WO2012008436A1 - 太陽電池の製造方法及び製膜装置 - Google Patents

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film
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怜 三田
光人 高橋
洋 橋上
村上　貴志
信太郎 月形
渡部　武紀
大塚　寛之
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信越化学工業株式会社
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    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Definitions

  • the present invention relates to a solar cell manufacturing method and a film forming apparatus.
  • a solar cell has a structure shown in FIG.
  • 1 is a plate having a size of 100 to 150 mm square and a thickness of 0.1 to 0.3 mm, and is made of polycrystal, single crystal silicon or the like, and doped with p-type impurities such as boron. It is a p-type semiconductor substrate. This substrate is doped with an n-type impurity such as phosphorus to form an n-type diffusion layer 2, an antireflection film 3 such as SiN (silicon nitride) is attached, and a conductive aluminum paste is applied to the back surface by screen printing.
  • an antireflection film 3 such as SiN (silicon nitride) is attached, and a conductive aluminum paste is applied to the back surface by screen printing.
  • the back electrode 6 and the BSF (Back Surface Field) layer 4 are formed at the same time by drying and firing, and after the conductive silver paste is printed on the surface, drying and firing are performed to form the collecting electrode 5. It is manufactured by.
  • the surface of the substrate that is the light receiving surface side of the solar cell is referred to as the front surface (front surface), and the surface of the substrate that is opposite to the light receiving surface side is referred to as the back surface (back surface).
  • a thin film such as SiN is formed as an antireflection film that suppresses surface reflection in order to reduce the incident loss of light on the front surface.
  • the passivation effect of the silicon substrate has been confirmed simultaneously with the formation of a thin film for preventing light reflection. According to this passivation, since the interface state density of the silicon substrate can be reduced, it is known that there is an effect of improving the electric characteristics of the solar cell.
  • the thin film formed on the surface of such a solar cell is referred to as a passivation film.
  • an object of the present invention is to provide a solar cell manufacturing method and a film forming apparatus having high electrical characteristics without impairing reliability and appearance.
  • the present inventors have performed annealing after forming a passivation film, thereby reducing the surface state density of the surface and simply performing the passivation effect by the passivation film. It has been found that the recombination sites inside the crystalline silicon solar cell can be reduced, the series resistance of the solar cell can be reduced, and the electrical characteristics of the solar cell can be improved, thereby achieving the present invention. It was.
  • this invention provides the manufacturing method and film forming apparatus of the following solar cell.
  • a method for manufacturing a solar cell comprising forming an antireflection film / passivation film on a semiconductor substrate and then performing an annealing process before the electrode forming process.
  • an annealing process is performed, and then an electrode formation process including an electrode firing process is performed [1] or [ 2] The manufacturing method of the solar cell of description.
  • the passivation film is any one of MgF 2 , SiO 2 , Al 2 O 3 , SiO, SiN, TiO 2 , Ta 2 O 5 , ZnS, or a stacked layer thereof.
  • the manufacturing method of the solar cell in any one of.
  • [7] The method for manufacturing a solar cell according to any one of [1] to [6], wherein the annealing step is performed at 200 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.
  • a treatment time of the annealing step is 10 seconds to 90 minutes.
  • a film forming apparatus for forming a passivation film further comprising a heating chamber in which an annealing process can be performed after the formation of the passivation film.
  • the electrical characteristics of the solar cell can be improved without impairing reliability and appearance. For this reason, it can utilize widely for the manufacturing method of the solar cell with a high electrical property and reliability.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a general structure of a solar cell.
  • 1 is a semiconductor substrate
  • 2 is a diffusion region
  • 3 is an antireflection film / passivation film
  • 4 is a BSF layer
  • 5 is a front electrode
  • 6 is a back electrode.
  • the semiconductor substrate 1 is prepared.
  • the semiconductor substrate 1 is made of single crystal or polycrystalline silicon, and may be either p-type or n-type.
  • the semiconductor substrate 1 is often a p-type silicon substrate containing a p-type semiconductor impurity such as boron and having a specific resistance of 0.1 to 4.0 ⁇ ⁇ cm.
  • a solar cell manufacturing method using a p-type silicon substrate will be described as an example.
  • a semiconductor substrate having a size of 100 to 150 mm square and a thickness of 0.05 to 0.30 mm is preferably used.
  • the surface of the p-type silicon substrate that becomes the light-receiving surface of the solar cell is immersed in, for example, an acidic solution to remove the surface damage caused by slicing, and then washed by chemical etching with an alkaline solution and dried.
  • an uneven structure called a texture is formed.
  • the concavo-convex structure causes multiple reflection of light on the solar cell light-receiving surface. Therefore, by forming the concavo-convex structure, the reflectance is effectively reduced and the conversion efficiency is improved.
  • a sheet resistance is formed by a thermal diffusion method in which a p-type silicon substrate is placed in a high-temperature gas of about 850 ° C. or more containing, for example, POCl 3, and an n-type impurity element such as phosphorus is diffused over the entire surface of the p-type silicon substrate.
  • An n-type diffusion layer 2 having a thickness of about 30 to 300 ⁇ / ⁇ is formed on the front side.
  • the n-type diffusion layer may be formed on both surfaces and end surfaces of the p-type silicon substrate.
  • An unnecessary n-type diffusion layer can be removed by immersing a p-type silicon substrate in which the front side of the layer is coated with an acid-resistant resin in a hydrofluoric acid solution. Thereafter, the glass layer formed on the surface of the semiconductor substrate at the time of diffusion is removed by immersing in a chemical such as a diluted hydrofluoric acid solution, and washed with pure water.
  • an antireflection film / passivation film 3 is formed on the front side of the p-type silicon substrate.
  • the antireflection film / passivation film 3 is made of, for example, SiN, and is formed by, for example, a plasma CVD method in which a mixed gas of SiH 4 and NH 3 is diluted with N 2 , and plasma is deposited by glow discharge decomposition.
  • the This antireflection film / passivation film is formed so as to have a refractive index of about 1.8 to 2.3 in consideration of a difference in refractive index from the p-type silicon substrate, and has a thickness of about 500 to 1000 mm.
  • this SiN also functions as a passivation film having a passivation effect on the n-type diffusion layer when formed, and has an effect of improving the electric characteristics of the solar cell together with an antireflection function.
  • a conductive paste containing, for example, aluminum, glass frit, varnish, etc. is screen printed on the back surface and dried.
  • a conductive paste containing, for example, silver, glass frit, varnish and the like is screen-printed on the front surface and dried.
  • each electrode paste is baked at a temperature of about 500 to 950 ° C. to form the BSF layer 4, the front electrode 5, and the back electrode 6.
  • the screen printing method has been described as an example of the electrode formation method here, the electrode can be formed by vapor deposition, sputtering, or the like.
  • the interface state density on the front surface and the recombination site inside the semiconductor substrate are not sufficiently reduced. I can't get it.
  • the method for producing a solar cell according to the present invention is, for example, after the SiN film formation step by the plasma CVD method, in air, H 2 , N 2 , O 2 , Ar, or a mixed atmosphere thereof at 200 ° C.
  • the electrical characteristics of the solar cell are enhanced by providing a step of performing an annealing treatment at a temperature of 1000 ° C. or lower for 30 seconds to 60 minutes. The improvement of the electrical characteristics by the annealing process is due to the following reason.
  • the bulk or surface of a semiconductor substrate is recombined due to crystal defects such as heavy metal impurities (Cu, Fe, etc.), trace impurities such as oxygen and carbon, and dangling bonds. There are many sites. For this reason, carriers generated by the incidence of light are recombined, and the lifetime of the crystalline silicon solar cell is shortened. As a result, the electrical characteristics of the solar cell cannot be increased.
  • the solar cell is annealed as described above, for example, when hydrogen contained in the SiN film terminates the dangling bonds on the surface to reduce the interface state density and the n-type diffusion layer is formed.
  • the gettering effect of capturing the heavy metal by the introduced phosphorus or the like is promoted, and the lifetime of the crystalline silicon solar cell is increased.
  • the electrical characteristics of the solar cell can be enhanced.
  • the annealing of the SiN film reduces the amount of hydrogen in the SiN film after annealing.
  • the amount of positive charges contained in the SiN film increases, or the silver electrode changes due to the alteration of the SiN film. Since it becomes easy to form a contact with Si, the series resistance of the solar cell can be reduced.
  • the annealing temperature is preferably 200 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, more preferably 400 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, and further preferably 500 ° C. or higher and 850 ° C. or lower.
  • the annealing time is preferably 10 seconds or longer and 90 minutes or shorter, more preferably 20 seconds or longer and 50 minutes or shorter, and further preferably 30 seconds or longer and 30 minutes or shorter.
  • the annealing atmosphere is not particularly limited, but it is preferable to perform it in a reducing atmosphere. This is because oxygen precipitation inside the silicon substrate can be prevented and the passivation effect by H 2 can be promoted. Therefore, specifically, from the viewpoint of higher passivation effect and the gettering effect is obtained, annealing atmosphere is air, preferably H 2, N 2, O 2 , either or in their mixed atmosphere of Ar, H 2 , N 2 , Ar or a mixed atmosphere thereof is more preferable, and any of H 2 , N 2 or a mixed atmosphere thereof is more preferable.
  • the antireflection film or the passivation film is not particularly limited.
  • various passivation films such as MgF 2 , SiO 2 , Al 2 O 3 , SiO, SiN, TiO 2 , Ta 2 O 5 , ZnS, or a laminate thereof.
  • the composition of the passivation film as described above is not limited stoichiometrically, and the atomic ratio may take any value.
  • the annealing profile is not particularly limited.
  • the first stage is annealed at a temperature of 600 to 900 ° C., for example, 850 ° C. for 10 seconds to 5 minutes, for example, 30 seconds
  • the second stage is performed at a temperature of 200 to 600 ° C., for example, 500 ° C. for 30 seconds to Annealing may be performed for 10 minutes, for example, 5 minutes.
  • the passivation effect is promoted by the termination of the dangling bond in the first stage, and further, the gettering effect is promoted in the second stage while suppressing the re-emission of impurities.
  • annealing after the third stage may be added. Thereby, a solar cell having higher electrical characteristics can be manufactured.
  • the annealing method in the annealing step in the method for manufacturing a solar cell according to the present invention is no particular limitation.
  • any system such as a continuous annealing furnace using a lamp heater or a batch type horizontal furnace may be used.
  • the first stage annealing and the second and subsequent stage annealing may be performed separately. In that case, the devices may be the same or different.
  • the stage of performing the annealing step is not particularly limited, but is preferably after the diffusion layer is formed, and more preferably after the formation of the antireflection film or the passivation film. This is because the gettering site increases after the diffusion layer is formed, so that the gettering effect by annealing is further promoted. After the formation of the passivation film, the passivation effect by annealing at the end of the dangling bond is further promoted, and further to the passivation film. This is because the amount of electric charge increases and the silver electrode can easily form a contact with the Si substrate, so that the series resistance of the solar cell can be reduced.
  • the annealing step in the method for manufacturing a solar cell according to the present invention may be performed continuously in the apparatus after the passivation film is formed in the passivation film forming apparatus. In this case, there is no need to additionally provide another apparatus for annealing, and there is an advantage that the effect of the annealing process is maximized as described above.
  • the annealing step in this case may be performed after a heating chamber is provided after the film forming chamber of the film forming apparatus, or may be performed after film formation in the film forming chamber.
  • the film forming apparatus may be either CVD or PVD.
  • the conductivity type of the semiconductor substrate may be either p-type or n-type.
  • a method for manufacturing a solar cell whose back surface is covered with a full-surface electrode is as described above, for example.
  • the present invention can also be applied to a solar cell whose back surface is passivated.
  • a method for manufacturing a solar cell using an n-type silicon substrate is shown below.
  • the present invention can be implemented in a wide variety of other embodiments in addition to the following description, and the scope of the present invention is not limited to the following, but is described in the claims. is there.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a general structure of a back surface passivated solar cell.
  • 7 is a semiconductor substrate
  • 8 and 9 are diffusion regions
  • 10 and 11 are antireflection films and passivation films
  • 12 is a front electrode
  • 13 is a back electrode.
  • an n-type silicon substrate containing an n-type semiconductor impurity such as phosphorus and having a specific resistance of 0.1 to 4.0 ⁇ ⁇ cm is often used. Any of polycrystalline silicon and the like may be used.
  • a plate-shaped member having a size of 100 to 150 mm square and a thickness of 0.05 to 0.30 mm is preferably used.
  • the surface of the n-type silicon substrate that becomes the light-receiving surface of the solar cell is immersed in an acidic solution, for example, to remove surface damage caused by slicing, etc., and further cleaned and dried by chemical etching with an alkaline solution.
  • an uneven structure called a texture is formed.
  • a mask is formed with SiN or the like by the plasma CVD method only on the back surface of the n-type silicon substrate, and the n-type silicon substrate is placed in a high-temperature gas containing BBr 3 or the like at about 800 ° C. or higher.
  • a p-type diffusion layer 8 having a sheet resistance of about 30 to 300 ⁇ / ⁇ is formed on the front surface by a thermal diffusion method in which a p-type impurity element such as boron is diffused only on the front surface of the silicon substrate.
  • the n-type silicon substrate is immersed in, for example, a hydrofluoric acid solution, and the glass layer formed on the surface of the n-type silicon substrate at the time of diffusion with SiN is removed by etching. Thereafter, a mask is formed with SiN or the like by the plasma CVD method only on the p-type diffusion layer on the front surface, and an n-type silicon substrate is placed in a high-temperature gas at about 800 ° C. or higher containing POCl 3 or the like.
  • n-type diffusion layer 9 having a sheet resistance of about 30 to 300 ⁇ / ⁇ is formed on the back surface by a thermal diffusion method in which an n-type impurity element such as phosphorus is diffused only on the back surface of the n-type silicon substrate. Subsequently, the n-type silicon substrate is immersed again in a hydrofluoric acid solution, and SiN and the glass layer formed on the surface of the n-type silicon substrate at the time of diffusion are removed by etching.
  • an antireflection film / passivation film 10 is formed on the front surface of the n-type silicon substrate.
  • the anti-reflection film and passivation film is made of, for example, SiN, and is formed by, for example, a plasma CVD method in which a mixed gas of SiH 4 and NH 3 is diluted with N 2 , and plasma is deposited by glow discharge decomposition. .
  • This antireflection film / passivation film is formed so as to have a refractive index of about 1.8 to 2.3 in consideration of a difference in refractive index from the n-type silicon substrate, and is formed to a thickness of about 500 to 1000 mm.
  • this SiN also functions as a passivation film having a passivation effect on the p-type diffusion layer when formed, and has an effect of improving the electric characteristics of the solar cell together with an antireflection function.
  • SiN has been described as an example of the antireflection film and passivation film.
  • any one of MgF 2 , SiO 2 , Al 2 O 3 , SiO, SiN, TiO 2 , Ta 2 O 5 , and ZnS can be used. Or they may be laminated.
  • an antireflection film / passivation film 11 is formed on the back surface of the n-type silicon substrate.
  • the anti-reflection film and passivation film is made of, for example, SiN, and is formed by, for example, a plasma CVD method in which a mixed gas of SiH 4 and NH 3 is diluted with N 2 , and plasma is deposited by glow discharge decomposition. .
  • This antireflection film / passivation film is formed so as to have a refractive index of about 1.7 to 2.4, mainly considering the passivation effect given to the n-type diffusion layer, and has a thickness of about 500 to 3000 mm.
  • SiN has been described as an example of the antireflection film and passivation film.
  • any one of MgF 2 , SiO 2 , Al 2 O 3 , SiO, SiN, TiO 2 , Ta 2 O 5 , and ZnS can be used. Or they may be laminated.
  • the method of forming the antireflection film / passivation film on the front surface first and then forming the antireflection film / passivation film on the back surface is described as an example, but the antireflection film / passivation is described as an example.
  • the order of film formation may be the back side first and the back side later.
  • annealing treatment is performed by the method described above.
  • a conductive paste containing, for example, silver, glass frit and varnish is screen printed on the back surface and dried. Thereafter, a conductive paste containing, for example, silver, glass frit, varnish and the like is screen-printed on the front surface and dried. Thereafter, the surface electrode 12 and the back electrode 13 are formed by firing each electrode paste at a temperature of about 500 to 950.degree.
  • the screen printing method has been described as an example of the electrode formation method here, the electrode can be formed by vapor deposition, sputtering, or the like.
  • the diffusion layer having a high interface state density that the passivation film is to be passivated is present on both front and back surfaces, for example, an antireflection film and a passivation film are used.
  • the effect of improving the electrical characteristics by adding an annealing step as in the present invention after the formation is higher than when a p-type silicon substrate is used.
  • an n layer was formed on the p-type silicon substrate by a thermal diffusion method in a POCl 3 gas atmosphere at a temperature of 870 ° C. for 30 minutes.
  • the sheet resistance of the n layer was about 40 ⁇ / ⁇ , and the depth was 0.4 ⁇ m.
  • the p-type silicon substrate was immersed in a hydrofluoric acid solution for 10 seconds to remove the portion of the n layer where the acid resistant resin was not formed. Thereafter, the acid-resistant resin was removed to form an n layer only on the surface of the p-type silicon substrate.
  • an SiN film serving as an antireflection film and a passivation film is formed on the surface of the p-type silicon substrate on which the n layer is formed by a plasma CVD method using SiH 4 , NH 3 , and N 2. Formed.
  • this p-type silicon substrate was annealed at a temperature of 600 ° C. for 10 minutes in an N 2 atmosphere in a batch type horizontal furnace (Example), and the annealing treatment was not performed. It was divided into different levels (comparative examples).
  • conductive aluminum paste was printed on the back surfaces of the p-type silicon substrates of both levels and dried at 150 ° C.
  • a collector electrode was formed on both sides of the p-type silicon substrate using a conductive silver paste on the front surface in a batch type horizontal furnace using a screen printing method, and dried at 150 ° C.
  • the solar cell was produced by throwing the conductive paste at the maximum temperature of 800 ° C. to form the electrodes by putting the processed substrate so far into a firing furnace. The electrical characteristics of these solar cells were measured.
  • Table 1 shows the average electrical characteristics of the solar cells when 10 solar cells of each of the example and the comparative example were produced by the above method.

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Abstract

　半導体基板に対して、電極形成工程前にアニール工程を行うことを特徴とする太陽電池の製造方法に関するもので、本発明によれば、以上のようにアニールを行うことで、信頼性及び外観を損ねることなく太陽電池の電気特性を改善することができる。このため、高い電気特性と信頼性を持つ太陽電池の製造方法に広く利用することができる。

Description

太陽電池の製造方法及び製膜装置
　本発明は、太陽電池の製造方法及び製膜装置に関するものである。
　一般に、太陽電池は、図１に示す構造を有する。図１において、１は、大きさが１００～１５０ｍｍ角、厚みが０．１～０．３ｍｍの板状で、かつ、多結晶や単結晶シリコン等からなり、ボロン等のｐ型不純物がドープされたｐ型の半導体基板である。この基板に、リン等のｎ型不純物をドープしてｎ型拡散層２を形成し、ＳｉＮ（窒化シリコン）等の反射防止膜３をつけ、スクリーン印刷法を用いて、裏面に導電性アルミニウムペーストを印刷した後、乾燥・焼成することで裏面電極６とＢＳＦ（Ｂａｃｋ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｆｉｅｌｄ）層４を同時に形成し、表面に導電性銀ペーストを印刷後、乾燥して焼成し、集電極５を形成することで製造される。なお、以下、太陽電池の受光面側となる基板の面をオモテ面（表面）、受光面側と反対側になる基板の面をウラ面（裏面）とする。
　上記のように、太陽電池はオモテ面での光の入射損を低減させるために、表面反射を抑制する反射防止膜としてＳｉＮ等の薄膜が形成されている。この薄膜形成工程では、光反射防止のための薄膜形成と同時にシリコン基板のパッシベーション効果が確認されている。このパッシベーションによれば、シリコン基板の界面準位密度を減らすことができるので、太陽電池の電気特性を高める効果があることが知られている。以下、このような太陽電池表面に形成される薄膜をパッシベーション膜とする。
　上記のような反射防止膜による太陽電池のパッシベーション効果を促進させるため、多結晶シリコン太陽電池のＳｉＮ反射防止膜を形成するＣＶＤ装置において、多結晶シリコン基板上にＳｉＮ反射防止膜を形成した後に、ＣＶＤのプロセス温度に維持、又はＣＶＤ温度のプロセス温度以上に加熱する加熱室を備えるような装置が検討されている（例えば、特許文献１：特開２００８－３０６１４１号公報参照）。しかし、かかる方法で加熱することにより促進されるパッシベーションの効果は、多結晶シリコン太陽電池内部のダングリングボンドや粒界の不純物に対するものとされてきた。
　そこで、パッシベーションの効果を更に高めることが望まれた。
特開２００８－３０６１４１号公報
　従って、本発明は信頼性及び外観を損ねることなく、高い電気特性を持つ太陽電池の製造方法及び製膜装置を提供することを目的とする。
　本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を行った結果、パッシベーション膜を形成した後、アニールを行うことにより、パッシベーション膜によるパッシベーションの効果を、表面の界面準位密度の低減や単結晶シリコン太陽電池内部の再結合サイトの低減へと拡大し、更に太陽電池の直列抵抗をも低減させることができ、太陽電池の電気特性を高めることができることを知見し、本発明をなすに至った。
　従って、本発明は下記の太陽電池の製造方法及び製膜装置を提供する。
［１］半導体基板に対して、反射防止膜兼パッシベーション膜を形成した後、電極形成工程前にアニール工程を行うことを特徴とする太陽電池の製造方法。
［２］半導体基板に対する拡散層形成工程と電極焼成工程のいずれかもしくは両方の工程を含むことを特徴とする［１］記載の太陽電池の製造方法。
［３］半導体基板に対し拡散層を形成し、次いで拡散層上に反射防止膜兼パッシベーション膜を形成した後、アニール工程を行い、その後電極焼成工程を含む電極形成工程を行う［１］又は［２］記載の太陽電池の製造方法。
［４］半導体基板がｐ型であり、受光面側にｎ型拡散層を形成し、その上に反射防止膜兼パッシベーション膜を形成した後、アニール工程を行うようにした［３］記載の太陽電池の製造方法。
［５］半導体基板がｎ型であり、受光面側にｐ型拡散層を形成すると共に、受光面と反対面側にｎ型拡散層を形成し、上記両拡散層上にそれぞれ反射防止膜兼パッシベーション膜を形成した後、アニール工程を行うようにした［３］記載の太陽電池の製造方法。
［６］前記パッシベーション膜がＭｇＦ2、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｎＳのいずれかもしくはそれらの積層であることを特徴とする［３］～［５］のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
［７］前記アニール工程を２００℃以上１０００℃以下で行うことを特徴とする［１］～［６］のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
［８］前記アニール工程の処理時間が１０秒以上９０分以下であることを特徴とする［１］～［７］のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
［９］前記アニール工程を空気、Ｈ2、Ｎ2、Ｏ2、Ａｒのいずれかもしくはそれらの混合雰囲気中で行うことを特徴とする［１］～［８］のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
［１０］パッシベーション膜を形成する製膜装置において、前記パッシベーション膜形成後に、更に続けてアニール工程を行うことができる加熱室を備えることを特徴とする製膜装置。
　本発明によれば、以上のようにアニールを行うことで、信頼性及び外観を損ねることなく太陽電池の電気特性を改善することができる。このため、高い電気特性と信頼性を持つ太陽電池の製造方法に広く利用することができる。
裏面が全面電極で覆われている太陽電池の一例を示す断面図である。 裏面パッシベート型太陽電池の一例を示す断面図である。
　以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明は下記説明に加えて広範な他の実施形態で実施することが可能であり、本発明の範囲は、下記に制限されるものではなく、特許請求の範囲に記載されたものである。更に、図面は原寸に比例して示されていない。本発明の説明や理解をより明瞭にするために、関連部材によっては寸法が拡大されており、また、重要でない部分については図示されていない。
　前述したように、図１は太陽電池の一般的な構造を示す断面図である。図１において、１は半導体基板、２は拡散領域、３は反射防止膜兼パッシベーション膜、４はＢＳＦ層、５は表面電極、６は裏面電極を示す。
　ここで、図１に示す太陽電池の製造工程を説明する。まず、半導体基板１を用意する。この半導体基板１は、単結晶又は多結晶シリコン等からなり、ｐ型、ｎ型いずれでもよい。半導体基板１は、ボロン等のｐ型の半導体不純物を含み、比抵抗は０．１～４．０Ω・ｃｍのｐ型シリコン基板が用いられることが多い。
　以下、ｐ型シリコン基板を用いた太陽電池の製造方法を例にとって説明する。半導体基板の大きさは１００～１５０ｍｍ角、厚みは０．０５～０．３０ｍｍの板状のものが好適に用いられる。そして、太陽電池の受光面となるｐ型シリコン基板の表面に、例えば酸性溶液中に浸漬してスライス等による表面のダメージを除去してから、更にアルカリ溶液で化学エッチングして洗浄、乾燥することで、テクスチャとよばれる凹凸構造を形成する。凹凸構造は、太陽電池受光面において光の多重反射を生じさせる。そのため、凹凸構造を形成することにより、実効的に反射率が低減し、変換効率が向上する。
　その後、例えばＰＯＣｌ3等を含む、約８５０℃以上の高温ガス中にｐ型シリコン基板を設置し、ｐ型シリコン基板の全面にリン等のｎ型不純物元素を拡散させる熱拡散法により、シート抵抗が３０～３００Ω／□程度のｎ型拡散層２をオモテ面に形成する。なお、ｎ型拡散層を熱拡散法により形成する場合には、ｐ型シリコン基板の両面及び端面にもｎ型拡散層が形成されることがあるが、この場合には、必要なｎ型拡散層のオモテ面を耐酸性樹脂で被覆したｐ型シリコン基板をフッ硝酸溶液中に浸漬することによって、不要なｎ型拡散層を除去することができる。その後、例えば希釈したフッ酸溶液等の薬品に浸漬させることにより、拡散時に半導体基板の表面に形成されたガラス層を除去し、純水で洗浄する。
　更に、上記ｐ型シリコン基板のオモテ面側に反射防止膜兼パッシベーション膜３を形成する。この反射防止膜兼パッシベーション膜３は、例えばＳｉＮ等からなり、例えばＳｉＨ4とＮＨ3との混合ガスをＮ2で希釈し、グロー放電分解でプラズマ化させて堆積させるプラズマＣＶＤ法等で形成される。この反射防止膜兼パッシベーション膜は、ｐ型シリコン基板との屈折率差などを考慮して、屈折率が１．８～２．３程度になるように形成され、厚み５００～１０００Å程度の厚みに形成され、ｐ型シリコン基板の表面で光が反射するのを防止して、ｐ型シリコン基板内に光を有効に取り込むために設ける。また、このＳｉＮは、形成の際にｎ型拡散層に対してパッシベーション効果があるパッシベーション膜としても機能し、反射防止の機能と併せて太陽電池の電気特性を向上させる効果がある。
　次に、ウラ面に、例えばアルミニウムとガラスフリットとワニス等を含む導電性ペーストをスクリーン印刷し、乾燥させる。しかる後、オモテ面に、例えば銀とガラスフリットとワニス等を含む導電性ペーストをスクリーン印刷し、乾燥させる。この後、各電極用ペーストを５００～９５０℃程度の温度で焼成することで、ＢＳＦ層４と表面電極５と裏面電極６とを形成する。ここでは電極形成の方法としてスクリーン印刷法を例に挙げて説明したが、蒸着、スパッタリング等でも電極を形成することができる。
　上記のような典型的な結晶シリコン太陽電池の製造方法においては、オモテ面の界面準位密度や半導体基板内部の再結合サイトが十分に低減されないままであるため、高い電気特性をもつ太陽電池が得られない。本発明に係る太陽電池の製造方法は、例えば上記プラズマＣＶＤ法によるＳｉＮ膜形成工程の後に、空気、Ｈ2、Ｎ2、Ｏ2、Ａｒのいずれかもしくはそれらの混合雰囲気中で、２００℃以上１０００℃以下の温度にて、３０秒以上６０分以下のアニール処理を行う工程を設けることにより、上記太陽電池の電気特性を高めることを特徴とする。かかるアニール工程による電気特性の向上は、以下の理由によるものである。
　典型的な結晶シリコン太陽電池の場合、半導体基板のバルクや表面には、重金属不純物（Ｃｕ、Ｆｅ等）や酸素、炭素等の微量な不純物が原因の結晶欠陥や、ダングリングボンド等の再結合サイトが多く存在する。このため、光が入射して発生したキャリアが再結合してしまい、結晶シリコン太陽電池のライフタイムが短くなる。その結果、太陽電池の電気特性を高くすることができない。ここで、上述のように太陽電池をアニールすると、例えばＳｉＮ膜に含まれる水素が表面のダングリングボンドを終端して界面準位密度が小さくなるパッシベーション効果と、ｎ型拡散層を形成する際に導入されたリン等に重金属を捕獲させるゲッタリング効果とが促進されて、結晶シリコン太陽電池のライフタイムが長くなり、その結果、太陽電池の電気特性を高くすることができる。また、一度アニールしてＳｉＮ膜中の水素が減少することで、ＳｉＮ膜の組成が変化し、結果的にＳｉＮ膜に含まれる正電荷の量が増大したり、ＳｉＮ膜の変質により銀電極がＳｉとコンタクトを形成しやすくなるために、太陽電池の直列抵抗の低減も可能になる。これらは、多結晶シリコン太陽電池のみならず単結晶シリコン太陽電池にも有効な現象である。これにより、信頼性及び外観を損ねることなく、高い電気特性を持つ太陽電池を製造することができる。
　本発明に係る太陽電池の製造方法においては、アニール温度が高すぎるとゲッタリングサイトから不純物の再放出が発生してしまう。また、アニール温度が低すぎるとＨ2によるパッシベーション効果が十分に得られない。より高いパッシベーション効果とゲッタリング効果を得られる観点から、アニール温度は２００℃以上１０００℃以下が好ましく、４００℃以上９００℃以下がより好ましく、５００℃以上８５０℃以下が更に好ましい。
　本発明に係る太陽電池の製造方法においては、アニール時間が長すぎるとゲッタリングサイトから不純物の再放出や、一旦終端されたダングリングボンドからの水素の脱離によるパッシベーション効果の悪化が発生してしまう。また、アニール時間が短すぎると、ゲッタリングやパッシベーション効果が十分に得られない。より高いパッシベーション効果とゲッタリング効果を得られる観点から、アニール時間は１０秒以上９０分以下が好ましく、２０秒以上５０分以下がより好ましく、３０秒以上３０分以下が更に好ましい。
　本発明に係る太陽電池の製造方法においては、アニール雰囲気には特に制限はないが、どちらかというと還元雰囲気中で行うことが好ましい。シリコン基板内部の酸素析出を防いだり、Ｈ2によるパッシベーション効果を促進したりすることができるためである。従って、具体的には、より高いパッシベーション効果とゲッタリング効果が得られる観点から、アニール雰囲気は空気、Ｈ2、Ｎ2、Ｏ2、Ａｒのいずれかもしくはそれらの混合雰囲気中が好ましく、Ｈ2、Ｎ2、Ａｒのいずれかもしくはそれらの混合雰囲気中がより好ましく、Ｈ2、Ｎ2のいずれかもしくはそれらの混合雰囲気中が更に好ましい。
　本発明に係る太陽電池の製造方法においては、反射防止膜乃至パッシベーション膜には特に制限はない。例えばＭｇＦ2、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｎＳのいずれかもしくはそれらの積層等、様々なパッシベーション膜を用いることが可能である。また、上記のようなパッシベーション膜の組成は化学量論的に限定されるものではなく、原子の比率はどのような値をとってもよい。
　本発明に係る太陽電池の製造方法においては、アニールのプロファイルに特に制限はない。例えば、第一段階として６００～９００℃、例えば８５０℃の温度で１０秒～５分、例えば３０秒のアニールを行い、更に第二段階として２００～６００℃、例えば５００℃の温度で３０秒～１０分、例えば５分のアニールを行ってもよい。この場合、第一段階でダングリングボンドの終端によりパッシベーション効果が促進され、更に第二段階で不純物の再放出を抑制しつつゲッタリング効果が促進される。追加で第三段階以降のアニールを加えてもよい。これにより、更に高い電気特性を持つ太陽電池を製造することができる。
　本発明に係る太陽電池の製造方法におけるアニール工程のアニール方法に特に制限はない。例えば、ランプヒーターを用いた連続式アニール炉又はバッチ式横型炉等、いずれの方式を用いてもよい。また、上記のような複数段階のアニールの場合は、一つの工程で行われる必要はない。第一段階アニールと第二段階以降のアニールを分けて行ってもよい。その場合、装置は同じであっても別であってもよい。
　本発明に係る太陽電池の製造方法におけるアニール工程においては、アニール工程を行う段階に特に制限はないが、拡散層形成後が好ましく、反射防止膜乃至パッシベーション膜形成後がより好ましい。拡散層形成後はゲッタリングサイトが増加するためアニールによるゲッタリング効果がより促進されるためであり、パッシベーション膜形成後はダングリングボンドの終端によるアニールによるパッシベーション効果がより促進され、更にパッシベーション膜への電荷の量が増大したり、銀電極がＳｉ基板とコンタクトを形成しやすくなったりするために、太陽電池の直列抵抗の低減も可能になるためである。
　本発明に係る太陽電池の製造方法におけるアニール工程は、パッシベーション膜製膜装置におけるパッシベーション膜形成後に、続けて同装置内にて行ってもよい。この場合、アニール用に追加で別の装置を設ける必要がなくなる上に、上記のようにアニール工程の効果が最大限発揮されるという利点がある。この場合のアニール工程は、製膜装置の製膜室の後に加熱室を設けてそこで行ってもよいし、製膜室内にて製膜後に引き続き行ってもよい。また、この場合の製膜装置はＣＶＤやＰＶＤのいずれであってもよい。
　本発明に係る太陽電池の製造方法においては、半導体基板の導電型はｐ型、ｎ型のどちらでもよい。裏面が全面電極で覆われている太陽電池を製造する方法は、例えば上記の通りであるが、裏面をパッシベートした太陽電池にも、本発明は適用できる。一例として、ｎ型シリコン基板を用いて太陽電池を製造する方法を以下に示す。しかし、本発明は下記説明に加えて広範な他の実施形態で実施することが可能であり、本発明の範囲は、下記に制限されるものではなく、特許請求の範囲に記載されるものである。
　図２は裏面パッシベート型の太陽電池の一般的な構造を示す断面図である。図２において、７は半導体基板、８、９は拡散領域、１０、１１は反射防止膜兼パッシベーション膜、１２は表面電極、１３は裏面電極を示す。
　ここで、図２に示す太陽電池の製造工程を説明する。半導体基板７としては、リン等のｎ型の半導体不純物を含み、比抵抗は０．１～４．０Ω・ｃｍのｎ型シリコン基板が用いられることが多く、このｎ型シリコン基板は単結晶又は多結晶シリコン等いずれでもよい。大きさは１００～１５０ｍｍ角、厚みは０．０５～０．３０ｍｍの板状のものが好適に用いられる。そして、太陽電池の受光面となるｎ型シリコン基板の表面に、例えば酸性溶液中に浸漬してスライス等による表面のダメージを除去してから、更にアルカリ溶液で化学エッチングして洗浄、乾燥することで、テクスチャとよばれる凹凸構造を形成する。
　その後、例えばｎ型シリコン基板のウラ面のみに上記プラズマＣＶＤ法によりＳｉＮ等でマスクを形成し、ＢＢｒ3等を含む、約８００℃以上の高温ガス中にｎ型シリコン基板を設置し、ｎ型シリコン基板のオモテ面のみにボロン等のｐ型不純物元素を拡散させる熱拡散法により、シート抵抗が３０～３００Ω／□程度のｐ型拡散層８をオモテ面に形成する。次に、ｎ型シリコン基板を、例えばフッ酸溶液中に浸漬させて、ＳｉＮと拡散時にｎ型シリコン基板の表面に形成されたガラス層をエッチング除去する。しかる後、オモテ面のｐ型拡散層の上のみに上記プラズマＣＶＤ法によりＳｉＮ等でマスクを形成し、ＰＯＣｌ3等を含む、約８００℃以上の高温ガス中にｎ型シリコン基板を設置し、ｎ型シリコン基板のウラ面のみにリン等のｎ型不純物元素を拡散させる熱拡散法により、シート抵抗が３０～３００Ω／□程度のｎ型拡散層９をウラ面に形成する。続けて、ｎ型シリコン基板を、再度フッ酸溶液中に浸漬させて、ＳｉＮと拡散時にｎ型シリコン基板の表面に形成されたガラス層をエッチング除去する。
　更に、上記ｎ型シリコン基板のオモテ面に反射防止膜兼パッシベーション膜１０を形成する。この反射防止膜兼パッシベーション膜は、例えばＳｉＮ等からなり、例えばＳｉＨ4とＮＨ3との混合ガスをＮ2で希釈し、グロー放電分解でプラズマ化させて堆積させるプラズマＣＶＤ法等で形成される。この反射防止膜兼パッシベーション膜は、ｎ型シリコン基板との屈折率差などを考慮して、屈折率が１．８～２．３程度になるように形成され、５００～１０００Å程度の厚みに形成され、ｎ型シリコン基板の表面で光が反射するのを防止して、ｎ型シリコン基板内に光を有効に取り込むために設ける。また、このＳｉＮは、形成の際にｐ型拡散層に対してパッシベーション効果があるパッシベーション膜としても機能し、反射防止の機能と併せて太陽電池の電気特性を向上させる効果がある。ここでは反射防止膜兼パッシベーション膜としてＳｉＮを例に挙げて説明したが、前述したように、ＭｇＦ2、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｎＳのいずれかもしくはそれらの積層であっても構わない。
　続けて、上記ｎ型シリコン基板のウラ面に反射防止膜兼パッシベーション膜１１を形成する。この反射防止膜兼パッシベーション膜は、例えばＳｉＮ等からなり、例えばＳｉＨ4とＮＨ3との混合ガスをＮ2で希釈し、グロー放電分解でプラズマ化させて堆積させるプラズマＣＶＤ法等で形成される。この反射防止膜兼パッシベーション膜は、ｎ型拡散層に与えるパッシベーション効果などを主に考慮して、屈折率が１．７～２．４程度になるように形成され、５００～３０００Å程度の厚みに形成され、ｎ型拡散層に対してパッシベーション効果があるパッシベーション膜として主に機能し、反射防止の機能と併せて太陽電池の電気特性を向上させる効果がある。ここでは反射防止膜兼パッシベーション膜としてＳｉＮを例に挙げて説明したが、前述したように、ＭｇＦ2、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｎＳのいずれかもしくはそれらの積層であっても構わない。また、ここではオモテ面の反射防止膜兼パッシベーション膜を先に形成し、その後に続けてウラ面の反射防止膜兼パッシベーション膜を形成する方法を例に挙げて説明したが、反射防止膜兼パッシベーション膜の形成順はウラ面が先、オモテ面が後でも構わない。
　このように、上記オモテ面とウラ面の反射防止膜兼パッシベーション膜を形成した後、上述した方法でアニール処理を行う。
　次に、ウラ面に、例えば銀とガラスフリットとワニス等を含む導電性ペーストをスクリーン印刷し、乾燥させる。しかる後、オモテ面に、例えば銀とガラスフリットとワニス等を含む導電性ペーストをスクリーン印刷し、乾燥させる。この後、各電極用ペーストを５００～９５０℃程度の温度で焼成することで、表面電極１２と裏面電極１３を形成する。ここでは電極形成の方法としてスクリーン印刷法を例に挙げて説明したが、蒸着、スパッタリング等でも電極を形成することができる。
　上記のようなｎ型シリコン基板を用いた結晶シリコン太陽電池の製造方法においては、パッシベーション膜がパッシベートしようとする界面準位密度が高い拡散層がオモテウラ両面にあるため、例えば反射防止膜兼パッシベーション膜形成後に本発明のようなアニール工程を加えることによる電気特性向上効果は、ｐ型シリコン基板を用いた場合よりも高い。
　以下、実施例と比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
　　［実施例、比較例］
　ボロンがドープされ、厚さ０．２ｍｍにスライスして作製された比抵抗が約１Ω・ｃｍのｐ型の単結晶シリコンからなるｐ型シリコン基板に外径加工を行うことによって、一辺１５ｃｍの正方形の板状とした。そして、このｐ型シリコン基板をフッ硝酸溶液中に１５秒間浸漬させてダメージエッチングし、更に２質量％のＫＯＨと２質量％のＩＰＡを含む７０℃の溶液で５分間化学エッチングした後に純水で洗浄し、乾燥させることで、ｐ型シリコン基板表面にテクスチャ構造を形成した。次に、このｐ型シリコン基板に対し、ＰＯＣｌ3ガス雰囲気中において、８７０℃の温度で３０分間の条件で熱拡散法により、ｐ型シリコン基板にｎ層を形成した。ここで、ｎ層のシート抵抗は約４０Ω／□、深さは０．４μｍであった。そして、ｎ層上に耐酸性樹脂を形成した後に、ｐ型シリコン基板をフッ硝酸溶液中に１０秒間浸漬することによって、耐酸性樹脂が形成されていない部分のｎ層を除去した。その後、耐酸性樹脂を除去することによって、ｐ型シリコン基板の表面のみにｎ層を形成した。続いて、ＳｉＨ4とＮＨ3、Ｎ2を用いたプラズマＣＶＤ法により、ｐ型シリコン基板のｎ層が形成されている表面上に、反射防止膜兼パッシベーション膜となるＳｉＮ膜を厚さ１０００Åで形成した。
　その後、このｐ型シリコン基板に対し、バッチ式横型炉にてＮ2雰囲気中で、６００℃の温度で１０分間の条件でアニール処理を行った水準（実施例）と、同アニール処理を行わなかった水準（比較例）に分けた。次に、両水準のｐ型シリコン基板のウラ面に、導電性アルミニウムペーストを印刷し、１５０℃で乾燥させた。その後、両水準のｐ型シリコン基板に対し、バッチ式横型炉にてオモテ面にスクリーン印刷法を用いて、導電性銀ペーストを用いて、集電極を形成し、１５０℃で乾燥させた。その後、焼成炉にこれまでの処理済の基板を投入することにより、最高温度８００℃で導電性ペーストを焼成して電極を形成することで、太陽電池を作製した。これらの太陽電池の電気特性を測定した。
　表１に、上記方法で実施例と比較例それぞれ１０枚ずつの太陽電池を作製した際の太陽電池の電気特性の平均を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、本発明によるアニールを用いることで、比較例と比較すると太陽電池の電気特性の上昇が見込める（変換効率の絶対値にして０．５％）。
１　半導体基板
２　拡散領域
３　反射防止膜兼パッシベーション膜
４　ＢＳＦ層
５　表面電極
６　裏面電極
７　半導体基板
８　拡散領域
９　拡散領域
１０　反射防止膜兼パッシベーション膜
１１　反射防止膜兼パッシベーション膜
１２　表面電極
１３　裏面電極

Claims (10)

  1. 　半導体基板に対して、反射防止膜兼パッシベーション膜を形成した後、電極形成工程前にアニール工程を行うことを特徴とする太陽電池の製造方法。
  2. 　半導体基板に対する拡散層形成工程と電極焼成工程のいずれかもしくは両方の工程を含むことを特徴とする請求項１記載の太陽電池の製造方法。
  3. 　半導体基板に対し拡散層を形成し、次いで拡散層上に反射防止膜兼パッシベーション膜を形成した後、アニール工程を行い、その後電極焼成工程を含む電極形成工程を行う請求項１又は２記載の太陽電池の製造方法。
  4. 　半導体基板がｐ型であり、受光面側にｎ型拡散層を形成し、その上に反射防止膜兼パッシベーション膜を形成した後、アニール工程を行うようにした請求項３記載の太陽電池の製造方法。
  5. 　半導体基板がｎ型であり、受光面側にｐ型拡散層を形成すると共に、受光面と反対面側にｎ型拡散層を形成し、上記両拡散層上にそれぞれ反射防止膜兼パッシベーション膜を形成した後、アニール工程を行うようにした請求項３記載の太陽電池の製造方法。
  6. 　前記パッシベーション膜がＭｇＦ2、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｎＳのいずれかもしくはそれらの積層であることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項記載の太陽電池の製造方法。
  7. 　前記アニール工程を２００℃以上１０００℃以下で行うことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の太陽電池の製造方法。
  8. 　前記アニール工程の処理時間が１０秒以上９０分以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の太陽電池の製造方法。
  9. 　前記アニール工程を空気、Ｈ2、Ｎ2、Ｏ2、Ａｒのいずれかもしくはそれらの混合雰囲気中で行うことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の太陽電池の製造方法。
  10. 　パッシベーション膜を形成する製膜装置において、前記パッシベーション膜形成後に、更に続けてアニール工程を行うことができる加熱室を備えることを特徴とする製膜装置。
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