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JP2023527958A - バックコンタクト型太陽電池 - Google Patents

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Abstract

本発明は、前面（１６）及び背面（１４）を有する半導体基板（１２）、特にはシリコンウェハ、を含むバックコンタクト型太陽電池（１０）であって、前記太陽電池（１０）は、第１の極性の電極（３０）及び第２の極性の電極（３２）を背面に有し、トンネル層（１８）及び高度にドープされたシリコン層（２０）が第１の極性の電極（３４）の下に位置し、第２の極性の電極（３６）が前記半導体基板（１２）と直接の電気的及び機械的な接触をすることを特徴とする、前記バックコンタクト型太陽電池（１０）に関する。

Description

本発明は太陽電池に関し、また、太陽電池を製造する方法に関する。
知られているように、太陽電池は光を電気エネルギーに変換するための光起電素子として働く。光が半導体基板に吸収された際に生成する電荷キャリアペアは、第１のドープ型、例えばｎ型又はｐ型、を（第１の極性を生み出すために）有するエミッター領域と、反対のドープ型を（反対の極性を生み出すために）有するベース領域との間の接合部で分離される。このようにして生成しそして分離した電荷キャリアペアは、エミッター領域に接するエミッターコンタクトを通じて、及びベース領域に接触するベースコンタクトを通じて外部回路に供給することができる。
一つの極性のコンタクトが前面側に配置され、反対の極性のコンタクトが背面側に配置された太陽電池が知られている。太陽に面する面は前面と呼ばれ、背面は太陽から遠い側にある。前面上のコンタクトによる影落としに起因する損失を最小化するために、バックコンタクト型太陽電池（back-side contact solar cells）が開発された。バックコンタクト型太陽電池では、両方のコンタクト型、つまりエミッターコンタクト及びベースコンタクトが半導体基板の背面に配置されている。
太陽電池の前面への影落としが無く、そのため入射する放射がより多くの自由電荷キャリアを生成するため、バックコンタクト型太陽電池はより高い効率のための大きな可能性を有している。２つの極性の電極は、太陽電池の背面に互いに隣接して配置される。生成した電荷キャリアは、そのため、太陽電池内を横にも流れなければならない。この横方向電流で生じる抵抗損失を最小化し、自由電荷キャリア同士が電極に到達する前に再結合することを防ぐために、２つの極性の電極は互いになるべく近くあるべきである。電極は、極性に応じてｐ型シリコン又はｎ型シリコンに接続しているため、ｐｎ接合同士も互いになるべく近くにある。ｐｎ接合は、５００μｍ未満の解像度の微細な櫛形構造であるが、これは例えば、レーザー照射により生み出される。このプロセスでは、パルス状のレーザービームが、時間及び位置の点で別個に表面を融解することにより２つの異なるドーパント、例えばホウ素及びリン、が局所的にシリコンに入るようにし、ドーパントに応じて高ｐ型ドーピング又は高ｎ型ドーピングを生み出す。このような微細な構造は、低い内部直列抵抗、及びｎ＝２４％といった効率ηを可能とする。より高い効率は、ベース内での、並びに高度にドープされたコンタクト付き表面及びコンタクト無し表面における、再結合メカニズムにより実質的に制限される。ベース内での再結合はウェハ品質に左右され、太陽電池のさらなる製造プロセス中には低度にしか影響され得ない。高度にドープされたｎ型表面及びｐ型表面における再結合は、コンタクト無し領域では、良好な表面パッシベーションにより制限される。前記は、例えばアモルファス水素化シリコンの場合、シリコン内のドーパント濃度と共に増加するオージェ（Auger）再結合によるものである。コンタクト付き領域においては、シリコンは金属と接触しており、このことは高い界面再結合を生じる。太陽電池プロセスにおいて、シリコン中にできる限り少ないドーパントしか存在しなければコンタクト無し表面におけるオージェ再結合を減少させることができ、一方、金属／シリコンコンタクトでの界面再結合は、可能な限り小さいコンタクト面積を用いることで減少させることができる。しかし、ドーパント及びコンタクト面積を単純に減少させると直列抵抗は増加し、今度はこのことが効率の制約因子となってしまう。
この理由のため、パッシベーションされた又は選択性のコンタクトが用いられる。金属電極は結晶性ベースに直接電気的に接続されるのではなく、薄いトンネル酸化物により分離され、トンネル酸化物はシリコン表面をパッシベーションするものの、同時に、極性に応じて半導体から電極へ、及び／又は電極から半導体へと電子が酸化物を通ってトンネルできるほどに薄い。電子をトンネルさせるよう励起するために、トンネル酸化物には電場が存在しなければならない。電場は、トンネル酸化物上の高度にドープされたｎ型シリコン又はｐ型シリコンにより生み出すことができる。トンネル酸化物の上でのこのシリコンのドーピングはトンネル酸化物の下方のシリコンベース中におけるバンド曲げ（band bending）につながるため、シリコンベースのより高度なドーピングはもはや必要無い。高度にドープされたｎ型シリコン上では、電子のみがトンネル酸化物を通り抜けるが、これは電子流としても知られており、一方、高度にドープされたｐ型シリコン上では、いわゆる正孔流だけが起こる：電子は、高度にドープされたｐ型シリコンからシリコンベースに入る。金属電極それ自体は、トンネル酸化物の上方の高度にドープされたｎ型又はｐ型のシリコンと電気的及び機械的接触をしているのみである。ドーピングに応じて、トンネル酸化物と組み合わさっての高度にドープされたシリコン領域の選択性は、ほぼ排他的に１種類の電荷キャリアが金属／シリコンコンタクト領域に輸送されることを保証し、界面再結合を最小化する。提示された構造はさらに、トンネル酸化物に向かうシリコンベースの表面でのオージェ再結合を減少させる。これは、ｐｎ接合界面、又はこの界面におけるベースへのオーミックコンタクトのために高ドーピングは必要無いからである。パッシベーションされたコンタクトを有するバックコンタクト型太陽電池はこれまでのところ、η＝２６．７％という記録的効率を達成している。しかし、このような電池の製造はこれまでは非常に複雑である。２つの異なるドーピングを受けた選択的コンタクトは、種々の複雑なマスキング及び構造形成ステップを用いてのみ与えることができるためである。そのようにする際には、マスキング及び構造形成の高精度かつ微細な解像度に注意を払わなくてはならない。選択的なコンタクト同士の間の距離は大きすぎてはならず、自由電荷キャリアの拡散長を超えるものとすべきではなく、また、ベース内における横電流によって内部直列抵抗の増加につながるべきでもない。
これらの不利な点は本発明に係る太陽電池により、及びそのような太陽電池を製造する本発明に係る方法により解消される。
本発明によれば、太陽に向いた前面と、背面とを有する半導体基板、特にはシリコンウェハ、を含むバックコンタクト型太陽電池であって、背面に第１の極性の電極及び第２の極性の電極を有する太陽電池について、トンネル層及び高度にドープされたシリコン層を第１の極性の電極の下に位置させ、第２の極性の電極が前記半導体基板と直接の電気的及び機械的接触をするようにさせることが提案される。
１つの実施形態によれば、第２の極性の電極が高度にドープされたベース領域で半導体基板と接触することとされる。この高度なドーピングは低い接触抵抗のために必要である。
１つの実施形態によれば、コンタクト無しの、軽度にドープされた領域が、前記高度にドープされたシリコン層をベース領域から隔てることとされる。この、コンタクト無しの、パッシベーションされた領域では、コンタクトを有し、前記高度にドープされたベース領域よりも低いドーピングであることが有利でありうる。
さらなる実施形態は、上記の実施形態に係るバックコンタクト型太陽電池を製造する方法に関する。背面での微細解像度構造形成の製造は、マスキング無しに行われる。これは、局所的なレーザー照射により実現される。その方法は以下に記載される。
太陽電池の半導体基板、特にはシリコンウェハ、は、背面、特には研磨された又はテクスチャー形成された背面、及び前面、特にはテクスチャー形成された前面、を有する。前記方法の第１のステップでは、トンネル層、特にはシリコン酸化物を含むトンネル層、が、前面の表面及び／又は背面の表面に付与される。該トンネル層は、好ましくは約４ナノメートル以下の厚さを有する。該トンネル層は、例えば、熱プロセス若しくはウエットケミカルプロセスで、又は堆積により形成される。
１つの実施形態によれば、前記方法はさらに、背面側トンネル層上に、高度にドープされた第１の極性のシリコン層、特には高度にドープされた第１の極性の全面積シリコン層、を堆積するステップを含む。前記高度にドープされた第１の極性のシリコン層は、例えば、プラズマＣＶＤつまりＰＥＣＶＤ、常圧ＣＶＤつまりＡＰＣＶＤ、低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）、又はスパッタリングにより堆積することができる。前記高度にドープされた第１の極性のシリコン層は、おおよそ、１００ナノメートル～３００ナノメートルの厚さを有する。
高度にドープされた第１の極性のシリコン層は、１つではなく２つのステップで堆積することもできる。１つの実施形態によれば、前記高度にドープされた第１の極性のシリコン層を堆積させることは、ドープされていないシリコンを堆積すること、及びそれからドーパントを導入すること、を含む。ドーパントは、例えば、イオン注入、炉を用いた拡散（furnace diffusion）、又はレーザー拡散により導入される。ドーパントは、例えば、ホウ素、アルミニウム、又はガリウムである。
１つの実施形態によれば、前記方法は、前記トンネル層、特には二酸化ケイ素、及び／又は前記高度にドープされた第１の極性のシリコン層を前面から除去するステップを含むこととされる。前記トンネル層及び／又は前記高度にドープされた第１の極性の前記シリコン層は、全面積にわたり、又は局所的に、エッチング除去することができる。
１つの実施形態によれば、前記方法は、第２の極性のドーパントを含む前駆体層を、背面及び／又は前面の前記高度にドープされた第１の極性のシリコン層上に付与するステップを含むこととされる。前記高度にドープされた第１の極性のシリコン層がｐ型シリコン層の場合、第２の極性によってシリコンをドーピングするためのドーパントは、例えばリンである。前駆体層を付与するためには、例えば炉を用いた拡散プロセスを行うことができる。このプロセスにおいては、背面の及び前面の高度にドープされたｐ型シリコン層上でリンケイ酸ガラスが成長する。炉を用いた拡散プロセスは、炉を用いた拡散のプロセスの後ではリンの大部分がリンケイ酸ガラス内に含まれるように行うことができる。炉を用いた拡散の間、リンは太陽電池の前面内へと拡散し、前面表面をｎ型にドープする。背面では、リンはまた前記高度にドープされたｐ型シリコン層内へと拡散する。炉を用いた拡散のパラメータは、ｐ型シリコン層内においてはホウ素のドーパント濃度をリンのドーパント濃度が超えないように選択される。前駆体層、例えばリンケイ酸ガラス、はその他の方法、例えばＰＥＣＶＤ、を用いて付与することもできる。
１つの実施形態によれば、炉を用いた拡散の間に、第２のドーパントの一部が前駆体層から前記高度にドープされたシリコン層へと拡散することとされる。炉を用いた拡散は、前記高度にドープされたシリコン層中における第１のドーパントのドーパント濃度を拡散された第２のドーパントのドーパント濃度が超えないように、行われる。このようにすることで、炉を用いた拡散の間における第１のドーパントに対する過剰な相殺（overcompensation）が防がれる。したがって、前記高度にドープされた第１極性のシリコン層がｐ型シリコン層であって第２極性のドーパントがリンの場合、高度にドープされたｐ型シリコン層はｐ型にドープされたままであることになる。一方で、前駆体層中に依然として存在する第２のドーパントの量は、前記高度にドープされたシリコン層中における第１のドーパントのドーパント量よりも大きい。
１つの実施形態によれば、前記方法は、背面をレーザー照射するステップを含むこととされ、これは特には局所的に高度にドープされた第２の極性のベース領域を形成するためである。先に付与された第２の極性のドーパントがリンであるならば、局所的に高度にドープされたｎ型ベース領域を形成するためのレーザー照射の際にリンケイ酸ガラスがドーピング源として働く。レーザー放射のエネルギーは、選択された領域において、前記リンケイ酸ガラス、前記高度にドープされたｐ型シリコン層、前記トンネル層、及び背面の表面を局所的に溶融する。前記リンケイ酸ガラス及び前記高度にドープされたｐ型シリコン層からのドーパントは、背面の表面上のシリコン溶融物内へと拡散する。レーザー放射が沈静化すると、溶融物は冷え、固化する。両方のドーパントがシリコン内に残り、ここで一方又は両方のドーパントが表面に集積している。前駆体層内に第２極性のドーパントがより大きな量で存在するために、固化したシリコン表面内における第２のドーパントの濃度は前記高度にドープされたｐ型シリコン層からの第１のドーパントの濃度よりも顕著に高く、そのため、選択された領域における過剰相殺を通じて局所的な高ｎ型ドーピングを生じる。レーザーパラメータを適切に選択することで、選択された領域内に、ドーピングのレベルが異なるｎ型シリコンの領域（複数）を局所的にかつ選択的に形成することもできる。
１つの実施形態によれば、前記方法は、前記高度にドープされた第１の極性のシリコン層及び／又は前記前駆体層を、選択的に除去するステップを含むこととされる。異なる極性の隣接した領域における層又は積層体を除去することにより、２つの別々のドーピングを受けた領域の間の接触が妨げられ、そして、当該接触領域において高い再結合又は短絡が起こることを防ぐことができる。前記高度にドープされた第１の極性のシリコン層の選択的な除去は、例えば、レーザー照射、ウェットケミカルエッチング、又は両方のプロセスの組み合わせにより起こすことができる。前記前駆体層、特にはリンケイ酸ガラス、は、例えば、ウエットケミカルエッチングにより除去することができる。前記高度にドープされた第１極性のシリコン層がｐ型シリコン層であり、第２極性のドーパントがリンである場合、ｐ型シリコン層を数ナノメートル分エッチングバックすると、シリコン層のうちの高いリン含有量を有する一部を除去することができ、そしリン拡散によるｐ型シリコン層の層抵抗の上昇は制限される。
１つの実施形態によれば、前記方法は、前面及び／又は背面の表面にパッシベーション層を付与するステップを含むこととされる。前記パッシベーション層は、例えば、熱成長させた二酸化ケイ素、ケイ素窒化物、酸化アルミニウム、又は２つ以上の誘電体層からなる積層体を含む。背面のパッシベーション層の厚さ、屈折率、及び組成は、前面のパッシベーション層の厚さ、屈折率、及び組成とは異なってもよい。パッシベーション層の厚さは、有利には、前面での反射を減少させ、背面での反射を増加させるように最適化される。
１つの実施形態によれば、前記方法は、太陽電池の背面に電極を付与するステップを含むこととされる。電極は、例えば、１種又は複数種の金属又はその他の導電性層のスクリーン印刷、蒸着、スパッタリング、又は溶融めっき（galvanic deposition）により付与することができる。電極は、例えば、銀ペースト、銀／アルミニウムペースト、アルミニウムペースト、若しくは純アルミニウム、銅、錫、パラジウム、銀、チタン、ニッケル、又はこれら言及された金属の積層体若しくは合金、又はその他の導電性層、特には導電性ポリマー若しくは導電性酸化物、若しくはこのような層と金属との組み合わせ、を含んでいてもよい。電極の組成及び堆積プロセスは両極性について異なっていてもよい。電極は局所的にパッシベーション層を貫通してもよく、これは特にはスクリーン印刷後の高温ステップにおいてそうであり、そして、電極の極性に応じて、電極は前記高度にドープされたｐ型シリコン層又は前記高度にドープされたベース領域と接触していてもよい。
１つの実施形態によれば、前記方法は、パッシベーション層を選択的に除去するステップを含むこととされる。電極が堆積される前に、パッシベーション層は局所的に除去されてもよく、これは例えばレーザー照射により行われる。
本発明のさらなる特徴、可能な用途、及び利点は、図面に示された本発明の実施形態についての以下の記載に見ることができる。記載された又は例示された特徴は、その全てが、個別に又は任意の組み合わせで、本発明の主題を形成する。このことは、特許請求の範囲又はそれらが参照する請求項におけるそれら特徴のまとめとは関係無く当てはまり、また、明細書における及び図面におけるそれら特徴の記載ぶり（formulation）若しくは表し方（representation）とは関係無く当てはまる。
図１は本発明に係る太陽電池の断面の模式図である。 図２ａ～２ｈは、太陽電池を製造する方法の様々のステップにおける図１に係る太陽電池を示す。 図２ａ～２ｈは、太陽電池を製造する方法の様々のステップにおける図１に係る太陽電池を示す。 図２ａ～２ｈは、太陽電池を製造する方法の様々のステップにおける図１に係る太陽電池を示す。 図２ａ～２ｈは、太陽電池を製造する方法の様々のステップにおける図１に係る太陽電池を示す。 図２ａ～２ｈは、太陽電池を製造する方法の様々のステップにおける図１に係る太陽電池を示す。 図２ａ～２ｈは、太陽電池を製造する方法の様々のステップにおける図１に係る太陽電池を示す。 図２ａ～２ｈは、太陽電池を製造する方法の様々のステップにおける図１に係る太陽電池を示す。 図２ａ～２ｈは、太陽電池を製造する方法の様々のステップにおける図１に係る太陽電池を示す。
図１は、半導体基板１２、特にはシリコンウェハ、背面１４、及び太陽に面する前面１６を有する太陽電池１０の断面を示す。シリコンウェハ１２は、ｎ型及びｐ型のどちらにドープされてもよい。太陽電池１０を、シリコンウェハ１２のｎ型ドープである「ベース」を用いた例により説明する。
多結晶の高度にドープされたｐ型シリコン層２０は背面１４に設けられている。これは、背面１４上の第１の極性を形成する。高度にドープされたｐ型シリコン層２０の領域では、トンネル層１８、特には二酸化ケイ素を含むトンネル層１８、がシリコンウェハ１２の表面をパッシベーションしている。
太陽電池１０は、背面１４に、第１の極性の電極３４及び第２の極性の電極３６を含む。第１の極性の電極３４の下には、トンネル層１８及び高度にドープされたｐ型シリコン層２０がある。第２の極性の電極３６は、半導体基板１２と直接の電気的及び機械的接触をしている。第２の極性の電極３６は、この例示された実施形態に係る半導体基板１２と高度にドープされたベース領域２６で接触している。コンタクトが無いエッジ領域２８が高度にドープされたｐ型シリコン層２０と高度にドープされたｎ型ベース領域２６とを離している。
太陽電池１０のための製造プロセスを、図２ａ～２ｈを参照して以下で説明する。図２ａ～２ｈは、単一の種類の選択的なコンタクトを有する太陽電池１０のマスク無しでの製造のためのプロセスフローを例示する。出発材料として、前面１４及び背面１６を有するシリコンウェハ１２はｎ型又はｐ型にドープされていてよい。プロセスシーケンスを、ウェハのｎ型ドーピングである「ベース」を用いて説明する。
図２ａは、研磨された背面１４及びテクスチャー形成された前面１６を有するシリコンウェハ１２を示す。好ましくは厚さが最大で約４ナノメートルであるトンネル層１８、例えば二酸化ケイ素、を両方の表面に、あるいは好ましくは背面１４のみに、例えば熱プロセス若しくはウエットケミカルプロセスで、又は堆積により、形成する。
前記方法の次のステップでは、高度にドープされた第１の極性のシリコン層２０が、背面１４のトンネル層１８に堆積され、特にはその全面積にわたって堆積される。以下では、ｐ型ドープが第１の極性であると仮定する。図２ｂは、背面１４のトンネル層１８上への高度にドープされたｐ型シリコン層２０の全面積堆積を示す。高度にドープされたｐ型シリコン層２０は、例えば、プラズマＣＶＤであるＰＥＣＶＤ、常圧ＣＶＤであるＡＰＣＶＤ、低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）、又はスパッタリングにより堆積させることができる。高度にドープされたｐ型シリコン層２０はおおよそ１００ナノメートル～３００ナノメートルの厚さを有する。
高度にドープされたｐ型シリコン層２０は、１ステップでなく２ステップで堆積させることもできる。この場合、ｐ型シリコン層２０を堆積することは、ドープされていないシリコンを堆積させること、及びそれからドーパントを導入することを含む。ドーパントは、例えば、イオン注入、炉を用いた拡散、又はレーザー拡散により導入される。ドーパントは、例えば、ホウ素、アルミニウム、又はガリウムである。
前面１６にトンネル層１８及び／又は高度にドープされたｐ型シリコン層２０、特には非意図的に堆積されてしまったそれら、が存在する場合、トンネル層１８及び／又は高度にドープされたｐ型シリコン層２０は前記方法の次のステップにおいて前面１６から除去される。トンネル層１８及び／又は高度にドープされたｐ型シリコン層２０は、全面積にわたって又は局所的にエッチング除去することができる。このことは図２ｃに示される。
図２ｄに示される前記方法の次のステップでは、ドーパント、特にはリン、を含む前駆体層２２が背面１４の高度にドープされた第１の極性のシリコン層２０に及び／又は前面１６に付与される。この例示された実施形態によれば、第２の極性のドーパントはリンである。前駆体層２２を付与するために、例えば、炉を用いた拡散プロセス又はＰＥＣＶＤ蒸着が行われ、そのプロセスの中では、リンケイ酸ガラス２２が背面１４の高度にドープされたｐ型シリコン層２０上で、及び前面１６で、成長する。炉を用いた拡散の間、リンケイ酸ガラス２２からのリンが太陽電池１０の前面１６内へと拡散し、前面１６の表面をｎ型にドープする。背面１４では、リンはまた高度にドープされたｐ型シリコン層２０内へと拡散する。炉を用いた拡散プロセスは、有利には、炉を用いた拡散プロセスの後にはリンの大部分がリンケイ酸ガラス２２内に含まれるように行われる。
高度にドープされたｐ型シリコン層２０及び前駆体層２２内におけるドーパントの濃度は、有利には、炉を用いた拡散の後における高度にドープされたｐ型シリコン層２０内において第１のドーパントのドーパント濃度が第２のドーパントのドーパント濃度よりも高く、一方で前駆体層内では第２のドーパントのドーパント量が高度にドープされたｐ型シリコン層２０における第１のドーパントのドーパント量よりも高くなるように選択される。このことは、炉を用いた拡散の間における第１のドーパントに対する過剰相殺（overcompensation）を防ぐ。高度にドープされたｐ型シリコン層はそれゆえｐ型にドープされたままである。一方で、このようにして、レーザー照射の間に第１の極性のドーパントに対する過剰相殺（overcompensation）を起こすようにするため、次のレーザー照射のステップのための十分なドーパントがリンケイ酸ガラス２２内に存在するようにする。
１つの実施形態によれば、前記方法は、背面１４をレーザー照射するステップを含み、これは特には高度にドープされたｎ型ベース領域２６を局所的に形成するためである。図２ｅは、背面１４が局所的にレーザーで照射された後の太陽電池１０を示す。リンケイ酸ガラス２２は、局所的に高度にドープされたｎ型ベース領域２６内に局所的に高度にドープされたｎ型ベース表面を形成するためのレーザー照射の間のドーピング源として働く。レーザー放射のエネルギーは、リンケイ酸ガラス２２、高度にドープされたｐ型シリコン層２０、トンネル層、つまり二酸化ケイ素１８、及び背面１４の表面を局所的に溶融し、その結果、局所的に高度にドープされたｎ型ベース領域２６が作られる。リンケイ酸ガラス２２及び高度にドープされたｐ型シリコン層２０からのドーパントは、背面１４の表面上のシリコン溶融物内へと拡散する。レーザー放射が沈静化すると、溶融物は冷えて固化する。両方のドーパントがシリコン内に残り、ここで一方又は両方のドーパントは表面に集積している。リンケイ酸ガラス２２内における第２極性のドーパントのドーパント量の方が大きいため、固化したシリコン表面における第２のドーパントの濃度は、高度にドープされたｐ型シリコン層２０からの第１のドーパントの濃度よりも顕著に高く、したがって、局所的に高度にドープされたｎ型ベース領域２６内における過剰相殺（overcompensation）により局所的な高ｎ型ドーピングを生じる。レーザーパラメータを適切に選ぶことにより、ドーピングのレベルが局所的－選択的に異なるｎ型シリコンの部分（複数）を、局所的に高度にドープされたｎ型ベース領域２６内に作製することができる。
両方の極性の選択的なコンタクト（複数）を有するバックコンタクト型太陽電池の場合、２つのドーピングが異なるシリコン層が接触したなら、高いレベルの再結合が生じうる。前記方法は、それゆえ、高度にドープされた第１の極性のシリコン層２０及び／又は前駆体層２２を選択的に除去するステップを含んでいる。
図２ｆは、局所的に高度にドープされたｎ型ベース領域２６のエッジ領域２８において高度にドープされたｐ型シリコン層２０が除去された後の太陽電池１０を示す。エッジ領域２８におけるｐ型シリコン層２０は、例えば、レーザー照射、ウエットケミカルエッチング、又は両方のプロセスの組み合わせによって除去することができる。さらに、高度にドープされたｐ型シリコン層及び太陽電池の前面１６からリンケイ酸ガラス２２を除去するためにウエットケミカルプロセスを用いることもできる。高度にドープされたｐ型シリコン層２０のうち数ナノメートル分をエッチングバックすることで、高リン含有量のシリコン層を除去することができ、高度にドープされたｐ型シリコン層２０の層抵抗がリン拡散によって増加することを制限することができる。
図２ｇは、前面１６及び／又は背面１４の表面にパッシベーション層３０、３２が付与された後の太陽電池１０を示す。パッシベーション層３０、３２は、例えば、熱成長させた二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、又は２つ又はそれ以上の数の誘電体層からなる積層体を含む。背面１４の誘電体層３０の厚さ、屈折率、及び組成は、前面１６のパッシベーション層３２の厚さ、屈折率、及び組成とは異なっていてもよい。パッシベーション層３０、３２の厚さ、組成、及び屈折率は、有利には、前面１６での反射を減少させ、背面１４での反射を増加させるように最適化される。
図２ｈは、太陽電池１０の背面１４に電極３４、３６が付与された後の太陽電池１０を示す。電極３４、３６は、例えば、１種又は複数種の金属又はその他の導電性層のスクリーン印刷、蒸着、スパッタリング、又は溶融めっき（galvanic deposition）により付与することができる。電極３４、３６は、例えば、銀ペースト、銀／アルミニウムペースト、アルミニウムペースト若しくは純アルミニウム、銅、錫、パラジウム、銀、チタン、ニッケル、又はこれら言及した金属の積層体若しくは合金、又はその他の導電性層、特には導電性ポリマー若しくは導電性酸化物、又はそのような層と金属との組み合わせ、であってよい。電極３４、３６の組成及び堆積プロセスは、両方の極性について異なってもよい。電極３４、３６は、局所的にパッシベーション層を貫通してもよく、特にはスクリーン印刷後の高温ステップにおいてそうであってよく、電極は、電極の極性に応じて、高度にドープされたｐ型シリコン層２０又は局所的に高度にドープされたｎ型ベース領域２６に接触する。
任意に（optionally）は、電極がｐ型シリコン層２０又は局所的に高度にドープされたｎ型ベース領域２６に直接接触することになるように、電極３４、３６が付与される前にパッシベーション層を選択的に除去、例えばレーザー照射により選択的に除去してもよい。
この理由のため、パッシベーションされた又は選択性のコンタクトが用いられる。金属電極は結晶性ベースに直接電気的に接続されるのではなく、薄いトンネル酸化物により分離され、トンネル酸化物はシリコン表面をパッシベーションするものの、同時に、極性に応じて半導体から電極へ、及び／又は電極から半導体へと電子が酸化物を通ってトンネルできるほどに薄い。電子をトンネルさせるよう励起するために、トンネル酸化物には電場が存在しなければならない。電場は、トンネル酸化物上の高度にドープされたｎ型シリコン又はｐ型シリコンにより生み出すことができる。トンネル酸化物の上でのこのシリコンのドーピングはトンネル酸化物の下方のシリコンベース中におけるバンド曲げ（band bending）につながるため、シリコンベースのより高度なドーピングはもはや必要無い。高度にドープされたｎ型シリコン上では、電子のみがトンネル酸化物を通り抜けるが、これは電子流としても知られており、一方、高度にドープされたｐ型シリコン上では、いわゆる正孔流だけが起こる：電子は、高度にドープされたｐ型シリコンからシリコンベースに入る。金属電極それ自体は、トンネル酸化物の上方の高度にドープされたｎ型又はｐ型のシリコンと電気的及び機械的接触をしているのみである。ドーピングに応じて、トンネル酸化物と組み合わさっての高度にドープされたシリコン領域の選択性は、ほぼ排他的に１種類の電荷キャリアが金属／シリコンコンタクト領域に輸送されることを保証し、界面再結合を最小化する。提示された構造はさらに、トンネル酸化物に向かうシリコンベースの表面でのオージェ再結合を減少させる。これは、ｐｎ接合界面、又はこの界面におけるベースへのオーミックコンタクトのために高ドーピングは必要無いからである。パッシベーションされたコンタクトを有するバックコンタクト型太陽電池はこれまでのところ、η＝２６．７％という記録的効率を達成している。しかし、このような電池の製造はこれまでは非常に複雑である。２つの異なるドーピングを受けた選択的コンタクトは、種々の複雑なマスキング及び構造形成ステップを用いてのみ与えることができるためである。そのようにする際には、マスキング及び構造形成の高精度かつ微細な解像度に注意を払わなくてはならない。選択的なコンタクト同士の間の距離は大きすぎてはならず、自由電荷キャリアの拡散長を超えるものとすべきではなく、また、ベース内における横電流によって内部直列抵抗の増加につながるべきでもない。マスキングステップを有する製造方法は、ＥＰ２９５５７６０Ａ１、ＵＳ２０１４／０９６８２１Ａ１、及びＥＰ２８０４２１９Ａ１に知られている。
これらの不利な点は、太陽電池を製造する本発明に係る方法により、及びこの方法によって製造される、本発明に係る太陽電池によって解消される。
本発明によれば、太陽に向いた前面と、背面とを有する半導体基板、特にはシリコンウェハ、を含むバックコンタクト型太陽電池であって、背面に第１の極性の電極及び第２の極性の電極を有し、トンネル層及び高度にドープされたシリコン層が第１の極性の電極の下に位置する太陽電池について、高度にドープされたベース領域であって、前記高度にドープされたシリコン層が選択的に過剰相殺された（overcompensated）領域を含むベース領域において、第２の極性の電極が前記半導体基板と直接の電気的及び機械的接触をするようにさせることが提案される。
高度にドープされたベース領域のこの高度なドーピングは低い接触抵抗のために必要である。
前記方法はさらに、背面側トンネル層上に、高度にドープされた第１の極性のシリコン層、特には高度にドープされた第１の極性の全面積シリコン層、を堆積するステップを含む。前記高度にドープされた第１の極性のシリコン層は、例えば、プラズマＣＶＤつまりＰＥＣＶＤ、常圧ＣＶＤつまりＡＰＣＶＤ、低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）、又はスパッタリングにより堆積することができる。前記高度にドープされた第１の極性のシリコン層は、おおよそ、１００ナノメートル～３００ナノメートルの厚さを有する。
前記方法は、第２の極性のドーパントを含む前駆体層を、背面及び／又は前面の前記高度にドープされた第１の極性のシリコン層上に付与するステップを含むこととされる。前記高度にドープされた第１の極性のシリコン層がｐ型シリコン層の場合、第２の極性によってシリコンをドーピングするためのドーパントは、例えばリンである。前駆体層を付与するためには、例えば炉を用いた拡散プロセスを行うことができる。このプロセスにおいては、背面の及び前面の高度にドープされたｐ型シリコン層上でリンケイ酸ガラスが成長する。炉を用いた拡散プロセスは、炉を用いた拡散のプロセスの後ではリンの大部分がリンケイ酸ガラス内に含まれるように行うことができる。炉を用いた拡散の間、リンは太陽電池の前面内へと拡散し、前面表面をｎ型にドープする。背面では、リンはまた前記高度にドープされたｐ型シリコン層内へと拡散する。炉を用いた拡散のパラメータは、ｐ型シリコン層内においてはホウ素のドーパント濃度をリンのドーパント濃度が超えないように選択される。前駆体層、例えばリンケイ酸ガラス、はその他の方法、例えばＰＥＣＶＤ、を用いて付与することもできる。
前記方法は、背面をレーザー照射するステップを含み、これは特には局所的に高度にドープされた第２の極性のベース領域を形成するためである。先に付与された第２の極性のドーパントがリンであるならば、局所的に高度にドープされたｎ型ベース領域を形成するためのレーザー照射の際にリンケイ酸ガラスがドーピング源として働く。レーザー放射のエネルギーは、選択された領域において、前記リンケイ酸ガラス、前記高度にドープされたｐ型シリコン層、前記トンネル層、及び背面の表面を局所的に溶融する。前記リンケイ酸ガラス及び前記高度にドープされたｐ型シリコン層からのドーパントは、背面の表面上のシリコン溶融物内へと拡散する。レーザー放射が沈静化すると、溶融物は冷え、固化する。両方のドーパントがシリコン内に残り、ここで一方又は両方のドーパントが表面に集積している。前駆体層内に第２極性のドーパントがより大きな量で存在するために、固化したシリコン表面内における第２のドーパントの濃度は前記高度にドープされたｐ型シリコン層からの第１のドーパントの濃度よりも顕著に高く、そのため、選択された領域における過剰相殺を通じて局所的な高ｎ型ドーピングを生じる。レーザーパラメータを適切に選択することで、選択された領域内に、ドーピングのレベルが異なるｎ型シリコンの領域（複数）を局所的にかつ選択的に形成することもできる。

Claims (14)

  1. 前面（１６）及び背面（１４）を有する半導体基板（１２）、特にはシリコンウェハ、を含むバックコンタクト型太陽電池（１０）であって、
    前記太陽電池（１０）は、第１の極性の電極（３０）及び第２の極性の電極（３２）を背面に有し、
    トンネル層（１８）及び高度にドープされたシリコン層（２０）が第１の極性の電極（３４）の下に位置し、第２の極性の電極（３６）が前記半導体基板（１２）と直接の電気的及び機械的な接触をすることを特徴とする、前記バックコンタクト型太陽電池（１０）。
  2. 前記第２の極性の電極が、高度にドープされたベース領域（２６）において前記半導体基板と接触することを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池（１０）。
  3. コンタクトの無い、軽度にドープされた領域（２８）が、前記ベース領域（２６）から前記高度にドープされたシリコン層（２０）を隔てることを特徴とする、請求項２に記載の太陽電池。
  4. 請求項１～３のうち少なくとも１項に記載のバックコンタクト型太陽電池を製造する方法であって、
    前記太陽電池（１０）の半導体基板（１２）は背面（１４）、特には研磨された若しくはテクスチャー形成された背面（１４）、及び前面（１６）、特にはテクスチャー形成された前面（１６）を有し、
    トンネル層（１８）、特には二酸化ケイ素を含むトンネル層（１８）が前面（１６）の表面に、及び／又は背面（１４）の表面に付与されることを特徴とする、
    前記方法。
  5. 前記方法は、背面（１４）の前記トンネル層（１８）上に、高度にドープされた第１の極性のシリコン層（２０）を堆積する、特には全面積の、高度にドープされた第１の極性のシリコン層（２０）を堆積するステップを含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
  6. 前記高度にドープされた第１の極性のシリコン層（２０）を堆積することは、ドープされていないシリコンを堆積すること、及びその後にドーパントを導入することを含むことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
  7. 前記方法は、前記トンネル層（１８）、特にはシリコン酸化物、及び／又は、前記高度にドープされた第１の極性のシリコン層（２０）を前面（１６）から除去するステップを含むことを特徴とする、請求項４～６のうち少なくとも１項に記載の方法。
  8. 前記方法は、背面（１４）及び／又は前面（１６）の前記高度にドープされた第１の極性のシリコン層（２０）上に、ドーパント、特にはリン、を含む前駆体層（２２）を付与するステップを含むことを特徴とする、請求項４～７のうち少なくとも１項に記載の方法。
  9. 前記高度にドープされた第１の極性のシリコン層（２０）及び前記前駆体層（２２）中のドーパントの濃度は、前記前駆体層（２２）中の第２の極性のドーパントの量が、前記高度にドープされた第１の極性のシリコン層（２０）中の第１の極性のドーパントの量よりも高くなるように選択されていることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
  10. 前記方法は、背面（１４）のレーザー照射、特には局所的に高度にドープされたベース領域（２６）を形成するためのレーザー照射、のステップを含むことを特徴とする、請求項４～９のうちいずれか１項に記載の方法。
  11. 前記方法は、前記高度にドープされた第１の極性のシリコン層（２０）及び／又は前記前駆体層（２２）を選択的に除去するステップを含むことを特徴とする、請求項４～１０のうち少なくとも１項に記載の方法。
  12. 前記方法は、前面（１６）及び／又は背面（１４）の表面にパッシベーション層（３０、３２）を付与するステップを含むことを特徴とする、請求項４～１１のうち少なくとも１項に記載の方法。
  13. 前記方法は、太陽電池（１０）の背面（１４）に電極（３４、３６）を付与するステップを含むことを特徴とする、請求項４～１２のうち少なくとも１項に記載の方法。
  14. 前記方法は、パッシベーション層（３０、３２）を選択的に除去するステップを含むことを特徴とする、請求項４～１３のうち少なくとも１項に記載の方法。
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