JPH03502627A - 太陽電池用接点製作の改良された方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 轡゛　　占「１の　　　一 本発明は固体素子半導体装置の製作に関する。更に詳しくは、本発明は窒化ケイ 素で被覆されたケイ素ウェーハの前側に導電性金属接点を形成するための改良さ れた方法に関する。

光里夏λ景 これまで、ケイ素太陽電池を製作する一般的な方法は、（１）浅い接合を形成す るようにＰ型ケイ素すボン中ヘホスフィンを拡散すること、（２）リボンの接合 側に窒化ケイ素の薄い被覆を形成すること、（３）写真平版（適当なホトレジス ト組成物及びエツチングを使用する）によって窒化ケイ素被覆に格子電極パター ンを形成すること、（４）アルミニウムペーストでケイ素リボンの他方の側を被 覆すること、（５）アルミニウム及びケイ素を合金にするようにケイ素を加熱す ること、（６）リボンの両側で露出したケイ素をニッケルでめっきすること、（ ７）ケイ化ニッケルを形成するためにニッケルを焼結すること、及び（８）ケイ 素の金属で覆われた部分上へ追加の金属をめっきすることの工程を含んでいた。

そのような方法のより詳細な説明は米国特許第４４５１．９６９号でみられるこ とができる。

残留レジストの除去を必要上含む写真平版による格子電極の形成工程は非常にを 効である。しかしながら、写真平版は幾つかの時間を消費する工程を含み且つ太 陽電池を作る全コストに不相応に高い負担を加える。

米国特許第４３７５００７号、同第４３８８３４６号及び同第４６４０００１号 並びにそれらで引用された文献は従来技術の状態を例示している。米国特許第４ ３７５００７号はアルミニウムーマグネシウム合金の低抵抗接点を存するケイ素 太陽電池を開示している。　Ａｌ−Ｍｇ合金はＮｉ−５ｂ合金又はＡＩを粉末の 形で混合され、５ｉＪａで被覆されたケイ素太陽電池に低抵抗導電性接点を作る 。

米国特許第４３８８３４６号は固体素子装置のための電極を開示している。！極 は、気化可能な結合側ポリマー及びフルオロカーボンポリマーを含む液体ビヒク ル中に分散された低融点の焼結可能な金属で被覆された卑金属粒子の分散液を含 有するインクのパターンをマスクを通してスクリーン印刷することによって形成 される。スクリーン印刷された装置を焼成する際に、被覆された金属粒子は酸化 されることなく焼結して接点電極を形成する。無反射被覆が次に電池に施される 。

より最近に、米国特許第４６４０００１号（コイワイほか）はケイ素ウェーハが ２５０°Ｃ及び６００°Ｃの間の温度でプラズマＣＶＤ蒸着によって窒化ケイ素 の無反射被覆で被覆された太陽電池製作方法を開示している。窒化ケイ素被覆は ケイ素電池の表面をスクリーン印刷された電極の焼成を受入れ難くする。それ故 、被覆は電極が形成される領域でエツチングによって部分的に除去され、電極が ケイ素ウェーハへ結合されるのを保証する。

本発明が考えられた時点では、光電池式の太陽電池の広まった使用が比較的低い コストで１２％又はそれより高い変換効率を有する信頼性ある太陽電池を作り得 る製作技術の開発に依存することは広く認識されていた。他の半導体装置のよう に、太陽電池のコストは出発材料のコストと出発材料を完成製品に変換するコス トとに依存する。ケイ素を少なくとも１２％の有効なケイ素太陽電池に低コスト で変換することは、格子電極を形成するために適当な低コストの金属化技術なし では達成されることができない。

皇里皇且釣 従って、主たる目的は、金属ペーストが窒化ケイ素を通して焼成されて導電性接 点を形成する太￥ｌＡ電池の製作の低コストの工程手順を提供することである。

本発明の別の目的は、金属ペーストが窒化ケイ素被覆を通して焼成されて基体と 共に導電性接点を形成すると同時に周囲の窒化ケイ素を無反射層として且つ基体 の環境保護体としても作用させる光電池式半導体接合装置を作る改良された低コ ストの方法を提供することである。

更に別の重要な目的は、窒化ケイ素の層が各電池上で無反射被覆として作用し、 且つ金属接点の形成が窒化ケイ素を通して得られる半導体太陽電池を作る改良さ れた方法を提供することである。

本発明の更に別の目的は、ニッケル又は銀を利用するペーストが窒化ケイ素層を 通して焼成されて導電性接点特表平３−５０２６２７　（３） を形成する太陽電池を作る方法を提供することである。

本発明の追加の目的は、（イ）金属接点の通用のｉｐ備中に窒化ケイ素層に格子 パターンをエツチングすることなく、且つ（ロ）接点形成の過程で電池性能を劣 化することなく、前述した目的を達成する窒化ケイ素被覆を有するケイ素太陽電 池を製作する改良された方法を提供することである。

本発明の他の目的は、ニッケル又は銀接点を形成する従来の方法よりも少ない出 費であるが信頼性が少なくないケイ素太陽電池を作る改良された方法を提供する ことである。

上述した目的は、次の工程、即ち（１）Ｐ−Ｎ接合を有し且つ該接合に近接した 基体の前表面上に窒化ケイ素の層を有するケイ素の基体を準備すること、（２） 層が窒化ケイ素上に選択された接点パターンを形成するように選択された金属ペ ーストで窒化ケイ素層を選択的に被覆すること、及び（３）金属被覆を窒化ケイ 素層に迅速に且つ有効に侵入させ且つ金属オーム接点を基体の前表面上に形成す るように基体を加熱することを含む説明した特徴の太陽電池製作手順によって達 成される。新規な方法は背側のオーム接点を既に有するケイ素太陽電池で実施さ れることができ、又は背側のオーム接点は前表面接点が形成された後に形成され ることができる。

好適な実施例は、とりわけ次の工程、即ち（１）Ｐ−Ｎ接合を有し且つ前表面上 に窒化ケイ素の層を有するケイ素基体を準備すること、（２）アルミニウムのペ ーストでケイ素基体の後側を被覆すること、（３）選択された銀又はニッケルペ ーストでケイ素基体の前側を選択的に被覆すること、及び（４）（イ）アルミニ ウムによる付着性導電性後側接点の形成及び（ロ）ペースト中の金属及びフリッ ト組成物の窒化ケイ素層への侵入及び付着性導電性前側接点の形成を迅速に且つ 有効に行うためにケイ素基体を加熱することを含む、その後、基体は例えばそれ を電気回路への連結に備えるために更に加工されることができる。

基体中へ焼成される金属ペーストは次の特性を育しなければならない。第一に、 それは太陽電池の完全性が破壊されない比較的低い温度で、即ち約９００°Ｃよ り低い温度で窒化ケイ素層に迅速に侵入することができなければならない、第二 に、それはそのＰ−Ｎ接合を変えるように従って電池性能を劣化するようにケイ 素基体中へ拡散してはならない、第三に、それは窒化ケイ素層を熱処理中にひび 割れさせないようにしなければならない、第四に、それは無反射素子として作用 する窒化ケイ素層の能力を大きく変えてはならない。

本発明の他の目的は一部明白であり且つ一部以下で明らかになろう、従って本発 明は幾つかの工程を含み且つ以下の詳細な説明で例示される該工程の１つ以上の 工程の他の工程のそれぞれに関する関係を含み、且つその通用範囲は請求の範囲 で示される。

図１Ｂ医番屋ｌｌ【叫 本発明の本質及び目的のより充分な理解のために、本発明の好適な形による太陽 電池を作ることに含まれる多数の工程を例示する添付図面と一緒に考察される以 下の詳細な説明を参照すべきである。

図面全体を通して、同様な参照数字は同様な構造を参照する。

図面において、幾つかの被覆及び領域の厚さ及び深さは尺度をもって図示されて いないし、また図示の便宜の■の晋　ｔＵ 次に図面を参照すると、本発明の好適な実施例はＥＦＧ生長生長炉型ケイ素リボ ンの太陽電池の製造に関する。

この実施例のために、出発部片として半完成された電池１が準備される。半完成 された電池ｌは好ましくは所定長さのＰ型厚電性ケイ素リボンを含む基体２を存 しその一方の側（以下「前側」とする）は比較的浅い接合４（例えば約３０００ 及び約７０００オングストローム単位深さの間の接合）と、Ｎ型（典型的にはＮ ＋）導電性領域６と、窒化ケイ素層１Ｇとを設けている。基体の他方の側（以下 「後側」とする）は好ましくは基体へ合金されたアルミニウムの層１２とＰ＋ｊ ｌ域１４とを設けている＊　　Ｐ　十６１域１４ば好ましくは約１ミクロンから 約５ミクロンまでの厚さを有する。

半完成された電池１は当業界でよく知られる多数の手段のどれかによって製作さ れることができる０例えば、接合４及びＮ十導電性領域６はリンの拡散によって Ｐ型ケイ素基体２中に形成されることができる０層１２及びＰ十領域１４は、基 体の後側を、蒸発又は燃焼によって除去され得るテルピネオール、ジエチレング リコールモノブチルエーテルアセテート又はエチルセルロースのような揮発性有 機ビヒクル中のアルミニウム粉末からなるアルミニウムペーストの層で被覆し、 次に基体を加熱してペーストの揮発性又は熱分解可能な有機成分を除去し且つア ルミニウムを基体へ且つＰ＋領域から合金することによって形成され得る。しか しながら、基体、接合、及び後側電極の他の形、及び製作の他の方法が半完成さ れた電池１を準備するために同等によく採用されることができる。

勿論、本発明によって徒供される方法はＥＦＧ基体から太陽電池を製造すること に制限されない、従って、例えば、鋳造された多結晶質の基体、冶金等級ケイ素 上のエピタキシャルケイ素又は化学的又は物理的蒸着によって形成される微細等 級ポリケイ素が本発明を用いて太陽電池を作るために使用され得る。更に、方法 は単一結晶ケイ素に通用できる。そのうえ、方法はＮ型並びにＰ型材料で実施さ れることができる。また、本発明はリボン又は同様な平らな素材以外の基体、例 えば円形の部片又は円弧状又は多角形横断面を存する基体に適用され得る。

第１図に示すような予め加工された部片で出発すると、前側は、選択された導電 性金属、ケイ酸鉛ガラス又はホウケイ酸鉛ガラスのフリット、及びペーストの２ 〜１０重量％までの量でエチレングリコールモノエチルエーテル又はテルピネオ ールのような低沸点液体有機ビヒクルを含有するペースト１６で被覆される。好 ましくは、コスト及び他の配慮のために、金属はニッケル又は銀である。ペース トは、所定の電極パターンに従って、例えば一端において母線又はランナへ付着 された複数個の狭いフィンガを有する格子電極の形で通用される。適当な格子電 極の１つの形は米国特許第３６８６０３６号に例示されている。ペースト１６は エレクトロニクス産業で一般に使用されている既知の技術のどれかを用いて適用 されることができる。スクリーン印刷及び直接書込み被覆技術は満足し得る。

ペースト１６が適用され且つ乾燥された時、それは焼成される準備ができる。焼 成は酸素雰囲気を有する炉中で行われる。焼成温度は変えることができるが、そ れはいずれの場合にも有機物を揮発させ又は熱分解させるため及びフリットが窒 化ケイ素層１０を通して焼成するまでガラスフリットを融解するために充分であ るべきである。炉中での時間は焼成温度によって変わり、−ｉ的に炉中での全時 間は基体を焼成温度まで上げるに要する時間を含めて０．２５分及び２．０分の 間であり得る。ペース）１６での金属、ガラスフリフト及び有機物の濃度は変え ることができる。しかしながら、好ましくは、ペーストは２０〜７０重量％の金 属、５〜３０重量％のガラスフリフト、及び１〜１２重量％の有機物からなる。

最も好ましくは、ペーストと約５重量％だけのガラスフリフトと１重量％から２ ．０重量％の間のエチレングリコールモノエチルエーテル又は１．０重量％から １０重量％の間のテルピネオールとを有する。ガラスフリントは５〜８０重量％ の鉛と、ケイ酸鉛ガラスの場合には４０重量％までの酸化ケイ素と、ホウケイ酸 鉛ガラスの場合には１〜４０重置％の酸化ホウ素とを含む。

６５０〜８５０°Ｃの温度がペーストを焼成するために適当であるが、約８００ ″Ｃの温度が好ましい、従って、例えば、ａ　ｏ　ｏ　’ｃまで加熱された周囲 空気を含む炉が、選択された導電性金属として銀又はニッケルを含むペーストの ための焼成温度で１５〜６０秒で所望の成果を得るために充分であることが判明 している。もしニッケルがペースト１６に含まれた選択された金属であるならば 、周囲空気は好ましくは例えば９０〜１００％の窒素と０〜１０％の酸素で実質 的に取替えられる。

焼成中、ペースト１６中のガラスフリフトは流動性になり且つ窒化ケイ素層１０ を通して焼成し、凹部１７とオーム接点１８とを形成する。ベース）１６中の有 機物は渾発し又は焼き払われ且つ導電性金属及びガラスフリントは基体の前表面 へ付着してオーム接点１８を形成する。

代替的の好適な実施例では、基体の後側はアルミニウムのペーストで被覆されて いる。この実施例では、前側の窒化ケイ素層ｌＯを通しての金属ペーストの焼成 は、アルミニウムをケイ素基体の後側へ合金するためにアルミニウムペーストを 焼成することと同時に行われる。

本発明の好適な実施例では、導電性金属は銀又はニッケルである。

ペースト１６は銀及びニッケルに追加して又はそれらの代わりに他の金属を含む ことができる。これらの他の金属はパラジウム、白金及びロジウムである。ニッ ケル及び銀と同様に、それらは好ましくは比較的低い温度でオーム接点を形成す ることができる。

次の例は本発明を実施する好適な様態を例示する。

劃− Ｐ型ＥＦＧ生長ケイ素リボンの半完成された電池が約１〜５Ω−Ｃ−の導電率を 有して準備される。！池は、約６０００オングストローム深さの浅いＰ−Ｎ接合 と、その前表面に約８００オングストロームの窒化ケイ素層とを有する。電池の 後側はケイ素へ合金されたアルミニウムの層を有する。

銀含有ペーストの層が窒化ケイ素層上へ選択的にスクリーン印刷される。ペース トの層は米国特許第３６８６０３６号に例示された形を有する多フィンガ付格子 電極としてパターン化される。ペーストは銀の金属と、ホウケイ酸鉛のガラスフ リフトと、液体ビヒクルとしてテルビネオ−ルとを含む、銀金属は粉末の形であ り且つガラスフリフトと５〜８０％の鉛と、５〜３０％の酸化ホウ素と、５〜４ ０％の酸化ケイ素とを含む、銀金属、ガラスフリット及びビヒクルは、ペースト の約７０〜８０重量％、５重量％及び１５〜２５重量％をそれぞれ構成する。

ペーストが乾燥した時（しかしそれは揮発性ビヒクルを蒸発させるためにペース トを加熱することを含む必要がない）、ケイ素基体は空気炉中へ通され且つ空気 中で約８００°Ｃまで加熱される。それはその焼成温度で約１５秒間係たれる０ 次にそれは炉から取出され且つ室温まで冷却される。炉中での全時間は約２分で ある。焼成工程は、ペースト中の有機物が揮発し且つ燃え尽き且つホウケイ酸鉛 ガラスが充分に流動性になって窒化ケイ素被覆を通して焼成し且つケイ素基体の 前表面へ付着するに充分であることが判明した。ガラスフリフトはそれと共に銀 を担持し且つ銀を基体とのオーム接点を作ることを可能にする。

本発明により形成され且つ前述の例によって例証された接点を有するＥＦＧ基体 太陽電池は試験され且つ満足な結果を生じた８本発明により作られた電池は次の 特性を示した。即ち、開回路電圧５８９＋Ｖ、短絡電流密度３０、：）＋Ａ八へ ２、充填係数０．７８、効率１３．８パーセントであった。上述した値は、オー ム接点を形成するためにエツチング及びめっき技術を用いる現行の加工方法で得 られた結果と比較できる。

最良の結果は焼成後フッ素イオンを含む溶液中で短時間（１０〜２０秒）の浴を 受けた接点から得られた。浴の作用を受けた８つの電池からの平均値は次のよう に計算された。即ち、平均開回路電圧は５８８閣νであり、短絡電流は２９．５ −Ａ／ｃ＠”であり、充填係数は０．７５であり、効率は１２．９パーセントで あった。

完成された装置の前側に残留する窒化ケイ素は有効な無反射被覆として作用する 。これに関連して、前述したように、窒化ケイ素被覆が加熱工程に含まれた熱処 理中にひび割れしないことは注目されるべきである。

前部接点が銀で作られる時に後部接点がアルミニウムの代わりに少量のアルミニ ウムを含み得る銀で作られ得ることは注目されるべきである。後部接点は前部接 点を画定するペーストの通用が行われ且つ乾燥された直後に適用されることがで きる。

これらの及び他の変更はここに含まれた本発明の範囲から逸脱せずに上述の加工 でなされ得るので、上の説明に含まれ又は添付図面に示された全ての事項は例示 的として解釈されるべきであることは意図される０本発明は添付請求の範囲が表 す用語の広く一般的な意味によって示される。

浄書（内容に変更なし） 手続補正書防幻 特許庁長官　　　植　松　　　敏　　殿１、事件の表示 ＰＣＴ／ＵＳ８９１０２２４１ 、発明の名称 太陽電池用接点製作の改良された方法 ３゜補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 住　所　　東京都千代田区大手町二丁目２番１号新大手町ビル　２０６区 ５、補正命令の日付　　平成　２年１２月１１日　溌送日）

Claims (25)

【特許請求の範囲】
1. １．（イ）（１）反対方向に向いた第１及び第２の表面、及び（２）前記第１の 表面上の窒化ケイ素の層を有するケイ素基体を準備することと、 （ロ）（１）ニッケル、銀、パラジウム、白金及びロジウムからなる種類から選 択された金属、（２）ケイ酸鉛ガラス又はホウケイ酸鉛ガラスを含むガラスフリ ット、及び（３）有機ビヒクルを含有するペーストで前記窒化ケイ素の層を選択 的に覆うことと、 （ハ）前記ペーストを前記窒化ケイ素に侵入させ且つ前記第１の表面上にオーム 接点を形成するように前記基体を加熱することと、 の工程手順からなる固体素子半導体装置を製作する方法。
2. ２．前記ケイ素基体が前記第１の表面に近接して予め形成されたＰＮ接合を有す る請求の範囲第１項に記載の方法。
3. ３．前記装置が光電池式である請求の範囲第１項に記載の方法。
4. ４．前記金属が銀である請求の範囲第１項に記載の方法。
5. ５．前記金属がニッケルである請求の範囲第１項に記載の方法。
6. ６．前記ガラスフリットがケイ酸鉛ガラスである請求の範囲第１項に記載の方法 。
7. ７．前記ガラスが約５〜８０重量％の鉛を含有する請求の範囲第１項に記載の方 法。
8. ８．前記ガラスがおよそ約３０重量％までの酸化ホウ素を含有する請求の範囲第 ７項に記載の方法。
9. ９．前記ペーストがスクリーン印刷で適用される請求の範囲第１項に記載の方法 。
10. １０．加熱工程（ハ）が酸素を含む雰囲気中で行われる請求の範囲第１項に記載 の方法。
11. １１．前記金属が銀である請求の範囲第１項に記載の方法。
12. １２．前記加熱工程が周囲空気のもとにおいて炉中で行われる請求の範囲第１項 に記載の方法。
13. １３．前記加熱工程が６５０〜８５０℃の間の温度で行われる請求の範囲第１２ 項に記載の方法。
14. １４．前記加熱工程が基体を６５０〜８５０℃の温度で１５〜６０秒間焼成する ことを含む請求の範囲第１３項に記載の方法。
15. １５．前記金属がニッケルである請求の範囲第１４項に記載の方法。
16. １６．前記金属がパラジウムである請求の範囲第１項に記載の方法。
17. １７．前記金属が白金である請求の範囲第１項に記載の方法。
18. １８．前記金属がロジウムである請求の範囲第１項に記載の方法。
19. １９．前記基体が前記第２の表面上に第２のオーム接点を有する請求の範囲第１ 項に記載の方法。
20. ２０．前記第２のオーム接点がアルミニウム又は銀の金属を含む請求の範囲第１ ９項に記載の方法。
21. ２１．第２のアルミニウムを含有する被覆が前記基体に適用される請求の範囲第 １項に記載の方法。
22. ２２．前記ペーストがテルピネオール又はエチレングリコールモノエチルエーテ ルを、テルピネオールの場合にはペーストの１０重量％を越えない量で、エーテ ルの場合には２０重量％を越えない量で含む請求の範囲第１項に記載の方法。
23. ２３．（イ）（１）向かい合わせの第１及び第２の表面、及び（２）前記第１の 表面上の窒化ケイ素の層を有するケイ素基体を準備することと、 （ロ）（１）少なくとも１つの選択された導電性金属、（２）ケイ酸鉛ガラスフ リット及び（３）有機ビヒクルを含有するペーストで前記第１の表面を選択的に 覆うことと、 （ハ）前記選択された金属が前記第１の表面上にオーム接点を形成するように前 記ペーストを前記窒化ケイ素に侵入させるべく前記基体を加熱することと、の工 程によって形成された固体素子半導体装置。
24. ２４．前記ケイ素基体が前記第１の表面に近接して予め形成されたＰＮ接合を有 する請求の範囲第２３項に記載の装置。
25. ２５．前記ペーストがニッケル、銀、パラジウム、白金及びロジウムからなる群 から選ばれた金属を含有する請求の範囲第２４項に記載の装置。