JP2012531044A - 亜臨界剪断減粘性ｉｖ族系ナノ粒子流体 - Google Patents
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Abstract
ＩＶ族系ナノ粒子流体が開示される。ナノ粒子流体が、ナノ粒子流体の約１重量％〜約２０重量％の量において存在する一群のナノ粒子を構成する一群のＩＶ族原子を含有する。また、ナノ粒子流体は、ナノ粒子流体の約０重量％〜約５重量％の量において存在する一群のＨＭＷ分子を含有する。さらに、ナノ粒子流体は、少なくとも一部のキャッピング剤分子が一群のシリコンナノ粒子に結合している一群のキャッピング剤分子を含有する。
Description
関連出願の相互参照
本出願は、その全開示内容が参照によって組み込まれる、２００９年６月１７日に出願された米国仮特許出願第６１／１８７，７３１号、および２００９年６月２９日に出願された米国非仮特許出願第１２／４９３，９４６号の利点を請求する。
本出願は、その全開示内容が参照によって組み込まれる、２００９年６月１７日に出願された米国仮特許出願第６１／１８７，７３１号、および２００９年６月２９日に出願された米国非仮特許出願第１２／４９３，９４６号の利点を請求する。
本開示は一般に半導体に関し、特に、亜臨界剪断減粘性ナノ粒子流体およびその方法に関する。
半導体は、現代エレクトロニクスの基礎を形成する。半導体は、伝導と絶縁との間で選択的に改良および制御されうる物理的性質を有するので、大抵の現代電気デバイス（例えば、コンピュータ、携帯電話、光電地等）において不可欠である。
印刷などの非伝統的半導体技術を用いて半導体を堆積できることによって、多くの現代電気デバイス（例えば、コンピュータ、携帯電話、光電地等）を簡易化する方法を提供し、したがってコストを低減する場合がある。ペイント中の顔料のように、これらの半導体は一般に、微視的粒子として形成され、母材、コロイド分散体、またはペースト中に一時的に懸濁され、後に基板上に堆積される。
例えば、電気活性半導体粒子を有する流体の堆積によって電気活性薄膜（すなわち、ｐ−ｎ接合等）をシリコン基板上に形成することが望ましい場合がある。堆積プロセス（例えば、インクジェット印刷、エーロゾル印刷、スクリーン印刷等）の間に流体を流動させるために、それは一般に、比較的低い粘度を有さなくてはならない。しかしながら、パターンとして堆積されると、同じ流体はまた一般に、高密度化プロセスの間パターンを保持するために比較的高い粘度も有さなくてはならない。したがって、剪断減粘性または非ニュートン流体が望ましい。すなわち、流体は、剪断応力τ、臨界値τ0未満に対して剛性である。臨界剪断応力（または「降伏応力」）を超えると、適用された剪断応力が降伏応力を超える量に剪断速度
が正比例して、材料が流動する。
典型的に、非ニュートン挙動は、適した溶剤中で、一群の高分子量（ＨＭＷ）分子、および粒状材料（粒子）の特定の臨界体積分率を組み合わせることによって達成されてもよい。臨界体積分率未満で流体はニュートン流体であるが、臨界体積分率を超えると、流体は非ニュートンまたは剪断減粘性である。
しかしながら、パターン化された堆積を最適にするために、粒状材料の実質的に低い体積（典型的に１０重量％未満）を有する流体を堆積することがしばしば望ましく、それは剪断減粘性挙動のために臨界体積分率未満であってもよい。例えば、薄膜を堆積するとき、サブミクロン粒子の配合量が高くなるとより厚い膜（＞５ミクロン）を形成する傾向があり、それは次に、膜が高密度化されるときに応力破壊を生じる傾向がある。さらに、エピタキシーが必要とされる適用において、より厚い膜はエピタキシャル成長を妨げる傾向がある。エピタキシーは一般に、薄膜と基板との間の境界面の一タイプであり、一般に、単結晶基板上の規則結晶成長を説明する。
前述の内容から、亜臨界体積分率を有する剪断減粘性ＩＶ族系ナノ粒子流体が望ましい。
本発明は、１つの実施形態において、ＩＶ族系ナノ粒子流体に関する。ナノ粒子流体は、ナノ粒子流体の約１重量％〜約２０重量％の量において存在する一群のナノ粒子を構成する一群のＩＶ族原子を含有する。また、ナノ粒子流体は、ナノ粒子流体の約０重量％〜約５重量％の量において存在する一群のＨＭＷ分子を含有する。さらに、ナノ粒子流体は、少なくとも一部のキャッピング剤分子が一群のシリコンナノ粒子に結合している一群のキャッピング剤分子を含有する。
本発明は、別の実施形態において、亜臨界剪断減粘性ナノ粒子流体を用いて前面と裏面とを含むシリコン基板上にデュアルドープトエミッターを形成するための方法に関する。方法は、シリコン基板をテキスチャー化する工程と、シリコン基板を清浄化する工程と、亜臨界剪断減粘性ナノ粒子流体を前面上に堆積する工程とを有する。方法はさらに、約１５０℃〜約８００℃の第１の温度においておよび約１分〜約６０分の第１の時間の間シリコン基板を焼成する工程を有する。また、方法は、シリコン基板を約８００℃〜約９５０℃の第２の温度においておよび約３０分〜約１８０分の第２の時間の間ＰＯＣｌ3、Ｎ2、およびＯ2の雰囲気を有する拡散炉内のドーパント源に暴露し、そこにおいてＰＳＧ層が形成される工程を有する。方法はさらに、ＰＳＧ層を除去する工程と、反射防止コーティングを前面上に堆積する工程と、一群の上部金属コンタクトを前面上におよび一群の下部金属コンタクトを裏面上に堆積する工程とを含む。
本発明は、添付した図面の図において、制限条件としてではなく実施例として説明され、そこにおいて同じ参照符号は同じ要素を指す。
本発明はここで、添付した図面に示されるようにそのいくつかの好ましい実施形態を参照して詳細に説明される。以下の説明において、多数の具体的な詳細が本発明の完全な理解を与えるために示される。しかしながら、本発明は、これらの具体的な詳細の一部または全てを用いずに実施されてもよいことは当業者には明らかである。他の場合、公知の工程段階および／または構造は、本発明を不必要に不明瞭にしないために詳細に説明されていない。
先述のように、低い粒子体積分率を有する剪断減粘性流体によって電気活性薄膜を堆積することはしばしば難しい。一般に、低い（臨界レベル未満）粒子体積分率が薄膜を形成するために好ましいが、基板上の最適なパターン化のためにしばしば必要とされる剪断減粘性または非ニュートン挙動のために高い（臨界レベル超の）粒子体積分率が必要とされる。しかしながら、剪断減粘性挙動は、低い固体配合量によって達成することは難しい。
有利な方法において、最適な薄膜を堆積および高密度化するために剪断減粘性ＩＶ族系（シリコン、ゲルマニウム、酸化シリコン等）ナノ粒子流体を形成してもよい。１つの構成において、最初に、一群のアルコールおよびケトンキャッピング剤を添加することによって、一群のシリコンナノ粒子をコロイド分散体中に実質的に分散させ、次に場合により、セルロースなどの一群の高分子量（ＨＭＷ）分子を添加し、次いで、溶剤の除去によって分散体を濃縮することによって最適な亜臨界剪断減粘性流体を生じさせてもよいと本願発明者らは考える。他の構成において、さらに、例えば、ゲルマニウムナノ粒子およびシリコンナノ粒子を含む他のＩＶ族系ナノ粒子流体が同様な結果をもたらすことがあると考えられる。
ナノ粒子は一般に、１００ｎｍ未満の少なくとも１つの寸法を有する微視的粒子である。そのサイズに関係なく一定した物理的性質（例えば、融解温度、沸騰温度、密度、導電率等）を有する傾向がある塊状材料（＞１００ｎｍ）と比較して、ナノ粒子は、より低い焼結温度またはより広いバンドギャップなど、サイズに依存している物理的性質を有することがある。
ナノ粒子は、蒸発（Ｓ．Ｉｊｉｍａ，Ｊａｐ．Ｊ Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２６，３５７（１９８７年））、気相熱分解（Ｋ．Ａ Ｌｉｔｔａｕ，Ｐ．Ｊ．Ｓｚａｊｏｗｓｋｉ，Ａ．Ｊ．Ｍｕｌｌｅｒ，Ａ．Ｒ．Ｋｏｒｔａｎ，Ｌ．Ｅ．Ｂｒｕｓ，Ｊ Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．９７，１２２４（１９９３年））、気相光分解（Ｊ．Ｍ．Ｊａｓｉｎｓｋｉ ａｎｄ Ｆ．Ｋ．ＬｅＧｏｕｅｓ，Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．３，９８９（１９９１年））、電気化学エッチング（Ｖ．Ｐｅｔｒｏｖａ−Ｋｏｃｈ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６１，９４３（１９９２年））、シランおよびポリシランのプラズマ分解（Ｈ．Ｔａｋａｇｉ ｅｔ ａｌ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５６，２３７９（１９９０年））、高圧液相還元・酸化反応（Ｊ．Ｒ．Ｈｅａｔｈ，Ｓｃｉｅｎｃｅ ２５８，１１３１（１９９２年））などの様々な技術によって製造されてもよい。
セルロースは、式（Ｃ6Ｈ10Ｏ5）ｎを有する有機化合物であり、数百〜１万超の結合したグルコース単位の直鎖からなる多糖である。
キャッピング剤または配位子は一般に、多原子分子実体の中心原子に結合した一群の原子またはグループの原子である。一般に、キャッピング剤の間の弱い静水圧および静電相互作用は、非動的力レジームにおいて、すなわち、剪断力を加える前に粘度を増加させる傾向がある。しかしながら、比較的小さな剪断力を加えることによって静水圧相互作用を克服し、したがって、流体の粘度を低減させる傾向がある。
シクロヘキサノール、メントール、またはテルピネオールなどのアルコールは、Ｓｉ−Ｏ共有結合の形成によって末端アルコール官能基が表面Ｓｉ元素に結合することができる最適な化学構造を有する場合がある。しかしながら、他のアルコールを用いてもよい。
アルキルアルコールの場合、かさ高いアルキル基は一般に、Ｓｉナノ粒子表面から分散媒に突き出る。一般に、キャッピング剤のナノ粒子表面充填密度が増加するとき、ナノ粒子の分散性、粘度、および脱集塊（ｄｅｇｌｏｍｅｒａｔｉｏｎ）もまた、改善する傾向がある。さらに、分散体流体またはビヒクルがキャッピング剤と同じである構成について、キャッピング剤とビヒクルとの間の相溶性の問題は実質的に低減されるかまたは全く除かれるので、分散性がさらに強められる場合がある。
低濃度の懸濁液について、その粘度を以下の方程式によって計算することができる。
上式中、
φ＝粒子の体積濃度、および
Ｋ＝Ｈｕｇｉｎｓ係数である。
一般に、Ｋは、粒子間の凝集度および電気化学力によって変化し、５．０＝Ｋ＝１５である。粘度の測定されたデータは、ということが比較後に見出される。２００７年８月２１〜２４日の８th Ａｓｉａｎ Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅにおいて提出されたＨｕａｑｉｎｇ Ｘｉｅ， Ｌｉｆｅｉ ＣｈｅｎおよびＱｉｎｇＲｅｎ Ｗｕ著， Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｏｆ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓ （ｎａｎｏｆｌｕｉｄｓ）ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｎａｎｏｓｉｚｅｄ Ａｌ2Ｏ3 ｐａｒｔｉｃｌｅｓ。
Ｋ＝Ｈｕｇｉｎｓ係数である。
一般に、Ｋは、粒子間の凝集度および電気化学力によって変化し、５．０＝Ｋ＝１５である。粘度の測定されたデータは、ということが比較後に見出される。２００７年８月２１〜２４日の８th Ａｓｉａｎ Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅにおいて提出されたＨｕａｑｉｎｇ Ｘｉｅ， Ｌｉｆｅｉ ＣｈｅｎおよびＱｉｎｇＲｅｎ Ｗｕ著， Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｏｆ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓ （ｎａｎｏｆｌｕｉｄｓ）ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｎａｎｏｓｉｚｅｄ Ａｌ2Ｏ3 ｐａｒｔｉｃｌｅｓ。
例えば、方程式２によれば、約１００ｎｍより大きい粒度を有する粒状材料を有する流体について、１／ｓｅｃの剪断速度においてＫが１５に近づくとき、相対粘度の値は１．１３であると推定される。しかしながら、高表面績ナノ粒子（約１００ｎｍ未満）の亜臨界体積を含有する流体を用いるこの発明において、同じ剪断速度（１／ｓｅｃ）で測定された相対粘度は約１８２であることが示されており、二桁超の増加である。したがって、より大きい粒子分散体と比較して、ナノ粒子分散体は、先述の増加した粒子間相互作用のために、粘度の増加に相応して、より高いｎ／ｎ0値を有する傾向があることが示された。
以下の方程式を用いて体積分率を計算することができる。
上式中、ρPおよびρ0は、それぞれ、ナノ粒子および基礎流体の密度であり、ΦおよびΦmは、粉末の体積および質量分率である。しかしながら、先述のように、臨界剪断減粘性ナノ粒子流体は、剪断減粘性挙動のために典型的に必要とされるよりも実質的に小さい体積分率を有する傾向がある。例えば、太陽電池上に上部および下部コンタクトをそれぞれ形成するために一般に使用される銀およびアルミニウムペーストと本発明を比較するとき、亜臨界剪断減粘性ナノ粒子流体は、実質的により小さい体積分率を有する。
実験１
図１をここで参照すると、本発明によって、一群のペーストについて粘度が剪断速度と比較される。１／ｓｅｃ単位の剪断速度１０２が水平軸に沿って示され、一方ＫｃＰ単位の粘度１０４が縦軸に沿って示される。粘度は剪断速度の関数として測定され、シリコンナノ粒子の影響を示す。
図１をここで参照すると、本発明によって、一群のペーストについて粘度が剪断速度と比較される。１／ｓｅｃ単位の剪断速度１０２が水平軸に沿って示され、一方ＫｃＰ単位の粘度１０４が縦軸に沿って示される。粘度は剪断速度の関数として測定され、シリコンナノ粒子の影響を示す。
全ての流体は、エチルセルロースバインダーをテルピネオール（Ｃ10Ｈ18Ｏ）溶剤中に溶解することによって調製された。第１の流体１０６を調製するために、１．５重量％のエチルセルロースバインダーをテルピネオール溶剤中に溶解し、シリコンナノ粒子を使用しなかった。第２の流体１０８および第３の流体１１０を調製するために、１００℃のホットプレート（ｈｏｔ−ｐａｔｅ）上で１時間にわたって１．５重量％のエチルセルロースバインダーと８重量％のシリコンナノ粒子とをテルピネオール溶剤中で混合した。第３の流体１１０はさらに、約１６〜２０ｋＨｚの範囲で約３時間にわたって音波粉砕された。音波粉砕工程の間、粉末製造からの凝集塊の大部分は一般に、約５０〜約１５０ｎｍの平均サイズを有するさらに小さいサイズに破壊された。
示されるとおり、流体１０６は典型的なニュートン挙動を示し、そこにおいて流体の粘度は異なった剪断速度下で変化しないが、流体３０８および３１０は剪断減粘性挙動を示す。さらに、流体３０８と比較して、流体３１０は、先述の音波粉砕の結果として、より良い分散体に相当する実質的な剪断減粘性挙動を示し、実質的な脱集塊を示す。
図２を参照すると、本発明によって、流体の調合前の実質的に分散された半導体ナノ粒子分散体の粒度分布が示される。一般に、分散粒子の平均粒度はシリコンナノ粒子の一次粒度（５ｎｍ〜３５ｎｍの範囲である）よりもずっと大きいが、本願発明者らは、Ｓｉナノ粒子の表面上に存在する有機基は図１に示されたように剪断減粘性流体挙動に実質的に寄与すると考える。
実験２
図３をここで参照すると、本発明によって粘度と一群のシリコンナノ粒子配合量とを比較する簡略図が示される。ｍｇ／ｍｌ単位のシリコンナノ粒子配合量３０２が水平軸に沿って示され、一方ｃＰ単位の粘度３０４が縦軸に沿って示される。
図３をここで参照すると、本発明によって粘度と一群のシリコンナノ粒子配合量とを比較する簡略図が示される。ｍｇ／ｍｌ単位のシリコンナノ粒子配合量３０２が水平軸に沿って示され、一方ｃＰ単位の粘度３０４が縦軸に沿って示される。
全ての流体はシリコンナノ粒子をアルコールとケトンとの混合物中に溶解することによって調製され、次に１００℃において１時間磁気攪拌された。分散体は、音波ホーンによって音波粉砕された。１つの構成において、ケトンはアルキルケトンであってもよい。図１とは対照的に、バインダーが存在しないので流体の粘度の値は一般に低めである。
示されるとおり、配合量が２０ｍｇ／ｍｌから増加するとき、粘度は約７ｃＰから約１４ｃＰに実質的に増加し、分散粒子間の増加した静電相互作用および疎水性相互作用に相当する。
図４をここで参照すると、実質的に分散された半導体ナノ粒子の静水圧および静電相互作用を示す簡略図が示される。この構成において、一群のシリコンナノ粒子４０２がテルピネオールキャッピング剤４０６と共に示される。有利な方法において、ナノ粒子を懸濁した状態に保つ立体反発力を加える他に、疎水性の一群のキャッピング剤４０６もまた、分散体中の他のキャッピング剤ならびに他の溶剤やバインダーとの非常に高い静電相互作用のために流れ抵抗を増加させることに寄与する傾向がある。さらに、テルピネオールキャッピング剤もまた、基本溶剤として役立つ場合があり、したがって、キャッピング剤と基本溶剤との間の高度の相溶性を可能にする場合がある。
したがって、最適な亜臨界剪断減粘性ナノ粒子流体を形成するために、シリコンナノ粒子は好ましくは、約１重量％〜約２０重量％、より好ましくは約２重量％〜約１５重量％、最も好ましくは約４重量％〜約１０重量％の量において存在するのがよい。さらに、ＨＭＷ分子の比率は好ましくは約０重量％〜約１０重量％、より好ましくは約０重量％〜約４重量％、最も好ましくは約０．５重量％〜約２重量％の量において存在するのがよい。存在するアルコールの比率は好ましくは９０重量％まで（その残りはケトンである）、より好ましくは８０重量％まで（その残りはケトンである）、最も好ましくは７０重量％まで（その残りはケトンである）である。
図５Ａ−Ｂを参照すると、本発明によって、亜臨界剪断減粘性ナノ粒子流体を用いて、デュアルドープトエミッター（選択的エミッター）太陽電池を製造するための簡易方法が説明される。選択的エミッターは、低い再結合のために最適化された第１の薄くドープされた領域と、低抵抗オーミックコンタクトの形成のために最適化された（同じドーパントタイプの）第２の濃くドープされた領域パターンとを使用する。
図５Ａは、本発明によって製造された選択的エミッターの簡略図を示す。
エミッター５０６はｐ型（例えば、ホウ素）またはｎ型（例えば、リン）であってもよく、様々な方法によって形成することができ、気相拡散（例えばリン源としてＰＯＣｌ3ガスまたはホウ素源としてＢＢｒ3を使用する）、固体源拡散、または例えばリン酸などの液体ドーパント源を典型的に使用するインラインプロセスなどがあるがそれらに限定されない。
エミッター５０６（典型的には反射防止コーティング５０４でコートもされている）の上にかつ電気的接触して、一組のフィンガー５０５（ここでは約１００ｕｍの幅を有する）と一組の母線５０３とを含む上部金属コンタクトがある。典型的に、印刷された銀ペーストから製造される上部金属コンタクトは、光が吸収される時にシリコン基板に生じた電荷キャリア（ここでは電子）を抜き出すように最適化される。また、上部金属コンタクトは典型的に、低減された水平表面績（したがって、シェーディングによる損失を最小にし、発生電流を低減する傾向がある）、および増加された断面アスペクト比（したがってデバイスの直列抵抗を低減し、デバイスの効率を増加させる傾向がある）を有するように構成される。
一般に、未処理シリコン基板はしばしば、入射光の３０％超を反射する。したがって、この反射されたエネルギーを低減させ、したがって効率を直接に改善するために、シリコン基板は一般にテキスチャー化され、反射防止コーティング５０４（例えば、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）等）によって最適化される。さらに、反射防止コーティング５０４はまた、エミッター５０６の表面を不動態化するのを助け、外部源からの基板バルクの汚染の影響を低減すると共に、ドープされた基板５０８表面の懸垂Ｓｉ結合または欠陥によって引き起こされた少数キャリアの再結合を実質的に低減する。
さらに、シリコン基板５０８の裏側にしばしば、ＢＳＦ（裏面電界）５１０を生じる（基板と同じタイプの）濃くドープされた領域がある。裏面再結合の影響を最小にして適切に構成されたＢＳＦは、裏側付近に発生されるそれらの少数キャリアを反発する傾向があり、基板吸収材中のより高いレベルの少数キャリア濃度をもたらす。例えば、Ａｌ（アルミニウム）またはＢ（ホウ素）をｐ型基板に添加してＢＳＦ層を形成してもよい。対照的に、ｎ型基板については、Ｐ（リン）を添加してＢＳＦ層を形成してもよい。さらに、銀（Ａｇ）パッドが一般に、モデュールへの相互接続のためのはんだ付けを容易にするために裏側に挿入される。
図５Ｂは、本発明によって図５Ａのデュアルドープトエミッターを製造するための簡易方法を示す。
最初に５４２において、結晶基板を硫酸溶液中で予備清浄化し、次に、基板をＨ2Ｏ、ＩＰＡ、およびＫＯＨの溶液中で処理することによってテキスチャー化する。
５４４において、基板をＳＣ−２（一般にＨ2Ｏ、ＨＣｌ（塩酸）およびＨ2Ｏ2（過酸化水素）の混合物）、ピラニア（ｐｉｒａｎｈａ）（一般に硫酸（Ｈ2ＳＯ4）およびＨ2Ｏ2の混合物）、ＢＯＥ、およびＨ2Ｏのそれぞれで清浄化し、洗浄する。
次に５４６において、有利な方法において、（８重量％のシリコンナノ粒子を含む）亜臨界剪断減粘性ナノ粒子流体が各々のテキスチャー化結晶シリコン基板上に堆積される。一般的な構成において、スクリーン印刷機が使用される。１つの構成において、亜臨界剪断減粘性ナノ粒子流体は好ましくは、（工程５４８の前に測定されたとき）約０．０４ｍｇ／ｃｍ2〜約３．０ｍｇ／ｃｍ2、より好ましくは約０．２ｍｇ／ｃｍ2〜約２．０ｍｇ／ｃｍ2、最も好ましくは約０．４ｍｇ／ｃｍ2〜約１．５ｍｇ／ｃｍ2の単位基板表面績当りの流体質量によって堆積されてもよい。
５４８において、結晶シリコンは、膜を高密度化するために、約１５０℃〜約８００℃の温度において約１分〜約６０分間焼成されてもよい。焼成環境は不活性（窒素など）、酸化性（空気など）、または窒素と酸素との両方の組み合わせの１つであってもよい。さらに、焼成装置は、ベルト炉、管状炉、または対流炉であってもよい。
５４９において、結晶シリコン基板を場合により清浄化して、先行の工程の間に蓄積された一切のありうる汚染物質を除去する。清浄化の選択肢には、ＨＣｌ、ＨＦ／ＨＣｌ、希釈ＨＦ、緩衝酸化物エッチ（ＢＯＥ）、ＳＣ−１（一般にＮＨ4ＯＨ＋Ｈ2Ｏ２＋Ｈ2Ｏの混合物）、ＳＣ−２および他の清浄化混合物が挙げられる。
５５０において、結晶シリコン基板は、ＰＯＣｌ3、Ｎ2、およびＯ2の雰囲気を有する拡散炉内のドーパント源に約８００℃〜約９５０℃の温度において約３時間までの時間暴露される。
５５２において、結晶シリコン基板は清浄化剤、例えばＢＯＥ（一般に緩衝ＨＦ）、希釈ＨＦ、またはＨＦとＨＣｌとの混合物に暴露される。残留ＰＳＧ層の除去の度合いおよび高密度化シリコンナノ粒子膜の厚さは、清浄化剤への暴露時間を約０分から約６０分に変えることによって、および清浄化槽中の清浄化剤の濃度を制御することによって制御されてもよい。エッチング剤への暴露を長くすることは、高密度化シリコンナノ粒子膜をより薄くし、ＰＳＧ層をより完全に除去することに相当する。さらに、典型的に１０分を超えるエッチング剤への暴露は、より薄い高密度化シリコンナノ粒子膜を実質的に除去する。
５５４において、反射を最小にすると共に表面の不動態化を最適にするために、窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4およびＳｉとＮとの他の非化学量論比）の反射防止コーティングおよび不動態化層がシラン、アンモニア、窒素、および場合により水素の環境中でシリコン基板上に堆積される。ここで、Ｓｉ3Ｎ4層の反射率は約１．９０〜約２．１０であってもよく、厚さが約４０ｎｍ〜約１２０ｎｍである。
５５６において、（堆積された亜臨界剪断減粘性ナノ粒子流体パターンに整列された）上部金属コンタクトと下部金属コンタクトとが堆積され、太陽電池を形成する。具体的に、（亜臨界剪断減粘性ナノ粒子流体の堆積によって形成された）第１の高度にドープされた領域と第２の薄くドープされた拡散された領域との間の特定の波長領域内の反射能の比を測定することによって、一組の金属コンタクトが各々の単一太陽電池基板のために最適化された方法で堆積されてもよい。１つの構成において、上部金属コンタクトがスクリーン印刷機を用いて堆積される。別の実施形態において、金属汚染を避けるためにポリマー系スクリーンが使用される。金属の整列のこの方法は、２００９年５月１９日に出願された米国特許出願第１２／４６８，５４０号明細書（その全開示内容を参照によって組み込む）にさらに説明されている。
したがって、得られた太陽電池は、亜臨界剪断減粘性ナノ粒子流体が堆積されなかった基板表面績の典型的なシート抵抗が約９０オーム／□〜約１３０オーム／□であるが、堆積された亜臨界剪断減粘性ナノ粒子流体下の基板表面績が６０オーム／□未満でありうる。
本明細書において実例として説明された本発明は、本明細書に具体的に開示されていない一切の要素、制限条件を用いずに好適に実施されうる。したがって、例えば、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「包含する（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」等は、拡大的におよび制限条件なしに読まれるものとする。さらに、本明細書に使用された用語および表現は説明上の用語として使用され、制限的でなく、図示および説明された特徴またはそれらの部分の一切の均等物を排除するような用語および表現を使用する意図はなく、様々な変更が請求された本発明の範囲内で可能であると理解されている。
したがって、本発明は好ましい実施形態および任意の特徴によって具体的に開示されたが、本明細書に開示された変更、改良および変型が当業者によって復元されてもよく、このような変更、改良および変型は本発明の範囲内であると考えられることは理解されるはずである。ここで提供された材料、方法、および実施例は好ましい実施形態の代表的な例であり、典型例であり、本発明の範囲の制限条件として意図されるものではない。
当業者によって理解されるように、あらゆる目的のために、特に書面による明細を提供する観点から、ここに開示された全ての範囲はまた、あらゆる可能な部分範囲およびそれらの部分範囲の組み合わせを包含する。記載されたいかなる範囲も、同じ範囲が少なくとも２等分、３等分、４等分、５等分、１０等分等に分割されると十分に説明し、かつ可能であると容易に認識されうる。非限定的な実施例として、本明細書において考察された各々の範囲は下方の３分の１、中央の３分の１および上方の３分の１等に容易に分割されうる。当業者によって同様に理解されるように、「まで（ｕｐ ｔｏ）」、「少なくとも（ａｔ ｌｅａｓｔ）」、「より大きい（ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ）」、「より小さい（ｌｅｓｓ ｔｈａｎ）」等の全ての用語は、列挙された数を包含し、上に記載したように部分範囲に後に分割されうる範囲を指す。さらに、用語「ドーパントまたはドープされた」および「カウンタードーパントまたはカウンタードープされた」は、反対のタイプの一群のドーパントを指す。すなわち、ドーパントがｐ型である場合、カウンタードーパントはｎ型である。さらに、別記されない限りドーパント型は切り換えられてもよい。さらに、シリコン基板は単結晶または多結晶のどちらかであってもよい。さらに、「ドープされていない」は、ドーパントのない材料を指す。本明細書において説明されたように、ケトン分子およびアルコール分子は環状、直鎖状、または分枝状であってもよい。
さらに、本発明は、２００８年２月１２日に出願された米国特許出願第１２／０２９，８３８号明細書（その全開示内容を参照によって組み込む）に記載されたような他の太陽電池構造物に適用されてもよい。
本明細書において言及された全ての刊行物、特許出願、発行された特許、および他の文書は、各々の単独の刊行物、特許出願、発行された特許、または他の文書が具体的におよび個々にその全体において参照によって組み込まれることが示されるかのように、本明細書に参照によって組み込まれる。参照によって組み込まれた原文に含まれる定義は、本開示においての定義と矛盾する限りにおいて除外される。
本開示のためにおよび別に規定していなければ、「ａ」または「ａｎ」は、「１つまたは複数の」を意味する。ここに引用された全ての特許、出願、参考文献および刊行物は、個々に参照によって組み込まれるかのように、同じ程度にそれらの全体において参照によって組み込まれる。さらに、一組の単語は、１つまたは複数の項目または対象の集まりを指す。
本発明の利点は、スクリーン印刷のために最適化される実質的に均一に堆積された亜臨界剪断減粘性ナノ粒子流体を包含する。
典型的な実施形態および最良の方法を開示したが、以下の請求項によって規定される本発明の主題および精神の範囲内のままで、開示された実施形態に変更および変型を行なうことができる。
Claims (28)
- シリコンナノ粒子流体であって、
一群のシリコンナノ粒子を含み、前記一群のシリコンナノ粒子が前記シリコンナノ粒子流体の約１重量％〜約２０重量％の量で存在し、
一群のＨＭＷ分子を含み、前記一群のＨＭＷ分子が前記シリコンナノ粒子流体の約０重量％〜約１０重量％の量で存在し、
一群のキャッピング剤分子を含み、前記一群のキャッピング剤分子の少なくとも一部のキャッピング剤分子が前記一群のシリコンナノ粒子に結合している、シリコンナノ粒子流体。 - 前記一群のシリコンナノ粒子が、前記シリコンナノ粒子流体の約２重量％〜約１５重量％の量で存在する、請求項１に記載のシリコンナノ粒子流体。
- 前記一群のシリコンナノ粒子が、前記シリコンナノ粒子流体の約４重量％〜約１０重量％の量で存在する、請求項１に記載のシリコンナノ粒子流体。
- 前記一群のＨＭＷ分子が、前記シリコンナノ粒子流体の約０重量％〜約４重量％の量で存在する、請求項１に記載のシリコンナノ粒子流体。
- 前記一群のＨＭＷ分子が、前記シリコンナノ粒子流体の約０．５重量％〜約２重量％の量で存在する、請求項１に記載のシリコンナノ粒子流体。
- 前記一群のキャッピング剤分子が、一群のアルコール分子および一群のケトン分子の少なくとも一方を含む、請求項１に記載のシリコンナノ粒子流体。
- 前記一群のアルコール分子が、前記シリコンナノ粒子流体の９０重量％までの量で存在する、請求項６に記載のシリコンナノ粒子流体。
- 前記一群のアルコール分子が、前記シリコンナノ粒子流体の８０重量％までの量で存在する、請求項６に記載のシリコンナノ粒子流体。
- 前記一群のアルコール分子が、シリコンナノ粒子流体の７０重量％までの量で存在する、請求項６に記載のシリコンナノ粒子流体。
- 前記一群のアルコール分子が、一群の環状アルコール分子、一群の直鎖状アルコール分子、および一群の分枝状アルコール分子の少なくとも１つを含む、請求項６に記載のシリコンナノ粒子流体。
- 前記一群のケトン分子が、一群の環状ケトン分子、一群の直鎖状ケトン分子、および一群の分枝状ケトン分子の少なくとも一方を含む、請求項６に記載のシリコンナノ粒子流体。
- 前記一群のナノ粒子が、ドープされたおよびドープされていないナノ粒子の一方である、請求項１に記載のシリコンナノ粒子流体。
- 前記一群のナノ粒子がホウ素およびリンの一方でドープされる、請求項１に記載のシリコンナノ粒子流体。
- 前記一群のＨＭＷ分子がエチルセルロースを含む、請求項１に記載のシリコンナノ粒子流体。
- 前記シリコンナノ粒子流体が約１０ｓｅｃ-1の剪断速度において約５ＫｃＰ〜約２０ＫｃＰの粘度を有する、請求項１に記載のシリコンナノ粒子流体。
- ＩＶ族系ナノ粒子流体であって、
一群のナノ粒子を構成する一群のＩＶ族原子を含み、前記一群のナノ粒子が前記ナノ粒子流体の約１重量％〜約２０重量％の量で存在し、
一群のＨＭＷ分子を含み、前記一群のＨＭＷ分子が前記ナノ粒子流体の約０重量％〜約５重量％の量で存在し、
一群のキャッピング剤分子を含み、前記一群のキャッピング剤分子の少なくとも一部のキャッピング剤分子が前記一群のナノ粒子に結合している、ＩＶ族系ナノ粒子流体。 - 亜臨界剪断減粘性ナノ粒子流体を用いてシリコン基板上にデュアルドープトエミッターを形成するための方法であって、前記シリコン基板が前面と裏面とを含み、前記方法が、
前記シリコン基板をテキスチャー化する工程と、
前記シリコン基板を清浄化する工程と、
前記亜臨界剪断減粘性ナノ粒子流体を前記前面上に堆積する工程と、
約１５０℃〜約８００℃の第１の温度においておよび約１分〜約６０分の第１の時間の間前記シリコン基板を焼成する工程と、
前記シリコン基板を約８００℃〜約９５０℃の第２の温度においておよび約３０分〜約１８０分の第２の時間の間ＰＯＣｌ3、Ｎ2、およびＯ2の雰囲気を有する拡散炉内のドーパント源に暴露して、ＰＳＧ層が形成される工程と、
前記ＰＳＧ層を除去する工程と、
反射防止コーティングを前記前面上に堆積する工程と、
一群の前部金属コンタクトを前記前面上におよび一群の裏部金属コンタクトを前記裏面上に堆積する工程と
を含む方法。 - 前記シリコン基板をテキスチャー化する前に、前記シリコン基板を硫酸溶液中で予備清浄化する工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
- 前記亜臨界剪断減粘性ナノ粒子流体を前記シリコン基板上に堆積する前に、前記シリコン基板をＨＦ／ＨＣｌまたはＢＯＥの一方で予備清浄化する工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
- 前記シリコン基板をテキスチャー化する前記工程が、前記シリコン基板をＨ2Ｏ、ＩＰＡ、およびＫＯＨを含む溶液に暴露する工程を含む、請求項１７に記載の方法。
- 前記シリコン基板を清浄化する前記工程が、前記シリコン基板をＳＣ−２、ピラニア、ＢＯＥ、およびＨ2Ｏの溶液に暴露する工程を含む、請求項１７に記載の方法。
- 前記シリコン基板を前記ドーパント源に暴露する前に、前記シリコン基板をＨＦ、ＨＦ／ＨＣｌ、ＢＯＥ、ＳＣ−１、ＳＣ−２、およびＨＣｌの少なくとも１つで清浄化する工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
- 前記亜臨界剪断減粘性ナノ粒子流体を前記前面上に堆積する前記工程が、スクリーン印刷機を使用する工程を含む、請求項１７に記載の方法。
- 前記シリコン基板を前記第１の温度において焼成する工程が、ベルト炉、管状炉、または対流炉の１つで行なわれる、請求項１７に記載の方法。
- 前記シリコン基板を前記第１の温度において焼成する工程が、空気、酸素と窒素との混合物、および窒素の１つを含む環境内で行なわれる、請求項１７に記載の方法。
- 前記亜臨界剪断減粘性ナノ粒子流体を堆積する工程が、約０．０４ｍｇ／ｃｍ2〜約３．０ｍｇ／ｃｍ2の単位基板表面績当りの質量を堆積する工程を包含する、請求項１７に記載の方法。
- 前記亜臨界剪断減粘性ナノ粒子流体を堆積する工程が、約０．２ｍｇ／ｃｍ2〜約２．０ｍｇ／ｃｍ2の単位基板表面績当りの質量を堆積する工程を包含する、請求項１７に記載の方法。
- 前記亜臨界剪断減粘性ナノ粒子流体を堆積する工程が、約０．４ｍｇ／ｃｍ2〜約１．５ｍｇ／ｃｍ2の単位基板表面績当りの質量を堆積する工程を包含する、請求項１７に記載の方法。
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