JP5449579B2 - 太陽電池セルとその製造方法、および太陽電池モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、太陽電池セルとその製造方法、および太陽電池モジュールに関する。
従来の住宅用等に使用されるバルク型シリコン太陽電池セルは、一般的に以下のような方法により作製されている。まず、例えば第１導電型の基板としてｐ型シリコン基板を用意する。そして、シリコン基板において鋳造インゴットからスライスした際に発生するシリコン表面のダメージ層を、例えば数ｗｔ％〜２０ｗｔ％苛性ソーダや炭酸苛性ソーダで１０μｍ〜２０μｍ厚除去する。
つぎに、ダメージ層を除去した表面にテクスチャーと呼ばれる表面凸凹構造を作製する（たとえば、特許文献１参照）。太陽電池セルの表面側（受光面側）では、通常、光反射を抑制させて太陽光をできるだけ多くｐ型シリコン基板上に取り込むために、このようなテクスチャーを形成する。テクスチャーの作製方法としては、例えばアルカリテクスチャー法と呼ばれる方法がある。アルカリテクスチャー法では、数ｗｔ％の苛性ソーダや炭酸苛性ソーダなどのアルカリ系溶液にＩＰＡ（イソプロピルアルコール）等の異方性エッチングを促進する添加剤を添加した溶液で異方性エッチングを行ない、シリコン（１１１）面が出るようにテクスチャーを形成する。
続いて、拡散処理としてｐ型シリコン基板を例えばオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）、窒素、酸素の混合ガス雰囲気で例えば８００℃〜９００℃で数十分間処理し、表面前面に一様に第２導電型の不純物層としてｎ型層を形成する。シリコン表面に一様に形成されたｎ型層のシート抵抗を３０〜８０Ω／□程度とすることで、良好な太陽電池の電気特性が得られる。
ここで、ｎ型層は、シリコン表面に一様に形成されるので、表面と裏面とは電気的に接続された状態である。この電気的接続を遮断するために、例えばドライエチングによりｐ型シリコン基板の端面領域をエッチングする。また、その他の方法として、レーザによりｐ型シリコン基板の端面分離を行うこともある。この後、ｐ型シリコン基板をフッ酸水溶液に浸漬し、拡散処理中に表面に堆積したガラス質（ＰＳＧ）をエッチング除去する。
つぎに、反射防止を目的とした絶縁膜（反射防止膜）としてシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、酸化チタン膜などの絶縁膜をｎ型層の表面に一様な厚みで形成する。反射防止膜としてシリコン窒化膜を形成する場合は、例えばプラズマＣＶＤ法でシラン（ＳｉＨ４）ガス及びアンモニア（ＮＨ３）ガスを原材料にして、３００℃以上、減圧下の条件で成膜形成する。反射防止膜の屈折率は２．０〜２．２程度であり、最適な膜厚は７０ｎｍ〜９０ｎｍ程度である。なお、このようにして形成される反射防止膜は絶縁体であることに注意すべきであり、表面側電極をこの上に単に形成しただけでは、太陽電池として作用しない。
つぎに、グリッド電極形成用およびバス電極形成用のマスクを使用して、表面側電極となる銀ペーストを反射防止膜上にグリッド電極およびバス電極の形状にスクリーン印刷法により塗布し、乾燥させる。
つぎに、裏アルミニウム電極となる裏アルミニウム電極ペースト、および裏銀バス電極となる裏銀ペーストを基板の裏面にそれぞれ裏アルミニウム電極の形状および裏銀バス電極の形状にスクリーン印刷法により塗布し、乾燥させる。
つぎに、シリコン基板の表裏面に塗布した電極ペーストを同時に６００℃〜９００℃程度で数分間焼成する。これにより、反射防止膜上に表面側電極としてグリッド電極およびバス電極が形成され、シリコン基板の裏面に裏面側電極として裏アルミニウム電極および裏銀バス電極が形成される。ここで、シリコン基板の表面側では銀ペースト中に含まれているガラス材料で反射防止膜が溶融している間に銀材料がシリコンと接触し、再凝固する。これにより、表面側電極とシリコン基板（ｎ型層）との導通が確保される。このようなプロセスは、ファイヤースルー法と呼ばれている。また、裏アルミニウム電極ペーストもシリコン基板の裏面と反応し、裏アルミニウム電極の直下にｐ＋層が形成される。
上記のようにして形成されるバルク型シリコン太陽電池セルの光電変換効率を向上させるためには、基板の受光面側の表面の凹凸形状、すなわちテクスチャーの形状の最適化が重要である。従来、テクスチャーの形状については、開発段階において最適化された後、その形状を実現できるように、生産を実施している。
しかしながら、製造工程中の様々な要因により、テクスチャーの形状が、最適化された形状から逸脱した形状となった基板が発生する。このような基板を使用して製造された太陽電池セルは、光反射率が上昇し、最終的には太陽電池セルの光電変換効率が低下する。このため、この太陽電池セルは製品として出荷できず、太陽電池セルの歩留まりが低下する、という問題がある。また、アルカリテクスチャー法により形成された光反射率が良好ではない場合にテクスチャー形状を形成し直す目的で、再度アルカリテクスチャー法によるエッチングを実施することが考えられる。しかし、この場合は、光反射率は更に悪化する。また、太陽電池セルは長期間使用されるため、長期にわたって出力を維持できる信頼性を確保することも極めて重要な課題である。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、テクスチャーの形状に起因した光電変換効率の低下が防止され、光電変換効率、歩留まりおよび信頼性に優れた太陽電池セルとその製造方法、および太陽電池モジュールを得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる太陽電池セルは、受光面側である一面側に第２導電型の不純物元素が拡散された不純物拡散層を有する第１導電型の半導体基板と、前記不純物拡散層に電気的に接続して前記半導体基板の一面側に形成された受光面側電極と、前記半導体基板の前記受光面側と反対側の他面側に形成された裏面側電極と、を備え、前記半導体基板の他面側の表面に略４角錐形状の第１凹凸形状を有し、前記半導体基板の一面側の表面に略半球状の第２凹凸形状を有すること、を特徴とする。
本発明によれば、光電変換効率、歩留まりおよび信頼性に優れた太陽電池セルが得られる、という効果を奏する。
以下に、本発明にかかる太陽電池セルとその製造方法、および太陽電池モジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。
実施の形態
図１−１〜図１−３は、本発明の実施の形態にかかる太陽電池セル１の構成を説明するための図である。図１−１は、受光面側から見た太陽電池セル１の上面図である。図１−２は、受光面と反対側（裏面）から見た太陽電池セル１の下面図である。図１−３は、太陽電池セル１の要部断面図であり、図１−１のＡ−Ａ方向における要部断面図である。太陽電池セル１は、住宅用等に使用されるシリコン太陽電池である。
図１−１〜図１−３は、本発明の実施の形態にかかる太陽電池セル１の構成を説明するための図である。図１−１は、受光面側から見た太陽電池セル１の上面図である。図１−２は、受光面と反対側（裏面）から見た太陽電池セル１の下面図である。図１−３は、太陽電池セル１の要部断面図であり、図１−１のＡ−Ａ方向における要部断面図である。太陽電池セル１は、住宅用等に使用されるシリコン太陽電池である。
本実施の形態にかかる太陽電池セル１においては、ｐ型単結晶シリコンからなる半導体基板２の受光面側にリン拡散によってｎ型不純物拡散層３が形成されて、ｐｎ接合を有する半導体基板１１が形成されているとともに、ｎ型不純物拡散層３上にシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）よりなる反射防止膜４が形成されている。なお、半導体基板２としてはｐ型単結晶のシリコン基板に限定されず、ｎ型の単結晶シリコン基板を用いてもよい。
また、図１−３に示されるように、半導体基板１１の受光面側（ｎ型不純物拡散層３）および裏面側の表面には、微小凹凸により構成されるテクスチャー構造が形成されている。テクスチャー構造は、受光面において外部からの光を吸収する面積を増加し、受光面における光反射率を抑え、光を閉じ込める構造となっている。
ここで、本実施の形態にかかる太陽電池セル１では、半導体基板１１の受光面側と裏面側とに、異なる形状のテクスチャー構造が形成されている。半導体基板１１の裏面側には、シリコン（１１１）面が露出した略４角錐形状の微小凹凸からなる第１テクスチャー構造２ａが形成されている。また、半導体基板１１の受光面側には、お椀状（略半球状）の微小凹凸からなる第２テクスチャー構造２ｂが形成されている。第２テクスチャー構造２ｂのお椀状（略半球状）の微小凹凸形状は、後述するように第１テクスチャー構造２ａの略４角錐形状の微小凹凸がエッチングされて形成されたものである。お椀状（略半球状）のテクスチャー形状は、略４角錐形状のテクスチャー形状よりも低い光反射率を実現できる。
そして、第２テクスチャー構造２ｂは、第１テクスチャー構造２ａよりも低い光反射率を有する。すなわち、本実施の形態にかかる太陽電池セル１では、半導体基板１１の受光面側と裏面側とには、異なる形状の微小凹凸からなるテクスチャー構造が形成されている。そして、半導体基板１１の受光面側のテクスチャー形状は、半導体基板１１の裏面側のテクスチャー形状よりも低い光反射率を有する。
反射防止膜４は、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）や酸化チタン膜（ＴｉＯ２）膜などの反射防止を目的とした絶縁膜からなる。また、半導体基板１１の受光面側には、長尺細長の表銀グリッド電極５が複数並べて設けられ、この表銀グリッド電極５と導通する表銀バス電極６が該表銀グリッド電極５と略直交するように設けられており、それぞれ底面部においてｎ型不純物拡散層３に電気的に接続している。表銀グリッド電極５および表銀バス電極６は銀材料により構成されている。
表銀グリッド電極５は、例えば１００μｍ〜２００μｍ程度の幅を有するとともに２ｍｍ程度の間隔で略平行に配置され、半導体基板１１の内部で発電した電気を集電する。また、表銀バス電極６は、例えば１ｍｍ〜３ｍｍ程度の幅を有するとともに太陽電池セル１枚当たりに２本〜４本配置され、表銀グリッド電極５で集電した電気を外部に取り出す。そして、表銀グリッド電極５と表銀バス電極６とにより第１電極である受光面側電極１２が構成される。受光面側電極１２は、半導体基板１１に入射する太陽光を遮ってしまうため、可能なかぎり面積を小さくすることが発電効率向上の観点では望ましく、図１−１に示すような櫛型の表銀グリッド電極５とバー状の表銀バス電極６として配置してするのが一般的である。
シリコン太陽電池セルの受光面側電極の電極材料には、通常、銀ペーストが用いられ、例えば、鉛ボロンガラスが添加されている。このガラスはフリット状のもので、例えば、鉛（Ｐｂ）５〜３０ｗｔ％、ボロン（Ｂ）５〜１０ｗｔ％、シリコン（Ｓｉ）５〜１５ｗｔ％、酸素（Ｏ）３０〜６０ｗｔ％の組成から成り、さらに、亜鉛(Ｚｎ)やカドミウム（Ｃｄ）なども数ｗｔ％程度混合される場合もある。このような鉛ボロンガラスは、数百℃（例えば、８００℃）の加熱で溶解し、その際にシリコンを侵食する性質を有している。また一般に、結晶系シリコン太陽電池セルの製造方法においては、このガラスフリットの特性を利用して、シリコン基板と銀ペーストとの電気的接触を得る方法が用いられている。
一方、半導体基板１１の裏面（受光面と反対側の面）には、全体にわたってアルミニウム材料からなる裏アルミニウム電極７が設けられ、また表銀バス電極６と略同一方向に延在して銀材料からなる裏銀電極８が設けられている。そして、裏アルミニウム電極７と裏銀電極８とにより第２電極である裏面側電極１３が構成される。また、裏アルミニウム電極７には、半導体基板１１を通過する長波長光を反射させて発電に再利用するＢＳＲ（Back Surface Reflection）効果も期待している。
上記のような受光面側電極１２の材料としては銀を、裏面側電極の材料としてはアルミニウムと必要に応じて一部領域には銀を主成分とする材料を用いることが、低コストおよび性能向上の観点で一般的である。
また、半導体基板１１の裏面（受光面と反対側の面）側の表層部には、高濃度不純物を含んだｐ＋層（ＢＳＦ（Back Surface Field））９が形成されている。ｐ＋層（ＢＳＦ）９は、ＢＳＦ効果を得るために設けられ、ｐ型層（半導体基板２）中の電子が消滅しないようにバンド構造の電界でｐ型層（半導体基板２）電子濃度を高めるようにする。
このように構成された太陽電池セル１では、太陽光が太陽電池セル１の受光面側から半導体基板１１のｐｎ接合面（半導体基板２とｎ型不純物拡散層３との接合面）に照射されると、ホールと電子が生成する。ｐｎ接合部の電界によって、生成した電子はｎ型不純物拡散層３に向かって移動し、ホールはｐ＋層９に向かって移動する。これにより、ｎ型不純物拡散層３に電子が過剰となり、ｐ＋層９にホールが過剰となる結果、光起電力が発生する。この光起電力はｐｎ接合を順方向にバイアスする向きに生じ、ｎ型不純物拡散層３に接続した受光面側電極１２がマイナス極となり、ｐ＋層９に接続した裏アルミニウム電極７がプラス極となって、図示しない外部回路に電流が流れる。
以上のように構成された本実施の形態にかかる太陽電池セル１では、半導体基板１１の受光面側と裏面側とにおいて、異なる形状のテクスチャー構造が形成されている。そして、半導体基板１１の受光面側のテクスチャー形状は、半導体基板１１の裏面側のテクスチャー形状よりも低い光反射率を有する。すなわち、本実施の形態にかかる太陽電池セル１では、半導体基板１１の裏面側には、シリコン（１１１）面が露出した略４角錐形状の微小凹凸からなる第１テクスチャー構造２ａが形成されている。また、半導体基板１１の受光面側には、お椀状（略半球状）の微小凹凸からなる第２テクスチャー構造２ｂが形成されている。
お椀状（略半球状）のテクスチャー形状は、略４角錐形状のテクスチャー形状よりも低い光反射率を有するため、本実施の形態にかかる太陽電池セル１では半導体基板１１の受光面側において良好な光反射率が得られ、テクスチャーの形状に起因した光電変換効率の低下が防止される。これにより、太陽電池セル１の光電変換効率を高効率化することが可能となる。また、本実施の形態にかかる太陽電池セル１は、半導体基板１１の受光面側に第２テクスチャー構造２ｂを有することで、長期間にわたって光電変換効率を維持できる高い信頼性が確保される。
また、第２テクスチャー構造２ｂは、アルカリテクスチャー法により形成された第１テクスチャー構造２ａを酸テクスチャー法によりテクスチャー形状を再加工することで形成されている。これにより、第１テクスチャー構造２ａの光反射率が不十分な基板を用いて、良好な光電変換効率を有する太陽電池セル１が実現されており、歩留まりの良好な太陽電池セルが実現されている。したがって、本実施の形態にかかる太陽電池セル１によれば、光電変換効率、歩留まりおよび信頼性に優れた太陽電池セルが実現されている。
なお、上記においては、半導体基板として単結晶シリコン基板を用いたシリコン太陽電池を例に説明したが、本発明は、半導体基板としてシリコン以外の物質の基板においても、基板の表面側と裏面側とにおいて異なる形状のテクスチャー構造が形成され、半導体基板の受光面側のテクスチャー構造が半導体基板１１の裏面側のテクスチャー構造よりも低い光反射率を有することにより、上記と同様に効果を得ることができる。
以下、本実施の形態にかかる太陽電池セル１の製造方法について図面に沿って説明する。図２は、本発明の実施の形態にかかる太陽電池セル１の製造工程の一例を説明するためのフローチャートである。図３−１〜図３−８は、本発明の実施の形態にかかる太陽電池セル１の製造工程の一例を説明するための断面図である。図３−１〜図３−８は、図１−３に対応する要部断面図である。
まず、半導体基板２として例えば数百μｍ厚のｐ型単結晶シリコン基板を用意する（図３−１）。ｐ型単結晶シリコン基板は、溶融したシリコンを冷却固化してできたインゴットをワイヤーソーでスライスして製造するため、表面にスライス時のダメージが残っている。そこで、ｐ型単結晶シリコン基板を酸または加熱したアルカリ溶液中、例えば水酸化ナトリウム水溶液に浸漬して表面をエッチングすることにより、シリコン基板の切り出し時に発生してｐ型単結晶シリコン基板の表面近くに存在するダメージ領域を取り除く。例えば数〜２０ｗｔ％苛性ソーダや炭酸苛性ソーダで１０μｍ〜２０μｍ厚だけ表面を除去する。なお、ここでは、半導体基板２に用いるｐ型シリコン基板として、比抵抗が０．１Ω・ｃｍ〜５Ω・ｃｍであり、（１００）面方位のｐ型単結晶シリコン基板を例に説明する。
ダメージ除去に続いて、同様のアルカリ低濃度液、例えば数ｗｔ％の苛性ソーダや炭酸苛性ソーダ等のアルカリ系の液にＩＰＡ（イソプロピルアルコール）等の異方性エッチングを促進する添加剤を添加した溶液で異方性エッチングを行なう。この異方性エッチングにより、シリコン（１１１）面が出るようにｐ型単結晶シリコン基板の受光面側および裏面側の表面に略４角錐形状の微小凹凸が形成されて第１のテクスチャー構造として第１テクスチャー構造２ａが形成される（ステップＳ１０、図３−２）。すなわち、ｐ型単結晶シリコン基板の表裏面に対して、アルカリ系溶液を用いたウエットエッチング（アルカリテクスチャー法）によるテクスチャー構造の形成を行う。
つぎに、第１テクスチャー構造２ａが形成されたｐ型単結晶シリコン基板の表裏面の光反射率が反射率測定装置により測定され、光反射率が所定の基準を満たすか否かが判別される（ステップＳ２０）。光反射率の測定において、光反射率が所定の基準を満たさないｐ型単結晶シリコン基板に対しては更なるテクスチャー工程が実施される。
ここで、所定の基準は、例えば３００ｎｍ〜１２００ｎｍの光源に対する光反射率が３０％以下とされる。太陽電池セルは長期間使用される為、その信頼性を確保することは、極めて重要である。発明者が多数の太陽電池セルに対して信頼性試験を行った結果、テクスチャー構造の形成後の光反射率と信頼性試験の結果には、相関があることが分かった。信頼性試験は、自然環境以上の高温、高湿状態において、ｐ型単結晶シリコン基板の表裏面にテクスチャー構造２ａが形成された太陽電池セルの劣化を加速させて実施した。図４にその試験結果を示す。図４は、太陽電池セルの信頼性試験の結果を示す図であり、光電変換効率劣化率と最低反射率との関係を示す特性図である。
図４における光電変換効率劣化率は、信頼性試験後の太陽電池セルの光電変換効率を信頼性試験前の太陽電池セルの光電変換効率で割ったものである。また横軸の最低反射率は、波長が３００ｎｍ〜１２００ｎｍ光源に対する光反射率のうち、最も低い値を代表値として採用した。図４から、光反射率が３０％より大となると信頼性も低下することが分かった。この結果は、波長が３００ｎｍ〜１２００ｎｍの光源に対する光反射率が３０％より大であるｐ型単結晶シリコン基板を用いて作製された太陽電池セルは、信頼性が不十分な虞があることを示している。
アルカリテクスチャー法によるテクスチャー構造の形成処理の後において光反射率が所望の値を満足しない場合は（ステップＳ２０否定）、ｐ型単結晶シリコン基板の表面に対して酸系溶液を用いたウエットエッチング（以下、酸テクスチャー法と呼ぶ）によるテクスチャー構造の形成処理を実施する。酸テクスチャー法によるｐ型単結晶シリコン基板のエッチングは、アルカリテクスチャー法によるｐ型単結晶シリコン基板のエッチングとは異なり等方性エッチングである。このため、ｐ型単結晶シリコン基板の表面の面方位に依存せずに、均一にエッチングが進む。したがって、酸テクスチャー法によるエッチングでは、ｐ型単結晶シリコン基板の表面の状態に影響されずに、均一にエッチングが進む。
この結果、酸テクスチャー法による再度のエッチングにより、光反射率が良好ではない第１のテクスチャー構造の全部または一部を等方性エッチングして、第２のテクスチャー構造として第２テクスチャー構造２ｂを形成する（ステップＳ３０、図３−３）。第２テクスチャー構造２ｂのテクスチャー形状は、お椀状（略半球状）である。お椀状（略半球状）のテクスチャー形状は、略４角錐形状のテクスチャー形状よりも低い光反射率を有するため、このような第２テクスチャー構造２ｂを形成することにより、ｐ型単結晶シリコン基板の表面の光反射率を更に低減させることが可能である。すなわち、第２テクスチャー構造２ｂが形成されたｐ型単結晶シリコン基板の表面の光反射率は、第１テクスチャー構造２ａが形成された場合よりも低い光反射率となる。
本実施の形態では、第１テクスチャー構造２ａが形成されたｐ型単結晶シリコン基板を、体積比率でフッ酸が１２に対して硝酸を１にして混合した混合液（体積比率が、フッ酸：硝酸＝１２：１の混合液）に、１０秒間、表面（受光面側）を下にして浮かべた。このように酸系薬液にｐ型単結晶シリコン基板を浮かべながら表面のみをエッチングすることで、エッチング時の発熱や、過剰なエッチングを避けることが可能となる。この後、エッチングされた表面の状態を整えるために、ｐ型単結晶シリコン基板を薄いアルカリ溶液に２〜３秒間、浸漬する。
ここで、酸テクスチャー法によるエッチング後では、ｐ型単結晶シリコン基板の表面と裏面とでは、酸とアルカリのエッチング特性を反映してエッチング形状（テクスチャー形状）が異なる。すなわち、第１テクスチャー構造２ａのテクスチャー形状は略４角錐形状となるが、第２テクスチャー構造２ｂのテクスチャー形状はお椀状（略半球状）となる。なお、図３−３においては、ｐ型単結晶シリコン基板の表面側のテクスチャー形状は、全てお椀状の形状として示しているが、酸テクスチャー法の条件により第１テクスチャー構造２ａのテクスチャー形状を一部残した形状となることもある。この場合でも、ｐ型単結晶シリコン基板の表面側のテクスチャー構造全体としての光反射率は、裏面側の第１テクスチャー構造２ａの光反射率よりも低くなる。
また、酸テクスチャー法によるエッチングは、フッ酸と硝酸との混合液による方法に限定されない。例えば更に光反射率を低減できる第２テクスチャー構造２ｂを形成可能な方法として、ｐ型単結晶シリコン基板の表面に所望の形状の開口を有するエッチングマスクを形成した後に酸テクスチャー法によるエッチングを実施する方法などがある。
また、例えば、Journal of The Electrochemical Society, 146(2)457-461(1999)には、酸溶液にリン酸や酢酸を加えることにより、エッチングの制御性が向上することが示されている。更に本文献には、酸テクスチャー法によりエッチングした表面形状をＳＥＭ観察した写真が開示されている。この写真によれば、アルカリテクスチャー法によるエッチングではテクスチャー形状がピラミッド形状となるのに対して、酸テクスチャー法によるエッチングではテクスチャー形状がお椀状（略半球状）となることが分かる。
ただし、アルカリテクスチャー法によるエッチングによりｐ型単結晶シリコン基板上に最適なテクスチャー形状が実現できている場合は、酸テクスチャー法によるエッチングにより形成されたテクスチャー形状よりも、低い光反射率が得られる。このため、通常の太陽電池製造プロセスには、単結晶シリコン基板に対して、酸系溶液よるウエットエッチングを施すことはしない。
また、アルカリテクスチャー法によるエッチングにより形成された光反射率が良好ではない場合にテクスチャー形状を形成し直す目的で、再度アルカリテクスチャー法によるエッチングを実施した場合は、光反射率は更に悪化する。これは、アルカリテクスチャー法は、シリコンの（１１１）面が出るようにテクスチャー形成が進む異方性エッチングであり、極めて基板表面に敏感な処理である。この為、最初の処理で、基板の表面状態を通常のエッチング前の状態と異なる状態にすると、再度のアルカリテクスチャー法によるエッチングでは、最初に得られたテクスチャー構造の光反射率からさらに光反射率を下げることができない。ここで、通常のエッチング前の状態は、スライス直後の全面が（１００）面となっている状態である。
つぎに、半導体基板２にｐｎ接合を形成する（ステップＳ４０、図３−４）。すなわち、リン（Ｐ）等のＶ族元素を半導体基板２に拡散等させて数百ｎｍ厚のｎ型不純物拡散層３を形成する。ここでは、表面にテクスチャー構造を形成したｐ型単結晶シリコン基板に対して、熱拡散によりオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）を拡散させてｐｎ接合を形成する。これにより、第１導電型層であるｐ型単結晶シリコンからなる半導体基板２と、該半導体基板２の受光面側に形成された第２導電型層であるｎ型不純物拡散層３と、によりｐｎ接合が構成された半導体基板１１が得られる。
この拡散工程では、ｐ型単結晶シリコン基板を例えばオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）ガス窒素ガス、酸素ガスの混合ガス雰囲気中で気相拡散法により例えば８００℃〜９００℃の高温で数十分間、熱拡散させてｐ型単結晶シリコン基板の表面層にリン（Ｐ）が拡散したｎ型不純物拡散層３を一様に形成する。半導体基板２の表面に形成されたｎ型不純物拡散層３のシート抵抗の範囲が３０Ω／□〜８０Ω／□程度である場合に良好な太陽電池の電気特性が得られる。
ここで、ｎ型不純物拡散層３は半導体基板２の全面に形成される。このため、半導体基板２の表面（受光面）と裏面とは電気的に接続された状態である。そこで、この電気的接続を遮断するために、たとえばドライエッチングにより半導体基板２の端面領域をエッチングする（図３−５）。また、ｎ型不純物拡散層３の形成直後の表面には拡散処理中に表面に堆積したガラス質（燐珪酸ガラス、ＰＳＧ：Phospho-Silicate Glass）層が形成されている。このため、半導体基板２をフッ酸水溶液等に浸漬してＰＳＧ層をエッチング除去する。
つぎに、光電変換効率改善のために、半導体基板１１の受光面側の一面に反射防止膜４を一様な厚みで形成する（ステップＳ５０、図３−６）。反射防止膜４の膜厚および屈折率は、光反射を最も抑制する値に設定する。反射防止膜４の形成は、例えばプラズマＣＶＤ法を使用し、シラン（ＳｉＨ４）ガスとアンモニア（ＮＨ３）ガスの混合ガスを原材料に用いて、３００℃以上、減圧下の条件で反射防止膜４として窒化シリコン膜を成膜形成する。屈折率は例えば２．０〜２．２程度であり、最適な反射防止膜厚は例えば７０ｎｍ〜９０ｎｍである。また、反射防止膜４の表面形状は、第２テクスチャー構造２ｂのテクスチャー形状を引き継いだ形状とされる。
なお、反射防止膜４として、屈折率の異なる２層以上の膜を積層してもよい。また、反射防止膜４の形成方法は、プラズマＣＶＤ法の他に蒸着法、熱ＣＶＤ法などを用いてもよい。なお、このようにして形成される反射防止膜４は絶縁体であることに注意すべきであり、受光面側電極１２をこの上に単に形成しただけでは、太陽電池セルとして作用しない。
ついで、スクリーン印刷により電極を形成する。まず、受光面側電極１２を作製する（焼成前）。すなわち、半導体基板１１の受光面である反射防止膜４上に、表銀グリッド電極５と表銀バス電極６との形状に、ガラスフリットを含む電極材料ペーストである銀ペーストをスクリーン印刷によって塗布した後、銀ペーストを乾燥させる（ステップＳ６０、図３−７）。なお、図中では、表銀グリッド電極５の形状に塗布・乾燥された銀ペースト５ａのみを示している。
つぎに、半導体基板１１の裏面側にスクリーン印刷によって、裏アルミニウム電極７の形状に電極材料ペーストであるアルミニウムペースト７ａを塗布し、さらに裏銀電極８の形状に電極材料ペーストである銀ペーストを塗布し、乾燥させる（ステップＳ７０、図３−７）。なお、図中ではアルミニウムペースト７ａのみを示している。
なお、半導体基板１１の裏面においてはほぼ全面にアルミニウムペースト７ａが塗布される。このため、アルカリテクスチャー法によるエッチングにより形成されたテクスチャー形状は判別し難い。しかし、アルミニウムペースト７ａの回り込みを防止する為に、通常、半導体基板１１の裏面の外周部にはアルミニウムペースト７ａが塗布されない領域が設けられる。したがって、このアルミニウムペースト７ａが塗布されない領域において、半導体基板１１の裏面のテクスチャー形状を確認可能である。
その後、半導体基板１１の表面および裏面の電極ペーストを例えば６００℃〜９００℃で同時に焼成することで、半導体基板１１の表側では銀ペースト中に含まれているガラス材料で反射防止膜４が溶融している間に銀材料がシリコンと接触し再凝固する。これにより、受光面側電極１２としての表銀グリッド電極５および表銀バス電極６とが得られ、受光面側電極１２と半導体基板１１のシリコンとの導通が確保される（ステップＳ８０、図３−８）。このようなプロセスは、ファイヤースルー法と呼ばれる。
また、アルミニウムペースト７ａも半導体基板１１のシリコンと反応して裏アルミニウム電極７が得られ、かつ裏アルミニウム電極７の直下にｐ＋層９を形成する。また、銀ペーストの銀材料がシリコンと接触し再凝固して裏銀電極８が得られる（図３−８）。なお、図中では表銀グリッド電極５および裏アルミニウム電極７のみを示している。
以上の工程を実施することにより、図１−１〜図１−３に示される本実施の形態にかかる太陽電池セル１が得られる。なお、電極材料であるペーストの半導体基板１１への配置の順番を、受光面側と裏面側とで入れ替えてもよい。
また、アルカリテクスチャー法によるテクスチャー構造の形成処理の後において光反射率が所望の値を満足する場合は（ステップＳ２０肯定）、ステップＳ３０を行わずに従来と同様にステップＳ４０〜ステップＳ８０の工程を実施する。これにより、受光面側および裏面側に第１テクスチャー構造２ａが形成された太陽電池セルが得られる。
以上のような本実施の形態にかかる太陽電池セルの製造方法では、半導体基板１１の受光面側と裏面側とにおいて、異なる形状のテクスチャー構造を形成する。そして、半導体基板１１の受光面側のテクスチャー構造は、半導体基板１１の裏面側のテクスチャー構造よりも低い光反射率を有する。すなわち、本実施の形態にかかる太陽電池セルの製造方法では、半導体基板１１の裏面側にはアルカリテクスチャー法によりシリコン（１１１）面が露出した略４角錐形状の微小凹凸からなる第１テクスチャー構造２ａを形成する。また、半導体基板１１の受光面側には、アルカリテクスチャー法の実施後に酸テクスチャー法によりお椀状（略半球状）の微小凹凸からなる第２テクスチャー構造２ｂを形成する。
このようなテクスチャー構造形成工程を実施することにより、アルカリテクスチャー法により半導体基板１１の受光面側に形成された第１テクスチャー構造２ａの光反射率が不十分であり製品に適さない場合でもテクスチャー形状を再加工することで半導体基板１１の受光面側において良好な光反射率が得られ、テクスチャーの形状に起因した光電変換効率の低下が防止される。これにより、太陽電池セル１の光電変換効率を高効率化することが可能となる。
また、アルカリテクスチャー法により形成された第１テクスチャー構造２ａの光反射率が不十分な場合でも、酸テクスチャー法によりテクスチャー形状を再加工することで良好な光電変換効率を有する太陽電池セル１を製造することができる。これにより、アルカリテクスチャー法により形成された第１テクスチャー構造２ａの光反射率が不十分な基板も廃却せずに高品質な太陽電池セルに製品化することができ、歩留まりを向上させることができる。
また、テクスチャー構造による光反射率と信頼性との間には相関があり、受光面側における光反射率が低い太陽電池セル１は高い信頼性を有する。本実施の形態にかかる太陽電池セルの製造方法では、上述したようにテクスチャー構造により受光面側における光反射率が低い太陽電池セル１を作製できるため、長期間にわたって高い信頼性を有する太陽電池セル１を作製できる。したがって、本実施の形態にかかる太陽電池セルの製造方法によれば、光電変換効率、歩留まりおよび信頼性に優れた太陽電池セルを作製することができる。
また、上記の実施の形態で説明した構成を有する太陽電池セル１を複数配列し、隣接する太陽電池セル１同士を電気的に直列または並列に接続することにより、良好な光閉じ込め効果を有し、信頼性、光電変換効率に優れた太陽電池モジュールが実現できる。この場合は、隣接する太陽電池セルの一方の表銀バス電極６と他方の裏銀電極８とを電気的に接続すればよい。そして、これらを絶縁層で覆ってラミネートするラミネート工程を行う。これにより、複数の太陽電池セル１から構成される太陽電池モジュールが作製される。
以上のように、本発明にかかる太陽電池セルは、光電変換効率、歩留まりおよび信頼性に優れた太陽電池セルの実現に有用である。
１ 太陽電池セル
２ 半導体基板
２ａ 第１テクスチャー構造
２ｂ 第２テクスチャー構造
３ ｎ型不純物拡散層
４ 反射防止膜
５ 表銀グリッド電極
５ａ 銀ペースト
６ 表銀バス電極
７ 裏アルミニウム電極
７ａ アルミニウムペースト
８ 裏銀電極
９ ｐ＋（ＢＳＦ）層
１１ 半導体基板
１２ 受光面側電極
１３ 裏面側電極
２ 半導体基板
２ａ 第１テクスチャー構造
２ｂ 第２テクスチャー構造
３ ｎ型不純物拡散層
４ 反射防止膜
５ 表銀グリッド電極
５ａ 銀ペースト
６ 表銀バス電極
７ 裏アルミニウム電極
７ａ アルミニウムペースト
８ 裏銀電極
９ ｐ＋（ＢＳＦ）層
１１ 半導体基板
１２ 受光面側電極
１３ 裏面側電極
Claims (5)
- 受光面側である一面側に第２導電型の不純物元素が拡散された不純物拡散層を有する第１導電型の半導体基板と、
前記不純物拡散層に電気的に接続して前記半導体基板の一面側に形成された受光面側電極と、
前記半導体基板の前記受光面側と反対側の他面側に形成された裏面側電極と、
を備え、
前記半導体基板の他面側の表面に略４角錐形状の第１凹凸形状を有し、
前記半導体基板の一面側の表面に略半球状の第２凹凸形状を有すること、
を特徴とする太陽電池セル。 - 第１導電型の半導体基板の受光面側となる一面側および前記受光面側と反対側の他面側に対して異方性エッチングを施して略４角錐形状の第１凹凸形状を前記半導体基板の一面側と他面側との全面に形成する第１工程と、
前記半導体基板の一面側に対して等方性エッチングを施して略半球状の第２凹凸形状を前記半導体基板の一面側の表面に形成する第２工程と、
前記第１凹凸形状が形成された前記半導体基板の一面側に第２導電型の不純物元素を拡散して不純物拡散層を形成する第３工程と、
前記不純物拡散層に電気的に接続する電極を前記半導体基板の一面側に形成する第４工程と、
前記半導体基板の他面側に電気的に接続する電極を形成する第５工程と、
を含むこと、
を特徴とする太陽電池セルの製造方法。 - 前記第２工程は、前記第１凹凸形状が形成された前記半導体基板の一面側の光反射率を測定し、波長が３００ｎｍ〜１２００ｎｍの光源に対する最低光反射率が３０％より大きい場合に実施されること、
を特徴とする請求項２に記載の太陽電池セルの製造方法。 - 前記半導体基板が単結晶シリコン基板であり、
前記第１工程では、アルカリ溶液を用いたウエットエッチングにより前記第１凹凸形状を形成し、
前記第２工程では、酸溶液を用いたウエットエッチングにより前記第２凹凸形状を形成すること、
を特徴とする請求項２または３に記載の太陽電池セルの製造方法。 - 請求項１に記載の太陽電池セルの少なくとも２つ以上が電気的に直列または並列に接続されてなること、
を特徴とする太陽電池モジュール。
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