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JP2013187462A - 光電変換素子および光電変換素子の製造方法 - Google Patents

光電変換素子および光電変換素子の製造方法 Download PDF

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JP2013187462A JP2012053010A JP2012053010A JP2013187462A JP 2013187462 A JP2013187462 A JP 2013187462A JP 2012053010 A JP2012053010 A JP 2012053010A JP 2012053010 A JP2012053010 A JP 2012053010A JP 2013187462 A JP2013187462 A JP 2013187462A
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Abstract

【課題】裏面接合型の光電変換素子において、優れた変換効率を有する構成を得る。
【解決手段】光電変換素子の製造方法は、単結晶シリコン基板10の導電型と同じ導電型を有する第1ドーパントを供給する第1ドーパント源21と、前記単結晶シリコン基板10の導電型と反対の導電型を有する第2ドーパントを供給する第2ドーパント源42とが前記単結晶シリコン基板10の片面に接して形成された基板1を準備する工程と、前記基板1を熱処理して前記第1および第2ドーパントを前記単結晶シリコン基板10に拡散する第1熱処理工程と、幅が狭くなるように前記第2ドーパント源42を少なくともエッチングするパターニング工程と、前記パターニング工程後の基板を、前記第1熱処理工程よりも高い温度および/または長い時間で熱処理して前記第2ドーパントを少なくとも前記単結晶シリコン基板10へ拡散する第2熱処理工程とを備える。
【選択図】図5

Description

本発明は、光電変換素子および光電変換素子の製造方法に関するものである。
従来、受光面には電極を形成せず、裏面にp電極およびn電極を形成した裏面接合型太陽電池が知られている。
特許文献1には、裏面接合型太陽電池の製造方法が記載されている。この製造方法の概略は、次の通りである。まず、太陽電池に加工される基板を準備する。この基板の一方の面に、p型およびn型ドーパント源を堆積する。そして、これらのドーパント源からドーパントを拡散させて、基板にp型およびn型拡散領域を形成する。
また、上記文献には、複数のドーパント源を利用して、様々なドーパント濃度の拡散領域を形成できる、と記載されている。
特許文献2には、高濃度ドーパント拡散領域および低濃度ドーパント拡散領域を所望の位置に安定して形成することが可能な太陽電池の製造方法が記載されている。この製造方法の概略は、次の通りである。まず、基板の表面上にp型またはn型のドーパントを含有するドーパント拡散剤を塗布する。続いて、ドーパント拡散剤の表面上に開口部と圧膜部とを有する拡散抑制マスクを形成する。そして、拡散抑制マスクが形成されたドーパント拡散剤から、半導体基板の表面にドーパントを拡散させる。
特開2009−521805号公報 特開2010−205965号公報
本発明の目的は、裏面接合型の光電変換素子において、優れた変換効率を有する構成を得ることである。
この発明の一実施態様にかかる光電変換素子の製造方法は、単結晶シリコン基板の導電型と同じ導電型を有する第1ドーパントを供給する第1ドーパント源と、前記単結晶シリコン基板の導電型と反対の導電型を有する第2ドーパントを供給する第2ドーパント源とが前記単結晶シリコン基板の片面に接して形成された基板を準備する工程と、前記基板を熱処理して前記第1および第2ドーパントを前記単結晶シリコン基板に拡散する第1熱処理工程と、幅が狭くなるように前記第2ドーパント源を少なくともエッチングするパターニング工程と、前記パターニング工程後の基板を、前記第1熱処理工程よりも高い温度および/または長い時間で熱処理して前記第2ドーパントを少なくとも前記単結晶シリコン基板へ拡散する第2熱処理工程とを備える(光電変換素子の製造方法の第1の態様)。
この発明の一実施形態にかかる光電変換素子は、第1拡散領域と、第2拡散領域とを片面に有する単結晶シリコン基板と、前記単結晶シリコン基板の前記片面に設けられた第1および第2電極とを備える。前記第1拡散領域は、前記単結晶シリコン基板と同じ導電型であり、第1濃度領域と、前記第1濃度領域よりもドーパント濃度の高い第2濃度領域とを有する。前記第2拡散領域は、前記単結晶シリコン基板と異なる導電型であり、第3濃度領域と、前記第3濃度領域よりもドーパント濃度の高い第4濃度領域とを有する。前記第1電極は、前記第2濃度領域に接しており、前記第2電極は、前記第4濃度領域に接している。そして、前記第4濃度領域のドーパント濃度は、前記第2濃度領域のドーパント濃度よりも高い(光電変換素子の第1の構成)。
この発明の他の実施形態にかかる光電変換素子は、第1拡散領域と、第2拡散領域とを片面に有する単結晶シリコン基板と、前記単結晶シリコン基板の前記片面に設けられた第1および第2電極と、前記第2電極の周りに形成された第1構造体とを備える。前記第1拡散領域は、前記単結晶シリコン基板と同じ導電型である。前記第2拡散領域は、前記単結晶シリコン基板と異なる導電型であり、第1濃度領域と、前記第1濃度領域よりもドーパント濃度の高い第2濃度領域とを有する。前記第1構造体は、前記第2拡散領域と同じ導電型のドーパントを供給する第1ドーパント源を含んでいる(光電変換素子の第2の構成)。
上記の光電変換素子の製造方法の態様によれば、第2熱処理工程は、第1熱処理工程よりも、高い温度および/または長い時間で行われる。そのため、第2熱処理工程で形成された拡散領域は、第1熱処理工程で形成された拡散領域よりも、ドーパント濃度が高い。これにより、コンタクト領域では拡散領域のドーパント濃度が低下することによるコンタクト抵抗の増加を防止でき、同時にコンタクト領域以外の領域ではドーパント濃度が増加することによる、表面再結合の増加を防止することができる。したがって、光電変換素子は、優れた変換効率を有する。
上記の光電変換素子の第1の構成によれば、第4濃度領域のドーパント濃度は、第2濃度領域のドーパント濃度よりも高い。第4濃度領域は、単結晶シリコン基板と異なる導電型である。第4濃度領域のドーパント濃度が高いことにより、pn接合の内部電界が高くなる。そのため、光生成された電子と正孔とが分離されやすくなり、短絡光電流が増加する。したがって、光電変換素子は、優れた変換効率を有する。
上記の光電変換素子の第2の構成によれば、第2拡散領域に、第1ドーパント源によって、第1濃度領域と、第1濃度領域よりもドーパント濃度の高い第2濃度領域とが形成されている。第2拡散領域は、基板の導電型と異なる導電型である。この構成により、少数キャリアを収集する電極のコンタクト抵抗を低下させることができる。したがって、光電変換素子は、優れた変換効率を有する。
図1は、本発明の第1の実施形態にかかる光電変換素子の構成を模式的に示す断面図である。 図2は、本発明の第1の実施形態にかかる光電変化素子の製造方法を、模式的に示す断面図である。 図3は、本発明の第1の実施形態にかかる光電変化素子の製造方法を、模式的に示す断面図である。 図4は、本発明の第2の実施形態にかかる光電変換素子の構成を模式的に示す断面図である。 図5は、本発明の第2の実施形態にかかる光電変化素子の製造方法を、模式的に示す断面図である。 図6は、本発明の第2の実施形態にかかる光電変化素子の製造方法を、模式的に示す断面図である。 図7は、本発明の第2の実施形態の変形例にかかる光電変換素子の製造方法の、基板準備工程を、模式的に示す断面図である。 図8は、本発明の第3の実施形態にかかる光電変換素子の構成を模式的に示す断面図である。 図9は、本発明の第3の実施形態にかかる光電変化素子の製造方法を、模式的に示す断面図である。 図10は、本発明の第3の実施形態にかかる光電変化素子の製造方法を、模式的に示す断面図である。 図11は、本発明の第4の実施形態にかかる光電変換素子の構成を模式的に示す断面図である。 図12は、本発明の第4の実施形態にかかる光電変化素子の製造方法を、模式的に示す断面図である。 図13は、本発明の第4の実施形態にかかる光電変化素子の製造方法を、模式的に示す断面図である。 図14は、本発明の第5の実施形態にかかる光電変換素子の構成を模式的に示す断面図である。 図15は、本発明の第5の実施形態にかかる光電変化素子の製造方法を、模式的に示す断面図である。 図16は、本発明の第5の実施形態にかかる光電変化素子の製造方法を、模式的に示す断面図である。 図17は、本発明の変形例にかかる光電変化素子の構成を模式的に示す断面図である。 図18は、本発明の変形例にかかる光電変化素子の構成を模式的に示す断面図である。 図19は、本発明の変形例にかかる光電変化素子の構成を模式的に示す断面図である。 図20は、本発明の変形例にかかる光電変化素子の構成を模式的に示す断面図である。
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化または模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。
[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態にかかる光電変換素子101の構成を模式的に示す断面図である。光電変換素子101は、単結晶シリコン基板(以下、基板という)10と、反射防止膜70と、基板10の片面に設けられたコンタクト電極91a,91bとを備えている。
本実施形態では、基板10はn型の単結晶シリコン基板である。基板10の厚さは、特に限定されないが、好ましくは100〜300μmである。より好ましくは、100〜200μmである。
コンタクト電極91a,91bは、例えば銀等の金属である。
基板10の、コンタクト電極91a,91bが形成された面と反対側の面には、ランダムなピラミッド型の凹凸からなるテクスチャ構造10aが形成されている。テクスチャ構造10aは、基板10に入射した光を閉じ込めて、光の利用率を高める。
以下では、基板10の、テクスチャ構造10aが形成されている側の面を受光面、コンタクト電極91a,91bが形成されている側の面を裏面と呼んで参照する。
基板10の裏面には、n型拡散領域10bとp型拡散領域10cとが形成されている。n型拡散領域10bのドーパント濃度は、例えば1018〜1019cm−3である。p型拡散領域10cのドーパント濃度は、例えば1018〜1019cm−3である。n型拡散領域10bのドーパント濃度とp型拡散領域10cのドーパント濃度とは、異なっていても良い。
図1に示すように、p型拡散領域10cの面積は、n型拡散領域10bの面積よりも大きく形成されている。既述のとおり、基板10はn型単結晶シリコン基板である。n型拡散領域10bの面積とp型拡散領域10cの面積の和に対するp型拡散領域10cの面積の割合(以下、p型拡散領域10cの面積率という)が高いほど、光生成された少数キャリア(正孔)が、p型拡散領域10cに到達するまでに移動しなくてはならない距離が減少する。そのため、p型拡散領域10cに到達するまでに再結合する正孔の数が減少し、短絡光電流が増加する。したがって、光電変換素子101の変換効率が向上する。好ましいp型拡散領域10cの面積率は、60〜80%である。
また、あるp型拡散領域10cから次のp型拡散領域10cまでの間隔(ピッチ)は、狭いほど光電変換素子101の変換効率が向上する。そのため、ピッチは、狭いほど好ましい。ピッチは例えば、0.5〜2.5mmである。
基板10の受光面には、n型拡散領域10dが形成されている。n型拡散領域10dは、光生成された正孔が受光面側で再結合するのを防ぐFSF(表面電界障壁:Front Surface Field)として機能する。
さらに、基板10の裏面において、コンタクト電極91aと接する箇所には、高濃度n型拡散領域10iが形成されている。同様に、基板10の裏面において、コンタクト電極91bと接する箇所には、高濃度p型拡散領域10jが形成されている。高濃度n型拡散領域10iは、コンタクト電極91aよりも大きな面積に形成されていることが好ましい。高濃度p型拡散領域10jは、コンタクト電極91bよりも大きな面積に形成されていることが好ましい。
高濃度n型拡散領域10iのドーパント濃度は、n型拡散領域10bのドーパント濃度よりも高く、例えば1019〜1020cm−3である。同様に、高濃度p型拡散領域10jのドーパント濃度は、p型拡散領域10cのドーパント濃度よりも高く、例えば1019cm−3を超え1020cm−3以下である。
さらに、高濃度p型拡散領域10jのドーパント濃度は、高濃度n型拡散領域10iのドーパント濃度よりも、高い。
基板10の受光面の最表面には、酸化膜10gが形成されている。同様に、基板10の裏面の最表面には、酸化膜10hが形成されている。酸化膜10g,10hの厚さは、例えば10〜100nmである。
基板10の受光面側の酸化膜10gを覆って、反射防止膜70が形成されている。反射防止膜70は、例えば窒化珪素(Si)の膜である。反射防止膜70の厚さは、例えば10〜100nmであり、基板10の受光面側の酸化膜10gの厚さとの関係で調整されている。
[光電変換素子101の製造方法]
以下、図2および図3を参照して、光電変換素子101の製造方法を説明する。
図2(a)に示すように、一方の面にテクスチャ構造10aを有する基板10を準備する。テクスチャ構造10aは、基板10の表面を、例えばアルカリ溶液等によりエッチングすることで形成される。
基板10の裏面を覆って、n型ドーパント源となるPSG(リンドープシリコンガラス:Phosphorus Silicate Glass)膜20を形成する。続いて、PSG膜20を覆って、拡散バリア層となるNSG(ノンドープシリコンガラス:Nondope Silicate Glass)膜30を形成する(図2(b))。PSG膜20およびNSG膜30は、例えば、APCVD(常圧CVD:Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition)により形成される。
PSG膜20およびNSG膜30の厚さは、特に限定されないが、例えば、それぞれ10〜1000nmおよび100〜1000nmである。PSG膜20およびNSG膜30を形成後、これらの膜を安定化するために、低温でアニールを行っても良い。アニールは、PSG膜20中のリンが基板10に拡散しない程度の温度で行うことが好ましい。アニールは、例えば、650℃で30分間行う。
次に、図2(c)に示すように、PSG膜20およびNSG膜30の一部を除去して、PSG膜21およびNSG膜31を形成する。PSG膜21およびNSG膜31の形成は、例えば、フォトリソグラフィを利用したパターニングを用いることができる。フォトリソグラフィに代えて、印刷法によりマスクを形成して、パターニングを行っても良い。
パターニング後、例えばRCA洗浄を行って、表面の不純物やパーティクル等を完全に除去する。
次に、図2(d)に示すように、PSG膜21およびNSG膜31が形成された基板10を熱処理して、基板10の裏面にn型拡散領域10bを形成する。熱処理は、不活性ガス雰囲気中で、例えば窒素雰囲気中で行う。他の熱処理条件は特に限定されないが、例えば800℃で1時間行う。
n型拡散領域10bを形成後、PSG膜21およびNSG膜31を、エッチングなどによって除去する。
次に、図2(e)に示すように、p型ドーパント源であるBSG(ボロンドープシリコンガラス:Boron Silicate Glass)膜40、およびNSG膜50を形成する。BSG膜40およびNSG膜50は、PSG膜21およびNSG膜31を形成したのと同様の手順で、成膜とパターニングを行って形成する。パターニング後は、RCA洗浄を行う。
次に、図2(f)に示すように、BSG膜40およびNSG膜50が形成された基板10を熱処理して、基板10の裏面にp型拡散領域10cを形成する。
この熱処理と連続して、図2(g)に示すように、基板10の受光面側にn型拡散領域10dを形成する。n型拡散領域10dは、例えば、オキシ塩化リン(POCl)、窒素、および酸素の混合ガス雰囲気で基板10を熱処理することにより形成できる。他の熱処理条件は特に限定されないが、例えば750℃で30分間行う。
p型拡散領域10cおよびn型拡散領域10dを形成後、PSG膜40およびNSG膜50を、エッチングなどによって除去する。
次に、図2(h)に示すように、PSG膜22、およびNSG膜32を形成する。PSG膜22およびNSG膜32は、n型拡散領域10b上に、n型拡散領域10bよりも小さい面積に形成する。PSG膜22およびNSG膜32は、PSG膜21およびNSG膜31を形成したのと同様の手順で、成膜とパターニングを行って形成する。
なお、このパターニングの前に、またはこのパターニングと同時に、受光面側にn型拡散領域10dを形成する際にできるリンガラス層を除去するエッチングを行っても良い。
パターニング後、RCA洗浄を行って、表面の不純物やパーティクル等を完全に除去する。このとき、フッ酸に溶解しない硼素化合物等が残留する場合がある。これを除去するため、酸素雰囲気で550℃程度に加熱して、硼素を酸化してから、再度フッ酸による洗浄を行っても良い。
次に、図3(a)に示すように、PSG膜22およびNSG膜32が形成された基板10を熱処理して、基板10の裏面に高濃度n型拡散領域10iを形成する。この熱処理は、n型拡散領域10bを形成するための熱処理(図2(d))よりも高い温度、例えば950℃で行う。これにより、高濃度n型拡散領域10iのドーパント濃度は、n型拡散領域10bのドーパント濃度よりも高く形成される。
高濃度n型拡散領域10iを形成後、PSG膜22およびNSG膜32を、エッチングなどによって除去する。
次に、図3(b)に示すように、BSG膜41およびNSG膜51を形成する。BSG膜41およびNSG膜51は、p型拡散領域10c上に、p型拡散領域10cよりも小さい面積に形成する。BSG膜41およびNSG膜51は、PSG膜21およびNSG膜31を形成したのと同様の手順で、成膜とパターニングを行って形成する。パターニング後は、RCA洗浄を行う。
次に、図3(c)に示すように、BSG膜41およびNSG膜51が形成された基板10を熱処理して、基板10の裏面に高濃度p型拡散領域10jを形成する。この熱処理は、p型拡散領域10cを形成するための熱処理(図2(f))よりも高い温度および/または長い時間で行う。
さらに、高濃度p型拡散領域10jのドーパント濃度が、高濃度n型拡散領域10iのドーパント濃度よりも高くなるように、ドーパント源の厚さおよび濃度、ならびに熱処理条件を調整する。具体的には、例えば、BSG膜41をPSG膜22よりも厚く形成する。または、BSG膜41のドーパント濃度を、PSG膜22のドーパント濃度よりも高くする。あるいは、高濃度p型拡散領域10jを形成するための熱処理(図3(c))を、高濃度n型拡散領域10iを形成するための熱処理(図3(a))よりも高い温度および/または長い時間で行う。これにより、高濃度p型拡散領域10jのドーパント濃度は、p型拡散領域10cのドーパント濃度よりも高く、かつ、高濃度n型拡散領域10iのドーパント濃度よりも高くなる。
この熱処理と連続して、炉内に酸素を導入してドライ酸化を行い、裏面のパッシベーション(不活性化)を行う。図3(d)に示すように、ドライ酸化によって、基板10の受光面および裏面にそれぞれ酸化膜10g,10hが形成される。酸化条件は、例えば950℃で10分間である。
次に、図3(e)に示すように、受光面側に反射防止膜70を形成する。反射防止膜70は、例えばプラズマCVDにより形成される。
次に、図3(f)に示すように、コンタクトホール81a,81bを形成する。コンタクトホール81aは、基板10の裏面側の酸化膜10hを開孔して、高濃度n型拡散領域10iの一部が露出するように形成される。コンタクトホール81bは、基板10の裏面側の酸化膜10hを開孔して、高濃度p型拡散領域10jの一部が露出するように形成される。コンタクトホール81a,81bは、例えばフォトリソグラフィにより形成される。
コンタクトホール81aの直径は、高濃度n型拡散領域10iの幅よりも小さいことが好ましい。同様に、コンタクトホール81bの直径は、高濃度p型拡散領域10jの幅よりも小さいことが好ましい。
最後に、図3(g)に示すように、コンタクト電極91a,91bを形成する。コンタクト電極91aは、コンタクトホール81aを通じて、高濃度n型拡散領域10iと接触するように形成する。コンタクト電極91bは、コンタクトホール81bを通じて、高濃度p型拡散領域10jと接触するように形成する。コンタクト電極91a,91bは、例えばスクリーン印刷法によって形成される。
以上、光電変換素子101の構成および製造方法を説明した。
光電変換素子101では、基板10の裏面のコンタクト電極91aと接する箇所に、高濃度n型拡散領域10iが形成されている。これにより、基板10とコンタクト電極91aとのコンタクト抵抗が低減される。同様に、基板10の裏面のコンタクト電極91bと接する箇所に、高濃度p型拡散領域10jが形成されている。これにより、基板10とコンタクト電極91bとのコンタクト抵抗が低減される。
本実施形態では、高濃度p型拡散領域10jのドーパント濃度は、高濃度n型拡散領域10iのドーパント濃度よりも、高く形成されている。高濃度p型拡散領域10jのドーパント濃度が高い方が、pn接合の内部電界が大きくなる。そのため、光生成された電子と正孔とが分離されやすくなり、短絡光電流が増加する。したがって、光電変換素子101の変換効率を向上できる。
また、基板10の裏面の、コンタクト電極91aと接していない箇所に形成されたn型拡散領域10bは、高濃度n型拡散領域10iと比較して、ドーパント濃度が低い。同様に、基板10の裏面の、コンタクト電極91bと接していない箇所に形成されたp型拡散領域10cは、高濃度p型拡散領域10jと比較して、ドーパント濃度が低い。これにより、n型拡散領域10bと酸化膜10hとの界面、および、p型拡散領域10cと酸化膜10hとの界面における光生成キャリアの再結合が抑制される。
本実施形態では、n型の単結晶シリコン基板を基板10として用いた場合を説明した。しかし、基板10はp型の単結晶シリコン基板であっても良い。この場合には、高濃度n型拡散領域10iのドーパント濃度が、高濃度p型拡散領域10jのドーパント濃度より高い。また、n型拡散領域10bの面積が、p型拡散領域10cよりも大きいことが好ましい。
本実施形態では、PSG膜20(21)を覆ってNSG膜30(31)を形成する。同様に、BSG膜40を覆ってNSG膜50を、PSG膜22を覆ってNSG膜32を、BSG膜41を覆ってNSG膜51を、それぞれ形成する。NSG膜30(31),32,50,51は、それぞれPSG膜20(21)、BSG膜40、PSG膜22、BSG膜41のドーパントが外部に拡散するのを防ぐ拡散バリア層として機能する。したがって、本実施形態のように、NSG膜30(31),32,50,51が形成されることが好ましい。しかし、これらは本発明の必須の構成要素ではない。すなわち、NSG膜30(31),32,50,51の一部または全部は、形成されなくても良い。
また、製造方法の一例として、n型のドーパント源としてPSG膜を、p型のドーパント源としてBSG膜を、拡散バリア層としてNSG膜を用いた例を説明した。PSG膜、BSG膜、NSG膜の組み合わせは、本発明を実施する上で好適な組み合わせであるが、本発明はこれに限定されない。n型のドーパント源、p型のドーパント源、および拡散バリア層は、種々の材料を用いることができる。
n型のドーパント源としては、例えば、リン酸塩、酸化リン、五酸化二リン、リン酸または有機リン化合物等を用いることができる。p型のドーパント源としては、例えば、酸化硼素、硼酸、有機硼素化合物、硼素アルミニウム化合物、有機アルミニウム化合物、またはアルミニウム塩等を用いることができる。拡散バリア層としては、例えば、酸化珪素、酸化窒素、酸窒化珪素、酸化チタンまたはこれらの前駆体等を用いることができる。
[第2の実施形態]
図4は、本発明の第2の実施形態にかかる光電変換素子102の構成を模式的に示す断面図である。光電変換素子102は、基板10と、保護膜60と、反射防止膜70と、基板10の片面に設けられたコンタクト電極90a,90bと、コンタクト電極90aの周りに形成された構造体95aと、コンタクト電極90bの周りに形成された構造体95bとを備えている。
光電変換素子102では、光電変換素子101と同様に、基板10の裏面に、n型拡散領域10bと、p型拡散領域10cとが形成されている。光電変換素子101と同様に、p型拡散領域10cの面積は、n型拡散領域10bの面積よりも、大きく形成されている。
さらに、基板10の裏面において、コンタクト電極90aと接する箇所には、高濃度n型拡散領域10eが形成されている。同様に、基板10の裏面において、コンタクト電極90bと接する箇所には、高濃度p型拡散領域10fが形成されている。高濃度n型拡散領域10eは、コンタクト電極90aよりも大きな面積に形成されていることが好ましい。高濃度p型拡散領域10fは、コンタクト電極90bよりも大きな面積に形成されていることが好ましい。
高濃度n型拡散領域10eのドーパント濃度は、n型拡散領域10bのドーパント濃度よりも高い。また、高濃度p型拡散領域10fのドーパント濃度は、p型拡散領域10cのドーパント濃度よりも高い。一方、光電変換素子102では、光電変換素子101とは異なり、高濃度n型拡散領域10eのドーパント濃度と、高濃度p型拡散領域10fのドーパント濃度との、高低関係は任意である。
光電変換素子102では、光電変換素子101と同様に、基板10の受光面側に、n型拡散領域10dが形成されている。また、基板10の受光面側の最表面には、酸化膜10gが形成されている。基板10の裏面側の最表面には、酸化膜10hが形成されている。そして、基板10の受光面側の酸化膜10gを覆って、反射防止膜70が形成されている。
コンタクト電極90a,90bは、コンタクト電極91a,91bと同様、銀などの金属である。
構造体95aは、PSG膜23、NSG膜33、BSG膜43a、およびNSG膜53aが、この順で積層されて形成されている。構造体95aは、酸化膜10hを挟んで高濃度n型拡散領域10eの上に形成されている。構造体95aの面積は、高濃度n型拡散領域10eの面積とほぼ等しい。PSG膜23およびBSG膜43aの厚さは、例えばそれぞれ10〜1000nmである。NSG膜33およびNSG膜53aの厚さは、例えば、それぞれ100〜1000nmである。PSG膜23とBSG膜43aとの厚さ、およびNSG膜33とNSG膜53aとの厚さは、相互に異なっていても良い。
構造体95bは、BSG膜43bおよびNSG膜53bが、この順で積層されて形成されている。構造体95bは、酸化膜10hを挟んで高濃度p型拡散領域10fの上に形成されている。構造体95bの面積は、高濃度p型拡散領域10fの面積とほぼ等しい。BSG膜43bおよびNSG膜53bの厚さは、例えば、それぞれ10〜1000nmおよび100〜1000nmである。
保護膜60は、基板10の裏面側の酸化膜10h、および構造体95a,95bを覆って形成されている。保護膜60は、例えばNSG膜である。保護膜60の厚さは、例えば10〜1000nmである。
[光電変換素子102の製造方法]
以下、光電変換素子102の製造方法を説明する。本実施形態にかかる光電変換素子102の製造方法は、基板準備工程と、第1熱処理工程と、パターニング工程と、第2熱処理工程とを備える。
図5および図6は、本実施形態にかかる光電変換素子102の製造方法を、模式的に示す断面図である。まず、図5(a)〜図5(d)を参照して、基板準備工程を説明する。
一方の面にテクスチャ構造10aを有する基板10を準備する(図5(a))。基板10の裏面に、PSG膜20およびNSG膜30を形成する(図5(b))。PSG膜20およびNSG膜30を形成後、低温でアニールを行っても良い。PSG膜20およびNSG膜30の一部を除去して、PSG膜21およびNSG膜31を形成する(図5(c))。
次に、図5(d)に示すように、NSG膜31および基板10の裏面を覆って、BSG膜42を形成する。続いて、BSG膜42を覆って、NSG膜52を形成する。BSG膜42およびNSG膜52は、PSG膜20およびNSG膜30と同様に、APCVDにより形成することができる。BSG膜42およびNSG膜52の厚さは、特に限定されないが、例えば、それぞれ10〜1000nmおよび100〜1000nmである。PSG膜21とBSG膜42との厚さ、およびNSG膜31とNSG膜52との厚さは、互いに異なっていても良い。
なお、図5(d)に示すように、BSG膜42の幅を、PSG膜21の幅よりも、広く形成することが好ましい。後述するように、PSG膜21をドーパント源としてn型拡散領域10bが、BSG膜42をドーパント源としてp型拡散領域10cが、基板10内にそれぞれ形成されるためである(図5(e)参照)。
以上の工程で、PSG膜21およびBSG膜42が、基板10の裏面に接して形成された基板1が準備された。この基板1の準備方法は例示である。基板1は、種々の方法により準備することができる。基板1を準備する他の例については後述する。
次に、図5(e)を参照して、第1熱処理工程を説明する。基板1を熱処理して、PSG膜21中のリン、およびBSG膜42中の硼素を、基板10内に同時に拡散させる。熱処理は、不活性ガス雰囲気中で、例えば窒素雰囲気中で行う。他の熱処理条件は特に限定されないが、例えば800℃で1時間行う。
この熱処理により、図5(e)に示すように、基板10のPSG膜21に接している部分にn型拡散領域10bが、基板10のBSG膜42に接している部分にp型拡散領域10cが、それぞれ同時に形成される。
ここで、NSG膜31は、PSG膜21にBSG膜42のドーパント(硼素)が混入するのを防ぐ拡散バリア層として機能する。同様に、NSG膜52は、BSG膜42のドーパント(硼素)が外部に拡散するのを防ぐ拡散バリア層として機能する。
リンと硼素とは、拡散のされやすさが異なる。同時拡散させても所定の特性が得られるように、PSG膜21およびBSG膜42のドーパント濃度および/または膜厚を調整することが好ましい。
この熱処理と連続して、図5(f)に示すように、基板10の受光面側にn型拡散領域10dを形成する。n型拡散領域10dは、例えば、オキシ塩化リン(POCl)、窒素、および酸素の混合ガス雰囲気で基板10を熱処理することにより形成できる。他の熱処理条件は特に限定されないが、例えば750℃で30分間行う。
次に、図5(g)を参照して、パターニング工程を説明する。図5(g)に示すように、PSG膜21、NSG膜31、BSG膜42、およびNSG膜52の一部を除去して、PSG膜23、NSG膜33、BSG膜43a、およびNSG膜53aからなる構造体95aと、BSG膜43bおよびNSG膜53bからなる構造体95bとを形成する。ここで、構造体95aは、n型拡散領域10bの上に形成される。そして、構造体95bは、p型拡散領域10cの上に形成される。構造体95a,95bの形成は、例えば、フォトリソグラフィを利用したパターニングを用いることができる。
なお、このパターニングの前に、またはこのパターニングと同時に、受光面側にn型拡散領域10dを形成する際にできるリンガラス層を除去するエッチングを行っても良い。
パターニング後、例えばRCA洗浄を行って、表面の不純物やパーティクル等を完全に除去する。このとき、フッ酸に溶解しない硼素化合物等が残留する場合がある。これを除去するため、酸素雰囲気で550℃程度に加熱して、硼素を酸化してから、再度フッ酸による洗浄を行っても良い。
図5(h)に示すように、構造体95a,95bを形成後、構造体95a,95b、露出した基板10のn型拡散領域10bおよびp型拡散領域10cを覆って、保護膜60を形成する。保護膜60は例えば、APCVDにより形成できる。
保護膜60を形成後、保護膜60を形成する際に受光面側に回り込んだNSG膜を除去するため、フッ酸洗浄を行っても良い。
次に、図6(a)を参照して、第2熱処理工程を説明する。上記の工程により、構造体95a,95bおよび保護膜60が形成された基板を熱処理する。熱処理により、PSG膜23中のリン、およびBSG膜43b中の硼素を、基板10内に拡散させる。この熱処理は、第1熱処理工程と同様に、不活性雰囲気で、例えば窒素雰囲気で行う。この熱処理は、第1熱処理工程よりも高い温度および/または長い時間で行う。この熱処理の条件は、例えば、950℃で1時間である。
この熱処理により、図6(a)に示すように、基板10のPSG膜23に接している部分に、高濃度n型拡散領域10eが形成される。第2熱処理工程は、第1熱処理工程よりも、高い温度および/または長い時間で行われる。そのため、高濃度n型拡散領域10eは、n型拡散領域10bよりも、ドーパント濃度が高く形成される。同様に、基板10のBSG膜43bに接している部分に、高濃度p型拡散領域10fが形成される。高濃度p型拡散領域10fは、p型拡散領域10cよりも、ドーパント濃度が高く形成される。
第2熱処理工程と連続して、炉内に酸素を導入してドライ酸化を行い、裏面のパッシベーションを行う。図6(b)に示すように、ドライ酸化によって、基板10の受光面および裏面にそれぞれ酸化膜10g,10hが形成される。酸化条件は、例えば950℃で10分間である。
次に、図6(c)に示すように、受光面側に反射防止膜70を形成する。反射防止膜70は、例えばプラズマCVDにより形成される。
次に、図6(d)に示すように、コンタクトホール80a,80bを形成する。コンタクトホール80aは、基板10の裏面側の酸化膜10h、構造体95a、および保護膜60を開孔して、高濃度n型拡散領域10eが露出するように形成される。コンタクトホール80bは、基板10の裏面側の酸化膜10h、構造体95b、および保護膜60を開孔して、高濃度p型拡散領域10fが露出するように形成される。コンタクトホール80a,80bは、例えばフォトリソグラフィにより形成される。
コンタクトホール80aの直径は、高濃度n型拡散領域10eの幅よりも小さいことが好ましい。そのため、図6(d)に示すように、構造体95aの中心付近に、構造体95aの幅よりも小さい直径のコンタクトホール80aが形成される。同様に、コンタクトホール80bの直径は、高濃度p型拡散領域10fの幅よりも小さいことが好ましい。そのため、構造体95bの中心付近に、構造体95bの幅よりも小さい直径のコンタクトホール80bが形成される。
最後に、図6(e)に示すように、コンタクト電極90a,90bを形成する。コンタクト電極90aは、コンタクトホール80aを通じて、高濃度n型拡散領域10eと接触するように形成する。コンタクト電極90bは、コンタクトホール80bを通じて、高濃度p型拡散領域10fと接触するように形成する。コンタクト電極90a,90bは、例えばスクリーン印刷法によって形成される。
以上、光電変換素子102の構成および製造方法を説明した。
本実施形態によれば、第1熱処理工程(図5(e))において、PSG膜21およびBSG膜42から、ドーパントを基板10に同時に拡散させる。これにより、基板10にn型拡散領域10bおよびp型拡散領域10cが同時に形成される。このとき、PSG膜21とBSG膜42との間には、NSG膜31が形成されている。これにより、BSG膜42のドーパント(硼素)が、PSG膜21およびn型拡散領域10bに混入することが防止される。
さらに、第2熱処理工程(図6(a))において、PSG膜23およびBSG膜43bから、ドーパントを基板10に同時に拡散させる。これにより、基板10に高濃度n型拡散領域10eおよび高濃度p型拡散領域10fが同時に形成される。このとき、PSG膜23とBSG膜43aとの間には、NSG膜33が形成されている。これにより、BSG膜43aのドーパント(硼素)が、PSG膜23および高濃度n型拡散領域10eに混入することが防止される。
これにより、コンタクト領域では拡散領域のドーパント濃度が低下することによる、コンタクト抵抗の増加を防止でき、同時にコンタクト領域以外の領域ではドーパント濃度が増加することによる、表面再結合の増加を防止することができる。したがって、光電変換素子102の変換効率を向上することができる。
また、低濃度のn型拡散領域、高濃度のn型拡散領域、低濃度のp型拡散領域、高濃度のp型拡散領域を個々に作製した場合、4回のパターニングが必要となる。これに対し、本実施形態による光電変換素子の製造方法では、拡散領域形成のためのパターニングは2回(図5(c)および図5(g))で良い。
そのため、製造工程を簡略化でき、製造コストを抑えることができる。
本実施形態では、PSG膜20(21,23)を覆って、NSG膜30(31,33)を形成する。同様に、BSG膜42(43a,43b)を覆ってNSG膜52(53a,53b)を形成する。上述のように、NSG膜31は、BSG膜42のドーパント(硼素)が、PSG膜21およびn型拡散領域10bに混入することを防止する。また、NSG膜33は、BSG膜43aのドーパント(硼素)が、PSG膜23および高濃度n型拡散領域10eに混入することを防止する。さらに、NSG膜53a,53bは、BSG膜43a,43bのドーパントが、外部に拡散するのを防止する。したがって、本実施形態のように、NSG膜30(31,33),52(53a,53b)が形成されることが好ましい。しかし、これらは本発明の必須の構成要素ではない。すなわち、NSG膜30(31,33),52(53a,53b)の一部または全部は、形成されなくても良い。
NSG膜30(31,33)を形成しない場合には、PSG膜20(21,23)を厚く形成することが好ましい。n型拡散領域10bおよび高濃度n型拡散領域10eが、BSG膜42(43a)の影響を受けないようにするためである。この場合、PSG膜20(21,23)の厚さは、例えば100〜1000nmである。PSG膜20(21,23)の厚さが100nm以上であれば、その上に直接BSG膜42(43a)が形成されても、BSG膜42(43a)のドーパントはPSG膜20(21,23)を突き抜けることはなく、基板10まで到達しない。
本実施形態においても、n型のドーパント源としてPSG膜を、p型のドーパント源としてBSG膜を、拡散バリア層としてNSG膜を用いた例を説明した。PSG膜、BSG膜、NSG膜の組み合わせは、本発明を実施する上で好適な組み合わせであるが、本発明はこれに限定されない。n型のドーパント源、p型のドーパント源、および拡散バリア層は、種々の材料を用いることができる。
なお、光電変換素子102においては、基板10としてp型の単結晶シリコン基板を用いても良い。
[光電変換素子102の製造方法の変形例]
以下では、光電変換素子102の製造方法の変形例について説明する。この製造方法は、先の実施形態と比較して、主に、基板準備工程が異なっている。
図7は、本変形例にかかる光電変換素子の製造方法の、基板準備工程を、模式的に示す断面図である。図7(a)に示すように、先の実施形態と同様に、まず、基板10を準備する。
次に、図7(b)に示すように、基板10の裏面に、印刷法により、n型ドーパント源29およびp型ドーパント源49を形成する。n型ドーパント源29とp型ドーパント源49とは、同時に形成されても良いし、個別に形成されても良い。また、n型ドーパント源29とp型ドーパント源49とは、厚さが異なっていても良い。
印刷法は例えば、インクジェット法や、スクリーン印刷法等である。
n型ドーパント源29は、例えば、リン酸塩、酸化リン、五酸化二リン、リン酸または有機リン化合物等を、溶剤で希釈したものを用いることができる。また、n型ドーパント源29には、増粘剤が添加されていても良い。p型ドーパント源49としては、例えば、酸化硼素、硼酸、有機硼素化合物、硼素アルミニウム化合物、有機アルミニウム化合物、またはアルミニウム塩等を、溶剤で希釈したものを用いることができる。また、p型ドーパント源49には、増粘剤が添加されていても良い。
次に、図7(c)に示すように、n型ドーパント源29およびp型ドーパント源49を覆って、拡散バリア層39を形成する。拡散バリア層39は、例えばNSG膜である。拡散バリア層39は、APCVDで形成しても良いし、印刷法で形成しても良い。拡散バリア層39は、n型ドーパント源29およびp型ドーパント源49のドーパントが、外部に拡散するのを防止する。したがって、本実施形態のように、拡散バリア層39を形成することが好ましい。しかし、拡散バリア層39は本発明の必須の構成要素ではない。すなわち、拡散バリア層39は形成されなくても良い。
以上の工程で、n型ドーパント源29およびp型ドーパント源49が、基板10の裏面に接して形成された基板2が準備された。
その後、先の実施形態と同様に、第1熱処理工程、パターニング工程、および第2熱処理工程等を行う。
本実施の形態によっても、少ない工程で、低濃度の拡散領域と高濃度の拡散領域とを有し、変換効率に優れた光電変換素子を作製できる。
[第3の実施形態]
図8は、本発明の第3の実施形態にかかる光電変換素子103の構成を模式的に示す断面図である。光電変換素子103は、光電変換素子102の構成から構造体95aを削除したものである。その結果、高濃度n型拡散領域10eは削除され、コンタクト電極90aはn型拡散領域10bに接する。
[光電変換素子103の製造方法]
以下、光電変換素子103の製造方法を説明する。本実施形態にかかる光電変換素子103の製造方法は、基板準備工程と、第1熱処理工程と、パターニング工程と、第2熱処理工程とを備える。なお、光電変換素子102と同様の工程については、適宜説明を省略する。
図9および図10は、本実施形態にかかる光電変換素子103の製造方法を、模式的に示す断面図である。
まず、図9(a)に示すように、光電変換素子102と同様の工程(図5(a)〜図5(d))により、PSG膜21およびBSG膜42が基板10の裏面に接して形成され、NSG膜31および52を備えた基板1を準備する。
次に、図9(b)に示すように、第1熱処理工程を行う。第1熱処理工程の詳細は、光電変換素子102の場合と同様であるので、省略する。
光電変換素子102の場合と同様に、第1熱処理と連続して、図9(c)に示すように、基板10の受光面側にn型拡散領域10dを形成する。
次に、図9(d)を参照して、パターニング工程を説明する。図9(d)に示すように、BSG膜42およびNSG膜52の一部を除去してBSG膜43bおよびNSG膜53bからなる構造体95bを形成する。光電変換素子102とは異なり、PSG膜21およびNSG膜31は完全に除去される。構造体95bは、p型拡散領域10cの上に形成される。構造体95bの形成は、例えば、フォトリソグラフィを利用したパターニングを用いることができる。
図9(e)に示すように、構造体95bを形成後、構造体95b、露出した基板10のn型拡散領域10bおよびp型拡散領域10cを覆って、保護膜60を形成する。保護膜60は例えば、APCVDにより形成できる。
次に、図10(a)を参照して、第2熱処理工程を説明する。上記の工程により、構造体95bおよび保護膜60が形成された基板を熱処理する。熱処理により、BSG膜43b中の硼素を、基板10内に拡散させる。この熱処理は、第1熱処理工程と同様に、不活性雰囲気で、例えば窒素雰囲気で行う。この熱処理は、第1熱処理工程よりも高い温度および/または長い時間で行う。この熱処理の条件は、例えば、950℃で1時間である。
この熱処理により、図10(a)に示すように、基板10のBSG膜43bに接している部分に、高濃度p型拡散領域10fが形成される。第2熱処理工程は、第1熱処理工程よりも、高い温度および/または長い時間で行われる。そのため、高濃度p型拡散領域10fは、p型拡散領域10cよりも、ドーパント濃度が高く形成される。
第2熱処理工程と連続して、炉内に酸素を導入してドライ酸化を行い、裏面のパッシベーションを行う。図10(b)に示すように、ドライ酸化によって、基板10の受光面および裏面にそれぞれ酸化膜10g,10hが形成される。酸化条件は、例えば950℃で10分間である。
次に、図10(c)に示すように、受光面側に反射防止膜70を形成する。反射防止膜70は、例えばプラズマCVDにより形成される。
次に、図10(d)に示すように、コンタクトホール80a,80bを形成する。コンタクトホール80aは、基板10の裏面側の酸化膜10h、および保護膜60を開孔して、n型拡散領域10bの一部が露出するように形成される。コンタクトホール80bは、基板10の裏面側の酸化膜10h、構造体95b、および保護膜60を開孔して、高濃度p型拡散領域10fの一部が露出するように形成される。コンタクトホール80a,80bは、例えばフォトリソグラフィにより形成される。
最後に、図10(e)に示すように、コンタクト電極90a,90bを形成する。コンタクト電極90aは、コンタクトホール80aを通じて、n型拡散領域10bと接触するように形成する。コンタクト電極90bは、コンタクトホール80bを通じて、高濃度p型拡散領域10fと接触するように形成する。コンタクト電極90a,90bは、例えばスクリーン印刷法によって形成される。
以上、光電変換素子103の構成および製造方法を説明した。
本実施形態にかかる光電変換素子103の構成によれば、基板10は、基板10の導電型と異なる導電型の拡散領域であるp型拡散領域において、p型拡散領域10cと高濃度拡散領域10fとを有する。そして、コンタクト電極90bは、高濃度p型拡散領域10fに接して形成されている。そのため、少数キャリアを収集するコンタクト電極90bのコンタクト抵抗を低下させることができる。そのため、光電変換素子103の変換効率を向上できる。
また、本実施形態にかかる光電変換素子103の製造方法によれば、拡散領域形成のためのパターニングは2回で良い。そのため、製造工程を簡略化でき、製造コストを抑えることができる。
[第4の実施形態]
図11は、本発明の第4の実施形態にかかる光電変換素子104の構成を模式的に示す断面図である。光電変換素子104は、光電変換素子102と比較して、構造体の構成が異なっている。より具体的には、光電変換素子104は、光電変換素子102の構造体95aおよび95bを、それぞれ95cおよび95dに置き換えた構成となっている。
構造体95cは、PSG膜25aおよびNSG膜35aが、この順で積層されて形成されている。構造体95cは、酸化膜10hを挟んで高濃度n型拡散領域10eの上に形成されている。構造体95cの面積は、高濃度n型拡散領域10eの面積とほぼ等しい。PSG膜25aおよびNSG膜35aの厚さは、例えば、それぞれ10〜1000nmおよび100〜1000nmである。
構造体95dは、BSG膜46、NSG膜56、PSG膜25b、およびNSG膜35bが、この順で積層されて形成されている。構造体95dは、酸化膜10hを挟んで高濃度p型拡散領域10fの上に形成されている。構造体95dの面積は、高濃度p型拡散領域10fの面積とほぼ等しい。BSG膜46およびPSG膜25bの厚さは、例えばそれぞれ10〜1000nmである。NSG膜56およびNSG膜35bの厚さは、例えば、それぞれ100〜1000nmである。BSG膜46とPSG膜25bとの厚さ、およびNSG膜56とNSG膜35bとの厚さは、相互に異なっていても良い。
[光電変換素子104の製造方法]
以下、光電変換素子104の製造方法を説明する。本実施形態にかかる光電変換素子104の製造方法は、基板準備工程と、第1熱処理工程と、パターニング工程と、第2熱処理工程とを備える。なお、光電変換素子102と同様の工程については、適宜説明を省略する。
図12および図13は、本実施形態にかかる光電変換素子104の製造方法を、模式的に示す断面図である。まず、図12(a)〜図12(d)を参照して、基板準備工程を説明する。
一方の面にテクスチャ構造10aを有する基板10を準備する(図12(a))。基板10の裏面に、BSG膜44およびNSG膜54を形成する(図12(b))。BSG膜44およびNSG膜54は、例えばAPCVDにより形成できる。BSG膜44およびNSG膜54の厚さは、特に限定されないが、例えば、それぞれ10〜1000nmおよび100〜1000nmである。BSG膜44およびNSG膜54を形成後、低温でアニールを行っても良い。BSG膜44およびNSG膜54の一部を除去して、BSG膜45およびNSG膜55を形成する(図12(c))。
次に、図12(d)に示すように、NSG膜55および基板10の裏面を覆って、PSG膜24を形成する。続いて、PSG膜24を覆って、NSG膜34を形成する。PSG膜24およびNSG膜34は、BSG膜44およびNSG膜54と同様に、APCVDにより形成することができる。PSG膜24およびNSG膜34の厚さは、特に限定されないが、例えば、それぞれ10〜1000nmおよび100〜1000nmである。
以上の工程で、PSG膜24およびBSG膜45が、基板10の裏面に接して形成された基板3が準備された。
次に、図12(e)に示すように、第1熱処理工程を行う。第1熱処理工程の詳細は、光電変換素子102の場合と同様であるので、省略する。
光電変換素子102の場合と同様に、第1熱処理と連続して、図12(f)に示すように、基板10の受光面側にn型拡散領域10dを形成する。
次に、図12(g)を参照して、パターニング工程を説明する。図12(g)に示すように、PSG膜24、NSG膜34、BSG膜45、およびNSG膜55の一部を除去して、PSG膜25aおよびNSG膜35aからなる構造体95cと、BSG膜46、NSG膜56、PSG膜25bおよびNSG膜35bからなる構造体95dとを形成する。ここで、構造体95cは、n型拡散領域10bの上に形成される。そして、構造体95dは、p型拡散領域10cの上に形成される。構造体95a,95bの形成は、例えば、フォトリソグラフィを利用したパターニングを用いることができる。
図12(h)に示すように、構造体95c,95dを形成後、構造体95c,95d、露出した基板10のn型拡散領域10bおよびp型拡散領域10cを覆って、保護膜60を形成する。保護膜60は例えば、APCVDにより形成できる。
次に、図13(a)を参照して、第2熱処理工程を説明する。上記の工程により、構造体95c,95dおよび保護膜60が形成された基板を熱処理する。熱処理により、PSG膜25a中のリン、BSG膜46中の硼素を、基板10内に拡散させる。この熱処理は、第1熱処理工程と同様に、不活性雰囲気で、例えば窒素雰囲気で行う。この熱処理は、第1熱処理工程よりも高い温度および/または長い時間で行う。この熱処理の条件は、例えば、950℃で1時間である。
この熱処理により、図13(a)に示すように、基板10のPSG膜25aに接している部分に、高濃度n型拡散領域10eが形成される。第2熱処理工程は、第1熱処理工程よりも、高い温度および/または長い時間で行われる。そのため、高濃度n型拡散領域10eは、n型拡散領域10bよりも、ドーパント濃度が高く形成される。同様に、基板10のBSG膜46に接している部分に、高濃度p型拡散領域10fが形成される。高濃度p型拡散領域10fは、p型拡散領域10cよりも、ドーパント濃度が高く形成される。
第2熱処理工程と連続して、炉内に酸素を導入してドライ酸化を行い、裏面のパッシベーションを行う。図13(b)に示すように、ドライ酸化によって、基板10の受光面および裏面にそれぞれ酸化膜10g,10hが形成される。酸化条件は、例えば950℃で10分間である。
次に、図13(c)に示すように、受光面側に反射防止膜70を形成する。反射防止膜70は、例えばプラズマCVDにより形成される。
次に、図13(d)に示すように、コンタクトホール80a,80bを形成する。コンタクトホール80aは、基板10の裏面側の酸化膜10h、構造体95c、および保護膜60を開孔して、高濃度n型拡散領域10eの一部が露出するように形成される。コンタクトホール80bは、基板10の裏面側の酸化膜10h、構造体95d、および保護膜60を開孔して、高濃度p型拡散領域10fの一部が露出するように形成される。コンタクトホール80a,80bは、例えばフォトリソグラフィにより形成される。
最後に、図13(e)に示すように、コンタクト電極90a,90bを形成する。コンタクト電極90aは、コンタクトホール80aを通じて、高濃度n型拡散領域10eと接触するように形成する。コンタクト電極90bは、コンタクトホール80bを通じて、高濃度p型拡散領域10fと接触するように形成する。コンタクト電極90a,90bは、例えばスクリーン印刷法によって形成される。
以上、光電変換素子104の構成および製造方法を説明した。
本実施形態にかかる光電変換素子104の構成によっても、コンタクト領域では拡散領域のドーパント濃度が低下することによる、コンタクト抵抗の増加を防止でき、同時にコンタクト領域以外の領域ではドーパント濃度が増加することによる、表面再結合の増加を防止することができる。したがって、光電変換素子104の変換効率を向上することができる。
また、本実施形態にかかる光電変換素子104の製造方法によれば、拡散領域形成のためのパターニングは2回で良い。そのため、製造工程を簡略化でき、製造コストを抑えることができる。
[第5の実施形態]
図14は、本発明の第5の実施形態にかかる光電変換素子105の構成を模式的に示す断面図である。光電変換素子105は、光電変換素子104の構成から、構造体95cを削除したものである。その結果、高濃度n型拡散領域10eが削除され、コンタクト電極90aがn型拡散領域10bに接する。
[光電変換素子105の製造方法]
以下、光電変換素子105の製造方法を説明する。本実施形態にかかる光電変換素子105の製造方法は、基板準備工程と、第1熱処理工程と、パターニング工程と、第2熱処理工程とを備える。なお、光電変換素子104と同様の工程については、適宜説明を省略する。
図15および図16は、本実施形態にかかる光電変換素子105の製造方法を、模式的に示す断面図である。
まず、図15(a)に示すように、光電変換素子104と同様の工程(図12(a)〜図12(d))により、PSG膜24およびBSG膜45が基板10の裏面に接して形成され、NSG膜34およびNSG膜55を備えた基板3を準備する。
次に、図15(b)に示すように、第1熱処理工程を行う。第1熱処理工程の詳細は、光電変換素子104の場合と同様であるので、省略する。
光電変換素子104の場合と同様に、第1熱処理と連続して、図15(c)に示すように、基板10の受光面側にn型拡散領域10dを形成する。
次に、図15(d)を参照して、パターニング工程を説明する。図15(d)に示すように、PSG膜24、NSG膜34、BSG膜45、およびNSG膜55の一部を除去して、BSG膜46、NSG膜56、PSG膜25b、およびNSG膜35bからなる構造体95dを形成する。構造体95dは、p型拡散領域10cの上に形成される。構造体95dの形成は、例えば、フォトリソグラフィを利用したパターニングを用いることができる。
図15(e)に示すように、構造体95dを形成後、構造体95d、露出した基板10のn型拡散領域10bおよびp型拡散領域10cを覆って、保護膜60を形成する。保護膜60は例えば、APCVDにより形成できる。
次に、図16(a)を参照して、第2熱処理工程を説明する。上記の工程により、構造体95dおよび保護膜60が形成された基板を熱処理する。熱処理により、BSG膜46b中の硼素を、基板10内に拡散させる。この熱処理は、第1熱処理工程と同様に、不活性雰囲気で、例えば窒素雰囲気で行う。この熱処理は、第1熱処理工程よりも高い温度および/または長い時間で行う。この熱処理の条件は、例えば、950℃で1時間である。
この熱処理により、図16(a)に示すように、基板10のBSG膜46に接している部分に、高濃度p型拡散領域10fが形成される。第2熱処理工程は、第1熱処理工程よりも、高い温度および/または長い時間で行われる。そのため、高濃度p型拡散領域10fは、p型拡散領域10cよりも、ドーパント濃度が高く形成される。
第2熱処理工程と連続して、炉内に酸素を導入してドライ酸化を行い、裏面のパッシベーションを行う。図16(b)に示すように、ドライ酸化によって、基板10の受光面および裏面にそれぞれ酸化膜10g,10hが形成される。酸化条件は、例えば950℃で10分間である。
次に、図16(c)に示すように、受光面側に反射防止膜70を形成する。反射防止膜70は、例えばプラズマCVDにより形成される。
次に、図16(d)に示すように、コンタクトホール80a,80bを形成する。コンタクトホール80aは、基板10の裏面側の酸化膜10h、および保護膜60を開孔して、n型拡散領域10bの一部が露出するように形成される。コンタクトホール80bは、基板10の裏面側の酸化膜10h、構造体95d、および保護膜60を開孔して、高濃度p型拡散領域10fの一部が露出するように形成される。コンタクトホール80a,80bは、例えばフォトリソグラフィにより形成される。
最後に、図16(e)に示すように、コンタクト電極90a,90bを形成する。コンタクト電極90aは、コンタクトホール80aを通じて、n型拡散領域10bと接触するように形成する。コンタクト電極90bは、コンタクトホール80bを通じて、高濃度p型拡散領域10fと接触するように形成する。コンタクト電極90a,90bは、例えばスクリーン印刷法によって形成される。
以上、光電変換素子105の構成および製造方法を説明した。
本実施形態にかかる光電変換素子105の構成によれば、基板10は、基板10の導電型と異なる導電型の拡散領域であるp型拡散領域において、p型拡散領域10cと高濃度拡散領域10fとを有する。そして、コンタクト電極90bは、高濃度p型拡散領域10fに接して形成されている。そのため、少数キャリアを収集するコンタクト電極90bのコンタクト抵抗を低下させることができる。そのため、光電変換素子103の変換効率を向上できる。
また、本実施形態にかかる光電変換素子105の製造方法によれば、拡散領域形成のためのパターニングは2回で良い。そのため、製造工程を簡略化でき、製造コストを抑えることができる。
[その他の実施形態]
図17〜図20は、本発明の変形例にかかる光電変換素子106〜115の概略構成を模式的に示す断面図である。光電変換素子106〜115は、光電変換素子102〜105の構成から、構造体95a〜95dの構成のみを変更したものである。図を見易くするために、図17〜図20では、関連する構成のみを抜き出して示している。具体的には、コンタクト電極90aおよび90b、構造体95a〜95m、および基板10の構成の一部のみを図示し、例えば保護膜60および反射防止膜70等の図示は省略している。
図17を参照して、光電変換素子106〜108は、光電変換素子102(図4)の変形例である。光電変換素子106〜108によっても、光電変換素子102と同様の効果が得られる。
図17(a)を参照して、光電変換素子106は、光電変換素子102の構造体95aおよび95bを、それぞれ構造体95eおよび95fに置き換えたものである。構造体95eは、PSG膜23、NSG膜33、およびBSG膜43aが、この順で積層されたものである。構造体95fは、BSG膜43bからなる。光電変換素子106は、光電変換素子102から、NSG膜53aおよび53bを削除したものである。光電変換素子106は、光電変換素子102の製造工程において、NSG膜52を形成する工程(図5(d))を省略することによって得られる。
図17(b)を参照して、光電変換素子107は、光電変換素子102の構造体95aを構造体95gに置き換えたものである。構造体95gは、PSG膜23、BSG膜43a、およびNSG膜53aが、この順で積層されたものである。光電変換素子107は、光電変換素子102から、NSG膜33を削除したものである。光電変換素子107は、光電変換素子102の製造工程において、NSG膜30を形成する工程(図5(b))を省略することによって得られる。NSG膜30を形成しないため、PSG膜20(23)の厚さは100nm以上である。これによって、BSG膜43a中の硼素が熱処理工程(図6(a))において基板10へ拡散するのを防止できる。
図17(c)を参照して、光電変換素子108は、光電変換素子102の構造体95aおよび95bを、それぞれ構造体95hおよび95fに置き換えたものである。構造体95hは、PSG膜23およびBSG膜43aが、この順で積層されたものである。光電変換素子108は、光電変換素子102から、NSG膜33、53a、および53bを削除したものである。光電変換素子108は、光電変換素子102の製造工程において、NSG膜30を形成する工程(図5(b))およびNSG膜52を形成する工程(図5(d))を省略することによって得られる。NSG膜30を形成しないため、PSG膜20(23)の厚さは100nm以上である。これによって、BSG膜43a中の硼素が熱処理工程(図6(a))において基板10へ拡散するのを防止できる。
図18を参照して、光電変換素子109は、光電変換素子103(図8)の変形例である。光電変換素子109によっても、光電変換素子103と同様の効果が得られる。
光電変換素子109は、光電変換素子103の構造体95bを、構造体95fに置き換えたものである。光電変換素子109は、光電変換素子103から、NSG膜53bを削除したものである。光電変換素子109は、光電変換素子103の製造工程において、NSG膜52を形成する工程(図5(d))を省略することによって得られる。
図19を参照して、光電変換素子110〜112は、光電変換素子104(図11)の変形例である。光電変換素子110〜112によっても、光電変換素子104と同様の効果が得られる。
図19(a)を参照して、光電変換素子110は、光電変換素子104の構造体95cおよび95dを、それぞれ構造体95iおよび95jに置き換えたものである。構造体95iは、PSG膜25aからなる。構造体95jは、BSG膜46、NSG膜56、およびBSG膜25bが、この順で積層されたものである。光電変換素子110は、光電変換素子104から、NSG膜35aおよび35bを削除したものである。光電変換素子110は、光電変換素子104の製造工程において、NSG膜34を形成する工程(図12(d))を省略することによって得られる。
図19(b)を参照して、光電変換素子111は、光電変換素子104の構造体95dを、構造体95kに置き換えたものである。構造体95kは、BSG膜46、PSG膜25b、およびNSG膜35bが、この順で積層されたものである。光電変換素子111は、光電変換素子104から、NSG膜56を削除したものである。光電変換素子111は、光電変換素子104の製造工程において、NSG膜54を形成する工程(図12(b))を省略することによって得られる。NSG膜54を形成しないため、BSG膜44(46)の厚さは100nm以上である。これによって、PSG膜25b中のリンが熱処理工程(図13(a))において基板10へ拡散するのを防止できる。
図19(c)を参照して、光電変換素子112は、光電変換素子104の構造体95cおよび95dを、それぞれ構造体95iおよび95mに置き換えたものである。構造体95mは、BSG膜46およびPSG膜25bが、この順で積層されたものである。光電変換素子112は、光電変換素子104から、NSG膜56、35a、および35bを削除したものである。光電変換素子112は、光電変換素子104の製造工程において、NSG膜54を形成する工程(図12(b))およびNSG膜34を形成する工程(図12(d)を省略することによって得られる。NSG膜54を形成しないため、BSG膜44(46)の厚さは100nm以上である。これによって、PSG膜25b中のリンが熱処理工程(図13(a))において基板10へ拡散するのを防止できる。
図20を参照して、光電変換素子113〜115は、光電変換素子105(図14)の変形例である。光電変換素子113〜115によっても、光電変換素子105と同様の効果が得られる。
図20(a)を参照して、光電変換素子113は、光電変換素子105の構造体95dを、構造体95jに置き換えたものである。光電変換素子113は、光電変換素子105から、NSG膜35bを削除したものである。光電変換素子113は、光電変換素子105の製造工程において、NSG膜34を形成する工程(図12(d))を省略することによって得られる。
図20(b)を参照して、光電変換素子114は、光電変換素子105の構造体95dを、構造体95kに置き換えたものである。光電変換素子114は、光電変換素子105から、NSG膜56を削除したものである。光電変換素子114は、光電変換素子105の製造工程において、NSG膜54を形成する工程(図12(b))を省略することによって得られる。NSG膜54を形成しないため、BSG膜44(46)の厚さは100nm以上である。これによってPSG膜25b中のリンが熱処理工程(図16(a))において、基板10へ拡散するのを防止できる。
図20(c)を参照して、光電変換素子115は、光電変換素子105の構造体95dを、構造体95mに置き換えたものである。光電変換素子115は、光電変換素子105から、NSG膜56および35bを削除したものである。光電変換素子115は、光電変換素子105の製造工程において、NSG膜54を形成する工程(図12(b))およびNSG膜34を形成する工程(図12(d)を省略することによって得られる。NSG膜54を形成しないため、BSG膜44(46)の厚さは100nm以上である。これによってPSG膜25b中のリンが熱処理工程(図16(a))において、基板10へ拡散するのを防止できる。
光電変換素子102〜115によって例示されるように、本発明にかかる光電変換素子は、少なくとも基板の導電型と異なる導電型の拡散領域において、濃度の異なる領域を有している。そして、少なくとも基板の導電型と異なる導電型の拡散領域に接して形成されたコンタクト電極のまわりに、構造体を有している。さらに、当該構造体は、少なくとも基板の導電型と異なる導電型のドーパントを供給するドーパント源を含んでいる。
上記の構成によれば、コンタクト電極の一方は、基板の導電型と異なる導電型のドーパントを供給するドーパント源を含む構造体により形成された、基板の導電型と異なる導電型の高濃度拡散領域に接している。これにより、少なくとも少数キャリアを収集するコンタクト電極のコンタクト抵抗を低下させることができる。そのため、光電変換素子の変換効率を向上できる。
以上、本発明についての実施形態を説明したが、本発明は上述の各実施形態のみに限定されず、発明の範囲内で種々の変更が可能である。また、上述した各実施形態は、適宜組み合わせて実施が可能である。
本発明は、光電変換素子および光電変換素子の製造方法として産業上の利用が可能である。
10 単結晶シリコン基板、10a テクスチャ構造、10b,10d n型拡散領域、10c p型拡散領域、10e,10i 高濃度n型拡散領域、10f,10j 高濃度p型拡散領域、10g,10h 酸化層、20〜24,25a,25b PSG膜、30〜34,35a,35b,50〜52,53a,53b,54〜56 NSG膜、40〜42、43a,43b,44〜46 BSG膜、60,61 保護膜、70 反射防止膜、80a,80b コンタクトホール、90a,90b,91a,91b コンタクト電極、95a,95b 構造体

Claims (21)

  1. 単結晶シリコン基板の導電型と同じ導電型を有する第1ドーパントを供給する第1ドーパント源と、前記単結晶シリコン基板の導電型と反対の導電型を有する第2ドーパントを供給する第2ドーパント源とが前記単結晶シリコン基板の片面に接して形成された基板を準備する工程と、
    前記基板を熱処理して前記第1および第2ドーパントを前記単結晶シリコン基板に拡散する第1熱処理工程と、
    幅が狭くなるように前記第2ドーパント源を少なくともエッチングするパターニング工程と、
    前記パターニング工程後の基板を、前記第1熱処理工程よりも高い温度および/または長い時間で熱処理して前記第2ドーパントを少なくとも前記単結晶シリコン基板へ拡散する第2熱処理工程とを備える、光電変換素子の製造方法。
  2. 前記パターニング工程において、前記第1ドーパント源を完全に除去する、請求項1に記載の光電変換素子の製造方法。
  3. 前記基板を準備する工程は、
    前記単結晶シリコン基板の前記片面を覆って、前記第1ドーパント源を形成する工程と、
    前記第1ドーパント源の一部を除去する工程と、
    前記単結晶シリコン基板および前記第1ドーパント源を覆って、前記第2ドーパント源を形成する工程とを備え、
    前記第1ドーパント源の厚さが100nm以上である、請求項1または2に記載の光電変換素子の製造方法。
  4. 前記基板を準備する工程は、
    前記単結晶シリコン基板の前記片面を覆って、前記第1ドーパント源を形成する工程と、
    前記第1ドーパント源を覆って、第1拡散バリア層を形成する工程と、
    前記第1ドーパント源および前記第1拡散バリア層の一部を除去する工程と、
    前記単結晶シリコン基板および前記第1拡散バリア層を覆って、前記第2ドーパント源を形成する工程とを備える、請求項1または2に記載の光電変換素子の製造方法。
  5. 前記基板を準備する工程は、
    前記第2ドーパント源を覆って、第2拡散バリア層を形成する工程をさらに備える、請求項3または4に記載の光電変換素子の製造方法。
  6. 前記基板を準備する工程は、
    前記単結晶シリコン基板の前記片面を覆って、前記第2ドーパント源を形成する工程と、
    前記第2ドーパント源の一部を除去する工程と、
    前記単結晶シリコン基板および前記第2ドーパント源を覆って、前記第1ドーパント源を形成する工程とを備え、
    前記第2ドーパント源の厚さが100nm以上である、請求項1または2に記載の光電変換素子の製造方法。
  7. 前記基板を準備する工程は、
    前記単結晶シリコン基板の前記片面を覆って、前記第2ドーパント源を形成する工程と、
    前記第2ドーパント源を覆って、第1拡散バリア層を形成する工程と、
    前記第2ドーパント源および前記第1拡散バリア層の一部を除去する工程と、
    前記単結晶シリコン基板および前記第1拡散バリア層を覆って、前記第1ドーパント源を形成する工程とを備える、請求項1または2に記載の光電変換素子の製造方法。
  8. 前記基板を準備する工程は、
    前記第1ドーパント源を覆って、第2拡散バリア層を形成する工程をさらに備える、請求項6または7に記載の光電変換素子の製造方法。
  9. 前記第1拡散バリア層は、ノンドープシリコンガラス膜である、請求項4または7に記載の光電変換素子の製造方法。
  10. 前記第2拡散バリア層は、ノンドープシリコンガラス膜である、請求項5または8に記載の光電変換素子の製造方法。
  11. 前記第1ドーパント源は、リンドープシリコンガラス膜であり、
    前記第2ドーパント源は、硼素ドープシリコンガラス膜である、請求項1〜10のいずれか一項に記載の光電変換素子の製造方法。
  12. 前記第1ドーパント源は、硼素ドープシリコンガラス膜であり、
    前記第2ドーパント源は、リンドープシリコンガラス膜である、請求項1〜10のいずれか一項に記載の光電変換素子の製造方法。
  13. 前記単結晶シリコン基板は、n型単結晶シリコン基板である、請求項1〜11のいずれか一項に記載の光電変換素子の製造方法。
  14. 前記単結晶シリコン基板は、p型単結晶シリコン基板である、請求項1〜10、および12のいずれか一項に記載の光電変換素子の製造方法。
  15. 第1拡散領域と、第2拡散領域とを片面に有する単結晶シリコン基板と、
    前記単結晶シリコン基板の前記片面に設けられた第1および第2電極とを備え、
    前記第1拡散領域は、前記単結晶シリコン基板と同じ導電型であり、第1濃度領域と、前記第1濃度領域よりもドーパント濃度の高い第2濃度領域とを有し、
    前記第2拡散領域は、前記単結晶シリコン基板と異なる導電型であり、第3濃度領域と、前記第3濃度領域よりもドーパント濃度の高い第4濃度領域とを有し、
    前記第1電極は、前記第2濃度領域に接しており、
    前記第2電極は、前記第4濃度領域に接しており、
    前記第4濃度領域のドーパント濃度は、前記第2濃度領域のドーパント濃度よりも高い、光電変換素子。
  16. 第1拡散領域と、第2拡散領域とを片面に有する単結晶シリコン基板と、
    前記第1拡散領域に接して形成された第1電極と、
    前記第2拡散領域に接して形成された第2電極と、
    前記第2電極の周りに形成された第1構造体とを備え、
    前記第1拡散領域は、前記単結晶シリコン基板と同じ導電型であり、
    前記第2拡散領域は、前記単結晶シリコン基板と異なる導電型であり、第1濃度領域と、前記第1濃度領域よりもドーパント濃度の高い第2濃度領域とを有し、
    前記第1構造体は、前記第2拡散領域と同じ導電型のドーパントを供給する第1ドーパント源を含んでいる、光電変換素子。
  17. 前記第1電極の周りに形成された第2構造体をさらに備え、
    前記第1拡散領域は、第3濃度領域と、前記第3濃度領域よりもドーパント濃度の高い第4濃度領域とを有し、
    前記第2構造体は、前記第1拡散領域と同じ導電型のドーパントを供給する第2ドーパント源を含んでいる、請求項16に記載の光電変換素子。
  18. 前記第1ドーパント源は、硼素ドープシリコンガラス膜であり、
    前記第2ドーパント源は、リンドープシリコンガラス膜である、請求項17に記載の光電変換素子。
  19. 前記第1ドーパント源は、リンドープシリコンガラス膜であり、
    前記第2ドーパント源は、硼素ドープシリコンガラス膜である、請求項17に記載の光電変換素子。
  20. 前記単結晶シリコン基板は、n型単結晶シリコン基板である、請求項16〜18のいずれか一項に記載の光電変換素子。
  21. 前記単結晶シリコン基板は、p型単結晶シリコン基板である、請求項16、17および19のいずれか一項に記載の光電変換素子。
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