JP6139599B2 - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、太陽電池及びその製造方法に係り、より詳細には、トンネル層を備える太陽電池及びその製造方法に関する。
最近、石油や石炭のような既存エネルギー資源の枯渇が予想されながら、これらに代わる代替エネルギーへの関心が高まっている。その中でも、太陽電池は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する次世代電池として脚光を浴びている。
このような太陽電池は、様々な層及び電極を設計に応じて形成することによって製造することができる。このような様々な層及び電極の設計に応じて太陽電池の効率が決定され得る。太陽電池の商用化のためには、低い効率を克服しなければならないので、様々な層及び電極が太陽電池の効率を最大化できるように設計されることが要求される。また、様々な層及び電極を有する太陽電池の製造工程を単純化することが要求される。
〔先行技術文献〕
〔特許文献〕
〔特許文献１〕国際公開第２０１２／０３９８３１号
本発明は、優れた効率及び単純化された製造工程を有する太陽電池及びその製造方法を提供しようとする。
本発明の実施例に係る太陽電池の製造方法は、半導体基板上にトンネル層を形成するステップと、前記トンネル層上に半導体物質を蒸着する工程を含んで半導体層を形成するステップと、前記半導体層に接続される電極を形成するステップとを含み、前記トンネル層を形成するステップは、室温より高い温度及び常圧より小さい圧力で行われる。
一方、本発明の実施例に係る太陽電池は、上述した太陽電池の製造方法により製造され、トンネル層の厚さが２ｎｍ以下である。
本実施例によれば、トンネル層を室温より高い温度、及び常圧より低い圧力で形成して、トンネル層を均一且つ薄く形成することができる。すると、トンネル層のトンネリング確率が増加して、太陽電池の特性を向上させることができる。そして、化学気相蒸着装置内でトンネル層を形成することができるので、化学気相蒸着装置内で形成される半導体層とインサイチュ工程によって形成することができる。これによって、太陽電池の製造工程を単純化して、製造コスト及び製造時間を大きく低減することができる。
本発明の実施例に係る太陽電池の製造方法によって製造される太陽電池の一例を示す断面図である。 図１に示した太陽電池の部分背面平面図である。 本発明の実施例に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施例に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施例に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施例に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施例に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施例に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施例に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の他の実施例に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の他の実施例に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の他の実施例に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の他の実施例に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の他の実施例に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の他の実施例に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の他の実施例に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の他の実施例に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 実験例１、２及び３、比較例１及び２に従って製造された太陽電池のトンネル層の厚さを示すグラフである。 実験例１、２及び３においてトンネル層の平均厚さを有する太陽電池の電流（Ｉ）−電圧（Ｖ）を測定して得られた電流−電圧グラフである。 トンネル層の厚さによるフィルファクタのグラフである。
以下では、添付の図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。しかし、本発明がこれらの実施例に限定されるものではなく、様々な形態に変形可能であることはもちろんである。
図面では、本発明を明確且つ簡略に説明するために、説明と関係のない部分の図示を省略し、明細書全体において同一又は極めて類似の部分に対しては同一の図面参照符号を使用する。そして、図面では、説明をより明確にするために、厚さ、面積などを拡大又は縮小して示しており、本発明の厚さ、面積などは図面に示したものに限定されない。
そして、明細書全体において、ある部分が他の部分を「含む」とするとき、特に反対の記載がない限り、他の部分を排除するのではなく、他の部分をさらに含むことができる。また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上に」あるとするとき、これは、他の部分の「直上に」ある場合のみならず、その中間に他の部分が位置する場合も含む。層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「直上に」あるとするときは、中間に他の部分が位置しないことを意味する。
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施例に係る太陽電池の製造方法を説明する。本発明の実施例に係る太陽電池の製造方法によって製造される太陽電池の一例を先に説明した後、本発明の実施例に係る太陽電池の製造方法を説明する。
図１は、本発明の実施例に係る太陽電池の製造方法によって製造される太陽電池の一例を示す断面図であり、図２は、図１に示した太陽電池の部分背面平面図である。
図１及び図２を参照すると、本実施例に係る太陽電池１００は、ベース領域１１０を含む半導体基板１０と、半導体基板１０上に位置するトンネル層２０と、トンネル層２０上に位置し、導電型領域３２，３４を含む半導体層３０と、導電型領域３２，３４に接続される電極４２，４４とを含む。ここで、半導体層３０は、第１導電型を有する第１導電型領域３２及び第２導電型を有する第２導電型領域３４を含む導電型領域３２，３４と、第１導電型領域３２と第２導電型領域３４との間に位置し、真性を有するバリア領域３６とを含むことができる。そして、電極４２，４４は、第１導電型領域３２に接続される第１電極４２と、第２導電型領域３４に接続される第２電極４４とを含むことができる。そして、太陽電池１００は、パッシベーション膜２４、反射防止膜２６、絶縁層４０などをさらに含むことができる。これについてより詳細に説明する。
半導体基板１０は、第２導電型ドーパントを相対的に低いドーピング濃度で含むベース領域１１０を含むことができる。ベース領域１１０は、第２導電型ドーパントを含む結晶質半導体で構成することができる。一例として、ベース領域１１０は、第２導電型ドーパントを含む単結晶または多結晶半導体（一例として、単結晶または多結晶シリコン）で構成してもよい。特に、ベース領域１１０は、第２導電型ドーパントを含む単結晶半導体（例えば、単結晶半導体ウエハ、より具体的には、半導体シリコンウエハ）で構成することができる。このように、ベース領域１１０が単結晶シリコンで構成されると、太陽電池１００が単結晶シリコン太陽電池を構成することになる。このように、単結晶半導体を有する太陽電池１００は、結晶性が高くて欠陥の少ないベース領域１１０または半導体基板１０をベースとするので、電気的特性に優れている。
第２導電型ドーパントは、ｐ型またはｎ型であってもよい。一例として、ベース領域１１０がｎ型を有すると、ベース領域１１０と光電変換によってキャリアを形成する接合（一例として、トンネル層２０を挟んだｐｎ接合）を形成するｐ型の第１導電型領域３２を広く形成して、光電変換面積を増加させることができる。また、この場合には、広い面積を有する第１導電型領域３２が、移動速度が相対的に遅い正孔を効果的に収集することで、光電変換効率の向上にさらに寄与することができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。
そして、半導体基板１０は、前面側に位置する前面電界領域１３０を含むことができる。前面電界領域１３０は、ベース領域１１０と同じ導電型を有しながら、ベース領域１１０よりも高いドーピング濃度を有することができる。
本実施例では、前面電界領域１３０が、半導体基板１０に第２導電型ドーパントを相対的に高いドーピング濃度でドープして形成されたドーピング領域として構成された場合を例示した。これによって、前面電界領域１３０が、第２導電型を有する結晶質（単結晶または多結晶）半導体を含んで半導体基板１０の一部を構成するようになる。一例として、前面電界領域１３０は、第２導電型を有する単結晶半導体基板（一例として、単結晶シリコンウエハ基板）の一部分を構成することができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。したがって、半導体基板１０と異なる別個の半導体層（例えば、非晶質半導体層、微細結晶半導体層、または多結晶半導体層）に第２導電型ドーパントをドープして前面電界領域１３０を形成してもよい。または、前面電界領域１３０が、半導体基板１０に隣接して形成された層（例えば、パッシベーション膜２４及び／又は反射防止膜２６）の固定電荷によってドープされたものと類似の役割を果たす電界領域として構成されてもよい。例えば、ベース領域１１０がｎ型である場合には、パッシベーション膜２４が固定負電荷を有する酸化物（例えば、アルミニウム酸化物）で構成されて、ベース領域１１０の表面に反転領域（ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｌａｙｅｒ）を形成し、これを電界領域として用いることができる。この場合には、半導体基板１０が、別途のドーピング領域を備えずにベース領域１１０のみで構成されて、半導体基板１０の欠陥を最小化することができる。その他の様々な方法により様々な構造の前面電界領域１３０を形成することができる。
本実施例において、半導体基板１０の前面は、テクスチャリング（ｔｅｘｔｕｒｉｎｇ）されて、ピラミッドなどの形状の凹凸を有することができる。このようなテクスチャリングにより半導体基板１０の前面などに凹凸が形成されて表面粗さが増加すると、半導体基板１０の前面を介して入射する光の反射率を低下させることができる。したがって、ベース領域１１０と第１導電型領域３２によって形成されたｐｎ接合まで到達する光の量を増加させることができるので、光損失を最小化することができる。
そして、半導体基板１０の後面は、鏡面研磨などによって前面よりも低い表面粗さを有する、相対的に滑らかで且つ平坦な面からなることができる。本実施例のように、半導体基板１０の後面側に第１及び第２導電型領域３２，３４が共に形成される場合には、半導体基板１０の後面の特性に応じて太陽電池１００の特性が大きく変わり得るからである。これによって、半導体基板１０の後面にはテクスチャリングによる凹凸を形成しないことで、パッシベーション特性を向上させることができ、これによって、太陽電池１００の特性を向上させることができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、場合によって、半導体基板１０の後面にテクスチャリングによる凹凸を形成してもよい。その他の様々な変形も可能である。
半導体基板１０の後面上で半導体基板１０と導電型領域３２，３４との間にトンネル層２０が形成される。トンネル層２０によって半導体基板１０の後面の界面特性を向上させることができ、光電変換によって生成されたキャリアがトンネル効果によって円滑に伝達されるようにする。このようなトンネル層２０は、キャリアがトンネリングされ得る様々な物質を含むことができ、一例として、酸化物などを含むことができる。例えば、トンネル層２０は、シリコン酸化物などを含む熱酸化物（ｔｈｅｒｍａｌ ｏｘｉｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）層であってもよい。このとき、トンネル層２０は、半導体基板１０の後面に全体的に形成することができる。これによって、半導体基板１０の後面を全体的にパッシベーションすることができ、別途のパターニングなしに容易に形成することができる。
本実施例において、トンネル層２０の厚さＴ１は半導体層３０及び絶縁層４０の厚さよりも小さくすることができる。本実施例において、トンネル層２０が室温より高い温度及び常圧より低い圧力で形成されることで、トンネル層２０が薄い厚さを有すると共に、均一に形成され得る。一例として、トンネル層２０の厚さＴ１が２ｎｍ以下（一例として、１．０ｎｍ〜１．５ｎｍ）であってもよい。このように、トンネル層２０の厚さＴ１が２ｎｍ以下で薄い厚さを有すると、キャリアのトンネリング確率を増加させて太陽電池１００のフィルファクタ（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ、ＦＦ）を向上させることができる。特に、トンネル層２０の厚さが１．５ｎｍ以下（特に、１．４ｎｍ以下、より具体的には１．３ｎｍ以下）の場合には、太陽電池１００のフィルファクタを大きく向上させることができる。しかし、トンネル層２０の厚さが１．０ｎｍ未満の場合には、トンネル層２０を均一に形成しにくいことがある。そして、半導体層３０のドーパントがトンネル層２０を通過して半導体基板１０まで拡散して再結合を誘導するか、または半導体基板１０の結晶性に影響を受けてトンネル層２０の水素パッシベーション特性が低下することがあり、これにより、開放電圧（ｉｍｐｌｉｅｄ Ｖｏｃ）が低下することがある。
トンネル層２０の製造方法及び厚さＴ１については、後で製造方法でより詳細に説明する。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、トンネル層２０の厚さＴ１がこれとは異なる値を有することもできる。
トンネル層２０上には、導電型領域３２，３４及びバリア領域３６を含む半導体層３０が位置することができる。半導体層３０の導電型領域３２，３４は、第１又は第２導電型ドーパントを含む半導体（一例として、シリコン）を含み、バリア領域３６は、第１及び第２導電型ドーパントを含まない半導体（一例として、シリコン）を含むことができる。
より具体的に、導電型領域３２，３４は、第１導電型ドーパントを有して第１導電型を示す第１導電型領域３２と、第２導電型ドーパントを有して第２導電型を示す第２導電型領域３４とを含むことができる。真性を有するバリア領域３６は、第１導電型領域３２と第２導電型領域３４との間に位置することができる。
半導体層３０の一部を構成する第１導電型領域３２は、トンネル層２０を挟んでベース領域１１０とｐｎ接合（又は、ｐｎトンネル接合）を形成して、光電変換によってキャリアを生成するエミッタ領域を構成する。このとき、第１導電型領域３２は、ベース領域１１０と反対の第１導電型ドーパントを含む半導体（一例として、シリコン）を含むことができる。第１導電型ドーパントは、半導体層３０を形成する工程において半導体層３０に共に含まれるか、または、半導体層３０を形成した後に熱拡散法、イオン注入法などの様々なドーピング方法により半導体層３０に含まれてもよい。
このとき、第１導電型ドーパントは、ベース領域１１０と反対の導電型を示すことができるドーパントであれば足りる。すなわち、第１導電型ドーパントがｐ型である場合には、ボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）などの３族元素を使用することができる。第１導電型ドーパントがｎ型である場合には、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）などの５族元素を使用することができる。
半導体層３０の一部を構成する第２導電型領域３４は、後面電界（ｂａｃｋ ｓｕｒｆａｃｅ ｆｉｅｌｄ）を形成して、半導体基板１０の表面（より正確には、半導体基板１０の後面）で再結合によってキャリアの損失が発生することを防止する後面電界領域を構成する。第２導電型領域３４は、ベース領域１１０と同一の第２導電型ドーパントを含む半導体（一例として、シリコン）を含むことができる。このとき、第２導電型ドーパントは、半導体層３０を形成する工程において半導体層３０に共に含まれるか、または、半導体層３０を形成した後に熱拡散法、イオン注入法などの様々なドーピング方法により半導体層に含まれてもよい。
このとき、第２導電型ドーパントは、ベース領域１１０と同じ導電型を示すことができるドーパントであれば足りる。すなわち、第２導電型ドーパントがｎ型である場合には、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）などの５族元素を使用することができる。第２導電型ドーパントがｐ型である場合には、ボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）などの３族元素を使用することができる。
ここで、ベース領域１１０と同一の導電型を有する第２導電型領域３４の面積よりも、ベース領域１１０と異なる導電型を有する第１導電型領域３２の面積を広く形成することができる。これによって、ベース領域１１０と第１導電型領域３２との間でトンネル層２０を通じて形成されるｐｎ接合をさらに広く形成することができる。このとき、ベース領域１１０及び第２導電型領域３４がｎ型の導電型を有し、第１導電型領域３２がｐ型の導電型を有する場合に、広く形成された第１導電型領域３２によって、移動速度が相対的に遅い正孔を効果的に収集することができる。このような第１導電型領域３２、第２導電型領域３４及びバリア領域３６の平面構造は、図２を参照してより詳細に後述する。
本実施例では、バリア領域３６が第１導電型領域３２と第２導電型領域３４との間を全体的に離隔する場合を例示した。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。バリア領域３６が、第１導電型領域３２と第２導電型領域３４との境界の一部のみを離隔させるように形成されてもよい。これによれば、第１導電型領域３２と第２導電型領域３４との境界の他の一部は互いに接触することもできる。また、バリア領域３６を必ず備えなければならないわけではなく、第１導電型領域３２と第２導電型領域３４とが全体的に接触して形成されることも可能である。その他の様々な変形が可能である。
本実施例において、第１導電型領域３２、第２導電型領域３４、そして、バリア領域３６は、半導体基板１０の同一の一面（一例として、後面）上で同一平面上に形成され、実質的に同じ厚さを有する連続的な１つの半導体層３０によって形成されてもよい。一例として、半導体物質を含む半導体層３０を形成した後、半導体層３０の一部の領域に第１導電型ドーパントをドープして第１導電型領域３２を形成し、他の領域の一部に第２導電型ドーパントをドープして第２導電型領域３４を形成すると、第１導電型領域３２及び第２導電型領域３４が形成されていない領域がバリア領域３６を構成することができる。これによれば、第１導電型領域３２、第２導電型領域３４及びバリア領域３６の製造方法を単純化することができる。
しかし、本発明がこれに限定されるものではない。したがって、第１導電型領域３２及び第２導電型領域３４のうちの一方のみが、半導体基板１０の後面に位置した半導体層３０に位置し、他方は半導体基板１０の内部に位置してもよい。これについては、図４Ａ乃至図４Ｈを参照して説明する。または、第１導電型領域３２及び第２導電型領域３４のうちの一方のみが、半導体基板１０の後面に位置した半導体層３０に位置し、他方は半導体基板１０の前面に位置した他の半導体層に位置することができる。この場合には、半導体基板１０の前面に他のトンネル層、半導体層及び絶縁層が形成され得る。したがって、本明細書において、導電型領域３２，３４、電極４２，４４及び絶縁層４０についての説明は、第１導電型領域３２、第１電極４２、絶縁層４０に対する説明であってもよく、第２導電型領域３４、第２電極４４、絶縁層４０に対する説明であってもよい。その他の様々な変形が可能であることはもちろんである。
半導体層３０上に絶縁層４０を形成することができる。絶縁層４０は、第１導電型領域３２と第１電極４２との接続のための第１開口部４０２と、第２導電型領域３４と第２電極４４との接続のための第２開口部４０４とを備える。これによって、絶縁層４０は、第１導電型領域３２及び第２導電型領域３４が接続されてはならない電極（即ち、第１導電型領域３２の場合には第２電極４４、第２導電型領域３４の場合には第１電極４２）と接続されることを防止する役割を果たす。また、絶縁層４０は、半導体層３０をパッシベーションする効果を有することができる。
半導体層３０上で電極４２，４４が位置していない部分に絶縁層４０が位置することができる。絶縁層４０は、トンネル層２０よりも厚い厚さを有することができる。これによって、絶縁特性及びパッシベーション特性を向上させることができる。
絶縁層４０は、様々な絶縁物質（例えば、酸化物、窒化物など）からなることができる。一例として、絶縁層４０は、シリコン窒化膜、水素含有シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン酸化窒化膜、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＦ2、ＺｎＳ、ＴｉＯ2及びＣｅＯ2からなる群から選択されたいずれか１つの単一膜、または２つ以上の膜が組み合わされた多層膜構造を有することができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、絶縁層４０が様々な物質を含むことができることはもちろんである。
半導体基板１０の後面に位置する電極４２，４４は、第１導電型領域３２に電気的及び物理的に接続される第１電極４２と、第２導電型領域３４に電気的及び物理的に接続される第２電極４４とを含む。
このとき、第１電極４２は、絶縁層４０の第１開口部４０２を貫通して第１導電型領域３２に接続され、第２電極４４は、絶縁層４０の第２開口部４０４を貫通して第２導電型領域３４に接続される。このような第１及び第２電極４２，４４としては様々な金属物質を含むことができる。そして、第１及び第２電極４２，４４は、互いに電気的に接続されずに第１導電型領域３２及び第２導電型領域３４にそれぞれ接続されて、生成されたキャリアを収集して外部に伝達できる様々な平面形状を有することができる。すなわち、本発明が第１及び第２電極４２，４４の平面形状に限定されるものではない。
以下では、図１及び図２を参照して、第１導電型領域３２及び第２導電型領域３４、バリア領域３６、そして、第１及び第２電極４２，４４の平面形状を詳細に説明する。
図１及び図２を参照すると、本実施例では、第１導電型領域３２及び第２導電型領域３４はそれぞれ、ストライプ状をなすように長く形成されると共に、長手方向と交差する方向において互いに交互に位置している。第１導電型領域３２と第２導電型領域３４との間に、これらを離隔させるバリア領域３６が位置することができる。図示していないが、互いに離隔した複数の第１導電型領域３２が一側縁部で互いに接続され、互いに離隔した複数の第２導電型領域３４が他側縁部で互いに接続されてもよい。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。
このとき、第１導電型領域３２の面積を第２導電型領域３４の面積よりも大きくすることができる。一例として、第１導電型領域３２及び第２導電型領域３４の面積は、これらの幅を異ならせることによって調節することができる。すなわち、第１導電型領域３２の幅Ｗ１を第２導電型領域３４の幅Ｗ２よりも大きくすることができる。これによって、エミッタ領域を構成する第１導電型領域３２の面積を十分に形成して、光電変換が広い領域で起こるようにすることができる。このとき、第１導電型領域３２がｐ型を有する場合、第１導電型領域３２の面積を十分に確保することで、移動速度が相対的に遅い正孔を効果的に収集することができる。
そして、第１電極４２が、第１導電型領域３２に対応してストライプ状に形成され、第２電極４４が、第２導電型領域３４に対応してストライプ状に形成されてもよい。第１及び第２開口部（図１の参照符号４０２，４０４、以下同様）のそれぞれが、第１及び第２電極４２，４４に対応して第１及び第２電極４２，４４の全長に形成されてもよい。これによると、第１及び第２電極４２，４４と第１導電型領域３２及び第２導電型領域３４との接触面積を最大化して、キャリア収集効率を向上させることができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。第１及び第２開口部４０２，４０４が、第１及び第２電極４２，４４の一部のみを第１導電型領域３２及び第２導電型領域３４にそれぞれ接続するように形成されてもよいことはもちろんである。例えば、第１及び第２開口部４０２，４０４が複数個のコンタクトホールとして構成されてもよい。そして、図示していないが、第１電極４２が一側縁部で互いに接続されて形成され、第２電極４４が他側縁部で互いに接続されて形成されてもよい。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。
再び図１を参照すると、半導体基板１０の前面上（より正確には、半導体基板１０の前面に形成された前面電界領域１３０上）にパッシベーション膜２４及び／又は反射防止膜２６が位置することができる。実施例によって、半導体基板１０上にパッシベーション膜２４のみが形成されてもよく、半導体基板１０上に反射防止膜２６のみが形成されてもよく、または半導体基板１０上にパッシベーション膜２４及び反射防止膜２６が順に位置してもよい。図では、半導体基板１０上にパッシベーション膜２４及び反射防止膜２６が順に形成され、半導体基板１０がパッシベーション膜２４と接触して形成される場合を例示した。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、半導体基板１０が反射防止膜２６に接触して形成されることも可能であり、その他の様々な変形が可能である。
パッシベーション膜２４及び反射防止膜２６は、実質的に半導体基板１０の前面に全体的に形成することができる。ここで、全体的に形成するということは、物理的に完璧に全てに形成されたことのみならず、不可避に一部の除外された部分がある場合を含む。
パッシベーション膜２４は、半導体基板１０の前面に接触して形成されて、半導体基板１０の前面またはバルク内に存在する欠陥を不動化させる。これによって、少数キャリアの再結合サイトを除去して、太陽電池１００の開放電圧を増加させることができる。反射防止膜２６は、半導体基板１０の前面に入射する光の反射率を減少させる。これによって、ベース領域１１０と第１導電型領域３２との界面に形成されたｐｎ接合まで到達する光量を増加させることができる。これによって、太陽電池１００の短絡電流（Ｉｓｃ）を増加させることができる。このように、パッシベーション膜２４及び反射防止膜２６によって太陽電池１００の開放電圧と短絡電流を増加させることで、太陽電池１００の効率を向上させることができる。
パッシベーション膜２４及び／又は反射防止膜２６は、様々な物質で形成することができる。一例として、パッシベーション膜２４及び／又は反射防止膜２６は、シリコン窒化膜、水素含有シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン酸化窒化膜、アルミニウム酸化膜、ＭｇＦ2、ＺｎＳ、ＴｉＯ2及びＣｅＯ2からなる群から選択されたいずれか１つの単一膜、または２つ以上の膜が組み合わされた多層膜構造を有することができる。一例として、パッシベーション膜２４はシリコン酸化物を含み、反射防止膜２６はシリコン窒化物を含むことができる。
本実施例に係る太陽電池１００に光が入射すると、ベース領域１１０と第１導電型領域３２との間に形成されたｐｎ接合での光電変換によって電子と正孔が生成され、生成された正孔及び電子は、トンネル層２０をトンネリングして、それぞれ第１導電型領域３２及び第２導電型領域３４に移動した後、第１及び第２電極４２，４４に移動する。これによって、電気エネルギーを生成するようになる。
本実施例のように、半導体基板１０の後面に電極４２，４４が形成され、半導体基板１０の前面には電極が形成されない後面電極構造の太陽電池１００においては、半導体基板１０の前面でシェーディング損失（ｓｈａｄｉｎｇ ｌｏｓｓ）を最小化することができる。これによって太陽電池１００の効率を向上させることができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。
上述した構造の太陽電池１００の製造方法を、図３Ａ乃至図３Ｇを参照して詳細に説明する。図３Ａ乃至図３Ｇは、本発明の実施例に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。
まず、図３Ａに示すように、第２導電型ドーパントを有するベース領域１１０で構成される半導体基板１０を準備する。本実施例において、半導体基板１０は、ｎ型のドーパントを有するシリコン基板（一例として、シリコンウエハ）からなることができる。ｎ型のドーパントとしては、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）などの５族元素を使用することができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、ベース領域１１０がｐ型のドーパントを有してもよい。
このとき、半導体基板１０の前面及び後面のうちの少なくとも一面が凹凸を有するようにテクスチャリングしてもよい。半導体基板１０の表面のテクスチャリングとしては、湿式または乾式テクスチャリングを用いることができる。湿式テクスチャリングは、テクスチャリング溶液に半導体基板１０を浸漬することによって行うことができ、工程時間が短いという利点がある。乾式テクスチャリングは、ダイヤモンドグリルまたはレーザーなどを用いて半導体基板１０の表面を削ることであって、凹凸を均一に形成することができる一方、工程時間が長く、半導体基板１０に損傷が発生し得る。その他に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などにより半導体基板１０をテクスチャリングすることもできる。このように、本発明では、様々な方法で半導体基板１０をテクスチャリングすることができる。
一例として、半導体基板１０の前面が凹凸を有するようにテクスチャリングされ、半導体基板１０の後面が、鏡面研磨などによって処理されて、半導体基板１０の前面よりも小さい表面粗さを有する平坦な面として構成されてもよい。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、様々な構造の半導体基板１０を使用することができる。
次いで、図３Ｂに示すように、半導体基板１０の後面上にトンネル層２０を形成する。トンネル層２０は、半導体基板１０の後面に全体的に形成することができる。
本実施例において、トンネル層２０は、室温より高い温度及び常圧より小さい圧力で原料気体を含む気体雰囲気で形成することができる。本実施例では、原料気体が酸素気体を含むことで、トンネル層２０が酸化物層で構成されてもよい。より具体的には、高い温度でトンネル層２０が、酸素と半導体基板１０の半導体物質（例えば、シリコン）とが反応して形成される熱酸化物（ｔｈｅｒｍａｌ ｏｘｉｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）（例えば、熱シリコン酸化物）層で構成されてもよい。
このように、本実施例では、原料気体が、トンネル層２０を構成する全ての原料物質を含まずに、トンネル層２０を構成する酸化物のうち酸素気体のみを含み、他の原料物質を含まない。例えば、トンネル層２０がシリコン酸化物を含むとき、原料気体として酸素気体のみを備えるだけで、他の原料物質であるシリコンを含む気体を含まない。これによって、酸素気体の酸素が半導体基板１０の内部に拡散して半導体物質と反応する熱酸化工程によって、トンネル層２０が形成される。これとは異なり、蒸着工程などでは、酸素を含む酸素気体と共に、シリコンを含むシラン（ＳｉＨ4）気体を原料気体として共に供給する。すると、熱分解によって酸素気体から分離された酸素と、シランの気体から分離されたシリコンとが化学的に反応してシリコン酸化物を形成する。
トンネル層２０を形成するとき、気体雰囲気は、原料気体である酸素気体以外にも様々な気体を含むことができる。例えば、気体雰囲気が窒素気体及び塩素気体をさらに含むことができる。塩素気体は、熱酸化工程中に不純物粒子を吸着して、形成されるトンネル層２０の純度を向上させる役割を果たす。窒素気体は、トンネル層２０の成長速度の調節に関与し、漏れ電流及びドーパントの浸透（ｄｏｐａｎｔ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）と関連するトンネル層２０の均一度の調節に関与する。
このとき、塩素気体はトンネル層２０の成長速度を増加させ得るので、塩素気体は酸素気体よりも少ない量を含むことができる。一例として、酸素気体：塩素気体の体積比が１：０．０５〜１：０．１であってもよい。前記比率が１：０．０５未満であると、塩素気体によって純度を向上させる効果が十分でないことがある。前記比率が１：０．１を超えると、塩素気体が必要な量よりも多く含むので、むしろトンネル層２０の純度が低下することがあり、成長速度が増加してトンネル層２０の厚さを増加させることがある。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、様々な変形が可能である。窒素気体の量は、トンネル層２０が形成されるチャンバー（ｃｈａｍｂｅｒ）の大きさを考慮して調節可能である。酸素気体、塩素気体及び窒素気体の総量は、必要な圧力を有することができるように調節可能である。
上述したように、高い温度で熱酸化工程によってトンネル層２０を形成する場合、トンネル層２０の厚さが容易に厚くなることがあるため、本実施例では、常圧よりも低い圧力でトンネル層２０を形成する。すると、トンネル層２０の厚さが速く増加することを防止して（トンネル層２０の成長速度を制御して）、トンネル層２０が全体的に均一且つ薄い厚さを有することができる。
より具体的に、トンネル層２０の形成時の温度が６００℃以上であり、圧力が２Ｔｏｒｒ以下であってもよい。ここで、圧力とは、原料気体と共に、それ以外の他の気体などを全て含んだ圧力であって、トンネル層２０の製造装置の内部の圧力を意味することができる。
トンネル層２０の形成時の温度を６００℃以上として、トンネル層２０の膜密度を向上させ、界面トラップ濃度（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｔｒａｐ ｄｅｎｓｉｔｙ、Ｄｉｔ）を下げて、トンネル層２０のパッシベーション特性を向上させることができる。そして、トンネル層２０の後に形成される半導体層３０と類似の温度でトンネル層２０を形成することができる。これによって、トンネル層２０と半導体層３０を連続的な工程で形成することができ、これについてはより詳細に後述する。
このとき、圧力を２Ｔｏｒｒ以下に維持すれば、高い温度による熱酸化工程によりトンネル層２０を形成しても、低い圧力によってトンネル層２０の成長速度を低く維持することができる。これによって、トンネル層２０の厚さを大きく減少させることができる。
より具体的には、トンネル層２０の形成時の温度が６００℃〜８００℃であり、圧力が０．０１Ｔｏｒｒ〜２Ｔｏｒｒであってもよい。トンネル層２０の形成時の温度が８００℃を超えると、圧力を下げても、トンネル層２０の厚さを制御しにくく、トンネル層２０の厚さの変動が大きくなることがある。トンネル層２０の厚さをより効果的に制御できるように、トンネル層２０の形成時の温度が６００℃〜７００℃であってもよい。トンネル層２０の形成時の圧力が０．１Ｔｏｒｒ未満を維持することはコストなどが多くかかり、トンネル層２０の製造装置に負担を与えることがある。コストなどをさらに考慮すると、トンネル層２０の形成時の圧力が０．５Ｔｏｒｒ〜２Ｔｏｒｒであってもよい。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、トンネル層２０の形成時の温度、圧力などが変化してもよい。
トンネル層２０を形成する工程は５分〜３０分間行うことができる。トンネル層２０を形成する工程が５分未満で行われると、トンネル層２０を所望の厚さに形成しにくく、またはトンネル層２０の厚さの均一度が低いことがある。トンネル層２０を形成する工程が３０分を超えて行われると、トンネル層２０が所望の厚さよりも大きい厚さを有することがあり、工程時間が長くなることがある。トンネル層２０が所望の厚さで、より均一に形成されるために、工程時間が１０分〜２０分であってもよい。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、工程時間は様々に変形可能である。
一例として、本実施例では、トンネル層２０の厚さが２ｎｍ以下であってもよい。このようにトンネル層２０の厚さを薄くすると、トンネリング確率を増加させて太陽電池１００のフィルファクタを向上させることができる。より具体的には、トンネル層２０の厚さが１．５ｎｍ以下（例えば、１．０ｎｍ〜１．５ｎｍ）であってもよい。トンネル層２０の厚さが１．５ｎｍ以下であると、太陽電池１００のフィルファクタをより向上させることができる。このとき、トンネル層２０の厚さＴ１が１．４ｎｍ以下（より具体的には、１．３ｎｍ以下）であると、フィルファクタを大きく向上させることができる。トンネル層２０の厚さＴ１が１．０ｎｍであると、トンネル層２０を均一に形成しにくく、トンネル層２０の効果を十分に発揮しにくいことがある。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、トンネル層２０の厚さが、異なる値を有してもよい。
一方、既存の半導体分野などでは、太陽電池のトンネル層のようにトンネリングが行われ得る薄い厚さの酸化物層を必要としなかった。すなわち、半導体分野などでは、酸化物層は、トンネリングが行われない範囲内で厚さを調節しただけで、トンネリングが行われる厚さで酸化物層を形成すべき必要がなかった。また、温度と共に圧力を調節してトンネル層の厚さを制御できることを認識していなかった。そのため、従来の太陽電池には、既に半導体分野などで使用していた湿式酸化（ｗｅｔ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）、常圧の炉（ｆｕｒｎａｃｅ）内で熱酸化などの方法をそのまま使用してトンネル層を形成した。これにより、トンネリングが円滑に行われ得る程度にトンネル層を薄くて均一に形成するのに困難があった。
反面、上述したように、本実施例では、高い温度で行われる熱酸化工程によってトンネル層２０を形成し、従来とは異なり、常圧よりも低い圧力によって熱酸化の速度を調節する。これによって、トンネリングが円滑に行われ得る程度の厚さでトンネル層２０を薄くて均一に形成することができる。このように、温度と圧力を共に制御しなければならないので、圧力の調節が不可能な従来の炉（ｆｕｒｎａｃｅ）で本実施例のトンネル層２０を形成することができず、温度及び圧力の調節が全て可能な装置内でトンネル層２０を形成しなければならない。これによって本実施例では、トンネル層２０は、蒸着装置などの内部で熱酸化工程によって形成することができる。このとき、低い圧力を具現しなければならないので、トンネル層２０が低圧化学気相蒸着装置（ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｐｐａｒａｔｕｓ）内で形成されてもよい。
トンネル層２０上に形成される半導体層（図３Ｃの参照符号３０）が蒸着装置によって形成されるので、トンネル層２０を蒸着装置で形成すれば、トンネル層２０と半導体層３０を同じ蒸着装置（より具体的には、低圧化学気相蒸着装置）内で連続的に行われるインサイチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）工程によって形成することができる。このように、トンネル層２０と半導体層３０をインサイチュ工程によって形成する場合、製造工程を大きく単純化することができ、製造コスト、製造時間などを大きく低減することができる。
蒸着装置内の温度は、長時間熱を加えたり、熱を冷ますことによって調節され、温度を安定化させるために時間が多くかかる一方、気体雰囲気及び圧力は、蒸着装置内に供給される気体の種類、量などによって調節することができる。したがって、気体雰囲気及び圧力は、温度より容易に制御することができる。
これを考慮して、本実施例では、トンネル層２０の形成温度と半導体層３０の蒸着工程の温度との差が２００℃以内（即ち、０℃〜２００℃）となるようにすることができる。より具体的には、トンネル層２０の形成温度と半導体層３０の蒸着工程の温度との差を１００℃以内（即ち、０℃〜１００℃）となるようにすることができる。これは、トンネル層２０を低圧で形成するので、トンネル層２０の形成温度を相対的に上げることができ、半導体層３０の蒸着工程との温度差を減少させることができるからである。このように、相対的に調節が難しい温度を大きな変化なしに維持できるので、トンネル層２０と半導体層３０を連続的に形成するインサイチュ工程の効率をより向上させることができる。一方、半導体層３０の蒸着工程の気体雰囲気は、トンネル層２０の形成時の気体雰囲気と異なり、半導体層３０の蒸着工程の圧力は、トンネル層２０の形成時の圧力と同一または異なってもよい。これについては、半導体層３０の蒸着工程を説明しながらより詳細に後述する。
次に、図３Ｃ及び図３Ｄに示すように、トンネル層２０上に半導体層３０を形成する。本実施例において、半導体層３０は、半導体基板１０の後面に全体的に形成することができる。これをより詳細に説明する。
まず、図３Ｃに示すように、トンネル層２０上に半導体物質を蒸着する蒸着工程によって、ドープされていない真性の半導体層３０を形成する。
本実施例において、真性の半導体層３０は、化学気相蒸着によって形成することができ、より具体的には、低圧化学気相蒸着によって形成することができる。これによって、上述したように、真性の半導体層３０がトンネル層２０とインサイチュ工程によって形成されてもよい。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、トンネル層２０及び半導体層３０にインサイチュ工程が適用されなくてもよい。
半導体層３０の蒸着工程に用いられる気体は、半導体層３０を構成する半導体物質を含む気体（例えば、シラン気体）を含むことができる。本実施例では、真性を有するように半導体層３０を蒸着するので、気体雰囲気が、半導体物質を含む気体のみで構成され得る。これによって供給気体を単純化することができ、形成される半導体層３０の純度を向上させることができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、半導体層３０の蒸着工程を促進したり、または半導体層３０の特性を向上させるための別途の気体などをさらに使用することができる。また、半導体層３０の蒸着工程において第１及び第２導電型ドーパントのドーピングを共に行う場合には、第１又は第２導電型ドーパントを含む気体（例えば、Ｂ2Ｈ6、ＰＨ3など）をさらに含むことができる。これについては、図４Ａ乃至図４Ｈを参照して詳細に後述する。
そして、半導体層３０の蒸着工程では、半導体物質を含む気体以外にも、亜酸化窒素（Ｎ2Ｏ）気体及び／又は酸素（Ｏ2）気体を共に注入して、結晶粒の大きさ、結晶性などを調節することができる。
半導体層３０の蒸着温度は、トンネル層２０の形成時の温度と同一またはそれより低くてもよい。特に、半導体層３０の蒸着温度をトンネル層２０の形成時の温度よりも低くすると、光電変換に直接的に関与する半導体層３０の特性を均一にすることができる。または、半導体層３０の蒸着温度は５００℃〜７００℃であってもよい。これは、半導体基板１０と異なる結晶構造を有する半導体層３０を蒸着するのに適した温度に限定されたものである。特に、本実施例でのように半導体層３０がドープされていない場合には、ドープされた場合よりも相対的に反応速度が小さいので、半導体層３０の蒸着温度が６００℃〜７００℃であってもよい。これによれば、トンネル層２０の形成時の温度との偏差をさらに減少させることができる。
上述したように、トンネル層２０の温度を半導体層３０の蒸着温度と同一またはほぼ同一にしたので、温度を調節するための時間、温度を安定化させるための時間などが不要であるので、工程を単純化することができる。
そして、半導体層３０の蒸着圧力は０．０１Ｔｏｒｒ〜０．５Ｔｏｒｒであってもよい。蒸着圧力を０．０１Ｔｏｒｒ未満に維持することは、工程上限界があり、半導体層３０の工程時間が大幅に長くなって実際の量産に適用しにくいことがある。蒸着圧力が０．５Ｔｏｒｒを超えると、半導体層３０の均一度が低下することがある。または、半導体層３０の蒸着圧力は、トンネル層２０の形成時の圧力と同一またはそれより小さくてもよい。特に、半導体層３０の蒸着圧力をトンネル層２０の形成時の圧力よりも小さくすると、光電変換に直接的に関与する半導体層３０の特性を均一にすることができる。
これをより詳細に説明する。半導体物質（例えば、シリコン）を含む気体が熱分解されて、半導体物質がトンネル層２０上に蒸着されることによって半導体層３０が形成される。ところで、蒸着速度を増加させるために温度及び／又は圧力を増加させる場合、半導体層３０の内部で結晶性の変動が大きくなる。半導体層３０の結晶性は、キャリアの移動速度などに関与することになるので、半導体層３０の結晶性の変動が大きくなると、半導体層３０の特性が不均一となり得る。反面、トンネル層２０は非常に薄い厚さに形成され、結晶性がトンネル層２０の特性に大きな影響を及ぼさない。これを考慮して、半導体層３０がトンネル層２０よりも厚い厚さに形成されなければならないにもかかわらず、半導層３０の蒸着温度及び／又は圧力をトンネル層２０の形成時よりも低くして半導体層３０の特性を向上させるものである。
しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、半導体層３０の気体雰囲気、温度、圧力などは様々に変化可能である。
このように、半導体層３０は、トンネル層２０の形成後に供給される気体の種類を変更し、供給される気体の量を調節することによって形成することができる。例えば、トンネル層２０の形成が完了した後、トンネル層２０の形成時に用いられた気体（例えば、酸素気体、窒素気体、塩素気体など）をポンピング（ｐｕｍｐｉｎｇ）及びパージ（ｐｕｒｇｅ）によって除去した後、半導体層３０を形成するための気体（例えば、半導体物質を含む気体など）を注入することによって半導体層３０を形成することができる。
これによって、トンネル層２０及び半導体層３０の形成工程を単純化することができる。また、従来のように、トンネル層を形成した後、トンネル層が形成された半導体基板を装置の外部に取り出す場合、トンネル層が不純物に汚染されるか、または追加的な酸化によってトンネル層の厚さが厚くなるという問題があった。本実施例では、トンネル層２０を形成した装置内で半導体層３０を連続して形成するので、トンネル層２０が半導体層３０の形成前に外部に露出されない。したがって、トンネル層２０が半導体層３０の形成前に外部に露出して発生し得る問題を防止することができる。
次いで、図３Ｄに示すように、真性の半導体層３０に第１及び第２導電型ドーパントをドープして、第１導電型領域３２、第２導電型領域３４、及びバリア領域３６を含む半導体層３０を形成する。例えば、第１導電型領域３２に該当する領域に、イオン注入法、熱拡散法、レーザードーピング法などのような様々な方法により第１導電型ドーパントをドープし、第２導電型領域３４に該当する領域に、イオン注入法、熱拡散法、レーザードーピング法などによる様々な方法により第２導電型ドーパントをドープすることができる。すると、第１導電型領域３２と第２導電型領域３４との間に位置した領域がバリア領域３６を構成することになる。
しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、導電型領域３２，３４、そして、バリア領域３６を形成する方法としては、公知の様々な方法を使用することができる。そして、バリア領域３６を形成しないなどの様々な変形が可能である。
本実施例では、トンネル層２０上に半導体物質を蒸着する蒸着工程によって、ドープされていない真性の半導体層３０を形成する工程の後、第１及び第２導電型ドーパントを半導体層３０にドープして、第１及び第２導電型領域３２，３４、そして、選択的にバリア領域３６を有する半導体層３０を形成した。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、半導体物質を蒸着する蒸着工程で第１及び／又は第２導電型ドーパントを共にドープすることも可能である。これについては、図４Ａ乃至図４Ｈを参照してより詳細に後述する。
次いで、図３Ｅに示すように、半導体基板１０の前面に第２導電型ドーパントをドープすることで前面電界領域１３０を形成することができる。前面電界領域１３０は、イオン注入法、熱拡散法、レーザードーピング法などのような様々な方法により形成することができる。その他の様々な方法を使用することができる。また、前面電界領域１３０が別途に形成されないことも可能である。
次いで、図３Ｆに示すように、半導体基板１０の前面にパッシベーション膜２４及び反射防止膜２６を順次形成し、半導体基板１０の後面に絶縁層４０を形成する。すなわち、半導体基板１０の前面上にパッシベーション膜２４及び反射防止膜２６を全体的に形成し、半導体基板１０の後面上に第１及び第２導電型領域３２，３４を覆うように全体的に絶縁層４０を形成する。パッシベーション膜２４、反射防止膜２６及び絶縁層４０は、真空蒸着法、化学気相蒸着法、スピンコーティング、スクリーン印刷またはスプレーコーティングなどのような様々な方法により形成することができる。パッシベーション膜２４及び反射防止膜２６、そして、絶縁層４０の形成順序は多様に変更することができる。
次いで、図３Ｇに示すように、第１及び第２導電型領域３２，３４にそれぞれ接続される第１及び第２電極４２，４４を形成する。
一例として、絶縁層４０に第１及び第２開口部４０２，４０４を形成し、第１及び第２開口部４０２，４０４内にメッキ法、蒸着法などの様々な方法で第１及び第２電極４２，４４を形成することができる。他の実施例として、第１及び第２電極形成用ペーストを絶縁層４０上にそれぞれスクリーン印刷などで塗布した後、ファイヤースルー（ｆｉｒｅ ｔｈｒｏｕｇｈ）またはレーザー焼成コンタクト（ｌａｓｅｒ ｆｉｒｉｎｇ ｃｏｎｔａｃｔ）などを行うことで、上述した形状の第１及び第２電極４２，４４を形成することも可能である。この場合には、第１及び第２電極４２，４４を形成するときに第１及び第２開口部４０２，４０４が形成されるので、別途に第１及び第２開口部４０２，４０４を形成する工程を追加しなくて済む。
本実施例によれば、トンネル層２０を室温より高い温度、常圧より低い圧力で形成することで、トンネル層２０を均一且つ薄く形成することができる。すると、トンネル層２０のトンネリング確率が増加し、太陽電池１００の特性を向上させることができる。そして、化学気相蒸着装置内でトンネル層２０を形成できるので、化学気相蒸着装置内で形成される半導体層３０とインサイチュ工程によって形成することができる。これによって、太陽電池１００の製造工程を単純化して、製造コスト及び製造時間を大きく低減することができる。
上述した実施例では、トンネル層２０、導電型領域３２，３４、バリア領域３６を形成した後、前面電界層１３０を形成し、パッシベーション膜２４、反射防止膜２６及び絶縁層４０を形成した後、第１及び第２電極４２，４４を形成する場合を例示した。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。したがって、トンネル層２０、第２導電型領域３２，３４、バリア領域３６，パッシベーション膜２４、反射防止膜２６及び絶縁層４０の形成順序は様々に変更可能である。また、一部が形成されないなどの様々な変更が可能である。
そして、図では、トンネル層２０、半導体層３０などが半導体基板１０の後面にのみ形成される場合を例示した。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、トンネル層２０、半導体層３０が、半導体基板１０の後面と共に、側面及び／又は前面にも形成可能である。半導体基板１０の側面及び／又は前面に位置するトンネル層、半導体層は、太陽電池１００の製造方法の工程中に除去されてもよく、そのまま残って太陽電池１００の一部を構成してもよい。例えば、半導体基板１０の前面に形成されたトンネル層と半導体層をそのまま残し、第１及び第２導電型領域３２，３４のうちの一方は、半導体基板１０の後面に位置する半導体層３０に位置するようにし、他方は、半導体基板１０の前面に位置する半導体層に位置するようにすることができる。その他の様々な変形が可能である。
以下、図４Ａ乃至図４Ｈを参照して、本発明の他の実施例に係る太陽電池の製造方法及びそれによって製造された太陽電池を詳細に説明する。上述した説明と同一又は極めて類似の部分に対しては、上述の説明をそのまま適用できるので、詳細な説明を省略し、互いに異なる部分に対してのみ詳細に説明する。そして、上述した実施例又はその変形例と下記の実施例又はその変形例を互いに結合したものもまた本発明の範囲に属する。
図４Ａ乃至図４Ｈは、本発明の他の実施例に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。
まず、図４Ａに示すように、半導体基板１０上にトンネル層２０を形成する。
次いで、図４Ｂ乃至図４Ｄに示すように、トンネル層２０上に半導体層３０を形成する。本実施例において、半導体層３０は、第１導電型ドーパントがドープされた第１導電型領域３２で構成されてもよい。すなわち、第１導電型領域３２がトンネル層２０上に全体的に形成されてもよい。
本実施例において、半導体層３０は化学気相蒸着によって形成することができ、より具体的には、低圧化学気相蒸着によって形成することができる。これによって、上述したように、真性の半導体層３０がトンネル層２０とインサイチュ工程によって形成され得る。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、トンネル層２０及び半導体層３０にインサイチュ工程を適用しなくてもよい。
半導体層３０の蒸着工程に用いられる気体は、半導体層３０を構成する半導体物質を含む気体（例えば、シラン気体）と、第１導電型ドーパントを含む気体（例えば、Ｂ2Ｈ6、ＰＨ3など）とを含むことができる。このとき、半導体物質を含む気体：第１導電型ドーパントを含む気体の体積比は、１：０．０５〜１：０．２であってもよい。このような範囲内で、第１導電型ドーパントを含む半導体層３０が安定的に成長することができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、半導体物質を含む気体、第１導電型ドーパントなどの体積比は様々に変更可能である。
そして、半導体層３０の蒸着工程では、半導体物質を含む気体以外にも、亜酸化窒素（Ｎ2Ｏ）気体及び／又は酸素（Ｏ2）気体を共に注入して、結晶粒の大きさ、結晶性などを調節することができます。
半導体層３０の蒸着温度は、トンネル層２０の形成時の温度と同一またはそれより低くてもよい。または、半導体層３０の蒸着温度は５００℃〜７００℃であってもよい。これは、半導体基板１０と異なる結晶構造を有する半導体層３０を蒸着するのに適した温度に限定されたものである。特に、本実施例でのように半導体層３０が、ドープされた第１導電型領域３２からなる場合には、相対的に反応速度が大きいので、半導体層３０の蒸着温度が５００℃〜６００℃であってもよい。そして、半導体層３０の蒸着圧力は０．０１Ｔｏｒｒ〜０．５Ｔｏｒｒであってもよい。
しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、半導体層３０の気体雰囲気、温度、圧力などは様々に変化可能である。
このように、本実施例では、半導体層３０を蒸着する工程で第１導電型ドーパントをドープすることで、第１導電型ドーパントをドープする別途の工程を省略することができる。本実施例では、相対的に広い面積で形成される第１導電型領域３２を全体的に形成して、工程の効率性を向上させた。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。したがって、半導体層３０を蒸着する工程で第２導電型ドーパントをドープすることも可能であり、場合によって、第１及び第２導電型ドーパントを共にドープすることもできる。
次いで、図４Ｃに示すように、半導体層３０上にキャッピング膜３００を形成し、活性化熱処理温度で熱処理して、第１導電型ドーパントを活性化する。
キャッピング膜３００は、第１導電型領域３２を含む半導体層３０上に全体的に形成されて、活性化熱処理中に第１導電型領域３２に位置する第１導電型ドーパントが外部に拡散することを防止することができる。キャッピング膜３００は、様々な方法により形成された様々な物質を含む膜であってもよい。
一例として、キャッピング膜３００は、蒸着工程または熱酸化工程によって形成される層であってもよい。このとき、キャッピング膜３００は、トンネル層２０と同一または類似の物質（例えば、シリコン酸化物）を含むことができる。例えば、キャッピング膜３００は、トンネル層２０と同一または類似の条件下で行われる熱酸化工程によって形成されるシリコン酸化物膜であってもよい。ただし、キャッピング膜３００の厚さは５０ｎｍ〜１００ｎｍであってもよい。キャッピング膜３００の厚さが５０ｎｍ未満であると、キャッピング膜３００の役割を十分に行うことが難しく、キャッピング膜３００の厚さが１００ｎｍを超えると、キャッピング膜３００を形成するための時間、コストなどが増加することがある。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、キャッピング膜３００の物質、厚さなどは様々に変化可能である。
このように、キャッピング膜３００がトンネル層２０と同一または類似の物質で構成される場合、キャッピング膜３００をトンネル層２０及び半導体層３０と共にインサイチュ工程によって形成することができる。ただし、キャッピング膜３００は、トンネル層２０とは異なり、均一度などを大きく考慮しなくてもよく、厚さがトンネル層２０よりも非常に大きいので、工程条件がトンネル層２０とは多少異なり得る。
例えば、キャッピング膜３００の形成時の気体は、トンネル層２０の気体と同一またはほぼ同一であるので、酸素気体、塩素気体及び窒素気体を含むことができる。ただし、トンネル層２０よりも大きい厚さに速く成長できるように、塩素気体を酸素気体と同一またはそれより多く含むことができる。一例として、酸素気体：塩素気体の体積比が１：１〜１：１００（より具体的には、１：２５〜１：１００）であってもよい。これによれば、塩素気体によって成長速度が増加してキャッピング膜３００を速く成長させることで、工程時間を短縮することができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではなく、気体雰囲気が様々に変化可能である。
そして、キャッピング膜３００を形成する熱酸化工程は、圧力、温度及び工程時間がトンネル層２０の形成時の圧力、温度及び工程時間よりもそれぞれ大きくてもよい。例えば、キャッピング膜３００の形成時の圧力が１．５Ｔｏｒｒ〜２．０Ｔｏｒｒ、温度が７００℃〜９００℃、工程時間が１０分〜６０分であってもよい。このような圧力、温度、工程時間は、キャッピング膜３００の形成時に適合するように限定されたものであるが、本発明がこれに限定されるものではない。
しかし、キャッピング膜３００を形成する工程は必須のものではなく、実施例に応じて省略してもよい。
そして、第１導電型ドーパントのドーピング後に第１導電型ドーパントを活性化する活性化熱処理を行うと、第１導電型領域３２の特性を向上させることができる。特に、イオン注入法によって第１及び第２導電型ドーパントをドープする場合には活性化熱処理を行うことで、第１導電型領域３２の特性を向上させることができる。より具体的には、第１導電型ドーパントのドーピング後に、格子位置ではない位置に位置することがあるが、この場合には、ドーパントとしての役割を効果的に行うことが難しい。したがって、ドーピング後に活性化熱処理を施して第１導電型ドーパントを格子位置に移動させて、ドーパントとしての役割を効果的に行うようにする。しかし、活性化熱処理が必須の工程ではなく、実施例に応じて省略してもよく、ドーピング直後ではなく、以降の他の工程で行われてもよい。
一例として、活性化熱処理は、キャッピング膜３００を形成する温度、圧力、気体雰囲気と同一または類似の雰囲気で行うことができる。この場合には、キャッピング膜３００の形成後に活性化熱処理を行うことができる。または、キャッピング膜３００を形成する工程で活性化熱処理を行うか、または活性化熱処理を行う工程にキャッピング膜３００を形成する工程を含ませるなどが可能である。
または、活性化熱処理は、半導体層３０及びキャッピング膜３００を形成する温度、圧力及び気体雰囲気のいずれか１つを異ならせて行うことができる。この場合には、キャッピング膜３００を形成した後に活性化熱処理を行うことができる。例えば、活性化熱処理の温度を半導体層３０及びキャッピング膜３００を形成する温度よりも大きくすることができる。これによって、活性化熱処理による効果を最大化することができる。
本実施例では、活性化熱処理が、１．０Ｔｏｒｒ〜２．０Ｔｏｒｒの圧力、８００℃〜９００℃の温度、窒素雰囲気で１０分〜６０分間行われてもよい。すると、活性化熱処理に適した温度、圧力、気体雰囲気によって、活性化熱処理による効果を最大化することができる。
このように、活性化熱処理もまた、トンネル層２０、半導体層３０及びキャッピング膜３００とインサイチュ工程によって行うことができる。このとき、活性化熱処理をトンネル層２０、半導体層３０及びキャッピング膜３００と共に低圧化学気相蒸着装置内で低圧で行うと、温度変動を減らし、活性化熱処理によって半導体基板１０、半導体層３０などに均等に活性化することができる。
本実施例では、キャッピング膜３００が、第１導電型ドーパントを有する第１導電型領域３２上に位置し、熱処理によって第１導電型ドーパントを活性化することを例示したが、本発明がこれに限定されるものではない。したがって、キャッピング膜３００が、図３Ｃに示した真性の半導体層３０上に形成されてもよい。この場合には、真性の半導体層３０のアニーリング熱処理（例えば、非晶質を有する真性の半導体層３０を形成した後に、多結晶を有する真性の半導体層３０としてアニーリングする熱処理）工程で外部の汚染源によって半導体層３０が汚染することを防止し、アニーリング熱処理の効果を向上して、半導体層３０の結晶性を向上させることができる。その他にも、キャッピング膜３００が様々な工程に適用されて様々な効果を奏することができる。
次いで、図４Ｄに示すように、キャッピング膜３００を除去することができる。キャッピング膜３００は、様々な方法により除去することができ、一例として、希釈されたフッ酸（ｄｉｌｕｔｅｄ ＨＦ）によって除去することができる。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。
次いで、図４Ｅに示すように、第２導電型領域（図４Ｆの参照符号３４、以下同様）が形成される部分に対応して半導体層３０及びトンネル層２０を除去する。当該部分のトンネル層２０及び半導体層３０を除去する方法としては、公知の様々な方法（一例として、エッチング）などを用いることができる。本発明がこれに限定されるものではない。
次いで、図４Ｆに示すように、第２導電型ドーパントをドープして、マスク３０２の開口部３０２ａに該当する半導体基板１０の領域に第２導電型領域３４を形成する。このとき、ドーピング方法としては、イオン注入法、熱拡散法などの様々な方法を用いることができる。
次いで、図４Ｇに示すように、半導体基板１０の前面に前面電界層１３０、パッシベーション膜２４及び反射防止膜２６を形成し、半導体基板１０の後面に、第１導電型領域３２を含む半導体層３０及び半導体基板１０を覆う絶縁層４０を形成する。このとき、絶縁層４０は、第１導電型領域３２を含む半導体層３０の後面及び側面、そして、半導体層３０の間に露出した半導体基板１０の後面に形成することができる。
次いで、図４Ｈに示すように、第１及び第２導電型領域３２，３４にそれぞれ接続される第１及び第２電極４２，４４を形成する。
本実施例に係る太陽電池１００ａは、相対的に小さい面積で形成される第２導電型領域３４を半導体基板１０に形成し、相対的に広い面積を有する第１導電型領域３２を半導体基板１０上に位置したトンネル層２０上に形成する。これによって、半導体基板１０に不純物をドープするときに発生し得る半導体基板の特性の低下、損傷などを効果的に防止することができる。また、第１導電型領域３２と第２導電型領域３４が、互いに離隔した空間で別個に形成されることによって、第１導電型領域３２と第２導電型領域３４が隣接して発生し得るシャント（ｓｈｕｎｔ）などを防止することができる。これによって太陽電池１００ａの開放電圧及びフィルファクタを向上させ、太陽電池１００ａの効率を向上させることができる。
このとき、半導体層３０の蒸着工程で第１導電型ドーパントを共にドープすることで、工程を単純化することができる。そして、トンネル層２０、半導体層３０、キャッピング膜３００及び活性化熱処理のうちの少なくとも一部の工程を同じ装置（例えば、低圧化学気相蒸着装置）内で連続的に行うことで、工程を最小化することができる。
以下、本発明の実験例を参照して、本発明をより詳細に説明する。しかし、下記の実験例は本発明を例示するものに過ぎず、本発明が下記の実験例に限定されるものではない。
実験例１
シリコンウエハからなる半導体基板を低圧化学気相蒸着装置内で１０分間の熱酸化工程によってトンネル層を形成した。低圧化学気相蒸着装置内の圧力が０．９Ｔｏｒｒ、温度が７００℃であり、気体雰囲気は酸素気体、塩素気体及び窒素気体を含む。
トンネル層上にバリア領域を挟んで位置する第１及び第２導電型領域を形成し、絶縁層、パッシベーション膜、反射防止膜などを形成し、第１及び第２導電型領域にそれぞれ接続される第１及び第２電極を形成することで、太陽電池を製造した。
実験例２
トンネル層の形成時の圧力を１．１Ｔｏｒｒとしたこと以外は、実験例１と同様の方法で太陽電池を製造した。
実験例３
トンネル層の形成時の圧力を１．３Ｔｏｒｒとしたこと以外は、実験例１と同様の方法で太陽電池を製造した。
比較例１
トンネル層の形成時の圧力を３．０Ｔｏｒｒとしたこと以外は、実験例１と同様の方法で太陽電池を製造した。
実験例１、２及び３、比較例１によって製造された太陽電池のトンネル層の厚さを図５に示した。参考に、各実験例及び比較例では、複数個の太陽電池を製造し、これに形成されたトンネル層の厚さを平均を取って図５に示した。
図５を参照すると、実験例１、２及び３によるトンネル層の厚さの平均値が、それぞれ１．３１ｎｍ、１．４１ｎｍ、及び１．８１ｎｍで、２ｎｍ以下であることがわかる。特に、１．５Ｔｏｒｒ以下である１．３Ｔｏｒｒ、１．１Ｔｏｒｒの圧力では、１．４１ｎｍ、１．３１ｎｍで、１．５ｎｍ以下の厚さを有するトンネル層を形成できることがわかる。一方、比較例１では、トンネル層の厚さが２．２５ｎｍで、２ｎｍを超えることがわかる。
実験例１、２及び３においてトンネル層の平均厚さを有する太陽電池の電流（Ｉ）−電圧（Ｖ）を測定し、電流−電圧グラフを図６に示した。そして、実験例１、２及び３で用いた全ての太陽電池の電流−電圧グラフ、及びその他の様々な厚さのトンネル層を有する太陽電池の電流−電圧グラフにおいてそれぞれのフィルファクタを計算し、トンネル層の厚さによるフィルファクタのグラフを図７に示した。
図６を参照すると、トンネル層の厚さが増加するほど、電流−電圧曲線の下部面積に該当するフィルファクタが小さくなることがわかる。図７を参照すると、トンネル層の厚さが２ｎｍを超えると、フィルファクタが非常に低いことがわかり、特に、トンネル層の厚さが１．５ｎｍ以下のとき（特に、１．４ｎｍ以下、より正確には１．３ｎｍ以下）、フィルファクタが非常に優れた値を有することがわかる。
このように、本実施例によれば、トンネル層２０の厚さを２ｎｍ以下（例えば、１．５ｎｍ）に薄く形成することができ、これによって、太陽電池１００のフィルファクタを大きく向上させることができる。
上述したような特徴、構造、効果などは、本発明の少なくとも一つの実施例に含まれ、必ずしも一つの実施例にのみ限定されるものではない。さらに、各実施例で例示した特徴、構造、効果などは、実施例の属する分野における通常の知識を有する者によって、他の実施例に対しても組み合わせ又は変形して実施可能である。したがって、このような組み合わせ及び変形に係わる内容は、本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
１０ 半導体基板
２０ トンネル層
２４ パッシベーション膜
２６ 反射防止膜
３０ 半導体層
３２ 第１導電型領域
３４ 第２導電型領域
３６ バリア層
４０ 絶縁層
４２ 第１電極
４４ 第２電極
１００ 太陽電池
１１０ ベース領域
１３０ 前面電界領域
３００ キャッピング膜
４０２ 第１開口部
４０４ 第２開口部

Claims (15)

  1. 半導体基板上に酸化物層を形成するステップと、
    前記酸化物層上に半導体物質を蒸着する工程を含んで多結晶半導体を有する半導体層を形成するステップと、
    前記半導体層に接続される電極を形成するステップと、
    を含み、
    前記酸化物層は、室温より高い温度及び常圧より小さい圧力で形成され、
    前記酸化物層を形成するステップにおいて、前記温度は６００℃〜８００℃の範囲内であり、前記圧力は０．０１トール〜２トールの範囲内であり、
    前記多結晶半導体を有する半導体層を形成するステップにおいて、前記温度は６００℃〜７００℃の範囲内であり、前記圧力は０．０１トール〜０．５トールの範囲内であり、
    前記酸化物層を形成するステップ及び前記半導体層を形成するステップは、同じ装置内で連続的に行われるインサイチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）工程によって行われる、太陽電池の製造方法。
  2. 前記半導体層は、前記酸化物層上に位置し、第１導電型ドーパントを含む第１導電型領域と、前記第１導電型ドーパントと反対の第２導電型ドーパントを含む第２導電型領域と、前記第１導電型領域と前記第２導電型領域との間に位置するバリア領域とを含む、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
  3. 前記酸化物層は、前記半導体層の形成前に前記太陽電池の外部に露出されない、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
  4. 前記酸化物層を形成するステップが５分〜３０分間行われる、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
  5. 前記酸化物層を形成するステップは、酸素気体を含む気体雰囲気で行われ、前記酸化物層が酸化物を含む、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
  6. 前記酸化物層が、熱酸化工程によって形成される熱酸化物層で構成される、請求項５に記載の太陽電池の製造方法。
  7. 前記酸化物層を形成するステップでの前記気体雰囲気は、窒素気体及び塩素気体を含む、請求項５に記載の太陽電池の製造方法。
  8. 前記酸化物層の厚さが１．０ｎｍ〜１．５ｎｍである、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
  9. 前記酸化物層を形成するステップ及び前記半導体層を形成するステップが、低圧化学気相蒸着装置（ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｐｐａｒａｔｕｓ）で行われる、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
  10. 前記酸化物層を形成するステップ及び前記半導体層を形成するステップは、気体雰囲気を異ならせて行われる、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
  11. 前記酸化物層を形成するステップは、酸素気体を含む気体雰囲気で行われ、
    前記半導体層を形成するステップは、シリコン含有気体を含む気体雰囲気で行われる、請求項１０に記載の太陽電池の製造方法。
  12. 前記酸化物層を形成するステップの圧力よりも前記半導体層を形成するステップの圧力がさらに小さい、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
  13. 前記酸化物層よりも前記半導体層がさらに厚い、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
  14. 前記半導体物質を蒸着する工程において前記半導体層にドーパントがドープされ、
    前記半導体層を形成するステップと前記電極を形成するステップとの間にキャッピング膜を形成するステップをさらに含み、
    前記酸化物層を形成するステップ、前記半導体層を形成するステップ及び前記キャッピング膜を形成するステップが、同じ装置内で連続的に行われるインサイチュ工程によって行われる、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
  15. 前記キャッピング膜を形成するステップと前記電極を形成するステップとの間に前記半導体層を活性化熱処理するステップをさらに含み、
    前記酸化物層を形成するステップ、前記半導体層を形成するステップ、前記キャッピング膜を形成するステップ及び前記活性化熱処理するステップが、同じ装置内で連続的に行われるインサイチュ工程によって行われる、請求項１４に記載の太陽電池の製造方法。
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