JP2013526045A - 太陽電池 - Google Patents

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Abstract

・使用状態にて光入射面として使用される第１主表面と、裏面として使用される第２主表面とを有する、ｎまたはｐドーピングされた半導体基板と、
・複数の島形の開口部を有しており、開口部内では完全に除去された、第２主表面上のパッシベーション積層体と、
・パッシベーション積層体上と、基板表面上の開口部内とに設けられた、第１金属層と、
・第１規則的パターンの幅狭線形の開放部と、第２規則的パターンの幅広線形または細長島形の開放部とを有し、第１開放部パターンと第２開放部パターンとは互いに角度付けられて配向されている、第１金属層を被覆する薄い誘電性のカバー層と
・第２金属層は、前記第１および第２開放部パターンの開放部内に設けられ、はんだ付け可能である露出した表面を有し、開放部内で第１金属層とコンタクトしている、第２金属層と
を備えることを特徴とする太陽電池。

Description

本発明は、半導体素子の分野、とりわけ太陽電池の分野に関連しており、ｎまたはｐドーピングされた半導体基板とパッシベートされた裏面とを備える結晶性太陽電池に関する。
「パッシベートされた裏面」を有するシリコン太陽電池は、改善された光反射部と、これまで標準的に製造されてきたアルミニウム・裏面電界（Back Surface Field: BSF）に比べて著しく改善された裏面パッシベーションとを有する。刊行物A. Goetzberger et. al.著の『Sonnenenergie: Photovoltaik』B. G. Teubner Stuttgart，１９９７年を参照のこと。これによって製造されたセルの技術概念は、"Passivated Emitter and Rear Cell"（ＰＥＲＣ）と呼ばれる。ここでは、パッシベーション層の上に堆積された金属層が半導体とコンタクトできるように、裏面のドーピングに適合された誘電性のパッシベーションが多数の小さな点で局所的に開放される。しかしながら、金属被覆された面での電子・ホール・ペアの強固な再結合を最小化するために、裏面のうち僅かな面積割合でしか開放されない。
裏面の金属被覆は大抵の場合アルミニウムから形成され、基本的には、裏面全体に広範囲に亘って真空蒸着技術またはスパッタリングによって堆積される。
例えば刊行物ＤＥ１９５２５７２０Ｃ２、ＤＥ１０２００７０５９４８６Ａ１、または、ＤＥ１０２００８０１３４４６Ａ１ならびにＤＥ１０２００８０３３１６９Ａ１（後者の２つはErSol Solar Energy AG社）は、このような太陽電池ならびに太陽電池の製造方法に関連しており、さらに、裏面パターニングステップおよび／またはドーピング材料の裏面打ち込みに関連している。
刊行物ＪＰ２００５０２７３０９Ａ、ＤＥ１０２００８０１７３１２Ａ１、ＤＥ１０２００８０２０７９６Ａ１は、とりわけはんだ接続部の影響下にて、信頼性の高い接続構造を効率的に製造する方法に関連している。
『レーザ照射コンタクト（Laser Fired Contacts：ＬＦＣ）』なる方法が公知であり、当該方法では、裏面のパッシベーション層上の金属被覆がレーザパルスを用いてパッシベーション層を通って照射されるので、パッシベーション層を先行して開放する必要がない。Albert-Ludwigs-Universitaet Freiburg im Breisgau、Eric Schneiderloechner著の学位論文『Laserstrahlverfahren zur Fertigung kristalliner Silizium-Solarzellen（結晶性シリコン太陽電池を製造するためのレーザ光線方法）』（２００４年）、または、刊行物ＤＥ１９９１５６６６Ａ１を参照のこと。
ｐドーピングされたウェハ上のセルの場合には、裏面のパッシベーション層にあるコンタクト点において、単にアルミニウムがｐまたはｐ＋の表面の中へと共融することによって、「局所的な裏面電界（ＢＳＦ）領域」が形成される。この裏面電界の形成は、５７７℃であるＡｌ−Ｓｉ共融温度を上回る温度において生じる。このためには、裏側の面のパッシベーション層および表側の面のエミッタが、（先行実施される表側の面の銀ペーストの焼結後でも）上記温度に損傷なく持ち堪えなければならない。
ｎドーピングされたウェハ上のセルの場合には、ホウ素またはアルミニウムのドーピングによって裏面のエミッタ（ｐｎ接合部）が形成されており、基本的には数μｍの深さで溶融するＡｌ−Ｓｉ共融が形成されることによって、薄いｐ＋エミッタを通ってｎベースにまで割れが生じてしまい、ここでベースへの短絡が生じてしまう。したがって金属被覆を低温度で（例えば４００℃、オプションでフォーミングガス中においても）アニール処理して、セルを損傷することなくエミッタ表面との十分に良好なオーム性コンタクトを形成しなければならない。したがって通常のシルクスクリーン印刷ペーストの照射は、後々、アルミニウム上にはんだ付け可能な銀層を堆積させるためには不可能である。
従来技術から公知の全てのＰＥＲＣ技術は、以下の欠点を有する：
１）全ての技術概念は、プロセスの最後に、裏面に、はんだ付け可能なパッド領域を使用できない広範囲のアルミニウム層が設けられる点で共通している。
２）電流を流すために必要となる金属被覆の低抵抗性は、基本的に２〜４μｍの十分な厚さのアルミニウム層によってしか形成することができない。処理時間を短く維持するために蒸着率またはスパッタ率を高く選択した場合、熱入力が著しく増加し、ひいては処理室におけるウェハの温度が著しく上昇する。蒸着率またはスパッタ率が低く抑えられる場合には、より多くの時間がかかるか、または、アルミニウム被覆のための付加的な蒸着源またはスパッタ源を備えたより長い流れ工程の装置を準備しなければならない。いずれにせよ、より高い投資コストおよび／または処理コストとの妥協と結びついている。
３）択一的手段は、適度な堆積率によって十分に短時間で製造することができるより薄いアルミニウム層であるが、しかしながらこの場合には、Ａｌ裏面金属被覆の化学的強化または電気メッキ強化が必要である。この強化はいずれにせよ非常に適度な温度（＜９０°）で実施されるので、ほぼ完成した太陽電池の熱的負荷が無い。
４）アルミニウムを化学的強化または電気メッキ強化するための適切な方法を発見した場合であっても、結局は裏面全体を銀によって強化することとなり、このことは著しいコスト要因になるだろう。
発明の概要
請求項１記載の特徴を有する太陽電池、ならびに、請求項１０記載の特徴を有するこのような太陽電池を製造する方法が提案される。各従属請求項には、本発明の基本的の好適な実施形態が記載されている。
提案される太陽電池は、第１金属層を被覆する薄い誘電性のカバー層を特徴としており、このカバー層は、第１規則的パターンの幅狭の線形の開放部と、第２規則的パターンの格段に幅広の線形または細長島形の開放部とを有しており、前記第１開放部パターンと第２開放部パターンとは互いに角度付けられて配向されており、とりわけ互いに直角に配向されている。本発明の太陽電池はさらに、第１開放部パターンおよび第２開放部パターンの開放部内に設けられた、はんだ付け可能な露出した表面を有し、前記開放部内で第１金属層とコンタクトしている第２金属層を特徴としている。
パッシベートされ広範囲に金属被覆された裏面を備え、該裏面が、誘電性のカバー層において開放された幅狭のフィンガー領域と、電流を集めるバスバーまたははんだパッド領域において、化学的強化または電気メッキ強化されている本発明の太陽電池は、いずれにせよ有利な実施形態において、従来技術に比べて以下の利点を有している：
１）半導体表面に対する局所的なコンタクトを有する従前から通例の広範囲のアルミニウム層に加えて、本発明の太陽電池はさらに、はんだ可能な領域（バスバーまたははんだパッド）も有する。
２）裏面上の化学的強化／電気メッキ強化されたフィンガー、つまり非常に高導電性のフィンガーが、広いウェハ面の至る所で電流を集め、この電流を低抵抗性にバスバーまたはパッドに伝送する。生成された電流は、局所的なコンタクト点から太陽電池から出て、金属積層体にて次のメッキフィンガーまで僅かな距離だけ進めばよい。したがってこの金属積層体は、非常に薄い金属層から、例えば０．１μｍのニッケル種層を備える０．５μｍのアルミニウムから形成することができる。つまりこの金属積層体は、適度な堆積率によって、セルが加熱され過ぎない程度の短時間で製造することができる。
３）広範囲の金属積層体は、化学的強化または電気メッキ強化の完成後も、誘電性のカバー層により、モジュールにおける例えば腐食等の化学的な攻撃に対して２５年以上の寿命に亘って保護されたままである。
４）薄い金属被覆および局所的な事後強化は、従前から通例のシルクスクリーン印刷を用いた裏面の金属被覆とは異なり、ウェハの屈曲を生じさせない。これによってウェハ厚さ／セル厚さをさらに低減することができ、シリコンのためのコストを節約することが可能となる。
技術的およびコスト的観点から有利な１つの実施形態においては、第２金属層は、Ｐｄ，Ｎｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｓｎを含むグループから少なくとも１つの金属を含む。とりわけここでは第２金属層は、金属の積層体を含み、とりわけ積層体Ｐｄ／Ｎｉ／Ａｇまたは積層体Ｎｉ／Ｃｕ／Ｓｎを含む。
さらに第２金属層は、化学的または電気メッキによって堆積された強化層によって製造される。
別の１つの実施形態においては、薄い誘電性のカバー層は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化チタンを含むグループから少なくとも１つの材料を含む。
第１バリエーションにおいては、半導体基板は、第１主表面上の燐ドーピングされたエミッタを備えるｐドーピングされたシリコン基板である。これとは択一的な実施形態においては、半導体基板は、第２主表面上のホウ素またはアルミニウムがドーピングされたｐ＋エミッタを備えるｎドーピングされたシリコン基板である。
とりわけ、薄い誘電性のカバー層に設けられる第１および第２開放部は、マスキングされたイオンエッチングによって、とりわけカバー層を形成する装置と同一の装置において形成される。これとは択一的に、薄い誘電性のカバー層に設けられる第１および第２開放部を、レーザアプレーションによって、または、シルクスクリーン印刷またはインクジェット印刷を用いて被着されるエッチングペーストを使用したエッチングによって、形成することができる。
本発明の利点および作用効果は、図面に基づいた実施例に関する以下の記載から明らかになる。
図１は、本発明の太陽電池の実施形態による製造方法の最初の状態を示す概略斜視図である。 図２は、本発明の太陽電池の実施形態による製造方法の第１プロセス部分を示す概略斜視図である。 図３は、発明の太陽電池の実施形態による製造方法の第２プロセス部分を示す概略斜視図である。 図４Ａおよび図４Ｂは、太陽電池のコンタクト構造の２つの実施形態の概略平面図である。 図５は、第３のプロセス部分を示す概略斜視図である。 図６は、第３のプロセス部分を示す概略斜視図である。
全ての図面において、ウェハがｐドーピングされているか、ｎドーピングされているかは規定していない。ｎ材料の場合には、エミッタは表側の面または裏側の面に配置することができる。後者の場合には、基本的に表側の面に、表面電界（Front Surface Field：ＦＳＦ）のためのドーピングが実施される。
以下の説明では、ほぼ完全に製造された、ｐまたはｎドーピングされた結晶性シリコン１上にて両面でコンタクトすべき太陽電池を出発点とする（図１）。表側の面２ａは既に完全に処理済みである。つまり、均一または選択的にドーピングされており、パッシベーション／反射防止層または積層体と、はんだ付け可能なコンタクト格子とが設けられている。裏側の面２ｂは、ドーピングせずにおくことも、エミッタまたは裏面電界（ＢＳＦ）として均一なドーピング３を含むことも可能である。
裏側の面の表面は、化学蒸着法（ＣＶＤ）または物理蒸着法（ＰＶＤ、つまり蒸着またはスパッタリング）を用いて、ドーピング極性およびドーピング濃度に関して選択および最適化されたパッシベーション層または積層体４で被覆されており、このパッシベーション層または積層体４は、従来技術から公知の技術によって開放（除去）されている。このようにして形成された、局所的なコンタクト開放部５が配置された点パターンは、面の層抵抗に則している：つまり、ドーピングされていない面（ＰＥＲＣセル）におけるドット間の間隔Ｄは、ドーピングされた面（ＰＥＲＴセル、つまり面全体がドーピングされたセル）におけるドット間隔Ｄよりも小さくなっている。
本発明の第１プロセスステップは、（従来技術から公知の）金属積層体６の全面被覆（図２）によって開始し、この際には蒸着技術またはスパッタリング技術を使用することができる。ここではアルミニウムとすることができ、このアルミニウムはオプションとして、後々の化学的強化または電気メッキ強化のために、同一の装置において、薄いニッケル含有種層（図示していない）によって被覆される。もちろん択一的に、例えばチタン／パラジウム／銀、または、ニッケルクロム／ニッケル／銀等、他の金属または金属積層体を選択することもできる。
次いで、全ての場合において（同一の装置にて、真空の中断なしに）裏側の面全体に薄い誘電性のカバー層７が被覆される。この際、堆積された全ての層は、パッシベーション層４の上にも、パッシベーション層４に設けられた局所的な開放部５内で露出した半導体表面の上にも載置されている。カバー層７は、アルミニウムまたはシリコンの、酸化物または窒化物とすることができる。カバー層７は蒸着させることができるか、または、金属ターゲットによって反応性スパッタリングすることができるか、または、誘電体ターゲットによるＲＦスパッタリングによって堆積させることができる。
第２ステップにおいては、誘電性のカバー層７が、適当な技術によって、有利には互いに等間隔かつ平行に配置された多数の幅狭の線８の形態で開放される（図３）。この際に例えば、以下に挙げる従来技術から公知の技術を使用することができる。レーザアプレーション、シルクスクリーン印刷またはインクジェット印刷されたエッチングペースト、インクジェットマスキングされた湿式化学エッチング。平行な開放部８同士の間隔Ｗは、典型的には、１ｍｍから１０ｍｍのサイズオーダ、有利には２ｍｍから５ｍｍのサイズオーダである。開放部の幅は、典型的には、１００μｍから１ｍｍ、有利には２００μｍから５００μｍである。
これと同時に、つまり同一の開放ステップにおいて、誘電性のカバー層７に、幅狭の開放部８の延在方向に対して９０°に幅広の領域９ａ，９ｂが開放される。この幅広の領域９ａ，９ｂは、後々、はんだ付け可能なバスバーないしはんだパッドを形成すべき場所である。バスバーストリップ９ａ（図４）は、はんだ付けプロセスに最適な任意の幅を有することができる。２つのバスバーのみとすることもできる。パッド領域９ａ（図４Ｂ）は任意の数とすることができ、任意の大きさに形成することができる。パッド領域は、２本または３本の線に沿って、表側の面の上に設けられたバスバーの数および位置に依存して、配置することができる。第３のステップでは、カバー層に設けられた開放部８，９ａ，９ｂ内で露出した金属表面が、適当な化学的堆積プロセスまたは電気メッキ堆積プロセスにおいて、非常に良好な導電性の、良好にはんだ付け可能な金属積層体によって強化される（図５）。これは、露出している金属に応じて、例えばパラジウム、ニッケル、銀、または、ニッケル、銅、錫とすることができる。ニッケル種層を備えたアルミニウムが選択されている場合には、最初の槽にて高確率でニッケルが堆積され、その後さらに十分な量の銀によってカバーされる。同一の強化プロセスにおいて、幅広のバスバー９ａまたはパッド領域９ｂも同じ積層体によって事後的に強化され、はんだ付け可能にされる１１（図６）。強化された幅狭のフィンガー１０は、強化されたバスバー面１１ａまたははんだパッド面１１ｂに直接合流するか、または、パッドとパッドの間の幅狭の接続線に合流する（図４を参照のこと）。
本発明の実施形態は、上に説明した例および強調した側面に限定されているわけではなく、添付した特許請求の範囲の権利保護範囲にのみ制限される。

Claims (13)

  1. ・とりわけシリコンから形成され、使用状態にて光入射面として使用される第１主表面と、裏面として使用される第２主表面とを有する、ｎまたはｐドーピングされた半導体基板と、
    ・複数の島形の開口部を有しており、前記開口部内では完全に除去された、前記第２主表面上のパッシベーション積層体と、
    ・前記パッシベーション積層体上と、前記基板表面上の前記開口部内とに設けられた、第１金属層と、
    ・第１規則的パターンの幅狭の線形の開放部と、第２規則的パターンの格段に幅広の線形または細長島形の開放部とを有し、前記第１開放部パターンと前記第２開放部パターンとは互いに角度付けられて配向されている、有利には互いに直角に配向されている、前記第１金属層を被覆する薄い誘電性のカバー層と
    ・前記第２金属層は、前記第１および第２開放部パターンの開放部内に設けられ、はんだ付け可能である露出した表面を有し、前記開放部内で前記第１金属層とコンタクトしている、第２金属層と
    を備えることを特徴とする太陽電池。
  2. 前記第２金属層は、Ｐｄ，Ｎｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｓｎを含むグループから少なくとも１つの金属を含む、
    ことを特徴とする請求項１記載の太陽電池。
  3. 前記第２金属層は、金属の積層体、とりわけ積層体Ｐｄ／Ｎｉ／ＡｇまたはＮｉ／Ｃｕ／Ｓｎを含む、
    ことを特徴とする請求項２記載の太陽電池。
  4. 前記第１金属層は、Ａｌ，Ｔｉ，Ｐｄ，Ａｇ，ＮｉＣｒ，Ｎｉ，Ａｇを含むグループから少なくとも１つの金属を含む、
    ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の太陽電池。
  5. 前記第１金属層は、金属の積層体、とりわけ積層体Ｔｉ／Ｐｄ／ＡｇまたはＮｉＣｒ／Ｎｉ／ＡｇまたはＡｌ／Ｎｉ種層を含む、
    ことを特徴とする請求項４記載の太陽電池。
  6. 前記第２金属層は、化学的または電気メッキによって堆積された強化層を含む、
    ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の太陽電池。
  7. 前記薄い誘電性のカバー層は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化チタンを含むグループから少なくとも１つの材料を含む、
    ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の太陽電池。
  8. 前記半導体基板は、前記第１主表面上の燐ドーピングされたエミッタを備えるｐドーピングされたシリコン基板である、
    ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の太陽電池。
  9. 前記半導体基板は、前記第２主表面上のホウ素またはアルミニウムドーピングされたｐ＋エミッタを備えるｎドーピングされたシリコン基板である、
    ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の太陽電池。
  10. 請求項１から９のいずれか一項記載の太陽電池の製造方法において、
    前記第１金属層を、真空蒸着法またはスパッタリング法によって形成する、
    ことを特徴とする方法。
  11. 前記第２金属層を、化学的または電気メッキによる強化槽を用いて形成する、
    ことを特徴とする請求項１０記載の方法。
  12. 前記薄い誘電性のカバー層に設けられる前記第１および第２開放部を、マスキングされたイオンエッチングによって、とりわけ前記薄い誘導性のカバー層を形成した装置と同一の装置において形成する、
    ことを特徴とする請求項１０または１１記載の方法。
  13. 前記薄い誘電性のカバー層に設けられる第１および第２開放部を、レーザアプレーションによって、または、シルクスクリーン印刷またはインクジェット印刷を用いて被着されるエッチングペーストを使用したエッチングによって形成する、
    ことを特徴とする請求項１０または１１記載の方法。
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