JPWO2009133607A1 - 光起電力装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
光起電力装置の光入射側電極と接合する部分に形成する高濃度拡散層の形成を、製造工程を大量に追加せず、簡素な工程で行うことができる光起電力装置の製造方法を得ること。Ｐ型シリコン基板１０１と、光の入射面側の全面にＮ型の不純物が第１の濃度で拡散された高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈを形成する工程と、高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈ上に耐エッチング膜１０３を形成し、耐エッチング膜１０３上の凹部形成領域１０５ａ内の所定の位置に微細孔１０４を形成する工程と、微細孔１０４の形成位置を中心に、凹部形成領域１０５ａ内で高濃度Ｎ型拡散層が残存しないようにシリコン基板１０１をエッチングして凹部を形成する工程と、凹部を形成する面に、第１の濃度よりも低い第２の濃度でＮ型の不純物が拡散された低濃度Ｎ型拡散層１０２Ｌを形成する工程と、シリコン基板１０１の光の入射面側の電極形成領域１０５ｂにグリッド電極１１１を形成する工程と、を含む。
Description
この発明は、光起電力装置およびその製造方法に関するものである。
太陽電池などの光起電力装置の性能向上には、太陽光を如何に効率よく光起電力装置内部に取り込むことができるかが重要な要素となる。そのため、従来では、光入射側の表面に意図的に数十ｎｍ〜数十μｍの寸法の微細な凹凸を形成したテクスチャ構造を作製している。このテクスチャ構造では、表面で一度反射した光を再度表面に入射させるようにして、より多くの太陽光を光起電力装置内部に取り込むことで発生電流を増大させ、光電変換効率の向上を図っている。
太陽電池用基板にテクスチャ構造を形成する方法としては、基板が単結晶シリコン（Ｓｉ）基板の場合には、エッチング速度に結晶方位依存性を持つ水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどのアルカリ水溶液による結晶方位を利用した異方性エッチング処理が広く用いられる（たとえば、特許文献１参照）。たとえば表面が（１００）面方位を有する基板表面にこの異方性エッチング処理を行うと、（１１１）面が露出したピラミッド状のテクスチャが形成される。
しかし、多結晶シリコン基板の場合には、アルカリ水溶液を用いて異方性エッチング処理を行う方法では、基板表面を構成する各結晶粒子の結晶面方位が揃っておらず、またアルカリ水溶液を用いる異方性エッチング処理自体が結晶面によってエッチングレートが大きく異なることから、部分的にしかテクスチャ構造を作製することができない。このような事情によって、多結晶シリコン基板の場合には、反射率の低減に限界があるという問題がある。たとえば、波長６２８ｎｍにおける反射率を見ると、表面が鏡面研磨されたシリコンでは約３６％であり、（１００）面の単結晶シリコン基板をウェットエッチングした場合では約１５％となるのに対し、多結晶シリコン基板をウェットエッチングした場合では２７〜３０％程度である。
そこで、結晶面方位によらず全面にテクスチャ構造を形成する方法として、エッチングマスクを用いた混酸エッチングが提案されている（たとえば、特許文献２参照）。エッチングマスクの作製方法は半導体プロセスで用いられるリソグラフィによる方法や、耐エッチング性材料の溶液中にエッチング耐性の低い微粒子を混合し、基板面に塗布する方法などを用いることができる。
このようにして、テクスチャ構造が形成された側のたとえばＰ型のシリコン基板の表面の全面に低濃度のＮ型不純物を拡散した低濃度Ｎ型拡散層を形成し、光入射側電極形成部に高濃度のＮ型不純物を拡散した高濃度Ｎ型拡散層を形成する。また、光入射側電極形成部に櫛状に配置した銀などの金属からなるグリッド電極と、グリッド電極からの電流を集める銀などの金属からなるバス電極を形成する。そして、シリコン基板の裏面にアルミニウムや銀などの金属からなる裏面電極を形成することで、光起電力装置が得られる。
光起電力装置の製造方法において、グリッド電極やバス電極などの光入射側電極と接合する部分だけに不純物の高濃度拡散を行うことで、光入射側電極と良好な抵抗性接合を得ることできる。しかし、光入射側電極と接合する部分の拡散層だけに高濃度拡散を行うには、高濃度拡散専用パターニングを行わなければならず、この高濃度拡散専用パターニングを実施すると、製造工程が増加するために、製造費用も増大してしまうという問題点があった。そこで、製造工程を大量に追加せず、簡素な工程で、光入射側電極と接合する部分だけに高濃度拡散を行い、光入射側電極と良好な抵抗性接合を得ることが求められていた。
この発明は上記に鑑みてなされたもので、光起電力装置の光入射側電極と接合する部分に形成する高濃度拡散層の形成を、製造工程を大量に追加せず、簡素な工程で行うことができる光起電力装置の製造方法を得ることを目的とする。また、光入射側電極と良好な抵抗性接合を得ることできる光起電力装置を得ることも目的とする。
上記目的を達成するため、この発明にかかる光起電力装置の製造方法は、第１の導電型の半導体基板の光の入射面側の全面に第２の導電型の不純物を拡散して、第１の濃度の第１の拡散層を形成する第１の拡散層形成工程と、前記第１の拡散層上に耐エッチング性を有する耐エッチング膜を形成する耐エッチング膜形成工程と、前記耐エッチング膜上の凹部形成領域内の所定の位置に微細孔を形成し、前記第１の拡散層を露出させる微細孔形成工程と、前記第１の拡散層の露出位置を中心に、前記凹部形成領域内で前記第１の拡散層が残存しないように、前記第１の拡散層と前記半導体基板とをエッチングして凹部を形成する凹部形成工程と、前記凹部を形成する面に、前記第１の濃度よりも低い第２の濃度の第２の導電型の不純物を拡散して、第２の拡散層を形成する第２の拡散層形成工程と、前記半導体基板の前記光の入射面側の前記凹部形成領域以外の電極形成領域に表面電極を形成する表面電極形成工程と、を含むことを特徴とする。
この発明によれば、最初に第１の濃度の第１の拡散層を基板表面に形成した後、耐エッチング膜を形成し、電極形成領域以外の領域にテクスチャ構造を形成するための微細な開口を形成し、混酸エッチングによって開口部を中心に凹部を形成し、その後に凹部を形成した基板表面に第１の濃度よりも低い第２の濃度の第２の拡散層を形成するようにしたので、テクスチャ構造を形成する工程に、第２の拡散層を形成する工程を一工程追加するだけで、低濃度の第２の拡散層をテクスチャ構造上に形成し、それ以外の領域に高濃度の第１の拡散層を形成することができる。その結果、簡素な工程で、安価に光起電力装置を得ることができるという効果を有する。
１００ 光起電力装置
１０１ シリコン基板
１０２Ｌ 低抵抗Ｎ型拡散層
１０２Ｈ 高抵抗Ｎ型拡散層
１０３ 耐エッチング膜
１０４ 微細孔
１０５ａ 凹部形成領域
１０５ｂ 電極形成領域
１０６ 凹部
１０９ 反射防止膜
１１０ Ｐ＋層
１１１ グリッド電極
１１２ 接合部分
１１３ バス電極
１２１ 裏側電極
１２２ 裏側集電電極
２００Ａ，２００Ｂ レーザ加工装置
２０１ ステージ
２０３ レーザ発振部
２０４ レーザ光
２０５ 反射鏡
２０６ ビームスプリッタ
２０７ アパーチャ
２０８ 縮小光学系
２１１，２１３ ガルバノミラー
２１２ Ｘ軸方向
２１４ Ｙ軸方向
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２１２ Ｘ軸方向
２１４ Ｙ軸方向
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光起電力装置とその製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態で用いられる光電変換装置の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。
実施の形態１．
最初に、この発明による実施の形態１の光起電力装置の構成を説明する前に、一般的な光起電力装置の全体構成の概要について説明する。図１−１〜図１−３は、一般的な光起電力装置の全体構成の一例を模式的に示す図であり、図１−１は光起電力装置の上面図であり、図１−２は光起電力装置の裏面図であり、図１−３は図１−２のＡ−Ａ断面図である。光起電力装置１００は、半導体基板としてのＰ型シリコン基板１０１と、このＰ型シリコン基板１０１の一方の主面（受光面）側の表面に形成されるＮ型の不純物を拡散させたＮ型拡散層１０２と、他方の主面（裏面）側の表面に形成されるシリコン基板１０１よりも高濃度にＰ型の不純物を含んだＰ＋層１１０と、を含む光電変換層を備える。また、光起電力装置１００は、光電変換層の受光面への入射光の反射を防止する反射防止膜１０９と、光電変換層で発電された電気を局所的に集電するために受光面に設けられる銀などからなるグリッド電極１１１と、グリッド電極１１１で集電された電気を取り出すためにグリッド電極１１１にほぼ直交して設けられる銀などからなるバス電極１１３と、光電変換層で発電された電気の取り出しと入射光の反射を目的としてＰ型シリコン基板１０１の裏面のほぼ全面に設けられたアルミニウムなどからなる裏側電極１２１と、この裏側電極１２１に生じた電気を集電する銀などからなる裏側集電電極１２２と、を備える。
最初に、この発明による実施の形態１の光起電力装置の構成を説明する前に、一般的な光起電力装置の全体構成の概要について説明する。図１−１〜図１−３は、一般的な光起電力装置の全体構成の一例を模式的に示す図であり、図１−１は光起電力装置の上面図であり、図１−２は光起電力装置の裏面図であり、図１−３は図１−２のＡ−Ａ断面図である。光起電力装置１００は、半導体基板としてのＰ型シリコン基板１０１と、このＰ型シリコン基板１０１の一方の主面（受光面）側の表面に形成されるＮ型の不純物を拡散させたＮ型拡散層１０２と、他方の主面（裏面）側の表面に形成されるシリコン基板１０１よりも高濃度にＰ型の不純物を含んだＰ＋層１１０と、を含む光電変換層を備える。また、光起電力装置１００は、光電変換層の受光面への入射光の反射を防止する反射防止膜１０９と、光電変換層で発電された電気を局所的に集電するために受光面に設けられる銀などからなるグリッド電極１１１と、グリッド電極１１１で集電された電気を取り出すためにグリッド電極１１１にほぼ直交して設けられる銀などからなるバス電極１１３と、光電変換層で発電された電気の取り出しと入射光の反射を目的としてＰ型シリコン基板１０１の裏面のほぼ全面に設けられたアルミニウムなどからなる裏側電極１２１と、この裏側電極１２１に生じた電気を集電する銀などからなる裏側集電電極１２２と、を備える。
つぎに、この実施の形態１の特徴となる部分について説明する。図２は、図１−１〜図１−３に示される光起電力装置のグリッド電極周辺の一部を拡大して示す断面図である。なお、この図２は、この図１−１〜図１−３のグリッド電極１１１周辺を切出した状態を示す図である。
この図２に示されるように、光起電力装置１００の受光面側は、曲率を有する面で形成される複数の凹部１０６からなるテクスチャ構造が形成された凹部形成領域１０５ａと、光起電力装置１００のグリッド電極１１１などの光入射側電極が形成される電極形成領域１０５ｂと、を有する。
凹部形成領域１０５ａは、シリコン基板１０１の上面に所定の間隔で形成された複数の凹部１０６によってテクスチャ構造が形成されており、凹部１０６を形成する面を含むシリコン基板１０１の上面から所定の深さにはＮ型の不純物が低濃度に拡散された低濃度Ｎ型拡散層１０２Ｌが形成される。凹部１０６間に存在するシリコン基板１０１の上面部は、シリコン基板１０１の上面（電極形成領域１０５ｂの上面）の高さよりも後退している。また、この図２では断面図を示しているが、凹部１０６の基板面と平行な方向の断面は、ほぼ円形状を有している。つまり、凹部１０６の形状は、おわん状を有している。また、電極形成領域１０５ｂでは、グリッド電極１１１などの光入射側電極が、低濃度Ｎ型拡散層１０２Ｌよりも抵抗が低くなるようにＮ型の不純物が高濃度に拡散された高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈ上に接合部分１１２を介して形成されている。なお、シリコン基板１０１の受光面と裏面の構造は、図１−１〜図１−３で説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
つぎに、このような構造の光起電力装置１００の製造方法について説明する。図３−１〜図３−９は、この実施の形態１による光起電力装置の製造方法の処理手順の一例を模式的に示す断面図である。なお、以下に示すサイズは一例である。
まず、シリコン基板１０１を用意する（図３−１）。ここでは、民生用光起電力装置向けとして最も多く使用されているＰ型多結晶シリコン基板を使用するものとする。このシリコン基板１０１は、多結晶シリコンインゴットからマルチワイヤソーでスライスし、酸またはアルカリ溶液を用いたウェットエッチングでスライス時のダメージを除去して製造する。ダメージ除去後のシリコン基板１０１厚みは２５０μｍであり、寸法は１５０ｍｍ×１５０ｍｍである。
ついで、ダメージ除去後のシリコン基板１０１を熱酸化炉へ投入し、Ｎ型の不純物としてのリン（Ｐ）の雰囲気下で加熱し、シリコン基板１０１表面にリンを高濃度に拡散させ、高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈを形成する（図３−２）。ここではリン雰囲気の形成にオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ3）を用いて、８４０℃で拡散させる。これによって、シリコン基板１０１の上面、下面および側面に高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈが形成されるが、側面の高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈは、エッチングなどによって除去する。
その後、一方の主面上に形成した高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈ上に、耐エッチング性を有する膜（以下、耐エッチング膜という）１０３を形成する（図３−３）。この耐エッチング膜１０３として、窒化シリコン膜（以下、ＳｉＮ膜という）、酸化シリコン（ＳｉＯ2、ＳｉＯ）膜、酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）膜、アモルファスシリコン（а−Ｓｉ）膜、ダイアモンドライクカーボン膜、樹脂膜などを用いることができる。ここでは、耐エッチング膜１０３として、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって形成した膜厚２４０ｎｍのＳｉＮ膜を用いる。なお、膜厚は２４０ｎｍとしたが、テクスチャ・エッチング時のエッチング条件と、後工程でのＳｉＮ膜の除去性から適切な膜厚を選択することができる。
ついで、耐エッチング膜１０３上の凹部形成領域１０５ａに、微細孔１０４を形成する（図３−４）。テクスチャ構造を形成せず、光起電力装置１００の光入射側電極を形成しようとする電極形成領域１０５ｂには、微細孔１０４は形成しない。微細孔１０４の形成は、半導体プロセスで用いられるフォトリソグラフィによる方法やレーザ照射による方法などを用いることができる。なお、レーザ照射による方法は、フォトリソグラフィ技術によって形成する場合に必要となるレジスト塗布、露光・現像、エッチング、レジスト除去という複雑な工程が不要で、レーザを照射するのみで微細孔１０４を形成でき工程を簡略化できるメリットがある。なお、レーザ照射で微細孔１０４を形成する場合には、レーザの波長は７００ｎｍ以下が望ましい。これは、以下の理由による。すなわち、レーザの波長が７００ｎｍよりも大きい場合には、レーザが耐エッチング膜１０３内に微細孔１０４を形成するに留まらず、高抵抗Ｎ型拡散層１０２Ｈやシリコン基板１０１への侵入が深くなり、場合によってはシリコン基板１０１へのダメージが深くなる。すると、後述のエッチングによる凹部１０６形成時に、シリコン基板１０１に凹部１０６が形成されても、レーザによるダメージが取れずに残る可能性がある。このため、シリコン基板１０１にダメージを残さずに凹部１０６を形成するには、波長７００ｎｍ以下のレーザを用いることが望ましい。
図４は、開口を形成するレーザ加工装置の構成の一例を模式的に示す図である。このレーザ加工装置２００Ａは、シリコン基板１０１などの加工対象を載置するステージ２０１と、レーザ光２０４を出力するレーザ発振部２０３と、レーザ光２０４を反射させながら光路に導く反射鏡２０５と、レーザ光２０４を複数のレーザ光に分離するビームスプリッタ２０６と、ビーム形状を所定の形状にするアパーチャ２０７と、アパーチャ２０７を通過したレーザ光２０４を縮小して加工対象に照射する縮小光学系２０８と、を備える。
このようなレーザ加工装置２００Ａにおいて、レーザ発振部２０３から出力されるレーザ光２０４は、反射鏡２０５で光路が変更された後、ビームスプリッタ２０６で拡大されてアパーチャ２０７に入射され、アパーチャ２０７を通過後、縮小光学系２０８で耐エッチング膜１０３上の所定の位置に照射される。この結果、シリコン基板１０１上に形成された耐エッチング膜１０３に複数の微細孔である微細孔１０４が開けられ、下地のシリコン基板１０１の表面が露出する。なお、耐エッチング膜１０３としてＳｉＮ膜を用いる場合のレーザの波長を４００ｎｍ以下にすれば、所望の微細孔１０４を形成し易い。これは、レーザの波長が４００ｎｍよりも大きい場合には、レーザのＳｉＮ膜への吸収が不足となり、開口、つまり微細孔１０４の形状を充分制御できない場合があるからである。レーザの波長が４００ｎｍ以下であれば、ＳｉＮ膜にレーザが充分吸収されるため、微細孔１０４の形成を制御し易く、所望の形状の微細孔１０４を得ることができる。
ここで、レーザ発振部２０３として、Ｎｄ：ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザと３倍高調波発生器を組み合わせたものを使用する。これによって、レーザ光の波長が３５５ｎｍとなり、ＳｉＮ膜が吸収可能な波長となる。また、光学系の焦点深度は、１０μｍ以上に設定している。またＳｉＮ膜を除去した上でさらに下地のシリコン基板１０１に窪みを施すことができるレーザの強度を選ぶことで、より窪み深さと窪み径の比を大きくでき、光の閉じ込め効果を大きくすることができる。実験によって、０．４Ｊ／ｃｍ2以上でＳｉＮ膜に開口が可能で、２Ｊ／ｃｍ2以上で下地のシリコン基板１０１に窪みを施せることが明らかとなった。したがって、ここでは３Ｊ／ｃｍ2のレーザ光強度を使用している。なお、レーザ光源としてＮｄ：ＹＡＧレーザの３倍高調波を用いたが、レーザ光によるシリコン基板１０１へのダメージをテクスチャ・エッチング深さ以内となる４μｍ以内に抑えることのできる７００ｎｍより短い波長のレーザ光を出力することができるレーザ光源であれば、他のレーザ光源を用いることもできる。
また、上記のレーザ加工装置２００Ａでのアパーチャ２０７としては、金属板に開口を施したものを使用している。アパーチャ２０７を通過したレーザ光２０４は縮小されて加工対象に照射されるため、アパーチャ２０７の開口パターンは比較的大きくてもよい。したがって、アパーチャ２０７として、金属板にウェットエッチングまたはサンドブラストを用いて開口したものを使用してもよい。また、ガラス板にクロム膜等の薄膜金属パターンを形成したガラスマスクもアパーチャ２０７として使用可能である。ただし、この場合にはガラスの透過率と金属薄膜の耐性に留意する必要がある。さらに、ここで、凹部形成領域１０５ａの耐エッチング膜１０３に微細孔１０４を形成する際に、三角格子点上に設けてもよいし、四角格子点上に設けてもよい。
ついで、耐エッチング膜１０３に開けた微細孔１０４を通して、高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈを含むシリコン基板１０１の表面付近をエッチングして、凹部１０６を形成する（図３−５）。このエッチングは、微細な微細孔１０４を通してシリコン基板１０１をエッチングするため、シリコン基板１０１の表面には微細な微細孔１０４を中心として、その同心位置に凹部１０６が形成される。混酸系のエッチング液によってエッチングを行うと、シリコン基板１０１表面の結晶面方位に影響されずに均一なテクスチャが形成され、表面反射損失の少ない光起電力装置１００を製造できる。ここでは、エッチング液としてフッ酸と硝酸の混合液を用いる。混合比はフッ酸１：硝酸２０：水１０である。なお、エッチング液の混合比は所望のエッチング速度、エッチング形状により適切な混合比に変更可能である。また、ここでは、凹部形成領域１０５ａにおいて、高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈが除去されるようにエッチングを行う。
ついで、フッ酸などを用いて耐エッチング膜１０３を除去した後（図３−６）、シリコン基板１０１を熱酸化炉へ再度投入し、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ3）蒸気の存在下で加熱して、凹部１０６の表面にリンを低濃度に拡散させた低濃度Ｎ型拡散層１０２Ｌを形成する（図３−７）。このときの拡散温度は８４０℃とする。ここで、電極形成領域１０５ｂは、エッチング時に高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈが残っていた部分であるため、その上から再度低濃度な拡散を行っても抵抗は低いままである。また、凹部形成領域１０５ａの凹部１０６の内面は、エッチング時に高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈが除去された状態になっているが、この拡散処理によって、低濃度Ｎ型拡散層１０２Ｌが形成される。
ここで、高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈの表面シート抵抗は５０Ω／□未満であることが望ましく、また、低濃度Ｎ型拡散層１０２Ｌの表面シート抵抗は５０Ω／□以上１００Ω／□未満であることが望ましい。これは、高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈの表面シート抵抗が５０Ω／□以上である場合には、凹部１０６から集電された光電流がジュール熱に変換される割合が多くなってしまい、光電流として取り出す効率が落ちてしまうからである。また、低濃度Ｎ型拡散層１０２Ｌの表面シート抵抗が５０Ω／□未満である場合には、入射した光を電気に変える効率が落ちてしまい、１００Ω／□以上である場合には、凹部１０６で発生した光電流がグリッド電極などの光入射側電極にたどり着くまでの間にジュール熱として失われてしまうからである。
ついで、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ3）蒸気の存在下で加熱してできたリンガラス層をフッ酸溶液中で除去する。その後、プラズマＣＶＤ法によりセル表面にＳｉＮ膜などからなる反射防止膜１０９を形成する（図３−８）。この反射防止膜１０９の膜厚および屈折率は、光反射を最も抑制する値に設定される。なお、屈折率の異なる２層以上の膜を積層してもよい。またスパッタ法など異なる成膜方法により形成してもよい。
その後、シリコン基板１０１の表面と裏面にそれぞれ表面電極（グリッド電極１１１、バス電極１１３）と、裏面電極（裏側電極１２１、裏側集電電極１２２）を形成する（図３−９）。ここではまず、裏側電極１２１としてアルミニウムを混入したペーストを全面にスクリーン印刷にて形成する。つぎに、グリッド電極１１１（バス電極１１３）として銀を混入したペーストを櫛形にスクリーン印刷にて形成する。そして、焼成処理を実施する。なお、グリッド電極１１１の基となるペーストは、電極形成領域１０５ｂ上に形成される。また、焼成処理は、大気雰囲気中、７６０℃で実施する。このとき、グリッド電極１１１は、接合部分１１２において、反射防止膜１０９を突き抜け高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈとコンタクトする。これによって、高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈは上部電極（グリッド電極１１１、バス電極１１３）と良好な抵抗性接合を得ることができる。また、焼成によって裏側電極１２１のアルミニウムがシリコン基板１０１へと拡散し、シリコン基板１０１の裏面から所定の範囲にＰ＋層１１０が形成される。以上のようにして、光起電力装置１００が作製される。
この実施の形態１によれば、最初に低抵抗拡散層を基板表面に形成した後、耐エッチング膜を形成し、光入射側の電極形成領域１０５ｂ以外の領域にテクスチャ構造を形成するための微細孔１０４を開けて、混酸エッチングによって微細孔１０４形成位置を中心に凹部１０６を形成し、その後に凹部１０６を形成した基板表面に高抵抗拡散層を形成するようにした。そのため、テクスチャ構造を形成する工程に、拡散層を形成する工程を一工程追加するだけで、低抵抗拡散層をテクスチャ構造上に形成することができる。その結果、簡素な工程で、安価に光起電力装置を得ることができるという効果を有する。特に、テクスチャ構造を形成するための微細孔１０４の形成にレーザを使用した場合、フォトリソグラフィ工程も省略できる。つまり、改めて高濃度拡散専用マスクを形成、パターニングするという工程は不要であるため、さらに簡素でコストの安価な光起電力装置の製造方法を実現することができる。
また、電極形成領域１０５ｂでは、良好な抵抗性接合が得られ、光起電力装置の出力特性が向上し、その結果、簡素な工程で高効率の光起電力装置が得られるという効果を有する。また、このようにして製造された光起電力層は、従来に比して高い変換効率が得られるので、省エネルギを実現することができる。
実施の形態２．
実施の形態１の説明では、図３−７で低濃度Ｎ型拡散層１０２Ｌを凹部１０６内に形成した後、高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈと低濃度Ｎ型拡散層１０２Ｌ上のリンガラス層をフッ酸溶液で除去したが、高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈと低濃度Ｎ型拡散層１０２Ｌの極最表面をたとえばフッ酸と硝酸の混合液によってエッチングしてもよい。なお、その他の処理工程は、実施の形態１で説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
実施の形態１の説明では、図３−７で低濃度Ｎ型拡散層１０２Ｌを凹部１０６内に形成した後、高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈと低濃度Ｎ型拡散層１０２Ｌ上のリンガラス層をフッ酸溶液で除去したが、高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈと低濃度Ｎ型拡散層１０２Ｌの極最表面をたとえばフッ酸と硝酸の混合液によってエッチングしてもよい。なお、その他の処理工程は、実施の形態１で説明したものと同様であるので、その説明を省略する。
この実施の形態２によれば、高濃度Ｎ型拡散層１０２Ｈと低濃度Ｎ型拡散層１０２Ｌの上のリンガラス層エッチング後に、これら拡散層１０２Ｌ，１０２Ｈの最表面をフッ酸と硝酸の混合液などの混酸でエッチングするようにしたので、Ｎ型拡散層におけるキャリア再結合速度を抑えることができるという効果を有する。
実施の形態３．
この実施の形態３では、実施の形態１とは異なる方法で開口を形成する場合について説明する。図５は、実施の形態３で開口の形成に使用されるレーザ加工装置の構成の一例を示す図である。このレーザ加工装置２００Ｂは、シリコン基板１０１などの加工対象を載置するステージ２０１と、レーザ光２０４を出力するレーザ発振部２０３と、ステージ２０１とレーザ発振部２０３との間に配置され、レーザ光２０４をＸ軸方向２１２に走査しながら光路に導く第１のガルバノミラー２１１と、第１のガルバノミラー２１１で反射したレーザ光２０４をＹ軸方向２１４に走査しながら光路に導く第２のガルバノミラー２１３と、を備える。
この実施の形態３では、実施の形態１とは異なる方法で開口を形成する場合について説明する。図５は、実施の形態３で開口の形成に使用されるレーザ加工装置の構成の一例を示す図である。このレーザ加工装置２００Ｂは、シリコン基板１０１などの加工対象を載置するステージ２０１と、レーザ光２０４を出力するレーザ発振部２０３と、ステージ２０１とレーザ発振部２０３との間に配置され、レーザ光２０４をＸ軸方向２１２に走査しながら光路に導く第１のガルバノミラー２１１と、第１のガルバノミラー２１１で反射したレーザ光２０４をＹ軸方向２１４に走査しながら光路に導く第２のガルバノミラー２１３と、を備える。
このような構成のレーザ加工装置２００Ｂでは、第１と第２のガルバノミラー２１１，２１３を走査することによって、スポット状に集光したレーザ光２０４をシリコン基板１０１上の耐エッチング膜１０３の所定の位置に照射して微細孔１０４を形成する。このように、第１のガルバノミラー２１１を回動させてＸ軸方向２１２にレーザ光２０４を走査し、第２のガルバノミラー２１３を回動させてＹ軸方向２１４にレーザ光２０４を走査することによって、シリコン基板１０１の全域にわたり、高速で微細孔１０４を開けることができる。具体的には、繰り返し周波数５００ｋＨｚのレーザ光を用いて、１５μｍピッチで１走査線あたり１０，０００個の微細孔１０４を開ける場合には、第１のガルバノミラー２１１のＸ軸方向２１２の走査周波数を５０Ｈｚに設定すればよい。一方、三角格子上の最密配置に開口するためには走査線のＹ軸方向２１４の間隔は１３μｍに設定する必要があるため、シリコン基板１０１面上でのＹ軸方向２１４の走査速度を０．６５ｍｍ／秒とする。このようにして、耐エッチング膜１０３に１５μｍピッチの最密配置で直径５μｍの微細孔１０４を開けることができる。
この実施の形態３によれば、レーザ光２０４を第１と第２のガルバノミラー２１１，２１３を用いて加工対象である耐エッチング膜１０３上の表面を走査して照射することができるので、多点照射でなくても、高速に微細孔１０４を設けることができるという効果を有する。
なお、実施の形態１〜３では、シリコン基板１０１としてＰ型のシリコン基板１０１を用いる場合を説明したが、Ｎ型のシリコン基板１０１を用いてＰ型拡散層を形成する逆の導電型の光起電力装置１００においても同様の効果を奏する。また基板として多結晶シリコンを用いたが、単結晶シリコン基板を用いても同様の効果を有する。さらに、ここでは基板厚を２５０μｍとしたが、自己保持できる、たとえば５０μｍ程度まで薄型化した基板を用いることもできる。また、寸法も１５０ｍｍ×１５０ｍｍと記述したが、これは一例であり、それより大きくてもまたは小さくても同様の効果が得られる。さらに、基板としてシリコン基板を例に挙げて説明したが、シリコン基板に限らず、半導体基板全般に上記した実施の形態１〜３を適用することができる。
以上のように、この発明にかかる光起電力装置は、太陽光を用いて発電を行う太陽電池に有用である。
この発明は、光起電力装置の製造方法に関するものである。
この発明は上記に鑑みてなされたもので、光起電力装置の光入射側電極と接合する部分に形成する高濃度拡散層の形成を、製造工程を大量に追加せず、簡素な工程で行うことができる光起電力装置の製造方法を得ることを目的とする。
上記目的を達成するため、この発明にかかる光起電力装置の製造方法は、第１の導電型の半導体基板の光の入射面側の全面に第２の導電型の不純物を拡散して、第１の濃度の第１の拡散層を形成する第１の拡散層形成工程と、前記第１の拡散層上に耐エッチング性を有する耐エッチング膜を形成する耐エッチング膜形成工程と、前記耐エッチング膜上の凹部形成領域内の所定の位置に、前記耐エッチング膜が吸収する波長のレーザ光を用いて微細孔を形成し、前記第１の拡散層を露出させる微細孔形成工程と、前記第１の拡散層の露出位置を中心に、前記凹部形成領域内で前記第１の拡散層が残存しないように、エッチング液を用いて前記第１の拡散層と前記半導体基板とをエッチングして凹部を形成する凹部形成工程と、前記耐エッチング膜を除去する耐エッチング膜除去工程と、前記凹部を形成する面に、前記第１の濃度よりも低い第２の濃度の第２の導電型の不純物を拡散して、第２の拡散層を形成する第２の拡散層形成工程と、前記半導体基板の前記光の入射面側の前記凹部形成領域以外の電極形成領域に表面電極を形成する表面電極形成工程と、を含むことを特徴とする。
１００ 光起電力装置
１０１ シリコン基板
１０２Ｌ 低濃度Ｎ型拡散層
１０２Ｈ 高濃度Ｎ型拡散層
１０３ 耐エッチング膜
１０４ 微細孔
１０５ａ 凹部形成領域
１０５ｂ 電極形成領域
１０６ 凹部
１０９ 反射防止膜
１１０ Ｐ＋層
１１１ グリッド電極
１１２ 接合部分
１１３ バス電極
１２１ 裏側電極
１２２ 裏側集電電極
２００Ａ，２００Ｂ レーザ加工装置
２０１ ステージ
２０３ レーザ発振部
２０４ レーザ光
２０５ 反射鏡
２０６ ビームスプリッタ
２０７ アパーチャ
２０８ 縮小光学系
２１１，２１３ ガルバノミラー
２１２ Ｘ軸方向
２１４ Ｙ軸方向
１０１ シリコン基板
１０２Ｌ 低濃度Ｎ型拡散層
１０２Ｈ 高濃度Ｎ型拡散層
１０３ 耐エッチング膜
１０４ 微細孔
１０５ａ 凹部形成領域
１０５ｂ 電極形成領域
１０６ 凹部
１０９ 反射防止膜
１１０ Ｐ＋層
１１１ グリッド電極
１１２ 接合部分
１１３ バス電極
１２１ 裏側電極
１２２ 裏側集電電極
２００Ａ，２００Ｂ レーザ加工装置
２０１ ステージ
２０３ レーザ発振部
２０４ レーザ光
２０５ 反射鏡
２０６ ビームスプリッタ
２０７ アパーチャ
２０８ 縮小光学系
２１１，２１３ ガルバノミラー
２１２ Ｘ軸方向
２１４ Ｙ軸方向
Claims (11)
- 第１の導電型の半導体基板の光の入射面側の全面に第２の導電型の不純物を拡散して、第１の濃度の第１の拡散層を形成する第１の拡散層形成工程と、
前記第１の拡散層上に耐エッチング性を有する耐エッチング膜を形成する耐エッチング膜形成工程と、
前記耐エッチング膜上の凹部形成領域内の所定の位置に微細孔を形成し、前記第１の拡散層を露出させる微細孔形成工程と、
前記第１の拡散層の露出位置を中心に、前記凹部形成領域内で前記第１の拡散層が残存しないように、前記第１の拡散層と前記半導体基板とをエッチングして凹部を形成する凹部形成工程と、
前記凹部を形成する面に、前記第１の濃度よりも低い第２の濃度の第２の導電型の不純物を拡散して、第２の拡散層を形成する第２の拡散層形成工程と、
前記半導体基板の前記光の入射面側の前記凹部形成領域以外の電極形成領域に表面電極を形成する表面電極形成工程と、
を含むことを特徴とする光起電力装置の製造方法。 - 前記微細孔形成工程では、前記耐エッチング膜が吸収する波長のレーザ光を用いて微細孔の形成処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の光起電力装置の製造方法。
- 前記耐エッチング膜形成工程で、前記耐エッチング膜としてＳｉＮ膜を形成し、
前記微細孔形成工程では、波長が７００ｎｍ以下のレーザ光を用いることを特徴とする請求項２に記載の光起電力装置の製造方法。 - 前記レーザ光の波長は、４００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の光起電力装置の製造方法。
- 前記微細孔形成工程では、前記レーザ光の一部をマスクにより遮光して、前記耐エッチング膜に同時に複数の前記微細孔を開けることを特徴とする請求項２に記載の光起電力装置の製造方法。
- 前記微細孔形成工程では、ガルバノミラーを用いて前記レーザ光を前記耐エッチング膜上で走査させて、複数の前記微細孔を開けることを特徴とする請求項２に記載の光起電力装置の製造方法。
- 前記微細孔形成工程では、前記耐エッチング膜の三角格子点上または四角格子点上に前記微細孔を形成することを特徴とする請求項２に記載の光起電力装置の製造方法。
- 前記第１の拡散層形成工程で、前記第１の拡散層を形成した後、前記第１の拡散層の最表面を除去することを特徴とする請求項１に記載の光起電力装置の製造方法。
- 前記第２の拡散層形成工程では、前記第２の拡散層を形成した後、前記第２の拡散層の最表面を除去することを特徴とする請求項１に記載の光起電力装置の製造方法。
- 第１の導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の光の入射面側に形成される第２の導電型の不純物が第１の濃度で拡散された第１の拡散層と、
前記第１の拡散層上に形成される櫛状のグリッド電極と前記グリッド電極間を結ぶバス電極と、
前記半導体基板の光の入射面に対向する裏面に形成される第１の導電型からなる第２の拡散層と、
前記第２の拡散層上に形成される裏面電極と、
を備える光起電力装置において、
前記半導体基板の光の入射面側の前記グリッド電極と前記バス電極が形成される電極形成領域以外の凹部形成領域で、所定の間隔で設けられた複数の凹部を有し、
隣接する前記凹部間の領域の上面は、前記第１の拡散層を含まず、
前記凹部の形成面から所定の深さの範囲には、第２の導電型の不純物が前記第１の濃度よりも低い第２の濃度で拡散された第３の拡散層が形成されていることを特徴とする光起電力装置。 - 前記凹部は、三角格子点上または四角格子点上に形成されることを特徴とする請求項１０に記載の光起電力装置。
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