JP6666438B2 - 局部バックコンタクト太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、局部バックコンタクト（Ｂａｃｋ ｃｏｎｔａｃｔ）太陽電池の製造方法に関し、太陽電池の技術分野に属する。
通常の化石燃料はますます枯渇しており、既存の再生可能エネルギーの中で、太陽エネルギーは最もクリーンで、普遍的で、潜在力を有する代替エネルギーに違いない。また、光電池又は太陽電池として知られている太陽光発電装置は、半導体ＰＮ接合の光起電力効果に基づき、太陽エネルギーを直接電気エネルギーに変換することができる。
科学技術の発展に伴い、新たに開発した高効率の太陽電池として、裏面パッシベーション（ＰＥＲＣ）太陽電池があり、業界で広く注目されている。当該太陽電池のコアとなる部分は、酸化アルミニウム膜又はシリカ膜（５〜１００ｎｍ）によりシリコンウェハの裏面を被覆して、表面をパッシベーション化し、長波応答を向上する機能を奏することで、電池の変換効率を高めることにある。しかしながら、酸化アルミニウム、又はシリカは非導電性であるため、アルミニウム金属がシリコンウェハ裏面に接触して電流を収集することができるように、前記膜の一部に開口処理をする必要がある。また、アルミニウム金属（通常はアルミニウムペースト）は、高温焼結の過程で、アルミナ又はシリカのパッシベーション効果を破壊するため、通常アルミナ膜又はシリカ膜に、窒化シリコン膜をさらに被覆して、保護機能を奏している。
従来の局部バックコンタクト太陽電池の製造方法は、主に、シリコンウェハ表面の損傷層を除去するステップと、テクスチャの製造ステップと、拡散ステップと、裏面を研磨するステップと、エッチング及びガラス異物を除去するステップと、裏面にアルミナ膜又はシリカ膜を堆積するステップと、窒化シリコン保護膜を堆積するステップと、前面に窒化シリコン減反射層を堆積するステップと、裏面局部を開口処理するステップと、前面及び裏面を金属ペーストによりスクリーン印刷するステップと、焼結ステップとを行って、太陽電池を得ている。
しかしながら，前記製造方法には、下記のような問題が存在する。
（１）製造工程が比較的に複雑であるため、コストの向上を招来し、コストをさらに低減させる必要がある。
（２）得られた局部バックコンタクト太陽電池の光電転換効率はやはり低く、さらなる改善の余地がある。
（１）製造工程が比較的に複雑であるため、コストの向上を招来し、コストをさらに低減させる必要がある。
（２）得られた局部バックコンタクト太陽電池の光電転換効率はやはり低く、さらなる改善の余地がある。
本発明は、局部バックコンタクト太陽電池の製造方法を提供することをその目的とする。
前記目的を達成するために、本発明は以下の技術案を提供する。
本発明によれば、局部バックコンタクト太陽電池の製造方法を提供し、当該製造方法は、シリコンウェハ表面の損傷層を除去し且つ両面研磨を行うステップと；テクスチャの製造ステップと；ＰＮ接合を形成するステップと；エッチング及びガラス異物を除去するステップと；裏面にパッシベーション膜を堆積するステップと；前面にパッシベーション減反射層を堆積するステップと；裏面局部を開口するステップと；前面及び裏面に金属ペーストをスクリーン印刷するステップと；焼結ステップと；を含み、
前記テクスチャの製造ステップは、金属触媒によるエッチング法を採用して行い、そのテクスチャ構造はナノサイズのテクスチャ構造である。
本発明によれば、局部バックコンタクト太陽電池の製造方法を提供し、当該製造方法は、シリコンウェハ表面の損傷層を除去し且つ両面研磨を行うステップと；テクスチャの製造ステップと；ＰＮ接合を形成するステップと；エッチング及びガラス異物を除去するステップと；裏面にパッシベーション膜を堆積するステップと；前面にパッシベーション減反射層を堆積するステップと；裏面局部を開口するステップと；前面及び裏面に金属ペーストをスクリーン印刷するステップと；焼結ステップと；を含み、
前記テクスチャの製造ステップは、金属触媒によるエッチング法を採用して行い、そのテクスチャ構造はナノサイズのテクスチャ構造である。
前記において、前記テクスチャを製造するステップは、金属触媒によるエッチング法を採用して行い、金属触媒による化学エッチング法は、公知の技術である。
前記ナノサイズのテクスチャ構造の表面反射率は、１２〜２０％である。
本発明によれば、シリコンウェハ表面の損傷層の除去と両面研磨を１段階の工程に統合して実施することで、シリコンウェハ表面の損傷層を除去すると共に、裏面パッシベーション化された研磨面を形成して、従来技術において拡散ステップの後に裏面研磨ステップを行わなければならないことを省略して、製造工程を簡単にさせ、コストを低減させた。また、研磨した後にナノサイズのテクスチャを形成するため、ＰＮ接合がさらに平坦になり、接合区域の複合を防止して、開回路電圧を向上するばかりでなく、金属の接続に寄与して、開回路電圧を向上させると共に、ＦＦも向上させる。
好ましくは、前記シリコンウェハ表面の損傷層を除去し且つ両面研磨を行うステップは、酸性溶液又はアルカリ溶液を採用して２〜２０分間行う。
前記酸性溶液は、ＨＮＯ３とＨＦの混合溶液，又はＨ２ＣｒＯ４とＨＦの混合溶液であり、溶液温度は５〜４５℃である。
前記ＨＮＯ３とＨＦの混合溶液において、ＨＮＯ３（６９％）／ＨＦ（４９％）又はＨ２ＣｒＯ４（６０％）／ＨＦ（４９％）の体積比は４：１を超える。
前記アルカリ溶液は、ＮａＯＨ溶液、ＫＯＨ溶液、又は水酸化テトラメチルアンモニウム溶液であり、溶液温度は５〜９５℃である。また、前記アルカリ溶液の体積濃度は１％を超える。
前記酸性溶液は、ＨＮＯ３とＨＦの混合溶液，又はＨ２ＣｒＯ４とＨＦの混合溶液であり、溶液温度は５〜４５℃である。
前記ＨＮＯ３とＨＦの混合溶液において、ＨＮＯ３（６９％）／ＨＦ（４９％）又はＨ２ＣｒＯ４（６０％）／ＨＦ（４９％）の体積比は４：１を超える。
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前記において、前記ＨＮＯ３（６９％）／ＨＦ（４９％）は、体積濃度６９％のＨＮＯ３と体積濃度４９％のＨＦを指し、
前記Ｈ２ＣｒＯ４（６０％）／フッ化水素酸（４９％）は、体積濃度６０％のＨ２ＣｒＯ４と体積濃度４９％のＨＦを指す。
前記Ｈ２ＣｒＯ４（６０％）／フッ化水素酸（４９％）は、体積濃度６０％のＨ２ＣｒＯ４と体積濃度４９％のＨＦを指す。
前記水酸化テトラメチルアンモニウム溶液は、ＴＭＡＨ溶液とも呼ばれる。
好ましくは、前記シリコンウェハ表面の損傷層を除去し且つ両面研磨を行うステップの処理時間は２〜１０分間である。
前記技術案において、前記テクスチャの製造ステップは、以下のように行われる。
先ず、シリコンウェハを、金属イオン含有溶液中に投入して浸し、シリコンウェハの表面に、金属ナノ粒子をコーティングさせ、
その後、化学エッチング液でシリコンウェハの表面をエッチングして、ナノサイズのテクスチャを形成し、
前記化学エッチング液は、酸化剤を含有するフッ化水素酸溶液である。
前記方法は、金属触媒による２段階のエッチング法である。
先ず、シリコンウェハを、金属イオン含有溶液中に投入して浸し、シリコンウェハの表面に、金属ナノ粒子をコーティングさせ、
その後、化学エッチング液でシリコンウェハの表面をエッチングして、ナノサイズのテクスチャを形成し、
前記化学エッチング液は、酸化剤を含有するフッ化水素酸溶液である。
前記方法は、金属触媒による２段階のエッチング法である。
前記技術案において、前記金属イオン含有溶液は、フッ化水素酸を含む金属塩溶液である。
前記技術案において、前記テクスチャの製造ステップは、シリコンウェハを酸化剤及び金属塩を含有するフッ化水素酸溶液に投入して、シリコンウェハの表面にナノサイズのテクスチャを形成する。当該方法は、金属触媒による１段階のエッチング法である。
前記金属イオンは、従来技術で用いる金属イオンから選択され、例えば、金、銀、銅、ニッケルから選ばれる一つ以上である。また、前記酸化剤は、Ｈ２Ｏ２、ＨＮＯ３又はＨ２ＣｒＯ４であってもよい。
前記技術案において、前記溶液中の金属イオン濃度は、６Ｅ−５ｍｏｌ／Ｌを超える。
好ましくは、前記ナノサイズのテクスチャの大きさは１００〜９００ｎｍである。
前記技術案において、前記テクスチャの製造ステップとＰＮ接合を形成するステップの間に、テクスチャマイクロ構造の修正エッチングステップをさらに含むことができ、具体的には、テクスチャ付きシリコンウェハを化学エッチング液に投入して、マイクロ構造の修正エッチングを行い、
前記化学エッチング液は、ＮａＯＨ溶液、ＫＯＨ溶液、水酸化テトラメチルアンモニウム溶液、酸性酸化剤とフッ化水素酸の混合溶液から選ばれる一つである。
前記化学エッチング液は、ＮａＯＨ溶液、ＫＯＨ溶液、水酸化テトラメチルアンモニウム溶液、酸性酸化剤とフッ化水素酸の混合溶液から選ばれる一つである。
前記化学エッチング液を使用してシリコンウェハ表面に対しマイクロ構造の修正エッチングを行うことは、アルカリ溶液（ＮａＯＨ溶液、ＫＯＨ溶液、水酸化テトラメチルアンモニウム溶液）又は酸混合液（ＨＦとＨＮＯ３）を使用して、前記のように得られたナノテクスチャのマイクロ構造（ライン状又は深孔状）に対し修正エッチングを行うことを指す。ここで、アルカリ溶液は、主に前記ライン状又は深孔状のマイクロ構造に対し異方性エッチングを行い、前記異方性エッチングは、もともとのライン状又は深孔状のマイクロ構造に沿って優先的に行われる。また、前記エッチングの結果、もともとのライン状又は深孔状のマイクロ構造は、角付きナノピラミッド状又はナノ錐体又はナノピット（Ｐｉｔ）状の構造に修正される。これに対し、酸混合液（ＨＦとＨＮＯ３）は、主に前記ライン状又は深孔状のマイクロ構造に対し同方性エッチングを行い、当該同方性エッチングは、もともとのライン状又は深孔状のマイクロ構造に沿って優先的に行われる。当該エッチングの結果、もともとのライン状又は深孔状のマイクロ構造は、ポアサイズが比較的に大きく、深さが比較的に浅いナノ孔状の構造に修正される。このような修正エッチングを通じて、最終的に比較的に優れたナノテクスチャを得ることができる。
前記技術案において、前記テクスチャマイクロ構造の修正エッチングステップの前に、又は当該ステップの後に，金属粒子を除去するステップをさらに含み、具体的に、酸性溶液、脱イオン水でそれぞれシリコンウェハを洗浄して、金属粒子を除去する。
本発明の製造方法は、ダイヤモンドワイヤーによりシリコンウェハを切断して製作する太陽電池に用いられることができる。
本発明に提供された技術案によれば、従来技術に比べ、以下のような技術効果が奏される。
１．本発明の新規局部バックコンタクト太陽電池の製造方法によれば、シリコンウェハ表面の損傷層を除去すると共に、シリコンウェハに対し両面研磨を行う。即ち、シリコンウェハ表面の損傷層の除去と両面研磨とを１段階の工程に統合して実施することで、シリコンウェハ表面の損傷層を除去する目的を奏すると同時に、裏面パッシベーション化された研磨面を形成して、従来技術において拡散ステップの後に裏面研磨を行うステップを省略して、工程の流れを簡単にさせ、製造にかかる時間を短縮して、生産効率を向上させ、コストを低減した。また、電池のワット当たりの製造コストを増大させることなく、多結晶シリコンＰＥＲＣ電池を量産することができる。
２．本発明によれば、先ず、化学エッチングを採用して両面研磨を行った後、ナノサイズのテクスチャを形成することで、ＰＮ接合がさらに平坦になり、接合部分の複合を低減して、開回路電圧を向上するばかりでなく、金属の接続に寄与して、開回路電圧を向上させると共に、ＦＦも向上させる。実験により、従来の技術に比べ、本発明により製造された多結晶シリコンＰＥＲＣ電池の電池効率は０．４７％程度向上されたことが確認され、予想できない技術的効果が得られた。
３．本発明によれば、前面はナノテクスチャ構造を採用して、前面の反射率を低減し、短波の吸収を向上した。さらに、裏面パッシベーション膜工程を結び付けることで、全波帯における光吸収を向上する目的を実現し、多結晶シリコン電池の効率を大幅に向上した。
１．本発明の新規局部バックコンタクト太陽電池の製造方法によれば、シリコンウェハ表面の損傷層を除去すると共に、シリコンウェハに対し両面研磨を行う。即ち、シリコンウェハ表面の損傷層の除去と両面研磨とを１段階の工程に統合して実施することで、シリコンウェハ表面の損傷層を除去する目的を奏すると同時に、裏面パッシベーション化された研磨面を形成して、従来技術において拡散ステップの後に裏面研磨を行うステップを省略して、工程の流れを簡単にさせ、製造にかかる時間を短縮して、生産効率を向上させ、コストを低減した。また、電池のワット当たりの製造コストを増大させることなく、多結晶シリコンＰＥＲＣ電池を量産することができる。
２．本発明によれば、先ず、化学エッチングを採用して両面研磨を行った後、ナノサイズのテクスチャを形成することで、ＰＮ接合がさらに平坦になり、接合部分の複合を低減して、開回路電圧を向上するばかりでなく、金属の接続に寄与して、開回路電圧を向上させると共に、ＦＦも向上させる。実験により、従来の技術に比べ、本発明により製造された多結晶シリコンＰＥＲＣ電池の電池効率は０．４７％程度向上されたことが確認され、予想できない技術的効果が得られた。
３．本発明によれば、前面はナノテクスチャ構造を採用して、前面の反射率を低減し、短波の吸収を向上した。さらに、裏面パッシベーション膜工程を結び付けることで、全波帯における光吸収を向上する目的を実現し、多結晶シリコン電池の効率を大幅に向上した。
以下、実施例に基づき、本発明をより詳しく説明する。
実施例１
本実施例の多結晶シリコンＰＥＲＣ太陽電池の製造方法は、以下のステップにより構成される。
先ず、濃度２質量％のＫＯＨ溶液を使用して、多結晶シリコンウェハ表面の損傷層を除去し且つ両面研磨を行い、ここで、処理温度は７０℃であり、処理時間は６分間である。
次に、研磨後のシリコンウェハに対し、金属触媒によるエッチングを行ってナノテクスチャを製造し、当該ナノテクスチャのサイズは３００〜５００ｎｍで、反射率は１７％である。
前記テクスチャの製造ステップは、以下の通りである。
シリコンウェハを金属イオン含有化学エッチング液中に投入して、シリコンウェハの表面にナノサイズのテクスチャを形成する。ここで、前記化学エッチング液は、銀イオンを含有するＨ２Ｏ２とフッ化水素酸の混合溶液である。また、当該混合溶液において、金属イオン濃度は６Ｅ−５ｍｏｌ／Ｌを超え、Ｈ２Ｏ２濃度は０．５ｍｏｌ／Ｌで、ＨＦ濃度は１０ｍｏｌ／Ｌである。
次に、テクスチャの製造ステップ後のシリコンウェハを、拡散炉に投入し、温度８００℃〜８４０℃の下で６０〜９０分間の拡散を行い，ここで、シート抵抗は６０〜１２０Ω／ｓｑである。
次に、拡散後のシリコンウェハの裏面、エッジに対しエッチングを行い、表面のＰＳＧ層を除去する。
次に、エッチング後のシリコンウェハの裏面に、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりＡｌ２Ｏ３パッシベーション層を堆積させ、アニール処理を行う。
次に、Ａｌ２Ｏ３パッシベーション層の上に、ＰＥＣＶＤ（ｐｌａｓｍａ−ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりＳｉＮｘ膜をさらに堆積させる。
次に、シリコンウェハの前表面に、ＰＥＣＶＤ法により窒化シリコン減反射膜を堆積する。
次に、レーザーを用いて裏面の局部を開口する。
最後に、スクリーン印刷を行って電極を製作し、オーム接触（Ｏｈｍｉｃ ｃｏｎｔａｃｔ）を形成する。
本実施例の多結晶シリコンＰＥＲＣ太陽電池の製造方法は、以下のステップにより構成される。
先ず、濃度２質量％のＫＯＨ溶液を使用して、多結晶シリコンウェハ表面の損傷層を除去し且つ両面研磨を行い、ここで、処理温度は７０℃であり、処理時間は６分間である。
次に、研磨後のシリコンウェハに対し、金属触媒によるエッチングを行ってナノテクスチャを製造し、当該ナノテクスチャのサイズは３００〜５００ｎｍで、反射率は１７％である。
前記テクスチャの製造ステップは、以下の通りである。
シリコンウェハを金属イオン含有化学エッチング液中に投入して、シリコンウェハの表面にナノサイズのテクスチャを形成する。ここで、前記化学エッチング液は、銀イオンを含有するＨ２Ｏ２とフッ化水素酸の混合溶液である。また、当該混合溶液において、金属イオン濃度は６Ｅ−５ｍｏｌ／Ｌを超え、Ｈ２Ｏ２濃度は０．５ｍｏｌ／Ｌで、ＨＦ濃度は１０ｍｏｌ／Ｌである。
次に、テクスチャの製造ステップ後のシリコンウェハを、拡散炉に投入し、温度８００℃〜８４０℃の下で６０〜９０分間の拡散を行い，ここで、シート抵抗は６０〜１２０Ω／ｓｑである。
次に、拡散後のシリコンウェハの裏面、エッジに対しエッチングを行い、表面のＰＳＧ層を除去する。
次に、エッチング後のシリコンウェハの裏面に、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりＡｌ２Ｏ３パッシベーション層を堆積させ、アニール処理を行う。
次に、Ａｌ２Ｏ３パッシベーション層の上に、ＰＥＣＶＤ（ｐｌａｓｍａ−ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりＳｉＮｘ膜をさらに堆積させる。
次に、シリコンウェハの前表面に、ＰＥＣＶＤ法により窒化シリコン減反射膜を堆積する。
次に、レーザーを用いて裏面の局部を開口する。
最後に、スクリーン印刷を行って電極を製作し、オーム接触（Ｏｈｍｉｃ ｃｏｎｔａｃｔ）を形成する。
比較例１
実施例と同じ原料を使用して、局部バックコンタクト太陽電池を製造し、当該製造方法は、シリコンウェハ表面の損傷層を削除するステップと、テクスチャの製造ステップと、拡散ステップと、裏面研磨ステップと、エッチング及びガラス異物を除去するステップと、裏面にアルミナ膜又はシリカ膜を堆積するステップと、窒化シリコン保護膜を堆積するステップと、前面に窒化シリコン減反射層を堆積するステップと、裏面局部を開口するステップと、前面及び裏面に金属ペーストをスクリーン印刷するステップと、焼結ステップとを行って、太陽電池を得た。
実施例と同じ原料を使用して、局部バックコンタクト太陽電池を製造し、当該製造方法は、シリコンウェハ表面の損傷層を削除するステップと、テクスチャの製造ステップと、拡散ステップと、裏面研磨ステップと、エッチング及びガラス異物を除去するステップと、裏面にアルミナ膜又はシリカ膜を堆積するステップと、窒化シリコン保護膜を堆積するステップと、前面に窒化シリコン減反射層を堆積するステップと、裏面局部を開口するステップと、前面及び裏面に金属ペーストをスクリーン印刷するステップと、焼結ステップとを行って、太陽電池を得た。
前記実施例と比較例の太陽電池をテストし、その結果を下記の表に示す。
前記表からわかるように、比較例に比べ、本発明により得られた多結晶シリコンＰＥＲＣ電池の效率は０．４７％程度向上され、予想できない技術的効果が得られた。さらに、開回路電圧を向上すると共に、充填因子ＦＦも向上した。これは、本発明によれば、拡散後形成したＰＮ接合がより平坦になり、金属の接続に寄与するからである。
Claims (9)
- 多結晶シリコンウェハ表面の損傷層を除去し且つ両面の全面研磨を行ってから、テクスチャを製造するステップと、
ＰＮ接合を形成するステップと、
エッチング及びガラス異物を除去するステップと、
裏面にパッシベーション膜を堆積するステップと、
前面にパッシベーション減反射層を堆積するステップと、
裏面局部を開口するステップと、
前面及び裏面に金属ペーストをスクリーン印刷するステップと、
焼結ステップと、を含み、
前記テクスチャの製造ステップは、金属触媒によるエッチング法を採用し、
前記テクスチャ構造はナノサイズのテクスチャ構造であり、
前記多結晶シリコンウェハ表面の損傷層を除去し且つ両面の全面研磨を行うステップは、温度５〜９５℃のアルカリ溶液を用いて２〜２０分間行い、前記アルカリ溶液の体積濃度は１％を超える、
多結晶局部バックコンタクト太陽電池の製造方法。 - 前記アルカリ溶液は、ＮａＯＨ溶液、ＫＯＨ溶液又は水酸化テトラメチルアンモニウム溶液である、
請求項１に記載の製造方法。 - 前記シリコンウェハ表面の損傷層を除去し且つ両面の全面研磨を行うステップの処理時間は、２〜１０分間である、
請求項２に記載の製造方法。 - 前記テクスチャの製造ステップは、
先ず、シリコンウェハを金属イオン含有溶液中に浸して、シリコンウェハの表面に金属ナノ粒子をコーティングし、
次に、化学エッチング液を用いてシリコンウェハ表面をエッチングして、ナノサイズのテクスチャを形成し、
前記化学エッチング液は、酸化剤を含有するフッ化水素酸溶液である、
請求項１に記載の製造方法。 - 前記金属イオン含有溶液は、フッ化水素酸を含有する金属塩溶液である、
請求項４に記載の製造方法。 - 前記テクスチャの製造ステップは、
シリコンウェハを酸化剤及び金属塩を含有するフッ化水素酸溶液中に投入して、シリコンウェハ表面にナノサイズのテクスチャを製造する、
請求項１に記載の製造方法。 - 前記溶液中の金属イオンの濃度は６Ｅ−５ｍｏｌ／Ｌを超える、
請求項４又は６に記載の製造方法。 - 前記テクスチャの製造ステップとＰＮ接合を形成するステップの間に、
テクスチャ付きシリコンウェハを化学エッチング液中に投入してマイクロ構造の修正エッチングを行う、テクスチャマイクロ構造の修正エッチングステップをさらに含み、
前記化学エッチング液は、ＮａＯＨ溶液、ＫＯＨ溶液、水酸化テトラメチルアンモニウム溶液、酸性酸化剤とフッ化水素酸との混合溶液から選ばれる１種である、
請求項１に記載の製造方法。 - 前記テクスチャマイクロ構造の修正エッチングステップの前に、又は前記テクスチャマイクロ構造の修正エッチングステップの後に、
酸性溶液、脱イオン水でそれぞれシリコンウェハを洗浄して、金属粒子を除去するステップをさらに含む、
請求項８に記載の製造方法。
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