JP2013544432A - シリコンナノ粒子を有する太陽電池の製造 - Google Patents

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Abstract

太陽電池構造体は、シリコンナノ粒子拡散領域を含む。拡散領域は、薄い誘電体の上に二酸化シリコンなどのシリコンナノ粒子を印刷すること（２０３）によって形成することができる。ナノ粒子の印刷の前に、薄い誘電体上に湿潤剤が形成されてもよい。ナノ粒子は、インクジェット印刷によって印刷されてもよい。ナノ粒子は、第１段階において、ナノ粒子を加熱してナノ粒子から有機物質を熱により除去すること（２０５）により、及び、第２段階において、ナノ粒子を加熱して、薄い誘電体の上に連続したナノ粒子膜を形成すること（２０７）によって、熱処理され得る。
【選択図】図１

Description

本発明は広くは太陽電池関し、より具体的には太陽電池の製造プロセス及び構造体に関するがこれらに限定されない。
[関連出願］
本出願は、２０１０年９月１３日に出願された米国特許仮出願第６１／３８２，３８４号、表題「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ ｗｉｔｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎａｎｏ−Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ」の利益を主張する。
［連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載］
本明細書において記載される発明は、米国エネルギー省により付与された契約番号ＤＥ−ＦＣ３６−０７ＧＯ１７０４３号に基づく、国政府の支援によりなされたものである。政府は、本発明において一定の権利を有し得る。
典型的な太陽電池には、Ｐ型及びＮ型の拡散領域が含まれる。太陽電池に太陽放射が当たると電子及び正孔が生成され、これらの電子及び正孔が拡散領域に移動することにより、拡散領域間に電位差が生じる。拡散領域は、太陽電池基板内又は太陽電池基板の外側の層内に形成される場合がある。例えば、拡散領域は、基板内にドーパントを拡散させることによって形成することができる。外部に形成された拡散領域において、ポリシリコンなどの材料の層が基板上に形成される。その後、ドーパントをポリシリコン内に拡散させて、拡散領域を形成する。
本発明の実施形態は、太陽電池拡散領域の形成に関する製造コストを低減する、プロセス及び構造体に関連する。
一実施形態において、太陽電池構造体は、シリコンナノ粒子拡散領域を含む。拡散領域は、薄い誘電体の上に二酸化シリコンなどのシリコンナノ粒子を印刷することによって形成することができる。ナノ粒子の印刷の前に、薄い誘電体上に湿潤剤が形成されてもよい。ナノ粒子は、インクジェット印刷によって印刷されてもよい。第１段階において、ナノ粒子を加熱してナノ粒子から有機物質を熱により除去し、及び、第２段階において、ナノ粒子を加熱して、薄い誘電体の上に連続したナノ粒子膜を形成する熱処理をナノ粒子に行ってもよい。
本発明のこれら及びその他の特徴は、添付の図面及び特許請求の範囲を含む本開示の全体を読むことによって、当業者には容易に理解されよう。以下の図面と共に考察しながら、発明を実施するための形態、及び請求項を参照することによって主題のより完全な理解が得られ、ここで全ての図面を通じて同様の参照番号は、同様の要素を示す。図面は縮尺に従っていない。
本発明の実施形態による太陽電池構造体を概略的に例示する断面図である。 本発明の実施形態による太陽電池構造体の製造方法の流れ図である。 ナノ粒子半径を融点と関連付けるプロットである。
本開示において、装置、材料、プロセス工程、及び構造体の例等、多くの具体的な詳細が提供されることにより、本発明の実施形態の十分な理解が可能となる。しかしながら、当業者であれば、本発明はこれらの具体的な詳細のうちの１つ以上を欠いても実施できることは理解されよう。また、本発明の態様を不明瞭にすることを避けるため、周知の詳細については図示又は説明をしていない。
本開示は、太陽電池におけるシリコンナノ粒子の使用に関連する。太陽電池におけるシリコンナノ粒子の使用は、同出願人の米国特許第７，７０５，２３７号にも開示され、これは本明細書において参照によりその全体が組み込まれる。
図１は、本発明の実施形態による太陽電池構造体１００を概略的に例示する断面図である。太陽電池構造体１００は、裏面１０２及び前面１０３を含む。前面１０３は太陽の方を向き、通常動作中に日射を収集する。裏面１０２は、前面１０３の反対側である。太陽電池構造体１００は、Ｎ型拡散領域１０４、Ｐ型拡散領域１０５、並びにこれらの対応する金属接触子１０８及び１０９が裏面１０２上にあるという点において、バックコンタクト型太陽電池である。
太陽電池構造体１００は、シリコン基板１０１の形態の太陽電池基板を含み、これは、図１の実施例において、Ｎ型単結晶シリコンウエハを含む。シリコン基板１０１の前面表面は、テクスチャ化されており、例えば、太陽放射収集効率をより高くするために、不規則な複数のピラミッド１１０を備える。
二酸化シリコン１０６の形態の薄い誘電体は、シリコン基板１０１の裏面表面上にある。一実施形態において、二酸化シリコン１０６を、シリコン基板１０１の裏面表面上で熱成長させる。非晶質シリコン（具体的に図示されない）はその後、酸化物１０６の表面上に形成され得る。非晶質シリコンは、Ｎ型拡散領域１０４、及びＰ型拡散領域１０５の形成を促進するための湿潤剤として機能する。Ｎ型拡散領域１０４、及びＰ型拡散領域１０５は、酸化物１０６上に、直接酸化物１０６上に、又は湿潤剤（存在する場合）の上に形成される。
一実施形態において、Ｎ型拡散領域１０４、及びＰ型拡散領域１０５は、シリコンナノ粒子を含む。シリコンナノ粒子は、Ｉｎｎｏｖａｌｉｇｈｔ，Ｉｎｃ．（Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）など材料販売者により市販されている場合がある。Ｎ型拡散領域１０４及びＰ型拡散領域１０５は、酸化物１０６の上に交互に形成される。中間誘電体層１０７は、Ｎ型拡散領域１０４及びＰ型拡散領域１０５の上に電気絶縁をもたらす。金属コンタクト１０８は、誘電体層１０７を通じたコンタクトホールにより、対応するＮ型拡散領域１０４に電気的に連結される。同様に、金属コンタクト１０９は、誘電体層１０７を通じたコンタクトホールにより、対応するＰ型拡散領域１０５に電気的に結合される。アルミニウム、銅又は他の金属化材料によって形成されてもよい金属コンタクト１０８及び１０９は、櫛状構造であり得る。金属コンタクト１０８及び１０９により、外部電子回路と太陽電池とが接続されて駆動されることを可能にする。
図２は、本発明の実施形態による太陽電池構造１００の製造方法の流れ図である。図２の実施例において、本方法は、シリコン基板１０１の裏面表面上に二酸化シリコン１０６を形成することによって開始されてもよい（工程２０１）。酸化物１０６は、シリコン基板１０１と、Ｎ型及びＰ型拡散領域との間の薄い絶縁層として機能する。酸化物１０６は、シリコン基板１０１の裏面表面上に、約７〜２０オングストローム、例えば約１０オングストロームの厚さまで熱成長させてもよい。
必要に応じて、非晶質シリコンの層を、酸化物１０６上に堆積させてもよい（工程２０２）。非晶質シリコンは、Ｎ型拡散領域１０４及びＰ型拡散領域１０５の印刷を促進するための湿潤剤として機能する。湿潤剤は、拡散領域の組成及びこれらの形成プロセスによって必要である場合もあり、又は、必要でない場合もある。
Ｎ型拡散領域１０４及びＰ型拡散領域１０５は、酸化物１０６の上にナノ粒子を印刷すること（工程２０３）によって形成され得る。ナノ粒子がＮ型伝導度又はＰ型伝導度を有するように、印刷の前に予めドーピングをおこなってもよい。この場合、酸化物１０６の上に形成された後に、ナノ粒子を別個にドーピングする必要がないため、１つ以上のプロセス工程を省略することができる。より具体的には、別個のプロセスとして、ドーパント源をポリシリコンの層上に堆積させる工程と、ドーパント源からポリシリコンの層内へとドーパントを拡散させて外部拡散領域を形成する熱工程とを排除することができる。
湿潤剤が使用されない場合、Ｎ型拡散領域１０４及びＰ型拡散領域１０５は、酸化物１０６の表面上に直接印刷されてもよい。あるいは、Ｎ型拡散領域１０４及びＰ型拡散領域は、湿潤剤又は酸化物１０６上の別の材料層上に印刷されてもよい。好ましくは、以降の、ナノ粒子の熱処理温度は、酸化物分解の閾値温度よりも低い。好適な印刷プロセスとしては、インクジェット印刷及びスクリーン印刷が挙げられる。インクジェットプリンターヘッドの１回のパスで、すなわち、同じインクジェット印刷工程において、Ｎ型拡散領域１０４及びＰ型拡散領域１０５の印刷を可能にするためインクジェント印刷が好ましい。
Ｎ型導電性のドーパント（例えばリン）を含むナノ粒子膜は、Ｎ型拡散領域１０４として機能するように、酸化物１０６上に印刷されてもよい。同様に、Ｐ型導電性のドーパント（例えば、ホウ酸）を含むナノ粒子膜は、Ｐ型拡散領域１０５として機能するように、酸化物１０６上に印刷されてもよい。ナノ粒子は、スピンコーティング又は他の好適なプロセスにより形成されてもよい。ナノ粒子は、酸化物１０６上に形成される前に、適切な伝導度の種類のドーパントで事前にドープ処理されてもよい。
ナノ粒子の粒径は、特定の融点を得るために選択されてもよい。粒径が大きいほど、融点はバルク値に近づく。一実施形態において、ナノ粒子は、１０ナノメートル未満（例えば、７ナノメートル）の粒径を有する。ナノ粒子はまた、連続したナノ粒子膜の形成を促進するために異なる粒径の組み合わせを有してもよい。
図３は、ナノ粒子半径を融点と関連付けるプロットを示している。図３には、ナノ粒子の融点の低下が示されており、ここで、融解温度の上限（プロット３０１）及び下限（プロット３０４）はＣｏｕｃｈｍａｎ及びＪｅｓｓｅｒ（Ｐ．Ｒ．Ｃｏｕｃｈｍａｎ ａｎｄ Ｗ．Ａ．Ｊｅｓｓｅｒ，Ｎａｔｕｒｅ ２６９，４８１（１９７７））によって算出されたものであり、中央値は、Ｂｕｆｆａｔ（プロット３０２；Ｐｈ．Ｂｕｆｆａｔ及びＪ．−Ｐ．Ｂｏｒｅｌ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ １３，２２８７（１９７６））、及び、Ｗａｕｔｅｌｅｔ（プロット３０３；Ｍ．Ｗａｕｔｅｌｅｔ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ ２４，３４３（１９９１））によって計算されたものである。これらの計算から、本発明者らは、直径４ｎｍよりも小さいナノ粒子寸法が、室温において安定な印刷材料として使用するには反応性が高すぎることが知られているが、直径１０ナノメートル未満のナノ粒子寸法では顕著な融解温度の低減が期待できる（最良の条件の場合）。
図３は、いくつかの分類のモデルに基づく、半径の関数としてのシリコンナノ粒子の、理論的な融点低下を示すことに留意する。しかしながら、実験データでは、更に低い温度の融点が示される。
図２に戻り、酸化物１０６の上に印刷した後に、ナノ粒子が熱処理される（工程２１０）。図２の実施例において、熱処理は工程２０４〜２０７を含み、加熱される炉内に太陽電池を配置する工程（工程２０４）を含む。
太陽電池構造体の熱処理は、２段階において実施され得る。第１熱処理段階において、ナノ粒子膜内にあり得る有機物質（ナノ粒子上にコーティングされたイソプロピルアルコール及び官能基）は、ナノ粒子膜から熱的に排除される（工程２０５）。これは、３００℃を下回る所定の中間温度において、炉内を所定の移動速度で太陽電池構造体を動かすことによって実行され得る。第１熱処理段階は、炉の温度を、中間温度を上回る焼結温度まで上昇させる前に実行される。
第２熱処理段階において、炉の温度を、ナノ粒子の融点を僅かに下回る焼結温度まで上昇させる（工程２０６）。例えば、炉の温度は、ナノ粒子の融点の約７０％から９０％まで上昇させてもよい。好ましくは、焼結温度は、酸化物分解の閾値の温度よりも低い。
ナノ粒子の融点が約１０００℃である一実施形態において、炉の温度を約９００℃の焼結温度まで上昇させる。太陽電池構造体は、特に酸化物１０６との境界面において、連続したナノ粒子膜を達成するために、所定の時間にわたって、焼結温度にて加熱される。例えば、太陽電池構造体は、約３０分にわたり、約９００℃の温度まで加熱される場合がある。得られる連続したナノ粒子膜は有利なことに、ポリシリコンに関連する更なる処理工程を必要とせずに、他の外部拡散太陽電池内におけるポリシリコンと同じように挙動することを可能にする。
湿潤剤（工程２０２）は溶融ナノ粒子に良好な湿潤をもたらすことができ、ドーピングされたナノ粒子から湿潤領域へのドーピングにつながり、基板上に連続した拡散層を形成することができる。
太陽電池構造体の作製を完了するために、追加的な処理工程がその後、実行される。これらの追加的な処理工程は、誘電体層１０７、金属コンタクト１０８及び１０９、並びに太陽電池の他の構造の形成を含む。
シリコンナノ粒子を有する太陽電池の製造技術が開示されている。本発明の具体的な実施形態を提供したが、これらの実施形態は説明を目的としたものであり、限定的なものでないことは理解されよう。多くの追加的実施形態が、本開示を読む当業者にとっては明らかとなろう。

Claims (20)

  1. 太陽電池構造体の製造方法であって、
    太陽電池基板上に薄い誘電体層を形成する工程と、
    Ｐ型にドーピングされたシリコンナノ粒子を前記薄い誘電体層の上に印刷することによって、前記太陽電池構造体の複数の第１拡散領域を形成する工程と、
    Ｎ型にドーピングされたシリコンナノ粒子を前記薄い誘電体層の上に印刷することによって、前記太陽電池構造体の複数の第２拡散領域を形成する工程と、
    前記Ｎ型にドーピングされたシリコンナノ粒子及びＰ型にドーピングされたシリコンナノ粒子の融点を下回る第１温度で、前記Ｎ型にドーピングされたシリコンナノ粒子及びＰ型にドーピングされたシリコンナノ粒子を加熱することによって、前記薄い誘電体層の上に連続したナノ粒子膜を形成する工程と
    を備える太陽電池構造体の製造方法。
  2. 前記Ｎ型にドーピングされたシリコンナノ粒子及びＰ型にドーピングされたシリコンナノ粒子を前記第１温度で加熱する前に、前記Ｎ型にドーピングされたシリコンナノ粒子及びＰ型にドーピングされたシリコンナノ粒子を、前記第１温度を下回る第２温度で加熱することによって、前記Ｎ型にドーピングされたシリコンナノ粒子及びＰ型にドーピングされたシリコンナノ粒子から有機物を除去する工程を更に備える、請求項１に記載の太陽電池構造体の製造方法。
  3. 前記Ｎ型にドーピングされたシリコンナノ粒子及びＰ型にドーピングされたシリコンナノ粒子は、炉内を所定の速度で動かされつつ、前記第２温度で加熱される、請求項２に記載の太陽電池構造体の製造方法。
  4. 前記Ｎ型にドーピングされたシリコンナノ粒子及びＰ型にドーピングされたシリコンナノ粒子が、インクジェット印刷によって印刷される、請求項１に記載の太陽電池構造体の製造方法。
  5. 前記Ｎ型にドーピングされたシリコンナノ粒子及びＰ型にドーピングされたシリコンナノ粒子が、インクジェット印刷ヘッドの同じパスでインクジェット印刷することによって印刷される、請求項１に記載の太陽電池構造体の製造方法。
  6. 前記太陽電池基板が単結晶シリコン基板を含む、請求項１に記載の太陽電池構造体の製造方法。
  7. 前記薄い誘電体層は、前記シリコン基板の表面に熱成長させた二酸化シリコンを含む、請求項６に記載の太陽電池構造体の製造方法。
  8. 前記Ｎ型にドーピングされたシリコンナノ粒子及びＰ型にドーピングされたシリコンナノ粒子を印刷する前に、前記薄い誘電体層上に湿潤剤を形成する工程を更に備える、請求項１に記載の太陽電池構造体の製造方法。
  9. 前記湿潤剤が非晶質シリコンを含む、請求項８に記載の太陽電池構造体の製造方法。
  10. 前記Ｎ型にドーピングされたシリコンナノ粒子及びＰ型にドーピングされたシリコンナノ粒子の粒子サイズは、１０ナノメートル未満である、請求項１に記載の太陽電池構造体の製造方法。
  11. 請求項１の製造方法により製造される太陽電池構造体。
  12. 太陽電池構造体の製造方法であって、
    シリコン基板の表面に二酸化シリコンを成長させる工程と、
    前記二酸化シリコンの上にシリコンナノ粒子を印刷することによって、前記太陽電池構造体の拡散領域を形成する工程と、
    前記シリコンナノ粒子を第１温度で加熱することによって、前記シリコンナノ粒子から有機物を除去する工程と、
    前記第１温度よりも高く、かつ、前記シリコンナノ粒子の融点を下回る第２温度で前記シリコンナノ粒子を加熱することによって、前記二酸化シリコンの上に連続したナノ粒子膜を形成する工程と
    を備える太陽電池構造体の製造方法。
  13. 前記シリコンナノ粒子が、インクジェット印刷ヘッドの同じパスでインクジェット印刷することによって印刷される、請求項１２に記載の太陽電池構造体の製造方法。
  14. 前記シリコンナノ粒子を印刷する前に、前記二酸化シリコン上に湿潤剤を形成する工程を更に備える、請求項１２に記載の太陽電池構造体の製造方法。
  15. 前記湿潤剤が非晶質シリコンを含む、請求項１４に記載の太陽電池構造体の製造方法。
  16. 前記シリコンナノ粒子の粒子サイズが、１０ナノメートル未満である、請求項１２に記載の太陽電池構造体の製造方法。
  17. 請求項１２に記載の製造方法により製造される太陽電池構造体。
  18. 太陽電池構造体の製造方法であって、
    太陽電池基板上に薄い誘電体を形成する工程と、
    前記薄い誘電体の上にシリコンナノ粒子を形成することによって、前記太陽電池構造体の拡散領域を形成する工程と、
    前記シリコンナノ粒子の融点を下回る温度で、前記シリコンナノ粒子を加熱する工程と
    を備える太陽電池構造体の製造方法。
  19. 前記薄い誘電体と前記拡散領域との間に、湿潤剤を形成する工程を更に備える、請求項１８に記載の太陽電池構造体の製造方法。
  20. 請求項１８に記載の製造方法により製造される太陽電池構造体。
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