JP2009512197A - 改良された薄膜ソーラーセル相互接続を形成するシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
光電池のモジュールにおいて、モジュール相互接続を形成する方法は、全ての活性層の堆積後の単一カッティング処理を含む。こうすることにより、１組の真空工程に続いて１組の相互接続工程を行うというようにその全処理を簡単化することができ、モジュールの品質及び歩留りを相当に改善することができる。別の態様によれば、相互接続形成方法は、絶縁体の自己整合堆積を含む。こうすると、整合が不要とされるので、処理が簡単化される。別の態様によれば、相互接続形成方法は、遥かにより狭い相互接続となるようなスクライビング処理を含み、これにより、セル効率が相当に増大され、より狭いセルサイズとすることができる。別の態様によれば、相互接続は、活性層を通る分流を大きく減少させる絶縁体層を含み、これにより、セル効率が大きく改善される。
【選択図】 図１
【選択図】 図１
Description
本発明は、一般的に、光起電力装置に関し、より詳細には、薄膜光起電力装置において改良された相互接続を形成するシステム及び方法に関する。
薄膜ソーラーモジュールは、低い製造コストでもって妥当な効率を達成できるようにする魅力的な方法を提供する。これらのモジュールは、アモルファスシリコン、アモルファスシリコンゲルマニウム、銅インジウムヒ化ガリウム（ＣＩＧＳ）及びテルル化カドミウムを含む種々な物質で形成される。これらソーラーモジュールの共通の特徴は、ガラスシートのような大面積絶縁体上への堆積である。
これらモジュールの別の共通の特徴は、大面積堆積層を多数のセル及び／またはサブセルへと分割するためのスクライブ及び相互接続の使用である。このような形式で分割された典型的なモジュールの上面図を図１に示している。この図１に示されるように、モジュール１００は、相互接続１０４を介して直列接続される（例えば、図面において水平方向に電気的に互いに接続される）複数のセル１０２（即ち、ストライプ）に分割されている。それら相互接続は、以下により詳細に説明するように、スクライブ及び導体を使用してモジュールに形成される。しかしながら、ここで注意すべきは、このようなモジュール１００の長さＬが１メートル以上になり得ることである。一方、典型的にモジュールのほぼ全長Ｌに亘って延びる相互接続の幅は、典型的に、７００−１０００μｍの辺りであり、セル（即ち、ストライプ）の幅は、典型的に、約１ｃｍである。当業者に理解されるように、図１は、典型的なモジュールを簡単化して示す図であり、このモジュールは、更に、電極及び端子のような図１には示されていない他の受動的及び能動的構成部分を含むことができるものである。
モジュールのセルへの分割は、幾つかの理由でなされ、その主な理由としては、分割して相互接続することにより、減少した電流（単一セルの電流に等しい）でもって高い電圧出力（個々のセルの電圧の和に等しい）を与えることや、より低い電流とすることにより、このようなセルに使用される比較的に高い抵抗の透明導体の直列接続の影響を減ずるためである。より詳細には、オームの法則により、Ｐ＝ＩＶ＝Ｉ２Ｒ（Ｐ＝電流Ｉが流れる抵抗Ｒにおいて消散される電力）であり、従って、電流を減少させると、直列抵抗における電力損失を二次的に減少させることができる。
従来の相互接続処理のフローの一実施例が図２の（Ａ）から（Ｆ）に示されている。このフローは、ＣＩＧＳのように物質で形成されるモジュールのためのものであり、図２の（Ａ）から（Ｆ）は、相互接続１０４のうちの１つを横切って取った図１の横断側面図として図１の部分１０６を大きく拡大して、その処理のフローを例示している。
図２の（Ａ）に示される第１の工程において、モリブデンのように導電金属２０２が真空スパッタリングシステムを使用してガラス２０４のように基板上に堆積される。図２の（Ｂ）に示される第２の工程において、金属２０２は、モジュールを横切る直線カット２０６でレーザースクライブされる（前述したように、このカットは、その長さが１メートルより長くなることがある）。それから、図２の（Ｃ）に示されるように、ＣＩＧＳ半導体層２０８が堆積される。図２の（Ｄ）に示されるように、第１のスクライブと平行な第２のスクライブ２１０により、ＣＩＧＳ層が個々のセルへと分離される。それから、図２の（Ｅ）に示されるように、透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）２１２が堆積される。一実施例では、そのＴＣＯは、ＺｎＯを含む。最後に、図２の（Ｆ）に示されるように、直列接続２１６を形成するため、第３のスクライブ２１４が形成される。この直列接続２１６では、層２１２の堆積物であるＺｎＯにより、１つのセル２１８の上部が次のセル２２０の底部に接続される。
アモルファスシリコンを使用するように他のセル設計では、それらの層は逆の順序で堆積される。このような設計のための従来の処理の一実施例が図３の（Ａ）から（Ｆ）に示されている。一般的に、この処理は、同じ数のスクライブを使用するが、ＴＣＯ及び金属の堆積順序が逆とされている。具体的には、図３の（Ａ）において、ＴＣＯ層３０２が最初にガラス３０４上に堆積される。次に、図３の（Ｂ）において、ＴＣＯ層３０２がモジュールを横切って直線カット３０６でレーザースクライブされる（前述したように、このカットは、その長さが１メートルより長くなることがある）。それから、図３の（Ｃ）に示されるように、半導体層３０８（例えば、アモルファスシリコン）が堆積される。図３の（Ｄ）に示されるように、第１のスクライブ３０６と平行な第２のスクライブ３１０により、半導体層が個々のセルへと分離される。それから、図３の（Ｅ）に示されるように、バックコンタクトを形成するため、アルミニウムのように金属層３１２が堆積される。最後に、図３の（Ｆ）に示されるように、直列接続３１６を形成するように、第３のスクライブ２１４が金属層３１２に形成される。この直列接続３１６では、層３１２のＡｌにより、１つのセル３１８が次のセル３２０に接続される。
図２及び図３における従来の処理フローが、図４に概略的に示されている。この図４に示されるように、各々がスクライブ工程４０４、４０８及び４１２にそれぞれ続く３つの真空堆積４０２、４０６及び４１０がある。前述したような従来の処理及びそれから形成されるモジュールは、多数の欠点がある。一般的に、Prog. Photovolt. Res. Appl., Vol.13, pp.297-310(2005)におけるK.Brecl氏等の論文「A Detailed Study ofMonolithic Contacts and Electrical Losses in a Large-area Thin-film Module」を参照されたい。
図３の（Ｆ）を参照するに、このような処理により生ずるモジュール相互接続の幅Ｗは、１ｍｍまでというように相当に大きい。このため、許容できる有効面積比を維持するためにはより幅の広いセルを使用し、且つＴＣＯにおける抵抗損失を最小とするためにはより厚いＴＣＯ層を使用しなければならない。こうすると、ＴＣＯを通しての光伝送損失が増大してしまい、モジュール効率の約１０％の損失となってしまう。このような相互接続の幅を減少させるための種々な試みがなされており、そのような試みとして、例えば、Conference Record of the Thirty-first IEEE Photovoltaic SpecialistsConference, 3-7 Jan. 2005, pp.1229-32におけるT.M. Walsh氏等の論文「Novel Method for the Interconnection of Thin-Film Silicon SolarCells on Glass」に記載された方法がある。しかしながら、このような試みは、不満足なものであった。何故ならば、例えば、（１）それらは、互いに整列されなければならないような（こうすることは、長い距離に亘るスクライブのレジストレーション誤差のために難しいことである）複数のスクライブに頼るものであるからであり、また、（２）それらは、寄生抵抗を抑制していないからであり、これについては、後述する。
このようなモジュール相互接続についての別の問題は、それらがセル性能を相当に低下させてしまうような寄生逆抵抗が半導体の活性層を通して含まれるということである。より詳細に述べると、図５に示されるように、この寄生抵抗により、分流５０２が活性層を通して逆流してしまい、相互接続を通して流れる主電流５０４が低下してしまう。このため、このよう寄生回路要素の長さ、従って、抵抗を増大させる（従って、分流を減少させる）ためには幅広いスクライブラインを使用しなければならない。このようなより幅の広いスクライブラインとすると、前述したように、より幅の広いセルとすることが必要となってしまう。
これらの従来の処理フロー自体に関して言えば、それらの３つの異なるスクライブ工程は、汚い処理であり、残留物及び粒子を残してしまうものである。このため、スクライブの縁近くに損傷が生じることがあり、その結果形成されるモジュールの効率が減少させられてしまう。その上、真空と空気との間での複数の移行により、その結果形成されるモジュールが更に汚染させられ、また、複数のロードロックが必要とされるため全処理のコストが増大させられてしまう。更に又、活性層の堆積の中間において空気に曝すことにより、その結果形成されるモジュールの性能が低下させられてしまう。
薄膜ソーラーセルモジュール及びそれらの処理技法とは非常に異なるのであるが、他のタイプのソーラーセルは、層の堆積のための処理とセル間の相互接続を形成する処理とを別の処理とすることができる。例えば、米国特許第４，２７８，４７３号明細書には、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に連続してソーラーセルのベース及びトップ領域を含むエピタキシャル層を形成し、それから、マスクによるリソグラフィを含むＩＣ製造工程を使用してセル間の相互接続を形成することが、教示されている。しかしながら、ＩＣ製造及びマスクによりリソグラフィを含むこのような技法は、典型的には、側部が１０ｃｍよりはるかに大きいような薄膜のためには実際的なものではない。その上、このような技法は、薄膜ソーラーセルへと容易には拡張できない。何故ならば、ＧａＡｓソーラーセルは、金属コンタクト層（例えば、図２における参照符号２０２及び２１２又は図３における参照符号３０２及び３１２に相当する層）を有さないからである。
従って、薄膜光起電力装置において相互接続を形成するための従来の方法の欠点の多くを克服ことが望まれる。本発明は、なかんずく、そうすることを目的とするものである。
本発明は、光起電力モジュールにおいて相互接続を形成するためのシステム及び方法を提供する。
一態様によれば、本発明による方法は、全ての活性層の堆積後に単一カッティング処理でモジュール相互接続を形成することを含む。こうすることにより、一組の真空工程に続いて一組の相互接続工程を行うというように全処理を簡単化することができ、また、モジュールの品質及び歩留りを相当に改善することもできる。
別の態様によれば、本発明による方法は、絶縁体の自己整合堆積を含む。こうすることにより、アラインメントが不要となるのでその処理が簡単化され、相互接続のために使用される面積が減少される。何故ならば、アラインメント誤差を補償するための幅が必要とされないからである。
別の態様によれば、本発明による方法は、モジュール効率を相当に向上させ且つより狭いセルサイズとすることができるような非常に狭い相互接続を生じさせるスクライブ処理を含む。
別の態様によれば、本発明による相互接続は、活性層を通しての分流を大きく減少させモジュール効率を大きく改善させることができるような絶縁体層を含む。
本発明の幾つかの実施形態では、薄膜ソーラーセルのための相互接続を形成するための方法は、セルの活性層及び導電層のスタックを堆積するステップを含み、この堆積ステップは、単一処理シーケンスで行われるものであり、更に、相互接続を形成するステップを含む。
本発明の他の実施形態では、薄膜ソーラーセルのための相互接続を形成するためのシステムは、スクライバー及び堆積システムを備え、この堆積システムは、単一真空処理でセルの活性層及び導電層のスタックを堆積する。
本発明の更に別の実施形態では、薄膜ソーラーセルのモジュールにおいて、それらセルの少なくも１つは、少なくとも１つの活性層及び上部導電層を含む基板上のスタックを備えており、そのセルは、そのスタックの全ての層に当接しその基板の表面まで延長する壁部、及びそれらセルのうちの隣接セルへの相互接続を有し、その相互接続は、その隣接セルに接続し且つその基板に沿ってその壁部からあるギャップだけ横切って配設されているその基板の表面上の導電性レッジ、及びそのギャップにまたがり、その上部導電層とその導電性レッジとの間の電気接続を形成する導体を含む。
本発明の代替的実施形態によれば、薄膜ソーラーセルのための相互接続を形成する方法は、そのセルの底部導電層上に活性層を堆積し、整形レーザービームを使用してそれら層を通してカットを形成し、そのカットの第１部分がその底部導電層を貫通するが、そのカットの第２部分は、その底部導電層を貫通せずに、隣接セルに結合される導電性レッジを露出させるようなものとされている。
本発明のこれらの及びその他の態様及び特徴は、添付図面に関してなされる本発明の特定の実施形態の以下の説明を参照するとき、当業者には明らかとなろう。
本発明の実施例を例示する添付図面を参照して、当業者が本発明を実施できるように、本発明を以下に詳細に説明する。ここで、以下の図及び実施例は、本発明の範囲を単一の実施形態に限定しようとしているものではなく、ここで説明又は例示された要素のうちの幾つか又は全てを置換することによりその他の実施形態とすることができるものである。その上、以下では、本発明の特定の要素が既知の構成部分を使用して部分的に又は完全に実施できる場合には、そのような既知の構成部分のうち、本発明を理解するのに必要な部分のみについて説明することとし、そのような既知の構成部分のうちの他の部分については、本発明を不明瞭なものとしないようにするため、詳細には説明しないこととする。本明細書においては、単一構成部分を示す実施形態は、それに限定するものと考えられるべきでなく、むしろ、本発明は、明示的にそうではないと述べない限り、複数の同じ構成部分を含む他の実施形態を包含しようとしているものであり、また、その逆もまた同じである。更に又、本出願人は、本明細書の詳細な説明又は特許請求の範囲において使用しているいずれの用語も、明示的にそのように述べていない限り、普通でない又は特殊な意味を持つものとして使用しようとしているものではない。更に、本発明は、例示の目的でここに言及している既知の構成部分に対する、現在既知の均等物及び将来に知られるであろう均等物を包含するものである。
図６の（Ａ）から（Ｆ）は、本発明の一実施形態による改良された薄膜光起電力装置を形成する改良された処理シーケンスを示している。
図６の（Ａ）に示される第１の工程において、全導体及び半導体スタック６０２−６０６が基板６０８上に堆積される。この基板６０８は、ある実施形態では、ガラスのような絶縁体であり、他の実施形態では、金属フォイルに絶縁体を堆積させたものであってよい。一実施形態では、層６０２は、モリブデンのような金属又はＺｎＯのようなＴＣＯであり、層６０４は、ＣＩＧＳのような半導体であり、層６０６は、ＺｎＯのようなＴＣＯである。ある実施形態では、この全スタックは、約２−３μｍの厚さである。他の実施形態では、パラジウムのような金属の非常に薄い層が、このスタックの上部に更に堆積される。この層は、わずか数オングストロームの厚さであることができ、実質的に透明であり、後述するように、これでも、上部層を相互接続に接触させるようにするに十分な厚さである。ここで注意すべきは、光起電力セルスタックの電気的性能を改善するため、ＣＩＧＳ層とＴＣＯ層との間のように、スタックに付加的な層（例えば、中間ＣｄＳ層は、キャリア閉じ込めのためのヘテロ接合を形成し、ｉＺｎＯ層は、ＣＩＧＳにおける欠陥の影響を減少させるより高い抵抗層を与える）を設けることもできるということであり、また、当業者には、本明細書の記載による教示から、種々な代替的実施形態がなされ得るが理解されよう。
このスタック堆積は、クラスタツール又はインライン塗布装置のような単一真空堆積システムで行うことができる。このスタックにおける３つ以上の層の全ては、従来行われているように、スクライブ工程を介在させることなく、このようなシステムにより順次堆積させていくことができるので、このシステムで必要とされるロードロック移行は１回のみである。熱又はランプアニールのように付加的な処理工程もまたこの真空システム内で行うことができ、また、真空システムは、典型的には、個々のチャンバを分離するゲート弁を含むので、このような工程を制御された周囲環境で又は異なる圧力で行うことができることに注意されたい。
図６の（Ｂ）に示される次の工程において、底部導体６０２に対するスクライブ６１０が形成される。図６の（Ｃ）に示されるように、露出導電性レッジ６１４を形成するため、より小さなカットを使用して、第２のスクライブ６１２が形成される。これらのスクライブ６１０及び６１２の両者は、レーザー又は機械スクライバー又はそれらの組合せを使用して形成することができる。別の実施形態では、これら２つのスクライブは、同時に形成される。
それらスクライブが同時に形成される一実施形態では、右側よりも左側の方の強度が高い（図面の向きに関して）スキュード強度プロファイルを有するレーザービームが使用される。これにより、左側が右側より深くカットされ、レッジ６１４が形成される。別の実施形態では、２つのレーザー源が単一ファイバーに結合される。一方のレーザー源は、例えば、その光子エネルギーが半導体のバンドギャップより低いためスタックに侵入する１０６４ｎｍの波長を有するＮｄ：ＹＡＧのような赤外線源である。これにより、優先的に、導体６０２を通してカットされる。第２のレーザー源は、例えば、半導体６０４（例えば、ＣＩＧＳ）を通してカットするが導体６０２をカットしないような５３２ｎｍを有する二重Ｎｄ：ＹＡＧのように、より短い波長源である。その第２のカットの幅は、２０μｍから５０μｍまでの程度である。本発明のこのような工程に使用することができる種々な薄膜材料に対する可能なレーザー技法の幾つかの実施例は、Conference Record of the Twenty-Sixth IEEE Photovoltaic SpecialistsConference, 29 Sept.-3 Oct. 1997, pp.491-494におけるI. Matuljoinis 氏等による論文「Wavelength andPulse Duration Effects in Laser Scribing of Thin Films」に記載されている。
他の実施形態では、サンプルに対して、１つのレーザーが上方から照射し、別の１つのレーザーが下方から照射する。レッジ６１４を形成するため、上方からのビームは、下方からのビームより幅が広い。別の実施形態では、上部から活性層６０４及び６０６をカットするため機械的スクライブが使用され、導体６０２を下からカットするため、ガラス６０８を通して照射するレーザーが使用される。
図６の（Ｄ）に示されるように、これらスクライブに続いて、絶縁体６１６が一方の壁部に堆積される。好ましい実施形態では、この絶縁体６１６は、次のような自己整合方法を使用して堆積される。ポリイミド又はフォトレジストのような感光性ポリマーが、インクジェット、スプレー又はローラーのように多数のよく知られた方法のうちの任意のものを使用して、モジュール全体に亘って付与される。使用できる幾つかの可能性のある適当なポリイミドは、ＡＺエレクトロニックマテリアルズからのＰＩＭＥＬ（登録）ポリイミドである。そのポリマーは、ガラスを通して裏面側から露光される。こうすることにより、その溝内の自己整合露光が行われる（即ち、導体層６０２は、その溝の部分を除いてすべてのフォトレジストの露光を遮断する）。次に、そのポリマーは、その溝を通して露光された左側壁部（図面に示された向きに関して）上の被覆のみを残して現像される。別の実施形態では、この堆積は、インクジェットを使用して行われる。ある場合には、これは、自己整合されない。しかしながら、もし、インクジェットヘッドがレーザービームに対して固定されているならば、そのインクジェットは、そのカットに対して自己整合されることができる。例えば、ある固定具により、ファイバーとインクジェットとの両者を保持して、そのインクジェットがそのファイバーから放出されるレーザービームに対して一定の空間関係を維持することができるようにすることができる。
最後に、図６の（Ｅ）に示されるように、左側のセル６２０の上部を右側のセル６２２の底部へ接続するため、導体６１８が絶縁体６１６の上に堆積される。これにより、セル６２０とセル６２２との間の直列接続が与えられる。その導体６１８は、多数の手段のうちの任意のものにより堆積することができる。１つの方法では、前述した絶縁体堆積処理において使用された感光性ポリマーは、例えば、無電界堆積によりＮｉ又はＰｂのような導体の薄い導電性層で被覆される。こうすると、露光及び現像の後、例えば、無電界堆積を使用して被覆できるような導電性表面が残される。別の実施形態では、そのポリマーを現像した後、その表面は、例えば、無電界堆積を使用してＣｄＳ又はＺｎＳのような薄い実質的に透明な（例えば、５０−１００Åの厚さ）光導体で被覆される。それから、より厚い導体がその表面に被覆されている間に、その背面を通して光が照射される。光導体ベースが導電性であるところで被覆がなされ、それにより、その絶縁体上により厚い金属ストラップが形成される。過剰な光導体は、任意的に、エッチングにより取り除かれる。別の実施形態では、そのポリマーは、パターニング後粘着性であり、その表面に対して、Ｎｉ又はＣｕのような微細な金属ダストが噴霧される。こうすることにより、無電界堆積のためのベースとなる導電性堆積層がそのパターン付けされたポリマーに固着して残される。ある場合には、ＴＣＯ層６０８は、無電界被覆を受け入れず、被覆された導体に対する接触抵抗を改善するような薄い導体で被覆されている。別の実施形態では、ＲｕＯ４のような触媒がインクジェットを使用して絶縁体６１６上に堆積され、無電界被覆が付与される。
これらの堆積方法のうち、いずれにおいても、そのカットの全長さ（例えば、モジュールにおけるカットの長さＬ）に亘って、相互接続を形成するため、絶縁体及び導体物質を被覆することができる。別の実施形態では、特定の部分のみが被覆される。例えば、図６の（Ｅ）に示すスタックの上面図であると見ることができる図７（モジュールの方向Ｌが図面において水平に延びている）に示されるように、絶縁体部分６１６’がそのカットの軸と平行に細長くされた離散形状で堆積され、導体部分６１８’がそのカットに対して垂直な方向に細長くされた形状で絶縁体部分６１６’上に堆積される。一実施例では、これらの形状は、約２０ｘ５０μｍであって、約２００μｍだけ分離されている。
本発明の利点のうち１つは、処理が簡単化されることである。前述したように、従来の処理は、真空堆積に続いて空気圧でのスクライブを行う３つのサイクルを使用している。従って、基板を、真空に入れ、それから空気圧へと戻し、このようなことを３回行わなければならない。これでは、処理のためのコストが嵩んでしまい、また、活性層が完全に堆積される前に、真空／通気サイクルと大気へ曝すこととの両者により、汚染が生じてしまう可能性が出てきてしまう。例えば、第１の導体層には、半導体が堆積される前の空気への露出により残留物が付着してしまうことがある。更に、スクライブは、活性層に欠陥を生じてしまうような粒状物及び残留物を残してしまう汚い処理である。
本発明では、図８に示されるように、全活性層は、単一真空処理８０２で堆積され、空気から真空へ、それから空気へのただ１回の移行だけである。その上、カットは、活性層堆積の後に別の処理８０４で行われ、従って、スクライブによる残留物及び破壊屑により、半導体層が影響されることはない。
図９は、本発明による改良された処理フローを実施するためのファクトリーの一実施例の概略図である。
図９に示されるように、ファクトリー９００は、堆積システム９０２及びスクライブ及び接続システム９０４を備えるツール対を含む。堆積システム９０２は、本発明の原理に従って変更され適応されたカリフォルニア州サンタクララのＡＫＴ社によって提供されるＡＫＴ-４０Ｋシステムのような８世代基板（即ち、２１６０ｍｍｘ２４６０ｍｍクラス）を処理することができる変更システムによって実施することができる。例えば、既存のＡＫＴシステムは、円形中央移送チャンバ及び５つまでの処理チャンバを有するのであるが、このシステムは、直線移送チャンバ及び８つ以上の処理チャンバを有する。各処理チャンバは、他のチャンバとは独立して最適な圧力及びガス混合で動作できるように、その入口に分離弁を有する。これらチャンバは、処理フローのバランスをとるように選択される。例えば、ＭｏのＰＶＤ堆積は、比較的に高速の処理であるので、（処理フローを停止せずに保守又はターゲット変更を行えるようにするため２つのチャンバを使用することがあるのであるが）１つのチャンバのみが与えられる。１つのＣＩＧＳ堆積を行うのに、１つのＭｏ堆積を行うものの３倍の長さがかかると仮定すると、このフローのバランスをとるためには、３つのＣＩＧＳチャンバが与えられる。各層のために付加的なチャンバが与えられる。このシステムは、入口及び出口ロードロックを有し、移送チャンバにおけるトラックに１つ以上の移送ロボットを使用して、基板が左から右へと移動させられる。
本発明の特定の実施形態によるスタック堆積のためのシステム９０２の実施例では、システム９０２は、スタックの種々な層をそれぞれ堆積するためのチャンバ９０６を含む。図９に示されるように、モリブデンのような金属の導体層、ＣＩＧＳのような半導体及びＺｎＯのようなＴＣＯ層のためのそれぞれのチャンバがある。アニール、セレン化及びＣｄＳ堆積のような他の処理のためのチャンバもまた必要に応じて含むことができる。当業者には理解できるように、各層のためのチャンバの数は、各層の正しい厚さを堆積するのに必要とされるそれぞれの相対的時間をおおよそ反映している。
スクライブ及び接続システム９０４は、前述したような本発明の実施形態に従って適応されるような、従来のレーザー及び／又は機械的スクライブ、ポリマー付与及び除去ツール、無電界、インクジェット及びその他のタイプの導体堆積ツール、感光性層露光のためのランプでもって実施することができる。
図９に示されるように、このスクライバーシステム９０４及び堆積システム９０２は、基板を堆積システム９０２からスクライバーシステム９０４へと自動的に移送する直線トラック９０８で結合されている。
スクライバーシステム９０４内において、スクライビング、及びある実施形態では、絶縁体及び／又は導体堆積システムをモジュール基板に対して走査する必要がある。一実施形態では、モジュール基板は、あるステージに取り付けられ、移動される。別の実施形態では、基板は、スクライブラインの方向と直角な軸において移動され、そのスクライバーは、直線ドライバに取り付けられ、スクライブラインの方向と平行な軸において移動される。１つの代替的配置では、スループットを増大させる目的で、１つより多い同一の直線ドライブを使用することができ、例えば、スクライビングのために少なくとも１つのドライブが使用され、堆積のために少なくとも１つのドライブが使用される。スクライブカットを形成するため、ある層堆積実施形態（インクジェット堆積を使用するもの）では、基板に沿ってカッティング及び堆積ツールを走査する必要がある。一実施例では、レーザー出力はファイバー結合され、そのファイバーの端部は、基板に沿ってそのレーザービームを移動させる直線ドライブに固定される。別の実施例では、いくつかの直線ドライブが平行に作動される。別の実施例では、感光性ポリマーアプリケーター（インクジェット、スプレー又はローラー）が、カットの形成後に感光性ポリマーを付与するため、同じドライブに取り付けられる。別の実施例では、インクジェット、スプレー又はローラーのように、レーザービームが固定され、基板が移動される。ある実施形態では、直線ドライブは、例えば、レーザーのためのファイバー出力及びインクジェットを含むヘッドを基板に沿って走査するリニアモーター又はリードスクリューとされる。
本発明によって得られる付加的な利点は、相互接続の幅が従来の処理で可能なよりも狭くすることができるということである。従来の相互接続の幅は、０．０５ｃｍから０．１ｃｍであるのに対し、本発明の処理によれば、カット相互接続の幅（図６及び図７における寸法Ｗ）を、従来の幅の２０％である０．０１ｃｍから０．０２ｃｍまでに減ずることができる。これが可能な理由の幾分かは、図１０に示されるように、絶縁体６１６が半導体層６０４を通る寄生逆抵抗を除去する（従って、分流１００４が生ずるのを阻止する）ということにあり、また、これが可能な理由の幾分かは、カットが単一処理で形成されるので、複数の長いスクライブを互いに整合する必要がないということにある。
幾つかの仕方で効率を改善することができ、本発明の実施形態は、種々な仕方で組み合わせることにより、種々な結果を得ることができる。例えば、約７−１０％の従来の面積ロスを、１．５−２％まで減少することができる。モジュールセルの幅を、例えば、３分の１まで狭くすることにより、より大きな利点を得ることができる。こうすると、ＴＣＯにおける抵抗損が減少され、より薄いＴＣＯを使用できるようになる。より幅の広いセルに対して必要とされるより厚いＴＣＯは、入射光の約１０％を吸収してしまうかもしれないが、これは、本発明においては、５％より少ないところまで減少することができる。
ベースライン薄膜モジュールは、現在製造されているモジュールの典型であるように、１２．８％の効率を有する。しかしながら、ＰＳＰＩＣＥ計算によると、多くの効率上の改善が本発明によって得られることが明らかとされる。例えば、相互接続ラインの幅がより小さくされることにより、その相互接続として失われる面積が８％から２％まで減少され、活性面積が増大することにより効率が増大される。相互接続面積による損失が８％に維持されるとしても、分路抵抗が排除（改善された絶縁により）されることにより、効率が１２．８％から１５％へと増大される。モジュールにおける個々のセルの幅をより狭くすることもでき、これにより、ＴＣＯ直列抵抗における損失を減少することができる。セル幅を３分の１に減少させると、分路抵抗が排除されることと相俟って、効率が１２．８％から１７％まで増大され、このような本発明の薄膜モジュールは、単結晶モジュールと十分に競合し得るものとなる。
前述した本発明の実施形態は、どのようなロードロック移行によっても中断されないような単一処理シーケンスで、スタックの全ての層を堆積することができるという効果を有している。しかしながら、このような態様は、本発明の全ての実施形態にとって必要なものではない。より詳細に述べると、本発明の他の実施形態によれば、スクライブ幅及びセル面積比が大きく改善され、前述したのとどうような関連効果を得ることができる。
例えば、図１１の（Ａ）から（Ｆ）は、本発明の代替的実施形態による改良薄膜光起電力装置を作り出すことのできる改良処理シーケンスを示している。図１１の（Ａ）に示されるように、最初に、導体層１１０２がガラス１１０４のような基板上に堆積される。次に、図１１の（Ｂ）において、その導体層１１０２を通してスクライブ１１０６が形成される。それから、図１１の（Ｃ）において、ＣＩＧＳのような半導体層１１０８が堆積される。図１１の（Ｄ）に例示される次の工程は、この実施態様の処理における重要で新規な工程である。詳述するに、一方の側（図面の向きにおいて左側）では下層の絶縁体まで導体を完全に切断し、他方の側では導体層１１０２までのみ切断しているようなカット１１１２をスクライブ１１０６と平行に形成するために、整形レーザービームが使用される。このような整形レーザービームは、分離溝１１１４並びに導電性レッジ１１１０を形成する。任意的に、カット１１１２の左壁部に対して付加的な絶縁物質を堆積させることもできる。
次に、図１１の（Ｅ）において、部分的にカット１１１２を充填するＴＣＯのような上部導体層１１１６が堆積され、これにより、導電性レッジ１１１０への電気的接続が形成される。最後に、図１１の（Ｆ）において、半導体層１１０８を完全に切断して各セルを分離する第３のスクライブ１１１８がカット１１１２と平行に形成される。
本発明のこの実施形態の態様によれば、カット１１１２がレーザー（従来技術では典型的であるような機械的スクライブとは違って）でもって形成される場合に、ガラス１１０４から切除された絶縁体物質が左壁部（図面の向きにおいて）に堆積する。これは、絶縁残留物（図示していない）を形成し、又は、最低に見積もっても、導電層１１１６の側壁部に対する接触の質を低下させる残留物を形成し、従って、逆分路漏れが減少される。もし、この漏れが減少されるならば、相互接続の幅をより狭くすることができる。何故ならば、幅の広い相互接続を使用する主な理由の１つとして、逆分流が流れる路を長くしてその路の抵抗を増大させるということがあったからである。
図１２の（Ａ）から（Ｃ）は、図１１の（Ａ）から（Ｆ）に示した処理の代替的処理を示している。この実施形態では、図１２の（Ａ）に示されるように、導体層１２０２、スクライブ１２０６及び半導体層１２０８が、前述の処理におけるように、基板１２０４上に形成される。しかしながら、前述の処理とは違って、図１２の（Ｂ）において、ある角度でもって入射するレーザービームを使用して、スクライブ１２１２がスクライブ１２０６と平行に形成され、導電性レッジ１２１０に加えて凹角側壁部１２１６が形成される。前述の実施形態におけるように、スクライブ１２１２の左壁部には絶縁体は示されていない。しかしながら、絶縁基板１２０４の切除物質がこの壁部に被覆として堆積する。従って、図１２の（Ｃ）に示されるように、もし、例えば、ＰＶＤ処理を使用してＴＣＯのような導体層１２１８が堆積されるならば、凹角壁部１２１６上への堆積は阻止され、そのＴＣＯ被覆に切断部が形成され、これにより、第３のスクライブが不要とされ、相互接続幅及びセル面積比を更に改善することが可能となる。ある場合には、その側壁部被覆は、十分な抵抗性を有するものとなり、スクライブ１２０６も不要とすることができ、相互接続を単一スクライブとすることができる。
前述したような角度付きカットは、例えば、その側壁部角度を制御して、絶縁体で、又は絶縁体と金属とで、より容易に被覆できるようにするため、他の実施形態と組み合わせて使用することができることに注意されたい。
好ましい実施形態について本発明を特定的に説明してきたのであるが、当業者には、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、それら構成及び細部において種々な変形及び変更をなすことができることは、容易に明らかであろう。特許請求の範囲は、そのような変形及び変更を包含しようとしているものである。
１００…モジュール、１０２…セル、１０４…相互接続、２０２…金属、２０４…ガラス、２０６…直線カット（第１のスクライブ）、２０８…ＣＩＧＳ半導体層、２１０…第２のスクライブ、２１２…導電性酸化物、２１４…第３のスクライブ、２１６…直列接続、２１８…セル、２２０…セル、３０２…ＴＣＯ層、３０４…ガラス、３０６…直線カット（第１のスクライブ）、３０８…半導体層、３１０…第２のスクライブ、３１２…金属層、３１４…第３のスクライブ、３１６…直列接続、３１８…セル、３２０…セル、５０２…分流、５０４…主電流、６０２…導体層（底部導体）、６０４…半導体層、６０６…活性層、６０８…ガラス基板、６１０…第１のスクライブ、６１２…第２のスクライブ、６１４…露出導電性レッジ、６１６…絶縁体、６１６’…絶縁体部分、６１８…導体、６１８’…導体部分、６２０…セル、６２２…セル、９００…ファクトリー、９０２…堆積システム、９０４…スクライブ及び接続システム（スクライバーシステム）、９０６…チャンバ、９０８…直線トラック、１００４…分流、１１０２…導体層、１１０４…ガラス、１１０６…スクライブ、１１０８…半導体層、１１１０…導電性レッジ、１１１２…カット、１１１４…分離溝、１１１６…上部導体層、１１１８…第３のスクライブ、１２０２…導体層、１２０４…基板、１２０６…スクライブ、１２０８…半導体層、１２１０…導電性レッジ、１２１２…スクライブ、１２１６…凹角側壁部、１２１８…導体層
Claims (20)
- 薄膜ソーラーセルのための相互接続を形成する方法において、
上記セルの活性層及び導電層のスタックを単一処理シーケンスで堆積するステップと、
上記相互接続を形成するステップと、
を備えた方法。 - 上記形成するステップは、上記スタックに２つ以上のカットを形成する段階を含み、上記カットのうちの少なくとも１つは、上記スタックを完全に通して下層絶縁体へと達している、請求項１に記載の方法。
- 上記形成するステップは、上記少なくとも１つのカットに隣接し、上記活性層を通して切られ、上記下層絶縁体に導電性レッジを露出させる別のカットを形成する段階を含む、請求項２に記載の方法。
- 上記カットのうちの少なくとも１つを形成するためにレーザーが使用される、請求項２に記載の方法。
- 上記カットのうちの少なくとも１つを形成するために機械的スクライブが使用される、請求項２に記載の方法。
- 上記形成するステップは、上記カットの領域に、絶縁体を堆積し、その後、導体を堆積する段階を更に含む、請求項２に記載の方法。
- 上記形成するステップは、上記カットの領域に、絶縁体を堆積し、その後、導体を堆積する段階を更に含む、請求項３に記載の方法。
- 上記形成するステップは、インクジェット処理を使用して上記相互接続の少なくとも１つの層を形成する段階を含む、請求項１に記載の方法。
- 上記相互接続の接触抵抗を改善するために、上記スタックの上部に付加的な層が堆積される、請求項１に記載の方法。
- 上記絶縁体は、感光性物質である、請求項６に記載の方法。
- 上記絶縁体は、感光性物質である、請求項７に記載の方法。
- 前記絶縁体は、上記スタックが堆積されている基板を通して自己整合形式で露光される、請求項１０に記載の方法。
- 上記絶縁体は、上記スタックが堆積されている基板を通して自己整合形式で露光される、請求項１１に記載の方法。
- 上記処理シーケンスは、真空内である、請求項１に記載の方法。
- 上記相互接続を形成するステップは、上記活性層を堆積するための上記単一処理シーケンスとは独立した処理で導電性層を堆積する段階を含む、請求項１に記載の方法。
- 上記別に堆積される導電性層は、不透明である、請求項１５に記載の方法。
- 上記導電性層は、光導体上に被覆される、請求項１６に記載の方法。
- 上記形成するステップは、上記スタックを通してカットを形成する段階を含み、上記カットの第１部分は、上記スタックを完全に通して下層絶縁体まで達し、上記カットの第２部分は、上記活性層を通していて、上記下層絶縁体に導電性レッジを形成している、請求項１に記載の方法。
- レーザーにより行われる上記カットは、上記下層絶縁体の切除により、上記活性層の少なくとも一部分に当接する上記セルの側壁部に絶縁被覆が与えられるようにする、請求項４に記載の方法。
- 上記カットは、レーザーによって行われ、上記下層絶縁体の切除により、上記活性層の少なくとも一部分に当接する上記セルの側壁部に絶縁被覆が与えられるようにする、請求項１８に記載の方法。
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