JP2019186575A - 太陽電池ウェハ接続システム - Google Patents
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Abstract
【課題】太陽電池構造体を形成するための方法および装置を提供すると。【解決手段】第１のウェハおよび第２のウェハが、第１のウェハ上の第１のナノチューブが第２のウェハ上の第２のナノチューブと対向するように、互いに対して位置づけられる。第１のナノチューブは、第２のナノチューブに接続される。第１のウェハは、第２のウェハに接続され、太陽電池構造体を形成する。【選択図】図１
Description
本開示は、一般に、太陽電池に関し、特に、複数の接合部を有する太陽電池を形成することに関する。さらにより詳しくは、本開示は、ウェハを互いに接続して、太陽電池構造体を形成するための方法および装置に関する。
太陽電池は、光のエネルギーを、光起電力効果を用いて、電気に変換するデバイスである。太陽電池を製造する際、太陽電池が光から電気を生成する効率を高めることが望ましい。従来の単一接合セルは、最大理論効率が約３４パーセントであった。
複数の接合部を有する場合、太陽電池の効率が高まる場合がある。複数の接合部は、複数のサブセルを接合部で接続して太陽電池を製造することにより形成することができ、各接合部は、サブセルが通す光の特定の波長または波長の範囲から電気を生成する。
多接合型太陽電池は、互いの上部に異なる材料を層状に重ねることによって製造することができる。その材料は、太陽電池における異なる層で異なる波長を通過させるよう選択することができる。
多接合型太陽電池の製造は、１つまたは複数のウェハ上に異なる層を製造する段階を含むことができる。これらのウェハは、互いに接続され、多接合型太陽電池を形成する。特に、ウェハは、互いにボンディングされる。
ウェハを互いにボンディングすることを含むことができる多接合型太陽電池の一例は、反転変成多接合（ＩＭＭ）太陽電池である。この種類のセルを用いて、異種のウェハを互いにボンディングする。異種のウェハは、互いに異なる材料を有するウェハである。その結果、原子の格子は、これらの違いのため、互いに引っ張り合う場合がある。
しかしながら、これらの種類のウェハを直接ボンディングすることは、望ましくない不整合性を引き起こす場合がある。例えば、亀裂、剥離、または他の望ましくない問題が、直接ボンディングが生じる温度および圧力で発生する場合がある。
したがって、上記した問題、および他の起こり得る問題の少なくともいくつかを考慮する方法および装置を有することが望ましいだろう。例えば、ウェハに、亀裂、剥離、または他の望ましくない不整合性を引き起こす可能性がある高温と関連した問題を避けるように、互いに異なるウェハをボンディングする方法を有することが望ましいだろう。
提供する本開示の一態様によれば、太陽電池構造体を形成する方法が提供される。第１のウェハおよび第２のウェハが、第１のウェハ上の第１のナノチューブが第２のウェハ上の第２のナノチューブと対向するように、互いに対して位置づけられる。第１のナノチューブは、第２のナノチューブに接続される。第１のウェハは、第２のウェハに接続され、太陽電池構造体を形成する。
提供する本開示の別の態様によれば、太陽電池構造体は、第１のウェハ、第２のウェハ、第１のウェハ上に形成される第１のナノチューブ、および第２のウェハ上に形成される第２のナノチューブを備える。
提供する本開示のさらなる態様によれば、構造を形成する方法が提示される。第１のウェハおよび第２のウェハが、第１のウェハ上の第１のナノチューブが第２のウェハ上の第２のナノチューブと対向するように、互いに対して位置づけられる。第１のナノチューブは、第２のナノチューブに接続される。第１のウェハは、第２のウェハに接続され、構造を形成する。
形状および機能は、本開示のさまざまな実施形態において独立して実現することができ、または以下の説明および図面を参照してさらなる詳細を見ることができるさらなる他の実施形態に組み合わせてもよい。
例示的な実施形態の特徴と考えられる新規の形状が、添付の特許請求の範囲に記載される。しかしながら、例示的な実施形態、および使用する好ましいモード、さらなる目的、ならびにその形状は、添付図面と共に読む場合、本開示の例示的実施形態の以下の詳細な説明を参照することによって、最もよく理解されるであろう。
例示的な実施形態は、直接ボンディングの代わりに用いることができる、ウェハを互いにボンディングする他の種類の技術が存在することを認識および考慮する。例えば、金属共晶ボンディングなどの他の種類のボンディングを、異種材料を有するウェハと共に使用してもよい。この種類のボンディングを用いると、中間材料が、互いにボンディングされるウェハの一方の表面または両面に堆積する。この材料は、例えば、半田または金属とすることができる。この種類のボンディングは、温度および熱を必要とする。別の代替は、接着剤を用いてボンディングする。接着剤を使用して、金属共晶ボンディングより低い温度を用いてウェハをボンディングすることができる。
例示的な実施形態は、異種のウェハを互いに接続して太陽電池構造体を形成する場合に、光を通過させるための所望のレベルの透過性および伝導性をもたらす接続を有することが望ましいことが多いことを認識および考慮する。透過性により、光が、１つのウェハにおける１つのサブセルから、他のウェハにおける他のサブセルに通過することを可能にする。伝導性により、接合部により生成される場合のある電流が、ウェハの間を通ることを可能にする。
例示的な実施形態は、金属共晶ボンディングが接続性、半田、または金属を提供するが、所望の量の光を通過するのに必要な透過性を有さないことを認識および考慮する。例示的な実施形態はまた、接着剤が光を通過させることができるが、伝導させないことを認識および考慮する。
したがって、例示的な実施形態は、太陽電池接続システムのための方法および装置を提供する。例示的な実施形態の１つにおいて、太陽電池構造体を形成する方法を提示する。第１のウェハおよび第２のウェハが、第１のウェハ上の第１のナノチューブが第２のウェハ上の第２のナノチューブと対向するように、互いに対して位置づけられる。第１のナノチューブは、第２のナノチューブに接続される。第１のウェハは、第２のウェハに接続され、太陽電池構造体を形成する。
ここで図を参照して、および図１を参照して、例示的な実施形態による、ブロック図の形式の太陽電池製造環境の図を示す。示されているように、太陽電池構造体製造環境１００は、ウェハ接続システム１０２を用いて、太陽電池構造体１０１を製造する。この例において、ウェハ接続システム１０２を使用して、ウェハ１０４を接続し、太陽電池構造体１０１を形成する。
示されているように、太陽電池構造体１０１は、太陽電池１０８とすることができ、または太陽電池１０８の一部とすることができる。特に、太陽電池１０８は、本例において、反転変成多接合太陽電池とすることができる。
この例において、太陽電池１０８は、サブセルのグループ１１０の間に接合部１１２のグループを有するサブセルのグループ１１０を有する。本明細書で使用する場合、「グループ」という用語は、複数の項目を参照して使用する場合、１つまたは複数の項目を意味する。例えば、接合部１１２のグループは、１つまたは複数の接合部１１２である。
この例では、接続処理１１４を使用して、ウェハ１０４における第１のウェハ１１６およびウェハ１０４における第２のウェハ１１８を、ウェハ接続システム１０２を用いて、互いに接続する。示されているように、第１のウェハ１１６は、第２のウェハ１１８と同様のウェハおよび異種のウェハの一方から選択することができる。さらに、第１のウェハ１１６は、サブセルの第１のグループを有することができ、第２のウェハ１１８は、サブセルの第２のグループまたはハンドルの少なくとも一方を有することができる。
この例では、ウェハ接続システム１０２は、ナノチューブ１２０を備える。特に、ナノチューブ１２０は、垂直配向カーボンナノチューブ（ＶＡＣＮＴ）１２１である。示されているように、ナノチューブ１２０における１つのナノチューブは、円筒状の炭素構造体である。
例えば、ナノチューブは、縁部で結合する六角形のグラファイト分子から形成されてもよい。ナノチューブは、約１原子の厚みである壁を有する中空ストランドを形成するグラフェンのシートを巻いてもよい。ナノチューブは、単一の壁を有してよく、または複数の壁を有してもよい。
本例において、ナノチューブ１２０における第１のナノチューブ１２２は、第１のウェハ１１６の第１の表面１２４上に形成される。ナノチューブ１２０における第２のナノチューブ１２６は、第２のウェハ１１８の第２の表面１２８上に形成される。この例において、第１のナノチューブ１２２および第２のナノチューブ１２６は、それぞれ、直径が約２ナノメートルから約５０ナノメートルであり、長さが約２ミクロンから約１０ミクロンであってよい。
示されているように、第１のナノチューブ１２２は、第１のウェハ１１６の第１の表面１２４に実質的に垂直な方向に延びる。第２のナノチューブ１２６は、第２のウェハ１１８の第２の表面１２８に実質的に垂直な方向に延びる。このように、第１のナノチューブ１２２および第２のナノチューブ１２６は、垂直配向カーボンナノチューブ１２１である。
示されているように、第１のウェハ１１６と第２のウェハ１１８との間の接続部１３２は、第１のナノチューブ１２２と第２のナノチューブ１２６とを用いて形成される。これらの例では、第１のウェハ１１６および第２のウェハ１１８が、第１のウェハ１１６上の第１のナノチューブ１２２が第２のウェハ１１８上の第２のナノチューブ１２６と対向するように、互いに対して位置づけられる。第１のウェハ１１６および第２のウェハ１１８は、互いに向けて動かされ、第１のナノチューブ１２２と第２のナノチューブ１２６との間に接続部１３２を形成するよう圧力を加えてよい。
示されているように、接続部１３２は、直接ボンディングのために用いられる温度で作られる必要はない。代わりに、第１のナノチューブ１２２と第２のナノチューブ１２６との間の接続部１３２は、太陽電池構造体製造環境１００における周囲温度で作ることができる。言い換えると、接続部１３２は、室温か、または他の所望の温度を用いて行うことができる。
この例では、接続部１３２は、１つまたは複数の異なる形態をとることができる。例えば、接続部１３２は、ボンディング部１３４または機械的接続部１３６の少なくとも一方とすることができる。本明細書で使用する場合、「少なくとも１つ」というフレーズは、項目のリストと共に使用される場合、リストにある項目の１つまたは複数の異なる組み合わせを使用してもよく、およびリスト内の各項目の１つのみを必要としてもよいという意味である。言い換えると、「少なくとも１つ」は、任意の組み合わせの項目および任意の数の項目をリストから使用することができるが、リストにあるすべての項目が必要なわけではないことを意味する。項目は、特定の物体、事項、または分類とすることができる。
例えば、これらに限定されるものではないが、「項目Ａ、項目Ｂ、または項目Ｃの少なくとも１つ」は、項目Ａ、項目Ａおよび項目Ｂ、または項目Ｂを含むことができる。この例はまた、項目Ａ、項目Ｂ、および項目Ｃまたは項目Ｂおよび項目Ｃを含むことができる。当然、これらの項目の任意の組み合わせが存在してよい。いくつかの例では、「少なくとも１つ」は、例えば、これらに限定されるものではないが、項目Ａが２、項目Ｂが１、および項目Ｃが１０、項目Ｂが４および項目Ｃが７、または他の適切な組み合わせとすることができる。
例えば、ボンディング部１３４は、第１のナノチューブ１２２と第２のナノチューブ１２６との間のファンデルワールス力に基づく。ボンディング部１３４は、一例では、第１のウェハ１１６が第２のウェハ１１８に向かって動かされると、または第１のウェハ１１６と第２のウェハ１１８の両方が互いに向かって動かされるとき、第１のナノチューブ１２２と第２のナノチューブ１２６とが互いに係合する場合に生じる場合がある。
示されているように、機械的接続部１３６は、第１のナノチューブ１２２と第２のナノチューブ１２６との間にある。機械的接続部１３６は、第１のナノチューブ１２２および第２のナノチューブ１２６上の係合形状１３８の使用を介して行うことができる。係合形状は、例えば、第１のナノチューブ１２２の端と、第２のナノチューブ１２６の端とに対して異なる形をしていてもよい。その形は、例えば、フック形、ループ形、らせん形、またはテーパ形の少なくとも１つを含むことができる。
このように、ウェハ接続システム１０２は、機械的接続部１３６を形成する第１のナノチューブ１２２と第２のナノチューブ１２６との間の係合形状１３８を介して所望のレベルの機械的相互作用をもたらす。さらに、ボンディング部１３４を、機械的接続部１３６に加えて、または機械的接続部１３６の代わりに形成してもよい。さらに、ナノチューブ１２０のためにカーボンナノチューブを使用することは、所望のレベルの透過性および電気伝導性をもたらす。これらの例において、ウェハ１０４上のナノチューブ１２０の垂直配向により、ナノチューブ１２０を通って延びる軸に沿って入射する光に対して、所望のレベルの光透過性をもたらす。さらに、ナノチューブ１２０の透過性を高めるためにナノチューブ１２０を形成する間に、ナノチューブ１２０に対して、キラリティーを制御することができる。
さらに、第１のナノチューブ１２２と第２のナノチューブ１２６との間に接続部１３２を形成することは、太陽電池構造体１０１を形成する際、第１のウェハ１１６および第２のウェハ１１８において望まない不整合を引き起こさない温度で実行することができる。ウェハの直接ボンディングで使用される温度などのより高い温度を必要とすることなく、設備および維持のためのコストを削減することもできる。さらに、処理温度を下げることで、太陽電池構造体の歩留まりは、再処理または交換の必要無く、接続処理１１４を通じて使用されるウェハ１０４の数に対して高めることができる。
図１における太陽電池構造体製造環境１００の図は、例示的な実施形態を実現することができる方法を、物理的または構造的に限定することを意味しない。図示した構成要素に加えて、または図示した構成要素の代わりに、他の構成要素を使用してもよい。いくつかの構成要素は、不要である場合がある。さらに、ブロックは、何らかの機能部品を示すために存在する。例示的な実施形態で実施する場合、これらのブロックの１つまたは複数を組み合わせる、分割する、または異なるブロックに組み合わせ、分割することができる。
ここで図２を参照すると、例示的な実施形態による、太陽電池構造体のためのウェハの図が示される。この例では、第１のウェハ２０２と、第２のウェハ２０４との透視図が示される。第１のウェハ２０２は、図１においてブロック形式で示した第１のウェハ１１６の物理的な実装態様の一例であり、第２のウェハ２０４は、図１においてブロック形式で示した第２のウェハ１１８の物理的な実装態様の一例である。
第１のウェハ２０２および第２のウェハ２０４は、太陽電池構造体を形成するよう接続するために、互いに対して配置される。この例において、第１のナノチューブ２０６は、第１のウェハ２０２上にあり、第２のナノチューブ２０８は、第２のウェハ２０４上にある。
示されているように、第１のウェハ２０２を、第２のウェハ２０４に向けて矢印２１０の方向に動かしてよく、第１のナノチューブ２０６が、第２のナノチューブ２０８に係合するようにする。別の例では、第２のウェハ２０４を、矢印２１２の方向に動かしてよく、第２のナノチューブ２０８が、第１のナノチューブ２０６に係合するようにする。別の例では、第１のウェハ２０２と、第２のウェハ２０４との両方が、互いに向けて動かされる。
次に図３を参照すると、例示的な実施形態による、太陽電池構造体の図が示される。示されているように、太陽電池構造体３００の透視図が、この図で見られる。本例において、太陽電池構造体３００は、図１においてブロック形式で示した太陽電池構造体１０１の物理的実装態様の一例である。
示されているように、太陽電池構造体３００は、第１のウェハ２０２と、第２のウェハ２０４とを含む。示されているように、第１のウェハ２０２および第２のウェハ２０４は、接続システムを使用して、互いに接続される。本例において、接続システムは、第１のウェハ２０２と第２のウェハ２０４との間の界面３０２で第１のナノチューブ２０６と第２のナノチューブ２０８とを含む。
次に図４では、例示的な実施形態による、太陽電池構造体のための２つのウェハの一部の断面図を示す。示されているように、第１のウェハ２０２および第２のウェハ２０４の一部が、図２における線４−４に沿った断面図で示される。
この断面図で理解し得るように、第１のナノチューブ２０６は、第１のウェハ２０２の第１の表面４００に実質的に垂直に配置される。第２のナノチューブ２０８は、第２のウェハ２０４の第２の表面４０２に実質的に垂直な方向であるとして示される。第１のナノチューブ２０６および第２のナノチューブ２０８は、この例では、垂直配向カーボンナノチューブである。
ここで図５を参照すると、例示的な実施形態による、太陽電池構造体の断面図が示される。この例では、太陽電池構造体３００の一部が、図３における線５−５に沿った断面図で示される。この図では、第１のナノチューブ２０６および第２のナノチューブ２０８は、互いに係合し、第１のウェハ２０２と第２のウェハ２０４との間の界面３０２で接続部を形成する。この例では、接続部は、第１のナノチューブ２０６と第２のナノチューブ２０８との間のファンデルワールス力に基づくボンディング部か、または第１のナノチューブ２０６と第２のナノチューブ２０８との間の機械的接続部の少なくとも一方とすることができる。
図６を参照すると、例示的な実施形態による、ファンデルワールス力によるボンディング部を形成するナノチューブの図を示す。この例では、第１のナノチューブ６００および第２のナノチューブ６０２が、ボンディング部により互いに接続されて示される。第１のナノチューブ６００は、図２から図５における第１のウェハ２０２上の第１のナノチューブ２０６におけるナノチューブとすることができる。第２のナノチューブ６０２は、図２から図５における第２のウェハ２０４上の第２のナノチューブ２０８におけるナノチューブとすることができる。
示されているように、接合部は、ファンデルワールス力によって形成されるボンディング部を用いて作られる。言い換えると、第１のナノチューブ６００と第２のナノチューブ６０２における分子の間の引力により、これら２つのナノチューブの間にボンディング部が形成される。
図７を参照すると、例示的な実施形態による、機械的接続部でボンディング部を形成するナノチューブの図を示す。第１のナノチューブ７００および第２のナノチューブ７０２が、係合形状により互いに接続されて示される。第１のナノチューブ７００は、図２から図５における第１のウェハ２０２上の第１のナノチューブ２０６におけるナノチューブとすることができる。第２のナノチューブ７０２は、図２から図５における第２のウェハ２０４上の第２のナノチューブ２０８におけるナノチューブとすることができる。
示されているように、第１のナノチューブ７００は、第１のナノチューブ７００の端部７０６で第１の係合形状７０４を有する。第２のナノチューブ７０２は、第２のナノチューブ７０２の端部７１０で第２の係合形状７０８を有する。この例では、第１の係合形状７０４および第２の係合形状７０８は、第１のナノチューブ７００および第２のナノチューブ７０２が互いに機械的に契合することを可能にするフック形を有する。
ここで図８を参照すると、例示的な実施形態による、太陽電池構造体の図が示される。ここに示す例では、太陽電池構造体８００は、太陽電池８０２の形式である。理解されるように、太陽電池８０２は、第１のウェハ８０４と第２のウェハ８０６とを備える。
この例では、第１のウェハ８０４は、サブセル１ ８０８、サブセル２ ８１０、およびサブセル３ ８１２を含む。接合部８１４は、サブセル１ ８０８とサブセル２ ８１０との間に位置し、接合部８１６は、サブセル２ ８１０とサブセル３ ８１２との間に位置する。トレースライン８１８は、この例では、サブセル１ ８０８上に位置する。
第２のウェハ８０６は、サブセル４ ８２０とサブセル５ ８２２とを含む。第２のウェハ８０６はまた、ＩｎＰ基板８２４を含む。接合部８２６は、サブセル４ ８２０とサブセル５ ８２２との間に設けられる。
各サブセルは、異なる波長または波長の範囲の光を通す。接合部は、サブセルを通って接合部に到達した光から電気を生成する。第１のウェハ８０４と第２のウェハ８０６との間で直接ボンディングを用いる代わりに、本例では、第１のナノチューブ８２８および第２のナノチューブ８３０を用いて、第１のウェハ８０４に第２のウェハ８０６を接続する。
次に図９を参照すると、例示的な実施形態による、太陽電池構造体の他の図が示される。この例では、セル構造９００は、反転変成多接合（ＩＭＭ）太陽電池９０２の形式である。示されているように、太陽電池９０２は、第１のウェハ９０４と、第２のウェハ９０６とを含む。
第１のウェハ９０４は、サブセル１ ９０８、サブセル２ ９１０、サブセル３ ９１２、およびサブセル４ ９１４を含む。接合部９１６は、サブセル１ ９０８とサブセル２ ９１０との間に設けられる。段階的変成多接合（ＭＭ）層９１８がサブセル２ ９１０とサブセル３ ９１２との間に設けられ、段階的変成多接合（ＭＭ）層９２０がサブセル３ ９１２とサブセル４ ９１４との間に設けられる。第１のウェハ９０４はまた、サブセル１ ９０８上に形成されるトレースライン９２１を有する。
この例では、第２のウェハ９０６は、ハンドル９２２の形式である。示されているように、ハンドル９２２は、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、または何らかの他の適切な材料などのさまざまな材料を備えることができる。ハンドル９２２は、搬送されるか、または扱われる反転変成多接合（ＩＭＭ）太陽電池９０２の一部である。電気生成部品またはデバイスは、このウェハ上に形成されない。
図示されるように、第１のウェハ９０４上の第１のナノチューブ９２４は、第２のウェハ９０６上の第２のナノチューブ９２６に接続することができる。この接続は、ウェハの間の接続を形成する。この例では、第１のウェハ９０４と第２のウェハ９０６との間で光を伝えるための透過性は、必要ではない場合がある。この種類の用途では、第１のウェハ９０４と第２のウェハ９０６との間の第１のナノチューブ９２４と第２のナノチューブ９２６に加えて、ウェハの間のボンディング強度を高めるために、接着剤も使用してよい。
図８での太陽電池８０２および図９での反転変成多接合（ＩＭＭ）太陽電池９０２の図は、接続システムを使用することができる一部の例示的用途としてのみ提供される。ウェハを互いに接続するナノチューブを備える接続システムは、他の用途で使用することができる。これらの用途は、太陽電池以外の用途を含むことができる。例えば、他の用途には、ウェハを互いに接続することが望ましい他の用途に対してセンサチップアセンブリを形成するよう互いに接続することができる、さまざまなウェハ上の光検出器および回路を含むことができる。
図２から図９に示すさまざまな構成要素は、図１における構成要素と組み合わせてもよく、図１における構成要素と共に使用してもよく、または、その２つの組み合わせでもよい。さらに、図２から図９における構成要素のいくつかは、図１においてブロック形式で示した構成要素が物理的構造としてどのように実現することができるかの例とすることができる。
ここで図１０を参照すると、例示的な実施形態による、太陽電池構造体を形成する処理のフローチャートが図示される。図１０で示す処理は、図１での太陽電池構造体製造環境１００において実施することができる。特に、本処理は、ウェハ１０４を互いに接続するよう接続処理１１４で実施することができる。
本処理は、第１のウェハ上の第１のナノチューブが第２のウェハ上の第２のナノチューブと対向するように第１のウェハと第２のウェハとを互いに対して位置づけることによって開始する（操作１０００）。言い換えると、第１のナノチューブと第２のナノチューブが配置される表面は、第１のウェハおよび第２のウェハが位置づけられた場合に、互いに向かい合う。
次いで、本処理は、第１のナノチューブを第２のナノチューブに接続し（操作１００２）、本処理は、その後、終了する。第２のウェハに接続された第１のウェハは、太陽電池構造体を形成する。
操作１００２では、第１のナノチューブおよび第２のナノチューブによって、第１のナノチューブおよび第２のナノチューブの間のファンデルワールス力に基づくボンディング部が形成される。接続部はまた、第１のナノチューブおよび第２のナノチューブの間の機械的接続部として形成してもよい。ボンディング部および機械的接続部の一方または両方を形成してもよい。
次に図１１を参照すると、例示的な実施形態による、ウェハ上にナノチューブを形成する処理のフローチャートが図示される。図１１に示す処理は、第１のウェハ１１６上に第１のナノチューブ１２２を、第２のウェハ１１８上に第２のナノチューブ１２６を形成するよう実施されてよい。
本処理は、炭素の化学気相成長を実行し、第１のナノチューブを形成する前に、触媒を用いてウェハの表面を処理することによって開始する（操作１１００）。操作１１００での触媒堆積は、例えば、ウェハ上のナノ粒子溶液の堆積とすることができる。触媒の他の例は、金属蒸着または金属スパッタリングにより堆積したナノ粒子を含むことができる。さらに他の例では、触媒は、ナノチューブ成長に最適化されたナノスケール粒子サイズの金属フィルムの蒸着により堆積されたナノ粒子を含むことができる。ナノ粒子溶液は、スピンコーティング処理を用いて堆積させてもよい。この例において、ナノ粒子溶液は、例えば、ニッケルナノ粒子溶液とすることができる。ナノ粒子溶液の他の例には、銅ナノ粒子溶液または鉄ナノ粒子溶液を含むことができる。
次いで、本処理は、炭素の化学気相成長を用いて、ウェハ上にナノチューブを形成し（操作１１０２）、本処理は、その後、終了する。この操作では、ウェハは、炭素含有ガスに曝される。操作１１０２は、経時的な温度変化を用いて行ってよく、その端部にフック形状を持たせてよい。
次に図１２を参照すると、例示的な実施形態による、太陽電池構造体を形成するためのより詳細な処理のフローチャートが図示される。図１２で示す処理は、図８で示したような太陽電池構造体８００を形成するのに使用することができる。図１１で示す処理は、図１における太陽電池構造体１０１を形成するために実施することができる。
この例では、本処理は、ブロック１２００でガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板ウェハ、ブロック１２０２で燐化インジウム（ＩｎＰ）基板ウェハ、およびブロック１２０４でニッケル（Ｎｉ）触媒溶液を用いて開始する。ニッケル触媒溶液は、１重量パーセントである。ニッケル（Ｎｉ）触媒溶液は、イソプロパノールなどの溶媒でのニッケルナノ粒子の希釈によって準備される。ニッケルナノ粒子は、直径が約２ナノメートルから約５０ナノメートルである。ナノ粒子溶液の他の例には、イソプロパノールなどの溶媒に溶解された鉄またはニッケルナノ粒子を含むことができる。
次いで、本処理は、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）を用いて、ブロック１２００から、ＧａＡｓ基板上に反転された太陽電池のトップ３サブセルを成長させる（操作１２０６）。本処理はまた、有機金属化学気相成長を用いて、ＩｎＰ基板上に垂直な太陽電池のボトム２サブセルを成長させる（操作１２０８）。本処理はまた、ニッケル触媒溶液を遠心分離して、サイズにより粒子を分離する（操作１２１０）。操作１２１０中、約２０ナノメートル未満の直径のナノ粒子を含有する溶液の上部は、その溶液の残りから分離される。操作１２０６、操作１２０８、および操作１２１０は、ほぼ同じ時点で、または異なる時点で実行することができる。
次に、本処理は、ウェハ上に、ニッケル触媒溶液を堆積する（操作１２１２）。操作１２１２中、触媒は、ニッケル触媒溶液をスピンコーティングすることによって堆積され、操作１２１０で処理されたような触媒溶液を使用して、操作１２０６および操作１２０２から、ウェハ上に堆積される。
次いで、本処理は、ウェハを加熱する（操作１２１４）。操作１２１４では、ウェハは、化学気相成長（ＣＶＤ）炉に装填され、アルゴン（Ａｒ）ガス内で約６００℃の成長温度に加熱されたウェハとすることができる。次いで、本処理は、エタノール蒸気の流れを、炉内に導入し、Ｎｉ触媒粒子上でカーボンナノチューブを成長させる（操作１２１６）。エタノール蒸気の流れは、約５分から約１０分間、約１ｔｏｒｒから約１０ｔｏｒｒの圧力で、ニッケル触媒溶液内のニッケル触媒粒子にカーボンナノチューブを成長させる。
次いで、本処理は、ウェハを冷却する（操作１２１８）。操作１２１８中、ウェハは、炉内のＡｒガス中で室温まで下げられ、次いで、炉から取り出される。ウェハは、互いに接続される（操作１２２０）。この操作では、２つのウェハが、付属設備内で整列され、ナノチューブを有する２つの表面が、重みにより接触させられる。接触により、接続部が形成され、その接続部は、本例ではボンディング部である。
ボンディングされたウェハペアを検査する（操作１２２２）。検査は、赤外線（ＩＲ）透過イメージングを用いて行い、表面が十分にボンディングされることを確実にする。ウェハが、十分にボンディングされたかどうかという判断がなされる（操作１２２４）。ウェハが十分にボンディングされたかどうかの判断は、例えば、ウェハ領域にわたる指定された閾値より高い赤外線透過率の測定値を介して、または赤外線透過イメージの可視検査を介して行われ、局所的低透過領域によって示されるような、捕捉粒子もしくはボンディング空隙が存在しないことを検証することができる。
ウェハのボンディングが不十分である場合、本処理は、ウェハのボンディングを解く（操作１２２６）。ウェハは、剥離シムを用いることで分離されてよい。ウェハは、洗浄され（操作１２２８）、次いで、本処理は、操作１２２０に戻る。
再び操作１２２４を参照すると、ウェハが十分にボンディングされた場合、本処理は、ＧａＡｓ基板をエッチングし（操作１２３０）、処理は、その後、終了する。エッチングは、ＧａＡｓ基板を取り除くために実行する。この時点で、太陽電池構造体が処理され、太陽電池を形成することができる。
さまざまな示した実施形態におけるフローチャートおよびブロック図は、例示的な実施形態における装置および方法のいくつかの可能な実装態様のアーキテクチャ、機能、および操作を示す。この点に関して、フローチャートまたはブロック図における各ブロックは、モジュール、セグメント、機能、または操作もしくはステップの一部の少なくとも１つを表すことができる。
例示的な実施形態のいくつかの代替実装態様において、ブロックに記載した１つまたは複数の機能は、図に記載した順序でなくても実行することができる。例えば、場合によっては、連続的に示された２つのブロックを、実質的に同時に実行してもよく、またはブロックは、時には、関係する機能により、逆の順序で実行してもよい。さらに、他のブロックを、フローチャートまたはブロック図において示したブロックに追加してもよい。
例えば、第１のナノチューブを第２のナノチューブに接続する前に、第１のウェハおよび第２のウェハの少なくとも一方に、接着剤を塗布してもよい。接着剤は、ナノチューブに加えて接続部にさらなる強度を追加することができる。接着剤は、所望の量の光を通過させる透過性のレベルを有するよう選択される。伝導性は、第１のナノチューブと第２のナノチューブとの間の接続により提供され得る。
別の例として、触媒が、ニッケルとして示される。触媒はまた、ニッケル、コバルト、鉄、または何らかの他の適切な触媒の少なくとも１つから選択された金属触媒であってよい。
このように、例示的な実施形態は、ウェハを接続する方法および装置を提供する。さまざまな例における接続システムを用いることで、ウェハを、互いにより簡単に接続することができる。本例により、ウェハを互いにボンディングしてソーラ構造を形成するために現在用いられている温度よりも低い温度で接続することを可能にする。
さらに、ウェハは、互いに接続され、不整合の少ないソーラ構造を形成することができる。例えば、亀裂、剥離、または他の望まない不整合の形成を減らすことができる。さらに、接続部を形成するためにナノチューブを使用することで、ウェハは、直接ボンディングまたは接着剤を使用した場合より容易に互いから切り離すことができる。ウェハを切り離すこの性能により、不整合性が太陽電池構造体の製造中に見つかった場合に、ウェハの再処理または交換を可能にすることができる。
さらに、本開示は、以下の項目による実施形態を備える。
項目１．太陽電池構造体を形成する方法であって、第１のウェハと第２のウェハとを、第１のウェハ上の第１のナノチューブが第２のウェハ上の第２のナノチューブと対向するように、互いに対して配置する段階と、第１のナノチューブを第２のナノチューブに接続する段階とを備え、第１のウェハが第２のウェハに接続されて太陽電池構造体を形成する、方法。
項目１．太陽電池構造体を形成する方法であって、第１のウェハと第２のウェハとを、第１のウェハ上の第１のナノチューブが第２のウェハ上の第２のナノチューブと対向するように、互いに対して配置する段階と、第１のナノチューブを第２のナノチューブに接続する段階とを備え、第１のウェハが第２のウェハに接続されて太陽電池構造体を形成する、方法。
項目２．第１のナノチューブを第２のナノチューブに接続する段階が、第１のナノチューブと第２のナノチューブとの間のファンデルワールス力に基づくボンディング部を形成する段階を含む、方法。
項目３．第１のナノチューブを第２のナノチューブに接続する段階が、第１のナノチューブと第２のナノチューブとの間に機械的接続部を形成する段階を含む、方法。
項目４．第１のナノチューブを第２のナノチューブに接続する前に、接着剤を、第１のウェハまたは第２のウェハの少なくとも一方に塗布する段階をさらに備える、方法。
項目５．第１のナノチューブを第１のウェハ上に形成する段階と、第２のナノチューブを第２のウェハ上に形成する段階とをさらに含む、方法。
項目６．第１のナノチューブを形成する段階が、第１のナノチューブを形成するために炭素の化学気相成長を行う段階を含む、方法。
項目７．第１のナノチューブを形成するために炭素の化学気相成長を行う段階が、第１のウェハを炭素含有ガスに曝す段階を含む、方法。
項目８．第１のナノチューブを形成する段階が、第１のナノチューブを形成するために炭素の化学気相成長を行う前に、触媒で第１のウェハの表面を処理する段階をさらに含む、方法。
項目９．触媒で第１のウェハの表面を処理する段階が、第１のウェハ上にナノ粒子溶液を堆積させる段階を含む、方法。
項目１０．触媒が、ニッケル、コバルト、または鉄の少なくとも１つから選択される金属触媒である、方法。
項目１１．第１のウェハが、サブセルのグループを有し、第２のウェハが、サブセルの第２のグループまたはハンドルの少なくとも一方を有する、方法。
項目１２．第１のウェハが、第２のウェハと同様のウェハおよび異なるウェハの一方から選択される、方法。
項目１３．第１のナノチューブが、第１のウェハの第１の表面に実質的に垂直な方向に延び、第２のナノチューブが、第２のウェハの第２の表面に実質的に垂直な方向に延びる、方法。
項目１４．第１のナノチューブおよび第２のナノチューブが、それぞれ、直径が約２ナノメートルから約５０ナノメートルであり、長さが約２ミクロンから約１０ミクロンである、方法。
項目１５．第１のウェハと、第２のウェハと、第１のウェハ上に形成される第１のナノチューブと、第２のウェハ上に形成される第２のナノチューブとを備える、太陽電池構造体。
項目１６．第１のナノチューブが、第１のウェハの第１の表面に実質的に垂直な方向に延び、第２のナノチューブが、第２のウェハの第２の表面に実質的に垂直な方向に延びる、太陽電池。
項目１７．第１のウェハが、サブセルのグループを有し、第２のウェハが、サブセルの第２のグループまたはハンドルの少なくとも一方を有する、太陽電池構造体。
項目１８．第１のウェハが、第２のウェハと同様のウェハおよび異なるウェハの一方から選択される、太陽電池構造体。
項目１９．第１のナノチューブおよび第２のナノチューブが、それぞれ、直径が約２ナノメートルから約５０ナノメートルであり、長さが約２ミクロンから約１０ミクロンである、太陽電池構造体。
項目２０．第１のウェハと第２のウェハとを、第１のウェハ上の第１のナノチューブが第２のウェハ上の第２のナノチューブと対向するように、互いに対して配置する段階と、第１のナノチューブを第２のナノチューブに接続する段階とを備え、第１のウェハが第２のウェハに接続されて構造体を形成する、構造体を形成する方法。
さまざまな例示的な実施形態の説明は、例示および説明のために提示したものであり、開示する形式での実施形態を網羅または限定することを意図していない。多くの変更および変形が、当業者には明らかであろう。さらに、さまざまな例示的な実施形態が、他の望ましい実施形態と比較して、異なる形態を提供することができる。選択された１つまたは複数の実施形態は、実施形態の原理、実際の用途を最もよく説明し、予期される特定の用途に適合するようなさまざまな変更に対して本開示を他の当業者が理解することを可能にするために、選択および説明される。
１００ 太陽電池構造体製造環境
１０１ 太陽電池構造体
１０２ ウェハ接続システム
１０４ ウェハ
１０８ 太陽電池
１１０ サブセルのグループ
１１２ 接合部
１１４ 接続処理
１１６ 第１のウェハ
１１８ 第２のウェハ
１２０ ナノチューブ
１２１ 垂直配向カーボンナノチューブ（ＶＡＣＮＴ）
１２２ 第１のナノチューブ
１２４ 第１の表面
１２６ 第２のナノチューブ
１２８ 第２の表面
１３２ 接続部
１３４ ボンディング部
１３６ 機械的接続部
１３８ 係合形状
２０２ 第１のウェハ
２０４ 第２のウェハ
２０６ 第１のナノチューブ
２０８ 第２のナノチューブ
２１０ 矢印
２１２ 矢印
３００ 太陽電池構造体
３０２ 界面
４００ 第１の表面
４０２ 第２の表面
６００ 第１のナノチューブ
６０２ 第２のナノチューブ
７００ 第１のナノチューブ
７０２ 第２のナノチューブ
７０４ 第１の係合形状
７０６ 端部
７０８ 第２の係合形状
７１０ 端部
８００ 太陽電池構造体
８０２ 太陽電池
８０４ 第１のウェハ
８０６ 第２のウェハ
８０８ サブセル１
８１０ サブセル２
８１２ サブセル３
８１４ 接合部
８１６ 接合部
８１８ トレースライン
８２０ サブセル４
８２２ サブセル５
８２４ ＩｎＰ基板
８２６ 接合部
８２８ 第１のナノチューブ
８３０ 第２のナノチューブ
９００ セル構造
９０２ 反転変成多接合（ＩＭＭ）太陽電池
９０４ 第１のウェハ
９０６ 第２のウェハ
９０８ サブセル１
９１０ サブセル２
９１２ サブセル３
９１４ およびサブセル４
９１６ 接合部
９１８ 段階的変成多接合（ＭＭ）層
９２０ 段階的変成多接合（ＭＭ）層
９２１ トレースライン
９２２ ハンドル
９２４ 第１のナノチューブ
９２６ 第２のナノチューブ
１０００ 操作
１００２ 操作
１１００ 操作
１１０２ 操作
１２００ ブロック
１２０２ ブロック
１２０４ ブロック
１２０６ 操作
１２０８ 操作
１２１０ 操作
１２１２ 操作
１２１４ 操作
１２１６ 操作
１２１８ 操作
１２２０ 操作
１２２２ 操作
１２２４ 操作
１２２６ 操作
１２２８ 操作
１２３０ 操作
１０１ 太陽電池構造体
１０２ ウェハ接続システム
１０４ ウェハ
１０８ 太陽電池
１１０ サブセルのグループ
１１２ 接合部
１１４ 接続処理
１１６ 第１のウェハ
１１８ 第２のウェハ
１２０ ナノチューブ
１２１ 垂直配向カーボンナノチューブ（ＶＡＣＮＴ）
１２２ 第１のナノチューブ
１２４ 第１の表面
１２６ 第２のナノチューブ
１２８ 第２の表面
１３２ 接続部
１３４ ボンディング部
１３６ 機械的接続部
１３８ 係合形状
２０２ 第１のウェハ
２０４ 第２のウェハ
２０６ 第１のナノチューブ
２０８ 第２のナノチューブ
２１０ 矢印
２１２ 矢印
３００ 太陽電池構造体
３０２ 界面
４００ 第１の表面
４０２ 第２の表面
６００ 第１のナノチューブ
６０２ 第２のナノチューブ
７００ 第１のナノチューブ
７０２ 第２のナノチューブ
７０４ 第１の係合形状
７０６ 端部
７０８ 第２の係合形状
７１０ 端部
８００ 太陽電池構造体
８０２ 太陽電池
８０４ 第１のウェハ
８０６ 第２のウェハ
８０８ サブセル１
８１０ サブセル２
８１２ サブセル３
８１４ 接合部
８１６ 接合部
８１８ トレースライン
８２０ サブセル４
８２２ サブセル５
８２４ ＩｎＰ基板
８２６ 接合部
８２８ 第１のナノチューブ
８３０ 第２のナノチューブ
９００ セル構造
９０２ 反転変成多接合（ＩＭＭ）太陽電池
９０４ 第１のウェハ
９０６ 第２のウェハ
９０８ サブセル１
９１０ サブセル２
９１２ サブセル３
９１４ およびサブセル４
９１６ 接合部
９１８ 段階的変成多接合（ＭＭ）層
９２０ 段階的変成多接合（ＭＭ）層
９２１ トレースライン
９２２ ハンドル
９２４ 第１のナノチューブ
９２６ 第２のナノチューブ
１０００ 操作
１００２ 操作
１１００ 操作
１１０２ 操作
１２００ ブロック
１２０２ ブロック
１２０４ ブロック
１２０６ 操作
１２０８ 操作
１２１０ 操作
１２１２ 操作
１２１４ 操作
１２１６ 操作
１２１８ 操作
１２２０ 操作
１２２２ 操作
１２２４ 操作
１２２６ 操作
１２２８ 操作
１２３０ 操作
Claims (19)
- 太陽電池構造体（１０１、３００）を形成する方法であって、
第１のウェハ（１１６、２０２）と第２のウェハ（１１８、２０４）とを、前記第１のウェハ（１１６、２０２）上の第１のナノチューブ（１２２、２０６）が前記第２のウェハ（１１８、２０４）上の第２のナノチューブ（１２６、２０８）と対向するように、互いに対して配置する段階と、
前記第１のナノチューブ（１２２、２０６）を前記第２のナノチューブ（１２６、２０８）に接続する段階とを含み、
前記第１のウェハ（１１６、２０２）が前記第２のウェハ（１１８、２０４）に接続されて、前記太陽電池構造体（１０１、３００）を形成する、方法。 - 前記第１のナノチューブ（１２２、２０６）を前記第２のナノチューブ（１２６、２０８）に接続する前記段階は、前記第１のナノチューブ（１２２、２０６）と前記第２のナノチューブ（１２６、２０８）との間のファンデルワールス力に基づくボンディング部（１３４）を形成する段階を含む、請求項１に記載の方法。
- 前記第１のナノチューブ（１２２、２０６）を前記第２のナノチューブ（１２６、２０８）に接続する前記段階は、前記第１のナノチューブ（１２２、２０６）と前記第２のナノチューブ（１２６、２０８）との間に機械的接続部（１３６）を形成する段階を含む、請求項１に記載の方法。
- 前記第１のナノチューブ（１２２、２０６）を前記第２のナノチューブ（１２６、２０８）に接続する前に、接着剤を、前記第１のウェハ（１１６、２０２）または前記第２のウェハ（１１８、２０４）の少なくとも一方に塗布する段階をさらに含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第１のナノチューブ（１２２、２０６）を前記第１のウェハ（１１６、２０２）上に形成する段階と、
前記第２のナノチューブ（１２６、２０８）を前記第２のウェハ（１１８、２０４）上に形成する段階と
をさらに含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。 - 前記第１のナノチューブ（１２２、２０６）を形成する前記段階は、前記第１のナノチューブ（１２２、２０６）を形成するために炭素の化学気相成長を行う段階を含む、請求項５に記載の方法。
- 前記第１のナノチューブ（１２２、２０６）を形成するために炭素の化学気相成長を行う前記段階は、前記第１のウェハ（１１６、２０２）を炭素含有ガスに曝す段階を含む、請求項６に記載の方法。
- 前記第１のナノチューブ（１２２、２０６）を形成する前記段階は、前記第１のナノチューブ（１２２、２０６）を形成するために炭素の前記化学気相成長を行う前に、触媒で前記第１のウェハ（１１６、２０２）の表面を処理する段階をさらに含む、請求項６に記載の方法。
- 前記触媒で前記第１のウェハ（１１６、２０２）の前記表面を処理する前記段階は、前記第１のウェハ（１１６、２０２）上にナノ粒子溶液を堆積させる段階を含む、請求項８に記載の方法。
- 触媒が、ニッケル、コバルト、または鉄の少なくとも１つから選択される金属触媒である、請求項７に記載の方法。
- 前記第１のウェハ（１１６、２０２）は、サブセルのグループ（１１０）を有し、前記第２のウェハ（１１８、２０４）は、サブセルの第２のグループまたはハンドル（９２２）の少なくとも一方を有する、請求項１に記載の方法。
- 前記第１のウェハ（１１６、２０２）は、前記第２のウェハ（１１８、２０４）と同様のウェハおよび異なるウェハの一方から選択される、請求項１に記載の方法。
- 前記第１のナノチューブ（１２２、２０６）は、前記第１のウェハ（１１６、２０２）の第１の表面（１２４）に実質的に垂直な方向に延び、前記第２のナノチューブ（１２６、２０８）は、前記第２のウェハ（１１８、２０４）の第２の表面（１２８）に実質的に垂直な方向に延びる、請求項１に記載の方法。
- 前記第１のナノチューブ（１２２、２０６）および前記第２のナノチューブ（１２６、２０８）は、それぞれ、直径が２ナノメートルから約５０ナノメートルであり、長さが２ミクロンから約１０ミクロンである、請求項１に記載の方法。
- 第１のウェハ（１１６、２０２）と、
第２のウェハ（１１８、２０４）と、
前記第１のウェハ（１１６、２０２）上に形成される第１のナノチューブ（１２２、２０６）と、
前記第２のウェハ（１１８、２０４）上に形成される第２のナノチューブ（１２６、２０８）と
を含む、太陽電池構造体（１０１、３００）。 - 前記第１のナノチューブ（１２２、２０６）は、前記第１のウェハ（１１６、２０２）の第１の表面（１２４）に実質的に垂直な方向に延び、前記第２のナノチューブ（１２６、２０８）は、前記第２のウェハ（１１８、２０４）の第２の表面（１２８）に実質的に垂直な方向に延びる、請求項１５に記載の太陽電池構造体（１０１、３００）。
- 前記第１のウェハ（１１６、２０２）は、サブセルのグループ（１１０）を有し、前記第２のウェハ（１１８、２０４）は、サブセルの第２のグループまたはハンドル（９２２）の少なくとも一方を有する、請求項１５に記載の太陽電池構造体（１０１、３００）。
- 前記第１のウェハ（１１６、２０２）は、前記第２のウェハ（１１８、２０４）と同様のウェハおよび異なるウェハの一方から選択される、請求項１５に記載の太陽電池構造体（１０１、３００）。
- 前記第１のナノチューブ（１２２、２０６）および前記第２のナノチューブ（１２６、２０８）は、それぞれ、直径が２ナノメートルから５０ナノメートルであり、長さが２ミクロンから１０ミクロンである、請求項１５に記載の太陽電池構造体（１０１、３００）。
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