JPWO2013005738A1 - n型拡散層形成組成物、n型拡散層の製造方法及び太陽電池素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、ドナー元素を含み、軟化温度が500℃以上900℃以下であり、平均粒子径が5μm以下であるガラス粉末と、分散媒と、を含有するn型拡散層形成組成物を提供する。
Description
本発明は、太陽電池素子のn型拡散層形成組成物、n型拡散層の製造方法及び太陽電池素子の製造方法に関するものであり、更に詳しくは、半導体基板であるシリコンの特定の領域にn型拡散層を形成することを可能とする技術に関するものである。
従来のシリコン太陽電池素子の製造工程について説明する。
まず、光閉じ込め効果を促して高効率化を図るよう、受光面にテクスチャー構造を形成したp型シリコン基板を準備し、続いてドナー元素含有化合物であるオキシ塩化リン(POCl3)、窒素、酸素の混合ガス雰囲気において800℃〜900℃で数十分の処理を行って一様にn型拡散層を形成する。この従来の方法では、混合ガスを用いてリンの拡散を行うため、表面のみならず、側面、裏面にもn型拡散層が形成される。そのため、側面のn型拡散層を除去するためのサイドエッチング工程が必要であった。また、裏面のn型拡散層はp+型拡散層へ変換する必要があり、裏面のn型拡散層の上にアルミニウムペーストを付与して、アルミニウムの拡散によってn型拡散層からp+型拡散層に変換させていた。
まず、光閉じ込め効果を促して高効率化を図るよう、受光面にテクスチャー構造を形成したp型シリコン基板を準備し、続いてドナー元素含有化合物であるオキシ塩化リン(POCl3)、窒素、酸素の混合ガス雰囲気において800℃〜900℃で数十分の処理を行って一様にn型拡散層を形成する。この従来の方法では、混合ガスを用いてリンの拡散を行うため、表面のみならず、側面、裏面にもn型拡散層が形成される。そのため、側面のn型拡散層を除去するためのサイドエッチング工程が必要であった。また、裏面のn型拡散層はp+型拡散層へ変換する必要があり、裏面のn型拡散層の上にアルミニウムペーストを付与して、アルミニウムの拡散によってn型拡散層からp+型拡散層に変換させていた。
一方で、半導体の製造分野では、ドナー元素含有化合物として、五酸化リン(P2O5)あるいはリン酸二水素アンモニウム(NH4H2PO4)等のリン酸塩を含有する溶液の塗布によってn型拡散層を形成する方法が提案されている(例えば、特開2002−75894号公報参照)。また、拡散層形成のために、ドナー元素としてリンを含むペーストを拡散源としてシリコン基板表面上に塗布し、熱拡散して拡散層を形成する技術も知られている(例えば、特許第4073968号公報参照)。
しかしながら、これらの方法ではドナー元素またはその含有化合物が、拡散源である溶液、またはペースト中から飛散するため、上記混合ガスを用いる気相反応法と同様、拡散層形成時にリンが側面及び裏面にも拡散し、塗布した部分以外にもn型拡散層が形成される。また、一般に、太陽電池に用いられるシリコン基板などの半導体基板の上面には、凸部と凹部の高低差が5μm程度のテクスチャー構造を有する。このようなテクスチャー構造の面に塗布されるため、n型拡散層は不均一に形成される場合がある。
このように、n型拡散層形成の際、オキシ塩化リンを用いた気相反応では、本来n型拡散層が必要となる片面(通常は受光面又は表面)のみならず、もう一方の面(非受光面又は裏面)や側面にもn型拡散層が形成されてしまう。また、リンを含有する化合物を含む溶液、またはペーストを塗布して熱拡散させる方法でも、気相反応法と同様、表面以外にもn型拡散層が形成されてしまう。そのため、素子としてpn接合構造を有するためには、側面においてはエッチングを行い、裏面においてはn型拡散層をp型拡散層へ変換しなければならない。一般には、裏面に第13族元素であるアルミニウムのペーストを塗布、焼成し、n型拡散層をp型拡散層へ変換している。また、溶液の塗布においてはリンが均一に拡散されず、不均一なn型拡散層が形成され、太陽電池全体の変換効率の低下につながる。さらに、従来知られているリン等のドナー元素を含むペーストを拡散源として塗布する方法では、ドナー元素を有する化合物が揮散ガス化して、拡散が必要とされる領域以外にも拡散するため、選択的に特定の領域に拡散層を形成することが難しい。
本発明は、以上の従来の問題点に鑑みなされたものであり、半導体基板を用いた太陽電池素子に適用可能であり、不要な領域にn型拡散層を形成させることなく、特定の領域に短時間で均一なn型拡散層を形成可能なn型拡散層形成組成物、n型拡散層の製造方法及び太陽電池素子の製造方法の提供を課題とする。
前記課題を解決する手段は以下の通りである。
<1>ドナー元素を含み、軟化温度が500℃以上900℃以下であり、平均粒子径が5μm以下であるガラス粉末と、分散媒と、を含有するn型拡散層形成組成物。
<2>前記ガラス粉末のd90が20μm以下である、請求項1に記載のn型拡散層形成組成物。
<3>前記ドナー元素が、P(リン)及びSb(アンチモン)から選択される少なくとも1種である、<1>又は<2>に記載のn型拡散層形成組成物。
<4>前記ドナー元素を含むガラス粉末が、P2O3、P2O5及びSb2O3からなる群より選択される少なくとも1種のドナー元素含有物質と、SiO2、K2O、Na2O、Li2O、BaO、SrO、CaO、MgO、BeO、ZnO、PbO、CdO、SnO、ZrO2及びMoO3からなる群より選択される少なくとも1種のガラス成分物質と、を含有する、<1>〜<3>のいずれかに記載のn型拡散層形成組成物。
<5>半導体基板上に、<1>〜<4>のいずれかに記載のn型拡散層形成組成物を付与する工程と、前記付与後の半導体基板に、熱拡散処理を施す工程と、を有するn型拡散層の製造方法。
<6>半導体基板上に、<1>〜<4>のいずれかに記載のn型拡散層形成組成物を付与する工程と、前記付与後の半導体基板に、熱拡散処理を施して、n型拡散層を形成する工程と、形成された前記n型拡散層上に電極を形成する工程と、を有する太陽電池素子の製造方法。
<7>n型拡散層の製造における、<1>〜<4>のいずれかに記載のn型拡散層形成組成物の使用。
<8>半導体基板と、n型拡散層と、電極と、を含む太陽電池素子の製造における、<1>〜<4>のいずれかに記載のn型拡散層形成組成物の使用。
<1>ドナー元素を含み、軟化温度が500℃以上900℃以下であり、平均粒子径が5μm以下であるガラス粉末と、分散媒と、を含有するn型拡散層形成組成物。
<2>前記ガラス粉末のd90が20μm以下である、請求項1に記載のn型拡散層形成組成物。
<3>前記ドナー元素が、P(リン)及びSb(アンチモン)から選択される少なくとも1種である、<1>又は<2>に記載のn型拡散層形成組成物。
<4>前記ドナー元素を含むガラス粉末が、P2O3、P2O5及びSb2O3からなる群より選択される少なくとも1種のドナー元素含有物質と、SiO2、K2O、Na2O、Li2O、BaO、SrO、CaO、MgO、BeO、ZnO、PbO、CdO、SnO、ZrO2及びMoO3からなる群より選択される少なくとも1種のガラス成分物質と、を含有する、<1>〜<3>のいずれかに記載のn型拡散層形成組成物。
<5>半導体基板上に、<1>〜<4>のいずれかに記載のn型拡散層形成組成物を付与する工程と、前記付与後の半導体基板に、熱拡散処理を施す工程と、を有するn型拡散層の製造方法。
<6>半導体基板上に、<1>〜<4>のいずれかに記載のn型拡散層形成組成物を付与する工程と、前記付与後の半導体基板に、熱拡散処理を施して、n型拡散層を形成する工程と、形成された前記n型拡散層上に電極を形成する工程と、を有する太陽電池素子の製造方法。
<7>n型拡散層の製造における、<1>〜<4>のいずれかに記載のn型拡散層形成組成物の使用。
<8>半導体基板と、n型拡散層と、電極と、を含む太陽電池素子の製造における、<1>〜<4>のいずれかに記載のn型拡散層形成組成物の使用。
本発明によれば、半導体基板を用いた太陽電池素子に適用可能であり、不要な領域にn型拡散層を形成させることなく、特定の領域に短時間で均一なn型拡散層を形成可能なn型拡散層形成組成物、n型拡散層の製造方法及び太陽電池素子の製造方法の提供が可能となる。
まず、本発明のn型拡散層形成組成物について説明し、次にn型拡散層形成組成物を用いるn型拡散層及び太陽電池素子の製造方法について説明する。
尚、本明細書において「工程」との語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。また本明細書において「〜」は、その前後に記載される数値をそれぞれ最小値および最大値として含む範囲を示すものとする。さらに本明細書において組成物中の各成分の量は、組成物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。
尚、本明細書において「工程」との語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。また本明細書において「〜」は、その前後に記載される数値をそれぞれ最小値および最大値として含む範囲を示すものとする。さらに本明細書において組成物中の各成分の量は、組成物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。
本発明のn型拡散層形成組成物は、少なくともドナー元素を含み、軟化温度が500℃以上900℃以下であり、平均粒子径が5μm以下であるガラス粉末(以下、単に「ガラス粉末」と称する場合がある。)と、分散媒と、を含有し、更に組成物の付与適性(塗布性)等を考慮してその他の添加剤を必要に応じて含有してもよい。
ここで、n型拡散層形成組成物とは、ドナー元素を含み、軟化温度が500℃以上900℃以下であり、平均粒子径が5μm以下であるガラス粉末を含有し、半導体基板に付与した後にこのドナー元素を熱拡散することでn型拡散層を形成することが可能な材料をいう。
ドナー元素を含み、軟化温度が500℃以上900℃以下であり、平均粒子径が5μm以下であるガラス粉末を含むn型拡散層形成組成物を用いることで、熱拡散処理時のガラスの粘度が低くなりすぎず、またガラス粉末が短時間で溶融する。これにより、所望の部位にn型拡散層が形成され、裏面や側面には不要なn型拡散層が形成されない。
ここで、n型拡散層形成組成物とは、ドナー元素を含み、軟化温度が500℃以上900℃以下であり、平均粒子径が5μm以下であるガラス粉末を含有し、半導体基板に付与した後にこのドナー元素を熱拡散することでn型拡散層を形成することが可能な材料をいう。
ドナー元素を含み、軟化温度が500℃以上900℃以下であり、平均粒子径が5μm以下であるガラス粉末を含むn型拡散層形成組成物を用いることで、熱拡散処理時のガラスの粘度が低くなりすぎず、またガラス粉末が短時間で溶融する。これにより、所望の部位にn型拡散層が形成され、裏面や側面には不要なn型拡散層が形成されない。
したがって、本発明のn型拡散層形成組成物を適用すれば、従来広く採用されている気相反応法では必須のサイドエッチング工程が不要となり、工程が簡易化される。また、裏面に形成されたn型拡散層をp+型拡散層へ変換する工程も不要となる。そのため、裏面のp+型拡散層の形成方法や、裏面電極の材質、形状及び厚さが制限されず、適用する製造方法や材質、形状の選択肢が広がる。また詳細は後述するが、裏面電極の厚さに起因した半導体基板内の内部応力の発生が抑えられ、半導体基板の反りも抑えられる。
なお、本発明のn型拡散層形成組成物に含有されるガラス粉末は焼成により溶融し、n型拡散層の上にガラス層を形成する。しかし従来の気相反応法やリン酸塩含有の溶液またはペーストを付与する方法においてもn型拡散層の上にガラス層が形成されており、よって本発明において生成したガラス層は、従来の方法と同様に、エッチングにより除去することができる。したがって本発明のn型拡散層形成組成物は、従来の方法と比べても不要な生成物を発生させず、工程を増やすこともない。
また、ガラス粉末中のドナー成分は焼成中でも揮散しにくいため、揮散ガスの発生によって表面のみでなく裏面や側面にまでn型拡散層が形成されるということが抑制される。
この理由として、ドナー成分はガラス中に構成元素として他の元素と強固な結合しているため、揮発しにくいものと考えられる。
この理由として、ドナー成分はガラス中に構成元素として他の元素と強固な結合しているため、揮発しにくいものと考えられる。
このように、本発明のn型拡散層形成組成物は、所望の部位に所望の濃度のn型拡散層を形成することが可能であることから、n型ドナー元素(ドーパント)の濃度の高い選択的な領域を形成することが可能となる。一方、n型拡散層の一般的な方法である気相反応法や、リン酸塩含有溶液を単独で用いる方法によってn型ドナー元素の濃度の高い選択的な領域を形成することは一般的には困難である。
本発明に係るドナー元素を含むガラス粉末について、詳細に説明する。
ドナー元素とは、半導体基板中に拡散(ドーピング)させることによってn型拡散層を形成することが可能な元素である。ドナー元素としては第15族の元素が使用でき、例えばP(リン)、Sb(アンチモン)、Bi(ビスマス)、As(ヒ素)等が挙げられる。安全性、ガラス化の容易さ等の観点から、P又はSbが好適である。
ドナー元素とは、半導体基板中に拡散(ドーピング)させることによってn型拡散層を形成することが可能な元素である。ドナー元素としては第15族の元素が使用でき、例えばP(リン)、Sb(アンチモン)、Bi(ビスマス)、As(ヒ素)等が挙げられる。安全性、ガラス化の容易さ等の観点から、P又はSbが好適である。
ドナー元素をガラス粉末に導入するために用いるドナー元素含有物質としては、P2O3、P2O5、Sb2O3、Bi2O3及びAs2O3が挙げられ、P2O3、P2O5及びSb2O3からなる群より選択される少なくとも1種を用いることが好ましい。
また、ドナー元素を含むガラス粉末は、必要に応じて成分比率を調整することによって、溶融温度、軟化温度、ガラス転移温度、化学的耐久性等を制御することが可能である。更に以下に記す、ガラス成分物質を含むことが好ましい。
ガラス成分物質としては、SiO2、K2O、Na2O、Li2O、BaO、SrO、CaO、MgO、BeO、ZnO、PbO、CdO、SnO、ZrO2、WO3、MoO3、MnO、La2O3、Nb2O5、Ta2O5、Y2O3、TiO2、ZrO2、GeO2、TeO2及びLu2O3等が挙げられ、SiO2、K2O、Na2O、Li2O、BaO、SrO、CaO、MgO、BeO、ZnO、PbO、CdO、SnO、ZrO2、WO3、MoO3及びMnOからなる群より選択される少なくとも1種を用いることが好ましく、SiO2、K2O、Na2O、Li2O、BaO、SrO、CaO、MgO、BeO、ZnO、PbO、CdO、SnO、ZrO2及びMoO3からなる群より選択される少なくとも1種を用いることがより好ましい。
ガラス成分物質としては、SiO2、K2O、Na2O、Li2O、BaO、SrO、CaO、MgO、BeO、ZnO、PbO、CdO、SnO、ZrO2、WO3、MoO3、MnO、La2O3、Nb2O5、Ta2O5、Y2O3、TiO2、ZrO2、GeO2、TeO2及びLu2O3等が挙げられ、SiO2、K2O、Na2O、Li2O、BaO、SrO、CaO、MgO、BeO、ZnO、PbO、CdO、SnO、ZrO2、WO3、MoO3及びMnOからなる群より選択される少なくとも1種を用いることが好ましく、SiO2、K2O、Na2O、Li2O、BaO、SrO、CaO、MgO、BeO、ZnO、PbO、CdO、SnO、ZrO2及びMoO3からなる群より選択される少なくとも1種を用いることがより好ましい。
ドナー元素を含むガラス粉末の具体例としては、前記ドナー元素含有物質と前記ガラス成分物質の双方を含む系が挙げられ、P2O5−SiO2系(ドナー元素含有物質−ガラス成分物質の順で記載、以下同様)、P2O5−K2O系、P2O5−Na2O系、P2O5−Li2O系、P2O5−BaO系、P2O5−SrO系、P2O5−CaO系、P2O5−MgO系、P2O5−BeO系、P2O5−ZnO系、P2O5−CdO系、P2O5−PbO系、P2O5−SnO系、P2O5−GeO2系、P2O5−TeO2系等のドナー元素含有物質としてP2O5を含む系、前記のP2O5を含む系のP2O5の代わりにドナー元素含有物質としてSb2O3を含む系のガラス粉末が挙げられる。
なお、P2O5−Sb2O3系、P2O5−As2O3系等のように、2種類以上のドナー元素含有物質を含むガラス粉末でもよい。
上記では2成分を含む複合ガラスを例示したが、P2O5−SiO2−CaO等必要に応じて3成分以上の物質を含むガラス粉末でもよい。
なお、P2O5−Sb2O3系、P2O5−As2O3系等のように、2種類以上のドナー元素含有物質を含むガラス粉末でもよい。
上記では2成分を含む複合ガラスを例示したが、P2O5−SiO2−CaO等必要に応じて3成分以上の物質を含むガラス粉末でもよい。
ガラス粉末中のガラス成分物質の含有比率は、溶融温度、軟化温度、ガラス転移温度、化学的耐久性を考慮して適宜設定することが望ましく、一般には、0.1質量%以上95質量%以下であることが好ましく、0.5質量%以上90質量%以下であることがより好ましい。
具体的には、ガラス粉末中にSiO2を含む場合のSiO2の含有比率は、10質量%以上90質量%以下の範囲であることが好ましい。
ガラス粉末の軟化温度は、拡散処理時の拡散性、液だれの観点から、500℃以上900℃以下であることを要する。また、600℃以上800℃以下であることが好ましく、700℃以上800℃以下であることがより好ましい。軟化温度が500℃未満場合には、拡散処理時にガラスの粘度が低くなりすぎ、液だれが生じるため、特定の部分以外にもn型拡散層が形成される場合がある。また、900℃より高い場合には、ガラス粉末が溶融しきれず、均一なn型拡散層が形成されない場合がある。
ガラス粉末の軟化温度が500℃以上900℃以下の範囲内であれば、上述の通り、液だれが生じることもないため、拡散処理後に、特定の領域へ所望の形状にn型拡散層を形成することが可能となる。例えばaμm幅の線状パターンでn型拡散層形成組成物を付与した場合には、拡散処理後の線幅bは、b<1.5aμmの範囲の線状パターンを保持できる。
ガラス粉末の軟化温度が500℃以上900℃以下の範囲内であれば、上述の通り、液だれが生じることもないため、拡散処理後に、特定の領域へ所望の形状にn型拡散層を形成することが可能となる。例えばaμm幅の線状パターンでn型拡散層形成組成物を付与した場合には、拡散処理後の線幅bは、b<1.5aμmの範囲の線状パターンを保持できる。
ガラス粉末の軟化温度は、(株)島津製作所製DTG−60H型示差熱・熱重量同時測定装置を用いて、示差熱(DTA)曲線等により求めることができる。
ガラス粉末の形状としては、略球状、扁平状、ブロック状、板状及び鱗片状等が挙げられ、n型拡散層形成組成物とした場合の基板への塗布性(付与適性)や均一拡散性の点から、略球状、扁平状又は板状であることが望ましい。
ガラス粉末の平均粒子径は、5μm以下であることを要する。また、0.1μm〜5μmであることが好ましく、0.5μm〜4μmであることがより好ましい。
ガラス粉末を、5μm以下の平均粒子径にすることで、軟化温度が前記の範囲内にあるガラス粉末を用いた場合においても、短時間で溶融し、平滑なガラス層が得られやすくなる。そのため、ガラス粉末の平均粒子径を5μm以下にすることで、均一なn型拡散層を形成できる。
ガラス粉末を、5μm以下の平均粒子径にすることで、軟化温度が前記の範囲内にあるガラス粉末を用いた場合においても、短時間で溶融し、平滑なガラス層が得られやすくなる。そのため、ガラス粉末の平均粒子径を5μm以下にすることで、均一なn型拡散層を形成できる。
均一なn型拡散層であることは、例えば、半導体基板上に塗布して得られたn型拡散層面内のシート抵抗のばらつき(標準偏差:σ)として確認することができる。シート抵抗値のばらつき(σ)が、例えば、10以下、好ましくは5以下、より好ましくは2以下を示す場合に、均一なn型拡散層が形成されているとして評価することができる。
本発明では、シート抵抗としては、三菱化学(株)製Loresta−EP MCP−T360型低抵抗率計を用い四探針法により25℃で測定したものを採用する。
またσは、塗布した面内について上記の測定方法により得られた25点のシート抵抗値の偏差の2乗和をデータ数で割ったものの平方根により算出して得られたものである。
本発明では、シート抵抗としては、三菱化学(株)製Loresta−EP MCP−T360型低抵抗率計を用い四探針法により25℃で測定したものを採用する。
またσは、塗布した面内について上記の測定方法により得られた25点のシート抵抗値の偏差の2乗和をデータ数で割ったものの平方根により算出して得られたものである。
また、一般に、太陽電池に用いられる半導体基板上面には、凸部と凹部の高低差が5μm程度のテクスチャー構造を有する。このため、ガラス粉末の平均粒子径を5μm以下とすることによって、凹部表面への追従性が向上するため、拡散むらを低減することもできる。
ここで、本明細書において特に断らない限り、ガラスの平均粒子径は、体積平均粒子径を表し、レーザー散乱回折法粒度分布測定装置(ベックマンコールター社製)等により測定することができる。
ここで、本明細書において特に断らない限り、ガラスの平均粒子径は、体積平均粒子径を表し、レーザー散乱回折法粒度分布測定装置(ベックマンコールター社製)等により測定することができる。
本発明に用いられるガラス粉末のd90は20μm以下が好ましい。また、d90は15μm以下がより好ましく、10μm以下がさらに好ましい。ここでd90とは、粒子径の体積分布積算曲線を描いた時に粒子径の最も小さい粒子から順次積算して全体の90%に達するところの粒子径をさす。体積分布積算曲線は、上記平均粒子径と同様に測定することができ、レーザー散乱回折法粒度分布測定装置(ベックマンコールター社製)等により測定することができる。
前記ガラス粉末のd90が20μm以下であれば、前記n型拡散層形成組成物を半導体基板上面に付与した後に、粗大粒子に起因した大きな気孔の発生を抑制し、ドナー元素の分布をより均一化できる傾向がある。
本発明におけるガラス粉末では、ガラス粉末の軟化温度が500℃〜900℃であり、平均粒子径が5μm以下であることを要する。また、ガラスの軟化温度が600℃〜800℃であり、平均粒子径が0.1μm〜5μmであることが好ましく、ガラスの軟化温度が700℃〜800℃であり、平均粒子径が0.5μm〜4μmであることがより好ましい。
また前記ガラス粉末では、ガラス粉末の軟化温度が500℃〜900℃であり、平均粒子径が5μm以下であり、d90が20μm以下であることが好ましく、ガラスの軟化温度が600℃〜800℃であり、平均粒子径が0.1μm〜5μmであり、d90が15μm以下であることがより好ましく、ガラスの軟化温度が700℃〜800℃であり、平均粒子径が0.5μm〜4μmであり、d90が10μm以下であることが更により好ましい。
また前記ガラス粉末では、ガラスの軟化温度が600℃〜800℃であり、平均粒子径が0.1μm〜5μmであり、d90が15μm以下であって、前記ドナー元素を含むガラス粉末が、P2O3、P2O5及びSb2O3からなる群より選択される少なくとも1種のドナー元素含有物質と、SiO2、K2O、Na2O、Li2O、BaO、SrO、CaO、MgO、BeO、ZnO、PbO、CdO、SnO、ZrO2及びMoO3からなる群より選択される少なくとも1種のガラス成分物質と、を含有することがより好ましく、ガラスの軟化温度が700℃〜800℃であり、平均粒子径が0.5μm〜4μmであり、d90が10μm以下であって、前記ドナー元素を含むガラス粉末が、P2O3、P2O5及びSb2O3からなる群より選択される少なくとも1種のドナー元素含有物質と、SiO2、K2O、Na2O、Li2O、BaO、SrO、CaO、MgO、BeO、ZnO、PbO、CdO、SnO、ZrO2及びMoO3からなる群より選択される少なくとも1種のガラス成分物質と、を含有することが更により好ましい。
ドナー元素を含むガラス粉末は、以下の手順で作製される。
最初に原料、例えば、前記ドナー元素含有物質とガラス成分物質を秤量し、るつぼに充填する。るつぼの材質としては白金、白金―ロジウム、イリジウム、アルミナ、石英、炭素等が挙げられる。るつぼの材質は、溶融温度、雰囲気、溶融物質との反応性等を考慮して適宜選ばれる。
次に、前記ドナー元素含有物質及びガラス成分物質を、電気炉でガラス組成に応じた温度で加熱し融液とする。このとき融液が均一となるよう攪拌することが望ましい。
続いて得られた融液をジルコニア基板やカーボン基板等の上に流し出して融液をガラス化する。
最後にガラスを粉砕し粉末状とする。粉砕にはジェットミル、ビーズミル、ボールミル等公知の方法が適用できる。
最初に原料、例えば、前記ドナー元素含有物質とガラス成分物質を秤量し、るつぼに充填する。るつぼの材質としては白金、白金―ロジウム、イリジウム、アルミナ、石英、炭素等が挙げられる。るつぼの材質は、溶融温度、雰囲気、溶融物質との反応性等を考慮して適宜選ばれる。
次に、前記ドナー元素含有物質及びガラス成分物質を、電気炉でガラス組成に応じた温度で加熱し融液とする。このとき融液が均一となるよう攪拌することが望ましい。
続いて得られた融液をジルコニア基板やカーボン基板等の上に流し出して融液をガラス化する。
最後にガラスを粉砕し粉末状とする。粉砕にはジェットミル、ビーズミル、ボールミル等公知の方法が適用できる。
n型拡散層形成組成物中のドナー元素を含むガラス粉末の含有比率は、付与適性(塗布性)ドナー元素の拡散性等を考慮し決定される。一般には、n型拡散層形成組成物中のガラス粉末の含有比率は、0.1質量%以上95質量%以下であることが好ましく、1質量%以上90質量%以下であることがより好ましく、1.5質量%以上85質量%以下であることがさらに好ましく、2質量%以上80質量%以下が特に好ましい。
次に、分散媒について説明する。
分散媒とは、組成物中において上記ガラス粉末を分散させる媒体である。具体的に分散媒としては、バインダー及び溶剤からなる群より選択された少なくとも1種が採用される。
分散媒とは、組成物中において上記ガラス粉末を分散させる媒体である。具体的に分散媒としては、バインダー及び溶剤からなる群より選択された少なくとも1種が採用される。
バインダーとしては、例えば、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド樹脂、ポリビニルアミド樹脂、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンオキサイド樹脂、ポリスルホン酸、アクリルアミドアルキルスルホン酸、セルロースエーテル樹脂、セルロース誘導体、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、エチルセルロース、ゼラチン、澱粉及び澱粉誘導体、アルギン酸ナトリウム及びアルギン酸ナトリウム誘導体、キサンタン及びキサンタン誘導体、グア及びグア誘導体、スクレログルカン及びスクレログルカン誘導体、トラガカント及びトラガカント誘導体、デキストリン及びデキストリン誘導体、(メタ)アクリル酸樹脂、(メタ)アクリル酸エステル樹脂(例えば、アルキル(メタ)アクリレート樹脂、ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート樹脂等)、ブタジエン樹脂、スチレン樹脂、及びこれらの共重合体が挙げられる。また、他にも、シロキサン樹脂を適宜選択しうる。これらは1種類を単独で又は2種類以上を組み合わせて使用される。
バインダーの分子量は特に制限されず、組成物としての所望の粘度を鑑みて適宜調整することが望ましい。
溶剤としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチル−n−プロピルケトン、メチル−i−プロピルケトン、メチル−n−ブチルケトン、メチル−i−ブチルケトン、メチル−n−ペンチルケトン、メチル−n−ヘキシルケトン、ジエチルケトン、ジプロピルケトン、ジ−i−ブチルケトン、トリメチルノナノン、シクロヘキサノン、シクロペンタノン、メチルシクロヘキサノン、2,4−ペンタンジオン、アセトニルアセトン等のケトン溶剤;ジエチルエーテル、メチルエチルエーテル、メチル−n−プロピルエーテル、ジ−i−プロピルエーテル、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、ジメチルジオキサン、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジ−n−プロピルエーテル、エチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル、ジエチレングリコールメチル−n−プロピルエーテル、ジエチレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールジ−n−プロピルエーテル、ジエチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールメチルエチルエーテル、トリエチレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、トリエチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、トリエチレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジエチルエーテル、テトラジエチレングリコールメチルエチルエーテル、テトラエチレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、テトラエチレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、テトラエチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールジエチルエーテル、プロピレングリコールジ−n−プロピルエーテル、プロピレングリコールジブチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールジエチルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエチルエーテル、ジプロピレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、ジプロピレングリコールジ−n−プロピルエーテル、ジプロピレングリコールジ−n−ブチルエーテル、ジプロピレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、トリプロピレングリコールジメチルエーテル、トリプロピレングリコールジエチルエーテル、トリプロピレングリコールメチルエチルエーテル、トリプロピレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、トリプロピレングリコールジ−n−ブチルエーテル、トリプロピレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、テトラプロピレングリコールジメチルエーテル、テトラプロピレングリコールジエチルエーテル、テトラジプロピレングリコールメチルエチルエーテル、テトラプロピレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、ジプロピレングリコールジ−n−ブチルエーテル、テトラプロピレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、テトラプロピレングリコールジ−n−ブチルエーテル等のエーテル溶剤;酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸n−プロピル、酢酸i−プロピル、酢酸n−ブチル、酢酸i−ブチル、酢酸s−ブチル、酢酸n−ペンチル、酢酸s−ペンチル、酢酸3−メトキシブチル、酢酸メチルペンチル、酢酸2−エチルブチル、酢酸2−エチルヘキシル、酢酸2−(2−ブトキシエトキシ)エチル、酢酸ベンジル、酢酸シクロヘキシル、酢酸メチルシクロヘキシル、酢酸ノニル、アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル、酢酸ジエチレングリコールメチルエーテル、酢酸ジエチレングリコールモノエチルエーテル、酢酸ジプロピレングリコールメチルエーテル、酢酸ジプロピレングリコールエチルエーテル、ジ酢酸グリコール、酢酸メトキシトリグリコール、プロピオン酸エチル、プロピオン酸n−ブチル、プロピオン酸i−アミル、シュウ酸ジエチル、シュウ酸ジ−n−ブチル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸n−ブチル、乳酸n−アミル、エチレングリコールメチルエーテルプロピオネート、エチレングリコールエチルエーテルプロピオネート、エチレングリコールメチルエーテルアセテート、エチレングリコールエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールプロピルエーテルアセテート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等のエステル溶剤;アセトニトリル、N−メチルピロリジノン、N−エチルピロリジノン、N−プロピルピロリジノン、N−ブチルピロリジノン、N−ヘキシルピロリジノン、N−シクロヘキシルピロリジノン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶剤;メタノール、エタノール、n−プロパノール、i−プロパノール、n−ブタノール、i−ブタノール、s−ブタノール、t−ブタノール、n−ペンタノール、i−ペンタノール、2−メチルブタノール、sec−ペンタノール、t−ペンタノール、3−メトキシブタノール、n−ヘキサノール、2−メチルペンタノール、s−ヘキサノール、2−エチルブタノール、sec−ヘプタノール、n−オクタノール、2−エチルヘキサノール、s−オクタノール、n−ノニルアルコール、n−デカノール、s−ウンデシルアルコール、トリメチルノニルアルコール、s−テトラデシルアルコール、s−ヘプタデシルアルコール、フェノール、シクロヘキサノール、メチルシクロヘキサノール、ベンジルアルコール、エチレングリコール、1,2−プロピレングリコール、1,3−ブチレングリコール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリエチレングリコール、トリプロピレングリコール等のアルコール溶剤;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノ−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールモノ−n−ヘキシルエーテル、エトキシトリグリコール、テトラエチレングリコールモノ−n−ブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノエチルエーテル、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル等のグリコールモノエーテル溶剤;α−テルピネン、α−テルピネオール、ミルセン、アロオシメン、リモネン、ジペンテン、α−ピネン、β−ピネン、ターピネオール、カルボン、オシメン、フェランドレン等のテルペン溶剤;水が挙げられる。これらは1種類を単独で又は2種類以上を組み合わせて使用される。n型拡散層形成組成物とした場合、基板への付与適性の観点から、α−テルピネオール、ジエチレングリコールモノ−n−ブチルエーテル、酢酸ジエチレングリコールモノ−n−ブチルエーテルが好ましく、α−テルピネオール、ジエチレングリコールモノ−n−ブチルエーテルがより好ましい溶剤として挙げられる。
n型拡散層形成組成物中の分散媒の含有比率は、塗布性、ドナー濃度を考慮し決定される。
n型拡散層形成組成物の粘度は、付与適性を考慮して、10mPa・s以上1000000mPa・s以下であることがより好ましい。
n型拡散層形成組成物の粘度は、付与適性を考慮して、10mPa・s以上1000000mPa・s以下であることがより好ましい。
本発明のn型拡散層の製造方法は、半導体基板上に、前記n型拡散層形成組成物を付与する工程と、前記付与後の半導体基板に、熱拡散処理を施す工程と、を有する。また、本発明の太陽電池素子に製造方法は、半導体基板上に、前記n型拡散層形成組成物を付与する工程と、前記付与後の半導体基板に、熱拡散処理を施して、n型拡散層を形成する工程と、形成された前記n型拡散層上に電極を形成する工程と、を有する。
本発明のn型拡散層及び太陽電池素子の製造方法について、図1を参照しながら説明する。図1は、本発明の太陽電池素子の製造工程の一例を概念的に表す模式断面図である。また、図1中、10はp型半導体基板、12はn型拡散層、14はp+型拡散層、16は反射防止膜、18は表面電極、20は裏面電極(電極層)をそれぞれ示す。以降の図面においては、共通する構成要素に同じ符号を付し、説明を省略する。なお、以下、p型半導体基板としてシリコン基板を用いる例に着いて説明するが、本発明において半導体基板はシリコン基板に限定されない。
図1(1)では、p型半導体基板10であるシリコン基板にアルカリ溶液を付与してダメージ層を除去し、テクスチャー構造をエッチングにて得る。
詳細には、インゴットからスライスした際に発生するシリコン表面のダメージ層を20質量%苛性ソーダで除去する。次いで1質量%苛性ソーダと10質量%イソプロピルアルコールの混合液によりエッチングを行い、テクスチャー構造を形成する(図中ではテクスチャー構造の記載を省略する)。太陽電池素子は、受光面(表面)側にテクスチャー構造を形成することにより、光閉じ込め効果が促され、高効率化が図られる。
詳細には、インゴットからスライスした際に発生するシリコン表面のダメージ層を20質量%苛性ソーダで除去する。次いで1質量%苛性ソーダと10質量%イソプロピルアルコールの混合液によりエッチングを行い、テクスチャー構造を形成する(図中ではテクスチャー構造の記載を省略する)。太陽電池素子は、受光面(表面)側にテクスチャー構造を形成することにより、光閉じ込め効果が促され、高効率化が図られる。
図1(2)では、p型半導体基板10の表面すなわち受光面となる面に、上記n型拡散層形成組成物を付与して、n型拡散層形成組成物層11を形成する。本発明では、付与方法には制限がないが、例えば、印刷法、スピン法、刷毛塗り、スプレー法、ドクターブレード法、ロールコーター法、インクジェット法が挙げられる。
上記n型拡散層形成組成物の付与量としては特に制限は無いが、例えば、ガラス粉末量として0.01g/m2〜100g/m2とすることができ、0.1g/m2〜10g/m2であることが好ましい。
上記n型拡散層形成組成物の付与量としては特に制限は無いが、例えば、ガラス粉末量として0.01g/m2〜100g/m2とすることができ、0.1g/m2〜10g/m2であることが好ましい。
なお、n型拡散層形成組成物の組成によっては、付与後に、組成物中に含まれる溶剤を揮発させるための乾燥工程が必要な場合がある。この場合には、80℃〜300℃程度の温度で、ホットプレートを使用する場合は1分〜10分、乾燥機などを用いる場合は10分〜30分程度で乾燥させる。この乾燥条件は、n型拡散層形成組成物の溶剤組成に依存しており、本発明では特に上記条件に限定されない。
また、本発明の製造方法を用いる場合には、裏面のp+型拡散層(高濃度電界層)14の製造方法はアルミニウムによるn型拡散層からp型拡散層への変換による方法に限定されることなく、従来公知のいずれの方法も採用でき、製造方法の選択肢が広がる。したがって、例えば、B(ボロン)等の第13族の元素を含む組成物13を付与し、p+型拡散層14を形成することができる。
前記B(ボロン)等の第13族の元素を含む組成物13としては、例えば、ドナー元素を含むガラス粉末の代わりにアクセプタ元素を含むガラス粉末を用いて、n型拡散層形成組成物と同様にして構成されるp型拡散層形成組成物を挙げることができる。アクセプタ元素は第13族の元素であればよく、例えば、B(ボロン)、Al(アルミニウム)及びGa(ガリウム)等を挙げることができる。またアクセプタ元素を含むガラス粉末はB2O3、Al2O3及びGa2O3からなる群より選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。
さらにp型拡散層形成組成物をシリコン基板の裏面に付与する方法は、既述のn型拡散層形成組成物をシリコン基板上に付与する方法と同様である。
前記B(ボロン)等の第13族の元素を含む組成物13としては、例えば、ドナー元素を含むガラス粉末の代わりにアクセプタ元素を含むガラス粉末を用いて、n型拡散層形成組成物と同様にして構成されるp型拡散層形成組成物を挙げることができる。アクセプタ元素は第13族の元素であればよく、例えば、B(ボロン)、Al(アルミニウム)及びGa(ガリウム)等を挙げることができる。またアクセプタ元素を含むガラス粉末はB2O3、Al2O3及びGa2O3からなる群より選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。
さらにp型拡散層形成組成物をシリコン基板の裏面に付与する方法は、既述のn型拡散層形成組成物をシリコン基板上に付与する方法と同様である。
裏面に付与されたp型拡散層形成組成物を、後述するn型拡散層形成組成物における熱拡散処理と同様に熱拡散処理することで、裏面にp+型拡散層14を形成することができる。尚、p型拡散層形成組成物の熱拡散処理は、n型拡散層形成組成物の熱拡散処理と同時に行なうことが好ましい。
次いで、上記n型拡散層形成組成物層11を形成したp型半導体基板10を、組成物中のガラス粉末の融点以上の温度、例えば600℃〜1200℃で熱拡散処理する。この熱拡散処理により、図1(3)に示すように半導体基板中へドナー元素が拡散し、n型拡散層12が形成される。熱拡散処理には公知の連続炉、バッチ炉等が適用できる。また、熱拡散処理時の炉内雰囲気は、空気、酸素、窒素等に適宜調整することもできる。
熱拡散処理時間は、n型拡散層形成組成物に含まれるドナー元素の含有率に応じて適宜選択することができる。例えば、1分間〜60分間とすることができ、2分間〜30分間であることがより好ましい。
熱拡散処理時間は、n型拡散層形成組成物に含まれるドナー元素の含有率に応じて適宜選択することができる。例えば、1分間〜60分間とすることができ、2分間〜30分間であることがより好ましい。
形成されたn型拡散層12の表面には、リン酸ガラス等のガラス層(不図示)が形成される。このため、このリン酸ガラスをエッチングにより除去する。エッチングとしては、ふっ酸等の酸に浸漬する方法、苛性ソーダ等のアルカリに浸漬する方法等、公知の方法のいずれもが適用できる。ふっ酸等の酸に浸漬するエッチング方法を用いる場合、浸漬時間には、とくに制限はなく、一般に、0.5分〜30分、好ましくは1分〜10分とすることができる。
図1(2)及び(3)に示される本発明のn型拡散層の形成方法では、所望の部位にn型拡散層12が形成され、裏面や側面には不要なn型拡散層が形成されない。
したがって、従来広く採用されている気相反応法によりn型拡散層を形成する方法では、側面に形成された不要なn型拡散層を除去するためのサイドエッチング工程が必須であったが、本発明の製造方法によれば、サイドエッチング工程が不要となり、工程が簡易化される。このように、本発明の製造方法によって、短時間で、所望の部位に且つ所望の形状の、均一なn型拡散層が形成される。
したがって、従来広く採用されている気相反応法によりn型拡散層を形成する方法では、側面に形成された不要なn型拡散層を除去するためのサイドエッチング工程が必須であったが、本発明の製造方法によれば、サイドエッチング工程が不要となり、工程が簡易化される。このように、本発明の製造方法によって、短時間で、所望の部位に且つ所望の形状の、均一なn型拡散層が形成される。
また、従来の製造方法では、裏面に形成された不要なn型拡散層をp型拡散層へ変換する必要があり、この変換方法としては、裏面のn型拡散層に、第13族元素であるアルミニウムのペーストを塗布、焼成し、n型拡散層にアルミニウムを拡散させてp型拡散層へ変換する方法が採用されている。この方法においてp型拡散層への変換を充分なものとし、更にp+型拡散層の高濃度電界層を形成するためには、ある程度以上のアルミニウム量が必要であることから、アルミニウム層を厚く形成する必要があった。しかしながら、アルミニウムの熱膨張率は、基板として用いるシリコンの熱膨張率と大きく異なることから、焼成及び冷却の過程でシリコン基板中に大きな内部応力を発生させ、シリコン基板の反りの原因となっていた。
この内部応力は、結晶の結晶粒界に損傷を与え、電力損失が大きくなるという課題があった。また、反りは、モジュール工程における太陽電池素子の搬送や、タブ線と呼ばれる銅線との接続において、太陽電池素子を破損させ易くしていた。近年では、スライス加工技術の向上から、シリコン基板の厚みが薄型化されつつあり、更に太陽電池素子が割れ易い傾向にある。
この内部応力は、結晶の結晶粒界に損傷を与え、電力損失が大きくなるという課題があった。また、反りは、モジュール工程における太陽電池素子の搬送や、タブ線と呼ばれる銅線との接続において、太陽電池素子を破損させ易くしていた。近年では、スライス加工技術の向上から、シリコン基板の厚みが薄型化されつつあり、更に太陽電池素子が割れ易い傾向にある。
しかし本発明の製造方法によれば、裏面に不要なn型拡散層が形成されないことから、n型拡散層からp型拡散層への変換を行う必要がなくなり、アルミニウム層を厚くする必然性がなくなる。その結果、シリコン基板内の内部応力の発生や反りを抑えることができる。結果として、電力損失の増大や、太陽電池素子の破損を抑えることが可能となる。
また、本発明の製造方法を用いる場合には、裏面のp+型拡散層(高濃度電界層)14の製造方法はアルミニウムによるn型拡散層からp型拡散層への変換による方法に限定されることなく、いずれの方法も採用でき、製造方法の選択肢が広がる。
例えば、ドナー元素を含むガラス粉末の代わりにアクセプタ元素を含むガラス粉末を用いて、n型拡散層形成組成物と同様にして構成されるp型拡散層形成組成物を、シリコン基板の裏面(n型拡散層形成組成物を付与した面とは反対側の面)に付与し、焼成処理することで、裏面にp+型拡散層(高濃度電界層)14を形成することが好ましい。
また後述するように、裏面電極20に用いる材料は第13族のアルミニウムに限定されず、例えばAg(銀)又はCu(銅)等を適用することができ、裏面電極20の厚さも従来のものよりも薄く形成することが可能となる。
例えば、ドナー元素を含むガラス粉末の代わりにアクセプタ元素を含むガラス粉末を用いて、n型拡散層形成組成物と同様にして構成されるp型拡散層形成組成物を、シリコン基板の裏面(n型拡散層形成組成物を付与した面とは反対側の面)に付与し、焼成処理することで、裏面にp+型拡散層(高濃度電界層)14を形成することが好ましい。
また後述するように、裏面電極20に用いる材料は第13族のアルミニウムに限定されず、例えばAg(銀)又はCu(銅)等を適用することができ、裏面電極20の厚さも従来のものよりも薄く形成することが可能となる。
図1(4)では、n型拡散層12の上に反射防止膜16を形成する。反射防止膜16は公知の技術を適用して形成される。例えば、反射防止膜16がシリコン窒化膜の場合には、SiH4とNH3の混合ガスを原料とするプラズマCVD法により形成する。このとき、水素が結晶中に拡散し、シリコン原子の結合に寄与しない軌道、即ちダングリングボンドと水素が結合し、欠陥を不活性化(水素パッシベーション)する。
より具体的には、上記混合ガス流量比NH3/SiH4が0.05〜1.0、反応室の圧力が13.3Pa(0.1Torr)〜266.6Pa(2Torr)、成膜時の温度が300℃〜550℃、プラズマの放電のための周波数が100kHz以上の条件下で形成される。
より具体的には、上記混合ガス流量比NH3/SiH4が0.05〜1.0、反応室の圧力が13.3Pa(0.1Torr)〜266.6Pa(2Torr)、成膜時の温度が300℃〜550℃、プラズマの放電のための周波数が100kHz以上の条件下で形成される。
図1(5)では、表面(受光面)の反射防止膜16上に、表面電極用金属ペーストをスクリーン印刷法で印刷塗布し、乾燥させ、表面電極用金属ペースト層17を形成する。表面電極用金属ペーストは、(1)金属粒子と(2)ガラス粒子とを必須成分とし、必要に応じて(3)樹脂バインダー、(4)その他の添加剤を含む。
次いで、上記裏面のp+型拡散層14上にも裏面電極用金属ペースト層19を形成する。前述のように、本発明では裏面電極用金属ペースト層19の材質や形成方法は特に限定されない。例えば、アルミニウム、銀又は銅等の金属を含む裏面電極用ペーストを付与し、乾燥させて、裏面電極用金属ペースト層19を形成してもよい。このとき、裏面にも、モジュール工程における太陽電池素子間の接続のために、一部に銀電極形成用銀ペーストを設けてもよい。
図1(6)では、電極用金属ペースト層17を焼成して、太陽電池素子を完成させる。600℃〜900℃の範囲で数秒〜数分間焼成すると、表面側では電極用金属ペーストに含まれるガラス粒子によって絶縁膜である反射防止膜16が溶融し、更にp型半導体基板10表面も一部溶融して、ペースト中の金属粒子(例えば銀粒子)がp型半導体基板10と接触部を形成し凝固する。これにより、形成した表面電極18とp型半導体基板10とが導通される。これはファイアースルーと称されている。また、裏面側でも同様に、裏面電極用金属ペースト層19の裏面電極用金属ペーストが焼成されて、裏面電極20が形成される。
表面電極18の形状について図2を参照して説明する。なお、図2において、30はバスバー電極、32はフィンガー電極を示す。表面電極18は、バスバー電極30、及び該バスバー電極30と交差しているフィンガー電極32で構成される。図2Aは、表面電極18を、バスバー電極30、及び該バスバー電極30と交差しているフィンガー電極32からなる構成とした太陽電池素子を表面から見た平面図であり、図2Bは、図2Aの一部を拡大して示す斜視図である。
このような表面電極18は、例えば、上述の金属ペーストのスクリーン印刷、又は電極材料のメッキ、高真空中における電子ビーム加熱による電極材料の蒸着等の手段により形成することができる。バスバー電極30とフィンガー電極32とからなる表面電極18は受光面側の電極として一般的に用いられていて周知であり、受光面側のバスバー電極及びフィンガー電極の公知の形成手段を適用することができる。
上記では、表面にn型拡散層、裏面にp+型拡散層を形成し、更にそれぞれの層の上に表面電極及び裏面電極を設けた太陽電池素子について説明したが、本発明のn型拡散層形成組成物を用いればバックコンタクト型の太陽電池素子を作製することも可能である。
バックコンタクト型の太陽電池素子は、電極を全て裏面に設けて受光面の面積を大きくするものである。つまりバックコンタクト型の太陽電池素子では、裏面にn型拡散部位及びp+型拡散部位の両方を形成しpn接合構造とする必要がある。本発明のn型拡散層形成組成物は、特定の部位にn型拡散部位を形成することが可能であり、よってバックコンタクト型の太陽電池素子の製造に好適に適用することができる。
バックコンタクト型の太陽電池素子は、電極を全て裏面に設けて受光面の面積を大きくするものである。つまりバックコンタクト型の太陽電池素子では、裏面にn型拡散部位及びp+型拡散部位の両方を形成しpn接合構造とする必要がある。本発明のn型拡散層形成組成物は、特定の部位にn型拡散部位を形成することが可能であり、よってバックコンタクト型の太陽電池素子の製造に好適に適用することができる。
本発明には、n型拡散層の製造における前記n型拡散層形成組成物の使用、並びに、前記半導体基板とn型拡散層と電極とを含む太陽電池素子の製造における前記n型拡散層形成組成物の使用も、それぞれ包含される。上述したように、本発明にかかるn型拡散層形成組成物を用いることにより、不要なn型拡散層を形成させることなく、短時間で、特定の領域に所望の形状で、均一なn型拡散層を得ることができ、また、このようなn型拡散層を有する太陽電池素子を、不要なn型拡散層を形成させることなく得ることができる。
以下、本発明の実施例をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に制限するものではない。なお、特に記述が無い限り、薬品は全て試薬を使用した。また「%」は断りがない限り「質量%」を意味する。さらに、「cm/s」は断りがない限り、炉内に流入するガスの流量を電気炉の断面積で割った「線速度」を意味する。
[実施例1]
粒子形状が略球状で、平均粒子径が4μm、及びd90が15μmであるP2O5−SiO2−CaO系ガラス(軟化温度700℃、P2O5:50%、SiO2:43%、CaO:7%)粉末3gと、エチルセルロース2.1gと、テルピネオール24.9gとを、自動乳鉢混錬装置を用いて混合してペースト化し、n型拡散層形成組成物を調製した。
粒子形状が略球状で、平均粒子径が4μm、及びd90が15μmであるP2O5−SiO2−CaO系ガラス(軟化温度700℃、P2O5:50%、SiO2:43%、CaO:7%)粉末3gと、エチルセルロース2.1gと、テルピネオール24.9gとを、自動乳鉢混錬装置を用いて混合してペースト化し、n型拡散層形成組成物を調製した。
なお、ガラス粒子形状は、(株)日立ハイテクノロジーズ製TM−1000型走査型電子顕微鏡を用いて観察して判定した。ガラスの平均粒子径及びd90はベックマン・コールター(株)製LS 13 320型レーザー散乱回折法粒度分布測定装置(測定波長:632nm)を用いて算出した。ガラスの軟化温度は(株)島津製作所製DTG−60H型示差熱・熱重量同時測定装置を用いて、示差熱(DTA)曲線により求めた。
次に、調製したペーストをスクリーン印刷によってp型シリコン基板表面に塗布し、150℃のホットプレート上で5分間乾燥させた。次に450℃に設定したオーブンで1.5分間保持し、エチルセルロースを脱離した。続いて、大気フロー(0.9cm/s)雰囲気中、950℃に設定した電気炉で10分間保持することで熱拡散処理を行い、その後ガラス層を除去するため基板をふっ酸に5分間浸漬し、流水洗浄を行った。その後、乾燥を行った。
n型拡散層形成組成物を塗布した側の表面のシート抵抗は60Ω/□であり、P(リン)が拡散し、n型拡散層が形成されていた。また、塗布した面内のシート抵抗値のばらつきはσ=0.8であり、均一なn型拡散層が形成されていた。他方、裏面のシート抵抗は1000000Ω/□以上で測定不能であり、n型拡散層は形成されていなかった。
なお、シート抵抗は、三菱化学(株)製Loresta−EP MCP−T360型低抵抗率計を用いて四探針法により25℃で測定した。
また、σは、標準偏差を示し、塗布した面内の25点のシート抵抗値の偏差の2乗和をデータ数で割ったものの平方根により算出した。
また、σは、標準偏差を示し、塗布した面内の25点のシート抵抗値の偏差の2乗和をデータ数で割ったものの平方根により算出した。
[実施例2]
ガラス粉末の平均粒子径を2μm、及びd90を6.5μmとした以外は実施例1と同様にして、n型拡散層形成を行った。
n型拡散層形成組成物を塗布した側の表面のシート抵抗は33Ω/□であり、P(リン)が拡散し、n型拡散層が形成されていた。また、塗布した面内のシート抵抗値のばらつきはσ=0.5であり、均一なn型拡散層が形成されていた。他方、裏面のシート抵抗は1000000Ω/□以上で測定不能であり、n型拡散層は形成されていなかった。
ガラス粉末の平均粒子径を2μm、及びd90を6.5μmとした以外は実施例1と同様にして、n型拡散層形成を行った。
n型拡散層形成組成物を塗布した側の表面のシート抵抗は33Ω/□であり、P(リン)が拡散し、n型拡散層が形成されていた。また、塗布した面内のシート抵抗値のばらつきはσ=0.5であり、均一なn型拡散層が形成されていた。他方、裏面のシート抵抗は1000000Ω/□以上で測定不能であり、n型拡散層は形成されていなかった。
[実施例3]
ガラス粉末の平均粒子径を0.7μm、及びd90を3.4μmとした以外は実施例1と同様にして、n型拡散層形成を行った。
n型拡散層形成組成物を塗布した側の表面のシート抵抗は25Ω/□であり、P(リン)が拡散しn型拡散層が形成されていた。また、塗布した面内のシート抵抗値のばらつきはσ=0.3であり、均一なn型拡散層が形成されていた。他方、裏面のシート抵抗は1000000Ω/□以上で測定不能であり、n型拡散層は形成されていなかった。
ガラス粉末の平均粒子径を0.7μm、及びd90を3.4μmとした以外は実施例1と同様にして、n型拡散層形成を行った。
n型拡散層形成組成物を塗布した側の表面のシート抵抗は25Ω/□であり、P(リン)が拡散しn型拡散層が形成されていた。また、塗布した面内のシート抵抗値のばらつきはσ=0.3であり、均一なn型拡散層が形成されていた。他方、裏面のシート抵抗は1000000Ω/□以上で測定不能であり、n型拡散層は形成されていなかった。
[実施例4]
粒子形状が略球状で、平均粒子径が2μm、及びd90が6.5μmであり、実施例1より高い軟化温度を有するP2O5−SiO2−CaO系ガラス(軟化温度800℃、P2O5:44%、SiO2:49%、CaO:7%)粉末3gと、エチルセルロース2.1gと、テルピネオール24.9gとを、自動乳鉢混錬装置を用いて混合してペースト化し、n型拡散層形成組成物を調製した。次に、調製したペーストをスクリーン印刷によってp型シリコン基板表面に塗布し、150℃のホットプレート上で5分間乾燥させた。続いて、大気フロー(0.9cm/s)雰囲気中、950℃に設定した電気炉で10分間保持して熱拡散処理を行い、その後ガラス層を除去するため基板をふっ酸に5分間浸漬し、流水洗浄を行った。その後、乾燥を行った。
n型拡散層形成組成物を塗布した側の表面のシート抵抗は42Ω/□であり、P(リン)が拡散しn型拡散層が形成されていた。また、塗布した面内のシート抵抗値のばらつきはσ=0.5であり、均一なn型拡散層が形成されていた。他方、裏面のシート抵抗は1000000Ω/□以上で測定不能であり、n型拡散層は形成されていなかった。
粒子形状が略球状で、平均粒子径が2μm、及びd90が6.5μmであり、実施例1より高い軟化温度を有するP2O5−SiO2−CaO系ガラス(軟化温度800℃、P2O5:44%、SiO2:49%、CaO:7%)粉末3gと、エチルセルロース2.1gと、テルピネオール24.9gとを、自動乳鉢混錬装置を用いて混合してペースト化し、n型拡散層形成組成物を調製した。次に、調製したペーストをスクリーン印刷によってp型シリコン基板表面に塗布し、150℃のホットプレート上で5分間乾燥させた。続いて、大気フロー(0.9cm/s)雰囲気中、950℃に設定した電気炉で10分間保持して熱拡散処理を行い、その後ガラス層を除去するため基板をふっ酸に5分間浸漬し、流水洗浄を行った。その後、乾燥を行った。
n型拡散層形成組成物を塗布した側の表面のシート抵抗は42Ω/□であり、P(リン)が拡散しn型拡散層が形成されていた。また、塗布した面内のシート抵抗値のばらつきはσ=0.5であり、均一なn型拡散層が形成されていた。他方、裏面のシート抵抗は1000000Ω/□以上で測定不能であり、n型拡散層は形成されていなかった。
[比較例1]
ガラス粉末の平均粒子径を8μm、及びd90を50μmとした以外は実施例1と同様にして、n型拡散層形成を行った。
n型拡散層形成組成物を塗布した側の表面のシート抵抗は120Ω/□であり、P(リン)が拡散し、n型拡散層が形成されていた。しかし、面内のシート抵抗値にばらつきが見られ(σ=10.7)、不均一であった。
ガラス粉末の平均粒子径を8μm、及びd90を50μmとした以外は実施例1と同様にして、n型拡散層形成を行った。
n型拡散層形成組成物を塗布した側の表面のシート抵抗は120Ω/□であり、P(リン)が拡散し、n型拡散層が形成されていた。しかし、面内のシート抵抗値にばらつきが見られ(σ=10.7)、不均一であった。
[比較例2]
ガラス粉末の平均粒子径を30μm、及びd90を110μmとした以外は実施例1と同様にしてn型拡散層形成を行った。
n型拡散層形成組成物を塗布した側の表面のシート抵抗は300Ω/□であり、P(リン)が拡散し、n型拡散層が形成されていた。しかし、面内のシート抵抗値にばらつきが見られ(σ=24.9)、不均一であった。
ガラス粉末の平均粒子径を30μm、及びd90を110μmとした以外は実施例1と同様にしてn型拡散層形成を行った。
n型拡散層形成組成物を塗布した側の表面のシート抵抗は300Ω/□であり、P(リン)が拡散し、n型拡散層が形成されていた。しかし、面内のシート抵抗値にばらつきが見られ(σ=24.9)、不均一であった。
[比較例3]
粒子形状が略球状で、平均粒子径が2μm、及びd90が6.5μmであるP2O5−SnO系ガラス(軟化温度300℃、P2O5:30%、SnO:70%)粉末3gとエチルセルロース2.1g、テルピネオール24.9gを、自動乳鉢混錬装置を用いて混合してペースト化し、n型拡散層形成組成物を調製した。
次に、調製したペーストを120μm幅の細線状に、スクリーン印刷でp型シリコン基板表面に塗布し、150℃のホットプレート上で5分間乾燥させた。続いて、窒素フロー(0.9cm/s)雰囲気中、950℃に設定した電気炉で10分間保持して熱拡散処理を行い、その後ガラス層を除去するため基板をふっ酸に5分間浸漬し、流水洗浄を行った。その後、乾燥を行った。
粒子形状が略球状で、平均粒子径が2μm、及びd90が6.5μmであるP2O5−SnO系ガラス(軟化温度300℃、P2O5:30%、SnO:70%)粉末3gとエチルセルロース2.1g、テルピネオール24.9gを、自動乳鉢混錬装置を用いて混合してペースト化し、n型拡散層形成組成物を調製した。
次に、調製したペーストを120μm幅の細線状に、スクリーン印刷でp型シリコン基板表面に塗布し、150℃のホットプレート上で5分間乾燥させた。続いて、窒素フロー(0.9cm/s)雰囲気中、950℃に設定した電気炉で10分間保持して熱拡散処理を行い、その後ガラス層を除去するため基板をふっ酸に5分間浸漬し、流水洗浄を行った。その後、乾燥を行った。
n型拡散層形成組成物を細線状に塗布した部分のシート抵抗は120Ω/□であり、P(リン)が拡散し、n型拡散層が形成されていた。また、塗布した細線状パターンの幅は400μmとなり、溶融したガラスが液だれていたため、特定の部分への選択拡散はできていなかった。
[比較例4]
リン酸二水素アンモニウム(NH4H2PO4)粉末20gとエチルセルロース3gと、酢酸2−(2−ブトキシエトキシ)エチル7gとを、自動乳鉢混錬装置を用いて混合してペースト化し、n型拡散層組成物を調製した。
次に、調製したペーストをスクリーン印刷によってp型シリコン基板表面に塗布し、150℃のホットプレート上で5分間乾燥させた。続いて、1000℃に設定した電気炉で10分間保持して熱拡散処理を行い、その後ガラス層を除去するため基板をふっ酸に5分間浸漬し、流水洗浄、乾燥を行った。
リン酸二水素アンモニウム(NH4H2PO4)粉末20gとエチルセルロース3gと、酢酸2−(2−ブトキシエトキシ)エチル7gとを、自動乳鉢混錬装置を用いて混合してペースト化し、n型拡散層組成物を調製した。
次に、調製したペーストをスクリーン印刷によってp型シリコン基板表面に塗布し、150℃のホットプレート上で5分間乾燥させた。続いて、1000℃に設定した電気炉で10分間保持して熱拡散処理を行い、その後ガラス層を除去するため基板をふっ酸に5分間浸漬し、流水洗浄、乾燥を行った。
n型拡散層形成組成物を塗布した側の表面のシート抵抗は14Ω/□であり、P(リン)が拡散し、n型拡散層が形成されていた。しかしながら、裏面のシート抵抗は50Ω/□であり、裏面にもn型拡散層が形成されていた。
[比較例5]
リン酸二水素アンモニウム(NH4H2PO4)粉末1gと、純水7gと、ポリビニルアルコール0.7gと、イソプロピルアルコール1.5gとを、自動乳鉢混錬装置を用いて混合して溶液を調製し、n型拡散層組成物を調製した。
次に、調製した溶液をスピンコータ(2000rpm、30sec)によってp型シリコン基板表面に塗布し、150℃のホットプレート上で5分間乾燥させた。続いて、1000℃に設定した電気炉で10分間保持して熱拡散処理を行い、その後ガラス層を除去するため基板をふっ酸に5分間浸漬し、流水洗浄、乾燥を行った。
リン酸二水素アンモニウム(NH4H2PO4)粉末1gと、純水7gと、ポリビニルアルコール0.7gと、イソプロピルアルコール1.5gとを、自動乳鉢混錬装置を用いて混合して溶液を調製し、n型拡散層組成物を調製した。
次に、調製した溶液をスピンコータ(2000rpm、30sec)によってp型シリコン基板表面に塗布し、150℃のホットプレート上で5分間乾燥させた。続いて、1000℃に設定した電気炉で10分間保持して熱拡散処理を行い、その後ガラス層を除去するため基板をふっ酸に5分間浸漬し、流水洗浄、乾燥を行った。
n型拡散層形成組成物を塗布した側の表面のシート抵抗は10Ω/□であり、P(リン)が拡散し、n型拡散層が形成されていた。しかしながら、裏面のシート抵抗は100Ω/□であり、裏面にもn型拡散層が形成されていた。
2011年7月5日に出願された日本特許出願2011−149249号の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書に参照により取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書に参照により取り込まれる。
Claims (6)
- ドナー元素を含み、軟化温度が500℃以上900℃以下であり、平均粒子径が5μm以下であるガラス粉末と、分散媒と、を含有するn型拡散層形成組成物。
- 前記ガラス粉末のd90が20μm以下である、請求項1に記載のn型拡散層形成組成物。
- 前記ドナー元素が、P(リン)及びSb(アンチモン)から選択される少なくとも1種である、請求項1又は請求項2に記載のn型拡散層形成組成物。
- 前記ドナー元素を含むガラス粉末が、P2O3、P2O5及びSb2O3からなる群より選択される少なくとも1種のドナー元素含有物質と、SiO2、K2O、Na2O、Li2O、BaO、SrO、CaO、MgO、BeO、ZnO、PbO、CdO、SnO、ZrO2及びMoO3からなる群より選択される少なくとも1種のガラス成分物質と、を含有する、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のn型拡散層形成組成物。
- 半導体基板上に、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のn型拡散層形成組成物を付与する工程と、
前記付与後の半導体基板に、熱拡散処理を施す工程と、
を有するn型拡散層の製造方法。 - 半導体基板上に、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のn型拡散層形成組成物を付与する工程と、
前記付与後の半導体基板に、熱拡散処理を施して、n型拡散層を形成する工程と、
形成された前記n型拡散層上に電極を形成する工程と、
を有する太陽電池素子の製造方法。
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