(57)【要約】【課題】  太陽電池及びバッテリの３次元統合の方法を提供する。【解決手段】  統合された光電池及びバッテリ・デバイス、その製造方法、並びに、統合された光電池及びバッテリ・デバイスを組み込む太陽光発電システムを提供する。統合された光電池及びバッテリ・デバイスは、光電池と、バッテリと、光電池及びバッテリを３次元統合して太陽エネルギーを捕捉し蓄えるための統合デバイスをもたらす相互接続部とを含む。また、上記の統合された光電池及びバッテリ・デバイスをシミュレートし、設計し、又は製造するための、機械可読の設計構造体も提供される。【選択図】      図１
2013535846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
統合された光電池及びバッテリ・デバイスであって、
前記光電池内に配置されたｎ型層及びｐ型層への分離した電気的コンタクトを有する第１の側をもった光電池と、
前記バッテリ内に配置されたカソード及び電子のコレクタへの分離した電気的コンタクトを有する第１の側をもったバッテリであって、前記光電池の前記第１の側は前記バッテリの前記第１の側に結合される、バッテリと、
前記光電池及び前記バッテリを３次元統合して、太陽エネルギーを捕獲し蓄えるための統合デバイスをもたらす少なくとも１つの相互接続部と、
を含むデバイス。
【請求項２】
前記カソードはカソード層であり、前記コレクタは基板を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記バッテリは、
電解質層と、
アノード層と、
障壁層と、
をさらに含み、
前記少なくとも１つの相互接続部は、前記カソード層、前記電解質層、前記アノード層及び前記障壁層を貫通して、前記バッテリの前記第１の側から前記基板への電気的コンタクトをもたらす、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記光電池は、
誘電体層をさらに含み、前記少なくとも１つの相互接続部は、前記ｐ型層及び前記誘電体層を貫通して、前記光電池の前記第１の側から前記ｎ型層への電気的コンタクトをもたらす、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記光電池は薄膜セルである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記薄膜セルは、アモルファスシリコン、テルル化カドミウム、銅インジウムガリウムジセレニド、銅インジウムスルフィドセレニド、銅ガリウムセレニドスルフィド、銅亜鉛スズセレニドスルフィド、銅ビスマス黄銅鉱化合物、及びケステライト化合物から成る群から選択される材料を含む、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記バッテリは固体リチウム・バッテリである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記バッテリは、垂直バッテリ・セル構造体を含むように３次元統合される、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
統合された光電池及びバッテリ・デバイスを製造する方法であって、
光電池を準備するステップであって、前記光電池の第１の側はｎ型層及びｐ型層の両方への分離した電気的コンタクトを含む、準備するステップと、
バッテリを準備するステップであって、前記バッテリの第１の側はカソード及びコレクタの両方への分離した電気的コンタクトを含む、準備するステップと、
前記光電池及び前記バッテリを結合して、太陽エネルギーを捕獲し蓄えるための３次元統合デバイスを生成するステップと、
を含む方法。
【請求項１０】
前記光電池を準備するステップは、前記光電池を少なくとも部分的に貫通する相互接続部を形成して、前記光電池の前記第１の側上に前記ｎ型層への電気的コンタクトをもたらすステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記バッテリを準備するステップは、前記バッテリを少なくとも部分的に貫通する相互接続部を形成して、前記バッテリの前記第１の側上に前記コレクタへの電気的コンタクトをもたらすステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記光電池及び前記バッテリを結合させるステップは、圧縮結合を用いて、前記光電池の前記第１の側を前記バッテリの前記第１の側に結合させるステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記光電池を準備するステップは、
ｐ型層及び誘電体層を有するウェハを形成するステップと、
前記ウェハを貫通する貫通孔を開口するステップと、
前記ウェハの前記ｐ型層の露出面内にｎ型ドープ層を形成するステップと、
前記ウェハの前記誘電体層の部分を除去して、前記貫通孔の周りに分離した誘電体層の領域を形成するステップと、
前記分離した誘電体領域を有する前記ウェハの１つの側をメタライズしてコンタクト層を形成するステップであって、前記貫通孔は少なくとも部分的に充填されて相互接続部を形成する、メタライズするステップと、
前記コンタクト層の部分を除去して、前記相互接続部を前記コンタクト層の残り部分から分離する、前記相互接続部の周りの分離コンタクト領域を形成するステップと、
を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記バッテリを準備するステップは、
基板を形成するステップと、
前記基板内に少なくとも１つの垂直トレンチをエッチングするステップと、
前記基板上に障壁層を形成するステップと、
前記障壁層上にアノード層を形成するステップと、
前記アノード層上に電解質層を形成するステップと、
前記電解質層上にカソード層を形成するステップと、
前記基板内に前記層を貫通する孔を開口するステップと、
前記カソード上に、同じく前記孔を前記層の全てから電気的に絶縁する誘電体層を形成するステップと、
前記誘電体層の領域を除去して前記カソード層を露出させるステップと、
前記孔及び前記露出したカソード層を有する前記バッテリの１つの側をメタライズしてコンタクト層を生成するステップであって、前記孔が充填されて相互接続部を生成する、メタライズするステップと、
前記コンタクト層の部分を除去して、前記相互接続部を前記コンタクト層の残り部分から分離させる、分離したコンタクト領域を前記相互接続部の周りに生成するステップと、
を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記光電池を準備するステップは、薄膜光電池を形成するステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記薄膜光電池を形成するステップは、アモルファスシリコン、テルル化カドミウム、銅インジウムガリウムジセレニド、銅インジウムスルフィドセレニド、銅ガリウムセレニドスルフィド、銅亜鉛スズセレニドスルフィド、銅ビスマス黄銅鉱化合物、及びケステライト化合物から成る群から選択される材料を含むｐ型層を堆積させるステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記バッテリを準備するステップは、垂直バッテリ・セル構造体を有する３次元統合された固体バッテリを形成するステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１８】
エネルギー変換のための太陽光発電システムであって、
請求項１に記載の、複数の３次元統合された光電池及びバッテリ・デバイスと、
前記エネルギー変換を最適化するための論理回路と、
を含むシステム。
【請求項１９】
前記複数の３次元統合された光電池及びバッテリ・デバイスは並列接続される、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
請求項１に記載の前記統合された光電池及びバッテリ・デバイスをシミュレートし、設計し又は製造するための機械可読の設計構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、光起電力技術に関し、より具体的には、３Ｄ統合を用いた光電池（photovoltaic cell）及びバッテリの統合に関する。
【背景技術】
【０００２】
光起電力素子又は太陽電池は、太陽放射を電気エネルギーに変換する電子デバイスである。太陽電池によって生成された電気エネルギーは、通常、後で使用するためにバッテリ内に蓄えられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ｋ．Ｌ．Ｃｈｏｐｒａ著、「Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ：Ａｎ  Ｏｖｅｒｖｉｅｗ」、ＰＲＯＧＲＥＳＳ  ＩＮ  ＰＨＯＴＯＶＯＬＴＡＩＣＳ：ＲＥＳＥＡＲＣＨ  ＡＮＤ  ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ、Ｐｒｏｇ．Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔ：Ｒｅｓ．Ａｐｐｌ．、２００４年；１２：６９−９２
【非特許文献２】Ｌｏｉｃ  Ｂａｇｇｅｔｔｏ著、「Ｏｎ  ｔｈｅ  ｒｏｕｔｅ  ｔｏｗａｒｄ  ３Ｄ−ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ａｌｌ−ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ  ｍｉｃｒｏ−ｂａｔｔｅｒｉｅｓ」、ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ、２００８年８月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在の太陽光発電システムにおいて知られている太陽電池及びバッテリは、有線接続された別個のコンポーネントである。その結果、現在の太陽光発電システムは、損失が大きく、さらに、エネルギーを管理するのに効果的ではない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
従って、本発明の一態様は、統合された光電池及びバッテリ・デバイスを提供する。このデバイスは、光電池内に配置されたｎ型層及びｐ型層への分離した電気的コンタクトを有する第１の側をもつ光電池と、バッテリ内に配置されたカソード及び電子のコレクタへの分離した電気的コンタクトを有する第１の側をもつバッテリであって、光電池の第１の側はバッテリの第１の側に結合されるバッテリと、光電池及びバッテリを３次元統合して、太陽エネルギーを捕獲し蓄えるための統合デバイスをもたらす少なくとも１つの相互接続部とを含む。
【０００６】
本発明の別の態様は、光電池及びバッテリ統合デバイスを製造する方法を提供する。光電池が準備され、光電池の第１の側がｎ型層及びｐ型層の両方への分離した電気的コンタクトを含む。バッテリが準備される。バッテリの第１の側は、カソード及びコレクタの両方への分離した電気的コンタクトを含む。光電池とバッテリを結合して、太陽エネルギーを捕獲し蓄えるための統合デバイスを生成する。
【０００７】
本発明の別の態様は、複数の３次元統合された光電池及びバッテリ・デバイスと、エネルギー変換を最適化するための論理回路とを含む太陽光発電システムを提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態による、統合された光電池及びバッテリ・デバイスの断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による、統合された光電池及びバッテリ・デバイスを製造するためのフローチャートである。
【図３】光電池についての第１の製造ステップにおける光電池の断面図である。
【図４】光電池についての第２の製造ステップにおける光電池の断面図である。
【図５】光電池についての第２の製造ステップにおける光電池の上面図である。
【図６】光電池についての第３の製造ステップにおける光電池の断面図である。
【図７】光電池についての第４の製造ステップにおける光電池の断面図である。
【図８】光電池についての第５の製造ステップにおける光電池の断面図である。
【図９】光電池についての第５の製造ステップにおける光電池の上面図である。
【図１０】光電池についての第６の製造ステップにおける光電池の断面図である。
【図１１】光電池についての第６の製造ステップにおける光電池の上面図である。
【図１２】光電池についての第７の製造ステップにおける光電池の断面図である。
【図１３】光電池についての第７の製造ステップにおける光電池の上面図である。
【図１４】光電池についての第８の製造ステップにおける光電池の断面図である。
【図１５】光電池についての第８の製造ステップにおける光電池の底面図である。
【図１６】バッテリについての第１の製造ステップにおけるバッテリの断面図である。
【図１７】バッテリについての第２の製造ステップにおけるバッテリの断面図である。
【図１８】バッテリについての第３の製造ステップにおけるバッテリの断面図である。
【図１９】バッテリについての第４の製造ステップにおけるバッテリの断面図である。
【図２０】バッテリについての第５の製造ステップにおけるバッテリの断面図である。
【図２１】バッテリについての第６の製造ステップにおけるバッテリの断面図である。
【図２２】本発明の実施形態による、統合デバイスについての統合製造ステップにおける光電池及びバッテリ・デバイスの断面図である。
【図２３】本発明の実施形態による、太陽光発電システムのシステム図である。
【図２４】本発明の実施形態による、統合された光電池及びバッテリ・デバイスの例示的な設計フローのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本発明の好ましい実施形態による統合された光電池及びバッテリ・デバイス１００を示す。デバイス１００は、単一のデバイスに統合された光電池１１０及びバッテリ１２０を含む。光電池１１０は、太陽放射を電気エネルギーに変換し、これがバッテリ１２０内に蓄えられる。光電池１１０及びバッテリ１２０を別個に製造して各々の効率を最大にし、次に、それら２つを一緒に結合して単一の統合デバイス１００にすることができる。
【００１０】
示される例において、光電池１１０は結晶シリコンをベースとするが、本発明の範囲から逸脱することなく、薄膜型太陽電池を含む他のタイプの太陽電池を用いることができる。例えば、光電池１１０は、アモルファスシリコン、テルル化カドミウム、又は銅インジウムガリウムセレニドをベースとすることができる。薄膜型太陽電池技術の概要については、本明細書に組み入れられる非特許文献１を参照されたい。
【００１１】
同様に、示される例において、バッテリ１２０は、再充電可能な固体リチウムイオン・バッテリをベースとする。しかしながら、バッテリ１２０はまた、本発明の範囲から逸脱することなく、他のタイプのバッテリとすることもできる。例えば、バッテリ１２０は、他のタイプの湿電池若しくは乾電池又はスーパーキャパシタとすることができる。
【００１２】
図１に示される好ましい実施形態において、バッテリ１２０は、複数の３次元バッテリ・セル１３０ａ及び１３０ｂを含む。これらの３次元バッテリ・セル１３０ａ及び１３０ｂは、バッテリ１２０の表面積を拡大し、従って、エネルギー密度を増大させる。バッテリ・セル１３０ａ及び１３０ｂを並列接続することにより、バッテリ電圧は一定のままであり、バッテリ容量が拡張される。バッテリ・セル１３０ａ及び１３０ｂの数は、図１に示す数に限定されない。既述のような３次元バッテリ・セルを有する再充電可能な固体バッテリのより詳しい説明のために、本明細書に組み入れられる非特許文献２を参照されたい。
【００１３】
図１に示される好ましい実施形態において、光電池１１０は、光電池の第１の導電性コンタクト層１１１、パッシベーション（passivation）層１１２、高濃度ドープｎ型シリコン層１１３、ｐ型シリコン層１１４、高濃度ドープｐ型シリコン層１１５、ライナ層１１６、誘電体層１１７及び光電池の第２の導電性コンタクト層１１８を含む。
【００１４】
上記の層の各々は、結晶シリコン光電池技術に共通するものである。本発明の範囲は、上述の層に限定されるものではなく、付加的な層又はより少ない層を含むこともできる。図１は層の表面を平坦線として示すが、当業者であれば、単結晶シリコンについて、表面は、滑らかではなくテクスチャ加工されることを理解するであろう。さらに、当業者であれば、各層の目的及び各層を構成することができる材料、並びに各層の適切な厚さを理解するであろう。ここでは簡単な説明だけが含まれる。
【００１５】
光電池の第１の導電性コンタクト層１１１は、金属のような良導体で作製されたコンタクト・グリッドであり、電子のコレクタとして機能する。グリッドの間には、典型的には、保護透明カプセル化層が配置される。他の実施形態においては、第１の導電性コンタクト層１１１は、透明な導電性酸化物で作製することもできる。
【００１６】
パッシベーション層１１２は、表面パッシベーションのために役立ち、一般的に入射光の反射防止ももたらすための材料の層である。
【００１７】
高濃度ドープｎ型シリコン層１１３は、追加の伝導電子を供給して負電子電荷キャリアを生成できる材料で高濃度ドープされたシリコンである。他の実施形態において、ｎ型層は、アモルファスシリコン、硫化カドミウム、硫化亜鉛、又は酸化亜鉛とすることができる。
【００１８】
ｐ型シリコン層１１４は、シリコン格子内に電子の欠乏を生じさせて正電荷キャリアを生成する材料でドープされたシリコンである。他の実施形態において、ｐ型層は、アモルファスシリコン、テルル化カドミウム、銅インジウムガリウムジセレニド、銅インジウムスルフィドセレニド、銅ガリウムセレニドスルフィド、銅亜鉛スズセレニドスルフィド、銅ビスマス黄銅鉱化合物、又はケステライト（kesterite）型化合物とすることができる。図１は層の表面を平坦線として示すが、当業者であれば、単結晶シリコンの場合、表面は、滑らかではなくテクスチャ加工されることを理解するであろう。
【００１９】
高濃度ドープｐ型シリコン層１１５は、電極への良好な電気的コンタクトを形成するように高濃度ドープされる。
【００２０】
ライナ層１１６は、シリコン層をライニングして（シリコン層の内側を覆って）第２の導電性コンタクト層１１８からの拡散を防止するように機能する。例示的な材料として、パラジウム、ニッケル、ニッケルタングステン、及び窒化タンタルが挙げられる。
【００２１】
誘電体層１１７は、ドープ・シリコンを第２の導電性コンタクト層１１８から電気的に絶縁するように機能する。誘電体層は、例えば酸化シリコンのような、任意の誘電体材料から構成され得る。
【００２２】
光電池の第２の導電性コンタクト層１１８は、金属のような良導体で作製される。図１に示す好ましい実施形態において、第２の導電性コンタクト層は銅で作製され、これをバッテリに結合することができる。
【００２３】
図１に示す好ましい実施形態において、バッテリ１２０は、バッテリの第１の導電性コンタクト層１２１、ライナ層１２２、誘電体層１２３、カソード層１２４、電解質層１２５、アノード層１２６、障壁層１２７、ドープ・シリコン基板層１２８及びバッテリの第２の導電性コンタクト層１２９を含む。
【００２４】
上記の層の各々は、固体リチウムイオン・バッテリ技術に共通するものである。本発明の範囲は、上述の層に限定されるものではなく、付加的な層又はより少ない層を含むこともできる。当業者であれば、各層の目的及び各層を構成することができる材料、並びに各層の適切な厚さを理解するであろう。ここでは簡単な説明だけが含まれる。
【００２５】
バッテリの第１の導電性コンタクト層１２１は、金属のような良導体で作製される。バッテリの第１の導電性コンタクト層１２１は、光電池の第２の導電性コンタクト層１１８に結合することができる材料で作製される必要がある。図１に示す好ましい実施形態において、第１の導電性コンタクト層は銅で作製される。
【００２６】
ライナ層１２２は、シリコン層をライニングして第１の導電性コンタクト層１２１からの拡散を防止するように機能する。例示的な材料として、パラジウム、ニッケル、ニッケルタングステン、及び窒化タンタルが挙げられる。
【００２７】
誘電体層１２３は、ドープ・シリコンを第１の導電性コンタクト層１２１から電気的に絶縁するように機能する。誘電体層は、例えば酸化シリコンのような、任意の誘電体材料から構成され得る。
【００２８】
カソード層１２４は、これとの間でリチウムがマイグレートすることができる材料で作製される。好ましい実施形態において、カソード層１２４はリチウムコバルト酸化物で作製される。
【００２９】
電解質層１２５は、リチウムイオンのマイグレーションを可能にするのに十分に導電性の材料で作製される。好ましい実施形態において、電解質層１２５は固体電解質層である。
【００３０】
アノード層１２６は、これとの間でリチウムがマイグレートすることができる材料で作製される。好ましい実施形態において、アノード層１２６はシリコンで作製される。
【００３１】
障壁層１２７は、ドープ・シリコン基板層１２８をリチウムイオンの拡散から保護するための材料で作製される。好ましい実施形態において、障壁層１２７は窒化チタンで作製される。
【００３２】
ドープ・シリコン基板層１２８は、垂直構造体におけるエッチングのための基板として機能し、導電性になるようにドープされる。
【００３３】
バッテリの第２の導電性コンタクト層１２９は、金属のような良導体で作製され、電子のコレクタとして機能する。
【００３４】
垂直相互接続部１４０及び１５０は、光電池１１０とバッテリ１２０との間の電気的接続をもたらす。具体的には、垂直相互接続部１４０は、光電池の第１の導電性コンタクト層１１１とバッテリの第１の導電性コンタクト層１２１との間の電気的接続をもたらす。垂直相互接続部１５０は、光電池の第２の導電性コンタクト層１１８とバッテリの第２の導電性コンタクト層１２９との間の電気的接続をもたらす。基板が導電性になるようにドープされているので、垂直相互接続部１５０は、ドープ・シリコン基板層１２８を完全に貫通して延びる必要はない。
【００３５】
分離トレンチ１６０ａ−１６０ｄは、垂直相互接続部１４０によってなされる電気的接続を、垂直相互接続部１５０によってなされる電気的接続から分離するように機能する。
【００３６】
図２は、本発明の実施形態による統合された光電池及びバッテリ・デバイスを製造するためのフローチャートを示す。図２に示すステップは本発明の範囲を限定することを意図するものではなく、単に好ましい実施形態を示すためのものである。本発明の範囲から逸脱することなく、行われる特定のステップ、ステップの数、及びステップの順序を変更することができる。
【００３７】
図２において、フローチャートの左側には、光電池製造ステップ２００が示される。製造ステップ２００によって、図１に示す光電池１１０が製造される。フローチャートの右側には、バッテリ製造ステップ２１０が示される。製造ステップ２１０によって、図１に示すバッテリ１２０が製造される。光電池１１０及びバッテリ１２０が製造された後、最終ステップ２３０は、光電池１１０及びバッテリ１２０を積み重ね、圧着結合を用いてコンタクト層１１８及び１２１を結合し、単一の統合デバイスを生成するためのものである。
【００３８】
図２及び光電池製造ステップ２００を参照すると、第１のステップ２０１は、ｐ型層１１４、１１５及び誘電体層１１７を有するウェハを形成するものである。第２のステップ２０２は、ウェハを貫通する貫通孔を開口するものである。第３のステップ２０３は、ウェハのｐ型層１１４の露出面内にｎ型ドープ層１１３を形成するものである。第４のステップ２０４は、誘電体層１１７の部分を除去して、貫通孔の周りに誘電体層の分離領域を生成するものである。第５のステップ２０５は、ライナ層１１６を堆積させて、垂直相互接続部１４０及びコンタクト層１１８の金属が拡散しないように保護するものである。第６のステップ２０６は、分離した誘電体領域を有するウェハの側をメタライズ（metallize）して光電池の第２のコンタクト層１１８を生成し、かつ、貫通孔を充填して垂直相互接続部１４０を生成するものである。第７のステップ２０７は、ｎ型層１１３の上にパッシベーション層１１２を堆積させ、パッシベーション層１１２の部分を除去して下の垂直相互接続部１４０を露出させ、パッシベーション層１１２上に第１のコンタクト層１１１を堆積させるものである。第８のステップは、分離トレンチ１６０ａ及び１６０ｂを生成して、相互接続部の周りのコンタクト領域を電気的に絶縁し、これにより相互接続部をコンタクト層１１８の残り部分から分離するものである。これらのステップの結果が、図１に示す光電池１１０である。
【００３９】
図２及びバッテリ製造ステップ２１０を参照すると、第１のステップ２１１は、基板１２８を形成するものである。第２のステップ２１２は、基板内に垂直トレンチをエッチングするものである。第３のステップ２１３は、基板上及びトレンチ内に障壁層１２７、アノード層１２６、電解質層１２５及びカソード層１２４を堆積させるものである。トレンチ内に堆積された層はバッテリ・セル１３０を形成する。第４のステップ２１４は、基板内に層１２４−１２７を貫通する孔を開口するものである。第５のステップ２１５は、カソード層上及び孔内に誘電体層１２３を形成して、孔を層から電気的に絶縁させるものである。第６のステップ２１６は、誘電体層１２３の領域を除去して、下のカソード層１２４を露出させるものである。第７のステップ２１７は、ライナ層１２２を堆積させて下の層を保護するものである。第８のステップ２１８は、層を有するバッテリ１２０の側をメタライズしてコンタクト層１２１を生成し、かつ、孔を充填して垂直相互接続部１５０を生成するものである。第９のステップ２１９は、分離トレンチ１６０ｃ及び１６０ｄを生成して相互接続部の周りのコンタクト領域を分離し、それにより相互接続部をコンタクト層１２１の残り部分から分離するものである。これらのステップの結果が、図１に示すバッテリ１２０である。
【００４０】
図３−図２２は、製造プロセスの種々異なる段階における、本発明の好ましい実施形態による統合された光電池及びバッテリ・デバイスの断面図である。
【００４１】
図３は、光電池の第１の製造ステップについての光電池の断面図である。ウェハは、ドープｐ型シリコン層１１４及び高濃度ドープｐ型シリコン層１１５を含む。
【００４２】
図４は、光電池についての第２の製造ステップにおける光電池の断面図である。誘電体層１１７がウェハの上に堆積される。誘電体は、酸化物又は窒化物とすることができる。次に、貫通孔４０１がウェハを貫通して開口される。貫通孔４０１は、誘電体層１１７へのレーザ・スクライビング・ビーム、並びに、シリコン層１１４及び１１５を貫通して貫通孔を開口するためのボッシュ法を用いて開口することができる。
【００４３】
図５は、光電池についての第２の製造ステップにおける光電池の上面図である。貫通孔４０１が、統合デバイスの光に向いた側としても機能する上面から示される。
【００４４】
図６は、光電池についての第３の製造ステップにおける光電池の断面図である。高濃度ドープｎ型シリコン層１１３が、ドープ・シリコン層１１４及び１１５の露出面内への拡散によって生成される。これにより、ウェハの上部から誘電体層１１７まで延びる貫通孔４０１の壁上にｎ型領域が生成される。
【００４５】
図７は、光電池についての第４の製造ステップにおける光電池の断面図である。貫通孔４０１の周りに分離した誘電体領域６０１が生成され、これはレーザ・スクライビング・ビームを用いて行うことができる。
【００４６】
図８は、光電池についての第５の製造ステップにおける光電池の断面図である。ライナ層１１６及びコンタクト層１１８がウェハの上に堆積される。ライナ層１１６は、シリコン層１１３、１１４及び１１５をコンタクト層１１８の拡散から保護する。ライナ層１１６及びコンタクト層１１８の両方とも図７における貫通孔４０１を充填して、導電性垂直相互接続部１４０を生成する。
【００４７】
図９は、光電池についての第５の製造ステップにおける光電池の上面図である。垂直相互接続部４０１が上面図から示される。
【００４８】
図１０は、光電池についての第６の製造ステップにおける光電池の断面図である。パッシベーション層１１２がウェハの上に堆積される。パッシベーション層１１２は表面パッシベーションのために役立ち、一般的に入射光の反射防止ももたらす。
【００４９】
図１１は、光電池についての第６の製造ステップにおける光電池の上面図である。上面図から示されるように、パッシベーション層はウェハの光に向いた側を覆い、かつ、垂直相互接続部１４０を覆う。
【００５０】
図１２は、光電池についての第７の製造ステップにおける光電池の断面図である。パッシベーション層１１２の部分９０１が除去され、コンタクト層１１１がパッシベーション層１１２の上に堆積される。
【００５１】
図１３は、光電池についての第７の製造ステップにおける光電池の上面図である。コンタクト層１１１はグリッドで構成され、従って、パッシベーション層１１２全体を覆ってはいない。コンタクト層１１１は、下の垂直相互接続部１４０と電気的接続がなされるように配置する必要がある。
【００５２】
図１４は、光電池についての第８の製造ステップにおける光電池の断面図である。分離トレンチ１６０ａ及び１６０ｂが、ウェハの底部内に生成される。分離トレンチ１６０ａ及び１６０ｂは、レーザ・スクライビング・ビームを用いて生成することができる。
【００５３】
図１５は、光電池についての第８の製造ステップにおける光電池の底面図である。分離トレンチ１６０ａ及び１６０ｂは、垂直相互接続部１４０を第２のコンタクト層の残り部分１００１から電気的に絶縁する。
【００５４】
図１６は、バッテリについての第１の製造ステップにおけるバッテリの断面図である。バッテリ１１００は、カソード層１２４、電解質層１２５、アノード層１２６、障壁層１２７、ドープ・シリコン基板層１２８及び第２の導電性コンタクト層１２９を含む。バッテリ１１００はまた、バッテリ１１００の表面積を拡大し、従って、エネルギー密度を増大させるための複数のバッテリ・セル１３０ａ及び１３０ｂも含む。バッテリ・セル１３０ａと１３０ｂを並列接続することにより、バッテリ電圧は一定のままであり、バッテリ容量が拡張される。
【００５５】
図１７は、バッテリについての第２の製造ステップにおけるバッテリの断面図である。孔１２０１が、層１２４−１２７を貫通して下の基板層１２８内に開口される。
【００５６】
図１８は、バッテリについての第３の製造ステップにおけるバッテリの断面図である。誘電体層１２３が孔１２０１を層１２４−１２７から電気的に絶縁するのに十分なほど少なくとも部分的に孔１２０１内に堆積されるように、誘電体層１２３が堆積される。従って、典型的には、誘電体層１２３の厚さは、少なくとも層１２４−１２７の全厚と同じである。誘電体層１２３は孔１２０１を基板層１２８から電気的に絶縁すべきではない。
【００５７】
図１９は、バッテリについての第４の製造ステップにおけるバッテリの断面図である。誘電体層１２３の部分１４０１が除去され、下のカソード層１２４を露出させる。レーザ・スクライビング・ビームを用いて、誘電体層１２３の部分１４０１を除去することができる。
【００５８】
図２０は、バッテリについての第５の製造ステップにおけるバッテリの断面図である。ライナ層１２２をバッテリ上に堆積させ、該層が、誘電体層１２３から除去された部分１４０１及び孔１２０１を充填するようにする。次に、バッテリの上部をメタライズして、第１のコンタクト層１２１及び垂直相互接続部１５０を生成する。基板が導電性になるようにドープされているので、垂直相互接続部１５０は、ドープ・シリコン基板層１２８を完全に貫通して延びる必要はない。
【００５９】
図２１は、バッテリについての第６の製造ステップにおけるバッテリの断面図である。分離トレンチ１６０ｃ及び１６０ｄが、バッテリの上部内に生成される。分離トレンチ１６０ｃ及び１６０ｄは、レーザ・スクライビング・ビームを用いて生成することができる。分離トレンチ１６０ｃ及び１６０ｄは、垂直相互接続部１５０を第２のコンタクト層の残り部分１６０１から電気的に絶縁する。
【００６０】
図２２は、本発明の実施形態による統合デバイスについての統合製造ステップにおける光電池及びバッテリ・デバイスの断面図である。光電池１１０及びバッテリ１２０が別個に製造された後、図２２に示すように、これらの２つが互いに結合される。光電池１００の第２の導電性コンタクト層１１８が、バッテリ１２０の第１の導電性コンタクト層１２１に熱圧縮結合される。銅と銅との熱圧縮結合プロセスは、３次元統合の技術分野において周知である。
【００６１】
図２３は、本発明の実施形態による太陽光発電システム１８００のシステム図である。太陽光発電システム１８００は、光電池及びバッテリ統合デバイス１００のパネル１８１０を含む。パネル１８１０は、任意の数の光電池及びバッテリ統合デバイス１００を含むことができる。パネル１８１０は、インバータ１８２１及びコントローラ１８２２を含む論理回路１８２０に接続される。論理回路１８２０は、パネル１８１０内に組み込むことができ、又はＣＭＯＳ技術を用いて光電池及びバッテリ統合デバイス１００と直接統合することができる。論理回路１８２０は、光電池及びバッテリ統合デバイス１００のパネル１８１０によって生成される電気を動力源とする負荷１８３０に接続される。
【００６２】
図２４は、例えば、半導体ＩＣ論理の設計、シミュレーション、試験、レイアウト及び製造に用いられる例示的な設計フロー１９００のブロック図である。設計フロー１９００は、上記に説明され、図１又は図３−図２２に示される設計構造体及び／又はデバイスの論理的又は他の方法で機能的に等価な表現を作成するために、設計構造体又はデバイスを処理するためのプロセス、機械、及び／又は機構を含む。
【００６３】
設計フロー１９００によって処理及び／又は作成される設計構造体を機械可読伝送又はストレージ媒体上でコード化して、データ処理システム上で実行又は他の方法で処理されたときに、ハードウェア・コンポーネント、回路、デバイス又はシステムの論理的、構造的、機械的又は他の機能的に等価な表現を生成するデータ及び／又は命令を含むようにすることができる。機械は、これらに限定されるものではないが、回路、コンポーネント、デバイス、又はシステムを設計、製造又はシミュレートするといった、ＩＣ設計プロセスに用いられるどのような機械も含む。例えば、機械は、リソグラフィ機械、マスクを生成するための機械及び／又は機器（例えば、ｅビーム・ライタ）、設計構造体をシミュレートするためのコンピュータ又は機器、製造プロセス又は試験プロセスの製造に用いられるいずれかの装置、又は設計構造体の機能的に等価な表現をいずれかの媒体にプログラミングするためのいずれかの機械（例えば、プログラマブル・ゲートアレイをプログラミングするための機械）を含むことができる。
【００６４】
設計フロー１９００は、設計される表現のタイプに応じて変わり得る。例えば、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）を構築するための設計フロー１９００は、標準的なコンポーネントを設計するための設計フロー１９００、又はプログラマブル・アレイ、例えば、Ａｌｔｅｒａ  Ｉｎｃ．又はＸｉｌｉｎｘ  Ｉｎｃ．から提供されているプログラマブル・ゲートアレイ（ＰＧＡ）又はフィールド・プログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）に設計をインスタンス化するための設計フロー１９００とは異なることがある。
【００６５】
図２４は、好ましくは設計プロセス１９１０によって処理される入力設計構造体１９２０を含む、複数のこのような設計構造体を示す。設計構造体１９２０は、設計プロセス１９１０によって生成及び処理され、ハードウェア・デバイスの論理的に等価な機能表現を生じる、論理的シミュレーション設計構造体とすることができる。設計構造体１９２０はさらに、又は代替的に、設計プロセス１９１０によって処理されたときに、ハードウェア・デバイスの物理的構造の機能的表現を生成するデータ及び／又はプログラム命令を含むこともできる。機能的及び／又は構造的設計特徴のどちらを表現するのであれ、設計構造体１９２０は、コア開発者／設計者によって実施されるような、電子的コンピュータ支援設計（ＥＣＡＤ）を使用して生成することができる。
【００６６】
機械可読データ伝送、ゲートアレイ、又はストレージ媒体上でコード化された場合、設計構造体１９２０を設計プロセス１９１０内の１つ又は複数のハードウェア及び／又はソフトウェア・モジュールによってアクセス及び処理して、図１又は図３−図２２に示されるもののような電子コンポーネント、回路、電子若しくは論理モジュール、装置、デバイス、又はシステムをシミュレートするか、又は他の方法で機能的に表現することができる。そのため、設計構造体１９２０は、設計又はシミュレーション・データ処理システムによって処理されたときに回路又は他のレベルのハードウェア論理設計を機能的にシミュレートするか、又は他の方法で表現する、人間及び／又は機械可読のソースコード、コンパイルされた構造体、及びコンピュータ実行可能コード構造体を含む、ファイル又は他のデータ構造体を含むことができる。このようなデータ構造体は、ハードウェア記述言語（ＨＤＬ）設計エンティティ、又は、Ｖｅｒｉｌｏｇ及びＶＨＤＬのような低レベルＨＤＬ設計言語、及び／又はＣ若しくはＣ＋＋のような高レベル設計言語に適合する及び／又はそれと互換性のある他のデータ構造体を含むことができる。
【００６７】
設計プロセス１９１０は、設計構造体１９２０のような設計構造体を含むことができるネットリスト１９８０を生成するために、図１又は図３−図２２に示されるコンポーネント、回路、デバイス又は論理構造体の設計／シミュレーションの機能的等価物を合成、翻訳又はその他の方法で処理するためのハードウェア及び／又はソフトウェア・モジュールを使用し、組み込むことが好ましい。ネットリスト１９８０は、例えば、集積回路設計内の他の素子及び回路への接続を記述する配線、個別部品、論理ゲート、制御回路、Ｉ／Ｏデバイス、モデル等のリストを表す、コンパイルされた又は他の方法で処理されたデータ構造体を含むことができる。ネットリスト１９８０は繰り返しプロセスを用いて合成することができ、このプロセスにおいて、ネットリスト１９８０は、デバイスの設計仕様及びパラメータに応じて１回又は複数回再合成される。ここで説明された他の設計構造体のタイプと同様に、ネットリスト１９８０を機械可読データ・ストレージ媒体上に記録し、又はプロブラマブル・ゲートアレイにプログラムすることができる。媒体は、磁気又は光ディスク・ドライブのような不揮発性ストレージ媒体、プロブラマブル・ゲートアレイ、コンパクト・フラッシュ、又は他のフラッシュメモリとすることができる。それに加えて、又は代替的に、媒体は、インターネット又は他のネットワーキングに適した手段を介してデータパケットを伝送し、中間的に格納することができる、システム又はキャッシュ・メモリ、バッファ領域、又は電気的若しくは光学的に伝導性のデバイス及び材料とすることができる。
【００６８】
設計プロセス１９１０は、ネットリスト１９８０を含む様々な入力データ構造体のタイプを処理するためのハードウェア及びソフトウェア・モジュールを含むことができる。このようなデータ構造体のタイプは、例えば、ライブラリ要素１９３０内に常駐し、所与の製造技術（例えば、異なる技術ノード３２ｎｍ、４５ｎｍ、９０ｎｍ等）についての、モデル、レイアウト及び符号表示を含む、一般的に用いられる要素、回路及びデバイスの組を含むことができる。データ構造体のタイプは、設計仕様１９４０と、特性データ１９５０と、検証データ１９６０と、設計規則１９７０と、入力試験パターン、出力試験結果及び他の試験情報を含むことができるテスト・データ・ファイル１９８５とをさらに含むことができる。設計プロセス１９１０は、例えば、応力分析、熱分析、機械イベント・シミュレーション、鋳造、成形、ダイ・プレス形成等のような動作のためのプロセス・シミュレーションのような標準的な機械設計プロセスをさらに含むことができる。
【００６９】
機械設計の当業者であれば、本発明の範囲及び思想から逸脱することなく、設計プロセス１９１０に用いられる可能な機械設計ツール及びアプリケーションの範囲を認識することができる。設計プロセス１９１０はまた、タイミング分析、検証、設計規則照合、場所及びルート動作等のような標準的な回路設計プロセスを実行するためのモジュールを含むこともできる。
【００７０】
設計プロセス１９１０は、第２の設計構造体１９９０を作成するために、ＨＤＬコンパイラ及びシミュレーション・モデル構築ツールのような論理的及び物理的設計ツールを使用し、組み込んで、設計構造体１９２０を、図示された支持データ構造体のうちの幾つか又は全てと共に、いずれかの付加的な機械設計又はデータ（該当する場合）と併せて処理する。設計構造体１９９０は、機械的なデバイス及び構造体のデータの交換に用いられるデータ形式（例えば、ＩＧＥＳ、ＤＸＦ、Ｐａｒａｓｏｌｉｄ  ＸＴ、ＪＴ、ＤＲＧ、又はこのような機械的設計構造体を格納又はレンダリングするのに適したその他のいずれかの形式で格納される情報）でストレージ媒体又はプログラマブル・ゲートアレイ上に存在する。
【００７１】
設計構造体１９２０と同様に、設計構造体１９９０は、好ましくは、１つ又は複数のファイル、データ構造体、又は他のコンピュータ・コード化データ又は命令を含み、これは、伝送又はデータ・ストレージ媒体上に存在し、かつ、ＥＣＡＤシステムによって処理されると図１又は図３−図２２に示される本発明の実施形態の１つ又は複数の論理的又はその他の方式で機能的に等価な形態を生成する。１つの実施形態において、設計構造体１９９０は、例えば、図１又は図３−図２２に示されるデバイスを機能的にシミュレートする、コンパイルされた実行可能なＨＤＬシミュレーション・モデルを含むことができる。
【００７２】
設計構造体１９９０はまた、集積回路のレイアウト・データの交換に用いられるデータ形式、及び／又は記号データ形式（例えば、ＧＤＳＩＩ（ＧＤＳ２）、ＧＬ１、ＯＡＳＩＳ、マップファイル、又はこのような設計データ構造体を格納するためのその他のいずれかの適切な形式で格納される情報）を使用することもできる。データ構造体１９９０は、例えば、記号データ、マップファイル、試験データ・ファイル、設計コンテンツ・ファイル、製造データ、レイアウト・パラメータ、配線、金属のレベル、ビア、形状、製造ラインを通じた経路指定のためのデータ、並びに、上記に説明され、図１又は図３−図２２に示されるようなデバイス又は構造体を製造するために製造者又は他の設計者／開発者により要求される他のいずれかのデータといった情報を含むことができる。次に、設計構造体１９９０はステージ１９９５に進むことができ、そこで、例えば、設計構造体１９９０は、テープに読み出されたり、製造のためにリリースされたり、マスク会社にリリースされたり、別の設計会社に送られたり、顧客に返送されたりする。
【００７３】
本明細書で用いられる用語は、特定の実施形態を説明する目的のためのものにすぎず、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で用いられるとき、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」及び「その（ｔｈｅ）」は、文脈が明らかにそうでないことを示していない限り、複数形も含むことが意図されている。本明細書で用いられるとき、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」及び／又は「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、提示された特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は構成要素が存在することを特定するものであるが、１つ又は複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はそれらのグループの存在又は追加を排除するものではないことがさらに理解されるであろう。
【００７４】
特許請求の範囲における全ての「手段又はステップと機能との組み合わせ（ミーンズ又はステップ・プラス・ファンクション）」要素の対応する構造、材料、行為及び均等物は、該当する場合、その機能を、明確に特許請求されているように他の特許請求された要素と組み合わせて実行するための、いかなる構造、材料又は行為をも含むことが意図される。本発明の説明は、例示及び説明の目的で提示されたものであるが、網羅的であることを意図するものではなく、本発明を開示された形態に限定することを意図するものでもない。本発明の範囲から逸脱することのない多くの変更及び変形が、当業者には明らかであろう。実施形態は、本発明の原理及び実際の用途を最も良く説明するため、及び、当業者が本発明を種々の変更を有する種々の実施形態について企図される特定の使用に適したものとして理解することを可能にするために、選択及び記載された。従って、本発明に関する実施形態を説明してきたが、当業者であれば、本発明は、変更を伴って、かつ、添付の特許請求の範囲の思想及び範囲内で実施できることを理解するであろう。
【符号の説明】
【００７５】
１００：統合された光電池及びバッテリ・デバイス
１１０：光電池
１１１：光電池の第１の導電性コンタクト層
１１２：パッシベーション層
１１３：高濃度ドープｎ型シリコン層
１１４：ｐ型シリコン層
１１５：高濃度ドープｐ型シリコン層
１１６、１２２：ライナ層
１１７、１２３：誘電体層
１１８：光電池の第２の導電性コンタクト層
１２０、１１００：バッテリ
１２１：バッテリの第１の導電性コンタクト層
１２４：カソード層
１２５：電解質層
１２６：アノード層
１２７：障壁層
１２８：ドープ・シリコン基板層
１２９：バッテリの第２の導電性コンタクト層
１３０ａ、１３０ｂ：バッテリ・セル
１４０、１５０：垂直相互接続部
１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ、１６０ｄ：分離トレンチ
２００：光電池製造ステップ
２１０：バッテリ製造ステップ
４０１：貫通孔（垂直相互接続部）
６０１：分離した誘電体領域
９０１：パッシベーション層の部分
１００１、１６０１：第２のコンタクト層の残り部分
１２０１：孔
１４０１：誘電体層１２３の部分
１８００：太陽光発電システム
１８１０：パネル
１８２０：論理回路
１８２１：インバータ
１８２２：コントローラ
１８３０：負荷
１９００：設計フロー
１９１０：設計プロセス
１９２０：入力設計構造体
１９３０：ライブラリ要素
１９４０：設計仕様
１９５０：特性データ
１９６０：検証データ
１９７０：設計ルール
１９８０：ネットリスト
１９８５：試験データ・ファイル
１９９０：第２の設計構造体
１９９５：段階
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
2013535846.tif 000045
2013535846.tif 000046
2013535846.tif 000047