JP5524194B2 - トレンチ処理およびポリシリコンドーピング領域を持つ裏面コンタクト型太陽電池用の構造 - Google Patents

トレンチ処理およびポリシリコンドーピング領域を持つ裏面コンタクト型太陽電池用の構造 Download PDF

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カズンズ、ピーター、ジョン
スミス、デービッド、ディー
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サンパワー コーポレイション
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Description

関連出願
本願は、米国仮出願第６１／０６０，９２１号（出願日：２００８年６月１２日）の恩恵を主張する。
本発明は概して、太陽電池に関する。限定されるものではないが、特に、太陽電池の製造工程および構造に関する。
太陽電池は、太陽光を電気エネルギーに変換する公知のデバイスである。太陽電池は、半導体プロセス技術を用いて半導体ウェハ上に製造され得る。太陽電池には、Ｐ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域が設けられる。太陽光が太陽電池に照射されると、電子および正孔が発生して、両ドーピング領域へと移動する。裏面コンタクト型の太陽電池では、ドーピング領域および当該ドーピング領域に結合されているインターデジット式の金属コンタクトフィンガー部が共に太陽電池の裏面に設けられている。コンタクトフィンガー部によって、外部の電気回路を太陽電池に結合することが可能となると共に、外部の電気回路に太陽電池から電力供給を行うことが可能となる。
太陽電池に関して、電力生成能力に直接的な関係があるので、高効率であることは重要な特性である。したがって、太陽電池の効率を改善するための技術が望まれるのは一般的なことである。本発明は、新型の太陽電池構造を製造するプロセスを提供することによって、太陽電池の効率を改善することを可能とする。
一実施形態に係る太陽電池は、シリコンウェハ等の基板の裏面に、ポリシリコンのＰ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域が設けられている。断続的なトレンチ構造によって、Ｐ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域は複数の箇所で互いから分離しているが、Ｐ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域はその他の箇所では互いに接触している。Ｐ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域はそれぞれ、薄い誘電体層の上方に形成されているとしてよい。他にも利点は得られるが、上記のような太陽電池構造によれば、逆ブレークダウン電圧を比較的低い水準に留めつつ、効率を改善することができる。
添付図面および特許請求の範囲を含む本開示内容を全て参照することによって、上記およびその他の本発明の特徴が当業者に容易に明らかになる。
本発明の実施形態に係る太陽電池構造を示す図である。 本発明の実施形態に係る太陽電池構造を示す図である。 本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である。 試験構造である太陽電池の性能と、本発明の実施形態に係る太陽電池の性能とを比較している暗時のＩＶ曲線を示す図である。 本発明の実施形態に係る太陽電池を製造する方法を示すフローチャートである。 本願発明の発明者が見つけたさまざまな太陽電池の挙動を説明するためのＩＶ曲線を示す図である。 本発明の実施形態に係る太陽電池を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る、図１４の太陽電池の裏面の一部分を示す拡大概略図である。 図１５に示す領域の概略平面図である。 本発明の実施形態に係る図１４の太陽電池を示す断面図である。 図１７に示した別の領域の概略平面図である。 本発明の実施形態に係る図１４の太陽電池を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る断続的なトレンチを示す概略平面図である。 本願発明の発明者が実行した実験で得られたさまざまな太陽電池の逆ブレークダウン特性を示すＩＶ曲線である。 本発明の実施形態に係る太陽電池を製造する方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る、トレンチ中断部が１つである太陽電池を示す概略図である。 図２３の太陽電池の断続的なトレンチを示す概略平面図である。 本発明の実施形態に係る太陽電池を示す概略図であって、当該太陽電池は、１つの領域内にトレンチ中断部が複数あり、局所的動作温度は略同じである。 図２５の太陽電池の断続的なトレンチを示す概略平面図である。 複数の図面にわたって同じ参照符号を用いる場合、同一または同様の構成要素を意味するものとする。尚、図面は実寸に即したものではない。
本開示では、材料、処理パラメータ、処理工程、および構造の例などを挙げて、具体的且つ詳細な説明を多用することによって、本発明の実施形態を完全に理解できるようにする。しかし、当業者であれば、そのような具体的且つ詳細な説明の一部がなくとも本発明を実施し得ることに想到するであろう。また、公知の詳細な内容については、本発明の側面をあいまいにすることを避けるべく、図示および記載を省略する。
Ｐ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域が基板内にある太陽電池では、Ｐ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域の外周は、別個に、または、隣接して形成されている場合がある。しかし、ポリシリコンドーピング領域の場合にはこの限りではない。これは、電荷キャリアの寿命がポリシリコン内では非常に短いので、ポリシリコンドーピング領域同士が接触する空間電荷領域では再結合が非常に多いためである。つまり、ポリシリコンドーピング領域同士が接触し合うと効率に悪影響が出ることになる。本発明の実施形態は、ポリシリコンドーピング領域および形成されるドーピング領域一般に関連するこの問題に対処するものである。
図１は、本発明の実施形態に係る太陽電池構造を示す概略断面図である。図１に示す太陽電池の例は、裏面コンタクト型太陽電池であり、ドーピング領域１０１および１０２は、正面１０５とは反対側の裏面１０６に設けられている。正面１０５は、通常動作時は、太陽に向いている面である。ドーピング領域１０１および１０２は、薄い誘電体層１１３の上に形成されている。誘電体層１１３は、５オングストロームから４０オングストロームの厚みに形成されるとしてよい。一実施形態によると、誘電体層１１３は、基板１０３の表面の上に厚み２０オングストロームまで熱的に成長した二酸化シリコンを含む。誘電体層１１３はまた、窒化シリコンを含むとしてもよい。誘電体層１１３は、表面を保護するという利点を持つ。ドーピング領域１０１および１０２を形成するポリシリコンが誘電体層１１３に電界を印加すると、少数キャリアが反発し、誘電体界面には多数キャリアが蓄積される。
図１に示した例によると、ドーピング領域１０１はＰ型ドーピング領域で、ドーピング領域１０２はＮ型ドーピング領域である。本例では、基板１０３はＮ型シリコンウェハを含む。また、想到の範囲内ではあるが、基板１０３は、Ｐ型シリコンウェハまたはその他のウェハを含むとしてもよい。この場合、太陽電池構造の残りの構成要素も適切に変更されるとしてよい。任意の所与の太陽電池にはＰ型およびＮ型のドーピング領域が複数設けられているが、図示の便宜上、図１では各領域を１つのみ示している。
ドーピング領域１０１および１０２は、減圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）法で約２０００オングストロームの厚みに形成されたドーピングポリシリコンを含むとしてよい。ドーピング領域１０１は、Ｐ型ドーパント（例えば、ホウ素）でドーピングされたポリシリコンを含み、ドーピング領域１０２は、Ｎ型ドーパント（例えば、リン）でドーピングされたポリシリコンを含むとしてよい。ポリシリコンを薄い誘電体層１１３の上方に成膜して、その後に拡散によりドーピングを実行するとしてよい。また、誘電体層１１３の上に成膜する前に、ポリシリコンに事前にドーピングを施しておくとしてもよい。ポリシリコンがドーピング領域１０１および１０２の形成材料として好まれるのは、高温処理が実行可能で、サーマルバジェットを大きくできるためである。
図１に示すように、ドーピング領域１０１および１０２は、トレンチ１０４によって分離されている。トレンチ１０４は、ドーピング領域１０１とドーピング領域１０２との間の間隙として機能する。
トレンチ１０４は、例えば、レーザトレンチ形成法または従来のエッチングを用いて形成されるとしてよい。一実施形態によると、トレンチ１０４は、幅が約１００ミクロンである。トレンチ１０４は、ポリシリコンドーピング領域１０１および１０２にドーピングを実行するための拡散工程の前後に形成されるとしてよい。拡散工程の前にトレンチ１０４を形成する場合、パッシベーション領域１１２は、拡散工程で形成されるＮ型のパッシベーション領域を含むとしてよい。
一実施形態によると、トレンチ１０４を形成する処理は、トレンチ１０４を形成するだけでなく、トレンチ１０４の表面に不規則に粗面化した表面１１４を形成する。不規則に粗面化した表面１１４を設けることによって、太陽電池の裏面に入射した太陽光の集光率が改善される。つまり、両面構成が実現される。水酸化カリウムおよびイソプロピルアルコールを利用するウェットエッチングプロセスを用いて、トレンチ１０４を形成すると共に角錐を不規則に設けて表面１１４を粗面化するとしてよい。トレンチ１０４は、基板１０３を１〜１０ミクロン（例えば、３ミクロン）の深さまで削って形成されるとしてよい。
トレンチ１０４には、誘電体として窒化シリコン１０７を堆積させる。窒化シリコン１０７は、トレンチ１０４の下方にシリコン面を蓄積すると共に良好な表面保護層として機能するべく、正の固定電荷密度が比較的高いことが好ましい。窒化シリコン１０７の正の固定電荷密度は、窒化シリコン１０７を形成する際に用いられる堆積プロセスの一環として自然に発生するとしてよい。一実施形態によると、窒化シリコン１０７は、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）法で約４００オングストロームの厚みに形成される。こうして蓄積される層は、少数キャリア、つまり、Ｎ型材料において正に帯電している正孔をはね返す。トレンチ１０４によって、ポリシリコン内での空間電荷領域の形成が妨げられる。その代わり、Ｐ型ポリシリコンの下方の単結晶シリコン内で空間電荷が形成される。この領域では、粒界のために寿命が低減されることはないので、寄生性の再結合が抑制される。この空間電荷領域の一部は、トレンチ１０４内でウェハの表面と交差している。窒化シリコン１０７内の正の電荷によって、空間電荷領域のうちこの領域の影響が低減されると共に当該領域が狭くなる。
図１に示す太陽電池構造を製造する処理フローの一例は、基板１０３の裏面の上方に薄い誘電体層１１３を形成する段階と、薄い誘電体層１１３の上方にドーピングされていないポリシリコン層を形成する段階と、ポリシリコン層をドーピングしてＰ型およびＮ型のドーピング領域１０１および１０２を形成する段階と、ドーピング後のポリシリコン層をエッチングして、トレンチ１０４および粗面化面１１４を形成する段階と、パッシベーション領域１１２を形成する段階と、トレンチ１０４内に窒化シリコン１０７を形成する段階とを含むとしてよい。ドーピング領域１０１および１０２は、ドーピングされていないポリシリコン層上でドーパントを拡散させるのではなく、成膜工程、マスキング工程、および、エッチング工程を含む従来の方法を用いて、誘電体層１１３上に事前にドーピングされたポリシリコンを成膜することによって形成するとしてもよい。窒化シリコン１０７の表面は、粗面化されているものではなく、平坦であることが好ましい。しかし、窒化シリコン１０７が平坦であるか否かは決定的な要素ではなく、平坦化工程を追加する必要はない。例えば、窒化シリコン１０７は成膜時に得られる程度に平坦であるとしてよい。トレンチ１０４が形成されるのは、ドーピング領域１０１および１０２を形成するためのドーピングの前または後であってよい。
図２を参照しつつ説明すると、窒化シリコン１０７を貫通してインターデジット式の金属コンタクトフィンガー部１０８および１０９が形成されており、それぞれドーピング領域１０１および１０２への電気接続を実現しているとしてよい。インターデジット式の金属コンタクトフィンガー部１０８および１０９に外部の電気回路を取着して、外部の電気回路を太陽電池に接続すると共に、太陽電池から外部の電気回路に電力を供給するとしてよい。図２の例では、金属コンタクトフィンガー部１０８は正の電気端子に接続され、金属コンタクトフィンガー部１０９は負の電気端子に接続されるとしてよい。
図１に示したトレンチ構造は、ポリシリコンの寄生性の空間電荷の再結合に関して上述した問題にさまざまな側面から対処するべく構成されている。第一に、ドーピング領域１０１および１０２は、トレンチ１０４によって互いから分離しているので、物理的に接触していない。このため、いずれのポリシリコン膜にも空間電荷領域が存在しなくなる。第二に、トレンチ１０４の下方に形成される蓄積層は、少数キャリアをはね返すので、表面保護機能が改善される。第三に、トレンチ１０４内に形成されている粗面化面１１４によって太陽光の集光率が高くなる。この結果、太陽電池の高効率化という利点が得られる。
図３から図１０は、本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための断面図である。太陽電池には複数のＰ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域が設けられるが、図示の便宜上、以下に記載する例ではそれぞれ１つのみを製造するものとして図示している。
図３から図１０に示す実施形態は、基板３０３の裏面に薄い誘電体層３１３を形成することから開始される（図３）。基板３０３は、例えば、Ｎ型シリコンウェハを含むとしてよい。誘電体層３１３は、５オングストロームから４０オングストローム（例えば、２０オングストローム）の厚みに形成されるとしてよい。一実施形態によると、誘電体層３１３は、基板１０３の表面の上に熱的に成長した二酸化シリコンを含む。また、誘電体層３１３は、例えば、窒化シリコンを含むとしてもよい。その後、ドーピングされていないポリシリコン層３２２を誘電体層３１３の上に形成する。ポリシリコン層３２２は、例えば、ＬＰＣＶＤ法で約２０００オングストロームの厚みに形成されるとしてよい。その後、ポリシリコン層３２２の上方に、ドーピングされた二酸化シリコン層３２３を形成する（図４）。二酸化シリコン層３２３は、この後形成されるドーピング領域、本例ではＰ型ドーピング領域３０１（図７Ａまたは図８Ｂを参照のこと）のドーパントソースとして機能する。二酸化シリコン層３２３はこのため、ホウ素等のＰ型ドーパントでドーピングされているとしてよい。ドーピングされた二酸化シリコン層３２３は、Ｐ型ドーピング領域３０１が形成されるべきポリシリコン層３２２の一部分の上方に残るように、パターニングされる（図５）。二酸化シリコン層３２３は、ＡＰＣＶＤによって、約１０００オングストロームの厚みに形成されるとしてよい。
二酸化シリコン３２３およびポリシリコン層３２２の上方に、ドーピングされた二酸化シリコン層３２４を形成する（図６）。二酸化シリコン３２４は、この後形成されるドーピング領域、本例ではＮ型ドーピング領域３０２（図７Ａまたは図８Ｂを参照のこと）のドーパントソースとして機能する。二酸化シリコン層３２４はこのため、リン等のＮ型ドーパントでドーピングされているとしてよい。二酸化シリコン３２４は、ＡＰＣＶＤによって、約２０００オングストロームの厚みに形成されるとしてよい。
ドーピング領域を分離するトレンチは、第１のトレンチ形成プロセスではドーピング領域が形成される前に形成され、第２のトレンチ形成プロセスではドーピング領域が形成された後に形成されるとしてよい。図７Ａおよび図８Ａは、第１のトレンチ形成プロセスの処理工程を示す図であり、図７Ｂおよび図８Ｂは、第２のトレンチ形成プロセスの処理工程を示す図である。どちらのトレンチ形成プロセスであっても、図６に続いて実行され、終了後は図９に続くとしてよい。
第１のトレンチ形成プロセスでは、熱ドライブイン（ｄｒｉｖｅ−ｉｎ）工程によって、二酸化シリコン３２３および３２４からその下のポリシリコン層３２２へとドーパントを拡散するので、ポリシリコン層３２２にＰ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域が形成される。それぞれ、Ｐ型ドーピング領域３０１およびＮ型ドーピング領域３０２とする（図７Ａ）。熱ドライブイン工程は、図６に示す構造を加熱することによって、実行されるとしてよい。好ましいドライブ条件にすれば、ドーピング濃度の高い、例えば、１ｅ２０ｃｍ−３を超えるドーピング濃度のポリシリコン層が得られ、この膜の厚み方向にわたって一定となり、ポリシリコン層の下方はほとんどドーピングされず、例えば、１ｅ１８ｃｍ−３以下となる。熱ドライブイン工程を実行することによって、二酸化シリコン３２３の下方のポリシリコン層３２２はＰ型ドーピング領域３０１を形成し、二酸化シリコン３２４の下方のポリシリコン層３２２はＮ型ドーピング領域３０２を形成する。
二酸化シリコン３２４、二酸化シリコン３２３、ドーピング領域３０１、ドーピング領域３０２、および、薄い誘電体層３１３をエッチングして、トレンチ３０４を形成する（図８Ａ）。トレンチ用エッチングは、複数の段階にわたって行われるエッチングプロセスを含むとしてよく、最後のエッチング工程は基板３０３でストップする。トレンチ３０４は、例えば、幅が約１００ミクロンであるとしてよい。しかし、トレンチの幅は、Ｐ型ドーピング領域３０１およびＮ型ドーピング領域３０２が互いに接触しない限り小さくするとしてよく、最小幅の下限値は知られていない。トレンチ３０４は、レーザトレンチ形成法等の従来のエッチングプロセスを用いて形成するとしてよい。一実施形態によると、トレンチ３０４は、太陽光の集光効率を改善するべく粗面化面３１４を持つ。一実施形態によると、水酸化カリウムおよびイソプロピルアルコールを利用するウェットエッチングプロセスを用いて、トレンチ３０４を形成すると共に角錐を不規則に設けて表面３１４を粗面化する。トレンチ３０４は、基板３０３内に、１〜１０ミクロン、例えば、３ミクロンの深さで削られるとしてよい。
薄い（２００オングストローム未満、例えば、１００オングストローム）のパッシベーション層３１０をトレンチ３０４の表面３１４に形成するとしてよい。パッシベーション層３１０は、例えば、表面３１４に熱的に成長した二酸化シリコン、または、成膜された窒化シリコン層を含むとしてよい。
第２のトレンチ形成プロセスでは、図６に示した構造が有する二酸化シリコン３２４、二酸化シリコン３２２、および、薄い誘電体層３１３をエッチングしてトレンチ３０４を形成する（図７Ｂ）。トレンチ３０４の表面には、粗面化面３１４を形成するとしてよい。トレンチ用エッチングは、太陽電池のドーピング領域を形成する前にトレンチを形成する点を除き、第１のトレンチ形成プロセスと略同じである。
第１のトレンチ形成プロセスと同様に、熱ドライブイン工程を実行して二酸化シリコン層３２３および３２４からその下のポリシリコン層３２２へとドーパントを拡散させて、ドーピング領域３０１および３０２を形成する（図８Ｂ）。この場合、第２のトレンチ形成プロセスでは、拡散プロセスにおいて、トレンチ３０４の下方の基板３０３内にパッシベーション領域３１５が形成される。パッシベーション領域３１５は、拡散されたＮ型ドーパントを含むとしてよい。一実施形態によると、パッシベーション領域３１５は、熱ドライブイン工程において、拡散炉内にＰＯＣｌ３（オキシ塩化リン）を導入することによって形成される。パッシベーション領域３１５は、図１のパッシベーション領域１１２と同一の機能を持つ。
第１のトレンチ形成プロセスおよび第２のトレンチ形成プロセスの両方において、トレンチ３０４は、Ｐ型ドーピング領域３０１およびＮ型ドーピング領域３０２を互いから物理的に分離するための間隙として機能する。太陽電池の製造工程は、図８Ａまたは図８Ｂから図９へと続く。
続いて図９を参照して説明すると、窒化シリコン層３０７として誘電体をトレンチ３０４に形成する。図９の例では、窒化シリコン層３０７はさらに、層３２３および３２４の上方にも形成される。窒化シリコン層３０７は、トレンチ３０４の下方にシリコン面を蓄積すると共に良好な表面保護層として機能するべく、正の固定電荷密度が比較的高いことが好ましい。窒化シリコン３０７の正の固定電荷密度は、例えばＰＥＣＶＤプロセスの一環として自然に発生するとしてよい。一実施形態によると、窒化シリコン３０７は、ＰＥＣＶＤ法で約４００オングストロームの厚みに形成される。窒化シリコン３０７は、表面が（例えば、成膜時に）平坦であることが好ましい。図９および図１０のパッシベーション領域３１２は、利用したトレンチ形成プロセスによって、パッシベーション層３１０（図８Ａを参照のこと）またはパッシベーション領域３１５（図８Ｂを参照のこと）を表す。
その後、インターデジット式の金属コンタクトフィンガー部３０８および３０９が、窒化シリコン３０７を貫通して形成され、層３２３および３２４を介してドーピング領域３０１および３０２にそれぞれ電気接続されるとしてよい（図１０を参照のこと）。外部の電気回路をインターデジット式の金属コンタクトフィンガー部３０８および３０９に取着して、太陽電池と電気回路とを接続すると共に太陽電池から電気回路へと電力を供給するとしてよい。図１０の例によると、金属コンタクトフィンガー部３０８が正の電気端子に結合されて、金属コンタクトフィンガー部３０９が負の電気端子に結合されるとしてよい。このようにして得られる太陽電池は、図１に示した太陽電池と同じ利点を持つ。
図１１は、従来の太陽電池の性能と、本発明の実施形態に係る太陽電池の性能とを比較している暗時のＩＶ（電流／電圧）曲線を示す図である。同図のＩＶ曲線を「暗時」と呼ぶのは、太陽電池に太陽光が直接照射されていない場合に測定されたものであるためである。
同図のＩＶ曲線は、Ｎ型シリコンとＰ型ドーピング領域との間に形成されているダイオードに対応する。図１１に示す例では、横軸はダイオードに印加される電圧を表し、縦軸はその結果ダイオードを流れる電流を表す。ＩＶ曲線４０１は、Ｐ型ポリシリコンドーピング領域およびＮ型ポリシリコンドーピング領域が接触している太陽電池であって、試験的に作成された太陽電池に対応する。ＩＶ曲線４０２は、普通のＳｕｎｐｏｗｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製Ａ３００（登録商標）型の太陽電池に対応する。ＩＶ曲線４０３は、図１および図９に図示したような、Ｐ型ドーピング領域とＮ型ドーピング領域との間にトレンチが設けられている太陽電池に対応する。ＩＶ曲線４０２は理想的なＩＶ曲線４０４に非常に近似しているが、ＩＶ曲線４０３の方がより近似している。線４０５は、理想的なダイオードのＩＶ特性を観察する指針であり、傾きは電流１０倍に対して６０ミリボルトである。
図１２は、本発明の実施形態に係る太陽電池を製造する方法６００を示すフローチャートである。方法６００によると、ポリシリコン層内にドーピング領域を形成する（ステップ６０１）。ドーピング領域は、例えば、ドーピングされていないポリシリコン層の上方にドーピングされている二酸化シリコン層を成膜して拡散工程を実行するか、事前にドーピングされた二酸化シリコン層を成膜するか、または、ドーピングされていないポリシリコン層を成膜した後でドーパント注入ステップを実行することによって形成するとしてよい。ドーピング領域が形成されたポリシリコン層に対してエッチングを行って、Ｐ型ドーピング領域とＮ型ドーピング領域とを分離するトレンチを形成するとしてよい（ステップ６０２）。これに代えて、ドーピング領域を形成する前にトレンチを形成するとしてもよい。トレンチには、太陽光の集光率を高めるべく、粗面化した面を設けるとしてもよい。トレンチ材料と基板のバルクとを分離するべく、パッシベーション層または基板内に形成される拡散領域等のパッシベーション領域を形成するとしてよい（ステップ６０３）。その後、窒化シリコン層として誘電体をトレンチに成膜するとしてよい（ステップ６０４）。この後、インターデジット式の金属コンタクトフィンガー部を形成して、窒化シリコンを貫通して、Ｐ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域に電気的に接続させるとしてよい。
上述したように、Ｐ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域を物理的に分離することによって、両ドーピング領域が互いに接触する隣接接合がなくなり、太陽電池の高効率化が実現される。隣接接合は、順方向のリーク電流が比較的大きくなるので太陽電池の効率に悪影響を及ぼすが、太陽電池の逆ブレークダウン電圧を低減する。逆ブレークダウン電圧が発生するのは通常、太陽電池が陰にある場合である（つまり、太陽電池には直接太陽光が照射されていない場合である）。逆ブレークダウン電圧は、Ｐ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域の隣接部分で形成されているダイオード内のなだれ降伏メカニズムおよびツェナー降伏メカニズムに起因するものである。隣接接合を持つ一部の太陽電池の逆ブレークダウン電圧は、例えば、約−４ボルトである。これに対して、Ｐ型ポリシリコンドーピング領域およびＮ型ポリシリコンドーピング領域との間が完全にトレンチで分離されている太陽電池は、隣接接合がないので逆ブレークダウン電圧がはるかに高くなり、−１００ボルトにもなってしまう場合がある。逆ブレークダウン電圧が高くなると、過剰な熱が発生し、安全性について問題が発生する可能性がある。
図１３は、本願発明の発明者が見つけたさまざまな太陽電池の挙動を説明するためのＩＶ曲線を示す図である。図１３では、横軸が電圧を表し、縦軸が電流を表す。原点（０，０）の右側にある第１象限Ｉは、電圧および電流が正であることを表す。原点（０，０）の左側にある第４象限ＩＶは、電圧が負で電流が正であることを表す。
ＩＶ曲線７０１は、Ｐ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域を分離するトレンチが設けられていない第１の例の太陽電池に対応する。ＩＶ曲線７０２は、Ｐ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域を分離するトレンチが連続して設けられている第２の例の太陽電池、例えば図２に示す太陽電池に対応する。
曲線７０１は、第１の例の太陽電池に太陽光が照射されなくなると、生成される電圧が負方向に変化するので、左方向に進む。隣接接合が形成されているダイオードは最終的に、逆ブレークダウン電圧、例えば、−４ボルトでブレークダウン状態となる。この結果として発生する電流の増加は、同一モジュール内にある別の太陽電池によって制限され、通常は問題にならない。第１の例の太陽電池は、逆ブレークダウン電圧は比較的低いが、正方向の電圧領域（つまり、太陽電池に太陽光が照射されている場合、第１象限Ｉを参照のこと）での性能は、第２の例の太陽電池の性能に比べると、優位ではない。より具体的に説明すると、第２の例の太陽電池のＩＶ曲線７０２を参照すると、ＩＶ曲線７０１および７０２を第１象限Ｉで比較すると分かるように、通常動作時は第２の例の太陽電池が第１の例の太陽電池よりも高効率であることが分かる。
本願発明の発明者たちは、Ｐ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域を分離しているトレンチを複数箇所で断続させて形成することによって、トレンチが設けられていない箇所ではＰ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域が接触させることで、太陽電池の通常動作時の正方向電圧特性に大きな悪影響を及ぼすことなく、太陽電池の逆ブレークダウン特性を改善し得るという予想外の結果を発見した。
図１３に示すＩＶ曲線７０３は、本発明の実施形態に係る断続的なトレンチが設けられている第３の例の太陽電池に対応する。曲線７０３は、第３の例の太陽電池に太陽光が照射されなくなると、生成される電圧が負方向に変化するので、左に移動する。第３の例の太陽電池は最終的に、逆ブレークダウン電圧で、第２の例の太陽電池の逆ブレークダウン電圧に比べるとわずかに高い約−６ボルトで、ブレークダウン状態となる。しかし、第３の例の太陽電池の正方向の電圧特性は、第１象限ＩでＩＶ曲線７０３および７０２を比較すれば分かるように、第２の例の太陽電池の正方向の電圧特性と同様である。つまり、断続的なトレンチを設けることによって、太陽電池に太陽光が照射されている通常動作時の効率を改善することができる一方、太陽電池に太陽光が照射されていない場合の逆ブレークダウン電圧を相当低くすることができる。断続的なトレンチが設けられている太陽電池を以下で、まず図１４を参照しつつ説明する。
図１４は、本発明の実施形態に係る太陽電池７２０を示す概略図である。太陽電池７２０は、裏面７２１に形成されたポリシリコン層内にＰ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域が設けられている裏面コンタクト型太陽電池を含むとしてよい。裏面７２１とは反対側の、太陽電池７２０の正面は、通常動作時には太陽の方向を向く。図１４の例に図示されている複数のトレンチ中断部７２３は、Ｐ型ドーピング領域とＮ型ドーピング領域との間に設けられている断続的なトレンチの中断部分または遮断部分を表す。図示の便宜上、トレンチ中断部７２３のうち一部のみに参照番号を付している。
図１５は、本発明の実施形態に係る裏面７２１の一部分を示す拡大概略図である。図１５の例では、裏面７２１において、インターデジット式の金属コンタクトフィンガー部１０８および１０９が設けられている。断続的なトレンチ８００は、大半の箇所で、Ｐ型ドーピング領域１０１およびＮ型ドーピング領域１０２を互いから分離している。トレンチ中断部７２３（図１５に図示するのは１つのみ）によって数箇所でトレンチ８００が分断されており、その分断箇所においてＰ型ドーピング領域１０１およびＮ型ドーピング領域１０２は物理的に接触または隣接している。金属コンタクトフィンガー部１０８および１０９はそれぞれ、Ｐ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域に電気的に結合している。実際には、図１７および図１９に示すように、金属コンタクトフィンガー部１０８および１０９は、誘電体を介して対応するドーピング領域へと接続されている。当該誘電体は、一実施形態によると、窒化シリコン１０７を含む（例えば、図１７および図１９を参照のこと）。
以下の説明からより明らかになるが、太陽電池７２０は、逆ブレークダウン電圧を低く抑えつつ高効率化を図るべく太陽電池７２０のトレンチ８００が途中で分断されている点を除いて、上述したトレンチが設けられている太陽電池（例えば、図２および図１０を参照のこと）と同一である。したがって、太陽電池７２０は、トレンチ８００は複数個所で分断されており連続的に形成されない点を除いて、図２および図１０に示した太陽電池の製造プロセスとして前述したものと同一の製造プロセスを用いて製造されるとしてよい。トレンチ中断部は、トレンチエッチング工程において、対応するマスクパターンを用いて、または、レーザを適切に制御することによって、形成されるとしてよい。例えば、トレンチエッチング用マスクパターンは、トレンチを削らないトレンチ中断部を含むとしてよい。別の例を挙げると、トレンチ中断部では、レーザによってトレンチを削る作業を停止するとしてよい。
図１６は、裏面７２１のうち、図１５に点線７２５で囲った領域を示す概略平面図である。図１６では、トレンチ８００のうち連続部分（つまり、分断されていない部分）を示している。トレンチ８００によって、Ｐ型ドーピング領域１０１およびＮ型ドーピング領域１０２が互いから物理的に分離されている。図１６はさらに、Ｐ型ドーピング領域１０１に電気的に結合しているＰ型金属コンタクトフィンガー部１０８、および、Ｎ型ドーピング領域１０２に電気的に結合しているＮ型金属コンタクトフィンガー部１０９を示している。
図１７は、本発明の実施形態を示す、図１６に示した断面Ａ−Ａに沿った断面図である。図１７は、太陽電池の裏面７２１および正面７２２を示す図である。尚、図１７の断面図は、トレンチ８００を除いて、図２に示す断面図と同じである。図２に示すトレンチ１０４は途切れずに設けられているが、図１７のトレンチ８００は分断部分がある。図１７に示すその他の構成要素は、図２を参照して前述したものと同一である。
図１８は、裏面７２１のうち、図１５に点線７２６で囲った領域を示す概略平面図である。図１８では、Ｐ型ドーピング領域１０１およびＮ型ドーピング領域１０２が互いに接触しているトレンチ中断部７２３を示している。点線７２７は、Ｐ型ドーピング領域１０１およびＮ型ドーピング領域１０２によって形成される隣接接合を示す。実際には、トレンチ８００の長さ方向に沿って複数のトレンチ中断部７２３が設けられている。図示の便宜上、図１８に図示するトレンチ中断部７２３は１つのみとする。図１８はさらに、Ｐ型ドーピング領域１０１に電気的に結合しているＰ型金属コンタクトフィンガー部１０８、および、Ｎ型ドーピング領域１０２に電気的に結合しているＮ型金属コンタクトフィンガー部１０９を示している。
図１９は、図１８に示した断面Ｂ−Ｂに沿った断面図である。図１９は、太陽電池の裏面７２１および正面７２２を示す図である。尚、図１９の断面図は、トレンチ中断部７２３で切断された切断図なのでトレンチ８００が形成されていないことを除いて、図１７に示す断面図と同じである。したがって、窒化シリコン１０７は、金属コンタクトフィンガー部１０８から金属コンタクトフィンガー部１０９まで延在している。また、Ｐ型ドーピング領域１０１およびＮ型ドーピング領域１０２によって、隣接接合７２７が形成されている。一般的に、Ｐ型ドーピング領域１０１およびＮ型ドーピング領域１０２は、隣接接合７２７において、逆ブレークダウン電圧が非常に低いダイオードを形成している。このような構成によって、太陽光が照射されない場合の太陽電池の逆ブレークダウン電圧が非常に低くなるという利点が得られる。Ｐ型ドーピング領域１０１およびＮ型ドーピング領域１０２が形成されているポリシリコン領域のドーピング濃度およびドーピング傾斜が高くなると、逆ブレークダウン電圧が低くなる。逆ブレークダウン電圧が低くなると、隣接接合の周囲長が１００分の１小さくなる。この変化による逆ブレークダウン電圧の増加幅は、一例によると、−４ボルトから−６ボルトに過ぎない。図１９に示すその他の構成要素は、図２を参照して前述したものと同一である。
図２０は、本発明の実施形態に係る断続的なトレンチ８００を示す概略平面図である。複数のトレンチ中断部７２３によってトレンチ８００が分断されており、分断箇所において隣接するＰ型ドーピング領域とＮ型ドーピング領域との間に隣接接合が形成されている。一実施形態によると、中断部７２３は、トレンチ８００が連続して設けられている場合の全長のうち約０．１％から１０％を占める。トレンチ８００の全長は、約１２５ｍｍであってよく、この長さはウェハを横断する寸法である。
図２１は、本願発明の発明者達が実行した実験で得られたさまざまな太陽電池の逆ブレークダウン特性を示すＩＶ曲線である。図２１に示す例では、横軸が逆電圧を表し、縦軸が電流を表す。ＩＶ曲線７３１は、トレンチが設けられていないために、Ｐ型ポリシリコンドーピング領域およびＮ型ポリシリコンドーピング領域が最初から最後まで接触している試験構造の太陽電池に対応する。ＩＶ曲線７３２は、図２および図１０に示すような連続したトレンチが設けられている太陽電池に対応する。ＩＶ曲線７３３は、典型的なＳｕｎｐｏｗｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製Ａ３００（登録商標）型の太陽電池に対応する。ＩＶ曲線７３４は、断続的なトレンチが設けられている太陽電池に対応する。尚、トレンチが設けられていない太陽電池の曲線７３１は非常に傾斜が大きく、最初から最後までトレンチが設けられている太陽電池の曲線７３２と比べると、逆ブレークダウン電圧が低くなっている。断続的なトレンチが設けられている太陽電池の曲線７３４を見ると、曲線７３１および７３３に比べて、逆ブレークダウン電圧がわずかに高くなっていることが分かる。しかし、前述したように、断続的なトレンチを設けることによって、正方向の電圧領域、つまり、太陽電池全体に太陽光が照射されている通常動作時の効率を高めることができる。
図２２は、本発明の実施形態に係る太陽電池を製造する方法７３０を示すフローチャートである。方法７３０において、Ｐ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域をポリシリコン層内に形成する（ステップ７３１）。ドーピング領域は、例えば、ドーピングされていないポリシリコン層の上方にドーピングされている二酸化シリコン層を成膜して拡散工程を実行するか、事前にドーピングされた二酸化シリコン層を成膜するか、または、ドーピングされていないポリシリコン層を成膜した後でドーパント注入ステップを実行することによって形成するとしてよい。ドーピング領域が形成されたポリシリコン層に対してエッチングを行って、Ｐ型ドーピング領域とＮ型ドーピング領域との間に断続的なトレンチを形成するとしてよい（ステップ７３２）。断続的なトレンチは、（例えば、全長の９９％を占める）連続部分においてＰ型ドーピング領域とＮ型ドーピング領域とを分離すると同時に、（例えば、全長の１％を占める）中断部分においてＰ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域を互いに接触させているとしてよい。断続的なトレンチは、ドーピング領域を形成する前に形成するとしてもよい。断続的なトレンチには、太陽光の集光率を高めるべく、粗面化した面を設けるとしてもよい。トレンチ材料と基板のバルクとを分離するべく、パッシベーション層または基板内に形成される拡散領域等のパッシベーション領域を形成するとしてよい（ステップ７３３）。その後、窒化シリコン層として誘電体を断続的なトレンチに成膜するとしてよい（ステップ７３４）。この後、インターデジット式の金属コンタクトフィンガー部を形成して、窒化シリコンを貫通して、Ｐ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域に電気的に接続させるとしてよい。
設計内容および周囲環境の状況によっては、トレンチ８００に沿って複数のトレンチ中断部７２３を設けることによって、熱暴走が発生して、太陽電池が過熱される場合がある。熱暴走の発生を防ぐべく、トレンチ８００のトレンチ中断部７２３の数および位置を制限するとしてよい。このような実施形態を以下で、まず図２３を参照しつつ説明する。
図２３は、本発明の実施形態に係る、太陽電池７５０を示す概略図である。太陽電池７５０は、裏面７２１においてトレンチ中断部７２３が１つのみであるという点を除いて、太陽電池７２０（図１４を参照のこと）と同一である。つまり、太陽電池７５０のいずれのトレンチにもトレンチ中断部７２３は他に設けられていないということになる。
図２４は、太陽電池７５０の断続的なトレンチ８００を示す概略平面図である。前述したように、トレンチ８００によって、Ｐ型ドーピング領域１０１およびＮ型ドーピング領域１０２が互いから物理的に分離されている。１つのトレンチ中断部７２３によって、トレンチ８００が分断されており、太陽電池７５０内の一箇所において、Ｐ型ドーピング領域１０１とＮ型ドーピング領域１０２との間に１つ隣接接合が形成されている。一般的に、トレンチ中断部の数は１個から１０個としてよく、１枚のウェハに１つのトレンチ中断部を設けることが好ましい。
図２５は、本発明の実施形態に係る太陽電池７５１を示す概略図である。当該太陽電池７５１は、１つの連続領域７５２内にのみ集中して複数（図２５の例では３個）のトレンチ中断部７２３が設けられていることを除いて、太陽電池７２０（図１４を参照のこと）と同じである。つまり、太陽電池７５１には領域７５２は他に設けられていない（このため、上記以外にはトレンチ中断部７２３はない）。１つだけ設けられている領域７５２ではどの箇所でも、局所的動作温度が略同じまたは同等である。
図２６は、太陽電池７５１の断続的なトレンチ８００を示す概略平面図である。前述したように、トレンチ８００によって、Ｐ型ドーピング領域１０１およびＮ型ドーピング領域１０２が互いから物理的に分離されている。１つの領域７５２内に形成された複数のトレンチ中断部７２３によって、トレンチ８００が分断されており、１つの領域７５２において、Ｐ型ドーピング領域１０１とＮ型ドーピング領域１０２との間に隣接接合が複数形成されている。
上述の説明から想到されるように、本発明の実施形態に係る太陽電池には、トレンチ８００の全長にわたって離間して複数のトレンチ中断部７２３が設けられるもの、トレンチ中断部７２３が１つのみ設けられるもの、１つの連続領域にのみ複数のトレンチ中断部７２３が設けられるもの、および、本発明の利点を損なうことなく設計要件をさまざまに組み合わせたその他の例（例えば、局所的領域を２つ形成して、それぞれに複数のトレンチ中断部７２３を離間させて設けるもの、２つのトレンチ中断部７２３を別々の領域に設けて、局所的動作温度を大きく異ならせるもの）が含まれるとしてよい。
本開示内容によれば、太陽電池の製造プロセスおよび太陽電池の構造が改善される。本発明の具体的な実施形態を説明してきたが、上記の実施形態は本発明を例示するために記載したものであって本発明を限定するものではないと理解されたい。当業者であれば、本開示内容を参照することによって、上記以外にも多くの実施形態に想到するであろう。
［項目７］
太陽電池を製造する方法であって、
Ｎ型シリコンウェハを含む太陽電池基板の上に第１の誘電体層を形成する段階と、
前記第１の誘電体層の上方に配置されるようにＰ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域を、前記太陽電池の正面の反対側の面であり、前記正面は、通常動作時に太陽の方を向く面である前記太陽電池基板の裏面に形成する段階と、
所与の箇所において前記Ｐ型ドーピング領域および前記Ｎ型ドーピング領域を互いから物理的に分離して、他の箇所においては前記Ｐ型ドーピング領域および前記Ｎ型ドーピング領域を互いに接触させる段階と、
前記Ｐ型ドーピング領域および前記Ｎ型ドーピング領域の上方に第２の誘電体層を成膜する段階と
を備える方法。
［項目８］
断続的なトレンチによって、前記Ｐ型ドーピング領域および前記Ｎ型ドーピング領域を互いから物理的に分離する項目７に記載の方法。
［項目９］
前記断続的なトレンチの表面を不規則に粗面化する段階をさらに備える項目８に記載の方法。
［項目１０］
前記第２の誘電体層は、窒化シリコンを含む項目７に記載の方法。
［項目１１］
前記太陽電池基板の前記裏面において、前記Ｐ型ドーピング領域に第１の金属コンタクトフィンガー部を電気接合する段階と、
前記太陽電池基板の前記裏面において、前記Ｎ型ドーピング領域に第２の金属コンタクトフィンガー部を電気接合する段階と
をさらに備える項目７に記載の方法。
［項目１２］
前記Ｐ型ドーピング領域は、前記第１の誘電体層の上方に成膜される前にＰ型ドーパントで事前にドーピングされていたポリシリコンを含み、前記Ｎ型ドーピング領域は、前記第１の誘電体層の上方に形成される前にＮ型ドーパントで事前にドーピングされていたポリシリコンを含む項目７に記載の方法。
［項目１３］
前記Ｐ型ドーピング領域を形成する段階は、
ドーパントソースからポリシリコン層へとドーパントを拡散させる段階
を有し、
前記ドーパントソースは、前記ポリシリコン層の上方に形成される材料層である項目７に記載の方法。
［項目１４］
前記ドーパントソースは、Ｐ型ドーピングニ酸化シリコン層を含む項目１３に記載の方法。
［項目２０］
前記断続的なトレンチ構造の表面に形成されているパッシベーション層をさらに備える太陽電池。

Claims (14)

  1. 通常動作時に太陽の方を向く正面および前記正面の反対側の裏面を有するシリコン基板と、
    ある箇所では物理的に互いから分離しており、別の箇所では互いに接触して隣接接合を形成しており、ポリシリコンを有するＰ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域と、
    前記Ｐ型ドーピング領域および前記Ｎ型ドーピング領域それぞれの下方であって前記基板の上方に形成されている第１の誘電体層と、
    前記Ｐ型ドーピング領域および前記Ｎ型ドーピング領域の上方に形成されている第２の誘電体層と
    を備える太陽電池構造。
  2. 前記第１の誘電体層は、前記シリコン基板の表面上に５〜４０オングストロームの範囲内の厚みで形成される二酸化シリコンを有する請求項１に記載の太陽電池構造。
  3. 前記Ｐ型ドーピング領域および前記Ｎ型ドーピング領域は、断続的なトレンチ構造によって互いから物理的に分離されている請求項１または２に記載の太陽電池構造。
  4. 前記トレンチ構造は、不規則に粗面化した表面を有する請求項３に記載の太陽電池構造。
  5. 前記第２の誘電体層と前記基板との間に形成されているパッシベーション層をさらに備える請求項１から４の何れか１項に記載の太陽電池構造。
  6. 前記トレンチ構造の下方であって前記基板の内部に形成されており、Ｎ型ドーパントでドーピングされている拡散パッシベーション領域をさらに備える請求項３または４に記載の太陽電池構造。
  7. 前記第２の誘電体層を貫通して前記Ｐ型ドーピング領域および前記Ｎ型ドーピング領域に電気的に結合されている、インターデジット式の複数の金属コンタクトフィンガー部をさらに備える請求項１から６の何れか１項に記載の太陽電池構造。
  8. 前記Ｐ型ドーピング領域および前記Ｎ型ドーピング領域は、複数箇所で互いに接触して隣接接合を形成している請求項１から７の何れか１項に記載の太陽電池構造。
  9. シリコン基板の裏面上に形成されており、ポリシリコンを有し、それぞれが誘電体層の上方に形成されているＰ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域と、
    前記Ｐ型ドーピング領域および前記Ｎ型ドーピング領域を互いから分離しており、第１の箇所において前記Ｐ型ドーピング領域および前記Ｎ型ドーピング領域を互いに接触させている断続的なトレンチ構造と
    を備える太陽電池。
  10. 前記シリコン基板は、Ｎ型シリコン基板を含む請求項９に記載の太陽電池。
  11. 前記Ｐ型ドーピング領域および前記Ｎ型ドーピング領域が互いに接触している第２の箇所をさらに備える請求項９または１０に記載の太陽電池。
  12. 前記第１の箇所および前記第２の箇所は、局所的動作温度が同一である同じ領域内にある請求項１１に記載の太陽電池。
  13. 前記第１の箇所は、前記太陽電池において前記Ｐ型ドーピング領域および前記Ｎ型ドーピング領域が互いに接触する唯一の箇所である請求項９または１０に記載の太陽電池。
  14. 前記トレンチ構造は、不規則に粗面化した表面を有する請求項９から１３の何れか１項に記載の太陽電池。
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