JPWO2017068900A1 - 太陽電池の製造方法、太陽電池および太陽電池製造装置 - Google Patents

太陽電池の製造方法、太陽電池および太陽電池製造装置 Download PDF

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Abstract

第1導電型を有する結晶系の半導体基板に第2導電型の半導体層であるn型拡散層を形成する工程と、成膜室に設けられた載置台に、裏面を当接させて半導体基板からなる基板(1S)を載置し、成膜室(101)内を真空排気して減圧し、成膜室(101)内に原料ガスを供給し、半導体基板の受光面側から半導体基板の側面にまでCVD法で反射防止膜(3)を成膜する工程とを備える。成膜する工程は、トレイ(100)が、半導体基板との当接面に開口を有し、トレイ(100)を貫通する貫通穴hを有し、真空排気により貫通穴h内を成膜室(101)内の圧力に対して負圧にすることで、半導体基板を当接面に密着させ、当接面を除く半導体基板表面に反射防止膜(3)を成膜する工程である。

Description

本発明は、太陽電池の製造方法、太陽電池および太陽電池製造装置に係り、特に太陽電池への薄膜形成に関する。
単結晶シリコンあるいは多結晶シリコンを用いた一般的な太陽電池の製造方法では、p型シリコン基板に熱拡散でn型不純物として例えばリンを拡散させてpn接合が形成されるが、その際、同時に基板端部にもn型の導電性をもったリンガラス(PSG:Phosphorus Silicon Glass)層が堆積する。基板端部のPSG層を残したままにすると電気的なリークが発生し、セル特性が低下する。そこで、pn接合を分離するため、基板の端部のPSG層がエッチングされる。基板の端部のPSG層をエッチングする方法として、従来から多く用いられている方法としては、RIE(Reactive Ion Etching)法がある。
このようにしてpn接合を分離した後、入射光を効率良く吸収するため、通常、反射防止膜と呼ばれる薄膜を受光面に堆積、もしくは成長させる。反射防止膜には、数十から100nm前後の厚さの酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(Si34)、酸化チタン(TiO2)、フッ化マグネシウム(MgF)、酸化アルミニウム(Al23)、酸化タンタル(Ta25)、硫化亜鉛(ZnSO4)をはじめとする薄膜を単層もしくは2層以上組み合わせて利用される。中でも、窒化シリコン膜は、化学量論的にはSi34の組成を持つが、生成条件により膜中のシリコン(Si)と窒素(N)の比率を制御することが可能であり、SiNxと表記されることもある。生成条件により屈折率を変化させることが比較的容易であるため、他の物質に比べて応用範囲が広い。近年、SiNx膜を高速に製膜できるCVD(化学気相成長:Chemical Vapor Deposition)装置が開発され、注目を浴びている。
一方、反射防止膜をCVD装置にて製膜すると半導体基板の側面あるいは他面に回り込むことにより特性が低下するという問題がある。このため一方の面に形成される反射防止膜が、半導体基板の側面あるいは他面に不所望に回り込むのを防止するための、製膜方法が特許文献1に開示されている。
特許文献1では、反射防止膜形成のためのCVD装置に、基板ホルダー枠体を設けることにより、反射防止膜が半導体基板の側面あるいは他面に回り込むのを抑制している。
また、反射防止膜製膜後にレーザーあるいは、ブラスト処理にて物理的にPSG層および反射防止膜を同時に除去する方法、PSG層をウエットエッチングする方法がある。
特許文献2では、反射防止膜形成後にレーザーを用いてpn分離溝を形成することで、半導体基板の端部で、p層とn層とを物理的に切断し、pn分離をはかっている。
特開2007−197745号公報 特開2012−209316号公報
しかしながら、上記特許文献1,2のセル構造で上記のような回り込みによる特性低下を防止しようとすると以下の課題があった。例えば特許文献1では、CVD装置に設置される基板ホルダーに枠体を設けることで回り込みを抑制している。これでは、CVD膜の回り込みは防げるものの、反射防止膜の未形成領域においては反射防止効果と基板終端効果すなわちパッシベーション効果がないため有効面積が減少する。特許文献2では、レーザーを用いて分離溝を形成すると、基板にダメージを与えてしまい、特性低下を招くという課題があった。
以上のように特許文献1,2のいずれの場合も、太陽電池としての有効面積が減少する上、基板にダメージを与えることがあり、また、特許文献1,2のいずれの場合も製造工数が増大し、製造コストが高くなる。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、製造工数を増加させることなく、反射防止膜をはじめとする薄膜の回り込みによる特性低下を抑制する太陽電池を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、第1導電型を有する結晶系の半導体基板に第2導電型の半導体層を形成する工程と、成膜室に設けられた載置台に、裏面を当接させて半導体基板を載置し、成膜室内を真空排気して減圧し、成膜室内に原料ガスを供給し、半導体基板の受光面側から半導体基板の側面にまでCVD法で反射防止膜を成膜する工程とを備える。載置台が、半導体基板との当接面に開口を有し載置台を貫通する貫通穴を有する。成膜する工程は、真空排気により貫通穴内を成膜室内の圧力に対して負圧にすることで、半導体基板を当接面に密着させ、当接面を除く半導体基板表面に反射防止膜を成膜する工程であることを特徴とする。
本発明によれば、製造工数を増加させることなく、反射防止膜をはじめとする薄膜の回り込みによる特性低下を抑制する太陽電池を得ることができるという効果を奏する。
実施の形態1にかかる太陽電池の受光面側の外観を示す平面図 太陽電池の裏面側の外観を示す平面図 図1のIII−III断面であってかつ、図2のIII−III断面に相当する断面図 実施の形態1に係る太陽電池の製造方法を示すフローチャート (a)から(g)は、実施の形態1に係る太陽電池の製造方法を示す工程断面図 実施の形態1に係る太陽電池の製造方法で用いられるCVD法による成膜装置からなる太陽電池製造装置を示す図 実施の形態1の太陽電池製造装置におけるトレイとトレイ上の基板とを示す上面図 実施の形態1の太陽電池製造装置におけるトレイとトレイ上の基板とを示す断面図であり、図7のVIII断面図 (a)から(c)は、実施の形態1の太陽電池製造装置を用いた反射防止膜の成膜工程における基板の設置から成膜までの状態断面図 実施の形態2の太陽電池製造装置におけるトレイとトレイ上の基板とを示す上面図 実施の形態2の太陽電池製造装置におけるトレイとトレイ上の基板とを示す断面図であり、図10のXI断面図 実施の形態3の太陽電池製造装置におけるトレイとトレイ上の基板とを示す上面図 実施の形態3の太陽電池製造装置におけるトレイとトレイ上の基板とを示す断面図であり、図12のXIII断面図 実施の形態4の太陽電池製造装置におけるトレイとトレイ上の基板とを示す上面図 実施の形態4の太陽電池製造装置におけるトレイとトレイ上の基板とを示す断面図であり、図14のXV断面図 実施の形態5の太陽電池製造装置におけるトレイとトレイ上の基板とを示す上面図 実施の形態5の太陽電池製造装置におけるトレイとトレイ上の基板とを示す断面図であり、図16のXVII断面図 (a)から(c)は、実施の形態5の太陽電池製造装置を用いた反射防止膜の成膜工程における基板の設置から成膜までの状態断面図 実施の形態6の太陽電池製造装置におけるトレイとトレイ上の基板とを示す上面図 実施の形態6の太陽電池製造装置におけるトレイとトレイ上の基板とを示す断面図であり、図19のXX断面図 実施の形態6の変形例のトレイ構造を用いた場合における太陽電池製造装置におけるトレイとトレイ上の基板を示す上面図
以下に、本発明にかかる太陽電池の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。
実施の形態1.
実施の形態1の太陽電池の製造方法は、反射防止膜の形成に際して用いられる基板の固定方法に特徴を有する。基板を載置する載置台が、基板との当接面に開口を有し載置台を貫通するとともに他端は成膜室内に開口した貫通穴を有する。載置台と基板が接触している面の一部に貫通穴が設けられていることにより、成膜開始前に成膜室内を減圧する工程で、貫通穴内が周囲に比べて負圧となることで、載置台に基板が吸引され、密着される。図1は、実施の形態1に係る太陽電池を示すものであり、図1は、太陽電池の受光面側の外観を示す平面図であり、図2は、太陽電池の裏面側の外観を示す平面図であり、図3は、図1のIII−III断面、図2のIII−III断面に相当する断面図である。実施の形態1にかかる太陽電池10は、第1導電型を有する結晶系の半導体基板として機能するp型単結晶シリコン基板1の第1主面である受光面1Aおよび第1主面に対向する第2主面である裏面1Bには、光を閉じ込めるためのテクスチャーTとよばれる表面凹凸部が10μm程度の深さで形成されている。
図3に示すように、p型単結晶シリコン基板1は、受光面1Aと、裏面1Bと、受光面1Aと裏面1Bの間に位置して受光面1Aと裏面1Bとを接続する側面1Cと、を有する。裏面1Bは、受光面1Aの裏側に位置する面であり、受光面1Aと略同一形状を有する。実施の形態1においては、受光面1Aおよび裏面1Bの平面形状は、角加工ウェハ(pseudo-square wafers)形状もしくは正方形である。そして、p型単結晶シリコン基板1の受光面1A側のテクスチャーT表面には厚さ0.2μmの第2導電型の半導体層であるn型拡散層2が形成され、pn接合を形成している。n型拡散層2上に反射を低減し光利用率を向上するための窒化シリコン膜からなる反射防止膜3が形成されている。
そして受光面1A側の表面には多数の細いフィンガー電極4と、フィンガー電極4に直交する数本の太いバス電極5とからなる受光面電極が反射防止膜3の開口部に形成されている。そして実施の形態1では、反射防止膜3がCVD法により受光面1A側にのみ選択的に形成された膜厚55nmから60nmの窒化シリコン膜であることを特徴とする。反射防止膜3は、裏面1Bには成膜されることなく、受光面1Aおよび側面1Cにのみ選択的に形成されている。ここでp型単結晶シリコン基板1の表面にはテクスチャーTが形成されているが、視認性を高めるために凹凸を誇張表現している。
p型単結晶シリコン基板1は、単結晶シリコンあるいは多結晶シリコンをはじめとする結晶系シリコン基板から成る。p型単結晶シリコン基板1は、例えば1辺が150mmから160mm程度、厚みが150μmから250μm程度の矩形の平板である。p型単結晶シリコン基板1の外周表面には、p型シリコンとn型シリコンとが接合した領域であるpn接合領域が形成されている。すなわちpn接合領域は、p型単結晶シリコン基板1の外周表面に沿って設けられており、受光面1Aから側面1Cおよび裏面1Bの外周部に亘って設けられている。より具体的には、pn接合領域は、受光面1Aの略全面、側面1Cの略全面および裏面1Bのうち受光面電極すなわち、フィンガー電極4およびバス電極5が設けられていない外周部に設けられている。
図1に示すように、受光面1A側の電極は、n型の電極としてバス電極5とフィンガー電極4とを有する。バス電極5は、幅1mmから3mm程度の広い幅を有しており、受光面1A上に、互いに略平行に2本から4本程度設けられている。そして、フィンガー電極4は、バス電極5に対して略垂直に交わるように、受光面1A上に、1mmから5mm程度のピッチで多数本設けられている。フィンガー電極4の幅は、20μmから200μm程度とすることができる。バス電極5、フィンガー電極4の厚みは、10μmから20μm程度とする。
図2に示すように、裏面1B側の電極は、p型の電極として裏面集電電極7と出力取出電極8とを有する。裏面集電電極7は、半導体基板であるp型単結晶シリコン基板1の裏面1Bのうち外周部を除く略全面に形成されている。出力取出電極8は、2mmから5mm程度の幅を有しており、裏面1B上に、上記バス電極5が延びる方向と同じ方向に延びて、2本から4本程度設けられている。そして、出力取出電極8の少なくとも一部は、裏面集電電極7と電気的に当接する。出力取出電極8の厚みは、10μmから20μm程度、裏面集電電極7の厚みは15μmから50μm程度とすることができる。
フィンガー電極4および裏面集電電極7は、光発生したキャリヤを集電する役割を有している。バス電極5および出力取出電極8は、フィンガー電極4および裏面集電電極7で集めたキャリヤを集め、電力として外部に出力する役割を有している。
なお、上述したように、pn接合領域は裏面1Bのうち裏面集電電極7が設けられていない外周部に設けられている。したがって、裏面1Bにおいて、裏面集電電極7は、pn接合領域に隣接して設けられている。
実施の形態1においては、p型単結晶シリコン基板1の受光面1Aおよ裏面1Bの外周端部は、pn分離を行うためにドライエッチング装置により、エッチング処理がなされている。
以上の構成をなす太陽電池素子においては、受光面1A側から光が入射すると、半導体基板であるp型単結晶シリコン基板1に吸収され光電変換されて電子−正孔対すなわち電子キャリヤおよび正孔キャリヤが生成される。光励起起源の電子キャリヤおよび正孔キャリヤである光生成キャリヤが上述のpn接合領域の働きにより、太陽電池素子の受光面1Aと裏面1Bに設けられた上述の電極に集められ、両電極間に電位差を生ずる。
<実施の形態1にかかる太陽電池の製造方法>
次に、実施の形態1の太陽電池の製造方法について説明する。図4は実施の形態1に係る太陽電池の製造方法を示すフローチャート、図5(a)から(g)は、工程断面図である。
まず、図5(a)に示すように、例えば、シリコンのインゴットをスライスすることにより得られる平板状のp型単結晶シリコン基板1を準備する。p型単結晶シリコン基板1はp型の単結晶あるいは多結晶のシリコンから成るものを用いることができる。例えば、シリコンにボロン(B)などの不純物を微量添加することによりp型の導電型を呈する、比抵抗0.2Ω・cmから2.0Ω・cm程度のp型単結晶シリコン基板1を用いることができる。
より具体的には、半導体基板は、単結晶半導体基板を用いる場合は、例えばチョクラルスキー法などの引き上げ法などによって作製される。多結晶半導体基板を用いる場合は、例えば鋳造法などによって作製されたシリコンインゴットを、ワイヤーソーなどを用いて350μm以下、より好ましくは150μmから250μm程度の厚みにスライスして作製される。
p型単結晶シリコン基板1の形状は、円形あるいは正方形、矩形であってもよく、その大きさは円形では直径100mmから200mm程度、正方形、矩形では一辺が100mmから200mm程度のものであってもよい。いずれの形状をなすp型単結晶シリコン基板1も、上述のように受光面1Aと裏面1Bと側面1Cとを有している。
スライス直後のp型単結晶シリコン基板1の表面には、スライスによるダメージ層が数ミクロンから数十ミクロン程度形成されており、ダメージ層の表面にはスライス時の微細な汚染物が付着している。そのため、基板洗浄ステップS10で、ダメージ層の除去および汚染物の清浄のため、p型単結晶シリコン基板1を水酸化ナトリウム(NaOH)あるいは水酸化カリウム(KOH)などのアルカリ性水溶液に浸漬した後、水洗乾燥する。
多くの場合、図5(b)に示すように、テクスチャー形成ステップS20で、基板表面での光反射損失を低減させる目的でアルカリ溶液および添加剤を用いたウエットエッチングにより、テクスチャーTを形成する。あるいはRIEなどのドライエッチングプロセスで表面に1μmから3μmの凹凸形状を形成しても良い。アルカリ溶液には水酸化カリウム、水酸化ナトリウムを、添加剤にはイソプロピルアルコールを用いる。
つぎに、図5(c)に示すように、拡散処理ステップS30で拡散処理を行ってp型単結晶シリコン基板1にpn接合を形成する。すなわち、リン(P)などのV族元素をp型単結晶シリコン基板1に拡散させてn型拡散層2を形成する。ここでは、表面にテクスチャー構造を形成したp型単結晶シリコン基板1に対して、オキシ塩化リン(POCl3)ガス中でリンを高温で熱拡散させて気相拡散法によりpn接合を形成する。すなわち、p型単結晶シリコン基板1の受光面1Aから側面1C、裏面1Bに亘ってn型拡散層2を形成する。n型化ドーピング元素としてはP(リン)を用いることができる。n型拡散層2は、シート抵抗が30Ω/□から150Ω/□程度のn型の層とすることができる。これにより上述のp型のバルク領域であるp型単結晶シリコン基板1とn型拡散層2との間にpn接合部が形成される。このような方法を用いることによって、p型単結晶シリコン基板1の表面に0.2μmから0.7μm程度の深さでn型拡散層2が形成される。
その後、pn分離ステップS40で基板端部のみを露出した状態、好ましくは複数枚の基板の表面と裏面を重ね合わせ、基板端部のみを露出した状態にして、図5(d)に示すように、ドライエッチング装置にて、基板端部のみをエッチングする。複数枚の基板の表面と裏面を重ね合わせた状態を以後「スタック」と呼ぶ。端部をエッチングするのは、基板全面において拡散層としてのn型層が形成されている状態から、受光面1Aと裏面1Bをそれぞれp型とn型に分離するpn分離のためである。ここで基板全面とは、受光面、裏面および端部を含むものとする。裏面をp型化する方法については後述する。pn分離を行うにあたっては、ドライエッチング装置を用いる方法の他、ウエットエッチング法などの化学的除去法、特許文献2のようなレーザーを使用する方法などの物理的除去法、さらには化学的除去法と物理的除去法との併用法が用いられる。
ドライエッチング処理によるpn分離後に、反射防止膜形成ステップS50で、図5(e)に示すように、受光面1Aに反射防止膜3を形成する。この反射防止膜3は受光面1Aから側面1Cを経て裏面1Bの外周縁まで到達するように形成されている。反射防止膜3の材料としては、最も一般的な窒化シリコン膜つまりSiNx膜が用いられる。SiNx膜は、ストイキオメトリな状態、すなわち、SiN化合物を構成している原子数の比(組成)が化学式どおりに存在しているSi34を中心にして組成比(x)には幅がある窒化シリコン膜)である。ここで、反射防止膜3の厚さは、概ね40μmから100μmの範囲でCVD装置である太陽電池製造装置にて製膜される。例えば、シリコンから成るp型単結晶シリコン基板1の場合、反射防止膜3の屈折率は1.8から2.3程度であり、実施の形態1では例えば2.1程度である。
なお、反射防止膜3の成膜に際しては、図6に示すCVD法による成膜装置からなる半導体製造装置である太陽電池製造装置を用いる。太陽電池製造装置は図7に実施の形態1の太陽電池製造装置におけるトレイ上の基板を示す上面図および図8に図7のVIII断面図を示すように、反射防止膜3の成膜時に、トレイ100と基板1Sが接触している面の一部に貫通穴hが設けられていることにより、成膜開始前の減圧工程で、開口径の狭い領域である貫通穴h内の流速が雰囲気よりも早くなり、周囲に比べて負圧となることで、トレイ100に基板1Sが吸引され、密着させることができる。それにより、基板1S裏面に窒化シリコンが成膜されないようにしたものである。ここで1Sはp型単結晶シリコン基板1などの半導体基板にpn接合が形成された基板をいうものとする。
貫通穴hの位置は、通常基板1Sの中心付近に空けられるが、製造ばらつきにより基板1Sとトレイ100の位置がずれると密着力に偏りが生じ、十分な効果が得られない場合がある。そこで、貫通穴hは複数にしても良いが、なるべく基板1Sの中心に対し対称にするのが望ましい。
図6は、本発明の実施の形態1に係るプラズマCVD装置の構成の一例を模式的に示す図である。プラズマCVD装置は、薄膜を形成する雰囲気を内部に形成する成膜室101を具備している。成膜室101には排気部102が設けられており、この排気部102に接続された真空ポンプなどの排気装置103によって、成膜室101内のガスが排気され、成膜室101内が所定の真空度に設定される。成膜室101内に、ステージを構成するトレイ100と、成膜用のガスを供給するガス供給部104と、ガスを拡散する拡散室105と、プラズマ電極であるシャワーヘッド電極106と、を備え、シャワーヘッド電極106とトレイ100の対向する面が互いに平行となるように設置されている。なおトレイ100は、対向電極および基板保持手段の役割を有し、電気的に接地された支持台107に載置される。
トレイ100は、支持台107上に載置されて電気的に接地されており、成膜処理を施す基板1Sを保持する構造となっている。シャワーヘッド電極106は、トレイ100と対向する対向面108に複数の吹出口109が形成されている。この吹出口109から成膜室101内へ原料ガスを供給し、シャワーヘッド電極106に高周波電力を供給すると電極間にプラズマが発生する。プラズマ中でガス供給部104から拡散室105を介して供給される原料ガスが解離され、成膜室101内のトレイ100上に載置された基板1Sに所望の膜、ここでは例えば窒化シリコン膜が成膜される。なお、基板1Sに窒化シリコン膜を形成するためのその他の構成は、従来のプラズマCVD装置と同様のものを用いればよいため、詳細な説明および図示は省略する。
図6から図8に示す、プラズマCVD装置を用いた反射防止膜の成膜工程について説明する。成膜に先立ち、まず、図7および図8に示すように、pn接合の形成されたp型単結晶シリコン基板1を基板1Sとしてトレイ100に載置する。このとき、貫通穴hが基板1Sの中心となるように載置する。プラズマCVD装置における反射防止膜3の成膜工程における基板1Sの設置から成膜までの状態断面図を図9(a)から図9(c)に示す。
このようにして図9(a)に示すように、基板1Sを載置したトレイ100を支持台107に載置し、成膜室101内を排気装置103によって真空排気し、10-3Torrから10-5Torrつまり10-1Paから10-3Pa程度に真空排気する。この場合、実施の形態1では、ランプLを用いて基板1Sを加熱する、ランプ加熱などにより高速加熱を行い、成膜室101内に基板1Sを装着してから1分程度で成膜温度まで昇温させ、原料ガスを供給して即時に成膜を行う。このとき、図9(b)に示すように、熱膨張率の差から基板1Sに反りが生じ、隙間から原料ガスの回り込みが生じ易い。しかしながら、トレイ100に基板1Sを設置した後、成膜室101内を排気装置103によって真空排気する工程で、トレイ100に形成された貫通穴h内が負圧となり、図9(c)に示すように、基板1Sは即時に密着性良くトレイ100に吸着固定される。従って、原料ガスによるガスプラズマの回り込みが抑制され、裏面への成膜を回避することができる。
なおこのとき、まず第1減圧工程で成膜室101を第1の圧力まで減圧し、貫通穴hを成膜室101の圧力に対して負圧にする。そして第2減圧工程で、さらに第2の圧力まで減圧し、半導体基板を、載置台としてのトレイ100に密着させる。そして、成膜室101内に原料ガスを供給する。この原料ガス供給工程では、原料ガスの供給量が調整され、第1減圧工程における成膜室101の圧力である第1の圧力以下に維持される。第2減圧工程でさらに減圧することで、基板1Sはトレイ100に密着性良く固着される。このため、次工程で原料ガスが供給されて圧力が上昇しても、基板1Sはトレイ100に密着性良く固着された状態を維持することができる。このとき、初期圧である第1の圧力を超えないように原料ガスの供給量を調整することで、より確実に、基板1Sがトレイ100に密着性良く固着された状態を維持することができる。
また成膜後は減圧下から大気圧まで圧力が上がることで、基板1Sに逆の現象が発生する。即ち、窒素N2あるいは空気をはじめとする気体がこの貫通穴hを通じて基板1Sとトレイ100の接触面に流入するのである。それにより、基板1Sとトレイ100は密着状態から解放されるため、容易に基板1Sを収納キャリアに回収することができる。
このように、成膜室内の圧力を調整することで、載置台に密着された半導体基板が密着状態を維持しつつ成膜が実現される。従って裏面での回り込みがなく、信頼性の高い反射防止膜の形成が可能となる。
SiNx膜の回り込みによって低下する特性は、主に暗電流Idの増加に伴うFF(曲線因子)である。因みに、暗電流Idの増加はpn接合の分離が十分ではないことを意味している。通常太陽電池の反射防止膜の成膜に用いられているようなプラズマCVD装置で成膜したCVDSiNx膜は、ある程度の導電性がある。このためSiNx膜が第1導電型、例えばn型の領域である受光面側から第2導電型、例えばp型の領域である裏面側に回り込むことにより、暗電流Idが増加するものと考えられる。
本発明者らは、図7および図8に示すようにCVD装置のトレイ100に貫通穴hをあけるという極めて簡単な構成で、CVD装置の排気時に貫通穴h内を負圧にすることができることを発見した。高速加熱法を用いた反射防止膜3の成膜に際しても、トレイ100の表面に基板1Sを密着性よく固定することで、基板1Sの裏面1Bへのガスプラズマの回り込みを抑制し、裏面に窒化シリコン膜が形成されるのを抑制することができる。従って反射防止膜3を物理的に分離する必要がなく、太陽電池セルの製造工数を増加させることなく、回り込みによる特性低下を抑制することができるという効果を奏する。
なお、この方法は、特に、高速加熱を用いて基板に反りが生じ易い場合にも極めて信頼性良く、裏面への成膜を回避することができる。高速加熱法としてはランプ加熱の他、高周波加熱などがあり、極めて短時間で成膜温度まで昇温できる。従って実施の形態1の方法を用いることにより、トレイ100に貫通穴hを形成するという極めて簡単な構成で、高速加熱によっても基板1Sに反りを生じることなく、トレイ100に基板1Sを密着させることができ、反射防止膜3の裏面1Bへの回り込みを抑制することができる。別途、基板1Sを固定するための吸引装置を設けることなく、貫通穴hあるいは溝Vを、載置台を構成するトレイ100に配設するだけでよいため、構成が簡単である。さらにまた、トレイ100の複雑な加工が不要であるため、トレイ100自体についても、反りをはじめとする平坦性の低下を抑制することができる。また、薄い基板を用いる場合にも急激な吸引により基板が破損したりするおそれもなく、基板1Sの開口径の狭い領域である貫通穴hの流速が雰囲気よりも早くなることで、貫通穴hの内部が負圧となり、トレイ100に基板1Sが吸引され、基板1Sをトレイ100に密着させることができる。なお、高速加熱法を用いる場合だけでなく、通例の加熱法を用いた場合にも、基板1Sをトレイ100に密着させることができるため、確実に裏面への成膜を回避することができる。
このようにして得られる反射防止膜3は、図8に示すように、側面の端面すなわちトレイとの界面でトレイ側からの原料ガスの供給がないため、薄肉部3Sを構成し、なだらかな面となっている。これに対し、エッチングで裏面の反射防止膜3を除去した場合には、端面が急峻となる。裏面と側面との界面で反射防止膜3の端面がなだらかであるため、反射防止3膜上にパッシベーション膜あるいは配線などを形成する場合にも段切れが生じることもない。
後続工程は通例の工程であるが、次に、図5(f)に示すように、裏面電極形成ステップS60で、p型単結晶シリコン基板1の裏面1Bに裏面集電電極7および出力取出電極8を形成する。裏面集電電極7は、アルミニウムを主成分とするペーストを裏面1Bの全面に塗布することで形成する。該ペーストを塗布した後、温度700℃から900℃程度で焼成してアルミニウムをp型単結晶シリコン基板1に焼き付ける。このように塗布されたアルミニウムペーストを印刷後、焼成することにより、p型不純物であるアルミニウムをp型単結晶シリコン基板1の塗布部分に高濃度に拡散させることができ、裏面1Bにも形成されているn型拡散層2を反転させp型高濃度ドープ層であるBSF層6に置き換えることができる。このようにして形成された裏面1Bにおけるp型高濃度ドープ層が裏面集電電極7に対するコンタクト層となる。
次に、図5(g)に示すように、受光面電極形成ステップS70で、受光面1Aに位置する電極、すなわちバス電極5および図5には不図示のフィンガー電極4を形成する。ここでは、焼成炉内にて最高温度が500℃から650℃で数十秒から数十分程度焼成することによりバス電極5およびフィンガー電極4が得られる。
裏面1Bの出力取出電極8および受光面電極であるバス電極5およびフィンガー電極4は、銀を主成分とする導電ペーストを塗布することにより形成する。この銀を主成分とする導電ペーストは、例えば、銀フィラー100重量部に対して有機ビヒクルとガラスフリットを、それぞれ5重量部から30重量部、0.1重量部から15重量部配合、混練し、溶剤を用いて、50Pa・sから200Pa・sの程度の粘度に調節したものを用いることができる。
導電ペーストの塗布法としては、スクリーン印刷法などの印刷法を用いることができ、塗布後一定の温度で溶剤を蒸散させて乾燥させてもよい。また、裏面1B側の出力取出電極8は、印刷後乾燥しておき、受光面1A側のバス電極5およびフィンガー電極4と同時に一括焼成してもよい。これにより、高温工程となる熱処理工程を1回にすることができ、生産性を高めることができる。
次に、p型単結晶シリコン基板1の受光面1Aの電極としてバス電極5とフィンガー電極4を形成する。このバス電極5とフィンガー電極4の形成においても、上述のように銀を主成分とする導電ペーストを、スクリーン印刷法などの印刷法を用いて塗布、乾燥、焼成することにより形成することができる。以上の工程を経て、太陽電池10を製造することができる。
このようにして、反射防止膜3を、裏面1Bへの回り込みを生じることなしに、CVD法により形成された窒化シリコン膜とすることでFF特性の良好な太陽電池10を得ることができる。また製造に際しても、極めて容易に作業性よく、形成することが可能となる。
実施の形態2.
実施の形態2に係る太陽電池の製造方法では、図10および図11に示すように、反射防止膜3の成膜時に用いられるCVD装置の、トレイ100Sと基板1Sとが接触している面の一部に基板中央部から基板端部へ向かう溝Vを設けたものである。図10は、トレイとトレイ上に載置した基板とを示す上面図、図11は図10のXI断面図である。
この場合も、基板1Sを載置したトレイ100Sを図9に示したCVD装置の支持台107に載置し、成膜室101内を排気装置103によって真空排気する。この場合、トレイ100Sに形成された溝V内が負圧となり、基板1Sは即時に密着性良くトレイ100Sに吸着固定される。従って、原料ガスによるガスプラズマの回り込みが抑制され、裏面1Bへの成膜を回避することができる。
実施の形態2においては、通例の支持台上にそのままトレイ100Sを載置することで、基板1Sとトレイ100Sの上面との間の隙間から排気され、溝V内が負圧となることで、トレイ100Sの上面に基板1Sを密着させることができる。
従って実施の形態1の効果に加え、CVD装置の設計に変更を加えることなく、トレイに溝を形成するだけでよいため、既存のCVD装置をそのまま用いることができる。また、実施の形態1のCVD装置では、基板に対し、貫通穴を介して点に近い形の垂直方向に比較的強い密着力が働くため、200μm程度の極薄い基板においては、割れが生じる虞があるが、実施の形態2では溝Vの形状で、基板面に沿って弱い密着力が働くため、薄い基板に対しても割れを生じる確率が低くなる。
実施の形態3.
実施の形態3に係る太陽電池の製造方法では、図12および図13に示すように、反射防止膜3の成膜時に用いられるCVD装置の、トレイ100Tの貫通穴h1を基板1Sから離れるにしたがって断面積が大きくなるようにテーパー穴としたものである。他の構成については実施の形態1と同様である。図12は、トレイとトレイ上に載置した基板とを示す上面図、図13は図12のXIII断面図である。
かかる構成によれば、より吸着性を高めることができ、トレイ100Tと基板1Sとの密着性を向上することが可能となる。
実施の形態4.
実施の形態4に係る太陽電池の製造方法では、図14および図15に示すように、反射防止膜3の成膜時に用いられるCVD装置のトレイ100Uに貫通穴hと、4本の溝Vとを形成したものである。4本の溝Vはmトレイ100Uの主面に設けられている。他の構成については実施の形態1と同様である。図14は、トレイとトレイ上に載置した基板とを示す上面図、図15は図14のXV断面図である。
実施の形態4に係る太陽電池の製造方法では、実施の形態1および実施の形態2を合わせることで、実施の形態1および実施の形態2の効果が共に得られ、単独で実施する以上の効果を得ることができる。例えば、実施の形態1および実施の形態2を比べると、実施の形態1のCVD装置では、基板1Sに対し点に近い形で垂直方向に比較的強い密着力が働くが、実施の形態2のCVD装置では溝Vの形状つまり面となって弱い密着力が働く。また、実施の形態1だけでは比較的強い力が1点に働くため、200μm程度の極薄い基板においては、割れが生じる虞がある。一方、実施の形態1では、密着力が弱く、十分な効果が得られない場合がある。そこで実施の形態4では、これら両方の効果をバランス良く得ることができるという相乗効果がある。
実施の形態5.
なお、前記実施の形態では、拡散型の太陽電池について説明したが、例えばp型単結晶シリコン基板上に非晶質シリコンi層および非晶質シリコンn層を形成してpn接合を形成したヘテロ接合型の太陽電池にも適用可能であることはいうまでもない。ヘテロ接合型の太陽電池の場合、裏面への非晶質シリコンi層および非晶質シリコンn層の回り込みにより、基板1Tの周縁部に凸部TSが形成されていることがある。この場合にはトレイの表面への密着性が悪い場合がある。実施の形態5では、周縁部に凸部TSが形成されている場合の反射防止膜3の成膜方法および成膜装置について説明する。図16は、実施の形態5の太陽電池製造装置におけるトレイとトレイ上の基板とを示す上面図、図17は、実施の形態5の太陽電池製造装置におけるトレイとトレイ上の基板とを示す断面図であり、図16のXVII断面図である。
実施の形態5に係る太陽電池の製造方法では、図16および図17に示すように、反射防止膜3の成膜時に用いられるCVD装置のトレイ100Pに貫通穴hを形成するとともに、基板1Tの周縁部に相当する領域に凹溝110を形成し、凹溝110内に高融点金属のメッシュからなる弾性体120を嵌装したものである。他の構成については実施の形態1と同様である。ここで基板1Tはp型単結晶シリコン基板などの半導体基板にpn接合が形成された基板をいうものとする。なお、p型単結晶シリコン基板上に非晶質シリコンi層および非晶質シリコンn層をCVD法により形成するが、この場合にも貫通穴hが基板1Sの中心となるよう、基板1Sをトレイ100P上に設置することで、裏面への回り込みを防ぐべく図16および図17に示す太陽電池製造装置を用いて成膜する。
図6に示した、プラズマCVD装置に実施の形態5のトレイを用いた反射防止膜の成膜工程について説明する。成膜に先立ち、まず、図16および図17に示すように、pn接合の形成されたp型単結晶シリコン基板1を基板1Sとしてトレイ100Pに載置する。このとき、貫通穴hが基板1Sの中心となるように載置する。プラズマCVD装置における反射防止膜の成膜工程における基板1Sの設置から成膜までの状態断面図を図18(a)から図18(c)に示す。
成膜に際しては、図18(a)に示すように、基板1Sを載置したトレイ100Pを支持台107に載置し、成膜室101内を排気装置103によって真空排気し、10-3Torrから10-5Torrに真空排気する。この場合、ランプ加熱などにより高速加熱を行い、成膜室101内に基板1Tを装着してから1分程度で成膜温度まで昇温させ、原料ガスを供給して即時に成膜を行う。このとき、図18(b)に示すように、熱膨張率の差から基板1Tに反りが生じ、隙間から原料ガスの回り込みが生じ易い。しかしながら、トレイ100Pに形成された貫通穴h内が負圧となり、図18(c)に示すように、基板1Tは即時に密着性良くトレイ100Pに吸着固定される。この時、基板1T周縁部では凸部TSに弾性体120が押圧されて接触性良く吸着され、トレイ100Pの表面に基板1Tが密着性良く固定される。従って、原料ガスによるガスプラズマの回り込みが抑制され、裏面1Bへの成膜を回避することができる。
以上の構成により、より密着性よく固定することができ、さらなる選択性を向上することが可能となる。
なお、ここで用いられる弾性体120としては、拡散炉内で900℃から1000℃で劣化しない高融点金属をメッシュにしたものが望ましい。高融点金属材料としては、融点の高い金属材料、特にタングステン、タンタル、モリブデン、ニオブと、これらの合金を用いるのが望ましい。元素を融点の順に並べてみると、タングステン(3387℃)、レニウム(3180℃)、タンタル(2996℃)、オスミウム(2700℃)、モリブデン(2610℃)、ニオブ(2468℃)、イリジウム(2447℃)、ホウ素(23007)、ルテニウム(2250℃)、ハフニウム(2150℃)となる。
実施の形態6.
実施の形態6では、反射防止膜の成膜に用いられるCVD装置のトレイ100Qに溝を形成し、より吸着性を高めることで、反応性ガスの半導体基板裏面への回り込みをより確実に抑制する方法について述べる。図19は、実施の形態6の太陽電池製造装置におけるトレイとトレイ上の基板とを示す上面図、図20は、実施の形態6の太陽電池製造装置におけるトレイとトレイ上の基板とを示す断面図であり、図19のXX断面図である。
実施の形態6の太陽電池製造装置は、図19および図20に示すように、実施の形態4と同様、反射防止膜3の成膜時に用いられるCVD装置のトレイ100Qは、基板1Tが接触している面の一部に貫通穴hと、溝Vが設けられたものである。貫通穴hは、基板1Sとの当接面の中心に開口を有する。実施の形態6の太陽電池製造装置のトレイ100Q表面に溝Vが設けられ、溝Vは縦横2本ずつ直交してダブルH状に配置され、ダブルH状の溝Vの2本の直線状の溝Vで囲まれた領域の中央部に凹部つまり円形の溝Vcが設けられているものである。溝Vは、貫通穴hの中心を中心として囲み、4個の端部が前記半導体基板よりも突出した、ダブルH状の溝である。他の構成については実施の形態1と同様である。
実施の形態6に係る太陽電池の製造方法では、実施の形態1と実施の形態2の組み合わせである実施の形態4に対し、さらに直交する4本の溝で構成されたダブルH状の溝Vの形状を縦横に追加することで実施の形態4の効果をより強化することができる。
実施の形態1のCVD装置では、基板1Sに対し、貫通穴hに相当する部分で、点に近い形の垂直方向に比較的強い密着力が働き、実施の形態2のCVD装置では溝Vの形状つまり面に拡がって密着力が働いており、密着力は緩和されている。この効果を点から面の方向に分散させているのが実施の形態4のCVD装置のトレイ100Uである。
そこで実施の形態6では実施の形態1における貫通穴hによる点の密着力に対し、実施の形態4より更に相対的に溝Vの密着力を高めて、基板面全体として密着力を分散させることができる。これは、200μm程度の極薄い半導体基板を用いる場合にも、吸引時に割れが生じる可能性を実施の形態4よりさらに低減させる効果がある。
また、4辺のうち2辺を基板1Sの一辺の長さより短くしている、つまり、溝Vが♯型ではなくダブルH型にし、2辺で基板1Sよりも突出しない構成をとっているのは、溝あるいは穴を加工することで低下するトレイ100Qの強度を維持し、トレイの撓みを抑制するためと、密着力がバランスよく得られるためである。
なお実施の形態6の変形例として、図21に示すように、溝の形状をH型に代えて#型としてもよい。溝Vは、貫通穴hの中心を中心として囲み、8個の端部が基板1Sよりも突出した、♯状の溝である。つまり2本づつ直交する4本の長溝で構成されて、図21は、実施の形態6の変形例のトレイ構造を用いた場合における太陽電池製造装置におけるトレイとトレイ上の基板を示す上面図である。断面図は図20と同様であるためここでは省略する。溝の形状は、使用する基板1Rの厚みあるいはトレイ100Rの形状、材質に応じて適宜選択可能である。
また、円形の溝Vcは貫通穴hの点による密着力を円形の面状に広げる効果がある。更に、処理後にCVD装置内の圧力を大気圧に戻す際、基板1S,1Rとトレイ100Q,100Rは、貫通穴hあるいは溝V、円形の溝Vc内の圧力が減圧下から大気圧まで圧力が上がることで貫通穴hあるいは溝V、円形の溝Vcを通じて密着状態から解放される。このとき、円形の溝Vcが基板中央部に一定の面積で設けられることで、より密着状態から解放されやすくなり、容易に基板1S,1Rを収納キャリアに回収することができる。なお円形の溝Vcは形成することなく、貫通穴hと溝Vだけでもよいことはいうまでもない。
以上のように、本発明にかかる太陽電池およびこれを用いた太陽電池モジュールは、集光効率に優れており、特に、反射板などの集光補助材を用いるのが難しい場所に設置される太陽電池モジュールに適している。
なお、本発明に係る太陽電池製造装置は、太陽電池への反射防止膜の製造に特に有効であるが、太陽電池における導電型薄膜の成膜工程、あるいは太陽電池以外の半導体デバイスの製造工程におけるp型非晶質シリコン膜あるいはn型非晶質シリコン膜をはじめとする半導体薄膜の成膜工程に適用可能であることはいうまでもない。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
1 p型単結晶シリコン基板、1S,1T,1R 基板、T テクスチャー、1A 受光面、1B 裏面、1C 側面、2 n型拡散層、3 反射防止膜、3S 薄肉部、4 フィンガー電極、5 バス電極、6 BSF層、7 裏面集電電極、8 出力取出電極、10 太陽電池、100,100S,100T,100U,100P,100Q,100R トレイ、101 成膜室、102 排気部、103 排気装置、104 ガス供給部、105 拡散室、106 シャワーヘッド電極、107 支持台、108 対向面、109 吹出口、110 凹溝、120 弾性体、V 溝、VC 円形の溝。

Claims (15)

  1. 第1導電型を有する結晶系の半導体基板に第2導電型の半導体層を形成する工程と、
    成膜室に設けられた載置台に、裏面を当接させて前記半導体基板を載置し、前記成膜室内を真空排気して減圧し、前記成膜室内に原料ガスを供給し、前記半導体基板の受光面側から前記半導体基板の側面にまでCVD法で反射防止膜を成膜する工程とを備え、
    前記載置台が、前記半導体基板との当接面に開口を有し、前記載置台を貫通する貫通穴を有し、
    前記成膜する工程は、
    前記真空排気により、前記半導体基板を前記当接面に密着させ、前記当接面を除く前記半導体基板表面に反射防止膜を成膜する工程であることを特徴とする太陽電池の製造方法。
  2. 第1導電型を有する結晶系の半導体基板に第2導電型の半導体層を形成する工程と、
    成膜室に設けられた載置台に当接させて前記半導体基板を載置し、前記成膜室内を真空排気して減圧し、前記成膜室内に原料ガスを供給し、前記半導体基板の受光面側から前記半導体基板の側面にまでCVD法で薄膜を成膜する工程とを備え、
    前記載置台が、前記半導体基板との当接面に開口を有し、前記載置台を貫通する貫通穴を有し、
    前記成膜する工程は、
    前記真空排気により、前記半導体基板を前記当接面に密着させ、前記当接面を除く前記半導体基板表面に薄膜を成膜する工程であることを特徴とする太陽電池の製造方法。
  3. 第1導電型を有する結晶系の半導体基板に第2導電型の半導体層を形成する工程と、
    成膜室に設けられた載置台に、裏面を当接させて前記半導体基板を載置し、前記成膜室内を真空排気して減圧し、前記成膜室内に原料ガスを供給し、前記半導体基板の受光面側から前記半導体基板の側面にまでCVD法で反射防止膜を成膜する工程とを備え、
    前記載置台が、前記半導体基板との当接面から前記半導体基板の周縁部を経て外方に到達する溝を有し、
    前記成膜する工程は、
    前記真空排気により、前記半導体基板を前記当接面に密着させ、前記当接面を除く前記半導体基板表面に反射防止膜を成膜する工程であることを特徴とする太陽電池の製造方法。
  4. 前記成膜する工程は、
    前記溝に加え、前記半導体基板との当接面に開口を有し、前記載置台を貫通する貫通穴を有する載置台を用いて成膜する工程であることを特徴とする請求項3に記載の太陽電池の製造方法。
  5. 前記成膜する工程は、
    前記成膜室を真空排気して第1の圧力まで減圧し、前記貫通穴内または前記溝内を前記成膜室内の圧力に対して負圧にする第1減圧工程と、
    さらに第2の圧力まで減圧し、前記半導体基板を前記載置台に密着させる第2減圧工程と、
    前記成膜室内に原料ガスを供給する原料ガス供給工程とを含むことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の太陽電池の製造方法。
  6. 前記原料ガス供給工程は、前記成膜室の圧力を前記第1の圧力以下に維持されることを特徴とする請求項5に記載の太陽電池の製造方法。
  7. 第1導電型を有する結晶系の半導体基板と、
    前記半導体基板に設けられた第2導電型の半導体層と、
    前記半導体基板の裏面を除き、受光面側から前記半導体基板の側面を選択的に覆うCVD膜からなる反射防止膜と、
    前記半導体基板および前記第2導電型の半導体層とに接続される電極対とを具備し、
    前記反射防止膜は前記裏面に隣接する前記側面の端部で薄肉部を構成したことを特徴とする太陽電池。
  8. 成膜室と、
    前記成膜室内に配された第1電極と、
    前記第1電極に対向して設けられ、半導体基板を載置する基板載置台を兼ねた第2電極と、
    前記成膜室内に原料ガスを供給する、ガス供給部と、
    前記成膜室内を真空排気し、負圧にする排気部とを備えたCVD装置であって、
    前記基板載置台は、半導体基板との当接面に開口を有し、前記基板載置台を貫通する貫通穴を有することを特徴とする太陽電池製造装置。
  9. 成膜室と、
    前記成膜室内に配された第1電極と、
    前記第1電極に対向して設けられ、半導体基板を載置する基板載置台を兼ねた第2電極と、
    前記成膜室内に原料ガスを供給する、ガス供給部と、
    前記成膜室内を真空排気し、負圧にする排気部とを備えたCVD装置であって、
    前記基板載置台は、半導体基板との当接面から前記半導体基板の周縁部を経て外方に到達する溝を有することを特徴とする太陽電池製造装置。
  10. 前記基板載置台は、
    前記溝に加え、前記半導体基板との当接面に開口を有し、前記基板載置台を貫通する貫通穴を有することを特徴とする請求項9に記載の太陽電池製造装置。
  11. 前記貫通穴は、前記半導体基板との当接面の中心に開口を有し、
    前記溝は、前記貫通穴の中心を中心として囲み、直交する4本の溝のうち、2本の溝の両端に位置する4個の端部が前記半導体基板よりも突出した、ダブルH状の溝であることを特徴とする請求項10に記載の太陽電池製造装置。
  12. 前記貫通穴は、前記半導体基板との当接面の中心に開口を有し、
    前記溝は、前記貫通穴の中心を中心として囲み、直交する4本の溝の8個の端部が前記半導体基板よりも突出した、♯状の溝であることを特徴とする請求項10に記載の太陽電池製造装置。
  13. 前記貫通穴は、前記開口から離れるにしたがって断面積が大きく形成されたテーパー穴であることを特徴とする請求項8に記載の太陽電池製造装置。
  14. 前記基板載置台は、
    前記半導体基板の周縁部に相当する領域に形成された凹溝と、前記凹溝内に嵌装された弾性体とを有することを特徴とする請求項8から13のいずれか1項に記載の太陽電池製造装置。
  15. 前記第1電極と前記第2電極との間に高周波電界を印加する高周波電源を備え、
    前記成膜室内で、プラズマ放電を発生させ、前記半導体基板表面に薄膜を成膜するものであることを特徴とする請求項8から14のいずれか1項に記載の太陽電池製造装置。
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