JP2013033858A - 光電変換装置の製造方法及び光電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光電変換装置の歩留りを向上させる製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板１に予め貫通孔を形成することなく、半導体基板１を貫通する貫通接続部９１を形成する製造方法であって、半導体基板１の受光面に、第２導電型の不純物を含む導電性ペーストをパターニングして塗布する工程と、半導体基板を熱処理することで、受光面第１電極９と、半導体基板と不純物の合金層からなる貫通接続部９１と、不純物を含む第２半導体層３１を形成する工程とを備えた光電変換装置の製造方法である。
【選択図】図３

Description

本発明は、光電変換装置の製造方法及び光電変換装置、特に、光電変換装置の電極形成に関する。

太陽光エネルギを直接電気エネルギに変換する太陽電池である光電変換装置は、近年、特に地球環境問題の観点から、次世代のエネルギ源としての期待が急速に高まっている。光電変換装置としては、化合物半導体または有機材料を用いたものなど様々な種類があるが、現在、主流となっているのは、シリコン結晶を用いたものである。

現在、最も多く製造および販売されている光電変換装置は、入射光側の面である受光面と、受光面の反対側の面である裏面とに電極が形成された構造のものである。

しかしながら、受光面に電極を形成した場合、電極における光の反射、吸収があることから、形成された電極の面積分だけ入射する太陽光が減少するので、受光面の電極面積を小さくするために、ＭＷＴ（Ｍｅｔａｌ Ｗｒａｐ Ｔｈｒｏｕｇｈ）構造を有する光電変換装置が提案されている。

図４は、特許文献１に開示されているＭＷＴ構造を有する光電変換装置の断面を示す模式図であり、光電変換装置の一部を示している。

ｐ型シリコン基板１０２には、貫通孔１０３が複数形成され、各々の貫通孔１０３には、貫通孔電極１０４が形成されている。貫通孔１０３は、例えば、約５０μｍ〜約５００μｍの内径を有し、数個〜数十個形成されている。また、ｐ型シリコン基板１０２の入射光側の面である受光面（以下「ｐ型シリコン基板の受光面」という。）上には、反射防止膜１０５及び受光面電極１０６が形成され、ｐ型シリコン基板１０２の受光面の反対側の面である裏面（以下「ｐ型シリコン基板の裏面」という。）上には、裏面電極１０７及びアルミニウム電極１０８が形成されており、アルミニウム電極１０８上の所定領域には、銀電極１０９が形成されている。

ｐ型シリコン基板１０２の受光面には、テクスチャ構造である凹凸構造（図示せず）が形成されており、ｎ^＋型不純物領域１１０が形成されている。そして、ｐ型シリコン基板１０２の裏面には、ｎ^＋型不純物領域１１１及びｐ^＋型不純物領域１１２が形成されている。さらに、ｎ^＋型不純物領域１１３は、貫通孔１０３の周囲を覆うように設けられている。なお、ｎ^＋型不純物領域１１０、ｎ^＋型不純物領域１１３、及びｎ^＋型不純物領域１１１は、接続しており、ｎ^＋型不純物領域１１０は、受光面電極１０６に電気的に接続されている。

また、アルミニウム電極１０８には、貫通孔１０３の周囲に位置する領域に、開口部１１４が形成されている。この開口部１１４内に位置するｐ型シリコン基板１０２の裏面には、裏面電極１０７及びｎ^＋型不純物領域１１１などとアルミニウム電極とを絶縁するために、分離溝１１５が周状に形成されている。ｎ^＋型不純物領域１１１は、ｐ型シリコン基板１０２の裏面側の貫通孔１０３の周囲で、かつ、アルミニウム電極１０８の開口部１１４の内側に設けられている。

図５は、特許文献１に開示されている図４の光電変換装置１０１の製造方法である。

まず、図５（ａ）に示すように、ｐ型シリコン基板１０２の所定の位置に、例えば、約５０μｍ〜約５００μｍの内径を有する貫通孔１０３を形成する。このとき、貫通孔１０３を、例えば、ｐ型シリコン基板１０２内に、数個〜数十個形成する。なお、貫通孔１０３の形成は、例えば、ＹＡＧレーザやＣＯ_２レーザによって行われる。また、ドリルで機械的に形成したり、エッチングで化学的に形成してもよい。その後、アルカリ性、または酸性の溶液を用いて、ｐ型シリコン基板１０２の表面をエッチングすることによって、ｐ型シリコン基板１０２のスライス時のダメージ層（図示せず）と、貫通孔１０３を形成した際の熱によるダメージ層（図示せず）とを除去する。このとき、エッチング条件を調整すると、ｐ型シリコン基板１０２の表面にテクスチャ構造である凹凸構造（図示せず）を形成することが可能である。

そして、ｐ型シリコン基板１０２にｎ型の不純物を導入する。ｐ型シリコン基板１０２をＰＯＣｌ_３を含む気体中で熱処理することにより、ｐ型シリコン基板１０２にｎ型の不純物を導入する。これにより、ｎ^＋型不純物領域１１０、ｎ^＋型不純物領域１１１、及びｎ^＋型不純物領域１１３が形成される。

次に、図５（ｂ）に示すように、ｎ^＋型不純物領域１１０、ｎ^＋型不純物領域１１１、及びｎ^＋型不純物領域１１３を形成した際に、ｐ型シリコン基板１０２の表面に形成されたガラス層を酸処理により除去する。その後、ｐ型シリコン基板１０２の受光面上に、窒化シリコン膜からなる反射防止膜１０５を形成する。

次に、図５（ｃ）に示すように、ｐ型シリコン基板１０２の裏面上の貫通孔１０３の周囲（開口部１１４となる領域）を除く領域に、アルミニウム電極１０８を形成する。アルミニウム電極１０８は、アルミニウムペーストを熱処理により形成するので、アルミニウムが溶融してシリコンと合金化することにより、アルミニウム−シリコン合金層（図示せず）が形成されるとともに、その合金層よりも内側にｐ^＋型不純物領域１１２が形成される。この場合、ｐ型の不純物であるアルミニウムを、高濃度で十分な深さまで拡散させることが可能であるため、ｎ^＋型不純物領域１１１を除去しなくてもよい。

次に、図５（ｄ）に示すように、アルミニウム電極１０８上の所定領域に、銀電極１０９を形成する。銀電極１０９は、銀ペーストを熱処理により形成する。

次に、図５（ｅ）に示すように、貫通孔１０３の内部に貫通孔電極１０４、ｐ型シリコン基板１０２の裏面の所定領域に裏面電極１０７を形成する。貫通孔電極１０４及び裏面電極１０７は、銀ペーストを熱処理により形成し互いに接続している。

次に、図５（ｆ）に示すように、ｐ型シリコン基板１０２の受光面の所定領域に、受光面電極１０６を形成する。受光面電極１０６は、銀ペーストを熱処理により形成する。熱処理の際、銀ペーストは、ファイヤースルーにより反射防止膜１０５を貫通して受光面電極１０６を形成し、ｎ^＋型不純物領域１１０と接続する。また、受光面電極１０６は、貫通孔電極１０４にも接続する。

次に、図５（ｇ）に示すように、ｐ型シリコン基板１０２の裏面の貫通孔１０３の周囲に位置する領域に、レーザアブレーションによりｎ^＋型不純物領域１１１の一部を除去することによって、分離溝１１５を形成する。さらに、ｐ型シリコン基板１０２の外周部に形成されたｎ^＋型不純物領域を、レーザアブレーションにより除去する。このようにして、光電変換装置１０１を形成することが開示されている。

特開２０１０−８０５７６号公報（２０１０年４月８日公開）

しかしながら、特許文献１に示されているように、光電変換装置の作製の初期の工程で、レーザ等により半導体基板に貫通孔を形成しているので、半導体基板が１００μｍ前後になると、貫通孔形成後の製造工程において、貫通孔形成に起因する半導体基板の破損が発生する可能性が増大していた。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、貫通孔の形成を行わず貫通孔電極を形成することで、光電変換装置の歩留りを向上させる光電変換装置の製造方法を提供することにある。

本発明の光電変換装置の製造方法は、第１導電型の半導体基板と、半導体基板の受光面に形成された第２導電型の第１半導体層と、第１半導体層に接した第２導電型用の受光面第１電極と、半導体基板の裏面に形成された、第２導電型用の裏面第１電極と、半導体基板を貫通し、受光面第１電極と裏面第１電極を電気的に接続する貫通接続部と、貫通接続部の側壁に形成された第２導電型の第２半導体層と、半導体基板の裏面に形成された、第１導電型用の裏面第２電極とを有する光電変換装置の製造方法であって、半導体基板の受光面に第１半導体層を形成する第１工程と、半導体基板の受光面に、第２導電型の不純物を含む導電性ペーストをパターニングして塗布する第２工程と、半導体基板を熱処理することで、受光面第１電極と、半導体基板と不純物の合金層からなる貫通接続部と、不純物を含む第２半導体層を形成する第３工程と、裏面第１電極及び裏面第２電極を形成する第４工程と、裏面第１電極と裏面第２電極を電気的に分離する第５工程を有する。

ここで、本発明の光電変換装置の製造方法は、半導体基板の厚さは、１５０μｍ以下であってもよい。

また、本発明の光電変換装置の製造方法は、第２導電型は、ｐ型であってもよい。

また、本発明の光電変換装置の製造方法は、半導体基板は、シリコン基板であり、前記第２導電型の不純物は、アルミニウムであってもよい。

本発明の光電変換装置は、第１導電型の半導体基板と、半導体基板の受光面に形成された第２導電型の第１半導体層と、第１半導体層上に接した第２導電型用の受光面第１電極と、半導体基板の裏面に形成された、第２導電型用の裏面第１電極と、半導体基板と第２導電型の不純物の合金層から形成され、受光面第１電極及び裏面第１電極に接する貫通接続部と、貫通接続部の側壁に形成され、第１半導体層と接する第２導電型の第２半導体層と、裏面第１電極と絶縁され、半導体基板の裏面に形成された、第１導電型用の裏面第２電極とを有する。

ここで、本発明の光電変換装置は、半導体基板の厚さは、１５０μｍ以下であってもよい。

また、本発明の光電変換装置は、第２導電型は、ｐ型であってもよい。

また、本発明の光電変換装置は、半導体基板は、シリコン基板であり、第２導電型の不純物は、アルミニウムであってもよい。

本発明によれば、第２導電型のドーパントを含む導電性ペーストを半導体基板の受光面に塗布して熱処理することで、第２導電型のドーパントが半導体基板と合金層を形成しながら貫通接続部を半導体基板の裏面まで形成するので、貫通孔を予め形成する必要がないため、光電変換装置の歩留りを向上させる光電変換装置の製造方法を提供することができる。

本発明の光電変換装置の一例の模式的な構成図である。 図１（ｂ）のＩ−Ｉ線における断面を示す模式的な図である。 本発明の光電変換装置の製造方法の一例を示す模式的な図である。 従来技術の光電変換装置の一例の模式的な断面構成図である。 従来技術の光電変換装置の製造方法の一例を示す模式的な図である。

図１は、本発明の光電変換装置の一例を表す模式図である。図１（ａ）は、光電変換装置１０を入射光側である受光面側から見た図であり、図１（ｂ）は、光電変換装置１０を受光面の反対側の面である裏面側から見た図である。２は裏面第２電極、５は受光面第２電極であり、受光面第２電極５は、メイン電極５ａとサブ電極５ｂで構成され、メイン電極５ａとサブ電極５ｂは電気的に接続している。サブ電極５ｂはキャリアを収集する集電極であり、メイン電極５ａはサブ電極５ｂで収集したキャリアをさらに収集する電極である。７は裏面第１電極、９は受光面第１電極、１３は裏面第３電極、２１は接合分離部であり環状に形成されている。２３は反射防止膜である。

裏面第１電極７と裏面第２電極２には、それぞれ、別のインターコネクタが接続される。インターコネクタは、複数の光電変換装置を用いて太陽電池モジュールを作製する際、光電変換装置同士を電気的に接続するもので、例えば、銅箔に半田を被覆したものである。また、予め配線が形成されている基板を用いて太陽電池モジュールを作製する場合は、裏面第１電極７及び裏面第２電極２を配線に接続させる。

図２は、図１（ｂ）で示したＩ−Ｉの断面を示す模式的な図である。第１導電型の半導体基板であるｎ型シリコン基板１を用いる。ｎ型シリコン基板１の入射光側の面である受光面（以下「ｎ型シリコン基板の受光面」という。）には、テクスチャ構造である凹凸構造（図示せず）、第２導電型の半導体層であるｐ型第１半導体層３が形成され、その上には反射防止膜２３が形成されている。また、ｎ型シリコン基板１の受光面には、受光面第２電極５が形成されている。図２に現れているのはメイン電極５ａである。そして、受光面第１電極９は、メイン電極５ａと接している。

また、ｎ型シリコン基板１の受光面の反対側の面である裏面（以下「ｎ型シリコン基板の裏面」という。）には、第１導電型の半導体層であるｎ型半導体層１５が形成されている。ｎ型半導体層１５のｎ型不純物濃度は、ｎ型シリコン基板１のｎ型不純物濃度よりも高い。ｎ型半導体層１５の上には、裏面第２電極２及び裏面第３電極１３が形成されている。裏面第１電極７は、裏面第２電極２及び裏面第３電極１３と、接合分離部２１で絶縁されている。接合分離部２１は、ｎ型半導体層１５を貫通して、裏面第１電極７を囲むように環状に形成されている。そして、ｎ型シリコン基板１には、貫通接続部９１が形成され、貫通接続部９１によって、受光面第１電極９と裏面第１電極７は電気的に接続している。また、受光面第１電極９はメイン電極５ａと接しているので、メイン電極５ａと裏面第１電極７は電気的に接続している。さらに、貫通接続部９１の側壁には、第２導電型の半導体層であるｐ型第２半導体層３１が形成されている。

図３は、図１に示す本発明の光電変換装置の製造方法の一例である。

まず、図３（ａ）に示すように、ｎ型シリコン基板１の表面を酸やアルカリの溶液、または、反応性プラズマを用いてエッチングすることによって表面のダメージ層を除去すると共に、表面にテクスチャ構造である凹凸構造を形成する。なお、図３では、凹凸構造を省略している。

次に、図３（ｂ）に示すように、ｐ型不純物を含む材料としてＢＢｒ_３（三臭化ホウ素）を用い熱処理しｐ型第１半導体層３を形成する。

次に、図３（ｃ）に示すように、ｎ型シリコン基板１の受光面に拡散防止マスクを形成し、ｎ型不純物を含む材料としてＰＯＣｌ_３を用い熱処理し、ｎ型シリコン基板１の裏面にｎ型半導体層１５を形成する。その後、拡散防止マスクを除去する。ここで、ｎ型シリコン基板１の裏面には、ｐ型第１半導体層３のｐ型不純物であるホウ素よりも高い濃度で、ｎ型不純物であるリンを熱処理により拡散させるので、ｎ型半導体層１５を形成することができる。

次に、図３（ｄ）に示すように、プラズマＣＶＤ法等を用いて、ｐ型第１半導体層３の上に反射防止膜２３である窒化シリコン膜を７０ｎｍ程度形成する。

次に、図３（ｅ）に示すように、貫通接続部を形成する箇所の反射防止膜２３をエッチングしパターニングする。パターニングの大きさは特に限定されないが、直径が１００μｍよりも大幅に大きくなると、後の貫通接続部９１の形成工程で、ｎ型シリコン基板１の裏面まで貫通接続部９１が形成されない場合が生じる。これは、パターンを小さくすることによって、パターン部分に熱を集中させることができるので、シリコンとアルミニウムの合金層である貫通接続部がｎ型シリコン基板１の裏面まで達するように形成することができると考えられる。この際、ｎ型シリコン基板１の厚さは、１５０μｍ以下である必要がある。ここで、パターニングの方法は、特に限定しなくてよい。エッチングペーストによるパターニング、フォトリソグラフィによるパターニング等、各種方法を用いることができる。その後、パターニングした箇所を覆うように、アルミニウム粉末、ガラス粉末及び有機樹脂を溶媒で混合した導電性ペーストであるアルミニウムペースト２５を、スクリーン印刷等でパターニングして塗布する。

次に、図３（ｆ）に示すように、ｎ型シリコン基板１を約７５０℃で熱処理することで、パターニングされたアルミニウムペースト２５は、受光面第１電極９であるアルミニウム電極を形成する。この際、反射防止膜２３上にあるアルミニウムペースト２５は、反射防止膜２３を貫通してアルミニウム電極を形成する。さらに、上記熱処理で、シリコンとアルミニウムの合金層である貫通接続部９１をｎ型シリコン基板１の裏面まで形成する。この際、貫通接続部９１の側壁には、ｐ型不純物となるアルミニウムが拡散することにより、ｐ型第２半導体層３１が形成される。ｎ型シリコン基板に形成したシリコンとアルミニウムの合金層の直径が１００μｍであれば、１０μｍ程度の厚みのｐ型第２半導体層３１が形成される。これによって、ｐｎ接合面積を大きくすることができる。また、ｐ型第２半導体層３１は、ｐ型第１半導体層３と接する。さらに、別工程でｐ型第２半導体層３１を形成する必要はない。

次に、図３（ｇ）に示すように、反射防止膜２３及び受光面第１電極９上に、アルミニウム粉末、ガラス粉末及び有機樹脂を溶媒で混合したアルミニウムペーストをスクリーン印刷等でパターニングして塗布する。その後、熱処理することで、アルミニウムペーストは反射防止膜２３を貫通してｐ型第１半導体層３と接し受光面第２電極５であるアルミニウム電極を形成する。図３に現れているのはメイン電極５ａである。この際、メイン電極５ａ、サブ電極５ｂ、それぞれ異なるアルミニウムペーストを使用したとしても、少なくともサブ電極５ｂは、ｐ型第１半導体層３と接する必要がある。なお、受光面第２電極５は、銀粉末、ガラス粉末及び有機樹脂を溶媒で混合した導電性ペーストである銀ペーストを用いた銀電極でもよい。次に、ｎ型シリコン基板１の裏面に、銀ペーストをスクリーン印刷等でパターニングして塗布する。その後、熱処理することで、裏面第１電極７と裏面第２電極２を形成する。裏面第１電極７は貫通接続部９１に接し、裏面第２電極２はｎ型半導体層１５に接している。なお、裏面第１電極７はｐ型第２半導体層３１に接してもよい。

次に、図３（ｈ）に示すように、ｎ型シリコン基板１の裏面にアルミニウムを蒸着法により蒸着することで、裏面第３電極１３を形成する。裏面第３電極１３は、裏面第２電極２及びｎ型半導体層１５に接する。

次に、図３（ｉ）に示すように、裏面第１電極７を、裏面第２電極２及び裏面第３電極１３と電気的に分離するために、レーザを用いて、環状に裏面第３電極１３を除去しつつ、ｎ型半導体層１５を除去して接合分離部２１を形成する。このようにして、光電変換装置１０を作製する。これから、貫通孔を形成することなく、貫通接続部を形成することで光電変換装置を形成することができる。

外形１５５ｍｍ×１５５ｍｍ、厚さ１２０μｍのｎ型シリコン基板を用いて、光電変換装置１０を作製した。図１に示すように、受光面第１電極９であるアルミニウム電極を４×８の計３２個形成した。パターニングの際のパターンの直径は１００μｍとしたが、受光面第１電極９形成時の熱処理後、１５０μｍになった。また、受光面第２電極５は、メイン電極５ａを幅１．０ｍｍ４本形成し、サブ電極５ｂを幅８０μｍ〜１００μｍで７３本形成した。ここで、ｎ型シリコン基板を用いて特許文献１に開示されているように、最初に貫通孔を形成して作製した光電変換装置を比較例とした。

表１に光電変換装置の特性結果を示す。表１は、実施例、比較例、それぞれ３０サンプルについて測定を行い、その平均値を求め、比較例を１．０００とした場合の値である。表１のＪｓｃは短絡電流密度、Ｖｏｃは開放電圧、ＦＦは曲線因子、Ｅｆｆは光電変換効率である。また、歩留りは、各々５０枚のｎ型シリコン基板を投入し光電変換装置を作製することができた数を示す。

表１の結果から、実施例の光電変換装置の特性は、比較例と同程度であることがわかった。しかしながら、歩留りは、比較例よりも実施例が良い結果となった。表１に示した比較例での不良１２枚のうち、９枚は貫通孔形成起因による、後の工程でのｎ型シリコン基板の破損であった。したがって、本願のように貫通孔を形成することなく、アルミニウムペースト等の導電性ペーストを用いて貫通接続部を形成することで、歩留りを向上させることができた。

また、導電性ペーストを塗布した箇所に貫通接続部を形成することができるので、貫通接続部の個数を増やすことも可能である。さらに、貫通孔を形成することなく貫通接続部を形成することで、ＭＷＴ構造を有する光電変換装置を作製することができる。

今回、ｎ型シリコン基板について記載したが、ｐ型シリコン基板を用いることも可能である。その場合は、ｎ型のドーパントを含む導電性ペーストを用いて貫通接続部を形成する。

１ ｎ型シリコン基板、２ 裏面第２電極、３ ｐ型第１半導体層、５ 受光面第２電極、５ａ メイン電極、５ｂ サブ電極、７ 裏面第１電極、９ 受光面第１電極、１０ 光電変換装置、１３ 裏面第３電極、１５ ｎ型半導体層、２１ 接合分離部、２３ 反射防止膜、２５ アルミニウムペースト、３１ ｐ型第２半導体層、９１ 貫通接続部。

Claims (8)

1. 第１導電型の半導体基板と、
   前記半導体基板の受光面に形成された第２導電型の第１半導体層と、
   前記第１半導体層に接した第２導電型用の受光面第１電極と、
   前記半導体基板の裏面に形成された、第２導電型用の裏面第１電極と、
   前記半導体基板を貫通し、前記受光面第１電極と前記裏面第１電極を電気的に接続する貫通接続部と、
   前記貫通接続部の側壁に形成された第２導電型の第２半導体層と、
   前記半導体基板の裏面に形成された、第１導電型用の裏面第２電極とを有する光電変換装置の製造方法であって、
   前記半導体基板の受光面に前記第１半導体層を形成する第１工程と、
   前記半導体基板の受光面に、第２導電型の不純物を含む導電性ペーストをパターニングして塗布する第２工程と、
   前記半導体基板を熱処理することで、前記受光面第１電極と、前記半導体基板と前記不純物の合金層からなる前記貫通接続部と、前記不純物を含む前記第２半導体層を形成する第３工程と、
   前記裏面第１電極及び前記裏面第２電極を形成する第４工程と、
   前記裏面第１電極と前記裏面第２電極を電気的に分離する第５工程を有する光電変換装置の製造方法。
2. 前記半導体基板の厚さは、１５０μｍ以下である請求項１に記載の光電変換装置の製造方法。
3. 前記第２導電型は、ｐ型である請求項１または２に記載の光電変換装置の製造方法。
4. 前記半導体基板は、シリコン基板であり、前記第２導電型の不純物は、アルミニウムである請求項３に記載の光電変換装置の製造方法。
5. 第１導電型の半導体基板と、
   前記半導体基板の受光面に形成された第２導電型の第１半導体層と、
   前記第１半導体層上に接した第２導電型用の受光面第１電極と、
   前記半導体基板の裏面に形成された、第２導電型用の裏面第１電極と、
   前記半導体基板と第２導電型の不純物の合金層から形成され、前記受光面第１電極及び前記裏面第１電極に接する貫通接続部と、
   前記貫通接続部の側壁に形成され、前記第１半導体層と接する第２導電型の第２半導体層と、
   前記裏面第１電極と絶縁され、前記半導体基板の裏面に形成された、第１導電型用の裏面第２電極とを有する光電変換装置。
6. 前記半導体基板の厚さは、１５０μｍ以下である請求項５に記載の光電変換装置の製造方法。
7. 前記第２導電型は、ｐ型である請求項５または６に記載の光電変換装置の製造方法。
8. 前記半導体基板は、シリコン基板であり、前記第２導電型の不純物は、アルミニウムである請求項７に記載の光電変換装置の製造方法。