多結晶シリコン太陽電池における三フッ化塩素ガスおよび酸溶液によるテクスチャ化の最適化

成 膜 大 学 理 工 学 研 究 報 告 J,Fac.Sci、Tech,,SeikeiUniv. Vol.48No.2(2011)pp.123-126 (特 別 研 究 費 に 係 る 論 文)

多結 晶 シ リコ ン太 陽 電 池 に お け る三 フ ッ化 塩 素 ガス

お よ び酸 溶 液 に よ る テ クス チ ャ化 の 最 適 化

Optimization of Texture Process of Multi-crystalline Silicon Solar Cells

Using a Chlorine trifluoride Gas and an Acid Solution

Yoji SAITO*1,

Akira KUBOTA*2, Takahiro SANDA*2

ABSTRACT : We have been trying to improve the characteristics

of crystalline silicon-related

solar cells

by random texture process using dry etchant. However, the improvement has not been enough by the

texture process only with the dry etching. In this study, we tried to improve cell performance

by the two

step texturing process with combination

of dry and wet etching

Keywords : multi-crystalline

silicon, chlorine trifluoride, texture, solar cell

1.緒 論 太 陽 電 池 の 高 効 率 化 の た め に は 反射 損 失 を 低 減 す る こ とが 必 要 で あ る。 反 射 損 失 の 方 法 と して,太 陽 電 池 表 面 を凹 凸 に加 工 す るテ クス チ ャ処 理 が あ る。 我 々 は,結 晶系 シ リ コン に三 フ ッ化 塩 素(CIF3)ガス を さ らす こ とに よ るプ ラズ マ レス ドライ エ ッチ ン グに よ りラ ン ダム テ クス チ ャ処 理 が 可 能 な こ と を示 して きた1)。 し か しな が ら,ド ライ エ ッチ ン グに よ るテ クス チ ャ化 表 面 に リンを 拡 散 して 太 陽 電 池 を形 成 した 場 合,そ の 特 性 の 改 善 が 不 十 分 で あ る こ とが 分 か り,そ の 原 因 は表 面 の 凹 凸 が微 細 す ぎ るた め と考 え られ た2)。そ こで本 研 究 で は, ドライ エ ッチ ン グ後 に フ ッ硝 酢 酸 溶 液 で エ ッチ ン グを 行 っ て,表 面 の 凹 凸構 造 を変 化 させ,性 能 の 改 善 を試 み る。 これ ま で 単 結 晶 基 板 に お い て 性 能 の 改 善 を確 認 して い る が3),多 結 晶 基 板 で も 同様 な 改 善 が可 能 か 検 証 す る4)。 2.実 験 方 法 P型 多 結 晶Si基 板 の カ ッ ト面 付 近 の 結 晶 欠 陥 を 除 去 す る た め,フ ッ硝 酢 酸(2:3:6)で3分 間 ミ ラ ー エ ッ チ ン グ を 行 っ た 。CIF3ガ ス を 用 い て 室 温 で ドラ イ エ ッチ ン グ(CIF3 分 圧:2.7Torr)を 行 い,そ の 後,室 温.で フ ッ 硝 酢 酸 溶 液 で エ ッ チ ン グ を 行 っ た 。 エ ッ チ ン グ 後,リ ン 拡 散 源 溶 液 を ス ピ ン コ ー一一ト し,窒 素 雰 囲 気 中950℃ で40分 熱 拡 散 を 行 っ た 。 次 に,受 光 面 側 にAl膜 を 蒸 着 し,パ タ ー一一ニ ン グ を 行 っ た 。 そ の 後,受 光 部 分 以 外 のn層 を フ ッ 硝 酢 酸 溶 液 で 除 去 し た 。 さ ら に 裏 面 にAl電 極 を 作 製 し,窒 素 雰 囲 気 中 450℃20分 で 熱 処 理 を 行 い,セ ル を 完 成 させ た 。 3.実 験 結 果 お よ び検 討 3.1表 面 構造 及 び 反射 ス ペ ク トル *1:理 工 学 部 エ レ ク ト ロ メ カ ニ ク ス 学 科 教 授 yoji@st.seikei.acjp、 *2:理 工 学 研 究 科 理 工 学 専 攻 図1ド ライ エ ッチ ング後 図2さ らにフ ッ硝酢 酸処理 の 基 板 表 面SEM像 した 基 板 表 面SEM像 基 板 の 表 面 構 造 を 走 査 型 電 子 顕 微 鏡(SEM)に よっ て観 一123一

察 し た 。 図1に ドラ イ エ ッチ ン グ(全 圧:4Torr,CIF3分 圧:2.7Torr,処 理 時 間5分)行 っ た 基 板 のSEM像 を,図2 に ド ラ イ エ ッ チ ン グ 後,フ ッ 硝 酢 酸(2:3:6)溶 液 で10秒 間 エ ッ チ ン グ を 行 っ た 基 板 のSEM像 を 示 す 。 図1に お い て,ド ラ イ エ ッ チ ン グ の み の 場 合,微 細 な 凹 凸 が あ る こ と が 確 認 で き る 。 図2に お い て,ド ラ イ エ ッ チ ン グ 後,酸 エ ッ チ ン グ を 行 っ た 基 板 表 面 で は,酸 エ ッ チ ン グ す る こ と に よ り ド ラ イ エ ッ チ ン グ の み の 場 合 よ り凹 凸 が 大 き く な っ て い る こ と が わ か る 。 次 に 図3に 反 射 ス ペ ク トル を 示 す 。 図3に お い て,ド ラ イ エ ッ チ ン グ の み の 反 射 率 は,多 重 反 射 に よ る 反 射 率 低 減 が 起 こ り,ミ ラ ー エ ッ チ ン グ 後(ほ ぼ 鏡 面)に 比 べ, 全 体 的 に 下 げ る こ と が で き る 。 さ ら に 酸 エ ッ チ ン グ を 行 う と,凹 凸 が 大 き く な る と 同 時 に ア ス ペ ク ト比 が 小 さ く な る た め ド ラ イ エ ッ チ ン グ の み の 反 射 率 よ り も わ ず か に 上 昇 し て い る。 80 70 60 茎50 癬40 怒30 20 10 0 一 一 一 ・ ドラ イ エ ッチ ン グ の み 一 一 ドラ イ エ ッ チ ン グ+ 酸 エ ッチ ン グ 300400500600700800 波 長lhm】 図3反 射 ス ペ ク トル 3.2太 陽 電 池 の 評 価 ドライ エ ッチ ン グを5分 行 っ た後,フ ッ硝 酢 酸(2:3:6) で エ ッチ ン グ をlo秒 行 っ た多 結 晶Si太 陽 電 池,ド ライ エ ッチ ン グの み を行 っ た 太 陽 電 池,ミ ラー エ ッチ ン グの み の 太 陽 電 池 そ れ ぞ れ の 電 気 的 特性 をAMI5相 当の 光 照 射 を行 い な が ら測 定 した 。 表1に 太 陽 電 池 の 性 能 パ ラメ ー一一 タ測 定 結 果 を 示 す 。 表1よ りミ ラー一一エ ッチ ン グの み の 太 陽 電 池 に対 して, ドライ エ ッチ ン グの み の 太 陽 電 池 は,特 性 が 少 し しか 向 上 して い な い 。 原 因 と して,本 研 究 で は テ クス チ ャ後 に 拡 散 を行 っ て い るた め,表 面 凹 凸 形 状 の 先 端 部 分 の 幅 が 不 純 物 の 拡 散深 さ よ りも薄 い 部 分 で,左 右 か ら拡 散 され 拡 散 層 が 重 な る と考 え られ る。 そ の 結 果,不 純 物 が 他 の 部 分 に 比 べ 多 く ドー プ され,凹 凸 の 先 端 部 に 高 濃 度 不 純 物 領 域 が 形 成 され て しま い,少 数 キ ャ リア の 拡 散 長 が 低 下 して しま うと予想 され る。 そ の た め,短 波 長 側 の 光 の 表1測 定 結 果 開放 電 圧 [mV] 短 絡 電 流 密 度 [mA/cm2] 変 換 効 率 [%] 曲線 因子 ミラ ー エ ッチ ン グ 586 30.3 13.7 0.77 ドラ イ エ ッチ ン グ の み 583 30.8 141 0.79 ドラ イ エ ッチ ン グ +酸 エ ッ チ ン グ 586 36.2 16.2 0.77 多 くが 高濃 度不 純物 領 域 で 吸 収 され,そ こで発 生 した少 数 キ ャ リア がp-n接 合 の 接 合 面 ま で 到 達 で きず に 再 結 合 して しま い,電 流 に 寄 与 す る こ とが で きず,内 部 量 子効 率 が低 下 して しま うと考 え られ る。 次 に ミラ ー エ ッチ ング の太 陽電 池 に 対 して,ド ラ イ エ ッチ ン グ後 に酸 エ ッチ ン グを行 っ た太 陽電 池 は,効 率 が 向 上 した。 原 因 と して 酸 エ ッチ ン グに よ り凹 凸 の 凸 部分 の 先端 部 が 占め る高 濃度 不純 物領 域 の 面積 を低 減 し,内 部 量子 効 率 が低 い領 域 を 小 さ くす る こ とが で き た た め特 性 が 改 善 した と考 え られ る。 4.結 論 多 結 晶Si太 陽 電 池 に お い て,CIF3ガ ス に よ る テ ク ス チ ャ 処 理 を 行 っ た 後,フ ッ 硝 酢 酸 溶 液 で エ ッ チ ン グす る こ と に よ り,表 面 を 低 反 射 率 に 保 ち つ つ 凹 凸 形 状 の 周 期 を 大 き く す る こ と が で き た 。 CIF3分 圧2,7Torr,処 理 時 間5分 で ドラ イ エ ッチ ン グ 後, フ ッ硝 酢 酸(2:3:6)で10秒 エ ッ チ ン グ し た 場 合 に 変 換 効 率 16.20/・が 得 ら れ,特 性 改 善 が 確 認 で き た 。 参 考文献 )1 ) 2 )3 門 馬IE,石 崎 芳 宜,齋 藤 洋 司,「 三 フ ッ 化 塩 素 処 理 に よ る シ リ コ ン の テ ク ス チ ャ 化 と 光 学 的 評 価 、 電 子 情 報 通 信 学 会 誌C-II,vol.80-C-II,No.11,pp. 412-4131997年ll月. H.KohataandYSaito,"Masklesstexturizationof phosphorus-difFusedlayersforcrystallineSisolar cellsbyplasmalessdlyetchingwithchlorine trifluoridegas",SolarEnergyMaterialsandSolar Cellsvol.94,PP.2124-2128,2010 幸 畑 隼 人,三 田 隆 裕,門 馬 正,齋 藤 洋 司,「 シ リ コ ン 太 陽 電 池 に お け る 三 フ ッ 化 塩 素 ガ ス 及 び 酸 溶 液 に よ る テ ク ス チ ャ 化 の 検 討 」 第57回 応 用 物 理 学 関 係 連 合 講 演 会 予 稿 集,19a-TG-1,2010年3月 一124一

4)三 田 隆 裕,久 保 田 祥,高 橋 昌 樹,幸 畑 隼 人,門 馬 正, 齋 藤 洋 司,「多 結 晶 シ リ コ ン 基 板 に お け る 三 フ ッ化 塩 素 ガ ス 及 び 酸 溶 液 に よ る テ ク ス チ ャ 化 の 検 討 」第71 回 応 用 物 理 学 会 学 術 講 演 会 予 稿 集,15p-ZB-7, p.16-088,2010年9月 一125一