JP2009510724A - Photovoltaic device manufacturing system and method - Google Patents
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Abstract
光起電力セル用のダイは、結晶性のワークピースの使用可能な表面積を実質的に被覆するパターン領域を使用して製造することができる。複数のバーを、ワークピースの実質的に全長に延在するようにワークピースにエッチングすることができる。これらのバーは、その後ダイシング加工して、ワークピースの厚さに実質的に等しい幅、および約20:1以下のエッジ比率を有するダイを形成することができる。このようなプロセスは、変換領域を最大化することができ、それによって、所与の量の光起電力変換材料からより多くのエネルギが取り出される。ダイの対向するエッジに接点を配置して、光起電力セルを形成することができ、いくつかの実施形態では、ソーラー電池パネル内の配向に関係なく機能することができる。Dies for photovoltaic cells can be manufactured using patterned areas that substantially cover the usable surface area of the crystalline workpiece. A plurality of bars can be etched into the workpiece to extend substantially the entire length of the workpiece. These bars can then be diced to form a die having a width substantially equal to the thickness of the workpiece and an edge ratio of about 20: 1 or less. Such a process can maximize the conversion area, thereby extracting more energy from a given amount of photovoltaic conversion material. Contacts can be placed on opposite edges of the die to form photovoltaic cells, and in some embodiments, can function regardless of orientation within the solar panel.
Description
(関連出願の相互参照)
本願は、2005年9月23日に出願された米国仮特許出願第60/720,084号および2005年10月13日に出願された米国仮特許出願第60/726,520号の優先権の利益を主張し、これらの各々は参考として本願に援用される。
(Cross-reference of related applications)
This application is a priority of US Provisional Patent Application No. 60 / 720,084 filed on September 23, 2005 and US Provisional Patent Application No. 60 / 726,520 filed on October 13, 2005. Claiming the benefits, each of which is incorporated herein by reference.
(技術分野)
本発明は、光起電力装置、およびその装置を製造および組み立てるための方法に関する。
(Technical field)
The present invention relates to a photovoltaic device and a method for manufacturing and assembling the device.
光起電力装置は、一般的に、太陽放射を電気エネルギに変換するために使用される半導体装置である。これまで、太陽光発電システムは、主にこうしたシステムにかかるコストが高いことから、電力供給用途には広く使用されていなかった。このコストの高さは、一部には、これらの装置に一般的に使用される純粋な単結晶シリコンのコストが比較的高いことに起因する。このシリコンの多くが製造中に無駄になるために、材料コストを増加させている。さらに、光起電力装置のプロセス自体のコストは、多くの用途に対して特に費用効率が高くはない。シリコンの代替物も研究されているが、あまり効率的な装置ではなかったり、製造にさらにコストがかかったりすることが分かっている。従来技術のソーラー電池パネルも、一般的に、機械を使用して、多数のセルを基板上に正確に配置して組み立てられるものであり、費用がかかり、また非常に時間のかかるものである。これらのセルの長さも、プロセス中のジャミング、クラスタリング、および破損に関連する問題を生じさせることがある。 Photovoltaic devices are generally semiconductor devices used to convert solar radiation into electrical energy. So far, solar power generation systems have not been widely used for power supply applications, mainly due to the high cost of such systems. This high cost is due in part to the relatively high cost of pure single crystal silicon commonly used in these devices. Much of this silicon is wasted during manufacture, increasing material costs. Furthermore, the cost of the photovoltaic device process itself is not particularly cost effective for many applications. Alternatives to silicon have been studied, but have been found to be less efficient devices and more expensive to manufacture. Prior art solar cell panels are also typically expensive and very time consuming, using machines to accurately assemble and arrange a large number of cells on a substrate. The length of these cells can also cause problems related to in-process jamming, clustering, and corruption.
本発明の種々の実施形態によるシステムおよび方法は、種々の光起電力装置の製造および組み立てに提供される。このような一実施形態では、光起電力セルは、シリコン、ゲルマニウム、または砒化ガリウムのような結晶材料の実質的に平面のピース上にマスク層を被着することによって形成される。前記結晶材料のピースは、複数の実質的に並列のスロットを形成するようにエッチングされる。前記スロットは、複数の実質的に平面のバーを形成し、それぞれのバーが前記結晶材料のピースの一方のエッジから他方のエッジまで、前記バーの方向に沿って延在する。前記バーのそれぞれの幅は、前記結晶材料のピースの厚さに実質的に等しい。前記バーは、前記結晶材料のピースから分離され、複数の実質的に矩形のセルを形成するようにダイシング加工される。 Systems and methods according to various embodiments of the present invention are provided for the manufacture and assembly of various photovoltaic devices. In one such embodiment, the photovoltaic cell is formed by depositing a mask layer on a substantially planar piece of crystalline material such as silicon, germanium, or gallium arsenide. The piece of crystalline material is etched to form a plurality of substantially parallel slots. The slots form a plurality of substantially planar bars, each extending along the direction of the bar from one edge to the other edge of the piece of crystalline material. The width of each of the bars is substantially equal to the thickness of the piece of crystalline material. The bar is separated from the piece of crystalline material and diced to form a plurality of substantially rectangular cells.
前記バーのそれぞれは、前記それぞれのバーのバルクドーピングの反対側にドーピングを備えた層を有することができる。前記層は、POCl3拡散のようなあらゆる適切なプロセスを使用して形成することができる。接点は、それぞれの矩形のセルの上部および底部に、または前記セルの側面に形成することができる。一実施形態では、それぞれの矩形のセルの、第1の側面に第1の組の接点が形成され、第2の側面に第2の組の接点が形成される。各組の接点の数および位置のうちの少なくとも1つは、接続装置に対して、前記それぞれのセルの配向に関係なく適切な接点接続を提供するように選択される。 Each of the bars may have a layer with doping on the opposite side of the bulk doping of the respective bar. The layer can be formed using any suitable process such as POCl 3 diffusion. Contacts can be formed on the top and bottom of each rectangular cell or on the sides of the cell. In one embodiment, each rectangular cell is formed with a first set of contacts on the first side and a second set of contacts on the second side. At least one of the number and location of each set of contacts is selected to provide an appropriate contact connection to the connection device regardless of the orientation of the respective cell.
前記マスク層は、スロットを形成するための非矩形パターンの領域を含むことができる。前記マスク層はまた、形成された前記バーが前記結晶材料の前記ピースの表面の少なくとも80%を利用するように選択された、前記スロットを形成するためのパターン領域も含むことができる。一実施形態では、前記バーは、約20:1以下のエッジ比率を有するようにダイシング加工することができる。それぞれのバーは、その上に反射防止コーティングを被着する、および/または少なくとも1つの表面をテクスチャリングすることもできる。 The mask layer may include a non-rectangular pattern region for forming a slot. The mask layer can also include a pattern region for forming the slot, wherein the formed bar is selected to utilize at least 80% of the surface of the piece of crystalline material. In one embodiment, the bar can be diced to have an edge ratio of about 20: 1 or less. Each bar can also have an anti-reflective coating applied thereon and / or texture at least one surface.
それぞれのダイシング加工されたセルは、導電性基板、低温基板、および/または可撓性基板のような基板上に配置することができる。一実施形態では、次いで、多接合型装置を形成するように付加的な層を被着することができる。基板上の前記セルの少なくとも一部は、並列、直列、並列−直列、および/または直列−並列の接続を使用して接続することができる。 Each diced cell can be placed on a substrate, such as a conductive substrate, a low temperature substrate, and / or a flexible substrate. In one embodiment, additional layers can then be deposited to form a multi-junction device. At least some of the cells on the substrate can be connected using parallel, series, parallel-series, and / or series-parallel connections.
一実施形態では、当該のプロセスは、ダイオードを形成する少なくとも2つの反対にドープされた領域を有する矩形の結晶ダイを含む光起電力セルを形成する。前記ダイは、幅を約2mm以下、長さを約40mm以下、および厚さを約100μm以下とすることができる。前記セルは、前記ダイの上部および底部のエッジの上、または対向する側面のエッジの上などの、前記結晶ダイの対向するエッジの上に配置された一対の接点も含む。前記一対の接点は、前記結晶ダイの第1のエッジ上の第1の組の接点および前記結晶ダイの第2のエッジ上の第2の組の接点の一部とすることができ、前記第1のエッジは、前記第2のエッジの反対側にあって、前記結晶ダイを、実質的に同一平面上の光起電力セルの配列内に任意の配向で配置することができる。 In one embodiment, the process forms a photovoltaic cell that includes a rectangular crystal die having at least two oppositely doped regions that form a diode. The die can have a width of about 2 mm or less, a length of about 40 mm or less, and a thickness of about 100 μm or less. The cell also includes a pair of contacts disposed on opposite edges of the crystal die, such as on top and bottom edges of the die, or on opposite side edges. The pair of contacts may be part of a first set of contacts on a first edge of the crystal die and a second set of contacts on a second edge of the crystal die, One edge is on the opposite side of the second edge, and the crystal die can be placed in any orientation within a substantially coplanar array of photovoltaic cells.
一実施形態では、前記矩形のダイは、実質的に正方形である。また、前記ダイは、<1,1,0>配向のシリコンの実質的に平面のピースから形成することができる。前記結晶ダイの少なくとも1つの表面上に反射防止コーティングを被着することができ、および/または少なくとも1つの表面をテクスチャリングすることが可能である。 In one embodiment, the rectangular die is substantially square. The die can also be formed from a substantially planar piece of <1,1,0> oriented silicon. An anti-reflective coating can be applied on at least one surface of the crystal die and / or at least one surface can be textured.
当該セルを使用して、例えば、レセプタクルの配列を含む基板と、前記レセプタクルの配列内に配置された複数の矩形の光起電力セルとを有するソーラーモジュールを形成することができる。それぞれの光起電力セルは、幅を約2mm以下、長さを約40mm以下、および厚さを約100μm以下とすることができる。それぞれの光起電力セルは、前記光起電力セルの2つの対向するエッジの上に接点をさらに有することができる。前記モジュールは、前記複数の矩形の光起電力セルの接点を電気的に接続する相互接続レイアウトも含む。前記接点は、例えば、それぞれの光起電力セルの、上部および底部に、または側面エッジに配置することができる。また、前記接点は、第1の側面エッジの上の少なくとも1つの第1の接点と、第2のエッジの上の少なくとも1つの第2の接点とを含むことができ、前記第1および第2の接点は、第1および第2の接点のそれぞれが、それぞれのレセプタクル内の前記光起電力セルの配向に関係なく、前記相互接続レイアウトの所望の線と接続するように、異なるエッジ位置に配置される。 The cell can be used, for example, to form a solar module having a substrate including an array of receptacles and a plurality of rectangular photovoltaic cells disposed within the array of receptacles. Each photovoltaic cell can have a width of about 2 mm or less, a length of about 40 mm or less, and a thickness of about 100 μm or less. Each photovoltaic cell can further have a contact on two opposing edges of the photovoltaic cell. The module also includes an interconnect layout that electrically connects the contacts of the plurality of rectangular photovoltaic cells. The contacts can be arranged, for example, at the top and bottom of each photovoltaic cell or at the side edges. The contact may include at least one first contact on a first side edge and at least one second contact on a second edge, wherein the first and second Contacts at different edge positions such that each of the first and second contacts connects to a desired line of the interconnect layout, regardless of the orientation of the photovoltaic cells in the respective receptacles. Is done.
前記相互接続レイアウトは、前記レセプタクルの配列内の前記複数の光起電力セルをサブモジュールに分割することができる。前記相互接続レイアウトはまた、それぞれのモジュール内の前記光起電力セルを並列に接続し、前記サブモジュールの少なくとも一部を直列に接続することができる。また、前記相互接続レイアウトは、それぞれのモジュール内の前記光起電力セルを直列に接続し、前記サブモジュールの少なくとも一部を並列に接続することができる。ラミネート層を使用して、前記レセプタクルの配列内の前記複数の光起電力セルを保持することができる。 The interconnect layout can divide the plurality of photovoltaic cells in the array of receptacles into sub-modules. The interconnect layout can also connect the photovoltaic cells in each module in parallel and connect at least some of the submodules in series. The interconnect layout can connect the photovoltaic cells in each module in series and connect at least some of the submodules in parallel. A laminate layer can be used to hold the plurality of photovoltaic cells in the array of receptacles.
当業者には、本願明細書に含まれる説明および図面に照らして、他の実施形態があることが明らかになろう。 It will be apparent to those skilled in the art that other embodiments are possible in light of the description and drawings contained herein.
以下、本発明の種々の実施形態を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
本発明の種々の実施形態によるシステムおよび方法は、既存の光起電力装置および装置の製造方法における上述の、および他の制約を解消することができる。一実施形態によるプロセスでは、プロセスに使用される材料の結晶構造が利用され、その結晶構造は、例えば、非常に薄く小型のダイをエッチングすることによって、光子の電気エネルギへの変換および種々の電気システムへのインターフェースに必要な構造を組み込んだ、<1,1,0>配向のシリコン結晶のようなものである。このような配向のシリコン結晶を、本願明細書に記述されるように使用することにより、ウエハの実質的に全長に延在する細片を生成し、後述する分割バーを取り除き、次いで、これらの細片を正方形または矩形のセルにダイシング加工して、細く、高アスペクトなセルを作製することができる。一実施形態では、矩形のセルのエッジ比率は、例えば、長さ:幅が約20:1以下であり、一実施形態では、3:1以下であることが好ましい。また、種々の実施形態によるプロセスは、これらのセルを迅速に基板上に組み立てるステップと、ダイをランダムな配向に組み立てることができる相互接続レイアウトを組み込むステップとを含むことができる。当該のプロセスは、光起電力装置を形成するための既存のプロセスよりも好適なものであり、また、より単純で安価なものとすることができる。 Systems and methods according to various embodiments of the present invention can overcome the above and other limitations in existing photovoltaic devices and methods of manufacturing devices. The process according to one embodiment utilizes the crystal structure of the material used in the process, which can be converted into photons into electrical energy and various electrical properties, for example, by etching a very thin and small die. It is like a <1,1,0> oriented silicon crystal that incorporates the structure needed to interface to the system. Such oriented silicon crystals are used as described herein to produce strips extending substantially the entire length of the wafer, removing the split bars described below, and then The strips can be diced into square or rectangular cells to produce thin, high aspect cells. In one embodiment, the edge ratio of the rectangular cells is preferably, for example, a length: width of about 20: 1 or less, and in one embodiment, 3: 1 or less. Also, processes according to various embodiments can include quickly assembling these cells on a substrate and incorporating an interconnect layout that allows the die to be assembled in a random orientation. The process is more suitable than existing processes for forming photovoltaic devices, and can be simpler and less expensive.
本発明の種々の実施形態による光起電力セルおよびモジュールを作製する方法は、エネルギ変換面積あたりの効率が高く、コストが低い装置を製造することができる。また、これらの方法は、他のソーラー電池の製造技術に関連する種々の材料を最大限に利用することができる。単純さと低コストに重点を置いたもの、およびより複雑であるが低温のペーストおよび材料で実行できるものを含む、類似した方法を使用することができ、それによって、使用できる基板および材料の数を大きく増加させる。例えば、低温基板は、300℃以下でペーストおよび材料とともに使用することができる。 Methods of making photovoltaic cells and modules according to various embodiments of the present invention can produce devices with high efficiency per energy conversion area and low cost. In addition, these methods can make maximum use of various materials related to other solar battery manufacturing techniques. Similar methods can be used, including those that focus on simplicity and low cost, and those that can be performed with more complex but low temperature pastes and materials, thereby reducing the number of substrates and materials that can be used. Increase greatly. For example, low temperature substrates can be used with pastes and materials at 300 ° C. or lower.
一実施形態では、個々のセルは、<1,1,0>配向のシリコン結晶から矩形のパターンで作成される。当該光起電力セル102の一実施例を、図1の組み立て体100に示す。本実施例で形成されるセルは、正面および背面から見たときに実質的に同一であるように、表面/裏面および側面/側面は対称である。この特定の図は、バルク材料104を示すもので、その厚さは、ダイの形成に使用されるシリコンウエハまたは他の材料の厚さによって主に決定される。いくつかの実施形態には、標準のシリコンウエハよりも厚いものが望まれる場合がある。セル102は、後述するように、上部106および下部108のドープ領域を有する。「表」、「裏」、「上」、および「下」のような配向および方向は、単に説明の都合および簡潔さのためだけに使用されるものであって、あらゆる方向性または配向の要件の暗示を意図したものではない。
In one embodiment, the individual cells are made in a rectangular pattern from <1,1,0> oriented silicon crystals. One embodiment of the
一実施形態によるセルでは、上部領域106および底部領域108は、リンドープ領域、すなわちn型領域であり、中央のバルクドープ領域104、すなわちp型領域を伴っている。本図は比例尺ではなく、これらの領域のそれぞれは、一般的に、バルクシリコン104の厚さに比較して薄い。少なくともいくつかの実施形態では、セルは大きくなるほど効率的でプロセスが少なくなるので、ウエハは厚いほうが好適である一方で、より厚いウエハにはまたより長いエッチングが必要であり、結果的に、望ましくない量のアンダーカットを生じることになりうる。一実施形態では、バルクシリコンウエハの厚さは、約1乃至2mm程度となりうる。リンドーピングは一例に過ぎず、種々の実施形態による装置は、第1のドーピングタイプのバルクドーピング層(または領域)と、第2のドーピングタイプのエミッタドーピング層(または領域)とのあらゆる適切な組み合わせを使用することができる。なお、エミッタドーピングは、バルクドーピングに対して反対のドーピングであり、また、エミッタドーピングは、装置の表面にある浅いエミッタ層内に存在する。
In a cell according to one embodiment, the
後述するように、反射防止コーティング110の層は、セルの周囲に形成される。反射防止コーティングは、例えば、窒化物または酸化物層とすることができる。本実施例の下部ドープ領域108は、形成されているようにn型領域であるが、厚さ25乃至40μmのアルミニウムペースト112の層がセルにプリントされるか、または塗布されて焼成された場合、このペーストは反射防止コーティング110およびp型ドーピングに浸透し、その結果、このアルミニウムペーストがp型バルク層104と効果的に接触してp型接続となり、また下部層108のn型ドーピングを効果的に打ち消す。
As will be described below, a layer of
後述するように、組み立て体は、また、状況に応じて、厚さ10乃至15μmの銀ペースト層などの下部ペースト層114と、基板116とを含む。セル102の上には、厚さが10乃至20μmの層、すなわち特殊な反射防止コーティング(anti−reflective coating:ARC)浸透機能を有する銀ペーストなどの別のペースト層118が存在することにより、この層は、ARC層110に浸透して上部n型層106と接触する。熱可塑性の銀ペーストまたははんだペーストのような、ARCに浸透しない厚さ10乃至20μmの通常の銀ペースト層120を組み立て体の上部に塗布することにより、それぞれのセルの上部電極を隣接するセルに相互接続することができる。別の実施形態では、絶縁ペーストがセルの側面上に塗布され、ペースト層118が絶縁体ペースト上に塗布される。別の実施形態では、絶縁ペーストは、セルと基板組み立て体との間の接着性を増すために、セルの側面の下部および周辺に配置される。絶縁層は、セルに電気的な影響を及ぼすように設計されたものではないが、組み立て体を互いにより堅固に保持することに有用である。
As will be described later, the assembly also includes a
図2は、ARC浸透機能を有する薄い銀ペースト層118の幅(本実施例では約300μm)と、セルの配列の上部銀ペースト層、またははんだペースト層120とを示す、セルの配列の一部の上面図200である。参照番号は、理解の利便性および簡潔化のために図面間で引き継がれているが、種々の実施形態を限定するものとして解釈されることを意図したものではない。
FIG. 2 shows a portion of the cell array showing the width of the thin
(第1のプロセス方法)
一実施形態によるこのようなセル(この場合は矩形のセル)を作製するためのプロセスは、<1,1,0>配向のシリコンのウエハから始まる。このシリコンは、例えば、高純度で、n型またはp型ドーパントでドーピングしたもの、および/または厚さが2mmで直径が少なくとも100mm(例、150mm)のウエハの形態のものとすることができる。シリコンブールは、比較的高精度に切断されたウエハ平面を有する。切断加工の仕様では、種々の実施形態によれば、一般的に±0.5°の範囲であるが、±0.1°の範囲で切断することができる。これらのウエハは配列されて、結晶配向に対してエッチングされるので、セルが形成されるときにわずかな偏りによってセルの片側が薄くなる可能性があり、厳しい精度が望ましい。このウエハは、ピラニア洗浄プロセスのような適切なプロセスを使用して洗浄することができる。また、ウエハは、必要に応じて、両表面研磨およびエッジの丸めなどによって研磨することができる。
(First process method)
The process for making such a cell (in this case a rectangular cell) according to one embodiment begins with a <1,1,0> oriented silicon wafer. The silicon can be, for example, high purity, doped with an n-type or p-type dopant, and / or in the form of a wafer having a thickness of 2 mm and a diameter of at least 100 mm (eg, 150 mm). The silicon boule has a wafer plane cut with relatively high precision. According to the specifications of the cutting process, according to various embodiments, it is generally in a range of ± 0.5 °, but can be cut in a range of ± 0.1 °. Since these wafers are aligned and etched with respect to the crystal orientation, a slight bias can result in thinning one side of the cell when the cell is formed, and tight accuracy is desirable. The wafer can be cleaned using a suitable process such as a piranha cleaning process. Further, the wafer can be polished by both surface polishing and edge rounding as required.
一実施形態では、厚さ約2,000Åの窒化シリコンマスク層が、ウエハの全表面に被着される。次いで、ウエハは、フォトレジストに対する付着促進剤として機能するように、ヘキサメチルジシラザン(Hexamethyldisilazane:HMDS)プライマを塗布するなどによって、フォトレジスト被着の準備を行うことができる。次いで、レジストを同時または異なる時期に表面および裏面に塗布して、レジストを装置の表面および裏面で回転させることができる。一実施形態では、3つのピンを備えた大型プレートを有する治具が使用される。マスクプレートのうちの1つを治具の上に置くが、マスクプレートも3つのピンを有し、そのピンのうちの2つの上にウエハ平面を合わせ、第3のピンの上にウエハのエッジを合わせ、それによって、ウエハをマスクに合わせる。次いで、別のマスクをその上に配置することができ、このマスクは主ピースのピンの上に位置する。治具装置は、ウエハの両面を同時に露光することができるように、ウエハの表面および裏面の上に下降する表マスクおよび裏マスクを有する。次いで、この表面および裏面は、焼成後にウエハをエッチングできるように、同時に露光することができる。 In one embodiment, a silicon nitride mask layer having a thickness of about 2,000 mm is deposited on the entire surface of the wafer. The wafer can then be prepared for photoresist deposition, such as by applying a hexamethyldisilazane (HMDS) primer, so that it functions as an adhesion promoter for the photoresist. The resist can then be applied to the front and back surfaces simultaneously or at different times, and the resist can be rotated on the front and back surfaces of the device. In one embodiment, a jig having a large plate with three pins is used. One of the mask plates is placed on the jig, but the mask plate also has three pins, the wafer plane is aligned on two of the pins, and the wafer edge is on the third pins And thereby align the wafer with the mask. Another mask can then be placed over it, which is located over the pins of the main piece. The jig apparatus has a front mask and a back mask that descend on the front and back surfaces of the wafer so that both surfaces of the wafer can be exposed simultaneously. The front and back surfaces can then be exposed simultaneously so that the wafer can be etched after firing.
このようなプロセスを使用して、ウエハの表面および裏面の上に一組の並列スロットを形成することができるが、いくつかの実施形態では、ウエハの表面または裏面のいずれかのスロットのみを使用する場合がある。一実施形態によるスロットのパターン領域を図3(a)に示す。図からわかるように、スロットは矩形の領域から形成されるのではなく、(ウエハまたはインゴットのような)ワークピース302の実質的に全ての材料を利用するように形成された、パターン領域304から形成する。円形のワークピースに対して矩形のパターンを使用することで、例えば、相当量のワークピースの材料が無駄になる。ワークピースのサイズおよび形状に実質的に合致するパターンを使用することによって、ワークピースの実質的に全ての材料が使用されるように、ワークピースの実質的に全長に延在する長く細いスロットを形成することができる。また、このことは、ウエハから生成される表面積をかなり増加させ、単一のウエハからセルのために得ることができる活性表面積を大幅に増加させることとなる。
While such a process can be used to form a set of parallel slots on the front and back surfaces of the wafer, in some embodiments, only slots on either the front or back surface of the wafer are used. There is a case. A slot pattern area according to an embodiment is shown in FIG. As can be seen, the slot is not formed from a rectangular region, but from a
ワークピースが円形形状のシリコンウエハである本実施例では、スロットに対するパターン領域は実質的に円形であり、ワークピースの外縁部に対応する。この対応関係によって、ワークピースの大部分の材料を、スロットの形成(および得られる材料のストリップ)に使用することができる。一実施形態では、ワークピースの材料の少なくとも80%がパターニング領域に使用される。使用される材料の量は、破壊することなくワークピースを1つのピースに保持するようにフレームワークを提供するために、ウエハの周囲を保持するに十分な材料が必要になる場合があるので、ワークピースの材料およびワークピースの厚さに依存しうる。 In this embodiment, where the workpiece is a circular silicon wafer, the pattern area for the slot is substantially circular and corresponds to the outer edge of the workpiece. This correspondence allows the majority of the workpiece material to be used for slot formation (and the resulting strip of material). In one embodiment, at least 80% of the workpiece material is used in the patterning region. Since the amount of material used may require enough material to hold the periphery of the wafer in order to provide the framework to hold the workpiece in one piece without breaking, It can depend on the material of the workpiece and the thickness of the workpiece.
パターン領域304では、個々の並列スロットに対するパターンは、図3(b)においてワークピース302の一部を拡大した図に示されるように形成することができる。図に示されるように、隣接したスロットの群は、エッチングされて、実質的にワークピースのエッジとなる。スロットは、本実施例では公称間隔が120μmであって、25μmの開口を有する。次いで、得られるバーは、ウエハを貫通するエッチングの後に、一般的に約70μm以下の厚さとなる。いくつかの実施形態では、(スロットのエッチングに使用されるマスクを変更することなどによって)エッチングプロセス中に、少なくとも1つの分割バー306、すなわちスタビライザバーがウエハ内に形成される。図示されるように、この分割バー306は、個々の並列スロット304に対して実質的に垂直とすることができる。分割バーは、ウエハの中央の下、および/またはウエハ全体に一定間隔で形成することができる。これらのバーは、個々のスロットがウエハの全長にわたって延在しないように、ウエハをセクションに分割する。これは、個々に形成されたバーが破壊されないようするだけでなく、エッチングされたスロットのずれによる影響も低減する。分割バーは、したがって、長いスロットを結晶配向に正確に合わせる精度に対する必要性を低減する。更なる分割によって、厳しい精度に対する必要性をさらに低減する。
In the
別の実施形態では、材料の付加的な層を使用することによって、酸化物または窒化物の層を追加し、その後にエッチングして一連のバーに対する支持装置を作成するなどして、既存のプロセスにおけるような支持構造を形成することができる。なお、スロットのエッチングプロセスの一部として分割バーを形成することで、更なるステップ、材料、および複雑さが低減される。さらに、スロットのエッチングステップ中に形成された分割バーを使用することで、本願明細書の他の部分で述べられているような達成の困難な精度の緩和を助ける。 In another embodiment, an existing process, such as adding an oxide or nitride layer by using an additional layer of material, followed by etching to create a support for a series of bars, etc. A support structure as in can be formed. It should be noted that forming split bars as part of the slot etching process reduces further steps, materials, and complexity. In addition, the use of a dividing bar formed during the slot etching step helps alleviate difficult accuracy to achieve as described elsewhere herein.
分割バーの利用に潜在的に不利な点は、ウエハの一部がセルへの使用に適さなくなることである。ウエハの端から端までのエッチングは、一般的に幾らか傾斜するので、ウエハ中央のわずかな領域(または他の間隔)が失われる。一実施例では、幅が25μmのスロットが存在する。形成されたバーが、示される切断線308に沿うように、最終的に切断されて個々のセルを形成する場合、一般的に、分割線306からエッチングによって形成された材料の角度が個々のセルのいずれの最終形状に影響を及ぼさないように、切断線308は分割バーの両側に配置される。このことは、ウエハの収率をさらに減じる。
A potential disadvantage to using a split bar is that a portion of the wafer is not suitable for use in a cell. Etching from one end of the wafer to the other generally tilts somewhat so that a small area (or other spacing) in the center of the wafer is lost. In one embodiment, there are slots that are 25 μm wide. When the formed bar is ultimately cut to form individual cells along the
ディープエッチング処置のためにデバイスの表面および裏面がパターン化され、パターン化されたレジストが適切な現像および焼成の処置によって現像および焼成された後に、露光された窒化層をシリコンにいたるまでエッチングすることができる。次いで、レジストが取り除かれる。表面および裏面のパターンは実質的に同一であり、表面および裏面のスロットが上述のように並ぶように配列される。別の実施形態では、二酸化シリコン層が窒化物の上に被着される。酸化物層は、フッ化水素酸による湿式エッチングによってエッチングされ、次いで窒化物層は、酸化物層をマスクとして使用し、熱リン酸を使用して湿式エッチングされる。 Etch the exposed nitride layer to silicon after the front and back surfaces of the device have been patterned for a deep etch process, and the patterned resist has been developed and baked by appropriate development and baking processes Can do. The resist is then removed. The front and back patterns are substantially the same, and the front and back slots are arranged as described above. In another embodiment, a silicon dioxide layer is deposited over the nitride. The oxide layer is etched by wet etching with hydrofluoric acid, and the nitride layer is then wet etched using hot phosphoric acid using the oxide layer as a mask.
その後、装置は、水に40重量%の水酸化カリウム(KOH)を溶解した溶液を使用した異方性湿式エッチング槽のような、湿式槽においてディープエッチングを施されることができる。状況に応じて、イソプロピルアルコールを添加して、シリコン表面の表面品質を向上させることが可能である。このエッチングは、ウエハの表面からのように一方向からウエハ全体に進めるか、または(両面に窒化物のマスクを使用して)ウエハの表面および裏面から開始して中間で合流させることができる。両面から開始することによって、エッチングの時間が短縮され、アンダーカットを減じることができる。 The device can then be deep etched in a wet bath, such as an anisotropic wet etch bath using a solution of 40 wt% potassium hydroxide (KOH) in water. Depending on the situation, isopropyl alcohol can be added to improve the surface quality of the silicon surface. This etch can proceed from one direction to the entire wafer, such as from the wafer front surface, or can be merged in the middle starting from the front and back surfaces of the wafer (using nitride masks on both sides). By starting from both sides, the etching time is shortened and undercutting can be reduced.
いくつかの実施形態では、ディープエッチングが重要となる。比較的高温のKOH溶液を使用する場合、湿式エッチングには複数の問題が生じうる。例えば、不均等なエッチングによって性能が異なるセルが生じる可能性がある。さらに、表面および裏面のエッチングは、狭い許容範囲を満たすように、配列されなければならない。 In some embodiments, deep etching is important. Several problems can occur with wet etching when using relatively hot KOH solutions. For example, uneven performance can result in cells with different performance. Furthermore, the front and back surface etches must be arranged to meet narrow tolerances.
エッチングプロセス(KOH湿式エッチング以外の複数のエッチングプロセスのうちのいずれかを含むことができる)は、ウエハを貫通する複数のスロットを作り出すことができる。従来技術におけるような細長いストリップの代わりに、実質的に正方形のセルを使用する利点は、ウエハの実質的に全体を使用できることである。全て同じサイズでなければならない細長いストリップを使用する場合、ウエハの使用可能な領域は実質的に正方形であるが、これは従来技術のシステムにおいて円形のシリコンウエハの約半分が無駄になることを意味する。矩形のセルを使用した場合、ウエハにエッチングされた細片は、その後に個々のセルにダイシング加工され、その長さを変化させることができる。得られるセルは、例えば長さが40mm以下、いくつかの実施形態では長さが6mm以下といったオーデーで、小さなものとすることができ、20:1以下のエッジ比率を有することができる。既存のプロセスの多くは、既存のシステムでセルの配置に使用されるピックアンドプレースツールが、セルのパネルを組み立てるのに非常に多くの時間を必要とするので、このような小さなセルは望まれない。しかし、本願明細書に記載されるような並列組み立てツールを使用することで、このようなセルのモジュールを迅速に組み立てることができ、経済的かつ実用的である。 An etching process (which can include any of a plurality of etching processes other than KOH wet etching) can create a plurality of slots through the wafer. The advantage of using substantially square cells instead of elongated strips as in the prior art is that substantially the entire wafer can be used. When using elongated strips that must all be the same size, the usable area of the wafer is substantially square, which means that about half of the circular silicon wafer is wasted in the prior art system. To do. When rectangular cells are used, the strips etched into the wafer can then be diced into individual cells to change their length. The resulting cells can be small, for example, on the order of 40 mm or less in length, in some embodiments 6 mm or less in length, and have an edge ratio of 20: 1 or less. Many existing processes require such a small cell because the pick-and-place tools used to place cells in existing systems require a significant amount of time to assemble the panel of cells. Absent. However, by using a parallel assembly tool as described herein, such a module of cells can be assembled quickly and is economical and practical.
形成される細片は、ウエハの実質的に全長にわたって延在でき、エッジ周辺の細いリムしか残らず、また、細片を並列に保持する何らかの支持構造だけでよい。これによって、材料の使用量を2倍に改善することができる。一実施形態では、エッチピッチが100μmの一般的な2mm×直径150mmのウエハから、84,000以上の正方形またはわずかに矩形のセルを製造することができる。 The formed strip can extend over substantially the entire length of the wafer, leaving only a thin rim around the edge and need only some support structure to hold the strip in parallel. Thereby, the amount of material used can be improved by a factor of two. In one embodiment, over 84,000 square or slightly rectangular cells can be fabricated from a typical 2 mm × 150 mm diameter wafer with an etch pitch of 100 μm.
図4は、上述のステップの内のいくつかを含む、光起電力セルの形成に使用される細片を形成するための例示的な方法400のステップを示す図である。本方法では、結晶材料のワークピースが得られ、その材料は、高純度で、選ばれたドーピングを有する(ステップ402)。材料の既知の結晶配向に基づいてワークピースが配向される(ステップ404)。窒化シリコンマスク層のような少なくとも1つのマスク層が、ワークピースの実質的に全体を覆うパターンで、ワークピースの表面および裏面に被着される(ステップ406)。次いで、レジスト材料がワークピースの表面および裏面に塗布される(ステップ408)。次いで、ワークピースの表面および裏面のレジストが露光および現像され、ウエハの表面および裏面の両面に一組の並列スロットが形成され、スロットは、ワークピースの一方のエッジから他方のエッジへ実質的に延在する(ステップ410)。エッチングステップ中には、上述のように少なくとも1つの分割線も形成することができる。あらゆる必要な現像および/または焼成の後に、ワークピース全体をエッチングするために、マスク層のエッチングの後にディープエッチングを施すことができ、それによって、ワークピース内に一連の並列のバーが形成される(ステップ412)。エッチングの後に、全ての残存するレジストを取り除くことができる(ステップ414)。種々の実施形態のための一連の更なるステップでは、さらに、狭い領域を光起電力装置の形成が実質的に完了した装置へと処理する。次いで、バーをダイシング加工して細片を形成することができる(ステップ416)。
FIG. 4 is a diagram illustrating steps of an
ディープエッチングによって細片が形成されると、少なくともいくつかの実施形態では、これら細片の片側または両側をテクスチャリングすることが望ましい場合がある。1つの方法では、窒化物または他のマスキング材料の非常に薄い層が被着さるが、この層は、下層のシリコンが完全に覆われず、また多くの開口部が残る程度の薄さである。下層のシリコンの等方性エッチングは、その後マスク内の開口部の下の領域内にキャビティを作り出すので、シリコン表面をテクスチャリングする。テクスチャリングは、入射光線を曲げる傾向があるので、光線がセルの中でより長い経路を取り、得られるセルの効率を向上させることができる、という点で有効である。しかし、テクスチャリングによって更なるコストが増加する可能性があるが、これは、得られる改善の量に見合ったものとなりうる。 Once the strips are formed by deep etching, it may be desirable in at least some embodiments to texture one or both sides of these strips. In one method, a very thin layer of nitride or other masking material is deposited, but this layer is thin enough not to completely cover the underlying silicon and leave many openings. . The isotropic etching of the underlying silicon then creates a cavity in the area under the opening in the mask, thus texturing the silicon surface. Texturing is effective in that it tends to bend incident light, so that the light can take a longer path in the cell and improve the efficiency of the resulting cell. However, texturing can add further costs, which can be commensurate with the amount of improvement obtained.
POCl3拡散ステップまたは類似したプロセスのステップを使用して、バルクシリコンのバルクドーピングの反対側にドーピングを有する層を形成することができ、それによって、装置全体の表面にわたってダイオード領域が構築される。これは、例えば図1の断面図に見出すことができる。一実施形態では、POCl3および酸素は、大気圧で、通常は約800乃至1150℃の温度でガスとして流入する。POCl3拡散に対してこのガスを適切に混合することによって、リンをシリコンに拡散させることができ、シリコンの表面上にリンガラス(phosphorous glass:PSG)を構築することができる。POCl3拡散は、セル内に異なるドープ領域106および108、すなわち、セルの表面および裏面、またはディープエッチングによって形成された細片の側壁を作り出す。POCl3および酸素は、上面および底面の一部の酸化物(PSG)を再び成長させることができるので、POCl3拡散は、装置上にガラスまたはグレーズを形成することができ、これは、接点が配置される装置の上部または底部から取り除くことができる。この時点で、より多くのダイオード特性を装置の特性に合わせることができる。
A POCl 3 diffusion step or similar process step can be used to form a layer with doping on the opposite side of bulk doping of bulk silicon, thereby building a diode region across the entire surface of the device. This can be found, for example, in the cross-sectional view of FIG. In one embodiment, POCl 3 and oxygen flow as gases at atmospheric pressure, typically at a temperature of about 800-1150 ° C. By properly mixing this gas for POCl 3 diffusion, phosphorus can be diffused into the silicon and phosphorous glass (PSG) can be constructed on the surface of the silicon. POCl 3 diffusion creates different
POCl3の被着ステップ中は、元の窒化物マスクを適所に残しておき、POCl3を、セルのエッジの狭い領域に被着させないようにすることが重要である。 It is important that the original nitride mask be left in place during the POCl 3 deposition step so that POCl 3 is not deposited in the narrow area of the cell edge.
装置の表面からの反射を減じるために、反射防止コーティング(すなわちARC)となるようにデザインされた材料の層、を被着することが可能である。KOHまたは他のディープエッチングの後、表面は比較的滑らかになる。ソーラー電池のような用途に使用する場合、セルへ入射する光の一部は、表面および裏面で反射される。これらの反射は、種々の用途には望ましくないことがある。反射の量を低減する1つの方法は、ARCを被着することである。POCl3を使用して接点を形成する場合は、POCl3の被着中または直後に酸化材料を適切に添加することによって、ARCの層を被着することが可能である。実質的に二酸化ケイ素から構成される誘電体に対する一般的な深さは1000Aである。 To reduce reflection from the surface of the device, it is possible to apply a layer of material designed to be an anti-reflective coating (ie ARC). After KOH or other deep etching, the surface is relatively smooth. When used in applications such as solar cells, some of the light incident on the cell is reflected at the front and back surfaces. These reflections may be undesirable for various applications. One way to reduce the amount of reflection is to deposit an ARC. When using POCl 3 to form contacts, it is possible to deposit a layer of ARC by appropriate addition of an oxidizing material during or immediately after deposition of POCl 3 . A typical depth for a dielectric composed essentially of silicon dioxide is 1000A.
リンガラス(PSG)ARCまたは二酸化ケイ素ARCの代わりに、窒化シリコンARCをセルの表面に被着することができる。PSGおよび残存する窒化物を取り除き、750Aの窒化シリコンの層をARCとして作用するようにこの段階で添加することができる。このような窒化物ARCは、実質的に理想的な特性を有することができ、反射損失は1%という低さである。異なる光インデックスの材料を、光起電性モジュールの構成時に現れうるような、セルの表面と他の光インターフェースとの間のスペースに流す、などの他の反射を低減する方法を使用することができる。 Instead of phosphorous glass (PSG) ARC or silicon dioxide ARC, silicon nitride ARC can be deposited on the surface of the cell. The PSG and remaining nitride can be removed and a 750A layer of silicon nitride can be added at this stage to act as an ARC. Such a nitride ARC can have substantially ideal characteristics, with a reflection loss as low as 1%. Using other reflection-reducing methods, such as flowing different optical index materials into the space between the surface of the cell and other optical interfaces, such as may appear when constructing photovoltaic modules it can.
バーまたは細片は、次いで個々のセルにダイシング加工することができる。細片を矩形のセル、すなわち「スクイバー」にダイシング加工しようとすると細片を破壊する可能性があるので、さらに一連のステップを行って細片への損傷を防ぐことができる。一実施形態では、ウエハの細片の構造的完全性は、細片間の間隙にワックスのような材料を充填することによって改善することができる。CrystalBondのようなワックスは、容易に取り除くことができ、適度な温度で「溶解」し、このワックスは、ウエハに容易に流入して間隙やキャビティを充填することができる。このワックスによって、損傷を与えずに細片を個々のセルにダイシング加工または切断を行うことができる。次いで、このワックスは、室温で、アセトン中で取り除くことができ、CrystalBondを溶解してセルを残す。 The bars or strips can then be diced into individual cells. Since trying to dice the strip into a rectangular cell, or “squibber”, can destroy the strip, a series of additional steps can be taken to prevent damage to the strip. In one embodiment, the structural integrity of the wafer strips can be improved by filling the gaps between the strips with a material such as wax. Waxes such as CrystalBond can be easily removed and “dissolve” at moderate temperatures, and this wax can easily flow into the wafer to fill gaps and cavities. This wax allows the strips to be diced or cut into individual cells without damage. This wax can then be removed in acetone at room temperature, dissolving the CrystalBond and leaving the cell.
他のワックスを使用することができるが、一般的に、有害な溶媒内での高温加熱プロセスが必要である。ポリマーおよび低融点材料のような他のポリマーまたは流動性材料も使用することができる。あらゆるタイプの適切な、選択的に取り除くことができる充填物を使用して、ディープエッチングしたウエハ内の間隙を充填することができる。他の実施形態では、細片は、業界で「ブルーテープ」と称される、一般的にウエハの保持に使用されるものに付着させることができる。細片は、ダイシング加工すると同時にブルーテープ上へ、または別の接着材料上へ載置するか、またはテープの層の間に配置したときにダイシング加工することができる。接着材料が細片の両側に使用されている場合、片側の材料だけを切断することが可能である。 Other waxes can be used but generally require a high temperature heating process in a harmful solvent. Other polymers or flowable materials such as polymers and low melting materials can also be used. Any type of suitable, selectively removable filling can be used to fill the gaps in the deep etched wafer. In other embodiments, the strips can be attached to what is commonly used in the industry to hold wafers, referred to in the industry as “blue tape”. The strips can be diced when they are diced and placed on blue tape, on another adhesive material, or placed between layers of tape. If adhesive material is used on both sides of the strip, it is possible to cut only the material on one side.
(パネル組み立て体)
個々のセルが形成されると、更なるプロセスステップを使用して、セルを使用したパネルまたは他の光起電力装置を形成することができる。一実施形態では、組み立て体固定具は、可撓性基板上の隆起したエッジからなる矩形のグリッドパターンを有する。可撓性基板は、DuPont社(Wilmington、DE)から入手可能なMylar(登録商標)のような、ポリエステルフィルムなどのあらゆる適切な基板であり得る。隆起したエッジは、エポキシ塗料、金属を用いて作成するか、またはMylarにプリントすることが可能である。別の実施形態では、固定具はプリント基板材料から作成され、隆起した領域はメッキされた導電体である。
(Panel assembly)
Once individual cells are formed, additional process steps can be used to form panels or other photovoltaic devices using the cells. In one embodiment, the assembly fixture has a rectangular grid pattern of raised edges on a flexible substrate. The flexible substrate can be any suitable substrate such as a polyester film, such as Mylar® available from DuPont (Wilmington, DE). The raised edges can be made using epoxy paint, metal, or printed on Mylar. In another embodiment, the fixture is made from a printed circuit board material and the raised areas are plated conductors.
別の実施形態では、セルの実質的に並列のグループ分けなどに対して、ステンレス鋼の基板のような導電基板を使用することができる。導電基板は、導電を望まない領域のマスクを取り除く絶縁体を含むことができる。このような基板は、裏面が全て並列に接続されている場合に使用することができる。 In another embodiment, a conductive substrate, such as a stainless steel substrate, can be used, such as for a substantially parallel grouping of cells. The conductive substrate can include an insulator that removes the mask in areas where conduction is not desired. Such a substrate can be used when the back surfaces are all connected in parallel.
一実施形態では、セル502は、乾式振動プロセスを使用して基板上に載せることができる。このようなプロセスでは、図5において小さなグリッドのセクションを埋めることが示されているように、ダイは、ランダムに、またはストリップまたはロットでパッケージ化することができ、また、組み立て体固定グリッド500の上をドライフローさせることができる。なお、セルは、グリッド全体を、またはグリッドの選択されたセクションを充填するように流すことができるものと理解されるべきである。ダイは、少量の振動で流すことができ、また、組み立て体固定具グリッド内の目標レセプタクルに流入させることができる。重力によってセルの流れを助けることができるように、組み立て体固定グリッドの表面にわずかな傾斜をつけることができる。このようなプロセスを使用して、これらのセルの大型パネルを迅速かつ比較的安価な態様で組み立てることができる。
In one embodiment, the
しかし、従来の乾式組み立てツールは、このプロセスには使用できない場合がある。セルは、非常に薄く、表面積対質量の比率が高いので、組み立て治具の表面に張り付く傾向がある。通常の治具の回転運動では、ダイを表面から分離するには不十分である。周期的な間隔で運動を急激に減速させるインパルス振動組み立てツールを使用することで、この吸着力を弱めてダイの回転運動を可能にし、それによりダイをグリッドパターンに組み立てることができる。 However, conventional dry assembly tools may not be usable for this process. The cells are very thin and have a high surface area to mass ratio and therefore tend to stick to the surface of the assembly jig. The normal rotational movement of the jig is not sufficient to separate the die from the surface. By using an impulse vibration assembly tool that rapidly decelerates the motion at periodic intervals, this adsorption force can be weakened to allow rotational movement of the die, thereby assembling the die into a grid pattern.
一実施形態によるプロセスでは、個々のセルはサブモジュールを使用しているパネルに形成されるが、サブモジュールは4”×4”乃至約8”×9”のような任意の好都合なサイズとすることができる。セルは、並列にグループ化して配置し、次いで直列に配置して、任意の所望電圧を発生させることができる。一実施例では、4”×4”のセルを並列に形成して約0.5Vを発生するか、または形成された8”×9”のセルは直列の2つの0.5Vのセルである。これらは、従来構築されているような、2つの6”のウエハを直列にしたものに実質的に等しい。 In a process according to one embodiment, individual cells are formed in a panel using sub-modules, but the sub-modules can be of any convenient size, such as from 4 ″ × 4 ″ to about 8 ″ × 9 ″. be able to. The cells can be grouped in parallel and then placed in series to generate any desired voltage. In one embodiment, 4 ″ × 4 ″ cells are formed in parallel to generate approximately 0.5V, or the formed 8 ″ × 9 ″ cells are two 0.5V cells in series. . These are substantially equivalent to two 6 ″ wafers in series as conventionally constructed.
代替の実施形態では、複数のセルを直列に接続し、次いでこれらのセルの群を並列に接続してより高電圧の配列を形成する。直列の群を並列に接続することの利点は、セルの損失によって、通常、短絡接続がもたらされることである。それぞれ0.5Vの20個のセルのような長いセルのストリングがあった場合、10Vのセルのストリングから1つのセルが欠落すると、電圧が9.5Vになる。しかし、そのストリングを他のストリングと並列に接続すると、これらのストリングの平均出力は、10V乃至9.5Vの範囲となる。大きな配列が0.5Vである別の実施例では、1つのセルに対する短絡接続によって、出力がほとんど無くなるまで配列全体をプルダウンする。したがって、その意味では「直列−並列」配列にはいくつかの利益がある。 In an alternative embodiment, multiple cells are connected in series and then a group of these cells are connected in parallel to form a higher voltage array. The advantage of connecting the series groups in parallel is that the loss of the cell usually results in a short circuit connection. If there is a long cell string, such as 20 cells of 0.5V each, the voltage will be 9.5V if one cell is missing from the 10V cell string. However, when the strings are connected in parallel with other strings, the average output of these strings is in the range of 10V to 9.5V. In another embodiment where the large array is 0.5V, a short connection to one cell pulls down the entire array until there is almost no output. Thus, in that sense, a “series-parallel” arrangement has several benefits.
本実施例では、グレーズドセラミックタイルなどのような他の適切な基板を使用することが可能であるが、硼珪酸ガラスが基板として使用されている。硼珪酸塩には、その熱膨張係数が非常に低く(シリコンと実質的に同じ)、それによって、シリコンおよびガラスの熱膨張に緊密に適合する、という利点がある。そのようなガラスを使用する理由は、これらのペーストのうちのいくつかを焼成するためであり、システムは比較的高温(約700℃など)にしなければならない。ソーダ石灰ガラスのような他のタイプのガラスは、低温で流れ始め、比較的高い熱膨張係数を有するので、セルを従来のガラスに取り付けてセルを高温まで上昇させると、固定されていたセルは、冷却時に相当な力がセルにかかるために、クラックが生じるか、または破損する傾向がある。 In this example, borosilicate glass is used as the substrate, although other suitable substrates such as glazed ceramic tiles can be used. Borosilicate has the advantage that its coefficient of thermal expansion is very low (substantially the same as silicon), thereby closely matching the thermal expansion of silicon and glass. The reason for using such glass is to fire some of these pastes and the system must be at a relatively high temperature (such as about 700 ° C.). Other types of glass, such as soda lime glass, begin to flow at low temperatures and have a relatively high coefficient of thermal expansion, so when a cell is attached to conventional glass and the cell is raised to high temperatures, the fixed cell is , Since a considerable force is applied to the cell during cooling, it tends to crack or break.
最初に、銀ペースト層が基板に被着され、タビングペーストとなる。最終的なモジュールを作成するときに、タビング導電体を一方のサブモジュールから他方のモジュールへはんだ付けして、銀ペースト層へのはんだ付けによって直列に相互接続することができる。銀ペースト層は、ガラス上に配置され、その焼成温度(一実施例では約650乃至700C)で焼成される。 Initially, a silver paste layer is deposited on the substrate to form a tabbing paste. When creating the final module, the tabbing conductor can be soldered from one sub-module to the other and interconnected in series by soldering to a silver paste layer. The silver paste layer is placed on the glass and fired at its firing temperature (about 650 to 700 C in one example).
一実施形態では、絶縁ペーストのリングを各セルの下の領域内に適用して乾燥する。アルミニウムペーストのパターンは、次いで、プリントなどによって銀ペーストの上に塗布される。ペーストが湿っている間に、この基板が配列されて、グリッドに配列したダイの上に配置される。湿式ペーストは、ダイに固着して、ダイを組み立て治具から取り除く。この組み立て体は、低温で乾燥することができる。次いで、セル間のスペースを充填する充填誘電体ペーストが、主として、後にその上に導電体がプリントされる領域内にプリントされる。このペーストは、次いで乾燥される。焼成したときにARCに浸透することができる銀ペーストは、セルの上部の細い線内にプリントされ、乾燥した後に組み立て体を高温(約700℃など)で焼成する。 In one embodiment, a ring of insulating paste is applied in the area under each cell and dried. The pattern of aluminum paste is then applied over the silver paste by printing or the like. While the paste is wet, the substrate is arranged and placed on a die arranged in a grid. The wet paste adheres to the die and removes the die from the assembly jig. This assembly can be dried at low temperatures. The filled dielectric paste that fills the spaces between the cells is then printed primarily in the areas where conductors are printed later. This paste is then dried. A silver paste that can penetrate into the ARC when fired is printed in a thin line at the top of the cell and after drying, the assembly is fired at a high temperature (such as about 700 ° C.).
この時点で、セルは、エネルギ変換装置として機能するようになり、試験を行うことができる。 At this point, the cell is functioning as an energy conversion device and can be tested.
別の実施形態では、熱可塑性銀またはスズ−銀はんだペーストのような低温銀ペーストを、浸透性の銀ペーストの上にプリントして、上部導体を隣接するセルに接続し、次いで硬化または焼成する。 In another embodiment, a low temperature silver paste, such as thermoplastic silver or tin-silver solder paste, is printed on the permeable silver paste to connect the top conductor to the adjacent cell and then cured or fired. .
正方形または矩形の個々のセルにダイシング加工され、サブモジュールに組み立てられると、上述の例示的なウエハのようなウエハから作成されたセルは、一般的に効率が20%であり、完全な日照によって67ワット以上の出力を発生することができる。従来のソーラー電池ウエハに切断した実質的に同じ量の単結晶シリコン材料では、例えば、5つのウエハによって同じ効率が得られ、約17ワットを発生する。これによって、同じ量のシリコンからの出力が4倍に改善される。 When diced into individual square or rectangular cells and assembled into sub-modules, cells made from wafers, such as the exemplary wafers described above, are typically 20% efficient, and with full sunshine An output of 67 watts or more can be generated. With substantially the same amount of single crystal silicon material cut into a conventional solar cell wafer, for example, five wafers can provide the same efficiency, generating about 17 watts. This improves the output from the same amount of silicon by a factor of four.
このようなプロセスの別の利点は、上述のプロセスステップは、従来のセルに必要なプロセスに対する複雑さに類似してはいるが、ウエハ上でのみ行えばよいことである。これに反して、従来の方法では、同じ出力の装置を得るために類似したプロセスを20ものウエハに行わなければならない。このことは、更なる処理コストの節約をもたらす。 Another advantage of such a process is that the process steps described above are similar in complexity to the process required for conventional cells, but need only be performed on the wafer. On the other hand, in the conventional method, a similar process must be performed on as many as 20 wafers to obtain a device with the same output. This results in further processing cost savings.
(第二の例示的な形成方法)
別の実施形態による例示的なプロセスは、図6に示されるような光起電力セル組み立て体600を製造することができる。後述するように、当該のセルは、ウエハの上部にn型領域606、底部にp型領域604を備えたバルク層602を有する。「上部」「下部」のような記述は、本願明細書で使用する場合、明確化および説明のために使用されており、あらゆる実施形態の実際の配向を限定するものとして解釈すべきではないと理解されたい。示されるセルはまた、基板608と、対向するPOCl3層610および612とを有する。
(Second exemplary forming method)
An exemplary process according to another embodiment may produce a
プロセスは、矩形のウエハ、すなわち<1,1,0>配向のシリコンから始まる。このシリコンは、例えば、高純度で、n型またはp型ドーパントでドーピングしたもの、および/または厚さが2mmで直径が150mmのウエハの形態のものとすることができる。このウエハは、ピラニア洗浄プロセスのような適切なプロセスを使用して洗浄することができる。スピンオンガラス(spin−on glass:SOG)を使用して、ウエハの上にホウ素をドープしたSOG接点領域を作製することができる。ウエハは、従来知られているように、適切な斜面および滞留時間、炉または拡散用オーブンに配置され、次いで、緩衝酸化物エッチング(Buffered Oxide Etch:BOE)溶液を使用するなどして、SOGをエッチングで除去できる炉から取り出すことができる。BOEエッチングは、一般的に、ウエハのハードベークの完了後30分以内に開始される。次いで、ウエハのシートの抵抗率を測定することができる。類似したプロセスを使用して、その後の焼成およびエッチングステップによって、ウエハの底部の領域にリンをドープしたSOG接点領域を作製することができる。次いで、拡散層の抵抗率、および(ウエハを介して)ダイオードの特性を測定することができる。バルクシリコンの2つの対向する側面上には、2つの反対にドーピングした領域があるので、ウエハを介してダイオードの特性を測定することができる。 The process begins with a rectangular wafer, i.e., <1,1,0> oriented silicon. The silicon can be, for example, in the form of a high purity, doped with an n-type or p-type dopant and / or a wafer having a thickness of 2 mm and a diameter of 150 mm. The wafer can be cleaned using a suitable process such as a piranha cleaning process. Spin-on glass (SOG) can be used to create boron-doped SOG contact regions on the wafer. The wafer is placed in a suitable ramp and dwell time, furnace or diffusion oven, as is known in the art, and then SOG is used, such as using a Buffered Oxide Etch (BOE) solution. It can be taken out of a furnace that can be removed by etching. BOE etching is typically initiated within 30 minutes after the hard bake of the wafer is complete. The resistivity of the wafer sheet can then be measured. A similar process can be used to create phosphorous doped SOG contact regions in the bottom region of the wafer by subsequent firing and etching steps. The resistivity of the diffusion layer and the characteristics of the diode (via the wafer) can then be measured. Since there are two oppositely doped regions on the two opposite sides of the bulk silicon, the diode characteristics can be measured through the wafer.
ウエハの底部上のSOGリンは、SOGホウ素領域に対する反極性ドープ領域とすることができる。一実施形態では、両方のSOG領域は、同時または実質的に同時にスピンさせることができる。次いで、2つのSOG領域に対する炉の駆動を同時に行うことができる。このような方法によって時間およびコストを削減することができるが、対処すべきいくつかの汚染問題が生じる場合がある。 The SOG phosphorus on the bottom of the wafer can be the antipolar doped region relative to the SOG boron region. In one embodiment, both SOG regions can be spun simultaneously or substantially simultaneously. The furnace can then be driven simultaneously for the two SOG regions. While such a method can save time and cost, it can lead to some contamination problems to be addressed.
結晶シリコンは、比較的低いベース抵抗率を有するが、薄いシリコンウエハの上部および底部に形成された接点領域は、抵抗率がさらに低くなりうる。一実施形態では、接点領域の抵抗率は、単位面積当たり数オームの範囲となるのに、既存のシステムは、単位面積当たり数十オームしか得ることができない。幅の広いドープ接点に接続された小さな金属装置のような、基板デバイスの広い領域にわたって延在する小さな接点を使用しているので、ドープ領域にはより抵抗率の低い接点が必要となる。 Crystalline silicon has a relatively low base resistivity, but the contact regions formed at the top and bottom of a thin silicon wafer can have a lower resistivity. In one embodiment, the resistivity of the contact region is in the range of a few ohms per unit area, while existing systems can only obtain tens of ohms per unit area. Since a small contact is used that extends over a large area of the substrate device, such as a small metal device connected to a wide doped contact, a lower resistivity contact is required in the doped area.
窒化層は、装置のそれぞれの側面に被着することができる。次いで、ウエハは、フォトレジストに対する付着促進剤として機能するように、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)プライマを塗布することなどによって、フォトレジスト被着の準備を行うことができる。レジストは、その後ウエハの表面上をスピンさせることができる。バイアを作り出すパターンは、上部の窒化物を通してエッチングされ、上部レジストにおいて露光される。窒化物にはこのパターンが転写されるが、窒化物エッチングは、窒化物全体を通して、より一般的には、窒化物の厚さの1/2を通して延在する。類似したバイアパターンが、ウエハの裏面上に露光およびエッチングされるが、バイアスロット702は、図7の側面図700に示されるように、ウエハの上部に作成されたスロットの間に配列される。また、窒化物エッチングは、窒化物層がなおも必要であるが、ウエハを通して延在する部分だけに行われる。上述の実施形態にあるように、酸化物層を窒化物層の上に被着して、湿式エッチングプロセスがレジストパターンを窒化物層に転写できるようにすることが可能である。
A nitride layer can be deposited on each side of the device. The wafer can then be prepared for photoresist deposition, such as by applying a hexamethyldisilazane (HMDS) primer, so that it functions as an adhesion promoter for the photoresist. The resist can then be spun on the surface of the wafer. The pattern creating the via is etched through the top nitride and exposed in the top resist. Although this pattern is transferred to the nitride, the nitride etch extends through the entire nitride, and more typically through 1/2 the thickness of the nitride. A similar via pattern is exposed and etched on the back side of the wafer, but the
次いで、装置の上部を、ディープエッチングプロシージャに対してパターン化することができ、パターン化されたレジストは、適切な焼成パターンによって焼成される。露光された上部窒化層は、シリコンまでエッチングすることができ、続いてレジストが取り除かれる。類似したプロシージャをウエハの下部に使用することができ、ウエハは、HMDSプライミングプロシージャのような溶媒ベースのプライミングプロシージャを使用してレジスト被着の準備を行い、次いで、レジストは、装置の表面上をスピンされ、装置の底部はディープエッチングに対してパターン化される。レジストは焼成することができ、底部の窒化物層は、シリコンまでエッチングされる。レジストは、その後取り除くことができる。 The top of the device can then be patterned for a deep etch procedure, and the patterned resist is baked with a suitable baking pattern. The exposed top nitride layer can be etched down to silicon, followed by removal of the resist. A similar procedure can be used on the bottom of the wafer, where the wafer is prepared for resist deposition using a solvent-based priming procedure, such as the HMDS priming procedure, and then the resist is moved over the surface of the apparatus. Spinned and the bottom of the device is patterned for deep etching. The resist can be baked and the bottom nitride layer is etched down to silicon. The resist can then be removed.
別の実施形態によるプロセスでは、レジストは、ウエハの上部および底部に塗布することができ、パターン化は、実質的に同時に行われる。例えば、ウエハは、両面が同時に露光されるように、上部および下部に加工することができるマスクを有する治具装置内に配置することができる。レジストは、焼成前に現像することができる。このようなプロセスは、バイアエッチングパターンおよびディープエッチングパターンの両方に使用することができる。 In a process according to another embodiment, the resist can be applied to the top and bottom of the wafer and the patterning is performed substantially simultaneously. For example, the wafer can be placed in a jig apparatus having a mask that can be processed at the top and bottom so that both sides are exposed simultaneously. The resist can be developed before baking. Such a process can be used for both via etch patterns and deep etch patterns.
次いで、装置は、水に40重量%の水酸化カリウム(KOH)を溶解した溶液を使用した異方性湿式エッチング槽のような、湿式槽においてディープエッチングを施すことができる。このエッチングは、ウエハの表面のような一方向からウエハ全体に進めるか、または(両面に窒化物のマスクを使用して)ウエハの表面および裏面から開始して中間で合流させることができる。両面から開始することによって、エッチングの時間が短縮され、アンダーカットを減じることができる。 The device can then be deep etched in a wet bath, such as an anisotropic wet etch bath using a solution of 40 wt% potassium hydroxide (KOH) in water. This etching can proceed from one direction, such as the front surface of the wafer, to the entire wafer, or can be merged in the middle starting from the front and back surfaces of the wafer (using nitride masks on both sides). By starting from both sides, the etching time is shortened and undercutting can be reduced.
いくつかの実施形態では、ディープエッチングが重要となる。比較的高温のKOH溶液を使用する場合、湿式エッチングには複数の問題が生じうる。例えば、不均等なエッチングによって性能が異なるセルが生じる可能性がある。さらに、表面および裏面のエッチングは、狭い許容範囲を満たすように配列しなければならない。 In some embodiments, deep etching is important. Several problems can occur with wet etching when using relatively hot KOH solutions. For example, uneven performance can result in cells with different performance. Furthermore, the front and back surface etches must be arranged to meet narrow tolerances.
エッチングプロセス(KOH湿式エッチング以外の複数のエッチングプロセスのうちのいずれかを含むことができる)は、ウエハは全体に複数のスロットを作り出すことができる。従来技術にあるような細長いストリップの代わりに実質的に正方形のセルを使用する利点は、ウエハの実質的に全体を使用できることである。全て同じサイズである細長いストリップを使用する場合、ウエハの使用可能な領域は、実質的に正方形であり、これは従来の技術において円形のシリコンウエハの約半分が無駄になっていることを意味する。矩形のセルを使用した場合、ウエハにエッチングされた細片は、その後に個々のセルにダイシング加工され、その長さを変化させることができる。このように、これらの細片は、ウエハの実質的に全長にわたって延在させることができ、エッジ周辺の細いリムしか残らず、また、細片を並列に保持する何らかの支持構造だけでよい。これによって、材料の使用量を2倍に改善することができる。一実施形態では、エッチピッチが100μmの一般的な2mm×直径150mmのウエハから、84,000以上の正方形またはわずかに矩形のセルを製造することができる。 An etching process (which can include any of a plurality of etching processes other than KOH wet etching) can create a plurality of slots throughout the wafer. An advantage of using substantially square cells instead of elongated strips as in the prior art is that substantially the entire wafer can be used. When using elongate strips that are all the same size, the usable area of the wafer is substantially square, meaning that about half of the circular silicon wafer is wasted in the prior art. . When rectangular cells are used, the strips etched into the wafer can then be diced into individual cells to change their length. Thus, these strips can extend over substantially the entire length of the wafer, leaving only a thin rim around the edge and need only some support structure to hold the strips in parallel. Thereby, the amount of material used can be improved by a factor of two. In one embodiment, over 84,000 square or slightly rectangular cells can be fabricated from a typical 2 mm × 150 mm diameter wafer with an etch pitch of 100 μm.
上述のように、テクスチャリングプロセスを用いて反射を低減することができる。POCl3拡散ステップまたは類似したプロセスのステップを使用して、バルクシリコンのバルクドーピングの反対側にドーピングを有する層を形成することができ、それによって、装置全体の表面にわたってダイオード領域が構築される。POCl3拡散は、セル内に異なるドープ領域、すなわち、セルの表面および裏面、またはディープエッチングによって形成された細片の側壁を作り出す。POCLは、上面および底面の酸化物を再び成長させることができるので、POCl3拡散は、装置上にガラスまたはグレーズを形成することができ、これは、接点が配置される装置の上部または底部から取り除くことができる。この時点で、より多くのダイオード特性を装置の特性に合わせることができる。 As described above, the texturing process can be used to reduce reflections. A POCl 3 diffusion step or similar process step can be used to form a layer with doping on the opposite side of bulk doping of bulk silicon, thereby building a diode region across the entire surface of the device. POCl 3 diffusion creates different doped regions within the cell, ie, the front and back surfaces of the cell, or the sidewalls of the strip formed by deep etching. Since POCL can re-grow the top and bottom oxides, POCl 3 diffusion can form glass or glaze on the device, from the top or bottom of the device where the contacts are located. Can be removed. At this point, more diode characteristics can be matched to the device characteristics.
上述のように、POCl3拡散によるPSGは、ARC層を作り出すようにデザインすることができる。別様には、PSGを取り除いて、同等の厚さの熱酸化物または他の材料を転嫁してARCを形成することができる。 As mentioned above, PSG with POCl 3 diffusion can be designed to create an ARC layer. Alternatively, PSG can be removed and an equivalent thickness of thermal oxide or other material can be transferred to form an ARC.
次いで、バイアスロット内に残存する窒化物を、上述した熱リン酸を使用するなどによってエッチングすることができる。窒化物は、シリコンまでエッチングされる。また、このエッチングは、窒化物のディープエッチングマスクのあらゆる過剰な窒化物を取り除くことができる。 The nitride remaining in the bias lot can then be etched, such as by using the hot phosphoric acid described above. The nitride is etched down to silicon. This etch can also remove any excess nitride in the nitride deep etch mask.
一実施形態では、金属接点は、ウエハの上部および底部にスクリーンプリントされ、バイアスロットに配列およびプリントされる。pドープ接点領域は、アルミニウムまたは銀、あるいは銀/アルミニウムを組み合わせたペーストでプリントすることができる。nドープ接点領域は、銀ペーストでプリントすることができる。 In one embodiment, the metal contacts are screen printed on the top and bottom of the wafer and arranged and printed in a bias lot. The p-doped contact region can be printed with aluminum or silver or a silver / aluminum combination paste. The n-doped contact region can be printed with silver paste.
別の実施形態では、金属接点は、組み立てプロセスの一部としてプリントされる。さらに別の実施形態では、nドープ接点領域のバイアは、パターン化およびエッチングが行われない。その代わりに、窒化層を通じて焼成できる銀ペーストを用いて、下層の多量にドーピングした接点領域と接触させる。 In another embodiment, the metal contacts are printed as part of the assembly process. In yet another embodiment, the n-doped contact region vias are not patterned and etched. Instead, a silver paste that can be fired through the nitride layer is used to contact the underlying heavily doped contact region.
さらに別の実施形態では、pドープ接点領域のバイアは、パターン化およびエッチングが行われない。その代わりに、窒化層を通じて焼成できるアルミニウムまたはアルミニウム/銀を組み合わせたペーストを用いて、下層の多量にドーピングした接点領域と接触させる。POCl3のステップを用いて表/裏面のダイオード領域を形成する場合は、装置が短絡する場合があるので、このペーストステップにおいて、POCl3が被着された領域にペーストが流れ出さないように注意しなければならない。 In yet another embodiment, the p-doped contact region vias are not patterned and etched. Instead, an aluminum or aluminum / silver combination paste that can be fired through the nitride layer is used to contact the underlying heavily doped contact region. When the front / back diode regions are formed using the POCl 3 step, the device may be short-circuited. In this paste step, care should be taken that the paste does not flow into the region where the POCl 3 is applied. Must.
接点領域が形成されると、細片は、上述のように個々のセルにダイシング加工することができる。次いで、パネルを上述のように形成することができる。例えば、ダイシング加工前にウエハ上に両方の金属接点がプリントされた接点を用いるプロセスの一実施形態では、処理に低温しか必要としない、以降のパネルの組み立てプロセスを用いることができるという利点がもたらされる。これによって、プラスチックのような、より多くのタイプの基板を使用できるようになる。 Once the contact areas are formed, the strips can be diced into individual cells as described above. The panel can then be formed as described above. For example, one embodiment of a process that uses contacts with both metal contacts printed on the wafer prior to dicing provides the advantage that a subsequent panel assembly process can be used that requires only low temperatures for processing. It is. This allows more types of substrates, such as plastic, to be used.
薄い可撓性基板およびより硬い比較的厚い基板のような、異なるクラスの基板を使用して、セルを支持することができる。これらの硬質基板は、例えば、完成品のパネルのサイズに切断された1/16”乃至約1/4”のアクリルシートとすることができる。組み立て体を支持および保護するための表面および/または裏面を有することができるサブ組み立て体内に、薄く柔軟な材料を配置することができる。これは、柔軟性のある装置を有する特定の用途において利点となりうる。 Different classes of substrates can be used to support the cells, such as thin flexible substrates and harder, relatively thick substrates. These hard substrates can be, for example, acrylic sheets from 1/16 "to about 1/4" cut to the size of the finished panel. A thin and flexible material can be placed in a subassembly that can have a front and / or backside to support and protect the assembly. This can be an advantage in certain applications with flexible devices.
分離されたセルは、上述のように組み立て体固定グリッド上に組み立てられる。別途、基板は、最初に、エポキシ塗料などの絶縁体の線のパターンでプリントされる。次いで、わずかに厚みの大きな絶縁体の線の間に、例えば低温熱可塑性銀ペーストまたはエポキシ銀ペーストを使用して、導電体の線のパターンがプリントされる。絶縁体の線は、導電体の線が互いに流れ出ないようにし、また、セルが導電体の上に配置されるときにストッパを形成する。導電体のペーストが未だ湿っている間に、基板は、組み立てられたセルを有する組み立て体固定グリッドの上に配置される。湿式ペーストは、セルに固着し、セルを基板に移すことができる。ペーストは、その後硬化または乾燥される。 The separated cells are assembled on the assembly fixing grid as described above. Separately, the substrate is first printed with a pattern of insulator lines such as epoxy paint. A pattern of conductor lines is then printed between the slightly thicker insulator lines using, for example, a low temperature thermoplastic silver paste or an epoxy silver paste. The insulator lines prevent the conductor lines from flowing out of each other and also form a stopper when the cell is placed over the conductor. While the conductor paste is still wet, the substrate is placed on an assembly fixture grid with assembled cells. The wet paste can stick to the cell and transfer the cell to the substrate. The paste is then cured or dried.
別の実施形態では、熱可塑性またはエポキシ銀ペーストの小さな点をプリントする更なるステップを用いて、バイアエッジにおいてセルの上にプリントし、セル上の接点領域から下層の金属相互接続線への接続を確保する。 In another embodiment, a further step of printing a small spot of thermoplastic or epoxy silver paste is used to print on the cell at the via edge and connect the contact area on the cell to the underlying metal interconnect line. Secure.
(第三の例示的な形成方法)
別の実施形態によるセルを形成するためのプロセスでは、セルは、<1,1,0>配向のシリコン結晶のような結晶材料から、対称の正方形または矩形のパターンで製造される。当該の光起電力セル800の一実施例を図8に示す。本実施例のセルは、正面および背面から見たときに実質的に同一であるように、表面/裏面および側面/側面は対称である。この特定の光景は、バルク材料802を示すもので、その厚さは、ダイの形成に使用されるシリコンウエハまたは他の材料の厚さによって主に決定される。いくつかの実施形態には、標準のシリコンウエハよりも厚いものが望まれる場合がある。セル800は、後述するように、上部804および下部806のドープ領域と、複数の接点領域808、810、および812とを有する。
(Third exemplary forming method)
In a process for forming a cell according to another embodiment, the cell is fabricated in a symmetrical square or rectangular pattern from a crystalline material, such as a <1,1,0> oriented silicon crystal. An example of the
一実施形態によるセルでは、上部領域804はホウ素ドープ領域であり、下部領域806はリンドープ領域である。本図は比例尺ではなく、これらの領域のそれぞれは、一般的に、バルクシリコン802の厚さに比較して薄い。少なくともいくつかの実施形態では、セルは大きくなるほど効率的でプロセスが少なくなるので、ウエハが厚いほうが好適であるが、より厚いウエハにはより長いエッチングも必要であり、結果的に、望ましくない量のアンダーカットを生じることになりうる。一実施形態では、バルクシリコンの厚さは、約1乃至2mm程度となりうる。
In a cell according to one embodiment, the
一実施形態によるこのようなセル(この場合は正方形または矩形のセル)を作製するためのプロセスは、上述のような特性を有する<1,1,0>配向のシリコンのウエハから始まる。このウエハは、ピラニア洗浄プロセスのような適切なプロセスを使用して洗浄することができる。スピンオンガラス(SOG)を使用して、ウエハの上にホウ素をドープしたSOG接点領域を作製することができる。ウエハは、従来知られているように、適切な斜面および滞留時間、炉または拡散用オーブンに配置され、次いで、緩衝酸化物エッチング(BOE)溶液を使用するなどして、SOGをエッチングで除去できる炉から取り出すことができる。BOEエッチングは、一般的に、ウエハのハードベークの完了後30分以内に開始される。次いで、ウエハのシートの抵抗率を測定することができる。類似したプロセスを使用して、その後の焼成およびエッチングステップによって、ウエハの底部の領域にリンをドープしたSOG接点領域を作製することができる。次いで、拡散層の抵抗率、および(ウエハを介して)ダイオードの特性を測定することができる。バルクシリコンの2つの対向する側面上には、2つの反対にドーピングした領域があるので、ウエハを介してダイオードの特性を測定することができる。 The process for making such a cell (in this case a square or rectangular cell) according to one embodiment begins with a <1,1,0> oriented silicon wafer having the characteristics described above. The wafer can be cleaned using a suitable process such as a piranha cleaning process. Spin-on glass (SOG) can be used to create a boron-doped SOG contact region on the wafer. The wafer is placed in a suitable ramp and dwell time, furnace or diffusion oven, as known in the art, and then the SOG can be etched away, such as by using a buffered oxide etch (BOE) solution. Can be removed from the furnace. BOE etching is typically initiated within 30 minutes after the hard bake of the wafer is complete. The resistivity of the wafer sheet can then be measured. A similar process can be used to create phosphorous doped SOG contact regions in the bottom region of the wafer by subsequent firing and etching steps. The resistivity of the diffusion layer and the characteristics of the diode (via the wafer) can then be measured. Since there are two oppositely doped regions on the two opposite sides of the bulk silicon, the diode characteristics can be measured through the wafer.
ウエハの底部上のSOGリンは、SOGホウ素領域に対する反極性ドープ領域とすることができる。一実施形態では、両方のSOG領域は、同時または実質的に同時にスピンさせることができる。次いで、2つのSOG領域に対する炉の駆動を同時に行うことができる。このような方法によって時間およびコストを削減することができるが、対処すべきいくつかの汚染問題が生じる場合がある。 The SOG phosphorus on the bottom of the wafer can be the antipolar doped region relative to the SOG boron region. In one embodiment, both SOG regions can be spun simultaneously or substantially simultaneously. The furnace can then be driven simultaneously for the two SOG regions. While such a method can save time and cost, it can lead to some contamination problems to be addressed.
結晶シリコンは、比較的低いベース抵抗率を有するが、薄いシリコンウエハの上部および底部に形成された接点領域は、抵抗率がさらに低くなりうる。一実施形態では、接点領域の抵抗率は、単位面積当たり数オームの範囲となるのに、既存のシステムは、単位面積当たり数十オームしか得ることができない。幅の広いドープ接点に接続された小さな金属装置のような、デバイスの広い領域にわたって延在する小さな接点を使用しているので、ドープ領域にはより抵抗率の低い接点が必要となり得る。 Crystalline silicon has a relatively low base resistivity, but the contact regions formed at the top and bottom of a thin silicon wafer can have a lower resistivity. In one embodiment, the resistivity of the contact region is in the range of a few ohms per unit area, while existing systems can only obtain tens of ohms per unit area. Since a small contact is used that extends over a large area of the device, such as a small metal device connected to a wide doped contact, a lower resistivity contact may be required in the doped area.
窒化層は、装置のそれぞれの面に被着することができる。次いで、ウエハは、フォトレジストに対する付着促進剤として機能するように、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)プライマを塗布するなどによって、フォトレジスト被着の準備を行うことができる。次いで、レジストは、装置の表面上をスピンさせることができる。装置の上部は、ディープエッチングプロシージャに対してパターン化することができ、パターン化されたレジストは、適切な焼成パターンによって焼成される。露光された上部窒化層は、シリコンまでエッチングすることができ、続いてレジストが取り除かれる。類似したプロシージャをウエハの下部に使用することができ、ウエハは、HMDSプライミングプロシージャのようなプロセスを使用してレジスト被着の準備を行い、次いで、レジストは、装置の表面上をスピンされ、装置の底部はディープエッチングに対してパターン化される。レジストは焼成することができ、底部の窒化物層は、シリコンまでエッチングされる。レジストは、その後取り除くことができる。 A nitride layer can be deposited on each side of the device. The wafer can then be prepared for photoresist deposition, such as by applying a hexamethyldisilazane (HMDS) primer, so that it functions as an adhesion promoter for the photoresist. The resist can then be spun on the surface of the device. The top of the device can be patterned for deep etching procedures, and the patterned resist is baked with a suitable baking pattern. The exposed top nitride layer can be etched down to silicon, followed by removal of the resist. A similar procedure can be used on the bottom of the wafer, where the wafer is prepared for resist deposition using a process such as a HMDS priming procedure, and then the resist is spun on the surface of the apparatus, The bottom of is patterned for deep etching. The resist can be baked and the bottom nitride layer is etched down to silicon. The resist can then be removed.
別の実施形態によるプロセスでは、レジストは、ウエハの上部および底部に塗布することができ、パターン化は、実質的に同時に行われる。例えば、ウエハは、両面が同時に露光されるように、上部および下部に加工することができるマスクを有する治具装置内に配置することができる。レジストは、焼成前に現像することができる。 In a process according to another embodiment, the resist can be applied to the top and bottom of the wafer and the patterning is performed substantially simultaneously. For example, the wafer can be placed in a jig apparatus having a mask that can be processed at the top and bottom so that both sides are exposed simultaneously. The resist can be developed before baking.
次いで、装置は、イソプロピルアルコールに40重量%の水酸化カリウム(KOH)を溶解した溶液を使用した異方性湿式エッチング槽のような、湿式槽においてディープエッチングを施すことができるが、これはエッチングを減速する傾向がある。このエッチングは、ウエハの表面のような一方向からウエハ全体に進めるか、または(両面に窒化物のマスクを使用して)ウエハの表面および裏面から開始して中間で合流させることができる。両面から開始することによって、エッチングの時間が短縮され、アンダーカットを減じることができる。 The apparatus can then perform deep etching in a wet bath, such as an anisotropic wet etch bath using a solution of 40 wt% potassium hydroxide (KOH) in isopropyl alcohol. Tend to slow down. This etching can proceed from one direction, such as the front surface of the wafer, to the entire wafer, or can be merged in the middle starting from the front and back surfaces of the wafer (using nitride masks on both sides). By starting from both sides, the etching time is shortened and undercutting can be reduced.
いくつかの実施形態では、ディープエッチングが重要となりうる。比較的高温のKOH溶液を使用する場合、湿式エッチングには複数の問題が生じうる。例えば、不均等なエッチングによって性能が異なるセルが生じる可能性がある。さらに、表面および裏面のエッチングは、狭い許容範囲を満たすように配列しなければならない。 In some embodiments, deep etching can be important. Several problems can occur with wet etching when using relatively hot KOH solutions. For example, uneven performance can result in cells with different performance. Furthermore, the front and back surface etches must be arranged to meet narrow tolerances.
エッチングプロセス(KOH湿式エッチング以外の複数のエッチングプロセスのうちのいずれかを含むことができる)は、ウエハは全体に複数のスロットを作り出すことができる。従来技術にあるような細長いストリップの代わりに実質的に正方形のセルを使用する利点は、ウエハの実質的に全体を使用できることである。全て同じサイズでなければならない細長いストリップを使用する場合、ウエハの使用可能な領域は実質的に正方形であるが、これは従来の技術において円形のシリコンウエハの約半分が無駄になっていることを意味する。矩形のセルを使用した場合、ウエハにエッチングされた細片は、その後に個々のセルにダイシング加工され、その長さを変化させることができる。このように、これらの細片は、ウエハの実質的に全長にわたって延在させることができ、エッジ周辺の細いリムしか残らず、また、細片を並列に保持する何らかの支持構造だけでよい。これによって、材料の使用量を2倍に改善することができる。一実施形態では、エッチピッチが100μmの一般的な2mm×直径150mmのウエハから、84,000以上の正方形またはわずかに矩形のセルを製造することができる。 An etching process (which can include any of a plurality of etching processes other than KOH wet etching) can create a plurality of slots throughout the wafer. An advantage of using substantially square cells instead of elongated strips as in the prior art is that substantially the entire wafer can be used. When using elongated strips that must all be the same size, the usable area of the wafer is substantially square, which means that about half of a circular silicon wafer is wasted in the prior art. means. When rectangular cells are used, the strips etched into the wafer can then be diced into individual cells to change their length. Thus, these strips can extend over substantially the entire length of the wafer, leaving only a thin rim around the edge and need only some support structure to hold the strips in parallel. Thereby, the amount of material used can be improved by a factor of two. In one embodiment, over 84,000 square or slightly rectangular cells can be fabricated from a typical 2 mm × 150 mm diameter wafer with an etch pitch of 100 μm.
ディープエッチングの結果、ウエハ内に細片が形成されると、少なくともいくつかの実施形態では、細片の側面のうちの少なくとも1つをテクスチャリングすることが望ましい。KOHまたは他のディープエッチングの後、表面は比較的滑らかになる。ソーラー電池のような用途に使用する場合、セルへ入射する光の一部は、表面および裏面で反射される。これらの反射は、種々の用途には望ましくないことがある。反射の量を低減する1つの方法は、表面のうちの少なくとも1つをテクスチャリングすることである。1つの方法では、窒化物または他のマスキング材料の薄層のような層が被着され、次いで、テクスチャリングするために、湿式エッチングされて取り除かれる。しかし、テクスチャリングによって更なるコストが増加する可能性があるが、これは、得られる改善の量に見合ったものとなりうる。セルの表面と他の光インターフェースとの間のスペースに材料を流すような、他の方法を使用して反射を低減することができる。 Once the strip is formed in the wafer as a result of deep etching, it is desirable in at least some embodiments to texture at least one of the sides of the strip. After KOH or other deep etching, the surface is relatively smooth. When used in applications such as solar cells, some of the light incident on the cell is reflected at the front and back surfaces. These reflections may be undesirable for various applications. One way to reduce the amount of reflection is to texture at least one of the surfaces. In one method, a layer such as a thin layer of nitride or other masking material is deposited and then wet etched away for texturing. However, texturing can add further costs, which can be commensurate with the amount of improvement obtained. Other methods can be used to reduce reflections, such as flowing material into the space between the cell surface and other optical interfaces.
POCL拡散ステップまたは類似したプロセスのステップを使用して、バルクシリコンのバルクドーピングの反対側にドーピングを有する層を形成することができ、それによって、装置の表面全体にわたってダイオード領域が構築される。これは、例えば、図9の断面図900に見出すことができる。POCL拡散は、セル内に異なるドープ領域902、すなわち、セルの表面および裏面、またはディープエッチングによって形成された細片の側壁を作り出す。POCLは、上面および底面の一部の酸化物を再び成長させることができるので、POCL拡散は、装置上にガラスまたはグレーズを形成することができ、これは、接点が配置される装置の上部または底部から取り除くことができる。所望の深さまでドーピングし、結晶の欠損を低減するために、従来知られているように、少なくとも1つのリドライブステップを使用することができる。リドライブステップは、ウエハの露出領域を不動態化するように、炉中に浸漬することによって行うか、または乾式または湿式熱酸化ステップと組み合わせることができる。これは、結晶の欠損を最小限に抑えることを助けることができる。この時点で、より多くのダイオード特性を装置の特性に合わせることができる。
A POCL diffusion step or similar process step can be used to form a layer with doping on the opposite side of bulk doping of bulk silicon, thereby building a diode region across the entire surface of the device. This can be found, for example, in the
シャドーマスクのようなマスクを使用して、装置のための接点領域を形成することができる。シャドーマスクは、シリコンまたは他の金属のような材料内のパターンであり、開口部、溝、または他のパターン化された特徴がその中に形成される。シャドーマスクは、装置の上部および/または下部へ降下させることができる。シャドーマスクは、スパッタエッチングのようなエッチングプロセスとともに使用して、マスクの開口領域の下の熱酸化物などの絶縁体を取り除くことができる。シャドーマスクを使用して、接点領域808、810、および812を形成するために、装置の上部および底部に、アルミニウムのような金属を被着することができる。また、装置の一方にアルミニウム、他方にはCr/Niなどのような金属の組み合わせを使用することができる。
A mask, such as a shadow mask, can be used to form the contact area for the device. A shadow mask is a pattern in a material such as silicon or other metal in which openings, trenches, or other patterned features are formed. The shadow mask can be lowered to the top and / or bottom of the device. The shadow mask can be used in conjunction with an etching process such as sputter etching to remove insulators such as thermal oxide under the open area of the mask. A metal such as aluminum can be deposited on the top and bottom of the device to form
接点領域が形成されると、細片は、個々のセルにダイシング加工することができる。細片を正方形のセル、すなわち「スクイバー」にダイシング加工しようとすると細片を破壊する可能性があるので、さらに一連のステップを行って細片への損傷を防ぐことができる。一実施形態では、ウエハの細片の構造的完全性は、細片間の間隙にワックスのような材料を充填することによって改善することができる。CrystalBondのようなワックスは、容易に取り除くことができ、適度な温度で「溶解」し、このワックスは、ウエハに容易に流入してキャビティを充填することができる。このワックスによって、損傷を与えずに細片を個々のセルにダイシング加工することができる。次いで、このワックスは、室温で、アセトン中で取り除くことができる。他のワックスを使用することができるが、一般的に、有害な溶媒内での高温加熱プロセスが必要である。ポリマーおよび低融点材料のような他のポリマーまたは流動性材料も使用することができる。あらゆるタイプの適切な、選択的に取り除くことができる充填物を使用して、ディープエッチングしたウエハ内の間隙を充填することができる。他の実施形態では、細片は、業界で「ブルーテープ」と称される、一般的にウエハの保持に使用されるものに付着させることができる。細片は、ダイシング加工すると同時にブルーテープ上へ、または別の接着材料上へ載置するか、またはテープの層の間に配置したときにダイシング加工することができる。接着材料が細片の両側に使用されている場合、片側の材料だけを切断することが可能である。 Once the contact areas are formed, the strips can be diced into individual cells. Since attempting to dice the strip into a square cell, or “squibber”, can destroy the strip, a series of additional steps can be taken to prevent damage to the strip. In one embodiment, the structural integrity of the wafer strips can be improved by filling the gaps between the strips with a material such as wax. Waxes such as CrystalBond can be easily removed and “melted” at moderate temperatures, and this wax can easily flow into the wafer and fill the cavities. With this wax, the strips can be diced into individual cells without damage. The wax can then be removed in acetone at room temperature. Other waxes can be used but generally require a high temperature heating process in a harmful solvent. Other polymers or flowable materials such as polymers and low melting materials can also be used. Any type of suitable, selectively removable filling can be used to fill the gaps in the deep etched wafer. In other embodiments, the strips can be attached to what is commonly used in the industry to hold wafers, referred to in the industry as “blue tape”. The strips can be diced when they are diced and placed on blue tape, on another adhesive material, or placed between layers of tape. If adhesive material is used on both sides of the strip, it is possible to cut only the material on one side.
一実施形態では、細片をダイシング加工するときに、少なくとも1つのノッチを切り取ることができる。これらのノッチは、最終的なパネルまたは装置におけるダイの所望のアライメントの確保を助けることができる。他の実施形態では、配向は重要ではなく、ノッチは不要である。 In one embodiment, at least one notch can be cut when dicing the strip. These notches can help ensure the desired alignment of the die in the final panel or device. In other embodiments, orientation is not critical and notches are not required.
(更なる組み立てプロセス)
セルが形成されると、更なるプロセスステップを使用して、セルを使用したパネルまたは他の光起電力装置を形成することができる。一実施形態では、セルは流体と混合され、セルと流体とのスラリーが基板上に流される。基板は、セルに嵌合するように凹部がスタンプされた、透明プラスチックのような任意の適切な基板とすることができる。薄い可撓性基板およびより硬い比較的厚い基板のような、異なるクラスの基板を使用して、セルを支持することができる。これらの硬質基板は、例えば、完成品のパネルのサイズに切断された1/8”または1/4”のアクリルシートとすることができる。組み立て体を支持および保護するための表面および/または裏面を有することができるサブ組み立て体内に、薄く柔軟な材料を配置することができる。これは、柔軟性のある装置を有する特定の用途において利点となりうる。
(Further assembly process)
Once the cell is formed, additional process steps can be used to form a panel or other photovoltaic device using the cell. In one embodiment, the cell is mixed with a fluid and a slurry of the cell and fluid is flowed over the substrate. The substrate can be any suitable substrate, such as a transparent plastic, with a recess stamped to fit into the cell. Different classes of substrates can be used to support the cells, such as thin flexible substrates and harder, relatively thick substrates. These rigid substrates can be, for example, 1/8 "or 1/4" acrylic sheets cut to the size of the finished panel. A thin and flexible material can be placed in a subassembly that can have a front and / or backside to support and protect the assembly. This can be an advantage in certain applications with flexible devices.
セルを受け入れる準備のできた基板は、その中に形成されたスロットまたは凹部などの複数の特徴を有することができる。これらのスロットまたは凹部は、スタンピングによって、フリットまたは細い断熱材を使用して、または導電体/相互接続を使用して作製することができ、セルのためのフレームを作り出すことができる。例えば、図10に示されるように、実質的に正方形の凹部は、リボンにスタンプしてセルを配列1000内に保持することができる。また、スロットは、垂直カラムとするか、または基板の面に垂直なカラムとすることができ、材料が流れてきたときに、装置を垂直カラムの上に互いにスタックすることができる。例えば、スロットは、長さを100mm、幅を2mmにすることができ、寸法が2mm×4mmであるダイをこのスロットにスタックすることができる。この場合、ダイは、ダイの長軸とスロットの長軸とが合うようにしか載せることができない。ダイは、スロットが一杯になるまで、互いの上に1つスタックすることができる。別の実施例では、スロットは、長さを100mm、幅を4mmにすることができ、ダイは、ダイの長軸とスロットの長軸とを合わせられるようにスタックすることができる。また、ダイの短軸とスロットの長軸とを合わせて、それによって不要な間隙を形成することも可能である。このような状況では、更なる機構を使用して、ダイのアライメントを好適な配向に移動させることができる。また、基板は、スタックすることによってその中にセルを流し入れて充填することができる大きな開口部を有することができる。
A substrate ready to receive a cell can have a plurality of features such as slots or recesses formed therein. These slots or recesses can be made by stamping, using frit or thin insulation, or using conductors / interconnects, and can create a frame for the cell. For example, as shown in FIG. 10, a substantially square recess can stamp a ribbon to hold the cells in the
ダイを囲むフレームは、加熱したときにリフローして平坦になる材料で作製することができる。次いで、フレームとダイとの間のスペースを減じることができ、それによって、ダイを所定の位置に把持および固定する。例えば、変形可能材料を基板上に被着して、スロットのエッジとして使用することができる。ダイがこれらのスロットに流し入れられた後に、この隆線の材料を軟化させるためにスロットのエッジを加熱することができ、材料は、ダイの周囲にリフローすることができる。この隆線は拡張もでき、さらにセルを所定の位置さらに固定する。他にも複数のダイを載せるための方法があり、本願明細書には記述しないが、それらは当業者には既知であるか、または本願明細書の記述に照らして明らかである。 The frame surrounding the die can be made of a material that reflows and flattens when heated. The space between the frame and the die can then be reduced, thereby gripping and securing the die in place. For example, a deformable material can be deposited on the substrate and used as the edge of the slot. After the dies are poured into these slots, the slot edges can be heated to soften the ridge material and the material can reflow around the dies. This ridge can also be expanded, further fixing the cell in place. There are other ways to load multiple dies, which are not described herein, but are known to those skilled in the art or will be apparent in light of the description herein.
流体自己集合プロセスは、次いで、セルを、全てではないが、大部分をリボン内の利用可能な凹部に載せることができる。多くの流体組み立てシステムに使用される方法および材料は、Smithらへの、米国特許第6,623,579号、名称「Methods and Apparatus for Fluidic Self Assembly」に記載されているような既知の技術であり、参照することにより本願明細書に組み込まれる。 The fluid self-assembly process can then place most, if not all, of the cells in available recesses in the ribbon. The methods and materials used in many fluid assembly systems are known in the art as described in Smith et al., US Pat. No. 6,623,579, entitled “Methods and Apparatus for Fluid Self Assembly”. Yes, which is incorporated herein by reference.
別の実施形態では、セルは、乾式振動プロセスを使用して基板に載せることができる。このようなプロセスでは、ダイは、ランダムに、またはストリップまたはロットでパッケージ化することができ、また、少量の振動によって基板上をドライフローさせて、基板内の目標レセプタクルへ流入させることができる。重力によってセルの流れを助けることができるように、基板の表面にわずかな傾斜をつけることができる。このようなプロセスを使用して、これらのセルの大型パネルを迅速かつ比較的安価な態様で組み立てることができる。 In another embodiment, the cell can be placed on the substrate using a dry vibration process. In such a process, the dies can be packaged randomly or in strips or lots, and can be dry-flowed over the substrate with a small amount of vibration and flow into a target receptacle in the substrate. The surface of the substrate can be slightly inclined so that gravity can help the cell flow. Using such a process, large panels of these cells can be assembled quickly and in a relatively inexpensive manner.
他の実施形態では、流体および振動プロセスの組み合わせを使用して、基板にセルを載せることができる。流体組み立てを使用する場合、既知の技術のように、流体は取り除かれ、セル/基板を乾燥することができる。流体は、脱イオン水のような単純な流体とするか、または他の複数の所望の特性のうちのいずれかを有することができる。例えば、流体は、流体およびセルの流れを向上させ、互いの上のダイの流れを改善する界面活性剤特性を有することができる。また、基板内の凹部は、ダイがその位置に入ったときに、ダイがその場所に留まる傾向にあるように、ダイにその場所への特定の誘引を提供する材料でパターン化することができる。 In other embodiments, a combination of fluid and vibration processes can be used to place the cell on the substrate. When using fluid assembly, the fluid can be removed and the cell / substrate can be dried, as is known in the art. The fluid can be a simple fluid, such as deionized water, or have any of a number of other desired properties. For example, the fluid may have surfactant properties that enhance fluid and cell flow and improve die flow over each other. Also, the recesses in the substrate can be patterned with a material that provides the die with a specific attraction to the location so that when the die enters its location, the die tends to stay in place. .
充填プロセスは分離していてもよく、ここで、基板は別個のパネルであるか、またはロールで送られ、また、基板はセルを供給するプロセス領域を通って送られる連続した材料のリボンである。 The filling process may be separate, where the substrate is a separate panel or fed in rolls, and the substrate is a continuous ribbon of material fed through the process area that feeds the cells. .
予め穴を開けられた接点バイアを有するカバーシートを基板に被せることにより、セルを適所に保持することができる。予め穴が開けられていない場合は、レーザーまたは類似の手段で、後で穴を開けることができる。いくつかの既存のシステムでは、セルおよび開けた穴の上に裏材が配置されるが、このようなプロセスは、従来技術の長いストリップに対しては困難であり、ラミネーションローラーまたは他のプロセスの構成要素が、不均等な圧力などにより長いストリップに損傷を与える傾向がある。 By covering the substrate with a cover sheet having pre-drilled contact vias, the cells can be held in place. If not previously drilled, the holes can be drilled later with a laser or similar means. In some existing systems, a backing is placed over the cells and the perforated holes, but such a process is difficult for prior art long strips and is not possible with lamination rollers or other processes. Components tend to damage long strips, such as by uneven pressure.
セルは、次いで、例えば図11に示されるように形成された相互接続パターン1100を有することができる。相互接続は、シルクスクリーンプリントしたもの、インクジェットプリントしたもの、または銀エポキシのようないくつかの形態の導電性ペーストを使用するなどして、接点バイアの上を流れてこれに被着されるものとすることができる。パターン化ローラーを使用するなどの、相互接続を被着するための他の技術は、従来技術として使用することができる。
The cell can then have an
導電性ペーストは、フレキシブルであるが硬い形態に焼成することができ、図10に示されるように、多数の並列のセルを有する群にセルを接続する。これらの群のうちのいくつかは、直列に接続してリボンの電圧をより高くすることができる。リボンは、最後に切断して、完成したリボン組み立て体を形成することができる。 The conductive paste can be fired into a flexible but hard form, connecting the cells to a group having a number of parallel cells, as shown in FIG. Some of these groups can be connected in series to increase the ribbon voltage. The ribbon can be finally cut to form a finished ribbon assembly.
別の実施形態では、基板は、数多くの他の可能性の中から、FR4プリント回路材料のような、既に相互接続基板上にシルクスクリーンプリントされた相互接続を有し得る。正方形または矩形の凹部のパターンは、相互接続の上にシルクスクリーンプリントして、正方形または矩形のセルがその中に流れることができる領域を形成することができる。セルを備えた基板は、次いで、導電材料を被着する化学槽内に配置することができる。この導電材料は、セル上の接点とその下の相互接続とをブリッジする。被着後に、組み立て体を洗浄して乾燥することができる。 In another embodiment, the substrate may have interconnects already silkscreen printed on the interconnect substrate, such as FR4 printed circuit material, among many other possibilities. A pattern of square or rectangular recesses can be silk-screened over the interconnect to form areas in which square or rectangular cells can flow. The substrate with the cells can then be placed in a chemical bath in which a conductive material is deposited. This conductive material bridges the contacts on the cell and the underlying interconnect. After deposition, the assembly can be washed and dried.
別の実施形態では、ソーラー電池は、相互接続マトリクスを使用して組み立てることができる。オープンウィーブマトリクス(窓網戸に類似したものなどであり得る)は、例えば、スクイバーのサイズに実質的に一致する精密な寸法に編むことができる。スクイバーの寸法に一致するようにウィーブ内の開口部を調整することで、スクイバーとの良好な嵌合を提供することができ、また、スクイバーを実質的に適所に保持することができる。マトリクスは、スクイバーに損傷を与えたり汚染したりせずに、スクイバーを嵌合することができるあらゆる適切な材料で作製された、あらゆる好適な相互接続膜とすることができる。このようなウィーブは、導電性相互接続として、および/または支持構造として使用することができる。一実施例では、導電性ワイヤを膜の一方の軸上に使用し、絶縁ワイヤを他方の軸上に使用することができる。このような方法を使用することで、多数のスクイバーを容易に並列に配線することができる。別の実施例では、2つ(または2つ以上)の異なる材料を使用して、スクイバーが自己整合できるようにすることができる。これらの材料は、それぞれ疎水性および親水性とすることができ、単一の対称軸を有することができる。別の実施例では、相互接続ウィーブは、最高で4つの異なる材料で作製して、それぞれのスクイバーに複数の相互接続を提供することができる。相互接続としてオープンウィーブを使用することで、相互接続を1つしか作製しなくても、単純なスクリーンプリントをスクイバーの裏面および/または表面に行って、更なる相互接続を提供することができる。一般的に、個々のソーラー電池からソーラーモジュールを構成するには、相互接続が2つだけあればよい。 In another embodiment, solar cells can be assembled using an interconnect matrix. The open weave matrix (which can be similar to a window screen, for example) can be knitted to precise dimensions that substantially match the size of the squibber, for example. Adjusting the opening in the weave to match the size of the squibber can provide a good fit with the squibber and can hold the squibber substantially in place. The matrix can be any suitable interconnect film made of any suitable material that can fit the squibber without damaging or contaminating the squibber. Such a weave can be used as a conductive interconnect and / or as a support structure. In one example, a conductive wire can be used on one axis of the membrane and an insulated wire can be used on the other axis. By using such a method, a large number of squivers can be easily wired in parallel. In another example, two (or more) different materials can be used to allow the squibber to self-align. These materials can be hydrophobic and hydrophilic, respectively, and can have a single axis of symmetry. In another embodiment, the interconnect weave can be made of up to four different materials to provide multiple interconnects for each squibber. By using an open weave as an interconnect, a simple screen print can be made on the back and / or front surface of the squibber to provide additional interconnects, even if only one interconnect is created. Generally, to construct a solar module from individual solar cells, only two interconnects are required.
正方形または矩形の個々のセルにダイシング加工され、モジュールに組み立てられると、上述の例示的なウエハのようなウエハから作成されたセルは、一般的に効率が20%であり、完全な日照によって67ワット以上の出力を発生することができる。従来のソーラー電池ウエハに切断した実質的に同じ量の単結晶シリコン材料では、例えば、5つのウエハによって同じ効率が得られ、約17ワットを発生する。このことは、同じ量のシリコンからの出力が4倍に改善されるという結果になる。 When diced into square or rectangular individual cells and assembled into modules, cells made from wafers, such as the exemplary wafers described above, are typically 20% efficient and 67% by full sunshine. Can produce more than watts of output. With substantially the same amount of single crystal silicon material cut into a conventional solar cell wafer, for example, five wafers can provide the same efficiency, generating about 17 watts. This results in a fourfold improvement in output from the same amount of silicon.
このようなプロセスの別の利点は、上述のプロセスステップが、従来のセルに必要なプロセスと複雑性において類似しているが、ウエハ上でのみ行えることである。しかし、従来の方法では、同じ装置を得るために類似したプロセスを5つのウエハに行わければならない。このことは、更なる処理コストの節約をもたらす。 Another advantage of such a process is that the process steps described above are similar in complexity to those required for conventional cells, but can only be performed on the wafer. However, in conventional methods, a similar process must be performed on five wafers to obtain the same equipment. This results in further processing cost savings.
複数の実施形態の主な利点は、実質的に正方形のセルを使用することである。正方形のセルの一方に二つの接点を配置し、他方にもう一つの接点を配置することによって、基板の凹部内のいかなる配向のセルも成功裏に機能することができる。ダイがどの方向に回転または反転させられても、ダイは、相互接続に接触させるための適切な極性に関して、常に接点と整列する。また、それぞれのセルがどのように回転または反転させられても、この特定の接点レイアウトが機能するように、これらの装置全てを覆う単一の相互接続だけを使用することも可能である。これは、流体組み立てプロセスを大幅に簡素化することができ、例えば、ダイの配向に関係なく、単にダイを凹部に導くだけでよい。 The main advantage of embodiments is the use of substantially square cells. By placing two contacts on one of the square cells and another on the other, any orientation of the cell in the recess of the substrate can function successfully. Regardless of which direction the die is rotated or inverted, the die always aligns with the contacts with respect to the proper polarity for contacting the interconnect. It is also possible to use only a single interconnect covering all these devices so that this particular contact layout will work no matter how each cell is rotated or flipped. This can greatly simplify the fluid assembly process, for example, simply guide the die into the recess regardless of the orientation of the die.
一実施例では、第1の組および第2の組の離間した側面接点が使用され、セルの配向の変化を可能にするが、一方では適切な接続をさらに提供する。第1の組の側面接点は、第2の組の側面接点とは異なって配置され、例えば、一方の側面の2つの側面接点は、他の側面の3つの接点の間の間隙に対向して配置される。モジュール内に配置されたときに、セルの下に5つの接触線がある場合、セルは、いずれかの方向に反転することができ、接点は、それでも適切な接触線とだけ接触する。 In one embodiment, a first set and a second set of spaced side contacts are used to allow a change in cell orientation while still providing a suitable connection. The first set of side contacts are arranged differently than the second set of side contacts, for example, two side contacts on one side face the gap between the three contacts on the other side. Be placed. If there are five contact lines under the cell when placed in the module, the cell can be flipped in either direction, and the contacts will still contact only the appropriate contact lines.
他の実施形態では、セルはわずかに矩形の構造で作製することができる。例えば、1.5:1、2:1、3:1、または4:1のアスペクト比を有する構造は、種々のシステムおよび/または用途において特定の利点を有する。しかし、このような状況では、完全対称性は存在しない。これらのダイは、単に任意の回転で嵌合するのではなく、凹部の矩形の凹部の配向に適合しなければならず、それによって、例えば、自己組み立てプロセスは、正方形のセルに対するものよりも長く複雑になる可能性がある。しかし、自己組み立てプロセスでは、矩形の形状は、ソーラー電池のダイを、図12に示されるような0°の配向1200、または180°(あるいは、長軸の配向に基づいて、90°または270°)などの、好適な配向で充填できるようにする。ダイがZ軸に対して対称であるので、ダイを逆さまに反転させることができる。このような方法によって、相互接続を簡素化することができ、処理済のウエハの切断回数が少なくて済み、充填の問題を実質的に排除することができる。 In other embodiments, the cells can be made with a slightly rectangular structure. For example, structures having an aspect ratio of 1.5: 1, 2: 1, 3: 1, or 4: 1 have particular advantages in various systems and / or applications. However, in this situation, there is no perfect symmetry. These dies must fit in the orientation of the rectangular recesses in the recesses, not simply in any rotation, so that, for example, the self-assembly process is longer than that for square cells Can be complicated. However, in the self-assembly process, the rectangular shape allows the solar cell die to be oriented at 0 ° 1200 ° or 180 ° as shown in FIG. 12 (or 90 ° or 270 ° based on the orientation of the major axis). ) Etc. so that it can be filled with a suitable orientation. Since the die is symmetric with respect to the Z axis, the die can be inverted upside down. Such a method can simplify the interconnection, reduce the number of times the processed wafer is cut, and substantially eliminate the filling problem.
いくつかの実施形態では、セルは、導電材料または絶縁体で形成された単数若しくは複数のキースロットまたは単数若しくは複数の突出部とともに、ダイ自体の内部へ、および/または基板の凹部内に作製することができる。スロットは、図13の実施例1300に示されるように、接点の突出部をダイの上部および下部に合わせることができる。このように、ダイは、スロットに合う凹部に載せることができる。ダイは、反転させることができるが、常にキースロットと合う配向を有する。本実施形態では、ダイを、その配向で載せることができないときに、ダイの上部および底部へ接触させることができる相互接続を有する必要はない。本実施形態では、3つの中央の相互接続線だけが使用される。 In some embodiments, the cell is made into the die itself and / or into a recess in the substrate with one or more key slots or one or more protrusions formed of a conductive material or insulator. be able to. The slots can align the contact protrusions to the top and bottom of the die, as shown in Example 1300 of FIG. In this way, the die can be placed in a recess that fits into the slot. The die can be flipped but always has an orientation that matches the key slot. In this embodiment, when the die cannot be mounted in that orientation, it is not necessary to have an interconnect that can contact the top and bottom of the die. In this embodiment, only three central interconnect lines are used.
他の実施形態は、ダイのエッジに沿って配列された複数のスロットおよび/または突出部と、基板内の凹部とを有することができる。これらは対称とされ得、ダイを通常にまたは反転して配向することができる。 Other embodiments may have a plurality of slots and / or protrusions arranged along the edge of the die and a recess in the substrate. These can be symmetric and the dies can be oriented normally or inverted.
(他の結晶材料)
本願明細書において提供される多数の実施例は、特定の配向のシリコンに関して記述されたものであるが、本願明細書に包含される教示および提案に照らして、当業者に明らかなように、使用できる複数の他の材料および配向があるものと理解されたい。例えば、セルは、ゲルマニウムのような材料から構築することが可能である。このようなセルを使用することで、異なる材料の多数の層を被着することによって、さらにずっと高効率の多接合型セルも形成することが可能である。当該方法の利点は、プロセスが20倍改善されるなどの、プロセスの大幅な改善となりうる。例えば、大きな表面積を有するウエハを複数の他のウエハとともに炉内に装填することができ、種々のガスを炉内に流して材料を被着して装置を構築することができる。現在、これは、個々のウエハに対して行われ、それぞれのウエハはある特定の表面積しか持たない。薄いウエハが配置された同じスロットには、厚さが2mmのオーダーのウエハが高さまたは幅が2mmのセルとなるような、厚いウエハを配置することができる。このようなプロセスは、最終的に、より多くのガスを使用してより大きな表面積を充填することになるが、ツール自体をより小さなツールとすることができ、費用もかからず、運転回数を減らすことができる。これは、より高い生産性およびより高効率のセルをもたらす。
(Other crystal materials)
Many examples provided herein are described with respect to a specific orientation of silicon, but are intended to be used in the light of the teachings and suggestions contained herein, as will be apparent to those skilled in the art. It should be understood that there are a number of other materials and orientations that can be made. For example, the cell can be constructed from a material such as germanium. By using such a cell, it is possible to form much more efficient multi-junction cells by depositing multiple layers of different materials. The advantage of the method can be a significant improvement of the process, such as a 20-fold improvement of the process. For example, a wafer having a large surface area can be loaded into a furnace together with a plurality of other wafers, and various gases can be flowed into the furnace to deposit materials and build an apparatus. Currently this is done for individual wafers, each wafer having only a certain specific surface area. In the same slot where a thin wafer is placed, a thick wafer can be placed such that a wafer on the order of 2 mm becomes a cell with a height or width of 2 mm. Such a process will eventually use more gas to fill a larger surface area, but the tool itself can be a smaller tool, less expensive and less expensive. Can be reduced. This results in higher productivity and higher efficiency cells.
(光濃縮器)
更なる利点は、上述のような光起電力セルが構成されて、従来知られているような光濃縮器とともに機能するように構成されたときに得られる。例えば、多数のレンズとして機能するホログラフィックパターンは、図14に示される正方形または矩形のセル1400のカラムの反対側の、透明なプラスチック基板の側面にスタンプすることができる。当該の濃縮器は、セルのカラムの配列の上へ、太陽放射を収束させることができる。領域全体を覆うような配列を使用する代わりに、装置は、図14に示されるような、セルのカラムまたは線状配列1402だけを含むことができる。これによって、必要なセルの数を減じることができ、したがって、装置のコストを低減することができる。図14の実施例では、濃縮器セルのないシステムの同じ領域に必要なセルの数の1/4のセルを使用する。この濃縮器は、フレネルレンズを使用することが可能な従来の濃縮器と異なり、太陽がモジュールに対して有する角度の範囲にわたって太陽放射を収束させることができる。濃縮器自体は損失をもたらすが、示された実施例に関しては、濃縮器の効率は75%であり、システムは、従来のシリコンのセルに比べて、同じ出力に対するシリコンの全体的利用が1/12である。
(Light concentrator)
A further advantage is obtained when a photovoltaic cell as described above is configured and configured to work with an optical concentrator as is known in the art. For example, a holographic pattern that functions as multiple lenses can be stamped on the side of a transparent plastic substrate opposite the column of square or
いくつかの実施形態では、材料の表面に直角に優先的にエッチングすることができるエッチング剤を有する結晶構造を呈する光起電力材料を使用することができる。いくつかの実施形態では、Boschシリコンエッチングプロセスのような乾式エッチングプロセスを使用して、ウエハをセグメントに切断することができる。いくつかの実施形態では、レーザーを使用して、光起電力材料をセグメントに切断することができる。いくつかの実施形態では、高圧流体のナロージェットを使用して、光起電力材料をセグメントに切断することができる。 In some embodiments, a photovoltaic material that exhibits a crystalline structure with an etchant that can be preferentially etched perpendicular to the surface of the material can be used. In some embodiments, a dry etch process such as a Bosch silicon etch process can be used to cut the wafer into segments. In some embodiments, a laser can be used to cut the photovoltaic material into segments. In some embodiments, a high pressure fluid narrow jet may be used to cut the photovoltaic material into segments.
当業者には、上述の説明を考慮すれば、上述の実施形態の複数の変形例があることが明らかとなるものと認識されたい。したがって、本発明は、本願明細書において図とともに記載された本発明の特定の実施形態および方法に限定されるものではない。むしろ、本発明の範囲は、以下の請求項およびそれらの同等物によって限定される。 It should be appreciated by those skilled in the art that in view of the above description, it will be apparent that there are multiple variations of the above-described embodiments. Accordingly, the present invention is not limited to the specific embodiments and methods of the invention described herein with the figures. Rather, the scope of the present invention is limited by the following claims and their equivalents.
Claims (34)
結晶材料の実質的に平面のピース上にマスク層を被着することと、
該結晶材料内に複数の実質的に並列のスロットを形成するために、該結晶材料のピースにエッチングすることであって、該スロットは、複数の実質的に平面のバーを形成し、該バーはそれぞれ該結晶材料のピースの一方のエッジから該ピースの他方のエッジまで、該バーの方向に沿って延在し、該バーのそれぞれの幅は、該結晶材料のピースの厚さに実質的に等しい、ことと
を含む、方法。 A method of forming a photovoltaic cell comprising:
Depositing a mask layer on a substantially planar piece of crystalline material;
Etching into a piece of crystalline material to form a plurality of substantially parallel slots in the crystalline material, the slots forming a plurality of substantially planar bars; Each extending along the direction of the bar from one edge of the piece of crystalline material to the other edge of the piece, the width of each of the bars being substantially equal to the thickness of the piece of crystalline material Equal to and including.
複数の矩形のセルを形成するために、該バーをダイシング加工することと
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 Separating the bar from the piece of crystalline material;
The method of claim 1, further comprising: dicing the bar to form a plurality of rectangular cells.
該結晶ダイの対向するエッジ上に配置された一対の接点と
を備える、光起電力セル。 A rectangular crystal die comprising at least two oppositely doped regions forming a diode, the die having a width of about 2 mm or less, a length of about 40 mm or less, and a thickness of about 100 μm or less; A crystal die,
A photovoltaic cell comprising: a pair of contacts disposed on opposing edges of the crystal die.
該レセプタクルの配列内に配置された複数の矩形の光起電力セルであって、それぞれの光起電力セルは、幅が約2mm以下、長さが約40mm以下、および厚さが約100μm以下であり、それぞれの光起電力セルは、さらに、該光起電力セルの2つの対向するエッジの上に接点を有する、光起電力セルと、
該複数の矩形の光起電力セルの接点を電気的に接続する相互接続レイアウトと
を備える、ソーラーモジュール。 A substrate including an array of receptacles;
A plurality of rectangular photovoltaic cells disposed within the receptacle array, each photovoltaic cell having a width of about 2 mm or less, a length of about 40 mm or less, and a thickness of about 100 μm or less. Each photovoltaic cell further comprises a photovoltaic cell having contacts on two opposite edges of the photovoltaic cell;
An interconnect layout for electrically connecting the contacts of the plurality of rectangular photovoltaic cells.
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