JP5029921B2 - 太陽電池セルの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は太陽電池セルの製造方法に関し、特に裏面の面積が大きくなった場合でも出力の低下を有効に抑止することができる太陽電池セルの製造方法に関する。
近年、エネルギ資源の枯渇の問題や大気中のＣＯ2の増加のような地球環境問題などからクリーンなエネルギの開発が望まれており、特に太陽電池セルを用いた太陽光発電が新しいエネルギ源として開発、実用化され、発展の道を歩んでいる。
従来から、太陽電池セルは、たとえば、単結晶または多結晶のシリコン基板の面のうち太陽光が入射する側の面（受光面）にシリコン基板の導電型と反対の導電型となる不純物を拡散することによってｐｎ接合を形成し、シリコン基板の受光面とその反対側にある裏面にそれぞれ電極を形成して製造される。また、シリコン基板の裏面にはシリコン基板と同じ導電型の不純物を高濃度で拡散することによって、裏面電界効果による高出力化を図ることも一般的となっている。
しかしながら、このような構造の太陽電池セルにおいては、受光面に形成される電極が入射する太陽光を遮るため、太陽電池セルの出力が低下してしまうという問題があった。そこで、シリコン基板の受光面には電極を形成せず、シリコン基板の裏面のみに異なる導電型の電極を形成するいわゆる裏面接合型太陽電池セルが開発されている。
裏面接合型太陽電池セルにおいては、電極が形成されているシリコン基板の裏面側からしか電力を取り出すことができないため、その電極の構造は裏面接合型太陽電池セルの出力の観点から非常に重要である。
図１３に従来の裏面接合型太陽電池セルの一例の模式的な断面図を示す。この従来の裏面接合型太陽電池セルは、たとえばｐ型のシリコン基板１０１の受光面に反射防止膜１０９が形成されており、シリコン基板１０１の裏面にｎ+層１０５とｐ+層１０６とが裏面に沿って交互に所定の間隔をあけて形成されている。そして、ｐ+層１０６上にはフィンガーｐ電極１１１が形成され、ｎ+層１０５上にはフィンガーｎ電極１１２が形成されている。
この裏面接合型太陽電池セルの受光面に太陽光が入射すると、半導体基板１０１の受光面近傍で生じたキャリアが裏面に形成されたｐｎ接合まで到達し、フィンガーｐ電極１１１およびフィンガーｎ電極１１２に収集されて外部に取り出される。
図１４に従来の裏面接合型太陽電池セルの裏面の電極構造の一例の模式的な平面図を示す。この従来の電極構造においては、太陽電池セルの出力を向上させる観点から、シリコン基板１０１の裏面の内部にフィンガーｐ電極１１１およびフィンガーｎ電極１１２が裏面全体を覆うように形成されており、シリコン基板１０１の裏面の端部にフィンガーｐ電極１１１と交差しているバスバーｐ電極１１３、フィンガーｎ電極１１２と交差しているバスバーｎ電極１１４がそれぞれ形成されている。
ここで、フィンガーｐ電極１１１およびフィンガーｎ電極１１２は、シリーズ抵抗が大きくなると出力の損失になることから、一般的にシリーズ抵抗を小さくする観点から断面積（電極の幅×高さ）が大きくなるように設計される。しかしながら、太陽電池セルの裏面の面積が大きくなると、フィンガーｐ電極１１１およびフィンガーｎ電極１１２の長さＬ0をより長くする必要がある一方、これらの電極の高さには限界があることから、断面積を大きくするためには電極の幅Ｗ0を大きくする必要があった。電極の幅Ｗ0を大きくした場合には、フィンガーｐ電極１１１とフィンガーｎ電極１１２との間のピッチＰ0が大きくなってシリコン基板１０１内におけるキャリアの移動距離が長くなり、太陽電池セルの出力が低下してしまうという問題があった。
本発明の目的は、裏面の面積が大きくなった場合でも出力の低下を有効に抑止することができる太陽電池セルの製造方法を提供することにある。
本発明は、半導体基板の受光面の反対側の裏面にｐ+層とｎ+層とが形成されている太陽電池セルの製造方法であって、半導体基板の裏面にｐ型不純物を含むｐ型ペースト材およびｎ型不純物を含むｎ型ペースト材を付着させる工程と、ｐ型ペースト材およびｎ型ペースト材を覆うように半導体基板の裏面に拡散防止膜を形成する工程と、半導体基板を加熱することによってｐ型ペースト材に含まれるｐ型不純物を半導体基板に拡散させてｐ+層を形成する工程と、半導体基板を加熱することによってｎ型ペースト材に含まれるｎ型不純物を半導体基板に拡散させてｎ+層を形成する工程と、を含み、テクスチャ構造を形成する工程において、拡散防止膜はテクスチャ構造の形成時のエッチングマスクを兼ねる太陽電池セルの製造方法である。
また、本発明の太陽電池セルの製造方法においては、拡散防止膜が酸化シリコン膜からなることが好ましい。
本発明によれば、裏面の面積が大きくなった場合でも出力の低下を有効に抑止することができる太陽電池セルの製造方法を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本願の図面において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表わすものとする。
図１から図９の模式的断面図に、本発明の太陽電池セルの製造工程の好ましい一例を示す。まず、図１に示すように、シリコン結晶のインゴッドをスライスして得られた半導体基板としてのシリコン基板１は、スライスの際にその表面近傍にダメージ層１ａが存在する。そこで、図２に示すように、酸性またはアルカリ性の溶液を用いてダメージ層１ａがエッチングされる。ここで、シリコン基板１はｎ型でもｐ型でもよく、シリコン基板１の大きさや厚さは制限されない。ただし、入射する太陽光の反射の損失を抑制するため、シリコン基板１の受光面にテクスチャと呼ばれるピラミッド状の微細構造を形成する場合にはシリコン基板１の受光面の面方位が（１００）であることが好ましい。
次に、図３に示すように、シリコン基板１の受光面の反対側にある裏面にｐ型不純物としてたとえばボロンを含むｐ型ペースト材２と、ｎ型不純物としてたとえばリンを含むｎ型ペースト材３とを所望のパターン形状に付着させ、これらのペースト材に含まれる有機溶媒成分を蒸発させるためにシリコン基板１をたとえば１００℃〜２００℃の温度に加熱した後に、ペースト材が付着した裏面全体を拡散防止膜４で覆う。ここで、ペースト材を所望のパターン形状に付着させる手段としては、たとえばスクリーン印刷やインクジェット印刷などを用いることができる。また、パターン形状としては、シリコン基板１内に発生するキャリアを効率良く収集するため、図３に示すように、ｐ型ペースト材２とｎ型ペースト材３とがシリコン基板１の裏面に沿って交互に間隔をあけて形成されることが好ましい。また、拡散防止膜４は、たとえば酸化シリコン膜からなり、常圧ＣＶＤ法による成膜または酸化シリコンを含む塗布液を乾燥させることによって形成することができる。
続いて、シリコン基板１は、たとえば９００℃〜１０００℃に加熱された石英炉内に投入され、たとえば３０分〜６０分間石英炉内に設置されることによって、ｐ型ペースト材２に含まれるボロンおよびｎ型ペースト材３に含まれるリンがシリコン基板１中に拡散し、図４に示すように、シリコン基板１の裏面に沿って複数のｐ+層６およびｎ+層５が交互に間隔をあけて形成される。ここで、シリコン基板１の裏面には拡散防止膜４が形成されているため、ｐ型ペースト材２に含まれるボロンおよびｎ型ペースト材３に含まれるリンはシリコン基板１中に拡散する際にシリコン基板１の外部に拡散することが防止される。
次いで、シリコン基板１は、たとえば水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどのアルカリとイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）などを含む高温水溶液に浸漬され、シリコン結晶方位に沿った異方性エッチングが進行することにより、図５に示すように、シリコン基板１の受光面に（１１１）面による微細なピラミッド状のテクスチャ構造８が形成される。ここで、シリコン基板１の裏面には拡散防止膜４が形成されているため、シリコン基板１の裏面はエッチングされない。
次に、図６に示すように、シリコン基板１はフッ酸などに浸漬させられることにより、シリコン基板１の裏面の拡散保護膜４、ｐ型ペースト材２およびｎ型ペースト材３が除去される。そして、図７に示すように、シリコン基板１の受光面および裏面にキャリアの表面再結合を抑制するためのパッシベーション膜９、１０が形成される。パッシベーション膜９、１０としては、たとえば熱酸化によるシリコン酸化膜やプラズマＣＶＤ法によるシリコン窒化膜を用いることによって、キャリアの表面再結合を有効に抑制することができる。ここで、シリコン基板１の受光面に形成されるパッシベーション膜９としてシリコン窒化膜を用いた場合にはその屈折率が２．１程度となるため、シリコン窒化膜はシリコン基板１の受光面における太陽光の反射を抑制する反射防止膜としても用いることができる。
次に、シリコン基板１の裏面のｐ+層６およびｎ+層５との電気的接続を行なうために、図８に示すように、シリコン基板１の裏面に形成されたパッシベーション膜１０が所望のパターン形状に除去される。パッシベーション膜１０はたとえばドット状またはライン状などの形態で除去され、ｐ+層６およびｎ+層５の配列に応じてその除去形態が決定されることが好ましい。また、ｐ+層６およびｎ+層５以外の部分に電極が形成されることがないように、ｐ+層６およびｎ+層５の端部よりも内部にあるパッシベーション膜１０が除去されることが好ましい。
最後に、図９に示すように、パッシベーション膜１０が除去された部分に合わせて、ｐ+層６上にフィンガーｐ電極１１が形成されるとともにｎ+層５上にフィンガーｎ電極１２が形成される。ここで、フィンガーｐ電極１１およびフィンガーｎ電極１２の電極材料としては、太陽電池セルに発生する電流を外部に十分に取り出すことができるように、銀またはアルミニウムなどの高導電材料が用いられることが好ましい。また、フィンガーｐ電極１１およびフィンガーｎ電極１２の形成手段としては、たとえば高真空中における電子ビーム加熱による電極材料の蒸着、電極材料を含むペーストのスクリーン印刷または電極材料のメッキなどの手段を用いることができる。さらに、シリコン基板１とフィンガーｐ電極１１およびフィンガーｎ電極１２との良好なオーミック接触を得るために、シリコン基板１への電極材料の付着後に４００℃〜５００℃の熱処理が行なわれることが好ましい。なお、これらのフィンガー電極とともに、フィンガー電極と交差するバスバー電極も形成される。
図１０の模式的平面図に、上記のようにして得られた本発明の太陽電池セルの裏面の電極構造の好ましい一例を示す。図１０に示すように、この太陽電池セルの裏面には、複数のフィンガーｐ電極１１とフィンガーｎ電極１２とが交互に太陽電池セルの裏面全体を覆うように直線状に形成されており、フィンガーｎ電極１２と交差するバスバーｎ電極１４は裏面の内部に形成されているが、フィンガーｐ電極１１と交差するバスバーｐ電極１３は裏面の端部に形成されている。このようにすることによって、本発明と従来とで太陽電池セルの裏面の面積が同じ場合であっても、本発明の太陽電池セルの裏面のフィンガーｎ電極１２およびフィンガーｐ電極１１の長さＬ1は、図１４に示す従来のフィンガーｎ電極１１２およびフィンガーｐ電極１１１の長さＬ0よりも短くなる。それゆえ、太陽電池セルの裏面の面積が大きくなった場合でもシリーズ抵抗を小さく抑えることができ、フィンガーｎ電極１２およびフィンガーｐ電極１１の幅Ｗ1だけでなくフィンガーｐ電極１１とフィンガーｎ電極１２の間のピッチＰ1も小さくすることができる。したがって、本発明においては、太陽電池セルの裏面の面積が大きくなった場合でもシリコン基板１内におけるキャリアの移動距離が長くならず、フィンガー電極におけるキャリアの収集効率を向上させることが可能になることから、太陽電池セルの出力の低下を有効に抑止することができる。
図１１の模式的平面図に、本発明の太陽電池セルの裏面の電極構造の好ましい他の一例を示す。図１１に示すように、この太陽電池セルの裏面の内部には、フィンガーｎ電極１２と交差するバスバーｎ電極１４が２本、フィンガーｐ電極１１と交差するバスバーｐ電極１３が１本形成されている。したがって、太陽電池セルの裏面の面積が大きくなった場合でもフィンガーｎ電極１２およびフィンガーｐ電極１１の長さＬ1を短くすることができることから、この場合にも太陽電池セルの出力の低下を有効に抑止することができる。
図１０および図１１において、フィンガーｎ電極１２およびフィンガーｐ電極１１の長さＬ1は、太陽電池セルの裏面のフィンガー電極の長手方向における長さＬの１／２以下であることが好ましく、１／４以下であることがより好ましく、１／６以下であることがさらに好ましい。Ｌ1がＬの１／２よりも大きいときには太陽電池セルの裏面の面積が大きくなった場合に太陽電池セルの出力の低下を有効に抑止することができない傾向にあり、Ｌ1がＬの１／４以下、特に１／６以下であるときには太陽電池セルの裏面の面積が大きくなった場合でも太陽電池セルの出力の低下を特に有効に抑止することができる傾向にある。
なお、本明細書において、フィンガー電極の長さＬ1は、図１０および図１１に示すように、フィンガー電極とバスバー電極の接点からの長さのことをいう。また、フィンガー電極が複数ある場合にはその少なくとも１本の長さが上記範囲にあればよいが、すべてのフィンガー電極の長さが上記範囲にあることが好ましい。
図１２の模式的平面図に、本発明の太陽電池モジュールの裏面の電極構造の好ましい一例を示す。図１２に示すように、この太陽電池モジュールは、裏面にｐ+層とｎ+層とが裏面に沿って交互に形成されている太陽電池セル５０ａ、５０ｂ、５０c、５０ｄが４つ組み合わされて構成されている。太陽電池セル５０ａ、５０ｂ、５０c、５０ｄの裏面の両端部にはバスバーｐ電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄおよびバスバーｎ電極１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄがそれぞれ形成されているが、個々の太陽電池セル５０ａ、５０ｂ、５０c、５０ｄの裏面の内部にはバスバー電極は形成されていない。
しかしながら、太陽電池セル５０ａ、５０ｂ、５０c、５０ｄのバスバーｎ電極１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄを共通して１本のバスバーｎ電極とすることにより、太陽電池モジュール全体としては１本のバスバーｎ電極が太陽電池モジュールの裏面の内部に形成されていることになるため、上述の太陽電池セルの場合と同様に、太陽電池モジュールの裏面の面積が大きくなった場合でも出力の低下を有効に抑止することができる傾向にある。そして、バスバーｐ電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは分離されて別個独立に存在していることから、各太陽電池セル５０ａ、５０ｂ、５０c、５０ｄのＩ−Ｖ特性を評価し、その評価から得られた出力が太陽電池モジュール全体の出力に悪影響を及ぼしていると考えられる太陽電池セルがある場合にはその太陽電池セルのバスバーｐ電極に配線をしないことによって太陽電池モジュール全体の出力の低下をさらに有効に抑止することができる。
なお、上記太陽電池モジュールにおいては、裏面の端部にのみバスバー電極が形成されている太陽電池セルを用いたが、裏面の内部にバスバー電極が形成されている太陽電池セルを用いてもよい。また、太陽電池モジュールにおける好適なフィンガー電極の長さは上記太陽電池セルの場合と同様であることは言うまでもない。
また、上記太陽電池セルおよび太陽電池モジュールにおいては、ｐとｎの導電型が入れ替わっていてもよいことは言うまでもない。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明によれば裏面の面積が大きくなった場合でも出力の低下を有効に抑止することができる太陽電池セルの製造方法を提供することができることから、本発明は、裏面接合型の太陽電池セルまたは裏面接合型の太陽電池セルを複数組み合わせた太陽電池モジュールの製造に好適に利用することができる。
１，１０１ シリコン基板、２ ｐ型ペースト材、３ ｎ型ペースト材、４ 拡散防止膜、５，１０５ ｎ+層、６，１０６ ｐ+層、８ テクスチャ構造、９，１０ パッシベーション膜、１１，１１１ フィンガーｐ電極、１２，１１２ フィンガーｎ電極、１３，１３ａ，１３ｂ，１３c，１３ｄ，１１３ バスバーｐ電極、１４，１４ａ，１４ｂ，１４c，１４ｄ，１１４ バスバーｎ電極、５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ 太陽電池セル、１０９ 反射防止膜。
Claims (2)
- 半導体基板の受光面の反対側の裏面にｐ+層とｎ+層とが形成されている太陽電池セルの製造方法であって、
半導体基板の裏面にｐ型不純物を含むｐ型ペースト材およびｎ型不純物を含むｎ型ペースト材を付着させる工程と、
前記ｐ型ペースト材および前記ｎ型ペースト材を覆うように前記半導体基板の前記裏面に拡散防止膜を形成する工程と、
前記半導体基板を加熱することによって前記ｐ型ペースト材に含まれる前記ｐ型不純物を前記半導体基板に拡散させてｐ+層を形成する工程と、
前記半導体基板を加熱することによって前記ｎ型ペースト材に含まれる前記ｎ型不純物を前記半導体基板に拡散させてｎ+層を形成する工程と、
前記半導体基板の前記受光面をエッチングすることによってテクスチャ構造を形成する工程と、を含み、
前記テクスチャ構造を形成する工程において、前記拡散防止膜は前記テクスチャ構造の形成時のエッチングマスクを兼ねる、太陽電池セルの製造方法。 - 前記拡散防止膜が酸化シリコン膜からなることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池セルの製造方法。
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