JP6239156B2 - 太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、太陽電池の製造方法に係り、特に拡散層の形成に関する。
太陽電池は、シリコン基板などの半導体基板内にｐｎ接合を形成し、ｐｎ接合での光電変換によって生成された電荷を、ｐ層側およびｎ層側にそれぞれ形成されたｐ層側電極およびｎ層側電極から取り出すものである。例えば、ｐ型単結晶シリコン基板に対し、ｎ型不純物を拡散することにより、ｎ型拡散層を全面に形成した後に、ｐ層側電極と短絡しないように、ｎ型拡散層の一部を除去する。これはｐｎ接合分離と呼ばれ、例えば、特許文献１に開示されているプラズマエッチングを利用して端面のｎ型拡散層を除去することで、ｐ層側とｎ層側とを分離することができる。この手法では、ｐ型単結晶シリコン基板の両面に負極のドーピング剤を拡散し、ｎ型拡散層を形成する。この後、ｐ型単結晶シリコン基板を複数枚重ね合わせ、プラズマエッチング装置を用いて数ミクロン、ｐ型単結晶シリコン基板端面をエッチング除去し、ｐｎ分離を行う。しかし、特許文献１では、プラズマが安定していないと均一に削ることができないため、エッチング量が少ないと、エッチング斑が発生しｐ型シリコン基板端部のｎ型拡散層が残留し、その領域から漏れ電流が発生することがある。
上述したように、太陽電池基板に形成された拡散層は、基板の端面まで形成されている。端面の拡散層を除去せずに太陽電池基板に電極を形成し太陽電池基板を作製すると短絡が起こり電流を取り出せない。そこで、拡散層を分離するため、プラズマによるエッチングを実施し、端面に形成された拡散層を除去している。この端面エッチング時には分離を確実にするために、プラズマ生成時間を長めにとる必要がある。このため、拡散層と受光面に対する必要以上のエッチングが行われることが多い。
特許文献１の方法でプラズマ生成時間を長くした場合、削り量は増加する。しかし、シリコンウエハ端部からのプラズマの回り込み量が増加するため、受光面側の拡散層が削れてしまい特性低下の原因となる。
また、表面に高さの異なる領域があると、重ねあわされたシリコン基板間で、側面に隙間ができて、隙間内にプラズマが侵入し、表面の一部が削れてしまうという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ウェハ受光面の損傷の抑制、拡散層の削り量を抑制し、光電変換効率の向上をはかりつつも、端部への拡散を防止し、端部の拡散層からのリークを抑制し、太陽電池の良品率向上をはかることができる太陽電池の製造方法を得ることを目的とする。
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、第１および第２主面を有する第１導電型の半導体基板の側面に選択的に酸化膜を形成する工程と、酸化膜の形成された半導体基板の第１および第２主面に第２導電型の不純物拡散層を形成する工程と、第２導電型の不純物拡散層の形成された半導体基板の第１または第２主面に第２導電型の不純物拡散層よりも高濃度の第１導電型の拡散層を形成する工程とを含む。酸化膜を形成する工程は、半導体基板の両面を別部材で覆った状態で、熱酸化を行う工程である。
本発明によれば、ウェハ受光面の損傷の抑制、拡散層の削り量を抑制し、光電変換効率の向上をはかりつつも、端部への拡散を防止し、端部の拡散層からのリークを抑制し、太陽電池の良品率向上をはかることができるという効果を奏功する。
以下に、本発明にかかる太陽電池の製造方法および太陽電池の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため各層あるいは各部材の縮尺が現実と異なる場合があり、各図面間においても同様である。また、平面図であっても、図面を見易くするためにハッチングを付す場合がある。
実施の形態１．
図１は、本発明にかかる太陽電池の製造方法の実施の形態１を示す太陽電池の製造工程で形成された太陽電池を示す図、図２は、その表面の一部拡大断面図、図３および図４(ａ)から(ｆ)は、実施の形態１の太陽電池の製造工程を示す図、図５は実施の形態１の太陽電池の製造工程を示すフローチャートである。
図１は、本発明にかかる太陽電池の製造方法の実施の形態１を示す太陽電池の製造工程で形成された太陽電池を示す図、図２は、その表面の一部拡大断面図、図３および図４(ａ)から(ｆ)は、実施の形態１の太陽電池の製造工程を示す図、図５は実施の形態１の太陽電池の製造工程を示すフローチャートである。
実施の形態１の方法では、ｐ型単結晶シリコン基板１端面の拡散層の形成を抑制するため、ｐ型単結晶シリコン基板１端面に酸化膜を形成することで、ｐ型単結晶シリコン基板１の端部への拡散を防止する。端面の酸化膜形成には、張り合わせ方法を用いる。ｐ型単結晶シリコン基板１の受光面側および、裏面側にダミーウエハＤを張り合わせた状態で、酸化炉に投入し、酸化膜１０を形成させ、ｐ型単結晶シリコン基板１端面にのみ酸化膜１０を形成し、ダミーウエハＤを剥離する。この手法により、ｐ型単結晶シリコン基板１端面にはｎ型拡散層３の形成はなされないため、ｎ型拡散層形成後にプラズマエッチング処理などの端面エッチング工程は実施することなくｐｎ接合分離を行うことができる。
ダミーウエハＤを太陽電池用基板として用いる場合には、片側面とダミーウエハＤの端面に酸化膜１０が形成されているため、両面に拡散処理を行っても酸化膜１０が保護膜となり、プラズマエッチング処理をすることなくｐｎ接合分離ができる。ダミーウエハＤを用いた太陽電池の製造方法については後述する。
本実施の形態１にかかる太陽電池は、図１に示すように、受光面１Ａとなる第１の主面と裏面１Ｂとなる第２の主面をもつ第１導電型の半導体基板としてのｐ型単結晶シリコン基板１を用いる。そしてｐ型単結晶シリコン基板１の端面である側面１Ｃにはｐ型拡散層３が形成されることなく、受光面１Ａにはｐ型拡散層３が形成され、表面には反射防止膜５としての窒化シリコン膜が形成されている。一方裏面１Ｂ側には、外部取り出し用の電極である銀電極６、およびアルミニウム電極７が形成され、これらとｐ型単結晶シリコン基板１との間には、コンタクトのための高濃度のコンタクト層を構成するｐ型拡散層８が形成されている。また受光面１Ａには外部取り出し用の受光面電極９が形成されている。なお、図２に示すように受光面１Ａ側にはテクスチャ１Ｔが形成されているが、他の図では省略して平坦面として記載している。
図３、図４(ａ)から（ｆ）、および図５を用いて本実施の形態の太陽電池の製造方法を説明する。まず、ステップＳ１０１で、表面のウエハスライス時に生じた汚染あるいはダメージを、例えば１ｗｔ％以上１０ｗｔ％未満の水酸化ナトリウムを溶解させたアルカリ溶液、に浸漬させて除去した後、ｐ型単結晶シリコン基板１の受光面１Ａに、例えば０．１％以上１０％未満のアルカリ溶液中にイソプロピルアルコールあるいはカプリル酸等の添加剤を加えて溶液に浸漬させて反射防止構造を得るための凹凸である図２に示すように、テクスチャ１Ｔを形成する。なお、スライス汚染およびダメージの除去と、テクスチャ１Ｔの形成は同時にあるいは個別に行ってもよい。テクスチャ１Ｔの形成は受光面１Ａのみならず裏面１Ｂにも形成してもよい。図１、図３、図４(ａ)から（ｆ）においては理解の容易のためテクスチャは図示せず、受光面１Ａ裏面１Ｂ共に平坦面として示す。
次に、成膜前洗浄ステップＳ１０２でｐ型単結晶シリコン基板１の表面を洗浄する。該洗浄工程には、例えば、ＲＣＡ洗浄と呼ばれる、硫酸と過酸化水素の混合溶液と、フッ化水素酸水溶液と、アンモニアと過酸化水素の混合溶液と、塩酸と過酸化水素の混合溶液、とを組み合わせた有機物と金属と酸化膜とを除去する工程、あるいは、例えばテクスチャ形成方法によってはフッ化水素酸水溶液のみの酸化膜除去工程、が用いられる。
上記成膜前洗浄ステップＳ１０２に引き続き、ステップＳ１０３で、ｐ型単結晶シリコン基板１の受光面１Ａおよび裏面１ＢにダミーウエハＤで挟持して熱酸化を行う。ここでは図３に示すようにｐ型単結晶シリコン基板１の受光面１Ａおよび裏面１ＢにダミーウエハＤを貼着し、酸素雰囲気中で、熱処理を行う。この工程でダミーウエハＤで覆われた、受光面１Ａおよび裏面１Ｂには酸化膜１０は形成されず、側面すなわち端面１Ｃにのみ酸化膜１０が形成される。
この後、ステップＳ１０４で、ダミーウエハＤを除去する。受光面１Ａ側および裏面１Ｂ側を覆っていたダミーウエハＤが除去されたｐ型単結晶シリコン基板１は、図４（ａ）に示すように、端面１Ｃにのみ酸化膜１０が形成され、受光面１Ａおよび裏面１Ｂが露呈した状態となっている。
この状態で、ステップＳ１０５により三塩化リン（ＰＣｌ3）ガスと酸素ガスとの混合ガスを用いた熱拡散炉で、気相拡散により、受光面１Ａにｎ型不純物であるリンの拡散を行い、ｎ型拡散層３を形成する。このとき、上記混合ガスは、裏面１Ｂにも回り込み、図４（ｂ）に示すように、受光面１Ａおよび裏面１Ｂにｎ型拡散層３およびリンガラス層２が形成される。
ここで、気相拡散である熱拡散では、ＰＣｌ3ガスがシリコンウエハの全面に回り込むため、ｐ型単結晶シリコン基板１の全面にリンガラス層２が形成される。しかし、側面１Ｃには酸化膜１０が形成されているので、側面１Ｃでは酸化膜１０上にリンガラス層２が形成されるため、酸化膜１０にブロックされてリンガラス層２からｐ型単結晶シリコン基板１へのリンの拡散が起こらない。酸化膜１０に覆われていない受光面１Ａの表面と裏面１Ｂの表面のみ、リンガラス層２からリンが拡散してｎ型拡散層３が形成される。
ステップＳ１０６で、図４（ｃ）に示すように、ｐｎ接合分離を行う。この工程では、拡散のなされたｐ型単結晶シリコン基板１の受光面１Ａと裏面１Ｂのリンガラス層２と端面１Ｃの酸化膜１０をフッ酸（ＨＦ）溶液に浸し除去する。これにより、プラズマエッチングを使用せずに、シリコンウエハのｐｎ接合分離を行うことができる。
図４（ｄ）に示すように、ステップＳ１０７でプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて受光面１Ａ側に反射防止膜５として窒化シリコン膜を形成する。
次に、ステップＳ１０８の裏面電極の形成を行う。このステップではまず、図４（ｅ）に示すように、裏面１Ｂにスクリーンプリントを用いて印刷法により銀（Ａｇ）電極６を形成する。この電極はモジュール形成時のタブ付でタブ線に直接接触する部分である。
図４（ｆ）に示すように、さらに、裏面にスクリーンプリントを用いて印刷法によりＡｇ電極６以外の部分にＡｌ電極７を形成する。Ａｌ電極を焼成するとｐ型単結晶シリコン基板１側にＡｌが拡散され、ｐ型拡散層８が形成される。
この後ステップＳ１０９で受光面１Ａ側に、スクリーンプリントを用いて印刷法によりＡｇ電極からなる受光面電極９を形成し、図１に示した太陽電池が完成する。この時Ａｇ電極の焼成により、反射防止膜５を突き破り、ファイヤスルーによりＡｇからなる受光面側電極９とｎ型拡散層３とのコンタクトが得られる。
本実施の形態の太陽電池の製造方法によれば、ｐ型単結晶シリコン基板１の端面に酸化膜１０を形成した状態で、ｎ型拡散層を形成するため、端面では酸化膜１０がバリアとなり、ｎ型拡散層は形成されないため、酸化膜の除去によって、ｐｎ分離が容易に実現される。
加えて、端面の過剰エッチングなしに、形成できるため、光電変換領域がエッチング除去されることなく、ｐｎ接合分離が良好になされ、リークパスが形成されることがない。従って、実施の形態１の太陽電池の製造方法によれば、ダイオード特性が良く、高い光電変換効率を示す太陽電池が実現される。
なお、本実施の形態では、基板の受光面および裏面の両面にｎ型拡散層を形成しておき、裏面側には電極形成時にアルミニウム電極からの拡散により、より高濃度のｐ型不純物であるアルミニウムを拡散させ、反転層を形成することで、ｐ型拡散層８を形成する。両面拡散はｐ型あるいはｎ型シリコン基板に含まれる不純物を捕獲できるため、シリコン基板のライフタイムを向上させ、太陽電池特性が向上するという効果を奏功する。
なお、図３に示した、ｐ型単結晶シリコン基板１からなるダミーウエハＤを用いて、太陽電池を作製することができる。ダミーウエハＤには図６（ａ）に示すように、第２主面である裏面１Ｂと端面１Ｃに酸化膜１０が形成されている。そして、図６（ｂ）に示すように、ダミーウエハＤに対しては三塩化リン（ＰＣｌ3）ガスと酸素ガスを導入した炉の中で熱拡散を行う。このとき、全体にリンガラス層２が形成され、酸化膜１０の形成されていない受光面１Ａにのみｎ型拡散層３が形成される。そして、フッ酸（ＨＦ）溶液に浸すことで、リンガラス層２を除去し図６（ｃ）に示すように、片面にｎ型拡散層３を形成する。その後、ｐ型単結晶シリコン基板１からなるダミーウエハＤの受光面１Ａに反射防止膜５を形成し、シリコンウエハ両面に電極形成を行うことで太陽電池を作製できる。
図６（ａ）は、酸化炉から取り出した後のｐ型単結晶シリコン基板１からなるダミーウエハＤを示す図である。シリコンウエハの裏面１Ｂおよび側面１Ｃのみに酸化膜１０が形成される。ここでも酸化膜１０の膜厚は、次に形成されるｎ型拡散層より厚い膜厚にするのが望ましい。これはｎ型不純物を十分に阻止し、裏面側にｎ型拡散層が形成されないようにするためである。
図６（ｂ）は、図６（ａ）のダミーウエハＤにｎ型不純物を拡散した状態である。受光面１Ａにｎ型拡散層３を形成する。リンガラス層２は受光面１Ａ、裏面１Ｂ、端面１Ｃに形成される。その後、前記実施の形態１と同様にリンガラス除去、図６（ｄ）に示すように、反射防止膜の形成、電極形成を実施し、図６（ｅ）に示すように、太陽電池が形成される。
以上のように、本実施の形態によれば、ダミーウエハＤも太陽電池用基板として使用可能であり、生産性よく、信頼性の高い太陽電池を形成することが可能となる。
なお、説明のためにｐ型単結晶シリコン基板１と、受光面１Ａ側にはｎ型拡散層３と、裏面１Ｂにはアルミニウムの拡散によるｐ型拡散層８と、を用いたがこれに制限されるものでもない。太陽電池として機能するのであれば、基板については、単結晶シリコン基板に限定されることなく、多結晶シリコン基板、シリコンカーバイドなど他のシリコン系結晶基板を用いてもよく、導電型についてもｐ型の基板を用いてもよい。さらに裏面側の拡散層の形成には固相拡散を用いても良く、固相拡散源はボロンシリケートガラス（ＢＳＧ）のようなｐ型の拡散層を形成する不純物を含むものを用いても良い。
以上のように、本実施の形態では、ウェハ受光面の損傷の抑制、拡散層の削り量を抑制し、光電変換効率の向上をはかりつつも、端部への拡散を防止し、端部の拡散層からのリークを抑制し、太陽電池の良品率向上をはかることができ、キャリア寿命の長い太陽電池が実現される。
実施の形態２．
前記実施の形態１では、ｐ型単結晶シリコン基板１の両面にダミーウエハＤを２枚張り合わせて熱酸化させることで、ｐ型単結晶シリコン基板１端部１Ｃに酸化膜１０を形成させる製造方法を示したが、ダミーウエハＤである必要はなく、石英基板２０を用いてもよい。図７（ａ）から（ｃ）は、石英基板２０を用いた太陽電池の製造方法の要部を示す製造工程図である。
前記実施の形態１では、ｐ型単結晶シリコン基板１の両面にダミーウエハＤを２枚張り合わせて熱酸化させることで、ｐ型単結晶シリコン基板１端部１Ｃに酸化膜１０を形成させる製造方法を示したが、ダミーウエハＤである必要はなく、石英基板２０を用いてもよい。図７（ａ）から（ｃ）は、石英基板２０を用いた太陽電池の製造方法の要部を示す製造工程図である。
実施の形態１における成膜前洗浄ステップＳ１０２に引き続き、ステップＳ１０３で、実施したのと同様ｐ型単結晶シリコン基板１の受光面１Ａおよび裏面１Ｂに、図７（ａ）に示すように石英基板２０でｐ型単結晶シリコン基板１を挟持して熱酸化を行う。ここでは図７（ｂ）に示すようにｐ型単結晶シリコン基板１の受光面１Ａおよび裏面１Ｂに石英基板２０を貼着し、酸素雰囲気中で、熱処理を行う。この工程で石英基板２０で覆われた、受光面１Ａおよび裏面１Ｂには酸化膜１０は形成されず、側面すなわち端面１Ｃにのみ酸化膜１０が形成される。
この後、ステップＳ１０４と同様に、石英基板２０を除去する。受光面１Ａ側および裏面１Ｂ側を覆っていた石英基板２０が除去されたｐ型単結晶シリコン基板１は、図７（ｃ）に示すように、端面１Ｃにのみ酸化膜１０が形成され、受光面１Ａおよび裏面１Ｂが露呈した状態となっている。この後の工程は前記実施の形態１における図４（ａ）と同様である。この後の工程は前記実施の形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。このように形成しても、実施の形態１と同様の構造を得ることができる。
この構成によれば、石英基板とｐ型単結晶シリコン基板１とは膨張率がほぼ等しいため、石英基板２０と、ｐ型単結晶シリコン基板１との密着性が良好であり、酸素の回り込みもなく、ｐ型単結晶シリコン基板１の側面にのみ選択的に酸化膜１０の形成を行うことができる。
実施の形態３．
前記実施の形態１では、ｐ型単結晶シリコン基板１の両面にダミーウエハＤを２枚張り合わせて熱酸化させることで、ｐ型単結晶シリコン基板１端部１Ｃに酸化膜１０を形成させる製造方法を示したが、また、シリコンウエハを複数枚張り合わせることで、生産性が改善される。例えば５枚のシリコンウエハを張り合わせて熱酸化させることにより、熱酸化工程の生産性を５倍に改善することができる。図８（ａ）から（ｃ）は、５枚のｐ型単結晶シリコン基板１を重ね合わせて熱処理をする場合の太陽電池の製造方法の要部を示す製造工程図である。
前記実施の形態１では、ｐ型単結晶シリコン基板１の両面にダミーウエハＤを２枚張り合わせて熱酸化させることで、ｐ型単結晶シリコン基板１端部１Ｃに酸化膜１０を形成させる製造方法を示したが、また、シリコンウエハを複数枚張り合わせることで、生産性が改善される。例えば５枚のシリコンウエハを張り合わせて熱酸化させることにより、熱酸化工程の生産性を５倍に改善することができる。図８（ａ）から（ｃ）は、５枚のｐ型単結晶シリコン基板１を重ね合わせて熱処理をする場合の太陽電池の製造方法の要部を示す製造工程図である。
実施の形態１における成膜前洗浄ステップＳ１０２に引き続き、ステップＳ１０３で、実施したのと同様ｐ型単結晶シリコン基板１の受光面１Ａおよび裏面１Ｂに、図８（ａ）に示すように５枚のｐ型単結晶シリコン基板１を重ね合わせて熱酸化を行う。ここでは図８（ｂ）に示すように５枚のｐ型単結晶シリコン基板１を重ねあわせて貼着し、酸素雰囲気中で、熱処理を行う。この工程でｐ型単結晶シリコン基板１で覆われた、受光面１Ａおよび裏面１Ｂには酸化膜１０は形成されず、側面すなわち端面１Ｃにのみ酸化膜１０が形成される。
この後、ステップＳ１０４と同様に、各ｐ型単結晶シリコン基板１を１枚ずつ分離する。受光面１Ａ側および裏面１Ｂ側を覆っていた各ｐ型単結晶シリコン基板１が除去されたｐ型単結晶シリコン基板１は、図８（ｃ）に示すように、端面１Ｃにのみ酸化膜１０が形成され、受光面１Ａおよび裏面１Ｂが露呈した状態となっている。又端部のｐ型単結晶シリコン基板１Ｄ１，１Ｄ２は、実施の形態１のダミーウエハＤと同様である。この後の工程は前記実施の形態１における図４（ａ）から（ｆ）と同様である。この後の工程は前記実施の形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。
このようにして、実施の形態１と同様の構造を得ることができる。実施の形態３によれば、ｐ型単結晶シリコン基板１を複数枚張り合わせることで、生産性が改善される。例えば１０枚のシリコンウエハを張り合わせて熱酸化させることにより、熱酸化工程の生産性を１０倍に改善することができる。
また、前記各実施の形態の他、受光面および裏面を冶具あるいはレジストなど、保護膜で被覆し、酸化を行うことで、側面に選択的に酸化膜を形成するようにしても、よい。これにより前記各実施の形態と同様の効果を得ることができる。
１ ｐ型単結晶シリコン基板、１Ｔ テクスチャ、１Ａ 受光面、１Ｂ 裏面、１Ｃ 側面、Ｄ ダミーウエハ、２ リンガラス層、３ ｎ型拡散層、５ 反射防止膜、６ 銀電極、７ Ａｌ電極、８ ｐ型拡散層、９ 受光面電極、１０ 酸化膜、２０ 石英基板。
Claims (7)
- 第１および第２主面を有する第１導電型の半導体基板の側面に選択的に酸化膜を形成する工程と、
前記酸化膜の形成された前記半導体基板の前記第１および第２主面に第２導電型の不純物拡散層を形成する工程と、
前記第２導電型の不純物拡散層の形成された前記半導体基板の前記第１または第２主面に前記第２導電型の不純物拡散層よりも高濃度の第１導電型の拡散層を形成する工程とを含み、
前記酸化膜を形成する工程は、
前記半導体基板の両面を別部材で覆った状態で、熱酸化を行う工程であることを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 前記酸化膜を形成する工程は、
前記半導体基板の両面をダミーウエハで挟持した状態で、熱酸化を行う工程であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。 - 前記ダミーウエハは、前記半導体基板と同一材料で形成された半導体基板であることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記酸化膜を形成する工程は、
前記半導体基板の両面を石英板で挟持した状態で、熱酸化を行う工程であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。 - 前記酸化膜を形成する工程は、
前記半導体基板を複数枚重ねた状態で、熱酸化を行う工程であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。 - 前記酸化膜を形成する工程は、
第１導電型のシリコン基板を複数枚張り合わせた状態で、熱酸化を行う工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。 - 前記酸化膜を形成する工程で、張り合わせた前記複数枚のシリコン基板のうち、両端に配され、第２主面に酸化膜が形成された第１導電型のシリコンウエハの第１主面に第２導電型の拡散層を形成する工程と、
前記第２主面の酸化膜を除去し、第２主面に第１導電型の拡散層を形成して太陽電池を形成する工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の太陽電池の製造方法。
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