JP5518910B2 - Method for manufacturing polycrystalline silicon substrate for composite solar cell - Google Patents
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Description
本発明は、シリコン基板の製造方法に関し、特に複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a silicon substrate, and more particularly to a method for manufacturing a polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell.
光電素子の開発は、台湾ではここ数年重視されている重要な産業であり、台湾の半導体、発光ダイオードのシェアは世界でもトップクラスである。ここ数年、より高効率の太陽電池も積極的に開発されつつある。太陽電池は、主として半導体素子により光線を吸収し、吸収した光線を電気エネルギーに転換する。太陽電池が吸収する光源は、太陽光、人工光源などを含む。高分子太陽電池の原理によれば、太陽電池が光線に照射されると、導電高分子からなる光活性層は光エネルギーを吸収して励起子を生成し、励起子は界面部位において分離して電子と正孔を生成し、電子と正孔はそれぞれ電子伝導物質と正孔伝導物質を介して異なる電極板をそれぞれ伝導されることによって、電流路を形成する。 The development of photoelectric devices is an important industry that has been emphasized in Taiwan for several years, and Taiwan's share of semiconductors and light-emitting diodes is one of the top in the world. In recent years, more efficient solar cells have been actively developed. A solar cell absorbs light rays mainly by a semiconductor element, and converts the absorbed light rays into electric energy. The light source absorbed by the solar cell includes sunlight, an artificial light source, and the like. According to the principle of polymer solar cells, when a solar cell is irradiated with light, a photoactive layer made of a conductive polymer absorbs light energy to generate excitons, which are separated at the interface site. Electrons and holes are generated, and the electrons and holes are respectively conducted through different electrode plates through the electron conducting material and the hole conducting material, thereby forming a current path.
現在主流の太陽電池は、結晶類の塊状シリコンを使用して製造されるものである。通常、多結晶シリコンウェハーの製造方法は、先ず、ソーワイヤによってシリコンインゴット全体を複数の薄いウェハー(180μm〜200μm)に切断する。通常、ウェハーには少量のp型ドープを行い、次にウェハーの表面にn型ドーパントをドープして、n型ドーパントの表面拡散によってウェハー表面下方の数百ナノメートルのところにpn接合面を形成する。 Current mainstream solar cells are manufactured using crystalline bulk silicon. Usually, in the manufacturing method of a polycrystalline silicon wafer, first, the entire silicon ingot is cut into a plurality of thin wafers (180 μm to 200 μm) by saw wires. Usually, a wafer is doped with a small amount of p-type, and then the surface of the wafer is doped with an n-type dopant to form a pn junction at a few hundred nanometers below the wafer surface by surface diffusion of the n-type dopant. To do.
しかしながら、より良好な光電変換効率を得るためには、従来技術が使用する多結晶シリコンウェハーは高純度を有する必要がある。但し、高純度を有するために、シリコン材料は純化工程を複数回行う必要があるため、エネルギーの無駄、コストの高騰、地球環境に優しくないという欠点がある。また、実際の太陽電池の構造において、光電変換機能を提供する能動層は5μm〜10μmの厚さしか必要としないため、他の高純度の基板が無駄になる欠点がある。そこで、如何にして太陽電池のコストを低減すると共に良好な光電変換効率を得ることができる複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板の製造方法を提供するかが課題となっている。 However, in order to obtain better photoelectric conversion efficiency, the polycrystalline silicon wafer used by the prior art needs to have high purity. However, in order to have high purity, the silicon material needs to be subjected to a purification process a plurality of times. Therefore, there are disadvantages in that energy is wasted, costs are increased, and the environment is not friendly. Further, in an actual solar cell structure, the active layer providing the photoelectric conversion function needs only a thickness of 5 μm to 10 μm, and thus there is a disadvantage that other high-purity substrates are wasted. Thus, how to provide a method for producing a polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell that can reduce the cost of the solar cell and obtain good photoelectric conversion efficiency is an issue.
本発明の目的は、高純度のシリコン材料を一般的な純度で低コストの基板に形成することで複合型基板である多結晶シリコン基板を構成することによって太陽電池材料のコストを有効に低減できる複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板の製造方法を提供することにある。 It is an object of the present invention to effectively reduce the cost of solar cell materials by forming a polycrystalline silicon substrate that is a composite substrate by forming a high purity silicon material on a low cost substrate with a general purity. An object of the present invention is to provide a method for producing a polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell.
本発明は複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板の製造方法は、純度が2N〜3Nである第1の基材層を準備する工程と、前記第1の基材層上に、純度が6N〜9Nである第2の基材層を形成する工程と、を含む。 The present invention provides a method for producing a polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell, the step of preparing a first base layer having a purity of 2N to 3N, and a purity of 6N on the first base layer. Forming a second base material layer that is ˜9N.
本発明では、半導体プロセスにおいて、低純度の基板の上に高品質で高純度のエピタキシー層又は高純度のスパッタリング層を形成して太陽電池の能動層として使用するため、高純度のシリコン材料の使用量を低減でき、塊状シリコンで製造された従来の太陽電池を代替することができ、太陽電池全体のコストを低減できる。 In the present invention, in a semiconductor process, a high-quality high-purity epitaxy layer or a high-purity sputtering layer is formed on a low-purity substrate and used as an active layer of a solar cell. The amount can be reduced, the conventional solar cell made of bulk silicon can be replaced, and the cost of the entire solar cell can be reduced.
以下、本明細書と図面に開示された本発明の実施形態は、本発明の技術内容をより分かりやすく説明し、本発明の理解を助けるために実施例を挙げたものに過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。ここに開示された実施形態以外にも、本発明の技術的思想に基づく他の変形例も実施可能であることは、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に自明なことである。 Hereinafter, the embodiments of the present invention disclosed in the specification and the drawings are merely examples for explaining the technical contents of the present invention more clearly and helping the understanding of the present invention. It does not limit the range. It is obvious to those skilled in the art to which the present invention pertains that other variations based on the technical idea of the present invention can be implemented in addition to the embodiments disclosed herein. .
本発明に係る複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板の製造方法においては、それにより製造された多結晶シリコン基板が複合型の構造を有するため、高純度の多結晶シリコン材料の使用量を低減できると共に多結晶基板と太陽電池のコストを低減できる効果を奏することができる。 In the method for manufacturing a polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell according to the present invention, since the manufactured polycrystalline silicon substrate has a composite structure, the amount of high-purity polycrystalline silicon material used is reduced. In addition, the cost of the polycrystalline substrate and the solar cell can be reduced.
図1、図2、図4を参照しながら説明する。本発明に係る複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板の製造方法は少なくとも下記の工程を含む。 This will be described with reference to FIGS. The method for producing a polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell according to the present invention includes at least the following steps.
工程S101において、第1の基材層11を準備する。本実施例において、第1の基材層11は低純度のシリコン材料であり、その純度は例えば約2N(即ち、99%)〜3N(即ち、99.9%)である。言い換えれば、第1の基材層11は、低コストで取得しやすい工業レベルのシリコン材料である。本実施例において、第1の基材層11は、「豫新化工(SHANGHAI YIXIN CHEMICAL CO., LTD)」という会社が製造する型式番号411、421、553、2202、3303などの工業レベルのシリコン材料から選択されるものである。また、第1の基材層11の厚さは、160μm〜180μmである。
In step S101, the first
工程S103において、第1の基材層11上に第2の基材層12を形成する。第1の基材層11と比べて、第2の基材層12は高純度のシリコン材料であり、その純度は約6N(即ち、99.9999%)〜9N(即ち、99.9999999%)である。第2の基材層12の厚さは約5μm〜20μmである。また、第2の基材層12は、電子レベルのシリコン材料に属する高純度のシリコン材料であり、主に太陽電池の能動層として機能する。好ましくは、第2の基材層12の厚さは電子の拡散範囲の長さよりも小さい。これにより、能動層が厚すぎることによる電子正孔散乱や電子正孔結合などの問題を改善でき、高純度のシリコン材料の使用量を低減でき、材料コストを低減できる。
In step S <b> 103, the second
第2の基材層12は、物理的気相成長(physical vapor deposition;PVD)、化学気相成長(chemical vapor deposition;CVD)、又は液相エピタキシー(Liquid-phase epitaxy;LPE)などの方式で第1の基材層11上に形成するようにしてもよいが、本発明はこれに限定されるものではない。以下、本実施例に係る化学気相成長法とスパッタリング法の具体的な工程を詳しく説明する。
The
化学気相成長法は、反応源をガス方式で反応チャンバに導入してから、酸化、還元、又は基板との反応などの方式で化学反応を行い、その生成物が内拡散作用で基板表面上に堆積されると共に、他のプロセスのガスを基板表面から引き離すという方法である。具体的に言えば、化学気相成長法のプロセスは下記(a)〜(e)の五つの主要な工程を含む。(a)先ず、堆積室の内部に反応ガスと希釈用不活性ガスを導入する。以下、反応ガスと不活性ガスからなる混合ガスを主気流(mainstream)と称する。(b)主気流における反応ガスの原子又は分子は内側へ拡散移動し、停滞する境界層を通過して基板表面に到着する。(c)反応ガスの原子は基板に吸着(adsorbed)される。(d)吸着された原子は基板表面で移動すると共に、薄膜成長の際に必要な表面化学反応を生ずる。(e)表面化学反応が生じたガス生成物は分解され、外側へ拡散し、境界層を通過して主気流に入り、堆積室から排除される。 In chemical vapor deposition, a reaction source is introduced into a reaction chamber by a gas method, and then a chemical reaction is performed by a method such as oxidation, reduction, or reaction with a substrate. And the other process gases are pulled away from the substrate surface. Specifically, the chemical vapor deposition process includes the following five main steps (a) to (e). (A) First, a reaction gas and an inert gas for dilution are introduced into the deposition chamber. Hereinafter, a mixed gas composed of a reaction gas and an inert gas is referred to as a main stream. (B) The atoms or molecules of the reaction gas in the main airflow diffuse and move inward, pass through the stagnant boundary layer, and arrive at the substrate surface. (C) The atoms of the reaction gas are adsorbed on the substrate. (D) The adsorbed atoms move on the surface of the substrate and cause a surface chemical reaction necessary for thin film growth. (E) The gas product that has undergone a surface chemical reaction is decomposed, diffuses outward, passes through the boundary layer, enters the main stream, and is removed from the deposition chamber.
本実施例においては、ドーパントを有するシリコン材料である第2の基材層12を第1の基材層11上に形成する。また、Si原子のガス材料源をジクロルシラン(Dichlorosilane、DCS)(SiH2Cl2)、シラン、トリクロロシラン(trichlorosilane)(Cl3SiH)、又はテトラクロロシラン(tetrachlorosilane)(Cl4Si)などとし、ホウ素(B)ドープのガス材料源をp型ドープシリコンであるジボラン(Diborane)(B2H6)とし、PH3又はAsH3をn型ドープシリコンとし、キャリアガスを水素としてもよい。具体的に言えば、本実施例において、主気流はジクロルシラン、ジボラン(diboranes)、水素を含む。主気流を第1の基材層11を通過させて、1000℃〜1100℃で20分間〜30分間、化学反応を行うことによって、15μmのp−Si(即ち、p型ドープシリコン)である第2の基材層12をエピタキシー成長させるようにしてもよい。
In the present embodiment, the second
また、他のプロセスのパラメーターとして、ジクロルシランの流量は約200sccm〜300sccm(standard cm3/min)とし、ジボランの流量を約5sccm〜10sccmとし、水素の流量を約80sccm〜100sccmとし、第1の基材層11を約300℃〜350℃で加熱し、圧力を約0.8Torr〜1Torrとしてもよい。
As other process parameters, the flow rate of dichlorosilane is about 200 sccm to 300 sccm (standard cm 3 / min), the flow rate of diborane is about 5 sccm to 10 sccm, the flow rate of hydrogen is about 80 sccm to 100 sccm, The
また、第2の基材層12はスパッタリング層であってもよい。例えば、スパッタリングプロセスにおいて、パルス直流マグネトロンスパッタリング(Pluse-DC)設備によって第1の基材層11上にシリコン薄膜を成長する場合、プロセスのパラメーターとして、背圧(backing pressure)を約5×10−7Torr〜9×10−7Torrとし、スパッタリングパワーを100W〜300Wとし、ステージ温度を200度〜250度とし、蒸着圧力は約5mTorrとし、Arガス流量を約8sccm〜10sccmとしてもよい。
The second
また、第2の基材層12の結晶性について、ある成長プロセスを行った後、第2の基材層12が非晶質層(Amorphous layer)になる恐れがあることを考慮すると、多結晶化工程を更に含んでもよい。例えば、レーザー結晶法などの方法によって第2の基材層12を多結晶材料として形成してもよい。例えば、エキシマレーザー(excimer laser)を非晶質の第2の基材層12に照射して、レーザーパルスの約20nsの時点で約1400度に上昇させ、レーザーパルスが完了してから冷却すると結晶化が開始する。
Further, with regard to the crystallinity of the second
図3は、本発明に係る複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板の製造方法で製造された多結晶シリコン基板で形成された太陽電池の模式図を示すものである。太陽電池は、第1の基材層11、第2の基材層12、多結晶シリコン基板上に設けられる電極14A、14Bで構成される。第1の基材層11は既に上述の実施例で説明したため、ここではその説明を省略する。第2の基材層12は、リン原子(phosphorus atom)の熱拡散プロセス又はリン原子のイオンインプラプロセスなどによってn+−Siエミッタ層(emitter layer)12’に転化されるようにしてもよい。好ましくは、太陽電池は、エミッタ層12’上に形成される反射防止層(antireflection layer)13を更に有する。反射防止層13は、例えば窒化珪素層などであってもよい。また、電極(即ち正面電極)14Aは、チタン/パラジウム/金の構造であり、エミッタ層12’上に設けられるようにしてもよい。一方、電極(即ち、背面電極14B)は、例えばアルミニウムペーストなどの高導電性のメタルで第1の基材層11の背面に塗布して形成されるようにしてもよい。
FIG. 3 is a schematic view of a solar cell formed by a polycrystalline silicon substrate manufactured by the method for manufacturing a polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell according to the present invention. The solar cell includes a first
上述したように、本発明は少なくとも下記のメリットを有する。
(1)本発明に係る複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板の製造方法で製造された複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板は、低純度の基板上に高純度のシリコン材料を成長させることによって、高コストで高純度の塊状シリコンで製造された従来の基板を代替することができ、全体のコストを低減できる。
(2)本発明に係る複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板の製造方法で製造された複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板は太陽電池に適用できるため、高効率で低コストのエピタキシャルシリコン(epitaxial silicon)の太陽電池を提供することができる。
As described above, the present invention has at least the following merits.
(1) A polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell manufactured by the method for manufacturing a polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell according to the present invention grows a high-purity silicon material on a low-purity substrate. As a result, a conventional substrate made of high-cost, high-purity bulk silicon can be replaced, and the overall cost can be reduced.
(2) Since the polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell manufactured by the method for manufacturing a polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell according to the present invention can be applied to a solar cell, high-efficiency and low-cost epitaxial silicon (Epitaxial silicon) solar cells can be provided.
上述した実施例は、本発明の好ましい実施態様に過ぎず、本発明の実施の範囲を限定するものではなく、本発明の明細書及び図面内容に基づいてなされた均等な変更および付加は、いずれも本発明の特許請求の範囲内に含まれるものとする。 The above-described embodiments are merely preferred embodiments of the present invention, and do not limit the scope of the present invention. Equivalent changes and additions made based on the specification and drawings of the present invention will Are intended to be included within the scope of the claims.
11 第1の基材層
12 第2の基材層
12’ エミッタ層
13 反射防止層
14A、14B 電極
S101〜S103 プロセス工程
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記第1の基材層上に、純度が6N〜9Nである第2の基材層を形成する工程と
を具備し、
前記第2の基材層を形成する工程において、化学気相成長法によって、流量が約200sccm〜300sccmのジクロルシラン、流量が約5sccm〜10sccmのジボラン、流量が80sccm〜100sccmの水素を主気流として使用して、前記主気流に前記第1の基材層を通過させ、1000℃〜1100℃で20分間〜30分間化学反応を行うことによって、p型ドープシリコンである第2の基材層を形成することを特徴とする複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板の製造方法。 Preparing a first base material layer having a purity of 2N to 3N;
Forming a second base material layer having a purity of 6N to 9N on the first base material layer ,
In the step of forming the second substrate layer, dichlorosilane having a flow rate of about 200 sccm to 300 sccm, diborane having a flow rate of about 5 sccm to 10 sccm, and hydrogen having a flow rate of 80 sccm to 100 sccm are used as a main air flow by chemical vapor deposition. Then, the second base material layer that is p-type doped silicon is formed by passing the first base material layer through the main air flow and performing a chemical reaction at 1000 ° C. to 1100 ° C. for 20 to 30 minutes. A method for producing a polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell.
前記第1の基材層上に、純度が6N〜9Nである第2の基材層を形成する工程と Forming a second base material layer having a purity of 6N to 9N on the first base material layer;
を具備し、 Comprising
前記第2の基材層を形成する工程において、パルス直流マグネトロンスパッタリング設備によって、背圧を約5×10 In the step of forming the second base material layer, the back pressure is set to about 5 × 10 6 by a pulsed DC magnetron sputtering facility. −7-7 Torr〜9×10Torr ~ 9 × 10 −7-7 Torrとし、スパッタリングパワーを100W〜300Wとし、ステージ温度を200度〜250度とし、堆積圧力を約5mTorrとし、Arガス流量を約8sccm〜10sccmとして前記第2の基材層をスパッタリング法で形成することを特徴とする複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板の製造方法。The second base material layer is formed by a sputtering method with Torr, sputtering power of 100 W to 300 W, stage temperature of 200 degrees to 250 degrees, deposition pressure of about 5 mTorr, and Ar gas flow rate of about 8 sccm to 10 sccm. A method for producing a polycrystalline silicon substrate for a composite solar cell.
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