JP3992126B2

JP3992126B2 - 太陽電池の製造方法

Info

Publication number: JP3992126B2
Application number: JP35817999A
Authority: JP
Inventors: 淳福井; 啓介木本; 研石田
Original assignee: Mitsui High Tec Inc
Current assignee: Mitsui High Tec Inc
Priority date: 1999-12-16
Filing date: 1999-12-16
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2019-12-16
Also published as: US20020023675A1; US6417442B1; JP2001177121A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池の製造方法に係り、特に球状半導体を用いた太陽電池の製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
半導体のｐｎ接合部分には内部電界が生じており、これに光を当て、電子正孔対を生成させると、生成した電子と正孔は内部電界により分離されて、電子はｎ側に、正孔はｐ側に集められ、外部に負荷を接続するとｐ側からｎ側に向けて電流が流れる。この効果を利用し、光エネルギーを電気エネルギーに変換する素子として太陽電池の実用化が進められている。
【０００３】
近年、単結晶シリコン、多結晶シリコンなどの直径１ｍｍ以下の球状の半導体（Ball Semiconductor）上に回路パターンを形成して半導体素子を製造する技術が開発されている。
【０００４】
その１つとして、アルミ箔を用いて多数個の半導体粒子を接続したソーラーアレーの製造方法が提案されている（特開平６-１３６３３号）。この方法では、図９に示すように、第1導電型表皮部と第2導電型内部を有する半導体粒子２０７をアルミ箔の開口にアルミ箔２０１の両側から突出するように配置し、片側の表皮部２０９を除去し、絶縁層２２１を形成する。次に第２導電型内部２１１の一部およびその上の絶縁層２２１を除去し、その除去された領域２１７に第２アルミ箔２１９を結合する。その平坦な領域２１７が導電部としての第２アルミ箔２１９に対し良好なオーミック接触を提供するようにしたものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような方法では、高密度配置には限界があり、また、アルミ箔への位置決めが困難であり、多数個の半導体粒子を実装する場合には特に作業性が悪いという問題があった。
【０００６】
また、電極の形成についても、第１導電型表皮部と第２導電型内部との両方へのコンタクト端子が必要であるが、受光面積を減少させることなく、確実なコンタクト端子の形成を行うのは難しいという問題があった。
【０００７】
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、製造が容易でかつ、小型化の可能な太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、単位面積当りの起電力の向上をはかり、高効率の太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１は、少なくとも表面が第１導電型の半導体層を構成する球状基板表面に、ｐｎ接合を形成するように形成された第２導電型の半導体層と、前記第２導電型の半導体層の表面に形成された透明導電膜からなる外側電極とを形成した多数個のセルを用意する工程と、複数個の前記セルを、隣接するものどうし互いに接触させて細密配置でトレイに縦横列状に敷き詰める工程と、前記敷き詰められたセルの上面に粘着性テープを貼着し、固定する工程と、前記粘着性テープに貼着された複数のセルを前記トレイからはずし、前記セルが上に位置するように水平に配置する工程と、前記セルの上面から半田粉体を振り掛ける工程と、前記セルを加熱し、前記半田粉体を液化し、前記セルと前記粘着性テープとの間を半田で固着する工程と、前記粘着テープを外し、前記半田を前記粘着テープ貼着面側から所定の深さまでエッチングする工程と、前記半田をマスクとして前記粘着テープ貼着面側から前記外側電極および前記第２導電型の半導体層を選択的に除去し、前記第１導電型の半導体層を露呈せしめる工程と、前記第１導電型の半導体層にコンタクトするように内側電極を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【０００９】
かかる構成によれば、太陽電池を構成するセルの隙間に入った半田粉末を溶融し、太陽電池セル相互を固着するとともに外側電極間の電気的接続を行うとともに、この半田をマスクとして外側電極および前記第２導電型の半導体層を除去するエッチング工程を実行しているため、マスク工程が不要で、かつ信頼性の高い太陽電池の形成が可能となる。
また、多数個のセルが互いに接触状態で密にトレイ上に、しかも縦横列状に配置されているので、寸法精度が高くかつ、細密配置構造の太陽電池を得ることができる。
【００１０】
特に、球状体へのフォトリソグラフィ工程は露光工程が極めて困難であるが、本発明の方法によれば、フォトリソグラフィ工程を必要とすることなく、極めて高効率の太陽電池を形成することが可能となる。
【００１１】
本発明の第２の方法は、前記第１の方法において、前記内側電極を形成する工程を、前記第１導電型の半導体層にコンタクトするように導電性シートを貼着し、各セルを一体的に固定する工程としたことを特徴とする。
【００１２】
かかる方法によれば、容易にかつ接触性よく導電性シートに第１導電型の半導体層との接触を図ることが可能となる。
【００１３】
本発明の第３は、前記導電性シートと、セル間に相当する領域に絶縁材料を充填し絶縁膜を形成してなるもので構成することを特徴とする。
【００１４】
かかる構成によれば、外側電極側と導電性シートとの間に絶縁膜が介在することになり、信頼性の高い太陽電池を形成することが可能となる。
【００１５】
本発明の第４は、前記内側電極を形成する工程に先立ち、露呈する球状基板表面に第１導電型の不純物を注入し、高濃度層を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００１６】
かかる方法によれば、高濃度層の存在により、内側電極と導電性基板とのコンタクト性を更に向上することが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
（実施形態１）
本発明の第１の実施形態に係る製造方法によって製造される太陽電池は、図１に全体図、図２に断面概要図を示すように、球状シリコンからなる太陽電池セル１が導電シート5に貼着されている。すなわち、球状基板である直径１ｍｍのｐ型多結晶シリコン球１１表面にｐｎ接合を形成するように形成されたｎ型多結晶シリコン層（第２導電型の半導体層）１２と、このｎ型多結晶シリコン層１２表面に形成された酸化インジウム錫（ＩＴＯ）からなる透明の外側電極１３と、一部で前記外側電極１３およびｎ型多結晶シリコン層１２表面が除去され前記ｐ型多結晶シリコン球表面が露呈せしめられた多数個の太陽電池セル１と、前記ｐ型多結晶シリコン球１１にコンタクトするように複数の前記太陽電池セルに固着せしめられた導電シート５と、前記外側電極１３と導電シート５との間に、かつ前記導電シート５から離間して、充填され、前記太陽電池セルの外側電極同士を電気的に接続する半田層３とを含むことを特徴とする。この導電シート５と、外側電極の切除端面の間の隙間には絶縁性樹脂層４が形成されており、外側電極側と導電シートすなわち内側電極側とのショートを防止し、信頼性の向上を図ることが可能となる。
【００２０】
次に、この太陽電池の製造方法について説明する。
まず、太陽電池セルを形成する。図３（ａ）に示すように、直径１ｍｍのｐ型多結晶シリコン粒またはｐ型アモルファスシリコン粒を真空中で加熱しつつ落下させ、結晶性の良好なｐ型多結晶シリコン球１１を形成し、この表面に、フォスフィンを含むシランなどの混合ガスを用いたＣＶＤ法により、ｎ型多結晶シリコン層１２を形成する。ここでＣＶＤ工程は細いチューブ内でシリコン球を搬送しながら、所望の反応温度に加熱されたガスを供給排出することにより、薄膜形成を行うものである。なお、この工程は、ｐ型多結晶シリコン粒またはｐ型アモルファスシリコン粒を真空中で加熱しつつ落下させながら球状化し、ｐ型多結晶シリコン球を形成するとともに、落下途上で所望のガスと接触させることにより、ｎ型多結晶シリコン層１２を形成する様にすることも可能である。
【００２１】
この後、図３（ｂ）に示すように、スパッタリング法により、ｎ型多結晶シリコン層１２の表面全体に膜厚1μｍ程度のＩＴＯ薄膜１３を形成する。
【００２２】
このようにして形成された、太陽電池セル１を、長方形のトレイに入れ、傾けて一列になるように配列する。
【００２３】
そして図４（ａ）に示すように、このように敷き詰められた太陽電池セル１の上面に粘着性テープ２０を貼着し、固定する。
【００２４】
そして、前記粘着性テープ２０に貼着された複数のセルを前記トレイからはずし、前記セルが上に位置するように水平に配置する。なお、この粘着性テープ２０は特定のものである必要はなく、一般に用いられているものでよい。
【００２５】
この後、図４（ｂ）に示すように、前記セルの上面から半田粉体３ｐを振りかけ、前記半田粉体が溶融するのに必要な温度で前記セルを加熱し、前記半田粉体を液化し、前記セルと前記粘着性テープ２０との間を半田層３で固着する。この半田粉体も特定のものである必要はない。
【００２６】
そして、図４（ｃ）に示すように、前記粘着テープ２０を外し、前記半田層３を前記粘着テープ貼着面側から所定の深さまでエッチングする。半田層３のエッチングは半田用エッチング液を用いた通常のエッチング処理でよい。
【００２７】
そして、図４（ｄ）に示すように、前記半田層３をマスクとして前記粘着テープ貼着面側から前記外側電極１３および前記ｎ型多結晶シリコン層１２を選択的に除去し、前記ｐ型多結晶シリコン球１１表面を露呈せしめる。
この処理操作としては、まず一般の半田用エッチング液で半田層のみを先にエッチングし、次いでシリコン用のエッチング液で外側電極１３およびｎ型多結晶シリコン層１２をエッチングしてｐ型多結晶シリコン球１１表面を露呈せしめる。
【００２８】
最後に、図４（ｅ）に示すように、導電シート５の表面に導電シート５が、前記ｐ型多結晶シリコン球１１にコンタクトするように熱圧着により固着せしめ、この後外側電極１３および前記ｎ型多結晶シリコン層１２の端面と導電シート５との間にできた隙間に、樹脂を流し込むことにより絶縁性樹脂層４を形成し、外側電極と内側電極側との絶縁を確実なものとする。
【００２９】
このようにして図１および図２に示したような太陽電池セルが完成する。
かかる構成によれば、太陽電池を構成するセルの隙間に入った半田粉末を溶融し、太陽電池セル相互を固着するとともに外側電極間の電気的接続を行うとともに、この半田をマスクとして外側電極および前記第２導電型の半導体層を除去するエッチング工程を実行している。従って、マスク工程が不要で、かつ信頼性の高い太陽電池の形成が可能となる。
【００３０】
また、特に、多結晶シリコン球など球状体へのフォトリソグラフィ工程は露光工程が極めて困難であるが、本発明の方法によれば、フォトリソグラフィ工程を必要とすることなく、極めて高効率の太陽電池を形成することが可能となる。
【００３１】
さらに可撓性を有する導電性シートを用いるようにすれば、各セルを容易に接触性よく一体的に固定することが可能となり、信頼性の高いオーミック接触を図ることが可能となる。
【００３２】
加えて、専用の導電シートを用いる必要もなく、位置決めも不要であり、実装後に絶縁性樹脂層を形成するのみで、極めて信頼性の高い太陽電池を形成することが可能となる。
【００３３】
また導電性シートと外側電極との間の隙間すなわち、セル間に相当する領域に絶縁性の樹脂層を形成しているため、外側電極側と導電性シートとの間に絶縁膜が介在することになり、信頼性の高い太陽電池を形成することが可能となる。
【００３４】
また、望ましくは、前記内側電極としての導電性シートの貼着に先立ち、球状基板の露出面にｐ型の不純物を注入し、高濃度層を形成する。
【００３５】
かかる構成によれば、高濃度層の存在により、導電性シートとｐ型多結晶シリコン球とのオーミック接触性を向上することが可能となる。また、高濃度層が光子により励起された電子の障壁となり、いわゆるバックサーフィスフィールド効果を得ることができ、効率の向上をはかることができる。
【００３６】
さらにトレイに敷き詰める際、前記球状のセルが相互に接触するように細密配置で敷き詰めるようにすれば、寸法精度が高くかつ、細密配置構造の太陽電池を得ることができる。
【００３７】
なお、前記実施例では絶縁性樹脂層を用いることによって、外側電極と内側電極との絶縁を確実にしたが、この変形例として、図８に示すように、導電シート５の表面に前記セル搭載位置を囲むように縦横に形成されたポリイミド膜からなる絶縁膜パターン４０をスクリーン印刷により形成し、導電シート５が、前記ｎ型多結晶シリコン球１１にコンタクトするように熱圧着により固着せしめる。この導電シート５は可撓性の銅箔表面に縦横にポリイミド層からなる絶縁性パターン４０が形成されてなるもので、この絶縁性パターン４０が、前記半田層３と導電性シートとの間に介在することにより、半田層すなわち外側電極側と導電シートすなわち内側電極側とのショートを防止し、信頼性の向上を図ることが可能となる。
【００３８】
（実施形態２）
次に本発明の第２の実施形態について説明する。ここでは図５に示すように、図４（ｃ）に示した半田層のエッチング後、この半田層３表面を上にして、低粘度のポリイミド樹脂を塗布し、前記半田層３表面を絶縁性樹脂膜３Ｓで覆うようにしたことを特徴とする。後の工程については前記第１の実施形態と同様に形成する。
【００３９】
かかる構成によれば、凹部となっている半田層表面に選択的に絶縁性樹脂膜３Ｓを形成することができるため、極めて容易に信頼性の高い太陽電池を提供することが可能となる。
【００４０】
（実施形態３）
前記第１および第２の実施形態ではｐ型多結晶シリコン球を用いて太陽電池セルを構成したが、図６に示すように、球状基板１０を、銅球で構成し、球状基板表面に、ｐ型の多結晶シリコン層（符号１１で示す）と、ｎ型多結晶シリコン層１２とを形成しｐｎ接合を形成してなり、導電シート５は前記銅球にコンタクトするように、外側電極１３、ｎ型の多結晶シリコン層１２と、ｐ型多結晶シリコン層（符号１１）の一部が除去されていることを特徴とする。
【００４１】
かかる構成によれば、内側電極のコンタクト抵抗が低く信頼性の高い太陽電池を容易に形成することが可能となる。
【００４２】
なお、太陽電池セルは直列接続してもよいし、並列接続してもよい。直列接続する際には、ｐ層およびｎ層を外面側と内面側とで逆にしたセルを交互に配列し、同様に接続することにより、直列接続体を形成することも可能である。
また、前記実施形態では、ｐ型およびｎ型の多結晶シリコン層を用いたがアモルファスシリコン層を用いるようにしてもよい。
【００４３】
（実施形態４）
この太陽電池を構成する太陽電池セルは、図７に示すように、球状基板を、絶縁性の球状体で構成し、この球状体表面に、ｐ型多結晶シリコン層と、前記ｐ型の多結晶シリコン層表面に形成されたｎ型の多結晶シリコン層を形成しｐｎ接合を形成してなることを特徴とする。
【００４４】
この太陽電池セルは、図７に拡大断面図を示すように、直径１ｍｍのガラス６０の表面にクロム層６０ｃを形成するとともに、この上層にｎ型アモルファスシリコン層６１、ｐ型アモルファスシリコン層６２を形成し、ｐｎ接合を形成すると共に、さらにこの表面を覆うように酸化インジウム錫（ＩＴＯ）透明導電膜からなる外側電極６３が形成されている。そして、この一部が研磨によりクロム層６０ｃに到達するまで外側電極６３およびｐ型アモルファスシリコン層６２、ｎ型アモルファスシリコン層６１が除去され、この除去部のバリア層にコンタクトするように、導電性シート５を貼着してなるものである。一方、この外側電極６３同士は半田層３によって接続されている。
【００４５】
かかる構成によれば、安価で特性の安定した半導体装置を得ることが可能となる。
【００４６】
なお、前記実施の形態ではｐｎ接合を形成する半導体層として、多結晶シリコン、アモルファスシリコンを用いたが、これに限定されることなく、単結晶シリコン、さらにはＧａＡｓ，ＧａＰなどの化合物半導体層にも適用可能である。さらには、ｐｎ構造のみならず、ｐｉｎ構造にも適用可能である。
【００４７】
この球状の半導体素子の製造に際し、各処理工程を連結してライン化することが可能であるため、生産性が極めて高いという特徴がある。
【００４８】
各工程では、活性ガス、不活性ガス等の気体のみならず、水や各種溶液等の液体をも含む種々の雰囲気での処理がなされる。このような処理工程を連結する場合、被処理物を搬送する雰囲気を前工程から後工程に持ち込まないようにしなければならないため、工程間において被処理物から前工程の雰囲気を除去し、そして後工程に合わせた雰囲気に変換して被処理物を搬送するといった作業が必要であるが、雰囲気変換装置を用いることにより搬送しながら各処理工程が実行でき、極めて高速で作業性よく信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。
【００４９】
また、シリコン表面は酸化され易く、表面に自然酸化膜が形成された場合、その上層に形成される金属電極層などとの接触性が悪くなるなどの問題もあるが、外気に接触することなく、閉鎖空間内で搬送および処理を行うことができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、位置決めが不要であり、充填密度も高く、高効率で信頼性の高い太陽電池を提供することが可能となる。
【００５１】
また、受光面積を減少することなく、高密度の配置が可能である。またフォトリソグラフィ工程を用いることなく高精度で信頼性の高い太陽電池を得ることができる。また低コスト化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法によって製造される第１の実施形態の太陽電池を示す図
【図２】本発明の第１の実施形態の製造方法によって製造される太陽電池を構成するセルの断面図
【図３】本発明の第１の実施形態の製造方法によって製造される太陽電池を構成するセルの製造工程図
【図４】本発明の第１の実施形態の太陽電池の実装工程を示す図
【図５】本発明の第２の実施形態の太陽電池の製造工程を示す図
【図６】本発明の第３の実施形態の製造方法によって製造される太陽電池を示す図
【図７】本発明の第４の実施形態の製造方法によって製造される太陽電池を示す図
【図８】本発明の他の実施形態（第１の実施形態の変形例）の製造方法によって製造される太陽電池を示す図
【図９】従来例の太陽電池を示す図
【符号の説明】
１太陽電池
３半田層
４絶縁膜
５導電性シート
１１ｐ型多結晶シリコン球
１２ｎ型多結晶シリコン層
１３外側電極

Claims

少なくとも表面が第１導電型の半導体層を構成する球状基板表面に、ｐｎ接合を形成するように形成された第２導電型の半導体層と、前記第２導電型の半導体層の表面に形成された透明導電膜からなる外側電極とを形成した多数個のセルを用意する工程と、
多数個の前記セルを、隣接するものどうし互いに接触させて細密配置でトレイ上に縦横列状に敷き詰める工程と、
前記敷き詰められたセルの上面に粘着性テープを貼着し、固定する工程と、
前記粘着性テープに貼着された複数のセルを前記トレイからはずし、前記セルが上に位置するように水平に配置する工程と、
前記セルの上面から半田粉体を振り掛ける工程と、
前記セルを加熱し、前記半田粉体を液化し、前記セルと前記粘着性テープとの間を半田で固着する工程と、
前記粘着テープを外し、前記半田を前記粘着テープ貼着面側から所定の深さまでエッチングする工程と、
前記半田をマスクとして前記粘着テープ貼着面側から前記外側電極および前記第２導電型の半導体層を選択的に除去し、前記第１導電型の半導体層を露呈せしめる工程と、
前記第１導電型の半導体層にコンタクトするように内側電極を形成する工程とを含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。
前記内側電極を形成する工程は、前記第１導電型の半導体層にコンタクトするように導電性シートを貼着し、各セルを一体的に固定する工程であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
さらに前記導電性シートのセル間に相当する隙間に絶縁材料を充填し絶縁膜を形成してなることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池の製造方法。
前記内側電極を形成する工程に先立ち、露呈する球状基板表面に第１導電型の不純物を注入し、高濃度層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。