JP2013258405A - 下層からのコーティングの選択的および／または高速化除去ならびにその太陽電池への適用 - Google Patents
下層からのコーティングの選択的および／または高速化除去ならびにその太陽電池への適用 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】フィルムパターンを基板上にパターン形成する方法を提供する。
【解決手段】基板表面上にフィルムパターンを形成するステップと、前記基板および該フィルムパターンを覆うコーティングを形成するステップと、前記コーティング中に孔または開口部を誘導するステップとを含む方法であって、フィルムパターンの上に重なるコーティングの少なくとも一部は除去され、それには前記コーティングの少なくとも一部を除去する前に前記コーティングの下に重なる少なくとも１つの層をエッチングするステップが含まれる。
【選択図】図５
【解決手段】基板表面上にフィルムパターンを形成するステップと、前記基板および該フィルムパターンを覆うコーティングを形成するステップと、前記コーティング中に孔または開口部を誘導するステップとを含む方法であって、フィルムパターンの上に重なるコーティングの少なくとも一部は除去され、それには前記コーティングの少なくとも一部を除去する前に前記コーティングの下に重なる少なくとも１つの層をエッチングするステップが含まれる。
【選択図】図５
Description
本発明は、太陽電池およびモジュールに関する。より詳細には、本発明は、電池効率を高めるために改良された太陽電池の構造および製造方法に関する。
関連出願の相互参照
本出願は、その全開示が参照により本明細書に組み込まれている、２０１２年６月８日に出願された米国特許仮出願第６１／６５７，０９８号明細書の優先権を主張するものである。
本出願は、その全開示が参照により本明細書に組み込まれている、２０１２年６月８日に出願された米国特許仮出願第６１／６５７，０９８号明細書の優先権を主張するものである。
本出願は、２００９年４月２１日に出願され、米国特許仮出願番号第６１／１７１，１９４号明細書を割り当てられた、「High-Efficiency Solar Cell Structures and Methods of Manufacture」と題される同一出願人による先願の米国特許仮出願、および、２００９年４月２１日に出願され、ＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＵＳｌ０／３１８６９号を割り当てられた、「High-Efficiency Solar Cell Structures and Methods of Manufacture」と題される同一出願人による国際特許出願にも関する。これらの出願はそれぞれ、ここに参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。本発明の全態様を、上述の出願の開示のいずれとも組み合わせて使用することができる。
本出願は、２０１２年１月２３日に出願され、米国特許仮出願番号第６１／５８９，４５９号明細書を割り当てられた、「Selective Removal Of A Coating From A Metal Layer, And Solar Cell Applications Thereof」と題される同一出願人による先願の米国特許仮出願にも関する。これらの出願は、ここに参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。本発明の全態様を、上述の出願の開示のいずれとも組み合わせて使用することができる。
太陽電池は、本質的に無限の量の太陽エネルギーを使用可能な電力に変換することによって、社会に広範にわたる利益をもたらしている。それらの使用が増加するにつれて、ある種の経済的要因、例えば大量生産および効率などが重要になる。
図１〜３の代表的な太陽電池の概略図を参照すると、太陽放射線は、通常前側と呼ばれる太陽電池の一方の表面を優先的に照射することを前提としている。入射する光子から電気エネルギーへの高いエネルギー変換効率を実現するためには、光子がシリコンウエハ内に効率良く吸収されることが重要である。これは、前側上の良好な表面テクスチャ形成（ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｘｔｕｒｉｎｇ）および反射防止コーティング、それとともにウエハ自体を除くすべての層内部での低い寄生的吸収によって実現することができる。高い太陽電池効率のための重要なパラメータは、金属電極が前面を遮光する量である。一般に、最適化された金属グリッドは、グリッドの金属構造の遮光の損失と電気抵抗の損失のトレードオフである。太陽電池の効率の最適化には、高導電率を有するはずの微細で間の距離が短いフィンガーを有するグリッドが含まれる。
Transene Company Inc's website
標準的な太陽電池の生産技術は、電池の前面上に電極を印刷するスクリーン印刷技術を使用する。銀ペーストを窒化ケイ素の反射防止コーティングの上に印刷し、高温プロセスでこのコーティングをファイヤスルーする。これはプロセス手順が短く、したがって結晶系シリコン太陽電池技術において最も高い市場占有率を獲得している。しかし、この手法につきもののある種の性質には、金属グリッドの５０μｍを超える（典型的には約１００μｍ）比較的広い線幅およびかなり低い線導電率が含まれ、これは印刷されるペースト中に幾つかの非金属の構成成分を使用していることに起因している。また、焼成プロセスにより、金属ペーストの成分が反射防止層を突き抜けて基板内に入り、そこで再結合の増加が起こることとなる。これは、前方の接合素子と後方の接合素子の両方の場合に通じ、前方の接合素子では、空間電荷領域への望ましくない貫入によってｐｎ接合が重大な損害を受ける可能性があり、ならびに後方接合素子では、前面の再結合が増加して後方の接合エミッタの収集効率が相当に低下する。
よって、太陽電池を製造するシステムおよび方法の改良に対する要望がある。
本発明は、一態様において、基板上にフィルムパターンをパターン形成する方法であって、基板表面上にフィルムパターンを形成するステップと、前記基板および前記フィルムパターンを覆うコーティングを形成するステップと、前記コーティング中に孔または開口部を誘導するステップとを含む方法を提供する。フィルムパターンの上に重なるコーティングの少なくとも一部は除去され、それには前記コーティングの少なくとも一部を除去する前に前記コーティングの下に重なる少なくとも１つの層をエッチングするステップが含まれる。
本発明の態様ならびにある種の特徴、利点、およびそれらの詳細を、添付の図に例示される非限定的実施形態を参照しながら、以下でより詳細に説明する。周知の材料、製作工具、プロセス技術などの記述は、不必要に詳細で本発明を不明瞭にしないように割愛する。しかし、詳細な記述および具体例は、本発明の実施形態を示す一方、実例として与えられるに過ぎず、限定するものとしてではないことを理解するべきである。本開示から、基礎をなす本発明の概念の趣旨および／または範囲内の様々な代用、改変、追加および／または取り合わせが当業者には明らかであろう。
本発明の原理に従って太陽電池を製造するシステムおよび方法が提供される。
代表的な実施形態における、前側のメタライゼーションを改良した構造を図１に図示する。コンタクト４は、５０μｍ程度以下の線幅を有することができ、前側の金属の総表面被覆率は、約７％以下であることが可能である。
薄い金属コンタクト４を、伝導率の上昇をもたらすために続いてめっきし、必要とされる厚さにめっきされた金属コンタクトを得てもよい。線導電率を増大させるために電気めっきを使用し、めっきされた金属コンタクト４のめっきされた金属を良好に均一にすることができるように、約５０〜５００ｎｍ程度の十分な厚さの金属コンタクト４が必要である。めっきが行われるときに、反射防止コーティング２は、基板１の表面１０の上に金属めっきされることを防ぐめっきのバリアとしても機能することができ、この理由のためだけに、反射防止コーティングは良好な絶縁物、例えば、ほとんど損傷のない誘電体フィルムでなければならないことが理解される。金属コンタクト４は、複数の層から作製されていてもよい。一例として、図３において、コンタクト４が２つの層、すなわち上部の第１の層４ａおよび第２の層４ｂを含むものとして示される。
本発明は、一態様では、基板上に導電性金属グリッド（例えば太陽電池）を製造する方法であって、事前にパターン形成されている可能性のある下層（１つまたは複数）の一部またはすべてをエッチングすることによって、かかる基板の上部層（１つまたは複数）の一部またはすべてを除去する際に、選択性および／または速度を高める方法を含む。
除去速度を高める可能な一発明実施形態では、レジストを使用して幾つかの層（例えば、４ａ、４ｂなど）を含むスタックを局所的にマスクする。レジスト、例えば上部層４ａに使用するものなどを、より長い時間特定のエッチング液に露出するとマスキング効果を失うのであれば、上部層４ａのエッチングを高速化するのが有用であろう。これは、エッチング液が、既に存在するまたはこのステップの前に導入したピンホールもしくは他の開口部を通って上部層４ａを通過するようにし、下層（例えば４ｂ）をエッチングすることによって実現することができる。これにより、上部層４ａは、そのエッチング液によって両側からエッチングされることが可能となり、露出する表面積が増加するので、結果として全体的なエッチング速度が速くなり、エッチング時間も短縮化する。これにより、層（１つまたは複数）の局所的なエッチバックの間に、レジストが確実に効果的にマスクすることができる。このレジストを次いで除去し、続いて、メタライズされている可能性のあるパターン領域を含めた全領域上に、誘電体コーティングを堆積させる。
選択的除去を高める別の可能な発明実施形態では、やはり誘電体コーティング中に存在するピンホールまたは開口部にエッチング液を通過させることにより、下に重なる金属層（例えば、上部層４ａ、第２の層４ｂ）の一部または全部をエッチングすることによって、金属（例えばコンタクト４）の上部の上から誘電体コーティングを除去する。
選択的除去を高めるさらなる可能な発明実施形態では、金属ナノ粒子のインクジェットまたはエアロゾル印刷を使用して金属パターンを形成し、続いてメタライズされた領域を含む全領域上に誘電体コーティングを堆積させ、下に重なる金属層の一部または全部をエッチングすることによって、金属上部の上から誘電体コーティングを選択的に除去する。
選択的除去を高めるさらなる可能な発明実施形態では、金属ペーストのスクリーン印刷を使用して金属パターンを形成し、続いてメタライズされた領域を含む全領域上に誘電体コーティングを堆積させ、下に重なる金属層の一部または全部をエッチングすることによって金属上部の上から誘電体コーティングを選択的に除去する。
本発明は、現状技術と比べて明らかに有利な点を数多く提供する。具体的には、本発明は、太陽電池用に誘電体コーティング（例えばコーティング２）に囲まれた金属パターン（例えば金属コンタクト４）を形成する簡単な技術であり、ここでは、誘電体コーティングは、前面上では反射防止コーティング、背面上では内部反射鏡として機能することが可能であり、さらに、どちらの表面上においてもその後の金属パターンの電気めっきに対して誘電体バリアとして機能することが可能である。これはまた、基板の片面上だけに作製されるコンタクト構造用の櫛形コンタクトグリッドを製作する好適な方法である。
本発明の一実施形態では、微細な金属パターンを生成することが可能である。それは、エッチングによって、例え基板全体がエッチング液に浸漬されたまたはエッチング液で被覆されたとしても、パターン形成された金属で被覆されたこうした基板領域だけから、誘電体コーティングが選択的に除去されるからである。誘電体コーティング（例えばコーティング２）のこうした選択的除去は、それが誘電体コーティングを支持する下に重なる金属（例えば、コンタクト４）の除去に依拠するので、自己整合的なパターン形成プロセスである。金属によって被覆されていないこうした領域内の誘電体コーティングおよび基板は、こうした領域も同一のエッチング液に露出されているにもかかわらず、大半はエッチングによって影響を受けない。こうした誘電体コーティングの自己整合的な除去が意味しているのは、極めて細い金属パターン（例えば図１）を生成することが可能であり、誘電体コーティングの開口部のサイズだけが金属パターンのサイズおよびエッチング液の種類によって左右されるということである。さらに、かかる自己整合的な選択的エッチングのパターン形成は、簡単で歩留りが高く、費用対効果が大きい製造プロセスである。
誘電体コーティングの選択的除去およびパターン形成により、そうでない場合に金属リフトオフなどの技術で観察されることがある、金属と誘電体反射防止コーティングとの間のいかなる空隙も回避することができる。誘電体コーティングは基板と任意のめっき金属および周囲環境との間のバリアとして機能するので、これは重要なことである。
図４〜１１は、金属エッチングレジストを使用して太陽電池用の金属グリッドパターンを形成する、本発明の例示的な実施形態を図示している。本発明に従う金属パターンを基板上に形成する技術は数多く存在し、提示する順序は可能な一例に過ぎないことを理解されたい。
基板１００が供給される。この基板は、ｐ型またはｎ型ドーピングのいずれのシリコン半導体ウエハであってもよい。該基板を、例えば不揃いなピラミッドパターンでテクスチャ形成し、太陽電池における光閉じ込め効果を改良してもよい。該基板は、ドーパント拡散を片側または両側に有して、エミッタ構造または表面電界を形成してもよい。かかるドーパント拡散をパターン形成して、例えば、いわゆる選択エミッタ構造を形成してもよい。該基板に薄いフィルムのパッシベーション層が片面上に存在していても両面上に存在していてもよい。かかるパッシベーション層は、例えば、ドープされたもしくは真性アモルファスシリコン層、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、ドープされたもしくは真性ポリ−シリコン、ドープされたもしくは真性炭化ケイ素、酸化アルミニウムまたは多種多様のかかるパッシベーション層のいずれかおよびそれらの組み合わせから構成されていてもよい。
層１０５および１０７を含む金属フィルム１０４を、例えば基板の表面上に堆積させると、図４に示す構造が得られる。かかる金属の堆積を、例えば、スパッタリング、熱蒸着または電子線蒸着などの十分に確立された技術を使用して行ってもよい。この金属フィルムは、異なる機能を果たすことが必要とされる、複数の異なる金属層から構成されていてもよいことが理解される。例えば、下端の（基板に隣接する）金属層は、おそらく基板に対して良好な電気的コンタクトおよび接着を形成することが必要とされ、上部または中間の金属層は、おそらく拡散バリアとして働くことが必要とされ、上部金属層は、おそらく電気めっきのシードとして機能することが必要である。さらに、金属フィルムは、特定の特性、例えば、続く誘電体の選択的レーザーアブレーションを可能とするための厚さおよび／または組成などを必要とすることがあることが理解される。
細いレジスト１０３を、例えば金属フィルム１０４の上部の上に吐出すると、図５に示す構造が得られる。レジスト１０３は、基板の表面上にいかなるパターンを形成してもよい。太陽電池の場合、かかるパターンは、例えば、多くの細いフィンガーおよび幾つかのそれより幅広いバスバーを含んでもよい。レジスト１０３は、例えば、インクジェットまたはスクリーン印刷によって吐出されてもよい。あるいは、レジスト１０３は、フォトリソグラフィによって形成することができる。
金属フィルム４を、パターン形成してもよく（例えば、レジスト１０３で被覆されている部分を除いてエッチングしてもよく）、例えば酸エッチングによって行ってもよい。金属のエッチングの程度を制御して、大きいもしくは小さいアンダーカットを作成してもよいし、アンダーカットを作成しなくてもよく、それにより最終的な線幅が決定される。最初のエッチングステップは、図６に示す通りに、下層１０７を除去し、上部層１０５を残して、両側を高速化エッチングのために露出する。第２のエッチングステップを行って上部層１０５を除去し、大きい金属アンダーカットを示す図７Ａに示す構造、その下の小さいまたは存在しない金属アンダーカットを示す図７Ｂに図示する構造を得てもよく、そのいずれかにより最終的な線幅が決定される。
レジストを除去して金属パターン（例えば、細い金属線）を基板上に残し、図８に示す構造を得てもよい。太陽電池の前面の場合、例えば５０μｍ未満のフィンガーの幅を容易に実現することができる。
誘電体コーティング１０２を、例えば、基板１００およびコンタクト１０４の表面全体にわたって堆積させ、図９に示す構造を得てもよい。かかる誘電体の堆積は、例えば、スパッタリング、浸漬被覆、化学蒸着およびプラズマ促進化学蒸着などの十分に確立された技術を使用して行ってもよい。太陽電池の前面の場合、この誘電体コーティング（例えばコーティング１０２）は、反射防止コーティングとして機能することが可能であり、また太陽電池の表面を不活性化することも可能であることが理解される。さらに、この誘電体層を、複数の異なる層および／または傾斜層から構成し、例えば周知の技術を実施して、反射防止特性を改良してもよいことが理解される。エッチング液は上部層中のピンホールまたは開口部を通過する必要があるので、次のステップの前にこうしたピンホールおよび開口部を導入することが必要になることがある。これは、化学的（エッチング、標的結合など）、物理的（レーザーアブレーション、物理的衝突、超音波、プラズマエッチングなど）、電気的（電界に支援されるプロセスなど）、トポグラフィー的（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃａｌ）（下に重なるテクスチャおよび寸法に起因するフィルムの質の変化など）などであってもよい方法を使用して実現してもよい。該方法は、好ましくは下に重なるパターンに対して選択的である。誘電体コーティング１０２の一部分１０８は、金属コンタクト１０４の上に重なる。
一実施形態では、基板全体（例えば、コンタクト１０４およびコーティング１０２を有する基板１００）を次いでエッチング溶液に浸漬して、図１０Ａに示す通りに誘電体コーティング１０２の下に重なる上部の金属層１０５を選択的に除去してもよい。あるいは、エッチング液が誘電体コーティングもしくは他の金属層と相互作用することができるように、またはエッチング液を金属パターンを有する領域に選択的に施用して下層（１つまたは複数）を除去することができるように、エッチング液の選択および施用方法を選択してもよい。下層の除去も部分的であってもよい。このエッチングステップは、図１０Ｂに図示する通りに誘電体コーティング１０２の一部分１０８の一部もしくは全部をリフトオフしてもよいし、どこもリフトオフしなくてもよい。コーティング１０２の残存部分（すなわち除去されない部分）は、支持されずに空隙を覆って残り（図１０Ｂ）、他の方法、例えば超音波洗浄、物理的衝突（水、ドライアイス、加圧空気など）によって簡単に除去され、図１１に示す構造を得ることができる。
次のプロセス、例えば洗浄して破片を除去すること、または熱処理して電気的コンタクトを改良することなどを、基板上で行ってもよい。シリコン太陽電池の前面の場合、金属フィルム１０４をめっきによって厚くし、図１２に示す通りの厚さを増した金属コンタクト１１０を得て、必要とされる線導電率を実現してもよい。
上述の例は、太陽電池用の金属コンタクト構造を形成する本発明のプロセス順序を説明している。該プロセス順序には、以下が含まれてもよい：
１）金属フィルムを基板上に堆積させる；
２）レジストを吐出する；
３）金属をエッチングし（下層が最初であってもよい）、レジストを除去する；
４）誘電体コーティングを堆積させ、必要に応じて、上部のコーティング中に孔または開口部を誘導する、好ましくは下に重なるパターンに対して選択的に誘導する方法が続く；
５）下に重なる金属をエッチングし、誘電体コーティングを除去する；ならびに
６）めっきする
１）金属フィルムを基板上に堆積させる；
２）レジストを吐出する；
３）金属をエッチングし（下層が最初であってもよい）、レジストを除去する；
４）誘電体コーティングを堆積させ、必要に応じて、上部のコーティング中に孔または開口部を誘導する、好ましくは下に重なるパターンに対して選択的に誘導する方法が続く；
５）下に重なる金属をエッチングし、誘電体コーティングを除去する；ならびに
６）めっきする
別の例では、太陽電池用の金属コンタクト構造を形成する本発明のプロセス順序は、以下を含むことができる：
１）金属フィルムを基板上に堆積させる；
２）レジストを吐出する；
３）金属をエッチングする（場合により下層を最初に除去することを含む）；
４）レジストを除去する；
５）誘電体コーティング（例えば窒化物）を堆積させる；
６）最初にレーザーアブレーションを使用して（例えば、Selective Removal Of A Coating From A Metal Layer, And Solar Cell Applications Thereofと題される、上で組み込んだ米国仮特許出願の技術を使用する）、選択的に窒化物を切除する；
７）基板全体をエッチング液に浸漬することによって下に重なる金属をエッチングし、次いで超音波／リンスによって誘電体コーティングを除去する；および
８）めっきする
１）金属フィルムを基板上に堆積させる；
２）レジストを吐出する；
３）金属をエッチングする（場合により下層を最初に除去することを含む）；
４）レジストを除去する；
５）誘電体コーティング（例えば窒化物）を堆積させる；
６）最初にレーザーアブレーションを使用して（例えば、Selective Removal Of A Coating From A Metal Layer, And Solar Cell Applications Thereofと題される、上で組み込んだ米国仮特許出願の技術を使用する）、選択的に窒化物を切除する；
７）基板全体をエッチング液に浸漬することによって下に重なる金属をエッチングし、次いで超音波／リンスによって誘電体コーティングを除去する；および
８）めっきする
さらに、かかるプロセス順序は、太陽電池の前面および／または裏面上のコンタクト構造の形成に適用可能であることが理解される。また、追加的なプロセスステップを追加することなく、該順序を前面および裏面上で同時に実施することができることが理解される。
別の例では、図１３は、太陽電池の基板２００の前側および／または裏側上に見ることができる標準的な金属パターンを示す。金属パターンは、例えば、バスバー２００および細線状フィンガー２０４から構成されていてもよい。
図１４Ａおよび１４Ｂは、太陽電池の一部に見ることができる細線状の金属フィンガー２０４をクローズアップした詳細を示す。誘電体コーティング２０２が金属フィンガー２０４を被覆していてもよい。図１４Ａおよび図１４Ｂは、下に重なる金属のエッチングおよび金属フィンガー上部の上からの誘電体コーティングの除去の前後を示す。
図１５は、様々なエッチング液を配合して選択的に材料をエッチングすることができることを示すものから得られた表である（情報源：非特許文献１）。エッチングする必要があるものおよび影響されないままにする必要があるものに基づいて、適切なエッチング液（表に一覧表示したものに限定されない）を選択するまたは配合することができる。それは、エッチングする必要がある材料の性質（種類、堆積方法、厚さ、被覆率、層の数など）、エッチング液が通過しなければならない上部層の性質（すなわち、種類、孔、強度、均一性、元素組成など）、影響されないままにする必要がある層の性質（材料の種類、材料の質など）、プロセス所要時間の制限、スループットの要件、経費などにも依存する。
パターン形成された金属の選択的コーティングおよびエッチングのために、ＥＭＤ ｉｓｉｓｈａｐｅ ＳｏｌａｒＥｔｃｈ（登録商標）製品ポートフォリオからのものなどのエッチング用ペーストを使用することができる。ＥＭＤ、Ｔｒａｎｓｅｎｅなどの会社は印刷可能なエッチング用ペーストを有しており、それは、ほぼすべての種類の透明導電酸化物（例えば、ＩＴＯ、ＺｎＯ）、反射防止層または拡散バリア（例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ）、半導体（例えば、ａ−Ｓｉ、ポリ−Ｓｉ）および金属（例えばアルミニウム）の層をエッチングするのに使用することができる。かかる製品によってエッチングすることができる材料の種類を図１６に例示する。
別の例における、前側のメタライゼーションを改良した構造を図１７に図示する。メタライズ線１４の線幅は５０μｍ程度以下であり、前側の金属での総表面被覆率は約７％以下である。図１７に示す通りに、薄い金属コンタクト３１４を、伝導率の上昇をもたらすために続いてめっきし、必要とされる厚さのめっき金属コンタクト３１５を得てもよい。線導電率を増大させるために電気めっきを使用し、めっきされた金属コンタクト３１５を良好に均一にすることができるように、約５０〜５００ｎｍ程度の十分な厚さの金属コンタクト３１４が必要である。めっきが行われるときに、反射防止コーティング３１２は、基板の表面上に金属がめっきされることを防ぐめっきのバリアとしても機能しなければならず、この理由のためだけに、反射防止コーティングは良好な絶縁物（例えばほとんど損傷のない誘電体フィルム）でなければならないことが理解される。
一例では、本発明は、金属パターンからの誘電体コーティングの選択的レーザーアブレーションを採用することによって、基板上に導電性金属グリッド、例えば太陽電池を製造する方法を含む。
一実施形態では、レジストを使用して金属層を局所的にエッチバックし、続いてメタライズされた領域を含む全領域上に誘電体コーティングを堆積させ、この誘電体コーティングを金属上部の上から選択的にレーザーで切除する。
さらなる実施形態では、金属ナノ粒子のインクジェットまたはエアロゾル印刷を使用して金属パターンを形成し、続いてメタライズされた領域を含む全領域上に誘電体コーティングを堆積させ、前記誘導体コーティングを金属上部の上から選択的にレーザーで切除する。
別の実施形態では、金属ペーストのスクリーン印刷を使用して金属パターンを形成し、続いてメタライズされた領域を含む全領域上に誘電体コーティングを堆積させ、前記誘導体コーティングを金属上部の上から選択的にレーザーで切除する。
本発明は、現状技術と比べて明らかに有利な点を数多く提供する。具体的には、本発明は、太陽電池用に誘電体コーティングに囲まれた金属パターンを形成する簡単な技術であり、ここでは、前記誘電体コーティングは、前面上では反射防止コーティング、背面上では内部反射鏡として機能することが可能であり、さらに、どちらの表面上においてもその後の金属パターンの電気めっきに対して誘電体バリアとして機能することができる。これはまた、基板の片面上だけに作製されるコンタクト構造用の櫛形コンタクトグリッドを製作する好適な方法である。
本発明の一実施形態では、微細な金属パターンを生成することが可能である。それは、レーザーアブレーションによって、例え基板のより広い領域がレーザー光線で照射されたとしても、このようなパターン形成された金属で被覆された基板領域だけから誘電体コーティングが選択的に除去されるからである。誘電体コーティングのこうした選択的レーザーアブレーションは、それが、誘電体コーティングの除去に関してレーザー照射と金属コンタクトと誘電体コーティングのうちの上に重なる部分との相互作用に依拠するので、自己整合的なパターン形成プロセスである。金属によって被覆されていないこうした領域内の誘電体コーティングおよび基板は、こうした領域も同一のレーザー光線で照射されているにもかかわらず、大半はレーザー照射によって影響を受けない。こうした誘電体コーティングの自己整合的なレーザーアブレーションが意味しているのは、極めて細い金属パターンを生成することが可能であり、誘電体コーティングの開口部のサイズだけが金属パターンのサイズおよびレーザー照射の波長に左右されるということである。さらに、かかる自己整合的な選択的レーザーアブレーションのパターン形成は、簡単で歩留りが高く、費用対効果が大きい製造プロセスである。
誘電体コーティングの選択的レーザーアブレーションのパターン形成により、そうでない場合に金属リフトオフなどの技術で観察されることがある、金属と誘電体反射防止コーティングとの間のいかなる空隙も回避することができる。誘電体コーティングは基板と任意のめっき金属および周囲環境との間のバリアとして機能するので、これは重要なことである。
図１９〜３２は、金属エッチングレジストを使用して太陽電池用の金属グリッドパターンを形成する、本発明の例示的な実施形態を図示している。基板上に金属パターンを形成するための技術は数多く存在し、提示する順序は可能な一例に過ぎないことを理解されたい。
基板４１１が供給される。この基板は、ｐ型またはｎ型ドーピングのいずれのシリコン半導体ウエハであってもよい。該基板を、例えば不揃いなピラミッドパターンでテクスチャ形成し、太陽電池における光閉じ込め効果を改良してもよい。該基板は、ドーパント拡散を片側または両側に有して、エミッタ構造または表面電界を形成してもよい。かかるドーパント拡散をパターン形成して、例えば、いわゆる選択エミッタ構造を形成してもよい。該基板に薄いフィルムのパッシベーション層が片面上に存在していても両面上に存在していてもよい。かかるパッシベーション層は、例えば、ドープされたもしくは真性アモルファスシリコン層、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、ドープされたもしくは真性ポリ−シリコン、ドープされたもしくは真性炭化ケイ素、酸化アルミニウムまたは多種多様のかかるパッシベーション層のいずれかおよびそれらの組み合わせから構成されていてもよい。
金属フィルムを基板４１１の表面上に堆積させ、図１９に示す構造を得てもよい。かかる金属の堆積を、例えば、スパッタリング、熱蒸着または電子線蒸着などの十分に確立された技術を使用して行ってもよい。この金属フィルムは、異なる機能を果たすことが必要とされる、複数の異なる金属層から構成されていてもよいことが理解される。例えば、下端の（基板に隣接する）金属層は、おそらく基板に対して良好な電気的コンタクトおよび接着を形成することが必要とされ、上部または中間の金属層は、おそらく拡散バリアとして働くことが必要とされ、上部金属層は、おそらく電気めっきのシードとして機能することが必要である。さらに、金属フィルムは、特定の特性、例えば、続く誘電体の選択的なレーザーアブレーションを可能とするための厚さおよび／または組成などを必要とすることがあることが理解される。
細いレジスト４１３（例えばレジスト線）を金属フィルム４１４の上に吐出して、図２０に示す構造を得てもよい。レジスト４１３は、基板の表面上にいかなるパターンを形成してもよい。太陽電池の場合、かかるパターンは、例えば、多くの細いフィンガーおよび幾つかのそれより幅広いバスバーを含んでもよい。レジスト４１３は、例えば、インクジェットまたはスクリーン印刷によって吐出されてもよい。あるいは、レジスト４１３（例えば細いレジスト線）は、フォトリソグラフィの手段によって形成することができると思われる。
金属フィルム４１４を、レジスト４１３で被覆されている部分を除いてエッチングして、図２１に示す構造を得てもよい。金属エッチングを、例えば酸エッチングによって行ってもよい。金属エッチングの程度を制御して、大きいもしくは小さいアンダーカットを作成してもよいし、アンダーカットを作成しなくてもよく、それによって最終的な線幅が決定される。
レジスト（例えばレジスト４１３）を除去して金属パターンを基板上に残し、図２２に示す構造を得てもよい。太陽電池の前面の場合、例えば５０μｍ未満のフィンガーの幅を容易に実現することができる。
誘電体コーティング４１２を表面全体にわたって（例えば基板４１１および金属フィルム４１４を覆って）堆積させ、図２３に示す構造を得てもよい。かかる誘電体の堆積は、例えば、スパッタリング、浸漬被覆、化学蒸着およびプラズマ促進化学蒸着などの十分に確立された技術を使用して行ってもよい。太陽電池の表面の場合、この誘電体コーティング４１２は、反射防止コーティングとして機能することが可能であり、また太陽電池の表面を不活性化することも可能であることが理解される。さらに、この誘電体層４１４を、複数の異なる層および／または傾斜層から構成し、例えば周知の技術を実施して、反射防止特性を改良してもよいことが理解される。
図２４に示す通りに、基板の表面をレーザー光線４１５で照射してもよい。基板構造の表面全体（例えば、基板４１１、コーティング４１２、および金属フィルム４１４）を照射してもよいし、あるいは金属パターンを有する領域だけを照射してもよい。この誘電体の選択的切除の結果、図２５に示す構造が得られる。図示する通りに、誘電体層を除去した後、金属コンタクト４１４および誘電体層は、金属コンタクト４１４と誘電体コーティング４１２との間にいかなる空隙も有することなく、基板４１１全体を被覆する。
一実施形態では、レーザー照射のパラメータは、誘電体コーティング４１２および基板４１１がいずれも光線と相当に相互作用せず、レーザー光線が相当な損傷を引き起こさずに矢印４１６で示す通りにこれらを透過するように選択される。レーザー照射のパラメータは、金属フィルム４１４と相当に相互作用するように選択され、レーザー光線は、金属フィルム４１４に吸収される。この吸収により金属フィルムを部分的に切除することが可能となり、具体的には金属の表面の薄い層を切除することができる。この相互作用により、金属フィルム４１４の上に重なる部分４１７の誘電体コーティングを局所的に除去することになる。
次のプロセス、例えば洗浄して破片を除去すること、または熱処理して電気的コンタクトを改良することなどを、基板上で行ってもよい。シリコン太陽電池の前面の場合、金属フィルム４１４をめっきによって厚くし、図２６に示す通りのめっきされたコンタクト４３０を得て、必要とされる線導電率を実現してもよい。誘電体コーティング４１２は、めっきされた金属４３０と基板４１１との間のバリアとしての役割を果たす。
まとめると、上述の例は、太陽電池用の金属コンタクト構造を形成する簡単なプロセス順序を説明している。該プロセス順序は、一例では以下の通りである：
１）金属フィルムを基板上に堆積させる；
２）レジストを吐出する；
３）金属をエッチングし、レジストを除去する；
４）誘電体コーティングを堆積させる；
５）レーザー切除する；および
６）めっきする
１）金属フィルムを基板上に堆積させる；
２）レジストを吐出する；
３）金属をエッチングし、レジストを除去する；
４）誘電体コーティングを堆積させる；
５）レーザー切除する；および
６）めっきする
さらに、かかるプロセス順序は、太陽電池の前面および／または裏面上のコンタクト構造の形成に適用可能であることが理解される。さらに、追加的なプロセスステップを追加することなく、該順序を前面および裏面上で同時に実施することができることが理解される。
別の例では、図２７は、太陽電池の基板５１１の前側および／または裏側上に見ることができる標準的な金属パターンを示す。金属パターンは、例えば、バスバー５１６および細線状フィンガー５１４から構成されていてもよい。
図２８Ａおよび２８Ｂは、太陽電池の一部に見ることができる細線状金属フィンガー２０４をクローズアップした詳細を示す。平面図および断面図での図２８Ａは、金属フィンガー５１４を被覆する誘電体コーティング５０２を示す。図２８ｂは、レーザー照射が金属フィンガー上部の上から誘電体コーティングを除去した後を示す。
図２９は、本特許出願で記述される通りのレーザー加工を行うのに適したレーザー機械加工システムの簡易図を示す。レーザー光線は、レーザー６００で生成される。レーザー光線は、ビーム拡大器、ビームコリメータ、ビームホモジナイザ、投影マスク（ｉｍａｇｅｄ ｍａｓｋ）、ファイバビーム送達システム、可変減衰器、リレーレンズおよびミラーなどの構成要素を含んでもよい任意選択の外部光学装置６１０を通して供給される。ガルバノメータスキャナ６２０および／または並進ステージ（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ）を使用して、レーザー光線を並進させ、基板（例えば太陽電池６３０）を網羅する。最終レンズを使用して、ビームの焦点を基板（太陽電池）上に合わせる。図２９に例示する通りのかかるレーザー機械加工システムの配置は、容易に入手可能であり、ハイスループットな工業用途、例えば太陽電池の製造に適用可能である。
本発明は、異なるレーザー光線の強度プロファイルを使用してもよい。図３０は、２つの適用可能なビームプロファイルの例を示す。ガウシアンビームプロファイル（またはガウシアンに近似するもの）は、多くのレーザー源によって典型的に発生するものであり、いかなる横断面における強度分布も、ビーム軸を中心とする円対称のガウス関数である。示している代替のビームプロファイルは、いわゆる「トップハット」または「フラットトップ」ビームプロファイルである。かかるプロファイルは、理想的にはほぼ均等な強度を露光領域内に有する。トップハットの露光領域の形状は、円形、正方形、矩形または適切な光学装置によって生成される任意の形状であり得る。かかるトップハットビームプロファイルは、典型的には、ビームシェイパ（ｂｅａｍ ｓｈａｐｅｒ）と呼ばれる特殊な回折または屈折光学装置（または多モードファイバ）を使用して生成される。本発明のレーザー加工に、これらのプロファイルのいずれかまたはこれらの組み合わせもしくは変形を使用してもよい。
図３１Ａ、３１Ｂ、３２Ａ、および３２Ｂは、パターン形成された金属フィルム６１４およびパターン金属フィルム７１４の上に重なる誘電体コーティングを自己整合的な選択的レーザーアブレーションプロセスにおいて、正方形のトップハットビームプロファイルを基板上に走査するまたは並進させる様子の例を示す。見て分かるように、このプロセスは、細い金属フィンガーの（例えば金属フィルム６１４の）サイズ、配置および形状の変動に対して認容性がある。異なる様々なビーム走査、オーバーラップおよび配置方式が本発明に適用可能であり、示した２方式は、一般的原理の代表的な例に過ぎないことが理解される。
例えば、レーザー照射の正方形スポットを走査するまたは並進させ、図３１Ａに図示するようにプロセス領域全体を網羅することができる。図３１Ｂから分かるように、パターン形成された金属フィルム６１４の上に重なる誘電体コーティングを除去する自己整合的な選択的レーザーアブレーションプロセス（ｓｅｌｆ−ａｌｉｇｎｅｄ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ａｂｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ）に関し、この照射パターンは、パターン形成された金属フィルム６１４のサイズ、位置、または形状を問わず機能する。
図３２Ａに図示する別の例では、正方形のトップハットプロファイルのレーザー光線のスポットを走査するまたは並進させて、細い金属フィルムフィンガー７１４を網羅することができる。図３２Ｂから分かるように、パターン形成された金属フィルム７１４の上に重なる誘電体コーティングを除去する選択的レーザーアブレーションプロセス（ｓｅｌｆ−ａｌｉｇｎｅｄ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ａｂｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ）に関し、この照射パターンは、フィルム７１４の細い金属線のサイズ、位置または形状の変動を正確に追跡する必要がない。
本明細書において本発明の幾つかの態様を記述し図示してきたが、当業者であれば代替の態様を実施して同じ目的を達成することができる。したがって、かかる代替の態様はすべて、本発明の真の趣旨および範囲内に含まれるものとして添付の特許請求の範囲によって網羅されることが意図される。
Claims (20)
- 基板上にフィルムパターンをパターン形成する方法であって、
基板表面上にフィルムパターンを形成するステップと、
前記基板および前記フィルムパターンを覆うコーティングを形成するステップと、
前記コーティング中に孔または開口部を誘導するステップと、
前記フィルムパターンの上に重なる前記コーティングの少なくとも一部を除去するステップであって、前記コーティングの少なくとも一部を除去する前に前記コーティングの下に重なる少なくとも１つの層をエッチングするステップを含むステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記基板の表面上にフィルムを形成するステップと、
前記フィルムを覆うエッチングレジストを形成するステップと、
１つまたは複数のステップで前記フィルムをエッチングするステップであって、前記少なくとも１つの層の下層を最初にエッチングすることによって前記少なくとも１つの層の上部層を高速化除去するステップを含むステップと、
前記エッチングレジストを除去するステップと、
によって前記フィルムパターンが形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 前記フィルムパターンは、
金属ペーストをスクリーン印刷すること、
ナノ粒子金属インクをインクジェット印刷すること、および
金属ナノ粒子をエアロゾル印刷すること、
のうちの１つによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 前記基板および前記コーティングは、前記少なくとも１つの層を浸食するエッチング液と相当に相互作用することを回避することを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記エッチング液は、前記フィルムパターンおよびその上に重なるコーティングと相互作用し、それにより前記コーティングが部分的または完全に除去され、残存するコーティングが支持されない状態となることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- フィルムパターンがコーティングによって囲まれ、前記パターンと前記コーティングとの間に空隙が存在しないことを特徴とする基板上の表面上の構造。
- 前記基板は、光起電素子であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記フィルムパターンは、太陽電池の前方コンタクト電極および／または後方コンタクト電極を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記フィルムパターンを続いて金属で電気めっきして金属グリッドの導電率を改良するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記コーティングは、誘電体の光学的反射防止層であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記誘電体コーティングは、光学的反射層であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記パターン形成されたレジストは、続くパターンマスクの露光および現像を必要とすることなく、直接書き込まれ、その場で硬化されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
- 前記レジストをパターン形成する直接書き込み法は、インクジェットまたはスクリーン印刷であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
- 前記金属フィルムパターンは、異なるまたは変動する組成および厚さの複数の薄いフィルムの金属層を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記複数の薄いフィルムの金属層は、クロム、銀、銅、ニッケル、チタン、アルミニウム、ニッケル−バナジウム、ニッケル−ニオブ、ニッケル−チタン、ニッケル−ジルコニウム、ニッケル−クロム、ニッケル−白金、ニッケル−アルミニウム、ニッケル−タングステン、チタン−タングステン、コバルト−ニッケル、クロム−コバルト−ニッケル、クロム−コバルト、クロム−ニッケル、クロム−シリコン、クロム−銅、クロム−アルミニウム、アルミニウム−シリコン−銅、アルミニウム−シリコン、およびアルミニウム−クロムのうちの１つまたは複数の金属または金属合金を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
- 前記金属フィルムは、複数の薄いフィルム金属のスタック中に上部金属フィルムを有し、前記上部金属フィルムは、直接電気めっきすることが可能であり、かつ、銀、銅、ニッケル、クロム、ニッケル−ニオブ、ニッケル−バナジウム、ニッケル−チタン、ニッケル−ジルコニウム、ニッケル−クロム、ニッケル−白金、ニッケル−アルミニウム、ニッケル−タングステン、クロム−コバルト−ニッケル、クロム−コバルト、クロム−ニッケル、クロム−シリコン、クロム−銅およびクロム−アルミニウムのうちの１つからなる金属層から構成されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
- 前記エッチングは、
前記基板全体がエッチング液に浸漬されるステップ、または前記エッチング液が下部のフィルムパターンに合致するように選択的に適用されるステップを含み、
既に存在するステップ、または上記ステップの前に、化学的、物理的、電気的、およびトポグラフィー的な方法のうちの１つによって導入された上部層中のピンホールもしくは開口部を、前記エッチング液が通過する、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 前記基板は、シリコンウエハの太陽電池を含み、その一方の面または両面がテクスチャ形成され光閉じ込め効果が改良されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記エッチングは、前記フィルムパターン上に重なる前記誘電体コーティングを部分的に除去するまたは破壊することを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記フィルムパターンは、金属を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
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