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JP2007027469A - 太陽電池素子の製造方法 - Google Patents

太陽電池素子の製造方法 Download PDF

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JP2007027469A
JP2007027469A JP2005208420A JP2005208420A JP2007027469A JP 2007027469 A JP2007027469 A JP 2007027469A JP 2005208420 A JP2005208420 A JP 2005208420A JP 2005208420 A JP2005208420 A JP 2005208420A JP 2007027469 A JP2007027469 A JP 2007027469A
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silicon nitride
nitride film
semiconductor substrate
electrode
solar battery
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JP2005208420A
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Hiroto Owada
寛人 大和田
Tomohito Oda
智史 小田
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Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

【課題】太陽電池特性を低下させることなく、生産性を向上させることができる太陽電池素子の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】太陽電池素子用の半導体基板1の受光面に、電源周波数100kHz以上1000kHz未満のプラズマCVD法によって第一の窒化シリコン膜3を形成する工程と、
第一の窒化シリコン膜3上に、電源周波数1MHz以上のプラズマCVD法によって第二の窒化シリコン膜4を形成する工程と、を有して太陽電池素子の製造方法を構成する。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体基板の表面に窒化シリコン膜を有する太陽電池素子の製造方法に関する。
従来の太陽電池素子の構造を図3に示す。
まず、単結晶シリコンや多結晶シリコン等からなるp型の半導体基板11を準備する。そして、半導体基板11の表面(受光面)側の表面近傍に一定の深さまで逆導電型のn型不純物を拡散させて、n型を呈する拡散層12を設け、p型の半導体基板11との間にpn接合を形成する。このようなn型を呈する拡散層12は、例えば半導体基板11を拡散炉中に配置して、オキシ塩化リン(POCl)中で加熱することによって、半導体基板11の表面全体にn型不純物であるリン原子を拡散させて、拡散層12として形成することができる。その後、側面部と底面部の逆導電型拡散領域の部分を除去する。
次に半導体基板11の表面側に、反射防止膜として窒化シリコン膜13を形成する。この窒化シリコン膜13は、例えばシラン(SiH)とアンモニア(NH)との混合ガスを窒素(N)で希釈し、所定の電源周波数の電力を電極板に印加することにより、グロー放電分解してプラズマ化させて堆積させるプラズマCVD法などで形成される。
特に、成膜速度を高めて生産性を向上させるために、電極板に印加する電力の周波数として1MHz以上の高周波を用いることが提案されている。
なお、この窒化シリコン膜13は反射防止機能を有するのみならず、膜中に水素(H)を含有し、且つ、当該膜の成膜中および成膜後の加熱により半導体基板11内に水素が拡散することによって、パッシベート効果をもたらすことが知られており(例えば、特許文献1参照)、その結果、太陽電池特性が向上する。
特開2002−277605号公報
しかしながら、電極板に印加する電力の周波数を1MHz以上の高周波にした場合、電極板に印加する電力の周波数が数百kHz程度の場合に比べて、成膜速度が上昇し生産性は向上するものの、十分なパッシベート効果を得ることができず所望の太陽電池特性を得る事ができないという新たな知見を得た。
本発明は、このような新たな知見に鑑みてなされたものであり、太陽電池特性を低下させることなく、生産性を向上させることができる太陽電池素子の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の太陽電池素子の製造方法は、太陽電池素子用の半導体基板の受光面に、電源周波数100kHz以上1000kHz未満のプラズマCVD法によって第一の窒化シリコン膜を形成する工程と、前記第一の窒化シリコン膜上に、電源周波数1MHz以上のプラズマCVD法によって第二の窒化シリコン膜を形成する工程と、を有して成るものである。
ここで、前記第一の窒化シリコン膜の厚みは200Å乃至400Å、前記第二の窒化シリコン膜の厚みは300Å乃至800Åであるとともに、両者の合計厚みは500Å乃至1200Åであることが好ましい。
本発明の太陽電池素子の製造方法によれば、太陽電池素子用の半導体基板の受光面に、電源周波数100kHz以上1000kHz未満のプラズマCVD法によって第一の窒化シリコン膜を形成する工程と、前記第一の窒化シリコン膜上に、電源周波数1MHz以上のプラズマCVD法によって第二の窒化シリコン膜を形成する工程とを有して成ることから、比較的低い電源周波数を用いて十分なパッシベート効果を得るとともに、比較的高い電源周波数を用いて成膜速度を高めて生産性を向上させることが可能となる。すなわち、窒化シリコン膜の形成過程で電源周波数を変化させることによって、パッシベート効果及び生産性向上という両立が困難である2つの効果を高い次元で達成することができる。
ここで、前記第一の窒化シリコン膜の厚みは200Å乃至400Å、前記第二の窒化シリコン膜の厚みは300Å乃至800Åであるとともに、両者の合計厚みは500Å乃至1200Åであることが好ましく、これによって高い反射防止機能を備えた窒化シリコン膜として好適に用いることが可能となる。
以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
図1は本発明の太陽電池素子の製造方法によって形成された太陽電池素子の構造を示す断面図である。図1において、1は半導体基板、2は拡散層、3は第一の窒化シリコン膜、4は第二の窒化シリコン膜、5は表面電極、6は集電電極、7は出力取出電極、8はBSF層を示す。
まず、半導体基板1は、例えば鋳造法等によって形成された多結晶シリコン等からなり、その場合ボロン(B)等のp型の導電型を呈する半導体不純物を含有し、比抵抗0.2〜5.0Ω・cm程度の基板が好適に用いられる。ここで、半導体基板1は、多結晶シリコンのインゴットを、例えば10cm×10cm又は15cm×15cm程度の大きさに切断し、500μm以下、より好ましくは300μm以下の厚みにスライスして形成される。なお、切断又はスライスがされた面における機械的ダメージ層や汚染層を清浄化するために、表面をNaOHやKOH、或いはフッ酸やフッ硝酸等でごく微量エッチングすることが望ましい。
次に、ドライエッチング方法やウェットエッチング方法などを用いて、半導体基板1の表面に微小な突起を形成するのが望ましい。
その後、半導体基板1を拡散炉中に配置して、オキシ塩化リン(POCl)等の不純物元素を含むガス中で熱処理することによって、半導体基板1の外表面部分にリン原子を拡散させてシート抵抗が30〜300Ω/□程度、厚みが0.2〜0.5μm程度のn型の導電型を呈する拡散層2を形成する。そして、半導体基板1の受光面側に形成された拡散層2だけを残して除去され、その後純水で洗浄される。除去方法としては、例えば、半導体基板1の表面側にフッ酸に耐性を有するレジスト膜を塗布し、フッ酸と硝酸の混合液を用いてこのシリコン基板1の表面側以外の逆導電型拡散領域をエッチング除去した後、レジスト膜を除去すれば良い。
次に、例えば図2に示されるプラズマCVD装置を用いて、反射防止膜となる窒化シリコン膜が形成される。
図2において、1は半導体基板、22は基板載置プレート、23は電極が印加される電極板、24はマスフローコントローラー、25はヒータ、26は真空ポンプ、27は圧力制御弁、28は電源である。
ここで、電力が印加される電極板23は、ガスを流すためのシャワープレートとしての機能も兼ね備えている。マスフローコントローラー24は、ガスの流量を制御するために用いている。そして、ヒータ25は加熱手段として用いられるほか、基板載置プレート22と接地することで基板載置プレート22が電極板23の対向電極として機能し、アースに接続されている。反応室内を真空にするための真空ポンプ26と、圧力制御弁27によって反応室内を一定の圧力に制御することができる。さらに、真空ポンプ26と圧力制御弁27は反応室内に導入されたガスを排気するラインに接続されている。
このようなプラズマCVD装置の反応室内に、上述の拡散層2が形成された半導体基板1を載置した基板載置プレート22が搬送される。
そして、第一プラズマ工程として、プラズマCVD装置の第一の反応室内を高真空に引いた後、マスフローコントローラー24で流量制御されたシラン(Si)とアンモニア(NH)との混合ガスを窒素(N)で希釈したガスを反応室内に導入し、且つ、ヒータ25を用いて反応室内を250〜600℃程度の高温にした状態で、電源から周波数が100kHz以上1000kHz未満、好ましくは300kHz以上900kHz未満の電力を電極板に印加してグロー放電を起こさせることによって、半導体基板1の受光面側に第一の窒化シリコン膜3を200Å乃至400Åの厚みで形成する。
その後、第二プラズマ工程として、第二の反応室に半導体基板1を搬送し、反応室内を高真空に引いた後、所定流量のシラン、アンモニアを導入し、且つ、ヒータなどを用いて反応室内を250〜600℃程度の高温にした状態で、電源から周波数が1MHz以上の電力を電極板に印加してグロー放電を起こさせることによって、第一の窒化シリコン膜3上に、第二の窒化シリコン膜4を300Å乃至800Åの厚みで形成する。
このようにして、第一の窒化シリコン膜3及び第二の窒化シリコン膜4を形成することができる。ここで、両窒化シリコン膜3、4の合計厚みは500Å乃至1200Åとする事が好ましく、これによって高い反射防止機能を備えることが可能となる。
なお、プラズマCVD装置の処理条件については、装置によって適宜条件を変更することが可能であるが、例えば、電力としては300〜1000W程度を目安として各装置ごとに条件出しを行えばよい。
また、ガス流量においても反応室の大きさに応じて適宜設定すれば良いが、例えば150〜6000ml/min(sccm)の範囲とすることが望まし。この範囲よりも低いと、プラズマによる活性種の供給が律速となり処理速度が遅くなる。逆にこの範囲よりも大きいと、プラズマによる活性種が反応室内の堆積物を処理する前に排気される割合が増えて逆に処理速度が遅くなる。また、シランの流量Aとアンモニアの流量Bの流量比C=B/Aは約5以上12以下に設定することが好ましい。
反応圧力としては、50〜150Paの範囲とすることが望ましい。この範囲よりも小さいときは、プラズマ種の平均自由工程が伸びて、プラズマ温度が高くなりすぎ反応室内に損傷を与える恐れがある。逆にこの範囲を超えると均一なプラズマとならない恐れがある。
以上のように、窒化シリコン膜3、4を順次形成することによって、比較的低い電源周波数を用いて十分なパッシベート効果を得るとともに、比較的高い電源周波数を用いて成膜速度を高めて生産性を向上させることが可能となる。すなわち、窒化シリコン膜の形成過程で電源周波数を変化させることによって、パッシベート効果及び生産性向上という両立が困難である2つの効果を高い次元で達成することができる。
このような効果を得ることができる理由としては、周波数が低周波の電力で成膜された第一の窒化シリコン膜3には多くの水素が含有されるとともに、成膜中において半導体基板1内に多くの水素が拡散することによって、パッシベーション効果を効果的に得ることができ、その後、周波数が高周波の電力で第二の窒化シリコン膜4を成膜することにより、成膜速度を速くすることができることによって、生産性を向上させることができるものと考えられる。
また、半導体基板1がシリコン基板である場合、窒化シリコン膜3によるパッシベーション効果がより効果的に得られる。
さらに、第一の窒化シリコン膜3及び第二の窒化シリコン膜4の屈折率は1.8乃至2.6の範囲とすることが好ましく、これによってより良好な反射防止機能を奏することが可能となる。
次に、表面電極5と、集電電極6と出力取出電極7とからなる裏面電極を以下のようにして形成する。
裏面電極を構成する集電電極6は、例えばアルミニウム粉末等からなる第一金属を主成分とし、有機ビヒクルとガラスフリットをアルミニウム100重量部に対してそれぞれ10〜30重量部、0.1〜5重量部添加してペースト状にした第一金属を主成分とする電極材料を用いる。具体的な形状としては、例えば、後述する出力取出電極7を形成する部位を除いた開口部を設けて裏面のほぼ全面とする。塗布方法としては、スクリーン印刷法等の周知の方法を用いることができ、塗布後、所定の温度で溶剤を蒸散させて乾燥させる。
裏面電極を構成する出力取出部7及び表面電極5は、第一金属より半田濡れ性の良い金属材料、例えば銀粉末等を主成分とし、有機ビヒクルとガラスフリットを銀100重量部に対してそれぞれ10〜30重量部、0.1〜5重量部を添加してペースト状にした第二金属を主成分とする電極材料を用いる。
表面電極5については、一般的な太陽電池素子として格子状に形成すれば良い。塗布方法としては、スクリーン印刷法等の周知の方法を用いることができ、塗布後、所定の温度で溶剤を蒸散させて乾燥させる。
上述のようにして塗布・乾燥した表面電極5、裏面電極6、7を、最高温度を600〜800℃として1〜30分程度焼成する焼成工程を経ることによって、基板に対して電極を焼き付けて形成することができる。また、アルミニウムからなる集電電極6を形成すると、同時に、半導体基板1中にアルミニウムが拡散して、裏面で発生したキャリアが再結合することを防ぐBSF層8が形成される。なお、あらかじめ窒化シリコン膜3、4の表面電極5に相当する部分をエッチングし、その箇所に第二金属を主成分とする電極材料(銀ペースト等)を塗布し焼成して拡散層2と導通を取るようにしても良いし、窒化シリコン膜3、4の上に直接、第二金属を主成分とする電極材料(銀ペースト等)を塗布して焼成し、いわゆるファイアースルー法によって窒化シリコン膜3を貫通させて拡散層2と導通を取るようにしても良い。
以上のようにして、太陽電池素子を作製することができる。
なお、本発明の実施形態は上述の例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることはもちろんである。
例えば、半導体基板1はp型多結晶シリコン基板を例にとり説明したが、これに限定されるものではなく例えばn型多結晶シリコン基板、単結晶シリコン基板そして薄膜系などに応用することは可能である。
また、第一の窒化シリコン膜3及び第二の窒化シリコン膜4は、受光面側もしくは受光面側と側面のみに形成してもよいし、裏面にも形成してもかまわない。裏面にも形成することによってパッシベーション効果をさらに高めることができる。
さらに、上記実施形態のように、別途反応室を設け、それぞれの反応室において第一、第二プラズマ工程を行なうのに代えて、同一の反応室内で両プラズマ工程を行うようにしても良い。
なお、電極の構造および形成方法についても上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、電極材料を塗布し焼きつける方法以外にも、スパッタ法や蒸着法を利用した方法で電極を形成することも可能であるし、表裏両面に電極を有する上記実施の形態に代えて、本発明は裏面のみに電極を有する太陽電池素子に使用してもその効果を充分に発揮する。
本発明に係る太陽電池素子の製造方法によって形成された太陽電池素子を示す概略図である。 本発明に係る太陽電池素子の製造方法において用いるプラズマCVD装置を示す概略断面図である。 従来における太陽電池素子を示す概略図である。
符号の説明
1 :半導体基板
2 :拡散層
3 :第一の窒化シリコン膜
4 :第二の窒化シリコン膜
5 :表面電極
6 :集電電極
7 :出力取出電極
8 :BSF層
11:半導体基板
12:拡散層
13:窒化シリコン膜
15:表面電極
16:集電電極
17:出力取出電極
18:BSF層
22:基板載置プレート
23:電極板
24:マスフローコントローラー
25:ヒータ
26:真空ポンプ
27:圧力制御弁
28:電源

Claims (2)

  1. 太陽電池素子用の半導体基板の受光面に、電源周波数100kHz以上1000kHz未満のプラズマCVD法によって第一の窒化シリコン膜を形成する工程と、
    前記第一の窒化シリコン膜上に、電源周波数1MHz以上のプラズマCVD法によって第二の窒化シリコン膜を形成する工程と、を有して成る太陽電池素子の製造方法。
  2. 前記第一の窒化シリコン膜の厚みは200Å乃至400Å、前記第二の窒化シリコン膜の厚みは300Å乃至800Åであるとともに、両者の合計厚みは500Å乃至1200Åであることを特徴とする請求項1記載の太陽電池素子の製造方法。
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