JP4467218B2 - Surface roughening method for solar cell substrates - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池用基板の粗面化法に関し、特にドライエッチングで一度に処理を行う基板面積の合計が大きい場合に好適な太陽電池用基板の粗面化法に関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
太陽電池は表面に入射した太陽光などの光エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。この電気エネルギーへの変換効率を向上させるため、従来から様々な試みがなされてきた。そのひとつに基板の表面に入射した光の反射を少なくする技術があり、入射した光の反射を低減することで電気エネルギーヘの変換効率を高めることができる。
【0003】
太陽電池のうち主要なものは使用材料の種類により結晶系、アモルファス系、化合物系などに分類される。このうち、現在市場で流通しているのはほとんどが結晶系シリコン太陽電池である。この結晶系シリコン太陽電池はさらに単結晶型、多結晶型に分類される。単結晶型シリコン太陽電池は基板の品質がよいため、高効率化が容易であるという長所を有する反面、基板の製造コストが大きいという短所を有する。それに対し、多結晶型シリコン太陽電池は基板品質が劣るために高効率化が難しいという弱点はあるものの、低コストで製造できるというメリットがある。また、最近では多結晶シリコン基板の品質の向上やセル化技術の進歩により、研究レベルでは18%程度の変換効率が達成されている。
【0004】
一方、量産レベルの多結晶シリコン太陽電池は低コストであったため、従来から市場に流通してきたが、近年環境問題が取りざたされる中でさらに需要が増してきており、低コストで且つより高い変換効率が求められるようになった。
【0005】
シリコン基板を用いて太陽電池素子を形成する場合に、基板表面を水酸化ナトリウムなどのアルカリ水溶液でエッチングすると、表面に微細な凹凸が形成され、基板表面の反射をある程度低減させることができる。
【0006】
面方位が(100)面の単結晶シリコン基板を用いた場合は、このような方法でテクスチャー構造と呼ばれるピラミッド構造を基板表面に均一に形成することができるものの、アルカリ水溶液によるエッチングは結晶の面方位に依存することから、多結晶シリコン基板で太陽電池素子を形成する場合、ピラミッド構造を均一には形成できず、そのため全体の反射率も効果的には低減できないという問題がある。
【0007】
このような問題を解決するために、太陽電池素子を多結晶シリコン基板で形成する場合に、基板表面に微細な突起を反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching)法で形成することが提案されている(たとえば特公昭60−27195号、特開平5−75152号、特開平9−102625号公報参照)。すなわち、微細な突起を多結晶シリコンにおける不規則な結晶の面方位に左右されずに均一に形成し、特に多結晶シリコンを用いた太陽電池素子においても、反射率をより効果的に低減しようとするものである。
【0008】
現在主流の結晶系シリコン太陽電池に対し、次世代の低コスト太陽電池として期待されているのが薄膜多結晶シリコン太陽電池である。この薄膜多結晶シリコン太陽電池は、ガラス等の基板上に電極層を形成し、この上にシリコン層を順次積層して素子を形成するが、光吸収係数の小さい多結晶シリコン膜を活性層とした薄膜多結晶シリコン太陽電池においては、入射光を効率よく吸収させるために光閉じ込め構造の形成が極めて重要になる。
【0009】
この光閉じ込め効果を得るための一つの手段として、光入射面あるいは裏面に凹凸構造を形成することが行われている。
【0010】
例えば酸化亜鉛などからなる透明層をガラス基板上に形成した後に、酢酸溶液中に浸漬して電界処理を施すことによって透明層に凹凸を形成する方法(たとえば特開平6−140649号参照)や、導電性酸化超微粒子を分散媒体中に分散させたコーティング液をガラス基板上に塗布して硬化させることによってヘーズが2〜48%である透明導電膜を形成する方法(例えば特開平10−12059号等を参照)などが知られている。しかしながら、これらの方法はいずれも透明層を形成する必要があるため、コストおよびスループットの面において問題が残る。
【0011】
また、例えばガラス基板上に平均粒径0.1〜1.0μmの絶縁性微粒子薄膜を形成して凹凸を形成する方法(特開平11−274536号等を参照)や、超音波振動を与えつつ遊離砥粒を含むスラリーを供給してガラス基板表面に複数のV溝を有する工具を押し付けて凹凸を形成する方法(特開平6−350114号等を参照)などもあるが、これらの方法では好適な凹凸形状を得ることが困難で、ガラス基板上に形成する多結晶シリコン膜の品質を低下させる事態を誘発する。
【0012】
また、ガラス基板に凹凸構造を直接形成する方法として、#2000以上の番手の砥粒をガラス基板表面に吹き付ける方法(特開平9−199745号等を参照)も知られているが、この方法で形成される凹凸はアスペクト比が大きいことや、ブラストダメージによってガラス基板にマイクロクラックが発生し、素子を形成した場合にリークを起こすことが懸念される。
【0013】
また、結晶系シリコンと同様に、ガラス基板に対しても反応性イオンエッチング処理を施し、凹凸を形成することが提案されている(たとえば特願2000−301419号参照)。
【0014】
しかし、ガラス基板に凹凸を形成するための条件は、結晶シリコン基板に形成する場合と同様に、非常に微妙であり、また装置の構造によっても変化する。微細な突起を均一に形成できない場合は、太陽電池の光電変換効率が低下し、個々の太陽電池の価値はその発電効率で決まることから、そのコストを低減するためには、太陽電池の変換効率を向上させなければならない。
【0015】
また、反応性イオンエッチング法で用いられる反応性イオンエッチング装置は一般に平行平板電極型をしており、基板を設置している電極の側にRF電圧を印加し、他の一方の側及び内部の側壁をアースに接続してある。この容器内部を真空ポンプで真空引きし、真空引き完了後、エッチングガスを導入し、圧力を一定に保持しながら内部の被エッチング基板をエッチングする。エッチングが完了した後に、容器内部を大気圧に戻す。
【0016】
このような手順を踏むことから、反応性イオンエッチング装置では真空引き及び大気リークの待ち時間が長い。また、反応性イオンエッチング装置はLSIなどの精密な小型半導体素子に用いられる場合が多いが、太陽電池に用いる際には太陽電池自身の面積が大きいため、1回あたりの処理枚数が少なく、コストが高くなるという問題があった。そのため反応性イオンエッチング装置を太陽電池の製造工程に用いる場合には、いかに高タクトで処理を行うかも重要なポイントである。
【0017】
反応性イオンエッチング法で高タクトを実現するには、装置1台当たりの処理枚数が重要となる。装置1台当たりの処理枚数を増やすためには装置のエッチング電極およびトレイの大面積化が必要であるが、ここで大面積化に伴ってバッチ内の均一性の問題が発生してくる。具体的にはエッチング処理のバッチ内の周囲と中央部の両方を同時に最適な形状に凹凸形成することができないという問題が生じる。
【0018】
基板表面の粗面化はエッチング時に表面に形成される残渣をマスクとして行われる。残渣をマスクとし、基板のエッチングは電界により加速されたイオンとラジカルとの双方の作用により進む。基板側はRF電極とRF電源との間に設けられたブロッキングコンデンサのためにマイナスの電位となる。このため、エッチングに対するプラスイオンの効果が大きくなるほど、基板に垂直方向のエッチングが進行しやすくなり、凹凸のアスペクト比は大きくなる。しかしながら、エッチング領域が大面積化してくると、ガス全体に対するプラスイオンの効果の割合がバッチ面内で均一にならず、中央部よりも周辺部の凹凸形状のアスペクト比が小さくなってバッチ内で均一に十分な凹凸が形成できないという問題があった。
【0019】
本発明はこのような装置の大面積化に伴う従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、太陽電池に用いられるシリコン等の基板表面の凹凸をエッチング処理装置のバッチ内で均一に形成することで、装置のタクトアップを可能にする(歩留まりを向上させる)方法を提供することを目的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】
本発明の太陽電池用基板の粗面化法は、複数の太陽電池用基板の表面をドライエッチング法で粗面状にする太陽電池用基板の粗面化法において、前記複数の太陽電池用基板がシリコンからなり、フッ素系ガス又は臭素系ガス、酸素系ガス、及び塩素系ガスを含むガスで前記複数の太陽電池用基板の表面をエッチングし、単独で微細な凹凸を形成することができるエッチング条件を有する第1の工程と、フッ素系ガス又は臭素系ガス、酸素系ガス、及び塩素系ガスを含むガスで前記複数の太陽電池基板の表面をエッチングし、単独で前記第1の工程で形成される凹凸形状より大きいアスペクト比の微細な凹凸を形成することができるエッチング条件を有する第2の工程と、を有し、前記第2の工程は前記第1の工程の後に行われることを特徴とする。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態をバルク型シリコン太陽電池を例にとって添付図面に基づき詳細に説明する。図1は本発明に係る太陽電池用基板の粗面化法を用いて形成されるバルク型シリコン太陽電池の構造を示す図である。図1において、1はシリコン基板、1aは表面凹凸構造(粗面状部)、1bは受光面側不純物拡散層、1cは裏面側不純物拡散層(BSF)、1dは表面反射防止膜、1eは表面電極、1fは裏面電極を示している。
【0022】
前記シリコン基板1は単結晶もしくは多結晶のシリコン基板である。この基板1はp型、n型いずれでもよい。単結晶シリコンの場合は引き上げ法などによって形成され、多結晶シリコンの場合は鋳造法などによって形成される。多結晶シリコンは、大量生産が可能で製造コスト面で単結晶シリコンよりもきわめて有利である。引き上げ法や鋳造法によって形成されたシリコンブロックを10cm×10cmもしくは15cm×15cm程度の大きさに切断してインゴットとし、300μm程度の厚みにスライスしてシリコン基板となる。
【0023】
シリコン基板1の表面側には、入射した光を反射させずに有効に取り込むために微細な凹凸1aを形成する。これは、真空引きされたチャンバー内にガスを導入し、一定圧力に保持して、チャンバー内に設けられた電極にRF電力を印加することでプラズマを発生させ、生じた活性種であるイオン・ラジカル等の作用により基板表面をエッチングするものである。
【0024】
反応性イオンエッチング(RIE)法と呼ばれるこの方法は一般に図2及び図3のように示される装置を用いて行われる。図2および図3において、2aはマスフローコントローラー、2bはシリコン基板、2cはRF電極、2dは圧力調整器、2eは真空ポンプ、2fはRF電源である。装置内にマスフローコントローラー2a部分からガスを導入するとともに、RF電極2cでプラズマを発生させてイオンやラジカルを励起活性化して、RF電極2cの上部に設置されたシリコン基板2bの表面に作用させてエッチングする。図2に示す装置では、RF電極2cを装置内に設置して1枚のシリコン基板2bの表面をエッチングするが、図3に示す装置では、RF電極2cを装置の外壁に設置して複数枚のシリコン基板2bの表面を同時にエッチングするようにしている。
【0025】
発生した活性種のうち、イオンがエッチングに作用する効果を大きくした方法を一般に反応性イオンエッチング法と呼んでいる。類似する方法にプラズマエッチングなどがあるが、プラズマ発生の原理は基本的に同じであり、基板2bに作用する活性種の種類の分布をチャンバー構造あるいは電極構造・発生周波数等により異なる分布に変化させているだけである。そのため、本発明は反応性イオンエッチング法だけに限らず、広くプラズマエッチング法全般に対して有効である。
【0026】
例えばCl2を0.1slm、O2を0.6slm、SF6を0.4slm流しながら、反応圧力7Pa、プラズマを発生させるRFパワー5kWで5分間程度エッチングする。これによりシリコン基板2bの表面には凹凸構造が形成され、粗面状になる。エッチング中はシリコンがエッチングされて基本的には気化するが、一部は気化しきれずに分子同士が吸着して基板2bの表面に残渣として残る。
【0027】
また、ガス条件、反応圧力、RFパワーなどを凹凸形成ガス条件のエッチング後に主成分がシリコンである残渣がシリコン基板2bの表面に残るような条件に設定すると、確実に凹凸形成を行うことができる。ただし、その凹凸のアスペクト比に関しては、条件により最適化が必要である。逆に、凹凸形成用のエッチング後の表面に残渣が残らないような条件では凹凸形成を行うことは不可能である。凹凸形成はこの残渣をマスクとしてエッチングが進むことにより行われる。
【0028】
太陽電池では大きな出力を得るためには大面積が必要であり、コストが非常に重要である。そのため太陽電池の表面に凹凸構造を形成する場合、低コストで行うために多数枚の基板2bを一括でエッチングすることが必要である。そのため基板2bを設置するための電極2cは大面積が必要となる。ところが実際に大面積でエッチングを行ってみると、電極2c上(の基板トレイ上)に設置したシリコン基板2bの表面の凹凸形状が場所により異なるという問題があることが分かった。
【0029】
例えば上記ガス比率でエッチングを行った場合、電極2cの中央部近辺に設置した基板1bの表面はアスペクト比(各々の凹凸の高さ/幅)=1程度になるが、電極2cの周辺部近辺に設置した基板2bの表面のアスペクト比は同基板2bの中央部で0.5程度、同基板2b内のさらに電極2cの周辺部近傍では測定不可能なレベルまでアスペクト比が小さくなった。このアスペクト比の違いは、ガス条件やRFパワー、圧力などを変化させることによりある程度緩和することが可能であるが、種々の条件を検討した結果、最終の太陽電池特性がほぼ同一となるような均一な凹凸形成を行うことは困難であることが分かった。
【0030】
また、この均一性が問題となるのは被エッチング基板2bの設置領域が2500cm2よりも大きい場合により顕著であることが分かった。
【0031】
そこで、このエッチングの条件をさらに検討した結果、どのような凹凸形成条件であっても電極2c上の基板トレイ上の中央部の基板2bの表面のアスペクト比が周辺部の基板2bの表面のアスペクト比よりも大きくなることが分かった。この模式図を図4に示す。図4中、4aはアスペクト比の大きい中央部、4bはアスペクト比の小さい周辺部、4cは基板トレイを示す。また、エッチング量を調べると、周辺部の基板のエッチング量が中央部の基板のエッチング量に対して大きいことが分かった。
【0032】
本発明では、これを解決するために複数のエッチング条件を組み合わせてエッチングを行うことで、全面均一な特性が得られる太陽電池の表面構造を提供する。
【0033】
本発明では最低2つ以上の単独で凹凸形成可能なエッチング条件を続けて行い、また、この2つのエッチング条件のうち始めにエッチングを行う条件で得られる凹凸形状のアスペクト比に対し、後に行うエッチング条件で得られる凹凸形状のアスペクト比が同じ電極上の基板トレイ上の基板表面部分で単独のエッチングを行って比較した場合に大きくなるような条件でエッチングを行うことでこれらの問題を解決する。
【0034】
例えば被エッチング基板表面の総面積が約10000cm2である電極上の基板トレイ上の基板表面をエッチングするために、反応性イオンエッチング装置においてCl2を0.1slm、O2を0.6slm、SF6を0.7slm流し、圧力7Pa、RFパワー5kWで7分間エッチングを行う(エッチング条件A)。これにより被エッチング基板全体の中心付近4aではアスペクト比が0.6程度の凹凸が形成される。このとき周辺部付近4bではアスペクト比0.1程度の僅かな凹凸が形成される。一方、エッチング量は周辺部4bで大きく、各凹凸底辺の大きさは中央部4aが0.5μm程度であるのに対して周辺部は1.0μm程度となる。
【0035】
次に、Cl2を0.1slm、O2を0.6slm、SF6を0.1slm流し、圧力15Pa、RFパワー3kWで3分間エッチングを行う(エッチング条件B)。このエッチングは単独で行った場合、中央部付近4aはアスペクト比1.5程度、周辺部4bは1.1程度になる。しかし、エッチング条件Aにおいてすでにある程度凹凸形成しており、最終の凹凸形状はこの二つのエッチング条件の和となる。場所別に見ると、中央部4aではエッチング条件Aではアスペクト比0.6のエッチングを7分間、エッチング条件Bではアスペクト比1.5のエッチングを3分間行うことで最終的にアスペクト比1.0のエッチング形状が得られる。周辺部4bにおいてはエッチング条件Aではアスペクト比0.1のエッチングを7分間、エッチング条件Bではアスペクト比1.1のエッチングを3分間行うことで最終的にアスペクト比1.0のエッチング形状が得られる。これにより被エッチング基板の全面で適度な凹凸が形成される。
【0036】
エッチング条件Aではエッチング条件Bに対してSF6流量の比率が大きい。SF6のエッチングは等方性を有し、エッチングレートが非常に大きいため、SF6の流量比が大きくなるとアスペクト比は小さくなる。つまり、始めに行うエッチング条件Aによる表面形状は後のエッチング条件Bによる表面形状よりもアスペクト比が小さくなっている。このように始めのエッチングよりも後に行うエッチング条件がアスペクト比の大きい条件であることは重要な要素である。この等方性エッチングを行うガスはSF6に限らず他のガスも用いることができる。また、他のエッチング条件のガスもこの例によらず他のガスを用いることができる。これにより周辺部4bに適度な凹凸を形成することができる。
【0037】
この方法で形成した凹凸構造は、電極上のトレイ上の中央部付近4aの基板表面のものよりも周辺部付近4bの基板表面のものの方が凹凸自体が大きくなるという特徴を有する。
【0038】
本発明によりエッチングを行った基板表面の凹凸形状の例を図5に示す。図5中、(a)は中央部、(b)は周辺部である。しかしながら、反射率はともに低く、この方法において作製した表面構造は全て同様に太陽電池の特性を向上させることが可能である。
【0039】
また、エッチング条件Bではエッチング条件Aよりも反応圧力が大きくすることが望ましい。基板表面の凹凸形成は、特性向上のために行うものであり、均一に凹凸形成できることが望ましい。しかしながら、多結晶シリコン基板のエッチングの際には程度には差があるものの面方位の影響を受けてエッチングが行われる。この面方位の影響が大きいと多結晶の各々のグレイン表面で凹凸が異なる形状となり、グレインによっては表面反射の大きい形状も形成されてしまうことから、全体の反射率も大きくなってしまい、特性向上への寄与が小さくなる。また、グレインによっては表面反射は小さいものの凹凸のアスペクト比が大きすぎて特性向上に寄与しない場合もある。そのため面方位の影響を受けないエッチングが望まれる。プラズマを用いたエッチングでは反応圧力を大きくすると自己バイアス電位が小さくなるためイオンの入射効果が小さくなって面方位の影響が現れやすくなる。
【0040】
本発明では、少なくとも二つの単独で凹凸形成可能なエッチング条件を用いて凹凸形成を行う際に、始めのエッチングではアスペクト比の小さなエッチング条件を用いて深くエッチングを行うが、これにより全面に結晶面方位の影響の少ない凹凸を形成することができる。ただし、この時点では凹凸の形状は中央部でアスペクト比を大きく、周辺部で小さい状態となっている。後のエッチングにおいては全体を始めのエッチングに比べて平均的にアスペクト比の大きいエッチングを行うが、本発明においては、このエッチング量は始めのエッチングに比べて小さい必要がある。RFパワーが大きい場合や、エッチング時間が長い場合にこのエッチング量が大きくなると、エッジ部は比較的良好な形状(アスペクト比)が得られるが、中央部ではアスペクト比が大きくなりすぎてしまい、特性に寄与できる形状とならない。
【0041】
そこで、後のエッチングにおいてはトレイ面内で均一なアスペクト比が得られる時点で凹凸形成をストップする必要がある。より具体的にこれを実現する方法としては、RFパワーを始めよりも後のエッチングで小さくするか、または、エッチング時間を始めよりも後のエッチングの方で短くするなどの方法がある。このとき、後のエッチングにおいては、始めのエッチングに比べてエッチング量が少ないため、面方位の影響が大きくなる条件でエッチングを行っても最終の全面の均一性にはさほど影響しない。
【0042】
このような条件下では、後のエッチング条件における反応圧力を大きくして後の条件単体でのエッチングの面方位への影響が大きくなっても、全体を通したエッチングの面方位への影響は小さくすることができる。各々単独で凹凸形成可能なエッチング条件下では、エッチング時の自己バイアス電位が大きいと、発生したプラスイオンの基板への入射効果はバッチの周辺部よりも中央部で大きくなる傾向があり、凹凸の形成は中央で進みやすい。後のエッチングにおいては中央部の凹凸形成をなるべく抑え、周辺部を促進することが望ましい。この方法として、本発明では後のエッチング条件の反応圧力を大きくすることにより、これを解決することが可能となる。
【0043】
エッチング条件の反応圧力が大きくなると、自己バイアス電位を小さくすることができるため、単独のエッチングによるバッチ内の凹凸形成を中央と周辺部をより均一に行うことが可能となる。これにより、後のエッチングにおける中央部の凹凸形成の促進を抑えることができ、結果としてバッチ内で全面均一な凹凸形成を行うことが可能となる。
【0044】
また、上記の例では二つのステップのエッチング条件による凹凸形成を例としたが、このエッチングステップはいくらでも増やすことができる。例えば、10段階のステップでエッチングを行い、この内容として混合ガスのうちSF6ガスの流量を始めの30秒間だけ0.7slm導入し、次の30秒間に0.6slm、次の30秒間に0.5slmといったように段階的に減らしていくような方法によっても同じ効果を得ることができる。さらに、このエッチングステップを無限に増加させ、SF6の流量を徐々に変化させていくというような完全に連続の条件で行うことによっても同様の効果を得ることができる。また、本発明においては、このような多段階あるいは連続のエッチング条件の変化は、SF6流量だけでなく、いかなるガス条件にも適用可能である。また必要に応じて、同時に反応圧力、RFパワーなどのエッチング条件も変化させることができる。
【0045】
図1に示す微細な凹凸1aは円錐形もしくはそれが連なったような形状を呈し、RIE法によりガス濃度もしくはエッチング時間を制御することにより、その大きさを変化させることができる。この微細な凹凸1aの幅と高さはそれぞれ2μm以下に形成される。この微細な凹凸1aをシリコン基板1の必要部分全面にわたって均一且つ正確に制御性を持たせて形成するためには、1μm以下が好適である。この微細な凹凸1aのアスペクト比(凹凸1aの高さ/幅)は、2以下であることが望ましい。このアスペクト比が2以上の場合、製造過程で微細な凹凸1aが破損し、太陽電池セルを形成した場合にリーク電流が大きくなって良好な出力特性が得られない。
【0046】
なお、本発明において説明に用いるアスペクト比の定義は、図5cにあるように凹凸断面を見た場合の両側面のおよそ直線部分で作られる三角形の高さと底辺の比により求めた値としている。また、凹凸の円錐が連なっている部分ではその連なり方向と垂直に断面を取った場合の凹凸形状で同様に求めた値としている。
【0047】
上記のドライエッチング法で凹凸1aを形成した後、シリコン基板1の表面に残ったエッチング残渣を除去する。これにより作製する太陽電池の特性を向上させることができる。エッチング残渣を除去する方法としては、たとえばドライエッチング法で凹凸を形成して基板1aを取り出した後に水槽内で超音波をかける。この超音波を印加する装置の種類としては、通常市販されている主な洗浄用超音波装置の周波数は数十kHzから数百kHzで、印加する振動子も材質、形状、出力など様々なタイプがあるが、この装置のタイプは表面の残渣除去の容易さによって選択することができる。残渣除去の容易さは凹凸の形状・大きさ・残渣の残量・基板の厚みなどによっても変化し、さらに超音波の周波数によっても変化するが、比較的残渣除去が困難な条件であっても印加時間を長くすることで残渣除去することが可能である。
【0048】
シリコン基板1の表面側には、逆導電型半導体不純物が拡散された層1bが形成されている。この逆導電型半導体不純物が拡散された層1bは、シリコン基板1内に半導体接合部を形成するために設けるものであり、例えばn型の不純物を拡散させる場合、POCl3を用いた気相拡散法、P25を用いた塗布拡散法、及びP+イオンを電界により基板に直接導入するイオン打ち込み法などによって形成される。この逆導電型半導体不純物を含有する層1bは0.3〜0.5μm程度の深さに形成される。
【0049】
このシリコン基板1の表面側には、反射防止膜1dが形成されている。この反射防止膜1dは、シリコン基板1の表面で光が反射するのを防止して、シリコン基板1内に光を有効に取り込むために設ける。この反射防止膜1dは、シリコン基板1との屈折率差等を考慮して、屈折率が2程度の材料で構成され、厚み500〜2000Å程度の窒化シリコン膜や酸化シリコン(SiO2)膜などで構成される。
【0050】
シリコン基板1の裏面側には、一導電型半導体不純物が高濃度に拡散された層1cを形成することが望ましい。この一導電型半導体不純物が高濃度に拡散された層1cは、シリコン基板1の裏面近くでキャリアの再結合による効率の低下を防ぐために、シリコン基板1の裏面側に内部電界を形成するものである。つまり、シリコン基板1の裏面近くで発生したキャリアがこの電界によって加速される結果、電力が有効に取り出されることとなり、特に長波長の光感度が増大すると共に、高温における太陽電池特性の低下を軽減できる。このように一導電型半導体不純物が高濃度に拡散された層1cが形成されたシリコン基板1の裏面側のシート抵抗は、15Ω/□程度になる。
【0051】
シリコン基板1の表面側および裏面側には、表面電極1eおよび裏面電極1fが形成されている。この表面電極1e及び裏面電極1fは主にAg紛、バインダー、フリットなどからなるAgペーストをスクリーン印刷して焼成し、その上に半田層を形成する。表面電極1eは、例えば幅200μm程度に、またピッチ3mm程度に形成される多数のフィンガー電極(不図示)と、この多数のフィンガー電極を相互に接続する2本のバスバー電極(1e)で構成される。裏面電極1fは、例えば幅300μm程度に、またピッチ5mm程度に形成される多数のフィンガー電極(不図示)と、この多数のフィンガー電極を相互に接続する2本のバスバー電極(1f)で構成される。
【0052】
次に、本発明の他の実施形態を薄膜多結晶シリコン太陽電池を例にとって説明する。図6は本発明に係る太陽電池用基板の粗面化法を用いて形成されるサブストレート型薄膜多結晶シリコン太陽電池の構造を示す図である。
【0053】
ここでは光入射側のシリコン層をn型とした場合について説明するが、光入射側をp型とする場合にも用いることができ、その場合は文中の導電型を逆に読み替えればよい。また、本発明はサブストレート型薄膜多結晶シリコン太陽電池に限られるものではなく、スーパーストレート型太陽電池にも応用可能であり、さらには薄膜多結晶シリコン太陽電池に限られるものでもなく、アモルファスシリコン太陽電池、化合物半導体を用いた薄膜太陽電池にも広く応用可能である。さらにまた、多層型(タンデム)型の薄膜太陽電池にも応用可能である。
【0054】
図6において、6aはガラス基板、6bは裏電極、6cは光活性層部を結晶質Siで形成した半導体接合を有する半導体層、6dは透明導電膜、6eは表集電極を示している。
【0055】
ガラス基板6aの表面には、入射した光が後述する裏電極6b表面で有効に散乱反射されるように微細な凹凸構造6aを形成する。これは、前記バルク型シリコン太陽電池の実施形態で述べた反応性イオンエッチング(RIE)法を用いて形成する。
【0056】
例えばCl2を0.2slm、SF6を0.6slm流しながら、反応圧力5Pa、プラズマを発生させるRFパワー5kWで5分間エッチングする。これによりガラス基板6の表面には微細な凹凸構造6fが形成される。エッチング中はガラスがエッチングされて基本的には気化するが、一部は気化しきれずに分子同士が吸着して基板6の表面に残渣として残る。
【0057】
また、ガス条件、反応圧力、RFパワーなどをガラス基板表面に残渣が残るような条件に設定すると、確実に凹凸形成を行うことができる。ただし、その凹凸のアスペクト比に関しては、条件により最適化が必要である。逆に、表面に残渣が残らないような条件ではいかなる条件でも凹凸形成を行うことは不可能である。凹凸形成はこの残渣をマスクとしてエッチングが進むことにより行われる。
【0058】
薄膜太陽電池では低コストを実現するために、大面積基板を用いて集積化まで行うのが一般的である。このためエッチング装置には大面積基板に均一に凹凸形成できることが求められる。ところが、実際に大面積基板でエッチングを行ってみると、ガラス基板6aの表面の凹凸形状が場所により異なるという問題があることが分かった。例えば上記ガス比率でエッチングを行った場合、基板中央部近辺はアスペクト比(各々の凹凸の高さ/幅)=0.07程度になるが、基板周辺部のアスペクト比は0.03程度から測定不可能なレベルまでアスペクト比が小さくなった。このアスペクト比の違いは、ガス条件やRFパワー、圧力などを変化させることによりある程度緩和することが可能であるが、種々の条件検討の結果、最終の太陽電池特性がほぼ同一となるような均一な凹凸形成を行うことは困難であることが分かった。また、この均一性が問題となるのは被エッチング基板の面積が2500cm2よりも大きい場合により顕著であることが分かった。
【0059】
そこで、このエッチングの条件をさらに検討した結果、どのような凹凸形成条件であっても基板中央部付近のアスペクト比が基板周辺部のアスペクト比よりも大きくなることが分かった。
【0060】
本発明ではこれを解決するために複数のエッチング条件を組み合わせてエッチングを行うことで全面均一な特性が得られる太陽電池用基板の粗面化法を提供する。
【0061】
本発明では最低2つ以上の単独で凹凸形成可能なエッチング条件を続けて行い、また、この2つのエッチング条件のうち始めにエッチングを行う条件で得られる凹凸形状のアスペクト比に対し、後に行うエッチング条件で得られる凹凸形状のアスペクト比が、単独のエッチングを行って比較した場合に大きくなるような条件でエッチングを行うことでこれらの問題を解決する。
【0062】
例えば被エッチング基板表面の総面積が約10000cm2である基板表面をエッチングするために、Cl2を0.1slm、SF6を0.7slm流し、圧力5Pa、RFパワー5kWで7分間エッチングを行う(エッチング条件C)。これにより被エッチング基板の中心付近ではアスペクト比が0.05程度の凹凸が形成される。このとき周辺部付近ではアスペクト比0.01程度の僅かな凹凸が形成される。次に塩素(Cl2)を0.3slm、SF6を0.5slm流し、圧力10Pa、RFパワー4kWで3分間エッチングを行う(エッチング条件D)。このエッチングは単独で行った場合、中央部付近はアスペクト比0.16程度、周辺部は0.11程度になる。しかし、エッチング条件Cにおいてすでにある程度凹凸形成しており、最終の凹凸形状はこの二つのエッチング条件の和となる。場所別に見ると、中央部ではエッチング条件Cではアスペクト比0.05のエッチングを7分間、エッチング条件Dではアスペクト比0.16のエッチングを3分間行うことで最終的にアスペクト比0.07のエッチング形状が得られる。周辺部においてはエッチング条件Cではアスペクト比0.01のエッチングを7分間、エッチング条件Dではアスペクト比0.11のエッチングを3分間行うことで最終的にアスペクト比0.07のエッチング形状が得られる。これにより被エッチング基板の全面で適度な凹凸が形成される。
【0063】
エッチング条件Cではエッチング条件Dに対してSF6流量の比率が大きい。SF6のエッチングはエッチングレートが非常に大きいため、SF6の流量比が大きくなるとアスペクト比は小さくなる。つまり、始めに行うエッチング条件Cによる表面形状は後のエッチング条件Dによる表面形状よりもアスペクト比が小さくなっている。このように始めのエッチングよりも後に行うエッチング条件がアスペクト比の大きい条件であることは重要な要素である。このエッチングを行うガスはSF6に限らず他のガスも用いることができる。また、他のエッチング条件のガスもこの例によらず他のガスを用いることができる。これにより周辺部に適度な凹凸を形成することができる。この方法において作製した表面構造は全て同様に太陽電池の特性を向上させることが可能である。
【0066】
RFパワーが大きい場合や、エッチング時間が長い場合にこのエッチング量が大きくなると、エッジ部は比較的良好な形状(アスペクト比)が得られるが、中央部ではアスペクト比が大きくなりすぎてしまい、特性に寄与できる形状とならない。
【0067】
そこで、後のエッチングにおいてはトレイ面内で均一なアスペクト比が得られる時点で凹凸形成をストップする必要がある。より具体的にこれを実現する方法としては、RFパワーを始めよりも後のエッチングで小さくするか、または、エッチング時間を始めよりも後のエッチングの方で短くするなどの方法がある。各々単独で凹凸形成可能なエッチング条件下では、エッチング時の自己バイアス電位が大きいと、発生したプラスイオンの基板への入射効果はバッチの周辺部よりも中央部で大きくなる傾向があり、凹凸の形成は中央で進みやすい。後のエッチングにおいては中央部の凹凸形成をなるべく抑え、周辺部を促進することが望ましい。この方法として、本発明では後のエッチング条件の反応圧力を大きくすることにより、これを解決することが可能となる。エッチング条件の反応圧力が大きくなると、自己バイアス電位を小さくすることができるため、単独のエッチングによるバッチ内の凹凸形成を中央と周辺部をより均一に行うことが可能となる。これにより、後のエッチングにおける中央部の凹凸形成の促進を抑えることができ、結果としてバッチ内で全面均一な凹凸形成を行うことが可能となる。
【0068】
また、上記の例では二つのステップのエッチング条件による凹凸形成を例としたが、このエッチングステップはいくらでも増やすことができる。例えば、10段階のステップでエッチングを行い、この内容として混合ガスのうちSF6ガス及びCl2ガスの流量をそれぞれ始めの30秒間だけ0.7slm、0.1slm導入し、次の30秒間に0.6slm、0.2slm、次の30秒間に0.5slm、0.3slmといったように段階的に減らしていくような方法によっても同じ効果を得ることができる。さらに、このエッチングステップを無限に増加させ、SF6ガス及びCl2ガスの流量を徐々に変化させていくというような完全に連続の条件で行うことによっても同様の効果を得ることができる。また、本発明においては、このような多段階あるいは連続のエッチング条件の変化は、SF6ガス及びCl2ガスだけでなく、いかなるガス条件にも適用可能である。また必要に応じて、同時に反応圧力、RFパワーなどのエッチング条件も変化させることができる。
【0069】
さらに、この凹凸形状を最適化するために、ドライエッチング処理後にウエットエッチング処理を加えることが提案されている(例えば特願200−257609号参照)。
【0070】
この微細な凹凸構造6fは、表面から見たその形状が擬楕円形であり、且つガラス基板に対して鉛直な方向の任意断面における凹凸部の平均傾斜角が5〜10°(アスペクト比が0.04〜0.1)程度の凹凸形状が形成される。
【0071】
ここで、ガラス基板に対して鉛直な方向の任意断面における凹凸部の平均傾斜角とは、ガラス基板6aに対して鉛直な方向に切った任意の断面部において、凹凸部を形取る稜線の基板水平方向に対する傾斜角の(断面部全体における)平均値とする。
【0072】
このとき、凹凸の平均傾斜角が5°以下になると、薄膜太陽電池に応用した際に、太陽電池の裏面側で反射した反射光が受光面側で全反射される確率が低下するため、光活性層内での実効的な光路長が効果的に増大しない。逆に、凹凸の平均傾斜角が10°以上の場合には、互いに向かい合う凹凸斜面上での結晶の成長が極度に阻害されるとともに、各々の結晶粒が衝突する界面近傍にボイドを伴った粒界が発生し、VocおよびFFを中心とした素子特性を悪化せしめる事態を誘発する。
【0073】
このドライエッチング法で凹凸形成を行った後、基板表面に残った残渣を除去する。これにより太陽電池の特性を向上させることができる。エッチング残渣を除去する方法としては、ドライエッチングによって凹凸を形成して基板を取り出した後に、水槽内で超音波をかける。この超音波を印加する装置の種類としては、通常市販されている主な洗浄用超音波装置の周波数は数十kHzから数百kHzで、印加する振動子も材質、形状、出力など様々なタイプがあるが、この装置のタイプは表面の残渣除去の容易さによって選択することができる。残渣除去の容易さは凹凸の形状・大きさ・残渣の残量・基板の厚みなどによっても変化し、さらに超音波の周波数によっても変化するが、比較的残渣除去が困難な条件であっても印加時間を長くすることで残渣を除去することが可能である。
【0074】
また、ウェットエッチング処理を追加した場合には、ウエットエッチング処理の前後の少なくとも一方で、純水中等で超音波洗浄を行うことが望ましい。スループットをより向上させるには、ウェットエッチング処理中に超音波振動を与えることにより、エッチングと残渣の除去を同時に行ってもよい。以上のようにして粗面化されたガラス基板を容易に形成することが可能になる。
【0075】
次に、裏電極層6bとなる金属膜を形成する。金属膜材料としては、光反射特性に優れるAl、Agなどを用いるのが望ましい。製膜方法としては、蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法などの公知の技術を使用できる。膜厚は、0.05〜2μmとし、この裏電極層6bの表面がガラス基板6aの表面の微細な凹凸構造6fを反映した微細な凹凸構造を有したものにする。裏電極層6bの膜厚を0.05〜2μmとすれば、裏電極層6b表面の凹凸形状は基板6aの表面の凹凸構造6fをほぼ反映したものとなる。
【0076】
なお、裏電極層6bの膜厚を0.05μm以下とすると素子の直列抵抗成分の増加による特性低下を無視できなくなり、また2μm以上にするとガラス基板6aの表面上の凹凸構造6fが裏電極層6bの表面に有効に反映されにくくなると同時にコスト的にも現実的ではなくなる。
【0077】
また、ガラス基板6aと裏電極層6bとの接着強度を高めるためには、例えばTiなどの金属層(不図示)をガラス基板6aと裏電極層6bの間に厚さ0.5〜200nmで挿入すればよいことが特願2001−53290号に述べられている。
【0078】
さらに、裏電極層6bから後述する半導体層6cへの金属成分の拡散が問題になる場合は、裏電極層6bと半導体層6cとの間に拡散バリア層(不図示)を挿入すればよい。拡散バリア層としてTiなどの金属膜を用いる場合は厚さ10nm以下、ZnO、SnO2、ITO等の透明導電膜を拡散バリア層に用いる場合は厚さ100nm以下にすればよい。透明導電膜を用いる場合は、拡散バリア層としての機能の他に裏電極層6bの実効的反射率を向上させる機能も持たせることができる。さらにまた、後者の透明導電膜を用いる場合、その成膜後に、表面の凹凸形状の平均高低差が透明導電膜と裏電極層6bとの界面の凹凸形状の平均高低差よりも小さくなるようにすることで、後述する半導体層6cの形成においてリーク電流の発生が抑えられた高品質な膜の形成が可能となる(例えば特願2001−20623号参照)。
【0079】
次に、光活性層部を結晶質Siで形成した半導体接合を有する半導体層6cを形成する。半導体層6cは大別して下地層、光活性層、接合層で構成される。
【0080】
まず、下地層(不図示)として、非単結晶Si膜を触媒CVD法やプラズマCVD法などで形成する。膜厚は10〜500nm程度とする。ドーピング元素濃度については1E18〜1E21/cm3程度とし、p+型(またはn+型)とする。
【0081】
次に、光活性層(不図示)として結晶質Si膜を触媒CVD法やプラズマCVD法などで形成する。膜厚は0.5〜10μm程度とする。なお、導電型は上記下地層よりドーピング濃度が低い同導電型とするか、あるいは実質的なi型とする。
【0082】
次に、半導体接合(不図示)を形成すべく、非単結晶Si膜(接合層)を触媒CVD法やプラズマCVD法などで形成する。膜厚は5〜500nm程度とする。ドーピング元素濃度は1E18〜1E21/cm3程度とし、上述した下地層とは反対導電型(n+型またはp+型)とする。なお、接合特性をより改善するために光活性層と接合層との間に実質的にi型の非単結晶Si層を挿入してもよい。このとき挿入層の厚さは、結晶質Si層の場合は10〜500nm程度、非晶質Siの場合は1〜20nm程度とする。
【0083】
次に、透明導電層6dを形成する。透明導電層6dの材料としては、SnO2、ITO、ZnOなど公知の材料を用いることができる。製膜方法としては、蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法など公知の技術を用いることができる。この膜厚は光学的干渉効果を考慮して60〜300nm程度にするのがよい。
【0084】
最後に、表集電極6eとなる金属膜を形成する。金属膜材料としては導電性に優れるAl、Agなどを用いるのが望ましい。製膜方法としては、蒸着法、スパッタリング法、スクリーン印刷法などの公知の技術を使用できる。このとき蒸着法、スパッタ法においては、マスキング法、リフトオフ法などを用いて所望のパターンに金属膜を形成することができる。なお、透明導電層6dとの接着強度を強化するためには、透明導電層6dと表集電極6eとの間に、Ti等の酸化物材料との接着強度に優れる金属材料を挿入すると効果的である。
【0085】
以上によって、光閉じ込め効率が高くかつリーク電流発生を充分抑制できる凹凸構造を有した高効率かつ低コストな薄膜型結晶質Si太陽電池を得ることができる。
【0086】
なお、基板6aの材料としてはガラスに限らず、金属、プラスチック、樹脂のうちのいずれでもよい。
【0087】
【発明の効果】
以上のように、本発明における太陽電池用基板の粗面化法では、太陽電池用基板の表面にドライエッチング法で微細な凹凸を形成して粗面状にする場合に、後に行うエッチング条件で形成される凹凸形状の面内平均のアスペクト比が、始めに行うエッチング条件で形成される凹凸形状の面内平均のアスペクト比よりも大きいくなるような少なくとも2つ以上の異なるエッチング条件でエッチングすることから、従来不可能であった2500cm2以上の大面積の被エッチング基板の領域を均一なプラズマによるドライエッチングで処理できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る太陽電池用基板の粗面化法で形成されるバルク型シリコン太陽電池を示す図である。
【図2】本発明に係る太陽電池用基板の粗面化法に用いる反応性イオンエッチング装置の一例を示す図である。
【図3】本発明に係る太陽電池用シリコン基板の粗面化法に用いる反応性イオンエッチング装置の他の例を示す図である。
【図4】従来のRIE処理を行った場合の、トレイ上の基板位置によるエッチング形状の違いの分布を示す模式図である。
【図5】本発明により凹凸形成を行ったシリコン基板表面の場所による構造の違いを示す電子顕微鏡像である。
【図6】本発明に係る太陽電池用基板の粗面化法で形成されるサブストレート型の薄膜多結晶シリコン太陽電池を示す図である。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for roughening a solar cell substrate, and more particularly, to a method for roughening a solar cell substrate that is suitable when the total area of substrates to be processed at one time by dry etching is large.
[0002]
[Background Art and Problems to be Solved by the Invention]
The solar cell converts light energy such as sunlight incident on the surface into electric energy. Various attempts have been made to improve the conversion efficiency into electric energy. One of them is a technique for reducing the reflection of light incident on the surface of the substrate. By reducing the reflection of incident light, the conversion efficiency to electric energy can be increased.
[0003]
Major solar cells are classified into crystalline, amorphous, and compound types depending on the type of materials used. Of these, most of the crystalline silicon solar cells currently on the market are in the market. This crystalline silicon solar cell is further classified into a single crystal type and a polycrystalline type. Single crystal silicon solar cells have the advantage that the substrate quality is good, and thus the efficiency is easy, while the substrate manufacturing cost is high. On the other hand, a polycrystalline silicon solar cell has the merit that it can be manufactured at a low cost although it has a weak point that it is difficult to achieve high efficiency due to poor substrate quality. In recent years, conversion efficiency of about 18% has been achieved at the research level due to the improvement of the quality of the polycrystalline silicon substrate and the advancement of cell technology.
[0004]
On the other hand, mass-produced polycrystalline silicon solar cells have been distributed in the market because of their low cost. However, in recent years, demand has increased further as environmental issues have been addressed, and low cost and higher conversion are required. Efficiency has been demanded.
[0005]
When a solar cell element is formed using a silicon substrate, if the substrate surface is etched with an alkaline aqueous solution such as sodium hydroxide, fine irregularities are formed on the surface, and reflection on the substrate surface can be reduced to some extent.
[0006]
When a single crystal silicon substrate having a (100) plane orientation is used, a pyramid structure called a texture structure can be uniformly formed on the substrate surface by such a method. Since it depends on the orientation, when a solar cell element is formed from a polycrystalline silicon substrate, there is a problem that the pyramid structure cannot be formed uniformly, and therefore the overall reflectance cannot be reduced effectively.
[0007]
In order to solve such problems, it has been proposed that when a solar cell element is formed of a polycrystalline silicon substrate, fine protrusions are formed on the substrate surface by a reactive ion etching method. (For example, see Japanese Patent Publication No. 60-27195, Japanese Patent Laid-Open No. 5-75152, Japanese Patent Laid-Open No. 9-102625). That is, fine protrusions are uniformly formed regardless of the plane orientation of the irregular crystal in the polycrystalline silicon, and the reflectance is more effectively reduced particularly in the solar cell element using the polycrystalline silicon. To do.
[0008]
Thin film polycrystalline silicon solar cells are expected to be the next-generation low-cost solar cells, compared to the current mainstream crystalline silicon solar cells. In this thin-film polycrystalline silicon solar cell, an electrode layer is formed on a substrate such as glass, and a silicon layer is sequentially laminated thereon to form an element. A polycrystalline silicon film having a small light absorption coefficient is used as an active layer. In such a thin film polycrystalline silicon solar cell, formation of a light confinement structure is extremely important in order to efficiently absorb incident light.
[0009]
As one means for obtaining this light confinement effect, an uneven structure is formed on the light incident surface or the back surface.
[0010]
For example, after forming a transparent layer made of zinc oxide or the like on a glass substrate, a method of forming irregularities on the transparent layer by immersing it in an acetic acid solution and applying an electric field treatment (for example, see JP-A-6-140649), A method of forming a transparent conductive film having a haze of 2 to 48% by applying a coating liquid in which conductive oxide ultrafine particles are dispersed in a dispersion medium on a glass substrate and curing the coating liquid (for example, JP-A-10-12059) Etc.) are known. However, all of these methods require the formation of a transparent layer, and thus problems remain in terms of cost and throughput.
[0011]
In addition, for example, a method of forming irregularities by forming an insulating fine particle thin film having an average particle diameter of 0.1 to 1.0 μm on a glass substrate (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-274536), while applying ultrasonic vibration There is also a method of supplying a slurry containing loose abrasive grains and pressing a tool having a plurality of V grooves on the surface of the glass substrate to form irregularities (see JP-A-6-350114, etc.). It is difficult to obtain an uneven shape, which induces a situation in which the quality of the polycrystalline silicon film formed on the glass substrate is deteriorated.
[0012]
In addition, as a method of directly forming a concavo-convex structure on a glass substrate, a method of spraying abrasive grains having a count of # 2000 or more on the surface of the glass substrate (see JP-A-9-199745) is also known. Concavities and convexities to be formed have a large aspect ratio, and microcracks are generated in the glass substrate due to blast damage, and there is a concern that leakage may occur when an element is formed.
[0013]
In addition, as with crystalline silicon, it has been proposed that a reactive ion etching process is performed on a glass substrate to form irregularities (see, for example, Japanese Patent Application No. 2000-301419).
[0014]
However, the conditions for forming irregularities on the glass substrate are very subtle, as in the case of forming on the crystalline silicon substrate, and also vary depending on the structure of the apparatus. If the fine protrusions cannot be formed uniformly, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell will decrease, and the value of each solar cell will be determined by its power generation efficiency, so in order to reduce its cost, the conversion efficiency of the solar cell Must be improved.
[0015]
Moreover, the reactive ion etching apparatus used in the reactive ion etching method is generally a parallel plate electrode type, and an RF voltage is applied to the electrode side on which the substrate is installed, The side wall is connected to ground. The inside of the container is evacuated by a vacuum pump, and after the evacuation is completed, an etching gas is introduced, and the substrate to be etched is etched while keeping the pressure constant. After the etching is completed, the inside of the container is returned to atmospheric pressure.
[0016]
Since such a procedure is followed, the reactive ion etching apparatus has a long waiting time for evacuation and air leakage. Reactive ion etching apparatuses are often used for precision small semiconductor elements such as LSIs, but when used for solar cells, the area of the solar cell itself is large, so the number of treatments per process is small and the cost is low. There was a problem that became high. Therefore, when a reactive ion etching apparatus is used for the manufacturing process of a solar cell, it is also an important point how to process with high tact.
[0017]
In order to achieve a high tact by the reactive ion etching method, the number of processed sheets per apparatus is important. In order to increase the number of processed sheets per apparatus, it is necessary to increase the area of the etching electrodes and trays of the apparatus. However, as the area increases, a problem of uniformity in the batch occurs. Specifically, there arises a problem that unevenness cannot be formed in an optimum shape at the same time both in the periphery and in the central portion of the etching batch.
[0018]
The roughening of the substrate surface is performed using a residue formed on the surface during etching as a mask. Using the residue as a mask, etching of the substrate proceeds by the action of both ions and radicals accelerated by the electric field. The substrate side has a negative potential because of a blocking capacitor provided between the RF electrode and the RF power source. For this reason, the greater the effect of positive ions on the etching, the easier the etching in the direction perpendicular to the substrate proceeds, and the concavo-convex aspect ratio increases. However, as the etching area becomes larger, the ratio of the positive ion effect to the whole gas is not uniform in the batch plane, and the aspect ratio of the uneven shape in the peripheral part becomes smaller than the central part, and the ratio in the batch becomes smaller. There was a problem that sufficient unevenness could not be formed uniformly.
[0019]
The present invention has been made in view of the problems of the prior art associated with the increase in the area of such an apparatus, and unevenness on the surface of a substrate such as silicon used for solar cells is uniformly formed in a batch of an etching processing apparatus. Thus, an object of the present invention is to provide a method that enables tact-up of the device (improves yield).
[0020]
[Means for Solving the Problems]
The surface roughening method for a solar cell substrate of the present invention is the method for roughening a solar cell substrate in which the surfaces of the plurality of solar cell substrates are roughened by a dry etching method. Is made of silicon, and etches the surfaces of the plurality of solar cell substrates with a gas containing fluorine-based gas or bromine-based gas, oxygen-based gas, and chlorine-based gas, Alone Form fine irregularities Have etching conditions that can Etching the surfaces of the plurality of solar cell substrates with a first step and a gas containing a fluorine-based gas or bromine-based gas, an oxygen-based gas, and a chlorine-based gas; Alone Forming fine irregularities having an aspect ratio larger than the irregularities formed in the first step; Have etching conditions that can A second step, wherein the second step is performed after the first step.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings by taking a bulk silicon solar cell as an example. FIG. 1 is a view showing the structure of a bulk silicon solar cell formed by using the method for roughening a solar cell substrate according to the present invention. In FIG. 1, 1 is a silicon substrate, 1a is a surface uneven structure (rough surface portion), 1b is a light-receiving surface side impurity diffusion layer, 1c is a back surface side impurity diffusion layer (BSF), 1d is a surface antireflection film, 1e is The front electrode and 1f are back electrodes.
[0022]
The silicon substrate 1 is a monocrystalline or polycrystalline silicon substrate. The substrate 1 may be either p-type or n-type. In the case of monocrystalline silicon, it is formed by a pulling method or the like, and in the case of polycrystalline silicon, it is formed by a casting method or the like. Polycrystalline silicon can be mass-produced and is extremely advantageous over single-crystal silicon in terms of manufacturing cost. A silicon block formed by a pulling method or a casting method is cut into a size of about 10 cm × 10 cm or 15 cm × 15 cm to form an ingot, and sliced to a thickness of about 300 μm to form a silicon substrate.
[0023]
On the surface side of the silicon substrate 1, fine irregularities 1a are formed in order to effectively capture incident light without reflecting it. This is because a gas is introduced into a vacuumed chamber, held at a constant pressure, and plasma is generated by applying RF power to an electrode provided in the chamber. The substrate surface is etched by the action of radicals or the like.
[0024]
This method, called the reactive ion etching (RIE) method, is generally performed using an apparatus as shown in FIGS. 2 and 3, 2a is a mass flow controller, 2b is a silicon substrate, 2c is an RF electrode, 2d is a pressure regulator, 2e is a vacuum pump, and 2f is an RF power source. Gas is introduced into the apparatus from the mass flow controller 2a portion, and plasma is generated by the RF electrode 2c to excite and activate ions and radicals to act on the surface of the silicon substrate 2b installed on the RF electrode 2c. Etch. In the apparatus shown in FIG. 2, the RF electrode 2c is installed in the apparatus to etch the surface of one silicon substrate 2b. In the apparatus shown in FIG. 3, a plurality of RF electrodes 2c are installed on the outer wall of the apparatus. The surface of the silicon substrate 2b is simultaneously etched.
[0025]
Of the generated active species, a method that increases the effect of ions on etching is generally called a reactive ion etching method. Plasma etching is a similar method, but the principle of plasma generation is basically the same, and the distribution of the active species acting on the substrate 2b is changed to a different distribution depending on the chamber structure, electrode structure, generation frequency, etc. It ’s just that. Therefore, the present invention is effective not only for the reactive ion etching method but also for the plasma etching method in general.
[0026]
For example, Cl 2 0.1 slm, O 2 0.6 slm, SF 6 Etching for about 5 minutes at a reaction pressure of 7 Pa and an RF power of 5 kW for generating plasma. As a result, a concavo-convex structure is formed on the surface of the silicon substrate 2b to form a rough surface. During the etching, silicon is etched and basically vaporized, but a part of the silicon is not vaporized and molecules are adsorbed and remain as a residue on the surface of the substrate 2b.
[0027]
Further, if the gas conditions, reaction pressure, RF power, etc. are set to such conditions that a residue whose main component is silicon remains on the surface of the silicon substrate 2b after etching under the concavo-convex forming gas conditions, the concavo-convex formation can be reliably performed. . However, the aspect ratio of the irregularities needs to be optimized depending on conditions. On the contrary, it is impossible to form unevenness under the condition that no residue remains on the surface after etching for forming unevenness. Concavity and convexity formation is performed by etching using this residue as a mask.
[0028]
A solar cell requires a large area to obtain a large output, and the cost is very important. Therefore, when forming a concavo-convex structure on the surface of the solar cell, it is necessary to etch a large number of substrates 2b at a time in order to carry out at low cost. Therefore, the electrode 2c for installing the substrate 2b needs a large area. However, when etching was actually performed in a large area, it was found that there was a problem that the uneven shape on the surface of the silicon substrate 2b placed on the electrode 2c (on the substrate tray) was different depending on the location.
[0029]
For example, when etching is performed at the above gas ratio, the surface of the substrate 1b installed in the vicinity of the center of the electrode 2c has an aspect ratio (height / width of each unevenness) = 1, but in the vicinity of the periphery of the electrode 2c. The aspect ratio of the surface of the substrate 2b placed on the substrate 2b was about 0.5 at the central portion of the substrate 2b, and the aspect ratio decreased to a level that could not be measured in the vicinity of the periphery of the electrode 2c in the substrate 2b. This difference in aspect ratio can be alleviated to some extent by changing gas conditions, RF power, pressure, etc., but as a result of examining various conditions, the final solar cell characteristics are almost the same. It turned out that it was difficult to form uniform unevenness.
[0030]
Further, this uniformity is a problem because the installation area of the substrate to be etched 2b is 2500 cm. 2 It was found to be more prominent when larger than.
[0031]
Therefore, as a result of further examination of the etching conditions, the aspect ratio of the surface of the central substrate 2b on the substrate tray on the electrode 2c is equal to the aspect ratio of the surface of the peripheral substrate 2b regardless of the unevenness formation conditions. It turned out to be larger than the ratio. This schematic diagram is shown in FIG. In FIG. 4, 4a is a central portion having a large aspect ratio, 4b is a peripheral portion having a small aspect ratio, and 4c is a substrate tray. Further, when the etching amount was examined, it was found that the etching amount of the peripheral substrate was larger than the etching amount of the central substrate.
[0032]
In order to solve this problem, the present invention provides a surface structure of a solar cell in which uniform characteristics are obtained over the entire surface by performing etching by combining a plurality of etching conditions.
[0033]
In the present invention, at least two or more etching conditions capable of forming concavo-convex independently are continuously performed, and the etching performed later is performed on the aspect ratio of the concavo-convex shape obtained under the first etching condition of the two etching conditions. These problems are solved by performing etching under conditions such that the aspect ratio of the concavo-convex shape obtained under the conditions becomes large when compared by performing independent etching on the substrate surface portion on the substrate tray on the same electrode.
[0034]
For example, the total surface area of the substrate to be etched is about 10,000 cm 2 In a reactive ion etcher to etch the substrate surface on the substrate tray on the electrode 2 0.1 slm, O 2 0.6 slm, SF 6 Is etched for 7 minutes at a pressure of 7 Pa and an RF power of 5 kW (etching condition A). As a result, irregularities having an aspect ratio of about 0.6 are formed near the center 4a of the entire substrate to be etched. At this time, slight irregularities having an aspect ratio of about 0.1 are formed in the vicinity 4b. On the other hand, the etching amount is large in the peripheral part 4b, and the size of each uneven base is about 0.5 μm in the central part 4a, whereas the peripheral part is about 1.0 μm.
[0035]
Next, Cl 2 0.1 slm, O 2 0.6 slm, SF 6 Is performed at a pressure of 15 Pa and an RF power of 3 kW for 3 minutes (etching condition B). When this etching is performed alone, the central portion 4a has an aspect ratio of about 1.5 and the peripheral portion 4b has a ratio of about 1.1. However, some unevenness has already been formed in the etching condition A, and the final uneven shape is the sum of these two etching conditions. When viewed by location, in the central portion 4a, an etching with an aspect ratio of 0.6 is performed for 7 minutes under the etching condition A, and an etching with an aspect ratio of 1.5 is performed for 3 minutes under the etching condition B. An etched shape is obtained. In the peripheral portion 4b, etching with an aspect ratio of 0.1 is performed for 7 minutes under the etching condition A, and etching with an aspect ratio of 1.1 is performed for 3 minutes under the etching condition B, whereby an etching shape with an aspect ratio of 1.0 is finally obtained. It is done. As a result, moderate irregularities are formed on the entire surface of the substrate to be etched.
[0036]
In etching condition A, SF is compared with etching condition B. 6 The flow rate ratio is large. SF 6 Since the etching of is isotropic and the etching rate is very large, SF 6 As the flow rate ratio increases, the aspect ratio decreases. That is, the surface shape under the etching condition A performed first has a smaller aspect ratio than the surface shape under the subsequent etching condition B. Thus, it is an important factor that the etching conditions performed after the first etching are conditions with a large aspect ratio. The gas for this isotropic etching is SF 6 However, other gases can be used. Also, other gases can be used for other etching conditions regardless of this example. Thereby, moderate unevenness | corrugation can be formed in the peripheral part 4b.
[0037]
The uneven structure formed by this method has a feature that the unevenness itself is larger on the substrate surface near the peripheral portion 4b than on the substrate surface near the central portion 4a on the tray on the electrode.
[0038]
An example of the concavo-convex shape of the substrate surface etched according to the present invention is shown in FIG. In FIG. 5, (a) is a center part, (b) is a peripheral part. However, both reflectivity is low, and the surface structure produced by this method can improve the characteristics of the solar cell in the same manner.
[0039]
Moreover, it is desirable that the reaction pressure is higher in the etching condition B than in the etching condition A. The formation of unevenness on the substrate surface is performed for improving characteristics, and it is desirable that unevenness can be formed uniformly. However, when the polycrystalline silicon substrate is etched, the etching is performed under the influence of the plane orientation, although there is a difference in degree. If the influence of this plane orientation is large, the grain surface of each polycrystalline grain will have different irregularities, and depending on the grain, a shape with large surface reflection will also be formed, increasing the overall reflectivity and improving the characteristics. The contribution to becomes smaller. Moreover, although the surface reflection is small depending on the grain, the aspect ratio of the unevenness may be too large to contribute to the improvement of characteristics. Therefore, etching that is not affected by the plane orientation is desired. In the etching using plasma, when the reaction pressure is increased, the self-bias potential is reduced, so that the effect of ion incidence is reduced and the influence of the plane orientation tends to appear.
[0040]
In the present invention, when performing the concavo-convex formation using the etching conditions capable of forming the concavo-convex independently, the first etching is performed deeply using the etching conditions having a small aspect ratio. Unevenness with little influence of orientation can be formed. However, at this time, the shape of the unevenness is in a state where the aspect ratio is large at the central portion and small at the peripheral portion. In the subsequent etching, etching having an average aspect ratio larger than that of the first etching is performed on the whole, but in the present invention, this etching amount needs to be smaller than that of the first etching. When the RF power is large or the etching amount is large when the etching time is long, a relatively good shape (aspect ratio) can be obtained at the edge portion, but the aspect ratio becomes too large at the center portion, and the characteristics The shape can not contribute to.
[0041]
Therefore, in subsequent etching, it is necessary to stop the formation of irregularities when a uniform aspect ratio is obtained within the tray surface. More specifically, there is a method for realizing this, for example, reducing the RF power by etching after the beginning, or shortening the etching time by etching after the beginning. At this time, since the amount of etching in the subsequent etching is smaller than that in the first etching, even if the etching is performed under the condition that the influence of the plane orientation is large, the uniformity of the final entire surface is not greatly affected.
[0042]
Under such conditions, even if the reaction pressure in the later etching conditions is increased and the influence of the subsequent conditions alone on the surface orientation of the etching is increased, the influence on the surface orientation of the etching throughout is small. can do. Under the etching conditions that can form unevenness independently, if the self-bias potential during etching is large, the incident effect of the generated positive ions on the substrate tends to be larger in the central portion than in the peripheral portion of the batch. Formation is easy to proceed in the center. In the subsequent etching, it is desirable to suppress the formation of irregularities in the central portion as much as possible and promote the peripheral portion. As this method, in the present invention, this can be solved by increasing the reaction pressure under the subsequent etching conditions.
[0043]
When the reaction pressure under the etching conditions is increased, the self-bias potential can be reduced, so that unevenness formation in the batch by single etching can be performed more uniformly at the center and the peripheral portion. As a result, it is possible to suppress the formation of unevenness at the central part in the subsequent etching, and as a result, it is possible to form unevenness on the entire surface within the batch.
[0044]
Further, in the above example, the formation of irregularities by the etching conditions of two steps is taken as an example, but this etching step can be increased any number. For example, etching is performed in 10 steps, and the content is SF of the mixed gas. 6 The same effect can be obtained by introducing a gas flow rate of 0.7 slm for the first 30 seconds and then gradually reducing the flow rate to 0.6 slm for the next 30 seconds and 0.5 slm for the next 30 seconds. be able to. Furthermore, this etching step is increased indefinitely, and SF 6 The same effect can be obtained by performing the process under completely continuous conditions such as gradually changing the flow rate of the gas. Further, in the present invention, such a change in multi-stage or continuous etching conditions is caused by SF. 6 Not only the flow rate but also any gas conditions can be applied. Further, if necessary, etching conditions such as reaction pressure and RF power can be changed at the same time.
[0045]
The fine irregularities 1a shown in FIG. 1 have a conical shape or a continuous shape, and the size can be changed by controlling the gas concentration or etching time by the RIE method. The width and height of the fine irregularities 1a are each set to 2 μm or less. In order to form the fine irregularities 1a uniformly and accurately over the entire necessary portion of the silicon substrate 1, a thickness of 1 μm or less is preferable. The aspect ratio of the fine irregularities 1a (height / width of the irregularities 1a) is desirably 2 or less. When this aspect ratio is 2 or more, fine irregularities 1a are damaged in the manufacturing process, and when a solar battery cell is formed, a leak current increases and good output characteristics cannot be obtained.
[0046]
Note that the definition of the aspect ratio used in the description of the present invention is a value obtained by the ratio of the height and the base of a triangle formed by approximately linear portions on both sides when the concavo-convex cross section is viewed as shown in FIG. 5c. Moreover, in the part where the cone of unevenness | corrugation continues, it is set as the value calculated | required similarly with the uneven | corrugated shape at the time of taking a cross section perpendicular to the continuous direction.
[0047]
After the unevenness 1a is formed by the above dry etching method, the etching residue remaining on the surface of the silicon substrate 1 is removed. Thereby, the characteristic of the solar cell produced can be improved. As a method for removing the etching residue, for example, an unevenness is formed by a dry etching method and the substrate 1a is taken out, and then ultrasonic waves are applied in a water tank. As the types of devices that apply ultrasonic waves, the frequency of main commercially available ultrasonic cleaning devices is several tens of kHz to several hundreds of kHz, and the vibrator to be applied is of various types such as material, shape, and output. However, this type of device can be selected depending on the ease of removal of residue on the surface. The ease of residue removal varies depending on the shape and size of the unevenness, the remaining amount of residue, the thickness of the substrate, etc., and also varies depending on the frequency of the ultrasonic wave, but even under conditions where residue removal is relatively difficult The residue can be removed by extending the application time.
[0048]
On the surface side of the silicon substrate 1, a layer 1b in which a reverse conductivity type semiconductor impurity is diffused is formed. The layer 1b in which the reverse conductivity type semiconductor impurity is diffused is provided to form a semiconductor junction in the silicon substrate 1. For example, when n-type impurity is diffused, POCl Three Vapor phase diffusion method using P 2 O Five Coating diffusion method using P, and P + It is formed by an ion implantation method in which ions are directly introduced into the substrate by an electric field. The layer 1b containing the reverse conductivity type semiconductor impurity is formed to a depth of about 0.3 to 0.5 μm.
[0049]
An antireflection film 1 d is formed on the surface side of the silicon substrate 1. The antireflection film 1 d is provided to prevent light from being reflected from the surface of the silicon substrate 1 and to effectively take light into the silicon substrate 1. This antireflection film 1d is made of a material having a refractive index of about 2 in consideration of a difference in refractive index with respect to the silicon substrate 1, and a silicon nitride film or silicon oxide (SiO2) having a thickness of about 500 to 2000 mm. 2 ) Consists of a film or the like.
[0050]
On the back side of the silicon substrate 1, it is desirable to form a layer 1c in which one conductivity type semiconductor impurity is diffused at a high concentration. The layer 1c in which this one-conductivity-type semiconductor impurity is diffused at a high concentration forms an internal electric field on the back surface side of the silicon substrate 1 in order to prevent a decrease in efficiency due to carrier recombination near the back surface of the silicon substrate 1. is there. In other words, as a result of the carriers generated near the back surface of the silicon substrate 1 being accelerated by this electric field, the electric power is effectively extracted, and particularly the long wavelength photosensitivity increases and the deterioration of the solar cell characteristics at high temperatures is reduced. it can. Thus, the sheet resistance on the back surface side of the silicon substrate 1 on which the layer 1c in which one conductivity type semiconductor impurity is diffused at a high concentration is formed is about 15Ω / □.
[0051]
A front surface electrode 1 e and a back surface electrode 1 f are formed on the front surface side and the back surface side of the silicon substrate 1. The front electrode 1e and the back electrode 1f are screen-printed and fired with an Ag paste mainly composed of Ag powder, binder, frit, etc., and a solder layer is formed thereon. The surface electrode 1e is composed of, for example, a large number of finger electrodes (not shown) formed with a width of about 200 μm and a pitch of about 3 mm, and two bus bar electrodes (1e) that connect the large number of finger electrodes to each other. The The back electrode 1f is composed of, for example, a large number of finger electrodes (not shown) formed with a width of about 300 μm and a pitch of about 5 mm, and two bus bar electrodes (1f) that connect the large number of finger electrodes to each other. The
[0052]
Next, another embodiment of the present invention will be described by taking a thin film polycrystalline silicon solar cell as an example. FIG. 6 is a view showing the structure of a substrate type thin film polycrystalline silicon solar cell formed by using the method for roughening a solar cell substrate according to the present invention.
[0053]
Although the case where the light incident side silicon layer is n-type will be described here, it can also be used when the light incident side is p-type. In that case, the conductivity type in the sentence may be read in reverse. Further, the present invention is not limited to a substrate type thin film polycrystalline silicon solar cell, but can also be applied to a super straight type solar cell, and is not limited to a thin film polycrystalline silicon solar cell. The present invention can be widely applied to solar cells and thin film solar cells using compound semiconductors. Furthermore, the present invention can also be applied to a multilayer (tandem) type thin film solar cell.
[0054]
In FIG. 6, 6a indicates a glass substrate, 6b indicates a back electrode, 6c indicates a semiconductor layer having a semiconductor junction in which the photoactive layer portion is formed of crystalline Si, 6d indicates a transparent conductive film, and 6e indicates a surface collecting electrode.
[0055]
A fine concavo-convex structure 6a is formed on the surface of the glass substrate 6a so that incident light is effectively scattered and reflected on the surface of a back electrode 6b described later. This is formed by using the reactive ion etching (RIE) method described in the embodiment of the bulk silicon solar cell.
[0056]
For example, Cl 2 0.2 slm, SF 6 Etching for 5 minutes at a reaction pressure of 5 Pa and an RF power of 5 kW for generating plasma. Thereby, a fine concavo-convex structure 6 f is formed on the surface of the glass substrate 6. During the etching, the glass is etched and basically vaporized, but a part of the glass is not vaporized and molecules are adsorbed and remain on the surface of the substrate 6 as a residue.
[0057]
In addition, if the gas conditions, reaction pressure, RF power, etc. are set so that residues remain on the surface of the glass substrate, the irregularities can be reliably formed. However, the aspect ratio of the irregularities needs to be optimized depending on conditions. On the contrary, it is impossible to form irregularities under any conditions under which no residue remains on the surface. Concavity and convexity formation is performed by etching using this residue as a mask.
[0058]
In order to realize low cost in a thin film solar cell, it is common to perform integration up to a large area substrate. For this reason, the etching apparatus is required to be able to form unevenness uniformly on a large area substrate. However, when etching was actually performed on a large-area substrate, it was found that there was a problem that the uneven shape on the surface of the glass substrate 6a was different depending on the location. For example, when etching is performed at the above gas ratio, the aspect ratio (height / width of each unevenness) near the center of the substrate is about 0.07, but the aspect ratio of the periphery of the substrate is measured from about 0.03. The aspect ratio has been reduced to an impossible level. This difference in aspect ratio can be alleviated to some extent by changing gas conditions, RF power, pressure, etc., but as a result of various conditions, the final solar cell characteristics are almost the same. It has been found that it is difficult to form a rough surface. In addition, this uniformity is a problem because the area of the substrate to be etched is 2500 cm. 2 It was found to be more prominent when larger than.
[0059]
As a result of further examination of the etching conditions, it has been found that the aspect ratio near the center of the substrate is larger than the aspect ratio near the periphery of the substrate, regardless of the irregularity formation conditions.
[0060]
In order to solve this problem, the present invention provides a method for roughening a solar cell substrate, in which uniform characteristics are obtained by performing etching in combination with a plurality of etching conditions.
[0061]
In the present invention, at least two or more etching conditions capable of forming concavo-convex independently are continuously performed, and the etching performed later is performed on the aspect ratio of the concavo-convex shape obtained under the first etching condition of the two etching conditions. These problems are solved by performing the etching under such conditions that the aspect ratio of the concavo-convex shape obtained under the conditions becomes large when compared by performing single etching.
[0062]
For example, the total surface area of the substrate to be etched is about 10,000 cm 2 In order to etch the substrate surface which is 2 0.1 slm, SF 6 For 7 minutes at a pressure of 5 Pa and an RF power of 5 kW (etching condition C). As a result, irregularities having an aspect ratio of about 0.05 are formed near the center of the substrate to be etched. At this time, slight irregularities having an aspect ratio of about 0.01 are formed in the vicinity of the peripheral portion. Next, chlorine (Cl 2 ) 0.3 slm, SF 6 For 3 minutes at a pressure of 10 Pa and an RF power of 4 kW (etching condition D). When this etching is performed alone, the central portion has an aspect ratio of about 0.16 and the peripheral portion has about 0.11. However, some unevenness has already been formed under the etching condition C, and the final uneven shape is the sum of these two etching conditions. Looking at each location, etching with an aspect ratio of 0.05 is performed for 7 minutes under the etching condition C in the central portion, and etching with an aspect ratio of 0.16 is performed for 3 minutes under the etching condition D. A shape is obtained. In the peripheral portion, etching with an aspect ratio of 0.01 is performed for 7 minutes under the etching condition C, and etching with an aspect ratio of 0.11 is performed for 3 minutes under the etching condition D, whereby an etching shape with an aspect ratio of 0.07 is finally obtained. . As a result, moderate irregularities are formed on the entire surface of the substrate to be etched.
[0063]
In etching condition C, SF is compared with etching condition D. 6 The flow rate ratio is large. SF 6 Etching Is SF is very large, so SF 6 As the flow rate ratio increases, the aspect ratio decreases. In other words, the surface shape under the etching condition C performed first has an aspect ratio smaller than the surface shape under the subsequent etching condition D. Thus, it is an important factor that the etching conditions performed after the first etching are conditions with a large aspect ratio. This No The gas used for etching is SF 6 However, other gases can be used. Also, other gases can be used for other etching conditions regardless of this example. Thereby, moderate unevenness | corrugation can be formed in a peripheral part. All the surface structures produced by this method can similarly improve the characteristics of the solar cell.
[0066]
When the RF power is large or the etching amount is large when the etching time is long, a relatively good shape (aspect ratio) can be obtained at the edge portion, but the aspect ratio becomes too large at the center portion, and the characteristics The shape can not contribute to.
[0067]
Therefore, in subsequent etching, it is necessary to stop the formation of irregularities when a uniform aspect ratio is obtained within the tray surface. More specifically, there are methods for realizing this, such as making the RF power smaller by etching after the beginning or shortening the etching time by etching after the beginning. . each Under the etching conditions that can form unevenness independently, if the self-bias potential during etching is large, the incident effect of the generated positive ions on the substrate tends to be larger at the center than at the periphery of the batch. Formation is easy to proceed in the center. In the subsequent etching, it is desirable to suppress the formation of irregularities in the central portion as much as possible and promote the peripheral portion. As this method, in the present invention, this can be solved by increasing the reaction pressure under the subsequent etching conditions. When the reaction pressure under the etching conditions is increased, the self-bias potential can be reduced, so that unevenness formation in the batch by single etching can be performed more uniformly at the center and the peripheral portion. As a result, it is possible to suppress the formation of unevenness at the central part in the subsequent etching, and as a result, it is possible to form unevenness on the entire surface within the batch.
[0068]
Further, in the above example, the formation of irregularities by the etching conditions of two steps is taken as an example, but this etching step can be increased any number. For example, etching is performed in 10 steps, and the content is SF of the mixed gas. 6 Gas and Cl 2 Introduce 0.7slm and 0.1slm of gas flow for the first 30 seconds, stepwise 0.6slm and 0.2slm for the next 30 seconds, 0.5slm and 0.3slm for the next 30 seconds, etc. The same effect can be obtained by a method of reducing the number of times. Furthermore, this etching step is increased indefinitely, and SF 6 Gas and Cl 2 The same effect can be obtained by performing the process under completely continuous conditions such as gradually changing the gas flow rate. Further, in the present invention, such a change in multi-stage or continuous etching conditions is caused by SF. 6 Gas and Cl 2 Applicable to any gas conditions, not just gas. Further, if necessary, etching conditions such as reaction pressure and RF power can be changed at the same time.
[0069]
Furthermore, in order to optimize the uneven shape, it has been proposed to add a wet etching process after the dry etching process (for example, Japanese Patent Application No. 200). 1 -257609).
[0070]
The fine concavo-convex structure 6f has a quasi-elliptical shape as viewed from the surface, and an average inclination angle of the concavo-convex portion in an arbitrary cross section perpendicular to the glass substrate is 5 to 10 ° (aspect ratio is 0). An uneven shape of about .04 to 0.1) is formed.
[0071]
Here, the average inclination angle of the concavo-convex portion in an arbitrary cross section perpendicular to the glass substrate is a ridge line substrate that forms the concavo-convex portion in an arbitrary cross-section cut in a direction perpendicular to the glass substrate 6a. The average value (in the entire cross section) of the inclination angle with respect to the horizontal direction.
[0072]
At this time, when the average inclination angle of the unevenness is 5 ° or less, when applied to a thin film solar cell, the probability that the reflected light reflected on the back surface side of the solar cell is totally reflected on the light receiving surface side decreases. The effective optical path length in the active layer is not effectively increased. Conversely, when the average inclination angle of the irregularities is 10 ° or more, the growth of crystals on the irregular inclined surfaces facing each other is extremely hindered, and the grains with voids in the vicinity of the interface where each crystal grain collides A field is generated and V oc In addition, a situation in which device characteristics centering on FF are deteriorated is induced.
[0073]
After the unevenness is formed by this dry etching method, the residue remaining on the substrate surface is removed. Thereby, the characteristic of a solar cell can be improved. As a method for removing the etching residue, an unevenness is formed by dry etching and the substrate is taken out, and then ultrasonic waves are applied in a water tank. As the types of devices that apply ultrasonic waves, the frequency of main commercially available ultrasonic cleaning devices is several tens of kHz to several hundreds of kHz, and the vibrator to be applied is of various types such as material, shape, and output. However, this type of device can be selected depending on the ease of removal of residue on the surface. The ease of residue removal varies depending on the shape and size of the unevenness, the remaining amount of residue, the thickness of the substrate, etc., and also varies depending on the frequency of the ultrasonic wave, but even under conditions where residue removal is relatively difficult It is possible to remove the residue by lengthening the application time.
[0074]
In addition, when a wet etching process is added, it is desirable to perform ultrasonic cleaning in pure water or the like at least before or after the wet etching process. In order to further improve the throughput, etching and residue removal may be performed simultaneously by applying ultrasonic vibration during the wet etching process. It becomes possible to easily form a roughened glass substrate as described above.
[0075]
Next, a metal film to be the back electrode layer 6b is formed. As the metal film material, it is desirable to use Al, Ag, etc., which are excellent in light reflection characteristics. As a film forming method, known techniques such as vapor deposition, sputtering, and ion plating can be used. The film thickness is 0.05 to 2 μm, and the surface of the back electrode layer 6b has a fine uneven structure reflecting the fine uneven structure 6f on the surface of the glass substrate 6a. If the film thickness of the back electrode layer 6b is 0.05 to 2 μm, the uneven shape on the surface of the back electrode layer 6b almost reflects the uneven structure 6f on the surface of the substrate 6a.
[0076]
If the film thickness of the back electrode layer 6b is 0.05 μm or less, characteristic deterioration due to an increase in the series resistance component of the element cannot be ignored, and if it is 2 μm or more, the uneven structure 6f on the surface of the glass substrate 6a becomes the back electrode layer. It becomes difficult to be effectively reflected on the surface of 6b, and at the same time, it is not realistic in terms of cost.
[0077]
Further, in order to increase the adhesive strength between the glass substrate 6a and the back electrode layer 6b, for example, a metal layer (not shown) such as Ti is formed with a thickness of 0.5 to 200 nm between the glass substrate 6a and the back electrode layer 6b. It is described in Japanese Patent Application No. 2001-53290 that it may be inserted.
[0078]
Furthermore, when diffusion of metal components from the back electrode layer 6b to the semiconductor layer 6c described later becomes a problem, a diffusion barrier layer (not shown) may be inserted between the back electrode layer 6b and the semiconductor layer 6c. When a metal film such as Ti is used as the diffusion barrier layer, the thickness is 10 nm or less, ZnO, SnO 2 When a transparent conductive film such as ITO is used for the diffusion barrier layer, the thickness may be 100 nm or less. When using a transparent conductive film, in addition to the function as a diffusion barrier layer, a function of improving the effective reflectance of the back electrode layer 6b can be provided. Furthermore, when the latter transparent conductive film is used, the average height difference of the uneven shape on the surface is made smaller than the average height difference of the uneven shape at the interface between the transparent conductive film and the back electrode layer 6b after the film formation. This makes it possible to form a high-quality film in which the generation of a leakage current is suppressed in the formation of the semiconductor layer 6c described later (see, for example, Japanese Patent Application No. 2001-20623).
[0079]
Next, a semiconductor layer 6c having a semiconductor junction in which the photoactive layer portion is formed of crystalline Si is formed. The semiconductor layer 6c is roughly divided into a base layer, a photoactive layer, and a bonding layer.
[0080]
First, as a base layer (not shown), a non-single crystal Si film is formed by a catalytic CVD method or a plasma CVD method. The film thickness is about 10 to 500 nm. The doping element concentration is 1E18 to 1E21 / cm Three P and + Type (or n + Type).
[0081]
Next, a crystalline Si film is formed as a photoactive layer (not shown) by catalytic CVD or plasma CVD. The film thickness is about 0.5 to 10 μm. Note that the conductivity type is the same conductivity type whose doping concentration is lower than that of the base layer, or a substantially i-type.
[0082]
Next, in order to form a semiconductor junction (not shown), a non-single-crystal Si film (bonding layer) is formed by a catalytic CVD method, a plasma CVD method, or the like. The film thickness is about 5 to 500 nm. Doping element concentration is 1E18-1E21 / cm Three The conductivity type (n + Type or p + Type). In order to further improve the bonding characteristics, a substantially i-type non-single-crystal Si layer may be inserted between the photoactive layer and the bonding layer. At this time, the thickness of the insertion layer is about 10 to 500 nm in the case of a crystalline Si layer, and about 1 to 20 nm in the case of amorphous Si.
[0083]
Next, the transparent conductive layer 6d is formed. As a material of the transparent conductive layer 6d, SnO 2 Known materials such as ITO, ZnO can be used. As a film forming method, a known technique such as a vapor deposition method, a sputtering method, or an ion plating method can be used. This film thickness is preferably about 60 to 300 nm in consideration of the optical interference effect.
[0084]
Finally, a metal film to be the collection electrode 6e is formed. As the metal film material, it is desirable to use Al, Ag or the like having excellent conductivity. As a film forming method, known techniques such as vapor deposition, sputtering, and screen printing can be used. At this time, in the vapor deposition method and the sputtering method, a metal film can be formed in a desired pattern by using a masking method, a lift-off method, or the like. In order to enhance the adhesive strength with the transparent conductive layer 6d, it is effective to insert a metal material having excellent adhesive strength with an oxide material such as Ti between the transparent conductive layer 6d and the surface collecting electrode 6e. It is.
[0085]
As described above, a high-efficiency and low-cost thin-film crystalline Si solar cell having a concavo-convex structure that has high optical confinement efficiency and can sufficiently suppress leakage current can be obtained.
[0086]
The material of the substrate 6a is not limited to glass, and may be any of metal, plastic, and resin.
[0087]
【The invention's effect】
As described above, in the method for roughening a solar cell substrate according to the present invention, when the surface of the solar cell substrate is formed into a rough surface by dry etching, the etching conditions to be performed later are used. Etching is performed under at least two different etching conditions such that the in-plane average aspect ratio of the concavo-convex shape to be formed is larger than the in-plane average aspect ratio of the concavo-convex shape formed in the first etching condition. Therefore, 2500cm, which was impossible before 2 The region of the substrate to be etched having a large area can be processed by dry etching using uniform plasma.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing a bulk silicon solar cell formed by a surface roughening method for a solar cell substrate according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of a reactive ion etching apparatus used in the method for roughening a solar cell substrate according to the present invention.
FIG. 3 is a view showing another example of a reactive ion etching apparatus used in the method for roughening a silicon substrate for solar cells according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a distribution of differences in etching shape depending on a substrate position on a tray when a conventional RIE process is performed.
FIG. 5 is an electron microscopic image showing the difference in structure depending on the location of the surface of the silicon substrate on which irregularities are formed according to the present invention.
FIG. 6 is a view showing a substrate-type thin film polycrystalline silicon solar cell formed by a method for roughening a solar cell substrate according to the present invention.

Claims (9)

複数の太陽電池用基板の表面をドライエッチング法で粗面状にする太陽電池用基板の粗面化法において、
前記複数の太陽電池用基板がシリコンからなり、
フッ素系ガス又は臭素系ガス、酸素系ガス、及び塩素系ガスを含むガスで前記複数の太陽電池用基板の表面をエッチングし、単独で微細な凹凸を形成することができるエッチング条件を有する第1の工程と、
フッ素系ガス又は臭素系ガス、酸素系ガス、及び塩素系ガスを含むガスで前記複数の太陽電池基板の表面をエッチングし、単独で前記第1の工程で形成される凹凸形状より大きいアスペクト比の微細な凹凸を形成することができるエッチング条件を有する第2の工程と、を有し、
前記第2の工程は前記第1の工程の後に行われることを特徴とする太陽電池用基板の粗面化法。
In the method of roughening the solar cell substrate, the surface of the plurality of solar cell substrates is roughened by a dry etching method.
The plurality of solar cell substrates are made of silicon,
The etching conditions are such that the surface of the plurality of solar cell substrates is etched with a gas containing a fluorine-based gas or a bromine-based gas, an oxygen-based gas, and a chlorine-based gas, so that fine irregularities can be formed independently . And the process of
Etching the surfaces of the plurality of solar cell substrates with a gas containing a fluorine-based gas or a bromine-based gas, an oxygen-based gas, and a chlorine-based gas, and having an aspect ratio larger than the concavo-convex shape formed in the first step alone A second step having an etching condition capable of forming fine irregularities, and
The method for roughening a substrate for a solar cell, wherein the second step is performed after the first step.
前記第2の工程における反応圧力が前記第1の工程の反応圧力より高いことを特徴とする請求項1に記載の太陽電池用基板の粗面化法。2. The method for roughening a solar cell substrate according to claim 1, wherein a reaction pressure in the second step is higher than a reaction pressure in the first step. 前記フッ素系ガス又は臭素系ガスの和の酸素系ガス及び塩素系ガスの和に対する流量の比率が、前記第1の工程より前記第2の工程の方が少ないことを特徴とする請求項1または2に記載の太陽電池用基板の粗面化法。The ratio of the flow rate of the sum of the fluorine-based gas or bromine-based gas to the sum of oxygen-based gas and chlorine-based gas is smaller in the second step than in the first step. 2. A method for roughening a solar cell substrate according to 2. 前記第1の工程および前記第2の工程に用いられるガスが、SF、O,Clを含み、前記SFガスの前記Oガスと前記Clガスの和に対する流量の比率が、前記第1の工程より前記第2の工程の方が少ないことを特徴とする1または2に記載の太陽電池用基板の粗面化法。The gas used in the first step and the second step contains SF 6 , O 2 , Cl 2 , and the ratio of the flow rate of the SF 6 gas to the sum of the O 2 gas and the Cl 2 gas is as follows: 3. The method for roughening a solar cell substrate according to 1 or 2, wherein the second step is less than the first step. 前記太陽電池用基板に対し等方性エッチング特性を有するガスに対する異方性エッチング特性を有するガスの比が、前記第1の工程より前記第2の工程の方が大きいことを特徴とする請求項1または2に記載の太陽電池用基板の粗面化法。The ratio of the gas having anisotropic etching characteristics to the gas having isotropic etching characteristics with respect to the solar cell substrate is larger in the second process than in the first process. 3. A method for roughening a solar cell substrate according to 1 or 2. ガラスからなる太陽電池用基板を準備する工程と、
フッ素系ガス又は臭素系ガス、及び塩素系ガスを含むガスで前記太陽電池用基板の表面をエッチングし、単独で凹凸を形成することができるエッチング条件を有する第1の工程と、
フッ素系ガス又は臭素系ガス、及び塩素系ガスを含むガスで前記太陽電池用基板の表面をエッチングし、単独で前記第1の工程で形成される凹凸形状より大きいアスペクト比の凹凸形状を形成することができるエッチング条件を有する第2の工程と、を有し、前記第2の工程は、前記第1の工程の後に行われることを特徴とする太陽電池用基板の粗面化法。
Preparing a solar cell substrate made of glass;
Etching the surface of the solar cell substrate with a gas containing a fluorine-based gas or a bromine-based gas, and a chlorine-based gas, and a first step having etching conditions capable of forming irregularities independently ;
Etching the surface of the solar cell substrate with a gas containing a fluorine-based gas or a bromine-based gas, and a chlorine-based gas to form a concavo-convex shape having an aspect ratio larger than the concavo-convex shape formed in the first step alone. A method of roughening a substrate for a solar cell, comprising: a second step having an etching condition capable of being performed , wherein the second step is performed after the first step.
前記第2の工程における反応圧力が前記第1の工程の反応圧力より高いことを特徴とする請求項6に記載の太陽電池用基板の粗面化法。7. The method for roughening a solar cell substrate according to claim 6, wherein the reaction pressure in the second step is higher than the reaction pressure in the first step. 前記フッ素系ガス又は臭素系ガスの和の塩素系ガスの和に対する流量の比率が、前記第1の工程より前記第2の工程の方が少ないことを特徴とする請求項6または7に記載の太陽電池用基板の粗面化法。The ratio of the flow rate of the sum of the fluorine-based gas or bromine-based gas to the sum of chlorine-based gas is smaller in the second step than in the first step. A method for roughening a solar cell substrate. 前記第1の工程および前記第2の工程に用いられるガスが、SF、Clを含み、前記SFガスの前記Clガスに対する流量の比率が、前記第1の工程より前記第2の工程の方が少ないことを特徴とする6または7に記載の太陽電池用基板の粗面化法。The gas used in the first step and the second step contains SF 6 and Cl 2 , and the ratio of the flow rate of the SF 6 gas to the Cl 2 gas is higher than the second step than the first step. 8. The method for roughening a solar cell substrate according to 6 or 7, wherein the number of steps is smaller.
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