特許 5778247 高効率結晶太陽電池における遮蔽された電気接点およびパッシベーション化誘電体層を通じたドーピング、ならびにその構造および製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5778247

(24)【登録日】2015年7月17日

(45)【発行日】2015年9月16日

(54)【発明の名称】高効率結晶太陽電池における遮蔽された電気接点およびパッシベーション化誘電体層を通じたドーピング、ならびにその構造および製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/0236 20060101AFI20150827BHJP

   H01L 31/068 20120101ALI20150827BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/04 280

   H01L31/06 300

【請求項の数】9

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2013-502664(P2013-502664)

(86)(22)【出願日】2011年3月25日

(65)【公表番号】特表2013-524514(P2013-524514A)

(43)【公表日】2013年6月17日

(86)【国際出願番号】US2011029911

(87)【国際公開番号】WO2011119910

(87)【国際公開日】20110929

【審査請求日】2014年1月31日

(31)【優先権主張番号】61/318,099

(32)【優先日】2010年3月26日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】511255524

【氏名又は名称】テトラサン インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110001243

【氏名又は名称】特許業務法人 谷・阿部特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ダグラス クラフツ

(72)【発明者】

【氏名】オリバー シュルツ−ウィットマン

【審査官】 井上 徹

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００２／０３１８９２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０４−３０２４８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１９４６３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０９３８４９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３１／０２−３１／０７８、３１／１８−３１／２０、

５１／４２−５１／４８

Ｈ０２Ｓ １０／００−５０／１５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高効率結晶太陽電池におけるパッシベーション化誘電体層を介した、遮蔽された電気接点を形成する方法が、
基板を準備する工程であって、前記基板が前記基板から突出している幾何学的なテクスチャ構造を含み、前記幾何学的なテクスチャ構造が、１８０度未満の開先角度で特徴づけられた上方のピークを少なくとも一部に含む形状を有する、工程と、
前記基板上にパッシベーション化誘電体層を提供する工程と、
前記パッシベーション化誘電体層を通じて、前記基板の前記幾何学的なテクスチャ構造の前記上方のピークに制御された接触開口部を形成する工程であって、前記形成する工程が、前記基板に電気的なバイアスを導入することによって前記上方のピークの電界強度を優先的に強める工程を含み、前記強められた電界強度が、前記上方のピークから前記パッシベーション化誘電体層の優先的な除去を促進させる工程と、を含む方法。

【請求項2】

前記優先的な除去を促進させる工程が、プラズマイオン衝撃または反応性イオンエッチングによって、前記パッシベーション化誘電体層の制御された領域を選択的に腐食するステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記優先的な除去を促進させる工程が、指向性のアブレーションエネルギーによって、前記パッシベーション化誘電体層の制御された領域を選択的に腐食するステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記幾何学的なテクスチャ構造の前記形状が基部においてより大きく、かつ、前記上方のピークへと収束しており、前記パッシベーション化誘電体層が除去されるにつれて、前記形状が、前記制御された接触開口部の表面領域が優先的に増加することを促進させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記パッシベーション化誘電体層の下の前記基板にＰＮ接合を形成するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。

【請求項6】

前記ＰＮ接合は、前記パッシベーション化誘電体層の前記制御された接触開口部を通じて、ドーパント含有導電層からのドーパントの拡散または注入により形成されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

前記接触開口部によって形成された接点領域の下の前記基板内に、高濃度の前記ドーパント含有導電層の界面から低濃度の前記ＰＮ接合へと移行するドーパント濃度勾配を形成することによって、低いキャリア再結合損失を備える接点を形成することを特徴とする、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

前記上方のピークの電界強度を優先的に強める工程が、前記幾何学的なテクスチャ構造の２つ以上の表面の交差部において電界強度を優先的に強める工程であり、前記強められた電界強度が、前記２つ以上の表面の交差部上からの前記パッシベーション化誘電体層の優先的な除去を促進させることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。

【請求項9】

前記幾何学的なテクスチャ構造の前記形状および帯電容量が前記幾何学的なテクスチャ構造の２つ以上の表面の交差部において前記電界強度を優先的に強めることを促進させることを特徴とする、請求項８に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、太陽電池に関する。より具体的には、本発明は、電池効率を高めるために改良された太陽電池の構造および製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

関連出願の相互参照
本出願は、２０１０年３月２６日に出願された米国特許仮出願第６１／３１８０９９号明細書の優先権を主張するものである。本出願は、２０１０年４月２１日に出願されたＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３１８６９にも関し、この出願は国際公開第ＷＯ２０１０／１２３９７４Ａ１として２０１０年１０月２８日に公開され、この公開は２００９年４月２１日に出願され「高効率太陽電池の構造および製造法」という表題の米国特許仮出願第６１／１７１１９４号明細書の優先権を主張するものである。これらの各出願は、その全体を参照により本明細書に組み込む。本発明の全ての態様は、上記の出願の開示と組み合わせて使用することができる。

【0003】

太陽電池は、基本的に無限量の太陽エネルギーを使用可能な電力に変換することによって、社会に広く利益を提供している。それらの使用が高まるにつれて、大量生産および効率などのある種の経済的要因が重要になる。

【0004】

例えば下の図１〜２の典型的な太陽電池の概略図について、太陽輻射は通常前面と呼ばれる太陽電池の一方の表面を優先的に照らすと仮定される。電気エネルギーへの入射光子の高いエネルギー変換効率を達成するためには、光子をシリコンウェーハ内部に効率的に吸収することが重要である。これは、ウェーハ自体を除く全ての層の内部での、光子の低寄生的な光吸収によって達成することができる。表面のテクスチャ形成は、入射光輻射の改良された捕捉には周知の技術である。いくつかの方法でテクスチャ形成をもたらすことができるが、最も一般的には湿式の酸またはアルカリ性エッチング法を使用して形成でき、その方法においてウェーハの表面は非均一にエッチングされ、太陽電池基板の全面にわたって角錐または円錐形の突起の高密度領域が残る。しかし、幾何学的形状および／または表面は、改良された太陽電池の効率に有利な任意の形状でテクスチャ化できることを理解されたい。

【0005】

高い太陽電池効率に関する重要なパラメータは、表面パッシベーションである。表面パッシベーションは通常、ウェーハの特定の物理的表面においてまたはその付近で、電子と正孔との再結合の抑制をもたらすと考えられている。表面再結合は、基板を覆って誘電体層を塗布することによって減少させることができる。これらの層は、界面密度を減少させ、それにより再結合中心の数を減少させる。最も優れた例は、熱成長酸化ケイ素およびＰＥＣＶＤ堆積窒化ケイ素である。表面パッシベーション化層の他の例には、固有のアモルファスシリコン、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなどが含まれる。この原理を、図１に例示する。上述した層は反発力を導入する電荷を提供することもでき、再結合する反対極性のキャリアの有効性を減少させ、それによって再結合率を減少させる。電荷担持パッシベーション化層の最も優れた例は、窒化ケイ素および酸化アルミニウムである。表面近くの一方の型のキャリアの量を減少させるもう一つの方法は、ウェーハのドーピング型と同じドーピングまたは反対のドーピングのいずれかのドーピング原子を拡散させることである。この場合、ウェーハドーピングを上回るドーピングレベルは、高低接合（一般に背面領域または前面領域とも呼ばれる）またはＰＮ接合を得るのに必要である。これは、上述した表面パッシベーションの他の方法と組み合わせることができる。

【0006】

高効率太陽電池は、最小の再結合損失で基板に電気接点を作る技術と組み合わせた良好な表面パッシベーションを必要とする。上記の問題を解決する典型的な太陽電池構造およびこれを形成する実用的な方法が本発明の主題である。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0007】

表面テクスチャをパッシベーション化誘電体層と共に利用して、パッシベーション化誘電体層を通じて導電層と基板との間に電気接点を形成する実用的および制御可能な技術を提供し、それにより高効率太陽電池に必要とされる低い再結合損失を持つ良好な表面パッシベーションと電気接点の両方を達成する太陽電池構造および形成方法を含めた本発明により、先行技術の欠点が克服され、追加的な利点が提供される。１つの形成方法および結果として生じる構造を、例えば図２〜図３に例示する。

【0008】

また、導電層への多数キャリアの通過は可能だが、基板の少数キャリアの移動は遮蔽し、それによってキャリアの再結合の損失を最小化する、制御された薄膜誘電体層（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ−ｔｈｉｎ−ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌａｙｅｒ）を生成する技術も開示する。これを、例えば図６および図１１に例示する。

【0009】

また、パッシベーション化誘電体層中の小さな開口を通じて半導体基板にドーパントを注入して、パッシベーション化誘電体界面の下に埋め込まれたＰＮ接合を生成することによって高効率太陽電池を作る実用的および制御可能な技術も開示する。この結果、低い界面状態密度を持つパッシベーション化層の下の基板（例えば、バルクシリコン）に接合が形成され、したがって低いキャリア再結合が得られる。これを、例えば図９〜図１１に例示する。

【0010】

さらに、制御された接点領域を通じてドーパントを注入することにより、接触開口部内にドーパント濃度勾配を形成することができる。このドーパント勾配は、一方の極性のキャリアを反発するのに有効であり、したがって遮蔽されたキャリア再結合の少ない接点（ｌｏｗ−ｃａｒｒｉｅｒ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｃｏｎｔａｃｔ）が得られる。これを、例えば図１０〜図１１に例示する。

【0011】

テクスチャ化した基板表面の特徴を誘電体パッシベーション層と共に使用することは、直接接触の合計面積、あるいは導電層と基板との間のトンネル誘電体障壁接触の厚さを制御するのに実用的な技術である。さらにいずれの場合も、勾配ドーパントプロファイルは制御された接点領域を通じて形成される。これらの機能の全ては、高効率太陽電池の製作に有用である。接点領域を制御する原理を、例えば図４、図７および図８に例示する。

【0012】

要約すれば、本発明は一態様において、高効率結晶太陽電池のパッシベーション化誘電体層を介する遮蔽された電気接触を含み、パッシベーション化誘電体層が、基板の幾何学的なテクスチャ構造上の制御された接触開口部を除いて、基板全体にわたって実質的に連続的である。例えば、本発明は、誘電体層を選択的に腐食することによって、誘電体層内に制御された接触開口部を制御可能に形成することを含む。

【0013】

一態様において、例えばパッシベーション化誘電体層の制御された接触開口部を通じて、ドーパントを含む導電層からドーパントを拡散させるまたは注入することによって、パッシベーション化誘電体層の下の基板にＰＮ接合が形成される。

【0014】

さらに、追加的な特徴および利点が本発明の技術によって得られる。本発明の他の実施形態および態様を本明細書に詳細に記述し、特許請求された発明の一部と見なす。

【図面の簡単な説明】

【0015】

本発明と見なされる主題は、明細書の末尾の特許請求の範囲に具体的に指摘され、明確に請求される。本発明の前記および他の目的、特徴および利点は、添付の図面と関連する以下の詳細な説明から明らかである。

【0016】

【図1】高効率太陽電池の特定の要件の概略図である。

【図2a】本発明の１つまたは複数の態様による、制御された接点構造を有する典型的な太陽電池の部分的な断面図である。

【図2b】本発明の１つまたは複数の態様による、制御された接点構造を有する典型的な太陽電池の部分的な断面図である。

【図3a】本発明の１つまたは複数の態様による、パッシベーション化誘電体層を介する遮蔽された電気接触についての典型的なプロセスフローおよび得られる構造を表す図である。

【図3b】本発明の１つまたは複数の態様による、パッシベーション化誘電体層を介する遮蔽された電気接触についての典型的なプロセスフローおよび得られる構造を表す図である。

【図3c】本発明の１つまたは複数の態様による、パッシベーション化誘電体層を介する遮蔽された電気接触についての典型的なプロセスフローおよび得られる構造を表す図である。

【図3d】本発明の１つまたは複数の態様による、パッシベーション化誘電体層を介する遮蔽された電気接触についての典型的なプロセスフローおよび得られる構造を表す図である。

【図3e】本発明の１つまたは複数の態様による、パッシベーション化誘電体層を介する遮蔽された電気接触についての典型的なプロセスフローおよび得られる構造を表す図である。

【図4a】本発明の１つまたは複数の態様による、エッチングパラメータを調節して所望の接触開口部領域およびプロファイルを達成することにより得られる、誘電体層を通して制御された接触開口部を示す部分的な断面図である。

【図4b】本発明の１つまたは複数の態様による、エッチングパラメータを調節して所望の接触開口部領域およびプロファイルを達成することにより得られる、誘電体層を通して制御された接触開口部を示す部分的な断面図である。

【図5】本発明の１つまたは複数の態様による、ピークでの誘電体層の優先的な腐食を表す図である。

【図6a】本発明の１つまたは複数の態様による、直接的接触またはトンネル障壁接触を含めて形成された典型的な接点構造を表す図である。

【図6b】本発明の１つまたは複数の態様による、直接的接触またはトンネル障壁接触を含めて形成された典型的な接点構造を表す図である。

【図6c】本発明の１つまたは複数の態様による、直接的接触またはトンネル障壁接触を含めて形成された典型的な接点構造を表す図である。

【図7a】本発明の１つまたは複数の態様による、接点領域の制御を表す図である。

【図7b】本発明の１つまたは複数の態様による、接点領域の制御を表す図である。

【図8a】本発明の１つまたは複数の態様による、界面平面およびピークにおいて誘電体層の誘起亀裂部を使用して、接触開口部のために優先的なエッチング路を達成する他の接触開口部方法を表す図である。

【図8b】本発明の１つまたは複数の態様による、界面平面およびピークにおいて誘電体層の誘起亀裂部を使用して、接触開口部のために優先的なエッチング路を達成する他の接触開口部方法を表す図である。

【図9a】本発明の１つまたは複数の態様による、パッシベーション化誘電体層の下のＰＮ接合の形成を表す図である。

【図9b】本発明の１つまたは複数の態様による、パッシベーション化誘電体層の下のＰＮ接合の形成を表す図である。

【図10a】本発明の１つまたは複数の態様による、得られた遮蔽された直接的接触の構造を表す図である。

【図10b】本発明の１つまたは複数の態様による、得られた遮蔽された直接的接触の構造を表す図である。

【図10c】本発明の１つまたは複数の態様による、得られた遮蔽された直接的接触の構造を表す図である。

【図10d】本発明の１つまたは複数の態様による、得られた遮蔽された直接的接触の構造を表す図である。

【図11a】本発明の１つまたは複数の態様による、得られた遮蔽されたトンネル障壁接触の構造を表す図である。

【図11b】本発明の１つまたは複数の態様による、得られた遮蔽されたトンネル障壁接触の構造を表す図である。

【図11c】本発明の１つまたは複数の態様による、得られた遮蔽されたトンネル障壁接触の構造を表す図である。

【図11d】本発明の１つまたは複数の態様による、得られた遮蔽されたトンネル障壁接触の構造を表す図である。

【図12】本発明の１つまたは複数の態様による、電気接点を必要とする多機能層を有する典型的な太陽電池の部分的な断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

図１に概略的に示されているように、高効率太陽電池は、基板と導電層との間の低い再結合電流（Ｊｏ）および低い接触抵抗（Ｒｃ）の両方を必要とする。例えば、９９．５〜９５％の誘電体領域および０．５〜５％の接点領域を有する構造化された界面層は、この要件を達成する。

【0018】

図２ａ〜ｂは、本発明の１つまたは複数の態様による、制御された接点構造を有する典型的な太陽電池の部分的な断面図であり、高効率太陽電池１０は、両面が充分にパッシベーションされた表面と導電層１１、金属導体１４および基板１３の間の低い接触抵抗とを組み合わせて形成する。誘電体層１２を利用して表面をパッシベーションし、導電層と基板との間に比較的小さい接点の領域を形成する構造は、高効率には理想的な構造である。

【0019】

高効率太陽電池において、本明細書で記述される遮蔽された接点構造は、前面構造および背面構造８、またはその両方を同時構造として用いるのに等しく適している。

【0020】

図３ａ〜ｅは、本発明の１つまたは複数の態様による、パッシベーション化誘電体層を介する遮蔽された電気接触についての典型的なプロセスフローおよび得られる構造を表す。

【0021】

プロセスステップは以下でさらに詳細に検討し、下記のものを含むことができる（しかし、それらに限定されない）。

【0022】

ステップ２１：基板の準備。「基板」という用語は、本明細書において、任意の下位層または導電接続を必要とする層という意味で広義に使用される。したがって、本明細書において電池構造は、追加的に下に機能的な層を含む可能性がある。

【0023】

ステップ２２：基板のテクスチャ形成−テクスチャ（例えば、角錐ピーク）を基板にエッチングして、基板とその後に堆積される導電層との間に制御された接点領域を形成するための基部構造を形成する。

【0024】

ステップ２３：テクスチャ化された基板上への堆積、成長、または別の方法での誘電体層の形成−基板をパッシベーションし、基板とその後に堆積される導電層との間の制御された接点を可能にする。

【0025】

ステップ２４：誘電体層の一部を通じての接点の開口。接触開口部を、例えば角錐構造の交差平面に沿っておよび／または誘電体層のピークを通じて腐食またはエッチングして、基板とその後に堆積される導電層との間に制御された接触開口部を形成する。

【0026】

ステップ２５：導電層を上側表面および制御された接触開口部の上に堆積させて、基板と導電層との間に制御された接点構造を形成する。

【0027】

ステップ２６：必要に応じて基板にドーパントを拡散させる（以下でさらに検討する）。

【0028】

図３ｂ〜ｅは、角錐テクスチャ形状の場合の、上のステップ２２〜２５のそれぞれの結果生じるテクスチャ化された構造の斜視図を示す。図３ｄは、ピークにおけるおよび／または角錐の交差平面に沿った典型的な開口を示す。

【0029】

図４ａ〜ｂは、本発明の１つまたは複数の態様による、エッチングパラメータを調節して所望の接触開口部領域およびプロファイルを達成することにより得られる、基板４３を覆う誘電体層４２を通して制御された接触開口部を示す部分的な断面図である。テクスチャ表面の交差平面および／またはピーク領域の腐食は、以下を含めたいくつかの技術によってイオン衝撃４６の指向性を高めることによって達成できる：

【0030】

１．基板にＤＣまたはＲＦバイアス４８を導入することによって基板に電荷を導入することにより、角錐の交差平面およびピークで電界を引きつける強度を強める（例えば、図４ｂ）。

【0031】

２．プラズマ中に反応性の低いガス種を使用し、化学エッチングより直接的なイオン衝撃による腐食を高める。

【0032】

３．ガス圧を低下させ、それによりイオンの平均自由行程を高める。

【0033】

図５は、本発明の１つまたは複数の態様による、ピークでの誘電体層５２の優先的な腐食を表す。電荷密度５６は幾何学的な平面の交差部およびピークで最高になるが、その理由は、角錐（または他の幾何学的な構造）の外側壁では、ほぼ同じ負電荷（ｌｉｋｅ−ｎｅｇａｔｉｖｅ ｃｈａｒｇｅｓ）の斥力が表面の平面に存在するが、２つ以上の平面の鋭い交差部の近く、特にピークを形成する４つ以上の平面においては、正味の負の力はより強く、表面に対して垂直になるであろう。その結果、陽イオンと交差部およびピークにおけるより強い負電荷との間の一層強い引力のために、プラズマから放射する陽イオンは、角錐の平面の交差部またはピークに優先的に衝突する。

【0034】

パッシベーション化誘電体層は、ピークにおける電界強度、ピークにおける応力亀裂部、イオン衝撃指向性、ピークのより大きな幾何学的露出などを含めたいくつかの因子により、ピークで優先的に腐食する。

【0035】

図６ａ〜ｃは、本発明の１つまたは複数の態様による、直接的接触６５またはトンネル障壁接触６６を含めて形成された典型的な接点構造を表す。

【0036】

図６ｂにおいて、パッシベーション化誘電体層６２を最後まで腐食して、直接的接触開口部を作成することができる。あるいは図６ｃにおいて、パッシベーション化誘電体層６２をピークで優先的に薄くして、誘電体障壁のトンネル接触６６を形成することができる。

【0037】

図７ａ〜ｂは、本発明の１つまたは複数の態様による、接点領域の制御を表す。ピークが垂直に腐食される（Ｙ）につれて、パッシベーション化誘電体層７２を通して、二次元の開口接点領域（Ｘ）が増加する。あるいは、パッシベーション化誘電体層を、「有効な」接点領域を制御しながらピークで優先的に薄くして、トンネル効果誘電体の障壁接触を形成することができる。

【0038】

図８ａ〜ｂは、本発明の１つまたは複数の態様による、界面平面およびピークにおいて誘電体層８２の誘起亀裂部を使用して、接触開口部のために優先的なエッチング路を達成する他の接触開口部方法を表す。

【0039】

反応性イオンエッチングプロセスにおいて、誘電体層の応力亀裂８５を導入して、亀裂界面に沿って優先的にエッチングすることができる。応力亀裂は熱的に誘導でき、または界面平面の交差部もしくはピークにおける他の応力によって生じさせることができる。交差平面における応力は本質的に平面表面より高く、誘電体蒸着プロセスのパラメータによってさらに増加させることができる。反応種の濃度およびイオン衝撃８３の指向性を変化させることにより、接触開口部のプロファイルおよび領域を調節することができる。

【0040】

図９ａ〜ｂは、本発明の１つまたは複数の態様による、パッシベーション化誘電体層の下のＰＮ接合９８の形成を表す。誘電体層の接触開口部を通じて固相ドーパント９７を、ドーパントを含む導電層９１から基板へと注入することにより、パッシベーション化誘電体層の下にＰＮ接合９８が形成される。熱拡散の下では、ドーパント原子は薄くされたまたは腐食された誘電体の場所を通じて優先的に拡散する。

【0041】

図１０ａ〜ｄは、本発明の１つまたは複数の態様による、得られた遮蔽された直接的接触の構造を表す。誘電体層１０２の開口部によって形成された接点領域１０５の下の基板１０３内に、高濃度の導電層１０１界面から低濃度のＰＮ接合へと移行するドーパント濃度勾配１０８を形成することによって、遮蔽された接点（低いキャリア再結合損失を備える接点）を形成できる。ドーパントプロファイルは、過剰なキャリア再結合損失から接点を遮蔽する。前述の通り、遮蔽された接点は、図のように角錐状の構造のピークなど２つ以上の平面の交差部、好ましくは３つ以上の交差部に存在できる。

【0042】

図１１ａ〜ｄは、本発明の１つまたは複数の態様による、得られた遮蔽されたトンネル障壁接触の構造を表す。遮蔽された接点は、誘電体層１１２を開口することによってではなく、誘電体を所望の厚さに薄くする（５〜５０オングストロームにできる）ことによって形成することもでき、これにより、反対極性のキャリアの通過に対しては障壁を示すが、一方のキャリア極性はトンネルを通れる。この構造はトンネル障壁接触１１６と呼ばれる。任意選択で、ドーパント１１７を、導電層１１１からトンネル誘電体構造を通じて拡散させることによりドーパント勾配１１８を形成して、接点を再結合損失からさらに遮蔽できる。

【0043】

上述の遮蔽された接点構造を生成するための典型的な方法の詳細を、以下にさらに詳述する。太陽電池基板の表面テクスチャは、一般に多数の規則正しくまたはランダムに配置されたミクロン規模の角錐状の構造の形態をとる。円錐形に突出した点または他の鋭く隆起した結晶質の基板構造を含めて、他のテクスチャ形態が同程度によく機能する。表面テクスチャ形成には、下層基板の結晶構造を反映する角錐状の表面を生成するアルカリ性エッチング、不規則でランダムな円錐形に突出した表面構造を生成する酸性エッチングを含めた、任意の数の周知のプロセスを使用して形成できる。いずれの場合にも、テクスチャ構造は薄い（均一である必要はない）絶縁誘電体層で最初に被覆できる。この絶縁保護誘電体層は、熱酸化法、化学蒸着法、物理蒸着法などを含めた多くの技術によって堆積させることができる。適合性誘電体層を、所望の厚さにまたは表面テクスチャのピークもしくは先端を完全に取り去るように優先的に腐食またはエッチングすることによって、下層基板は適合性誘電体層を通して電気的または物理的にさらされて、路または開口が形成され、電池基板とその後に誘電体層の上面に堆積される導電層との間の接点が形成される。導電層の堆積前の誘電体層の腐食またはエッチングは、プラズマ反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）プロセス、または誘電体層上に導電層を堆積させるのに使用される、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）からのイオン衝撃によるその場プロセスを含めたいくつかの利用可能な半導体加工技術を使用して実施できる。前述のその場プロセスが好ましいが、レーザーなど他の指向性エネルギー源を使用して、表面テクスチャ構造のピーク領域の選択的な腐食を達成することができる。角錐ピークを優先的に腐食またはエッチングするいくつかの典型的な技術を以下に、例えば図３〜図９に記述する。

【0044】

誘電体による接点領域の制御は、以下の通り、角錐の幾何学的形状、誘電体層の処理、ならびにアブレーション化エネルギーの強度および指向性の組合せによって達成できる：

【0045】

１．角錐状または円錐形の突起テクスチャのピークは、いくつかの効果により壁および基部領域と比較して優先的に腐食またはエッチングされる。そのピークは、プラズマもしくはイオンビームからのエッチングまたは腐食エネルギーに、より広く直接的にさらされる。

【0046】

２．ピークからエッチングされる物質の量が増加するにつれて、角錐形状のテクスチャは徐々に先端が切り取られる。これは、角錐のピークと比較して増加する基部の断面積が原因である。その際に、接触開口部は誘電体層を通して基板内に徐々に増加する。この徐々に増加する接点領域によって、導電層と基板との間に開いた接触合計面積の量を所望の量に制御できる。エッチング／イオン衝撃の継続時間および／または強度の増加を使用して、接触開口部領域を制御できる。

【0047】

３．基板に正味の電荷を誘導すると、電荷が同符号から離れて移動し、したがって基板表面の端に電荷を反発し、それゆえ角錐形状のピークまたは円錐形の突起構造の先端の場合と同様に、その電荷密度はいくつかの表面平面の交差部において最大になる傾向がある。これらのピークで高まった電荷密度はピークでさらに強い電界を作り、その電界は電荷密度が低い周囲領域よりも高い流束のイオン衝撃を引きつける。したがって、高い流速のイオン衝撃は、これら構造のピークにおいて誘電体層の高いエッチング速度をもたらす。電荷の効果は、基板にＤＣまたはＲＦバイアスを使用することによってさらに増強できる。具体的には、基板と接触している極板に、ＤＣまたはＲＦとして電圧バイアスを印加する平行板プラズマ反応器でこれを達成できる。

【0048】

４．誘電体膜に応力亀裂を熱的に誘発し、その後に基板をプラズマに供して、それにより誘電体層を通じて応力亀裂界面に沿って優先的にエッチングする。表面テクスチャ構造は、基部でより大きな断面積を有しピークで点領域になる。この特徴的な幾何学的形状を使用して、全体のパッシベーションされた表面領域に対して接点領域を制御する方法を提供する。

【0049】

５．イオン衝撃エネルギー、方向性、反応性および時間に影響を及ぼすプラズマエッチング条件を制御する。これらのパラメータは、ＰＥＣＶＤまたはプラズマエッチングチャンバなど最新のプラズマ反応器で容易に制御される。イオン衝撃の指向性を制御するために記述された概念を、（一例として）図４〜図６に例示する。あるいは、電子ビーム、イオンビーム、レーザーなどのエネルギー性ビーム源を利用する他の方法を適用できる。テクスチャ構造を使用する概念、および誘電体の上に連続的に堆積される導電層の間に制御された断面積の多数の接点を作る技術を図３ａ〜ｅに例示する。

【0050】

上述した全ての構造において、１）導電層と基板との間の制御された領域の直接的接触として、および／または２）制御された薄膜誘電体のトンネル障壁を通じた多数キャリアの輸送により、基板に遮蔽された電気接点を作ることができる。これら２つの基本的な接点構造を、図６、図１０および図１１に例示する。

【0051】

直接的接触の場合、完成した断面構造は、テクスチャ化した結晶太陽電池基板から始まりパッシベーション化誘電体層を貫通して上の導電層に行く、多数の導電性接点を備える積層から構成される。太陽電池基板のテクスチャは、太陽電池基板の表面全体にわたって均一に配置された何百万もの角錐または円錐形の突起から構成されるので、この構造および方法は、太陽電池において、基板と導電層との間の制御された断面積からなる適切に配置された接点を形成する技術を提供する。

【0052】

本明細書に記述されている構造は、いくつかの技術によって接点の下の領域のキャリア再結合を最小化する。１つの技術は、導電層と基板との接触合計面積を、合計電池面積と比較して理想的には０．５％最高で５％に最小化する。別の技術は、制御された薄膜誘電体パッシベーション層をその場に残すことによって接点を遮蔽し、誘電体を通るトンネル電流を利用する。第３の技術は、比較的小さい接点領域を通じて高濃度のドーパントを注入して、接点に高いドーピング原子濃度をもたらし、その接点付近で反対電荷のキャリア数を減らすことによって再結合損失を減少させる。

【0053】

一実施形態において、太陽電池基板は、最初にエッチングして角錐状の表面テクスチャを形成する。次に基板は、誘電体パッシベーション層で連続的に被覆される。次に、その場で導電層を堆積しながらおよび堆積する前に、誘電体層を角錐状のテクスチャ微細構造のピークから腐食する。次に誘電体層を、ドーパントを含む導電層で被覆する。次に、熱的に活性化される拡散を使用して、角錐状または突起形状のテクスチャ化した表面プロファイルの腐食されたピークで誘電体層に形成された制御された接触開口部の領域を通じて、導電層に含まれるドーパントを注入する。接触開口部を通じて注入されたドーパントは、パッシベーション化誘電体層の下の基板内の連続的なＰＮ接合へと拡散する。パッシベーション化合計面積と比較して極めて低い接触合計面積（５／１００未満）を接点内のドーパント濃度勾配と組み合わせることにより、低い再結合損失が達成される。この濃度勾配は一方の極性のキャリアに反発する電荷極性を作り、それによりキャリアの再結合損失を減少させる。本発明の上述の実施形態は、高効率太陽電池の製作において非常に有益である。この一実施形態を図９〜図１１に例示する。

【0054】

本明細書において記述される遮蔽された接点構造は、前面領域および背面領域として、または高効率太陽電池の同時構造として両面で用いるのに等しく適している。

【0055】

上で組み込まれた「高効率太陽電池の構造および製造法」という表題の出願によると、ｎ型前面、ｎ型ウェーハ、ｐ型背面、多機能で透明、導電性の高度にドーピングしたシリコン化合物（または異極性の１つ）を備える電池は、本発明の任意の接点特徴と組み合わせて使用できる。この一実施形態を、以下の典型的な層を含めて図１２に示す：

【0056】

１２４：前面金属接点

【0057】

１２１：透明導電膜：

【0058】

例：

【0059】

アモルファスまたは多結晶炭化ケイ素：

【0060】

ｎ型炭化ケイ素：リンドーピング炭化ケイ素、窒素ドーピング炭化ケイ素、

【0061】

アモルファスまたは多結晶シリコン：

【0062】

ｎ型アモルファスシリコン：リンドーピングアモルファスシリコン、窒素ドーピングアモルファスシリコン、

【0063】

１２２：電気的なパッシベーション化界面層；

【0064】

例：酸化ケイ素、窒化ケイ素、アモルファスシリコン、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム；

【0065】

１２３：ｎ型結晶シリコンウェーハ

【0066】

厚さは、ｗ＜３００μｍの範囲、ｎ型ウェーハの基部抵抗率０．５オームｃｍ＜ロー＜１０オームｃｍ、ｐ型ウェーハの基部抵抗率０．１オームｃｍ＜ロー＜１００オームｃｍである

【0067】

２２２：電気的なパッシベーション化界面層；

【0068】

例：酸化ケイ素、窒化ケイ素、アモルファスシリコン、真性炭化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム；

【0069】

２２１：透明導電膜

【0070】

例：

【0071】

アモルファスまたは多結晶炭化ケイ素：

【0072】

ｐ−型炭化ケイ素：ホウ素ドーピング炭化ケイ素、アルミニウムドーピング炭化ケイ素、ガリウムドーピング炭化ケイ素、．．．

【0073】

アモルファスまたは多結晶シリコン：

【0074】

ｐ型アモルファスシリコン：ホウ素ドーピングアモルファスシリコン、アルミニウムドーピングアモルファスシリコン、ガリウムドーピング炭化ケイ素、．．．

【0075】

２２４：背面金属

【0076】

上記の太陽電池構造内の記述された層は、ＰＥＣＶＤ、ＡＰＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ、ＰＶＤ、表面被覆などのような標準的な方法で堆積または成長させることができる。いくつかの層および層の組合せについては、層および構造を生成する革新的な方法が必要である。

【0077】

費用効率が高い生産方法で高効率太陽電池を達成するためには、異なる特性のフィルムを片面だけに堆積させることが有利である。これは極めて難しく、例えばＬＰＣＶＤ堆積される多結晶シリコンの標準的な管状炉堆積では不可能に近いが、ＰＥＣＶＤ堆積は反対面に堆積することなしにウェーハの片面に行うことができる。ＰＥＣＶＤ手段は産業的な規模で利用できるが、アモルファスまたは微結晶性のシリコン層が堆積できる温度範囲でしか動作しない。記述された電池構造において、アモルファスシリコン層は熱処理によって多結晶シリコン層に変化させることができる。この処理は、ドーピングしたアモルファスシリコン層またはアモルファス炭化ケイ素などの化合物にもあてはまる。再結晶が電池構造中に存在する場合、この再結晶はシリコン／アモルファスシリコン界面層のパッシベーションの質に負の影響を及ぼす。しかし絶縁体を備えることにより、結晶化したポリシリコン層からウェーハ表面は守られる。このように界面は熱処理後にはまだパッシベーションされており、その層系は高温安定性である。結晶化プロセスの間に、多くの層の特性が変化する：ドナーまたはアクセプタが活性化され、光学的伝達が高まり、水素が層から発散する。

【0078】

本発明は、本明細書において開示した太陽電池の例に加えて、導電性接点を必要とする層を有する任意の型の半導体集積回路に及ぶ。

【0079】

要約すれば、本発明の特定の態様にはそれだけには限定されないが、以下が含まれる：

【0080】

高効率結晶太陽電池のパッシベーション化誘電体層を介する遮蔽された電気接点、構造、および製造方法。

【0081】

太陽電池基板上に形成された表面テクスチャの幾何学的特徴を改変することにより形成される、パッシベーション化誘電体を介する遮蔽された接点。

【0082】

遮蔽された接点構造および前面領域および／または背面領域の両方を形成する方法。

【0083】

パッシベーション化誘電体層が、幾何学的なテクスチャ構造上の制御された接触開口部だけにある場合を除いて、基板の上で完全に連続的である接点構造および方法。

【0084】

太陽電池基板の表面テクスチャに被覆された誘電体層を選択的に腐食することによって、０．５〜５％の接触合計面積を制御可能に達成できる接点構造および方法。

【0085】

太陽電池基板の幾何学的な表面テクスチャに被覆された誘電体層の制御された領域を選択的に腐食することによって、太陽電池基板の表面領域全体に制御された面積の被覆率を有し、均一な総合密度で配置された０．５〜５％の接触合計面積を制御可能に達成できる接点構造および方法。

【0086】

プラズマイオン衝撃または反応性イオンエッチングにより太陽電池基板の幾何学的な表面テクスチャに被覆された誘電体層の制御された領域を選択的に腐食することによって、０．５〜５％の接触合計面積を制御可能に達成できる接点構造および方法。

【0087】

レーザーなど指向性のアブレーションエネルギーによって太陽電池基板の幾何学的な表面テクスチャに被覆された誘電体層の制御された領域を選択的に腐食することによって、０．５〜５％の接触合計面積を制御可能に達成できる接点構造および方法。

【0088】

導電層を堆積させる前に太陽電池基板上の表面テクスチャの幾何学的特徴を改変することにより形成される、パッシベーション化誘電体を介する遮蔽された接点。

【0089】

その場で導電層を堆積させながら太陽電池基板上の表面テクスチャの幾何学的特徴を改変することにより形成される、パッシベーション化誘電体を介する遮蔽された接点。

【0090】

テクスチャ構造の幾何学的形状を利用して誘電体層の接触開口部領域を制御することによって太陽電池基板上の表面テクスチャの幾何学的特徴を改変することにより形成される、パッシベーション化誘電体による接点。

【0091】

テクスチャ構造の幾何学的形状が基部で大きく、鋭いピークまたは突出端へと収束し、ピークまたは突出端を徐々に腐食させながら接触開口部領域を徐々に増加させることができる、パッシベーション化誘電体による接点。

【0092】

テクスチャ構造の幾何学的形状が、１８０度未満の開先角度で結晶太陽電池基板から一体となって突出している、角錐形状、円錐形突起または他の構造であるパッシベーション化誘電体による接点。

【0093】

太陽電池基板と導電層との間の遮蔽された直接的接触または薄膜誘電体のトンネル障壁接触のいずれかである、接点構造。

【0094】

パッシベーション化誘電体による接触開口部領域が、角錐または円錐形突起構造を含めた幾何学的なテクスチャ構造が均一な高さを有することに大きく左右されない、接点および製造方法。

【0095】

ＰＮ接合がパッシベーションされた誘電体層の下の基板に形成される、接点構造および方法。

【0096】

パッシベーション化誘電体層の制御された開口を通じて、ドーパントを、ドーパントを含む導電層から拡散または注入することにより、パッシベーションされた誘電体層の下の基板にＰＮ接合が形成される、接点構造および方法。

【0097】

太陽電池基板と導電層と間の遮蔽された直接的接触または薄膜誘電体のトンネル障壁接触であり、接触開口部を通じてまたはトンネル障壁を通じて、ドーパントを導電層から接点の下の基板へと注入または拡散させることによりさらに遮蔽される、接点構造および方法。

【0098】

接触開口部を通じてまたはトンネル障壁を通じて、ドーパントを導電層から接点の中にドーパント濃度勾配を形成している接点の下の基板へと注入または拡散させることによりさらに遮蔽される、接点構造および方法。

【0099】

イオン衝撃など腐食エネルギーへのより強い物理的露出により、表面テクスチャの幾何学的特徴のピークで誘電体層を優先的に腐食することによって形成される、パッシベーション化誘電体による接点。

【0100】

テクスチャ構造の幾何学的形状により濃縮される電荷または電界を利用して、テクスチャ構造の特定の領域の上の誘電体層を優先的に腐食することによって、太陽電池基板上の表面テクスチャの幾何学的特徴を改変することにより形成される、パッシベーション化誘電体による接点。

【0101】

ドーパントの拡散深度が、平坦面および谷と比較してピークおよび交差平面で最大であり、その結果前記ピークおよび交差平面から最も離れてＰＮ接合が形成され、それゆえ最小化された表面再結合を有するデバイスに寄付する構造および方法。

【0102】

その構造の幾何学的形状および帯電容量により濃縮される電荷または電界を利用することによって、太陽電池基板上の表面テクスチャ構造の２つ以上の幾何学的な平面の交差部に沿って誘電体層を優先的に腐食することによって形成される、パッシベーション化誘電体による接点。

【0103】

テクスチャ構造の幾何学的形状により濃縮される電荷または電界を利用して、テクスチャ構造の特定の領域の上の誘電体層を優先的に腐食することにより、太陽電池基板上の表面テクスチャの３つ以上の幾何学的な平面の交差部で形成されるピークで誘電体層を優先的に腐食することによって形成される、パッシベーション化誘電体による接点。

【0104】

反応性イオンエッチングプロセスにおける亀裂界面に沿った優先的なエッチングを増強するために導入した誘電体層の応力亀裂。

【0105】

２つ以上の界面平面の交差部またはピークに位置し、平面の交差部における本質的により高い応力に起因し、表面テクスチャ構造の優先的なエッチングの増強に使用される誘電体堆積プロセスのパラメータによってさらに増加した応力亀裂。

【0106】

本明細書において表されるプロセスフローは、単なる例である。本発明の精神を逸脱せずに、その中に記述されたこれらの図またはステップ（または操作）に対する多くの変更をなし得る。例えば、そのステップは異なる順序で実施することができ、またはステップを追加、削除もしくは改変することができる。これらの変更は全て特許請求した発明の一部と見なされる。

【0107】

好ましい実施形態が本明細書に詳細に表され、記述されているが、本発明の精神を逸脱せずに、様々な改変、追加、置換などを行うことが可能であり、したがってこれらが以下の請求項に記載の本発明の範囲内にあると見なされることは、当業者には明らかであろう。

【図1】

【図2a】

【図2b】

【図3a】

【図3b】

【図3c】

【図3d】

【図3e】

【図4a】

【図4b】

【図5】

【図6a】

【図6b】

【図6c】

【図7a】

【図7b】

【図8a】

【図8b】

【図9a】

【図9b】

【図10a】

【図10b】

【図10c】

【図10d】

【図11a】

【図11b】

【図11c】

【図11d】

【図12】