JPH11504762A - バックサーフィスフィールドを有するソーラーセル及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 バッククサーフィスフィールド（back-surface-field）の簡単な製造のために、次のことが提案される。すなわち、ホウ素を含有する拡散源層（２）をシリコンウェハ（１）の裏面側（ＲＳ）に塗付し、ホウ素を９００℃から１２００℃の温度で１〜５μｍの深さにまでウェハに注入することが提案される。これは酸素を含む雰囲気の中で行われ、この結果、酸化層（４）が露出したシリコン表面上に形成される。この酸化層（４）はドーピングすべきではない領域をマスキングする必要性を除去する。この酸化層及び拡散源層を除去した後で、リン拡散が行われ、裏面端子（３）が製造される。この裏面端子（３）はアルミニウムを含有しており、焼き付け処理の間に良好なオーム抵抗を有する端子をつくる。

Description

【発明の詳細な説明】 バックサーフィスフィールドを有するソーラーセル及びその製造方法 シリコンソーラーセルの厚さを低減しようとすると、ソーラーセルの効率の低 下が見られる。このことは、一方では吸収長が比較的薄くなると、もはや太陽光 の完全な吸収ができないためである。他方では、電荷担体が裏面の近傍で多量に 生成され、小数電荷担体が拡散によって裏面電極に到達することができ、これに より多数電荷担体によって発生される電流が低下する。 裏面のハイドーピング層によって、小数電荷担体の拡散を妨害する領域、いわ ゆるバックサーフィスフィールド（back-surface-field）を形成することができ る。このためには、ｐドーピングされたソーラーセル本体及びこのソーラーセル の光入射側面又は表面側にｎ⁺ドーピングされたエミッタを有するソーラーセル 構造の場合、ｐ⁺ドーピングが裏面側に必要である。このｐ⁺ドーピングの形成の ためによくアルミニウムが提案される。アルミニウムは、薄い層として例えば裏 面側への蒸着によって塗付され、さらにアニーリング段階によって注入乃至は合 金化される。また、アルミニウムを含有する裏面端子を塗付することによって 、及びアルミニウムの相応の注入によってｐ⁺ドーピングを形成することもでき る。さらに、アルミニウムを固体拡散源からソーラーセル基板内に拡散させるこ ともできる。これは当然次のような不利な点に結びつく。すなわち、ソーラーセ ル基板が両面側でアルミニウムドーピングされ、これによりｐ⁺ｐｐ⁺構造が形成 される、という不利な点と結びつく。 ホウ素もまたｐドーピングの形成には適当である。この場合、相応のバックサ ーフィスフィールドは、相応の揮発性の又はガス状のホウ素化合物のガス拡散に よって、及びホウ素含有シリコン層を裏面側に塗付又はドープ剤を含有する液体 性溶剤を塗付することによって形成される。しかし、ドーピングを注入するのに 必要な温度において、ホウ素化合物の高い揮発性のために、常に周囲全体拡散が 観察される。この周囲全体拡散は、ドーピングするべきではないソーラーセル領 域をマスキングによって阻止されなけばならない。 方法的には簡単に製造される、アルミニウムによるｐ⁺ドーピングは非常に腐 食しやすいという不利な点を有する。時間の経過すると、アルミニウムを含有す る層領域は腐食し解離しうる。これは裏面端子を損傷させ、ソーラーセル性能を 低下させる。 本発明の課題は、シリコンソーラーセルにおけるバックサーフィスフィールド の製造方法を提供することである。この方法は、大きなコストをかけずに、従来 のソーラーセルの製造方法に統合されうる。この方法は、簡単に確実に実施しう る。そしてこの方法は腐食しやすさを低減することにより長期間安定したソーラ ーセルをもたらす。この本発明の方法によって次のことが可能になる。すなわち 、比較的薄いソーラーセルによってシリコン材料を節約でき、それにもかかわら ずより高いソーラーセル効率を達成することが可能になる。 上記化課題は本発明においては請求項１記載の方法によって解決される。この やり方で製造されたソーラーセルは請求項９に示されている。他方で、本発明の その他の実施形態は従属請求項に示されている。 本発明の基本的なアイデアは、バックサーフィスフィールドのｐ⁺ドーピング をホウ素含有拡散源層からホウ素を追い出すことによって形成することである。 ウェハの周縁部及び表面側の望ましくないドーピングは阻止される。この阻止は 、酸素含有雰囲気の中で９００〜１２００℃の高温でホウ素を追い出すことによ って行われる。この条件下では、ウェハの周縁部及び表面側にすぐに酸化層が形 成される。この酸化層はマスキングに使用され、これによりこの箇所での望まし くないドーピングが阻止される。注入の後で、酸化層及び拡散源層は簡単なエッ チング段階によって除去される。 従って、バックサーフィスフィールド（ＢＳＦ）の 製造は半導体接合の前にすなわちソーラーセルの表面側にリンを拡散する前に行 われる。選択される高温によって確実にホウ素ドーピングは深く注入される。こ のホウ素ドーピングはソーラーセルのそれ以後の製造工程全てと同様に安定して いる。このソーラーセルのそれ以後の製造工程全てははるかに低い温度下で実施 される。 本発明のさらに別の利点は、リンの拡散による接合の製造の際に得られる。こ のリンの拡散は周囲で、すなわちウェハの両面側及び周縁部で行われる。それゆ えリン拡散に対しては、所定の領域への望ましくないドーピングを排除するため に層領域のマスキングも被覆も必要ない。深く注入されるＢＳＦドーピングは表 面付近でのみリンによって過剰補償される。 裏面端子のアルミニウム含有材料によって今度はこの裏面端子の焼き入れの際 にｐ⁺層への貫通接続が可能であり、この場合この裏面端子領域でｎ⁺層を再補償 することができる。この裏面端子はこの場合構造的に又は完全に平坦に塗付され る。 拡散源層はホウ素含有層である。このホウ素含有層からホウ素は熱によって追 い出される。有利には、この拡散源層はホウ素ドーピングレジストによって塗付 される。このレジストは、ホウ素又はホウ素化合物の他にパウダ状のＳｉＯ₂を 懸濁液中に含んでいる。このドーピングレジストは通常は電力用半導体において ハイドーピングを製造するために使用される。これは液体状で塗付され、例えば 回転塗付（spin on）される。 有利にはソーラーセルの裏面側は疎水性であり、よって酸化物がない。このソ ーラーセルの表面側にはできるだけ薄い層としてドーピングレジストが塗付され 乾燥される。これによって、拡散源層が注入の際にひび割れを形成したり又は剥 離することが阻止される。均質で損なわれていない拡散源層によって裏面の均質 なドーピングが達成される。 拡散源層からホウ素をソーラーセル内への注入は、９００〜１２００℃で、有 利には１０００〜１１００℃で行われる。この範囲は、使用目的のためのドーピ ングレジストの製造者が提案する１２８０℃より下にある。しかし、注入温度は 、ソーラーセルでこれまで通常温度とされてきた温度よりも高い。 ホウ素ドーピングレジストの使用に対しては、このドーピングレジストの製造 者はこれまでは構成要素又はウェハの片側面をレジストで被覆し、それぞれドー ピングすべき面又はドーピングされない面が互いに上下に重なるように積層体状 に重ね合わせることを提案した。これによって、それぞれ上下に重ね合わさる面 のドーピングは、マスキングをする必要なしに阻止される。この提案された方法 は、しかし、次のような不利な点を有している。すなわち、構成要素又はウェハ は必要とされる高い注入温度において一つの塊になり、続いて機械的に又は化学 的に互いに分離分解されざるおえない、という不利な点を有している。 本発明の方法では、ドーピングされない領域を積層することによってマスキン グすることも被覆することも必要ない。ドーピングの注入の際には、ソーラーセ ル（ウェハ）は、互いに間隔をあけて配置される。この結果、塊になることは起 こりえない。 ドーピングの注入の際には、雰囲気は酸素を含有していなければならない。有 利には、この工程は純粋な酸素雰囲気の中で処理される。酸化層がすぐに形成さ れるように、ソーラーセルは注入温度に予め加熱された炉の中に直接挿入される 。酸化物の迅速な形成の後で、この酸素雰囲気は別の気体ガス例えば窒素によっ て取って代わられる。 さらに別の本発明の方法の利点は、酸化層のホウ素に対する親和力から得られ る。この親和力はシリコンのホウ素に対する親和力よりも大きい。これによって 、場合によっては、ドーピングの注入の際に雰囲気の中に逃れ出る揮発性のホウ 素が酸化層によって吸収され、このホウ素がほんのわずかであるがホウ素ドーピ ングから除外されるべき面領域に侵入することが起こりうる。 冷却の後で拡散源層も酸化層も例えばＨＦディップによって除去される。 ソーラーセルに必要な半導体接合はリン拡散によって生産される。これは周囲 拡散によって行われる。この場合、表面側のｎ⁺ドーピングされたエミッタ層の ほかに、裏面側にも平坦なｎ⁺ドーピングされた層領域が成立する。リン拡散の 際には、ホウ素注入の際よりもはるかに低い温度ほぼ８００〜９００℃に設定さ れるので、ソーラーセルの裏面側には、１〜５μｍを有するはるかに深いｐ⁺ド ーピングがほぼ０.２μｍの深さのｎ⁺ドーピングの下に残る。 性能のよい半導体構成要素を得るためには、ソーラーセルの周縁部のｐ⁺ドー ピングを分離するしなくてはならない。これによって、短絡そしてこの短絡の結 果生じるソーラーセルの出力損失が回避される。分離するためには、ソーラーセ ルを互いに上下に積層し、短時間エッチングプラズマにさらせばよい。 性能のよい裏面端子を得るためには、裏面側にｐ⁺層がｎ⁺を貫いて接続されな ければならない。これはほぼ重量の１〜３％のアルミニウムを含有する裏面端子 によって達成される。このアルミニウムは裏面端子を焼きつけする際にソーラー セルの裏面側に侵入し、そこでｐ⁺ドーピングを生成する。この裏面端子の下の ｐ⁺ドーピングは、ｎ⁺ドーピングを過剰補償する。したがって、この裏面端子の 下に低オーム抵抗の接続領域が生成される。この接続領域はソーラーセルの動作 中に良好な電流通路を確保する。 性能のよいソーラーセルにまだ欠けている表面側の電流導通端子（表面端子） は、公知のやり方で、裏面端子の前に、裏面端子の間に、又は裏面端子と同時に 、又は裏面端子の焼き付けの後で製造すればよい。 次に本発明を実施例及び７つの図に基づいて詳しく説明する。 図１〜４は、ソーラーセルの概略的な断面に基づいて異なる方法ステップを示 す。 図５及び６はソーラーセルの本発明によって生成されたドーピングの形を示す 。 図７は、完成したソーラーセルの概略的な断面図を示す。 図１：ソーラーセルとして例えば＜１００＞の配向を有するｐドーピングされ たＣｚシリコンウェハが選択される。このウェハの場合、短い塩基性の結晶配向 するエッチング（crystal-oriented etching）を用いて面のテキスチャリング（ texturing）が生成される。この組織化は、反射を低減するために光入射の幾何 学的構造を改善する（図１には図示されてはいない）。 裏面側ＲＳには薄いドーピングレジスト層２（例え れる。 図２：こうして用意されたウェハが今やトレイ又は棚にセットされ、１０００ 〜１１００℃までの予め加 熱された炉の中に挿入される。炉の中には純粋な酸素雰囲気が入れられており、 この結果、すぐにドーピングレジスト層２によって被覆されていないウェハ１の 全ての面に酸化層４が形成される。同時に、ドーピングレジスト層２からホウ素 が追い出され、ウェハ１の裏面側ＲＳの中に拡散する。この際、ほぼ１〜５μｍ の深さのｐ⁺ドーピングされた領域５が形成される。 ＨＦディップによって酸化層４及びドーピングレジスト層２がこのウェハから 除去される。 図３：リン拡散（矢印６を参照）によって平坦なｎ⁺ドーピングされた面領域 ７が周囲に生成される。条件は、ｎ⁺ドーピングされた領域７がほぼ１μｍ、有 利には０.２μｍの深さに達するように調整される。 図４：このディスクの周縁部のｎ⁺領域を（たとえばプラズマでの）エッチン グによって分離した後で裏面端子３が塗付される。これは例えばペーストを有す るスクリーン印刷によって行われる。このペーストは結合剤及び酸化物添加物の 他に、導電性の銀の粒子及び重量にして１〜３％のアルミニウムを含有している 。プリントした後で、裏面端子３はほぼ７００〜８００℃で焼き付けられる。こ の際付加的にこのペーストに含有されているドープ剤アルミニウムがソーラーセ ル裏面側に注入され、そこの接続領域８においてｎ⁺ドーピングの過剰補償によ ってｐ⁺ドーピングが確保され、これによりｐ⁺領域５と裏面端子３との間に良 好なオーム抵抗を確保する。 図５は、裏面端子を焼き付ける前のソーラーセルの形成されたドーピングの形 を概略的に図示している。この場合、ドーピング濃度は裏面側ＲＳと表面側ＶＳ との間のディスクの厚さに対して示されている。領域１は低い均一な本来のウェ ハのｐドーピングである。領域５はｐ⁺ドーピングを示し、ウェハの裏面側ＲＳ にほぼ５μｍ注入されている。リン拡散によって生成された、ほぼ０.２μｍの 小さい侵入深度を有するｎ⁺ドーピング７は表面側にエミッタを形成し、裏面側 ではｐ⁺ドーピングの過剰補償によって同様にｎ⁺ドーピングされた領域を形成し ている。 図６では裏面端子の焼き付け後のドーピングの形を図示している。ここでは、 図示された切断面の切断領域に裏面端子がある。アルミニウムによって接続領域 では裏面側のｎ⁺ドーピングが過剰補償され、このため裏面端子の下に連続する ｐ⁺ドーピングされた領域が成立している。こうして、プリントされ焼き付けさ れた裏面端子のソーラーセルに対する良好なオーム抵抗接続が保証される。 図７はそれ自体は公知の方法ステップで製造されたソーラーセルの概略的な断 面図を示している。このセルは少なくとも１つの表面端子９ならびに選択的に表 面側の反射防止層１０ならびに裏面側不活性化層１１、例えば不活性化酸化物を 有する。この反射防止層１ ０は例えば酸化物又は窒化珪素から形成される。これら両方の層は選択的に表面 端子及び／又は裏面端子の塗付の前に製造される。高い面ドーピングのために、 この場合酸化物がとりわけ迅速に成長し、このため不活性化のためには適度な温 度及び短い処理時間で十分である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年２月１２日 【補正内容】 ングを形成することもできる。さらに、アルミニウムを固体拡散源からソーラー セル基板内に拡散させることもできる。これは当然次のような不利な点に結びつ く。すなわち、ソーラーセル基板が両面側でアルミニウムドーピングされ、これ によりｐ⁺ｐｐ⁺構造が形成される、という不利な点と結びつく。 ホウ素もまたｐドーピングの形成には適当である。この場合、相応のバックサ ーフィスフィールドは、相応の揮発性の又はガス状のホウ素化合物のガス拡散に よって、及びホウ素含有シリコン層を裏面側に塗付又はドープ剤を含有する液体 性溶剤を塗付することによって形成される。しかし、ドーピングを注入するのに 必要な温度において、ホウ素化合物の高い揮発性のために、常に周囲全体拡散が 観察される。この周囲全体拡散は、ドーピングするべきではないソーラーセル領 域をマスキングによって阻止されなけばならない。 方法的には簡単に製造される、アルミニウムによるｐ⁺ドーピングは非常に腐 食しやすいという不利な点を有する。時間の経過すると、アルミニウムを含有す る層領域は腐食し解離しうる。これは裏面端子を損傷させ、ソーラーセル性能を 低下させる。 IEEE PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY CONFERENCE，12．-16.10.1992,MOTREAX,sch weiz,１６４〜１６７頁からシリコンソーラーセルの製造のための方法が公知で ある。この方法では、ホウ素ドーピングされた酸化層を シリコンウェハの裏面側に塗布し、続いてホウ素を９４０℃の温度でシリコンの 中へ拡散する。この後でリン拡散によってエミッタ層を生成し、最後にエッチン グによって端子を塗付する。 国際公開第９１１９３２３号からシリコンソーラーセルの製造のための方法が 公知である。この方法はとりわけドーピングされる領域の製造に目を向けている 。この方法ではドープ剤を含有する酸化物形成マスク層を半導体基板の表面の一 部分に塗布し、続いてこの基板を、このドープ剤の一部分がマスク層から半導体 基板内へ拡散するのに十分な温度で加熱する。この際、露出した半導体表面のオ ートドーピング（autodope）も発生する。半導体基板のオートドーピングされた 領域はエッチングによって除去され、その一方でマスク層はこのマスク層の下の ドーピングされた領域の保護層となる。 本発明の課題は、シリコンソーラーセルにおけるバックサーフィスフィールド の製造方法を提供することである。この方法は、大きなコストをかけずに、従来 のソーラーセルの製造方法に統合されうる。この方法 請求の範囲 １．バックサーフィスフィールド（back-surface-field）を有するシリコンソー ラーセルの製造方法において、 該製造方法は以下のステップを有する、すなわち、 ａ）ドープ剤としてホウ素を含有する拡散源層（２）を、ｐドーピングされた シリコンウェハ（１）の裏面側（ＲＳ）に塗付し、 ｂ）酸化層（４）を生成し前記ドープ剤を注入するために、前記ウェハ（１） を酸素を含む雰囲気の中で９００℃〜１２００℃の温度で処理し、 ｃ）前記拡散源層（２）及び前記酸化層（４）を除去し、 ｄ）ｎ⁺ドーピングされたエミッタ層（７）を生成するためにリンを周囲に拡 散注入し、 ｅ）前記ウェハ（１）の周縁部のｎ⁺ドーピングされた層（７）を分離し、 ｆ）アルミニウムを含有する裏面端子（３）を塗付し、 ｇ）該裏面端子（３）を焼き付け、 ｈ）表面端子（９）を製造するステップを有するバックサーフィスフィールド を有するシリコンソーラーセルの製造方法。 ２．ステップａ）において、拡散源層（２）としてホウ素ドーピングレジスト層 を塗付する、請求項１記載の方法。 ３．ステップｂ）において、前記ウェハ（１）を１０００℃〜１１００℃までの 温度にさらす、請求項１又は２記載の方法。 ４．ステップｃ）において、前記拡散源層（２）及び前記酸化層（４）をＨＦ溶 液によるエッチングによって除去する請求項１〜３のうちの１項記載の方法。 ５．ステップｅ）において、ウェハ（１）を密接に互いに上下に又は隣接して積 層し、 ｐ⁺ドーピングされた層（７）の分離を、前記ウェハの外部周縁部をエッチ ングして除去することによって行う、請求項１〜４までのうちの１項記載の方法 。 ６．裏面端子を、アルミニウムを含有する銀スクリーン印刷用ペーストをプリン トすることによって塗付する、請求項１〜５までのうちの１項記載の方法。 ７．ステップｆ）において、重量の１〜３パーセントのアルミニウムを含有する 裏面端子（３）を塗付する、請求項１〜６までのうちの１項記載の方法。 ８．ステップｂ）において、ホウ素を１〜５μｍの深さに注入する、請求項１〜 ７までのうちの１項記載の方法。 ９．ｐドーピングされたソーラーセル本体（１）を有し、 裏面側（ＲＳ）に１〜５μｍの深さの、ホウ素によってｐ⁺ドーピングされ た層領域（５）を有し、 少なくとも表面側にｎ⁺ドーピングされた層領域（７）を有し、 表面端子（９）を有し、 焼き付けられた、アルミニウムを含有する銀の裏面端子（３）を有し、 該裏面端子（３）の領域にアルミニウムドーピングされた接続領域（８）を 有するソーラーセル。 10．前記裏面端子（３）は面全体には塗付されず、 前記裏面端子（３）によって被覆される裏面側の領域の間で、前記ホウ素ド ーピング（５）は比較的平坦なｎ⁺ドーピング（７）によって過剰補償される、 請求項９記載のソーラーセル。 11．反射防止層（１０）を表面側（ＶＳ）に有し、酸化層（１１）を不活性化層 として裏面側（ＲＳ）に有する、請求項９又は１０記載のソーラーセル。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．バックサーフィスフィールド（back-surface-field）を有するソーラーセル の製造方法において、 該製造方法は以下のステップを有する、すなわち ａ）ドープ剤としてホウ素を含有する拡散源層（２）をシリコンウェハ（１） の裏面側（ＲＳ）に塗付し、 ｂ）酸化層（４）を生成し前記ドープ剤を注入するために、前記ウェハ（１） を酸素を含む雰囲気の中で９００℃から１２００℃の温度で処理し、 ｃ）前記拡散源層（２）及び前記酸化層（４）を除去し、 ｄ）ｎ⁺ドーピングされたエミッタ層（７）を生成するためにリンを拡散注入 し、 ｅ）前記ウェハ（１）の周縁部の前記ｎ⁺ドーピングされた層（７）を分離し 、 ｆ）アルミニウムを含有する裏面端子（３）を塗付し、 ｇ）該裏面端子（３）を焼き付けるステップを有するバックサーフィスフィー ルドを有するソーラーセルの製造方法。 ２．ステップａ）において、拡散源層（２）としてホウ素ドーピングレジスト層 を塗付する、請求項１記載の方法。 ３．ステップｂ）において、前記ウェハ（１）を１０００℃から１１００℃まで の温度にさらす、請求項１又は２記載の方法。 ４．ステップｃ）において、前記拡散源層（２）及び前記酸化層（４）をＨＦ溶 液によるエッチングによって除去する請求項１から３のうちの１項記載の方法。 ５．ステップｅ）において、前記ウェハ（１）を密接に互いに上下に又は隣接し て積み重ね、 ｐ⁺ドーピングされた層（７）の分離を前記ウェハの外部周縁部をエッチン グして除去することによって行う、請求項１から４までのうちの１項記載の方法 。 ６．裏面端子を銀スクリーン印刷用ペーストをプリントすることによって塗付す る、請求項１から５までのうちの１項記載の方法。 ７．ステップｆ）において、良好な導電性金属に加えて重量の１〜３パーセント のアルミニウムを含有する裏面端子（３）を塗付する、請求項１から６までのう ちの１項記載の方法。 ８．ステップｂ）において、ホウ素を１〜５μｍの深さにまで注入する、請求項 １から７までのうちの１項記載の方法。 ９．ｐドーピングされたソーラーセル本体（１）を有し、 裏面側（ＲＳ）に１〜５μｍの深さにまでホウ素によってｐ⁺ドーピングさ れた層領域（５）を有し、 少なくとも表面側にｎ⁺ドーピングされた層領域（７）を有し、 表面端子（９）を有し、 焼き付けられた銀の裏面端子（３）を有し、 該裏面端子（３）の領域にアルミニウムをドーピングされた接続領域（８） を有するソーラーセル。 10．前記裏面端子（３）は面全体には塗付されず、 前記裏面端子（３）によって被覆される裏面側の領域の間で、前記ホウ素ド ーピング（５）は比較的平坦なｎ⁺ドーピング（７）によって過剰補償される、 請求項９記載のソーラーセル。 11．反射防止層（１０）を表面側（ＶＳ）に、酸化層（１１）を不活性化層とし て裏面側（ＲＳ）に有する、請求項９又は１０記載のソーラーセル。