JPH0754855B2 - ソーラー・アレーの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は金属箔マトリクス内に配置されたシリコンの
球から、露光した時に発電する太陽電池（ソーラ・セ
ル）を作る方法に関する。

従来の技術及び問題点 太陽光線を他の形の有用なエネルギに変換することによ
つてエネルギを発生する装置はよく知られており、太陽
が主なエネルギ源であるという経済性の為、こういう装
置は絶えず開発され且つ改良されている。この様な１つ
の装置が米国特許第4,021,323号に記載されており、こ
の米国特許では、硝子又はプラスチックの様な透明なマ
トリクスで構成されたソーラー・アレーに、その片側に
Ｎ形表皮部を持つＰ形のシリコン、又はその片側にＰ形
表皮部を持つＮ形シリコンの粒子をマトリクス内に埋込
んで設けたソーラー・アレーが記載されている。大体半
分の粒子がＮ形表皮部を持つＰ形であり、残りがＰ形表
皮部を持つＮ形であることが好ましいが、この構成を変
えることが出来る。マトリクスの裏側では、それから突
出する粒子が適当な導電メタライズ部分によつて相互接
続される。シリコン粒子の表皮部がマトリクスの前側か
ら伸出す。こういうアレーは、マトリクスの前側と接触
する電解質、好ましくは臭化水素酸（HBr）内に浸漬す
る。電解質と接触する異なる導電型のシリコン粒子の間
の電位差の為、HBrを泡立つ水素ガスと溶解したままに
なつている臭素とに電気分解する太陽光の下で、その間
に電位差が設定される。水素ガスを収集し、例えば燃料
電池等の様なエネルギ源とするが、これは周知である。

こういう形式のソーラー・アレーではシリコン粒子が電
気分解に独立に参加する。その結果、アレーによつて反
応生成物が発生される速度は、若干の粒子のＰ−Ｎ接合
が短絡し又は分路されても、あまり影響を受けない。

太陽光線から有用なエネルギを発生する別の装置は、上
に述べた種類と同様であるが、電気分解を行なわずに、
電力を発生する様に構成されている。この様な１つの装
置が米国特許 第2,904,613号に記載されている。その他の構成も可能
であるが、役に立つ実施例は、硝子又はプラスチックの
様な透明マトリクスにＰ形表皮部を持つＮ形シリコンの
粒子を設けて構成される。粒子のＮ形のコアがマトリク
スの裏側から突出し、適当な導電メタライズ部分によつ
て相互接続される。Ｐ形表皮部がマトリクスの前側から
突出し、細い金属格子の上の酸化錫の様な導電性で透光
性の材料によつて相互接続される。太陽光の下では、こ
のアレーの後側及び前側の相互接続部の間に電位差が設
定され、それを適当に接続して、外部の電気負荷に直接
的に給電することが出来る。

この技術の改良が米国特許出願 第562,782号に記載されている。この出願には、前に述
べた発明の改良が記載されている。然し、現状では、上
に述べた従来の方法に従つて、ソーラー・セルを製造す
るコストはあまり経済性がなく、この従来の方式はこれ
まで経済的に大きな成功を収めていない。従つて、経済
的に成り立ち得るソーラー・セルを供給する為には、こ
ういうアレーを比較的高価ではなく製造出来ることが絶
対条件である。

問題点を解決するための手段及び作用 この発明では、上に述べた従来の問題を大幅に削減し、
前に引用した従来技術と較べて、ソーラー・アレーを経
済的に製造することが出来る様なソーラー・アレーの製
法を提供する。

簡単に言うと、この発明では、その表面に自然の酸化ア
ルミニウムを持つと考えられる様な標準型の可撓性アル
ミニウム箔の第１のシートを設けて、ソーラー・アレー
を形成する。シリコンの球を配置すべき場所で箔を打出
して、金属マトリクスを形成する。その後、箔をきれい
にして有機物を除き、打出しを行なつた薄い区域を除去
してそこに開口を作る為にエッチングをし、シリコン球
を挿入する為の場所を作る。別のエッチング工程を用い
て、箔にマツト面（matte surface）を作る。箔が、そ
れに適用すべき球に対するハウジングを形成すると共に
その前側接点を形成する。Ｐ形の上にＮ形表皮部を持つ
シリコンの球を箔の表側にデポジツトし、箔の裏側に真
空チャツクを設けて、球を前以つて形成した開口に吸込
み、その中に途中まで入れて、空気がこの開口を通過す
ることを遮断する。最初は開口の数に較べて過剰の数の
球を使うので、最終的には全ての開口が球で埋められ、
その後使われなかつた球は、箔の後面をプラツシング等
することによつて除去される。

次にシリコンの球をインパクト・プレスを使うことによ
つてアルミニウム箔に結合する。このプレスが球を開口
の中に押込み、球の赤道が箔より上方にあつて、箔の表
側（太陽又は光の方を向いた側）に来る様にする。強い
力で球を開口の中にこの様に押込むことにより、シリコ
ンの球と接触した表面のアルミニウムが裂け、その場所
で新鮮なアルミニウムが露出する。アルミニウムに対す
るシリコンの球の移動によつて生ずる剪断により、表面
の参加アルミニウムも削り落されて、この様な露出した
新鮮なアルミニウムが得られる。この作用は、アルミニ
ウム箔、特に露出したアルミニウムと接触する球の部分
から、酸化シリコンの実質上全部を除去する。この作用
は、約500℃乃至577℃未満の範囲内の温度にアルミニウ
ムをおいて行なわれ、この時、アルミニウムは固体であ
るが変形し易くなり、これに対してシリコンはこの温度
では依然として剛体である。（インパクトの持続時間が
十分短かければ、577℃より高い温度にすることも出来
る。）新鮮なアルミニウムが２酸化シリコンを浸食し、
インパクトの際、インパクトを加えた場所で実質的にそ
れを除去する。この様にして、シリコンとアルミニウム
の間の結合が得られ、シリコンのＮ形表皮層ら対するア
ルミニウム接点が形成される。この後、箔と球から成る
アレーを周囲温度まで冷却して、箔が再び硬化するのに
任せる。

次に、球が露出している箔の裏側をエツチして、そこに
あるＮ形表皮部を除去する。これは、アルミニウム箔が
シリコン・エツチヤントに対するマスクとして作用する
からである。箔自体は、普通はその上にごく薄い自然の
酸化物コーテイングが形成されている為に、あまり反応
性はない。次にアレーを硫酸バス（bath）（約10％H₂SO
₄）内に約1/2分間入れアレーを陽極酸化し、アルミニウ
ムの上に酸化物コーテイングを設ける。次に、アルミニ
ウムを密封してシリコンを陽極酸化する為に、0.5％H₃P
O₄を含む別の陽極酸化バスを用いる。この様にして約10
μｍのAl₂O₃及び0.1μｍのSiO₂が成長する。次に球の後
面をラップして、それと接触させる為の面を設ける。ラ
ツプ過程により、この面が粗面化され、この為良好なオ
ーミツクが形成されるようになる。次に、薄いアルミニ
ウムの第２の箔をラップした面に適用し、500℃乃至577
℃未満の範囲内の温度まで予熱した後、箔をラップした
領域にインパクト・プレスして、この領域に対する接点
を形成する。

リール形実施例でアレーを形成する場合、第２の箔を球
に結合する前に、隣接するアレーの間の場所で、表皮部
を２つの箔の間に配置する。この実施例では、第２の箔
を球に結合する際、上側及び下側の箔を表皮部に押付け
るが、それと結合はしない。その後、アレーの両側で、
表皮部の上で箔を適当にけがき、アレーの両側で、各々
の箔に対する箔延長部を設ける。次にこの箔延長部を直
列回路に互いに接続して、拡大回路を形成することが出
来る。

上に述べた様な表皮部を持つアレーをけがき、互いに分
離し、面取りして、長方形のアレーの片側だけが接点の
形で外向きに伸びる第２の箔部分を持つ様にすることが
出来る。こう言う接点を他のアレーの第１の箔部分に任
意の幾何学的な形で接続して、入力及び出力を持つモジ
ユールを作る。

その結果、各々のシリコンの球のおもな部分がアレーの
前側に配置されて太陽光線を受取る為に利用し得る表面
の大きさを大きくしたソーラー・セルが得られる。更
に、当然ながら、このアレーは可撓性であり、アルミニ
ウム箔に光反射器を持つており、比較的少数の硬化では
ない材料及び処理工程を用いて提供される。

実施例 第１図及び第２図には、この発明に従つてソーラー・ア
レーを形成する為の、この発明の特徴を利用した処理工
程が略図で示されている。最初、厚さ約２ミルのアルミ
ニウム箔１を用意する。この箔は可撓性であつて、環境
に対して普通に露出している為に、その表面にごく薄い
自然の酸化物層を持つているのが普通である。以下の説
明はソーラー・アレーの１個の部材に関するものである
が、前に説明した従来技術から判る様に、アレー全体に
は多数のアレー部材があることを承知されたい。

最初にアルミニウム箔１を（ａ）に示す様に周期的な６
角形の配置で、例えば中心間16ミルで打出し、厚さが薄
くなつた打出し部３は、その中に配置しようとする球の
直径より若干小さい直径にする。打出し部は円形又は６
角形の様なその他の幾何学的な形であつてよい。多角形
の打出しの場合、中心を通つて多角形を横切る線は、こ
れに適用する球の直径より小さくする。次に、箔を洗浄
して有機物を除去し、その後（ｂ）に示す様に熱した水
酸化ナトリウム又はカリウムを用いてエツチし、箔の
内、打出し部３を作った領域を除去すると共に、その場
所に開口５を設ける。打出し領域３は、エツチングの
間、箔の他の部分よりも一層薄手である為に、箔の他の
部分より先に除去されると共に、そこで行なわれた打出
しによる冷間加工がなされている為にも、エツチされる
のが一層速い。これをアルミニウム・マトリクスと呼
ぶ。

この点で、随意選択により、25％HF、60％HNO₃及び15％
氷酢酸であるエツチヤントの50％溶液を用いたエツチン
グにより、箔に或る生物を持たせ、後方反射を最小限に
抑えるマトリクス面を作ることが出来る。

（ｃ）に示す様に、Ｎ形表皮部９及びＰ形内部11を持つ
複数個のシリコンの球７を箔１上のマトリクスの上側15
にデポジットし、真空チヤツクを用いて箔の裏側13に真
空を加えて、球７を開口５の中に引込む。最初に箔の裏
側では、開口５の数に比べて過剰の球７を用いるので、
全ての開口が球７で埋まり、その後過剰の球７がブラシ
がけ等により、箔１の上側から除去される。ここで用い
る球は直径が14.5ミルであることが好ましく、前に述べ
た様に、開口５の断面直径は14.5ミルより小さく、箔の
裏側で箔に真空がかけられるが、その理由は後で説明す
る。

この後、（ｄ）に示す様に、箔を加熱し、ついでインパ
クト・プレスを使うことにより、球７がアルミニウム箔
１の開口５の中に結合される。この時、球７が素早く開
口５の中に押込まれ、開口内に剪断作用を生じ、それが
開口の所の箔の内面にある酸化アルミニウムを削取り、
新鮮なアルミニウム元素を露出する。前に述べた様に、
球７が開口５の中に押込まれる時にアルミニウムは530
℃の温度に加熱されており、この為アルミニウムは反応
性であつて、機械的なに性質が幾分粘性を持ち、用意に
変形する。従つて、元素のアルミニウムが球の上にある
非常に不水自然の酸化シリコン層と反応して、それを除
去し、この為箔１のアルミニウムがこの時球のＮ形層９
内にあるシリコン元素と直接的に接合して、それに対す
る接点を形成することが出来る。

球の赤道がアルミニウム箔１により上方、又はその上方
15にある様に、球７が開口５内に配置される。こういう
配置は、アルミニウム箔１の上下に配置された圧力パツ
ドを使うことによつて可能になる。圧力パツドはクツシ
ヨンとして作用する窒化硼素の粉末の様な離型剤で被覆
した厚さ約８ミルのアルミニウム箔で形成されており、
この為、インパクト・プレスのハンマーがインパクトを
加える際に球を損傷することがない。更に、圧力パツド
がハンマーの衝撃を吸収する。箔１の15側にある上側の
圧力パツドで箔１の13側にある下側の圧力パツドよりも
厚手であつて、前に述べた様に、球の赤道が箔からずれ
る様にする。2cm平方のアレーに対し、約48フイート・
ポンドのインパクト・エネルギが首尾よく作用すること
が判つた。この為、アルミニウムがこの時シリコンに直
接的に結合されることは、前に述べた通りである。

箔１の後側の面13及び球７の内、この側にある部分を、
この後（ｅ）に示す様にエツチヤントを用いてエツチし
て、Ｎ形層９の内、アレー後面の上にある部分を取去
り、Ｐ形領域を露出する。自然の酸化物をその上に持つ
アルミニウム箔１がこのエツチヤントに対してマスクと
して作用し、アレーの後側13にある層９の部分だけを除
去することが出来る様にする。この後、アレーを脱イオ
ン水で洗滌してエツチヤントを除き、次に（ｆ）に示す
様に、約20ボルトで約1/2分間の間、10％H₂SO₄溶液内で
アレーを陽極酸化して、露出したシリコン及び箔を不働
態化する。次に約20ボルトで約1/2分間0.5％H₃PO₄溶液
内でアレーを陽極酸化する。陽極酸化に要する時間は、
バスの電流がゼロになつて打切られる時の関数であり、
これが約1/2分であることが判つた。燐酸を使うことが
重要であり、これは酸化アルミニウム内の孔を塞ぎ、前
にエツチしたシリコン表面に約1,000Åの酸化物層21を
作ることが判つた。

次に、陽極酸化の際に形成された後側21を周知の方法で
機械的に削磨することにより、陽極酸化したアレーの球
７をラツプする。このラツピングにより、２酸化シリコ
ン21及び若干のシリコンの両方が除去されて、球７の後
面17が平坦になり、17に示す様に粗面が得られ、この為
その上にオーミツク接点を形成することが出来る。次
に、約1/2ミルのアルミニウムの薄箔19を（ｈ）に示す
様に各々の球７の後面17の上に配置して、それがラツプ
した平坦な領域17の上に来る様にする。このアルミニウ
ムは好ましくは530℃の温度、又は約500乃至577℃の範
囲内の温度に加熱するが、前に述べた様な条件がある。
加熱された箔19がこの後インパクト・プレスによつて球
７に圧着され、このインパクトによつて露出したアルミ
ニウムと、ラツピング並びにアルミニウム元素によるイ
ンパクトの為に球７の後面で露出したシリコンとの間の
結合部が形成される。前に（ｄ）について述べたのと同
じ様に結合を行なうことにより、シリコン領域11に対す
る箔の接点19が形成される。アルミニウム箔１の陽極酸
化の為、この箔の表面の上には厚い酸化アルミニウムが
あつて、箔１の及び箔19の間の短絡を防止する。
（（ｉ）に示す様に、アレーの前側の面の上に標準的な
反射防止コーテイングを適用し、シリコンの光の吸収を
改善することが出来る。）従つて、シリコンの球の大部
分が入射する太陽光線に露出し、アレーが可撓性であつ
て、使われる処理並びに使われる材料が比較的高価でな
く且つ数が少ない様にして、ソーラー・アレーが提供さ
れたことが理解されよう。

実際の処理工程では、上に述べた様なアレーは、別々の
アレーとしてではなく、リール形の実施例で設けるのが
普通である。その後、アレーは寸法が例えば1m×2mであ
る様なモジユールに形成され、こういう設計のままで試
験される。これまで述べた様にして形成された各々のア
レーは各辺が10cm程度であるが普通である。

上に述べた様なソーラー・アレーをリール形に作り、そ
れからモジユールを形成する為には、第３図乃至第６図
に示す様な手順に従う。最初に第３図について説明する
と、この図にはアレー相互接続位置が１次元で示されて
いる。第３図（ａ）では、前側の接点箔部材33に球31を
固定した１個のアレー30が示されており、後側箔部材35
はまだ球に取付けられていない。第４図（ａ）にはつき
りと示されている様に、アレー30の間にシム37を挿入す
る。第４図（ａ）から判る様に、前側の箔33は後側の箔
35より寸法が小さいが、その理由は後で明らかになる。

次に第３図（ｂ）を見ると、この時後側の箔35が球31及
び37と接触していることが判る。上側の箔33もシムと接
触している。これは第１図の工程（ｈ）で、この処理工
程の一部分として後側の箔35を球31に結合する時に達成
される。箔33,35はシム37に接着せず、単にそれと接触
しているだけである。この後、次にシムの上の、第３図
（ｂ）のＶ字形記号の場所で箔をけがき、アレーを互い
に分離し且つシムを取外した後、第３図（ｃ）及び第４
図（ｃ）に示す様な装置を作る。次に第３図（ｃ）及び
第４図（ｂ）に示す様なアレーを第４図（ｃ）に示す様
に面取りして、後側の箔35の一部分である４つの耳を作
る。これらの耳はアレーの四角の各辺にあつて、A,B,C,
Dと記してある。次に第３図（ｄ）及び第４図（ｄ）に
示す様に、耳B,C,Dをアレーの下に折返し、その後第３
図（ｅ）に示す様に、超音波結合等により、耳Ａをこの
後、アレーの耳B,C又はＤの内の１つに結合することに
より、このアレーをこの後のアレーに固定する。

相互接続工程は第５図の３次元表示の装置で示す様に行
なうことが出来る。この装置では、耳Ａが伸出している
１つのアレーを、別のアレーの耳B,C又はＤの内の１つ
のこの耳Ａとが接触する様に位置ぎめする。この手順を
直線又はその他の通路で続けて、完全なモジユールを作
る。完成されたモジユールが第６図に示されており、耳
Ａが隣接するアレー30の耳B,C又はＤに固定されて、60
個のアレーの直列回路を形成する前後に配置された通路
を作る。更に、モジユールに対する入力41及び出力43と
なる耳を設ける。

第６図のモジユールを形成した後、第２図について説明
すると、モジユールを試験し、試験に成功すれば、モジ
ユールは支持材料等に取付られる工程に進み、その後結
合部で耳を超音波で結合し、その後モジユールをカプセ
ル封じして、環境に対する適当な封じを施す。次にカプ
セル封じしたモジユールを標準的に試験し、動作し得る
モジユールが使える状態になる。以上の様に、本発明に
よるソーラー・アレーは500℃以上の温度下での加圧に
より第１アルミニウム箔の開口にオーミツク接触結合し
たＮ形領域を有する半導体部材を含むことを特徴の一つ
とする。この特徴により、半導体部材を第１アルミニウ
ム箔の開口に結合する際のインパクト持続時間を短くす
ることができ、より大量な生産に適するソーラー・アレ
ーが提供される。

この発明を特定の好ましい実施例について説明したが、
当業者にはいろいろな変更が考えられよう。従つて特許
請求の範囲は、この様な全ての変更を包括する様に、従
来技術から見て可能な限り広く解釈されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に従つてソーラー・アレーを形成する
のに使われる処理工程を示す略図、第２図は第１図のプ
ロセスを示すプロセス線図、第３図は１次元で表わした
アレー相互接続手順を示す略図、第４図は２次元で示し
たアレー相互接続手順を示す略図、第５図は３次元で表
わしたアレー相互接続を示す略図、第６図はこの発明の
モジユールの略図である。 符号の説明 1:第１のアルミニウム箔 5:開口 7:シリコンの球 9:N型表皮部 11:P型内部 19:第２のアルミニウム箔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロナルド イー．ヘネイ アメリカ合衆国テキサス州リチヤードソ ン，ノツテインガム 748 (56)参考文献 特開 昭58−54684（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の開口を有するアルミニウム箔を用意
   し、 各々がＰ形領域とＮ形領域を有する複数の半導体部材
   を、その各Ｎ形領域が前記アルミニウム箔の各開口にオ
   ーミック接触結合するよう500℃から577℃の範囲の温度
   下で加圧し、 前記アルミニウム箔から絶縁した接点部材を前記複数の
   半導体部材の各Ｐ形領域に結合する 工程を含むソーラー・アレーの製造方法。