JP2017509168A - 基板貫通ビアを備える多接合太陽電池 - Google Patents
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Abstract
多接合太陽電池、および多接合太陽電池を作製するための方法が開示される。太陽に面する側は、宇宙空間での使用環境に耐えることができる、背面接触のみの多接合太陽電池が開示される。
Description
本発明は、多接合太陽電池、および多接合太陽電池を作製するための方法に関する。より詳細には、本開示は、太陽に面する側が地球上と宇宙空間のどちらの使用環境にも耐えることができる、背面接触のみの多接合太陽電池、およびそのような太陽電池を作製するためのプロセスフローに関する。
従来の多接合太陽電池は、その高い効率により、地球上および宇宙空間での用途に広く使用されている。多接合太陽電池は、半導体基板上に薄いエピタキシ領域を積層として成長させることによって実現される、当技術分野で「接合」として知られている直列接続の複数のダイオードを含む。積層内の各接合は、異なる太陽スペクトル成分を吸収するように最適化され、それにより太陽エネルギー変換効率を改良する。
従来の多接合太陽電池は、太陽エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を低下させるいくつかの特徴を備える。例えば、太陽に面する側の一部分を金属電極が遮蔽しているため、太陽電池の前面に入射する太陽エネルギーの一部を吸収することができない。さらに、吸収された太陽エネルギーは、上部接合のエミッタ領域内、および金属グリッド線内での側方導電中に熱（例えば抵抗損）として放散されるので、そのようなエネルギーの一部は、電力として電極に収集することができない。集光型光起電力デバイスまたは大面積太陽電池などの高電力デバイスでは、放散される熱はかなりの温度上昇を引き起こし、それによりデバイスの性能をさらに低下させることもある。典型的には、これらのパラメータなどの間のトレードオフが存在する。多接合太陽電池は、典型的には、望みの条件の下で最適な太陽エネルギーから電気エネルギーへの変換性能を有するように設計される。多接合太陽電池デバイスの効率を改良することが望まれる。
多接合太陽電池は、宇宙空間および地球上で使用することができる。前述した設計トレードオフに加えて、従来の宇宙環境用多接合太陽電池は、耐放射線性を有すると共に、太陽電池と共に集積された金属相互接続構造を有することも必要とされる。耐放射線性は、電子と陽子を含むイオン化放射線にさらされたときにデバイス性能の劣化が最小限であることと定義される。これらの宇宙環境用多接合太陽電池に関して、耐放射線性は、より長い寿命にわたって接合および基板の材料品質を保つために非常に重要である。典型的には、耐放射線性を提供するために宇宙用カバーガラスが使用される。宇宙用カバーガラスは、限定はしないがホウケイ酸ガラスなどいくつかの材料から形成することができる。セル上へのカバーガラスの塗布および相互接続構造の取り付けは特殊な処理技法を必要とし、これは、宇宙空間で使用される太陽電池のコストを高める。したがって、そのようなカバーおよび相互接続を備える太陽電池の生産の容易さによって実現される費用対効果を考慮に入れながら、宇宙空間での使用のために多接合太陽電池の長期の性能を改良するための技法が必要とされる。
図１Ａは、典型的な（従来技術の）多接合太陽電池デバイス１００の概略断面図である。図１Ａに示される太陽電池１００は、３つのサブセル（接合）１０６〜１０８からなり、これらのサブセル１０６〜１０８は、トンネル接合１６７および１７８を介して接続される。図１Ａは典型的な多接合太陽電池の一例にすぎず、そのような太陽電池は任意の数のサブセルを含むことができることを理解されたい。図１Ｂは、典型的な（従来技術の）多接合太陽電池デバイスの簡略化した概略図である。
図１Ａを参照すると、前面電界（ＦＳＦ）領域４が、キャップエッチング後に太陽に面する窓領域である。ＦＳＦ領域４の下に、ダイオードを形成する上部ｐ−ｎ接合１０６のエミッタ領域１０２がある。上部ｐ−ｎ接合の下に同様の接合１０７および１０８が配設され、それにより多接合太陽電池を形成する。上部電極は、キャップ領域３を介してＦＳＦ領域４と接触するグリッド線２を含み、キャップ領域は、金属グリッド線２の形状に従ってパターン形成された半導体材料からなる。底部電極は、基板５と接触する太陽電池の裏面にある金属領域５２である。多接合太陽電池の効率を低下させるいくつかの要因、すなわち遮蔽損、エミッタ損、およびグリッド損が、本発明に関係する。
遮蔽損：典型的な多接合太陽電池では、上部電極は、金属ワイヤの規則的なグリッドからなる。金属グリッド線２およびキャップ領域３が、太陽光が太陽電池に入るのを妨げる。キャップ領域の幅が金属グリッド線の幅よりもわずかに大きい太陽電池では、各グリッド線について、キャップ幅ｘが、光を妨げる合計の幅を決定する。図１Ｂを参照すると、グリッド線幅ｘ’は、典型的にはプロセス定数ｘcによってキャップ幅ｘに関連付けられ、すなわち、ｘ＝ｘ’＋ｘcである。したがって、遮蔽幅ｘが設計パラメータとして増加または減少されるとき、金属幅ｘ’も同じ量だけ増加または減少される。距離ｙだけ間隔を空けて配置されたグリッド線に関して、遮蔽損は、約ｘ／ｙである。したがって、幅ｘの増加および／または間隔ｙの減少により、遮蔽損が増加する。
エミッタ損：太陽光の吸収により、太陽電池にわたってキャリアが生成される。図１Ａを参照すると、エミッタ１０２に到達する光励起キャリアは、図２Ｂの矢印２８によって示されるように、グリッド線２に向かって側方に移動しなければならない。エミッタ１０２とＦＳＦ４は、ドープされた薄い半導体領域であり、合わさって側方導電領域１３２を形成する。側方導電領域１３２にわたるキャリア輸送は、抵抗電力損をもたらし、これは、導電領域のシート抵抗と、キャリアがグリッド線２に達するまでに移動しなければならない距離とに依存する。したがって、シート抵抗を同じとすると、グリッド線間隔ｙが小さければ小さいほど、エミッタ損も小さくなる。
グリッド損：グリッド線は金属抵抗であり、矢印２７で示されるようにバスバー２２に向かって電流が移動するときに抵抗損を生じる。グリッド損は、グリッド線の断面積および長さ、ならびにグリッド線の金属抵抗率によって決定される。より大きいセルでは、より小さいセルに比べてグリッド線が長く、［グリッド損］／［合計損］が大きくなる。
エミッタ損およびグリッド損は、抵抗損（すなわちＩ2Ｒ損）である。したがって、入射する太陽光の密度が増加するとき、太陽電池から抽出される電流が増加し、その結果、Ｉ2Ｒ損がさらに増加する。例えば、５００Ｘ〜１０００Ｘの密度から始めて、抵抗損は、同じセル設計に関して約４倍になる。
グリッド損は、より多くのグリッド線を使用する（したがってｙを減少させる）ことによって、または断面積を増加させる（したがってｘを増加させる）ことによって、より小さくすることができる。したがって、（プロセスパラメータを同じとすると）グリッド損の減少は、遮蔽損の増加という犠牲を払う。従来技術の太陽電池では、遮蔽損成分を増加させることなくグリッド損成分を減少させる必要がある。
宇宙環境用多接合太陽電池に関する従来技術は、太陽電池と、相互接続構造と、カバーガラスとからなる製品（ＣＩＣとも呼ばれる）を含む。従来技術の太陽電池の製造において、宇宙空間での苛酷な環境から太陽電池を保護するために、宇宙環境用カバーガラスが透明接着剤によって太陽電池の前面に貼着される。セルから電力を送るための相互接続構造が、セルの前面および背面に溶接される。カバーガラス集積後にセルをウェハスケールで試験することができるように、フロントエンドプロセスの一部であるロバストなカバーガラス集積プロセスが必要である。
さらに、太陽電池の上部電極および表面の設計は、宇宙空間での高い放射線を伴う環境など、不利益をもたらし得る環境から保護するために太陽電池の上部、周囲、または底部に追加されることがある被覆材料またはコーティングに影響を及ぼす。太陽電池製造のプロセスフローによって能率化することができるロバストなカバーガラス集積プロセスが必要である。
基板貫通ビア（ＴＳＶ）（ウェハ貫通ビア（ＴＷＶ）としても知られている）が、半導体チップの上面と底面の間の電気相互接続構造である。ＴＳＶ構造は、半導体デバイスの分野で様々な用途で一般に使用されている。ＴＳＶ構造を提供するための製造方法は、半導体デバイスの当業者に知られている。例えば、Ｃｈｅｎ他（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂ， Ｖｏｌｕｍｅ ２７， Ｉｓｓｕｅ ５， “Ｃｕ−ｐｌａｔｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ−ｗａｆｅｒ ｖｉａｓ ｆｏｒ ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ｈｉｇｈ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ｏｎ Ｓｉ”）が、高移動度電子輸送デバイスの用途のためのウェハ貫通ビアを有する半導体デバイスを開示している。
基板貫通ビア構造は、太陽電池デバイスにも適用されている。太陽電池でＴＳＶ構造を使用する目的の１つは、パッケージングの要件に関して、背面接触のみの太陽電池を提供することである。背面接触型太陽電池に関するいくつかの手法は、Ｖａｎ Ｋｅｒｓｃｈａｖｅｒ他（Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ： Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ２００６； １４：１０７−１２３）によってまとめられている。
Ｋｉｎｏｓｈｉｔａ他（米国特許出願公開第２００８／０２７６９８１Ａ１号）が、上面にあるグリッド線を太陽電池の背面に接続する金属を誘電体ライナと共に組み込むウェハ貫通ビア構造を提供する構造を開示している。Ｋｉｎｏｓｈｉｔａによって開示されている構造は、背面接触のみの太陽電池を提供する。しかし、開示されている構造は、セルの長さに沿ったグリッド線が電流輸送のために使用されるので、グリッド損を大幅には減少しない。
Ｄｉｌｌ他（米国特許出願公開第４，８３８，９５２Ａ号）は、太陽電池のエミッタ領域を背面に接続するウェハ貫通ビア構造を開示している。Ｄｉｌｌ他によって開示されている構造は、多接合太陽電池には適用可能でない。多接合太陽電池は、様々なドーピング形態でのいくつかのエピタキシャル半導体層から構成される。したがって、多接合太陽電池に関しては、金属領域が通過している半導体材料からウェハ貫通金属領域を電気的に隔離するためにウェハ貫通金属領域の周りで単一のドーピングタイプを使用することは可能でない。
Ｇｕｈａ他（米国特許出願公開第８，１１５，０９７Ｂ２号）は、グリッド線のない光起電力セル用コンタクトを開示している。Ｇｕｈａ他によって開示されている構造は、光起電力セル（すなわちエミッタ）の表面部分を裏面に接続する側方絶縁ウェハ貫通ビアを採用する。ウェハ貫通ビア内の金属の上面とエミッタ領域との接点は基板内部にあり、それにより、ウェハ貫通ビアの上部と太陽電池の上面との間に半導体の領域が存在する。Ｇｕｈａ他による開示は、様々な目的を有する様々な薄い半導体エピタキシャル層を採用するウェハ貫通ビア構造を多接合太陽電池に集積することができる方法を教示していない。例えば、エミッタ１０２と金属コンタクト２との間でコンタクト領域３および前面電界４を使用することが多接合太陽電池における要件である。
したがって、宇宙空間での使用中で消耗する太陽電池の劣化を防止しながら、グリッド損を減少させることによって多接合太陽電池の効率を高める必要がある。
本発明は、金属グリッド抵抗に伴う損失を減少させるために、太陽電池のエピタキシャル領域および基板を通して形成された少なくとも１つの基板貫通ビアを使用するいくつかの実施形態を組み込む多接合太陽電池を実現する。特に、基板貫通ビアが提供され、これらは、キャップ領域以外では、太陽電池基板および太陽電池基板の上に重なる各エピタキシャル領域から電気的に隔離される。さらに、基板貫通ビアの断面寸法は、遮蔽損を最小限にするように設計される。本発明の多接合太陽電池はまた、費用対効果の高いカバーガラス集積を提供し、地球上および宇宙空間での使用における太陽電池の劣化も大幅に抑える。基板で使用される半導体材料は、例えば、ガリウムヒ素、シリコン、およびゲルマニウムを含むことがある。エピタキシャル領域は、例えばトンネル接合、前面電界（ＦＳＦ）、エミッタ、枯渇領域、ベース、および裏面電界など、１つまたは複数の格子整合または変成サブセルを含むことがある。これらのサブセルで使用される半導体材料は、限定はしないが、リン化インジウムガリウム、リン化インジウム、ヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、ヒ化インジウムガリウム、ゲルマニウム、および希釈窒素化合物、例えば、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＢｉ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂＢｉ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＢｉ、およびＧａＮＡｓＳｂＢｉなどでよい。三元および四元化合物半導体に関して、多様な合金比率を使用することができる。キャップ領域は、太陽電池の上面にあるビア構造を取り囲むようにパターン形成することができる。その結果、太陽電池の全長にわたって延在するグリッド線をなくすことができ、多接合太陽電池の背面から電極にアクセス可能である。
第１の態様では、基板上に成長したエピタキシャル領域に形成された少なくとも１つの多接合太陽電池素子を有する導電性半導体基板と、エピタキシャル領域の上に形成された複数のキャップ領域と、基板の裏面に形成された、複数のキャップ領域それぞれに対応する複数の基板貫通ビアヘッドと、複数のキャップ領域それぞれから対応する基板貫通ビアヘッドに基板を通って延びる基板貫通ビアと、基板貫通ビアの内部にあり、複数のキャップ領域それぞれを対応する基板貫通ビアヘッドに電気的に接続する導電性金属と、基板およびエピタキシャル領域を基板貫通ビアの内部の導電性金属から絶縁する、基板貫通ビアそれぞれの壁に配設された電気絶縁ライナと、複数の基板貫通ビアヘッドそれぞれの直ぐ上の光透過性接着剤材料の上に配設された光学カバー材料と、背面金属パターンでパターン形成され、導電性半導体基板の裏面とオーム接触し、基板貫通ビアヘッドから電気的に絶縁された背面金属とを備える多接合太陽電池デバイスが提供される。
第２の態様では、基板貫通ビアヘッドを形成する方法であって、基板上に成長したエピタキシャル領域を有する基板と、エピタキシャル領域の上に形成された複数のキャップ領域とを提供するステップと、複数のキャップ領域上にフォトレジスト領域を堆積するステップと、フォトレジスト領域をエッチングストップ層として使用して、基板の背面から複数の基板貫通ビアをエッチングするステップと、複数の基板貫通ビアそれぞれの内部に電気絶縁ライナを堆積するステップと、フォトレジスト領域を除去して、複数のキャップ領域を露出させるステップと、基板貫通ビア内部に金属を堆積して、複数のキャップ領域を接続するステップとを含む方法が提供される。
第３の態様では、裏面を有する半絶縁性半導体基板と、半絶縁性半導体基板の上に重なるエピタキシャル領域と、基板とエピタキシャル領域との間の導電性半導体領域と、導電性半導体領域の上に成長したエピタキシャル領域に形成された少なくとも１つの多接合太陽電池素子と、エピタキシャル領域の上に重なるキャップ領域と、キャップ領域から基板の裏面に延在するウェハ貫通ビアとを備える多接合太陽電池デバイスであって、キャップ領域は、ウェハ貫通ビアの周りのカラーを含めてキャップパターンに従って成形され、デバイスはさらに、ウェハ貫通ビアの内部にあり、キャップパターンで形成されたカラーに電気的に接続された導電性金属と、ウェハ貫通ビアの内部の導電性金属を少なくともエピタキシャル領域から、および導電性半導体領域から絶縁する、ウェハ貫通ビアの壁上の電気絶縁ライナと、エピタキシャル領域の上に形成された基板貫通ビアヘッドの直ぐ上の光透過性接着剤材料上に配設された光学カバー材料と、ウェハ貫通ビア内の導電性金属と電気的に接触する、基板の裏面上の背面金属とを備える多接合太陽電池デバイスが提供される。
第４の態様では、基板上に成長したエピタキシャル領域に形成された少なくとも１つの多接合太陽電池素子を有する導電性半導体基板と、エピタキシャル領域の上に形成された複数のキャップ領域と、複数のキャップ領域から基板の裏面に延びる基板貫通ビアと、基板貫通ビアの内部にあり、複数のキャップ領域に電気的に接続された導電性金属と、基板およびエピタキシャル領域を基板貫通ビアの内部の導電性金属から絶縁する、基板貫通ビアの壁に配設された電気絶縁ライナと、基板貫通ビア内部の導電性金属を複数のキャップ領域と電気的に接続する基板貫通ビアヘッドと、エピタキシャル領域の上に形成された基板貫通ビアヘッドの直ぐ上に結合された一時的な支持基板と、背面金属パターンでパターン形成され、導電性半導体基板の裏面とオーム接触し、基板貫通ビア内部の導電性金属から電気的に絶縁された背面金属とを備える多接合太陽電池デバイスが提供される。
第５の態様では、多接合太陽電池デバイスを形成する方法であって、基板上に成長したエピタキシャル領域に形成された少なくとも１つの多接合太陽電池素子を有する導電性半導体基板と、エピタキシャル領域の上に形成された複数のキャップ領域とを提供するステップと、基板および複数のキャップ領域の上にカバーガラスを結合するステップと、基板を薄型化するステップと、基板の裏面から基板貫通ビアをエッチングするステップと、基板の裏面に、パターン形成された誘電体層を形成するステップと、基板貫通ビアの内部の導電性金属によって、パターン形成されたキャップ領域と背面金属コンタクトパッドとの間の電気接続を形成するステップとを含み、それにより、コンタクトパッドは、半導体基板に直接は電気接続されない方法が提供される。
第６の態様では、多接合太陽電池デバイスを形成する方法であって、基板上に成長したエピタキシャル領域に形成された少なくとも１つの多接合太陽電池素子を有する導電性半導体基板と、エピタキシャル領域の上に形成されたパターン形成されたキャップ領域とを提供するステップと、基板およびパターン形成されたキャップ領域の上にポリマーカバーを結合するステップと、基板を薄型化するステップと、基板の裏面から基板貫通ビアをエッチングするステップと、基板の裏面に、パターン形成された誘電体層を形成するステップと、複数の背面金属コンタクトパッドを形成するステップと、基板貫通ビアの内部の導電性金属によって、パターン形成されたキャップ領域と背面金属コンタクトパッドとの間の電気接続を形成するステップとを含み、それにより、コンタクトパッドは、半導体基板に直接は電気接続されない方法が提供される。
別の態様では、基板上に成長したエピタキシャル領域に形成された少なくとも１つの多接合太陽電池素子を有する導電性半導体基板と、エピタキシャル領域の上に形成された環状キャップ領域と、環状キャップ領域から基板の裏面に延在する基板貫通ビアと、基板貫通ビアの内部にあり、環状キャップ領域に電気的に接続された導電性金属と、基板およびエピタキシャル領域をウェハ貫通ビアの内部の導電性金属から絶縁する、基板貫通ビアの壁に配設された電気絶縁ライナと、基板貫通ビアの内部の導電性金属を、環状キャップ領域と電気的に接続する基板貫通ビアヘッドと、背面金属パターンでパターン形成され、導電性半導体基板の裏面とオーム接触し、基板貫通ビアの内部の導電性金属から電気的に絶縁された背面金属とを備える多接合太陽電池素子が開示される。
別の態様では、裏面を有する半絶縁性半導体基板と、半絶縁性半導体基板の上に重なるエピタキシャル領域と、基板とエピタキシャル領域との間の導電性半導体領域と、導電性半導体領域の上に成長したエピタキシャル領域に形成された少なくとも１つの多接合太陽電池素子と、エピタキシャル領域の上に重なるキャップ領域と、キャップ領域から基板の裏面に延在するウェハ貫通ビアとを備える多接合太陽電池素子であって、キャップ領域は、ウェハ貫通ビアの周りのカラーを含むキャップパターンに従って成形され、デバイスはさらに、ウェハ貫通ビアの内部にあり、カラーに電気的に接続された導電性金属と、ウェハ貫通ビアの内部の導電性金属を少なくともエピタキシャル領域から、および導電性半導体領域から絶縁する、ウェハ貫通ビアの壁上の電気絶縁ライナと、ウェハ貫通ビア内の導電性金属と電気的に接触する、基板の裏面上の背面金属とを備える多接合太陽電池素子が開示される。
別の態様では、プロセスフロー中に光学カバー材料を組み込み、第１および第２の態様におけるものなど基板貫通ビアを有する多接合太陽電池を形成する方法が開示される。多接合太陽電池に基板貫通ビアを組み込むためのそのようなプロセスフローは、効率的であり、費用対効果が高く、背面処理中に支持基板として光学カバーガラスを使用する。また、ここで、カバーガラスは、太陽電池用途のため、いくつかの場合には宇宙空間での使用のための信頼性条件に耐えるように設計される。特に、プロセスフローは、エピタキシャルウェハの前面が既に処理された後の、基板貫通ビアの背面エッチングを開示する。
本明細書では、以下で添付図面を参照する。添付図面は本明細書の一部を成し、添付図面において、全体を通じて同様の参照番号が同様の部分を示し、本発明を実施することができる具体的な実施形態が例として示されている。
本明細書で述べる図面は、例示の目的のものにすぎない。図面は、本開示の範囲を限定することを意図されてはいない。
次に、本開示の実施形態を詳細に参照する。本開示の特定の実施形態を述べるが、開示される実施形態に本開示の実施形態を限定することは意図されていないことを理解されたい。逆に、本開示の実施形態への言及は、添付の特許請求の範囲によって定義される本開示の実施形態の精神および範囲に含まれ得る変形形態、修正形態、および均等形態を網羅するものと意図される。
図３Ａおよび図３Ｂによって示される本発明の一実施形態では、エピタキシャル領域を形成する１つまたは複数のサブセルを有する太陽電池が、エピタキシャル領域４５の上に形成された環状キャップ領域２１を有する。環状キャップ２１の上の金属領域６３は、環状キャップとオーム接触を形成する。環状キャップの上の金属領域６３は、「基板貫通ビアヘッド」とも呼ばれる。図３Ｂは、図３Ａの太陽電池の上面図を示す。
特定の実施形態では、隣接する基板貫通ビア間の中心間距離は、約１００μｍ〜約２００μｍ、約１００μｍ〜約１５０μｍ、約１５０μｍ〜約２００μｍであり、特定の実施形態では約１２５μｍ〜約１７５μｍである。いくつかの実施形態では、隣接する基板貫通ビア間の中心間距離は、約６０μｍであり、最大１ｍｍ以上である。ビアは、太陽電池の性能を最適化するように適切な構成で配置することができる。
特定の実施形態の目的は、ビアを互いにさらに離して配置することによって、同じセルサイズに関して太陽電池内のビアの数を減少させて、遮蔽損を減少させることである。この実施形態は、ビア領域から延出する金属ワイヤの使用によってエミッタ損を十分に小さく保ち、したがって、側方導電層を通って電流が流れる側方距離は実質的に増加されない。金属ワイヤは、典型的な従来技術のグリッド線に比べてはるかに短く形成することができるので、金属ワイヤに関わる抵抗損は最小となる。金属ワイヤは、多接合太陽電池の設計要件に応じて様々なパターンに従うことがある。典型的には金属ワイヤは短いので、金属ワイヤを形成するために銀または他の高い導電性の金属を使用する必要はないことがある。したがって、この実施形態は、銀メタライゼーションなしで多接合太陽電池を実現する。銀を使用しないメタライゼーションは、生産および製造に有利となり得る。例えば、銀は、典型的には、銀を含まない他の製品を形成するために使用される製造設備セットでは受け入れられない。したがって、費用対効果を高めるデバイスからの銀の排除により、多接合太陽電池デバイスを製造するための利益を得ることができる。
いくつかの実施形態では、図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、太陽電池の上面に細い金属グリッド線８２が提供されることがあり、金属グリッド線８２は、基板貫通ビアヘッド領域から、エピタキシャル領域４５の上の細いキャップ領域８１に沿って延在する。基板貫通ビア６０は、環状キャップ２１から基板５の背面まで延在する。基板貫通ビア６０の内部のビア金属６２は、基板貫通ビアの内部領域で、環状キャップから基板５の背面まで延在する。いくつかの実施形態では、このビア金属は、金または銅を含むことがある。いくつかの実施形態では、ビア金属は、ビアを全体にわたっては充填しない。図４Ｂは、図４Ａに示されるデバイスの上面の平面図であり、貫通ビア６０およびエピタキシャル領域４５の上に配設された細いキャップ領域８１の上に重なる細い金属グリッド線８２を含む。
電気絶縁層６１が、導電性金属を取り囲んで基板貫通ビアの壁をライニングし、それにより、基板５およびエピタキシャル領域４５を基板貫通ビア内のビア金属６２から電気的に絶縁する。いくつかの実施形態では、この絶縁層は、二酸化ケイ素または窒化ケイ素などの誘電体でよい。他の実施形態では、絶縁層はポリマーでもよい。ビア金属６２が基板貫通ビアヘッド２１とオーム接触を形成するように、絶縁層６１をビアの内側にパターン形成する。いくつかの実施形態では、選択的堆積を使用する自己パターン形成プロセスによって、ポリマー材料などの絶縁層をビアの内側にパターン形成する。いくつかの実施形態では、図５Ａに示されるように、絶縁層６１が、ビアの内側に加えて、基板の背面の一部分６４を共形で覆い、それにより、基板の背面にある絶縁層を背面接触パターンでパターン形成し、背面にパターン形成絶縁層を形成する。他の実施形態では、背面のパターン形成絶縁層は、ビアの内側の絶縁層とは別に塗布してパターン形成してもよい。背面コンタクトパッドを含むことがある背面金属５４を、基板の背面のパターン形成絶縁層６４が位置する領域の外で基板の背面に塗布することができ、それにより背面金属は基板とオーム接触を形成する。いくつかの実施形態では、図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、パターン形成絶縁層６４と背面金属コンタクト５４との間に空間または隙間５５が存在する。いくつかの実施形態では、背面金属は、金、チタン、および白金を含むことがある。
図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、ビアコンタクトパッドを含むことがあるビアコンタクト金属領域６５を基板の背面のパターン形成絶縁層に取り付けることができ、それにより、ビアコンタクト金属領域は、ビア金属６２とは電気的に直接接触するが、半導体基板５または背面金属５４とは電気的に直接は接続されない。いくつかの実施形態では、金属領域６５は、金、チタン、白金、および銅を含むことがある。
いくつかの実施形態では、図５Ｃに示されるように、背面のパターン形成絶縁層６４と、ビアコンタクト金属領域６５とは、複数のビア金属が電気的に接続されるようにパターン形成する。いくつかの実施形態では、ビアコンタクト金属領域６２と背面金属は、相補的なパターン（本明細書では以後、交差指型背面接触パターンと呼ぶ）でパターン形成する。
いくつかの実施形態では、デバイスは金属銀を含まない。すなわち、キャップ、ビアヘッド金属、ビア金属、ビアコンタクト金属領域、および背面金属に沿った細いグリッド線が銀を含まない。
いくつかの実施形態では、キャップ領域およびビアは、環状に限定されずに、長方形、正方形、または他の形状など、他の形状因子を有していてもよい。そのような形状は、ビアホールの全周を巡る閉じた円、長方形、または他の形状を形成するキャップ領域を含むことがある。あるいは、そのようなキャップ領域は、ビアホールを全周にわたっては取り囲まないこともある。
別の実施形態では、基板貫通ビアヘッド構造は、滑らかな縁部を有する光透過性材料で覆われる。
他の実施形態では、基板貫通ビアヘッドは、平坦な金属領域を形成する。
他の実施形態では、ビア金属がキャップ領域に直接接続し、したがって、基板貫通ビアヘッドとビア金属が単一のプロセスステップで形成される。
図６Ａおよび図６Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、光学カバー材料９１が、平坦化光学接着剤９２を使用して太陽電池の上面に永久的に結合され、そのため、太陽電池の上面からの電気接続は利用可能でない。いくつかの実施形態では、この光学カバー材料９１は、宇宙用カバーガラスであり、限定はしないがホウケイ酸ガラスなど様々な宇宙用材料から形成することができる。いくつかの実施形態では、光学カバーガラスは、ドーム形状を組み込み、ポリマー材料から形成され得る。いくつかの実施形態では、この光学カバー材料は、当業者にはよく知られているプロセスである基板薄型化の前にウェハスケールで永久的に結合され、基板薄型化および後続のプロセスステップ中に支持基板としても使用される。
いくつかの実施形態では、例えば図６Ｂにおいて、支持基板は、当業者にはよく知られているプロセスである基板薄型化の前にウェハスケールで一時的に結合され、後続のプロセスステップ中に機械的支持を提供するために使用される。この一時的な支持体は、最終的な多接合デバイスからは除去され、処理中のエピタキシャル層を機械的に支持する。いくつかの実施形態では、支持基板は、カバーガラスまたは他の材料でよい。
光学カバー材料（宇宙用カバーガラスでよい）を備える実施形態では、図７Ａ〜図７Ｆに示されるように、費用対効果の高いプロセス統合のために以下のプロセスモジュールを使用することができる。
１．（図７Ａ）環状キャップ領域および基板貫通ビアヘッドを太陽電池の前面に形成するために、半導体処理技法を使用して前面処理を行う。このプロセスステップで、キャップ領域は円板状にパターン形成することができる。基板貫通ビアヘッドは、円板状のキャップ領域の上に滑らかに塗布することができる。また、前面処理中に、細い金属グリッド線も形成することができる。いくつかの実施形態では、このプロセスステップで反射防止コーティングを塗布してもよい。このプロセスモジュールにより、前面処理を施されたウェハが得られる。
２．（図７Ｂ）前面処理を施したウェハを、平坦化接着剤を使用して光学カバー材料に永久的に結合する。いくつかの実施形態では、光学カバー材料は、ホウケイ酸ガラスから形成することができる宇宙用カバーガラスでよい。
３．光学カバー材料に結合した後に基板を薄型化する。基板薄型化後の基板の厚さ範囲は、０μｍ〜２００μｍの間にすることができる。
４．（図７Ｃ）基板の背面を、フォトレジストまたは適用可能なマスキング材料によってウェハ貫通ビアパターンでパターン形成する。基板貫通ビアを基板の背面からエッチングし、したがって、エッチングは、選択性エッチングストップ層となる基板貫通ビアヘッドでストップする。ビアエッチングにより、円板状のキャップ領域の代わりに環状キャップ領域が形成される。パターン形成を行った後、パターン形成フォトレジストを除去する。
５．（図７Ｄ）絶縁ライナを塗布する。絶縁層は、限定はしないがプラズマ化学気相成長、原子層堆積、およびエレクトログラフティングなど、標準的な堆積技法を使用して塗布することができる。
６．標準的なフォトリソグラフィ技法を使用して絶縁ライナをパターン形成し、それにより基板貫通ビアヘッドを露出させる。このステップで、背面のパターン形成絶縁層も形成することができる。
７．（図７Ｅ）基板貫通ビアヘッドとの電気的接続を形成するように、ビアの内側にビア金属を塗布する。
８．（図７Ｆ）ビアコンタクト金属領域および背面金属を塗布する。いくつかの実施形態では、これら２つの金属は、単一の堆積ステップで塗布することができる。
１．（図７Ａ）環状キャップ領域および基板貫通ビアヘッドを太陽電池の前面に形成するために、半導体処理技法を使用して前面処理を行う。このプロセスステップで、キャップ領域は円板状にパターン形成することができる。基板貫通ビアヘッドは、円板状のキャップ領域の上に滑らかに塗布することができる。また、前面処理中に、細い金属グリッド線も形成することができる。いくつかの実施形態では、このプロセスステップで反射防止コーティングを塗布してもよい。このプロセスモジュールにより、前面処理を施されたウェハが得られる。
２．（図７Ｂ）前面処理を施したウェハを、平坦化接着剤を使用して光学カバー材料に永久的に結合する。いくつかの実施形態では、光学カバー材料は、ホウケイ酸ガラスから形成することができる宇宙用カバーガラスでよい。
３．光学カバー材料に結合した後に基板を薄型化する。基板薄型化後の基板の厚さ範囲は、０μｍ〜２００μｍの間にすることができる。
４．（図７Ｃ）基板の背面を、フォトレジストまたは適用可能なマスキング材料によってウェハ貫通ビアパターンでパターン形成する。基板貫通ビアを基板の背面からエッチングし、したがって、エッチングは、選択性エッチングストップ層となる基板貫通ビアヘッドでストップする。ビアエッチングにより、円板状のキャップ領域の代わりに環状キャップ領域が形成される。パターン形成を行った後、パターン形成フォトレジストを除去する。
５．（図７Ｄ）絶縁ライナを塗布する。絶縁層は、限定はしないがプラズマ化学気相成長、原子層堆積、およびエレクトログラフティングなど、標準的な堆積技法を使用して塗布することができる。
６．標準的なフォトリソグラフィ技法を使用して絶縁ライナをパターン形成し、それにより基板貫通ビアヘッドを露出させる。このステップで、背面のパターン形成絶縁層も形成することができる。
７．（図７Ｅ）基板貫通ビアヘッドとの電気的接続を形成するように、ビアの内側にビア金属を塗布する。
８．（図７Ｆ）ビアコンタクト金属領域および背面金属を塗布する。いくつかの実施形態では、これら２つの金属は、単一の堆積ステップで塗布することができる。
図７Ａ〜図７Ｆは、要素として、基板７０１と、エピタキシャル層７０２と、誘電体材料７０３と、環状キャップ７０４と、基板貫通ビアヘッド７０５と、平坦化接着剤７０６と、光学カバー材料７０７と、ビア７０８と、絶縁ライナ７０９と、ビア金属７１０と、背面金属７１１とを含む。
本明細書で述べるプロセスフローは単に一例にすぎず、基板貫通ビア太陽電池を実現する目的で、光学カバー材料を集積したウェハレベルでの処理を達成するために、異なるステップを含む他のプロセスフローを使用することもできる。そのような統合プロセスフローを使用することで、いくつかのステップをなくし、実質的なコスト節約が得られる。
上述したデバイスの別の実施形態では、図８Ａ〜図８Ｆに示されるように、前面処理ステップ中に、キャップを環状にパターン形成し、環状キャップ領域の内部に誘電体材料を堆積する。いくつかの実施形態では、環状キャップ領域の内部の誘電体は、反射防止コーティングでよい。環状キャップリングの上面、および環状キャップリングの内部の誘電体材料の上面と接触するように、基板貫通ビアヘッドを塗布する。ビアエッチングステップ（図８Ｃ）で、エッチングは、基板貫通ビアヘッドではなく環状キャップの内部の誘電体でストップし、誘電体材料は、基板貫通ビアのエッチング中のエッチングストップ層となる。一実施形態では、絶縁ライナ塗布ステップ（図８Ｄ）で、選択性堆積技術を使用することができ、その際、絶縁ライナ（ポリマーでよい）は、導電性および半導電性表面上にのみ堆積し、限定はしないが誘電体（例えば反射防止コーティング）およびポリマー（例えばフォトレジスト）など絶縁表面上には堆積しない。そのような選択性堆積技術を使用すると、絶縁ライナは、ビア側壁および基板の背面を覆い、環状キャップ領域の内部の誘電体は覆わない。いくつかの実施形態では、図８Ｅに示されるように、基板の背面でフォトレジストパターンを使用することができ、選択的に堆積される絶縁ライナがフォトレジストによって保護された背面の部分に堆積されるのを防止する。ライナの堆積が完了した後にフォトレジストを除去する。いくつかの実施形態では、エレクトログラフティング技法を使用して、絶縁ライナを選択的に、または非選択的に堆積することができる。その後、ビア金属を堆積する前にキャップ領域の内部の誘電体を除去し、この除去は、いくつかの実施形態では、誘電体（例えば反射防止コーティング）の選択性ウェットエッチングを含むことがあり、ビア側壁にある絶縁ポリマーはエッチングしない。選択性堆積技術は、小さなビア直径を実現できるようにし、プロセス中のさらなるフォトリソグラフィステップをなくすことができる。
図８Ａ〜図８Ｆは、要素として、基板８０１と、エピタキシャル層８０２と、誘電体材料８０３と、ビア内部の誘電体材料の一部８１３と、環状キャップ８０４と、基板貫通ビアヘッド８０５と、平坦化接着剤８０６と、光学カバー材料８０７と、ビア８０８と、絶縁ライナ８０９と、ビア金属８１０と、パターン形成フォトレジスト８１２とを含む。
上述したデバイスの別の実施形態では、図９Ａ〜図９Ｆに示されるように、ビア金属堆積と基板貫通ビアヘッド堆積とを統合するプロセスフローによって基板貫通ビアヘッドを形成することができる。このプロセスフローでは、円板状のキャップ領域上にフォトレジスト領域を堆積する（図９Ａ）。このフォトレジスト領域は、基板貫通ビアが基板の背面からエッチングされるときにエッチングストップ層として使用される（図９Ｃ）。その後、絶縁ライナを塗布してパターン形成する（図９Ｄ）。フォトレジストは絶縁体であるので、選択性堆積技術を使用することもできる。その後、標準的な半導体処理ステップを使用してフォトレジスト領域を除去することができ、それにより環状キャップ領域を露出させる（図９Ｅ）。最後に、基板貫通ビアヘッドが環状キャップ領域とオーム接触を形成するように、ビア金属と基板貫通ビアヘッドとを１回の堆積ステップで堆積することができる（図９Ｆ）。
図９Ａ〜図９Ｆは、要素として、基板９０１と、エピタキシャル層９０２と、誘電体材料９０３と、環状キャップ９０４と、フォトレジスト９１３、平坦化接着剤９０６と、光学カバー材料９０７と、ビア９０８と、絶縁ライナ９０９と、ビア金属９１０とを含む。
最後に、本明細書で開示される実施形態を実施するいくつかの代替法があることに留意すべきである。したがって、本明細書における実施形態は、例示であって限定ではないものとみなすべきである。さらに、特許請求の範囲は、本明細書で提示した詳細には限定されず、その完全な範囲およびその均等形態に対して権利が付与されるべきである。
Claims (18)
- 基板上に成長したエピタキシャル領域に形成された少なくとも１つの多接合太陽電池素子を有する導電性半導体基板と、
前記エピタキシャル領域の上に形成された複数のキャップ領域と、
前記基板の裏面に形成された、前記複数のキャップ領域それぞれに対応する複数の基板貫通ビアヘッドと、
前記複数のキャップ領域それぞれから前記対応する基板貫通ビアヘッドに前記基板を通って延びる基板貫通ビアと、
前記基板貫通ビアの内部にあり、前記複数のキャップ領域それぞれを前記対応する基板貫通ビアヘッドに電気的に接続する導電性金属と、
前記基板および前記エピタキシャル領域を前記基板貫通ビアの内部の前記導電性金属から絶縁する、前記基板貫通ビアそれぞれの壁に配設された電気絶縁ライナと、
前記複数の基板貫通ビアヘッドそれぞれの直ぐ上の光透過性接着剤材料の上に配設された光学カバー材料と、
背面金属パターンでパターン形成され、前記導電性半導体基板の前記裏面とオーム接触し、前記基板貫通ビアヘッドから電気的に絶縁された背面金属と
を備える多接合太陽電池デバイス。 - 前記基板の前記裏面にあるパターン形成された絶縁層と、
前記パターン形成された絶縁層上のコンタクトパッドを備える金属領域とを備え、前記金属領域は、前記基板貫通ビアの内部の前記導電性金属とは電気的に直接接触し、前記半導体基板または前記バック基板とは電気的に直接は接続されない
請求項１に記載の多接合太陽電池デバイス。 - 前記コンタクトパッドはパターン形成されて、パターン形成された背面コンタクトを形成し、複数のコンタクトパッドが電気的に相互接続されるようにする請求項２に記載の多接合太陽電池デバイス。
- 前記パターン形成された背面コンタクトと前記背面金属は、交差指型背面接触パターンでパターン形成された請求項３に記載の多接合太陽電池デバイス。
- 前記デバイスの上面に、前記貫通ビア領域の露出された金属から延びるキャップ領域に沿った金属グリッド線を備える請求項１に記載の多接合太陽電池デバイス。
- 前記デバイスを形成する材料は、金属銀を含まない請求項１に記載の多接合太陽電池デバイス。
- 前記基板貫通ビアヘッドは、フロントエンド処理中に画定されたキャップ領域上に配設された平坦な金属領域を備え、それにより、前記ビア金属は、前記平坦な金属領域を介して前記キャップ領域に電気的に接続される請求項１に記載の多接合太陽電池デバイス。
- 前記基板貫通ビアヘッドは、
前記キャップ領域上に配設された金属領域と、
前記キャップ領域によって取り囲まれる誘電体材料とを備え、前記誘電体材料は、基板貫通ビアのエッチング中にエッチングストップ層として作用し、ビア金属を堆積する前に除去される
請求項１に記載の多接合太陽電池デバイス。 - 基板貫通ビアヘッドを形成する方法であって、
上に成長したエピタキシャル領域を有する基板と、前記エピタキシャル領域の上に形成された複数のキャップ領域とを提供するステップと、
前記複数のキャップ領域上にフォトレジスト領域を堆積するステップと、
前記フォトレジスト領域をエッチングストップ層として使用して、前記基板の背面から複数の基板貫通ビアをエッチングするステップと、
前記複数の基板貫通ビアそれぞれの内部に電気絶縁ライナを堆積するステップと、
前記フォトレジスト領域を除去して、前記複数のキャップ領域を露出させるステップと、
前記基板貫通ビア内部に金属を堆積して、前記複数のキャップ領域を接続するステップと
を含む方法。 - 前記光学カバー材料は、基板薄型化ステップの前に前記上面に結合される請求項９に記載の方法。
- 裏面を有する半絶縁性半導体基板と、
前記半絶縁性半導体基板の上に重なるエピタキシャル領域と、
前記基板と前記エピタキシャル領域との間の導電性半導体領域と、
前記導電性半導体領域の上に成長した前記エピタキシャル領域に形成された少なくとも１つの多接合太陽電池素子と、
前記エピタキシャル領域の上に重なるキャップ領域と、
前記キャップ領域から前記基板の裏面に延在するウェハ貫通ビアと
を備える多接合太陽電池デバイスであって、
前記キャップ領域は、前記ウェハ貫通ビアの周りのカラーを含めてキャップパターンに従って成形され、
前記デバイスはさらに、
前記ウェハ貫通ビアの内部にあり、前記キャップパターンで形成されたカラーに電気的に接続された導電性金属と、
前記ウェハ貫通ビアの内部の前記導電性金属を少なくとも前記エピタキシャル領域から、および前記導電性半導体領域から絶縁する、前記ウェハ貫通ビアの前記壁上の電気絶縁ライナと、
前記エピタキシャル領域の上に形成された前記基板貫通ビアヘッドの直ぐ上の光透過性接着剤材料上に配設された光学カバー材料と、
前記ウェハ貫通ビア内の前記導電性金属と電気的に接触する、前記基板の前記裏面上の背面金属と
を備える多接合太陽電池デバイス。 - 前記貫通ビア領域の露出された金属から延びるキャップ領域に沿って金属グリッド線を備える請求項１１に記載の多接合太陽電池デバイス。
- 前記デバイスを形成する材料は、金属銀を含まない請求項１１に記載の多接合太陽電池デバイス。
- 基板上に成長したエピタキシャル領域に形成された少なくとも１つの多接合太陽電池素子を有する導電性半導体基板と、
前記エピタキシャル領域の上に形成された複数のキャップ領域と、
前記複数のキャップ領域から前記基板の裏面に延びる基板貫通ビアと、
前記基板貫通ビアの内部にあり、前記複数のキャップ領域に電気的に接続された導電性金属と、
前記基板および前記エピタキシャル領域を前記ウェハ貫通ビアの内部の前記導電性金属から絶縁する、前記基板貫通ビアの壁に配設された電気絶縁ライナと、
前記基板貫通ビア内部の前記導電性金属を前記複数のキャップ領域と電気的に接続する基板貫通ビアヘッドと、
前記エピタキシャル領域の上に形成された前記基板貫通ビアヘッドの直ぐ上に結合された一時的な支持基板と、
背面金属パターンでパターン形成され、前記導電性半導体基板の前記裏面とオーム接触し、前記基板貫通ビア内部の前記導電性金属から電気的に絶縁された背面金属と
を備える多接合太陽電池デバイス。 - 前記基板貫通ビアヘッドは、フロントエンド処理中に画定されたキャップ領域上に配設された平坦な金属領域を備え、それにより、前記ビア金属は、前記平坦な金属領域を介して前記キャップ領域に電気的に接続される請求項１４に記載の多接合太陽電池デバイス。
- 前記基板貫通ビアヘッドは、
前記キャップ領域上に配設された金属領域と、
前記キャップ領域によって取り囲まれる誘電体材料とを備え、前記誘電体材料は、基板貫通ビアのエッチング中にエッチングストップ層として作用し、ビア金属を堆積する前に除去される
請求項１４に記載の多接合太陽電池デバイス。 - 多接合太陽電池デバイスを形成する方法であって、
基板上に成長したエピタキシャル領域に形成された少なくとも１つの多接合太陽電池素子を有する導電性半導体基板と、前記エピタキシャル領域の上に形成された複数のキャップ領域とを提供するステップと、
前記基板および前記複数のキャップ領域の上にカバーガラスを結合するステップと、
前記基板を薄型化するステップと、
前記基板の裏面から基板貫通ビアをエッチングするステップと、
前記基板の前記裏面に、パターン形成された誘電体層を形成するステップと、
前記基板貫通ビアの内部の導電性金属によって、前記パターン形成されたキャップ領域と背面金属コンタクトパッドとの間の電気接続を形成するステップとを含み、それにより、前記コンタクトパッドは、前記半導体基板に直接は電気接続されない
方法。 - 多接合太陽電池デバイスを形成する方法であって、
基板上に成長したエピタキシャル領域に形成された少なくとも１つの多接合太陽電池素子を有する導電性半導体基板と、前記エピタキシャル領域の上に形成されたパターン形成されたキャップ領域とを提供するステップと、
前記基板および前記パターン形成されたキャップ領域の上にポリマーカバーを結合するステップと、
前記基板を薄型化するステップと、
前記基板の裏面から基板貫通ビアをエッチングするステップと、
前記基板の前記裏面に、パターン形成された誘電体層を形成するステップと、
複数の背面金属コンタクトパッドを形成するステップと、
前記基板貫通ビアの内部の導電性金属によって、前記パターン形成されたキャップ領域と背面金属コンタクトパッドとの間の電気接続を形成するステップとを含み、それにより、前記コンタクトパッドは、前記半導体基板に直接は電気接続されない
方法。
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