the cross section of the tooth portion looks like a comb-like shape as shown in FIG. Accordingly, although it appears that there are three electrodes 412 in the drawing, all of them are actually electrically connected.
[0203]
Through the above steps, a thin film solar cell as shown in FIG. 11E can be completed. In this thin film solar cell, defects and crystal grain boundaries that are the recombination centers of the generated carriers are extremely reduced in the crystalline silicon thin film, so that even a crystalline silicon thin film with a small absorption coefficient gains film thickness Thus, sufficient conversion efficiency can be achieved.
[0204]
[Example 14] In Example 13, heat treatment was performed in an atmosphere containing HCl gas, and gettering of the catalytic element with a halogen element (Cl element in Example 1) was performed. Three Gas or ClF Three Fluorine-based gas such as can also be used.
[0205]
A characteristic of the fluorine-based gas is that a thermal oxide film can be formed and a gettering effect can be obtained at a temperature lower than that of HCl gas, specifically, a temperature of about 500 to 700 ° C. This means that an inexpensive glass substrate can be used as the substrate, which is very effective in reducing the manufacturing cost. Further, for example, it is possible to form a flexible solar cell by forming a solar cell on a thin stainless steel substrate having flexibility.
[0206]
In addition, obtaining a gettering effect with an introduction amount smaller than that of HCl gas is a great advantage in reducing the manufacturing cost. Actually, a sufficient effect can be expected by introducing about 1/10 of HCl.
[0207]
In this example, 3 wt% of hydrogen with respect to oxygen, NF Three Wet oxidation treatment is performed for 30 to 60 minutes in a temperature range of 500 to 600 ° C. in an atmosphere mixed with 50 to 200 ppm of gas. However, since the processing temperature is lower than that of Example 1, it cannot be said that the recombination of Si after gettering the Ni element is efficient.
[0208]
However, in this case, a secondary effect of terminating the dangling bonds with fluorine can be expected in the gettering process. That is, dangling bonds that could not be recombined during the heat treatment can be deactivated by terminating with fluorine. In this case, since the Si—F bond has a stronger bonding force than the Si—H bond, it is effective in improving crystallinity.
[0209]
In this way, NF Three The heat treatment using gas is only for the purpose of gettering of the catalytic element, but it also has the effect of terminating the dangling hands and reducing the manufacturing cost. This is effective in the case of manufacturing a solar cell using a semiconductor layer having a crystal grain boundary.
[0210]
The oxidizing atmosphere containing fluorine may be performed under the following conditions (1) and (2) in addition to the above conditions. (1) 1-5 wt% HCl with respect to oxygen, NF Three An atmosphere containing 10-200ppm. (2) 3wt% hydrogen with respect to oxygen, ClF Three Atmosphere containing 50-100ppm. In particular, if it is performed under the condition (2), the gettering effect of both Cl element and F element can be expected.
[0211]
Example 15 In Examples 13 and 14, examples in which chlorine and fluorine, which are halogen elements, were used as gettering elements were shown. In this embodiment, an example is shown in which phosphorus belonging to a group 15 element is used as a gettering element. This embodiment will be described with reference to FIG.
[0212]
First, as in Example 13, a silicon oxide film (not shown) having a thickness of 0.3 μm is formed as a base film on the quartz substrate 421 by plasma CVD. Next, an amorphous silicon film (amorphous silicon film) having a thickness of 10 μm is formed by silane gas as a raw material by plasma CVD, and crystallized by using Ni element as in Example 1, and a crystalline silicon thin film 422 is formed. Form.
[0213]
The amount of Ni element introduced into the crystalline silicon thin film 422 is 1 × 10 6. 19 ~ 1 × 10 20 /cm Three Then, conditions such as the Ni concentration in the coating solution and the coating amount are adjusted. Further, a higher concentration of Ni element is segregated at the grain boundaries in the crystalline silicon thin film than in other regions. A state in which the Ni element is segregated in this manner is represented by a cross mark in FIG.
[0214]
The amount of introduced Ni element is 1 × 10 5 in the crystalline silicon thin film 422. 19 ~ 1 × 10 20 /cm Three Then, conditions such as the Ni concentration in the coating solution and the coating amount are adjusted. Below this concentration, Ni elements cannot be segregated efficiently in the defects, and it is difficult to obtain the effects of the present invention. On the other hand, if the concentration is higher than this, it is difficult to getter later, which is not preferable.
[0215]
In addition, since the nickel silicide formed in the defect has a lattice constant close to that of silicon, it becomes a bonded state with good matching.
[0216]
Next, a PSG film 423 is formed on the surface of the crystalline silicon thin film 422 as a layer containing phosphorus. The PSG film 423 was formed using silane, phosphine, and oxygen as raw materials by an atmospheric pressure CVD method. It is important that the phosphorus concentration in the PSG film 423 is at least an order of magnitude higher than the nickel concentration in the crystalline silicon thin film 422. For example, the nickel concentration of the crystalline silicon thin film 422 on which nickel is segregated is about 1 × 10 19 /cm Three Then, the phosphorus concentration in the PSG film 423 is 1 × 10 20 /cm Three Try to be more.
[0217]
Next, for gettering as shown in FIG.
Heat treatment for several hours. In this example, heating was performed at 600 ° C. for 8 hours in an electric furnace in a nitrogen atmosphere. By this heat treatment, the Ni element that has diffused into the crystalline silicon thin film 422 and compensated for defects is gettered by phosphorus in the PSG film 423 and removed from the crystalline silicon thin film 422.
[0218]
Therefore, the concentration of Ni element remaining in the crystalline silicon thin film 422 is extremely low, and is reduced to 1/10 to 1/1000 of the original state after the treatment. Specifically, 5 × 10 18 /cm Three Below, preferably 5 × 10 16 /cm Three It can be as follows. This Ni element is 5 × 10 18 /cm Three In the state of being included above, the characteristics as a metal appear in the semiconductor, which is not preferable. That is, the Ni concentration is set to 5 × 10 5 by gettering. 18 /cm Three Below, preferably 5 × 10 16 /cm Three By reducing to the following, it can be set as the crystalline silicon thin film which does not affect the function as a solar cell at all.
[0219]
Furthermore, since the Si dangling bonds left after the Ni element is desorbed are close to each other and in an active state, Si-Si bonds are formed during the heat treatment, and excellent consistency is achieved. Realize crystallinity. That is, the defect is substantially removed.
[0220]
In this way, the state shown in FIG. In this state, since the reverse diffusion occurs from the PSG film 423 containing Ni element at a relatively high concentration, the PSG film 423 is etched away with a hydrofluoric acid solution or the like, and the crystallinity shown in FIG. An improved crystalline silicon thin film 424 can be obtained.
[0221]
Further, when the surface layer of the crystalline silicon thin film 424 is removed by about 0.1 to 1 μm by a dry etching method or a wet etching method such as hydrazine or sodium hydroxide, it is segregated at the interface between the crystalline silicon thin film 424 and the PSG film 423. Ni element is also preferable because it can be removed.
[0222]
In this embodiment, the defects of the crystalline silicon thin film 424 are reduced as much as possible by the gettering action of phosphorus, and thus the crystallinity is comparable to that of so-called single crystal silicon. What is necessary is just to manufacture the solar cell described in Example 13, for example using this crystalline silicon thin film 424 for a photoelectric converting layer.
[0223]
[Embodiment 16] Although Embodiment 15 shows an example in which a PSG film is formed by a vapor phase method as a gettering sink, another layer containing phosphorus can be used.
[0224]
For example, a film containing phosphorus can be formed using a liquid phase method. A silicon oxide film to which phosphorus is added may be formed by applying a solution of an organic silicide to which phosphorus has been added by a spin coating method and then baking.
[0225]
Alternatively, an amorphous or polycrystalline silicon film to which phosphorus is added can be formed by a vapor phase method. Alternatively, a phosphorus-added layer may be formed by implanting phosphorus ions into the surface of the crystalline silicon thin film using an ion implantation method or a plasma doping method. However, since the gettering film is removed by etching after the gettering step, it is preferable that the gettering film has a large etching selectivity with the semiconductor substrate. Therefore, when a phosphorus-added silicon film is used as the gettering film, care must be taken in removing the gettering film.
[0226]
As a method for facilitating the etching of the phosphorus-added silicon film, there is a method of oxidizing the phosphorus-added silicon film in the heating step for gettering. As a result, only the oxidized silicon film can be selectively removed. In order to oxidize silicon, the heat treatment atmosphere may be an oxidizing atmosphere. For example, a mixed gas atmosphere of nitrogen (partial pressure ratio 89%), oxygen (partial pressure ratio 10%), and hydrogen chloride (partial pressure ratio 1%) may be used. Alternatively, the silicon film may be oxidized by controlling the heating time and the heating temperature.
[0227]
Example 17
In this embodiment, a method for forming a gettering sink by selectively adding phosphorus ions to a crystalline silicon thin film will be described.
[0228]
First, a silicon oxide film 432 is formed as a base film on a quartz substrate 431 by a plasma CVD method to a thickness of 0.3 μm. Next, an amorphous silicon film (amorphous silicon film) having a thickness of 10 μm is formed by silane gas as a raw material by plasma CVD, and crystallized using Ni element as in Example 1, and a crystalline silicon thin film 433 is formed. Form.
[0229]
In the crystalline silicon thin film 433, the introduced amount of Ni element is 1 × 10 6. 19 ~ 1 × 10 20 /cm Three Then, conditions such as the Ni concentration in the coating solution and the coating amount are adjusted. In addition, a higher concentration of Ni element segregates in the crystal grain boundary in the crystalline silicon thin film 433 than in other regions to compensate for unpaired bonds. A state in which the Ni element is segregated in this manner is represented by a cross mark in FIG.
[0230]
Next, as shown in FIG. 13B, a mask film 434 made of a silicon oxide film is formed over the crystalline silicon thin film 433. Then, phosphorus ions are selectively introduced into the crystalline silicon thin film 433 using a plasma doping method or an ion implantation method, so that a phosphorus-added region 435 is formed.
[0231]
Next, after removing the mask film, heat treatment was performed at 600 ° C. for 8 hours in a mixed gas atmosphere of nitrogen, oxygen, and chlorine. By this heat treatment, Ni element that has diffused into the crystalline silicon thin film 433 and compensated for defects is gettered by phosphorus in the phosphorus-added region 435 and detached from the crystalline silicon thin film 433.
[0232]
As a result, the concentration of Ni element remaining in the crystalline silicon thin film 433 becomes extremely low and is reduced to 1/10 to 1/1000 of the original state after the treatment. Specifically, 5 × 10 18 /cm Three Below, preferably 5 × 10 16 /cm Three It can be as follows. Further, since Ni is desorbed, dangling bonds of Si at the grain boundaries form Si-Si bonds, so that the grain boundaries are substantially removed.
[0233]
In the present embodiment, the object of the present invention is achieved only by combining the introduction of Ni element, gettering of Ni element with phosphorus, and the removal (recombination) of defects performed simultaneously with the gettering. .
[0234]
Thus, the crystalline silicon thin film 433 is a crystalline silicon thin film 436 in which the concentration of Ni element is extremely low and defects are substantially removed. Further, since the surfaces of the crystalline silicon thin film 436 and the phosphorous added region 435 are oxidized to form a thin oxide film, the thermal oxide film is removed by etching with a hydrofluoric acid solution or the like. (Fig. 13B)
[0235]
Next, as shown in FIG. 13C, an N-type crystalline silicon film 437 is formed on the surface of the crystalline silicon thin film 436 to a thickness of 0.1 μm by low pressure CVD. Next, a transparent electrode 438 is formed on the N-type crystalline silicon film 437. For the transparent electrode 438, an indium tin oxide alloy (ITO) was formed to a thickness of 0.1 μm by sputtering.
[0236]
Finally, a step of providing an extraction electrode is performed. In providing the extraction electrode, as shown in FIG. 13D, first, a part of the surface layer of the transparent electrode 438, the N-type crystalline silicon 437, and the crystalline silicon thin film 436 is removed (FIG. 13D). ).
[0237]
Then, as shown in FIG. 13E, a negative electrode 439 connected to the transparent electrode 438 using aluminum, silver, silver paste, or the like formed by sputtering or vacuum deposition, A positive electrode 440 connected to the crystalline silicon thin film 436 is provided.
[0238]
In this embodiment, the N-type conductive region is composed of not only the crystalline silicon thin film 437 having N-type but also a part of the phosphorus-added region 435, but the phosphorus-added region 435 is relatively made of nickel. Contained in high concentration. Therefore, when there is a concern about reliability or the like, the phosphorus addition region 435 may be completely removed. For example, the phosphorus-added region 435 may be formed only in a portion where the crystalline silicon thin film 436 shown in FIG. Alternatively, in the case of a solar cell structure in which the crystalline silicon thin film 436 is divided, the phosphorus added region 435 may be formed only in the divided portion.
[0239]
[Example 18] In Example 13 to Example 17, when the texture structure is formed on the surface of the obtained crystalline silicon thin film, the absorption efficiency of sunlight is improved and the photoelectric conversion rate can be increased. This is because the concavo-convex portion (texture) formed on the surface scatters sunlight to increase the optical path length, so that the sunlight can be efficiently absorbed. In this embodiment, the texture structure is formed by the following technique.
[0240]
First, a method is employed in which a 2% NaOH aqueous solution is heated to 80 ° C. and the crystalline silicon thin film surface layer is etched to perform texture treatment. Etching is carried out for 5 minutes, and then immersed in boiling water to stop the reaction instantaneously, and further thoroughly washed with pure water. In the surface observation with an electron microscope, irregularities of about 0.1 to 5 μm are observed although they are irregular.
[0241]
In the solar cell using single crystal silicon, the (100) plane is alkali-etched to selectively etch only the (111) plane to form a pyramid structure texture. In the case of using a crystalline silicon thin film (however, a non-single crystal such as a polycrystal or a microcrystal), the orientation is irregular and the texture structure is also irregular.
[0242]
Therefore, in order to sufficiently bring out the effect of the texture structure, it is also effective to perform the texture processing in combination with patterning and to positively control the pattern structure (texture structure).
[0243]
A cross-sectional view of a solar cell having such a texture structure is shown in FIG. Since the structure is almost the same as that of the thin film solar cell described with reference to FIG. 11, the same reference numerals used in FIG.
[0244]
In FIG. 14A, a base film 402 is formed on a quartz substrate 401, and a crystalline silicon thin film 405 subjected to nickel introduction and gettering processing shown in Example 13 is formed thereon. . The main surface of the crystalline silicon thin film 407 is etched by the texture treatment, and a texture having an uneven shape as indicated by 501 is formed. Then, the N-type conductive layer 409, the transparent conductive film 410, and the electrodes 410 and 411 can be formed to form the solar cell illustrated in FIG.
[0245]
Similarly, it is possible to apply a texture treatment to the substrate to form a texture on the substrate surface. The cross-sectional structure of the solar cell in this case is as shown in FIG. In this case, as shown by 502, the surface layer of the substrate 401 is chemically etched or physically etched by sandblasting or the like to form a texture structure. In the method shown in FIG. 14A, the thickness of the crystalline silicon thin film is reduced, whereas in the method shown in FIG. 14B, a texture structure can be obtained without changing the thickness.
[0246]
The texture structure is a very effective technique for a solar cell using a crystalline silicon thin film having a small absorption coefficient because sunlight can be efficiently used. Therefore, the solar cell shown in FIG. 14 using the texture structure in combination with the present invention has a very high conversion efficiency.
[0247]
[Example 19] The solar cell described in Example 13 utilized sunlight from the upper surface in FIG. Therefore, as shown in FIG. 15A, when a light-shielding thin film 511 such as an aluminum film or a titanium film is formed on the back surface of the substrate 401, the sunlight transmitted without being absorbed by the semiconductor layers 405 and 408 is reflected. Then, it can be used again to improve the absorption efficiency of sunlight.
[0248]
Further, when a translucent substrate (here, a quartz substrate) is used as the substrate 401 as in Example 13, sunlight incident from the back side of the substrate 401 can be used. In that case, as illustrated in FIG. 15B, sunlight can be efficiently used by using a light-blocking thin film 512 instead of the transparent conductive film 409 in FIG. 11D.
[0249]
However, in this case, in order to prevent the reflection of sunlight on the back side of the substrate 401, it is desirable to form a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like as the antireflection film 513.
[0250]
In addition, when this embodiment is used in combination with the texture structure described in Embodiment 3, it is effective in further improving the absorption efficiency of sunlight. In particular, when a crystalline silicon thin film having a small absorption coefficient is used for the photoelectric conversion layer as in this embodiment, this is a very effective technique.
[0251]
[Example 20] In this example, an example in which an N-type crystalline silicon thin film is formed by a method different from that in Example 13 will be described. Specifically, an example in which an impurity element imparting N-type conductivity is added to the main surface of the crystalline silicon thin film is shown in FIG.
[0252]
FIG. 16A shows a state in which a crystalline silicon thin film is formed by the nickel introduction process and the gettering process shown in Examples 13 to 17, and is composed of a substrate 521, a base film 522, and a crystalline silicon thin film 523. ing. In this state, phosphorus is added as an impurity element imparting N-type by an ion implantation method or a plasma doping method. Thus, an N-type conductive layer 524 as shown in FIG. 16B is formed.
[0253]
The amount of the impurity element added is adjusted so that the depth (junction depth) from the main surface of the N-type conductive layer 524 is 0.01 to 0.5 μm. Since the N-type conductive layer 524 has only a function of collecting carriers and sending them to the electrode, it is desirable to reduce the probability that carriers are recombined by making the junction depth as shallow as possible.
[0254]
Furthermore, it is desirable to activate the formed N-type conductive layer 524 by laser annealing, lamp annealing, or the like. This activation also has the effect of restoring crystallinity damaged by ion implantation or the like. Of course, it is very effective to chemically remove the surface (the upper surface side in FIG. 16B) of the N-type conductive layer 524 which is particularly susceptible to damage.
[0255]
When the N-type conductive layer 524 is formed as described above, an antireflection film 525 is formed thereon. In this embodiment, a silicon oxide film having a thickness of 1000 mm is used as the antireflection film.
[0256]
After the formation of the antireflection film 525, contact holes are formed and the crystalline silicon thin film is etched to form extraction electrodes 526 and 527, thereby completing a solar cell having a structure as shown in FIG.
[0257]
Note that an impurity element can be added by through doping after the antireflection film 525 is formed over the crystalline silicon thin film 523. With such a configuration, damage to the main surface of the crystalline silicon thin film 523 (more precisely, the N-type conductive layer 524) can be suppressed, so that defects serving as recombination centers can be reduced.
[0258]
[Example 21] In this example, an example of another structure of a solar cell using the present invention will be described. First, as described in Example 13 and the like, a crystalline silicon thin film with improved crystallinity using the present invention is obtained through a crystallization process using nickel element and a gettering process using halogen element or phosphorus. In FIG. 17A, 531 is an alumina substrate, 532 is a base film made of a silicon oxide film, and 533 is a crystalline silicon thin film obtained by the present invention.
[0259]
A silicon nitride film 534 is formed as an antireflection film on the crystalline silicon thin film 533, and a contact hole 535 is formed in at least a part of the silicon nitride film 534. This contact hole 535 is formed in order to form an extraction electrode later. (Fig. 17 (A))
[0260]
When the state shown in FIG. 17A is thus obtained, P ions are added as an impurity element imparting N-type in this state by an ion implantation (ion doping) method. That is, in this case, P ions are added to the region covered with the silicon nitride film by through doping, and P ions are directly added to the region exposed by the contact hole 535.
[0261]
Therefore, the N-type conductive layer 536 formed by adding P ions has a shape as shown in FIG. That is, the N-type conductive region 536 has regions having different ion concentration distributions in the depth direction when viewed from the main surface of the crystalline silicon thin film 533 (strictly, the N-type conductive layer 536).
[0262]
Then, extraction electrodes 537 and 538 are formed by the same means as in Example 13 to complete the solar cell having the structure shown in FIG. In the solar cell of this embodiment formed as described above, since the impurity element is basically added through the silicon nitride film 534, the N-type is not caused without damaging the crystalline silicon thin film 533. A conductive layer 536 can be formed.
[0263]
Further, since the depth to which the impurity element is added can be adjusted by changing the thickness of the silicon nitride film 534, the junction depth of the PN junction can be easily controlled. Furthermore, since the junction area between the crystalline silicon thin film 533 and the N-type conductive layer 536 is substantially increased, an improvement in conversion efficiency is expected.
[0264]
[Example 22] In this example, an example of another structure of a solar cell using the present invention will be described. First, as described in Examples 13 to 17, a crystalline silicon thin film with improved crystallinity using the present invention is obtained through a crystallization process using nickel element and a gettering process using halogen element or phosphorus. In FIG. 18A, 541 is a ceramic substrate, 542 is a base film made of a silicon nitride film, and 543 is a crystalline silicon thin film obtained by the present invention. The upper surface of the ceramic substrate 541 is artificially formed with irregularities by sandblasting, and has a texture structure.
[0265]
Next, an N-type conductive layer (N-type crystalline silicon thin film) 544 is formed over the crystalline silicon thin film 543, and crystallinity is improved by laser annealing. Further, part of the crystalline silicon thin film 543 and the N-type conductive layer 544 is selectively removed by etching to obtain the state shown in FIG.
[0266]
When the state of FIG. 18B is obtained, thermal oxidation is performed to form a thermal oxide film 545 on the surface of the crystalline silicon thin film 543 and the N-type conductive layer 544. It is sufficient to perform this thermal oxidation treatment in an oxygen atmosphere of about 500 to 700 ° C. Of course, it may be performed at a higher temperature.
[0267]
By this thermal oxidation treatment, a thermal oxide film 545 is also formed on the side surface of the crystalline silicon thin film as indicated by 546, for example. The thermal oxide film 545 formed on such a side surface functions as a protective film that prevents the crystalline silicon thin film from being exposed to the atmosphere. In this way, the state shown in FIG.
[0268]
Next, as the antireflection film 547, for example, TiO. 2 A titanium oxide film indicated by is formed. Although the thermal oxide film 545 can be used as an antireflection film, it may not function sufficiently when the film thickness is too thin. In such a case, it is preferable that the antireflection film has a two-layer structure as in this embodiment.
[0269]
Then, contact holes are formed in part of the thermal oxide film 545 and the antireflection film 547, and take-out electrodes 548 and 549 are formed, so that the solar cell having the structure shown in FIG. 18D is completed.
[0270]
The solar cell shown in this embodiment is characterized in that there is no surface exposed to the atmosphere because the crystalline silicon thin film 543 is covered with the thermal oxide film 545. With such a structure, it is possible to manufacture a highly reliable solar cell without being affected by atmospheric contamination or moisture.
[0271]
[Example 23] In addition to the PN junction type bulk solar cell described in Examples 1 to 12 or the PN junction type thin film solar cell described in Examples 13 to 22, the present invention has a MINP structure, embedded type. The present invention can also be applied to a structure such as an electrode structure.
[0272]
Since the present invention is a technique for improving the crystallinity of a semiconductor layer (photoelectric conversion layer) serving as a base material, the configuration and structure of a solar cell as an application thereof are not limited. Therefore, the present invention can be applied to a very wide range of solar cells.
[0273]
[Example 24] A solar cell manufactured using the present invention can be used in various fields. For example, not only calculators, watches, solar cars (batteries), home power supply systems, telephone boxes, vending machines, portable devices, power generation systems using artificial satellites, electrolyzers (seawater into oxygen and hydrogen) It is possible to apply to the case of use.
[0274]
Here, an example in which the present invention is used for various purposes will be described with reference to FIG. It should be noted that the example given here is an example, and any other application can be applied as long as it is within the range where sunlight is present.
[0275]
First, FIG. 19A shows a home power supply system. A photoelectric conversion device (solar cell) 602 is installed integrally with the roof of the house 601. Using a roof is convenient for securing a large area. If the conversion efficiency of the photoelectric conversion device 602 is improved, the occupation area can be reduced. Reference numeral 603 denotes a device for temporarily storing surplus power stored in the daytime and effectively using it at night.
[0276]
FIG. 19B shows a telephone BOX. Reference numeral 604 denotes a BOX, 605 denotes a telephone, and 606 denotes a photoelectric conversion device. At present, the telephone BOX is arranged innumerably on the roadside and the like. However, if sunlight is used, power can be saved greatly. Needless to say, it is also effective when applied to a vending machine for the same reason.
[0277]
FIG. 19C shows a portable terminal device (mobile computer or mobile computer), in which 607 is a main body, 608 is a photoelectric conversion device serving as a power source, and 609 is an input pen. That is, this portable terminal device is an example of a touch panel type in which a display screen 611 appears when the input pen 609 is pressed on the screen of the liquid crystal display 610. Since portable terminal devices are required to have low power consumption, the photoelectric conversion device 608 can be used as a power source.
[0278]
FIG. 19D illustrates a power generation system using an artificial satellite, in which 612 is a power transmission unit and 613 is a photoelectric conversion device. The power transmission unit 612 has a function as an artificial satellite, a function of converting direct current obtained by the photoelectric conversion device 613 into a microwave, and the like.
[0279]
In outer space, the radiant energy density of sunlight 614 obtained is 1.4 times greater than the sunlight obtained on the ground, and there is an advantage that there is no distinction between day and night. Therefore, the sunlight 614 is finally received and used on the earth as a microwave 615 via the photoelectric conversion device 613 and the power transmission unit 612.
[0280]
These applied products are basically developed for the purpose of permanently using electrical equipment even in places where power cannot be supplied, or for the effective use of a permanent energy source such as sunlight. In order to be popularized in daily life, reduction of manufacturing costs is always required.
[0281]
The present invention is a very effective technique in such a case, and is a very useful technique in the development of solar cells.
[0282]
【The invention's effect】
Since the bulk solar cell manufactured using the present invention can be formed using an inexpensive silicon substrate or the like, the manufacturing cost can be significantly reduced. Furthermore, even a relatively low-grade silicon substrate (or silicon thin film) has crystallinity comparable to a high-grade grade by reducing traps that are recombination centers of generated carriers such as internal defects. Therefore, it is possible to manufacture a solar cell that achieves high conversion efficiency.
[0283]
In addition, the thin-film solar cell manufactured using the present invention can increase the thickness even if the crystalline silicon thin film is used as the photoelectric conversion layer because the internal defects of the crystalline silicon thin film are extremely small. That is, it is possible to overcome the demerit that the crystalline silicon thin film has a small absorption coefficient and to form a solar cell with very few recombination centers.
[0284]
Further, since the crystalline silicon thin film obtained by utilizing the present invention has very few internal defects and is excellent in crystallinity, it becomes possible to manufacture a solar cell that achieves high conversion efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view for explaining a process of improving crystallinity of Example 1. FIG.
2 is a diagram for explaining a manufacturing process of the solar cell of Example 1. FIG.
FIG. 3 is a diagram for explaining a process of improving crystallinity in Examples 4 and 5;
4 is a diagram for explaining a process of improving crystallinity in Example 6. FIG.
5 is a diagram for explaining a manufacturing process of the solar cell of Example 7. FIG.
6 is a diagram for explaining a manufacturing process of the solar cell of Example 8. FIG.
7 is a view for explaining a manufacturing process of the solar cell of Example 9. FIG.
8 is a diagram for explaining a manufacturing process for the solar cell of Example 10. FIG.
9 is a diagram for explaining a manufacturing process of the solar cell of Example 11. FIG.
10 is a diagram for explaining a manufacturing process for the solar cell of Example 12. FIG.
11 is a diagram for explaining a manufacturing process for the solar cell of Example 13. FIG.
12 is a view for explaining the process of improving the crystallinity of Example 16. FIG.
13 is a diagram for explaining a manufacturing process for the solar cell of Example 17. FIG.
14 is a diagram for illustrating the structure of a solar cell of Example 18. FIG.
15 is a diagram for illustrating the structure of the solar cell of Example 19. FIG.
16 is a diagram for illustrating the structure of the solar cell of Example 20. FIG.
17 is a diagram for explaining the structure of the solar cell of Example 21. FIG.
18 is a view for explaining the structure of the solar cell of Example 22. FIG.
19 shows an application example of the solar battery of Example 24. FIG.
FIG. 20 is a graph showing vapor pressure characteristics of nickel chloride.
[Explanation of symbols]
101 Semiconductor (silicon) substrate
102 Ni layer
103 nickel silicide
104 Oxide film
105 Silicon substrate with improved crystallinity
106 Texture part
107 N-type conductive region
109 Anti-reflective coating
110 Area showing strong P-type
111, 112 Extraction electrode
401 quartz substrate
402 Base film (silicon oxide film)
403 Amorphous silicon thin film
404 Ni (nickel) layer
405 crystalline silicon thin film
406 Nickel silicide layer
407 Silicon with improved crystallinity
408 Oxide film
409 N-type conductive layer
410 Transparent conductive film
411, 412 Extraction electrode

Claims (9)

第1の導電型を有し、且つ結晶性を有するシリコン基板上に酸化膜を形成し、
前記酸化膜上にニッケル塩溶液を塗布し、
前記シリコン基板を不活性雰囲気で550℃以上650℃以下に第1の加熱をして、前記シリコン基板中にニッケル元素を拡散し、前記シリコン基板中の欠陥を補償し、
前記第1の加熱で前記シリコン基板上に形成されたニッケルシリサイド層を除去し、
前記シリコン基板上にリンを含有する非晶質珪素膜を形成し、
前記シリコン基板を酸化性雰囲気で第2の加熱をして、前記シリコン基板中に拡散したニッケル元素を前記リンを含有する非晶質珪素膜にゲッタリングし、
前記第2の加熱により形成された前記シリコン基板上からリンおよびニッケル元素を含有する酸化珪素膜を除去することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
Forming an oxide film on a silicon substrate having the first conductivity type and having crystallinity;
A nickel salt solution is applied on the oxide film,
First heating the silicon substrate to 550 ° C. or more and 650 ° C. or less in an inert atmosphere, diffusing nickel element in the silicon substrate, compensating for defects in the silicon substrate;
Removing the nickel silicide layer formed on the silicon substrate by the first heating;
Forming an amorphous silicon film containing phosphorus on the silicon substrate;
Second heating the silicon substrate in an oxidizing atmosphere to getter the nickel element diffused in the silicon substrate into the amorphous silicon film containing phosphorus;
A method for manufacturing a photoelectric conversion device, comprising removing a silicon oxide film containing phosphorus and a nickel element from the silicon substrate formed by the second heating.
第1の導電型を有し、且つ結晶性を有するシリコン基板上に酸化膜を形成し、
前記酸化膜上にニッケル塩溶液を塗布し、
前記シリコン基板を不活性雰囲気で550℃以上650℃以下に第1の加熱をして、前記シリコン基板中にニッケル元素を拡散し、前記シリコン基板中の欠陥を補償し、
前記第1の加熱で前記シリコン基板上に形成されたニッケルシリサイド層を除去し、
前記シリコン基板の全面にリンを導入し、
前記シリコン基板に酸化性雰囲気で第2の加熱をして、前記シリコン基板中に拡散したニッケル元素を前記シリコン基板表面にゲッタリングし、
前記第2の加熱により形成された前記シリコン基板上のリンおよびニッケル元素を含有する熱酸化膜を除去することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
Forming an oxide film on a silicon substrate having the first conductivity type and having crystallinity;
A nickel salt solution is applied on the oxide film,
First heating the silicon substrate to 550 ° C. or more and 650 ° C. or less in an inert atmosphere, diffusing nickel element in the silicon substrate, compensating for defects in the silicon substrate;
Removing the nickel silicide layer formed on the silicon substrate by the first heating;
Introducing phosphorus into the entire surface of the silicon substrate;
The silicon substrate is secondly heated in an oxidizing atmosphere to getter the nickel element diffused in the silicon substrate onto the silicon substrate surface,
A method for manufacturing a photoelectric conversion device, comprising removing a thermal oxide film containing phosphorus and a nickel element on the silicon substrate formed by the second heating.
請求項1または2において、
さらに前記シリコン基板にテクスチャ処理を行って、前記シリコン基板の表面側に凹凸部を形成し、
前記シリコン基板の表面側にリンを導入し、
前記シリコン基板を窒素雰囲気で加熱して、ニッケル元素をゲッタリングし、
前記シリコン基板の表面側に反射防止膜を形成し、
前記シリコン基板の表面側にコンタクトホールを形成し、
前記コンタクトホールを形成した位置に電極を形成することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
In claim 1 or 2,
Further, texture treatment is performed on the silicon substrate, and an uneven portion is formed on the surface side of the silicon substrate,
Introducing phosphorus into the surface side of the silicon substrate;
Heating the silicon substrate in a nitrogen atmosphere to getter the nickel element;
Forming an antireflection film on the surface side of the silicon substrate;
Forming a contact hole on the surface side of the silicon substrate;
An electrode is formed at a position where the contact hole is formed. A method for manufacturing a photoelectric conversion device.
請求項1乃至3のいずれか一項において、
前記ニッケル元素のゲッタリングの後に、前記シリコン基板の全面に熱酸化膜を形成し、
前記シリコン基板の側面に形成された前記熱酸化膜を残して前記熱酸化膜を除去し、
前記シリコン基板の表面側に第2の導電型を付与するイオンのイオン注入を行い、第2の導電型を有する導電性領域を形成し、
前記シリコン基板の裏面側に前記第1の導電型を付与するイオンのイオン注入を行い、第1の導電型を有する導電性領域を形成し、
前記シリコン基板の表面側にパッシベーション膜を形成し、
前記シリコン基板の表面側にコンタクトホールを形成し、
前記コンタクトホールを形成した位置に電極を形成することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
After the nickel element gettering, a thermal oxide film is formed on the entire surface of the silicon substrate,
Removing the thermal oxide film leaving the thermal oxide film formed on the side surface of the silicon substrate;
Performing ion implantation of ions imparting a second conductivity type on the surface side of the silicon substrate to form a conductive region having the second conductivity type;
Performing ion implantation of ions imparting the first conductivity type on the back side of the silicon substrate to form a conductive region having the first conductivity type;
Forming a passivation film on the surface side of the silicon substrate;
Forming a contact hole on the surface side of the silicon substrate;
An electrode is formed at a position where the contact hole is formed. A method for manufacturing a photoelectric conversion device.
請求項1乃至3のいずれか一項において、
前記ニッケル元素のゲッタリングの後に、前記シリコン基板の全面に熱酸化膜を形成し、
前記シリコン基板の表面側と裏面側にコンタクトホールを形成し、
前記シリコン基板の表面側に第2の導電型を付与するイオンのイオン注入を行い、第2の導電型を有する導電性領域を形成し、
前記シリコン基板の裏面側に前記第1の導電型を付与するイオンのイオン注入を行い、第1の導電型を有する導電性領域を形成し、
前記コンタクトホールを形成した位置に電極を形成することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
After the nickel element gettering, a thermal oxide film is formed on the entire surface of the silicon substrate,
Contact holes are formed on the front and back sides of the silicon substrate,
Performing ion implantation of ions imparting a second conductivity type on the surface side of the silicon substrate to form a conductive region having the second conductivity type;
Performing ion implantation of ions imparting the first conductivity type on the back side of the silicon substrate to form a conductive region having the first conductivity type;
An electrode is formed at a position where the contact hole is formed. A method for manufacturing a photoelectric conversion device.
請求項1乃至3のいずれか一項において
前記ニッケル元素のゲッタリングの後に、前記シリコン基板の全面に熱酸化膜を形成し、
前記シリコン基板の側面に形成された前記熱酸化膜を残して前記熱酸化膜を除去し、
前記シリコン基板の表面側から第2の導電型を付与するイオンのイオン注入を行い、第2の導電型を有する導電性領域を形成し、
前記シリコン基板の表面側にパッシベーション膜を形成し、
前記シリコン基板の表面側にコンタクトホールを形成し、
前記シリコン基板の表面側の全面に透明電極を形成し、
前記シリコン基板の裏面側の全面に電極を形成し、
前記電極を第1の導電型を付与するイオンの拡散源として、第1の導電型を有する導電性領域を形成することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
The thermal oxide film is formed on the entire surface of the silicon substrate after gettering the nickel element according to any one of claims 1 to 3.
Removing the thermal oxide film leaving the thermal oxide film formed on the side surface of the silicon substrate;
Performing ion implantation of ions imparting the second conductivity type from the surface side of the silicon substrate to form a conductive region having the second conductivity type;
Forming a passivation film on the surface side of the silicon substrate;
Forming a contact hole on the surface side of the silicon substrate;
Forming a transparent electrode on the entire front surface of the silicon substrate;
Forming an electrode on the entire back surface of the silicon substrate;
A method for manufacturing a photoelectric conversion device, wherein a conductive region having a first conductivity type is formed using the electrode as a diffusion source of ions imparting the first conductivity type.
請求項1乃至3のいずれか一項において、
前記ニッケル元素のゲッタリングの後に、前記シリコン基板を第2の導電型を付与する雰囲気において加熱処理し、前記シリコン基板の全面に第2の導電型を有する導電層を形成し、
前記シリコン基板の裏面側に形成された第2の導電型を有する導電層を除去し、
前記シリコン基板の表面側及び側面にパッシベーション膜を形成し、
前記シリコン基板の裏面側の全面に第1の電極を形成し、
前記第1の電極を第1の導電型を付与するイオンの拡散源として、第1の導電型を有する導電性領域を形成し、
前記シリコン基板の表面側にコンタクトホールを形成し、
前記コンタクトホールを形成した位置に第2の電極を形成することを有することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
After the nickel element gettering, the silicon substrate is heat-treated in an atmosphere for imparting a second conductivity type, and a conductive layer having the second conductivity type is formed on the entire surface of the silicon substrate.
Removing the conductive layer having the second conductivity type formed on the back side of the silicon substrate;
Forming a passivation film on the front and side surfaces of the silicon substrate;
Forming a first electrode on the entire back surface of the silicon substrate;
A conductive region having a first conductivity type is formed using the first electrode as an ion diffusion source imparting a first conductivity type;
Forming a contact hole on the surface side of the silicon substrate;
A method of manufacturing a photoelectric conversion device, comprising: forming a second electrode at a position where the contact hole is formed.
請求項1乃至7のいずれか一項において、
前記結晶性を有するシリコン基板は、単結晶シリコン基板または多結晶シリコン基板であることを特徴とする光電変換装置の製造方法。
In any one of Claims 1 thru | or 7,
The method for manufacturing a photoelectric conversion device, wherein the silicon substrate having crystallinity is a single crystal silicon substrate or a polycrystalline silicon substrate.
請求項4、6または7のいずれか一項において、
前記パッシベーション膜は窒化珪素膜であることを特徴とする光電変換装置の製造方法。
In any one of claims 4, 6 or 7,
The method for manufacturing a photoelectric conversion device, wherein the passivation film is a silicon nitride film.
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