JP2002076398A

JP2002076398A - 光起電力素子

Info

Publication number: JP2002076398A
Application number: JP2000259682A
Authority: JP
Inventors: Hironobu Tsujimoto; 博信辻本; Koji Endo; 浩二遠藤
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2000-08-29
Filing date: 2000-08-29
Publication date: 2002-03-15

Abstract

(57)【要約】【課題】表面にテクスチャ構造３が形成された光電変
換層と、該光電変換層上に設けられる集電極とを備える
光起電力素子において、低抵抗化及び細線化が可能で、
かつテクスチャ構造３を有する下地に対する接触抵抗が
小さい集電極を得る。【解決手段】集電極が、粒状導電性フィラー１とフレ
ーク状導電性フィラー２とを含有した導電性ペーストか
ら形成されており、導電性フィラー全体に対する粒状導
電性フィラー１の含有量が４０重量％以上であることを
特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光電変換層の上に
集電極が設けられた光起電力素子に関するものであり、
集電極構造が改善された光起電力素子に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】光起電力素子の光入射側に形成される集
電極は、発電層にできるだけ多くの光を吸収させ、抵抗
損失なく電力を取り出すことが求められる。このため、
その電極幅はできるだけ細線化され、その抵抗は極力小
さく設計されなければならない。

【０００３】集電極は一般に、導電性ペーストから形成
されており、導電性ペーストとしては、塗布した後６０
０℃以上の温度で焼成する焼成型の導電性ペーストと、
硬化性樹脂バインダーを含有し、塗布した後加熱してバ
インダー樹脂を硬化させる樹脂硬化型の導電性ペースト
が知られている。

【０００４】光起電力素子の集電極形成のために用いる
焼成型の導電性ペーストとしては、導電性フィラーとし
て、粒状のＡｇからなる導電性フィラーと、フレーク状
のＡｇからなる導電性フィラーを１：９〜４：６の割合
で含有する導電性ペーストが知られている（特公平３−
６４９６４号公報）。このような導電性ペーストにおい
ては、フレーク状の導電性フィラーを６０〜９０重量％
の範囲で多量に配合することにより、接着強度が高く、
かつはんだ付け性及び耐はんだ食われ性が良好であると
されている。

【０００５】樹脂硬化型の導電性ペーストは、比抵抗値
が１００〜５０μΩ・ｃｍであり、焼成型の導電性ペー
ストに比べ１桁高いが、焼成型の導電性ペーストのよう
に高温での焼き付けを必要としないため、低温プロセス
で集電極を形成することが必要な場合に使用されてい
る。このような樹脂硬化型の導電性ペーストにおいて
も、粒状の導電性フィラーと、フレーク状の導電性フィ
ラーが混合されており、一般に、図９に示すように、比
抵抗値が最小となるフレーク状フィラー８０重量％：粒
状フィラー２０重量％の配合割合のものが多く使用され
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】光起電力素子において
集電極が形成される表面は、光閉じ込め効果のために凹
凸形状を付与されているものが多いが、このような凹凸
形状を有する表面に、上記従来の導電性ペーストを用い
ると、接触抵抗が高くなり易い。また、上述のように、
光起電力素子の集電極は、細線化が求められており、一
般にスクリーン印刷法により形成されることが多い。し
かしながら、フレーク状フィラーの多い上記従来の導電
性ペーストをスクリーン印刷法に用いた場合、目詰まり
などを生じ易いため、かすれや断線を起こし易く、スク
リーン印刷法による細線化に適していない。

【０００７】本発明の目的は、低抵抗化及び細線化が可
能で、かつテクスチャ構造の下地に対する接触抵抗が小
さい集電極を備えた光起電力素子を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の光起電力素子
は、表面にテクスチャ構造が形成された光電変換層と、
該光電変換層上に設けられる集電極とを備える光起電力
素子であり、該集電極が粒状導電性フィラーとフレーク
状導電性フィラーを含有した導電性ペーストから形成さ
れており、導電性フィラー全体に対する粒状導電性フィ
ラーの含有量が４０重量％以上であることを特徴として
いる。

【０００９】導電性フィラー全体に対する粒状導電性フ
ィラーの含有量を４０重量％以上とすることにより、す
なわちフレーク状導電性フィラーの含有量を６０重量％
以下とすることにより、低抵抗化及び細線化が可能で、
かつテクスチャ構造の下地に対する接触抵抗が小さい集
電極とすることができる。導電性フィラー全体に対する
粒状導電性フィラーのさらに好ましい含有量は４０〜９
５重量％であり、従って導電性フィラー全体に対するフ
レーク状導電性フィラーのさらに好ましい含有量は５〜
６０重量％である。粒状導電性フィラーのさらに好まし
い含有量は５０〜９０重量％であり、従ってフレーク状
導電性フィラーのさらに好ましい含有量は１０〜５０重
量％である。

【００１０】本発明において、集電極は、光電変換層の
テクスチャ構造が形成された表面上に直接設けられても
よいが、好ましくは、酸化錫、酸化インジウム錫（ＩＴ
Ｏ）、または酸化亜鉛などの透明導電酸化物から形成さ
れた透明電極層を光電変換層の上に設け、この透明電極
層の上に集電極が設けられる。この場合、透明電極層
は、光電変換層の表面のテクスチャ構造に沿って形成さ
れるので、透明電極層の表面にもテクスチャ構造が形成
されている。テクスチャ構造は、一般にピラミッド形状
の凹凸構造に形成されており、テクスチャの高さ（凹凸
形状の谷部から山頂までの垂直方向の距離）は、一般に
３μｍ〜３０μｍ程度である。

【００１１】本発明において、集電極は粒状導電性フィ
ラーとフレーク状導電性フィラーを含有した導電性ペー
ストから形成される。粒状導電性フィラーは、一般に略
球形形状を有しており、その平均直径は２μｍ以下であ
ることが好ましく、さらに好ましくは０．１〜２μｍの
平均直径を有するものが用いられる。

【００１２】フレーク状導電性フィラーとしては、フレ
ーク状導電性フィラーのうちの５０重量％以上がフレー
ク径（フレーク平面の最大長さ）５μｍ以上有するもの
が好ましく用いられる。平均フレーク径としては、６〜
８μｍのものが好ましく用いられる。

【００１３】粒状導電性フィラー及びフレーク状導電性
フィラーの材質は、導電性を有するものであれば特に限
定されるものではないが、例えば、金、銀、銅、ニッケ
ル、及びアルミニウムから選ばれる少なくとも１種の材
質から形成されることが好ましい。

【００１４】本発明において用いる導電性ペーストとし
ては、硬化性バインダー樹脂を含むものが好ましく、特
に熱硬化性のバインダー樹脂を含むものが好ましい。粒
状導電性フィラーとフレーク状導電性フィラーを合計し
た導電性フィラーの導電ペースト中の含有量は、硬化性
バインダー樹脂と導電性フィラーの合計に対して８０〜
９５重量％であることが好ましい。また、熱硬化性バイ
ンダー樹脂を用いる場合、その硬化温度は１５０〜２５
０℃の範囲内であることが好ましい。

【００１５】本発明において、導電性ペーストから集電
極を形成する方法は特に限定されるものではないが、例
えば、ディスペンサーによる塗布や、スクリーン印刷な
どを挙げることができる。集電極の幅は、できるだけ多
くの光を発電層に吸収させるため、できるだけ細いこと
が好ましく、従って集電極の幅は１５０μｍ以下である
ことが好ましく、さらに好ましくは１００μｍ以下であ
る。

【００１６】本発明の集電極においては、光電変換層の
テクスチャ構造に近い側に粒状導電性フィラーが相対的
に多く含まれていることが好ましい。テクスチャ構造の
凹部に粒状導電性フィラーが多く含まれることにより、
接触抵抗をより小さくすることができる。

【００１７】また、本発明における集電極は、複数の層
を積層して構成されていてもよい。すなわち、同じもし
くは異なる組成の導電性ペーストを同一個所に塗布する
ことにより、複数の層を積層して集電極としてもよい。
この場合、光電変換層のテクスチャ構造に近い側の１層
目が、２層目以下よりも粒状導電性フィラーを相対的に
多く含んでいることが好ましい。これにより、テクスチ
ャ構造の凹部に多くの粒状導電性フィラーを存在させる
ことができ、接触抵抗を小さくすることができる。この
ような集電極として、例えば、１層目の粒状導電性フィ
ラーの含有量が５０重量％以上であり、２層目以降の粒
状導電性フィラーの含有量が４０重量％以下、すなわち
フレーク状フィラーの含有量が６０重量％以上であるよ
うな積層型の集電極構造が挙げられる。

【００１８】また、本発明における集電極は、導電性ペ
ーストを塗布して形成した後、電極内部に金属を析出さ
せたものであってもよい。電極内部に金属を析出させる
ことにより、導電性フィラー間の隙間を金属で埋め込
み、これによって集電極を低抵抗化することができる。

【００１９】このような電極内部における金属の析出
は、電解メッキまたは無電解メッキなどにより行うこと
ができる。析出させる金属としては、特に限定されるも
のではないが、金、銀、銅、ニッケル、及びコバルトか
ら選ばれる少なくとも１種を挙げることができる。

【００２０】図１は、本発明の作用効果を説明するため
の模式的断面図である。テクスチャ構造３を有した下地
の上には、集電極が形成されており、粒状導電性フィラ
ー１及びフレーク状導電性フィラー２が存在している。
テクスチャ構造３は、透明電極層の表面の構造である
か、あるいは光電変換層の表面の構造である。

【００２１】図１に示すように、フレーク状導電性フィ
ラー２は、粒子径が大きく、形状に異方性を有している
ため、テクスチャ構造３の谷部に入りにくいが、粒状導
電性フィラー１は粒子径が小さく形状に異方性を有して
いないため、テクスチャ構造３の谷部に入り易い。本発
明に従い、粒状導電性フィラー１の含有量を４０重量％
以上とすることにより、このようなテクスチャ構造３の
谷部に多くの粒状導電性フィラーが存在するようにな
り、テクスチャ構造３の表面との接触面積が増加する。
このため、テクスチャ構造３に対する集電極の接触抵抗
を小さくすることができる。

【００２２】図２は、平坦な表面４上に存在する粒状導
電性フィラー１及びフレーク状導電性フィラー２の状態
を示すための比較の模式的断面図である。平坦な表面４
上では、粒状導電性フィラー１は均一に分散された状態
で存在している。

【００２３】

【発明の実施の形態】図３は、光起電力素子の一例を示
す断面図である。ｎ型単結晶シリコン基板１１の両主面
には、アルカリ水溶液などのエッチング溶液を用いて、
ピラミッド状の凹凸を有するテクスチャ構造がそれぞれ
形成されている。このテクスチャ構造を有するｎ型単結
晶シリコン基板１１の一方主面上には、真性の非晶質シ
リコン層１２が形成されており、この上にｐ型の非晶質
シリコン層１３が形成されている。さらに、その上に
は、例えばＩＴＯからなる透明電極層１４が形成されて
いる。真性の非晶質シリコン層１２、ｐ型非晶質シリコ
ン層１３、及び透明電極層１４は、単結晶シリコン基板
１１の表面のテクスチャ構造に沿って形成されているの
で、その表面にはテクスチャ構造に沿う凹凸形状が形成
されている。透明電極１４の上には、Ａｇからなる櫛形
状の集電極１５が形成されている。従って、集電極１５
は、透明電極層１４の表面のテクスチャ構造の上に形成
されている。

【００２４】ｎ型単結晶シリコン基板１１の他方主面上
には、真性の非晶質シリコン層１６が形成され、さらに
その上にｎ型非晶質シリコン層１７が形成されている。
ｎ型非晶質シリコン層１７の上には、例えばＩＴＯから
なる透明電極層１８が形成されている。真性の非晶質シ
リコン層１６及びｎ型の非晶質シリコン層１７から、Ｂ
ＳＦ（ｂａｃｋｓｕｒｆａｃｅｆｉｅｌｄ）領域が
形成されている。

【００２５】真性の非晶質シリコン層１６、ｎ型の非晶
質シリコン層１７、及び透明電極層１８は、ｎ型単結晶
シリコン基板１１の表面のテクスチャ構造に沿って形成
されているので、各層の表面にもテクスチャ構造の凹凸
が形成されている。このような表面にテクスチャ構造を
有する透明電極層１８の上に、Ａｇからなる櫛形状の集
電極１９が形成されている。

【００２６】真性の非晶質シリコン層１２及びｐ型の非
晶質シリコン層１３並びに真性の非晶質シリコン層１６
及びｎ型の非晶質シリコン層１７は、プラズマＣＶＤ法
により形成されている。透明電極層１４及び１８は、ス
パッタリング法により形成されている。集電極１５及び
１９は、導電性ペーストを用いてスクリーン印刷法によ
り形成されている。非晶質シリコン層を用いた光起電力
素子であるので、集電極１５及び１９は低温プロセスで
形成する必要があり、このため樹脂硬化型の導電性ペー
ストを用いて形成されている。

【００２７】図４は、集電極１５の形状を示す平面図で
ある。図４に示すように、集電極１５は、太い２本のバ
スバー部１５ｂと、多数の細いフィンガー部１５ａから
なる櫛形形状を有している。

【００２８】上記の集電極の形成において、粒状導電性
フィラーとフレーク状導電性フィラーの配合割合を変化
させた導電性ペーストを用い、スクリーン印刷法でフィ
ンガー部を形成する場合の印刷精度を評価した。なお、
用いたＡｇからなる粒状導電性フィラーの平均直径は、
１．１μｍであり、Ａｇからなるフレーク状導電性フィ
ラーの平均フレーク径は６μｍである。また、導電性ペ
ースト中の溶剤を除外したフィラー含有率は、８５重量
％であり、導電性ペーストの硬化温度は２００℃であ
る。

【００２９】表１は、集電極のフィンガー部を幅４０μ
ｍに設定して印刷した場合のフィンガー部の印刷幅を示
している。にじみ幅は、印刷されたフィンガー部の幅か
ら、設定したフィンガー部の幅すなわち４０μｍを差し
引いた値であり、印刷幅精度は、設定された幅４０μｍ
に対するにじみ幅の割合を示している。にじみ評価は、
印刷幅精度から評価したものであり、かすれ評価は、印
刷の際のかすれを評価したものである。×は「印刷にか
すれが認められる」ものであり、△は「印刷に僅かにか
すれが認められる」ものであり、○は「印刷にかすれが
認められない」ものである。印刷精度評価は、にじみ評
価とかすれ評価からの総合的評価である。

【００３０】

【表１】

【００３１】表１から明らかなように、にじみは、粒状
導電性フィラーの含有量が多くなるにつれて大きくなる
傾向が認められる。この原因として、粒状導電性フィラ
ーは横方向に流れ易い傾向があるのに対して、フレーク
状の導電性フィラーが混在していると、このような粒状
導電性フィラーの横方向への流れが抑制されるものと考
えられる。

【００３２】また、印刷のかすれは、粒状導電性フィラ
ーの含有量が少ない場合に認められる。これは、粒子径
の大きなフレーク状導電性フィラーが多量に配合される
と、印刷の版に目詰まり等が生じ、かすれを生じ易くな
るからであると考えられる。

【００３３】表１に示す結果から、集電極を細線化する
ためには、粒状導電性フィラーが４０重量％以上含まれ
ていることが好ましいことがわかる。また、粒状導電性
フィラーの含有量としては、さらに５０〜７５重量％が
好ましいことがわかる。

【００３４】次に、集電極のフィンガー部の抵抗値を測
定し、導電性フィラー全体に対する粒状導電性フィラー
の含有量と抵抗値との関係を求めた。図５は、集電極の
フィンガー部の抵抗値と、粒状導電性フィラーの含有量
との関係を示す図である。図５に示すように、粒状導電
性フィラーの含有量が多くなるにつれて、抵抗値が低下
するが、一旦低下した後、再び上昇していることがわか
る。

【００３５】図６は、粒状導電性フィラーの含有量を変
えて集電極を形成した場合の、太陽電池の出力特性を示
す図である。出力特性としては、最大出力（Ｐｍａｘ）
を測定し評価している。図６に示すように、粒状導電性
フィラーの含有量が４０重量％以上であると良好な出力
特性が得られており、特に粒状導電性フィラーの含有量
が４０〜９５重量％、さらに好ましくは５０〜９０重量
％において良好な出力特性が得られている。

【００３６】良好な出力特性が得られる理由として、図
１を参照して説明したように、テクスチャ構造の表面と
の接触抵抗が低減され、さらには集電極が低抵抗化した
ため、曲線因子（Ｆ．Ｆ．）が向上したことが考えられ
る。

【００３７】（集電極の２層印刷による形成）集電極を
２層印刷により形成した。１層目は、導電性フィラー全
体に対して粒状導電性フィラーを８０重量％含む導電性
ペーストを用いて形成し、２層目は、導電性フィラー全
体に対して粒状導電性フィラーを２０重量％含む、すな
わちフレーク状導電性フィラーを８０重量％含む導電性
ペーストを用いて、スクリーン印刷法により印刷して形
成した。このものを、粒状導電性フィラーが５０重量％
含まれる導電性ペーストで形成したものと比較すると、
最大出力が２．５％向上していた。このことから、集電
極を複数の層から形成する場合、テクスチャ構造に近い
側の１層目を、２層目以降よりも粒状導電性フィラーを
相対的に多く含ませることにより、太陽電池の出力特性
をさらに改善できることがわかる。

【００３８】（メッキによる集電極内部での金属の析
出）粒状導電性フィラーの含有量を種々変えて形成した
集電極を、さらにメッキ処理し、集電極内部に金属を析
出させた。ここでは、無電解メッキ法により、ニッケル
を集電極内部に析出させた。ニッケルの析出量は、集電
極内部の導電性フィラーに対し、２０重量％とした。

【００３９】図７は、このようにして電極内部に金属を
析出させた集電極における粒状導電性フィラーの含有量
と抵抗値との関係を示している。図７において、実線で
示す曲線はメッキ処理後の値であり、点線で示す曲線は
メッキ処理前のものであり、図５に示す曲線と同一であ
る。

【００４０】図７から明らかなように、メッキ処理によ
って集電極内部に金属を析出させることにより、抵抗値
が大幅に低下し、低抵抗化を図ることができる。図８
は、粒状導電性フィラーの含有量と太陽電池出力との関
係を示す図である。図８において、実線はメッキ処理後
の曲線を示しており、点線はメッキ処理前の曲線を示し
ており、図６に示す曲線と同一である。

【００４１】図８から明らかなように、太陽電池の出力
特性においても、メッキ処理によって集電極内部に金属
を析出させることにより、大幅な改善が認められる。上
記実施例では、無電解メッキを用いているが、電解メッ
キを用いても同様の効果を得ることができる。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、低抵抗化及び細線化が
可能で、テクスチャ構造を有する下地に対する接触抵抗
が小さい集電極を形成することができるので、光起電力
素子の出力特性を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】テクスチャ構造の上に形成される本発明に従う
集電極における粒状導電性フィラーとフレーク状導電性
フィラーの状態を示す模式的断面図。

【図２】平坦な表面上に形成される比較の集電極におけ
る粒状導電性フィラー及びフレーク状導電性フィラーの
状態を示す模式的断面図。

【図３】本発明に従う実施例において作製される光起電
力素子を示す断面図。

【図４】図３に示す実施例の光起電力素子における集電
極の形状を示す平面図。

【図５】粒状導電性フィラーの含有量と抵抗値との関係
を示す図。

【図６】粒状導電性フィラーの含有量と太陽電池出力と
の関係を示す図。

【図７】メッキ処理後の集電極における粒状導電性フィ
ラーの含有量と抵抗値の関係を示す図。

【図８】メッキ処理後の集電極における粒状導電性フィ
ラーの含有量と太陽電池出力との関係を示す図。

【図９】従来の導電性ペーストにおけるフレーク状銀フ
ィラーの含有量と比抵抗との関係を示す図。

【符号の説明】

１…粒状導電性フィラー２…フレーク状導電性フィラー３…テクスチャ構造４…平坦な表面１１…ｎ型単結晶シリコン基板１２…真性の非晶質シリコン層１３…ｐ型の非晶質シリコン層１４，１８…透明電極１５，１９…集電極１６…真性の非晶質シリコン層１７…ｎ型の非晶質シリコン層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4M104 AA01 BB36 CC01 DD51 DD52 DD53 GG05 HH15 5F051 AA05 DA04 FA04 FA10 FA14 FA24 GA04 GA15 HA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面にテクスチャ構造が形成された光電
変換層と、該光電変換層上に設けられる集電極とを備え
る光起電力素子であって、前記集電極が粒状導電性フィラーとフレーク状導電性フ
ィラーを含有した導電性ペーストから形成されており、
導電性フィラー全体に対する粒状導電性フィラーの含有
量が４０重量％以上であることを特徴とする光起電力素
子。
【請求項２】前記粒状導電性フィラーの含有量が４０
〜９５重量％であることを特徴とする請求項１に記載の
光起電力素子。
【請求項３】前記集電極が透明電極層を介して前記光
電変換層上に設けられていることを特徴とする請求項１
または２に記載の光起電力素子。
【請求項４】前記導電性ペーストが硬化性バインダー
樹脂を含む導電性ペーストであることを特徴とする請求
項１〜３のいずれか１項に記載の光起電力素子。
【請求項５】前記導電性フィラーの材質が、金、銀、
銅、ニッケル、及びアルミニウムから選ばれる少なくと
も１種であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか
１項に記載の光起電力素子。
【請求項６】前記集電極の幅が１５０μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の
光起電力素子。
【請求項７】前記集電極において前記光電変換層のテ
クスチャ構造に近い側に粒状導電性フィラーが相対的に
多く含まれていることを特徴とする請求項１〜６のいず
れか１項に記載の光起電力素子。
【請求項８】前記集電極が複数の層を積層して構成さ
れており、前記光電変換層のテクスチャ構造に近い側の
一層目が、二層目以降よりも粒状導電性フィラーを相対
的に多く含んでいることを特徴とする請求項７に記載の
光起電力素子。
【請求項９】前記集電極が、前記導電性ペーストを塗
布して形成した後、電極内部に金属を析出させたもので
あることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記
載の光起電力素子。
【請求項１０】メッキにより電極内部に金属を析出さ
せたものであることを特徴とする請求項９に記載の光起
電力素子。
【請求項１１】析出させる金属が、金、銀、銅、ニッ
ケル、及びコバルトから選ばれる少なくとも１種である
ことを特徴とする請求項９または１０に記載の光起電力
素子。