(57)【要約】【課題】インクジェット法により複数の種類の塗布剤の塗り分けを同時に行い、ドーパント濃度やドーパント種類が異なる領域を簡単な工程で作り出す。シリコン基板において、電極と接する部分のみのドーパント濃度を高めることで、高い光電変換効率の太陽電池が得られる。【解決手段】インクジェット法によって、含有するドーパント濃度が異なる塗布剤を塗り分ける。あるいは、ドーパントの種類が異なる塗布剤を塗り分ける。【効果】塗布剤を塗り分けて高温でドーパントを拡散させると、フォトリソグラフィーのように多くの工程を用いることなく、電極と接する部分のみドーパント濃度を高めることができる。その結果、低コストで高い光電変換効率を有する太陽電池を作ることができる。【選択図】  図１
2004221149.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶シリコン基板あるいは多結晶シリコン基板を基板として用い、塗布拡散法により形成したｐｎ接合を有する太陽電池の製造方法において、前記塗布拡散法に使用する塗布拡散剤として、複数のドーパント種類あるいは複数のドーパント含有濃度のものを使用し、前記塗布拡散剤をインクジェット法により基板に塗り分け、拡散層パターンを形成することを特徴とする太陽電池の製造方法。
【請求項２】
前記塗布拡散剤として複数のドーパント種類でかつ複数のドーパント含有濃度のものを使用する、請求項１記載の太陽電池の製造方法。
【請求項３】
前記塗布拡散剤の塗り分けを、前記インクジェット法におけるインク吐出機構を一度だけ前期基板上を通過させることで実施する、請求項１および請求項２に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項４】
前記塗布拡散剤を塗布後、熱処理を施して拡散を実施した後の塗布膜を剥離せず、電流取り出し用の電極を固化した塗布剤の上に形成し、焼成することでシリコン基板との接続をおこなうことを特徴とする、請求項１から請求項３までに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、単結晶シリコン基板および多結晶シリコン基板を用いて太陽電池セルを製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶シリコン基板あるいは多結晶シリコン基板にｐｎ接合を形成することで太陽電池としたものが広く知られており、また用いられている。このような太陽電池はシリコンｐｎ接合型太陽電池と呼ばれており、その動作原理は例えば浜川佳弘・桑野幸徳共編，「太陽エネルギー工学」（培風館）ｐ２１に記載されている。太陽電池は光を電気エネルギーに変換する光電変換デバイスであり、その能力を示す光電変換効率を高めることが望まれている。次に、太陽電池の代表的な製作方法を以下に説明する。ｐ型シリコン基板をＰＯＣｌ３  雰囲気内で加熱するか、リンを含む塗布剤を塗布した状態で加熱することで、シリコン基板表面に高濃度のドーパント層を導入してｎ＋  層を形成する。その上に電流取り出し用の金属電極を印刷する。裏面は全面にアルミニウムを印刷して焼成することでアルミニウムとシリコンとを合金化するとともにｐ＋  層とし、さらに電流取り出し用の銀電極を印刷する。この工程は単結晶シリコン基板と多結晶シリコン基板とでほぼ同じであり、その違いは多結晶シリコンでは基板内部の欠陥の不活性化処理が必要なことなどである。
【０００３】
特に光電変換効率を高めることを目的とした太陽電池セルが単結晶シリコン基板を用いて作成されている。例えば、前記「太陽エネルギー工学」ｐ８７に記載されているＰＥＲＣ（ｐａｓｓｉｖａｔｅｄ  ｅｍｉｔｔｅｒ  ａｎｄ  ｒｅａｒ  ｃｅｌｌ）構造やＰＥＲＬ（ｐａｓｓｉｖａｔｅｄ  ｅｍｉｔｔｅｒ  ｒｅａｒ  ｌｏｃａｌｌｙ  ｄｉｆｆｕｓｅｄ）構造がある。これらはいずれも金属電極とシリコンとのコンタクト部のシリコン部におけるドーパント濃度を高めており、それ以外の場所のドーパント濃度はそれほど高めていない。これは、金属電極とシリコンとのコンタクト部はコンタクト抵抗の低減および動作電圧を高める目的でドーパントの高濃度領域が必要な一方、金属電極部以外ではドーパント濃度を小さくしてキャリアのライフタイムを長くするためである。前述のように表面全面をドーパント濃度を高めた方が工程は簡素となるが、その濃度は基板のシリコンの０．１％  程度に達するほどの高濃度が必要で、そのような層は極めてキャリヤのライフタイムが短く発電に寄与しない。また短波長の光は吸収係数が大きいためにこの高濃度層で吸収されやすいが、キャリヤのライフタイムが短いため発電に寄与せずロスとなる。したがって、太陽電池の光電変換効率を高めるには、金属電極部とのコンタクト部のみのドーパント濃度を高濃度とし、それ以外の表面に関しては濃度を下げることが望ましい。
【０００４】
従来、前述のような金属電極部とのコンタクト部のみのドーパント濃度を高濃度とし、それ以外の表面のドーパント濃度を下げるというドーパント濃度のパターンを形成するためには、レジストパターン形成と拡散，エッチングを繰り返さなければならず、工程が煩雑であった。このことは製品コストの上昇を招く。そのため、拡散層濃度をパターニングした太陽電池は高い光電変換効率を有するにもかかわらず、実用化されていなかった。ドーパントを含むペーストを用いスクリーン印刷してパターニングする方法が、例えば特開平８−３３５７１１号に記載されている。スクリーン印刷法は簡便で実績ある方法であるが、異なるペーストを同時に印刷することはできず、ドーパント濃度分布のパターンを形成するためには何度も印刷・焼成の工程が必要になるという問題があった。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−３３５７１１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ドーパント濃度を場所により変えるためには、従来はレジストパターン形成など煩雑な工程が必要であった。しかしこれは太陽電池の製造コストの増大につながるため、実際の製品の製造にはほとんど使用されていない。本発明は簡素な工程でドーパント濃度を場所によって変える方法を提供するものであり、安価に光電変換効率が高い太陽電池を製造する方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、単結晶シリコン基板あるいは多結晶シリコン基板を基板として用い、塗布拡散法によりｐｎ接合を形成した太陽電池において、前記塗布剤は複数のドーパント種類あるいは複数のドーパント含有濃度のものを使用し、前記塗布剤をインクとしたインクジェット法により前記塗布剤を基板に塗り分けて塗布したものである。前記塗布拡散剤は、ドーパントとなる元素の種類が異なるものを用いても良い。さらに、複数の塗布拡散剤を塗り分けることで、製造プロセスはより簡素化される。また、塗布拡散剤により拡散を実施した後で、塗布拡散剤を剥離せずその上部に金属電極を形成し、焼成することでシリコンと金属電極との電気的接触を確保しても良い。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明を実施した、裏面電極型太陽電池の製造方法の第１の実施例を示す。まず（ａ）に示すようにｐ型の導電性を有する単結晶シリコン基板１１を用意し、（ｂ）に示すようにインクジェット法により、拡散防止用塗布剤２６，高濃度ｎ＋  用塗布剤２５および低濃度ｎ＋  用塗布剤２４を一度に塗布することができる。ヘッドアッセンブリ２０には塗布剤の種類に対応してヘッド２２，ヘッド２３，ヘッド２４が取り付けられており、ヘッドアッセンブリ２０が移動しながら各ヘッドが適切に設定されたタイミングで塗布剤を噴射することで所望の塗布パターンを描くことができる。拡散防止用塗布剤２６，高濃度ｎ＋  用塗布剤２５および低濃度ｎ＋  用塗布剤２４は、いずれもケイ素の有機化合物を有機溶媒と混合したもので、拡散防止用塗布剤２６はドーパントとしての不純物を含んでおらず、高濃度ｎ＋  用塗布剤２５は五酸化二リンを５重量パーセント、低濃度ｎ＋  用塗布剤２４は五酸化二リンを０．５重量パーセントを含んだものである。ここで、負電極５１を形成すべき位置に高濃度ｎ＋  用塗布剤２５を、正電極５２を形成すべき位置に拡散防止用塗布剤２６を、そして負電極５１も正電極５２も形成しない位置には低濃度ｎ＋  用塗布剤２４を（ｃ）に示したように塗り分け、拡散防止皮膜３３，高濃度ｎ＋  用塗布皮膜３２および低濃度ｎ＋  用塗布皮膜３１を形成した。基板１１を２００℃で乾燥した後、１０００℃で３０分、窒素と酸素との混合ガス中で熱処理を行い、ドーパントであるリンを拡散した。なお、拡散防止皮膜３３は雰囲気中にしみ出したドーパントを含むガスがシリコン基板１１内に侵入することを抑制する役目を果たす。その結果、（ｄ）に示すように、基板１１には高濃度ｎ＋  領域４２および低濃度ｎ＋  領域４１が形成される。次に（ｅ）に示すように拡散防止皮膜３３，高濃度ｎ＋  用塗布皮膜３２および低濃度ｎ＋  塗布皮膜３１をフッ酸により除去し、最後に（ｆ）に示すように銀から成る負電極５１および正電極５２をスクリーン印刷により形成して太陽電池セルとした。なお、正電極５２の下側のアルミニウム電極５３は、ｐ＋  層５４を形成するためのものである。本実施例の太陽電池は基板１１１のどの面から光が入射しても発電をすることが可能である。
【０００９】
図２に、本発明を実施した太陽電池の製造方法の第２の実施例を示す。まず（ａ）に示すようにｐ型の導電性を有する単結晶シリコン基板１１１を用意し、（ｂ）に示すようにインクジェット法により、高濃度用ｎ＋  塗布剤１２５および低濃度ｎ＋  用塗布剤１２４とを塗布する。高濃度ｎ＋  用塗布剤１２５は第１の実施例における高濃度ｎ＋  用塗布剤２５と同じものを、低濃度ｎ＋  用塗布剤１２４は第１の実施例における低濃度ｎ＋  用塗布剤２４と同じものを用いた。本実施例でも高濃度ｎ＋  用塗布剤１２５および低濃度ｎ＋  用塗布剤１２４とを塗り分け、高濃度ｎ＋  用塗布皮膜１３２および低濃度ｎ＋  用塗布皮膜１３１を形成した。基板１１１を２００℃で乾燥した後、１０００℃で３０分、窒素と酸素との混合ガス中で熱処理を行い、ドーパントであるリンを拡散した。その結果、（ｄ）に示すように基板１１１には高濃度ｎ＋  領域１４２および低濃度ｎ＋  領域１４１が形成される。次に（ｅ）に示すように高濃度ｎ＋  用塗布皮膜１３２および低濃度ｎ＋  塗布皮膜１３１をフッ酸により除去し、（ｆ）に示すように銀から成る負電極１５１および正電極１５２をスクリーン印刷により形成して太陽電池セルとした。なお、正電極１５２と隣接しているアルミニウム電極１５３は、ｐ＋  層１５４を形成するためのものである。なお、本実施例の太陽電池における受光面は負電極１５１側のみである。
【００１０】
図３に、本発明を実施した太陽電池の製造方法の第３の実施例を示す。まず（ａ）に示すようにｐ型の導電性を有する単結晶シリコン基板２１１を用意し、拡散防止用塗布剤２２６，高濃度ｐ＋  領域形成用塗布剤２２７および高濃度ｎ＋  領域形成用塗布剤２２４を塗布する。（ｂ）に示すようにインクジェット法により、拡散防止用塗布剤２２６は第１の実施例における拡散防止用塗布剤２６と同じものを、高濃度ｎ＋  領域形成用塗布剤２２４は第１の実施例における高濃度ｎ＋  用塗布剤２５と同じものを、そして高濃度ｐ＋  領域形成用塗布剤２２７はケイ素化合物と有機溶媒とを混合した溶液に酸化ホウ素を１重量パーセント溶かしたものを用いた。本実施例でも第１の実施例と同様に、拡散防止用塗布剤２２６、高濃度ｐ＋  領域形成用塗布剤２２７および高濃度ｎ＋  領域形成用塗布剤２２４を塗り分け、拡散防止皮膜２３３，高濃度ｐ＋  領域形成用塗布皮膜２３４および高濃度ｎ＋  領域形成用塗布皮膜２３２を形成した。基板２１１を２００℃で乾燥した後、１０００℃で３０分、窒素と酸素との混合ガス中で熱処理を行い、ドーパントであるリンおよびホウ素を拡散した。その結果、（ｄ）に示すように基板２１１には高濃度ｐ＋領域２４４および高濃度ｎ＋領域２４２が形成される。次に（ｅ）に示すように拡散防止皮膜２３３，高濃度ｐ＋  領域形成用塗布皮膜２３４および高濃度ｎ＋  領域形成用塗布皮膜２３２をフッ酸により除去し、（ｆ）に示すように銀から成る負電極２５１および正電極２５２をスクリーン印刷により形成して太陽電池セルとした。本実施例では基板２１１にｐ型の導電性を有するものを用いたが、ｎ型の導電性を有するものを用いても良い。その場合、高濃度ｎ＋  領域と高濃度ｐ＋  領域との位置関係を入れ替えれば良い。
【００１１】
図４に、本発明を実施した、裏面電極型太陽電池の製造方法の第４の実施例を示す。本実施例は（ａ）から（ｄ）までは第１の実施例と同じであるが、（ｅ）が異なる。すなわち拡散防止皮膜３３３，高濃度ｎ＋  用塗布皮膜３３２および低濃度ｎ＋  塗布皮膜３３１を除去せずに、その上に直接銀から成る負電極３５１を印刷した。これは、拡散防止皮膜３３３，高濃度ｎ＋  用塗布皮膜３３２および低濃度ｎ＋  塗布皮膜３３１はすべて塗布直後は厚さが約２００ｎｍであるのに対し、拡散時には高温のため有機物が分解脱離して厚さが減少し、その厚さが５０ｎｍ程度と薄くなる。一方負電極３５１の原料には還元剤を混合しておき、焼成することで負電極３５１は高濃度ｐ＋  領域形成用塗布皮膜３３２が薄いために領域３５５を突き抜けて、高濃度ｎ＋  領域３４２と電気的に接続される。アルミニウム電極３５３も同様に領域３５６を突きぬけて高濃度ｐ＋  領域３５４と電気的に接続される。本実施例のように、塗布皮膜の上に直接銀電極を形成する方法は、第２の実施例および第３の実施例においても適用することができる。
【００１２】
なお、これまで述べた塗布拡散剤および拡散防止用塗布剤は、同時に塗布すれば最も短時間で処理を行うことができ、生産性が最も高い。一方、塗布剤の種類毎に別々のインクジェット塗布装置を用いて塗布してもかまわない。
【００１３】
図５は従来の方法で本発明の第１の実施例と同じ性能を有する太陽電池を作製した例を示している。（ａ）から処理を開始し、（ｂ）が高濃度拡散，（ｃ）レジストパターン形成，（ｄ）高濃度拡散領域パターンエッチング，（ｅ）レジスト剥離，（ｆ）低濃度拡散，（ｇ）レジストパターン形成，（ｈ）低濃度拡散領域パターンエッチング，（ｉ）レジスト剥離，（ｊ）電極形成、で完成となる。従来の方法では、レジストのパターニングやエッチング、拡散を繰り返して行わなければならず、製造工程が煩雑である。
【００１４】
【発明の効果】
第１の実施例により作製した太陽電池の光電変換効率は１３．０％  であった。一方、従来の方法で作製した図５に示した太陽電池の光電変換効率は１３．１％  であった。製造コストに関しては第１の実施例により作製した太陽電池は図５に示した太陽電池の６０％であった。したがって、本発明により同等の光電変換効率で工程数を簡略化することができ、製造コストを低減することができた。第２の実施例により作製した太陽電池は、図６に示した表面側の全面にｎ＋  拡散層５４２を有する太陽電池の光電変換効率が１４．７％であったのに対し、１６．０％の光電変換効率が得られた。一方、拡散用の塗布剤を塗布する工程は第２の実施例も図６の太陽電池の作製においても同じであるから、製造コストは同じであった。したがって同じ製造コストで光電変換効率が高い太陽電池を得ることができた。第３の実施例により作製した太陽電池は、光電変換効率が１２．５％  であったが、電極形成の工程を大幅に簡略化できたので第一の実施例の場合に対して製造コストを９０％とすることができた。第４の実施例により作製した太陽電池においては、光電変換効率が１２．８％  と第１の実施例よりわずかに低下した。一方工程は簡略化できたため、製造コストは第１の実施例の場合の９２％とすることができた。
【００１５】
従って本発明は、光電変換効率の向上や製造コストの低減の効果があった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例である太陽電池の製造工程を示した図。
【図２】本発明の第２の実施例である太陽電池の製造工程を示した図。
【図３】本発明の第３の実施例である太陽電池の製造工程を示した図。
【図４】本発明の第４の実施例である太陽電池の製造工程を示した図。
【図５】本発明の第１の実施例と同等の太陽電池を、従来の方法で作製する場合の製造工程を示した図。
【図６】表面のドーパント濃度を全面にわたって高濃度とした太陽電池の内部構造を示した図。
【符号の説明】
１１，１１１，２１１，３１１，４１１…シリコン基板、２０，１２０，２２０，３２０…ヘッドアッセンブリ、２１，２２，２３，１２１，１２２，１２３，２２１，２２２，２２３，３２１，３２２，３２３…ヘッド、２４，１２４，２２４，３２４…低濃度ｎ＋  用塗布剤、２５，１２５，２２５，３２５…高濃度ｎ＋用塗布剤、２６，２２６，３２６…拡散防止用塗布剤、２２７…高濃度ｐ＋用塗布剤、３１，１３１，２３１，３３１…低濃度ｎ＋  用塗布皮膜、３２，１３２，２３２，３３２…高濃度ｎ＋  用塗布皮膜、３３，２３３，３３３…拡散防止用塗布皮膜、４１，１４１，３４１，４４１…低濃度ｎ＋  拡散層、４２，１４２，３４２，４４２，５４２…高濃度ｎ＋  拡散層、４４，１４４，２４４，３４４，４４４，５４４…高濃度ｐ＋  拡散層、５１，１５１，２５１，３５１，４５１，５５１…負電極、５２，１５２，２５２，３５２，４５２，５５２…正電極、５３，１５３，３５３，４５３，５５３…アルミニウム膜。
【図１】
2004221149.tif 000003
【図２】
2004221149.tif 000004
【図３】
2004221149.tif 000005
【図４】
2004221149.tif 000006
【図５】
2004221149.tif 000007
【図６】
2004221149.tif 000008