特許 6144277 シリコンナノ粒子を用いて太陽電池を製造するためのレーザー接触プロセス、レーザーシステム及び太陽電池構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6144277

(24)【登録日】2017年5月19日

(45)【発行日】2017年6月7日

(54)【発明の名称】シリコンナノ粒子を用いて太陽電池を製造するためのレーザー接触プロセス、レーザーシステム及び太陽電池構造

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/0224 20060101AFI20170529BHJP

   H01L 31/18 20060101ALI20170529BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/04 260

   H01L31/04 422

【請求項の数】14

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-549082(P2014-549082)

(86)(22)【出願日】2012年12月5日

(65)【公表番号】特表2015-506577(P2015-506577A)

(43)【公表日】2015年3月2日

(86)【国際出願番号】US2012067890

(87)【国際公開番号】WO2013095924

(87)【国際公開日】20130627

【審査請求日】2015年11月27日

(31)【優先権主張番号】13/335,550

(32)【優先日】2011年12月22日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】505379467

【氏名又は名称】サンパワー コーポレイション

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】ロスカトフ、ポール

(72)【発明者】

【氏名】モレサ、スティーブ

(72)【発明者】

【氏名】キム、テソク

【審査官】 吉岡 一也

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００９−５４５１５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５１９７３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５１４５８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１９４６３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５１２６８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５０５６７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３１／０２−３１／０７８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

太陽電池の複数のコンタクトホールを形成する方法であって、
太陽電池基板上に複数のドープシリコンナノ粒子を形成する工程と、
前記複数のドープシリコンナノ粒子をナノ粒子パッシベ―ション膜でコーティングする工程と、
レーザー接触プロセスにて前記複数のドープシリコンナノ粒子上にレーザービームを当て、前記複数のドープシリコンナノ粒子を貫通して前記太陽電池のエミッタに至る一のコンタクトホールを形成する工程と、を備える方法。

【請求項2】

前記太陽電池基板上に前記複数のドープシリコンナノ粒子を形成する工程に先立ち、前記太陽電池基板上にパッシベーション膜を形成する工程を更に備える、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記複数のドープシリコンナノ粒子は、前記パッシベーション膜上に形成される、請求項１または２に記載の方法。

【請求項4】

前記パッシベーション膜が二酸化ケイ素を含む、請求項１から３の何れか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記複数のドープシリコンナノ粒子を前記ナノ粒子パッシベーション膜でコーティングする工程が、
前記複数のドープシリコンナノ粒子の各々又は塊の表面上に二酸化ケイ素を形成する工程と、
前記複数のドープシリコンナノ粒子の各々又は塊の表面上に窒化ケイ素を堆積させる工程と、
を有する、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記レーザー接触プロセスにて前記複数のドープシリコンナノ粒子上に前記レーザービームを当てて前記太陽電池の前記エミッタに至る前記一のコンタクトホールを形成する工程に先立ち、前記複数のドープシリコンナノ粒子からのドーパントを前記太陽電池基板内に拡散させて前記エミッタを形成する工程を更に備える、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記エミッタに至る前記一のコンタクトホールを形成するべく、前記レーザー接触プロセスにて前記複数のドープシリコンナノ粒子上に前記レーザービームを当てた際に溶融された複数のドープシリコンナノ粒子から前記エミッタを形成する、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

前記複数のドープシリコンナノ粒子上にキャップ層を形成する工程を更に備え、
前記一のコンタクトホールが前記キャップ層を貫通する、請求項１から７の何れか一項に記載の方法。

【請求項9】

前記エミッタを電気的に接続するべく、前記一のコンタクトホール内に金属接点を形成する工程を更に備える、請求項１から８の何れか一項に記載の方法。

【請求項10】

太陽電池基板と、
前記太陽電池基板上の複数のドープシリコンナノ粒子と、
前記複数のドープシリコンナノ粒子を貫通するコンタクトホールと、
エミッタと、
前記コンタクトホールを介して前記エミッタに電気的に接続する金属接点と、を備え、
前記複数のドープシリコンナノ粒子の各々又は塊の表面はナノ粒子パッシベーション膜を有する、太陽電池。

【請求項11】

前記エミッタが前記太陽電池基板内にある、請求項１０に記載の太陽電池。

【請求項12】

前記太陽電池基板がシリコン基板を含む、請求項１０または１１に記載の太陽電池。

【請求項13】

前記太陽電池基板と前記複数のドープシリコンナノ粒子との間にパッシベーション膜を更に備える、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の太陽電池。

【請求項14】

前記複数のドープシリコンナノ粒子上にキャップ層を更に備える、請求項１０から１３のいずれか一項に記載の太陽電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に記載する主題の実施形態は概して太陽電池に関する。より具体的には、主題の実施形態は太陽電池を製造するための装置、プロセス及び構造に関する。

【背景技術】

【0002】

太陽電池は、太陽放射を電気エネルギーに変換するものとして周知のデバイスである。太陽電池はＰ型及びＮ型拡散領域を含み、これらの拡散領域はまた「エミッタ」とも呼ばれる。製造中には、接触プロセスを実行して、エミッタに至るコンタクトホールを形成する。対応するエミッタを電気的に接続するべく、コンタクトホール内に金属接点を形成する。金属接点は、外部電気回路が太陽電池に接続され、太陽電池によって電力供給されることを可能にする。

【0003】

接触プロセスでは、エミッタを露出させる材料の層を貫通するコンタクトホールを形成する。接触プロセスにおいては、既に適所にある特定の構造又は材料層に支障を来してはならないし、電気的性能を減失させるような仕方でエミッタを損耗させてもならない。接触プロセスは、エミッタの上部にある多くの材料層を貫通する工程を伴うことから、太陽電池を損耗させてしまう本質的に危険性の高いプロセスである。
太陽電池のコンタクトに関しては、特許文献１〜３に開示されている。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特表２０１１−５１２６８９号公報
［特許文献２］米国特許出願公開第２０１０／０７５２３４号明細書
［特許文献３］特表２０１０−５２８４８７号公報

【発明の概要】

【0004】

一実施形態において、太陽電池のコンタクトホールを形成する方法は、太陽電池基板上にドープシリコンナノ粒子を形成する工程を含む。ドープシリコンナノ粒子は、ナノ粒子パッシベーション膜でコーティングされる。レーザー接触プロセスにてドープシリコンナノ粒子上にレーザービームを当て、ドープシリコンナノ粒子を貫通して太陽電池のエミッタに至るコンタクトホールを形成する。

【0005】

別の実施形態において、太陽電池は、太陽電池基板と、太陽電池基板上の複数のドープシリコンナノ粒子であって、複数のドープシリコンナノ粒子の各々又は塊の表面がナノ粒子パッシベーション膜を有する、複数のドープシリコンナノ粒子と、複数のドープシリコンナノ粒子を貫通するコンタクトホールと、エミッタと、コンタクトホールを介してエミッタに電気的に接続する金属接点と、を備える。

【0006】

別の実施形態において、太陽電池のコンタクトホールを形成する方法は、太陽電池基板上にドープシリコンナノ粒子を形成する工程を含む。ドープシリコンナノ粒子からのドーパントを拡散させることによって、エミッタが形成される。ドープシリコンナノ粒子は、ナノ粒子パッシベーション膜でコーティングされる。レーザー接触プロセスにてドープシリコンナノ粒子上にレーザービームを当て、ドープシリコンナノ粒子を貫通してエミッタに至るコンタクトホールを形成する。

【0007】

別の実施形態において、太陽電池のコンタクトホールを形成する方法は、太陽電池の基板上にドープシリコンナノ粒子を形成する工程を含む。ドープシリコンナノ粒子は、ナノ粒子パッシベーション膜でコーティングされる。ドープシリコンナノ粒子の一部をレーザービームで溶融し、太陽電池のエミッタをドープシリコンナノ粒子の溶融済部分で形成して、太陽電池のエミッタに至るコンタクトホールを形成する。

【0008】

本発明のこれら及びその他の特徴は、添付の図面及び特許請求の範囲を含む本開示の全体を読むことにより、当業者には容易に理解されよう。

【図面の簡単な説明】

【0009】

より完全な本主題の理解は、発明を実施するための形態、及び特許請求の範囲を、以下の図面と併せて考察し、参照することによって導き出すことができ、同様の参照番号は、図面全体を通して同様の要素を指す。図は正確な縮尺によらない。

【0010】

【図1】本発明の一実施形態に係る太陽電池レーザーシステムの概略図。

【0011】

【図2】本発明の実施形態に係る、シリコンナノ粒子のレーザーアブレーションにより太陽電池のコンタクトホールを形成する方法を概略的に示した断面図。

【図3】本発明の実施形態に係る、シリコンナノ粒子のレーザーアブレーションにより太陽電池のコンタクトホールを形成する方法を概略的に示した断面図。

【図4】本発明の実施形態に係る、シリコンナノ粒子のレーザーアブレーションにより太陽電池のコンタクトホールを形成する方法を概略的に示した断面図。

【図5】本発明の実施形態に係る、シリコンナノ粒子のレーザーアブレーションにより太陽電池のコンタクトホールを形成する方法を概略的に示した断面図。

【図6】本発明の実施形態に係る、シリコンナノ粒子のレーザーアブレーションにより太陽電池のコンタクトホールを形成する方法を概略的に示した断面図。

【図7】本発明の実施形態に係る、シリコンナノ粒子のレーザーアブレーションにより太陽電池のコンタクトホールを形成する方法を概略的に示した断面図。

【0012】

【図8】本発明の実施形態に係る、シリコンナノ粒子のレーザー溶融により太陽電池のコンタクトホールを形成する方法を概略的に示した断面図。

【図9】本発明の実施形態に係る、シリコンナノ粒子のレーザー溶融により太陽電池のコンタクトホールを形成する方法を概略的に示した断面図。

【図10】本発明の実施形態に係る、シリコンナノ粒子のレーザー溶融により太陽電池のコンタクトホールを形成する方法を概略的に示した断面図。

【図11】本発明の実施形態に係る、シリコンナノ粒子のレーザー溶融により太陽電池のコンタクトホールを形成する方法を概略的に示した断面図。

【図12】本発明の実施形態に係る、シリコンナノ粒子のレーザー溶融により太陽電池のコンタクトホールを形成する方法を概略的に示した断面図。

【0013】

【図13】本発明の実施形態に係る、レーザー接触プロセスを用いて太陽電池のコンタクトホールを形成する方法を示した流れ図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本開示では、本発明の実施形態を十分に理解するために、装置、構成部品及び方法の例など、多数の具体的な詳細を提供している。しかしながら、当業者であれば、本発明はこれらの具体的な詳細のうちの１つ以上を欠いても実施できることは理解されよう。他の例では、本発明の態様を不明瞭にすることを避けるため、周知の詳細については図示又は説明をしていない。

【0015】

図１は、本発明の一実施形態に係る太陽電池レーザーシステム１００を概略的に示したものである。図１の例では、レーザーシステム１００は、レーザー源１０２及びレーザースキャナー１０４を含む。レーザー源１０２は市販のレーザー源であってよい。レーザースキャナー１０４は、検流計レーザースキャナーを含み得る。動作中に、レーザー源１０２は、構成１０１に応じて所定の波長のレーザービーム１０３を生成する。構成１０１は、スイッチ／ノブ配列、コンピュータ可読ブログラムコード、ソフトウェアインターフェイスセッティング、及び／又はレーザー源１０２の設定可能パラメーターを設定するためのその他の手段を含み得る。構成１０１は、パルス繰り返し率、繰り返しごとに発生するパルス数、パルス波形、パルス振幅、パルス強度又はエネルギー、及びレーザー源１０２のその他のパラメーターを設定するものであってよい。レーザースキャナー１０４で、製造対象の太陽電池全体に対してレーザーパルス１０３を走査することによって、その太陽電池内にコンタクトホールを形成する。図１の太陽電池は、例えば、図２〜７の太陽電池２００であってもよいし、又は図８〜１２の太陽電池３００であってもよい。

【0016】

図２〜７は、本発明の実施形態に係る、シリコンナノ粒子のレーザーアブレーションにより太陽電池２００のコンタクトホールを形成する方法を概略的に示した断面図である。

【0017】

図２において、太陽電池基板は結晶性シリコン基板２０３を含む。シリコン基板２０３上にナノ粒子２０１を形成する前に、シリコン基板２０３の表面を不動態化してもよい。シリコン基板２０３の表面は、ナノ粒子２０１に至る連続的界面を形成するか又は基板界面をドーピングして少数キャリアを通さないようにすることによっても、不動態化され得る。ナノ粒子２０１はまた、パッシベーション層としても機能し得る。図２の例において、シリコン基板２０３の表面は、パッシベーション膜２０２で不動態化されている。パッシベーション膜２０２は、二酸化ケイ素を含んでいてもよい。具体的な例として、パッシベーション膜２０２は、熱により成長した二酸化ケイ素を含む場合もあれば、又はシリコン基板２０３の表面上に堆積した二酸化ケイ素を含む場合もある。一般に、パッシベーション膜２０２は、例えば、酸化物などの任意の好適なパッシベーション材料を含み得る。パッシベーション膜２０２はまた、太陽電池の特質に応じて必ずしも使用しなくてよい。

【0018】

一実施形態において、ナノ粒子２０１は、粒径が５００ｎｍ未満のドープシリコンナノ粒子を含む。シリコンナノ粒子２０１をＮ型ドーパント（例えば、リン）でドーピングしてＮ型エミッタを形成することも可能であるし、又はＰ型ドーパント（例えば、ホウ素）でドーピングしてＰ型エミッタを形成することも可能である。以下により明らになるように、シリコンナノ粒子２０１は、エミッタを形成するためのドーパント源として機能し得る（図３を参照）。

【0019】

シリコンナノ粒子を用いて形成されたエミッタを使用することによって、少数キャリアの存続時間が比較的長くなり（＞１ｍｓ）、太陽電池の効率向上が可能になる。しかしながら、太陽電池にてシリコンナノ粒子をドーパント源として又はポリシリコンエミッタの代用として利用する技術は未だ開発の途上にあり、シリコンナノ粒子を貫通するコンタクトホールの形成は従前のプロセスとして周知のものとなってはいない。

【0020】

図２の例において、シリコンナノ粒子２０１は、パッシベーション膜２０２上に形成されている。シリコンナノ粒子２０１は、例えば、スクリーン印刷又はインクジェット印刷などの印刷プロセスによって形成することができる。パッシベーション膜２０２は任意的な特徴部であり、太陽電池の特質に応じて適用し得る場合もあれば又は適用し難い場合もある。例えば、シリコンナノ粒子２０１は、基板２０３の表面上に直接形成され得る。

【0021】

図３では、シリコンナノ粒子２０１からのドーパントを、パッシベーション膜２０２を介してシリコン基板２０３内に拡散させることによって、シリコン基板２０３内にエミッタ２０４を形成している。エミッタ２０４を形成するための拡散プロセスに、例えば、炉内で行われる加熱工程を含めてもよい。太陽電池２００は、導電型の異なる複数のエミッタを含んで構成されているが、図解が明確になるよう、図３及び後続の図には１つのエミッタのみを示している。エミッタ２０４はＰ型導電性を有する場合があり、この場合、シリコンナノ粒子２０１はＰ型ドーパントを含む。あるいは、エミッタ２０４はＮ型導電性を有する場合があり、この場合、シリコンナノ粒子２０１はＮ型ドーパントを含む。一般に、Ｐ型ドーパントを有するシリコンナノ粒子２０１は、Ｐ型エミッタが形成されている基板２０３の領域の上に形成され、Ｎ型ドーパントを有するシリコンナノ粒子２０１は、Ｎ型エミッタが形成されている基板２０３の領域の上に形成される。拡散プロセスでは、シリコンナノ粒子２０１からドーパントをシリコン基板２０３内に拡散させることによって、対応する導電型のエミッタ２０４を形成する。

【0022】

図４においては、シリコンナノ粒子２０１を不動態化することによって電子正孔対の再結合を最小限に抑え、レーザーアブレーションプロセスを最適化している。シリコンナノ粒子２０１は、不動態化されたシリコンナノ粒子２０５として再標識化される。この再標識化によって、パッシベーションプロセスにて融合した又は凝集したシリコンナノ粒子２０１の各々若しくは塊がナノ粒子パッシベーション膜２０６でコーティングされるように指示される。ナノ粒子パッシベーション膜２０６は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、又はシリコンナノ粒子２０１の各々若しくは塊の表面上に形成された他の好適なパッシベーション材料を含み得る。例えば、ナノ粒子パッシベーション膜２０６は、酸化雰囲気にてシリコンナノ粒子２０１を加熱することによってシリコンナノ粒子２０１の表面上で熱により成長した酸化物を含み得る。また、シリコンナノ粒子２０１の有孔率に応じて、原子層堆積（ＡＬＤ）によるものを含め、化学蒸着（ＣＶＤ）によって、シリコンナノ粒子２０１の表面上にナノ粒子パッシベーション膜２０６を堆積させることもまた可能である。例えば、ナノ粒子パッシベーション膜２０６は、ＡＬＤによってシリコンナノ粒子２０１の表面上に堆積した窒化ケイ素を含み得る。

【0023】

図４の例においては、エミッタ２０４を形成した拡散プロセスの後に、シリコンナノ粒子２０１が不動態化されている。シリコンナノ粒子２０１からのドーパントはナノ粒子パッシベーション膜２０６を介して拡散され得るため、エミッタ２０４を形成する拡散プロセスよりも前に、シリコンナノ粒子２０１が不動態化される可能性もある。拡散プロセスよりも前にシリコンナノ粒子２０１を不動態化すると、拡散プロセス中にシリコンナノ粒子２０１同士が凝結するシナリオが回避され得る。一方、拡散プロセスよりも前にシリコンナノ粒子２０１を不動態化すると、施工次第では拡散プロセスを妨げてしまう可能性もある。拡散プロセス及びシリコンナノ粒子パッシベーションプロセスが実行される順序は、全製造プロセスの細目に依存する。図４のように、ナノ粒子パッシベーション膜２０６がシリコンナノ粒子２０１の各々又は塊の表面上に成長又は堆積し得るのは、合成中（即ち、シリコンナノ粒子２０１が製造されている間）か、合成された後（但し、シリコンナノ粒子２０１が基板２０３上に形成される前）か、又はシリコンナノ粒子２０１が基板２０３上に形成された後が一般的である。

【0024】

図５において、キャップ層２０７は、不動態化されたシリコンナノ粒子２０５上に形成されている。キャップ層２０７は、堆積した窒化ケイ素又は他のキャッピング材料を含み得る。キャップ層２０７は、下に配された材料に水分が浸透するのを防ぐことによって、不動態化されたシリコンナノ粒子２０５とパッシベーション膜２０２との界面が減成されてしまう可能性を回避する。キャップ層２０７はまた、キャップ層２０７の形成後にエミッタ２０４が形成されるプロセスにおいてドーパントが流出して処理チャンバ内に入り込むのを防ぐのにも好都合である。特に、キャップ層２０７が形成された後に、シリコンナノ粒子２０１からドーパントを基板２０３に移動させる拡散工程を実行してもよい。その場合、キャップ層２０７は、ドーパントが処理チャンバ内に流入して太陽電池２００の他の特徴部に拡散するのを防ぐ。キャップ層２０７は必須ではなく、プロセスによっては省略してもよい。

【0025】

図６では、レーザー接触プロセスでエミッタ２０４上に形成された材料にレーザービーム１０３を当て、コンタクトホール２０８を形成してエミッタ２０４を露出させている。図解が明確となるように、コンタクトホール２０８は１つのみ示している。太陽電池２００は複数のエミッタ２０４を含み、各々のエミッタ２０４に対してコンタクトホール２０８が形成され得る。

【0026】

図６の例において、レーザー接触プロセスはシリコンナノ粒子を貫通してコンタクトホールを形成するレーザーアブレーションプロセスを含む。一般に、レーザー接触プロセスには、１つ以上のレーザー源、１つ以上のレーザーパルス、１つ以上のレーザー工程が関与する場合があり、アブレーション以外のレーザープロセスを含めてもよい。レーザー接触プロセスには、キャップ層２０７、不動態化されたシリコンナノ粒子２０５及びパッシベーション膜２０２の一部をレーザービーム１０３で除去し、コンタクトホール２０８を形成してエミッタ２０４を露出させる工程を含めてもよい。一実施形態において、不動態化されたシリコンナノ粒子２０５の一部を除去してそこにコンタクトホール２０８を形成する工程は、レーザーアブレーションによるものである。キャップ層２０７及びパッシベーション膜２０２の一部を除去する工程は、レーザーアブレーションで行ってもよいが、別個のレーザー工程にて他のレーザープロセスで行うこともまた可能である。

【0027】

レーザーアブレーションの場合、ナノ粒子パッシベーション膜２０６の厚さは、シリコンナノ粒子２０１の粒径に対し相対的に広範に及び得るが、例えばレーザー溶融プロセスと比べて厚くなるのが一般的である。レーザー源１０２は、電力、波長、及びパルス時間がナノ粒子アブレーションの達成に最適であるものが選択される。ナノ粒子の場合、物理的特性（光学的及び熱的挙動を含む）がそのサイズに依存することから、これらのレーザー特性は、バルクシリコンの場合のレーザー特性とは異なることがあり得る。レーザー源１０２のレーザービーム１０３は、コンタクトホール２０８が形成される領域上に向けられ得る。その領域は、不動態化されたシリコンナノ粒子２０５で覆われる領域よりも小さいか又は等しい任意のサイズであり得る。

【0028】

シリコンナノ粒子２０１の粒径に対するナノ粒子パッシベーション膜２０６の厚さは、特定のレーザー源１０２に合わせて調整できる。例えば、シリコンが緑色レーザーを吸収し、かつ酸化物が緑色レーザーを透過するため、酸化物（二酸化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウムなど）のナノ粒子パッシベーション膜２０６の厚さは、緑色波長のレーザービーム１０３の大部分が伝達又は吸収されるように調節できる。つまり、ナノ粒子パッシベーション膜２０６の厚さは、最適なアブレーションが実現されるように調節できる。ナノ粒子パッシベーション膜２０６の厚さ、シリコンナノ粒子２０１の粒径、及びレーザー源１０２の特性は、その太陽電池の細目に依存する。

【0029】

個々のナノ粒子パッシベーション膜２０６は絶縁体として機能するため、シリコンナノ粒子２０１において離散的アブレーションイベントが生ずる。この結果、シリコンナノ粒子２０１が直接的にアブレーションされ、エミッタ２０４及び基板２０３に対する損傷が最小限度に抑えられて、エミッタ２０４の表面に至るコンタクトホール２０８が開く可能性が生ずる。コンタクトホール２０８が開くのは、残りのシリコンナノ粒子２０１が残留している間、シリコンナノ粒子２０１がレーザービーム１０３に露出された場合だけに限られる。これらの残留シリコンナノ粒子２０１は抵抗率が高いため、電荷キャリアを導通することもなく、又はキャリアの再結合に有意に寄与することもない。

【0030】

図７では、対応するエミッタ２０４の表面を電気的に接続するべく、各コンタクトホール２０８内に金属接点２０９が形成されている。

【0031】

図８〜１２は、本発明の実施形態に係る、シリコンナノ粒子のレーザー溶融により太陽電池３００のコンタクトホールを形成する方法を概略的に示した断面図である。レーザー溶融は、粒子の焼鈍、焼結、合体、又は粒子温度上昇が関与しそれによって粒子の集塊を生じさせる、レーザープロセスを含む。一般に、レーザー溶融には、パルス幅が比較的長い、例えば１ナノ秒以上のレーザーパルスが関与する。際立って対照的に、レーザーアブレーションには、パルス幅が比較的短い、例えば１ピコ秒以下であり得るレーザーパルスが関与する。

【0032】

図８において、太陽電池基板は結晶性シリコン基板３０３を含む。シリコン基板３０３の表面は、シリコン基板３０３上にナノ粒子３０１が形成される前に不動態化され得る。シリコン基板３０３の表面は、ナノ粒子３０１に至る連続的界面を形成するか又は基板界面をドーピングして少数キャリアを通さないようにすることによっても、不動態化され得る。ナノ粒子３０１はまた、パッシベーション層としても機能し得る。図８の例において、シリコン基板３０３の表面はパッシベーション膜３０２で不動態化されている。パッシベーション膜３０２は、二酸化ケイ素を含み得る。具体的な例として、パッシベーション膜３０２に含まれる二酸化ケイ素は、熱により成長したものである場合もあれば、又はシリコン基板３０３の表面上に堆積したものである場合もある。一般に、パッシベーション膜３０２は、例えば酸化物などの任意の好適なパッシベーション材料を含み得る。パッシベーション膜３０２はまた、太陽電池の特質に応じて必ずしも使用しなくてよい。例えば、シリコンナノ粒子３０１は、基板３０３の表面上に直接形成され得る。

【0033】

一実施形態において、ナノ粒子３０１は、粒径が５００ｎｍ未満のドープシリコンナノ粒子を含む。シリコンナノ粒子３０１をＮ型ドーパント（例えば、リン）でドーピングしてＮ型エミッタを形成することも可能であるし、又はＰ型ドーパント（例えば、ホウ素）でドーピングしてＰ型エミッタを形成することも可能である。シリコンナノ粒子３０１は、パッシベーション膜３０２上に形成される。シリコンナノ粒子３０１は、例えば、スクリーン印刷又はインクジェット印刷などの印刷プロセスによって形成できる。

【0034】

図９では、シリコンナノ粒子３０１を不動態化することによって電子正孔対の再結合を最小限に抑え、レーザー溶融プロセスを最適化している。シリコンナノ粒子３０１は、不動態化されたシリコンナノ粒子３０５として再標識化される。この再標識化によって、パッシベーションプロセスにて融合した又は凝集したシリコンナノ粒子３０１の各々若しくは塊がナノ粒子パッシベーション膜３０６でコーティングされるように指示される。ナノ粒子パッシベーション膜３０６は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、又はシリコンナノ粒子３０１の各々若しくは塊の表面上に形成された他の好適なパッシベーション材料を含み得る。例えば、ナノ粒子パッシベーション膜３０６は、酸化雰囲気にてシリコンナノ粒子３０１を加熱することによってシリコンナノ粒子３０１の表面上で熱により成長した酸化物を含み得る。シリコンナノ粒子３０１の有孔率に応じて、ＡＬＤによるものを含め、ＣＶＤによってシリコンナノ粒子３０１の表面上にナノ粒子パッシベーション膜３０６を堆積させることもまた可能である。例えば、ナノ粒子パッシベーション膜３０６は、ＡＬＤによってシリコンナノ粒子３０１の表面上に堆積した窒化ケイ素を含み得る。

【0035】

図１０において、キャップ層３０７は、不動態化されたシリコンナノ粒子３０５上に形成されている。キャップ層３０７は、堆積した窒化ケイ素又は他のキャッピング材料を含み得る。キャップ層３０７は、下に配された材料に水分が浸透するのを防ぐことによって、不動態化されたシリコンナノ粒子３０５とパッシベーション膜３０２との界面が減成されてしまう可能性を回避する。キャップ層３０７は必須ではなく、プロセスに応じて省略することもできる。

【0036】

図１１では、レーザー接触プロセスにて、エミッタ３０４が形成される基板３０３上の領域にレーザービーム１０３を当てている。レーザー接触プロセスでは、キャップ層３０７の一部を除去し、不動態化されたシリコンナノ粒子３０５を溶融させ、パッシベーション膜３０２の一部を除去して、コンタクトホール３０８及びエミッタ３０４を形成する。一般に、レーザー接触プロセスには、１つ以上のレーザー源、１つ以上のレーザーパルス、１つ以上のレーザー工程が関与する場合があるため、溶融以外のレーザープロセスを含めてもよい。一実施形態において、不動態化されたシリコンナノ粒子３０５の溶融はレーザー溶融によるものであり、それに対し、キャップ層３０７の一部の除去及びパッシベーション膜３０２の一部の除去はレーザーアブレーションによるものである。エミッタ３０４のバルクは、溶融されたシリコンナノ粒子３０１を含み、これらのシリコンナノ粒子はドーピングされているため、導電性である。

【0037】

太陽電池３００は、導電型の異なる複数のエミッタ３０４を備えて構成されているが、図解が明確になるよう、図１１及び後続の図には１つのエミッタのみを示している。エミッタ３０４はＰ型導電性を有する場合があり、この場合、シリコンナノ粒子３０１はＰ型ドーパントを含む。あるいは、エミッタ３０４はＮ型導電性を有する場合があり、この場合、シリコンナノ粒子３０１はＮ型ドーパントを含む。一般に、Ｐ型ドーパントを有するシリコンナノ粒子３０１は、Ｐ型エミッタが形成されている基板３０３の領域の上に形成され、Ｎ型ドーパントを有するシリコンナノ粒子３０１はＮ型エミッタが形成されている基板３０３の領域の上に形成される。レーザー溶融プロセスでは、シリコンナノ粒子３０１を溶融させることによって、対応する導電型のエミッタ３０４を形成する。

【0038】

レーザー溶融の場合、ナノ粒子パッシベーション膜３０６の厚さは、シリコンナノ粒子３０１の粒径に対し相対的に広範に及び得るが、例えばレーザーアブレーションプロセスと比べて薄くなるのが一般的である。レーザー源１０２は、電力、波長、及びパルス時間がナノ粒子の溶融を達成するのに最適であるものが選択される。ナノ粒子の場合、物理的特性（光学的及び熱的挙動を含む）がそのサイズに依存することから、これらのレーザー特性がバルクシリコンの場合のレーザー特性とは異なることがあり得る。レーザー源１０２のレーザービーム１０３は、コンタクトホール３０８及びエミッタ３０４が形成される領域上に向けられ得る。その領域は、不動態化されたシリコンナノ粒子３０５で覆われる領域よりも小さいか又は等しい任意のサイズであり得る。個々のナノ粒子パッシベーション膜３０６は比較的薄いため、レーザー溶融中にナノ粒子パッシベーション膜３０６が破裂する可能性があり、その場合、溶融したシリコンナノ粒子３０１はナノ粒子パッシベーション膜３０６で生成された個々のシェルに封じ込められない。ナノ粒子パッシベーション膜、ナノ粒子及びレーザープロセスの様々な相互作用、例えばナノ粒子パッシベーション膜の間接的アブレーション又は溶融によって、ナノ粒子パッシベーション膜が破裂する場合もある。

【0039】

レーザー溶融の際、シリコンナノ粒子３０１は溶融して再結晶し、ポリシリコン層又はエピタキシャルシリコン層のいずれか一方を形成する。再成長した層は、高濃度にドーピングされたポリシリコン又は単結晶シリコンであり、エミッタ３０４として機能する。エミッタ３０４におけるこの再成長した領域は、バルク基板ドーピングを有する結晶性シリコンの領域内、又はその基板よりも高濃度にドーピングされた領域内に存在する場合があり、これは、シリコンナノ粒子３０１からドーパントが移動してエミッタ３０４を形成することに起因する。特定のフィルムスタックがレーザー溶融に適したものであるかどうかを基準に、スタックをシリコンナノ粒子３０１のレーザー溶融中に焼灼する場合もあれば、又はフィルムスタックをシリコンナノ粒子３０１のレーザー溶融前若しくは後のどちらかに焼灼するうえで第２のレーザー条件を要する場合もある。この結果、焼鈍済領域の表面に至るコンタクトホール３０８が生じ、このコンタクトホールは導電性であり、レーザービーム１０３に露出されたシリコンナノ粒子３０１の領域内にのみ形成される。残りのシリコンナノ粒子３０１（即ち、レーザービーム１０３に露出されなかったもの）は抵抗率が高いため、キャリアを導通することもなく、又はキャリアの再結合に有意に寄与することもない。

【0040】

既に述べたように、シリコンナノ粒子３０１の粒径に対するナノ粒子パッシベーション膜３０６の厚さは、特定のレーザー源１０２に合わせて調整できる。つまり、ナノ粒子パッシベーション膜３０６の厚さは、最適な溶融が実現されるように調節できる。ナノ粒子パッシベーション膜３０６の厚さ、シリコンナノ粒子３０１のサイズ、及びレーザー源１０２の特性は、その太陽電池の細目に依存する。

【0041】

図１２では、対応するエミッタ３０４の表面を電気的に接続するべく、各コンタクトホール３０８内に金属接点３０９が形成されている。

【0042】

図１３は、本発明の実施形態に係る、レーザー接触プロセスを用いて太陽電池のコンタクトホールを形成する方法を示した流れ図を示す。図１３の例において、シリコンナノ粒子は、適切なドーパント、例えば、Ｎ型エミッタに至るコンタクトホールを形成する場合はＮ型ドーパント、又はＰ型エミッタに至るコンタクトホールを形成する場合はＰ型ドーパントでドーピングされている（工程４０１）。太陽電池基板上にシリコンナノ粒子を形成する（工程４０２）。例えば、シリコンナノ粒子を太陽電池基板上に直接に堆積させてもよいし、基板上に配されている別の層（例えば、パッシベーション膜）上に堆積させてもよい。

【0043】

シリコンナノ粒子を不動態化する（工程４０３）。シリコンナノ粒子の不動態化は、合成中、合成された後（但し、太陽電池基板上に形成される前）、又は太陽電池基板上に形成された後に可能である。太陽電池基板上でのシリコンナノ粒子の不動態化は、太陽電池のエミッタが形成される前又は形成された後に可能である。シリコンナノ粒子の各々又は塊の表面をナノ粒子パッシベーション膜でコーティングすることによって、シリコンナノ粒子が不動態化され得る。具体的な例として、酸化物は、シリコンナノ粒子の各々又は塊の表面上で、熱により成長し得る。別の例として、窒化ケイ素は、シリコンナノ粒子の各々又は塊の表面上に堆積され得る。好都合にも、ナノ粒子パッシベーション膜の厚さを特定のレーザー源に合わせて調整することによって、特定のレーザー接触プロセスのニーズを満たすことが可能になる。

【0044】

レーザー接触プロセスにてシリコンナノ粒子上にレーザービームを当てることによって、太陽電池のエミッタに至るコンタクトホールが形成される（工程４０４）。例えば、レーザー接触プロセスは、あるレーザーアブレーションプロセスにてシリコンナノ粒子を貫通してコンタクトホールを形成し、他の又は同じアブレーションプロセスにて他の材料を貫通してコンタクトホールを形成することを含み得る。その場合、エミッタを露出させるコンタクトホールを形成する前に、シリコンナノ粒子からドーパントを太陽電池基板内に拡散させてエミッタを形成してもよい。別の例として、レーザー接触プロセスにレーザー溶融プロセスを含めてもよく、このレーザー溶融プロセスでシリコンナノ粒子を溶融させることによって、溶融したシリコンナノ粒子を含むエミッタに至るコンタクトホールが形成される。コンタクトホールはキャップ層、シリコンナノ粒子、及びパッシベーション膜を貫通して形成され得る。シリコンナノ粒子以外の材料を貫通するコンタクトホールは、レーザーアブレーション又は他のレーザープロセスによるものであり得、これに対し、シリコンナノ粒子を貫通するコンタクトホールは、レーザー溶融によるものであり得る。レーザーを使用し、シリコンナノ粒子を貫通する比較的小さいコンタクトホールを用いることによって、太陽電池の効率を高めることが可能となる。

【0045】

上記のことから理解されるように、本発明の実施形態は、特定のプロセス要件を満たすべく様々なレーザー、シリコンナノ粒子サイズ、及びナノ粒子パッシベーション膜厚さを用いて実施され得る。例えば、レーザーアブレーション及びレーザー溶融のどちらの場合でも、パルス幅が１ｆｓ〜１０ｎｓの緑色又は赤外線（又は他の波長の）レーザーを使用できる。ナノ粒子パッシベーション膜の厚さは、シリコンナノ粒子のサイズ及びレーザープロセスの種類（即ち、アブレーション又は溶融のいずれか）に依存する。一般的に言って、シリコンナノ粒子の直径の２５％を超える厚さを有するナノ粒子パッシベーション膜はレーザーアブレーションに向く傾向があり、シリコンナノ粒子の直径の２５％以下の厚さを有するナノ粒子パッシベーション膜はレーザー溶融に向く傾向がある。例えば、直径２００ｎｍのシリコンナノ粒子で１０ｎｍ厚のナノ粒子パッシベーション膜でコーティングされたものは、レーザー溶融の方が適している。別の例として、直径１５ｎｍのシリコンナノ粒子で１０ｎｍ厚のナノ粒子パッシベーション膜でコーティングされたものは、レーザーアブレーションの方が適している。

【0046】

シリコンナノ粒子を使用して太陽電池を製造するためのレーザー接触プロセス、レーザーシステム、及び太陽電池構造が開示されてきた。本発明の具体的な実施形態を提供したが、これらの実施形態は説明を目的としたものであり、限定ではないことは理解されよう。多くの追加的実施形態が、本開示を読む当業者にとっては明らかとなろう。
（項目１）
太陽電池の複数のコンタクトホールを形成する方法であって、
太陽電池基板上に複数のドープシリコンナノ粒子を形成する工程と、
上記複数のドープシリコンナノ粒子をナノ粒子パッシベ―ション膜でコーティングする工程と、
レーザー接触プロセスにて上記複数のドープシリコンナノ粒子上にレーザービームを当て、上記複数のドープシリコンナノ粒子を貫通して上記太陽電池のエミッタに至る一のコンタクトホールを形成する工程と、を備える方法。
（項目２）
上記基板がシリコン基板を含む、項目１に記載の方法。
（項目３）
上記太陽電池基板上に上記複数のドープシリコンナノ粒子を形成する工程に先立ち、上記太陽電池基板上にパッシベーション膜を形成する工程を更に備える、項目１に記載の方法。
（項目４）
上記複数のドープシリコンナノ粒子は、上記パッシベーション膜上に形成される、項目３に記載の方法。
（項目５）
上記パッシベーション膜が二酸化ケイ素を含む、項目４に記載の方法。
（項目６）
上記複数のドープシリコンナノ粒子を上記ナノ粒子パッシベーション膜でコーティングする工程が、
上記複数のドープシリコンナノ粒子の各々又は塊の表面上に二酸化ケイ素を形成する工程を有する、項目１に記載の方法。
（項目７）
上記複数のドープシリコンナノ粒子を上記ナノ粒子パッシベーション膜でコーティングする工程が、
上記複数のドープシリコンナノ粒子の各々又は塊の表面上に窒化ケイ素を堆積させる工程を有する、項目１に記載の方法。
（項目８）
上記レーザー接触プロセスにて上記複数のドープシリコンナノ粒子上に上記レーザービームを当てて上記太陽電池の上記エミッタに至る上記一のコンタクトホールを形成する工程に先立ち、上記複数のドープシリコンナノ粒子からのドーパントを上記太陽電池基板内に拡散させて上記エミッタを形成する工程を更に備える、項目１に記載の方法。
（項目９）
上記エミッタに至る上記一のコンタクトホールを形成するべく、上記レーザー接触プロセスにて上記複数のドープシリコンナノ粒子上に上記レーザービームを当てた際に溶融された複数のドープシリコンナノ粒子から上記エミッタを形成する、項目１に記載の方法。
（項目１０）
上記複数のドープシリコンナノ粒子上にキャップ層を形成する工程を更に備え、
上記一のコンタクトホールが上記キャップ層を貫通する、項目１に記載の方法。
（項目１１）
上記エミッタを電気的に接続するべく、上記一のコンタクトホール内に金属接点を形成する工程を更に備える、項目１に記載の方法。
（項目１２）
太陽電池基板と、
上記太陽電池基板上の複数のドープシリコンナノ粒子と、
上記複数のドープシリコンナノ粒子を貫通するコンタクトホールと、
エミッタと、
上記コンタクトホールを介して上記エミッタに電気的に接続する金属接点と、を備え、
上記複数のドープシリコンナノ粒子の各々又は塊の表面はナノ粒子パッシベーション膜を有する、太陽電池。
（項目１３）
上記エミッタが上記太陽電池基板内にある、項目１２に記載の太陽電池。
（項目１４）
上記太陽電池基板がシリコン基板を含む、項目１２に記載の太陽電池。
（項目１５）
上記太陽電池基板と上記複数のドープシリコンナノ粒子との間にパッシベーション膜を更に備える、項目１２に記載の太陽電池。
（項目１６）
上記複数のドープシリコンナノ粒子上にキャップ層を更に備える、項目１２に記載の太陽電池。
（項目１７）
太陽電池の複数のコンタクトホールを形成する方法であって、
太陽電池基板上に複数のドープシリコンナノ粒子を形成する工程と、
上記複数のドープシリコンナノ粒子からドーパントを拡散させてエミッタを形成する工程と、
上記複数のドープシリコンナノ粒子をナノ粒子パッシベーション膜でコーティングする工程と、
レーザー接触プロセスにて上記複数のドープシリコンナノ粒子上にレーザービームを当て、上記複数のドープシリコンナノ粒子を貫通して上記エミッタに至るコンタクトホールを形成する工程と、を備える方法。
（項目１８）
上記複数のドープシリコンナノ粒子から上記ドーパントを拡散させて上記エミッタを形成する工程に先立ち、上記複数のドープシリコンナノ粒子を上記ナノ粒子パッシベーション膜でコーティングする、項目１７に記載の方法。
（項目１９）
上記複数のドープシリコンナノ粒子を上記ナノ粒子パッシベーション膜でコーティングする工程が、
上記複数のドープシリコンナノ粒子の各々又は塊の表面上に二酸化ケイ素を形成する工程を有する、項目１７に記載の方法。
（項目２０）
上記複数のドープシリコンナノ粒子を上記ナノ粒子パッシベーション膜でコーティングする工程が、
上記複数のドープシリコンナノ粒子の各々又は塊の表面上に窒化ケイ素を堆積させる工程を有する、項目１７に記載の方法。
（項目２１）
上記複数のドープシリコンナノ粒子上にキャップ層を形成する工程を更に備え、上記コンタクトホールが上記キャップ層を貫通する、項目１７に記載の方法。
（項目２２）
太陽電池の複数のコンタクトホールを形成する方法であって、
太陽電池の基板上に複数のドープシリコンナノ粒子を形成する工程と、
上記複数のドープシリコンナノ粒子をナノ粒子パッシベーション膜でコーティングする工程と、
上記複数のドープシリコンナノ粒子の一部をレーザービームで溶融し、上記太陽電池のエミッタを上記複数のドープシリコンナノ粒子の溶融された部分で形成して、上記太陽電池の上記エミッタに対する一のコンタクトホールを形成する工程と、を備える方法。
（項目２３）
上記複数のドープシリコンナノ粒子を上記ナノ粒子パッシベーション膜でコーティングする工程が、
上記複数のドープシリコンナノ粒子の各々又は塊の表面上に二酸化ケイ素を形成する工程を有する、項目２２に記載の方法。
（項目２４）
上記複数のドープシリコンナノ粒子を上記ナノ粒子パッシベーション膜でコーティングする工程が、
上記複数のドープシリコンナノ粒子の各々又は塊の表面上に窒化ケイ素を堆積させる工程を有する、項目２２に記載の方法。
（項目２５）
上記複数のドープシリコンナノ粒子上にキャップ層を形成する工程を更に含み、上記一のコンタクトホールが上記キャップ層を貫通する、項目２２に記載の方法。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】