(57)【要約】  太陽電池セル、特に結晶または多結晶シリコン太陽電池セルの基板材料を熱処理するための装置において、該装置は、少なくとも１つのレーザ光源（４ａ，４ｂ）を含む。
2013519224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池セル、特に結晶または多結晶シリコン太陽電池セルのディスク状基板材料を熱処理するための方法において、
少なくとも１つのプロセスステップにおいて、基板材料、特に結晶または多結晶シリコンは、レーザビーム（６ａ，６ｂ）による熱処理を受けることを特徴とする方法。
【請求項２】
基板材料の上面および下面は、レーザビーム（６ａ，６ｂ）で同時に照射されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
レーザビーム（６ａ，６ｂ）は、時間に関して構成が考慮されたパルスから成り、または時間に関して構成が考慮されたパルスを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
基板材料の上面および／または下面は、全表面にわたって、レーザビーム（６ａ，６ｂ）で同時に照射されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
基板材料の上面および／または下面は、全表面にわたり移動する、レーザビーム（６ａ，６ｂ）の線形強度分布で照射されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
基板材料の上面および／または下面は、中心部がより高い強度のレーザビーム（６ａ，６ｂ）で、周縁部がより低い強度のレーザビーム（６ａ，６ｂ）で照射されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
基板材料の上面は、第１のレーザビーム（６ａ）で照射され、基板材料の下面は、第２のレーザビーム（６ｂ）で照射され、基板材料の上面および下面において異なるプロセスを行うために、第１および第２のレーザビーム（６ａ，６ｂ）は、１または複数の特性に関して異なっていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
太陽電池セル、特に結晶または多結晶シリコン太陽電池セルのディスク状基板材料を熱処理するための装置であって、該装置によって、特に請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法が実行可能な装置において、
少なくとも１つのレーザ光源（４ａ，４ｂ）を含むことを特徴とする装置。
【請求項９】
ディスク状基板材料のための、少なくとも１つのホルダ（１）を含むことを特徴とする、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
少なくとも１つのホルダ（１）は、少なくとも部分的に、使用されるレーザビーム（６ａ，６ｂ）の波長領域において透過性を有することを特徴とする、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
少なくとも１つのホルダ（１）は、少なくとも部分的に、クォーツから成ることを特徴とする、請求項９または１０に記載の装置。
【請求項１２】
少なくとも１つのホルダ（１）は、使用されるレーザビーム（６ａ，６ｂ）の波長領域において透過性を有する材料から成る１つ、好ましくは２つのフレーム（９，１０）を含むことを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
加熱されるべき基板材料は、２つのフレーム（９，１０）間で保持可能であることを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
少なくとも１つのホルダ（１）は、使用されるレーザビーム（６ａ，６ｂ）の波長領域において透過性を有する材料から成る１つ、好ましくは２つのプレート（１４，１５）を含むことを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
加熱されるべき基板材料は、２つのプレート（１４，１５）間で保持可能であることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
複数のホルダを含み、該複数のホルダは、適切な結合手段（２）によって相互に結合されることを特徴とする、請求項９〜１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
光学手段（５ａ，５ｂ）を含み、該光学手段は、少なくとも１つのレーザ光源（４ａ，４ｂ）からのレーザビーム（６ａ，６ｂ）を、基板材料の上面および／または下面上にもたらし得ることを特徴とする、請求項８〜１６のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池セル、特に、請求項の前提項に従った結晶または多結晶シリコン太陽電池セルのディスク状基板材料を熱処理するための方法に関する。さらにまた、本発明は、請求項８の上位概念に従った、太陽電池セル、特に結晶または多結晶シリコン太陽電池セルのディスク状基板材料を熱処理するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の基礎にある課題は、より効率がよく、コストの面においてもより効率のよい、上記タイプの方法を提供すること、およびそのようなタイプの装置を提供することである。
【発明の概要】
【０００３】
これらの課題は、方法については、請求項１の特徴を有する上記タイプの方法によって解決され、装置については、請求項８の特徴を有する上述のタイプの装置によって解決される。下位の請求項は、本発明の好ましい実施形態に対応する。
【０００４】
非常に多くの異なる態様の太陽電池セルがある。本出願は、特に、結晶および多結晶シリコン太陽電池セルに関する。これらは、一様な厚みの、一般的に寸法Ｈ×Ｂ×Ｔの四角形のシリコンウエハであり、高さＨが、８０〜２２０μｍ；幅Ｂが１２５〜２１０ｍｍ；奥行きＴが１２５〜２１０ｍｍである。
【０００５】
本発明は、このタイプの太陽電池セルに関するもので、溶剤を焼成するための熱処理、およびドーパントのそれに続く速やかな拡散と同時に拡散して焼結する金属化に関する。熱処理炉についての技術水準の範囲は、約１０ｍの長さおよび１ｍの幅（およそ１０平方メートルの床面積）、結合される電気的負荷が１００ｋＷまでの範囲にある。本願において提案されるレーザ解決手段は、フットプリントがより小さく、入力パワーもより低いものである。
【０００６】
このタイプの太陽電池セルの熱処理は複雑な問題である。なぜなら、相互に関連する順に行われるプロセスが多いけれども、しかしながら、一部は、連続した時間において複雑な加熱プロファイルの下で、時間的に平行して一部が重なって行われるからである。これらのプロセスは、いずれも太陽電池セルの効率に強く影響し、太陽電池セルの経済性に有意な影響を及ぼす。
【０００７】
現在、このタイプの太陽電池セルの製造者の目標は、サイクル時間を１秒にすることである。すなわち、毎秒、出来上がった太陽電池セルが、作製部を離れていくことになる。このサイクルをコスト的に適切に実現するためには、太陽電池セルを走査する方法（スキャン方法）は、ゆっくりとしたプロセス速度のゆえに適切ではない。太陽電池セル全体を同時に加工できる方法の方がむしろ適している。このような同時照射は、種々の構成の均質化レーザダイオードまたはレーザダイオードバーによって行うことが可能であり、空間的に非常に精度高く調整可能である（フリースペース、またはファイバ結合モジュール）。照射の精度次第で太陽電池セルを幾何学的に精確に照射することが可能となり、したがって、光の全てが、照射と加熱のために利用される（空間精度；エネルギ効率）。
【０００８】
従来より、複数の太陽電池セルを迅速に同時に光学熱処理する研究がなされている。半導体製造における確率した方法と同様に、これらの研究は、半導体技術者によって知られる上位疑念”ＲＴＰ"（Rapid Thermal Processing）によって確立された。
【０００９】
ＲＴＰはいくつかの技術的利点があるけれども、重要な問題として、装入量とプロセスコストのゆえにバンド炉（band-oven）を建設することができなかった。それゆえ太陽電池セルＲＴＰはこれまで大量生産されてこなかった。これらのハードルは、均一に配設されたレーザダイオードを投入することで克服される。μｓ範囲における変調は１クロックサイクル（１ｓ）内における十分な動的加熱を利用できる。レーザパワーの大きさが低いオーダーのレーザパワーコネクタによる解決策は、バンド炉（band-oven）と比べて低いコストでの運転を提供してくれる。
【００１０】
太陽電池セル生産におけるさらなる重要な周辺条件として、太陽電池セルの全表面にわたってプロセスが一様でなければならないといことがある。不均一であれば、効率ひいては太陽電池セルの経済性を損なうおそれがある（たとえば、アルミニウムペーストが拡散被覆された太陽電池セルの全面にわたり均一な背面）。炉およびフラッシュランプ装置の場合、一様な加熱は課題であり、なぜなら、強力な加熱メカニズムによって、経年劣化の問題があり、れんぞくしたモニタと調整に依存することになるからである。このような短所は、本願の、精密（空間的および時間的精密性）で、自動的に調整される均質化されたレーザダイオードによって解決される。
【００１１】
炉またはフラッシュランプ装置による時間的に変動する温度プロファイルの動的加熱の場合、絶えず周辺効果を観察することが必要である。なぜなら、正確に均一な加熱においてさえも、太陽電池セルの３６０°の熱伝導の内部領域よりも、わずか１８０°の熱伝導の太陽電池セルの周縁領域は、より強く加熱されるからである。このような不均一な加熱によって、太陽電池セルへの、光学ビーム形成による、精密に予め調整された、適切に不均一化された照射を避けることが可能である。すなわち、中心部の強度は高く、周縁部の強度は低いことが、経時的に変動する温度プロファイルであるにもかかわらず、均一な温度分布をもたらしてくれる。
【００１２】
周辺効果の回避に加えて、太陽電池セルへの、予め定められた“より熱い”および“より冷たい”領域についての、追加的な空間的に適切に異ならせた加熱プロファイルを利用することも可能である（たとえば、太陽電池セル上の前面接触フィンガ構造）。
【００１３】
本装置の一部としての、クォーツからなる、太陽電池セルの透明なホルダは、シリコンの熔融限界までの高い温度に耐えるけれども、太陽電池セルの加熱のためのダイオードレーザ光が透過する。ホルダは、同時にまた、太陽電池セルを空間的に精密に制御してくまなく照射するための光学ビーム形成の一部として、光学的機能を果たすことが可能である。
【００１４】
完全なレーザ加熱装置は、以下の機能的要素から構成されてなるであろう：
１．  入力バッファを有する第１のセル処理ユニット；
２．  第２のセル加工ユニット（レーザユニット、ビーム形成ユニット、セルホルダ、吸引ユニット）；
３．  セル処理ユニットを有する第３の出力バッファ。
【００１５】
近代的太陽電池セル製造ラインにおける装置は、無端集積可能である。
本発明の装置は、１００，０００，０００Ｋ／ｓより大きな勾配を特徴とし、さらにデザインプロセスにおける自由度を提供する。これは、数百Ｋ／ｓの勾配の従来の炉による技術水準をはるかに越えており、これまで得られなかったものである。この装置の利点は、熱処理における、温度推移の制御性と調整性の改善にある。
【００１６】
本装置における高い勾配は、上記２の機能ユニットすなわち、第２のセル加工ユニット（レーザユニット、ビーム形成ユニット、セルホルダ、吸引ユニット）の運転から導出される。レーザビーム形成のための給電は、上昇・下降時間が１０μｓであり、変調可能なパルス持続時間が、＞１０μｓであり、パルス繰り返し数が変調可能である、市販の電子パルス発生装置を介して行うことが可能である。
【００１７】
出願人は、ビーム形成に関する比較可能な種々のレーザ源を有する独自の応用センタにおいて、チップ作製のためのシリコンウエハを予め熱処理し、１０μｓの加熱時間内において１０００Ｋより大きな温度差を達成した。１００，０００，０００Ｋ／ｓの温度勾配（勾配）を得た。
【００１８】
パルス持続時間がナノ秒の範囲にある、高出力、短パルス電子工学分野における研究開発によって、市販のハイパワーレーザ用給電装置において、パルス持続時間および上昇・下降時間のさらなる低減が可能であると思われる。
【００１９】
論文Ji Youn Lee、フラウンホーファーＩＳＥ、フライブルク、２００３年において、結晶シリコン太陽電池セルのための多重ＲＴＰプロセスによって、長い負荷担体寿命が達成され、したがって向上されたセル効率が達成されることが可能となることが既に研究され示された。提案された装置によって、この多重処理を増加させることができ、すなわちより短い全長においてより多数の急速熱処理プロセスを実現することができる。例：論文Ji Youn Lee、フラウンホーファーＩＳＥ、フライブルク、２００３年において、１秒間以上の２回の繰り返しが記載されている。ここに記載された装置によって、１秒に１０００回の繰り返しがいとも簡単にできるであろう。急激な温度変化数を多くすることで、これまでに達成できなかったさらなる材料特性が得られるであろう。
【００２０】
半導体装置（チップ）の製造において、短い温度上昇（スパイクアニール）は既に製造技術水準に属している。これは、著者の知識によれば、太陽電池セルの製造においてこれまで調査されていない。ここに記載される装置は、新しいプロセスを、太陽電池セルの性能のさらなる向上を達成するために、太陽電池セルの製造のための半導体製造から周知のスパイクアニールと同様に利用することを可能にする。半導体部品製造におけるスパイクアニールの利点は、結晶欠陥の拡散のないアニーリングである。提案された装置は、太陽電池セルのために、結晶欠陥の拡散のないアニーリングをも利用可能にするであろう。
【００２１】
提案された装置は、急速な連続プロセスにおける熱処理を行うことができた。焼成または乾燥プロセス中の太陽電池セルの温度の緩やかな昇降は、熱処理の間に正確な制御を可能にする。
【００２２】
論文Ji Youn Lee、フラウンホーファーＩＳＥ、フライブルク、２００３年において、急速酸化プロセス（“ＲＴＯ”）中の不均一な酸化層への不均一な照明および不均一な負荷担体寿命ならびに極めて不均一な太陽電池セル効率が生じることが研究され、示されている。
【００２３】
太陽電池セルの加熱中の１０℃の温度の変動が太陽電池セルの電気特性に有意な差を生じさせるので、均一な照明が必要である。１０００℃の焼成プロセス中の太陽電池セル温度において、１％の温度変動が示される。これは、照明期間内のシリコンへの入射光エネルギの拡散を考慮して、照明変動が１％以上であり得るという要求を直接的に生じる。
【００２４】
不均一性は、発明に従った装置によって除去される。照明は、提案された装置において、微小光学ビーム形成ダイオード照明によって、空間的に均一な処理温度ならびに太陽電池セルの対応する空間的に均一な、機械的、電気的および電子光学的特性（層厚、負荷担体寿命、セル効率）を確保するように正確に調整される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】発明に従った装置の第１の実施形態についての概略的斜視図である。
【図２】発明に従った装置の第２の実施形態についての概略的斜視図である。
【図３】太陽電池セルの基板材料ホルダの概略的斜視図である。
【図４】図３に従ったホルダの平面図である。
【図５】ホルダの他の実施形態の図４に対応する平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下において、添付の図を参照し、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図において、同じまたは機能的に同じ部品については同じ参照符号が付与されている。
【００２７】
図１に示した、発明に従った装置の第１の実施形態は、複数のホルダ１を有し、該ホルダ１について以下において図３〜図５を参照してより詳細に説明する。各ホルダ１は、太陽電池セルのための基板材料として働くシリコンウエハを保持する。
【００２８】
各ホルダ１は、適切な結合手段２を介して互いに結合され、複数のホルダ１は搬送方向３において同時に図１右方に移動させることが可能である。
【００２９】
発明に従った装置は、さらにまた２つのレーザ光源４ａ，４ｂを備え、該レーザ光源はそれぞれ、たとえば１つのまたは複数のレーザダイオード、特に１つのレーザダイオードバーまたはレーザダイオードバースタックを含む。商業的理由から、レーザ光源４ａ，４ｂの波長は、８００ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲とすることが可能である。しかしながら、レーザ光源４ａ，４ｂを、波長がもっと長いもの、もっと短いものに取り換えることも可能である。
【００３０】
さらにまた、レーザ光源４ａ，４ｂは、該光源の駆動、特に、そのオン時間ないしはパルス持続時間を制御可能な制御手段を含んでもよく、または、該制御手段と結合してもよい。特にパルス持続時間は１ｎｓ〜１ｓとする。
【００３１】
発明に従った装置は、さらにまた、概略的に示した第１および第２の光学手段５ａ，５ｂを含む。光学手段５ａ，５ｂはこの場合、それぞれ、たとえば、複数の互いに交差させたシリンダレンズアレイと視野レンズとを有してもよい均質化装置を含む。光学手段５ａ，５ｂはさらにまた、ビーム形成のためのレンズを有してもよい。光学手段５ａ，５ｂから出射するレーザビーム６ａ，６ｂは、破線で示されている。
【００３２】
第１のレーザ光源４ａに配設された、第１の光学手段５ａは、ホルダ１によって保持されたシリコンウエハが、上方から完全に平らに照射されるように形成される（第１の光学手段の下方にあるホルダ１のシリコンウエハの、たとえば平坦な強度分布となる上面を参照）。第２のレーザ光源４ｂに配設された、第２の光学手段５ｂは、ホルダ１によって保持されたシリコンウエハが、下方から完全に平らに照射されるように形成される。この場合、全照射時間は、クロック速度１ｓを順守するために最大で１ｓとする。
【００３３】
その場合、レーザビーム６ａは、シリコンウエハ上面に実質的に垂直に、およびレーザビーム６ｂは、シリコンウエハの下面に実質的に垂直に入射することが可能である。代わりに、レーザビーム６ａ，６ｂは、それぞれ上面に、および／または下面に０°に等しくない角度で入射する。
【００３４】
特に、その場合、シリコンウエハの上面は第１のレーザビーム６ａ で照射し、シリコンウエハの下面は、第２のレーザビーム６ｂで照射することが可能であり、第１および第２のレーザビーム６ａ，６ｂは、太陽電池セルのための基板材料として使用されるシリコンウエハの上面および下面において異なるプロセスを引き起こさせるために、１または複数の特性に関して異ならせてもよい。
【００３５】
パルスの形状は、時間的に、低い強度の予備加熱位相の後に、比較的高い強度の短い位相が続くような構成とすることが可能である。拡散プロセスを促進するために、この比較的高い強度の位相の後に、たとえば、再びより低い強度の比較的長い位相が続くようにしてもよい。したがって、クロック速度１ｓの場合、パルス形状は、周波数１Ｈｚで繰り返される。
【００３６】
照射プロセスにおいて、互いに結合されたホルダ１の搬送方向３における搬送は停止してもよい。しかしながら、照射プロセス中、搬送を連続させてもよい。この場合、レーザ光源４ａ，４ｂは、光学手段５ａ，５ｂと共に、丁度照射されるべきシリコンウエハから少し移動し、次のシリコンウエハの照射が開始する前に再び元に戻すことが可能である。
【００３７】
出力密度は、シリコン表面上において、０．１〜３０ｋＷ／ｃｍ２の範囲において選択可能である。
【００３８】
光学ビーム形成による精密に予め定められた、シリコンウエハの適切な一様でない照射が保証されることによって、シリコンウエハの一様でない加熱を防止することが可能である。シリコンウエハの中心部における比較的高い密度と縁部における比較的低い密度によって、温度プロファイルが時間によって変動する場合であっても、温度分布は一様になる。
【００３９】
さらにまた、太陽電池セル上の、予め定められた“より熱い”および“より冷たい”領域に関して、追加的な、目標を空間的に異ならせた加熱プロファイルのためのビーム形成を利用することが可能である（たとえば、太陽電池セル上の前面接触フィンガ構造）。
【００４０】
図２に従った実施形態は、シリコンウエハの上面と下面とが、それぞれ同時に全面が照射されるのではなく、順次、線形強度分布８によって照射される。光学手段５ａ，５ｂは、したがって、多かれ少なかれシャープな線を生じさせるために、いくらか異なって構成されてなる。
【００４１】
好ましいことに、シリコンウエハを介したラインの走査のために、互いに結合されたホルダの動きを利用することが可能である。短所としては、レーザ光の時間的変調のためには、わずかの時間しか利用できないことがある。
【００４２】
図３は、結合手段２を介して互いに結合された２つのホルダ１を示している。各ホルダ１は、用いられる波長のレーザを透過させる材料からなる上部フレーム９と下部フレーム１０を有する。たとえば、適切な材料としてはクォーツが考えられる。加熱されるシリコンウエハ１１は、上部フレーム９と下部フレーム１０の間に置かれる。
【００４３】
図４および図５において、シリコンウエハ１１は矩形の輪郭で示している。シリコンウエハは、概略正方形の輪郭を有してもよい。
【００４４】
ホルダはさらに２つのブラケット１２を有し、該ブラケット１２は、フレーム９，１０を上下からシリコンウエハを押圧している。図４は、ブラケット１２がそれぞれ外部からフレーム９，１０上に突出し、最大シリコンウエハ１１の縁１３にまで突出しているが、しかしそれを越えることはないことを示している。このようにして確実に、シリコンウエハの上面および下面は全面平らに構成され、部分的にフレーム９，１０を介してレーザビーム６ａ，６ｂによって照射されるように構成される。
【００４５】
他の実施形態については図５に示される。該実施形態においては、中心に開口を有するフレーム９，１０に代わって、中心に開口を有さないプレート１４，１５が用いられている。レーザビーム６ａ，６ｂによるシリコンウエハ１１の上下への照射は、専らプレート１４，１５を介して行われる。
【図１】
2013519224.tif 000003
【図２】
2013519224.tif 000004
【図３】
2013519224.tif 000005
【図４】
2013519224.tif 000006
【図５】
2013519224.tif 000007
【国際調査報告】
2013519224.tif 000008
2013519224.tif 000009
2013519224.tif 000010
2013519224.tif 000011
2013519224.tif 000012
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