JP2013512546A - アルミニウムペーストと不動態化エミッタおよび背面接点シリコン太陽電池の製造においてのその使用 - Google Patents
アルミニウムペーストと不動態化エミッタおよび背面接点シリコン太陽電池の製造においてのその使用 Download PDFInfo
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Abstract
粒状アルミニウムと、有機ビヒクルと、(i)550〜611℃の範囲の軟化点温度を有し、11〜33重量%のSiO2、>0〜7重量%のAl2O3および2〜10重量%のB2O3を含有する鉛を含有しないガラスフリットおよび(ii)571〜636℃の範囲の軟化点温度を有し、53〜57重量%のPbO、25〜29重量%のSiO2、2〜6重量%のAl2O3および6〜9重量%のB2O3を含有する鉛含有ガラスフリットから選択されるガラスフリットとを含む、PERCシリコン太陽電池のアルミニウム裏面電極の製造において有用なアルミニウムペースト。
Description
本発明は、アルミニウムペースト、およびPERC(不動態化(passivated)エミッタおよび背面接点)シリコン太陽電池の製造において、すなわち、PERC電池タイプのシリコン太陽電池のアルミニウム裏面電極の製造においてのそれらの使用および個々のシリコン太陽電池に関する。
典型的に、シリコン太陽電池は、前面および裏面(front- and back-side)金属化部分(前面(front)および裏面(back)電極)の両方を有する。p型ベースを有する従来のシリコン太陽電池構造は、電池の前面(front-side)または太陽側の面と接触する負電極と、裏面(back-side)にある正電極とを使用する。半導体本体のpn接合に向かう適切な波長の放射線は、その本体内に電子−正孔対を生成させるための外部エネルギーの供給源として作用する。pn接合に存在するポテンシャルの差のために、正孔および電子は接合を反対方向に横断し、それによって、電力を外部回路に送出することが可能な電流の流れを発生させる。大抵の太陽電池は、金属化されている、すなわち電気導電性である金属接点を設けられている、シリコンウエハの形態である。
最近製造された太陽電池の大部分は結晶シリコンをベースとしている。電極を堆積させるための一般的な方法は、金属ペーストのスクリーン印刷である。
PERCシリコン太陽電池は当業者に公知である。例えば、P.Choulatら著、“Above 17 % industrial type PERC Solar Cell on thin Multi−Crystalline Silicon Substrate”, 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 3−7 2007年9月, Milan, Italyを参照のこと。PERCシリコン太陽電池は、従来のシリコン太陽電池の特殊なタイプを意味する。それらは、誘電体パッシベーション層をそれらの前面上およびそれらの裏面上に有することによって区別される。前面上のパッシベーション層は、シリコン太陽電池について慣用的であるようにARC(反射防止コーティング)層として役立つ。裏面上の誘電体パッシベーション層は有孔である。それは電荷担体の寿命を伸ばすのに役立ち、その結果として光変換効率を改良する。有孔誘電体裏面パッシベーション層の損傷をできる限り避けることが望ましい。
従来のシリコン太陽電池の製造と同様に、PERCシリコン太陽電池の製造は典型的に、リン(P)等の熱拡散によって逆導電型のn型拡散層(n型エミッタ)が上に形成されるシリコンウエハの形態のp型シリコン基板から始める。オキシ塩化リン(POCl3)が気体リン拡散源として一般に使用され、他の液体源はリン酸等である。特定の修正が一切ない場合、n型拡散層は、シリコン基板の全表面の上に形成される。p−n接合が形成され、そこでp型ドーパントの濃度はn型ドーパントの濃度に等しい。太陽側の面にp−n接合が近い電池は、0.05〜0.5μmの間の接合深さを有する。
この拡散層の形成後、過剰な表面ガラスがフッ化水素酸などの酸によるエッチングによって表面の残部から除去される。
次に、例えばTiOx、SiOx、TiOx/SiOx、SiNxまたは特にSiNx/SiOxの誘電体積層体がn型拡散層の前面上に形成される。PERCシリコン太陽電池の特定の特徴として、誘電体はまた、シリコンウエハの裏面上に、例えば、0.05〜0.1μmの厚さまで堆積される。誘電体の堆積は、例えば、水素の存在下でのプラズマCVD(化学蒸着)またはスパッタリングなどの方法を用いて行なわれてもよい。このような層は、PERCシリコン太陽電池の前面のARCおよびパッシベーション層としておよび裏面の誘電体パッシベーション層として共に役立つ。次に、PERCシリコン太陽電池の裏面上のパッシベーション層が穿孔される。穿孔部は典型的に、酸腐蝕またはレーザー孔あけによって作り出され、このように作り出された孔は例えば、直径50〜300μmである。それらの深さはパッシベーション層の厚さに相当するか、またはそれをさらにわずかに超えてもよい。穿孔部の数は、例えば100〜500/平方センチメートルの範囲内である。
p型ベースおよび前面n型エミッタを有する従来の太陽電池構造と同様に、PERCシリコン太陽電池は典型的にはそれらの前面の負電極と、それらの裏面の正電極とを有する。負電極は典型的に、電池の前面のARC層上に前面銀ペースト(前面電極(front electrode)を形成する銀ペースト)をスクリーン印刷して乾燥させることによってグリッドとして適用される。前面グリッド電極は典型的に、細い平行な指線(コレクタライン)と指線と直角に交わる2つの母線とを含むいわゆるHパターンとしてスクリーン印刷される。さらに、裏面銀または銀/アルミニウムペーストおよびアルミニウムペーストが適用され、典型的にはスクリーン印刷され、p型シリコン基材の裏面上の有孔パッシベーション層上で連続的に乾燥される。通常、裏面銀または銀/アルミニウムペーストは、例えば、相互接続線(前もってはんだ付けされた銅リボン)をはんだ付けするために用意された2つの平行な母線としてまたは矩形またはタブとして最初に裏面有孔パッシベーション層上に適用され、アノード裏面接点を形成する。次に、アルミニウムペーストは、裏面銀または銀/アルミニウムの上にわずかに重ならせて無被覆領域に適用される。いくつかの場合、アルミニウムペーストが適用された後に銀または銀/アルミニウムペーストが適用される。次に、焼成は典型的に、1〜5分間の間ベルト炉内で行なわれ、ウエハは700〜900℃の範囲のピーク温度に達している。前面電極および裏面電極(back electrode)を連続的に焼成するかまたは同時に焼成することができる。
アルミニウムペーストは一般にシリコンウエハの裏面上の有孔誘電体パッシベーション層上にスクリーン印刷され、乾燥される。ウエハは、アルミニウムの融点を超える温度で焼成されてアルミニウム−シリコン溶融体をアルミニウムとシリコンとの間の局所接点において、すなわち誘電体パッシベーション層によって覆われていないシリコンウエハの裏面のそれらの部分においてまたは、換言すれば、穿孔部の箇所において形成する。このように形成された局所p+接点は一般に、局所BSF(裏面電界)接点と呼ばれる。アルミニウムペーストは焼成によって乾燥された状態からアルミニウム裏面電極に変化させられるが、裏面銀または銀/アルミニウムペーストは、焼成した時に銀または銀/アルミニウム裏面電極になる。典型的に、アルミニウムペーストおよび裏面銀または銀/アルミニウムペーストは同時焼成されるが、順次の焼成もまた可能である。焼成の間、裏面アルミニウムと裏面銀または銀/アルミニウムとの間の境界は合金状態となり、同様に電気接続される。アルミニウム電極は裏面電極の大部分の領域を占める。銀または銀/アルミニウム裏面電極が裏面の一部の上に電極として形成され、前もってはんだ付けされた銅リボン等によって太陽電池を相互接続する。さらに、前面カソードとして印刷された前面銀ペーストがエッチし、焼成の間にARC層にわたって浸透し、それによってn型層と電気的に接触することができる。このタイプの方法は一般に「ファイアリングスルー(firing through)」と呼ばれる。
本発明は、PERCシリコン太陽電池のアルミニウム裏面電極を形成するために使用されうるアルミニウムペースト(アルミニウム厚膜組成物)に関する。さらにそれは、PERCシリコン太陽電池の製造においてのアルミニウムペーストの形成方法と使用およびPERCシリコン太陽電池それ自体に関する。
本発明は、粒状アルミニウムと、有機ビヒクルと、(i)550〜611℃の範囲の軟化点温度を有し、11〜33重量%(weight−%)のSiO2、>0〜7重量%、特に5〜6重量%のAl2O3および2〜10重量%のB2O3を含有する鉛を含有しないガラスフリットおよび(ii)571〜636℃の範囲の軟化点温度を有し、53〜57重量%のPbO、25〜29重量%のSiO2、2〜6重量%のAl2O3および6〜9重量%のB2O3を含有する鉛含有ガラスフリットからなる群から選択される少なくとも1つのガラスフリットとを含むアルミニウムペーストに関する。
説明および請求の範囲において用語「軟化点温度」が使用される。それは、10K/分の加熱速度において示差熱分析DTAによって定量されたガラス転移温度を意味するものとする。
さらに本発明は、p型およびn型領域、p−n接合、前面ARC層および裏面有孔誘電体パッシベーション層を有するシリコンウエハを利用するPERCシリコン太陽電池を形成する方法およびPERCシリコン太陽電池それ自体に関し、それは、本発明のアルミニウムペーストを裏面有孔誘電体パッシベーション層上に適用する、例えば印刷、特にスクリーン印刷する工程と、そのように適用されたアルミニウムペーストを焼成し、それによってウエハが700〜900℃の範囲のピーク温度に達する工程とを含む。
本発明のアルミニウムペーストは、改良された電気効率を有するPERCシリコン太陽電池の製造を可能にすることが見出された。焼成されたアルミニウムペーストは裏面有孔パッシベーション層に十分に接着し、したがって、本発明のアルミニウムペーストによって製造されたPERCシリコン太陽電池の長い耐久性または有効寿命をもたらす。
理論に縛られなければ、本発明のアルミニウムペーストは、焼成の間にシリコンウエハの裏面上の有孔誘電体パッシベーション層に損傷を与えないかまたは著しく損傷を与えず、および/またはシリコンウエハの裏面パッシベーション層の穿孔部を通してアルミニウム−シリコン合金の漏れを示さないかまたは低減された漏れしか示さないと考えられる。
本発明のアルミニウムペーストは、全くまたは不十分にしかファイアスルー能力を有さない。それらは、粒状アルミニウムと、有機ビヒクルと、(i)550〜611℃の範囲の軟化点温度を有し、11〜33重量%のSiO2、>0〜7重量%、特に5〜6重量%のAl2O3および2〜10重量%のB2O3を含有する鉛を含有しないガラスフリットおよび(ii)571〜636℃の範囲の軟化点温度を有し、53〜57重量%のPbO、25〜29重量%のSiO2、2〜6重量%のAl2O3および6〜9重量%のB2O3を含有する鉛含有ガラスフリットからなる群から選択される少なくとも1つのガラスフリットとを含む。
本説明および請求の範囲において用語「ファイアスルー能力」が使用される。それは、金属ペーストが焼成の間にパッシベーションまたはARC層をエッチし、浸透する(ファイアスルーする)ことができることを意味するものとする。換言すれば、ファイアスルー能力を有する金属ペーストは、パッシベーションまたはARC層をファイアスルーしてシリコン基材の表面との電気的接触を形成する金属ペーストである。相応して、不十分にしかまたはさらには全くファイアスルー能力を有さない金属ペーストは、焼成した時にシリコン基材との電気的接触を形成しない。誤解を避けるために、この場合、用語「電気的接触を形成しない(no electrical contact)」は絶対的であると理解されるべきではない。むしろそれは、焼成された金属ペーストとシリコン表面との間の接触抵抗率は1Ω・cm2を超えるが、電気的接触の場合、焼成された金属ペーストとシリコン表面との間の接触抵抗率は1〜10mΩ・cm2の範囲であることを意味するものとする。
接触抵抗率をTLM(伝送長法)によって測定することができる。このために、試料の作製および測定の以下の手順を用いてもよい。裏面パッシベーション層を有するシリコンウエハが、試験されるアルミニウムペーストをパッシベーション層上に線間の間隔2.05mmの平行な幅100μmおよび太さ20μmの線のパターンにおいてスクリーン印刷され、次に焼成され、ウエハが730℃のピーク温度に達する。本発明の方法において、すなわち、本発明のアルミニウムペーストを使用して製造するPERCシリコン太陽電池を形成する方法において使用されるのと同じタイプであるが無孔の、裏面パッシベーション層を有するシリコンウエハを使用することが試料の作製のために好ましい。焼成されたウエハを8mm×42mm長の細片にレーザーで切断し、そこにおいて平行な線は互いに触れず、少なくとも6つの線が含まれる。次に、細片を暗所で20℃において従来のTLM測定にかける。TLM測定は、GP Solar製のデバイスGP4−Test Proを用いて実施されてもよい。
粒状アルミニウムは、アルミニウムまたはアルミニウムと例えば、亜鉛、スズ、銀およびマグネシウムのような1つまたは複数の他の金属との合金からなってもよい。アルミニウム合金の場合、アルミニウム含有量は、例えば99.7〜100重量%未満である。粒状アルミニウムは、様々な形状のアルミニウム粒子、例えば、アルミニウムフレーク、球状アルミニウム粉末、結節状(不規則な形状)アルミニウム粉末またはそれらのいずれかの組合せを含んでもよい。実施形態において、粒状アルミニウムはアルミニウム粉末である。アルミニウム粉末は、例えば4〜12μmの平均粒度を示す。粒状アルミニウムは、全アルミニウムペースト組成物に基づいて50〜80重量%もしくは、実施形態において、70〜75重量%の比率においてアルミニウムペースト中に存在してもよい。
本説明および請求の範囲において用語「平均粒度」が使用される。それは、レーザー散乱によって定量された平均粒度(平均粒子直径、d50)を意味するものとする。
平均粒度に関連して本説明および請求の範囲においてなされた全ての記載は、アルミニウムペースト組成物中に存在する関連材料の平均粒度に関する。
アルミニウムペースト中に存在する粒状アルミニウムは、他の粒状金属、例えば、銀または銀合金粉末を伴ってもよい。このような他の粒状金属の比率は、粒状アルミニウム+他の粒状金属の合計に基づいて例えば0〜10重量%である。
本発明のアルミニウムペーストは、有機ビヒクルを含む。多種多様な不活性粘稠材料を有機ビヒクルとして使用することができる。有機ビヒクルは、粒状成分(粒状アルミニウム、任意選択により存在する他の粒状金属、ガラスフリット、さらに任意選択により存在する無機粒状成分)が十分な安定度によって分散性である有機ビヒクルであってもよい。有機ビヒクルの性質、特に、流動学的性質は、それらがアルミニウムペースト組成物に良い適用性を与えるような性質、例えば不溶性固形分の安定な分散、適用、特に、スクリーン印刷のための適切な粘度およびチキソトロピー、シリコンウエハの裏面の有孔パッシベーション層およびペースト固形分の適切な湿潤性、良い乾燥速度、および良い焼成性質などであってもよい。本発明のアルミニウムペーストにおいて使用された有機ビヒクルは、非水性不活性液体であってもよい。有機ビヒクルは有機溶剤または有機溶剤の混合物であってもよい。実施形態において、有機ビヒクルは、有機溶剤中の有機ポリマーの溶液であってもよい。実施形態において、この目的のために使用されたポリマーはエチルセルロースであってもよい。単独で使用されても組み合わせて使用されてもよいポリマーの他の例には、エチルヒドロキシエチルセルロース、ウッドロジン、フェノール樹脂および低級アルコールのポリ(メタ)アクリレートなどが含まれる。適した有機溶剤の例は、エステルアルコールおよび例えばアルファ−またはベータ−テルピネオールなどのテルペンまたは例えばケロシン、ジブチルフタレート、ジエチレングリコールブチルエーテル、ジエチレングリコールブチルエーテルアセテート、ヘキシレングリコールおよび高沸点アルコールなどの他の溶剤とのそれらの混合物を含む。さらに、アルミニウムペーストを裏面有孔パッシベーション層上に適用後の急速な硬化を促進するための揮発性有機溶剤を有機ビヒクル中に含有することができる。これらと他の溶剤との様々な組み合わせを調合して所望の粘度および揮発度の要求条件を得てもよい。
本発明のアルミニウムペースト中の有機ビヒクルの含有量は、ペーストを適用する方法および使用された有機ビヒクルの種類に依存する場合があり、それは変化しうる。実施形態において、それは、全アルミニウムペースト組成物に基づいて20〜45重量%であってもよく、もしくは、実施形態において、それは22〜35重量%の範囲であってもよい。20〜45重量%の数値は有機溶剤、可能な有機ポリマーおよび可能な有機添加剤を含める。
本発明のアルミニウムペースト中の有機溶剤含有量は、全アルミニウムペースト組成物に基づいて5〜25重量%、もしくは、実施形態において、10〜20重量%の範囲であってもよい。
有機ポリマーは、全アルミニウムペースト組成物に基づいて0〜20重量%、もしくは、実施形態において、5〜10重量%の範囲の比率において有機ビヒクル中に存在してもよい。
本発明のアルミニウムペーストは、少なくとも1つのガラスフリットを無機バインダーとして含む。少なくとも1つのガラスフリットが、(i)550〜611℃の範囲の軟化点温度を有し、11〜33重量%のSiO2、>0〜7重量%、特に5〜6重量%のAl2O3および2〜10重量%のB2O3を含有する鉛を含有しないガラスフリットおよび(ii)571〜636℃の範囲の軟化点温度を有し、53〜57重量%のPbO、25〜29重量%のSiO2、2〜6重量%のAl2O3および6〜9重量%のB2O3を含有する鉛含有ガラスフリットからなる群から選択される。
タイプ(i)の鉛を含有しないガラスフリットの場合、SiO2、Al2O3およびB2O3の重量パーセントは合計100重量%にならず、足りない重量%は特に、1つまたは複数の他の酸化物、例えば、Na2Oのようなアルカリ金属酸化物、MgOのようなアルカリ土類金属酸化物およびBi2O3、TiO2およびZnOのような金属酸化物によって与えられる。
タイプ(i)の鉛を含有しないガラスフリットは、40〜73重量%、特に48〜73重量%のBi2O3を含有してもよい。Bi2O3、SiO2、Al2O3およびB2O3の重量パーセントは、合計100重量%になる場合もならない場合もある。それらが合計100重量%にならない場合、足りない重量%は特に、1つまたは複数の他の酸化物、例えば、Na2Oのようなアルカリ金属酸化物、MgOのようなアルカリ土類金属酸化物およびTiO2およびZnOのような金属酸化物によって与えられてもよい。
タイプ(ii)の鉛含有ガラスフリットの場合、PbO、SiO2、Al2O3およびB2O3の重量パーセントは、合計100重量%になる場合もならない場合もある。それらが合計100重量%にならない場合、足りない重量%は特に、1つまたは複数の他の酸化物、例えば、Na2Oのようなアルカリ金属酸化物、MgOのようなアルカリ土類金属酸化物およびTiO2およびZnOのような金属酸化物によって与えられてもよい。
本発明のアルミニウムペーストがタイプ(i)の鉛を含有しないガラスフリットならびにタイプ(ii)の鉛含有ガラスフリットを含む場合、両方のガラスフリットのタイプの間の比は任意であるかまたは、換言すれば、>0〜無限大の範囲であってもよい。一般に、アルミニウムペーストは、タイプ(i)および(ii)からなる群から選択されるガラスフリット以外のガラスフリットを含まない。
ガラスフリットの平均粒度は、例えば0.5〜4μmの範囲である。本発明のアルミニウムペースト中のタイプ(i)および(ii)からなる群から選択されるガラスフリットの全含有量は、例えば0.25〜8重量%、もしくは、実施形態において、0.8〜3.5重量%である。
ガラスフリットの調製は公知であり、例えば、ガラスの成分を、特に成分の酸化物の形態で一緒に溶融する工程と、このような溶融組成物を水中に流し込んでフリットを形成する工程とに存する。本技術分野に公知であるように、加熱は、例えば1050〜1250℃の範囲のピーク温度まで溶融体が完全に液体になり均質になるような時間にわたり、典型的に、0.5〜1.5時間にわたり行なわれてもよい。
ガラスをボールミルで水または不活性低粘度、低沸点の有機液体を用いて粉砕してフリットの粒度を低減させ、実質的に均一なサイズのフリットを得てもよい。次に、それを水または前記有機液体中に沈降させて細粒を分離してもよく、細粒を含有する上澄み液を除去してもよい。分級の他の方法を同様に用いてもよい。
本発明のアルミニウムペーストは、耐火性無機化合物および/または有機金属化合物を含んでもよい。「耐火性無機化合物」は、焼成の間に受ける熱的条件に対して耐性である無機化合物を指す。例えば、それらは、焼成の間に受ける温度を超える融点を有する。実施例には、固体無機酸化物、例えば、非晶質二酸化シリコンなどが含まれる。有機金属化合物の例には、ネオデカン酸亜鉛および2−エチルヘキサン酸スズ(II)などのスズおよび亜鉛有機化合物がある。
裏面有孔パッシベーション層に対する焼成されたアルミニウムペーストの接着性に関して、アルミニウムペーストが少量の少なくとも1つの酸化アンチモンを含有することが有利である場合がある。したがって、実施形態において、本発明のアルミニウムペーストは、少なくとも1つの酸化アンチモンを含んでもよい。少なくとも1つの酸化アンチモンは、全アルミニウムペースト組成物に基づいて例えば0.05〜1.5重量%の全比率においてアルミニウムペーストに含有されてもよく、そこにおいて少なくとも1つの酸化アンチモンが別個の粒状成分としておよび/またはガラスフリット成分として存在してもよい。適した酸化アンチモンの例にはSb2O3およびSb2O5などがあり、Sb2O3が好ましい酸化アンチモンである。
本発明のアルミニウムペーストは、1つまたは複数の有機添加剤、例えば、界面活性剤、増粘剤、レオロジー調整剤および安定剤を含んでもよい。有機添加剤は有機ビヒクルの一部であってもよい。しかしながら、アルミニウムペーストを調製する時に有機添加剤を別々に添加することもまた可能である。有機添加剤は、全アルミニウムペースト組成物に基づいて例えば0〜10重量%の全比率において本発明のアルミニウムペースト中に存在してもよい。
本発明のアルミニウムペーストは粘性組成物であり、粒状アルミニウムおよびガラスフリットを有機ビヒクルと機械的に混合することによって調製されてもよい。実施形態において、製造法において強力混合、従来のロール練りと同等の分散技術を用いてもよく、ロール練りまたは他の混合技術も用いることができる。
本発明のアルミニウムペーストをそのままで使用することができ、または例えば、付加的な有機溶剤を添加することによって希釈してもよい。したがって、アルミニウムペーストの全ての他の成分の重量パーセンテージを減少させてもよい。
本発明のアルミニウムペーストは、PERCシリコン太陽電池のアルミニウム裏面電極の製造においてまたはPERCシリコン太陽電池の製造においてそれぞれ用いられてもよい。製造は、アルミニウムペーストを、前面ARC層および裏面有孔誘電体パッシベーション層を提供されたシリコンウエハの裏面に、すなわち、特に裏面銀または銀/アルミニウムペーストのような他の裏面金属ペーストによって覆われていないかまたは覆われることのないそれらの裏面部分に適用することによって行なわれてもよい。アルミニウムペーストの適用後、それらを焼成してアルミニウム裏面電極を形成する。
したがって、本発明はまた、
(1)ARC層をその前面上におよび有孔誘電体パッシベーション層をその裏面上に有するシリコンウエハを提供する工程と、
(2)本発明のアルミニウムペーストをシリコンウエハの裏面上の有孔誘電体パッシベーション層上に適用して乾燥させる工程と、
(3)乾燥されたアルミニウムペーストを焼成し、それによってウエハが700〜900℃のピーク温度に達する工程とを含む、PERCシリコン太陽電池のアルミニウム裏面電極の製造のための方法およびPERCシリコン太陽電池の製造のための方法、それぞれに関する。
(1)ARC層をその前面上におよび有孔誘電体パッシベーション層をその裏面上に有するシリコンウエハを提供する工程と、
(2)本発明のアルミニウムペーストをシリコンウエハの裏面上の有孔誘電体パッシベーション層上に適用して乾燥させる工程と、
(3)乾燥されたアルミニウムペーストを焼成し、それによってウエハが700〜900℃のピーク温度に達する工程とを含む、PERCシリコン太陽電池のアルミニウム裏面電極の製造のための方法およびPERCシリコン太陽電池の製造のための方法、それぞれに関する。
本発明の方法の工程(1)において、ARC層をその前面におよび有孔誘電体パッシベーション層をその裏面に有するシリコンウエハが提供される。シリコンウエハは、シリコン太陽電池の製造のために通常に使用される単結晶または多結晶シリコンウエハである。それは、p型領域、n型領域およびp−n接合を有する。シリコンウエハは、ARC層をその前面上におよび有孔誘電体パッシベーション層をその裏面上に有し、両方の層が例えばTiOx、SiOx、TiOx/SiOx、SiNxもしくは、特に、SiNx/SiOxの誘電体積層体である。このようなシリコンウエハは当業者に公知である。簡単にするために、[背景技術]の欄を特に参照する。シリコンウエハは、[背景技術]の欄において上に記載されたように従来の前面金属化部分、すなわち、前面銀ペーストをすでに提供されていてもよい。前面金属化の適用は、アルミニウム裏面電極が完成される前または後に行なわれてもよい。
本発明の方法の工程(2)において、本発明のアルミニウムペーストをシリコンウエハの裏面上の有孔誘電体パッシベーション層上に適用し、すなわち、誘電体ならびに穿孔部を被覆する。
本発明のアルミニウムペーストは例えば15〜60μmの乾燥フィルム厚さに適用される。典型的に、それらは単一層として適用される。アルミニウムペーストの適用方法は印刷、例えば、シリコーンパッド印刷または、実施形態において、スクリーン印刷であってもよい。本発明のアルミニウムペーストの適用粘度は、ブルックフィールドHBT粘度計および♯14スピンドルを用いてユーティリティカップによって10rpmのスピンドル速度および25℃において測定された時に20〜200Pa・sであってもよい。
適用後に、アルミニウムペーストは例えば1〜100分間の間乾燥され、シリコンウエハは100〜300℃の範囲のピーク温度に達している。乾燥は、例えば、ベルト式、回転式または固定式乾燥装置、特に、IR(赤外線)ベルト式乾燥装置を利用して行なわれてもよい。
本発明の方法の工程(3)において、乾燥されたアルミニウムペーストを焼成してアルミニウム裏面電極を形成する。工程(3)の焼成は、例えば1〜5分間の間行なわれてもよく、シリコンウエハは、700〜900℃の範囲のピーク温度に達している。焼成は、例えば単一または多領域ベルト炉、特に、多領域IRベルト炉を利用して実施されてもよい。焼成は不活性ガス雰囲気中でまたは酸素の存在下で、例えば、空気の存在下で行なわれてもよい。焼成の間に、不揮発性有機材料を含有する有機物および乾燥の間に蒸発されなかった有機部分は、除去されてもよく、すなわち燃焼および/または炭化されてもよく、特に、燃焼されてもよい。焼成の間に除去された有機物は、有機溶剤、任意選択により存在している有機ポリマー、任意選択により存在している有機添加剤および任意選択により存在している有機金属化合物の有機部分を含有する。焼成の間にさらなるプロセス、すなわち、ガラスフリットを粒状アルミニウムと共に焼結することが行なわれる。焼成の間、アルミニウムペーストは、裏面有孔パッシベーション層をファイアスルーしないが、パッシベーション層の穿孔部の箇所においてシリコン基材裏面との局所接点をつくり、局所BSF接点を形成し、すなわちパッシベーション層は、少なくとも事実上、焼成されたアルミニウムペーストとシリコン基材との間に残る。
焼成は、PERC太陽電池シリコンウエハに適用された他の金属ペースト、すなわち、適用されて焼成プロセスの間にウエハの表面上に前面および/または裏面電極を形成する前面および/または裏面金属ペーストと一緒にいわゆる同時焼成として行なわれてもよい。実施形態は、前面銀ペーストおよび裏面銀または裏面銀/アルミニウムペーストを含める。実施形態において、このような裏面銀または裏面銀/アルミニウムペーストは、全くまたは不十分にしかファイアスルー能力を有さない銀または銀/アルミニウムペーストである。ファイアスルー能力を有さないかまたは不十分にしか有さない裏面銀または裏面銀/アルミニウムペーストは、焼成の間に裏面有孔パッシベーション層を突き抜けてエッチしない。したがって、それはパッシベーション層の穿孔部の箇所においてウエハのシリコン裏面と局所的な物理的接触しか形成しない。
(1)試験試料の製造
(i)実施例のアルミニウムペースト
実施例のアルミニウムペーストは、72重量%の空気微粒化アルミニウム粉末(d50=6μm)、ポリマー樹脂と有機溶剤との有機ビヒクル26.5重量%、0.5重量%のSb2O3および1重量%のガラスフリットを含んだ。ガラスフリット組成物は、28重量%のSiO2、4.7重量%のAl2O3、8.1重量%のB2O3、55.9重量%のPbOおよび3.3重量%のTiO2であった。ガラスは573℃の軟化点温度を有した。
(i)実施例のアルミニウムペースト
実施例のアルミニウムペーストは、72重量%の空気微粒化アルミニウム粉末(d50=6μm)、ポリマー樹脂と有機溶剤との有機ビヒクル26.5重量%、0.5重量%のSb2O3および1重量%のガラスフリットを含んだ。ガラスフリット組成物は、28重量%のSiO2、4.7重量%のAl2O3、8.1重量%のB2O3、55.9重量%のPbOおよび3.3重量%のTiO2であった。ガラスは573℃の軟化点温度を有した。
(ii)TLM試料の形成
前面のSiNxARCを有する、n型拡散POCl3エミッタと100nmの厚さの無孔SiO2/SiNx背面誘電体積層体とを有する80cm2の面積および160μmの厚さのp型多結晶シリコンウエハが、裏面に実施例のアルミニウムペーストの平行な線をスクリーン印刷された。アルミニウムペーストは、2.05mmの線間隔(ピッチ)で、100μmの公称線幅においてパターン化された。アルミニウムペーストの乾燥フィルム厚さは20μmであった。
前面のSiNxARCを有する、n型拡散POCl3エミッタと100nmの厚さの無孔SiO2/SiNx背面誘電体積層体とを有する80cm2の面積および160μmの厚さのp型多結晶シリコンウエハが、裏面に実施例のアルミニウムペーストの平行な線をスクリーン印刷された。アルミニウムペーストは、2.05mmの線間隔(ピッチ)で、100μmの公称線幅においてパターン化された。アルミニウムペーストの乾燥フィルム厚さは20μmであった。
次に、印刷されたウエハをDespatchによって供給された6領域赤外線炉内で焼成した。580cm/分のベルト速度を使用し、領域温度を領域1=500℃、領域2=525℃、領域3=550℃、領域4=600℃、領域5=900℃および865℃に設定された最終領域として画定した。DataPaq熱データロッガーを使用して、ピークウエハ温度は730℃に達することがわかった。
次いで、焼成されたウエハをレーザー切削処理し、8mm×42mmのTLM試料に破断したが、平行なアルミニウム金属化線は互いに触れなかった。レーザー切削処理は、Optekによって供給された1064nmの赤外線レーザーを用いて行なわれた。
(iii)接着試験試料の形成
前面のSiNxARCを有する、n型拡散POCl3エミッタと無孔SiO2/SiNx背面誘電体積層体とを有する243cm2の面積および160μmの厚さのp型多結晶シリコンウエハが提供された。誘電体積層体を1064nmの波長のレーザーを用いて処理して、600μmの間隔(ピッチ)を有する直径100μmの多数の円形開口部を得た。レーザー融蝕の後、次いでウエハに実施例のアルミニウムペーストを全面スクリーン印刷し、次に乾燥させた。アルミニウムペーストは、30μmの乾燥された層厚さを有した。
前面のSiNxARCを有する、n型拡散POCl3エミッタと無孔SiO2/SiNx背面誘電体積層体とを有する243cm2の面積および160μmの厚さのp型多結晶シリコンウエハが提供された。誘電体積層体を1064nmの波長のレーザーを用いて処理して、600μmの間隔(ピッチ)を有する直径100μmの多数の円形開口部を得た。レーザー融蝕の後、次いでウエハに実施例のアルミニウムペーストを全面スクリーン印刷し、次に乾燥させた。アルミニウムペーストは、30μmの乾燥された層厚さを有した。
次に、印刷されて乾燥されたウエハをDespatchによって供給された6領域赤外線炉内で焼成した。580cm/分のベルト速度を使用し、領域温度を領域1=500℃、領域2=525℃、領域3=550℃、領域4=600℃、領域5=900℃および865℃に設定された最終領域として画定した。DataPaq熱データロッガーを使用して、ピークウエハ温度は730℃に達することがわかった。
(2)試験手順
(i)TLM測定
接触抵抗率を測定する目的で、TLM試料を測定するためにそれらをGP Solarから入手可能なGP4−Test Pro測定器内に置いた。測定は、暗所の試料を用いて20℃において行なわれた。装置の試験プローブをTLM試料の6つの隣接した細線アルミニウム電極と接触させ、接触抵抗率(ρc)を記録した。
(i)TLM測定
接触抵抗率を測定する目的で、TLM試料を測定するためにそれらをGP Solarから入手可能なGP4−Test Pro測定器内に置いた。測定は、暗所の試料を用いて20℃において行なわれた。装置の試験プローブをTLM試料の6つの隣接した細線アルミニウム電極と接触させ、接触抵抗率(ρc)を記録した。
(ii)焼成された接着性
アルミニウム金属化部分の凝集強さを測定するために、焼成されたウエハの裏面から除去された材料の量を剥離試験を用いて測定した。このために、接着テープ(3M Scotch Magicテープ銘柄810)の透明な層をしっかりと適用し、次いで、45度の角度で剥離することによって除去した。ウエハ上に残っている材料の面積に対するテープ上の残量の面積の比を示すことによって、接着性の定性的な評価を行なうことができた。
アルミニウム金属化部分の凝集強さを測定するために、焼成されたウエハの裏面から除去された材料の量を剥離試験を用いて測定した。このために、接着テープ(3M Scotch Magicテープ銘柄810)の透明な層をしっかりと適用し、次いで、45度の角度で剥離することによって除去した。ウエハ上に残っている材料の面積に対するテープ上の残量の面積の比を示すことによって、接着性の定性的な評価を行なうことができた。
実施例のアルミニウムペーストは以下の結果を示した。
接着性(接着性の低下のない面積%)=100%、剥離試験後のテープ上の残量はない。
接触抵抗率は、GP4−Test Pro装置の測定可能な上限を超えた(>364Ω・cm2)。
Claims (13)
- 粒状アルミニウムと、有機ビヒクルと、(i)550〜611℃の範囲の軟化点温度を有し、11〜33重量%のSiO2、>0〜7重量%のAl2O3および2〜10重量%のB2O3を含有する鉛を含有しないガラスフリットおよび(ii)571〜636℃の範囲の軟化点温度を有し、53〜57重量%のPbO、25〜29重量%のSiO2、2〜6重量%のAl2O3および6〜9重量%のB2O3を含有する鉛含有ガラスフリットからなる群から選択される少なくとも1つのガラスフリットとを含むアルミニウムペースト。
- 前記粒状アルミニウムが、全アルミニウムペースト組成物に基づいて50〜80重量%の比率において存在する、請求項1に記載のアルミニウムペースト。
- 有機ビヒクル含有量が、全アルミニウムペースト組成物に基づいて20〜45重量%である、請求項1または2に記載のアルミニウムペースト。
- 前記鉛を含有しないガラスフリットの1つまたは複数が40〜73重量%のBi2O3を含有する、請求項1、2または3のいずれか一項に記載のアルミニウムペースト。
- 前記アルミニウムペースト中のタイプ(i)および(ii)からなる群から選択されるガラスフリットの全含有量が0.25〜8重量%である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のアルミニウムペースト。
- 全アルミニウムペースト組成物に基づいて0.05〜1.5重量%の少なくとも1つの酸化アンチモンを含み、前記少なくとも1つの酸化アンチモンが(i)別個の粒状成分として、(ii)ガラスフリット成分としてまたは(iii)別個の粒状成分としておよびガラスフリット成分として存在する、請求項1〜5のいずれか一項に記載のアルミニウムペースト。
- (1)ARC層をその前面上におよび有孔誘電体パッシベーション層をその裏面上に有するシリコンウエハを提供する工程と、
(2)請求項1〜6のいずれか一項に記載のアルミニウムペーストを前記シリコンウエハの前記裏面上の前記有孔誘電体パッシベーション層上に適用して乾燥させる工程と、
(3)乾燥されたアルミニウムペーストを焼成し、それによって前記ウエハが700〜900℃のピーク温度に達する工程とを含む、PERCシリコン太陽電池の製造のための方法。 - 前記アルミニウムペーストが印刷によって適用される、請求項7に記載の方法。
- 焼成が、前記シリコンウエハに適用されて焼成の間にその上に前面および/または裏面電極を形成する他の前面および/または裏面金属ペーストと一緒に同時焼成として行なわれる、請求項7または8に記載の方法。
- 前記他の裏面金属ペーストが、全くまたは不十分にしかファイアスルー能力を有さない銀ペーストおよび全くまたは不十分にしかファイアスルー能力を有さない銀/アルミニウムペーストからなる群から選択される、請求項9に記載の方法。
- 請求項7〜10のいずれか一項に記載の方法によって製造されたPERCシリコン太陽電池。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載のアルミニウムペーストを利用して製造されるアルミニウム裏面電極を含む、PERCシリコン太陽電池。
- シリコンウエハをさらに含む、請求項12に記載のPERCシリコン太陽電池。
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