TWI648865B - 高效率背面電極型太陽電池胞、太陽電池模組及太陽光發電系統 - Google Patents

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Abstract

一種高效率背面電極型太陽電池胞，係於第1導電型的半導體基板的非受光面亦即背面上，形成第2導電型的不純物被擴散之不純物擴散層，具備被連接於前述不純物擴散層的電極之背面電極型太陽電池胞；不純物擴散層的不純物的表面濃度為5×1017atms/cm3以上5×1019atms/cm3以下，不純物擴散層的不純物的擴散深度，為基板背面的表面起算1μm以上2.9μm以下。藉此，能夠提供得以更為簡便的方法廉價製造的高效率背面電極型太陽電池胞。

Description

高效率背面電極型太陽電池胞、太陽電池模組及太陽光發電系統
本發明係關於變換效率佳的高效率背面電極型太陽電池胞、太陽電池模組及太陽光發電系統。
一般而言，太陽電池胞，由大小為邊長100~150mm的正方形，厚度為0.1~0.3mm的板狀多晶矽或單晶矽等所構成，以被摻雜硼等p型不純物的p型的半導體基板為主材。於此太陽電池胞，在接受太陽光的受光面被形成n型擴散層(射極層)與防反射膜，同時電極以接於射極層的方式被形成為貫通防反射膜。
於太陽電池胞，電極對於取出藉由光電變換而得的電流是必要而不可欠缺的，但是在受光面的被形成電極的部位會因為該電極的遮蔽而使太陽光不能射入，所以電極面積越大變換效率就越低，電流會減少。設於受光面的電極所導致的這樣的電流損失稱為陰影損失。
對此，背面電極型太陽電池胞，在受光面沒有電極所以沒有陰影損失，除了以防反射膜所無法徹底抑 制的些微反射光以外，幾乎可以100%取入入射的太陽光。因此，原理上可以期待實現很高的變換效率。
一般的背面電極型太陽電池胞100具有圖1所示的剖面構造。背面電極型太陽電池胞100，具備半導體基板101、射極層104、BSF(背面電場，Back Surface Field)層106、防反射膜兼鈍化膜107及108、以及電極109及110。
半導體基板101為背面電極型太陽電池胞100的主材料，由單晶矽或多晶矽等所構成。可以為p型或n型之任一，多使用被摻雜磷等n型不純物的n型矽基板。以下，以使用n型矽基板的場合為例進行說明。半導體基板101，大小為邊長100~150mm之正方形，厚度0.1~0.3mm的板狀為適切，一方主表面作為受光面使用，另一方主表面作為非受光面(背面)使用。
於受光面，形成供封入光線之用的凹凸構造。凹凸構造，藉由把半導體基板101浸漬在酸性或鹼性溶液一定時間而得。一般而言凹凸構造被稱為紋理(texture)。
於背面分別形成被摻雜硼等p型不純物的p型擴散層之射極層104，與被摻雜磷等n型不純物的n型擴散層之BSF層106。射極層104與BSF層106中哪一方先形成皆可。先形成射極層104的場合，例如以如下方式形成。
首先，把氧化矽膜等保護膜102形成於半導 體基板101的全面。具體而言，藉由例如在氧化氛圍下的800~1100℃的高溫中設置半導體基板101的熱氧化法，形成30~300nm程度的厚度的氧化矽膜。接著，在半導體基板101的覆蓋了背面的形成射極層104的區域以外之區域的保護膜102的部分，以網版印刷塗布抗蝕劑膏而使其硬化。接著，使浸漬於氟酸水溶液而除去覆蓋住形成射極層104的區域的保護膜102，進而浸漬於丙酮等除去抗蝕劑膏103。接著，於保護膜102被除去的區域，例如藉由熱擴散法使p型不純物元素擴散，形成p型擴散層亦即射極層104與玻璃層105。具體而言，藉由把例如此半導體基板101設置於含有BBr3的800~1100℃的高溫氣體中，在未被形成保護膜102的處所使硼擴散，形成薄膜電阻20~300Ω/□程度的射極層104與玻璃層105。接著，把剩餘的保護膜102與玻璃層105，藉由浸漬於例如稀釋的氟酸溶液等藥品而除去，以純水洗淨。藉此，於半導體基板101的背面的所要的處所，形成p型不純物被擴散之射極層104。
接著，在半導體基板101的背面的未被形成射極層104的部分，以與射極層104大致同樣的程序形成BSF層106。
在被形成紋理的受光面，與被形成射極層104及BSF層106的背面，進而分別形成由氮化矽(SiN)等構成的防反射膜兼鈍化膜107、108。
接著，以使電極109被連接於射極層104的 方式，或是把電極110連接於BSF層106的方式，分別形成。這些電極，以蝕刻糊等開口出接點，另有以濺鍍等方式形成的場合，也有使用網版印刷法形成的場合。使用網版印刷法的場合，以燒成(firing)後分別被連接於射極層104、BSF層106的方式，把包含玻璃料(frit)等的導電性銀糊印刷於防反射膜兼鈍化膜108的2處所而進行乾燥。藉著燒成(firing)這些導電性銀糊，分別形成貫通防反射膜兼鈍化膜107、108，被連接於射極層104的電極109，與被連接於BSF層106的電極110。電極109、110，由把在背面電極型太陽電池胞100產生的光生成電流取出至外部的匯流條(bus bar)電極，與被連接於這些匯流條電極的集電用的指狀電極所構成(省略圖示)。
於具有圖1所式的構造的一般的背面電極型太陽電池胞，特別是射極層的不純物擴散輪廓(profile)會大幅左右太陽電池胞的變換效率。例如，藉著減少往射極層的不純物的擴散量減低射極層的逆向飽和電流密度，可以提高太陽電池胞的開放電壓，使變換效率變好。但是，藉由減少往射極層之不純物擴散量使不純物的表面濃度變低的話，一般而言，與接觸於射極層的電極之接觸電阻變高，變換效率會變差。因此，為了使變換效率變好，藉著繼續抑制往射極層的不純物的擴散量，提高不純物的表面濃度，而且擴散深度較淺的擴散輪廓，以控制在使得接觸電阻盡可能地小，且逆向飽和電流密度變高的情形變成可能的範圍之方法是被業界期待的。根據先前例示的射極層 的製造方法的場合，射極層多是以不純物的表面濃度很高，擴散深度很淺的擴散輪廓來形成的。
此外，射極層與電極之接觸電阻，很大程度地被射極層與電極之接觸面積的大小所左右。受光面具有電極的從前的太陽電池胞的場合，為了使電極導致的陰影損失儘可能地減少，有必要使接觸於射極層的指狀電極細微化而使電極面積最小化，但是要充分減少接觸電阻很難，而且形成電極的成本很高。對此，背面電極型太陽電池胞，因為電極被形成於非受光面，所以沒有必要考慮電極造成的陰影損失。因此，在背面電極型太陽電池胞的場合，為了要某個程度增大指狀電極的寬幅，增大射極層與電極之接觸面積使接觸電阻減少，抑制電極形成的成本，最好是以橫流電阻不會太大的程度下縮小剖面積(與接觸面正交的面的面積)形成薄的電極的方式是被期待的。根據先前例示的網版印刷至電極製造方法場合，多被形成寬幅較寬，厚度較薄的電極。
但是，要以表面濃度高而且擴散深度淺的擴散輪廓(profile)來使不純物擴散，一般而言有必要在高溫下進行短時間的擴散熱處理。在此場合，特別是大量生產時，容易產生不純物的擴散不均，所以很難以特定的擴散輪廓(profile)使不純物擴散。此外，寬幅較寬，厚度較薄的電極，會有偶發的與射極層的接觸電阻的值變大的情形，經常發生生產率變差的問題。
作為這樣的問題的對策，例如，在專利文獻1 揭示了在被形成於半導體基板的擴散層之形成電極的部分，形成包含擴散源的膜，藉著在水蒸氣氛圍中進行熱處理，僅在電極正下方形成高濃度擴散層的太陽電池胞之製造方法。但是，在此種方法，為了形成擴散層有必要進行複數次熱處理，不只成本變高，還會有重金屬等縮短壽命因子會擴散至半導體基板，容易產生生產率惡化的問題。
此外，藉由噴墨印刷把摻雜物液塗布於基板表面進行擴散，進行均勻擴散的太陽電池胞之製造方法被揭示於專利文獻2。但是此方法中，噴墨印刷要進行噴嘴或摻雜物液的控制是困難的，此外，擴散源形成與熱處理會變成不同的步驟，所以有成本變高的問題。
此外，把導電性糊，藉著改變遮罩同時進行複數次網版印刷，以減少電極的電阻之太陽電池胞的製造方法被揭示於專利文獻3。但是在此方法，會有電極的偏移導致生產率的惡化或是導電性糊的使用量增大而導致成本容易增大的問題。
此外，藉著以所謂的凹版印刷輥印刷形成電極，以精度佳地形成電極之太陽電池胞的製造方法被揭示於專利文獻4。但是在此方法，輥或糊之控制是困難的，會有乾燥導致輥的阻塞或生產率的惡化容易產生等問題。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]國際公開第2015/151288號公報
[專利文獻2]日本特開2003-168807號公報
[專利文獻3]國際公開第2011/111192號公報
[專利文獻4]日本特開2011-049514號公報
本發明之目的在於提供逆向飽和電流密度很小，而且射極層與電極之接觸電阻很小，能夠以簡便的方法廉價地生產率高地製造之變換效率佳的高效率背面電極型太陽電池胞、太陽電池模組及太陽光發電系統。
(1)本發明之高效率背面電極型太陽電池胞，係於第1導電型的半導體基板的非受光面亦即背面上，形成第2導電型的不純物被擴散之不純物擴散層，具備被連接於前述不純物擴散層的電極之高效率背面電極型太陽電池胞；特徵為不純物擴散層的不純物的表面濃度為5×1017atms/cm3以上5×1019atms/cm3以下，不純物擴散層的不純物的擴散深度，為基板背面的表面起算1μm以上2.9μm以下。
如此與從前相比，藉著形成表面濃度低，擴散深度深的射極層，可以減少逆向飽和電流密度與接觸電阻雙方，能夠以簡便的方法廉價地實現高效率背面電極型 太陽電池胞。
(2)不純物擴散層的薄膜電阻最好是60Ω/□以上150Ω/□以下。
(3)不純物擴散層的不純物濃度的最大值為7×1017atms/cm3以上7×1019atms/cm3以下，不純物擴散層的不純物濃度成為最大值的位置，在基板背面的表面起算0.1μm以上1μm以下的深度，電極為至少包含玻璃料(glass frit)與銀與鋁的燒結體，電極的剖面積為350μm2以上1000μm2以下，電極為部分貫穿入不純物擴散層，貫穿入的深度為基板背面的表面起算0.1μm以上1.9μm以下亦可。
藉此可以抑制接觸電阻為很低提高變換效率，同時也可以抑制製造成本。
(4)例如，亦可以是第1導電型為n型，第2導電型為p型。
(5)亦可導電連接複數個高效率背面電極型太陽電池胞而構成太陽電池模組。
(6)亦可導電連接複數個太陽電池模組而構成太陽光發電系統。
100‧‧‧背面電極型太陽電池胞
101‧‧‧半導體基板
102‧‧‧保護膜
103‧‧‧抗蝕劑膏
104‧‧‧射極層
105‧‧‧玻璃層
106‧‧‧BSF層
107,108‧‧‧防反射膜兼鈍化膜
109,110‧‧‧電極
200‧‧‧高效率背面電極型太陽電池胞
300‧‧‧太陽電池模組
310‧‧‧母線(bus bar)
320‧‧‧導線
330‧‧‧填充劑
340‧‧‧耐天候性樹脂膜
350‧‧‧受光面保護材料
400‧‧‧太陽光發電系統
410‧‧‧配線
420‧‧‧反相器
430‧‧‧外部負荷電路
圖1係顯示高效率背面電極型太陽電池胞的構成之一例。
圖2係顯示高效率背面電極型太陽電池胞的製造方法之流程圖。
圖3係顯示由基板表面起算的深度與該深度之不純物濃度的關係之一例。
圖4係把各試樣的逆向飽和電流密度，對表面濃度與對薄膜電阻分別繪圖之結果。
圖5係把各試樣的接觸電阻，對表面濃度與對薄膜電阻分別繪圖之結果。
圖6係顯示各試樣的電極的剖面積與接觸電阻的關係。
圖7係顯示使用本發明的高效率背面電極型太陽電池胞構成的太陽電池模組的構成例之概略圖。
圖8係顯示圖7所示的太陽電池模組的背面的構成例之概略圖。
圖9係顯示圖7所示的太陽電池模組的剖面的構成例之概略圖。
圖10係顯示使用圖7所示的太陽電池模組構成的太陽光發電系統的構成例之概略圖。
以下，說明本發明之實施型態。包含使用於背景技術的說明的圖式，對於各圖式之共同的構成要素賦予相同符號。
本發明之高效率背面電極型太陽電池胞200， 具有與圖1所示的從前的背面電極型太陽電池胞100同樣的構造，具備半導體基板101、射極層104、BSF(背面電場)層106、防反射膜兼鈍化膜107及108、以及電極109及110。半導體基板101為高效率背面電極型太陽電池胞200的主材料，由單晶矽或多晶矽等所構成。雖說p型與n型之任一方皆可，在此處以包含磷等不純物，比電阻為0.1~4.0Ω‧cm的n型矽基板的場合為例進行說明。半導體基板101，大小為邊長100~150mm之正方形，厚度0.05~0.30mm的板狀為適切，一方主表面作為受光面使用，另一方主表面作為非受光面(背面)使用。
<製造程序>
圖2係顯示本發明的高效率背面電極型太陽電池胞200的製造程序。在製造之前，把半導體基板101浸漬於酸性溶液等進行損傷蝕刻，除去切片等所導致的表面的損傷，進行洗淨、乾燥。
首先，在損傷蝕刻後之半導體基板101的背面形成射極層104(S1)。首先，把氧化矽膜等保護膜102形成於半導體基板101的全面(S1-1)。例如，藉由在氧化氛圍下的800~1100℃的高溫中短時間設置半導體基板101的熱氧化法，形成膜厚30~300nm程度的氧化矽膜。接著，在半導體基板101的覆蓋了背面的形成射極層104的區域以外之區域的保護膜102的部分，以網版印刷塗布抗蝕劑膏而使其硬化(S1-2)。接著，使浸漬於氟酸水溶液 而除去覆蓋住形成射極層104的區域的保護膜102(S1-3)，進而浸漬於丙酮等除去抗蝕劑膏103(S1-4)。接著，於保護膜102被除去的區域，例如藉由熱擴散法使p型不純物元素擴散，形成p型擴散層亦即射極層104與玻璃層105(S1-5)。具體而言，藉由把例如此半導體基板101設置於含有BBr3的800~1100℃的高溫氣體中，在未被形成保護膜102的區域使硼擴散，形成薄膜電阻20~300Ω/□程度的射極層104與玻璃層105。接著，把剩餘的保護膜102與玻璃層105，藉由浸漬於例如稀釋的氟酸溶液等藥品而除去，以純水洗淨(S1-6)。藉此，於半導體基板101的背面的所要的處所，形成p型不純物被擴散之射極層104。
其次，在半導體基板101的背面的未被形成射極層104的區域，形成BSF層106(S2)。首先，把氧化矽膜等保護膜102形成於半導體基板101的全面(S2-1)。氧化矽膜，例如藉由在氧氛圍下的800~1100℃的高溫中設置半導體基板101的熱氧化法來形成。此時，藉由使往高溫中之設置時間更長，形成氧化矽膜的同時，使射極層104形成時擴散至半導體基板101的表面附近的硼，被擴散至半導體基板101的更深處，而且也可以使擴散到形成的氧化矽膜。結果，形成射極層104的硼的表面濃度降低，伴此薄膜電阻也改變。此擴散深度、表面濃度、及薄膜電阻，可以隨著熱氧化條件的變更而適當調節。
接著，在半導體基板101的覆蓋了背面的被 形成射極層104的區域的保護膜102的部分，以網版印刷塗布抗蝕劑膏而使其硬化(S2-2)。接著，使浸漬於氟酸水溶液而除去覆蓋住未被形成射極層104的區域的保護膜102(S2-3)，進而浸漬於丙酮等除去抗蝕劑膏103(S2-4)。接著，於保護膜102被除去的區域，例如藉由熱擴散法使n型不純物元素擴散，形成n型擴散層亦即BSF層106與玻璃層105(S2-5)。具體而言，藉由把例如此半導體基板101設置於含有POCl3的850~1100℃的高溫氣體中，在未被形成保護膜102的區域使磷擴散，形成薄膜電阻30~300Ω/□程度的BSF層106與玻璃層105。接著，把剩餘的保護膜102與玻璃層105，藉由浸漬於例如稀釋的氟酸溶液等藥品而除去，以純水洗淨(S2-6)。藉此，在半導體基板101的背面的未被形成射極層104的區域，形成被擴散n型不純物的BSF層106。
其次，在半導體基板101的受光面形成被稱為紋理(texture)的凹凸構造(S3)。紋理(凹凸構造)，可藉由把半導體基板101浸漬在酸性或鹼性溶液一定時間而得。例如，以網版印刷在半導體基板101的背面全面塗布抗蝕劑膏使其硬化之後，以氫氧化鉀水溶液等進行化學蝕刻再洗淨、乾燥而形成。藉著形成紋理，從受光面入射的光在半導體基板101內多重反射而被封閉在內，所以實效上可以減低反射率，提高變換效率。其後，藉著浸漬於丙酮等而除去被塗布於半導體基板101的背面全面的抗蝕劑膏。又，紋理放在形成射極層104與BSF層106之前進 行亦可。此外，於半導體基板101的背面也形成紋理亦可。而且，在半導體基板101的受光面進而形成FSF(前面電場，Front Surface Field)層亦可。
接著，在半導體基板101的兩面，分別形成由氮化矽(SiN)等構成的防反射膜兼鈍化膜107、108(S4)。氮化矽膜的場合，例如藉由以N2稀釋SiH4與NH3之混合氣體，以輝光放電(glow discharge)分解使電漿化而使其堆積之電漿CVD法等來形成。形成時，考慮到與半導體基板101之折射率差等，以使折射率成為1.8~2.3程度的方式，此外使厚度成為50~100nm程度的方式來形成。此膜，防止光在半導體基板101的表面反射，具有有效把光取入半導體基板101內的機能，同時也作為對n型擴散層具有鈍化效果的鈍化膜而發揮機能，達到提高太陽電池胞的電氣特性的效果。又，防反射膜兼鈍化膜107、108，亦可為氧化矽、碳化矽、非晶質矽、氧化鋁、氧化鈦等單層膜或組合這些而成的層積膜。此外，在半導體基板101的受光面與背面使用不同的膜亦可。
接著，形成電極109、110(S5)。電極，例如亦可以蝕刻糊等在防反射膜兼鈍化膜108設開口部而藉由濺鍍形成，亦可藉由網版印刷法形成。根據網版印刷法的場合，首先分別在防反射膜兼鈍化膜108之形成被連接於射極層104的電極109的部分與形成被連接於BSF層106的電極110的部分，網版印刷以例如包含銀粉末、玻璃料(frit)、鋁粉末、及清漆(varnish)等的導電性糊，使其乾 燥。此時，藉著變更使用於網版印刷時的網版遮罩之網目粗細、乳劑厚度、開口尺寸等，可以適當調節電極的寬幅或剖面積。
使如此印刷的導電性糊在500℃~950℃程度的溫度下燒成(firing)1~60秒程度，使防反射膜兼鈍化膜108貫通(燒成貫通，fire through)。藉此，包含銀、玻璃料(frit)、及鋁的燒結體與射極層104或BSF層106導通，成為電極109、110。又，電極形成時的燒成(firing)，可以進行一次，也可以分為複數次。此外，適用於射極層104上的導電性糊與適用於BSF層106上的導電性糊，亦可為不同的。
<解決課題的手段之檢討>
藉由前述製造方法，改變熱氧化條件同時製作複數個射極層的逆向飽和電流密度測定用之試樣。又，逆向飽和電流密度的測定不需要電極，所以沒有形成電極。使用於製作的n型半導體基板的比電阻為1Ω‧cm，磷的摻雜濃度為約5×1015atoms/cm3，防反射膜兼鈍化膜係藉由使用SiH4、NH3、及N2的電漿CVD法形成的厚度100nm的氮化矽膜。
針對各試樣，以SIMS測定了硼往射極層的擴散輪廓(使用裝置為CAMECA公司製造的ims-4f，1次離子為O2 +，1次離子能量10.5keV，掃描區域200×200μm，檢測區域104μmΦ，2次離子極性為正(Positive))。圖3係 顯示某個試樣的測定結果所得到的由基板表面起算的深度與該深度之不純物之硼的濃度的關係之圖。由圖3可知，在最表面附近的深度0~0.02μm附近會出現突然且極端的濃度變動。此濃度變動應是基板表面的異物或凹凸等的影響導致測定值的離勢(dispersion)，含有很多誤差。以下，把表面濃度定義為0.03μm附近的濃度。如此定義時，製作的各試樣的表面濃度為1×1017~1×1020atoms/cm3。此外，關於擴散深度，在以下之記載係被定義為藉由SIMS測定而得到的被擴散的硼的濃度，與磷往n型半導體基板之摻雜濃度相等的深度。如此定義時，製作的各試樣的擴散深度為0.7~3.5μm。
測定擴散輪廓之後，以QSSPC法測定了逆向飽和電流密度測定用之各試樣的逆向飽和電流密度(使用裝置為Sinton Consulting公司製造的WCT-100)。圖4係把QSSPC測定所得到的各試樣的逆向飽和電流密度，對表面濃度與對薄膜電阻分別繪圖之結果。圖4(a)係對表面濃度作圖，圖4(b)係對薄膜電阻作圖。由圖4可知逆向飽和電流密度隨著表面濃度變低而有變低的傾向，另一方面，與薄膜電阻沒有相關性。亦即，以降低表面濃度提高開放電壓，藉此可以提高變換效率。
其次，對逆向飽和電流密度測定用之各試樣，以根據TLM法之圖案塗布導電性糊，在800℃燒成(firing)10秒，製作了複數個接觸電阻測定用之試樣。TLM法，廣泛使用作為精度佳地測定垂直進入接觸面的 電流在裝置表面轉折而流動在水平方向的態樣的接點的接觸電阻。以TLM法把測定的各試樣的接觸電阻，對薄膜電阻與對表面濃度分別繪圖之結果顯示於圖5。由圖5可知接觸電阻與薄膜電阻為正相關，但是與表面濃度沒有相關性。
由以上可知，要實現逆向飽和電流密度與接觸電阻雙方都低的射極層，只要形成表面濃度低，薄膜電阻低的射極層即可。此條件，藉著形成表面濃度低，擴散深度深的射極層就可以容易滿足。這是因為一般而言使表面濃度降低的話薄膜電阻會上升，但藉由加深擴散深度可以抑制其上升的緣故。
其次，在接觸電阻測定用試樣之中，針對薄膜電阻為70Ω/□者，使與射極層接觸的指狀電極，形成寬幅為一定值(60μm)而改變其剖面積者，測定了接觸電阻。此時，電極的剖面積以KEYENCE公司製造的雷射顯微鏡VK-8500來測定，接觸電阻使用TLM法測定。剖面積的變更，藉由改變網版印刷用版的紗厚與乳劑厚度來達成。如此進行把測定的電極的接觸電極對剖面積作圖(圖6)。由圖6可知即使電極的接觸面積保持一定，剖面積變小的話接觸電阻變大，變換效率變差。因此，電極的剖面積在成本允許的範圍下以增大為較佳。
電極的剖面積增大，接觸電阻會變小的理由之一，可以參見以下討論。
燒成(firing)導電性糊形成電極時，確認了電 極貫入基板最大達到約2μm程度的深度之處。此處，貫入深度，是把電極藉由氟酸浸漬及硝酸浸漬而從基板除去，以掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察附著在基板上的除去痕跡而進行了測定。針對複數個試樣，確認電極的貫入深度與接觸電阻的關係時，發現到與射極層之接觸電阻高的電極，幾乎沒有貫入而連接之處，或有些許試樣但貫入很淺，與射極層之接觸電阻很低的電極，貫入而連接之處很多，貫入較深。總之，電極貫入越深接觸電阻就應該會越低，由此可推論接觸電阻不僅依存於表面的摻雜物濃度也依存於深度方向的摻雜物濃度變化。具體而言，藉著使電極貫入大致網羅了不純物高濃度地擴散的範圍的深度，應該可以更為減低接觸電阻。
但是，此時電極的剖面積較小的話，構成電極的玻璃料(frit)或鋁等有助於促進與射極層之導通的物質的絕對數量不足，而使得接觸電阻變大。因此，要避免接觸電阻變大，得到安定的生產率的話，最好是使電極某個程度地貫入射極層，同時使剖面積在成本允許的範圍內儘量增大。
[實施例]
藉由前所檢討而特定之課題解決手段的正當性，使用了使不純物擴散輪廓或電極的形狀不同而製造的複數製品來進行了驗證。各製品的製造方法及驗證結果如下。
<第1共通步驟>
準備由被摻雜磷，切片為厚度0.2mm所製作的比電阻為約1Ω‧cm且摻雜濃度為約5×1015atms/cm3的n型單晶矽所構成的n型矽基板，進行外徑加工使一邊為15cm的正方形板狀。接著，將此基板在硝酸溶液中浸漬15秒進行了損傷蝕刻之後，以純水洗淨使其乾燥。
藉由把損傷蝕刻後之n型矽基板，在氧氣氛圍中在1000℃的溫度下45分鐘的條件進行熱氧化，在基板的兩面形成厚度50nm的氧化矽膜。接著，被形成於基板的背面的氧化矽膜之BSF層預定形成處之上，網版印刷抗蝕劑膏，以100℃的溫度加熱使其乾燥。此處，射極層為寬幅800μm，BSF層為寬幅200μm，以射極層與BSF層交互被形成而成為交指式背面電極(Interdigitated Back Contact；IBC)胞的構造圖案形成了網版印刷用版。作為抗蝕劑膏，使用了LEKTRACHEM公司製造的185糊漿。藉著將此基板浸漬於2%氟酸水溶液，把殘留於BSF層形成預定處之上的氧化矽膜予以部分除去之後，使浸漬於丙酮，除去抗蝕劑膏之後，以純水洗淨，使其乾燥。其次，對基板的背面，在BBr3氣體氛圍中，以900℃的溫度20分鐘的條件進行熱擴散處理，藉此在基板的背面形成射極層之p型擴散層與玻璃層。形成的p型擴散層的薄膜電阻約為70Ω/□，擴散深度為0.5μm。其後，將此基板浸漬於25%的氟酸水溶液之後，以純水洗淨，使其乾燥，除去氧 化矽膜與玻璃層。
<比較例1>
比較例1係如前所述形成射極層後進行的保護膜(氧化矽膜)形成步驟中所進行的熱氧化的時間比較短(45分鐘)的採用從前的製品的製造方法的場合。具體而言係實施了以下的步驟之後，實施了後述的第2、第3共通步驟，製造背面電極型太陽電池胞。
如前所述藉由把被形成射極層的基板，在氧氣氛圍中在1000℃的溫度下45分鐘的條件進行熱氧化，在基板的兩面形成厚度50nm的氧化矽膜。藉由此時的熱處理，被擴散至射極層的硼再度擴散。以SIMS測定了硼往再度擴散後的射極層的擴散輪廓(使用裝置為CAMECA公司製造的ims-4f，1次離子為O2 +，1次離子能量10.5keV，掃描區域200×200μm，檢測區域104μmΦ，2次離子極性為正(Positive))。結果，表面濃度為1.0×1020atms/cm3，最大濃度為1.4×1020atms/cm3，成為最大濃度的深度為0.07μm，擴散深度為0.5μm。此外，射極層的薄膜電阻為約50Ω/□。
<實施例1>
實施例1係把比較例1的熱氧化時間延長為90分鐘的場合。
如前所述藉由把被形成射極層的基板，在氧 氣氛圍中在1000℃的溫度下90分鐘的條件進行熱氧化，在基板的兩面形成厚度80nm的氧化矽膜。藉由此時的熱處理，被擴散至射極層的硼再度擴散。以SIMS測定了再度擴散後的射極層的硼之擴散輪廓，表面濃度為5.0×1019atms/cm3，最大濃度為7×1019atms/cm3，成為最大濃度的深度為0.1μm，擴散深度為1.0μm。此外，射極層的薄膜電阻為約60Ω/□。
<實施例2>
實施例2係把比較例1的熱氧化時間延長為120分鐘的場合。
如前所述藉由把被形成射極層的基板，在氧氣氛圍中在1000℃的溫度下120分鐘的條件進行熱氧化，在基板的兩面形成厚度100nm的氧化矽膜。藉由此時的熱處理，被擴散至射極層的硼再度擴散。以SIMS測定了再度擴散後的射極層的硼之擴散輪廓，表面濃度為1.0×1019atms/cm3，最大濃度為1.2×1019atms/cm3，成為最大濃度的深度為0.4μm，擴散深度為2.0μm。此外，射極層的薄膜電阻為約70Ω/□。
<實施例3>
實施例3係把比較例1的熱氧化時間延長為180分鐘的場合。
如前所述藉由把被形成射極層的基板，在氧 氣氛圍中在1000℃的溫度下180分鐘的條件進行熱氧化，在基板的兩面形成厚度130nm的氧化矽膜。藉由此時的熱處理，被擴散至射極層的硼再度擴散。以SIMS測定了再度擴散後的射極層的硼之擴散輪廓，表面濃度為5.0×1018atms/cm3，最大濃度為8.0×1018atms/cm3，成為最大濃度的深度為0.7μm，擴散深度為2.3μm。此外，射極層的薄膜電阻為約90Ω/□。
<實施例4>
實施例4係把比較例1的熱氧化時間延長為240分鐘的場合。
如前所述藉由把被形成射極層的基板，在氧氣氛圍中在1000℃的溫度下240分鐘的條件進行熱氧化，在基板的兩面形成厚度150nm的氧化矽膜。藉由此時的熱處理，被擴散至射極層的硼再度擴散。以SIMS測定了再度擴散後的射極層的硼之擴散輪廓，表面濃度為5.0×1017atms/cm3，最大濃度為7.0×1017atms/cm3，成為最大濃度的深度為1.0μm，擴散深度為2.9μm。此外，射極層的薄膜電阻為約280Ω/□。
<比較例2>
比較例2係把比較例1的熱氧化時間延長為300分鐘的場合。
如前所述藉由把被形成射極層的基板，在氧 氣氛圍中在1000℃的溫度下300分鐘的條件進行熱氧化，在基板的兩面形成厚度160nm的氧化矽膜。藉由此時的熱處理，被擴散至射極層的硼再度擴散。以SIMS測定了再度擴散後的射極層的硼之擴散輪廓，表面濃度為3.0×1017atms/cm3，最大濃度為5.0×1017atms/cm3，成為最大濃度的深度為1.1μm，擴散深度為3.3μm。此外，射極層的薄膜電阻為約320Ω/□。
<第2共通步驟>
把在前述比較例1或2、或者實施例1、2、3或4所示的步驟形成的氧化矽膜之形成了射極層的處所之上，網版印刷抗蝕劑膏，以100℃的溫度加熱使其乾燥。此處，作為抗蝕劑膏，使用了LEKTRACHEM公司製造的185糊漿。將印刷了抗蝕劑膏的基板浸漬於2%氟酸水溶液，除去形成了射極層的處所以外的部分(形成BSF層之處所)的氧化矽膜，之後，把抗蝕劑膏浸漬於丙酮而除去。
接著，對部分除去了氧化矽膜的基板的背面，在POCl3氣體氛圍中，以930℃的溫度20分鐘的條件進行熱擴散處理，在除去氧化矽膜的處所使磷擴散形成BSF層之n型擴散層與玻璃層。被形成的n型擴散層的薄膜電阻約為30Ω/□，擴散深度為0.5μm。其後，將這些基板浸漬於25%的氟酸水溶液之後，以純水洗淨，使其乾燥，除去氧化矽膜與玻璃層。
接著，在基板的背面全面網版印刷抗蝕劑 膏，以100℃的溫度加熱使其乾燥。此處，作為抗蝕劑膏，使用了LEKTRACHEM公司製造的185糊漿。將此基板，以含有2%的氫氧化鉀與2%的IPA之70℃的溶液化學蝕刻5分鐘之後，以純水洗淨，使其乾燥，在基板的受光面形成紋理構造。其後，使基板浸漬於丙酮，除去抗蝕劑膏。
接著，藉由使用了SiH4、NH3、及N2之電漿CVD法，在基板的兩面，以100nm之厚度形成防反射膜兼鈍化膜之氮化矽膜。
<第3共通步驟>
在施以到此為止的處理的基板之射極層上，藉由網版印刷法，印刷導電性銀糊，在150℃使其乾燥。導電性銀糊使用Heraeus公司製造的SOL9383M。此外，在基板之BSF層上，藉由使用了具備網目325、乳劑厚度20μm、寬幅50μm的直線狀開口部的網版之網版印刷法，印刷導電性銀糊，在150℃使其乾燥。接著，把印刷的導電性銀糊，在最高溫度800℃進行5秒的燒成(firing)形成電極，製作了分別的相關於比較例及實施例的背面電極型太陽電池胞。
<實施結果1>
分別經過前述之比較例1或2，或者實施例1、2、3或4之步驟，分別製作100片之背面電極型太陽電池胞的 平均變換效率、平均短路電流密度、平均開放電壓、及平均曲線因子顯示於表1。
藉著使射極層的不純物的表面濃度為5×1019atms/cm3以下(實施例1~4)，與表面濃度高的從前製品的場合(比較例1)相比，可以提高變換效率。這應該是藉由不純物的表面濃度的降低，使逆向飽和電流密度降低，開放電壓上升的緣故。此時，短路電流也上升，這應該是由於氧化時間的延長導致金屬不純物往擴散層之吸附(gettering)的進行，使基板的載體生命期上升的影響。其中，如比較例2那樣表面濃度降得太低，射極層的橫流向電阻變高，而無法使變換效率充分提高。因此，表面濃度的上限最好是比比較例1所示的從前製品的表面濃度更少的5×1019atms/cm3為佳，下限以5×1017atms/cm3為佳。此外，由實施例1~4的結果，擴散深度的下限以比比較例1所示的從前製品的擴散深度更深的1μm以上為佳，上限以2.9μm以下為佳。此外，由實施例1~4的結果，薄膜電阻的下限為60Ω/□，上限為280Ω/□是較佳的，但是上限比150Ω/□更高的話，在大量生產時薄膜電阻的離勢 (dispersion)會變得非常大而難以控制，所以上限以150Ω/□為更佳。
其次，驗證為了減少接觸電阻而改變電極的形狀對於變換效率的影響。
<比較例3>
在施以實施例2及第2共通步驟的處理的基板之BSF層上，使用網版印刷法，印刷導電性銀糊，在150℃使其乾燥。導電性銀糊使用Heraeus公司製造的SOL9412。SOL9412的主要固形成分為銀與玻璃料(frit)，沒有添加鋁粉末。
此外，在基板之射極層上，使用網版印刷法，使用網目360、乳劑厚度10μm、直線狀開口寬幅60μm的網版印刷導電性銀糊，在150℃使其乾燥。其後，把印刷了導電性銀糊的基板在最高溫度800℃下燒成(firing)5秒鐘形成了電極。形成後的電極的寬幅為約70μm，厚度約8μm，剖面積約250μm2。此外，把如此形成的半導體基板上的電極，以氟酸與硝酸除去，以SEM量測往擴散層之貫入深度，沒有觀測到貫入之處所。
<比較例4>
比較例4，係適用比較例3中作為導電性銀糊被添加鋁粉末者的場合。
在施以實施例2及第2共通步驟的處理的基 板之BSF層上，使用網版印刷法，印刷導電性銀糊，在150℃使其乾燥。導電性銀糊使用Heraeus公司製造的SOL9383M。SOL9383M的主要固形成分為銀與玻璃料(frit)與鋁粉末。
此外，在基板之射極層上，使用網版印刷法，使用網目360、乳劑厚度10μm、直線狀開口寬幅60μm的網版印刷導電性銀糊，在150℃使其乾燥。其後，把印刷了導電性銀糊的基板在最高溫度800℃下燒成(firing)5秒鐘形成了電極。形成後的電極的寬幅為約70μm，厚度約8μm，剖面積約250μm2。此外，把如此形成的半導體基板上的電極，以氟酸與硝酸除去，以SEM量測往射極層之貫入深度，貫入深度的最大值為0.05μm。
<實施例5>
實施例5，係於比較例4使適用於網版印刷的網目為325，乳劑厚為20μm的場合。
在施以實施例2及第2共通步驟的處理的基板之BSF層上，使用網版印刷法，印刷導電性銀糊，在150℃使其乾燥。導電性銀糊使用Heraeus公司製造的SOL9383M。
此外，在基板之射極層上，使用網版印刷法，使用網目325、乳劑厚度20μm、直線狀開口寬幅60μm的網版印刷導電性銀糊，在150℃使其乾燥。其 後，把印刷了導電性銀糊的基板在最高溫度800℃下燒成(firing)5秒鐘形成了電極。形成後的電極的寬幅為約70μm，厚度約12μm，剖面積約350μm2。此外，把如此形成的半導體基板上的電極，以氟酸與硝酸除去，以SEM量測往擴散層之貫入深度，貫入深度的最大值為0.1μm。
<實施例6>
實施例6，係於比較例4使適用於網版印刷的網目為290，乳劑厚為30μm的場合。
在施以實施例2及第2共通步驟的處理的基板之BSF層上，使用網版印刷法，印刷導電性銀糊，在150℃使其乾燥。導電性銀糊使用Heraeus公司製造的SOL9383M。
此外，在基板之射極層上，使用網版印刷法，使用網目290、乳劑厚度30μm、直線狀開口寬幅60μm的網版印刷導電性銀糊，在150℃使其乾燥。其後，把印刷了導電性銀糊的基板在最高溫度800℃下燒成(firing)5秒鐘形成了電極。形成後的電極的寬幅為約70μm，厚度約15μm，剖面積約600μm2。此外，把如此形成的半導體基板上的電極，以氟酸與硝酸除去，以SEM量測往擴散層之貫入深度，貫入深度的最大值為0.9μm。
<實施例7>
實施例7，係於比較例4使適用於網版印刷的網目為 250，乳劑厚為30μm的場合。
在施以實施例2及第2共通步驟的處理的基板之BSF層上，使用網版印刷法，印刷導電性銀糊，在150℃使其乾燥。導電性銀糊使用Heraeus公司製造的SOL9383M。
此外，在基板之射極層上，使用網版印刷法，使用網目250、乳劑厚度30μm、直線狀開口寬幅60μm的網版印刷導電性銀糊，在150℃使其乾燥。其後，把印刷了導電性銀糊的基板在最高溫度800℃下燒成(firing)5秒鐘形成了電極。形成後的電極的寬幅為約70μm，厚度約15μm，剖面積約950μm2。此外，把如此形成的半導體基板上的電極，以氟酸與硝酸除去，以SEM量測往擴散層之貫入深度，貫入深度的最大值為1.5μm。
<實施例8>
實施例8，係於比較例4使適用於網版印刷的網目為250，乳劑厚為40μm的場合。
在施以實施例2及第2共通步驟的處理的基板之BSF層上，使用網版印刷法，印刷導電性銀糊，在150℃使其乾燥。導電性銀糊使用Heraeus公司製造的SOL9383M。
此外，在基板之射極層上，使用網版印刷法，使用網目250、乳劑厚度40μm、直線狀開口寬幅60μm的網版印刷導電性銀糊，在150℃使其乾燥。其 後，把印刷了導電性銀糊的基板在最高溫度800℃下燒成(firing)5秒鐘形成了電極。形成後的電極的寬幅為約70μm，厚度約15μm，剖面積約1050μm2。此外，把如此形成的半導體基板上的電極，以氟酸與硝酸除去，以SEM量測往擴散層之貫入深度，貫入深度的最大值為1.9μm。
<實施結果2>
使用施以前述之比較例3或4，或者實施例5、6、7或8所示的處理之基板，分別製作100片之相關於各個比較例及實施例的背面電極型太陽電池胞，測定了平均變換效率、平均短路電流密度、平均開放電壓、及平均曲線因子。測定結果顯示於表2。
由比較例3與比較例4之比較，可知為了使電極貫入射極層，最好是在導電性漿劑內除了銀與玻璃料(frit)之外還添加鋁粉末形成這些的燒結體。此外，可知藉著電極稍微貫入射極層，會大幅改善變換效率。
比較了比較例4與實施例5~8，可知實施例 的變換效率較佳。特別是實施例6~8的變換效率很優異。這應該是因為剖面積較寬的電極，越過不純物的最大濃度深度而深深貫入，使得接觸電阻安定變低，不容易發生曲線因子大幅降低的緣故。
又，即使如實施例8那樣使電極的剖面積為1000μm2以上，與該值以下的場合相比，沒有帶來變換效率的大幅上升。毋寧說是考慮到電極使用量的增大導致成本的上升、貫入深度變得太深導致電極刺穿射極層而使並聯電阻降低的風險，進而考慮藉著增大電極的剖面積使得銀粉末的燒結過剩地進行的原因使形成的銀電極容易從基板剝離的因素，電極剖面積以1000μm2程度為上限是較佳的。
因此，由實施例5~8的結果，貫入深度以0.1μm以上1.9μm以下為較佳，剖面積以350μm2以上1000μm2以下為較佳。電極的剖面積與貫入深度，可以藉著改變網目的粗細與乳劑厚度而適當調節。
又，針對比較例3或4，或者實施例5、6、7或8的方法之前述實施結果，係關於在藉由實施例2的方法形成射極層的基板上形成電極的場合之實驗，對於藉由實施例1、3或4的方法形成射極層的基板形成電極的場合，電極的較佳的貫入深度及剖面積也是相同的。因此，根據實施例1~4的結果，射極層的不純物濃度的最大值以7×1017atms/cm3以上7×1019atms/cm3以下為較佳，成為最大值的深度由基板背面的表面起算以0.1μm以上1μm 以下為較佳。
藉由以上的構成，能夠提供得以更為簡便的方法廉價地生產率高地製造之變換效率極佳的高效率背面電極型太陽電池胞。
依照前述實施型態而製作的高效率背面電極型太陽電池胞200，可以使用於太陽電池模組。圖7係顯示太陽電池模組300的構成例之概略圖。太陽電池模組300，具備高效率背面電極型太陽電池胞200被磁磚狀全面鋪上複數個的構造。複數個高效率背面電極型太陽電池胞200，係相互鄰接的數片~數十片被導電串聯連接，構成被稱為串(string)之串聯電路。串(string)之概觀顯示於圖8。圖8相當於通常人眼所不會看到的太陽電池模組300的內部背面側的模式圖。又，在圖8為了使記載更為明瞭，省略了指狀電極或匯流條的圖示。為了構成串聯電路，以導線320連接相互鄰接的高效率背面電極型太陽電池胞200之P匯流條與N匯流條。圖9顯示太陽電池模組300的剖面模式圖。如前所述串(string)係藉著把導線320連接至匯流條(bus bar)310而構成複數之高效率背面電極型太陽電池胞200。串(string)，通常以乙烯醋酸乙烯酯(EVA)等透光性填充劑330密封，非受光面(背面)側以聚對苯二甲酸乙二酯(PET)等耐天候性樹脂膜340覆蓋，受光面以鈉鈣玻璃等透光性且機械強度強的受光面保護材料350覆蓋著。做為填充劑330，除了EVA以外，可以使用聚烯烴、聚矽氧等。
進而，也可以導電連接複數個太陽電池模組而構成太陽光發電系統。圖10係顯示連接複數個使用複數個本發明之高效率背面電極型太陽電池胞200構成的太陽電池模組300的太陽光發電系統400的構成例之概略圖。太陽光發電系統400，係複數個太陽電池模組300藉由配線410被串聯連接，經過反相器420對外部負荷電路430供給發電電力。在圖10未有顯示，但太陽光發電系統400進而具備蓄積發電的電力之2次電池亦可。
又，本發明不限於前述實施型態或實施例，具有與本發明的申請專利範圍所記載的技術思想實質上相同的構成，可以發揮同樣的作用效果者，一切變更均被包含於本發明的技術範圍。

Claims (5)

  1. 一種高效率背面電極型太陽電池胞，係於第1導電型的半導體基板的非受光面亦即背面上，形成第2導電型的不純物被擴散之不純物擴散層，具備被連接於前述不純物擴散層的電極；其特徵為前述不純物擴散層的不純物的表面濃度為5×1017atms/cm3以上5×1019atms/cm3以下，前述不純物擴散層的不純物的擴散深度，為前述背面的表面起算1μm以上2.9μm以下；前述不純物擴散層的薄膜電阻為60Ω/□以上150Ω/□以下。
  2. 如申請專利範圍第1項之高效率背面電極型太陽電池胞，其中前述不純物擴散層的不純物濃度的最大值為7×1017atms/cm3以上7×1019atms/cm3以下，前述不純物擴散層的不純物濃度成為前述最大值的位置，在前述背面的表面起算0.1μm以上1μm以下的深度，前述電極為至少包含玻璃料(glass frit)與銀與鋁的燒結體，剖面積為350μm2以上1000μm2以下，部分貫穿入前述不純物擴散層，貫穿入的深度為前述背面的表面起算0.1μm以上1.9μm以下。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之高效率背面電極型太陽電池胞，其中前述第1導電型為n型，前述第2導電型為p型。
  4. 一種太陽電池模組，其特徵為導電連接複數個申請專利範圍第1~3項之任1項之高效率背面電極型太陽電池胞而成。
  5. 一種太陽光發電系統，其特徵係導電連接複數個申請專利範圍第4項之太陽電池模組而成。
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