(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体基板をその端部で互いに接続して帯状とした連続接続基板を用いて複数の光電変換素子を連続的に作製することを特徴とする光電変換素子の製造方法。
【請求項２】
半導体基板の厚さ範囲が２０μｍ以上８０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項３】
複数の半導体基板を接続するための接着材に、シリコン共晶金属、ガラスフリット、樹脂のいずれかを用いることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項４】
半導体基板がシリコン基板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項５】
シリコン基板は、るつぼ内の原料シリコンの融液を、るつぼ底から冷却しながら固化することによって得られる多結晶状態のシリコンインゴットがスライスされたものであり、シリコン基板の表面は、シリコン結晶の成長方向と同じ方向の面であることを特徴とする請求項４に記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項６】
光電変換素子を連続的に作製する製造工程は、
連続接続基板をローラーに巻きつけ、一定の速度で移動させることによって、
少なくとも
（ａ）連続接続基板をエッチングと清浄化する工程、
（ｂ）連続接続基板に半導体層を接合する工程、
（ｃ）連続接続基板に反射防止膜を形成する工程、
（ｄ）連続接続基板に裏面電極を形成する工程および、
（ｅ）連続接続基板に受光面電極を形成する工程、
を含み、連続接続基板をローラに巻きつけ、一定の速度で移動させることによって、各工程を連続的に行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン基板を利用した電子デバイスを構成する素子は数多く開発されており、特に光電変換素子としての太陽電池セルは、クリーンエネルギー源として注目され、現在、開発が盛んに行われている。
【０００３】
シリコン基板を利用した太陽電池セルの一般的な製造方法について以下説明する。原料シリコンを、るつぼで溶解して冷却固化することで、図１に示す多結晶状態のシリコンインゴット１００を得る。大きさの例としては高さ２０ｃｍ幅５０ｃｍ奥行５０ｃｍである。次に、シリコンインゴットを点線２００のように、ブレードソーで切断して９個のシリコンブロックとする。一つのシリコンブロックの上面の大きさは１５ｃｍ×１５ｃｍとなる。ただし、側面の不純物が多い厚さ２ｃｍ程度を除いている。更に、マルチワイヤーソーにより、シリコンブロックを図１の水平方向で、かつ一定厚さで多数同時にスライスすることでシリコン基板を得る。その外形寸法は概ね１５ｃｍ角形の形状で、厚さとしては３００μｍ前後となっている。厚さの変動幅は１０μｍ前後と極めて平坦な表面を呈する。
【０００４】
図２に示す太陽電池セルの断面構造に基づいて以下説明する。シリコン基板１の受光面側（図では上側）から、リンなどのｎ型となるドーパント元素を熱拡散することで、ｎ+層２が形成される。熱拡散の方法としては、リン元素、チタニウム元素を含む有機化合物溶液（以下ＰＴＧと記す）を上面に塗布した後、加熱することでシリコン表面にリン元素を含むｎ+層が形成でき、同時に約７００ÅのＴｉＯ2からなる反射防止膜３が形成される。ｎ+層形成の別方法としてはＰＯＣｌ3を含む高温気体中にシリコン基板を置くことで実現できるが、更に他の方法としてはリンを含む溶液をシリコン面にスプレー塗布した後に加熱する方法でも拡散が可能である。後２者の場合には、その上側には別途、反射防止膜３の形成が必要になる。この反射防止膜３としては、蒸着法ではＴｉＯ2層や、プラズマ法ではＳｉ−Ｎ層が受光面の全面に形成される。
【０００５】
受光面電極４としては、図３に示す太陽電池セルの受光面側からの平面図のように、グリッド形状に、線幅１００μｍ程度の電極４１とコレクタ部４２が、銀を主成分とするペースト材料を印刷して炉で焼成することで導体となり電極線が形成される。この焼成の段階で、図２において、ペースト材料は、極く薄い反射防止膜３を貫通してｎ+層２表面とは低い接触抵抗で電気的に接続できる。他方の裏面全面には、アルミニウムを合金化することで裏面電界層５が裏面の全面に形成される。この時シリコン内に拡散されない金属アルミニウムは裏面電極６として用いられる。電極形成の順番としては、裏面電極を先に形成することも可能である。
【０００６】
上述した製造方法概要の工程図を図４に示す。最初のｓｔｅｐ１の洗浄、エッチングの工程では、通常の半導体プロセスと同様に、樹脂製の溝つきカセットに、シリコン基板を略５ｍｍ間隔で３０枚程度入れる。このカセットを洗浄液などの液体中に浸漬してシリコン基板表面を清浄化するが、時には表面に微細な凹凸形成仕上げを行なうこともある。次にｓｔｅｐ２では、カセットから１枚ずつ取出した後に上述の方法で半導体層の接合と反射防止膜の形成を行なう。その後、ｓｔｅｐ３とｓｔｅｐ４では、それぞれ印刷、焼成法で裏面電極、受光面電極を形成、ｓｔｅｐ５では太陽電池セルのリーク電流を除くために例えば化学的な原理で不要な半導体層の接合除去を行なう。このように、太陽電池セルの製造は、たとえば特許文献１、特許文献２に示されるように、枚葉のシリコン基板を用いて、各工程内においても枚葉のシリコン基板の状態で拡散、電極形成などを行なっている。工程途中には、枚葉のシリコン基板を収納するカセット治具も多用される。
【特許文献１】特開平４−３４８０８２号公報
【特許文献２】特開平５−１１０１２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
シリコン基板のカセット収納を工程各所に用いる枚葉式の太陽電池セル製造工程においては、シリコン基板に対し種々の応力が印加される。そして、シリコン基板の端部とカセットの接触点に集中応力がかかることや、洗浄などでの溶液流応力がかかることは、シリコン基板の破損の主な原因と推測されている。現在までのシリコン基板の破損の経験則から、前記応力によるシリコン基板の破損を防ぐためには、シリコン基板の厚さ下限としては３００μｍ前後とならざるを得ない状況にある。したがって、従来の製造方法でシリコン基板厚さが２００μｍ未満である薄型の太陽電池セルを製造した場合、シリコン基板自体が破損してしまう。
【０００８】
本発明の目的は、上述の問題点を解消するために、シリコン基板が製造工程で破損しない強度を保ったまま、その厚さを低減することが可能な製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、複数の半導体基板をその端部で互いに接続して帯状とした連続接続基板を用いて複数の光電変換素子を連続的に作製する光電変換素子の製造方法に関する。
【００１０】
前記半導体基板の厚さ範囲が２０μｍ以上８０μｍ以下であることが好ましい。
本発明の製造方法は、複数の半導体基板を接続するための接着材に、シリコン共晶金属、ガラスフリット、樹脂のいずれかを用いることが好ましい。そして前記半導体基板は、シリコン基板であることが好ましい。そして、シリコン基板は、るつぼ内の原料シリコンの融液を、るつぼ底から冷却しながら固化することによって得られる多結晶状態のシリコンインゴットがスライスされたものであり、シリコン基板の表面は、シリコン結晶の成長方向と同じ方向の面であることが好ましい。
【００１１】
本発明の製造方法は、光電変換素子を連続的に作製する製造工程は、連続接続基板をローラーに巻きつけ、一定の速度で移動させることによって、少なくとも
（ａ）連続接続基板をエッチングと清浄化する工程、
（ｂ）連続接続基板に半導体層を接合する工程、
（ｃ）連続接続基板に反射防止膜を形成する工程、
（ｄ）連続接続基板に裏面電極を形成する工程、
（ｅ）連続接続基板に受光面電極を形成する工程
を含み、連続接続基板をローラに巻きつけ、一定の速度で移動させることによって、各工程を連続的に行うことが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の製造方法においては、製造工程で破損しない強度を保ったまま、その厚さを低減することが可能であり、薄型の太陽電池セルを大量生産することができる。また、複数の光電変換素子を連続して作製するため、太陽電池セル製造時間短縮が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
＜連続接続基板＞
本発明の製造方法において、複数の半導体基板をその端部で互いに接続して帯状とした連続接続基板を用いる。半導体基板一枚ずつをカセット収納して処理する場合に比べると、結果として、主に半導体基板の面方向に応力が一様に加わるだけの状態で製造が可能になるので、半導体基板が破損しにくい。
【００１４】
以下、シリコン基板を例にして連続接続基板の製造方法について、図６に示す接続したシリコン基板の断面図に基づいて説明する。シリコン基板１１は短辺１２側において、シリコン基板１３の短辺側と、接着材１４で接続する。接続部の幅は、シリコン基板の長辺の１／１００〜１／１０の長さが好ましい。
【００１５】
接着材１４は、連続接続基板の連続移動のための力に十分耐えること、少なくとも３００℃程度の耐熱性があればよい。具体的には、シリコン共晶金属が好ましく、例えばＡｕを用いることで５００℃付近において容易に共晶状態で強固に接続できる。その他の接着材１４は、低コストなガラスフリット、樹脂材料であってもよい。
【００１６】
シリコン基板は、厚さ１００μｍ以下に薄くスライスした基板を用いることで、曲げ応力が加わったときには、破断応力以下の状態であれば容易にシリコン基板は曲がることが可能となり、かえって破損し難くなる利点を生じる。
【００１７】
そこで、シリコン基板を厚さ２０〜８０μｍ程度まで化学研磨で破砕層を除き洗浄化した後に、このシリコン基板の端部を重ねて接着材１４で接続する。この接続部を含む厚さ２０〜８０μｍの連続接続基板は、曲率８０〜２００ｍｍ直径程度の曲げにおいても破損を生じない。
【００１８】
この理由として、厚み２０μｍ未満では、シリコン基板内の厚みの部分変化があること、つまり極端に薄い個所に応力が集中して破損したと推測される。また８０μｍを超える厚さでは、特に接続部には、非接続部よりもより大きな応力がかかること、厚みが増加することで連続接続基板が曲がり難くなる方向であること等の基本的な要因などから、破損が生じたと推測される。
【００１９】
＜光電変換素子の連続作製＞
本発明の各製造工程に連続接続基板を連続的にベルトコンベア式に移動させることで、連続接続基板を処理するために、前記カセット収納する必要がない。また、連続して複数の光電変換素子を製造するため、従来の太陽電池セル製造時間の１／５程度まで時間短縮が可能である。
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図８に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２１】
本発明の製造方法の基本構成概要部を図８に示す。シリコン基板からなる連続接続基板の一端付近を、工程内のローラー３０、ローラー２３に巻きつけた状態で示す。太陽電池セルの製造工程部分は、ＡからＩまでの９つのステーションが設けられる。この基本となる太陽電池セルの製造工程自体は図７に示す。
【００２２】
ｓｔｅｐ１では、洗浄とエッチングを行なう。Ａステーションではノズル３８から洗浄液、エッチング液、純水などを順次切り替えてシリコン表面の清浄化や凹凸化を行なう。片面のみを図示したが両面に設けてもよい。薬液の種類を代えることで凹凸加工なども行なえる。Ｂステーションでは赤外線ドライヤー２０が設けられ、Ａステーションで処理された面を急速乾燥する。
【００２３】
ｓｔｅｐ２では、半導体層の接合と反射防止膜の形成を行なう。まず、Ｃステーションのローラー２１でＰＴＧ液をコーティングして膜５０を形成する。次にＤステーションではこの表面にランプ２２からの光エネルギーにより温度９００℃で加熱を行なう。膜５０からシリコン内にリン元素が拡散してｎ+層を形成する。同時に、膜５０自体は反射防止膜としてのＴｉＯ2層となる。なお、シリコン基板２４同士の接続部には光エネルギーは直接照射されないので接続部は３００℃を超えることがない。次に、ローラー３０の外周部３１に沿って連続接続基板は巻きつけられて中段に移動する。
【００２４】
ｓｔｅｐ３では裏面電極を形成する。Ｅステーションでは、連続接続基板面は表裏が反転した状態となっており、スクリーン版２７を用い裏面電極のペースト材料をスキージ２８で印刷する。なお、この時連続接続基板には、下向きの力が加わるが、図示しない連続接続基板の載置台上で連続接続基板は固定されて、印刷が行われる。Ｆステーションの焼成炉２６で電極材料がセル裏面表面に焼成される。次に、ローラー２３に巻きつけられながら下段に移動する。
【００２５】
ｓｔｅｐ４では、Ｇステーションのスクリーン版３２で、銀系の受光面電極用ペースト材料がグリッド状にスキージ３３を用いて印刷され、Ｈステーションの焼成炉３５でＡｇは焼結され受光面電極となる。
【００２６】
ｓｔｅｐ５では、Ｉステーションのレーザー光４０で、接続部３７が高速で切断除去され、図３に示した太陽電池セルが完成する。この時、レーザー切断した二辺とは異なる二辺における不要接合が存在する場合はこの不要接合を除去してもよい。
【００２７】
図８の基本構成では、それぞれの炉の長さなどは全て同じに示しているが、プロセス入口のシリコン基板２４から、プロセス終了のシリコン基板位置３６までの間において、移動時間はどの位置でも一定である限り、炉長などのプロセス条件は適宜決めることが設計上可能となる。また、電極のパターン、電極材料などは任意の形状、材料とすることも可能であり、更には、各ステーションの位置、種類、個数、構成順など適宜替えることにより、太陽電池セルの生産安定性、歩留まり、太陽電池セル変換効率などを向上改善することも可能であることはいうまでもない。
【００２８】
以上に述べた製造方法の全体において、ローラー２３，３０などの駆動は組み込まれた同期モーターにより制御された回転で行なう。この回転により、連続接続基板に対してセル化に必要な動きを生じさせる。電極の印刷法としてスクリーン印刷を用いたが、ノズルにより電極材料を連続描画することで電極を形成してもよい。この時にはシリコン基板からなる連続接続基板は一定速度で移動することで、連続して太陽電池セル化が可能である。上記のスクリーン印刷法式の電極形成では、間歇的にシリコン基板からなる連続接続基板を工程内で移動させる。
【００２９】
このようにして連続接続基板から太陽電池セルを製造する際には、基本的には、連続接続基板自体に引張り応力を加えることは必要でないが、実際には、連続接続基板の底面や側面でガイドする治具での引き摺りを生じる。
【００３０】
本製造方法のローラー３０、２３の表面材質は、硬質の金属表面でも可能であるが、他の表面材質としては、ゴムなどのように軟質の表面材質がより適切なものである。この軟質の表面は、連続接続基板の接続部個所の線状の段差あるいは線状突起部分だけが埋没することで接続部がローラー面から受ける曲げ応力を大幅に緩和する効果を発揮できる点で優れる。このことで工程途中での薄い連続接続基板の破損確率を大幅に低減できる。
【００３１】
＜半導体基板＞
本発明の製造方法の半導体基板としては、特に限定されないが、シリコン基板を用いることが好ましい。以下、半導体基板の製造工程について説明する。
【００３２】
まず、原料シリコンを、るつぼで溶解して、るつぼ底から冷却しながら固化することで、図５に示すような多結晶状態のシリコンインゴットを得る。
【００３３】
次に、シリコンインゴットの上面と下面の、低品質な部分である厚み２０ｍｍ程度を切断除去する。更に、シリコンインゴットの上面から図の点線３００のように、一定厚さでスライスしてシリコン基板を得る。厚さとしては、２０〜８０μｍが好ましい。
【００３４】
また、このシリコン基板表面に見られる結晶粒の平均縦横長さの比率範囲は１．２以上５．０以下である。前述の、図１に示したシリコンインゴットからスライスされた従来のシリコン基板表面に見られる結晶粒では、結晶粒の平均縦横長さの比率は１．２以下である。つまり、本発明で用いるシリコン基板では、スライスされたシリコン基板の面は、るつぼ底からの結晶成長方向と同じ方向の面であることにより、この比率が大きくなり、このことで太陽電池セルとしたときの受光面に見られる結晶粒界線を少なくできる。結晶粒界線は発生キャリアの再結合個所となることから、結晶粒界線の低減によって太陽電池セルの特性を改善できる。
【実施例】
【００３５】
（実施例１）
原料シリコンを、るつぼで溶解して、るつぼ底から冷却しながら固化することで、図５に示すような多結晶状態のシリコンインゴットを得た。大きさは５０ｃｍ×５０ｃｍで高さは２０ｃｍとした。次に、シリコンインゴットの上面と下面の、低品質な部分である厚み２０ｍｍをブレードソーで切断除去した。更に、マルチワイヤーソーでシリコンインゴットの上面から図の点線３００のように、一定厚さでスライスしてシリコン基板を得た。その外形寸法は長さ５０ｃｍ幅１６ｃｍで、厚さとしては、ほぼ８０μｍとした。
【００３６】
得られた長方形のシリコン基板同士の接続方法について、図６の接続したシリコン基板断面図に基づいて説明する。シリコン基板１１は短辺１２側において、シリコン基板１３の短辺側と、接着材１４で接続した。接続の面積としては１６ｃｍ×２ｍｍとした。
【００３７】
シリコン基板を厚さ５０μｍまで化学研磨により低減した上で、このシリコン基板の端部を重ねてＡｕを接着材１４として接続し、シリコン基板からなる連続接続基板を製造した。
【００３８】
ここで、連続接続基板の工程内直線移動方向における、連続接続基板に加わる引張り強度を計算により以下求めることにした。そこで、スライスされ表面破砕層を除去した寸法幅１６ｃｍ、長さ５０ｃｍ、厚み５０μｍであるシリコン基板を用いて検討した。この長手方向が、太陽電池セル化における連続接続基板の移動方向となり、その移動のために必要な応力が、連続接続基板自体に加わる。ここではシリコン基板材質自体の破断応力σを１００ＭＰａと仮定した上で、移動方向における連続接続基板の限界引張り破断強度Ｆを以下に算出した。なお引張応力が加わる面積Ｓは移動進行方向に垂直なシリコン板の断面とした。シリコン破断応力σとは、シリコン固有の機械的破壊時の応力であるが、ここでは表面状態による影響も考慮して理論値の数分の１の値とした。
【００３９】
引張応力が加わる面積Ｓ：幅１６ｃｍ×厚み５０μｍ＝８×１０-6ｍ2
シリコン破断応力σ：１００ＭＰａ＝１００×１０6Ｎｍ-2＝１０8Ｎｍ-2＝１０7ｋｇｆｍ-2
とすると、破断強度Ｆ（ｋｇｆ）は、これら値の積として以下のようにして求められた。
Ｆ＝σ×Ｓ＝８×１０1ｋｇｆ
次に、本実施例を図８に基づいて説明する。シリコン基板からなる連続接続基板の一端付近を、工程内のポリウレタンのゴム製のローラー３０、ローラー２３に巻きつけた。各ローラの直径は１８ｃｍとした。また、ローラー送り速度は、１２０ｃｍ／ｍｉｎとした。駆動は組み込まれた同期モーターにより制御された回転で行なった。これによってシリコン基板からなる連続接続基板は一定速度で移動させた。
【００４０】
ｓｔｅｐ１では、洗浄とエッチングを行なった。Ａステーションではノズル３８から洗浄液として塩酸水溶液、エッチング液としてフッ硝酸水溶液、純水などを順次切り替えてスプレー状にシリコン面に噴射して、連続接続基板表面の清浄化や凹凸化を行なった。Ａステーションに要する時間は０．２５ｍｉｎだった。Ｂステーションでは赤外線ドライヤー２０にて、Ａステーションで処理された面を急速乾燥した。Ｂステーションに要する時間は１．０ｍｉｎだった。
【００４１】
ｓｔｅｐ２では、Ｃステーションのローラー２１でＰＴＧ液をコーティングして７０ｎｍの膜５０を形成した。Ｃステーションに要する時間は０．１ｍｉｎだった。次にＤステーションではこの表面にランプ２２からの光エネルギーにより温度９００℃で加熱を行なった。このとき、膜５０からシリコン内にリン元素が拡散してｎ+層を形成されることで半導体層が接合され、同時に、膜５０自体は反射防止膜としてのＴｉＯ2層となった。Ｄステーションに要する時間は６ｍｉｎだった。次に、ローラー３０の外周部３１に沿って連続接続基板を巻きつけるかたちで中段に移動させた。
【００４２】
ｓｔｅｐ３では裏面電極を形成する。Ｅステーションでは、連続接続基板面は表裏が反転した状態となり、スクリーン版２７を用い裏面電極のペースト材料をスキージ２８で印刷した。なお、この時連続接続基板には、下向きの力が加わるため、図示しない連続接続基板の載置台上で連続接続基板は固定されて、印刷が行われた。Ｅステーションに要する時間は０．１ｍｉｎだった。Ｆステーションの焼成炉２６で電極材料が太陽電池セルの裏面表面側に焼成された。Ｆステーションに要する時間は１．０ｍｉｎだった。次に、ローラー２３に巻きつけられながら下段に移動した。
【００４３】
ｓｔｅｐ４では、Ｇステーションのスクリーン版３２で、銀系の受光面電極用ペースト材料がグリッド状にスキージ３３を用いて印刷され、Ｈステーションの焼成炉３５でＡｇは焼結され受光面電極となった。Ｇステーションに要する時間は０．１ｍｉｎだった。
【００４４】
ｓｔｅｐ５では、Ｉステーションのレーザー光４０で、接続部３７が高速で切断除去され、図３に示すような太陽電池セルを完成させた。Ｉステーションに要する時間は０．２ｍｉｎだった。
【００４５】
上記の方法で太陽電池セルを製造した場合、基本的には、シリコン基板からなる連続接続基板自体に引張り応力を加えることは必要でなかったが、実際には、連続接続基板の底面や側面でガイドする治具での引き摺りを生じた。その応力は１〜２ｋｇｆであった。上述のシリコン破断応力は８×１０1ｋｇｆであり、工程内の引き摺り応力が１〜２ｋｇｆであることから、本発明の連続工程で太陽電池セル化を行なっても連続接続基板は破断することはなかった。
【００４６】
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。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の製造方法においては、半導体基板が製造工程で破損しない強度を保ったまま、その厚さを低減することが可能であり、薄型の太陽電池セルを大量生産することができる。また、複数の光電変換素子を連続して作製するため、太陽電池セル製造時間を従来の１／５程度まで短縮が可能である。また、半導体基板の材料の半減が可能である。以上より、大幅な太陽電池セル製造コスト低減が可能になり、自然エネルギー利用拡大に寄与できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】多結晶状態のシリコンインゴットの従来の切断方向を示した斜視図である。
【図２】一般的な太陽電池セルの構造を示す断面図である。
【図３】一般的な太陽電池セルの受光面側からみた平面図である。
【図４】一般的な太陽電池セルの製造方法の工程図である。
【図５】多結晶状態のシリコンインゴットの本発明の切断方向を示した斜視図である。
【図６】本発明における接続したシリコン基板の断面図である。
【図７】本発明の太陽電池セルの製造方法の工程図である。
【図８】本発明の製造方法の一実施形態を示す概要図である。
【符号の説明】
【００４９】
１，１１，１３，２４  シリコン基板、２  ｎ+層、３  反射防止膜、４  受光面電極、５  裏面電界層、６  裏面電極、１２  短辺、１４  接着材、２０  赤外線ドライヤー、２１，２３，３０  ローラー、２２  ランプ、２６  焼成炉、２７，３２  スクリーン版、２８  スキージ、３１  外周部、３３  スキージ、３５  焼成炉、３６  シリコン基板位置、３７  接続部、３８  ノズル、４０  レーザー光、４１  電極、４２  コレクタ部、５０  膜、１００  シリコンインゴット、２００，３００  点線。
【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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