JP3817656B2

JP3817656B2 - 光起電モジュールの製法

Info

Publication number: JP3817656B2
Application number: JP25444194A
Authority: JP
Inventors: ダニエーレ・マルガドンナ; バルテル・パスクァ; マリアーノ・ツァルコーネ
Original assignee: Eurosolare SpA
Current assignee: Eurosolare SpA
Priority date: 1993-09-23
Filing date: 1994-09-22
Publication date: 2006-09-06
Anticipated expiration: 2021-09-06
Also published as: ATE215737T1; JPH07169987A; ES2173904T3; IT1272665B; US5504015A; AU7411394A; ITMI932035A1; AU673622B2; DE69430286T2; EP0645828B1; ITMI932035A0; EP0645828A1; DE69430286D1

Description

【０００１】
本発明は、薄い結晶性ケイ素層を基材とする光起電モジュールの製法に係る。
【０００２】
結晶性ケイ素を基材とする光起電モジュールは製造されており、電気エネルギーを発生するために使用されている。近年使用されている製造方法では、たとえば Martin A．Green によって Solar Cells，Operating Principles，Technology and System Applications，Prentice−Hall Inc．に開示されているように、モジュールは、直列又は並列に電気的に接続された電池のアセンブリーを形成するように相互に結合された個々の太陽電池でなる。ついで、このアセンブリーを、高透過性ガラスシートと、ガラス又はリア保護として好適なプラスチック材料の他のシートとの間でカプセル化する。ついで、ユニット全体を重合体樹脂で密閉する。
【０００３】
これらの方法は、350〜500μｍを越える厚さを有するケイ素シートを使用するものである。
【０００４】
該製法の評価において、シートの厚さ、すなわちケイ素の量を低減することによって、ワット当たりのコストをかなり低下させうることが示された。ただし、厚さが低下し、面積が増大するにつれて物質のもろさが増大すること、及びウェーハの厚さが300μｍ以下の場合には、光起電モジュールの製造収率が劇的に低下することが問題となる。
【０００５】
発明者らは、大きい面積を有する薄いケイ素ウェーハを包含する光起電モジュールを製造する低コスト製法によって、これらの問題を解消した。
【０００６】
これによれば、本発明は、ケイ素が支持された大面積の薄層形であることを特徴とする単結晶性又は多結晶性ケイ素を基材とする光起電モジュールの製法において、ａ）耐熱性材料でなる支持基板上に、好適な電気的活性な不純物をドープした表面積0.5ｍ² 以下及び厚さ100〜500μｍを有する１以上のケイ素ウェーハを配置し、ｂ）シルクスクリーン法によって該ケイ素ウェーハ上にドーピングペーストを塗布し、ｃ）温度900〜1000℃に加熱することによってドーピング剤を拡散させ、ｄ）拡散した層を切断することによってユニット活性エレメントの表面積を限定し、ｅ）該活性エレメントの前面及び背面上に接点を形成し、ｆ）接点を形成したリア保護ガラスを当て、ｇ）活性エレメントを相互に接続し、ｈ）反射防止層を設け、ｉ）カプセル化することを特徴とする光起電モジュールの製法を提供するものである。
【０００７】
次に、添付図面を参照して本発明の製法を詳述する。なお、図面において、同一の符号は同一の部材を示す。
【０００８】
図１に示す工程ａ）において、ｐ又はｎドープ高純度ケイ素インゴットを切断することによって得た単結晶性又は多結晶性ケイ素ウェーハを使用する。ウェーハの厚さは100〜500μｍであり、好ましくは100μｍである。その面積は要求に応じて異なる。超音波又は一般的に使用されている公知の各種の洗浄溶液の１つを使用する浄化の後、焼結した無定形石英又は工程ｃ）の高温に耐えうる加工可能な他の材料でなる支持基板２上にウェーハ１を配置する。
【０００９】
該基板はケイ素ウェーハを収容するためのシート（孔３を具備する）を有し、このシートの深さはウェーハの厚さよりも小さい。この基板を排気可能な金属支持体４（ガスケットを介して密着される）上に配置し、該支持体を介してシートを真空状態とする。このようにして、ウェーハを空気減圧システムによって支持体に対して密着状態に維持する。
【００１０】
工程ｂ）
金属支持体及びケイ素ウェーハを収容する基板を、該アセンブリー全体を減圧下に維持しながら、ケイ素ウェーハ上に該ケイ素ウェーハのものと逆の種類のドーピング剤を含有するシルクスクリーンペーストを塗布することができる市販の装置内に設置する。
【００１１】
工程ｃ）
前記ドーピング剤を好適な濃度プロフィールでケイ素内に拡散させる高温熱サイクルを有するトンネル炉内においてドーピング剤を拡散させる。温度は900℃以上であり、950℃が好適である。
【００１２】
工程ｄ）
金属支持体上に配置し、減圧下に維持したケイ素ウェーハを収容する基板を、微小ｘ−ｙ移動可能なトラバーステーブル上に配置する。好ましくはパワーレーザー、又はダイヤモンドセット砥石車又は好適な装置を使用して、ケイ素ウェーハの縁から拡散層（装置を短絡させる）を除去する。大面積のウェーハの場合には、ケイ素ウェーハの表面全体を異なる独立した活性エレメントに分割するために当該方法を使用することもできる。ついで、これらのエレメント（１つのケイ素ウェーハから調製した）を、つづく工程で相互に電気的に接続して光起電モジュールを形成する。
【００１３】
この工程の終了時、炉内でのドーピング剤の拡散の際にウェーハの表面上に絶縁性の酸化ケイ素層が形成される可能性があるため、フッ化水素酸によってこれを除去することが好適である。この目的のため、図２から明らかなように、ウェーハを収容する基板を、耐酸性材料（たとえばテフロン）の「ポケット」でなり、化学的攻撃を受ける部分に対応する開口を有するマスキングカバー５内に装入する。化学的攻撃の間に、超音波によって作用を促進させることが有利である。ついで、ウェーハを脱イオン水で洗浄し、乾燥させる。
【００１４】
この除去操作は、次工程の間に、金属が酸化物層を通過してケイ素と合金化するような焼成サイクルが使用される際には回避される。
【００１５】
工程ｅ）
ウェーハを収容する基板を排気可能な金属支持体上に再度配置し、シルクスクリーン法により、好ましくは銀含有導電ペーストを使用して、各種活性エレメント上にフロント接点を塗布する。
【００１６】
リア接点を形成するためには、図３に概略して示すような反転システムが必要である。金属支持体（移転側システム）６上に配置し、減圧下に維持した基板を、完全に同一のシステム（受け取り側システム）７上に反転させる。真空を移転側システムから受け取り側システムに移す際、活性エレメントは受け取り側システム（新たに真空がかけられる）のシート内に重力落下する。ついで、反転した活性エレメントの背面について接点のシルクスクリーン塗布を行う。接点を乾燥させた後、700〜900℃（好ましくは800℃）の高温で焼成して、ケイ素と合金化させてオーム接点を形成する。
【００１７】
工程ｆ）
厚さ約３mm、ケイ素ウェーハ（数個の感応性エレメントに分割される場合）又は多数のウェーハ（これらの各々が１つの感応性エレメントを代表する場合）のものと等しい又は大きい寸法のガラスシート上に、導電性軌道を、ケイ素ウェーハの背面上に前の工程で既に析出されたリア接点に正確に対応する位置で感応性エレメントを相互に接続するために析出させる。ガラスシートをケイ素上に積層して、２つのシリーズの接点を並置する。この時点で真空を取り去り、「サンドイッチ」を約200℃に加熱する。
【００１８】
工程ｇ）
１つの感応性エレメントの前面が次のエレメントの背面と接続して、モジュールの出口で所望の電流及び電圧を提供するように相互接続を形成する。
【００１９】
図４は相互接続のスキームを示す。初めに電池の一方の縁に絶縁重合体を析出し、ついで導電性デポジット８によって電池のフロント接点９を次の電池のガラスに沿って絶縁層によって保護された点で電池を越えて伸びるリア接点10に接続させる。これにより、電池の短絡を防止する。図４はｐ／ｎジャンクション11及びリアガラス12も示す。
【００２０】
工程ｈ）
反射防止層をモジュールの前面に形成する。この目的のため、たとえば数100Åの酸化チタン層を析出する。
【００２１】
工程ｉ）
多くの公知の方法の１つを利用してモジュールをカプセル化する。たとえば、前面防護材として高透過性強化ガラスを使用でき、密閉用樹脂としてエチレン−ビニル酢酸を使用できる。
【００２２】
本発明の他の具体例によれば、ケイ素上のリア接点及びリア保護ガラス上の接点の両方について単一の接点焼成工程を使用できる。これに関して、ケイ素の焼成温度は非常に高く、基本的にはガラスにとって不都合なものであるが、この操作に最適な条件は焼成時間を非常に短く（数秒）することによって及びケイ素表面を照射により加熱することによって達成される。さらに、ガラスはスペクトルのかかる領域では照射を吸収しない。
【００２３】
この場合、方法を下記のように変更する。すなわち、工程ｅ）において、リア接点を析出した後、高温での焼成を行わず、代わりに温度200〜300℃に加熱する。ついで、工程ｆ）において、約700〜900℃、５〜20秒の高温焼成を行う。
【００２４】
本発明のさらに他の具体例では、工程ｆ）において、ガラス上に接点を形成せず、代わりに支持基板上に形成し、これにより、基板ば光起電モジュールの１構成部材となる。
【００２５】
要約すると、本発明によるモジュールの製法は小さい面積のウェーハを原料として使用せず、代わりに支持された大きい面積のケイ素シートを使用している。モジュールは、異なる厚さを有し、積層され、シルクスクリーン法によって相互接続された一連のケイ素シートでなる。この方法によって製造されたモジュールは、従来の方法によって製造されたモジュールから達成されるものよりも低くない太陽光変換効率を有する。さらに、ケイ素シートの厚さの低減及び0.5ｍ² 以下の大きい面積のものを取扱うことによって達成される製造効率の増大（製造時間が１／10となる）のため、１シフト当たりの工業生産コストが、年間10Mwを越える容積の場合には半分となるものと思われる。
【００２６】
本発明がさらに良好に理解されるように、以下にいくつかの実施例を例示するが、本発明を限定するものではない。
【００２７】
【実施例１】
厚さ200μｍ及びサイズ20×20cmの高純度ｐドープケイ素ウェーハ８枚を、ウェーハを収容するための８つのシートを包含する焼結石英プレートでなる支持基板上に配置した。各シートは深さ150μｍであり、基部に１以上の貫通孔を有する。
【００２８】
基板を、ゴム製密閉ガスケットを具備する排気可能な方形の金属トレー上に配置した。アセンブリーに真空をかけ、ウェーハを石英プレート上に密着保持した。ついで、ウェーハ上にシルクスクリーン法によってリンを含有するドーピングペーストを塗布した。
【００２９】
石英プレートを排気可能なトレーからはずし、トンネル炉に装入して拡散を20分間行い、その間に最高温度は950℃に達した。拡散操作の終了時、ウェーハの表面上には深さ0.2〜0.4μｍまでリンでドープされた層が存在していた。
【００３０】
基板を再度、排気可能なトレー上に置き、真空下に維持した。ｘ−ｙテーブル及びパワーレーザーを使用してウェーハを切断して、各ウェーハから４個の活性エレメントを得た。縁から拡散層を除去した。このようにして、各々約100cm² の計32個の活性ユニットを得た。拡散の結果として表面上に形成された酸化ケイ素を前述の装置を使用してHFによって除去した。
【００３１】
基板を排気可能なトレー上に配置し、シルクスクリーン法によってケイ素上にフロント接点を塗布した。Agでなる接点は厚さ10μｍ、幅120μｍを有する。前述の如く基板を反転させた後、同様にして背面にAg及びAlでなる接点を塗布した。フロント及びリア接点の両方を200℃で乾燥させ、ついで750℃で焼成することによってケイ素と合金化させた。
【００３２】
次に、厚さ３mm及び石英基板に等しいサイズの強化ガラス上に、ウェーハの背面上に既に塗布されたリア接点と正確に対応して、シルクスクリーンによって導電性軌道を塗布した。ガラスに適合する温度（本発明では400℃）で焼成した後、ガラスプレートを、ガラス上の接点がケイ素上に既にシルクスクリーン法で塗布されている接点と並置するように積層した。
【００３３】
１つの活性エレメントの前面と次の活性エレメントの背面との間を相互接触させた後、前面に厚さ800Åの酸化チタン層を気相付着させた。
【００３４】
最後に、モジュールを常法によってカプセル化した。
【００３５】
【実施例２】
20×10cmのケイ素シートを使用して、リア接点の塗布まで実施例１の操作を行った。
【００３６】
この時点で、高温での焼成の代わりに、オーブン内で接点を200℃、数分間で乾燥させた。
【００３７】
つづいて、実施例１の如くしてリアガラス上に接点を形成した。ただし、400℃で焼成する代わりに、焼成を750℃、15秒間で行った。
【００３８】
モジュールの製造法の最後の部分は実施例１に記載のとおりである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による製法の工程ａ）を示す図である。
【図２】本発明による製法の工程ｄ）における絶縁層の除去操作を説明する図である。
【図３】本発明による製法の工程ｅ）における操作を説明する図である。
【図４】本発明による製法の工程ｆ）を示す図である。
【符号の説明】
１ケイ素ウェーハ
２支持基板
３貫通孔
４金属支持体
５マスキングカバー
８導電性デポジット
９フロント接点
１０リア接点
１１ｐ／ｎジャンクション
１２リアガラス

Claims

単結晶性又は多結晶性ケイ素を基材とする光起電モジュールであって、前記ケイ素が、支持された大面積の薄層の形である光起電モジュールの製法において、ａ）耐熱性材料でなると共に、少なくとも１つのシートを有する支持基板 ( ２ ) であって、前記シートが該支持基板を貫通する孔（３）を有している支持基板( ２ )上に、電気的に活性な不純物をドープした表面積０.５ｍ²以下及び厚さ100〜500μｍを有する１以上のケイ素ウェーハ( １ )を配置し；この支持基板 ( ２ ) を、ガスケットを介して排気可能な支持体 ( ４ ) に密着させ；前記排気可能な支持体 ( ４ ) を通して前記少なくとも１つのシートに真空状態を付与することによって、前記１以上のケイ素ウェーハ ( １ ) を前記支持基板 ( ２ ) に密着させ、ｂ）シルクスクリーン法によって前記ケイ素ウェーハ( １ )上にドーピングペーストを塗布し、ｃ）前記支持基板 ( ２ ) 及びケイ素ウェーハ ( １ ) を温度900〜1000℃に加熱することによってドーピング剤を拡散させて、拡散層を形成し、ｄ）拡散層を切断することによってユニット活性エレメントの表面積を限定し、ｅ）各ユニット活性エレメントの前面及び背面上に、シルクスクリーン法によって、接点を形成し、ｆ）リア保護ガラス ( １２ ) の上に、感応性エレメントを相互に接続するため、ケイ素ウェーハの背面上に前記工程で既に形成されたリア接点と正確に対応する位置で導電性軌道を形成し；このリア保護ガラス ( １２ ) を、前記活性エレメントの背面に当て、ｇ）活性エレメントを相互に接続して光起電モジュールを形成し、ｈ）光起電モジュールの前面に反射防止層を設け、ｉ）光起電モジュールをカプセル化することを特徴とする、光起電モジュールの製法。
工程ａ）のケイ素ウェーハ( １ )が厚さ100〜250μｍを有するものである、請求項１記載の光起電モジュールの製法。
工程ａ）のケイ素ウェーハ( １ )が厚さ100μｍを有するものである、請求項１記載の光起電モジュールの製法。
工程ａ）の支持基板( ２ )が石英でなるものである、請求項１記載の光起電モジュールの製法。
工程ｆ）のリア保護ガラス ( １２ ) が支持基板自体である、請求項１記載の光起電モジュールの製法。
工程ｅ）において、リア接点の塗布後、活性エレメントの加熱を温度200〜300℃で行い、ついで、工程ｆ）において、温度700〜800℃、20秒以下で焼成を行う、請求項１〜５のいずれか１項記載の光起電モジュールの製法。