JP5917129B2 - 電極の作製方法、及び光電変換装置の作製方法 - Google Patents
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Description
本発明は、微細な電極、該電極を有する光電変換装置、及びそれらの作製方法に関する。
近年、地球温暖化対策として、発電時に二酸化炭素の排出の無い光電変換装置が注目されている。その代表例としては、単結晶シリコンや多結晶シリコンなどの結晶性シリコン基板を用いた太陽電池が知られている。
一般的に太陽電池の受光面側には、電流の収集、及び配線の役割を有するグリッド電極が設けられている。グリッド電極は金属膜や導電性樹脂膜で形成されており、グリッド電極の陰となる領域は発電には直接寄与しない領域となる。従って、グリッド電極の幅を狭くし、その占有面積を小さくすることが望まれている。
グリッド電極の幅を狭くする場合には、抵抗を増加させないためにグリッド電極の短軸側の断面を高アスペクト比の形状とし、該断面の面積が大きくなるようにすることが好ましい。このようなグリッド電極を形成する手段の一つとして、埋め込み電極の形成が試みられている。（特許文献１、非特許文献１参照）。
特許文献１に開示された技術は、結晶性シリコン基板にダイシング加工を施して溝部を形成し、該溝部に減圧下で導電性樹脂をスクリーン印刷法で充填する方法である。また、非特許文献１に開示された技術は、結晶性シリコン基板にレーザ加工を施して溝部を形成し、該溝部に無電解メッキ法で導電層を充填する方法である。
Ｎ．Ｂ．Ｍａｓｏｎ，Ｄ．Ｊｏｒｄａｎ，Ｊ．Ｇ．Ｓｕｍｍｅｒｓ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １０ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（１９９１）２８０．
無電解メッキ法は、メッキ液などからの半導体基板の汚染が懸念される。また、無電解メッキ法は液相プロセスのため、溝部に残存する気泡の影響を受けやすく、断線などの工程不良となりやすい。
一方で、スクリーン印刷法は、簡便な工程で大面積にも対応できるなどの利点があるが、上記のような減圧下でのスクリーン印刷は、装置構成や工程が複雑になるばかりでなく、減圧下では印刷版に付着した導電性樹脂の乾燥が早いため、印刷版の開口部の目詰まりを起こしやすいなどの問題がある。
したがって、本発明の一態様は、低抵抗かつ線幅の狭い電極、及びその作製方法を提供することを目的の一つとする。また、該電極を有する光電変換装置、及びその作製方法を提供することを目的の一つとする。
本明細書で開示する本発明の一態様は、複数の平行な溝部及び該平行な溝部に挟まれる領域に形成された電極、並びに該電極を有する光電変換装置に関する。
本明細書に開示する本発明の一態様は、それぞれが平行な複数の溝部を形成し、溝部及び溝部で挟まれた領域に導電性材料を供給し、固定化することを特徴とする電極の作製方法である。
上記複数の溝部のうち、最外部の溝部においては、該溝部内の一部のみに導電性材料が固定化される構成であっても良い。なお、最外部の溝部とは、一電極が形成される領域が有する１乃至ｎの順に並んだｎ個の溝部において、１番目の溝部とｎ番目の溝部のことをいう。
上記導電性材料の供給は、スクリーン印刷法で行うことができる。ここで、スクリーン印刷法に用いる印刷版の開口部における短軸方向の幅は、該溝部の幅及び該溝部で挟まれた領域の幅の総和よりも小さいことが好ましい。スクリーン印刷版の開口部の形状をそのようにすることで、該溝部に導電性材料を充填しやすくなる。
また、本明細書に開示する本発明の他の一態様は、一導電型を有する結晶性シリコン基板の一方の面に、第１の複数の平行な溝部及び該第１の平行な溝部で挟まれる領域を有する第１の領域を形成し、第１の領域と交わり、第２の複数の平行な溝部及び該第２の平行な溝部で挟まれる領域を有する第２の領域を形成し、該第１の領域及び該第２の領域を含む結晶性シリコン基板の一方の面の表層に結晶性シリコン基板の導電型とは逆の導電型を付与する第１の不純物を熱拡散させて第１の不純物層を形成し、結晶性シリコン基板の他方の面上に結晶性シリコン基板と同じ導電型を付与する第２の不純物を含む導電層を形成し、第２の不純物を結晶性シリコン基板の他方の面の表層に熱拡散させて、結晶性シリコン基板と同じ導電型を有し、結晶性シリコン基板よりもキャリア濃度が高い第２の不純物層、及び前記導電層からなる裏面電極を形成し、第１の不純物層が形成された第１の領域及び第２の領域が有する溝部及び該溝部で挟まれた領域に導電性材料を供給し、固定化することによってグリッド電極を形成することを特徴とする光電変換装置の作製方法である。
なお、本明細書等における「第１」、「第２」などの序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、順序や数を限定するものではないことを付記する。
なお、上記光電変換装置の作製方法において、第１の不純物層上に透光性絶縁膜を形成し、第１の不純物層及び透光性絶縁膜が形成された第１の領域及び第２の領域に導電性材料を供給し、固定化する方法を用いても良い。
本明細書に開示する本発明の他の一態様は、結晶性シリコン基板の一方の面に、第１の複数の平行な溝部及び該第１の平行な溝部で挟まれる領域を有する第１の領域を形成し、該第１の領域と交わり、第２の複数の平行な溝部及び該第２の平行な溝部で挟まれる領域を有する第２の領域を形成し、該第１の領域及び該第２の領域を含む結晶性シリコン基板の一方の面上に第１のシリコン半導体層を形成し、該第１のシリコン半導体層上に一導電型を有する第２のシリコン半導体層を形成し、結晶性シリコン基板の他方の面上に第３のシリコン半導体層を形成し、該第３のシリコン半導体層上に該第２のシリコン半導体層の導電型とは逆の導電型を有する第４のシリコン半導体層を形成し、該第２のシリコン半導体層上に透光性導電膜を形成し、該第４のシリコン半導体層上に裏面電極を形成し、該第１のシリコン半導体層、該第２のシリコン半導体層、及び該透光性導電膜が積層された該第１の領域及び該第２の領域が有する溝部及び溝部で挟まれた領域に導電性材料を供給し、固定化することによってグリッド電極を形成することを特徴とする光電変換装置の作製方法である。
上記第１及び第３のシリコン半導体層の導電型はｉ型、上記第２のシリコン半導体層の導電型はｐ型またはｎ型とする。
また、本明細書に開示する本発明の他の一態様は、複数の平行な溝部を充填し、かつ該平行な溝部で挟まれた領域を覆う導電性材料で形成されていることを特徴とする電極である。
上記導電性材料が固定化される溝部のうち、最外部の溝部では該溝部内の一部のみに導電性材料が供給され、固定化された形状であっても良い。
また、本明細書に開示する本発明の他の一態様は、第１の複数の平行な溝部及び該第１の複数の平行な溝部で挟まれる領域を有する第１の領域、及び第１の領域と交わり、第２の複数の平行な溝部及び該第２の複数の平行な溝部で挟まれる領域を有する第２の領域が一方の面に設けられた一導電型を有する結晶性シリコン基板と、該第１の領域及び該第２の領域を有する結晶性シリコン基板の一方の面の表層に設けられた結晶性シリコン基板の導電型とは逆の導電型を有する第１の不純物層と、結晶性シリコン基板の他方の面の表層に設けられ、結晶性シリコン基板と同じ導電型を有し、結晶性シリコン基板よりもキャリア濃度の高い第２の不純物層と、第２の不純物層と接する裏面電極と、第１の不純物層が形成された第１の領域及び第２の領域が有する溝部及び該溝部で挟まれた領域を覆う導電性材料で形成されたグリッド電極と、を有することを特徴とする光電変換装置である。
上記の構成においては、第１の不純物層上に透光性絶縁膜が形成されていても良い。該透光性絶縁膜は、反射防止効果や、第１の不純物層の表面欠陥を低減させる効果を有する。
また、本明細書に開示する本発明の他の一態様は、第１の複数の平行な溝部及び該第１の平行な溝部で挟まれる領域を有する第１の領域、及び該第１の領域と交わり、第２の複数の平行な溝部及び該第２の平行な溝部で挟まれる領域を有する第２の領域が一方の面に設けられた結晶性シリコン基板と、該第１の領域及び第２の領域を有する結晶性シリコン基板の一方の面上に設けられた第１のシリコン半導体層と、該第１のシリコン半導体層上に設けられた一導電型を有する第２のシリコン半導体層と、該第２のシリコン半導体層上に設けられた透光性導電膜と、該結晶性シリコン基板の他方の面に設けられた第３のシリコン半導体層と、該第３のシリコン半導体層上に設けられた該第２のシリコン半導体層の導電型とは逆の導電型を有する第４のシリコン半導体層と、該第４のシリコン半導体層上に設けられた裏面電極と、該第１のシリコン半導体層、該第２のシリコン半導体層、及び該透光性導電膜が積層された該第１の領域及び第２の領域が有する溝部及び該溝部で挟まれた領域を覆う導電性材料で形成されたグリッド電極と、を有することを特徴とする光電変換装置である。
本発明の一態様を用いることにより、低抵抗かつ線幅が狭い電極を提供することができる。また、該電極を生産性良く、高歩留まりで形成することができる。また、電気特性が向上した光電変換装置を提供することができる。
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略することがある。
（実施の形態１）
本発明の一態様である基板に設けた溝部、及び該溝部を充填する電極の構成を図１に示す。なお、図１（Ａ）は断面図であり、平面図である図１（Ｂ）の線分Ａ−Ｂの断面に相当する。なお、本発明の一態様における電極とは、その用途を限定するものではない。従って、例えば、電子デバイスの電極などに限らず、配線としても適用可能である。
本発明の一態様である基板に設けた溝部、及び該溝部を充填する電極の構成を図１に示す。なお、図１（Ａ）は断面図であり、平面図である図１（Ｂ）の線分Ａ−Ｂの断面に相当する。なお、本発明の一態様における電極とは、その用途を限定するものではない。従って、例えば、電子デバイスの電極などに限らず、配線としても適用可能である。
基板１００には、第１の溝部１１０及び第２の溝部１２０が平行して設けられており、第１の溝部１１０及び第２の溝部１２０で挟まれた領域１５０が形成されている。また、第１の溝部１１０、第２の溝部１２０及び領域１５０を覆うように導電性材料が固定化され、電極２００が形成されている。なお、導電性材料としては、例えば導電性樹脂を用いることができる。また、該導電性樹脂を固定化する方法は該導電性樹脂の材料によって異なり、加熱、光照射、溶媒揮発などの方法を適宜用いることにより行うことができる。
第１の溝部１１０、第２の溝部１２０、及び第１の溝部１１０及び第２の溝部１２０で挟まれた領域１５０のそれぞれの幅及び深さは、基板１００の強度を低下させない範囲で任意であり、実施者が自由に決定すれば良い。ただし、後述するスクリーン印刷法の工程を容易にするためには、領域１５０の幅を第１の溝部１１０もしくは第２の溝部１２０の幅よりも広くすることが好ましい。
なお、溝部は複数であれば良く、図２に示すような３つ以上の溝部を有する構成であっても良い。また、図１（Ａ）及び図２において溝部は、その断面が溝部の幅が深さ方向において均一なＵ字型である場合を例示しているが、図３に示すような、溝部の上方より下方の方が幅が狭いＶ字型であっても良い。Ｕ字型の溝部は、導電性材料の充填量を多くできるので、電極の抵抗を下げやすく、Ｖ字型の溝部は、その溝部を覆うような膜を形成するときに、被覆性を向上させることができる。
また、図１（Ａ）においては、溝部に導電性材料が完全に充填される構成を例示しているが、図４に示すように溝部の一部に導電性材料が供給及び固定化される構成であっても良い。図４（Ａ）は溝部の数が２つの構成を例示しており、図４（Ｂ）は更に溝部の数を増やした構成を例示している。溝部の数が３つ以上の構成では、最外部の溝部（図４（Ｂ）の構成では左端と右端の溝部）の一部に導電性材料が供給及び固定化され、それ以外の溝部（図４（Ｂ）の構成では中央の２つの溝部）には満たされるように導電性材料が充填される。
ここで、スクリーン印刷法を用いて電極を形成する場合の従来の問題点を説明する。
図５は、スクリーン印刷法を用いて、平面を有する基板１０１上に導電性材料からなる電極２４０を形成した構成を従来例として示したものである。図５（Ａ）は断面図であり、平面図である図５（Ｂ）の線分Ｃ−Ｄの断面に相当する。
スクリーン印刷法に用いられる印刷樹脂（ここでは導電性樹脂）は、印刷版の開口部から抜き出しやすく、かつ印刷版の開口形状と同等の形状となるように印刷に適した特性に調整されている。
しかしながら、印刷樹脂は印刷工程時に液状であるため、印刷直後から少なからず形状が変化し、実際の寸法が、設計された幅（Ｘ３）の許容値以上に異なってしまうことがある。図５（Ａ）に示すように、印刷版から印刷樹脂が抜き出された直後は、印刷版の開口部とほぼ同等の幅（Ｘ３）を有する形状の初期形状２２０（点線）であるが、焼成までの間に矢印の方向に樹脂が変形し、幅がＸ４に広がってしまう。
この現象は、印刷樹脂を薄く印刷することで極力抑えることができるが、導電性樹脂は金属膜と比べて抵抗が高く、低抵抗が望まれる電極や配線などは厚膜で形成しなければならない。従って、印刷と焼成を複数回繰り返して行うなどの方法を用いなければならず、工程を増加させる問題があった。
また、実質的に厚膜を形成する方法として、基板に溝部を形成し、該溝部に導電材料を充填して形成する、所謂埋め込み電極が知られている。
しかしながら、埋め込み電極は溝部に導電材料を均一に充填しなければならず、比較的粘度の高い樹脂を用いるスクリーン印刷法は不向きであった。スクリーン印刷では、印刷版に充填された樹脂を被印刷面に接触させることで印刷版から樹脂を抜き出すため、溝部のような空間に直接樹脂を落とし込むことはできない。また、溝部の周辺を利用して印刷版から樹脂を抜き出したとしても、粘度の高い樹脂では流動性が乏しく、発生した気泡を排除できないなどの問題があり、溝部の充填が困難となる。これらを解決する手段として、真空下でスクリーン印刷を行う方法も提案されているが、装置や工程を複雑するなどの問題点を有している。
従って、埋め込み電極の形成に、生産性の良い条件でスクリーン印刷法が用いられることはなかった。
一方、本発明の一態様における電極は、複数の溝部及び該複数の溝部に挟まれた領域に対して適量の導電性材料を供給することで形成するため、最外部にある溝部が端となり、導電性材料は該最外部にある溝部より外側に広がらず、設計された寸法の幅（Ｘ１）で形成することができる。また、被印刷領域に複数の溝部に挟まれた平面の領域が含まれることから、印刷版からの樹脂の抜き出しが容易であり、特殊の装置、及び複雑な工程を必要としないスクリーン印刷法を用いることができる。
次に、本発明の一態様における電極の作製方法を図６の断面工程図を用いて説明する。
まず、基板１００に第１の溝部１１０及び第２の溝部１２０を平行に形成し、第１の溝部１１０及び第２の溝部１２０に挟まれた領域１５０を設ける（図６（Ａ）参照）。
第１の溝部１１０及び第２の溝部１２０は、ダイシング加工、またはレーザ加工で形成することができる。図６（Ａ）における溝部は、ダイシング加工を用いた場合の形状（Ｕ字型）を示しているが、Ｖ字型であってもよい。レーザ加工を行った場合には、Ｖ字型またはＵ字型となりやすい。また、周囲がＶ字型またはＵ字型に加工されたダイシングブレードを用い、溝部の底部のみをＶ字型またはＵ字型としても良い。
ここで、第１の溝部１１０、第２の溝部１２０、及び第１の溝部１１０及び第２の溝部１２０に挟まれた領域１５０の幅の総和をＸ１とする。Ｘ１は電極の幅として、予め設計された許容値を含む幅である。
次に、スクリーン印刷法で第１の溝部１１０、第２の溝部１２０、及び第１の溝部１１０及び第２の溝部１２０に挟まれた領域１５０の上方より、導電性材料として導電性樹脂２０１を供給する。なお、ディスペンス法やインクジェット法においても導電性樹脂２０１の供給を行うことができるが、生産性に優れたスクリーン印刷法を用いることが好ましい。
図６（Ｂ）は、スクリーン印刷による導電性樹脂２０１の供給の過程を図示したものである。印刷版５００の開口部を第１の溝部１１０、第２の溝部１２０、及び第１の溝部１１０及び第２の溝部１２０に挟まれた領域１５０と重なる位置に設置し、スクレーパーで印刷版５００の開口部に導電性樹脂２０１を充填し、印刷版に接したスキージ５１０を矢印方向に動かすことで領域１５０に導電性樹脂２０１を接触させる。その後、印刷版５００を移動させると、図６（Ｃ）に示すように印刷版５００から抜き出された樹脂が第１の溝部１１０及び第２の溝部１２０に流れるように変形し、やがて導電性樹脂２０１は第１の溝部及び第２の溝部を充填し、図１（Ａ）に示すような電極２００が形成される。
ここで、印刷版５００の開口部における短軸方向の幅（Ｘ２）は、第１の溝部１１０、第２の溝部１２０、及び第１の溝部１１０及び第２の溝部１２０に挟まれた領域１５０の幅の総和（Ｘ１）よりも小さい値とすることが好ましい。Ｘ２がＸ１よりも大きいと、形成される電極の幅が設計値よりも大きくなるばかりでなく、該溝部を導電性樹脂２０１で蓋をした形になるため、内部の空気を排気しきれずに充填不良となってしまう。Ｘ２をＸ１よりも小さくすることで、該溝部の空気の排気経路を確保できるため、該溝部に導電性樹脂２０１を均一に充填することができる。
なお、本発明の一態様における電極は、単に埋め込み電極を形成しているだけでなく、溝部に挟まれた領域上にも電極の一部が形成されているため、短軸側の断面積が大きい形状とすることができ、長軸方向を低抵抗とすることができる。
以上の方法により、設計された寸法の幅を有する低抵抗の電極を生産性良く、高歩留まりで形成することができる。特に幅の狭い電極を形成する場合において、本方法は有効に作用する。
本実施の形態は、他の実施の形態と自由に組み合わすことができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で説明した電極をグリッド電極として有する光電変換装置、及びその作製方法を説明する。
本実施の形態では、実施の形態１で説明した電極をグリッド電極として有する光電変換装置、及びその作製方法を説明する。
本発明の一態様における光電変換装置の斜視図を図７に示す。なお、図７は構成をわかりやすく説明するために、光電変換装置の一部を切り出した図となっている。
図７に示す光電変換装置は、結晶性シリコン基板３００の一方の面側に形成された第１の不純物層３０２、第１の不純物層３０２と接するグリッド電極３０６及び透光性絶縁膜３０９、結晶性シリコン基板３００の他方の面側に形成された第２の不純物層３０４、並びに第２の不純物層３０４と接する裏面電極３０８を含んで構成される。なお、グリッド電極３０６が形成された面側が受光面となる。
結晶性シリコン基板３００の一方の面には、第１の複数の平行な溝部及び該第１の平行な溝部で挟まれた領域を有する第１の領域、及び第２の複数の平行な溝部及び該第２の平行な溝部で挟まれた領域を有し、第１の領域の溝部と交わる第２の領域が形成されている。また、該第１の複数の平行な溝部及び該第２の複数の平行な溝部を充填し、かつ該第１の領域及び該第２の領域を覆うように導電性樹脂が固定化され、グリッド電極３０６が形成されている。なお、グリッド電極３０６の線幅の広い領域がバスバー電極３０６ａ、線幅の狭い領域がフィンガー電極３０６ｂである。
結晶性シリコン基板３００は一導電型を有し、第１の不純物層３０２は、結晶性シリコン基板３００の導電型とは逆の導電型を有する層である。従って、第１の不純物層３０２が形成されている領域の近傍にｐ−ｎ接合が形成される。
また、第２の不純物層３０４は、結晶性シリコン基板３００と同じ導電型を有し、かつキャリア濃度が結晶性シリコン基板３００よりも高い層である。したがって、第２の不純物層３０４が形成されている領域の近傍にはｎ−ｎ＋接合、またはｐ−ｐ＋接合が形成され、その電界により少数キャリアがｐ−ｎ接合側にはね返されることから、裏面電極３０８近傍でのキャリアの再結合を防止することができる。
なお、第２の不純物層３０４は、裏面電極に含まれる不純物を拡散させることで容易に形成することができる。例えば、結晶性シリコン基板３００がｐ型である場合は、アルミニウム膜、またはアルミニウムペーストを裏面電極として形成し、ｐ型を付与する不純物であるアルミニウムを熱拡散させることで第２の不純物層３０４を形成することができる。
また、透光性絶縁膜３０９は、保護、反射防止、結晶性シリコン基板３００の表面欠陥の低減などの効果を付与するものであり、酸化珪素膜や窒化珪素膜などが用いられる。ただし、透光性絶縁膜３０９を省くこともできる。
このような光電変換装置の構成において、実施の形態１で説明した電極をグリッド電極に用いることで、グリッド電極３０６の微細化にともなう抵抗の増加を抑制することができる。すなわち、グリッド電極３０６の微細化による弊害（抵抗増）をともなわず、受光面積を増加することができ、光電変換装置の変換効率を向上させることができる。
以下に図７に示した光電変換装置の作製方法について図８を用いて説明する。なお、図８は、図７に示すＥ１−Ｆ１の線分下の断面に相当する断面図である。
本発明の一態様に用いることのできる結晶性シリコン基板３００には、単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板を用いることができる。これらの結晶性シリコン基板の導電型や製造方法は、特に限定されない。本実施の形態においては、ＭＣＺ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法で製造されたｐ型の単結晶シリコン基板を用いる。
まず、実施の形態１で説明した第１の溝部１１０及び第２の溝部１２０の作製方法と同様の方法を用いて、結晶性シリコン基板３００の一方の面に第１の溝部３１１ａ、第２の溝部３１２ａ、及び第１の溝部３１１ａ及び第２の溝部３１２ａで挟まれた領域３１３ａ、並びに第１の溝部３１１ｂ、第２の溝部３１２ｂ、及び第１の溝部３１１ｂ及び第２の溝部３１２ｂで挟まれた領域３１３ｂを形成する。
ここで、第１の溝部３１１ａ、第２の溝部３１２ａ、及び第１の溝部３１１ａ及び第２の溝部３１２ａで挟まれた領域３１３ａを有する領域を第１の領域、第１の溝部３１１ｂ、第２の溝部３１２ｂ、及び第１の溝部３１１ｂ及び第２の溝部３１２ｂで挟まれた領域３１３ｂを有する領域を第２の領域とする。なお、第１の領域及び第２の領域は、結晶性シリコン基板３００に複数設けられていても良い。例えば、第１の領域は５０ｍｍ間隔、第２の領域は２ｍｍ間隔で設ける。
なお、レーザ加工で該溝部を形成する場合は、ＹＡＧレーザの基本波（波長１０６４ｎｍ）、第２高調波（波長５３２ｎｍ）、第３高調波（波長３５５ｎｍ）、第４高調波（波長２６６ｎｍ）などを用い、ビーム径、出力及び走査速度を調整して所望の形状の溝部を形成することができる。例えば、ＹＡＧレーザの第３高調波で、ビーム径φ２０μｍ、パワー密度１６０ｋＷ／ｃｍ２、走査速度０．１ｃｍ／ｓｅｃで単結晶シリコン基板の加工を行うと、幅３０乃至４０μｍ、深さ４０乃至７０μｍの溝部を形成することができる。
第１の領域はバスバー電極、第２の領域はフィンガー電極を設けるための領域である。該領域が有する溝部の幅及び深さ、並びに該溝部で挟まれる領域の幅の寸法は、バスバー電極またはフィンガー電極として必要な抵抗を考慮して決定すれば良い。
なお、図８（Ａ）では全ての溝部を同様の深さで形成しているが、バスバー電極を形成する領域の溝部と、フィンガー電極を形成する領域の溝部で深さを変えても良い。ただし、基板の強度を考慮し、溝部の深さは基板厚の２／３、好ましくは１／２を上限とする。溝部が深すぎると、基板の強度が保てなくなり、工程途中での破損が起きる場合や、光電変換装置の強度を低下させ、信頼性を悪化させる場合がある。例えば、基板厚が０．５ｍｍの場合、溝部の深さは、約０．２５ｍｍから約０．３５ｍｍを上限とすることが好ましい。
次いで、溝部を形成するためのダイシング加工やレーザ加工では、加工部の表層にダメージ層が発生するため、該ダメージ層をエッチング工程にて取り除く。エッチングには、例えば、酢酸、弗酸、及び硝酸を含むエッチング液を用いることができる。該エッチング液は、それぞれの酸の比率を調整することでダメージ層を優先的にエッチングすることができる。また、アルカリ性のエッチング液（例えば、１０％水酸化カリウム水溶液など）を使用して、結晶性シリコン基板３００の表面をエッチングすると同時にテクスチャを形成しても良い。テクスチャを形成することによって、反射防止効果や光閉じ込め効果を光電変換装置に付与することができる。なお、このエッチング工程は省くこともできる。
次いで、第１の領域、及び第２の領域を含む結晶性シリコン基板３００の一方の面の表層に結晶性シリコン基板３００とは逆の導電型を有する第１の不純物層３０２を形成する（図８（Ｂ）参照）。ここでは、結晶性シリコン基板３００の導電型がｐ型であるため、ｎ型を付与する不純物を結晶性シリコン基板３００の表層に拡散させ、第１の不純物層３０２を形成する。ｎ型を付与する不純物としては、リン、ヒ素、アンチモンなどがあり、例えば、結晶性シリコン基板をオキシ塩化リン雰囲気中で８００℃以上９００℃以下の温度で熱処理することにより、リンを結晶性シリコン基板の表面から０．５μｍ程度の深さに拡散させることができる。
次いで、第１の不純物層３０２上に透光性絶縁膜３０９を形成する。透光性絶縁膜３０９としては、プラズマＣＶＤ法やスパッタ法で成膜される５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の膜厚の酸化珪素膜や窒化珪素膜を用いることができる。本実施の形態では、プラズマＣＶＤ法により成膜した５０ｎｍの窒化珪素膜を透光性絶縁膜３０９として用いる。なお、透光性絶縁膜３０９を形成する工程は省いても良い。
次いで、第２の不純物層３０４及び裏面電極３０８を形成する（図８（Ｃ）参照）。本実施の形態では、結晶性シリコン基板３００の導電型がｐ型であるため、ｐ型を付与する不純物を含む導電層を結晶性シリコン基板３００の他方の面に形成し、該不純物を拡散させてキャリア濃度の高い層を作り、ｐ−ｐ＋接合を形成する。例えば、アルミニウムペーストを結晶性シリコン基板３００の他方の面に塗布し、焼成することによってアルミニウムを結晶性シリコン基板３００の他方の面の表層に熱拡散させ、第２の不純物層３０４と裏面電極３０８を形成することができる。
次いで、スクリーン印刷法を用いて、第１の不純物層３０２上に透光性絶縁膜３０９が形成された第１の領域及び第２の領域にグリッド電極３０６となる導電性樹脂を供給する。スクリーン印刷法の工程の詳細については、実施の形態１の図６（Ｂ）の説明を参照することができる。なお、ここで用いる導電性樹脂には、銀ペースト、銅ペースト、ニッケルペースト、モリブデンペーストなどを用いることができる。また、グリッド電極３０６は銀ペーストと銅ペーストを積層するなど、異なる材料の積層であっても良い。なお、本実施の形態では、焼成することにより固定化される熱硬化型の導電性樹脂を用いることが好ましい。
次いで、導電性樹脂の焼成することで、第１の不純物層３０２とグリッド電極３０６の接触を行う（図８（Ｄ）参照）。上述した導電性樹脂を供給した段階では、透光性絶縁膜３０９が介在しているため、導電性樹脂と第１の不純物層３０２は接触していない状態であるが、焼成をすることによって導電性樹脂の導体成分は、透光性絶縁膜３０９を貫通して第１の不純物層３０２に接触することができる。なお、図８（Ｄ）においては、溝部に形成された透光性絶縁膜３０９が全て消失しているように図示しているが、部分的に残っていても良い。
以上により、微細なグリッド電極を有し、電気特性の優れた光電変換装置を生産性良く、高歩留まりで形成することができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と自由に組み合わすことができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態２で説明した光電変換装置とは異なる構成の光電変換装置、及びその作製方法を説明する。なお、実施の形態１と共通する構成及び作製方法などの詳細な説明は、本実施の形態では省略する。
本実施の形態では、実施の形態２で説明した光電変換装置とは異なる構成の光電変換装置、及びその作製方法を説明する。なお、実施の形態１と共通する構成及び作製方法などの詳細な説明は、本実施の形態では省略する。
本発明の一態様における光電変換装置の斜視図を図９に示す。なお、図９は構成をわかりやすく説明するために、光電変換装置の一部を切り出した図となっている。
図９に示す光電変換装置は、結晶性シリコン基板４００に接する第１のシリコン半導体層４０２ａ及び第３のシリコン半導体層４０２ｂ、第１のシリコン半導体層４０２ａと接する第２のシリコン半導体層４０４ａ及び第３のシリコン半導体層４０２ｂと接する第４のシリコン半導体層４０４ｂ、第２のシリコン半導体層４０４ａと接する透光性導電膜４０６、透光性導電膜４０６と接するグリッド電極４０８、並びに第４のシリコン半導体層４０４ｂと接する裏面電極４０９を含んで構成される。なお、グリッド電極４０８が形成された面側が受光面となる。
第１のシリコン半導体層４０２ａ及び第３のシリコン半導体層４０２ｂは、水素を含み、欠陥が少ない高品質なｉ型半導体層であり、結晶性シリコン基板４００の表面欠陥を終端することができ、光電変換層における少数キャリアの再結合を低減し、少数キャリアのライフタイムを長くすることができる。
なお、本明細書において、ｉ型の半導体とは、フェルミ準位がバンドギャップの中央に位置する所謂真性半導体の他、半導体に含まれるｐ型を付与する不純物及びｎ型を付与する不純物がそれぞれ１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の濃度であり、暗伝導度に対して光伝導度が高い半導体を指す。例えば、第１のシリコン半導体層４０２ａ及び第３のシリコン半導体層４０２ｂには、プラズマＣＶＤ法等で形成される非晶質シリコン半導体を用いることができる。
なお、本明細書において光電変換層とは、光電変換に大きく寄与する半導体領域を意味するものである。本実施の形態においては、結晶性シリコン基板及び該結晶性シリコンに接する第１のシリコン半導体層４０２ａ及び第３のシリコン半導体層４０２ｂが該当する。
第２のシリコン半導体層４０４ａ及び第４のシリコン半導体層４０４ｂは、内部電界形成層であり、一方がｐ型半導体層、他方がｎ型半導体層で形成される。該第２のシリコン半導体層４０４ａ及び該第４のシリコン半導体層４０４ｂは、例えば、導電型を付与する不純物を含む非晶質シリコン層や微結晶シリコン層で形成することができる。
結晶性シリコン基板４００の一方の面には、第１の複数の平行な溝部及び該第１の平行な溝部で挟まれた領域を有する第１の領域、及び第２の複数の平行な溝部及び該第２の平行な溝部で挟まれた領域を有し、第１の領域の溝部と交わる第２の領域が形成されており、該第１の複数の平行な溝部及び該第２の複数の平行な溝部を充填し、かつ該第１の領域及び該第２の領域を覆うようにグリッド電極４０８が導電性樹脂により形成されている。なお、グリッド電極４０８の線幅の広い領域がバスバー電極４０８ａ、線幅の狭い領域がフィンガー電極４０８ｂである。
このような光電変換装置の構成において、実施の形態１で説明した電極をグリッド電極に用いることで、グリッド電極４０８の微細化にともなう抵抗の増加を抑制することができる。すなわち、グリッド電極４０８の微細化による弊害（抵抗増）をともなわず、受光面積を増加することができ、光電変換装置の変換効率を向上させることができる。
以下に図９に示した光電変換装置の作製方法について図１０を用いて説明する。なお、図１０は、図９に示すＥ２−Ｆ２の線分下の断面に相当する断面図である。
本発明の一態様に用いることのできる結晶性シリコン基板４００には、単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板を用いることができる。これらの結晶性シリコン基板の導電型や製造方法は、特に限定されない。本実施の形態においては、ＭＣＺ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法で製造されたｎ型の単結晶シリコン基板を用いる。
まず、実施の形態１で説明した第１の溝部１１０及び第２の溝部１２０と同様の方法を用いて、結晶性シリコン基板４００の一方の面に第１の溝部４１１ａ、第２の溝部４１２ａ、及び第１の溝部４１１ａ及び第２の溝部４１２ａで挟まれた領域４１３ａ、並びに第１の溝部４１１ｂ、第２の溝部４１２ｂ、及び第１の溝部４１１ｂ及び第２の溝部４１２ｂで挟まれた領域４１３ｂを形成する。
ここで、第１の溝部４１１ａ、第２の溝部４１２ａ、及び第１の溝部４１１ａ及び第２の溝部４１２ａで挟まれた領域４１３ａを有する領域を第１の領域、第１の溝部４１１ｂ、第２の溝部４１２ｂ、及び第１の溝部４１１ｂ及び第２の溝部４１２ｂで挟まれた領域４１３ｂを有する領域を第２の領域とする。なお、第１の領域及び第２の領域は、結晶性シリコン基板４００に複数設けられていても良い。例えば、第１の領域は５０ｍｍ間隔、第２の領域は２ｍｍ間隔で設ける。
第１の領域はバスバー電極、第２の領域はフィンガー電極を設けるための領域である。該第１の領域及び該第２の領域が有する溝部の幅及び深さ、並びに該溝部で挟まれる領域の幅の寸法は、バスバー電極またはフィンガー電極として必要な抵抗を考慮して決定すれば良い。
次いで、該溝部の表層に発生したダメージ層をエッチング工程にて取り除く。エッチングには、例えば、酢酸、弗酸、及び硝酸を含むエッチング液を用いることができる。また、アルカリ性のエッチング液（例えば、１０％水酸化カリウム水溶液など）を使用して、結晶性シリコン基板４００の表面をエッチングすると同時にテクスチャを形成しても良い。なお、このエッチング工程は省くこともできる。
次いで、該第１の領域及び該第２の領域を有する結晶性シリコン基板４００の一方の面上にプラズマＣＶＤ法を用いて第１のシリコン半導体層４０２ａを形成する。第１のシリコン半導体層４０２ａの厚さは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。本実施の形態において、第１のシリコン半導体層４０２ａにはｉ型の非晶質シリコンであり、膜厚は５ｎｍとする。
例えば、第１のシリコン半導体層４０２ａの成膜条件は、反応室に流量５ｓｃｃｍ以上２００ｓｃｃｍ以下のモノシランを導入し、反応室内の圧力を１０Ｐａ以上１００Ｐａ以下、電極間隔を１５ｍｍ以上４０ｍｍ以下、電力密度を８ｍＷ／ｃｍ２以上５０ｍＷ／ｃｍ２以下とすればよい。
次いで、第１のシリコン半導体層４０２ａ上に第２のシリコン半導体層４０４ａを形成する。第２のシリコン半導体層４０４ａの厚さは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。本実施の形態において、第２のシリコン半導体層４０４ａはｐ型の微結晶シリコンであり、膜厚は１０ｎｍとする。なお、第２のシリコン半導体層４０４ａに、ｐ型の非晶質シリコンを用いてもよい。
例えば、第２のシリコン半導体層４０４ａの成膜条件は、反応室に流量１ｓｃｃｍ以上１０ｓｃｃｍ以下のモノシラン、流量１００ｓｃｃｍ以上５０００ｓｃｃｍ以下の水素、流量５ｓｃｃｍ以上５０ｓｃｃｍ以下の水素ベースのジボラン（０．１％）を導入し、反応室内の圧力を４５０Ｐａ以上１０００００Ｐａ以下、好ましくは２０００Ｐａ以上５００００Ｐａ以下とし、電極間隔を８ｍｍ以上３０ｍｍ以下とし、電力密度を２００ｍＷ／ｃｍ２以上１５００ｍＷ／ｃｍ２以下とすればよい。
次いで、結晶性シリコン基板４００の他方の面にプラズマＣＶＤ法を用いて第３のシリコン半導体層４０２ｂを形成する。第３のシリコン半導体層４０２ｂの厚さは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましく、本実施の形態において、第３のシリコン半導体層４０２ｂはｉ型であり、膜厚は５ｎｍとする。なお、第３のシリコン半導体層４０２ｂは、第１のシリコン半導体層４０２ａと同様の成膜条件にて形成することができる。
次いで、第３のシリコン半導体層４０２ｂ上に第４のシリコン半導体層４０４ｂを形成する（図１０（Ｂ）参照）。第４のシリコン半導体層４０４ｂの厚さは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。本実施の形態において、第４のシリコン半導体層４０４ｂはｎ型の微結晶シリコンであり、膜厚は１０ｎｍとする。なお、第４のシリコン半導体層４０４ｂに、ｎ型の非晶質シリコンを用いてもよい。
例えば、第４のシリコン半導体層４０４ｂの成膜条件は、反応室に流量１ｓｃｃｍ以上１０ｓｃｃｍ以下のモノシラン、流量１００ｓｃｃｍ以上５０００ｓｃｃｍ以下の水素、流量５ｓｃｃｍ以上５０ｓｃｃｍ以下の水素ベースのホスフィン（０．５％）を導入し、反応室内の圧力を４５０Ｐａ以上１０００００Ｐａ以下、好ましくは２０００Ｐａ以上５００００Ｐａ以下とし、電極間隔を８ｍｍ以上３０ｍｍ以下とし、電力密度を２００ｍＷ／ｃｍ２以上１５００ｍＷ／ｃｍ２以下とすればよい。
なお、本実施の形態において、上記非晶質シリコン層及び微結晶シリコン層の成膜に用いる電源には周波数１３．５６ＭＨｚのＲＦ電源を用いるが、２７．１２ＭＨｚ、６０ＭＨｚ、または１００ＭＨｚのＲＦ電源を用いても良い。また、連続放電だけでなく、パルス放電にて成膜を行っても良い。パルス放電を行うことで、膜質の向上や気相中で発生するパーティクルを低減することができる。
次いで、第２のシリコン半導体層４０４ａ上に透光性導電膜４０６を形成する。透光性導電膜４０６には、例えば、インジウム錫酸化物、珪素を含むインジウム錫酸化物、亜鉛を含む酸化インジウム、酸化亜鉛、ガリウムを含む酸化亜鉛、アルミニウムを含む酸化亜鉛、酸化錫、フッ素を含む酸化錫、アンチモンを含む酸化錫、またはグラフェン等を用いることができる。また、透光性導電膜４０６は単層に限らず、異なる膜の積層でも良い。例えば、インジウム錫酸化物とアルミニウムを含む酸化亜鉛の積層や、インジウム錫酸化物とフッ素を含む酸化錫の積層などを用いることができる。膜厚は総厚で１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とする。また、透光性導電膜４０６の表面をテクスチャ構造としても良い。
次いで、第４のシリコン半導体層４０４ｂ上に裏面電極４０９を形成する（図１０（Ｃ）参照）。裏面電極４０９には、銀、アルミニウム、銅などの低抵抗金属を用いることができ、スパッタ法や真空蒸着法などで形成することができる。または、スクリーン印刷法を用いて、銀ペーストや、銅ペーストなどの導電性樹脂で形成しても良い。
なお、結晶性シリコン基板４００の表裏に設ける膜の形成順序は、上記の方法に限らず、図１０（Ｃ）に示した構造が形成できればよい。例えば、第１のシリコン半導体層４０２ａを形成し、その次に第３のシリコン半導体層４０２ｂを形成しても良い。
次いで、スクリーン印刷法を用いて、第１のシリコン半導体層４０２ａ、第２のシリコン半導体層４０４ａ、透光性導電膜４０６が積層された第１の領域及び第２の領域が有する溝部を充填し、かつ該溝部で挟まれた領域を覆うようにグリッド電極４０８となる導電性樹脂を供給する。スクリーン印刷法の工程の詳細については、実施の形態１の図６（Ｂ）の説明を参照することができる。その後、導電性樹脂を固定化することでグリッド電極４０８を形成する。
以上により、微細なグリッド電極を有し、電気特性の優れた光電変換装置を生産性良く、高歩留まりで作製することができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と自由に組み合わすことができる。
本実施例では、実施の形態１に従って形成した電極について説明する。
基板には単結晶シリコン基板を用い、溝部はレーザ加工により形成した。レーザ装置にはＩＮＮＯＬＩＧＨＴ社製のナノ秒パルスレーザ（μＦｌａｒｅ ＰＱ ＧＲ：波長５３２ｎｍ）を用いた。光学系にてビーム径φ２０μｍに調整し、出力０．３６Ｗ、走査速度１ｃｍ／ｓｅｃにて該単結晶シリコン基板の加工を設計値に従って行った。なお、本実施例における電極の幅の設計値（Ｘ１：溝部及び該溝部に挟まれた領域の幅の総和）は８０μｍである。
続いて、溝部及び該溝部に挟まれた領域に対して、スクリーン印刷法により導電性材料の供給を行った。印刷版には、開口部の幅６０μｍ（Ｘ２）、乳剤厚３０μｍのメッシュ版、導電性材料には、住友電気工業社製銀ペースト（ＡＧＥＰ−２０１Ｘ）を用い、導電性材料の供給後、熱風循環乾燥炉で１５０℃、３０分間の焼成して固定化を行った。
図１１（Ａ）の写真は、比較例として単結晶シリコン基板への溝部の形成を行わずに、上記印刷版及び導電性材料を用いて電極を形成したサンプルの断面ＳＥＭ写真である。印刷版の開口幅が６０μｍであるのに対し、形成された電極の幅は、約１０７μｍに広がっている。また、電極中央付近の厚みは約１４μｍであり、アスペクト比を電極厚：電極幅とすると、約０．１３であった。
図１１（Ｂ）の写真は、上述した方法で単結晶シリコン基板への溝部の形成を行い、比較例と同様に電極を形成したサンプルの断面ＳＥＭ写真である。レーザビーム径φ２０μｍとほぼ同じ幅の約２０μｍの幅の溝がＶ字型に形成されている。形成された二つの溝部が端となり、導電性材料が外側に広がらず、電極は設計値（Ｘ１）で形成されていることがわかる。また、電極中央付近の厚みは約２０μｍであり、アスペクト比を電極厚：電極幅とすると、約０．２５であった。
以上により、本発明の一態様を用いることで、溝部の幅を設計された寸法の幅（Ｘ１）で形成すること、及び高アスペクト比の電極を形成できることが示された。
１００ 基板
１０１ 基板
１１０ 第１の溝部
１２０ 第２の溝部
１５０ 領域
２００ 電極
２０１ 導電性樹脂
２２０ 初期形状
２４０ 電極
３００ 結晶性シリコン基板
３０２ 第１の不純物層
３０４ 第２の不純物層
３０６ グリッド電極
３０８ 裏面電極
３０９ 透光性絶縁膜
４００ 結晶性シリコン基板
４０６ 透光性導電膜
４０８ グリッド電極
４０９ 裏面電極
３０６ａ バスバー電極
３０６ｂ フィンガー電極
３１１ａ 第１の溝部
３１１ｂ 第１の溝部
３１２ａ 第２の溝部
３１２ｂ 第２の溝部
３１３ａ 領域
３１３ｂ 領域
４０２ａ 第１のシリコン半導体層
４０２ｂ 第３のシリコン半導体層
４０４ａ 第２のシリコン半導体層
４０４ｂ 第４のシリコン半導体層
４０８ａ バスバー電極
４０８ｂ フィンガー電極
４１１ａ 第１の溝部
４１１ｂ 第１の溝部
４１２ａ 第２の溝部
４１２ｂ 第２の溝部
４１３ａ 領域
４１３ｂ 領域
５００ 印刷版
５１０ スキージ
１０１ 基板
１１０ 第１の溝部
１２０ 第２の溝部
１５０ 領域
２００ 電極
２０１ 導電性樹脂
２２０ 初期形状
２４０ 電極
３００ 結晶性シリコン基板
３０２ 第１の不純物層
３０４ 第２の不純物層
３０６ グリッド電極
３０８ 裏面電極
３０９ 透光性絶縁膜
４００ 結晶性シリコン基板
４０６ 透光性導電膜
４０８ グリッド電極
４０９ 裏面電極
３０６ａ バスバー電極
３０６ｂ フィンガー電極
３１１ａ 第１の溝部
３１１ｂ 第１の溝部
３１２ａ 第２の溝部
３１２ｂ 第２の溝部
３１３ａ 領域
３１３ｂ 領域
４０２ａ 第１のシリコン半導体層
４０２ｂ 第３のシリコン半導体層
４０４ａ 第２のシリコン半導体層
４０４ｂ 第４のシリコン半導体層
４０８ａ バスバー電極
４０８ｂ フィンガー電極
４１１ａ 第１の溝部
４１１ｂ 第１の溝部
４１２ａ 第２の溝部
４１２ｂ 第２の溝部
４１３ａ 領域
４１３ｂ 領域
５００ 印刷版
５１０ スキージ
Claims (2)
- 基板に第１の溝部を形成し、
前記基板に前記第１の溝部に沿うように第２の溝部を形成し、
前記基板上方に、開口部を有する印刷版を設置し、
前記開口部に導電性材料を充填し、
前記第１の溝部と前記第２の溝部の間の領域に前記導電性材料を接触させ、
前記印刷版を移動させ、
前記第１の溝部及び前記第２の溝部に前記導電性材料を流し入れ、
前記導電性材料を固定化する電極の作製方法であって、
前記印刷版を設置するときに、前記開口部が前記第１の溝部、前記第２の溝部、及び前記第１の溝部と前記第２の溝部の間の領域、と重なる位置に設置し、
前記開口部の幅は、前記第１の溝部、前記第２の溝部、及び前記第１の溝部と前記第２の溝部の間の領域、の幅の総和よりも小さく、
前記第１の溝部と前記第２の溝部の間の領域の幅は、前記第１の溝部の幅よりも大きく、
前記第１の溝部と前記第２の溝部の間の領域の幅は、前記第２の溝部の幅よりも大きく、
前記導電性材料は、前記第１の溝部及び前記第２の溝部に充填されることを特徴とする電極の作製方法。 - 半導体基板に第１の溝部を形成し、
前記半導体基板に前記第１の溝部に沿うように第２の溝部を形成し、
前記第１の溝部及び前記第２の溝部を含む前記半導体基板の一方の面に第１の不純物層を形成し、
前記半導体基板上方に、開口部を有する印刷版を設置し、
前記開口部に導電性材料を充填し、
前記第１の溝部と前記第２の溝部の間の領域に前記導電性材料を接触させ、
前記印刷版を移動させ、
前記第１の溝部及び前記第２の溝部に前記導電性材料を流し入れ、
前記導電性材料を固定化する光電変換装置の作製方法であって、
前記印刷版を設置するときに、前記開口部が前記第１の溝部、前記第２の溝部、及び前記第１の溝部と前記第２の溝部の間の領域、と重なる位置に設置し、
前記開口部の幅は、前記第１の溝部、前記第２の溝部、及び前記第１の溝部と前記第２の溝部の間の領域、の幅の総和よりも小さく、
前記第１の溝部と前記第２の溝部の間の領域の幅は、前記第１の溝部の幅よりも大きく、
前記第１の溝部と前記第２の溝部の間の領域の幅は、前記第２の溝部の幅よりも大きく、
前記導電性材料は、前記第１の溝部及び前記第２の溝部に充填されることを特徴とする光電変換装置の作製方法。
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