(57)【要約】    複数の線を物体上に蒸着させる方法および装置であって、具体的には、太陽電池上に、金属化部のコレクター線および母線を蒸着させる方法および装置である。このコレクター線の幅は、１００ミクロン未満であるのが好ましく、全コレクター線が、蒸着ヘッドの一回のパスにより蒸着されるのが好ましい。蒸着ヘッド上には、複数列のノズルがありえる。複数の材料が、次々と上に蒸着可能で、物体上に層構造を形成する。各層は、厚さ５ミクロン未満でありえる。これらの層の位置合わせは、特大サイズの位置合わせ形状を蒸着させることなく行われるのが好ましい。複数の噴霧器を用いて、複数の材料を蒸着させることができる。母線装置は、好ましくは複数のノズルを有し、それぞれが、一回のパスで１つの母線を蒸着させるのに十分な幅を有する。【選択図】  図１
2010538477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体上に、マスクなしで、非接触型で平行の線を印刷する方法であって、
蒸着ヘッドを設ける工程と、
前記蒸着ヘッドの幅にわたって複数のノズルを設ける工程であって、前記ノズル数を印刷される線数と同じにする工程と、
蒸着される第１材料を噴霧化する工程と、
噴霧化された前記第１材料を前記ノズルから放射する工程と、
前記蒸着ヘッドを、前記物体に対して相対的に動かす工程と、
前記第１材料を含む複数の線を、前記物体上に蒸着させる工程とを含み、
ここで、各線の幅が、約１００ミクロン未満である
方法。
【請求項２】
各線の幅が、約５０ミクロン未満である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
各線の幅が、約３５ミクロン未満である請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記動かす工程が、前記蒸着ヘッドで走査する工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記物体が、幅が少なくとも１５６ｍｍの太陽電池を有する請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記蒸着させる工程が、約３秒未満で行われる請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記蒸着させる工程は、前記ノズルを単一の列に配列する工程を含むか、または、前記ノズルを複数の列に配列する工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
第１列のノズルは、第２列のノズルと一列に並んでいる請求項７に記載の方法。
【請求項９】
先行して蒸着された材料上に、さらなる材料を蒸着させる工程を含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記さらなる材料は、前記先行して蒸着された材料とは異なる請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
さらに、専用噴霧器を用いて前記さらなる材料を噴霧化する工程を含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
第１列のノズルは、第２列のノズルとずれており、これにより、蒸着される線間の距離を縮めることができる請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
前記蒸着ヘッドと前記物体とを位置合わせする工程と、
第２材料を噴霧化する工程と、
前記先行して蒸着された第１材料を含む線上に、前記第２材料を含む線を蒸着させる工程とを含み、これにより、複数の層蒸着が形成される
請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記先行して蒸着された線および／または前記第２の材料を含む線は、厚さ約５ミクロン未満である請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
さらに、別体の噴霧器ユニットを順に活性化させる工程を含み、各噴霧器が、前記第１または第２材料のうちの１つに対応している請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
位置合わせする工程を可能にするために、前記方法が、特大サイズの形状を印刷することなく行われる請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記先行して蒸着された線を実質的に乾燥させる工程をまず行うことなしに、前記第２材料を含む線を蒸着させる工程が行われる請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
太陽電池上に、マスクなしで、非接触型で母線を蒸着させる装置であって、
蒸着ヘッドと、
それぞれが、１つまたは複数の噴霧作動機を有する１つまたは複数の噴霧器と、
走査することなく母線を蒸着させるために十分幅の広い尖端を有する少なくとも１つのノズルと、
を有する装置。
【請求項１９】
８〜１２個のノズル毎に１つの噴霧器を有する請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
さらに、バーチャルインパクターを有する請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
前記バーチャルインパクターが、矩形形状を有する請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
必要な母線の全てを同時に蒸着させるのに十分な数のノズルを有する請求項１８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一および複数ノズルのプリントヘッド統合システムを用いて金属化部を直接書き込む印刷分野に関し、とりわけ、光電池製造用のコレクタ線および母線に関する。
【０００２】
関連出願への相互参照
本出願は、米国仮特許出願６０／９６９，４６７号（２００７年８月３１日出願、発明の名称「光電池応用用のエアロゾル・ジェット（米国登録商標）印刷システム（“Ａｅｒｏｓｏｌ  Ｊｅｔ（Ｒ）  Ｐｒｉｎｔｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”）」）、および、米国仮特許出願６１／０４７，２８４号（２００８年４月２３日出願、発明の名称「複数材料の金属化（“Ｍｕｌｔｉ−Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ”）」の出願権利を主張し、これらの明細書を参照して本願に完全に組み込む。
【背景技術】
【０００３】
スクリーン印刷は、結晶シリコン太陽電池の前面金属化のために今日用いられている最も一般的な技術である。しかし、この手法は、業界が、より効率的な太陽電池とより薄いウェハーとを推し進めているので、限界に達しつつある。例えば、太陽電池の効率は、印刷された導電性の線によって陰影がかかるウェハー上の面積を小さくすることにより改善可能である。しかし、ステンシルの間隙が小さくなっているので、スクリーンのメッシュを通ったインクを拭い取るのが、ますます困難になっている。スクリーンの引き伸ばしも、より問題になっていて、スクリーンの消耗に伴うコストがより大きくなっている。スクリーン印刷技術の進歩により、１０年前に可能だと考えられていたことを超えて推し進められてきたが、その一方で、可能な形状サイズの限界が急速に近づいている。さらに、より薄いシリコンウェハーが製造ラインに持ち込まれることにより、スクリーン印刷がウェハーに与える圧力のために、ウェハー欠損による消耗がより顕著になっている。これらの限界に対応する代替印刷手法が明らかに必要である。
【０００４】
さらに、高効率化は、コレクタ線に２層構造を利用することによっても達成しようとされてきた。従来、コレクタ線には、下方にあるシリコンとの電気接点を形成するために、多量のガラスが装填されていた。しかし、こうしてガラス密度が高いことにより、抵抗が大きくなり、したがって、コレクタ線の電気損失が高まる。コレクタ線を最適化することにより、シリコンとの電気接点が良好になり、同時にシリコンと母線との間の抵抗を最小限にすることができる。２層構造によりこれを達成できるが、これは、エミッタとの接点を形成するコレクタの部分と、電流搬送部分との接続を断つことにより行われる。最適な構造では、接点層の厚さは、シリコンとの接点を形成するために必要とされるだけの厚さにすぎないが、一方で、電流搬送層の厚さは、抵抗損失を低減するために最大にされる。この構造を達成するための１つの手法は、シード層上へ純粋な導体をメッキすることを利用する手法である。これを達成するための１つのプロセスは、光誘起メッキ（ＬＩＰ）プロセスである（非特許文献１）。続くメッキ工程用にシード層を印刷するための可能な手法はいくつか存在する。インクジェットは、将来性のある非接触型印刷手法である（非特許文献２）。しかし、これにはいくつかの限界が知られている。インクを希釈せねばならず、適切な厚さを形成するためには、複数回のパスが必要である。業務用のスクリーン印刷ペーストを印刷することはできず、特殊なナノ粒子または有機金属インクの開発が必要である。液滴が比較的大きいので、結果としてスクリーン印刷で達成可能な液滴よりも良好とはいえない線幅が得られてしまう。基盤とプリントヘッドとの間の間隙が重要で、結果として起伏のある基盤に対する許容誤差が小さくなる。
【０００５】
高効率化は、結晶シリコン太陽電池の背面金属化を利用することによっても達成可能である。光電池産業は、新たに背面印刷パターンの実験、および、太陽電池の全体的な効率を改善するために新しい材料（例えば、銅、ニッケル、合金、導電性コーティング）を印刷する実験を行っているところである。一方で、コストを下げ、および／または営業利益を上げる努力の一環で、同時にウェハーをより薄くする方向に動いている。従来のスクリーン印刷法は、これらの将来的な必要条件には対応していない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ａ．メッテ、Ｃ．シェッター、Ｄ．ヴィッセン（Ａ．Ｍｅｔｔｅ、Ｃ．Ｓｃｈｅｔｔｅｒ，Ｄ．Ｗｉｓｓｅｎ）他著、ＩＥＥＥ光電池エネルギー変換に関する第４回世界会議（ＩＥＥＥ  ４ｔｈ  Ｗｏｒｌｄ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）論文集、第１巻（２００６年）、１０５６ページ
【非特許文献２】Ｃ．Ｊ．クルティス、Ｍ．ファン・へスト、Ａ．ミーダナー（Ｃ．Ｊ．Ｃｕｒｔｉｓ、Ｍ．ｖａｎ  Ｈｅｓｔ、Ａ．Ｍｉｅｄａｎｅｒ）他著、ＩＥＥＥ光電池エネルギー変換に関する第４回世界会議（ＩＥＥＥ  ４ｔｈ  Ｗｏｒｌｄ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）論文集、第２巻（２００６年）、１３９２ページ
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、物体上に、マスクなしで、非接触型で平行の線を印刷する方法であって、この方法は、蒸着ヘッドを設ける工程と、蒸着ヘッドの幅にわたって複数のノズルを設ける工程であって、ノズル数を印刷される線数と同じにする工程と、蒸着される第１材料を噴霧化する工程と、噴霧化されたこの第１材料を、ノズルから放射する工程と、蒸着ヘッドを物体に対して相対的に動かす工程と、第１材料を含む複数の線を物体上に蒸着させる工程とを含み、ここで、各線の幅が、約１００ミクロン未満である。各線の幅が、約５０ミクロン未満、より好ましくは約３５ミクロン未満であるのが好ましい。上述の動かす工程が、随意選択的に蒸着ヘッドで走査する工程を含む。随意選択的に、物体は、幅が少なくとも１５６ｍｍの太陽電池を有し、この場合、上述の蒸着させる工程が、約３秒未満で行われるのが好ましい。
【０００８】
この蒸着させる工程は、随意選択的に、ノズルを単一の列または複数の列に配列する工程を含む。後者の場合、第１列のノズルは、随意選択的に第２列のノズルと一列に並んでいる。これにより、先行して蒸着された材料上に、さらなる材料を蒸着させることが可能になる。随意選択的に、このようなさらなる材料は、先行して蒸着された材料とは異なる。この場合、さらなる材料を噴霧化する工程は、随意選択的に専用噴霧器を用いて行われる。あるいは、第１列のノズルは、第２列のノズルとずれており、これにより、蒸着される線間の距離を縮めることができる。
【０００９】
この方法は、随意選択的に、蒸着ヘッドと物体とを位置合わせする工程と、第２材料を噴霧化する工程と、先行して蒸着された第１材料を含む線上に、第２材料を含む線を蒸着させる工程とを含み、これにより、複数の層蒸着が形成される。先行して蒸着された線および／または第２の材料を含む線は、厚さ約５ミクロン未満であるのが好ましい。この方法は、随意選択的に、さらに、別体の噴霧器ユニットを順に活性化させる工程を含み、各噴霧器が、第１材料または第２材料のうちの１つに対応している。この方法は、上述の位置合わせする工程を可能にするために、特大サイズの形状を印刷することなく行われるのが好ましい。先行して蒸着された線を実質的に乾燥させる工程をまず行うことなしに、第２材料を含む線を蒸着させる工程が行われることが好ましい。
【００１０】
本発明は、太陽電池上に、マスクなしで、非接触型で母線を蒸着させる装置にも関し、この装置は、蒸着ヘッドと、それぞれが、１つまたは複数の噴霧作動機を有する１つまたは複数の噴霧器と、走査することなく母線を蒸着させるために十分幅の広い尖端を有する少なくとも１つのノズルとを有する装置でもある。この装置は、随意選択的に、８〜１２個のノズル毎に１つの噴霧器を有する。この装置は、バーチャルインパクターを有するのが好ましく、このバーチャルインパクターは、随意選択的に矩形形状を有する。この装置は、好ましくは、必要な母線の全てを同時に蒸着させるのに十分な数のノズルを有する。
【００１１】
本発明の利点は、太陽電池上のコレクタ線用のシード層の幅および厚さを小さくすることができる点である。
【００１２】
本発明の目的、利点および新規の特徴、ならびに、本発明のさらなる適用範囲に関しては、部分的には、添付の図面を組み合わせた以下の詳細な説明に説明されており、部分的には、以下を考察すれば当業者には自明になり、または、本発明の実践から学びうる。本発明の目的および利点は、特に従属請求項中に指摘されている手段およびこれらの組み合わせにより実現され、達成されうる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
明細書に組み込まれその一部分を形成している添付の図面は、本発明の１つまたは複数の実施形態を例示し、明細書と共に、本発明の原理を説明するのに役立つ。図面は、本発明の１つまたは複数の実施形態を例示する目的のみのためにあり、本発明を限定するようには解釈されない。明示および包括理解のために、異なる実施形態間の類似の特徴は、通常類似の参照符号で記載されている。
【００１４】
【図１】複数の印刷ノズルを有する単一のプリントヘッドの概略斜視図である。
【図２Ａ】単一のノズル列の側面および底面の概略図である。
【図２Ｂ】ノズルの先頭列、およびこれと一列に並んでいるノズルの後続列の側面および底面を示したプリントヘッドの概略図である。
【図２Ｃ】ノズルの先頭列、およびこれからずれているノズルの後続列の側面および底面を示したプリントヘッドの概略図である。
【図３】母線プリントヘッドの概略斜視図である。
【図４】母線印刷用の矩形のノズルの底面概略図である。
【図５】太陽電池の全面を印刷することができる広い面積を有するノズルプリントヘッドの底面概略図である
【図６】複数ノズルアレイを示した母線プリントヘッドの底面概略図である。
【図７Ａ】４つの噴霧器を示すアセンブリーの概略斜視図である。
【図７Ｂ】１つの噴霧器を有する母線プリントヘッドの概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、全体として、金属化応用のために、空気力学的集束を用いて、液体または液体粒子の懸濁液を、高解像度で、マスクなしで印刷する方法および装置に関する。最も一般的に用いられている実施形態では、エアロゾル流を、平面または非平面の目標物上に集束し、印刷が行われるが、この際に、対応するバルク材料のパターン近辺に、物理的、光学的および／または電気的な特性を得るために、熱的にまたは光化学的に処理されたパターンを形成する。このプロセスは、Ｍ３Ｄ（米国登録商標）（Ｍａｓｋｌｅｓｓ  Ｍｅｓｏｓｃａｌｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ(マスクなしでの中規模材料蒸着)）技術と称され、従来の厚膜でのプロセスで印刷される線よりも細いレベルでありえる線幅で、エアロゾル化された材料を印刷するのに用いられる。印刷は、マスクを用いずに行われる。さらに、Ｍ３Ｄ（米国登録商標）プロセスは、１ミクロン未満の幅の線を規定することができる。
【００１６】
Ｍ３Ｄ（米国登録商標）装置は、外側のシース流とエアロゾルを含む内側の担体流とからなる環状伝播噴流を形成するために、エアロゾル・ジェット（米国登録商標）プリントヘッドを用いるのが好ましい。環状エアロゾル噴射プロセスでは、好ましくはエアロゾル化プロセスの直後またはヒーター部を通過した直後に、エアロゾル流がプリントヘッドに入り、プリントヘッドオリフィスに向かって、装置の軸に沿って移動する。質量処理量は、エアロゾル担体ガス質量流量制御機により制御されるのが好ましい。プリントヘッド内で、エアロゾル流は、好ましくはミリメーターサイズのオリフィスを通って平行にされる。その後、発生する粒子流は、好ましくは環状シースガスと組み合わされるが、このシースガスは、ノズルの目詰まりを解消する機能と、エアロゾル流を集束する機能とを有する。担体ガスとシースガスとは、最も一般的には、乾燥窒素、圧縮空気または不活性ガスを有し、この中の１つまたは全てが、溶媒蒸気を含有するように改質されうる。例えば、エアロゾルが、水溶液から形成されるとき、液滴蒸発を防ぐために、水の蒸気が担体ガスまたはシースガスに添加されることができる。
【００１７】
シースガスは、好ましくは、エアロゾル入り口の下にあるシース空気入り口を通って入り、エアロゾル流と共に環状流を形成する。エアロゾル担体ガスと同様、シースガスの流速も、好ましくは質量流量制御機により制御される。組み合わされた流れは、高速（〜５０ｍ／秒）でオリフィスを通ってノズルを出て、目標物に向かい、続いてその目標物に衝突する。この環状流は、エアロゾル流を目標物上に集束させ、約１ミクロン未満の大きさの形状の印刷を可能にする。印刷パターンは、プリントヘッドを目標物に対して相対的に動かすことにより作られる。
【００１８】
太陽電池の前面の金属化
従来のスクリーン印刷された太陽電池は、前面が金属化されたパターンで製造され、このパターンは、多くの狭いコレクタ線（約１００〜１５０ミクロンの幅）と、いくつかの母線（ずっと大きく、約２ｍｍの幅）とからなる。通常の１５６ｍｍ×１５６ｍｍのウェハーは、６０〜８０のコレクタ線と、２つまたは３つの母線とからなる。このような太陽電池の変換効率は、約１５％であり、理論上の最大値の約半分である。１％の何分の１だけでも効率を改善できれば、多いに意義があり、太陽電池の予想される寿命である２０〜３０年にわたって、太陽電池の全出力量を増強する。コレクタ線の幅を小さくすれば、太陽電池の陰影がかかる面積を小さくすることができ、太陽電池の効率を上げることが、長い間認識されてきた。スクリーン印刷は、この点で多くの課題に直面し、製造現場では、１００ミクロンが実際上の最低限度であると多くの人に考えられている。効率のさらなる向上は、発生した電気を太陽電池に導き出すコレクタ線および母線の直列抵抗を小さくすることにより可能である。しかし、従来のスクリーン印刷ペーストは、下方にあるドープされたシリコンとの電気接点を形成するために必要とされるガラス原料を多量に含有する。このガラス原料は必要ではあるが、コレクタ線および母線の直列抵抗を高めてしまう。
【００１９】
最近、エアロゾル・ジェット印刷は、効率的なシリコン太陽電池を生産するために適用されており、これはまず、業務用のスクリーン印刷ペーストを印刷し、続いて、光誘起メッキ（ＬＩＰ）プロセスを行うことにより行われる（Ａ．メッテ、Ｐ．Ｌ．リヒター、Ｓ．Ｗ．グルンツ（Ａ．Ｍｅｔｔｅ、Ｐ．Ｌ．Ｒｉｃｈｔｅｒ、Ｓ．Ｗ．Ｇｌｕｎｚ）他著、第２１回ヨーロッパ光電池太陽エネルギー会議（２１ｓｔ  Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｓｏｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）、２００６年、ドレスデン）。単一ノズルのエアロゾル・ジェット印刷システムは、良好な機械的な接点および小さい接触抵抗を有するシード層を印刷するために用いられていた。ＬＩＰは、小さい直列抵抗を有する分厚い導電性の配線をメッキするために用いられていた。この手法により作られた太陽電池の効率は、１６．４％にまで高いものとなった。
【００２０】
材料を最適化することにより、直列抵抗を小さくする機会と、幅を大幅に狭くしたコレクタ線を印刷する能力とを組み合わせることにより、エアロゾル・ジェット印刷には、スクリーン印刷に対して、太陽電池の効率を迅速に向上させることができるという大きな利点が生じた。効率のさらなる向上は、コレクタ線とは別の工程で母線を印刷することにっても可能である。これにより、母線の直列抵抗は、コレクタ線に関係なく最適化することができる。逆に、下方にあるシリコンへのコレクタ線の接触抵抗は、母線に関係なく最適化することができる。
【００２１】
エアロゾル・ジェット印刷のこれ以外の利点は、製造現場において実現されうる。例えば、エアロゾル・ジェット印刷は、非接触型方法であり、それゆえに、比較的脆弱なウェハーに対して圧力をかけることがない。これは、スキージがスクリーン中の開口を通してペーストを押し込むために、スクリーンがウェハーとの接触を強いられるスクリーン印刷とは対照的である。下方向への力に加えて、ウェハーには上方向への力もかけられるが、これは、除去工程においてペーストがスクリーンから取り除かれるからである。プロセスのこの時点で、ウェハーの破損による消耗が、システムに投入されるウェハー数の数パーセントにもなりうる。太陽電池の効率に直接的に影響を与えないものの、この無駄により、太陽電池製造ラインからの全出力は低下する。スクリーン印刷に対するさらなる改善は、所有コストに関する。スクリーンは、引き伸ばし、引き裂けおよび目詰りすることがあり、定期的に交換されねばならない。直接印刷により、スクリーンの交換に伴うコストをなくす。
【００２２】
エアロゾル・ジェット印刷を太陽電池製造に導入するために、既存の単一ノズル技術に基づく複数ノズルプリントヘッドが開発された。この種のプリントヘッドは、幅の狭いコレクタ線を印刷し、一列に並んだノズルを通じてコレクタ線の高い部分を築くための専用のプリントヘッドである。さらに、単一ノズルのプリントヘッドが、母線を印刷するために開発されている。既存の単一ノズル技術に基づいてはいるが、一回の印刷パスで、数ミリメーターの幅の形状を印刷するように設計されているという点において、これらのプリントヘッドは既存のものとは大幅に異なる。この両方の革新において、太陽電池を、有用な製造速度で印刷することができる。この印刷システムは、１５６ｍｍ×１５６ｍｍの１つの太陽電池の前面金属化のために、シード層と完全に機能するコレクタ線との両方を、３秒で（これは、スクリーン印刷機の速度に匹敵する）印刷することができる。
【００２３】
このように、本発明は、太陽電池の金属化のための装置および方法に関し、とりわけ、単一および複数ノズルの統合システムによるＭ３Ｄ（米国登録商標）エアロゾル・ジェット（米国登録商標）プロセスを用いた、とりわけコレクタ線および母線の金属化に関する。本発明は、また、顧客の特殊なプロセス要件に応じて、続くメッキ作業のためにシード層を印刷するのに、または、完全に機能する導電性のコレクタ線および母線を直接印刷するのにも適用されうる。本発明は、また、従来の前面金属化以外の種類の太陽電池製造（例えば、薄膜および柔軟性のある太陽電池金属化）にも利用しうる。本考察における大半は、金属化に照準を合わせているが、このプロセスは、有機および無機の非金属製の複合物の印刷も行うことができる。さらに、本発明は、コーティング応用およびこれ以外の類似のプロセスにも用いることができる。
【００２４】
複数ノズルプリントヘッド
複数ノズルプリントヘッドは、主に、商業的に存立可能な形でのコレクタ線の製造において用いられる。太陽電池が大きくなる（例えば、１５６ｍｍ×１５６ｍｍから２１０ｍｍ×２１０ｍｍになる）にしたがって、コレクタ線の幅が小さくなり、ウェハー毎のコレクタ線の全数が、大幅に増える。１つのエアロゾル・ジェットノズルを用いて、ウェハー全体を印刷することは可能ではあるが、このために必要な時間のゆえに、製造現場でのこの技術の使用が阻まれる。唯一の経済的に実行可能な手段は、複数のコレクタ線を同時に印刷することである。これは、単一のノズルを有するエアロゾル・ジェット印刷ヘッドを複数個別々に用いて行うこともできる。しかし、製造速度を穏当に上昇させる唯一の方法は、この手法でのみ可能である。これは、コレクタ線間のピッチが比較的小さく、各プリントヘッド間の間隔が比較的大きいことによる。
【００２５】
より有用な手法は、複数の印刷ノズルを単一のプリントヘッドに組み込むことであり、これにより、図１に示すように、ノズル１０間の間隔を最小限にすることができる。この手法を用いることにより、実質的に全てのコレクタ線を同時に印刷することができる。しかし、コレクタ線を印刷するために、複数回の印刷パスを用いてもよい。コレクタ線は、隣接するブロックで、統合的にまたは２つのブロックを組み合わせて印刷してもよい。
【００２６】
ある実施形態では、図２に示すように、全てのノズル１０が、１列で配列されている。ノズルの間隔は、所望のコレクタ線の間隔に等しいか、またはこの間隔の整数の倍数でありうる。前者の場合、コレクタ線は１回の工程で印刷可能であり、後者の場合には、複数の印刷工程が必要である。別の実施形態では、ノズルの間隔は、所望のコレクタ線の間隔の非整数の倍数である。この場合、例えば、突出したノズルの間隔が、所望のコレクタ線の間隔に等しいか、またはこの間隔の整数の倍数となるように、プリントヘッドは、ウェハーと印刷方向とに関して相対的に回転されねばならない。
【００２７】
別の実施形態では、ノズルは、複数列で配列されており、例えば、プリントヘッドは先頭列のノズルと、これに続く１つまたは複数の後続のノズル列とからなる。後続の列１４中のノズルは、（図２Ｂに示すように）先頭列１２中のノズルと位置合わせされていてもよいし、あるいは、随意選択的に（図２Ｃに示すように）これに対してずれていてもよい。前者の場合には、後続の列１４中のノズルは、先頭列１２により印刷されたコレクタ線の上に印刷を行い、その結果、コレクタ線がより厚くなる。後者の場合には、後続の列１４中のノズルは、ノズルの先頭列１２により印刷されたコレクタ線からはずれた位置にあるコレクタ線を印刷する。ノズルのずれは、所望のコレクタ線の間隔に一致するのが好ましい。
【００２８】
コレクタ線の幅は、様々な太陽電池の設計に合わせるために広い範囲にわたって調整可能である。しかし、最も大きな効用は、スクリーン印刷では達成可能ではない線幅を印刷する際に発揮される。線幅は、好ましくは約５０ミクロン未満であり、より好ましくは約３５ミクロン未満である。これらの線幅の値は、太陽電池の印刷に有用でありうる指針としてのみの値であるという点を認識すべきである。エアロゾル・ジェット技術は、約１ミクロン未満の線幅を印刷することもできる。太陽電池用にとって有用なこの印刷線幅は、エアロゾル・ジェット印刷の制御を超える因子により制御でされうる。これらの因子には、凹凸化ゆえのウェハーの表面粗面度や、インクと基板との間の相互作用が含まれる。
【００２９】
コレクタ線は、通常実質的に直線で、平行である。しかし、最も一般的な場合には、コレクタ線は、太陽電池の効率を高めるために、所望の通り任意のパターンで印刷されうる。印刷されうる特殊なパターンに関する制限はない。
【００３０】
ある実施形態では、本発明は、続くメッキ工程、例えば、光誘起メッキプロセスによるメッキ用にシード層を印刷するために用いられる。コレクタ線は、１つまたは複数の印刷工程によって直接印刷することもできる。
【００３１】
本発明を用いて、１つまたは複数の材料を、同じ位置または違う位置において印刷可能である。同じ位置で印刷することにより、複合的な構造体を形成することができ、異なる領域において印刷することにより、複数の構造体を、基板の同じ層上に形成することができる。本発明は、特殊な材料製剤に依存するものではない。
【００３２】
母線のプリントヘッド
母線プリントヘッド装置は、主に、商業的に存立可能な方法で、母線を製造するために用いられる。母線の要件は、コレクタ線の要件とは大幅に異なり、前者は一般に幅がより広く、約２ｍｍ対約５０ミクロンとなる。従来の単一ノズルのＭ３Ｄプリントヘッドを用いて母線を印刷することはできる。しかし、必要な幅に達するために何度も走査する必要がある。この方法は、多大な時間を必要とし、コレクタ線を印刷するために、複数ノズルプリントヘッドを用いて可能となる処理量に匹敵する処理能力を備えたプリントヘッドの存在が必要となる。
【００３３】
母線プリントヘッド装置の作動の原理は、全般的には従来のＭ３Ｄ（米国登録商標）単一ノズルプリントヘッドの作動に類似している。しかし、図３に示すように、従来の単一ノズルプリントヘッドで通常可能であるよりもずっと幅の広い配線を印刷するのが容易になるように、内側の形状が大幅に大きくなっている。さらなる改良点は、矩形のノズル１６を使用している点であり、これは、原理的には、図４に示すように、印刷される線の幅を所望の幅に拡大縮小することができるように用いられうる。矩形のノズルの利点は、蒸着ヘッドがより短い側の方向へ移動する時（すなわち、より狭い線を蒸着する時）に、印刷される形状の厚さを厚くして製造できる点であるが、これは、より多くの材料を自身の上に蒸着するからである。これは、広範囲を網羅するノズルにも当てはまる。
【００３４】
印刷される母線の線幅は、通常、１〜２ｍｍの範囲内であるが、太陽電池の設計が改良されるにしたがって、これをより小さくすることができる。母線の幅は、太陽電池の設計により決定されるのであり、本発明により限定されない。印刷される母線の幅は、様々な太陽電池の設計に合わせるために広い範囲にわたって調整可能である。
【００３５】
２つ以上の母線を同時に印刷するために、２つ以上の母線プリントヘッド装置を用いることができる。このような構成を有するある実施形態では、シースガスおよびエアロゾル供給線が、いくつかの別個の単一ノズル装置間で分割される。別の実施形態では、母線の印刷形状は、１つの装置中に組み込まれ、複数ノズルアレイを形成することができる。このようなアレイは、コレクタ線を印刷するための上述したアレイとは、主にその部品のサイズおよび形状が異なる。
【００３６】
これら全ての母線は、同時に印刷される。しかし、複数の印刷工程を用いて、母線を印刷してもよい。
【００３７】
母線は、通常実質的に直線で、平行である。しかし、母線は、太陽電池の効率を高めるために、所望の通り任意のパターンで印刷されうる。印刷されうる特殊なパターンに関する制限はない。
【００３８】
本発明のある実施形態は、続くメッキ工程、例えば、光誘起メッキプロセスによるメッキ用にシード層を印刷するために用いられる。母線は、１つまたは複数の印刷工程によって直接印刷可能することもできる。
【００３９】
本発明を用いて、１つまたは複数の材料を、同じ位置または違う位置において印刷可能である。同じ位置で印刷することにより、複合的な構造体を形成することができ、異なる領域において印刷することにより、複数の構造体を、基板の同じ層上に形成することができる。本発明は、特殊な材料製剤に依存するものではない。
【００４０】
母線プリントヘッドの概念は、（太陽電池の全表面を含む）比較的広い面積にわたっての印刷を容易にするために拡大縮小可能であり、これは、図５に示すように、広域ノズル１８を用いて行われる。この装置は、例えば、アルミニウムの背面金属化層を印刷するため、または、ウェハーの前面または背面のパッシベーション層を印刷するために用いられうる。
【００４１】
ある実施形態では、母線印刷用の形状は、単一の装置に組み込まれ、図６に示すように複数ノズルアレイ２０を形成する。このようなアレイは、コレクタ線を印刷するための上述したようなアレイとは、主に部品のサイズおよび形状が異なっている。このアレイの個々のノズルは、最小限数の印刷工程で、容易に完全に印刷範囲を網羅するために間隔が設けられている。最も一般的な場合では、プリントヘッドは、単一の印刷工程中で表面全体を網羅することができる単一の広いノズルからなる。
【００４２】
この装置は、太陽電池の印刷以外の応用範囲でも利用されうる。例えば、このような装置は、ポリマー電極膜（ＰＥＭ）燃料電池用の触媒層を印刷するためにも用いられうる。
【００４３】
噴霧器
エアロゾル・ジェット印刷ヘッドは、一般に、様々な設計の噴霧器を１つまたは複数使用できる。しかし、本発明の一部分として記載したプリントヘッドは、一般に単一ノズルエアロゾル・ジェット印刷用に用いられる従来の噴霧器が通常発生させるよりも大量のエアロゾル化されたインクを必要とする。この要件は、設計中に複数の噴霧部材を統合することにより対処される。例えば、複数の超音波振動子を、超音波噴霧器に組み込むことができる。同様に、設計における噴霧噴流の数を増やすことにより、空気圧噴霧器の出力を増やすことができる。
【００４４】
ある実施形態では、それぞれが１つまたは複数の噴霧部材を有する複数の噴霧ユニットが、単一のプリントヘッド用にエアロゾルを発生させる。別の実施形態では、１つまたは複数の噴霧部材を有する単一の噴霧ユニットが、単一のプリントヘッド用にエアロゾルを発生させる。いずれの実施形態でも、プリントヘッドは複数ノズルを有する設計でもよいし、これに代えて、母線または広範囲を網羅する設計でもよい。
【００４５】
複数ノズルプリントヘッドは、好ましくは、８〜１２個以上のノズルの各群に対して１つの噴霧部材を有する１つの噴霧ユニットを有する。例えば、４０個のノズルを有するプリントヘッドは、図７Ａに示すように４つの噴霧ユニット２２で構成されうる。図７Ｂに示すように、単一の母線プリントヘッド２４は、好ましくは、２つの噴霧部材を有する１つの噴霧ユニット２２を有する。例えば、３本の母線を印刷するように構成される母線アレイは、好ましくは、同時に３つの個々の母線ヘッドを有し、それぞれが、自身の噴霧ユニットを有するか、あるいは、３つの母線ヘッド全てに対して１つの噴霧器サーバーを利用することができる。
【００４６】
噴霧部材は、好ましくは、コリソン空気圧噴霧器を有する。空気圧噴霧器は、液体を噴霧化するためのエネルギー源として、多量の圧縮ガスを用いる。この必要とされるガスの量は、通常量が多すぎて、エアロゾルを集束するために用いられる比較的小さなノズルを通過するには、多すぎて乱流を引き起こし、集束される平行になったエアロゾル噴流を壊してしまう。過剰なガスを単に放出させるだけでは、印刷に利用可能な噴霧化された材料の量を減らすことになり、システム出力を低下させてしまう。したがって、バーチャルインパクターを用いて、流速を下げ、エアロゾルを濃縮するのが好ましい。このバーチャルインパクターは、円形噴流およびコレクタを有するのが好ましい。しかしながら、通常空気圧噴霧器により発生させられたエアロゾルの小さな液滴径と関連する流体の動的制約は、噴流径に上限を与える。この限度が近づき、それを超えると、インパクターの効率は次第に下降し、有用なエアロゾルのほとんどが、印刷されるのではなくシステムから放出される点まで下降する。あるいは、円形形状を有する複数のバーチャルインパクターが、単一の噴霧ユニット中に統合されうる。
【００４７】
別の実施形態では、矩形形状を有するバーチャルインパクターを、円形形状のバーチャルインパクターの代わりに用いることができる。矩形形状は調整可能であり、液体の動的制約がバーチャルインパクターの短い方向によって制御され、小さな液滴が放出され無駄になるのではなく、プロセスガス流中に維持されうる。ガスの処理能力は、バーチャルインパクターの長い方向の長さとほぼ線形に増減する。この実施形態には、システムの複雑さを低減して、同時に出力を容易に大きくする可能性がある。本発明のこの態様は、上述の３つのプリントヘッド全てと共に用いられうる。
【００４８】
複数材料の金属化
Ｍ３Ｄシステム中の単数または複数の噴流アレイを用いて、太陽電池の応用の用途で、複数材料のコレクタ線および／または複数材料の母線を作るために、複数材料が蒸着される。この手法により、コレクタ線は２つ以上の材料を有し、コレクタ線の異なる部分（すなわち、底部、中央部、上部、端部など）が、個別の明示的な機能（すなわち、接着、接触抵抗、導電性、封止、ドーパントなど）を果たすように、局所的に最適化することができる。同様に、母線は、目標とする機能（すなわち、接着、導電性、封止、はんだぬれ性など）に向けて、局所的な最適化（すなわち、底部、中央部、上部、端部など）を行うために、同じまたは異なる材料で作り上げるように構成されうる。１つの例として、システムは、コレクタ線を、まず、ベース層としてファイヤースルーおよび接触抵抗用に最適化された銀／ガラスでのスクリーン印刷材料を印刷することにより構築し、直後に、導電性を高めるために純粋な銀のナノ粒子材料の上層を続ける。別の実施形態では、複数の材料の複合物を、空間的に分離された位置で印刷することができる。コレクタ線用に複数の複合物を印刷可能であり、同様にコレクタ線および母線用に別々の複合物も印刷可能である。
【００４９】
同じまたは異なる印刷システム上で、複数材料の構造体を印刷することができる。前者の場合、異なる組成のインクを含有する２つ以上の噴霧ユニットが、単一のプリントヘッドに供給を行う。所望の順序で所望の層を印刷するために、適切な噴霧ユニットが選択される。後者の場合、各印刷システムは、１つの材料に対して構成され、複数の印刷システムが連続して配置されている。ウェハーは、ラインを通って１つのシステムから次のシステムへと移動する。この場合、層が印刷される順序は、ライン中のシステムの順序により予め決められている。印刷システム間を移動する際、ウェハーは、新しいシステムに対して再度位置合わせされ、新しい層が前の層に対して、確実に適切に位置合わせされるようにする。
【００５０】
本発明は、スクリーン印刷（これは、太陽電池用のコレクタ線および母線を印刷するために、生産において用いられている現在の技術水準であり、最も一般的には、コレクタ線および母線全体を作り上げるために、同じ１つの材料を用いる）に対していくつかの利点がある。Ｍ３Ｄ印刷の第１の利点は、インクがスクリーンではなく、ノズルを介して印刷されることである。ウェハー上にすでにある形状に対して位置合わせすることは可能であるが、これは、固定されたノズルの位置がわかっているからである。これに反して、新しくスクリーン印刷する際のスクリーンは、設置直後に引き伸ばされ始め、その寿命にわたって引き伸ばされ続ける。連続層間での位置合わせは、スクリーンの引き伸ばしによる位置合わせの不整合を克服できるように、通常、特大サイズの形状（例えば、接点パッドなど）を印刷することにより行われる。この手法は、光電池産業界が常に線幅を小さくしようと推し進めているのとは逆方向にある。第２に、Ｍ３Ｄ印刷は、０．５ミクロン未満の層を印刷することができ、一方スクリーン印刷では、約５ミクロンに限定されている。これにより、Ｍ３Ｄ技術には、上部層と、中央層と、底部層との間の割合を最適化する柔軟性がより大きくなる。Ｍ３Ｄ印刷のさらなる利点は、連続する層が、間に乾燥工程を入れることなく、しばしば、直後に塗布できる点である。最後に、Ｍ３Ｄ印刷は、完全に非接触型の印刷手法であり、これは、連続する層を塗布するプロセスが、先行する層を妨害しないことを意味する。
【００５１】
本発明を、好適な実施形態を特定的に参照しながら詳細に説明したが、他の実施形態も同じ結果を達成することができる。本発明の変形例および修正例は、当業者には自明であり、このような修正例および等価物はすべて、添付の請求項中で網羅する意図がある。上述した全ての参考文献、出願、特許および刊行物は、これにより、参考文献として組み込まれている。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【国際調査報告】
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