JPS5961076A - 太陽電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） この発明は太陽−池の製造方法に係り、特に、可視また
は近赤外光を発するランプの、非常に短いパルス点灯、
または連続光の短時間照射によりシリコン基板表層部分
に接合を形成する太陽電池の製造方法に関するものであ
る。

（発明の技術的背景） 従来のシリコン太陽電池の製造方法は、例えば基板にｐ
型シリコンを用いる場合、表面にリンを高温で熱拡散し
ｎ＋層を形成してｐ　Ｉｔ接隆ケまず形成し、次に４極
として導′シ性被、膜全裏面では全面に、表面では光の
入射部分を大きくとる為に格子状に形成、さらに反射防
止膜全表面に形成する各工程より注っている。この内、
ｐｒｚ’？合を形成する為には８５０°０以上の゛ｄ気
炉による熱処理が必要であるが、この高温処理に１フ／
リコン基板は鮎横脇を受け、太陽′シ池特性に極めて重
要な因子である基板中の少数ギヤリアライフタイムを著
しく低下さす、十分な効率の向上が望めなかった。最近
、熱拡散によらずに接合を形成する技術としてイオン注
入法による不純物のシリコン基板への打ち込みが研究さ
れている。この方法によればシリコン基板中の少数キャ
リアライフタイムの低下は少ないと考えられるが、実際
にはイオン注入層の結晶性が乱れることと、注入された
イオンが十分に活性化されていなか為に太陽電池の特性
が悪く、通常、注入後にアニールを行って前記の諸欠陥
を改善することが行われている。アニールは電気炉によ
る方法やレーザーによる方法があるが、前者又は両者の
併用によらなければ良い特性は得られな＾。この為、こ
の方法においても少数キャリアライフタイムの低下があ
った。イオン注入とレーザーアニールのみの局所加熱法
は今のところ実用レベルには到っていない。またイオン
注入には大がかりな装置を必要とし、一定時間内の処理
量も現在のところ、太陽−池生産用としては小名い点か
らも、今後レーザーアニールがイオン注入層の後処理用
に電気炉アニールに完全に置きかわったとしてもコスト
的に利点は少い。

（技術背景の問題点） シリコン基板中の少数キャリアライフタイムを損うこと
なく接合を形成する為には表面層の温度を充分に上げる
と共に内部の温度上昇を極力お烙えて加熱することが肝
要である。

従来、接合形成には・電気炉アニールが広く一般に用い
られてきたが、長時間、シリコン基板全体が高温に曝さ
れる為に著しい少数キャリアライフタイムの低下を起し
ていた。この点に於て何らかの工夫を施こし、短時間に
ウェハー表面の温度をあげる方法を利用することが望ま
れていた。レーザー光をアニールに用いる方法はこの為
に有効であるが、前述の如く、生産効率をあげる為には
装置が大がか９になり、また必ｒしも単色光でアニール
しなくとも、ある一定の波長域の光を含む光源を用いれ
ば十分熱処理可能な点から更に良い方法が欲しかった。

（発明の目的） 本発明は前記、従来の欠点を除き、キセノンフラッシュ
ランプによる可視光やノ１０グンランブによる可視・近
赤外光による短時間加熱法を有効に活用して、シリコン
半導体基板中の少数キャリアライフタイムを低下させる
ことなく接合を形成し、効率の向上と、生産性向上によ
る低価格化を図った太陽′１池の製造方法を提供するこ
とを目的としている。

（発１９］の概要） 次に本発明の詳細な説明する。

叩ら、本発明においてはシリコン基板中の少数キャリア
ライフタイム全低下させることなく接合を形成する為に
可視又は近赤外光による加熱を有効に活用する為の表面
層を形成する必要がある。

従フて、表面層は■接合を形成する為にシリコン基板と
同−又は異なる導″１型の不純物を含むこと、■ランプ
光による加熱を局部的かつ効率的に利用する為にランプ
光吸収係数のｉｔ！Ｊｉ物質であること、の２点を考慮
すればよい。

この為には■の不純物を含む層、例えばｐ型ンリコン基
板に対してリンガラス（ＰＳ（ｉ）’（ｉｚ堆積させる
方法や、不純物を含む塗布液、例えばリンを添加したケ
イ素化合物をアルコールに溶かしたものをスピンコード
する方法がある。しかし、これらはいずれも従来、後処
理として抵抗加熱式の′ｌｊＬ気炉アニールで熱処理し
ていた。ラップによる照射光の吸収係数が小さく光照射
によるアニールやメルトによる接合形成方法を利用する
ことができない場合には■の条件、υ１３ち近赤外又は
可視光の吸収係数の高い材料中に不純物を含ますて表面
層と成すか、光吸収係数の高くない不純物層でも、その
上または下の層に光吸収係数の、ｉ：ｌｌｊものを設け
て局所加熱が可能な構成とすることが必要となる。その
為に、光吸収係数の高い材料を選択する。

非晶質シリコンは単結晶シリコンに比べて可視域で吸収
係数が約１桁高く、前記の目的にかなった材料といえる
。不純物？ドープした非晶質シリコンを表面層としてシ
リコン基板上に形成した後、キセノンランプ光を照射す
ることによりシリコン基板中の少数キャリアライフタイ
ムを低下させることなく接合の形成ができる。表面から
の汚染防止やレーザー光の吸収性を更に上げる為に不純
物をドープした非晶質シリコン層に重ねて何もドープし
ていなｈ非晶質シリコン層を設けることも有効である。

また、光吸収係数の低い前記の不純物源を一担、シリコ
ン基板上に形成した後、非晶質シリコンを積層形成して
も■かつ■の条件が満たされ、ランプ光を用匹た接合形
成が有効にできることとなる。光吸収係数の高い材料と
しては他に非晶質シリコンゲルマニウム、非晶質シリコ
ンカーボンや非晶質ゲルマニウム、非晶質セレン、非晶
質テルルやそれらの多元系等があり、これらの一部や組
合わせを用いても発明の前記目的が達成できるものであ
る。

以上のような、表面層の形成とそれに続く光照射全行い
接合の形成が完了した後は、表裏面上に＋ｇ極、必要に
応じて反射防止膜を形成すれば太陽４池ができ上る。光
、高吸収率層による接合形成は太陽電池素子化した場合
、光の入射面側に形成するｐ　１１接合ばかってなく、
裏面側で基板と同導電型の高濃度不純物を導入した屑を
形成し、裏面近くで生成されるキャリアを内部電鳴で有
効に集収し効率を高めるようにした背面電場効果形成に
も有効な手段である。また更に、不純物を含んだ層が反
射防止効果を有する即ち反射防止膜の形成を兼ねること
もできる。この場合にはシリコン基板上に、まず光吸収
率の高い非晶質シリコン層を形成後、例えばリンガラス
やボロンガラス、五酸化リンを内包した酸化チタンや酸
化メンタル等不純物の添加された反射防止膜を形成（７
、この方から光照射すればよム。反射防止膜中の不純物
は加熱式れた非晶質シリコン、さらにはシリコン基板中
に拡散し接合が形成され、非晶質シリコンは結晶化する
。そして最上層の部分は反射防止膜として残るという訳
である。この他、本発明の方法は太陽４池に於ける様々
な接合構造にも応用できる。

電場効果を表面側に設ける場合には通常、シリコン基板
（例えばｐ型）とは異なる深い拡散層Ｃｎ型）を形成し
た後に浅い高濃度層（ｎ＋層）を設ける。この＋１層、
ｎ＋Ｊ１の形成にも本発明が適用できるという具合にで
るる。

本発明による太陽電池の製造方法により得られた太陽電
池の最終的評価は素子の光電変換特性により決定される
訳であるが、良好な特性をもたらす本発明の重要な部分
について発明者の実験に基づき説明する。即ち、従来の
熱処理に比較して短時間のランプ光照射を用いて熱処理
した場合の基板中の少数キャリアライフタイムの高いこ
とを発見した結果について述べる。従来の方法、即ち８
５０で】〜９００’（’！　　１時間程度のＰＯＣｌ、
からのリンデボジョン及びドライブインによシ炉内でｐ
＋層をｎ型シリコン基板上に形成する場合にはライフタ
イムの低下が著しい。例えば、もともとのウエノ・−で
６０μＳｅｃのライフタイムであったものでも熱処理に
より１０〜２０μｓｅｃにまで低下してしまった。

ここで、このライフタイムはレーザーダイオードで電子
−ホール対を生成し、マイクロ波を照射して、試料中の
導電性に対応する反射強度の減衰カーブから求める周知
の方法により測定したものである。ｎ型シリコン基板上
にボロンガラスを形成した後シンターしたシ、ｐ型シリ
コン基板上にリンガラスを形成した後にノンターする方
法等、他の方法による接合形成でも高温の炉処３：！１
１會行ったものは初期の５０チ〜１０チ′までライ７タ
イムはことごとく低下した。

これに対し、ランプ光照射により表面層を加熱して接合
を形成する場合にはいずれの場合も４０〜６０μｓｅｃ
と、はぼ処理＋￥ｔｌと同等のライフタイムを示した。

以上の結果から、炉処理をランプ光照射に変更した場合
の素子特性の向上の原因が明確となり、本発明に到った
。

（発明の実施例） 実施例１ 第１図はこの発明の製造方法により形成された太陽電池
の断面図でおる。面指数（Ｈ）０）で比抵抗１Ω・鑞の
ｐ型シリコン基板（１）を準備する。この基板はＦＺ法
により製造され、少数ギヤリアライフタイムが６０μｓ
ｅｃである３インチ径、２５０μｒｎ厚の片面研磨ウエ
ノ・−である。十分に洗浄全行ノたあと基板−１１１１
１表面上に非晶質シリコン膜を形成する。この為には、
基板温度ヲ２７０°０とし、Ｈ！ベース１０％、Ｐｌ（
、添／Ｊ［］　５ｉ）（、（ＰＨ３／ＳｉＨ，＝　１０
−’　）ガスを反応ガスとしてグロー放′シにより形成
した。膜厚は４０００Ａとした。このあと０．３〜２０
μの広い波長範囲、を有するキセノンクラッシュランフ
”）２０ｊｌＡＩ用いて表面全メルトした。この時のエ
ネルギー密度は２５Ｊ／Ω−１面内の均一性は±５係で
あった。

尚、熱効率を上げる為ＶＣＦｉライフタイムの低下のな
い温度、例えば４００℃に基板を保持することが望まし
い。光照射により溶解した非晶質シリコンは単結晶化し
てｎ＋層（２）を形成し、この時の表面濃度及び接合深
さは各々２×１０町、７１ｍ　’　、　０．６μｍとな
った。続いて基板裏面のラッピング面上にアルミニウム
層全形成する。ｌＸｌ０−’Ｔｏｒｒ以下の真空中に置
かれた純度９９．９９％のアルミニウム蒸発源に０．２
Ａのビーム電流、３ＫＶの加速成圧で電子線束を照射す
ることＫより、アルミニウムを蒸発させ同一真空槽中に
設置した基板に成膜するいわゆる電子ビーム蒸着法によ
ればよい。但し膜の付着力を増す為に基板温度を１５０
　’Ｏとし、蒸着速度３０００Ａ／ｍｉｎで１０μｍｎ
の膜を形成した。下地は鏡面でない方がアルミニウムの
反射率が低下し、光照射時の光吸収には好まし贋。続い
て、このアルミニウム膜の上に光を照射し、アルミニウ
ムーシリコン境界近傍を加熱しｐ＋層（３）の形成を行
う。光源には、やはりキセノンフラッシュランプを用い
、エネルギー密度２５　Ｊ　／ｂｉとした。次に余分な
アルミニウムを弗酸と塩酸により除去した。ひきつづい
て表面、及び裏面の電極を形成する。まず真空蒸着法と
フォトエツチング法にょシ、格子状の微細三層金属電極
全表面４極（４）として形成する。この表面’Ｉｌｆ極
はシリコン基板側から１ｏｏｏ犬のチタン（５）、５０
０Ａのパラジウム（６）、５μｍの銀（７）により構成
され工いる。また裏面にも、直列抵抗全減少し、リード
の取り出しを容易にする為に同一構成の裏面電極（８）
を形成する。裏面−極（８）は１０００大のチタン（９
）、５００Ａのパラジウムα０．５μＩｎの銀０υを全
面に連続蒸４　Ｌ、て形成する。更に太陽光の入射面で
の反射損失を少くする為、表面４　＋仏（４）上に五ｔ
β化タンタル膜より成る反射防止膜１１２を７００λ、
スパッタリング法により形成する。最後に基板側周縁の
拡散層をおとし、エンキャップ材（ｋｌ、　　り一ド（
１４１付を行う。

形成した太陽４池にソーラーシュミレータ−によりＡ　
Ｍ　１　、１００　ｍＷＡ”の偽似太陽光を照射し特性
を調べたところ、開放電圧０．６０Ｖ、短絡光電流３５
ｍＡ／・・ｍｔ、変換効率１６．３チの値が得られ、従
来の炉アニールや、炉拡散による高温プロセスを径だ同
一構成につくったものの変換効率が１４７％であるのに
比較して著しく特性の改良を果した。また高温・長時間
の熱処理がないことから設備・作業時間の点から低コス
ト化も期待でき、更に、短時間、連続光源を用いれば良
いところから、レーザー光を用いた時の様な電気−光変
換ロスが少なく、［４気炉のような雰囲気加熱を用いた
ときの昇温？温度安定に要するパワーロスがないので良
い。

実施例２ 本発明の別の実施列について説明する。まず、第２図に
示すように方位（１１１）、厚さ２００μｍ１比抵抗１
０Ω・酬のボロンドープＣ２単結晶ウエノ・−１２υを
用意する。４インチ径、両面研磨仕上げの状、態である
。洗浄を行ったあとｎ＋１−（社）を形成する。

この為には前記実施例同様に、非晶質シリコンを形成し
ランプ光照射を行う。前記実施例１では、リンをドープ
した非晶質シリコン層を利用したが本実施例ではこの上
に更にノンドープの非晶質シリコン層を設はランプ光の
吸収効果をあげると共に表面からの不純物汚染を防止し
た。即ち、グロー放シ分解法によりＳ　ｉＨ，：　ＰＨ
，が１００：１のガスからリンをドープした非晶質シリ
コンを４００ＯＡ堆積さご続いてＰＨ，の混入しない状
態で非晶質シリコンを４００　ＯＡ　、＠積場せた。い
ずれも反応ガスは１０％１１．ペースとし、基板温度全
３００”Ｃとした。

ランプ光にはキセノンフラッシュランプに２５Ｊ／ｄの
エネルギー密度とし、照射を行い、Ｉｌ”ｐ接合を形成
した。続いて裏面ｐ”　Ｎ　７２３のノ杉成にも１．り
浄上ドープ非晶質シリコンとノンドープ非晶ｆｔンリコ
ノの２ノーを用いた。この・４合にはＩＩ、ガス全ベー
スとしたＢ、　Ｈ６−１−Ｓ目（４（Ｂ、１１．／５ｉ
ｌ（、＝　ＩＱ　’）ガスによりドープ層を形成した。

照射光にはやけりＸｅ　　ノラソシエランブを用いた。

この方法によシネ細物による内部汚染ｔよしにｐ＋層の
形成ができた。表側にチタンＱ４Ｊ　５ＯｏＡ　、白金
Ｃ２５）５００Ａ、銀＠２５　ｐｍ　ｆ　ステンンスマ
スク金介してマスク蒸着して表面層１１２７）とした。

また、裏側には表側と同一の溝成で各々、８００Ａ　、
　５００Ａ　、　Ｉ　ＯＡｔｍでチタン（至）、白金０
１、銀ＧＵの三層の裏面電極Ｇｉ全全面形成した。更に
表側にプラズマＣＶＤ法により３００℃でシリコンナイ
トライドの反射防止膜Ｃ３３を７０ＯＡ形成した。次に
シリコンウェハーの周辺部の拡散層を混酸により除去し
た。ソーラーシュミレータ−によりＡＭＩ。

１００ｍＷ〜の偽似太陽光を照射して評価したところ、
変換効率１５．６％であり、高温プロセスを径でいない
為、少数キャリアライフタイムにほとんど低下がなりが
故の良好な特性が得られた。

実施例３ 本発明の更に別の実施例について説明する。第３図は方
位（１００）、厚さ３００μｍ、比抵抗５Ω・αのボロ
ンドープｐ型Ｃ２単結晶ウェハー（１３１）である。外
径４インチ、アズスライスの伏５帽のものにテクスチャ
ーエツチング音節しである。テクスチャーエツチングは
表面の反射率を下げる為に行うもので、−辺数μｍの微
小ピラミッドを光の入射面に多数配列したものである。

次のようにしてこの構造をつくる。まず３０係のＮａＯ
Ｈ水浴／Ｉ！ｉ、を１１０　’０に加熱したものに１．
５分ウェハーを浸漬し、表面層をエツチングする。次に
２％Ｎａ０ＩＩ水溶液とイソブｄビルアルコールを４＝
１にン昆合したものを８０°Ｃに力０４Ｓし５５分間エ
エツチングる。加熱はバーナーで行い、環流式冷却管に
水を流しながらエツチング液の温度・液量管理を充分に
行うことにより一定の条件でエツチングを行った。エツ
チングの停止とシリコンウェハー表面のアルカリ残渣の
除去を行う為、塩酸水溶液中に１分間浸漬、続いて純水
で１５分間流水洗浄し、アセトン置換後、乾燥さＣると
表面にできた微小ピラミッドの為に反射率の直下が示さ
れた。この上にマグネトロンスパッタ法により非晶質シ
リコンｔ２ｏｏｏＡ形成した。ターゲットには多結晶シ
リコンを用い、スパッタガスにはＡ、ｒ及びＨ，を用い
た。Ｆ■、は１０％とし全体のスパッタ圧力は２Ｘ　Ｉ
　Ｆ３Ｔ□ｒｒとした。基板温度は室温である。この上
に減圧ＣＶＩＪ法により基板温度３００°０でリンガラ
スを８００ＯＡ形成した。

５ｉ）Ｉ、及びＰ）１ｓ　ｋＮｔで希釈して反応ガスと
した。更にリンガラス上に再びマグネトロンスパッタ法
により非晶Ｎシリコンを２００ＱＡ形成した。ここでは
、可視光吸収のほとんどないリンガラスでも非晶質シリ
コンでサノドイツチすることにより、−ヒからキセノン
フラッシュ光を照射すれば下層にリンが拡散層れで接合
ができること全利用する。ここでは、ランプ光を２５　
Ｊ　／ｃｍ’の強度として照射を行った。裏側にはアル
ミペーストインク全印刷し、ハロゲンラップで加熱し９
１層全形成した。この為には、ハロゲンランプを３０本
並べ１０秒間点灯し、ランプ光分あて、７リコン表面を
８５０〜９００°Ｃにカロ熱した。更に、表′Ｉｔ極（
１３４）にはマスク蒸ノｄ法によりチタン（１３５）　
１００ＯＡ、パラジウム（１３６）５００Ａ　ｆｔ形成
後、銀（１３７）　ｋ　３０μｍ　ｋ　ｇ気めっき法に
より形成した。裏′４極（１３８）は全面にチタン（１
３９）　＋０００λ、パラジウム（］４０）　５００Ａ
形成後１０μｍの厚味に銀（１４１）をα解メッキした
。更に、反射防止１１心’ｒ　（１４２）としてＴ’ｉ
０．全６５ＯＡ形成した。

偽似太１場光下、ＡＭＩ、１００・ｎＷ／ｃｗｔ’の照
射を行うと、１４．９　％の夏換効率が得られ、う／ブ
光吸収率の低い不純物源でも吸収率の高い着分隣接させ
ること）てより、内部の少数キャリアライフタイムを損
うことなくランプで拡散を行い、良好な特性を得ること
ができるものである。

実施例 別の実施例について説明する。基板Ｇυには３インチＣ
２単結晶、方位（１１１）、比抵抗３Ｑ−１、厚さ２５
０μｍのものを使用した。まず、表面に蒸着法例より非
晶質シリコンを２０００Ａ形成する。次にその上にＰ、
０．　ｉ　０．６５モル含むケイ酸エステルのアルコー
ルＲｔＬ’ｔｃスピンナーで基板上に頌春する。

１００°Ｃで乾燥した後ハロゲンランプを５０不韮べて
点灯したトンネルを１０秒間通過させて光を照射した。

塗布層での光の吸収は少いがその下の非晶質層は充分加
熱融解され単結晶すると同時に上の層からリンを吸収拡
散してｎ”Ｎｒ５’ｊＪが形成される。

また、このとき上の塗布層も加熱を間接的に受ける為安
定化（−１反射防止膜１５（至）となる。裏面にはアル
ミペーストを印刷し１２０°Ｃで乾燥させ、表側と同様
の方法で、光をこれに照射しｋｌ−８ｉ会金層をつくり
ｐ”層ｅｉ４）としたエツチングにより余分なＡＪを除
去する。次に表側表面にレジストをコートし、光露光法
により電極を形成すべき溝をのこしてレジストパターニ
ング、続すて反射防止膜（５藻を弗酸でエツチングする
。無電解ニッケルメッキ及び電気舎ｉ＋Ｊメ７キ、更に
無電解ニッケルメッキにより２０〜：３０μｍ厚の表面
−極６つ及び裏面電極■を形成後、レジストを除去して
太陽４池セルをつくる。

このようにして得られた太陽′ば池も又、前記実施ＬＶ
Ｉと同等の特性、即ちＡＭ　１　、　Ｉ　Ｑ　ＱｍＷ／
ｃ＋ｎ”の照射下で１５．０９６の変換効率を示した。

以上の実施例ではランプ光吸収層に非晶質シリコンを用
いたが、基板のシリコンに比べて光吸収率の高いもので
あれば十分本発明の主旨に適うものである。また、拡散
源の含み方も種々の構成が利用でき要は、少くとも一部
に光吸収係数の高い部分を有する表面層の少くとも一部
に不純物を含有していればよいものである。

（発明の効果〕 以上、この発明によれば接合の形成に高温処理工程を用
いない為、シリコン基板中の少ａキャリアライフタイム
に著しい低下がなく、１怖効紺の太陽−池の製造が容易
になる。また安定した高温状態を維持したり、そこにつ
Ｌ・・−を十分時間をかけて出し入れする為の設備や時
間が省ける為、工程の簡：洛北により安価な太陽−池が
得られ、使用する光も連続光であり、レーザー等単色光
を用５）たに３合に比べＦａｔｉ単かつ熱効率よく生産
できる。　更に、表面汚染防止や反射防止膜の形成も同
時に考慮することができ、−ビの工業的価値は極めて大
である。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明の製造方法に係る太陽ｂＬ池
の断面図である。 １．２１，１３１．５１　　シリコン基板”＋　２”＋
　Ｃ３２＋５２　　１１＋３４：（、２：３　、１３３
　、５４−１）＋ｊ録４．２７．１３７，５．１−　：
１’七而ｄ）α８、コＨ，１３８，５＋ｉ　　　　ｊ；
（１ｊ１１面　−５１２、、’（２＋口２，５３　　反
射防止膜代理人　弁理士　則　近　憲　佑　（１う・１
名）第　　１　　図 第　　２　図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　シリコン基板上に、ｍ記シリコン基板と同一
   または異なる導′シ型の不純物を少くとも一部に含有し
   、かつ前記シリコン基板よりもランプ光吸収係数の高す
   部分を少くとも一部に有する表面層を形成する工程と、
   前記表面層にランプ光を照射することにより、前記不純
   物をシリコン基板に拡散せしめて接合を形成する工程と
   を含むことを特徴とする太陽、と池の製造方法。
2. （２）表面層の少くとも一部を非晶質シリコンにより形
   成することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の太
   陽電池の製造方法。
3. （３）表面層をシリコン基板上に不純物を含んだ非晶質
   シリコン、不純物を含まない非晶質シリコンの順で形成
   して二層とすることを特徴とする特許請求の範囲第２項
   記載の太陽電池の製造方法。
4. （４）　　キセノンクラッシュランフ、ハロゲンランプ
   のいずれか少くともひとつのランプ光を前記表面層に照
   射す／）ｌｌ：、とを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の太陽電池の製造方法。