JP2009532883A - 自己整合プロセスを用いて薄膜太陽光発電相互接続部を形成する方法 - Google Patents
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Abstract
太陽光発電モジュールにおいて相互接続部を形成するのに有効な処理ステップを本明細書に記載する。一態様によれば、本発明の方法は、従来の集積回路製造に行われたものと同様の処理ステップを含む。例えば、前記方法は、エッチングして、セルの間に相互接続部を形成するために使用し得る溝に隣接した導電性段差を形成するステップを含むのがよい。他の態様によれば、導電性段差を形成するための方法は、例えば、モジュールの上にミラーを位置決めして、フォトレジストを基板の下からある角度で一回以上露光し、エッチングして、導電性段差を露光することにより、自己整合させることができる。
Description
[0001]本発明は、一般的には、太陽光発電デバイス、より詳細には、薄膜太陽光発電デバイスにおいて改善された相互接続部を製造するためのシステム及び方法に関する。
[0002]薄膜ソーラーモジュールは、適度な効率で製造コストが低い魅力のある方法を提供する。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、銅インジウムガリウムセレン（ＣＩＧＳ）、テルル化カドミウムを含む種々の物質から製造される。これらのソーラーモジュールの共通の特徴は、板ガラスのような大面積絶縁体上に堆積させることである。
[0003]これらのモジュールの他の共通の特徴は、大面積堆積層を多くのセル更に／又はサブセルに分割するためのスクライブや相互接続部の使用である。この方法で分割される典型的なモジュールの平面図を図１に示す。図１に示されるように、モジュール１００は、相互接続部１０４によって直列接続される（例えば、この図面では水平方向に共に電気接続されている）複数のセル１０２（即ち、ストライプ）に分割される。相互接続部は、典型的には、スクライブと導体を用いてモジュールに形成される。しかしながら、このようなモジュール１００の長さＬが１メートル以上であり得ることは留意すべきである。一方、典型的にはモジュールのほぼ全長Ｌに達する、（図２において寸法Ｗに対応する）相互接続部の幅は、典型的に約７００〜１０００μｍであり、セル（即ち、ストライプ）の幅は、典型的には約１ｃｍである。当業者によって理解されるように、図１は、典型的なモジュールの簡易化された一定の比率の縮尺ではない図であり、モジュールには、図１に示されていない他の受動的で能動的な要素、例えば、電極、保護ダイオード、端子が更に含まれ得る。更に、モジュールは、典型的には、外部接触部を含むことができ更に／又は環境的に封入される。
[0004]既知である相互接続部１０４は、直列抵抗の損失へ影響を受けにくい高電圧、低電力を供給するように製造される。例えば、１２％効率の１ｍ２パネルは１２０ワットの電力を供給する。セルの動作電圧が０.６ボルトである場合には、電流は２００アンペアである。抵抗損がＩ２Ｒ（ここで、Ｉは電流であり、Ｒは抵抗である）であり、導電性薄膜の抵抗が比較的高いので、ほとんどの電力が消費される。しかしながら、例えば、モジュールが３００ストライプに分割された場合には、電圧は１８０ボルトで電流は０.５６アンペアである。抵抗損は、８９,０００の倍率だけ減少する。
[0005]本譲受人が共同所有する同時係属中の出願第１１／２４５,６２０合（ＡＭＡＴ-１０４６８）によって、薄膜太陽光発電モジュールの相互接続部を形成する当該技術の状態が劇的に進歩した。この発明の開示内容は本明細書に援用されている。この発明の一態様には、ベース電極をさらす段差構造を含む切断部を形成するための単一のレーザスクライブの使用が含まれた。この発明の他の態様は、得られた相互接続部が従来の相互接続部より非常に狭くすることができ、より効率のよいモジュール構造につながるものであった。
[0006]同時係属中の出願に記載されるプロセスを、図１における１０６のような一つの相互接続領域の一部によって図２Ａ〜図２Ｅに示す。図２Ａに示した最初の段差において、導体全体、半導体及びスタックコンタクト２０２-２０６は、ガラスのような基板２０８上に堆積される。一実施形態において、層２０２は、モリブデンのような金属又はＺｎＯのようなＴＣＯであり、層２０４は、ＣＩＧＳのような半導体であり、層２０６は、ＺｎＯのようなＴＣＯである。一部の実施形態おいて、スタック全体は約２-３μｍ厚である。
[0007]図２Ｂに示した次の段差において、スクライブ２１０は、底部導体２０２まで作られる。図２Ｃに示した第二スクライブ２１２をより小さな切断を用いて作り、さらされた導電性の出っ張り２１４が生じる。これらのスクライブ２１０と２１２のいずれも、レーザ又は機械的スクライブ、又はこれらの組合わせを用いて作ることができる。
[0008]スクライブが同時に作られる一実施形態において、（図面の向きに対して）右側よりも左側の方がより強いという点において、歪んだ強度プロファイルを有するレーザビームが用いられる。これは右側よりも左側の方がより深く切断することを示し、出っ張り２１４が生じる。他の実施形態において、二つのレーザ源が単一のファイバーに結合される。一つは、光子エネルギーが半導体のバンドギャップよりも小さいためにスタックを透過する、例えば、１０６４ｎｍの波長を持つＮｄ：ＹＡＧのような赤外線源である。これにより、導体２０２が優先的に切断される。第二はより短い波長源であり、例えば、半導体２０４（例えば、ＣＩＧＳ）を切断するが導体２０２を切断しない倍のＮｄ：ＹＡＧと５３２ｎｍである。第二の切断の幅は、２０〜５０μｍ程度であり、全体の幅Ｗは、０.０１〜０.２ｃｍほどに減少させることができ、以前に可能であったものよりも非常に狭い。
[0009]図２Ｄに示されるように、スクライブに続いて、絶縁体２１６が一方の壁上に堆積される。好ましい実施形態において、以下の自己整合法を用いて絶縁体２１６を堆積させる。ポリ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、噴霧又はローラのような多くの周知の方法のいずれを用いても全体のモジュールに適用される。ポリマーは、ガラスを通して裏側から露光される。これにより溝の中で自己整合の露光が行われる（即ち、導体層２０２は溝の部分を除いてフォトレジスト全てが露光されることを阻止する）。次に、ポリマーが現像され、溝に露光された（図面に示した向きに対して）左壁上のコーティングだけが残る。
[0010]最後に、図２Ｅに示されるように、導体２１８を絶縁体２１６の上に堆積させ、左のセル２２０の最上部を右のセル２２２の底部に接続する。これによりセル２２０と２２２の間の直列接続が得られる。その後、切断部の全長（例えば、図１に示すモジュールにおける切断部の長さＬ）を、絶縁物質と導電物質で被覆して、相互接続部を形成する。
[0011]同時係属中の出願の方法は以前に可能であったよりも許容され得る結果と非常に狭い相互接続部を与えるが、ある種の欠点を受けることがある。例えば、図２Ｂと図２Ｃに関連して述べた段差に用いられるレーザアブレーションは選択性が不充分であるので、左側のガラスを切断しつつ、右側の下に横たわる導体でアブレーションが停止する狭いプロセス窓が存在し得る。更に、レーザアブレーションは、特に高アブレーション速度で行われる場合に、エッジ部に損傷を引き起こし得る。
[0012]これらの欠点は、導電性段差を形成するレーザカットに関して特に明らかである。それ故、これらの不利な点の多くを、特に、整列を必要とするようなプロセスの複雑さを追加することなく、導電性段差を形成することに関して、克服することが望ましい。
[0013]本発明は、太陽光発電モジュールにおいて相互接続部を形成する方法を提供する。一態様によれば、本発明の方法は、従来の集積回路製造で行われるものと同様の処理ステップを含む。例えば、方法には、エッチングして、セルの間に相互接続部を形成するために使用し得る溝に隣接した導電性段差を形成するステップが含まれ得る。他の態様によれば、導電性段差を形成する方法は、例えば、モジュールの上にミラーを位置決めして基板の下からフォトレジストをある角度で一回以上露光することやエッチングして導電性段差を露光することによって、自己整合させることができる。他の態様によれば、プロセスには、モジュールにグリッド線を形成して構造における電流輸送を改善するステップが含まれ得る。
[0014]これらの多くの態様のために、薄膜太陽光発電モジュールにおいて相互接続部を形成する方法は、基板の上面に薄膜太陽光発電モジュール層のスタックを作製するステップと、スタックを完全に通って第一と第二のほぼ平行なエッジ部を有するアイソレーション溝を形成するが、溝の第一と第二のエッジ部に隣接したスタックの最上部にフォトレジストが残るステップと、アイソレーション溝に自己整合するプロセスを用いて第一のエッジ部に隣接したフォトレジストを露光するステップと、溝の第一のエッジ部に隣接したコンタクト段差を形成するために露光されたフォトレジストを経てスタックの一つ以上の層をエッチングするステップとを含む。これらの多くの追加の態様のために、前記方法に用いられる自己整合プロセスは、スタックの上に反射体を配置するステップと、基板を溝の下からと溝を通ってある角度で照射し、それによって、光を反射体から反射させると共にフォトレジストを露光するステップとを含む。
[0015]本発明のこれらの多くの態様と特徴は、添付の図面と共に本発明の個々の実施形態の以下の説明を見る際に当業者に明らかになるであろう。
[0019]以下に図面に用いられる符号を記載する。この説明は、限定するよりは具体的に説明するものであり、当業者は、本発明の範囲内でありながら種々の置換や修正が行われ得ることを理解する。
[0020]ここで、当業者が本発明を実施することができるように本発明の説明的例として示される図面によって本発明を詳述する。特に、以下の図面と例は、本発明の範囲を単一の実施形態に限定することを意味せず、他の実施形態も記載した又は図示した要素の一部又は全ての交換によって可能である。更に、本発明のある要素が既知の構成要素を用いて部分的に又は完全に実施され得る場合、本発明の理解に必要なこのような既知の構成要素の一部だけが記載され、このような既知の構成要素の他の部分の詳細な説明は、本発明が不明瞭にならないように省略される。本明細書において、一つだけの構成要素を示す実施形態は限定とみなすべきではなく、むしろ、本発明は、複数の同一構成要素を含む他の実施形態を包含するものであり、本明細書に明白にことわらない限り、逆もまた同じである。更に、出願人は、明細書又は特許請求の範囲におけるいかなる用語も明白にそれだけで示されない限りまれな又は特別な意味とみなさないものである。更に、本発明は、説明によって本明細書に示される既知の構成要素に現在及び将来既知の等価物を包含する。
[0021]一般に、本発明は、従来のＩＣ製造プロセスと同様のプロセスを用いる薄膜太陽光発電デバイスにおける相互接続部を形成する方法に関する。このようなプロセスは、ＩＣ製造プロセスを用いる際に固有のある自己整合と拡張可能性を用いる。
[0022]本発明による薄膜太陽光発電モジュールにおいてセルの間にコンタクト段差を形成するのに有効なコンタクト段差を形成のためのプロセスの流れの一例の実施形態を図３Ａ-図３Ｄに示す。図が一定の比率で縮尺されてなく、また、あるプロセスステップに示される異なる層と要素の相対寸法が、本発明のある態様を明瞭にするために誇張したり過小したりすることは留意すべきである。種々の層と特徴部の例示的寸法が適当な場合に説明に明記されるが、図面は限定よりむしろ、照射を意図している。
[0023]図３Ａに示されるように、この実施形態におけるプロセスの流れは、３ｍｍ厚の板ガラスのような基板３０８上の出発物質のスタック３００から始まる。この実施形態において、スタック３００は、ガラス基板３０８に接触した不透明な金属電極-典型的にはモリブデン-に対応する０.１μｍ層３０６と、上面上の透明な電極-典型的にはアルミニウムでドープされたＺｎＯ-に対応する１μｍ層３０２とを含む。プロセスは、また、α：Ｓｉ、μＣ：Ｓｉ、マイクロモルフのような他の種類の薄膜モジュールと用いることができ、この場合、透明電極はガラスに接触しているのがよく、金属対極は最上部上にある。このプロセスの流れの場合、半導体層３０４は、０.０７μｍのＣｄＳバッファ層の下の２μｍのＣＩＧＳであるが、他の適した物質はＣＩＳ、α：Ｓｉ、μＣ：Ｓｉ、ＣｄＴｅ、又は複数の物質のスタックを含む他のいかなる適切な物質も使用することができる。
[0024]ＳｉＯ２のような追加の物質層がＺｎＯを保護するためにスタックの最上部に添加し得ることは留意すべきである。他の保護層物質、例えば、ＢＡＲＣ又はＢＣＢも可能である。
[0025]プロセスの流れにおける最初のステップは、ガラスにアイソレーション切断を行うことである。好ましい一実施形態において、このことは、本明細書に詳述されるように、レーザ又は機械的スクライブよりもエッチングプロセスで行われる。例えば、図３Ｂに示すこの実施形態において、フォトレジストの層３１２は、噴霧、浸漬又はロールオンプロセスを用いてモジュールに適用される。厚さは１-１０μｍであるのがよい。３０μｍの広いラインは、上に（図示）又は基板と接触して約１０μｍにぶらさがったマスク３１０と対応するアパーチャ３１６を用いたフォトレジストにおいてさらされる。
[0026]図３Ｃにおいて、レジストが生じ、アイソレーション切断部３１８をウエットエッチング又はドライエッチングを用いてガラスまでエッチングする。一例の段階的ウエットエッチングプロセスにおいて、ＨＣｌ又はＣＨ３ＣＯＯＨ溶液を用いてＺｎＯ層をエッチングすることができ、その後、Ｈ２ＳＯ４＋ＨＮＯ３プロセスを用いてＣＩＧＳ層をエッチングすることができ、その後、Ｈ３ＰＯ４＋ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＨＮＯ３（一般にＰＡＮエッチングと呼ばれる）プロセスを用いてＭｏ層をエッチングすることができる。ＣＩＧＳ層エッチングプロセスが、それ自体において、また、それ自体についてユニークで新規であることは留意すべきであり、このＣＩＧＳエッチングプロセス又は代替的ＣＩＧＳエッチングプロセスを行う種々の例示的方法は、同時係属中の出願第＿＿号（ＡＭＡＴ-１０９３６）により詳細に記載され、この開示内容は本明細書に援用されている。更に、以下により詳細に説明される本発明の態様は、アイソレーション切断部３１８が続いて自己整合処理のマスクのアパーチャとして作用することである。
[0027]エッチングプロセスがアイソレーション切断部３１８を形成するのに好ましいが、代替的実施形態は機械的又はレーザスクライブプロセスを用いてもよい。
[0028]図３Ｄは、本発明の態様に従って、導電性段差又はコンタクト段差を形成するプロセスを始める次のステップを示す図である。反射体又はミラー３２２は、上面に密接に近接して配置され（例えば、５０μｍ）、照明は、ガラス基板３０８の下面からある角度で入射する。図示するように、光はミラーから反射し、既に形成されたスクライブ３１８に隣接したフォトレジストの領域を露光する。それ故、この露光は存在しているスクライブに自己整合する。段差の幅ｘは、式
｛式中、ｄは基板とミラーの間の隙間であり、θＳ、基板とミラーの間の角度（図３Ｄに示す例では、θＳは３０°＝９０°−６０°である）は、
（式中、θＩＮはガラス基板の下面への光の入射角であり、ｎＳは基板とミラーの間の領域の屈折率である）で示される｝
で示される。
で示される。
[0029]これらの式は、ガラス基板３０８に入るときに、また再びガラスからガラスとミラーの間の隙間にガラスが通り過ぎるときに、入射光が最初に屈折するために生じる。例えば、入射角がθＩＮ＝４５°であり、基板とミラーの間の領域ｄが５０μｍ（即ち、２ミル）厚であり、屈折率が１.３である場合には、ステップ幅はｘ＝３２μｍである。
[0030]ミラーと基板間の空間を一定に保つことは好ましいことである。一実施形態において、ミラーは基板を損傷させずに一定の距離空間を与えるソフトスペーサを持つ。他の実施形態において、透明な薄膜３２８が基板の表面の上に広がっているので、露光は薄膜の上面から反射する。例えば、薄膜３２８は、透明なマイラーであるのがよく、上面からの反射を増大するために、上面は、例えば、アルミニウムを含む反射コーティング３２２を持つことができる。他の別法において、反射コーティングを含まない透明なマイラー膜３２８は、その上に配置された別々の反射体又はミラー３２２に一様なスペーサを与えるために使用し得る。
[0031]露光と現像後、エッチングを行って導電性段差３２４が形成される。このことは、ドライエッチングか又はウエットエッチング、又はこれらの組合わせで行うことができる。溝３１８を形成する以前のエッチングプロセスのように、エッチング化学を、セルスタックの各層を選択的に進行させるように変化させることができ、ＣＩＧＳ層のエッチングは、同時係属中の出願第＿＿号（ＡＭＡＴ-１０９３６）により充分に開示される技術を用いて行うことができる。一部の実施形態において、エッチングは、底部導体に達したときに停止させる（ＣＩＧＳの場合はモリブデン又はα：Ｓｉ又はμＣ：Ｓｉの場合はＺｎＯ）。他の場合において、エッチングは半導体層において停止させることができる。例えば、α：Ｓｉ又はμＣ：Ｓｉにおいて、半導体は、底部の近傍で多量にドープされ、この多量にドープされた領域への接触は許容され得る。
[0032]セルの間の相互接続部だけでなく、いかなる絶縁層又はコンタクト層も形成するために追加の処理を行うことができる。多くの慣用の方法を使用し得るが、同時係属中の出願第＿＿号（ＡＭＡＴ-１０７４２）に開示される追加の手法を用いることが好ましい。
[0033]本発明を特にその好ましい実施形態によって記載してきたが、形態と詳細の変更や修正が本発明の精神と範囲から逸脱されることなく行われてもよいことは当業者に容易に明らかでなければならない。添付の特許請求の範囲はこのような変更や修正を包含することを意図するものである。
２０２…金属、２０４…半導体、２０６…ＴＣＯ、２０８…基板、２１０…第一スクライブ、２１２…第二スクライブ、２１４…導電性の出っ張り部、２１６…絶縁体、２１８…導体、２２０…最初のセル、２２２…次のセル、３００…スタック、３０２…最上導体層、３０４…半導体層、３０６…下に横たわる導体、３０８…基板、３１０…マスク、３１２…フォトレジスト層、３１６…アパーチャ、３１８…アイソレーション溝、３２２…反射体、３２４…コンタクト段差、３２６…金属、３２８…透明膜、３３０…側壁、３３２…コネクタ。
Claims (9)
- 薄膜太陽光発電モジュールにおいて相互接続部を形成する方法であって：
基板の上面上に太陽光発電モデュール層のスタックを作製するステップと；
該スタックを完全に通って第一と第二のほぼ平行なエッジ部を有するアイソレーション溝を形成するが、該溝の該第一と第二のエッジ部に隣接した該スタックの最上部上にフォトレジストが残るステップと；
該アイソレーション溝に自己整合するプロセスを用いて該第一のエッジ部に隣接した該フォトレジストを露光するステップと；
露光された該フォトレジストを経て該スタックの一つ以上の層をエッチングして、該溝の該第一エッジ部に隣接したコンタクト段差を形成するステップと；
を含む、前記方法。 - 該自己整合するプロセスが：
該スタックの上に反射体を配置する工程と；
該溝の下からと該溝を通って該基板をある角度で照射し、それによって、光を該反射体から反射させると共に該フォトレジストを露光する工程と；
を含む、請求項１に記載の方法。 - 該アイソレーション溝を形成するステップが：
該スタックの最上部上に該フォトレジストを適用する工程と；
フォトリソグラフィを用いて該フォトレジストの部分を露光し現像する工程と；
マスキング層として現像されていない該フォトレジストを用いて該スタックをエッチングする工程と；
を含む、請求項１に記載の方法。 - 該反射体が、透明プラスチック膜を備える、請求項２に記載の方法。
- 該プラスチック膜を被覆して、被覆された表面の反射率を増加させる、請求項４に記載の方法。
- 該スタックと該反射体の間にスペーサを配置して、該基板と該反射体の間の距離を維持するステップを更に含む、請求項２に記載の方法。
- 該エッチングするステップが、ウェットエッチングを含む、請求項１に記載の方法。
- 該エッチングするステップが、ドライエッチングを含む、請求項１に記載の方法。
- 該角度と距離が、該コンタクト段差の幅ｘが、式
｛式中、ｄは基板と反射体の間の距離であり、θＳ、基板と反射体の間の隙間の角度は、
（式中、θＩＮは基板を照射する光の入射角であり、ｎＳは基板と反射体の間の領域の屈折率である）で示される｝
で概算され得るように制御される、請求項６に記載の方法。
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