(57)【要約】【課題】エッチングに時間がかかりすぎるため、化合物半導体基板がダメージを受けて再利用の障害になり、生産性を高めることが難しかった。【解決手段】基板上に犠牲層を形成する工程と、犠牲層上にマスクパターンを形成する工程と犠牲層上に半導体層を選択成長させるとともに、横方向成長により、前記マスクパターンを被覆するように半導体層を成長させる工程と、半導体層上に発電層を成長させる工程と、マスクパターンおよび前記犠牲層を除去して、前記基板を分離する工程を含むことにより、生産性の高い太陽電池を提供することができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層上にマスクパターンを形成する工程と
前記犠牲層上に半導体層を選択成長させるとともに、横方向成長により、前記マスクパターンを被覆するように半導体層を成長させる工程と、
前記半導体層上に発電層を成長させる工程と、
前記マスクパターンおよび前記犠牲層を除去して、前記基板を分離する工程を含む太陽電池の製造方法。
【請求項２】
前記犠牲層上にマスクパターンを形成する工程において、マスクが存在しない前記犠牲層露出部がエッチングされてなる請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項３】
前記基板を分離後、前記半導体層表面に電極層を形成してなる請求項１または請求項２に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項４】
受光することにより発電する発電層と、
前記発電層の受光面の反対側の面に接して設けられたコンタクト層と、
前記コンタクト層の受光面の反対側の面に接して設けられた電極を有し、
前記コンタクト層の電極との界面は、凹凸形状を有してなる太陽電池。
【請求項５】
前記凹凸形状は、マスクパターンをエッチングすることにより形成されてなる、請求項４に記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池および太陽電池の製造方法に関するものであり、特に化合物半導体を使用した太陽電池および太陽電池の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＡｓなどの化合物半導体を太陽電池として利用するために、化合物半導体の化合物半導体基板からエピタキシャル成長によって犠牲層を成長させ、さらに太陽電池の発電層を形成し、犠牲層をエッチングで除去することによって発電層を化合物半導体基板から分離する方法が知られている。
【０００３】
材料コストや素子作製時間が可能な限り小さいことが要求される。このうち、材料コストにおいては、基板のコストの割合が大きいので、基板を薄くしたり、あるいは、素子から基板を剥離して再利用したりするなどの手法により、材料コストを低減させるような開発が行われている。
【０００４】
図１０は、従来の半導体装置の製造工程を示す図である。図１０（ａ）において基板５０上に犠牲層５１、活性層５２を形成し、バッキング層５３を活性層５２上に形成した後、エッチングにより犠牲層５１をリフトオフして基板を取り除く。次に図１０（ｂ）に示されるように、活性層５２上にメタライズ導体５４、反射防止膜５５を形成して太陽電池６０を形成している。尚、太陽電池６０は厚さが薄いので加工物ホルダ５７に支持されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２０１０−５３２５７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述のような方法では、犠牲層を取り除いて分離する際、最初にエッチング液が犠牲層に触れるのは基板の外周部だけであり、エッチング液が基板の中央部に浸透するのに時間を要していた。エッチングに時間がかかりすぎるため、化合物半導体基板がダメージを受けて再利用の障害になり、生産性を高めることが難しかった。本発明は上述の課題を鑑みなされたものであり、生産性の高い太陽電池および太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の太陽電池の製造方法は、基板上に犠牲層を形成する工程と、犠牲層上にマスクパターンを形成する工程と犠牲層上に半導体層を選択成長させるとともに、横方向成長により、前記マスクパターンを被覆するように半導体層を成長させる工程と、半導体層上に発電層を成長させる工程と、マスクパターンおよび前記犠牲層を除去して、前記基板を分離する工程を含むものである。
【０００８】
また、本発明の太陽電池の製造方法は、犠牲層上にマスクパターンを形成する工程において、マスクが存在しない犠牲層露出部がエッチングされてなるものである。
【０００９】
また、本発明の太陽電池の製造方法は、基板を分離後、半導体層表面に電極層を形成してなるものである。
【００１０】
本発明の太陽電池は、受光することにより発電する発電層と、発電層の受光面の反対側の面に接して設けられたコンタクト層と、コンタクト層の受光面の反対側の面に接して設けられた電極を有し、コンタクト層の電極との界面は、凹凸形状を有してなるものである。
【００１１】
また、本発明の太陽電池は、凹凸形状は、マスクパターンをエッチングすることにより形成されてなるものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、生産性の高い太陽電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の太陽電池の製造工程を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の太陽電池の製造工程を示す模式的断面図である。
【図３】本発明の太陽電池の製造工程を示す模式的断面図である。
【図４】本発明の太陽電池を示す模式図である。
【図５】本発明の太陽電池おいて、ＧａＡｓ層を受光面と反対側から見た模式図である。
【図６】本発明の太陽電池の製造工程を示す模式的断面図である。
【図７】本発明の太陽電池の製造工程を示す模式的断面図である。
【図８】本発明の太陽電池を示す模式図である。
【図９】本発明の太陽電池の製造工程に用いられるフォトマスクパターンを示す模式的平面図である。
【図１０】従来例の太陽電池を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る説明する。以下の説明では同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについて詳細な説明は繰り返さない。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の太陽電池の製造工程を示す模式的断面図である。図１（ａ）に示されるように、エピレディのＧａＡｓ単結晶の基板１１（直径４ｉｎｃｈ、厚さ３５０μｍ）準備し、次に、基板１１上にＩｎＧａＰ層１２を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により０．０１μｍから０．３μｍ程度成長させる。ＩｎＧａＰ層１２は、基板１１と格子整合するよう、Ｉｎ、Ｇａ、Ｐ各元素の比率が調整されている。ＩｎＧａＰ層１２を成長させた後に、ＳｉＯ２層１３を２００ｎｍ程度スパッタリング法によりＩｎＧａＰ層１２上に成長させる。なお、ＩｎＧａＰ層１２に変えてＩｎＧａＡｌＰ層も用いることができる。
【００１６】
次に、図１（ｂ）に示されるように、ＳｉＯ２１３層上に感光性レジスト塗布して感光性レジスト膜１４を形成する。感光性レジスト材料として、例えば、ＳＨＩＰＬＥＹ社のＭＩＣＲＯＰＯＳＩＴ （登録商標）Ｓ１８１８を用いることができる。
【００１７】
次に、図１（ｃ）に示されるように、フォトマスクを使用して、感光性レジスト膜１４を感光させた後にエッチングする。図９はフォトマスクパターンの一例であり、黒く示された部分が開口部である。図９（ａ）に示されるようなストライプ状のマスクパターンを用いてパターニングした後において、例えば、ＳｉＯ２層１３の露出部分の幅は０．１μｍから２０μｍであり、好ましくは１μｍから３μｍである。一方、感光性レジスト膜の幅は０．１μｍから２０μｍであり、好ましくは１μｍから３μｍである。尚、マスクパターンは、ＳｉＯ２層の露出部分と感光性レジスト膜によってカバーされる部分が交互に繰り返されるパターンであれば、縞状以外のパターンであっても良く、例えば、図９（ｂ）、（ｃ）に示されるような市松模様のようなマスクパターンを用いてもよい。
【００１８】
次に、感光性レジスト膜１４をマスクとして、ＳｉＯ２層１３のエッチングを行う。選択成長マスクであるＳｉＯ２層１３のエッチング方法は、その下層であるＩｎＧａＰ層１２に対して十分なエッチング選択比をもつ方法であればよい。通常はバッファードフッ酸もしくはフッ酸によってウェットエッチングを行う。続いて、エッチャントとして、５％塩酸等を使用して、露出した犠牲層であるＩｎＧａＰ層１２の表面を５〜１００ｎｍエッチングする。
【００１９】
その結果、図１（ｄ）に示されるように、感光性レジスト膜１４がない部分のＳｉＯ２層が除去され、さらに、露出部分１５がエッチングされて、少しくぼんだ形状のＩｎＧａＰ層１２を得る。露出部分１５の犠牲層の表面をエッチングすることで、次に選択成長させるＧａＡｓ層の品質が良好になる。ＳｉＯ２層のエッチング後に感光性レジスト膜１４は、フォトレジスト剥離液または、有機溶剤を使用して除去する。
【００２０】
選択成長マスクであるＳｉＯ２層１３は感光性レジスト膜１４をマスクパターンと同様パターンを有している。したがって、ＳｉＯ２層１３の形状は、ストライプ状、市松模様などの、ＳｉＯ２層１３が存在する部分と存在しない部分が交互に繰り返されるパターンになる。
【００２１】
次に、図１（ｅ)に示されるように、ＭＯＶＰＥ法により、ＧａＡｓ層を縦方向および横方向に成長させる。縦方向は基板面の法線方向、横方向は基板面に水平な方向への成長である。結晶成長は基板表面がＧａＡｓで覆われるまで行われる。この結果、ＳｉＯ２層１３の表面は、０．５μｍから３μｍ程度のＧａＡｓ層１６で覆われる。
【００２２】
尚、ＧａＡｓ層１６は導電性を持たせるため、形成する太陽電池の極性に応じて、ｎ型および/またはｐ型のドーパントがドープされている。また、このＧａＡｓ層は、ＧａＡｌＡｓ層で置き換えることもできる。
【００２３】
次に、図１（ｆ）に示されるように、発電層１７を形成する。発電層としては、例えば、ｐ型ＩｎＧａＰ層、n型ＩｎＧａＰ層などを積層したものがあげられる。また、発電層は、単独のｐｎ接合を有するセル構造でも良いし、また、複数のセル構造をトンネル接合で接続した多接合セルでもよい。一般的に発電層の厚さは、０．５μｍから２５μｍである。
【００２４】
図２は、本発明の太陽電池の製造工程を示す略断面図である。図２（ａ）において、図１（ｆ）に示した発電層１７上にコンタクト層１８および電極１９を形成する。コンタクト層１８は、発電層１７上にドーパントをドープしたＧａＡｓ層を形成してパターニングしたものであり、電極１９が配線される部分に対応して形成されている。また、電極１９は銀ペーストを印刷によりコンタクト層１８上に配置し、加熱することにより形成される。電極１９は、フォトレジストによるパターン形成を行った上で、Ｔｉ、Ａｇ、Ａｕを蒸着し、リフトオフ法によって形成してもよい。
【００２５】
次に、図２（ｂ）に示されるように、厚さ１００μｍ程度の保護フィルム２０を、貼り付ける。保護フィルム２０として、リバアルファ（日東電工株式会社製：登録商標）などの熱剥離シートや、アドウィル（リンテック株式会社製：登録商標）などのＵＶ剥離シートを用いることができる。保護フィルム２０の大きさは、基板１１と同じ大きさ、もしくはウェハより小さい方がよい。
【００２６】
次に、図２（ｃ）に示されるように、バッファードフッ酸もしくはフッ酸によってウェットエッチング行って選択成長マスクであるＳｉＯ２層１３をエッチングする。
【００２７】
次に、図２（ｄ）に示されるように、次にＩｎＧａＰ層１２をエッチングして基板１１から、太陽電池構造をリフトオフする。エッチャントは塩酸でよい。
【００２８】
図２（ｃ）、図２（ｄ）に示される工程は他方が完全に完了するのを待つ必要はなく、図２（ｃ）、図２（ｄ）の工程を交互に繰り返してエッチングを行ってもよい。太陽電池素子の場合、他の半導体装置と比較して、大面積の基板を用いることが多く、基板の中央部までエッチング液が浸透しにくく、犠牲層をリフトオフするのに時間がかかり生産性が悪かったが、ＳｉＯ２層１３をエッチングして除去することにより、ＩｎＧａＰ層１２をエッチングする際、エッチング液がＳｉＯ２層１３のエッチングによってできた空間に流入して、基板１１の中央部まで浸透するとともに、エッチング液とＩｎＧａＰ層１２との接触面積が増大するので、短時間でエッチングを完了することができるので、生産性が向上する。
【００２９】
太陽電池構造をリフトオフした後の基板１１は再利用することが可能であり、コストダウンを図ることができる。
【００３０】
また、基板１１を再利用する際に、基板に新品にはない凹凸が存在しても、ＧａＡｓを選択成長マスク上に横方向成長させることにより、凹凸の影響による結晶欠陥の増加などの悪影響を軽減することができる。
【００３１】
次に、図３（ａ）に示されるように、ＧａＡｓ層１６上にＴｉ、Ａｇ、Ａｕなどの金属を１μｍから１０μｍ程度蒸着し、裏面電極２１を形成する。
【００３２】
次に、図３（ｂ）に示されるように、形状保持するために、接合部材２２を介して保持基板２３貼り付け、保護フィルム２０を剥離して太陽電池１０を形成する。形状を保持するための保持基板２３としては、シリコンウェハや銅板などを用いることができる。特に保持基板を通じて電力を取り出す場合には、接合部材２２を導電性の接合部材を使用する。
【００３３】
（実施の形態２）
図４は、本発明の太陽電池を示す模式図である。図４（ａ）は、太陽電池１０を受光面側から見た上面図であり、図４（ｂ）は、太陽電池１０の斜視図である。図４（ａ）において、太陽電池１０の受光面の発電層１７上に櫛歯状のコンタクト層１８が形成されており、コンタクト層１８の形状に沿って、コンタクト層１８上に櫛歯状の電極１９が形成されている。電極１９は、平行に並んだ多数の棒状の電極１９ａと、電極１９ａに直行する方向に棒状に配置され、それぞれの電極１９ａと電気的に接続する電極１９ｂからなる。実装する際は、櫛歯状の電極１９の基部である電極１９ｂに外部端子が電気的に接続する。
【００３４】
図４（ｂ）において、太陽電池１０は、発電層１７の表面が受光面であり、発電層１７が受光することにより、発電を行うことができる。発電層１７の上面には、ＧａＡｓで構成されたコンタクト層１８が線状に配置されてなり、コンタクト層１８に沿って銀などの金属からなる電極１９が配置されている。発電層１７は、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ，ＡｌＩｎＰなどの化合物半導体薄膜を積層することにより構成されている。また、発電層１７は、単独のｐｎ接合を有するセル構造でも良いし、また、複数のセル構造をトンネル接合で接続した多接合セルでもよい。また、本実施例においては、セルの平面形状として正方形を例示したが、それに限ることなく、長方形状や、円弧状の角部を有する矩形形状でもよい。
【００３５】
図５は、本発明の太陽電池おいて、ＧａＡｓ層１６を受光面と反対側から見た模式図である。発電層１７の受光面と反対側のコンタクト層であるＧａＡｓ層１６は、下面が選択成長マスクを除去した工程によって凹凸を有している。選択成長マスクがストライプ状であれば、マスクに対応したストライプ状の凹凸を有するＧａＡｓ層が形成される。
【００３６】
また、図４（ｂ）を参照して、ＧａＡｓ層１６の下側には裏面電極２１がＴｉ、Ａｇ、Ａｕなどの蒸着により形成されており、裏面電極２１とＧａＡｓ層１６の界面は凹凸を有している。裏面電極２１は、裏面反射膜の機能も有しており、発電層１７およびＧａＡｓ層１６を透過した光を、裏面電極２１の反射面の凹凸形状により、いろいろな方向に反射して発電層１７に再入射させることにより、発電効率を高めることができる。裏面電極２１の下方には接合部材２２を介して保持基板２３が接着されている。保持基板２３の厚さは０．１ｍｍから１．０ｍｍであり、太陽電池１０の機械的強度を確保している。
【００３７】
（実施の形態３）
図６は、本発明の太陽電池の製造工程を示す模式的断面図である。図６（ａ）は、図１（ｆ）と同様の構成であり、実施の形態１と同様の方法で形成されるものである。次に、図６（ｂ）に示されるように、発電層１７上にＧａＡｓコンタクト層３１を形成する。さらにＧａＡｓコンタクト層３１上にＴｉやＡｇやＡｕなどで形成された裏面電極３２を蒸着する。さらに接合部材３３により銅板やシリコン基板などの支持部材３４を接着する。
【００３８】
次に、図６（ｃ）に示されるように、バッファードフッ酸もしくはフッ酸によってウェットエッチング行ってＳｉＯ２層１３（選択成長マスク）をエッチングする。
【００３９】
次に、図６（ｄ）に示されるように、次にＩｎＧａＰ層１２をエッチングして基板１１から、太陽電池構造をリフトオフする。エッチャントは塩酸でよい。  図６（ｃ）、図６（ｄ）に示される工程は他方が完全に完了するのを待つ必要はなく、図６（ｃ）、図６（ｄ）の工程を交互に繰り返してエッチングを行ってもよい。ＩｎＧａＰ層１２をエッチングする際、エッチング液がＳｉＯ２層１３のエッチングによってできた空間に流入して、基板１１の中央部まで浸透するとともに、エッチング液とＩｎＧａＰ層１２との接触面積が増大するので、短時間でエッチングを完了することができるので、生産性が向上する。尚、太陽電池構造をリフトオフした後の基板１１は再利用することが可能であり、コストダウンを図ることができる。
【００４０】
図７は、本発明の太陽電池の製造工程を示す模式的断面図である。図７（ａ）において、図６（ｄ）に示されたＧａＡｓ層１６をパターンエッチングして、電極形成部分のＧａＡｓ層１６のみを残す。本実施例においては、発電層１７の受光面側にＧａＡｓ層１６が位置するので、ＧａＡｓ層１６による光吸収を抑えるために電極形成部分以外のＧａＡs層を取り除く。このとき、ＧａＡｓ層１６直下の層となる発電層１７の表面をＩｎＧａＰ層もしくは、ＩｎＡｌＰ層とすることにより、ＧａＡｓエッチングとＩｎＧａＰもしくはＩｎＡｌＰ層のエッチング選択比が小さいことに起因して、発電層１７表面に微細な凹凸があるようにエッチングされるため、入射面における該凹凸形状による反射防止効果により、発電効率を向上させることができる。
【００４１】
次に、図７（ｂ）に示されるように、電極３５をパターニングされたＧａＡｓ層１６上に形成して、太陽電池１０’が形成される。ＧａＡｓ層１６は、発電層１７のコンタクト層として機能する。
【００４２】
（実施の形態４）
図８は本発明の太陽電池を示す模式図である。図８（ａ）は、太陽電池１０’を受光面側から見た平面図であり、図８（ｂ）は、太陽電池１０’の斜視図である。発電層１７には、エッチング前のＧａＡｓ層１６の凹凸に起因する凹部１７ａ、凸部１７ｂが形成されてなり、コンタクト層として櫛歯状にエッチングされたＧａＡｓ層１６上に、電極３５が形成されている。電極３５は、平行に並んだ多数の棒状の電極３５ａと、電極３５ａに直行する方向に棒状に配置され、それぞれの電極３５ａと電気的に接続する電極３５ｂからなる。実装する際は、櫛歯状の電極３５の基部３５ｂに外部端子が電気的に接続する。
【００４３】
図８（ｂ）において、太陽電池１０’は、発電層１７の表面が受光面であり、発電層が受光することにより、発電を行うことができる。発電層１７の上面には、ＧａＡｓで構成されたコンタクト層であるＧａＡｓ層１６が櫛歯状に配置されてなり、櫛歯状のＧａＡｓ層１６上に銀などの金属からなる電極３５が櫛歯状に配置されている。発電層１７は、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ，ＡｌＩｎＰなどの化合物半導体薄膜を積層することにより構成されている。
【００４４】
支持部材３４は、ポリイミド樹脂のような自己接着性のある樹脂でも構成することでき、この場合には接合部材３３は省略できる。
【００４５】
今回開示された実施の形態は、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。
【符号の説明】
【００４６】
１０、１０’…太陽電池
１１…基板
１２…ＩｎＧａＰ層
１３…ＳｉＯ２層
１４…感光性レジスト層
１５…露出部分
１６…ＧａＡｓ層
１７…発電層
１８…コンタクト層
１９…電極
２０…保護フィルム
２１…裏面電極
２２…接合部材
２３…保持基板
３１…ＧａＡｓコンタクト層
３２…裏面電極
３３…接合部材
３４…支持部材
３５…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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