JP2006066748A - 半導体装置、太陽電池およびそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
エネルギー変換効率等の特性を一段と高めることができる、太陽電池等の半導体装置を実現する。
【解決手段】
ｐ型Ｓｉ基板１の一方の主面にｎ⁺層２が形成され、他方の主面にｐ⁺層４が形成され、ｎ⁺層２上には櫛歯状に形成された表面電極５が設けられ、ｐ⁺層４上にはＳｉ含有Ａｌの裏面電極３が形成されている。裏面電極３はＡｌに対する重量比０．１〜５％、好ましくは、２％のＳｉを含有したＡｌ粉末含有ペースト材料を焼成したものであり、ｐ^十層４はこのＳｉ含有Ａｌ電極３の形成工程でＡｌがＳｉ基板１に拡散して形成されたものである。これにより、ＡｌがＳｉ基板１に拡散する際、同時にＳｉ基板表面のＳｉがＡｌ電極側へ移動して起こる、Ｓｉ基板表面の欠陥発生が抑制される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シリコン（以下、Ｓｉと記す）を基体とする半導体装置、詳しくは、ｐｎ接合構造又はｐｉｎ接合構造を有する半導体光電変換装置、たとえばＳｉ太陽電池と、その電極や前記接合構造のｐ層上に設ける（もしくは前記ｐ層に替わる）ｐ⁺層の形成にかかわる技術に関するものである。

例えば、Ｓｉ太陽電池は、通常、ｐ型Ｓｉ基板の一方の主面（表面）側にｎ⁺層および他方の主面（裏面）側にｐ⁺層を設けて、ｎ⁺／ｐ／ｐ⁺接合を形成して、上記ｎ⁺層上に透光性の受光面電極（第１の電極）および上記ｐ⁺層上に裏面電極（第２の電極）をそれぞれ形成した構造である。

そして、上記ｎ⁺層上の受光面電極は、銀（Ａｇ）ペーストをくし歯状に印刷塗付、焼付けして形成し、また、上記ｐ⁺層上の裏面電極には、例えばアルミニウム（以下、Ａｌと記す）粉末が７０重量％、ガラスフリットが１重量％、有機結合剤が３重量％および有機溶剤が２６重量％からなるＡｌ粉末含有ペーストを塗布、焼付けして形成される。なお、このＡｌ粉末含有ペーストは、ｐ型Ｓｉ基板面へのｐ^十層形成用としても利用される。

近年、上記Ａｌ粉末含有ペーストの改良型として、Ａｌ粉末と、このＡｌ粉末１００重量部に対して０．３〜５０重量部のＳｉと、有機溶剤と、必要に応じて添加される有機結合剤とから成る太陽電池用ペースト材料が提案されており（特許文献１）、これによって、Ａｌ粉末含有ペーストの焼付け後に、Ａｌ層とＳｉ基板との熱膨張率の違いから、Ｓｉ基板が反ることを解消し、製造工程におけるカセット収納や次工程での製造プロセスにおいて、自動機のハンドリングミスなどを生じることや素子の割れやかけを発生することがなくなるので、製造歩留まりを低下させることがないということを明らかにされている。
特開２００１−３１３４０２号公報

ところが、Ａｌ層とＳｉ基板との熱膨張率（Ａｌ；２３．２５×１０^-6ｄｅｇ、Ｓｉ；２．５×１０^-6ｄｅｇ^ー1）の違いは約１桁に及ぶ大差であるから、Ｓｉ基板の反りを解消するにはＡｌ粉末含有ペースト中のＡｌ粉末に対するＳｉ粉末の配合割合を実際上高く選定しなければならない。そうすると、反面、焼付け後の電極材料としては、導電性の低下が起こり、Ｓｉ太陽電池等の特性に影響が生じることも懸念される。
本発明の目的は、上記提案のＡｌ粉末含有ペーストを使用した場合に懸念されるＳｉ太陽電池等の特性の低下もなく、Ｓｉ太陽電池等の特性のいっそう顕著な性能向上を実現することにある。

本発明は、Ｓｉ基板の一方の主面にｎ⁺層、他方の主面にｐ⁺層が形成され、前記ｎ⁺層上には第１の電極、前記ｐ⁺層上には第２の電極が形成された太陽電池等の半導体装置であって、前記第２の電極としてＡｌ粉末含有ペースト材料を焼成した電極であるものを対象とするものである。

そのＡｌ粉末含有ペースト材料を電極（Ａｌ電極）にする焼成工程では、前記Ａｌ粉末含有ペースト材料中のＡｌがＳｉ基板へ拡散するが、その際に、そのＳｉ基板表面のＳｉがＡｌ電極側に移動して、Ｓｉ基板表面に欠陥が発生することがわかった。本発明者は、予めＳｉを含有させたＡｌ粉末含有ペースト材料を用いることにより、Ｓｉ基板のＳｉがＡｌ電極側に移動するのを防止し、Ｓｉ基板表面の欠陥発生を抑制できることを見いだして、本発明をなすに至ったものである。

特許文献１にもＳｉを含有させたＡｌ粉末含有ペースト材料が記載されているが、そこではペースト材料の焼付けの際にＳｉとＡｌとの熱膨張係数の差に基づくＳｉ基板の反りを防ぐことを目的としているため、Ｓｉは多量に含有させることが必要であり、一方、Ｓｉの含有量が少ないと、Ｓｉ基板の反りを防ぐ効果はあまり期待できない。

それに対し、本発明のＳｉ含有量は、Ｓｉ基板表面のＳｉのＡｌ電極側への移動を阻止して、Ｓｉ基板表面の欠陥抑制機能を達成するとともに、電極の導電性が低下して太陽電池の特性に影響が生じることのない範囲である。すなわち、この目的を達成するための好ましいＳｉ含有量は、Ｓｉ基板の反りを防ぐための好ましいＳｉ含有量の領域とは異なり、それよりも少ない側に存在する。

本発明で使用するのに適するＡｌ粉末含有ペースト材料におけるＡｌに対するＳｉの重量比は０．１〜５％である。ＳｉがＡｌ中に均一に固溶するとすれば、Ａｌ中へのＳｉの固溶最大量である重量比２％程度でよい。それより多く含有させるとしても、Ｓｉ基板表面のＳｉのＡｌ電極側への移動を阻止する抑制機能の実効は飽和傾向であり、多くても含有量は重量比５％程度が上限であり、さらにそれよりも多くなると電極の導電性が低下し、Ｓｉ太陽電池の特性に影響が生じる。一方、Ｓｉ含有比の下限側では、Ａｌに対する重量比０．１％より少ないＳｉ含有材料ではＳｉ基板表面の欠陥抑制機能に関する実用的な効果は小さい。

Ｓｉ含有量が多すぎて電極の導電性が低下し、Ｓｉ太陽電池等の半導体装置の特性に影響が生じるのを防ぐためには、使用するＡｌ粉末含有ペースト材料においてＳｉがＡｌ中に均一に固溶できるようになっていることが好ましい。そのようなＡｌペーストを調製するためには、使用するＡｌ粉末にＳｉ粉末を混配合するために、ＳｉをＡｌ粉末に含浸させてＡｌ表面に一様に付着させることが好ましい。また、ＳｉをＡｌ表面に一様に付着させるためには、予め、ＳｉをＡｌ粉末に含浸あるいは一様分布に混配合した後に、不活性雰囲気中で熱処理して、ＳｉをＡｌ表面に付着させた状態のものを用いるのが好ましい。これにより、Ｓｉ含有のＡｌ粉末含有ペーストを使用してＳｉ基板に電極を形成したとき、より少ないＳｉ含有量で太陽電池のエネルギー変換効率を高めることができ、しかも電極の導電性低下を抑えて、太陽電池の顕著な性能向上を実現することができる。

以上の知見に基づき、本発明は、第１に、Ｓｉ基板の表面に電極を形成する際に用いるＳｉ含有材料を、Ａｌに対する重量比０．１〜５％のＳｉ基板表面のＳｉ欠陥抑制機能を有するＳｉ含有材料で構成して、そのペースト材料により形成された電極をそなえた太陽電池等の半導体装置であり、さらには前記ペースト材料を塗布、焼付けして電極を形成する工程をそなえた太陽電池等の半導体装置の製造方法である。

本発明は、第２に、Ｓｉ基板の一主面倒にｐ⁺層を形成する際に用いるＡｌ粉末含有ペースト材料を、Ａｌに対する重量比０．１〜５％のＳｉ基板表面のＳｉ欠陥抑制機能を有するＳｉ含有材料で構成して、そのペースト材料により形成された前記ｐ⁺層をそなえた太陽電池等の半導体装置であり、さらには前記ペースト材料を塗布、焼付けして前記電極を形成する際に前記ｐ⁺層を同時に形成する工程をそなえた太陽電池等の半導体装置の製造方法である。
前記ｐ^十層はＳｉ含有Ａｌ電極のＡｌがＳｉ基板に拡散して形成されたものであることが好ましいが、イオン注入法や他の拡散法により形成されたものであってもよい。

本発明によれば、太陽電池等の半導体装置を構成するＳｉ基板表面のｐ⁺層上に形成された電極を、Ａｌに対する重量比０．１〜５％のＳｉを含有してＳｉ基板表面の欠陥抑制機能を有するＡｌ粉末含有ペースト材料を焼成したＳｉ含有Ａｌ電極とするので、例えば太陽電池のエネルギー変換効率を、Ｓｉを含有しない場合に比べて、一段と高めることができるとともに、Ａｌに対するＳｉ含有組成も少量であるので、導電材料としてその導電性の低下もほとんどなく、太陽電池等の半導体装置の特性に影響の生じることがない。

つぎに、本発明を、実施の形態である実施例の太陽電池とその製造方法およびそれに用いるＳｉ含有のＡｌ粉末含有ペースト材料により、図面を参照して詳細に述べる。
図１は、本発明の一実施例のＳｉ太陽電池を断面構造図で示す。
比抵抗が１〜１００Ωｃｍ、例えば１０Ωｃｍの（１００）面ｐ型Ｓｉ基板１の一方の主面に厚さが１０²〜１０⁴ｎｍ、例えば４００ｎｍで、比抵抗が０．０１〜０．５Ωｃｍ、例えば０．０３Ωｃｍのｎ⁺層２が形成され、ｐ型Ｓｉ基板１の他方の主面に比抵抗が０．０１〜０．１Ωｃｍ、例えば０．０５Ωｃｍの極薄のｐ⁺層４が形成されている。ｎ⁺層２上には透光性となるように櫛歯状に形成された、受光面電極（第１の電極）としての表面電極５が設けられている。ｐ⁺層４上にはＳｉ含有Ａｌ粉末含有ペースト材料から形成された、第２の電極としての裏面電極３が形成されている。

裏面電極３は、Ａｌに対する重量比０．１〜５％の範囲の、この実施例では、２％のＳｉを含有したＳｉ含有Ａｌ粉末含有ペースト材料を焼成して形成したものである。ｐ^十層４は、この裏面電極（Ｓｉ含有Ａｌ電極）３の形成工程で、上記Ｓｉ含有Ａｌ粉末含有ペースト材料中のＡｌがＳｉ基板１に拡散して形成されたものである。そして、このＡｌがＳｉ基板１内へ拡散する際にも、上記Ｓｉ含有Ａｌ粉末含有ペースト材料中にはＳｉが含有されているので、そのＳｉがＳｉ基板１の表面のＳｉ欠陥抑制機能を有し、よって、Ｓｉ基板１の表面の欠陥発生が抑制されている。
表面電極５は銀（Ａｇ）ペーストを焼成して形成したものである。

次に、この実施例のＳｉ太陽電池を製造する方法について説明する。
比抵抗がおよそ１０Ωｃｍの（１００）面ｐ型Ｓｉ基板１を用いて、その表面側にはリン（Ｐ）含有コート層、例えばリン・シリケートガラス（ＰＧＳ）の低温気相成長膜の形成および９００℃の熱処理でｎ⁺層２を形成した。

基板１の裏面には太陽電池用として用意した、主成分のＡｌ粉末に対する重量比２％のＳｉを含有したＳｉ含有のＡｌ粉末含有ペースト材料をスクリーン印刷法によって、仕上がり１〜１００μｍの厚さになるように塗布し、１５０℃で１０分間の乾燥処理の後、５００〜７５０℃、例えば７００℃で１分間のアニール処理を行って、裏面電極３を形成した。このとき、基板１の裏面にはペースト材料中のＡｌの拡散導入によりｐ⁺層４が形成される。

ｎ⁺層２上には、銀（Ａｇ）ペーストをくし歯状にスクリーン印刷法で仕上がり０．５〜１０μｍの厚さに塗布形成して、乾燥１５０℃、アニール５５０℃の各加熱処理で表面電極５を形成した。

上記Ｓｉ含有のＡｌ粉末含有ペースト材料は、ＡｌとＳｉ以外の残余成分としてガラスフリット、有機溶剤および必要に応じて有機結合剤を含んだものである。Ａｌ粉末含有ペースト材料を調製する際に、Ａｌ粉末とＳｉ粉末としては粒径１０μｍ以下のものが好ましい。また、前述のごとく、予め、ＳｉをＡｌ粉末に含浸あるいは一様分布に混配合した後に、不活性雰囲気中で熱処理するなどの方法によりＳｉをＡｌ表面に付着させた状態のものを用いるのが好ましい。そのようなＡｌ粉末とＳｉ粉末の混合粉末、又はＳｉをＡｌ表面に付着させたＡｌ粉末に、ガラスフリット、多価アルコール系有機溶剤とセルロース系化合物やポリメタクリレート系化合物などの有機結合剤を加えながら混練して、適当な粘度、例えば２００ポイズ程度のＡｌ粉末含有ペースト材料とする。
実施例で使用したＡｌ粉末含有ペースト材料は、（Ａｌ＋Ｓｉ）粉末量が７０重量％、ガラスフリットが１重量％、有機結合剤が３重量％および有機溶剤が２６重量％のもので、Ａｌ粉末に対するＳｉ含有比が２重量％のものである。

なお、この実施例では、比較のため、主成分Ａｌ粉末含有のみの従来型Ａｌペースト材料を用いたＳｉ太陽電池も製作した。

図２は、上記実施例のＳｉ太陽電池の起電力（電流一電圧）特性図であり、図中の特性曲線（ａ）はぺ−スト材料中にＳｉを含まずＡｌ粉末のみで裏面電極を形成した比較例のもの、特性曲線（ｃ）はペースト材料中に２重量％のＳｉ含有Ａｌ粉末のペーストで裏面電極を形成した上記実施例（裏面電極を形成する際のアニール処理時間は１分間）のものである。また、特性曲線（ｂ）は２重量％のＳｉ含有Ａｌ粉末のペーストで裏面電極を形成した点は実施例と同じであるが、その際のアニール処理時間を４分間と長くした場合のものである。

図２中の特性曲線（ａ），（ｃ）の対比から、ペースト材料中に２重量％Ｓｉ含有のＡｌ粉末を含むもので裏面電極を形成したものは、電流密度が高くかつ出力特性に優れ、この実施例によっても変換効率が１３．４％（後述の図３（ａ）参照。）になり、Ｓｉを含まない場合の１２．０％より、約１０％以上向上した。これは、７００℃程度のアニール処理においてもＳｉのＡｌ中への拡散があり、よって、Ａｌ中にＳｉを混在させることで、裏面Ｓｉ基板に欠陥が生じることを防止する作用のあることを表している。
また、図２中の特性曲線（ｂ）に見られるように、アニール処理が過剰になると、Ａｌの酸化が進み、出力特性の曲線因子（F.F.; Fill Factor）の低下が著しくなる。

図３は、この実施例の太陽電池に関して、各特性のアニール処理温度依存性を示したものである。図３（ａ）は変換効率（η）と曲線因子（F.F.）を、図３（ｂ）は開放電圧（Ｖｏｃ）と短絡電流密度（Ｊｓｃ）の各特性をそれぞれ示す。これらの諸特性から、Ａｌ中にＳｉを混在させることで、より高い変換効率が得られるように、アニール条件を調整できることもわかる。

以上に、本発明を、一実施例のＳｉ太陽電池およびその製造方法により、詳細に述べたが、本発明は、単結晶Ｓｉ太陽電池に限らず、同様の構成を持った多結晶Ｓｉ太陽電池にも適用可能である。

また本発明は、従来技術との整合性に鑑みて、Ｓｉ基板の表面に電極を形成する際に、第１層のＡｌ粉末含有ペースト材料を、前記Ａｌに対する重量比０．１〜５％の前記Ｓｉ基板表面のＳｉ欠陥抑制機能を有するＳｉ含有材料で構成して太陽電池の高特性を実現し、さらにこれに重ねる第２層として、ペースト材料中のＡｌ粉末に対するＳｉ粉末の配合割合の高い、たとえば配合比１０〜５０重量％程度のＳｉ含有のＡｌ粉末含有ペースト材料を用いて電極を構成すること、すなわち、２層以上のＳｉ含有のＡｌ粉末含有ペースト材料で電極を形成することにも、適用可能である。

本発明は、単結晶および多結晶のＳｉ太陽電池に利用することを初めとして、前記Ａｌに対する重量比０．１〜５％の前記Ｓｉ基板表面のＳｉ欠陥抑制機能を有するＳｉ含有材料で構成したＳｉ含有のＡｌ粉末含有ペースト材料を、Ｓｉを基体とする半導体装置、詳しくは、ｐｎ接合構造又はｐｉｎ接合構造を有する半導体装置の電極、とりわけ前記接合構造のｐ層上に設ける（もしくは前記ｐ層に替わる）ｐ⁺層の形成の電極構成体に用いる、各種の半導体装置に利用して、その特性改善に寄与することができる。

一実施例のＳｉ太陽電池を概略的に示す断面構造図である。 一実施例と比較例のＳｉ太陽電池の起電力（電流−電圧）特性図である。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ一実施例Ｓｉ太陽電池における諸特性のアニール処理温度依存性を示す図である。

符号の説明

１ ｐ型Ｓｉ基板
２ ｎ⁺層
３ 裏面電極
４ Ｐ⁺層
５ 表面電極

Claims (6)

1. シリコン基板に直接接するアルミニウム粉末含有ペースト材料から形成された電極を備えた半導体装置において、
   前記電極は、アルミニウムに対する重量比０．１〜５％のシリコンを含有して、前記シリコン基板表面の欠陥抑制機能を有するアルミニウム粉末含有ペースト材料を焼成して形成されたシリコン含有アルミニウム電極であることを特徴とする半導体装置。
2. シリコン基板に直接接するアルミニウム粉末含有ペースト材料から形成された電極を備えた半導体装置の製造方法において、
   前記電極を、アルミニウムに対する重量比０．１〜５％のシリコンを含有して、前記シリコン基板表面の欠陥抑制機能を有するアルミニウム粉末含有ペースト材料により塗布し、焼付けて形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置製造方法。
3. シリコン基板の一方の主面にｎ⁺層、他方の主面にｐ⁺層が形成され、前記ｎ⁺層上には透光性の受光面電極、前記ｐ⁺層上には裏面電極が形成された太陽電池において、
   前記裏面電極はアルミニウムに対する重量比０．１〜５％のシリコンを含有してシリコン基板表面の欠陥抑制機能を有するアルミニウム粉末含有ペースト材料を焼成して形成されたシリコン含有アルミニウム電極であることを特徴とする太陽電池。
4. 前記ｐ^十層は前記シリコン含有アルミニウム電極のアルミニウムが前記シリコン基板に拡散して形成されたものである請求項３に記載の太陽電池。
5. シリコン基板の一方の主面にｎ⁺層、他方の主面にｐ⁺層が形成され、前記ｎ⁺層上には第１の電極、前記ｐ⁺層上には第２の電極が形成された太陽電池の製造方法において、
   前記第２の電極を、アルミニウムに対する重量比０．１〜５％のシリコンを含有して、前記シリコン基板表面の欠陥抑制機能を有するアルミニウム粉末含有ペースト材料を塗布し、焼付けて形成する工程を含むことを特徴とする太陽電池製造方法。
6. 前記第２の電極を形成する工程において前記ｐ⁺層も同時に形成する請求項５に記載の太陽電池製造方法。
   

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