(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池を製造する方法であって、
シリコン基板の裏面上にポリシリコン層を形成する段階と、
前記ポリシリコン層上に第１のドーパント源および第２のドーパント源を形成する段階と、
前記ポリシリコン層を局所的に加熱して、前記第１のドーパント源および前記第２のドーパント源からドーパントを前記ポリシリコン層に打ち込み、前記ポリシリコン層の一連続部分にＰ型ドープ領域およびＮ型ドープ領域を形成すると共に前記ポリシリコン層を再結晶化して平均粒径を大きくする段階と
を備える方法。
【請求項２】
前記ポリシリコン層は、レーザを用いて局所的に加熱される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ポリシリコン層は、前記シリコン基板の裏側に形成される薄い誘電体層の上に形成される請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記ポリシリコン層は再結晶化されると、平均粒径が少なくとも１ミクロンとなる請求項１から３の何れか１項に記載の方法。
【請求項５】
シリコン基板と、
前記シリコン基板の裏側に形成されている誘電体と、
前記誘電体上に形成されているポリシリコン層と
を備え、
前記シリコン基板の前記裏側は、通常動作時に太陽の方を向いている表側の反対側であり、
前記ポリシリコン層は、一連続部分に互いに隣接してＰ型ドープ領域およびＮ型ドープ領域が形成されており、前記Ｐ型ドープ領域と前記Ｎ型ドープ領域との間の界面において平均粒径が少なくとも１ミクロンである太陽電池。
【請求項６】
前記誘電体は、４０オングストローム未満の厚みに形成されている二酸化シリコンを有する請求項５に記載の太陽電池。
【請求項７】
前記Ｐ型ドープ領域および前記Ｎ型ドープ領域を、前記太陽電池から電力供給される外部電気回路に電気結合する金属コンタクトをさらに備える請求項５または６に記載の太陽電池。
【請求項８】
前記シリコン基板は、Ｎ型シリコンウェハを有する請求項５から７の何れか１項に記載の太陽電池。
【請求項９】
前記シリコン基板は、表側の表面が粗面化処理されている請求項５から８の何れか１項に記載の太陽電池。
【請求項１０】
前記シリコン基板の表側に設けられている反射防止コーティングをさらに備える請求項５から９の何れか１項に記載の太陽電池。
【請求項１１】
前記ポリシリコン層は、局所的に加熱されることにより再結晶化されて、前記Ｐ型ドープ領域と前記Ｎ型ドープ領域との間の界面において平均粒径が少なくとも１ミクロンである、請求項５から１０の何れか１項に記載の太陽電池。
【請求項１２】
太陽電池を製造する方法であって、
シリコン基板の裏面上にポリシリコン層を形成する段階と、
前記ポリシリコン層上に第１のドーパント源および第２のドーパント源を形成する段階と、
前記第１のドーパント源および前記第２のドーパント源から前記ポリシリコン層へのドーパントが打ち込まれることで、前記ポリシリコン層の一連続部分においてＰ型ドープ領域およびＮ型ドープ領域を形成する段階と、
前記ポリシリコン層を局所的に加熱することにより、再結晶化して平均粒径を少なくとも１ミクロンに大きくする段階と
を備える方法。
【請求項１３】
太陽電池を製造する方法であって、
シリコン基板の裏面上にポリシリコン層を形成する段階と、
前記ポリシリコン層の一連続部分においてＰ型ドープ領域およびＮ型ドープ領域を形成する段階と、
前記ポリシリコン層を局所的に加熱して、前記ポリシリコン層の平均粒径を大きくする段階と
を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、太陽電池に関する。具体的には、これに限定されないが、太陽電池の製造工程および構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
［関連出願］
本願は、米国特許仮出願第６１／１１９，９５５号（出願日：２００８年１２月４日）の恩恵を主張する。当該仮出願の内容はすべて、参照により本願に組み込まれる。
【０００３】
太陽電池は、太陽光を電気エネルギーに変換する装置として良く知られている。太陽電池は、半導体処理技術を利用して半導体ウェハ上に製造され得る。太陽電池には、Ｐ型ドープ領域およびＮ型ドープ領域がある。太陽光が太陽電池に当たると電子および正孔が形成される。この電子および正孔がドープ領域に移動すると、ドープ領域間で電圧差が生じる。裏面コンタクト型太陽電池では、ドープ領域および当該ドープ領域に結合されている櫛歯形状の金属コンタクトフィンガー部の両方が、太陽電池の裏面に設けられている。コンタクトフィンガー部によって、太陽電池に外部電気回路が結合され、太陽電池から外部電気回路への電力供給が可能となる。
【０００４】
太陽電池において、効率は、電力生成機能に直接関係するので、重要な特性である。したがって、太陽電池の効率を改善する技術が一般的に求められている。本発明は、新型の太陽電池構造を製造する処理を提供し、太陽電池の効率を改善することができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ポリシリコン層の一連続部分においてＰ型ドープ領域およびＮ型ドープ領域が隣接している太陽電池が提供される。ポリシリコン層は、太陽電池基板（例えば、シリコンウェハ）の裏面に形成されている薄い誘電体層上に形成されているとしてよい。ポリシリコン層は、Ｐ型ドープ領域とＮ型ドープ領域との間の空間電荷領域における再結合を低減または禁止するべく平均粒径が比較的大きいので、効率が高くなる。
【０００６】
上述およびその他の本発明の特徴は、添付図面および請求項を含めて本開示を全て参照すると当業者には明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】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概略断面図である。
【図２】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概略断面図である。
【図３】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概略断面図である。
【図４】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概略断面図である。
【図５】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概略断面図である。
【図６】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概略断面図である。
【図７】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概略断面図である。
【図８】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概略断面図である。
【図９】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概略断面図である。
【図１０】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概略断面図である。
【図１１】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概略断面図である。
【図１２】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概略断面図である。
【図１３】本発明の別の実施形態に係る太陽電池を示す概略断面図である。複数の図面にわたって同じ参照番号を用いる場合は、同一または同様の構成要素を示している。図面は実寸には即していない。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本開示では、本発明の実施形態を深く理解していただくべく、材料、処理パラメータ、処理工程、および、構造の例等、具体的且つ詳細な内容を多く記載する。しかし、当業者であれば、記載した具体的かつ詳細な内容のうち一部を省略しても本発明を実施し得るものと認めるであろう。また、公知の内容については、本発明のさまざまな側面をあいまいにすることを避けるべく、図示または説明を省略している。
【０００９】
基板内にＰ型ドープ領域およびＮ型ドープ領域が設けられている太陽電池では、Ｐ型ドープ領域およびＮ型ドープ領域の境界線が離れている場合と隣接している場合がある。しかし、本願発明者は、ポリシリコンにおける電荷キャリアの寿命が非常に短いためにポリシリコンのドープ領域同士が接している空間電荷領域では再結合が非常に活発であるので、ポリシリコンのドープ領域ではこの限りではないことを発見した。つまり、本願発明者は、ポリシリコンのドープ領域が接していると効率に悪影響を及ぼすことを発見した。この損失の問題を解決または軽減する方法の１つに、発明者を本願と同じとする米国仮特許出願第６１／０６０，９２１号（発明の名称：「ポリシリコンの拡散領域を備える裏面コンタクト型太陽電池のためのトレンチ処理およびトレンチ構造」、出願日：２００８年６月１２日）に記載されているように、ポリシリコンのＰ型ドープ領域とＮ型ドープ領域とをトレンチを設けることによって物理的に離す方法がある。本明細書に記載しているのは、ドープ領域間にトレンチを形成することを必ずしも含まない別の方法である。以下の説明から明らかになるが、本発明の実施形態は、用途によってはトレンチを設ける構成と組み合わせて利用する場合もある。
【００１０】
図１から図１２は、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ための概略断面図である。図１から図１２は、ウェハを処理して太陽電池を製造するまでの様子を順次図示している。しかし、図示している処理工程の一部は、実施例によっては、順序を代えて実行したり、または、実行を省略することもあると理解されたい。
【００１１】
損傷エッチング工程を実行することによって太陽電池を製造するべく基板１０１を用意する（図１）。本例では、基板１０１は、Ｎ型シリコンウェハを含み、インゴットから基板１０１をスライスする際にウェハメーカが行ったソーイング処理のために表面が損傷を受けているのが普通である。基板１０１は、ウェハメーカから受け取った時点では、厚みが約１００ミクロンから２００ミクロンであるとしてよい。一実施形態によると、損傷エッチング工程では、水酸化カリウムを含むウェットエッチング処理を用いて基板１０１の両側から約１０〜２０μｍを除去する。損傷エッチング工程ではさらに、金属汚染を除去するべく基板１０１を洗浄するとしてよい。
【００１２】
基板１０１の前面および裏面にはそれぞれ薄い誘電体層１０２および１０３を形成する（図２）。薄い誘電体層は、基板１０１の表面上に熱成長させる４０オングストローム以下（例えば、５〜４０オングストローム、２０オングストロームが好ましい）の厚みを持つ二酸化シリコンを含むとしてよい。基板１０１の前面およびその上に形成される材料は、太陽電池の通常動作時には太陽光を受光するべく太陽の方を向くので、太陽電池の「表側」に形成されるものとして説明する。同様に、基板１０１の裏面およびその上に形成される材料は、表側の反対側である太陽電池の「裏側」に形成されるものとして説明する。
【００１３】
太陽電池の裏側には、薄い誘電体層１０３の上にポリシリコン層１０４を形成する（図３）。このポリシリコン層１０４は、製造工程のこの段階ではドープされておらず、ＬＰＣＶＤ法で約１０００から２０００オングストロームの厚みまで形成されるとしてよい。
【００１４】
ポリシリコン層１０４上に、ドープされた二酸化シリコン層１０５を形成する（図４）。ドープされた二酸化シリコン層１０５は、後にポリシリコン層１０４内に形成されるドープ領域、本例ではＰ型ドープ領域１２０のドーパント源となる（図７を参照のこと）。このため、ドープされた二酸化シリコン層１０５は、ホウ素等のＰ型ドーパントでドープされているとしてよい。一実施形態によると、ドープされた二酸化シリコン層１０５は、厚みが約１０００オングストロームであり、大気圧化学気相成長（ＡＰＣＶＤ）法で形成されるＢＳＧ（ホウケイ酸ガラス）を含む。
【００１５】
ドープされた二酸化シリコン層１０５は、ポリシリコン層１０４のうち、Ｐ型ドープ領域１２０を形成予定である領域上に残るようにパターニングする（図５）。
【００１６】
ドープされた二酸化シリコン層１０５およびポリシリコン層１０４の上に、ドープされた二酸化シリコン層１０７を形成する（図６）。ドープされた二酸化シリコン層１０７は、後にポリシリコン層１０４内に形成されるドープ領域、本例ではＮ型ドープ領域１２１のドーパント源となる（図７を参照のこと）。このため、ドープされた二酸化シリコン層１０７は、リン等のＮ型ドーパントでドープされているとしてよい。一実施形態によると、ドープされた二酸化シリコン層１０７は、厚みが約２０００オングストロームであり、ＡＰＣＶＤ法で形成されるＰＳＧ（リンケイ酸ガラス）を含む。
【００１７】
熱打ち込み（サーマル・ドライブ・イン）工程によって、ドープされた二酸化シリコン層１０５およびドープされた二酸化シリコン層１０４からその下方にあるポリシリコン層１０４へとドーパントを拡散させて、ポリシリコン層１０４の一連続部分に互いに隣接させてＰ型ドープ領域１２０およびＮ型ドープ領域１２１を形成する（図７）。以降では、製造工程のこの段階においてポリシリコン層１０４がドープされたことを反映して、ポリシリコン層１０４をＰ型ドープ領域１２０およびＮ型ドープ領域１２１と呼ぶ。想到するであろうが、通常の太陽電池にはドープされた領域が複数設けられているが、説明の便宜上、２つのみを図示している。
【００１８】
Ｐ型ドープ領域１２０およびＮ型ドープ領域１２１は、太陽電池の裏側に形成される拡散領域となる。Ｐ型ドープ領域１２０およびＮ型ドープ領域１２１は、ポリシリコン層１０４の一連続部分に設けられており、物理的に互いに隣接している。
【００１９】
一実施形態によると、熱打ち込み工程は、ポリシリコン層１０４が再結晶化して粒径が高くなるように、好ましくは平均粒径が少なくとも１ミクロンになるように、より好ましくは少なくとも５ミクロンになるように、最も好ましくは少なくとも１０ミクロンになるように、実行される。ポリシリコン層１０４の粒径が高くなると、ポリシリコン層１０４内での少数キャリアの寿命が長くなるので、空間電荷領域での再結合が減少し、効率が改善される。
【００２０】
また、熱打ち込み工程は、結果として得られるＰ型ドープ領域１２０およびＮ型ドープ領域１２１のドープ濃度が高くなるように実行するのが好ましい。打ち込み条件を好ましい値に設定することによって、高濃度、例えば、１ｅ２０ｃｍ−３を超える濃度でドープされ、膜厚全体にわたって均一で、ポリシリコンの下ではほとんどドープされていない、例えば、１ｅ１８ｃｍ−３以下のポリシリコン層１０４が得られる。
【００２１】
ポリシリコン層１０４は、高濃度ドープおよび再結晶化して、薄い誘電体層１０３上での表面再結合を大幅に増加させることなくポリシリコン層１０４を垂直方向に局所的に加熱することによって、粒径を大きくするとしてよい。このように垂直方向に（全体的にではなく）局所的に加熱するには、例えば、エキシマー・レーザ・アニーリングを利用するとしてよい。例えば、コヒーレント社（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ，Ｉｎｃ．）製のエキシマー・レーザ・アニーリング用の機器を用いて、図６に示すドープされた二酸化シリコン層１０７の表面をスキャンするとしてよい。エキシマー・レーザ・アニーリング処理によって、ドーパント源からポリシリコン層１０４へとドーパントが打ち込まれるので、ドープ領域１２０および１２１が形成される。
【００２２】
基板１０１の表側の面を不規則に粗面化処理して、粗面化面１０８を形成する（図８）。一実施形態によると、基板１０１の表側の面は、水酸化カリウムおよびイソプロピルアルコールを用いたウェットエッチング処理で、不規則な角錐が形成されるように粗面化処理される。粗面化面１０８は、太陽光の集光効率を高めるのに役立つ。
【００２３】
基板１０１の表側の面をドープして、太陽電池の表側にＮ型ドープ領域１０９を形成する（図９）。Ｎ型ドープ領域１０９は、拡散工程において拡散炉内にリン等のＮ型ドーパントを注入することによって形成されるとしてよい。
【００２４】
粗面化面１０８上には、パッシベーション用酸化物１１０を形成する（図１０）。パッシベーション用酸化物１１０は、基板１０１の表側の粗面化面上に約１０〜２５０オングストロームの厚みまで熱成長させられた二酸化シリコンを含むとしてよい。
【００２５】
粗面化面１０８上に、反射防止コーティング１１１を形成する（図１１）。反射防止コーティング１１１は、例えば、ＰＥＣＶＤ法で約４５０オングストロームの厚みまで形成された窒化シリコン層を含むとしてよい。
【００２６】
太陽電池の製造工程は、金属コンタクト１１２および１１３を形成することで完了する（図１２）。本例によると、金属コンタクト１１２は、層１０７および１０５を貫通してＰ型ドープ領域１２０に電気接続されており、金属コンタクト１１３は層１０７を貫通してＮ型ドープ領域１２１に電気接続されている。金属コンタクト１１２および１１３によって、外部電気回路が太陽電池に結合され、太陽電池から外部電気回路への電力供給が可能となる。
【００２７】
金属コンタクト１１２および１１３は、一層構造または多層構造の金属コンタクトを含むとしてよい。例えば、金属コンタクト１１２および１１３はそれぞれ、二酸化シリコン層（例えば、層１０５または１０７）上にドープ領域（例えば、ドープ領域１２０または１２１）に向けて形成されているアルミニウムと、アルミニウム上に形成されているチタン−タングステンを含む拡散バリアと、拡散バリア上に形成されている銅を含むシード層とを含む積層体を含むとしてよい。例えば、銅シード層上に銅を電気メッキすることによって櫛歯形状の金属フィンガー部を形成して、金属コンタクトに電気接続させるとしてよい。金属コンタクト１１２および１１３に含まれるアルミニウムは、その下方に設けられている二酸化シリコンと共に赤外線反射体を形成するという効果があるので、効率が高められる。
【００２８】
本発明の実施形態は、ドープ領域同士がトレンチによって分離されている太陽電池に比べて、処理工程の数が少ないという利点がある。具体的に説明すると、本発明の実施形態では、ドープ領域同士を分離するトレンチを必ずしも形成する必要がない。これによって、トレンチによって分離している複数のドープ領域を持つ太陽電池の逆バイアスブレークダウン電気特性が維持される。本発明の実施形態はさらに、逆バイアスブレークダウン電圧を低下させる効果もあり得る。
【００２９】
上記の記載から想到するであろうが、本発明の実施形態はトレンチで分離する構成と組み合わせてでも利用され得る。この構成は、ポリシリコン層１０４の粒子を再結晶化して、ドープ領域間の空間電荷領域での再結合を禁止または最小限に抑えるのに十分な大きさまで大きくすることが実現可能でない場合に採用されるとしてよい。この代替実施形態を、図１３を参照しつつ説明する。
【００３０】
図１３は、本発明の別の実施形態に係る太陽電池を示す概略断面図である。図１３の例では、太陽電池には、Ｐ型ドープ領域１２０をＮ型ドープ領域１２１から物理的に分離するトレンチ１１５が設けられている。
【００３１】
トレンチ１１５内には、誘電体として窒化シリコン層１１４が形成される。図１３の例では、窒化シリコン層１１４は層１０７の上にも形成されている。窒化シリコン層１１４は、トレンチ１１５の下方にシリコン面を蓄積させ、表面パッシベーション効果が良好になるように、正の固定電荷の密度が比較的高いことが好ましい。窒化シリコン層１１４上での正の固定電荷の密度は、ＰＥＣＶＤ処理の一環として自然に得られるとしてよい。例えば、窒化シリコン層１１４は、ＰＥＣＶＤ法によって約４００オングストロームの厚みまで形成されるとしてよい。窒化シリコン層１１４は、（例えば、成膜時に）平坦な表面を持つことが好ましい。トレンチ１１５および窒化シリコン層１１４は、図７を参照しつつ前述したように、二酸化シリコン層１０４にドーパントを熱打ち込みするエキシマー・レーザ・アニーリング工程の後に形成されるとしてよい。
【００３２】
太陽電池の製造工程および構造の改良点を開示した。本発明の具体的な実施形態を記載したが、上記の実施形態は例示を目的とするものであり限定を目的とするものではないと理解されたい。本開示内容を参照すれば当業者には多くの上記以外の実施形態が明らかとなるであろう。
［項目４］
前記薄い誘電体層は、４０オングストローム未満の厚みに形成される二酸化シリコンを含む項目３に記載の方法。
［項目５］
前記第１のドーパント源はホウ素を含み、前記第２のドーパント源はリンを含む項目１に記載の方法。
［項目７］
前記Ｐ型ドープ領域および前記Ｎ型ドープ領域に電気接続されている金属コンタクトを形成する段階をさらに備え、
前記金属コンタクトは、外部電気回路を前記太陽電池に結合させ、前記太陽電池から前記外部電気回路への電力供給を可能とする項目１に記載の方法。
［項目９］
前記誘電体は、二酸化シリコンを有する項目８に記載の太陽電池。
［項目１５］
太陽電池を製造する方法であって、
シリコン基板上に誘電体を形成する段階と、
前記誘電体上にポリシリコン層を形成する段階と、
レーザアニーリング処理を実行して、前記ポリシリコン層へドーパントを拡散して、前記ポリシリコン層内に互いに隣接するＰ型ドープ領域およびＮ型ドープ領域を形成する段階とを備える方法。
［項目１６］
前記誘電体は、二酸化シリコンを含む項目１５に記載の方法。
［項目１７］
前記レーザアニーリング処理は、エキシマーレーザを用いて実行される項目１５に記載の方法。
［項目１８］
Ｐ型ドーパント源およびＮ型ドーパント源を形成する段階をさらに備え、
前記レーザアニーリング処理は、前記Ｐ型ドーパント源および前記Ｎ型ドーパント源から前記ポリシリコン層へとドーパントを拡散させて、前記互いに隣接するＰ型ドープ領域およびＮ型ドープ領域を形成する項目１５に記載の方法。
［項目１９］
前記シリコン基板の表側の表面を粗面化処理する段階をさらに備える項目１５に記載の方法。
［項目２０］
前記シリコン基板は、Ｎ型シリコン基板を含み、前記誘電体は、４０オングストローム未満の厚みに形成される二酸化シリコンを含む項目１５に記載の方法。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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