JP5238072B2 - 単結晶太陽電池セルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、パシベーションされた後面と後面コンタクト構造とを有する単結晶太陽電池セルの製造方法およびこの方法にしたがって製造された単結晶太陽電池セルに関する。

ケイ素太陽電池セルにおいて、前面のｎ型エミッタ層にはパシベーション層としての反射防止層を被着し、後面には全面にわたって鏡面化のためおよび歪み防止のための基礎領域としてのメタライゼーション、すなわち、後面フィールドＢＳＦ（バックサーフィスフィールド）を設けることが知られている。

こうした後面のメタライゼーションは、通常、大面積で印刷されるアルミニウムベースの厚膜ペーストから成り、８００℃を超える温度でシンタリングされ、低融点のＡｌＳｉ共晶の形成および再結晶化により半導体表面に対して合金化される。このとき、ｎ型ドーパントが前もって行われたｐ^＋型ドープのためのリン拡散によって過剰に補償される。

複数のセルを１つのモジュールへ統合するには後面にはんだ付け可能なコンタクトが必要となるので、銀ベースのペーストを有するプリントが被着され、前面のバスバーの個数および位置が後面においても再現される。こうした従来技術のセルの基本構造は図１に示されている。後面のバスバーは前面のバスバーの下方の条片状の領域に印刷され、続いて、アルミニウムペーストプリントがバスバー以外の残りの面を充填するように印刷される。ここで、銀とアルミニウムとは銀条片のそれぞれのエッジに沿って僅かに重なり合う。

また、厚膜メタライゼーションを誘電性の酸化物パシベーション層によって置換することも提案されている。この場合、規則的なマトリクス位置に配置された複数の小さいポイントコンタクト、すなわち、ローカルＢＳＦコンタクト（ローカルバックサーフィスフィールドコンタクト）を介して、大面積の後面メタライゼーションが半導体前面へ電気的に接続される。

このときに形成される後面コンタクト構造は種々の分野で用いられている。こうした従来技術を示した文献として、A.W.Blakers et al., Appl.Phys.Lett., 55(1989)の1363頁〜1365頁，G.Agostinelli et al., 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference (2005), Barcelona, Spain の647頁，P.Choulat et al., 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference (2007), Milano, Italyなどが挙げられる。

最も広汎に用いられているローカルＢＳＦコンタクトは、あらかじめ塗布されている金属層、例えば薄膜アルミニウム層を、レーザー衝撃によって酸化物層を通して半導体前面へ融着させた、いわゆる"レーザーファイアードコンタクト（ＬＦＣコンタクト）"である。

レーザー駆動されるコンタクト形成方法の重大な欠点は、必要な数のローカルコンタクトが連続的に製造されるため、１ｓ当たり多数回、大きな光強度が半導体へ加えられるということである。ここで、高エネルギによって酸化物層を通して点状のアルミニウム融着が生じると、ローカルコンタクト下方のケイ素表面がしばしば損傷を受ける。この損傷は特に表面再結合速度が高く、パシベーション作用が低い場合に、より重大な問題となる。

したがって、本発明の課題は、パシベーションされた後面と後面コンタクト構造とを有する単結晶太陽電池セルの製造方法を提供し、太陽電池セルの後面のローカルコンタクトを形成するための種々の機能を有する層列を、短時間で他の部材への影響なしに製造できるようにすることである。

この課題は、請求項１に記載されている通り、誘電性のパシベーション層をセル後面の全面にわたって塗布し、前記パシベーション層のうちバスバーおよびローカルコンタクトとなるべき領域のみを局所的に除去し、前記セル後面を均等にコーティングして未パターニングの薄膜金属層を設け、前記パシベーション層を有さない領域で該薄膜金属層と基板材料の表面とが接触するようにし、前記バスバーおよびローカルコンタクトとなるべき領域に導電性ペーストから成る厚膜層を形成し、共晶温度を上回る温度で前記厚膜層をシンタリングし、前記薄膜金属層と前記基板材料の表面と前記厚膜層の前記導電性ペーストの粒子との低オームの共晶結合を形成することにより解決される。

本発明の方法はセル後面の全面にわたるパシベーション層を通して半導体表面に金属層のローカルコンタクトを形成する方法に関しており、薄膜層の形成手法とプリンティングまたはスクリーンプリンティングによる厚膜層の形成手法とが組み合わされる。本発明の方法によれば、従来技術に比べて良好ないわゆるＰＥＲＣ構造体（パシベーテッドエミッタアンドリアセル構造体）が実現される。

パシベーション層は同時に電気的絶縁層であって、最適な材料および最適なテクノロジによって製造される。また、最適なテクノロジで製造されたパシベーション層は、他の成分との相互作用を最小とするために、局所的に露出させることができる。当該のパシベーション層は、薄膜テクノロジを利用して、最適なメタライゼーション、特にアルミニウムによって被覆される。このとき、絶縁性の大きな面によって半導体表面上のローカルコンタクトも被覆される。

ローカルコンタクト面として再結晶ＡｌＳｉのローカルＢＳＦ面を製造するには、厚膜ペースト、特に銀ペーストが、あらかじめローカルコンタクトの領域および外部コンタクトの領域にプリンティングによって被着され、これがシンタリングされる。ここで、ＡｌＳｉ共晶の融着が利用される。つまり、ＡｌＳｉ共晶と、導電性ペースト、特に銀ペーストとの反応により、Ａｇ‐Ａｌ系の内部金属相が形成され、パシベーション層上の薄膜メタライゼーションと半導体内で局所的に制限されたＢＳＦ層との持続的な低オームの結合が保証される。

本発明の方法ステップの重要点を以下にまとめる。

通常、前処理されたセル材料の上、少なくともセル後面の上に、全面にわたって、誘電性のパシベーション層が被着される。続いて、当該のパシベーション層のうち、バスバーおよびスルーコンタクトとなるべき領域が局所的に除去される。

その後、セル後面は未パターニングの薄膜金属層によって均等にコーティングされる。この薄膜金属層は、パシベーション層の除去された領域において、基板材料の表面すなわち半導体表面に接触する。

続いて、バスバーおよびスルーコンタクトとなるべき領域に、導電性ペーストから成る厚膜層が形成される。

ついで、当該の厚膜層が設定された共晶温度を上回る温度でシンタリングされ、薄膜金属層と基板材料の表面と厚膜層のペーストの導電性粒子との低オームの共晶結合が形成される。

前述したパシベーション層はケイ素酸化物、アルミニウム酸化物またはこれらに類似の材料から形成される。

前述した薄膜金属層はアルミニウム材料のスパッタリングまたは蒸着によって形成される。

前面に必要とされる導体路およびバスバーを、厚膜プリンティングまたはスクリーンプリンティングによって形成することもできる。

２つの厚膜層すなわち前面および後面の厚膜層を共通の熱処理プロセスでシンタリングしてもよい。

厚膜層を形成するためのペーストは、有利には、ＡｌＳｉ共晶の共晶温度５７７℃を上回り、アルミニウムの融点６６０℃を下回る温度範囲、特に有利には５８０℃〜６２０℃の温度範囲内でシンタリング可能なものが選択される。

従来技術の３バスバー標準セルを示しており、Ａは平面図、Ｂは断面図である。 後面コンタクト構造（パシベーションされた後面にローカルコンタクトＰＥＲＣを設けた構造）を有する本発明の太陽電池セルの製造方法を示しており、Ａ〜Ｅは各ステップの断面図である。

以下に本発明を図示の実施例に即して詳細に説明する。

図１のＡ，Ｂには、３つのバスバーを有する標準セルの平面図および断面図が示されている。標準セルはｐ型シリコンウェハ１から成り、銀条片から成る前面バスバー４および後面バスバー３ならびにバスバー以外の残り面２を充填するアルミニウムペーストプリントを有する。ここで、アルミニウムと銀とは銀条片のエッジに沿って僅かに重なり合っている（図１のＢ参照）。

図２のＡ〜Ｅには本発明の方法ステップが示されている。第１のステップでは、誘電性のパシベーション層８、例えばケイ素酸化物の層が、熱酸化法、ＬＰＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法、スパッタリング法その他によって、後面に堆積される。前面には前面テクスチャ５と反射防止層７とが設けられる。出発材料はｎ^＋＋エミッタ６を有するｐ型シリコンウェハ１である。

第１のステップでパシベーション層８を形成するために熱酸化法が行われる場合には、酸化物のエッチングのために前面をさらに処理しなければならない。

図２のＢのステップでは、後面のパシベーション層８のうちバスバーおよびローカルスルーコンタクトまたはローカルスルーコンタクトポイント９となるべき領域が、例えばレーザー剥離、エッチングペーストプリントを用いたエッチングまたはプラズマエッチングにより、局所的に除去される。

図２のＣのステップでは、導電性材料による後面の均等なコーティングが行われる。導電性材料は特にアルミニウムを含む薄膜金属層１０であり、蒸着法またはスパッタリング法によってコーティングされる。

図２のＤのステップでは、前面に対して、導電性ペースト、特に銀ペースト１１を用いて、導体路およびバスバーがスクリーンプリンティング法によって形成される。

図２のＥのステップでは、前面と同様に、銀ペースト材料を用いて、スクリーンプリンティング法により、スルーコンタクトポイント１２およびバスバー１３がセル後面に形成される。

さらに、図２のＥのステップにおいて、全ての銀ペーストのシンタリング、すなわち、前面の導体路およびバスバー、後面のスルーコンタクトポイント１２およびバスバー１３のシンタリングが、５８０℃〜６２０℃の温度範囲で行われる。シンタリング温度が共晶温度５７７℃を上回ることから、低融点のＡｌＳｉ共晶１４がケイ素とアルミニウム層とのあいだのコンタクト面に形成される。同時に、シンタリング温度がアルミニウム‐銀の共晶温度５６６℃を上回るため、銀ペーストの銀粒子も液状のＡｌＳｉ共晶と合金化される。

本発明は、いわゆるＭＷＴセル（メタルラップスルーセル）、すなわち、前面のエミッタフィンガと後面のエミッタバスバーとがレーザーまたは他の手段でボーリングされたメタライゼーション孔を介して電気的に接続されるセルにも適用可能である。

Claims (10)

1. パシベーションされた後面と後面コンタクト構造とを有する
   単結晶太陽電池セルの製造方法において、
   誘電性のパシベーション層をセル後面の全面にわたって塗布するステップ、
   前記パシベーション層のうちバスバーおよびローカルコンタクトとなるべき領域のみを局所的に除去するステップ、
   前記セル後面を均等にコーティングして未パターニングの薄膜金属層を設け、前記パシベーション層を有さない領域で該薄膜金属層と基板材料の表面とが接触するようにするステップ、
   前記バスバーおよびローカルコンタクトとなるべき領域に導電性ペーストから成る厚膜層を形成するステップ、
   共晶温度を上回る温度で前記厚膜層をシンタリングし、前記薄膜金属層と前記基板材料の表面と前記厚膜層の前記導電性ペーストの粒子との低オームの共晶結合を形成するステップ
   を有する
   ことを特徴とする単結晶太陽電池セルの製造方法。
2. 前記パシベーション層はケイ素酸化物もしくはアルミニウム酸化物から成る、請求項１記載の単結晶太陽電池セルの製造方法。
3. 前記薄膜金属層を、アルミニウムを含む材料のスパッタリングまたは蒸着により形成する、請求項１または２記載の単結晶太陽電池セルの製造方法。
4. 厚膜プリンティング法またはスクリーンプリンティング法により前面に導体路およびバスバーを形成する、請求項１から３までのいずれか１項記載の単結晶太陽電池セルの製造方法。
5. 前記後面の前記バスバーおよびローカルコンタクトとなるべき領域に前記厚膜層をプリンティング法またはスクリーンプリンティング法によって形成する、請求項１から４までのいずれか１項記載の単結晶太陽電池セルの製造方法。
6. 前記厚膜層を共通の熱処理ステップにおいてシンタリングする、請求項４または５記載の単結晶太陽電池セルの製造方法。
7. 前記導電性ペーストは銀を含む、請求項１から６までのいずれか１項記載の単結晶太陽電池セルの製造方法。
8. 前記シンタリングを、アルミニウムとケイ素との共晶温度である５７７℃を上回りアルミニウムの溶融温度である６６０℃を下回る温度で行う、請求項１から７までのいずれか１項記載の単結晶太陽電池セルの製造方法。
9. 前記シンタリングを、５８０℃を上回り６６０℃を下回る温度範囲内で行う、請求項８記載の単結晶太陽電池セルの製造方法。
10. セル後面の全面にわたって塗布された誘電性のパシベーション層のうちバスバーおよびローカルコンタクトとなるべき領域のみが局所的に除去され、前記セル後面が均等にコーティングされて未パターニングの薄膜金属層が設けられ、前記パシベーション層を有さない領域で該薄膜金属層と基板材料の表面とが接触し、前記バスバーおよびローカルコンタクトとなるべき領域に導電性ペーストから成る厚膜層が形成され、共晶温度を上回る温度で前記厚膜層がシンタリングされ、前記薄膜金属層と前記基板材料の表面と前記厚膜層の前記導電性ペーストの粒子との低オームの共晶結合が形成されている
    ことを特徴とする単結晶太陽電池セル。

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