JPWO2006137322A1 - 太陽電池素子および太陽電池素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
太陽電池素子の割れの原因となる半導体基板の反りを低減するとともに、さらに高特性な太陽電池素子およびその製造方法を提供する。上記目的を達成するために、太陽電池素子（１０）は、太陽電池素子形成用の半導体基板（１）と、前記半導体基板の非受光面の上に形成されてなり、アルミニウムを主成分とし、集電効果を奏する最小限の厚みを有する集電電極（４）と、前記集電電極を覆うパッシベーション膜（８）と、を備える。
Description
本発明は太陽電池素子に関し、特に半導体基板の非受光面にアルミニウムを主成分とする集電電極を有する太陽電池素子および太陽電池素子の製造方法に関する。
図５は、従来の一般的な太陽電池素子の構造を示す断面模式図である。
図５に示す従来の太陽電池素子１００においては、例えば多結晶シリコンなどからなるｐ型の半導体基板１０１の表面（図５においては半導体基板１０１の上側主面）全体に、一定の深さまでｎ型不純物を拡散させることにより、ｎ型を呈する拡散層１０２が設けられている。そして、半導体基板１０１の表面には反射防止膜１０７が設けられている。さらに半導体基板１０１の表面には、表面電極１０６が設けられている。一方、半導体基板１０１の裏面（図５においては半導体基板１０１の下側主面）には、集電電極１０４と出力取出電極１０５とで構成される裏面電極（１０４、１０５）が設けられている。また、半導体基板１０１の裏面には、高濃度のｐ型拡散層であるＢＳＦ（Back Surface Field）層１０３が形成されている。
ＢＳＦ層１０３は通常、半導体基板１０１の裏面にアルミニウムを主成分とする集電電極材料を塗布し、これを焼き付けることによって半導体基板１０１の裏面に集電電極１０４を形成する過程で、集電電極材料中のアルミニウムが半導体基板１０１中に拡散することによって形成される。
図６は、太陽電池素子１００を裏面側から見たときの外観斜視図である。
図６に示すように、従来の太陽電池素子１００においては、半導体基板１０１の裏面の略全面に、アルミニウムなどを主成分とする集電電極１０４が形成されるとともに、銀などを主成分とする出力取出電極１０５が複数箇所（図６では２カ所の場合を例示）に形成されてなる。
このような従来の太陽電池素子１００では、半導体基板１０１を構成する材料と、集電電極１０４を構成する材料の熱収縮率の違いによって発生する応力が、半導体基板１０１に反りを生じさせ、係る反りが原因となって半導体基板１０１に割れが生じるという問題があった。
この問題を解決するために、半導体基板１０１の裏面にアルミニウムを主成分とする電極材料を塗布し焼き付けてＢＳＦ層１０３を形成した後に、このＢＳＦ層１０３形成後の半導体基板１０１を塩酸に浸漬させることによって、半導体基板１０１の表面に残ったアルミニウムを含む燃焼層を塩酸によって化学的にエッチング除去した後、半導体基板１０１の露出面に銀または銅の電極を形成する方法が知られている（例えば、特許第２９９９８６７号公報参照）。係る方法によれば、半導体基板１０１の裏面にＢＳＦ層１０３が形成される一方で、半導体基板１０１の反りの原因となる半導体基板１０１の表面に残ったアルミニウムは除去されるため、半導体基板１０１の反りは改善する。
しかしながら、この方法では焼き付け後に半導体基板１０１の表面に残ったアルミニウムを電極として使用せず、塩酸によるエッチング処理を行った後に新たに裏面の集電電極１０４を形成するので、塩酸処理工程及び集電電極１０４の形成工程が加わることで製造コストが増大することに加えて、塩酸や処理済廃液などの処理費用などが発生するため、コストの観点から問題があった。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、太陽電池素子の割れの原因となる半導体基板の反りを低減するとともに、さらに出力特性の優れた太陽電池素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、第１の態様に係る太陽電池素子の製造方法は、a)太陽電池素子形成用の半導体基板の非受光面の上に、アルミニウムを主成分とする集電電極を形成する工程であって、a-1)アルミニウムを含む集電電極材料層を形成する工程と、a-2)前記集電電極材料層を焼成することによって前記半導体基板の内部にＢＳＦ層を形成するとともに集電電極を得る工程と、を含む第１工程と、b)前記集電電極の少なくとも一部を覆うようにパッシベーション膜を形成する第２工程と、を備えるようにした。
これにより、太陽電池素子においては、パッシベーション膜から半導体基板の厚み方向へと水素が拡散し、半導体基板中に存在するダングリングボンドと水素が結合することでキャリアの再結合が低減する、パッシベーション効果が得られることになるので、太陽電池素子における出力特性が向上する。また、このようにパッシベーション効果が得られるので、集電電極の形成に際しては、ＢＳＦ層が必ずしも十分にＢＳＦ効果を奏するように形成されずとも、従来よりも優れた出力特性を有する太陽電池素子を得ることができるようになる。これは、集電効果を奏する範囲で集電電極の厚みを従来よりも薄くしても、従来よりも優れた出力特性を有する太陽電池素子を得ることができることを意味している。 すなわち、第１の態様によれば、半導体基板の反りが低減されてなり、かつ、出力特性の優れた太陽電池素子を得ることができる。
第２の態様に係る太陽電池素子の製造方法は、第１の態様に係る太陽電池素子の製造方法であって、前記第１工程が、a-3)前記集電電極をエッチングすることにより、集電効果を奏する最小限の厚みを有するように前記集電電極を薄層化する工程、をさらに含むようにした。
これにより、ＢＳＦ効果が十分に得られるだけのＢＳＦ層を形成するとともに、焼成時に生じた半導体基板の反りを、集電電極をエッチングによって薄層化することで低減できる。よって、半導体基板の反りが低減されてなるとともに、ＢＳＦ効果とパッシベーション効果の両方が十分に得られる、出力特性が優れた太陽電池素子を得ることができる。
第３の態様に係る太陽電池素子の製造方法は、太陽電池素子形成用の半導体基板の非受光面の上に、アルミニウムを含む集電電極材料層を形成する第１工程と、前記集電電極材料層の少なくとも一部を覆うようにパッシベーション膜を形成する第２工程と、前記集電電極材料層を焼成することによってアルミニウムを主成分とする集電電極を得る第３工程と、を備えるようにした。
これにより、太陽電池素子においては、パッシベーション膜から半導体基板の厚み方向へと水素が拡散し、半導体基板中に存在するダングリングボンドと水素が結合することでキャリアの再結合が低減する、パッシベーション効果が得られる。特に、パッシベーション膜を形成した後に焼成を行うことで、パッシベーション膜の形成中のみならず該焼成中にも水素の拡散が進行するので、第１の態様よりもさらに良好なパッシベーション効果が得られる。このように良好なパッシベーション効果が得られるので、集電電極の形成に際しては、ＢＳＦ層が必ずしも十分にＢＳＦ効果を奏するように形成されずとも、従来よりも優れた出力特性を有する太陽電池素子を得ることができるようになる。これは、集電効果を奏する範囲で集電電極の厚みを従来よりも薄くしても、従来よりも優れた出力特性を有する太陽電池素子を得ることができることを意味している。
すなわち、第３の態様によれば、半導体基板の反りが低減されてなり、かつ、出力特性の優れた太陽電池素子を得ることができる。
第４の態様に係る太陽電池素子の製造方法は、第３の態様に係る太陽電池素子の製造方法において、前記第１工程では、前記第３工程において集電効果を奏する最小限の厚みを有する前記集電電極が形成されるように、前記集電電極材料層を形成するようにした。
これにより、半導体基板の反りがより低減された太陽電池素子を得ることができる。
第５の態様に係る太陽電池素子の製造方法は、第１ないし第４のいずれかの態様に係る太陽電池素子の製造方法であって、前記パッシベーション膜を、プラズマＣＶＤ法を用いて窒化シリコンにて形成するようにした。
第６の態様に係る太陽電池素子は、太陽電池素子形成用の半導体基板と、前記半導体基板の非受光面の上に形成されてなり、アルミニウムを主成分とし、集電効果を奏する最小限の厚みを有する集電電極と、前記集電電極を覆うパッシベーション膜と、を備えるようにした。
係る太陽電池素子においては、パッシベーション膜から半導体基板の厚み方向へと水素が拡散し、半導体基板中に存在するダングリングボンドと水素が結合することでキャリアの再結合が低減する、パッシベーション効果が得られるので、従来に比して、出力特性の向上が実現されている。また、係る太陽電池素子においては、集電電極が集電効果を奏する最小限の厚みを有するように薄く形成されるので、半導体基板の反りがより低減されている。
第７の態様に係る太陽電池素子は、第６の態様に係る太陽電池素子において、前記集電電極が、アルミニウムを含む集電電極材料層を形成したうえで前記集電電極材料層の焼成を行うことによって、前記半導体基板の内部におけるＢＳＦ層の形成を伴って形成されたものであるようにした。
係る太陽電池素子においては、ＢＳＦ効果が十分に得られるだけのＢＳＦ層が形成されてなるとともに、集電電極が薄層化されていることによって半導体基板の反りが低減されている。すなわち、半導体基板の反りが低減されてなるとともに、ＢＳＦ効果とパッシベーション効果の両方が十分に得られることで優れた出力特性が実現されている。
第８の態様に係る太陽電池素子は、第７の態様に係る太陽電池素子において、前記集電電極が、前記焼成後にエッチングを行うことにより、前記集電効果を奏する最小限の厚みを有するように形成されてなるようにした。
係る太陽電池素子においては、焼成時に生じた半導体基板の反りが、集電電極をエッチングによって薄層化することで低減されてなるとともに、ＢＳＦ効果とパッシベーション効果の両方が十分に得られることで優れた出力特性が実現されている。
第９の態様に係る太陽電池素子は、第６ないし第８のいずれかの態様に係る太陽電池素子でにおいて、前記集電電極が、前記半導体基板の非受光面の上に部分的に形成されてなり、前記集電電極の少なくとも一部と導通接続するようにアルミニウムよりも導電率の高い金属材料を主成分とする出力取出電極が形成されているようにした。
第１０の態様に係る太陽電池素子は、第６ないし第８のいずれかの態様に係る太陽電池素子において、前記パッシベーション膜が窒化シリコンからなるようにした。
第１１の態様に係る太陽電池素子は、第１ないし第５のいずれかの態様に係る太陽電池素子の製造方法によって製造されるようにした。
＜太陽電池素子の構造＞
本発明の実施の形態に係る太陽電池素子の構造を図１および図２を用いて詳細に説明する。なお、図１および図２を含め、全ての図面において示す太陽電池素子の各構成要素の種々のサイズは、必ずしも実際の大きさを反映したものではない。
本発明の実施の形態に係る太陽電池素子の構造を図１および図２を用いて詳細に説明する。なお、図１および図２を含め、全ての図面において示す太陽電池素子の各構成要素の種々のサイズは、必ずしも実際の大きさを反映したものではない。
図１は本実施の形態に係る太陽電池素子１０の断面を示す図である。図１に示すように、本実施の形態に係る太陽電池素子１０は、半導体基板１と、拡散層２と、ＢＳＦ層３と、集電電極４と、出力取出電極５と、表面電極６と、反射防止膜７と、パッシベーション膜８とを備える。以下において、半導体基板１の表面とは受光面を、裏面とは非受光面を示すものとする。図１においては、上側の主面が表面であり、下側の主面が裏面の場合を例示している。また、図２は、太陽電池素子１０を裏面側から見たときの外観斜視図である。
半導体基板１は単結晶シリコンまたは多結晶シリコンからなる。半導体基板１は、単結晶シリコンの場合であれば引き上げ法で、多結晶シリコンの場合であれば鋳造法で作製される半導体インゴットを、例えば１５ｃｍ×１５ｃｍ程度の大きさに切断し、３００μｍ以下、より好ましくは２５０μｍ以下の厚みにスライスしたものである。多結晶シリコンは大量生産が容易であることから、製造コストの面で単結晶シリコンよりもきわめて有利である。半導体基板１は、ｐ型、ｎ型のいずれの導電型を呈していてもよい。半導体基板１は、アルカリ溶液などにより表面をエッチングすることにより、スライスや切断の際に表面に付着した汚れや、ダメージを受けた部分が除去され清浄化されたうえで、太陽電池素子の作製に供される。
拡散層２は、半導体基板１の内部に半導体接合を形成すべく、半導体基板１の一主面側に形成されてなる、半導体基板１とは逆の導電型を呈する半導体領域である。拡散層２は、所定のドーパントを拡散させることによって、半導体基板１がｐ型であればｎ型を有するように、半導体基板１がｎ型であればｐ型を有するように形成されてなる。拡散層２は、例えば、所定の反応容器内に半導体基板１を設置し、これを加熱しながら拡散源となるガスを導入することによって形成される。例えば、半導体基板１がｐ型である場合、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ3）を流すことで、ｎ型のドーパントであるリン（Ｐ）を含有する不純物拡散源となるリンガラス（不図示）を半導体基板１の表面に形成し、同時に半導体基板１の表面への熱拡散も行うという気相拡散法を用いてｎ型の導電型を呈する拡散層２を形成するのが一般的である。なお、半導体基板１の表面に形成されたリンガラスは、例えば、希釈したフッ酸溶液などの薬品に浸漬させることにより除去される。なお、半導体基板１の２つの主面のうち、拡散層２が設けられた側が、半導体基板１の表面（受光面）となる。
反射防止膜７は、半導体基板１の表面側に設けられてなり、半導体基板１の表面における光の反射を防止する機能を有する。反射防止膜７の屈折率および膜厚は、係る機能が発揮されるよう、半導体基板１との屈折率差などを考慮して定められる。例えば半導体基板１がシリコン基板である場合、屈折率を１．８〜２．３程度、厚みを５００〜１２００Å程度にすればよい。
反射防止膜７は、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＯ2、ＳｉＯ2、ＭｇＯ、ＩＴＯ、ＳｎＯ2、ＺｎＯなどで形成することができる。その形成には、プラズマＣＶＤ法、蒸着法、スパッタ法などの成膜手法を用いることができる。プラズマＣＶＤ法を用い、４００℃〜５００℃の温度範囲で形成するのが、その通常の形成態様である。
Ｓｉ3Ｎ4膜をプラズマＣＶＤ法にて形成することによって反射防止膜７を設ける場合であれば、例えばシラン（ＳｉＨ4）とアンモニア（ＮＨ3）との混合ガスを窒素（Ｎ2）で希釈した原料ガスを、グロー放電分解してプラズマ化させ、生成したＳｉ3Ｎ4を半導体基板１上に堆積させることで、反射防止膜７としてのＳｉ3Ｎ4膜を得ることができる。
なお、一般に反射防止膜７が水素（Ｈ2）を含む場合、この水素は、その成膜中及び成膜後の加熱（例えば後述する電極焼き付けの際の加熱）により、半導体基板１の厚み方向に拡散し、半導体基板１中に存在するダングリングボンド（余った化学結合手）と結合する。係る結合の発生には、キャリアがダングリングボンドに捕まる（再結合する）確率を低減させる効果、いわゆるパッシベーション効果がある。プラズマＣＶＤ法にて形成したＳｉ3Ｎ4膜は、このパッシベーション効果を奏することから、反射防止膜７として好適である。
集電電極４は、半導体基板１で生成したキャリアを収集するために、半導体基板１の裏面の略全面に形成されてなる電極である。集電電極４は、好ましくはアルミニウムを主成分として形成される。集電電極４は、アルミニウム粉末、樹脂バインダー、有機溶剤などを含む（さらにガラスフリットを含んでもよい）集電電極材料を半導体基板１の裏面側に塗布して集電電極材料層（図３（ｂ）参照）を形成した後、焼成炉などを使用して最高温度が６００℃〜８００℃で１分〜３０分程度、これを焼き付けることによって形成される。
ＢＳＦ層３は、半導体基板１の裏面近くでキャリアの再結合が生じることに起因する発電効率の低下を防ぐことを目的として形成される。ＢＳＦ層３は、キャリアが高濃度に存在するｐ型層である。ＢＳＦ層３は、上述した集電電極４を形成するための焼き付けの際に、集電電極材料中から半導体基板１にｐ型のドーパントであるアルミニウムが拡散することによって形成される。ＢＳＦ層３を設けることによって、半導体基板１の裏面側内部に電界が形成され、半導体基板１内部の裏面近くで発生したキャリアがこの電界によって加速され、その結果、電力を有効に取り出されることとなる。すなわち、太陽電池素子１０においていわゆるＢＳＦ効果が得られる。係るＢＳＦ層３の存在は、太陽電池素子１０の長波長域での光感度の増大と、高温における太陽電池の出力特性の低下の軽減とをもたらす。
ＢＳＦ層３を形成するという観点からは、集電電極材料層４’の形成に際しては、ＢＳＦ効果を得るのに十分な面積のみに集電電極材料を塗布すればよい。このとき、集電電極材料の塗布パターンは、集電電極４の導電抵抗を高めることがないように定めればよい。なお、半導体基板１の裏面の約９０％を占める割合で、集電電極材料を塗布した場合には、半導体基板１のほぼ全域にＢＳＦ層３が形成され、より良好な出力特性を得ることが可能となる。
例えば、出力取出電極５の形成が予定される箇所を除いて集電電極材料層４’を形成する場合のように、集電電極材料層４’を二次元的に見た場合にいわば開口部を有するように集電電極材料層４’を形成する態様であってもよい。これは、出力取出電極５の形成予定位置に対応する印刷パターンを用いることで実現可能である。この場合、後述する焼成の後に半導体基板１にかかる応力が分散するので、半導体基板１の反りが低減されることになる。
パッシベーション膜８は、半導体基板１の裏面側であって集電電極４よりも外側に形成されてなる。パッシベーション膜８は、上述したパッシベーション効果を得ることを目的として設けられてなる。すなわち、パッシベーション膜８の成膜時およびその後の加熱時に、パッシベーション膜８から半導体基板１の厚み方向へと水素を拡散させ、半導体基板１中に存在するダングリングボンド（余った化学結合手）と結合させることで、キャリアがダングリングボンドに捕まる（再結合する）確率を低減させる効果が得られる。
パッシベーション膜８は、Ｓｉ3Ｎ4膜をプラズマＣＶＤ法にて形成することによって設けられるのが好適な一態様である。ただし、パッシベーション効果を同様に得ることができるのであれば、他の材質の膜の形成や他の形成手法を除外するものではない。例えば、ＳｉＯ2膜、ＴｉＯ2膜、ＭｇＦ2膜などに、水素を含有されている態様であってもよい。あるいはさらに、複数の材質の膜を適宜に組み合わせによる積層構造を有する態様であってもよい。なお、パッシベーション膜８は、１００Å〜２０００Å程度の厚みに、より好ましくは２００Å〜１５００Å程度の厚みに設けられるのが好ましい。
このように、本実施の形態に係る太陽電池素子１０においては、半導体基板１の裏面にパッシベーション効果を得るためのパッシベーション膜８が設けられてなるので、半導体基板１の内部におけるキャリアとダングリングボンドとの再結合が、効果的に抑制されてなる。これにより、太陽電池素子１０の出力特性の向上が実現されてなる。もちろん、反射防止膜７がパッシベーション効果を奏するように形成されている場合には、係るキャリアとダングリングボンドとの再結合がさらに効果的に抑制されることになるので、より出力特性の優れた太陽電池素子が実現されることになる。
なお、パッシベーション膜８とＢＳＦ層３とは、その作用は異なるがキャリアの再結合を抑制するという効果が得られる点で共通する。上述のように、ＢＳＦ層３は、アルミニウムを主成分とする集電電極４の形成に伴って、より具体的には集電電極材料の焼き付けに伴って形成される。従来のように、パッシベーション膜８を設けない場合には、集電電極４による集電効果とＢＳＦ層３によるＢＳＦ効果とを十分に発現させるべく、集電電極４が厚く形成されるので、半導体基板１の熱膨張係数と集電電極４の熱膨張係数との差異に起因して半導体基板１に反りが生じ得る。また、反り抑制のために集電電極４を薄くした場合には、十分なＢＳＦ効果が得られるだけのＢＳＦ層３を形成することが難しい。
しかしながら、本実施の形態に係る太陽電池素子１０においては、パッシベーション膜８によるパッシベーション効果を得られるので、集電電極４をそのように厚く設ける必要がない。すなわち、パッシベーション膜８を設けることで、集電効果を奏する範囲で集電電極４の薄層化が可能となり、係る集電電極４の薄層化を行うことで半導体基板１の反り低減が実現される。ここで、集電効果を奏するために必要最小限の厚みは、太陽電池素子１０の形成に用いる半導体基板１の種類やサイズなどに依存して定まる値である。例えば、平面サイズが１５ｃｍ×１５ｃｍ程度で２５０μｍ厚の多結晶シリコン基板を半導体基板１として用いる場合であれば、焼成後の集電電極４の厚みは、従来よりも小さい、３０μｍ以下とすることができる。より好ましくは２５μｍ以下、さらに好ましくは２０μｍ以下とすることができる。
当然ながら、反射防止膜７についてもパッシベーション効果を有するように形成した場合には、さらに出力特性の優れた太陽電池素子１０が実現される。
表面電極６と出力取出電極５とは、それぞれ、半導体基板１の表面および裏面に形成される電極である。表面電極６と出力取出電極５とは、好ましくは、アルミニウムよりも導電率の高い金属によって形成される。例えば、銀によって形成されるのが、その好適な一態様である。あるいは、金、白金、パラジウム、銅などによって形成されてもよい。表面電極６と出力取出電極５とは、銀粉末、ガラスフリット、樹脂バインダー、有機溶剤などからなるペースト（電極材料）のスクリーン印刷等の周知の方法による塗布と、その後の焼き付けとによって形成される。
以上説明したように、本実施の形態に係る太陽電池素子においては、集電電極を従来に比して薄く形成するとともに、その外側にパッシベーション膜を設けることで、半導体基板の反りの緩和と、キャリアの再結合の抑制による出力特性の向上とが実現されてなる。
＜太陽電池素子の第一の製造方法＞
以下に、本実施の形態に係る太陽電池素子の製造方法を図３と図４を用いて詳細に説明する。以下においては、半導体基板１がｐ型の導電型を有している場合を例として説明する。
以下に、本実施の形態に係る太陽電池素子の製造方法を図３と図４を用いて詳細に説明する。以下においては、半導体基板１がｐ型の導電型を有している場合を例として説明する。
図３は、太陽電池素子１０の第一の製造方法の手順を説明するための図である。
第一の製造方法においては、まず図３（ａ）に示すように、半導体基板１の一主面側（図３においては上側）に、例えば気相拡散法などによって、半導体基板１の導電型とは逆のｎ型の導電型を有する半導体領域となるように拡散層２を形成する。そして、この拡散層２が形成された半導体基板１の表面側に、所定の屈折率および膜厚の反射防止膜７を成膜する。ここでは、反射防止膜７がパッシベーション効果を奏するように、プラズマＣＶＤ法にてＳｉ3Ｎ4膜を成膜するものとする。
次に、拡散層２の形成に伴って半導体基板１の裏面側の形成される不要な層を除去した後、図３（ｂ）に示すように、半導体基板１の裏面の略全面に、少なくとも集電電極材料層４’を形成する。集電電極材料層４’は、アルミニウム粉末、樹脂バインダー、有機溶剤などを含む集電電極材料をスクリーン印刷などの手法で塗布することによって形成される。なお、集電電極材料には、さらにガラスフリットが含まれていてもよい。また、集電電極材料層４’は、次述する焼成によって出力特性向上の為に充分なＢＳＦ効果を奏するＢＳＦ層３が得られるだけの厚みに形成される。
なお、図３（ｂ）（後述する図４（ｂ）においても同様）においては、後段の工程において出力取出電極５の形成が予定される箇所を除いて集電電極材料層４’を形成する場合を例示している。
集電電極材料層４’を形成した後、集電電極材料層４’を半導体基板１ともども焼成する。これにより、図３（ｃ）に示すように、集電電極４が形成されると共に、半導体基板１中にｐ型のドーパントであるアルミニウムが拡散して、ｐ型の高濃度層であるＢＳＦ層３が形成される。
引き続いて、集電電極４を厚み方向にエッチングすることより、図３（ｄ）に示すように薄層化する。エッチングの手法としては、ブラスト法や反応性イオンエッチング法、あるいは超音波エッチング法などを用いることができる。好ましくは、集電電極４の残存部分の厚みが集電効果を奏するために必要最小限の厚みとなるようにエッチングを行う。
集電電極４を薄層化した後、図３（ｅ）に示すように集電電極４の少なくとも一部を覆うようにしてパッシベーション膜８を成膜する。ここでは、プラズマＣＶＤ法にてＳｉ3Ｎ4膜を成膜するものとする。
その後、図３（ｆ）および（ｇ）に示すように、反射防止膜７の上に銀などからなる表面電極材料を塗布すると共に、パッシベーション膜８の上に銀などからなる出力取出電極材料を塗布し、それらの焼き付けを行うことにより、半導体基板１とコンタクトする表面電極６および出力取出電極５を形成する。すなわち、表面電極６および出力取出電極５は、いわゆるファイヤースルー法によって形成される。
以上の手順により、太陽電池素子１０が完成する。
このように、第一の製造方法においては、いったん形成した集電電極４に対してエッチングを行って薄層化することで、焼成に伴って生じた半導体基板１と集電電極４との間に作用する応力を緩和し、焼成によって生じていた半導体基板１の反りを低減する効果を得るようにしている。また、エッチングを行うのは集電電極材料層４’の焼成後、つまりはＢＳＦ層３の形成後であるので、太陽電池素子１０においては、従来に比して薄い集電電極４が形成されるにもかかわらず、出力特性向上の為に充分なＢＳＦ効果が得られるだけのＢＳＦ層３が形成されてなる。さらには、半導体基板１上の集電電極４を厚み方向に一部エッチングしているだけあり、全て除去するわけではないので、集電電極を別途設ける必要がない。
また、第一の製造方法によって製造される太陽電池素子１０においては、ＢＳＦ効果が十分に得られるようにＢＳＦ層３が形成されていることに加えて、反射防止膜７とパッシベーション膜８との双方によってパッシベーション効果を得るように構成されているので、従来よりもきわめて優れた出力特性が実現されてなる。
以上より、第一の製造方法によれば、半導体基板の反りが低減されてなり、かつ、出力特性の優れた太陽電池素子を得ることができる。
＜太陽電池素子の第二の製造方法＞
次に、本発明における太陽電池素子の第二の製造方法を説明する。図４は、太陽電池素子１０の第二の製造方法の手順を説明するための図である。
次に、本発明における太陽電池素子の第二の製造方法を説明する。図４は、太陽電池素子１０の第二の製造方法の手順を説明するための図である。
第二の製造方法においては、第一の製造方法と同様に、まず、図４（ａ）に示すように、半導体基板１の一主面側（図３においては上側）に、例えば気相拡散法などによって、半導体基板１の導電型とは逆のｎ型の導電型を有する半導体領域となるように拡散層２を形成する。そして、この拡散層２が形成された半導体基板１の表面側に、所定の屈折率および膜厚の反射防止膜７を成膜する。ここでは、反射防止膜７がパッシベーション効果を奏するように、プラズマＣＶＤ法にてＳｉ3Ｎ4膜を成膜するものとする。
なお、この第二の製造方法では、反射防止膜７の形成は、必ずしもこのタイミングで行う必要はなく、後述する表面電極６の形成までに行われればよい。
次に、拡散層２の形成に伴って半導体基板１の裏面側の形成される不要な層を除去した後、図４（ｂ）に示すように、半導体基板１の裏面の略全面に集電電極材料層４’を形成する。集電電極材料層４’は、アルミニウム粉末、樹脂バインダー、有機溶剤などを含む集電電極材料をスクリーン印刷などの手法で塗布することによって形成される。なお、集電電極材料には、さらにガラスフリットが含まれていてもよい。第二の製造方法において、集電電極材料層４’は、後述する焼成を行った後に形成される集電電極４の厚みが従来よりも薄くなるように、好ましくは、集電効果を奏するために必要最小限の厚みを有するように形成する。なお、図４（ｂ）においては、後段の工程において出力取出電極５の形成が予定される箇所を除いて集電電極材料層４’を形成する場合を例示している。
集電電極材料層４’を形成した後、図４（ｃ）に示すように集電電極材料層４’の少なくとも一部を覆うようにしてパッシベーション膜８を成膜する。図４（ｃ）では、集電電極材料層４’の略全面を覆うようにパッシベーション膜８を設ける場合を例示している。ここでは、プラズマＣＶＤ法にてＳｉ3Ｎ4膜を成膜するものとする。
パッシベーション膜８を形成した後、集電電極材料層４’を、パッシベーション膜８および半導体基板１ともども焼成する。これにより、図４（ｄ）に示すように、集電電極４が形成されると共に、半導体基板１中にｐ型のドーパントであるアルミニウムが拡散して、ｐ型の高濃度層であるＢＳＦ層３が形成される。
その後、図４（ｅ）および（ｆ）に示すように、反射防止膜７の上に銀などからなる表面電極材料を塗布すると共に、パッシベーション膜８の上に銀などからなる出力取出電極材料を塗布し、それらの焼き付けを行うことにより、半導体基板１とコンタクトする表面電極６および出力取出電極５を形成する。すなわち、表面電極６および出力取出電極５は、いわゆるファイヤースルー法によって形成される。
以上の手順により、太陽電池素子１０が完成する。
このように、第二の製造方法では、第一の製造方法と異なり、従来よりも薄くなるように、好ましくは、集電効果を奏するために必要最小限の厚みを有するように集電電極４を形成するので、焼成に伴う半導体基板１と集電電極４の間の応力の発生が抑制され、焼成によって生じる半導体基板１の反りが低減される。
また、第二の製造方法によって製造される太陽電池素子１０は、反射防止膜７とパッシベーション膜８との双方によってパッシベーション効果を得るように構成されており、パッシベーション効果がより良好に得られるようになっている。
なお、第一の製造方法のようにＢＳＦ層３および集電電極４を形成するための焼成を行った後にパッシベーション膜８を形成する場合は、パッシベーション膜８中の水素の半導体基板１の厚み方向への拡散は、パッシベーション膜８の成膜時に起こるのみである。これに対して、第二の製造方法では、パッシベーション膜８を形成し、その後に係る焼成を行うので、第一の製造方法の場合と同様の成膜時の水素の拡散のみならず、該焼成の際にもＢＳＦ層３の成長（集電電極材料層４’からのアルミニウムの拡散）に追随する態様でパッシベーション膜８中の水素の拡散を生じさせることができる。係る拡散において、集電電極材料層４’の影響を受けることはない。よって、第二の製造方法にて製造された太陽電池素子１０においては、第一の製造方法にて製造された太陽電池素子１０よりもさらに強いパッシベーション効果を得ることができる。これにより、太陽電池素子１０においては、優れた出力特性が実現されてなる。
以上より、第二の製造方法によれば、半導体基板の反りが低減されてなり、かつ、出力特性の優れた太陽電池素子を得ることができる。
＜変形例＞
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
表面電極６および出力取出電極５の形成は、上述の実施の形態のようにファイヤースルー法を用いる代わりに、その形成予定位置にある反射防止膜７やパッシベーション膜８を予め除去しておき、その除去された部分に例えば銀粉末、ガラスフリット、樹脂バインダー、有機溶剤などからなるペースト状の表面電極材料や出力取出電極材料をスクリーン印刷等によって塗布し、焼き付けることによって形成することも可能である。ただし、工程が煩雑にはなる。
また上述の実施の形態においては、出力取出電極５の形成予定位置には集電電極４が形成されないようにする場合を例示しているが、集電電極４は、集電効果を奏する必要最小限の厚みに形成されるので、半導体基板１の裏面の略全面に集電電極４を設け、その上から出力取出電極５を形成するための出力取出電極材料を塗布し、これを焼き付けたとしても、半導体基板１に対して充分な密着強度およびコンタクト抵抗を有する出力取出電極５を得ることができる。
裏面のみに電極を有する太陽電池素子にパッシベーション膜を形成する場合であっても、そのパッシベーション効果は充分に発揮される。
なお、図１ないし図６には、出力取出電極５の配置パターンの一例を図示しているが、配置パターンはこれに限定されるものではない。例えば出力取出電極５は、図示したようなライン状のものの他、ドット状のものであっても構わない。さらにそれらの本数や個数についても限定されるものではない。
集電電極を形成するための焼成と、表面電極および出力取出電極を形成するための焼成は、同時に行われてもよい。
上述の実施の形態に示した製造方法に代えて、半導体基板１の裏面において、集電電極４の形成位置に集電電極材料を塗布し、次に、出力取出電極５の形成位置に銀を主成分とする出力取出電極材料を塗布し、その上にパッシベーション膜８を形成し、その後焼成する態様であってもよい。このとき、集電電極材料と出力取出電極材料を塗布する順序はどちらが先でもよい。また、出力取出電極５の上に形成されたパッシベーション膜８は焼成前に除去してもよいし、電極焼成時にパッシベーション膜８を突き破るようにしてもよい。
上記課題を解決するため、第１の態様に係る太陽電池素子の製造方法は、受光面および非受光面を有する半導体基板の非受光面の上に、アルミニウムを含む集電電極材料層を形成する第１工程と、前記集電電極材料層の少なくとも一部を覆うようにパッシベーション膜を形成する第２工程と、前記集電電極材料層を焼成することによって集電電極を得る第３工程と、を備えるようにした。
Claims (11)
- a)太陽電池素子形成用の半導体基板の非受光面の上に、アルミニウムを主成分とする集電電極を形成する工程であって、
a-1)アルミニウムを含む集電電極材料層を形成する工程と、
a-2)前記集電電極材料層を焼成することによって前記半導体基板の内部にＢＳＦ層を形成するとともに集電電極を得る工程と、
を含む第１工程と、
b)前記集電電極の少なくとも一部を覆うようにパッシベーション膜を形成する第２工程と、
を備えることを特徴とする太陽電池素子の製造方法。 - 請求項１に記載の太陽電池素子の製造方法であって、
前記第１工程が、
a-3)前記集電電極をエッチングすることにより、集電効果を奏する最小限の厚みを有するように前記集電電極を薄層化する工程、
をさらに含むことを特徴とする太陽電池素子の製造方法。 - 太陽電池素子形成用の半導体基板の非受光面の上に、アルミニウムを含む集電電極材料層を形成する第１工程と、
前記集電電極材料層の少なくとも一部を覆うようにパッシベーション膜を形成する第２工程と、
前記集電電極材料層を焼成することによってアルミニウムを主成分とする集電電極を得る第３工程と、
を備えることを特徴とする太陽電池素子の製造方法。 - 請求項３に記載の太陽電池素子の製造方法であって、
前記第１工程では、前記第３工程において集電効果を奏する最小限の厚みを有する前記集電電極が形成されるように、前記集電電極材料層を形成する、
ことを特徴とする太陽電池素子の製造方法。 - 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の太陽電池素子の製造方法であって、
前記パッシベーション膜を、プラズマＣＶＤ法を用いて窒化シリコンにて形成する、
ことを特徴とする太陽電池素子の製造方法。 - 太陽電池素子形成用の半導体基板と、
前記半導体基板の非受光面の上に形成されてなり、アルミニウムを主成分とし、集電効果を奏する最小限の厚みを有する集電電極と、
前記集電電極を覆うパッシベーション膜と、
を備えることを特徴とする太陽電池素子。 - 請求項６に記載の太陽電池素子であって、
前記集電電極が、アルミニウムを含む集電電極材料層を形成したうえで前記集電電極材料層の焼成を行うことによって、前記半導体基板の内部におけるＢＳＦ層の形成を伴って形成されたものである、
ことを特徴とする太陽電池素子。 - 請求項７に記載の太陽電池素子であって、
前記集電電極が、前記焼成後にエッチングを行うことにより、前記集電効果を奏する最小限の厚みを有するように形成されてなる、
ことを特徴とする太陽電池素子。 - 請求項６ないし請求項８のいずれかに記載の太陽電池素子であって、
前記集電電極が、前記半導体基板の非受光面の上に部分的に形成されてなり、
前記集電電極の少なくとも一部と導通接続するようにアルミニウムよりも導電率の高い金属材料を主成分とする出力取出電極が形成されている、
ことを特徴とする太陽電池素子。 - 請求項６ないし請求項９のいずれかに記載の太陽電池素子であって、
前記パッシベーション膜が窒化シリコンからなることを特徴とする太陽電池素子。 - 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の太陽電池素子の製造方法によって製造された太陽電池素子。
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