JP2017520119A - 結合された拡張された金属部を有する太陽電池 - Google Patents

Abstract

本発明は、拡張された金属部を半導体材料の表面に電気的に結合することを備える太陽電池成する方法に関する。拡張された金属部は、複数の第２のセグメントと交差し、開口部を形成する複数の第１のセグメントを有する。拡張された金属部は、複数のはんだパッドを備える表面を有する。またこの方法から生じる太陽電池およびモジュールが開示される。

Description

関連出願
本出願は、２０１４年６月２０日に出願された「Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｃｅｌｌ Ｈａｖｉｎｇ ａ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｅｘｐａｎｄｅｄ Ｍｅｔａｌ Ａｒｔｉｃｌｅ」という名称の米国仮特許出願第６２／０１４，９５０号に対する優先権を主張するものであり、参照により全ての目的で本明細書に組み込まれる。

発明の背景
１．発明の技術分野
本発明は、太陽電池を形成するために半導体材料の表面に結合された金属部に関する。

２．関連技術の説明
太陽電池は、フォトンを電気的エネルギーに変換するデバイスである。電池によって生産される電気的エネルギーは、半導体材料に結合された電気的接触を通して集められ、モジュール内の他の太陽電池との相互結合を通して導かれる。太陽電池の「標準電池」モデルは、入ってくる太陽エネルギーを吸収し、それを電気エネルギーに変換するために使用される、反射防止コーティング（ＡＲＣ）層の下および金属のバックシートの上に配置される半導体材料を有する。典型的には電気的接触は、焼成ペーストを用いて半導体表面に形成されるが、これは、ペーストがＡＲＣ層を通って拡散して電池の表面に接触するように加熱される金属ペーストである。ペーストは、一般に、フィンガーとバスバーのセットにパターン化され、リボンで他の電池にはんだ付けされてモジュールが作成される。別のタイプの太陽電池は、透明導電性酸化物層（ＴＣＯ）の間に挟まれた半導体材料を有し、そしてまたフィンガー／バスバーパターンで構成された導電性ペーストの最終層で被覆される。

これらのタイプの電池の両方において、金属ペースト（典型的には銀）は水平方向（電池表面に平行）に電流を流し、モジュールの作成に向けて太陽電池間の接続が行われることを可能にする。太陽電池のメタライゼーションは、銀ペーストを電池にスクリーン印刷し、ペーストを硬化させ、スクリーン印刷されたバスバーにリボンをはんだ付けすることによって最も一般的に行われる。しかし、銀は、太陽電池の他の構成要素に比べて高価であり、全体のコストの高い割合に寄与し得る。

銀のコストを低減するために、太陽電池を金属層を形成するする別の方法が当該技術分野において知られている。たとえば、銀を太陽電池に直接めっきすることにより、銀を銅で置き換える試みがなされている。しかし、銅めっきの欠点は、信頼性に影響を及ぼす銅による電池の汚染である。めっきスループットおよび歩留まりは、シード層の堆積、マスクの適用、めっき領域のエッチングまたはレーザースクライビングによって所望のパターンを形成するなど、めっきに必要な多くのステップによって電池上に直接めっきするときの問題となり得る。太陽電池上に電気導管を形成するための他の方法は、導電性ワイヤを包む平行ワイヤまたはポリマーシートの配置を利用して、それらを電池上に置くことを含む。しかし、ワイヤグリッドの使用は、望ましくない製造コストおよび高い直列抵抗などの問題を提示する。

さらに、本出願の譲受人が所有し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれるＢａｂａｙａｎらの米国特許第８，５６９，０９６号において、太陽電池のような半導体のための電気導管は、電鋳された自立型の金属製の部品であり、その後に半導体材料に取り付けられる。金属部は、太陽電池とは別個に製造され、単一ピースとして安定して移送され、半導体デバイスに容易に位置合わせされ得るフィンガーおよびバスバーなどの複数の要素を含むことができる。電鋳プロセスでは、金属部の各要素が一体的に形成される。しかし、金属部は、太陽電池または他の半導体デバイスに合わせて作られたパターン化された金属層を生成しながら、追加の設備およびコストを必要とする電鋳マンドレルで製造される。

したがって、半導体材料の表面に導電性要素を取り付けて太陽電池を形成するための低コストの方法が業界で必要とされる。

発明の概要
本発明は、太陽電池を形成する方法に関する。方法は、上面および底面を有する拡張された金属部（グリッドまたはメッシュなど）を提供するステップと、上面および底面を有する半導体材料を提供するステップと、太陽電池を形成するために、拡張された金属部の一表面を半導体材料の一表面と電気的に結合させるステップと、を含む。拡張された金属部は、複数の第２のセグメントと交差し、開口部を形成する複数の第１のセグメントを含み、部品の表面の少なくとも１つは複数のはんだパッドを含む。一実施形態では、半導体材料の底面は複数の銀パッドを含み、拡張された金属部の表面上の複数のはんだパッドの大多数は、半導体材料の底面の複数の銀パッドと電気的に接触している。別の実施形態では、半導体材料の上面は、複数の銀セグメントを含み、拡張された金属部の表面上のはんだパッドの大多数は、半導体材料の上面上の複数の銀セグメントと電気的に接触している。本発明はさらに、形成された太陽電池に関する。

前述の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方は、例示的および説明的なものに過ぎず、特許請求の範囲に記載された本発明のさらなる説明を提供することを意図していることを理解されたい。

図面の簡単な説明
本明細書に記載される本発明の態様および実施形態のそれぞれは、単独で、または互いに組み合わせて使用することができる。以下、添付の図面を参照して、態様および実施形態を説明する。

太陽電池を形成するために使用される拡張された金属部の実施形態を示す。 形成された太陽電池の実施形態を示す。 形成された太陽電池の実施形態を示す。

上記の図面は必ずしも縮尺通りではなく、本開示の基本原理を説明する様々な好ましい特徴の幾分単純化された表現を提示するものであることを理解されたい。たとえば、特定の寸法、向き、位置、および形状を含む本開示の特定の設計特徴は、特定の意図された用途および使用環境によって部分的に決定される。

発明の詳細な説明
本発明は、取り付けられた拡張された金属部を含む太陽電池に関する。

本発明によれば、方法は、拡張された金属部を提供するステップと、半導体材料を提供するステップと、それらを電気的に結合するステップを含む。「拡張された金属部」という用語は、連続メッシュまたはグリッドのような構造を有する金属部を製造するために、シートまたはプレートの形態の金属を、定義されたパターンで同時にスリットおよび延伸（すなわち、拡張）させる既知のプロセスによって準備される金属部を意味する。類似のグリッドパターンもスタンピング操作によって金属シートへと形成することができるが、これらの方法はかなりの量の廃棄材料を生成する。これと比較して、本明細書に開示されている拡張金属プロセスは、本質的に、それらを製造するための材料を除去することなく、特別に設計された開口または穴を有する金属部を製造する。得られた拡張金属は、ロールに巻き取られ、その後、様々な用途のために特定の寸法の自立片に切断することができる。

本発明の方法で使用される拡張された金属部は、拡張金属プロセスを用いてグリッドに形成することができる任意の金属、好ましくは導電性金属を含むことができる。たとえば、拡張された金属部は、ニッケル、銅、アルミニウム、銀、パラジウム、白金、チタン、または亜鉛メッキまたはステンレス鋼を含むことができる。これらの金属の合金も使用することができる。好ましくは、拡張された金属部は銅を含み、より好ましくは銅グリッドである。

拡張された金属部は、開口を形成する複数の第２のセグメントと交差する複数の第１のセグメントを備え、開口の形状は特に限定されない。たとえば、部品の開口部は、ダイヤモンド形、正方形、六角形、卵形（卵または楕円形に類似する形状を有する）、または円形であり得る。これらの形状はまた、開口部が形成され拡張されるプロセスの方向性に応じて、細長くされてもよい。また、たとえば、開始の金属シートのスリットがどのように形成され、拡張されるかに応じて、不規則な形状も可能である。開口部のサイズおよび第１および第２の要素のサイズは、たとえば、半導体材料のどちらの側で拡張された金属部が電気的に結合されるかに応じて変化することができ、以下でより詳細に説明する。たとえば、開口部は、約２ｍｍから約２０ｍｍの寸法（長さまたは幅など）を有することができる。特定の例として、拡張された金属部は、約３ｍｍ〜約７ｍｍの幅および約１０ｍｍ〜約１５ｍｍの長さを有するダイヤモンド形状の開口部を備えることができる。さらに、第１および第２のセグメントは、約１ｍｍ〜約５ｍｍを含む約０．５ｍｍ〜約１０ｍｍの幅を有することができる。拡張された金属部が取り扱い中に連続グリッドとして残る限り、より細いセグメントも使用されることができる。

拡張された金属部の厚さは、たとえば、コスト、取扱特性、それが作られた金属シートの厚さ、および得られる太陽電池の所望の通電の必要性に応じて変化することもできる。たとえば、拡張された金属部は、約５０ミクロン〜約２００ミクロンおよび約７５ミクロン〜約１５０ミクロンを含む、約２５ミクロン〜約３００ミクロンの厚さを有することができる。より薄い拡張された金属部は、光起電性性能を犠牲にすることなく高導電性金属に使用することができるのに対し、比較的厚い部品は機械的強度は劣るがコストは低い（加工費を含む）金属に使用することができる。

拡張された金属部は、金属部が半導体材料に電気的に結合されて太陽電池を形成することができるように構成された複数のはんだ付け点をさらに含む。はんだ付け点は、拡張された金属部の上面または底面のいずれかの様々な位置に配置することができ、当技術分野で公知の任意のはんだ材料を含むことができる。たとえば、はんだ付け点は、正方形、長方形、または円形の形状などを有するはんだパッドであってもよく、これらのパッドは交差する第１および第２の要素上に、または好ましくはこれらの要素の交差点上に配置することができる。代替的に、または追加的に、はんだ付け点は、拡張された金属部の表面の残りの部分と比較して、はんだ量が多い領域を含む。たとえば、半導体材料に結合される拡張銅金属部の表面は、約１〜約１０ミクロン、たとえば２〜約５ミクロンの厚さを有するはんだの層によって被覆されてもよく、これはたとえば銅エレクトロマイグレーションを防止させるために使用されることができ、さらに約１５〜約３０ミクロン、例えば約２０〜約２５ミクロンの厚さを有するはんだを含む複数の場所を含んでもよい。

本発明の方法において使用される拡張された金属部の実施形態の特定の例を図１に示す。提示された図面は、本質的に単なる例示であり、限定ではなく、単なる例示として提示されていることは、当業者には明らかであるはずである。多数の改変および他の実施形態は、本開示の利益を考慮して、当業者の範囲内であり、本発明の範囲内に入ると考えられる。加えて、当業者は、特定の構成が例示的であり、実際の構成は特定のシステムに依存することを理解すべきである。当業者であれば、日常的な実験を用いて、示された特定の要素との均等物を認識し特定することもできるであろう。

図１に示されるように、拡張された金属部１０は、複数の第２の要素１２と交差する複数の第１の要素１１を備え、この例ではダイヤモンド形にされる連続的なグリッドまたはメッシュ構造を形成する複数の開口部１３を有する。加えて、拡張された金属部１０は、複数のはんだパッド１４をさらに備え、これらは、示されるように、表面の周辺ならびに内部の位置における交点で拡張された金属部１０の表面の周りに位置決めされる。

上述したように、本発明の方法は、アモルファスシリコン、結晶シリコン（多結晶シリコンおよび単結晶シリコンを含む）、または太陽電池での使用に適した他の半導体材料電池を備える。半導体材料は、サイズおよび形状において変化することができ、たとえば、四角形の多結晶シリコン電池または丸い角を有する単結晶シリコン電池を含むことができ、時には疑似正方形形状と呼ばれる。他のものは当該分野で公知である。

半導体材料は、形成されるべき太陽電池の光入射面である上面と、露光されていない電池の反対側である底面とを有し、拡張された金属部は、いずれかの面に結合されることができる。結合は、拡張された金属部または半導体材料のいずれかの表面上の任意の場所で行うことができるが、好ましくは金属部および半導体材料は、半導体材料の上面または底面といった拡張された金属部が実質的に広がる面と一致する。しかし、拡張された金属部が半導体表面を越えて延在することによって、モジュールを形成するために複数の太陽電池を一緒に接続するために使用されることができる相互接続要素を形成することも可能である。半導体材料の少なくとも１つの表面は、拡張された金属部のための複数の接触点を含む。好ましくは、拡張された金属部の表面上のはんだ付け点の大多数は、電気的に結合され、半導体材料上の複数の接触点と電気的に接触する。

半導体材料の表面上の接触点は、たとえば、金属部がどの表面に結合されているかに依存する。一実施形態では、半導体材料の上面は複数の銀セグメントを含み、拡張された金属部はこれらのセグメントに結合される。複数の銀セグメントは、たとえば、半導体材料の上面を横切って１つの縁部から反対側の縁部まで横断する平行な銀フィンガーの線形アレイとされることができる。そのような配置は太陽電池において一般的でよく知られている。代替的に、銀セグメントは、半導体表面を直線的に横切って配置された銀の線状セグメントとされることができ、たとえば、破断した平行な銀線または表面の一方の縁部から反対側の縁部まで横切るフィンガーを形成する。他の配置も可能であり、当業者に知られている。

この実施形態では、上面が光にさらされるので、拡張された金属部は、半導体表面へのシェーディングを最小にする開口サイズおよびセグメント幅、このため高いパーセントの開口面積を有する（これは、金属部によってシェードされていない半導体材料のパーセンテージである）。好ましくは、本発明のこの実施形態の得られた太陽電池は、約９０％より大きく、より好ましくは約９３％より大きく、最も好ましくは約９５％より大きい開口面積を有する。

本発明の方法の第２の実施形態では、拡張された金属部は、接触点として複数の銀パッドを含む半導体材料の底面に電気的に結合される。銀パッドは、たとえば、正方形、長方形、または円形のような任意の形状とすることができ、拡張された金属部の表面上のはんだパッドと同じまたは異なる大きさおよび／または形状とすることができる。銀パッドは、均一に分布した規則的なアレイを含めて、半導体材料の底面の周りのどこにでも配置されることができる。追加の銀パッドを半導体材料の縁部の周りに配置することにより、確実な接触を確保してもよい。

この実施形態では、半導体材料の底面が光にさらされないので、シェーディングに関する制約は、上面の好ましい要件と比較して緩和することができる。このため、この実施形態では、拡張された金属部の開口サイズおよびセグメント幅を大きくすることができ、開口面積の割合を小さくすることができる。たとえば、好ましくは、本発明のこの実施形態の得られる太陽電池は、約８０％より大きく、より好ましくは約８５％より大きく、最も好ましくは約９０％より大きいパーセントの開口面積を有する。

本発明の方法で製造され得られた太陽電池の具体例を図２および図３に示す。このように、図２には、複数のはんだパッド２４を含む拡張された金属部２０が、複数の銀セグメント２６を含む半導体材料２５の上面に電気的に結合されて示されている。また、図３では、複数のはんだパッド３４を含む拡張された金属部３０が、複数の正方形の銀パッド３７を含む半導体材料３５の底面に電気的に結合されて示されている。見られるように、はんだパッド２４および３４の大多数は、銀セグメント２６または銀パッド３７と電気的に接触している。

上述のように、半導体材料の一方または両方の表面は、拡張された金属部と電気的に結合される。一方の面のみが使用される場合、他方の面は、太陽電池内の回路を完成させるための任意の既知の方法を使用して結合され得る。たとえば、本方法では、拡張された金属部とは異なる自立型金属部を利用可能な半導体表面に電気的に結合して太陽電池を形成することができる。特に、米国特許第８，５６９，０９６号に記載されているようなグリッド線を含む単一の独立したピースを形成するように相互接続された複数の電鋳要素を含む金属部を使用することができる。

本発明はさらに、上記の方法によって製造された太陽電池に関する。太陽電池は、半導体材料の表面に電気的に結合された拡張された金属部を含む。拡張された金属部は、複数の第２のセグメントと交差し、開口部を形成する複数の第１のセグメントを含み、はんだパッドなどの複数のはんだ付け点をさらに含み、半導体材料は、好ましくは、拡張された金属部のための複数の接触点を含む。拡張された金属部および半導体材料は、上記のもののいずれかであり得る。一実施形態では、半導体材料は、銀フィンガーなどの複数の銀セグメントを含む上面または光入射面を有し、拡張された金属部の表面上の複数のはんだパッドの大部分は、複数の半導体材料上の銀セグメントを含む。第２の実施形態では、半導体材料は、複数の銀パッドを含む底面または非光入射面を有し、拡張された金属部の表面上の複数のはんだパッドの大部分は、半導体材料上の複数の銀セグメントと電気的に接触している。本発明の方法に関する上記の様々な組み合わせおよび実施形態はまた、本発明の太陽電池に関することができる。得られた電池は、光起電力モジュールを形成するように結合されることができる。

本開示の好ましい実施形態の前述の説明は、例示および説明のために提示された。実施形態が包括的であること、または実施形態を開示された正確な形態に限定することを意図するものではない。上述の教示に照らして変更および変形が可能であり、または開示された実施形態の実施から取得されてもよい。実施形態は、当業者が企図された特定の用途に適した様々な変更形態とともに様々な実施形態において本発明を利用できるようにするための本発明の原理および実用的な適用を説明するために選択および記載された。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって定義されることが意図されている。

Claims (38)

1. 太陽電池を形成するための方法であって、前記方法は、
   ｉ）複数の第２のセグメントと交差し、開口部を形成する複数の第１のセグメントを備え、拡張された金属部を提供するステップを備え、前記拡張された金属部は、複数のはんだパッドを備える表面を有し、前記方法はさらに、
   ｉｉ）複数の銀パッドを備える底面を有する半導体材料を提供するステップと、
   ｉｉｉ）前記太陽電池を形成するために、前記半導体材料を前記拡張された金属部と電気的に結合するステップとを備え、前記拡張された金属部の前記表面上の前記複数のはんだパッドの大多数は、前記半導体材料の前記底面上の前記複数の銀パッドと電気的に接触している、方法。
2. 前記拡張された金属部は、少なくとも実質的に前記半導体材料の前記底面に広がる、請求項１に記載の方法。
3. 前記拡張された金属部は、銅を備える、請求項１に記載の方法。
4. 前記開口部は、ダイヤモンド形、方形、六角形、卵形、または円状である、請求項１に記載の方法。
5. 前記開口部は、約２ｍｍから約２０ｍｍの幅または長さを有する、請求項１に記載の方法。
6. 前記開口部は、ダイヤモンド形であり、前記幅は、約３ｍｍから約７ｍｍであり、前記長さは、約１０ｍｍから約１５ｍｍである、請求項５に記載の方法。
7. 前記第１のセグメントおよび前記第２のセグメントは、約０．５ｍｍから約１０ｍｍの幅を有する、請求項１に記載の方法。
8. 前記幅は、約１ｍｍから約５ｍｍである、請求項７に記載の方法。
9. 前記拡張された金属部は、約２５ミクロンから約３００ミクロンの厚さを有する、請求項１に記載の方法。
10. 前記厚さは、約５０ミクロンから約２００ミクロンである、請求項９に記載の方法。
11. 前記厚さは、約７５ミクロンから約１５０ミクロンである、請求項９に記載の方法。
12. 前記太陽電池は、約８０％よりも大きい開口面積割合を有する、請求項１に記載の方法。
13. 前記開口面積割合は、約８５％よりも大きい、請求項１２に記載の方法。
14. 前記開口面積割合は、約９０％よりも大きい、請求項１２に記載の方法。
15. 前記拡張された金属部は、前記半導体材料の前記底面を超えて延びる相互結合要素を備える、請求項１に記載の方法。
16. 前記半導体材料は、上面を有し、前記方法はさらに、前記太陽電池を形成するために、自立する金属部を前記半導体材料の前記上面に電気的に結合するステップを備える、請求項１に記載の方法。
17. 前記金属部は、グリッド線を備える単一の自立するピースを形成するために、相互接続された複数の電鋳要素を備える、請求項１６に記載の方法。
18. 太陽電池を形成するための方法であって、前記方法は、
    ｉ）複数の第２のセグメントと交差し、開口部を形成する複数の第１のセグメントを備え、拡張された金属部を提供するステップを備え、前記拡張された金属部は、複数のはんだパッドを備える表面を有し、前記方法はさらに、
    ｉｉ）複数の銀セグメントを備える上面を有する半導体材料を提供するステップと、
    ｉｉｉ）前記太陽電池を形成するために前記半導体材料を前記拡張された金属部と電気的に結合するステップとを備え、前記拡張された金属部の前記表面上の前記複数のはんだパッドの大多数は、前記半導体材料の前記上面上の前記複数の銀セグメントと電気的に接触する、方法。
19. 前記拡張された金属部は、少なくとも実質的に前記半導体材料の前記上面に広がる、請求項１８に記載の方法。
20. 前記拡張された金属部は、銅を備える、請求項１８に記載の方法。
21. 前記開口部は、ダイヤモンド形、方形、六角形、卵形、または円状である、請求項１８に記載の方法。
22. 前記開口部は、約２ｍｍから約２０ｍｍの幅または長さを有する、請求項１８に記載の方法。
23. 前記開口部は、ダイヤモンド形であり、前記幅は、約３ｍｍから約７ｍｍであり、前記長さは、約１０ｍｍから約１５ｍｍである、請求項２２に記載の方法。
24. 前記第１のセグメントおよび前記第２のセグメントは、約０．５ｍｍから約１０ｍｍの幅を有する、請求項１８に記載の方法。
25. 前記幅は、約１ｍｍから約５ｍｍである、請求項２４に記載の方法。
26. 前記拡張された金属部は、約２５ミクロンから約３００ミクロンの厚さを有する、請求項１８に記載の方法。
27. 前記厚さは、約５０ミクロンから約２００ミクロンである、請求項２６に記載の方法。
28. 前記厚さは、約７５ミクロンから約１５０ミクロンである、請求項２６に記載の方法。
29. 前記太陽電池は、約９０％よりも大きい開口面積割合を有する、請求項１８に記載の方法。
30. 前記開口面積割合は約９３％よりも大きい、請求項２９に記載の方法。
31. 前記開口面積割合は約９５％よりも大きい、請求項２９に記載の方法。
32. 前記拡張された金属部は、前記半導体材料の前記上面を超えて延びる相互結合要素を備える、請求項１８に記載の方法。
33. 前記半導体材料は、底面を有し、前記方法はさらに、前記太陽電池を形成するために、自立する金属部を前記半導体材料の前記底面に電気的に結合するステップを備える、請求項１８に記載の方法。
34. 前記金属部は、グリッド線を備える単一の自立するピースを形成するために、相互接続された複数の電鋳要素を備える、請求項３３に記載の方法。
35. 半導体材料に電気的に結合された拡張された金属部を備える太陽電池であって、
    前記拡張された金属部は、複数の第２のセグメントと交差し、開口部を形成する複数の第１のセグメントを備え、前記拡張された金属部は、複数のはんだパッドを備える表面を有し、前記半導体材料は、複数の銀パッドを備える底面を有し、
    前記拡張された金属部の前記表面上の前記複数のはんだパッドの大多数は、前記半導体材料の前記表面上の前記複数の銀パッドと電気的に接触する、太陽電池。
36. 前記半導体材料は、上面を有し、自立する金属部は、前記太陽電池を形成するために前記半導体材料の前記上面と電気的に結合される、請求項３５に記載の太陽電池。
37. 半導体材料に電気的に結合された拡張された金属部を備える太陽電池であって、
    前記拡張された金属部は、複数の第２のセグメントと交差し、開口部を形成する複数の第１のセグメントを備え、前記拡張された金属部は、複数のはんだパッドを備える表面を有し、
    前記半導体材料は複数の銀セグメントを備える上面を有し、
    前記拡張された金属部の前記上面上の前記複数のはんだパッドの大多数は、前記半導体材料の前記表面上の前記複数の銀セグメントと電気的に接触する、太陽電池。
38. 前記半導体材料は、底面を有し、自立する金属部は、前記太陽電池を形成するために前記半導体材料の前記底面と電気的に結合される、請求項３７に記載の太陽電池。

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