TWI597856B - Solar cell and manufacturing method thereof - Google Patents

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Ryosuke Oku
Futoshi Kato
Takayuki Ogino
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Description

太陽能單電池及其製造方法
本發明有關於太陽能單電池以及其製造方法。
本案根據2012年12月18日在日本申請專利之特願2012-275839號主張優先權，於此援用其內容。
太陽能單電池(以下，亦單稱作單電池)係將入射之光能轉換成電力之半導體元件，有p-n接面型、pin型、肖特基型等，尤其p-n接面型正被廣泛使用。另外，若將太陽能電池組根據其基板材料而分類，則大致分為矽結晶系太陽能電池組、非晶質(amorphous)矽系太陽能電池組、化合物半導體系太陽能電池組的3種類。矽結晶系太陽能電池組進一步分類為單結晶系太陽能電池組與多結晶系太陽能電池組。太陽能電池組用矽結晶基板由於可比較容易製造，故矽結晶系太陽能電池組最為普及。
作為潔淨能源，太陽能電池組近年需求提高，隨此太陽能單電池的需求亦提高。另外，能源效率的觀點來看，期望從光能往電力之轉換效率(以下，亦單記 載為轉換效率)盡可能地高的太陽能單電池。
提高太陽能單電池之轉換效率的技術方面，例如於專利文獻1揭露：增加匯流排電極之條數並縮短指狀電極之長度的構成之太陽能電池組元件(太陽能單電池)、以及使用其之太陽能電池組模組。記載於專利文獻1之太陽能電池組模組的構成係在半導體基板的表面(受光面)設置3條表面匯流排電極以及複數之指狀電極，並在背面(非受光面)設置3條背面匯流排電極。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
[專利文獻1]特許第4953562號
如上所述，記載於上述專利文獻1之太陽能電池組模組使用單面受光型之單電池，其單電池轉換效率之上限值超過約17%。然而，近年來要求太陽能單電池之進一步的高效率化，記載於專利文獻1之發明有無法獲得足夠的轉換效率之情事。
另外，太陽能單電池的高效率化方面，近年來雖亦發展兩面受光型之太陽能單電池，惟存在以下情事：關於使表面與背面兩方之轉換效率足夠且使表面與背面之轉換效率大致相等之技術至今仍未有進展。
所以，鑒於上述情事，本發明之目的在於提供一種實現轉換效率比以往高效率化之太陽能單電池。另外，目的在於提供一種在兩面受光型之太陽能單電池方面表面與背面之轉換效率成為大致相等之太陽能單電池。
為了達成前述之目的，根據本發明，提供一種太陽能單電池，具備：厚度為100μm以上、250μm以下的n型之矽基板、形成於是前述矽基板的表面之第1受光面的p型擴散層、形成於是前述矽基板的背面之第2受光面的n型擴散層、形成於前述p型擴散層上以及前述n型擴散層上的抗反射膜、部分地形成於前述p型擴散層的複數之柵極以及匯流排電極、以及部分地形成於前述n型擴散層的複數之柵極以及匯流排電極，特徵在於：在前述第1受光面所具備之前述柵極係從前述矽基板側依序重疊第1電極層與第2電極層的兩層而形成，前述第1受光面之發電量為轉換效率18.5%以上，在前述第2受光面的轉換效率為在前述第1受光面的轉換效率之93%以上。
上述太陽能單電池方面，亦可前述矽基板的厚度為100μm以上、210μm以下，在前述第1受光面以及前述第2受光面所具備之前述柵極係分別從前述矽基板側依序重疊第1電極層與第2電極層的兩層而形成，在前述第2受光面的轉換效率為在前述第1受光面的轉換效率之98%以上、102%以下。
亦可：在前述第1受光面以及前述第2受光面所分別具備之前述匯流排電極係3條以上、6條以下。
亦可：前述第1電極層之與前述矽基板的接觸電阻係5.0×10-3Ω．cm2以下。
亦可：前述第2電極層之體積電阻率係5.0×10-6Ω．cm以下。
亦可：前述p型擴散層中，形成複數之高濃度p型擴散區、以及相鄰地位於該等高濃度p型擴散區間之低濃度p型擴散區，前述n型擴散層中，形成複數之高濃度n型擴散區、以及相鄰地位於該等高濃度n型擴散區間之低濃度n型擴散區，前述柵極係分別形成於前述複數之高濃度p型擴散區上以及前述複數之高濃度n型擴散區上。
亦可：前述p型擴散層中，形成全面均勻之p型擴散區，前述n型擴散層中，形成全面均勻之n型擴散區。
亦可：前述p型擴散層中，形成全面均勻之p型擴散區，前述n型擴散層中，形成複數之高濃度n型擴散區、以及相鄰地位於該等高濃度n型擴散區間之低濃度n型擴散區，前述柵極係形成於前述複數之高濃度n型擴散區上。
亦可：前述柵極以及前述匯流排電極係由Ag或Ag與鋁金屬中之任一者所形成。
亦可：在前述p型擴散層與前述抗反射膜之 間，形成鈍化用絕緣膜，該鈍化用絕緣膜係由Al2O3或熱氧化膜所形成。另外，亦可：在前述n型擴散層與前述抗反射膜之間，形成鈍化用絕緣膜，該鈍化用絕緣膜係由SiN或熱氧化膜所形成。
亦可：在前述第1受光面以及前述第2受光面所具備之前述柵極的線寬係50μm以上、90μm以下，且前述柵極的高度係15μm以上、50μm以下。此外，亦可：在前述第2受光面所具備之柵極為單層之情況下，該柵極的線寬係50μm以上、120μm以下，且高度係10μm以上、40μm以下。
亦可：在前述第1受光面所具備之前述柵極的線寬係50μm以上、90μm以下，且前述柵極的高度係15μm以上、50μm以下，且在前述第2受光面所具備之前述柵極的線寬係50μm以上、120μm以下，且前述柵極的高度係10μm以上、40μm以下。
另外，根據本發明，提供一種太陽能單電池的製造方法，其係製造上述之太陽能單電池的製造方法，特徵在於：前述p型擴散層係在是原料氣體之三溴化硼氣體環境中熱處理單結晶矽基板而形成。
另外，根據本發明，提供一種太陽能單電池的製造方法，其係製造上述之太陽能單電池的製造方法，特徵在於：前述p型擴散層係使含硼元素之液體或固體預先塗佈或附著於單結晶矽基板並於之後作熱處理而形成。
另外，根據本發明，提供一種太陽能單電池 的製造方法，其係製造上述之太陽能單電池的製造方法，特徵在於：前述p型擴散層係將包含硼元素之氣體離子佈植於單結晶矽基板上而形成。
另外，根據本發明，提供一種太陽能單電池的製造方法，其係製造上述之太陽能單電池的製造方法，特徵在於：前述n型擴散層係在是原料氣體之氧氯化磷氣體環境中熱處理單結晶矽基板而形成。
另外，根據本發明，提供一種太陽能單電池的製造方法，其係製造上述之太陽能單電池的製造方法，特徵在於：前述n型擴散層係使含磷元素之液體或固體預先塗佈或附著於單結晶矽基板並於之後作熱處理而形成。
另外，根據本發明，提供一種太陽能單電池的製造方法，其係製造上述之太陽能單電池的製造方法，特徵在於：前述n型擴散層係將含磷元素之氣體離子佈植於單結晶矽基板上而形成。
另外，根據本發明，提供一種太陽能單電池的製造方法，其係製造上述之太陽能單電池的製造方法，特徵在於：形成於前述p型擴散層上之前述第1電極層含Ag與鋁金屬，網印相對於Ag含有鋁金屬在1.0wt%以上、5.0wt%以下之組成的導電膠並作燒結而形成。
另外，根據本發明，提供一種太陽能單電池的製造方法，其係製造上述之太陽能單電池的製造方法，特徵在於：形成於前述n型擴散層上之前述第1電極層係網印含Ag之導電膠並作燒結而形成。
另外，根據本發明，提供一種太陽能單電池的製造方法，其係製造上述之太陽能單電池的製造方法，特徵在於：形成於前述第1電極層上之第2電極層係網印含Ag之導電膠並作燒結而形成。
根據本發明，可提供一種實現轉換效率比以往高效率化之太陽能單電池。另外，提供一種在兩面受光型之太陽能單電池方面表面與背面之轉換效率成為大致相等之太陽能單電池。具體而言，藉使用比以往薄之矽基板而製造兩面受光型之太陽能單電池，可使轉換效率比以往高，並使第1受光面與第2受光面之轉換效率接近相等。
3‧‧‧第1受光面
4‧‧‧第2受光面
5‧‧‧氧化膜
7‧‧‧阻抗膜
15‧‧‧高濃度p型擴散區
16‧‧‧低濃度p型擴散區
25‧‧‧高濃度n型擴散區
26‧‧‧低濃度n型擴散區
35‧‧‧抗反射膜
40‧‧‧第1電極層
42‧‧‧第2電極層
44‧‧‧柵極
45‧‧‧匯流排電極
50‧‧‧配線材料
A‧‧‧太陽能單電池
W‧‧‧(半導體)基板
[圖1]製造太陽能單電池之程序的說明圖。
[圖2]太陽能單電池A之平面圖，(a)繪示第1受光面，(b)繪示第2受光面。
[圖3]從斜上方看太陽能單電池之示意說明圖。
[圖4]將製造太陽能單電池所用之基板的基板厚度與所製造之太陽能單電池之轉換效率的關係作圖案化者。
[圖5]將基板的基板厚度與所製造之太陽能單電池之轉換效率比(Bifaciality)的關係作圖案化者。
[圖6]繪示第1電極層與基板之接觸電阻變化之情況 下的接觸電阻與第1受光面之轉換效率的關係之圖表。
[圖7]繪示構成p型擴散層上之第1電極層的導電膠所含之鋁金屬的添加量變化之情況下的鋁金屬添加量與接觸電阻的關係之圖表。
[圖8]關於使用配線材料使兩個太陽能單電池連結之構成的說明圖，(a)係平面示意圖、(b)係側面示意圖。
[圖9]繪示使柵極的線寬變化至約40μm~120μm程度之情況下的線寬與單電池之短路電流的關係之圖表。
[圖10]繪示使柵極的線寬變化至約40μm~120μm程度之情況下的線寬與單電池之填充因子的關係之圖表。
[圖11]將柵極的線寬與轉換效率的關係作圖案化者。
[圖12]繪示使柵極的高度變化至約9μm~50μm程度之情況下的高度與單電池之轉換效率的關係之圖表。
[圖13]繪示使柵極為一層構造之情況下以及兩層構造之情況下的轉換效率之圖表。
[圖14]繪示在使形成於第2受光面之柵極為單層構造之情況下使該柵極寬度變化至約47μm~123μm程度之情況下的細線寬與轉換效率比(Bifaciality)的關係之圖表。
[圖15]繪示使形成於第2受光面之單層構造的柵極44的高度變化至約7μm~約40μm程度之情況下的高度與第1受光面之轉換效率的關係之圖表。
[圖16]關於同時進行對於基板之硼擴散、磷擴散之情況的說明圖。
以下，參照圖式說明有關於本發明之實施形態。此外，本說明書及圖式方面，關於實質上具有相同功能構成之構成要素，透過付諸相同符號而省略重複說明。
於此，參照圖1說明有關於依本發明之實施形態的太陽能單電池A的製程。圖1(a)~(n)係關於製造依本實施形態的太陽能單電池A之程序的說明圖。首先，如圖1(a)所示，準備由藉例如CZ法而製作之單結晶矽等所成之n型半導體的矽基板W(以下，亦僅稱作半導體基板W或基板W)。基板W的尺寸係例如15.6cm2、厚度100~250μm。另外基板W之比電阻係1.0~14.0Ω．cm。
接著，使基板W浸漬於高濃度(例如10wt%)的氫氧化鈉水溶液，除掉薄片化時的損傷層。
接著，於基板W形成凹凸構造(texture構造)。形成凹凸構造之理由在於，太陽能電池組通常太陽光之吸收波長區域的反射率會因在表面形成凹凸形狀而減低。具體的方法方面，將除去損傷層後之基板W浸於例如在濃度2wt%的氫氧化鈉水溶液加入異丙醇之水溶液，進行濕式蝕刻，而於基板W表面形成隨機凹凸構造。此凹凸構造的一個個的山的尺寸係0.3~20μm等級。此外， 形成隨機凹凸構造之方法方面，上述濕式蝕刻以外，亦可使用例如酸蝕和反應性離子蝕刻等之方法。
隨後，如圖1(b)所示，在含氧之環境中，透過980℃之加熱處理而於基板W的表面(以下，亦稱作第1受光面3)與背面(以下，亦稱作第2受光面4)雙方形成氧化膜5。亦可代替氧化膜5而形成例如氮化膜等(SiNx膜等)。
接著，如圖1(c)所示，在氧化膜5的表面以既定的圖案塗佈阻抗膜7至例如10~30μm的厚度。然後，如圖1(d)所示，將阻抗膜7作為遮罩而進行使用例如5wt%HF水溶液之濕式蝕刻，氧化膜5被蝕刻成既定的圖案。藉此蝕刻，氧化膜5被蝕刻成形成於阻抗膜7之既定的圖案。另外，此時，形成於第2受光面4之氧化膜5係全被蝕刻(除去)。
接著，如圖1(e)所示，透過利用鹼性水溶液的剝離而除去阻抗膜7。
接著，在設定成950℃之擴散爐中，在含有三溴化硼(BBr3)氣體之環境下，如圖1(f)所示將蝕刻成既定的圖案之氧化膜5作為遮罩而於基板W的第1受光面3之露出部分進行硼擴散。以此方式，在基板W的第1受光面3島狀地形成複數之高濃度p型擴散區15。於此，高濃度p型擴散區15的電阻較佳為20~60Ω/平方(ohm/square)。此外，作為硼擴散的方法雖例示三溴化硼(BBr3)氣體環境下之擴散方式，惟非限定於此者，亦 可使用例如三氯化硼(BCl3)氣體和氧化硼(B2O3)。另外，硼擴散亦可為使BN(氮化硼)為原料之方式、和使用網印、噴墨、旋轉塗佈、離子佈植等之方式。
接著，如圖1(g)所示，透過利用例如5wt%HF水溶液之濕式蝕刻而除去第1受光面3的氧化膜5。然後，在設定成930℃之擴散爐中，在含有三溴化硼(BBr3)氣體之環境下，在基板W的整個第1受光面3進行硼擴散。以此方式，在基板W的第1受光面3上，如圖1(h)所示，在複數之高濃度p型擴散區15彼此之間形成低濃度p型擴散區16。於此，在基板W的表面、背面雙方形成硼矽玻璃膜(未圖示)。此外，低濃度p型擴散區16的電阻較佳為30~150Ω/平方。
隨後，如圖1(i)所示，在第1受光面3透過網印法而印刷阻抗膜7，在180℃之熱風乾燥爐中進行基板W的乾燥。透過此阻抗膜7的印刷、乾燥，而保護形成於基板W的第1受光面3的硼矽玻璃膜(未圖示)。作為此阻抗膜7，較佳為使用如具有抗氫氟酸性以及抗硝酸性並可透過鹼性水溶液而剝離之材料。
接著，使在第1受光面3印刷了阻抗膜7之狀態(乾燥後)下的基板W浸漬於例如氫氟酸、硝酸混合酸水溶液和氫氟酸水溶液，除去未印刷阻抗膜7之基板W的另一面(第2受光面4)的硼矽玻璃膜(未圖示)、和因向外擴散而形成之高濃度p型擴散區。之後，阻抗膜7係利用例如氫氧化鈉水溶液而被除去，進行基板W的洗 淨、乾燥。
接著，在設定成870℃之擴散爐中，在含有氧氯化磷(POCl3)氣體之環境下，以與上述之對於第1受光面3所進行之硼擴散同樣的方法，如圖1(j)所示，在基板W的第2受光面4形成被蝕刻成既定的圖案之氧化膜5作為遮罩。然後，在基板W的第2受光面4之露出部分進行磷擴散。此時的氧化膜5之形成方面，雖與上述硼擴散同樣地將氧化膜5以及阻抗膜7形成為既定的圖案，並進行擴散區的形成，惟氧化膜5以及阻抗膜7的形成、和磷擴散後之氧化膜5以及阻抗膜7的除去等之程序由於係與在圖1(b)~(g)所說明之程序同樣的方法，故省略在此處之說明。
以此方式，如圖1(j)所示，在基板W的第2受光面4島狀地形成複數之高濃度n型擴散區25。於此，高濃度n型擴散區25的電阻較佳為20~60Ω/平方。另外，磷擴散亦可透過使用噴墨方式、和噴霧、旋轉塗佈、雷射摻雜法、離子佈植等之方式而進行。
然後，在設定成830℃之擴散爐中，在含有氧氯化磷(POCl3)氣體之環境下，在基板W的整個第2受光面4進行磷擴散。以此方式，如圖1(k)所示，在基板W的第2受光面4上，在複數之高濃度n型擴散區25彼此之間形成低濃度n型擴散區26。此時，在基板W的第1受光面3與第2受光面4雙方形成磷矽酸鹽玻璃膜(未圖示)。此外，低濃度n型擴散區26的電阻較佳為 30~150Ω/平方。
接著，在電漿蝕刻器中進行基板W周邊部的PN接面分離，透過利用了氫氟酸水溶液之蝕刻而除去在上述之硼擴散和磷擴散等之程序中形成於基板W的第1受光面3、第2受光面4的硼矽玻璃膜(未圖示)與磷矽酸鹽玻璃膜(未圖示)。之後，如圖1(1)所示，透過電漿CVD裝置在整個第1受光面3以及第2受光面4形成是例如氮化膜(SiNx膜)之抗反射膜35。於此，其他種類之抗反射膜35方面，舉例如二氧化鈦膜、氧化鋅膜、氧化錫膜等，代替為可能的。另外，雖使抗反射膜35的形成為透過利用了上述電漿CVD裝置之直接電漿CVD法而進行者，惟亦可利用例如遠程電漿CVD法、塗佈法、真空蒸鍍法等。但是，從經濟層面的觀點來看，透過電漿CVD法形成氮化膜最合適。再者，以總反射率成為最小的方式在抗反射膜35上形成例如二氟化鎂膜之折射率在1~2之間的膜，使得促進反射率的減低，所產生之電流密度變高。另外，亦可在基板W與抗反射膜35之間形成鈍化用絕緣膜。此外，此鈍化用絕緣膜亦可係Al2O3和熱氧化膜、SiN。
隨後，如圖1(m)所示，利用網印機，在基板W的第2受光面4之高濃度n型擴散區25表面(圖中下面)，將含例如Ag之導電膠印刷成既定的圖案，之後進行乾燥，形成第1電極層40。然後，在形成於高濃度n型擴散區25上的第1電極層40的表面(圖中下面)，透 過網印而印刷由含例如Ag之導電膠所形成之第2電極層42，並進行乾燥。積層此第1電極層40與第2電極層42者即成為柵極44。此外，在此作為電極的形成方法雖說明使用網印法者，惟柵極44和匯流排電極45的形成方法亦可為電鍍法和噴墨方式等。關於如此形成之柵極44的詳細構成，參照圖式等而於後敘述。
另外，雖未圖示於圖1，惟就匯流排電極45亦透過與上述柵極44同樣的方法而形成，此匯流排電極45亦由以含Ag之導電膠所形成之第1電極層與第2電極層所構成。此外，匯流排電極45可不為兩層構造，亦可例如無第1電極層40而僅以第2電極層42構成。
接著，如圖1(n)所示，與示於上述圖1(m)之情況下同樣地，在第1受光面3的高濃度p型擴散區15表面(圖中上面)，將含例如Ag與鋁金屬之導電膠印刷成既定的圖案，之後進行乾燥，形成第1電極層40。然後，在形成於高濃度p型擴散區15上之第1電極層40的表面(圖中上面)，透過網印而印刷由例如含Ag之導電膠所形成之第2電極層42，並進行乾燥。積層此第1電極層40與第2電極層42者即成為柵極44。
於此，雖如參照圖1(m)、(n)所說明，在本實施形態係作成，在第1受光面3與第2受光面4雙方上，利用第1電極層40與第2電極層42的兩層而構成柵極44，惟亦可僅在例如第1受光面3積層兩層構造之柵極44，在第2受光面4則係形成單層構造(單層之導 電膠)之柵極44。
第1電極層40係例如矽基板(半導體基板W)之接觸電阻比第2電極層42低，且較佳為以如與矽基板(半導體基板W)之接著強度為強的材質而形成。具體而言，形成於高濃度p型擴散區15表面的第1電極層40與矽基板之接觸電阻較佳為5.0×10-3Ω．cm2以下。此接觸電阻的測定方法方面，使用TLM(Transmission Line Model)法。在使用含Ag與鋁金屬之導電膠作為第1電極層40之情況下，該導電膠的配合比作成相對於Ag之含有量含有鋁金屬1.0~5.0wt%之組成較佳。
另一方面，第2電極層42較佳為例如矽基板體積電阻率比第1電極層40低，且導電性佳。具體而言，第2電極層42之體積電阻率(線路電阻)較佳為5.0×10-6Ω．cm以下。第2電極層42方面，較佳為使用含Ag之導電膠。
柵極44有使在基板W產生之電高效地集電於匯流排電極45之目的。為此期望，作成提高柵極44的高度並加大截面積而有利於降低電阻的構成、和降低柵極44與基板W接觸之界面的接觸電阻、降低柵極44之體積電阻率。所以，本實施形態中，如上所述，將柵極44之構造作成由第1電極層40與第2電極層42所成之兩層構造，而使柵極44的高度為足夠的，並進一步在配置於與基板W接觸之位置的第1電極層40降低與基板W之接觸電阻，而使第2電極層42之體積電阻率低於第1電極層 40。
此外，依本實施形態的太陽能單電池A方面，亦可使在第1受光面3上與第2受光面4上構成柵極44之電極層(第1電極層40以及第2電極層42)的組成相異；作為一例，如上所述，較佳為在第1受光面3上使用含Ag與鋁金屬之導電膠作為第1電極層40，並使用含Ag之導電膠作為第2電極層42。然後，在第2受光面4上較佳為使用含Ag之導電膠作為第1電極層40以及第2電極層42。此原因在於，若對於n型擴散層摻雜鋁金屬，則恐形成p+層而降低太陽能單電池A之轉換效率。
然後，柵極44透過上述之方法被形成於第1受光面3的高濃度p型擴散區15上、以及第2受光面4之高濃度n型擴散區25上，進行燒結，而製作太陽能單電池A。
此外，亦可在上述之程序不進行利用了電漿蝕刻器之PN接面分離程序，而進行在電極燒結後使用雷射之PN接面分離。
以下，參照圖2~圖4說明有關於透過參照圖1而敘述於上之方法所製作之太陽能單電池A的詳細構造。圖2係太陽能單電池A之平面圖，(a)繪示第1受光面3(太陽能單電池A的表面)，(b)繪示第2受光面4(太陽能單電池A的背面)。如圖2所示，太陽能單電池A在俯視下為略正方形形狀，大小為例如15.6cm2。
如圖2(a)所示，在第1受光面3，3條匯流 排電極45互相平行且等間隔形成於既定的方向(形成於例如正方形形狀的1邊之方向)。另外，在第1受光面3，複數條(例如約70~80條)的柵極44等間隔地形成於與匯流排電極45正交之方向。
另外，如圖2(b)所示，與第1受光面3同樣地，在第2受光面4，3條匯流排電極45亦互相平行且等間隔形成於既定的方向，複數條(例如約70~80條)的柵極44等間隔地形成於與匯流排電極45正交之方向。柵極44係用於使在太陽能單電池A產生之電往匯流排電極45集電的電極；另外，匯流排電極45係用於從柵極44集電的電極。亦即，如圖2所示，各柵極44與匯流排電極45係電性導通著。
如圖2所示，使是太陽能單電池的表面之第1受光面3、以及是背面之第2受光面4為同樣的構成，並在兩方形成匯流排電極45以及柵極44，使得第1受光面3與第2受光面4雙方呈達成具有發電量之受光面的構造。於此，匯流排電極45之條數限定為3條，只要為可從柵極獲得足夠的集電的等級之條數即可，較佳為例如3~5條。另外，柵極的條數亦可依發電量而適當地決定。此外，關於使匯流排電極45之條數為3條較佳的理由於後敘述。
此外，記載於專利文獻1之太陽能電池組元件係單面受光型，相對於背面以鋁膏覆蓋，依本實施形態的太陽能單電池A之構造由於係如圖2所示般在第1受光 面3以及第2受光面4之雙方配置柵極44之兩面受光型，不以鋁膏覆蓋之構造，故與專利文獻1係相異構造，其特性亦大為相異。
另外，圖3係從斜上方看太陽能單電池A之示意說明圖。此外，圖3係放大繪示形成太陽能單電池A的一部分的柵極44之部分，亦繪示太陽能單電池A的示意剖面。
如圖3所示，依本實施形態的太陽能單電池A方面，在半導體基板W的第1受光面3配置高濃度p型擴散區15，並在其正上面形成由兩層(第1電極層40、第2電極層42)所成之柵極44。另外，在第2受光面4配置高濃度n型擴散區25，並在其正下面透過上述之程序形成由兩層所成之柵極44。
製造如圖2、3所示之構造的太陽能單電池A時，本實施形態中，使用例如厚度100~250μm之n型之矽基板作為半導體基板W，另外使至少形成於第1受光面3的柵極44為積層第1電極層40與第2電極層42之兩層構造。藉作成如此之構成，可製造具備在第1受光面3之轉換效率為18.5%以上且在第2受光面4之轉換效率為在第1受光面3之轉換效率之93%以上的期望的性能之太陽能單電池A。
以下，參照圖4、圖5研究關於製造依本實施形態的太陽能單電池A時所使用之半導體基板W(n型之矽基板)的厚度與轉換效率或轉換效率比(Bifaciality) 的關係。
圖4係將製造太陽能單電池A所使用之基板W的基板厚度與所製造之太陽能單電池A之第1受光面3之轉換效率的關係作圖案化者。圖4所示之資料係使用各種厚度(100~280μm)之基板W而製造太陽能單電池A並測定各情況下之第1受光面3之轉換效率而獲得者。此外，測定圖4所示之資料的太陽能單電池A之基本構造雖係依本實施形態的構造(圖1~3所示之構造)，惟第1受光面3以及第2受光面4係共同使用製造為均勻擴散構造者。
如圖4所示，基板W的厚度為100μm以上之情況下，第1受光面3之轉換效率成為約18.5%以上。於此，從在圖4所獲得之結果，雖可得知只要基板W的厚度係100μm以上即可，惟就基板W的厚度之上限值具體上不限定。
另外，圖5係將基板W的基板厚度與所製造之太陽能單電池A之轉換效率比(Bifaciality：第1受光面3與第2受光面4之轉換效率之比)的關係作圖案化者。此外，圖5所示之資料係使用各種厚度(100~280μm)之基板W製造與在圖4中作為測定對象之太陽能單電池A相同構造者並測定各個情況下之轉換效率比而獲得者。
如圖5所示，基板W的厚度為250μm以下之情況下，轉換效率比成為約93%以上。因此，從在圖5所 獲得之結果得知，欲使轉換效率比為約93%以上，則基板W的厚度係250μm以下即可。此原因在於，藉使基板W的厚度薄化，在太陽能單電池A之基板內部所產生之載子移動至PN接面部之距離縮短，使得第2受光面4之轉換效率提升，可使第1受光面3與第2受光面4之轉換效率比接近100%。
再者，根據圖5，在基板W的厚度為210μm以下之情況下，轉換效率比成為約98%以上、102%以下。由此得知，藉使基板W的厚度為210μm以下，可作成使第1受光面3之轉換效率與第2受光面4之轉換效率為極接近相等者。
以上，從參照圖4以及圖5而說明之見解得知：在製造依本實施形態的太陽能單電池A時，藉使基板W的厚度為100μm以上、250μm以下，變得可使第1受光面3之轉換效率為18.5%以上，且第2受光面4之轉換效率為第1受光面3之轉換效率之93%以上。再者，藉使基板W的厚度為100μm以上、210μm以下，變得可使轉換效率比更接近100%(具體而言係約98%以上、102%以下)。亦即，在兩面受光型之太陽能單電池方面實現轉換效率比以往高效率化，另外可實現表面(第1受光面3)與背面(第2受光面4)之轉換效率成為大致相等之太陽能單電池。
接著，參照圖6、7研究有關於在製造依本實施形態的太陽能單電池A時之第1電極層40與高濃度p 型擴散區15或低濃度p型擴散區16(亦即，矽基板W的第1受光面側的表面)之接觸電阻、以及太陽能單電池A之轉換效率的關係。
圖6係繪示第1電極層40與基板W之間的接觸電阻變化之情況下的接觸電阻與第1受光面3之轉換效率的關係之圖表。圖6所示之資料係改變第1電極層40與基板W表面(形成高濃度p型擴散區15或低濃度p型擴散區16之面：第1受光面3)之接觸電阻時測定各個情況(各個太陽能單電池)下的第1受光面3之轉換效率而獲得者。
如圖6所示，第1電極層40與基板W表面之接觸電阻為5.0×10-3Ω．cm2以下之情況下，第1受光面3之轉換效率確實成為18.5%以上。另一方面，第1電極層40與基板W表面之接觸電阻超過5.0×10-3Ω．cm2之情況下，存在第1受光面3之轉換效率為18.5%以上之情況、以及18.5%以下之情況，並不一定獲得第1受光面3之轉換效率為18.5%以上之太陽能單電池A。亦即，為了穩定生產第1受光面3之轉換效率為18.5%以上之太陽能單電池A，需要使第1電極層40與基板W表面之接觸電阻為5.0×10-3Ω．cm2以下。
另外，圖7係繪示構成形成於第1受光面3之第1電極層40的導電膠所含之鋁金屬的添加量變化之情況下的鋁金屬添加量與接觸電阻的關係之圖表。圖7所示之資料係測定在構成形成於第1受光面3之第1電極層 40的導電膠所含之鋁金屬的添加量改變時的各個情況(各個太陽能單電池)下之第1電極層40與基板W之間的接觸電阻而獲得者。
圖7如所示，構成形成於第1受光面3之第1電極層40的導電膠所含之鋁金屬的添加量為1.0wt%~5.0wt%之情況下，第1電極層40與基板W之間的接觸電阻確實成為5.0×10-3Ω．cm2以下。另一方面，鋁金屬的添加量超過5.0wt%之情況下，第1電極層40與基板W之間的接觸電阻成為超過5.0×10-3Ω．cm2。亦即，為了使第1電極層40與基板W之間的接觸電阻確實為5.0×10-3Ω．cm2以下，需要使構成第1電極層40的導電膠所含之鋁金屬的添加量為1.0wt%~5.0wt%。
依參照圖6、7而說明之見解，在製造依本實施形態的太陽能單電池A時，構成形成於第1受光面3之第1電極層40的導電膠較佳為相對於Ag使鋁金屬的添加量為1.0wt%~5.0wt%者。藉此第1電極層40與基板W(第1受光面3)之間的接觸電阻確實成為5.0×10-3Ω．cm2以下，可穩定製造第1受光面3之轉換效率為18.5%以上之太陽能單電池A。
接著，依本實施形態的太陽能單電池A方面，參照表1研究有關於第2電極層42之體積電阻率與太陽能單電池A之轉換效率的關係。以下所示之表1係顯示測定依本實施形態的太陽能單電池A之轉換效率、以及第2電極層42之體積電阻率之結果者。此外，在表1係 就5圖案之太陽能單電池A(單電池No.1~5)進行測定。
從表1所示之測定結果得知，在第2電極層42之體積電阻率為5.0×10-6Ω．cm以下之情況下，獲得轉換效率為18.5%以上之太陽能單電池A。
另一方面，太陽能單電池A已知：在實際上構成太陽能電池組產品(太陽能電池組模組)時，使複數之太陽能單電池A的匯流排電極45彼此透過以例如銲料而塗佈之銅線等之配線材料而連結，並透過該等配線材料而將在各單電池所發電之電力作集電。圖8係關於使用配線材料50使兩個太陽能單電池A連結之構成的說明圖，(a)係平面示意圖、(b)係側面示意圖。
依圖8所示之構成使太陽能單電池A彼此連結時，採用在配線材料50加熱並透過熔接(例如銲接)而裝於各單電池之匯流排電極45的方法。然而，由於在是以例如銲料所塗佈之銅線等的配線材料50加熱，使得配線材料50熱膨脹，之後在配線材料50冷卻時在各單電 池彼此的連接處等因配線材料50的收縮而在太陽能單電池A內部產生應力。此內部應力由於恐誘發太陽能單電池A之破損等，故期望盡可能減少。此外，圖8係將配線材料50例示為其中一個太陽能單電池A的表面(第1受光面3)之匯流排電極45與另一個太陽能單電池A的背面(第2受光面4)之匯流排電極45連繫之構成。
依本實施形態的太陽能單電池A由於使所使用之基板W的厚度特別地薄型化為100μm以上、250μm、或100μm以上、210μm以下，故恐因在上述之單電池彼此之連接處等之內部應力而誘發破損。為了迴避在單電池彼此之連接處等的內部應力，雖考慮例如使配線材料50變薄之方法，惟若使配線材料50變薄，則有配線材料50之串聯電阻值變高、從匯流排電極45之集電能力降低的問題點。
所以，本發明者們使配線材料50變薄，同時使匯流排電極45之條數為合適的條數，而作成確保足夠的集電能力，使合適的匯流排電極45之條數為3條以上、6條以下。匯流排電極45之條數較佳為尤其3條，以下參照表2、表3說明有關於使匯流排電極45為3條較佳之理由。
表2係在依本實施形態的太陽能單電池A方面不改變其他的構成而顯示是使匯流排電極45為2條之情況下的銅線之配線材料50的條件(銅厚、寬度、總截面積)、以及是使匯流排電極45為3條之情況下的銅線 之配線材料50的條件。此外，在表2方面，內部應力由於難以數值化，故將配線材料50僅裝於單電池單面，因應此時的單電池之翹曲的大小而評估內部應力。
另外，表3係在表2所示之匯流排電極45為2條之情況下、以及為3條之情況下為了製作三台(表中的模組1、模組2、模組3)單電池60個串列模組而進行配線材料50之安裝作業並顯示各情況下的單電池破損個數與破損率者。
從表2以及表3之記載得知，比起匯流排電極45為2條之情況，因配線材料50安裝時的熱收縮而產生之內部應力在為3條之情況下較低，單電池破損率較低。因此，形成於太陽能單電池A之匯流排電極45之條 數較佳為3條。此外，雖使形成之匯流排電極45之條數為4條以上之情況下內部應力之產生亦被抑制，破損率成為低值，惟從太陽能單電池之製造成本和設備成本的面來看，匯流排電極45之條數較佳為3~6條等級，即使將匯流排電極45形成7條以上，集電能力等與3~6條之情況幾乎無差異。
另外，依本實施形態的太陽能單電池A方面，以兩層構造構成柵極44之點雖已於上敘述，惟以下參照圖9~圖12而說明有關於合適的柵極44的具體的尺寸。此外，以下之記載於圖9~圖12之測定資料係在太陽能單電池A方面在第1受光面3以及第2受光面4之雙方以間距2.0mm形成兩層構造之柵極44之情況下的測定結果。
圖9係繪示在依本實施形態的太陽能單電池A方面使兩層構造之柵極44的線寬(細線寬)變化至約40μm~120μm程度之情況下的線寬與單電池之第1受光面3之短路電流的關係之圖表。如圖9所示，由於柵極44的線寬越粗，太陽能單電池A之受光面積減越少，故第1受光面3之短路電流值降低。
另外，圖10係繪示在依本實施形態的太陽能單電池A方面使兩層構造之柵極44的線寬(細線寬)變化至約40μm~120μm程度之情況下的線寬與單電池之第1受光面3之填充因子的關係之圖表。如圖10所示，由於柵極44的線寬越粗，該柵極的截面積越增加，故電阻 值降低，第1受光面3之填充因子提升。
另外，圖11係將柵極44的線寬與第1受光面3之轉換效率的關係作圖案化者。如圖11所示，柵極44的線寬為50μm以上、90μm以下之情況下，第1受光面3之轉換效率實現18.5%以上。因此，依本實施形態的太陽能單電池A方面，柵極44的線寬較佳形成為50μm以上、90μm以下。此外，亦可僅使形成於第1受光面3之柵極44為兩層構造，使形成於第2受光面4之柵極44為單層。
另外，圖12係繪示在依本實施形態的太陽能單電池A方面使兩層構造之柵極44的高度(細線高度)變化至約9μm~50μm程度之情況下的高度與單電池之第1受光面3之轉換效率的關係之圖表。如圖12所示，柵極44的高度為15μm以上、50μm以下之情況下，第1受光面3之轉換效率實現18.5%以上。因此，依本實施形態的太陽能單電池A方面，柵極44的高度較佳形成為15μm以上、50μm以下。
以上，如參照圖9~圖12所說明，形成於依本實施形態的太陽能單電池A之柵極44的具體的尺寸較佳係線寬為50μm以上、90μm以下，高度為15μm以上、50μm以下。
另外，圖13係繪示在依本實施形態的太陽能單電池A方面使柵極44為一層構造之情況下以及兩層構造之情況下的第1受光面3之轉換效率之圖表。如圖13 所示，相對於轉換效率在使柵極44為一層構造之情況下為約18.0~18.5%，轉換效率在兩層構造之情況下呈約19.5%。由此得知，透過使柵極44為兩層構造，可使太陽能單電池A之第1受光面3之轉換效率更高效率化。
接著，檢討有關於在太陽能單電池A之第1受光面3形成兩層構造之柵極44並在第2受光面4形成單層構造的柵極44之情況下的具體的尺寸。圖14係繪示在太陽能單電池A方面使形成於第2受光面4之柵極44為單層構造之情況下使該柵極的線寬(細線寬)變化至約47μm~123μm程度之情況下的細線寬與轉換效率比(Bifaciality：第1受光面3與第2受光面4之轉換效率之比)的關係之圖表。
如圖14所示，單層構造的柵極44的線寬為50μm以上、120μm以下之情況下，轉換效率比實現93%以上。因此，在太陽能單電池A方面在第2受光面4形成單層構造的柵極44之情況下，使其線寬為50μm以上、120μm以下較佳。
另外，圖15係繪示使形成於太陽能單電池A的第2受光面4之單層構造的柵極44的高度(細線高度)變化至約7μm~約40μm程度之情況下的高度與第1受光面3之轉換效率的關係之圖表。
如圖15所示，單層構造的柵極44的高度為10μm以上、40μm以下之情況下，第1受光面3之轉換效率實現18.5%以上。因此，在太陽能單電池A方面在第2 受光面4形成單層構造的柵極44之情況下，使其高度為10μm以上、40μm以下較佳。
以上、如參照圖14以及圖15所說明，在太陽能單電池A方面，使形成於第2受光面4之柵極44為單層構造之情況下，其具體的尺寸較佳係線寬為50μm以上、120μm以下，高度為10μm以上、40μm以下。
如以上說明般而構成之太陽能單電池A因使用比以往薄之矽基板而作成兩面受光型，故具有轉換效率比以往高、第1受光面與第2受光面之轉換效率接近相等之特徵。具體而言，第1受光面之轉換效率成為18.5%以上，第1受光面與第2受光面之轉換效率比成為93%以上或98~102%。由於實現如此之高轉換效率的兩面受光型之太陽能單電池A，使得在例如將由該單電池所構成之太陽能電池組模組朝向東西方向而設置時，1日的發電量之尖峰發生兩次，進行高效率的發電。另外，由於在兩次尖峰之發電量大致相等，故附帶於太陽能電池組模組之變頻器等之設備容量設計方面，浪費消失，實現高效率的集電。
另外，使用依本實施形態的太陽能單電池A而組裝太陽能電池組模組時，由於抑制伴隨配線作業之單電池之翹曲和破損等，故在模組生產程序方面，以高產率比構成太陽能電池組模組變成可能。
以上雖說明本發明之實施形態的一例，惟本發明不限定於圖示的形態。只要為同業者，在申請專利範 圍所記載之思想的範疇內，顯然可想到各種變化例或修改例，該等當然亦理解為屬於本發明之技術範圍。
上述實施形態方面，雖採用透過在形成高濃度擴散區(p型、n型雙方)之後形成低濃度擴散區(p型、n型)之程序而進行擴散者，惟擴散層的形成方法不一定限定為此方法。例如，在半導體基板W的受光面形成高濃度擴散區(p型、n型)與低濃度擴散區(p型、n型)之方法方面，亦可為以下方法：在半導體基板W的整個受光面形成低濃度擴散區之後，僅在應作成高濃度擴散區之部分留下磷矽酸鹽玻璃膜(或硼矽玻璃膜)，透過進行追加的熱處理，而形成高濃度擴散區。
另外，硼擴散、磷擴散的方法方面，亦考慮以下方法：將含各個元素之液體或固體預先塗佈於基板W的表面(第1受光面、第2受光面)，之後透過進行熱處理而同時形成高濃度p型擴散區及高濃度n型擴散區之方法。所以，於下，參照圖16說明有關於同時進行對於基板W之硼擴散、磷擴散之情況。此外，關於硼擴散及磷擴散之程序以外的程序方面在圖1由於為與上述之程序同樣的方法，故在圖16僅記載進行硼擴散、磷擴散之程序的說明圖。
如圖16(a)、(b)所示，在使含硼元素之液體或固體塗佈或附著於基板W的第1受光面3之後，予以乾燥，在使含磷元素之液體或固體塗佈或附著於基板W的第2受光面4之後，予以乾燥，然後在設定成例如 950℃之爐進行熱處理，在整個第1受光面3形成高濃度p擴散區15，在整個第2受光面4形成高濃度n型擴散區25。
接著，如圖16(c)所示，在形成高濃度p型擴散區15之第1受光面3依既定的圖案將阻抗膜7塗佈成例如10~30μm的厚度之後，在180℃之熱風乾燥爐進行乾燥。接著，在高濃度n型擴散區25依既定的圖案將阻抗膜7塗佈成例如10~30μm的厚度之後，在180℃之熱風乾燥爐進行乾燥。較佳為使用具有抗氫氟酸性及抗硝酸性並可透過鹼性水溶液而剝離之材料。
接著，使在第1受光面3與第2受光面4印刷有阻抗膜7之狀態下之基板W浸漬於例如氫氟酸、硝酸混合酸水溶液，蝕刻未形成阻抗膜7之基板W的面的高濃度p型擴散區15和高濃度n擴散區25，而如圖16(d)所示般形成低濃度p型擴散區16與低濃度n型擴散區26。
接著，透過將阻抗膜利用鹼性水溶液之剝離而除去表面、背面雙方之阻抗膜7，如圖16(e)所示般同時形成高濃度p型擴散區及高濃度n型擴散區。
另外，上述實施形態方面雖說明有關於使高濃度擴散區形成於基板W的第1受光面3與第2受光面4之雙方，惟本發明非限定於此者。亦可例如在第1受光面3形成全面均勻之p型擴散層，僅在第2受光面4形成高濃度擴散區及低濃度擴散區。另外，亦可使全面均勻的擴 散層形成於第1受光面3與第2受光面4之雙方。
透過使第1受光面3與第2受光面4之任一方或雙方為全面均勻的擴散層，光阻印刷程序、光阻除去程序，可謀求大幅度的成本降低。再者，亦可謀求因減去熱處理程序而減低往基板W之熱害。
〔產業上可利用性〕
本發明可應用於太陽能單電池。
A(3)‧‧‧太陽能單電池A的第1受光面
A(4)‧‧‧太陽能單電池A的第2受光面
44‧‧‧柵極
45‧‧‧匯流排電極

Claims (21)

  1. 一種太陽能單電池，具備：厚度為100μm以上、210μm以下的n型之矽基板；形成於是前述矽基板的表面之第1受光面的p型擴散層；形成於是前述矽基板的背面之第2受光面的n型擴散層；形成於前述p型擴散層上以及前述n型擴散層上的抗反射膜；部分地形成於前述p型擴散層的複數之柵極以及匯流排電極；以及部分地形成於前述n型擴散層的複數之柵極以及匯流排電極；特徵在於：前述第1受光面之發電量為轉換效率18.5%以上，在前述第1受光面以及前述第2受光面所具備之前述柵極係分別從前述矽基板側依序重疊第1電極層與第2電極層的兩層而形成，在前述第2受光面的轉換效率為在前述第1受光面的轉換效率之98%以上、102%以下。
  2. 如申請專利範圍第1項之太陽能單電池，其中在前述第1受光面以及前述第2受光面所分別具備之前述匯流排電極係3條以上、6條以下。
  3. 如申請專利範圍第1項之太陽能單電池，其中前述 第1電極層之與前述矽基板的接觸電阻係5.0×10-3Ω．cm2以下。
  4. 如申請專利範圍第1項之太陽能單電池，其中前述第2電極層之體積電阻率係5.0×10-6Ω．cm以下。
  5. 如申請專利範圍第1項之太陽能單電池，其中前述p型擴散層中，形成複數之高濃度p型擴散區、以及相鄰地位於該等高濃度p型擴散區間之低濃度p型擴散區，前述n型擴散層中，形成複數之高濃度n型擴散區、以及相鄰地位於該等高濃度n型擴散區間之低濃度n型擴散區，前述柵極係分別形成於前述複數之高濃度p型擴散區上以及前述複數之高濃度n型擴散區上。
  6. 如申請專利範圍第1項之太陽能單電池，其中前述p型擴散層中，形成全面均勻之p型擴散區，前述n型擴散層中，形成全面均勻之n型擴散區。
  7. 如申請專利範圍第1項之太陽能單電池，其中前述p型擴散層中，形成全面均勻之p型擴散區，前述n型擴散層中，形成複數之高濃度n型擴散區、以及相鄰地位於該等高濃度n型擴散區間之低濃度n型擴散區，前述柵極係形成於前述複數之高濃度n型擴散區上。
  8. 如申請專利範圍第1項之太陽能單電池，其中前述柵極以及前述匯流排電極係由Ag或Ag與鋁金屬中之任 一者所形成。
  9. 如申請專利範圍第1項之太陽能單電池，其中在前述p型擴散層與前述抗反射膜之間，形成鈍化用絕緣膜，該鈍化用絕緣膜係由Al2O3或熱氧化膜所形成。
  10. 如申請專利範圍第1項之太陽能單電池，其中在前述n型擴散層與前述抗反射膜之間，形成鈍化用絕緣膜，該鈍化用絕緣膜係由SiN或熱氧化膜所形成。
  11. 如申請專利範圍第1項之太陽能單電池，其中在前述第1受光面以及前述第2受光面所具備之前述柵極的線寬係50μm以上、90μm以下，且前述柵極的高度係15μm以上、50μm以下。
  12. 如申請專利範圍第1項之太陽能單電池，其中在前述第1受光面所具備之前述柵極的線寬係50μm以上、90μm以下，且前述柵極的高度係15μm以上、50μm以下，且在前述第2受光面所具備之前述柵極的線寬係50μm以上、120μm以下，且前述柵極的高度係10μm以上、40μm以下。
  13. 一種太陽能單電池的製造方法，其係製造如申請專利範圍第1至12項中任一項之太陽能單電池的製造方法，特徵在於：前述p型擴散層係在是原料氣體之三溴化硼氣體環境中熱處理單結晶矽基板而形成。
  14. 一種太陽能單電池的製造方法，其係製造如申請專利範圍第1至12項中任一項之太陽能單電池的製造方 法，特徵在於：前述p型擴散層係，使含硼元素之液體或固體預先塗佈或附著於單結晶矽基板並於之後作熱處理而形成。
  15. 一種太陽能單電池的製造方法，其係製造如申請專利範圍第1至12項中任一項之太陽能單電池的製造方法，特徵在於：前述p型擴散層係將包含硼元素之氣體離子佈植於單結晶矽基板上而形成。
  16. 一種太陽能單電池的製造方法，其係製造如申請專利範圍第1至12項中任一項之太陽能單電池的製造方法，特徵在於：前述n型擴散層係在是原料氣體之氧氯化磷氣體環境中熱處理單結晶矽基板而形成。
  17. 一種太陽能單電池的製造方法，其係製造如申請專利範圍第1至12項中任一項之太陽能單電池的製造方法，特徵在於：前述n型擴散層係使含磷元素之液體或固體預先塗佈或附著於單結晶矽基板並於之後作熱處理而形成。
  18. 一種太陽能單電池的製造方法，其係製造如申請專利範圍第1至12項中任一項之太陽能單電池的製造方法，特徵在於：前述n型擴散層係將含磷元素之氣體離子佈植於單結晶矽基板上而形成。
  19. 一種太陽能單電池的製造方法，其係製造如申請 專利範圍第1至12項中任一項之太陽能單電池的製造方法，特徵在於：形成於前述p型擴散層上之前述第1電極層含Ag與鋁金屬，網印相對於Ag含有鋁金屬在1.0wt%以上、5.0wt%以下之組成的導電膠並作燒結而形成。
  20. 一種太陽能單電池的製造方法，其係製造如申請專利範圍第1或11項之太陽能單電池的製造方法，特徵在於：形成於前述n型擴散層上之前述第1電極層係網印含Ag之導電膠並作燒結而形成。
  21. 一種太陽能單電池的製造方法，其係製造如申請專利範圍第1至12項中任一項之太陽能單電池的製造方法，特徵在於：形成於前述第1電極層上之第2電極層係網印含Ag之導電膠並作燒結而形成。
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