JP2009238824A - 半導体用電極の製造方法及びこれを用いた太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な工程を必要とすることなく確実かつ選択的に不純物拡散領域を形成し、このような不純物拡散剤層を含む電極を製造する方法を提供すること。
【解決手段】半導体基板上に不純物拡散剤層を形成する工程と、レーザーを使用して前記不純物拡散剤層を選択的に加熱し、加熱した部分の不純物拡散剤を前記半導体基板内に拡散させる工程と、前記不純物拡散剤層を除去する工程と、を有する電極の製造方法による。前記不純物拡散剤はＩＩＩ族元素の化合物又はＶ族元素の化合物を含む。
【選択図】なし

Description

本発明は、半導体用電極の製造方法に関する。また、本発明は、この半導体用電極の製造方法を用いる太陽電池の製造方法及びこの製造方法により製造した太陽電池に関する。

近年、地球環境を守る取り組みの中で代替エネルギーの開発が積極的に推し進められている。特に、太陽光を直接電力に変換できる太陽電池は、化石燃料や核燃料を燃やす発電プラントと相違して、地球温暖化の原因となる二酸化炭素や有害な核廃棄物を排出しないだけでなく、砂漠や離島など従来の装置集約型の発電設備の設置には適していない場所にも容易に設置できることから、従来以上に注目を浴びている。

現在用いられている太陽電池のほとんどは、シリコン基板を主体とするものであって、太陽光の受光面にｎ型電極が、裏面にｐ型電極がそれぞれ設けられている。このような太陽電池では、太陽光の受光面のｎ型電極の存在により、太陽光が入射せず発電できない部分が生じ、発電効率の低下の原因となっている。そこで、従来は太陽光の受光面に形成されていたｎ型電極を裏面に形成した裏面電極型太陽電池が提案されている（特許文献１）。裏面電極型太陽電池の電極部分は、ｎ型電極とｐ型電極とが交互に形成された微細な形状が必要である。

従来は、シリコン半導体に代表される半導体基板への電極の形成は、ｎ型又はｐ型の不純物拡散剤（ドーパント）を上記半導体基板に塗布し、拡散炉等を用いて熱処理に付すことにより不純物拡散剤を半導体基板中に拡散させる方法により行われてきた。この方法では不純物を塗布した半導体基板の表面の全面に不純物拡散剤層が形成されてしまい、選択的な不純物拡散剤層を形成することは困難であった。そこで、高度かつ複雑なリソグラフィー、ドーピング、パシベーション等により上記の微細な形状の電極が形成する方法が提案されてきた（特許文献２）。
特開２００７−４９０７９号公報 特開２００６−３２４５９０号公報

しかしながら、これらの方法では工程が複雑になり、また、高度な技術が必要になればなるほど歩留まりが低下してコストの上昇を招いてしまう。そこで、複雑な工程を必要とすることなく、しかも歩留まりの低下等のコスト上昇要因を抑えた選択的な不純物拡散剤層の形成方法が望まれている。

したがって、本発明は、複雑な工程を必要とすることなく確実かつ選択的に不純物拡散領域を形成し、このような不純物拡散領域を含む電極を製造する方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、レーザーを使用して不純物拡散剤層を選択的に加熱することにより、加熱した部分の不純物拡散剤を前記半導体基板内に拡散できることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明の第一の態様は、半導体基板上に不純物拡散剤層を形成する工程と、レーザーを使用して前記不純物拡散剤層を選択的に加熱し、加熱した部分の不純物拡散剤を前記半導体基板内に拡散させる工程と、前記不純物拡散剤層を除去する工程と、を有する電極の製造方法である。

本発明の第二の態様は、上記電極の製造方法を含む、太陽電池の製造方法である。

本発明の第三の態様は、上記の方法により製造した太陽電池である。

本発明によれば、複雑な工程を必要とすることなく確実かつ選択的に不純物拡散領域を形成し、このような不純物拡散領域を含む電極を製造することにより、コストの上昇を抑えて太陽電池を製造することができる。

以下、本発明の実施形態について記載するが、これに限定するものではない。

本発明は、第一の態様として、半導体基板上に不純物拡散剤層を形成する工程と、レーザーを使用して前記不純物拡散剤層を選択的に加熱し、加熱した部分の不純物拡散剤を前記半導体基板内に拡散させる工程と、前記不純物拡散剤層を除去する工程と、を有する電極の製造方法を提供する。各工程は次のとおりである。

（不純物拡散剤層を形成する工程）
不純物拡散剤層を形成する工程は、一般にドーパントと呼ばれる不純物拡散剤を含む溶液（以下、「不純物拡散剤溶液」ともいう。）をスピンコータ、スクリーン印刷等の従来公知の方法により半導体基板上に塗布する工程を含む。不純物拡散剤溶液については後述する。塗布した不純物拡散剤層の厚さは５０〜１０００ｎｍが好ましい。このようにして不純物拡散剤溶液を半導体基板上に塗布した後、オーブン等の従来公知の方法により乾燥させることが好ましい。乾燥温度は１００〜３００℃が好ましく、乾燥時間は１分〜５分が好ましい。

（不純物拡散剤溶液）
不純物拡散剤溶液は、半導体基板上に塗布する工程における塗布性のほか後述する諸特性を得るために、不純物拡散剤とバインダーとを溶剤に溶解させたものが好ましい。以下に、それぞれの成分について記載する。

（不純物拡散剤）
不純物拡散剤として、一般にドーパントとして太陽電池の製造に用いられてきた化合物を用いることができる。このような不純物拡散剤は、ＩＩＩ族元素の酸化物又はＶ族元素の化合物を含むことにより、電極を形成する工程においてシリコン基板内にｐ型又はｎ型拡散領域を形成することができる。例えばｐ型拡散領域を形成しようとすればＩＩＩ族元素の化合物から、ｎ型拡散領域を形成しようとすればＶ族元素の化合物から選択することができる。また、所望の拡散領域の性質に応じて、ＩＩＩ族元素の化合物とＶ族元素の化合物とから任意に組み合わせて用いてもよい。このような、ＩＩＩ族元素及びＶ族元素の化合物には、例えば、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｐ_２Ｏ_５等が挙げられ、不純物拡散剤には、拡散領域をｐ型にするかｎ型にするか所望に応じて、これらのうち１種類以上が含まれる。このようなＩＩＩ族元素の化合物又はＶ族元素の化合物は、不純物拡散剤溶液に対して０．１質量％以上含まれることが好ましく、１．０質量％以上含まれることがさらに好ましい。

（バインダー）
バインダーとしては無機バインダーでも有機バインダーでもよいが有機バインダーが好ましい。有機バインダーは、従来公知のいかなるものでもよいが、例えばポリマーが好ましい。ポリマーの例として、アルキルシリケート、エチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、エチルセルロースとフェノール樹脂との混合物、低級アルコールのポリメタクリレート、ポリビニルアルコール等が挙げられる。なかでも、アルキルシリケート、特にメチル、エチル又はプロピルシリケートが好ましい。有機バインダーは、不純物拡散剤に対し任意の割合で混合することができるが、不純物拡散剤溶液に対し１質量％以上の範囲で混合することが好ましい。

（溶剤）
溶剤としては、上記バインダーを溶かすことができればいかなるものでもよいが、有機溶剤が好ましい。有機溶剤の例として、テトラヒドロフラン、フラン、テトラヒドロピラン、ピラン、ジオキサン、１，３−ジオキソラン、トリオキサンなどの環状エーテル系化合物；Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミドなどのジアルキルケトアミド系化合物；ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシドなどのジアルキルスルホキシド系化合物；アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトンなどのケトン系化合物；エタノール、２−プロパノール、１−ブタノール、ターピネオールなどのアルコール系化合物；ジクロロエチレン、ジクロロエタン、ジクロロベンゼンなどの塩素化炭化水素系化合、２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノアセテート、２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノプロピオレート、２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノブチレート、２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノイソブチレート、２，２，４−トリエチル−１，３−ペンタンジオールモノアセテートなどの多価アルコールのエステル系化合物；α−テルピネン、ミルセン、アロオシメン、リモネン、ジペンテン、α−ピネン、β−ピネン、ターピネオール、カルボン、オシメン、フェランドレンなどのテルペン系化合物及びこれらの混合物が挙げられる。

（レーザーを使用して不純物拡散剤層を選択的に加熱し、加熱した部分の不純物拡散剤を半導体基板内に拡散させる工程）
レーザーを使用して不純物拡散剤層を選択的に加熱し、加熱した部分の不純物拡散剤を半導体基板内に拡散させる工程で使用するレーザーは、従来公知の固体レーザー又は気体レーザーを用いることができるが、３５０〜１５０００ｎｍの波長を有するものが好ましい。このようなレーザーには、ＣＯ_２レーザー、ＹＶＯ_４レーザー、ＹＡＧレーザー、ルビーレーザー、ガラスレーザー、色素レーザー、Ａｒレーザーが挙げられる。なかでもＣＯ_２レーザー、ＹＶＯ_４レーザー又はＹＡＧレーザーが好ましい。照射方法は、連続照射ではなくパルス照射が好ましい。照射エネルギーは１ショット当たり６０００〜３０００００ｍＪ／ｃｍ^２が好ましく、用いる半導体基板及び不純物拡散剤層の種類と厚み等によるが、１ショット以上の照射、好ましくは１〜５０ショットの照射である。これにより、不純物拡散剤層のうちレーザーが照射された部分の不純物拡散剤層を選択的に加熱することができる。このようなレーザーを使用して不純物拡散剤層を選択的に加熱する際には、マスクを使用して選択的にレーザーを照射してもよいし、ビームを走査することにより所望の形状にレーザーを選択的に照射することにより加熱してもよい。また、レーザーを照射する際の照射部位の形状は、所望の電極の形状に応じて、例えば矩形、ドットなど自由に決めることができる。こうして、加熱した部分の不純物拡散剤を半導体基板内に拡散させることができる。不純物拡散剤の半導体基板内への拡散は、Ｐ／Ｎ判定機等の装置を用いて抵抗率を測定することにより確認することができる。

（不純物拡散剤層を除去する工程）
不純物拡散剤層を除去する工程では、不純物拡散剤層を半導体基板上から除去する。この際、流水洗浄、流水洗浄に加えＲＣＡ洗浄、硫酸と過酸化水素水の混合液による洗浄、薄いフッ化水素水溶液または界面活性剤を含む従来公知の洗浄液を用いて洗浄することができる。また、所望に応じ、半導体基板を水中に浸漬し、超音波を印加することにより、不純物拡散剤層を除去することもできる。このように、不純物拡散剤層を除去した半導体基板を適宜乾燥し、半導体基板の不純物拡散剤を拡散させた箇所に常法によりｎ領域又はｐ領域コンタクトホールを設けることによって電極を形成することができる。

（太陽電池の製造方法）
こうして形成した電極に、従来公知の方法により導線を取り付ける等の方法により、太陽電池を形成することができるが、本発明に係る電極の製造方法は、レーザーを使用することにより不純物の拡散領域を従来よりも精細にすることができるため、複雑な工程を必要とすることなく、ｎ型電極とｐ型電極とが交互に形成された微細な形状が必要である裏面電極型太陽電池を製造することができる。以下に本発明にかかる方法を用いた裏面電極型太陽電池の製造方法について記載する。

まず、半導体基板の受光面とは反対側（以下、「裏面」ともいう。）にｐ型の不純物拡散剤溶液を上記により塗布した後乾燥し、ｐ型の不純物拡散剤層を形成する。ここで、半導体基板の受光面には常法により予めテクスチャ構造及びシリコン窒化膜等のパシベーション膜を形成しておいてもよいし、不純物拡散剤層を除去した後又は電極を形成した後に受光面にテクスチャ構造及びパシベーション膜を形成してもよい。

次に、レーザーを使用してｐ型の不純物拡散剤層を選択的に加熱し、加熱した部分のｐ型の不純物拡散剤を半導体基板内に拡散させることにより、半導体基板中にｐ型の不純物拡散領域が形成される。形成するｐ型の不純物拡散領域の形状は、上述のとおり矩形、ドットなど自由に決めることができる。

次に、ｐ型の不純物拡散剤層を、洗浄液等を用いて半導体基板上から除去し、乾燥炉等を用いて半導体基板を適宜乾燥する。

以上はｎ型基板に対してｐ型領域を選択的に形成する方法であるが、ｐ型基板に対してｎ型領域を選択的に形成したい場合には、ｐ型基板、およびｎ型の不純物拡散剤溶液を用いて、上記と同様のプロセスにより形成することができる。

次に、常法により裏面にパシベーション膜を形成し、このパシベーション膜に穴あけ加工を施してｐ型の不純物拡散領域及びｎ型の不純物拡散領域にコンタクトホールを設けた上でｐ型電極及びｎ型電極を形成し、裏面電極型太陽電池を製造する。

本発明について、以下の実施例により詳説する。しかしながら、この実施例は本発明について例示するものであり、本発明の範囲を限定するものではない。

（実施例１）
（不純物拡散剤層の形成）
ｎ型の不純物拡散剤溶液であるＰ_２Ｏ_５１．０質量％を含有するエチルシリケートポリマー液（「ＯＣＤ Ｔ−１ Ｐ−５９２５０（製品名）」東京応化工業社製）をスピンコータ（型番１Ｈ−ＤＸＩＩ、ＭＩＫＡＳＡ ＣＯ．ＬＴＤ社製）を用いて６インチｐ型シリコン基板（ＳＵＭＣＯ社製）に塗布し、３００ｎｍの膜厚のｎ型の不純物拡散剤層を形成した。次に、２００℃で３分間熱処理を行った。

（不純物拡散剤層の加熱）
こうして形成したｎ型の不純物拡散剤層に２ｃｍ×３ｃｍのマスクを適用し、ＣＯ_２レーザー（型番アキュラスマーク１４号機、（株）篠崎製作所社製）を照射した。

（不純物拡散剤層の除去）
次に、５質量％フッ化水素水溶液を用いて上記シリコン基板を洗浄し、不純物拡散剤層を除去し、１００℃で５分乾燥し、ｎ型の不純物拡散領域を有するｐ型シリコン基板を製造した。

（実施例２）
実施例１において、ｎ型の不純物拡散剤溶液の代わりにｐ型の不純物拡散剤溶液であるＢ_２Ｏ_３２．０質量％を含有するポリビニルアルコール溶液（「ＰＢＦ６ＭＫ−３７（製品名）」東京応化工業社製）を用い、ｐ型シリコン基板の代わりにｎ型シリコン基板（ＳＵＭＣＯ社製）を使用したほかは実施例１と同様の方法により、ｐ型の不純物拡散領域を有するｎ型シリコン基板を製造した。

（実施例３及び４）
ＣＯ_２レーザーをＹＶＯ_４レーザー（型番ＶＥＣＴＯＲＭＡＲＫ ＷＯＲＫＳＴＡＴＩＯＮ、ＴＲＵＭＰＦ社製）に代え、マスクを使用せずにレーザーを走査して２ｃｍ×３ｃｍの矩形部分を加熱したほかは、実施例１及び２と同様の方法により、ｎ型の不純物拡散領域を有するｐ型シリコン基板（実施例３）及びｐ型の不純物拡散領域を有するｎ型シリコン基板（実施例４）をそれぞれ製造した。

（結果）
実施例１〜４により調製したシリコン基板におけるレーザーによる加熱部分の性状を、Ｐ／Ｎ判定機（型番ＭＯＤＥＬ ＰＮ／１２α、ナプソン社製）を用いて判定した。結果を表１に示す。

（比較例１及び２）
ＣＯ_２レーザーに代えて、拡散炉（型番ＤＤ型−５０Ｂ型、国際電気（株）社製）を用いて９００℃で１５分間加熱したほかは、実施例１及び２と同様にｎ型不純物拡散領域を有するｐ型シリコン基板（比較例１）及びｐ型不純物拡散領域を有するｎ型シリコン基板（比較例２）をそれぞれ製造した。その結果、不純物の拡散はシリコン基板全面に亘っており、選択的な拡散領域は形成されていなかった。

（評価）
レーザーを使用することにより、ｎ型及びｐ型不純物をシリコン基板中に選択的に拡散できることがわかった。

Claims (7)

1. 半導体基板上に不純物拡散剤層を形成する工程と、
   レーザーを使用して前記不純物拡散剤層を選択的に加熱し、加熱した部分の不純物拡散剤を前記半導体基板内に拡散させる工程と、
   前記不純物拡散剤層を除去する工程と、を有する電極の製造方法。
2. 前記不純物拡散剤がＩＩＩ族元素の化合物又はＶ族元素の化合物を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記レーザーが３５０〜１５０００ｎｍの波長を有する、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記レーザーがＣＯ_２レーザー、ＹＶＯ_４レーザー及びＹＡＧレーザーから成る群から選ばれる、請求項３に記載の方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極の製造方法を含む、太陽電池の製造方法。
6. 前記太陽電池が裏面電極型太陽電池である、請求項５に記載の方法。
7. 請求項５又は６に記載の方法により製造した太陽電池。