JP6509376B2 - 太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、光エネルギを電力に変換する太陽電池の製造方法に関する。
光エネルギを電力に高効率で変換するために、ｎ型のシリコンウェハを有する両面受光型太陽電池が特許文献１において提案されている。ｎ型のシリコンウェハを有する太陽電池では、エミッタはｐ型拡散層である。
ｎ型のシリコンウェハを有する太陽電池では、光エネルギから電力への変換効率を上げるために、エミッタであるｐ型拡散層における不純物の濃度を低くすることが重要である。具体的には、変換効率を上げるために、ｐ型拡散層における不純物の濃度を５×１０１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以下にすることが重要である。ｐ型拡散層と接触するｐ型側電極は銀とアルミニウムとの合金によって形成されるが、上記のような不純物の濃度が低いｐ型拡散層とｐ型側電極とを良好に接触させることは容易ではない。ｐ型拡散層とｐ型側電極との接触が不十分であると、変換効率は低下する。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、不純物の濃度が低いｐ型拡散層とｐ型側電極との接触性が高い太陽電池の製造方法を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ｎ型シリコンウェハの一方の面にｐ型拡散層を形成するステップと、前記ｎ型シリコンウェハの他方の面にｎ型拡散層を形成するステップと、前記ｐ型拡散層の外側に銀とアルミニウムとによって構成されるｐ型側ペーストを設けるステップと、前記ｎ型拡散層の外側に銀によって構成されるｎ型側ペーストを設けるステップと、前記ｐ型側ペースト及び前記ｎ型側ペーストが設けられた前記ｎ型シリコンウェハの温度を、５５０℃から７００℃までの範囲内の温度であって、いずれかの温度を基準として前記基準から上下２０℃の帯域内の温度で２０秒以上の期間にわたって保ち、その後、前記ｎ型シリコンウェハを、７００℃を超える温度となるように加熱して、前記ｐ型側ペーストと前記ｎ型側ペーストとを焼成するステップとを含むことを特徴とする。
本発明によれば、不純物の濃度が低いｐ型拡散層とｐ型側電極との接触性が高い太陽電池の製造方法を得ることができるという効果を奏する。
以下に、本発明の実施の形態にかかる太陽電池の製造方法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い。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１の太陽電池の製造方法の手順の概略を示すフローチャートである。図１に示す通り、まず、ｎ型のシリコンウェハを用意する（Ｓ１）。次に、シリコンウェハの一方の面の側にｐ型拡散層を形成する（Ｓ２）。次に、シリコンウェハの他方の面に、ｎ型拡散層を形成することを目的として、ｎ型の成分の不純物を含むドーピングペーストを印刷によってペーストする（Ｓ３）。その後、ｐ型拡散層を保護フィルムによって覆う。次に、シリコンウェハを加熱し、ドーピングペーストに含まれるｎ型の成分の不純物をシリコンウェハの他方の面の側に拡散させる。それにより、シリコンウェハの他方の面の側にｎ型拡散層を形成する（Ｓ４）。
図１は、実施の形態１の太陽電池の製造方法の手順の概略を示すフローチャートである。図１に示す通り、まず、ｎ型のシリコンウェハを用意する（Ｓ１）。次に、シリコンウェハの一方の面の側にｐ型拡散層を形成する（Ｓ２）。次に、シリコンウェハの他方の面に、ｎ型拡散層を形成することを目的として、ｎ型の成分の不純物を含むドーピングペーストを印刷によってペーストする（Ｓ３）。その後、ｐ型拡散層を保護フィルムによって覆う。次に、シリコンウェハを加熱し、ドーピングペーストに含まれるｎ型の成分の不純物をシリコンウェハの他方の面の側に拡散させる。それにより、シリコンウェハの他方の面の側にｎ型拡散層を形成する（Ｓ４）。
次に、ｐ型拡散層をｐ型側パッシベーション膜で覆うと共に、ｎ型拡散層をｎ型側パッシベーション膜で覆う（Ｓ５）。次に、ｐ型側パッシベーション膜の上にｐ型側電極を形成するためのｐ型側ペーストを印刷によって設けると共に、ｎ型側パッシベーション膜の上にｎ型側電極を形成するためのｎ型側ペーストを印刷によって設ける（Ｓ６）。最後に、ｐ型側ペースト及びｎ型側ペーストを焼成し（Ｓ７）、ｐ型側ペーストからｐ型側電極を形成すると共に、ｎ型側ペーストからｎ型側電極を形成する。
図１を用いて実施の形態１の太陽電池の製造方法の手順の概略を説明したが、図２を用いて実施の形態１の太陽電池の製造方法をより詳細に説明する。図２は、実施の形態１の太陽電池２０の製造方法をより詳細に説明するための図である。更に言うと、図２は、太陽電池２０の製造方法における複数の工程のそれぞれについての太陽電池２０の製造途中の物の断面又は製造終了後の物の断面を示している。
まず、図２（Ａ）に示すように、ｎ型のシリコンウェハ１を用意する。次に、シリコンウェハ１に入射する光の反射率を低減するために、シリコンウェハ１の両方の表面に凹凸を形成する。具体的には、アルカリ溶液と添加物とによって構成される溶液によりシリコンウェハ１をエッチングする。それにより、シリコンウェハ１の両方の表面にランダムピラミッド構造の凹凸を形成する。アルカリ溶液の一例は、水酸化カリウム溶液又は水酸化ナトリウム溶液である。添加物の一例は、イソプロピルアルコールである。なお、図２（Ａ）では説明を簡単に行うために凹凸は示されていない。
次に、図２（Ｂ）に示すように、シリコンウェハ１の一方の面の側にｐ型拡散層２を形成する。気相拡散法、固相拡散法及びイオン注入法のいずれかによって、ｐ型拡散層２を形成する。ｐ型拡散層２を形成することにより、ｐｎ接合が形成される。光エネルギから電力への高い変換効率を得るために、ｐ型拡散層２における不純物の濃度は５×１０１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以下である。ｐ型拡散層２における不純物の濃度の下限は１×１０１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。ｐ型拡散層２における不純物の一例は、ボロン原子である。
次に、図２（Ｃ）に示すように、シリコンウェハ１のｐ型拡散層２が形成されていない側の面に、すなわちシリコンウェハ１の他方の面に、ｎ型の成分の不純物を含むドーピングペースト３を印刷によってペーストする。ｎ型の成分の不純物の一例は、リン原子である。その後、ｐ型拡散層２を保護フィルムによって覆う。なお、図２（Ｃ）では説明を簡単に行うために保護フィルムは示されていない。
そして、シリコンウェハ１を熱拡散炉に入れ、不純物ガスを熱拡散炉に導入しながらシリコンウェハ１を加熱し、ドーピングペースト３に含まれるｎ型の成分の不純物をシリコンウェハ１の他方の面の側で拡散させる。それにより、図２（Ｄ）に示すように、シリコンウェハ１の他方の面の側に、ｎ型拡散層４が形成される。ｎ型拡散層４のうちのドーピングペースト３と接触していた部位は、その部位の周辺よりもｎ型の成分の不純物の濃度が高い高濃度ｎ型拡散層５である。なお、ｎ型拡散層４は、ドーピングペースト３を用いる方法以外の方法によって形成されてもよい。ｎ型拡散層４における不純物の一例は、リン原子である。
次に、図２（Ｅ）に示すように、ｐ型拡散層２をｐ型側パッシベーション膜６で覆うと共に、ｎ型拡散層４をｎ型側パッシベーション膜７で覆う。ｐ型側パッシベーション膜６は、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素又は窒化シリコンによって構成される膜である。
次に、図２（Ｆ）に示すように、ｐ型側パッシベーション膜６を基準としてｐ型拡散層２が位置する側と反対の側に、銀とアルミニウムとによって構成されるｐ型側ペースト８を印刷によって設ける。つまり、ｐ型拡散層２の外側に銀とアルミニウムとによって構成されるｐ型側ペースト８を設ける。加えて、ｎ型側パッシベーション膜７を基準としてｎ型拡散層４が位置する側と反対の側に、銀によって構成されるｎ型側ペースト９を印刷によって設ける。つまり、ｎ型拡散層４の外側に銀によって構成されるｎ型側ペースト９を設ける。説明を簡単に行うために、図２（Ｆ）に示すｐ型側ペースト８及びｎ型側ペースト９が設けられたシリコンウェハ１を「焼成対象物１０」と定義する。
次に、焼成対象物１０を焼成し、図２（Ｇ）に示すように、ｐ型側ペースト８からｐ型側電極１１を形成すると共に、ｎ型側ペースト９からｎ型側電極１２を形成する。それにより、太陽電池２０の製造は終了する。焼成対象物１０を焼成する際、銀とアルミニウムとによって構成されるｐ型側電極１１とシリコンウェハ１とを良好に接触させるために、まず、５５０℃から７００℃までの範囲内の温度であって、いずれかの温度を基準として基準から上下２０℃の帯域内の温度で２０秒以上の期間にわたってｐ型側ペースト８及びｎ型側ペースト９を焼成する。
つまり、５５０℃から７００℃までの範囲内の一定の温度で２０秒以上の期間にわたってｐ型側ペースト８及びｎ型側ペースト９を焼成する。言い換えると、５５０℃から７００℃までの範囲内の一定の温度で２０秒以上の期間にわたって焼成対象物１０の温度を保って焼成対象物１０を焼成する。一定の温度は、いずれかの温度を基準として基準から上下２０℃の帯域内の温度である。それにより、ｐ型側ペースト８から、ｐ型拡散層２に接するｐ型側電極１１を形成する。なお、ｐ型側電極１１を形成するために行う焼成では、上述の通り２０秒以上の期間にわたって５５０℃から７００℃までの範囲内の一定の温度でｐ型側ペースト８を焼成するが、一定の温度を保つ期間は６０秒以下である。
その後、焼成対象物１０の温度が７００℃を超える温度となるように焼成対象物１０を加熱する。すなわち、ｐ型側ペースト８からｐ型側電極１１を形成する際の温度より高い温度で、ｎ型側電極１２を形成するために焼成対象物１０を焼成する。それにより、ｎ型側ペースト９から、ｎ型拡散層４に接するｎ型側電極１２を形成する。焼成対象物１０を焼成する際の最高の温度は、銀によって構成されるｎ型側電極１２を形成するための温度であって、例えば８００℃である。
図３は、焼成工程を実行する際の時間と焼成温度との関係を示す図である。焼成工程は、焼成対象物１０を焼成する工程である。焼成温度は、焼成対象物１０を焼成する際の焼成対象物１０の温度である。図３に示すように、ｐ型側電極１１を形成するステップＰを、ｎ型側電極１２を形成するステップＮよりも前に行う。ｐ型側電極１１を形成するステップＰでは、５５０℃から７００℃までの範囲内の一定の温度で２０秒以上の期間Ｘにわたって焼成対象物１０を焼成する。それにより、銀とアルミニウムとによって構成されるｐ型側電極１１とｐ型拡散層２との接触性を高めることができる。
ｐ型側ペースト８を焼成してｐ型側電極１１を形成する場合、従来の焼成温度は７５０℃から８５０℃であって比較的高いが、実施の形態１における焼成温度は５５０℃から７００℃までの範囲の温度である。ｐ型側ペースト８がアルミニウムを含まない場合、ｐ型拡散層２とｐ型側電極１１との接触は不十分である場合がある。５５０℃から７００℃までの範囲内の一定の温度でアルミニウムを含むｐ型側ペースト８を焼成する場合、アルミニウムとｐ型拡散層２のうちのシリコンとが反応してアルミニウム原子とシリコン原子とが結合することによって、ｐ型拡散層２とｐ型側電極１１との接触性が高くなると考えられる。
ｐ型側ペースト８を焼成してｐ型側電極１１を形成する場合、従来ではヒータを用いて急速に加熱するので、ｐ型側ペースト８に含まれるアルミニウムとｐ型拡散層２のうちのシリコンとが十分に反応せず、そのためアルミニウム原子とシリコン原子との結合力が弱い。それに対し、実施の形態１では、５５０℃から７００℃までの範囲内の一定の温度で２０秒以上の期間Ｘにわたってｐ型側ペースト８を焼成する。そのため、アルミニウム原子とシリコン原子との結合力が高くなり、ひいてはｐ型拡散層２とｐ型側電極１１との接触性が高くなると考えられる。
ヒータを用いてｐ型側ペースト８を焼成する場合、ｐ型側ペースト８がヒータの近くに位置するとｐ型側ペースト８を焼成するためのヒータからの熱によってｐ型側パッシベーション膜６が損傷する可能性がある。そのため、ヒータを用いて焼成対象物１０を焼成する場合、ｐ型側ペースト８よりもｎ型側ペースト９がヒータに近く位置するように焼成対象物１０を配置する。
図４は、焼成対象物１０を焼成するための焼成装置４０の断面図である。図４に示す通り、焼成装置４０はチャンバ４１とヒータ４２とを有しており、ヒータ４２はチャンバ４１の内部の鉛直上方の壁面に設けられている。図４の焼成装置４０を用いて焼成対象物１０を焼成する場合、ｐ型側ペースト８がｎ型側ペースト９よりも鉛直下方に位置するように焼成対象物１０を配置する。それにより、ヒータ４２からの熱のｐ型側パッシベーション膜６への影響を小さくすることができ、ひいてはｐ型側パッシベーション膜６が損傷する可能性を低下させることができる。
上述の通り、実施の形態１では、５５０℃から７００℃までの範囲内の一定の温度で２０秒以上の期間にわたってｐ型側ペースト８を焼成する。一定の温度は、いずれかの温度を基準として基準から上下２０℃の帯域内の温度である。それにより、ｐ型側ペースト８から形成されるｐ型側電極１１とｐ型拡散層２との接触性を高めることができる。その結果、光エネルギから電力への変換効率を高くすることができる。
加えて、実施の形態１では、ヒータ４２を用いて焼成対象物１０を焼成する場合、ｐ型側ペースト８をｎ型側ペースト９よりもヒータ４２から離して位置させる。例えば、ヒータ４２がチャンバ４１の内部の鉛直上方の壁面に設けられている場合、ｐ型側ペースト８をｎ型側ペースト９よりも鉛直下方に位置させる。それにより、ｐ型側パッシベーション膜６が損傷する可能性を低下させることができる。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略又は変更することも可能である。
１ シリコンウェハ、２ ｐ型拡散層、３ ドーピングペースト、４ ｎ型拡散層、５ 高濃度ｎ型拡散層、６ ｐ型側パッシベーション膜、７ ｎ型側パッシベーション膜、８ ｐ型側ペースト、９ ｎ型側ペースト、１０ 焼成対象物、１１ ｐ型側電極、１２ ｎ型側電極、２０ 太陽電池、４０ 焼成装置、４１ チャンバ、４２ ヒータ。
Claims (2)
- ｎ型シリコンウェハの一方の面にｐ型拡散層を形成するステップと、
前記ｎ型シリコンウェハの他方の面にｎ型拡散層を形成するステップと、
前記ｐ型拡散層の外側に銀とアルミニウムとによって構成されるｐ型側ペーストを設けるステップと、
前記ｎ型拡散層の外側に銀によって構成されるｎ型側ペーストを設けるステップと、
前記ｐ型側ペースト及び前記ｎ型側ペーストが設けられた前記ｎ型シリコンウェハの温度を、５５０℃から７００℃までの範囲内の温度であって、いずれかの温度を基準として前記基準から上下２０℃の帯域内の温度で２０秒以上の期間にわたって保ち、その後、前記ｎ型シリコンウェハを、７００℃を超える温度となるように加熱して、前記ｐ型側ペーストと前記ｎ型側ペーストとを焼成するステップと
を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 前記ｐ型側ペーストと前記ｎ型側ペーストとを焼成するステップにおいて、ヒータを用いて焼成し、前記ｐ型側ペーストを、前記ｎ型側ペーストよりも前記ヒータから離して位置させ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。
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