説明

結晶太陽電池の製造方法

【課題】ソースガスから選択的に抽出されたBイオンを、結晶基板の一方の主面側に注入して、必要なp型不純物濃度のプロファイルを形成することを可能とする、結晶太陽電池の製造方法を提供する。
【解決手段】光を受光する受光面と、受光面と対向する裏面との間で光電変換機能を発現する、結晶基板101を備えた結晶太陽電池100の製造方法であって、減圧雰囲気とした真空槽内に結晶基板を配して、真空槽内にB分子を含むソースガスを導入し、ソースガスをプラズマ励起することにより、選択的にイオン化させたBイオンを抽出し、前記結晶基板100の片方の主面101b側に注入して、P型半導体層102を形成する工程を含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、結晶太陽電池の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
自然エネルギーの有効利用の観点から、近年、太陽電池はますます広く一般的に利用されつつある。太陽電池を構成する材料としては、これまで主に、結晶シリコンが用いられてきた。
【0003】
結晶シリコンを用いた太陽電池は、光を受光する受光面と、受光面と対向する裏面との間で光電変換機能を発現する、p型の結晶シリコンからなる基板を備えている。基板の一方の主面側には高濃度のp型シリコン層(p層)が形成され、他方の主面側にはn型シリコン層(n層)が形成される。そして、p層とn層の間に、p層よりも低濃度のp型シリコン層(p層)が形成される。この基板に対して光を照射することにより、p層において励起された電子、正孔のうち、電子をn層に接続された電極に、正孔をp層に接続された電極に、それぞれ捕捉させ、補足させた電子、正孔による電流を発生させることができる。
【0004】
すなわち、結晶シリコン太陽電池は、照射された光のエネルギーを、外部への出力が可能な電気のエネルギーに変換する機能を有している。特に、結晶シリコン太陽電池は、照射された光のエネルギーのうち、電気のエネルギーに変換される割合(光電変換効率)が高く、太陽電池市場において重要な位置を占めており、光電変換効率を更に高めるための技術開発が進められている(非特許文献1)。
【0005】
ところで、結晶シリコン太陽電池を構成する基板(結晶基板)の片方の主面側にp型半導体層を形成する場合、従来は、非質量分離型のイオン注入装置を用いて、BF分子を含むソースガスをプラズマ励起し、発生したイオンを基板の片方の主面側に注入し、注入後の基板に対して加熱処理(アニール処理)を行う方法が用いられていた。
【0006】
イオン注入は、注入するイオンにエネルギーを与え、基板の片方の主面側に加速して行われる。しかしながら、BF分子を構成するBとFの質量比は11:19であるため、Bイオンを加速させるエネルギーは、BFイオンに与えたエネルギーのうち16.2%程度に過ぎない。非質量分離型のイオン注入装置では、BFイオンに与えられる限界のエネルギーが20[keV]程度とされているため、Bイオンを十分に加速して、基板の深い位置へ注入することは難しい。
【0007】
そこで、通常はアニール処理により、注入されたイオンを熱的に活性化させ、所定の深さの位置に拡散させる。ただし、Bイオンは熱拡散係数が小さく、結晶基板の内部において拡散させるには、1000℃以上のアニール処理が必要となる。一般に、太陽電池用の結晶基板は、不純物を多く含んでおり、それらは、950℃以上のアニール処理を行うことにより、注入されたBイオンとともに拡散し、太陽電池としての特性を悪化させる要因となる。したがって、注入されたBイオンを熱的に活性化させ、所定の深さの位置に拡散させることは難しい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0008】
【非特許文献1】Plasma Fusion Res.Vol.85,No.12(2009)820−824
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明は、以上のような点を考慮してなされたものであり、ソースガスから選択的に抽出されたBイオンを、結晶基板の片方の主面側に注入して、必要なp型不純物濃度のプロファイルを形成することを可能とする、結晶太陽電池の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の請求項1に係る結晶太陽電池の製造方法は、光を受光する受光面と、該受光面と対向する裏面との間で光電変換機能を発現する、結晶基板を備えた結晶太陽電池の製造方法であって、減圧雰囲気とした真空槽内に前記結晶基板を配して、該真空槽内にB分子を含むソースガスを導入し、該ソースガスをプラズマ励起することにより、選択的にイオン化させたBイオンを抽出し、前記結晶基板の片方の主面側に注入して、P型半導体層を形成する工程を含むことを特徴とする。
【0011】
本発明の請求項2に係る結晶太陽電池の製造方法は、請求項1において、前記ソースガスは、前記B分子を、HeガスまたはNeガスで希釈してなることを特徴とする。
【0012】
本発明の請求項3に係る結晶太陽電池の製造方法は、請求項1または2において、前記ソースガスを、多重散乱による分解が生じるように、プラズマ励起させることを特徴とする。
【0013】
本発明の請求項4に係る結晶太陽電池の製造方法は、請求項1〜3のいずれか一項において、前記ソースガスを、BHとBの生成量の比がBH/B≧1を満たすように、プラズマ励起させることを特徴とする。
【発明の効果】
【0014】
本発明に係る結晶太陽電池の製造方法によれば、結晶基板の片方の主面側にp型半導体層を形成する際に、B分子を含むソースガスをプラズマ励起することにより、選択的にイオン化させたBイオンを抽出し、結晶基板の片方の主面側に注入する。
【0015】
分子を構成するBとFの質量比は11:19であるため、Bイオンを加速させるエネルギーは、Bイオンに与えたエネルギーのうち39.3%程度となる。そのため、従来のように、BF分子を含むソースガスを用いる場合よりも、高いエネルギーでBイオンを加速させることができる。したがって、Bイオンを、結晶基板の片方の主面側における、所定の深い位置へ注入することが可能となる。
【0016】
そして、イオン注入のみによって、結晶基板の片方の主面側に、Bイオンの所定のプロファイルを形成することができ、注入されたBイオンを、より深い位置へ拡散させるために行う高温のアニール処理が不要となる。したがって、高温のアニール処理によって結晶基板内の不純物が拡散し、結晶太陽電池としての特性が悪化する虞を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明における結晶太陽電池の断面図である。
【図2】結晶太陽電池の製造に用いる、イオン注入装置の断面図である。
【図3】プラズマ励起して生成された、イオン種ごとの電流値を比較するグラフである。
【図4】プラズマ励起して生成された、イオン種ごとの電流値を比較するグラフである。
【図5】BHとBとの比の、RFパワー依存性を示すグラフである。
【図6】p型イオンの注入量とシート抵抗との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
【0019】
<第一実施形態>
図1は、第一実施形態に係る結晶太陽電池の構成について説明する図である。結晶太陽電池100は、光を受光する受光面と、受光面と対向する裏面との間で光電変換機能を発現する結晶基板101を備えた太陽電池である。結晶基板101は、p型の単結晶または多結晶シリコンからなる平板状の基体である。
【0020】
結晶基板(基体)101は、その一方の主面(受光面)101a側および他方の主面(裏面)101b側に、それぞれn型の半導体層(n層)103およびp型の半導体層(p層)102を備えている。そして、n層103は、結晶基板の一方の主面101aに形成されたシリコン窒化膜(SiN膜)104に覆われている。さらに、n層103は、SiN膜を貫通するように形成された受光面電極105と、電気的に接続されている。また、p層102は、結晶基板の他方の主面101bに形成された裏面電極106に覆われている。
【0021】
なお、図1においては、結晶基板の二つの主面101a、101bが、いずれも平坦であるように示しているが、いずれも微視的なスケールのテクスチャー形状を有するものとする。
【0022】
[製造方法]
図1に示した、第一実施形態に係る結晶太陽電池の製造方法について、説明する。第一実施形態に係る結晶太陽電池の製造方法は、p型半導体層を形成する際のp型イオンを注入する工程に特徴を有している。この工程について、以下に詳しく説明する。
【0023】
図2は、p型イオンを注入する工程に用いる、イオン注入装置120の断面図である。イオン注入装置120は真空槽111と、永久磁石114、RF導入コイル115、RF導入窓(石英)119を用いたICP放電によるプラズマ発生手段と、真空排気手段(不図示)とを備えている。真空槽111の内部は、メッシュ電極117、118により、プラズマ発生室とプラズマ処理室とに分離されている。プラズマ処理室に被処理体(結晶太陽電池)100の支持台113が配されている。なお、メッシュ電極117は、浮遊電位とされており、プラズマ116の電位を安定させる機能を有する。また、メッシュ電極118は、負電位を印加され、プラズマ116から正イオンを引き出す機能を有する。
【0024】
p型イオンを注入する工程は、三つのステップからなる。まず一つ目のステップとして、真空槽111内を減圧し、プラズマ発生室に、B分子を含む反応ガス(ソースガス)を導入する。
【0025】
次に二つ目のステップとして、このソースガスを、プラズマ発生手段を用いてプラズマ励起することによりイオン化させる。このとき、プラズマ発生室内に、複数のイオンB、B、B、B、B、B、BH、BH、BH、Bが生成される。表1は、これらのイオン、およびHe、H、Ne、Hイオンのイオン化エネルギーを、まとめたものである。
【0026】
【表1】

【0027】
表1によれば、B、B、B、BH、B、BHのイオン化エネルギーは、He、Neのイオン化エネルギーの半分程度となっている。したがって、プラズマ励起してイオンに与えるエネルギーを調整することにより、He、Neに対し、B、B、B、BH、B、BHを優先的に生成することができる。
【0028】
次に三つ目のステップとして、メッシュ電極118に印加された負の電圧によって、プラズマ発生室からp型の正イオンを引き寄せ、さらにメッシュ電極117および118を通過させて、結晶基板101に注入させる。p型の正イオンは、メッシュ電極118に引き寄せられる際に電気的なエネルギーを与えられ、加速した状態で結晶基板101に到達することになる。
【0029】
なお、ソースガスを構成するB分子は、通常は水素で希釈されているが、プラズマ励起されて生じた水素イオンが、結晶基板101に注入される。これにより、結晶基板101のアモルファス化、結晶基板内における格子欠陥の発生や水素による気泡の発生等の虞がある。そこで、B分子は、イオン化し難く、結晶基板101に注入される可能性の低い、ヘリウム(He)ガスまたはネオン(Ne)ガスで希釈されていることが望ましい。
【0030】
第一実施形態に係る結晶太陽電池の製造方法によれば、結晶基板の他方の主面101b側にp型半導体層を形成する際に、B分子を含むソースガスをプラズマ励起することにより、選択的にイオン化させたBイオンを抽出し、結晶基板の他方の主面101b側に注入する。
【0031】
分子を構成するBとFの質量比は11:19であるため、Bイオンを加速させるエネルギーは、Bイオンに与えたエネルギーのうち39.3%程度となる。そのため、従来のように、BF分子を含むソースガスを用いる場合よりも、高いエネルギーでBイオンを加速させることができる。したがって、Bイオンを、結晶基板の一方の主面側における、所定の深い位置へ注入することが可能となる。
【0032】
そして、イオン注入のみによって、結晶基板の他方の主面101b側に、Bイオンの所定のプロファイルを形成することができ、注入されたBイオンを、より深い位置へ拡散させるために行う高温のアニール処理が不要となる。したがって、高温のアニール処理によって結晶基板101内の不純物が拡散し、結晶太陽電池100としての特性が悪化する虞を回避することができる。
【0033】
[実験例]
結晶基板101にp型イオンを注入する工程において、B分子をHeガスで10%の濃度に希釈したソースガスに対し、プラズマ励起させるために印加するRFパワーを調整して行った、実験例について説明する。
【0034】
図3は、RFパワーを100[W]印加した場合に生成される、各イオン種の量を比較したものである。横軸は生成されるイオン種を示し、縦軸は電流に対する各イオン種の相対値を示す。
【0035】
印加するRFパワーを100[W]とした場合、プラズマ密度が薄いため、生成される各イオン種の量は、イオン化エネルギーの大きさに反比例する(表1参照)。すなわち、イオン化エネルギーの小さいイオン種ほど、多く生成される。その結果として、図3に示すように、Bが最も多く生成され、B、BHがBに次いで多く生成される。なお、表1に示したように、Ne原子もまた、He原子と同様に高いイオン化エネルギーを有するため、Neガスをソースガスの希釈に用いてもよい。
【0036】
図4は、RFパワーを500[W]印加した場合に生成される、各イオン種の量を比較したものである。横軸は生成されるイオン種を示し、縦軸は各イオン種による電流の相対値を示している。
【0037】
印加するRFパワーを500[W]とした場合、プラズマ密度が濃くなるため、プラズマ励起により生じたイオン同士が、多重散乱して分解される。その結果として、図4に示すように、BHが最も多く生成され、BHとBがBHに次いで多く生成される。
【0038】
BHイオンを構成するBとHの質量比は11:1であるため、Bイオンを加速させるエネルギーは、BHイオンに与えたエネルギーのうち78.6%程度となる。すなわち、Bイオン単体に対して高いエネルギーを与えることができ、Bイオンを十分高いエネルギーで加速して、結晶基板の他方の主面側101bにおける、所定の深い位置へ注入することが可能となる。
【0039】
図5は、RFパワーの大きさにともなって変化する、プラズマ励起した際に生成されるBHとBとの比を、グラフにしたものである。横軸はRFパワーを示し、縦軸はBに対するBHの生成量の比を示している。
【0040】
図5によれば、RFパワーを500[W]以上印加することにより、BHの生成量はさらに増加する傾向にある。例えば、RFパワーを1000[W]とした場合には、BHの生成量がBの生成量の約7倍となっている。印加するRFパワーを大きくすることにより、イオン同士の多重散乱が増加する。そして、多重散乱の増加により、複数のBを備えた化合物(例えばB)は分解され、単数のBを備えた化合物(例えばBH)に変化する傾向にある。
【0041】
したがって、RFパワーを500[W]以上印加することにより、B単体に対して、加速エネルギーを与えやすい状態となる。そして、Bを十分高いエネルギーで加速して、結晶基板の他方の主面側101bにおける、所定の深い位置へ注入することが容易となる。
【0042】
図6は、結晶基板へのBの注入量と、Bを注入して形成されるp型半導体層に対して、850℃、1時間のアニール処理を行った後に測定した、シート抵抗値との関係を示す4本のグラフからなる。横軸はBの注入量を示し、縦軸はp型半導体層のシート抵抗値を示している。4本のグラフは、ソースガスの主成分、ソースガスをプラズマ励起するためのRFパワー、注入イオンを加速させるエネルギーについて、個別に設定したものに対応する。
【0043】
すなわち、ソースガスの主成分について、上側の二つのグラフはBFガスを適用した場合に対応し、下側の二つのグラフはHeガスで10%の濃度に希釈したBガス(10%/B/Heガス)を適用した場合に対応する。また、ソースガスをプラズマ励起するためのRFパワーについて、上側の三つのグラフは100[W]とした場合に対応し、下側の一つのグラフは1000[W]とした場合に対応する。また、注入イオンを加速させるエネルギーについて、上側の一つのグラフは12[keV]とした場合に対応し、下側の三つは18[keV]とした場合に対応する。
【0044】
上側二つのグラフは、ソースガスの主成分としてBFガスを適用した場合に対応する。Bの注入量を増加させるにつれて、p型半導体層のシート抵抗値は単調に減少し、200[Ω/cm]程度の高い値に収束する傾向がある。この傾向は、ソースガスをプラズマ励起して生じる、BFの質量に対するB単体の質量比が小さいことに起因する。すなわち、Bを加速させるエネルギーは、BFに与えたエネルギーのうち16.2%程度にとどまるため、結晶基板の他方の主面101bから所定の深さの位置にBを注入することができず、シート抵抗値が高くなっている。
【0045】
一方、下側から二つ目のグラフは、ソースガスの主成分を10%/B/Heガスに変更した場合に対応する。Bの注入量を増加させるにつれて、p型半導体層のシート抵抗値が単調に減少し、BFガスを適用した場合に比べて大幅に低い、76[Ω/cm]程度の値に収束する傾向がある。この傾向は、ソースガスをプラズマ励起して生じる、イオンBの質量に対するB単体の質量比が大きいことに起因する。
【0046】
すなわち、Bを加速させるエネルギーは、Bに与えたエネルギーのうち39.3%程度となり、BFガスを適用した場合に比べて、結晶基板の他方の主面101bから所定の深さの位置にBを注入することができるため、シート抵抗値が低くなっている。
【0047】
また、下側から一つ目のグラフは、ソースガスの主成分を10%/B/Heガスに変更し、さらに、ソースガスをプラズマ励起するためのRFパワーを1000[W]に変更した場合に対応する。Bの注入量を増加させるにつれて、p型半導体層のシート抵抗値が単調に減少し、RFパワーを100[W]とした場合よりもさらに低い、49[Ω/cm]程度の値に収束する傾向がある。この傾向は、印加するRFパワーを大きくすることにより、イオン同士の多重散乱を経て、主成分に置き換わったイオンBHの質量に対する、B単体の質量比が大きいことに起因する。
【0048】
すなわち、Bを加速させるエネルギーは、BHに与えたエネルギーのうち78.6%程度となり、RFパワーを100[W]とした場合に比べて、結晶基板の他方の主面101bから、より深い位置にBを注入することができるため、シート抵抗値がさらに低くなっている。
【産業上の利用可能性】
【0049】
本発明は、結晶シリコンを用いた太陽電池の光電変換効率を高める場合に対し、広く適用することが出来る。
【符号の説明】
【0050】
100・・・結晶太陽電池、101・・・結晶基板、101a、101b・・・主面、
102・・・p型半導体層。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
光を受光する受光面と、該受光面と対向する裏面との間で光電変換機能を発現する、結晶基板を備えた結晶太陽電池の製造方法であって、
減圧雰囲気とした真空槽内に前記結晶基板を配して、該真空槽内にB分子を含むソースガスを導入し、該ソースガスをプラズマ励起することにより、選択的にイオン化させたBイオンを抽出し、前記結晶基板の片方の主面側に注入して、P型半導体層を形成する工程を含むことを特徴とする結晶太陽電池の製造方法。
【請求項2】
前記ソースガスは、前記B分子を、HeガスまたはNeガスで希釈してなることを特徴とする請求項1に記載の結晶太陽電池の製造方法。
【請求項3】
前記ソースガスを、多重散乱による分解が生じるように、プラズマ励起させることを特徴とする請求項1または2に記載の結晶太陽電池の製造方法。
【請求項4】
前記ソースガスを、BHとBの生成量の比がBH/B≧1を満たすように、プラズマ励起させることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の結晶太陽電池の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2013−105887(P2013−105887A)
【公開日】平成25年5月30日(2013.5.30)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−248734(P2011−248734)
【出願日】平成23年11月14日(2011.11.14)
【出願人】(000231464)株式会社アルバック (1,740)
【Fターム(参考)】