JP6557325B2 - 半導体構造物、その製造方法及び使用 - Google Patents
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Description
本発明は、熱的及び／又は化学的に硬化された接着剤を介して互いに実質的に接合された基材と半導体層からなる半導体構造物に関する。又、本発明は、このような一体化接合を作り出すための方法に関する。特に太陽電池又は太陽電池モジュールとしての、このような半導体構造物の使用である。
光起電性モジュールの製造コストを下げるためのアプローチの１つは、薄いシリコン層の使用であり、この層は、機械的安定性のために低価格の基材上に加工される。この薄い層は、シリコン層転写方法の可能性がある種々の方法にて製造できる。この際、薄いシリコン層は、活性層のエピタキシャル成長のための核形成層として使用され、ウエハー又はブロックからも直接剥離される。自立層（free-standing layer）は、太陽電池を作るための更なる工程を低い歩留りでしか通り抜けることができないので、安定な基材を用いて補強するのが当然のこととなっている。
層転写工程を用いて製造される太陽電池は、太陽電池工程における後の時点でマザー基材から剥離されることがたびたびあり、シリコーンを用いてガラス基材上に固定される。
他の可能性は、剥離層と基材との間の原子レベルでの結合（「接合」、例えばシリコン又はガラス上）の生成であり、この際、両方の表面は非常に滑らかで、しかも、アルミニウム合金化により汚れがなく、導電性結合が生成されなければならない。
基材と、基材とシリコン箔の間の接合剤の両方は、次に続く処理工程に耐えなければならない。上記の接合層についての必要条件は、構想によって変わる。
即ち、例えば、前記の剥離は、エピタキシャル厚化（thickening）の前又は後に引き起こされることがあり、これは、温度抵抗性について及び／又は材料の純度についての異なる必要条件を含む。原子結合の生成は、純度と表面研磨についての非常に高い必要条件と関連し、それゆえ、このような方法は、非濃縮化（non-concentrating）ＰＶ技術の必要なコスト要件をほとんど満たさないものとなる。
特に光起電性電気モジュールの製造の分野における使用においては、接着剤が、以下の要件を満たさなければならない。
１．接合工程により前記の一般的な薄層に対して損傷が引き起こされない
２．前記の接着剤が高温に対して安定でなければならない
３．前記の接着剤の機械的安定性が、モジュール製造の加工条件を満足しなければならない
４．高温での前記接着剤中の不純物のガス除去が回避されなければならない
５．導電性で、しかも、電気的に絶縁性の接着剤層が同様に作られる可能性がなければならない
１．接合工程により前記の一般的な薄層に対して損傷が引き起こされない
２．前記の接着剤が高温に対して安定でなければならない
３．前記の接着剤の機械的安定性が、モジュール製造の加工条件を満足しなければならない
４．高温での前記接着剤中の不純物のガス除去が回避されなければならない
５．導電性で、しかも、電気的に絶縁性の接着剤層が同様に作られる可能性がなければならない
種々の解決アプローチが、これまでに従来技術から知られているが、いずれも、上述の要件を完全に満たすことができない。
例えば、V. Gazuz 等、ガラス基材へのアルミニウム結合による新規なｎ‐型シリコン太陽電池装置、講演集録24、ヨーロッパ光起電性太陽エネルギー会議及び展示会、ハンブルグ、ドイツ、2009年、2206-2208頁から、低融点金属を含む合金が知られている。しかしながら、このような方法においては、約1000℃の加工温度で結合効果の損失が生じることがある。シリコン層の汚損又は損傷や、不純物の脱ガスに関する問題も同様に起こる。
類似の方法が、L. Wang 等、鋼上での16.8％効率の良い超薄シリコン太陽電池、講演集録28、ヨーロッパ光起電性太陽エネルギー会議及び展示会、パリ、フランス、2013年、2641-2644頁に記載されているが、この方法もまた、先に述べた欠点を有している。
更に別の選択可能な方法は、モジュールガラス上に直接、接着剤としてシリコーンを使用することにある。しかしながら、シリコーンの低い熱安定性のために、これらの系は２００℃以上の高温処理工程にてもはや使用することができない。このような技術は、F. Dross 等、結晶性薄箔シリコン太陽電池に記載されており、この際、結晶特性は薄膜加工、光起電性の発展：応用研究、2012年、20巻、770-784頁に適合する。
ここから出発して、本発明の課題は、半導体層に対しての基材の一体化接合により製造される半導体構造物を提供することで、この一体化接合に使用される接着剤層は高温安定性を有するものであった。又、上記の接着剤層は、電気的に伝導性又は電気的に絶縁性の形態で提供された場合が望ましい。
このような課題は、請求項１の特徴を有した半導体構造物によって、及び、請求項１２の特徴を有した製造方法によって達成される。請求項１６には、本発明による使用が示されている。後に続く従属項は、好ましい発展形態を示している。
本発明によると、少なくとも１つの基材と、当該基材上にて少なくとも部分領域に塗布された少なくとも１つの半導体層でできた半導体構造物が提供され、熱的に及び／又は化学的に硬化した接着剤によって、第１の半導体層が、少なくとも部分領域にて、前記基材と一体的に接合されている。この際、前記の硬化した接着剤は、少なくとも７００℃の温度までの熱安定性を有している。
前記の接着剤は、シリコン、酸化物材料、窒化物材料又は炭化物材料、又はこれらの混合物から成るグループより選ばれることが好ましく、特に、ｘ＝１−２であるＳｉＯｘ，ｘ＝１−２であるＡｌＯｘ，ｘ＝０．５−１．５であるＳｉＣｘ，ｘ＝０−２．５であるＳｉＮｘ，ＺｎＯ：Ａｌ，ＴｉＮから成る。
特に好ましくは、前記接着剤は、８００〜１３００℃の温度までの温度安定性を有しており、この際、温度安定性とは、この温度範囲内において、本質的に金属不純物が放出されないことを意味していると理解されるべきである。この語は、１分間にｃｍ２あたり１×１０１１原子未満の不純物原子の表面‐標準化流出量が、脱ガス及び／又は放散によって前記接着剤から前記半導体層の中へ放出されることを意味していると理解されるべきである。
更に好ましい具体例は、前記の接着剤が少なくとも１種の充填剤を含むことを提供する。これは、特に、フィロ珪酸塩鉱物、石英粒子、金属粒子、シリコン粉末、セラミック粉末及びこれらの混合物から成るグループより選ばれる。充填剤の使用は、半導体構造物の表面又は基材の表面が完全に平面でない場合に、充填剤が、基材の表面及び／又は半導体構造物の表面における凹凸の平準化を可能にするので特に望ましい。
特に好ましい具体例においては、前記接着剤又は、充填剤を含んだ前記接着剤は、８００〜１２００ｎｍの波長範囲にて入射放射線の少なくとも５０％の反射が可能である光学特性を有している。その結果として、前記接着剤層は、半導体構造物内の反射層として役立つことができる。
電気的に絶縁性の基材の場合には、前記接着剤は、電気的に絶縁性であっても電気的に伝導性であってもよい。電気的に伝導性の基材の場合には、前記接着剤は電気的に伝導性であることが好ましい。電気的に半導電性の基材の場合には、前記接着剤は必ず電気的に伝導性である。この際、電気的に伝導性の前記接着剤は、ｘ＝０．５−１．５であるＳｉＣｘ，ＺｎＯ：Ａｌ，ＴｉＮ及びシリコンから成るグループより選ばれることが好ましい。電気的に絶縁性の前記接着剤は、ｘ＝１−２であるＳｉＯｘ，ｘ＝１−２であるＡｌＯｘ，ｘ＝０．５−１．５であるＳｉＣｘ，ｘ＝０．１−２．５であるＳｉＮｘから成るグループより選ばれることが好ましい。
又、１以上の半導体層が前記基材上に塗布されることも可能である。好ましい変形例では、例えば、第１の半導体層の上に‐前記基材から離れて配向した面の上に‐、接着剤と、その後に、少なくとも１つの更なる半導体層が、少なくとも部分領域に塗布されることがもたらされる。このような方法は、任意の数の半導体層について続けられてもよい。
複数の半導体層の場合、この半導体層は、異なる物性を有していることが好ましい。これらの物性には、例えば、種々の波長範囲又は異なる伝導性で入射放射線の吸収についての異なるスペクトル特性等が含まれる。
前記の少なくとも１つの基材及び／又は、前記の少なくとも１つの半導体層は、少なくとも部分領域にて、熱処理の間に生じるあらゆるガスを取り除くことが可能である多孔性を有していることが好ましい。基材又は半導体層の、このような多孔性は、好ましくは５〜６０％の範囲である。
少なくとも１つの基材の材料は、シリコン、焼結シリコン、グラファイト、石英、ホウケイ酸ガラス、ガラス、セラミック材料及び、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体、特にＺｒＳＯ４，ＳｉＮ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＣ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＧａＮ，ＡｌＧａＡｓＰ及びこれらの材料複合物から成るグループより選ばれたものであることが好ましい。
前記の半導体構造物は、太陽電池、特に、ウエハー等価（wafer equivalent）太陽電池、多元系（multiple）太陽電池又は薄膜太陽モジュールが好ましい。
本発明によれば、少なくとも１つの基材と、前記の構造を有した少なくとも１つの半導体層からなる半導体構造物を製造するための方法が、同様に提供される。この方法においては、前記基材の上及び／又は前記半導体層の上に、少なくとも部分領域にて、接着剤と、その後に続いて半導体層が塗布され、その後に前記接着剤が熱的に及び／又は化学的に硬化され、基材と半導体層との間の一体化接合が生じる。少なくとも７００℃の温度までの熱安定性を有した化合物が、接着剤として使用される。
複数の半導体層の塗布もまた、更なる各半導体層の間に塗布される接着剤によって可能である。
基材と少なくとも１つの半導体層の一体化接合の後、半導体部品の製造のための過程連鎖における更なる処理工程が行われてもよい。この中には、例えば、焼き戻し、湿式‐化学的、乾式‐化学的又は物理的洗浄、エピタキシャル濃化、エミッター拡散、表面及び／又はバルク不動態化（bulk passivation）、反射防止層の塗布、前‐又は後面接触、乾式又は湿式エッチング加工又はこれらの組み合わせが含まれる。
方法制御に関しては、前記接着剤の塗布及び硬化が連続工程で行われることが好ましい。
前述の半導体構造物は、太陽電池又は太陽電池モジュールにて使用されることが好ましい。
本発明による対象は、後に続く図面を参照してより詳細に説明されるが、ここに示された特殊な具体例に当該対象が限定されることを意図するものではない。
図面には、ＳｉＯ２を用いて接着する前又は後（「固着されている」）の、数１０μｍの厚みであるシリコン箔（「自立した箔」）のスペクトル的に分解された直接反射が示されている。
この図面から、前記の箔の中に透過される全光線が、約８００ｎｍまでの波長範囲にて吸収されることがわかる。照射面（「前面」）に直接反射された光が測定されている。個々の処理工程の間の違いが検出されてはならない。
約８７０ｎｍから、この曲線は、接着前／後で分離するようになっている。接着していない時の曲線は、シリコン箔の背面での光の典型的な後方反射を示しており、光は、その後、背面から前面に向かって箔を通過した後に前面の位置で再び出てきており、そこで検出される（いわゆる、技術専門用語で「エスケープピーク」）。吸収や背面反射なしに透過される光は背面から出てくるが、測定されない。
接着された箔の場合には、この「エスケープピーク」部分が非常に増加される。これについての理由は、前記接着剤層による前記箔の中への、そして、そこで生じて測定される前面に更に向かう透過光の一部の背面‐反射である。
８００ｎｍと８７０ｎｍの間では、既に透過した光もまた、前記接着層から戻って反射される。その時、もう一度通過されるシリコン層厚みは、この光の大部分を吸収するのに充分な大きさであるが、前面での増加した反射に寄与しない。
Claims (16)
- 少なくとも１つの基材と、前記基材上にて少なくとも部分領域に塗布された少なくとも１つの半導体層でできた半導体構造物で、第１の半導体層が、熱的に及び／又は化学的に硬化した接着剤によって、少なくとも部分領域にて前記基材に一体的に接合されており、前記の硬化した接着剤が、少なくとも７００℃の温度までの熱安定性を有しており、前記の硬化した接着剤が、前記基材の上に接着剤を塗布してから硬化させることにより生成され、前記の少なくとも１つの基材の材料が、シリコン、焼結シリコン、グラファイト、石英、ホウケイ酸ガラス、ガラス、セラミック材料及び、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体、及びこれらの材料複合物から成るグループより選ばれたものであり、当該温度安定性が、当該温度範囲内において、本質的に金属不純物が放出されないことを意味することを特徴とする半導体構造物。
- 前記の接着剤が、シリコン、酸化物材料、窒化物材料又は炭化物材料、又はこれらの混合物から成るグループより選ばれたものであり、特に、ｘ＝１−２であるＳｉＯｘ，ｘ＝１−２であるＡｌＯｘ，ｘ＝０．５−１．５であるＳｉＣｘ，ｘ＝０−２．５であるＳｉＮｘ，ＺｎＯ：Ａｌ，ＴｉＮであることを特徴とする請求項１に記載の半導体構造物。
- 前記接着剤が、８００〜１３００℃の温度安定性を有し、好ましくは、当該温度範囲内において、１分間にｃｍ２あたり１×１０１１原子未満の不純物原子の流出量が、脱ガス及び／又は放散によって前記接着剤から前記半導体層の中へ放出されることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体構造物。
- 前記接着剤が、少なくとも１種の充填剤、特に、フィロ珪酸塩鉱物、石英粒子、金属粒子、シリコン粉末、セラミック粉末及びこれらの混合物から成るグループより選ばれたものを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体構造物。
- 前記接着剤が、８００〜１２００ｎｍの波長範囲にて入射放射線の少なくとも５０％を反射することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体構造物。
- ａ）電気的に絶縁性の基材の場合には、接着剤が、電気的に絶縁性又は電気的に伝導性であり；
ｂ）電気的に半導電性の基材の場合には、接着剤が電気的に伝導性であり；及び／又は
ｃ）電気的に伝導性の基材の場合には、接着剤が、電気的に伝導性又は電気的に絶縁性であること；
前記の電気的に伝導性の接着剤が、好ましくは、ｘ＝０．５−１．５であるＳｉＣｘ，ＺｎＯ：Ａｌ，ＴｉＮ及びシリコンから成るグループより選ばれ、しかも、前記の電気的に絶縁性の接着剤が、好ましくは、ｘ＝１−２であるＳｉＯｘ，ｘ＝１−２であるＡｌＯｘ，ｘ＝０．５−１．５であるＳｉＣｘ，ｘ＝０−２．５であるＳｉＮｘから成るグループより選ばれたものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体構造物。 - 第１の半導体層の上に、接着剤と、それに続いて、少なくとも１つの更なる半導体層が、少なくとも部分領域に塗布されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体構造物。
- 前記半導体層が、異なる物性、特に、種々の波長範囲又は異なる伝導性における入射放射線の吸収についての異なるスペクトル特性を有していることを特徴とする請求項７に記載の半導体構造物。
- 前記の少なくとも１つの基材及び／又は、前記の少なくとも１つの半導体層が、少なくとも部分領域にて、熱処理の間に生じるあらゆるガスを取り除くのに適した開放気孔率、好ましくは５〜６０％の多孔性を有していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体構造物。
- 前記のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体が、ＺｒＳＯ ４ ，ＳｉＮ，Ａｌ ２ Ｏ ３ ，ＳｉＣ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＧａＮ，ＡｌＧａＡｓＰから成るグループより選ばれたものであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体構造物。
- 前記の半導体構造物が、太陽電池、特に、ウエハー等価太陽電池、多元系太陽電池又は薄膜太陽モジュールであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体構造物。
- ａ）基材の上にて、少なくとも部分領域に、接着剤と、それに続いて第１の半導体層が塗布され、
ｂ）前記接着剤が熱的に及び／又は化学的に硬化されて、前記基材と半導体層の間に一体化接合が生成され、
前記接着剤が、少なくとも７００℃の温度までの熱安定性を有することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の、少なくとも１つの基材と少なくとも１つの半導体層からなる半導体構造物を製造するための方法。 - さらに、前記の第１の半導体層上にて、少なくとも部分領域に接着剤と、それに続いて少なくとも１つの更なる半導体層が塗布され、接着剤によって個々の半導体層の間に一体化接合が生じることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
- 前記の一体化接合の後に続いて更なる処理工程、特に、焼き戻し、湿式‐化学的、乾式‐化学的又は物理的洗浄、エピタキシャル濃化、エミッター拡散、表面及び／又はバルク不動態化、反射防止層の塗布、前‐又は後面接触、乾式又は湿式エッチング加工又はこれらの組み合わせを行うことを特徴とする請求項１２又は１３の１項に記載の方法。
- 前記接着剤の塗布及び硬化が連続工程で行われることを特徴とする請求項１２〜１４の１項に記載の方法。
- 太陽電池又は太陽電池モジュールにおける、請求項１〜１１の１項に記載の半導体構造物の使用。
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