JP2013509695A - 選択エミッタを含む、ソーラーセルの製造のための工程 - Google Patents

選択エミッタを含む、ソーラーセルの製造のための工程 Download PDF

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Abstract

本発明は、大幅に改良されたシリコン層に関する選択性を有する、改良されたエッチングペースト組成物を利用した、選択エミッタを含むソーラーセルの製造方法に関する。

Description

本発明は、大きく改善されたシリコン層の選択性を有する、改善されたエッチングペースト組成を利用した選択エミッタを含む、ソーラーセルの製造のための工程に関する。
選択エミッタを含むソーラーセルは、大量生産における既知の製造工程を利用して、すでに多数製造されている。選択エミッタを含むソーラーセルを製造する理由は、既知の標準のソーラーセルと比較して高効率であるからである。この利点は、選択エミッタを含むソーラーセルが、金属コンタクトよりかなり低いコンタクト抵抗を有することに起因する。さらに、セルの前部の改善されたパッシベーションおよび金属接触の間の弱くドープされた領域に起因する。
選択エミッタの作成のためのコンセプトは、1970年代には存在したが、これらは、ドープされないようにする各領域をマスクで覆われなければならないという、リンの拡散のための2つの独立した工程を必要とした。この2重のドーピングは、高価なだけでなく、生成された電荷担体の寿命に関する不利益がある。これは、この初期の工程における拡散工程の間に、薄い結晶層内の電荷担体の寿命をかなり低減する、Siウェファの2重の加熱が必要だからである。
その間にさらに改善された工程は、今日においても、この時期に改善されたこれらのコンセプトを元にしている。
したがって、“Selective Emitter for Industrial Solar Cell Production: A Wet Chemical Approach Using a Single Side Diffusion Process (Proc. 23rd EU PVSEC, Valencia, 2008, p. 1197)”と題する講義の出版物において、A.Dastgheib−Shirazi等は、選択エミッタが、単結晶および多結晶シリコンソーラーセルにおいて、一回の拡散ステップで生成される工程を説明している。ここで湿式化学ウェファエッチングのステップは、耐酸性の障壁層により金属化が起こる前部領域のマスキングまたはスクリーニングを必要とする。この工程において、湿式化学工程のステップは、エミッタ構造の製造のため、および、それに続く耐酸性の障壁層の除去のための両方に必要なものである。
障壁層の形成のための酸化は、["Diffusion through semitransparent barriers on p-type silicon wafers” (International Solar Energy Research Center - ISC Constance, Germany; Bosch Solar Energy AG, Germany), 24th European Photovoltaic Energy Conference, 21 - 25 September 2009, Hamburg]のP.Ferrada等により研究された、選択エミッタの作成のための工程の中間ステップにおいても実施される。製造されたソーラーセルの高効率性は、リンの拡散が実施された後に、障壁層を完全に除去することができ、様々な工程ステップを実施するために必要な化学物質の残留物もまた、一時的なクリーニングステップにおいて形跡を残すことなく除去することができた場合にだけ達成することができることが見出された。
Dastgheib-Shirazi,A等によるもう一つの出版物["INSECT: An inline selective emitter concept with efficiencies at competitive process costs improved with inkjet masking process”; (University of Konstanz, Department of Physics, Konstanz, Germany, Gebr. Schmid GmbH, Germany), Preprint 24th EU PVSEC, September 21 - 25 2009, Hamburg]は、インライン拡散ステップが、エミッタの形成のためのアルカリ性条件の下での化学的テクスチャリングの後に実施される、単結晶ウェファ上の選択エミッタの作成を説明している。しかしながら、この方法においては、その後に耐酸性の高温融解ワックスを使用した金属被覆が行われる領域を保護する必要がある。最初に述べた当該著作者による出版物に示されるように、表面の保護されていない領域はエッチングされる。マスキングを除去した後、処理されたウェファは、PECVD−SiNAR層が提供される前に洗浄される。金属被覆は、スクリーン印刷および焼結により実施される。
図1および図2の工程フローチャートは、2つのステップの選択エミッタの作成においてこれまでに実施されていた、工程ステップを示す。これらの作成方法は、ソーラーセルの工業製造にすでに導入されている。
図1に描かれるように、変形工程Aにおいて、選択エミッタを含むソーラーセルの製造は、以下のステップを含む。
1.表面の錐体構造によるテクスチャリング。
2.リン・ドーピング(100Ω/sq POCl拡散)およびPSGエッチング。
3.マスキング(PE−CVD SiN
4.エッチングペーストによるエッチングまたはレーザーによりマスキングを選択的に開くこと。
5.リン・ドーピング(40Ω/sq POCl拡散)およびPSGエッチング。
6.表面の金属被覆のためのスクリーン印刷および背面/焼結。
7.端部絶縁。
図2に描かれるように、変形工程Bにおいて、選択エミッタを含むソーラーセルの製造は、以下の8つのステップを含む。
1.表面の錐体構造によるテクスチャリング。
2.SiOの熱蒸着によるマスキング。
3.エッチングペーストによるエッチングまたはレーザーによりマスキングを選択的に開くこと。
4.リン・ドーピング(40Ω/sq POCl拡散)およびPSGエッチング。
5.リン・ドーピング(100Ω/sq POCl拡散)およびPSG。
6.窒化ケイ素(SiN)のプラズマを援用する型式の化学気相成長(PECVD)を使用した反射防止用層(アーク蒸着法)によるマスキング。
7.表面(前面)の金属被覆のためのスクリーン印刷と、その後の、背面焼結(混焼)。
8.端部絶縁。
十分な効果を有する工程可能なワンステップの選択エミッタを含むソーラーセルの製造が可能な、図3に描かれる変形工程Cは、2007年から知られている(PVSECカンファレンス2007で発表された)。
この変形工程Cは、これもまた図3に描かれる次の9つのステップを含む。
1.表面の錐体構造によるテクスチャリング。
2.リン・ドーピング(40Ω/sq POCl拡散)。
3.インクジェット印刷によるエッチングマスクの局所塗布。
4.100Ω/sqの伝導率を達成するための、PSGおよびシリコン層のHF/HNO溶液での局所エッチング(PSG=リン珪酸ガラス)。
5.エッチングマスクの除去(剥離)。
6.PSGエッチング。
7.窒化ケイ素(SiN)のプラズマを援用する型式の化学気相成長(PECVD)を使用した反射防止用層(アーク蒸着法)によるマスキング。
8.表面(前面)の金属被覆のためのスクリーン印刷を行い、その後、背面に焼結(混焼)を行うこと。
9.端部絶縁。
この工程の変形において、ウェファは、全表面を覆って一度だけ強くドープされる。この目的のために、ウェファの表面にリンがドープされる間の約一時間、約800°〜850°の温度で、ウェファがPOClで処理される。同時に、したがって伝導率は約500оhm/sq(Ω/sq)にセットされる。ポリマーペーストは、特別なスクリーンレイアウト、すなわちラインパターンで、後に印刷される。乾燥の後、硬化されたペーストに存在するポリマーは、HFおよびHNOから成る酸混合物による攻撃に耐性があり、エッチングレジストとして働く。印刷され、乾燥されたウェファは、対応するHF/HNO酸混合物に浸され、印刷されていないウェファの領域が刻まれる。エッチングステップのために、エッチングバス濃度およびその滞留時間は、要求されるエッチング深さ、または、要求される層耐性に合わせて調整される。エッチングは、層耐性が100оhm/sqに達した時に終了する。
この方法における、次の工程段階において、ポリマー(エッチングレジスト)は、アルカリ性溶液を用いて、再び除去される。後に、フッ化水素酸を用いて、ポリマー層(レジスト)により覆われたPSG(リン珪酸ガラス)を再び除去することが可能である。ウェファは洗われ、乾燥され、ARC層(反射防止層)の蒸着のために送られる。この反射防止層(ARC蒸着)によるマスキングは、窒化ケイ素(SiN)のプラズマを援用する型式の化学気相成長(PECVD)を使用して実施される。銀ペーストが、前面接触のため、アルミニウムペーストが背面表面領域のために印刷され、ベルト炉において焼かれる(熱により乾燥される)。
最終の工程ステップにおいて、前面上の端部絶縁が、レーザーを使用して実施される。
選択エミッタを含む、ソーラーセルの製造のためのこの工程の不利益は、時間を費やし、高価である、多数の工程ステップにある。
目的
したがって、本発明の目的は、選択エミッタを含むソーラーセルの製造のためであって、実施が簡単で、時間、コストおよび工程ステップが節約され、高い効率性を有する、工程を提供することにある。本発明のさらなる目的は、それに対応する工程を提供することにあり、それにより、比較的薄いウェファにおけるドーピングにより生成されたる電荷担体の増加した寿命を有するソーラーセルが得られる。
本発明の主題
様々なエッチングペースト組成物による実験は、驚くべきことに、この目的が、新規のリン酸含有エッチングペースト組成、および、工程の変更を利用することで達成できることを示した。
したがって、本発明は、ワンステップ拡散の選択エミッタを含むソーラーセルを製造するための工程に関し、リン珪酸ガラス層(PSGまたはPSG層)および下層のシリコン層が、エッチングペーストでエッチングされることを特徴とする。
本発明のこの工程は、特に、選択エミッタの形成が、リン珪酸ガラス層(PSGまたはPSG層)および下層のシリコン層を1つの工程ステップでエッチングする、リン酸含有エッチングペーストを利用して実施されるという事実によって既知の工程と異なる。
本発明による工程において、特に有益な点は、本工程により製造されたソーラーセルが、結果的により高い効率性を有するため、リン珪酸ガラス層(PSGまたはPSG層)および下層のシリコン層のエッチングにより、実際のテクスチャと比較して増加した微小的粗さを有するシリコン表面が製造されることにある。
本発明による工程は、有利に、シリコンウェファの表面を錐体またはアモルファス構造でテクスチャリングした後に、表面がリン酸含有エッチングペーストにより処理され、実際のテクスチャより増加した微小的粗さで製造するように、設計される。
好ましい態様(図4)において、本発明によるワンステップのエミッタを含むソーラーセルの製造のための工程は、以下の工程ステップを含む。
I.表面のテクスチャリング。
II.リン・ドーピング(〜40Ω/sq POCl拡散)。
III.PSGおよびシリコン層に局所エッチングを行い、〜90−100Ω/sqの範囲の伝導率で製造し(PSG=リン珪酸ガラス)、ウェファを洗浄すること。
IV.PSGエッチング。
V.窒化ケイ素(SiNx)のプラズマを援用する型式の化学気相成長(PECVD)を使用した反射防止用層(アーク蒸着法)によるマスキング。
VI.表面(前面)の金属被覆のためのスクリーン印刷と、その後の、背面の焼結(混焼)。
VII.端部絶縁。
しかしながら、変更された順序での工程ステップを実施することで、工程を実施することも可能である。これは同様の結果をもたらす。図5に示されるように、順序を変更した後は、ワンステップのエミッタを含むソーラーセルの製造のための、本発明による変更された工程は、以下の工程ステップを含む。
I.表面のテクスチャリング。
II.リン・ドーピング(〜40Ω/sq POCl拡散)。
III.PSGエッチング。
IV.シリコン層の局所エッチングを行い、ウェファを洗浄し、〜90−100Ω/sqの範囲の伝導率で製造すること。
V.窒化ケイ素(SiNx)のプラズマを援用する型式の化学気相成長(PECVD)を使用した反射防止用層(アーク蒸着法)によるマスキング。
VI.表面(前面)の金属被覆のためのスクリーン印刷を行い、その後、背面に焼結(混焼)を行うこと。
VII.端部絶縁。
ウェファは、エッチングの後すぐに洗浄される。両方の態様において、ウェファは、脱イオン化された水および/または0.05%のKOH溶液で洗浄してもよい。
背面端部絶縁が同時に実施される場合、本発明によるワンステップのエミッタを含むソーラーセルの製造のための工程は、以下の工程ステップを含む(図6参照)。
I.表面のテクスチャリング。
II.リン・ドーピング(〜40Ω/sq POCl拡散)。
III.SolarEtch(登録商標)SiDペーストでの背面端部絶縁、またはHNO/HF溶液での背面全体のエッチング。
IV.PSGおよびシリコン層に局所エッチングを行い、〜90−100Ω/sqの範囲の伝導率で製造すること(PSG=リン珪酸ガラス)。
V.脱イオン化された水および/または0.05%のKOH溶液でのウェファの洗浄。
VI.PSGエッチング。
VII.窒化ケイ素(SiNx)のプラズマを援用する型式の化学気相成長(PECVD)を使用した反射防止用層(アーク蒸着法)によるマスキング。
VIII.表面(前面)の金属被覆のためにスクリーン印刷を行い、その後、背面に焼結(混焼)を行うこと。
この場合もまた、変更された順序による異なる工程ステップを実施することが可能である。順序(図7参照)および背面端部絶縁の変更後、本発明によるワンステップのエミッタを含むソーラーセルの製造のための工程は、以下の順序の工程ステップを含む。
I.表面のテクスチャリング。
II.リン・ドーピング(〜40Ω/sq POCl拡散)。
III.SolarEtch(登録商標)SiDペーストでの背面端部絶縁、またはHNO/HF溶液での背面全体のエッチングを行うこと。
IV.PSGエッチング。
V.シリコン層の局所エッチングおよび〜90−100Ω/sqの範囲の伝導率の生成。
VI.脱イオン化された水および/または0.05%のKOH溶液でウェファを洗浄すること。
VII.窒化ケイ素(SiNx)のプラズマ強化式化学気相成長(PECVD)を使用した反射防止用層(アーク蒸着法)によるマスキング。
VIII.表面(前面)の金属被覆のためのスクリーン印刷と、その後の、背面の焼結(混焼)。
特に、選択エミッタを含むソーラーセルの製造のための、説明された工程において適用可能なリン酸含有エッチングペーストの利用は、本発明による目的を達成することに寄与する。
この目的のために、25〜80重量%の量のリン酸を含む、リン酸含有エッチングペーストが特に適している。
リン酸に加えて、本発明によるこれらのペーストは、20〜40重量%の量の溶媒または溶媒混合液を含む。この場合の特に適した溶媒は、高純度で、または混合物として適用可能な、グリセロール、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジメチルスルホキシド、γ-ブチロラクトンの群より選択される溶媒である。
これらの組成は、好ましくは、少なくとも1つの非微粒子の増粘剤を含む。特に、高純度でまたは混合物として存在し得る、ポリビニルピロリドンおよびヒドロキシプロピルセルロースの群から選択される非微粒子の増粘剤は、これらのペーストに適している。高純度のまたは混合物としての、カーボンブラック、低融点ワックス粒子の郡から選択される微粒子の増粘剤を含む、対応するペーストは、特に良好な特性を有する。
非微粒子および微粒子の増粘剤の両方を含むペーストは、本発明による工程における利用のために特に適している。対応する増粘剤は、好ましくは20〜35重量%がペースト中に存在する。
驚くべきことに、実験は、新規のリン酸含有エッチングペースト製剤の利用が、リン珪酸ガラス(PSGまたはリン・ガラス)のエッチングにおいて、良好なエッチング結果をもたらすことを示した。下層のシリコン層は、有利に同時にエッチングすることができる。新規のエッチングペースト製剤でのエッチングの実験は、その製剤がシリコン層のための良い選択性を有することを示し、それは統一されたおよび完全なエッチングが実施可能であることを意味する。
新規のエッチングペースト組成の統合により、選択エミッタを含むソーラーセルの製造のための工程が成功裏に簡素化され、コスト削減が可能であることが示された。PSGおよび下層のシリコン層の同時エッチング、特にシリコン層の完全なエッチングは、本発明による改善された工程が、選択エミッタおよび高効率のワンステップドーピングを含むソーラーセルの製造を可能にするという結果をもたらす。
本発明による工程において、ウェファは、HFおよびHNOでの酸性テクスチャリングまたはKOHおよびイソプロパノールでのアルカリ性テクスチャリングの後に、表面全体が強くドーピングされる。この目的のために、ドーピングは、約30〜90分の滞留時間の間に、約800〜850℃の温度で、POCIを利用したリンで実施される。ドーピングは、セル前面の伝導率を、約35〜50оhm/sqに調整する。新規のエッチングペーストは、次に好ましくは多種多様なラインパターン(1.7mmライン幅および200μmライン間隔)の、特別なスクリーンレイアウトで前面に印刷され、印刷されたウェファは熱せられる。ウェファ表面は、300℃〜380℃の温度で熱せられる。加熱時間は、1分から3分の範囲である。加熱は、好ましくはベルト炉において実施される。加熱ステップの間、PSG層およびシリコン層の両方がエッチングされる。エッチングは、層の抵抗が90〜100оhm/sqの範囲に達すると完了する。脱イオン化された水および/または塩基性KOH溶液(0.05%〜1%)での簡単な洗浄の後、PSG(リン・ガラス)は、次のステップにおいて、フッ化水素酸を用いて除去される。ウェファは、脱イオン化された水で再び洗われ、乾燥され、ARC層(反射防止用層)の蒸着のために送られる。この目的のために、好ましくは窒化ケイ素がPECVD(プラズマを援用する型式の化学気相成長)で蒸着される。銀ペーストが、前面接触のために前面に印刷され、アルミニウムペーストが、背面接触のために背面に印刷され、この方法で処理されたウェファは、ベルト炉において熱せられる(熱で乾燥される)。端部絶縁は、レーザーを用いて実施される。
したがって、本発明による選択エミッタを含むソーラーセルの製造のための工程、および、本発明によるエッチングペースト組成を利用したワンステップのドーピングは、図4に示されるように、以下の工程ステップを含む。
1.表面の錐体構造によるテクスチャリング。
2.リン・ドーピング(〜40Ω/sq POCl拡散)。
3.〜100Ω/sqの伝導率で製造するために、本発明によるエッチングペーストで、PSGおよびシリコン層を局所エッチングすること(PSG=リン珪酸ガラス)。
4.PSGエッチング。
5.窒化ケイ素(SiNx)のプラズマを援用する型式の化学気相成長(PECVD)を使用した反射防止用層(アーク蒸着法)の蒸着。
6.表面(前面)金属被覆のためにスクリーン印刷を行い、その後、背面に焼結(混焼)を行うこと
7.端部絶縁。
選択エミッタを含むソーラーセルの製造のための既知の工程と比較すると、本発明による工程は、7つの工程しか含んでいない。したがって、本発明によるエッチングペースト組成を利用した変更された工程を通して、時間および2つの省略されたステップのために必要であった化学物質の両方を節約することが可能である。したがって、製造工程全体がまた同時に安価にできる。
選択エミッタを含むソーラーセルの製造のために、本発明による工程、および、製造されたソーラーセルは、よって、既知の工程A、BおよびCに対して以下の利点を示す。
1.選択エミッタを含むソーラーセルの製造のためのより少ない工程ステップ(通常の9つの工程ステップの代わりに、例えば7つの工程のみ)である;
2.全体の工程を実施するためのより少ないコスト;
3.HF/HNO混合物から成る酸混合物でのエッチングステップが省略され、よって、窒素化合物ガスが避けられるので、より環境に優しい工程である;
4.得られたソーラーセルは、標準のソーラーセルと比べて、より高い効率またはより高いセル効率を有する。
これらの工程の利点および製造されたソーラーセルのより高い効率とは別に、本発明による新規のリン酸を含むエッチングペーストによるエッチングの後に、シリコン表面が、驚くべきことには増加した粗さを有することが見出された。この増加した粗さは、すでにテクスチャリングされた表面の反射防止作用をさらに増加させる。このことは、製造されたソーラーセルの効率に好ましい影響を与える。
この増加された粗さは、1000倍に拡大された顕微鏡写真において容易に見ることができる。図8において、ウェファの表面の一部は、それに応じて処理され、一方で、他の部分は非処理、すなわち、境界線(bar)の右の領域は、処理されず、境界線の左側の領域は、本発明のエッチングペーストにより追加的にエッチングされる。はっきり分かるように、領域1(左側)は、非エッチング領域2(右側)と比較して、つぶの表面粗さがかなり高いことを示す。このはっきり可視的な、実際のテクスチャ上の微小的粗さは、日光の反射を低減させ、よって同時に、ソーラーセルの効率を増加させる。
対応する分析を通じて、本発明のエッチングペーストによりエッチングされたシリコン表面の領域、および、シリコン表面の非エッチング領域の両方は、純シリコンから成り、洗浄の後には、エッチングペーストを利用する結果としての汚染、および拡散されたリンによる汚染はみられないということが明らかになった。この測定は、EDX解析を利用した多大な労力なして可能である。図9および10に示されるように、エッチングされた表面およびエッチングされていない表面の両方のEDX解析は、両方の表面が、純シリコンから成ることを示す。EDX解析は、物質解析において、迅速で高い精度の要素測定を可能にする、エネルギー分散的なX線解析である。
単結晶または多結晶のソーラーセルは、固体の切片、引き抜きシリコン棒、または、ワイヤーソーを用いた鋳造シリコンブロック(Dietl J., Helmreich D., Sirtl E., Crystals: Growth, Properties and Applications, Vol. 5 Springer Verlag 1981, pp. 57 and 73)である。その例外は、EFG(edge-defined film-fed growth)工程(Wald, F. V.; Crystals: Growth, Properties and Applications, Vol. 5 Springer Verlag 1981, p. 157)によるシリコン引き抜きにより形成される。
本発明の工程によるワンステップのエミッタを含む、ソーラーセルの製造のためには、ボロンにより同様にドープされた、それに応じて製造された単結晶または多結晶のシリコンウェファ(p-type silicon, 5" size (125 x 125 mm, D 150 mm), thickness: 200 - 260 μm, resistance: 1.0 - 1.5 Ω.cm)を適用することも可能である。
既に上記に示されたように、ウェファは通常、単または多結晶シリコン棒から切り出される。この方法で得られる、切り出された単または多結晶シリコンウェファは、約20〜30μmの粗さ深さの、切り出し損傷としても知られる、粗い表面を有する。ウェファからソーラーセルへのさらなる工程のため、特に可能な限り高い効率を達成するために、いわゆる切り出し損傷エッチングが必要である。この切り出し損傷エッチングにおいて、表面トレンチに存在する汚れが、実際に意図している切り出し損傷(数μmの深さの、かなり激しいウェファ表面領域の損傷)の除去に加えて除去される。
この汚れは、特に切り出しワイヤからの金属摩耗、また、摩耗の形跡である。この種類のエッチングは通常、約70℃、好ましくはより高い、特に90℃の温度で、およそ30%の水酸化カリウム溶液、または、水酸化ナトリウム溶液において実施される。これらの条件下での約2μm/minの比較的低いエッチング速度に起因して、要求された効果を達成するために、10分のエッチング時間あるいはより長い時間が必要である。この方法では、約7μmの厚さのSi層が、通常ウェファの両面上で除去される。
このエッチングは、基板上に粗い表面を製造する。しかしながら、表面に達成される開口角はとても平らで、反射の低減のため、または、表面の多重反射の低減のためにすら、まったく不適切である。しかしながら、この種類の反射効果は、セルの高い効率を達成するためには必要とされるものである。多くの出版物および特許が、、それゆえに、どんな種類のソーラーセル、例えば非結晶ソーラーセル(例えば、US4,252,865A)であっても、反射の低減について取り扱っているのである。
図1は、2ステップのドーピングによる、選択エミッタを含むソーラーセルの製造のための標準工程の変形工程Aを示す。 図2は、2ステップのドーピングによる、選択エミッタを含むソーラーセルの製造のための標準工程の変形工程Bを示す。 図3は、9つの工程ステップを含む、1ステップのドーピングによる、選択エミッタを含むソーラーセルの製造のための新しい工程の変形工程Cを示す。 図4は、本発明によるワンステップのエミッタを含むソーラーセルの製造のための工程を示す。 図5は、本発明によるワンステップのエミッタを含むソーラーセルの製造のための工程の順序が変更された工程を示す。 図6は、本発明によるワンステップのエミッタを含むソーラーセルの製造のための工程の背面端部絶縁を伴う工程を示す。 図7は、本発明によるワンステップのエミッタを含むソーラーセルの製造のための工程の順序および背面端部絶縁の変更後を示す。 図8は、シリコン表面上の、本発明のエッチングペーストの効果を示す。 図9は、本発明のエッチングペーストで処理された、図8の領域1のEDX解析を示す。 図10は、図8の処理されていない領域1のEDX解析を示す。 図11は、磨かれたSiウェファ上の“浅い”エミッタおよび“深い”エミッタのリン濃度のためのECVプロファイルを示す。 図12は、電流/電圧特性線を介した標準ソーラーセルと比較した、本発明のワンステップのエミッタを含む、ソーラーセルの効率性を示す 図13は、ウェファ上の選択エミッタの製造のための、可能性のある印刷レイアウトの例を示す。
説明を伴う図の一覧
図1:2ステップのドーピングによる、選択エミッタを含むソーラーセルの製造のための標準工程の変形工程A。
この図において示されるステップは、以下のようである。
1.テクスチャリング(このステップにおいて、KOH/イソプロパノールまたはHF/HNOで、表面テクスチャリングが実施される)。
2.PSGエッチング、またはリン・ドーピング(PSG=リン珪酸ガラス)、100Ω/sq拡散(POCl)。
3.窒化ケイ素(PECV SiNx)のプラズマを援用する型式の化学気相成長(PECVD)による、反射防止用層の蒸着。
4.エッチングペーストまたはレーザーを利用した、マスキングの開放。
5.PSGエッチング、40Ω/sq拡散(POCl)。
6.その後の焼結(混焼)を伴う前面および背面の金属被覆のためのスクリーン印刷。
7.端部絶縁。
図2:2ステップのドーピングによる、選択エミッタを含むソーラーセルの製造のための標準工程の変形工程B。
この図において示されるステップは、以下のようである。
1.テクスチャリング(このステップにおいて、KOH/イソプロパノールまたはHF/HNOで、表面テクスチャリングが実施される)。
2.マスキング(SiOの熱蒸着)。
3.エッチングペーストまたはレーザーを利用した、マスキングの開放。
4.PSGエッチング、40Ω/sq拡散(POCl)。
5.PSGエッチング、100Ω/sq拡散(POCl)。
6.窒化ケイ素(SiNx)の蒸着のための、プラズマを援用する型式の化学気相成長(PECVD)による、反射防止用コーティング(ARC)の蒸着。
7.その後の焼結(混焼)を伴う前面および背面の金属被覆のためのスクリーン印刷。
8.端部絶縁。
図3:9つの工程ステップを含む、1ステップのドーピングによる、選択エミッタを含むソーラーセルの製造のための新しい工程の変形工程C。
この図において示されるステップは、以下のようである。
1.テクスチャリング(このステップにおいて、KOH/イソプロパノールまたはHF/HNOで、表面テクスチャリングが実施される)。
2.PSGエッチング、40Ω/sq拡散(POCl3)。
3.エッチングマスクの局所インクジェット印刷。
4.100Ω/sqの伝導率を得るための、HF/HNO溶液によるPSG層(リン珪酸ガラス層)およびシリコン層の局所エッチング。
5.エッチングマスクの剥離。
6.PSGエッチング。
7.窒化ケイ素(SiNx)の蒸着のための、プラズマを援用する型式の化学気相成長(PECVD)による、反射防止用コーティング(ARC)の蒸着。
8.その後の焼結を伴う、表面の金属被覆のための、前面および背面のスクリーン印刷。
9.端部絶縁。
図4:本発明による工程を示す。
この図に示されたステップは、以下のようである。
1.テクスチャリング(このステップにおいて、KOH/イソプロパノールまたはHF/HNO3で、表面テクスチャリングが実施される)。
2.PSGエッチング、40Ω/sq拡散(POCl)。
3.100Ω/sqの抵抗を得るための、SolarEtch(登録商標)を印刷した、PSG層(リン珪酸ガラス層)およびシリコン層の局所エッチング。
4.脱イオン化された水および/または0.05%のKOH溶液による洗浄。
5.PSGエッチング。
6.窒化ケイ素(SiNx)の蒸着のための、プラズマを援用する型式の化学気相成長(PECVD)を使用した、反射防止用コーティング(ARC)の蒸着。
7.その後の焼結を伴う、全面および背面の表面の金属被覆のための、前面および背面のスクリーン印刷。
8.端部絶縁。
図5:順序が変更された工程を示す。
この図に示されたステップは、以下のようである。
1.テクスチャリング(このステップにおいて、KOH/イソプロパノールまたはHF/HNO3で、表面テクスチャリングが実施される)。
2.PSGエッチング、40Ω/sq拡散(POCl)。
3.PSGエッチング。
4.100Ω/sqの抵抗を得るための、SolarEtch(登録商標)を印刷した、Si−エッチング。
5.脱イオン化された水および/または0.05%のKOH溶液による洗浄。
6.窒化ケイ素(SiNx)の蒸着のための、プラズマを援用する型式の化学気相成長(PECVD)を使用した、反射防止用コーティング(ARC)の蒸着。
7.その後の焼結を伴う、全面および背面の表面の金属被覆のための、前面および背面のスクリーン印刷。
8.端部絶縁。
図6:背面端部絶縁を伴う、本発明による工程を示す。
この図に示されたステップは、以下のようである。
1.テクスチャリング(このステップにおいて、KOH/イソプロパノールまたはHF/HNO3で、表面テクスチャリングが実施される)。
2.PSGエッチング、40Ω/sq拡散(POCl)。
3.SolarEtch(登録商標)SiDまたはHNO/HFによる、背面端部絶縁。
4.100Ω/sqの抵抗を得るための、SolarEtch(登録商標)を印刷した、局所PSG(リン珪酸ガラス)およびSiエッチング。
5.脱イオン化された水および/または0.05%のKOH溶液による洗浄。
6.PSGエッチング。
7.窒化ケイ素(SiNx)の蒸着のための、プラズマを援用する型式の化学気相成長(PECVD)を使用した、反射防止用コーティング(ARC)の蒸着。
8.その後の焼結を伴う、全面および背面の表面の金属被覆のための、前面および背面のスクリーン印刷。
図7:背面端部絶縁を伴う、順序が変更された工程を示す。
この図に示されたステップは、以下のようである。
1.テクスチャリング(このステップにおいて、KOH/イソプロパノールまたはHF/HNO3で、表面テクスチャリングが実施される)。
2.PSGエッチング、40Ω/sq拡散(POCl)。
3.SolarEtch(登録商標)SiDまたはHNO/HFによる、背面端部絶縁。
4.PSGエッチング。
5.100Ω/sqの抵抗を得るための、SolarEtch(登録商標)を印刷した、Siエッチング。
6.脱イオン化された水および/または0.05%のKOH溶液による洗浄。
7.窒化ケイ素(SiNx)の蒸着のための、プラズマを援用する型式の化学気相成長(PECVD)を使用した、反射防止用コーティング(ARC)の蒸着。
8.前面および背面のスクリーン印刷、焼結(混焼)。
図8:シリコン表面上の、本発明のエッチングペーストの効果であって、1000倍に拡大された顕微鏡写真は、マーキングされた左側の処理されたシリコン表面および右側の処理されていない表面を示す。
図9:本発明のエッチングペーストで処理された、図8の領域1のEDX解析である。
図10:図8の処理されていない領域1のEDX解析である。
図11:磨かれたSiウェファ上の“浅い”エミッタおよび“深い”エミッタのリン濃度のためのECVプロファイル。
図12:電流/電圧特性線を介した標準ソーラーセルと比較した、本発明のワンステップのエミッタを含む、ソーラーセルの効率性を示す。
測定値:
Isc=5.283A; Isc=5.165
Voc=624mV; Voc=618mV
FF=76.2%; FF=76.4%
Eff=16.94%; Eff=16.40%
図13:ウェファ上の選択エミッタの製造のための、可能性のある印刷レイアウト(スクリーン部分)の例。例として、印刷スクリーンのための一部分が示される(帯の数は約73、幅1.7mm、母線の数は2、幅は2.0mm)。
さらなる詳細において、本発明の保護範囲である、ワンステップのエミッタを含むソーラーセルの製造、および、そこに利用されるエッチングペーストを製造するための本発明による工程の例が、本発明をさらに理解および説明するために与えられる。これらの例はまた、可能性のある変形工程、または、エッチングステップのための適したペースト組成の可能のある変形を説明する役目をする。一般妥当性のために発明の原理が示されたが、一方で、前記例は、本発明の保護範囲をこれらに限定するものではない。
例、詳細な説明および特許請求の範囲に与えられた温度は、常に℃である。特に示されない限り、コンテンツ・データは、重量%または重量比として与えられる。
さらに、言うまでもなく、与えられた例および残りの詳細な説明の両方において、組成内に存在する成分量は、全体の組成に基づいて、加え合わせた結果は常に100重量%、100mol%または100容量%にしかならないようにされ、たとえ示された範囲のパーセンテージから高い値が現れるかもしれない場合でも、これを超えることはない。特に示されない限り、%データは、ボリュームデータとして示される比率を除いて、重量%である。
本発明のソーラーセルの製造:
ソーラーセルの反射の低減は、一般的に、好ましくはNaOH溶液およびイソプロパノールを含むアルカリ溶液、または、HFおよびHNOの酸混合物から成る酸性溶液によるテクスチャリングにより達成される。
テクスチャリングの後、表面は、温かい脱塩水を伴う酸含有水溶液で洗浄、または、次の順序において加熱炉内で処理される:
HF、HCI、HF、温かい脱塩水、HF、加熱炉内での処理。
ウェファ表面の洗浄を行った後、拡散ステップにおいてワンステップのエミッタ(深いエミッタ)が形成される。これは一括工程であって、そこではウェファの表面は、800℃より高く、高くても895℃の温度で、約1時間のコースの間、好ましくは約70分のコースの間、リンでドーピングされる。約70分の後、要求される約40ohm/sqの伝導率が達成される。
いわゆる“浅いエミッタ”は、適したエッチングペーストでのエッチングにより、シリコンウェファ上に製造され、そこではエッチングペーストがスクリーン印刷により適用される。例えば、isishape SolarEtch BES(登録商標)等の、リン酸含有エッチングペーストは、この目的に適用され、代替として、isishape SolarEtch SiS(KOHを含む)(登録商標)等の、KOH含有のエッチングペーストが、エッチングステップのために適用可能である。
ペーストは、Baccini printer(登録商標)(4つのカメラを伴う)という名前で販売されている、スクリーン印刷機械を利用して適用可能である。このエッチングペーストは、例えば、280mesh/inch仕様および25μmのワイヤ径を伴うKoenen(登録商標)のスクリーンを利用して印刷可能である。スクリーンの取り付け角度は、好ましくは22.4°である。使用されるスクリーンエマルジョンは、Kissel&Wolf(登録商標)のAzokol Z130(登録商標)である。ペーストは、80shoreのドクター(Doctor)硬度を有するダイヤモンドドクター(diamond doctor)を利用して、良好に印刷可能である。
間隔:1.2mm; 圧力:70N
速度:150mm/s
エッチングペーストは、ライン幅1.7mmおよびライン間隔200μmで適用される(図13のスケッチを参照)。エッチングのために、印刷されたウェファは、約5分間、400℃まで熱せられる(この方法で、エッチングペーストがアクティブになる)。この目的のためにベルト炉が利用される。炉は、4つの加熱ゾーンに分割される。ゾーン1は550℃、ゾーン2は400℃、ゾーン3は400℃、ゾーン4は300℃に設定される。ベルト速度は、51cm/minである。エッチングされたウェファは、次にSchmid(登録商標)インライン洗浄ユニットを利用して洗浄される。洗浄は、2つのステップで実施される。第一のステップにおいて、ウェファは、パススルー(pass-through)超音波バス(2×500W、40kHz)において洗浄され、第二のステップにおいて、両側に水ジェットが利用され、後に乾燥される(圧縮空気)。
PSGエッチングおよび湿式化学表面洗浄は、HF、温かい脱塩水、再びHFで実施される。
一側上のLPCVD SiN蒸着は、790℃まで実施される(LPCVD=低圧化学蒸着)。
90nmの層厚の蒸着のための工程期間は、2時間である。
Siの蒸着のために利用される反応ガスは、ジクロロシランおよびNHである。
端部絶縁は、インラインレーザー端部絶縁、または、適したエッチング工程により実施することができる。
必要な背面コンタクトは、以下の条件の下で製造される。
ペーストは、Baccini printer(登録商標)(4つのカメラを伴う)という名前で販売されている、スクリーン印刷機械を利用して適用可能である。Ag/Alペーストが、標準的に利用される。説明された工程のために、DuPont PV502(登録商標)ペーストが利用される。ペーストは、例えば、230mesh/inch仕様および36μmのワイヤ径を伴うKoenen(登録商標)のスクリーンを利用して印刷される。スクリーンの取り付け角度は、好ましくは45°である。使用されるスクリーンエマルジョンは、Koenen(登録商標)のISAR(登録商標)である。ペーストは、60shoreのドクター(Doctor)硬度を有するダイヤモンドドクター(diamond doctor)を利用して、良好に印刷可能である。ペースト印刷のために、以下のパラメータが設定される。:間隔1.2mm;圧力:70N;速度:150mm/s。2つのバスバーが、5mm×124mmの寸法で、Ag/Alペーストを利用して背面上に印刷される。印刷されるペーストの厚さは、15μmである。印刷されたウェファは、乾燥のために、約3分間、200℃まで温められる。この目的のために、ベルト炉が利用される。
アルミニウムBSFコンタクト
ペーストは、Baccini printer(登録商標)(4つのカメラを伴う)という名前で販売されている、スクリーン印刷機械を利用して適用可能である。説明された工程のために、DuPont Comp.PV381(登録商標)アルミニウムペーストが利用される。ペーストは、例えば、330mesh/inch仕様および34μmのワイヤ径を伴うKoenen(登録商標)のスクリーンを利用して印刷することができる。スクリーンの取り付け角度は、好ましくは45°である。使用されるスクリーンエマルジョンは、Koenen(登録商標)のISAR(登録商標)である。ペーストは、60shoreのドクター(Doctor)硬度を有するダイヤモンドドクター(diamond doctor)を利用して、良好に印刷可能である。ペースト印刷のために、以下のパラメータが設定される。:間隔1.2mm;圧力:70N;速度:150mm/s。標準Alペーストを利用して背面全体が印刷される。印刷されるペーストの厚みは、22μmである。ペーストの量は、2.64mg/cmである。印刷されたウェファは、乾燥のために、約3分間、290℃まで温められる。この目的のために、ベルト炉が利用される。
高くドーピングされた領域(ライン)における前面コンタクト
ペーストは、Baccini printer(登録商標)(4つのカメラを伴う)という名前で販売されている、スクリーン印刷機械を利用して適用可能である。説明された工程のために、DuPont Comp.PV145(登録商標)銀ペーストが利用される。ペーストは、280mesh/inch仕様および25μmのワイヤ径を伴うKoenen(登録商標)のスクリーンを利用して印刷される。スクリーンの取り付け角度は、好ましくは22.5°である。使用されるスクリーンエマルジョンは、Koenen(登録商標)のISAR(登録商標)である。ペーストは、60shoreのドクター(Doctor)硬度を有するダイヤモンドドクター(diamond doctor)を利用して、良好に印刷可能である。ペースト印刷のために、以下のパラメータが設定される。:間隔1.2mm;圧力:70N;速度:160mm/s。2つの母線およびフィンガー(fingers)を伴う前面レイアウトが、銀ペーストを利用して印刷される。ライン幅は80μmで、フィンガー間の間隔は1.7mmである。印刷されるペーストの幅は、約20μmである。印刷されたウェファは、乾燥のために、約3分間、290℃まで温められる。この目的のために、ベルト炉が利用される。
燃焼条件
金属ペーストを利用したシリコンウェファの印刷は、IRベルト炉を通して送達され、最高温度880℃まで焼かれる。この加熱ステップは、有機ペースト要素を焼き尽くすこと、および、金属粒子およびガラス原料要素の焼結および溶融を行うことの両方の役目を果たす。これは、長い期間安定な、表面コンタクトを製造する(先行技術:“混焼”および“ARC燃焼”)。焼き尽くすために、7つのゾーンを伴うベルト炉が、示された工程において利用される。温度プロファイルは、250−350−400−480−560−560−880℃である。ベルト速度は、1.5m/minである。
選択エミッタの性質
浅いエミッタをエッチングするために、isishape SolarEtch BES(登録商標)エッチングペーストが利用される。以前にドーピングされた、層抵抗40ohm/sqを有する深いエミッタは、層抵抗100ohm/sqにエッチングされる。この目的のためには、約40〜50nmのエッチング深さが必要である。
図11に示されるように、この方法で製造されたエミッタは、蒸着の深さに関連したリン濃度のプロファイル特性を有する。
製造されるソーラーセルの特性をあきらかにするために、製造されるソーラーセルの電流−電圧特性線(I−V)は、標準条件(STC1000W/sqm、AM1.5、温度:25℃)の下で、太陽光シミュレータ(Xe アークランプ)を利用して測定される(図12)。
対応する測定によって、標準のソーラーセルの効率と比較して、0.5%増加した効率を伴うワンステップ選択エミッタを含むソーラーセルが、本発明の工程を用いて製造可能であることが示された。
エッチングペーストの例
例1
14gのポリビニルピロリドンが、活発な撹拌のもとに以下から成る溶媒混合物に加えられる。
125gのリン酸(85%)および
DMSO(1:1)と混合された、75gのジエチレングリコールモノエチルエーテル(DEGMEE)。
64gのカーボンブラックが、透明な均一混合物に加えられ、混合物がさらに2時間掻き混ぜられる。

例2
16gのポリビニルピロリドンが、活発な撹拌のもとに以下から成る溶媒混合物に加えられる。
74.5gのリン酸(85%)および
DMSO(1:1)と混合された、75gのジエチレングリコールモノエチルエーテル(DEGMEE)。
50gのCeridust(登録商標)が、透明な均一混合物に加えられ、混合物がさらに2時間掻き混ぜられる。
例3
17gのポリビニルピロリドンが、活発な撹拌のもとに以下から成る溶媒混合物に加えられる。
165gのリン酸(85%)および
DMSO(1:1)と混合された、85gのジエチレングリコールモノエチルエーテル(DEGMEE)。
70gのCeridust9202F(登録商標)が、純均一混合物に加えられ、混合物がさらに2時間掻き混ぜられる。
例4
KOHを含む、代替のエッチングペースト
15gのヒドロキシプロピルセルロースが、活発な撹拌のもとに以下から成る溶媒混合物に加えられる。
250gのKOH溶液(60%)および
500gのγ-ブチロラクトン。
70gのCeridust9202F(登録商標)が、純均一混合物に加えられ、混合物がさらに2時間掻き混ぜられる。
すぐに利用できるペーストは、280meshステンレス−スチールが織り込まれたスクリーンを利用して、印刷可能である。原則として、ポリエステルまたは同様のスクリーン素材もまた利用可能である。
保存において、用意されたエッチングペーストは、有利なエッチング特性を保持して、長期間に渡って保存容器の中で安定することが確認された。
有利な特性を有する、本発明の要素のさらなる例は、以下の表1に示される。


Claims (17)

  1. ワンステップ蒸着の選択エミッタを含むソーラーセルの製造のための工程であって、リン珪酸ガラス層(PSGまたはPSG層)および下層のシリコン層が、印刷エッチングペーストでのシングルエッチングステップでエッチングされることを特徴とする、前記工程。
  2. 選択エミッタの形成が、単一の工程ステップでリン珪酸ガラス層(PSGまたはPSG層)および下層のシリコン層をエッチングする、リン酸含有エッチングペーストを利用して実施されることを特徴とする、請求項1に記載の工程。
  3. リン珪酸ガラス層(PSGまたはPSG層)および下層のシリコン層のエッチングが、元のテクスチャより増加した微小的粗さを有するシリコン表面を造りだすことを特徴とする、請求項1または2に記載の工程。
  4. シリコンウェファの表面を錐体またはアモルファス構造でテクスチャリングした後に、表面がリン酸含有エッチングペーストにより処理され、元のテクスチャより増加した微小的粗さを造りだすことを特徴とする、請求項1または2に記載の工程。
  5. 以下の工程ステップを含む、請求項1〜4の1つ以上に記載の工程:
    I.表面のテクスチャリング(KOH/イソプロパノールまたはHF/HNO)、
    II.リン・ドーピング(〜35−40Ω/sq POCl拡散)、
    III.PSGおよびシリコン層の局所エッチング、〜80−100Ω/sqの範囲の伝導率の生成および洗浄(PSG=リン珪酸ガラス)、
    IV.PSGエッチング、
    V.窒化ケイ素(SiNx)のプラズマを援用する型式の化学気相成長(PECVD)による反射防止用層(アーク蒸着法)の蒸着、
    VI.その後の焼結(混焼)を伴う、表面(前面)および背面の金属被覆のためのスクリーン印刷、
    VII.端部絶縁。
  6. 以下のステップを含む、請求項1〜4の1つ以上に記載の工程:
    I.テクスチャリング(このステップにおいて、KOH/イソプロパノールまたはHF/HNOでの表面テクスチャリングが実施される)、
    II.PSGエッチング、40Ω/sq拡散(POCl)、
    III.PSGエッチング、
    IV.100Ω/sqの抵抗を得るための、SolarEtch(登録商標)を印刷した、Siエッチング、および脱イオン化された水および/または0.05%のKOH溶液による洗浄、
    V.窒化ケイ素(SiNx)の蒸着のための、プラズマを援用する型式の化学気相成長(PECVD)による、反射防止用コーティング(ARC)の蒸着、
    VI.その後の焼結を伴う、全面および背面の表面の金属被覆のための、前面および背面のスクリーン印刷、
    VII.端部絶縁。
  7. 洗浄が、脱イオン化された水および/または0.05%のKOH溶液で実施されることを特徴とする、請求項5または6に記載の工程。
  8. 背面端部絶縁が、エッチングステップにより追加的に実施される、請求項5〜7に記載の工程。
  9. ワンステップ拡散の選択エミッタを含むソーラーセルの製造のための、リン酸含有エッチングペーストの使用。
  10. 選択エミッタを含むソーラーセルの製造のための、請求項1〜6の1つ以上の工程における、リン酸含有エッチングペーストの使用。
  11. 請求項9または10に記載の使用のためのリン酸含有エッチングペーストであって、ペーストが、25〜80重量%の量のリン酸を含むことを特徴とする、前記エッチングペースト。
  12. 20〜40重量%の量の溶媒または溶媒混合物を含む、請求項11に記載のリン酸含有エッチングペースト。
  13. グリセロール、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジメチルスルホキシド、γ-ブチロラクトンの純粋物または混合物の群より選択される溶媒を含む、請求項11または12に記載のリン酸含有エッチングペースト。
  14. 少なくとも1つの非微粒子の増粘剤を含む、請求項11〜13の1つ以上に記載のリン酸含有エッチングペースト。
  15. ポリビニルピロリドンおよびヒドロキシプロピルセルロースの純粋物または混合物の群より選択される非微粒子の増粘剤を含む、請求項11〜14の1つ以上に記載のリン酸含有エッチングペースト。
  16. カーボンブラックおよび低融点ワックス粒子の純粋物または混合物の群より選択される微粒子の増粘剤を含む、請求項11〜15の1つ以上に記載のリン酸含有エッチングペースト。
  17. 20〜35重量%の量の増粘剤を含む、請求項11〜16の1つ以上に記載のリン酸含有エッチングペースト。
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