(57)【要約】      （修正有）【課題】パターニング一回のみでエミッタとＢＳＦとの間にギャップを有する裏面電極型太陽電池及びその製造方法を提供する。【解決手段】製造方法は、（ａ）シリコン基板の一方の面にボロンをドーピングしてｐ＋層２０を形成するステップと、（ｂ）ｐ＋層上のエミッタ７０となる領域に酸化層３０を形成するステップと、（ｄ）酸化層３０で覆われていないｐ＋層及び酸化層の端部の下側のｐ＋層を等方性エッチングにより除去するステップと、（ｅ）ｐ＋層２０が除去されたシリコン基板の一方の面に酸化層をマスクとしてリンイオン５０を注入してＢＳＦ８０となるｎ＋層を形成するステップと、（ｈ）酸化層を除去するステップと、を含む。ｐ＋層のエミッタ７０とｎ＋層のＢＳＦ８０の間に酸化層の端部の長さに相当するギャップを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面電極型太陽電池の製造方法であって、
シリコン基板の一方の面にボロンをドーピングしてｐ＋層を形成するステップと、
前記ｐ＋層上のエミッタとなる領域に酸化層を形成するステップと、
前記酸化層で覆われていない前記ｐ＋層及び前記酸化層の端部の下側の前記ｐ＋層を等方性エッチングにより除去するステップと、
前記ｐ＋層が除去された前記シリコン基板の一方の面に前記酸化層をマスクとしてリンイオンを注入してＢＳＦとなるｎ＋層を形成するステップと、
前記酸化層を除去するステップと、を含み、
前記ｐ＋層のエミッタと前記ｎ＋層のＢＳＦの間に前記酸化層の端部の長さに相当するギャップを有する、製造方法。
【請求項２】
前記エミッタとなる領域に酸化層を形成するステップは、
前記ｐ＋層上に酸化層を形成するステップと、
前記酸化層上の前記エミッタとなる領域にパターン化されたフォトレジスト層を形成するステップと、
前記フォトレジスト層で覆われていない前記酸化層をドライエッチングにより除去するステップと、
前記フォトレジスト層を除去するステップと、を含む請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記ｐ＋層を等方性エッチングにより除去するステップは、前記ｐ＋層をアルカリ性エッチング液を用いたウェットエッチングにより除去するステップを含む、請求項１または２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記リンイオンを注入してＢＳＦとなるｎ＋層を形成するステップと前記酸化層を除去するステップとの間に、
前記シリコン基板の表面にリンイオンを注入してＦＳＦとなるｎ＋層を形成するステップと、
前記シリコン基板をアニールするステップと、を含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項５】
前記ギャップは２〜１０μｍの範囲にある、請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項６】
前記ｐ＋層をアルカリ性エッチング液を用いたウェットエッチングにより除去するステップは、水酸化カリウム溶液を用いてエッチングするステップを含む、請求項３に記載の製造方法。
【請求項７】
シリコン基板の裏面に設けられたＰ型エミッタとＮ型ＢＳＦとの間に段差があり、当該段差はＰ型エミッタとＮ型ＢＳＦとの間の水平方向の間隔に略等しいことを特徴とする、裏面電極型太陽電池。
【請求項８】
前記段差と前記間隔は２〜１０μｍの範囲にある、請求項７に記載の裏面電極型太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は太陽電池及びその製造方法に関し、より具体的には、裏面電極型太陽電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
再生可能なエネルギーは、エネルギー資源が枯渇することなく繰り返し使用でき、発電時に地球温暖化の原因となる二酸化炭素を排出しないため、石油、石炭、天然ガスなどの化石燃料に代わるクリーンなエネルギーとして注目されている。再生可能なエネルギーの一つに太陽光があり、太陽電池を用いて太陽光を直接的に電力に変換する発電方式は太陽光発電と呼ばれている。太陽電池とは光エネルギーを吸収して電気に変換する光電変換素子である。
【０００３】
太陽電池には有機太陽電池や多接合太陽電池など様々な種類があるが、結晶シリコン太陽電池が最も普及している。結晶シリコン太陽電池の最大の課題は高効率化と低コスト化である。結晶シリコン太陽電池の高効率化に向け、ＰＥＲＣ型セル（Ｐａｓｓｉｖａｔｅｄ  Ｅｍｉｔｔｅｒ  ａｎｄ  Ｒｅａｒ  Ｃｅｌｌ）、両面受光型セルなど各種セルの研究、開発、量産が進められているが、電極を裏面のみ形成して表面側の受光面積を大きくした裏面電極型セルが最も高い変換効率を示している（例えば、非特許文献１）。
【０００４】
裏面電極型結晶シリコン太陽電池は、裏面にエミッタとＢａｃｋ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｆｉｅｌｄ（ＢＳＦ）を形成する。一般的にはｎ型のシリコン基板を用いて、エミッタのボロン層（ｐ＋層）とＢＳＦのリン層（ｎ＋層）を形成する。裏面電極型結晶シリコン太陽電池は同一面（裏面）へ異なる種類の不純物層を形成する必要があるため、製造工程が非常に複雑である。これがコストを上げる要因になっており、製造工程の簡略化が最大の課題である。
【０００５】
同一面（裏面）へ異なる種類の不純物層を形成するためにはパターニング技術が必要である。エミッタのボロン層を形成するとき、そしてＢＳＦのリン層を形成するとき、少なくとも二回のパターニングが必要とされている（例えば非特許文献２）。この非特許文献２によれば、リン拡散防止膜（酸化膜）を成膜した後、フォトリソグラフィーによるパターニングとエッチングを用いてＢＳＦ領域の酸化膜を開口してリン拡散を行う。引き続き、ボロン拡散防止膜（酸化膜）を成膜した後、同じくエミッタ領域の酸化膜を開口してボロン拡散を行っている。先にボロン拡散を行う場合もフォトリソグラフィーによるパターニングは二回必要となる。
【０００６】
フォトリソグラフィー技術を用いることにより高精度な位置決めが可能となり、ボロン層とリン層の間には適切な間隔が設けられる。しかしフォトリソグラフィープロセスはレジスト塗布、露光、現像、洗浄という非常に多くの工程を必要とする。裏面電極型結晶シリコン太陽電池の場合は、エミッタとＢＳＦの形成のためにこれらの工程をそれぞれ二回行う必要があり、工程数の増加に伴うコストアップが課題である。
【０００７】
そこで、パターニングが一回のみの簡易プロセスで裏面電極型結晶シリコン太陽電池セルを製造する方法が提案されている（例えば非特許文献３）。この非特許文献３によれば、基板全面へボロン拡散を行った後、パターニングとウェットエッチングによりＢＳＦ領域のボロン拡散層を除去する。引き続き、ＢＳＦ領域へリンを拡散する。このような技術を用いることにより、パターニングが一回のみでエミッタとＢＳＦを形成することが出来るが、エミッタとＢＳＦの境界にギャップが無いため、ボロンとリンが相互に拡散してリークの原因となることが知られている（例えば非特許文献４）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV), Eigth Edition, September 2017
【非特許文献２】Evan Franklin et al., “Design, fabrication and characterization of a 24.4% efficient interdigitated back contact solar cell”, PROGRESS IN PHOTOVOLTAICS: RESERARCH AND APPLICATION vol. 24, (2016) 411-427
【非特許文献３】Posthuma et al., “DEVELOPMENT AND ANALYSIS OF SMALL AREA HIGH EFFICIENCY INTERDIGITATED BACK CONTACT SILICON SOLAR CELLS”, Proceedings of 27th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition 571-575
【非特許文献４】R. Muller et al., “Analysis of n-type IBC solar cells with diffused boron emitter locally blocked by implanted phosphorus”, Solar Energy materials & Solar Cells vol. 142 (2015) 54-59.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記の従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、パターニング一回のみでエミッタとＢＳＦとの間にギャップを有する裏面電極型太陽電池及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は裏面電極型太陽電池の製造方法を提供する。その製造方法は、（ａ）シリコン基板の一方の面（裏面）にボロンをドーピングしてｐ＋層を形成するステップと、（ｂ）ｐ＋層上のエミッタとなる領域に酸化層を形成するステップと、（ｃ）酸化層で覆われていないｐ＋層及び酸化層の端部の下側のｐ＋層を等方性エッチングにより除去するステップと、（ｄ）ｐ＋層が除去されたシリコン基板の一方の面（裏面）に酸化層をマスクとしてリンイオンを注入してＢＳＦとなるｎ＋層を形成するステップと、（ｅ）酸化層を除去するステップと、を含む。ｐ＋層のエミッタとｎ＋層のＢＳＦの間に酸化層の端部の長さに相当するギャップを有する。
【００１１】
本発明の裏面電極型太陽電池は、シリコン基板の一方の面（裏面）に設けられたＰ型エミッタとＮ型ＢＳＦとの間に段差があり、当該段差はＰ型エミッタとＮ型ＢＳＦとの間の水平方向の間隔に略等しいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、一回のパターニングによってエミッタとＢＳＦにギャップを有する裏面電極型太陽電池が製造できる。本発明によればセルフアラインでエミッタとＢＳＦのギャップを形成することが可能であり、エミッタ、ＢＳＦをそれぞれパターニングで形成するときに起こり得る位置ズレの問題は全くない。本発明によれば、簡易なプロセスで良好な性能を有する裏面電極型太陽電池を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態の裏面電極型太陽電池の製造工程を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態のエミッタとＢＳＦの境界の走査型電子顕微鏡像である。
【図３】本発明の一実施形態のエミッタとＢＳＦの境界の透過型電子顕微鏡像である。
【図４】本発明の一実施形態のエミッタとＢＳＦの境界の（ａ）原子間力顕微鏡像と（ｂ）走査型容量顕微鏡像である。
【図５】本発明の一実施形態の裏面電極型太陽電池の電流−電圧特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１に本発明の一実施形態の裏面電極型太陽電池の製造工程および各工程での構造を示す。図１（ａ）において、表面にテクスチャ構造１５が形成されたシリコン基板１０を準備し、その裏面にボロンをドーピングしたボロン層（ｐ＋層）２０を形成した後、その上に酸化膜３０を形成する。シリコン基板１０は、結晶シリコン基板である。ボロン層２０の形成には熱拡散法、イオン注入法などあるが、その方法は問わない。いずれの方法でも、ボロン層２０の表面から内部に向けてボロン濃度の勾配があり、表面近傍に高濃度ボロン領域が形成される。酸化膜３０の形成方法には熱酸化法、ＣＶＤ法などあるが、その方法は問わない。引き続き、パターニングによってＢＳＦ領域２５となる開口を形成する。図１ではフォトリソグラフィーによるパターニングを例に示した。図１（ａ）は、フォトリソグラフィーで用いるフォトレジスト層４０のＢＳＦ領域２５を剥離した後を示している。
【００１５】
図１（ｂ）において、フォトレジスト層４０をマスクにして、ドライエッチング法を用いて酸化膜３０とボロン層２０の表面近傍の高濃度ボロン領域を除去する。アルカリ性のエッチング液は高濃度ボロン領域に対するエッチングレートが非常に遅いため、ここでの使用は難しい。一方、酸性のエッチング液は酸化膜もエッチングしてしまうため、本工程で用いることが出来ない。従って、ドライエッチング法、例えばＲｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ（ＲＩＥ）を用いて酸化膜３０とボロン層２０の高濃度ボロン領域を除去する。或いは、ＢＳＦ領域２５へ物理的手法、例えばレーザを照射するなどして、酸化膜３０とボロン層２０の表面近傍の高濃度ボロン領域を除去しても良い。
【００１６】
図１（ｃ）において、フォトレジスト層４０を除去する。図１の（ａ）〜（ｃ）ではフォトリソグラフィーによるパターニングを例に示したが、これに限定されない。レーザーアブレーションなどの方法を用いて図１（ｃ）の構造を製造することも可能である。図１（ｄ）において、残りのボロン層２０を除去する。このときはアルカリ性のエッチング液、例えば水酸化カリウム溶液（ＫＯＨ）を用いる。ＫＯＨによるシリコンエッチングの特徴として、ボロン濃度がおよそ１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満ではシリコンのエッチングレートに対するボロン濃度の影響が小さくなること、及び酸化膜３０に対するエッチングレートはシリコンに比べて非常に小さいことが挙げられる。そのため、図１（ｃ）の構造に対してＫＯＨによるエッチングを行うと、いわゆる等方性エッチングにより、シリコンが深さ方向と横方向の両方でエッチングされる。一方、酸化膜はエッチングされないため、図１（ｄ）で示したように酸化膜３０の端部が庇状に突き出した形状で残ることになる。この時、酸化膜３０の端部とシリコン基板１０のＢＳＦ領域の表面との間の間隔ｄは、酸化膜３０の端部の長さlとほぼ等しくなる。
【００１７】
図１（ｅ）において、イオン注入法を用いてシリコン基板１０の裏面へリンイオン５０を注入する。この場合、ボロン層２０および図１（ｄ）で形成された段差のところでは酸化膜３０がマスクとなり、リンイオン５０は注入されない。それ以外の裏面に薄いリンがドーピングされたリン層（ｎ＋層）４２が図１（ｆ）に示すように形成される。続いて、シリコン基板１０の表面にもリンイオン６０を注入する。その際、同時アニールすることにより、図１（ｇ）に示すように、シリコン基板１０の表面と裏面に注入したリンイオンを活性化し、所望の濃度と深さのリンがドーピングされたリン層（ｎ＋層）４５、４６を形成する。なお、図１（ｅ）のリンイオン注入および図１（ｇ）のアニールでボロン層２０および段差（庇部）のところにリンが拡散しない厚さに酸化膜３０を形成しておく必要がある。図１（ｇ）において、酸化膜３０及びその上のリン層４２を除去後、エミッタ７０のボロン層、ＢＳＦ８０およびＦＳＦ９０のリン層が形成される。ＢＳＦ８０およびＦＳＦ９０の形成にリンの熱拡散法を用いると段差のところにもガスが回り込んでリンの拡散層が形成されてしまうため、イオン注入法を用いることが本発明の重要点である。
【００１８】
このように本発明によれば、セルフアラインでエミッタ７０とＢＳＦ８０のギャップを形成することが可能となった。ここで本発明で言うギャップを定義する。ギャップとはエミッタ７０のボロン層とＢＳＦ８０のリン層の間隔l１であるが、エミッタ７０のボロン層の深さとＢＳＦ８０のリン層の横方向への広がりはプロセス条件によって一概ではないため、本発明では各種顕微鏡法で容易に計測が可能なエミッタ７０とＢＳＦ８０の間の縦方向の段差ｄ１をギャップと定義する。この段差（ギャップ）は、例えば図１（ｄ）における庇状の酸化膜の突き出し長さ（端部の長さ）lとほぼ等しいため、ＢＳＦ８０のリン層は段差の高さに等しい距離だけ段差から離れた付近から形成されている。
【００１９】
リンイオン注入の加速エネルギーが３〜５０ｋｅＶ、チルトが０〜４５度、リン活性化のアニール温度が８５０〜９５０度であるため横方向へのリン層の拡がりが０．５〜１ミクロン、エミッタ７０のボロン層の深さが０．５〜１ミクロンであることを考慮すると、少なくとも１ミクロンのギャップ（段差）が必要である。しかしながら酸化膜端部の突き出しがあまりにも長くなると形状が保たれなくなること、およびプロセスの揺らぎを考慮すると、段差は２〜１０μｍの範囲にあることが好ましい。本発明によればセルプアラインプロセスでギャップを形成しているため、従来法で問題となるエミッタ、ＢＳＦをそれぞれパターニングで形成するときに起こり得る位置ズレの問題は全くない。
【実施例】
【００２０】
図１で示した製造工程に従い裏面電極型結晶シリコン太陽電池を製造した。図２は、図１（ｄ）で示した工程後の走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）である。（ａ）鳥瞰図、（ｂ）平面図、（ｃ）説明図である。図１（ｄ）では、後にエミッタ、ＢＳＦになるウェットエッチング層やドライエッチング層はシリコン基板１０の裏面に形成されているが、図２（ｃ）のように観察サンプルではそれを上面にし、斜め上方（（ａ）鳥瞰図）および真上（（ｂ）平面図）から観察した。図２（ａ）鳥瞰図において、点線が庇状に突き出した酸化膜の端部で、黒い側壁が段差（ギャップ）である。図２（ｂ）平面図において、エッジ効果により段差が白く光って見える。ＳＥＭ像ではチャージアップにより酸化膜とシリコンのコントラストが異なるため、図２（ｂ）平面図において段差から突き出した酸化膜を明瞭に区別することが出来る。
【００２１】
図３は、図１（ｅ）で示した工程後の透過型電子顕微鏡像（ＴＥＭ像）である。図３（ａ）から、酸化膜がエッチングされずに庇状に突き出した形状で残っていることが分かる。本製造工程においては、リンのイオンビームを注入面に対して７°傾斜させて注入している。イオン注入のドーズ量が臨界値以上になると非晶質化する。この場合、基板のＴＥＭ像から注入領域と非注入領域を区別することが出来る。図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は図３（ａ）の領域Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩの高分解能像である。この像から、酸化膜の突き出しから注入面垂直方向に対しておおよそ７°のところを境に非晶質層と結晶層に区別でき、酸化膜がマスクとなってイオンビームの照射領域（注入領域）と非照射領域（非注入領域）が形成されていることが分かる。
【００２２】
図４は、図１で示した製造工程に従って製造した裏面電極型結晶シリコン太陽電池のエミッタとＢＳＦの境界の（ａ）原子間力顕微鏡像（ＡＦＭ像）と（ｂ）走査型容量顕微鏡像（ＳＣＭ像）である。図４（ａ）の点線はシリコンの表面である。図４（ｂ）は、容量の二次元分布像であり、極性からｐ型、ｎ型を判別することが可能である。本太陽電池は、ｎ型基板（リンドープ）を用いて製造しているため、基板にドープされているリンとＢＳＦ形成のために注入したリンは極性上見分けることが出来ないが、濃度すなわちＳＣＭシグナルの強度から見分けることが出来る。段差から数μｍ離れた箇所の表層のＳＣＭシグナルは強くなっており、リン注入領域であることが分かる。段差のところでは基板に比べてわずかにシグナルが強くなっているが、これは図１（ｇ）で示した活性化アニールのとき、バルクのリンがパイルアップしたものである。イオン注入によるリン濃度に比べて数桁低く、ギャップ無しの境界で起こるリンとボロンの相互拡散のような悪影響はない。
【００２３】
図５は、図１で示した製造工程に従って製造した裏面電極型結晶シリコン太陽電池の逆方向の電流−電圧特性である。図５のＡは本発明の裏面電極型結晶シリコン太陽電池の特性であり、−２Ｖにおけるリーク電流密度は６．３２×１０−６Ａ／ｃｍ２である。Ｂは、文献３で開示されているギャップなしの従来の裏面電極型結晶シリコン太陽電池の特性であり、−２Ｖのときのリーク電流密度は７×１０−５Ａ／ｃｍ２である。本発明による裏面電極型結晶シリコン太陽電池はそれに比べて一桁もリーク電流が低く、極めて良好な電流−電圧特性を有する太陽電池セルであることが分かる。
【００２４】
本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。
【符号の説明】
【００２５】
１０  シリコン基板
１５  テクスチャ構造
２０  ボロン層（ｐ＋層）
３０  酸化膜
４０  フォトレジスト
４２、４５、４６  リン層（ｎ＋層）
５０、６０  リンイオン
７０  エミッタ
８０  ＢＳＦ
９０  ＦＳＦ
【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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