JPWO2018008071A1 - 太陽電池セルの評価用基板および太陽電池セルの評価方法 - Google Patents
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Abstract
Description
まず、本実施の形態1にかかる太陽電池セルの評価用基板および太陽電池セルの評価方法が適用される太陽電池セルについて説明する。図1は、本発明の実施の形態1にかかる太陽電池セル1を受光面側から見た平面図である。図2は、本発明の実施の形態1にかかる太陽電池セル1を受光面と対向する裏面側から見た平面図である。図3は、本発明の実施の形態1にかかる太陽電池セル1の構成を示す要部断面図であり、図1におけるA−A線に沿った断面図である。
工程1では、半導体基板として、p型単結晶シリコン基板2が用意される。p型単結晶シリコン基板2は、CZ(Czochralski)法といった方法で形成した単結晶シリコンインゴットをバンドソーおよびマルチワイヤーソーといった切断機を用いて所望の外形寸法および厚さに切断およびスライスして製造される。本実施の形態1においては、厚みが180μm程度、外形寸法が156mm以上、158mm以下×156mm以上、158mm以下の、正方形の角部に丸み面取りを有する正方形状のp型単結晶シリコン基板2が用意される。p型単結晶シリコン基板2の外形は、円柱状のインゴットから切り出された156mm以上、158mm以下×156mm以上、158mm以下の正方形の四隅が円のR100以上、R105以下の丸み面取りで切り落とされた正方形状である。156mm角の正方形の対角線の長さは、約220mmである。したがって、156mm角の正方形を呈するp型単結晶シリコン基板2の外形は、正方形の四隅が10mm程度切り落とされた正方形状となる。
工程2では、p型単結晶シリコン基板2の受光面側の表面にテクスチャ構造としてピラミッド状の微小凹凸が形成される。テクスチャ構造の形成には、5wt%以上、10wt%以下程度の水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液にイソプロピルアルコールが10wt%以上、15wt%以下程度混合された薬液が用いられる。80℃以上、90℃以下程度に加熱された薬液にp型単結晶シリコン基板2を15分から20分程度浸漬することにより、p型単結晶シリコン基板2の表面が異方性エッチングされて、p型単結晶シリコン基板2の表面全面に微小凹凸が形成される。
工程3では、n型不純物拡散層3における高濃度不純物拡散層である第1n型不純物拡散層4を形成するために、拡散源含有塗布剤としてのn型ドーパント含有ペースト21が、図5に示すようにp型単結晶シリコン基板2における第1の表面であって受光面となる一面上に塗布形成される。n型ドーパント含有ペースト21は、スクリーン印刷法を用いて、n型層上電極7の形状に対応して櫛形状に印刷される。図12は、本実施の形態1におけるn型ドーパント含有ペースト21の塗布パターンの一例を示す図である。n型ドーパント含有ペースト21は、図12に示すように、n型層上グリッド電極8に対応したグリッドパターン23と、n型層上バス電極9に対応したバスパターン24と、が印刷される。n型ドーパント含有ペースト21は、後述する工程4の第1拡散工程における熱拡散温度、すなわち熱処理温度でも昇華および焼失せず、また酸性ではなく中性の樹脂ペーストが使用される。
工程4では、n型ドーパント含有ペースト21の乾燥後、p型単結晶シリコン基板2が載置されたボートが熱拡散炉へ投入され、n型ドーパント含有ペースト21によるn型不純物であるリンの熱拡散工程である第1拡散工程として第1熱処理が行われる。この第1拡散工程は、2段階の連続拡散工程のうちの1段階目である。
工程5では、第1拡散工程の終了後、続いてオキシ塩化リン(POCl3)によるn型不純物であるリンの熱拡散工程である第2拡散工程として第2の熱処理が行われる。すなわち、p型単結晶シリコン基板2は熱拡散炉から取り出されることなく、第1拡散工程後に同じ熱拡散炉内において連続して第2拡散工程が行われる。この第2拡散工程は、2段階の連続拡散工程のうちの2段階目である。
工程6では、後工程で形成される電極であるn型層上電極7とp型層上電極10とを電気的に絶縁するためにpn分離が行われる。n型不純物拡散層3は、p型単結晶シリコン基板2の表面に一様に形成されるので、p型単結晶シリコン基板2の表面と裏面とは電気的に接続された状態にある。このため、そのままの状態でn型層上電極7とp型層上電極10とを形成した場合には、n型層上電極7とp型層上電極10とが電気的に接続される。この電気的接続を遮断するため、p型単結晶シリコン基板2の端面領域に形成された第2n型不純物拡散層5をドライエッチングによりエッチング除去してpn分離を行う。この第2n型不純物拡散層5の影響を除くために行う別の方法として、レーザにより端面分離を行う方法もある。
工程7では、図8に示すように、p型単結晶シリコン基板2上に形成された、不純物が含まれた不純物含有層が除去される。具体的には、p型単結晶シリコン基板2が10%フッ酸溶液中に360秒間程度浸漬され、その後、水洗処理が行われる。これにより、p型単結晶シリコン基板2の表面に形成されたn型ドーパント含有ペースト21、ガラス質層22が除去される。以上の工程によりn型不純物拡散層3として、p型単結晶シリコン基板2の表面側に第1n型不純物拡散層4と第2n型不純物拡散層5とから構成された選択不純物拡散層構造が得られる。そして第1導電型層であるp型シリコンからなる半導体基板2と、該半導体基板2の受光面側に形成された第2導電型層であるn型不純物拡散層3と、によりpn接合が構成された半導体基板11が得られる。
工程8では、半導体基板11におけるn型不純物拡散層3が形成された一面に、図9に示すようにn型不純物拡散層側パッシベーション膜である、n型層上パッシベーション膜6が形成される。n型層上パッシベーション膜6は、プラズマCVD法を使用して、シランガスとアンモニア(NH3)ガスとの混合ガスを原材料に用いて、屈折率2.1、膜厚80nmの窒化シリコン(SiN)膜が成膜される。また、n型層上パッシベーション膜6は、蒸着法または熱CVD法といった他の方法により形成されてもよい。
工程9では、図10に示すようにスクリーン印刷による電極の印刷および乾燥が行われて乾燥状態の電極が形成される。まず、半導体基板11の表面側のn型層上パッシベーション膜6上に、Ag粉およびガラスフリットを含有する電極材料ペーストであるAg含有ペースト7aが、スクリーン印刷によって塗布される。その後、Ag含有ペースト7aが乾燥されることによって、n型不純物拡散層上電極となる乾燥状態のn型層上電極7が形成される。Ag含有ペースト7aは、250℃で5分間乾燥される。
工程10では、半導体基板11の受光面側および裏面側に印刷されて乾燥された電極材料ペーストが同時に焼成される。具体的には、半導体基板11が焼成炉へ導入され、大気雰囲気中でピーク温度600℃以上、900℃以下程度の温度、800℃で3秒の、短時間の熱処理が行われる。これにより、電極材料ペースト中の樹脂成分は消失する。そして、半導体基板11の受光面側では、n型層上電極7のAgペースト7aに含有されるガラス材料が溶融してn型層上パッシベーション膜6を貫通している間に銀材料がn型不純物拡散層3のシリコンと接触し再凝固する。これにより、図11に示すようにn型層上電極7としてのn型層上グリッド電極8およびn型層上バス電極9とが得られ、n型層上電極7と半導体基板11のシリコンとの電気的導通が確保される。
図28は、本発明の実施の形態2にかかる太陽電池セル101を受光面側から見た平面図である。図29は、本発明の実施の形態2にかかる太陽電池セル101を受光面と対向する裏面側から見た平面図である。図30は、本発明の実施の形態2にかかる太陽電池セル101の構成を示す要部断面図であり、図28におけるB−B線に沿った断面図である。
工程21では、半導体基板として、n型単結晶シリコン基板102が用意される。n型単結晶シリコン基板102も実施の形態1にかかるp型単結晶シリコン基板2と同様に製造され、以降、工程22のテクスチャ構造形成工程までは、実施の形態1における工程2と同様のプロセスが行われる。
工程23では、n型単結晶シリコン基板102へのp型不純物の拡散のために、図32に示すようにボロン含有酸化膜121と保護用酸化膜122とがn型単結晶シリコン基板102における受光面となる一面上に形成される。具体的には、500℃程度に加熱されたn型単結晶シリコン基板102が、処理室内に供給された大気圧のシラン(SiH4)ガスと酸素(O2)ガスとジボラン(B2H6)ガスとの混合ガス雰囲気中に曝露されることにより、まず30nmの膜厚のボロン含有酸化膜121が形成される。
工程24では、ボロン含有酸化膜121および保護用酸化膜122が形成されたn型単結晶シリコン基板102を熱処理することにより、図33に示すようにp型不純物拡散層103が形成される。具体的には、n型単結晶シリコン基板102が載置されたボートが横型炉に挿入され、1050℃程度の温度で30分間程度の熱処理が行われる。この熱処理により、ボロン含有酸化膜121からn型単結晶シリコン基板102の表層にボロンが拡散され、n型単結晶シリコン基板102の一面側の表層にp型不純物拡散層103が形成される。このようなボロン拡散を行うことにより、シート抵抗が90Ω/sq.程度のp型不純物拡散層103を形成できる。なお、p型不純物であるボロンは、リンに代表されるn型不純物よりもシリコンへの拡散係数が低い。このため、ボロンをn型単結晶シリコン基板102へ拡散するためには、後述するn型不純物拡散工程よりも高温での熱処理が必要となる。すなわち、p型不純物拡散層形成工程では、後述する第1拡散工程および第2拡散工程よりも高温で熱処理が行われる。
工程25では、n型不純物拡散層110における高濃度不純物拡散層である第1n型不純物拡散層111を形成するために、拡散源含有塗布剤としてのn型ドーパント含有ペースト123が、図34に示すようにn型単結晶シリコン基板102における裏面となる他面上に塗布形成される。n型ドーパント含有ペースト123は、スクリーン印刷法を用いて、n型層上電極114の形状に対応して櫛形状に印刷される。n型ドーパント含有ペースト123は、実施の形態1におけるn型ドーパント含有ペースト21と同様の材料が使用される。
工程26では、第1の拡散工程は、図4の工程4の場合と同様に処理および反応が進み、n型ドーパント含有ペースト123を用いて第1n型不純物拡散層111が形成されることにより、n型不純物を高濃度にn型単結晶シリコン基板102に拡散できる。これにより、図35に示すようにシート抵抗が20Ω/sq.以上、80Ω/sq.以下の範囲の第1n型不純物拡散層111を形成する。なお、ここでのシート抵抗値は、n型不純物をp型シリコン基板に拡散した場合を想定した値とする。n型シリコン基板にn型不純物を拡散した場合は、p型シリコン基板にn型不純物を拡散した場合と同様に拡散した場合のシート抵抗値よりも低く測定されるが、便宜上、以下の説明においてもn型不純物をシリコン基板に拡散した場合を想定した値としている。
工程27では、図4の工程5の場合と同様に処理および反応が進む。この第2拡散工程により、n型単結晶シリコン基板102の表面における、n型ドーパント含有ペースト123の印刷領域を除く領域に、相対的に第1n型不純物拡散層111よりも低濃度である第2の拡散濃度にn型不純物であるリンが熱拡散されて、図36に示すように第2n型不純物拡散層112が形成され、BSF層として第1n型不純物拡散層111と第2n型不純物拡散層112からなるn型不純物拡散層110が形成される。BSF層としては、第2n型不純物拡散層112のシート抵抗を150Ω/sq.より大とすることで高光電変換効率化が可能となる。また、第2拡散工程直後のn型単結晶シリコン基板102の表面には、拡散処理中に表面に堆積したガラス質層124である燐珪酸ガラス(PSG)層が形成されている。
工程28では、図4の工程6の場合と同様に処理を行う。
工程29では、図4の工程7の場合と同様に処理を行う。ただし、工程29では、n型単結晶シリコン基板102の表面に形成されたボロン含有酸化膜121、保護用酸化膜122、n型ドーパント含有ペースト123およびガラス質層124が除去される。そして、図37に示すように第1導電型層であるn型シリコンからなる半導体基板102と、該半導体基板102の受光面側に形成された第2導電型層であるp型不純物拡散層103と、によりpn接合が構成された半導体基板117が得られる。また、n型不純物拡散層110として、n型単結晶シリコン基板102の裏面側に第1n型不純物拡散層111と第2n型不純物拡散層112とから構成された選択不純物拡散層構造が得られる。
工程30では、図4の工程8の場合と同様に、半導体基板117におけるn型不純物拡散層110が形成された裏面に、図38に示すようにn型不純物拡散層側パッシベーション膜である、n型層上パッシベーション膜113が形成される。n型層上パッシベーション膜113は、プラズマCVD法を使用して、シランガスとアンモニア(NH3)ガスとの混合ガスを原材料に用いて、屈折率2.1、膜厚80nmの窒化シリコン(SiN)膜が成膜される。また、n型層上パッシベーション膜113は、蒸着法または熱CVD法といった他の方法により形成されてもよい。
工程31では、半導体基板117におけるp型不純物拡散層103が形成された受光面に、p型不純物拡散層側パッシベーション膜である、p型層上パッシベーション膜104が形成される。まず、p型不純物拡散層103に対して良好なパッシベーション性能を得るために、図39に示すように、負の固定電荷を持つ酸化アルミニウム膜105が膜厚5nmで成膜される。つぎに、プラズマCVD法を使用して、図40に示すように、屈折率2.1、膜厚80nmの窒化シリコン膜106が成膜される。また、p型層上パッシベーション膜104は、反射防止膜としても機能する。
工程32では、スクリーン印刷による電極の印刷および乾燥が行われて乾燥状態の電極が形成される。まず、図41に示すように、半導体基板117の裏面側のn型層上パッシベーション膜113上に、Agおよびガラスフリットを含有する電極材料ペーストであるAg含有ペースト114aがn型層上グリッド電極115およびn型層上バス電極116の形状に、スクリーン印刷によって塗布される。その後、Ag含有ペースト114aが乾燥されることによって、n型不純物拡散層上電極となる乾燥状態のn型層上電極114が形成される。Ag含有ペースト114aは、250℃で5分間乾燥される。
工程33では、半導体基板117の受光面側および裏面側に印刷されて乾燥された電極材料ペーストが同時に焼成される。具体的には、半導体基板117が焼成炉へ導入され、大気雰囲気中でピーク温度600℃以上、900℃以下程度の温度、800℃で3秒の、短時間の熱処理が行われる。これにより、電極材料ペースト中の樹脂成分は消失する。そして、半導体基板117の受光面側では、p型層上電極107のAgAl含有ペースト107aに含有されるガラス材料が溶融して窒化シリコン膜106および酸化アルミニウム膜105を貫通している間に銀材料がp型不純物拡散層103のシリコンと接触し再凝固する。これにより、図42に示すように、p型層上電極107としてのp型層上グリッド電極108およびp型層上バス電極109が得られ、p型層上電極107と半導体基板117のシリコンとの電気的導通が確保される。半導体基板117の裏面側では、n型層上電極114のAg含有ペースト114aに含有されるガラス材料が溶融してn型層上パッシベーション膜113を貫通している間に銀材料が第1n型不純物拡散層111のシリコンと接触し再凝固する。これにより、n型層上電極114としてのn型層上グリッド電極115およびn型層上バス電極116が得られ、n型層上電極114と半導体基板117のシリコンとの電気的導通が確保される。
図43は、本発明の実施の形態3にかかる太陽電池セル131の構成を示す要部断面図である。図43は、図3に対応する断面図である。なお、図43においては、実施の形態2にかかる太陽電池セル101と同じ部材については、同じ符号を付してある。実施の形態3にかかる太陽電池セル131は、実施の形態2にかかる太陽電池セル101を反転させた構成を有する。すなわち、実施の形態2にかかる太陽電池セル101は、n型単結晶シリコン基板102とp型不純物拡散層103とからなるpn接合が太陽電池セル101の受光面側に形成され、n型単結晶シリコン基板102における裏面側にBSF層としてn型不純物拡散層110が形成されている。
本実施の形態4では、上述した太陽電池セルの評価用基板であるモニタウエハ61を用いた太陽電池セルの評価方法について説明する。太陽電池セルの高光電変換効率化に、セレクティブエミッタの形成が重要である。特に、上述したようにドーパントペーストを用いてセレクティブエミッタを形成する製造方法を用いることにより、容易でかつ安価にセレクティブエミッタを形成することができる。
工程41では、n型ドーパント含有ペースト21が、p型単結晶シリコン基板2における受光面となる一面上に塗布形成される。ここで、n型ドーパント含有ペースト21は、図19に示すパターンと同じパターンで、太陽電池セル1の製造時と同じく、セレクティブなエミッタ構造の不純物拡散領域を模擬する太陽電池セル1のn型不純物拡散層3に対応した櫛形状の領域と、第1n型不純物拡散層測定領域62に対応した領域と、にスクリーン印刷法を用いて印刷される。ただし、n型不純物拡散層3に対応した領域における第2n型不純物拡散層測定領域63に対応する領域には、n型ドーパント含有ペースト21は、形成されない。
つぎに、工程42では、図4のフローチャートで説明した工程4と同じ処理が行われる。この第1拡散工程により、p型単結晶シリコン基板2の表面におけるn型ドーパント含有ペースト21の印刷領域の下部領域へ該n型ドーパント含有ペースト21からn型不純物であるリンが相対的に高濃度である第1の拡散濃度に熱拡散されて、図19に示すパターンで、第1n型不純物拡散層4、第1n型不純物拡散層測定領域62が形成される。
つぎに、工程43では、図4のフローチャートで説明した工程5と同じ処理が行われる。この第2拡散工程により、p型単結晶シリコン基板2の表面における、n型ドーパント含有ペースト21の印刷領域を除く領域に、相対的に第1n型不純物拡散層4よりも低濃度である第2の拡散濃度にn型不純物であるリンが熱拡散されて、図19に示すパターンで、第2n型不純物拡散層5および第2n型不純物拡散層測定領域63が形成される。
つぎに、工程44では、熱拡散炉31から取り出したp型単結晶シリコン基板2における、第1不純物濃度測定領域である第1n型不純物拡散層測定領域62と、第2不純物濃度測定領域である第2n型不純物拡散層測定領域63とのシート抵抗を4探針測定機器により測定し、この測定結果に基づいて、太陽電池セル1における第1の不純物濃度と第2の不純物濃度とを評価する。
工程10では、半導体基板11の受光面側および裏面側に印刷されて乾燥された電極材料ペーストが同時に焼成される。具体的には、半導体基板11が焼成炉へ導入され、大気雰囲気中でピーク温度600℃以上、900℃以下程度の温度、たとえば800℃で3秒の、短時間の熱処理が行われる。これにより、電極材料ペースト中の樹脂成分は消失する。そして、半導体基板11の受光面側では、n型層上電極7のAgペースト7aに含有されるガラス材料が溶融してn型層上パッシベーション膜6を貫通している間に銀材料がn型不純物拡散層3のシリコンと接触し再凝固する。これにより、図11に示すようにn型層上電極7としてのn型層上グリッド電極8およびn型層上バス電極9とが得られ、n型層上電極7と半導体基板11のシリコンとの電気的導通が確保される。
Claims (4)
- 第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の第1の表面に設けられ、評価対象となる太陽電池セルのグリッド電極の形状に対応した領域に、第1の不純物濃度で第2導電型の不純物を有する複数の細長形状のグリッド不純物領域と、
前記半導体基板の前記第1の表面に設けられ、幅方向において隣り合う前記グリッド不純物領域の間の領域に、前記第1の不純物濃度よりも低い第2の不純物濃度で第2導電型の不純物を有するグリッド間不純物領域と、
前記半導体基板の前記第1の表面に設けられ、前記グリッド不純物領域の間隔以上の大きさを有し、前記第1の不純物濃度で第2導電型の不純物を有する第1不純物濃度測定領域と、
前記半導体基板の前記第1の表面に設けられ、前記グリッド不純物領域の間隔以上の大きさを有し、前記第2の不純物濃度で第2導電型の不純物層を有する第2不純物濃度測定領域と、
を備えることを特徴とする太陽電池セルの評価用基板。 - 前記第1不純物濃度測定領域と前記第2不純物濃度測定領域とが、前記半導体基板の面内において1mm×4mm角以上、8mm×8mm角以下の寸法を有すること、
を特徴する請求項1に記載の太陽電池セルの評価用基板。 - 前記第1不純物濃度測定領域が、前記半導体基板の面内において、前記半導体基板の面内を左右均等に分割する中心線に対して対象となる4箇所以上の位置に配置され、
前記第2不純物濃度測定領域が、前記半導体基板の面内において、前記半導体基板の面内の中央の1点と、前記半導体基板の面内を左右均等に分割する中心線に対して対象となる4箇所以上の位置と、に配置されていること、
を特徴する請求項1または2に記載の太陽電池セルの評価用基板。 - 請求項1から3のいずれか1つに記載の太陽電池セルの評価用基板を用いて太陽電池セルを評価する太陽電池セルの評価方法であって、
前記半導体基板の第1の表面上における、前記グリッド不純物領域と前記第1不純物濃度測定領域とを含み、前記第2不純物濃度測定領域を除く領域に第2導電型の不純物を含有する第2導電型ドーパント含有ペーストを塗布する第2導電型ドーパントペースト塗布工程と、
前記太陽電池セルとともに、前記半導体基板を熱拡散炉内に挿入した状態でソースガスを流さずに前記半導体基板の温度を上げる第1拡散工程と、
前記太陽電池セルとともに、前記熱拡散炉内で、前記熱拡散炉から前記半導体基板を取り出さずに前記第1拡散工程に連続して、前記ソースガスを流しながら前記半導体基板を加熱することにより太陽電池セルの評価用基板を形成する前記第2拡散工程と、
前記熱拡散炉から取り出した前記半導体基板の第1不純物濃度測定領域と第2不純物濃度測定領域とのシート抵抗を測定する測定工程と
を含むことを特徴とする太陽電池セルの評価方法。
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