JP5705971B2 - 導電性パターンによって浮いた領域を備える太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池に関するものであり、太陽電池は以下を備える：
− 基板と、
− 導電性集電層（electrically conductive collection layer）と、
− 前記基板から前記集電層を離す導電性パッシベーション膜と。

本発明は、太陽電池の製造方法にも関する。

太陽電池は、特異な性質を有する多数の層により形成され、そこで使用される各層の目的は、非常に精密な電気的又は機械的機能を果たすことである。例えば、これらの層は、入射光線（incident radiation）の反射や、長時間にわたる機械的強度や、さらにシリーズ抵抗における動作利益（operating gain）を与える。しかしながら、各層、及び／又は、各技術的ステップは、ニュートラルなものではなく、すでに集積された複数の要素やこれから集積される要素において、機械的ストレス又は技術的制約を生じさせる。

従来においては、太陽電池は太陽電池接合（photovoltaic junction）が設けられた基板を備える。従って、入射光線は太陽電池にぶつかり、電流に変換され、電気コンタクト（electric contact）により集められる。このコンタクトは、基板の各サイドにある主面の上に配置され、太陽電池により生成された電流を出力することができる。

太陽電池のパフォーマンスと太陽光産業の実現可能性とを増加させるために、電池の薄くし、ますます広くした集電面を用いるような傾向になっている。このような状況において、電池が順々に製造されている間、太陽電池は変形され、生じた機械的ストレスにより電池はもはや平坦ではないということとなる。

この平坦性の欠如は、そのほとんどが平坦であるようなパネルに電池を集積することの実現性を厳しく限定し、且つ、自動的な製造を非常に難しくする点で、非常に重大な欠点である。

Husterによる文献（“Aluminium -Back Surface Field: Bow Investigation and Elimination”, 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Barcelona 6-10 June 2005）には、シリコン及びアルミニウムの合金の層に覆われた裏面を有する電池が記載されている。このシリコン及びアルミニウムの層は太陽電池の変形を導く。電池のこの変形を除き又は減少させるために、この筆者は、アニーリングステップの後に、−２０℃から−５０℃の範囲における電池の硬化（hardening）を実施する。

このような学術的なアプローチは、工業的な観点での実現可能性を発現させることはできず、大きな列の中で用いられることと相性が良い平坦性を有する太陽電池を得るために、この方法に変わるものを見出さなければならない。

本発明の目的は、平坦な、もしくは、ほぼ平坦な太陽電池を製造することからなる。

この問題は、添付のクレームに従った電池を用いることにより解決することができ、特に、導電性接続パターンが、パッシベーション膜に対して浮いた（suspension）状態に集電層の領域を保持することにより解決することができる。

本発明の更なる目的は、実施が簡単であり、且つ、平坦な太陽電池の製造を確保する方法を提供することである。

この問題は、添付のクレームに従った方法により解決することができ、特に、以下のステップを備える方法であることによって解決することができる。

− 太陽電池接合を有し、且つ、導電性パッシベーション膜と犠牲材料（sacrificial material）から形成された領域と導電性集電層とにより主面が覆われている基板を与えるステップと、
− 集電層の中に浮いた領域(suspended area)を形成し、且つ、接続パターンを形成するように、この犠牲領域を分解するステップと。

図１は、実施形態にかかる太陽電池の断面図を示す。 図２は、他の実施形態にかかる太陽電池の断面図を示す。 図３は、概略断面において実施形態にかかる太陽電池の製造方法のあるステップを示す。 図４は、概略断面において実施形態にかかる太陽電池の製造方法の別のステップを示す。 図５は、概略断面において実施形態にかかる太陽電池の製造方法のさらに別のステップを示す。 図６は、概略断面において他の実施形態にかかる太陽電池の製造方法のあるステップを示す。 図７は、概略断面において他の実施形態にかかる太陽電池の製造方法の別のステップを示す。

他の利点及び特徴は、本発明の特有の実施形態についての下記の説明により、さらに明らかにされる。本発明の特有の実施形態は、単なる例示であって、本発明を限定するものではない。本発明の特有の実施形態は、添付の図面により示される。

図１及び図２に示されるように、太陽電池は、太陽電池接合が設けられた基板１を備える。基板１のこの部分は、向かい合った第１の主面と第２の主面とを備える。第１の主面は太陽電池接合の一方の側にあり、それに対して、第２の主面は接合の他方の側にある。

光エネルギーの一部は、複数の主面のうちの１つや側面から太陽電池にぶつかり、太陽電池接合により電気的に帯電したキャリアへと変換される。基板１は、例えばシリコン材料の結晶から形成された基板１であり、さらに詳細には、単結晶又は多結晶のシリコンから形成された基板１である。

太陽電池接合は好適な技術を用いて基板１の中に形成される。例えば、シリコン、又は、シリコンもしくはゲルマニウムベースから形成されたｐ型の基板１に対して、反対のタイプのドーピング（ここではｎ型）を複数の主面のうちの１つにおいて行う。従って、基板１においては、所望の太陽電池接合を形成することができるようなｐ型のドーピング部分とｎ型のドーピング部分とがある。異なるドーパントのプロファイルは空間的に変化させることができ、場所に応じて、基板１の光起電力効果（photovoltaic effect）又はコンタクト抵抗を強化することとなる。

太陽電池の側面として動作する基板の主面には導電性コンタクト（図示せず）が設けられており、この導電性コンタクトは、電池が生成した電流を出力することができる。コンタクトは、好ましくは、アクセス抵抗を抑えるために低抵抗を示すような材料から形成され、これによって電池のオペレーションが損なわれることはない。例えば、コンタクトは、金属材料、詳細には銀ベースの材料から形成される。

裏面として動作する他の主面にも、電池の中に生成された電流を出力することができる導電性コンタクトが設けられている。向かい合う複数の主面の上に配置された導電性コンタクトは太陽電池の２つの出力端子である。例えば、裏面のコンタクトは、金属材料から、詳細には、銀、及び／又は、アルミニウムベースの材料から形成される。導電性コンタクトは、異なる導電性層を用いて基板１に電気的に接続される。

導電性コンタクトは好適な技術を用いて形成され、それは例えばスクリーンプリントである。堆積とそれに続く導電体に対する局所的なエッチングとを用いることが可能である。スクリーンプリントによりコンタクトが形成された際には、コンタクトに付いた溶媒を除去するために基板１に対して熱処理を施す。好ましくは、コストを削減し、基板１の表面の上にコンタクトを容易に位置させることを可能にするために、スクリーンプリントによりコンタクトを形成する。

背面電場効果（Back Surface Field Effect）の利点を享受するために、基板１の裏面は導電性パッシベーション膜２により覆われており、この導電性パッシベーション膜は基板よりも導電性が高い。パッシベーション膜２は、基板１の裏面のレベルにおける電子とホールとの間の再結合を減らすことを可能にし、これによって太陽電池の効率を改善する。

このパッシベーション膜２は、基板１のドーピング層、又は、基板１の高濃度ドーピング層（more strongly doped layer）により形成することができ、すなわちシリコン材料からなる。例えば、基板１がｐ型であった場合、太陽電池接合を形成するように前面はｎ型であり、裏面はｐ^＋型であり、すなわち、パッシベーション膜２に直接接している基板１の部分よりも活性ドーパントの濃度が高いｐ型である。

ドーピングは、ドーパント不純物を用いて得ることができ、例えば、ボロン又はアルミニウムがｐ型の基板用に用いられる。パッシベーション膜は、少なくとも１つのドーピングされた半導体膜を備え、好ましくは、基板を形成する材料と同じ材料から形成される。

太陽電池は、導電性材料から形成される集電層３も備える。この集電層３は、基板１及び膜２の抵抗（resistivity）よりも低い抵抗を示す。太陽電池接合から裏面の導電性コンタクトに向かって材料の抵抗を徐々に減少させることが好ましい。

電池の裏面のレベルにおいては、導電性材料から形成された集電層３は、電流の取り出しを容易に実施することができる。導電性集電層３は有利には金属材料から形成され、例えばそれは純金属や金属合金である。集電層３は、パッシベーション膜２によって基板１から離される。

基板１上の集電層３により行使されるストレスを削減するために、集電層３は浮き（suspended）もしくは部分的に浮き、例えば、集電層３は、１つ又はそれ以上の接続パターン４を用いて基板に固定され、且つ、少なくとも１つの浮いた領域を備える。従って、パッシベーション膜２と集電層３との間でストレスを伝えることのない領域が少なくとも１つ存在する。この特有の領域は、例えば空洞領域又は流体が充填された領域である。

太陽電池は、一方の側がパッシベーション膜２により画定され（delineate）、他方の側が集電層３により画定された、変形可能な空洞を備える。実施形態によれば、空洞は閉じられた周囲の接続パターン（closed peripheral connection pattern）により横方向に画定することができ、及び／又は、接続パターン４を含むことができる。空洞領域と接続パターン４とを編成（organization）することにより、異なる空洞領域は、接続パターンの側壁により画定される。従って、空洞領域は、接続パターンにより囲まれている。一方、他の実施形態においては、異なる複数の空洞領域は、断面図においては互いにつながっているように見え、このことは、空洞領域により離された１つ又はそれ以上の特有の接続パターンであることを示す。

接続パターン４は、パッシベーション膜２に対して浮いた状態になるように集電層３の領域を保持する。従って、太陽電池は、空気の又は他の流体の、好ましくはガスの空洞をその構造の中に備える電池である。数個のパターン４を形成した場合には、これらのうちの少なくとも１つは導電性を有し、基板１と集電層３との間の電気的接続を確かなものとする。

接続パターン４は、様々な導電性材料により形成される。好ましくは、接続パターンは、パッシベーション膜２から、集電層３から、他の材料から、もしくはこれらの組み合わせから形成される。このようにすることで、製造方法の複雑さと物理的−化学的互換性の問題（physical-chemical compatibility problem）を限定的にすることができる。

集電層３は、導電性材料から形成された接続パターン４を用いて基板１に電気的に接続されている。接続パターン４は、被覆されていない複数の側壁を有する。これらの側壁はパッシベーション膜２から集電層３に至るまで伸びている。

このような特有の構成により、接続パターン４を用いて基板１と接続する表面を限定することから、集電層３の機械的影響は限定的である。しかしながら、電流の流れを確保し、且つ、集電層３の劣化を避けるために、十分な接続表面（contact surface）を確保する必要がある。接続表面の広がりと、裏面におけるその分布は、パッシベーション膜２と集電層３と接続パターン４とを構成する材料の機械的及び化学的性質に依存する。

接続パターン４は、集電層３とパッシベーション層２とから突出した要素であり、これらの２つの層が直接接することを避けることができる。

接続パターン４は、パッシベーション膜２の突出部の形成に由来するものとすることができる。さらに、集電層３の突出部の形成にも由来するものとすることができる。また、パッシベーション膜２と集電層３との間に配置された別の導電性材料から形成することもできる。これまでの実施形態のいくつかを組み合わせることも想定することもできる。

接続パターン４は、ドーピングされた半導体材料、金属材料、又は、金属材料と半導体材料との間の合金といった金属的な性質の材料により形成することができる。パッシベーション膜２からの集電層３の離された距離は、数ナノメートルから数百マイクロメートルの間とすることができる。好ましくは、この距離は、１から５０マイクロメートルの間である。

数個の接続パターン４を集積した場合、異なる複数のパターンは、パターンの長さ、幅及び高さに関して、互いに異なるディメンジョンとすることができる。異なる複数のパターンは、異なる化学的組成物とすることもできる。例えば、あるパターンは半導体材料から形成され、一方、他のパターンは、半導体材料と金属材料との合金から形成されている。

図１に示すように、接続パターン４は、集電層３を形成する材料及びパッシベーション膜２を形成する材料と異なる材料から形成される。

図２に示すように、接続パターン４は、パッシベーション膜２を形成する材料と同じ材料から形成される。

数個の接続パターン４´を集積した場合、あるものは、機械的固定という目的のために本質的に機能し、一方、他のものは、電流の通過のために主に機能することも想定される。

例えば、集電層３は、アルミニウム、及び／又は、銀から形成され、パッシベーション膜２は、ｐ^＋型にドーピングされたシリコンから形成される。

好ましくは、集電層３が異なる抵抗を有する複数の領域を備える場合には、例えば、多孔質領域及び非多孔質領域を備える場合、異なる充填率を有する複数の領域を備える場合、もしくは、異なる材料から形成された複数の領域を備える場合には、接続パターン４は、最も低い抵抗を有する領域と結合される。

接続パターン４は、パッシベーション膜２と共通の表面と、それと対向する集電層３と共通の表面とを有する。好ましくは、その大きさは、等しく、又は、ほぼ等しい。

集電層３は、単一の金属材料により、互いに隣り合って配置された異なる複数の金属材料により、又は、金属材料の合金により形成することができる。従って、図１に示すように、集電層３は、例えばアルミニウムといった第１の金属材料から形成することができる。例えば銀といった第２の材料から形成された導電性パターン５（図１）は、集電層の上に形成される。第１の金属材料により形成され、且つ、第２の金属材料から形成された含有物を有する層３を有することも可能であり、例えばパターン５である。

１つ又はそれ以上の接続パターン４により電池の残りの部分にしっかりと固定された浮いた集電層３を得ることは、電池の中のストレスを支配するために特に有利なことである。

太陽電池の達成は、実施がシンプルで、且つ、従来の方法と比べて少ない特有のステップを使用する方法により、実現することができる。

太陽電池接合は、従来の方法により得ることができる。電池の前面の形成に関するステップは変更することがなく、よってここで説明しない。好ましくは、前面に関する異なる技術的ステップは、裏面の形成の前に行われる。しかしながら、前面のいくつかのステップは、裏面のステップの前、又は、裏面のステップの間に行うことも可能であり、その逆も可能である。

図３に示すように、パッシベーション膜２は、好適な技術を用いて、基板１の裏面の上に形成される。好ましくは、パッシベーション膜２は、基板１のドーピングにより形成される。このドーピングは、イオン注入、又は、ドーパント雰囲気での熱処理により行うことができる。また、ドーピングされた半導体材料の堆積によっても可能である。

図４に示すように、パッシベーション膜２の形成に続いて、集電層３を形成する集電材料６の堆積を行う。集電材料６は好適な技術により形成することができる。

好ましい実施形態においては、ステップの順番を逆にする。堆積によりパッシベーション膜２を得て、続いて、例えばアルミニウムから形成されたドーパント層をアニーリングする。このドーパント層のアニーリングは、アルミニウムの集電層と、アルミニウムとシリコンとの合金の層と、アルミニウム原子がドーピングされたシリコンから形成されたパッシベーション層３とを順次形成する。この連続的な複数の層は、アニーリングの実施の際にシリコン及びアルミニウムの原子の拡散を招くこととなる。

集電材料６は、一般的にはパッシベーション膜の上に堆積された金属材料、又は、金属材料の合金である。接続膜７を形成するため、集電材料をパッシベーション膜２と部分的に反応させるべく、この集電材料６に熱処理が施される。集電材料６の厚さ方向の一部分は接続膜７を形成し、一方、材料の残りの部分は集電層３を形成する。

接続膜７は部分的にエッチングされて少なくとも１つの接続パターン４を形成し、集電層３の中に浮いた領域を形成する。この結果、接続パターン４は、金属材料と半導体材料（接続膜７）との間の合金から形成される。

この実施形態においては、接続膜７の部分的なエッチングは、電流の通過にかかわる接続パターン４を形成することを可能にする。接続膜７のエッチングは、好適な技術により行われ、例えばそれは、ウェットエッチング又はガスによるエッチング、集電層３のパターニング、もしくは、集電層の特有な構造を用いることである。

集電層３が、分解剤（degradation agent）に対する透過性（permeability）において不均一を生じている場合には、接続パターン４は、異なる性質のものを用いることによって簡単に得ることができる。

集電層３が相対的に均一であり、及び／又は、複数の接続パターン４の位置が正確に配置されている場合には、集電層３は、１つ又はそれ以上の保護パターン５より部分的に覆われることになる。

好ましくは、集電層３は、層７の分解剤と分解の副生成物とを透過させる材料により形成される。この透過性は、分解剤が集電層３を通過するようにすることができる。従って、犠牲材料は分解剤により除去され、複数の空洞領域と集電層３中に複数の浮いた領域とを形成する。

分解剤による犠牲材料の除去の位置決め（localisation）は、保護パターンを用いて制御される。保護パターンは、集電層の表面の上に形成され、且つ、除去剤に対して非透過である部分を形成する。これらの保護パターンの位置及び広さにより、犠牲材料の接続パターン４が定められる。集電層３は、好ましくは、７０％未満の充填率を有する材料により形成され、保護される領域において保護パターン５により部分的に充填されている。

保護パターン５が導電性である場合、保護パターンは太陽電池の導電性コンタクトとして機能することができる。

分解剤及びエッチングによる副生成物に対する透過性が集電層自体の性質ではない場合には、透過性層の部分を形成することができる。このような状況においては、保護パターン５を回避することができる。

好ましくは、集電層の透過性は、多孔質層又は多孔質領域を備える層を用いることにより獲得することができる。しかしながら、犠牲材料をエッチングするために、集電層の内部に、穴、循環チャンネル（circulation channel）を形成することも考えることができる。

透過性のある集電層３を通過する分解剤と非透過性の導電性保護パターン５とを用いることは、接続パターン４に対する導電性コンタクトの自己整合（self-alignment）を得ることができる。従って、電池から出力する電流がたどる経路は、最小限のものとなり、製造方法はシンプルである。

例えば、集電材料６が、アルミニウム又はアルミニウムから形成された領域を含むものから形成された場合、犠牲材料はシリコンとアルミニウムとの合金から形成され、分解剤は、塩酸ベースの溶液のみ又は塩酸のみの溶液となる。

保護パターン直下の犠牲膜が除去されることを避けるように、保護パターンは、エッチング剤に対して反応しない、又は、わずかにしか反応しない材料から形成される。接続パターンのディメンジョン及び形状は、用いられるエッチングモードと保護パターンのディメンションに依存する。

保護材料は、例えばスクリーンプリントといった好適な技術により形成された例えば酸化シリコンである。保護材料の厚さは有利には１０μｍ以上である。

スクリーンプリントによる酸化シリコンの形成の場合、酸化シリコンが安定化するために、有利にはアニーリングが行われる。例えば、１００℃から２００℃の間の約５分間のアニーリングは、酸化シリコンを安定させるのに十分である。

従って、接続パターン４と保護パターン５とは、集電層３の各サイドにおいて互いに向き合うように配置され、集電層３に対して等しい接続表面を有する。

保護パターン５は導電性材料又は電気的絶縁性の材料から形成され、例えば、銀、酸化シリコン又は窒化シリコンである。

第２の実施形態においては、１つ又は複数の保護パターン５は、集電材料６の前に形成される。従って、パターン５は、パッシベーション膜２に直接接している。集電材料は、保護パターンを覆うことができ、又は、保護パターンを見えるようにしたままにすることができる。集電材料６がパッシベーション膜２と直接接するような領域と、保護パターン５のために接することができない領域と、が存在する。

熱処理を実施した場合には、集電材料６は保護パターン５に覆われた位置を除いてパッシベーション膜２と反応する。このようにして、接続膜７は、パターン５に覆われた領域を除くパッシベーション膜２から集電層３を離す。これまでのことは、図６及び７に示される。

第１の例の場合には、部分的又は全体的に接続膜７をエッチングすることは、浮いた構造を得ることを可能にする。集電層３は、接続パターンとして機能する保護パターンにより、可能であれば接続膜７のエッチングされていない領域により、パッシベーション膜２の上方に保持される（図３）。

集電材料６が接続パターンを覆っているかいないかに依存して（図６及び７）、機械的固定は接続パターンの上面又は側面により行われる。

第２の例においては、接続膜７は接続パターンとして動作し、集電層に覆われた保護パターン５は少なくとも部分的に除去される(図７)。集電層３は、接続膜７の領域を用いて、可能であれば保護パターンを用いて（図１）、浮いている。

裏面に機能を与えるために、さらに２つのアプローチを組み合わせこともできる。例えば、保護パターンが絶縁材料から形成されている場合には、保護パターンは機械的固定のために作用する。

この実施形態は、特にエッチング条件を制御する必要がない点で興味深いものであり、分解剤は、実際に、単一の材料、犠牲材料を除去する。

好ましくは、追加的な接続パターンは、基板１の表面と平行な面において導電性保護パターン５に対して垂直に形成される。さらに好ましくは、追加的領域は隣り合うコンタクトと一体となっている２つの領域を接続する。このような特有の配置は、劣化というリスクを減少させることができ、さらに、裏面上に存在する力線（field line）のレベルにおける変化を避けることができる。

従って、浮いた部分を有する太陽電池を得るために、太陽電池接合が設けられ、且つ、パッシベーション膜２と、犠牲材料から形成された領域と、集電層とにより１つの主面が覆われた基板１を準備することが必要である。犠牲材料から形成された領域は、接続膜又は接続膜の部分又は保護パターンとなることができる。犠牲領域は、集電層３中の浮いた領域と、パッシベーション膜２と集電層３との間の接続パターン４とを形成するために、エッチングされる必要がある。

Claims (8)

1. − 太陽電池接合を備える基板（１）と、
   − 導電性集電層（３）と、
   − 前記基板（１）の裏面から前記集電層（３）を離す導電性パッシベーション膜（２）と、
   を備える太陽電池であって、
   導電性接続パターン（４）が、前記集電層（３）の領域を前記パッシベーション膜（２）に対して浮いた状態に保持し、
   前記集電層（３）は保護パターン（５）に部分的に覆われており、前記接続パターン（４）と前記保護パターン（５）とは、前記集電層（３）の各サイドにおいて互いに向かい合うように配置されており、
   前記集電層（３）は多孔質材料により形成され、且つ、前記保護パターンにより部分的に充填されている、
   ことを特徴とする太陽電池。
2. − 太陽電池接合を備える基板（１）と、
   − 導電性集電層（３）と、
   − 前記基板（１）の裏面から前記集電層（３）を離す導電性パッシベーション膜（２）と、
   を備える太陽電池であって、
   導電性接続パターン（４）が、前記集電層（３）の領域を前記パッシベーション膜（２）に対して浮いた状態に保持し、
   − シリコン基板（１）と、
   − ｐ型にドープされたシリコンから形成されたパッシベーション膜（２）と、
   − アルミニウムの集電層（３）と、
   − 酸化シリコンから形成された複数の保護パターン（５）と、
   − シリコン−アルミニウム合金から形成された接続パターン（４）と、
   を備える、
   ことを特徴とする太陽電池。
3. 前記パッシベーション膜（２）は半導体材料から形成される、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池。
4. 半導体材料と金属材料との合金から形成された接続パターン（４）を備える、ことを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の太陽電池。
5. 前記集電層（３）はアルミニウム又はアルミニウムから形成された領域を含むものから形成される、ことを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の太陽電池。
6. − 太陽電池接続が設けられており、且つ、導電性パッシベーション膜（２）と犠牲材料領域と導電性集電層（３）とにより裏面が覆われている基板（１）を与えるステップと、
   − 前記集電層（３）の中に浮いた領域を形成し、且つ、前記パッシベーション膜（２）と前記集電層（３）との間に接続パターン（４）を形成するように、前記犠牲領域をエッチングするステップと、
   を備えることを特徴とする太陽電池の製造方法。
7. 前記犠牲領域は、アルミニウムとシリコンとの合金から形成され、前記集電層（３）の透過性領域を通じて塩酸溶液によりエッチングされる、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記集電層（３）と前記保護パターン（５）とはスクリーンプリントにより堆積される、ことを特徴とする請求項７に記載の方法。

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