JP6303229B2 - 太陽電池及び太陽電池のエミッタ領域の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、再生可能エネルギーの分野におけるものであり、特に、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子を用いた太陽電池エミッタ領域の製造方法、及びその結果得られる太陽電池である。
太陽電池として一般的に知られる光起電力電池は、太陽放射を電気エネルギーに直接的に変換するための周知の装置である。一般に、太陽電池は、半導体処理技術を用いて半導体ウェハ上又は基板上に製造され、基板の表面近くにｐｎ接合が形成される。基板の表面に衝突し、これに進入する太陽放射は、基板のバルク内に電子−正孔対を生じる。電子及び正孔対は、基板内のｐドープ領域及びｎドープ領域に移動し、これによって、ドープ領域の間に電位差を発生させる。ドープ領域は、太陽電池の導電性領域に接続され、電流を太陽電池からそれと連結された外部回路へと方向付ける。
効率は、太陽電池が電力を生成する能力に直接関連することから、太陽電池の重要な特性である。同様に、太陽電池を生産する上での効率は、このような太陽電池のコスト有効性に直接関連する。したがって、太陽電池の効率が増加するための技術、又は太陽電池の製造における効率が増加するための技術が、概ね望ましい。本発明の幾つかの実施形態は、太陽電池構造体を製造するための新規なプロセスを提供することによって、太陽電池の製造効率の増加を可能にする。本発明の幾つかの実施形態は、新規な太陽電池構造体を提供することによって、太陽電池の効率向上を可能にしている。
本明細書においては、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子を用いた太陽電池エミッタ領域の製造方法、及びその結果得られる太陽電池が説明される。以下の説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するために、特定のプロセスフロー操作などの多数の特定の詳細が記載される。これらの特定の詳細なしに、本発明の実施形態を実践することができる点が、当業者には明らかとなるであろう。他の場合には、本発明の実施形態を不必要に不明瞭にしないために、リソグラフィ及びパターニング技術などの、周知の製造技術は詳細に説明されない。更には、図に示される様々な実施形態は、例示的な表示であって、必ずしも一定の縮尺で描写されるものではないことを理解するべきである。
本明細書においては、太陽電池を製造する方法が開示されている。一実施形態では、太陽電池のエミッタ領域の製造方法は、太陽電池の基板の第１の表面上にＮ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域を形成する工程を含む。Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域上、及びＮ型ドープシリコンナノ粒子の領域間の基板の第１の表面上にＰ型ドーパント含有層が形成される。Ｐ型ドーパント含有層の少なくとも一部はＮ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域のそれぞれの少なくとも一部と混合される。別の実施形態では、太陽電池のエミッタ領域の製造方法は、太陽電池の基板の第１の表面上にＮ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域を形成する工程を含む。Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域上、及びＮ型ドープシリコンナノ粒子の領域間の基板の第１の表面上にＰ型ドーパント含有層が形成される。Ｐ型ドーパント含有層上にエッチング耐性層が形成される。第１の表面と反対側の基板の第２の表面が、基板の第２の表面を粗面化するためにエッチングされる。エッチング耐性層はエッチングの最中にＰ型ドーパント含有層を保護する。
同様に本明細書に開示されているのは、太陽電池である。一実施形態では、太陽電池のエミッタ領域は、太陽電池の基板の第１の表面上に配設されるＮ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域を含む。基板内に、対応するＮ型拡散領域が配設される。Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域上、及びＮ型ドープシリコンナノ粒子の領域間の基板の第１の表面上にＰ型ドーパント含有層が配設される。Ｎ型拡散領域間の基板内に、対応するＰ型拡散領域が配設される。Ｐ型ドーパント含有層上にエッチング耐性層が配設される。エッチング耐性層、Ｐ型ドーパント含有層、及びＮ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域を貫き、Ｎ型拡散領域まで、金属コンタクトの第１のセットが配設される。エッチング耐性層及びＰ型ドーパント含有層を貫き、Ｐ型拡散領域まで、金属コンタクトの第２のセットが配設される。
第１の態様では、１つ又は複数の特定の実施形態は、Ｎ型シリコン（Ｓｉ）ナノ粒子を印刷し、その後、三臭化ホウ素（ＢＢｒ３）を用いてＢ２Ｏ３酸化物層を前駆体として堆積させるためのアプローチに向けられている。ＢＢｒ３前駆体は、Ｓｉナノ粒子を、リン拡散源として用いるためのホウリンケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ：borophosphosilicate glass）層に変換するために用いることができる。加えて、Ｂ２Ｏ３が、ホウ素拡散源として用いるために非印刷領域内に堆積される。このアプローチは、バルク基板内、又はバルク基板の上方に形成されるエミッタ領域を有する太陽電池のためのパターニング及びドーパント堆積操作を低減又は解消するに用いることができる。
より具体的には、このような製造プロセス方式では、パターニングされたドーパント源を効率的なドーピングのために用いることができる。有用なパターンを達成するために、ブランケット堆積（blanket deposition）の後に通例、マスク及びエッチングリソグラフィステップが行われる。その代わりに、本明細書に説明されている１つ又は複数の実施形態は、堆積の最中に直接ドーパント源をパターニングすることを含む。直接パターニングの以前の試みはインクジェットドーパント形成を含んでいた。その他の代替方法は、Ｓｉナノ粒子ベースではなく、酸化物ベースであるインクジェット及びスクリーン印刷ドーパントを含んでいた。以前のアプローチのための材料は開発が困難であると判明し得る。更に別の以前の試みでは、Ｓｉナノ粒子が印刷され、ＡＰＣＶＤによってＳｉナノ粒子上にホウケイ酸ガラス（ＢＳＧ：borosilicate glass）層が形成される。しかし、このようなアプローチでは、ナノ粒子は高密度の凝集層を形成せず、ごくわずかのリンしか、下地基板内へ駆動されるために利用可能にならない。
より一般的には、第１の態様では、１つ又は複数の実施形態は、基板内又はその上方にドープ層又は領域を形成するためのアプローチに向けられている。バルク結晶基板内にドープ拡散領域を形成する場合には、最終的に形成されるエミッタ領域は、例えば、バルク単結晶シリコン基板内に形成することができる。基板の上方にドープ層を形成する場合には、最終的に形成されるエミッタ領域は、例えば、多結晶又はシリコン層内に形成することができる。どちらの場合でも、ドープされるべき領域上にＮ型Ｓｉナノ粒子が印刷される。印刷は、スクリーン印刷、インクジェット印刷、押し出し印刷若しくはエアロゾルジェット印刷、又はその他の同様のアプローチによって実行することができる。印刷後に、受容基板を拡散炉内に配置することができる。ウェハ上にＢ２Ｏ３を成長させるためにＢＢｒ３堆積が実行される。Ｂ２Ｏ３層はＳｉナノ粒子膜の空隙を埋め、高密度に網状化した層を作り出す。非印刷領域上には、典型的なＢ２Ｏ３層が堆積される。ＢＢｒ３堆積の後に、ウェハは高温拡散ステップにおいて焼鈍され、これはホウ素をＢ２Ｏ３領域から基板内へ駆動する。Ｓｉナノ粒子印刷領域では、リンドープＳｉはＢ２Ｏ３によって消費され、ケイ酸塩ガラスを形成する。ケイ酸塩ガラス層は、ナノ粒子よりも小さい空隙の容積のために、濃い濃度のリン及びより薄い濃度のホウ素の両方をドープされる。その結果、ホウ素及びリンドープケイ酸塩ガラス（ＢＰＳＧ）層ができる。ＢＰＳＧ層は、リンをシリコン内に優先的に駆動するために用いることができる。したがって、拡散ステップは、ＢＰＳＧ（印刷）エリアから基板内への支配的なリン拡散（場合によっては、いくらかのホウ素も伴う）、及びＢ２Ｏ３、非印刷、領域からのホウ素拡散を含む。
一例として、図１Ａ〜図１Ｆは、本発明の実施形態に係る太陽電池の製造における種々の段階の断面図を示す。
図１Ａを参照すると、太陽電池のエミッタ領域の製造方法は、太陽電池の基板１００の第１の表面１０１上にＮ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域１０２を形成する工程を含む。一実施形態では、基板１００は、バルク単結晶Ｎ型ドープシリコン基板等の、バルクシリコン基板である。しかし、基板１００は、大域的太陽電池基板上に設けられた多結晶シリコン層などの層でもよいことが理解されるべきである。
一実施形態では、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域１０２は、基板１００の第１の表面１０１上にリンドープシリコンナノ粒子を印刷又はスピンオンコーティングすることによって形成される。このような実施形態の１つでは、リンドープシリコンナノ粒子は、およそ５〜１００ナノメートルの範囲の平均粒子サイズ及びおよそ１０〜５０％の範囲の多孔率を有する。特定のこのような実施形態では、リンドープシリコンナノ粒子は、後に蒸発するか又は焼失させることができる担体溶媒又は液体の存在下で送出される。一実施形態では、スクリーン印刷プロセスを用いる場合には、送出のために高い粘度を有する液体源を用いることが好ましい場合がある。これは、低粘度の液体を用いると、にじみ、及びしたがって、画定された領域の解像度低下を招く恐れがあるためである。
図１Ｂを参照すると、本方法はまた、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域１０２上、及びＮ型ドープシリコンナノ粒子の領域１０２間の基板１００の第１の表面１０１上にＰ型ドーパント含有層１０４を形成する工程を含む。
一実施形態では、Ｐ型ドーパント含有層１０４は、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域１０２上、及びＮ型ドープシリコンナノ粒子の領域１０２間の基板１００の第１の表面１０１上に酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）の層を堆積させことによって形成される。このような実施形態の１つでは、Ｂ２Ｏ３の層は、三臭化ホウ素（ＢＢｒ３）及び酸素（Ｏ２）を反応させることによって形成される。
図１Ｃを参照すると、本方法はまた、Ｐ型ドーパント含有層１０４の少なくとも一部をＮ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域１０２のそれぞれの少なくとも一部と混合する工程を含む。
一実施形態では、混合は、基板１００を加熱することによって実行される。このような実施形態の１つでは、混合は、およそ摂氏７００〜１１００度の範囲の温度でおよそ１〜１００分の範囲の期間、加熱することによって実行される。一実施形態では、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子１０２はリンドープシリコンナノ粒子であり、Ｐ型ドーパント含有層１０４はホウ素含有層であり、Ｐ型ドーパント含有層１０４をＮ型ドープシリコンナノ粒子の領域１０２と混合する工程は、ホウリンケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ）の対応する領域１０６を形成する工程を含む。一実施形態では、混合は、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子１０２を高密度化し、より多孔度の低い、又は無孔性のＢＰＳＧ層を提供する。
図１Ｄを参照すると、本方法はまた、Ｐ型ドーパント含有層１０４をＮ型ドープシリコンナノ粒子の領域１０２と混合する工程の後に、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の領域１０６からのＮ型ドーパントを、基板１００内に、対応するＮ型拡散領域１０８を形成するために拡散させる工程を含む。加えて、Ｐ型ドーパント含有層１０４からＰ型ドーパントが拡散され、Ｎ型拡散領域１０８間の基板１００内に、対応するＰ型拡散１１０領域を形成する。
一実施形態では、拡散は、基板１００を加熱することによって実行される。このような実施形態の１つでは、拡散のための加熱は、Ｐ型ドーパント含有層１０４をＮ型ドープシリコンナノ粒子の領域１０２と混合するための加熱と同じプロセス操作において実行される。しかし、このような実施形態の代替のものでは、拡散のための加熱は、Ｐ型ドーパント含有層１０４をＮ型ドープシリコンナノ粒子の領域１０２と混合するための加熱と異なるプロセス操作において実行される。一実施形態では、以上に簡単に説明されているように、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子１０６の領域からのＮ型ドーパントを拡散させる工程が、ドープシリコンナノ粒子１０６からのある量のＰ型ドーパントを拡散させる工程を更に含む。それゆえ、対応するＮ型拡散領域１０８はその量のＰ型ドーパントを最終的に含む。
図１Ｅを参照すると、一実施形態では、基板１００の第１の表面１０１は太陽電池の背面であり、基板１００の第２の表面１２０は太陽電池の受光面であり、本方法はまた、Ｎ型拡散領域１０８及びＰ型拡散領域１１０への金属コンタクト１１２を形成する工程を含む。このような実施形態の１つでは、コンタクト１１２は、図１Ｅに示されるように、絶縁層１１４の開口部内に、並びにＰ型ドーパント含有層１０４の残りの部分、及び領域１０６を貫いて形成される。しかし、別の実施形態では、図１Ｆを参照すると、Ｐ型ドーパント含有層１０４の残りの部分、及び領域１０６は絶縁層１１４の開口部内のコンタクト１１２の形成に先立って除去される。このような実施形態の１つの特定のものでは、Ｐ型ドーパント含有層１０４の残りの部分、及び領域１０６はドライエッチングプロセスを用いて除去される。このような実施形態の別の特定のものでは、Ｐ型ドーパント含有層１０４の残りの部分、及び領域１０６はウェットエッチングプロセスを用いて除去される。一実施形態では、ドライエッチング又はウェットエッチング処理は、機械的に補助される。一実施形態では、導電性コンタクト１１２は金属で構成され、堆積、リソグラフ法、及びエッチングアプローチによって形成される。
第２の態様では、１つ又は複数の特定の実施形態は、ランダム粗面化（ｒａｎｔｅｘ：random texturing）操作の前に、窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）の下部反射防止コーティング（ｂＡＲＣ：bottom anti-reflective coating）堆積を提供することに向けられている。このようなアプローチでは、ＳｉＮｘ層をｒａｎｔｅｘエッチングの最中のエッチングレジストとして用いることができる。一般的に、バルク基板太陽電池製造のためのスクリーン印刷可能ドーパントの開発において、１つの技術的課題は、ドーパント源材料を、それがその後のドーパント駆動（例えば、Ｐ駆動）拡散操作のために存在するように、ｒａｎｔｅｘエッチングに無傷のまま耐えさせることに関わる。以前の試みは、エッチングを阻止するために厚いＡＰＣＶＤ ＵＳＧ層を用いること、及び粗面化エッチングを損傷エッチングに続く片面エッチングに移動させることを含んでいた。ドーパント源におけるエッチング耐性のためのその他のアプローチは、エッチング耐性を付加するために材料を組成変更すること、ＡＰＣＶＤ堆積に先立って膜の密度を高めること、並びに片面ｒａｎｔｅｘ技法の利用を含んでいた。しかし、これらのアプローチは、開発に時間がかかり、いくつかは新しいツールを必要とし、それらを、既存の製造工場内に後付けするためには非理想的なものにしている。
より具体的には、第２の態様における１つ又は複数の実施形態は、ドーパント膜積層体のためのｒａｎｔｅｘ耐性を高める必要性に対処する。特定の実施形態では、プラズマ強化化学気相成長（ＰＥＣＶＤ：plasma-enhanced chemical vapor deposited）ＳｉＮｘが用いられる。これは、層は、例えばＫＯＨ内では低い（検出不可能な）エッチング速度を有するためである。更に、ＰＥＣＶＤ ＳｉＮｘはバルク基板ベースの太陽電池内のｂＡＲＣ層として用いることができるため、ｂＡＲＣ堆積を大気圧化学気相成長（ＡＰＣＶＤ：atmospheric pressure chemical vapor deposition）の後、及びｒａｎｔｅｘの前に移動させることによって、膜積層体のエッチング耐性を高めながら、既存のツールセット及びアーキテクチャを維持することができる。結果として得られる改善されたエッチング耐性は、ＫＯＨ内で容易にエッチングするドーパント材料膜積層体のために特に重要となり得る。更に、ＳｉＮｘ層は、形成されたＡＰＣＶＤ層のための欠陥充填という追加の利点を提供することができ、ＡＰＣＶＤ層では、存在する欠陥はＳｉＮｘ層によって被覆され、封止される。
例えば、ＡＰＣＶＤによって形成された非ドープケイ酸塩ガラス（ＵＳＧ：undoped silicate glass）層は、Ｓｉよりも低いエッチング速度を有するが、ｒａｎｔｅｘプロセスにおいては通例、２０００オングストロームに近いＵＳＧがエッチングされる。膜積層体の上にＳｉＮｘを有することで、ＵＳＧ層の厚さ（及びしたがって操作コスト）を低減することができる。ＳｉＮｘ層を含むことで、標準的な膜積層体にある程度の堅牢性を追加することもできる。作業軽減を可能にするための現在の処理の変更は、一実施形態では、ＡＰＣＶＤの代わりにＰＥＣＶＤによるドープ層（例えば、ＢＳＧ又はＰＳＧ）の堆積を更に含むことができる。別の選択は、ドープＳｉＮｘ：Ｂ層又はＳｉＮｘ：Ｐ層を拡散のためのドーパント源として用いることである。これらの層は、ＫＯＨ内におけるＳｉＮｘの低いエッチング速度の故に、より薄く形成することができ、同時に、ＰＥＣＶＤ ｂＡＲＣツールの使用を優先してＡＰＣＶＤツールが排除される。このような実施形態の１つでは、ＰＥＣＶＤ ＳｉＮｘ層は、ドーパント膜高密度化等の、ｒａｎｔｅｘ耐性を高めるための他のアプローチとともに実装することができる。
一例として、図２Ａ〜図２Ｇは、本発明の別の実施形態による、太陽電池の製造における様々な段階の断面図を例示する。
図２Ａを参照すると、太陽電池のエミッタ領域の製造方法は、太陽電池の基板２００の第１の表面２０１上にＮ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域２０２を形成する工程を含む。一実施形態では、基板２００は、バルク単結晶Ｎ型ドープシリコン基板等の、バルクシリコン基板である。しかし、基板２００は、大域的太陽電池基板上に設けられた多結晶シリコン層などの層でもよいことが理解されるべきである。
一実施形態では、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域２０２は、基板２００の第１の表面２０１上にリンドープシリコンナノ粒子を印刷又はスピンオンコーティングすることによって形成される。このような実施形態の１つでは、リンドープシリコンナノ粒子は、およそ５〜１００ナノメートルの範囲の平均粒子サイズ及びおよそ１０〜５０％の範囲の多孔率を有する。特定のこのような実施形態では、リンドープシリコンナノ粒子は、後に蒸発するか又は焼失させることができる担体溶媒又は液体の存在下で送出される。一実施形態では、インクジェットプロセスを用いる場合には、多孔質層のために低い粘度を有する液体源を用いることが好ましい場合がある。これは、高粘度の液体を用いると、にじみ、及びしたがって解像度低下、又は画定された領域を招く恐れがあるためである。
図２Ｂを参照すると、本方法はまた、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域２０２上、及びＮ型ドープシリコンナノ粒子の領域２０２間の基板２００の第１の表面２０１上にＰ型ドーパント含有層２０４を形成する工程を含む。一実施形態では、Ｐ型ドーパント含有層２０４はホウケイ酸ガラス（ＢＳＧ）の層である。
図２Ｃを参照すると、本方法はまた、Ｐ型ドーパント含有層２０４上にエッチング耐性層２０６を形成する工程を含む。一実施形態では、エッチング耐性層２０６は窒化ケイ素層である。
図２Ｄを参照すると、本方法はまた、第１の表面２０１と反対側の基板２００の第２の表面２２０を、基板２００の粗面化された第２の表面２２２を提供するためにエッチングする工程を含む。粗面化表面は、入射光を散乱させることによって太陽電池の受光表面から反射される光の量を減少させる、規則的又は不規則的な形状の表面を有するものであってよい。一実施形態では、エッチングは、水酸化カリウムに基づくアルカリ性エッチング等のウェットエッチングプロセスを用いることによって実行される。一実施形態では、エッチング耐性層２０６はエッチングの最中にＰ型ドーパント含有層２０４を保護する。
図２Ｅを参照すると、一実施形態では、本方法はまた、Ｐ型ドーパント含有層２０４を形成する工程の後に、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の領域２０２からのＮ型ドーパントを拡散させ、基板２００内に、対応するＮ型拡散領域２０８を形成するために、基板２００を加熱する工程を含む。加えて、Ｎ型拡散領域２０８間の基板２００内に、対応するＰ型拡散領域２１０を形成するために、Ｐ型ドーパント含有層２０４からＰ型ドーパントが拡散される。
一実施形態では、加熱はおよそ摂氏８５０〜１１００度の範囲の温度でおよそ１〜１００分の範囲の期間、実行される。このような実施形態の１つでは、加熱は、図２Ｄ及び図２Ｅに示されるように、基板２００の粗面化された第２の表面２２２を提供するために用いられるエッチングの後に実行される。
図２Ｆを参照すると、一実施形態では、本方法はまた、基板２００の第２の表面をエッチングする工程の後に、基板２００の粗面化された第２の表面２２２上に反射防止コーティング層２３０を形成する工程を含む。
図２Ｇを参照すると、一実施形態では、基板２００の第１の表面２０１は太陽電池の背面であり、基板２００の粗面化された第２の表面２２２は太陽電池の受光面であり、本方法はまた、Ｎ型拡散領域２０８及びＰ型拡散領域２１０への金属コンタクト２１２を形成する工程を含む。このような実施形態の１つでは、コンタクト２１２は、図２Ｇに示されるように、絶縁層２１４の開口部内に、並びにＮ型ドープシリコンナノ粒子の残りの部分２０２、Ｐ型ドーパント含有層２０４、及びエッチング耐性層２０６を貫いて形成される。一実施形態では、導電性コンタクト２１２は金属で構成され、堆積、リソグラフ法、及びエッチングアプローチによって形成される。
図示されていない別の実施形態では、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の残りの部分２０２、Ｐ型ドーパント含有層２０４、及びエッチング耐性層２０６は絶縁層２１４の開口部内のコンタクト２１２の形成に先立って除去される。このような実施形態の１つの特定のものでは、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の残りの部分２０２、Ｐ型ドーパント含有層２０４、及びエッチング耐性層２０６はドライエッチングプロセスを用いて除去される。このような実施形態の別の特定のものでは、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の残りの部分２０２、Ｐ型ドーパント含有層２０４、及びエッチング耐性層２０６はウェットエッチングプロセスを用いて除去される。一実施形態では、ドライエッチング又はウェットエッチング処理は、機械的に補助される。
図２Ｇを再び参照すると、製造された太陽電池２５０は、太陽電池２５０の基板２００の第１の表面２０１上に配設されるＮ型ドープシリコンナノ粒子の領域２０２で構成されるエミッタ領域を含んでもよい。基板内２００に、対応するＮ型拡散領域２０８が配設される。Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の領域２０２上、及びＮ型ドープシリコンナノ粒子の領域２０２に隣接する基板２００の第１の表面２０１上にＰ型ドーパント含有層２０４が配設される。Ｎ型拡散領域２０８に隣接する基板２００内に、対応するＰ型拡散領域２１０が配設される。Ｐ型ドーパント含有層２０４上にエッチング耐性層２０６が配設される。エッチング耐性層２０６、Ｐ型ドーパント含有層２０４、及びＮ型ドープシリコンナノ粒子の領域２０２を貫き、Ｎ型拡散領域２０８まで、第１の金属コンタクト２１２Ａが配設される。エッチング耐性層２０６及びＰ型ドーパント含有層２０４を貫き、Ｐ型拡散領域２１０まで、第２の金属コンタクト２１２Ｂが配設される。
一実施形態では、太陽電池２５０は、第１の表面２０１と反対側の、基板２００の粗面化された第２の表面２２２を更に含む。このような実施形態の１つでは、基板２００の第１の表面２０１は太陽電池２５０の背面であり、基板２００の第２の表面２２２は太陽電池２５０の受光面である。一実施形態では、太陽電池は、基板２００の粗面化された第２の表面２２２上に配設される反射防止コーティング層２３０を更に含む。一実施形態では、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の領域２０２は、およそ５〜１００ナノメートルの範囲の平均粒子サイズを有するリンドープシリコンナノ粒子で構成される。一実施形態では、Ｐ型ドーパント含有層２０４はホウケイ酸ガラス（ＢＳＧ）の層である。一実施形態では、エッチング耐性層２０６は窒化ケイ素層である。一実施形態では、基板２００は単結晶シリコン基板である。
より一般的には、図１Ｅ及び図２Ｇを参照すると、多孔質層シリコンナノ粒子層が太陽電池の基板上に保持されてもよい。したがって、太陽電池構造は、プロセス操作の結果としてこのような多孔質層を最終的に保持し得るか、又は少なくとも一時的に含み得る。一実施形態では、多孔質シリコンナノ粒子層の部分（例えば、１０２又は２０２）は、太陽電池を製造するために用いられるプロセス操作において除去されず、むしろ、太陽電池の基板の表面上、又は基板全体の上方の層、若しくは層の積層体上のアーチファクトとして残る。
全体的に、以上では特定の材料が具体的に説明されているが、いくつかの材料は、他のこのような実施形態が本発明の実施形態の趣旨及び範囲内にとどまる形で、他のものと容易に置換され得る。例えば、一実施形態では、ＩＩＩ−Ｖ族材料基板等の、異なる材料基板をシリコン基板の代わりに用いることができる。更に、Ｎ＋及びＰ＋形のドーピングが具体的に説明されている所では、企図されている他の実施形態は、反対の導電形、例えば、Ｐ＋及びＮ＋形のドーピングをそれぞれ含むことを理解されたい。
かように、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子を用いた太陽電池エミッタ領域の製造方法、及びその結果得られる太陽電池が開示された。本発明の一実施形態によれば、太陽電池のエミッタ領域の製造方法は、太陽電池の基板の第１の表面上にＮ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域を形成する工程を含む。Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域上、及びＮ型ドープシリコンナノ粒子の領域間の基板の第１の表面上にＰ型ドーパント含有層が形成される。Ｐ型ドーパント含有層の少なくとも一部はＮ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域のそれぞれの少なくとも一部と混合される。一実施形態では、Ｐ型ドーパント含有層をＮ型ドープシリコンナノ粒子の領域と混合する工程の後に、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の領域からのＮ型ドーパントを拡散させ、基板内に、対応するＮ型拡散領域を形成する工程、及びＰ型ドーパント含有層からのＰ型ドーパントを拡散させ、Ｎ型拡散領域間の基板内に対応するＰ型拡散領域を形成する工程が続く。本明細書に記載の発明は、以下の項目に記載の形態によっても実施され得る。
［項目１］
太陽電池のエミッタ領域の製造方法であって、
前記太陽電池の基板の第１の表面上にＮ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域を形成する工程と、
Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域上、及びＮ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域間の前記基板の前記第１の表面上にＰ型ドーパント含有層を形成する工程と、
前記Ｐ型ドーパント含有層の少なくとも一部をＮ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域のそれぞれの少なくとも一部と混合する工程と、を含む、方法。
［項目２］
前記Ｐ型ドーパント含有層をＮ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域と混合する工程の後に、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域からのＮ型ドーパントを拡散させ、前記基板内に、対応するＮ型拡散領域を形成する工程、及び前記Ｐ型ドーパント含有層からのＰ型ドーパントを拡散させ、前記Ｎ型拡散領域間の前記基板内に、対応するＰ型拡散領域を形成する工程を更に含む、項目１に記載の方法。
［項目３］
Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域からのＮ型ドーパントを拡散させる工程が、前記Ｐ型ドーパント含有層と混合された前記ドープシリコンナノ粒子からのある量のＰ型ドーパントを拡散させる工程を更に含み、前記対応するＮ型拡散領域が前記量のＰ型ドーパントを含む、項目２に記載の方法。
［項目４］
前記拡散が、前記混合と同じ加熱操作において実行される、項目２に記載の方法。
［項目５］
前記基板の前記第１の表面が前記太陽電池の背面であり、前記基板の第２の表面が前記太陽電池の受光面であり、前記方法が、
前記Ｎ型拡散領域及びＰ型拡散領域への金属コンタクトを形成する工程を更に含む、項目２に記載の方法。
［項目６］
Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域を形成する工程が、およそ５〜１００ナノメートルの範囲の平均粒子サイズ及びおよそ１０〜５０％の範囲の多孔率を有するリンドープシリコンナノ粒子を印刷又はスピンオンコーティングする工程を含む、項目１に記載の方法。
［項目７］
前記Ｐ型ドーパント含有層を形成する工程が、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域上、及びＮ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域間の前記基板の前記第１の表面上に酸化ホウ素（Ｂ ２ Ｏ ３ ）の層を形成する工程を含む、項目１に記載の方法。
［項目８］
Ｂ ２ Ｏ ３ の前記層を前記形成する工程が、三臭化ホウ素（ＢＢｒ ３ ）及び酸素（Ｏ ２ ）を堆積させる工程を含む、項目７に記載の方法。
［項目９］
前記Ｎ型ドープシリコンナノ粒子が、リンドープシリコンナノ粒子であり、前記Ｐ型ドーパント含有層が、ホウ素含有層であり、前記Ｐ型ドーパント含有層をＮ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域と混合する工程が、ホウリンケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ）の対応する領域を形成する工程を含む、項目１に記載の方法。
［項目１０］
前記混合が、およそ摂氏７００〜１１００度の範囲の温度でおよそ１〜１００分の範囲の期間、実行される、項目１に記載の方法。
［項目１１］
項目１に記載の方法に従って製造される太陽電池。
［項目１２］
太陽電池のエミッタ領域の製造方法であって、
前記太陽電池の基板の第１の表面上にＮ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域を形成する工程と、
Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域上、及びＮ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域間の前記基板の前記第１の表面上にＰ型ドーパント含有層を形成する工程と、
前記Ｐ型ドーパント含有層上にエッチング耐性層を形成する工程と、
前記基板の第２の表面を粗面化するために前記第１の表面と反対側の前記基板の前記第２の表面をエッチングする工程であって、前記エッチング耐性層は前記エッチングの最中に前記Ｐ型ドーパント含有層を保護する、工程と、を含む、方法。
［項目１３］
前記Ｐ型ドーパント含有層を形成する工程の後に、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域からのＮ型ドーパントを拡散させ、前記基板内に、対応するＮ型拡散領域を形成するため、及び前記Ｐ型ドーパント含有層からのＰ型ドーパントを拡散させ、前記Ｎ型拡散領域間の前記基板内に、対応するＰ型拡散領域を形成するために、前記基板を加熱する工程、を更に含む、項目１２に記載の方法。
［項目１４］
前記加熱が、およそ摂氏８５０〜１１００度の範囲の温度でおよそ１〜１００分の範囲の期間、実行される、項目１３に記載の方法。
［項目１５］
前記加熱が、前記エッチングの後に実行される、項目１３に記載の方法。
［項目１６］
前記基板の前記第１の表面が、前記太陽電池の背面であり、前記基板の前記第２の表面が、前記太陽電池の受光面であり、前記方法が、
前記Ｎ型拡散領域及びＰ型拡散領域に金属コンタクトを形成する工程を更に含む、項目１３に記載の方法。
［項目１７］
前記基板の前記第２の表面をエッチングする工程の後に、前記基板の前記粗面化された第２の表面上に反射防止コーティング層を形成する工程を更に含む、項目１２に記載の方法。
［項目１８］
Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域を形成する工程が、およそ５〜１００ナノメートルの範囲の平均粒子サイズ及びおよそ１０〜５０％の範囲の多孔率を有するリンドープシリコンナノ粒子を印刷又はスピンオンコーティングする工程を含む、項目１２に記載の方法。
［項目１９］
前記Ｐ型ドーパント含有層を形成する工程がホウケイ酸ガラス（ＢＳＧ）層を形成する工程を含む、項目１２に記載の方法。
［項目２０］
前記エッチング耐性層を形成する工程が、窒化ケイ素層を形成する工程を含む、項目１２に記載の方法。
［項目２１］
前記基板が、単結晶シリコン基板であり、前記基板の前記第２の表面をエッチングする工程が、前記第２の表面を水酸化物ベースのウェットエッチング液で処理する工程を含む、項目１２に記載の方法。
［項目２２］
項目１２に記載の方法に従って製造される太陽電池。
［項目２３］
太陽電池であって、
前記太陽電池の基板の第１の表面上に配設されるＮ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域、及び前記基板内の対応するＮ型拡散領域と、
Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域上に配設され、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域間の前記基板の前記第１の表面上に配設されるＰ型ドーパント含有層、及び前記Ｎ型拡散領域間の前記基板内の対応するＰ型拡散領域と、
前記Ｐ型ドーパント含有層上に配設されるエッチング耐性層と、
前記エッチング耐性層、前記Ｐ型ドーパント含有層、及びＮ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域を貫き、前記Ｎ型拡散領域まで配設される金属コンタクトの第１のセットと、
前記エッチング耐性層及び前記Ｐ型ドーパント含有層を貫き、前記Ｐ型拡散領域まで配設される金属コンタクトの第２のセットと、を含む、太陽電池。
［項目２４］
前記第１の表面と反対側の、前記基板の粗面化された第２の表面を更に含む、項目２３に記載の太陽電池。
［項目２５］
前記基板の前記第１の表面が、前記太陽電池の背面であり、前記基板の前記第２の表面が、前記太陽電池の受光面である、項目２４に記載の太陽電池。
［項目２６］
前記基板の前記粗面化された第２の表面上に配設される反射防止コーティング層を更に含む、項目２４に記載の太陽電池。
［項目２７］
Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域が、およそ５〜１００ナノメートルの範囲の平均粒子サイズを有するリンドープシリコンナノ粒子を含む、項目２３に記載の太陽電池。
［項目２８］
前記Ｐ型ドーパント含有層が、ホウケイ酸ガラス（ＢＳＧ）の層である、項目２３に記載の太陽電池。
［項目２９］
前記エッチング耐性層が、窒化ケイ素層である、項目２３に記載の太陽電池。
［項目３０］
前記基板が、単結晶シリコン基板である、項目２３に記載の太陽電池。
［項目１］
太陽電池のエミッタ領域の製造方法であって、
前記太陽電池の基板の第１の表面上にＮ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域を形成する工程と、
Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域上、及びＮ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域間の前記基板の前記第１の表面上にＰ型ドーパント含有層を形成する工程と、
前記Ｐ型ドーパント含有層の少なくとも一部をＮ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域のそれぞれの少なくとも一部と混合する工程と、を含む、方法。
［項目２］
前記Ｐ型ドーパント含有層をＮ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域と混合する工程の後に、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域からのＮ型ドーパントを拡散させ、前記基板内に、対応するＮ型拡散領域を形成する工程、及び前記Ｐ型ドーパント含有層からのＰ型ドーパントを拡散させ、前記Ｎ型拡散領域間の前記基板内に、対応するＰ型拡散領域を形成する工程を更に含む、項目１に記載の方法。
［項目３］
Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域からのＮ型ドーパントを拡散させる工程が、前記Ｐ型ドーパント含有層と混合された前記ドープシリコンナノ粒子からのある量のＰ型ドーパントを拡散させる工程を更に含み、前記対応するＮ型拡散領域が前記量のＰ型ドーパントを含む、項目２に記載の方法。
［項目４］
前記拡散が、前記混合と同じ加熱操作において実行される、項目２に記載の方法。
［項目５］
前記基板の前記第１の表面が前記太陽電池の背面であり、前記基板の第２の表面が前記太陽電池の受光面であり、前記方法が、
前記Ｎ型拡散領域及びＰ型拡散領域への金属コンタクトを形成する工程を更に含む、項目２に記載の方法。
［項目６］
Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域を形成する工程が、およそ５〜１００ナノメートルの範囲の平均粒子サイズ及びおよそ１０〜５０％の範囲の多孔率を有するリンドープシリコンナノ粒子を印刷又はスピンオンコーティングする工程を含む、項目１に記載の方法。
［項目７］
前記Ｐ型ドーパント含有層を形成する工程が、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域上、及びＮ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域間の前記基板の前記第１の表面上に酸化ホウ素（Ｂ ２ Ｏ ３ ）の層を形成する工程を含む、項目１に記載の方法。
［項目８］
Ｂ ２ Ｏ ３ の前記層を前記形成する工程が、三臭化ホウ素（ＢＢｒ ３ ）及び酸素（Ｏ ２ ）を堆積させる工程を含む、項目７に記載の方法。
［項目９］
前記Ｎ型ドープシリコンナノ粒子が、リンドープシリコンナノ粒子であり、前記Ｐ型ドーパント含有層が、ホウ素含有層であり、前記Ｐ型ドーパント含有層をＮ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域と混合する工程が、ホウリンケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ）の対応する領域を形成する工程を含む、項目１に記載の方法。
［項目１０］
前記混合が、およそ摂氏７００〜１１００度の範囲の温度でおよそ１〜１００分の範囲の期間、実行される、項目１に記載の方法。
［項目１１］
項目１に記載の方法に従って製造される太陽電池。
［項目１２］
太陽電池のエミッタ領域の製造方法であって、
前記太陽電池の基板の第１の表面上にＮ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域を形成する工程と、
Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域上、及びＮ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域間の前記基板の前記第１の表面上にＰ型ドーパント含有層を形成する工程と、
前記Ｐ型ドーパント含有層上にエッチング耐性層を形成する工程と、
前記基板の第２の表面を粗面化するために前記第１の表面と反対側の前記基板の前記第２の表面をエッチングする工程であって、前記エッチング耐性層は前記エッチングの最中に前記Ｐ型ドーパント含有層を保護する、工程と、を含む、方法。
［項目１３］
前記Ｐ型ドーパント含有層を形成する工程の後に、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域からのＮ型ドーパントを拡散させ、前記基板内に、対応するＮ型拡散領域を形成するため、及び前記Ｐ型ドーパント含有層からのＰ型ドーパントを拡散させ、前記Ｎ型拡散領域間の前記基板内に、対応するＰ型拡散領域を形成するために、前記基板を加熱する工程、を更に含む、項目１２に記載の方法。
［項目１４］
前記加熱が、およそ摂氏８５０〜１１００度の範囲の温度でおよそ１〜１００分の範囲の期間、実行される、項目１３に記載の方法。
［項目１５］
前記加熱が、前記エッチングの後に実行される、項目１３に記載の方法。
［項目１６］
前記基板の前記第１の表面が、前記太陽電池の背面であり、前記基板の前記第２の表面が、前記太陽電池の受光面であり、前記方法が、
前記Ｎ型拡散領域及びＰ型拡散領域に金属コンタクトを形成する工程を更に含む、項目１３に記載の方法。
［項目１７］
前記基板の前記第２の表面をエッチングする工程の後に、前記基板の前記粗面化された第２の表面上に反射防止コーティング層を形成する工程を更に含む、項目１２に記載の方法。
［項目１８］
Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域を形成する工程が、およそ５〜１００ナノメートルの範囲の平均粒子サイズ及びおよそ１０〜５０％の範囲の多孔率を有するリンドープシリコンナノ粒子を印刷又はスピンオンコーティングする工程を含む、項目１２に記載の方法。
［項目１９］
前記Ｐ型ドーパント含有層を形成する工程がホウケイ酸ガラス（ＢＳＧ）層を形成する工程を含む、項目１２に記載の方法。
［項目２０］
前記エッチング耐性層を形成する工程が、窒化ケイ素層を形成する工程を含む、項目１２に記載の方法。
［項目２１］
前記基板が、単結晶シリコン基板であり、前記基板の前記第２の表面をエッチングする工程が、前記第２の表面を水酸化物ベースのウェットエッチング液で処理する工程を含む、項目１２に記載の方法。
［項目２２］
項目１２に記載の方法に従って製造される太陽電池。
［項目２３］
太陽電池であって、
前記太陽電池の基板の第１の表面上に配設されるＮ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域、及び前記基板内の対応するＮ型拡散領域と、
Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域上に配設され、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域間の前記基板の前記第１の表面上に配設されるＰ型ドーパント含有層、及び前記Ｎ型拡散領域間の前記基板内の対応するＰ型拡散領域と、
前記Ｐ型ドーパント含有層上に配設されるエッチング耐性層と、
前記エッチング耐性層、前記Ｐ型ドーパント含有層、及びＮ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域を貫き、前記Ｎ型拡散領域まで配設される金属コンタクトの第１のセットと、
前記エッチング耐性層及び前記Ｐ型ドーパント含有層を貫き、前記Ｐ型拡散領域まで配設される金属コンタクトの第２のセットと、を含む、太陽電池。
［項目２４］
前記第１の表面と反対側の、前記基板の粗面化された第２の表面を更に含む、項目２３に記載の太陽電池。
［項目２５］
前記基板の前記第１の表面が、前記太陽電池の背面であり、前記基板の前記第２の表面が、前記太陽電池の受光面である、項目２４に記載の太陽電池。
［項目２６］
前記基板の前記粗面化された第２の表面上に配設される反射防止コーティング層を更に含む、項目２４に記載の太陽電池。
［項目２７］
Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域が、およそ５〜１００ナノメートルの範囲の平均粒子サイズを有するリンドープシリコンナノ粒子を含む、項目２３に記載の太陽電池。
［項目２８］
前記Ｐ型ドーパント含有層が、ホウケイ酸ガラス（ＢＳＧ）の層である、項目２３に記載の太陽電池。
［項目２９］
前記エッチング耐性層が、窒化ケイ素層である、項目２３に記載の太陽電池。
［項目３０］
前記基板が、単結晶シリコン基板である、項目２３に記載の太陽電池。
Claims (11)
- 太陽電池のエミッタ領域の製造方法であって、
前記太陽電池の基板の第１の表面上にＮ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域を形成する工程と、
Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域上、及びＮ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域間の前記基板の前記第１の表面上にＰ型ドーパント含有層を形成する工程と、
前記Ｐ型ドーパント含有層の少なくとも一部をＮ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域のそれぞれの少なくとも一部と混合する工程と、を含む、方法。 - 前記Ｐ型ドーパント含有層をＮ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域と混合する工程の後に、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域からのＮ型ドーパントを拡散させ、前記基板内に、対応するＮ型拡散領域を形成する工程、及び前記Ｐ型ドーパント含有層からのＰ型ドーパントを拡散させ、前記Ｎ型拡散領域間の前記基板内に、対応するＰ型拡散領域を形成する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
- Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域からのＮ型ドーパントを拡散させる工程が、前記Ｐ型ドーパント含有層と混合された前記ドープシリコンナノ粒子からのある量のＰ型ドーパントを拡散させる工程を更に含み、前記対応するＮ型拡散領域が前記量のＰ型ドーパントを含む、請求項２に記載の方法。
- 前記拡散が、前記混合と同じ加熱操作において実行される、請求項２に記載の方法。
- 前記基板の前記第１の表面が前記太陽電池の背面であり、前記基板の第２の表面が前記太陽電池の受光面であり、前記方法が、
前記Ｎ型拡散領域及びＰ型拡散領域への金属コンタクトを形成する工程を更に含む、請求項２に記載の方法。 - Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域を形成する工程が、およそ５〜１００ナノメートルの範囲の平均粒子サイズ及びおよそ１０〜５０％の範囲の多孔率を有するリンドープシリコンナノ粒子を印刷又はスピンオンコーティングする工程を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
- 前記Ｐ型ドーパント含有層を形成する工程が、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域上、及びＮ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域間の前記基板の前記第１の表面上に酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）の層を形成する工程を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
- 太陽電池であって、
前記太陽電池の基板の第１の表面上に配設されるＮ型ドープシリコンナノ粒子の複数の領域、及び前記基板内の対応するＮ型拡散領域と、
Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域上に配設され、Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記領域間の前記基板の前記第１の表面上に配設されるＰ型ドーパント含有層、及び前記Ｎ型拡散領域間の前記基板内の対応するＰ型拡散領域であり、前記Ｐ型ドーパント含有層の少なくとも一部は前記Ｎ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域のそれぞれの少なくとも一部と混合される、前記Ｐ型ドーパント含有層及び前記Ｐ型拡散領域と、
前記Ｐ型ドーパント含有層及びＮ型ドープシリコンナノ粒子の前記複数の領域を貫き、前記Ｎ型拡散領域まで配設される金属コンタクトの第１のセットと、
前記Ｐ型ドーパント含有層を貫き、前記Ｐ型拡散領域まで配設される金属コンタクトの第２のセットと、を含む、太陽電池。 - 前記第１の表面と反対側の、前記基板の粗面化された第２の表面を更に含む、請求項８に記載の太陽電池。
- 前記基板の前記第１の表面が、前記太陽電池の背面であり、前記基板の前記第２の表面が、前記太陽電池の受光面である、請求項９に記載の太陽電池。
- 前記Ｐ型ドーパント含有層上に配設されるエッチング耐性層を更に含み、
前記金属コンタクトの第１のセット及び第２のセットは、更に前記エッチング耐性層を貫く、請求項８から１０のいずれか一項に記載の太陽電池。
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