JP2012514342A - 太陽電池用レーザ焼成装置及び太陽電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池用半導体基板の前面に形成された前面電極部にレーザを照射して前面電極部を焼成し、前記半導体基板の後面に形成された後面金属ペースト領域にレーザを照射してＢＳＦ層を形成する少なくとも１つ以上のレーザ生成手段を備える太陽電池用レーザ焼成装置とその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】太陽電池用半導体基板（２０５）に形成される電極領域にレーザを照射して電極領域を熱処理する、少なくとも１つのレーザ生成手段（２０１，２０２）を備えることを特徴とする。また、太陽電池の製造方法は、太陽電池用半導体基板に電極物質を形成し、電極物質をレーザ照射によって熱処理するステップとを含むことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、高効率太陽電池用レーザ焼成装置に関し、詳細には、本発明は、太陽電池用半導体基板の前面に形成された前面電極部にレーザを照射して前面電極部を焼成し、前記半導体基板の後面に形成された後面金属ペースト領域にレーザを照射してＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）層を形成する少なくとも１つ以上のレーザ生成手段を備える高効率太陽電池用レーザ焼成装置とその製造方法に関する。

太陽電池をその基板材料に基づいて分類すると、結晶シリコン系太陽電池、アモルファス（非晶質）シリコン系太陽電池、及び化合物半導体系太陽電池の３種類を挙げることができ、また、結晶シリコン系太陽電池には、単結晶系太陽電池と多結晶系太陽電池がある。

結晶シリコン系太陽電池を製造する工程において結晶シリコン系太陽電池に熱を加えて焼成する工程は必須である。このとき、ベルト炉（ｂｅｌｔ ｆｕｒｎａｃｅ）を利用して高温で数分間熱処理する方法によって焼成することが一般的である。この焼成過程において、太陽電池の効率に影響を及ぼすキャリアのライフタイム（ｌｉｆｅ ｔｉｍｅ）が減少する現象が生じる。したがって、キャリアのライフタイムを維持するために、シリコン基板が熱処理される時間を最小化する方法に対する研究が必要とされている。

本発明は、上記のような従来技術の問題を解決するために提案されたものであって、その目的は、短い時間内に熱処理できる焼成装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記の焼成装置を利用して効率が向上した太陽電池を製造する方法を提供することにある。

そこで、上記の目的を達成するための本発明に係る太陽電池用レーザ焼成装置は、太陽電池用半導体基板に形成される電極領域にレーザを照射して前記電極領域を熱処理する、少なくとも１つのレーザ生成手段を備えることを特徴とする。

一実施形態によって、前記レーザは、ライン（ｌｉｎｅ）形態である。

一実施形態によって、前記レーザは、スリットによって形成されるライン形態のレーザである。

一実施形態によって、前記少なくとも１つのレーザ生成手段は、複数個のレーザ生成手段がライン状で配列される。

一実施形態によって、前記少なくとも１つのレーザ生成手段は、前記半導体基板の前面を照射するように位置する第１のレーザ生成手段と、前記半導体基板の後面を照射するように位置する第２のレーザ生成手段とを備え、前記第１のレーザ生成手段と前記第２のレーザ生成手段とが互いに対向するように配置される。

一実施形態によって、前記少なくとも１つのレーザ生成手段は、前記半導体基板の一面を照射するように位置し、互いに並んで配置される第１のレーザ生成手段と第２のレーザ生成手段とを備える。

一実施形態によって、前記太陽電池用レーザ焼成装置は、前記半導体基板が定着するステージをさらに備える。

一実施形態によって、前記ステージは、前記半導体基板が移動される少なくとも１つのベルト型移動手段である。

一実施形態によって、前記少なくとも１つのベルト型移動手段は、第１のベルト型移動手段と第２のベルト型移動手段とからなる。

また、上記の目的を達成するための本発明に係る太陽電池を製造する方法は、太陽電池用半導体基板に電極物質を形成するステップと、前記電極物質をレーザ照射によって熱処理して電極を形成するステップとを含み、前記電極物質は、電極ペースト、電極インキ、及び電極用エアロゾルを備える。

一実施形態によって、前記電極物質は、前面電極パターンによって前記半導体基板の前面に形成される。

一実施形態によって、前記前面電極用物質は、前記レーザ照射によって６００℃〜１０００℃の温度で熱処理する。

一実施形態によって、前記電極物質は、後面電極パターンによって前記半導体基板の後面に形成される。

一実施形態によって、前記後面電極パターンによって形成される前記後面電極用物質は、前記レーザ照射によって４５０℃〜７５０℃の温度で熱処理する。

一実施形態によって、前記半導体基板の後面に形成される前記後面電極用物質は、熱処理によって前記後面電極に形成され、前記半導体基板の後面と後面電極との間の界面にＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）層が形成される。

一実施形態によって、前記前面電極用物質及び前記後面電極用物質は、同時に照射されるレーザによって同時に焼成される。

一実施形態によって、前記半導体基板は、レーザ照射によって熱処理される。

一実施形態によって、前記半導体基板は、ｐ型不純物半導体基板またはｎ型不純物半導体基板である。

一実施形態によって、前記電極物質の形成ステップ前に、前記半導体基板の前面に反射防止膜を形成するステップをさらに含む。

一実施形態によって、前記電極物質の形成ステップ前に、前記半導体基板の後面に後面保護膜を形成するステップをさらに含む。

本発明のレーザ焼成装置を利用すれば、短い時間内に熱処理することにより、従来のベルト炉を利用する場合に比べて、太陽電池の効率に影響を及ぼすキャリアのライフタイムを増大させることができるという効果がある。

また、本発明の高効率太陽電池の製造方法によれば、効率が向上した太陽電池を製造することができる。

太陽電池の断面図である。 本発明の一実施形態に係る第１のレーザ生成手段及び第２のレーザ生成手段が備えられた太陽電池用レーザ焼成装置の例示図である。 本発明の一実施形態に係る１つのレーザ生成手段が備えられた太陽電池用レーザ焼成装置の例示図である。 本発明の一実施形態に係るライン形態のレーザを示した例示図である。 本発明の一実施形態に係るスリットによって出力光が形成されたライン形態のレーザを示した例示図である。

好ましい実施形態を添付した図面を参照して説明する。下記の各図面の構成要素に参照符号を付加するにおいて、同じ構成要素に限っては、たとえ他の図面上に表示されてもできるだけ同じ符号を有するようにし、本発明の要旨を不明にする可能性があると判断される公知機能及び構成に対する詳細な説明は省略する。

本発明の実施形態に係る太陽電池用レーザ焼成装置の機能をより明確に説明するために、まず、公知の太陽電池の製造方法を説明する。

図１は、太陽電池の断面図である。同図を参照して公知の太陽電池の製造方法をほぼ説明すれば、次のとおりである。次に、本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するのに図１の太陽電池を参照する。

まず、ｐ型不純物半導体基板１０１の前面にリンを拡散してｎ⁺層１０２を形成し、その後、ｎ⁺層１０２上に反射防止膜層１０３を形成する。次に、基板１０１の前面と後面に金属ペーストをスクリーン印刷し、乾燥させた後、ベルト炉で基板を熱処理する。

その結果、基板の前面では、金属ペーストに含まれた銀（Ａｇ）が反射防止膜を通過し、ｎ⁺層１０２とコンタクトを形成して前面電極部（ｆｉｒｅ−ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏｎｔａｃｔ）１０４が形成される。また、基板の後面では、Ａｌ含有ペースト１０６が基板内部へ拡散されつつ、ＢＳＦ層１０５が形成され、これと共に後面電極部１０７が形成される。

このように、従来の製造方法によって太陽電池のＢＳＦ層１０５及び電極部１０７を形成するために熱処理するとき、ベルト炉でかかる時間は約１〜２分程度であり、最高温度は約８００℃となる。従来の製造方法による熱処理工程で電荷キャリアのライフタイムが急激に減少する。ライフタイムが減少すると、光を受けて生成したホールと電子とが再結合する確率が大きくなり、これにより、太陽電池の効率が減少するようになる。

通常、基板の前面及び後面にＡｇを含有した金属ペーストをそれぞれ所定のパターンでスクリーン印刷し、乾燥ステップを経た場合、電荷キャリアのライフタイムは約１８μｓｅｃ〜２０μｓｅｃ程度になる。しかし、ベルト炉の熱処理ステップを経た場合のライフタイムは約４μｓｅｃまで急激に減少する。

上記のように、ベルト炉を利用した高温の熱処理によって太陽電池の効率に影響を及ぼす電荷キャリアのライフタイムが減少する現象を防止したり減らすために、本発明の実施形態では、半導体基板を局部的に加熱し、短い時間内に熱処理できるレーザ（レーザビームまたはレーザ照射）を用いて太陽電池を製造する。

通常、太陽電池の変換効率ηは、開放電圧Ｖｏｃ×短絡電流密度Ｊｓｃ×曲線因子ＦＦ（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ）値を総光エネルギ（素子面積Ｓ×太陽電池に照射される光の強度Ｉ）で割った値をいう。したがって、太陽電池の変換効率ηを高めるためには、短絡電流密度Ｊｓｃ及び／又は開放電圧Ｖｏｃを大きくすることが重要であり、短絡電流密度及び／又は開放電圧値に影響を及ぼす要因のうち、１つが太陽電池の焼成時間である。

下記の＜参考図１＞に示すように、太陽電池を製造する過程で約８００℃の温度で焼成工程を経るものの、既存焼成と高速焼成の２つの場合に分けて太陽電池を製造した。既存焼成とは、既存の方法にしたがって比較的長時間の間焼成した場合をいい、高速焼成は、従来の方法に比べて比較的短時間の間焼成した場合をいう。

このように、焼成時間を異にして製造した太陽電池の変換効率ηに対する影響を説明するために、短絡電流密度Ｊｓｃと開放電圧Ｖｏｃとを測定し、その結果を＜参考図２＞のように示した。

上記＜参考図２＞に示すように、既存焼成に比べて高速焼成の場合、さらに高い値の短絡電流密度Ｊｓｃと開放電圧Ｖｏｃとを得るようになる。すなわち、変換効率の高い太陽電池を得るために、高速焼成によって太陽電池を製造する方法を考案する必要がある。

したがって、以下では図２を参照して、本発明の一実施形態に係る高効率太陽電池用レーザ焼成装置により、レーザ（レーザビームまたはレーザ照射）を用いて高速焼成で太陽電池を製造する方法について説明する。

図２の太陽電池用レーザ焼成装置は、第１のレーザ生成手段２０１、第２のレーザ生成手段２０２、第１のベルト型移動手段２０３、及び第２のベルト型移動手段２０４を備える。同図に示すように、第１のベルト型移動手段２０３と第２のベルト型移動手段２０４とは、第２のレーザ生成手段２０２で生成されたレーザ（レーザビームまたはレーザ照射）が離隔した第１のベルト型移動手段及び第２のベルト型移動手段２０３、２０４の間で通過されるように離隔して配置されている。

まず、半導体基板２０５の前面にｎ⁺層が形成され、基板の後面に後面金属ペースト領域が形成された太陽電池用半導体基板２０５を第１のベルト型移動手段２０３に定着させる。本実施形態では、ｐ型不純物半導体基板２０５を用いたが、これに限定するものではなく、実施形態によってｎ型不純物半導体基板も用いられ得る。

第１のベルト型移動手段２０３に定着した太陽電池用半導体基板２０５は、第２のベルト型移動手段２０４へ移動しつつ、第１のレーザ（第１のレーザビームまたは第１のレーザ照射）及び第２のレーザ（第２のレーザビームまたは第２のレーザ照射）によって照射される。第１のレーザは、第１のレーザ生成手段２０１でライン形態で生成されたものであって、第１のレーザが照射された太陽電池用半導体基板２０５の温度は６００℃〜１０００℃の温度範囲に属することになる。第１のレーザは、太陽電池用半導体基板２０５の前面電極部に照射されて前面電極部を焼成し、ｎ⁺層とコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）する。

また、第２のレーザは、第２のレーザ生成手段２０２でライン形態で生成されたものであって、第２のレーザが照射された太陽電池用半導体基板の温度は４５０℃〜７５０℃の温度に属することになる。第２のレーザは、太陽電池用半導体基板の後面金属ペースト領域に照射されてＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）層を形成する。第１のレーザ及び／又は第２のレーザは、例えば、パネルを有するスリットによって出力光が変形されたライン形態のものを用いることができる。

このように、本発明の実施形態によれば、太陽電池用半導体基板の前面電極部及び／又は後面金属ペースト領域のみをライン形態の少なくとも１つのレーザで局部的に加熱し、短い時間内に熱処理することにより、キャリアのライフタイムを増加（維持または減少されないように）させることができる。このように、ライフタイムが増加（維持または減少しなければ）すると、ホールと電子との再結合確率が減少して効率が向上した太陽電池を製造することができる。

従来の方法により、ベルト炉の熱処理ステップを経て太陽電池を製造した場合のライフタイムが約４μｓｅｃであれば、このときのコンピュータシミュレーションで証明された理論最大値のＪｓｃ値は９２％に過ぎない。しかし、本発明の高効率太陽電池用レーザ焼成装置を利用して製造した場合のライフタイムは１０μｓｅｃ以上であり、このときのコンピュータシミュレーションで証明された理論最大値のＪｓｃ値は９７％以上まで到達できるので、効率が向上した太陽電池を製造することができるようになる。

上記の太陽電池用レーザ焼成装置は、送風手段（２０６）及び／又は真空吸着手段（２０７）をさらに備えることができる。送風手段２０６は、前面電極部にレーザを照射するときに発生するヒューム（ｈｕｍｅ）を太陽電池の外側に取り出すために、空気（ａｉｒ）を吹き込む役割をするものである。また、真空吸着手段２０７は、ヒュームを速い時間内に太陽電池の外側に取り出すために、ヒュームを吸着または吸い込む役割をするものである。

上記の一実施形態において太陽電池を製造する方法は、図２に示すように、第１のレーザ生成手段２０１は、半導体基板の前面を照射するように位置し、第２のレーザ生成手段２０２は、半導体基板の後面を照射するように位置して互いに対向するように配置することができる。

しかし、第１のレーザ生成手段２０１と第２のレーザ生成手段２０２との位置は必ず上記の位置に制限されるものではない。すなわち、第１のレーザ生成手段２０１と第２のレーザ生成手段２０２とはライン状で配列することができる。第１のレーザ生成手段２０１と第２のレーザ生成手段２０２とが共に半導体基板１０１の前面を照射するように位置したり、半導体基板の後面を照射するように位置して互いに並んで配置することもできる。

また、上記の一実施形態において、前面電極部と後面金属ペースト領域とに照射されるレーザは、別個のレーザ生成手段、すなわち、第１のレーザ生成手段と第２のレーザ生成手段とで各々照射されたが、必ずしもこれに限定される必要はない。すなわち、図３に示すように、前面電極部と後面金属ペースト領域とに照射されるレーザは、同じレーザ生成手段３０１で生成することもできる。

前面電極部と後面金属ペースト領域とに照射されたレーザが同じレーザ生成手段３０１で発生した場合には、Ｐ型不純物半導体基板３０５は、前面電極部の焼成過程とＢＳＦ層の形成過程とにおいて少なくとも２回以上ベルト型移動手段を利用して移動してこそ、高効率太陽電池の製造が可能であろう。

図４は、本発明の一実施形態に係るライン形態のレーザを示した例示図であり、図５は、本発明の一実施形態に係るスリットによって出力光が形成されたライン形態のレーザを示した例示図である。

図４は、複数個のレーザ生成手段４０１がライン状で配列されてライン形態の複数のレーザを照射する形状を示しており、図５は、１つのレーザ生成手段５０１によって生成されたレーザが、スリット５０２によって出力光が形成（または案内）されたライン形態のレーザを半導体基板５０３に照射する形状を示す。

本発明のさらに他の一実施形態によって、高効率太陽電池用レーザ焼成装置によって、さらに他の形態の太陽電池を製造する方法について説明する。すなわち、図２を参考し、本発明の高効率太陽電池用レーザ焼成装置を利用して前面電極部と後面電極部とを備える太陽電池を製造する方法を説明する。

まず、ｐ型不純物半導体基板の前面の上部面に反射防止膜を形成し、次に、ｎ⁺層及び前面金属ペースト領域が順次形成され、基板の後面の上部面に後面保護膜層を形成し、続いて、後面金属ペースト領域が形成された太陽電池用半導体基板を第１のベルト型移動手段に定着させる。本実施形態では、ｐ型不純物半導体基板を用いたが、これに限定するものではなく、ｎ型不純物半導体基板も用いることができる。

第１のベルト型移動手段に定着した太陽電池用半導体基板は、第２のベルト型移動手段へ移動しつつ、第１のレーザ及び第２のレーザによって照射される。前記第１のレーザは、第１のレーザ生成手段でライン形態で生成されたものであって、太陽電池用半導体基板の前面電極部に照射されて前面電極部を焼成し、前面電極部がｎ⁺層にコンタクトされるようにする。また、第２のレーザは、第２のレーザ生成手段でライン形態で生成されたものであって、太陽電池用半導体基板の後面金属ペースト領域及び後面電極部に照射されてＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）層を形成するとともに、後面電極部を焼成し、後面電極部が半導体基板にコンタクトされるようにする。レーザは、スリットによって出力光が形成されたライン形態のものを用いることができる。

上記の太陽電池用レーザ焼成装置は、送風手段または真空吸着手段をさらに備え、レーザを照射するとき、半導体基板で発生するヒュームを速い時間内に太陽電池の外側に取り出すことができる。

上記の工程を経ると、半導体基板の前面には、反射防止膜層と前面電極部とが形成され、半導体基板の後面にはＢＳＦ層、後面保護膜層、後面電極部が順次形成された太陽電池の製造が完了する。

一実施形態では、第１のレーザ生成手段で形成されたレーザと第２のレーザ生成手段で形成されたレーザとが同時に照射されて、太陽電池の前面電極部と後面電極部とが同時に形成された。しかし、第１のレーザ生成手段で形成されたレーザと第２のレーザ生成手段で形成されたレーザとは必ず同時に照射される必要はなく、異なる時に照射されて、太陽電池の前面電極部と後面電極部とが同時に形成されないこともある。

また、一実施形態では、第１のレーザ生成手段と第２のレーザ生成手段とが互いに対向する位置に配置されたが、上記の位置に制限されない。すなわち、第１のレーザ生成手段と第２のレーザ生成手段とはライン状で配列され、第１のレーザ生成手段で形成されたレーザと第２のレーザ生成手段で形成されたレーザとが異なる時に照射されて、太陽電池の前面電極部と後面電極部とが同時に焼成されないこともある。

以上、本発明の具体的な実施形態と関連して本発明を説明したが、これは、例示に過ぎず、本発明はこれに制限されない。当業者は、本発明の範囲を逸脱することなく、説明された実施形態を変更または変形することができ、このような変更または変形も本発明の範囲に属する。また、本明細書において説明した各構成要素の物質は、当業者に知られた多様な物質から容易に選択して代替することができる。さらに、当業者は、本明細書において説明された構成要素のうち、一部を性能の劣化なく省略したり、性能を改善するために構成要素を追加することができる。それだけでなく、当業者は、工程環境や装備に応じて本明細書において説明した方法ステップの順序を変更することもできる。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態でなく、特許請求の範囲及びその均等物によって決定されなければならない。

Claims (21)

1. 太陽電池用半導体基板に形成される電極領域にレーザを照射して前記電極領域を熱処理する、少なくとも１つのレーザ生成手段を備えることを特徴とする太陽電池用レーザ焼成装置。
2. 前記レーザは、ライン形態のレーザであることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池用レーザ焼成装置。
3. 前記レーザは、スリットによって形成されるライン形態のレーザであることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池用レーザ焼成装置。
4. 前記少なくとも１つのレーザ生成手段は、複数個のレーザ生成手段がライン状で配列されることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池用レーザ焼成装置。
5. 前記少なくとも１つのレーザ生成手段は、前記半導体基板の前面を照射するように位置する第１のレーザ生成手段と、前記半導体基板の後面を照射するように位置する第２のレーザ生成手段とを備え、前記第１のレーザ生成手段と前記第２のレーザ生成手段とが互いに対向するように配置されることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池用レーザ焼成装置。
6. 前記少なくとも１つのレーザ生成手段は、前記半導体基板の一面を照射するように位置し、互いに並んで配置される第１のレーザ生成手段と第２のレーザ生成手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池用レーザ焼成装置。
7. 前記太陽電池用レーザ焼成装置は、前記半導体基板が定着するステージをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池用レーザ焼成装置。
8. 前記ステージは、前記半導体基板を移動させる少なくとも１つのベルト型移動手段であることを特徴とする請求項７に記載の太陽電池用レーザ焼成装置。
9. 前記少なくとも１つのベルト型移動手段は、第１のベルト型移動手段と第２のベルト型移動手段とからなることを特徴とする請求項８に記載の太陽電池用レーザ焼成装置。
10. 太陽電池を製造する方法であって、
    太陽電池用半導体基板に電極物質を形成するステップと、
    前記電極物質をレーザ照射によって熱処理して電極を形成するステップと、
    を含み、
    前記電極物質は、電極ペースト、電極インキ、及び電極用エアロゾルを備えることを特徴とする太陽電池の製造方法。
11. 前記電極物質は、前面電極パターンによって前記半導体基板の前面に形成されることを特徴とする請求項１０に記載の太陽電池の製造方法。
12. 前記前面電極用物質は、前記レーザ照射によって６００℃〜１０００℃の温度で熱処理されることを特徴とする請求項１１に記載の太陽電池の製造方法。
13. 前記電極物質は、後面電極パターンによって前記半導体基板の後面に形成されることを特徴とする請求項１０に記載の太陽電池の製造方法。
14. 前記後面電極パターンによって形成される前記後面電極用物質は、前記レーザ照射によって４５０℃〜７５０℃の温度で熱処理することを特徴とする請求項１３に記載の太陽電池の製造方法。
15. 前記半導体基板の後面に形成される前記後面電極用物質は、熱処理によって前記後面電極に形成され、前記半導体基板の後面と後面電極との間の界面にＢＳＦ層が形成されることを特徴とする請求項１３に記載の太陽電池の製造方法。
16. 前記前面電極用物質及び前記後面電極用物質は、同時に照射されるレーザによって同時に焼成されることを特徴とする請求項１１に記載の太陽電池の製造方法。
17. 前記前面電極用物質及び前記後面電極用物質は、同時に照射されるレーザによって同時に焼成されることを特徴とする請求項１３に記載の太陽電池の製造方法。
18. 前記半導体基板は、レーザ照射によって熱処理されることを特徴とする請求項１０に記載の太陽電池の製造方法。
19. 前記半導体基板は、ｐ型不純物半導体基板またはｎ型不純物半導体基板であることを特徴とする請求項１０に記載の太陽電池の製造方法。
20. 前記電極物質の形成ステップ前に、前記半導体基板の前面に反射防止膜を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の太陽電池の製造方法。
21. 前記電極物質の形成ステップ前に、前記半導体基板の後面に後面保護膜を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の太陽電池の製造方法。

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