JP2013048126A - 光起電力装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な太陽電池特性を有する光起電力装置を得ること。
【解決手段】不純物拡散層３を有する第１導電型の半導体基板１と、不純物拡散層３上に形成された反射防止膜４と、不純物拡散層３に電気的に接続する第１電極５と、半導体基板１の他面側に達する複数の開口部８ａを有して半導体基板１の他面側に形成された裏面絶縁膜８と、半導体基板１の他面側に電気的に接続する複数の第２電極９と、少なくとも裏面絶縁膜８上を覆って形成された裏面反射膜１０とを備え、開口部８ａは、半導体基板１の裏面の面内方向において略長方形状を呈するとともに該開口部８ａの短手方向において複数本が略平行な列に配列され、第２電極９は、開口部８ａと略等しい形状を呈して該第２電極９の短手方向において複数本が略平行な列に配列され、短手方向における電極間ピッチが１．５〜３．０ｍｍの範囲であり、第２電極９の短手方向における幅が２０〜２００μｍの範囲である。
【選択図】図１−１

Description

本発明は、光起電力装置およびその製造方法に関するものであり、特に、結晶シリコン系の光起電力装置において高効率化が可能な裏面パッシベーション構造を有する光起電力装置およびその製造方法に関するものである。

現在製造されている多結晶シリコン基板を用いた太陽電池は、ｐ型多結晶シリコン基板の受光面側に光吸収率を高める表面テクスチャーとｎ型拡散層と反射防止膜とを形成し、ｐ型多結晶シリコン基板の受光面側にくし型の銀（Ａｇ）電極（受光面側電極）を、また非受光面側にアルミニウム（Ａｌ）電極（裏面電極）をスクリーン印刷を用いて形成した後に焼成するという製造プロセスにより作製される。ここで、焼成は、スクリーン印刷で印刷した銀（Ａｇ）電極およびアルミニウム（Ａｌ）電極の電極ペースト成分を揮発させて焼き付ける効果を有する。また、焼成は、この効果に加え、受光面側ではくし型の銀（Ａｇ）電極が反射防止膜を突き破ってｎ型不純物拡散層に接続するプロセス、また非受光面側ではアルミニウム（Ａｌ）電極のｐ型多結晶シリコン基板側の一部がｐ型多結晶シリコン基板に拡散することにより裏面電界層（ＢＳＦ：Back Surface Field）を形成するというプロセスも兼ねている。

このＢＦＳ層は、ｐ型多結晶シリコン基板の裏面に電界を掛けて少数キャリアに対する障壁を設けることにより少数キャリアをアルミニウム（Ａｌ）電極付近から追い払い、アルミニウム（Ａｌ）電極付近でのキャリア再結合を抑制することにより高い開放電圧を得ることを目的として設けられる。

より高効率な太陽電池を作製する方法として、基板の裏面側でのキャリア再結合をさらに抑制する目的で裏面電極と基板とのコンタクト部をポイント状とし、基板裏面における該コンタクト部以外の領域を基板表面の欠陥を補修する機能（パッシベーション効果）を有する絶縁膜（裏面パッシーべーション膜）で覆って基板裏面をパッシベーションする方法がある（例えば、特許文献１、特許文献２、非特許文献１参照）。

また、特許文献１および非特許文献１には基板の受光面側に拡散による接合層、反射防止膜を形成した後、裏面パッシベーション膜を形成し、電極のコンタクト部として該裏面パッシベーション膜の一部をレーザー等により開口し、スクリーン印刷等により裏面にアルミニウム（Ａｌ）等の電極を形成し、また受光面側に電極を形成し、最後に表裏の電極を一括して焼成することにより電極の焼付けを行う方法が記載されている。この方法においては、同時に裏面側のアルミニウム（Ａｌ）が開口部を通してシリコン（Ｓｉ）と反応することによりＢＳＦ層を形成するため、従来の裏面全面にアルミニウム（Ａｌ）のＢＳＦ層を形成する方法と共通なプロセスが多いため、低コストで形成が可能であるという特徴を有する。

特開２００２−２４６６２５号公報 特表２００８−５３３７３０号公報

G.Agostinelli et al. 「SCREEN PRINTED LARGE AREA CRYSTALLINE SILICON SOLAR CELLS ON THIN SUBSTRATES」 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference,6-10 June 2005

しかしながら、非特許文献１の技術のようにパッシベーション膜上の全面にアルミニウム電極ペーストを印刷して焼成すると、パッシベーション効果が低下することがある。また、パッシベーション膜上に形成されたアルミニウム（Ａｌ）電極は粒子状となり、裏面まで到達した長波長光を有効に反射できずにそこで吸収してしまう、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、良好な太陽電池特性を有する光起電力装置およびその製造方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる光起電力装置は、一面側に第２導電型の不純物元素が拡散された不純物拡散層を有する第１導電型の半導体基板と、前記不純物拡散層上に形成された反射防止膜と、前記反射防止膜を貫通して前記不純物拡散層に電気的に接続する第１電極と、前記半導体基板の他面側に達する複数の開口部を有して前記半導体基板の他面側に形成された裏面絶縁膜と、前記半導体基板の他面側に電気的に接続する複数の第２電極と、少なくとも前記裏面絶縁膜上を覆って形成された裏面反射膜と、を備え、前記開口部は、前記半導体基板の裏面の面内方向において略長方形状を呈するとともに該開口部の短手方向において複数本が略平行な列に配列され、前記第２電極は、前記開口部に埋め込まれて前記開口部と略等しい略長方形状を呈するとともに該第２電極の短手方向において複数本が略平行な列に配列され、前記第２電極の短手方向において一つの列の前記第２電極の中心位置と隣接する列の前記第２電極の中心位置との間隔である電極間ピッチが１．５ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲であり、前記第２電極の短手方向における幅が２０μｍ〜２００μｍの範囲であること、を特徴とする。

本発明によれば、良好なパッシベーション効果と直列抵抗の増加の抑制とを両立することができ、良好な太陽電池特性を有する太陽電池セルが得られる、という効果を奏する。

図１−１は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの断面構造を説明するための要部断面図である。 図１−２は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルを受光面側からみた上面図である。 図１−３は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルを受光面と反対側（裏面側）から見た下面図である。 図１−４は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの裏面構造を拡大して示す要部断面図である。 図２は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの製造工程を説明するためのフローチャートである。 図３−１は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの製造工程を説明するための断面図である。 図３−２は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの製造工程を説明するための断面図である。 図３−３は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの製造工程を説明するための断面図である。 図３−４は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの製造工程を説明するための断面図である。 図３−５は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの製造工程を説明するための断面図である。 図３−６は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの製造工程を説明するための断面図である。 図３−７は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの製造工程を説明するための断面図である。 図３−８は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの製造工程を説明するための断面図である。 図３−９は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの製造工程を説明するための断面図である。 図４は、本発明の実施例にかかる太陽電池セルの電圧―電流特性を示す特性図である。 図５は、電極間ピッチが２ｍｍの実施例の太陽電池セルにおけるレーザー照射位置と取り出し電流との関係を示す特性図である。 図６は、電極間ピッチが１ｍｍの実施例の太陽電池セルにおけるレーザー照射位置と取り出し電流との関係を示す特性図である。

以下に、本発明にかかる光起電力装置およびその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。

パッシベーション効果や裏面反射の効果を高めるためには、裏面のスクリーン印刷によるアルミニウム（Ａｌ）電極を局部的に印刷するのが有効である。発明者らは、太陽電池セルの裏面におけるパッシベーション部を様々な形状、パターンで開口し、その上に開口部をカバーする大きさの局所的なスクリーン印刷による電極形成および焼成により、裏面パッシベーション膜を備えた太陽電池を形成し、太陽電池特性について検討を行った。

その結果、開口部を介したスクリーン印刷においては、開口部のパターンおよびその上のスクリーン印刷による電極形状が太陽電池特性に大きく影響を与えることがわかった。具体的には、従来多用されていた円形あるいは正方形状の開口形状では、外形数十ｎｍ程度の小さなポイントコンタクト部を形成して裏面電極のスクリーン印刷および焼成を行うと、焼成時に形成された電極部の合金層が焼成後の降温時の電極の熱収縮に伴って引き抜かれ、ボイドが発生し、開口部の電気的接続が断線する。

ポイントコンタクト部の面積を大きくした場合には上述したようなボイドは形成されないが、電極間隔を保ったままポイントコンタクト部の面積を増大させると、良好なパッシベーション特性を示す領域の面積が低下するため、パッシベーション特性が低下する。

また、ポイントコンタクト部との面積比を保ったままパッシベーション部の面積を増大させると、電極間の距離が増大するため、直列抵抗が増大し、いずれにおいてもアルミニウム（Ａｌ）電極を全面に印刷した従来の太陽電池特性を上回る特性を得ることができなかった。

以下では、開口部を介したスクリーン印刷および焼成によるパッシベーション構造形成において直列抵抗の増加の抑制とパッシベーション効果とを両立し、従来構造を上回る良好な太陽電池特性を有する太陽電池セルについて説明する。

実施の形態１．
図１−１〜図１−４は、本実施の形態にかかる光起電力装置である太陽電池セルの構成を示す図であり、図１−１は太陽電池セルの断面構造を説明するための要部断面図、図１−２は受光面側からみた太陽電池セルの上面図、図１−３は受光面と反対側（裏面側）からみた太陽電池セルの下面図、図１−４は太陽電池セルの裏面構造を拡大して示す要部断面図である。図１−１は、図１−２の線分Ａ−Ａにおける要部断面図である。

本実施の形態にかかる太陽電池セルは、図１−１〜図１−４に示されるように、光電変換機能を有する太陽電池基板であってｐｎ接合を有する半導体基板１と、半導体基板１の受光面側の面（表面）に形成されて受光面での入射光の反射を防止する絶縁膜であるシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）からなる反射防止膜４と、半導体基板１の受光面側の面（表面）において半導体基板１に導通して形成された第１電極である受光面側電極５と、半導体基板１の受光面と反対側の面（裏面）に形成されたシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）からなる裏面絶縁膜（裏面パッシベーション膜）８と、半導体基板１の裏面において裏面絶縁膜（裏面パッシベーション膜）８に囲まれて形成された第２電極である裏面側電極９と、半導体基板１の裏面において裏面絶縁膜（裏面パッシベーション膜）８と裏面側電極９とを覆って設けられた裏面反射膜１０と、を備える。

半導体基板１は、第１導電型層であるｐ型多結晶シリコン基板２と、半導体基板１の受光面側にリン拡散によって形成された第２導電型層である不純物拡散層（ｎ型不純物拡散層）３と、によりｐｎ接合が構成されている。ｐ型多結晶シリコン基板２の大きさは、１５０ｍｍ×１５０ｍｍであり、表面シート抵抗が０．５Ω／□〜３Ω／□とされている。

受光面側電極５は、太陽電池セルのグリッド電極６およびバス電極７を含み、ｎ型不純物拡散層３に電気的に接続されている。グリッド電極６は、半導体基板１で発電された電気を集電するために受光面に局所的に設けられている。バス電極７は、グリッド電極６で集電された電気を取り出すためにグリッド電極６にほぼ直交して設けられている。

一方、裏面側電極９は、半導体基板１の裏面に全体にわたって設けられた複数の裏面絶縁膜（裏面パッシベーション膜）８に囲まれた状態でストライプ状に形成され、半導体基板１に電気的に接続されている。すなわち、裏面絶縁膜（裏面パッシベーション膜）８には、半導体基板１の裏面に達する略長方形状の開口部８ａが設けられている。そして、該開口部８ａを埋めるとともに裏面絶縁膜（裏面パッシベーション膜）８の面内において、開口部８ａの幅（ライン状の裏面絶縁膜（裏面パッシベーション膜）８の短手方向の寸法）方向に裏面絶縁膜（裏面パッシベーション膜）８と若干の重なりを有するようにアルミニウム、ガラス等を含む電極材料からなる長方形状（ストライプ状）の裏面側電極９が複数設けられている。なお、裏面側電極９は、少なくとも開口部８ａ上の領域に設けられていればよい。

また、ストライプ状に形成された裏面側電極９の短手方向（開口部８ａの幅方向）における電極間ピッチＰは、１．５ｍｍ〜３．０ｍｍとされる。ここで、電極間ピッチＰは、裏面側電極９の短手方向における中心位置と、隣接する裏面側電極９の短手方向における中心位置との距離である。すなわち、開口部８ａの短手方向における中心位置と、隣接する列の開口部８ａの短手方向における中心位置との距離である。また、開口部８ａの開口幅Ｗは、２０μｍ〜２００μｍとされる。したがって、裏面側電極９の幅は、裏面絶縁膜（裏面パッシベーション膜）８と若干の重なりを有するものの、概ね２０μｍ〜２００μｍとされる。また、裏面側電極９の電極長さ（長手方向の長さ）Ｌは、半導体基板１の一辺の長さに近い寸法とされている。

裏面絶縁膜（裏面パッシベーション膜）８は、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）からなり、半導体基板１の裏面のほぼ全面にプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成されている。

裏面反射膜１０は、少なくとも裏面絶縁膜（裏面パッシベーション膜）８上を覆って、もうけられる。本実施の形態では、裏面反射膜１０は半導体基板１の裏面において裏面側電極９および裏面絶縁膜（裏面パッシベーション膜）８を覆って設けられている。裏面絶縁膜（裏面パッシベーション膜）８を覆う裏面反射膜１０を備えることにより、半導体基板１および裏面絶縁膜（裏面パッシベーション膜）８を透過してきた光を反射して半導体基板１に戻すことができ、良好な光閉じ込め効果を得ることができる。

裏面反射膜１０の材料としては、例えば長波長の光に対する反射率の高い材料が用いられる。これにより、長波長の光を半導体基板１に効率良く取り込み、高い発生電流（Ｊｓｃ）を実現することができ、出力特性を向上させることができる。このような材料としては、例えば銀（Ａｇ）やアルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。

また、半導体基板１の裏面側の領域であって裏面側電極９に接する領域およびその近傍にはアルミニウム−シリコン（Ａｌ−Ｓｉ）合金部１１が形成されている。さらにその外周部には、該アルミニウム−シリコン（Ａｌ−Ｓｉ）合金部１１を囲って、ｐ型多結晶シリコン基板２と等しい導電型の高濃度拡散層であるＢＳＦ（Back Surface Filed層）１２が形成されている。

このように構成された太陽電池セルでは、太陽光が太陽電池セルの受光面側から半導体基板１のｐｎ接合面（ｐ型多結晶シリコン基板２とｎ型不純物拡散層３との接合面）に照射されると、ホールと電子が生成する。ｐｎ接合部の電界によって、生成した電子はｎ型不純物拡散層３に向かって移動し、ホールはｐ型多結晶シリコン基板２に向かって移動する。これにより、ｎ型不純物拡散層３に電子が過剰となり、ｐ型多結晶シリコン基板２にホールが過剰となる結果、光起電力が発生する。この光起電力はｐｎ接合を順方向にバイアスする向きに生じ、ｎ型不純物拡散層３に接続した受光面側電極５がマイナス極となり、ｐ型多結晶シリコン基板２に接続した裏面側電極９がプラス極となって、図示しない外部回路に電流が流れる。

つぎに、このような太陽電池セルの製造方法の一例について図２および図３−１〜図３−９を参照して説明する。図２は、本実施の形態にかかる太陽電池セルの製造工程を説明するためのフローチャートである。図３−１〜図３−９は、本実施の形態にかかる太陽電池セルの製造工程を説明するための断面図である。

まず、半導体基板１として、例えば民生用太陽電池向けとして最も多く使用されているｐ型多結晶シリコン基板を用意する（以下、ｐ型多結晶シリコン基板１ａと呼ぶ）。ｐ型多結晶シリコン基板１ａとしては、寸法が例えば１５０ｍｍ×１５０ｍｍであり、表面シート抵抗が０．５Ω／□〜３Ω／□程度の多結晶シリコン基板を用いる。

ｐ型多結晶シリコン基板１ａは、溶融したシリコンを冷却固化してできたインゴットをワイヤーソーでスライスして製造するため、表面にスライス時のダメージが残っている。そこで、まずはこのダメージ層の除去も兼ねて、ｐ型多結晶シリコン基板１ａを酸または加熱したアルカリ溶液中、例えば水酸化ナトリウム水溶液に浸漬して表面をエッチングすることにより、シリコン基板の切り出し時に発生してｐ型多結晶シリコン基板１ａの表面近くに存在するダメージ領域を取り除く。

また、ダメージ除去と同時に、またはダメージ除去に続いて、ｐ型多結晶シリコン基板１ａの受光面側の表面にテクスチャー構造として微小凹凸を形成する（図３−１、ステップＳ１０）。このようなテクスチャー構造を半導体基板１の受光面側に形成することで、太陽電池セルの表面で光の多重反射を生じさせ、太陽電池セルに入射する光を効率的にｐ型多結晶シリコン基板１ａの内部に吸収させることができ、実効的に反射率を低減し変換効率を向上させることができる。なお、図３−１においてはテクスチャー構造の図示を省略している。

なお、本発明は光起電力装置の裏面構造にかかる発明であるので、テクスチャー構造の形成方法や形状については、特に制限するものではない。例えば、イソプロピルアルコールを含有させたアルカリ水溶液や主にフッ酸、硝酸の混合液からなる酸エッチングを用いる方法、部分的に開口を設けたマスク材をｐ型多結晶シリコン基板１ａの表面に形成して該マスク材を介したエッチングによりｐ型多結晶シリコン基板１ａの表面にハニカム構造や逆ピラミッド構造を得る方法、或いは反応性ガスエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）を用いた手法など、何れの手法を用いても差し支えない。

つぎに、このｐ型多結晶シリコン基板１ａを熱酸化炉へ投入し、ｎ型の不純物であるリン（Ｐ）の雰囲気下で加熱する。この工程によりｐ型多結晶シリコン基板１ａの表面にリン（Ｐ）を拡散させて、ｐ型多結晶シリコン基板１ａと逆の導電型の接合層としてｎ型不純物拡散層３を形成して半導体ｐｎ接合を形成する（図３−２、ステップＳ２０）。本実施の形態では、ｐ型多結晶シリコン基板１ａをオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ_３）ガス雰囲気中において、例えば８００℃〜８５０℃の温度で加熱することにより、ｎ型不純物拡散層３を形成する。

ここで、ｎ型不純物拡散層３の形成直後の表面にはガラスを主成分とするリンガラス層が形成されているため、フッ酸溶液等を用いて除去する。

つぎに、ｎ型不純物拡散層３を形成したｐ型多結晶シリコン基板１ａの受光面側に、光電変換効率改善のために、反射防止膜４としてシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を形成する（図３−３、ステップＳ３０）。反射防止膜４の形成には、例えばプラズマＣＶＤ法を使用し、シランとアンモニアの混合ガスを用いて反射防止膜４としてシリコン窒化膜を形成する。反射防止膜４の膜厚および屈折率は、光反射を最も抑制する値に設定する。なお、反射防止膜４として、屈折率の異なる２層以上の膜を積層してもよい。また、反射防止膜４の形成には、スパッタリング法などの異なる成膜方法を用いてもよい。また、反射防止膜４としてシリコン酸化膜を形成してもよい。

つぎに、リン（Ｐ）の拡散によりｐ型多結晶シリコン基板１ａの裏面に形成されたｎ型不純物拡散層３を除去する（図３−４、ステップＳ４０）。これにより、第１導電型層であるｐ型多結晶シリコン基板２と、半導体基板１の受光面側に形成された第２導電型層である不純物拡散層（ｎ型不純物拡散層）３と、によりｐｎ接合が構成された半導体基板１が得られる。

ｐ型多結晶シリコン基板１ａの裏面に形成されたｎ型不純物拡散層３の除去は、例えば片面エッチング装置を用いて行う。または、反射防止膜４をマスク材として活用し、エッチング液にｐ型多結晶シリコン基板１ａの全体を浸漬させる方法を用いてもよい。エッチング液は、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ水溶液を、室温〜９５℃、好ましくは５０℃〜７０℃に加熱したものや硝酸とフッ酸との混合水溶液を用いることができる。

ｎ型不純物拡散層３の除去のエッチングの後、後述する成膜で再結合速度を低く保つために、半導体基板１の裏面に露出したシリコン面を洗浄する。洗浄は、例えばＲＣＡ洗浄により行う（ステップＳ５０）。

ついで、半導体基板１の裏面側（受光面と反対側）に、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）からなる裏面絶縁膜（裏面パッシベーション膜）８を形成する（図３−５、ステップＳ６０）。半導体基板１の裏面側に露出させたシリコン面に対して、プラズマＣＶＤにより厚さ１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度のシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）からなる裏面絶縁膜（裏面パッシベーション膜）８を成膜する。このような裏面絶縁膜（裏面パッシベーション膜）８を形成することにより、半導体基板１の裏面におけるキャリアの再結合速度を抑制することができ、高出力化の為に十分な裏面界面を実現することができる。

つぎに、半導体基板１の裏面側とのコンタクトを取るために、半導体基板１の裏面側に形成した裏面絶縁膜（裏面パッシベーション膜）８の一部または全面に、所定の間隔を有する電極コンタクト部形成用のストライプ状の開口部８ａを形成する（図３−６、ステップＳ７０）。ストライプ状の開口部８ａの形成は、例えば裏面絶縁膜（裏面パッシベーション膜）８に対するレーザー照射により直接パターニングを行って形成する。レーザー照射は、例えばスポット径（開口部８ａの開口幅Ｗ）６０ｎｍ、０．５ｍｍ〜３．０ｍｍピッチの間隔で行う。また、開口部８ａの長さは、半導体基板１の一辺の長さに近い寸法とする。

つぎに、裏面側電極９の電極材料であってアルミニウム、ガラス等を含む裏面側電極材料ペースト９ａを、開口部８ａを埋めるとともに裏面絶縁膜（裏面パッシベーション膜）８の面内方向において開口部８ａの径よりも多少広い領域を覆い、且つ隣接する開口部８ａを埋める裏面側電極材料ペースト９ａと接触しないように、スクリーン印刷法により限定的に塗布し、乾燥させる（図３−７、ステップＳ８０）。ここで、裏面側電極材料ペースト９ａの塗布形状・塗布量等は、例えば開口部８ａの開口幅Ｗ：焼成後の電極厚Ｔが、１．５：１となるようにする。ここで、焼成後の電極厚Ｔは、焼成後の裏面側電極９の裏面絶縁膜（裏面パッシベーション膜）８からの高さである。

つぎに、半導体基板１の反射防止膜４上に、受光面側電極５の電極材料であって銀（Ａｇ）、ガラス等を含む受光面電極材料ペースト５ａを、受光面側電極５の形状に選択的にスクリーン印刷法により塗布し、乾燥する（図３−７、ステップＳ８０）。受光面電極材料ペースト５ａは、例えば、長尺状のグリッド電極６のパターンと、このパターンに略直交する方向に帯状のバス電極７のパターンと、を印刷する。

その後、例えば赤外線加熱炉を用いて例えばピーク温度７６０℃〜９００℃で焼成を行う（図３−８、ステップＳ９０）。これにより、受光面側電極５および裏面側電極９が形成されるとともに、半導体基板１の裏面側の領域であって裏面側電極９に接する領域およびその近傍にはＡｌ−Ｓｉ合金部１１が形成される。さらにその外周部には、該Ａｌ−Ｓｉ合金部１１を囲って、裏面側電極９からアルミニウムが高濃度に拡散したｐ＋領域であるＢＳＦ１２が形成され該ＢＳＦ層１２と裏面側電極９とが電気的に接続する。また、受光面側電極５中の銀が反射防止膜４を貫通して、ｎ型不純物拡散層３と受光面側電極５とが電気的に接続する。その後、フォーミングガス（例えば水素５％含有の不活性ガス）雰囲気中で３００℃〜４００℃、１０分間のフォーミングガスアニール処理を行う（ステップＳ１００）。

この際、半導体基板１の裏面において裏面側電極材料ペースト９ａが塗布されていない領域はシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）からなる裏面絶縁膜（パッシベーション膜）８により保護されているため、焼成による加熱においても半導体基板１の裏面に対して汚染物質の付着や固定が進まず、再結合速度を劣化させることなく、良好な状態が維持される。

つぎに、半導体基板１の裏面側に高反射構造を形成する。すなわち、裏面側電極９および裏面絶縁膜（パッシベーション膜）８を覆うように、裏面反射膜１０として銀（Ａｇ）膜（銀スパッタリング膜）を半導体基板１の裏面の全面に蒸着法により形成する（図３−９、ステップＳ１１０）。なお、裏面反射膜１０は、金属箔の接着により形成してもよい。

以上により、図１−１〜図１−４に示す実施の形態１にかかる太陽電池セルが作製される。なお、電極材料であるペーストの塗布の順番を、受光面側と裏面側とで入れ替えてもよい。

上述した本実施の形態にかかる太陽電池セルの製造方法に従って太陽電池セルを作製し、これを実施例の太陽電池セルとした。また、太陽電池特性の比較のために、半導体基板１の裏面側に裏面絶縁膜（パッシベーション膜）８を形成せずに、半導体基板１の裏面側の全面に裏面側電極９としてのアルミニウム電極を形成したこと以外は、上述した本実施の形態にかかる太陽電池セルの製造方法と同様にして太陽電池セルを形成し、これを比較例Ａの太陽電池セルとした。

また、半導体基板１の裏面側に裏面絶縁膜（パッシベーション膜）８を形成後、２ｍｍピッチの間隔でストライプ状の開口部８ａを形成するまでは上述した本実施の形態にかかる太陽電池セルの製造方法と同様にして作製し、その後、開口部８ａを埋めるとともに半導体基板１の裏面側の全面に裏面側電極９としてのアルミニウム電極を形成して太陽電池セルを形成し、これを比較例Ｂの太陽電池セルとした。

また、半導体基板１の裏面側に裏面絶縁膜（パッシベーション膜）８を形成後、０．５ｍｍ〜２．５ｍｍの間隔で、直径０．１ｍｍ〜０．３ｍｍの円形状（ドット状）開口部を形成し、さらに該円形状（ドット状）開口部を埋めるとともに裏面絶縁膜（裏面パッシベーション膜）８の面内方向において円形状（ドット状）開口部の径よりも多少広い領域を覆い、且つ隣接する円形状（ドット状）開口部を埋める裏面側電極材料ペースト９ａと接触しないように、アルミニウム電極を形成して太陽電池セルを形成し、これを比較例Ｃの太陽電池セルとした。

このようにして製造された実施例および比較例の太陽電池セルについて、ソーラーシミュレータによりＡＭ１．５の擬似太陽光を照射しながら、電流−電圧特性を評価した。図４は、実施例にかかる太陽電池セルの電圧―電流特性を示す特性図である。図４においては、電圧―電流特性のパラメータとして、裏面側電極９の電極間ピッチＰに対する開放電圧と短絡電流の積（Ｖｏｃ×Ｊｓｃ）、フィルファクター（ＦＦ）、変換効率（Ｅｆｆ）の各々を比較例ＡのＩ−Ｖ測定から得られた値を１として規格化した値をプロットした。

図４より、裏面側電極９の電極間ピッチＰが０．５ｍｍの場合は、抵抗に起因するフィルファクター（ＦＦ）はスクリーン印刷による従来プロセスで形成した比較例Ａの太陽電池セルと同等であった。しかしながら、開放電圧と短絡電流の積（Ｖｏｃ×Ｊｓｃ）が比較例Ａの太陽電池セルよりも小さい値を示したため、変換効率（Ｅｆｆ）も比較例Ａの太陽電池セルを下回る結果となった。

また、裏面側電極９の電極間ピッチＰの増加に伴い、開放電圧と短絡電流の積（Ｖｏｃ×Ｊｓｃ）は増加したが、フィルファクター（ＦＦ）が低下する傾向がみられた。また、変換効率（Ｅｆｆ）については、裏面側電極９の電極間ピッチＰが１．５ｍｍ〜３．０ｍｍのときに、半導体基板１の裏面側の全面に裏面側電極９としてのアルミニウム（Ａｌ）電極を形成した比較例Ａの太陽電池セルの変換効率（Ｅｆｆ）を上回り、電極間ピッチＰが２ｍｍ付近のときに変換効率（Ｅｆｆ）は最大となった。

実施例の太陽電池セルの中で、電極間ピッチＰが２ｍｍの太陽電池セルと電極間ピッチＰが１ｍｍの太陽電池セルについて、ＬＢＩＣ（laser beam induced current）法により取り出し電流の比較を行った。ただし、本検討は、上記セル形成プロセスにおける高反射率材料による裏面反射膜１０の形成前に行った。半導体基板１の裏面側の面内方向において、ストライプ状の裏面側電極９の延在方向に略直行する方向に幾つかの裏面側電極９を跨いで半導体基板１の裏面側から波長６５３ｎｍレーザーを半導体基板１に照射し、表裏の電極間に流れる電流量をレーザー照射位置に対して測定した。

図５は、電極間ピッチＰが２ｍｍの実施例の太陽電池セルにおけるレーザー照射位置と取り出し電流（Ａ）との関係を示す特性図である。図６は、電極間ピッチＰが１ｍｍの実施例の太陽電池セルにおけるレーザー照射位置と取り出し電流（Ａ）との関係を示す特性図である。図５および図６においては、山形のプロットに囲まれる面積が広いほど、取り出し電流量が多いことを示す。図５および図６において、レーザー取り出し電流は、レーザーの照射方向において裏面側電極９から０．５ｍｍ程度の範囲で小さくなることがわかる。これは、レーザーの照射方向において裏面側電極９から０．５ｍｍ程度の範囲では発生したキャリアが再結合し易く、有効にキャリアを取り出すことができないことを示している。このため、電極間ピッチＰが１ｍｍの場合（図６）は、十分な取り出し電流を得られないことがわかる。これに対して、図５からわかるように電極間ピッチＰが２ｍｍの実施例の太陽電池セルの場合に、特に隣接する裏面側電極９間の中央での取り出し電流が大きくなる傾向が認められた。

その他の比較例の太陽電池との比較では、半導体基板１の裏面側に裏面絶縁膜（パッシベーション膜）８を形成後、２ｍｍピッチの間隔でストライプ状の開口部８ａを形成するまでは上述した本実施の形態にかかる太陽電池セルの製造方法と同様にして作製し、その後、開口部８ａを埋めるとともに半導体基板１の裏面側の全面に裏面側電極９としてのアルミニウム電極を形成して太陽電池セルを形成した比較例Ｂにおける太陽電池セルでは、本実施例における太陽電池に比べて短絡電流の低下が確認され、本実施の形態におけるような裏面反射膜として金属薄膜を形成したサンプルを上回る変換効率を得ることはできなかった。比較例Ｂは裏面全面をスクリーン印刷によるＡｌで覆っているが、このスクリーン印刷によるＡｌは粒子状であり、光の反射率が低い。基板を通過して裏面に達した長波長光は電極で吸収され、反射効率が低下するために基板における光吸収効率が低下し、キャリア発生量に依存する短絡電流の減少がみられたものと考えられる。逆に本実施の形態における太陽電池では裏面反射の効果による短絡電流増加を確認することができた。

また、半導体基板１の裏面側に裏面絶縁膜（パッシベーション膜）８を形成後、０．５ｍｍ〜２．５ｍｍの間隔で、直径０．１ｍｍ〜０．３ｍｍの円形状（ドット状）開口部を形成し、さらに該円形状（ドット状）開口部を埋めるとともに裏面絶縁膜（裏面パッシベーション膜）８の面内方向において円形状（ドット状）開口部の径よりも多少広い領域を覆い、且つ隣接する円形状（ドット状）開口部を埋める裏面側電極材料ペースト９ａと接触しないように、アルミニウム電極を形成して太陽電池セルを形成した比較例Ｃにおける太陽電池セルでは、本実施の形態と同様に１ｍｍ〜２ｍｍの範囲で裏面絶縁膜（パッシベーション膜）８を持たない従来構造の太陽電池セル（比較例Ａ）よりも開放電圧と短絡電流の積（Ｖｏｃ×Ｊｓｃ）は大きい傾向がみられたが、フィルファクター（ＦＦ）が０．７以下と小さくなった。これらの太陽電池セルについて電極開口部断面のＳＥＭ観察を行ったところ、開口部におけるアルミニウム（Ａｌ）とシリコン（Ｓｉ）との接触部の全ての箇所にボイドが形成していた。これに対して、実施例の太陽電池セルにおいてストライプ状に形成した裏面側電極９では開口部８ａにボイドが無く、開口部８ａを２ｍｍ間隔で開口した太陽電池セルでは０．７５以上のフィルファクター（ＦＦ）を達成した。

上述した本実施の形態にかかる太陽電池セルにおいては、半導体基板１の裏面に達する開口部８ａを長方形状（線状）として開口部面積を増大させることによりボイドが生じにくくなる。また、ボイドが生じた場合においても、長方形状（線状）の開口部８ａにおいてボイドが形成される部分とボイドが形成されない部分とが同一開口部８ａ内において開口部８ａの長手方向において交互に生じるため、ボイドによる断線、接触抵抗増大が生じにくくなり、フィルファクター（ＦＦ）の低下を抑制することができる。

また、ストライプ状に形成した裏面側電極９の電極間ピッチＰが１．５ｍｍ以下の場合は、裏面絶縁膜（パッシベーション膜）８の劣化等により十分なパッシベーション効果が得られない。一方、ストライプ状に形成した裏面側電極９の電極間ピッチＰが３．０ｍｍ以上の場合は、発生したキャリアが裏面側電極９まで移動する際の抵抗が増大する。このため、ストライプ状に形成した裏面側電極９の電極間ピッチＰを１．５ｍｍ〜３．０ｍｍとすることにより、従来構造を上回る良好なパッシベーション効果と直列抵抗の増加の抑制を両立することができる。

また、本実施の形態にかかる太陽電池セルにおいては、１５０ｍｍ×１５０ｍｍの大きさの半導体基板１に対して該半導体基板１の一辺の長さに近い電極長さＬのストライプ状の裏面側電極９を半導体基板１の裏面側に略平行に並べた。しかしながら、ストライプ状の裏面側電極９の長さはこれに限定されず、開口部８ａが長方形状であり、裏面の面内の開口部８ａの長手方向と垂直な方向において隣接する裏面側電極９との電極間ピッチＰが１．５ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲であれば、電極幅の２倍以上の電極長さＬを有する長方形状の裏面側電極９を任意に並べても同様の効果が得られる。すなわち、電極長さＬの方向に複数の裏面側電極９が不連続的に配置されてもよい。

また、本実施の形態にかかる太陽電池セルにおいては、開口部８ａ上に形成する裏面側電極９の印刷パターンを、開口部８ａを覆うストライプ状とし、開口部８ａの開口幅Ｗを６０μｍとした。１．５ｍｍ以上の電極間ピッチＰに対して開口部８ａの開口幅Ｗが２０μｍ未満では、コンタクト抵抗が増大する。また、１．５ｍｍ以上の電極間ピッチＰに対して開口部８ａの開口幅Ｗが２００μｍ以上の場合は、電極間隔に対して裏面側電極９の占める面積が増大してパッシベーション効果を低下させる。したがって、開口部８ａの開口幅Ｗを２０μｍ〜２００μｍとすることで低い接触抵抗とパッシベーション効果を両立することができる。

また、裏面絶縁膜（パッシベーション膜）８上にアルミニウム（Ａｌ）電極（裏面側電極９）を印刷し、これを焼成するとパッシベーション効果が低下することがある。また、裏面絶縁膜（パッシベーション膜）８上に形成されたアルミニウム（Ａｌ）電極は粒子状となり、太陽電池セルの裏面まで到達した長波長光を有効に反射できずにそこで吸収してしまう。したがって、開口部８ａの開口幅Ｗを２０μｍ〜２００μｍとし、さらに開口部８ａと類似の形状で該開口部８ａの周囲の裏面絶縁膜（パッシベーション膜）８と若干の重なりを持って開口部８ａ上をアルミニウム（Ａｌ）電極（裏面側電極９）で覆うことにより、裏面絶縁膜（パッシベーション膜）８上にアルミニウム（Ａｌ）電極（裏面側電極９）が形成される比率を小さくし、パッシベーション効果を向上させることができる。なお、開口部８ａの周囲の裏面絶縁膜（パッシベーション膜）８とアルミニウム（Ａｌ）電極（裏面側電極９）との重なりは、印刷時の位置合わせの関係で必要なものであり、裏面側電極９の特性上は、裏面側電極９の幅は開口部８ａの開口幅Ｗと同じ２０μｍ〜２００μｍでよい。

また、裏面側電極９の形成において焼成後の電極厚Ｔは電極の熱収縮による体積に影響する。本実施の形態では、裏面側電極９の形成において開口部８ａの開口幅Ｗ：焼成後の電極厚Ｔを１．５：１としたが、開口部８ａの開口幅Ｗ：焼成後の電極厚Ｔが「２：１」より大の場合は、すなわち焼成後の電極厚Ｔが開口部８ａの開口幅Ｗの５０％未満の場合は、ＢＳＦ層１２の厚みが十分でなく、太陽電池特性の低下につながる。また、開口部８ａの開口幅Ｗ：焼成後の電極厚Ｔが「１：１」より小の場合は、すなわち、焼成後の電極厚Ｔが開口部８ａの開口幅Ｗの１００％より大の場合は、電極体積が大きいため焼成後の電極の熱収縮による電極の吸い出しおよびボイドが形成されやすい。したがって、開口部８ａの開口幅Ｗ：焼成後の電極厚Ｔが「１：１〜２：１」の範囲のとき、すなわち焼成後の電極厚Ｔが開口部８ａの開口幅Ｗの５０％以上１００％以下の範囲のときに高いフィルファクター（ＦＦ）が得られる。

また、実施の形態１にかかる太陽電池セルにおいては、電極の焼成後に裏面反射膜１０を反射率の高い金属薄膜で形成する。裏面絶縁膜（パッシベーション膜）８上にスクリーン印刷で形成するアルミニウム（Ａｌ）電極は粒子状となり、裏面まで到達した長波長光を有効に反射できずにそこで吸収してしまう。そこで、アルミニウム（Ａｌ）電極の印刷領域を開口部８ａ上およびその周辺領域のみに限定し、それ以外の領域を反射率の高い金属薄膜で覆って裏面反射膜１０を形成することにより、裏面に到達する長波長側の光を反射させ、光を有効に半導体基板１に吸収させることができる。

したがって、上述した実施の形態１によれば、従来構造を上回る良好なパッシベーション効果と直列抵抗の増加の抑制を両立することができ、良好な太陽電池特性を有する太陽電池セルが得られる。

実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１において説明した太陽電池セルの製造方法の変形例について図２を参照して説明する。実施の形態２により作製される太陽電池セルの構造は、実施の形態１と同じであり、図１−１〜図１−２に示す構造である。まず、図２におけるステップＳ１０〜ステップＳ８０までの工程を実施して、実施の形態１と同様にスクリーン印刷により受光面側電極５および裏面側電極９形成する（焼成前）。

つぎに、ステップＳ９０の電極焼成工程において、例えば赤外線加熱炉を用いてピーク温度７６０℃〜９００℃で焼成を行う。これにより、受光面側電極５および裏面側電極９が形成されるとともに、半導体基板１の裏面側の領域であって裏面側電極９に接する領域およびその近傍にはＡｌ−Ｓｉ合金部１１が形成される。また、受光面側電極５中の銀が反射防止膜４を貫通して、ｎ型不純物拡散層３と受光面側電極５とが電気的に接続する。このとき、焼成後の冷却過程における６００℃〜７００℃付近での降温速度を１０〜３０℃／ｓｅｃとする。

また、赤外線加熱炉は加熱室と冷却室とが分かれているものを使用し、加熱後に半導体基板１を冷却室に搬送することにより冷却を行う。このとき、冷却室には不活性ガスとしてとして例えば窒素を導入して非酸化雰囲気下で冷却を行い、冷却過程でアルミニウム（Ａｌ）が凝固する際に極力酸化しないようにする。その後、フォーミングガス（例えば水素５％含有の不活性ガス）雰囲気中で３００℃〜４００℃、１０分間のフォーミングガスアニール処理を行う。

つぎに、実施の形態１と同様に、半導体基板１の裏面側に高反射構造を形成する。すなわち、裏面側電極９および裏面絶縁膜（パッシベーション膜）８を覆うように、裏面反射膜１０として銀（Ａｇ）膜（銀スパッタリング膜）を半導体基板１の裏面の全面にスパッタリング法により形成する。

上述した実施の形態２にかかる太陽電池セルの製造方法においては、焼成後にアルミニウム（Ａｌ）が凝固する６００℃〜７００℃付近での降温速度を１０〜３０℃／ｓｅｃとすることによりＡｌ−Ｓｉ合金部１１の吸出しを抑制することができる。

また、実施の形態２にかかる太陽電池セルの製造方法においては、電極の焼成後の冷却過程において、非酸化雰囲気下で冷却を行うため、アルミニウム（Ａｌ）が粒子化する際に、粒子同士の接触部が酸化することにより接触抵抗が増大することを防止できる。

上述した実施の形態２にかかる太陽電池セルの製造方法に従って作製した太陽電池セル（実施例２）と、電極の焼成後の冷却過程において降温速度が３０℃／ｓｅｃよりも大きい条件で大気中で冷却する以外は実施の形態２にかかる太陽電池セルの製造方法に従って作製した太陽電池セル（比較例Ｄ）と、の電流―電圧特性を比較した。

その結果、実施例２の太陽電池セルでは、比較例Ｄの太陽電池セルと比べて直列抵抗を低減することができ、比較例Ｄの太陽電池のフィルファクターが０．７５であったのに対して、０．７７と太陽電池特性を向上させることができた。

なお、上記の実施の形態においては、半導体基板としてｐ型のシリコン基板を使用する場合について説明したが、ｎ型のシリコン基板を用いてｐ型拡散層を形成する逆導電型の太陽電池セルとしてもよい。また、半導体基板として多結晶シリコン基板を用いたが、単結晶シリコン基板を用いてもよい。さらに、上記においては半導体基板の寸法を１５０ｍｍ×１５０ｍｍとしたが、半導体基板の寸法はこれに限定されるものではない。

以上のように、本発明にかかる光起電力装置は、良好な太陽電池特性を有する光起電力装置の製造に有用である。

１ 半導体基板
１ａ ｐ型多結晶シリコン基板
２ ｐ型多結晶シリコン基板
３ ｎ型不純物拡散層
４ 反射防止膜
５ 受光面側電極
５ａ 受光面電極材料ペースト
６ グリッド電極
７ バス電極
８ 裏面絶縁膜
８ａ 開口部
９ 裏面側電極
９ａ 裏面側電極材料ペースト
１０ 裏面反射膜
１１ アルミニウム−シリコン（Ａｌ−Ｓｉ）合金部
１２ ＢＳＦ層
Ｐ 電極間ピッチ
Ｌ 裏面側電極の電極長さ（長手方向の長さ）
Ｔ 焼成後の電極厚
Ｗ 開口部の開口幅

Claims (7)

1. 一面側に第２導電型の不純物元素が拡散された不純物拡散層を有する第１導電型の半導体基板と、
   前記不純物拡散層上に形成された反射防止膜と、
   前記反射防止膜を貫通して前記不純物拡散層に電気的に接続する第１電極と、
   前記半導体基板の他面側に達する複数の開口部を有して前記半導体基板の他面側に形成された裏面絶縁膜と、
   前記半導体基板の他面側に電気的に接続する複数の第２電極と、
   少なくとも前記裏面絶縁膜上を覆って形成された裏面反射膜と、
   を備え、
   前記開口部は、前記半導体基板の裏面の面内方向において略長方形状を呈するとともに該開口部の短手方向において複数本が略平行な列に配列され、
   前記第２電極は、前記開口部に埋め込まれて前記開口部と略等しい略長方形状を呈するとともに該第２電極の短手方向において複数本が略平行な列に配列され、
   前記第２電極の短手方向において一つの列の前記第２電極の中心位置と隣接する列の前記第２電極の中心位置との間隔である電極間ピッチが１．５ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲であり、
   前記第２電極の短手方向における幅が２０μｍ〜２００μｍの範囲であること、
   を特徴とする光起電力装置。
2. 前記第２電極は、第２電極の長手方向において複数に分断されて配置されていること、
   を特徴とする請求項１に記載の光起電力装置。
3. 前記第２電極は、前記開口部の全体を覆って設けられ、前記第２電極の電極厚Ｔが前記開口部の開口幅Ｗの５０％以上１００％以下の範囲であること、
   を特徴とする請求項１に記載の光起電力装置。
4. 第１導電型の半導体基板の一面側に、第２導電型の不純物元素が拡散された不純物拡散層を形成する第１工程と、
   前記不純物拡散層上に反射防止膜を形成する第２工程と、
   前記半導体基板の他面側に裏面絶縁膜を形成する第３工程と、
   前記裏面絶縁膜の少なくとも一部に前記半導体基板の他面側に達する複数の開口部を形成する第４工程と、
   前記反射防止膜上に第１電極材料を塗布する第５工程と、
   少なくとも前記複数の開口部を埋めるように第２電極材料を塗布する第６工程と、
   前記第１電極材料および前記第２電極材料を焼成して、前記反射防止膜を貫通して前記不純物拡散層に電気的に接続する第１電極と、前記半導体基板の他面側に電気的に接続する第２電極と、を形成する第７工程と、
   裏面反射膜を、少なくとも前記裏面絶縁膜上を覆って形成する第８工程と、
   を含み、
   前記開口部は、前記半導体基板の裏面の面内方向において略長方形状を呈するとともに該開口部の短手方向において複数本が略平行な列に配列され、
   前記第２電極は、前記開口部に埋め込まれて前記開口部と略等しい略長方形状を呈するとともに該第２電極の短手方向において複数本が略平行な列に配列され、
   前記第２電極の短手方向において一つの列の前記第２電極の中心位置と隣接する列の前記第２電極の中心位置との間隔である電極間ピッチが１．５ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲であり、
   前記第２電極の短手方向における幅が２０μｍ〜２００μｍの範囲であること、
   を特徴とする光起電力装置の製造方法。
5. 前記第７工程では、前記焼成後の冷却過程における６００℃〜７００℃での降温速度を１０℃／ｓｅｃ〜３０℃／ｓｅｃとすること、
   を特徴とする請求項４に記載の光起電力装置の製造方法。
6. 前記第７工程では、前記焼成後の冷却過程を不活性ガス雰囲気下で行うこと、
   を特徴とする請求項４に記載の光起電力装置の製造方法。
7. 前記第８工程では、気相成長法または金属箔の接着により前記裏面反射膜を形成すること、
   を特徴とする請求項４に記載の光起電力装置の製造方法。

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