JP2014146766A - Method for manufacturing solar cell and solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽電池の製造方法及び太陽電池に係り、特に、太陽電池裏面構造において再結合を抑制するとともに電極抵抗の低抵抗化に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a solar cell and a solar cell, and more particularly to a reduction in electrode resistance while suppressing recombination in a solar cell back surface structure.
現在、太陽電池素子としては結晶系シリコン基板を用いた結晶系シリコン太陽電池が主流となっている。特に単結晶シリコンを用いた太陽電池においては高効率化の開発が進んでおり、光照射により発生したキャリアを取出す電極直下のシート抵抗の低減が求められている(例えば特許文献1)。電極直下の低抵抗化と周囲の高抵抗化を実現する方法として、基板を酸化膜などの保護膜で覆い、低抵抗化する箇所だけレーザーを用いて開口してから拡散炉や常圧CVD法などを用いて不純物ドーピングする技術が開示されている(例えば特許文献2)。そしてまた、裏面の不純物拡散層および電極構造は配線抵抗と接触抵抗の低抵抗化を実現すると同時に基板の機械強度も保持するために適切な凹凸構造を形成する技術が開示されている(例えば特許文献3)。 At present, a crystalline silicon solar cell using a crystalline silicon substrate is mainly used as a solar cell element. In particular, in solar cells using single crystal silicon, development of higher efficiency is progressing, and reduction of sheet resistance directly under an electrode for taking out carriers generated by light irradiation is required (for example, Patent Document 1). As a method to achieve low resistance directly under the electrode and high resistance in the surrounding area, cover the substrate with a protective film such as an oxide film, open only the area where the resistance is reduced using a laser, and then use a diffusion furnace or atmospheric pressure CVD A technique for doping impurities using the above is disclosed (for example, Patent Document 2). In addition, a technique for forming an appropriate concavo-convex structure for the purpose of maintaining the mechanical strength of the substrate while simultaneously realizing the low resistance of the wiring resistance and the contact resistance is disclosed for the impurity diffusion layer and the electrode structure on the back surface (for example, patents) Reference 3).
しかしながら、上記従来の技術によれば、裏面にアルミニウム(Al)層を形成して基板中にAlを拡散させ、BSF(Back Surface Field)層を形成するAl−BSF構造は現在の主流である。しかしこの構造では、裏面の再結合を抑制することが出来ず、太陽電池セルの高効率化の阻害要因となっている。そこでAl−BSF構造に代わって、裏面に基板と同じ導電型の拡散層を形成するPERT構造が提案されている(特許文献3)。PERT構造とはPassivated Emitter and RearTotally−diffusedの略称であり、現在主流のアルミニウム拡散層に代わってボロン拡散層でBSF層を形成した太陽電池を指す。PERT構造ではボロン拡散層でBSF層を形成するため、ボロン拡散層表面は再結合を抑制するために、ボロン拡散層表面に酸化膜などのパッシベーション膜を形成する方法が一般的である。 However, according to the above conventional technique, an Al-BSF structure in which an aluminum (Al) layer is formed on the back surface and Al is diffused in the substrate to form a BSF (Back Surface Field) layer is the current mainstream. However, with this structure, recombination on the back surface cannot be suppressed, which is an impediment to improving the efficiency of solar cells. Therefore, instead of the Al-BSF structure, a PERT structure in which a diffusion layer having the same conductivity type as that of the substrate is formed on the back surface has been proposed (Patent Document 3). The PERT structure is an abbreviation of Passive Emitter and Rear Totally-diffused, and refers to a solar cell in which a BSF layer is formed with a boron diffusion layer instead of the current mainstream aluminum diffusion layer. In the PERT structure, since a BSF layer is formed with a boron diffusion layer, a passivation film such as an oxide film is generally formed on the surface of the boron diffusion layer in order to suppress recombination on the surface of the boron diffusion layer.
しかし、PERT構造は裏面ポイントコンタクト構造を有するため直列抵抗値が上がり易く、そのためにFF(曲線因子;fill factor)が低下する構造上の問題点がある。FFは、理論出力に対する最大出力の割合を表す数値であって、太陽電池モジュールの品質の目安の一つとされている。理論出力は、開放電圧および短絡電流の積に相当する。FFは、最大出力が理論出力と同一である場合を最大値1とし、数値が1に近いほど発電効率が高いことを表す。 However, since the PERT structure has a back surface point contact structure, the series resistance value is likely to increase, and there is a structural problem that FF (fill factor) decreases. FF is a numerical value representing the ratio of the maximum output to the theoretical output, and is regarded as one of the standard of the quality of the solar cell module. The theoretical output corresponds to the product of open circuit voltage and short circuit current. FF represents the case where the maximum output is the same as the theoretical output, with the maximum value being 1, and the closer the value is to 1, the higher the power generation efficiency.
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、直列抵抗の上昇を抑制し、FF値を従来のAl−BSFと同等かそれ以上に高める、最適な裏面PERT構造の太陽電池を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a solar cell having an optimal back surface PERT structure that suppresses an increase in series resistance and increases the FF value to be equal to or higher than that of conventional Al-BSF. And
太陽電池の裏面構造を製造する方法であって、半導体基板と同一導電型の不純物を含有する低濃度拡散源層を半導体基板の第2の面に形成する工程と、低濃度拡散源層上に、開口を有する保護膜を形成する工程と、開口から半導体基板を選択的にエッチングし、溝部を形成する工程と、低濃度拡散源層よりも高濃度の不純物を含有する高濃度拡散源層を形成する工程と、これら低濃度及び高濃度拡散源層から半導体基板の第2の面に沿ってそれぞれ不純物を拡散させ、低濃度拡散層及び高濃度拡散層を形成する拡散工程と、低濃度拡散層上を覆うようにパッシベーション膜を形成する工程と、高濃度拡散層にコンタクトするように裏面電極を形成する工程と、上記半導体基板の第1の面にpn接合を形成すると共に受光面側電極を形成する工程とを含む。 A method of manufacturing a back surface structure of a solar cell, comprising: forming a low concentration diffusion source layer containing impurities of the same conductivity type as a semiconductor substrate on a second surface of the semiconductor substrate; and on the low concentration diffusion source layer A step of forming a protective film having an opening, a step of selectively etching a semiconductor substrate from the opening to form a groove, and a high concentration diffusion source layer containing a higher concentration of impurities than the low concentration diffusion source layer. A step of forming, a diffusion step of diffusing impurities from the low concentration and high concentration diffusion source layers along the second surface of the semiconductor substrate to form a low concentration diffusion layer and a high concentration diffusion layer, and a low concentration diffusion A step of forming a passivation film so as to cover the layer, a step of forming a back electrode so as to contact the high concentration diffusion layer, a pn junction on the first surface of the semiconductor substrate, and a light receiving surface side electrode Craft to form Including the door.
本発明によれば、裏面に最適な拡散層と電極構造を有するPERT構造の太陽電池を形成することができるため、直列抵抗値が高くなるのを抑制し、太陽電池の高効率化を達成することが出来る。 According to the present invention, since a solar cell having a PERT structure having an optimum diffusion layer and electrode structure on the back surface can be formed, an increase in series resistance value is suppressed, and high efficiency of the solar cell is achieved. I can do it.
以下に、本発明にかかる太陽電池及びその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。 Embodiments of a solar cell and a method for manufacturing the solar cell according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it can change suitably. In the drawings shown below, the scale of each member may be different from the actual scale for easy understanding.
実施の形態1.
図1−1〜図1−3は、本実施の形態の太陽電池を模式的に示す図であり、図1−1は断面図、図1−2は裏面図、図1−3は受光面(表面)を示す図である。なお図1−1は、図1−2及び図1−3のC−C断面図に相当する。また図2−1〜図2−11は、同太陽電池の製造工程のプロセスフローを示す工程断面図である。
FIGS. 1-1 to 1-3 are diagrams schematically showing the solar cell of the present embodiment, in which FIG. 1-1 is a sectional view, FIG. 1-2 is a back view, and FIG. 1-3 is a light receiving surface. It is a figure which shows (surface). FIG. 1-1 corresponds to a cross-sectional view taken along the line CC in FIGS. 1-2 and 1-3. FIGS. 2-1 to 2-11 are process cross-sectional views illustrating the process flow of the manufacturing process of the solar cell.
実施の形態1の太陽電池では、半導体基板1の裏面(第2の面)側に<100>軸方向に沿ってパターン開口させて形成したドット状に点在するパターンをなすように形成した断面V字状のV字溝1Tに沿って高濃度拡散層8を形成するとともに、他の部分を低濃度拡散層7とし、第2の不純物拡散層を構成している。そしてこの低濃度拡散層7上を、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との2層構造膜からなるパッシベーション膜9で被覆したことを特徴とする。この構成により、少数キャリアの取出し抵抗の低減を確保しつつ、裏面の再結合を抑制することができる。
In the solar cell of the first embodiment, a cross section formed so as to form a dot-spotted pattern formed by opening a pattern along the <100> axis direction on the back surface (second surface) side of the semiconductor substrate 1 A high-
実施の形態1にかかる太陽電池においては、p型単結晶シリコン基板からなる半導体基板1の受光面1A側にリン拡散によってn型拡散層11(基板と異なる導電型を有する第1の不純物拡散層)が形成されて、pn接合を形成している。また、このn型拡散層11上に窒化シリコン膜(SiN膜)からなる反射防止膜12が形成されている。なお、半導体基板1としてはp型単結晶シリコン基板に限定されず、p型多結晶シリコン基板やn型多結晶のシリコン基板、n型単結晶シリコン基板を用いてもよい。
In the solar cell according to the first embodiment, an n-type diffusion layer 11 (first impurity diffusion layer having a conductivity type different from that of the substrate) is formed by phosphorous diffusion on the light-receiving surface 1A side of the
また、半導体基板1の受光面(第1の面)1A側の表面には、テクスチャー構造として逆ピラミッド状のV字溝1Tからなる微小凹凸(テクスチャー)構造が形成されている。逆ピラミッド状の微小凹凸は、受光面1Aにおいて外部からの光を吸収する面積を増加し、受光面1Aにおける反射率を抑え、効率良く光を太陽電池セルに閉じ込める構造となっている。
Further, on the surface of the
反射防止膜12は、絶縁膜である窒化シリコン膜(SiN膜)からなる。なお、反射防止膜12は、窒化シリコン膜(SiN膜)に限定されず、シリコン酸化膜(SiO2膜)や酸化チタン膜(TiO2)膜などの絶縁膜により形成されてもよい。
The
また、半導体基板1の受光面1A側には、図1−3に示すように、長尺細長の表銀グリッド電極13Gが複数並べて設けられ、この表銀グリッド電極13Gと導通する表銀バス電極13Bが該表銀グリッド電極13Gと略直交するように設けられて受光面側電極13を構成している。そしてそれぞれ底面部においてn型拡散層11に電気的に接続している。表銀グリッド電極13Gおよび表銀バス電極13Bは銀材料により構成されている。
Further, as shown in FIG. 1-3, a plurality of long and thin surface
表銀グリッド電極13Gは、例えば30μm〜200μm程度の幅を有するとともに2mm程度の間隔で略平行に配置され、半導体基板1の内部で発電した電気を集電する。また、表銀バス電極13Bは、例えば1mm〜3mm程度の幅を有するとともに太陽電池セル1枚当たりに2本〜4本配置され、表銀グリッド電極13Gで集電した電気を外部に取り出す。そして、表銀グリッド電極13Gと表銀バス電極13Bとにより、第1電極である受光面側電極13が構成される。受光面側電極13は、半導体基板1に入射する太陽光を遮ってしまうため、可能なかぎり面積を小さくすることが発電効率向上の観点では望ましい。
The front
シリコン太陽電池セルの受光面側電極の電極材料には、通常、銀ペーストが用いられ、例えば、鉛ボロンガラスが添加されている。このガラスはフリット状のもので、例えば、鉛(Pb)5〜30wt%、ボロン(B)5〜10wt%、シリコン(Si)5〜15wt%、酸素(O)30〜60wt%の組成から成り、さらに、亜鉛(Zn)やカドミウム(Cd)なども数wt%程度混合される場合もある。このような鉛ボロンガラスは、数百℃(例えば、800℃)の加熱で溶解し、その際にシリコンを侵食する性質を有している。また一般に、結晶系シリコン太陽電池セルの製造方法においては、このガラスフリットの特性を利用して、シリコン基板と銀ペーストとの電気的接触を得る方法が用いられている。 As the electrode material of the light receiving surface side electrode of the silicon solar battery cell, a silver paste is usually used, for example, lead boron glass is added. This glass has a frit shape and is composed of, for example, a composition of 5-30 wt% lead (Pb), 5-10 wt% boron (B), 5-15 wt% silicon (Si), and 30-60 wt% oxygen (O). Furthermore, zinc (Zn), cadmium (Cd), etc. may be mixed by several wt%. Such lead boron glass has a property of melting by heating at several hundred degrees C. (for example, 800.degree. C.) and eroding silicon at that time. In general, in a method for manufacturing a crystalline silicon solar battery cell, a method of obtaining electrical contact between a silicon substrate and a silver paste by using the characteristics of the glass frit is used.
一方、半導体基板1の裏面1B(第2の面:受光面と反対側の面)には、外縁領域を一部を除いた全体にわたってアルミニウム材料からなる裏アルミニウム電極が設けられ、また表銀バス電極13Bと略同一方向に延在して銀材料からなる裏銀電極(図示せず)が設けられている。そして、裏アルミニウム電極と裏銀電極とにより第2電極である裏面電極14が構成される。また、裏アルミニウム電極には、半導体基板1を通過する長波長光を反射させて発電に再利用するBSR(Back Surface Reflection)効果も期待している。
On the other hand, the back surface 1B (second surface: the surface opposite to the light receiving surface) of the
また、半導体基板1の裏面1B側には、前述したようにドット状に点在するパターンをなすように<100>軸方向に沿ってパターン開口させて形成した断面V字状のV字溝1Tを形成している。そしてこのV字溝1Tの表層部に沿って高濃度拡散層8(p+層)が形成されている。この高濃度拡散層8は、BSF効果を得るために設けられ、p型層(半導体基板1)中の電子が消滅しないようにバンド構造の電界でp型層(半導体基板1)中の電子濃度を高めるようにする。半導体基板1の裏面側にこの高濃度拡散層8を形成するとともに、他の部分を低濃度拡散層7とし、この低濃度拡散層7上を、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との2層構造膜からなるパッシベーション膜9で被覆し、再結合抑制構造を形成したことを特徴とする。
Further, on the back surface 1B side of the
このように構成された太陽電池セルでは、太陽光が太陽電池セルの受光面側から半導体基板1に照射されると、ホールと電子が生成される。pn接合部(p型単結晶シリコンからなる半導体基板1とn型拡散層11との接合面)の電界によって、生成された電子はn型拡散層11に向かって移動し、ホールは半導体基板1に向かって移動する。これにより、n型拡散層11に電子が過剰となり、半導体基板1にホールが過剰となる結果、光起電力が発生する。この光起電力はpn接合を順方向にバイアスする向きに生じ、n型拡散層11に接続した受光面側電極13がマイナス極となり、高濃度拡散層8に接続した裏アルミニウム電極を含む裏面電極14がプラス極となって、図示しない外部回路に電流が流れる。
In the solar battery configured as described above, when sunlight is irradiated onto the
つぎに、実施の形態1にかかる太陽電池の製造方法について図2−1〜図2−11を参照して説明する。図2−1〜図2−11は、実施の形態1にかかる太陽電池セルの製造工程の一例を説明するための要部断面図である。 Next, a method for manufacturing the solar cell according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 2-1 to 2-11. FIGS. 2-1 to 2-11 are main-portion cross-sectional views for explaining an example of the manufacturing process of the solar battery cell according to the first embodiment.
まず、半導体基板1として例えば数百μm厚のp型単結晶シリコン基板を用意する(図2−1)。p型単結晶シリコン基板は、溶融したシリコンを冷却固化してできたインゴットをワイヤーソーでスライスして製造するため、表面にスライス時のダメージが残っている。そこで、p型単結晶シリコン基板を酸または加熱したアルカリ溶液中、例えば水酸化ナトリウム水溶液に浸漬して表面をエッチングすることにより、シリコン基板の切り出し時に発生してp型単結晶シリコン基板の表面近くに存在するダメージ領域を取り除く。例えば数〜20wt%苛性ソーダや炭酸苛性ソーダで10μm〜20μm厚だけ表面を除去する。
First, as the
次いで、このp型単結晶シリコン基板からなる半導体基板1の裏面1B側に常圧CVD法により低濃度BSG(BoronSilicate Glass)膜(低濃度拡散源層)2を成膜する。原料ガスとしてはB2H6(ジボラン)とSiH4(シラン)の混合ガスを用いるが、混合比については後述する。そして成膜時の半導体基板表面の温度は400℃〜500℃の範囲であることが望ましく、膜厚は50nm以下であることが望ましい。膜厚が50nmを越えた場合、ボロンを含んだ酸化膜中への拡散も生じるためシリコン基板面内に均一な拡散が出来ず、シート抵抗にムラが生じてしまい効率低下の原因となる。また、低濃度BSG膜2のキャップ膜としてSiO2膜を低濃度BSG成膜直後に常圧CVD法によって成膜しても良い。このキャップ膜はボロン拡散を実施する場合に表面からの脱離を防止する役割があり、均一な拡散を目指す上で必要となる。
Next, a low-concentration BSG (Boron Silicate Glass) film (low-concentration diffusion source layer) 2 is formed on the back surface 1B side of the
この常圧CVD法にて成膜された膜上に保護膜3を成膜する。この時、保護膜3としては窒化膜などのアルカリ耐性のある絶縁膜が望ましい。ここで保護膜3として窒化膜を用いる場合、その屈折率は2.5以上とするのが望ましい。屈折率2.5未満の窒化膜は膜中に含まれる水素量が少ないため、レーザーを用いたパターニングが難しい。窒化膜の成膜方法としてはプラズマCVD法などが挙げられる。こうして図2−2に示すような構造が得られる。
A
こののち、電極パターン状に裏面を加工して下地の半導体基板1を露出させる(図2−3)。加工方法としてはレーザーやRIEなどを用いた物理的エッチングやエッチングペーストを用いた化学的エッチングを用いて行う。露出させる向きはシリコン基板の<100>軸方向に沿わせて裏面開口4を形成する。
Thereafter, the back surface is processed into an electrode pattern to expose the underlying semiconductor substrate 1 (FIGS. 2-3). As a processing method, physical etching using a laser or RIE or chemical etching using an etching paste is used. The
その後、この保護膜3のパターンをマスクとしてアルカリ溶液でエッチングを行い、図2−4に示すようにV字溝1Tを形成する。この時、半導体基板1の厚みによっては、機械強度を維持するためにアルカリ溶液でのエッチングを途中で停止して台形型の溝(後述する)を形成してもよい。
Thereafter, etching is performed with an alkaline solution using the pattern of the
このV字溝1Tは、レーザーにより加工径5μm〜100μmで単結晶シリコン基板に対して<100>軸方向にパターン開口し、アルカリ溶液によってエッチングすることで深さ10〜70μmのV字溝1Tを形成する。レーザーによる加工径は小さいのが望ましいが、加工精度の観点から5μm以上が望ましい。また加工径が100μmを越えると、再結合の抑制が困難となり、効率が低下する。一方、V字溝1Tの深さについては、10μmに満たないと、後に形成される高濃度拡散層8と裏面電極14との接触面積を十分にとることができず、直列抵抗値の低減が困難となる。また70μmを越えると、半導体基板1の基板強度を十分に確保することが困難となる。
This V-shaped
この裏面に形成したV字溝1Tはドット状に点在するようなパターンやライン状に形成したパターンのどちらであっても良い。用いる太陽電池の状態によって少数キャリアの取出し面積を優先するか、裏面の再結合を抑制するのかに焦点を合わせて選択可能である。
The V-shaped
次に、図2−5に示すように半導体基板1の下地が露出した箇所に高濃度BSG膜(高濃度拡散源層)6を成膜する。このようにして、裏面に低濃度BSG膜2と高濃度BSG膜6を形成したのち、900℃以上のN2雰囲気下でドライブインを実施してから、これら低濃度及び高濃度BSG層2,6を除去する。このようにして、図2−6のように低濃度拡散層7と高濃度拡散層8を形成する。
Next, as shown in FIG. 2-5, a high-concentration BSG film (high-concentration diffusion source layer) 6 is formed at a location where the base of the
このようにして半導体基板1の裏面1Bに低濃度拡散層7と高濃度拡散層8を形成後、その上層にパッシベーション膜9を形成する(図2−7)。このパッシベーション膜9は酸化炉を用いて酸化膜を200nm以下の厚みで形成するか、常圧CVD法を用いて酸化シリコン膜などの酸化膜を200nm以下の厚みで形成し、高温の酸化炉で熱処理することが望ましい。なおこの酸化膜の膜厚は5nm以上とするのが望ましい。または、上述のような酸化膜にプラズマCVD法を用いた窒化膜を酸化膜の上に形成することでパッシベーション膜9とすると、更に効果的である。
Thus, after forming the low
このパッシベーション膜9を形成した後、図2−8に示すように、アルカリ溶液を用いた異方性エッチングにより、V字溝1Tを形成する。なおV字溝1Tに限定されることなく、ランダム構造や逆ピラミッド構造等の微小凹凸といったテクスチャーの形成を行う。
After this passivation film 9 is formed, a V-shaped
そして、図2−9に示すように、半導体基板1の受光面1Aにリン拡散を実施してn型拡散層11からなるエミッタ層を形成する。すなわち、半導体基板1にリン(P)等のV族元素を拡散させて数百nm厚のn型拡散層11を形成する。ここでは、受光面側に逆ピラミッドテクスチャー構造を形成したp型単結晶シリコン基板に対して、熱拡散によりオキシ塩化リン(POCl3)を、800℃〜900℃の高温で数十分間、拡散させてpn接合を形成する。これにより、p型単結晶シリコン基板の全面にn型拡散層11が形成される。
Then, as shown in FIG. 2-9, phosphorous diffusion is performed on the
この拡散工程では、p型単結晶シリコン基板を例えばオキシ塩化リン(POCl3)ガス、窒素ガス、酸素ガスの混合ガス雰囲気中で気相拡散法により例えば800℃〜900℃の高温で数十分間、熱拡散させてp型単結晶シリコン基板の表面層にリン(P)が拡散したn型拡散層11を一様に形成する。半導体基板1の表面に形成されたn型拡散層11のシート抵抗の範囲が30Ω/□〜150Ω/□程度である場合に良好な太陽電池の電気特性が得られる。このエミッタ層についても、電極直下とその周囲でシート抵抗値を変えるような選択エミッタ層であってもよい。選択エミッタ層を形成する場合には、裏面電極側と同様に、常圧CVD法を用いる場合には高濃度拡散源と低濃度拡散源となるPSG膜を形成し、1回のドライブイン拡散で、容易に形成可能である。また、ドライブイン拡散を裏面電極側の低濃度拡散層7及び高濃度拡散層8の形成と同時に実行することで、熱工程を低減することが可能となる。
In this diffusion step, the p-type single crystal silicon substrate is several tens of minutes at a high temperature of, for example, 800 ° C. to 900 ° C. by a vapor phase diffusion method in a mixed gas atmosphere of, for example, phosphorus oxychloride (POCl 3 ) gas, nitrogen gas, and oxygen gas. In the meantime, the n-
そして図2−10に示すように、n型拡散層11を形成したのち、反射防止膜12をプラズマCVD法などで成膜する。反射防止膜12の膜厚および屈折率は、光反射を最も抑制する値に設定する。反射防止膜12の形成は、シラン(SiH4)ガスとアンモニア(NH3)ガスの混合ガスを原材料に用いて、300℃以上、減圧下の条件で窒化シリコン膜を成膜形成することによってなされる。屈折率は例えば1.9〜2.4程度であり、最適な反射防止膜厚は例えば70nm〜90nmである。なお、反射防止膜12として、屈折率の異なる2層以上の膜を積層してもよい。また、反射防止膜12の形成方法は、プラズマCVD法の他に蒸着法、熱CVD法などを用いてもよい。なお、このようにして形成される反射防止膜12は絶縁体であることに注意すべきであり、受光面側電極13をこの上に単に形成しただけでは、太陽電池セルとして作用しない。
Then, as shown in FIG. 2-10, after the n-
そして、フォトリソグラフィにより、図2−11に示すように、裏面のパッシベーション膜9に開口h2を形成する。そして、厚膜印刷により受光面側電極13および裏面電極14の電極パターンを形成する。すなわち、p型単結晶シリコン基板の受光面である反射防止膜12上に、表銀グリッド電極13Gと表銀バス電極13B(図1−3参照)との形状に、ガラスフリットを含む電極材料ペーストである銀ペーストをスクリーン印刷によって塗布した後、銀ペーストを乾燥させる。
Then, as shown in FIG. 2-11, an opening h2 is formed in the passivation film 9 on the back surface by photolithography. And the electrode pattern of the light-receiving
つぎに、p型単結晶シリコン基板の裏面側にスクリーン印刷によって、裏面電極14の形状に電極材料ペーストであるアルミニウムペーストを塗布し、さらに裏銀電極の形状に電極材料ペーストである銀ペーストを塗布し、乾燥させる。なお、図中ではアルミニウムペーストのみを示しており、銀ペーストの記載を省略している。
Next, an aluminum paste as an electrode material paste is applied to the shape of the
最後に、受光面側電極13と裏面電極14の電極パターンを焼成する。このように、半導体基板1の受光面側および裏面側の電極ペーストを例えば600℃〜900℃で同時に焼成することで、半導体基板1の表側では銀ペースト中に含まれているガラスフリットで反射防止膜12が溶融している間に銀材料がシリコンと接触し再凝固する。これにより、受光面側電極13としての表銀グリッド電極13Gおよび表銀バス電極13Bとが得られ、受光面側電極13と半導体基板1のシリコンとの導通が確保される。このプロセスは、ファイヤースルー法と呼ばれる。このようにして、受光面側電極13が表面の反射防止膜12を突き破りコンタクト孔h1を介してn型拡散層11にコンタクトし、図1−1〜図1−3に示した太陽電池が形成される。
Finally, the electrode patterns of the light receiving
なお、前記実施の形態では、裏面に電極を形成する際、ファイアースルー法を用いたが、レーザーなどの物理エッチングかエッチングペーストなどの化学エッチング方法を用いてパターン開口した後に電極を形成しても良い。 In the above embodiment, the fire-through method is used when forming the electrode on the back surface. However, the electrode may be formed after pattern opening using physical etching such as laser or chemical etching method such as etching paste. good.
このようにして極めて容易に、高効率でFF値の高い太陽電池を形成することが可能となる。なお、第1の面に、pn接合を形成すると共に受光面側電極を形成する工程に先立ち、低濃度及び高濃度拡散層を形成しているため、より高効率の太陽電池を得ることができる。基板と同じ導電型の拡散層を異なる導電型の拡散層より先に形成するのは、一連の太陽電池素子化プロセスで加える熱工程の影響が小さいためである。 In this way, a solar cell having a high efficiency and a high FF value can be formed very easily. Since the low-concentration and high-concentration diffusion layers are formed prior to the step of forming the pn junction and the light-receiving surface side electrode on the first surface, a more efficient solar cell can be obtained. . The reason why the diffusion layer having the same conductivity type as that of the substrate is formed before the diffusion layer having a different conductivity type is that the influence of the thermal process applied in the series of solar cell element forming processes is small.
図3は、低濃度ボロン層からなる低濃度拡散層7(曲線a)と高濃度ボロン層からなる高濃度拡散層8(曲線b)のSIMSによる深さプロファイルの分析結果を示している。この低濃度ボロン層は常圧CVD法による低濃度拡散源層(BSG)成膜時にB2H6/SiH4の比率を12%以下にすることで得られる。また、高濃度拡散層8は常圧CVD法による高濃度拡散源層(BSG)の成膜時にB2H6/SiH4の比率を35%以上にすることで得られる。本実施の形態においては、低濃度拡散層7と高濃度拡散層8をボロン換算したとき次のように定義する。
高濃度ボロン層:ボロン濃度が最表面から深さ100nmまでのピーク濃度が1.0E21/cm3以上。
低濃度ボロン層:ボロン濃度が最表面から深さ100nmまでのピーク濃度が1.0E21/cm3未満。
FIG. 3 shows the SIMS depth profile analysis results of the low-concentration diffusion layer 7 (curve a) composed of a low-concentration boron layer and the high-concentration diffusion layer 8 (curve b) composed of a high-concentration boron layer. This low-concentration boron layer can be obtained by setting the ratio of B 2 H 6 / SiH 4 to 12% or less when forming a low-concentration diffusion source layer (BSG) by atmospheric pressure CVD. Further, the high
High-concentration boron layer: The peak concentration from the outermost surface to a depth of 100 nm is 1.0E21 / cm 3 or more.
Low-concentration boron layer: The peak concentration from the outermost surface to a depth of 100 nm is less than 1.0E21 / cm 3 .
B2H6/SiH4比率を12〜25%で成膜した場合、p型単結晶シリコン基板中へのボロン拡散が非常に促進されるため、p型単結晶シリコン基板中への欠陥を誘起し易く、かつ高濃度ボロン濃度層が深さ方向へ拡がるため再結合を促してしまう。この目安として、低濃度拡散層7の最表面から深さ100nmまでのピーク濃度は再結合を抑制するという観点から低濃度であることが望ましく1E+18〜1E+20のオーダーが理想である。常圧CVD法では、使用するB2H6/SiH4流量を上記の比率を用いることで低濃度拡散層7と高濃度拡散層8との最表面における濃度比は1/10から1/1000程度の濃度勾配を付けることができる。深さ方向の不純物濃度は、深さ300nm〜600nmまでの領域で1.0E18/cm3未満であり、深さ300nm〜600nmの領域で共に深さ方向に対して濃度が減衰して1.0E17/cm3以下になることが望ましい。
When a B 2 H 6 / SiH 4 ratio is formed at a rate of 12 to 25%, boron diffusion into the p-type single crystal silicon substrate is greatly promoted, thereby inducing defects in the p-type single crystal silicon substrate. This facilitates recombination because the high-concentration boron concentration layer expands in the depth direction. As a guideline, the peak concentration from the outermost surface of the low
図4は、図6のような構造を有するサンプルを試作して、バルクライフタイム(Bulk LifeTime)を測定した結果である。このサンプルは、リン拡散層18とパッシベーション膜19を前記実施の形態におけるn型拡散層11と反射防止膜12と同一条件で作っており、図2−1〜図2−11に示したプロセスフローからテクスチャー形成や電極形成を除いて試作を行った。これは裏面ボロン拡散層20のみを評価対象にするために行っており、ここで得られた結果は実際の太陽電池の特性を反映させることが出来る。裏面のボロン拡散層20のみを、先述したB2H6/SiH4比率について3水準、ドライブイン温度について4水準とした実験を行なった。図中の各条件上で、左から右へいくに従い高温になっている。
FIG. 4 is a result of making a sample having a structure as shown in FIG. 6 and measuring a bulk life time. In this sample, the
図4の結果から、B2H6/SiH4比率を24%近傍に設定した場合には、曲線a2に示すように、先述の理由によりバルクライフタイムが低下しており、低濃度層と高濃度層のB2H6/SiH4比率をそれぞれ12%と35%にすることで曲線a3とに示すように、バルクライフタイムの低下が抑制されていることが分かる。 From the result of FIG. 4, when the B 2 H 6 / SiH 4 ratio is set to around 24%, as shown by the curve a 2, the bulk lifetime is lowered for the above-mentioned reason, and the low concentration layer and the high concentration layer It can be seen that by reducing the B 2 H 6 / SiH 4 ratio of the concentration layer to 12% and 35%, respectively, the decrease in bulk lifetime is suppressed as shown by the curve a3.
また、図5に、シート抵抗値と、B2H6/SiH4比率との関係を測定した結果を示す。図5に示すように、シート抵抗値は、B2H6/SiH4比率毎に測定するとB2H6/SiH4比率12〜25%前後で最も低くなる。シート抵抗値はシリコン基板内部への不純物拡散し易さの指標ともなり、拡散層形成に関する情報を提供している。シート抵抗が低ければ低いほど、ボロン拡散が促進されていることを示しており、図5の結果からB2H6/SiH4比率 12〜25%を基準にして拡散のされ方が変わったと判断できる。B2H6/SiH4比率20%未満では、B2H6/SiH4比率が低下するに従って、急激にシート抵抗が上昇している。B2H6/SiH4比率12%以下では、BSG膜中に含まれるボロン濃度が低いため、低濃度のボロン拡散層形成となる。そのため、半導体基板1中へ欠陥を誘起し難い状況下で拡散されるため、再結合を起こし難い拡散層が形成される。
FIG. 5 shows the results of measuring the relationship between the sheet resistance value and the B 2 H 6 / SiH 4 ratio. As shown in FIG. 5, the sheet resistance value is lowest when the B 2 H 6 / SiH 4 ratio is around 12 to 25% when measured for each B 2 H 6 / SiH 4 ratio. The sheet resistance value also serves as an index of the ease of impurity diffusion into the silicon substrate, and provides information on the formation of the diffusion layer. It shows that the lower the sheet resistance, the more boron diffusion is promoted. From the result of FIG. 5, it is judged that the diffusion method has changed based on the B 2 H 6 / SiH 4 ratio of 12 to 25%. it can. When the B 2 H 6 / SiH 4 ratio is less than 20%, the sheet resistance increases rapidly as the B 2 H 6 / SiH 4 ratio decreases. When the B 2 H 6 / SiH 4 ratio is 12% or less, the boron concentration contained in the BSG film is low, so that a low-concentration boron diffusion layer is formed. For this reason, the diffusion layer is formed in the
一方、B2H6/SiH4比率が20%より高い領域では、B2H6/SiH4比率が高まってもシート抵抗の低下が見られず、シリコン基板内部への拡散が抑制されているような結果となっている。これは図3のSIMS分析結果と相関があり、表面高濃度形成と同時に深さ方向へのボロン拡散が抑制されていることに対応しており、表面高濃度ボロン層が障壁となっていることが推測される。すなわち、B2H6/SiH4比率35%以上では表面高濃度ボロン層が拡散を抑制しているため、BSG膜中のボロン高濃度化に関わらずシート抵抗値に大きな変化は確認出来ない。以上のことから、先述したB2H6/SiH4比率12〜25%での成膜は太陽電池の効率向上に好ましい結果を得ることは出来ず、12%以下、35%以上とすることでバルクライフタイムの大きな膜を得ることができる。 On the other hand, the B 2 H 6 / SiH 4 ratio is higher than 20% area, B 2 H 6 / SiH 4 be increased ratio not observed reduction in sheet resistance, diffusing into the silicon substrate interior is suppressed The result is as follows. This correlates with the SIMS analysis results in FIG. 3 and corresponds to the fact that boron diffusion in the depth direction is suppressed simultaneously with the formation of high surface concentration, and the surface high concentration boron layer is a barrier. Is guessed. That is, when the B 2 H 6 / SiH 4 ratio is 35% or more, since the surface high-concentration boron layer suppresses diffusion, no significant change in the sheet resistance value can be confirmed regardless of the high boron concentration in the BSG film. From the above, the film formation at the B 2 H 6 / SiH 4 ratio of 12 to 25% described above cannot obtain a favorable result for improving the efficiency of the solar cell. A film having a large bulk lifetime can be obtained.
以上説明してきたように、実施の形態1の太陽電池によれば、太陽電池裏面に基板と同じ導電型の低濃度拡散源層2を形成し、それをアルカリ耐性のある保護膜3で覆い、電極パターン状に開口した箇所をV字溝あるいは台形溝を形成してから高濃度拡散源層6を形成し、熱処理することで種類の異なる不純物拡散層(低濃度拡散層7,高濃度拡散層8)が形成され、不純物拡散層直上にはパッシベーション膜9を形成してから電極形成する。かかる工程により、裏面電極14直下のシート抵抗を低くすることで接触抵抗を下げてキャリアを有効に取出す。また、その周囲のシート抵抗を上げることで不純物濃度を下げて正孔‐電子の再結合を抑制する。従って、直列抵抗の増大を防ぎ、FF値の優れた太陽電池を提供することが可能となる。
As described above, according to the solar cell of the first embodiment, the low concentration
実施の形態2.
図7は、実施の形態2の太陽電池を模式的に示す断面図である。裏面図及び表面図は実施の形態1で説明したものと同様であるため、ここでは説明を省略する。なお図7は、図1−2及び図1−3のC−C断面図に相当する。
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the solar cell of the second embodiment. Since the back view and the front view are the same as those described in
実施の形態1の太陽電池では、半導体基板1の裏面側に<100>軸方向に沿ってパターン開口させて形成したドット状に点在するパターンをなすように形成した断面V字状のV字溝1Tに沿って高濃度拡散層8を形成するとともに、他の部分を低濃度拡散層7とし、この低濃度拡散層7上を、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との2層構造膜からなるパッシベーション膜9で被覆した。これに対し、本実施の形態では、図7に断面図及び図8−1に要部拡大図を示すように、断面V字状の溝に代えて断面台形状の溝1Dを形成したことを特徴とする。
In the solar cell of the first embodiment, a V-shaped V-shaped cross section formed so as to form a dot-dispersed pattern formed by opening a pattern along the <100> axis direction on the back surface side of the
図8−1は、本実施の形態の太陽電池の台形溝1D部分の要部拡大図を示している。保護膜3を開口してからアルカリ溶液に入れるとSi(111)面を残しながらエッチングが進み、自発的にV字溝が形成される。しかし、基板厚みが180μm未満の場合には機械強度の観点から図8−2に示すように実施の形態1のようなV字溝1Tでは強度が問題となりプロセス上で割れが発生する。そのため、機械強度が高い台形溝1Dの構造を有した方が望ましい。本件ではエッチングをV字溝形成前にアルカリ溶液中から取出すことで容易に台形溝1Dを形成することができ、用途に応じて使い別けることが出来る。
8-1 has shown the principal part enlarged view of the trapezoid groove |
上記のような構成を持つ埋め込み式の電極を裏面に形成することによって、細い線状電極ないし小径のポイント状電極の形成を可能にすると同時に、高濃度拡散層8との接触面積の増大をはかることで直列抵抗値を低くすることができる。また、上記の方法によれば、直列抵抗値の低い構造を容易に製造可能である。
By forming the embedded electrode having the above-described configuration on the back surface, a thin linear electrode or a small-diameter point electrode can be formed, and at the same time, the contact area with the high
なお、裏面電極を埋め込むための溝の形状は、線状溝、小径のポイント状凹部のいずれでもよく、断面形状についても、断面V字状、台形状、半球状など、適宜変更可能である。 The shape of the groove for embedding the back surface electrode may be either a linear groove or a small-diameter point-shaped recess, and the cross-sectional shape can be appropriately changed to a V-shaped cross section, a trapezoidal shape, a hemispherical shape, or the like.
さらにまた、太陽電池裏面に形成するV字溝または台形溝などの溝は、レーザーにより加工径5μm〜100μmで単結晶シリコン基板に対して<100>軸方向にパターン開口し、アルカリ溶液によってエッチングすることで深さ10〜70μmのV字型または台形型の溝を形成するのが望ましい。加工径は小さいのが望ましいが、加工精度の観点から5μm以上が望ましい。また100μmを越えると、再結合の抑制が困難となり、効率が低下する。一方深さについては、10μmに満たないと、高濃度拡散層8と裏面電極14との接触面積を十分にとることができず、直列抵抗値の低減が困難となる。また70μmを越えると、半導体基板の基板強度を十分に確保することが困難となる。
Furthermore, grooves such as V-shaped grooves or trapezoidal grooves formed on the back surface of the solar cell are patterned with a laser with a processing diameter of 5 μm to 100 μm in the <100> axial direction and etched with an alkaline solution. Thus, it is desirable to form a V-shaped or trapezoidal groove having a depth of 10 to 70 μm. The machining diameter is preferably small, but is preferably 5 μm or more from the viewpoint of machining accuracy. On the other hand, if it exceeds 100 μm, it becomes difficult to suppress recombination and the efficiency is lowered. On the other hand, if the depth is less than 10 μm, a sufficient contact area between the high-
以上のように、本発明にかかる太陽電池は、直列抵抗を低減しFFの向上に有用であり、特に、太陽電池の高効率化に適している。 As described above, the solar cell according to the present invention is useful for reducing the series resistance and improving the FF, and is particularly suitable for increasing the efficiency of the solar cell.
1 半導体基板、1A 受光面、1B 裏面、1D 台形溝、1T V字溝、2 低濃度BSG層、3 保護膜、4 裏面開口、6 高濃度BSG層、7 低濃度拡散層、8 高濃度拡散層、9 パッシベーション膜、11 n型拡散層、12 反射防止膜、13 受光面側電極、13G 表銀グリッド電極、13B 表銀バス電極、14 裏面電極、a 低濃度ボロン拡散層の深さプロファイル、b 高濃度ボロン拡散層の深さプロファイル、18 リン拡散層、19 パッシベーション膜、20 裏面ボロン拡散層、h1 コンタクト孔、h2 開口、1T V字溝。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記半導体基板と同一導電型の不純物を含有する低濃度拡散源層を形成する工程と、
前記低濃度拡散源層上に、開口を有する保護膜を形成する工程と、
前記開口から前記半導体基板を選択的にエッチングし、溝部を形成する工程と、
前記低濃度拡散源層よりも高濃度の不純物を含有する高濃度拡散源層を形成する工程と、
前記低濃度及び高濃度拡散源層から前記半導体基板の第2の面に沿ってそれぞれ不純物を拡散させ、低濃度拡散層及び高濃度拡散層を形成する拡散工程と、
前記低濃度拡散層上を覆うようにパッシベーション膜を形成する工程と、
前記高濃度拡散層にコンタクトするように裏面電極を形成する工程と、
前記第1の面に、pn接合を形成すると共に受光面側電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。 On the second surface facing the first surface, which is the light receiving surface of the one-conductivity-type semiconductor substrate,
Forming a low concentration diffusion source layer containing impurities of the same conductivity type as the semiconductor substrate;
Forming a protective film having an opening on the low-concentration diffusion source layer;
Selectively etching the semiconductor substrate from the opening to form a groove;
Forming a high concentration diffusion source layer containing impurities at a higher concentration than the low concentration diffusion source layer;
A diffusion step of diffusing impurities from the low concentration and high concentration diffusion source layers along the second surface of the semiconductor substrate to form a low concentration diffusion layer and a high concentration diffusion layer;
Forming a passivation film so as to cover the low-concentration diffusion layer;
Forming a back electrode so as to contact the high concentration diffusion layer;
Forming a pn junction on the first surface and forming a light receiving surface side electrode;
The manufacturing method of the solar cell characterized by including.
前記不純物はボロンであり、
前記拡散工程は、前記半導体基板の第2面から深さ100nmまでのボロンのピーク濃度が1.0E21/cm3以上となるように熱処理を行う工程であることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池の製造方法。 The semiconductor substrate is a p-type single crystal silicon substrate;
The impurity is boron;
The diffusion step is a step of performing a heat treatment so that a peak concentration of boron from the second surface of the semiconductor substrate to a depth of 100 nm is 1.0E21 / cm 3 or more. Solar cell manufacturing method.
共に原料ガスとしてB2H6(ジボラン)とSiH4(シラン)の混合ガスを用いた常圧CVD工程であり、
前記低濃度拡散源層を形成する工程は、B2H6/SiH4比率を12%以下とし、
前記高濃度拡散源層を形成する工程は、B2H6/SiH4比率を35%以上とした工程であることを特徴とする請求項1又は2に記載の太陽電池の製造方法。 Forming the low concentration diffusion source layer and the high concentration diffusion source layer,
Both are atmospheric pressure CVD processes using a mixed gas of B 2 H 6 (diborane) and SiH 4 (silane) as source gases,
The step of forming the low-concentration diffusion source layer has a B 2 H 6 / SiH 4 ratio of 12% or less,
3. The method for manufacturing a solar cell according to claim 1, wherein the step of forming the high concentration diffusion source layer is a step of setting a B 2 H 6 / SiH 4 ratio to 35% or more.
前記低濃度及び高濃度拡散層を形成する工程を実施することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の太陽電池の製造方法。 Prior to the step of forming a pn junction and a light receiving surface side electrode on the first surface,
The method for manufacturing a solar cell according to claim 1, wherein a step of forming the low concentration and high concentration diffusion layers is performed.
前記半導体基板の第1の面に形成され、前記半導体基板と異なる導電型を有する第1の不純物拡散層と、
前記半導体基板の第2の面に形成され、前記半導体基板と同一導電型を有する第2の不純物拡散層と、
前記第1の不純物拡散層上に形成された受光面側電極と、
前記第2の不純物拡散層上に開口を有するパッシベーション膜を介して形成された裏面電極とを備え、
前記第2の面は、前記開口に相当する領域に溝部を有し、
前記第2の不純物拡散層は、前記溝部に沿って形成された高濃度不純物層と、
前記溝部を囲む前記パッシベーション膜に沿って形成され、前記高濃度不純物層よりも低濃度の低濃度不純物層とを備えたことを特徴とする太陽電池。 A semiconductor substrate having one conductivity type;
A first impurity diffusion layer formed on a first surface of the semiconductor substrate and having a conductivity type different from that of the semiconductor substrate;
A second impurity diffusion layer formed on the second surface of the semiconductor substrate and having the same conductivity type as the semiconductor substrate;
A light-receiving surface side electrode formed on the first impurity diffusion layer;
A back electrode formed through a passivation film having an opening on the second impurity diffusion layer,
The second surface has a groove in a region corresponding to the opening,
The second impurity diffusion layer includes a high concentration impurity layer formed along the groove,
A solar cell, comprising: a low concentration impurity layer formed along the passivation film surrounding the groove and having a lower concentration than the high concentration impurity layer.
前記高濃度不純物層は、前記半導体基板の第2面から深さ100nmまでのボロンのピーク濃度が1.0E21/cm3以上であることを特徴とする請求項5に記載の太陽電池。 The semiconductor substrate is a p-type single crystal silicon substrate;
The solar cell according to claim 5, wherein the high concentration impurity layer has a boron peak concentration of 1.0E21 / cm 3 or more from the second surface of the semiconductor substrate to a depth of 100 nm.
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