JP7819155B2 - シリコンソーラセルのコンタクトグリッドとエミッタレイヤ間のオーミックコンタクト挙動を改善する方法 - Google Patents

Description

この発明は、シリコンソーラセルにおけるコンタクトグリッドと、エミッタレイヤ間のオーミックコンタクト挙動を改善する方法に関する。

結晶ソーラセルにコンタクトを作成するとき、スクリーン印刷技術を使用して、コンタクトグリッドの形態の金属ペーストを、誘電体窒化シリコンでコーティングされた、セルの前面に印加する。印加後、金属ペーストは、８００－９００℃で窒化シリコンに焼成され、エミッタレイヤへの電気コンタクトを形成する。金属ペーストの焼成中のプロセス制御は、形成されるコンタクトに重大な影響を及ぼし、それゆえ、誤ったプロセス制御は、シリコンソーラセル内の金属ペーストとエミッタレイヤ間の遷移において、接触抵抗が高くなる。高い接触抵抗は、シリコンソーラセルの効率を低減する可能性がある。

従来技術において、ソーラセルの効率安定化または性能改善を可能にする方法が知られている。ＤＥ１０２０１１０５６８４３Ａ１は、例えば、「シリコンソーラセルの効率の安定化」の方法を記載する。この文献では、積層プロセスの期間に、継続電流（a continuous flow of current）がソーラセルアセンブリに印加され、本質的に、シリコン材料内でホウ素－酸素複合体が破壊される。

ＵＳ４１６６９１８Ａは、ソーラセルの性能を改善するための方法を提案し、ここでは、ソーラセルは、順方向とは逆向きに印加された電圧に晒される。この場合、電流は、ソーラセル内のショートサーキットに沿って刺激され、ショートサーキットが「焼失」され、除去される。これらの既知の方法は、シリコンソーラセルのコンタクトグリッドとエミッタレイヤとの間の遷移に既知の影響を与えない。

エミッタレイヤに低抵抗の電気コンタクを形成するためには、低フィルム抵抗（１００Ω／ｓｑ未満）がエミッタレイヤに必要である。しかしながら、これは、短波光の電気への変換が不十分になる原因となる。より良い変換は、１１０－１５０Ω／ｓｑのレンジのシート抵抗で達成される。しかしながら、ここでは、コンタクトグリッドとエミッタレイヤとの間の相対的に高インピーダンスの遷移しか、通常のベークインプロセス(baking-in process)を介して生成することができない。これを回避するために、選択的エミッタの概念が開発された（例えば、ＥＰ２５８３３１５Ｂ１）。ここでは、その後に、金属ペーストで印刷されるエミッタレイヤのエリアは、局所的に高度にドーピングされるので、シート抵抗が局所的に低下する。しかしながら、これは、シリコンソーラセルを製造するプロセスにおいて高価な追加のステップを必要とする。

電子コンポーネントの分野において、導電性接着剤により接触された半導体本体へのオーム接触挙動が、電圧パルスを印加することにより改善することができることが、ＤＤ２５０２４７Ａ３から知られている。接触改善の動作モードについては、このドキュメンには詳細に記載されていない。接触に使用される導電性接着剤は、本質的に導電性粒子、通常は、ポリマーマトリックスにより囲まれた銀ボール又は銀フレークからなる。

まだ公開されていないドイツ特許出願ＤＥ１０２０１６００９５６０．１は、シリコンソーラセルにおけるコンタクトグリッドとエミッタレイヤとの間のオーム接触挙動を改善する方法を提案する。この場合、シリコンソーラセルのコンタクトグリッドは、コンタクトピンマトリクスと接触し、電圧パルスにより、このソーラセルのリアコンタクトとコンタクトピンマトリクスとの間に電流が生成される。１ｍｓ乃至１００ｍｓのパルス期間と、シリコンソーラセルの短絡電流の１０乃至３０倍の誘導電流により、コンタクトグリッドとエミッタレイヤとの間の高接触抵抗を低減し、それにより、例えば、金属ペーストの焼付け中の誤ったプロセス制御を修正することができる。あるいは、電気的にバイアスされたシリコンソーラセルを点光源でスキャンし、シリコンソーラセルの１０乃至３０倍の短絡電流密度を有する電流が照射されたサブセクションに生成される方法が記載される。シリコンソーラセルの種類と品質に応じて、ある構成では、シリコンソーラセルの太陽に面する側に照射すると、材料に望ましくない影響を引き起こし、材料を損傷する場合さえあり得る。

この発明の目的は、太陽に面する側の照射により生じる材料への影響をさらに最小化するように、シリコンソーラセルのコンタクトグリッドと、エミッタレイヤ間のオーム接触挙動を改善する方法を開発することである。さらに、この方法は、エミッタレイヤが高いシート抵抗を有するシリコンソーラセルに適用可能である。

この目的は、最初にエミッタレイヤと、コンタクトグリッドと、リアコンタクトを有するシリコンソーラセルを提供し、コンタクトグリッドを電源の一方の極に電気的に接続することにより達成される。電源の他方の極は、リアコンタクト上に配置された接触デバイスに電気的に接続される。次に、電源は、シリコンソーラセルの順方向と逆方向であって、シリコンソーラセルのブレークダウン電圧よりも低い電圧を印加する。この電圧が印加されると、次に点光源が、シリコンソーラセルの太陽面側にガイドされ、プロセスでは、太陽面側のサブセクションの断面が照射される。従って、電流がそのセクションに関連して、２００Ａ／ｃｍ^２乃至２０，０００Ａ／ｃｍ^２の電流密度を有するサブセクションに電流が誘導され、１０ｎｓ乃至１０ｍｓの間サブセクションに作用する。

この発明に従う方法によって、金属ペーストの焼付中の誤ったプロセス制御が補償されるので、ソーラセルは、最適直列抵抗を達成する。さらに、この発明に従う方法により、高フィルム抵抗を有するエミッタレイヤを用いても、コンタクトグリッドとエミッタレイヤとの間の非常に良好なオーミックコンタクトが達成され、選択的エミッタを形成するのに必要なプロセスステップを省略することができる。さらに、この発明に従う方法を用いることにより、焼付プロセスは、より低い温度で実行することができ、シリコンソーラセルを製造するプロセスにおいて、エネルギをセーブすることができる。

点光源は、レーザ、発光ダイオード、またはフラッシュランプであることが提案される。一実施形態において、点光源は、断面で５００Ｗ／ｃｍ^２乃至２００，０００Ｗ／ｃｍ^２の出力密度を有する。１つのバージョンは、点光源が、４００ｎｍ乃至１５００ｎｍの範囲の波長の放射を放出することを想定している。さらなる実施形態において、断面は、１０^３μｍ^２乃至１０^４μｍ^２の範囲のエリアを有する。シリコンソーラセルの順方向と逆向きの電圧は、１Ｖ乃至２０Ｖの範囲であることが提案される。さらに、点光源は、シリコンソーラセルの太陽に面する側のコンタクトグリッドのコンタクトフィンガのすぐ隣にガイドされることが提案される。１つのバージョンにおいて、シリコンソーラセルは、片面または両面の形を有する。他のバージョンにおいて、シリコンソーラセルは、ｎドープまたはｐドープのシリコン基板を有する。一実施形態は、エミッタレイヤが１００オーム／ｓｑを超えるシート抵抗を有することを想定する。

この発明の実施形態を以下に説明する。第１に、結晶シリコンソーラセルを用意する。これは、太陽面側に窒化珪素の反射防止層を有する。シリコンソーラセルのエミッタレイヤは、この反射防止層の下に配置される。太陽面側では、フロントメタライゼーション（front metallization）は、製造者の仕様に従って硬化され、窒化ケイ素層に焼き付けられた、商業的に入手可能な金属ペースト（例えば、銀ペースト）から作られたコレクションコンタクト（母線）およびコンタクトフィンガから構成されるコンタクトグリッドの形態で印刷される。シリコンソーラセルの太陽面と反対側に、リアコンタクト（rear contact）が装備される。このリアコンタクトは、パッシベーション（ＰＥＲＣコンセプト）あり、または無しで設計可能な金属層で構成される。

コンタクトグリッドは、電源の一方の極と電気的に接続される。電源の他方の極は、リアコンタクトに接続されたコンタクトデバイスに接続される。次に、電源はシリコンソーラセルの順方向と逆向きであって、シリコンソーラセルのブレークダウン電圧より低い電圧を印加する。この電圧が印加されると、点光源は、シリコンソーラセルの太陽面側にガイドされる。点光源は、例えばレーザ、発光ダイオード、またはフラッシュランプの収束ビームであり得る。しかしながら、この発明は、これらの放射源に限定されない。点光源は、４００ｎｍ乃至１５００ｎｍの範囲の波長を有する放射を放出する。シリコンソーラセルの太陽面側のサブセクションの断面は、この点光源により照射され、それにより電流が断面に誘導される。断面に関連した、２００Ａ／ｃｍ^２乃至２０，０００Ａ／ｃｍ^２の電流密度を有し、１０ｎｓ乃至１０ｍｓの期間サブセクションに作用する。

コンタクトグリッドとエミッタレイヤ間のオーミックコンタクト挙動を改善するのに必要な高電流密度は、放射線により誘発された材料の損傷を生じることなく、照射されたセルエリアの動作点をシフトすることにより達成することができる。断面の放射源の放射密度、コンタクトタイムおよび印加電圧との間の相互作用において、必要な電流密度は、材料を損傷する放射の必要なしに達成される。約６０μｍの表面直径を有する放射断面の場合、５０ｍＡ乃至６００ｍＡの大きさを有する電流は、通常１０Ｖの印加電圧で生成されるので、放射断面のエリアに基づいて、約２００Ａ／ｃｍ^２乃至２０，０００Ａ／ｃｍ^２の電流密度が作用する。完全に流れる電流は、特に、光線を受信する比較的小さな領域により低く抑えられる。

本質的に、シリコンソーラセルの太陽面側をスキャンするとき、点光源は、コンタクトフィンガの左および右に直接移動することで十分である。従って、この発明に従う方法を持ちいて６”セルを処理する処理時間は、約１秒である。

さらなる実施形態において、この発明に従う方法は、金属ペーストの製造業者により推奨されるよりも低い温度でコンタクトグリッドが焼き付けされたシリコンソーラセルに適用される。通常、焼付は、約８００℃で行われる。金属ペーストが、例えばわずか７００℃の温度で焼付された場合、シリコンソーラセルは、コンタクトグリッドとエミッタレイヤとの間の遷移において、高い接触抵抗を有する。この種のシリコンソーラセルでも、この発明に従う方法により、コンタクトグリッドとエミッタレイヤとの間のオーミックコンタクト挙動の改善が見られた。この発明による方法と、より低い温度で実行される焼付プロセスが組み合わされた場合、エネルギを同時に節約しながら、コンタクトグリッドと、エミッタレイヤとの間の遷移において、同じコンタクト抵抗が達成される。

この発明に従う方法は、片面および両面シリコンソーラセルの両方に適用可能である。後者の場合、両側のコンタクトを最適にするのに、片側の処理だけで十分である。

他の実施形態において、エミッタレイヤが選択的に形成されておらず、従って面全体に高いシート抵抗（１００Ω／ｓｑを超える）を有するシリコンソーラセルに、この処理が適用される。上述したように、これらのシリコンソーラセルは、または金属ペーストで印刷され、次に、焼付プロセスがなされ、それにより、焼付プロセスは、製造業者の指示書に従って、またはより低い温度で実行することもできる。焼付プロセスの後、シリコンソーラセルは、コンタクトグリッドとエミッタレイヤとの間の遷移において、比較的高い値のコンタクト抵抗しか持たない。この発明に従う方法を適用することにより、接触抵抗は、断面の放射源の放射密度と、コンタクトタイムと、印加電圧の相互作用により、これらのシリコンソーラセルにおいても同様に低減され、シリコンソーラセルの最適動作に必要な値を低減する。それゆえ、選択的エミッタは、必要ではなく、その製造に必要な、コストのかかる工程を、省略することができる。

Claims (18)

1. シリコンソーラセルにおけるコンタクトグリッドと、エミッタレイヤとの間のオーミックコンタクト挙動を改善する方法において、前記シリコンソーラセルは最初に、前記エミッタレイヤ、前記コンタクトグリッド、およびリアコンタクトが提供され、前記コンタクトグリッドは、電源の一方の極と電気的に接続され、前記電源の他方の極に電気的に接続されたコンタクトデバイスは、前記リアコンタクトに接続され、前記電源により、前記シリコンソーラセルのブレーク電圧未満の電圧が、前記シリコンソーラセルの順方向と逆向きに印加され、この電圧が印加される間に、点光源が、前記シリコンソーラセルの片側にガイドされ、それにより前記片側の一部分に含まれるサブセクションの太陽光活性領域が照射され、それにより前記サブセクションに電流が誘導され、前記太陽光活性領域に対する電流は、２００Ａ／ｃｍ^２乃至２０，０００Ａ／ｃｍ^２の電流密度を有し、１０ｎｓ乃至１０ｍｓの間前記サブセクションに作用する、方法。
2. 前記点光源は、レーザ、発光ダイオード、またはフラッシュランプである、請求項１に記載の方法。
3. 前記点光源は、前記太陽光活性領域に対して、５００Ｗ／ｃｍ^２乃至２０，０００Ｗ／ｃｍ^２の出力密度を有する、請求項１に記載の方法。
4. 前記点光源は、４００ｎｍ乃至１５００ｎｍの範囲の波長を有する放射を放出する、請求項１に記載の方法。
5. 前記太陽光活性領域は、１０^３μｍ^２乃至１０^４μｍ^２の範囲の領域を有する、請求項１に記載の方法。
6. 前記シリコンソーラセルの前記順方向と逆向きの前記電圧は、１Ｖ乃至２０Ｖの範囲内にある、請求項１に記載の方法。
7. 前記点光源は、前記シリコンソーラセルの前記片側の、前記コンタクトグリッドのコンタクトフィンガの、隣にガイドされる、請求項１に記載の方法。
8. 前記シリコンソーラセルは、片面シリコンソーラセルまたは両面シリコンソーラセルである、請求項１に記載の方法。
9. 前記シリコンソーラセルは、ｎドープまたはｐドープシリコン基板から構成される、請求項１に記載の方法。
10. 前記エミッタレイヤは、１００Ω／ｓｑを超えるシート抵抗を有する、請求項１に記載の方法。
11. 前記片側は、前記シリコンソーラセルの太陽面側である、請求項１に記載の方法。
12. 前記片側は、前記シリコンソーラセルの太陽面側と反対側である請求項１に記載の方法。
13. シリコンソーラセルにおけるコンタクトグリッドと、エミッタレイヤとの間のオーミックコンタクト挙動を改善するプロセスであって、
    前記エミッタレイヤ、前記コンタクトグリッド、およびリアコンタクトを有する前記シリコンソーラセルを提供するステップと、
    前記コンタクトグリッドを、電源の一方の極と電気的に接続するステップと、
    コンタクトデバイスを、前記電源の他方の極および前記リアコンタクトに電気的に接続するステップと、
    前記電源により、前記シリコンソーラセルのブレーク電圧未満の電圧を、前記シリコンソーラセルの順方向と逆向きに印加するステップと、
    この電圧が印加されると、光源を、前記シリコンソーラセルにガイドして、それにより前記シリコンソーラセルの片側の一部分に含まれるサブセクションの太陽光活性領域を照射して、それにより前記サブセクションに電流を誘導するステップと、
    を含むプロセス。
14. 前記太陽光活性領域に対する電流は、２００Ａ／ｃｍ^２乃至２０，０００Ａ／ｃｍ^２の電流密度を有し、１０ｎｓ乃至１０ｍｓの間前記サブセクションに作用する、請求項１３に記載のプロセス。
15. 前記光源は、レーザ、発光ダイオード、またはフラッシュランプである、請求項１３に記載のプロセス。
16. 前記光源は、４００ｎｍ乃至１５００ｎｍの範囲の波長を有する放射を放出する、請求項１３に記載のプロセス。
17. 前記光源は、前記コンタクトグリッドのコンタクトフィンガの、隣にガイドされる、請求項１３に記載のプロセス。
18. シリコンソーラセルにおけるコンタクトグリッドと、エミッタレイヤとの間のオーミックコンタクト挙動を改善するプロセスであって、
    前記エミッタレイヤ、前記コンタクトグリッド、およびリアコンタクトを有する前記シリコンソーラセルを提供するステップと、
    前記コンタクトグリッドを、電源の一方の極と電気的に接続するステップと、
    コンタクトデバイスを、前記電源の他方の極および前記リアコンタクトに電気的に接続するステップと、
    前記電源により、前記シリコンソーラセルのブレーク電圧未満の電圧を、前記シリコンソーラセルの順方向と逆向きに印加するステップと、
    この電圧が印加されると、光源により前記シリコンソーラセルの片側の一部分に含まれるサブセクションの太陽光活性領域を照射して、それにより前記サブセクションに電流を誘導するステップと、
    を含むプロセス。