(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の結晶半導体の所定の深さに所定の元素を層状にイオン注入する第１の工程と、
前記第１の工程で前記所定の元素が注入された前記結晶半導体を帯状基板上に接着する第２の工程と、
熱処理により前記結晶半導体から前記所定の元素を析出させて前記結晶半導体中に層状に分布する空孔を形成する第３の工程と、
熱処理により前記結晶半導体を前記層状に分布した空孔の領域で切断して前記帯状基板上に第１導電型の半導体層を形成する第４の工程と、
前記第１導電型の半導体層中または前記第１導電型の半導体層上に第２導電型の半導体層を形成する第５の工程とを備え、
前記第２、第３、第４および第５の工程を前記帯状基板を移送しつつそれぞれ独立の反応室で連続的に行い、
前記第４の工程で前記第１導電型の半導体層から切断された結晶半導体を前記第１の工程で再利用することを特徴とする太陽電池の製造方法。
【請求項２】
前記所定の元素は水素または希ガスからなることを特徴とする請求項１記載の太陽電池の製造方法。
【請求項３】
前記所定の深さは１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶系太陽電池およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の結晶系シリコン太陽電池は、例えば次のようにして製造される。引き上げ法や鋳造法により作製された多結晶または単結晶のシリコンインゴット（塊状結晶）を薄いウエハ状に切断する。そして、このウエハの表面に拡散法またはイオン注入法によりｐｎ接合を形成し、さらに真空蒸着法、印刷焼成法やメッキ法により電極を形成する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の結晶系シリコン太陽電池の製造方法においては、多結晶または単結晶のシリコンインゴットからウエハを切り出す際に、切り代が発生する。例えば、１５ｃｍ径または１５ｃｍ角のシリコンインゴットから数百μｍの厚さのウエハを切り出す場合には、ウエハと同程度の厚さ、すなわち数百μｍの厚さの切り代が発生する。そのため、実際に使用するシリコンウエハと同程度の厚さのシリコンの無駄が生じる。
【０００４】
また、結晶系シリコン太陽電池において光電変換に寄与する厚さは１００μｍ以下であるが、シリコンインゴットを１００μｍ以下の厚さのウエハに切断することは困難である。そのため、実際の結晶系シリコン太陽電池では必要以上の厚さのシリコンを用いていることになり、無駄が生じている。
【０００５】
本発明の目的は、結晶半導体の無駄を生じることなく結晶系太陽電池を安価に製造することができる方法を提供することである。
【０００６】
本発明に係る太陽電池の製造方法は、第１導電型の結晶半導体の所定の深さに所定の元素を層状にイオン注入する第１の工程と、第１の工程で所定の元素が注入された結晶半導体を帯状基板上に接着する第２の工程と、熱処理により結晶半導体から所定の元素を析出させて結晶半導体中に層状に分布する空孔を形成する第３の工程と、熱処理により結晶半導体を層状に分布した空孔の領域で切断して帯状基板上に第１導電型の半導体層を形成する第４の工程と、第１導電型の半導体層中または第１導電型の半導体層上に第２導電型の半導体層を形成する第５の工程とを備え、第２、第３、第４および第５の工程を帯状基板を移送しつつそれぞれ独立の反応室で連続的に行い、第４の工程で第１導電型の半導体層から切断された結晶半導体を第１の工程で再利用するものである。
【０００７】
本発明に係る太陽電池の製造方法においては、結晶半導体の所定の深さに層状に注入された所定の元素を結晶半導体から析出させることにより結晶半導体中に層状に分布した空孔を形成し、その層状に分布した空孔の領域で結晶半導体を切断することにより基板上に第１導電型の半導体層を形成することができる。この第１導電型の半導体層の厚さは上記所定の元素の注入深さに相当するので、注入深さを調整することにより基板上に任意の厚さの第１導電型の半導体層を形成することができる。
【０００８】
したがって、第１導電型の半導体層を光電変換に必要な薄い厚さに容易に形成することが可能となる。また、層状に分布した空孔の領域で切断された結晶半導体の残りの部分を別の太陽電池の製造に再利用することができる。そのため、結晶半導体の無駄が生じず、太陽電池の製造コストが低減される。
【０００９】
特に、第４の工程で第１導電型の半導体層から切断された結晶半導体を第１の工程で再利用できることが大きな利点である。これにより、結晶半導体の無駄が生じず、太陽電池の製造コストが低減される。
【００１０】
また、第２、第３、第４および第５の工程を帯状基板を移送しつつそれぞれ独立の反応室で連続的に行うので、帯状基板上に複数の太陽電池を連続的に作製することが可能となる。
【００１１】
結晶半導体は、単結晶半導体であってもよく、多結晶半導体であってもよい。また、所定の元素は水素または希ガスであることが好ましい。これにより、第３の工程で熱処理により結晶半導体から上記所定の元素を容易に析出させて結晶半導体中に層状に分布した空孔を容易に形成することができる。
【００１２】
また、上記所定の深さは１００μｍ以下であることが好ましい。特に、結晶半導体がシリコンである場合には、上記所定の深さが２０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。また、結晶半導体がガリウム砒素である場合には、上記所定の深さが２μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。これにより、基板上に光電変換に十分に寄与しかつ無駄の生じない薄い厚さの第１導電型の半導体層を形成することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例における太陽電池の製造方法を示す模式的工程図である。
【００１４】
図１において、ロール１０１に厚さ０．２ｍｍおよび幅９００ｍｍ程度の帯状のステンレス基板１が巻かれている。このステンレス基板１を、矢印Ａで示すように、２本のロール１０１，１０２間で移送しながら工程（ａ）〜（ｈ）を別々の反応室で行う。各々の反応室の間はエアカーテンまたは差動排気で遮断することによりプロセスガスの相互混入が防がれている。
【００１５】
予め工程（ｉ）で、例えば１５ｃｍ角のｐ型の鋳造多結晶シリコンインゴット２にＨ（水素）をイオン注入する。これにより、多結晶シリコンインゴット２中に原子状水素４の注入領域が形成される。多結晶シリコンインゴット２の比抵抗は１０-1Ω・ｃｍ〜数Ω・ｃｍである。イオン注入の条件としては、水素イオン（Ｈ+ ）の加速エネルギーを２ＭｅＶとし、ドーズ量を１×１０17ｃｍ-2とする。この場合、注入深さＤは約５０μｍであり、注入領域の厚さｔは約０．７μｍである。
【００１６】
一方、工程（ａ）では、スパッタリング装置１０を用いてステンレス基板１の表面をＡｒ（アルゴン）によるイオンスパッタクリーニングで清浄にする。あるいは、有機溶剤または／および酸溶液により清浄にしてもよい。次に、工程（ｂ）において、原子状水素４が注入された多結晶シリコンインゴット２をＳｎ（スズ）等の低融点金属からなる導電性接着剤３を用いてステンレス基板１の表面に２００℃で接着する。あるいは、有機溶剤に金属粒子を分散させた導電性接着剤で接着してもよい。
【００１７】
次に、工程（ｃ）において、３００℃で熱処理を行う。これにより、原子状水素４が水素分子ガスとして多結晶シリコンインゴット２の内部に析出され、多結晶シリコンインゴット２の約５０μｍの深さに層状に分布する多数の空孔４ａが形成される。次いで、工程（ｄ）において、５００℃で熱処理を行うことにより、熱衝撃で多結晶シリコンインゴット２を空孔４ａの領域で切断する。それにより、ステンレス基板１上に厚さ約５０μｍのｐ型シリコン層２ａが形成される。ｐ型シリコン層２ａの表面は０．０１〜０．１μｍ程度の粗さを有する。
【００１８】
次に、工程（ｅ）において、ｎ型ドーパンドとしてＰ（燐）をイオン注入によりｐ型シリコン層２ａに０．０６μｍ程度の深さまでドーピングする。イオン注入の条件としては、燐イオン（Ｐ+ ）の加速エネルギーを５０ｋｅＶとし、ドーズ量を１×１０16ｃｍ-2とする。
【００１９】
さらに、工程（ｆ）において、Ｘｅ（キセノン）ランプ１１を用いて短時間熱処理（フッシュアニール）を行う。それにより、ｐ型シリコン層２ａにドープされたＰが活性化され、ｐ型シリコン層２ａの表面に約０．０６μｍの厚さを有するｎ型シリコン層５が形成される。
【００２０】
次に、工程（ｇ）において、ｎ型シリコン層５の表面にスクリーン印刷により電極６を形成する。最後に、工程（ｈ）において、ｎ型シリコン層５上にＣＶＤ法（化学的気相成長法）等により窒化シリコン膜等からなる反射防止膜７を形成する。このようにして、ステンレス基板１上に太陽電池セル８が形成される。
【００２１】
一方、工程（ｄ）で切断された多結晶シリコンインゴット２は、表面が研磨された後、工程（ｉ）で再利用される。
このようにして、ステンレス基板１上にドライプロセスにより複数の太陽電池セル８が連続的に製造される。この太陽電池セル８においては、ステンレス基板１が裏面電極となり、電極６が表面電極となる。
【００２２】
上記のようにして製造された太陽電池セル８では、ｐ型シリコン層２ａが約５０μｍと薄く、しかも、工程（ｄ）で切断された多結晶シリコンインゴット２の残部が工程（ｉ）で何度も再利用されるので、多結晶シリコンインゴット２の無駄が生じない。そのため、太陽電池セル８の製造コストが低減される。
【００２３】
また、工程（ｄ）で形成されたｐ型シリコン層２ａの表面は、０．０１〜０．１μｍ程度の粗さを有するので、太陽電池セル８内に入射した太陽光がｐ型シリコン層２ａの表面で多重反射され、太陽電池セル８内の全体に再度進入し、利用される。そのため、実効的な入射光の反射率が波長に依らず減少し変換効率が向上する。例えば、〈１００〉面の単結晶インゴットを用いると、水素ガスが選択的に（１１１）面に析出するので、切断面が（１１１）面の凹凸のあるテクスチャ構造となり、実効反射率を１／２に減少できる。
【００２４】
工程（ａ）の前に、図２に示すように、工程（ａ'）により、ステンレス基板１上にＣＶＤ法等により、酸化シリコン膜等からなる絶縁層１'を形成しておくと、複数の太陽電池セル８を互いに絶縁することができ、それらの複数の太陽電池セル８を直列接続することが可能になる。それにより、出力電圧を高くすることができる。
【００２５】
図３（ａ）は図１の太陽電池を用いたハイブリット型太陽電池モジュールの模式的断面図であり、図３（ｂ）は図２（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
図３に示すように、ステンレス基板１の上面には図１に示した方法で複数の太陽電池セル８が形成されている。ステンレス基板１の下面には複数の金属パイプ３１が配設されている。金属パイプ３１の内部には水が循環する。
【００２６】
図３のハイブリット型太陽電池モジュールでは、太陽光のエネルギーが太陽電池セル８により電気エネルギーに変換されるとともに、太陽光のエネルギーが金属パイプ３１内で熱エネルギーに変換されて温水が供給される。
【００２７】
このハイブリット型太陽電池モジュールでは、図１の太陽電池を用いることにより製造コストの低下と温水利用による付加価値の向上が図れる。
太陽電池の変換効率は温度が上昇すると低下する。図３のハイブリッド型太陽電池モジュールでは、金属パイプ３１内に循環する水が太陽電池セル８を冷却するための冷却水としても働くので、エネルギーの有効利用が図られる。
【００２８】
なお、上記実施例では、工程（ｃ）で空孔４ａを形成するために、工程（ａ）でＨをイオン注入しているが、Ｈの代わりにＨｅ（ヘリウム）等の希ガスを用いることもできる。Ｈｅをイオン注入する場合には、加速エネルギーを１０ＭｅＶ程度とする。
【００２９】
多結晶シリコンインゴット２の代わりに単結晶シリコンインゴットを用いてもよい。また、シリコンインゴットの代わりに板状シリコンを用いてもよい。さらに、シリコンインゴットの代わりに光吸収係数が大きいガリウム砒素（ＧａＡｓ）のインゴットを用いてもよい。この場合、光吸収係数がシリコンに比べ大きいので、半導体層をシリコンよりも薄い２μｍ以上１０μｍ以下にできるので、半導体の使用料をさらに低減し、水素イオン注入エネルギーをシリコンの場合の数分の１に低下できる。
【００３０】
また、ステンレス基板１の代わりにガラス基板を用いてもよい。ガラス基板側から太陽光を入射する場合、ガラス基板とシリコン層との間に透明電極を形成する。
【００３１】
さらに、上記実施例では、ｐ型の多結晶シリコンインゴットを用いているが、ｎ型の多結晶または単結晶のシリコンインゴットを用いてｎ型シリコン層を形成し、ｎ型シリコン層上にｐ型シリコン層を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における太陽電池の製造方法を示す模式的工程図である。
【図２】図１の最初の工程の前に追加可能な工程を示す図である。
【図３】図１の太陽電池を用いたハイブリット型太陽電池モジュールの模式的断面図である。
【符号の説明】
１  ステンレス基板
１’  絶縁膜
２  多結晶シリコンインゴット
２ａ  ｐ型シリコン層
３  導電性接着剤
４  原子状水素
４ａ  空孔
５  ｎ型シリコン層
６  電極
７  反射防止膜
８  太陽電池セル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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