(57)【要約】      （修正有）【課題】めっき電極の機械的密着性および電気的接触性を向上させると共に簡便な工程で、低コストで高効率な太陽電池を提供する。【解決手段】太陽電池の電極形成方法は、めっき法により半導体基板１上に電極１１，１２を形成した後、熱処理により半導体基板１とめっき電極１１，１２との界面に、半導体とめっき金属との合金層１５，１６を形成することを特徴とする。また、本発明の太陽電池は、めっき法により半導体基板１上に電極１１，１２を形成した後、熱処理により半導体基板１とめっき電極１１，１２との界面に、半導体とめっき金属との合金層１５，１６を形成する方法により製造されることを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
めっき法により半導体基板上に電極を形成した後、熱処理により半導体基板とめっき電極との界面に、半導体とめっき金属との合金層を形成することを特徴とする太陽電池の電極形成方法。
【請求項２】
前記半導体基板がシリコン基板であり、前記めっき金属がニッケルであることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の電極形成方法。
【請求項３】
電気良導体である金属元素と、ｎ型ドーパント元素とを含む溶液中でめっき法によりｎ型シリコン層に表面電極を形成することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の電極形成方法。
【請求項４】
電気良導体である金属元素と、ｐ型ドーパント元素とを含む溶液中でめっき法によりｐ型シリコン層に裏面電極を形成することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の電極形成方法。
【請求項５】
めっき法により半導体基板上に電極を形成した後、熱処理により半導体基板とめっき電極との界面に、半導体とめっき金属との合金層を形成する方法により製造される太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主にシリコン基板を使用した太陽電池の電極形成方法に関し、さらに詳しくは低抵抗でかつ基板への密着性および電気的接触性のよい電極形成方法およびその方法で得られる太陽電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽光エネルギーを直接電気エネルギーに変換する太陽電池は、近年特に地球環境問題の観点から次世代のエネルギー源としての期待が急激に高まっている。太陽電池としては、化合物半導体や有機材料を使ったものなどさまざまな種類があるが、現在主流となっているのは、シリコン結晶を用いたものである。図３に、太陽電池の従来の製造方法の一例を示す。
【０００３】
まず、図３（ａ）に示すように、単結晶シリコン基板３１を用意する。単結晶シリコン基板は、一般的にはｐ型のシリコン基板が用いられることが多い。シリコン基板３１に対して適当なエッチャントによりエッチングを施し、基板表面に数μｍ程度の微細な凹凸を形成させ、光閉じ込め効果を持たせることが多い。つぎに、図３（ｂ）に示すように、シリコン基板３１の受光面側にｎ型のドーパントを含有した拡散層３２をコートし、９００℃程度の温度で数分〜数十分程度の熱処理を施すことにより、図３（ｃ）に示すような、シリコン基板中にｎ型ドーパントを拡散させて、ｎ-ｐ接合３３を形成する。
【０００４】
続いて、図３（ｄ）に示すように、受光面側に表面電極３４、その反対面側に裏面電極３５を形成させる。電極形成法としては、後述するように生産性、コストなどの点から印刷法を用いることが多い。電極形成後、８５０℃程度の温度で数分〜数十分程度の熱処理を施す。熱処理によって、表面電極３４は、ｎ型ドーパント拡散層３２を貫通して、図３（ｅ)に示すように、ｎ型シリコンと接触（ファイアスルー）する。一方、裏面電極３５からは、ｐ型ドーパントがシリコン基板内へ拡散して、ＢＳＦ（Back Surface Field）層３６を形成する。これらの効果の詳細については後に詳述する。最後に、はんだ浴槽へ基板全体を浸漬し、電極表面へはんだ層（図示していない。）を形成させて太陽電池を完成させる。
【０００５】
太陽電池は、入力された光エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出すものであるから、電気を取り出すための電極を備える必要があるが、電極に求められるのは、シリコン基板との電気的接触性（オーム性接触）がよいこと、基板との密着性がよいこと、直列抵抗が低いこと、などである。このような電極を形成する方法としては、蒸着法、めっき法、印刷法などがある。
【０００６】
蒸着法の場合、ｎ型シリコンに対してはＴｉ-Ａｇを蒸着するが一般的で、このＴｉとＡｇの間にＰｄ薄膜を挿入して信頼性をあげる方法もある。ｐ型シリコンに対してはＡｌの蒸着後、５５０℃〜６００℃で５分〜３０分間、熱処理をする方法がとられる。蒸着法は、高効率の太陽電池を作製するときによく用いられる方法であるが、バッチ式の工程であること、材料収率が低いこと、などの欠点がある。
【０００７】
印刷法は生産性に富み、自動化が容易で、材料収率もよいという利点がある。ｎ型シリコンに対しては、Ａｇ粉末とガラスフリット（溶解前のガラス粉末）を有機系バインダと混合したＡｇペーストを原料とし、Ａｇペーストをスクリーン印刷した後、熱処理をして電極とする。ほかには、反射防止膜を堆積した上に、Ａｇペーストを印刷し、約８５０℃の高温で熱処理をすることにより反射防止膜を通して電極を形成する（ファイアスルー）方法もある。ｐ型シリコンに対しては、Ａｌペーストの印刷後、熱処理を行なう。はんだ付けを可能にするためＡｌ電極上にＡｇペーストを印刷焼成することもある。印刷法の欠点は電極パターンの微細度がスクリーン印刷の精度によって制限されることである。現在、量産性よく印刷できるパターンの幅は１００μｍ程度である。
【０００８】
めっき法ではＮｉの無電解めっきが最も一般的に使用されている。めっき法で電極形成を行なえば、印刷法よりも微細な電極を形成することができるので、電極の影による損失（シャドウロス）を低減させることができ、高性能の太陽電池が実現できる。しかし、めっき法によって太陽電池の電極形成を行なう場合、めっき中にシリコン表面に生じる酸化膜のために、めっきされた金属とシリコンとの密着性が弱いこと、および良好な電気的接触性（オーム性接触）を得にくい点に問題があり、このため、めっき後に３００℃程度で熱処理をすることがある。
【０００９】
多結晶、すなわち結晶粒界を有するシリコンリボンの結晶基板上にめっき法により密着性よく表面電極を形成する方法がある（特許文献１参照）。この方法は、めっきの前処理として、結晶粒界において数μｍ程度の段差が生じるようにエッチングを施す点に特徴があり、そのような段差を有する結晶基板の表面に対してめっきを行なうことによって、基板との密着性のよいめっき電極を得ることができ、太陽電池の高性能化が実現できるとしている。しかし、結晶粒界を持たない単結晶基板を用いる太陽電池には適用することができないという問題がある。
【００１０】
つぎに、太陽電池の高性能化のためによく用いられる手法である、ＢＳＦ（Back Surface Field）法および選択エミッタ（Selective Emitter)法について説明する。図２は、太陽電池の動作原理を示すバンド図である。図２（ａ）に示す太陽電池は、左側のｎ型半導体と右側のｐ型半導体とが接合されたダイオードであり、その接合によって内蔵電界が形成されている。この構造は、現在、実用化されている太陽電池に多いｎ側から太陽光線２９が入射する構造の例であり、太陽光線２９が入射すると、電子２７と正孔２８が生成される。この電子２７と正孔２８は、内蔵電界によって電子２７がｎ層側に、正孔２８がｐ層側に分離されて外部へと取り出されることにより、電気としての出力が得られる。
【００１１】
しかしながら、ここで問題となるのが表面再結合損失である。半導体の表面は欠陥の一種と考えられ、表面付近で生成された電子と正孔の対は、基板表面の欠陥を介して容易に再結合する。図２（ｂ）に示すように再結合すると、それらの電子や正孔は電力として取り出すことができず、損失となって太陽電池の性能を低下させる。このような表面再結合損失を低減させ、太陽電池の性能を向上させるために考案されたのがＢＳＦであり、選択エミッタ構造である。
【００１２】
ＢＳＦ法は、裏面電極近傍の半導体中に高濃度にドーパントを分布させることによって、裏面電極近傍に内蔵電界を形成させる方法であり、選択エミッタ構造は、逆に表面電極近傍に高濃度にドーパントを分布させた構造である。図２（ｃ）に示すように、ｎ側から太陽光線が入射する場合、裏面のｐ電極近傍に高濃度にｐ型のドーパントを分布させると、この部分に内蔵電界が形成される。すると裏面電極近傍で生成された電子はこの電界によって表面に向かって押し出される。これにより再結合損失が低減される。この効果をＢＳＦ効果と呼ぶ。同様に、表面のｎ電極近傍に高濃度にｎ型のドーパントを分布させることによって、表面電極近傍での再結合を抑制することができ、高性能化を図ることができる。このような構造を選択エミッタ構造と呼ぶ。これらＢＳＦ法および選択エミッタ構造によって太陽電池の高性能化が実現できることは理論的にも実験的にも証明されている。
【００１３】
ＢＳＦ法は、裏面電極を形成するために、Ａｌペーストを印刷し、これを焼成することで実用化されている。シリコンに対してｐ型のドーパントであるＡｌが焼成によって裏面近傍に高濃度にドーピングされることによりＢＳＦが形成される。しかし、Ａｌペーストの印刷および焼成により形成される裏面電極では直接はんだ付けをすることができないため、実際には部分的にＡｌを除去し、その部分に銀ペーストなどを印刷して、はんだ付けを行なっている。また、裏面に到達した長波長の光を反射せず、透過し、吸収してしまうため、十分な光封じ込め効果を得ることができない、などの問題がある。一方、選択エミッタ構造を形成するためにはフォトリソグラフィ工程とエッチング工程を繰り返し行なう必要があり、プロセスが複雑となり、量産化が困難で、コストが高いという問題がある。
【００１４】
【特許文献１】
特開昭６０−４２７１号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
めっき法で電極形成を行なえば、印刷法よりも微細な電極を形成することができるので、電極の影による損失（シャドウロス）を低減させることができ、高性能の太陽電池が実現できるが、めっきされた金属とシリコンとの密着性が弱い。また、結晶粒界を有するシリコンリボン結晶の基板上に、めっき法により密着性よく表面電極を形成する方法が考案されているが、結晶粒界を持たない単結晶基板を用いる太陽電池には適用することができない。一方、ＢＳＦ法によるときは、裏面電極に直接はんだ付けをすることができず、また、裏面に到達した長波長の光を反射せず、透過、吸収してしまうため、十分な光封じ込め効果を得ることができない。さらに、選択エミッタ構造は、フォトリソグラフィとエッチングを繰り返すなど複雑な工程が必要であり、高コストとなって量産化が困難である。
【００１６】
本発明の課題は、単結晶シリコン基板を用いた太陽電池において、めっき電極の機械的密着性および電気的接触性を向上させると共に簡便な工程で選択エミッタ構造およびＢＳＦ法を実現することが可能となり、低コストで高効率な太陽電池を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の太陽電池の電極形成方法は、めっき法により半導体基板上に電極を形成した後、熱処理により半導体基板とめっき電極との界面に、半導体とめっき金属との合金層を形成することを特徴とする。半導体基板はシリコン基板が好ましく、めっき金属はニッケルが好ましい。また、ｎ型シリコン層に表面電極を形成するときは、電気良導体である金属元素とｎ型ドーパント元素とを含む溶液中でめっき法により形成し、ｐ型シリコン層に裏面電極を形成するときは、電気良導体である金属元素とｐ型ドーパント元素とを含む溶液中でめっき法により形成するのが好ましい。本発明の太陽電池は、めっき法により半導体基板上に電極を形成した後、熱処理により半導体基板とめっき電極との界面に、半導体とめっき金属との合金層を形成する方法により製造されることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（太陽電池の電極形成方法）
本発明の太陽電池の電極形成方法は、半導体基板上に電極をめっき法により形成した後、熱処理を施し、半導体基板とめっき電極との界面に、半導体とめっき金属との合金層を形成することを特徴とする。めっき法によって、太陽電池の電極パターンを基板に形成する場合、めっきされた金属電極と半導体基板との密着性の弱さが問題となるが、めっきした後、熱処理を施し、めっき電極と半導体基板との界面に、めっき金属と半導体との合金層（シリサイド層）を形成させることにより、金属電極と半導体基板との密着性および電気的接触性を向上させることができる。
【００１９】
半導体基板上に電極を形成するときは、電気良導体である金属元素とｎ型ドーパント元素とを含む溶液中で、めっき法によりｎ型シリコン層に表面電極を形成する態様、または、電気良導体である金属元素とｐ型ドーパント元素とを含む溶液中で、めっき法によりｐ型シリコン層に裏面電極を形成する態様が好ましい。ドーパントとなる元素を含む溶液を使用してめっきすることにより、めっきされる金属電極中にドーパントを高濃度に含有させることができ、これを熱処理することによって、金属電極近傍の半導体基板中に同型のドーパントを高濃度にドーピングすることができる。このように太陽電池の電極近傍の半導体基板が、同型のドーパントで高濃度にドープされた構造とすることにより、電極近傍の半導体表面における光生成キャリアの再結合損失を低減させることができる。
【００２０】
したがって、電極と半導体基板間の電気的接触性を向上させるなどの有利な効果を生じさせ、太陽電池性能を向上させることができる。たとえば、めっきする際に、リンまたはボロンを含む溶液を使用することによって、めっき金属層中にリンまたはボロンを高濃度に含有させ、これを熱処理することによってシリコン基板中にリンまたはボロンをドーピングすることができる。このようにして太陽電池の表面電極の近傍のシリコン中に高濃度にリンがドープされた構造（選択エミッタ構造）を形成することができ、裏面電極の近傍のシリコン中にボロンが高濃度にドープされた構造（ＢＳＦ構造）を形成することができ、いずれも太陽電池の性能を向上させることができる。
【００２１】
つぎに、図１に従って、本発明の電極の形成方法を工程別に説明する。まず、図１（ａ）に示すように、単結晶シリコン基板１を用意する。単結晶シリコン基板は、一般的にはｐ型のシリコン基板が用いられる。また、シリコン基板１に対して適当なエッチャントによりエッチングを施し、基板表面に数μｍ程度の微細な凹凸を形成させ、光閉じ込め効果を持たせることができる。つぎに、図１（ｂ）に示すように、シリコン基板の受光面側にｎ型ドーパントの拡散層２をコートし、９００℃程度の温度で数分〜数十分程度の熱処理を施すことにより、図１（ｃ）に示すように、ｐ型のシリコン基板中にｎ型ドーパントを拡散させて、ｎ-ｐ接合３を形成する。
【００２２】
本実施の形態においては、ｎ型ドーパントの拡散層２は、反射防止膜としても機能する酸化物層であり、シリコン基板の表面を覆っているが、製造プロセスによっては、この段階において表面には酸化物層を形成せず、ｎ型シリコンの表面が剥き出しになっている態様も考えられ、そのような態様も本発明に含まれる。酸化物層がシリコン基板の表面を覆っている場合は、図１（ｄ）に示すように、表面電極を形成するパターンに合わせて、酸化物層に穴を開ける。穴を開ける方法としてはフォトリソグラフィとエッチングを用いる方法、レーザーを用いる方法またはダイシング装置などにより機械的に行なう方法などがある。図１（ｄ）において、穴は酸化物層のみに開いており、下地のシリコン基板には穴は開いていないが、このとき下地のシリコン基板にも数μｍ〜数十μｍ程度の深さまで溝を掘っておいてもよい。
【００２３】
つぎに、図１（ｅ）に示すように、酸化物層の穴に対して、表面電極１１をめっき法により形成し、その反対側の面に裏面電極１２をめっき法により形成する。このとき、めっき金属層にドーパントとなる元素が高濃度に含まれるよう、ドーパントとなる元素が多量に含まれるめっき浴を用いてめっきを行なうのが好ましい。ｎ型ドーパント元素は、リン、窒素、ヒ素などであり、ｐ型ドーパント元素は、ボロン、アルミニウム、ガリウムなどである。
【００２４】
現在、無電解めっきとして最もよく用いられるのはニッケルめっきであり、太陽電池のめっき電極としてもニッケルの無電解めっきが最も一般的に用いられている。ニッケル電極は、電気良導性であり、機械的強度にも優れている点で好ましい。無電解ニッケルめっきでは、ニッケル−リン、あるいはニッケル−ボロンなどの合金が得られ、代表的な無電解ニッケルめっきであるニッケル−リン合金めっきでは、リンが５％〜１３％程度含まれた合金が得られる。このリンの代わりにボロンを１％程度共析させたニッケル−ボロン合金めっきは、ニッケル−リン合金めっきより、はんだ付け性、耐熱性などの性能がはるかに優れており、金めっきの代替として評価されるなど、主に電子部品用に利用されている。ここで注目されるのは、シリコンに対して、リンはｎ型ドーパントとして作用し、ボロンはｐ型ドーパントとして作用するという点である。
【００２５】
図１（ｅ）に示すように、たとえば、表面電極１１としてニッケル−リン合金めっきを、裏面電極１２としてニッケル−ボロン合金めっきを施し、これらに対して熱処理を行なう。熱処理を施すことによって、表面電極とシリコン基板との界面に、ニッケルとシリコンとの合金（ｎ型）層（ニッケルシリサイド層）１５が形成され、また、裏面電極とシリコン基板との界面に、ニッケルとシリコンとの合金（ｐ型）層（ニッケルシリサイド層）１６が形成される。これらはいずれもニッケルとシリコンとの合金層からなるため、シリコン基板と各電極の密着性が大幅に向上すると共に電気的接触性が向上する。このとき、前述のように、下地のシリコン基板にも数μｍ〜数十μｍ程度の深さまで溝を掘っておけば、電極と基板との接触面積が増えることによって機械的密着性および電気的接触性がさらに向上するので有利である。熱処理の条件としては、シリコンとニッケルとの合金層を十分に得て、シリコン基板と各電極との密着性および電気的接触性を得るために、６００℃以上で５分間以上の条件が好ましい。
【００２６】
さらに、この熱処理によって、表面電極１１からはリンが電極近傍のシリコン中に拡散し、裏面電極１２からはボロンが電極近傍のシリコン中に拡散し、高濃度ｎ型ドーピング層１３および高濃度ｐ型ドーピング層１４が形成される。これらのドーピング層が形成されることによって、電極と基板間の電気的接触性がさらに向上すると共に既述の選択エミッタ構造およびＢＳＦ構造を実現することができ、太陽電池性能を向上させることができる。
【００２７】
（太陽電池）
本発明の太陽電池は、めっき法により半導体基板上に電極を形成した後、熱処理により半導体基板とめっき電極との界面に、半導体とめっき金属との合金層を形成する方法により製造されることを特徴とする。かかる太陽電池は、電極の機械的密着性および電気的接触性が良好で、コストが安く、高効率である。
【００２８】
【実施例】
実施例１
まず、図１（ａ）に示すような、厚さ０．３ｍｍのｐ型の単結晶シリコン基板１を用意する。つぎに、図１（ｂ）に示すように、シリコン基板の受光面側にｎ型のドーパントであるリンを含有するシリコン化合物材料からなる拡散層２をコートし、約９００℃で１０分間の熱処理を施して、図１（ｃ）に示すように、ｐ型のシリコン基板中にｎ型ドーパントを拡散させ、ｎ-ｐ接合３を形成する。ｎ層の厚さは０．３μｍ程度であり、シリコン化合物材料は熱処理により厚さ約０．１μｍのシリコン酸化物膜が形成される。酸化物膜の形成後、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、表面電極を形成するパターンに合わせて、酸化物層に穴開けを行なう。穴を開けた後の状態を、図１（ｄ）に示す。
【００２９】
つぎに、図１（ｅ）に示すように、酸化物層の穴に対して表面電極１１を、その反対側の面に無電解メッキ法により裏面電極１２を形成する。めっき金属層にドーパントとなる元素が高濃度に含まれるよう、ドーパントとなる元素が多量に含まれるめっき液を調製する。この結果、表面電極としてはニッケル−リンの合金が得られる。一方、裏面電極としてはニッケル−ボロンの合金が得られる。
【００３０】
その後、図１（ｆ）に示すように、６００℃で５分間の熱処理を行ない、表面電極とシリコン基板の界面に、ニッケルとシリコンとの合金（ｎ型）層１５を形成し、また、裏面電極とシリコン基板の界面に、ニッケルとシリコンとの合金（ｐ型）層１６を形成する。その結果、シリコン基板と各電極の密着性が大幅に向上すると共に電気的接触性が向上する。さらに、この熱処理によって、表面電極１１からはリンが電極近傍のシリコン中に拡散し、高濃度ｎ型ドーピング層１３が形成され、また、裏面電極１２からはボロンが電極近傍のシリコン中に拡散し、高濃度ｐ型ドーピング層１４が形成される。その結果、電極と基板間の電気的接触性がさらに向上すると共に、選択エミッタ構造およびＢＳＦ構造を実現することができ、太陽電池の性能を向上させることができる。
【００３１】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００３２】
【発明の効果】
単結晶シリコン基板を用いた太陽電池において、めっき電極の機械的密着性および電気的接触性を向上させると共に簡便な工程で選択エミッタ構造およびＢＳＦ構造を実現することが可能となり、低コストで高効率な太陽電池を量産することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電極の形成方法を示す工程図である。
【図２】太陽電池の動作原理を示すバンド図である。
【図３】従来の太陽電池の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
１  シリコン基板、２  拡散層、３  ｎ-ｐ接合、１１  表面電極、１２  裏面電極、１３  高濃度ｎ型ドーピング層、１４  高濃度ｐ型ドーピング層、１５ニッケルとシリコンとの合金（ｎ型）層、１６  ニッケルとシリコンとの合金（ｐ型）層。
【図１】
2004193337.tif 000003
【図２】
2004193337.tif 000004
【図３】
2004193337.tif 000005