JPH09331077A

JPH09331077A - 太陽電池およびその製造方法

Info

Publication number: JPH09331077A
Application number: JP8147038A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kajiyama; 健二梶山
Original assignee: ION KOGAKU KENKYUSHO KK
Current assignee: ION KOGAKU KENKYUSHO KK
Priority date: 1996-06-10
Filing date: 1996-06-10
Publication date: 1997-12-22
Anticipated expiration: 2016-06-10
Also published as: JP3628108B2

Abstract

(57)【要約】【課題】結晶半導体の無駄を生じることなく太陽電池
を安価に製造することができる方法および安価な太陽電
池を提供することである。【解決手段】予めｐ型の多結晶シリコンインゴット２
の所定の深さに水素をイオン注入する。原子状水素４が
注入された多結晶シリコンインゴット２を導電性接着剤
３を用いてステンレス基板１の表面に接着する。熱処理
により多結晶シリコンインゴット２から原子状水素４を
析出させて空孔４ａを形成する。熱衝撃により多結晶シ
リコンインゴット２を空孔４ａの領域で切断することに
よりステンレス基板１上にｐ型シリコン層２ａを形成す
る。ｐ型シリコン層２ａにｎ型ドーパントをドーピング
し、熱処理を行うことによりｎ型シリコン層５を形成す
る。その後、ｎ型シリコン層５の表面に電極６および反
射防止膜７を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、結晶系太陽電池お
よびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の結晶系シリコン太陽電池は、例え
ば次のようにして製造される。引き上げ法や鋳造法によ
り作製された多結晶または単結晶のシリコンインゴット
（塊状結晶）を薄いウエハ状に切断する。そして、この
ウエハの表面に拡散法またはイオン注入法によりｐｎ接
合を形成し、さらに真空蒸着法、印刷焼成法やメッキ法
により電極を形成する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の結晶系シ
リコン太陽電池の製造方法においては、多結晶または単
結晶のシリコンインゴットからウエハを切り出す際に、
切り代が発生する。例えば、１５ｃｍ径または１５ｃｍ
角のシリコンインゴットから数百μｍの厚さのウエハを
切り出す場合には、ウエハと同程度の厚さ、すなわち数
百μｍの厚さの切り代が発生する。そのため、実際に使
用するシリコンウエハと同程度の厚さのシリコンの無駄
が生じる。

【０００４】また、結晶系シリコン太陽電池において光
電変換に寄与する厚さは１００μｍ以下であるが、シリ
コンインゴットを１００μｍ以下の厚さのウエハに切断
することは困難である。そのため、実際の結晶系シリコ
ン太陽電池では必要以上の厚さのシリコンを用いている
ことになり、無駄が生じている。

【０００５】本発明の目的は、結晶半導体の無駄を生じ
ることなく結晶系太陽電池を安価に製造することができ
る方法および安価な結晶系太陽電池を提供することであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段および発明の効果】本発明
に係る太陽電池の製造方法は、第１導電型の結晶半導体
の所定の深さに所定の元素を層状にイオン注入した後、
その結晶半導体を基板上に接着し、熱処理により結晶半
導体から上記所定の元素を析出させて結晶半導体中に層
状に分布した空孔を形成し、熱処理により結晶半導体を
層状に分布した空孔の領域で切断して基板上に第１導電
型の半導体層を形成し、第１導電型の半導体層中または
第１導電型の半導体層上に第２導電型の半導体層を形成
するものである。

【０００７】本発明に係る太陽電池の製造方法において
は、結晶半導体の所定の深さに層状に注入された所定の
元素を結晶半導体から析出させることにより結晶半導体
中に層状に分布した空孔を形成し、その層状に分布した
空孔の領域で結晶半導体を切断することにより基板上に
第１導電型の半導体層を形成することができる。この第
１導電型の半導体層の厚さは上記所定の元素の注入深さ
に相当するので、注入深さを調整することにより基板上
に任意の厚さの第１導電型の半導体層を形成することが
できる。

【０００８】したがって、第１導電型の半導体層を光電
変換に必要な薄い厚さに容易に形成することが可能とな
る。また、層状に分布した空孔の領域で切断された結晶
半導体の残りの部分を別の太陽電池の製造に再利用する
ことができる。そのため、結晶半導体の無駄が生じず、
太陽電池の製造コストが低減される。

【０００９】特に、上記所定の元素が水素または希ガス
であることが好ましい。この場合、熱処理により結晶半
導体から上記所定の元素を容易に析出させて結晶半導体
中に層状に分布した空孔を容易に形成することができ
る。

【００１０】また、上記所定の深さは１００μｍ以下で
あることが好ましい。特に、結晶半導体がシリコンであ
る場合には、上記所定の深さが２０μｍ以上１００μｍ
以下であることが好ましい。また、結晶半導体がガリウ
ム砒素である場合には、上記所定の深さが２μｍ以上１
０μｍ以下であることが好ましい。これにより、第１導
電型の半導体層が光電変換に十分に寄与しかつ無駄の生
じない厚さとなる。

【００１１】本発明に係る太陽電池の製造方法が、第１
導電型の結晶半導体の所定の深さに所定の元素を層状に
イオン注入する第１の工程と、第１の工程で所定の元素
が注入された結晶半導体を基板上に接着する第２の工程
と、熱処理により結晶半導体から上記所定の元素を析出
させて結晶半導体中に層状に分布した空孔を形成する第
３の工程と、熱処理により結晶半導体を層状に分布した
空孔の領域で切断して基板上に第１導電型の半導体層を
形成する第４の工程と、第１導電型の半導体層中または
第１導電型の半導体層上に第２導電型の半導体層を形成
する第５の工程とを備えてもよい。

【００１２】特に、第４の工程で第１導電型の半導体層
から切断された結晶半導体を第１の工程で再利用できる
ことが大きな利点である。これにより、結晶半導体の無
駄が生じず、太陽電池の製造コストが低減される。

【００１３】結晶半導体は、単結晶半導体であってもよ
く、多結晶半導体であってもよい。また、所定の元素は
水素または希ガスであることが好ましい。これにより、
第３の工程で熱処理により結晶半導体から上記所定の元
素を容易に析出させて結晶半導体中に層状に分布した空
孔を容易に形成することができる。

【００１４】また、上記所定の深さは１００μｍ以下で
あることが好ましい。特に、結晶半導体がシリコンであ
る場合には、上記所定の深さが２０μｍ以上１００μｍ
以下であることが好ましい。また、結晶半導体がガリウ
ム砒素である場合には、上記所定の深さが２μｍ以上１
０μｍ以下であることが好ましい。これにより、基板上
に光電変換に十分に寄与しかつ無駄の生じない薄い厚さ
の第１導電型の半導体層を形成することができる。

【００１５】また、基板が帯状基板からなり、第２、第
３、第４および第５の工程を帯状基板を移送しつつそれ
ぞれ独立の反応室で連続的に行うことが好ましい。これ
により、帯状基板上に複数の太陽電池を連続的に作製す
ることが可能となる。

【００１６】本発明に係る太陽電池は、基板と、その基
板上に形成された厚さ１００μｍ以下の第１導電型の結
晶半導体層と、第１導電型の結晶半導体中または結晶半
導体層上に形成された第２導電型の結晶半導体層とを備
えたものである。

【００１７】特に、第１導電型の結晶半導体層がシリコ
ンである場合には、上記所定の深さが２０μｍ以上１０
０μｍ以下であることが好ましい。また、第１導電型の
結晶半導体層がガリウム砒素である場合には、上記所定
の深さが２μｍ以上１０μｍ以下であることが好まし
い。

【００１８】本発明に係る太陽電池においては、第１導
電型の結晶半導体層がシリコンである場合、２０μｍ以
上１００μｍ以下、ガリウム砒素である場合には、２μ
ｍ以上１０μｍ以下の厚さを有するので、安い材料コス
トで十分な光電変換を行うことができる。したがって、
安価な太陽電池が提供される。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例における
太陽電池の製造方法を示す模式的工程図である。

【００２０】図１において、ロール１０１に厚さ０．２
ｍｍおよび幅９００ｍｍ程度の帯状のステンレス基板１
が巻かれている。このステンレス基板１を、矢印Ａで示
すように、２本のロール１０１，１０２間で移送しなが
ら工程（ａ）〜（ｈ）を別々の反応室で行う。各々の反
応室の間はエアカーテンまたは差動排気で遮断すること
によりプロセスガスの相互混入が防がれている。

【００２１】予め工程（ｉ）で、例えば１５ｃｍ角のｐ
型の鋳造多結晶シリコンインゴット２にＨ（水素）をイ
オン注入する。これにより、多結晶シリコンインゴット
２中に原子状水素４の注入領域が形成される。多結晶シ
リコンインゴット２の比抵抗は１０^-1Ω・ｃｍ〜数Ω・
ｃｍである。イオン注入の条件としては、水素イオン
（Ｈ⁺）の加速エネルギーを２ＭｅＶとし、ドーズ量を
１×１０¹⁷ｃｍ^-2とする。この場合、注入深さＤは約５
０μｍであり、注入領域の厚さｔは約０．７μｍであ
る。

【００２２】一方、工程（ａ）では、スパッタリング装
置１０を用いてステンレス基板１の表面をＡｒ（アルゴ
ン）によるイオンスパッタクリーニングで清浄にする。
あるいは、有機溶剤または／および酸溶液により清浄に
してもよい。次に、工程（ｂ）において、原子状水素４
が注入された多結晶シリコンインゴット２をＳｎ（ス
ズ）等の低融点金属からなる導電性接着剤３を用いてス
テンレス基板１の表面に２００℃で接着する。あるい
は、有機溶剤に金属粒子を分散させた導電性接着剤で接
着してもよい。

【００２３】次に、工程（ｃ）において、３００℃で熱
処理を行う。これにより、原子状水素４が水素分子ガス
として多結晶シリコンインゴット２の内部に析出され、
多結晶シリコンインゴット２の約５０μｍの深さに層状
に分布する多数の空孔４ａが形成される。次いで、工程
（ｄ）において、５００℃で熱処理を行うことにより、
熱衝撃で多結晶シリコンインゴット２を空孔４ａの領域
で切断する。それにより、ステンレス基板１上に厚さ約
５０μｍのｐ型シリコン層２ａが形成される。ｐ型シリ
コン層２ａの表面は０．０１〜０．１μｍ程度の粗さを
有する。

【００２４】次に、工程（ｅ）において、ｎ型ドーパン
ドとしてＰ（燐）をイオン注入によりｐ型シリコン層２
ａに０．０６μｍ程度の深さまでドーピングする。イオ
ン注入の条件としては、燐イオン（Ｐ⁺）の加速エネル
ギーを５０ｋｅＶとし、ドーズ量を１×１０¹⁶ｃｍ^-2と
する。

【００２５】さらに、工程（ｆ）において、Ｘｅ（キセ
ノン）ランプ１１を用いて短時間熱処理（フッシュアニ
ール）を行う。それにより、ｐ型シリコン層２ａにドー
プされたＰが活性化され、ｐ型シリコン層２ａの表面に
約０．０６μｍの厚さを有するｎ型シリコン層５が形成
される。

【００２６】次に、工程（ｇ）において、ｎ型シリコン
層５の表面にスクリーン印刷により電極６を形成する。
最後に、工程（ｈ）において、ｎ型シリコン層５上にＣ
ＶＤ法（化学的気相成長法）等により窒化シリコン膜等
からなる反射防止膜７を形成する。このようにして、ス
テンレス基板１上に太陽電池セル８が形成される。

【００２７】一方、工程（ｄ）で切断された多結晶シリ
コンインゴット２は、表面が研磨された後、工程（ｉ）
で再利用される。このようにして、ステンレス基板１上
にドライプロセスにより複数の太陽電池セル８が連続的
に製造される。この太陽電池セル８においては、ステン
レス基板１が裏面電極となり、電極６が表面電極とな
る。

【００２８】上記のようにして製造された太陽電池セル
８では、ｐ型シリコン層２ａが約５０μｍと薄く、しか
も、工程（ｄ）で切断された多結晶シリコンインゴット
２の残部が工程（ｉ）で何度も再利用されるので、多結
晶シリコンインゴット２の無駄が生じない。そのため、
太陽電池セル８の製造コストが低減される。

【００２９】また、工程（ｄ）で形成されたｐ型シリコ
ン層２ａの表面は、０．０１〜０．１μｍ程度の粗さを
有するので、太陽電池セル８内に入射した太陽光がｐ型
シリコン層２ａの表面で多重反射され、太陽電池セル８
内の全体に再度進入し、利用される。そのため、実効的
な入射光の反射率が波長に依らず減少し変換効率が向上
する。例えば、〈１００〉面の単結晶インゴットを用い
ると、水素ガスが選択的に（１１１）面に析出するの
で、切断面が（１１１）面の凹凸のあるテクスチャ構造
となり、実効反射率を１／２に減少できる。

【００３０】工程（ａ）の前に、図２に示すように、工
程（ａ’）により、ステンレス基板１上にＣＶＤ法等に
より、酸化シリコン膜等からなる絶縁層１’を形成して
おくと、複数の太陽電池セル８を互いに絶縁することが
でき、それらの複数の太陽電池セル８を直列接続するこ
とが可能になる。それにより、出力電圧を高くすること
ができる。

【００３１】図３（ａ）は図１の太陽電池を用いたハイ
ブリット型太陽電池モジュールの模式的断面図であり、
図３（ｂ）は図２（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。図３
に示すように、ステンレス基板１の上面には図１に示し
た方法で複数の太陽電池セル８が形成されている。ステ
ンレス基板１の下面には複数の金属パイプ３１が配設さ
れている。金属パイプ３１の内部には水が循環する。

【００３２】図３のハイブリット型太陽電池モジュール
では、太陽光のエネルギーが太陽電池セル８により電気
エネルギーに変換されるとともに、太陽光のエネルギー
が金属パイプ３１内で熱エネルギーに変換されて温水が
供給される。

【００３３】このハイブリット型太陽電池モジュールで
は、図１の太陽電池を用いることにより製造コストの低
下と温水利用による付加価値の向上が図れる。太陽電池
の変換効率は温度が上昇すると低下する。図３のハイブ
リッド型太陽電池モジュールでは、金属パイプ３１内に
循環する水が太陽電池セル８を冷却するための冷却水と
しても働くので、エネルギーの有効利用が図られる。

【００３４】なお、上記実施例では、工程（ｃ）で空孔
４ａを形成するために、工程（ａ）でＨをイオン注入し
ているが、Ｈの代わりにＨｅ（ヘリウム）等の希ガスを
用いることもできる。Ｈｅをイオン注入する場合には、
加速エネルギーを１０ＭｅＶ程度とする。

【００３５】多結晶シリコンインゴット２の代わりに単
結晶シリコンインゴットを用いてもよい。また、シリコ
ンインゴットの代わりに板状シリコンを用いてもよい。
さらに、シリコンインゴットの代わりに光吸収係数が大
きいガリウム砒素（ＧａＡｓ）のインゴットを用いても
よい。この場合、光吸収係数がシリコンに比べ大きいの
で、半導体層をシリコンよりも薄い２μｍ以上１０μｍ
以下にできるので、半導体の使用料をさらに低減し、水
素イオン注入エネルギーをシリコンの場合の数分の１に
低下できる。

【００３６】また、ステンレス基板１の代わりにガラス
基板を用いてもよい。ガラス基板側から太陽光を入射す
る場合、ガラス基板とシリコン層との間に透明電極を形
成する。

【００３７】さらに、上記実施例では、ｐ型の多結晶シ
リコンインゴットを用いているが、ｎ型の多結晶または
単結晶のシリコンインゴットを用いてｎ型シリコン層を
形成し、ｎ型シリコン層上にｐ型シリコン層を形成して
もよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における太陽電池の製造方法
を示す模式的工程図である。

【図２】図１の最初の工程の前に追加可能な工程を示す
図である。

【図３】図１の太陽電池を用いたハイブリット型太陽電
池モジュールの模式的断面図である。

【符号の説明】

１ステンレス基板１’ 絶縁膜２多結晶シリコンインゴット２ａｐ型シリコン層３導電性接着剤４原子状水素４ａ空孔５ｎ型シリコン層６電極７反射防止膜８太陽電池セル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型の結晶半導体の所定の深さに
所定の元素を層状にイオン注入した後、前記結晶半導体
を基板上に接着し、熱処理により前記結晶半導体から前
記所定の元素を析出させて前記結晶半導体中に層状に分
布した空孔を形成し、熱処理により前記結晶半導体を前
記層状に分布した空孔の領域で切断して前記基板上に第
１導電型の半導体層を形成し、前記第１導電型の半導体
層中または前記第１導電型の半導体層上に第２導電型の
半導体層を形成することを特徴とする太陽電池の製造方
法。
【請求項２】前記所定の元素は水素または希ガスであ
ることを特徴とする請求項１記載の太陽電池の製造方
法。
【請求項３】前記所定の深さは１００μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１または２記載の太陽電池の製
造方法。
【請求項４】第１導電型の結晶半導体の所定の深さに
所定の元素を層状にイオン注入する第１の工程と、前記第１の工程で前記所定の元素が注入された前記結晶
半導体を基板上に接着する第２の工程と、熱処理により前記結晶半導体から前記所定の元素を析出
させて前記結晶半導体中に層状に分布する空孔を形成す
る第３の工程と、熱処理により前記結晶半導体を前記層状に分布した空孔
の領域で切断して前記基板上に第１導電型の半導体層を
形成する第４の工程と、前記第１導電型の半導体層中または前記第１導電型の半
導体層上に第２導電型の半導体層を形成する第５の工程
とを備えたことを特徴とする太陽電池の製造方法。
【請求項５】前記第４の工程で前記第１導電型の半導
体層から切断された結晶半導体を前記第１の工程で再利
用することを特徴とする請求項４記載の太陽電池の製造
方法。
【請求項６】前記基板は帯状基板からなり、前記第
２、第３、第４および第５の工程を前記帯状基板を移送
しつつそれぞれ独立の反応室で連続的に行うことを特徴
とする請求項４または５記載の太陽電池の製造方法。
【請求項７】前記所定の元素は水素または希ガスから
なることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の
太陽電池の製造方法。
【請求項８】前記所定の深さは１００μｍ以下である
ことを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の太陽
電池の製造方法。
【請求項９】基板と、前記基板上に形成された厚さ１００μｍ以下の第１導電
型の結晶半導体層と、前記第１導電型の結晶半導体層上に形成された第２導電
型の結晶半導体層とを備えたことを特徴とする太陽電
池。