(57)【要約】【課題】半導体基質への金属接点の経済的な適用と、従来技術に記載され欠点の回避を可能にする方法を提供する。【解決手段】本発明は、レーザー焼結法により、少なくとも一つの電気接点を半導体基質、特に太陽電池に適用する方法に関する。また、前記方法により形成される半導体基質、特に太陽電池と、および、前記方法の利用に関する。以下のステップが続いて実行される。ａ）基質への金属粉末の層の適用、ｂ）金属粉末の部分的焼結および溶解の少なくとも一方のための、基質上へのレーザービームのガイド、ｃ）非焼結金属粉末および非溶解金属粉末の少なくとも一方の除去。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記ステップが連続して実施される、少なくとも一つの電気接点を半導体基質に適用する方法。
ａ）基質への金属粉末の層の適用、
ｂ）金属粉末の部分的焼結および溶解の少なくとも一方のための、基質上へのレーザービームのガイド、
ｃ）非焼結金属粉末および非溶解金属粉末の少なくとも一方の除去。
【請求項２】
基質が太陽電池であること、
を特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
適用される接点は、10nm〜20μm、好ましくは10nm〜3μm、特に好ましくは、80nm〜200nmの厚さを有すること、
を特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
少なくともステップｂ）が、不活性雰囲気または真空中で実行されること、
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】
不活性雰囲気は、窒素、アルゴン、N2H2（フォーミングガス）、およびそれらの混合物の少なくとも一つを含むグループから選択されるガスを含むこと、
を特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
作業が、コーティングされた基質で行われること、
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】
コーティングが、反射防止コーティングであること、
を特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
コーティングが、個々の層配列で構成されること、
を特徴とする請求項６または７に記載の方法。
【請求項９】
コーティングおよびコーティングの個々の層配列の少なくとも一つは、シリコン二酸化物、シリコン窒化物、シリコン炭化物およびそれらの混合物の少なくとも一つを含む材料を含むグループから選択されること、
を特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
方法ステップｂ）において、金属粉末の焼結中および溶解中の少なくとも一方において、コーティングに穴があき、これにより、半導体基質に電気接点が適用されこと、
を特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
金属粉末は、ニッケル、タングステン、クロム、モリブデン、マグネシウム、銀、コバルト、カドミウム、チタン、パラジウムおよびそれらの混合物の少なくとも一つを含むグループから選択される金属を含むこと、
を特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
粉末の粒子のサイズが、1nm〜100μm、好ましくは100nm〜10μm、特に好ましくは、500nm〜2μmであること、
を特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
ステップａ）における金属粉末層の厚さが、1μm〜1mm、好ましくは200μm〜800μm、特に好ましくは、500μm〜800μmであること、
を特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも一つの補足物質が、金属粉末に追加されること、
を特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
補足物質が、例えば硼ケイ酸鉛またはガラスのようなガラス原料、有機化合物、例えばリンまたはホウ素粉末などのｎまたはｐ型ドープ領域に対するドープ剤およびそれらの混合物の少なくとも一つを含むグループから選択されること、
を特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
レーザーが、赤外、可視および紫外の少なくとも一つの電磁波スペクトルの範囲で放射されること、
を特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
レーザーが、固体レーザーであること、
を特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
固体レーザーが、Nd：YAGレーザーであること、
を特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
レーザーが、1W〜60W、好ましくは1W〜20W、特に好ましくは、2W〜6Wの範囲の出力で操作されること、
を特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
レーザービームが、10mm/s〜10m/s、好ましくは100mm/s〜2m/s、特に好ましくは、200mm/s〜600mm/sの速度で、基質上をガイドされること、
を特徴とする請求項１〜１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
レーザー出力およびレーザービーム速度の少なくとも一方が、焼結および溶解の少なくとも一方において基質への損傷が回避されるように選択されること、
を特徴とする請求項１〜２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
粉末の除去が、吸引、寄せ集め、洗浄、および振り落としの少なくとも一つにより行われること、
を特徴とする請求項１〜２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
前方法ステップに続いて、電気接点の強化が、さらなる金属の適用によって行われること、
を特徴とする請求項１〜２２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】
該適用が、ガルヴァーニ的（galvanisch）に行われること、
を特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記金属が、銅、銀およびそれらの混合物の少なくとも一つを含むグループから選択されること、
を特徴とする請求項２３または２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記金属が、適用後に焼結されること、
を特徴とする請求項２３〜２５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
焼結が、250〜400℃の温度で行われること、
を特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
ステップｃ）の後に、基質のコーティングが行われること、
を特徴とする請求項１〜２７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２９】
コーティングが、反射防止コーティングであること、
を特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
コーティングが、個々の層配列で構成されること、
を特徴とする請求項２８または２９に記載の方法。
【請求項３１】
コーティングが、シリコン二酸化物、シリコン窒化物、シリコン炭化物およびそれらの混合物の少なくとも一つを含む材料グループから選択されること、
を特徴とする請求項２８〜３０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３２】
請求項１〜３１のいずれか１項に記載の方法により形成される、少なくとも一つの電気接点を有する半導体基質。
【請求項３３】
基質が太陽電池であること、
を特徴とする請求項３２に記載の基質。
【請求項３４】
少なくとも一つの電気接点を、基質に適用するための、
請求項１〜３１のいずれか１項に記載の方法の利用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー焼結法により、少なくとも一つの電気接点を、半導体基質、特に太陽電池へ適用する方法に関する。さらに、本発明は、この方法により形成された半導体基質、および該方法の利用に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池の電気接点は、照明下で形成された電荷キャリアを太陽電池から放出する目的のために機能する。この目的のため、それらは半導体／シリコンに対して良好な接触をなし、良好な導電性を有し、十分に高い機械的付着力を有する必要がある。
【０００３】
接点は、一般に、スクリーン印刷法により、金属ペーストを用いて、工業的に形成される。構造化スクリーンを通じて、太陽電池の前面に、金属ラインが印刷される。いわゆる焼結ステップにおいて、ペーストに存在するガラス原料が、反射防止コーティング（SiO2、SiNx、SiC）を通じて、高温で太陽電池に侵食する。その結果、半導体と金属の間の実際の接点が形成される［非特許文献１］。ペーストにおける必然的な不純物と、方法の技術的限界（例えば、印刷後のペーストの散乱または最小可能構造幅は、〜60−100μm範囲）のために、電気的特性およびスクリーン印刷接点のアスペクト比（高さ対幅）の双方は、最適ではない。
【０００４】
特許文献１は、RTPによる、ARC層を通じての、印刷されたALペーストの焼結と、レーザーアブレーションによるARC層における溝の導入を記述している。これにより、純AL金属層（１１）が、ARC層（１２）を通じて、レーザーパルス（１０）により焼結され、ペーストの使用と比較される。しかしながら、これは、純AL金属層の代わりに、このペーストを使用する目的のためではない。
【０００５】
非特許文献２、および、非特許文献３は、それぞれ太陽電池の製造を扱っており、両ケースにおいて、“Laser-Fired Contact（LFC）”法が、背面接点の形成に用いられているが、アルミニウムからなる純金属層が、その目的に適用されている。加えて、Schneiderlochneret al.においては、LFCの代替として、ALペーストの印刷を目的とする、AL-BSFが述べられている。
【０００６】
特許文献２は、印刷されたALペーストと、熱導入のタイプを明確化することなく、SiNまたはSiOからなる誘電層を通じて、このペーストを焼結する特徴を有する、接点（２６、２８）の生成方法を記述している。
【０００７】
特許文献３は、レーザーにより、ある層からドーピング剤を注入することにより、太陽電池にドープ領域を形成する。その層は、多数の層で構成されることも可能であり、これらの層の最上部のみがドーピング剤を有し、下方の層は“焼結”される。続いて、金属電極が、照射領域での電流なしに、ガルヴァーニ的（galvanisch）に適用される。
【０００８】
特許文献４は、表面に印刷された銅ペーストとレーザー焼結により、基質上に銅導体を形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】DE 100 46 170 A1
【特許文献２】US 5,468,652
【特許文献３】US 6,429,037 B1
【特許文献４】US 4,931,323
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】J. Nijs, E. Demesmaeker, J. Szlufcik, J. Poortmans, L. Frisson, K. De Clercq, M. Ghannam, R. Mertens, R. Van Overstraeten, 1st WCPEC, p. 1242, Hawaii, 1994
【非特許文献２】Grohe et al., “Boundary conditions for the industrial production of LFC cells”, Conference Record of the 2006 IEEE 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Waikoloa, 7-12 May 2006, ISBN 14244 0016 3, (Cat No 06CH37747), 2006, p 1032-1035
【非特許文献３】Schneiderlochner  et  al., “Investigations on Laser-Fired Contacts for passivated rear Solar Cells”, Conference Record of the 29th IEEE Photovoltaic Specialists Conference 2002, New Orleans, 19-24 May 2002, ISBN 0 7803 7471 1, 2002, p. 300-303
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来技術の欠点からスタートし、本発明の目的は、半導体基質への金属接点の経済的な適用と、従来技術に記載され欠点の回避を可能にする方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的は、特許請求項１の特徴を有する方法により達成される。特許請求項３２は、本発明により形成され得る半導体基質を示す。本方法の利用の実施可能な目的は、特許請求項３４に記述される。従属請求項は、有利な変化を示す。
【００１３】
本発明によれば、少なくとも一つの電気接点を半導体基質に適用する方法が提供され、以下のステップが続いて実行される。
ａ）基質への金属粉末の層の適用、
ｂ）金属粉末の部分的焼結および溶解の少なくとも一方のための、基質上へのレーザービームのガイド、
ｃ）非焼結金属粉末および非溶解金属粉末の少なくとも一方の除去。
【００１４】
本発明によれば、金属粉末という表現は、言うまでもなく、個々の金属と、複数の金属を含む合金の双方を意味する。
【００１５】
本手法は、特に、太陽電池への電気接点の適用に適している。
【００１６】
有利な実施形態では、本発明により基質に適用された接点は、10nm〜20μm、好ましくは10nm〜3μm、特に好ましくは、80nm〜200nmの厚さを有する。
【００１７】
焼結中の金属粉末の酸化または過熱を避けるために、作業は、不活性雰囲気または真空中で行われることが好ましい。この目的のために、不活性ガスは、窒素、アルゴン、N2H2（フォーミングガス）およびそれらの混合物の少なくとも一つを含むグループから選択されることが好ましい。
【００１８】
さらに好ましい実施形態では、コーティングされる基質は、電気接点が適用される前に既にコーティングされる。特に太陽電池の場合、これは、例えば、分離層や反射防止コーティングであり得る。
【００１９】
言うまでもなく、基質自体のコーティングは、多数の層の連続、いわゆる層配列で構築されることが可能である。コーティングの材料およびコーティングの個々の層配列の材料の少なくとも一方は、シリコン二酸化物、シリコン窒化物、シリコン炭化物およびそれらの混合物の少なくとも一つを含む材料グループから選択されることが好ましい。
【００２０】
本発明による方法の本質的利点は、既にコーティングされた基質を用いる場合、方法ステップｂ）において、金属粉末の焼結中および溶解中の少なくとも一方において、コーティングに穴があき、これにより、半導体基質に電気接点が適用され得る、ということである。従って、ある方法ステップ（ステップｂ））において、閉電気接点の形成と、同時に分離または反射防止コーティングの貫通が提供される。
【００２１】
金属粉末は、ニッケル、タングステン、クロム、モリブデン、マグネシウム、銀、コバルト、カドミウム、チタン、パラジウムおよびそれらの混合物の少なくとも一つを含むグループから選択される、少なくとも一つの金属を含むことが好ましい。
【００２２】
金属粉末の粒子サイズは、好ましくは1nm〜100μm、好ましくは100nm〜10μm、特に好ましくは、500nm〜2μmである。
【００２３】
さらに好ましい実施形態では、金属粉末層は、ステップａ）において、1μm〜1mm、好ましくは200μm〜800μm、特に好ましくは、500μm〜800μmの厚さで適用される。
【００２４】
さらに、少なくとも一つの補足物質が、金属粉末に追加されることが好ましい。
【００２５】
続いて、合金化プロセスが支援される。これは、補足物質がコーティングの溶解および金属接点の付着の改善の少なくとも一方を引き起こす事実によりもたらされる。
【００２６】
補足物質は、例えば硼ケイ酸鉛またはガラスのようなガラス原料、有機化合物、例えばリンまたはホウ素粉末などのｎまたはｐ型ドープ領域に対するドープ剤およびそれらの混合物の少なくとも一つを含むグループから選択されることが好ましい。
【００２７】
本発明により使用されるレーザーは、特別な制限は受けず、しかしながら、レーザー放射による金属粉末の焼結および溶解の少なくとも一方が確実であることが保証されることが重要である。レーザーは、一般に、赤外、可視および紫外の少なくとも一つの電磁波スペクトルの範囲で放射される。
【００２８】
しかしながら、特にNd：YAGレーザーのような、固体レーザーが好ましく用いられる。言うまでもなく、使用されるレーザーは、パルス状および連続的の双方で操作され得る。
【００２９】
レーザーは、1W〜60W、好ましくは1W〜20W、特に好ましくは、2W〜6Wの範囲の出力で操作され得る。
【００３０】
レーザービームは、基質上を、10mm/s〜10m/s、好ましくは100mm/s〜2m/s、特に好ましくは、200mm/s〜600mm/sの速度でガイドされるのが好ましい。
【００３１】
一方では、十分な接点が形成されるように粉末が十分焼結され、他方では、その下方に位置する太陽電池構造に重大な損傷を与えないように、レーザーエネルギーは選択され、基質上のレーザービームの速度が備えられる必要がある。
【００３２】
本方法のさらなる利点が、非焼結材料が、例えば吸引、寄せ集め、洗浄、または振り落とし等により、ステップｃ）で再度収拾され得るという事実において確認できる。従って、本方法は、高い材料効率と、使用されない材料のリサイクルの可能性を保証する。これは、エコロジカルおよび経済的観点の双方から有利と見なされる。
【００３３】
より良い導電性を達成するために、方法ステップｃ）に続いて、電気接点の強化が、さらなる金属の適用によって行われることが有利である。
【００３４】
この適用が、ガルヴァーニ法（galvanisches Verfahren）により行われることが好ましい。ガルヴァーニ的に適用される金属が、銅、銀およびそれらの混合物の少なくとも一つを含むグループから選択されることが特に有利である。
【００３５】
このようにして、個々の半導体エレメント、たとえばシリコンに対して良好な電気接点を有し、高い導電性は有しない電気接点の半導体基質への適用の可能性が生じる。従って、加えて、レーザーにより焼結された電気接点を、接触抵抗および付着力に関して、最適化することができ、ガルヴァーニ化（aufgalvanisierte）される層は、高い導電性を保証する。ガルヴァーニ化（galvanisierten）される接点は、さらに接触抵抗を下げるために、引き続き、例えば250〜400℃の温度で焼結される。
【００３６】
さらに、接点へのさらなる金属のガルヴァーニ的適用を含むこともできる、電気接点の形成が終了した後、半導体基質がコーティングでカバーされることが有利である。
【００３７】
コーティングは、反射防止コーティングである。言うまでもなく、コーティングは、個々の層反列で順に構築され得る。
【００３８】
これにより、有利な材料として、シリコン二酸化物、シリコン窒化物、シリコン炭化物およびそれらの混合物の少なくとも一つを含むグループから選択される材料が可能である。
【００３９】
本発明によれば、前述した本発明による方法により形成され得る基質が、同様に提供される。
【００４０】
特に、基質は、太陽電池であり得る。
【００４１】
少なくとも一つの電気接点を基質に適用する方法が、本発明により同様に適用され得る。
【００４２】
本方法は、ここで示される特別な実施形態に対して本方法を限定することなく、図１〜４を参照して、引き続き説明される。
【００４３】
これにより、図が示される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】方法ステップａ）の実施後の、粉末層４が適用された太陽電池。
【図２】方法ステップｂ）の実施後の、焼結された接点５を備えた太陽電池。
【図３】方法ステップｃ）の実施後の、焼結された接点を備えた太陽電池。
【図４】半田付けされた接点５とガルヴァーニ化された接点６とを備えた太陽電池。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
太陽電池を図1に示す。この太陽電池は、プラスにドープされたシリコン層（p-層）１、マイナスにドープされたシリコン層（n-層）２、および反射防止コーティング３で構成されている。金属粉末４がその上に適用されている。従って、図は、本発明による方法のステップａ）の後の状態に対応している。
【００４６】
同じ太陽電池が図２に示される。図は、金属接点５を形成するために、金属粉末の焼結および溶解の少なくとも一方が行われる方法ステップｂ）の後の状態に対応している。レーザービームの使用により、きわめて正確な金属粉末の焼結や溶解が可能である。図２において、方法ステップｂ）実施時に、この方法ステップで、同時焼結と、太陽電池のマイナスドープ層２への電気接点の接触が可能であるように、レーザー焼結は、反射防止コーティング３の同時貫通を行うことがわかる。これにより、既に連続的に事前コーティングされた基質上に、その下方に位置する太陽電池の導電層に接触され得る、たいへん効果的で部分的に限定された、任意の構造化導電層が、引き続き適用され得る。
【００４７】
図３は、方法ステップｃ）の実施後の、太陽電池の状態を示す。余剰な金属粉末が、太陽電池から再度除去されている。
【００４８】
図４は、本実施形態において、レーザー焼結方法により適用される電気接点５の上を封止して適用される、この場合ガルヴァーニ法（Galvanisierung）による、追加金属接点６を示す。
【符号の説明】
【００４９】
１  プラスにドープされたシリコン層（p-層）
２  マイナスにドープされたシリコン層（n-層）
３  反射防止コーティング
４  金属粉末
５  金属接点
６  追加金属接点
【図１】
2010502021.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2010502021.tif 000007
2010502021.tif 000008
2010502021.tif 000009
2010502021.tif 000010
2010502021.tif 000011
2010502021.tif 000012