(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）ｃ−Ｓｉ太陽電池ウエハーを真空チャンバ内に配置することであって、ｃ−Ｓｉ
太陽電池ウエハーの表面には電極および反射防止コーティングが蒸着されていること；
（ｂ）水素ガスを真空チャンバ内に供給すること；
（ｃ）無線周波数（ＲＦ）またはマイクロ波電力を真空チャンバに伝送して、水素プラズマを生産すること；および
（ｄ）負パルス電圧を、−５００Ｖから−１０ｋＶまでの電圧で、パルス発生器によってｃ−Ｓｉ太陽電池ウエハーに印加して、充分量の水素イオンをｃ−Ｓｉ太陽電池ウエハーに注入すること：
を含むことを特徴とする、ｃ−Ｓｉ太陽電池への水素パッシベーションの方法。
【請求項２】
負パルス電圧を供給する時間が１μ秒から２０μ秒までの間にある請求項１に記載のｃ−Ｓｉ太陽電池への水素パッシベーションの方法。
【請求項３】
パルス周波数が１００Ｈｚから２０ｋＨｚまでの間にある請求項１に記載のｃ−Ｓｉ太陽電池への水素パッシベーションの方法。
【請求項４】
工程の時間が１分から１０分までの間にある請求項１に記載のｃ−Ｓｉ太陽電池への水素パッシベーションの方法。
【請求項５】
前記ステップｄにおいて、ｃ−Ｓｉ太陽電池ウエハーを３００から３５０℃の温度へと加熱することをさらに含む請求項１に記載のｃ−Ｓｉ太陽電池への水素パッシベーションの方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はシリコン基板の水素化処理の方法に関し、および、より詳細には、単結晶シリコン（ｍ−Ｓｉ）、多（マルチ）結晶シリコン（ｍｃ−Ｓｉ）および多（ポリ）結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）薄膜を含む結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）からなる太陽電池中のシリコン欠陥結晶を不動態化する高速水素化処理工程に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、日光から直接電気を生産できる非常に有望なクリーンエネルギー源である。しかし、主要な電力源として広く認められるようになるには、太陽電池の生産コストを大幅に削減する必要がある。ｃ−Ｓｉ太陽電池モジュールの総コストにおいてシリコンウエハーの占める比率が１／３を上回ることが指摘されてきた。その結果、コストを削減するために、ｍｃ−Ｓｉまたはｐｏｌｙ−Ｓｉ薄膜によって太陽電池を作成することが、重要な開発方向であった。しかし、ｍｃ−Ｓｉおよびｐｏｌｙ−Ｓｉは両方とも、結晶内に結晶粒境界、粒内転位を初めとする欠陥を含有する。それらの欠点は、太陽電池の変換効率を低下させる可能性がある。その上、結晶格子表面の電荷担体の再結合は、たとえ単結晶の太陽電池の場合であっても、太陽電池にとって有害である。
【０００３】
「パッシベーション」工程と呼ばれる、水素をシリコンウエハーに導入することによって、欠陥結晶の作用が最小化できることが示されている。これによって、ｃ−Ｓｉ太陽電池の効率を大幅に改善することができる。一般的な見解では、これらの効率の改善は、欠陥結晶上の水素イオンによって形成される結合に起因する欠陥結晶での電荷担体再結合損失の減少と、密接に関連している。そこで、太陽電池を製造する技法において、欠陥結晶に起因する有害な作用を軽減するための水素混入の方法には下記の文献があげられる。
（１）水素雰囲気中の加熱処理による方法
【特許文献１】米国特許第５，１６９，７９１号公報
【非特許文献１】Ｐ．Ｓａｎａ、Ａ．Ｒｏｈａｔｇｉ、Ｊ．Ｐ．ＫａｌｅｊｓおよびＲ．Ｏ．Ｂｅｌｌ著、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４、９７、１９９４年（２）水素プラズマによる処理による方法
【特許文献２】米国特許第４，８３５，００６号公報
【特許文献３】米国特許第４，３４３，８３０号公報
【非特許文献２】Ｗ．Ｓｃｈｍｉｄｔ、Ｋ．Ｄ．ＲａｓｃｈおよびＫ．Ｒｏｙ著、１６ ＩＥＥＥ光電池専門家会議、サンディエゴ、１９８２年、ｐ．５３７−５４２（３）プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）によって蒸着された水素リッチＳｉＮx：Ｈ薄膜層からの拡散による方法
【非特許文献３】Ｒ．ＨｅｚｅｌおよびＲ．Ｓｃｈｒｏｎｅｒ著、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、５２（４）、３０７６、１９８１年（４）イオン化水素原子の注入による方法
【特許文献４】米国特許第５，３０４，５０９号公報
【非特許文献４】Ｊ．Ｅ．Ｊｏｈｎｓｏｎ、Ｊ．Ｉ．Ｈａｎｏ ＫａおよびＪ．Ａ．Ｇｒｅｇｏｒｙ著、１８ ＩＥＥＥ光電池専門家会議、ラスベガス、１９８５年、ｐ．１１１２−１１１５
【０００４】
水素パッシベーション工程には、複数の欠陥結晶上で結合を形成するために充分量の水素原子が必要とされる。しかし、ウエハーの表面を通過する水素原子の拡散が限定的であるため、（１）から（３）の方法では工程時間は時間単位である。一方、従来のカウフマン広域ビームイオン源によって水素イオンがウエハーに注入される方法（４）では、工程時間を大幅に削減することができる。しかし、実用的な産業上の利用において、太陽電池の大量生産の要求を満たすには、複数組の大面積イオンビームが必要となり、およびしたがって、このような仕様のイオンビーム源装置は高価および複雑なシステムとなる。加えて、カウフマンイオンビーム源中の加速電極は、工程中にイオンによって照射される。スパッタリングされた金属粒子は夾雑源となる可能性があり、これによって太陽電池セラーの性能を低下させる可能性がある。
【０００５】
ＰＥＣＶＤによってシリコンウエハー上に蒸着される水素化非晶質窒化シリコンａ−ＳｉＮx：Ｈ膜は、太陽電池中における重要な用途となってきた。ａ−ＳｉＮx：Ｈ膜を用いる第一の目的は、反射防止コーティングとして機能することである。第二に、この用途によって、表面パッシベーション作用を提供することができ、太陽電池中のシリコンウエハーの表面上での電荷担体の再結合を低減する。さらに、ａ−ＳｉＮx：Ｈ膜中の水素原子は、バルクシリコンへと拡散しおよび結晶格子の欠陥を不動態化することができる。この目的のため、水素原子の拡散を増加させて最適なパッシベーションを達成するべく太陽電池の温度を上げるために熱処理が必要とされる。作動温度は約３５０℃であり、およびパッシベーション工程は通常１〜２時間かかる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一部の太陽電池の生産において、反射防止コーティングを完了した後に電極が製作される。電極の製作は高温加熱および焼き付けのステップを常に実施することを要し、および水素とシリコンとの結合は４００℃を上回る温度で不安定となり、および水素原子がウエハーから離脱するため、水素パッシベーションの作用は損なわれるであろう。
【０００７】
上記より鑑みて、ｃ−Ｓｉ太陽電池の生産において工程時間を大幅に削減することができる高速水素パッシベーションが必要とされる。とりわけ、このような工程は、ｃ−Ｓｉ太陽電池の製作の後に実施することができる。言い換えれば、反射防止コーティングの蒸着および電極の製作の後でも実施できるのが、高速水素パッシベーション工程である。さらに、本方法の実施は、従来のカウフマン広域ビームイオン源によるイオン注入と比較して、より簡便であるとともに、太陽電池の大量生産工程により適応したものでなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで、本発明は、ｃ−Ｓｉ太陽電池の性能を改善するべく、ｃ−Ｓｉ太陽電池への水素パッシベーションの方法を提供することを目的とする。本方法は、シリコン結晶中の欠陥に起因する有害な作用を軽減するための高速水素パッシベーションを実現するのに用いることができる。さらに、本方法は、ａ−ＳｉＮx：Ｈ膜といった反射防止コーティングを損なってはならない。加えて、ｃ−Ｓｉ太陽電池の水素パッシベーションの方法は、製作が完了した太陽電池の性能を高めることができる。
【０００９】
本発明は、下記のステップを含むｃ−Ｓｉ太陽電池への水素パッシベーションの方法を提供する。
【００１０】
（ａ）ｃ−Ｓｉ太陽電池ウエハーを真空チャンバ内に配置することであって、ｃ−Ｓｉ太陽電池ウエハーの表面には電極および反射防止コーティングが蒸着されている。
【００１１】
（ｂ）水素ガスを真空チャンバ内に供給する。
【００１２】
（ｃ）無線周波数（ＲＦ）またはマイクロ波電力を真空チャンバに伝送して、水素プラズマを生産する。
【００１３】
（ｄ）負パルス電圧を、−５００Ｖから−１０ｋＶまでの電圧で、パルス発生器によってｃ−Ｓｉ太陽電池ウエハーに印加して、充分量の水素イオンをｃ−Ｓｉ太陽電池ウエハーに注入することであって、負パルス電圧は反射防止コーティングの損傷を回避するため前記のように設定範囲内に制御されている。
【００１４】
本発明によって提供されるｃ−Ｓｉ太陽電池への水素パッシベーションの方法は、下記のステップを含む。まず、ｃ−Ｓｉ太陽電池ウエハーが真空チャンバ内に配置され、および、太陽電池は反射防止コーティングおよび電極を備えている。次に、水素ガスが、真空チャンバ内に所定の圧力となるよう供給される。そして次に、ＲＦまたはマイクロ波電力が真空チャンバに伝送されて、水素プラズマを生産する。その後、水素イオンを太陽電池ウエハー中に引き付けおよび注入するべく、負バイアスパルスが太陽電池ウエハーに印加される。
【発明の効果】
【００１５】
本方法では、高密度プラズマが、水素イオンの高線量率を供給することができる。既存の技法と比較して、工程時間を大幅に削減することができる。一方では、従来のイオンビーム工程と比較して、本方法の実施は、大量生産工程においてはるかに簡便でありおよび経済的である。一方、注入された電荷の蓄積は、負バイアスパルスと負バイアスパルスとの間のプラズマからの電子によって中和することができる。したがって、電荷蓄積による損害の問題は、パルス幅を制御することによって取り除くことができる。一方、イオンの照射による反射防止コーティングの起こりうる劣化は、適当なパルス電圧を選択することによって避けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の上述したおよび他の目的、特徴および利点が理解できるよう、好適な実施形態を添付図面とともに以下に詳細に記載する。
【００１７】
上記の一般的な説明および下記の詳細な説明は例示的であり、および、本発明の特許請求にさらなる説明を提供するよう意図されていることが理解されるべきである。
【００１８】
添付の図面は、本発明の理解を深めるために含められ、および、本明細書中に組み込まれて本明細書中の一部を構成する。図面は、本発明の実施形態をわかりやすく示し、および、明細書の記載とともに本発明の原理を説明する役割を果たす。
【００１９】
図１は、典型的な太陽電池１０であり、上部にｐｎ接合１０４が形成されたｃ−Ｓｉウエハー１００を備える。ウエハーの表面は、不ぞろいな角錐構造１３を有する。熱処理によって成長したＳｉＯ2薄層１４は、表面パッシベーション層１０６としての役割を果たすのに用いられる。そして次に、ａ−ＳｉＮx：Ｈ膜の反射防止コーティング１０８が、ＰＥＣＶＤによって蒸着される。電極１１２および１１４は、ｃ−Ｓｉウエハー１００の前面１００ａおよび後面１１０ｂ上にそれぞれ製作される。さらに、電極１１４は、ｃ−Ｓｉウエハー１００の後面１００ｂの上に蒸着した誘電体層１１６中に広く形成される。
【００２０】
図２は、ｃ−Ｓｉ太陽電池ウエハー２００への水素パッシベーションを示す概略図である。まず、ｃ−Ｓｉ太陽電池ウエハー２００が真空チャンバ２０２内のウエハーホルダ２０４の上に配置され、真空チャンバ２０２内の圧力は約１０-6トールへと減少する。次に、ガス供給装置２０６が、水素ガスを真空チャンバ２０２内に所定の圧力、約１〜１０ｍトールとなるよう供給する。そして次に、水素プラズマを生産するために、マイクロ波またはＲＦ発電器２０８によって、マイクロ波またはＲＦ電力が真空チャンバ２０２に伝送される。一般に、効果的な工程を達成するには、プラズマ密度は１０-10ｃｍ-3を上回るべきである。
【００２１】
プラズマが励起された後、ｃ−Ｓｉ太陽電池ウエハー２００にバイアスを加えるために、負パルス電圧が、所定の電圧、所定のパルス周波数および所定のパルス時間幅で、パルス発生器２１２によってウエハーホルダ２０４に印加される。負パルス電圧のパルス周波数は、１００Ｈｚから２０ｋＨｚまでである。水素パッシベーション中に、ｃ−Ｓｉ太陽電池ウエハー２００内で反射防止層（図１中の１０８など）が損傷されないことを保証するべく、電圧範囲は−５００Ｖから−５ｋＶまである。および、負パルス電圧のパルス幅は１μ秒から２０μ秒までである。次いで、プラズマ源２１０からの水素イオンは負の電圧によって加速され、および、ｃ−Ｓｉ太陽電池ウエハー２００に注入される。工程の時間は、１〜１０分である。さらに、水素イオンを注入する間、ｃ−Ｓｉ太陽電池ウエハー２００の温度は、外部熱源によって約３００から３５０℃に維持される。
【００２２】
下記の実施例によって、本発明の水素パッシベーションの作用が明らかになる。
【実施例１】
【００２３】
この実施例では、真空チャンバのベース圧力は１０-6トールであり、そして次に、水素ガスが作動ガスとして真空チャンバに導入され、および圧力は２ｍトールまで上昇する。プラズマは、ＲＦ電力（１３．５６ＭＨｚ）によって２００Ｗ電力の誘導結合アンテナを介して励起される。プラズマ密度は約１０11ｃｍ-3である。さらに、パルス電圧−４ｋＶでバイアスが太陽電池に印加される。パルス幅は１０μ秒であり、およびパルス周波数は２００Ｈｚである。この実験では、太陽電池を加熱するためにエネルギーは供給されない。しかし、プラズマイオン注入の結果、試料温度は約１００℃である。総工程時間は１０分である。
【００２４】
太陽電池は、１ｘ１０20ｃｍ-3までホウ素をドープしたｐ型のｍｃ−Ｓｉウエハーによって製作される。平均粒径は約５ｍｍである。ウエハーの前面上には不ぞろいな角錐構造が作られている。Ｎ+Ｐ接合は、ＰＯＣＬ3を８５０℃で２０分間拡散することによって製作される。次に、２０ｎｍのＳｉＯ2層が熱酸化工程によって形成される。その後、約９０ｎｍのａ−ＳｉＮx：Ｈ膜が、容量結合ＲＦプラズマ反応器によって、前駆体としてのＳｉＨ4およびＮＨ3を使って、温度３５０℃で反射防止のために蒸着される。金属印刷（ｍｅｔａｌ  ｐｒｉｎｔｉｎｇ）および７５０℃での焼成（ｆｉｒｉｎｇ）によって金属接触が生じる。
【００２５】
図３は、水素パッシベーションの前後での太陽電池の電流−電圧特性の比較である。重きな抵抗が大幅に低下し、および充填率が７６．９９％から８１．２５％へと増加し、および短絡電流が増加することが、この結果より示される。これらの改善の結果、変換効率が１２．３３％から１３．３９％へと増加する。
【実施例２】
【００２６】
この実施例では、単結晶のシリコンウエハーからなる太陽電池が製作される。構造および製作の工程は実施例１と同様である。加えて、プラズマ状態および処理条件もまた同様である。図４は、水素パッシベーションの前後での太陽電池の電流−電圧特性の比較である。充填率が結果として７５％から８０．７７％まで増加することが、この結果より示される。一方、短絡電流は０．２３Ａから０．２５Ａまで増加し、および開電圧も同様に０．５９Ｖから０．６Ｖまで増加する。これらの改善の結果、変換効率が１４．２５％から１７．０６％へと増加する。
【００２７】
本発明の範囲または精神から逸脱することなく、本発明の構造にさまざまな修正および変更を行うことができることは当業者にとって明らかであろう。上記に鑑みて、本発明は特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内にある限り、本発明の修正および変更を包含することが意図されている。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
上記に鑑みて、既存の技法と比較して、本発明は、水素パッシベーションの時間およびコストを大幅に削減することができ、およびｃ−Ｓｉ太陽電池の効率を効果的に改善することができる。さらに、本方法の実施は大量生産工程において、より簡便でありおよびより経済的である。本発明は様々な形のｃ−Ｓｉ太陽電池に適用することができる。とりわけ、本発明は、生産での効率要件を満たすことができない太陽電池に水素パッシベーションを実施して、効率を改善しおよび生産収率を増加することができる。加えて、本発明は太陽電池の既存の生産方法を変える必要がなく、したがって、本発明は独立工程でありおよび適合性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】例示的な太陽電池の正面断面図。
【図２】本発明のｃ−Ｓｉ太陽電池への水素パッシベーションを示す概略図。
【図３】擬似ＡＭ１．５照射下（ｕｎｄｅｒ  ｓｉｍｕｌａｔｅｄ  ＡＭ１．５ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）での水素パッシベーションの前後の、図１に示す多（マルチ）結晶シリコンからなる太陽電池の電気特性（Ｉ−Ｖ）のプロット図。
【図４】擬似ＡＭ１．５照射下での水素パッシベーションの前後の、図１に示す単結晶シリコンからなる太陽電池の電気特性（Ｉ−Ｖ）のプロット図。
【符号の説明】
【００３０】
１０８・・・反射防止コーティング
１１２・・・電極
１１４・・・電極
２００・・・ｃ−Ｓｉ太陽電池ウエハー
２０２・・・真空チャンバ
２０４・・・ウエハーホルダ
２０６・・・ガス供給装置
２０８・・・マイクロ波またはＲＦ発電器
２１０・・・プラズマ源
２１２・・・パルス発生器
【図１】
0004829211.tif 000002
【図２】
0004829211.tif 000003
【図３】
0004829211.tif 000004
【図４】
0004829211.tif 000005