JP2005150609A - Method of manufacturing solar cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To work at a low cost a hole including an excellent working surface on a passivation film in steps for manufacturing a solar cell having a PERC structure. <P>SOLUTION: A comparatively inexpensive laser oscillator of Nd:YAG layer or Nd:YVO layer is used to work a hole 17 by irradiating a passivation film (insulating film) 6 having the PERC structure with output laser light (e.g. second higher harmonic wave or third higher harmonic wave of Nd:YAG laser) from the laser oscillator in the state of uniform energy distribution in an optical image forming system, thereby reducing manufacture costs of the solar cell. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、太陽電池の製造方法に関し、特に、低コストで量産に適した太陽電池の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a solar cell, and more particularly, to a method for manufacturing a solar cell suitable for mass production at a low cost.

高効率を期待できる太陽電池構造として、ＰＥＲＣ（Ｐａｓｓｉｖａｔｅｄ Ｅｍｉｔｔｅｒ ａｎｄ Ｒｅａｒ Ｃｅｌｌ）構造がある。   As a solar cell structure that can be expected to have high efficiency, there is a PERC (Passive Emitter and Rear Cell) structure.

このＰＥＲＣ構造は、例えば図１に示すように、シリコン基板（ｐ型）１１の受光面側に不純物をドープする（ｎ+型拡散層１２の形成）ことによりｐｎ接合を形成した後、シリコン基板１１の受光面及び裏面の双方の面に、例えば酸化膜または窒化膜もしくはそれらを組み合わせた膜などの絶縁膜１５，１６を形成する。そして、シリコン基板１１の受光面側及び裏面側にそれぞれ取り出し電極１３，１４を形成することによって作製されている。このようなＰＥＲＣ構造においては、前記した絶縁膜がパッシベーション膜として作用するので、表面での電子の再結合を抑制し、高い電圧を得ることができるという特徴がある。 For example, as shown in FIG. 1, this PERC structure has a structure in which a pn junction is formed by doping an impurity on the light-receiving surface side of a silicon substrate (p-type) 11 (formation of an n + -type diffusion layer 12). Insulating films 15 and 16 such as an oxide film or a nitride film or a combination thereof are formed on both the light receiving surface 11 and the back surface. And it is produced by forming the extraction electrodes 13 and 14 in the light-receiving surface side and back surface side of the silicon substrate 11, respectively. Such a PERC structure is characterized in that since the above-described insulating film acts as a passivation film, recombination of electrons on the surface can be suppressed and a high voltage can be obtained.

ところで、ＰＥＲＣ構造においては、受光面側の電極として銀電極を用いているので、ファイアスルーによって電極とシリコン基板との電気的接触がとられている。しかし、裏面側の電極には、通常、アルミニウム電極が用いられるため、ファイアスルーによる電極とシリコン基板との電気的接触をとることができない。   By the way, in the PERC structure, since the silver electrode is used as the electrode on the light receiving surface side, the electrode and the silicon substrate are in electrical contact by fire-through. However, since an aluminum electrode is usually used as the electrode on the back surface side, it is impossible to make electrical contact between the electrode through fire-through and the silicon substrate.

そこで、裏面側の電極については、電極形成前に、シリコン基板裏面の絶縁膜（パッシベーション膜）に複数の穴をあけ、その穴を通じて電極とシリコン基板との電気的接触をとるようにしている。このような絶縁膜の穴加工には、除去深さの均一性、加工面と非加工面との境界の鋭さ等が要求されることから、その加工法として、フォトリソグラフィー法が採用されている。また、他の方法として、加工面内のエネルギー分布が小さなエキシマレーザーを用いた加工法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
独国特許発明第１９９１５６６６号明細書 Therefore, for the electrode on the back surface side, before forming the electrode, a plurality of holes are formed in the insulating film (passivation film) on the back surface of the silicon substrate, and the electrode and the silicon substrate are brought into electrical contact through the holes. In such a hole processing of an insulating film, uniformity of the removal depth, sharpness of the boundary between the processed surface and the non-processed surface, and the like are required. Therefore, a photolithography method is adopted as the processing method. . As another method, a processing method using an excimer laser having a small energy distribution in the processing surface has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
German Patent Invention No. 19915666

しかしながら、パッシベーション膜の穴加工にフォトリソグラフィー法を用いる場合、フォトレジストの塗布工程、紫外線照射によるパターニング工程、フォトレジストの形成工程、絶縁膜の除去工程、及び、フォトレジストの除去工程というような多くの工程数が必要であり、生産コストが高くつく。また、エキシマレーザーを用いる場合においても、レーザー発振器が非常に高価である上、設備の維持管理にかかる費用も大きいという問題がある。このように、従来の加工法では、必然的にコストが高くついてしまい、量産を考える場合には導入が困難である。   However, when photolithography is used for the hole processing of the passivation film, there are many processes such as a photoresist coating process, a patterning process by ultraviolet irradiation, a photoresist forming process, an insulating film removing process, and a photoresist removing process. The number of processes is necessary and the production cost is high. In addition, even when an excimer laser is used, there are problems that the laser oscillator is very expensive and the cost for maintenance and management of the equipment is large. As described above, the conventional processing method is inevitably expensive and difficult to introduce when considering mass production.

本発明はそのような実情に鑑みてなされたもので、ＰＥＲＣ構造の太陽電池の製造工程において、パッシベーション膜に電気的接触用の穴を形成するにあたり、良好な加工面を有する穴を低コストで加工することが可能な太陽電池の製造方法を提供すること目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and in the process of manufacturing a solar cell having a PERC structure, when forming a hole for electrical contact in a passivation film, a hole having a good processed surface is formed at low cost. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a solar cell that can be processed.

本発明の太陽電池の製造方法は、シリコン基板上にパッシベーション膜が形成され、そのパッシベーション膜に形成された穴を通じて前記シリコン基板に電極が電気的に接触する構造の太陽電池の製造方法であって、結像光学系にてエネルギー分布を均一にしたレーザー光を用いて、前記パッシベーション膜の穴を加工する工程を含むことを特徴としている。   A method for manufacturing a solar cell according to the present invention is a method for manufacturing a solar cell having a structure in which a passivation film is formed on a silicon substrate, and an electrode is in electrical contact with the silicon substrate through a hole formed in the passivation film. And a step of processing a hole in the passivation film using a laser beam having an energy distribution made uniform by an imaging optical system.

本発明の太陽電池の製造方法において、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーまたはＮｄ：ＹＶＯレーザーのいずれか一方のレーザー発振器の第２高調波または第３高調波を用いて前記パッシベーション膜の穴を加工することが好ましい。   In the method for producing a solar cell of the present invention, it is preferable to process the hole of the passivation film using the second harmonic or the third harmonic of either one of the laser oscillator of Nd: YAG laser or Nd: YVO laser. .

本発明の太陽電池の製造方法に用いる結像光学系は、レーザー発振器から発振されたレーザー光の周辺部（エネルギーガウシアン分布の周辺部）のエネルギーの低い部分を取り除き、エネルギーの均一な領域のみを被加工物である絶縁膜に照射することが可能な機能をもつ光学系である。   The imaging optical system used in the method for manufacturing a solar cell of the present invention removes the low energy portion of the peripheral portion of the laser light oscillated from the laser oscillator (peripheral portion of the energy Gaussian distribution), and removes only the uniform energy region. This is an optical system having a function capable of irradiating an insulating film as a workpiece.

次に、本発明の作用を以下に述べる。   Next, the operation of the present invention will be described below.

まず、比較的安価なレーザー発振器として、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザーがある。このＮｄ：ＹＡＧレーザーにおいて、通常の集光光学系を用いて絶縁膜の穴加工を行った場合、加工面内のエネルギーがガウシアン分布をとるため、加工領域の中心部と周辺部でエネルギー差が大きくて絶縁膜が除去できている部分とそうでない部分ができてしまう。   First, as a relatively inexpensive laser oscillator, for example, there is an Nd: YAG laser. In this Nd: YAG laser, when a hole is formed in an insulating film using a normal condensing optical system, the energy in the processing surface has a Gaussian distribution, so there is an energy difference between the center and the periphery of the processing region A large portion where the insulating film can be removed and a portion where the insulating film cannot be removed are formed.

そのため、絶縁膜を除去する面積を大きくしようとすると、中心部ではエネルギーが大きくなりすぎ、発生する熱で基板に熱ダメージを与えてしまう。また、逆に中心部のエネルギーを抑えると周辺部では絶縁膜を除去することができなくなる。   For this reason, if an area for removing the insulating film is to be increased, the energy becomes too large at the center, and the generated heat causes thermal damage to the substrate. On the other hand, if the energy in the central part is suppressed, the insulating film cannot be removed in the peripheral part.

本発明では、そのような集光光学系に代えて結像光学系を用いることにより、ガウシアン分布において周辺部のエネルギーの低い部分を取り除き、エネルギーの均一な領域のみを使用するようにしているので、絶縁膜を均一に除去することができる。   In the present invention, by using an imaging optical system instead of such a condensing optical system, the low energy part of the peripheral part is removed from the Gaussian distribution, and only the uniform energy region is used. The insulating film can be removed uniformly.

ここで、本発明のように、結像光学系を用いるとコスト高となるが、レーザー発振器としてエキシマレーザーを用いる場合と比較すれば非常に安価で済み、従来技術に比べてコスト的に大きな有用性がある。   Here, as in the present invention, if an imaging optical system is used, the cost is high, but it is very inexpensive compared with the case where an excimer laser is used as a laser oscillator, and is greatly useful in terms of cost compared to the conventional technology There is sex.

本発明によれば、シリコン基板上にパッシベーション膜が形成され、そのパッシベーション膜に形成された穴を通じてシリコン基板と電極とが電気的に接触する構造（ＰＥＲＣ構造）の太陽電池を製造するにあたり、結像光学系にてエネルギー分布を均一にしたレーザー光を用いて、前記パッシベーション膜の穴を加工しているので、良好な加工面を有する穴を従来技術と比べて安価に形成することができる。その結果、太陽電池の製造コストの低減化をはかることができ、太陽電池の量産化を実現できる。   According to the present invention, a solar cell having a structure (PERC structure) in which a passivation film is formed on a silicon substrate and the silicon substrate and the electrode are in electrical contact through the holes formed in the passivation film is manufactured. Since the holes in the passivation film are processed using laser light having a uniform energy distribution in the image optical system, holes having a good processed surface can be formed at a lower cost than in the prior art. As a result, the manufacturing cost of the solar cell can be reduced, and mass production of the solar cell can be realized.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１に本発明の製造方法を適用する太陽電池の一例を模式的に示す断面図である。   It is sectional drawing which shows typically an example of the solar cell to which the manufacturing method of this invention is applied to FIG.

図１に示すシリコン太陽電池１は、ｐ型シリコン基板１１と、そのｐ型シリコン基板１１の表面側（受光面側）に形成されたｎ+型拡散層１２及び表面電極１３と、ｐ型シリコン基板１１の裏面側に形成された裏面電極１４と、ｐ型シリコン基板１１の表面及び裏面にそれぞれ形成された絶縁膜１５，１６など主体として構成されている。 A silicon solar cell 1 shown in FIG. 1 includes a p-type silicon substrate 11, an n + -type diffusion layer 12 and a surface electrode 13 formed on the surface side (light-receiving surface side) of the p-type silicon substrate 11, and p-type silicon. The back electrode 14 formed on the back surface side of the substrate 11 and the insulating films 15 and 16 formed on the front and back surfaces of the p-type silicon substrate 11 are mainly configured.

ｐ型シリコン基板１１の裏面側の絶縁膜１６には穴１７が形成されており、この穴１７を通じて裏面電極１４がｐ型シリコン基板１１に電気的に接触している。また、ｐ型シリコン基板１１の表面側の表面電極１３は、ファイアスルーによってｐ型シリコン基板１１に電気的に接触している。   A hole 17 is formed in the insulating film 16 on the back side of the p-type silicon substrate 11, and the back electrode 14 is in electrical contact with the p-type silicon substrate 11 through the hole 17. Further, the surface electrode 13 on the surface side of the p-type silicon substrate 11 is in electrical contact with the p-type silicon substrate 11 by fire-through.

以上の構造において、ｐ型シリコン基板１１としては、単結晶シリコンまたは多結晶シリコンを含む基板が使用される。ｐ型シリコン基板１１の厚さは１００〜５００μｍ程度が好ましい。また、ｐ型シリコン基板１１の電気抵抗率は、０．５〜５０Ωｃｍが好ましく、特に０．５〜６Ωｃｍがより好ましい。   In the above structure, the p-type silicon substrate 11 is a substrate containing single crystal silicon or polycrystalline silicon. The thickness of the p-type silicon substrate 11 is preferably about 100 to 500 μm. Further, the electrical resistivity of the p-type silicon substrate 11 is preferably 0.5 to 50 Ωcm, and more preferably 0.5 to 6 Ωcm.

ｎ+型拡散層１２は、ｐ型シリコン基板１１の表面側に、ｎ+型ドーパント（例えばリン等のドーパント）を含んだ気体を用いた熱拡散等にてｎ+型ドーパントを浅く拡散させることにより形成されており、このｎ+型拡散層１２によってｐ型シリコン基板１１の表面近くにｐｎ接合部が形成されている。 The n + -type diffusion layer 12 diffuses the n + -type dopant shallowly on the surface side of the p-type silicon substrate 11 by thermal diffusion or the like using a gas containing an n + -type dopant (for example, a dopant such as phosphorus). The n + -type diffusion layer 12 forms a pn junction near the surface of the p-type silicon substrate 11.

絶縁膜１５，１６は、ｐ型シリコン基板１１の表面（受光面及び裏面の両面）での電子の再結合を抑制するパッシベーション膜として形成されている。絶縁膜１５，１６としては、酸化シリコンまたは窒化シリコン、もしくは、それらを組み合わせた膜などが挙げられる。これらのうち、ｐ型シリコン基板１１の表面側（受光面側）の絶縁膜１５としては反射防止効果のある窒化シリコン膜がよく用いられる。絶縁膜１５，１６の形成には、化学気相堆積法（ＣＶＤ）や熱酸化プロセス法などの公知の技術が用いられる。   The insulating films 15 and 16 are formed as passivation films that suppress recombination of electrons on the front surface (both the light receiving surface and the back surface) of the p-type silicon substrate 11. Examples of the insulating films 15 and 16 include silicon oxide, silicon nitride, or a combination of these. Of these, a silicon nitride film having an antireflection effect is often used as the insulating film 15 on the surface side (light receiving surface side) of the p-type silicon substrate 11. For forming the insulating films 15 and 16, a known technique such as chemical vapor deposition (CVD) or thermal oxidation process is used.

絶縁膜１６の穴１７は絶縁膜１６を貫通してｐ型シリコン基板１１に至る穴であり、この穴１７を通じて裏面電極１４とｐ型シリコン基板１１との電気的接触がとられている。   The hole 17 in the insulating film 16 is a hole that penetrates the insulating film 16 and reaches the p-type silicon substrate 11, and electrical contact between the back electrode 14 and the p-type silicon substrate 11 is made through the hole 17.

そして、本実施形態では、ｐ型シリコン基板１１裏面側の絶縁膜１６の穴１７を、結像光学系にてエネルギー分布を均一にしたレーザー光を用いて加工する点に特徴がある。   The present embodiment is characterized in that the holes 17 of the insulating film 16 on the back surface side of the p-type silicon substrate 11 are processed using laser light having a uniform energy distribution by an imaging optical system.

結像光学系は、レンズ・スリット等を組み合わせた公知の光学系で、レーザー発振器から発振されたレーザー光の周辺部（エネルギーガウシアン分布の周辺部）におけるエネルギーの低い部分を取り除き、エネルギーの均一な領域のみを被加工物である絶縁膜１６に照射するものである。   The imaging optical system is a well-known optical system that combines lenses, slits, etc., and removes the low energy part in the peripheral part of the laser light oscillated from the laser oscillator (peripheral part of the energy Gaussian distribution). Only the region is irradiated to the insulating film 16 which is a workpiece.

絶縁膜１６に加工する穴１７は、直径が１０〜２００μｍ、深さは数μｍ程度が好ましいが、理想的には絶縁膜１６のみを除去する穴加工が好ましい。穴１７を形成する位置に関しては、複数の穴１７・・１７がｐ型シリコン基板１１の表面に一様に分布していることが好ましい。ｐ型シリコン基板１１に対する穴１７の面積（複数の穴１７・・１７の総面積）は１〜１０％程度が好ましい。また、穴１７の形状は特に限定されず、例えば円形や方形などであってもよい。   The holes 17 to be processed into the insulating film 16 preferably have a diameter of 10 to 200 μm and a depth of about several μm, but ideally a hole processing to remove only the insulating film 16 is preferable. With respect to the positions where the holes 17 are formed, it is preferable that the plurality of holes 17... 17 are uniformly distributed on the surface of the p-type silicon substrate 11. The area of the holes 17 with respect to the p-type silicon substrate 11 (the total area of the plurality of holes 17... 17) is preferably about 1 to 10%. Moreover, the shape of the hole 17 is not specifically limited, For example, circular and square may be sufficient.

穴１７の加工に用いるレーザー発振器としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーまたはＮｄ：ＹＶＯレーザーが好ましく、それらのＮｄ：ＹＡＧレーザーまたはＮｄ：ＹＶＯレーザーのいずれか一方のレーザー発振器の第２高調波または第３高調波を用いて絶縁膜１６の穴１７を加工することが好ましい。第２高調波または第３高調波を用いる理由は、基本波を用いて穴加工を行うと、加工点での熱影響が大きくてシリコン基板のライフタイムを低下させてしまい、特性に悪影響を与えるという問題があり、これを回避するためである。   The laser oscillator used for processing the hole 17 is preferably an Nd: YAG laser or an Nd: YVO laser, and the second harmonic or the third harmonic of any one of the Nd: YAG laser or Nd: YVO laser. It is preferable to process the hole 17 of the insulating film 16 using a wave. The reason why the second harmonic or the third harmonic is used is that when drilling is performed using the fundamental wave, the thermal effect at the processing point is large and the lifetime of the silicon substrate is reduced, which adversely affects the characteristics. This is to avoid this problem.

さらに、穴加工のより具体的な例としては、Ｑスイッチドライブを用いた連続発振Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第２高調波（ＳＨＧ、波長λ＝５３２ｎｍ）を用い、その連続発振Ｎｄ：ＹＡＧレーザーから出力された第２高調波を、結像光学系を介して絶縁膜１６に照射して穴１７を加工するという穴加工が挙げられる。この場合、発振周波数Ｑは５ｋＨｚ、パワーは０．４〜１Ｗとする。ただし、発振周波数・パワーなどの条件は、絶縁膜１６の種類とその厚さによって大きく変わるため、前記した数値に限定されるものではない。   Further, as a more specific example of drilling, the second harmonic (SHG, wavelength λ = 532 nm) of a continuous wave Nd: YAG laser using a Q switch drive is used and output from the continuous wave Nd: YAG laser. There is a hole processing in which the second harmonic is irradiated to the insulating film 16 through the imaging optical system to process the hole 17. In this case, the oscillation frequency Q is 5 kHz and the power is 0.4-1 W. However, conditions such as the oscillation frequency and power vary greatly depending on the type and thickness of the insulating film 16, and are not limited to the above-described numerical values.

本発明は、ＰＥＲＣ構造の太陽電池の製造工程において、電極と基板との電気的接触をとるための穴をパッシベーション膜に加工するのに有効に利用できる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be effectively used to process a hole for making electrical contact between an electrode and a substrate into a passivation film in a manufacturing process of a solar cell having a PERC structure.

本発明の製造方法を適用する太陽電池の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of the solar cell to which the manufacturing method of this invention is applied.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 太陽電池
１１ ｐ型シリコン基板
１２ ｎ+型拡散層
１３ 表面電極
１４ 裏面電極
１５ 絶縁膜（表面側）
１６ 絶縁膜（裏面側）
１７ 穴

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Solar cell 11 p-type silicon substrate 12 n + type diffused layer 13 Front surface electrode 14 Back surface electrode 15 Insulating film (surface side)
16 Insulating film (back side)
17 holes

Claims (2)

シリコン基板上にパッシベーション膜が形成され、そのパッシベーション膜に形成された穴を通じて前記シリコン基板に電極が電気的に接触する構造の太陽電池の製造方法であって、結像光学系にてエネルギー分布を均一にしたレーザー光を用いて、前記パッシベーション膜の穴を加工する工程を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。   A method of manufacturing a solar cell having a structure in which a passivation film is formed on a silicon substrate, and an electrode is in electrical contact with the silicon substrate through a hole formed in the passivation film. The manufacturing method of the solar cell characterized by including the process of processing the hole of the said passivation film using the laser beam made uniform. Ｎｄ：ＹＡＧレーザーまたはＮｄ：ＹＶＯレーザーのいずれか一方のレーザー発振器の第２高調波または第３高調波を用いて前記パッシベーション膜の穴を加工すること特徴とする請求項１記載の太陽電池の製造方法。

2. The solar cell manufacturing method according to claim 1, wherein a hole of the passivation film is processed using a second harmonic or a third harmonic of a laser oscillator of any one of an Nd: YAG laser and an Nd: YVO laser. Method.

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