JP5516063B2 - コンビネーションマスク及び太陽電池の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、スクリーン印刷に使用されるコンビネーションマスクに関する。更に詳述すると、太陽電池製造のスクリーン印刷工程（拡散材料の印刷、電極材料の印刷等）に使用されるコンビネーションマスク、これを用いた太陽電池の製造方法に関する。
スクリーン印刷に使用されるスクリーンマスクは、主に、フレーム、スクリーンメッシュ及び感光乳剤で構成されている。スクリーンメッシュは、弾性の大きいポリエステルやナイロン等の合成樹脂系素材や、パターン高精細化に伴い剛性の優れたステンレススチール等の金属系素材のものが使用されている。合成樹脂系素材のメッシュの場合、メッシュの伸びにより印刷形状が変化してしまうため、精度の良い印刷ができない問題がある。一方、金属系素材の場合、剛性に優れ、印刷開始時は高精度の印刷が可能であるが、印刷回数増加による変形や、寸法伸縮が発生するため、印刷の安定性に問題がある。
高精度の印刷が必要で、安定性が要求される例として、貫通孔（スルーホール）を形成した結晶系シリコン太陽電池がある。一般に、結晶系シリコン太陽電池は、一導電型を有する単結晶或いは多結晶シリコン基板の表面（光を受光する受光面）、及び裏面（受光面の反対に設けられる面）のいずれか一方の面にＰ型領域が形成されており、他方の面にＮ型領域が形成されている。表裏面上には、それぞれの面で生成した電流を集電するための集電極（バスバー電極、フィンガー電極）が形成されている。集電極は、導電性を高め、抵抗損失を少なくするために、断面積を拡大することが重要である。しかし、この集電極の存在によって入射光が遮られるシャドウロスを減少させることも重要である。
集電極の低抵抗化と、太陽電池の有効受光面積を増加させるという相反する要求を両立する解決手法として、スルーホールを基板に設けて、受光面側の集電をスルーホールを介して裏面側で行うことにより、電荷の取出構造を全て裏面側に形成した、いわゆるバックコンタクト型の太陽電池セルが提案されている（特許文献１：特開昭６４−８２５７０号公報）。このスルーホールの電極印刷のために、スクリーン印刷を使用した場合、スルーホールからの印刷位置ずれがあると、電流の集電性が低下し、集電極の抵抗損失が増加する。
また、安定性が重視される例として、特許文献２（特開２００６−７６１４１号公報）にあるように、フラットパネルディスプレイ等の画像表示装置や、プリント基板、太陽電池等の電子部品の製造工程の１つで、各種基板上に形成された溝や穴等の凹部の内部に電極や発光層を形成する工程がある。これらの電極や発光層は、基板上に形成された凹部の内部に導電性ペーストや発光材料等を充填して形成されており、これらの材料が、凹部に十分に充填され、かつ凹部周辺の基板表面上にはみ出さないことが要求される。
図１にその概略図を示す。被印刷物をスクリーンチャックテーブル７に固定する。被印刷物としては、例えばシリコン単結晶ウェーハ１が用いられる。このシリコンウェーハ１の表面には、研削加工により溝状の凹部２が設けられている。シリコンウェーハ１上に、ウェーハ表面の溝状の凹部２に対応する位置に開口窓３が設けられているスクリーンマスク４を、このスクリーンマスク４とウェーハ１との間に間隔を設けて設置する。そして、スクリーンマスク４の上に印刷材料である導電性ペースト５を供給し、スクレッパ（不図示）をスクリーンマスク４に平行な方向に移動させてスクリーンマスクの開口窓３に導電性ペーストを充填する。次に、スキージ６を導電性ペースト５に直接接触させて加圧すると共に、スクリーンマスク４には接触しないようにしてスクリーンマスク４上を平行移動させると、スキージ６から導電性ペースト５を介してスクリーンマスク４に圧力がかかり、スクリーンマスク４がシリコンウェーハ１に接触し、導電性ペースト５が開口窓３を通って押し出され、ウェーハに形成された溝状の凹部内部に充填される。
こうした方法で得られる電極や発光層は、基板上に形成された凹部の内部に導電性ペーストや発光材料などを充填して形成されており、これらの材料が凹部に十分に充填され、かつ凹部周辺の基板表面上にはみださないことが要求される。しかし、従来のスクリーン印刷では、印刷安定性に問題があり、印刷位置ずれが起こり、はみだしが発生するため、設計通りの特性が得られないという難点があった。
その他の例として、特許文献３（特開２００９−１８２１５４号公報）にあるような、高アスペクト比の電極を基板上に形成させる場合がある。太陽電池は、一般にシリコンなどの半導体基板の受光面に光を受光するためのＰＮ接合が形成され、その上に複数の電力取出し用の電極が互いに平行になるよう形成されている。電極には、半導体基板から直接電力を取出すための櫛歯状のフィンガー電極や、このフィンガー電極に接続して電力を取出すバスバー電極がある。太陽電池の製造工程において、電極の形成には、スクリーン印刷を用いるのが一般的である。このスクリーン印刷法での電極形成は、通常、銀粒子、ガラスフリット、樹脂、溶剤等を配合した導電性ペーストが使用されている。基板上に電極パターンを有するように導電性ペーストをスクリーン印刷し、乾燥させた後、７００〜９００℃で高温熱処理を施すことにより電極が形成される。特に、基板から直接電力を取出すためのフィンガー電極は、光を遮らないよう基板上での占有面積が小さく、かつ低抵抗率を有することが要求され、そのため、ライン幅が細くて厚い、アスペクト比が高い電極を形成する必要がある。
そこで、特許文献３では、スクリーン印刷で第１層目の電極を形成した後、予め金属体である銅ワイヤー（直径５０μｍ）の一部に導電性接着剤を適量付着させ、この導電性接着剤が付着した銅ワイヤーを基板上の第１層目の電極上に直接接着し、加熱することにより導電性接着剤を固化させて、銅ワイヤーを基板上に固定してフィンガー電極を形成する方法が提案されている。図５（Ｂ）にその概略図を示す。シリコンウェーハ４１上に導電性ペーストをスクリーン印刷して第１層目電極４５ａを形成する。次に、導電性接着剤４５ｃが付着した銅ワイヤー４５ｂを基板上の第１層目電極４５ａ上に直接付着させ、加熱することにより導電性接着剤を固化させて金属体を基板上に固定してフィンガー電極（表面電極）４５を形成する。これにより、電極の線幅を狭くでき、基板上での占有面積を低減できるが、これを行う際、第１層目電極で印刷位置のずれがあると銅ワイヤーの接着位置決めが困難となる。更に、ライン幅が太くなってしまい、シャドウロスが増加して特性が低下するという問題もあった。
特開昭６４−８２５７０号公報 特開２００６−７６１４１号公報 特開２００９−１８２１５４号公報 特開２００８−７３９０３号公報
これらの問題を解決するために、スクリーンメッシュ周辺部に合成樹脂系素材のメッシュ、中央部に金属系素材のメッシュを配置したコンビネーションマスクが提案されている（特許文献４：特開２００８−７３９０３号公報）が、金属系素材のメッシュ面積については記載されておらず、金属系素材のメッシュ面積によっては印刷回数増加による変形や、寸法伸縮が発生し、安定性に問題が発生するという欠点がある。
合成樹脂系と金属系のスクリーンメッシュを含むコンビネ−ションのスクリ−ンマスクにおいて、金属系素材のメッシュ面積を小さくしなければ、金属系素材のみのスクリーンマスクと同様に印刷の安定性に対して対応が不十分である。しかしながら、金属系素材のメッシュ面積を減少させるには、次の問題が発生する。即ち、図２に示すように、従来のスクリーンマスクでは、スクリーン枠体であるフレーム１１内に合成樹脂系メッシュ１２が張設され、その内側に金属系素材のメッシュ１３が設けられている。この金属系素材のメッシュ１３には、印刷パターン（印刷部）１４及びスクリーンを印刷装置に取り付ける際の位置決めに必要なマーク１５が形成されている。スクリーンマスクの位置決めを行うには、２箇所以上の位置決めマークを製版に作製する必要があるが、それらの間隔が離れていた方が位置決め精度を向上できる。このように、従来のコンビネーションマスクは、金属系メッシュの部分に位置決めマークを作製していたため、金属系素材のメッシュ面積が広くなり、それに伴い、印刷回数増加による変形や、寸法伸縮が生じる問題があった。特に、太陽電池の拡散材料の印刷、電極材料の印刷は、微細なパターンを印刷により作製しなければならないため、印刷精度の向上とその再現性が必要となっている。
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、スクリーン印刷において、印刷回数増加による変形や、寸法伸縮などの歪がなく、長期安定性が良好なスクリーンマスク、特に、太陽電池製造における印刷工程（拡散材料の印刷、電極材料の印刷等）用として有用なスクリーン印刷用コンビネーションマスク、これを用いた太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討した結果、枠体と、この枠体内に張設された合成樹脂系スクリーンメッシュと、上記合成樹脂系スクリーンメッシュの中央部に配設された金属系等の剛性材料系スクリーンメッシュと、この剛性材料系スクリーンメッシュ内に形成された印刷部とを備えるコンビネーションマスクであって、上記剛性材料系スクリーンメッシュの面積割合が、スクリーンメッシュ面積全体の４０％以下であるものが、スクリーン印刷の際、印刷回数増加による変形や、寸法伸縮などの歪がなく、長期安定性に優れ、特に、太陽電池製造における印刷工程（拡散材料の印刷、電極材料の印刷等）用として有用であることを見出し、本発明をなすに至った。
従って、本発明は、下記のコンビネーションマスク及び太陽電池の製造方法を提供する。
請求項１：
枠体と、該枠体内に張設された線径２０〜１２０μｍの合成樹脂系スクリーンメッシュと、該合成樹脂系スクリーンメッシュの中央部に配設された線径１０〜２００μｍの剛性材料系スクリーンメッシュと、該剛性材料系スクリーンメッシュ内に形成された印刷部とを備え、太陽電池用基板の所定位置に不純物拡散層形成用の拡散剤及び／又は電極形成用の導電性ペーストをスクリーン印刷するためのコンビネーションマスクであって、
上記剛性材料系スクリーンメッシュの面積割合が、一辺１５０〜１４００ｍｍの正方形であるスクリーンメッシュ面積全体の１５％以上３０％以下であることを特徴とする太陽電池製造用コンビネーションマスク。
請求項２：
スクリーン位置合わせ用の位置決めマークが、合成樹脂系スクリーンメッシュ上に形成されてなる請求項１記載のコンビネーションマスク。
請求項３：
合成樹脂系スクリーンメッシュが、ポリエステル及びナイロンより選ばれる樹脂からなり、剛性材料系スクリーンメッシュが、金属、セラミック、ガラス、アラミド及びカーボンより選ばれる材料からなるものである請求項１又は２記載のコンビネーションマスク。
請求項４：
請求項１乃至３のいずれか１項記載のコンビネーションマスクを用いた太陽電池の製造方法であって、
上記コンビネーションマスクを用いて太陽電池用基板の所定位置に所定の不純物を含む拡散剤をスクリーン印刷し、熱処理して不純物拡散層を形成する工程、及び／又は上記コンビネーションマスクを用いて太陽電池用基板の所定位置に導電性ペーストをスクリーン印刷し、焼成して電極を形成する工程を有することを特徴とする太陽電池の製造方法。
請求項５：
上記電極を形成する工程が、上記太陽電池用基板に設けられた貫通孔又は溝状凹部の内部にスクリーン印刷により導電性ペーストを充填して電極を形成するものであることを特徴とする請求項４記載の太陽電池の製造方法。
請求項６：
上記不純物拡散層を形成する工程が、二段エミッタ層を構成する高濃度不純物拡散層を形成するものであることを特徴とする請求項４記載の太陽電池の製造方法。
請求項７：
上記電極を形成する工程が、上記高濃度不純物拡散層上に電極を形成するものであることを特徴とする請求項６記載の太陽電池の製造方法。
合成樹脂系スクリーンメッシュと、金属系等の剛性材料系スクリーンメッシュを有するコンビネーションマスクにおいて、剛性材料系スクリーンメッシュの面積割合をスクリーンメッシュ面積全体の１５％以上３０％以下にしたコンビネーションマスクとすることで、高精度のスクリーン印刷が可能である。また、本発明のコンビネーションマスクは、印刷回数増加による変形や、寸法伸縮などの歪がなく、長期安定性に優れ、高精度の印刷が必要である太陽電池の拡散材料の印刷、電極材料の印刷に適用でき、その印刷再現性の向上により、印刷位置調整の作業が低減でき、印刷可能枚数を増加させることができる。
スクリーン印刷工程を示す概略図である。 従来のコンビネーションマスクを示す概略平面図である。 本発明のコンビネーションマスクの一例を示す概略平面図である。 太陽電池セルの製造工程を示す概略図である。（ａ）は基板、（ｂ）は基板に貫通孔を形成した状態、（ｃ）は基板表面にテクスチャを形成した状態、（ｄ）は基板と逆の導電型層を形成した状態、（ｅ）は反射防止膜を形成した状態、（ｆ）は高濃度不純物ドープ層を形成した状態、（ｇ）は受光面電極及び貫通構内電極を形成した状態、（ｈ）は裏面電極及び出力取出電極を形成した状態をそれぞれ示す。 （Ａ）は二層電極を有する太陽電池の概略断面図であり、（Ｂ）はその電極部分の部分拡大図である。 本発明のコンビネーションマスクによるピッチ寸法の経時変化を示すグラフである。 従来のコンビネーションマスクによるピッチ寸法の経時変化を示すグラフである。
本発明のコンビネーションマスクは、枠体と、この枠体内に張設された合成樹脂系スクリーンメッシュと、この合成樹脂系スクリーンメッシュの中央部に配設された剛性材料系スクリーンメッシュと、この剛性材料系スクリーンメッシュ内に形成された印刷部とを備えるコンビネーションマスクであって、上記剛性材料系スクリーンメッシュの面積割合が、スクリーンメッシュ面積全体の４０％以下であることを特徴とする。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図３は本発明のコンビネーションマスクの一例を示す概略平面図である。フレーム（四角状枠体）２１はスクリーン枠であり、軽量で、剛性に優れたステンレススチール、アルミニウム等が用いられる。このフレーム２１内に合成樹脂系メッシュ２２が張設されており、この合成樹脂系メッシュ２２としては、伸縮性や弾性の高い素材であるポリエステル、ナイロン等が用いられる。この合成樹脂系メッシュ２２には、必要に応じて、スクリーンを印刷装置に取り付ける際、位置を決めるための位置決めマーク２５を作製する。合成樹脂系メッシュの中央部には剛性材料系メッシュ２３が取り付けられており、この剛性材料系メッシュとしては、伸縮性や弾性が小さく、剛性の高い形状精度と、寸法精度に優れた金属（ステンレススチール等）、セラミックス、ガラス、アラミド、カーボン等の剛性を備えた繊維等を用いることができる。耐刷性向上、寸法・位置精度安定性向上、大型版や高メッシュでの材料コスト低減の点から、この剛性材料系素材のメッシュ内に、所定形状の印刷パターン（印刷部）２４を形成する。
フレーム２１に合成樹脂系メッシュ２２及び剛性材料系メッシュ２３を取り付ける方法としては、フレーム２１に合成樹脂系メッシュ２２を張力をかけながら取り付けた後、剛性材料系メッシュ２３を接合する方法でも、合成樹脂系メッシュ２２に張力を付与することで支持体とし、剛性材料系メッシュ２３を位置合わせ後、接合させ、これをフレーム２１に接合する方法でも良い。接合は、接着剤等により行うことができる。フレームの大きさ、メッシュ全体の面積は特に制限されず、通常、フレームの大きさは３００×３００ｍｍ〜１５００×１５００ｍｍであり、メッシュ全体の面積は１５０×１５０ｍｍ〜１４００×１４００ｍｍである。
本発明においては、剛性材料系メッシュの面積をスクリーンメッシュ全体の面積の４０％以下、好ましくは３５％以下、特に３０％以下にする。剛性材料系メッシュ面積の下限値は特に制限されないが、材料コスト、装置コストの点から、１５％以上であることが好ましい。剛性材料系素材のメッシュ面積が広すぎると、耐刷性低下、寸法安定性低下、材料コスト（メッシュ）上昇の原因となり、狭すぎると印刷位置合わせ精度の低下、製版材料コストの上昇、装置コストを招く場合がある。
また、合成樹脂系メッシュの線径は特に制限されないが、弾性回復力の点から２０μｍ以上、特に２５〜１２０μｍが好ましく、平織、綾織等の織組織のものを用いることができる。剛性材料系メッシュの線径も特に制限されないが、剛性の点から１０〜２００μｍが好ましい。
剛性材料系素材のメッシュ面積を上記範囲にするには、スクリーン位置決めマークの位置を合成樹脂系メッシュに作製する。このことにより、位置決めマークの位置を離すことができ、スクリーン取り付けの位置精度を向上させることもできる。
本発明のコンビネーションマスクはスクリーン印刷に好適に用いられるが、スクリーン印刷方法としては、常法に従って行うことができ、スクリーンメッシュ上に印刷材料を塗布し、スキージ（へら）で０．１〜０．３ＭＰａの圧力を加えながらこれを１００〜３００ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動させて、本発明のコンビネーションマスクを介して印刷材料を被印刷物面に押し出して印刷することができる。本発明のコンビネーションマスクを用いたスクリーン印刷方法は、高精度の印刷が可能であり、特に太陽電池の製造において有用である。本発明のコンビネーションマスクを使用した太陽電池の製造方法についての一実施形態を以下に示す。
本発明の太陽電池の製造方法は、半導体基板の片面にこれとは異なる導電型の不純物層を形成した後、この不純物層上に導電性ペーストを塗布して電極を形成する工程を含む製造方法であって、上記不純物層を、上記不純物を含む拡散剤をスクリーン印刷方法により本発明のコンビネーションマスクを介して印刷後、熱処理して形成すると共に、上記電極を、上記導電性ペーストをスクリーン印刷方法により本発明のコンビネーションマスクを介して印刷後、熱処理して形成することを特徴とする。
＜太陽電池の製造例１＞
基板
太陽電池の基板としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン等が用いられ、単結晶シリコン基板の場合、ＣＺ法やＦＺ法などの製法で作製された単結晶シリコンインゴットから切断されたものを用いることができる。多結晶シリコン基板の場合、キャスト法や鋳型内凝固法などの製法で作製された多結晶インゴットから切り出すことで得ることができる。また、リボン法等の引き上げ法で得られた板状シリコンを用いる場合は、この板状シリコンを所定の大きさにカットし、必要に応じて表面研磨処理等を施すことで、図４（ａ）に示すように、受光面（表面）３１ａと非受光面（裏面）３１ｂを有する所望のシリコン基板３１を得ることができる（図４（ａ））。
シリコン基板の導電型の制御は、上記各シリコンインゴットの製造工程において、ドーパント元素そのもの、またはドーパント元素が適量含まれたドーパント剤を、適量、シリコン融液中に溶かすことで実現できる。以下では、ボロン（Ｂ）又はガリウム（Ｇａ）が１×１０15〜１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度の濃度でドープされたＰ型結晶シリコン基板を用いた場合について説明する。ここで、Ｇａを用いれば、基板中の酸素とボロンとが関係して生じる光劣化現象を回避できるので高効率化に好適である。また、シリコン基板の厚みは、３００μｍ以下にすることが好ましく、より好ましくは２５０μｍ以下、更に好ましくは１５０μｍ以下にすればよい。基板の厚さは、通常１００μｍ以上である。また、Ｐ（リン）等をドープしたＮ型結晶シリコン基板を用いることもできる。
得られたシリコン基板は、基板の切り出し（スライス）に伴う基板表層部の機械的ダメージ層や、汚染層を除去するために、切り出した基板の受光面側及び裏面側の表層部分をＮａＯＨやＫＯＨ水溶液、あるいはフッ酸と硝酸の混合液などでそれぞれ１０〜２０μｍ程度エッチングし、その後、純水などで洗浄する。
貫通孔の形成工程
次に、シリコン基板（半導体基板）３１を厚み方向に貫通する貫通孔３２を形成する（図４（ｂ））。貫通孔３２は、機械的ドリル、ウォータージェット、レーザー装置等を用いて、シリコン基板３１の受光面側３１ａから裏面側３１ｂに向けて形成することにより、裏面開口部における断面積を最小とすることが可能となる。なお、貫通孔３２は、受光面全体にわたって一定のピッチで複数形成されることが好ましい。貫通孔３２の円形状開口部の直径は、５０〜３００μｍであることが好ましい。また、貫通孔３２にダメージ層がある場合には、エッチングすることが好ましく、例えば、フッ酸と硝酸を２：７の質量比で混合した溶液にてミラーエッチングを行ってもよい。
受光面のテクスチャ構造形成工程
次に、シリコン基板３１の受光面側３１ａに、光反射率の低減を効果的に行うための微細な凹凸形状をもつテクスチャ構造３３を形成する（図４（ｃ））。その理由は、可視光域の反射率を低減させるために、できる限り２回以上の反射を受光面で行わせる必要があるためである。凹凸を構成する一つ一つの山の高さは１〜２０μｍ程度でよい。代表的な表面凹凸構造としてはＶ溝，Ｕ溝が挙げられる。テクスチャ構造３３の形成方法としては、研削機を利用することができる。また、ランダムな凹凸構造を作るには、ＮａＯＨ（又はＮａＯＨにイソプロピルアルコールを加えた水溶液）やＫＯＨなどによるアルカリ液によるウェットエッチング法や、酸エッチング、シリコンをエッチングする性質を有するエッチングガスを用いるドライエッチング法を用いることができる。ウェットエッチング法は、先に述べた基板表層部のダメージ層を除去するプロセスに連続して行うこともできるので、特に裏面側をエッチング防止材でマスクしない限り、裏面側にもテクスチャ構造が形成されるため好ましい。ドライエッチング法は、基本的に、処理した面（受光面側）にだけ微細なテクスチャ構造３３が形成される。ドライエッチング法には様々な手法があるが、特にＲＩＥ法（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ法）を用いると、広い波長域に亘って極めて低い光反射率に抑えられる微細なテクスチャ構造を広範囲に亘って短時間で形成することができるので、高効率化に極めて有効である。また、ＲＩＥ法を用いると、結晶の面方位に大きく影響されないでテクスチャ構造を形成できる特徴があるので、シリコン基板として多結晶シリコン基板を用いる場合でも、多結晶シリコン基板内の各結晶粒の面方位に依存しないで、基板全域に亘って低反射率を有する微細テクスチャ構造を一様に形成することができる。
逆導電型層の形成工程
次に、シリコン基板の受光面にこの基板とは異なる導電型の第１逆導電型層３４ａを形成すると共に、貫通孔３２の内壁にも逆導電型をなす第２逆導電型層３４ｂを形成し、更に裏面上に第３逆導電型層３４ｃを形成する（図４（ｄ））。逆導電型層３４を形成するためのＮ型化ドーピング元素としては、Ｐ（リン）を用いることが好ましく、シート抵抗が６０〜３００Ω／□程度のＮ+型とする。これによって上述のＰ型バルク領域との間にＰＮ接合部が形成される。
逆導電型層３４は、ペースト状態にしたＰ2Ｏ5（拡散剤）をシリコン基板３１の表面にスクリーン印刷機によって印刷して、ベークし、熱拡散させる塗布熱拡散法、ガス状態にしたＰＯＣｌ3（オキシ塩化リン）を拡散源とした気相熱拡散法、Ｐ+イオンを直接拡散させるイオン打ち込み法などによって形成されるが、本発明のコンビネーションマスクを用いたスクリーン印刷法を採用した塗布熱拡散法は、シリコン基板の定位置にＰＮ接合を形成可能である点において効果的である。また、気相拡散法を用いればシリコン基板３１の両面及び貫通孔３２の内壁に、同時に逆導電型層３４を形成することができるため好ましい。
第１逆導電型層３４ａは、基板表面から０．２〜０．５μｍ程度の深さに形成されることが好ましい。なお、第２逆導電型層３４ｂは、貫通孔３２内部に形成されるため、第１逆導電型層３４ａに比べて、ドーパント濃度が低く、厚みが薄くなりやすい。また、処理対象領域以外にも拡散領域が形成されるような条件下では、その部分に予め絶縁材料層を形成することにより、部分的に拡散を低減でき、また、絶縁材料層を形成しない場合には、処理対象領域以外に形成された部分を後からエッチングして除去してもよい。
なお、後述するように、裏面の高濃度ドープ層３６（図４（ｆ））をアルミニウムペーストによって形成する場合は、Ｐ型ドープ剤であるアルミニウムを十分な濃度で十分な深さまで拡散させることができるので、既に拡散してあった浅い逆導電型層３４ｃの影響は無視することができ、この高濃度ドープ層３６形成位置に存在する逆導電型層は、特に除去する必要がない。
逆導電型層３４の形成方法は、上記の方法に限定されるものではなく、例えば薄膜技術を用いて、水素化アモルファスシリコン膜や、微結晶シリコン膜を含む結晶質シリコン膜などを形成してもよい。ここで水素化アモルファスシリコン膜を用いて逆導電型層３４を形成する場合は、その厚さは５０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下であり、結晶質シリコン膜を用いて形成する場合は、その厚さを５００ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以下とすることが望ましい。更に、シリコン基板３１と逆導電型層３４との間に、ｉ型シリコン領域を厚さ２０ｎｍ以下で形成してもよい。
反射防止膜の形成工程
次に、第１逆導電型層３４ａの上に、反射防止膜３５を形成する（図４（ｅ））。反射防止膜（兼表面保護膜）の材料としては、ＳｉＮｘ膜（Ｓｉ3Ｎ4ストイキオメトリを中心にして組成比（ｘ）には幅がある）、ＴｉＯ2膜、ＳｉＯ2膜、ＭｇＯ膜、ＩＴＯ膜、ＳｎＯ2膜やＺｎＯ膜などを用いることができる。その屈折率及び厚みは、材料によって適宜選択されて適当な入射光に対して無反射条件を実現できるようにすればよく、例えばシリコン半導体基板である場合、屈折率は１．８〜２．３程度、厚みは５０〜１２０ｎｍ、特に７０〜１００ｎｍ程度にすればよい。
反射防止膜の形成方法としては、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ法）、ダイレクトプラズマＣＶＤ法、リモートプラズマＣＶＤ法、コーティング法、蒸着法やスパッタリング法などを用いることができる。経済的な観点から、シリコン窒化膜をプラズマＣＶＤ法によって形成するのが好適である。更に、上記反射防止膜上にトータルの反射率が最も小さくなるような条件、例えば二フッ化マグネシウム膜といった屈折率が１〜２の間の膜を形成すれば，反射率が更に低減し、生成電流密度は高くなる。
反射防止膜は、受光面側電極３７ａ（図４（ｇ））を形成するために所定のパターンでパターニングしておいてもよい。パターニング法としては、レジストなどのマスクを用いたエッチング法（ウェットあるいはドライ）や、反射防止膜形成時にマスクを予め形成しておき、反射防止膜形成後にマスクを除去する方法等を用いることができる。なお、反射防止膜３５の上に受光面側電極３７ａの導電性ペーストを直接塗布し、焼き付けることによって受光面側電極３７ａと第１逆導電型層３４ａとを電気的に接触させる、いわゆるファイヤースルー法を用いる場合は、上記パターニングの必要はない。
また、受光面側電極３７ａ（図４（ｇ））を形成した後に反射防止膜３５を形成してもよく、こうすることによって、パターニングする必要がなく、またファイヤースルー法を用いる必要もないため、受光面側電極の形成条件を広くすることができ、例えば、８００℃程度の高温焼成をする必要もない。
裏面への高濃度ドープ層形成工程
次に、シリコン基板３１の裏面には、この基板３１と同じ導電型の不純物が高濃度に拡散された高濃度ドープ層３６を形成する（図４（ｆ））。この高濃度ドープ層とは、シリコン基板よりもこの基板と同じ導電型の不純物のドーピング割合が多い層を意味し、シリコン基板の裏面近くでのキャリア再結合による効率低下を低減するために内部電界を形成するものである。
不純物元素としては、ボロン（Ｂ）やアルミニウム（Ａｌ）を用いることができ、不純物元素濃度を１×１０18〜５×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3程度の高濃度として、Ｐ+型とすることにより、後述する裏面集電電極３８との間にオーミックコンタクトを得ることができる。高濃度ドープ層３６は、三臭化ボロン（ＢＢｒ3）を拡散源とした熱拡散法を用いて温度８００〜１１００℃程度で形成することができる。なお、この工程を行うに際して、既に形成されている第３逆導電型層３４ｃに酸化膜などの拡散バリアを形成しておくことが望ましい。また、不純物元素としてアルミニウムを用いる場合は、アルミニウム粉末と有機ビヒクル等からなるアルミニウムペーストをスクリーン印刷法で塗布した後、温度７００〜８５０℃程度で熱処理（焼成）して、アルミニウムをシリコン基板内に拡散する方法を用いることができる。
このアルミニウムペーストの印刷の際、高精度の印刷が必要になるため、スクリーン印刷用の製版として、スクリーンメッシュ周辺部が合成樹脂系のメッシュで、中央部が金属等の剛性材料系のメッシュで構成されたコンビネーションマスクを使用するのが好ましいが、剛性材料系のメッシュ面積を小さくしなければ、金属系素材の製版と同様に印刷の安定性に対して対応が不十分である。剛性材料系素材のメッシュ面積がスクリーン全体のメッシュ面積の４０％以下である本発明のコンビネーションマスクにより、スルーホールからの印刷位置ずれの防止が可能となり、電流の集電性の低下及び集電極の抵抗損失の低下を防止できる。
また、上記の各方法に限定されず、たとえば薄膜技術を用いて水素化アモルファスシリコン膜や微結晶シリコン相を含む結晶質シリコン膜などを形成しても良い。特にＰＮ接合部を薄膜技術を用いて形成した場合は、高濃度ドープ層３６の形成も薄膜技術を用いて行うことが好ましい。このとき膜厚は１０〜２００ｎｍ程度とする。更に、シリコン基板３１と高濃度ドープ層３６との間にｉ型シリコン領域を厚さ２０ｎｍ以下で形成すると特性向上に有効である。
表面及び裏面電極の形成工程
次に、シリコン基板３１に、受光面側電極３７ａと貫通孔内電極３７ｂを形成する（図４（ｇ））。これらの電極は、シリコン基板３１の受光面に塗布法を用いて導電性ペーストを塗布すればよく、金属粉末（例えば銀、銅、金、白金等）、有機ビヒクル及びガラスフリットを含有する導電性ペーストを所定の電極形状となるよう受光面に塗布し、また、貫通孔３２内にも導電性ペーストを充填する。導電性ペーストとしては、生産面、特性面の両方から銀ペーストを用いることが好ましい。
この工程においても、高精度印刷製版が必要となるため、本発明のコンビネーションマスクを使用することで、安定した印刷が可能となる。受光面に塗布する導電性ペーストと貫通孔内に充填する導電性ペーストとは同じであっても異なっても構わないが、受光面に塗布する導電性ペーストは、第１逆導電型層３４ａとのコンタクト性を重視したペーストを用い、貫通孔内に充填する導電性ペーストは耐湿性を重視したペーストを用いた方が好ましい。塗布する順番は、受光面側が先であっても後であっても構わない。そして、最高温度５００〜８５０℃で数十秒〜数十分程度焼成することにより受光面側電極３７ａと貫通孔内電極３７ｂとが形成される。
なお、塗布後、所定の温度で溶剤を蒸散させて乾燥させる方が好ましい。また、受光面及び貫通孔内にペーストを塗布した後、生産性の観点から受光面上のペーストと貫通孔内のペーストとを同時に焼成することが好ましいが、それぞれを最適な焼成条件で別々に焼成を行っても構わない。特に、反射防止膜を形成した後、反射防止膜に直接導電性ペーストを塗布し、貫通孔内に導電性ペーストを充填した後に焼成を行うことが好ましい。上記方法によって、ファイヤースルーして、受光面側電極３７ａと貫通孔内電極３７ｂとが同時焼成されるため、生産性を向上することができる。
受光面側電極３７ａに用いる導電性ペーストとしては、主成分を銀粉末とし、例えば、銀粉末１００質量部に対して、有機ビヒクルを１０〜３０質量部、ガラスフリットを０．１〜１０質量部添加したものを用いることができ、貫通孔内電極３７ｂに用いる導電性ペーストとしては、銀粉末１００質量部に対して、有機ビヒクルを１０〜３０質量部添加したものを用いることができる。
金属粉末は、球状、フレーク状、不定形状等の粉末を用いることができ、貫通孔内電極３７ｂに用いる導電性ペーストにおいては、特に球状の粉末を用いることで焼成した際の電極の収縮を抑えることができるので好ましい。
有機ビヒクルとしては、メチルセルロース、エチルセルロース、ニトロセルロースなどのセルロース系樹脂、メチルメタクレートなどのアクリル樹脂及びブチラール樹脂等から選択される少なくとも１種類の樹脂を、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、ブチルセロソルブ、ブチルセロソルブアセテート、ターピネオール、水素添加ターピネオール、水素添加ターピネオールアセテート、メチルエチルケトン、イソボニルアセテート、ノピルアセテート等の有機溶剤に溶解させたものを用いることができる。
ガラスフリットとしては、ＰｂＯ−ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3系や、Ｂｉ2Ｏ3−ＰｂＯ−ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3系、また鉛レスのＺｎＯ−ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3系等を用いることができる。
第１逆導電型層３４ａとのコンタクト性を重視した受光面側電極３７ａの形成に用いられるペーストには、ガラスフリットとして、ＰｂＯ−ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3系ガラスフリットを含有することが好ましい。また、耐湿性を重視した貫通孔内電極３７ｂに用いられるペーストには、ガラスフリットとして、鉛レスのＢｉ2Ｏ3−ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3系ガラスフリットを含有することが好ましい。
塗布及び充填方法は、スクリーン印刷法、ロールコーター方式、ディスペンサー方式など種々の手法を用いることができる。なお、貫通孔内電極は、ペーストを用いた印刷、充填法によって形成することが好ましいが、受光面側電極は、これに限らず、貫通孔内電極の充填後に、例えばＣＶＤ法、蒸着法などによって形成してもよい。
次に、シリコン基板３１の裏面側に集電電極３８及びこの電極３８の出力取出電極３９を形成する（図４（ｈ））。上述と同様の塗布法を用いて、シリコン基板３１の裏面に導電性ペーストを塗布すればよく、例えばアルミニウム、銀等からなる金属粉末、有機ビヒクル及びガラスフリットを、金属粉末１００質量部に対してそれぞれ１０〜３０質量部、０．１〜１０質量部添加してペースト状にした導電性ペーストを用いることができる。
集電電極３８及び出力取出電極３９は、所定のストライプ状の電極形状に塗布し、最高温度５００〜８５０℃で数十秒〜数十分程度焼成することにより形成される。なお、前述したように、アルミニウムペーストを用いる場合は、高濃度ドープ層と集電電極とを同時に形成することができ、特にシリコン基板の裏面全領域の７０〜９０％の面積を覆うように形成することが好ましい。裏面側電極３８と出力取出電極３９は、別々に形成したり、別の導電性ペーストを用いて形成しても構わない。更に、受光面側電極３７ａと同様の導電性ペーストであってもよいし、銀の粒径及び形状、有機ビヒクルの成分、ガラスフリットの成分、銀、有機ビヒクル及びガラスフリットの含有量のいずれかが異なる導電性ペーストを用いても構わない。なお、集電電極３８を形成する場合には、出力取出電極３９の一部が集電電極の一部と重なるように構成することが好ましい。
以上のようにして、本発明に係るコンビネーションマスクを用いて製造した太陽電池が完成する。
＜太陽電池の製造例２＞
次に、本発明のコンビネーションマスクを用いたスクリーン印刷方法を、太陽電池の製造工程の中で、基板上に形成された溝状の凹部に導電性ペーストを充填して電極を形成する工程を例に挙げて説明する。
まず、図１に示すように、被印刷物をスクリーン印刷装置のチャックテーブル７上に固定する。被印刷物としては、例えばシリコン単結晶ウェーハ１が用いられる。本発明の場合、使用できるシリコン単結晶ウェーハの形状、物性などは特に限定されない。シリコン単結晶ウェーハ１の表面には、研削加工により溝状の凹部２が設けられている。研削加工により発生した表面のダメージを除去するために、シリコン単結晶ウェーハにアルカリ溶液などによるエッチングを施しても良い。
シリコン単結晶ウェーハ１上に、ウェーハ表面の溝状の凹部２に対応する位置に開口窓３が設けられているスクリーンマスク４を、スクリーンマスクとウェーハの間に間隔を開けて設置する。そして、スクリーンマスク４の上に印刷材料である導電性ペースト５を供給し、スクレッパ（不図示）をスクリーンマスク４に平行な方向に移動させてスクリーンマスク４の開口窓３に導電性ペーストを充填する。
次に、スキージ６を導電性ペースト５に直接接触させて加圧すると共に、スクリーンマスク４には接触しないようにしてスクリーンマスク４上を平行移動させると、スキージ６から導電性ペースト５を介してスクリーンマスク４に圧力がかかり、スクリーンマスク４がシリコン単結晶ウェーハ１に接触し、導電性ペースト５が開口窓３を通って押し出され、ウェーハに形成された溝状の凹部２内部に充填される。本発明のコンビネーションマスクを使用することによって、ウェーハに形成された溝状の凹部に導電性ペーストを高精度で供給できるので、凹部に十分に充填され、かつ凹部周辺の基板表面上にはみ出さず、設計通りの特性を得ることが可能となる。
＜太陽電池の製造例３＞
図５（Ａ）に示すように、基板として、Ｐ型単結晶シリコン基板４１を用意する。次に、この基板４１をＮａＯＨ水溶液等に浸し、スライスによるダメージ層をエッチングで取り除く。
ダメージエッチングを行った基板４１にランダムテクスチャを形成する。なお、図５では両面に形成したテクスチャ構造は微細なため省略している。
ダメージエッチング及びテクスチャの形成は製造例１と同様の方法で行うことができる。
次に、基板４１表面に不純物を拡散させて、高濃度不純物拡散層４２ａ及びこの高濃度拡散層よりも不純物濃度の低い低濃度不純物拡散層４２ｂからなる二段エミッタ層４２を形成する。高濃度拡散層４２ａは製造例１と同様に本発明のスクリーン印刷法による熱拡散法で形成することができる。低濃度拡散層４２ｂは、五酸化二リン及び珪素アルコキシドを含有したスピン塗布用の拡散剤をスピン塗布して、拡散熱処理を施すことによって形成することができる。このような製造方法によれば、オーミックコンタクトを得ながら、電極以外の受光面の表面再結合及びエミッタ内の再結合を抑制することにより、光電変換効率を向上させることができる。
次いで、プラズマエッチャーを用い、接合分離を行う。このプロセスでは、プラズマやラジカルが受光面や裏面に侵入しないよう、サンプルをスタックし、その状態で、端面を数ミクロン削る。
表面に形成されたリンガラスをフッ酸でエッチングした後、製造例１と同様の手法でエミッタ層４２上に表面保護膜（兼反射防止膜）であるシリコン窒化膜４３を堆積する。
次に、スクリーン印刷装置を用い、裏面に例えばアルミニウムからなるペーストを塗布し、乾燥させ、裏面電極４４を形成する。この裏面のアルミニウムペーストの塗布は、スクリーン印刷法に限られず、他の方法で塗布されてもよい。
続いて、表面側（受光面側）のフィンガー電極４５の第１層目の電極４５ａ用ペーストを基板４１に印刷し、乾燥させる。この第１層目電極４５ａの印刷は、所望の櫛形の電極パターンの開口部を有する印刷版を有するスクリーン印刷装置に銀粉末含有の電極用ペーストを用いることでなされる。このとき、本発明のコンビネーションスクリーン製版を使用すると第１層目で印刷位置のずれが解消され、第２層目の電極４５ｂである銅ワイヤーの接着位置決めも容易となる。更に、ライン幅が太く、シャドウロスが減少する。
次に、裏面電極４４とフィンガー電極の第１層目４５ａを同時に所定の熱プロファイルで焼成する。続いて、焼成された第１層目の電極４５ａの上に、第２層目の電極となる銅ワイヤー４５ｂを配置する。配置する位置は、図５（Ｂ）のように、銅ワイヤー４５ｂを第１層目の電極４５ａに重なるように合わせる。そして、第１層目の電極４５ａと第２層目の電極４５ｂの接着は、銅ワイヤー４５ｂ上から２００〜３００℃のアイロンを押し当ててはんだ付け４５ｃする。
はんだは、銅ワイヤー４５ｂの配置の際、第１層目の電極４５ａと銅ワイヤー４５ｂの間にはんだ線をかませてもよいが、より正確に第１層目の電極４５ａ上に第２層目の電極４５ｂを接着させるには、銅ワイヤー４５ｂの表面にはんだ性材料４５ｃがメッキされたものを使用することが好ましい。これによりはんだ付けの手間を簡略化することができる。はんだ性材料４５ｃとしては、例えば、スズ（Ｓｎ）や銀（Ａｇ）等が挙げられる。
銅の細線４５ｂは、電極用ペーストと同じ抵抗値を持つ断面積のもので、特にその断面形状としては円形又は正方形であるものを使用することができる。これにより第１層目の電極４５ａ上に銅の細線４５ｂを配置する際、銅の細線の配置面を気にせずに第１層目の電極４５ａ上に配置できるため、電極の形成工程をより簡略化することができる。
次に、第１層目の電極４５ａにはんだ付けされた銅の細線４５ｂを切断し、太陽電池４０を製造することができる。
第２層目の電極を銅の細線とすることにより、第１層目の電極上に重ねることが簡単であり、更に、第２層目の電極が所望のフィンガー電極パターンからはみ出るおそれも少ない。それ故、このような太陽電池の製造方法は、フィンガー電極を複層構造としてその第２層目に銅の細線を使用することで、簡単な方法で高いアスペクト比を有する電極を形成することができ、かつ低コストで変換効率の高い太陽電池を提供することができる。
以下、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
［実施例１］
下記のコンビネーションマスクでの印刷テストを行い、寸法精度の変化を調べた。
枠サイズ：５５０×５５０ｍｍ、ステンレススチール製メッシュサイズ：２５０×２５０ｍｍ（メッシュ面積の３０％）、ステンレススチール製メッシュ線径：２５μｍの印刷部のメッシュ織物のコンビネーションマスクを用いた。なお、印刷部以外は線径２０μｍのポリエステルのメッシュ織物で構成されていた。印刷条件は、マキタ印刷機を使用し、スキージ幅２００ｍｍ、スキージの移動距離２１０ｍｍで、０．２ＭＰａのスキージ圧力を加え、３００ｍｍ／ｓｅｃの速度で６０００枚の印刷を行った。
［比較例１］
枠サイズ：５５０×５５０ｍｍ、ステンレススチール製メッシュサイズ：４００×４００ｍｍ（メッシュ面積の５２％）のコンビネーションマスクを使用した以外は実施例１と同様に印刷した。
実施例１及び比較例１で印刷した線のピッチ間距離を三次元形状測定機で測定し、設計上の値と比較した。その結果を図６及び図７にそれぞれ示す。実施例１では比較例１に比べ、ピッチ間距離の印刷回数の増加による経時変化が減少した。
従来法では繰り返し印刷する必要があったが、本発明のスクリーンマスクを用いれば、同じ工程数で、高アスペクト比の電極を形成することができる。
１ 基板
２ 溝状凹部
３ 開口窓
４ スクリーンマスク
５ 導電性ペースト
６ スキージ
７ スクリーンチャックテーブル
１１，２１ フレーム
１２，２２ 合成樹脂系メッシュ
１３ 金属系メッシュ
２３ 剛性材料系メッシュ
１４，２４ 印刷部
１５，２５ 位置決めマーク
３１ 基板
３１ａ 受光面（表面）
３１ｂ 非受光面（裏面）
３２ 貫通孔
３３ テクスチャ
３４ 逆導電型層
３４ａ 第１逆導電型層
３４ｂ 第２逆導電型層
３４ｃ 第３逆導電型層
３５ 反射防止膜
３６ 高濃度ドープ層
３７ａ 表面電極（受光面側電極）
３７ｂ 貫通孔内電極
３８ 裏面電極（集電電極）
３９ 出力取出電極
４０ 太陽電池
４１ シリコン基板
４２ａ 高濃度不純物拡散層
４２ｂ 低濃度不純物拡散層
４３ シリコン窒化膜
４４ 裏面電極
４５ 表面電極
４５ａ 第１層目電極
４５ｂ 銅ワイヤー
４５ｃ はんだ（導電性接着剤）

Claims (7)

  1. 枠体と、該枠体内に張設された線径２０〜１２０μｍの合成樹脂系スクリーンメッシュと、該合成樹脂系スクリーンメッシュの中央部に配設された線径１０〜２００μｍの剛性材料系スクリーンメッシュと、該剛性材料系スクリーンメッシュ内に形成された印刷部とを備え、太陽電池用基板の所定位置に不純物拡散層形成用の拡散剤及び／又は電極形成用の導電性ペーストをスクリーン印刷するためのコンビネーションマスクであって、
    上記剛性材料系スクリーンメッシュの面積割合が、一辺１５０〜１４００ｍｍの正方形であるスクリーンメッシュ面積全体の１５％以上３０％以下であることを特徴とする太陽電池製造用コンビネーションマスク。
  2. スクリーン位置合わせ用の位置決めマークが、合成樹脂系スクリーンメッシュ上に形成されてなる請求項１記載のコンビネーションマスク。
  3. 合成樹脂系スクリーンメッシュが、ポリエステル及びナイロンより選ばれる樹脂からなり、剛性材料系スクリーンメッシュが、金属、セラミック、ガラス、アラミド及びカーボンより選ばれる材料からなるものである請求項１又は２記載のコンビネーションマスク。
  4. 請求項１乃至３のいずれか１項記載のコンビネーションマスクを用いた太陽電池の製造方法であって、
    上記コンビネーションマスクを用いて太陽電池用基板の所定位置に所定の不純物を含む拡散剤をスクリーン印刷し、熱処理して不純物拡散層を形成する工程、及び／又は上記コンビネーションマスクを用いて太陽電池用基板の所定位置に導電性ペーストをスクリーン印刷し、焼成して電極を形成する工程を有することを特徴とする太陽電池の製造方法。
  5. 上記電極を形成する工程が、上記太陽電池用基板に設けられた貫通孔又は溝状凹部の内部にスクリーン印刷により導電性ペーストを充填して電極を形成するものであることを特徴とする請求項４記載の太陽電池の製造方法。
  6. 上記不純物拡散層を形成する工程が、二段エミッタ層を構成する高濃度不純物拡散層を形成するものであることを特徴とする請求項４記載の太陽電池の製造方法。
  7. 上記電極を形成する工程が、上記高濃度不純物拡散層上に電極を形成するものであることを特徴とする請求項６記載の太陽電池の製造方法。
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