JP2015532535A - 電気めっき金属グリッドを用いた光起電力装置 - Google Patents

電気めっき金属グリッドを用いた光起電力装置 Download PDF

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Abstract

本発明の一実施形態は、太陽電池を提供する。太陽電池は、光起電力構造と、光起電力構造の上方に位置する前面金属グリッド（３００）とを含む。前面金属グリッドは、１つ又は複数の電気めっき金属層も含む。前面金属グリッドは、１つ又は複数のフィンガーライン（３０２、３０４）を含み、各フィンガーラインの各端部が追加の金属ライン（３０６、３０８、３１４、３１６、３１８、３２０）を介して隣接するフィンガーラインの対応する端部に連結されることによって、各フィンガーラインが開放端を有さないことを確実にする。

Description

分野
[0001]本開示は、概して太陽電池に関する。より具体的には、本開示は、電気めっき技術によって製造された金属グリッドを含む太陽電池に関する。
関連技術
[0002]化石燃料の使用によって引き起こされた環境への悪影響及びそれらのコストの上昇により、よりクリーンで、安価な代替エネルギー源の緊急の必要性が生じた。異なる形態の代替エネルギー源の中でも、太陽光発電は、そのクリーンさ及び幅広い可用性により好まれてきた。
[0003]太陽電池は、光起電力効果を利用して、光を電気に変換する。単一ｐ−ｎ接合太陽電池、ｐ−ｉ−ｎ／ｎ−ｉ−ｐ太陽電池、及び多接合太陽電池を含む幾つかの基本太陽電池構造が存在する。一般的な単一ｐ−ｎ接合構造は、ｐ型ドープ層及びｎ型ドープ層を含む。単一ｐ−ｎ接合を用いた太陽電池は、ホモ接合太陽電池又はヘテロ接合太陽電池となり得る。ｐドープ層及びｎドープ層が共に類似の材料（等しいバンドギャップを有する材料）から作られる場合、太陽電池は、ホモ接合太陽電池と呼ばれる。対照的に、ヘテロ接合太陽電池は、異なるバンドギャップの材料からなる少なくとも２つの層を含む。ｐ−ｉ−ｎ／ｎ−ｉ−ｐ構造は、ｐ型ドープ層、ｎ型ドープ層、及びｐ層とｎ層との間に挟持された真性（ドープされていない）半導体層（ｉ層）を含む。多接合構造は、互いに積み重ねられた異なるバンドギャップの複数の単一接合構造を含む。
[0004]太陽電池では、光はｐ−ｎ接合付近で吸収され、キャリアが生成される。キャリアは、ｐ−ｎ接合中に拡散し、固有の電場によって分離され、その結果、装置及び外付け回路の全域で電流を生成する。太陽電池の品質を決定する重要な測定基準は、そのエネルギー変換効率であり、これは、変換された電力（吸収された光から電気エネルギーへ）と、太陽電池が電気回路に接続された時に収集された電力との比率として定義される。
[0005]図１は、結晶性Ｓｉ（ｃ−Ｓｉ）基板をベースとしたホモ接合太陽電池例（先行技術）を示す図である。太陽電池１００は、前面Ａｇ電極グリッド１０２、反射防止層１０４、エミッタ層１０６、基板１０８、及びアルミニウム（Ａｌ）裏面電極１１０を含む。図１の矢印は、入射太陽光を示す。
[0006]従来のｃ−Ｓｉベースの太陽電池では、電流は、前面Ａｇグリッド１０２によって収集される。Ａｇグリッド１０２を形成するために、従来の方法は、Ａｇペースト（これは、多くの場合、Ａｇ粒子、有機バインダ、及びガラスフリットを含む）をウエハ上に印刷し、次に、７００℃〜８００℃の温度でＡｇペーストを焼成することを伴う。Ａｇペーストの高温焼成により、ＡｇとＳｉとの良好な接触が確実となり、Ａｇラインの抵抗率を下げる。焼成されたＡｇペーストの抵抗率は、一般に、５×１０-6〜８×１０-6オームｃｍであり、これは、バルク銀の抵抗率よりもはるかに高い。
[0007]高直列抵抗に加えて、Ａｇペーストのスクリーン印刷によって得られる電極グリッドは、より高い材料費、より広いライン幅、及び制限されたライン高さを含む他の欠点も有する。銀の価格が上昇するにつれて、銀電極の材料費は、太陽電池を製造するための加工費の半分を超えている。最先端の印刷技術を用いた場合、Ａｇラインは、一般的に、１００〜１２０ミクロンのライン幅を有し、さらにライン幅を減少させることは難しい。インクジェット印刷により、より狭いラインが得られ得るが、インクジェット印刷には、低生産性といった他の問題がある。Ａｇラインの高さは、印刷方法によっても制限される。一回の印刷で、２５ミクロン未満の高さを有するＡｇラインを製造することができる。マルチ印刷は、高さを増加させたラインを製造できるが、それはライン幅も増加させ、このことは、高効率太陽電池のためには望ましくない。同様に、印刷されたＡｇライン上へのＡｇ又はＣｕの電気めっきは、ライン幅の増加を犠牲にしてライン高さを増加させることができる。さらに、このようなＡｇラインの抵抗は、高効率太陽電池の要件を満たすには依然として高すぎる。
[0008]別の解決策は、Ｓｉエミッタ上に直接Ｎｉ／Ｃｕ／Ｓｎ金属スタックを電気めっきすることである。この方法により、低抵抗（めっきＣｕの抵抗率は、一般に、２×１０-6〜３×１０-6オームｃｍである）の金属グリッドを製造できる。しかしながら、ＳｉへのＮｉの接着は、とうてい理想的とは言えず、金属スタックからの応力により、金属ライン全体の剥離が生じ得る。
概要
[0009]本発明の一実施形態は、太陽電池を提供する。太陽電池は、光起電力構造と、光起電力構造の上方に位置する前面金属グリッドとを含む。前面金属グリッドは、１つ又は複数の電気めっき金属層も含む。前面金属グリッドは、１つ又は複数のフィンガーラインも含み、各フィンガーラインの各端部が追加の金属ラインを介して隣接するフィンガーラインの対応する端部に連結されることによって、各フィンガーラインが開放端を有さないことを確実にする。
[0010]本実施形態の変形形態では、追加の金属ラインは、太陽電池の縁端付近に位置し、各フィンガーラインの幅よりも大きな幅を有する。
[0011]本実施形態の変形形態では、追加の金属ラインと各フィンガーラインとの交差部は、丸みが付けられる又は面取りがされる。
[0012]本実施形態の変形形態では、金属グリッドは、電気めっき金属層と光起電力構造との間に位置する金属接着層をさらに含む。金属接着層は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｔａ、窒化チタン（ＴｉＮx）、チタンタングステン（ＴｉＷx）、ケイ化チタン（ＴｉＳｉx）、ケイ化窒化チタン（ＴｉＳｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮx）、ケイ化窒化タンタル（ＴａＳｉＮx）、ニッケルバナジウム（ＮｉＶ）、窒化タングステン（ＷＮx）、及びこれらの組み合わせの内の１つ又は複数をさらに含む。
[0013]さらなる変形形態では、光起電力構造は、透明導電酸化物（ＴＣＯ）層を含み、金属接着層は、直接ＴＣＯ層と接している。
[0014]本実施形態の変形形態では、電気めっき金属層は、Ｃｕ層、Ａｇ層、及びＳｎ層の内の１つ又は複数を含む。
[0015]本実施形態の変形形態では、金属グリッドは、電気めっき金属層と光起電力構造との間に位置する金属シード層をさらに含む。
[0016]さらなる変形形態では、金属シード層は、蒸着及びスパッタリング堆積の一方を含む物理的気相成長（ＰＶＤ）技術を用いて形成される。
[0017]本実施形態の変形形態では、各フィンガーラインの所定の縁端部分は、各フィンガーラインの中心部分の幅よりも大きな幅を有する。
[0018]本実施形態の変形形態では、光起電力構造は、ベース層と、ベース層の上方に位置するエミッタ層とを含む。エミッタ層は、ベース層内に位置するドーパントを拡散させた領域、ベース層の上方に位置するドーパントを拡散させたポリシリコン層、及びベース層の上方に位置するドープされたアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）層の内の少なくとも１つを含む。
[0019]さらなる変形形態では、ドーパントは、リン及びホウ素の一方を含む。
太陽電池例を示す図である（先行技術）。 太陽電池の前面に位置する電気めっき金属グリッド例を示す図である（先行技術）。 本発明の一実施形態による、太陽電池の表面上に位置する電気めっき金属グリッド例を示す図である。 本発明の一実施形態による、太陽電池の表面上に位置する電気めっき金属グリッド例を示す図である。 本発明の一実施形態による、太陽電池の表面上に位置する電気めっき金属グリッド例を示す図である。 本発明の一実施形態による、太陽電池の表面上に位置する電気めっき金属グリッド例を示す図である。 本発明の一実施形態による、太陽電池の表面上に位置する電気めっき金属グリッド例を示す図である。 本発明の一実施形態による、太陽電池の製造プロセス例を示す図である。
[0028]図面では、同様の参照符号は、同じ図面の要素を指す。
詳細な説明
[0029]以下の説明は、当業者が実施形態を製造及び使用できるように示したものであり、ある具体的な用途及びその要件に関連して提供される。開示された実施形態に対する様々な変更形態が当業者には容易に明白となり、本明細書に定義される一般的原理は、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、他の実施形態及び用途に適用され得る。従って、本発明は、示された実施形態に限定されず、本明細書に開示された原理及び特徴に一致する最も広い範囲に合致するものである。
概説
[0030]本発明の実施形態は、電気めっき金属グリッドを含む太陽電池の金属剥離を回避するための解決策を提供する。太陽電池は、結晶性Ｓｉ（ｃ−Ｓｉ）基板、エミッタ層、パッシベーション層、金属接着層、及び前面及び裏面電極金属グリッドを含む。金属接着層は、スパッタリング又は蒸着等の物理的気相成長（ＰＶＤ）技術を用いて形成される。前面金属グリッドは、金属接着層上に、単一層又は多層構造でもよい金属スタックを選択的に電気めっきすることによって形成される。金属ラインの剥離の原因となり得る応力を軽減するために、グリッドパターンは、開放端又は不連続点が存在しないことを確実にするように特別に設計される。裏面電極金属グリッドは、前面電極金属グリッドの形成に使用されたのと同じ方法を用いて形成することができる。さらに、金属グリッドのスクリーン印刷、電気めっき、又はエアロゾルジェット印刷による裏面電極の形成が可能である。
電気めっき金属グリッド
[0031]太陽電池電極として使用される電気めっき金属グリッドは、印刷されたＡｌグリッドよりも低い抵抗を示した。しかしながら、電気めっき金属ラインと、その下地の透明導電酸化物（ＴＣＯ）層又は半導体層との接着が問題点となり得る。たとえ接着層を導入したとしても、電気めっき金属ラインの厚さが増加することから（低抵抗を確実にするため）、応力が高すぎる場合には、金属ラインの剥離がやはり生じ得る。金属ラインの剥離は、電気めっき金属と、その下地構造（これは、ＴＣＯ層又は半導体構造でもよい）との界面に蓄積された応力の結果の場合がある。金属とシリコン基板との熱膨張係数の差及び太陽電池が置かれた環境の熱サイクルは、このような応力の原因となることが多い。応力の量が接着層によってもたらされた接着強さを上回ると、金属と下地層との結合が壊れる。
[0032]図２は、太陽電池の前面に位置する電気めっき金属グリッド例を示す図である（先行技術）。図２では、金属グリッド２００は、フィンガーストリップ２０２及び２０４等の複数のフィンガーストリップと、母線２０６及び２０８とを含む。なお、母線は、外部リード線に直接接続される比較的太い金属ストリップであり、フィンガーは、母線へ送出するための光電流を収集する比較的細い金属ストリップである。
[0033]太陽電池を設計する際に、エミッタの抵抗及び影による損失を低減するために、高い金属高さ対幅アスペクト比を設計することが望ましい。しかしながら、フィンガーラインの高さ対幅アスペクト比は、金属グリッドの形成に用いられる製造技術によって制限されることが多い。スクリーン印刷等の従来の印刷技術は、比較的低い高さ対幅アスペクト比を有する金属ラインをもたらすことが多い。電気めっき技術は、より高い高さ対幅アスペクト比を有する金属ラインを製造することができる。しかしながら、電気めっき金属ラインは、温度が変化する環境に置かれた場合に剥離を経験し得る。上述のように、金属とシリコン基板との熱膨張係数の差及び温度変化は、応力の蓄積及び金属と下地層との接着の最終的な破壊の原因となり得る。この破壊は、単一の場所で生じ得るが、めっきＣｕ等のめっき金属の良好な可鍛性が、金属ライン全体の剥離の原因となり得る。
[0034]なお、応力の量は、金属ラインの高さ対幅アスペクト比に関係し、アスペクト比が大きくなるほど、応力が大きくなる。従って、金属ラインが均一な幅（これは、製造時に上手く制御できる）を有すると仮定すると、ラインのより厚みのある部分は、より大きな応力を経験する。電気めっきされた金属グリッドの場合、ウエハの縁端で生じる電流集中効果により、ウエハ縁端に堆積された金属は、ウエハの中心に堆積された金属よりも厚い傾向がある。図２に示される例では、領域２１０及び２１２等の縁端領域に位置する電気めっき金属は、より大きな厚さを有する傾向がある。図２から分かるように、従来の金属グリッド２００は、縁端領域２１０及び２１２において開放端を有するフィンガーストリップを含む。これらの端部は、より大きな厚さを有する傾向があり、従って、より大きな量の熱応力を経験し得る。
[0035]さらに悪いことに、熱応力に加えて、保管、タブ付け、及び架線等のソーラーモジュールの製造時の装置のさらなる取り扱いもまた、金属グリッドの剥離の原因となり得る。例えば、太陽電池が機械又は人によって取り扱われる際に、別のウエハの端部又は上に積み重ねられたウエハ上の金属ライン等の他の物体によってフィンガーラインが左右に押され得る可能性がある。同時に、フィンガーストリップの縁端は、外力に抵抗することに関して最弱点であることが多い。図２から分かるように、フィンガーストリップの端部は、金属ラインの他の部分に接続されておらず、従って、支持が少ない。左右に押されている間に、フィンガーストリップの端部は、フィンガーストリップの中心よりも簡単に、下地層から分離される。端部が一旦分離すると、金属の良好な可鍛性により、金属ライン全体の剥離に至ることが多い。なお、金属剥離は、その高い高さ対幅アスペクト比により、フィンガーストリップに発生することが多い。一方、母線は、はるかに幅が広く、通常、剥離を経験しない。
[0036]従って、金属ラインの剥離を防止するために、フィンガーストリップの端部と下地層との結合を強化することが重要である。前の分析に基づいて、ライン端部における金属と下地層との結合を強化するために、端部の高さを減少させて、ラインの残りの部分と同じにすることができる。これを行うための１つの方法は、端部領域におけるラインの幅を増加させることである。ライン幅の増加は、収集された電流が今度はより広い面積に広がり、従って、ライン端部における電流集中が軽減されることを意味する。しかしながら、影損失を回避するために、ライン幅の増加は小さくなければならず、全体的な効果が制限される。さらに、これもやはり外力によって引き起こされる端部の剥離を防止できない。
[0037]本発明の実施形態は、グリッドパターンを再設計することにより、剥離に対してより耐性のあるフィンガーストリップを作製するという解決策を提供する。図３Ａは、本発明の一実施形態による、太陽電池の表面上に位置する電気めっき金属グリッド例を示す図である。図３Ａでは、金属グリッド３００は、フィンガーストリップ３０２及び３０４等の複数の水平に配向されたフィンガーストリップと、母線３１０及び３１２とを含む。しかしながら、各フィンガーストリップが他のフィンガーストリップから分離された線分である金属グリッド２００とは異なり、図３Ａでは、各フィンガーストリップの両端点は、隣接するフィンガーストリップの端点と接続される。例えば、フィンガーストリップ３０２の端点は、２つの短いライン３０６及び３０８を介してフィンガーストリップ３０４の端点に接続される。
[0038]なお、２つの隣接するフィンガーストリップの橋渡しをする短いラインを追加することによって、２つの目標を同時に達成できる。第１の目標は、電気めっき中にウエハ縁端において電流を方向転換させ、従って、フィンガーストリップの端部に堆積される金属の厚さを減少させることである。図２に示される例と比較して、フィンガーパターンのみが導電性である電気めっきプロセス中に、ライン３０６及び３０８等の追加された短いラインにより、元々はフィンガーストリップ３０２及び３０４等のフィンガーストリップの先端に集中していた電流に、これらの追加された短いラインを通って方向転換させることができる。その結果、フィンガーストリップの先端における電流密度が減少する。これはさらに、堆積金属のより均一な高さを生じさせることができる。金属ラインの高さの均一性の向上は、温度が変化した際にフィンガーストリップの端部において蓄積される追加の応力が少なくなることを意味する。
[0039]追加の短いラインによって達成される第２の目標は、開放端の存在を排除すことである。１つのフィンガーストリップ上の開放端点を隣接するフィンガーストリップ上の端点に橋渡しすることによって、元々は中断されたフィンガーストリップが、開放端なしに連続したラインとなる。なお、上述のように、開放又は中断端部は、構造的支持の欠如により外力が加えられた際に折れる場合がある。対照的に、図３Ａに示される例では、フィンガーストリップ３０２が左右に押されるなど、外力がフィンガーストリップ３０２に加えられた場合に、端部が今度は追加のライン３０６及び３０８によって接続及び支持されるため、フィンガーストリップ３０２の端部が下地層から分離される可能性は低い。なお、端部への支持は、それら追加のラインと下地層との接着力によって提供される。開放端の排除は、外力に抵抗することに関する最弱点も排除する。なお、金属剥離は、母線にとって懸念事項ではないため、母線上の開放端を排除する必要はない。ある実施形態では、母線の端部は、図３Ａに示されるように、ウエハの上端及び下端におけるフィンガーストリップと位置合わせされるように構成される。つまり、母線の端部は、端のフィンガーストリップと一体化でき、これにより、母線もまた開放端を有さない結果となる。
[0040]厚さの均一性の向上及び開放端の排除を同時に行うことによって、本発明の実施形態は、フィンガーストリップの剥離の可能性を効果的に減少させる。図３Ａに示した例に加えて、ウエハ縁端に追加の金属ラインを追加し、かつフィンガーが開放端なしに連続したラインで構成される限り、他のグリッドパターンも使用して、剥離の可能性を減少させることができる。図３Ｂは、本発明の一実施形態による、太陽電池の表面上に位置する電気めっき金属グリッド例を示す図である。図３Ｂに示される例では、単に２つの隣接するフィンガーストリップ間の接続を生じさせる代わりに、３つ以上のフィンガーストリップの端点を接続するように短いラインが追加される。図３Ｂでは、ライン３１４及び３１６等の複数の短いラインがウエハ縁端に追加されて、３つ以上のフィンガーストリップを連結する。図３Ａに示されるもののように、その結果生じるグリッドパターンは、開放端を有さない連続したフィンガーラインを含む。
[0041]図３Ｃは、本発明の一実施形態による、太陽電池の表面上に位置する電気めっき金属グリッド例を示す図である。図３Ｃでは、ウエハの各縁端上に、ライン３１８及び３２０等の垂直に配向された長いラインが追加されて、全ての水平に配向されたフィンガーストリップの端点をつなぐ。図３Ｄは、本発明の一実施形態による、太陽電池の表面上に位置する電気めっき金属グリッド例を示す図である。図３Ｄでは、隣接する２つのフィンガーストリップ間にウエハの左縁端及び右縁部において交互に（上縁端及び下縁端を除く）短いラインが追加されることにより、１つのフィンガーストリップの各端点が短い金属ラインを介して隣接するフィンガーストリップの端点に少なくとも連結されることが確実となる。なお、図３Ａ〜３Ｄに示されるフィンガーパターンは単なる例であり、これらは、包括的であること又はこれらの図に開示されたフィンガーパターンに本発明を限定することを意図したものではない。本発明の実施形態は、ウエハ縁端に金属ラインを追加することにより、そうでなければ個別のフィンガーストリップを接続するフィンガーパターンを含み得る。このような追加のラインは、フィンガーストリップの端部から電流を方向転換させ、フィンガーストリップの端部に構造的支持を提供する助けとなるため、電気めっき金属グリッドが直面する金属剥離の問題の軽減に重要な役割を果たす。
[0042]なお、ウエハ縁端における追加のラインは影を増やし得るが、そのような影響は、ほとんどの場合、無視できるほど小さくなり得る。例えば、図３Ａでは、追加のラインの総合的影響は、１つのフィンガーストリップの追加に等しくなり得る。１２５×１２５ｍｍ2のサイズのウエハの場合、約７５μｍの幅の１つの追加のフィンガーストリップは、約０．０５％の影を追加するだけで、これは無視できるほど小さい。さらに、追加の影は、これら追加のラインによって収集される追加の電流によっても相殺され得る。
[0043]図３Ａ〜３Ｄに示された例では、追加の垂直ラインが水平フィンガーストリップに接続される位置で尖った角が形成される。これらの尖った角はまた、金属破壊を引き起こし得る横応力を蓄積し得る。金属ラインの接着をさらに向上させるために、ある実施形態では、フィンガーストリップは、丸い角を有したラインによって接続される。図４は、本発明の一実施形態による、太陽電池の表面上に位置する電気めっき金属グリッド例を示す図である。図４では、金属グリッド４００は、連続した切れ目のないラインを含むフィンガーストリップを含む。より具体的には、全ての隣接する２つの平行フィンガーストリップが、追加の短いラインによって端部において結合され、連続ループを形成する。応力をさらに減少させるために、フィンガーパターンを設計する際に、直線の角又は急な曲がり目が避けられる。例えば、直線の角は、弧で丸みを付ける又は直線で面取りをされてもよい。図４では、領域４０２及び４０４は、フィンガーストリップの転向位置の詳細図例を示す。
[0044]領域４０２に示される詳細図は、２つの直角をなす金属ライン（一方は、水平のフィンガーストリップで、他方は、２つの隣接するフィンガーの橋渡しをする垂直の短いラインである）を接続するために弧が使用されていることを示す。これにより、丸い角が得られる。ある実施形態では、弧の半径は、０．０５ｍｍ〜フィンガー間隔の２分の１でもよい。なお、フィンガー間隔は、２〜３ｍｍでもよい。領域４０４に示される詳細図は、２つの直角をなす金属ラインによって形成される直角を排除するために、曲がり角において面取りが形成されていることを示す。
[0045]ある実施形態では、２つの隣接するフィンガーストリップを接続する短いライン（丸みを付けた又は面取り部分を含む）等のウエハ縁端における金属ラインは、これらの位置における電流密度をさらに減少させるために、僅かに拡幅される。その結果、電気めっき中にこれらの縁端位置に堆積される金属の厚さが減少し、接触面積の増加により、電気めっき金属と下地層とのより良好な接着も確実となる。図４では、領域４０６は、縁端の幅がフィンガーストリップの中心部分の幅よりも大きいことを示す、フィンガーストリップの縁端部の詳細図例を示す。ある実施形態では、フィンガーの縁端部の幅は、中心部分の幅よりも少なくとも２０％〜３０％大きくてもよい。さらなる実施形態では、フィンガーの縁端部の幅は、最大０．２ｍｍでもよい。この拡幅部分の長さ（図４ではＬとして示される）は、１〜３０ｍｍでもよい。なお、拡幅されたフィンガー縁端が長いほど、接着がより良好となり、影の影響がより大きくなる。一部の実施形態では、フィンガーの中心部分と、フィンガーの拡幅された縁端部との界面は、テーパー状でもよい。
[0046]図５は、本発明の一実施形態による、太陽電池の製造プロセス例を示す図である。
[0047]工程５Ａでは、基板５００が準備される。ある実施形態では、基板５００は、結晶性Ｓｉ（ｃ−Ｓｉ）ウエハでもよい。さらなる実施形態では、ｃ−Ｓｉ基板５００の準備は、標準的なソーダメージエッチング（これは、Ｓｉのダメージを受けた外層を除去する）及び表面テクスチャリングを含む。ｃ−Ｓｉ基板５００は、ｎ型又はｐ型ドーパントのいずれかを用いて軽くドープされてもよい。ある実施形態では、ｃ−Ｓｉ基板５００は、ｐ型ドーパントを用いて軽くドープされる。なお、ｃ−Ｓｉに加えて、他の材料（冶金Ｓｉ等）を用いて基板５００を形成してもよい。
[0048]工程５Ｂにおいて、ドープされたエミッタ層５０２がｃ−Ｓｉ基板５００の上に形成される。ｃ−Ｓｉ基板５００のドーピングの型に応じて、エミッタ層５０２は、ｎ型ドープ又はｐ型ドープのいずれかをされてもよい。ある実施形態では、エミッタ層５０２は、ｎ型ドーパントを用いてドープされる。さらなる実施形態では、エミッタ層５０２は、リン拡散によって形成される。なお、エミッタ層５０２の形成にリン拡散が使用される場合、リンケイ酸ガラス（ＰＳＧ）エッチング及びエッジアイソレーションが必要となる。エミッタ層５０２の形成に他の方法を使用することもできる。例えば、最初に基板５００の上にポリＳｉ層を形成し、次に、ポリＳｉ層内にドーパントを拡散させてもよい。ドーパントは、リン又はホウ素のいずれかを含んでもよい。さらに、エミッタ層５０２は、基板５００の上にドープされたアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）層を堆積させることによって形成されてもよい。
[0049]工程５Ｃでは、反射防止層５０４がエミッタ層５０２の上に形成される。ある実施形態では、反射防止層５０４は、窒化ケイ素（ＳｉＮx）、酸化ケイ素（ＳｉＯx）、酸化チタン（ＴｉＯx）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、及びこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。ある実施形態では、反射防止層５０４は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、アルミニウム酸化亜鉛（ＡＺＯ）、ガリウム酸化亜鉛（ＧＺＯ）、タングステンドープ酸化インジウム（ＩＷＯ）、及びこれらの組み合わせ等の透明導電酸化物（ＴＣＯ）材料の層を含む。
[0050]工程５Ｄでは、裏面電極５０６が、Ｓｉ基板５００の裏面上に形成される。ある実施形態では、裏面電極５０６の形成は、完全Ａｌ層の印刷及び後続の焼成による合金化を含む。ある実施形態では、裏面電極５０６の形成は、Ａｇ／Ａｌグリッドの印刷及び後続の炉焼成を含む。
[0051]工程５Ｅでは、窓５０８及び５１０を含む複数のコンタクト窓が反射防止層５０４に形成される。ある実施形態では、領域５１２及び５１４等の高濃度ドープ領域が、エミッタ層５０２において、コンタクト窓５０８及び５１０の真下にそれぞれ形成される。さらなる実施形態では、コンタクト窓５０８及び５１０と、高濃度ドープ領域５１２及び５１４とは、反射防止層５０４上にリンを噴霧し、次に、レーザ溝局所拡散プロセスによって形成される。なお、工程５Ｅは任意選択的であり、反射防止層５０４が電気絶縁性である場合に必要とされる。反射防止層５０４が導電性である場合（例えば、反射防止層５０４がＴＣＯ材料を用いて形成される場合）、コンタクト窓を形成する必要はない。
[0052]工程５Ｆでは、金属接着層５１６を反射防止層５０４上に形成する。ある実施形態では、接着層５１６の形成に使用される材料は、Ｔｉ、窒化チタン（ＴｉＮx）、チタンタングステン（ＴｉＷx）、ケイ化チタン（ＴｉＳｉx）、ケイ化窒化チタン（ＴｉＳｉＮ）、Ｔａ、窒化タンタル（ＴａＮx）、ケイ化窒化タンタル（ＴａＳｉＮx）、ニッケルバナジウム（ＮｉＶ）、窒化タングステン（ＷＮx）、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、及びこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。さらなる実施形態では、金属接着層５１６は、スパッタリング又は蒸着等の物理的気相成長（ＰＶＤ）技術を用いて形成される。接着層５１６の厚さは、数ナノメートルから最大１００ｎｍに及び得る。なお、Ｔｉ及びその合金は、Ｓｉ材料と非常に良好な接着を形成する傾向があり、これらは、高濃度ドープ領域５１２及び５１４と良好なオーミックコンタクトを形成することができる。電気めっきプロセスの前に、反射防止層５０４の上に金属接着層５１４を形成することにより、後に形成される層の反射防止層５０４へのより良好な接着が確実となる。
[0053]工程５Ｇでは、金属シード層５１８が接着層５１６上に形成される。金属シード層５１８は、Ｃｕ又はＡｇを含み得る。金属シード層５１８の厚さは、５ｎｍ〜５００ｎｍでもよい。ある実施形態では、金属シード層５１８は、１００ｎｍの厚さを有する。金属接着層５１６と同様に、金属シード層５１８は、ＰＶＤ技術を用いて形成されてもよい。ある実施形態では、金属シード層５１８の形成に使用される金属は、電気めっき金属の第１の層の形成に使用された金属と同じである。金属シード層は、後にめっきされる金属層のより良好な接着をもたらす。例えば、Ｃｕ上にめっきされたＣｕは、他の材料上にめっきされたＣｕよりも良好な接着を有することが多い。
[0054]工程５Ｈでは、パターニングされたマスキング層５２０が金属シード層５１８の上に堆積される。開口部５２２及び５２４等のマスキング層５２０の開口部は、コンタクト窓５０８及び５１０の位置に対応し、従って、高濃度ドープ領域５１２及び５１４の上に位置する。なお、開口部５２２及び５２４は、コンタクト窓５０８及び５１０よりも僅かに大きい。マスキング層５２０は、パターニングされたフォトレジスト層を含んでもよく、これは、フォトリソグラフィー技術を用いて形成されてもよい。ある実施形態では、フォトレジスト層は、ウエハの上にフォトレジストをスクリーン印刷することによって形成される。フォトレジストは、その後、溶剤を除去するために焼成される。マスクをフォトレジスト上に置き、ウエハを紫外線光に曝露させる。紫外線曝露後に、マスクを除去し、フォトレジストをフォトレジスト現像液中で現像する。開口部５２２及び５２４は、現像後に形成される。フォトレジストは、噴霧、ディップコーティング、又はカーテンコーティングによって塗布されてもよい。ドライフィルムフォトレジストが使用されてもよい。あるいは、マスキング層５２０は、パターニングされた酸化ケイ素（ＳｉＯ2）の層を含んでもよい。ある実施形態では、マスキング層５２０は、低温プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）技術を用いて、まずＳｉＯ2層を堆積することによって形成される。さらなる実施形態では、マスキング層５２０は、シリカスラリーを用いてウエハの前面をディップコーティングし、次に、フッ化水素酸又はフッ化物を含むエッチング液をスクリーン印刷することによって形成される。マスキング材料が電気絶縁性である限り、他のマスキング材料も可能である。
[0055]なお、マスキング層５２０は、後の電気めっき中に、マスキング層５２０によって定義された開口部５２２及び５２４等の開口部の上方の領域上にのみ金属材料を堆積させることができるため、前面金属グリッドのパターンを定義する。より良好な厚さの均一性及びより良好な接着を確実にするために、マスキング層５２０によって定義されるパターンは、連続した切れ目のないラインで形成されたフィンガーストリップを含む。マスキング層５２０によって形成されるパターン例は、図３Ａ〜３Ｄに示されるパターンを含む。さらなる実施形態では、ウエハ縁端近くに位置するラインを定義する開口部は拡幅される。ウエハ縁端におけるパターン例は、図４に示されるパターンを含む。図５Ｇは、本発明の一実施形態によるパターニングされたマスキング層の上面図を示す。図５Ｇから分かるように、ウエハの表面上の影領域は、マスキング層５２０によって覆われ、従って、導電性ではない。開口部は、導電性である下地金属シード層５１８を露出させる。図５Ｉに示されるパターン例では、より小さい幅を有する開口部がフィンガーパターンを定義し、これは、開放端を有さない連続したラインを含む。一方、より大きな幅を有する開口部が母線を定義し、これは、母線にとって金属剥離は懸念事項ではないため、開放端を有する線分を含み得る。
[0056]工程５Ｊでは、１つ又は複数の金属層が、マスキング層５２０の開口部に堆積されることにより、前面金属グリッド５２６が形成される。前面金属グリッド５２６は、電着、光誘起めっき、及び／又は無電解析出を含み得る電気めっき技術を用いて形成され得る。ある実施形態では、金属シード層５１８及び／又は接着層５１６は、電極を介して、めっき電源（直流（ＤＣ）電源でもよい）のカソードに連結される。金属シード層５１８及び開口部を含むマスキング層５２０は、電気の流れを許可する電解質溶液に沈められる。なお、マスキング層５２０は電気絶縁性であるため、金属が選択的に開口部に堆積され、それによって、これらの開口部によって定義されたパターンに対応するパターンを有する金属グリッドが形成される。金属シード層５１８を形成する材料に応じて、前面金属グリッド５２６は、Ｃｕ又はＡｇを用いて形成され得る。例えば、金属シード層５１８がＣｕを用いて形成される場合、前面金属グリッド５２６もまた、Ｃｕを用いて形成される。さらに、前面金属グリッド５２６は、Ｃｕ／Ｓｎ二層構造又はＣｕ／Ａｇ二層構造等の多層構造を含み得る。Ｓｎ又はＡｇ最上層が堆積され、後続のはんだ付けプロセスを助ける。Ｃｕを堆積させる際に、アノードにおいてＣｕめっきを用い、太陽電池をＣｕめっきに適した電解質中に沈める。Ｃｕめっきに使用される電流は、１２５ｍｍ×１２５ｍｍの寸法のウエハの場合、０．１アンペア〜２アンペアであり、Ｃｕ層の厚さは、約数十ミクロンである。ある実施形態では、電気めっき金属層の厚さは、３０μｍ〜５０μｍである。
[0057]工程５Ｋでは、マスキング層５２０が除去される。
[0058]工程５Ｌでは、前面金属グリッド５２６の下方の部分のみを残して、元々マスキング層５２０によって覆われていた接着層５１６及び金属シード層５１８の部分がエッチング除去される。ある実施形態では、湿式化学エッチングプロセスが使用される。なお、前面金属グリッド５２６が接着層５１６及び金属シード層５１８よりもはるかに厚い（数倍分）ため、前面金属グリッド５２６に対するエッチングの影響は、無視できるほど小さい。ある実施形態では、得られる金属グリッドの厚さは、３０μｍ〜５０μｍに及び得る。フィンガーストリップの幅は、１０μｍ〜１００μｍでもよく、母線の幅は、０．５〜２ｍｍでもよい。また、フィンガーストリップ間の間隔は、２ｍｍ〜３ｍｍでもよい。
[0059]製造中に、金属接着層及びシード金属層の形成後に、コンタクト窓及び高濃度ドープ領域の位置に対応する領域を覆うパターニングされたマスキング層を形成し、パターニングされたマスキング層によって覆われていない金属接着層及び金属シード層の部分をエッチング除去することも可能である。ある実施形態では、金属接着層及び金属シード層の残りの部分は、図３Ａ〜３Ｄ及び図４に示されたパターンと類似したパターンを形成する。なお、このようなパターンは、連続した切れ目のないラインからなるフィンガーストリップを含む。パターニングされたマスキング層が除去されると、太陽電池の表面に対して１つ又は複数の金属層が電気めっきされ得る。太陽電池の表面上では、金属シード層の残りの部分の場所のみが導電性であり、めっきプロセスにより、金属シード層の残りの部分の上に選択的に金属を堆積させることができる。
[0060]図５に示される例では、裏面電極が従来の印刷技術を用いて形成される（工程５Ｄ）。実際には、裏面電極は、太陽電池の裏面上に１つ又は複数の金属層を電気めっきすることによっても形成することができる。ある実施形態では、裏面電極は、基板の裏面上に、金属接着層、金属シード層、及びパターニングされたマスキング層を形成することを含む、工程５Ｆ〜５Ｌに類似した工程を用いて形成され得る。なお、裏面上のパターニングされたマスキング層は、裏面金属グリッドのパターンを定義する。ある実施形態では、裏面金属グリッドは、連続した切れ目のないラインで形成されたフィンガーストリップを含む。さらなる実施形態では、裏面金属グリッドは、図３Ａ〜３Ｄ及び図４に示されたパターン例を含み得る。
[0061]様々な実施形態の上記の説明は、単なる例示及び説明目的で提示されたものである。これらは、網羅的であること又は本発明を開示した形態に限定することを意図したものではない。従って、多くの変更形態及び変形形態が当業者には明白となるであろう。加えて、上記の開示は、本発明を限定することを意図していない。

Claims (23)

  1. 光起電力構造と、
    前記光起電力構造の上方に位置する前面金属グリッドと、
    を含む太陽電池であって、前記前面金属グリッドは、１つ又は複数の電気めっき金属層を含み、前記前面金属グリッドは、１つ又は複数のフィンガーラインを含み、各フィンガーラインの各端部が追加の金属ラインを介して隣接するフィンガーラインの対応する端部に連結されることによって、前記各フィンガーラインが開放端を有さないことを確実にする、太陽電池。
  2. 前記追加の金属ラインは、前記太陽電池の縁端付近に位置し、前記追加の金属ラインは、前記各フィンガーラインの幅よりも大きな幅を有する、請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記追加の金属ラインと前記各フィンガーラインとの交差部は、丸みが付けられる又は面取りがされる、請求項１に記載の太陽電池。
  4. 前記金属グリッドは、前記電気めっき金属層と前記光起電力構造との間に位置する金属接着層をさらに含み、前記金属接着層は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｔａ、窒化チタン（ＴｉＮx）、チタンタングステン（ＴｉＷx）、ケイ化チタン（ＴｉＳｉx）、ケイ化窒化チタン（ＴｉＳｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮx）、ケイ化窒化タンタル（ＴａＳｉＮx）、ニッケルバナジウム（ＮｉＶ）、窒化タングステン（ＷＮx）、及びこれらの組み合わせの内の１つ又は複数をさらに含む、請求項１に記載の太陽電池。
  5. 前記光起電力構造は、透明導電酸化物（ＴＣＯ）層を含み、前記金属接着層は、直接前記ＴＣＯ層と接している、請求項４に記載の太陽電池。
  6. 前記電気めっき金属層は、
    Ｃｕ層、
    Ａｇ層、及び
    Ｓｎ層
    の内の１つ又は複数を含む、請求項１に記載の太陽電池。
  7. 前記金属グリッドは、前記電気めっき金属層と光起電力構造との間に位置する金属シード層をさらに含む、請求項１に記載の太陽電池。
  8. 前記金属シード層は、蒸着及びスパッタリング堆積の一方を含む物理的気相成長（ＰＶＤ）技術を用いて形成される、請求項７に記載の太陽電池。
  9. 前記各フィンガーラインの所定の縁端部分は、前記各フィンガーラインの中心部分の幅よりも大きな幅を有する、請求項１に記載の太陽電池。
  10. 前記光起電力構造は、
    Ｓｉを含むベース層と、
    前記ベース層の上方に位置するエミッタ層と、
    を含み、前記エミッタ層は、
    前記ベース層内に位置するドーパントを拡散させた領域、
    前記ベース層の上方に位置するドーパントを拡散させたポリＳｉ層、及び
    前記ベース層の上方に位置するドープされたアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）層
    の内の少なくとも１つを含む、請求項１に記載の太陽電池。
  11. 前記ドーパントは、
    リン、及び
    ホウ素
    の一方を含む、請求項１０に記載の太陽電池。
  12. 前記光起電力構造の下に位置する裏面金属グリッドをさらに含み、前記裏面金属グリッドは、１つ又は複数の電気めっき金属層を含み、前記裏面金属グリッドは、１つ又は複数のフィンガーラインを含み、各フィンガーラインの各端部は、追加の金属ラインを介して隣接するフィンガーラインの対応する端部に連結されることによって、前記各フィンガーラインが開放端を有さないことを確実にする、請求項１に記載の太陽電池。
  13. 半導体構造の上に透明導電酸化物（ＴＣＯ）層を堆積させることによって、光起電力構造を形成するステップと、
    前記光起電力構造の上に前面金属グリッドを形成するステップと、
    を含む、太陽電池の製造方法であって、前記前面金属グリッドは、１つ又は複数の電気めっき金属層を含み、前記前面金属グリッドは、１つ又は複数のフィンガーラインを含み、各フィンガーラインの各端部が追加の金属ラインを介して隣接するフィンガーラインの対応する端部に連結されることにより、前記各フィンガーラインが開放端を有さないことを確実にする、太陽電池の製造方法。
  14. 前記追加の金属ラインは、前記太陽電池の縁端付近に位置し、前記追加の金属ラインは、前記各フィンガーラインの幅よりも大きな幅を有する、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記追加の金属ラインと前記各フィンガーラインとの交差部は、丸みが付けられる又は面取りがされる、請求項１３に記載の方法。
  16. 前記前面金属グリッドの形成ステップは、物理的気相成長（ＰＶＤ）技術を用いて、前記ＴＣＯ層の上に金属接着層を堆積させるステップを伴い、前記金属接着層は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｔａ、窒化チタン（ＴｉＮx）、チタンタングステン（ＴｉＷx）、ケイ化チタン（ＴｉＳｉx）、ケイ化窒化チタン（ＴｉＳｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮx）、ケイ化窒化タンタル（ＴａＳｉＮx）、ニッケルバナジウム（ＮｉＶ）、窒化タングステン（ＷＮx）、及びこれらの組み合わせの内の１つ又は複数を含む、請求項１３に記載の方法。
  17. 前記電気めっき金属層は、
    Ｃｕ層、
    Ａｇ層、及び
    Ｓｎ層
    の内の１つ又は複数を含む、請求項１３に記載の方法。
  18. 前記前面金属グリッドの形成ステップは、前記電気めっき金属層を形成するステップの前に、物理的気相成長（ＰＶＤ）技術を用いて金属シード層を堆積させるステップを伴う、請求項１３に記載の方法。
  19. 前記電気めっき金属層の形成ステップは、
    前記金属シード層の上にパターニングされたマスキング層を堆積させるステップであって、前記マスキング層の開口部は、前記前面電極グリッドの位置に対応し、前記マスキング層は電気絶縁性である、ステップと、
    前記太陽電池を電解質溶液中に沈めることによって、前記パターニングされたマスキング層の上に１つ又は複数の金属層を電気めっきするステップと、
    前記パターニングされたマスキング層を除去するステップと、
    エッチングプロセスを行うことによって、前記電気めっき金属層によって覆われていない前記金属シード層の部分を除去するステップと、
    を伴う、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記各フィンガーラインの所定の縁端部分は、前記各フィンガーラインの中心部分の幅よりも大きな幅を有する、請求項１３に記載の方法。
  21. 前記光起電力構造の形成ステップは、低濃度ドープベース層の上にエミッタ層を形成するステップをさらに含み、前記エミッタ層の形成ステップは、
    Ｓｉを含む低濃度ドープベース層にドーパントを拡散させるステップ、
    前記ベース層の上方に位置するポリＳｉ層にドーパントを拡散させるステップ、及び
    ドープされたアモルファスＳｉ層を堆積させるステップ
    の内の少なくとも１つを伴う、請求項１３に記載の方法。
  22. 前記ドーパントは、
    リン、及び
    ホウ素
    の一方を含む、請求項２１に記載の方法。
  23. 前記光起電力構造の下に位置する裏面金属グリッドを形成するステップをさらに含み、前記裏面金属グリッドは、１つ又は複数の電気めっき金属層を含み、前記裏面金属グリッドは、１つ又は複数のフィンガーラインを含み、各フィンガーラインの各端部が追加の金属ラインを介して隣接するフィンガーラインの対応する端部に連結されることによって、前記各フィンガーラインが開放端を有さないことを確実にする、請求項１３に記載の方法。
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