JP2014504026A

JP2014504026A - 太陽電池用非接触バスバー及び非接触バスバーを製造する方法

Info

Publication number: JP2014504026A
Application number: JP2013549595A
Authority: JP
Inventors: ヘンリーヒーズルマイアー
Original assignee: インテヴァックインコーポレイテッド
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2014-02-13
Also published as: CN103299492A; WO2012097324A1; US20120180862A1; SG191402A1; EP2664036A1; TW201234626A; EP2664036A4; KR20140041401A

Abstract

本発明は、非接触バスバーを有する太陽電池モジュール、及び非接触バスバーを製造する方法に関する。フィンガーは、ペーストを用いて基板でスクリーン印刷される。バスバーは、基板のパッシベーション層を通して溶解しない多くの技術を用いてフィンガーの上で形成され得る。バスバーは、第１のペーストよりも高い粘度及び／又は導電率を有する第２のペーストを用いて、フィンガーの上でスクリーン印刷され得る。バスバーは、フィンガーの上に蒸着された導電トレースであってもよい。バスバーは、フィンガーに配置されるはんだ又はペーストによってコーティングされた金属線であってもよい。金属めっき技術は、また、フィンガー及び／又はバスバーを厚くするために用いられてもよい。１つ以上のドーピングステップは、フィンガー及びバスバーの下に選択エミッタを形成するために用いられてもよい。
【選択図】図３

Description

関連出願
本出願は、２０１１年１月１３日に提出された、タイトル「非接触バスバー」の米国仮出願番号第６１／４３２，５２１の優先権の利益を主張し、その開示された内容の全体をここに参照により組み込むものとする。
本発明は、太陽電池を製造するための方法の技術に関し、特に太陽電池用非接触バスバー及び非接触バスバーを製造する方法に関する。

光起電力（ＰＶ）電池として知られる太陽電池は、太陽放射を電気エネルギーに変換する。太陽電池は、一般的に、例えばさまざまな材料及び層の蒸着、ドーピング及びエッチングを含む半導体加工技術を用いて製造される。典型的な太陽電池は、ウェハ又は基板におけるｐｎ接合を形成するためにドープされた半導体ウェハ又は基板上に製造される。基板の表面に向けられる太陽放射（例えば、光子）は、基板における電子正孔対を破壊し、電子がｎドープ領域からｐドープ領域へ移動する（すなわち、電流が生成される）ことを引き起こす。これにより、基板の互いに対向する２つの表面間で電圧差が生じる。電気回路に接続されたメタルコンタクトは、基板で生成された電気エネルギーを集める。

シリコン太陽電池（ＰＶセル）は、従来の半導体加工技術に類似している方法を用いて製造される。しかし、ウェハと比べたときのＰＶセルの値における差は桁違いである。ＰＶ産業は、低資金及び低ランニングコストでハイスループットが得られることを必要とする。また、ＰＶセル用基板は、一般的に、非常に薄く（例えば、＜２００μｍの厚さ）かつもろいである。

現在、ほとんどのシリコン太陽電池は、スクリーン印刷技術によって銀ペーストを前面にスクリーン印刷して製造された。この金属は、その後、短いサーマルランプ（ｔｈｅｒｍａｌｒａｍｐ）によってフロント窒化シリコンを通して約８００℃まで蒸着／溶解される。この熱サイクルの間に、ペーストにおけるガラスフリットは、窒化シリコンを溶解し、冷却すると銀を沈殿させ、また、下部のシリコンに接触する微結晶を形成する。このフロント接点の標準パターンは、１００μｍ以下幅の一連の平行細線（フィンガー）、及びフィンガーに垂直する約２ｍｍ幅の２〜３本のバスバーである。歴史的に、これは、単一のパターンでフィンガー及びバスバーを同時にスクリーン印刷する手段である。

この金属のすべてが正面側にあるので、シャドウイングは問題になっている。したがって、これらのメタルコンタクトの幅を狭めるための努力がなされている。フィンガー幅は、６０μｍ〜７０μｍに近づくことを目標とする。バスバー幅は、同様に狭くなってきている。残念ながら、導電率は幅の減少とともに減少する。業界では、何か顕著な高さでこのような微細な幅をスクリーン印刷するのに問題がある。Ａｇペーストをマスクの微細なフィーチャから確実に押し出すために低粘度ペーストが必要であるが、残念しながら、結果としてペーストの高さ又はアスペクト比が低下する。

本発明の後述する要旨は、本発明のある態様及び特徴について基礎的な理解を提供するために含まれているものである。本要旨は、本発明の広範囲の概観ではなく、そうであるとして、本発明の鍵や重要な要素を特別に特定したりする意図でも、本発明の範囲を説明する意図でもない。その唯一の目的は、後述で提示されるより詳細な説明に対する前置として、単純化された形態における本発明のある概念を提示することである。

本発明の一態様によると、基板と、パッシベーション層と、パッシベーション層の上に複数のフィンガーのみからなる第１の層と、第１の層の上におけるバスバーとを含む太陽電池モジュールを提供しており、ここで、そのバスバーはパッシベーション層に接触しない。

第１の層は、第１のペーストを用いてスクリーン印刷により形成されてもよく、バスバーは、第２のペーストを用いてスクリーン印刷により形成されてもよい。第１のペーストは高ガラスフリットを有してもよく、第２のペーストは高導電率を有してもよい。

第１の層はペーストを用いてスクリーン印刷により形成されてもよく、バスバーは金属めっきにより形成されてもよい。

太陽電池モジュールは、窒化シリコンよりなるパッシベーション層と第１の層との間に、ドーパントインクを含んでもよい。

基板はシリコンであってもよく、パッシベーション層は窒化シリコンであってもよい。

本発明の別の態様によると、第１のペーストを用いて基板の上でフィンガーをスクリーン印刷する工程と、第２のペーストを用いてフィンガーの上でバスバーをスクリーン印刷する工程とを含む太陽電池モジュールの製造方法を提供しており、ここで、その第２のペーストは、第１のペーストよりも粘性が高い。

第１のペーストはガラスフリットを含んでもよく、第２のペーストはガラスフリットを含まない。

この方法は、バスバーをスクリーン印刷する前に、第１のペーストを蒸着する工程をさらに含んでもよい。この方法は、第１のペースト及び第２のペーストを同時蒸着する工程をさらに含んでもよい。

この方法は、フィンガーをスクリーン印刷する前に、ドーパントインクをスクリーン印刷してドーパントを拡散させる工程をさらに含んでもよい。

この方法は、フィンガーに対応する第１の領域を選択的にドーピングする工程と、バスバーに対応する第２の領域を選択的にドーピングする工程とをさらに含んでもよい。第１の領域は、フィンガーパターン化シャドーマスクを用いて選択的にドープされてもよく、第２の領域は、バスバーパターン化シャドーマスクを用いて選択的にドープされてもよい。

本発明のさらなる態様によると、第１のペーストを用いて基板の上でフィンガーをスクリーン印刷する工程と、フィンガーの上で非接触バスバーを形成する工程とを含む太陽電池モジュールの製造方法を提供している。

フィンガーの上で非接触バスバーを形成する工程は、バスバーの上で導電トレースを蒸着することを含んでもよい。導電トレースは、スクリーン印刷又はエアゾールジェットを用いて蒸着されてもよい。

この方法は、金属めっきを用いてフィンガー及びバスバーを厚くする工程をさらに含んでもよい。金属めっきは、光誘起めっきであってもよい。

フィンガーの上で非接触バスバーを形成する工程は、フィンガーの上で金属線を蒸着することを含んでもよい。金属線は、ペースト及びはんだの少なくとも一方によってコーティングされてもよい。

添付の図面は本明細書に組み込まれてその一部を構成するものであり、本発明の実施形態を例示し、詳細な説明とともに本発明の原理を説明および解説するのに役立つ。図面は、図表の態様で例示的な実施形態の主要な特徴を説明するために意図されたものである。図面は、実際の実施形態のすべての特徴を図示するものでなければ、描画要素の相対寸法を図示するものでもなく、正確な縮尺で描かれていない。
図１は、本発明の一実施形態に係る太陽電池を示している。図２は、本発明の一実施形態に係るバスバーを有する太陽電池の端面図である。図３は、本発明の一実施形態に係る非接触バスバーを製造する方法を示すフローチャートである。図３Ａは、本発明の実施形態に係る非接触バスバーを製造する方法を示すフローチャートである。図３Ｂは、本発明の実施形態に係る非接触バスバーを製造する方法を示すフローチャートである。図４Ａは、本発明の一実施形態に係る非接触バスバーを製造する方法を示すフローチャートである。図４Ｂは、本発明の一実施形態に係る非接触バスバーを製造する方法を示すフローチャートである。図５は、本発明の一実施形態に係る非接触バスバーを製造する方法を示すフローチャートである。図６は、本発明の一実施形態に係る非接触バスバーを製造する方法を示すフローチャートである。

本発明の実施形態は、非接触バスバーに関する。太陽電池の導電率を向上させるために、２つの変更が行われる。まず、フィンガー及びバスバーの高さを増加させることができる。スクリーン印刷ペーストのアスペクト比は、その粘度及びスクリーン／ステンシルの厚さに依存する。より高い粘度を有するペーストをバスバーに用いることによって、より厚いバスバーを形成することができる。次に、ペースト自体の導電率は、ペーストにおけるガラスフリットによって低減される。ガラスフリットは、フロント窒化シリコンパッシベーション層を溶解するために必要であり、銀がドープされた基板に接触させる。本発明の実施形態において、第１のスクリーン印刷はフィンガーを形成するために高ガラスフリットペーストによって行われ、その後、非ガラスフリットペーストである高導電性の第２のペーストはバスバーを形成するために使用され得る。この第１のペーストのアスペクト比は、配向した第２のスクリーン印刷ペーストによって増加され得る。代替として、第１の高ガラスフリットスクリーン印刷は蒸着を行うことができ、その後、金属めっきステップが行われる。

本発明の実施形態は、金属−シリコン再結合速度を減少させ且つバスバーの導電率を向上させるため、有利である。これらの新たな二段階アプローチによって、バスバーは従来の方法で形成する必要はない。第一層のためにフィンガーだけのパターンを形成した後、他の多くのプロセスを行ってバスバーを形成することができる。二重プリントの場合、高ガラスフリットを有する第１のペーストは、フィンガーだけのパターンに含有され得る一方、第２の高導電性のペーストは、フィンガー及びバスバーに含まれるか、又はバスバーのみに含まれる。特定の一実施形態において、第１のペーストはＨＥＲＡＥＵＳＳＯＬ９５２であり、第２のペーストはＨＥＲＡＥＵＳＣＬ８０−９３８１Ｍである。蒸着する場合、バスバー領域は、窒化シリコンパッシベーション層を通して溶解することではない。これは、合計再結合を低下させるという有益な効果を有する。

シリコン太陽電池において、金属接触領域は必要であるが、有害な再結合効果を有する。金属接触面は、接触領域の下におけるドーピングに応じて、１０００ｆＡ／ｃｍ^２の再結合を有することができる。Ｊｏｅと呼ばれるエミッタ再結合は、フロントエミッタにおける再結合の加重和である。１００μｍ幅の６９本のフィンガー及び２ｍｍ幅の２本のバスバーを有する１５６ｍｍ太陽電池のために、接触面積の割合は、フィンガーだけの場合が４．４％であり、フィンガー及びバスバーの場合が７％である。良好なパッシベーションを有する優れたエミッタのために、Ｊｏｅは非金属化領域で５０ｆＡ／ｃｍ^２〜３００ｆＡ／ｃｍ^２であってもよい。しかし、金属接触領域は、３０００ｆＡ／ｃｍ^２以上のＪｏｅを有してもよい。典型的なセルのネットエミッタＪｏｅは、
式：

に従って得られる。下部のシリコンに接触しないバスバーによって、Ｊｏeは、
式：

に向上する。

図１は、本発明のいくつかの実施形態に係る太陽電池１００を示す。太陽電池１００は、ベース１０４、複数のフィンガー１０８、２つのバスバー１１２を含んでいる。なお、太陽電池は、図１に示すものより少ないか、又は多いフィンガー１０８を含んでもよく、また、太陽電池は、２以下又は以上のバスバー１１２を含んでもよいことは理解されることであろう。

図２は、本発明のいくつかの実施形態に係る太陽電池１００の端面図である。ベース１０４は、基板１１６、及び基板１１６の上に形成されるパッシベーション層１２０を含んでいる。フィンガー１０８は、パッシベーション層１２０に形成されている。バスバー１１２は、フィンガー１０８及びパッシベーション層１２０の上に形成されている。コンタクト１２４は、基板１０４におけるフィンガー１０８及びバスバー１１２とは反対側の面に形成されている。選択エミッタ（図示せず）は、基板１０４に形成されている。

図３は、本発明のいくつかの実施形態に係る図１及び図２の太陽電池の製造方法を示す。図３に示すように、方法３００は、基板（ブロック３０４）に選択エミッタ（ドーピング領域）を形成する工程と、選択エミッタ（ブロック３０８）の上でフィンガーを形成する工程と、選択エミッタ（ブロック３１２）の上で非接触バスバーを形成する工程とを含んでいる。

金属接触領域下のドーピングは、高いほど金属−シリコン界面における再結合は低いものである。選択エミッタ、すなわち金属線の下の比較的高濃度ドーピング及び金属の間の比較的低濃度ドーピングへの注目は、主に銀ペーストに対する接触抵抗によって動機付けられている。さらなる利点は、金属−シリコン再結合速度又はＪｏｅの減少である。

図３Ａ及び図３Ｂは、本発明のある実施形態に係る選択エミッタを形成する詳細な方法を示す。図３Ａに示すように、選択エミッタは、基板（ブロック３０４ａ）でドーパントインクをスクリーン印刷することによって形成されてもよい。その方法はまた、フィンガー及びバスバーの高濃度にドープされたパターンを作るために、リン拡散を形成する工程を含んでもよい。

なお、当然のことながら、例えば、レーザオーバードーピング及びイオン注入などの他の方法を使用してもよい。それらの方法は、バスバーの下にドーピング領域を形成することも必要であるので、スループットが低下する。レーザオーバードーピングの場合、レーザースポットはフィンガー幅の広さであり得るが、バスバー幅にはマルチプルパス又は異なるレーザー光学を必要とする。

イオン注入のために、より一般的には、シャドーマスクを利用する方法のために、図３Ｂに示すように、２つの蒸着ステップが必要である。図３Ｂに示すように、選択エミッタは、フィンガーパターン化シャドーマスクを用いて基板を選択的にドーピングし（ブロック３０４ｂ−１）、バスバーパターン化シャドーマスクを用いて基板を選択的にドーピングする（ブロック３０４ｂ−２）ことによって形成される。なお、当然のことながら、レーザー選択的ドーピング、注入選択的ドーピング、及びＰＶＤ選択的ドーピングなどの方法を含む、他のドーピング方法は、図３Ｂを参照して、上記のように、個々のドーピング領域を形成するために用いられてもよい。

図４Ａ、図４Ｂは、本発明のいくつかの実施形態に係る非接触バスバーを有する太陽電池モジュールの例示的な形成方法を示す。図４Ａ、図４Ｂにおいて、非接触バスバーは、第２のスクリーン印刷プロセスを用いて形成されている。具体的には、フィンガースクリーン印刷及びペースト乾燥のステップの後に、第２のスクリーン印刷ステップはバスバーをプリントすることができる。バスバー用ペーストは、高粘性ペーストであってもよく、また、フィンガーよりも高いアスペクト比を達成するために、比較的厚いスクリーンでプリントされ得る。バスバーペーストは、また、導電率を高め、窒化シリコンパッシベーションを通して溶解しようとしないガラスフリットを含まなくてもよい。特定の一実施形態において、フィンガーペーストはＨＥＲＡＥＵＳＳＯＬ９５２であり、バスバーペーストはＨＥＲＡＥＵＳＣＬ８０−９３８１Ｍである。

一実施形態において、図４Ａに示すように、フィンガー及びバスバーは同時蒸着される。別の実施形態において、図４Ｂに示すように、フィンガーが最初に蒸着した後、バスバーは、フォーミングガスアニール又は他の低温アニールの間に固まる低温ペーストによってスクリーン印刷される。

具体的には、図４Ａに示すように、方法４００は、第１のペーストを用いて窒化シリコンパッシベーション層でフィンガーをスクリーン印刷することから始まる（ブロック４０４）。方法４００は、第２のペーストを用いてフィンガーでバスバーをスクリーン印刷し続けることによって（ブロック４０８）、フィンガー及びバスバーを同時蒸着する（ブロック４１２）。図４Ｂに示すように、方法４００は、第１のペーストを用いて窒化シリコンパッシベーション層でフィンガーをスクリーン印刷することから始め（ブロック４０４）、フィンガーを蒸着する（ブロック４５８）。方法４００は、第２のペーストを用いてフィンガーでバスバーをスクリーン印刷することによって続け（ブロック４６２）、バスバーを蒸着する（ブロック４６６）。上記のように、特定の一実施形態において、第１のペーストはＨＥＲＡＥＵＳＳＯＬ９５２であり、第２のペーストはＨＥＲＡＥＵＳＣＬ８０−９３８１Ｍである。

図５は、非接触バスバーがフィンガーの上で蒸着されたシード及びめっきバスバーによって形成される太陽電池モジュールの製造方法を示す。具体的には、フィンガーのスクリーン印刷及び蒸着の後、導電トレースはバスバーのために蒸着され得る。導電トレースは、例えばスクリーン印刷、エアゾールジェットなどの方法を用いて蒸着され得る。いくつかの実施形態において、その後、フィンガー及び／又はバスバーを厚くする。いくつかの実施形態において、フィンガー及び／又はバスバーを、例えば光誘起めっき（ＬＩＤ）などの金属めっき技術を用いて厚くする。

具体的には、図５に示すように、方法５００は、ペーストを用いて窒化シリコンパッシベーション層でフィンガーをスクリーン印刷することから始まり（ブロック５０４）、フィンガーを蒸着する（ブロック５０８）。方法５００は、フィンガーで導電トレースを蒸着してバスバーを形成し続けることによって（ブロック５１２）。この方法は、フィンガー及びバスバーを厚くするように金属めっきすることによって選択的に続ける（ブロック５１６）。

図６は、固体のバスバーが非接触バスバーを形成するために使用され得る太陽電池モジュールの製造方法を示す。フィンガーのスクリーン印刷及び蒸着の後に、円形または矩形の断面の金属線は、各フィンガーに接触するように表面に配置され得る。金属線は、蒸着中又は蒸着後に配置され得る。当然のことながら、バスバーが各フィンガーに接触することが重要であるため、いくつかの実施形態において、バスバーはペースト又ははんだによってプレコートされてもよい。その金属線は、パッシベーション層を通してフィンガーを蒸着する前に、又は蒸着した後に、コーティングされてもよい。

具体的には、図６に示すように、方法６００は、ペーストを用いて窒化シリコンパッシベーション層でフィンガーをスクリーン印刷することから始まり（ブロック６０４）、フィンガーを蒸着する（ブロック６０８）。方法６００は、各フィンガーに被覆金属線を配置することによって続ける（ブロック６１２）。

なお、ここに記載したプロセスおよび技術は、本質的に特定の装置に関するものではなく、任意の適当な要素の組み合わせで実現することができる。さらに、ここでの教示に従ってさまざまなタイプの汎用デバイスを用いることができる。特定例に関連づけて本発明を説明したが、これはあらゆる点で限定的よりもむしろ例示的であることを意図している。当業者であれば多くの別の組み合わせで本発明を好適に実施できることが理解できるであろう。

また、当業者であれば、ここに開示した本発明の明細書および実施を考慮して本発明の別実施例が理解できるであろう。上記実施形態のさまざまな側面および／または構成要素は、単独または任意の組み合わせとして用いることができる。明細書および実施例は例示に過ぎず、本発明の範囲および思想は次の特許請求の範囲に示される。

Claims

太陽電池モジュールであって、
基板と、
パッシベーション層と、
前記パッシベーション層の上に複数のフィンガーのみからなる第１の層と、
前記第１の層の上におけるバスバーと、
を含み、
前記バスバーは、前記パッシベーション層に接触しない、太陽電池モジュール。
請求項１に記載の太陽電池モジュールにおいて、
前記第１の層は、第１のペーストを用いてスクリーン印刷により形成され、前記バスバーは、第２のペーストを用いてスクリーン印刷により形成される、太陽電池モジュール。
請求項２に記載の太陽電池モジュールにおいて、
前記第１のペーストは、高ガラスフリットを有し、前記第２のペーストは、高導電率を有する、太陽電池モジュール。
請求項１に記載の太陽電池モジュールにおいて、
前記第１の層は、ペーストを用いてスクリーン印刷により形成され、前記バスバーは、金属めっきにより形成される、太陽電池モジュール。
請求項１に記載の太陽電池モジュールにおいて、
窒化シリコンよりなる前記パッシベーション層と前記第１の層との間に、ドーパントインクを含む、太陽電池モジュール。
請求項１に記載の太陽電池モジュールにおいて、
前記基板は、シリコンを含み、前記パッシベーション層は、窒化シリコンを含む、太陽電池モジュール。
太陽電池モジュールを製造する方法であって、
第１のペーストを用いて基板の上でフィンガーをスクリーン印刷する工程と、
第２のペーストを用いて前記フィンガーの上でバスバーをスクリーン印刷する工程と、
を含み、
前記第２のペーストは、前記第１のペーストよりも粘性が高い、方法。
請求項７に記載の方法において、
前記第１のペーストは、ガラスフリットを含み、前記第２のペーストは、ガラスフリットを含まない、方法。
請求項７に記載の方法において、
前記バスバーをスクリーン印刷する前に、前記第１のペーストを蒸着する工程を含む、方法。
請求項７に記載の方法において、
前記第１のペースト及び前記第２のペーストを同時蒸着する工程を含む、方法。
請求項７に記載の方法において、
前記フィンガーをスクリーン印刷する前に、ドーパントインクをスクリーン印刷してドーパントを拡散させる工程を含む、方法。
請求項７に記載の方法において、
前記フィンガーに対応する第１の領域を選択的にドーピングする工程と、
前記バスバーに対応する第２の領域を選択的にドーピングする工程と、
を含む、方法。
請求項１２に記載の方法において、
前記第１の領域は、フィンガーパターン化シャドーマスクを用いて選択的にドープされ、前記第２の領域は、バスバーパターン化シャドーマスクを用いて選択的にドープされる、方法。
太陽電池モジュールを製造する方法であって、
第１のペーストを用いて基板の上でフィンガーをスクリーン印刷する工程と、
前記フィンガーの上で非接触バスバーを形成する工程と、
を含む、方法。
請求項１４に記載の方法において、
前記フィンガーの上で非接触バスバーを形成する工程は、前記バスバーの上で導電トレースを蒸着することを含む、方法。
請求項１５に記載の方法において、
前記導電トレースは、スクリーン印刷及びエアゾールジェットからなる群より選ばれる方法を用いて蒸着される、方法。
請求項１４載の方法において、
金属めっきを用いて前記フィンガー及び前記バスバーを厚くする工程を含む、
方法。
請求項１７に記載の方法において、
前記金属めっきは、光誘起めっきを含む、方法。
請求項１４に記載の方法において、
前記フィンガーの上で非接触バスバーを形成する工程は、前記フィンガーの上で金属線を蒸着することを含む、方法。
請求項１９に記載の方法において、
前記金属線は、ペースト及びはんだの少なくとも一方によってコーティングされる、方法。