JP3898621B2

JP3898621B2 - 太陽電池の製造方法

Info

Publication number: JP3898621B2
Application number: JP2002311820A
Authority: JP
Inventors: 洋介猪股
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-10-25
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2022-10-25
Also published as: JP2004146699A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエッチング装置とエッチング方法に関し、特に太陽電池などに用いられるシリコン基板等に微細な凹凸を高タクトに形成することができるエッチング装置とエッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
太陽電池は表面に入射した太陽光などの光エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。この電気エネルギーへの変換効率を向上させるため、従来から様々な試みがなされてきた。そのひとつに基板の表面に入射した光の反射を少なくする技術があり、入射した光の反射を低減することで電気エネルギーヘの変換効率を高めることができる。
【０００３】
太陽電池は、材料によって結晶系、アモルファス系、化合物系などに分類される。このうち、現在市場で流通しているのはほとんどが結晶系シリコン太陽電池である。この結晶系シリコン太陽電池はさらに単結晶型、多結晶型に分類される。単結晶型シリコン太陽電池は基板の品質がよいため、高効率化が容易であるという長所を有する反面、基板の製造コストが大きいという短所を有する。それに対し、多結晶型シリコン太陽電池は基板の品質が劣るために高効率化が難しいという欠点はあるものの、低コストで製造できるというメリットがある。また、最近では多結晶シリコン基板の品質の向上やセル化技術の進歩により、研究レベルでは１８％程度の変換効率が達成されている。
【０００４】
一方、量産レベルの多結晶シリコン太陽電池は低コストであったため、従来から市場に流通してきたが、近年環境問題が取りざたされる中でさらに需要が増してきており、低コストで且つより高い変換効率が求められるようになった。
【０００５】
シリコン基板を用いて太陽電池素子を形成する場合に、基板の表面を水酸化ナトリウムなどのアルカリ水溶液でエッチングすると、表面に微細な凹凸が形成されて基板表面での反射をある程度低減させることができる。
【０００６】
面方位が（１００）面の単結晶シリコン基板を用いた場合は、このような方法でテクスチャー構造と呼ばれるピラミッド構造を基板の表面に均一に形成することができるものの、アルカリ水溶液によるエッチングは結晶の面方位に依存することから、多結晶シリコン基板で太陽電池素子を形成する場合、ピラミッド構造を均一には形成できず、そのため全体の反射率も効果的には低減できないという問題がある。
【０００７】
このような問題を解決するために、太陽電池素子を多結晶シリコン基板で形成する場合に、基板表面に微細な突起を反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching）法で形成することが提案されている（例えば特許文献１参照）。すなわち、多結晶シリコンにおける不規則な結晶の面方位に左右されずに微細な突起を均一に形成し、特に多結晶シリコンを用いた太陽電池素子においても、反射率をより効果的に低減しようとするものである。
【０００８】
しかしながら、凹凸を形成するための条件は非常に微妙であり、また、装置の構造によっても変化するため、条件の検討は非常に難しいことが多い。微細な突起を均一に形成できない場合は、太陽電池の光電変換効率が低下し、個々の太陽電池の価値はその発電効率で決まることから、そのコストを低減するためには、太陽電池の変換効率を向上させなければならない。
【０００９】
また、反応性イオンエッチング法で用いられる反応性イオンエッチング装置は一般に平行平板電極型をしており、基板を設置している電極の側にＲＦ電圧を印加し、他の一方の側及び内部の側壁をアースに接続してある。この容器内部を真空ポンプで真空引きし、真空引き完了後、エッチングガスを導入し、圧力を一定に保持しながら内部の被エッチング基板をエッチングする。エッチングが完了した後に、容器内部を大気圧に戻す。
【００１０】
このような手順を踏むことから、反応性イオンエッチング装置では真空引き及び大気リークの待ち時間が多い。また、反応性イオンエッチング装置はＬＳＩなどの精密な小型半導体素子に用いられる場合が多いが、太陽電池用基板のエッチングに用いる際には太陽電池自身の面積が大きいため、１回あたりの処理枚数が少なく、コストが高くなるという問題があった。そのため反応性イオンエッチング装置を太陽電池の製造工程に用いる場合には、いかに高タクトで処理を行うかも重要なポイントである。
【００１１】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、基板、特に太陽電池に用いられるシリコン基板等の基板表面に凹凸を効率よく均一に形成する方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【特許文献１】
特公昭６０−２７１９５号公報
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の太陽電池の製造方法では、陽極側電極に対向して設けた陰極側電極上にシリコン基板を載置し、該シリコン基板と所定間隔を隔てて、複数の棒状部材で構成された平板状の障害物を設置して、エッチングマスクとなるエッチング残渣を前記障害物と前記シリコン基板との間に閉じ込めつつ前記シリコン基板の表面に光反射低減用の凹凸を形成するドライエッチング工程、を有することを特徴とする。
【００１４】
また本発明の太陽電池の製造方法では、前記障害物は、前記棒状部材を編み込んだメッシュ構造であることが望ましい。
【００１５】
上記太陽電池の製造方法では、前記障害物は前記棒状部材の隙間からなる開口部を有し、その開口率が５〜４０％であることが望ましい。
【００１６】
上記太陽電池の製造方法では、前記障害物は、前記棒状部材を積層してなる積層構造であることが望ましい。
【００１８】
上記太陽電池の製造方法では、前記障害物がガラス系材料または金属材料から構成されていることが望ましい。
【００１９】
上記太陽電池の製造方法では、前記障害物がアルミニウム系の材料から構成されていることが望ましい。
【００２０】
さらに本発明の太陽電池の製造方法は、陽極側電極に対向して設けた陰極側電極上にシリコン基板を載置し、該シリコン基板と所定間隔を隔てて、シート部材からなる障害物を設置して、エッチングマスクとなるエッチング残渣を前記障害物と前記シリコン基板との間に閉じ込めつつ前記シリコン基板の表面に光反射低減用の凹凸を形成するドライエッチング工程を有することを特徴とする。
【００２１】
上記太陽電池の製造方法では、前記障害物と前記シリコン基板との距離を５〜３０ｍｍ離して設置することが望ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の方法を用いて形成される太陽電池素子を示す図であり、１はシリコン基板、２は表面凹凸構造、３は受光面側の不純物拡散層、４は裏面側の不純物拡散層（ＢＳＦ）、５は反射防止膜、６は表面電極、７は裏面電極である。
【００２７】
前記シリコン基板１は単結晶もしくは多結晶のシリコン基板である。この基板はｐ型、ｎ型いずれでもよい。単結晶シリコンの場合は引き上げ法などによって形成され、多結晶シリコンの場合は鋳造法などによって形成される。多結晶シリコンは、大量生産が可能で製造コスト面で単結晶シリコンよりもきわめて有利である。引き上げ法や鋳造法によって形成されたインゴットを３００μｍ程度の厚みにスライスして、１５ｃｍ×１５ｃｍ程度の大きさに切断してシリコン基板１となる。
【００２８】
シリコン基板１の表面側には、逆導電型半導体不純物が拡散された層３と反射防止膜５が形成されている。また、シリコン基板１の裏面側には、一導電型半導体不純物が高濃度に拡散された層（ＢＳＦ）４を形成することが望ましい。シリコン基板１の表面側および裏面側には、表面電極６および裏面電極７が形成されている。この表面電極６および裏面電極７はＡｇペーストをスクリーン印刷して焼成し、その上に半田層を設けて形成する。
【００２９】
シリコン基板１の表面側には、入射する光を反射させずに有効に取り込むために微細な表面凹凸構造２を形成して粗面化する。これは、真空引きされたチャンバ内にガスを導入し、一定圧力に保持して、チャンバ内に設けられた電極にＲＦ電力を印加することでプラズマを発生させ、生じた活性種であるイオン・ラジカル等の作用により基板の表面をエッチングするものである。
【００３０】
反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法と呼ばれるこの方法は図２および図３のように示される。図２および図３において、１はエッチングされる基板、８はマスフローコントローラ、９はＲＦ電極（陰極側電極）、１０は圧力調整器、１１は真空ポンプ、１２はＲＦ電源である。装置内にマスフローコントローラ８部分からエッチングガスを導入するとともに、ＲＦ電原１２でプラズマを発生させてイオンやラジカルを励起活性化して、ＲＦ電極（陰極側電極）９の上部に配設されたシリコン基板１の表面に作用させてエッチングする。図２に示す装置では、ＲＦ電極（陰極側電極）９を装置内に配設して一枚のシリコン基板１の表面をエッチングするが、図３に示す装置では、ＲＦ電極（陰極側電極）９を装置の外壁に配設して複数枚のシリコン基板１の表面を同時にエッチングするようにしている。
【００３１】
発生した活性種のうち、イオンがエッチングに作用する効果を大きくした方法を一般に反応性イオンエッチング法と呼んでいる。類似する方法にプラズマエッチングなどがあるが、プラズマ発生の原理は基本的に同じであり、エッチングされる基板１に作用する活性種の種類の分布をチャンバ構造、電極構造、あるいは発生周波数等により異なる分布に変化させているだけである。本発明はイオン効果の大きい反応性イオンエッチング法において特に有効であるが、原理的に反応性イオンエッチング法に限らず、他のプラズマエッチング法全般に対しても有効である。
【００３２】
本発明では、例えば三フッ化メタン（ＣＨＦ₃）を２０ｓｃｃｍ、塩素（Ｃｌ₂）を５０ｓｃｃｍ、酸素（Ｏ₂）を１０ｓｃｃｍ、六フッ化硫黄（ＳＦ₆）を８０ｓｃｃｍ、さらにこれらに加えてＨ₂Ｏを１ｓｃｃｍ流しながら、反応圧力７Ｐａ、プラズマを発生させるＲＦパワー５００Ｗで３分間程度エッチングする。これによりシリコン基板１の表面には表面凹凸構造２が形成される。エッチング中はシリコンがエッチングされて基本的には気化するが、一部は気化しきれずに分子同士が吸着してシリコン基板１の表面に残渣として残る。
【００３３】
また、ガス条件、反応圧力、ＲＦパワーなどの表面凹凸構造２の形成条件をシリコンからなるエッチングの残渣が基板１の表面に残るような条件に設定すると、表面凹凸構造２を確実に形成することができる。ただし、その表面凹凸構造２のアスペクト比は条件によって最適化が必要である。逆に、シリコン基板１の表面に残渣が残らないような条件では表面凹凸構造２を形成することは困難である。
【００３４】
本発明では、シリコン基板１と陽極側電極との間に、障害物１５を配設する。このようにシリコン基板１を障害物１５で覆蓋してエッチングすることで残渣の形成を促進させ、これに伴って表面凹凸構造２の形成を促進させることができる。
【００３５】
図４は障害物を拡大して示す図である。図４において、１はエッチングされるシリコン基板、９はＲＦ電極（陰極側電極）、１５は障害物、１７は側壁、１８はチャンバ壁（陽極側電極）、１９は開口部、２０は絶縁体を示す。ＲＦ電極（陰極側電極）９上には、被エッチング体であるシリコン基板１が載置されている。アースに接続されたチャンバー壁１８は陽極側電極となる。側壁１７によって支えられた障害物１５には、開口部１９が多数形成されている。この開口部１９でガスおよびプラズマが透過される。この開口部１９の開口パターンは特に問わない。ただし、開口していない面積の大きい部分があるとエッチングムラが発生する。
【００３６】
障害物１５の実施形態を図５〜図７を用いてさらに詳しく説明する。図５において、１６は棒状部材、１７は側壁を示す。障害物１５は棒状部材１６によって略平板状に構成されその隙間が開口部１９となってガスおよびプラズマを透過させる。また棒状部材１６自体に穴をあけることによって開口部を設けることも可能である。
【００３７】
この障害物１５は図６のようにメッシュ構造にしても構わない。これにより１つずつの開口部１９の面積を小さくすることができ、エッチングムラの発生を低減することができるとともに、棒状部材１６の太さを細くしたり、弱い材質の材料を用いたとしても強度を確保することができる。また図７に示すように積層構造にすることも可能である。さらに、これらの構成部材お複数組み合わせたものであってもよい。
【００３８】
この障害物１５の材質はとくに問わない。アルミ系材質、ガラス系材質のどちらでも使用可能である。加工の容易さという面では金属が好ましいが、ステンレス系の材質などではシリコンのエッチングに用いるガスに曝されると腐食するためにシリコンをエッチングする際には不適である。一方、エッチング中はプラズマに曝されるために発熱する。この温度は条件によって大幅に変わるが、プラズマ中に温度が上昇して表面凹凸構造２の形成が一旦終了すれば大気中でシリコン基板１を取り出すといった工程となるため、温度の上下動に耐える材質が好ましい。そのため、高温のプラズマに曝される場合にはガラス系材質が望ましい。また、大面積になる場合にはガラス系材質では破損しやすいために取り扱いが困難となる。このような場合にはアルミ系の材質が適している。このように条件によって好ましい材質を選択することができる。また複数の材質を組み合わせることも可能である。例えば図６のようなメッシュ構造の場合、加工のしにくい例えばガラス系の材質でメッシュの縦方向をまっすぐに形成し、加工のしやすい例えばアルミ系の材質やテフロン（Ｒ）などの樹脂系の材料を横方向に編み込むようにして構成することもできる。図７のような構造の場合、下層はアルミ系の材質、上層はガラス系の材質にすることも可能である。
【００３９】
また棒状部材１６の形状も問わない。例えば図５〜図７に示すように円柱状にしても構わないし、角柱形状としてもよい。さらに棒状部材をシート部材に置き換えれば、障害物の厚みが薄くなり、エッチングチャンバーの容積を小さくできる。また平板に近くなるためエッチング中の異常放電が発生しにくくなる。さらに、棒状部材１６をワイヤー状の細いものにすれば、加工しやすく、重量の軽量化もはかれるのでさらによい。
【００４０】
ガスやプラズマを透過しない材質で障害物１５を構成する場合、開口部１９の開口率は５〜４０％にするのが望ましい。開口部１９の開口率が５％未満であるとシリコンのエッチングに必要なガスの供給が不十分となり、逆に残渣の形成速度が遅くなるため、表面凹凸構造２の形成が遅くなる。また、開口部１９の開口率が４０％を越えると、エッチング時に生成するシリコン化合物が揮発する際にシリコン基板１と障害物１５の内部に閉じこめる効果が弱くなり、残渣の形成の促進効果が少なくなる。
【００４１】
障害物１５は例えばテフロン（Ｒ）シートやアルミ箔などといったシートやフィルムで構成することも可能である。ガスやプラズマを透過する材質であれば、開口部１９を形成しなくてもよい。
【００４２】
障害物１５とシリコン基板１とは上述したエッチングを用いてシリコン基板をエッチングする場合、５ｍｍから３０ｍｍの間隔を保持してエッチングを行うことが望ましい。このようにすることでエッチングするときに生成するシリコン化合物がシリコン基板１と障害物１５の内部に閉じこめられる効果が生じ、シリコンを主成分とする残渣がシリコン基板１上に容易に生成しやすくなり、残渣の形成が促進されると同時に、表面凹凸構造２の形成を促進することができる。この障害物１５とシリコン基板１との間隔が５ｍｍ未満では表面凹凸構造２を形成するときに障害物１５の開口部１９がシリコン基板１の表面に模様として転写されてムラとなる。また、３０ｍｍを越えると残渣を早く形成して表面凹凸構造２の形成を促進する効果が少なくなる。
【００４３】
障害物１５とシリコン基板２との距離を保持するための方法は、特に問わない。例えば図４から図７のように側壁１７を設けることで間隔を保持する方法が簡単である。障害物１５の厚みは特に問わない。強度と材料コスト、及びエッチング条件の関係により自由に設定することができる。
【００４４】
本発明は主に表面凹凸構造２を形成するために必要なエッチングのマスクとなる残渣の発生を促進させることにより、表面凹凸構造２の形成速度を向上させることが目的であるが、シリコン基板１への表面凹凸構造２の形成が面内で均一になるという副次的な大きな効果がある。これは特に大面積の場合に有効である。
【００４５】
ここまでエッチングされる基板としてバルク型シリコン太陽電池を例にとり説明を行ってきたが、これに限定されるものではない。エッチングされる基板はシリコンに限らず、ガラス、金属、プラスチック、樹脂のうちのいずれでもよく、例えば薄膜太陽電池の製造装置としても有効である。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の太陽電池の製造方法では、陽極側電極に対向して設けた陰極側電極上にシリコン基板を載置し、該シリコン基板と所定間隔を隔てて、複数の棒状部材で構成された平板状の障害物を設置して、エッチングマスクとなるエッチング残渣を前記障害物と前記シリコン基板との間に閉じ込めつつ前記シリコン基板の表面に光反射低減用の凹凸を形成するドライエッチング工程を有することから、エッチング処理時のバッチ内の均一性を向上させることができ、シリコン基板などの表面に凹凸（粗面）を効率よく均一に形成することが可能となり、高効率な太陽電池を製造できる。
【００４７】
また本発明の太陽電池の製造方法では、陽極側電極に対向して設けた陰極側電極上にシリコン基板を載置し、該シリコン基板と所定間隔を隔てて、シート部材からなる障害物を設置して、エッチングマスクとなるエッチング残渣を前記障害物と前記シリコン基板との間に閉じ込めつつ前記シリコン基板の表面に光反射低減用の凹凸を形成するドライエッチング工程を有することから、エッチング処理時のバッチ内の均一性を向上させることができ、シリコン基板などの表面に凹凸（粗面）を効率よく均一に形成することが可能となり、高効率な太陽電池を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るエッチング装置で形成されるバルク型シリコン太陽電池を示す図である。
【図２】本発明に係るエッチング装置の一例を示す図である。
【図３】本発明に係るエッチング装置の他の例を示す図である。
【図４】本発明に係るエッチング装置の障害物の一例を示す図である。
【図５】本発明に係るエッチング装置に用いる障害物の他の一例を示す図である。
【図６】本発明に係るエッチング装置に用いる障害物の他の一例を示す図である。
【図７】本発明に係るエッチング装置に用いる障害物の他の一例を示す図である。
【符号の説明】
１；基板、９；陰極側電極（ＲＦ電極）、１５；障害物、１６；棒状部材、１８；陽極側電極（チャンバ壁）、１９；開口部

Claims

陽極側電極に対向して設けた陰極側電極上にシリコン基板を載置し、該シリコン基板と所定間隔を隔てて、複数の棒状部材で構成された平板状の障害物を設置して、エッチングマスクとなるエッチング残渣を前記障害物と前記シリコン基板との間に閉じ込めつつ前記シリコン基板の表面に光反射低減用の凹凸を形成するドライエッチング工程、を有する太陽電池の製造方法。
前記障害物は、前記棒状部材を編み込んだメッシュ構造であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
前記障害物は前記棒状部材の隙間からなる開口部を有し、その開口率が５〜４０％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池の製造方法。
前記障害物は、前記棒状部材を積層してなる積層構造であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
前記障害物がガラス系材料または金属材料から構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
前記障害物がアルミニウム系の材料から構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
陽極側電極に対向して設けた陰極側電極上にシリコン基板を載置し、該シリコン基板と所定間隔を隔てて、シート部材からなる障害物を設置して、エッチングマスクとなるエッチング残渣を前記障害物と前記シリコン基板との間に閉じ込めつつ前記シリコン基板の表面に光反射低減用の凹凸を形成するドライエッチング工程、を有する太陽電池の製造方法。
前記障害物と前記シリコン基板との距離を５〜３０ｍｍ離して設置することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。