成果報告書詳細
管理番号20160000000225
タイトル平成22年度ー平成26年度成果報告書 「太陽エネルギー技術研究開発/太陽光発電システム次世代高性能技術の開発/極限シリコン結晶太陽電池の研究開発(室温レーザードーピングプロセスの研究開発)」
公開日2016/12/13
報告書年度2010 - 2014
委託先名国立大学法人奈良先端科学技術大学院大学
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約 極限シリコン結晶太陽電池の実現に向けた“原料製造”から“太陽電池セル”での一貫した複数の技術開発の中で、高効率・低コストを目的とした次世代プロセス技術として、レーザーを用いた室温不純物ドーピングに関して、(1)ドーピング濃度ならびに深さ制御技術の開発と(2)局所領域へのドーピング技術の開発の二つの要素技術開発と素子作製プロセスへの適用の実証研究を行った。主な成果は次の通りである。
(1)ドーピング濃度ならびに深さ制御技術の開発 
 紫外ならびに緑色波長のレーザーを用い、照射強度をレーザーパワー、形状や基板走査速度を変えて制御し高濃度ドーピングを目指した。レーザーを不純物が含まれたドーピングプレカーサー膜が堆積してある基板に照射する。基板温度は室温で大気中に設置してある。基板位置をX-Yステージにより走査する。レーザー照射により基板が溶融し不純物が液相拡散する。その後再結晶化することにより任意の場所にドーピングが行える。
 ドーピングプレカーサーとしてリン(P)やボロン(B)が含まれたシリケートガラスの他、有機バインダーを用いたポリボロンフィルム(PBF)やシリコンナノインクを試みた。シリコンナノ粒子層もレーザー光を吸収するため基板と共融しその後再結晶化するため、溶融層の深さや空間的拡がりの制御性の向上が期待できる。波長532nmの連続発振レーザーや波長355nmのパルスレーザーを用いてリン(P)ならびにボロン(B)を1×10E20cm-3以上の高濃度でドープすることが出来た。ドーピング深さは0.3ー4μmの範囲で制御できた。
 試作した太陽電池特性を評価したところ接合深さに対応した分光感度特性が得られ、高効率素子構造の実現につながる濃度と深さ制御を実現した。
(2)局所領域へのドーピング技術の開発
 極細レーザービームの走査により局所領域へのドーピング技術確立を目指した。ビーム径を5ー30μmの範囲で制御して照射したところ、ビーム径に対応した局所領域に不純物が導入できることを確認した。ビームが走査されたところのみ溶融、再結晶化していることを示している。
 局所領域に再現性良くレーザードーピングを行うためには、不純物層とシリコン基板との界面制御が重要であることを明らかにした。親水性処理を施したシリコン基板表面を用いると基板の凹凸によらず密着した界面が実現され結晶欠陥の発生が少なく高品位電子物性を示すドーピング層が実現できた。
 極細(100μm以下)表面電極の下にのみ高濃度ドーピング層を形成した高効率素子構造である「選択的エミッタ構造」を、開発したレーザードーピング技術を用いて作製した。表面テクスチャー構造を保持したまま局所的高濃度層が形成でき、通常構造の素子と比較して光電変換効率の改善を実証した。レーザービーム走査システムの拡張により実用的サイズの素子作製にも適用できると期待される。
 レーザーを用いた室温不純物ドーピング技術が実用的プロセスに適用できることが明らかになった。今後、整形したレーザービームの利用、走査範囲の拡大、等がハイスループットプロセスの実現に必要であると思われる。
英文要約Title: High Performance PV Generation System for the Future.
R and D on Ultimate Wafer-based Si Solar Cells.
“Laser Doping Process at Room Temperature” (FY2010-FY2014)
  
Research and development of laser doping technique are investigated. Laser process is expected as a novel doping method at very low temperatures, and can be utilized for very thin wafers in the next generation. In addition, high throughput capability without photolithography is preferable to make high efficiency cell configuration at low cost with mass-production scale. This research theme aims two major subjects: 1. High controllability in impurity density and depth profiling of doping, and 2. Precisely controlled local doping with desired sizes and patterns. Two laser systems with pulsed ultraviolet (355 nm) and CW (continuous wave) visible (532nm) wavelengths were used. Different dopant precursors of silicate glasses (PSG, phosphorus silicate glass and BSG, boron silicate glass), polymer based dopant (PBF) and silicon (Si) nano-ink were used. In the case of silicate glasses and polymer based precursors, they do not absorb laser power. The interface between precursors and substrates play an important role. The surface modification by chemical etching and hydrophobic treatments gave excellent electronic properties. In the case of Si nano-ink containing silicon nano particles (20-50 nm in diameter), the laser power was absorbed. Precursor layers and substrates were melted together, which yields good recrystallization layers. The obtained maximum doping density was in the range of 1E20cm-3 both in the cases of p and n type doping using boron and phosphorus doped Si nano-ink, respectively.
Doping depth was controlled by changing the laser power and scanning speed. The spectral response showed reasonable tendency relating with the doping depth. Optimum doping profile should be designed to realize high conversion efficiency. Especially the selective emitter structure (highly doped regions just below the fine grids) was formed by laser doping technique, and improved performance was realized. Localized doping using finely focused laser beams will be expected for the future processes of high efficiency Si solar cells.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る