(57)【要約】【課題】工程が複雑で且つ高価な設備および材料を必要とするホトリソグラフィ技術を用いることなく、簡易且つ安価に製造できる裏面接合型太陽電池およびその製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板１１と、半導体基板１１の裏面側に配置された絶縁膜１２と、絶縁膜１２を貫通して半導体基板１１の内部に到達する開口部１５，１６と、開口部１５，１６から半導体基板内部に形成された拡散層１７，１８と、開口部１５，１６を貫通して拡散層１７，１８に接続すると共に、絶縁膜１２上に形成された電極１９，２０とを備えた。半導体基板１１の内部に到達する開口部１５，１６は、断面形状が山型をなしていることが好ましく、開口部１５，１６は、研磨により形成されたものであることを特徴とするものである。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、該半導体基板の裏面側に配置された絶縁膜と、該絶縁膜を貫通して前記半導体基板の内部に到達する開口部と、該開口部から前記半導体基板内部に形成された拡散層と、前記開口部を貫通して前記拡散層に接続すると共に、前記絶縁膜上に形成された電極とを備えたことを特徴とする裏面接合型太陽電池。
【請求項２】
前記半導体基板の内部に到達する開口部は、断面形状が山型をなしていることを特徴とする請求項１記載の裏面接合型太陽電池。
【請求項３】
前記開口部は、研磨により形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の裏面接合型太陽電池。
【請求項４】
半導体基板の裏面に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜を貫通して前記半導体基板に到達する開口部を研磨具を用いて研磨により形成し、前記開口部から前記半導体基板内部に不純物を拡散して拡散層を形成し、前記開口部を貫通して前記拡散層に接続すると共に前記絶縁膜上に延在する電極を形成することを特徴とする裏面接合型太陽電池の製造方法。
【請求項５】
前記半導体基板の内部に到達する開口部を、断面形状が山型の研磨具を用いて形成することを特徴とする請求項４記載の裏面接合型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、光入射面と反対の面にＰＮ接合と正負の電極を配置した裏面接合型太陽電池に係り、特にその構造および製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工業的に大量に生産されている太陽電池は、非結晶（アモルファス）シリコン材料を用いたものが多い。しかしながら、このような太陽電池は生産コストは低いが発電効率が低いという問題がある。そこでこの改良のため、シリコン単結晶または多結晶基板に、ＰＮ接合を形成し、これにより光・電気の変換効率を向上させる努力がなされている。
【０００３】
このようなシリコン結晶基板にＰＮ接合および電極を備えた半導体デバイスを形成するには、ホトリソグラフィ技術が用いられる場合がある。即ち、シリコン結晶基板の裏面に絶縁膜を形成し、拡散層および電極を形成するためにホトレジスト膜を基板に塗布し、ホトマスクを用いてマスク合わせ装置によりマスク合わせ後露光し、現像によりホトレジスト膜の露光部または非露光部を除去し、残されたホトレジスト膜をマスクとしてエッチングを行い絶縁膜に開口部を形成する。
【０００４】
しかしながら、上述のホトリソグラフィ技術によれば、ホトレジスト膜の塗布、マスク合わせ、露光、現像、エッチング、洗浄等の多数の工程が必要であり、その製造工程が煩雑であるという問題がある。また、ホトマスク、露光設備、ケミカルベンチ、薬品類等が必要であり、これらの設備および材料が一般に高価であり、製造コストが高くならざるを得ないという問題がある。また、ホトリソグラフィ技術を用いた従来の工程からは、多くの廃棄物が発生し、環境負荷がかかるという問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、工程が複雑で且つ高価な設備および材料を必要とするホトリソグラフィ技術を用いることなく、簡易且つ安価に製造できる裏面接合型太陽電池およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の裏面接合型太陽電池は、半導体基板と、該半導体基板の裏面側に配置された絶縁膜と、該絶縁膜を貫通して前記半導体基板の内部に到達する開口部と、該開口部から前記半導体基板内部に形成された拡散層と、前記開口部を貫通して前記拡散層に接続すると共に、前記絶縁膜上に形成された電極とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の裏面接合型太陽電池の製造方法は、半導体基板の裏面に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜を貫通して前記半導体基板に到達する開口部を研磨具を用いて研磨により形成し、前記開口部から前記半導体基板内部に不純物を拡散して拡散層を形成し、前記開口部を貫通して前記拡散層に接続すると共に前記絶縁膜上に延在する電極を形成することを特徴とする。
【０００８】
上記本発明によれば、半導体基板裏面側の絶縁膜を貫通して半導体基板内部に到達する開口部を設け、この開口部から不純物を拡散して拡散層を形成し、これに接続する電極を形成することができる。そして、開口部を回転砥石等の研磨具を用いた研磨により形成するので、工程が複雑で高価な設備および材料を必要とするホトリソグラフィ技術を用いることなく結晶基板型の太陽電池を製造することができる。ここで、絶縁膜は選択的に拡散層を形成する機能のみならず、パッシベーション膜（保護膜）としての役割を持たせることができる。
【０００９】
また、前記半導体基板の内部に到達する開口部は、断面形状が山型をなしていることが好ましい。回転砥石等の研磨具の外周部をその断面形状が山型とすることで、被加工物である半導体基板内部に山型の断面形状を有する開口部を形成することができる。この山型の断面形状を有する開口部から拡散層を形成することで、その拡散層も山型となり、ＰＮ接合を山型に形成することができる。それ故、半導体基板表面側から入射して裏面側に到達した光を内部で散乱させて発電効率を高めることが可能となる。
【００１０】
前記研磨具は、複数のブレードを一体化したマルチブレードであり、複数の開口部を一括して形成することが好ましい。これにより、多数の開口部の形成を一括して処理することが可能となり、大幅に生産性を向上することができる。また、前記研磨具の砥粒粒径は、０．５μｍから４μｍであることが好ましい。これにより、絶縁膜を備えた半導体基板を精度よく研磨（研削）加工による開口部を形成することが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図１および図２は、本発明の一実施形態の裏面接合型太陽電池の構成例を示す。この太陽電池は、図１（ａ）に示すように例えばＮ型の結晶性半導体基板１１の裏面側に拡散層１７，１８と電極１９，２０とを配置し、裏面接合型太陽電池を構成している。ここで、結晶性半導体基板１１としては、シリコン多結晶基板またはシリコン単結晶基板が用いられている。半導体基板１１のサイズは、この実施形態では３３ｍｍ×１００ｍｍ程度であり、厚さは１００μｍ程度である。そして、この半導体基板１１はＮ型にドープされ、シート抵抗は５０Ω／ｃｍ２程度である。
【００１３】
この半導体基板１１の表面側に、Ｓｉ３Ｎ４膜からなる表面反射防止膜１３が形成され、その裏面側にはＳｉＯ２膜からなる裏面絶縁及びパッシベーション膜１２が形成されている。そして、裏面側の絶縁膜１２を貫通して半導体基板１１の内部に到達する開口部１５，１６が研磨により形成され、その開口部から半導体基板内部に拡散により形成された拡散層１７，１８を備えている。そして、この開口部１５，１６には拡散層１７，１８に接続すると共に絶縁膜１２上に延在する電極１９，２０が形成されている。
【００１４】
幅広の開口部１５からはＰ型の不純物（ドーパント）が半導体基板１１の内部に拡散され、これによりＰ型の拡散層１７が形成され、Ｎ型の半導体基板１１との間にＰＮ接合が形成される。電極１９は、Ａｌペーストをスクリーン印刷によりパターン形成して、その後加温乾燥することにより形成したものである。この電極１９は、Ｐ型拡散層１７に導通すると共に、絶縁膜１２の表面に延在し、＋側の電極として機能する。一方で、幅狭の開口部１６からは、リン等のＮ型の不純物（ドーパント）が拡散され、Ｎ＋型の拡散層を形成する。そして、開口部１６に銀ペーストをスクリーン印刷によりパターン形成し、加温乾燥することで拡散層１８に接続すると共に絶縁膜１２の表面に延在する電極２０が形成される。この電極２０は、−側の電極として機能する。
【００１５】
開口部１５，１６は、例えば回転砥石を用いた研磨により形成される。従って、半導体デバイスの形成に一般に必要とされているホトリソグラフィ技術をいっさい用いることなく、選択的に拡散層および電極を形成した裏面接合型太陽電池を製造することができる。半導体基板の内部に到達する開口部１５，１６は、図示するように断面形状が山型を成している。回転砥石等の研磨具の外周部をその断面形状が山型とすることで、被加工物である半導体基板内部に山型の断面形状を有する開口部１５，１６を形成することができる。この山型の断面形状を有する開口部から拡散層１７，１８を形成することで、その拡散層も山型となり、ＰＮ接合を山型に形成することができる。それ故、半導体基板表面側から入射して裏面側に到達した光を内部で散乱させて発電効率を高めることが可能となる。
【００１６】
図１（ｂ）及び図２は、裏面接合型太陽電池の裏面電極構造を示す。図示するように、＋側電極１９と−側電極２０とがそれぞれバスバー１９ａ，２０ａに接続され、櫛歯状に形成され、互いに間挿するように交差指状に配置されている。従って、半導体基板の裏面側に形成された多数の島状のＰＮ接合から生じる起電力を＋側の電極のバスバー１９ａと−側の電極のバスバー２０ａの間に取り出すことができる。この実施形態では、電極１９及び電極２０の数はそれぞれ４０本であり、電極１９の幅は１２００μｍであり、電極２０の幅は７００μｍである。
【００１７】
半導体基板の裏面に形成する開口部の形状は、図３に示すように太陽電池の有効受光面にわたって連続的に設けた１本の長方形のものが標準的である。しかしながら、図４に示すように開口部の幅を小さくしたり、多数の不連続的に分割した開口部とすることができる。このように分割することで、開口部の総面積を５〜４０％程度に減少させ、電極部分で発生するキャリアの再結合損失を大きく低減させることが可能である。なお、円形の回転砥石を用いた場合には、特に開口部を不連続的に形成する場合に開口部の端部が円弧状に形成され、垂直な開口部が得られないという問題がある（図４（ｂ）参照）。しかしながら、この問題は回転砥石の外形を小さくすることで軽減させることが可能である。
【００１８】
次に、この裏面接合型太陽電池の製造方法について説明する。まず、図５（ａ）に示すように、処理対象の半導体基板１１を洗浄し、Ｓｉ３Ｎ４膜からなる反射防止膜１３を半導体基板１１の表面に形成する。そして、半導体基板１１の裏面にＳｉＯ２膜からなるパッシベーション膜を兼ねた裏面絶縁膜１２を形成する。次に、半導体基板１１の裏面側の絶縁膜１２に希望する形状の開口部１５，１６を研磨（研削）加工により形成する。この研磨（研削）は、回転砥石を研磨具として用いた機械的加工により行うことができる。
【００１９】
この開口部の形成は、Ｐ型拡散層形成用の開口部１５とＮ型拡散層形成用の開口部１６とについて行う。開口部１５は、例えば幅８００μｍ、深さ１５μｍ、中央部が凸型となり、開口部のＹ方向長さが３０ｍｍ程度である。基板端部から加工部までのオフセット距離は２ｍｍ程度であり、１個の太陽電池基板における加工数（開口部数）は４０程度である。開口部１６は、幅３００μｍ程度であり、深さ１０μｍ程度であり、中央部が凸型をなして開口部のＹ方向長さは３０ｍｍ程度である。また、基板端から開口部までのオフセット距離は１ｍｍ程度であり、加工数（開口部数）は４０程度である。ここで、開口部１５と開口部１６との間の間隔は７００μｍ程度であり、セル両端部の絶縁部の幅は３５０μｍ程度である。
【００２０】
回転砥石の運転条件としては、例えば回転数３５０００ｍｉｎ−１であり、研磨具としての回転砥石の外径は４９ｍｍ程度であり、切削速度は５０ｍｍ／ｓｅｃである。これにより、絶縁膜を被着した半導体基板裏面から上記開口部を良好な精度で上記寸法に研削することができる。なお、研磨に伴う半導体基板に生じるダメージ層の除去は、研磨加工後に、エッチング深さ０．１〜５μｍ程度のケミカルエッチングによって行う。これにより研磨により生じたダメージ層を完全に除去することができる。そして、ダメージ層の除去後は洗浄を行い、研磨加工に伴う汚染物質を完全に除去する。
【００２１】
回転砥石を用いた開口部の形成にあたっては、目的とする開口部の形状に合わせて適当な間隔で複数の研磨刃を備えたいわゆるマルチブレードタイプのものを用いることが好ましい。例えば、５０個の刃を備えたマルチブレードの回転研磨具（回転砥石）を用いることで、１００ヶ所の開口部を形成するためにわずか２回の加工により処理を終了することができる。このように、マルチブレードタイプの研磨具を用いることで生産性を大幅に向上することが可能である。一例として、１０ｃｍ角の太陽電池の１００ヶ所程度の開口部の形成に、所要の時間は数秒間程度である。回転砥石は、＃４０００〜＃１００００の極微小のダイヤモンド砥粒（粒径０．５〜４μｍ）のものを用いることが好ましい。これにより半導体基板の機械的損傷を抑えつつ、高精度の加工が可能である。
【００２２】
次に、開口部から不純物（ドーパント）を拡散し、半導体基板内部に拡散層を形成する。開口部１５の内部にＰ型ドーパント（ボロン）の拡散源を塗布し、開口部１６の内部にＮ型ドーパント（リン）の拡散源を塗布する。そして、熱拡散を行うことによりＰ型及びＮ型の不純物をそれぞれ開口部１５，１６から半導体基板内部に拡散し、それぞれＰ型及びＮ型の拡散層を形成する。そして、裏面電極１９，２０を形成する。これは、例えばアルミまたは銀の導電性ペーストをスクリーン印刷により塗布して乾燥・焼成することにより形成する。
【００２３】
なお、半導体基板の裏面絶縁膜１２に開口部１６を形成し、Ｎ型ドーパント（リン）の気相拡散により拡散層を形成し、その後に開口部１５を研磨により形成し、Ｐ型ドーパント（アルミ）の拡散源をスクリーン印刷し、熱拡散によりＰ型の拡散層を形成することができる。そして、Ｐ型及びＮ型の拡散層上に銀またはアルミからなる導電性ペーストをスクリーン印刷により塗布し乾燥・焼成することにより電極１９，２０を形成する。
【００２４】
また、拡散層及び電極の形成は以下の手順によってもよい。まず、半導体基板裏面に開口部１５，１６を形成する。そして、開口部１５上にＮ型ドーパント（リン）を含む銀ペーストをスクリーン印刷により形成する。そして、開口部１５上にＰ型ドーパント（アルミ）からなる導電性ペーストをスクリーン印刷により塗布する。そして、加温・焼成することで、スクリーン印刷した導電性ペーストからＰ型ドーパント及びＮ型ドーパントがそれぞれ開口部１５，１６より半導体基板内部に拡散し、それぞれＰ型及びＮ型の拡散層１７，１８が形成される。それと同時に導電性ペーストが焼成され、電極層１９，２０が形成される。
【００２５】
上記太陽電池の製造工程によれば、その開口部の形成が従来のホトリソグラフィ技術を用いたものと比較して大幅に簡略化される。すなわち、ホトリソグラフィ技術による開口部の形成では、洗浄、感光膜形成（スピンコート、乾燥、熱処理）、露光、現像、絶縁膜エッチング、感光膜除去、洗浄の少なくとも７工程のプロセスが必要である。これに対して、上記開口部の形成方法によれば、回転砥石等の研磨具を用いた開口処理、ダメージ層除去のためのエッチング処理（エッチング深さ０．１〜５μｍの酸性溶液によるケミカルエッチングが好ましい）、洗浄の３工程によって行うことができる。従って、工程が複雑で高価な設備及び材料を必要とするホトリソグラフィ技術を用いることなく、半導体基板裏面に設けられた絶縁膜を貫通して基板内部に到達する開口部を比較的簡単な設備で容易に形成することができる。
【００２６】
完成した裏面接合型太陽電池の特性例は以下の通りである。すなわち、開放電圧は５８０ｍＶであり、短絡電流は２８．４ｍＡ／ｃｍ２であり、フィルファクターは０．７０であった。そして、光起電力の変換効率は１１．６％が得られた。
【００２７】
なお、この製造方法によれば、ホトマスクを使用しないため、絶縁膜に対して希望する開口部の形状を研磨具の動作のプログラミングの変更のみで迅速に対応・調整することが可能である。また、従来エッチングが困難であった絶縁膜（例えばポリイミド膜等）についても上記方法によれば容易にこれを貫通する感光部を形成することができる。これによりプロセス設計の自由度が高まる。また、上記実施形態では回転砥石を研磨具として用いた例について説明したが、その他の形式の研磨具を用いても勿論よい。
【００２８】
なお、上記実施形態は本発明の実施例の一態様を述べたもので、本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能なことは勿論である。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、裏面接合型太陽電池の開口部の形成をホトリソグラフィ技術を用いることなく研磨により形成することができる。そして、拡散層の形成をドーパントを含む導電性ペーストのスクリーン印刷とその後の熱処理により形成することができる。従って、複雑な工程で且つ高価な材料及び設備を必要とするホトリソグラフィ技術を用いることなく、簡易且つ容易に低コストで裏面接合型太陽電池を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の裏面接合型太陽電池の（ａ）は要部の拡大断面図であり、（ｂ）は要部の拡大平面図である。
【図２】図１に示す裏面接合型太陽電池の基板裏面のパターン図である。
【図３】開口部の形状例を示す図であり、長い開口部を連続的に形成した場合の（ａ）Ｘ方向に沿った断面図と、（ｂ）Ｙ方向に沿った断面図を示す。
【図４】開口部の形状例を示す図であり、長い開口部を不連続的に形成した場合の（ａ）Ｘ方向に沿った断面図と、（ｂ）Ｙ方向に沿った断面図を示す。
【図５】本発明の実施形態の裏面接合型太陽電池の各製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１１      半導体基板
１２      絶縁膜（パッシベーション膜）
１３      表面反射防止膜
１５，１６      開口部
１７，１８      拡散層
１９，２０      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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