JP6771166B2 - 太陽電池セルの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、太陽電池セルの製造方法に関し、特に裏面接合型太陽電池セルの製造方法に関する。
発電効率の高い太陽電池として、光が入射する受光面の反対側にあたる裏面にn型半導体層およびp型半導体層の双方が形成された裏面接合型の太陽電池がある。n型半導体層上に形成されるn側電極と、p型半導体層上に形成されるp側電極とは、互いに接触しないように絶縁される必要がある。両者を絶縁する方法としては、レーザ照射や、フォトマスクを用いたリソグラフィによって太陽電池セル製造工程で一旦つながったn型半導体層とp型半導体層と、を切り離す必要がある。
国際公開第2010/104098号公報
従来の方法では、例えばフォトレジストを用いてn側電極とp側電極とを分離する場合、分離の幅を小さくすることができる反面、レジスト材料やレジストの剥離材料のコストが高い課題があった。一方、エッチングペーストをスクリーン印刷することによってn側電極とp側電極とを分離することも考えられるが、印刷精度が十分ではなく分離の幅を小さくすることができないという制限があった。そのほか、レーザを用いてn側電極とp側電極とを分離する場合には、レーザの照射幅よりも細い溝を形成することができない、という制限があった。
本発明は上記を鑑みてなされたものであり、製造コストを低下させ、光電変換効率が向上した太陽電池セルを提供することを目的とする。
ある態様の太陽電池セルの製造方法は、半導体基板上に導電性薄膜層を形成する工程と、導電性薄膜層上の一部に絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜と重ならない領域にある導電性薄膜層上と、絶縁膜上の一部とにめっき被膜を形成する工程と、めっき被膜と重ならない領域にある絶縁膜を除去する工程と、を含む。
本発明によれば、製造コストが低下し、光電変換効率が向上した太陽電池セルを提供できる。
実施形態に係る太陽電池セルを示す平面図である。 実施形態に係る光電変換部の製造方法を示す概略的断面図である。 実施形態に係る光電変換部の製造方法を示す概略的断面図である。 実施形態に係る光電変換部の製造方法を示す概略的断面図である。 実施形態に係る光電変換部の製造方法を示す概略的断面図である。 実施形態に係る太陽電池セルの電極部の製造方法を示す概略的断面図である。 実施形態に係る太陽電池セルの電極部の製造方法を示す概略的断面図である。 実施形態に係る太陽電池セルの電極部の製造方法を示す概略的断面図である。 実施形態に係る太陽電池セルの電極部の製造方法を示す概略的断面図である。 実施形態に係る太陽電池セルの電極部の製造方法を示す概略的断面図である。 実施形態に係る太陽電池セルの電極部の製造方法を示す概略的断面図である。 図1のB−B線における断面図である。
本発明に係る実施形態について図面を用いて説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであって、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。まず、本発明の実施形態によって形成された太陽電池セルの構成について説明し、次に当該太陽電池セルの製造方法について説明する。
(太陽電池セルの構成)
図1は、本発明の実施形態に係る太陽電池セル70を示す平面図であり、太陽電池セル70の裏面の構造を示す。本実施形態は、受光面から入射する光を一切遮光することなく発電に寄与させるため、裏面のみに電極を備えた裏面接合型太陽電池セルである。ここで、受光面とは、太陽電池セル70において主に光(太陽光)が入射される主面を意味し、具体的には、太陽電池セル70に入射される光の大部分が入射される面を意味する。一方、裏面とは、受光面の裏面にあたる他方の主面を意味する。
太陽電池セル70は、裏面に設けられるn側電極14と、p側電極15を備える。n側電極14は、y方向に延びるバスバー電極と、x方向に延びる複数のフィンガー電極を含む櫛歯状に形成される。同様に、p側電極15は、y方向に延びるバスバー電極と、x方向に延びる複数のフィンガー電極を含む櫛歯状に形成される。n側電極14およびp側電極15は、それぞれの櫛歯が噛み合って互いに間挿し合うように形成される。なお、n側電極14およびp側電極15のそれぞれは、複数のフィンガーのみにより構成され、バスバーを有さないバスバーレス型の電極であってもよい。
図10は、本実施形態に係る太陽電池セル70の構造を示す断面図であり、図1のAA線断面を示す。太陽電池セル70は、半導体基板10と、第1のi型層12iと、第1導電型層12nと、第2のi型層13iと、第2導電型層13pと、第1dと、第3のi型層17iと、第1導電型層17nと、第2絶縁層18と、銅電極24とを備える。銅電極24は、n側電極14及びp側電極15から成る。また、図11は、実施の形態に係る太陽電池セル70のB−B線断面を示す。
(太陽電池セル70の製造方法)
次に、本実施形態にかかる太陽電池セル70の製造方法について説明する。まず、図2〜図5を参照しながら、太陽電池セル70のうち光電変換部の形成について説明する。続いて、図6〜図10を参照しながら、光電変換部で生じた光電キャリアを取り出すための電極形成方法について説明する。なお、本実施形態中では特に、図1中のA−A線の断面にあたる断面図を用いて製造方法を説明する。
(光電変換部の製造方法)
まず、半導体基板10を準備する。本実施形態では、厚さが約200μmであるn型の単結晶シリコン製の半導体基板10を用いているが、これに限定されるものではない。導電型はn型であってもp型であってもよく、単結晶半導体基板でも多結晶半導体基板でもよい。半導体基板10の厚みも任意である。
次に、図2に示すように半導体基板10の裏面上に半導体層を積層する。本実施形態では、第1のi型層12i及び第1導電型層12nからなる第1積層体12を形成する。第1のi型層12iは、水素(H)を含むi型の非晶質シリコンで構成され、例えば、数nm〜25nm程度の厚さを有する。第1のi型層12iの形成方法は、特に限定されないが、例えば、プラズマCVD法等の化学気相成長(CVD)法により形成することができる。第1導電型層12nは、半導体基板10と同じ導電型のドーパントが添加された非晶質半導体で構成される。本実施形態における第1導電型層12nは、水素を含むn型非晶質シリコンで構成される。第1導電型層12nは、例えば、2nm〜50nm程度の厚さを有する。第1積層体12上には、更に第1絶縁層16が積層される。第1絶縁層16は、例えば、酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(SiN)、酸窒化シリコン(SiON)などにより形成される。第1絶縁層16は、特に窒化シリコンにより形成されることが望ましく、水素を含んでいることが好ましい。
次に、図3に示すように第1絶縁層16及び第1積層体12をパターニング処理する。本実施形態では、約500μm幅の絶縁層を残すようにパターニング処理を行う。本実施形態では、窒化シリコン(SiN)からなる第1絶縁層16にはレーザを照射してパターニングを行い、アモルファス半導体層からなる第1積層体12は化学エッチング法を用いてパターニングを行う。レーザによる第1絶縁層16のパターニングは以下のように実施する。レーザは、レーザ照射部への熱影響を少なくするため、パルス幅がナノ秒(ns)またはピコ秒(ps)程度の短パルスレーザであることが望ましい。このようなレーザ50として、YAGレーザや、エキシマレーザなどを用いることができる。本実施形態では、レーザ光源としてNd:YAGレーザ(波長1064nm)の第3高調波(波長355nm)を使用し、1パルスあたり約0.1〜0.5J/cm2の強度で照射する。なお、レーザによりパターニングを短時間で形成できるよう、繰り返し周波数の高いレーザ光源を用いることが望ましい。
化学エッチング法による第1積層体12のパターニングは以下のように実施する。上記、レーザを用いてパターニングした第1絶縁層16をマスクとして用いて、第1積層体12をエッチングする。第1積層体12のエッチングは、第1絶縁層16が酸化シリコン、窒化シリコンまたは酸窒化シリコンからなる場合は、例えばアルカリ性のエッチング剤を用いてエッチングしてもよい。
次に、図4に示すように、パターニングした第1積層体12及び第1絶縁層16上に、第2のi型層13i及び第2導電型層13pからなる第2積層体13を形成する。第2のi型層13iは、水素を含むi型の非晶質シリコンで構成され、例えば、数nm〜25nm程度の厚さを有する。第2導電型層13pは、半導体基板10とは異なる導電型であるドーパントが添加された非晶質半導体で構成される。本実施形態における第2導電型層13pは、水素を含むp型の非晶質シリコンで構成される。第2導電型層13pは、例えば、2nm〜50nm程度の厚さを有する。なお、第2のi型層13i及び第2導電型層13pの形成方法は、第1導電型層12n形成時に添加するドーパントの種類を除き、第1のi型層12i及び第1導電型層12nの形成方法と同様である。
次に、図5に示すように、第2積層体13をパターニングして、第1積層体12を露出させた開口部を形成する。この開口部は、後に太陽電池セル70の電極を形成する際に、電極と直接接触する電力取り出し部となる。
まずは、レーザを用いて第2積層体13のパターニングを行う。この工程においても、第1積層体12をパターニングしたのと同様の条件のレーザを用いてパターニングを行ってよく、具体的には、レーザ光源としてNd:YAGレーザ(波長1064nm)の第3高調波(波長355nm)を使用し、1パルスあたり約0.1〜0.5J/cm2の強度で照射する。
次に、第1絶縁層16をエッチングして第1積層体12を露出させる。この工程は、第2積層体13を除去してしまうことがないように、フッ酸水溶液等の酸性のエッチング剤を用いて行う。この工程によって、第1積層体12に含まれる第1導電型層12nが露出する。
次に、半導体基板10のうち、第1積層体12及び第2積層体13を形成した裏面とは逆の面、つまり受光面に、第3のi型層17i及び第1導電型層17nからなる第3積層体17を形成する。第3のi型層17iは、水素を含むi型の非晶質シリコンにより形成され、例えば、数nm〜25nm程度の厚さを有する。第3のi型層17iの上には、第1導電型層17nが設けられる。第1導電型層17nは、半導体基板10と同じ導電型のドーパントが添加された非晶質半導体で構成される。本実施形態における第1導電型層17nは、水素を含むn型非晶質シリコンで構成され、例えば、2nm〜50nm程度の厚さを有する。第3のi型層17i及び第1導電型層17nの積層方法も、第1のi型層12i及び第1導電型層12nの形成方法と同様である。
第1導電型層17nの上には、反射防止膜および保護膜としての機能を有する第2絶縁層18が設けられる。第2絶縁層18は、例えば、酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(SiN)、酸窒化シリコン(SiNO)などにより形成される。第2絶縁層18の厚さは、反射防止膜としての反射防止特性などに応じて適宜設定され、例えば、80nm〜1000nm程度である。
なお、ここまでに説明した製造方法について、第1積層体12、第2積層体13及び第3積層体17の形成順は、特に限定されない。光電変換部の断面構造が図5に示す構成になるように、任意の順番で各積層体を形成してよい。以上が、光電変換部の製造方法である。
(太陽電池セル70の電極形成方法)
半導体基板10のうち第1積層体12及び第2積層体13を形成した面、すなわち、太陽光が直接入射しない裏面側に設ける電極取り出し用の電極形成方法について、5つの工程に分けて説明する。
5つの工程とはすなわち、(S1)光電変換部の裏面側に、銅などの金属からなる導電性薄膜層20を形成する第1の工程、(S2)導電性薄膜層20上に窒化シリコン(SiN)等からなる第3絶縁層22を設ける第2の工程、(S3)第3絶縁層22を一部除去することによりシード層第1露出部を形成する第3の工程、(S4)シード層第1露出部に、銅電極24を形成する第4の工程、(S5)銅電極24の開口部に露出する第3絶縁層22及び導電性薄膜層20を除去し、p側電極15とn側電極14を分離する第5の工程、である。
(S1)
上記の光電変換部の製造方法に従って、図5の断面を有する光電変換部が形成された太陽電池セルを用意する。図6に示すように、S1は、光電変換部の裏面側の表面に、透明導電性酸化物層20tと、金属薄膜層20mと、から構成される導電性薄膜層20を形成する工程である。本工程で形成した導電性薄膜層20は、後に行う電解めっき工程においてめっきシード層となる。
透明導電性酸化物層20tは、例えば酸化錫(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、インジウム錫酸化物(ITO)等の透明導電性酸化物によって形成される。本実施形態では、透明導電性酸化物層20tの厚みは50nm〜100nm程度である。透明導電性酸化物層20tは、スパッタリング法や真空蒸着法等の薄膜形成方法によって、光電変換部の裏面側の表面に均一に形成される。
金属薄膜層20mは、銅(Cu)、錫(Sn)、金(Au)、銀(Ag)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)などの金属から構成される。本実施形態では、銅(Cu)からなる金属薄膜層20mを形成している。本実施形態では、金属薄膜層20mは約50〜300nm程度の厚さになるように形成している。従って、S1工程で形成される導電性薄膜層20の厚みは、合計で100nm〜400nm程度である。
(S2)
S2は、図7に示すように、S1工程で形成した導電性薄膜層20上に第3絶縁層22を設ける工程である。第3絶縁層22を構成する材料には、窒化シリコン(SiN)のほか、酸化ケイ素(SiO2)や酸窒化シリコン(SiON)等を用いることができる。これ以外に、第3絶縁層22としてレジスト膜を塗布してもよい。窒化シリコン等からなる第3絶縁層22は、スパッタリング法や真空蒸着法等の薄膜形成法によって、導電性薄膜層20上に約10〜500nmの厚みで均一に形成される。レジスト膜を塗布する場合には、約100〜5000nmの厚みで形成する。本実施形態においては、窒化シリコン(SiN)からなり、厚みが約100nmの第3絶縁層22を形成している。
(S3)
S3は、図8に示すように、S2で形成した第3絶縁層22をパターニングにより一部除去して、導電性薄膜層露出部を形成する工程である。本実施形態においては、S2で形成した第3絶縁層22にレーザを照射し、この後の工程でフィンガー電極を形成する予定の領域に、フィンガー電極の予定幅よりも小さい幅を有する導電性薄膜層露出部を形成する。このとき、レーザは第3絶縁層22のみを除去することができる強度で照射し、レーザ照射部において導電性薄膜層20を残すことができるようにする。具体的には、YAGレーザやエキシマレーザなどを用いることができる。本実施の形態では、レーザ光源としてNd:YAGレーザ(波長1064nm)の第3高調波(波長355nm)を使用し、1パルスあたり約0.1〜0.5J/cm2の強度でレーザを照射する。
本実施形態においては、例えば図8を正面から見た場合において、窒化シリコン(SiN)からなる第3絶縁層22が約100μm幅に残るようにレーザを走査して、第3絶縁層22のパターニングを行う。このようにして導電性薄膜層20が露出した領域を、本実施形態における導電性薄膜層露出部とする。
(S4)
S4は、S3にて形成した導電性薄膜層露出部に銅電極24を形成する工程である。本実施形態においては、透明導電性酸化物層20tと、金属薄膜層20mと、の2層構造の導電性薄膜層20からなるめっきシード層上に、電解めっきの手法を用いて、約10〜30μm程度の厚みの銅めっき被膜からなる銅電極24を形成する。
このとき、窒化シリコン(SiN)からなる第3絶縁層22の厚みは約100nmであり、銅電極24はS2で形成された第3絶縁層22よりも厚くなるように形成されている。電解めっき工程においては一般に、めっき被膜の厚みが絶縁膜からなる壁の厚みを超えると、めっき被膜は高さ方向(図中、z方向)に拡大するだけではく、幅方向(y方向)にも拡大する。従って、本実施形態においても、第3絶縁層22の端部が銅電極24中に侵入した形状となり、銅電極24の形成終了段階における断面図は図9のようになる。このとき、例えば、100μm幅で残された第3絶縁層22のうち、両側の端部から約30μmの領域が銅電極24に覆われる。このようにして形成された銅電極24は、裏面接合型太陽電池セルのフィンガー電極となる。
(S5)
S5は、S4で形成した隣接する銅電極24同士を電気的に分離し、p側電極15と、n側電極14と、を形成する電極分離工程である。S4工程までを終了し、図9に示す断面構造となった太陽電池セル70に対してレーザを照射する。レーザの照射位置は、例えば図10中にLで示した範囲であってよい。レーザは第3絶縁層22のみを除去できる強度とする。レーザのエネルギーは銅に吸収されやすいため、銅電極24に覆われた部分の第3絶縁層22は除去されることがなく、銅電極24に覆われていない部分の第3絶縁層22のみが除去される。つまり、銅電極24そのものが、レーザを用いて第3絶縁層22を除去する際のマスクとなり、銅電極24の端部に合わせて第3絶縁層22が除去される。なお、この工程で使用するレーザの使用条件は(S3)ステップにて使用したレーザの条件と同じものであってよい。
次に、第3絶縁層22の開口部に露出した導電性薄膜層20を除去し、隣接する銅電極24同士を電気的に分離する。例えば、銅電極24同士の分離には、硫酸過水(硫酸水溶液と過酸化水素水との混合水溶液)や塩酸過水(塩化水素水溶液と過酸化水素水との混合水溶液)等のエッチング液を用いた化学エッチング法が適用される。なお、本実施形態においては、化学エッチング液を用いて導電性薄膜層20に溝を形成しているが、この溝の形成にもレーザを用いてもかまわない。その際には、導電性薄膜層20を除去できるようなレーザ出力に変更して溝の形成を行う。このようにして隣接する銅電極24同士が電気的に分離され、それぞれp側電極15およびn側電極14となる。このとき、電極分離のために形成された溝の幅は約50μm程度であってよい。すなわち、p側電極15とn側電極14とは、約50μm幅にまで接近させることができる。
ここで、レーザ照射位置と幅は、例えば図11に示す通りであってもよい。つまり、図11中にLで示した位置にレーザを照射して、2本の溝を同時に形成してもよい。この場合、溝を1本づつ形成する場合に比べて作業時間が短縮され、細い幅で電極分離をすることができる。
(発明の効果)
本実施形態の製造方法を採用することによって、エッチングペーストやフォトレジスト等を用いることなく、幅の小さい溝を形成してp側電極とn側電極との分離を行うことができる。これによって、レーザの照射幅よりも狭い幅の溝を形成できる。レーザ加工により形成可能な溝の幅の最小値は、レーザを発振する装置に拠るものであって、溝の幅の最小値を小さくしようとすると装置が高くなる。本発明によれば、溝の幅の最小値に関係なくレーザ装置を用いて幅の小さい溝を形成できるようになる。更に、従来よりも狭い幅の溝加工によってp側電極15とn側電極14との電極分離を行うことができるため、太陽電池セル表面におけるp側電極15とn側電極14の充填率向上することが出来、同一面積の太陽電池セル表面により多くの電極を形成することができる。詳述すると、第3絶縁層22に覆われた導電性薄膜層20はレーザの照射や化学エッチング法によって除去されないため、光電変換時にキャリアを収集するp側電極15とn側電極14の面積を広くすることができる。これにより、光電変換時に発生するキャリアの収集効率を高め、太陽電池セルの特性を向上させることができる。
(太陽電池セルのバスバー部への適用)
上記製造方法は、裏面接合型太陽電池セルの電極のうちフィンガー電極部について詳細に説明したものであるが、例えばn側電極14のフィンガーの先端と、p側電極15のバスバー部との分離を行う際にも当然適用することができる。図1中のB−B線の断面図を図12に示す。
図12に示すように、n側電極14のフィンガー電極の先端部に、SiNからなる第3絶縁層22及び、透明導電性酸化物層20tと金属薄膜層20mとからなる導電性薄膜層20を残すように電極分離を行う。このとき、p側電極15のバスバー部に形成された銅電極24の端部を電極分離の際のマスクとし、p側電極15のバスバー部にはレーザが照射されるが、n側電極14のフィンガー電極にはレーザが照射されないようにレーザを照射する。つまり、レーザ照射位置の端部は図12中のLの位置とする。n側電極14および第3絶縁層22に覆われていない導電性薄膜層20は、光電変換部で発生したキャリアを、導電性の高い導電性薄膜層20を経由してn側電極14へと収集できる。そのため、導電性薄膜層20の面積を広くすることによって、導電性薄膜層20の近隣領域で発生したキャリアを収集する効率が高まり、太陽電池セルの特性を向上させることができる。
以上、実施形態に基づき本願発明を説明したが、本願の発明はこれに限定されるものではない。本願の発明の意図を逸脱しない範囲において変更を加えることができる。例えば、(S1)では、透明導電性酸化物層20tと金属薄膜層20mとを積層させて導電性薄膜層20を形成しているが、導電性薄膜層20は、透明導電性酸化物層20tの単体でもよい。また、本実施形態では(S5)にて、銅電極24の下に侵入している第3絶縁層22を特に除去していないが、第3絶縁層22は、ウエットエッチング等によって除去されていてもかまわない。
10:半導体基板、12:第1積層体、13:第2積層体、16:第1絶縁層、17:第3積層体、18:第2絶縁層、20:導電性薄膜層、22:第3絶縁層(絶縁膜)、24:銅電極(めっき皮膜)、15:p側電極、14:n側電極

Claims (8)

  1. 半導体基板上に導電性薄膜層を形成する工程と、
    前記導電性薄膜層上の一部に絶縁膜を形成する工程と、
    前記絶縁膜と重ならない領域にある前記導電性薄膜層上と、前記絶縁膜上の一部とにめっき被膜を形成する工程と、
    前記めっき被膜と重ならない領域にある前記絶縁膜を除去する工程と、を含む太陽電池セルの製造方法。
  2. 前記絶縁膜の除去にレーザを用いる、請求項1に記載の太陽電池セルの製造方法。
  3. 前記レーザは、前記めっき被膜と重ならない領域にある前記絶縁膜と、前記絶縁膜と重なる領域にある前記めっき被膜とに同時照射される請求項2に記載の太陽電池セルの製造方法。
  4. 前記絶縁膜の除去にウエットエッチングを用いる、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の太陽電池セルの製造方法。
  5. 前記導電性薄膜層は、金属薄膜層及び透明導電性酸化膜層の少なくとも一方を含む、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の太陽電池セルの製造方法。
  6. 前記半導体基板は、水素を含む非晶質シリコンからなる光電変換層を含む、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の太陽電池セルの製造方法。
  7. 前記めっき被膜と重ならない領域にある前記導電性薄膜層を除去する工程をさらに含む、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の太陽電池セルの製造方法。
  8. 前記導電性薄膜層の除去にレーザを用いる、請求項7に記載の太陽電池セルの製造方法。
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