JP2008112848A - 単結晶シリコン太陽電池の製造方法及び単結晶シリコン太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 単結晶シリコン基板に水素イオンまたは希ガスイオンを注入する工程と、前記単結晶シリコン基板のイオン注入面と透明絶縁性基板の表面とのうち少なくとも一方に表面活性化処理を行う工程と、前記単結晶シリコン基板のイオン注入面と、前記透明絶縁性基板とを、前記表面活性化処理を行った面を貼り合わせ面として貼り合わせる工程と、前記イオン注入層に衝撃を与えて前記単結晶シリコン基板を機械的に剥離して、単結晶シリコン層とする工程と、前記単結晶シリコン層の前記剥離面側に、第二導電型の拡散領域を複数形成し、前記単結晶シリコン層の前記剥離面に複数の第一導電型領域と複数の第二導電型領域とが存在するようにする工程とを含む単結晶シリコン太陽電池の製造方法。
【選択図】 図1
Description
また、単結晶シリコン基板と透明絶縁性基板とを、表面活性化処理後に貼り合わせるため、両者を強固に貼り合わせることができる。従って、結合力を高める高温熱処理を施さなくても十分に強固な接合となる。また、このように接合面が強固に接合しているので、その後イオン注入層に衝撃を与えて単結晶シリコン基板を機械的に剥離し、透明絶縁性基板上に薄い単結晶シリコン層を形成することができる。従って、剥離のための熱処理を行わなくても単結晶シリコン層の薄膜化ができる。
また、単結晶シリコン層の形成のための単結晶シリコン基板の剥離を、加熱によらず機械剥離によって行うので、光変換層に熱膨張率の相違に基づく亀裂や欠陥が導入されることを抑制することができる。
また、シリコン層の薄い薄膜太陽電池とするので、珪素原料を節約し、有効に利用することができる。
また、電力を取り出す電極を光変換層の一方の面側にのみ形成するので、電力の取り出しが容易な単結晶シリコン太陽電池とすることができる。
このように、表面活性化処理を、プラズマ処理またはオゾン処理の少なくとも一方とすれば、容易に表面活性化を行うことができ、単結晶シリコン基板と透明絶縁性基板とを強固に貼り合わせることができる。
このように、透明絶縁性基板を、石英ガラス、結晶化ガラス、硼珪酸ガラス、ソーダライムガラスのいずれかとすれば、これらは光学的特性が良好な透明絶縁性基板であり、シースルー型単結晶シリコン太陽電池を容易に製造できる。また、製造した単結晶シリコン太陽電池を既存の窓ガラス等と置換することも容易になる。
このように、イオン注入の深さを、イオン注入面から0.1μm以上5μm以下とすることにより、製造される単結晶シリコン太陽電池の光変換層としての単結晶シリコン層の厚さをおよそ0.1μm以上5μm以下とすることができる。そして、このような厚さの単結晶シリコン層を有する単結晶シリコン太陽電池であれば、薄膜単結晶シリコン太陽電池として実用的な効率が得られるとともに、使用する珪素原料の量を節約できる。また、このような厚さの単結晶シリコン層を有する単結晶シリコン太陽電池であれば、確実に一部可視光を透過することができる。
このように、上記のいずれかの単結晶シリコン太陽電池の製造方法によって製造された単結晶シリコン太陽電池であれば、光変換層としての単結晶シリコン層の形成を、単結晶シリコン基板から剥離することによって行い、単結晶シリコン層の剥離を、加熱によらず機械剥離によって行ったものであるので、結晶性の高い単結晶シリコン層とすることができる。そのため、膜厚に比して変換効率が高い薄膜太陽電池とすることができる。また、単結晶シリコン層の厚さが薄い薄膜太陽電池であるので、珪素原料を有効に利用することができる。
このように、透明絶縁性基板が、石英ガラス、結晶化ガラス、硼珪酸ガラス、ソーダライムガラスのいずれかであれば、これらは光学的特性が良好な透明絶縁性基板であるので、透明度の高いシースルー型単結晶シリコン太陽電池とすることができる。また、製造した単結晶シリコン太陽電池を既存の窓ガラス等と置換することも容易である。
このように、単結晶シリコン層の膜厚が、0.1μm以上5μm以下であれば、薄膜単結晶シリコン太陽電池として実用的な効率が得られるとともに、使用する珪素原料の量を節約できる。また、このような厚さの単結晶シリコン層を有する単結晶シリコン太陽電池であれば、確実に一部可視光を透過することができる。
このように、一方の面側から見たときに、他方の面側が透けて見える、透明な太陽電池であれば、既存の窓ガラス等と置換できるなど、様々な場面に応用することができる。
また、本発明に従う単結晶シリコン太陽電池であれば、透明絶縁性基板上に光変換層が配置されているシリコン太陽電池において、光変換層を単結晶シリコン層とした太陽電池であるので、膜厚に比して変換効率が高い太陽電池とすることができる。
図1は、本発明に係る単結晶シリコン太陽電池の製造方法の一例を示す工程図である。
単結晶シリコン基板としては特に限定されず、例えばチョクラルスキー法により育成された単結晶をスライスして得られたもので、例えば直径が100〜300mm、導電型がp型またはn型、抵抗率が0.1〜20Ω・cm程度のものを用いることができる。
また、透明絶縁性基板には石英ガラス、結晶化ガラス、硼珪酸ガラス、ソーダライムガラス等が選択される。これらに限定するものではないが、透明であり、窓ガラス材料に代替しうることを鑑みると上記のようなガラス材料が望ましい。また、透明絶縁性基板を、ガラス材料として汎用なソーダライムガラスとする場合には、その表面にディップコート法により酸化珪素皮膜或いは酸化スズ皮膜(ネサ膜)等を形成したものとしてもよい。これらの皮膜はソーダライムガラス中のアルカリ金属成分の表面への溶出及び拡散を防ぐバッファ膜として機能するため好ましい。
例えば、単結晶シリコン基板の温度を200〜450℃とし、その表面13から所望の単結晶シリコン層の厚さに対応する深さ、例えば0.1〜5μm以下の深さにイオン注入層14を形成できるような注入エネルギーで、所定の線量の水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一方を注入する。この場合、水素イオンは軽いために、同じ加速エネルギーにおいて、よりイオン注入面13からより深く注入されるために特に好ましい。水素イオンの電荷は正負のいずれでもよく、原子イオンの他、水素ガスイオンであってもよい。希ガスイオンの場合も電荷の正負はいずれでもよい。
また、単結晶シリコン基板の表面にあらかじめ薄いシリコン酸化膜などの絶縁膜を形成しておき、それを通してイオン注入を行えば、注入イオンのチャネリングを抑制する効果が得られる。
この表面活性化処理は、次の工程dの貼り合わせ工程で、単結晶シリコン基板11と透明絶縁性基板12とが強固に貼り合わせられるようにするためのものであり、貼り合わせようとする側の表面(単結晶シリコン基板11ではイオン注入面13)を活性化処理することを目的とするものである。また、その方法は特に限定されないが、プラズマ処理またはオゾン処理の少なくとも一方によって好適に行うことができる。
工程cにおいて、単結晶シリコン基板のイオン注入面13または透明絶縁性基板12の表面の少なくとも一方が表面活性化処理されているので、両者を例えば減圧または常圧下、室温〜250℃程度、好ましくは室温程度の温度下で密着させるだけで後工程での機械的剥離に耐え得る強度で強く接合できる。
この貼り合わせ工程は、室温から250℃前後までの温度条件で行うものとし、300℃以上の熱処理は行わない。単結晶シリコン基板11と、透明絶縁性基板12を貼り合わせた状態で300℃以上の高温熱処理を行うと、それぞれの層の熱膨張係数の違いから、熱歪、ひび割れ、剥離等が発生するおそれがあるためである。このように、300℃以上の高温熱処理を行わないようにすることは、後述する工程eの単結晶シリコン基板11の剥離転写が終了するまでは同様である。
本発明においてはイオン注入層に衝撃を与えて機械的剥離を行うので、加熱に伴う熱歪、ひび割れ、剥離等が発生するおそれがない。イオン注入層に衝撃を与えるためには、例えばガスや液体等の流体のジェットを接合したウエーハの側面から連続的または断続的に吹き付ければよいが、衝撃により機械的剥離が生じる方法であれば特に限定はされない。
また、単結晶シリコン基板の剥離転写を行った後、単結晶シリコン層17の表面付近におけるイオン注入ダメージを回復するための熱処理を行ってもよい。この時点では既に単結晶シリコン基板11は剥離転写され、薄膜の単結晶シリコン層17となっているため、表面付近の局所的な熱処理を300℃以上で行っても亀裂やそれに伴う欠陥は新たにほとんど導入されない。また、このことは以降の工程でも同様である。
また、第二導電型の拡散領域を複数形成する一方、該複数の第二導電型の拡散領域の間に、第一導電型の高濃度拡散領域を形成してもよい。例えば、上記のp型のシリコン基板に複数の領域にリンなどを拡散してn型の拡散領域を形成する場合、硼素などのアクセプターを形成する元素を、上記の複数のn型の拡散領域の間に同様の手法により拡散及び活性化処理して複数のp+領域を形成してもよい。
例えば、単結晶シリコン層17の表面に、金属または透明導電性材料を用いて、真空蒸着法または化成スパッタ法等により、複数の第一導電型領域21上にそれぞれ複数の第一の個別電極23を形成し、複数の第二導電型領域22上にそれぞれ複数の第二の個別電極24を形成する。また、金属等を含むペースト状の個別電極形成用組成物を上記所定の領域に印刷法などにより塗布し、熱処理によって硬化させる方法等であってもよく、種々の公知の方法を採用することができる。
なお、このとき、第一の個別電極23が第二導電型領域22に接合しないようにし、第二の個別電極24が第一導電型領域21に接合しないようにする。
このときの結線の態様は特に限定されないが、第一の集電電極25が、第二導電型領域22や第二の個別電極24に接触しないようにし、第二の集電電極26が、第一導電型領域21や第一の個別電極23に接触しないようにする。
このように第一の集電電極25と第二の集電電極26を形成することで、複数の第一の個別電極23、複数の第二の個別電極24で収集された電子及びホールを効率よく取り出すことができる。
また、以上の各種電極形成後、単結晶シリコン層17上に窒化珪素等の保護膜等をさらに形成してもよい。
また、本発明に係る単結晶シリコン太陽電池31は、一方の面側から見たときに他方の面側が透けて見えるものとすることができ、この場合、受光面は透明絶縁性基板12側と各種電極を形成した面側のいずれとすることもできる。
単結晶シリコン基板11として、一方の面が鏡面研磨された直径200mm(8インチ)、結晶面(100)、p型、面抵抗15Ωcmの単結晶シリコン基板を用意した。また、透明絶縁性基板12として、直径200mm(8インチ)、厚さ2.5mmの石英ガラス基板を用意した(工程a)。なお、両者の基板表面を化学的機械研磨(CMP)により研磨し、原子間力顕微鏡(AFM)により、10μm×10μm走査において平均粗さ0.3nm以下となるような鏡面が得られるように研磨を行った。
次に、単結晶シリコン基板11の上記研磨を行った表面に、加速電圧350keVで水素プラスイオンをドーズ量1.0×1017/cm2の条件で注入した(工程b)。イオン注入層14の深さはイオン注入面13からおよそ3μmとなった。
次に、上記表面活性化処理を行った表面同士を貼り合わせ面として、単結晶シリコン11と石英ガラス基板12を強固に貼り合わせた(工程d)。貼り合わせ後、クリーンオーブンを用いて、大気雰囲気下、180℃の温度で、16時間の貼り合わせ熱処理を行った。
この拡散ペーストを弗酸及びアセトン、イソプロピルアルコールで除去洗浄後、真空蒸着法及びパターニング法により、電極材料を銀として、複数のp型領域21上にそれぞれ第一の個別電極23を、複数のn型領域22上にそれぞれ第二の個別電極24を形成した(工程g)。
その後、さらに、電極材料を銀として、複数の第一の個別電極23を結線するように第一の集電電極25、複数の第二の個別電極24を結線するように第二の集電電極26をそれぞれ金属マスクを用いて真空蒸着法により形成した(工程h)。その後、取り出し電極部分を除いた表面を反応性スパッタ法により窒化珪素の保護皮膜を形成した。
このようにして製造した単結晶シリコン太陽電池に、ソーラーシュミレーターによりAM1.5で100mW/cm2の光を照射し、変換効率を求めた。変換効率は8.5%であり、経時変化はなかった。
また、この太陽電池を透かして晴天時の日中において、室外から外光を取り入れ、室外を覗くと、室外の様子を見ることが出来た。
13…イオン注入面、 14…イオン注入層、 17…単結晶シリコン層、
21…第一導電型領域、 22…第二導電型領域、
23…第一の個別電極、 24…第二の個別電極、
25…第一の集電電極、 26…第二の集電電極、
31…単結晶シリコン太陽電池。
Claims (9)
- 透明絶縁性基板上に、光変換層として単結晶シリコン層が配置されている単結晶シリコン太陽電池を製造する方法であって、少なくとも、
透明絶縁性基板と第一導電型の単結晶シリコン基板とを用意する工程と、
前記単結晶シリコン基板に水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一方を注入して、イオン注入層を形成する工程と、
前記単結晶シリコン基板のイオン注入面と前記透明絶縁性基板の少なくとも一方の表面とのうち少なくとも一方に表面活性化処理を行う工程と、
前記単結晶シリコン基板のイオン注入面と、前記透明絶縁性基板とを、前記表面活性化処理を行った面が貼り合わせ面になるように貼り合わせる工程と、
前記イオン注入層に衝撃を与えて前記単結晶シリコン基板を機械的に剥離して、単結晶シリコン層とする工程と、
前記単結晶シリコン層の前記剥離面側に、前記第一導電型とは異なる導電型である第二導電型の拡散領域を複数形成し、少なくとも面方向にpn接合を複数形成するとともに前記単結晶シリコン層の前記剥離面に複数の第一導電型領域と複数の第二導電型領域とが存在するようにする工程と、
前記単結晶シリコン層の前記複数の第一導電型領域上にそれぞれ複数の第一の個別電極を形成し、前記複数の第二導電型領域上にそれぞれ複数の第二の個別電極を形成する工程と、
前記複数の第一の個別電極をつなぐ第一の集電電極及び前記複数の第二の個別電極をつなぐ第二の集電電極を形成する工程と
を含むことを特徴とする単結晶シリコン太陽電池の製造方法。 - 前記表面活性化処理を、プラズマ処理またはオゾン処理の少なくとも一方とすることを特徴とする請求項1に記載の単結晶シリコン太陽電池の製造方法。
- 前記透明絶縁性基板を、石英ガラス、結晶化ガラス、硼珪酸ガラス、ソーダライムガラスのいずれかとすることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の単結晶シリコン太陽電池の製造方法。
- 前記イオン注入の深さを、イオン注入面から0.1μm以上5μm以下とすることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の単結晶シリコン太陽電池の製造方法。
- 請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の単結晶シリコン太陽電池の製造方法によって製造されたことを特徴とする単結晶シリコン太陽電池。
- 少なくとも、透明絶縁性基板と、単結晶シリコン層とが積層され、前記単結晶シリコン層は、前記透明絶縁性基板側の面とは反対側の面に、複数の第一導電型領域と複数の第二導電型領域とが形成され、少なくとも面方向にpn接合が複数形成されているものであり、前記単結晶シリコン層の前記複数の第一導電型領域上にはそれぞれ複数の第一の個別電極が形成され、前記複数の第二導電型領域上にはそれぞれ複数の第二の個別電極が形成されており、前記複数の第一の個別電極をつなぐ第一の集電電極及び前記複数の第二の個別電極をつなぐ第二の集電電極が形成されているものであることを特徴とする単結晶シリコン太陽電池。
- 前記透明絶縁性基板は、石英ガラス、結晶化ガラス、硼珪酸ガラス、ソーダライムガラスのいずれかであることを特徴とする請求項6に記載の単結晶シリコン太陽電池の製造方法。
- 前記単結晶シリコン層の膜厚は、0.1μm以上5μm以下であることを特徴とする請求項6または請求項7に記載の単結晶シリコン太陽電池。
- 前記単結晶シリコン太陽電池は、一方の面側から見たときに、他方の面側が透けて見えるものであることを特徴とする請求項5ないし請求項10のいずれか一項に記載の単結晶シリコン太陽電池。
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