JP5296358B2 - 光電池をアニールするための方法 - Google Patents
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Description
本発明は、光電池の分野及びより詳しくは光電池をアニールする方法に関する。
Ｐ型又は型結晶（単結晶又は多結晶）シリコンをベースにした光電池２０の工業生産用に使用される標準的な方法が、図１Ａ−図１Ｅに示される。Ｎ型又はＰ型基板２は、水酸化カリウム溶液を用いて最初にその表層の織地化（テクスチャライゼーション）を施されて、これらの表層の反射率を減らして、従って、基板２に入る光線のより良好な光の閉じ込め特性を得ることを可能にする。Ｎ＋型の層４は、基板２の全ての面の位置で、リンの拡散によって、基板２中に形成される（図１Ａ）。そして、図１Ｂに示すように、光電池２０の正面８を形成する、水素リッチな窒化ケイ素（ＳｉＮ―Ｈ）の反射防止層６は、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）によって、Ｎ＋層４上に堆積される。銀１０及びアルミニウム１２による金属化層（メタライゼーション）は、それぞれシルクスクリーン印刷によって、基板２の正面８そして裏面に形成される（図１Ｃ）。最終的に、これらの金属化層１０、１２は、後部金属化層１２の下で一部のＮ＋層４を置換する、基板２におけるアルミニウム及びシリコン合金ベースの層１６及びＰ＋タイプ層１８と同様に、正面の金属化層１０及びＮ＋層４との間に接触部１４を形成して、赤外線通過炉中でのアニール作業を受ける。
最後に、図１Ｅに示されるように、層１８を接触部１４に接続している、すなわち、正面の金属化層１０を裏面の金属化層１２に電気的に接続している、Ｎ＋層４の部分は、除去される。図１Ｅにおいて、例えばレーザー、プラズマ、コーティング又は他の任意のエッチング手段によって、平面ＡＡ及びＢＢの外側にある光電池２０の全ての要素は取り除かれる。
Ｐ型基板２の場合、Ｎ＋層４の残余部分及び基板２は、光電池２０のＰＮ接合を形成する。Ｐ＋層１８は、この例では電子の、少数キャリヤーを基板２中に押込む裏面電界効果（ＢＳＦ）によって、基板２の裏面のパッシベーション（不動態化処理）を可能にする。Ｎ型基板２の場合、Ｐ＋層１８及び基板２が光電池２０のＰＮ接合を形成し、そして、Ｎ＋層４は、この例ではホールの、少数キャリヤーを基板２中に押込む正面電界効果（ＦＳＦ）によって、基板２の表面のパッシベーションを、このパッシベーションに寄与する反射防止層６とともに、実行する。S.Martinuzzi他の文献「太陽電池のためのＮ型マルチ結晶質のシリコン」第２０版のＥＰＳＥＣ、２００５年、バルセロナ、６３１〜６３４頁には、８５０℃及び９００℃の間で記述されているアニール温度での、この種の光電池が記載されている。
アニール作業において、水素は、シリコン基板２中での拡散が制限されて、結晶学欠陥及び不純物を皮膜で保護する水素イオンのような特性を有しない、水素分子Ｈ２を形成する前に、水素リッチな反射防止層６から数マイクロメートル以上、イオンの形態で移動する。しかしながら、合金層１６の形成中において、ギャップが基板２中において移動して、Ｈ２分子の解離を可能にし、そして、水素イオンが基板中のより深くに拡散することができ、基板２中のキャリヤーの寿命を強化して、従って、光電池２０の変換効率を向上する。この合金層１６も、分離メカニズムによって不純物をトラップする、ゲッター効果によって基板２のシリコンの品質を向上することを可能にする。このアニール作業中の水素化現象は、S.Martinuzzi他の文献「マルチ結晶体シリコン太陽電池の瑕疵の水素パッシベーション」、太陽エネルギー材料及び太陽電池、第８０巻、３４３〜３５３頁、２００３年に記載されている。
基板２中での水素の拡散は、拡張した結晶欠陥（例えばずれ又は双晶境界）の密度が高いときに、特に効果的である。例えば低品質の充填材（冶金のシリコン充填材）又は転位の多い材料（例えば電磁連続鋳造又はテープドローイングからの材料）から構築される材料中で、（主に金属性の）不純物の濃度が高いときに、水素によるパッシベーションは、非常に役立つ。
D.S.Kim他による、太陽エネルギー材料及び太陽電池、第９０巻、１２２７〜１２４０頁、２００６年の、文献「水素化欠陥による１８％以上の効率を有するリボンＳｉ太陽電池」には、ＲＴＰ（急速熱処理）炉中において７００℃及び８００℃間の温度で光電池の裏面をアニールすることが記載されている。記載されている例において、正面上の金属化層は、反射防止層及びチタン、パラジウム及び銀の蒸着のフォトリソグラフィ及びエッチングによって実行される。得られた電池は、テープドローイングによって得られたＰ型多結晶質のシリコン基板を有する１８％より僅かに上の効率を提供する、しかし、提案される方法は、経済的に現実的ではなく、産業的に適用するのが困難である。
S．K.Dhungel他による、半導体処理における材料科学、第７巻、４２７〜４３１頁、２００４年の、文献「ガスアニーリングの形成によるシリコン太陽電池の表面パッシベーションへの圧力の影響」には、上述のような光電池の製造方法において第１のアニール後に実行される第２のアニール作業が記載されている。この第２のアニール作業は、加圧（３Ｐａ）下で、ガス（Ｈ２及びＮ２）を含む管炉中で実行される。この種のアニールは、「フォーミングガスアニーリング」又はＦＧＡと呼ばれ、この文献において、光電池中のドープ層接触面である反射防止層のパッシベーション特性を向上するために、水素を光電池の反射防止層に取り入れることが意図されている。
本発明の目的は、上記の従来技術に従って製造される光電池よりも効率的であり、そして、産業上において経済的に現実的に光電池を得ることを可能にする光電池のアニール方法を提案することにある。
これを行うために、本発明は、第一種の導電性を有する半導体（例えばシリコン）をベースとする基板、第二種の導電性で不純物をドープされて基板中に製造され、基板の正面を形成している層、基板の正面上に製造されて、光電池の正面を形成する反射防止層、光電池の正面上の少なくとも一つの金属化層、及び、基板の裏面上の少なくとも一つの金属化層、を備える少なくとも一つの光電池をアニールするための方法を提案する。そして、この方法は、周囲空気中そして周囲圧力で、
ａ）約７００℃及び９００℃の間の温度で光電池に第１のアニールをすること、
ｂ）約２００℃及び５００℃の間の温度で光電池に第２のアニールをすること、
のステップを少なくとも含み、
この処理の間、基板中に水素が拡散される。
ａ）約７００℃及び９００℃の間の温度で光電池に第１のアニールをすること、
ｂ）約２００℃及び５００℃の間の温度で光電池に第２のアニールをすること、
のステップを少なくとも含み、
この処理の間、基板中に水素が拡散される。
「周囲圧力」によって、約１ｂａｒの標準圧力がここでの記載及びこの文献の残り全体に亘って意味される。これは、外部環境の圧力と異なる圧力が印加されるチャンバにおいて第２のアニールが実行されないことを意味する。「周囲空気」によって、外部の周囲環境の空気以外のガスが存在しているチャンバ中で第２のアニールが実行されないということが、ここでの記載及びこの文献の残り全体に亘って意味される。
このように、本発明によれば、光電池は、少なくとも２つの連続したアニールステップを受ける。第１のアニール作業は、前記反射防止層が水素リッチである場合、従来技術と同様に、反射防止層から基板中にイオンの形態での水素の移動を可能にする。基板中に拡散される水素は、基板における水素生成のステップによっても得られうる。第１のアニール作業よりも非常に低い温度で実行される第２のアニール作業によって、拡散された水素を基板中に存在する結晶欠陥又は不純物との更なる結合を形成させることが可能となる。このように、基板中のキャリヤーの寿命は長くなり、このように、セルの光起電力変換の効率が増大する。加えて、この第２のアニール作業は、従来技術におけるＨ２及びＮ２下でのアニール作業と異なって、いかなる圧力又はガス制約をも必要とせず、このことは、経済上の重要な利点を表す。
第２のアニール作業の目的は、主に、基板中に存在する水素と結晶欠陥に又は不純物との間の結合の形成を促進することによって基板の容量特性を強化することである。
従って、この方法は、低品質及び転位の豊富な材料（例えば電磁連続鋳造又はテープドローイングからのシリコン）の充填材から得られた基板を備える光電池の製造に特に適している。
本発明は、少なくとも一つの光電池を製造する方法にも関する。そして、この方法は、少なくとも次のステップを含む。すなわち、
第一種の導電性を有する半導体（例えばシリコン）をベースとして基板の表面をテクスチャライジング（織地化）すること、
第二種の導電性でドープされる、基板の正面を形成する層を、基板中に形成すること、
基板の正面上に、光電池の正面を形成する反射防止層を堆積させること、
光電池の正面上に少なくとも一つの金属化層を製造すること、
基板の裏面上に少なくとも一つの金属化層を製造すること、
本発明の目的でもある上述のアニールする方法を実施すること、
光電池の正面の金属化層を裏面の金属化層に電気的に接続する、第二種の導電性によってドープされる層の少なくとも一部を取り除くこと、である。
第一種の導電性を有する半導体（例えばシリコン）をベースとして基板の表面をテクスチャライジング（織地化）すること、
第二種の導電性でドープされる、基板の正面を形成する層を、基板中に形成すること、
基板の正面上に、光電池の正面を形成する反射防止層を堆積させること、
光電池の正面上に少なくとも一つの金属化層を製造すること、
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本発明の目的でもある上述のアニールする方法を実施すること、
光電池の正面の金属化層を裏面の金属化層に電気的に接続する、第二種の導電性によってドープされる層の少なくとも一部を取り除くこと、である。
本発明は、添付の図面を参照して、非限定的な表示として単に提供される例示の実施の形態の以下の説明を読むことで、よりよく理解される。
図１Ａ−図１Ｅは、上述の従来技術に従って光電池を製造するための方法のステップを示し、
図２Ａ−図２Ｃは、本発明に従って光電池をアニールするための方法のステップを示す。
図１Ａ−図１Ｅは、上述の従来技術に従って光電池を製造するための方法のステップを示し、
図２Ａ−図２Ｃは、本発明に従って光電池をアニールするための方法のステップを示す。
後述する異なる図面において、同一であるか、類似であるか、等価な部位は、図面同士の間の整合性のために同じ参照番号を有する。
図面の読込みをより容易にするために、図面に示される異なる部分は、均一なスケールに従って必ずしも示されるというわけではない。
様々な可能性（変形例及び実施例）は、相互に排他的なものではなく、互いに組み合わせられてもよいものとして理解されなければならない。
光電池１００をアニールするための方法のステップを示す、図２Ａ−図２Ｃを参照する。光電池１００を製造する方法のステップも、これらの図に関連して記載されている。
例えばＰ型の多結晶又は単結晶シリコンをベースの、第一種の導電性の基板１０２を図２Ａに示す。光電池１００を製造するために、基板２の表面は、水酸化カリウム溶液を使用して、最初に織地化される。例えばＮ＋型の、第二種の導電性でドープされる層１０４は、それから、基板１０２中でのリンの拡散によって形成される。この層１０４は、特に、例えばＰＥＣＶＤによって、反射防止層１０６が堆積する基板１０２の正面を形成する、反射防止層１０６は、例えば水素リッチな窒化ケイ素又は炭化ケイ素をベースとした、光電池１００の正面１０８を形成する。光電池１００のＰＮ接合は、Ｐ型基板１０２及びＮ＋層１０４によって形成される。
光電池１００をアニール処理の間、水素は、基板１０２中に拡散される。この水素は、例えば、水素リッチである場合に反射防止層１０６からもたらされうる。この水素は、この処理中において実施される、例えばプラズマによる基板１０２の水素化ステップの後、基板１０２に存在することもありえる。このステップは、例えば反射防止層１０６の堆積前及び／又は堆積後に、実行されうる。
図２Ａに示すように、（例えば銀ベースの）金属化層１１０は、例えば光電池１００の正面１０８上のシルクスクリーン印刷によって製造されうる。金属化層１１０は、銀以外の少なくとも一つの金属をベースにしてもよく、他の技術（例えばフォトリソグラフィ又はプリンティング）にもよっても形成されうる。（例えばアルミニウムベースの）金属化層１１２は、基板１０２の裏面上に製造される。この金属化層１１２は、例えば、シルクスクリーン印刷によって、又は、フォトリソグラフィ又はプリンティングによって製造されうる。
そして、図２Ｂに示すように、太陽電池１００は、第１のアニール作業を受けるために、例えば赤外線通過炉に置かれる。この第１のアニール作業は、約７００℃及び９００℃の間の温度で実行され、従って、金属化層１１０及びＮ＋層１０４間の接触部１１４、基板１０２のＰ＋ドープ層１１８及びアルミニウム及びシリコン合金をベースとした層１１６を形成して、金属化層１１２下でＮ＋層１０４を置換する。Ｐ型基板に対して、Ｐ＋ドープ層１１８は、少数キャリヤーを基板１０２に押込む裏面電界効果（ＢＳＦ）によって、基板１０２の裏面のパッシベーションを実行する。この第１のアニール作業において、水素は、水素リッチな反射防止層１０６から基板１０２中にイオンの形態で移動して、結晶欠陥及び基板１０２の不純物のパッシベーションを実行する。この第１のアニール作業は、従来のアニール炉において、又は、他の周知のアニール技術によっても実行されうる。この第１のアニール作業は、金属化層１１０及びＮ＋にドープされた領域１０４との間のより良好な接触を可能とするために、約１秒及び１０秒の間の期間で、約８００℃及び９００℃の間の温度で好ましくは実行される。
そして、光電池１００は、約２００℃及び５００℃の間の温度で、例えば赤外線通過炉中において、第２のアニール作業を受ける。このアニール作業は、金属化層１１０及び１１２を悪化させずに、水素−不純物又は水素−結晶欠陥結合の形成を可能にする。これらの結合は、基板のキャリヤーの寿命を増加させて、従ってセル１００の光起電力変換の効率を増加することを可能にする。
下記のテーブルは、第１のアニール作業及び第２のアニール作業との間に、そして、第２のアニール作業の後に生じた、３つの光電池の光起電性のパラメータ（Ｖｃｏ：開路電圧；Ｊｃｃ：短絡電流；ＡＲ：アスペクト比；η：変換効率）の測定値を示す。各々の光電池は、金属質の充填材から作成した、多結晶シリコンをベースとした基板を備える。これらの３つの電池に対して、第２のアニール作業は、約３００℃の温度で実行される。
これらの３つの電池に対して、アニール処理中に行われた第２のアニール作業によって、変換効率が平均で０．４４％増大していることが観察された。
この第２のアニール作業は、周囲圧力及び外気中で、従来の炉において、又は、他の周知のアニール技術によっても実行されうる。この第２のアニール作業は、金属化層１１０の金属拡散を増大することを可能にするために、約１０秒及び２分の間の期間中に、約３００℃に等しい温度で好ましく実行される。
最後に、図２Ｃに示すように、層１１８及び接触部１１４を接続しているＮ＋層１０４の部分は、すなわち正面の金属化層１１０を裏面の金属化層１１２に電気的に接続する部分は、取り除かれる。図２Ｃにおいて、例えばレーザー、プラズマ、コーティング又は他の任意のエッチング手段によっても、平面ＡＡ及びＢＢの外側にある光電池１００の全ての要素は、取り除かれる。
この第２のアニール作業は、上述の製造ステップを含む光電池の製造方法中に、行うこともできる。光電池が、上述した第２のアニール作業とともに、例えば第３又は第４のアニール作業になるような、２つ以上のアニール作業を受けることも、可能である。例えば、第１のアニール作業は、光電池の正面上の金属化層の形成後に、実行されてもよく、そして、第２のアニール作業は、基板の裏面上の金属化層の形成後に、実行されうる。
本発明による方法は、特にＮ型基板を備える光電池の製造にも適している。この場合、Ｐ＋ドープ層１１８は、光電池のＰＮ接合のエミッタとして作用する。そして、Ｎ＋ドープ層１０４は、少数キャリヤーを基板１０２中に押込む正面電界効果（ＦＳＦ）によって、基板１０２の正面のパッシベーションを行う。反射防止層１０６も、このパッシベーションに寄与する。第２の導電性でドープされる層１０４が、例えば基板１０２中のボロンの拡散によって得られる、Ｐ＋ドープ層であることも可能である。
１００ 光電池
１０２ Ｐ型基板
１０４ Ｎ＋層
１０６ 反射防止層
１１０ 金属化層
１１２ 金属化層
１１４ 接触部
１０２ Ｐ型基板
１０４ Ｎ＋層
１０６ 反射防止層
１１０ 金属化層
１１２ 金属化層
１１４ 接触部
Claims (14)
- 第一種の導電性を有するシリコンをベースとする基板（１０２）、第二種の導電性で不純物をドープされて前記基板中に製造されて前記基板の正面を形成している層（１０４）、前記基板の正面上に製造されて前記光電池の正面（１０８）を形成する反射防止層（１０６）、光電池の正面（１０８）上の少なくとも一つの金属化層（１１０）、及び、前記基板の裏面上の少なくとも一つの金属化層、を備える少なくとも一つの光電池（１００）をアニールするための方法であって、
前記方法は、周囲空気中そして周囲圧力で、
ａ）約７００℃及び９００℃の間の温度で前記光電池に第１のアニールをすること、
ｂ）約２００℃及び５００℃の間の温度で前記光電池に第２のアニールをすること、のステップをこの順番で少なくとも含み、この処理の間、
・前記反射防止膜から前記基板中に水素が拡散されるか、
・前記基板の水素生成ステップによって水素が得られるか、または、
・水素が、前記反射防止膜から前記基板中に拡散され、かつ前記基板の水素生成ステップによって得られる、方法。 - 前記反射防止層（１０６）は、水素リッチである、請求項１に記載の方法。
- 前記第１及び／又は第２のアニール作業は、赤外線通過炉中で実行される、請求項１又は２に記載の方法。
- 前記第二種の導電性でドープされる層（１０４）は、Ｎ＋ドープ層である、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記反射防止層（１０６）は、窒化ケイ素をベースにしている、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記基板（１０２）は、多結晶シリコンをベースにした基板である、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
- 前記光電池（１００）の正面（１０８）上に製造された金属化層（１１０）は、銀をベースにしている、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
- 前記基板（１０２）の裏面に生じた金属化層（１１２）は、アルミニウムをベースにしている、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
- 前記正面上の金属化層（１１０）及び／又は前記裏面上の金属化層（１１２）は、シルクスクリーン印刷によって実行される、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
- 少なくとも一つの光電池（１００）を製造する方法であって、
第一種の導電性を有するシリコンをベースとする基板（１０２）の表面を織地化すること、
第二種の導電性でドープされる、前記基板（１０２）の正面を形成する層（１０４）を、前記基板（１０２）中に形成すること、
前記基板（１０２）の正面上に、前記光電池（１００）の正面（１０８）を形成する反射防止層（１０６）を堆積させること、
前記光電池（１００）の正面上に少なくとも一つの金属化層（１１０）を製造すること、
前記基板（１０２）の裏面上に少なくとも一つの金属化層（１１２）を製造すること、
請求項１から９のいずれか１項に記載のアニールする方法を実施すること、
前記光電池（１００）の前記正面（１０８）の金属化層（１１０）を前記裏面の金属化層（１１２）に電気的に接続する、第二種の導電性でドープされる層（１０４）の少なくとも一部を取り除くこと、
というステップを少なくとも含む、方法。 - 前記基板（１０２）中に拡散する水素は、前記基板（１０２）の水素化ステップから得られ、
前記水素化ステップは、前記反射防止層（１０６）の堆積前及び／又は堆積後に、実行される、請求項１０に記載の方法。 - 前記織地化ステップは、水酸化カリウムをベースとした溶液によって行われる、請求項１０又は１１に記載の方法。
- 第二種の導電性でドープされた層（１０４）は、前記基板（１０２）中にリンの拡散によって形成したＮ＋層である、請求項１０から１２のいずれか１項に記載の方法。
- 前記反射防止層（１０６）は、ＰＥＣＶＤによって堆積する窒化ケイ素をベースにした層である、請求項１０から１３のいずれか１項に記載の方法。
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