JP4869654B2 - 太陽電池の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、シリコン太陽電池の製造方法に関するものであり、さらに詳しくは太陽電池の電極を電気的に絶縁する方法に関するものである。
シリコンを材料とする太陽電池は、ｐｎ接合に光が照射された時に発生したキャリア（電子、正孔）をｐｎ接合の拡散電位を利用して分離、収集することにより光を電力に変えるもので、２種類の構造に大別される。図３は、表面（受光面）と裏面にそれぞれ電極が形成されている構造の太陽電池で表面接合型太陽電池と称される。図において、ｐ型シリコン基板１の表面にｎ型拡散層２が形成されており、ｐ型シリコン基板１とｎ型拡散層２との境界がｐｎ接合３となっている。ｎ型拡散層２と電気的に接続すべく第１電極５が、ｐ型シリコン基板１と電気的に接続すべく第２電極６がそれぞれ形成されている。なお、反射防止膜４が受光面側に形成されている。
図４は、受光面とは反対の面にのみ電極が形成されている構造の太陽電池で裏面接合型太陽電池と称される。図において、ｐ型シリコン基板１の裏面及び端面にｎ型拡散層２が形成されており、ｐ型シリコン基板１とｎ型拡散層２との境界がｐｎ接合３となっている。ｎ型拡散層２と電気的に接続すべく第１電極５が、ｐ型シリコン基板１と電気的に接続すべく第２電極６がそれぞれ裏面に形成されている。なお、反射防止膜４が受光面側に形成されている。
拡散層形成方法として、ガスを拡散源とした方法が量産性に優れており一般的である。この場合、拡散層は基板全面に形成されるが、この状態で電極を形成すると第１電極と第２電極が拡散層を介して短絡する。図５に、表面接合型太陽電池に係る短絡の状態を示す。この場合、並列抵抗Ｒshが下がり太陽電池としての変換効率に直接寄与する曲線因子ＦＦ（Fill Factor）が低下する。第１電極と第２電極を電気的に絶縁するためには、拡散層の一部を除去する必要がある（例えば、特許文献１参照）。特に、表面接合型の結晶系シリコン太陽電池では、基板となるウェハを積み重ね、プラズマにより端面部の拡散層を除去する方法が一般的である。
特開平５−３２６９９０号公報（第３頁、第１図）
しかしながら、材料コスト低減のために基板となるウェハの薄型化が進んだ場合、強度上の問題が生じる。すなわち、ウェハの端面をエッチングする方法では、ウェハを積み重ねて処理するが、このために１枚づつハンドリングする必要がある。ウェハの薄型化が進むとハンドリング工程で割れが生じ易くなり、安定した製造が困難となる。
他の方法として、エッチング耐性のある膜を形成・パターニングをした後に、酸、アルカリなどによるウェットエッチングで、又はＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などのドライエッチングで不要領域の拡散層をエッチングする方法（マスクエッチング）がある。しかしこれらの方法ではプロセス中で、エッチングレジスト塗布、乾燥、レジスト除去、洗浄など、工程数が増え製造コストが増加するという問題がある。
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、ウェハへの負荷が小さく、プロセス中での工程数を増やさない太陽電池の製造方法を得ることを目的としている。
この発明に係る太陽電池の製造方法においては、結晶系シリコン基板に前記基板と逆導電型層となる拡散層を形成する拡散層形成ステップと、前記拡散層の一部上に水を添加した珪酸ナトリウム（Ｎａ2ＳｉＯ3）を塗布する塗布ステップと、前記水を添加し、４Ｐａ・ｓ以上の粘度にした珪酸ナトリウム（Ｎａ 2 ＳｉＯ 3 ）を乾燥させながら前記拡散層をエッチング除去するエッチングステップと、前記拡散層と電気的に接続する第１の電極及び前記基板と電気的に接続する第２の電極を形成する電極形成ステップと、を含むことを特徴とする。
この発明によれば、基板とは逆導電型層となる拡散層の一部を珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）でエッチング除去するので、ウェハを積み重ねる必要がなくなり、ウェハへの負荷が小さく、割れが生じることなく安定した製造が可能となる。また、拡散層を除去する際のエッチングレジストが不要となり、プロセス中での工程数が増えないので製造コストを抑えることができる。
実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１の表面接合型太陽電池の製造工程を示す図である。最終形状として、ｐ型シリコン基板１の表面及び端面にｎ型拡散層２が形成されており、ｐ型シリコン基板１とｎ型拡散層２との境界がｐｎ接合３となっている。ｎ型拡散層２と電気的に接続すべく第１電極５が、ｐ型シリコン基板１と電気的に接続すべく第２電極６がそれぞれ形成されている。なお、反射防止膜４が受光面側に形成されている。
各製造工程における処理について説明する。図１(a)に示すｐ型シリコン基板１として、多結晶シリコンのウェハ（シリコンブロックから厚み２００〜４００μｍ程度にスライス加工されたもので、縦横寸法１５０mm×１５０mm程度）を使用する。このｐ型シリコン基板１に対して、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）とイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）の混合溶液で、スライス加工時のダメージ層を除去すると共に、表面に微小凹凸を形成する。この微小凹凸はテクスチャーと呼ばれ、光を効率よく吸収させるためのものである。
次に図１(b)に示す形状を成す工程について説明する。前記ｐ型シリコン基板１を拡散炉に挿入し、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）を拡散炉に流して、シート抵抗５５Ω/sq.なるｎ型拡散層２を形成する。この拡散層はｐ型シリコン基板１の全面（表面、裏面、端面）に形成される。
次に図１(c)に示す形状を成す工程について説明する。拡散層外部のリンガラスをエッチング除去した後、ディスペンサーを用い珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）１０をｐ型シリコン基板１の裏面周辺部に塗布する。珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）１０には適量の水を加えておき、粘度を４Pa・s以上にしておくと塗布後もその形状が保たれる。
次に図１(d)に示す形状を成す工程について説明する。珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）１０の塗布後、室温にて自然乾燥させる。珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）１０は塗布された部分の拡散層を含むシリコンをエッチングし、この際に熱が発生する。発生した熱によりエッチングが加速されると共に水分が蒸発する。水分が全て蒸発するとエッチングは停止する。エッチング停止後、珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）１０を水洗により除去し、ｐ型シリコン基板１の表面にプラズマＣＶＤによりシリコン窒化膜などの反射防止膜４を設ける。
次に図１(e)に示す形状を成す工程について説明する。まず、ｐ型シリコン基板１の裏面に残されたｎ型拡散層の上に、アルミニウムペーストを用いて第２電極６をスクリーン印刷する。アルミニウムペーストの乾燥後、銀ペーストを用い図示しない相互接続用の裏面電極及び第１電極５をスクリーン印刷し、空気中において焼成する。その際、アルミニウムペーストがｐ型シリコン基板１の裏面に拡散し、エネルギー変換効率向上に寄与するＢＳＦ（Back Surface Field）層が形成される。
前記の手順では、反射防止膜を設ける前に珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）を塗布したが、反射防止膜を設けた後や電極を形成した後に行うことも可能である。
以上、この実施の形態１によれば、ｎ型拡散層の一部を珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）でエッチング除去するので、ウェハを積み重ねる必要がなくなり、ウェハへの負荷が小さく、割れが生じることなく安定した製造が可能となる。また、粘度を調整した珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）をディスペンサーにより塗布するので、この工程でのエッチングレジスト及びスクリーン印刷用マスクが不要となる。
なお、ｐ型シリコン基板の裏面周辺部にあるｎ型拡散層だけをエッチングするようにしたので、ｐ型シリコン基板端面部の拡散層を発電に寄与する領域として残すことができ、出力電流を大きくすることができる。
実施の形態２．
図２は、本発明に係る実施の形態２の裏面接合型太陽電池の製造工程を示す図である。最終形状として、ｐ型シリコン基板１の裏面及び端面にｎ型拡散層２が形成されており、ｐ型シリコン基板１とｎ型拡散層２との境界がｐｎ接合３となっている。ｎ型拡散層２と電気的に接続すべく第１電極５が、ｐ型シリコン基板１と電気的に接続すべく第２電極６がそれぞれ裏面に形成されている。なお、反射防止膜４が受光面側に形成されている。
各製造工程における処理について説明する。図２(a)に示すｐ型シリコン基板１として、実施の形態１で説明したものと同様の多結晶シリコンのウェハを使用する。スライス加工時のダメージ層を除去する処理と、表面に微小凹凸を形成する処理も実施の形態１と同様である。
次に図２(b)に示す形状を成す工程について説明する。前記ｐ型シリコン基板１を拡散炉に挿入し、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）を拡散炉に流して、シート抵抗５５Ω/sq.なるｎ型拡散層２を形成する。この際、ｐ型シリコン基板１の表面にマスクをしておくことで、基板の裏面と端面のみに拡散層２を形成させる。
次に図２(c)に示す形状を成す工程について説明する。拡散層外部のリンガラスをエッチング除去した後、スクリーン印刷により珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）１０をｐ型シリコン基板１の裏面の第２電極６を設ける位置に平面パターンとして塗布する。珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）１０には適量の水を加えておき、粘度を４Pa・s以上で７Pa・s以下にしておくと、塗布される珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）１０の厚みのむらが少なくかつ平面パターンの位置精度が良く、塗布後もその形状が保たれる。
次に図２(d)に示す形状を成す工程について説明する。珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）１０の塗布後、室温にて自然乾燥させ水洗により除去する手順は実施の形態１と同様である。また、ｐ型シリコン基板１の表面にプラズマＣＶＤによりシリコン窒化膜などの反射防止膜４を設ける手順も実施の形態１と同様である。
次に図２(e)に示す形状を成す工程について説明する。まず、珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）により拡散層を除去した領域に、アルミニウムペーストを用いて、第２電極６をスクリーン印刷する。アルミニウムペースト乾燥後、銀ペーストを用いて第１電極５をスクリーン印刷し、空気中において焼成する。その際、第２電極６下にＢＳＦ層が形成されるのは実施の形態１と同様である。
前記の手順では、反射防止膜を設ける前に珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）を塗布したが、反射防止膜を設けた後に行うことも可能である。
以上、この実施の形態２によれば、ｎ型拡散層の一部を珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）でエッチング除去するので、ウェハへの負荷の小さい安定した製造方法を裏面接合型太陽電池に適用することが可能となる。また、ｎ型拡散層の一部をエッチング除去する際のエッチングレジストが不要でプロセスが容易となる。
この発明の実施の形態１による太陽電池の製造方法を示す工程図である。 この発明の実施の形態２による太陽電池の製造方法を示す工程図である。 表面接合型太陽電池の構造を示す図である。 裏面接合型太陽電池の構造を示す図である。 太陽電池製造時の課題を示す図である。
符号の説明
１：ｐ型シリコン基板
２：ｎ型拡散層
３：ｐｎ接合
４：反射防止膜
５：第１電極
６：第２電極
１０：珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）

Claims (5)

  1. 結晶系シリコン基板に前記基板と逆導電型層となる拡散層を形成する拡散層形成ステップと、
    前記拡散層の一部上に水を添加した珪酸ナトリウム（Ｎａ2ＳｉＯ3）を塗布する塗布ステップと、
    前記水を添加し、４Ｐａ・ｓ以上の粘度にした珪酸ナトリウム（Ｎａ 2 ＳｉＯ 3 ）を乾燥させながら前記拡散層をエッチング除去するエッチングステップと、
    前記拡散層と電気的に接続する第１の電極及び前記基板と電気的に接続する第２の電極を形成する電極形成ステップと、
    を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。
  2. 前記塗布ステップでは、前記基板の受光面と反対側の面の周辺部に沿って、前記水を添加した珪酸ナトリウム（Ｎａ2ＳｉＯ3）を塗布することを特徴とする請求項１記載の太陽電池の製造方法。
  3. 前記塗布ステップでは、前記基板の受光面と反対側の面において、前記水を添加した珪酸ナトリウム（Ｎａ2ＳｉＯ3）をディスペンサーまたはスクリーン印刷により塗布することを特徴とする請求項２記載の太陽電池の製造方法。
  4. 前記エッチングステップでは、室温でエッチングを行うことを特徴とする請求項１記載の太陽電池の製造方法。
  5. 前記水を添加した珪酸ナトリウム（Ｎａ2ＳｉＯ3）の粘度は、４Ｐａ・ｓ以上７Ｐａ・ｓ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
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