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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
【公報種別】再公表特許(A1)
(11)【国際公開番号】WO/0
(43)【国際公開日】2017年10月5日
【発行日】2018年12月27日
(54)【発明の名称】太陽電池セル及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
   H01L 31/0747 20120101AFI20181130BHJP
   H01L 31/0352 20060101ALI20181130BHJP
   H01L 31/0463 20140101ALI20181130BHJP
【FI】
   H01L31/06 455
   H01L31/04 340
   H01L31/04 532A
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
【全頁数】19
【出願番号】特願2018-508404(P2018-508404)
(21)【国際出願番号】PCT/0/0
(22)【国際出願日】2017年1月4日
(31)【優先権主張番号】特願2016-63028(P2016-63028)
(32)【優先日】2016年3月28日
(33)【優先権主張国】JP
(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ
(71)【出願人】
【識別番号】314012076
【氏名又は名称】パナソニックIPマネジメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001210
【氏名又は名称】特許業務法人YKI国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】片山 博貴
(72)【発明者】
【氏名】篠原 亘
(72)【発明者】
【氏名】益子 慶一郎
【テーマコード(参考)】
5F151
【Fターム(参考)】
5F151AA02
5F151AA03
5F151AA05
5F151BA11
5F151CA02
5F151CA03
5F151CA04
5F151CA15
5F151CB11
5F151CB12
5F151CB15
5F151CB21
5F151DA07
5F151DA10
5F151EA08
5F151EA10
5F151EA16
5F151FA02
5F151FA03
5F151FA04
5F151FA06
5F151GA04
5F151HA03
(57)【要約】
裏面接合型の太陽電池セル70において、パッシベーション層13i及び第2導電型層13p上にアモルファスシリコン、微結晶シリコン及び多結晶シリコンのうち少なくとも1つを含む多結晶シリコン粒13bが離散的に存在させる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
太陽電池セルであって、
半導体基板の主面のうち一面のみに電極部が設けられた裏面接合型であり、
前記半導体基板の前記一面側に設けられた第1のアモルファスシリコン層と
前記第1のアモルファスシリコン層の上に設けられた前記電極部を備え、
前記電極部は、電子を収集するn側電極と、正孔を収集するp側電極と、を有し、前記n側電極と前記p側電極とは、溝によって分離されており、
前記溝が形成される領域に設けられた前記第1のアモルファスシリコン層のうち少なくとも一層にアモルファスシリコン、微結晶シリコン及び多結晶シリコンのうち少なくとも1つを含む粒が離散的に存在している。
【請求項2】
請求項1に記載の太陽電池セルであって、
前記粒は、前記第1のアモルファスシリコン層上に離散的に存在している。
【請求項3】
請求項2に記載の太陽電池セルであって、
前記半導体基板と前記第1のアモルファスシリコン層との間であって、前記溝が形成される領域に設けられた絶縁層をさらに備える。
【請求項4】
請求項3に記載の太陽電池セルであって、
前記半導体基板と絶縁層との間に設けられ、前記第1のアモルファスシリコン層と導電型の異なる第2のアモルファスシリコン層をさらに備え、
前記n側電極は、前記第1のアモルファスシリコン層と前記第2のアモルファスシリコン層とのうちの一方の上に形成されて電子を収集し、
前記p側電極は、前記第1のアモルファスシリコン層と前記第2のアモルファスシリコン層とのうちの他方の上に形成されて正孔を収集する。
【請求項5】
請求項2に記載の太陽電池セルであって、
前記粒は、中心間の平均距離が250nm以上である。
【請求項6】
請求項2に記載の太陽電池セルであって、
前記粒の中心間の平均距離は、前記粒の直径よりも大きい。
【請求項7】
請求項1に記載の太陽電池セルであって、
前記粒は、前記アモルファスシリコン層上に不均一に存在している。
【請求項8】
太陽電池セルの製造方法であって、
前記太陽電池セルは、半導体基板の主面のうち一面のみに電極部が設けられた裏面接合型であり、
前記半導体基板の前記一面の上に、絶縁層と、前記絶縁層上に形成されたアモルファスシリコン層と、前記アモルファスシリコン層上に形成された透明導電層と、の積層体を形成する薄膜形成工程と、
前記半導体基板の前記一面の上から前記積層体に対して、前記透明導電層に吸収される波長帯域を含むレーザを照射して前記透明導電層を除去する第1のレーザ照射工程と、
前記第1のレーザ照射工程の後、前記透明導電層を除去した領域にレーザを再度照射する第2のレーザ照射工程と、
を備える。
【請求項9】
請求項8に記載の太陽電池セルの製造方法において、
前記第2のレーザ照射工程の後に、めっき法によって前記透明導電層の上に金属を含む導電層を形成するめっき工程と、をさらに含む。
【請求項10】
請求項9に記載の太陽電池セルの製造方法であって、
前記第1のレーザ照射工程において使用される前記レーザは330nm以下の波長を含む。
【請求項11】
請求項10に記載の太陽電池セルの製造方法であって、
前記第2のレーザ照射工程において使用される前記レーザは0.145J/cm以上0.165J/cm以下のエネルギー密度で照射される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、太陽電池セル及びその製造方法に関し、特に裏面接合型の太陽電池セル及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
発電効率の高い太陽電池として、光が入射する受光面に対向する裏面にn型半導体層およびp型半導体層の双方が形成された裏面接合型の太陽電池がある。裏面接合型の太陽電池では、アモルファスシリコン層上に透明導電層を形成した上で、レーザを用いて透明導電層を蒸散加工にして電極分離を行う場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
ところで、レーザを用いた蒸散により透明導電層の電極分離加工を行った場合、アモルファスシリコン層内にリークパスが形成されて太陽電池セルの特性が低下するおそれがあった。
【0004】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、より発電効率の高い太陽電池セルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の1つの態様は、太陽電池セルであって、半導体基板の主面のうち一面のみに電極部が設けられた裏面接合型であり、前記半導体基板の前記一面側に設けられた第1のアモルファスシリコン層と前記第1のアモルファスシリコン層の上に設けられた前記電極部を備え、前記電極部は、電子を収集するn側電極と、正孔を収集するp側電極と、を有し、前記n側電極と前記p側電極とは、溝によって分離されており、前記溝が形成される領域に設けられた前記第1のアモルファスシリコン層のうち少なくとも一層にアモルファスシリコン、微結晶シリコン及び多結晶シリコンのうち少なくとも1つを含む粒が離散的に存在している。
【0006】
本発明の別の態様は、太陽電池セルの製造方法であって、前記太陽電池セルは、半導体基板の主面のうち一面のみに電極部が設けられた裏面接合型であり、前記半導体基板の前記一面の上に、絶縁層と、前記絶縁層上に形成されたアモルファスシリコン層と、前記アモルファスシリコン層上に形成された透明導電層と、の積層体を形成する薄膜形成工程と、前記半導体基板の前記一面の上から前記積層体に対して、前記透明導電層に吸収される波長帯域を含むレーザを照射して前記透明導電層を除去する第1のレーザ照射工程と、前記第1のレーザ照射工程の後、前記透明導電層を除去した領域にレーザを再度照射する第2のレーザ照射工程と、を備える。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、レーザ加工によるリークパスの形成を抑制し、発電効率の高い太陽電池セルを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1】本発明の実施の形態における太陽電池セルを示す平面図である。
図2】本発明の実施の形態における太陽電池セルの構造を示す断面図である。
図3】本発明の実施の形態における太陽電池セルの製造工程を概略的に示す断面図である。
図4】本発明の実施の形態における太陽電池セルの製造工程を概略的に示す断面図である。
図5】本発明の実施の形態における太陽電池セルの製造工程を概略的に示す断面図である。
図6】本発明の実施の形態における太陽電池セルの製造工程を概略的に示す断面図である。
図7】本発明の実施の形態における太陽電池セルの製造工程を概略的に示す拡大平面図である。
図8】本発明の実施の形態における太陽電池セルの製造工程を概略的に示す断面図である。
図9】本発明の実施の形態における太陽電池セルの製造工程を概略的に示す断面図である。
図10】本発明の実施の形態における太陽電池セルの製造工程を概略的に示す断面図である。
図11】本発明の実施の形態における太陽電池セルの製造工程を概略的に示す断面図である。
図12】本発明の実施の形態における太陽電池セルの製造工程を概略的に示す断面図である。
図13】本発明の実施の形態における太陽電池セルの製造工程を概略的に示す断面図である。
図14】本発明の実施の形態における太陽電池セルの製造工程を概略的に示す断面図である。
図15】本発明の実施の形態における太陽電池セルの第1絶縁層上の断面模式図である。
図16】本発明の実施の形態における太陽電池セルの第1絶縁層上のSEM観察写真である。
図17】本発明の実施の形態における太陽電池セルの製造工程を概略的に示す断面図である。
図18】本発明の実施の形態における太陽電池セルの第1絶縁層上の断面模式図である。
図19】本発明の実施の形態における太陽電池セルの第1絶縁層上のSEM観察写真である。
図20】本発明の変形例におけるリーク経路を示す拡大平面図である。
図21】本発明の変形例におけるリーク経路の別例を示す拡大平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
【0010】
図1は、実施の形態に係る太陽電池セル70を示す平面図であり、太陽電池セル70の裏面70bの構造を示す。
【0011】
太陽電池セル70は、裏面70bに設けられるn側電極14と、p側電極15を備える。n側電極14は、x方向に延びるバスバー電極14aと、y方向に延びる複数のフィンガー電極14bを含む櫛歯状に形成される。同様に、p側電極15は、x方向に延びるバスバー電極15aと、y方向に延びる複数のフィンガー電極15bを含む櫛歯状に形成される。n側電極14およびp側電極15は、それぞれの櫛歯が互いに間挿し合うように形成される。なお、n側電極14およびp側電極15のそれぞれは、複数のフィンガーのみにより構成され、バスバーを有さないバスバーレス型の電極であってもよい。
【0012】
図2は、実施の形態に係る太陽電池セル70の構造を示す断面図であり、図1のA−A線断面を示す。太陽電池セル70は、半導体基板10と、第1のパッシベーション層12iと、第1導電型層12nと、第2のパッシベーション層13iと、第2導電型層13pと、第1絶縁層16と、第3のパッシベーション層17iと、第3導電型層17nと、第2絶縁層18と、電極層19とを備える。電極層19は、n側電極14またはp側電極15を構成する。太陽電池セル70は、裏面70b側に第1導電型層12nおよび第2導電型層13pが設けられる裏面接合型の光起電力素子である。
【0013】
半導体基板10は、受光面70a側に設けられる第1主面10aと、裏面70b側に設けられる第2主面10bを有する。半導体基板10は、第1主面10aに入射する光を吸収し、キャリアとして電子および正孔を生成する。半導体基板10は、n型またはp型の導電型を有する結晶性の半導体材料により構成される。本実施の形態における半導体基板10は、n型の単結晶シリコンウェーハとしている。
【0014】
ここで、受光面70aとは、太陽電池セル70において主に光(太陽光)が入射される主面を意味し、具体的には、太陽電池セル70に入射される光の大部分が入射される面を意味する。一方、裏面70bは、受光面70aに対向する他方の主面を意味する。
【0015】
半導体基板10の第2主面10bの上には、第1積層体12と第2積層体13とが形成される。第1積層体12および第2積層体13はそれぞれ、n側電極14およびp側電極15に対応するように櫛歯状に形成され、互いに間挿し合うように形成される。このため、第1積層体12が設けられる第1領域W1と、第2積層体13が設けられる第2領域W2は、第2主面10b上において、x方向に交互に配列される。また、x方向に隣接する第1積層体12と第2積層体13は接触して設けられる。したがって、本実施の形態では、第1積層体12および第2積層体13によって、第2主面10bの実質的に全体が被覆される。
【0016】
第1積層体12は、第2主面10bの上に形成される第1のパッシベーション層12iと、第1のパッシベーション層12iの上に形成される第1導電型層12nにより構成される。第1のパッシベーション層12iは、実質的に真性な非晶質半導体(以下、真性な半導体を「i型層」ともいう)で構成される。なお、本実施の形態において、「非晶質半導体」には、微結晶半導体を含むものとする。微結晶半導体とは、非晶質半導体中に半導体結晶が析出している半導体をいう。
【0017】
第1のパッシベーション層12iは、水素(H)を含むi型の非晶質シリコンで構成され、例えば、数nm〜25nm程度の厚さを有する。第1のパッシベーション層12iの形成方法は、特に限定されないが、例えば、プラズマCVD法等の化学気相成長(CVD)法により形成することができる。第1のパッシベーション層12iは、半導体基板10の表面のキャリアの再結合中心を低減できる薄膜であればよく、酸化シリコン(SiO)、窒化シリコン(SiN)、酸窒化シリコン(SiON)を用いてもよい。
【0018】
第1導電型層12nは、半導体基板10と同じ導電型であるn型のドーパントが添加された非晶質半導体で構成される。本実施の形態における第1導電型層12nは、水素を含むn型非晶質シリコンで構成される。第1導電型層12nは、例えば、2nm〜50nm程度の厚さを有する。
【0019】
第1積層体12の上には、第1絶縁層16が形成される。第1絶縁層16は、第1領域W1のうちx方向の中央部に相当する第3領域W3には設けられず、第3領域W3を残した両端に相当する第4領域W4に設けられる。第1絶縁層16が形成される第4領域W4の幅は、例えば、第1領域W1の幅の約1/3程度である。また、第1絶縁層16が設けられない第3領域W3は、例えば、第1領域W1の幅の約1/3程度である。
【0020】
第1絶縁層16は、例えば、酸化シリコン(SiO)、窒化シリコン(SiN)、酸窒化シリコン(SiON)などにより形成される。第1絶縁層16は、窒化シリコンにより形成されることが望ましく、水素を含んでいることが好ましい。
【0021】
第2積層体13は、第2主面10bのうち第1積層体12が設けられない第2領域W2と、第1絶縁層16が設けられる第4領域W4の端部の上に形成される。このため、第2積層体13の両端部は、第1積層体12と高さ方向(z方向)に重なって設けられる。
【0022】
第2積層体13は、第2主面10bの上に形成される第2のパッシベーション層13iと、第2のパッシベーション層13iの上に形成される第2導電型層13pにより構成される。第2のパッシベーション層13iは、水素を含むi型の非晶質シリコンで構成され、例えば、数nm〜25nm程度の厚さを有する。第2のパッシベーション層13iは、第1のパッシベーション層12iと同様に、酸化シリコン(SiO)、窒化シリコン(SiN)、酸窒化シリコン(SiON)を用いてもよい。
【0023】
第2導電型層13pは、半導体基板10とは異なる導電型であるp型のドーパントが添加された非晶質半導体で構成される。本実施の形態における第2導電型層13pは、水素を含むp型の非晶質シリコンで構成される。第2導電型層13pは、例えば、2nm〜50nm程度の厚さを有する。
【0024】
ここで、i型非晶質シリコンとは、ドーパントの含有率が1×1019cm−3未満である非晶質シリコンをいう。また、n型非晶質シリコンとは、n型ドーパントの含有率が5×1019cm−3以上である非晶質シリコンをいう。また、p型非晶質シリコンとは、p型ドーパントの含有率が5×1019cm−3以上である非晶質シリコンをいう。
【0025】
第1導電型層12nの上には、電子を収集するn側電極14が形成される。第2導電型層13pの上には、正孔を収集するp側電極15が形成される。n側電極14とp側電極15の間には溝が形成され、両電極は電気的に絶縁される。本実施の形態において、n側電極14およびp側電極15は、第4領域W4において溝が形成されて絶縁された第1導電層19aから第4導電層19dの4層の導電層の積層体により構成される。
【0026】
第1導電層19aは、例えば、酸化錫(SnO)、酸化亜鉛(ZnO)、インジウム錫酸化物(ITO)等の透明導電性酸化物(TCO)により形成される。本実施の形態における第1導電層19aは、インジウム錫酸化物により形成され、例えば、50nm〜100nm程度の厚さを有する。
【0027】
第2導電層19bから第4導電層19dは、銅(Cu)、錫(Sn)、金(Au)、銀(Ag)などの金属を含む導電性の材料である。本実施の形態では、第2導電層19bおよび第3導電層19cは、銅により形成され、第4導電層19dは、錫により形成される。第2導電層19b、第3導電層19c、第4導電層19dはそれぞれ、50nm〜1000nm程度、10μm〜20μm程度、1μm〜5μm程度の厚さを有する。
【0028】
第1導電層19aから第4導電層19dの形成方法は特に限定されず、例えば、スパッタリング法や化学気相成長法(CVD)などの薄膜形成方法や、めっき法などにより形成することができる。本実施の形態において、第1導電層19aおよび第2導電層19bは、薄膜形成法により形成され、第3導電層19cおよび第4導電層19dは、めっき法により形成される。
【0029】
半導体基板10の第1主面10aの上には、第3のパッシベーション層17iが設けられる。第3のパッシベーション層17iは、水素を含むi型の非晶質シリコンにより形成され、例えば、数nm〜25nm程度の厚さを有する。第3のパッシベーション層17iは、第1のパッシベーション層12iと同様に、酸化シリコン(SiO)、窒化シリコン(SiN)、酸窒化シリコン(SiON)を用いてもよい。
【0030】
第3のパッシベーション層17iの上には、第3導電型層17nが設けられる。第3導電型層17nは、半導体基板10と同じ導電型であるn型のドーパントが添加された非晶質半導体で構成される。本実施の形態における第3導電型層17nは、水素を含むn型非晶質シリコンで構成され、例えば、2nm〜50nm程度の厚さを有する。
【0031】
第3導電型層17nの上には、反射防止膜および保護膜としての機能を有する第2絶縁層18が設けられる。第2絶縁層18は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコンなどにより形成される。第2絶縁層18の厚さは、反射防止膜としての反射防止特性などに応じて適宜設定され、例えば、80nm〜1000nm程度とされる。
【0032】
なお、第3のパッシベーション層17i、第3導電型層17n、第2絶縁層18の積層構造は、半導体基板10のパッシベーション層としての機能を有してもよい。また、第3導電型層17nは、p型のドーパントが添加された非晶質半導体で構成されてもよいし、第3導電型層17nを設けずに第3のパッシベーション層17iの上に第2絶縁層18を直接積層してもよい。
【0033】
つづいて、図3図14を参照しながら、本実施の形態の太陽電池セル70の製造方法について説明する。
【0034】
図3に示すように、半導体基板10の第2主面10bの上に、i型非晶質半導体層21、n型非晶質半導体層22、絶縁層23を形成する。また、半導体基板10の第1主面10aの上に、第3のパッシベーション層17i、第3導電型層17n、第2絶縁層18を形成する。i型非晶質半導体層21、n型非晶質半導体層22、絶縁層23、第3のパッシベーション層17i、第3導電型層17n、第2絶縁層18のそれぞれの形成方法は、特に限定されないが、例えば、プラズマCVD法等の化学気相成長(CVD)法や、スパッタリング法により形成することができる。
【0035】
半導体基板10の第1主面10aおよび第2主面10bの上に各層を形成する順序は適宜設定することができる。本実施の形態では、第2主面10bの上にi型非晶質半導体層21、n型非晶質半導体層22、絶縁層23を形成する各工程に先立って、第1主面10aの上に第3のパッシベーション層17iとなるi型非晶質半導体層、第3導電型層17nとなるn型非晶質半導体層、第2絶縁層18となる絶縁層を形成する。
【0036】
次に、図4に示すように、絶縁層23の上に第1のマスク層31を形成する。第1のマスク層31は、i型非晶質半導体層21、n型非晶質半導体層22および絶縁層23をパターニングするためのマスクとなる層である。第1のマスク層31は、太陽電池セル70の半導体層や絶縁層に用いられる材料で構成され、絶縁層23よりも耐アルカリ性の低い材料で構成される。絶縁層23は、例えば、非晶質シリコン、シリコン含有率の高い窒化シリコン、酸素を含むシリコン、炭素(C)を含むシリコン等のシリコンを含む材料で構成される。第1のマスク層31は、非晶質シリコンを用いることが望ましく、本実施の形態における第1のマスク層31は、i型の非晶質シリコン層で構成される。また、第1のマスク層31は、次の図5に示すレーザ照射の工程で除去しやすいように薄く形成され、例えば、2nm〜50nm程度の厚さを有する。
【0037】
次に、図5に示すように、第1のマスク層31にレーザ50を照射して、第1のマスク層31の一部を除去する。レーザ50は、第2積層体13が設けられることとなる第2領域W2に照射され、第2領域W2には絶縁層23が露出する第1開口部41が形成される。レーザ50は、主に第1のマスク層31のみを除去するような強度で照射され、レーザ照射部において絶縁層23より下の層が露出しないような強度で照射される。なお、第1のマスク層31の表面の凹凸による多重反射を抑えるため、第1のマスク層31の上に水や酸化シリコンなどの第1のマスク層31よりも屈折率の低い液体または低屈折率膜を設けてレーザ50を照射してもよい。
【0038】
図6および図7は、レーザ50により第1開口部41を形成する工程を示す図である。図6は、図5に示す断面と直交する断面図を示し、図7は、第1のマスク層31を上から見た平面図を示す。図5は、図7のB−B線断面に相当し、図6は、図7のC−C線断面に相当する。レーザ50は、図6に示すようにY方向に照射位置をずらしながら照射され、図7に示すように帯状に延びる第1開口部41を形成するように第1のマスク層31の一部領域をエッチングする。
【0039】
レーザ50は、隣接する照射位置におけるレーザ50の照射範囲54が部分的に重なるようにして照射され、レーザ照射により絶縁層23が露出した範囲にレーザ50の中心52が位置しないようにずらして照射される。つまり、レーザ50の照射により第1のマスク層31が除去される照射範囲54の半径D1よりも、隣接するレーザ照射の間隔D2が大きくなるようにレーザ50を照射することが望ましい。レーザ50の照射範囲54が重ならないようにすることで、絶縁層23の下の半導体層にまでレーザ照射によるダメージが及ばないようにする。なお、本実施の形態では、隣接する照射位置におけるレーザ50の照射範囲54が部分的に重なるようにしたが、隣接する照射位置におけるレーザ50の照射範囲54が重ならないようにしてもよい。レーザ50の照射範囲54を離散的に配置することで、レーザ50の照射回数を削減でき、製造工程を簡素にすることができる。
【0040】
レーザ50は、レーザ照射部への熱影響を少なくするため、パルス幅がナノ秒(ns)またはピコ秒(ps)程度の短パルスレーザであることが望ましい。このようなレーザ50として、YAGレーザや、エキシマレーザなどを用いればよい。本実施の形態では、レーザ光源としてNd:YAGレーザ(波長1064nm)の第3高調波(波長355nm)を使用し、1パルスあたり約0.1〜0.5J/cmの強度でレーザ50を照射する。なお、レーザ50により第1開口部41を短時間で形成できるよう、繰り返し周波数の高いレーザ光源を用いることが望ましい。
【0041】
次に、図8に示すように、レーザ照射によりパターニングした第1のマスク層31を用いて、第1開口部41に露出する絶縁層23をエッチングする。絶縁層23のエッチングは、絶縁層23が酸化シリコン、窒化シリコンまたは酸窒化シリコンからなる場合は、例えば、フッ酸水溶液等の酸性のエッチング剤を用いて行うことができる。化学エッチングに用いるエッチング剤は、液体であってもよいし気体であってもよい。第2領域W2に位置する絶縁層23のエッチングにより、n型非晶質半導体層22が露出する第2開口部42が形成される。
【0042】
次に、図9に示すように、パターニングした絶縁層23をマスクとして用いて、i型非晶質半導体層21とn型非晶質半導体層22をエッチングする。i型非晶質半導体層21およびn型非晶質半導体層22は、アルカリ性のエッチング剤を用いてエッチングできる。第2領域W2に位置するi型非晶質半導体層21およびn型非晶質半導体層22を除去することにより、半導体基板10の第2主面10bが露出する第3開口部43が形成される。また、第1領域W1に残るi型非晶質半導体層21およびn型非晶質半導体層22により、第1積層体12が形成される。絶縁層23の上の第1のマスク層31は、i型非晶質半導体層21およびn型非晶質半導体層22のエッチング工程において一緒に除去される。エッチング工程後に形成される第2開口部42および第3開口部43は、半導体基板10の第2主面10bを底面とする一体的な溝を構成する。なお、第1のマスク層31は、i型非晶質半導体層21およびn型非晶質半導体層22のエッチングとは別の工程により除去されてもよい。
【0043】
次に、図10に示すように、第2主面10bおよび絶縁層23の上を覆うようにi型非晶質半導体層24が形成され、i型非晶質半導体層24の上にp型非晶質半導体層25が形成される。i型非晶質半導体層24、p型非晶質半導体層25の形成方法は特に限定されないが、例えば、CVD法などの薄膜形成法により形成することができる。なお、i型非晶質半導体層24およびp型非晶質半導体層25は、絶縁層23のさらなるパターニングのための第2のマスク層として機能する。
【0044】
次に、図11に示すように、第1領域W1の絶縁層23の上に位置する第2のマスク層の一部にレーザ50を照射する。レーザ50が照射される第3領域W3には、絶縁層23が露出する第4開口部44が形成される。レーザ照射によって第2のマスク層の第3領域W3以外の部分が残って、i型非晶質半導体層24が第2のパッシベーション層13iとなり、p型非晶質半導体層25が第2導電型層13pとなる。つまり、第2のマスク層により、第2積層体13が形成される。
【0045】
次に、図12に示すように、パターニングした第2のマスク層を用いて、第4開口部44に露出する絶縁層23のエッチングを行う。絶縁層23は、上述の図8に示す工程と同様に、フッ酸水溶液等の酸性のエッチング剤を用いて行うことができる。これにより、絶縁層23に第5開口部45を形成して第1導電型層12nを露出させ、絶縁層23から第1絶縁層16を形成する。絶縁層23が除去された部分は第3領域W3となり、第1絶縁層16が残る部分は第4領域W4となる。エッチング工程後に形成される第4開口部44及び第5開口部45は、第1導電型層12nの表面を底面とする一体的な溝を構成する。
【0046】
次に、図13に示すように、第1導電型層12nおよび第2導電型層13pの上に、導電層26、27を形成する。導電層26は、インジウム錫酸化物(ITO)などの透明電極層であり、導電層27は、銅(Cu)などの金属や合金により構成される金属電極層である。導電層26、27は、プラズマCVD法等のCVD法や、スパッタリング法等の薄膜形成法により形成される。
【0047】
次に、図14に示すように、導電層26、27のうち、第1絶縁層16の上に位置している部分を分断して溝を形成する。これにより、導電層26、27から第1導電層19aおよび第2導電層19bが形成され、n側電極とp側電極とが分離される。導電層26、27の分断は、レーザ60を照射することにより行われる。
【0048】
導電層26を除去する前に、第1絶縁層16の上に位置している部分の導電層27を除去する。導電層27が金属電極層である場合、導電層27はウェットエッチングによって除去することが好ましいが、レーザを用いて除去してもよい。導電層26のレーザ60による加工は、前記一面の上から照射されたレーザ60を透明導電層である導電層26に吸収させ、吸収によって発生する熱によって導電層26及び第2のパッシベーション層13i,第2導電型層13pを蒸散させることによって除去するものである。したがって、レーザ60は、導電層26によって吸収される波長を含むものとする。例えば、導電層26がインジウム錫酸化物(ITO)である場合、レーザ60は、330nm以下の発振波長とすることが好適である。また、レーザ60の照射エネルギー密度は0.08J/cm以上0.17J/cm以下とすることが好適である。
【0049】
図15は、レーザ60による加工後の第1絶縁層16上の断面模式図を示し、図16は、レーザ60による加工後の第1絶縁層16上の電子顕微鏡観察写真を示す。レーザ60によって第2のパッシベーション層13i及び第2導電型層13pも同時に蒸散されるが、第1絶縁層16上にアモルファスシリコン層13aが残留する。また、アモルファスシリコン層13a上には、第2のパッシベーション層13i及び第2導電型層13pが溶融した後に結晶粒として凝集したと考えられる多結晶シリコン粒13bが形成される。多結晶シリコン粒13bは、その上部が多結晶シリコンからなるブリッジ部13cによって近傍の他の多結晶シリコン粒13bと接続された状態となる。
【0050】
このように、多結晶シリコン粒13bがブリッジ部13cによって繋がれることによって、第1絶縁層16の表面方向に導通(ショート)した状態となる。したがって、この状態のままでは、太陽電池セル70の特性を低下させる原因となるおそれがある。
【0051】
そこで、図17に示すように、導電層26,27及び第2のパッシベーション層13i,第2導電型層13pを蒸散させた領域にさらにレーザ62を照射してブリッジ部13cを蒸散させる処理を行う。レーザ60は、ブリッジ部13cによって吸収される波長を含むものとする。例えば、レーザ60は、330nm以下の発振波長とすることが好適である。また、レーザ60の照射エネルギー密度は0.145J/cm以上0.165J/cm以下とすることが好適である。
【0052】
図18は、レーザ62による処理後の第1絶縁層16上の断面模式図を示し、図19は、レーザ62による処理後の第1絶縁層16上の電子顕微鏡観察写真を示す。レーザ62によってブリッジ部13cや多結晶シリコン粒13bの一部が蒸散される。これによって、残留した多結晶シリコン粒13bの第1絶縁層16の表面方向に沿った接続が断たれ、第1絶縁層16上に多結晶シリコン粒13bが離散的に存在する状態となる。
【0053】
ここで、残留した多結晶シリコン粒13bの中心位置間の平均距離が多結晶シリコン粒13bの直径よりも大きくなるように処理することが好適である。上記レーザ60及びレーザ62の照射条件によれば、多結晶シリコン粒13bの直径は100nm程度となるので、多結晶シリコン粒13bの平均距離を100nmより大きくすることが好適であり、例えば多結晶シリコン粒13bの平均距離を250nm以上とする。
【0054】
また、アモルファスシリコン層13aの結晶化度は、レーザ62の照射面側の方が非照射面側よりも高くなるか、または膜厚方向にほぼ一定となる。なお、結晶化度は、ラマンスペクトルにおける520cm−1付近のピークの強度と470cm−1付近のピークの強度の比から求めることができる。また、断面透過電子顕微鏡観察(断面TEM)の格子像から結晶化度の違いを検証することができる。
【0055】
また、図19に示した第1絶縁層16上の表面状態の組成を調べた場合、窒素(N)が11.4mol%、酸素(O)が1.2mol%、シリコン(Si)が86.4mol%であり、インジウム(In)は1mol%以下であった。すなわち、第1絶縁層16上の表面状態の組成においてシリコン(Si)の組成が70%以上であることが好適である。
【0056】
これによって、レーザ60による処理の後にさらにレーザ62による処理を施さなかった場合に比べて太陽電池セル70の特性を向上させることができる。
【0057】
最後に、第1導電層19aおよび第2導電層19bの上に、銅(Cu)を含む第3導電層19cと、錫(Sn)を含む第4導電層19dをめっき法により形成する。第3導電層19cおよび第4導電層19dは、第1導電層19aおよび第2導電層19bをシード層として電流を流すことにより、めっき法により形成する。以上の製造工程により、図2に示す太陽電池セル70ができあがる。
【0058】
本実施の形態によれば、多結晶シリコン粒13b及びブリッジ部13cによる界面での電気的な短絡(ショート)を抑制することができ、太陽電池セル70の特性を向上させることができる。
【0059】
[変形例]
上記実施の形態では、導電層26,27及び第2のパッシベーション層13i,第2導電型層13pを蒸散させた領域の全域にレーザ62による処理を施すものとしたが、多結晶シリコン粒13b及びブリッジ部13cによる接続状態を利用するようにしてもよい。
【0060】
すなわち、太陽電池セル70では、何らかの影響により太陽電池セル70の表面の一部が陰になったときにその部分が発熱して破損してしまうホットスポット現象が生ずる。そこで、ホットスポット対策として、太陽電池セル70の隣り合うn側電極14とp側電極15との間にバイパスダイオードを設けることによりホットスポット領域における過電流をバイパスさせる方法が採用されている。
【0061】
そこで、多結晶シリコン粒13b及びブリッジ部13cを利用して隣り合うn側電極14とp側電極15との間に電流のリーク経路(リークパス)を形成しておき、ホットスポット現象が生じた場合にそのリーク経路を通じて電流が流れるようにしてもよい。
【0062】
例えば、図20の第1絶縁層16上の表面拡大図に示すように、レーザ62を照射する領域65と照射しない領域66とを設け、照射しない領域66によってn側電極14とp側電極15との間に適度なリーク経路が形成されるようにする。リーク経路の形状は、特に限定されるものでなく、図20のように2つの領域66の頂点が接するような形状としてもよいし、図21のように均一の幅の領域66からなる形状としてもよい。また、図21のようなリーク経路を複数形成することが好ましく、リーク経路が形成される領域とリーク経路が形成されない領域とが繰返し配置されることが好ましい。
【0063】
以上のように、多結晶シリコン粒13b及びブリッジ部13cによる接続状態を利用してリーク経路を設けることによってホットスポットによる太陽電池セル70の破損を防ぐことができる。
【0064】
以上、本発明を上述の実施の形態及び変形例を参照して説明したが、本発明は、実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、実施の形態及び変形例の構成を適宜組み合わせたものや置換したものとしてもよい。
【符号の説明】
【0065】
10 半導体基板、10a 第1主面、10b 第2主面、12 積層体、12i 第1のパッシベーション層、12n 第1導電型層、13 積層体、13a アモルファスシリコン層、13b 多結晶シリコン粒、13c ブリッジ部、13i 第2のパッシベーション層、13p 第2導電型層、14 n側電極、14a バスバー電極、14b フィンガー電極、15 p側電極、15a バスバー電極、15b フィンガー電極、16 第1絶縁層、17i 第3のパッシベーション層、17n 第3導電型層、18 第2絶縁層、19 電極層、19a 第1導電層、19b 第2導電層、19c 第3導電層、19d 第4導電層、21 i型非晶質半導体層、22 n型非晶質半導体層、23 絶縁層、24 i型非晶質半導体層、25 p型非晶質半導体層、26,27 導電層、31 マスク層、41,42,43,44,45 開口部、50,60,62 レーザ、52 中心、54 照射範囲、65 レーザを照射する領域、66 レーザを照射しない領域、70 太陽電池セル、70a 受光面、70b 裏面。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13
図14
図15
図16
図17
図18
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図20
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【国際調査報告】