JP5501225B2 - 薄層型光電池の背面コンタクト形成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、一般に、高効率の超薄型単結晶シリコン光電池の形成に関する。さらに具体的には、本発明は、そのような電池の背面コンタクト形成方法に関する。
太陽電池又は光電池は、大面積ｐ−ｎ接合ダイオードから成る半導体デバイスであり、太陽光の存在下で、使用可能な電気エネルギーを発生することができる。この変換は、光起電力効果と呼ばれる。
世界中で生産されるすべての太陽電池の９５％以上が、半導体材料のシリコン（Ｓｉ）で構成されている。シリコンは、地殻中で２番目に多い元素なので十分な量が入手可能であり、さらに、材料の加工が環境に負荷をかけないという利点がある。太陽電池を製造するために、半導体は、不純物導入又はドープされる。ドープは、化学元素の意図的な導入であり、これにより、半導体材料から、過剰な正の電荷キャリア（ｐ導電型半導体層）又は負の電荷キャリア（ｎ導電型半導体層）を得ることができる。２つの異なる不純物導入された半導体層を組み合わせると、これらの層の境界上にいわゆるｐ−ｎ接合が生じる。
この接合のところで、光によって放出される電荷キャリアの分離をもたらす内部電界が作り出される。金属コンタクトを通じて、電荷を取り出すことができる。外部回路が閉じると、それは需要家が接続していることを意味し、直流が流れる。シリコン電池は、約１０ｃｍ×１０ｃｍの大きさである（最近では１５ｃｍ×１５ｃｍもある）。透明な反射防止膜が電池を保護し、電池表面における反射による損失を低減させる。
太陽電池には多くの用途がある。太陽電池は、遠隔地電力システム、ハンドヘルド計算器、遠隔無線電話及び揚水用途のように、配電網からの電力を利用できない状況に特に適しており、そのような状況で歴史的に使用されている。建物の屋根の上の太陽電池（モジュール又はソーラ・パネルの形態）は、インバータを通じて、ネット・メータリング配置の配電網に接続することができる。
単結晶Ｓｉは、Ｓｉベースの太陽電池の最大効率を達成するための基本材料である。しかしながら、ウェハ形状、すなわち異なる直径、典型的には１５０、２００又は３００ｍｍの円板の単結晶Ｓｉは高価であり、その入手可能性は、半導体産業からの高い需要のために制約を受ける可能性がある。
しかしながら、単結晶シリコンはまた、高効率の光起電性（ＰＶ）太陽電池の生産における制限要因でもある。ＰＶ用途のための実際のシリコン層の厚さは、２００〜３３０μｍの範囲内である。Ｓｉ層の厚さを薄くするための努力は、典型的には、上記の厚さ範囲を下回るＳｉの独立した層を取り扱う能力によって制限される。
現在のＰＶ電池の主な欠点は、配電網接続型光起電力システムのエネルギー収量を低減させる主な原因として特定されている、前面のシャドウイングである。
従って、本発明の目的は、材料コストを節減し、同時にシャドウイング効果を低減することによる、結晶Ｓｉ太陽光技術を改良するための方法を提供することである。
この目的及びその他の目的並びに利点は、請求項１に開示されるプロセス並びに請求項１４及び請求項１５に開示される超薄層型光電池によって達成される。
本発明の有利な実施形態は、従属請求項に開示される。
本発明は、添付の図面に関して、以下、より詳細に説明される。
一般な電池のコンタクト形成を説明するプロセス・フローを概略的に示す。 （Ａ）〜（Ｅ）背面コンタクトを含む超薄層型ＳｉＰＶ電池のためのプロセス・フローを概略的に示す。 電池を直列化するための背面コンタクト形成を図式的に示す。 （Ａ）〜（Ｅ）単一Ｓｉ層を用いた超薄層型ＳｉＰＶ電池のためのプロセス・フローを概略的に示す。 （Ａ）〜（Ｄ）標準化モジュール技術のための背面コネクタ・パッドを実現するための１つの方法を概略的に示す。 （Ａ）〜（Ｃ）標準化モジュール技術のための背面コネクタ・パッドを実現するための別の方法を概略的に示す。 （Ａ）〜（Ｃ）標準化モジュール技術のための背面コネクタ・パッドを実現するための第３の方法を概略的に示す。 （Ａ）〜（Ｅ）薄膜電池の前面と背面との間の接続のためのプロセス・フローを概略的に示す。 ガラス基板上に薄膜電池を作成するためのプロセス・フローを概略的に示す。 標準化された薄膜電池の電池設計を概略的に示す。
以下に説明される本発明による方法の目標は、材料コストを劇的に節減することによって、高い効率を達成することができる結晶Ｓｉ太陽光技術を改良することである。これは、手始めとして、関与するＳｉ層の厚さを電池の電気的性能パラメータが必要とする最小限まで薄くすることによって達成することができる。しかしながら、主たる内容は、背面コンタクトによって前面シャドウイングを排除することである。
超薄層、すなわち２０μｍ以下の厚さを有する層を実現することができ、光トラップ法を用いて高い効率で機能することができる。背面は光を反射しなければならず、前面は、従来の光トラップ機能を用いて、電池の内部に向けて反射しなければならない。
プロセスの説明
加工材料：
シリコン電池の場合には、薄層は、数μｍの層の単結晶を切断する技術によって実現され、それらを互いに接合する。これは、半導体産業において確立されている周知の技術である。
シリコンの抵抗率は、結晶引上げプロセスにおいて溶融物に添加される適切な量のドーパントによって調節され(dialed-in)、ＰＶ用途のための要件は、次の通りである：
ｐ型ドープ：１５−２０Ωｃｍ
ｎ型ドープ：１．５−２Ωｃｍ
接合されたシリコンｐ−ｎ接合部は、周知のシリコン・オン・ガラス技術（陽極接合）を用いてガラス基板上に接合される。
ウェハではなく薄いインゴット（１〜２ｃｍ）を用いることによって、材料の消費に関するこのプロセスの効率を最適化することができる。１ｃｍのインゴットの場合には、その使用量又はインゴットから得られる薄層の枚数は次の通りであり、４５００枚より多い薄層を得ることができる。
上記の例の場合、
ｐ型インゴット：＞４．５ｋ プロセス・ステップ
ｎ型インゴット：＞４．５ｋ プロセス・ステップ
従って、このプロセスについてのＳｉ材料のコストは無視し得る。このプロセスはまた、典型的には取り扱いの際に損傷を受けるリスクが高い、薄いＳｉ層（２００〜３３０μｍ）を取り扱うことも回避する。
重要なプロセスは、背面コンタクトを実現することであり、これは図１に示されている。最初に、コンタクト・ポイントが、後で正しい場所に金属を堆積するために、リソグラフィ、ハード・マスク、エッチングなどにより準備される。次に、先に準備されたスポットに、めっき、スパッタリングなど、すなわちメタライゼーションによって、コンタクト・ポイントが作成される。最後に、コンタクト・ポイントは、公知のプリント技術を用いて接続される。
図２は、背面コンタクトを含む超薄層型ＳｉＰＶ電池のための、二重層転写（double layer transfer）アプローチを用いたプロセス・フローを図式的に示す。
第１のステップにおいて、ｐ型層２（約２〜３μｍ）が、ｎ型層４（約２μｍ）の上部に接合される。次に、この二重層は、公知の方法によってガラス基板６に接合される。ｐ型層は、すでに、背面コンタクト・ホール８を実現するように構造化されている。ホールの内側の壁１０は、酸化物１２によって隔離されている。ハード・マスク又はリソグラフィ技術（例として、図２（Ｄ）のフォトレジスト１４及び照射１６を参照）を用いて、ｎ型コンタクト１８及びｐ型コンタクト２０が背面上に堆積される。電気的接触を確保するために、シード層、例えば、Ａｌ（図示せず）がシリコンの上に堆積される。シード層の上に金属コンタクト・ピン１８及び２０が堆積され、ｎ型コンタクト１８はｐ型ホール８を貫通して堆積され、ｐ型コンタクト２０はｐ型層２の上に直接堆積される。
図３に示されるように、プリントされた又は従来の配線２１を用いて、背面コンタクトを通じた直列化が行われる。図３にはまた、ＳｉＰＶ電池２２及び光の入射（矢印２４）も示される。
直列化は、プリント技術又はスパッタ技術のいずれかによって実現される。縁部のコンタクト・パッドも、スパッタ技術又はプリント技術のいずれかによって堆積される。スパッタは、ハード・マスクを用いて行われる。実現しやすく、さらに費用便益が高いと考えられることから、プリントが好ましい。
図４（Ａ）から図４（Ｅ）に示されるプロセスは、スクラップ・ウェハを使用する場合に好ましく、これはホウ素でｐ型ドープされ、リンの熱拡散法を用いてさらにｎ型ドープされ得る。
ここで、第１のステップにおいて、ｎ勾配（熱拡散プロセスにより生じる）を有するｐｎ層２６及び２８（約３〜５μｍ）が準備される。コンタクト・ホール３２は、すでにｐ型層２６内のウェハ・レベルに存在しており、これがｎ型層２８へのアクセスを確保する（図４（Ｂ）を参照のこと）。ここで、ｐ型層２６の上、並びにｎ型層２８の上のコンタクト・ポイント３４及び３６が、図２（Ｄ）及び図２（Ｅ）に関して説明したように、最終的なコンタクト・ポイントを配置するための従来のシード層技術及び標準リソグラフィ、ハード・マスク又はプリント技術のいずれかを用いて形成される。上記で概説されたパターンは、「小型」電池を直列化して１つの列にすることを可能にするとともに、その連結された列を並列化することを可能にする。図４（Ｅ）に示されるコンタクト・ストリップ３８及びパッド４０は、プリント技術によって形成される。
電池は、自動処理技術を用いて、モジュールのガラス基板の上に配置される。ガラス基板は、３００ｍｍウェハから取り出され、寸法が２０５×２０５ｍｍ ２ である電池を１８個保持することができるか、又は２００ｍｍウェハから取り出され、寸法が１４０×１４０ｍｍ ２ である電池を３６個保持することができる。
光トラップについては、背面反射は、反射層、例えばＡｌホイル層又は他の金属層によって行われる。前面の光トラップは、ガラス表面上の反射防止層及び反射面（ガラス基板の中に構造化された、ポリマー・コーティング、干渉層等）によって行われる。
光トラップは、薄いシリコンｐｎ接合が、いくつかの光路（３〜６光路）を通じて十分な効率を有することを確保する。単一の光路のみの場合は、効率は、厚さ４〜５μｍの活性層の場合でわずかに約１２〜１４％であろう。
以下、標準化モジュール技術のための薄膜電池を構築するプロセスが説明される。
ソーラ産業において生産される実際のソーラ・モジュールは、サイズ形式においてかなり大きい拡がりを見せている。ＣＩＧＳ（銅・インジウム・ガリウム・セレン）薄膜技術の場合、生産プロセスは、十分なモジュール効率を確保するには、プロセス・ウィンドウに関して複雑で余裕がない。このことは、ワット当たりのコスト及び電池とモジュールの配線が解決された場合に、製造においてより小さな電池サイズをサポートすることになるだろう。
プロセスの説明
背面コネクタ・パッドを実現するために、いくつかの方法を用いることができる。１つは、図５（Ａ）に示されるように、モジュール４４のガラス縁部に沿ったコンタクト・ホール４２を用いることである。ホール４２は、コンタクト金属４６で充填される。次のステップは、基板の活性側上でのモリブデン（Ｍｏ）４８の堆積である。その後、コンタクト・パッド５０（金属としてＡｌ、Ｃｕなどを用いた金属パッド）が、それ以外の部分のガラス基板表面をスパッタ材料から保護するためにハード・マスクを用いて、背面上にスパッタ又はプリントされる。スパッタされた材料は、ホール内の金属と接触し、背面コンタクトを確保する。
ガラス基板内のコンタクト・ホールは、前面と背面との間の相互接続を確保するために金属コンタクトで充填される。次に、前面及び背面は、ホールを通じて接続される金属層によってスパッタされる。前面はモリブデン層であり、背面コンタクトは、電池の縁部に沿った要求されるコンタクト・ストリップを実現するために、ハード・マスク又はリソグラフィ技術を用いて堆積される。
背面の接続を実現するための別の方法が、図６（Ａ）から図６（Ｃ）に示される。
前面／背面コンタクトは、ガラス基板５４の２つの対向する縁部に沿った金属ストリップ５２によって実現される。このストリップは、手動で、又はコンタクト・ストリップの自動接着技術を用いて堆積される。また、適切に位置合わせされたスパッタ・ターゲットを用いて、縁部上にモリブデン（図示せず）を堆積することも考慮に入れることができる。スパッタされたモリブデン層又は金属ストリップ５２は、縁部ストリップ５６を通じて接続される。
コンタクト・ストリップを用いる第３の方法が、図７（Ａ）から図７（Ｃ）に示される。ここでは、コンタクト・ストリップ５８は、材料６０（Ａｌ、Ｃｕなどの金属ストリップ）の堆積前にガラス基板の縁部上に配置される。
上記の例は、コンタクト・パッドにより背面の接続を実現するためのさまざまな方法を例証する。この方法は、前面コンタクト電極（プラス及びマイナス）と背面パッドとを配線又は接続するために、ガラス基板を貫通して又はガラスの縁部の周囲を巡っての、いずれかで接触させるためのものである。
図８は、薄膜電池プロセスのステップを示す。このフローは、背面コンタクト方法に焦点を当てているため、活性層プロセスに関する詳細は示さない。
最初に、ガラス基板６２が用意される（図８（Ａ））。次に、モリブデン層６４が基板上に形成される（図８（Ｂ））。第３のステップにおいて、コンタクト・パッド６６及び６８が、基板６２の背面７２上に付加される（図８（Ｃ））。その後、ＣＩＧＳ電池の残りの部分が、公知の手順により仕上げられる（図８（Ｄ）、図１０も参照のこと）。これらのステップは、図９のプロセス・フローに概略的に示される。最後に、電池の前面７４と背面７２との間の接続を形成するために、配線コンタクト・ストリップ７０が設けられる（図７（Ａ）から図７（Ｃ）を参照）。
ガラス基板上における薄膜電池の作成を説明するプロセス・フローが、図９に概略的に示される。
電池設計自体は、例えば、左側の縁部にプラス極、右側の縁部にマイナス極が配置されるように行われる。上記の例を参照すると、それらの間の、レーザ・パターン形成によって実現されるすべての個別の電池は、直列化される。直列化は、構造のアウトラインの下の直列化された光ダイオードによって示される。
左側のプラス極は上記の方法を用いて後方のパッドに接続され、マイナス極も同様である。
図１０は、活性層を含む完全な電池の設計を示す。
Ｍｏ層７６は、側面７２上の背面コンタクトに対するベース・コネクタである。プラス極の場合には、Ｍｏ層は、背面パッド６６に対する直接的なコネクタである。マイナス極の場合には、スパッタ又はプリントされたコンタクト・パッド６６は、ＺｎＯ２Ａｌのマイナス極コネクタに対する接続層である。図１０にはまた、ＳｉＰＶ電池７８及び光の入射（矢印８０）も示される。
上記の例は、接着されたコネクタ・バーによる接続を示す。これは、上記の他の２つの方法でも機能するであろう。
製造された電池（２０×２０ｃｍ２）は、ここで前面ガラス（例えば、６０×１２０ｃｍ２であるが、他のいずれのサイズも可能である）の上に配置される。この場合は、３×６個の電池となる。電池は、封入のために用いられるＥＶＡホイルを通して接続されることになり、これは電池パッドに適合させた配線及びコンタクト・パッドを含む。
上記の方法の実施能力（do ability）は、ワット当たりのコストによって非常に適切に判定される。事前の算定では、このアプローチは、モジュール技術に対して高いコスト競争力があることが示された。また、これは、さらなる効率及び収量の向上のための、より優れた習熟曲線を提供する。

Claims (6)

  1. インゴット又はウェハであるＳｉ構成要素から構成される超薄層型光電池の背面コンタクト形成方法であって、
    ２０μｍ以下の厚さを有するｎ型ドープＳｉ層（４）の上部に、前記ｎ型ドープＳｉ層（４）へのアクセスを確保するためのコンタクト・ホールを実現する構造（８）及び該コンタクト・ホールを実現する構造の壁（１０）を有し、２０μｍ以下の厚さを有するｐ型ドープＳｉ層（２）を接合することによりｐ−ｎ接合部を準備するステップと、
    前記ｐ−ｎ接合部の前記ｎ型ドープＳｉ層（４）をガラス基板（６）に接合するステップと、
    前記ｐ型ドープＳｉ層（２）の前記コンタクト・ホールを実現する構造（８）を除去するステップと、
    前記ｐ型ドープＳｉ層（２）及び前記ｎ型ドープＳｉ層（４）の上にコンタクト・ピン（１８、２０）をそれぞれ形成するステップと
    を含む方法。
  2. 前記ｐ−ｎ接合部は、ｎ勾配を有するｐｎ層（２６、２８）から成る、請求項１に記載の方法。
  3. 前記コンタクト・ピン（１８、２０）が、標準リソグラフィ、ハード・マスク又はプリント技術を用いるシード層技術によって配置される、請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の方法。
  4. 前記方法が、前記電池を直列に結合して列とし、結合した前記列を並列に結合するステップをさらに含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 前記方法が、前記電池を光電池モジュールの前面ガラスの上に配置するステップをさらに含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 請求項1から請求項５のいずれか１項に記載の方法で形成される、Ｓｉ構成要素から構成される超薄層型光電池。
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