(57)【要約】  ソーラーセルの多レベルメタライゼーションに関する作製方法及び構造が記載されている。１つの実施形態において、裏面コンタクトソーラーセルは、パターン形成エミッタ及び非入れ子のベース領域を形成するための受光前面及び裏面を有する基板を含む。櫛形ドープエミッタ及びベース領域は、結晶半導体基板の裏面上に形成される。少なくともドープ層及び非ドープキャッピング層の組み合わせを含むパターン形成電気絶縁層スタックは、パターン形成ドープエミッタ領域及びベース領域上に形成される。エミッタ領域に接触するエミッタメタライゼーション電極とベース領域に接触する非入れ子のベースメタライゼーション電極とを含むコンタクトメタライゼーションパターンが形成され、非入れ子のベースメタライゼーション電極は、ベース領域を越えてソーラーセルにおいて電気シャントを生じることなく前述のパターン形成絶縁体の少なくとも一部分と重なることができる。【選択図】      図２Ａ
2015528196.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面コンタクト裏面接合結晶半導体ソーラーセルであって、
パターン形成櫛形ドープエミッタ領域及びベース領域を含む受光パッシベーション前面及びパッシベーション裏面を含む、結晶半導体基板と、
前記裏面に隣接したドープ層及び該ドープ層上の非ドープ層を含む、前記裏面上のパターン形成電気絶縁体層と、
前記エミッタ領域に接触するエミッタメタライゼーション電極と、前記ベース領域に接触する非入れ子のベースメタライゼーション電極とを含む、コンタクトメタライゼーションパターンと、
を備え、
前記非入れ子のベースメタライゼーション電極は、前記ベース領域を越えて前記ソーラーセルにおいて電気シャントを生じることなく前記パターン形成絶縁体の少なくとも一部分と重なることを特徴とする、裏面コンタクト結晶半導体ソーラーセル。
【請求項２】
前記エミッタ及びベースメタライゼーション電極は、アルミニウムを含む、請求項１に記載の裏面コンタクト結晶半導体ソーラーセル。
【請求項３】
前記エミッタ及びベースメタライゼーション電極は、アルミニウムシリコンを含む、請求項１に記載の裏面コンタクト結晶半導体ソーラーセル。
【請求項４】
前記エミッタ及びベースメタライゼーション電極は、櫛形パターンを含む、請求項１に記載の裏面コンタクト結晶半導体ソーラーセル。
【請求項５】
前記ソーラーセルは、電気絶縁バックプレーンによって前記コンタクトメタライゼーションパターンから分離された第２のパターン形成メタライゼーション層を使用する、請求項１に記載の裏面コンタクト結晶半導体ソーラーセル。
【請求項６】
前記パターン形成電気絶縁体層は、少なくともドープガラス層及び非ドープガラス層の組み合わせを含む、請求項１に記載の裏面コンタクト結晶半導体ソーラーセル。
【請求項７】
前記パターン形成電気絶縁体層は、ホウケイ酸塩ガラスの第１の層及びリンケイ酸塩ガラスの第２の層を含む、請求項１に記載の裏面コンタクト結晶半導体ソーラーセル。
【請求項８】
前記パターン形成電気絶縁体層は、ホウケイ酸塩ガラスの第１の層、ホウケイ酸塩ガラスの第２の層、及びリンケイ酸塩ガラスを含む、請求項１に記載の裏面コンタクト結晶半導体ソーラーセル。
【請求項９】
裏面コンタクト裏面接合結晶半導体ソーラーセルであって、
ドープエミッタ及び不連続の離散的ベース領域を含む受光パッシベーション前面及びパッシベーション裏面を含む、結晶半導体基板と、
前記裏面に隣接したドープ層及び該ドープ層上の非ドープキャッピング層を含む、前記裏面上のパターン形成電気絶縁体層と、
前記エミッタ領域に接触するエミッタメタライゼーション電極と前記ベース領域に接触する非入れ子のベースメタライゼーション電極とを含む、コンタクトメタライゼーションパターンと、
を備え、
前記非入れ子のベースメタライゼーション電極は、前記ベース領域を越えて前記ソーラーセルにおいて電気シャントを生じることなく前記パターン形成絶縁体の少なくとも一部分と重なることを特徴とする、裏面コンタクト結晶半導体ソーラーセル。
【請求項１０】
前記エミッタ及びベースメタライゼーション電極は、アルミニウムを含む、請求項９に記載の裏面コンタクト結晶半導体ソーラーセル。
【請求項１１】
前記エミッタ及びベースメタライゼーション電極は、アルミニウムシリコンを含む、請求項９に記載の裏面コンタクト結晶半導体ソーラーセル。
【請求項１２】
前記エミッタ及びベースメタライゼーション電極は、櫛形パターンを含む、請求項９に記載の裏面コンタクト結晶半導体ソーラーセル。
【請求項１３】
前記ソーラーセルは、電気絶縁バックプレーンによって前記コンタクトメタライゼーションパターンから分離された第２のパターン形成メタライゼーション層を使用する、請求項９に記載の裏面コンタクト結晶半導体ソーラーセル。
【請求項１４】
前記パターン形成電気絶縁体層は、少なくともドープガラス層及び非ドープガラス層の組み合わせを含む、請求項９に記載の裏面コンタクト結晶半導体ソーラーセル。
【請求項１５】
前記パターン形成電気絶縁体層は、ホウケイ酸塩ガラスの第１の層及びリンケイ酸塩ガラスの第２の層を含む、請求項９に記載の裏面コンタクト結晶半導体ソーラーセル。
【請求項１６】
前記パターン形成電気絶縁体層は、ホウケイ酸塩ガラスの第１の層、ホウケイ酸塩ガラスの第２の層、及びリンケイ酸塩ガラスを含む、請求項９に記載の裏面コンタクト結晶半導体ソーラーセル。
【請求項１７】
裏面コンタクト裏面接合結晶半導体ソーラーセルを形成する方法であって、
パターン形成櫛形エミッタ及びベース領域を結晶半導体基板の裏面上に形成する段階と、
前記パターン形成ドープエミッタ領域及びベース領域上に少なくともドープ層及び非ドープキャッピング層の組み合わせを含むパターン形成電気絶縁層スタックを形成する段階と、
前記エミッタ領域に接触するエミッタメタライゼーション電極と、前記ベース領域に接触する非入れ子のベースメタライゼーション電極とを含むコンタクトメタライゼーションパターンを形成する段階と、
を含み、
前記非入れ子のベースメタライゼーション電極は、前記ベース領域を越えて前記ソーラーセルにおいて電気シャントを生じることなく前記パターン形成絶縁体の少なくとも一部分と重なることを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記電気絶縁層スタックは、化学蒸着プロセスにより形成される、請求項１７に記載の裏面コンタクト裏面接合ソーラーセルを形成する方法。
【請求項１９】
前記電気絶縁層スタックは、大気圧化学蒸着プロセスを用いて形成される、請求項１７に記載の裏面コンタクト裏面接合ソーラーセルを形成する方法。
【請求項２０】
前記電気絶縁層スタックは、低圧化学蒸着プロセスにより形成される、請求項１７に記載の裏面コンタクト裏面接合ソーラーセルを形成する方法。
【請求項２１】
前記電気絶縁層は、ドープ酸化物層及び非ドープ酸化物層の組み合わせを含む、請求項１７に記載の裏面コンタクト裏面接合ソーラーセルを形成する方法。
【請求項２２】
裏面コンタクト裏面接合結晶半導体ソーラーセルを形成する方法であって、
パターン形成ドープエミッタ及び不連続の離散的ベース領域を結晶半導体基板の裏面上に形成する段階と、
前記パターン形成ドープエミッタ領域及びベース領域上に少なくともドープ層及び非ドープキャッピング層の組み合わせを含むパターン形成電気絶縁層スタックを形成する段階と、
前記エミッタ領域に接触するエミッタメタライゼーション電極と、前記ベース領域に接触する非入れ子のベースメタライゼーション電極とを含むコンタクトメタライゼーションパターンを形成する段階と、
を含み、
前記非入れ子のベースメタライゼーション電極は、前記ベース領域を越えて前記ソーラーセルにおいて電気シャントを生じることなく前記パターン形成絶縁体の少なくとも一部分と重なることを特徴とする方法。
【請求項２３】
前記電気絶縁層スタックは、化学蒸着プロセスにより形成される、請求項２２に記載の裏面コンタクト裏面接合ソーラーセルを形成する方法。
【請求項２４】
前記電気絶縁層スタックは、大気圧化学蒸着プロセスを用いて形成される、請求項２２に記載の裏面コンタクト裏面接合ソーラーセルを形成する方法。
【請求項２５】
前記電気絶縁層スタックは、低圧化学蒸着プロセスにより形成される、請求項２２に記載の裏面コンタクト裏面接合ソーラーセルを形成する方法。
【請求項２６】
前記電気絶縁層は、ドープ酸化物層及び非ドープ酸化物層の組み合わせを含む、請求項２２に記載の裏面コンタクト裏面接合ソーラーセルを形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１２年５月２９日に出願された米国特許仮出願第６１／６５８，８３３号、２０１３年４月２９日に出願された米国特許仮出願第６１／８１６，８３０号、及び２０１３年５月２４日に出願された米国特許仮出願第６１／８２７，２５２号に対する優先権を主張し、当該特許仮出願の全ては引用によりこれらの全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本出願は、２０１１年８月９日に出願された米国特許仮出願第６１／５２１，７５４号及び２０１１年８月９日に出願された米国特許仮出願第６１／５２１，７４３号に対する優先権を主張する、２０１２年８月９日に出願されたＰ．Ｃ．Ｔ出願ＰＣＴ／ＵＳ１２／００３４８の３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｔａｇｅである２０１２年１２月２８日に出願された米国特許出願第１３／８０７，６３１号の一部係属出願であり、これらの全ては引用によりこれらの全体が本明細書に組み込まれる。
【０００３】
（技術分野）
本開示は、一般に光起電力の電界に関する。より詳細には、本開示は、高効率の裏面コンタクト光起電力太陽電池セル（ソーラーセル）に関連する方法、アーキテクチャ、及び装置に関する。
【背景技術】
【０００４】
低作製コストと共に高いセル及びモジュール効率を得ることは、ソーラーセル開発及び製造において重要である。幾つかの例では、裏面コンタクト裏面接合ソーラーセルアーキテクチャ（裏面コンタクト／裏面接合又はＢＣ／ＢＪ）は、非常に高い変換効率を得ることができる。多くの場合、裏面コンタクトが存在することで、裏面接合ソーラーセルは、パターン形成されたエミッタ接合を有し、太陽が当たらない側（裏面）及び太陽が当たる側（前面）上に形成されたセルメタライゼーション層には、太陽光の遮るものがない最大結合を達成するためにメタライゼーションがない。
【０００５】
典型的な裏面コンタクト／裏面接合結晶シリコンアーキテクチャ（以後、ＢＣ／ＢＪ）ソーラーセルにおいて、エミッタ接合及び高度にドープされたベース拡散領域は、ベースであるソーラーセル基板容積の大部分にコンタクトを提供するためにソーラーセル裏面（太陽が当たらない側）上に形成することができる。更に、高度にドープされたベース拡散領域は、コンタクト再結合を低減し、ベース金属コンタクト抵抗を低減するためにベース金属コンタクト領域の下に形成される。典型的な高効率ＢＣ／ＢＪソーラーセルにおいて、ベース金属及びエミッタ金属は、ベース金属がたとえ酸化物によって分離されてもそれぞれエミッタ拡散部の上に延びるようにベース及びエミッタ拡散領域内でパターン形成され閉じ込められる。これは、以後、ネスト化金属アプローチと呼ばれ、この場合各種の金属は、そのそれぞれの拡散部において入れ子でされる。入れ子アプローチの利点は、それが異極性の拡散部に対する金属のシャントに耐性を与えるという点である。欠点は、ベースの最小金属幅が最小ベース拡散幅を決定づけるという点であり、この欠点は、結果として、ベース拡散をソーラーセルの裏面の比較的大きなフラクションの状態にし、エミッタフラクションの減少及び電気的遮蔽の増大を引き起こす。これは、結果的に、少数キャリアがベースの中であるがベース拡散の下で再結合しないことを保証するために、ウェーハ又はシリコン吸収体が非常に高い少数キャリア寿命（例えば、＞１ミリ秒の範囲）を有することが必要とする。従って、ソーラーセルの全製造コストは、より高品質のウェーハのより高いコストに起因して高くなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、ソーラーセルのドープ領域及びメタライゼーションに関する作製方法及びデザインのニーズが生じている。本開示の主題によれば、ソーラーセルの非入れ子のベース拡散及びメタライゼーションのための方法、構造、及び装置が提供される。これらの改良は、これまでに開発されたソーラーセルに伴う欠点及び問題を実質的に低減又は排除する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の主題の１つの態様によれば、ソーラーセルの多レベルメタライゼーションに関する作製方法及び構造が記載されている。１つの実施形態において、裏面コンタクトソーラーセルは、パターン形成エミッタ及び非入れ子のベース領域を形成するための受光前面及び裏面を有する基板を含む。櫛形ドープエミッタ及びベース領域は、結晶半導体基板の裏面上に形成される。少なくともドープ層及び非ドープキャッピング層の組み合わせを含むパターン形成電気絶縁層スタックは、パターン形成のドープエミッタ及びベース領域上に形成される。エミッタ領域に接触するエミッタメタライゼーション電極とベース領域に接触する非入れ子のベースメタライゼーション電極とを含むコンタクトメタライゼーションパターンが形成され、非入れ子のベースメタライゼーション電極は、ベース領域を越えてソーラーセルにおいて電気シャントを生じることなく前述のパターン形成絶縁体の少なくとも一部分と重なることができる。
【０００８】
開示された主題のこれらの利点又は他の利点、並びに追加の新規の特徴は、本明細書で提供される明細書から明らかになるであろう。この概要の意図は、主題の包括的な記述ではなく、むしろ本主題の機能の一部の短い概観を提供することである。本明細書で提供される他のシステム、方法、特徴及び利点は、添付の図面及び詳細な説明を考察すれば、当業者には明らかになるであろう。本明細書内に含まれる全てのこのような追加のシステム、方法、特徴及び利点は、請求項の範囲内にあるものとする。
【０００９】
開示した主題の特徴、特質、及び利点は、類似の形状が類似の特徴要素を示す図面を考慮すると、以下に記載した詳細な説明からより明確になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】入れ子のベース設計を示すソーラーセル裏面の平面図を示す。
【図１Ｂ】非入れ子のベース設計を示すソーラーセル裏面の平面図を示す。
【図２Ａ】均一分散された連続／非入れ子のベース設計を示すソーラーセル裏面の平面図を示す。
【図２Ｂ】均一分散された選択的不連続／非入れ子のベース設計を示すソーラーセル裏面の平面図を示す。
【図３Ａ】平行なベース設計を有する均一ベースパターンを示すソーラーセル裏面の平面図を示す。
【図３Ａ１】図３Ａのパターンを形成するための対応するスクリーン印刷設計の図である。
【図３Ｂ】交互に配置されたベース設計を有する代替の均一ベースパターンを示すソーラーセル裏面の平面図を示す。
【図３Ｂ１】図３Ａのパターンを形成するための対応するスクリーン印刷設計の図である。
【図３Ｃ】代替の非入れ子のベースパターンを示すソーラーセル裏面の平面図を示す。
【図４】例示的な寸法に焦点を当てた非入れ子のベースパターンのソーラーセル裏面の平面図を示す。
【図５】分散されたエミッタ及びベースレーザパターンを示す。
【図６Ａ】選択的エミッタ（ＳＥ）及びベース開口を示す写真である。
【図６Ｂ】エミッタ及びベースコンタクト内部の選択的エミッタ（ＳＥ）及びベース開口を示す写真である。
【図７Ａ】選択的エミッタ開口におけるレーザアニーリング損傷を示す。
【図７Ｂ】選択的ベース開口におけるレーザアニーリング損傷を示す。
【図７Ｃ】選択的エミッタ開口におけるコンタクトのレーザアニーリング損傷を示す。
【図７Ｄ】選択的ベース開口におけるコンタクトのレーザアニーリング損傷を示す。
【図８Ａ】アニール前のレーザアブレーションスポットを示す写真である。
【図８Ｂ】３０ナノ秒ＵＶレーザによるアニール後のレーザアブレーションスポットを示す写真である。
【図９】酸化物アブレーション後のシリコン基板の少数キャリア寿命（ＭＣＬ）マップであり、具体的には、アブレーションスポットのレーザアニーリング後に得られるＭＣＬ改善を示す。
【図１０Ａ】多ステーション基板レーザ処理ツールの図である。
【図１０Ｂ】多ウェーハを保持する図１０Ａのツールの図である。
【図１１Ａ】非晶質シリコンマスクプロセスフロー中の処理ステップ後のソーラーセルを示す断面図である。
【図１１Ｂ】非晶質シリコンマスクプロセスフロー中の処理ステップ後のソーラーセルを示す断面図である。
【図１１Ｃ】非晶質シリコンマスクプロセスフロー中の処理ステップ後のソーラーセルを示す断面図である。
【図１１Ｄ】非晶質シリコンマスクプロセスフロー中の処理ステップ後のソーラーセルを示す断面図である。
【図１１Ｅ】非晶質シリコンマスクプロセスフロー中の処理ステップ後のソーラーセルを示す断面図である。
【図１１Ｆ】非晶質シリコンマスクプロセスフロー中の処理ステップ後のソーラーセルを示す断面図である。
【図１１Ｇ】非晶質シリコンマスクプロセスフロー中の処理ステップ後のソーラーセルを示す断面図である。
【図１１Ｈ】非晶質シリコンマスクプロセスフロー中の処理ステップ後のソーラーセルを示す断面図である。
【図１１Ｉ】非晶質シリコンマスクプロセスフロー中の処理ステップ後のソーラーセルを示す断面図である。
【図１２】酸化物アブレーション後のシリコン基板の少数キャリア寿命（ＭＣＬ）マップであり、具体的には、非晶質シリコンをハードマスクとして使用する場合に得られるＭＣＬの改善を示す
【図１３Ａ】裏面コンタクト裏面接合ソーラーセルの形成に関する一般的なプロセスフローである。
【図１３Ｂ】裏面コンタクト／裏面接合セルの形成に関する代表的な製造プロセスフローである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の説明は、限定的な意味で解釈するべきではなく、本開示の一般的な原理を説明する目的でなされる。本開示の範囲は、請求項を参照して決める必要がある。本開示の例示的な実施形態は、図面に示されており、各図面の同じ部分及び対応する部分を参照するために同じ参照符号が使用される。
【００１２】
本開示は、結晶シリコン及び他の作製材料などの特定の実施形態を参照して記載されるが、当業者であれば、本明細書で検討される原理を必要以上の実験を行うことなく他の材料、技術領域、及び／又は実施形態に適用することができる。
【００１３】
開示される主題は、具体的には、セル吸収層（又は基板）を有する単結晶シリコンのような薄い結晶半導体吸収体を用いて、好ましくは、約１ミクロン（１μｍ）未満から最大約１００ミクロン（１００μｍ）までの厚さに及ぶ、更により詳細には、約１ミクロン（１μｍ）から約５０ミクロン（５０μｍ）の厚さに及ぶ高効率の裏面接合／裏面コンタクトソーラーセルのための種々の構造及び製造方法を提供する。また、提供されるセル構造及び製造方法は、約１００μｍから約２００μｍの厚さに及ぶ（これはまた、より従来のＣＺ又はＦＺウェーハの厚さ範囲を含む）、より厚い結晶半導体基板又は吸収体に適用する。結晶ソーラーセル基板は、エピタキシャル成長（大気圧エピタキシーのような）を含む化学蒸着（ＣＶＤ）法又は他の結晶シリコン材料形成技法（限定するものではないが、いわゆる切口のないスライス又は剥離法利用プロトン注入、金属応力誘起剥離、又はレーザを含む）のいずれかを用いて形成することができる。非常に薄い結晶半導体ソーラーセル基板を処理する全ての態様に関連する場合、製造方法の種々の実施形態は、注入補助ウェーハ開裂法のような切口のない開裂法を含む、他の種類の材料及びウェーハベースアプローチに広がる場合がある。提供する種々のセルの実施形態の重要な属性は、実質的に半導体（例えば、シリコン）材料消費量の削減、非常に低い製造コスト、高いセル効率、及び比較的高いエネルギ生産量、従って、ソーラー光起電力モジュール性能の改善を提示する。具体的には、これは、開示される主題の特有のセル設計アーキテクチャ及び製造方法の実施形態から生じ、これらは、薄い結晶半導体層を用いる裏面接合／裏面コンタクトソーラーセルの製造を必要とし、薄い結晶半導体基板に対して非常に高い変換効率をもたらし、非常に安価になる。
【００１４】
また、本開示は、１０〜２００ミクロンの範囲の厚さを有する単結晶シリコン基板及び他の記載した作製材料のメタライゼーション層を用いた裏面コンタクトソーラーセルのような特定の実施形態に関して記載しているが、当業者であれば、必要以上の実験を行うことなく、代替の半導体材料（ガリウムヒ素、ゲルマニウム、多結晶シリコン等）、メタライゼーションスタックを備えたメタライゼーション層、技術領域、及び／又は実施形態を含む他の作製材料に本明細書で検討される原理を適用することができる。前面コンタクト、裏面コンタクト／裏面接合、又は更に裏面コンタクト／前面接合ソーラーセル等の何らかのアーキテクチャに適用できる本発明の新規のドープ領域形成の実施形態は、具体的には、裏面コンタクト／裏面接合結晶シリコンアーキテクチャ（以後、ＢＣ／ＢＪ）に関して本発明に示されている。
【００１５】
本出願は、非入れ子のベース金属設計を達成するためにロバスト法を提供する。非入れ子の金属は、ベース金属と下にあるエミッタの間に酸化物のような電気絶縁層を破壊するための経路が存在しないことを保証しながら、高濃度ベース拡散をベース金属の幅よりも小さくすることができる。このことは、エミッタ拡散からベース金属を分離する誘電体スタックに貫通誘電体ピン孔がないことを保証して、電気シャントを生じることなく非入れ子のベース金属設計を可能にすることによって達成される。特定の実施形態において、これは、複数の（例えば、少なくとも２つの）ＡＰＣＶＤ堆積ドープ及び非ドープ（キャッピング）誘電体層を用いて実現することができる。これらは、典型的には二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層が存在するが、窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）及び／又は非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）、及び／又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層を含むことができる（各例においてドープされた及び／又はドープされていない）。異なるランに複数の（少なくとも２つの）ＡＰＣＶＤ層を堆積することによって、誘電体スタック全体を貫通する任意のピン孔の整列の統計的確率は劇的に低下する。別の実施形態において、ロバスト性を更に提供するために、ＡＰＣＶＤ誘電体層の後、前、又はその間に熱酸化物ステップを追加して、シャントピン孔が確実に存在しないようにすることができる（本出願が優先権を主張して引用によりその全体を組み込む、米国特許出願第１３／８０７，６３１号を詳細に参照されたい）。
【００１６】
非入れ子のメタライゼーション設計は、連続ベース又は不連続（離散的ベースアレイ）ベース拡散のいずれかと共に使用することができる。連続ベース拡散の場合、ベースは、一連の直線（縦列）とすることができる。ベース金属は、これらの拡散部と重なるが、必ずしも拡散部の内部に包含されているとは限らない。不連続ベース拡散の場合、これらの拡散部は、隔離ベースコンタクトを必要とする、取り囲むだけの隔離アイランドとすることができる。拡散部は、円形、矩形又は他の幾何学的形状とすることができるが、互いにベース金属ラインによって接続することができる。
【００１７】
不連続ベース拡散の利点は、所与の金属ピッチに対してエミッタフラクション常数を維持しながら（比較的高いレベルで）、シリコンを通じてベース抵抗を最小にすることができるという点である。ベース拡散領域の減少は、ＢＣ／ＢＪセルのための材料の緩和寿命を可能にしながら、所与の金属ピッチのベース拡散の間の距離を増大させ、従って、ベース抵抗の増大によるソーラーセルの曲線因子の潜在的な低下を引き起こす。本発明の実施可能な実施形態は、これらの制限を緩和し、高効率のソーラーセルの設計及び作製を容易にする。本発明により、非入れ子のベース設計アーキテクチャは、不連続の選択的／分散ベース拡散部のより大きな柔軟性により、比較的低いベース抵抗を効果的に与えることが可能になる。
【００１８】
１つの実施形態において、ベースアイランドは隔離されているが（離散的ベースアイランド）、隔離ベースアイランドの内側のベースコンタクトにより定期的にシリコンベースに接続する、単一ベース金属ラインによって同一直線上に接続される（又は縦列に沿って配置される）。必然的に、接続ベース金属ラインがエミッタ領域の上の（ドープエミッタ領域を覆う誘電体層の上の）隔離ベース拡散アイランドの間に延びるので、この設計は非入れ子になる。従って、不連続ベースパターンの成功は、シャントすることなく非入れ子のベース金属を稼働させる能力に高度に依存する。これは、前述のプロセス技法によって保証される。別の事例において、所与のベース金属ラインの下の分散ベースアイランドは、単一の同一直線上横列（又は縦列）よりも多く有し、オフセットアイランド位置を備えた２つ又は複数の横列（又は縦列）を有することができる。一般的なアーキテクチャは、電気的性能を向上させるために柔軟性を提供する。これらの不連続スキームの構造及び利点の詳細は、以下のセクションで概略的に示される。
【００１９】
分散された不連続ベース拡散（本出願が優先権を主張し引用によりその全体を組み込む、米国特許出願第１３／８０７，６３１号に示す離散的ベースアイランドのような）及びコンタクト形成スキームは、新規のパターン形成及び拡散方法を構成し、非入れ子の金属アーキテクチャとの関連において、ベース金属（ベース拡散領域に接触する金属として定義される）は、ロバスト性のあるシャントしない方式で誘電体パッシベーション層の上部のエミッタ拡散領域（ドープエミッタ領域の上の誘電体層によって覆われた）にわたって自由に延びる（所望の場合、その逆で）。また、この設計は、スポットインスポット（ＳＩＳ）と呼ぶことができる。この名称は、隔離及び不連続コンタクトスポットが、不連続ベース拡散領域の内側でオープンになるという事実に由来する。ドープ誘電体膜がパターン形成され、比較的低濃度のドープベースと同じ型（ｎ型又はｐ型）の高濃度ドープ領域（ｎ型又はｐ型）の不連続領域を形成する。不連続（又は離散的アイランド）の高濃度ドープベース構造体は、幾何学的に最適の方式で配置されるが、依然としてベース金属の下にあり互いの距離を最小にするようなっているので、低濃度ドープベースによる拡散抵抗損失が最小になる。また、非常に薄いソーラーセル吸収体では、これらの拡散パターンとドープ誘電体膜を有する最適拡散部との組み合わせは、良好な電気絶縁体として機能し、ソーラーセルのベースとエミッタ領域の間の電気的短絡又はシャントの危険を低減することができる。
【００２０】
以下に詳細に説明するように、これらの態様の特有の独立した利点がある。本出願人は、非入れ子及び／又は不連続ベースアーキテクチャを示すために幾つかの設計概念を示す。本発明の利点、特に高効率の結晶半導体（裏面コンタクト／裏面接合単結晶又は多結晶シリコンを含む）との関連で、ソーラーセルを同様に説明する。
【００２１】
Ａ）一般的に用いるアーキテクチャでは、ベース金属は、セルシャントを回避するためにベース拡散部の内部で入れ子にする（具体的には、低濃度ドープベースに接触するために投入する）。このメタライゼーション入れ子の制限及び結果として得られる設計ルールの影響は、最小ベース金属幅で決定付けられた最小の高濃度ベース拡散領域を必要とする。これは結果的に、光励起キャリアが、長いベース拡散の下で再結合せずエミッタに達することができることを保証するために、エミッタフラクションを減少させ、コストがかかる高寿命ウェーハを必要とする。非入れ子のベースにより、高いセル効率を得るための望ましいセル設計属性である、裏面上のより大きなエミッタフラクション領域が可能になる。メタライゼーションパターンの非入れ子及び結果として得られたエミッタ領域フラクションの強化は、僅かなキャリア再結合損失につながる（約１００ミクロン以下、好ましくは８０ミクロン以下の吸収体の厚さを有する超薄セル及び／又は少なくとも１２５ｍｍ×１２５ｍｍ及び好ましくは１５６ｍｍ×１５６ｍｍ又はそれよりも大きいセル面積を有する大きな面積のセルに特に非常に望ましいように）。非入れ子のベース金属は、誘電体層からもたらされる良好な誘電体絶縁によって生じる。セル設計の発展は、以下の制約に基づいている。最小ベース及びエミッタ金属幅は、所望の金属ライン抵抗要件に基づき、且つ直接パターン形成する１つの方法のピコ秒又はフェムト秒レーザアブレーションを用いた、線路幅をパターン形成するために利用される方法の利用可能な分解能に基づいて最初に決定される。金属の所与のセルサイズ（面積）及び最大厚さ（吸収体基板に対するコスト及び応力によって制限される）に対して、最小金属ライン幅が決定される。これは、従来の単一金属レベルのメタライゼーションの場合である。多レベル（多レベルセルメタライゼーションに関する本発明の１つの実施形態は二重レベル）の場合に対して、セルコンタクトに接触する金属ラインは、更に抵抗性にすることができ（これらは、層間誘電体又は電気絶縁バックプレーンによって金属−１（Ｍ１）から分離された、第２のレベルの金属又は金属−２（Ｍ２）に接続されたビアを通って垂直に取り出される前に、電流を局所的に短い距離伝達するので）、より小さな幅になるような柔軟性をもたらす。前述の基準を用いて金属幅を固定すると、従来の入れ子のアーキテクチャは、パターン形成アラインメント分解能によって支配される所要の設計ルールにより、ベース拡散をこの金属幅よりも広くする必要があり、比較的大きなベース拡散領域及びエミッタ領域フラクションの相対的損失につながる。このことは、結果的に、吸収体基板の少数キャリア寿命又は電気品質を厳しい要件を置き、より高価になる。提案された非入れ子のアプローチは前記の制約を解消して、非常に大きなエミッタフラクションを可能にする。これは、同等の効率性能の寿命要件の低下をもたらすので、基板コストが低減する。また、本発明の実施形態は、裏面接合及び裏面コンタクトアーキテクチャを、より薄い基板に適合するようにすることができ、この基板は、品質を要求しない、すなわち性能を失うことなく厳しい高バルク寿命がない中程��に成長することができる。この基板の実施例は、ｎ型のエピタキシャルシリコン成長のために３００μｓ〜５００μｓを超えるが、通常１ｍｓを超えない、バルク寿命をもたらすことができる多孔質シリコンの上でエピタキシャル成長したシリコンである。他の実施例は、比較的低い寿命（２００〜５００μｓ）ＣＺウェーハで開始して、一般に５μｍ〜１００μｍ、好ましくは２０μｍ〜８０μｍの範囲まで薄くする。従って、本発明は、従来の裏面コンタクトアーキテクチャのコストを低減するだけでなく（シリコン基板品質のための要件の要求がより低くなる）、非常に高効率の裏面コンタクト裏面接合の薄い単結晶又は多結晶ソーラーセルを可能にすることを最も優先する。
【００２２】
Ｂ）非入れ子のアーキテクチャは、連続又は不連続（離散的アイランド）ベースのいずれかを有することができる。不連続ベース（分散ベース又は離散的アイランドベース設計とも呼ばれる）では、誘電体をパターン形成して、離散的ベース拡散アイランドを散発的に及び不連続的に形成し（エミッタの連続した海部におけるベース拡散のアイランドと類似した）、従って、高効率の設計の必要性によりこれらの拡散部を配置してコンタクトを保証する柔軟性を提供する。不連続スキームは非入れ子のベースと共に、無数の設計可能性をもたらす。
１．設計の１つの実施形態において、所与の金属ピッチに対して、１つのベース拡散アイランドから最も近いアイランドまでの間の距離の減少（従って、ベース低抗の減少）を可能にする。
２．ＢＣ／ＢＪセルの大部分は、エミッタの海部で結び付いたベース拡散領域を有するソーラーセルの裏面（太陽が当たらない側）上のエミッタ領域で覆われる。非入れ子の及び不連続ベース概念によって、全てのエミッタ領域は、ソーラーセルの全キャリア収集効率を有効に増大させるはるかに大きなエミッタフラクションによって連続したままとすることができる。
３．非入れ子の及び不連続ベース設計は、コンタクト再結合を低下させるのに必要な高濃度ドープベース拡散領域を減少させることによって、エミッタフラクション領域を増加させる可能性をもたらし、これは拡散抵抗に何らかのペナルティなしに電気的遮蔽を最小にするのに役立つ。
【００２３】
Ｃ）不連続ベース設計によって、より広い金属幅をもたらす能力は、著しいコスト低減を可能にする。これは完全に接続されたベース、すなわちベースの分割拡散又は離散的アイランドがない設計柔軟性をもたらし、結果的に、より大きなエミッタフラクション領域及びより短いベース間ピッチが可能になる。
【００２４】
高効率の費用効果があるソーラーセルの設計及び作製の種々の要件が存在する。これらは、非入れ子の不連続ベース（すなわち、分散した又は離散的ベースアイランド）に関して以下に説明する。一般的な方法は、多レベルのメタライゼーションスキームにまで及ぶことができ、従来の厚いソーラーセル並びに非常に薄いシリコンソーラーセルの両方に等しく適用可能である。本発明の方法及び構造を利用する非常に薄い（例えば、約８０ミクロン厚みの吸収体層よりも薄い）ソーラーセルは、エピタキシャルリフトオフ、化学エッチングベースの薄層化ウェーハ（１３０ミクロン〜２００ミクロンの開始厚さのＣＺウェーハ）、プロトン注入、応力誘起分割、レーザ分割、又は他の薄いシリコンスライス技法によって形成された数ミクロン〜数十ミクロンの厚さ範囲の結晶シリコン吸収体層を有する超薄結晶シリコンソーラーセルを含む。
１．電気絶縁誘電体層を金属及び拡散部の下に置く方法（堆積、スクリーン印刷等）、この層は、金属をシリコンから分離するのに非常に有効な誘電体、並びにソーラーセルのベース及びエミッタ領域に拡散部を形成するためのドーパントのソースの両方として機能する。
２．ベース拡散をパターン形成し、金属に接続するために誘電体によりコンタクト領域を形成する方法。
３．金属を堆積及びパターン形成する方法。
【００２５】
ステップ１では、ドープ誘電体膜を堆積するために、大気化学蒸着（ＡＰＣＶＤ）又はパターン形成スクリーン印刷等の技法を利用することができる。誘電体膜及び技法の選択は、シリコンのｎ型及びｐ型の拡散の両方に良好な光学的品質及び良好なコンタクトを保証するのに好適であるように注意を払う必要がある。ＡＰＣＶＤ（及び／又はプラズマ成長ＣＶＤ）に対して、高温加熱炉アニーリングを利用してドーパントをドライブイン（ｄｒｉｖｅ  ｉｎ）することができる。拡散ソース誘電体の堆積後、これらの膜は、好ましくは、比較的高い温度（典型的には、９００℃〜１１５０℃）でアニーリングされて、ドーパントをシリコン基板の中に打ち込む。加熱炉アニーリングは、拡散部を形成する重要な態様である。ドーパント濃度を変更し、加熱炉アニーリングをドライブインして非常に低い表面再結合速度を実現して、良好なエミッタを形成することによってこれらの拡散部を形成することに注意を払う必要がある。本開示の１つの実施形態において、ベース及びエミッタ拡散の誘電体材料は、非ドープ誘電体（ホウ素ドープガラスと呼ばれるｐ型又はｎ型の二酸化ケイ素、ｐ型のＢＳＧ、又はリンドープガラス、ｎ型のＰＳＧ）のキャッピング層を有するドープ誘電体層の少なくとも１つを備えたドープＡＰＣＶＤ酸化ケイ素から成り、これらの層は、次に、パルス化ピコ秒（又はパルス化フェムト秒）レーザを用いてパターン形成され、これは、それに著しいアブレーション損傷を引き起こすことなくシリコン上で停止しながら酸化物を取り除くことができる。一種の（ＢＳＧのような）ドープＡＰＣＶＤ層のパターン形成に続いて、他のドーパント型（ＰＳＧのような）のＡＰＣＶＤ層の堆積は、両型のドープ層（ＢＳＧ及びＰＳＧ）を予め指定されたパターン形成領域においてシリコンと接触状態にすることが可能である。これらのドープ酸化物層は、最終的にシリコン中に拡散してそれぞれエミッタ及びベース拡散部を形成するホウ素及びリンのソースとして機能する。各層のシリコンとのコンタクトのフラクション領域は、パターン幾何学的形状によって決定される。ドープ層を有するこのシステムが高温でアニーリングされると、エミッタ（ＢＳＧから作られる）及びベース（ＰＳＧから作られる）拡散部の両方から構成される結果として得られたソーラーセルの裏面は、同時に形成される。これらの拡散部の個々のフラクションは、正確に制御されて所定のレーザ直接書き込みアブレーションパターンによって決定付けられる。もしくは、スクリーン印刷ドーパントペースト／インクは、パターン形成拡散部を形成するために使用することができる。これらの誘電体層の重要な要件は、金属層から拡散によって吸収体層を電気的に絶縁することである。金属層は吸収体に接触するだけとする必要があり、この場合、明確なコンタクト孔を開口することによってそのようにすることが意図される。誘電体材料の選択は、ピン孔がなく、ソーラーセル内での最適な光吸収のためのセルメタライゼーション層と共に良好なバックミラーを生成するために導電性である必要がある。ピン孔の存在は、非入れ子のベース金属とエミッタとの間に電流シャント経路をもたらすので望ましくない。
【００２６】
拡散部のためのパターン形成方法に関するステップ２に関して、パターン形成は、ブランケット堆積に続いてレーザアブレーションを用いて又は標準リソグラフィー／エッチング技法を用いて行なうことができる。誘電体層はまた、スクリーン印刷又は孔版印刷又はインクジェット印刷（又はエアロゾルジェット印刷）を用いて適切なドーパントペースト又は液体を用いて直接パターン形成することができる。図１の従来のＢＣ／ＢＪソーラーセルは、エミッタ及びベース金属ラインが、排他的にそれぞれ交互に組み合わさったエミッタ及びベース拡散部の内部にある櫛形の入れ子の金属設計を有する。本発明の重要な実施形態は、櫛形及び非櫛形エミッタ及びベース拡散部の両方において非入れ子のベース拡散パターンの形成に関する。前のセクションで説明したように、ベース拡散部は、連続又は不連続のいずれかとすることができる。
【００２７】
連続／非入れ子の設計及び不連続／非入れ子設計のベースのパターンは、図２に記載されている。非入れ子の設計の重要な実現要因は、ベース金属がキラーシャントのリスクなしでエミッタ拡散部上に延在できるまさに絶縁誘電体である。前述のように、不連続ベースは、限定されるものではないが、曲線因子を得るためのベース拡散抵抗の低減、及び電気的遮蔽を改善するためのベース拡散領域の低減といった、様々な目的のために利用することができる。ベース拡散領域の形成後、コンタクト孔は、レーザアブレーションによるか又は標準リソグラフィー及びエッチング技法を用いて形成される。前述の不連続の実例における種々の設計は、図３ａ、図３ｂ及び図３ｃに示されている。図３ａに示すように、エミッタフラクション領域は、電気的遮蔽の減少によりベース拡散領域における電流収集損失を低下させるように増加する。ベース拡散とコンタクト領域パーセントの間のピッチは、より良好な電流収集能力を有する同じ拡散抵抗を得るように更に最適にすることができる。もしくは、この設計は、電気的遮蔽を損なうことなく、更にベース拡散抵抗を低下させるために図３ｂ及び図３ｃに示すように変更することができる。この設計の実施形態は、曲線因子が高いベース抵抗によって制限される、及び／又は前面電界が望ましくないか又は可能でない薄い単結晶ソーラーセルにとって特に有利である。
【００２８】
最後に、金属堆積及びパターン形成（又はパターン形成金属層の直接書き込み堆積）に関するステップ３に関して、幾つかの方法を導入することができる。これは、前述の誘電体層の上部への金属スパッタリング又は蒸着などの技術を含む。堆積された金属は、次いで、ピコ秒ベースのレーザアブレーションのような技術を用いてベース及びエミッタ金属を形成するようにパターン形成及び隔離することができる。もしくは、限定されるものではないが、スクリーン印刷、孔版印刷、マスク熱（又はアーク又はプラズマ）金属溶射、インクジェット又はエアロゾル印刷等の複数の直接書き込み技術に続いて、アニーリング又は活性化ステップを利用してベース及びエミッタ金属を形成することができる。連続設計の場合、ベース及びエミッタピッチは同じとすることができ、最適なソーラーセルの電流収集に理想的なエミッタ及びベース金属の両方に対して金属パターンを対称的にする。以下の説明では、特定のプロセス法は、非入れ子で不連続のソーラーセル設計を達成するために詳細に述べられている。本方法は、エピタキシャルシリコンリフトオフ法を用いて裏面コンタクト／裏面接合の薄い単結晶シリコンソーラーセルに関連して説明されるが、これは、標準結晶シリコンウェーハベースのセルを含む任意の厚さの（例えば、ＣＺ又はＦＺウェーハを用いた１００μｍ〜２００μｍの厚さ範囲の）ソーラーセルに使用することができる。以下の表１にフローを記載する。
【表１】
2015528196.tif 000003
【００２９】
エミッタに対して必要に応じて類似のドーパント型（１つの実施形態においてはｐ型ホウ素）の薄いドープ誘電体層は、ＡＰＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、熱拡散（気体ベースのドーパント源からの）を用いて、又はスクリーン印刷、インクジェット又はエアロゾルジェット印刷などの直接パターン形成、書き込み法を用いて、基板上に堆積される。堆積後のドーパント膜ブランケット堆積の場合、誘電体膜は、ピコ秒レーザアブレーションを用いてエッチングされる。エッチングパターンは、シリコンのベース及びエミッタ領域（パターン形成層に由来するエミッタ、及びその後の誘電体膜堆積に由来するベース）を反映し、連続又は不連続のいずれかとすることができる。これに、高度にドープされたベース拡散領域を形成するために反対の型のドーパント（リンを含む）による第２の誘電体膜が続く。もしくは、第２のドーパント層は、直接書き込み法を用いて堆積することができる。これに、１つのステップで両型のドーパントを活性化するための熱アニールが続く。このアニールは、窒素又はアルゴン等の不活性ガス環境とすることができ、随意的に、短期間の酸素含有環境における同じ温度でのアニールが続く場合もある。酸素環境の目的は、ドーパントが拡散した状態で、誘電体層を介した熱酸化物界面を形成することである。これに、吸収体層のベース及びエミッタ領域への後続のメタライゼーション接続のコンタクト開口を形成するための酸化物の別のピコ秒レーザアブレーションが続く。薄い金属（好ましくは、アルミニウム、又は、アルミニウム及びシリコンを含有する合金を含む）は、ブランケットプラズマスパッタリング又は蒸着又はイオンビーム堆積を用いて堆積される。これには、限定されるものではないが、近赤外波長のような好適なレーザ波長を用いるピコ秒レーザアブレーションを含む無数の技術を用いて達成することができる後続のパターン形成が必要である。もしくは、予めパターン形成された金属層（例えば、好適なスクリーン印刷可能なアルミニウム及び／又はアルミニウム−シリコン合金ペースト）の直接書き込み又はスクリーン印刷（又はエアロゾル印刷、インクジェット印刷、及び孔版印刷）を使用することができる。場合によっては、この金属堆積には、パターン形成金属層を硬化し活性化するための焼結又はアニールが続く必要がある。エピタキシャルシリコンリフトオフ法を用いて薄い単結晶シリコンソーラーセルを生じる特定のプロセスにおいて、薄いシリコン層は、次に、テキスチャ、パッシベーション、及びメタライゼーション等の残りのセルプロセスを継続するために第２の恒久的キャリアに付着することができる。前記のプロセスフローの変形形態は、以下の表２に記載されている。このフローでは、プロセスフローは、最後のメタライゼーションステップまで同一である。銅メッキフローは、レーザ（パルス化ナノ秒レーザとすることができる）の使用と併せて乾燥ＰＶＤ（蒸着及び／又はプラズマスパッタリングのような）ベースの金属堆積に置き換えられ、ＰＶＤ金属層を絶縁してパターン形成する。
【表２】
2015528196.tif 000004
【００３０】
更に別のプロセスフローは、薄いウェーハベースのソーラーセルの前記フローの変形形態であり、以下の表３に示されている。ここで、成長エピタキシャルシリコンの代わりに、標準ＣＺウェーハは、非常に高効率のソーラーセルを作るために薄くすることができる。多孔質シリコン、エピタキシー及び剥離ステップが存在しない代わりに、これらのステップは、ウェーハを薄くするための積層後のソーダメージ除去ステップ及びエッチバックステップに置き換えられる点に留意されたい。
【表３】
2015528196.tif 000005
【００３１】
最後に、湿式又は乾式プロセスのいずれかを用いて、連続及び不連続（ＳＩＳ）アーキテクチャの両方に対してピコ秒（又はフェムト秒）レーザを用いることで生じたレーザ損傷を除去することも可能である。レーザ損傷を低減／排除するための乾式法は、レーザコンタクトを開いた後にレーザアニールを行なうことである。これは、ナノ秒レーザを用いて行なうことができる。レーザ損傷を除去するための別の方法は、ハードマスク（通常ａ−Ｓｉ）を使用し、ハードマスクをパターン形成し、ハードマスクを用いて酸化物を湿式エッチングすることである。このように、ピコ秒レーザはシリコンに「遭遇（ｓｅｅ）」しない。
【００３２】
レーザ誘起アブレーション損傷のレーザアニーリング
透明パッシベーション層のレーザアブレーションは、シリコン基板に少なくとも一部のレーザ誘起損傷をもたらす。シリコン酸化物及びアルミニウム酸化物などのパッシベーション層は、ＵＶ（３５５ｎｍ）に至るまでの波長には透過性なので、透明層の除去は、下のシリコンの溶融及び蒸着によって行なわれる。超短パルス長及びＵＶ波長を使用すると、影響を受けるシリコンの深さが最小になるが、一部の損傷は依然として存在する。図５は、これらの領域の内側の中心に位置するコンタクトを有する分散された選択的エミッタ及びベース開口の代表的なパターンである。図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ選択的エミッタ及び選択的ベース開口、並びにこれらの開口内のコンタクトを示すＳＥＭ顕微鏡写真である。これらのアブレーションスポットは、１０ピコ秒のパルス長及びＵＶ波長でレーザを用いて作った。依然として、一部の表面損傷を見ることができる。
【００３３】
本明細書で開示されるように、アブレーションプロセス中に生じる損傷を低減又は排除するために、アブレーション領域はアニールされる。パルス化レーザアブレーションの完了後、アブレーション領域は、損傷をアニールする別の適切なパルス化レーザビームを用いてアニールされる。分散された選択的エミッタ及びベース開口に対して、各アブレーションスポットは、アニーリングレーザから生じる同期化レーザを用いてアニールされる。アニーリングのために、適切なレーザは、典型的に、好ましくは約１０〜５００ナノ秒及び５３２ｎｍの波長の範囲のような長いナノ秒範囲のパルス長を有する。しかしながら、アニールされるアブレーションレーザ損傷の範囲に応じて更に短い又は長いパルス長及び他の波長を有する他のレーザを使用することができる。図７Ａ及び図７Ｂは、選択的エミッタ（ＳＥ）及び選択的ベース（ＳＢ）アブレーションにおける損傷を受けたシリコンのスポットアニーリングによるスポットを概略的に示すが、図７Ｃ及び図７Ｄは、レーザアニーリングを用いた、コンタクトアブレーション領域におけるレーザ損傷のスポットアニーリングによる類似のスポットを示す。対応する光学顕微鏡写真は、図８Ａ及び図８Ｂに示されている。図８Ａは、レーザアニーリング前のレーザアブレーションスポットを示すが、図８Ｂは、レーザアニーリング後のスポットを示す。レーザアニーリングによるアブレーションスポットのレーザ損傷の除去が明瞭に見て取れる。
【００３４】
図９は、レーザアニーリングで得られた有効な少数キャリア寿命（ＭＣＬ）の改善を示し、ウェーハの半分は、レーザアニーリング処理を受けなかった半分と比較するとレーザアブレーションによってパターン形成した。
【００３５】
１つのスキームでは、アブレーション領域のレーザアニーリングは、アブレーション領域を覆う少なくとも１つのドープ酸化物層で実行される。この場合、レーザアニーリング中のシリコンに対する溶融は、それぞれ上にあるＢＳＧ及びＰＳＧ膜から溶融シリコンへのｐ型（例えば、ホウ素）及びｎ型ドーパント（例えば、リン）の溶融取り込み又は吸収をもたらす。これは、加熱炉アニーリングによってドライブインされ、比較的一定のドーパント源からの拡散誤差関数プロファイルを有するドーパントに加えて、表面の近くに高濃度のこれらのドーパントをもたらす。これは、これらのドープ接合に関する高−低接合をもたらし、シリコン表面でのキャリア吸収の低下につながり、結果的にセル効率を改善する。
【００３６】
大きな費用効果がある好適なレーザ装置の構成は、異なるステーションでの並行処理を可能にするマルチステーションプラットホームである。図１０は、４つのステーションを有するツールの構成を示す。ウェーハは、アブレーション／アニーリングプロセスの異なるステップを実施する１つのチャックから別のチャックへ回転する。図１０に示すように、ウェーハは、ステーション１に装着され、レーザアブレーションパターン形成及び整列レーザアニーリングの精度の基準検出のためのステーション２に移動する。レーザアブレーションはステーション３で行われ、その後、ステーション４でアニーリングが行われる。このスキームは異なるチャック上での並行処理を可能にし、処理能力は、このシーケンスにおける最も遅いプロセスによって制御される点に留意されたい。処理能力を改善するために、チャック上のウェーハの数は、レーザアブレーション及びレーザアニーリングの多ウェーハ能力までの同時増加に伴って増やすことができる。図１０Ｂは、１つのチャック当たり４つのウェーハを示す。
【００３７】
レーザアブレーション損傷を防止するためのアブレーションマスクの適用
本明細書には、マスク材料の薄層を使用してアブレーション中にレーザビームを吸収してレーザ損傷を防止するスキームが開示されている。このように開いた領域は（マスク材料が除去されている）、下部の誘電体層を湿式エッチングすることでシリコンに対して更に開けることができる。実際には、このスキームでは、マスク薄層は、最初にアブレーションレーザを用いてパターン形成され、次に、このパターンは、開口の誘電体の湿式エッチングによってシリコンに転写される。シリコン基板に到達したレーザビームの強度は低いので、レーザ損傷はなく、シリコン少数キャリア寿命（ＭＣＴ）は影響を受けない。誘電体をパターン形成するのに用いる湿式エッチングに対して耐性がある任意の非導電性膜は、マスクとして使用することができる。
【００３８】
図１１Ａ〜図１１Ｉは、非晶質シリコン（α−Ｓｉ）の薄層をレーザアブレーションのパターン形成マスクとして使用するプロセスステップにおけるソーラーセル構造を概略的示す。
【００３９】
図１２はウェーハの少数キャリア寿命マップを示し、上半分はアブレーションマスクスキームを使用しないが、下半分はα−Ｓｉマスクスキームを使用する。寿命劣化は、ウェーハの下半分には見られなかった。
【００４０】
開示した主題は、多層裏面メタライゼーションを利用する高効率の裏面コンタクト裏面接合ソーラーセルの形成に直接適用することができる。前面コンタクトソーラーセルと比べると、全裏面接合裏面コンタクトのソーラーセルは、セル裏面上に配置された全てのメタライゼーション（ベース及びエミッタメタライゼーションの両方並びにバスバー）を有し、セルの前面（太陽が当たる側）上のメタルランナーに起因した太陽光の遮蔽（従来の前面コンタクトソーラーセルの場合におけるエミッタ金属フィンガー及びバスバーの光学的遮蔽損失）を排除することができる。また、セルのメタライゼーション（ベース及びエミッタコンタクトの両方）は、光学的遮蔽損失を排除するために同じ側（太陽の当たる側と反対側）で形成することができるが、ベース及びエミッタ電極の両方は同じ側で接触する必要があるので、幾つかの裏面コンタクト設計において、セルメタライゼーションがより複雑になる可能性がある（しかしながら、幾つかの例では、同じ側でのベース及びエミッタコンタクトは、モジュールレベルでのソーラーセルの相互接続を簡素化する場合もある）。
【００４１】
幾つかの例では、金属パターンの高い忠実度を必要とする櫛形メタライゼーションスキームを用いることができる。また、メタライゼーションパターン幾何形状は、セル効率を高めるために益々小型に形成する場合があるので、メタライゼーション層の所要の厚さも同様に、例えば、１２５ｍｍ×１２５ｍｍ〜１５６ｍｍ×１５６ｍｍの寸法を有するソーラーセル上で高導電性メタライゼーション層（銅又はアルミニウムなど）として３０〜６０ミクロンのように著しく増大する可能性がある。
【００４２】
更に、所要のメタライゼーション厚さを低減するために、セルメタライゼーションは、２つの金属層／レベルに区分化することができ、バックプレーン材料（ポリマーシート等）は、２つのメタライゼーション層の間に形成することができ、厚みのある高コンダクタンスの第２のメタライゼーションレベルから誘発される応力の低減を助長するようになっている。換言すると、バックプレーン材料は、２つのメタライゼーション層を分離し、ソーラーセル基板に構造的支持をもたらし、大面積裏面コンタクトソーラーセルへのスケーリングを可能にする。従って、各層、すなわち第１のメタライゼーション層、バックプレーン材料、及び第２のメタライゼーション層は、コスト及び性能に関して別個に最適化することができる。また、幾つかの二重レベルメタライゼーションの実施形態において、２つの金属レベルは互いに直交してパターン形成され、第２の（最後の）金属レベルは、第１の（オンセル）金属レベルに比べて非常に少数の粗いフィンガーを有する。
【００４３】
また、本明細書に記載される以下の例示的な裏面接合裏面コンタクトソーラーセル設計及び製造プロセスは、電気的に絶縁されて機械的に支持されるバックプレーン層によって分離されたメタライゼーションの２つのレベル（二重層メタライゼーション）を利用することができるが、開示された主題は、穿孔エンドポイント検出による実時間インサイチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）プロセスレーザを必要とし、多レベルメタライゼーションパターン及びメタクリレートスタック（例えば、Ａｌ／ＮｉＶ／Ｓｎの第１のレベルのメタライゼーション層）を含むメタライゼーション層を含む、何らかの製造の実施形態に適用することができる。幾つかの例では、バックプレーンとメタライゼーション層の何らかの組み合わせは、恒久的な構造支持体／強化体として機能し、ソーラーセルの出力を著しく損なうことなく又はソーラーセルの製造コストを増大させることなく、高効率の薄い結晶シリコンソーラーセルのための埋め込み式の高導電性（アルミニウム及び／又は銅）相互接続を提供することができる。高効率のソーラーセル、特に薄膜結晶シリコンソーラーセルベースのサブ５０ミクロン厚のシリコン基板を生成するためのスキームを用いるレーザプロセスは、本明細書に提示される。
【００４４】
幾つかの例では、本明細書で開示される非入れ子のベース領域設計及び方法は、現行の裏面コンタクト裏面接合ソーラーセル構造及び作製プロセスに適用して統合することができる。図１３Ａは、例えば、非入れ子のベース領域を利用できる裏面コンタクト裏面接合ソーラーセルの形成に関する一般的なプロセスフローである。具体的には、図１３Ａは、薄いエピタキシャルシリコンリフトオフ処理を用いて試験される薄い結晶シリコンソーラーセル製造プロセスの主要な処理に焦点を当てた一般的プロセスフローであり、これはシリコン使用量を大幅に削減し、従来の製造ステップを排除して低コストの高効率の裏面接合／裏面コンタクト単結晶セルを作成するようになっている。図１３Ａのプロセスフローは、本明細書で開示されるように非入れ子のベース領域設計及び形成方法を利用し統合することができる多孔質シリコンの剥離層上に再使用可能テンプレート及びエピタキシャルシリコン堆積を用いて形成されたスマートセル及びスマートモジュール設計用の積層バックプレーンを有するソーラーセルの作製を示している。
【００４５】
図１３Ａに示されるプロセスは、典型的にはｐ型単結晶シリコンウェーハから作られた再使用可能シリコンテンプレートから始まり、ウェーハ上には多孔質シリコンの薄い犠牲層が形成されている（例えば、電流の存在下でＨＦ／ＩＰＡ湿式化学の表面改質プロセスによる電気化学エッチングプロセスによって）。出発材料又は再使用可能テンプレートは、例えば、ＦＺ、ＣＺ、ＭＣＺ（磁気安定化ＣＺ）などの結晶成長法を用いて形成された単結晶シリコンウェーハとすることができ、更に、当該シリコンウェーハ上に成長させたエピタキシャル層を含む。半導体ドープ型は、ｐ型又はｎ型の何れでもよく、ウェーハ形状は（最も一般的には正方形であるが）、準方形又は円形等の任意の幾何学的又は非幾何学的形状とすることができる。
【００４６】
高品質エピタキシャルシード層並びに後続の分離／リフトオフ層の両方の機能を果たす多孔質犠牲シリコン層が形成されると、インサイチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）ドープされた単結晶シリコンの薄層（例えば、数ミクロンから最大で約７０ミクロンの範囲の層厚さ、又は約５０ミクロン未満の厚さ）が形成され、エピタキシャル成長とも呼ばれる。インサイチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）ドープされた単結晶シリコン層は、例えば、トリクロロシランすなわちＴＣＳなどのシリコンガス及び水素を含む環境大気中で化学蒸着すなわちＣＶＤプロセスを用いて大気圧エピタキシーにより形成することができる。
【００４７】
バックプレーン積層の前に、例えば、スクリーン印刷又はスパッタ（ＰＶＤ）もしくは蒸着アルミニウム（又はアルミニウムシリコン合金又はＡｌ／ＮｉＶ／Ｓｎスタック）材料層の薄層を用いて、ソーラーセルベース及びエミッタコンタクトメタライゼーションパターンがセル裏面上に直接形成される。メタライゼーションの第１の層（本明細書ではＭ１と呼ばれる）は、ソーラーセルコンタクトメタライゼーションパターン、例えば、櫛形裏面コンタクト（ＩＢＣ）セルのベース及びエミッタを定めるファインピッチＩＢＣ導体フィンガーを定める。Ｍ１層は、ソーラーセルの電流及び電圧を取り出し、ソーラーセル電力を、Ｍ１の後に形成されたより高導電性のソーラーセルメタライゼーションの第２のレベル／層（本明細書ではＭ２と呼ばれる）に伝送する。
【００４８】
ソーラーセル処理ステップの大部分が完了した後、恒久的セル支持体及び強化体として、並びにソーラーセルの高導電性セルメタライゼーションを支持するために超低コストのバックプレーン層を薄いエピ層に結合することができる。バックプレーン材料は、セルプロセス統合及び信頼性要件に適合するプリント基板に一般に使用される安価なプリプレグ材料のような、薄い（例えば、約５０〜２５０ミクロンの範囲、及び幾つかの例では、５０〜１５０ミクロンの範囲の厚さ）可撓性のある電気的絶縁性のポリマー材料シートから作ることができる。次に、大部分が処理された裏面コンタクト裏面接合バックプレーン強化された大面積ソーラーセルは（例えば、少なくとも１２５ｍｍ×１２５ｍｍ、１５６ｍｍ×１５６ｍｍ、又はそれよりも大きいソーラーセル面積）、機械的に脆弱な犠牲多孔質シリコン層に沿ってテンプレートから分離されリフトオフされるが（例えば、機械的剥離ＭＲプロセスによって）、テンプレートは、ソーラーセルの製造コストを更に最小限にするために何回も再使用することができる。次に、テンプレートから剥離された後に露出されるソーラーセルの太陽に当たる側で最終セル処理を実施することができる。太陽に当たる側の処理は、例えば、前面組織化及びパッシベーションの完了、並びに反射防止コーティング堆積プロセスを含むことができる。
【００４９】
図１３Ａに概略を示したフローを参照して説明したように、バックプレーンの形成（Ｍ１層の上部、内部、又は近傍での）、その後の機械的に脆弱な犠牲多孔質シリコン層に沿ったテンプレートからのバックプレーン支持ソーラーセルの取り外し、及び前面組織化及びパッシベーションプロセスの完了後、より高導電性のＭ２層がバックプレーン上に形成される。ビアホール（幾つかの例では、最大で数百又は数千のビアホール）がバックプレーン内に穿孔され（例えば、レーザ孔加工により）、約５０〜最大５００ミクロンの範囲の直径を有することができる。これらのビアホールは、内部に形成された導電性プラグを介したパターン形成されたＭ２層とＭ１層との間の後続の電気接続部のための、Ｍ１の事前に指定された領域上にある。ビアホール充填及び導電性プラグ形成の後又はこれと同時に、パターン形成されたより高導電性のメタライゼーション層Ｍ２が形成される（例えば、アルミニウム、Ａｌ／ＮＩＶ、Ａｌ／ＮｉＶ／Ｓｎ、又は銅を含むＭ２材料を用いて、プラズマスパッタ、メッキ、蒸着、又はこれらの組み合わせによって）。Ｍ１上のファインピッチＩＢＣフィンガー（例えば、数百のフィンガー）を有する櫛形裏面コンタクト（ＩＢＣ）ソーラーセルでは、パターン形成されたＭ２層は、Ｍ１に直交して設計することができ、換言すると、矩形又はテーパー付きのＭ２フィンガーは、Ｍ１フィンガーに対して本質的に直交する。この直交変換に起因して、Ｍ２層は、Ｍ１層よりも遙かに少ないＩＢＣフィンガーを有することができる（例えば、約１０〜５０分の１だけ少ないＭ２フィンガー）。従って、Ｍ２層は、Ｍ１層よりも幅広のＩＢＣフィンガーを有する遙かに粗いパターンで形成することができる。ソーラーセルバスバーは、オンセルバスバーに関連する電気的遮蔽損失を排除するために、Ｍ１層上ではなく、Ｍ２層上に設けることができる。ベース及びエミッタ相互接続及びバスバーの両方は、ソーラーセル裏面バックプレーンのＭ２層上に設けることができるので、ソーラーセルの裏面からバックプレーン上のソーラーセルのベース端子及びエミッタ端子の両方に電気的アクセスが可能である。
【００５０】
Ｍ１とＭ２との間に形成されたバックプレーン材料は、薄いシリコン層上に過度の熱誘起応力が発生するのを回避するために、十分に低い熱膨張係数（ＣＴＥ）を有するポリマー材料の薄いシートとすることができる。更に、バックプレーン材料は、バックエンドセル作製プロセスにおけるプロセス統合要件に、詳細には、セル前面の湿式組織化中の耐薬品性及び前面パッシベーション及びＡＲＣ層のＰＥＣＶＤ堆積中の熱的安定性に適合する必要がある。また、電気的に絶縁したバックプレーン材料は、モジュールレベル積層プロセス及び長期信頼性要件にも適合する必要がある。種々の好適なポリマー材料（プラスチック、フルオロポリマー、プリプレグ等）及び好適な非ポリマー材料（ガラス、セラミック等）をバックプレーン材料として用いることができるが、バックプレーン材料の選択肢は、限定されるものではないが、コスト、プロセス統合の容易性、信頼性、柔軟性等を含む多くの考慮事項によって決まる。
【００５１】
バックプレーン材料としての好適な材料選択肢はプリプレグである。プリプレグは、プリント回路基板の構成要素として使用され、樹脂及びＣＴＥ低減繊維又は粒子の組み合わせから作ることができる。バックプレーン材料は、安価で低ＣＴＥ（通常は、ＣＴＥ＜１０ｐｐｍ／℃、又はＣＴＥ＜５ｐｐｍ／℃）の薄い（例えば、５０〜２５０ミクロン、及びより詳細には約５０〜１５０ミクロンの範囲）プリプレグシートとすることができ、このシートは、組織化化学物質に対して比較的化学的に耐性があり、少なくとも１８０℃（又は少なくとも２８０℃ほど）の温度で熱的に安定している。プリプレグシートは、テンプレート上にある状態で（セルのリフトオフプロセスの前に）、真空ラミネータを用いてソーラーセル裏面に取り付けることができる。熱及び圧力を加えると、薄いプリプレグシートは、処理されたソーラーセルの裏面に恒久的に積層又は取り付けられる。次に、リフトオフ剥離境界が、例えばパルスレーザスクラビングツールを用いてソーラーセルの周辺（テンプレート縁部付近）に規定され、次に、機械的剥離又はリフトオフプロセスを用いて再使用可能テンプレートから分離される。後続のプロセスステップは、（ｉ）ソーラーセルの太陽の当たる側での組織化及びパッシベーションプロセスの完了、（ｉｉ）セル裏面（ソーラーセルバックプレーンの一部を含むことができる）上でのソーラーセルの高導電性メタライゼーションの完了を含むことができる。エミッタ極性及びベース極性の両方を含む高導電性メタライゼーションＭ２層は（例えば、アルミニウム、銅、又は銀を含む）、積層ソーラーセルバックプレーン上に形成される。
【００５２】
一般的に、プリプレグは、樹脂に予め含浸され、複合部分を生成するのにすぐ使用できる補強材料である（プリプレグを使用して、湿式レイアップシステムよりも速く容易に複合材を生成することができる）。プリプレグは、一貫性を保証するように設計された要件を用いて、特別に配合されたプリ触媒樹脂と補強繊維又は織物を組合せることによって製造することができる。プリプレグは、柔軟性のある裏打ち紙によって覆われると、室温において所定期間（アウトライフ）にわたって取り扱いが容易で成形しやすい場合がある。更に、プリプレグの進歩は、貯蔵に冷凍を必要としない材料、より長い在庫保存期間を有するプリプレグ、及び低温で硬化する製品を生成している。プリプレグ積層体は、加圧下で加熱することによって硬化することができる。従来のプリプレグは、高圧蒸気硬化を目的として配合されるが、低温プリプレグは、はるかに低い温度で真空バッグ圧力を単独で用いて完全に硬化することができる。
【００５３】
図１３Ｂは、エピタキシャルシリコンリフトオフ処理を用いて裏面コンタクト／裏面接合セルを形成する代表的な製造プロセスフローであり、以下の作製ステップを含むことができる。１）再使用可能テンプレートから始まり、２）テンプレート上に多孔質シリコン（例えば、陽極エッチングを用いて二重層多孔質Ｓｉを形成）し、３）ｉｎ−ｓｉｔｕドープによりエピタキシャルシリコンを堆積し、４）Ｍ１形成を含む、テンプレート上にある間に裏面コンタクト／裏面接合セル処理を実施し、５）裏面コンタクトセル上にバックプレーンシートを積層し、６）バックプレーン付近の剥離境界部をレーザスクライブしてエピタキシャルシリコン層を形成してセルを取り外し、７）湿式シリコンエッチング／テキスチャ／洗浄、ＰＥＣＶＤ太陽当たる側及びトレンチ縁部のパッシベーション、バックプレーンにおけるビアホールのレーザ穿孔、金属（Ａｌ）のＰＶＤ堆積又は蒸着又はＭ２のためのメッキ（Ｃｕ）、及びＭ２パターン形成を完了する最終レーザアブレーションを含むバックエンドプロセスに移る。
【００５４】
図１３Ａ及び図１３Ｂの記載したプロセスフローは、本明細書に開示される非入れ子のベース設計と容易かつ好都合に統合することができる約１０〜最大約１００ミクロンの範囲の例示的な厚さを有する、エピタキシャル堆積されたシリコン薄膜上に形成されたソーラーセルをもたらす。
【００５５】
当業者は、開示した実施形態が上に記載したこれらの特定の実施例に加えて広範な領域と関係があることを認識するであろう。
【００５６】
例示的な実施形態に関する前記の説明は、当業者が請求項に記載された主題を実施又は使用できるようにするために提供される。これらの実施形態に対する種々の修正形態は、当業者には容易に理解され、本明細書で定義された一般的な原理は、斬新な機能を用いることなく他の実施形態に適用することができる。従って、請求項に記載された主題は、本明細書で示される実施形態に限定されるものではなく、本明細書で開示された原理及び新規の特徴と一致する最も広い範囲と認められるべきである。また、本明細書内に含まれる全てのこのような追加のシステム、方法、特徴、及び利点は、請求項の範囲内にあるものとする。
【図１Ａ−Ｂ】
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【図２Ａ−Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ａ１】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｂ１】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ−Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１１Ｆ】
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【図１１Ｇ】
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【図１１Ｈ】
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【図１１Ｉ】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【国際調査報告】
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