JPH04356972A - 光電変換素子の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光電変換素子の製造方
法の改良、特にその表面のＰＮ接合面の製造に関するも
のである。たとえば、シリコン結晶系の太陽電池に使用
するとその効果は特に大きい。

【０００２】

【従来の技術】光電変換素子の一例として、図６に示さ
れるシリコン太陽電池の例について説明する。

【０００３】従来、シリコン太陽電池は、第１の導電型
たとえばＰ型半導体基板１０の表面すなわち受光面側に
、ＰＯＣｌ３　などの熱拡散を行なって、第２の導電型
たとえばＮ型半導体層１を形成し、これらの半導体層の
界面にＰＮ接合を形成する。裏面側には、全面にわたり
ＢＳＦ（バックサーフェスフィールド）層４を形成し、
さらに裏面電極６を形成する。この場合Ａｌペーストを
裏面に印刷し焼成することにより裏面電極６が形成され
、その内部ではＰ／Ｐ＋　のハイ・ロー障壁が形成され
ることにより、ＢＳＦ層４を形成することができる。ま
た、受光面側には、全面にわたりパッシベーションのた
めのＳｉＯ２　膜２および反射低減のための反射防止膜
３が形成される。最後に、反射防止膜３の表面からＮ型
半導体層１の表面に達する所望のパターンの集電極５を
設ける。この場合、反射防止膜３およびＳｉＯ２　膜２
に孔をあけて、集電極５を蒸着する方法もあるが、近年
は量産化のため、反射防止膜３の表面にＡｇを主成分と
する金属ペーストを印刷し、焼成により前記反射膜３お
よびＳｉＯ２　を貫通して、Ｎ型半導体層１と接する焼
成貫通型の電極が用いられる。

【０００４】受光面の電極５の占有率を上げると集電の
効率はよくなり、曲線因子はよくなるが、有効受光面が
減少するため、光発生電流の低下をもたらし、素子効率
としては低くなる。また集電のための電極の形状や構造
が素子の効率に影響を及ぼし、さらに、拡散層の不純物
濃度や接合深さも素子の特性に影響する。

【０００５】つまり、電極の面積の大小以外に、素子の
特性を左右するものは、光発生電流による直列抵抗損失
であり、これは集電極自体の抵抗損失、バルクの直列抵
抗成分なども挙げられるが、最も大きな要素は、光によ
り発生した少数キャリアが集電極に達するまでに拡散層
を横切る損失である。

【０００６】この抵抗損失を低減するための手段として
は、 （１）　　微細な幅の電極を多数本形成して、少数キャ
リアの生成から取出部までの距離を短くする。

【０００７】（２）　　拡散層の横方向抵抗を下げるた
め、拡散層の表面不純物濃度を高く、かつ接合深さを大
きくする。などが挙げられる。

【０００８】さらに、短波長感度をより高くし、素子の
特性を改善する方法として、拡散層の表面にＳｉＯ２　
膜を形成して少数キャリアの表面再結合を低減させる表
面パッシベーション技術や、パッシベーション技術に合
わせた接合深さの低減化の検討も進んでいる。

【０００９】また、少数キャリアの横方向抵抗を低減さ
せる一手法として、接合深さを集電極に向かって段階的
に深くさせる方法も考えられ、その方法として、受光面
の拡散層を段階的に形成するために、イオンインプラン
テーション法も考えられている。

【００１０】しかしながら、後述のような問題があるた
め、現状では、熱拡散法を用い、拡散層の接合深さは一
様に約０．３ミクロンとし、その面抵抗は５０Ω／□（
表面不純物濃度Ｃｓ　は約５×１０１９ｃｍ−３）で、
集電極の占有率は７％前後にとどまっている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】前述の微細な幅の電極
を多数形成する方法は、たとえば金属ペーストの印刷性
から、その線幅は１００ミクロン程度が限界であり、あ
まりに電極部分の占有率を上げることは、電極直下部が
光に対して影となるため、光発生電流の低下につながる
。

【００１２】拡散層の表面不純物濃度を高く、かつ接合
深さを大きくする方法は、拡散層内での少数キャリアの
再結合が増加することになる。

【００１３】表面パッシベーションとそれに合わせた接
合深さの低減化は、実用レベルの印刷電極形成法におい
ては、表面パッシベーションは行なえるが、接合深さの
低減化は短波長の感度増大には寄与しても、前述のよう
に直列抵抗の増大ということになる。

【００１４】接合深さを段階的に深くする方法は、通常
の熱拡散法では均一な深さの接合しか得られないので使
用することができない。イオンインプランテーション法
を用いれば接合深さを段階的に深くすることもできるが
、大規模な設備、高真空およびアニール処理などが必要
なため実用的な手段とは言い難い。

【００１５】要約すれば、熱拡散法では、接合深さを同
じ工程内で変えることが困難であることおよび素子の直
列抵抗損失を考慮した場合、接合深さを大幅に浅くする
ことができず、曲線因子の低下につながるため、電極占
有率を大きく変えずに、素子の短波長感度向上を図るこ
とは困難であった。

【００１６】また、熱拡散法を使用するときは、処理温
度が高いため基板への熱影響が大きく、少数キャリアの
バルクライフタイムも損なうことがあった。このため、
長波長感度が低下した。

【００１７】本発明の目的は、上記問題点を解決し、電
極部分を変更することなしに、等価的に接合深さを浅く
し、かつ曲線因子の良好な高効率光電変換素子を提供す
ることにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明においては、第１
の導電型の半導体基板の表面に、レーザにより第２の導
電型を与えるドーピングを行ない、集電極の形成予定領
域の下部は深く、集電極とこれに隣接する集電極との中
間に向かって浅くされた接合深さを有する第２の導電型
の半導体層を形成し、第２の導電型の半導体層の接合深
さの深い部分の表面に集電極を形成するようにした。

【００１９】

【作用】各集電極間の中央部分の接合深さを浅く、集電
極に向かって徐々に接合を深くすることによって、各集
電極中間部で短波長光によって生成されたキャリアは、
集電極に至るまでに徐々に低抵抗の拡散層領域を通過す
るため直列抵抗損失を小さくすることができる。したが
って短波長感度を改善するとともに、光生成された少数
キャリアの抵抗損失を小さくすることができる。同時に
短絡電流も改善される。

【００２０】また、ドーピングの際レーザによりシリコ
ン基板表面の溶融固化プロセスとなるため、基板の加熱
は、約７００℃以上となることはなく、熱影響が少ない
ため少数キャリアのバルクライフタイムを損なうことが
ない。このため長波長感度も向上し、短絡電流の増加、
高効率化を図ることができる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の一実施例について説明する。

【００２２】図１は、本発明の一実施例によって製造し
た結晶シリコン系太陽電池の断面図を示す。図６に示さ
れる従来の構造と異なるところはＮ型半導体層１の接合
面の深さである。図６と同一の部分については同一の符
号を付してある。

【００２３】図１において、シリコンよりなるＰ型半導
体基板１０の表面洗浄後、破砕層除去のため化学エッチ
ングを施す。続いて、Ｐ型半導体基板１０に対してＮ型
ドーパント（たとえばＰＨ３　，ＰＣｌ３　，ＡｓＨ３
　など）を含む気相中で、レーザたとえば、３０８ｎｍ
の波長を持つＸｅＣｌエキシマレーザを種々条件を変化
させながら、各集電極の間でＮ型半導体層１の接合深さ
が浅くなるように、照射してドーピングを行なった。

【００２４】エキシマレーザによるドーピングの機構は
、高エネルギー密度の短波長レーザ照射によるシリコン
基板表面の溶融拡散であり、固体シリコンよりも溶融シ
リコン中の方が拡散係数が大幅に大きいことを利用する
とともに、エキシマレーザに対するシリコンの吸収係数
が約１０８　ｃｍ−１と極めて高いことを利用して、基
板表面のみを加熱溶融する浅い接合形成に最適である。

【００２５】実験では、ＰＣｌ３　ガス雰囲気中で照射
エネルギーを変化させて、集電極５，５の予定領域間の
接合深さを徐々に変えた。

【００２６】図２は、横軸にレーザエネルギー密度を示
し、縦軸に溶融シリコン層厚さを示し両者の関係を表わ
すものである。約０．５Ｊ／ｃｍ２　を超えるエネルギ
ー密度で溶融が始まり、１．６Ｊ／ｃｍ２　で約０．４
ミクロンの深さまで溶融の進むことがわかる。一方、こ
のときの表面不純物濃度はＳＩＭＳ評価より、１０２０
ｃｍ−３以上あり、太陽電池拡散層の表面濃度としては
十分であるとともに、熱拡散と異なりその不純物分布は
、ボックス型となっており、従来の熱拡散法でのガウス
分布よりも面抵抗を下げることができる。

【００２７】図３は、横軸に各パルスあたりのレーザエ
ネルギー密度を取り、縦軸に拡散層面抵抗を取り両者の
関係を表わすものであるが、０．７Ｊ／ｃｍ２　で約１
０００Ω／□，０．８Ｊ／ｃｍ２　で１００Ω／□，１
Ｊ／ｃｍ２　を超えると２０〜３０Ω／□の値となる。

【００２８】これらの結果を参照して、実際のセルの接
合形成を行なった。現状では一般的に電極ピッチが３．
７ｍｍで、電極幅が１００ミクロンであるため、これに
合わせて図４に示すように、電極および基板間の接触抵
抗を下げるため、集電極５の直下のＡゾーンは深く、Ｂ
ＣＤ各ゾーンを順次に浅くし電極間中央部Ｅゾーンで最
も浅くなるように、エネルギーと照射スポットを調整し
て最終的な接合深さを決めた。

【００２９】下記の表１は、各ゾーンでのレーザエネル
ギー密度と接合深さおよび表面不純物濃度を示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】しかる後、表面パッシベーション膜となる
ＳｉＯ膜２をＮ型半導体層１上に熱酸化法により８００
℃前後で約１００〜１５０オングストローム形成する。 続いてさらにその表面に熱ＣＶＤ法でＴｉＯ２　よりな
る反射防止膜３を形成した後、Ｐ型半導体基板１０の裏
面に、バルク側で吸収される長波長光の収集効率を改善
するためのＢＳＦ層４を形成する。ＢＳＦ層４は、Ａｌ
ペースト６の印刷後、酸化性雰囲気中において７００℃
で焼成して形成した。

【００３２】続いて受光面電極５は、Ａｇを主成分とす
るペーストを所望のパターンで印刷後、６００℃で焼成
して形成する。このペーストは反射防止膜３およびＳｉ
Ｏ２　膜２を焼成により貫通して、Ｎ型半導体装置１の
表面と良好な接触をする。

【００３３】下記の表２は、本発明による段階的な接合
を有するものと、接合深さが一様に０．３ミクロンであ
る従来構造１と、接合深さが一様に０．２ミクロンであ
る従来構造２とのそれぞれの特性を示すものである。

【００３４】

【表２】

【００３５】図５は表２で示した本発明による太陽電池
と従来構造１の太陽電池との分光感度特性を示すグラフ
であって、横軸は波長，縦軸は分光感度を示し、実線Ａ
は本発明による太陽電池の特性、点線Ｂは従来構造１に
よる特性を示すものであって、短長両波長領域において
感度が改善されていることがわかる。

【００３６】接合形成に際しエキシマレーザを用いると
、浅い接合形成が容易に可能となるとともに、レーザの
発振周波数が１００Ｈｚであるため、１００ミリ角寸法
のシリコン基板でも、図４に示されるＡ〜Ｅのいずれか
の接合を形成するために約１秒，電極ピッチ間ではゾー
ンが８個あるから約８秒，基板全体でも約４分で処理を
終えることができる。勾配領域のゾーンの数を減らすこ
とによって１枚につき約２分で処理することも可能とな
る。またレーザ照射の制御により接合深さを階段的でな
く連続して変化させることもできるであろう。

【００３７】

【発明の効果】ＰＮ接合型で、集電極を具備する太陽電
池において、集電極間の接合深さをレーザドーピング法
で勾配を持たせることによって、従来の熱拡散法により
形成された均一な深さを持つ接合層に比し等価的に接合
を浅くすることができ、特別な電極形成法を用いること
なく短波長感度を増大できる。

【００３８】焼成温度以上の熱履歴を経験しないため、
９００℃近い温度下では予想されるバルクライフタイム
の低下が少なく、バルクで吸収される長波長光の感度を
向上させることができる。

【００３９】以上のように本発明によれば、高温を使用
する熱拡散法を用いることなく、短絡電流が高く、かつ
曲線因子の良好な長短両波長に対して感度の高い光電変
換素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により製造した太陽電池の略断面図であ
る。

【図２】ＸｅＣｌエキシマレーザのエネルギー密度と照
射されたシリコン基板表面の溶融シリコン層の厚みとの
関係を示すグラフである。

【図３】ＰＣｌ３　ガス中におけるレーザエネルギー密
度と拡散層面抵抗の関係を示すグラフである。

【図４】本発明の一実施例における接合深さプロファイ
ルの図面である。

【図５】本発明を実施した太陽電池と従来構造との特性
の比較を示すグラフである。

【図６】従来の太陽電池の断面図である。

【符号の説明】

１　　Ｎ型半導体層 ２　　ＳｉＯ２　膜 ３　　反射防止膜 ４　　ＢＳＦ層 ５　　集電極 ６　　裏面電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　第１の導電型の半導体基板の表面に、
   レーザにより第２の導電型を与えるドーピングを行ない
   、集電極の形成予定領域の下部は深く集電極とこれに隣
   接する集電極との中間に向かって浅くされた接合深さを
   有する第２の導電型の半導体層を形成し、第２の導電型
   の半導体層の接合深さの深い部分の表面に集電極を形成
   することを特徴とする光電変換素子の製造方法。