JP6519820B2 - トンネル誘電体層を伴う太陽電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、再生可能エネルギーの分野に関し、特にトンネル誘電体層を伴う太陽電池の製造方法に関する。

［連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載］
本発明は、米国エネルギー省より付託された契約番号ＤＥ−ＦＣ３６−０７ＧＯ１７０４３の下、連邦政府の支援を受けてなされた発明であり、政府は本発明について一定の権利を有する。

太陽電池として一般に知られている光起電力電池は、太陽放射を電気エネルギーへと直接的に変換する装置として周知である。一般に、太陽電池は、半導体処理加工技術を用いて半導体ウェハ又は基板上に製造され、基板の表面近くにｐ−ｎ接合を形成する。基板の表面に衝突した太陽放射は、基板本体に電子正孔対を作り出し、電子正孔対が基板のｐ−ドープするべき領域及びｎ−ドープするべき領域に移動し、これによって、ドープされた領域間で電位差が発生する。ドープ領域が、太陽電池上の金属接点に接続され、電流が電池から連結された外部回路へと流れる。

効率は、太陽電池の重要な特性であるが、それは、電力が発生するための太陽電池の容量に直接関連するからである。したがって、太陽電池の効率を増大させるための技術が通常望ましい。本発明の実施形態は、太陽電池構造を製造するための新規なプロセスを提供することによって、太陽電池効率の増大を可能にする。

本発明の一実施形態に係る太陽電池のトンネル誘電体層を製造する際の低減されたサーマルバジェットと、従来のプロセスによるサーマルバジェットのモデルとを比較して示した図である。 本発明の一実施形態に係るトンネル誘電体層を伴う太陽電池の製造方法における工程を表すフローチャートフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るトンネル誘電体層を含む太陽電池の製造における工程の断面図である。 本発明の一実施形態に係る、図２のフローチャートフローチャートの工程２０２及び図４のフローチャートフローチャートの工程４０２に対応する、トンネル誘電体層を含む太陽電池の製造の工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る、図２のフローチャートの工程２０４及び図４のフローチャートの工程４０４に対応する、トンネル誘電体層を含む太陽電池の製造における工程の断面図である。 本発明の一実施形態による、トンネル誘電体層を伴う太陽電池の製造方法における工程を表すフローチャートである。 本発明の一実施形態による、湿式成長及び熱成長処理を組み合わせた後のトンネル酸化物厚さのプロットである。 本発明の一実施形態による、湿式成長及び熱成長処理を組み合わせた後の酸化物厚さの標準偏差のプロットである。 本発明の一実施形態に係る、トンネル誘電体層の水性薄膜成分の厚さに応じた少数キャリアの寿命のプロットである。 本発明の一実施形態に係る、湿式及び熱処理加工の組み合わせからの酸化物形成を施すウェハの寿命の光ルミネセンス測定結果を示す。

トンネル誘電体層を伴う太陽電池の製造方法が本明細書で記載されている。以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、特定の処理過程フロー操作などの数多くの特定の詳細が記載される。これらの特定の詳細を使用することなく、本発明の実施形態を実践することができる点が、当業者には明らかとなるであろう。また、本発明の実施形態を不必要に不明瞭にしないために、リソグラフィ及びエッチング技術などの周知の製造技術は詳細に説明されない。更には、図に示される様々な実施形態は、例示的な表示であって、必ずしも一定の尺度で描写されていない。

本明細書に開示されるのは、トンネル誘電体層を伴う太陽電池の製造方法である。一実施形態では、太陽電池の製造方法は、太陽電池の基板の表面に酸化物層を設けるべく、基板の表面を湿式化学溶液に晒す工程を備える。次いで、太陽電池のトンネル誘電体層へと変換するべく、酸化物層を略摂氏９００度以上の温度で乾燥雰囲気中で加熱する。一実施形態では、太陽電池の製造方法は、熱酸化によって、摂氏６００度未満の温度で、太陽電池の基板の表面上に酸化物層を形成する工程を含む。次いで、酸化物層を太陽電池のトンネル誘電体層に変換するべく、この酸化物層を略摂氏９００度以上の温度で乾燥雰囲気中で加熱する。

更に、太陽電池が本明細書で開示される。一実施形態では、太陽電池は基板を含む。トンネル誘電体層は基板上に配設されるが、このトンネル誘電体層は、酸化物層を略摂氏９００度以上で１回だけ加熱することによって形成される。

本発明の一実施形態によると、多結晶シリコン／トンネル酸化物プロセスにおけるサーマルバジェット（熱履歴）が軽減される。例えば、従来のプロセスでは、トンネル酸化物は、比較的低い圧力で略摂氏９００度で成長し得る。しかしながら、一実施形態では、このような方法は、サーマルバジェットが高く、効率を最適化するには不向きであることが見出された。サーマルバジェットが高いと、サイクル時間及び機器の摩耗を不利に増加させる可能性があり、いずれも総生産コストを増加させ得る因子となる。１つの特定の実施形態では、従来の方法は、多結晶シリコン堆積処理に関して高いサイクル時間をもたらすことが確認された。

本発明の一実施形態によると、トンネル誘電体層は、少数キャリアをブロックするために太陽電池内に設けられる。一実施形態では、このトンネル誘電体層の厚さは、約１５オングストロームである。しかしながら、このようなトンネル誘電体層を形成するために通常必要とされるサーマルバジェットは、例えば、バックコンタクト型太陽電池のバルク基板の基板のような太陽電池の他の部分における欠陥の形成を促進し得る。したがって、従来の方法を適用する場合、トンネル誘電体層を設ける利点と、トンネル誘電体層の製造によるサーマルバジェットの増加による損傷の影響との間のトレードオフが存在する。そこで、本発明の一実施形態では、本明細書で提供される方法は、高効率太陽電池設計で使用され、サーマルバジェットが軽減された状態でのトンネル誘電体層の製造を可能にする。一実施形態では、サーマルバジェットを軽減することによって、より熱に晒された場合に悪化する可能性のある欠陥が低減される又は緩和される。１つの特定の実施形態では、トンネル誘電体層を形成するのに用いられる製造プロセスは略摂氏７００度未満の温度で実施されるものに限定され、略摂氏９００度以上の温度での処理の適用はプロセス全体を通じて１回に限られる１つの特定の実施形態では、この方法によれば、全体のサイクル時間も減らすことができ、太陽電池のインライン製造の効率を増大させる。

一実施形態では、太陽電池の製造において、多結晶シリコン接点を有する構造内のトンネルを構成する層の二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を含む薄い酸化シリコンの成長が改善される。例えば、改善とは、以下に列挙する膜の特性の１つ以上を挙げることができる：高性能且つ薄いトンネル誘電体膜、制御された厚さ、制御された品質、短い処理サイクル時間、及び、軽減された処理サーマルバジェットである。一実施形態では、本明細書に記載される方法の１つ以上を適用することによって、基板の広範な範囲にわたって良好な厚さ制御を備える非常に薄い酸化シリコン（例えばＳｉＯ_２）トンネル酸化物が、比較的低温（例えば軽減されたサーマルバジェット）及び比較的短いサイクル時間で得られる。一実施形態では、略摂氏５６５度のピーク温度が用いられ、サイクル時間は、処理炉内で約１．５時間にまで低減される。一実施形態では、湿式の酸化物の形成により、ウェハは汚染しにくくなる。上記実施形態は、略５００ｍＴｏｒｒの圧力で、略摂氏９００度での成長行う従来の方法と対比される。

本発明の一実施形態によると、湿式及び熱酸化物成長の組み合わせが、薄いが高品質の酸化物膜を得るために用いられる。一実施形態では、酸化物膜の厚さは、略１〜２ナノメートルの範囲である。一実施形態では、処理過程の湿式成長部分中に、酸化物の成長速度を増大させ且つ厚みの均一性を改善するために、酸化物質、溶液化学及び照射の組み合わせが用いられる。一実施形態では、次いで、形成された酸化物に、低温熱処理が行われて膜厚を更に大きくするが、この低温熱処理の間に酸化物の湿式成長部分の品質が改善される。一実施形態では、高品質トンネル誘電体層を提供するべく、湿式及び熱成長技術を組み合わせて低温熱酸化物成長処理（例えば、サーマルバジェットの軽減）が実施される。

本発明の一態様によれば、トンネル誘電体層の製造における従来の方法と比較して、サーマルバジェットが軽減される。例えば、図１は、本発明の一実施形態に係る太陽電池のトンネル誘電体層を製造する際の低減されたサーマルバジェットと、従来のプロセスによるサーマルバジェットのモデルとを比較して示した図である。

図１には、モデルサーマルバジェットのプロット１００が、摂氏の単位の温度で分単位の経過時間の関数として示されており、また、従来のプロセス１０２及び本発明の一実施形態によるサーマルバジェットが軽減されたプロセス１０４についてついても示されている。一実施形態では、従来のプロセス１０２では、トンネル誘電体層の製造において、略摂氏９００度以上とする加熱を一回以上行っている。これとは対照的に、一実施形態では、図１に示されるように、サーマルバジェットが軽減されたプロセス１０４は、トンネル誘電体層の製造において、略摂氏９００度以上とする加熱を一回だけ伴う。

太陽電池は、トンネル誘電体層を含むように製造され得る。例えば、図２は、本発明の一実施形態による、トンネル誘電体層を伴う太陽電池の製造方法における工程を表すフローチャート２００を示す。図３Ａ〜３Ｃは、本発明の一実施形態による、フローチャート２００の工程に対応する、トンネル誘電体層を含む太陽電池の製造における様々なステージの断面図を示す。

図３Ａを参照すると、太陽電池製造のための基板３０２が提供されている。本発明の一実施形態によると、基板３０２は、バルクシリコン基板からなる。一実施形態では、このバルクシリコン基板は、Ｎ型ドーパントでドープされている。一実施形態では、基板３０２は、図３Ａに示されるように、テクスチャ化された表面を有する。

フローチャート２００の工程２０２及び対応する図３Ｂを参照すると、太陽電池の製造方法は、基板３０２の表面に酸化物層３０４を設けるべく、基板３０２の表面を湿式化学溶液に晒す工程を含む。本発明の一実施形態によると、湿式化学溶液としては、オゾン（Ｏ_３）又は過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）などの酸化剤が挙げられるが、これらに限定されない。一実施形態では、湿式化学溶液及び基板の表面は、酸化物成長の間に可視光放射に露出される。一実施形態では、基板３０２はバルクシリコン基板であり、酸化物層３０４は酸化シリコン層である。

フローチャート２００の工程２０４及び対応する図３Ｃを参照すると、太陽電池の製造方法は、酸化物層３０４を太陽電池のトンネル誘電体層３０６に変換するべく、略摂氏９００度以上の温度で乾燥雰囲気中で酸化物層３０４を加熱する工程を更に含む。本発明の一実施形態によると、酸化物層３０４は、製造中に１回だけ略摂氏９００度以上の温度に晒される。一実施形態では、晒す工程２０２の後であって、加熱する工程２０４の前に、酸化物層３０４を、摂氏５００度未満の温度から略摂氏５６５度の温度に加熱し、次いで摂氏５００度未満の温度に戻すよう冷却する。

本発明の一実施形態によると、太陽電池の製造方法は、加熱する工程２０４の前に、酸化物層３０４の上に材料層３０８を形成する工程を更に含む。一実施形態では、材料層３０８は、アモルファスシリコン層であって、このアモルファスシリコン層は、工程２０４の加熱する工程の間に多結晶シリコンへと結晶化される。１つの特定の実施形態では、太陽電池の製造方法は、図３Ｃに示されるように、多結晶シリコン層３０８の上に金属接点３１２を形成する工程を更に含む。

図３Ｃを再び参照し、本発明の一実施形態によれば、太陽電池は、基板３０２を含む。トンネル誘電体層３０６が基板３０２上に設けられるが、このトンネル誘電体層は、酸化物層（図３Ｂの３０４）を、略摂氏９００度以上で１回だけ加熱することによって形成される。一実施形態では、この太陽電池は、トンネル誘電体層３０６の上に設けられた多結晶シリコン層３０８を更に含む。１つの特定の実施形態では、この太陽電池は、多結晶シリコン層３０８の上に配設された金属接点３１２を更に含む。一実施形態では、基板３０２はバルクシリコン基板であり、トンネル誘電体層３０６は酸化シリコン層である。

一実施形態では、この太陽電池は、バックコンタクト型太陽電池である。この実施形態では、バックコンタクト型太陽電池は、基板３０２内にＰ型及びＮ型活性領域を含む。接点３１２などの導電性接点は、活性領域と連結され、誘電性材料で形成される分離領域３１０などの分離領域によって互いに分離される。一実施形態では、この太陽電池はバックコンタクト型太陽電池であって、抗反射コート層が、図３Ａ〜３Ｃに示されるランダムにテクスチャ化された表面などの受光面上に設けられている。一実施形態では、この抗反射コート層は、略７０〜８０ナノメートルの範囲の厚さの窒化シリコン層である。

本発明の別の態様では、太陽電池は、水性処理を用いることなくトンネル誘電体層を含むことによって製造され得る。例えば、図４は、本発明の一実施形態による、トンネル誘電体層を伴う太陽電子の製造方法における工程を表すフローチャート４００を示す。図３Ａ〜３Ｃは、本発明の一実施形態による、フローチャート４００の操作に対応する、トンネル誘電体層を含む太陽電池の製造における様々な工程の断面図を示す。

図３Ａを参照すると、太陽電池製造用の基板３０２が提供されている。本発明の一実施形態によると、基板３０２は、バルクシリコン基板からなる。一実施形態では、このバルクシリコン基板は、Ｎ型ドーパントでドープされている。一実施形態では、基板３０２は、図３Ａに示されているようにテクスチャ化された表面を有する。

フローチャート４００の工程４０２及び対応する図３Ｂを参照すると、太陽電池の製造方法は、熱酸化によって、摂氏６００度未満の温度で、酸化物層３０４を太陽電池の基板の表面上に形成する工程を含む。本発明の一実施形態によると、酸化物層３０４は、低圧熱酸化処理によって形成される。一実施形態では、この低圧熱酸化処理は、酸素（Ｏ_２）を含む雰囲気中で、略摂氏５００〜５８０度の範囲の温度で実施される。一実施形態では、基板３０２はバルクシリコン基板であり、酸化物層３０４は酸化シリコン層である。

フローチャート４００の工程４０４及び対応する図３Ｃを参照すると、太陽電池の製造方法は、酸化物層３０４を太陽電池のトンネル誘電体層３０６に変換するべく、略摂氏９００度以上の温度で乾燥雰囲気中で酸化物層３０４を加熱する工程を更に含む。本発明の一実施形態によると、酸化物層３０４は、製造中に１回だけ略摂氏９００度以上の温度に晒される。一実施形態では、形成する工程４０２の後であって、加熱する工程４０４の前に、酸化物層３０４を、摂氏５００度未満の温度から略摂氏５６５度の温度に加熱し、次いで摂氏５００度未満の温度に戻すよう冷却する。

本発明の一実施形態によると、太陽電池の製造方法は、加熱する工程４０４の前に、酸化物層３０４の上に材料層３０８を形成する工程を更に含む。一実施形態では、材料層３０８はアモルファスシリコン層であって、このアモルファスシリコン層は、加熱する工程４０４の間に多結晶シリコン層へと結晶化される。１つの特定の実施形態では、太陽電池の製造方法は、図３Ｃに示されるように、金属接点３１２を多結晶シリコン層３０８の上に形成する工程を更に含む。

上述したように、本発明の一態様では、トンネル誘電体層（例えば、トンネル酸化物層）は、基板の湿式処理及び熱処理の組み合わせによって製造されてもよい。図５Ａ〜５Ｂは、本発明の一実施形態による、湿式処理及び熱成長処理の組み合わせ後の、トンネル酸化物厚さ及び酸化物厚さの標準偏差のプロット５００Ａ及び５００Ｂをそれぞれ示す。プロット５００Ａ及び５００Ｂを参照すると、湿式成長時間、溶液区域濃度及び温度が変化した。実施された熱酸化は、全ての場合で同一であった。図６Ａは、本発明の一実施形態による、トンネル誘電体層の湿式薄膜成分の厚みの関数として表した少数キャリア寿命のプロット６００Ａを示す。図６Ｂは、本発明の一実施形態による、質式処理及び熱処理の組み合わせを使用して酸化物を形成したウェハの寿命の光ルミネセンス測定の結果を６００Ｂを示す。上記プロットで示される製造された種々の薄膜のタイプから証明されるように、本発明の一実施形態により、成長プロセスの湿式処理部分を調整することによって、トンネル誘電体薄膜の特定の望ましい特性が調整され得る。

上述したように、本発明の別の態様では、トンネル誘電体層（例えば、トンネル酸化物層）は、酸化物層を、製造中に１回だけ略摂氏９００度を超える温度に晒すことによって製造され得る。一実施形態では、熱酸化は、次の製造工程に望ましい温度又はそれと実質的に同じ温度で実施される。そのような工程は、トンネル酸化物層の上にシリコン層を形成する工程であり得る。一実施形態では、熱酸化は、略摂氏５７５度のみで実施される。

このように、トンネル誘電体層を伴う太陽電池の製造方法が開示されてきた。本発明の一実施形態によると、太陽電池の製造方法は、太陽電池の基板の表面に酸化物層を設けるべく、基板の表面を湿式化学溶液に晒す工程を含む。この方法はまた、酸化物層を太陽電池のトンネル誘電体層へ変換するべく、酸化物層を略摂氏９００度以上の温度で乾燥雰囲気中で加熱する工程も含む。一実施形態では、この酸化物層は、製造中に１回だけ略摂氏９００度以上の温度に晒される。本発明の別の実施形態によると、太陽電池の製造方法は、熱酸化によって、摂氏６００度未満の温度で、太陽電池の基板の表面上に酸化物層を形成する工程を含む。この方法はまた、酸化物層を太陽電池のトンネル誘電体層に変換するべく、酸化物層を略摂氏９００度以上の温度で乾燥雰囲気中で加熱する工程も含む。一実施形態では、この酸化物層は、製造中に１回だけ略摂氏９００度以上の温度に晒される。
［項目１］
太陽電池の基板の表面に酸化物層を設けるべく、前記基板の前記表面を湿式化学溶液に晒す工程と、
前記酸化物層を前記太陽電池のトンネル誘電体層へと変換するべく、前記酸化物層を略摂氏９００度以上の温度で乾燥雰囲気中で加熱する工程とを備える太陽電池の製造方法。
［項目２］
前記酸化物層が、前記製造中に１回だけ略摂氏９００度以上の温度に晒される、項目１に記載の太陽電池の製造方法。
［項目３］
前記湿式化学溶液が、オゾン（Ｏ３）及び過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）からなる群から選択される酸化剤を含む、項目１または２に記載の太陽電池の製造方法。
［項目４］
前記湿式化学溶液及び前記基板の前記表面が、前記基板の前記表面を湿式化学溶液に晒す工程の間に、可視光放射に露出される項目１から３の何れか一項に記載の太陽電池の製造方法。
［項目５］
前記湿式化学溶液に晒す工程の後であって、前記加熱する工程の前に、前記酸化物層を、摂氏５００度未満の温度から略摂氏５６５度の温度に加熱し、次いで摂氏５００度未満の温度に戻すよう冷却する工程を更に備える項目１から４の何れか一項に記載の太陽電池の製造方法。
［項目６］
前記加熱する工程の前に、前記酸化物層の上に材料層を形成する工程を更に備える項目１から５の何れか一項に記載の太陽電池の製造方法。
［項目７］
前記材料層が、アモルファスシリコン層であって、前記アモルファスシリコン層が、前記加熱する工程の間に多結晶シリコン層へと結晶化される項目６に記載の太陽電池の製造方法。
［項目８］
前記多結晶シリコン層の上に金属接点を形成する工程を更に備える項目７に記載の太陽電池の製造方法。
［項目９］
前記基板がバルクシリコン基板であって、前記酸化物層が酸化シリコン層である、項目１から８の何れか一項に記載の太陽電池の製造方法。
［項目１０］
熱酸化によって、摂氏６００度未満の温度で、太陽電池の基板の表面上に酸化物層を形成する工程と、
前記酸化物層を前記太陽電池のトンネル誘電体層に変換するべく、前記酸化物層を略摂氏９００度以上の温度で乾燥雰囲気中で加熱する工程とを備える太陽電池の製造方法。
［項目１１］
前記酸化物層が、前記製造中に１回だけ略摂氏９００度以上の温度に晒される項目１０に記載の太陽電池の製造方法。
［項目１２］
前記酸化物層が、低圧熱酸化処理によって形成される項目１０または１１に記載の太陽電池の製造方法。
［項目１３］
前記低圧熱酸化処理が、酸素（Ｏ２）を含有する雰囲気中で、略摂氏５００〜５８０度の範囲の温度で実施される項目１２に記載の太陽電池の製造方法。
［項目１４］
前記加熱する工程の前に、前記酸化物層の上に材料層を形成する工程を更に備える項目１０から１３の何れか一項に記載の太陽電池の製造方法。
［項目１５］
前記材料層が、アモルファスシリコン層であって、前記アモルファスシリコン層が、前記加熱する工程の間に多結晶シリコン層へと結晶化される項目１４に記載の太陽電池の製造方法。
［項目１６］
前記多結晶シリコン層の上に金属接点を形成することを更に含む項目１５に記載の太陽電池の製造方法。
［項目１７］
前記基板がバルクシリコン基板であって、前記酸化物層が酸化シリコン層である項目１０から１６の何れか一項に記載の太陽電池の製造方法。
［項目１８］
前記酸化物層を形成する工程の後であって、前記加熱する工程の前に、前記酸化物層を摂氏５００度未満の温度から略摂氏５６５度の温度に加熱し、次いで摂氏５００度未満の温度に戻すよう冷却する工程を更に備える項目１０から１７の何れか一項に記載の太陽電池の製造方法。
［項目１９］
基板と、
基板上に配設されたトンネル誘電体層とを備え、
前記トンネル誘電体層が、酸化物層を略摂氏９００度以上で１回だけ加熱することによって形成される太陽電池。
［項目２０］
前記トンネル誘電体層の上に設けられた多結晶シリコン層を更に備える項目１９に記載の太陽電池。
［項目２１］
前記多結晶シリコン層の上に設けられた金属接点を更に備える項目２０に記載の太陽電池。
［項目２２］
前記基板がバルクシリコン基板であって、前記トンネル誘電体層が酸化シリコン層である項目１９から２１の何れか一項に記載の太陽電池。

Claims (6)

1. 熱酸化によって、第１の温度で、基板の表面酸化物層を形成する工程と、
   前記表面酸化物層の上にアモルファスシリコン層を形成する工程と、
   前記表面酸化物層を、摂氏５００度未満の温度から摂氏５００度以上の第２の温度に加熱する工程と、
   を備え、
   前記第１の温度と前記第２の温度は同じである
   太陽電池の製造方法。
2. 熱酸化によって、第１の温度で、基板の表面酸化物層を形成する工程と、
   前記表面酸化物層の上にアモルファスシリコン層を形成する工程と、
   前記表面酸化物層を、摂氏５００度未満の温度から摂氏５００度以上の第２の温度に加熱する工程と、
   前記表面酸化物層を摂氏９００度以上の温度で乾燥雰囲気中で加熱する工程と、
   を備え、
   前記表面酸化物層を摂氏９００度以上の温度で乾燥雰囲気中で加熱する前記工程の間に、前記表面酸化物層はトンネル誘電体層に変換され、かつ、前記アモルファスシリコン層は多結晶シリコン層へと結晶化される、
   太陽電池の製造方法。
3. 前記表面酸化物層を前記第２の温度に加熱する工程の後、摂氏５００度未満の温度に戻すように冷却する工程をさらに備える、請求項１または２に記載の太陽電池の製造方法。
4. 前記第１の温度及び前記第２の温度は、摂氏５６５度である、請求項１から３のいずれか一項に記載の太陽電池の製造方法。
5. 前記表面酸化物層は、低圧熱酸化処理によって形成される、請求項１から４のいずれか一項に記載の太陽電池の製造方法。
6. 前記低圧熱酸化処理は、酸素（Ｏ_２）を含有する雰囲気中で実施される、請求項５に記載の太陽電池の製造方法。