JPH114008A

JPH114008A - 薄膜太陽電池の製造方法

Info

Publication number: JPH114008A
Application number: JP9153399A
Authority: JP
Inventors: Takashi Nishioka; 孝西岡; Katsuyuki Machida; 克之町田; Oku Kuraki; 億久良木; Kazuo Imai; 和雄今井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1997-06-11
Filing date: 1997-06-11
Publication date: 1999-01-06

Abstract

(57)【要約】【課題】支持基板上に積層された薄膜半導体を主たる
構成要素とする薄膜太陽電池の製造方法を提供すること
を課題とする。【解決手段】半導体を主構成要素とする母材基体と、
支持基板とを接着剤を介して接着させる第一の工程と、
該母材基体の一部と該接着剤と該支持基板からなる構成
物を、該母材基体から剥離させる第二の工程を含むこと
を特徴とする薄膜太陽電池の製造方法において、上記接
着剤が室温においてスピンコート法により塗布し、加熱
後に硬化し酸化ケイ素を主成分とするスピンオンガラス
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は支持基板上に積層さ
れた薄膜半導体を主たる構成要素とする薄膜太陽電池の
製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】太陽電池によって実現されるクリーンな
エネルギ生成は、今後益々旺盛になると予想されるエネ
ルギ需要と、環境を汚染しない側面との両者の要請を同
時に満たす技術として期待を集めている。従来の大部分
の結晶系太陽電池の作製は、原材料を溶融し引き上げに
よって形成したバルク結晶から切りだしたウェファ（典
型的には５００μｍ厚）を出発素材とし種々の加工工程
を経て素子に仕上げるものであった。

【０００３】しかしながら、太陽電池の動作に有用な光
電変換層の厚さは、結晶Ｓｉの場合約１００μｍもしく
はそれ以下であり、現状のウェファの厚みにおいては光
電変換への寄与が著しく小さい深い部分がウェファ厚み
方向に多きい割合を占めている。

【０００４】太陽電池がより多方面で大量に用いられる
ことが予想される将来においては、従来の様な厚いウェ
ファの加工による素子作製法は、省資源・環境保護の観
点からも克服されるべき課題となっている。

【０００５】一方、適切な支持基板の上に構成した半導
体薄膜からなる太陽電池（典型的には１０〜１００μｍ
厚）では、薄膜の厚さそのものが上記有効な光電変換層
の厚さと同程度もしくはそれ以下であり、適当な光閉じ
込めの手段を講じることによりウェファから製造した素
子に匹敵する光電変換効率が達成できることに加えて、
資源上の問題からも、このような構成が理想的なものと
なる。

【０００６】このような省資源型薄膜Ｓｉ太陽電池を製
造する方法としては、単結晶もしくは多結晶のバルク
結晶から所望の厚さのＳｉ薄膜を切り出し支持基板上に
搭載する、あるいは、同様な結晶から所望の厚さのＳ
ｉ薄膜を支持基板と接着した状態で一体的に剥離する、
あるいは、所定の支持基板上にＳｉ薄膜層を堆積す
る、もしくはこれらの方法を組み合わせた工程を経、引
き続いて太陽電池形成に必要な種々の既知の加工処理を
行うものがあった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記の方法の場合、
切り出すＳｉ薄膜の膜厚の均一性に問題があった。ま
た、切りしろの部分のＳｉ材料の損失も無視できない程
度に大きい。さらに、切り出した薄膜を何らかの支持基
板上に接着する工程においては、特に膜厚が１００μｍ
以下になるとハンドリングの上で困難を伴い製造歩留り
に問題があった。

【０００８】前記の方法では、１００μｍ以下の膜厚
の薄膜を母材Ｓｉ基体から剥離することは可能なもの
の、薄膜と支持基板との接着力が一般的に乏しかった。
接着力を増大させるために、種々の金属もしくは絶縁物
を薄膜となるべき母材Ｓｉ基体上および／または支持基
板上に形成し接着材質として介在させるにもかかわら
ず、素子形成のための加工工程の過程でＳｉ薄膜が支持
基板から剥がれ落ちてしまうことがしばしばあった。ま
た、より重要な点としては、素子形成のための加工工程
では、しばしば高温の熱処理を伴うため、接着材質の熱
変成およびそれに付随する半導体薄膜の特性への悪影響
が問題となっていた。

【０００９】前記の方法では、あらかじめ支持基板上
に堆積した非晶質もしくは粒径の小さい多結晶Ｓｉ薄膜
に対し、熱処理等をはじめとする種々の方法で結晶粒径
の大きいＳｉ薄膜となし、これにより比較的高効率の太
陽電池を得ようとしていた。この場合は、Ｓｉ膜の堆積
に要するコストおよび付随する種々の熱処理等に要する
コストが相対的に大きく実用上の問題となっていた。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するために以下の手段をとった。

【００１１】すなわち、半導体を主構成要素とする母材
基体と、支持基板とを接着剤を介して接着させる第一の
工程と、該母材基体の一部と該接着剤と該支持基板から
なる構成物を該母材基体から剥離させる第二の工程を含
む薄膜太陽電池の製造方法において、該接着剤が室温に
おいてスピンコート法により塗布し、加熱後に硬化し酸
化ケイ素を主成分とするスピンオンガラスであることを
特徴とする。

【００１２】また、上記製造方法における第二の工程に
おいて、機械的に破断させること、および／または化学
的に溶解させること、および／または加熱により、該母
材基体の一部と該接着剤と該支持基板からなる構成物
を、該母材基体から剥離させることを特徴とする。

【００１３】さらに、上記製造方法において、該支持基
板の少なくとも一部が電気の良導体でなることを特徴と
する。

【００１４】加えて、該電気の良導体が該支持基板上に
積層された構造をなし、その断面形状が先端の細くなっ
た形状であることを特徴とする。

【００１５】また、該電気の良導体が該支持基板上に積
層された構造をなし、該電気の良導体を除く該支持基板
主面に該接着剤を配設したことを特徴とする。

【００１６】さらに、該母材基体が、該母材基体の主面
上の少なくとも一部が該母材基体を構成する主成分たる
物質とは異なる第一の物質で構成され、および／また
は、主面直下の該母材基体の結晶欠陥密度を改変せしめ
てなり、および／または、主面直下の該母材基体中に不
純物を導入せしめてなることを特徴とする。これによ
り、後程太陽電池素子を形成する際に必要となる電極、
反射防止膜等を該母材基体の主面上もしくは該支持基板
の主面上に必要に応じてあらかじめ形成する手段を提供
することとなる。

【００１７】加えて、上記第二の工程の後に残存する該
母材基体の少なくとも一部を繰り返し使用し、複数の薄
膜太陽電池を製造することを特徴とする。第二の工程で
ある剥離工程は、加熱による方法のほか、一般にエッチ
ストップ法等で用いられるような選択性を有する化学的
な方法や、母材基体の一部の機械的性質を改変せしめた
後、機械的な方法により破断／剥離する方法を取ること
も可能である。機械的性質を改変せしめる手段として典
型的なのは、結晶欠陥密度を著しく増大させた部分を母
材基体内に生成することであり、重イオンの注入等の方
法により行うことができる。

【００１８】＜作用＞先ず室温において支持基板上に
接着剤をスピンコーターで塗布し、母材Ｓｉ基体と接着
させた後、最大約５００℃までの熱処理を行うことによ
り、該接着材質中の溶剤成分を揮発させ、酸化シリコン
を主成分とする膜状のスピンオンガラスとし、隣接する
物質と強固に接着するに至る。ここで、接着界面の一部
に電極、反射防止膜等が存在しても接着力には大きな変
化はない。このように支持基板上にスピンコーターで塗
布したスピンオンガラスからなる接着剤は、接着処理
後、酸化シリコンを主成分とする膜となるため、引き続
いて行われる太陽電池素子形成のための加工工程におけ
る高温の熱処理においても安定で、半導体薄膜の特性へ
悪影響を及ぼすことがない。むしろ、かかる酸化シリコ
ンを主成分とする膜は隣接する半導体薄膜中に生成され
たキャリアの表面再結合を防止し有効な外部電流として
取り出すことを可能にする効果をもたらす。

【００１９】母材Ｓｉ基体の主面近傍には、スピンオン
ガラスでなる接着剤で接着前にあらかじめ例えばプロト
ンイオン注入等を行い、１０μｍ厚程度の薄膜の剥離が
起こるように主面直下の母材Ｓｉ基体の欠陥密度を増大
させておく。このようにして積層された、母材基体・接
着剤・支持基板からなる構成体は、約６００℃に加熱し
ながら破断させることにより、１０μｍ厚程度のＳｉ薄
膜・接着剤（結果的に酸化シリコンが主成分となる）・
支持基板が一体となって積層した構成物として得られ
る。この場合、熱処理を経た酸化シリコンを主成分とす
る接着剤はＳｉ薄膜および支持基板を強固に接着させて
おり、後の太陽電池素子形成のための加工工程を経ても
Ｓｉ薄膜が支持基板から剥がれ落ちてしまうことはな
い。以下、本発明による太陽電池の製造方法を実施例に
沿って説明する。

【００２０】

【発明の実施の形態】

＜第１の実施の形態の説明＞図１は本発明による第１の
実施の形態を説明する図である。図１（ａ）中、符号１
母材Ｓｉ結晶基体であり、本実施の形態では、ｐ形（１
００）基板を用いている。符号２はプロトンイオン注入
の様子を示すもので、主要な結晶軸を示す垂直入射方向
からは数度ずれたいわゆるランダム方位の注入を行って
いる。符号３は注入されたイオンを表わし、同図に示す
ように注入されたイオンは注入エネルギに応じてＳｉ基
体内の一定深さ４の位置近辺に高濃度で分布する。

【００２１】本実施の形態では、１ＭｅＶで注入を行
い、深さ４は約１５μｍであった。注入に先立ってＳｉ
基板１１にはあらかじめｎ形層１４が形成されている。
図１（ａ）とは別に、図１（ｂ）に示すように、ガラス
でなる支持基板６上に、後にｎ電極となる銀を主成分と
する金属層７形成した後、Ｓｉを含有する塗布液を用
い、スピンコーターにより接着剤８を塗布した。ここ
で、上記接着剤８は室温ではゲル状であるが、基板６上
に塗布した後に所定の温度で加熱することで硬化してガ
ラス膜を形成するものであり、その塗布条件としては、
例えば１５００ｒｐｍで２０秒、塗布後の揮発成分除去
のためのプリベークは１２０℃、３分で行った。図１
（ａ）と（ｂ）に示す両部分の接着（第一の工程）は、
接着面５０と８０を対向させて重ね、支持基板６の裏面
６０から荷重３０グラム重／ｃｍ²を加え、１３０℃、
１０分の熱処理を施すことにより行った（図１
（ｃ））。

【００２２】次いで、６００℃、３０分の熱処理を行う
ことにより、注入されたプロトンイオン３はＳｉ結晶基
体１内を動き、注入により生起された欠陥のまわりに凝
集し、ついには当初より高密度にイオンが存在していた
深さ４の位置近辺を破断面３０となして破断し半導体層
３１として剥離される（第二の工程、図２（ａ））。残
った母材Ｓｉ結晶基体１は、新たな母材基体として再利
用される。

【００２３】図２（ｂ）は、図２（ａ）の剥離工程後種
々の工程を経て太陽電池が構成された様子を説明する図
である。８００℃の熱処理を行うことにより、金属層
７、および／または接着剤の層８中に含有せしめられた
不純物元素の拡散によりｎ形層５と金属層７は電気的に
接続される。光生成キャリアの表面再結合防止・太陽光
反射防止を兼ねたシリコン酸化膜９を付着後、ｐ電極１
０形成、熱処理を行い、太陽電池が完成する。本実施の
形態の場合、太陽光は１１のように上部から照射され
る。

【００２４】＜本発明の第２の実施の形態の説明＞図
３，４は本発明による第２の実施の形態を説明する図で
ある。図３（ａ）は、第１の実施の形態と同様にプロト
ンイオン注入された様子を示す。ただし、本実施の形態
では第一の実施の形態と異なり、あらかじめｎ形層が形
成されることはない。注入後、後に接着面となる２０上
に短冊状にｐ形電極２１が形成された（図３（ｂ））。

【００２５】一方、図３（ｃ）に示すように、ガラスで
なる支持基板６の主面上の一部に２１と同様のパターン
の短冊状電極金属２２ならびにスピンオンガラスでなる
接着剤８が配置された。該接着剤８の形成は、前記第一
の実施の形態と同様の工程を経て行われた。上記接着剤
８の形成の過程で、該接着剤が本来持っている粘性のた
めに２２のようにパターン化した凹凸面においても平坦
な面８０を得ることが出来た。

【００２６】図３（ｂ）と（ｃ）に示す両部分の接着
（第一の工程）は、接着面２０と接着面８０を対向させ
て重ね、支持基板６の裏面６０から荷重を加えて行っ
た。荷重の量および熱処理条件を適正にすることによ
り、接着剤８の粘性の作用で電極２１，２２が接触した
状態で接着された（図４（ａ））。次いで、第一の実施
の形態と同様の第二の工程を経て半導体層３１を得た
（図４（ｂ））。さらに、太陽電池素子を形成するため
に図４（ｃ）に示すように、ドープトガラス層９１を堆
積後熱処理を施しｎ形拡散層９２を得るとともに、ｎ電
極２３を形成した。ドープトガラス層９１は太陽光の反
射防止膜としても機能する。本実施の形態では、下部電
極２１，２２が短冊状であるため、太陽光は１１のよう
に上部から照射されるのみならず、１２のように下部か
らの照射も可能で、より有効な光電変換機能を発揮でき
る。

【００２７】＜本発明の第三の実施の形態の説明＞図５
は本発明による第三の実施の形態を説明する図である。
図５（ａ）で、１２１は母材Ｓｉ結晶基体で本実施の形
態ではｎ形（１００）基板を用いている。Ｓｉ結晶基体
１２１の裏面より光１２３を照射しつつ表面から陽極化
成反応を行わしめる。一定の径の穴が形成されるために
は、光１２３の照射には８００ｎｍ以上の波長の光をカ
ットするフィルターを用いて行うのが好適であった。陽
極化成条件を適宜設定することにより３０μｍ深さ、直
径１μｍの柱状穴１２２が形成された。柱状穴１２２の
Ｓｉ結晶面内配置については、あらかじめＳｉ結晶基体
１２１の表面に光リソグラフィー等の方法により微小な
凹面（ピット）を生じさせておけば、それをきっかけと
して陽極化成条件に依存した一定の径の穴が形成可能で
ある。

【００２８】引き続いて、図５（ｂ）に示すように、バ
イアス等の陽極化成条件を瞬時に大きく変化させ、比較
的短時間の反応で多孔質度の大きい層１２４を形成し
た。次いで、接合を形成するために、図５（ｃ）のよう
にボロン（Ｂ）ドープガラス１２５を塗布した。通常の
拡散過程を経て、ｎ形Ｓｉ層１３１内にｐ形拡散層１２
６を形成しＢドープガラス１２５を除去した後、ｐ電極
１２７を付着させ、さらに支持基板となるガラス板１２
８をスピンオンガラスでなる接着剤１２９を介して積層
した（図６（ａ））。柱状穴１２２を有する層はガラス
板１２８、接着剤１２９と一体的に母材Ｓｉ結晶基体１
２１から機械的に剥離された。多孔質層１２４は機械的
に脆弱なため、破断面１４０を境にして剥離された。な
お、剥離の際には、剥離を助長するために酸等の溶液に
浸す化学的処理を付加することによって、より好適に破
断が行われた。剥離後、柱状穴層側に残存した多孔質層
１４１はエッチングにより除去された。また、剥離後残
存した母材Ｓｉ結晶基体１２１は、破断面１４０近傍の
多孔質層１４２を除去後再利用された。

【００２９】剥離された構成体は、図６（ｂ）に示すよ
うに太陽光の反射防止膜１１９、ｎ電極１２０が順次形
成され太陽電池を構成した。なお、貫通穴１２２の周辺
部Ｓｉは、穴形成に伴う歪が蓄積され酸化されやすい状
態になっており、穴形成直後からｎ電極形成に至るまで
の過程で酸化膜１３２が形成される。太陽電池特性の観
点からは、酸化膜１３２、反射防止膜１１９は光生成キ
ャリアの表面再結合を防止する上で有効であった。

【００３０】なお、ｐ電極１２７を透明電極とした場
合、および／またはｐ電極１２７をｐ形拡散層１２６上
に格子状に形成する等の方法により、図６（ｂ）で上部
より入射した光の一部は穴１２２、ｐ電極１２７、ガラ
ス板１２８を通過することが可能で、いわゆるシースル
ー機能を有した太陽電池の構成も可能である。柱状穴１
２２の配置および深さ・径は陽極化成条件を制御するこ
とにより調整可能であり、例えばシースルーの程度等も
変化させることができる。なお、ｐ電極１２７を格子状
に形成した場合でも、接着剤１２９は電極の凹凸を埋め
るように流動し接着されるため、薄膜状Ｓｉと支持基板
１２８は接着剤１２９により全面電極の場合と同様に強
固に接着される。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の製造方法
により得られた薄膜太陽電池では、スピンオンガラスを
接着剤に用いることにより、単結晶もしくは粒径の大き
い多結晶Ｓｉ母材から薄膜を大面積（典型的には６イン
チ径）にわたって容易に剥離することができるため、高
効率で安価な太陽電池が実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第一の実施の形態を説明する図で
ある。

【図２】本発明による第一の実施の形態を説明する図で
ある。

【図３】本発明による第二の実施の形態を説明する図で
ある。

【図４】本発明による第二の実施の形態を説明する図で
ある。

【図５】本発明による第三の実施の形態を説明する図で
ある。

【図６】本発明による第三の実施の形態を説明する図で
ある。

【符号の説明】

１母材Ｓｉ結晶基体２プロトンイオンが注入される様子３注入されたプロトンイオン４プロトンイオンが高濃度に存在する領域を表わす深
さ５ｎ形層６支持基板７，２３ｎ電極８接着剤９シリコン酸化膜１０ｐ電極１１，１２，１３太陽光２０，５０，８０接着面２１ｐ電極２２下部電極３０破断面３１半導体薄膜層６０ガラス基板裏面９１ドープトガラス層９２ｎ形拡散層１１９反射防止膜１２０ｎ電極１２１母材ｎ形（１００）Ｓｉ結晶基体１２２柱状穴１２３陽極化成反応時に照射される光１２４多孔質度の大きい層１２５Ｂドープガラス１２６ｐ形拡散層１２７ｐ電極１２８支持基板となるガラス板１２９接着剤１３１ｎ形Ｓｉ層１３２柱状の酸化領域１４０破断面１４１柱状穴層側に残存した多孔質層１４２母材Ｓｉ基体側の破断面近傍の多孔質層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者今井和雄東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体を主構成要素とする母材基体と、
支持基板とを接着剤を介して接着させる第一の工程と、
該母材基体の一部と該接着剤と該支持基板からなる構成
物を、該母材基体から剥離させる第二の工程を含む薄膜
太陽電池の製造方法において、上記接着剤が室温においてスピンコート法により塗布
し、加熱後に硬化し酸化ケイ素を主成分とするスピンオ
ンガラスであることを特徴とする薄膜太陽電池の製造方
法。
【請求項２】請求項１記載の薄膜太陽電池の製造方法
の第二の工程において、機械的に破断させること、および／または化学的に溶解
させること、および／または加熱により、該母材基体の
一部と該接着剤と該支持基板からなる構成物とを、該母
材基体から剥離させることを特徴とする薄膜太陽電池の
製造方法。
【請求項３】請求項１記載の薄膜太陽電池の製造方法
において、上記支持基板の少なくとも一部が電気の良導体であるこ
とを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項４】請求項３において、上記電気の良導体が該支持基板上に積層された構造をな
し、その断面形状が先端の細くなった形状であることを
特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項５】請求項３において、上記電気の良導体が該支持基板上に積層された構造をな
し、該電気の良導体を除く該支持基板主面に該接着剤を
配設したことを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項６】請求項１において、上記母材基体が、該母材基体の主面上の少なくとも一部
が該母材基体を構成する主成分たる物質とは異なる第一
の物質で構成され、および／または、主面直下の該母材
基体の結晶欠陥密度を改変せしめてなり、および／また
は、主面直下の該母材基体中に不純物を導入せしめてな
ることを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項７】請求項１の薄膜太陽電池の製造方法にお
いて、上記第二の工程の後に残存する該母材基体の少なくとも
一部を繰り返し使用し、複数の請求項１記載の薄膜太陽
電池を製造することを特徴とする薄膜太陽電池の製造方
法。