(57)【要約】【課題】デッドレイヤの発生を最小限に抑えた微細な凹凸を有する太陽電池素子の形成方法を提供する。【解決手段】一導電型を呈する半導体基板１の一主面側に微細な凹凸８と逆導電型半導体領域６とを形成した後、この半導体基板１の一主面側と他の主面側に電極１１、１２を形成する太陽電池素子の形成方法であって、上記微細な凹凸８をプラズマを用いて形成した後、上記逆導電型半導体領域６を形成するための拡散源となるプレデポジション層を形成し、しかる後上記微細な凹凸８を形成する際に発生した残渣を除去する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一導電型を呈する半導体基板の一主面側に微細な凹凸と逆導電型半導体領域とを形成した後、この半導体基板の一主面側と他の主面側に電極を形成する太陽電池素子の形成方法において、前記微細な凹凸をプラズマを用いて形成した後、前記逆導電型半導体領域を形成するための拡散源となるプレデポジション層を形成し、しかる後前記微細な凹凸を形成する際に発生した残渣を除去することを特徴とする太陽電池素子の形成方法。
【請求項２】
前記微細な凹凸を形成する工程と前記プレデポジション層を形成する工程とを連続したチャンバ内で行うことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池素子の形成方法。
【請求項３】
前記微細な凹凸を形成する際に発生した残渣を除去した後に、前記プレデポジション層を加熱して前記逆導電型半導体領域を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池素子の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池素子の形成方法に関し、特に半導体基板の一主面側に微細な凹凸と逆導電型半導体領域とを有する太陽電池素子の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
太陽電池は入射した光エネルギを電気エネルギに変換するものである。太陽電池のうち主要なものは使用材料の種類によって結晶系、アモルファス系、化合物系などに分類される。このうち、現在市場で流通しているのはほとんどが結晶系シリコン太陽電池である。この結晶系シリコン太陽電池はさらに単結晶型、多結晶型に分類される。単結晶型のシリコン太陽電池は基板の品質がよいために高効率化が容易であるという長所を有する反面、基板の製造が高コストになるという短所を有する。これに対して多結晶型のシリコン太陽電池は基板の品質が劣るために高効率化が難しいという短所はあるものの、低コストで製造できるという長所がある。また、最近では多結晶シリコン基板の品質の向上やセル化技術の進歩により、研究レベルでは１８％程度の変換効率が達成されている。
【０００３】
一方、量産レベルの多結晶シリコン太陽電池は低コストであったため、従来から市場に流通してきたが、近年環境問題が取りざたされる中でさらに需要が増してきており、低コストでより高い変換効率が求められるようになった。
【０００４】
太陽電池では電気エネルギへの変換効率を向上させるために従来から様々な試みがなされてきた。そのひとつに基板に入射する光の反射を低減する技術があり、基板表面での光の反射を低減することで電気エネルギヘの変換効率を高めることができる。
【０００５】
シリコン基板を用いて太陽電池素子を形成する場合、基板の一主面側を水酸化ナトリウムなどのアルカリ水溶液でエッチングすると、基板の一主面側に微細な凹凸が形成され、反射をある程度低減できる。面方位が（１００）面の単結晶シリコン基板を用いた場合、このような方法でテクスチャ構造と呼ばれるピラミッド構造を基板の一主面側に均一に形成することができるものの、アルカリ水溶液によるエッチングは結晶の面方位に依存することから、多結晶シリコン基板で太陽電池素子を形成する場合、ピラミッド構造を均一には形成できず、そのため全体の反射率も効果的には低減できないという問題がある。
【０００６】
このような問題を解決するために、太陽電池素子を多結晶シリコンで形成する場合に、その表面に微細な凹凸を反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法で形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、多結晶シリコンにおける不規則な結晶の面方位に左右されずに微細な凹凸を均一に形成し、多結晶シリコンを用いた太陽電池素子においても反射率をより効果的に低減しようとするものである。
【０００７】
この方法で半導体基板の一主面側に微細な凹凸を形成すると、エッチングされた基板の表面にはエッチング残渣が発生する。このエッチング残渣は太陽電池に入射する光を遮るために除去する必要がある。このエッチング残渣の除去方法として、水中で超音波洗浄する方法がある。この方法は、太陽電池基板を載置したトレイを水中に浸漬し、その上から超音波ホーンで超音波を印加して残渣を除去するものである。
【０００８】
また、残渣を連続して除去する場合、例えば特願２００２−７３０５７号明細書にあるように、回転するベルトまたはチェーンに固定されたトレイ上に太陽電池基板を載置して水中に浸漬して超音波ホーン部を連続して通過させるよう構成すればよい。
【０００９】
一方、バルク型太陽電池を形成するには、受光面側に基板とは逆の導電型を有する半導体領域を薄く形成する必要がある。これによってｐｎ接合を形成して光起電力を得る。この逆導電型半導体領域を形成する方法としては、例えばＰ型のシリコン基板の場合には、気相中でＰＯＣｌ３をキャリアガスを介して流すなどして基板表面にリンガラスを形成して熱処理によってリンを基板中に拡散させる方法がある。これは一般に気相拡散と呼ばれる。また、他の方法としてリンまたはリン化合物を含んだ溶剤を表面に塗布して加熱処理によって拡散する方法もある。これは一般に塗布拡散と呼ばれる。このように、逆導電型半導体領域を形成するには、基板表面に高濃度の不純物拡散源のプレデポジション層を形成し、これを加熱処理することによって基板の一主面側に拡散させる。実際の工程では拡散源となるプレデポジション層の形成と加熱処理による拡散を別々に行う場合もあれば、同時に行う場合もある。
【００１０】
従来、基板の一主面側に微細な凹凸と逆導電型半導体領域とを形成する場合、エッチングで発生した残渣を超音波洗浄等で除去してから逆導電型半導体領域を形成していた。
【００１１】
また、基板表面に微細な凹凸を形成すると、微細な凹凸の上部に残渣が堆積する。図８に微細な凹凸と残渣が形成されたときの状態を示す。図８において、１は残渣、２はピラー、３は微細な凹凸の突起、７はシリコン基板である。
【００１２】
残渣１は微細な凹凸の突起３の上部に形成されたピラー２の上に形成される。このピラー２部分は主に結晶で構成されているが、径が細いために非常に脆い状態になっており、残渣１を除去する工程での物理的な作用によって比較的簡単に破壊される。残渣１を除去する工程でピラー２部分と残渣１は除去されて、図９に示すように、突起３の上部には何もない状態になり、この状態で逆導電型半導体領域を形成するための不純物拡散を行う。図１０に示すように、半導体基板１の表面にプレデポジション層４が形成され、図１１に示すように、このプレデポジション層４を加熱処理して逆導電型半導体領域６を形成する。
【００１３】
逆導電型半導体領域６を形成する際に、この逆導電型半導体領域６のさらにごく表面には薄いダメージ層が形成される。このダメージ層は拡散の際に特に表面に非常に濃い不純物層が形成されてできるものであり、デッドレイヤと呼ばれている。このデッドレイヤが厚くなるとキャリアの再結合が増えるために太陽電池としての特性が低下する原因となる。太陽電池の効率向上のためにはこのデッドレイヤの影響をできるだけ少なくすることが重要である。
【００１４】
図１２に示すように、突起３の状態を詳細にみると突起３の上部に残渣１がつながった状態となっている。図１２において、１は残渣、２はピラー、３は突起である。図９に示すように、従来は残渣１を除去した後に、図１０に示すように、プレデポジション層４を形成し、図１１に示すように、逆導電型半導体領域６を形成していた。すなわち、詳細にみると、図１３に示すように、残渣１を除去した後、図１４に示すように、プレデポジション層４を形成し、図１５に示すように、逆導電型半導体領域６を形成していた。このとき、ごく表面にはさらにデッドレイヤ５が形成される。突起３の上部は非常に細くなっており、突起３の先端の周囲全体から不純物が拡散されるため、突起３の先端部のデッドレイヤ５は大きな体積を占めることになる。
【００１５】
デッドレイヤ５の影響をできるだけ少なくするには、拡散工程の後にこの部分をウェットエッチング等で除去することも有効な方法であるが、表面に微細な凹凸３を形成している場合には、この微細な凹凸３がエッチングで破壊されてしまうためウェットエッチング等では除去することは好ましくない。
【００１６】
このように従来の方法では、微細な凹凸の突起３の先端部への不純物拡散が強くなってデッドレイヤ５の占める体積が増え、太陽電池の特性に好ましくない構造となっていた。
【００１７】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、デッドレイヤの発生を最小限に抑えた微細な凹凸を有する太陽電池素子の形成方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【特許文献１】
特開平９−１０２６２５号公報
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る太陽電池素子の形成方法によれば、一導電型を呈する半導体基板の一主面側に微細な凹凸と逆導電型半導体領域とを形成した後、この半導体基板の一主面側と他の主面側に電極を形成する太陽電池素子の形成方法において、前記微細な凹凸をプラズマを用いて形成した後、前記逆導電型半導体領域を形成するための拡散源となるプレデポジション層を形成し、しかる後前記微細な凹凸を形成する際に発生した残渣を除去することを特徴とする。このように構成すると、微細な凹凸の突起の上部に残渣が残った状態で半導体不純物が拡散されるため、先端でのデッドレイヤの占有体積を少なくすることができる。
【００２０】
前記微細な凹凸を形成する工程と前記プレデポジション層を形成する工程とを連続したチャンバ内で行うことが好ましい。また、逆導電型半導体領域を微細な凹凸を形成する工程とは別の外部の加熱処理で形成する場合でも、拡散源となるプレデポジション層は微細な凹凸を形成する工程と連続したチャンバ内で行うことが望ましい。このように構成すると、微細な凹凸を形成した後の基板表面が清浄に保たれ、目的の逆導電型不純物以外の物質のコンタミネーションを抑えることができる。
【００２１】
また、前記微細な凹凸を形成する際に発生した残渣を除去した後に、前記プレデポジション層を加熱して前記逆導電型半導体領域を形成することが好ましい。このように構成すると、残渣を除去する工程で基板に発生するダメージを拡散による加熱処理で回復させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る太陽電池素子の形成方法で形成される太陽電池素子の構造を示す図である。図１において、６は逆導電型半導体領域、７は半導体基板、８は微細な凹凸、９は反射防止膜、１０は裏面側の高濃度拡散層（ＢＳＦ）、１１は表面電極、１２は裏面電極を示す。なお、本発明では多結晶シリコン基板を例に説明しているが、結晶系基板を用いたバルク型の太陽電池であれば種類は問わない。
【００２３】
前記半導体基板７はｐ型、ｎ型いずれでもよい。単結晶シリコンの場合は引き上げ法などで形成され、多結晶シリコンの場合は鋳造法などで形成される。多結晶シリコンは、大量生産が可能で製造コスト面で単結晶シリコンよりもきわめて有利である。引き上げ法や鋳造法で形成されたインゴットを３００μｍ程度の厚みにスライスして、１５ｃｍ×１５ｃｍ程度の大きさに切断して半導体基板７となる。
【００２４】
半導体基板７の一主面側には入射する光を反射させずに有効に取り込むために微細な凹凸８を形成する。これは真空引きされたチャンバ内にガスを導入して一定圧力に保持してチャンバ内に設けられた電極にＲＦ電力を印加することでプラズマを発生させ、生じた活性種であるイオン・ラジカル等の作用によって基板の表面をエッチングするものである。この方法は反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法と呼ばれる。
【００２５】
図２に反応性イオンエッチング装置を示す。図２において、７は半導体基板、１３はマスフローコントローラ、１４はＲＦ電極、１５は圧力調整器、１６は真空ポンプ、１７はＲＦ電源、１８はアース、１９はチャンバである。
【００２６】
装置内にマスフローコントローラ１３部分からエッチングガスを導入するとともに、ＲＦ電極１４からＲＦ電力を供給することでプラズマを発生させてイオンやラジカルを励起活性化して、ＲＦ電極１４の上部に設置したシリコン基板７の表面に作用させてエッチングする。
【００２７】
発生した活性種のうち、イオンがエッチングに作用する効果を大きくした方法を一般に反応性イオンエッチング法と呼んでいる。類似する方法にプラズマエッチングなどがあるが、プラズマの発生原理は基本的に同じであり、基板に作用する活性種の種類の分布をチャンバ構造、電極構造、あるいは発生周波数等によって異なる分布に変化させているだけである。そのため、本発明は反応性イオンエッチング法に限らず、プラズマエッチング法全般に対して有効である。
【００２８】
本発明では、例えば塩素（Ｃｌ２）と酸素（Ｏ２）と六フッ化硫黄（ＳＦ６）を１：５：５の割合で流しながら、反応圧力７Ｐａで所定時間エッチングする。これによってシリコン基板７の表面には微細な凹凸８が形成される。シリコンはエッチングすると基本的には気化するが、一部は気化しきれずに分子同士が吸着して基板７の表面に残渣として残る。つまり、半導体基板７の表面を反応性イオンエッチング法および類似のドライエッチング法で粗面化する際に、エッチングされた半導体材料を主成分とするエッチング残渣を半導体基板７の表面に再付着させる速度を促進させ、これをエッチングのマイクロマスクとして利用することで半導体基板７の一主面側に微細な凹凸８を形成するものである。なお、このエッチング残渣は最終的には除去される。
【００２９】
また、ガス条件、反応圧力、ＲＦパワーなどをシリコンのエッチング残渣が半導体基板７の表面に残るような条件に設定すると、微細な凹凸８を確実に形成することができる。ただし、微細な凹凸８のアスペクト比は最適化する必要がある。逆に、半導体基板７の表面にエッチング残渣が残らないような条件では微細な凹凸８を形成することは困難である。
【００３０】
半導体接合を形成するために、一導電型を呈する半導体基板７の一主面側に逆導電型半導体領域６を形成する。この逆導電型半導体領域６の形成方法としては、一般に気相拡散の方法として、基板７を設置した容器内に加熱しながらキャリアガスを用いてＰＯＣｌ３を流すことで不純物拡散源となるリンガラスを基板７の表面に形成し、同時に基板７の表面への拡散も行う。また、他の方法としては塗布拡散などがあり、これは不純物拡散源となる薄膜を基板７上にスピンコートなどで塗布し、これを加熱処理によって拡散させて逆導電型半導体領域６を形成する方法である。本発明はこれらのように表面に高濃度の不純物拡散源を形成してから、あるいは同時に加熱処理を行って不純物拡散する方法のいずれの方法でも有効である。
【００３１】
図３に微細な凹凸を形成した直後の状態を示す。図３において、１は残渣、２はピラー、３は微細な凹凸の突起、７は半導体基板である。エッチング残渣１は半導体基板７の一主面側に形成された微細な凹凸の突起３の上部にピラー２部分を介して形成されている。
【００３２】
本発明においては、半導体基板７の一主面側にプラズマを用いて微細な凹凸３を形成した後、図４に示すように、逆導電型半導体領域５を形成するための不純物拡散源となるプレデポジション層４を形成し、図５に示すように、加熱処理によって逆導電型半導体領域５を形成してから残渣１を除去する。あるいはプラズマを用いて微細な凹凸２を形成した後、逆導電型不純物拡散源のプレデポジション層４を形成すると同時に加熱処理を行って、図５に示すように、逆導電型半導体領域５を形成してから残渣を除去する。また、図４に示すように、プレデポジション層４を形成してから、図６に示すように、残渣１を除去した後に加熱処理してもよい。このように構成すると、図７に示すように、微細な凹凸の突起３の上部でのデッドレイヤの占有する体積を最小限に抑えることが可能となり、太陽電池特性が向上する。
【００３３】
また、本発明においてはプラズマを用いて微細な凹凸３を形成する工程と逆導電型半導体領域５の形成工程とを連続したチャンバ内で行うことが望ましい。このようにすることで微細な凹凸３の形成工程でのエッチングされた清浄な表面を維持したまま逆導電型半導体領域５を形成することができるため、太陽電池の特性を低下させる要因となる金属などのコンタミネーションを最小限に抑えることができる。この連続したチャンバは同じ容器であってもよいし、別の容器に搬送してもよい。この逆導電型半導体領域５の形成工程にはプレデポジション層４の形成工程と加熱処理工程の両方が含んでもよい。
【００３４】
また、例えばリンの拡散のためには加熱処理は８００℃程度の高温が必要となる。そのため、チャンバなどへは高温対策が必要となり、真空装置そのもののコストも増加する。そのため、プレデポジション層４のみを微細な凹凸３の形成と連続したチャンバで形成し、加熱処理を外部の装置で行うことも可能である。
【００３５】
また、このように連続したチャンバでプレデポジション層４の形成を行う方法としては、前述のように気相拡散や塗布拡散と同様な方法を用いることができるが、別な方法として、蒸着やスパッタ等の一般に用いられる薄膜形成装置を用いることも可能である。
【００３６】
微細な凹凸の突起３の上部に形成される残渣１は主成分が半導体基板７と同じ材料で構成されているため、化学的エッチング方法では選択性をもって除去することができない。そのため、超音波洗浄などの物理的な方法で除去する必要がある。物理的な方法で残渣１を除去すると、基板７に対して機械的ダメージを与えてしまい、結晶欠陥の発生等を招いて太陽電池の特性を低下させる要因となる。この特性低下を最小限に抑えるために、本発明ではプラズマを用いた微細な凹凸８の形成工程とプレデポジション層４の形成工程とを連続した真空チャンバ内で行い、かつその後に残渣１の除去工程を行ってから、別途逆導電型半導体領域５を形成するための加熱処理をすることが好ましい。このように構成すると、基板７の欠陥が熱処理によって緩和され、残渣１を除去する際に発生したダメージが回復するために太陽電池の特性が向上する。
【００３７】
図１に示すように、最後に半導体基板７の一主面側と他の主面側に電極１１、１２を形成する。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る太陽電池素子の形成方法によれば、微細な凹凸をプラズマを用いて形成した後、逆導電型半導体領域を形成するための拡散源となるプレデポジション層を形成し、しかる後微細な凹凸を形成する際に発生した残渣を除去することから、微細な凹凸の上部に残渣が残った状態で拡散されるため、先端でのデッドレイヤの占有体積を少なくすることができ、太陽電池の特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る太陽電池素子の形成方法を用いて形成した太陽電池素子を示す図である。
【図２】本発明に係る太陽電池素子の形成方法に用いるエッチング装置を示す図である。
【図３】本発明に係る太陽電池素子の形成方法のエッチング残渣の付着状態を説明するための図である。
【図４】本発明に係る太陽電池素子の形成方法のプレデポジション層を説明するための図である。
【図５】本発明に係る太陽電池素子の形成方法の逆導電型半導体領域を説明するための図である。
【図６】本発明に係る太陽電池素子の形成方法の他のプレデポジション層を説明するための図である。
【図７】本発明に係る太陽電池素子の形成方法の他の逆導電型半導体領域を説明するための図である。
【図８】従来の太陽電池素子の形成方法のエッチング残渣の付着状態を説明するための図である。
【図９】従来の太陽電池素子の形成方法のエッチング残渣を除去した状態を説明するための図である。
【図１０】従来の太陽電池素子の形成方法のプレデポジション層を説明するための図である。
【図１１】従来の太陽電池素子の形成方法の逆導電型半導体領域を説明するための図である。
【図１２】従来の太陽電池素子の形成方法のエッチング残渣の他の付着状態を説明するための図である。
【図１３】従来の太陽電池素子の形成方法のエッチング残渣を除去した他の状態を説明するための図である。
【図１４】従来の太陽電池素子の形成方法の他のプレデポジション層を説明するための図である。
【図１５】従来の太陽電池素子の形成方法の他の逆導電型半導体領域を説明するための図である。
【符号の説明】
１；残渣、２；ピラー、３；突起、４；プレデポジション層、５；デッドレイヤ、６；逆導電型半導体領域、７；半導体基板、８；微細な凹凸、９；反射防止膜、１１；表面電極、１２；裏面電極
【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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【図１４】
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【図１５】
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