JP2017508292A - Self-aligned contact for back contact solar cells - Google Patents
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Abstract
開示された主題の一態様によれば、背面接触背面接合太陽電池のための自己整合接触が提供される。太陽電池は、光を受領する正面および正面の反対側の背面を有し、電気絶縁する背面板に取り付けられた半導体層を備える。ベースおよびエミッタの領域に自己整合されたベースおよびエミッタの電極を有する第1の金属層は、半導体層の背面上に位置付けられる。セルの相互連結を提供し、ビアプラグにより第1の金属層に連結された、パターン化された第2の金属層は、背面板上に位置付けられる。【選択図】図5According to one aspect of the disclosed subject matter, self-aligned contacts for back contact back junction solar cells are provided. A solar cell has a front surface that receives light and a back surface opposite the front surface, and includes a semiconductor layer attached to a back plate that is electrically insulated. A first metal layer having base and emitter electrodes self-aligned to the base and emitter regions is positioned on the back surface of the semiconductor layer. A patterned second metal layer that provides cell interconnection and is connected to the first metal layer by via plugs is positioned on the backplate. [Selection] Figure 5
Description
関連出願の相互参照
本出願は、2014年2月26日に出願された米国特許仮出願第61/954,116号の優先権を主張し、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
CROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application claims priority to US Provisional Application No. 61 / 954,116, filed February 26, 2014, which is hereby incorporated by reference in its entirety.
本開示は、一般に太陽光発電(PV)太陽電池に関し、より詳細には太陽電池のための自己整合接触に関する。 The present disclosure relates generally to photovoltaic (PV) solar cells, and more particularly to self-aligned contacts for solar cells.
太陽光電池技術はエネルギー発電ソリューションとして益々広範囲に採用されているので、太陽電池の有効性、金属化、物的消費、および製造に関する製造および有効性の改良が必要である。製造コストおよび変換効率の因子は、今までより厚さが薄く大きさが大きい太陽電池吸収体を運転することであり、したがってこれらの薄い吸収体に基づいた太陽電池の機械的脆弱性、効率、ならびに複雑な処理および取扱が増し、特に結晶シリコン吸収体に対して脆弱効果が増大した。 As solar cell technology is increasingly being adopted as an energy generation solution, there is a need for manufacturing and effectiveness improvements related to solar cell effectiveness, metallization, physical consumption, and manufacturing. A factor in manufacturing cost and conversion efficiency is to operate solar cell absorbers that are thinner and larger in size than ever, and thus the mechanical vulnerability, efficiency of solar cells based on these thin absorbers, In addition, complex processing and handling increased, and in particular, the brittle effect on crystalline silicon absorbers increased.
概して太陽電池の接触構造は、ベースおよびエミッタの拡散領域上の導電性金属化、例えば比較的高濃度のリンおよびホウ素領域のそれぞれを通ってベースおよびエミッタの接触領域内のシリコンを連結するアルミニウム金属化を含む。 In general, solar cell contact structures include conductive metallization on the base and emitter diffusion regions, for example, aluminum metal linking silicon in the base and emitter contact regions through relatively high concentrations of phosphorus and boron regions, respectively. Including
開示された主題の特徴、性質、および利点は、同じ参照番号が同じ特徴を表す図面と共に読むときに、以下の詳細な説明からより明らかになろう。 The features, nature and advantages of the disclosed subject matter will become more apparent from the following detailed description when read with the drawings in which like reference numbers represent like features.
したがって背面接触太陽電池のための製造方法が必要とされている。開示された主題によれば、背面接触太陽電池の製造方法が提供される。これらの技術革新は、以前に開発された背面接触太陽電池の製造方法に関連した不都合および問題を実質的に減らすまたは取り除く。 Therefore, there is a need for a manufacturing method for back contact solar cells. In accordance with the disclosed subject matter, a method of manufacturing a back contact solar cell is provided. These innovations substantially reduce or eliminate the disadvantages and problems associated with previously developed back contact solar cell manufacturing methods.
本特許は太陽電池に関する。本明細書に記載されたものに加えて、少なくとも部分的に共同発明を有し、太陽電池構造および製造の詳細を提供する関連した特許出願には、2014年2月2日に出願された米国特許出願第14/179,526号、2013年11月5日に出願された米国特許出願第14/072,759号(2014年11月6日に米国特許出願公開第20140326295号として公開された)、2013年4月24日に出願された米国特許出願第13/869,928号(2013年9月5日に米国特許出願公開第20130228221号として公開された)、2014年9月22日に出願された米国特許出願第14/493,341号、および2014年9月22日に出願された米国特許出願第14/493,335号が含まれ、すべてはそれらの全体が参照によって本明細書に組み込まれる。 This patent relates to solar cells. In addition to those described herein, related patent applications that at least partially have joint inventions and provide solar cell structure and manufacturing details include: US filed on Feb. 2, 2014 Patent Application No. 14 / 179,526, US Patent Application No. 14 / 072,759 filed on November 5, 2013 (published as US Patent Application Publication No. 20140326295 on November 6, 2014) No. 13 / 869,928 filed Apr. 24, 2013 (published as U.S. Patent Application Publication No. 20130228221 on Sep. 5, 2013), filed Sep. 22, 2014 U.S. Patent Application No. 14 / 493,341, and U.S. Patent Application No. 14 / 493,335 filed September 22, 2014, all of which are Entire al which is incorporated herein by reference.
開示された主題の一態様によれば、背面接触背面接合太陽電池のための自己整合接触が提供される。太陽電池は、光を受領する正面および正面の反対側の背面を有し、電気絶縁する背面板に取り付けられた半導体層を備える。ベースおよびエミッタの領域に自己整合されたベースおよびエミッタの電極を有する第1の金属層は、半導体層の背面上に位置付けられる。セルの相互連結を提供し、ビアプラグにより第1の金属層に連結された、パターン化された第2の金属層は、背面板上に位置付けられる。 According to one aspect of the disclosed subject matter, self-aligned contacts for back contact back junction solar cells are provided. A solar cell has a front surface that receives light and a back surface opposite the front surface, and includes a semiconductor layer attached to a back plate that is electrically insulated. A first metal layer having base and emitter electrodes self-aligned to the base and emitter regions is positioned on the back surface of the semiconductor layer. A patterned second metal layer that provides cell interconnection and is connected to the first metal layer by via plugs is positioned on the backplate.
開示された主題のこれらの利点および他の利点、ならびに追加の新規の特徴は、本明細書に提供された説明から明らかになろう。本要約の意図は主題の包括的な説明ではなく、むしろ主題の機能の一部の短い要旨を提供することである。以下の図面および詳しい説明を検討すると、本明細書に提供された他のシステム、方法、特徴、および利点が当業者に明らかになろう。この説明に含まれるこのような追加のシステム、方法、特徴、および利点のすべては特許請求の範囲内であることが意図される。 These and other advantages of the disclosed subject matter, as well as additional novel features, will be apparent from the description provided herein. The intent of this summary is not to be a comprehensive description of the subject matter, but rather to provide a short summary of some of the subject's functions. Other systems, methods, features, and advantages provided herein will become apparent to those skilled in the art upon review of the following drawings and detailed description. All such additional systems, methods, features, and advantages included in this description are intended to be within the scope of the claims.
開示された主題は、背面接触背面接合太陽電池のための自己整合接触を作成するための構造および方法を提供する。具体的には開示された主題および対応する図は、背面接触背面接合(例えば交差指型背面接触IBC)太陽電池のための自己整合接触を使用して薄いシリコン太陽電池を形成するために、低損傷、高効率、低コストのプロセス流れを提供する。説明された新規の自己整合接触構造は、より高い太陽電池の変換効率を達成できる。加えて自己整合接触をもつ太陽電池構造の形成のために、最小のまたは低減されたプロセスステップを有する太陽電池の製造方法が説明される。 The disclosed subject matter provides structures and methods for making self-aligned contacts for back contact back junction solar cells. In particular, the disclosed subject matter and corresponding figures provide a low-profile for forming thin silicon solar cells using self-aligned contacts for back contact back junction (eg, interdigitated back contact IBC) solar cells. Provide damage, high efficiency, low cost process flow. The described novel self-aligned contact structure can achieve higher solar cell conversion efficiency. In addition, a method of manufacturing a solar cell with minimal or reduced process steps for the formation of a solar cell structure with self-aligned contacts is described.
用語自己整合は、ベースおよびエミッタ金属接触の下の重度ドーピングのn+およびp+の領域が、図1A〜図1Dに示されたような接触開口に対して自己整合するような電池構造を説明する。図1Aは、シリコン吸収体接触に向かって金属の真下により重度ドーピングレベル(例えば1E18cm−3を超える)をもつドーパント拡散領域を有する、自己整合接触構造を備える選択的エミッタ太陽電池の断面図である。自己整合接触構造は、改良された金属/シリコン(Si)接触抵抗のためにシリコン内に重度にドープされた領域(n型およびp型)ならびに金属/Si接触でより低い表面再結合速度を有することにより、また太陽電池内の重度ドーピング領域(例えば1E18cm−2より高いドーピング)を最小にし、したがって全飽和電流密度を低減することにより、より高い太陽電池効率を提供できる。また別法として、本明細書に開示された自己整合接触構造は、図1Bに示されたような、金属とSiとの間の障壁層を通るヘテロ/トンネリング接触を使用することによって形成されてもよい。図1Bは、金属とSiとの間の障壁層を通るヘテロ/トンネリング接触を使用して形成された、自己整合接触構造を備える太陽電池の断面図である。 The term self-alignment describes a cell structure in which the heavily doped n + and p + regions under the base and emitter metal contacts are self-aligned to the contact openings as shown in FIGS. 1A-1D. FIG. 1A is a cross-sectional view of a selective emitter solar cell with a self-aligned contact structure having a dopant diffusion region with a heavier doping level (eg, greater than 1E18 cm −3) just below the metal toward the silicon absorber contact. . Self-aligned contact structures have heavily doped regions (n-type and p-type) in silicon for improved metal / silicon (Si) contact resistance and lower surface recombination rates at metal / Si contacts This can also provide higher solar cell efficiency by minimizing heavily doped regions in the solar cell (eg, doping higher than 1E18 cm −2) and thus reducing the total saturation current density. Alternatively, the self-aligned contact structure disclosed herein is formed by using a hetero / tunneling contact through a barrier layer between metal and Si, as shown in FIG. 1B. Also good. FIG. 1B is a cross-sectional view of a solar cell with a self-aligned contact structure formed using a hetero / tunneling contact through a barrier layer between metal and Si.
自己整合構造の利点は、重度ドーピング領域が必要とされる接触の下のみに限定されることである。接触開口が非自己整合接触構造を備える重度ドーピングと整合される必要がある場合、重拡散が整合公差に適合するために接触開口よりはるかに広い必要がある。非自己整合接触構造と比べると、提供された自己整合接触構造は、2つの明確な理由のためにより高い効率を有することができる。第1に重度ドーピングは不動態の下で使用されると有害であることがある、換言すると重度ドーピングは、金属などの不動態の乏しい下で使用されるとより有益であり、場合によっては不動態の乏しい下で使用されるときだけ有益である。したがって自己整合構造は、高品質の不動態下の重度ドーピングの領域を取り除く。第2に、非自己整合構造に対して2つの開口が作成される必要がある、すなわち1つ目はドーピングのため、2つ目は接触開口のためである。これらの開口がシリコン内に損傷を生み出す傾向がある方法を使用して作成される場合(例えばレーザー処理の場合)、自己整合構造は外側にネストした開口を除去し、このステップからレーザー損傷を最小にし、場合によっては取り除く。さらに効果的な利点に加えて、自己整合構造は必要なプロセスステップが少なく、したがって電池コストを下げることができる。 The advantage of the self-aligned structure is that the heavily doped region is limited only under the contact that is required. If the contact opening needs to be matched with heavy doping with a non-self-aligned contact structure, the heavy diffusion needs to be much wider than the contact opening to meet the matching tolerances. Compared to non-self-aligned contact structures, the provided self-aligned contact structures can have higher efficiency for two obvious reasons. First, heavy doping can be detrimental when used under passivation, in other words heavy doping is more beneficial when used under poor passivation, such as metals, and in some cases is not Only useful when used under poor dynamics. Thus, the self-aligned structure removes heavily doped regions under high quality passivation. Second, two openings need to be created for the non-self-aligned structure, the first for doping and the second for contact openings. If these openings are created using a method that tends to cause damage in the silicon (eg in the case of laser processing), the self-aligned structure removes the outer nested openings and minimizes laser damage from this step If necessary, remove it. In addition to more effective advantages, the self-aligned structure requires fewer process steps and can therefore reduce battery costs.
以下の表1は、ドーパントペースト・ステップを使用して図1Aに示されたような、自己整合接触および電界エミッタを有する、選択的エミッタ太陽電池の形成のための前工程プロセス流れを示す。
表1は、自己整合接触を使用して高効率の背面接触背面接合太陽電池を製造するプロセス流れを示す。示されたようにステップ1はウェハ(例えばCZウェハ)から損傷を除去するための鋸損傷の除去であるが、提供されたプロセス流れは鋳型上にある間に処理されたエピタキシャルに形成されたシリコン基板に等しく適用可能であり、この場合ステップ1の鋸損傷の除去は、本明細書に詳細に説明されたように多孔質シリコンおよびエピタキシャルシリコン堆積のステップと置換される。したがってエピタキシャルの実施形態では、説明された前工程プロセスが鋳型に取り付けられたエピタキシャル基板の露出面に起きる前に、エピタキシャル基板が後工程処理において鋳型から解放されてもよい(例えば機械的またはウェットエッチングリリース)。提供された例示的プロセス流れは、便宜的に高効率の背面接触背面接合太陽電池の製造の文脈で説明されており、当業者は説明された様々な処理ステップをプロセス流れ全体の中で組み合わせる、加えるもしくは除去する、変える、または動かしてもよいことが重要である。換言すると、本明細書に提供された表に説明されたそれぞれのプロセス流れからの要素を、一緒に組み合わせてもよく、または他の公知の太陽電池の製造方法と組み合わせてもよい。例えば表1に関して、ステップ3に示されたレーザー接触開口は、別個にベースおよびエミッタ接触のみのために自己整合接触を形成するように(例えばステップ2に示されたように)2つのステップに分けることができ、ステップ4に示されたドーパントペースト印刷ステップは、すでに印刷されたドーパントペースト(例えば図8に示されたように)の上にドープされないペーストの追加の第3の印刷を有してもよい。さらに表1のステップ6に示されたウェットエッチングステップ、およびアニールドーパントペーストを除去するステップは、ドライHF気相エッチング処理に置換されてもよく、または除去するステップ6は、すべてのドライ前工程プロセスに対して完全に省略されてもよい(すなわち除去されてもよい)。さらに表1のステップ6に示されたレーザー接触開口ステップは、レーザーのない前工程プロセスのためのエッチングペーストの堆積、乾燥、およびすすぎを含むエッチングペーストプロセスに置換されてもよい。
Table 1 shows the process flow for manufacturing high efficiency back contact back junction solar cells using self-aligned contacts. As shown, step 1 is the removal of saw damage to remove damage from a wafer (eg, a CZ wafer), but the provided process flow is epitaxially formed silicon that has been processed while on the mold. It is equally applicable to the substrate, where the removal of saw damage in step 1 replaces the steps of porous silicon and epitaxial silicon deposition as described in detail herein. Thus, in an epitaxial embodiment, the epitaxial substrate may be released from the mold in post-processing (e.g., mechanical or wet etching) before the described pre-process occurs on the exposed surface of the epitaxial substrate attached to the mold. release). The provided exemplary process flow is conveniently described in the context of manufacturing a high efficiency back contact back junction solar cell, and those skilled in the art will combine the various processing steps described in the overall process flow, It is important that it may be added or removed, changed or moved. In other words, the elements from each process flow described in the tables provided herein may be combined together or combined with other known solar cell manufacturing methods. For example, with respect to Table 1, the laser contact aperture shown in
以下の表2は、ドーパントペーストを使用し、また個別の接触開口ステップを使用して自己整合接触を有する選択的エミッタ太陽電池の形成のための前工程プロセス流れを示す。
下記の表3は、ドーパントペーストおよび拡散障壁の適用をもつ自己整合接触を有する、選択的エミッタ太陽電池の形成のための前工程プロセス流れを示す。
また別法として、APCVD・USGの堆積として表3のステップ5に示された拡散障壁の堆積はドープされないペースト印刷であってもよい。 Alternatively, the diffusion barrier deposition shown in step 5 of Table 3 as APCVD.USG deposition may be undoped paste printing.
表2および表3のプロセス流れの実施形態を使用して、拡散アニール中にドーパントペーストから自己ドーピングを低減してもよい。 The process flow embodiments of Tables 2 and 3 may be used to reduce self-doping from the dopant paste during diffusion annealing.
以下の表4は、拡散障壁ドーパントペースト印刷をもつ自己整合接触を有する、図1Cに示されたような、隣接しない接合太陽電池の形成のための前工程プロセス流れを示す。図1Cは、シリコン吸収体に向かって接触金属の真下により高いドーピングレベル(例えば1E18cm−3を超える)をもつドーパント拡散領域を有する、自己整合接触構造を備える隣接しない接合太陽電池の断面図である。
別法として表4の隣接しない接合太陽電池の流れに関して、表4のステップ2、3、および4はAPCVDホウ素ドープ酸化シリコン(BSG1)の堆積に続いて、ピコ秒(ps)CO2レーザーの2つのステップに置換されてもよく、代替実施形態はドーパントペースト印刷をもつ自己整合接触およびAPCVDによるホウ素ドープ酸化シリコンをもつ隣接しない接合と呼ばれる。 Alternatively, with respect to the non-adjacent junction solar cell flow of Table 4, steps 2, 3, and 4 of Table 4 follow the deposition of APCVD boron doped silicon oxide (BSG1) followed by two picosecond (ps) CO2 lasers. Steps may be substituted, and an alternative embodiment is called self-aligned contact with dopant paste printing and non-adjacent bonding with boron doped silicon oxide by APCVD.
以下の表5は、自己整合接触を有し、リンドーパントペーストを使用する非選択的エミッタ太陽電池に対する製造プロセス流れを示す。
別法として、以下の表6は、自己整合接触を有し、リン酸塩化物POC13(POC1)を使用する非選択的エミッタ太陽電池に対する製造プロセス流れを示す。
以下の表7は、ドーパントペーストを使用して自己整合不動態ベース接触を有する、非選択的エミッタ太陽電池に対する製造プロセス流れを示す。
以下の表8は、図1Bに示されたような、自己整合ベーストンネリング/ヘテロ接合接触を有する太陽電池に対する製造プロセス流れを示す。
以下の表9は、ベース接触の下に重拡散のない自己整合接触を有する太陽電池に対する製造プロセス流れを示す。
別法として、本明細書に説明された自己整合接触構造および方法は適用されてもよい。 Alternatively, the self-aligned contact structures and methods described herein may be applied.
以下の表10は、図1Dに示されたような、電界ベースをもつ自己整合接触を有する太陽電池の形成に対する前工程プロセス流れを示す。図1Dは、シリコン吸収体に向かって接触金属の真下により高いドーピングレベル(例えば1E18cm−3を超える)をもつドーパント拡散領域を有する、電界ベースおよび自己整合接触構造を備える太陽電池の断面図である。別法として、例えば表10のHF気相のステップ6、およびアニールドーパントペーストを除去するステップは、ウェットエッチングステップに置換されてもよい。
別法として、以下の表11は、図1Dに示されたような、エッチングペーストおよびドーパントペースト印刷を備えた電界ベースの自己整合接触を有する、太陽電池の形成に対する前工程プロセス流れを示す。
図2A〜図2Eは、ドーパントペーストを備えた自己整合接触を有する、隣接した接合交差指型背面接触太陽電池の製造中の、様々なステップにおける太陽電池の断面図を示すプロセス流れを表す。図2Aは、シリコン基板/ウェハ上に(例えばAPCVDによって)堆積された酸化アルミニウム(Al2O3)層を示す。また酸化アルミニウム層はドープされないケイ酸塩ガラス層を有してもよい。次に図2Bに示されたように、ナノ秒(nsまたはps)レーザーはベースおよびエミッタ接触を開口する。またこのステップはあらゆる酸化残留物(例えばアルミニウムケイ素酸化残留物)を除去するためにウェットエッチングを含んでもよい。次に図2Cに示されたように、ドーパントペーストは、ドーパントを打ち込み/拡散し、ベースおよびエミッタ領域を形成するために、エミッタおよびベース領域におけるペースト印刷に続く拡散アニールである。次に図2Dに示されたように、ドーパントペーストを(例えばウェットエッチングによって)取り去る。次に図2Eに示されたように、金属をベースおよびエミッタ領域上に印刷し、アニーリングによりシャントの危険性が最小になる。 2A-2E represent a process flow showing cross-sectional views of a solar cell at various steps during the manufacture of an adjacent junction cross-finger back contact solar cell having self-aligned contacts with a dopant paste. FIG. 2A shows an aluminum oxide (Al 2 O 3) layer deposited on a silicon substrate / wafer (eg, by APCVD). The aluminum oxide layer may also have an undoped silicate glass layer. Next, as shown in FIG. 2B, the nanosecond (ns or ps) laser opens the base and emitter contacts. This step may also include wet etching to remove any oxidation residue (eg, aluminum silicon oxidation residue). Next, as shown in FIG. 2C, the dopant paste is a diffusion anneal following paste printing in the emitter and base regions to implant / diffuse the dopant and form the base and emitter regions. The dopant paste is then removed (eg, by wet etching) as shown in FIG. 2D. Next, as shown in FIG. 2E, metal is printed on the base and emitter regions and annealing minimizes the risk of shunting.
図3A〜図3Gは、ドーパントペーストを備えた自己整合接触を有する、隣接しない接合交差指型背面接触太陽電池の製造中の、様々なステップにおける太陽電池の断面図を示すプロセス流れを表す。図3Aは、シリコン基板/ウェハ上に(例えばAPCVDによって)堆積された酸化アルミニウム(Al2O3)層を示す。また酸化アルミニウム層はドープされないケイ酸塩ガラス層を有してもよい。次に図3Bに示されたように、ナノ秒(ns)レーザーはベース接触を開口する。またこのステップはあらゆる酸化残留物(例えばアルミニウムケイ素酸化残留物)を除去するためにウェットエッチングを含んでもよい。次に図3Cに示されたように、ドープされないケイ酸塩ガラス層が(例えばAPCVDによって)堆積される。次に図3Dに示されたように、ピコ秒(ps)レーザーはベースおよびエミッタ接触開口を切除する。次に図3Eに示されたように、ドーパントペーストは、ドーパントを打ち込み/拡散し、ベースおよびエミッタ領域を形成するために、エミッタおよびベース領域におけるペースト印刷に続く拡散アニールである。次に図3Fに示されたように、ドーパントペーストを(例えばウェットエッチングによって)取り去る。次に図3Gに示されたように、金属をベースおよびエミッタ領域上に印刷し、アニーリングによりシャントの危険性が最小になる。 3A-3G represent a process flow showing a cross-sectional view of a solar cell at various steps during the manufacture of a non-adjacent junction cross-finger back contact solar cell with self-aligned contact with a dopant paste. FIG. 3A shows an aluminum oxide (Al 2 O 3) layer deposited on a silicon substrate / wafer (eg, by APCVD). The aluminum oxide layer may also have an undoped silicate glass layer. The nanosecond (ns) laser then opens the base contact, as shown in FIG. 3B. This step may also include wet etching to remove any oxidation residue (eg, aluminum silicon oxidation residue). Next, as shown in FIG. 3C, an undoped silicate glass layer is deposited (eg, by APCVD). Next, as shown in FIG. 3D, the picosecond (ps) laser ablates the base and emitter contact openings. Next, as shown in FIG. 3E, the dopant paste is a diffusion anneal following paste printing in the emitter and base regions to implant / diffuse the dopants and form the base and emitter regions. Next, as shown in FIG. 3F, the dopant paste is removed (eg, by wet etching). Next, as shown in FIG. 3G, metal is printed on the base and emitter regions, and annealing minimizes the risk of shunting.
図4A〜図4Eは、まずドープされないペーストを使用してドーパントペーストを備えた自己整合接触を有する、隣接しない接合交差指型背面接触太陽電池の製造中の、様々なステップにおける太陽電池の断面図を示すプロセス流れを表す。図4Aは、シリコン基板/ウェハ上の所望のベース領域のみに印刷されたドープされないケイ酸(SiO2)ペーストを示す。次に図4Bに示されたように、ドープされた層(例えばドープされた酸化アルミニウム層Al2O3またはドープされたホウケイ酸塩ガラス層BSG1)およびドープされないケイ酸塩ガラス層(USG)層が(例えばAPCVDによって)堆積される。ドープされないケイ酸塩ガラス層はドープされない層に比べて3〜4倍の厚さを有してもよい。次に図4Cに示されたように、ピコ秒(ps)レーザーはベースおよびエミッタ接触開口を切除する。次に図4Dに示されたように、ドーパントペーストは、ドーパントを打ち込み/拡散し、ベースおよびエミッタ領域を形成するために、エミッタおよびベース領域におけるペースト印刷に続く拡散アニールである。次にドーパントペーストを(例えばウェットエッチングによって)取り去る。次に図4Eに示されたように、金属をベースおよびエミッタ領域上に印刷し、アニーリングによりシャントの危険性が最小になる。
4A-4E are cross-sectional views of solar cells at various steps during the manufacture of non-adjacent junction cross-finger back contact solar cells having self-aligned contacts with a dopant paste using an undoped paste first. Represents the process flow. FIG. 4A shows an undoped silicic acid (SiO 2) paste printed only on the desired base region on the silicon substrate / wafer. Next, as shown in FIG. 4B, a doped layer (eg, doped aluminum oxide layer Al 2
自己整合背面接触背面接合太陽電池の製造方法が概ねCZウェハに関連して説明されているが、これらの方法はエピタキシャル成長した背面接触背面接合太陽電池に関連しても等しく適用可能である。加えて厚い結晶シリコン(例えば約100um〜200umの範囲内の厚さの吸収体を有する)ならびに薄い結晶シリコン背面接触背面接合太陽電池(例えば約5um〜100umの範囲内の厚さの吸収体を有する)の両方に適用可能である。 Although methods of manufacturing self-aligned back contact back junction solar cells have been generally described in connection with CZ wafers, these methods are equally applicable in connection with epitaxially grown back contact back junction solar cells. In addition, thick crystalline silicon (e.g. having an absorber with a thickness in the range of about 100 um to 200 um) as well as a thin crystalline silicon back contact back junction solar cell (e.g. having an absorber with a thickness in the range of about 5 um to 100 um) ) Is applicable to both.
概してかつ具体的に以下の表に表されたプロセス流れに適用可能であるので、エミッタまたはベース接触は、レーザーもしくはウェットエッチングもしくはエッチングペーストなどの様々な電界誘電体除去技法を使用して連続して(いずれかの順で)または同時に開口される。また続いて、ドーパント源を開口した接触内に堆積し、ドーパントを高温でシリコンの中に運び、ドーパント源を選択的に除去/エッチングする一方で、電界誘電体をエッチング液に損傷されないように保つ。これにより、接触が自己整合構造を残したまま開口される領域内のみのシリコンの中に運ばれたドーパントが残る。 In general and specifically applicable to the process flows shown in the table below, the emitter or base contact is continuously performed using various field dielectric removal techniques such as laser or wet etching or etching paste. (In either order) or simultaneously opened. Also subsequently, a dopant source is deposited in the open contact, carrying the dopant into the silicon at high temperature, selectively removing / etching the dopant source while keeping the field dielectric intact from the etchant. . This leaves the dopant carried into the silicon only in the region where the contact is left open leaving a self-aligned structure.
説明された製造方法は、接触するドーパントの源によってさらに分類されてもよい。これらはドーパントペースト(例えばn型のリンおよびp型のホウ素)、または例えばAPCVDが堆積したホウ素もしくはリンがドープされたSiO2フィルムにドーパントを組み込む堆積フィルムに由来することが可能である。最後にN+およびp+ドーパント源がドーパントの一方の型はAPCVD、ドーパントの他方の型はドーパントペーストに由来するハイブリッド源。さらなる下位範疇は、ウェハおよびエピタキシャルベースの吸収体の両方、ならびにドーパント源の範疇(ドーパントペースト、APCVCフィルム、およびハイブリッドドーパント源)に適用可能なドーパント源をエッチング除去する/取り除くために技法によって画定される。一例として、ドープされたSiO2などの酸化物ベースのドーパント源に対して、HFを備える湿式工程を使用することができ、またはHF気相エッチングを使用する乾式工程を展開してもよい。また電界領域もSiO2である場合は、重度ドープされたSiOxフィルムがドープされないフィルムよりはるかに迅速にエッチングし得るので、湿式HFは選択的に獲得される。別法として、電界領域の堆積は(例えばさらにAPCVDを使用して堆積された)Al2O3を含有してもよい。このフィルムは例えば900℃を超える高温で一旦処理されると、HF水溶液に高選択性を有することがある。別法として、HF気相も高選択的にドーパント源をエッチングする。 The described manufacturing method may be further classified by the source of the dopant in contact. These can be derived from dopant pastes (eg, n-type phosphorus and p-type boron), or from deposited films that incorporate dopants into boron or phosphorus doped SiO 2 films, eg, deposited by APCVD. Finally, N + and p + dopant sources are hybrid sources where one type of dopant is derived from APCVD and the other type of dopant is derived from a dopant paste. Further subcategories are defined by techniques to etch / remove dopant sources applicable to both wafer and epitaxial based absorbers, as well as dopant source categories (dopant pastes, APCVC films, and hybrid dopant sources). The As an example, a wet process with HF can be used for an oxide-based dopant source such as doped SiO2, or a dry process using HF vapor etching may be developed. Also, if the electric field region is also SiO2, wet HF is selectively obtained because a heavily doped SiOx film can be etched much faster than an undoped film. Alternatively, field region deposition may include Al 2 O 3 (eg, further deposited using APCVD). Once this film has been processed, for example, at a high temperature above 900 ° C., it may have high selectivity in aqueous HF solutions. Alternatively, the HF gas phase also etches the dopant source with high selectivity.
概して接触が同時に開口される場合は、両方のドーパント源はスクリーン印刷されたドーパントペーストであってもよい。接触が連続して開口される場合は、接触またはハイブリッド源のどちらにも堆積されたフィルムを利用してよい。 In general, if the contacts are opened simultaneously, both dopant sources may be screen printed dopant pastes. If the contact is continuously opened, a film deposited on either the contact or the hybrid source may be utilized.
表12は、分離した接合を生じ、ドーパントペースト(例えばスクリーン印刷されたドーパントペースト)を使用して達成される前工程自己整合接触の製造流れを示す。分離した接合において、エミッタドーピングはベース接触ドーピングに隣接せず、ベースの背景バルクドーピングによって分離される。ステップ2は、エミッタに続くキャップの堆積を示す。またエミッタ源はAPCVDが堆積したホウ素ドープされたAl2O3であるように示されているが、これはホウ素ドープされたSiO2層または異なる手段を使用して堆積された別のドーパント源層であってもよい。第1のレーザー切断(ステップ3)は、アニール時に接合の間に分離が存在するように、エミッタとベースドーピングとの間の分離を切開することである。流れはレーザーのnsUVおよびpsUVの使用を提案している。またピコ秒緑色レーザー、フェムト秒レーザー、またはエッチングペーストもしくはリソグラフィ技法を使用して、このベースウィンドウを生成してもよい。ピコ秒レーザーを使用する場合、シリコン内のレーザー損傷を除去するためにシリコンの小さいウェットエッチングが続いてもよい。また表12のステップ5は、ピコ秒緑色レーザーまたはフェムト秒レーザーを使用して行われてもよい。ステップ5は、ベース接触のためのベースウィンドウ内の接触開口、ならびにエミッタのための接触開口である。どちらの接触も同じステップで切開され、それゆえドーパント源の印刷方法は、(薄いドーパント源フィルムの包括堆積に比べると)ドーパントペーストのスクリーン印刷などのこれらの接触の上部の選択的印刷であるべきである。ステップ7で両方の接触内のドーパントを運ぶアニールの後で、ドーパント源はウェットエッチングされるか、または選択的にHF気相を使用してエッチングされる。分離実施形態では、ドーパント源がシリコン系ドーパント源と同様に導電性である場合、エッチングステップを省略してもよい(ステップ8)。
別の実施形態では、乾燥またはドーパントの運搬中に共拡散の危険性がある場合、接触を連続して開口することができる。このシナリオではベースまたはエミッタ接触のいずれかが最初に開口され、対応するペーストが印刷され乾燥される。次に他方の接触が開口され、対応するペーストが印刷され乾燥される。最後に両方のペーストが同時に運ばれる。この代替形態は、乾燥および燃焼中に接触内の二次汚染を回避できる。 In another embodiment, the contact can be continuously opened if there is a risk of co-diffusion during drying or delivery of the dopant. In this scenario, either the base or emitter contact is first opened and the corresponding paste is printed and dried. The other contact is then opened and the corresponding paste is printed and dried. Finally, both pastes are carried simultaneously. This alternative can avoid cross-contamination within the contact during drying and combustion.
二次汚染の問題がドーパントの運搬中にあるより極端な場合には、接触開口、ドーパントペースト印刷、乾燥/燃焼、およびアニールはドーパントの1つの型に実行されてもよい。この手順に続いて接触の第2の型で同じステップが繰り返される。これにより熱予算を削除するべき場合に2つの異なるアニールをもたらす。 If the problem of cross-contamination is more extreme when the dopant is in transit, contact opening, dopant paste printing, drying / burning, and annealing may be performed on one type of dopant. This procedure is followed by the same steps in the second type of contact. This results in two different anneals when the thermal budget is to be deleted.
表12のプロセス流れの隣接した接合部の実施形態では、ステップ3およびステップ4を省略してもよく、接触をベースおよびエミッタの両方に直接開口できる。
In the adjacent junction embodiment of the process flow of Table 12,
最後に別の変形形態では、電界領域は、ドーパント源のエッチング液の化学的性質に耐性のある薄いフィルムによって覆われてもよい。ドーパント源がSiOx系であり、エッチングの化学的性質がHF系である場合、キャップ層はAPCVD系Al2O3(ドープされないもしくはドープされた)または酸化チタン(TiO2)または無結晶シリコン(a−Si)であってもよい。 Finally, in another variation, the electric field region may be covered by a thin film that is resistant to the chemistry of the dopant source etchant. When the dopant source is SiOx-based and the etching chemistry is HF-based, the cap layer is made of APCVD-based Al2O3 (undoped or doped) or titanium oxide (TiO2) or amorphous silicon (a-Si). There may be.
表13は、ドーパント源として働くAPCVDが堆積したフィルムのみを使用する、前工程の分離した接合自己整合太陽電池のプロセス流れを示す。この流れはステップ4まで表12(上に説明されたすべての変形形態を有する)と同じステップが続く。ステップ5では接触の1つの型のみが最初に開口される。この場合その型は(n型背面接触セルに対する)エミッタ接触である。この後にAPCVD・BSGフィルムが続き、これはエミッタ接触ドーピングのためのドーパント源である(ステップ6)。次にベース接触が開口され、PSGがAPCVDを使用して堆積される。変形形態では、エミッタおよびベース接触開口の順を逆転できる。表13に説明された分離した接合流れの隣接した例は、隣接した接合部を生成するためにステップ3およびステップ4を省略/除去する。
以下の表14は、ハイブリッド手法を使用して前工程の分離した接合自己整合のプロセス流れを示す。この手法ではドーパント源の1つは堆積したAPCVDフィルムである一方で、他方の型のドーパント源は印刷されたドーパント源である。
表14の流れは最初の4つのステップを(その変形形態とともに)表13と共有する。表14のステップ5では、エミッタ接触が開口される。BSGはステップ6で堆積され、ステップ7はレーザーでベース接触を開口する(流れはpsレーザーの使用を提案しているが、異なる波長のナノまたはフェムト秒レーザーは、それらが接触開口の要件を満たす限り除外されないことに留意されたい)。続いてステップ8でリン系ドーパントペーストが印刷され、乾燥される。ステップ9は、BSGから、また接触するドープされた領域を生成するためにリンペーストからドーパントを運ぶためのアニールステップであるが、ステップ10は、ウェットまたはHF気相技法のいずれかに基づいたドーパント源を除去する。表14に説明された分離した接合流れの隣接した例は、隣接した接合を生成するためにステップ3およびステップ4を省略/除去する。
The flow in Table 14 shares the first four steps (with variants) with Table 13. In step 5 of Table 14, the emitter contact is opened. BSG is deposited in step 6 and step 7 opens the base contact with a laser (flow suggests the use of a ps laser, but different wavelength nano or femtosecond lasers meet the requirements for contact opening Note that this is not excluded as far as possible). Subsequently, in step 8, a phosphorus-based dopant paste is printed and dried. Step 9 is an annealing step to carry the dopant from the BSG and from the phosphor paste to produce the contacted doped region, while Step 10 is a dopant based on either wet or HF gas phase techniques. Remove source. The adjacent example of a separate bond flow described in Table 14 omits / removes
表14の流れの変形形態では、BSG2(ステップ6)およびリンドーパントペースト(ステップ8)の順が逆転される。ベース接触が最初に開口され、リンペーストが続く。これにエミッタ接触およびBSG2堆積が続き、残りの流れは同様である。 In the flow variant in Table 14, the order of BSG2 (step 6) and phosphorus dopant paste (step 8) is reversed. Base contact is opened first, followed by phosphorus paste. This is followed by emitter contact and BSG2 deposition, and the rest of the flow is similar.
別の変形形態では、ハイブリッドドーパント源は、APCVDが堆積しドープされたSiO2フィルムでベース接触が作成される一方で、エミッタ接触はホウ素系ドーパントペーストを使用して作成されるように、APCVD PSGおよびドーパントペーストホウ素に基づく。この変形形態は、接触開口およびそれに付随するドーパント源の順が2つの可能性を有する変形形態をさらに有する。 In another variation, the hybrid dopant source is APCVD PSG and APCVD PSG so that the base contact is made with a SiO2 film deposited and doped with APCVD, while the emitter contact is made using a boron-based dopant paste. Based on the dopant paste boron. This variant further has a variant in which the order of the contact opening and the associated dopant source has two possibilities.
以下の表15は、ドーパントペーストおよびドープされた誘電体フィルムの両方が、接触するドープされたベースおよびエミッタに対するドーパント源として使用される、表14のハイブリッド手法の変形形態を示す前工程プロセス流れである。
表14に比べて表15の変形形態では、エミッタおよびベース接触の両方はAPCVD−PSGおよび拡散アニールによって分離される。これは拡散アニール中にドーパントの共拡散の危険性を低減させるために行われる。共拡散は、ベースまたはエミッタ接触拡散領域(リンもしくはホウ素)由来のドーパント源が、ドーパントペースト(リンもしくはホウ素)から気相を通って他の極性(ベースまたはエミッタ)に移動する際の工程である。表15に示されたように、例えば固相ドーパント源(APCVD−PSG)をPSGの上部に置き、次の接触エミッタ接触開口ステップの前にアニールを加えることにより、この工程は回避できる。場合によっては、ペーストはリンであり、ベースが最初に(n型背面接触セルに対して)開口され、変形形態ではペーストはホウ素ペーストであり、エミッタが最初に開口される。 In the variation of Table 15 compared to Table 14, both the emitter and base contacts are separated by APCVD-PSG and diffusion annealing. This is done to reduce the risk of dopant co-diffusion during diffusion annealing. Co-diffusion is the process by which a dopant source from the base or emitter contact diffusion region (phosphorus or boron) moves from the dopant paste (phosphorus or boron) through the gas phase to another polarity (base or emitter). . As shown in Table 15, this process can be avoided, for example, by placing a solid phase dopant source (APCVD-PSG) on top of the PSG and applying an anneal prior to the next contact emitter contact opening step. In some cases, the paste is phosphorous, the base is opened first (relative to the n-type back contact cell), and in a variant, the paste is boron paste, and the emitter is opened first.
表15のプロセス流れの変形形態は、以下の表16に示されたように、ステップ3およびステップ4を省略することにより隣接した接合を形成する。本開示全体を通して、表15に関連して説明された変形形態は、隣接した接合流れと等しく適用可能である。
表15および16の変形形態では、共拡散の危険性はAPCVD−PSGを取り除く、または拡散アニールを取り除くことによって回避できる。 In the variations of Tables 15 and 16, the risk of co-diffusion can be avoided by removing APCVD-PSG or removing diffusion annealing.
今までに説明された変形形態を伴うすべての自己整合のプロセス流れは、エピタキシャル成長した薄いフィルムの太陽電池と等しく有効であることに留意されたい。表12に概要を示した手法に対応する代表的プロセス流れ(ドーパントペーストを備える分離した接合)は、エピタキシャルの薄いフィルムの太陽電池に対して表17に示されている。エピタキシャル流れは、流れをほとんど乾燥したままに保つためにHF気相手法を使用してもよい一方で、エピタキシャル吸収体は依然として鋳型上にある。ハイプリッドドーパント源またはすべてのAPCVDドーパント源(CZウェハに対して示されている)で隣接した接合および分離した接合を備えた他のすべての実施形態は、表16に基づいて修正された流れをもつエピタキシャル太陽電池と等しく有効である。本出願は、エピタキシャル形成の他の態様についてより詳細な流れを提供する。自己整合の特性をその製造方法とともに、エピタキシャルおよびCZウェハに基づいたプロセス流れの以前に検討されたあらゆる変形形態と組み合わせることができる。
太陽電池背面のベースおよびエミッタ領域を完成した後、本明細書に説明された太陽電池構造は、オンセル型ベースおよびエミッタ金属化第1のレベルの金属(M1)、および第1のレベルの金属から電力(電圧および電流)を集める第2のレベルの金属(M2)(ゆえに太陽電池の金属化を完了する)を備える、2つのレベルの金属化構造などの多層金属化構造を利用してもよく、またこれは電池間の相互連結を形成してもよい。第2のレベルの金属(M2)は、ベースおよびエミッタの電流収集指の交差パターン、また恣意的に太陽電池のベースおよびエミッタの母線(例えばM2のベースおよびエミッタの指がそれぞれベースおよびエミッタの母線から延在する)を備えてもよい。第1のレベルの金属(M1)は、M2の交差した指に直交/垂直または場合によっては平行に配置された、比較的微細なピッチで交差した指(第2のレベルの金属ピッチよりはるかに微細なピッチ)を備える、交差指型背面接触の金属化構造を備えてもよい。M1とM2との間に形成され、太陽電池に取り付けられた、比較的薄い電気絶縁背面板は、太陽電池の構造支持、M1の電気絶縁を提供し、太陽電池の製造(特にM2の製造および太陽電池の正面の処理)処理を改良することができる。背面板シートは、残りの太陽電池の製造プロセスステップを完了する前に、例えば背面接触/背面接合太陽電池に積層された、あるいは別法で取り付けられた太陽電池半導体基板材料(例えばシリコン太陽電池のための結晶シリコン)と一致したCTEに近い連続した可撓性材料であってもよい。 After completing the base and emitter regions on the back side of the solar cell, the solar cell structure described herein is comprised of an on-cell base and emitter metallization first level metal (M1), and a first level metal. Multi-layer metallization structures such as a two level metallization structure with a second level metal (M2) that collects power (voltage and current) (and thus completes the metallization of the solar cell) may be utilized. This may also form interconnections between the batteries. The second level metal (M2) is a cross pattern of base and emitter current collection fingers, and optionally a solar cell base and emitter bus (eg, M2 base and emitter fingers are respectively base and emitter buses). May be provided). The first level metal (M1) is crossed at a relatively fine pitch (much more than the second level metal pitch) placed perpendicular / perpendicularly or possibly parallel to the crossed fingers of M2. An interdigitated back contact metallization structure with a fine pitch) may be provided. A relatively thin electrically insulating backplate formed between M1 and M2 and attached to the solar cell provides structural support for the solar cell, electrical insulation for M1, and solar cell manufacturing (especially M2 manufacturing and The processing of the front face of the solar cell) can be improved. The backplate sheet may be laminated to or otherwise attached to a back contact / back junction solar cell, eg, a solar cell semiconductor substrate material (eg, silicon solar cell) before completing the remaining solar cell manufacturing process steps. For example, it may be a continuous flexible material close to the CTE that matches the crystalline silicon.
多レベルの金属化設計、例えば第1のレベルのオンセル型金属M1(例えばアルミニウムまたは別の適切な金属を備える微細なピッチの交差指型金属化構造)、および第2のレベルの金属M2(例えばアルミニウム、銅、または適切な導電性金属を備える粗いピッチの交差指型金属化構造)を備える2つのレベルの金属設計では、M1は、交差指型ベースおよびエミッタの線(例えばベース・エミッタの指のピッチが2mm未満、場合によっては1mm未満)を備え、M2(場合によってはM1の指に実質的に直交/垂直な交差した指を備え、またM1に比べてはるかに粗いベース・エミッタのピッチをもつ)は、M1のベースおよびエミッタの線の間の電気接続器として働く(すなわちバスバーレスのM1のパターンだが、恣意的に電池のバスバーをM2のパターン上に置いてもよい)。開示された多レベルの金属設計における金属層は、連続した背面板上に置かれた太陽電池アレイにおける複数の太陽電池のそれぞれに対して連続した背面板を形成する、樹脂/繊維系プリプレグ材料、あるいは別法として適切なプラスチックもしくは高分子系材料などの誘電体または電気絶縁層によって分離される。重要なことには、背面板は好ましくは、熱処理中にCTE(熱膨張係数)の不一致応力または反り効果を最小にするように、半導体吸収体(例えば結晶シリコン)のCTEに一致したCTEに比較的近い必要がある。例えば特別に考案されたアラミド繊維のプリプレグ材料はシリコンと一致する近いCTEを提供し得る一方で、可撓性の電気絶縁、熱および化学安定性、ならびに有効な亀裂のない積層などの他の望ましい処理および信頼できる特徴を提供し得る。M1/M2の相互連結構造は、M1とM2との間に位置付けられた、すなわちパターン化されたM2層の形成後に太陽電池の背面に積層された、または取り付けられた、絶縁層(例えばプリプレグ背面板などの絶縁誘電層)を通ってビアに充填された導電材料を含む。 Multi-level metallization designs, such as first level on-cell metal M1 (eg, fine pitched interdigitated metallization structure comprising aluminum or another suitable metal), and second level metal M2 (eg, In a two-level metal design with a coarse pitched interdigitated metallization structure with aluminum, copper, or a suitable conductive metal, M1 is the interdigitated base and emitter line (eg, base-emitter finger). M2 (possibly with crossed fingers substantially perpendicular / perpendicular to M1's fingers, and a much coarser base-emitter pitch compared to M1) Has an electrical connection between the base and emitter lines of M1 (ie a busbarless M1 pattern, but arbitrarily It may be placed on the pattern of M2 a bus bar). The metal layer in the disclosed multi-level metal design is a resin / fiber prepreg material that forms a continuous backplate for each of a plurality of solar cells in a solar cell array placed on the continuous backplate; Alternatively, it is separated by a dielectric such as a suitable plastic or polymer material or an electrically insulating layer. Importantly, the back plate is preferably compared to a CTE that matches the CTE of the semiconductor absorber (eg, crystalline silicon) so as to minimize CTE (thermal expansion coefficient) mismatch stress or warping effects during heat treatment. Need to be close. For example, a specially devised aramid fiber prepreg material may provide a near CTE consistent with silicon, while other desirable such as flexible electrical insulation, thermal and chemical stability, and effective crack-free lamination Processing and reliable features can be provided. The M1 / M2 interconnect structure is positioned between M1 and M2, ie, an insulating layer (eg, prepreg back) that is laminated or attached to the back of the solar cell after formation of the patterned M2 layer. A conductive material filled in vias through an insulating dielectric layer such as a faceplate.
具体的には、提供された太陽電池は、背面板の積層の前に太陽電池の背面上に直接形成された比較的薄いパターン化された金属(例えばアルミニウムペーストのスクリーン印刷、アルミニウムインクのインクジェット印刷、あるいは別法としてアルミニウムターゲットに続いてレーザー切断もしくはウェットエッチングのパターン化によるプラズマスパッタリングによって形成された薄いアルミニウム)を使用する、好ましいバスバーレス(しかし恣意的にバスバーを使用してもよい)の第1のレベルの接触金属化(M1)、ならびに背面板の積層後に形成された第2のレベルの薄いパターン化された金属M2(例えば約3〜5ミクロンの厚さのAlまたは別法として約1〜数ミクロンの銅を備え、どちらの場合も恣意的にスズなどのはんだ付けが可能な被覆で覆われてもよい)を備える、2つのレベルの金属化方式を利用してもよい。またパターン化されたM2層は、メッキまたは積層を使用して、また高導電性金属フォイル(銅またはアルミニウムを含む)をパターン化して形成されてもよい。M1およびM2の層は、背面板によって分離され、導電性ビアプラグを通って(導電性ビアプラグはM2の形成中に形成されてもよい)指定された領域で相互連結される。M1は微細なピッチのパターンを有し、M2は好ましくはM1に直交し(または実質的に垂直であり)、粗いピッチパターンを有する(ゆえにM1に比べてベースおよびエミッタの指は少ない)。パターン化されたM2は電池レベルの電気金属化を完成し、また連続した背面板に積層された複数の太陽電池に対して電池間の電気的相互接続を提供してもよく、したがって場合によっては電池間のタブ結合/バス結合/はんだ付けを分離する必要がなくなる。さらにM2は、アレイ/モジュールの電気的相互接続設計が所望されるときに、アレイ/モジュールレベルのバス結合または相互接続を形成してもよい。 Specifically, the provided solar cell is a relatively thin patterned metal (eg, aluminum paste screen printing, aluminum ink inkjet printing, formed directly on the back of the solar cell prior to back plate lamination. Alternatively, a preferred busbar-less (but optionally busbar may be used) first using an aluminum target followed by thin aluminum formed by laser sputtering or plasma sputtering by wet etching patterning) Level of contact metallization (M1), as well as a second level of thin patterned metal M2 (eg, about 3 to 5 microns thick Al or alternatively about 1 to 1) formed after lamination of the backplate It has several microns of copper, and in both cases it is arbitrarily soldered, such as tin Comprises may) be covered by injury can coating, metallization schemes of the two levels may be used. The patterned M2 layer may also be formed using plating or lamination and patterning a highly conductive metal foil (including copper or aluminum). The layers of M1 and M2 are separated by a back plate and interconnected at designated areas through conductive via plugs (which may be formed during the formation of M2). M1 has a fine pitch pattern, and M2 is preferably orthogonal (or substantially perpendicular) to M1 and has a coarse pitch pattern (and therefore has fewer base and emitter fingers than M1). Patterned M2 completes battery level electrometallization and may also provide electrical interconnections between cells for multiple solar cells stacked on a continuous backplate, and in some cases There is no need to separate tab connections / bus connections / soldering between batteries. Further, M2 may form an array / module level bus coupling or interconnection when an array / module electrical interconnection design is desired.
場合によっては電圧および電流のスケーリング(例えばより高い電圧およびより低い電流の太陽電池)は、M2の導電性要件および制限を緩和し低減してもよい。例えば他の要因を考慮して、厚いM2金属化(例えば約50〜80ミクロンの厚さの電気メッキされた銅)に比べて、薄いM2金属(例えばPVDによって蒸着された約2〜5ミクロンの厚さのアルミニウム、またはプラズマスパッタリングもしくは蒸着によって形成された約1〜数ミクロンの銅)を利用する。また重要なことには、M1およびM2の金属化層の厚さは、M1層およびM2層上の交差した指の数、寸法、および形状に基づいて調節されてもよい。M1は、M2の交差した指に比べてより微細な交差した指を備えてパターン化されることが好都合であることがある。しかし提供された電池の構造および製造の実施形態は、背面板およびM2の金属化層を利用する様々な二重レベルの金属化方式に適応可能である。 In some cases, voltage and current scaling (eg, higher voltage and lower current solar cells) may relax and reduce the conductivity requirements and limitations of M2. For example, considering other factors, thin M2 metal (eg about 2-5 microns deposited by PVD) compared to thick M2 metallization (eg about 50-80 microns thick electroplated copper) Thick aluminum, or about 1 to several microns of copper formed by plasma sputtering or vapor deposition) is utilized. Significantly, the thickness of the M1 and M2 metallization layers may be adjusted based on the number, size, and shape of the intersecting fingers on the M1 and M2 layers. M1 may be conveniently patterned with finer crossed fingers compared to M2's crossed fingers. However, the provided battery construction and fabrication embodiments are adaptable to various dual level metallization schemes that utilize the backplate and M2 metallization layer.
背面板の積層前に、太陽電池のベースおよびエミッタの接触の金属化パターンは、例えばスクリーン印刷された、またはインクジェット印刷された、またはプラズマスパッタリングされた(PVD)、または蒸着されたアルミニウム(またはアルミニウム・シリコン合金もしくはAl/Niv/Sn積層)材料層の薄層を使用して、電池の背面上に直接形成される。金属化のこの第1の層(本明細書ではM1と呼ばれる)は、太陽電池の接触の金属化パターンを画定する、例えば微細なピッチの交差指型背面接触(IBC)の導体指は、IBC電池のベースおよびエミッタ領域を画定する。M1層は太陽電池の電流および電圧(ゆえに太陽電池の電力)を抽出し、背面板に形成された導電性ビアプラグを通る太陽電池の電力を、M1の後に形成された高導電性の太陽電池の金属化(本明細書ではM2と呼ばれる)の第2のレベル/層に伝送する。導電性ビアプラグは、パターン化されたM2層の形成中に、例えば背面板層内にビアホールをレーザードリル加工後に、同時に形成することができる。 Prior to the backplate lamination, the metallization pattern of the solar cell base and emitter contacts can be, for example, screen printed, ink jet printed, plasma sputtered (PVD), or deposited aluminum (or aluminum). (Silicon alloy or Al / Niv / Sn stack) is formed directly on the back of the battery using a thin layer of material layer. This first layer of metallization (referred to herein as M1) defines the metallization pattern of solar cell contacts, eg, fine pitched interdigitated back contact (IBC) conductor fingers are IBC The base and emitter regions of the battery are defined. The M1 layer extracts the current and voltage of the solar cell (and hence the power of the solar cell), and the power of the solar cell through the conductive via plug formed in the back plate is converted to that of the highly conductive solar cell formed after M1. Transmit to the second level / layer of metallization (referred to herein as M2). The conductive via plug can be formed simultaneously with the formation of the patterned M2 layer, for example, after laser drilling a via hole in the back plate layer.
太陽電池(複数可)の背面に取り付けられ、パターン化されたM1層とM2層との間に置かれた背面板材料は、熱膨張の係数(CTE)が充分に低い高分子材料の薄い(例えば約25ミクロン〜1mm、場合によっては約25ミクロン〜250ミクロン)シートであってもよい。このCTEは、過剰な熱に誘導される応力および反りを太陽電池アレイ上に引き起こさないために、半導体吸収体層のCTEに緊密に一致する。さらに背面板材料は、後工程電池の製造工程、特に電池の正面の湿式テクスチャリング中の耐化学性、および正面の不動態化および反射防止被覆(ARC)層のPECVD堆積中の熱安定性に必要な工程統合に適合するべきである。またさらに電気絶縁する背面板材料は、モジュールレベルの積層工程および長期信頼性の要件を満たすべきである。様々な適切な高分子(プラスチック、フッ素重合体、プリプレグなど)および適切な非重合体材料(ガラス、セラミックなど)を背面板として使用してもよいが、背面板材料の選択は、これに限定されないが、材料費、工程統合の容易さ、信頼性、柔軟性、質量密度などを含む多くの検討事項に依存する。 The backplate material attached to the back surface of the solar cell (s) and placed between the patterned M1 and M2 layers is a thin polymeric material with a sufficiently low coefficient of thermal expansion (CTE) ( For example, the sheet may be about 25 microns to 1 mm, and in some cases about 25 microns to 250 microns. This CTE closely matches the CTE of the semiconductor absorber layer so as not to cause excessive heat-induced stress and warpage on the solar cell array. In addition, the backplate material provides chemical resistance during post-process battery manufacturing processes, particularly wet texturing of the front of the battery, and thermal stability during PECVD deposition of the front passivation and anti-reflective coating (ARC) layers. Should meet the required process integration. Furthermore, the backplate material that is further electrically insulated should meet the requirements of the module level lamination process and long-term reliability. Various suitable polymers (plastics, fluoropolymers, prepregs, etc.) and suitable non-polymeric materials (glass, ceramics, etc.) may be used as the backplate, but the choice of backplate material is limited to this Although not, it depends on many considerations including material costs, ease of process integration, reliability, flexibility, mass density, and the like.
背面板材料に好都合な材料選択はプリプレグであり、より具体的にはアラミド繊維樹脂系プリプレグである。場合によっては不織布のアラミド繊維が特に好都合である。概してプリプレグは樹脂を予備含浸した補強材であり、複合部を生成するためにすぐに使用できる(プリプレグを使用して、湿式レイアップシステムより迅速に容易に複合部を生成できる)。プリプレグは、一貫性を確実にするために設計された器具を使用して、特別に考案された予備触媒された樹脂と強化繊維または織物を組み合わせることによって製造されてもよい。一般に印刷回路基板には安価のプリプレグ材料が使用される。 A convenient material choice for the backplate material is prepreg, more specifically aramid fiber resin prepreg. In some cases, non-woven aramid fibers are particularly advantageous. Generally, prepregs are reinforcements pre-impregnated with resin and can be used immediately to produce composite parts (prepregs can be used to produce composite parts more quickly and easily than wet layup systems). The prepreg may be manufactured by combining a specially devised pre-catalyzed resin with a reinforcing fiber or fabric using an instrument designed to ensure consistency. In general, an inexpensive prepreg material is used for the printed circuit board.
背面板(例えばプリプレグシート)は、真空ラミネータを使用して太陽電池の背面に取り付けられてもよい。熱と圧力の組合せを加えると、薄い背面板(例えばプリプレグシート)は、部分的に処理された(またはさらに完全に処理された)太陽電池の背面に永久に積層される、または取り付けられる。部分的に処理された太陽電池の場合には、次の積層後の製造プロセスステップは、(i)太陽電池の太陽側(正面)上のテクスチャリングおよび不動態工程を完了すること、および(ii)太陽電池の背面(太陽電池の背面板上の一部を含んでもよい)に高伝導性金属化(M2)を完了することを含んでもよい。エミッタおよびベースの両方の極性を含む高伝導性金属化M2層(例えばアルミニウム、銅、または銀を備え、アルミニウムおよび/または銅は材料費がはるかに低いので銀に比べて好ましい)は、太陽電池の背面に取り付けられた積層された背面板上に形成される。 The back plate (eg, prepreg sheet) may be attached to the back surface of the solar cell using a vacuum laminator. When a combination of heat and pressure is applied, a thin backplate (eg, a prepreg sheet) is permanently laminated or attached to the backside of a partially processed (or more fully processed) solar cell. In the case of partially processed solar cells, the next post-stacking manufacturing process steps are (i) completing the texturing and passivation steps on the solar side (front) of the solar cell, and (ii) ) Completing the highly conductive metallization (M2) on the back surface of the solar cell (which may include a portion on the back plate of the solar cell). Highly conductive metallized M2 layers (e.g. comprising aluminum, copper, or silver, where aluminum and / or copper are preferred over silver due to much lower material costs), including both emitter and base polarity Formed on a laminated back plate attached to the back of the substrate.
(M1層の上、中、または周囲に)背面板の形成後、高伝導性金属化M2層は背面板上に形成される。ビアホールは(場合によっては1つの太陽電池に対して数百個または数千個のビアホール)背面板の中にドリル加工され(例えばレーザードリル加工、エッチング、または部分的なレーザードリル加工に続くエッチングの組合せ)、約50〜500ミクロンの範囲の直径(具体的には約100〜300ミクロンの範囲の直径)(場合によっては先細である)を有してもよい。これらのビアホールは、これらのビアホール内に形成された導電性プラグを通って、パターン化されたM2層とM1層との間の電気接続のためにM1の事前に指定されたランディングパッド領域に置かれる。場合によっては、ビアは被覆されてもよく、または導電性金属化で少なくとも一部が充填されてもよく、M2は別個のステップで堆積されてもよく、他の場合ではM2の堆積は同じM2の堆積または形成ステップでビアを少なくとも部分的に被覆するか、または部分的に充填する。続いてまたはビアホールの充填および導電性プラグの形成と併せて、パターン化された高伝導性金属化層M2が(例えばプラズマスパッタリング、メッキ、蒸着、またはそれらの組合せにより、例えばアルミニウム、Al/NIV、Al/NiV/Sn、または銅もしくははんだ付けで覆われた銅を備えるM2材料を使用して)形成される。M1上に微細なピッチの交差指型背面接触(IBC)の指(例えば数百の指)を備えたIBC太陽電池については、パターン化されたM2層は、M1の指に直交して設計されてもよく、換言すれば長方形または先細のM2の指は実質的にM1の指に垂直である。この直交変形のために、パターン化された交差指型M2層は、M1層より非常に少なく、かつ広いIBCの指(例えばM1の指に対してM2の指は約10〜50だけ少ない)を有してもよい。ゆえにM2層はM1層より広いIBCの指を備えたはるかに粗いパターンに形成されてもよい。恣意的に太陽電池のバスバーは、オンセル型バスバーに関連した電気的日陰損失を取り除くために、M1層上ではなく(換言すればM1はバスバーレス)、M2上に位置付けられてもよい。ベースおよびエミッタの相互連結ならびにバスバーのどちらも太陽電池の背面の背面板上のM2層上に位置付けられてもよいので、太陽電池の背面から背面板上の太陽電池のベースおよびエミッタ端子の両方に電気的アクセスが提供される。 After formation of the back plate (on, in, or around the M1 layer), a highly conductive metallized M2 layer is formed on the back plate. Via holes (possibly hundreds or thousands of via holes for one solar cell) are drilled into the backplate (eg laser drilling, etching, or etching following partial laser drilling) Combination), may have a diameter in the range of about 50-500 microns (specifically, a diameter in the range of about 100-300 microns) (optionally tapered). These via holes are placed in the predesignated landing pad area of M1 for electrical connection between the patterned M2 and M1 layers through conductive plugs formed in these via holes. It is burned. In some cases, the vias may be coated or at least partially filled with conductive metallization, M2 may be deposited in a separate step, and in other cases the deposition of M2 is the same M2 The via is at least partially covered or partially filled with a deposition or formation step. Subsequently or in conjunction with via hole filling and conductive plug formation, a patterned highly conductive metallized layer M2 (eg, by plasma sputtering, plating, vapor deposition, or combinations thereof, eg, aluminum, Al / NIV, Al / NiV / Sn, or M2 material comprising copper or soldered copper). For IBC solar cells with fine pitched interdigitated back contact (IBC) fingers (eg, hundreds of fingers) on M1, the patterned M2 layer is designed orthogonal to M1 fingers. In other words, the rectangular or tapered M2 finger is substantially perpendicular to the M1 finger. Because of this orthogonal deformation, the patterned interdigitated M2 layer is much less than the M1 layer and has a wider IBC finger (eg, about 10-50 fewer M2 fingers than M1 fingers). You may have. Therefore, the M2 layer may be formed in a much coarser pattern with IBC fingers wider than the M1 layer. Arbitrarily, the solar cell bus bar may be positioned on M2 rather than on the M1 layer (in other words, M1 is busbarless) to remove the electrical shade loss associated with the on-cell busbar. Both the base and emitter interconnections and the bus bar may be positioned on the M2 layer on the back plate on the back of the solar cell, so that from the back of the solar cell to both the base and emitter terminals of the solar cell on the back plate. Electrical access is provided.
図5は、図1Aと一致する自己整合接触構造を備え、多レベルの金属化を有する太陽電池の断面図である。特に図5は、第2のレベルの金属M2の交差した指がM1の交差した指に直交にパターン化される背面板ビアを通って、第2のレベルの金属M2にエミッタ結合する第1のレベルの金属M1を示す。 FIG. 5 is a cross-sectional view of a solar cell with a self-aligned contact structure consistent with FIG. 1A and having multiple levels of metallization. In particular, FIG. 5 shows a first level of emitter-coupled second level metal M2 through backplate vias that are patterned orthogonally to M1 crossed fingers to second level metal M2. The level of metal M1 is shown.
例示的実施形態の前述の説明は、当業者が主張された主題を作成できる、または使用できるために提供される。これらの実施形態への様々な修正は当業者には容易に明らかになり、本明細書に定義された一般的な原理は、新規の機能を使用することなく他の実施形態に適用されてもよい。したがって主張された主題は本明細書に示された実施形態に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示された原理および新規の特徴と一致する最も広い範囲を許容することを意図するものである。 The previous description of the exemplary embodiments is provided to enable any person skilled in the art to make or use the claimed subject matter. Various modifications to these embodiments will be readily apparent to those skilled in the art, and the generic principles defined herein may be applied to other embodiments without use of new functionality. Good. Accordingly, the claimed subject matter is not intended to be limited to the embodiments shown herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein. Intended.
本明細書に含まれるようなすべての追加のシステム、方法、特徴、および利点は特許請求の範囲内に含まれることが意図される。
All additional systems, methods, features, and advantages as included herein are intended to be included within the scope of the claims.
Claims (1)
不動態層を備える光を捕捉する正面と、
ドープされたベース領域と、
前記ドープされたベース領域と反対の極性をもつドープされた背面のエミッタ領域とを備える、
堆積された半導体層と、
前記背面のエミッタ領域上の背面の不動態の誘電体層およびパターン化された反射層と、
背面接触背面接合の薄い太陽電池の背面上に、第1のレベルの交差指型金属化パターンを形成する金属の相互連結に連結された、自己整合された背面のエミッタ接触および背面ベース接触と、
前記背面接触背面接合の薄い太陽電池の背面上に位置付けられた、少なくとも1つの永久の支持強化と、
前記永久の背面支持強化構造により第1の層から分離された第2の金属層であって、前記第2の層は、前記永久の背面支持強化構造内の穴の交差指型パターンを局所的に通る前記第1のレベルの金属化パターンに接触する、第2の金属層と
を備える、背面接触背面接合の薄い太陽電池。
A deposited semiconductor layer comprising:
A front side for capturing light with a passive layer;
A doped base region;
A doped back emitter region having a polarity opposite to that of the doped base region;
A deposited semiconductor layer; and
A back passivated dielectric layer and a patterned reflective layer on the back emitter region;
A self-aligned back emitter contact and back base contact coupled to a metal interconnect forming a first level interdigitated metallization pattern on a back surface of the back contact back junction thin solar cell;
At least one permanent support enhancement positioned on the back side of the thin solar cell of the back contact back junction;
A second metal layer separated from a first layer by the permanent back support reinforcement structure, wherein the second layer localizes the interdigitated pattern of holes in the permanent back support reinforcement structure. A back contact back junction thin solar cell comprising: a second metal layer in contact with said first level metallization pattern passing through.
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