JPWO2014174613A1 - 太陽電池の製造方法 - Google Patents

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Abstract

半導体基板の表面及び裏面に異なる導電型の拡散層を有する太陽電池の製造方法であって、前記半導体基板の少なくとも一部の領域を被覆するように、不純物を含む拡散保護マスクを形成する工程と、前記半導体基板の少なくとも一部の領域を、不純物を含む拡散保護マスクで被覆した状態で、熱工程を含む拡散工程を実施し、前記拡散保護マスクで覆われた第１の領域に第１の不純物拡散層を形成するとともに、前記拡散保護マスクから露呈する第２の領域に、前記拡散保護マスクとは異なる不純物濃度或いは異なる導電性となる第２の不純物拡散層を形成する拡散工程を含む。

Description

本発明は、太陽電池の製造方法に係り、特に、裏面パッシベーション型の太陽電池に関する。
従来、太陽電池を構成する、一般的なシリコン太陽電池の製造工程では、ｐ型シリコン基板の受光面側にはＰＯＣｌ3を用いた熱拡散によるｎ+型のエミッタを形成し、裏面にＡｌペーストを印刷した状態で焼成することによってＡｌをｐ型シリコン基板内に拡散させて、ｐ+裏面電界(Back Surface Field,ＢＳＦ)を形成しｎ+ｐｐ+構造を形成している。この工程では、Ａｌを電極としてだけでなく、同時に拡散源として用い、電極形成と同時に拡散処理を行うことができるという簡略なプロセスである。また、裏面の再結合を抑制する効果は高く、単結晶シリコンであれば１９％程度の変換効率を得られることから、一般的なプロセスになっている。
しかしながら、裏面の長波長反射率に関しては、改善の余地が有り、パッシベーションのために酸化膜などを用い、また、セル裏面の反射率を高めるために裏面反射膜などを形成することで、２０％を超える変換効率の実現が可能である。
非特許文献１によれば、裏面にパッシベーション膜及び反射膜を形成することにより、変換効率２０％を超える出力が得られている。また、特許文献１によれば、両面受光型の太陽電池製造工程を開示している。
国際公開第２０１２／００８０６１号公報
ＩＥＥＥ ２３ｔｈ ＰＶＳＣ， Ｊ． Ｋｎｏｂｌｏｃｈ， et al， "Ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ｆｒｏｍ Ｆｚ，Ｃｚ ａｎｄ ｍｃ ｓｉｌｉｃｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ"，１９９３,ｐｐ．２７１−２７６
しかしながら、上記非特許文献１の裏面パッシベーション型太陽電池は、効率改善には有効であるが、従来と比較して工程の複雑化を招くことや、新規工程のための装置追加に伴うコスト増大が問題となる。裏面パッシベーション型太陽電池の非特許文献１による工程、特許文献１による工程は、複雑な工程になっている。具体的に従来の太陽電池製造工程と比較して追加されるプロセスとしては、例えば、片面のみ拡散層を形成するための工程と、ｎ+ｐｐ+或いはｐ+ｎｎ+構造とした場合のＢＳＦ、或いは、エミッタを裏面に形成した場合の表面電界(Front Surface Field, ＦＳＦ)を形成する拡散工程と、裏面のパッシベーション膜の形成工程である。
ひとつめの課題は、両面に拡散層を形成することである。先ず、片面のみの拡散層形成には、片面にマスクを形成後に拡散処理を実施する方法や、全面に拡散層形成後に片面を薬品などでエッチングする方法、またはイオン注入による方法などが挙げられる。また、両面に異なる導電性となる拡散層を形成する場合には、さらに２回目の拡散の際に片面の拡散保護マスク形成工程も追加される。
ふたつめの課題は、裏面のパッシベーション膜である。ｐ+層のパッシベーション膜としては、ＳｉＮでは不充分であり、ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3を用いる必要があるが、熱酸化では両面に成膜されてしまい、例えば両面の酸化膜をパッシベーション膜として用いる場合は、受光面側の反射率に影響があるため、数十ｎｍ程度以下にする必要があり、裏面にもＳｉＮなどを追加成膜する工程が必要となる。また特許文献１に示されているように、ＳｉＮを両面に同時に成膜する方法も検討されているが、従来の装置と比較して装置コストの増加が懸念される。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、製造が容易で高効率の裏面パッシベーション型の太陽電池を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、半導体基板の表面及び裏面に異なる導電型の拡散層を有する太陽電池の製造方法であって、前記半導体基板の少なくとも一部の領域を被覆するように、不純物を含む拡散保護マスクを形成する工程と、前記半導体基板の少なくとも一部の領域を、不純物を含む前記拡散保護マスクで被覆した状態で、熱工程を含む拡散工程を実施し、前記拡散保護マスクで覆われた第１の領域に第１の不純物拡散層を形成するとともに、前記拡散保護マスクから露呈する第２の領域に、前記拡散保護マスクとは異なる不純物濃度或いは異なる導電性となる第２の不純物拡散層を形成する拡散工程を含むことを特徴とする。
本発明によれば、先ず拡散源と、次工程の拡散保護マスクとして、片面に不純物を含む膜を形成する。次に片面に形成した膜中に含まれる不純物とは異なる不純物を拡散する。これにより受光面側と裏面で異なるドーパントの拡散層が形成されるため、一度の拡散処理で両面の拡散層が形成され、低コストで高効率の太陽電池の製造が可能であるという効果を奏する。
図１は、本発明にかかる太陽電池の製造方法の実施の形態１のステップフローを示す図である。 図２は、同ステップフローで形成された太陽電池を示す図である。 図３−１は、同太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図３−２は、同太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図３−３は、同太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図３−４は、同太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図３−５は、同太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図３−６は、同太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図３−７は、同太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図３−８は、同太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図４は、本発明にかかる太陽電池の製造方法の実施の形態２のステップフロー要部を示す図である。 図５は、同ステップフローで形成された太陽電池を示す図である。 図６−１は、同太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図６−２は、同太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図６−３は、同太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図６−４は、同太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図６−５は、同太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図６−６は、同太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図６−７は、同太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図６−８は、同太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図６−９は、同太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図７は、本発明にかかる太陽電池の製造方法の実施の形態３のステップフローの要部を示す図である。 図８−１は、同太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図８−２は、同太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図８−３は、同太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図９は、本発明にかかる太陽電池の製造方法の実施の形態４のステップフローを示す図である。 図１０−１は、本発明の実施の形態４の太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図１０−２は、本発明の実施の形態４の太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図１０−３は、本発明の実施の形態４の太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図１０−４は、本発明の実施の形態４の太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図１０−５は、本発明の実施の形態４の太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図１０−６は、本発明の実施の形態４の太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図１０−７は、本発明の実施の形態４の太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。 図１０−８は、本発明の実施の形態４の太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。
以下に、本発明にかかる太陽電池の製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、こ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太陽電池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場合もある。
実施の形態１．
図１は、本発明にかかる太陽電池の製造方法の実施の形態１のステップフローを示す図、図２は、同ステップフローで形成された太陽電池を示す図、図３−１〜図３−８は同太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。本実施の形態では、プロセスを簡略化した高効率セルの製造方法を提案する。先ず拡散源と、次工程の拡散保護マスクとして、片面に不純物を含む膜を形成する。次に片面に形成した膜中に含まれる不純物とは異なる不純物を拡散することにより受光面側と裏面で異なるドーパントの拡散層が形成されるため、一度の拡散処理で両面の拡散層が形成される。ここで、裏面の平坦化により高効率化が有効になる場合があるが、不純物を含む拡散保護マスクをテクスチャー処理前に形成することで、受光面のみにテクスチャー構造を形成できる。
また、裏面パッシベーション膜の形成工程も追加工程であるが、受光面のＳｉＮなどの反射防止膜を先に形成した状態で、酸化処理を実施することにより、片面のみにパッシベーション効果の高い酸化膜を形成可能である。上記の構造に付随してＡｌ，Ａｇなどの長波長反射率の高い膜を裏面に形成することで、さらなる高効率化が可能である。
本実施の形態では、半導体基板として、ｐ型単結晶シリコンウエハ１を用いた場合について、説明する。太陽電池の作製には、まず、半導体基板として、例えば比抵抗０．５〜２０ｏｈｍ／ｓｑ程度、数百μｍ厚のｐ型単結晶シリコンウエハ１を用意する（図３−１）。ｐ型単結晶シリコンウエハ１は、溶融したシリコンを冷却固化してできたインゴットをワイヤーソーでスライスして製造するため、表面にスライス時のダメージが残っている。そこで、ｐ型単結晶シリコンウエハ１を酸または加熱したアルカリ溶液中、例えば水酸化ナトリウム水溶液に浸漬して表面をエッチングすることにより、切り出し時に発生してｐ型単結晶シリコンウエハ１の表面近くに存在するダメージ領域を取り除く。例えば数〜２０ｗｔ％苛性ソーダや炭酸苛性ソーダで１０μｍ〜２０μｍ厚だけ表面を除去する（ダメージ層除去ステップＳ１０１）。
その後、図３−２に示すようにｐ型単結晶シリコンウエハ１を例えば１％程度の水酸化ナトリウム水溶液に、多糖類よりなる添加剤を０．１％程度添加したエッチング液に浸漬し、異方性エッチングを行い、表面及び裏面に凹凸部１Ｔを形成しテクスチャー構造を形成する（テクスチャー形成ステップＳ１０２）。テクスチャー構造は、表面に凹凸を形成し、多重反射を利用して反射率を低減する方法であり、本発明に用いるテクスチャー構造形成は、どのような手法でもかまわないが、反射率低減効果の大きい構造が望ましい。
ｐ型単結晶シリコンウエハの場合は、結晶方位（１００）面のウエハに対してＮａＯＨ、或いはＫＯＨに添加剤を混ぜた溶液を用いることで、結晶面方位のエッチングレート差を利用する異方性エッチングが有効であるが、半導体基板として多結晶シリコンを用いた場合は、ウエハ面内の結晶方位が不均一であるため有効ではなく、フッ硝酸系の溶液を用いて、スライス時に形成される加工形状を利用しダメージ層のみ除去する等方性エッチングを用いる方法が一般的である。
ここで、セル構造としては、裏面の電極を一部に形成することで、裏からの入射光を利用する両面受光型（Bifacial）と、裏面全面に反射膜（Back Surface Reflector, ＢＳＲ）を形成しシリコン内部で吸収しきれない長波長反射を高める構造とが考えられる。前者の場合、裏面からの入射光利用する場合には、裏面にもテクスチャー構造があるほうが有利である場合があり、後者の場合、パッシベーションの観点からは、裏面は平坦であるほうが好ましい場合がある。そのため、次工程で説明する不純物を含むペースト拡散源(Dopant Paste,ＤＰ)印刷を、テクスチャー処理前に実施し、エッチング保護マスクとして用いることで、裏面のみ平坦化したセルを作製することも可能である。この工程については後述する。
次に、図３−３に示すようにｐ型単結晶シリコンウエハ１の片面に拡散保護マスク３を形成する（片面マスク形成ステップＳ１０３）。ここで、拡散保護マスク３には、拡散時の不純物源とは異なる不純物を導入しておく。例えば、Ｐを含む酸化膜や、Ｂを含む酸化膜が挙げられる。本実施の形態では印刷法により膜厚1μｍ程度のＢＳＧ膜を形成した。拡散保護マスクの形成方法は、印刷法、スピンコーティング法、ＣＶＤ法、スパッタ法など、どの方法でもかまわない。また、マスクからの不純物飛散を防止するために、さらにＳＧ膜など不純物を含まないマスクを積層に形成してもよい。
そして、拡散マスク３形成後に、熱拡散処理により図３−４に示すようにｐ型単結晶シリコンウエハ１の両面に同時に拡散層を形成する（両面同時拡散ステップＳ１０４）。受光面である表面側にはリンなどのｎ型不純物を拡散して、ｎ型拡散層６、ＢＳＧ膜からなる拡散保護マスクからホウ素などのｐ型不純物を拡散し裏面側にはｐ型拡散層４を形成する。ここで、拡散源としては、液状のものをバブリングしてガスを流す方法や、固体を用いるもの、気体を用いるもの、スピンコーティングによる方法などが考えられる。また、受光面と、裏面の拡散最適温度が異なる可能性もあるため、熱拡散時の詳細工程を工夫することで、それぞれに適した熱処理工程とすることもできる。このとき受光面側表面にはドーピングガラス５が形成され、一方裏面側の拡散保護マスク３上にも図示しないがドーピングガラスが堆積される。
例えば、受光面にＰＯＣｌ3を用いた熱拡散をする場合、必要な拡散温度が、裏面拡散層は９００℃程度必要で、受光面拡散層は８５０℃程度とすると、高温の処理を先に実施し、次にＰＯＣｌ3を流して低温処理を実施すれば、それぞれの最適な拡散層が形成可能である。ここで、それぞれの拡散層の役割は、エミッタ、ＢＳＦ、ＦＳＦとすることができる。また、拡散マスクは、すべての領域が均一である必要は無く、例えば印刷ペーストを用いる場合、２回に分けて異なる不純物濃度のペーストを印刷しパターニングすれば、選択拡散層を形成することも可能である。
次に、端部を接合分離のためにエッチングする（端面エッチングステップＳ１０５）。例えば、ウエハをスタックし、上面側と下面側を保護した状態で、ＣＦ4などのガスを流しながらプラズマ処理を実施し、側面の膜をエッチング除去する方法がある。また、その他にも、電極形成後にセル端部をレーザで加工する方法などがある。
その後、図３−５に示すようにフッ酸を用いた溶液で拡散時に形成されたドーピングガラス５を除去する（ド−ピングガラス除去ステップＳ１０６）。次に、受光面側の反射防止膜と、裏面のパッシベーション膜を形成する。最も簡便な工程としては、例えば、熱酸化処理により全面に酸化膜を形成し、パッシベーション膜兼反射防止膜として用いることができるが、反射防止効果としては、例えばＳｉＮや、ＴｉＯ２のほうが有効である。ここでは、受光面側にはＳｉＮを、裏面には酸化膜を形成する場合の工程を説明する。
先ず図３−６に示したように受光面にＳｉＮなどの反射防止膜７を形成する（ＳｉＮ形成ステップＳ１０７）。受光面のみにＳｉＮを形成した状態で酸化処理を実施することで、図３−７に示すように裏面のみ熱酸化膜８が形成できる（熱酸化膜形成ステップＳ１０８）。
酸化処理は、ドライ酸化処理、ウェット酸化処理どちらでもよいが、低温で処理するほうが、拡散層の不純物が再拡散する影響が小さいため制御し易い。ウェット酸化であれば、拡散層の不純物濃度にも依存はあるが、例えば８００℃の酸化処理でも１００ｎｍ程度とパッシベーション効果として充分な厚みの酸化膜を形成可能であり、また、ＳｉＮ膜も酸化保護膜として充分な効果が期待できる。
最後に、図３−８に示したように受光面側電極９及び裏面電極１０を印刷し（電極印刷ステップＳ１０９）、焼成する（焼成ステップＳ１１０）ことで、図２に示した太陽電池が形成される。受光面及び裏面に、Ａｇなどのペーストを印刷し焼成することで表裏の電極を形成可能である。ここで、電極はペーストを用いた塗布膜に限定されるものではなく、薄膜を用いるものでもよい。
また、裏面電極１０としては、基板裏面全体に成膜してもよく、裏面の反射率或いは導電性を改善するための膜を形成することで特性の改善が期待できる。反射率と導電率を両方改善する方法として、例えばＡｌ，Ａｇなどが挙げられる。
このように構成された太陽電池セルでは、太陽光が太陽電池セルの受光面側から半導体基板であるｐ型単結晶シリコンウエハ１に照射されると、ホールと電子が生成される。ｐｎ接合部（ｐ型単結晶シリコンウエハ１とｎ型拡散層６との接合面）の電界によって、生成された電子はｎ型拡散層６に向かって移動し、ホールはｐ型単結晶シリコンウエハ１に向かって移動する。これにより、ｎ型拡散層に電子が過剰となり、ｐ型単結晶シリコンウエハ１にホールが過剰となる結果、光起電力が発生する。この光起電力はｐｎ接合を順方向にバイアスする向きに生じ、ｎ型拡散層に接続した受光面側電極９がマイナス極となり、高濃度のｎ型拡散層４に接続した裏面電極１０がプラス極となって、図示しない外部回路に電流が流れる。
このようにして、本実施の形態によれば、受光面側及び裏面側の拡散工程が同一の工程で実現可能となり、生産性が向上し、製造が容易で高効率の裏面パッシベーション型太陽電池を得ることが可能となる。
実施の形態２．
図４は、本発明にかかる太陽電池の製造方法の実施の形態２のステップフローの要部を示す図、図５は、同ステップフローで形成された太陽電池を示す図、図６−１〜図６−９は同太陽電池の製造工程の要部を示す工程断面図である。本実施の形態では半導体基板として、ｎ型単結晶シリコンウエハ１ｎを用いた場合の工程を説明する。表裏の拡散層形成工程までは、拡散する不純物のドナーとアクセプタを入れ替えれば、ｐ型単結晶シリコンウエハと同様である。図６−５までは導電型が逆であるだけで図３−５までの工程と同様の図である。以降の図６−６から説明する。ここでは、受光面側にｐ型拡散層６ｐを形成すると共に、裏面側にｎ型拡散層４ｎを形成している。
ｎ型単結晶シリコンウエハ１ｎを用いた場合、エミッタはｐ+層になるが、ＳｉＮは正の固定電化密度が高く、ｐ+層に対してはパッシベーション効果が低い。そのため、例えばパッシベーション膜として酸化膜７ｓを用い、反射防止膜としてＳｉＮを用いる積層構造とする。積層構造とする場合、先ず図６−６に示すように、熱酸化により反射率に悪影響を及ぼさないような数１０ｎｍ以下の酸化膜７ｓを形成する（熱酸化ステップＳ１０８ａ）。このとき、裏面側にも薄い酸化膜８ｓが形成される。
その後、図６−７に示すように、ＳｉＮなどの反射防止膜７を形成する（ＳｉＮ形成ステップＳ１０７）。
次に、図６−８に示すように、熱酸化処理などの方法で裏面のみの酸化膜を増加させる（熱酸化ステップＳ１０８ｂ）ことで、裏面にも充分な厚さの熱酸化膜８からなるパッシベーション膜を形成する。
その後、実施の形態１と同様に、図６−９に示すように、電極を印刷し（電極印刷ステップＳ１０９）、焼成（焼成ステップＳ１１０）することで、図５に示した太陽電池が形成される。
このようにして、本実施の形態によれば、製造が容易で高効率の裏面パッシベーション型太陽電池を得ることが可能となる。
実施の形態３．
図７は、本発明にかかる太陽電池の製造方法の実施の形態３のステップフローの要部を示す図、図８−１〜図８−３は同太陽電池の製造工程の要部を示す工程断面図である。本実施の形態では、実施の形態２と同様、ｎ型単結晶シリコンウエハ１ｎを用いた場合で酸化膜形成工程を１回に省略する場合について説明する。ここでも、受光面側にｐ型拡散層６ｐを形成すると共に、裏面側にｎ型拡散層４ｎを形成している。
酸化速度は、拡散層の不純物密度に依存する。受光面と裏面の不純物濃度を工夫することで、一度の酸化処理でも、裏面と受光面とを同時に適当な膜厚を形成できる場合がある。受光面に数十ｎｍの酸化膜を、裏面には１００ｎｍ程度の酸化膜を形成できる場合は不要であり、図７及び８−１〜図８−３に示したような製造工程で実施の形態２と同様の太陽電池が作製可能である。
つまり、図６−５に示した工程までは前記実施の形態２と同様であるが、本実施の形態では、第１回目の熱酸化ステップで必要最低限の膜厚の酸化膜を形成しておき、裏面の酸化膜を増加させるための２回目の熱酸化ステップＳ１０８ｂを実施することなく、形成するものである。積層構造とする場合、先ず図８−１に示すように、熱酸化により反射率に悪影響を及ぼさないような数１０ｎｍ以下の酸化膜７ｓ及び裏面の熱酸化膜８を形成する（熱酸化ステップＳ１０８）。
その後、図８−２に示すように、ＳｉＮなどの反射防止膜７を形成する（ＳｉＮ形成ステップＳ１０７）。
そして最後に、図８−３に示すように、実施の形態２と同様に、電極を印刷し（電極印刷ステップＳ１０９）、焼成（焼成ステップＳ１１０）することで、図５に示した太陽電池が形成される。
この方法によれば、裏面の熱酸化膜８と同時に形成される受光面側の酸化膜７ｓをパッシベーション膜として用い、反射防止膜７としてＳｉＮを用いる積層構造とする。これにより１回の熱酸化工程でｐ+層に対しても十分なパッシベーション効果をもつ膜を形成することができる。
実施の形態４．
図９は、本発明にかかる太陽電池の製造方法の実施の形態４のステップフローの一部を示す図、図１０−１〜図１０−８は同太陽電池の製造工程を示す工程断面図である。本実施の形態では、実施の形態１において、テクスチャー形成のためのエッチングステップＳ１０２に先立ち裏面側に片面マスクを形成（Ｓ１０３）し、裏面側にテクスチャーが形成されるのを抑制したことを特徴とするものである。他は前記実施の形態１と同様である。
この構成によれば、不純物を含むペースト拡散源(Dopant Paste,ＤＰ)の印刷を、テクスチャー処理前に実施し、エッチング保護マスクとして用いることで、裏面のみを平坦なまま維持したセルを作製するものである。パッシベーションの観点からは、裏面は平坦のほうが好ましい場合がある。
図１０−１に示すように、ｐ型単結晶シリコンウエハ１を用意し、図１０−２に示すようにこのｐ型単結晶シリコンウエハ１の片面に拡散保護マスク３を形成する（片面マスク形成ステップＳ１０３）。ここで、拡散保護マスク３には、拡散時の不純物源とは異なる不純物を導入しておく。例えば、Ｐを含む酸化膜や、Ｂを含む酸化膜が挙げられる。本実施の形態では印刷法により膜厚1μｍ程度のＢＳＧ膜を形成した。拡散保護マスク形成方法は、印刷法、スピンコーティング法、ＣＶＤ法、スパッタ法など、どの方法でもかまわない。また、マスクからの不純物飛散を防止するために、さらにＳＧ膜など不純物を含まないマスクを積層に形成してもよい。
そして、拡散保護マスク３形成後に、ｐ型単結晶シリコンウエハ１を例えば１％程度の水酸化ナトリウム水溶液に、多糖類よりなる添加剤を０．１％程度添加したエッチング液に浸漬し、異方性エッチングを行い、図１０−３に示すように表面に凹凸部１Ｔを形成しテクスチャー構造を形成する（テクスチャー形成ステップＳ１０２）。このとき、ｐ型単結晶シリコンウエハ１の片面は拡散保護マスク３で覆われているため、エッチングは拡散保護マスク３から露呈する面のみ進行し、受光面となる面のみにテクスチャーが形成される。
後は実施の形態１と同様に、熱拡散処理により図１０−４に示すようにｐ型単結晶シリコンウエハ１の両面に同時に拡散層を形成する（両面同時拡散ステップＳ１０４）。受光面である表面側にはｎ型拡散層６、裏面側にはｐ型拡散層４を形成する。ここでも、拡散源としては、液状のものをバブリングしてガスを流す方法や、固体を用いるもの、気体を用いるもの、スピンコーティングによる方法などが考えられる。また、受光面と、裏面の拡散最適温度が異なる可能性もあるため、熱拡散時の詳細工程を工夫することで、それぞれに適した熱処理工程とすることもできる。このとき受光面側表面にはドーピングガラス５が形成され、一方裏面側の拡散保護マスク３上にも図示しないがドーピングガラス５が堆積される。
本実施の形態においても実施の形態１の場合と同様、受光面にＰＯＣｌ3を用いた熱拡散をする場合、必要な拡散温度が、裏面拡散層は９００℃程度必要で、受光面拡散層は８５０℃程度とすると、高温の処理を先に実施し、次にＰＯＣｌ3を流して低温処理を実施すれば、それぞれの最適な拡散層が形成可能である。
次に、端部を接合分離のためにエッチングする（端面エッチングステップＳ１０５）。例えば、ウエハをスタックし、ＣＦ4などのガスを流しながらプラズマ処理を実施する方法がある。また、その他にも、電極形成後にセル端部をレーザで加工する方法などがある。
その後、図１０−５に示すようにフッ酸を用いた溶液で拡散時に形成されたドーピングガラスを除去する（ド−ピングガラス除去ステップＳ１０６）。
次に、受光面側の反射防止膜７と、裏面のパッシベーション膜としての熱酸化膜８を形成する。先ず図１０−６に示したように受光面にＳｉＮなどの反射防止膜７を形成する（ＳｉＮ形成ステップＳ１０７）。受光面のみにＳｉＮを形成した状態で酸化処理を実施することで、図１０−７に示すように裏面のみ熱酸化膜８が形成できる（熱酸化膜形成ステップＳ１０８）。
最後に、図１０−８に示したように電極を印刷し（電極印刷ステップＳ１０９）、焼成（焼成ステップＳ１１０）することで、太陽電池が形成される。
このようにして、本実施の形態によれば、裏面が平坦面を有する製造が容易で高効率の裏面パッシベーション型太陽電池を得ることが可能となる。
なお、前記実施の形態１〜４では、単結晶シリコンウエハを用いた例について説明したが、単結晶シリコンに限定されることなく多結晶シリコンウエハあるいは化合物半導体ウエハを用い拡散型太陽電池に適用可能である。
以上のように、本発明にかかる太陽電池の製造方法は、製造工数の簡略化に有用であり、特に、高効率で低コストの太陽電池の製造に適している。
１ ｐ型単結晶シリコンウエハ、１ｎ ｎ型単結晶シリコンウエハ、１Ｔ 凹凸部、３ 拡散保護マスク、４ ｐ型拡散層、４ｎ ｎ型拡散層、５ 拡散時に形成された不純物を含む酸化膜、６ ｎ型拡散層、６ｐ ｐ型拡散層、７ 反射防止膜、７ｓ 酸化膜、８ 熱酸化膜、８ｓ 熱酸化膜、９ 表面電極、１０ 裏面電極。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、半導体基板の表面及び裏面に異なる導電型の拡散層を有する太陽電池の製造方法であって、前記半導体基板の一方の面を被覆するように、不純物を含む拡散保護マスクを形成する工程と、前記半導体基板の他方の面を、不純物を含む前記拡散保護マスクで被覆した状態で、前記第１の不純物とともに前記第１の不純物とは異なる導電型の第２の不純物を拡散する熱工程を含む拡散工程を実施し、前記一方の面に第１の不純物拡散層を形成するとともに、前記他方の面に、前記拡散保護マスクとは異なる導電性となる第２の不純物拡散層を形成する拡散工程を含むことを特徴とする。
ここで、セル構造としては、裏面の電極を一部に形成することで、裏からの入射光を利用する両面受光型（Bifacial）と、裏面全面に反射膜（Back Surface Reflector, ＢＳＲ）を形成しシリコン内部で吸収しきれない長波長反射を高める構造とが考えられる。前者の場合、裏面からの入射光を利用する場合には、裏面にもテクスチャー構造があるほうが有利である場合があり、後者の場合、パッシベーションの観点からは、裏面は平坦であるほうが好ましい場合がある。そのため、次工程で説明する不純物を含むペースト拡散源(Dopant Paste,ＤＰ)印刷を、テクスチャー処理前に実施し、エッチング保護マスクとして用いることで、裏面のみ平坦化したセルを作製することも可能である。この工程については後述する。
そして、拡散保護マスク３形成後に、熱拡散処理により図３−４に示すようにｐ型単結晶シリコンウエハ１の両面に同時に拡散層を形成する（両面同時拡散ステップＳ１０４）。受光面である表面側にはリンなどのｎ型不純物を拡散して、ｎ型拡散層６、ＢＳＧ膜からなる拡散保護マスクからホウ素などのｐ型不純物を拡散し裏面側にはｐ型拡散層４を形成する。ここで、拡散源としては、液状のものをバブリングしてガスを流す方法や、固体を用いるもの、気体を用いるもの、スピンコーティングによる方法などが考えられる。また、受光面と、裏面の拡散最適温度が異なる可能性もあるため、熱拡散時の詳細工程を工夫することで、それぞれに適した熱処理工程とすることもできる。このとき受光面側表面にはドーピングガラス５が形成され、一方裏面側の拡散保護マスク３上にも図示しないがドーピングガラスが堆積される。
このように構成された太陽電池セルでは、太陽光が太陽電池セルの受光面側から半導体基板であるｐ型単結晶シリコンウエハ１に照射されると、ホールと電子が生成される。ｐｎ接合部すなわち、ｐ型単結晶シリコンウエハ１とｎ型拡散層６との接合面の電界によって、生成された電子はｎ型拡散層６に向かって移動し、ホールはｐ型単結晶シリコンウエハ１に向かって移動する。これにより、ｎ型拡散層に電子が過剰となり、ｐ型単結晶シリコンウエハ１にホールが過剰となる結果、光起電力が発生する。この光起電力はｐｎ接合を順方向にバイアスする向きに生じ、ｎ型拡散層６に接続した受光面側電極９がマイナス極となり、高濃度のｐ型拡散層４に接続した裏面電極１０がプラス極となって、図示しない外部回路に電流が流れる。
ｎ型単結晶シリコンウエハ１ｎを用いた場合、エミッタはｐ+層になるが、ＳｉＮは正の固定電化密度が高く、ｐ+層に対してはパッシベーション効果が低い。そのため、例えばパッシベーション膜として酸化膜７ｓを用い、反射防止膜としてＳｉＮを用いる積層構造とする。積層構造とする場合、先ず図６−６に示すように、熱酸化により反射率に悪影響を及ぼさないような数１０ｎｍ以下の酸化膜７ｓを形成する（熱酸化ステップＳ１０８ａ）。このとき、裏面側にも薄い熱酸化膜８ｓが形成される。
１ ｐ型単結晶シリコンウエハ、１ｎ ｎ型単結晶シリコンウエハ、１Ｔ 凹凸部、３ 拡散保護マスク、４ ｐ型拡散層、４ｎ ｎ型拡散層、５ ドーピングガラス、６ ｎ型拡散層、６ｐ ｐ型拡散層、７ 反射防止膜、７ｓ 酸化膜、８ 熱酸化膜、８ｓ 熱酸化膜、９ 受光面側電極、１０ 裏面電極。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、半導体基板の表面及び裏面に異なる導電型の拡散層を有する太陽電池の製造方法であって、半導体基板の一方の面を被覆するように、第１の不純物を含む拡散保護マスクを形成する工程と、半導体基板の他方の面を、第１の不純物を含む拡散保護マスクで被覆した状態で、第２の不純物含有ガス中で、第１の不純物とともに第１の不純物とは異なる導電型の第２の不純物を拡散する熱工程を含む拡散工程を実施し、半導体基板の一方の面に第１の不純物拡散層を形成するとともに、半導体基板の他方の面に、拡散保護マスクとは異なる導電性となる第２の不純物拡散層を形成することを特徴とする。
本実施の形態では、半導体基板として、ｐ型単結晶シリコンウエハ１を用いた場合について、説明する。太陽電池の作製には、まず、半導体基板として、例えば比抵抗０．５〜２０ｏｈｍ／ｓｑ程度、数百μｍ厚のｐ型単結晶シリコンウエハ１を用意する（図３−１）。ｐ型単結晶シリコンウエハ１は、溶融したシリコンを冷却固化してできたインゴットをワイヤーソーでスライスして製造するため、表面にスライス時のダメージが残っている。そこで、ｐ型単結晶シリコンウエハ１を酸または加熱したアルカリ溶液中、例えば水酸化ナトリウム水溶液に浸漬して表面をエッチングすることにより、切り出し時に発生してｐ型単結晶シリコンウエハ１の表面近くに存在するダメージ領域を取り除く。例えば数〜２０ｗｔ％水酸化ナトリウムあるいは炭酸水素ナトリウムで１０μｍ〜２０μｍ厚だけ表面を除去する（ダメージ層除去ステップＳ１０１）。
その後、図３−２に示すようにｐ型単結晶シリコンウエハ１を例えば１ｗ％程度の水酸化ナトリウム水溶液に、多糖類よりなる添加剤を０．１ｗ％程度添加したエッチング液に浸漬し、異方性エッチングを行い、表面及び裏面に凹凸部１Ｔを形成しテクスチャー構造を形成する（テクスチャー形成ステップＳ１０２）。テクスチャー構造は、表面に凹凸を形成し、多重反射を利用して反射率を低減する方法であり、本発明に用いるテクスチャー構造形成は、どのような手法でもかまわないが、反射率低減効果の大きい構造が望ましい。
そして、拡散保護マスク３形成後に、熱拡散処理により図３−４に示すようにｐ型単結晶シリコンウエハ１の両面に同時に拡散層を形成する（両面同時拡散ステップＳ１０４）。受光面である表面側にはリンなどのｎ型不純物を拡散して、ｎ型拡散層６を形成するとともに、ＢＳＧ膜からなる拡散保護マスクからホウ素などのｐ型不純物を拡散し裏面側にはｐ型拡散層４を形成する。ここで、拡散源としては、液状のものをバブリングしてガスを流す方法や、固体を用いるもの、気体を用いるもの、スピンコーティングによる方法などが考えられる。また、受光面と、裏面の拡散最適温度が異なる可能性もあるため、熱拡散時の詳細工程を工夫することで、それぞれに適した熱処理工程とすることもできる。このとき受光面側表面にはドーピングガラス５が形成され、一方裏面側の拡散保護マスク３上にも図示しないがドーピングガラスが堆積される。
例えば、受光面にＰＯＣｌ3を用いた熱拡散をする場合、必要な拡散温度が、裏面拡散層は９００℃程度必要で、受光面拡散層は８５０℃程度とすると、高温の処理を先に実施し、次にＰＯＣｌ3を流して低温処理を実施すれば、それぞれの最適な拡散層が形成可能である。ここで、それぞれの拡散層の役割は、エミッタ、ＢＳＦ、ＦＳＦとすることができる。また、拡散保護マスクは、すべての領域が均一である必要は無く、例えば印刷ペーストを用いる場合、２回に分けて異なる不純物濃度のペーストを印刷しパターニングすれば、選択拡散層を形成することも可能である。
ｎ型単結晶シリコンウエハ１ｎを用いた場合、エミッタはｐ+層になるが、ＳｉＮは正の固定電荷密度が高く、ｐ+層に対してはパッシベーション効果が低い。そのため、例えばパッシベーション膜として酸化膜７ｓを用い、反射防止膜としてＳｉＮを用いる積層構造とする。積層構造とする場合、先ず図６−６に示すように、熱酸化により反射率に悪影響を及ぼさないような数１０ｎｍ以下の酸化膜７ｓを形成する（熱酸化ステップＳ１０８ａ）。このとき、裏面側にも薄い酸化膜８ｓが形成される。
そして、拡散保護マスク３形成後に、ｐ型単結晶シリコンウエハ１を例えば１ｗ％程度の水酸化ナトリウム水溶液に、多糖類よりなる添加剤を０．１ｗ％程度添加したエッチング液に浸漬し、異方性エッチングを行い、図１０−３に示すように表面に凹凸部１Ｔを形成しテクスチャー構造を形成する（テクスチャー形成ステップＳ１０２）。このとき、ｐ型単結晶シリコンウエハ１の片面は拡散保護マスク３で覆われているため、エッチングは拡散保護マスク３から露呈する面のみ進行し、受光面となる面のみにテクスチャーが形成される。

Claims (6)

  1. 半導体基板の表面及び裏面に異なる導電型の拡散層を有する太陽電池の製造方法であって、
    前記半導体基板の少なくとも一部の領域を被覆するように、不純物を含む拡散保護マスクを形成する工程と、
    前記半導体基板の少なくとも一部の領域を、不純物を含む前記拡散保護マスクで被覆した状態で、熱工程を含む拡散工程を実施し、
    前記拡散保護マスクで覆われた第１の領域に第１の不純物拡散層を形成するとともに、
    前記拡散保護マスクから露呈する第２の領域に、前記拡散保護マスクとは異なる不純物濃度或いは異なる導電性となる第２の不純物拡散層を形成する拡散工程を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。
  2. さらに、前記拡散保護マスクを、酸化保護マスクとして用いて、前記拡散保護マスクから露呈する面にパッシベーション膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
  3. 前記拡散保護マスクを形成する工程は、印刷法により、不純物を含有する膜を形成する工程であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
  4. 前記拡散保護マスクを形成する工程は、スピンコーティング法、ＣＶＤ法、スパッタ法のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
  5. 前記拡散保護マスクを形成する工程は、前記半導体基板の裏面側を第１の不純物を含む拡散保護マスクで被覆する工程であり、
    前記拡散工程は、受光面側に、第２の不純物を拡散すると共に、裏面側に第１の不純物を拡散する工程であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法。
  6. 前記半導体基板表面にテクスチャー構造を形成する工程に先立ち、
    前記拡散保護マスクを形成する工程を含み、
    前記テクスチャー構造を形成する工程は、前記拡散保護マスクの形成された領域を除いてテクスチャー構造を形成する工程であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法。
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