JP5691269B2 - n型拡散層形成組成物、n型拡散層の製造方法、及び太陽電池セルの製造方法 - Google Patents
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Description
まず、光閉じ込め効果を促して高効率化を図るよう、テクスチャー構造を形成したp型シリコン基板を準備し、続いてオキシ塩化リン(POCl3)、窒素、酸素の混合ガス雰囲気において800〜900℃で数十分の処理を行って一様にn型拡散層を形成する。この従来の方法では、混合ガスを用いてリンの拡散を行うため、表面のみならず、側面、裏面にもn型拡散層が形成される。そのため、側面のn型拡散層を除去するためのサイドエッチング工程が必要であった。また、裏面のn型拡散層はp+型拡散層へ変換する必要があり、裏面のn型拡散層の上にアルミニウムペーストを付与して、アルミニウムの拡散に
よってn型拡散層からp+型拡散層に変換させていた。
<1> ドナー元素を含むガラス粉末と、重量平均分子量が5000以上500000以下であるバインダーと、溶剤と、を含有するn型拡散層形成組成物であり、
前記n型拡散層形成組成物を半導体基板上に塗布してn型拡散層形成組成物層を形成する工程と、前記n型拡散層形成組成物層が形成された半導体基板を熱処理して前記半導体基板にn型拡散層を形成する工程と、前記n型拡散層の表面に形成されるガラスを除去する工程と、を有するn型拡散層の製造方法に用いられるn型拡散層形成組成物。
尚、本明細書において「工程」との用語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の作用が達成されれば、本用語に含まれる。
また本明細書において「〜」を用いて示された数値範囲は、その前後に記載される数値をそれぞれ最小値および最大値として含む範囲を示すものとする。
ここで、n型拡散層形成組成物とは、ドナー元素を含有し、シリコン基板に塗布した後にこのドナー元素を熱拡散することでn型拡散層を形成することが可能な材料をいう。本発明のn型拡散層形成組成物を用いることで、所望の部位にのみn型拡散層が形成され、裏面や側面には不要なn型拡散層が形成されない。
ドナー元素とは、シリコン基板中にドーピングさせることによってn型拡散層を形成することが可能な元素である。ドナー元素としては第15族の元素が使用でき、例えばP(リン)、Sb(アンチモン)、As(ヒ素)等が挙げられる。安全性、ガラス化の容易さ等の観点から、P又はSbが好適である。
上記では2成分を含む複合ガラスを例示したが、P2O5−SiO2−CaO等必要に応じて3種類以上の複合ガラスでもよい。
最初に原料を秤量し、るつぼに充填する。るつぼの材質としては白金、白金―ロジウム、イリジウム、アルミナ、石英、炭素等が挙げられるが、溶融温度、雰囲気、溶融物質との反応性等を考慮して適宜選ばれる。
次に、電気炉でガラス組成に応じた温度で加熱し均一な融液とする。このとき融液が均一となるよう攪拌することが望ましい。
続いて均一になった融液をジルコニア基板やカーボン基板等の上に流し出して融液をガラス化する。
最後にガラスを粉砕し粉末状とする。粉砕にはジェットミル、ビーズミル、ボールミル等公知の方法が適用できる。
これに加え、バインダーの重量平均分子量が大きくなると、バインダーの燃焼温度が高くなり、熱拡散処理においてバインダーが完全に燃焼されず、ドナー元素の拡散が進行し難くなる他、バインダー中の不純物がシリコン基板に拡散してしまう可能性がある。
尚、バインダーの重量平均分子量は、GPCを用いる通常の方法で測定される。
またn型拡散層形成組成物の粘度は、塗布性を考慮して、10mPa・S以上1000000mPa・S以下であることが好ましく、50mPa・S以上500000mPa・S以下であることがより好ましい。
尚、pHは25℃において、通常のpH測定装置を用いて測定される。
n型拡散層形成組成物は、半導体基板上に塗布され、高温で熱処理されることでn型拡散層を形成するが、その際に表面にガラスが形成される。このガラスは、ふっ酸等の酸に浸漬して除去されるが、ガラスの種類によっては除去し難いものがある。その場合に、ガラスと反応して結晶化しやすいAg、Mn、Cu、Fe、Zn、Si等の金属元素を添加しておくことにより、酸洗浄後に容易にガラスを除去することができる。これらのなかでも、Ag、Si、及びZnから選択される少なくとも1種を用いることが好ましい。
またガラス粉末と反応しやすい金属元素は、金属単体、合金等の形態で用いることができる。
詳細には、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20質量%苛性ソーダで除去する。次いで1質量%苛性ソーダと10質量%イソプロピルアルコールの混合液によりエッチングを行い、テクスチャー構造を形成する(図中ではテクスチャー構造の記載を省略する)。太陽電池セルは、受光面(表面)側にテクスチャー構造を形成することにより、光閉じ込め効果が促され、高効率化が図られる。
上記n型拡散層形成組成物の塗布量としては特に制限はないが、例えば、10g/m2〜250g/m2とすることができ、20g/m2〜150g/m2であることが好ましい。
熱拡散処理時間は、n型拡散層形成組成物に含まれるドナー元素の含有率などに応じて適宜選択することができる。例えば、1〜60分間とすることができ、2〜30分間であることがより好ましい。
したがって、従来広く採用されている気相反応法によりn型拡散層を形成する方法では、側面に形成された不要なn型拡散層を除去するためのサイドエッチング工程が必須であったが、本発明の製造方法によれば、サイドエッチング工程が不要となり、工程が簡易化される。
この内部応力は、結晶の結晶粒界に損傷を与え、電力損失が大きくなるという課題があった。また、反りは、モジュール工程における太陽電池セルの搬送や、タブ線と呼ばれる導線との接続において、セルを破損させ易くしていた。近年では、スライス加工技術の向上から、結晶シリコン基板の厚みが薄型化されつつあり、更にセルが割れ易い傾向にある。
また後述するように、裏面の表面電極20に用いる材料は第13族のアルミニウムに限定されず、例えばAg(銀)やCu(銅)などを適用することができ、裏面の表面電極20の厚さも従来のものよりも薄く形成することが可能となる。
より具体的には、上記混合ガス流量比NH3/SiH4が0.05〜1.0、反応室の圧力が0.1〜2Torr、成膜時の温度が300〜550℃、プラズマの放電のための周波数が100kHz以上の条件下で形成される。
バックコンタクト型の太陽電池セルは、電極を全て裏面に設けて受光面の面積を大きくするものである。つまりバックコンタクト型の太陽電池セルでは、裏面にn型拡散部位及びp+型拡散部位の両方を形成しpn接合構造とする必要がある。本発明のn型拡散層形成組成物は、特定の部位にのみn型拡散部位を形成することが可能であり、よってバックコンタクト型の太陽電池セルの製造に好適に適用することができる。
またバインダーの重量平均分子量は、市販品についてはカタログデータを採用し、不明なものについては、GPCを用いてポリエチレン換算の重量平均分子量として測定した。
P2O5−SiO2系ガラス(P2O5含有量:10%)粉末20gと、バインダーとしてエチルセルロース(重量平均分子量140000)0.3g、酢酸2−(2−ブトキシエトキシ)エチル7gを混合してペースト化し、n型拡散層形成組成物1を調製した。
得られたn型拡散層形成組成物のpHを25℃で、pHメーターを用いて測定したところ、pH(25℃)は5.6であった。
実施例1において、バインダーを重量平均分子量が300000のエチルセルロースに代えたこと以外は、実施例1と同様にn型拡散層形成組成物2を調製した。
実施例1において、ガラス粉末をP2O5−ZnO系ガラス粉末(P2O5含有量:10%)に代えたこと以外は、実施例1と同様にn型拡散層形成組成物3を調製した。
実施例1において、バインダーをポリビニルアルコール(重量平均分子量250000)に代えたこと以外は、実施例1と同様にn型拡散層形成組成物4を調製した。
P2O5−SiO2系ガラス(P2O5含有量:10%)粉末19.7gと、Ag0.3gと、エチルセルロース(分子量140000)0.3gと、酢酸2−(2−ブトキシエトキシ)エチル7gとを混合してペースト化し、n型拡散層形成組成物5を調製した。
実施例1において、クエン酸を用いてpH=3.8に調整したこと以外は実施例1と同様にn型拡散層形成組成物6を調製した。
実施例1において、炭酸水素ナトリウムを用いてpH=9.8に調整したこと以外は実施例1と同様にn型拡散層形成組成物7を調製した。
実施例1において、バインダーを重量平均分子量が7000のエチルセルロースに代えたこと以外は、実施例1と同様にn型拡散層形成組成物8を調製した。
実施例1において、バインダーを重量平均分子量が450000のエチルセルロースに代えたこと以外は、実施例1と同様にn型拡散層形成組成物9を調製した。
実施例1において、バインダーを重量平均分子量が4500のエチルセルロースに代えたこと以外は、実施例1と同様にn型拡散層形成組成物C1を調製した。
実施例1において、バインダーを重量平均分子量が750000のエチルセルロースに代えたこと以外は、実施例1と同様にn型拡散層形成組成物C2を調製した。
−分散安定性−
上記方法により調製したn型拡散層形成組成物について、調製してから1時間以内に測定した初期粘度と、20℃で6時間放置した後に測定した経時粘度とから、経持粘度と初期粘度との差の初期粘度に対する比率((経時粘度−初期粘度)/初期粘度)として粘度変化率を求めた。尚、粘度は、回転式粘度計を用いて20℃で測定した。
併せて目視により、経時後のn型拡散層形成組成物の状態を観察した。
粘度変化および目視観察の結果を、下記評価基準に従って評価した。その結果を表1に示す。
A・・・粘度変化率が0.05未満で、ガラス粒子のゲル化及び凝集も認められなかった。
B・・・粘度変化率が0.05以上、0.10未満で、ガラス粒子のゲル化及び凝集も認められなかった。
C・・・粘度変化率が0.10以上、0.15未満で、ガラス粒子のゲル化及び凝集も認められなかった。
D・・・粘度変化率が0.15未満であったが、ガラス粒子がゲル化または凝集した。
E・・・粘度変化率が0.15以上であり、かつガラス粒子がゲル化または凝集した。
尚、比較例1および比較例2で調製したn型拡散層形成組成物は分散安定性が低く、スクリーン印刷を行うことができなかった。
また、ガラス粉末と反応して結晶化する金属元素としてAg(銀)が配合されていることで、熱拡散処理後に形成されたガラスの除去性に優れていた。また、基板の反りは発生していなかった。
12 n型拡散層
14 高濃度電界層
16 反射防止膜
18 表面電極
20 裏面電極(電極層)
30 バスバー電極
32 フィンガー電極
Claims (9)
- ドナー元素を含むガラス粉末と、重量平均分子量が5000以上500000以下であるバインダーと、溶剤と、を含有するn型拡散層形成組成物であり、
前記n型拡散層形成組成物を半導体基板上に塗布してn型拡散層形成組成物層を形成する工程と、前記n型拡散層形成組成物層が形成された半導体基板を熱処理して前記半導体基板にn型拡散層を形成する工程と、前記n型拡散層の表面に形成されるガラスを除去する工程と、を有するn型拡散層の製造方法に用いられるn型拡散層形成組成物。 - 前記ガラス粉末は、ガラス成分物質とドナー元素含有物質とを含み、前記ドナー元素含有物質の含有比率が該ガラス粉末に対して1質量%以上75質量%以下である、請求項1に記載のn型拡散層形成組成物。
- pH(25℃)が2〜13の範囲である請求項1又は請求項2に記載のn型拡散層形成組成物。
- 前記ドナー元素が、P(リン)及びSb(アンチモン)から選択される少なくとも1種である請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のn型拡散層形成組成物。
- 前記ガラス粉末が、P2O3、P2O5及びSb2O3から選択される少なくとも1種のドナー元素含有物質と、SiO2、K2O、Na2O、Li2O、BaO、SrO、CaO、MgO、BeO、ZnO、PbO、CdO、SnO、ZrO2、及びMoO3から選択される少なくとも1種のガラス成分物質と、を含有する請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のn型拡散層形成組成物。
- 更に、前記ガラス粉末と反応して結晶化する金属元素を含む請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のn型拡散層形成組成物。
- 前記金属元素が、Ag(銀)、Si(珪素)、及びZn(亜鉛)から選択される少なくとも1種である請求項6に記載のn型拡散層形成組成物。
- 請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載のn型拡散層形成組成物を半導体基板上に塗布してn型拡散層形成組成物層を形成する工程と、前記n型拡散層形成組成物層が形成された半導体基板を熱処理して前記半導体基板にn型拡散層を形成する工程と、前記n型拡散層の表面に形成されるガラスを除去する工程と、を有するn型拡散層の製造方法。
- 半導体基板上に、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載のn型拡散層形成組成物を塗布してn型拡散層形成組成物層を形成する工程と、前記n型拡散層形成組成物層が形成された半導体基板を熱処理して前記半導体基板にn型拡散層を形成する工程と、前記n型拡散層の表面に形成されるガラスを除去する工程と、を有する太陽電池セルの製造方法。
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