JP6417387B2 - 光電池のための電気部品を成形する方法 - Google Patents

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関連出願
本出願は、Ｂａｂａｙａｎらによる、「Ｆｒｅｅ−Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ａｒｔｉｃｌｅ ｆｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ」と題する、２０１３年３月１３日出願のＵ．Ｓ． Ｐａｔｅｎｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏ．１３／７９８，１２３の一部継続出願である、「Ａｄａｐｔａｂｌｅ Ｆｒｅｅ−Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ａｒｔｉｃｌｅ ｆｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ」と題する、２０１３年１１月１３日出願のＵ．Ｓ． Ｐａｔｅｎｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏ．１４／０７９，５４０号に対する優先権を主張し、これらの両方が本出願の譲受人によって所有され、参照によって本明細書に組み込まれる。本出願はまた、Ｂｒａｉｎａｒｄらによる「Ｆｒｅｅ−Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ａｒｔｉｃｌｅ Ｗｉｔｈ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ Ｓｅｇｍｅｎｔ」と題する、２０１３年１１月１３日出願のＵ．Ｓ． Ｐａｔｅｎｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏ．１４／０７９，５４４に関連し、これは本出願の譲受人によって所有され、参照によって本明細書に組み込まれる。

太陽電池とは、光子を電気エネルギーに変換するデバイスである。この電池によって生成された電気エネルギーは、半導体材料に連結される電気接触を介して集積され、モジュール内の他の光電池との相互接続を介して経路制御される。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、これを電気エネルギーに変換するために用いられる、反射防止コーティング（ＡＲＣ）層の下、及び金属の後板の上に設置される半導体材料を有する。電気接触は典型的にファイヤスルーペーストによって半導体表面に作成されるが、これはＡＲＣ層を通過して拡散し、電池の表面と接触するように加熱される金属のペーストである。このペーストは概して、１組のフィンガとバスバーとにパターン形成され、これらは次にリボンで他の電池にはんだ付けされてモジュールを作成する。別の種類の太陽電池は、透明導電性酸化物層（ＴＣＯ）であって、次にやはりフィンガ／バスバーパターンに構成される、導電性ペーストの最終層でコーティングされる透明導電性酸化物層（ＴＣＯ）の間に挟まれた半導体材料を有する。

これらの種類の電池の両方において、典型的に銀である金属ペーストは、電流フローを水平方向（電池表面に平行）にすることを可能にするように作用し、太陽電池間の接続がモジュールの作成に向かって成されることを可能にする。太陽電池金属化は、銀ペーストを電池上にスクリーン印刷し、ペーストを硬化し、次にスクリーン印刷したバスバーにわたりリボンをめっきすることによって最も一般的に行われる。しかしながら、銀は太陽電池の他の構成要素に比べて高価であり、全費用のうちの高い割合を占め得る。

銀の費用を低減するため、当該技術分野において太陽電池を金属化するための代替の方法が知られている。例えば、太陽電池上に銅を直接めっきすることにより、銀を銅に替える試みが成されてきた。しかしながら、銅めっきの欠点は電池への銅の混入であり、これは信頼性に影響を及ぼす。めっきの処理量及び生産量もまた、電池上に直接めっきするときに、シード層の蒸着、マスクの塗布、及びめっき部分のエッチングまたはレーザスクライビングして所望のパターンを形成するなど、めっきのために多くのステップが必要となるため問題となり得る。太陽電池上に電気導管を成形するための他の方法は、並列結線または導電性の線を包む高分子シートの配列を利用すること、及びこれらを電池上に置くことを含む。

金属物品が導電性のマンドレル上に電鋳される、自立型金属物品及び作成方法が開示される。金属物品は、光電池のための電気導管として機能するように構成される、複数の電鋳要素を有する。第１の電鋳要素は、ａ）第１の要素の第１の長さに沿った不均一な幅、ｂ）第１の要素の第１の長さに沿った導管方向の変化、ｃ）第１の要素の第１の長さに沿った膨張線分、ｄ）複数の電鋳要素中の第２の要素の第２の幅とは異なる第１の幅、ｅ）複数の電鋳要素中の第２の要素の第２の高さとは異なる第１の高さ、及びｆ）模様付けされた頂面のうちの少なくとも１つを有する。

本明細書に記載の本発明の態様及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用いられ得る。態様及び実施形態をこれから添付の図面を参照して説明する。

一実施形態における、例示的な電鋳マンドレルの透視図である。 自立型の電鋳金属物品を生産する例示的な段階の断面図である。 自立型の電鋳金属物品を生産する例示的な段階の断面図である。 自立型の電鋳金属物品を生産する例示的な段階の断面図である。 金属物品の実施形態の上面図である。 金属物品の実施形態の上面図である。 図３Ｂの断面Ａ−Ａの断面図である。 図３Ｂの断面のまたさらなる実施形態の部分的な断面図である。 図３Ｂの断面のまたさらなる実施形態の部分的な断面図である。 相互接続要素を持つ金属物品の実施形態の上面図である。 相互接続要素を持つ金属物品の実施形態の上面図である。 一実施形態における適合性のある特徴を有する金属物品の上面図を提供する。 図４の断面Ｃの例示的な部分断面図である。 一実施形態における相互接続範囲の詳細上面図である。 ある特定の実施形態における図４の断面Ｄの鉛直断面図である。 ある特定の実施形態における図４の断面Ｄの鉛直断面図である。 適合性のある特徴の実施形態を用いた、光電池の正面のための金属物品の上面図を示す。 その長さに沿った先細の幅を有する例示的な格子線の詳細上面図である。 膨張線分の実施形態の簡略図である。 膨張線分の実施形態の簡略図である。 膨張線分の実施形態の簡略図である。 膨張線分の実施形態の簡略図である。 膨張線分の実施形態の簡略図である。 適合性のある特徴の実施形態を用いた、光電池の背面のための金属物品の上面図を示す。 例示的な正面メッシュと背面メッシュとの間の電池間相互接続を示す。 モジュールアセンブリを形成する、金属物品を用いた例示的な光電池を示す。 本開示の金属物品を使用して光電池モジュールを形成するための例示的な方法のフローチャートである。

太陽電池の金属化は、慣習的に、電池の表面上にスクリーン印刷された銀ペースト、及びはんだでコーティングされたリボンを利用する電池間相互接続によって達成される。金属製導管の所与のアスペクト比について、電気抵抗はその設置面積に反比例する。したがって、電池金属化または電池間相互接続の設計は通常、最適化された太陽電池モジュール出力のためのシェーディングと抵抗との間のトレードオフとなる。本開示の金属物品は、格子またはメッシュとも称されるものとするが、従来の銀ペースト及びはんだでコーティングされたリボンに取って代わるために使用され得、従来、機能的要求間のトレードオフを必要とする要因の分離を可能にする、適合性のある特徴を有することができる。

ＢａｂａｙａｎらによるＵ．Ｓ． Ｐａｔｅｎｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏ．１３／７９８，１２３において、光電池などの半導体のための電気導管は、電鋳自立型金属物品として加工される。金属物品は、太陽電池と別個に生産され、単一の部品として安定的に伝達され、半導体デバイスに容易に整列され得るフィンガ及びバスバーなどの複数の要素を含み得る。金属物品の要素は、電鋳工程において互いに一体的に形成される。金属物品は、太陽電池または他の半導体デバイス用に調整されたパターン模様のある金属層を生成する電鋳マンドレル内で製造される。例えば、金属物品は、太陽電池に対するシェーディングを最小化する高さ対幅のアスペクト比を持つ格子線を有し得る。金属物品は、電池金属化、電池間相互接続、及びモジュール作成のための従来のバスバー金属化及びリボンのストリンギングに取って代わり得る。工程のステップ間で安定的に伝達され得る独立コンポーネントとして光電池のための金属化層を生産する能力は、材料費用及び製造において種々の利点を提供する。

図１は、Ｕ．Ｓ． Ｐａｔｅｎｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏ．１３／７９８，１２３の一実施形態の例示的な電鋳マンドレル１００の一部分の透視図を示す。マンドレル１００は、ステンレス鋼、銅、陽極酸化アルミ、チタニウム、またはモリブデン、ニッケル、ニッケルと鉄の合金（例えば、インバール）、銅、またはこれらの金属の任意の組み合わせなどの導電性の材料から作製され得、高いめっき電流を可能にし、高い処理量を有効にするための十分な面積で設計され得る。マンドレル１００は、生産される電気導管要素の所望の形状にカスタマイズされ得るパターン要素１１０及び１１２を含む、予備成形されたパターンを持つ外表面１０５を有する。本実施形態において、パターン要素１１０及び１１２は、長方形の断面を持つ溝またはトレンチであるが、他の実施形態において、パターン要素１１０及び１１２は他の断面形状を有し得る。パターン要素１１０及び１１２は、本実施形態において平行線の組が互いに垂直に交差する格子型パターンを形成するための交差する線分として示される。

パターン要素１１０は、高さ「Ｈ」及び幅「Ｗ」を有し、高さ対幅の比率がアスペクト比を画定する。マンドレル１００においてパターン要素１１０及び１１２を用いて金属物品を形成することにより、電鋳金属部品が太陽光発電用途に調整され得る。例えば、アスペクト比は、太陽電池のシェーディングの制約に合うように、所望されるように約０．０１〜約１０の間であり得る。

アスペクト比、パターン要素の断面形状及び長手方向の配置は、電流容量、直列抵抗、シェーディング損失、及び電池配置などの所望の仕様に合うように設計され得る。任意の電鋳工程が用いられ得る。例えば、金属物品は、電気めっき工程によって形成され得る。とりわけ、電気めっきは概して等方性工程であり、パターンマンドレルで電気めっきを制約して部品の形状をカスタマイズすることは、効率を最大化するための著しい改善である。さらに、ある特定の断面形状は、半導体表面上に置いたときに不安定であり得るが、マンドレルの使用により生産され得るカスタマイズされたパターンは、線を相互接続してこれらの導管に安定性を提供するなどの特徴を可能にする。いくつかの実施形態において、例えば、予備成形されたパターンは、交差する線を持つ連続する格子として構成され得る。この構成は、格子を形成する複数の電鋳要素に機械的安定性を提供するだけでなく、電流がより多くの導管に広がるため、低い直列抵抗を可能にする。格子型構造はまた、電池の堅牢性を増大させ得る。例えば、格子のいくつかの部分が壊れるか機能しなくなると、格子パターンが存在するために、電流は壊れた領域の周囲に流れ得る。

図２Ａ〜図２Ｃは、Ｕ．Ｓ． Ｐａｔｅｎｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏ．１３／７９８，１２３に開示されるように、マンドレルを用いた金属層部品の製造における例示的な段階の簡略化された断面図である。図２Ａにおいて、パターン要素１１０及び１１５を持つマンドレル１０２が提供される。パターン要素１１５は、マンドレル１０２の外表面１０５に向かって幅広になる先細の鉛直断面を有する。先細の鉛直断面は、金属の量を増加させて導電率を向上させる、またはマンドレル１０２からの電鋳部品の取り出しに役立つなど、ある特定の機能的利点を提供し得る。マンドレル１０２は電鋳工程を受け、そこで例示的な電鋳要素１５０、１５２、及び１５４は、図２Ｂに示すように、パターン要素１１０及び１１５内に形成される。電鋳要素１５０、１５２、及び１５４は、例えば、銅のみ、または銅の合金であり得る。他の実施形態において、ニッケルの層は、ニッケルが完成された半導体デバイスの銅混入に対抗するバリアを提供するように、最初にマンドレル１０２の上に、次に銅によってめっきされ得る。追加的なニッケル層は、図２Ｂにおいて電鋳要素１５０上のニッケル層１６０によって示されるように、銅を封止するために電鋳要素の頂部の上に選択的にめっきされ得る。他の実施形態において、複数の層が、生産される金属物品の必要な特性を達成するために所望されるように、種々の金属を用いてパターン要素１１０及び１１５内でめっきされ得る。

図２Ｂにおいて、電鋳要素１５０及び１５４は、マンドレル１０２の外表面１０５とぴったり重なるように形成されて示される。電鋳要素１５２は、要素がオーバめっきされ得る別の実施形態を図示する。電鋳要素１５２について、金属がマンドレル１０２の表面１０５の上に拡張するまで電気めっきが継続する。電鋳の等方性の性質のために、典型的に曲線的な頂部として形成するオーバめっき部分は、マンドレル１０２からの電鋳要素１５２の取り出しを容易にするためのハンドルとして機能し得る。電鋳要素１５２の曲線的な頂部はまた、例えば、光収集を助ける屈折性の表面であることにより、光電池における視覚的な利点を提供し得る。示されないなおも他の実施形態において、金属物品は、予備成形されたパターン１１０及び１１５内に形成されるものに加えて、バスバーなどのマンドレル表面１０５の上部に形成される一部分を有し得る。

図２Ｃにおいて、電鋳要素１５０、１５２、及び１５４は、自立型金属物品１８０としてマンドレル１０２から取り出される。図２Ａ〜図２Ｃが３つの異なる種類の電鋳要素１５０、１５２、及び１５４を明示していることに留意されたい。種々の実施形態において、マンドレル１０２内部の電鋳要素は、すべて同一の種類であり得るか、または異なる組み合わせの電鋳パターンを有し得る。金属物品１８０は、図１のクロスメンバパターン１１２によって形成され得るものなどの交差要素１９０を含み得る。交差要素１９０は、個々の要素１５０、１５２、及び１５４を互いに整列させたままにする一方で、容易に他の工程ステップに送られ得るように、金属物品１８０を単一の、自立型の部品に作ることを補助し得る。追加的な工程ステップは、自立型金属物品１８０のためのコーティングステップと、これを半導体デバイス内に組み込むための組立ステップを含み得る。自立型の部品として半導体の金属層を生産することにより、全体の半導体組立の製造生産量は、金属層の生産量の影響を受けない。また、金属層は、他の半導体層とは別個の温度及び工程を受け得る。例えば、金属層は、残りの半導体組立に影響を与えない高温工程または化学浴を経てもよい。

図２Ｃで金属物品１８０がマンドレル１０２から取り出された後、マンドレル１０２は、追加的な部品を生産するために再利用され得る。マンドレル１０２を再利用できることは、電気めっきが太陽電池上に直接実施される現行技術に比べて著しい費用削減を提供する。直接電気めっき法において、マスクまたはマンドレルは、電池自体の上に形成され、よってそれぞれの電池上に構築され、しばしば破壊されなければならない。再利用可能なマンドレルを有することは、パターン形成及び次に半導体デバイスのめっきを必要とする技術に比べ、工程のステップを低減し、費用を節約する。他の従来の方法において、めっき工程を開始するため、薄い印刷シード層が半導体表面に塗布される。しかしながら、シード層方法は、低い処理量をもたらす。対照的に、本明細書に記載の再利用可能なマンドレル方法は、高い電流性能を可能にし、高いめっき電流及びよって高い処理量をもたらす、厚い金属のマンドレルを利用し得る。金属マンドレルの厚さは、例えば、０．２〜５ｍｍの間であり得る。

図３Ａ及び図３Ｂは、本明細書に記載される電鋳マンドレルによって生成され得る例示的な金属層３００ａ及び３００ｂの上面図を示す。金属層３００ａ及び３００ｂは、実質的に平行なフィンガ３１０として本明細書で具現化される電鋳要素を含み、それは、導電性のマンドレル中の実質的に平行な溝によって形成されている。金属層３００ｂはまた、ここで鉛直フィンガ３１０と交差する水平フィンガ３２０として具現化される電鋳要素も含み、フィンガ３１０及び３２０は、ほぼ垂直の角度で交差する。他の実施形態において、フィンガ３１０及び３２０は、連続する格子またはメッシュのパターンをなおも成形する一方で、他の角度で交差し得る。金属層３００ａ及び３００ｂはまた、フィンガ３１０及び３２０から電流を集積するためのバスバーとして機能するフレーム要素３３０も含む。金属物品の一部として一体的に形成されるバスバーを有することは、製造の改善を提供し得る。太陽モジュール生産の現行の大量法において、電池の接続はしばしば、金属リボンを電池に手作業ではんだ付けすることによって達成されている。これは一般的に、手作業及びはんだリボンによって電池上に付与される応力により、壊れたまたは損傷した電池をもたらす。また、手作業のはんだ付け工程は、高い労働に関する生産費用をもたらす。よって、本明細書に記載の電鋳金属物品によって可能であるように、すでに形成され、金属化層に接続されたバスバーまたはリボンを有することは、低費用、自動化された製造方法を可能にする。

フレーム要素３３０はまた、マンドレルから取り出されたときに金属層３００ａ及び３００ｂが単一の、自立型の部品であるように、機械的安定性を提供し得る。つまり、金属層３００ａ及び３００ｂは、光電池または他の半導体組立と別にされたときに、フィンガ３１０及び３２０が接続されたままとなり、これらが単一のコンポーネントであるという点において単一である。フレーム要素３３０は、フィンガ要素３１０と３２０との間の間隔及び整列を維持することを、これらが光電池に取り付けられるときにさらに補助し得る。フレーム要素３３０は、図３Ａ〜図３Ｂにおいて、金属層３００ａ及び３００ｂの１つの縁部にわたって延在するように示される。しかしながら、他の実施形態において、フレーム要素は、１つの縁部にわたって部分的にのみ延在し得るか、または１つよりも多くの縁部を縁取り、または１つの縁部上の１つ以上のタブとして構成され得るか、または格子自体の内部に存在し得る。さらに、フレーム要素３３０は、フィンガ３１０及び３２０と同時に電鋳され得るか、または他の実施形態において、フィンガ３１０及び３２０が形成された後に、別個のステップにおいて電鋳され得る。

図３Ｃは、図３Ｂの断面Ａ−Ａから見た金属層３００ｂの断面を示す。本実施形態におけるフィンガ３１０は、約１〜約５などの、及び本図において約２などの、１超のアスペクト比を有するように示される。幅より大きい断面高さを有することは、金属層３００ｂの光電池上のシェーディングの影響を低減する。種々の実施形態において、フィンガ３１０及び３２０の一部分のみが、１超のアスペクト比を有し得るか、またはフィンガ３１０及び３２０の大部分が、１超のアスペクト比を有し得る。他の実施形態において、フィンガ３１０及び３２０のうちのいくつかまたはすべてが、１未満のアスペクト比を有し得る。フィンガ３１０の高さ「Ｈ」は、例えば、約５ミクロン〜約２００ミクロン、または約１０ミクロン〜約３００ミクロンの範囲であり得る。フィンガ３１０の幅「Ｗ」は、例えば、約１０ミクロン〜約１５０ミクロンなど、約１０ミクロン〜５ｍｍの範囲であり得る。平行フィンガ３１０間の距離は、それぞれのフィンガの中心線の間を測定したピッチ「Ｐ」を有する。いくつかの実施形態において、ピッチは、例えば、約１ｍｍ〜約２５ｍｍの範囲であり得る。図３Ｂ及び３Ｃにおいて、フィンガ３１０及び３２０は、異なる幅及びピッチを有するが、高さはほぼ同等である。他の実施形態において、フィンガ３１０及び３２０は、互いに異なる幅、高さ、及びピッチを有し得、または、同一のいくつかの特徴を有し得るか、またはすべて同一の特徴を有し得る。値は、光電池のサイズ、所望の効率のためのシェーディングの量、または金属物品が電池の前面に結合されるか後面に結合されるかなどの要因に従って選択され得る。いくつかの実施形態において、フィンガ３１０は、約１．５ｍｍ〜約６ｍｍの間のピッチを有し得、フィンガ３２０は、約１．５ｍｍ〜約２５ｍｍの間のピッチを有し得る。フィンガ３１０及び３２０は、フィンガ３１０及び３２０と実質的に同一の形状及び間隔の溝を有するマンドレル内に形成される。フレーム要素３３０は、フィンガ３１０及び３２０と同一の高さを有し得るか、または図３Ｃにおいて破線で示されるようにより薄い部品であり得る。他の実施形態において、フレーム要素３３０は、フィンガ要素３１０及び３２０の上方に形成され得る。

図３Ｃはまた、フィンガ３１０及び３２０が実質的に互いに同一平面上にあることを示し、その点において、フィンガ３１０及びフィンガ３２０が、互いに重なり合うそれらの断面積の大部分を有する。互いに上になり下になって編まれている従来のメッシュに比べて、図３Ｃに示されるような同一平面格子は、同一の断面積の重なった円形線よりも薄い外形を提供し得る。金属層３００ｂの交差する、同一平面上の線はまた、電鋳工程中に互いに一体的に形成され、これは金属層３００ｂの自立型物品にさらなる堅牢性を提供する。つまり、一体の要素が１つの部品として形成され、別個のコンポーネントから寄せ集められない。図３Ｄ及び図３Ｅは、同一平面上の交差要素の他の実施形態を示す。図３Ｄにおいて、フィンガ３１０は、高さにおいてフィンガ３２０より低いが、フィンガ３２０の断面高さ内に位置付けられる。フィンガ３１０及び３２０は、半導体表面に取り付けるための平らな表面を提供するなどのために本実施形態において整列する、底面３１２及び３２２をそれぞれ有する。図３Ｅの実施形態において、フィンガ３１０は、フィンガ３２０よりも高い高さを有し、フィンガ３２０の頂面を超えて延在する。フィンガ３１０の断面積の大部分が、フィンガ３２０の全体の断面に重なり、したがってフィンガ３１０及び３２０は、本開示に定義したように同一平面上となる。

図３Ｆ及び図３Ｇは、電鋳金属物品がモジュール内の光電池間の相互接続を可能にする、なおも他の実施形態を示す。典型的なモジュールは、３６個〜６０個などの、直列に接続された多くの電池を有する。接続は、はんだでコーティングされた銅リボンを用いて前の１つの電池を後ろの次の電池に取り付けることによって行われる。リボンをこのように取り付けることは、リボンが電池の縁部を壊すことなく電池の周りで曲がるように、リボンが薄いことを必要とする。リボンはすでに幅が狭いため、薄いリボンを用いることは、抵抗をさらに高める。相互接続はまた典型的に、それぞれが別個にはんだ付けされた３つの別個のリボンを必要とする。図３Ｆの実施形態において、金属物品３５０は、第１の格子領域３７０と一体的に電鋳された相互接続要素３６０を有する。相互接続要素３６０は、格子３７０に結合され、近くの電池との接続を可能にするために、光電池の表面を超えて延在するように構成される、第１の端部を有する。相互接続要素３６０は、別個のリボンが電池間ではんだ付けされることに対する必要性を置き換え、よって製造費用を削減し、可能性のある自動化を可能にする。示される実施形態において、相互接続要素３６０は線形線分であるが、他の構成が可能である。また、相互接続要素３６０の数は、複数の要素３６０を提供して抵抗を低下させるなど、所望されるようにさまざまであり得る。相互接続要素３６０は、電池間の前後接続を可能にするなどのため、電鋳後に曲げられるか角度付けされ得、または格子３７０に対して角度付けされるようにマンドレル内で加工され得る。

相互接続要素３６０の反対端は、第２の領域３８０に結合され得、第２の領域３８０もまた、金属物品３５０の一部として導電性のマンドレル内で電鋳され得る。図３Ｆにおいて、第２の領域３８０は、例えば、バスバーなどのタブとして構成され、これは次に近くの電池の電気導管３９０に電気的に接続され得る。導管３９０はここでは要素の配列として構成されるが、他の構成が可能である。格子３７０は、例えば、第１の電池の前面上の電気導管として機能し、格子３９０は第２の電池の後面上の電気導管であり得る。図３Ｇの実施形態において、金属物品３５５は、バスバー型の接続の代わりにメッシュを有する。金属物品３５５は、第１の領域３７０、相互接続要素３６０、及び電池間の接続が金属物品３５５によってすでに提供されるように、単一のコンポーネントとして電鋳された第２の領域３９０を含む。よって、金属物品３５０及び３５５は、１つの光電池の表面上だけでなく、電池の間の相互接続にも電気導管を提供する。

電鋳マンドレルによって製造される金属物品は、特定の光電池の所望の機能及び製造ニーズを満たすために、特徴がさらに調整されることを可能にする。例えば、金属物品内の要素の個々の形状は、特注設計され得るか、または金属物品の一領域中の要素は、別の領域中の要素とは幾何学的に異なる特徴を有して設計され得る。本明細書に記載されるカスタマイズされた特徴は、個々に、または互いと組み合わせて使用されてもよい。電鋳マンドレルの使用は、特徴が金属物品内の特定の範囲に対して最適化され得るように、電鋳された部品全体の寸法制約を分離する。さらに、本方法によって生産される金属物品は、より安価な住宅用電池対高効率電池など、特定の種類の電池に対する調整を可能にする。金属物品の特徴はまた、電気導管として金属物品を利用する太陽電池がモジュール対応であるように、相互接続構成要素の統合も可能にする。本明細書に記載される金属物品によって提供される金属化は、同じ設置面積を有する伝統的な電池金属化よりも高い金属化容積及び低い抵抗を提供すると同時に、銀ベース及びリボンベースの金属化と比較して費用を低減する。金属物品はまた、軽量及びサグ耐性の光電池設計を促進する。

図４は、光電池のために適合される種々の特徴の実施形態を用いた、金属物品４００の上面図を示す。半導体基板４０２は、光電池上の金属物品の配置を説明するために破線で示され、金属物品４００は、電池の正面のための格子としてここで構成される。しかしながら、本明細書に記載される特徴は、光電池の背面のための電気導管に適用されてもよい。本開示において、半導体デバイスまたは光電池の形成における半導体材料への言及は、非晶質シリコン、結晶シリコン、または光電池で使用するのに好適な任意の他の半導体材料を含んでもよい。金属物品はまた、光電池以外の他の種類の半導体デバイスにも適用され得る。半導体基板４０２は、疑似矩形状とも称される、丸角を有する単結晶電池として図４中に示される。他の実施形態では、半導体基板は、完全に正方形の形状を有する多結晶であってもよい。半導体基板４０２は、基板４０２によって生成される電流を搬送する銀フィンガなど、その表面上に電気導管線（図示せず）を有してもよい。銀フィンガは、従来の方法に従って半導体基板４０２上にスクリーン印刷されてもよい。例えば、銀フィンガは、格子線４１０の方向に垂直である線であってもよい。次いで、金属物品４００の要素は、銀フィンガから電流を搬送するための電気導管として機能する。図４の本実施形態では、金属物品４００の格子線４１０（図４中で水平）及び４２０（図４中で鉛直）は、相互接続要素４３０及び４４０への電流を収集及び送達するために、はんだ付けなどによって半導体基板４０２に電気的に結合される。図３Ｆ〜図３Ｇに記載されるように、相互接続要素は、太陽モジュールのための電池間接続を可能にする。銅などの金属を用いた金属物品４００の製造は、銀がすべての電気導管のために使用される電池と比較してコストを低減し、かつ改善された伝導率によって電池効率を改善することもできる。

図４の格子線４１０及び４２０は、互いにほぼ垂直であるように示されるが、他の実施形態では、それらは互いに非垂直な角度であってもよい。格子線４１０及び交差する格子線４２０の両方が電流を搬送することが可能であるが、格子線４１０は、相互接続要素４３０及び４４０に最小抵抗経路を提供し、電流の主なキャリアとして機能する。したがって、格子線４１０はまた、バスバーとも称されるものとする一方で、交差する格子線４２０は、クロスメンバと称されてもよい。クロスメンバ４２０は、強度及び格子の寸法仕様の維持の両方の観点から、自立型金属物品４００に対する機械的支持を提供する。しかしながら、クロスメンバ４２０はまた、万が一バスバー４１０が故障した場合の冗長性の提供においてなど、電気導管として機能することができる。いくつかの実施形態では、格子線４１０及び４２０は、機械的強度を最適化するために、または電池のための所望の曲線因子を達成するためになど、互いとは異なる幅４１２及び４２２をそれぞれ有してもよい。例えば、格子線４１０の幅４１２は、格子線４２０が金属物品４００に対する十分な機械的安定性を提供する一方で、格子線４１０が可能な限り高い曲線因子を達成するように調整されるように、格子線４２０の幅４２２よりも小さくてもよい。さらなる実施形態では、ある特定の格子線４１０は、特定の領域の機械的強度または電気容量に対処するためになど、他の格子線４１０とは異なる幅を有してもよい。バスバー４１０のピッチはまた、クロスメンバ４２０と異なっていてもよく、または必要とされるデバイスの伝導要件を満たすために、金属物品４００内の異なる領域において互いと異なっていてもよい。いくつかの実施形態では、より粗いまたは細かいメッシュピッチが、例えば、ウエハの銀フィンガ設計、銀スクリーン印刷過程の精度、または使用されている電池の種類に基づき選択されてもよい。

格子線４１０及び４２０は、太陽電池の外周付近に位置するように構成される、縁部材４５０及び４５５も含む。例えば、縁部材４５０及び４５５は、ウエハ４０２の縁部から１〜３ｍｍに位置してもよい。縁部材４５０及び４５５は、金属物品４００の外周を形成するため、縁部材４５０及び４５５は、追加の構造支持を提供するために、金属物品４００の内部の他の格子線４１０及び４２０よりも幅広くてもよい。縁部材４５５は、主な縁部材４５０からの角度を成す、図４の実施形態の角のバスバーとして構成される。すなわち、縁部材４５０は、本実施形態において疑似矩形状を収容するためになど、長さに沿った導管方向の変化を有する。この方向の変化は、電鋳マンドレルによって一体的に形成され得、機械的強度を改善し、抵抗損失を低減するために、角のバスバー４５５の幅を調整することを含むことができる。金属物品４００の外周におけるより幅の広いバスバー４５０及び４５５はまた、金属物品４００を半導体基板４０２に取り付けるとき、接着強度を改善することができる。

相互接続要素４３０及び４４０は、金属物品４００の縁部付近にあり、また金属物品４００の他の範囲とは異なる幅４３２及び４４２を有してもよい。例えば、相互接続要素４３０は、格子線４１０の幅４１２よりも大きい幅４３２を有してもよい。したがって、幅４３２は、電池の面上の幅の制約から分離され、電池活性範囲に影響を及ぼすことなく、より低い電気抵抗を可能にする。電鋳過程は等方性であるため、幅４３２の増加は、相互接続要素４３０のより薄い高さをもたらす可能性がある。図５は、要素４１０と４３０との間の例示的な高さの差を示す、図４の断面Ｃの鉛直断面図を示す。図５中、格子線４１０は、相互接続要素４３０の高さ４３４よりも大きい高さ４１４を有する。すなわち、ウエハ縁部における格子線４１０は、より幅広く、より薄い相互接続４３０と比較して、より幅狭く、かつより高い。より薄い相互接続４３０は、輸送及び環境的影響力への曝露中の屈曲など、疲労破壊に対する抵抗を改善することができると同時に、電流フローのための大きな表面積を提供することによって、電圧損失を最小限に抑えることができる。例えば、いくつかの実施形態では、相互接続４３０の厚さまたは高さ４３４は、５０〜７０μｍなど、４０〜１２０μｍであってもよい一方で、格子線４１０は、１００〜１５０μｍなど、１００〜２００μｍの厚さまたは高さ４１４を有してもよい。

図６は、図４の相互接続要素４４０と同様の例示的な相互接続要素６００の詳細上面図を示す。相互接続要素６００が、隣接する電池の背面に対するはんだパッドとして機能する一方で、相互接続要素６１０は、太陽電池間の電気導管として機能する。相互接続６００のプレート型設計は、３つのバスリボンが使用される従来の電池よりも５倍または１０倍など、従来のはんだリボンと比較して大きい表面積を有することに留意されたい。その結果として、相互接続６００の設計は、低い直列抵抗及び最小電圧降下を提供することによって、モジュールレベルでの効率を改善する。例えば、相互接続要素６００の幅６０２は、図４の格子線４１０及び４２０に対する５０〜１００μｍの幅と比較して、６〜８ｍｍなど、５〜１０ｍｍであってもよい。相互接続要素６００の長さ６０６は、多結晶電池の縁部全体または単結晶電池の角間の長さなど、光電池の縁部の長さに近似してもよい。相互接続要素６００はまた、電鋳マンドレルから金属物品（例えば、図４の金属物品４００）を取り外すための製造補助として機能することもできる。相互接続要素６１０は、電池間の前後接続を可能にするためになど、電鋳後に屈曲または傾斜されてもよい。相互接続要素６００及び６１０は、格子線４１０及び４２０と一体的に形成されてもよく、それは、結合ステップを排除することによって製造費用を低減することができる。他の実施形態では、相互接続要素６００及び／または６１０は、異なる格子設計との相互接続要素の互換性を可能にするためになど、別個の部品として形成され、次いで格子線４１０及び４２０に結合され得る。

相互接続要素６００及び６１０は、図５に示される格子線４１０と相互接続要素４３０との高さの差と同様に、金属物品４００の残りの部分とは異なる高さ、すなわち厚さを有することができる。いくつかの実施形態では、例えば、相互接続要素６１０は、５０〜７０μｍの高さを有してもよく、相互接続要素６０は、４０〜１００μｍの高さを有してもよい。相互接続要素６１０は、モジュール中の電池間の機械的ならびに電気的接続を提供するため、要素６１０は、指定の屈曲試験要件を満たすために、特定の厚さで調整されてもよい。要素６１０の数もまた、信頼性及び屈曲試験耐久性を改善するために、従来の電池の単一リボン取り付けと比較して増加することができる。相互接続要素６１０の数の増加はまた、より大きい電気導管面積、及びしたがってより小さい抵抗を提供する。いくつかの実施形態では、５０〜７０μｍの高さの１５〜３０個の相互接続要素６１０を有する金属物品は、１５０μｍ厚の従来の銅はんだリボンと比較して、１０〜１００倍を超える破壊までの屈曲繰り返しに耐えることが分かっている。

図６は、開口部６２０が存在するという点で、相互接続要素６００の追加の特徴を示す。開口部６２０は、円形、楕円形、または他の形状の穴またはスリットの形態の、相互接続要素６００の厚さにわたる開口である。これらの開口部６２０は、光電池アセンブリの積層中の閉じ込められた空気の放出を可能にし、したがって空隙のないカプセル化を促進する。破線６５０ａ及び６５０ｂは、一実施形態における半導体基板の配置を表し、基板６５０ａは、光電池の正面への取り付けを表す一方で、基板６５０ｂは、隣接した電池の背面への取り付けである。基板６５０ａは、例えば、相互接続要素６００の前縁部６０５から０．５〜１．５ｍｍの間隙６５１を有して位置付けられてもよい一方で、基板６５０ｂは、例えば、縁部６０５から１．５〜２．５ｍｍの間隙６５２を有して位置付けられてもよい。図６から分かるように、開口部６２０の少なくとも一部分は、電池間で露出されたままであり、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）などのモジュール積層材料が機械的強度のために相互接続要素６００を貫通することを可能にする。開口部６２０はまた、積層材料内の任意の気泡が逃げるための経路を提供する。開口部６２０の数及びサイズは、電気抵抗及び機械的強度要件を満たすために、相互接続要素６００において必要とされる材料の量のバランスを取りながら、積層過程を促進するように選択されてもよい。いくつかの実施形態では、開口部６２０の数は、例えば１〜１０に及んでもよく、開口部６２０は、１〜３ｍｍなど、０．５〜５ｍｍの幅６２２、及び３〜５ｍｍなど、１〜６ｍｍの長さ６２４を有する。開口部６２０は、カプセル材料の流動を可能にしながら、耐久性を最大限にするために円形である内角を有してもよい。

図７Ａ〜図７Ｂは、図４の断面Ｄに示されるような格子線４１０の幅にわたって取られるような、例示的な電鋳要素７１０及び７２０の鉛直断面を示す。断面７１０及び７２０は、図２Ｂの電鋳要素１５０及び１５２と同様であり、本開示における金属物品の頂面に組み込まれてもよい、さらにカスタマイズされた特徴を説明するために、図７Ａ〜図７Ｂ中に示される。図７Ａにおいて、要素７１０は、頂面７１５を持つ長方形の断面を有し、「頂部」とは、光電池上に取り付けられたときの入光面を指す。頂面７１５は、光反射を促進して、よって電池効率を強化するなど、格子線の光学特性に貢献するように構成され得る。いくつかの実施形態において、模様付けは、光を捕捉するための表面積を増大させるために、意図的な粗さであり得る。この粗さは、例えば、電鋳マンドレル内に組み込まれた模様付けされたパターンを有することによって付与され得る。つまり、図１の予備成形されたパターン１１０は、マンドレル１００内に形成された模様付けパターンを有し得、頂面７１５が予備成形されたパターン１１０の底によって生成された表面となり得る。別の実施形態において、模様付けは、電鋳工程自体によって生成され得る。１つの例示的な工程において、約１〜３μｍ／分などの高速の電鋳速度のために高い電気めっき電流が用いられ得る。この高速の速度は、露出した表面である電鋳マンドレル１００の外表面１０５が粗くなることをもたらし得る。

なおも他の実施形態において、カスタマイズによって構成される頂面は、電鋳部品の形成後に作成される特定の表面仕上げであり得る。例えば、図７Ｂは、その頂面７２５上にコーティング層７２２を有するオーバめっきされた要素７２０を示す。コーティング７２２は、ニッケル、銀、錫、鉛錫、またははんだを含むが、それらに限定されない、金属の１つ以上の層を含み得る。コーティング７２２は、例えば、曲線的な頂面７２５の反射性を向上させるための滑らかな表面を生産し得る。頂面７２５、または７１５上にはんだをコーティングとして塗布することはまた、光学上の利益を提供することに加えて、ボンディングのためのはんだリフローを有効にすることを補助し得る。

要素７１０は長方形の断面とともに、及び要素７２０は長方形の基部ならびに曲線的な頂部とともに示されるが、半球または曲線的な面取りのある細長い長方形などの他の断面形状が可能である。これらの断面形状は、金属物品の全体にわたり同一であるか、または金属物品の異なる区域間で異なり得る。頂面の任意の湾曲したまたは曲線的な縁部が、入射光を電池に偏向するため、または標準的な太陽電池モジュール内部の場合、光を反射して全内部反射を有効にするために利用され得る。表面は、偏向及び反射の両方を強化するために、銀または錫などの高反射性の金属でコーティングされ得、よって有効メッシュシェーディング領域をその接地面積未満に低減する。

図８は、調整され得るさらなる特徴を示す、別の金属物品８００の一実施形態の上面図を示す。金属物品８００は、金属物品８００の大部分にわたってメッシュ構成を形成する、交差する格子線８１０及び８２０を有し、メッシュの一端部において相互接続要素８３０及び８４０を有する。格子線８１０は、その長さに沿って不均一である幅を有し、不均一な幅は、金属物品８００が製造される電鋳マンドレル中に設計される。図８の実施形態では、幅８１２ａは、電池の電流収集端部である相互接続要素８４０により近い幅８１２ｂよりも小さい。この幅８１２ｂの増加は、電流がその表面にわたって金属物品によって収集されるため、この端部においてより高い電流を収容する。したがって、幅８１２ｂの増加は、抵抗損失を低減する。格子線８１０の高さもまた、すでに記載されたように、増加した幅の範囲において、必要に応じて調節されてもよい。

格子線の長さにわたる不均一性の量は、光電池の所望の曲線因子が維持されるように設計され得る。例えば、図９は、公称幅９１０を有する例示的な線形格子線９００を示す。公称幅９１０は、例えば、５０〜３００μｍであってもよい。本実施形態では、相互接続範囲９４０から離れたような、格子線９００の一端付近の幅９０８は、公称幅９１０と比較して１０〜３０％減少してもよい。相互接続範囲９４０付近の幅９１２は、公称幅９１０と比較して１０〜３０％増加してもよい。したがって、格子線９１０は、一方の端部において幅が減少し、もう一方の端部において幅が増加する、対称的な先細を有し、その全長にわたって公称幅を有する格子線と同じ曲線因子をもたらす。

図８及び図９の不均一な幅は、いくつかの実施形態では、格子の長さにわたって連続的に生じてもよく、または他の実施形態では、１つ以上の部分にわたって生じてもよい。さらなる実施形態では、格子線８１０の幅は、単一のテーパー率を有するよりもむしろ、異なる部分にわたって増減してもよい。加えて、長さに沿って不均一な幅を有する特徴は、１つの金属物品当たり１つ、一部、または全部の格子線中に存在してもよい。

図８に戻ると、格子線８１０及び８２０は、幅の変動に加えて、縦方向プロファイルが形状を変化され得るという点で、別の設計された特徴を示す。図８中、格子線８１０及び８２０は、格子線が縦方向に膨張することを可能にする非線形パターンで構成され、したがって膨張線分として機能する。パターンは、金属物品８００が作成される電鋳マンドレルによって形成される。図８の実施形態では、格子線８１０及び８２０の両方が、金属物品が光電池への結合のための平坦な表面を示すように、金属物品８００の平面に平行に配向される、波形パターンを有する。波形は、例えば、正弦波または他の湾曲形状または幾何学的形状として構成されてもよい。波形は、金属物品とそれが結合される半導体基板との間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の差に対する歪み緩和を提供するためになど、金属物品８００が膨張及び収縮することを可能にするために、はんだ点間に追加の長さを提供する。例えば、銅は、シリコンのＣＴＥの５倍近いＣＴＥを有する。したがって、シリコン基板にはんだ付けされた銅の金属物品は、サブアセンブリを完成した太陽電池へと製造することに関わる加熱及び冷却ステップ中に有意な歪みを経験する。

波形は、ＣＴＥ差による湾曲または破損などの問題を低減または排除するために、金属物品８００の十分な膨張及び収縮を可能にするように設計される。膨張線分の寸法は、使用されている特定の材料のＣＴＥ差を調整するように選択される。いくつかの実施形態では、波形は、完全に線形の線分と比較して、追加の長さを提供するために、例えば、２００〜３００μｍの振幅及び１〜１０ｍｍの波長を有してもよい。膨張線分はまた、歪みの低減がより小さいはんだ接合強度を必要とするため、より小さいはんだ接合サイズを可能にし得、それは結果としてシェーディングを低減する。より小さい接合サイズはまた、より大きい接合プロセスウィンドウを可能にし得、製造可能性及び費用を改善する。図８中で、すべての格子線８１０及び８２０が膨張線分として構成されるが、他の実施形態では、ある特定の格子線のみが膨張線分として構成されてもよいことに留意されたい。なおさらなる実施形態では、単一の格子線のある特定の部分のみが膨張線分として構成されてもよい一方で、長さの残りの部分は線形である。

図１０Ａ〜図１０Ｅは、さらなる実施形態における膨張線分の種々の構成の上面図である。金属格子線は、明確にするためにこれらの図面中で単一線として示される。さらに、格子線の一部分のみが示されるが、格子線全体が同一のパターンを有してもよく、あるいは格子線の残りの部分は異なるパターンを有してもよく、幅が異なってもよい。図１０Ａ中、バスバー１０１０ａが波形を有する一方で、クロスメンバ１０２０ａは線形である。この設計は、バスバー１０１０ａの方向に一次元のＣＴＥ歪み緩和を提供する。バスバー１０１０ａ及びクロスメンバ１０２０ａが交差する点は、交点１０３０ａと称されるものとする。はんだパッド１０４０ａは、バスバー１０１０ａが取り付けられる銀、錫、または半導体ウエハ上の同様のはんだパッドを表す。はんだパッド１０４０ａは、これらの図面中で個別の範囲で示されるが、他の実施形態では、それらは半導体ウエハにわたって部分的または連続的に延在する線であってもよい。図１０Ａ中、はんだパッド１０４０ａは、交点１０３０ａ間に位置する。他の実施形態では、はんだパッド１０４０ａは、交点１０３０ａと整合するように、または格子線１０１０ａ及び１０２０ａ上の他の個所に位置付けられてもよい。

図１０Ｂは、接合範囲１０５０ｂがバスバー１０１０ｂ上に形成されていることを除いて、図１０Ａと同一である。接合範囲１０５０ｂは、接合強度を増加させるために、かつ製造上の公差を広げるためになど、はんだパッド１０４０ｂに接合するための増加した表面積を提供する。接合範囲１０５０ｂは、例えば、示されるような円形パッド、もしくはバスバー１０１０ｂから延在する支柱、または他の形状として構成されてもよい。図１０Ａ及び図１０Ｂの両方において、膨張部材の方向は交換可能であることに留意されたい。すなわち、クロスメンバ１０２０ａ／ｂが波形で構成されてもよい一方で、バスバー１０１０ａ／ｂは線形であってもよい。

図１０Ｃ中、バスバー１０１０ｃ及びクロスメンバ１０２０ｃの両方が膨張線分として構成され、したがって二次元の歪み緩和を可能にする。バスバー１０１０ｃは、交点１０３０ｃ間ではんだパッド１０４０ｃに結合される。バスバー１０１０ｃ及びクロスメンバ１０２０ｃの両方が、波形を有し、バスバー１０１０ｃの周期１０１１ｃは、クロスメンバ１０２０ｃの周期１０２１ｃと同じである。しかしながら、バスバー１０１０ｃの振幅１０１２ｃは、クロスメンバ１０２０ｃの振幅１０２２ｃとは異なり、本実施形態ではより大きい。したがって、バスバー１０１０ｃ及びクロスメンバ１０２０ｃは、互いに個々に調整され得ることが分かる。他の実施形態では、金属物品内のある特定のバスバー１０１０ｃは、バスバー１０１０ｃとは異なる振幅及び周期を有することができる。同様に、クロスメンバ１０２０ｃは、互いとは異なる振幅及び周期を有することができる。

図１０Ｄは、さらに別の膨張線分構成を示し、バスバー１０１０ｄは、弓形線分１０１１ｄを有し、交点１０３０ｄ間に直線線分１０１３ｄが介在する。クロスメンバ１０２０ｄは、本実施形態では線形である。鋭い角がないことは、電鋳マンドレルからの金属物品の取り外しを促進し、応力点を低減し得るため、直線及び弓形線分１０１１ｄ及び１０１３ｄ間の移行は、湾曲しているように設計されてもよい。本実施形態では、直線線分１０１３ｄは、はんだパッド１０４０ｄにわたって延在するための長さを有する。応力が一方向にのみ、格子線１０１０ｄに沿って印加されるため、直線線分１０１３ｄは、はんだパッド１０４０ｄにおける歪み量を低減し得る。直線線分１０１３ｄはまた、はんだパッド１０４０ｄとバスバー１０１０ｄの整合に必要とされる製造上の公差を低減し得る。他の実施形態では、バスバー１０１０ｄはまた、格子線１０１０ｄと１０２０ｄとの間の交差点における応力を低減するために、交点１０３０ｄにおいて直線部分を含んでもよい。

図１０Ｅは、バスバー１０１０ｅ及びクロスメンバ１０２０ｅが、湾曲部分１０１１ｅ及び１０２１ｅの間で交互に繰り返す、直線線分１０１３ｅ及び１０２３ｅを有する、さらなる実施形態を示す。図１０Ｅの実施形態は、金属物品がＸ及びＹ方向の両方にＣＴＥ歪み緩和を提供することを可能にすると同時に、交点１０３０ｅにおいて垂直結合を提供する。

図１１は、太陽電池の背面のための例示的な金属物品１１００の上面図である。本実施形態では、金属物品１１００は、互いにほぼ垂直に交差し、均等に離間した、格子線１１１０及び１１２０を有する。他の実施形態では、格子線１１１０及び１１２０は、非垂直な角度で交差してもよく、異なるピッチを有してもよい。格子線１１１０及び１１２０は、それらの全長に沿って膨張線分を有して構成されるが、他の実施形態では、格子線１１１０及び１１２０は、それらの長さの一部分または全体に沿って線形であってもよい。金属物品１１００は、水平及び鉛直に対称的であり、光電池が隣接した電池への接続のために、任意の配向で回転させられることを可能にする。図１１中、格子線１１１０及び１１２０は、電池の正面上よりも幅広い幅１１１２及び１１２２をそれぞれ有する。例えば、幅１１１２及び１１２２は、５０〜３００μｍの正面格子線幅と比較して、０．５〜２ｍｍであってもよい。したがって、金属物品１１００は、正面メッシュよりも２〜５倍多い銅を提供することができ、最小の電圧降下で非常に低い抵抗を有する。金属物品１１００はまた、標準電池の厚さの半分など、より薄く製造され得る。

金属物品１１００はまた、はんだ付け台として機能する、より大きい縁部境界を有してもよい。金属物品１１００の外周を形成する縁部材１１３０及び角部材１１４０は、格子線１１１０及び１１２０と同じまたは異なる幅を有してもよい。図１１の実施形態では、はんだパッド１１５０は、格子線１１１０及び１１２０が金属物品１１００の外周（例えば、縁部材１１３０及び角部材１１４０）と接触する交点において構成される。はんだパッド１１５０は、太陽電池の表面上のはんだ領域と整合するために、格子線１１１０及び１１２０よりも大きい表面積を提供する。本実施形態におけるはんだパッド１１５０はまた、交点における歪み緩和及び追加の接合面積を提供するためになど、放射状支柱１１６０を含む。

図１２は、本開示の金属物品を使用した、２つの光電池間の例示的な前後電池間相互接続を示す。電池１２００は、正面に載置される金属物品１２１０を有し、金属物品１２１０は、１つの縁部において相互接続要素１２２０を含む。金属物品１２１０は、例えば、図４または図８の金属格子であってもよい。相互接続１２２０は、電池１２５０の背面に結合され、背面は、図１１と同様の背面メッシュとして構成される、金属物品１２６０を有する。結合は、例えば、はんだ付け、溶接、超音波、導電接着剤、または他の電気接合方法によって達成されてもよい。相互接続１２２０は、電池１２００及び１２５０の直列接続のために、金属物品１２６０のバスバー１２７０に接合される。

図１３は、モジュールのために組み立てられるような、一実施形態における光電池１３１０、１３２０、１３３０、及び１３４０のアセンブリ１３００を示す。４つの電池が図１３に示されるが、３６〜６０個など、任意の数の電池が所望に応じてモジュールで使用されてもよい。各隣接する対の電池は、図１２に関連して記載されるように一緒に結合される。しかしながら、図１３の実施形態では、各隣接した電池は、前の電池から９０°回転させられる。例えば、電池１３２０は、電池１３３０に接続するために、電池１３１０から時計回りに９０°回転させられ、電池１３３０は、電池１３４０に接続するために、電池１３２０から時計回りに９０°回転させられる。図１３中の電池１３１０が、モジュール１３００のための正極１３５０を提供する一方で、電池１３４０は、負極１３５５を提供する。したがって、開示されているメッシュ設計は、電池上の種々の配向を可能にする対称性で設計され得、モジュール内の電池が所望に応じて任意の配列で接続されることを可能にする。電池１３１０、１３２０、１３３０、及び１３４０は、図６の間隙６５１及び６５２と同様に、それらの間に間隙１３６０を有して組み立てられる。間隙１３６０は、モジュール全体の曲げを可能にし、また完成したモジュールをカプセル化するとき、積層材料の流動を補助する。

図１４は、上記の金属物品を使用して太陽電池モジュールを製造するための方法の例示的なフローチャート１４００である。ステップ１４１０において、金属物品は、導電性のマンドレルを使用して電鋳される。マンドレルは、金属物品を形成するための１つ以上の予備成形されたパターンを有する。いくつかの実施形態では、金属物品は、光電池内の電気導管として機能するように構成される。ある特定の実施形態では、金属物品は、太陽モジュールの光電池間の接続を可能にするために、一体的特徴を含んでもよい。他の実施形態では、相互接続特徴は、別々に製造され、金属物品に結合されてもよい。別々に形成された場合、相互接続特徴は、例えば、シート材料の電鋳またはスタンピングによって形成されてもよい。完成した電鋳金属物品の少なくとも一部分は、予備成形されたパターン内で形成される。金属物品は、ａ）第１の要素の第１の長さに沿った不均一な幅、ｂ）第１の要素の第１の長さに沿った導管方向の変化、ｃ）第１の要素の第１の長さに沿った膨張線分、ｄ）複数の電鋳要素中の第２の要素の第２の幅とは異なる第１の幅、ｅ）複数の電鋳要素中の第２の要素の第２の高さとは異なる第１の高さ、及びｆ）模様付けされた頂面のうちの１つ以上を含んでもよい、カスタマイズされた特徴を有する、複数の電鋳要素を有する。金属物品は、光電池のための電気格子線、バスバー、電池間相互接続、及びはんだパッドとして機能するように構成されてもよい。

ステップ１４１０は、電鋳マンドレルの外表面を第１の金属塩を含む溶液と接触させることを含んでもよく、第１の金属は、例えば、銅またはニッケルであってもよい。第１の金属は、金属物品全体を形成してもよく、または他の金属層のための金属前駆体を形成してもよい。例えば、第２の金属を含む塩溶液は、第１の金属の上にめっきされてもよい。いくつかの実施形態では、第１の金属はニッケルであってもよく、第２の金属は銅であってもよく、ニッケルは銅拡散に対する障壁を提供する。第３の金属は、ニッケルの第１の金属の上にめっきされている銅の第２の金属の上のニッケルである第３の金属など、第２の金属の上に任意にめっきされてもよい。この三層構造において、銅導管は、半導体デバイス中への銅汚染に対する障壁を提供するために、ニッケルによってカプセル化される。ステップ１４１０における電鋳プロセスパラメータは、例えば、１〜３０００アンペア／平方フィート（ＡＳＦ）に及ぶ電流、及び例えば１分〜２００分に及ぶめっき時間であってもよい。接着を促進するために、湿潤性を促進するために、拡散障壁として機能するために、または電気接触を改善するために、錫、錫合金、インジウム、インジウム合金、ビスマス合金、タングステン酸ニッケル、またはタングステン酸コバルトニッケルなど、他の導電性の金属が適用されてもよい。

金属物品が形成された後、金属物品は、自立型の単一部品になるために、ステップ１４２０において導電性のマンドレルから分離される。分離は、手動で、または真空ハンドリングなどのツールを用いてなど、マンドレルから物品を持ち上げるか、または剥離することを伴ってもよい。剥離はまた、金属物品の開始及び持ち上げのためのハンドルとして、図６の要素６００などの相互接続要素を使用することによって促進されてもよい。他の実施形態では、取り外しは、マンドレルから製造部品を解放するのを補助するために、熱的もしくは機械的衝撃、または超音波エネルギーを含んでもよい。次いで、自立型金属物品は、以下に記載されるように物品を取り付け、かつ電気的に結合することによって、光電池または他の半導体デバイスに形成される準備ができている。種々の製造ステップへの金属物品の移動は、支持要素を必要とすることなく行われ得る。

ステップ１４３０において、金属物品は、機械的及び電気的に半導体基板に結合される。ステップ１４３０は、半導体ウエハの正面に正面格子を結合すること、及びウエハの背面に背面格子を結合することを含んでもよい。結合は、手動または自動はんだ付けなど、はんだ付けであってもよい。はんだは、ウエハ上に印刷されている銀はんだパッドなど、特定の点において塗布されてもよい。いくつかの実施形態では、はんだは、めっきまたは浸漬などによって、金属物品の全部または一部上に予め塗布されていてもよい。予め塗布されたはんだは、次いで、ステップ１４３０の結合過程中にリフローされてもよい。他の実施形態では、はんだは、活性はんだであってもよく、本出願の譲受人によって所有され、参照によって本明細書に組み込まれる、「Ｕｓｉｎｇ ａｎ Ａｃｔｉｖｅ Ｓｏｌｄｅｒ ｔｏ Ｃｏｕｐｌｅ ａ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ａｒｔｉｃｌｅ ｔｏ ａ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｃｅｌｌ」と題する、２０１３年８月２１日出願のＵ．Ｓ． Ｐａｔｅｎｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏ．６１／８６８，４３６に記載されるように、ウエハの非金属化部分における接合を可能にし得る。

ステップ１４３０における半導体への金属物品の結合は、例えば、超音波、赤外線、ホットバー、または急速熱処理技術を利用してもよい。接合は、一度に１つの接合部で、またはウエハの１つの領域で、または一度にウエハ全体で実施されてもよい。金属物品は、接合過程中に誘発される熱応力から生じる可能性がある湾曲または破損を低減するために、膨張線分を含んでもよい。

半導体ウエハは、反射防止コーティングを塗布するためになど、ステップ１４３０の前または後に追加の処理ステップを受けてもよい。特定のコーティングが生産されている電池の種類によって決まり、例えば、窒化物などの誘電性反射防止コーティング、またはインジウム錫酸化物などの透明導電性酸化物を含んでもよい。

準備された光電池は、次いで、ステップ１４４０において一緒に接続される。相互接続は、前後の直列接続のために、図１２及び図１３に関連して記載されるように実施されてもよい。他の実施形態では、電池は、正面／正面及び背面／背面接続で並列に配線されてもよい。

ステップ１４５０において、モジュールアセンブリは一緒に積層される。いくつかの実施形態では、アセンブリは、積層材料（例えば、ＥＶＡ）がバッキングシート上に配置された、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）フィルムなどのバッキングシートを含んでもよい。光電池は、ＥＶＡシート上に配置され、別のＥＶＡシートが電池の上に配置される。最後に、ガラスシートが最上部のＥＶＡシートを覆う。層状スタック全体が、ラミネータ中に配置され、アセンブリを積層するために、熱及び真空が印加される。モジュールを完成させるために、電池の電気接続が接続箱に配線される。

本明細書に記載の自立型の電鋳金属物品は、種々の電池の種類に適用でき、太陽電池の製造順序内の異なる点で挿入され得るものと理解され得る。さらに、電鋳電気導管は、太陽電池の前面上もしくは後面上のどちらかに、または両方に利用され得る。また、本明細書に記載の実施形態は、主に太陽光発電用途に関して記載されたが、本方法及びデバイスはまた、再分配層（ＲＤＬ）またはフレックス回路などの他の半導体用途にも適用され得る。さらに、フローチャートのステップは、代替の順番に実行され得、示されない追加的なステップを含み得る。本記述はフルサイズの電池について説明されたが、ハーフサイズまたはクオーターサイズの電池にもまた適用可能であり得る。例えば、金属物品の設計は、単結晶の完全角型加工のようにすべての４つの角が面取りされているのではなく、１つまたは２つの面取りされた角のみを有する電池を収容する配置を有し得る。

本明細書は、本発明の特定の実施形態に関して詳細に記載したが、当業者であれば、前述の理解を得ると、これらの実施形態に対する変更形態、変形形態、及び均等物を容易に着想し得ることが理解されるものとする。本発明に対するこれらの及び他の修正形態及び変形形態は、添付の特許請求の範囲により具体的に記載される本発明の範囲を逸脱することなく当業者によって実施され得る。さらに、当業者は、前述の記載が例示のみを目的とし、本発明を制限することを意図しないことを理解するであろう。

Claims (10)

1. 光電池のための電気部品を成形する方法であって、
   導電性のマンドレル上に金属物品を電鋳することを含み、前記導電性のマンドレルは、少なくとも１つの予備成形されたパターンを含む外表面を有し、前記金属物品は、前記予備成形されたパターンによって形成される複数の電鋳要素を備え、
   前記金属物品を前記導電性のマンドレルから分離することを含み、前記金属物品が前記導電性のマンドレルから分離されたときに、単一の、自立型の部品を形成するように、前記複数の電鋳要素が相互接続され、
   前記複数の電鋳要素が、前記光電池の入光面のための電気導管として機能するように構成され、
   前記複数の電鋳要素は第１の要素を備え、前記第１の要素は、前記第１の要素の第１の長さの少なくとも一部分に沿った第１の膨張線分を有して構成され、前記第１の膨張線分の寸法は、前記金属物品と前記光電池の半導体基板との間の熱膨張係数差による問題を低減または排除するように、該熱膨張係数差に起因する応力を緩和するように選択され、前記第１の膨張線分は波形として構成され、
   前記第１の要素はさらに、複数の接合範囲を含み、前記第１の膨張線分は前記接合範囲の間にある、方法。
2. 前記第１の要素は、前記第１の要素の前記第１の長さに沿った不均一な幅を有し、前記不均一な幅は、前記第１の長さに沿った先細の幅である、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の要素は、前記第１の要素の前記第１の長さに沿った導管方向の変化を有し、前記第１の要素はバスバーであり、導管方向の前記変化は、疑似矩形光電池の角付近に位置するように構成される屈曲である、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の膨張線分が、前記光電池に平行な平面に配向される形状を有する、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１の要素は、前記複数の電鋳要素中の第２の要素の第２の幅とは異なる第１の幅を有する、請求項１に記載の方法。
6. 光電池のための電気部品を成形する方法であって、
   導電性のマンドレル上に金属物品を電鋳するステップを含み、前記導電性のマンドレルは、少なくとも１つの予備成形されたパターンを備える外表面を有し、前記金属物品は、前記予備成形されたパターンによって成形される複数の電鋳要素を備え、
   前記金属物品を前記導電性のマンドレルから分離するステップを含み、前記金属物品が前記導電性のマンドレルから分離されたときに、単一の、自立型の部品を形成するように、前記複数の電鋳要素が相互接続され、前記複数の電鋳要素が光電池の入光面のための電気導管として機能するように構成され、
   前記複数の電鋳要素中の第１の要素は、第１の高さを有する電池間相互接続であり、
   前記複数の電鋳要素中の第２の要素が、前記光電池の表面に配された格子線であり、前記第２の要素は、第２の高さおよび縦方向プロファイルを有し、該縦方向プロファイルは、前記第２の要素の第２の長さの少なくとも一部に沿う膨張線分を含み、
   前記膨張線分は、前記金属物品と前記光電池の半導体基板との間の熱膨張係数差による問題を低減または排除するように、該熱膨張係数差に起因する応力を緩和するように構成され、
   前記第１の高さは、前記第２の高さ未満である、方法。
7. 前記第１の要素は、第１の幅を有し、
   前記第２の要素は、第２の幅を有し、
   前記第１の幅は、前記第２の幅よりも大きい、請求項６に記載の方法。
8. 前記第１の要素の前記第１の高さは前記第１の要素の厚さを含み、前記第１の要素は、その厚さにわたる開口部を備える、請求項６に記載の方法。
9. 前記膨張線分は、波形として構成される、請求項６に記載の方法。
10. 前記複数の電鋳要素が第３の要素をさらに含み、該第３の要素は、該第３の要素の第３の長さの少なくとも一部に沿う膨張線分を有するように構成され、
    前記第２および第３の要素は、２次元の歪み緩和を可能にする、請求項６に記載の方法。

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