基板の半導体層にドープ領域を形成する方法および該方法の使用
【課題】ドープ領域における不連続部に対するリスクを増加させないで、ドーピング元素ペーストの量を減少させることである。
【解決手段】ドーピング元素ペーストのペースト層６を基板にスクリーン印刷し、該スクリーン印刷したドーピング元素ペーストのペースト層を焼成して行うドーピング元素との合金化により、基板４の半導体層にドープ領域を形成する方法であって、高純度ドーピング元素層５を半導体層に付与した後、ペースト層をドーピング元素層にスクリーン印刷することを特徴とする方法。
【解決手段】ドーピング元素ペーストのペースト層６を基板にスクリーン印刷し、該スクリーン印刷したドーピング元素ペーストのペースト層を焼成して行うドーピング元素との合金化により、基板４の半導体層にドープ領域を形成する方法であって、高純度ドーピング元素層５を半導体層に付与した後、ペースト層をドーピング元素層にスクリーン印刷することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１請求項の序文に係る、基板の半導体層にドープ領域を形成する方法に関する。本発明はまた、かかる方法の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板の半導体層にドープ領域を形成する方法は、当業者に既に知られている。
【０００３】
例えばｎ型シリコン光電池では、ｐ型ドーピング元素、例えばホウ素またはアルミニウムを使用することによって、エミッタを実現することができる。優れた太陽電池の効果は、エミッタ形成プロセスに対してホウ素拡散を使用することによって得てきた。しかしながら、スクリーン印刷したアルミニウムペーストをベルト焼成し、Ａｌ合金化によってエミッタを形成することは、優れた代替である。これは、チューブ炉で行うホウ素拡散と比較して、より単純なアプローチが可能だからである。さらに、大きな知識ベースがこの種のプロセスのために利用できる。これは、アルミニウムペーストのスクリーン印刷および焼成が、ｐ型光電池のための裏面電界（ＢＳＦ）形成に工業的に使用されるからである。
【０００４】
しかしながら、スクリーン印刷および焼成によるＡｌ合金化は、ドープ領域に不連続部(discontinuities)をもたらす。これは、合金化プロセスに関するものであり、ペースト粒子に起因するアルミニウムのシリコンウエハとの合金化作用は、Ａｌとシリコンとが密接に接触した点で局所的に開始する。ｐ型電池に関して、論文(F. Huster, "Investigation of the alloying process of screen printed aluminium pastes for the BSF formation on silicon solar cells", 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2005, page 1466)において、不連続部を有しない閉じたＢＳＦを達成するためには、最大焼成温度で、表面上に閉じた液体Ａｌ−Ｓｉ層を設けることが必要であることが報告されている。それゆえに、最小６ｍｇ／ｃｍ２のアルミニウムペーストの堆積量が要求される。ＢＳＦの形成のための、スクリーン印刷および焼成を含むＡｌ合金化プロセスをｐ型電池に使用する場合、ドープ領域における不連続部は、裏面再結合速度をより大きくできる。
【０００５】
しかしながら、ｎ型シリコン光電池のエミッタ形成のために、アルミニウムのスクリーン印刷および焼成プロセスを使用する場合、該プロセスは、さらに最適化される必要がある。このプロセスを使用してＡｌ合金化エミッタ領域をｎ型電池上に形成する場合、プロセスパラメータ、例えばペーストの量および焼成条件は、さらに重要である。接合部におけるいずれかの不連続部が、電池にシャントパス(shunt path)をもたらすことがあり、電池の変換効率を大きく減少させる。
【０００６】
ｎ型光電池でのスクリーン印刷および焼成によるＡｌ合金化エミッタの形成に関連する研究は、シャントパスの問題（接合部での不連続部によって生じる）は、最大７．５ｍｇ／ｃｍ２の量のスクリーン印刷Ａｌペーストを使用する場合であっても存在する、ということを示している。スクリーン印刷ペーストの費用は、電池プロセスの総費用の重要な部分を占めるので、必要となるより多くの量のペーストにより、電池の費用が増加することになる。さらに、より多くの量のスクリーン印刷ペーストは、より大きい電池の反りにつながる。このことは、非常に薄い基板上に電池を作成する場合は、さらに重要であるだろう。
【０００７】
近年、スクリーン印刷したＡｌペーストを焼成することによって形成したＡｌ合金化エミッタを有するｎ型シリコン光電池における接合部の不連続部は、焼成条件を最適化することによって減少している(論文：Ly Mai et al, "Improved process for the formation of Al-alloyed emitter in n-type solar cells", 18th Int. Photovoltaic Science Engineering Conf., India, Jan. 2009)。該最適化プロセスは、接合部の不連続部の影響を最小化するための、従来の標準的なスパイク焼成後の低温固体相のエピタキシャル成長プロセスを含む。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
それゆえに、本発明の目的は、ドープ領域における不連続部に対するリスクを増加させないで、ドーピング元素ペーストの量を減少させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
これは、第１請求項の特徴記載部分に係る方法に従って達成される。
【００１０】
さらに、高純度のドーピング元素層が、半導体層に付与された後、ペースト層は該ドーピング元素層にスクリーン印刷される。
【００１１】
かかる方法により、後で説明するように、ドープ領域で不連続部に対するリスクを増大させないで、ドーピング元素ペーストの量を減少させることができることを見出した。
【００１２】
特定の発明の態様が、シリコン基板、またはＡｌ合金化により得られる基板のシリコン層にドープ領域を形成するための方法に関し、該方法は、Ａｌ含有ペーストのスクリーン印刷およびそれに続くペースト焼成を含み、該方法は、少量、例えば５ｍｇ／ｃｍ２以下のＡｌ含有ペーストを使用する場合であっても、不連続部が先行技術の方法と比較して実質的に減少した状態で、良質のドープ領域を形成することを可能にする。好都合なことに、一態様に係る方法が、ｐ型シリコンのＡｌ合金化、例えばｐ型光電池におけるＢＳＦ形成に使用可能である。好都合なことに、一態様に係る方法が、例えばｎ型光電池におけるエミッタ領域の形成のために、ｎ型シリコンのＡｌ合金化に使用可能である。
【００１３】
一態様に係る方法の利点は、Ａｌ含有ペーストの量を、先行技術の方法と比較して減少させることができ、したがってより費用効率の高いプロセスにつながり、また、電池の反りを減少させることができることである。
【００１４】
発明の一態様は、ドーピング元素との合金化によって、例えばアルミニウム合金化によって、半導体、例えばシリコン基板にドープ領域（または複数のドープ領域）を形成する方法に関し、該方法は、ドーピング元素、例えばアルミニウム層をシリコン基板に設けること、ドーピング元素、例えばアルミニウムを含有するペーストの層をドーピング元素層、例えば純粋なアルミニウム層にスクリーン印刷すること、およびペースト焼成ステップを実施することを含む。この出願においては、ドーピング元素含有ペースト、例えばアルミニウム含有ペーストをドーピング元素ペーストと呼ぶ。
【００１５】
一態様において、高純度のドーピング元素層、例えば高純度アルミニウム層は、９９．９％より高い純度を有する層である。かかる高純度ドーピング元素層、例えばアルミニウム層は、例えばスパッタリング、イオンビーム蒸着、熱蒸着のような物理的気相成長法、または例えばＡＬＤ（原子層堆積）のような化学的気相成長法によって設けることができる。高純度ドーピング元素層、例えば高純度アルミニウム層の厚さは、好ましくは約３マイクロメートル未満であり、例えばおよそ０．２マイクロメートル〜２マイクロメートルの範囲内にあり、例えばおよそ０．２マイクロメートル〜１マイクロメートルの範囲内にある。
【００１６】
一態様にかかる方法において、半導体基板、例えばシリコン基板は、例えば単結晶基板または多結晶基板でもよい。しかしながら、本開示はそれに限定されない。ｎ型基板の場合、例えば光電池のｐｎ接合を形成する方法が使用可能である。ｐ型基板の場合、光電池のＢＳＦ（裏面電界）領域を形成する方法が使用可能である。
【００１７】
ドーピング元素、例えばアルミニウムを含有するペーストの層をスクリーン印刷することは、約１０ｍｇ／ｃｍ２未満、好ましくは約７ｍｇ／ｃｍ２未満、例えば約２ｍｇ／ｃｍ２〜約５ｍｇ／ｃｍ２の範囲の量のペーストをスクリーン印刷することを含んでもよい。
【００１８】
ペースト焼成ステップは、ベルト炉内で実行してもよく、例えば基板（アルミニウム層およびアルミニウムペーストを有する）を、約８７０℃〜１０００℃の範囲、例えば約９００℃〜９７０℃の範囲の温度まで加熱することを含んでもよい。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態に従って、ドーピング元素層は、ペースト層と半導体層との間に挟持される。
【００２０】
本発明の好ましい実施形態に従って、ドーピング元素層は、ペースト層および半導体層と直接接触する。
【００２１】
特定の目的および利点を上記に記載してきた。もちろん、必ずしもかかる目的または利点のすべてを、本開示の特定の実施形態に従って達成することができるわけではない。したがって、例えば当業者は、ここで教示または提案されるような他の目的または利点を必ずしも達成することなく、ここで教示されるような一利点または利点の集まりを、達成または最適化する方法で、具体化または実行してもよいことを理解するであろう。さらに、この発明の概要は、単に発明の例示にすぎず、本開示の範囲を限定することを意図していると理解すべきでない。組織化および動作方式の両方、並びにそれらの特長および利点に
関する本開示は、添付の図面と関連させて解釈される場合、次の詳細な説明を参照して理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ｎ型のＡｌ合金化エミッタの後面接合光電池の概略図（断面図）である。
【図２（ａ）】Ａｌ合金化エミッタを有する電池に対して測定した光電池パラメータを、さまざまな合金化方法に対して、使用したアルミニウムペーストの量の関数として示す。
【図２（ｂ）】Ａｌ合金化エミッタを有する電池に対して測定した光電池パラメータを、さまざまな合金化方法に対して、使用したアルミニウムペーストの量の関数として示す。
【図２（ｃ）】Ａｌ合金化エミッタを有する電池に対して測定した光電池パラメータを、さまざまな合金化方法に対して、使用したアルミニウムペーストの量の関数として示す。
【図２（ｄ）】Ａｌ合金化エミッタを有する電池に対して測定した光電池パラメータを、さまざまな合金化方法に対して、使用したアルミニウムペーストの量の関数として示す。
【図３】図３（ａ）および図３（ｂ）は、先行技術のＡｌ合金化方法に対するＡｌ合金化接合部のＳＥＭ断面図を、図３（ｃ）および図３（ｄ）は、一実施形態に係るＡｌ合金化方法に対するＡｌ合金化接合部のＳＥＭ断面図を示す。
【図４】一実施形態に従って形成されたエミッタを有するシリコン光電池に対して測定したＩ−Ｖパラメータを、高純度Ａｌ層の厚さの関数として示す。
【図５（ａ）】一実施形態に従って形成されたエミッタを有するシリコン光電池に対して測定したＩ−Ｖパラメータを、高純度Ａｌ層の厚さの関数として示す。
【図５（ｂ）】一実施形態に従って形成されたエミッタを有するシリコン光電池に対して測定したＩ−Ｖパラメータを、高純度Ａｌ層の厚さの関数として示す。
【図５（ｃ）】一実施形態に従って形成されたエミッタを有するシリコン光電池に対して測定したＩ−Ｖパラメータを、高純度Ａｌ層の厚さの関数として示す。
【図５（ｄ）】一実施形態に従って形成されたエミッタを有するシリコン光電池に対して測定したＩ−Ｖパラメータを、高純度Ａｌ層の厚さの関数として示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下の詳細な記載において、本開示、およびそれが特定の実施形態においてどのように実践されうるかの完全な理解を提供するために、多くの具体的詳細を示す。一方、本開示は、これらの具体的詳細がなくても実践しうる、ということが理解されるだろう。よく知られた方法である他の例では、手順および技術は、本開示を不透明にしないために、詳細には記載されていない。本開示は、特定の実施態様に関して、および特定の図面に関して記載されているが、これに限定する意味ではない。本開示は、特定の実施形態について特定の図面を参照しながら説明するが、本開示はこれらに限定されない。本開示が含んでおり、記載している図面は概略的なものに過ぎず、限定的でない。図面において、いくつかのエレメントの大きさは、説明目的のため、誇張し、およびスケールどおり描いていないことがある。
【００２４】
さらに、説明および請求項での用語「第１」「第２」「第３」などは、類似のエレメントを区別するための使用しており、必ずしもシーケンスを時間的、空間的に、序列で、または他のどの様式で表したものでもない。こうして用いた用語は、好適な状況下で交換可能であり、本開示の実施形態は、ここで説明したり図示したものとは別の順番で動作可能であると理解すべきである。
【００２５】
さらに、説明および請求項での用語「上(top)」、「下(bottom)」、「の上に(over)」、「の下に(under)」などは、説明目的で使用しており、必ずしも相対的な位置を記述するためのものでない。こうして用いた用語は、好適な状況下で交換可能であって、ここで説明した実施形態がここで説明または図示した以外の他の向きで動作可能であると理解すべきである。
【００２６】
請求項で使用する用語「備える、含む(comprising)」は、それ以降に列挙された手段に限定されるものと解釈すべきでなく、他のエレメントまたはステップを除外していない。記述した特徴、整数、ステップまたはコンポーネントの存在を、参照したように特定するように解釈する必要があるが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップまたはコンポーネント、あるいはこれらのグループの存在または追加を除外していない。したがって、「手段Ａ、Ｂを備えるデバイス」という表現の範囲は、コンポーネントＡ、Ｂだけからなるデバイスに限定すべきでない。
【００２７】
本開示の文脈において、光電池の前面(front surface)または前側(front side)は、光源の方向に向けられ、したがって照射光を受光するように調節された面または側である。光電池の裏面(back surface)もしくは裏側(back side)または後面(rear surface)もしくは後側(rear side)は、前面とは反対側の面または側である。
【００２８】
一実施形態は、アルミニウム合金化によってシリコン基板にドープ領域を形成する方法に関し、該方法は、シリコン基板上に高純度のアルミニウム層を、例えばＣＶＤ（化学的気相成長法）もしくはＰＶＤ（物理的気相成長法）、アルミニウム含有ペーストを純粋なアルミニウム層上にスクリーン印刷すること、およびペースト焼成ステップを実施することによって設けることを含む。
【００２９】
しかしながら、半導体基板はシリコンである必要はなく、半導体基板はまた、例えばゲルマニウム、その他当業者が適切であると考える半導体材料でもよい。
【００３０】
また、ドーピング元素はアルミニウムである必要はなく、他のドーピング元素も可能である。
【００３１】
一実施形態において、好都合なことに、該方法は、ｎ型シリコン基板に良質の接合部を形成すること、例えばｎ型シリコン光電池のエミッタを形成することに使用可能である。好都合なことに、該方法はまた、ｐ型シリコン光電池に対して、良質の裏面電界を作成することにも使用可能である。
【００３２】
基板上に、ドーピング元素、例えばアルミニウムを含有するペーストをスクリーン印刷する前に、高純度のドーピング元素、例えばアルミニウムの層を設けることによって（例えばスパッタリングまたは蒸着して）、焼成後のドーピング元素の合金化層、例えばＡｌ合金化層の均一性が、先行技術の方法と比較して改善されることがわかったのは驚くべきことであった。薄い高純度のドーピング元素、例えばアルミニウムの層、およびドーピング元素、例えばＡｌの合金化エミッタを形成するために、スクリーン印刷したドーピング元素、例えばＡｌのペーストを使用する場合、ドーピング元素の合金化、例えばＡｌ合金化エミッタにおける不連続部は、先行技術の方法と比較して大きく減少した。ここで、スクリーン印刷したドーピング元素、例えばＡｌのペースト層のみが、Ａｌ合金化エミッタを形成することに使用される。ドーピング元素の合金化、例えばＡｌ合金化光電池エミッタを形成するために、スクリーン印刷したドーピング層成分、例えばアルミニウムのペーストの層の下に、高純度ドーピング元素、例えばＡｌの層を付加することにより、光電池のシャント抵抗は、ドーピング元素、例えばアルミニウムのペーストを使用する場合であっても実質的に増加する。
【００３３】
図１に概略的に示すような構造を有するＮ型Ａｌエミッタの裏面接合光電池を製造した。該電池は、約１〜４オームｃｍの範囲にある抵抗率を有する、約１８０マイクロメートルの厚さのｎ型多結晶シリコンウエハ４（１２５ｍｍ×１２５ｍｍ）を用いて製造した。プロセスシーケンスは、酸テクスチャー(acid texturing)によって開始し、続いてリン・ゲッタリング、ｎ＋前面電界（ＦＳＦ）２を形成するための基板の前側でのリン拡散、および前側で反射防止コーティングする際に、ＰＥＣＶＤによるＳｉＮｘ層３の堆積を実施する。次に、約２マイクロメートルの厚さのＡｌ層を、ＡｌスパッタリングまたはＡｌ蒸着によって後側に設ける。続けて、前側コンタクト１を形成するために、前側にＡｇペーストをスクリーン印刷する。また、後側にＡｌ合金化エミッタ５を形成し、後側コンタクト６を形成するために、後側にＡｇペーストをスクリーン印刷する。
【００３４】
実験は、さまざまな量のＡｌペーストを、電池の後面にスクリーン印刷した状態で実施した。異なるメッシュサイズを有する三種類のスクリーンを、５ｍｇ／ｃｍ２〜９ｍｇ／ｃｍ２の範囲にある（約３０マイクロメートル〜約５０マイクロメートルの範囲にあるペースト層の厚さに対応する）種々の量のアルミニウムペーストをスクリーン印刷するのに使用した。スクリーン印刷の後、ペーストをベルト炉の中で３００℃で乾燥した。次にペーストを、約９００℃の最大焼成温度で焼成した。
【００３５】
図２は、スクリーン印刷したＡｌ量の、光電池の曲線因子ＦＦに対する影響（図２（ａ））、光電池の開回路電圧Ｖｏｃに対する影響（図２（ｂ））、光電池の短絡電流密度Ｊｓｃに対する影響（図２（ｃ））、および光電池のエネルギー変換密度に対する影響（図２（ｄ））を示す。先行技術に係る、スクリーン印刷したＡｌ層のみを用いてＡｌ合金化エミッタを形成するようにした電池（三角）、一実施形態に係る、蒸着したＡｌ層およびスクリーン印刷したＡｌ層を含む堆積部を用いてＡｌ合金化エミッタを形成するようにした電池（四角）、ならびに一実施形態に係る、Ａｌスパッタリング層およびスクリーン印刷したＡｌ層を含む堆積部を用いてＡｌ合金化エミッタを形成するようにした電池（菱形）について結果を示す。
【００３６】
スクリーン印刷したＡｌのみがＡｌ合金化エミッタを形成することに使用されるようにした電池の場合、曲線因子は、スクリーン印刷したＡｌ量に非常に強い依存性を示す。Ａｌペーストの量が５．２ｍｇ／ｃｍ２から８．５ｍｇ／ｃｍ２へ増加するのに伴って、曲線因子は、４６％から７７％へほぼ直線的に増加する（図２（ａ））。しかしながら、２マイクロメートルの厚さの高純度Ａｌ層（スパッタリングまたは蒸着した）を含む堆積部、およびスクリーン印刷したＡｌ層を使用する場合、焼成ステップにより、スクリーン印刷したＡｌペーストの量の増加に伴って、約７２％から８０％以上に及ぶ、より大きな曲線因子を生じる。
【００３７】
図２（ｂ）に示すように、開回路電圧は、同様の挙動を示す。スクリーン印刷したＡｌペースト層のみを使用する場合、開回路電圧は、Ａｌペーストの量の増加に伴って約４７５ｍＶから約６１０ｍＶに増加する。一実施形態にかかる方法を使用する場合、Ａｌペーストの量が小さいところでも６００ｍＶより大きい開回路電圧が得られる。
【００３８】
図２（ｃ）は、短絡電流密度を、スクリーン印刷したＡｌ量の関数として示す。短絡電流密度もまた、スクリーン印刷したＡｌ層の下で純粋なＡｌを付加する場合、明確な増加を示すが、Ａｌペースト量に対する依存性は、曲線因子および開回路電圧の場合に比べて顕著でない。
【００３９】
光電池のエネルギー変換効率（図２（ｄ））は、曲線因子および開回路電圧の場合に似た傾向に従う。高純度Ａｌ層としての、蒸着したＡｌを有するサンプルと、スパッタリングしたＡｌを有するサンプルとの間に、明確な結果の差異は見出せなかった。
【００４０】
Ａｌ合金化接合部の断面は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって調査した。最小量の、スクリーン印刷したアルミニウムペースト（５．２ｍｇ／ｃｍ２）を用いて形成した接合部のＳＥＭ画像を図３に示している。図３（ａ）および図３（ｂ）は、スクリーン印刷したＡｌのみが、Ａｌ合金化に使用されるようにしたサンプル（先行技術にかかる）のＳＥＭ画像を示す。これらの画像は、Ａｌ合金化した接合部の不連続部およびエミッタ厚さの多くのバリエーションを明確に示している。該不連続部により、接合部のシャントが生じるが、これはこのサンプルに対して測定したシャント抵抗の非常に低い値（〜９０Ωｃｍ２）と相互に大きく関連する。図３（ｃ）および図３（ｄ）は、接合部が、２マイクロメートルの厚さの、Ａｌスパッタリング層およびスクリーン印刷したＡｌ層を含む堆積部を使用する一実施形態における方法、に従って形成されるようにしたサンプルのＳＥＭ画像を示す。この方法により、より均一な接合部の形成が可能になり、接合部におけるシャントパスの数が少なくなることが認められる。これは、より大きいシャント抵抗値（〜３５０Ωｃｍ２）、したがって電池のより大きい曲線因子によって確かめられた。
【００４１】
より少ない量のペーストを用いて均一な接合部を得ることは、コスト削減にとって重要であるだけでなく、電池の反りをより小さくする。これは、将来のより薄い電池にとって非常に重要であるだろう。
【００４２】
実験は、次のように実施した。たった２マイクロメートルの厚さのＡｌスパッタリング層をｎ型シリコン基板に（スクリーン印刷したＡｌペーストを有しないで）設けた。続いて、Ａｌ合金化エミッタを形成するための焼成ステップを実施した。かかるエミッタを備える光電池が、２５％のＦＦおよび２１８ｍＶのＶｏｃを有した。これは、このアプローチにより均一のエミッタまたは、非常に薄い、もしくは非常にドープ率の低いエミッタが得られるのではないということ、およびＡｌスパッタリング層を、例えばスクリーン印刷したＡｌペーストによって形成した層と結合させる必要があるということを明確に示している。
【００４３】
本発明の複数の実施形態における、スクリーン印刷したＡｌペースト層の下に設けられた高純度のＡｌ層の厚さの影響を調査するために、それぞれ１マイクロメートル、２マイクロメートル、および３マイクロメートルの厚さを有するＡｌスパッタリング層、およびそれの上部にある、１０．５ｍｇ／ｃｍ２のスクリーン印刷したＡｌ層を含む堆積部を用いてＡｌ合金化することによって形成したエミッタ接合部を有する電池の分析を実施した。電池の電流−電圧パラメータは、図４に示されている。電池の曲線因子は、スパッタリング層の厚さが増加するにしたがって、単調減少する。１マイクロメートルの高純度Ａｌが、最大８２．２％の大きい曲線因子をもたらすことが認められた。電池のＪｓｃおよびＶｏｃは、明確な傾向を示していない。１μｍの厚さのＡｌスパッタリング層を有する電池は、１８０マイクロメートルの厚さのウエハにおいて１５％の最大効率を示した。
【００４４】
高純度Ａｌ層の厚さを最適化するために、それぞれ０．２５マイクロメートル、０．５マイクロメートル、および１マイクロメートルの厚さを有するＡｌスパッタリング層を含む堆積部、および５．２ｍｇ／ｃｍ２のスクリーン印刷したＡｌ層を用いてＡｌ合金化することによって形成したエミッタ接合部を有する電池に対して分析を実施した。参照のために、５．２ｍｇ／ｃｍ２のスクリーン印刷したＡｌ層（高純度Ａｌ層を下に有しない）を用いて合金化することによって形成したエミッタを有する電池も分析した。電池の電流−電圧パラメータは図５に示されている。焼成条件はまた、電池においてシャントパスが減少するように改良した。
【００４５】
図５（ａ）は、高純度Ａｌ層の厚さの関数として測定した曲線因子を示す。エミッタを形成するための、スクリーン印刷したＡｌ層のみを有する電池に対して、曲線因子の平均値が測定され、６６％±３％であることがわかった。曲線因子は、焼成条件の改善に伴って改善を示したが、電池は、未だ明らかに分路していた。興味深いことに、たった０．２５マイクロメートルの高純度Ａｌを有する電池は、曲線因子において大きな改善を示した。平均曲線因子は、７６％±３％であることがわかった。最大１マイクロメートルまで厚さが増加した純粋なＡｌ層を有する電池のそれぞれは、曲線因子において、最大７８％±１％の更なる小さな改善を示した。
【００４６】
同様の特性が、電池の開回路電圧Ｖｏｃに対して認められた（図５（ｂ））。０．２５マイクロメートルの厚さの高純度Ａｌ層を有する電池は、参照電池の５７４ｍＶ±３ｍＶと比較して、５９３ｍＶ±２ｍＶの大きく改善した開回路電圧を示した。１マイクロメートルの厚さの高純度Ａｌ層を有する電池は、Ｖｏｃにおいて、最大５９６ｍＶ±２ｍＶの更なる小さい改善を示す。
【００４７】
電池の短絡電流は、明確な傾向を全く示さなかった（図５（ｃ））。短絡電流の値は、より大きい許容誤差の範囲内にあった。すべての条件に対する短絡電流密度の平均値は、２７．２ｍＡ／ｃｍ２〜２７．４ｍＡ／ｃｍ２の範囲内であった。
【００４８】
図５（ｄ）に示したように、電池のエネルギー変換効率は、曲線因子および開回路電圧と同じ傾向に従う。それは、参照電池と比較して、０．２５マイクロメートルの厚さの高純度Ａｌ層において大きな増加を示し、高純度Ａｌ層の厚さが増加するに従って、比較的小さい増加をさらに示す。
【００４９】
これらの結果は、非常に少量のスクリーン印刷したＡｌペースト（５．２ｍｇ／ｃｍ２）を用いて、純粋なアルミニウムの非常に薄い層（たった０．２５マイクロメートル）を堆積することによって、７６％±３％の曲線因子をもたらすことができることを示している。コスト削減の利点は別にして、これらの結果は、非常に薄いウエハで作成した電池の反りを減少させる点で特に重要である。これにより、Ａｌ合金化は、非常に薄い電池のためのホウ素分散に対する興味深い代替となる。
【００５０】
先の説明は、本発明の特定の実施形態を詳説する。しかしながら、先の説明が文章中にいかに詳細になされてても、本発明は、多くの方法で実施してもよいことが理解されるであろう。特定の用語の使用は、本発明の特定の特徴または態様を説明する場合、用語はここで再定義され、その用語が関連している本発明の特徴または態様についていずれか特定の特性を含むことに限定されることを暗示するものでないことに留意すべきである。
【００５１】
上記の詳細な説明は、種々の実施形態に適用されるように、本発明の新規な特徴を示し、記載し、および指摘しているが、本発明の精神から逸脱することなく、図示したデバイスまたはプロセスの形態および詳細な説明での種々の省略、置換、および変化は、当業者によってなし得ることは理解されるであろう。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１請求項の序文に係る、基板の半導体層にドープ領域を形成する方法に関する。本発明はまた、かかる方法の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板の半導体層にドープ領域を形成する方法は、当業者に既に知られている。
【０００３】
例えばｎ型シリコン光電池では、ｐ型ドーピング元素、例えばホウ素またはアルミニウムを使用することによって、エミッタを実現することができる。優れた太陽電池の効果は、エミッタ形成プロセスに対してホウ素拡散を使用することによって得てきた。しかしながら、スクリーン印刷したアルミニウムペーストをベルト焼成し、Ａｌ合金化によってエミッタを形成することは、優れた代替である。これは、チューブ炉で行うホウ素拡散と比較して、より単純なアプローチが可能だからである。さらに、大きな知識ベースがこの種のプロセスのために利用できる。これは、アルミニウムペーストのスクリーン印刷および焼成が、ｐ型光電池のための裏面電界（ＢＳＦ）形成に工業的に使用されるからである。
【０００４】
しかしながら、スクリーン印刷および焼成によるＡｌ合金化は、ドープ領域に不連続部(discontinuities)をもたらす。これは、合金化プロセスに関するものであり、ペースト粒子に起因するアルミニウムのシリコンウエハとの合金化作用は、Ａｌとシリコンとが密接に接触した点で局所的に開始する。ｐ型電池に関して、論文(F. Huster, "Investigation of the alloying process of screen printed aluminium pastes for the BSF formation on silicon solar cells", 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2005, page 1466)において、不連続部を有しない閉じたＢＳＦを達成するためには、最大焼成温度で、表面上に閉じた液体Ａｌ−Ｓｉ層を設けることが必要であることが報告されている。それゆえに、最小６ｍｇ／ｃｍ２のアルミニウムペーストの堆積量が要求される。ＢＳＦの形成のための、スクリーン印刷および焼成を含むＡｌ合金化プロセスをｐ型電池に使用する場合、ドープ領域における不連続部は、裏面再結合速度をより大きくできる。
【０００５】
しかしながら、ｎ型シリコン光電池のエミッタ形成のために、アルミニウムのスクリーン印刷および焼成プロセスを使用する場合、該プロセスは、さらに最適化される必要がある。このプロセスを使用してＡｌ合金化エミッタ領域をｎ型電池上に形成する場合、プロセスパラメータ、例えばペーストの量および焼成条件は、さらに重要である。接合部におけるいずれかの不連続部が、電池にシャントパス(shunt path)をもたらすことがあり、電池の変換効率を大きく減少させる。
【０００６】
ｎ型光電池でのスクリーン印刷および焼成によるＡｌ合金化エミッタの形成に関連する研究は、シャントパスの問題（接合部での不連続部によって生じる）は、最大７．５ｍｇ／ｃｍ２の量のスクリーン印刷Ａｌペーストを使用する場合であっても存在する、ということを示している。スクリーン印刷ペーストの費用は、電池プロセスの総費用の重要な部分を占めるので、必要となるより多くの量のペーストにより、電池の費用が増加することになる。さらに、より多くの量のスクリーン印刷ペーストは、より大きい電池の反りにつながる。このことは、非常に薄い基板上に電池を作成する場合は、さらに重要であるだろう。
【０００７】
近年、スクリーン印刷したＡｌペーストを焼成することによって形成したＡｌ合金化エミッタを有するｎ型シリコン光電池における接合部の不連続部は、焼成条件を最適化することによって減少している(論文：Ly Mai et al, "Improved process for the formation of Al-alloyed emitter in n-type solar cells", 18th Int. Photovoltaic Science Engineering Conf., India, Jan. 2009)。該最適化プロセスは、接合部の不連続部の影響を最小化するための、従来の標準的なスパイク焼成後の低温固体相のエピタキシャル成長プロセスを含む。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
それゆえに、本発明の目的は、ドープ領域における不連続部に対するリスクを増加させないで、ドーピング元素ペーストの量を減少させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
これは、第１請求項の特徴記載部分に係る方法に従って達成される。
【００１０】
さらに、高純度のドーピング元素層が、半導体層に付与された後、ペースト層は該ドーピング元素層にスクリーン印刷される。
【００１１】
かかる方法により、後で説明するように、ドープ領域で不連続部に対するリスクを増大させないで、ドーピング元素ペーストの量を減少させることができることを見出した。
【００１２】
特定の発明の態様が、シリコン基板、またはＡｌ合金化により得られる基板のシリコン層にドープ領域を形成するための方法に関し、該方法は、Ａｌ含有ペーストのスクリーン印刷およびそれに続くペースト焼成を含み、該方法は、少量、例えば５ｍｇ／ｃｍ２以下のＡｌ含有ペーストを使用する場合であっても、不連続部が先行技術の方法と比較して実質的に減少した状態で、良質のドープ領域を形成することを可能にする。好都合なことに、一態様に係る方法が、ｐ型シリコンのＡｌ合金化、例えばｐ型光電池におけるＢＳＦ形成に使用可能である。好都合なことに、一態様に係る方法が、例えばｎ型光電池におけるエミッタ領域の形成のために、ｎ型シリコンのＡｌ合金化に使用可能である。
【００１３】
一態様に係る方法の利点は、Ａｌ含有ペーストの量を、先行技術の方法と比較して減少させることができ、したがってより費用効率の高いプロセスにつながり、また、電池の反りを減少させることができることである。
【００１４】
発明の一態様は、ドーピング元素との合金化によって、例えばアルミニウム合金化によって、半導体、例えばシリコン基板にドープ領域（または複数のドープ領域）を形成する方法に関し、該方法は、ドーピング元素、例えばアルミニウム層をシリコン基板に設けること、ドーピング元素、例えばアルミニウムを含有するペーストの層をドーピング元素層、例えば純粋なアルミニウム層にスクリーン印刷すること、およびペースト焼成ステップを実施することを含む。この出願においては、ドーピング元素含有ペースト、例えばアルミニウム含有ペーストをドーピング元素ペーストと呼ぶ。
【００１５】
一態様において、高純度のドーピング元素層、例えば高純度アルミニウム層は、９９．９％より高い純度を有する層である。かかる高純度ドーピング元素層、例えばアルミニウム層は、例えばスパッタリング、イオンビーム蒸着、熱蒸着のような物理的気相成長法、または例えばＡＬＤ（原子層堆積）のような化学的気相成長法によって設けることができる。高純度ドーピング元素層、例えば高純度アルミニウム層の厚さは、好ましくは約３マイクロメートル未満であり、例えばおよそ０．２マイクロメートル〜２マイクロメートルの範囲内にあり、例えばおよそ０．２マイクロメートル〜１マイクロメートルの範囲内にある。
【００１６】
一態様にかかる方法において、半導体基板、例えばシリコン基板は、例えば単結晶基板または多結晶基板でもよい。しかしながら、本開示はそれに限定されない。ｎ型基板の場合、例えば光電池のｐｎ接合を形成する方法が使用可能である。ｐ型基板の場合、光電池のＢＳＦ（裏面電界）領域を形成する方法が使用可能である。
【００１７】
ドーピング元素、例えばアルミニウムを含有するペーストの層をスクリーン印刷することは、約１０ｍｇ／ｃｍ２未満、好ましくは約７ｍｇ／ｃｍ２未満、例えば約２ｍｇ／ｃｍ２〜約５ｍｇ／ｃｍ２の範囲の量のペーストをスクリーン印刷することを含んでもよい。
【００１８】
ペースト焼成ステップは、ベルト炉内で実行してもよく、例えば基板（アルミニウム層およびアルミニウムペーストを有する）を、約８７０℃〜１０００℃の範囲、例えば約９００℃〜９７０℃の範囲の温度まで加熱することを含んでもよい。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態に従って、ドーピング元素層は、ペースト層と半導体層との間に挟持される。
【００２０】
本発明の好ましい実施形態に従って、ドーピング元素層は、ペースト層および半導体層と直接接触する。
【００２１】
特定の目的および利点を上記に記載してきた。もちろん、必ずしもかかる目的または利点のすべてを、本開示の特定の実施形態に従って達成することができるわけではない。したがって、例えば当業者は、ここで教示または提案されるような他の目的または利点を必ずしも達成することなく、ここで教示されるような一利点または利点の集まりを、達成または最適化する方法で、具体化または実行してもよいことを理解するであろう。さらに、この発明の概要は、単に発明の例示にすぎず、本開示の範囲を限定することを意図していると理解すべきでない。組織化および動作方式の両方、並びにそれらの特長および利点に
関する本開示は、添付の図面と関連させて解釈される場合、次の詳細な説明を参照して理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ｎ型のＡｌ合金化エミッタの後面接合光電池の概略図（断面図）である。
【図２（ａ）】Ａｌ合金化エミッタを有する電池に対して測定した光電池パラメータを、さまざまな合金化方法に対して、使用したアルミニウムペーストの量の関数として示す。
【図２（ｂ）】Ａｌ合金化エミッタを有する電池に対して測定した光電池パラメータを、さまざまな合金化方法に対して、使用したアルミニウムペーストの量の関数として示す。
【図２（ｃ）】Ａｌ合金化エミッタを有する電池に対して測定した光電池パラメータを、さまざまな合金化方法に対して、使用したアルミニウムペーストの量の関数として示す。
【図２（ｄ）】Ａｌ合金化エミッタを有する電池に対して測定した光電池パラメータを、さまざまな合金化方法に対して、使用したアルミニウムペーストの量の関数として示す。
【図３】図３（ａ）および図３（ｂ）は、先行技術のＡｌ合金化方法に対するＡｌ合金化接合部のＳＥＭ断面図を、図３（ｃ）および図３（ｄ）は、一実施形態に係るＡｌ合金化方法に対するＡｌ合金化接合部のＳＥＭ断面図を示す。
【図４】一実施形態に従って形成されたエミッタを有するシリコン光電池に対して測定したＩ−Ｖパラメータを、高純度Ａｌ層の厚さの関数として示す。
【図５（ａ）】一実施形態に従って形成されたエミッタを有するシリコン光電池に対して測定したＩ−Ｖパラメータを、高純度Ａｌ層の厚さの関数として示す。
【図５（ｂ）】一実施形態に従って形成されたエミッタを有するシリコン光電池に対して測定したＩ−Ｖパラメータを、高純度Ａｌ層の厚さの関数として示す。
【図５（ｃ）】一実施形態に従って形成されたエミッタを有するシリコン光電池に対して測定したＩ−Ｖパラメータを、高純度Ａｌ層の厚さの関数として示す。
【図５（ｄ）】一実施形態に従って形成されたエミッタを有するシリコン光電池に対して測定したＩ−Ｖパラメータを、高純度Ａｌ層の厚さの関数として示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下の詳細な記載において、本開示、およびそれが特定の実施形態においてどのように実践されうるかの完全な理解を提供するために、多くの具体的詳細を示す。一方、本開示は、これらの具体的詳細がなくても実践しうる、ということが理解されるだろう。よく知られた方法である他の例では、手順および技術は、本開示を不透明にしないために、詳細には記載されていない。本開示は、特定の実施態様に関して、および特定の図面に関して記載されているが、これに限定する意味ではない。本開示は、特定の実施形態について特定の図面を参照しながら説明するが、本開示はこれらに限定されない。本開示が含んでおり、記載している図面は概略的なものに過ぎず、限定的でない。図面において、いくつかのエレメントの大きさは、説明目的のため、誇張し、およびスケールどおり描いていないことがある。
【００２４】
さらに、説明および請求項での用語「第１」「第２」「第３」などは、類似のエレメントを区別するための使用しており、必ずしもシーケンスを時間的、空間的に、序列で、または他のどの様式で表したものでもない。こうして用いた用語は、好適な状況下で交換可能であり、本開示の実施形態は、ここで説明したり図示したものとは別の順番で動作可能であると理解すべきである。
【００２５】
さらに、説明および請求項での用語「上(top)」、「下(bottom)」、「の上に(over)」、「の下に(under)」などは、説明目的で使用しており、必ずしも相対的な位置を記述するためのものでない。こうして用いた用語は、好適な状況下で交換可能であって、ここで説明した実施形態がここで説明または図示した以外の他の向きで動作可能であると理解すべきである。
【００２６】
請求項で使用する用語「備える、含む(comprising)」は、それ以降に列挙された手段に限定されるものと解釈すべきでなく、他のエレメントまたはステップを除外していない。記述した特徴、整数、ステップまたはコンポーネントの存在を、参照したように特定するように解釈する必要があるが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップまたはコンポーネント、あるいはこれらのグループの存在または追加を除外していない。したがって、「手段Ａ、Ｂを備えるデバイス」という表現の範囲は、コンポーネントＡ、Ｂだけからなるデバイスに限定すべきでない。
【００２７】
本開示の文脈において、光電池の前面(front surface)または前側(front side)は、光源の方向に向けられ、したがって照射光を受光するように調節された面または側である。光電池の裏面(back surface)もしくは裏側(back side)または後面(rear surface)もしくは後側(rear side)は、前面とは反対側の面または側である。
【００２８】
一実施形態は、アルミニウム合金化によってシリコン基板にドープ領域を形成する方法に関し、該方法は、シリコン基板上に高純度のアルミニウム層を、例えばＣＶＤ（化学的気相成長法）もしくはＰＶＤ（物理的気相成長法）、アルミニウム含有ペーストを純粋なアルミニウム層上にスクリーン印刷すること、およびペースト焼成ステップを実施することによって設けることを含む。
【００２９】
しかしながら、半導体基板はシリコンである必要はなく、半導体基板はまた、例えばゲルマニウム、その他当業者が適切であると考える半導体材料でもよい。
【００３０】
また、ドーピング元素はアルミニウムである必要はなく、他のドーピング元素も可能である。
【００３１】
一実施形態において、好都合なことに、該方法は、ｎ型シリコン基板に良質の接合部を形成すること、例えばｎ型シリコン光電池のエミッタを形成することに使用可能である。好都合なことに、該方法はまた、ｐ型シリコン光電池に対して、良質の裏面電界を作成することにも使用可能である。
【００３２】
基板上に、ドーピング元素、例えばアルミニウムを含有するペーストをスクリーン印刷する前に、高純度のドーピング元素、例えばアルミニウムの層を設けることによって（例えばスパッタリングまたは蒸着して）、焼成後のドーピング元素の合金化層、例えばＡｌ合金化層の均一性が、先行技術の方法と比較して改善されることがわかったのは驚くべきことであった。薄い高純度のドーピング元素、例えばアルミニウムの層、およびドーピング元素、例えばＡｌの合金化エミッタを形成するために、スクリーン印刷したドーピング元素、例えばＡｌのペーストを使用する場合、ドーピング元素の合金化、例えばＡｌ合金化エミッタにおける不連続部は、先行技術の方法と比較して大きく減少した。ここで、スクリーン印刷したドーピング元素、例えばＡｌのペースト層のみが、Ａｌ合金化エミッタを形成することに使用される。ドーピング元素の合金化、例えばＡｌ合金化光電池エミッタを形成するために、スクリーン印刷したドーピング層成分、例えばアルミニウムのペーストの層の下に、高純度ドーピング元素、例えばＡｌの層を付加することにより、光電池のシャント抵抗は、ドーピング元素、例えばアルミニウムのペーストを使用する場合であっても実質的に増加する。
【００３３】
図１に概略的に示すような構造を有するＮ型Ａｌエミッタの裏面接合光電池を製造した。該電池は、約１〜４オームｃｍの範囲にある抵抗率を有する、約１８０マイクロメートルの厚さのｎ型多結晶シリコンウエハ４（１２５ｍｍ×１２５ｍｍ）を用いて製造した。プロセスシーケンスは、酸テクスチャー(acid texturing)によって開始し、続いてリン・ゲッタリング、ｎ＋前面電界（ＦＳＦ）２を形成するための基板の前側でのリン拡散、および前側で反射防止コーティングする際に、ＰＥＣＶＤによるＳｉＮｘ層３の堆積を実施する。次に、約２マイクロメートルの厚さのＡｌ層を、ＡｌスパッタリングまたはＡｌ蒸着によって後側に設ける。続けて、前側コンタクト１を形成するために、前側にＡｇペーストをスクリーン印刷する。また、後側にＡｌ合金化エミッタ５を形成し、後側コンタクト６を形成するために、後側にＡｇペーストをスクリーン印刷する。
【００３４】
実験は、さまざまな量のＡｌペーストを、電池の後面にスクリーン印刷した状態で実施した。異なるメッシュサイズを有する三種類のスクリーンを、５ｍｇ／ｃｍ２〜９ｍｇ／ｃｍ２の範囲にある（約３０マイクロメートル〜約５０マイクロメートルの範囲にあるペースト層の厚さに対応する）種々の量のアルミニウムペーストをスクリーン印刷するのに使用した。スクリーン印刷の後、ペーストをベルト炉の中で３００℃で乾燥した。次にペーストを、約９００℃の最大焼成温度で焼成した。
【００３５】
図２は、スクリーン印刷したＡｌ量の、光電池の曲線因子ＦＦに対する影響（図２（ａ））、光電池の開回路電圧Ｖｏｃに対する影響（図２（ｂ））、光電池の短絡電流密度Ｊｓｃに対する影響（図２（ｃ））、および光電池のエネルギー変換密度に対する影響（図２（ｄ））を示す。先行技術に係る、スクリーン印刷したＡｌ層のみを用いてＡｌ合金化エミッタを形成するようにした電池（三角）、一実施形態に係る、蒸着したＡｌ層およびスクリーン印刷したＡｌ層を含む堆積部を用いてＡｌ合金化エミッタを形成するようにした電池（四角）、ならびに一実施形態に係る、Ａｌスパッタリング層およびスクリーン印刷したＡｌ層を含む堆積部を用いてＡｌ合金化エミッタを形成するようにした電池（菱形）について結果を示す。
【００３６】
スクリーン印刷したＡｌのみがＡｌ合金化エミッタを形成することに使用されるようにした電池の場合、曲線因子は、スクリーン印刷したＡｌ量に非常に強い依存性を示す。Ａｌペーストの量が５．２ｍｇ／ｃｍ２から８．５ｍｇ／ｃｍ２へ増加するのに伴って、曲線因子は、４６％から７７％へほぼ直線的に増加する（図２（ａ））。しかしながら、２マイクロメートルの厚さの高純度Ａｌ層（スパッタリングまたは蒸着した）を含む堆積部、およびスクリーン印刷したＡｌ層を使用する場合、焼成ステップにより、スクリーン印刷したＡｌペーストの量の増加に伴って、約７２％から８０％以上に及ぶ、より大きな曲線因子を生じる。
【００３７】
図２（ｂ）に示すように、開回路電圧は、同様の挙動を示す。スクリーン印刷したＡｌペースト層のみを使用する場合、開回路電圧は、Ａｌペーストの量の増加に伴って約４７５ｍＶから約６１０ｍＶに増加する。一実施形態にかかる方法を使用する場合、Ａｌペーストの量が小さいところでも６００ｍＶより大きい開回路電圧が得られる。
【００３８】
図２（ｃ）は、短絡電流密度を、スクリーン印刷したＡｌ量の関数として示す。短絡電流密度もまた、スクリーン印刷したＡｌ層の下で純粋なＡｌを付加する場合、明確な増加を示すが、Ａｌペースト量に対する依存性は、曲線因子および開回路電圧の場合に比べて顕著でない。
【００３９】
光電池のエネルギー変換効率（図２（ｄ））は、曲線因子および開回路電圧の場合に似た傾向に従う。高純度Ａｌ層としての、蒸着したＡｌを有するサンプルと、スパッタリングしたＡｌを有するサンプルとの間に、明確な結果の差異は見出せなかった。
【００４０】
Ａｌ合金化接合部の断面は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって調査した。最小量の、スクリーン印刷したアルミニウムペースト（５．２ｍｇ／ｃｍ２）を用いて形成した接合部のＳＥＭ画像を図３に示している。図３（ａ）および図３（ｂ）は、スクリーン印刷したＡｌのみが、Ａｌ合金化に使用されるようにしたサンプル（先行技術にかかる）のＳＥＭ画像を示す。これらの画像は、Ａｌ合金化した接合部の不連続部およびエミッタ厚さの多くのバリエーションを明確に示している。該不連続部により、接合部のシャントが生じるが、これはこのサンプルに対して測定したシャント抵抗の非常に低い値（〜９０Ωｃｍ２）と相互に大きく関連する。図３（ｃ）および図３（ｄ）は、接合部が、２マイクロメートルの厚さの、Ａｌスパッタリング層およびスクリーン印刷したＡｌ層を含む堆積部を使用する一実施形態における方法、に従って形成されるようにしたサンプルのＳＥＭ画像を示す。この方法により、より均一な接合部の形成が可能になり、接合部におけるシャントパスの数が少なくなることが認められる。これは、より大きいシャント抵抗値（〜３５０Ωｃｍ２）、したがって電池のより大きい曲線因子によって確かめられた。
【００４１】
より少ない量のペーストを用いて均一な接合部を得ることは、コスト削減にとって重要であるだけでなく、電池の反りをより小さくする。これは、将来のより薄い電池にとって非常に重要であるだろう。
【００４２】
実験は、次のように実施した。たった２マイクロメートルの厚さのＡｌスパッタリング層をｎ型シリコン基板に（スクリーン印刷したＡｌペーストを有しないで）設けた。続いて、Ａｌ合金化エミッタを形成するための焼成ステップを実施した。かかるエミッタを備える光電池が、２５％のＦＦおよび２１８ｍＶのＶｏｃを有した。これは、このアプローチにより均一のエミッタまたは、非常に薄い、もしくは非常にドープ率の低いエミッタが得られるのではないということ、およびＡｌスパッタリング層を、例えばスクリーン印刷したＡｌペーストによって形成した層と結合させる必要があるということを明確に示している。
【００４３】
本発明の複数の実施形態における、スクリーン印刷したＡｌペースト層の下に設けられた高純度のＡｌ層の厚さの影響を調査するために、それぞれ１マイクロメートル、２マイクロメートル、および３マイクロメートルの厚さを有するＡｌスパッタリング層、およびそれの上部にある、１０．５ｍｇ／ｃｍ２のスクリーン印刷したＡｌ層を含む堆積部を用いてＡｌ合金化することによって形成したエミッタ接合部を有する電池の分析を実施した。電池の電流−電圧パラメータは、図４に示されている。電池の曲線因子は、スパッタリング層の厚さが増加するにしたがって、単調減少する。１マイクロメートルの高純度Ａｌが、最大８２．２％の大きい曲線因子をもたらすことが認められた。電池のＪｓｃおよびＶｏｃは、明確な傾向を示していない。１μｍの厚さのＡｌスパッタリング層を有する電池は、１８０マイクロメートルの厚さのウエハにおいて１５％の最大効率を示した。
【００４４】
高純度Ａｌ層の厚さを最適化するために、それぞれ０．２５マイクロメートル、０．５マイクロメートル、および１マイクロメートルの厚さを有するＡｌスパッタリング層を含む堆積部、および５．２ｍｇ／ｃｍ２のスクリーン印刷したＡｌ層を用いてＡｌ合金化することによって形成したエミッタ接合部を有する電池に対して分析を実施した。参照のために、５．２ｍｇ／ｃｍ２のスクリーン印刷したＡｌ層（高純度Ａｌ層を下に有しない）を用いて合金化することによって形成したエミッタを有する電池も分析した。電池の電流−電圧パラメータは図５に示されている。焼成条件はまた、電池においてシャントパスが減少するように改良した。
【００４５】
図５（ａ）は、高純度Ａｌ層の厚さの関数として測定した曲線因子を示す。エミッタを形成するための、スクリーン印刷したＡｌ層のみを有する電池に対して、曲線因子の平均値が測定され、６６％±３％であることがわかった。曲線因子は、焼成条件の改善に伴って改善を示したが、電池は、未だ明らかに分路していた。興味深いことに、たった０．２５マイクロメートルの高純度Ａｌを有する電池は、曲線因子において大きな改善を示した。平均曲線因子は、７６％±３％であることがわかった。最大１マイクロメートルまで厚さが増加した純粋なＡｌ層を有する電池のそれぞれは、曲線因子において、最大７８％±１％の更なる小さな改善を示した。
【００４６】
同様の特性が、電池の開回路電圧Ｖｏｃに対して認められた（図５（ｂ））。０．２５マイクロメートルの厚さの高純度Ａｌ層を有する電池は、参照電池の５７４ｍＶ±３ｍＶと比較して、５９３ｍＶ±２ｍＶの大きく改善した開回路電圧を示した。１マイクロメートルの厚さの高純度Ａｌ層を有する電池は、Ｖｏｃにおいて、最大５９６ｍＶ±２ｍＶの更なる小さい改善を示す。
【００４７】
電池の短絡電流は、明確な傾向を全く示さなかった（図５（ｃ））。短絡電流の値は、より大きい許容誤差の範囲内にあった。すべての条件に対する短絡電流密度の平均値は、２７．２ｍＡ／ｃｍ２〜２７．４ｍＡ／ｃｍ２の範囲内であった。
【００４８】
図５（ｄ）に示したように、電池のエネルギー変換効率は、曲線因子および開回路電圧と同じ傾向に従う。それは、参照電池と比較して、０．２５マイクロメートルの厚さの高純度Ａｌ層において大きな増加を示し、高純度Ａｌ層の厚さが増加するに従って、比較的小さい増加をさらに示す。
【００４９】
これらの結果は、非常に少量のスクリーン印刷したＡｌペースト（５．２ｍｇ／ｃｍ２）を用いて、純粋なアルミニウムの非常に薄い層（たった０．２５マイクロメートル）を堆積することによって、７６％±３％の曲線因子をもたらすことができることを示している。コスト削減の利点は別にして、これらの結果は、非常に薄いウエハで作成した電池の反りを減少させる点で特に重要である。これにより、Ａｌ合金化は、非常に薄い電池のためのホウ素分散に対する興味深い代替となる。
【００５０】
先の説明は、本発明の特定の実施形態を詳説する。しかしながら、先の説明が文章中にいかに詳細になされてても、本発明は、多くの方法で実施してもよいことが理解されるであろう。特定の用語の使用は、本発明の特定の特徴または態様を説明する場合、用語はここで再定義され、その用語が関連している本発明の特徴または態様についていずれか特定の特性を含むことに限定されることを暗示するものでないことに留意すべきである。
【００５１】
上記の詳細な説明は、種々の実施形態に適用されるように、本発明の新規な特徴を示し、記載し、および指摘しているが、本発明の精神から逸脱することなく、図示したデバイスまたはプロセスの形態および詳細な説明での種々の省略、置換、および変化は、当業者によってなし得ることは理解されるであろう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドーピング元素ペーストのペースト層を基板にスクリーン印刷し、該スクリーン印刷したドーピング元素ペーストのペースト層を焼成して行うドーピング元素との合金化により、基板の半導体層にドープ領域を形成する方法であって、
高純度ドーピング元素層を半導体層に付与した後、ペースト層をドーピング元素層にスクリーン印刷することを特徴とする方法。
【請求項２】
ドーピング元素層は、ペースト層と半導体層との間に挟持されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
ドーピング元素層は、ペースト層および半導体層と直接接触することを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
半導体層は、シリコン層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
半導体層は、ドープ層であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
半導体層は、ｎ型層であることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
半導体層は、ｐ型層であることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項８】
ドーピング元素は、アルミニウムであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
高純度ドーピング元素層は、物理的気相成長法を使用して、または化学的気相成長法を使用して半導体層に付与することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
約１０ｍｇ／ｃｍ２未満、好ましくは約７ｍｇ／ｃｍ２未満、例えば約２ｍｇ／ｃｍ２〜約５ｍｇ／ｃｍ２の範囲の量のペーストを基板にスクリーン印刷することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
焼成は、半導体層、高純度ドーピング元素層、およびペースト層を含む基板を、およそ８７０℃〜１０００℃の範囲、例えばおよそ９００℃〜９７０℃の範囲の温度まで加熱することを含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
高純度ドーピング元素層の厚さは、好ましくは約３マイクロメートル未満であり、例えばおよそ０．２マイクロメートル〜２マイクロメートルの範囲内にあり、例えばおよそ０．２マイクロメートル〜１マイクロメートルの範囲内にあることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
ドーピング元素層の純度は、少なくとも９９．９％であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
少なくともｐｎ接合を形成するための請求項６と組み合わせた、請求項１〜１３のいずれかに記載の方法の使用。
【請求項１５】
少なくとも光電池の裏面電界領域を形成するための請求項７と組み合わせた、請求項１〜１３のいずれかに記載の方法の使用。
【請求項１】
ドーピング元素ペーストのペースト層を基板にスクリーン印刷し、該スクリーン印刷したドーピング元素ペーストのペースト層を焼成して行うドーピング元素との合金化により、基板の半導体層にドープ領域を形成する方法であって、
高純度ドーピング元素層を半導体層に付与した後、ペースト層をドーピング元素層にスクリーン印刷することを特徴とする方法。
【請求項２】
ドーピング元素層は、ペースト層と半導体層との間に挟持されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
ドーピング元素層は、ペースト層および半導体層と直接接触することを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
半導体層は、シリコン層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
半導体層は、ドープ層であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
半導体層は、ｎ型層であることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
半導体層は、ｐ型層であることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項８】
ドーピング元素は、アルミニウムであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
高純度ドーピング元素層は、物理的気相成長法を使用して、または化学的気相成長法を使用して半導体層に付与することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
約１０ｍｇ／ｃｍ２未満、好ましくは約７ｍｇ／ｃｍ２未満、例えば約２ｍｇ／ｃｍ２〜約５ｍｇ／ｃｍ２の範囲の量のペーストを基板にスクリーン印刷することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
焼成は、半導体層、高純度ドーピング元素層、およびペースト層を含む基板を、およそ８７０℃〜１０００℃の範囲、例えばおよそ９００℃〜９７０℃の範囲の温度まで加熱することを含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
高純度ドーピング元素層の厚さは、好ましくは約３マイクロメートル未満であり、例えばおよそ０．２マイクロメートル〜２マイクロメートルの範囲内にあり、例えばおよそ０．２マイクロメートル〜１マイクロメートルの範囲内にあることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
ドーピング元素層の純度は、少なくとも９９．９％であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
少なくともｐｎ接合を形成するための請求項６と組み合わせた、請求項１〜１３のいずれかに記載の方法の使用。
【請求項１５】
少なくとも光電池の裏面電界領域を形成するための請求項７と組み合わせた、請求項１〜１３のいずれかに記載の方法の使用。
【図４】
【図５（ａ）】
【図５（ｂ）】
【図５（ｃ）】
【図５（ｄ）】
【図１】
【図２（ａ）】
【図２（ｂ）】
【図２（ｃ）】
【図２（ｄ）】
【図３】
【図５（ａ）】
【図５（ｂ）】
【図５（ｃ）】
【図５（ｄ）】
【図１】
【図２（ａ）】
【図２（ｂ）】
【図２（ｃ）】
【図２（ｄ）】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−２３３６３（Ｐ２０１２−２３３６３Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−１３５１６８（Ｐ２０１１−１３５１６８）
【出願日】平成２３年６月１７日（２０１１．６．１７）
【出願人】（５９１０６０８９８）アイメック (302)
【氏名又は名称原語表記】ＩＭＥＣ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３５１６８（Ｐ２０１１−１３５１６８）
【出願日】平成２３年６月１７日（２０１１．６．１７）
【出願人】（５９１０６０８９８）アイメック (302)
【氏名又は名称原語表記】ＩＭＥＣ
【Ｆターム（参考）】
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