JP2015506108A - 光起電力電池及びその形成方法 - Google Patents

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Abstract

光起電力（ＰＶ）電池は、ケイ素を含み、上部ドープ領域を含む底基板を備える。コーティング層は、上部ドープ領域上に配設され、外側表面を有する。フィンガーは、コーティング層中に配設される。各フィンガーは、上部ドープ領域と電気的に接触する下部と、外側表面を通じて外側に延在する上部とを有する。各フィンガーは、第１の金属を含む。ブスバーは、ブスバーと物理的に接触しない上部ドープ領域から離間配置される。ブスバーは、フィンガーの上部と電気的に接触する。ブスバーは、第２の金属と、第１の金属及び第２の金属とは異なる第３の金属とを含む。第３の金属は、約３００℃を超えない融解温度を有する。ＰＶ電池を形成する方法もまた提供される。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１１年１２月１３日に出願の米国特許仮出願第６１／５６９，９９２号の利益を主張するものであり、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。
（発明の分野）
本発明は、概して、光起電力（ＰＶ）電池及びＰＶ電池を形成する方法に関する。
前面の金属化は、電荷担体の回収及びブスバーへの輸送を可能にする光起電力（ＰＶ）電池の重要な態様である。金属化は、一般に、より広いブスバーに接続する導体材料の細線又は「フィンガー」を含む、グリッド形態である。タブ付け、例えば、リボンは、複数のＰＶ電池を一緒に（例えば、直列に）接続するために、ブスバーにはんだ付けされる。典型的には、グリッドは、銀の卓越した伝導性のため、主要な成分として銀（Ａｇ）を含むペーストを使用して形成される。残念ながら、かかる金属化は、ＰＶ電池のフィンガーとブスバーの両方に存在するＡｇに依存するため、全体的な製造費用のかなりの部分を占める。
したがって、改善されたＰＶ電池及びその形成方法を提供する機会が依然として存在する。
本発明は、光起電力（ＰＶ）電池を提供する。ＰＶ電池は、ケイ素を含む底基板を備え、かつ上部ドープ領域を含む。コーティング層は、底基板の上部ドープ領域上に配設され、外側表面を有する。互いに離間配置されている複数のフィンガーは、コーティング層中に配設される。フィンガーのそれぞれは、底基板の上部ドープ領域と電気的に接触する下部を有する。フィンガーのそれぞれはまた、コーティング層の外側表面を通じて外側に延在する下部の反対側にある上部を有する。フィンガーのそれぞれは、過半量でフィンガーのそれぞれの中に存在する第１の金属を含む。ブスバーは、底基板の上部ドープ領域から離間配置される。底基板の上部ドープ領域は、ブスバーと物理的に接触しない。ブスバーは、フィンガーの上部と電気的に接触する。ブスバーは、過半量でブスバー中に存在する第２の金属を含む。ブスバーは、フィンガーの第１の金属及びブスバーの第２の金属とは異なる第３の金属を更に含む。第３の金属は、約３００℃を超えない融解温度を有する。底基板の上部ドープ領域は、フィンガーを介してブスバーと電気通信する。
本発明はまた、本発明のＰＶ電池を形成する方法も提供する。本方法は、フィンガーの上部の少なくとも一部分に組成物を適用して、層を形成する工程を含む。底基板の上部ドープ領域は、組成物により形成される層と物理的に接触しない。第２の金属は、過半量で組成物中に存在する。第３の金属もまた、組成物中に存在する。本方法は、約３００℃を超えない温度まで層を加熱して、ブスバーを形成する工程を更に含む。底基板の上部ドープ領域は、フィンガーを介してブスバーと電気通信する。本発明のＰＶ電池は、多くの異なる波長の光を電気に変換するために使用されてもよい。
以下の添付の図面と関連付けて考慮すれば、以下の詳細な説明を参照することによって本発明が更に理解され、本発明は容易に評価され得る。
底基板、コーティング層、フィンガー、及び一対のブスバーを含む、ＰＶ電池の一実施形態の正面図である。 底基板の上部ドーブ領域、コーティング層、フィンガー、及びブスバーの１つを示す、図１の線２−２に沿った部分的な側面断面図である。 底基板の上部及び下部ドープ領域、コーティング層、フィンガー、ブスバー、電極を示す、ＰＶ電池の一実施形態の側面断面図である。 底基板の上部ドープ領域、コーティング層、フィンガー、及び一対のブスバーを示す、ＰＶ電池の一実施形態の部分的な断面斜視図である。 底基板の上部ドープ領域、非平坦表面、コーティング層、底基板内に延在する一対のフィンガーを示す、ＰＶ電池の別の実施形態の部分的な断面斜視図である。 ＰＶ電池を形成する方法の一実施形態の工程を示すフローチャートである。 ＰＶ電池の別の実施形態を形成する方法の別の実施形態の工程を示すフローチャートである。 ＰＶ電池のブスバーを形成するために有用な組成物のポリマー硬化及びはんだフローを示す図である。 底基板の上部ドープ領域、コーティング層、フィンガー、一対のブスバー、一対のタブ付きリボンを示し、タブ付きリボンのうちの１つがブスバーのうちの１つの上に配設されている、ＰＶ電池の別の実施形態の部分的な断面斜視図である。 不動態化層、不連続なフィンガー、及びブスバーを含む、ＰＶ電池の一実施形態の正面略図である。 不動態化層、不連続なフィンガー、補助フィンガー、及びブスバーを含む、ＰＶ電池の一実施形態の正面略図である。 不動態化層、フィンガー、ブスバー、及び補助ブスバーパッドを含む、ＰＶ電池の一実施形態の正面略図である。 不動態化層、フィンガー、一対のブスバー、及び補助ブスバーを含む、ＰＶ電池の一実施形態の正面略図である。 不動態化層、パッドを有するフィンガー、及びブスバーを含む、ＰＶ電池の一実施形態の正面略図である。 不動態化層、中空パッドを有するフィンガー、及びブスバーを含む、ＰＶ電池の一実施形態の正面略図である。 不動態化層、不連続なフィンガー、補助フィンガー、及びブスバーを含む、ＰＶ電池の一実施形態の正面略図である。 比較及び本発明の実施例の短絡電流密度（Ｊｓｃ）を示すボックスグラフである。 比較及び本発明の実施例の開回路電圧（Ｖｏｃ）を示すボックスグラフである。 比較及び本発明の実施例の電池効率（ＮＣｅｌｌ）を示すボックスグラフである。 比較及び本発明の実施例の効率の割合を示すボックスグラフである。 比較及び本発明の実施例のＪｓｃを示す別のボックスグラフである。 比較及び本発明の実施例のＶｏｃを示す別のボックスグラフである。 本発明のタブ付きブスバー、フィンガー、及び不動態化層を示す（図面形態に変換される）断面の光学顕微鏡写真である。 湿熱劣化後の比較及び本発明の実施例のＪｓｃを示す線グラフである。 湿熱劣化後の比較及び本発明の実施例のＶｏｃを示す線グラフである。 湿熱劣化後の比較及び本発明の実施例のシート抵抗（ｒｓ）を示す線グラフである。
同様の数字が、幾つかの図を通して同様の部分を示している図面を参照すると、光起電力（ＰＶ）電池の実施形態は、概して、２０で示されている。ＰＶ電池２０は、多くの異なる波長の光を電気に変換するために有用である。したがって、ＰＶ電池２０は、様々な用途のために使用され得る。例えば、複数のＰＶ電池２０は、太陽モジュール（図示せず）において使用され得る。太陽モジュールは、様々な場所において、及び住宅、商業的、又は工業的用途などの様々な用途のために使用され得る。例えば、太陽モジュールを使用して、電気を生成することができ、これを使用して、電気装置（例えば、光及び電気モーター）に動力を供給することができるか、太陽モジュールを使用して、太陽光から物体を遮蔽する（例えば、駐車スペース上に配設される太陽モジュール下に駐車される自動車を遮蔽する）ことができる。ＰＶ電池２０は、いかなる特定の種類の使用にも限定されない。図面は、縮尺通りに図示されない。したがって、ＰＶ電池２０のある成分は、示されるものよりも大きくても、小さくてもよい。
図１を参照すると、ＰＶ電池２０は、丸みを帯びた角のある正方形構成、即ち、擬似正方形で示される。この構成が示されているが、ＰＶ電池２０は、様々な形状に構成され得る。例えば、ＰＶ電池２０は、角のある長方形、丸みを帯びた角又は曲線の角のある長方形、円形などであり得る。ＰＶ電池２０は、いかなる特定の形状にも限定されない。ＰＶ電池２０は、様々な大きさ、例えば、１０．２×１０．２ｃｍ（４×４インチ）の正方形、１２．７×１２．７ｃｍ（５×５インチ）の正方形、１５．２×１５．２ｃｍ（６×６インチ）の正方形などであり得る。ＰＶ電池２０は、いかなる特定の大きさにも限定されない。
図２を参照すると、ＰＶ電池２０は、底基板２２を備える。底基板２２は、ケイ素を含む。このケイ素はまた、当該技術分野において、半導体材料と称され得る。様々な種類のケイ素、例えば、単結晶ケイ素、多結晶ケイ素、非晶質ケイ素、又はこれらの組み合わせなどが利用され得る。ある実施形態において、底基板２２は、結晶ケイ素、例えば、単結晶ケイ素を含む。ＰＶ電池２０は一般に、当該技術分野において、ウェハ型のＰＶ電池２０と称される。ウェハは、典型的には、単一（単）結晶又は多結晶ケイ素インゴットからウェハを機械的に切り取って形成されるケイ素の薄いシートである。代替として、ウェハは、ケイ素を鋳造すること、エピタキシャルリフトオフ法、ケイ素融液からケイ素シートを引き出すことなどから形成され得る。
底基板２２は一般に、略平面的であるが、非平面的であってもよい。底基板２２は、非平坦表面２４を含み得る。非平坦表面２４は、ＰＶ電池２０の反射率を低減させるために有用である。非平坦表面２４は、角錐、逆角錐、不規則角錐、等方性などの様々な構成のものであってもよい。テクスチャリングの例は、図５に示されている。テクスチャリングは、様々な方法によって底基板２２に付与され得る。例えば、エッチング液は、底基板２２にテクスチャリングするために使用され得る。ＰＶ電池２０は、いかなる特定の種類のテクスチャリングプロセスにも限定されない。底基板２２、例えば、ウェハは、厚さが平均して約１〜約１０００、約７５〜約７５０、約７５〜約３００、約１００〜約３００、又は約１５０〜約２００μｍといったような様々な厚さであり得る。
底基板２２は、典型的には、ｐ型又はｎ型ケイ素基板（ドーピングに基づく）として分類される。底基板２２は、一般に、太陽に上向きの／対向する側である、上部（又は前側）ドープ領域２６を含む。上部ドープ領域２６はまた、当該技術分野において、表面エミッタ層又は活性半導体層とも称され得る。ある実施形態において、底基板２２の上部ドープ領域２６は、ｎ型ドープ領域２６（即ち、ｎ＋エミッタ層）であり、そのため、底基板２２の残部は一般に、ｐ型である。他の実施形態において、底基板２２の上部ドープ領域２６は、ｐ型ドープ領域２６（即ち、ｐ＋エミッタ層）であり、そのため、底基板２２の残部は一般に、ｎ型である。上部ドープ領域２６は、厚さが平均して約０．１〜約５、約０．３〜約３、又は約０．４μｍといったような様々な厚さであり得る。「選択的エミッタ」法などにおいて、フィンガー３６（以下に記載される）下のドーピングが増加するように、上部ドープ領域２６が適用され得る。
図３を参照すると、底基板２２は典型的には、上部ドープ領域２６の反対側にある下部ドープ領域２８を含む。下部ドープ領域２８はまた、当該技術分野において、裏面電界（ＢＳＦ）と称され得る。典型的には、ドープ領域のうちの一方、例えば、上部２６がｎ型であり、他方のドープ領域、例えば、下部２８がｐ型である。反対の配置、即ち、上部２６がｐ型であり、下部２８がｎ型である、もまた使用され得る。反対側のドープ領域２６、２８が界面接続するような構成は、当該技術分野において、ｐ−ｎ接合（Ｊ）とも称され、少なくとも１つの正（ｐ）の領域及び１つの負（ｎ）の領域がある場合、光励起される電荷分離のために有用である。具体的には、異なるドーピングの２つの領域が隣接する場合、その間に画定される境界は一般に、当該技術分野において、接合と称される。ドーピングが反対側の極性からなる場合、接合（Ｊ）は一般に、ｐ−ｎ接合（Ｊ）と称される。ドーピングが単に異なる濃度からなる場合、「境界」は、同様の領域、例えば、ｐ領域とｐ＋領域との間の界面のような界面と称され得る。一般に、図面に示されるように、かかる接合（Ｊ）は、どの種類のドーピングが底基板２２に利用されるかに応じて、任意であり得る。ＰＶ電池２０は、いかなる特定の接合（複数可）（Ｊ）の数又は場所にも限定されない。例えば、ＰＶ電池２０は、表面又は裏面上の１つの接合（Ｊ）のみを含み得る。
様々な種類のドーパント及びドーピング方法を利用して、底基板２２のドープ領域２６、２８を形成することができる。例えば、拡散炉を使用して、ｎ型ドープ領域２６、２８を形成して、ｎ−ｐ（又は「ｐ−ｎ」）接合（Ｊ）を得ることができる。好適なガスの一例は、塩化ホスホリル（ＰＯＣｌ３）である。リンに加えて、又は代替として、ヒ素を使用して、ｎ型領域２６、２８を形成することもできる。第Ｖ族からの元素周期表のうちの少なくとも１つ、例えば、ホウ素又はガリウムを使用して、ｐ型領域２６、２８を形成することができる。ＰＶ電池２０は、いかなる特定の種類のドーパント又はドーピングプロセスにも限定されない。
底基板２２のドーピングは、様々な濃度であり得る。例えば、底基板２２は、異なるドーパント濃度でドーピングして、約０．５〜約１０、約０．７５〜約３、又は約１Ω・ｃｍ（Ω．ｃｍ）の抵抗を得ることができる。上部ドープ領域２６は、異なるドーパント濃度でドーピングして、約５０〜約１５０、又は約７５〜約１２５、又は約１００Ω／□（１平方当たりのΩ）のシート抵抗を得ることができる。一般には、より高濃度のドーピングは、より高い開回路電圧（Ｖｏｃ）及びより低い抵抗をもたらし得るが、より高濃度のドーピングはまた、電池性能を激減させる電荷再結合をもたらし得、かつ結晶中の欠陥領域を導入し得る。
典型的には、上部ドープ領域２６の反対側にある下部ドープ領域２８上に配設された電極３０がある。電極３０は、下部ドープ領域２８の全体又はその一部分のみを被覆し得る。後者の場合、不動態化層（図示せず）、例えば、ＳｉＮｘの一層を使用して、下部ドープ領域２８の露出した部分を保護するが、不動態化層は、電極３０と、直接物理的及び電気的に接触する下部ドープ領域２８の部分との間には使用されない。電極３０は、一層、局在的接触を有する層、又はフィンガー及びブスバーを備える接触グリッドの形態を採り得る。好適な構成の例としては、ｐ型系構成、ｎ型系構成、ＰＥＲＣ又はＰＥＲＬ型構成、両面ＢＳＦ型構成、内在性薄層を有するヘテロ接合（ＨＩＴ）構成などが挙げられる。ＰＶ電池２０は、いかなる特定の種類の電極３０又は電極構成にも限定されない。これらの実施形態のうちの幾つか、及び他のものが、以下に詳細に説明される。
下部ドープ領域２８がｐ型である実施形態において、電極３０は、典型的には、元素周期律表の第ＩＩＩ族のうちの少なくとも１つ、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を含む。Ａｌは、ｐ型ドーパントとして使用され得る。例えば、Ａｌペーストを底基板２２に適用し、燃成して、電極３０を形成することができるが、一方、下部ｐ＋型ドープ領域２８を形成することもできる。スクリーン印刷プロセスなどの様々な方法によって、Ａｌペーストを適用することができる。他の好適な方法は、以下に説明される。
図２及び３に最良に示されるように、コーティング層３２は、上部ドープ領域２６上に配設される。コーティング層３２は、例えば、ＰＶ電池２０の反射率の低減、並びに一般に、表面及びバルクの不動態化によるウェハの寿命の改善によって、ＰＶ電池２０により太陽光吸収を増加させるために有用である。コーティング層３２は、上部ドープ領域２６の反対側に外側表面３４を有する。コーティング層３２はまた、当該技術分野において、誘電性不動態化層、又は反射防止コーティング（ＡＲＣ）層とも称され得る。
コーティング層３２は、様々な材料から形成され得る。ある実施形態において、コーティング層３２は、ＳｉＯｘ、ＺｎＳ、ＭｇＦｘ、ＳｉＮｘ、ＳｉＣＮｘ、ＡｌＯｘ、ＴｉＯ２、透明導電酸化物（ＴＣＯ）、又はこれらの組み合わせを含む。好適なＴＣＯの例には、ドープした金属酸化物、例えば、錫をドープした酸化インジウム（ＩＴＯ）、アルミニウムをドープした酸化亜鉛（ＡＺＯ）、インジウムをドープした酸化カドミウム、フッ素をドープした酸化錫（ＦＴＯ）、又はこれらの組み合わせが含まれる。ある実施形態において、コーティング層３２は、ＳｉＮｘを含む。ＳｉＮｘの使用は、その卓越した表面不動態化の質により有用である。窒化ケイ素はまた、ＰＶ電池２０の表面で担体再結合を阻止するために有用である。
コーティング層３２は、２つ以上の副層（図示せず）から形成され得、そのため、コーティング層３２はまた、スタックとも称され得る。かかる副層は、底面ＡＲＣ（Ｂ−ＡＲＣ）層及び／又は上面ＡＲＣ（Ｔ−ＡＲＣ）層を含み得る。かかる副層はまた、誘電性層とも称され得、同じ又は異なる材料から形成され得る。例えば、ＳｉＮｘの２つ以上の副層である、ＳｉＮｘの副層及びＡｌＯｘの副層などが存在し得る。
コーティング層３２は、様々な方法によって形成され得る。例えば、コーティング層３２は、プラズマ助長化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）プロセスを使用することによって形成され得る。コーティング層３２がＳｉＮｘを含む実施形態において、シラン、アンモニア、及び／又は他の前駆物質が、ＰＥＣＶＤ炉中で使用され、コーティング層３２を形成することができる。コーティング層３２は、厚さが平均して約１０〜約１５０、約５０〜約９０、又は約７０ｎｍといったような様々な厚さであり得る。十分な厚さは、コーティング材料及び底基板２２の屈折率によって判定され得る。ＰＶ電池２０は、いかなる特定の種類のコーティングプロセスにも限定されない。
複数のフィンガー３６は、互いに離間配置され、コーティング層３２中に配設される。フィンガー３６のそれぞれは、底基板２２の上部ドープ領域２６と電気的に接触する下部３８を有する。実際に電気的に接触する下部３８は、フィンガー３６の先端／末端のように非常に小さくてもよい。フィンガー３６のそれぞれはまた、コーティング層３２の外側表面３４を通じて外側に延在する下部３８の反対側に上部４０を有する図１及び４に最良に示されるように、フィンガー３６は、一般に、グリッドパターン中に配設される。典型的には、フィンガー３６は、フィンガー３６が、比較的狭いが、抵抗損失を最小限に抑えるのに十分な厚さであるように、配設される。フィンガー３６の配向及び数は、異なり得る。
図５に示されるように、ある実施形態において、フィンガー３６は、底基板２２内に下方に延在する。かかる構成は、当該技術分野において、「埋め込み接触電池」と称される場合もある。溝は、レーザによって底基板２２中に形成されることが可能で、ＰＶ電池２０は、当該技術分野において、レーザ溝付き埋め込みグリッド（ＬＧＢＧ）ＰＶ電池２０と称される場合もある。典型的には、かかるＰＶ電池２０は、溝の周囲に局所「選択的エミッタ」層４２、例えば、ｎ＋＋エミッタ層を含む。レーザ以外にソーイング、エッチングなどの他の方法を利用してもまた、溝を形成することができる。
フィンガー３６は、幅が平均して約１０〜約２００、約７０〜約１５０、約９０〜約１２０、又は約１００μｍといったような様々な幅であり得る。フィンガー３６は、例えば、平均して約１〜約５、約２〜約４、又は約２．５ｍｍといったように、互いに様々な距離を隔てて離間配置され得る。フィンガー３６は、厚さが平均して約５〜約５０、約５〜約２５、又は約１０〜約２０μｍといったような様々な厚さであり得る。
フィンガー３６のそれぞれは、過半量でフィンガー３６のそれぞれの中に存在する第１の金属を含む。第１の金属は、様々な種類の金属を含み得る。ある実施形態において、第１の金属は、銀（Ａｇ）を含む。他の実施形態において、第１の金属は、銅（Ｃｕ）を含む。「過半量」とは、一般に、第１の金属がフィンガー３６の主要な成分であり、そのため、フィンガー３６中に同様に存在し得るあらゆる他の成分よりも多い量で存在することを意味する。ある実施形態において、かかる過半量の第１の金属、例えば、Ａｇは、一般に、フィンガー３６の全重量に基づいてそれぞれ、約３５重量％を超える、約４５重量％を超える、約５０重量％を超える。
フィンガー３６は、様々な方法によって形成され得る。好適な方法には、スパッタリング、蒸着、ストリップ若しくはパッチコーティング、インクジェット印刷、スクリーン印刷、グラビア印刷、文字印刷、熱性印刷、分配若しくは転写印刷、スタンピング、電気めっき、無電解めっき、又はこれらの組み合わせが含まれる。１つの方法の種類は一般に、エッチング／焼成プロセスと称され、以下に説明され、図６に示される。フィンガー３６を形成するのに好適な組成物について、以下で更に説明する。
ある実施形態において、フィンガー３６は、（エッチング／焼成プロセスよりもむしろ）めっきプロセスによって形成される。これらの実施形態において、フィンガー３６は、一般に、めっき又はスタック構造（図示せず）を含む。例えば、フィンガー３６は、ニッケル（Ｎｉ）、Ａｇ、Ｃｕ、及び／又は錫（Ｓｎ）の層のうちの２つ以上を含み得る。層は、様々な順番であり得るが、但し、Ｃｕ層（存在する場合）が底基板２２の上部ドープ領域２６と直接物理的に接触しないものとする。典型的には、Ａｇ、又はＣｕ以外の金属、例えばＮｉを含むシード層は、上部ドープ領域２６と接触する。ある実施形態において、シード層は、Ｎｉシリサイドを含む。次いで、後続層は、シード層上に配設され、フィンガー３６を形成する。フィンガー３６がＣｕを含む場合、Ｓｎ又はＡｇといった不動態化層が、酸化を阻止するためにＣｕ層の上に配設される。ある実施形態において、フィンガー３６の下部３８は、Ｎｉを含み、フィンガー３６の上部４０は、Ｓｎを含み、Ｃｕは、ＮｉとＳｎとの間に配設される。このようにして、Ｃｕは、Ｎｉ、Ｓｎ、及び周囲のコーティング層３２による酸化から保護される。かかる層は、様々な方法、例えば、エアゾール印刷、焼成、電気化学堆積などによって形成することができる。１つの方法が、以下に説明され、図７に示される。ＰＶ電池２０は、フィンガー３６を形成するいかなる特定の種類のプロセスにも限定されない。
ブスバー４４は、底基板２２の上部ドープ領域２６から離間配置される。図１及び図４に示されるように、ＰＶ電池２０は一般に、２つのブスバー４４を有する。ある実施形態において、ＰＶ電池２０は、３つ以上のブスバー４４（図示せず）、例えば、３つのブスバー４４、４つのブスバー４４、６つのブスバー４４などを有し得る。各ブスバー４４は、フィンガー３６の上部４０と電気的に接触する。ブスバー４４は、上部ドープ領域２６から電流を回収したフィンガー３６から電流を回収するために有用である。図４に最良に示されるように、ブスバー４４のそれぞれは、コーティング層３２の外側表面３４上及びフィンガー３６のそれぞれの周辺に配設されて、フィンガー３６の上部４０に密接な物理的及び電気的接触を提供する。典型的には、ブスバー４４は、フィンガー３６を横断する。別言すれば、ブスバー４４は、フィンガー３６に対して垂直を含む様々な角度で存在し得る。実際に物理的／電気的に接触する上部４０は、フィンガー３６の単に先端／末端のように小さくてもよい。かかる接触は、フィンガー３６から直接電流を流すために定位置にブスバー４４を定置する。フィンガー３６はそれら自体、底基板２２の上部ドープ領域２６と密接に物理的及び電気的に接触する。
ブスバー４４は、幅が平均して約０．５〜約１０、約１〜約５、又は約２ｍｍといったような様々な幅であり得る。ブスバー４４は、厚さが平均して約０．１〜約５００、約１０〜約２５０、約３０〜約１００、又は約３０〜約５０μｍといったような様々な厚さであり得る。ブスバー４４は、様々な距離を隔てて離間配置され得る。典型的には、ブスバー４４は、例えば、図１に示されるように、フィンガー３６の長さをほぼ同等の領域に分割するように離間配置される。
ブスバー４４は、過半量でブスバー４４中に存在する第２の金属を含む。「第２の」は、ブスバー４４の金属とフィンガー３６の「第１の」金属を区別するために使用され、量又は順番を示唆するものではない。第２の金属は、様々な種類の金属を含み得る。ある実施形態において、ブスバー４４の第２の金属は、フィンガー３６の第１の金属と同じである。例えば、第１の金属及び第２の金属は、Ｃｕであり得る。他の実施形態において、ブスバー４４の第２の金属は、フィンガー３６の第１の金属とは異なる。これらの実施形態において、第１の金属は、典型的には、Ａｇを含み、第２の金属は、典型的には、Ｃｕを含む。他の実施形態において、第２の金属は、Ａｇを含む。「過半量」とは、一般に、第２の金属がブスバー４４の主要な成分であり、そのため、ブスバー４４中に同様に存在し得るあらゆる他の成分よりも多い量で存在することを意味する。ある実施形態において、かかる過半量の第２の金属、例えばＣｕは、一般に、ブスバー４４の全重量に基づいてそれぞれ、約２５重量％を超える、約３０重量％を超える、約３５重量％を超える、又は約４０重量％を超える。
ブスバー４４はまた、一般に、第３の金属を含む。第３の金属は、フィンガー３６の第１の金属とは異なる。第３の金属はまた、ブスバー４４の第２の金属とは異なる。典型的には、これらの金属は、同じ金属の単に異なる酸化状態というよりもむしろ、異なる元素である。「第３の」は、ブスバー４４の金属とフィンガー３６の「第１の」金属を区別するために使用され、量又は順番を示唆するものではない。第３の金属は、第１の金属及び第２の金属の融解温度よりも低い温度で融解する。典型的には、第３の金属は、約３００℃を超えない、約２７５℃を超えない、又は約２５０℃を超えない融解温度を有する。かかる温度は、以下に更に説明する低温でブスバー４４を形成するために有用である。
ある実施形態において、第３の金属は、はんだを含む。はんだは、様々な金属又はその合金を含み得る。これらの金属のうちの１つは、典型的には、錫、鉛、ビスマス、カドミウム、亜鉛、ガリウム、インジウム、テルリウム、水銀、タリウム、アンチモン、Ａｇ、セレニウム、及び／又はこれらの金属のうちの２つ以上の合金である。ある実施形態において、はんだは、例えば、共晶合金（例えば、Ｓｎ６３／Ｐｂ３７）といったＳｎ合金を含む。ある実施形態において、はんだ粉末は、２つの異なる合金、例えば、Ｓｎ合金及びＡｇ合金、又は３つ以上の異なる合金を含む。第３の金属は、様々な量で、典型的には、第２の金属よりも少ない量でブスバー４４中に存在し得る。ブスバー４４は典型的には、以下に更に説明するように、第２の金属及び第３の金属に加えて、少なくとも１つのポリマーを含む。
図４に最良に示されるように、底基板２２の上部ドープ領域２６は、ブスバー４４と（直接）物理的に接触しない。具体的には、コーティング層３２は、ブスバー４４と上部ドープ領域２６との間の「バリア」として機能する。いかなる特定の理論にも拘束又は制限されることなく、ブスバー４４と、上部ドープ領域２６との物理的な分離は、少なくとも２つの理由により有益であると考えられる。第一に、かかる分離は、上部ドープ領域２６への第２の金属、例えばＣｕの拡散を阻止する。かかる拡散を阻止することが、上部ドープ領域２６、例えば、ｐ−ｎ接合（Ｊ）がブスバー４４の第２の金属によって分路されることを阻止すると考えられる。第２に、かかる物理的分離は、金属及びケイ素界面での少数担体の再結合を低減させると考えられる。金属／ケイ素界面の面積を低減させることによって、再結合による損失が一般に、低減され、開回路電圧（Ｖｏｃ）及び短絡電流密度（Ｊｓｃ）が一般に、改善されると考えられる。この面積は、コーティング層３２がブスバー４４の大部分と上部ドープ領域２６との間に配設されるため、低減され、フィンガー３６が、底基板２２の上部ドープ領域２６と接触する唯一の金属成分である。ＰＶ電池２０の更なる実施形態について、これより直後に説明する。
図１０のＰＶ電池２０は、図１のものと類似しているが、不連続のフィンガー３６を含む。ブスバー４４は、フィンガー３６間に画定される間隙４７の上に配設される。間隙４７は、様々な幅であり得るが、但し、ブスバー４４がフィンガー３６と電気的に接触するものとする。フィンガー３６は、１つの金属、例えば、Ａｇの大部分を含んでもよく、一方で、バスバー４４は、別の金属、例えば、Ｃｕを含んでもよい。間隙４７を有することにより、製造費用を低減することができ（例えば、使用されるＡｇの総量を低減することにより）、及び／又は接着に良い影響を受ける可能性がある。
図１１のＰＶ電池２０は、図１０のものと類似しているが、フィンガー３６ａの上に配設される補助フィンガー３６ｂを更に含む。補助フィンガー３６ｂは、ブスバー４４と同じ材料、例えばＣｕ、又は異なる材料を含み得る。補助フィンガー３６ｂ及びブスバー４４は、別々であっても（例えば、一方が他方の上に存在する）、一体型であってもよい。補助フィンガー３６ｂを利用することによって、フィンガー３６ａ（例えば、Ａｇフィンガー）の大きさは低減され得、これにより、製造費用を低減させる、及び／又は接着を改善し得る。
図１２のＰＶ電池２０は、フィンガー３６、ブスバー４４ａ、並びにフィンガー３６及びブスバー４４ａの上に配設される補助ブスバーパッド４４ｂを含む。フィンガー３６及びブスバー４４ａは、別々であっても、一体型であってもよい。フィンガー３６及びブスバー４４ａは、同じ大部分を占める金属、例えばＡｇを含み得るか、又は互いに異なり得る。ブスバーパッド４４ｂは、例えば、本発明の組成物から形成される場合、Ｃｕ又は別の金属を含み得る。ブスバーパッド４４ｂを利用することによって、ブスバー４４ａ（例えば、Ａｇのブスバー）の大きさが低減され得る。
図１３のＰＶ電池２０は、図１０及び図１２のものと類似しているが、一対のブスバー４４ａ、及びブスバー４４ａの上に配設される補助ブスバー４４ｂを含む。フィンガー３６及びブスバー４４ａは、別々であっても、一体型であってもよい。フィンガー３６及びブスバー４４ａは、同じ大部分を占める金属、例えばＡｇを含み得るか、又は互いに異なり得る。補助ブスバー４４ｂは、Ｃｕ又は別の金属を含み得る。補助ブスバー４４ｂを利用することによって、ブスバー４４ａの大きさが低減され得る。
図１４及び図１５のＰＶ電池２０は、図１０のものと類似しているが、間隙４７の定位置にパッドを有するフィンガー３６を含む。パッド付フィンガー３６は、ブスバー４４への電気的接触及び接着を改善させるのに役立ち得るが、一方、使用されるＡｇの量を低減させ、製造費用を低減させる。図１５のフィンガー３６は、中空パッド、即ち、内部間隙４７を有し、これは、製造費用を低減させ、接着に良い影響を及ぼし得る。ブスバー４４の一部分は、中空パッド付フィンガー３６の間隙４７中に配設され得る。
図１６のＰＶ電池２０は、図１０のものと類似しているが、その上に配設される補助フィンガー３６ｂを有する不連続なフィンガー３６ａを含む。不連続なフィンガー３６ａは、様々な形状、例えば、長方形、正方形、点、又はこれらの組み合わせであり得る。かかるフィンガー３６ａは、めっき、印刷、又は別の方法で形成され得る。複数の間隙４７は、不連続なフィンガー３６ａによって画定される。補助フィンガー３６ｂ及びブスバー４４は、別々であっても、一体型であってもよい。不連続なフィンガー３６ａ及び補助フィンガー３６ｂを利用することによって、製造費用を低減させ得る。不連続なフィンガー３６ａは、典型的には、エミッタ２６と接触するが、一方、補助フィンガー３６ｂ及びブスバー４４は、電流を流す。
本発明はまた、ＰＶ電池２０を形成する方法も提供する。本方法は、組成物をフィンガー３６の上部４０に適用して、層４４”を形成する工程を含む。本明細書で使用される場合、引用符（”）は、一般に、各成分の異なる状態、例えば、硬化前、焼結前などを示す。前述したように、組成物は、様々な方法によって適用され得る。ある実施形態において、組成物が、フィンガー３６の上部４０の少なくとも一部分に印刷されて、層４４”を形成する。様々な種類の堆積方法、例えば、スクリーン若しくはステンシルを介した印刷、又は他の方法、例えば、エアロゾル、インクジェット、グラビア、若しくはフレキソ印刷が、利用され得る。ある実施形態において、組成物が、コーティング層３２の部分及びフィンガー３６の上部４０上に直接スクリーン印刷される。
図６及び図７に示されるように、底基板２２の上部ドープ領域２６は、層４４”と（直接）物理的接触がない。組成物を、コーティング層３２及びフィンガー３６のそれぞれの周辺に適用して、フィンガー３６の上部４０を層４４”に直接物理的及び電気的に接触させ得る。
前述のように、層４４”を形成するために使用される組成物（最終的にはブスバー４４）は、過半量で組成物中に存在する第２の金属を含む。かかる量は、上で説明される通りである。典型的には、第２の金属はＣｕである。組成物はまた、第３の金属を含む。典型的には、第３の金属は、はんだ、例えば、Ｓｎ６３Ｐｂ３７である。この組成物は一般に、被覆層にエッチングすることができる成分、例えば、フリット化されたガラスを含まず、そのため、被覆シートは組成物によりエッチングされない。
Ｃｕペーストの様々な種類を組成物として使用して、層４４”を形成することができる。ある実施形態において、組成物は、第２の金属として銅粉末、第３の金属としてはんだ粉末を含む。はんだ粉末は、銅粉末の融解温度よりも低い温度で融解する。組成物は、ポリマー、又はポリマーを得るために重合可能なモノマーを更に含む。ポリマーは一般に、熱硬化性樹脂、例えば、エポキシ、アクリル、シリコーン、ポリウレタン、又はこれらの組み合わせである。組成物は、ポリマーのための架橋剤、及び／又はポリマーの架橋を促進するための触媒を更に含み得る。架橋剤は、カルボキシル化ポリマー、ダイマー脂肪酸、及びトリマー脂肪酸から選択され得る。組成物は、レオロジーを調節するための溶媒を含み得る。他の添加剤、例えば、ジカルボン酸及び／又はモノカルボン酸、接着促進剤、消泡剤、充填剤などもまた、含まれ得る。組成物として有用な、好適なＣｕペースト及びその成分の更なる例は、Ｃｒａｉｇによる米国特許第７，０２２，２６６号と、Ｃｒａｉｇらによる米国特許第６，９７１，１６３号とに開示されており、それらの両方が本発明の一般的な範囲と矛盾しない程度まで、その全体が参照することにより本明細書に組み込まれる。
本方法は、約３００℃を超えない温度まで層４４”を加熱して、ブスバー４４を形成する工程を更に含む。加熱は、垂直の波線により、図６及び図７に示される。層４４”は、概ね、約１５０〜約３００℃、約１７５〜約２７５℃、約２００〜約２５０℃、又は約２２５℃の温度まで加熱される。ある実施形態において、層４４”が約２５０℃以下で加熱され、ブスバー４４を形成する。かかる温度は一般に、層４４”中に第３の金属（例えば、はんだ）を焼結するが、層４４”中に第２の金属（例えば、Ｃｕ）を焼結して、ブスバー４４を形成することはない。かかる加熱はまた、当該技術分野において、リフロー又は焼結と称され得る。
図８を参照すると、層４４”の加熱中に、はんだ４８”の粒子は、Ｃｕ ４６の粒子を焼結及びコーティングして、ブスバー４４を形成すると考えられる。この間にもまた、ポリマー４５”は、揮発物、及び最終的な硬化状態４５への架橋を失い得る。かかるコーティングは、はんだでコーティングされたＣｕ ４６が、ＰＶ電池２０の電流を運ぶことを可能にし、かつＣｕ ４６の酸化を阻止することもできる。より低い温度のため、Ｃｕ ４６は、約１０００℃の融解温度を有することに基づき、一般に加熱中に焼結しない。この加熱工程の低温は、一般に、温度に敏感な底基板２２、例えば、非晶質ケイ素の使用を可能にする。
層４４”は、様々な長さの時間加熱して、ブスバー４４を形成することができる。典型的には、層４４”は、ブスバー４４を形成するのに必要とされる時間の間のみ加熱される。かかる時間は、日常的な実験によって判定され得る。はんだ４８”でコーティングされる前に、不活性ガス、例えば、窒素（Ｎ２）ガスブランケットを使用して、Ｃｕ ４６の早期酸化を阻止することができる。より長時間のブスバー４４の不必要な過熱は、上部ドープ領域２６、又はブスバー４４を含むＰＶ電池２０の他の成分を損傷させる場合がある。
図６を参照すると、一実施形態において、ブスバー４４を形成する前に、本方法は、コーティング組成物を底基板２２の上部ドープ領域２６に適用して、コーティング層３２を形成する工程を含む。コーティング組成物は、様々な成分、例えば、上で説明されたコーティング層３２を形成するために好適なものを含み得る。コーティング組成物は、上で紹介されるように、様々な方法によって適応され得る。例えば、ＰＥＣＶＤプロセスを利用することができる。コーティング層３２がＳｉＮｘを含む実施形態において、シラン、アンモニア、及び／又は他の前駆物質が、ＰＥＣＶＤ炉中で使用され、コーティング層３２を形成し得る。
本方法は、形成されるべきフィンガー３６に対応するフィンガーパターンにおいて、金属性組成物をコーティング層３２の部分に適用する工程を更に含む。図６に示されるように、フィンガーパターン３６”のそれぞれは、コーティング層３２と接触する下部３８”と、適用後のコーティング層３２から離間配置された上部４０”とを有する。金属性組成物は、上で示唆されるように、様々な方法によって適用され得る。ある実施形態において、金属性組成物は、コーティング層３２の部分上に印刷されて、フィンガーパターン３６”を形成する。スクリーン印刷、ステンシル印刷、エアロゾル印刷、インクジェット印刷、グラビア印刷、又はフレキソ印刷などの様々な種類の印刷方法が利用され得る。ある実施形態において、金属性組成物は、コーティング層３２上に直接スクリーン印刷されて、フィンガーパターン３６”を形成する。他の実施形態において、金属性組成物は、コーティング層３２の部分上に電気化学的に堆積されて、フィンガーパターン３６”を形成する。他の好適な方法は、前述されている。
金属性組成物は、過半量で金属性組成物中に存在する第１の金属を含む。かかる量は、上で説明される通りである。典型的には、第１の金属がＡｇである。金属性組成物は、典型的には、コーティング層３２にエッチングするための１つ以上の成分を含む。かかる成分には、一般に、フリット化された鉛枠ガラスが含まれる。他の成分はまた、無鉛又は低鉛ガラスなどの鉛枠ガラスに加えて、又は代替として使用され得る。
様々な種類のフリット化されたＡｇペーストが、金属性組成物として使用され得る。かかるペーストには、一般に、有機担体が含まれる。高温処理又は「焼成」時、有機担体は、燃え尽きて、バルク組成物から除去される。Ａｇ粒子は、担体にわたって分散される。溶媒は、ペーストのレオロジーを調節するために含まれ得る。フリット化されたペーストには、一般に、ＰｂＯ、Ｂ２Ｏ３、及びＳｉＯ２を含む、ガラスフリットが含まれる。本方法は、いかなる特定のフリット化されたＡｇペーストにも限定されないが、但し、このペーストは、以下に説明されるように、高温で被覆シートを通じてエッチングすることができる。好適なフリット化されたＡｇペーストの見本は、オハイオ州メイフィールドハイツのＦｅｒｒｏ及びペンシルバニア州ウエストコンショホッケンのＨｅｒａｅｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＬＬＣから市販されている。
本方法は、フィンガーパターン３６”を加熱して、フィンガー３６を形成する工程を更に含む。フィンガーパターン３６”は、概ね、約２５０〜約１０００℃、約５００〜約９００℃、又は約７２０℃の温度まで加熱される。かかる温度は、一般に、フィンガーパターン３６”において、第１の金属を焼結して、フィンガー３６を形成する。この加熱工程は、一般に、ブスバー４４を形成するために使用される加熱工程に対して更に高い温度である。加えて、ガラスフリットは、フィンガーパターン３６”がコーティング層３２を通じてエッチングすることを可能にし、冷却時に、分相する。これにより、底基板２２の上部ドープ領域２６へのフィンガー３６の直接の電気的接触を可能にする。かかる加熱はまた、当該技術分野において、焼成とも称され得る。
フィンガーパターン３６”は、コーティング層３２を通じてエッチングするのに様々な長さの時間加熱することができる。典型的には、フィンガーパターン３６”をフィンガー３６に必要とされる時間の間のみ加熱して、上部ドープ領域２６を均一に接触させる。かかる時間は、日常的な実験によって判定され得る。より長時間のフィンガー３６の不必要な過熱は、上部ドープ領域２６、又はＰＶ電池２０の他の成分を損傷させる場合がある。コーティング層３２を通じてエッチングすることができるように、フィンガーパターン３６”を加熱した後、本方法は、上で説明されるように、組成物をフィンガー３６の上部４０の少なくとも一部分に適用して、層４４”を形成する工程を更に含む。
図７を参照すると、別の実施形態において、フィンガー４４は、上の実施形態で説明されるものとは異なる方法で形成される。コーティング層３２は、上で説明されるように形成され得る。コーティング層３２が形成された後、孔５２がその中に形成される。これらの孔５２は、レーザアブレーション、化学エッチング、物理的エッチングなどの様々な方法によって形成され得る。かかるエッチングは、上で説明されるフィンガー３６の「エッチング」とは異なる。次いで、フィンガー３６が孔５２中に形成される。これらのフィンガー３６は、一般に、上で説明されるように、めっきされたフィンガー３６である。フィンガー３６は、様々な金属を孔５２に堆積させることによって形成され得る。様々なプロセスを使用することが可能であり、異なるプロセスをフィンガー３６の各層に使用することができる。電気化学めっきプロセスを使用して、孔５２中にこの層を形成し得る。典型的には、かかるプロセスは、上で説明されるような別々の加熱／焼成工程を必要としない。フィンガー３６を形成した後、本方法は、上で説明されるように、組成物をフィンガー３６の上部４０の少なくとも一部に適用して、層４４”を形成する工程を更に含む。
ブスバー４４は、直接はんだ付け可能であり、これは、例えば、リボンを付着させる、又はＰＶ電池２０のブスバー４４を相互に連結させることによって、複数のＰＶ電池２０を一緒にタブ付けするために有用である。別言すれば、典型的には、そこに直接はんだ付けする前にブスバー４４から除去する必要があるトップコート層も、保護層も、最外層もない。これは、製造時間、複雑性、及び費用の低減を提供する。例えば、タブ付け５０は、講じるべき更なる工程を必要とせずに、ブスバー４４に直接はんだ付け可能である。ある実施形態において、これに対する例外は、更なるフラックス工程であり得る。概して、表面は、はんだが、処理後の表面上で浸潤し得る場合、直接はんだ付け可能である。例えば、基板に銅線を直接はんだ付けするか（商業的に適当な時間枠内で、典型的には、適用されたフラックスを使用して）、錫めっきのはんだごてを使用してブスバー上にはんだ層を定置するか、あるいは単に基板を加熱して、はんだが電極表面に浸潤することを確認することができる場合、この材料は、直接はんだ付け可能であり得る。はんだ付け不可能なシステムの場合、フラックスを適用し、広範囲に加熱した後でさえ、はんだは表面を濡らさず、はんだ接合を行うことはできない。ブスバー４４を使用し、タブ付けすることによって、フィンガー３６からの電流を効果的に回収することが可能である。上で紹介されているように、ＰＶ電池２０は、様々な用途に使用され得る。
図９を参照すると、タブ付け５０は、ブスバー４４上に配設される。ある実施形態において、タブ付け５０は、ＰＶ電池２０のブスバー４４に直接はんだ付け可能である。他の実施形態において、更なるはんだ（図示せず）が、ブスバー４４とタブ付け５０との間に使用され得る。フラックス手段を使用して、フラックスペン又はフラックスベッドなどのはんだ付けをするのに役立て得る。タブ付け５０それ自体もまた、Ｓｎ又はＳｎ合金及びフラックスなどのフラックスを含み得る。タブ付け５０は、Ｃｕ、Ｓｎなどの様々な材料から形成され得る。かかるタブ付け５０を使用して、一連のＰＶ電池２０を接続することができる。例えば、ＰＶ電池モジュール（図示せず）は、複数のＰＶ電池２０を含み得る。タブ付け５０、例えば、リボンは、一般に、直列にＰＶ電池２０を電気接続するために、ＰＶ電池２０のブスバー４４と物理的に接触する。タブ付け５０はまた、当該技術分野において、相互接続とも称され得る。ＰＶモジュールはまた、他の成分、例えば、タイ層、基板、スーパーストレート、並びに／又は強度及び安定性を提供する更なる材料などを含み得る。多くの用途では、ＰＶ電池２０は、風及び雨などの環境要因からの更なる保護を提供するために封入されている。
１つ以上の構造／成分、例えば本発明の組成物から形成された導体、電極、及び／又はブスバーなどを形成するための本発明の組成物を利用する、様々な種類のＰＶ電池２０の更なる実施形態は、同時係属ＰＣＴ出願第＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿号（代理人整理番号ＤＣ１１３７０ ＰＳＰ１；０７１０３８．０１０９１）に記載されており、対象出願と同時に出願され、本開示は、本発明の一般的な範囲と矛盾しない程度まで、その全体が参照することにより組み込まれる。
直前に記載の実施形態、及び本明細書で説明される他の実施形態において、本発明の組成物は、金属粉末と、金属粉末の融解温度より低い融解温度を有するはんだ粉末と、ポリマーと、金属粉末をフラクシングして、ポリマーを架橋するためのポリマーとは異なるカルボキシル化ポリマーと、金属粉末をフラクシングするためのジカルボン酸と、金属粉末をフラクシングするためのモノカルボン酸と、を一般的に含む。組成物は、任意に、溶媒及び／又は接着促進剤などの添加剤を更に含み得る。
金属粉末は、銅を含むことができ、はんだ粉末は、約３００℃を超えない融解温度を有し得る。はんだ粉末が、錫−ビスマス（ＳｎＢｉ）合金、錫−銀（ＳｎＡｇ）合金、又はこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含み得る。特定の実施形態において、はんだ粉末は、少なくとも１つの錫（Ｓｎ）合金、並びに０．５重量％（ｗｔ％）を超えない水銀、カドミウム、及び／又はクロム、及び／又は鉛を含む。
様々な実施形態において、組成物の総重量に基づいてそれぞれ、金属及びはんだ粉末は、約５０〜約９５重量％の量で集合的に存在し、金属粉末は、約３５〜約８５重量％の量で存在し、並びに／又は、はんだ粉末は、約２５〜約７５重量％のうちの任意の量で存在する。
ポリマーは、エポキシ樹脂を含み得、カルボキシル化ポリマーは、スチレン−アクリル系共重合体などのアクリル系ポリマーを含み得る。様々な実施形態において、組成物の総重量に基づいてそれぞれ、ポリマー及びカルボキシル化ポリマーは、約２．５％〜約１０重量％の量で集合的に存在し、ポリマーは、約０．５〜約５重量％の量で存在し、及び／又はカルボキシル化ポリマーは、約１〜約７．５重量％の量で存在する。ある実施形態において、ポリマー及びカルボキシル化ポリマーは、約１：１〜約１：３（ポリマー：カルボキシル化ポリマー）の重量比で存在する。
ジカルボン酸はドデカン二酸（ＤＤＤＡ）であり得、モノカルボン酸は、ネオデカン酸であり得る。様々な実施形態において、ジカルボン酸は、約０．０５〜約１重量％の量で、及び／又はモノカルボン酸は、約０．２５〜約１．２５重量％の量で、それぞれ組成物の全重量に基づいて存在する。これらの組成物の更なる態様は、同時係属中の出願を参照することで、理解され得る。
本発明のＰＶ電池２０及び方法を示す以下の実施例は、本発明の説明を意図するものであり、限定することを意図していない。組成物を形成するために使用される各成分の量及び種類は、以下の表１〜３に示される通りであり、全ての値は、別途記載のない限り、各組成物の総重量に基づいて、重量％で示される。
Figure 2015506108
 第２の金属１は、日本のＭｉｔｓｕｉ Ｍｉｎｉｎｇ ＆ Ｓｍｅｌｔｉｎｇ Ｃｏ．から市販の銅粉末である。
第２の金属２は、Ｆｅｒｒｏから市販されている従来の銀粉末である。
第３の金属１は、Ｉｎｄｉｕｍ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａから市販されている、約２２１℃の融解温度を有するＳｎ４２／Ｂｉ５８合金である。
第３の金属２は、約１８３℃の融解温度を有する、Ｓｎ６３／Ｐｂ３７合金である。
第３の金属３は、Ｉｎｄｉｕｍ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａから市販されている、約２２１℃の融解温度を有するＳｎ９６．５／Ａｇ３．５合金である。
ポリマー１は、エピクロロヒドリンとビスフェノールＡとの反応生成物を含み、かつ５００〜５６０グラム／当量のエポキシ当量（ＥＥＷ）を有する固体エポキシ樹脂であり、ミシガン州ミッドランドのＤｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌから市販されている。
ポリマー２は、ミシガン州ミッドランドのＤｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｃｏｒｐ．から市販されているシリコーンである。
ポリマー３は、ニュージャージー州フローラムパークのＢＡＳＦ Ｃｏｒｐ．から市販されている、約２３８の酸価を有する低分子量スチレン−アクリルコポリマーである。
ポリマー４は、ＢＡＳＦ Ｃｏｒｐ．から市販されているポリウレタン樹脂である。
添加剤１は、イリノイ州シカゴのＳｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈから市販されているモノテルペンアルコールである。
添加剤２は、Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈから市販されているスチレン二臭化物である。
添加剤３は、Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈから市販されているドデカン二酸である。
添加剤４は、Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈから市販されているプロピレングリコールである。
添加剤５は、イリノイ州カーペンターズビルのＨｅｘｉｏｎ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓから市販されているネオデカン酸である。
添加剤６は、Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈから市販されているベンジルアルコールである。
添加剤７は、Ｋｅｎｒｉｃｈ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｃｏ．から市販されているチタン酸塩接着促進剤である。
添加剤８は、Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｃｏｒｐ．から市販されている２−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシランを含むシラン接着促進剤である。
添加剤９は、Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌから市販されているブチルカルビトールである。
Figure 2015506108
Figure 2015506108
一連の１２．７ｃｍ（５インチ）の単結晶ケイ素電池（ウェハ）が、Ａｇ及びＣｕペーストの適用のために調製される。上の実施例に従って、ペーストが調製される。ペーストのそれぞれは、印刷のレオロジーを改善するために、１重量％のブチルカルビトールで希釈される。ペーストのそれぞれは、ウェハ上に印刷され、シーファーからのブスバースクリーン、１２．７μｍの乳剤厚（ＰＥＦ２）を有するステンレス鋼スクリーン３２５又は１６５メッシュ、及び２２°又は４５°のメッシュの回転を介して、Ｃｕブスバーを形成する。印刷は、約０．６８ｋｇのダウンフォース、ステージ上に２００μｍの未処理のウェハを有するＡＭＩスクリーンプリンターで行われる。印刷速度は、印刷−印刷モードで７．６〜１２．７ｃｍ／秒（３〜５インチ／秒）に設定される。ウェハが印刷され、ＢＴＵ Ｐｙｒａｍａｘ Ｎ２リフロー炉を通過させる。
湿熱（ＤＨ；８５℃、８５％の相対湿度）劣化条件下、Ｃｕブスバーの耐久性が判定される。ケイ素上のＣｕブスバーの非カプセル化印刷を使用して、Ｃｕバルク抵抗率（ρ）をモニターする。タブ付け／Ｃｕブスバーの質もまた、ＴＬＭ法を利用して、接触抵抗率（ρｃ）を使用してモニターする。実施例５によると、１０００時間の湿熱曝露後に、Ａｇブスバーと比較して、Ｃｕブスバーの劣化は見られない。
フラッシュテスター（ＰＳＳ １０ ＩＩ）を使用して電流−電圧（Ｉ〜Ｖ）測定が行われる。比較Ａｇブスバーと比較して、実施例５によると、Ｃｕブスバーは、Ｖｏｃ及びＪｓｃの増加を示す。具体的には、Ｃｕブスバーを含む電池は、Ａｇブスバーを含む電池と比較して、Ｖｏｃ及びＪｓｃの別個の改善を示す。この増加はそれぞれ、概ね、Ｖｏｃ及びＪｓｃの０．６％及び２．５９％の相対的増加に相当する。この増加は、上で説明されるように、金属／ケイ素の接触面積の低減によると考えられる。
スクリーン印刷されたＡｌ ＢＳＦウェハの別のバッチは、裏面接触パッドを伴って調製される。このウェハには、前面Ａｇ印刷及び前面Ｃｕ印刷が含まれ、全て裏面Ａｇブスバーを伴う。Ｃｕバスバーは、上で説明される実施例５によると、Ｃｕペーストを用いて印刷される。電池は、手動でタブ付けされ、カプセル化される前に試験される。電池は、典型的な産業タブ付けを使用してタブ付けされ得る。これらの実施例では、タブ付けは、３９０℃ではんだごて、及びフラックスを使用して手動で行われ得る。Ｉ−Ｖ及びＳｕｎｓ Ｖｏｃと共に、前面グリッド抵抗が測定され、電池及び金属化の質を判定する。これらの測定結果は、図１７〜１９に示される。このバッチは、改善されたＶｏｃ及びＪｓｃを示し、この場合も先と同様に、金属／ケイ素の接触面積の縮小によるものである。
図２０を参照すると、比較及び本発明のＰＶ電池の効率の割合を示すボックスグラフが描かれているが、一方、図２１は、Ｊｓｃを示し、図２２は、実施例のＶｏｃを示す。具体的には、試料に対するＩＶデータが測定される。Ａｇの実施例は、１４９−１〜１５であり、Ｃｕ Ｆの実施例は、１４９−Ａ〜Ｓである。平均値が示されている。比較及び本発明の実施例は、前の実施例の図面内における、上で説明されるものと同じである。データから、本発明のＣｕブスバーの使用が、電池性能の異なる改善を有することが明確に示される。この改善は、高温で焼成したＡｇ金属化点の低減に伴い、金属／ケイ素の界面面積が低減することによる、低減された再結合から生じるものと考えられる。
図２３は、本発明のタブ付きブスバーを示す断面光学顕微鏡写真である。具体的には、Ｃｕブスバーは、ＳｉＮｘ不動態化層の上面及びＡｇフィンガーの上面に印刷され、後にタブ付けされる。本発明の組成物の様々な成分を断面図に示す。タブ付け／ブスバー及びブスバー／フィンガーへの直接のはんだ結合、並びにＣｕブスバーと基板との間の接着接触が示される。
図２４は、湿熱劣化後の比較及び本発明のＰＶ電池の実施例のＪｓｃを示す線グラフである。図２５は、湿熱劣化後の比較及び本発明のＰＶ電池のＶｏｃを示す線グラフであり、図２６は、湿熱劣化後の比較及び本発明のＰＶ電池の実施例のシート抵抗（ｒｓ）を示す線グラフである。これらのグラフから、Ｃｕペーストは、腐食条件下で性能を低下させないことは明らかである。
分散が依然として本開示の範囲内にある限り、上述の値のうちの１つ以上が、±５％、±１０％、±１５％、±２０％、±２５％などだけ変動してもよい。他の全ての部材とは無関係に、マーカッシュ群の各部材から、予期しない結果が得られることがある。各部材は、個別にかつ／又は組み合わせで依存してもよく、添付の「特許請求の範囲」に含まれる特定の実施形態を十分に支援する。独立請求項と、単一及び多重に従属する従属請求項との全ての組み合わせの主題が、本明細書で明確に企図される。本開示は、説明の文言を含めて、限定よりもむしろ説明のためのものである。上の教示を鑑みれば、本開示の多数の修正及び変形が可能となり、本開示は、本明細書で具体的に説明した以外の形でも実施され得る。
図７を参照すると、別の実施形態において、フィンガー３６は、上の実施形態で説明されるものとは異なる方法で形成される。コーティング層３２は、上で説明されるように形成され得る。コーティング層３２が形成された後、孔５２がその中に形成される。これらの孔５２は、レーザアブレーション、化学エッチング、物理的エッチングなどの様々な方法によって形成され得る。かかるエッチングは、上で説明されるフィンガー３６の「エッチング」とは異なる。次いで、フィンガー３６が孔５２中に形成される。これらのフィンガー３６は、一般に、上で説明されるように、めっきされたフィンガー３６である。フィンガー３６は、様々な金属を孔５２に堆積させることによって形成され得る。様々なプロセスを使用することが可能であり、異なるプロセスをフィンガー３６の各層に使用することができる。電気化学めっきプロセスを使用して、孔５２中にこの層を形成し得る。典型的には、かかるプロセスは、上で説明されるような別々の加熱／焼成工程を必要としない。フィンガー３６を形成した後、本方法は、上で説明されるように、組成物をフィンガー３６の上部４０の少なくとも一部に適用して、層４４”を形成する工程を更に含む。

Claims (20)

  1. 光起電力電池であって、
    ケイ素を含み、上部ドープ領域を含む底基板と、
    前記底基板の前記上部ドープ領域上に配設され、外側表面を有するコーティング層と、
    互いに離間配置され、前記コーティング層中に配設された複数のフィンガーであって、前記フィンガーのそれぞれが、前記底基板の前記上部ドープ領域と電気的に接触する下部と、前記コーティング層の前記外側表面を通じて外側に延在する前記下部と反対側にある上部とを有し、前記フィンガーのそれぞれが、過半量で前記フィンガーのそれぞれの中に存在する第１の金属を含む、フィンガーと、
    前記底基板の前記上部ドープ領域から離間配置されたブスバーであって、前記底基板の前記上部ドープ領域が、前記ブスバーと物理的に接触しないようにし、前記ブスバーが、前記フィンガーの前記上部と電気的に接触し、過半量で前記ブスバー中に存在する第２の金属を含む、ブスバーと、を備え、
    前記ブスバーが、前記フィンガーの前記第１の金属、及び前記ブスバーの前記第の２の金属とは異なる前記第３の金属であって、約３００℃を超えない融解温度を有する、第３の金属を更に含み、
    前記底基板の前記上部ドープ領域が、前記フィンガーを介して前記ブスバーと電気通信する、光起電力電池。
  2. 光起電力電池であって、
    ケイ素を含み、上部ドープ領域を含む底基板と、
    前記底基板の前記上部ドープ領域上に配設され、外側表面を有するコーティング層と、
    互いに離間配置され、前記コーティング層中に配設された複数のフィンガーであって、前記フィンガーのそれぞれが、前記底基板の前記上部ドープ領域と電気的に接触する下部と、前記コーティング層の前記外側表面を通じて外側に延在する前記下部と反対側にある上部とを有し、前記フィンガーのそれぞれが、過半量で前記フィンガーのそれぞれの中に存在する第１の金属を含む、フィンガーと、
    前記底基板の前記上部ドープ領域から離間配置されたブスバーであって、前記底基板の前記上部ドープ領域が、前記ブスバーと物理的に接触しないようにし、前記ブスバーが、前記フィンガーの前記上部と電気的に接触し、過半量で前記ブスバーの中に存在する第２の金属を含む、ブスバーと、を備え、
    前記ブスバーが、約３００℃を超えない温度で、前記第２の金属を含み、かつ前記ブスバーが前記温度で形成されることを可能にする組成物から形成され、
    前記底基板の前記上部ドープ領域が、前記フィンガーを介して前記ブスバーと電気通信する、光起電力電池。
  3. 光起電力電池であって、
    ケイ素を含み、上部ドープ領域を含む底基板と、
    前記底基板の前記上部ドープ領域上に配設され、外側表面を有するコーティング層と、
    前記コーティング層中に配設された複数のフィンガーであって、前記フィンガーのそれぞれが、前記底基板の前記上部ドープ領域と電気的に接触する下部と、前記コーティング層の前記外側表面を通じて外側に延在する前記下部と反対側にある上部とを有し、前記フィンガーのそれぞれが、過半量で前記フィンガーのそれぞれの中に存在する第１の金属を含む、フィンガーと、
    前記底基板の前記上部ドープ領域から離間配置されたブスバーであって、前記底基板の前記上部ドープ領域が、前記ブスバーと物理的に接触しないようにし、前記ブスバーが、前記フィンガーの前記上部と電気的に接触し、過半量で前記ブスバー中に存在する第２の金属を含む、ブスバーと、を備え、
    前記フィンガーの前記第１の金属が、前記ブスバーの第２の金属とは異なる、光起電力電池。
  4. 前記底基板が、前記上部ドープ領域と反対側にある下部ドープ領域を更に含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光起電力電池。
  5. 前記ブスバーが、前記フィンガーの前記上部と物理的及び電気的に接触するように、前記コーティング層の前記外側表面上、かつ前記フィンガーのそれぞれの周囲に配設され、前記コーティング層が、前記ブスバーと、前記底基板の前記上部ドープ領域との間に配設される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光起電力電池。
  6. 前記底基板の前記上部ドープ領域が、ｎ型ドープ領域又はｐ型ドープ領域である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光起電力電池。
  7. 前記コーティング層が、ＳｉＯｘ、ＺｎＳ、ＭｇＦｘ、ＳｉＮｘ、ＳｉＣＮｘ、ＡｌＯｘ、ＴｉＯ２、透明導電酸化物（ＴＣＯ）、又はこれらの組み合わせを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光起電力電池。
  8. 前記フィンガーの前記第１の金属が銀又は銅を含み、前記ブスバーの前記第２の金属が銅又は銀を含み、前記ブスバーの前記第３の金属がはんだを含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光起電力電池。
  9. 光起電力電池であって、
    ケイ素を含む底基板を備え、前記底基板が、
    ｎ型ドープ領域又はｐ型ドープ領域から選択された上部ドープ領域と、
    前記上部ドープ領域の反対側にある下部ドープ領域と、
    前記底基板の前記上部ドープ領域上に配設され、外側表面を有するコーティング層であって、ＳｉＯｘ、ＺｎＳ、ＭｇＦｘ、ＳｉＮｘ、ＳｉＣＮｘ、ＡｌＯｘ、ＴｉＯ２、透明導電酸化物（ＴＣＯ）、又はこれらの組み合わせを含む前記コーティング層と、
    互いに離間配置され、前記コーティング層中に配設された複数のフィンガーであって、前記フィンガーのそれぞれが、前記底基板の前記上部ドープ領域と電気的に接触する下部と、前記コーティング層の前記外側表面を通じて外側に延在する前記下部と反対側にある上部とを有し、前記フィンガーのそれぞれが、過半量で前記フィンガーのそれぞれの中に存在する銀又は銅を含む、フィンガーと、
    前記上部ドープ領域が、前記ブスバーと物理的に接触しないように、前記底基板の前記上部ドープ領域から離間配置されたブスバーであって、前記フィンガーの前記上部と電気的に接触し、過半量で前記ブスバー中に存在する銅及びはんだを含む、ブスバーと、を含む底基板を備える、光起電力電池。
  10. 前記フィンガーの前記第１の金属は銀であり、前記ブスバーの前記第２の金属は銅である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の光起電力電池。
  11. 前記はんだが錫合金を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光起電力電池。
  12. 前記ブスバーが、
    前記第２の金属として、銅粉末と、
    前記第３の金属として、前記銅粉末より低い温度で融解するはんだ粉末と、
    ポリマーと、を含む組成物から形成される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光起電力電池。
  13. 前記ブスバーが直接はんだ付け可能である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の光起電力電池。
  14. 前記複数のフィンガー上に配設され、かつ電気的に接触する複数の補助フィンガーであって、前記補助フィンガーのそれぞれが過半量で前記補助フィンガーのそれぞれに存在する銀又は銅を含む、フィンガーを更に備え、前記補助フィンガーが、前記複数のフィンガーとは異なる、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光起電力電池。
  15. 前記ブスバー上に配置され、かつ電気的に接触する補助ブスバーを更に備え、前記補助ブスバーが、前記ブスバーとは異なる、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の光起電力電池。
  16. 前記光起電力電池の前記ブスバーと物理的に接触する少なくとも１つのリボンを更に備え、前記光起電力電池が、前記リボンを介して互いに電気通信するようになっている、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の光起電力電池モジュール。
  17. ケイ素を含み、上部ドープ領域を含む底基板と、前記上部ドープ領域に配設されるコーティング層と、互いに離間配置され、前記コーティング層中に配設される複数のフィンガーであって、前記底基板の前記上部ドープ領域と電気的に接触し、過半量で前記フィンガーのそれぞれの中に存在する第１の金属を含む、フィンガーと、前記上部ドープ領域から離間配置され、前記フィンガーと電気的に接触するブスバーと、を備える光起電力電池の形成方法であって、前記方法が、
    過半量で組成物の中に存在する第２の金属と、前記フィンガーの上部の少なくとも一部分に対する第３の金属と、を含む前記組成物を適用して、層を形成し、前記底基板の前記上部ドープ領域が、前記層と物理的に接触しないようにする工程と、
    約３００℃を超えない温度に前記層を加熱して、前記ブスバーを形成する工程と、を含み、
    前記ブスバーの前記第３の金属が、前記フィンガーの前記第１の金属及び前記組成物の前記第２の金属とは異なり、
    前記底基板の前記上部ドープ領域が、前記フィンガーを介して前記ブスバーと電気通信する、方法。
  18. 前記フィンガーの前記第１の金属が、銀又は銅を含み、前記組成物の前記第２の金属が銅又は銀を含み、前記組成物の第３の金属がはんだを含む、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記組成物を適用することが、ブスバーを画定するために前記フィンガーの前記上部に前記組成物を印刷することとして、更に定義される、請求項１７又は１８に記載の方法。
  20. 前記組成物が、
    前記第２の金属としての銅粉と、
    前記第３の金属のように、前記銅粉の融解温度よりも低い温度で融解するはんだ粉末と、
    ポリマーと、を含む組成物から形成される、請求項１７〜１９のいずれか一項に記載の方法。
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