JP4198079B2 - 光起電力装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体接合を用いた光起電力装置の製造法に関する。
近年光起電力素子として、単結晶シリコンや多結晶シリコン等の結晶系シリコンを用いた太陽電池の研究および実用化が盛んに行なわれている。中でも、非晶質シリコンと結晶系シリコンとを組合せることにより構成されたヘテロ接合を有する太陽電池は、その接合を２００℃以下の低温プロセスで形成することができ、かつ、高い変換効率が得られることから、注目を集めている。このような光起電力素子において、光電変換効率を向上させるためには、高い短絡電流（Ｉｓｃ）および開放電圧（Ｖｏｃ）を維持しつつ曲線因子（Ｆ．Ｆ．）を向上させる必要がある。
そこで、ｎ型単結晶シリコン基板とｐ型非晶質シリコン膜との間に、実質的に真性な非晶質シリコン膜（ｉ型非晶質シリコン膜）が挿入された所謂ＨＩＴ構造を有する太陽電池が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
一方、従来の非晶質半導体と結晶系シリコンとを組合せた光起電力素子の製造においては、結晶系シリコンのみからなる光起電力素子と異なり、結晶系シリコン基板上に接合形成のための非晶質シリコン層や導電性薄膜を形成する必要がある。
ここで、従来、基板上にこれらの膜を形成する際には、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法あるいは蒸着法等の製造法を用いるために、非晶質シリコン層や導電性薄膜が基板の表面のみならず側面あるいは裏面に回り込んでしまい、これらを介して素子の短絡が生じ、リーク発生に伴う出力低下が問題となる。
上記した問題点を解決するために、一導電型の結晶系半導体基板の表裏面の全面に、前記基板とヘテロ接合を形成する非晶質半導体層および導電性薄膜を形成した後、レーザーにより非晶質半導体層と導電性薄膜を除去して、リーク電流パスを抑制する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平１１−２２４９５４号公報
特開平９−１２９９０４号公報
上記した特許文献２による方法によれば、レーザーにより非晶質半導体層と導電性薄膜を除去することで、回込みによる光起電力素子の短絡は有効に防止される。しかしながら、非晶質半導体層および導電性薄膜を形成した後に、レーザーで加工した場合には、レーザー加工した端部での非晶質半導体層が変質し、微結晶化され、変質した微結晶ライクの半導体層でのリーク電流が発生し、セル特性が低下するという問題があった。
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みなされたものにして、非晶質半導体層の変質を無くすると共に、膜の回り込みを無くしてリーク電流がなくセル特性を向上させた光起電力装置を提供することを目的とする。
本発明は、一導電型の結晶系半導体基板の表面上に、他導電型の非晶質半導体層と導電性薄膜とからなる積層体を備え、前記基板の裏面上に少なくとも裏面電極膜が設けられた光起電力装置の製造法であって、前記基板の表裏面に設けられる膜の膜厚の総和の内、総和の大きい方の大きさより大きな幅、深さを有する溝を前記基板の側面に形成し、その後、他導電型の非晶質半導体層と導電性薄膜とからなる積層体、前記基板の裏面上に少なくとも裏面電極膜を設けることを特徴とする。
前記基板は単結晶シリコン基板からなり、異方性エッチングにより凹凸が形成される共に、レーザー加工により側面部に、幅は１００μｍを超えず、深さは１０μｍ以上１２０μｍ以内の溝を形成するとよい。
以上説明したように、本発明によれば、基板側面に予め溝をつけることによって、表裏の導電膜が基板側面で確実に分離され、電気的に接続されるような大きなリーク電流パスの発生を抑制でき、太陽電池特性が向上する。
以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態による光起電力装置の断面図、図２は、本発明の実施の形態による光起電力装置の要部拡大断面図である。
約１Ω・ｃｍの抵抗率と約３００μｍの厚みとを有するとともに、（１００）面を有するｎ型単結晶シリコンウェハを用意し、このシリコンウェハをアルカリ溶液、この実施形態では、水酸化ナトリウム溶液（ＮａＯＨ）を用いた異方性エッチングにより約１０μｍの凹凸状のピラミッド構造を形成する。凹凸を形成したシリコンウェハの厚みは２４０μｍである。
このピラミッド状の凹凸を設けたｎ型単結晶シリコン基板１の側面には、ＹＡＧレーザーを用いて所望の幅、深さを有する溝１１を側面周囲に形成する。この幅、深さは、後工程で表裏に形成される膜厚の総合計の内、どちらか大きい方より大きな幅及び深い深さの矩形状の溝１１を形成する。これは後から形成する膜の回り込みを防止するために、溝部１１に形成した膜が回り込んで、表裏の膜が繋がらないようにするためである。
この実施形態では、後述するように、非晶質シリコン膜がそれぞれ１０ｎｍ程度、透明導電膜が１００ｎｍ程度であるから、１２０ｎｍを超える大きさの幅、並びに深さの溝１１を形成すればよい。レーザーを用いた加工の場合、幅は２０μｍを越える大きさの加工になるので、上記の条件は満足する。また、深さも２μｍ程度は加工されるので、上記の条件は満足する。溝１１の幅及び深さは、あまりに大きくすると強度的な問題もある。２４０μｍの厚さの基板１の場合、幅は１００μｍを越えず、また深さは１２０μｍを越えない方が良い。
溝１１を形成した基板１を通常の手法に従い洗浄して不純物を除去し、公知のＲＦプラズマＣＶＤ（１３．５６ＭＨｚ）を用いてｎ型単結晶シリコン基板１の上面上には、約１０ｎｍの厚みを有する実質的に真性のｉ型非晶質シリコン膜２、ｉ型非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜２上には、約１０ｎｍの厚みを有するｐ型非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜３が形成される。この膜の形成条件については、表１に示す。
また、ｐ型非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜３上には、約１００ｎｍの厚みを有する透明導電膜としてのスパッタ法によりＩＴＯ膜４が形成されている。このＩＴＯ膜４は、ＳｎＯ2を添加したＩｎ2Ｏ3によって形成されている。
このＩＴＯ膜４は、次のようにスパッタ法により形成される。ＳｎＯ2粉末を５ｗｔ％として、Ｉｎ2Ｏ3粉末との焼結体をターゲットとし、カソードに設置する。他にＳｉ、Ｇｅ、Ｔｉの少なくとも１つをドーパントとして用いても良い。これらの化合物粉末を適量、酸化インジウム粉末に混ぜて焼結し、ターゲットを作成すればよい。ＳｎＯ2の量を変えることで、ＩＴＯ膜中のＳｎ量を変化させることが可能であるが、なお、ＩＴＯの光の透過率を向上させるために、Ｉｎに対するＳｎの量は１から１０ａｔ％が好ましく、更に、２から７ａｔ％が好ましい。ターゲットの焼結密度は９０％以上が好ましい。
成膜時のプラズマダメージ抑制のために、カソード表面に３００〜３０００ガウス（Ｇａｕｓｓ）の強磁場をマグネットより印加できる装置を使用し、素子をカソードと平行に対向配置してから、チャンバーを真空排気する。加熱ヒータにより、基板温度を室温から２００℃になるまで加熱する。また、ＡｒとＯ2の混合ガスを流して圧力を０．４〜１．３Ｐａに保ち、カソードにＤＣ電力を０．５〜２ｋＷ投入して放電を開始する。基板をカソードに対して静止した状態で成膜速度は約１０〜８０ｎｍ／分となった。
このような条件により、ＩＴＯ膜４を１００ｎｍの厚さで形成することで、溝１１により、ＩＴＯ膜４は確実に分離されている。
更に、このＩＴＯ膜４の上面上の所定領域には、櫛型集電極（ペースト電極）５が形成されている。この櫛型電極５は、銀（Ａｇ）からなる導電性フィラーと熱硬化性樹脂とによって構成され、印刷によりフィンガー部とバスバー部とからなる所定のパターンに形成される。
また、ｎ型単結晶シリコン基板１の下面上には、公知のＲＦプラズマＣＶＤ（１３．５６ＭＨｚ）を用いて約１０ｎｍの厚みを有する実質的に真性のｉ型非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜６、ｉ型非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜６上には、１０ｎｍの厚みを有するｎ型非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜７が形成される。このようにｎ型単結晶シリコン基板１の下面上に、ｉ型非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜６およびｎ型非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜７が順番に形成されることにより、いわゆるＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）構造が形成されている。
また、ｎ型非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜７上には、１００ｎｍの厚みを有する上記表面側と同じ形成方法でＩＴＯ膜８が形成される。ＩＴＯ膜８上の所定領域には、櫛型集電極（ペースト電極）９が形成されている。
表１にＲＦプラズマＣＶＤ法による代表的な太陽電池作成時の非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）の形成条件を示す。
表２に、マスクにより端面にａ−Ｓｉ膜、ＩＴＯ膜の非成膜領域を形成した従来構造、有効面積拡大のためにマスクを用いず基板端面までａ−Ｓｉ膜、ＩＴＯ膜を形成した全面形成構造、更に本発明の実施形態である基板１の側面の中央部に、幅４０μｍ、深さ４０μｍの溝を形成した太陽電池セルをそれぞれ形成し、各特性を比較した。成膜条件等は上記した方法で全て同じにした。
表２から明らかなように、全面形成構造は従来構造に比べて有効面積拡大により、電流は増加するが、端面でのａ−Ｓｉ膜、ＩＴＯ膜の回り込みによるリーク電流パス、特にａ−Ｓｉ膜に比べて電気抵抗の小さいＩＴＯ膜によるリーク電流により、Ｆ．Ｆ．が大幅に低下し、出力はむしろ低下した。一方、本発明の実施形態は、端面の溝１１により、ＩＴＯ膜は完全に分離され、リーク電流パスの発生が抑制されて高いＦ．Ｆ．と高い電流が両立できた。
表３は、基板１の側面（厚み２４０μｍ）の中央に、溝１１の幅４０μｍ一定とし、深さを２〜１２０μｍに変化させた場合の、規格化Ｆ．Ｆ．の変化である。規格化は、表１の全面形成の値により行った。
表３より、２μｍの深さから規格化Ｆ．Ｆは改善しているが、５μｍまでは改善効果が小さい。これは基板として、アルカリエッチングにより基板表面に凹凸を設けたものを用いているため、基板側面にも大きさ１０μｍ程度の基板表面と同じ凹凸が形成されている。このため凹凸よりも浅い溝の形成は、制御性が十分でないために、本発明の効果を十分に引き出せていないためと考えられる。しかし、深さが１０μｍよりも深い場合は、効果が明確となり、本発明で意図したＩＴＯ膜を介したリークパスの分離に成功した為と考えられる。
次に、溝１１の深さを１０μｍ一定とし、幅を２０〜１００μｍにて変化させた場合の規格化Ｆ．Ｆ．を表４に示す。規格化は、表１の全面形成の値により行った。表４より、いずれの場合も同レベルの効果が得られた。
続いて、透明導電膜の形成後にレーザーにより、非晶質シリコン膜／透明導電膜を除去することにより、リーク電流パスを抑制する方法で形成した太陽電池セルと本発明よる太陽電池セルとの比較を行った結果を表５に示す。
その結果、レーザーで後加工した場合には、基板端面での結晶シリコンのダメージが透過電子顕微鏡写真より明らかとなり、更にレーザー加工した端部でのシリコンの変質（微結晶化）も確認された。この影響で、シリコン基板端面での再結合中心増加、変質した微結晶ライクシリコンでのリーク電流が発生し、Ｆ．Ｆ．等が低下していると考えられる。これに対して、後加工に比べてあらかじめ基板１を加工する本発明では、洗浄工程によるダメージ層の除去が可能であり、ａ−Ｓｉ膜や透明導電膜の変質等の可能性がなく有効であることが分かる。
尚、上記した実施形態においては、基板１にＹＡＧレーザーの加工により、溝１１を設けたが、溝１１をホトリソグラフィーとエッチングにより形成することもできる。
１ ｎ型単結晶シリコン基板
２ ｉ型非晶質シリコン層
３ ｐ型非晶質シリコン層
４ ＩＴＯ膜
５ 櫛型集電極
６ ｉ型非晶質シリコン層
７ ｎ型非晶質シリコン層
８ ＩＴＯ膜
９ 櫛型集電極
１１ 溝
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Claims (3)
- 一導電型の結晶系半導体基板の表面上に、他導電型の非晶質半導体層と導電性薄膜とからなる積層体を備え、前記基板の裏面上に少なくとも裏面電極膜が設けられた光起電力装置の製造法であって、前記基板の表裏面に設けられる膜の膜厚の総和の内、総和の大きい方の大きさより大きな幅、深さを有する溝を前記基板の側面に形成し、その後、他導電型の非晶質半導体層と導電性薄膜とからなる積層体、前記基板の裏面上に少なくとも裏面電極膜を設けることを特徴とする光起電力装置の製造方法。
- 前記基板は単結晶シリコン基板からなり、異方性エッチングにより凹凸が形成されると共に、レーザー加工により側面部に、幅は１００μｍを超えず、深さは１０μｍ以上１２０μｍ以内の溝を形成することを特徴とする請求項１記載の光起電力装置の製造方法。
- 前記一導電型の結晶系半導体基板として、単結晶シリコンを用い、少なくとも光入射側に非晶質又は微結晶シリコン半導体からなる半導体層を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の光起電力装置の製造方法。
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