JP5677404B2 - 結晶太陽電池セル - Google Patents

Description

本発明は、結晶太陽電池セルに関する。

近年、特に地球環境の保護の観点から、太陽光エネルギを電気エネルギに変換する太陽電池セルは次世代のエネルギ源としての期待が急激に高まっている。太陽電池セルの種類には、化合物半導体を用いたものや有機材料を用いたものなどの様々なものがあるが、現在、シリコン結晶を用いた結晶太陽電池セルが主流となっている。

現在、最も多く製造および販売されている結晶太陽電池セルは、太陽光が入射する側の面（受光面）にｎ電極が形成されており、受光面と反対側の面（裏面）にｐ電極が形成された構成の両面電極型太陽電池セルである。また、結晶太陽電池セルの受光面には電極を形成せず結晶太陽電池セルの裏面のみにｎ電極およびｐ電極を形成した裏面電極型太陽電池セルの開発も進められている。

たとえば特許文献１には、ｐ型シリコンウエハの表面上にｎ型層が形成され、ｐ型シリコンウエハの裏面には誘電体層およびバリア層がこの順に形成され、誘電体層およびバリア層に設けられた開口を通して裏面のＢＳＦ層と電気的に接続する裏面コンタクトが形成された両面電極型太陽電池セルが記載されている。

ここで、特許文献１に記載の両面電極型太陽電池セルは、以下のようにして製造される。まず、ｐ型シリコンウエハの表面上にｎ型層を形成する。次に、ｐ型シリコンウエハに誘電体層およびバリア層を形成する。次に、バリア層の表面上にエッチングペーストを塗布して加熱することによって、誘電体層およびバリア層に開口部を形成する。

その後、ｐ型シリコンウエハの裏面の誘電体層およびバリア層の開口部にアルミニウムペーストを塗布して焼成する。これにより、特許文献１に記載の両面電極型太陽電池セルが製造される。

また、たとえば特許文献２には、ｎ型シリコン基板の裏面にｎ+型不純物層領域とｐ+型不純物層領域とが形成され、ｎ+型不純物層領域上にはｎ型用電極が形成され、ｐ+型不純物層領域上にはｐ型用電極が形成された裏面電極型太陽電池セルが記載されている。

ここで、特許文献２に記載の裏面電極型太陽電池セルは、以下のようにして製造される。まず、ｎ型シリコン基板の裏面にｎ+型不純物層領域とｐ+型不純物層領域とを形成した後に、ｎ型シリコン基板の裏面全面にパッシベーション膜を形成する。次に、パッシベーション膜の表面の一部にエッチングペーストを塗布し、エッチングペーストを加熱することによってパッシベーション膜を除去する。これにより、パッシベーション膜からｎ+型
不純物層領域およびｐ+型不純物層領域をそれぞれ露出させる。

その後、ｎ+型不純物層領域およびｐ+型不純物層領域の露出面にそれぞれ銀ペーストを塗布して焼成する。これにより、ｎ+型不純物層領域上にｎ型用電極を形成し、ｐ+型不純物層領域上にｐ型用電極を形成して、特許文献２に記載の裏面電極型太陽電池セルが製造される。

特表２０１０−５２７１４７号公報 特開２００９−２１４９４号公報

しかしながら、特許文献２に記載の裏面電極型太陽電池セルにおいて、従来の両面電極型太陽電池セルと同様の焼成温度条件（約８００℃）で銀ペーストを焼成した場合には、ｎ型シリコン基板の裏面のｎ+型不純物層領域のｎ型不純物と、ｐ+型不純物層領域のｐ型不純物とが互いに他の導電型の領域に拡散して互いに打ち消し合うことによって、ｎ+型
不純物層領域およびｐ+型不純物層領域の不純物濃度が低下し、裏面電極型太陽電池セル
の特性が低下するという問題があった。

この問題を解消するためには、銀ペーストの焼成温度を低下させる方法、および銀ペーストの焼成時間を短縮する方法などが挙げられるが、これらの方法を用いた場合には、ｎ型シリコン基板と、ｎ型用電極およびｐ型用電極との密着性が低下して、ｎ型シリコン基板から焼成電極が剥がれてしまうという問題があった。

上記のような問題は、裏面電極型太陽電池セルに限られた問題ではなく、両面電極型太陽電池セルを含めた結晶太陽電池セル全体の問題でもある。すなわち、製造コストや環境に配慮した製造エネルギの低減や、基板の薄型化によって影響が大きくなっている加熱された基板の変形による破損の防止などの観点から、焼成電極形成時の焼成温度の低下が求められている。

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、低い焼成温度においても焼成電極の密着性の低下を抑制することが可能な結晶太陽電池セルを提供することにある。

本発明の結晶太陽電池セルは、半導体基板と、半導体基板の表面に設けられた不純物拡散領域と、半導体基板上に設けられたパッシベーション膜と、パッシベーション膜を貫通するコンタクトホールを介して不純物拡散領域に接続された焼成電極とを備え、不純物拡散領域のコンタクトホールに対応する領域内に、線状に凸部が設けられ、凸部は前記パッシベーション膜と同材料から構成されるものである。

ここで本発明の結晶太陽電池セルは、凸部は直線状または円形状に設けられていることが好ましい。

また、本発明の結晶太陽電池セルは、凸部はコンタクトホールに対応する領域内において中心の両側に設けられていることが好ましい。

また、本発明の結晶太陽電池セルは、前記凸部の厚さは、０．０３μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましい。

本発明によれば、低い焼成温度においても焼成電極の密着性の低下を抑制することが可能な結晶太陽電池セルを提供することができる。

（ａ）〜（ｉ）は、実施の形態１の裏面電極型太陽電池セルの製造方法について図解する模式的な断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図１（ｈ）に示すコンタクトホールの形成工程および図１（ｉ）に示す焼成電極の形成工程について図解する模式的な断面図である。 実施の形態１におけるコンタクトホールの形成後のｎ型シリコン基板の裏面の一部の模式的な平面図である。 実施の形態２におけるコンタクトホールの形成後のｎ型シリコン基板の裏面の一部の模式的な平面図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。また、後述する各工程の前後に他の工程が含まれていてもよい。また、後述する各工程の順序は入れ替わっていてもよく後述する各工程の少なくとも２つの工程が同時に行なわれてもよい。

＜実施の形態１＞
以下、図１（ａ）〜図１（ｉ）の模式的断面図を参照して、本発明の結晶太陽電池セルの製造方法の一例である実施の形態１の裏面電極型太陽電池セルの製造方法について説明する。

まず、図１（ａ）に示すように、半導体基板の一例としてのｎ型シリコン基板１を準備する工程を行なう。ここで、ｎ型シリコン基板１としては、たとえば、ｎ型の導電性を有する多結晶シリコンまたは単結晶シリコンなどを用いることができる。

また、ｎ型シリコン基板１としては、たとえばシリコンインゴットをスライスすることにより生じたスライスダメージを除去したものなどを用いることができる。ここで、スライスダメージの除去は、たとえば、フッ化水素水溶液と硝酸との混酸または水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ水溶液などでエッチングをすることなどにより行なうことができる。

また、ｎ型シリコン基板１の大きさおよび形状は特に限定されないが、ｎ型シリコン基板１の厚さはたとえば１００μｍ以上３００μｍ以下とすることができ、ｎ型シリコン基板１の表面形状はたとえば１辺の長さが１００ｍｍ以上１５０ｍｍ以下の四角形状とすることができる。

なお、本実施の形態においては、半導体基板の一例としてｎ型シリコン基板１を用いる場合について説明するが、ｎ型シリコン基板１以外の半導体基板を用いてもよく、たとえ
ばｐ型シリコン基板などのｐ型の導電型を有する半導体基板を用いてもよい。

次に、図１（ｂ）に示すように、ｎ型シリコン基板１の裏面にテクスチャマスク２を形成する工程を行なう。ここで、テクスチャマスク２としては、たとえば、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積層体などを用いることができる。

テクスチャマスク２は、たとえば、熱酸化法、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法またはスパッタリング法などの方法によって形成することができる。また、
テクスチャマスク２は、たとえば３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の厚さに形成することができる。

次に、図１（ｃ）に示すように、ｎ型シリコン基板１の表面にテクスチャ構造３を形成する工程を行なう。テクスチャ構造３を形成する工程は、たとえば、水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムなどのアルカリ水溶液にイソプロピルアルコールを添加した液を７０℃以上８０℃以下に加熱したエッチング液を用いてｎ型シリコン基板１の表面をエッチングすることにより行なうことができる。

次に、図１（ｄ）に示すように、ｎ型シリコン基板１の裏面のテクスチャマスク２を除去する工程を行なう。テクスチャマスク２を除去する工程は、たとえば、フッ化水素水溶液またはリン酸水溶液にテクスチャマスク２を浸漬することにより行なうことができる。

次に、図１（ｅ）に示すように、ｎ型シリコン基板１の裏面に、ｎ型不純物拡散領域５およびｐ型不純物拡散領域６をそれぞれ形成する工程を行なう。

ここで、ｎ型不純物拡散領域５は、たとえば、リンなどのｎ型不純物を含むガスを用いた気相拡散、またはリンなどのｎ型不純物を含む溶液を塗布した後に加熱する塗布拡散などの方法により形成することができる。

また、ｐ型不純物拡散領域６は、たとえば、ボロンなどのｐ型不純物を含むガスを用いた気相拡散、またはボロンなどのｐ型不純物を含む溶液を塗布した後に加熱する塗布拡散などの方法により形成することができる。

ｎ型不純物拡散領域５およびｐ型不純物拡散領域６はそれぞれ図１（ｅ）の紙面の表面側および／または裏面側に伸びる帯状に形成されており、ｎ型不純物拡散領域５とｐ型不純物拡散領域６とはｎ型シリコン基板１の裏面において交互に所定の間隔をあけて配置されている。

ｎ型不純物拡散領域５はｎ型不純物を含み、ｎ型の導電型を示す領域であれば特に限定されない。また、ｐ型不純物拡散領域６はｐ型不純物を含み、ｐ型の導電型を示す領域であれば特に限定されない。

次に、図１（ｆ）に示すように、ｎ型シリコン基板１の裏面にパッシベーション膜８を形成する工程を行なう。ここで、パッシベーション膜８を形成する工程は、たとえば、熱酸化法またはプラズマＣＶＤ法などの方法により、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、または酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積層体などを形成することによって行なうことができる。

次に、図１（ｇ）に示すように、ｎ型シリコン基板１のテクスチャ構造３上に、反射防止膜７を形成する工程を行なう。ここで、反射防止膜７を形成する工程は、たとえばプラ
ズマＣＶＤ法により、窒化シリコン膜などを形成することにより行なうことができる。

次に、図１（ｈ）に示すように、ｎ型シリコン基板１の裏面上に形成されたパッシベーション膜８にコンタクトホール９およびコンタクトホール１０を形成する工程を行なう。ここで、コンタクトホール９はｎ型不純物拡散領域５が直線状に露出するように直線状に形成され、コンタクトホール１０はｐ型不純物拡散領域６が直線状に露出するように直線状に形成される。

次に、図１（ｉ）に示すように、ｎ型不純物拡散領域５上にｎ型用焼成電極１１を形成するとともにｐ型不純物拡散領域６上にｐ型用焼成電極１２を形成する工程を行なう。ここで、ｎ型用焼成電極１１は、コンタクトホール９を通してｎ型不純物拡散領域５に接するようにして形成され、ｐ型用焼成電極１２は、コンタクトホール１０を通してｐ型不純物拡散領域６に接するようにして形成される。

以上により、実施の形態１の裏面電極型太陽電池セルが完成する。

実施の形態１の裏面電極型太陽電池セルの製造方法においては、図１（ｈ）に示すコンタクトホールの形成工程および図１（ｉ）に示す焼成電極の形成工程が図２（ａ）〜図２（ｄ）の模式的断面図に示すようにして行なわれることに特徴がある。

すなわち、まず、図２（ａ）に示すように、ｎ型不純物拡散領域５の上方に対応するパッシベーション膜８の表面上の箇所にエッチングペースト２１を塗布する工程を行なう。エッチングペースト２１を塗布する工程は、たとえば、ディスペンサによる塗布、インクジェット印刷による塗布、スクリーン印刷による塗布、ロールコータ印刷による塗布、またはオフセット印刷による塗布などの方法を用いることができる。

ここで、エッチングペースト２１としては、たとえば、パッシベーション膜８をエッチングすることが可能なエッチング成分と、エッチング成分以外の成分として、水、有機溶媒および増粘剤などを含むものを用いることができる。

エッチング成分としては、たとえば、リン酸、フッ化水素、フッ化アンモニウム、およびフッ化水素アンモニウムから選択された少なくとも１種などを用いることができる。

また、有機溶媒としては、たとえばイソプロピルアルコール、ジエチレングリコールなどのアルコール；エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテルなどのエーテル；２，２−ブトキシエチルアセテート、プロピレンカーボネートなどのエステル；またはＮ−メチル−２−ピロリドンなどのケトンなどの少なくとも１種を含むものを用いることができる。

また、増粘剤としては、たとえばエチルセルロースやナトリウムカルボキシメチルヒドロキシエチルセルロースなどのセルロース誘導体；ナイロン６などのポリアミド樹脂；またはポリビニルピロリドンなどのビニル基が重合したポリマーなどの少なくとも１種を含むものを用いることができる。

次に、図２（ｂ）に示すように、エッチングペースト２１に凹部２１ａを形成する工程を行なう。凹部２１ａを形成する工程は特に限定されないが、たとえばエッチングペースト２１を加熱することなどにより行なうことができる。

ここで、エッチングペースト２１は、エッチングペースト２１がパッシベーション膜８のエッチングを開始する温度未満の温度に加熱されることが好ましい。このようにエッチングペースト２１を加熱することによって、エッチングペースト２１の塗布領域の中央部
に向かってエッチングペースト２１を凝集させることができるため、エッチングペースト２１の厚さが局所的に薄くなる凹部２１ａを好適に形成することができる。

このような凹部２１ａは、たとえば２５０℃以上４００℃以下の温度にエッチングペースト２１を加熱することなどによって形成することができる。

エッチングペースト２１の凹部２１ａの厚さｔは、０．５μｍ以上１．５μｍ以下であることが好ましい。この場合には、後述する工程において、ｎ型不純物拡散領域５上に好適な高さの凸部を形成することができる傾向が大きくなる。

次に、図２（ｃ）に示すように、パッシベーション膜８をエッチングする工程を行なう。これにより、ｎ型不純物拡散領域５の表面の一部を露出させるコンタクトホール９が形成される。

ここで、パッシベーション膜８をエッチングする工程は、凹部２１ａが形成されたエッチングペースト２１を用いてパッシベーション膜８の一部である凸部８ａがｎ型不純物拡散領域５上に残るようにして行なわれる。

このようなパッシベーション膜８のエッチングは、たとえば、凹部２１ａが形成されたエッチングペースト２１をエッチングペースト２１がパッシベーション膜８のエッチングを開始する温度以上の温度に加熱することなどによって行なうことができる。これにより、エッチングペースト２１の凸部８ａ以外の所定の厚さを有する部分においてはパッシベーション膜８を完全にエッチングすることができるため、ｎ型不純物拡散領域５の表面が露出する。一方、エッチングペースト２１の凹部２１ａにおいてはエッチングペースト２１のその他の部分よりも厚さが薄く形成されているため、パッシベーション膜８のエッチングが不完全となり、ｎ型不純物拡散領域５の表面上にパッシベーション膜８の一部である凸部８ａが残ることになる。

ここで、パッシベーション膜８の一部である凸部８ａの厚さＴは、０．０３μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましい。凸部８ａの厚さＴが０．０３μｍ以上である場合にはｎ型用焼成電極１１の接触面積を増大させることができる傾向にあり、凸部８ａの厚さＴが０．５μｍ以下である場合には凸部８ａが高くなりすぎることによる凸部８ａの破損をより有効に抑制することができる傾向にある。

図３に、実施の形態１におけるコンタクトホール９の形成後のｎ型シリコン基板１の裏面の一部の模式的な平面図を示す。ここで、コンタクトホール９からは、ｎ型不純物拡散領域５の表面が露出しているとともに、ｎ型不純物拡散領域５の表面上に直線状に伸びる凸部８ａと、その凸部８ａと所定の間隔を空けて平行に伸長し、その一部が欠落している破線状の凸部８ａも露出している。

なお、凸部８ａは、図３に示す形状に限定されるものではなく、ｎ型不純物拡散領域５の表面上の一部に形成されていればよい。

次に、エッチングによって露出したｎ型不純物拡散領域５上および凸部８ａ上に導電性ペーストを塗布する工程を行なう。ここで、導電性ペーストを塗布する工程は、たとえば市販の銀ペーストなどの導電性を有するペーストをスクリーン印刷などによって塗布することにより行なうことができる。

次に、図２（ｄ）に示すように、導電性ペーストを焼成することによってｎ型用焼成電極１１を形成する工程を行なう。ここで、導電性ペーストの焼成によるｎ型用焼成電極１
１の形成は、従来の両面電極型太陽電池セルの焼成温度よりも低温（たとえば４００℃程度）の焼成温度で導電性ペーストを焼成することにより行なわれる。

このように、実施の形態１の裏面電極型太陽電池の製造方法においては、局所的に厚さの薄い部分である凹部２１ａを有するエッチングペースト２１を用いてパッシベーション膜８をエッチングすることによって、パッシベーション膜８の一部である凸部８ａをｎ型不純物拡散領域５の表面上に残す。そして、凸部８ａおよびｎ型不純物拡散領域５の表面上に導電性ペーストを塗布して、その後焼成することによってｎ型用焼成電極１１を形成している。そのため、ｎ型用焼成電極１１については、凸部８ａの表面の分だけｎ型不純物拡散領域５およびパッシベーション膜８との接触面積を増大させることができる。これにより、ｎ型用焼成電極１１の形成時の導電性ペーストの焼成温度が低い場合でも、ｎ型用焼成電極１１の密着性を向上させることができることから、ｎ型用焼成電極１１のｎ型シリコン基板１からの剥離を有効に防止することができる。

なお、図２（ａ）〜図２（ｄ）においては、コンタクトホール９およびｎ型用焼成電極１１を形成する場合について説明したが、コンタクトホール１０およびｐ型用焼成電極１２の形成も同様にして行なうことができるのは言うまでもない。

また、上記においては、裏面電極型太陽電池セルを製造する場合について説明したが、本発明は、裏面電極型太陽電池セル以外の両面電極型太陽電池セルなどの他の結晶太陽電池セルにも適用できることは言うまでもない。

＜実施の形態２＞
以下、本発明の結晶太陽電池セルの製造方法の他の一例である実施の形態２の裏面電極型太陽電池セルの製造方法について説明する。実施の形態２の裏面電極型太陽電池セルの製造方法においては、コンタクトホール９および凸部８ａの形状がそれぞれ実施の形態１と異なっている点に特徴がある。

図４に、実施の形態２におけるコンタクトホール９の形成後のｎ型シリコン基板１の裏面の一部の模式的な平面図を示す。ここで、コンタクトホール９は円形状に形成されており、コンタクトホール９の内側に配置された凸部８ａも円形状に形成されている。

このように、コンタクトホール９および凸部８ａを形成した場合にも、ｎ型用焼成電極１１については、凸部８ａの表面の分だけｎ型不純物拡散領域５およびパッシベーション膜８との接触面積を増大させることができる。

したがって、実施の形態２においても、ｎ型用焼成電極１１の形成時の導電性ペーストの焼成温度が低い場合でも、ｎ型用焼成電極１１の密着性を向上させることができることから、ｎ型用焼成電極１１のｎ型シリコン基板１からの剥離を有効に防止することができる。

なお、円形状のコンタクトホール９および凸部８ａは、パッシベーション膜８上にエッチングペースト２１を塗布し、エッチングペースト２１の一部を円形状に厚さを薄くした凹部２１ａとすることによって形成することができる。

本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態１と同様であるため、その説明については省略する。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され
、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、結晶太陽電池セルおよび結晶太陽電池セルの製造方法に利用することができ、特に、エッチングペーストによってパッシベーション膜の一部を除去して焼成電極が形成される結晶太陽電池セルおよび結晶太陽電池セルの製造方法に好適に利用することができる。

１ ｎ型シリコン基板、２ テクスチャマスク、３ テクスチャ構造、５ ｎ型不純物拡散領域、６ ｐ型不純物拡散領域、７ 反射防止膜、８ パッシベーション膜、８ａ 凸部、９，１０ コンタクトホール、１１ ｎ型用焼成電極、１２ ｐ型用焼成電極、２１ エッチングペースト、２１ａ 凹部。

Claims (4)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の表面に設けられた不純物拡散領域と、
   前記半導体基板上に設けられたパッシベーション膜と、
   前記パッシベーション膜を貫通するコンタクトホールを介して前記不純物拡散領域に接続された焼成電極とを備え、
   前記不純物拡散領域の前記コンタクトホールに対応する領域内に、線状に凸部が設けられ、該凸部は前記パッシベーション膜と同材料から構成される、結晶太陽電池セル。
2. 前記凸部は直線状または円形状に設けられている、請求項１に記載の結晶太陽電池セル。
3. 前記凸部は前記コンタクトホールに対応する領域内において中心の両側に設けられている、請求項１または２に記載の結晶太陽電池セル。
4. 前記凸部の厚さは、０．０３μｍ以上０．５μｍ以下である、請求項１から３のいずれかに記載の結晶太陽電池セル。