JPH0793453B2 - シリコン太陽電池素子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、受光面とは反対側の裏
面に一対の主電極を持ち、一方の主電極をファイァスル
ーにより形成するシリコン太陽電池素子の製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】現在発電原価が高い太陽光発電が実用的
な電源として普及するためには、太陽電池の変換効率の
向上と製造原価の低減が必要である。最近、太陽電池の
変換効率の向上とその製造原価の低減が期待できる裏面
接触太陽電池素子(Backside Contact Silicon Solar Ce
lls)が発表され、現在では、この素子の製造原価低減の
努力が進められており、第５回国際太陽電池科学技術会
議（１９９０年）、テクニカル ダイジェスト、第５０
８頁にはスクリーン印刷技術を用いる製法に適したシリ
コン太陽電池素子が論じられるている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術における
太陽電池素子は、工程数が大幅に低減された簡易なプロ
セスにより製作できる素子構造であり、低コストなスク
リーン印刷技術を用い、工程数が大幅に低減された簡易
なプロセスにより製作できる素子構造となっているがさ
らに製造コストの低減に関して不十分な点がある。すな
わち、裏面のｎ＋層とｐ＋層との接合分離に多くの工数
を必要とする問題がある。

【０００４】本発明の目的は、上記問題を解決しシリコ
ン太陽電池素子を製造する工程を節減し、変換効率を高
めることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、ｐ型または
ｎ型シリコン基板の受光面と反対側である裏面に、表面
濃度が１×１０ ¹⁹ ／ｃｍ ³ 以下のｎ型導電性層をリン拡
散により形成する工程と、ｎ型導電性層の表面に酸化膜
を形成する工程と、酸化膜の表面にアルミニウムペース
トを電極パタンにスクリーン印刷して焼成し、酸化膜及
びｎ型導電性層を貫通するアルミニウムシリコン合金層
からなる第１の電極及びアルミニウムが固溶したｐ型シ
リコン再成長層を形成する工程と、酸化膜の表面に銀ペ
ーストを電極パタンにスクリーン印刷して焼成し、酸化
膜を貫通しｎ型導電性層とオーミック接触する第２の電
極を形成する工程とを有することにより達成される。

【０００６】

【０００７】

【０００８】

【０００９】

【作用】アルミニウムとシリコン酸化膜で被覆されたシ
リコン基板とを合金反応させると、実験事実としてファ
イァスルーによりシリコン酸化膜は貫通され、また、ア
ルミニウムとシリコンとが共晶合金相を示すため、アル
ミニウムシリコン合金層からなる第１の主電極及びこの
第１の主電極の外側のシリコン面にアルミニウムを固溶
したｐ＋型シリコン再成長層である第１の層が同時に形
成される。

【００１０】ｐ型シリコン基板はｎ型導電層で被覆され
更にｎ型導電層はシリコン酸化膜で被覆されているが、
シリコン酸化膜及びｎ型導電層は貫通され、アルミニウ
ムシリコン合金層からなる第１の主電極及びこの第１の
主電極の外側のｎ型導電層とｐ型シリコン基板面にアル
ミニウムを固溶したｐ＋型シリコン再成長層である第１
の層が同時に生じる。この結果、金属電極を構成するア
ルミニウムシリコン合金層からなる第１の主電極は、ｐ
＋型シリコン再成長層である第１の層と接触し、一方、
ｐ＋層である第１の層はｎ型導電層に対してｐｎ接合で
接続されて、ｐ型シリコン基板に対しオーミック接触さ
れているため、金属電極はｎ型導電層に対してｐｎ接合
を示す構成となり、ｐ型シリコン基板に対しオーミック
接触を示す構成となる。

【００１１】また、シリコン基板がｎ型の場合、シリコ
ン基板に対して、ｐｎ接合を構成するｐ＋型シリコン再
成長層である第１の層及びこれに接触する金属電極を構
成するアルミニウムシリコン合金層からなる第１の主電
極とが同時に構成され、金属電極層は、ｎ型シリコン基
板に対して直接接触していないので、シリコン基板との
間で、良好なｐｎ接合特性を示す。

【００１２】そして、ｎ型シリコン基板を用いているこ
とによりｐｎ接合が他方の主表面より深い位置に形成で
きるから、光生成電荷の収集効率が高まり変換効率を高
める効果が得られる。

【００１３】ｎ型導電層の表面濃度が１×１０¹⁹／ｃｍ
³以下のため、このｎ型導電層とアルミニウムとの反応
の際アルミニウムとりんとの化合物の生成は見られず、
このため、ｐ＋型シリコン再成長層である第１の層とｎ
型導電層とのｐｎ接合特性はショートしておらず、良好
な特性を示した。また、シリコン酸化膜で被覆されたｎ
型導電層及びこのｎ型導電層で被覆されたｎ型シリコン
基板に対しても良好なｐｎ接合特性を示す。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を用いて説明す
る。

【００１５】第１実施例 図１は本発明の第１実施例の構成を示す斜視図である。

【００１６】図２は本発明の第１実施例の構成を示す断
面図である。

【００１７】先ず、本実施例の構成を説明する。

【００１８】本図において、１は本実施例のシリコン太
陽電池素子であり、ｐ型導電性のシリコン基板の受光面
となる一方の主表面１１、一方の主表面１１と反対側に
位置する他方の主表面１２に形成されたｐ＋型導電性の
第１の層１３、第１の層１３に隣接する第１の層１３と
反対側の導電性のｎ＋型でその表面濃度が１×１０¹⁹／
ｃｍ³以下の第２の層１４、第１の層１３に隣接するｐ
型不純物源及びアルミニウムシリコン合金層からなる第
１の主電極１５とを有する半導体である。一方の主表面
１１及び他方の主表面１２は微小凹凸の存在するテクス
チュア面となっており、その上に酸化膜２、３が形成さ
れている。４は酸化膜２上に形成したＴｉＯ₂膜であ
る。アルミニウムシリコン合金層からなる第１の電極１
５は、他方の主表面１２上にあってｐ＋層１３と共に、
ｎ＋層１４に対して櫛の歯を噛み合わせた形状となって
おり、第１の層１３を介してｎ＋層１４とｐｎ接合で接
触し、ｐ型シリコン基板とはオーミック接触し、酸化膜
３によりｎ＋層１４とは絶縁されている。５１は第２の
電極であり、他方の主表面上にあってｎ＋層１４に接触
し、酸化膜３によりｐ＋層１３とは絶縁されている。ア
ルミニウムシリコン合金層からなる第１の電極１５は、
第１の層１３のｐ型不純物源となっているため、第１の
層１３と接触させるための位置合わせをすることなく第
１の層１３と同時に形成できるので、製造コストを低減
させることができる。第２の層１２の１×１０¹⁹／ｃｍ
³以下の表面濃度は第２の層１２中で発生した電子正孔
対の再結合を少なくし、起電圧と光生成電流を向上させ
る働きがある。

【００１９】一般にシリコン太陽電池では、太陽光によ
って生成した電子及び正孔の電荷はｐｎ接合によって分
離され、ｐ型領域に正孔が溜り、ｎ型領域に電子が溜
り、この電荷二重層により起電圧を発生する。

【００２０】ｐ型シリコン基板に上記の構成をした場
合、ｐ型シリコン基板及びｐ＋層には正孔が溜り、ｎ型
導電層には電子が溜り、この電荷二重層により起電圧が
発生する。ｐ＋層とｎ型導電層とが良好なｐｎ接合特性
を示す場合、ｐ型シリコン基板及びｐ＋層の正孔はｎ型
導電層にリークすることなく、アルミニウムシリコン合
金電極を通って引き出される。ｎ型導電層の電子は、ｐ
型シリコン基板及びｐ＋層にリークすることなく、ｎ型
導電層上に設けた電極を通って引き出される。

【００２１】また、ｎ型シリコン基板に上記の構成をし
た場合、ｐ＋層には正孔が溜り、ｎ型シリコン基板及び
ｎ型導電層には電子が溜り、この電荷二重層により起電
圧が発生する。ｐ＋層とｎ型シリコン基板及びｎ型導電
層とが良好なｐｎ接合特性を示す場合、ｐ＋層の正孔は
ｎ型導電層にリークすることなく、アルミニウムシリコ
ン合金電極を通って引き出される。ｎ型シリコン基板及
びｎ型導電層の電子は、ｐ＋層にリークすることなく、
ｎ型導電層上に設けた電極を通って引き出される。 次
に、本実施例の太陽電池素子の製法を説明する。

【００２２】１）ｐ型で比抵抗１Ωｃｍ、厚さ２００μ
ｍ、結晶方位（１、０、０）のシリコン基板をＫＯＨを
数％含むアルカリエッチング液で、約２０μｍエッチン
グして基板両面のインゴットからウエファーに加工した
際に生じた加工歪層を除去するとともに、その表面を微
小凹凸のテクスチュア面にする。

【００２３】２）りん拡散によりシリコン基板両面にり
ん濃度分布が１×１０¹⁹／ｃｍ³以下のｎ型層を形成す
る。オキシ塩化りん（ＰＯＣｌ₃）拡散を８５０℃で３
０分間行い、シリコン基板の両面に、深さ約０．５μｍ
のｎ＋層を形成する。この時、ｎ＋層のりん濃度分布
は、実験的事実により、その表面濃度が１×１０²⁰／ｃ
ｍ³以上で、その濃度が１×１０¹⁹／ｃｍ³以下となるま
での深さが、約０．１μｍのりんパイルアップ層と呼ば
れる高濃度層とする。

【００２４】３）この高濃度のりんパイルアップ層を除
去するため、弗酸でりんガラスを除去した後、水蒸気雰
囲気中で１０００℃、３０分間、高濃度のりんパイルア
ップ層を酸化して、酸化膜３を形成する。

【００２５】４）この基板の他方の面にスクリーン印刷
により、耐酸性マスク材を印刷する。

【００２６】５）弗酸で一方の面の酸化膜を除去した、
更に溶剤でレジストを除去する。

【００２７】６）ＫＯＨを数％含むアルカリエッチング
液で、一方の面を約２μｍエッチングし、一方の面に形
成されたｎ＋層を除去する。

【００２８】７）乾燥酸素ガス雰囲気中で１０００℃、
１０分間、酸化して一方の主面上に２００Åの酸化膜３
を形成する。

【００２９】８）粒径が約５μｍのアルミニウムを約７
５％含むペーストを酸化膜３上に、厚さ約１０μｍ、ス
クリーン印刷して８００℃、１分間、合成空気雰囲気中
で焼成する。この焼成により、ペースト中のアルミニウ
ム粒は酸化膜３と反応してこれを貫通し、次にｎ＋層１
４と反応し、これを貫通し、更にｐが他シリコン基板と
反応し、アルミニウムシリコン合金層１５及びｐ＋層１
３とが形成される。

【００３０】９）第２の電極５１を形成するため、銀粒
を７５％含むペーストを第１の電極１５との間に印刷し
て、７５０℃、１分間合成空気雰囲気中で焼成する。

【００３１】この焼成により、ペースト中のガラスは酸
化膜３と反応してこれを貫通し、ペースト中の銀粒はｎ
＋層１４とオーミック接触した第２の電極５１が形成さ
れる。

【００３２】１０）ＴｉＯ₂反射防止膜４を酸化膜の表
面に常圧ＣＶＤ法で５５０Å形成する。

【００３３】このようにして製造した太陽電池素子を受
光面レーザーダイオードマイクロ波法でｐ型シリコン基
板の少数キャリア寿命を測定したところ、その低下は見
られなかった。これはｐ＋層の不純物源がアルミニウム
であるためと考えられる。

【００３４】また、アルミニウムの小さな粒で作ったア
ルミニウムペーストまたは、銀ペースト中に小さなアル
ミニウム粒を混ぜたペーストとの上記合金反応において
も、金属電極とｎ型導電層との間で良好なｐｎ接合特性
及びｐ型シリコン基板との間で、良好なオーミック特性
を示すことが確認された。

【００３５】第２実施例 図３は本発明の第２実施例の構成を示す斜視図である。

【００３６】図４は本発明の第２実施例の構成を示す断
面図である。

【００３７】先ず、本実施例の構成を説明する。

【００３８】本実施例は、第１実施例のｐ型シリコン基
板とは導電特性が反対のｎ型シリコン基板を用いてい
る。第１の層１３は第２の層であるｎ＋層１４に対して
ばかりでなく、ｎ型シリコン基板に対してもｐｎ接合で
接続しているため、ｐｎ接合が他方の主表面より深い位
置に形成できる。このため、ｎ型シリコン基板の光生成
電荷の収集効率が高まる効果が有る。

【００３９】次に、本実施例の太陽電池素子の製法を説
明する。

【００４０】本実施例の太陽電池素子の製法は第１実施
例のｐ型シリコン基板をｎ型シリコン基板に替えるだけ
で、同じ工程により製造される。

【００４１】第３実施例 図５は本発明の第３実施例の構成を示す斜視図である。

【００４２】図６は本発明の第３実施例の構成を示す断
面図である。

【００４３】先ず、本実施例の構成を説明する。

【００４４】第１実施例で受光面となる一方の主面１１
上に第３の層であるｎ＋層１６及びこれと接触する第３
の主電極５２とを設けた例である。本実施例では、ｎ＋
層１６及びこれと接触する第３の主電極５２があるた
め、少数キャリア寿命の短いｐ型シリコン基板に対して
一方の主表面１１の近くの電子正孔電荷の収集効率が高
まり、起電圧及び光生成電流が向上する効果が有る。

【００４５】次に、本実施例の太陽電池素子の製法を説
明する。

【００４６】第１実施例の製造方法において、第３の主
電極５２を、一方の主表面に形成されたｎ＋層１４をＫ
ＯＨによるエッチングで除去せず、更に再度の酸化もし
ないようにして、第２の主電極５１を形成した後または
前に、第２の主電極５１の形成に用いた銀ペーストを光
が入射する主表面１１に形成した酸化膜２の上に印刷
し、同様の熱処理条件で、酸化膜２を貫通して、ｎ＋層
１６にオーミック接触させて形成する。

【００４７】以上述べたように本実施例によれば、スク
リーン印刷技術でｎ＋層とｐ＋層との間をｐｎ接合特性
を持たせて分離できること、ｐ＋層の形成と電極の形成
とを同時にできること、電極形成のために必要な高価な
銀ペーストの使用量を低減できること、少数キャリア寿
命の短いｐ型シリコン基板に対しても変換効率を高くす
ることができること、により変換性能と経済性の向上が
可能となる。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、アルミニウムとシリコ
ン酸化膜で被覆されたシリコン基板とを合金反応させる
ことによりアルミニウムシリコン合金層からなる第１の
主電極とこの第１の主電極の外側のシリコン面にアルミ
ニウムを固溶したｐ＋型シリコン再成長層である第１の
層が同時に形成され、シリコン酸化膜上にアルミニウム
を含むペーストを印刷することにより、ｐ＋型シリコン
再成長層とｎ層とをｐｎ接合特性を持たせながら分離で
きるから製造工程が節減される効果が得られる。

【００４９】ｎ型シリコン基板を用いていることにより
ｐｎ接合が他方の主表面より深い位置に形成できるか
ら、光生成電荷の収集効率が高まり変換効率を高める効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成を示す斜視図であ
る。

【図２】本発明の第１実施例の構成を示す断面図であ
る。

【図３】本発明の第２実施例の構成を示す斜視図であ
る。

【図４】本発明の第２実施例の構成を示す断面図であ
る。

【図５】本発明の第３実施例の構成を示す斜視図であ
る。

【図６】本発明の第３実施例の構成を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１ シリコン太陽電池素子 ２ 酸化膜 ３ 酸化膜 ４ ＴｉＯ₂膜 １１ 受光面となる一方の主表面 １２ 他方の主表面 １３ ｐ＋型導電性の第１の層 １４ ｎ＋層 １５ 第１の主電極 １６ ｎ＋層 ５１ 第２の電極 ５２ 第３の電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内田 泰明 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 木田 康博 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 初見 君男 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 朝日 忠夫 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社 日立製作所 日立工場内 (56)参考文献 特開 平３−165578（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−227483（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｐ型またはｎ型シリコン基板の受光面と
   反対側である 裏面に、表面濃度が１×１０ ¹⁹ ／ｃｍ ³ 以
   下のｎ型導電性層をリン拡散 により形成する工程と、 前記ｎ型導電性層の表面に酸化膜を形成する工程と、 前記酸化膜の表面にアルミニウムペーストを電極パタン
   にスクリー ン印刷して焼成し、前記酸化膜及び前記ｎ型
   導電性層を貫通するアル ミニウムシリコン合金層からな
   る第１の電極及びアルミニウムが固溶 したｐ型シリコン
   再成長層を形成する工程と、 前記酸化膜の表面に銀ペーストを電極パタンにスクリー
   ン印刷して 焼成し、前記酸化膜を貫通し前記ｎ型導電性
   層とオーミック接触する 第２の電極を形成する工程と、 を有することを特徴とするシリコン太陽電池素子の製造
   方法 。