JP2004103736A

JP2004103736A - 太陽電池の製造方法

Info

Publication number: JP2004103736A
Application number: JP2002261888A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Mishima; 三島　孝博; Naoki Ishikawa; 石川　直揮; Makiko Emoto; 江本　真樹子
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2004-04-02
Also published as: AU2003263592A1; WO2004023567A3; AU2003263592A8; WO2004023567A2

Abstract

【課題】結晶構造に依存することなく、半導体基板表面に簡便な方法でテクスチャ構造を施し、より多くの入射光をトラップすることができる太陽電池の製造方法を提供する。
【解決手段】太陽電池を構成する半導体基板１１上に、ペーストを使用して多孔質の耐エッチング性膜１３を形成し、多孔質の耐エッチング性膜１３をマスクとして用いて、エッチングを行うことにより、半導体基板１１上に、微細な凹凸からなる反射防止構造１５を形成する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板表面に、太陽光の入射面の反射防止構造（いわゆるテクスチャ構造）を備えた太陽電池の製造方法に係り、特にそのテクスチャ構造の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池セルは、一般にシリコン等の半導体材料により形成され、その受光面が平坦な鏡面である。このため、例えば窒化シリコン膜等の反射防止膜を施して、基板表面に於ける反射を避けて、その受光効率を高めるようにしている。太陽電池セルの受光面が平坦な鏡面であるため、反射防止膜を施しても幾分かの反射を避けることはできるが、その効果は十分でない。そこで、より多くの入射光をトラップして、受光効率を高めるために表面に微細な凹凸からなるテクスチャ構造を施す場合がある。
【０００３】
テクスチャ構造は、太陽電池の基板表面に設けられた微細な無数の凹凸パターンであり、例えば（１００）面の結晶面を有する基板表面を酸やアルカリ等の特殊なエッチング液に浸漬することで形成できる。即ち、（１００）面の結晶基板表面を上記特殊なエッチング液によりエッチングすると、（１１１）面の結晶面に対応したピラミッド型の凹凸パターンが得られる。しかしながら、（１１１）面の結晶面を有する結晶基板は、上述したエッチング液を用いても、テクスチャ構造を得ることは容易ではない。
【０００４】
それ以外のテクスチャ構造の形成方法としては、フォトリソグラフィによりテクスチャパターンを基板上にレジスト膜を用いて形成し、その後エッチングによりレジスト膜に形成されたテクスチャパターンを基板表面に転写する方法がある。また、ダイシングソーによる機械的な溝の形成後にエッチングを施す方法やレーザエッチングによる形成方法もある。これらの方法は、結晶面と無関係にシリコン基板等への適用が可能であるが、工程が複雑となりその分コスト高になる等の問題がある。また、これらの方法では、表面の機械的なダメージによる太陽電池性能の劣化をまねくという問題もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、結晶構造に依存することなく、半導体基板表面に簡便な方法でテクスチャ構造を施し、より多くの入射光をトラップすることができる太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の太陽電池の製造方法は、太陽電池を構成する半導体基板上に、ペーストを使用して多孔質の耐エッチング性膜を形成し、前記多孔質の耐エッチング性膜をマスクとして用いて、エッチングを行うことにより、前記半導体基板上に、微細な凹凸からなる反射防止構造を形成することを特徴とする。
【０００７】
前記ペーストは、耐アルカリ性・耐酸性のある素材の粒子を混入したものであることが好ましく、前記ペーストをスクリーン印刷することにより、前記半導体基板上に前記多孔質の耐エッチング性膜を形成することが好ましい。
【０００８】
上述した太陽電池の製造方法によれば、ペーストを使用して多孔質の耐エッチング性膜を形成することによって、結晶構造を選ぶことなく、あらゆる結晶型または非結晶型の太陽電池セルの表面に、簡便な方法でテクスチャ構造を施し、より多くの受光が可能な、高効率な太陽電池セルを提供することができる。特に、耐アルカリ性・耐酸性のある素材の粒子を混入したペーストをスクリーン印刷して焼成もしくは加温硬化することにより、多孔質の耐エッチング性膜を容易に形成することができ、これをエッチング液に浸漬することにより、簡単に結晶基板表面に微細な凹凸パターンからなるテクスチャ構造を形成することができる。そして、上述したエッチングによるテクスチャ構造の形成は、結晶面に依存しないため、（１１１）面の結晶面を有する結晶基板にも適用が可能であり、これにより、高い光電変換効率が得られるシリコン単結晶基板を用い、テクスチャ構造により受光効率が高められた太陽電池を安価に製造することができる。また、半導体基板として、単結晶基板のみならず、多結晶、またはガラス（アモルファス）基板を用いることも可能である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照しながら説明する。
【００１０】
図１は、本発明の太陽電池の製造工程の概略を示す。図１（ａ）は、太陽電池セルを構成する半導体基板１１を示し、Ｎ型またはＰ型に不純物ドープされた、例えば（１１１）面の結晶面を有するシリコン単結晶基板である。この基板１１の太陽光入射面１１ａに微細な凹凸からなるテクスチャ構造（反射防止構造）を形成する。なお、上記半導体基板１１は、例えばガラス（アモルファスシリコン太陽電池の基板に使用されている）基板でもよく、また、多結晶基板でもよい。また、薄膜状のガラスまたは多結晶太陽電池セルがその支持基板としてセラミックスまたは金属板に搭載されたものであってもよい。太陽電池セルを構成する半導体材料としては、シリコンに限らず、例えばガリウムヒ素等を用いることも可能である。
【００１１】
次に、図１（ｂ）に示すように、半導体基板１１の太陽光入射面１１ａ上に、スクリーン印刷法等の手段を用いて、多孔質膜形成用のペーストを塗布し、加熱処理を施すことによって多孔質の耐エッチング性膜１３を形成する。その後、図１（ｃ）に示すように、酸・アルカリ・エッチング性の液体または気体・プラズマ等を用いてエッチングを行うことにより、図１（ｄ）に示すように、半導体基板１１上にテクスチャ構造１５を作製する。
【００１２】
第１実施例のペーストは、粒径１０ミクロン以下のガラス粒子と一般的なペーストで使用されているエチルセルロースやテルピネオールなどの有機バインダーと混合したものを用い、多孔質の耐エッチング性膜１３を形成する。ここで多孔質膜の構成材料として耐アルカリ性・耐酸性のあるガラス粒子を選択したが、セラミックスやグラファイト、テフロン（登録商標）やポリエチレンなど、耐エッチング性が期待できる材料であれば何でも利用することができる。また、ペーストの構成材料の成分・含有率を変えることにより、多孔質の程度を調整することができ、これによりテクスチャ構造の反射率を調整することができる。
【００１３】
このペーストを♯４００程度のステンレスメッシュを用いたスクリーンを用いて、シリコン半導体基板１１の太陽光入射面１１ａ上にスクリーン印刷する。これを、６００℃程度まで急速加熱後、冷却すると図２に模式的に示すような多孔質膜１３が形成される。この多孔質膜１３は、シリコンとエッチングレートが異なる粒子１４が多孔質の状態で結合して形成されたものであり、多孔質膜の通孔を通してエッチング液を基板１１の表面１１ａに作用させ、微細な凹凸からなるテクスチャ構造を形成することができる。この際、エッチング液の組成によりガラス粒子もエッチングされるが、基板表面での適当な厚さと被覆率を持つように多孔質膜の形状を調整することで、実効的に耐エッチング性膜として利用でき、結果として良好な凹凸構造を得ることができる。用途に応じて、同様の条件で多孔質膜を裏面にも形成し、基板の両面にテクスチャ構造を形成することも可能である。
【００１４】
多孔質膜１３がマスクとして基板１１の表面１１ａを被覆する割合は、４０〜９９％で、好ましくは８０〜９８％が、光反射の低減率からみて、良好なテクスチャ構造を形成することができる。図１（ｃ）に示すように、この多孔質膜１３をエッチングマスクとして、７０℃程度に加熱したＮａＯＨなどのアルカリ溶液１７に数十秒間浸漬することにより、多孔質膜１３の通孔を介して半導体基板表面のエッチングを行う。これにより、基板１１の太陽光入射面１１ａにテクスチャ構造１５が形成される。
【００１５】
被エッチング基板としてシリコン、エッチングマスクの主材料としてガラス、エッチング液としてＮａＯＨなどのアルカリ溶液を用いた場合のマスクの処理について説明する。マスクの被覆率を８０〜９８％とした場合、エッチングマスク自身を形成するガラスもエッチングされるために、シリコン表面への凹凸形成と共に、マスク自身も同時に除去することが可能である。このことにより、マスク除去工程が省略でき、工程数と薬液使用数の大幅な低減が可能である。
【００１６】
以上により、図１（ｄ）に示すように、基板１１の太陽光入射面１１ａに微細な凹凸であるテクスチャ構造（反射防止構造）１５を形成することができる。従来のスクリーン印刷材料では、ＮａＯＨ水溶液には、十分な耐性がないのに対して、上記多孔質膜１３によれば、ペーストが耐アルカリ性・耐酸性のある素材の粒子を混入してこれを焼成または加温硬化により結合したものであるので、十分なエッチング耐性が得られる。そして、ＨＦ水溶液により容易に除去することが可能である。
【００１７】
なお、エッチング液として、ＮａＯＨ溶液を用いる例について説明したが、多孔質膜を構成する耐アルカリ性・耐酸性のある素材の粒子との関係から、エッチング耐性を有する各種の酸・アルカリ溶液を用いることができる。また、酸・アルカリ溶液に限らず、エッチング性気体、ガスプラズマ等を用いてエッチングを行うことも可能である。
【００１８】
次に、第２実施例のペーストを用いた例について説明する。このペーストは、粒径４〜１０ミクロンの低密度ポリエチレン粒子に、有機バインダーを２０％加えて混合してペースト材料としたものである。このペーストを、♯４００のステンレスメッシュを用いたスクリーンを用いて、半導体基板１１の太陽光入射面１１ａ上にスクリーン印刷した。そして、このペースト膜を、室温〜１２０℃（３秒）、１２０℃（２秒）、１２０℃〜６０℃（５秒）で、赤外線加熱炉を用いて急速加熱、冷却し、図２に示すような低密度ポリエチレン粒子１４を主体とした多孔質性の膜１３を形成した。この条件で得られた多孔質膜は、基板表面１１ａのマスクとしての被覆率が概ね９４％であった。
【００１９】
この多孔質膜１３をエッチングマスクとして、ＨＦ：ＨＮＯ_３（１：２０）の混合液に５秒間浸漬した。これにより、多孔質膜１３の通孔を介してエッチングにより基板１１の表面１１ａにテクスチャ構造が形成される。次に、エッチングマスクである多孔質膜１３を超音波洗浄機内でアセトンに１０分間浸漬したのち、薬液を交換して、再度１０分間浸漬し完全に除去した。その後、流水を用いて２分間水洗し、オーブンにて１１０℃５分間の加熱を行い乾燥し、処理を終了した。
【００２０】
得られたテクスチャ構造の反射特性は、未処理の鏡面状のシリコン基板と比較して、反射率が大きく低減できていることが確認できた。なお、この多孔質膜１３を得るために用いるプロセス温度は、最高で１２０℃程度であり、半導体等の基板に与えるダメージが大きく低減できることや、装置設備のコストが安価にできること等も大きなメリットである。
【００２１】
上述した太陽電池の製造方法は、第１実施例のペーストまたは第２の実施例のペーストを用いるにしても、ペーストの調整が容易である。即ち、半導体基板表面をエッチングする媒体に対して、耐エッチング性を有する素材粒子をペースト中に混入することにより形成することができる。そして、これをスクリーン印刷等の簡便な手法を用いて、半導体基板上に塗布し、加温硬化または焼成により多孔質膜１３を容易に形成でき、一般的なエッチング溶液（ガス）を用いてテクスチャ構造を容易に形成できる。従って、高価な設備を要することなく、高い量産性が得られる。テクスチャ構造１５が形成された基板１１は、その後ＰＮ接合の形成等の処理が行われる。これにより製造された太陽電池は、光の散乱を防止して入射光に対する高いトラップ効率が得られるので、高い光電変換効率が得られる。従って、使い易く、且つ高い光電変換効率が得られる太陽電池が安価に提供される。
【００２２】
なお、上述した実施形態においては、（１１１）結晶面を有するシリコン単結晶基板の例について主として説明したが、多結晶基板またガラス基板でもよく、また（１１１）結晶面以外のものにも同様に多孔質膜のエッチングによるテクスチャ構造の形成の適用が可能である。また、エッチング液として、ＮａＯＨ溶液およびＨＦ／ＨＮＯ_３混合液を用いる例について説明したが、その他の酸又はアルカリ溶液、またはエッチングガスを用いることが可能である。
【００２３】
尚、上記実施形態は本発明の実施例の一態様を述べたもので、本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能なことは勿論である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体基板の面方位を気にすること無く、簡単に半導体基板表面にテクスチャ構造を形成することが可能となる。即ち、耐エッチング性を有する多孔質膜をスクリーン印刷により形成して多孔質中の通孔を介して基板表面をエッチングすることで、安価で簡便に且つ工業的に高い量産性で半導体基板表面にテクスチャ構造を形成することができる。総じて本発明によれば、良好な光電変換効率が得られる太陽電池を低い製造コストで提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】結晶基板表面にテクスチャ構造をエッチングにより形成する工程例を示す図である。
【図２】多孔質膜の構成例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１１　　　半導体基板
１１ａ　　基板表面（光入射面）
１３　　　多孔質膜（耐エッチング性を有する多孔質マスク）
１４　　　耐エッチング性を有する粒子
１５　　　反射防止構造（テクスチャ構造）
１７　　　エッチング溶液

Claims

太陽電池を構成する半導体基板上に、ペーストを使用して多孔質の耐エッチング性膜を形成し、前記多孔質の耐エッチング性膜をマスクとして用いて、エッチングを行うことにより、前記半導体基板上に、微細な凹凸からなる反射防止構造を形成することを特徴とする太陽電池の製造方法。
前記ペーストは、耐アルカリ性・耐酸性のある素材の粒子を混入したものであることを特徴とする請求項１記載の太陽電池の製造方法。
前記ペーストをスクリーン印刷することにより、前記半導体基板上に前記多孔質の耐エッチング性膜を形成することを特徴とする請求項１記載の太陽電池の製造方法。
前記半導体基板として、単結晶、多結晶、またはガラス（アモルファス）基板を用いることを特徴とする請求項１記載の太陽電池の製造方法。
半導体基板上に、ペーストを使用して多孔質の耐エッチング性膜を形成し、前記耐エッチング性膜をマスクとして用いて、エッチングを行うことにより、前記半導体基板上に微細な凹凸構造を形成することを特徴とする半導体基板の製造方法。
前記ペーストをスクリーン印刷することにより、前記半導体基板上に前記耐エッチング性膜を形成することを特徴とする請求項５記載の半導体基板の製造方法。