JP2010541282A - 太陽電池の製造に用いられるドーパント材料 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 一実施形態は、太陽電池を製造するためのドーパント材料に関する。当該ドーパント材料（１００）は、主要担体（１０２）と、ドーパント系とを備える。主要担体は、低温において固体で、高温において液体で、高温よりも高い第３の温度において分解する。ドーパント材料は、低温のシリコン基板の所定の領域に、高温で制御に従って塗布可能である。ドーパント系は、ドーパント担体（１０４）およびドーパント源（１０６）を有する。ドーパント源（１０６）は、第３の温度において安定している。その他の実施形態、側面、および特徴も開示する。
【選択図】 図１
【選択図】 図１
Description
本発明は概して、太陽電池に関する。本発明は特に、太陽電池を製造するための方法および装置に関するが、これらに限定されるわけではない。
太陽電池は、太陽放射を電気エネルギーに変換する公知のデバイスである。太陽電池は、半導体プロセス技術を利用して半導体ウェハ上に製造され得る。太陽電池は通常、シリコン基板にｐ型ドーピング領域およびｎ型ドーピング領域を形成することによって、製造され得る。太陽電池に太陽放射が当たると、電子および正孔が形成されて、ｐ型ドーピング領域およびｎ型ドーピング領域へと移動することにより、両ドーピング領域間で電圧差を発生させる。背面接触式（Ｂａｃｋ Ｃｏｎｔａｃｔ）太陽電池では、ドーピング領域は、太陽電池の背面に設けられている金属コンタクトに結合されて、外部電気回路に対して、太陽電池を結合させると共に太陽電池から電力供給を行う。背面接触式太陽電池は、米国特許第６，９９８，２８８号、５，０５３，０８３号、および、４，９２７，７７０号にも開示されている。これらの特許文献の内容はすべて、参照により本願に組み込まれる。
太陽電池の製造コストを削減する方法および構造を開発することによって、コスト削減の恩恵を消費者が受けるため、そのような方法および構造が求められている。
一実施形態は、太陽電池を製造するためのドーパント材料に関する。当該ドーパント材料は、主要担体と、ドーパント系とを備える。主要担体は、周囲温度において粘性が高く、高温では粘性がより低い液体である。主要担体は、高温よりも高い第３の温度において分解する。ドーパント系は、ドーパント担体およびドーパント源を有する。ドーパント源は、第３の温度において安定している。ドーパント材料は、低温のシリコン基板の所定の領域に、高温で制御に従って塗布可能である。
別の実施形態は、太陽電池を製造するべく利用されるドーパント材料を製造する方法に関する。主要担体とドーパント系とを混合してドーパント材料を形成する。ドーパント系は、ドーパント担体およびドーパント源を含む。混合は、主要担体の融点よりも高い高温で行われる。ドーパント材料は、主要担体の融点よりも低い低温において保存される。
別の実施形態は、太陽電池を製造する方法に関する。主要担体と、ドーパント系とを混合してドーパント材料を形成する。ドーパント系は、ドーパント担体およびドーパント源を含む。混合は、主要担体の融点よりも高い高温で行われる。ドーパント材料をシリコン基板の所定の領域に塗布する。ドーパント材料は、シリコン基板上に塗布された後、シリコン基板上で凝固する。加熱して、主要担体およびドーパント担体を分解させて、シリコン基板の所定の領域にドーパント源を拡散させる。
上述およびその他の本発明の特徴は、添付図面および請求項を含む本開示内容を全て参照すれば、当業者には容易に明らかとなるであろう。
複数の異なる図面にわたって、同一の参照符号を利用して、同一または同様の構成要素を指定する。図面は、明記されていない限り、必ずしも実寸に即したものではない。
本願では、本発明の実施形態を十分に説明するべく、装置、処理パラメータ、材料、処理工程、および構造の例等、具体的且つ詳細な内容を数多く記載する。しかし、本願に記載された具体的且つ詳細な内容の一部または全てを利用せずとも本発明を実施可能であることは、当業者には明らかである。また、本発明の側面をあいまいにすることを避けるべく、公知の点については詳細な説明または図示を省略する。
ＩＢＣ（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ Ｂａｃｋ Ｃｏｎｔａｃｔ）太陽電池を実際に製造する際の問題または難しさの１つに、フォトレジスト材料の使用、処理、およびマスク位置合わせ等による高い製造コスト等が挙げられる。このため、ＩＢＣ太陽電池は、高集光度太陽電池等、価値が高い用途に限定されるのが通常である。
本願は、高効率の製造プロセスで利用可能な新しいドーパント材料を開示する。具体的には、本発明に係るドーパント材料は、ＩＢＣシリコン太陽電池の製造において、インクジェット印刷、噴射、または、その他の高効率の塗布技術を用いた処理に適している。
本発明に係るドーパント材料は、周囲温度において、ドーパント材料の標準的な粘性よりも低い粘性で塗布、噴出、または、噴射され得るという利点を持つ。ドーパント材料は、周囲温度における粘性が高いと、印刷または微細なフィーチャーを塗布することによって形成され、局所的な領域に限定されてしまう。しかし、本発明に係るドーパント材料は、例えば、噴射ノズルを用いて基板の一部または全体を被覆するように塗布され得る。
図１は、本発明の一実施形態に係るドーパント材料１００を示す概略図である。本実施形態によると、ドーパント材料１００は、少なくとも３つの主な材料成分を含む化学混合物を有するとしてよい。３つの主な材料成分とは、担体材料（主要材料）１０２、ドーパント担体（補助材料）１０４、ドーパント担体１０４内に含められたドーパント源１０６である。ドーパント材料１００は、少なくともこれら３成分の混合物である。任意で、１以上の機能成分をドーパント材料１００にさらに混合させるとしてもよい。
担体材料１０２は、温度に対して感度を有して相変化する材料であり、例えば、有機ワックス材料である。担体材料１０２は、材料の温度および履歴に応じて、低粘性状態、高粘性状態、または分解状態になるとしてよい。担体材料１０２は、例えば、有機ワックス系を有するとしてよい。具体的な実施形態によると、担体材料１０２は、ステアリン酸を有するとしてよい。別の実施形態によると、他の脂肪酸を用いて担体材料１０２を形成するとしてもよい。別の実施形態によると、担体材料１０２は、時間経過に応じて力が加えられると、より流動的になる（つまり、粘性が低くなる）チキソトロピー材料を有するとしてもよい。
担体材料１０２は、塗布するべく、高温（周囲温度よりも高い温度）において保存されて、低粘性状態を保つとしてよい。低粘性状態は、液体状態である。このため、インクジェット印刷、噴射、または、その他の塗布方法によって、高速に塗布することができる。
続いて、周囲温度において、担体材料１０２は、高粘性状態になるとしてよい。高粘性状態は、固体状態であってよい。このため、担体材料１０２は、基板に塗布された後は、局所的な領域にとどめられ得る。
さらに処理を続け、担体材料１０２（ドーパント担体１０４およびドーパント源１０６が混合されている）は、オーブンおよび／または拡散炉のような高温環境に載置されて、ドーパント源１０６を基板内に移動させるとしてよい。ドーパント移動温度Ｔｅｍｐγより低いか、または、ドーパント移動温度Ｔｅｍｐγ以上である所定の温度Ｔｅｍｐαにおいて、担体材料は分解状態へと分解されることが好ましい。
ドーパント担体１０４と、ドーパント源１０６とを共に用いることで、ドーパント系を構成するものと解釈してよい。
ドーパント担体１０４は、ドーパント源を内部に封入しており、担体材料との適合性を考慮して選択される。温度Ｔｅｍｐα以上であるが、温度Ｔｅｍｐγよりは低い、所定の温度Ｔｅｍｐβにおいて、ドーパント担体は、分解状態に分解されるとしてもよいし、分解されないとしてもよい。
具体的な一実施形態によると、ドーパント担体１０４は、温度Ｔｅｍｐβで通常は分解されるテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を含むとしてよい。別の具体的な実施形態によると、ドーパント担体１０４は、温度Ｔｅｍｐβでは通常は分解されないケイ酸塩を含むとしてもよい。
一方、ドーパント源１０６は、温度Ｔｅｍｐβで熱的に安定するように選択される。具体的な一実施形態によると、ドーパント源１０６は、例えば、ｐ型ドーピングの場合は酸化ホウ素Ｂ２Ｏ３、または、ｎ型ドーピングの場合は五酸化リンＰ２Ｏ５を含むとしてよい。他の実施形態では、別のドーパント源１０６を用いるとしてよい。
図２は、本発明の具体的な実施形態に係るドーパント材料２００を示す概略図である。同図に示されているように、ドーパント材料２００は、主要担体１０２として、ステアリン酸またはその他の脂肪酸２０２を含むとしてよい。ドーパント材料２００はさらに、ドーパント担体１０４としてＴＥＯＳまたはＳｉＯ２２０４を含むとしてよく、ドーパント源１０６として、酸化ホウ素Ｂ２Ｏ３（ｐ型ドーピングの場合）、または、五酸化リンＰ２Ｏ５（ｎ型ドーピングの場合）を含むとしてよい。基板は、具体的には、シリコンウェハであってよい。
図３は、ドーパント材料を形成して、当該ドーパント材料を用いて本発明の一実施形態に係る太陽電池の基板にドーピングを行うための方法３００を示すフローチャートである。最初の３つのブロック３０１、３０２、および３０４は、ドーパント材料の形成および保存に関する工程である。
ブロック３０１において、ドーパント担体およびドーパント源を混合または融合させることによって、ドーパント系を形成するとしてよい。例えば、ドーパント担体は、ＴＥＯＳまたはケイ酸塩を含むとしてよく、ドーパント源は、Ｂ２Ｏ３またはＰ２Ｏ５を含むとしてよい。ドーパント系は、混合されたドーパント担体およびドーパント源を含む。ドーパント担体は、主要担体と適合させるために利用される。
ブロック３０２において、主要担体およびドーパント系（および、任意で１以上の機能成分）を、高温で、混合または融合させる。例えば、主要担体は、ステアリン酸等の脂肪酸を含むとしてよい。「高温」は、主要担体の融点よりも高くなるように、十分高い温度とする。例えば、ステアリン酸の融点は摂氏７０度であるので、「高温」はこの温度よりも高い温度である。高温が取るべき範囲としては、具体的に使用する主要担体の材料に応じて変わるが、約摂氏６０度から摂氏９５度の範囲である。
ブロック３０４において、ドーパント材料は、周囲温度または室温において、固体（ワックス）状の形態または状態で保存可能である。これは、主要担体が室温で固体となるためである（つまり、室温は、主要担体の融点よりも低くなる）。
続く４つのブロック３０６、３０８、３１０、および、３１２は、当該ドーパント材料を用いて太陽電池の基板をドーピングすることに関する工程である。このため、ドーパント材料を、固体状の形態で、保存場所から取り出すとしてよい。
ブロック３０６において、ドーパント材料は、主要担体の融点よりも高い温度まで加熱される。このようにドーパント材料を加熱することによって、主要担体は、液相状態または低粘性状態に到達する。
ブロック３０８において、ドーパント材料は低粘性状態にあり、加熱されたドーパント材料を、太陽電池用のシリコン基板の所定の領域に堆積させるとしてよい。ドーパント材料の堆積は、例えば、インクジェット装置、噴射装置、直接書き込み装置、または、その他の塗布装置を用いて、実行されるとしてよい。インクジェット装置の一例を、図４Ａおよび図４Ｂを参照しつつ後述する。噴射装置の一例は、図５を参照しつつ後述し、直接書き込み装置の一例は、図６を参照しつつ後述する。
ブロック３１０において、ドーパント材料は、太陽電池用の基板の表面に堆積されると、凝固または「凍結」して、固まる。ドーパント材料の凝固は、主要担体が液相状態から固相状態へと相変化することが原因である。このように相変化することによって、堆積させたドーパント材料の寸法（長さおよび幅）、形状、および／または、厚みを制御することができるようになる。例えば、塗布にインクジェット装置を用いる場合、プリントヘッドシステムから噴出した液滴は、液滴の温度よりも表面の温度が低いシリコン基板に印刷されて、液滴の温度が主要担体の融点よりも低い温度まで降下するので、典型的な気泡形状を維持する。このため、印刷されるフィーチャー（例えば、ドット、ライン、および、孔）を形成して、当該フィーチャーの形状および寸法を制御することによって、ドーピング材料は、基板の所定の領域に局所的に堆積させられ得る。
ブロック３１２において、所望のパターンで基板上にドーパント材料を堆積させた後、ドーパント材料が堆積させられた基板を加熱して、基板の所定の領域にドーパント源を移動させるとしてよい。この工程における加熱は、ドーパント材料の温度を温度Ｔｅｍｐαまで上昇させることによって実行される。温度Ｔｅｍｐαは、担体材料が分解状態に分解される温度よりも高い。担体材料が分解されると、ドーパント系が基板上に残ることになる。ドーパント担体が分解するような物質である場合には、ドーパント源が基板上に残る。
最後に、ブロック３１４において、基板およびドーパント源をさらに、温度Ｔｅｍｐαよりも高い所定の温度Ｔｅｍｐγで処理して、ドーパント源を基板の所定の領域に拡散させるとしてよい。例えば、約摂氏１０００度で、Ｂ２Ｏ３を拡散によってシリコンに移動させるとしてよい。
図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の一実施形態に係る太陽電池用の基板に対するドーパント材料の塗布を制御するインクジェット装置を示す概略図である。図４Ａは、ｘ次元に沿って構成されている支持部材４０２に沿って並進することによって、インクジェットヘッド４０４がｘ軸方向に移動するように構成されている様子を示す平面図である。図４Ｂは、印刷対象となる基板４０１の上方に設けられているインクジェットヘッド４０４を示す断面図である。インクジェットヘッド４０４の下側には、複数の塗布部材４０６から構成される塗布部材アレイが設けられている。塗布部材４０６によって、基板４０１の所定の領域に対するドーパント材料の塗布を制御するとしてよい。
図５は、本発明の一実施形態に係る太陽電池用の基板に対してドーパント材料を高速に塗布する噴射装置を示す概略図である。図５は、ドーパント材料の噴射５０６を行って、ドーパント材料を基板５０１の所定の領域に堆積させるための噴射ノズル５０２およびエアレータ５０４を有する噴射ヘッドを示す断面図である。
図６は、本発明の一実施形態に係る太陽電池用の基板に対するドーパント材料の塗布を制御する直接書き込み装置を示す概略図である。図６は、基板６０４に対してドーパント材料６０６のパターンを塗布する直接書き込みヘッド６０２を示す断面図である。
図７は、本発明の一実施形態に係る、１以上の機能成分７０２を含むドーパント材料７００を抽象的に示す概略図である。１以上の機能成分７０２は、例えば図３の工程３０２において、ドーパント材料７００に混合または融合されるとしてよい。機能成分７０２は、例えば、付着促進剤または界面活性剤を含むとしてよい。ドーパント担体と同様に、機能成分は、温度Ｔｅｍｐβで分解するとしてもよいし、分解しないとしてもよい。
付着促進材は、処理中に基板に堆積させられた材料の付着を促進することを目的として、機能成分７０２として添加されるとしてよい。
界面活性剤は、基板表面に塗布された材料の形状を改善または維持することを目的として、機能成分７０２として添加されるとしてよい。つまり、界面活性剤によって、基板表面は、制御に従って容易に湿った状態となり得る。例えば、界面活性剤は、シリコンまたは二酸化シリコンから成る表面に加熱されたドーパント材料が堆積させられる時の表面張力を大きくするように選択されるとしてよい。
本発明の具体的な実施形態を説明してきたが、上述した実施形態は例示を目的とするもので本発明を限定するものではないと理解されたい。本開示内容に基づき、多くの実施形態を追加できることは、当業者には明らかである。
Claims (21)
- 太陽電池を製造するためのドーパント材料であって、
周囲温度において粘性が高く、高温では粘性がより低い液体であって、前記高温よりも高い第３の温度において分解する主要担体と、
ドーパント担体およびドーパント源を有するドーパント系と
を備え、
前記ドーパント源は、前記第３の温度において安定しており、
前記ドーパント材料は、前記低温のシリコン基板の所定の領域に、前記高温で制御に従って塗布可能であるドーパント材料。 - 前記主要担体は、脂肪酸を有する請求項１に記載のドーパント材料。
- 前記主要担体は、ステアリン酸を有する請求項２に記載のドーパント材料。
- 前記主要担体は、チキソトロピー材料を有する請求項１に記載のドーパント材料。
- 前記ドーパント担体は、ＴＥＯＳを含む請求項１に記載のドーパント材料。
- 前記ドーパント担体は、ケイ酸塩を含む請求項１に記載のドーパント材料。
- 前記ドーパント源は、酸化ホウ素を含む請求項１に記載のドーパント材料。
- 前記ドーパント源は、酸化リンを含む請求項１に記載のドーパント材料。
- 前記シリコン基板に対する前記ドーパント材料の付着を促進する付着促進剤をさらに備える請求項１に記載のドーパント材料。
- 前記シリコン基板に堆積させられる際の前記ドーパント材料の表面張力を変更する界面活性剤をさらに備える請求項１に記載のドーパント材料。
- 太陽電池を製造するべく利用されるドーパント材料を製造する方法であって、
主要担体と、ドーパント担体およびドーパント源を含むドーパント系とを、前記主要担体の融点よりも高い高温で混合して、前記ドーパント材料を形成する段階と、
前記主要担体の前記融点よりも低い低温において、前記ドーパント材料を保存する段階と
を備える方法。 - 前記主要担体は、脂肪酸を含む請求項１１に記載の方法。
- 前記主要担体は、ステアリン酸を含む請求項１２に記載の方法。
- 前記主要担体は、チキソトロピー材料を含む請求項１１に記載の方法。
- 前記ドーパント担体は、ＴＥＯＳを含む請求項１１に記載の方法。
- 前記ドーパント担体は、ケイ酸塩を含む請求項１１に記載の方法。
- 前記ドーパント源は、酸化ホウ素を含む請求項１１に記載の方法。
- 前記ドーパント源は、酸化リンを含む請求項１１に記載の方法。
- 前記ドーパント材料に、シリコン基板に対する前記ドーパント材料の付着を促進する付着促進剤を混合する請求項１１に記載の方法。
- 前記ドーパント材料に、シリコン基板に堆積させられる際の前記ドーパント材料の表面張力を変更する界面活性剤を混合する請求項１１に記載の方法。
- 太陽電池を製造する方法であって、
主要担体と、ドーパント担体およびドーパント源を含むドーパント系とを、前記主要担体の融点よりも高い高温で混合して、ドーパント材料を形成する段階と、
シリコン基板の所定の領域に前記ドーパント材料を塗布して、前記シリコン基板上に塗布した前記ドーパント材料を凝固させる段階と、
前記主要担体および前記ドーパント担体を分解させて、前記シリコン基板の前記所定の領域に前記ドーパント源を拡散させるべく加熱を行う段階と
を備える方法。
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