JP2005123527A - 太陽電池モジュールの製造方法及び太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 ウェーハのロスをなくするために、円形断面の半導体単結晶インゴットから、形状の異なる複数種類のセルを作製し、種別毎にセルを集めて複数種類の太陽電池モジュールを作製するとともに、太陽電池モジュールの種類に応じた製造工数あるいはセルの面積充填率の有利・不利の格差を生じにくい太陽電池モジュールの製造方法。
【解決手段】 ウェーハ４１を第一の平行区画線ＰＬ１と第二の平行区画線ＰＬ２とに沿って厚み方向に切断し、ウェーハ４１の中心点を含む長方形状の第一セル２１と、その第一セル２１の長辺に対応した弓形の第二セル２２とを製造する。プレート９の主表面に長方形状の第一セル２１を、短辺方向と長辺方向とをそれぞれ揃えた形で、縦横いずれの方向にも一定の間隔で格子状に配列する形で組み付けて第一の太陽電池モジュールとする。また、弓型の第二セル２２は、弦部に平行な第一方向と弦部に直交する第二方向とにそれぞれ一定間隔で複数枚ずつ配列し、第二の太陽電池モジュールとする。
【選択図】 図１１

Description

本発明は、半導体単結晶基板を使用した太陽電池セルを複数配置して構成される太陽電池モジュール及びその製造方法に関する。

米国特許４０８９７０５号公報 特開２００３−１７９２４８号公報 特開２００２−３４３９９９号公報

半導体ウェーハを用いた太陽電池セルは、多結晶やアモルファスを用いた場合と比較してエネルギー変換効率が高く、半導体ウェーハも比較的安価であることから、現在普及している太陽電池の主力となっている。

例えば、チョクラルスキー法（Czochralski法、以下、単にＣＺ法という）や、浮遊帯域溶融法（Floating zone法、以下、単にＦＺ法という）によって得られる半導体単結晶をスライスして得られる単結晶ウェーハは円板状である。全モジュール面積に対する太陽電池セルの占める割合をモジュール充填率としたとき、ウェーハの形状を維持した太陽電池セル、すなわち円板状の太陽電池セルをそのまま平面配置したのでは高レベルのモジュール充填率は達成できない。

モジュールの面積を基準とした実質的なエネルギー変換効率を向上させるためには、このモジュール充填率を向上させる必要がある。そこで、モジュール充填率を高める手法として、四角形状に加工して配列する方法が一般的に良く知られている。この方法では円板状の半導体ウェーハを切断して四角形状にするため、結晶ロスが生ずるという問題があった。

モジュール充填率と結晶ロスという２つの問題点を解決する手法として、特許文献１には、六角形状の太陽電池セルを作製する提案がなされている。しかしながらこの方法は、前述した四角形状の場合と比較して結晶ロスは低減できるものの、依然として結晶ロスは避けられない上、六角形状への加工が煩雑であるという問題や、六角形状であるがゆえに、通常のＬＳＩのデバイスプロセスに使用される自動化された装置をそのまま利用できないという問題があった。

そこで、特許文献２には、円形の半導体単結晶基板に太陽電池セルを形成した後、該太陽電池セルを、半導体単結晶基板の中心線に対し左右対称の平行切断線により切断して、該中心線を含む第一セルと、中心線を含まない弓型の第二セルとに分割し、第一セルばかりを集めた第一の太陽電池モジュールと、第二セルばかりを集めた第二の太陽電池モジュールとを作製して、結晶ロスを低減する方法が提案されている。しかし、この方法は、第一セルに円弧状の外形線が残留するため、セルの面積充填率を最大化するには、該第一セルを千鳥状に配列しなければならなくなる。その結果、方形のモジュールを作製する場合は、配列の外縁領域に第一セル１枚分に満たない空白領域が多数生じ、セルの面積充填率を思ったほどには向上できない問題がある。

他方、特許文献３には、円形の半導体単結晶基板を、４つの頂点が円周に略接する正方形状の第一セルと、残余の弓型の第二セルとに分割し、第一セルばかりを集めた第一の太陽電池モジュールと、第二セルばかりを集めた第二の太陽電池モジュールとを作製して、結晶ロスを低減する方法が提案されている。この方法では、円形の半導体単結晶基板から最大内接四辺形をなす正方形状の第一セルを作るので、第一の太陽電池モジュールを作製する際に必要な第一セルの枚数を低減することができ、モジュールの製造が容易になるほか、また、モジュール内のセルの面積充填密度も高くできる。

しかし、正方形状の第一セルを分割した場合、ウェーハ残余領域をなす弓型の第二セルは個々の面積が非常に小さくなり、同じ受光面積を有する第二の太陽電池モージュールを作製するのに極めて多数枚の第二セルが必要となるので、モジュールの組立工数が増加する問題がある。また、セル間には短絡防止のために一定の隙間を確保しなければならないが、第二セルの枚数が増えれば形成すべき隙間の量も増えるので、モジュール内のセルの面積充填率が低くならざるを得なくなり、出力低下等につながる欠点がある。その結果、正方形状の第一セルを用いた第一の太陽電池モジュールが、「よいとこ取り」をしたハイグレードのモジュールとして注目を集める裏で、第二の太陽電池モジュールの低品位感が相対的に強まってしまい、ウェーハを有効活用する目的とは裏腹に、その積極利用が結局は敬遠されてしまうことにつながるのである。

本発明の課題は、ウェーハのロスをなくするために、円形断面の半導体単結晶インゴットから、形状の異なる複数種類のセルを作製し、種別毎にセルを集めて複数種類の太陽電池モジュールを作製するとともに、太陽電池モジュールの種類に応じた製造工数あるいはセルの面積充填率の有利・不利の格差を生じにくい太陽電池モジュールの製造方法と、ウェーハの周縁に生ずる弓型のセグメントを有効活用でき、また、セルの面積充填率が高く、かつデザイン性にも優れた太陽電池モジュールとを提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記課題を解決するために本発明の太陽電池モジュールの製造方法は、
円柱状の半導体単結晶インゴットから太陽電池セルを構成する複数の半導体セグメントを製造するに際し、
半導体単結晶インゴットを軸直交断面により一定厚さの複数枚のウェーハ領域に区画し、さらに各ウェーハ領域の主表面において、ウェーハ中心点に関して対称な位置にある平行な第一の平行区画線の対と、同じく第二の平行区画線の対とを、第一の平行区画線が第二の平行区画線よりも長尺となるように互いに直交する形態で設定し、それら平行区画線の組にてウェーハ領域を主表面の面内方向に区画することにより形成される３種のウェーハセグメント領域、すなわち、ウェーハ中心点を含む長方形状の第一セグメント領域と、その第一セグメント領域の残余の領域のうち該第一セグメント領域の長辺に対応する弓形の第二セグメント領域と、同じく短辺に対応する弓形の第三セグメント領域とのうち、第一セグメント領域に基づく長方形状の第一半導体セグメントと、第二セグメント領域に基づく弓形の第二半導体セグメントとを各々複数枚ずつ製造し、
長方形状の第一半導体セグメントのみを集め、これを長辺方向及び短辺方向にそれぞれ一定間隔で複数枚ずつ格子状に配列して第一の太陽電池モジュールを作製する一方、
弓形の第二半導体セグメントのみを集め、それら複数の第二半導体セグメントを、弦部に直交する第一方向と弦部に平行な第二方向とにそれぞれ一定間隔で複数枚ずつ配列して第二の太陽電池モジュールを作製することを特徴とする。

上記本発明の方法においては、円形断面の半導体単結晶インゴットから長方形状の第一セル（第一半導体セグメント）を製造する点に特徴がある。長方形状の第一セルは、格子状の配列により平面を埋め尽くすことができるから、該第一セルを用いた第一の太陽電池モジュールは、特許文献１に開示された円弧状の外形線を残した第一セルを千鳥状に配列するモジュール構成と比較して、セル配置面に空白領域がほとんど生じなくなり、セルによる面積充填率を大幅に高めることができる。他方、長方形状の第一半導体セグメントを取り出したあとの、インゴット断面の残余の領域には、長方形の長辺と短辺とのそれぞれに対応した２種類の弓形のセグメント領域を生ずるが、このうちの長辺に対応したセグメント領域を第二半導体セグメントとして取り出し、これに基づく第二セルを集めて第二モジュールを作製する。長辺に対応した弓形の第二セルは弧部のふくらみが大きく大面積であり、特許文献２のような正方形状の第一セルの残余部分として形成された第二セルと比較して、同一受光面積の太陽電池モジュールをより少数枚のセルで構成できる。その結果、モジュールの組立工数が簡略される他、セルの枚数が少ない分だけ、セル間に形成する隙間の面積も縮小でき、ひいてはセルの面積充填率の高い第二の太陽電池モジュールを製造できる。すなわち、第一及び第二の太陽電池モジュールの間での、製造工数あるいはセルの面積充填率の有利・不利の格差を縮小でき、第二の太陽電池モジュールの相対的な商品価値を高めることができ、ウェーハの有効活用をより推進することができる。

なお、半導体単結晶インゴットのうち第三セグメント領域を構成する部分は、第三半導体セグメントとしてセル化し、これを集めて第三の電池モジュールを製造することもできる。しかし、この第三半導体セグメントは第二半導体セグメントと比較して相当に小面積であり、セルの面積充填率低下やモジュールの組立工数増加などの不利もある。そこで、この第三セグメント領域を構成する部分は、ＣＺ法やＦＺ法等の周知の方法により、別の半導体単結晶インゴットを製造するための原料としてリサイクルすれば、半導体資源の有効活用に寄与することができる。

具体的な工程の第一としては、円柱状の半導体単結晶インゴットをスライスすることにより複数枚の円板状の半導体ウェーハを作り、各半導体ウェーハを第一の平行区画線及び第二の平行区画線に沿って切断することにより、第一半導体セグメント及び第二半導体セグメントを作製することができる。この方法においては、第一の平行区画線及び第二の平行区画線に沿った切断により、上述の第三半導体セグメントが必然的に形成されることになる。該第三半導体セグメントを用いて第三セルを作り、これを集めて上記の第三の太陽電池モジュールを製造する場合は本工程が必須であるといえるが、第三半導体セグメントを用いたセル形成を行なわず、例えば半導体単結晶インゴットを製造するための原料としてリサイクルすることも可能である。

また、第二の工程としては、半導体単結晶インゴットから、複数枚のウェーハ領域にまたがった一体の第三セグメント領域を切断又は研削により除去し、残余のインゴット部分をスライスすることにより、第三セグメント領域が予め除去された複数枚の半導体ウェーハを作り、各半導体ウェーハを第一の平行区画線に沿って切断することにより、第一半導体セグメント及び第二半導体セグメントを作製する方法がある。第三セグメント領域をセル形成に利用しない場合、インゴットの状態で該第三セグメント領域を一括除去しておけば、セル形成に利用するインゴット部分の断面積を減ずることができ、ひいてはウェーハにスライスする際の切断代面積が減少するので、スライス工程の簡略化を図ることができる。特に、第三セグメント領域をインゴットから切断により分離すれば、分離した部分のインゴット製造等へのリサイクルも一層容易である。他方、第三セグメント領域の体積が小さい場合は、研削によってもこれを効率的に除去することが可能である。

以上の２つの工程においては、半導体セグメントを、切断前の半導体ウェーハの状態で、半導体セグメントへの分割の予定された各領域に各々太陽電池セル形成のためのセル形成プロセスを行ない、セル形成プロセス終了後に各半導体セグメントへの切断を行なうことが望ましい。このようにすると、セル形成のためのパターンは分割予定領域毎に必要となるが、セル形成プロセス自体は全てウェーハ全体で一括して行なえるので特別な工程を含まず、従来と同様の装置をそのまま適用して太陽電池モジュールを製造できる。

また、太陽電池のセグメントとしては、第一主表面上に互いに略平行な複数の溝が形成され、各溝の幅方向片側における内側面に出力取出用の電極が設けられた構造を有するものを用いることができる。このような構造は、ＯＥＣＯ（Obliquely Evaporated Contact）構造と呼ばれる。溝内面を利用することにより電極の主表面上への射影面積を低減できる結果、電池のシャドウイングロスが大幅に軽減され、高いエネルギー変換効率が達成可能となる。

この場合、半導体セグメントの第一主表面上に互いに略平行な複数の溝を形成し、セル形成プロセスにおいて、各溝の幅方向片側における内側面に出力取出用の電極を設けるとともに、切断前の半導体ウェーハの状態で複数の溝を、第一セグメント領域と第二セグメント領域とにまたがる形で一括形成し、さらにセル形成プロセス終了後に第一半導体セグメントと第二半導体セグメントとに切断し、複数の第一半導体セグメント及び複数の第二半導体セグメントを個別に集めて、各々溝の向きが互いに一致するように配列することにより第一及び第二の太陽電池モジュールを作製することができる。この方法によると、２種の半導体セグメントへの溝形成を、切断前の半導体ウェーハの状態で一括形成できるので、溝形成工程を大幅に簡略化することができる。

また、セル形成プロセスにおいては、（長方形状の）第一半導体セグメントの第一主表面には、その短辺方向に出力取出用のフィンガー電極を設け、長辺方向にそれらフィンガー電極にまたがるバスバー電極を形成することが望ましい。このようにすると、微細なフィンガー電極の先端からバスバー電極に至るまでの連結距離が短くなり、電極抵抗の低減に寄与することができる。前述のＯＥＣＯ構造を採用する場合は、第一半導体セグメントの第一主表面上に互いに略平行な複数の溝を短辺方向に形成し、各溝の幅方向片側における内側面にフィンガー電極を形成すればよい。

なお、ＯＥＣＯ構造を有するセルにおいては、溝形成方向に対して太陽光が最適の角度で当たったとき、変換効率も最大となる。従って、１つのモジュールの中でＯＥＣＯセルの溝の向きがまちまちになっていると、出力ムラを生じてモジュール全体の発電効率を大幅に減少させることにつながる。そこで、モジュール内においては、溝の向きが互いに一致するようにセグメントを配列することが望ましい。そこで、本発明の太陽電池モジュールの第一の構成は、長方形状の半導体セグメントからなり、第一主表面上に互いに略平行な複数の溝が短辺方向に形成され、各溝の幅方向片側における内側面に出力取出用のフィンガー電極が設けられ、長辺方向にそれらフィンガー電極にまたがるバスバー電極が形成された太陽電池セルが、短辺方向の溝の向きを揃えた形で縦横複数枚ずつ格子状に配列されたことを特徴とする。該構造によると、長方形状のＯＥＣＯセルを用いるとともに、細いフィンガー電極がその短辺方向に形成されているので電極抵抗が低く、かつ、モジュール内において全てのセルの溝方向が一方向に揃っているので、発電効率の非常に高い太陽電池セルが実現する。

次に、太陽電池セル化のための処理（セル形成プロセス）は、半導体ウェーハを分割した後に行なうことも可能である。この場合、例えば円形の半導体ウェーハ、あるいはそこから第三セグメント領域を取り除いた半導体ウェーハを作製し、そのウェーハを分割するようにしてもよいが、以下のような方法を採用すると一層効率的である。すなわち、半導体単結晶インゴットから、複数枚のウェーハ領域にまたがった一体の第二セグメント領域からなる第二副インゴットを切断・分離し、他方、複数枚のウェーハ領域にまたがった一体の第三セグメント領域を切断又は研削により除去して、残余のインゴット部分を複数枚のウェーハ領域にまたがった一体の第一セグメント領域からなる第一副インゴットとする。そして、該第一副インゴットをスライスすることにより複数枚の第一半導体セグメントを得る一方、第二副インゴットをスライスすることにより複数枚の第二半導体セグメントを得る。上記の工程によると、第一副インゴットと第二副インゴットとの切断工程により、第一半導体セグメントと第二半導体セグメントとを分割するための切断工程を、複数のウェーハ領域にまたがった形で一括して行なうことができ、切断工程の大幅な簡略化を図ることができる。

なお、弓型の第二セグメントを用いる第二の太陽電池モジュールは、第二セグメントがなるべく密に配置されるように、その配列を工夫する必要がある。一例としては、弓形のセグメントの弦状の縁部同士を互いに対向させたセグメントペアを作り、そのセグメントペアを、弦状の縁部が互いに平行となるように複数千鳥状に配列する構成がある。ただし、この配列の場合、千鳥状配列となるため、配列の縦及び横のいずれの方向においても、セグメントの弧と弦の位置関係が交互に反転する。従って、モジュールパネル上にセグメントを順次配列する際にセグメントの向きをいちいち反転させなければならず、配列作業の自動化も困難である。また、セルの反転配列に伴い、配線の極性取り違え等による誤結線も生じやすい。

そこで、次のような配列を採用すれば、上記の問題を効果的に軽減することができる。すなわち、第一方向が水平となるようにモジュールを見たときの第二半導体セグメントの該第一方向への配列として、弧部が弦部に対し左側に位置するように配列した第一配列と、弧部が弦部に対し右側に位置するように配列した第二配列との２種を設定し、該第一配列と第二配列とを第二方向に交互に配列するとともに、第一配列をなす第二半導体セグメントと、これと隣接する第二配列をなす第二半導体セグメントとを、第一配列内の互いに隣接する一方のセグメントの弦部と他方のセグメントの弧部とが形成する凹状の空白領域に、第二配列内のセグメントの端部が入り込むように配置する。

また、本発明の太陽電池モジュールの第二の構成は、太陽電池セルをなす弦部と弧部とを有する弓形の半導体セグメントを、弦部に直交する第一方向と弦部に平行な第二方向とにそれぞれ一定間隔で複数枚ずつ配列することにより構成され、第一方向が水平となるようにモジュールを見たときの第二半導体セグメントの該第一方向への配列として、弧部が弦部に対し左側に位置するように配列した第一配列と、弧部が弦部に対し右側に位置するように配列した第二配列との２種を設定し、該第一配列と第二配列とを第二方向に交互に配列するとともに、第一配列をなす第二半導体セグメントと、これと隣接する第二配列をなす第二半導体セグメントとを、第一配列内の互いに隣接する一方のセグメントの弦部と他方のセグメントの弧部とが形成する凹状の空白領域に、第二配列内のセグメントの端部が入り込むように配置したことを特徴とする

上記の配列によると、第一配列内の互いに隣接する一方のセグメントの弦部と他方のセグメントの弧部とが形成する凹状の空白領域に、第二配列内のセグメントの端部を入り込ませることで、セルの面積充填率を最適化することができる。そして、第一配列内及び第二配列内のそれぞれにおいては、第一方向における弓型のセグメントの向きを全て同じに揃えることができ、各配列内では、モジュールパネル上にセグメントを順次配列する際にセグメントの向き反転が不要となるから、配列作業を大幅に単純化することができ、自動化も容易となる。また、セルの配線の極性取り違え等による誤結線も生じにくくなる。

また、弓型のセルの第二方向の配列については、弧部と弦部との位置関係が交互に反転することになるが、これによって第二方向には弓型のセルの弧部が波型に連なり、水の流れを想起させる独特の模様を生じ、意匠的な効果も高められる。例えは該太陽電池モジュールを建築外装等に用いれば、建築物の美観を大幅に向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１は、太陽電池モジュールの製造工程の一例を示す流れ図である。太陽電池モジュール製造工程は大きく分けて、基板となる単結晶ウェーハ製造工程と、太陽電池セル（セグメント）を製造する工程とに分けられる。

基板となる単結晶ウェーハ製造工程について簡単に説明する。太陽電池用半導体ウェーハとしては、シリコン単結晶ウェーハが一般的である。これらシリコン単結晶ウェーハはＣＺ法又はＦＺ法にて得られる単結晶棒をスライスして得ることができるので、ＣＺ法にてまずシリコン単結晶棒を製造する（図１：Ｓ１）。なお、育成されるシリコン単結晶棒は、例えばガリウムやボロンを添加することによりによりｐ型に導電型が調整される。

こうして得られた単結晶インゴットは、一定の抵抗率範囲のブロックに切断され（図１：Ｓ２）、例えば厚さ３００μｍ程度に薄くスライシングされる（図１：Ｓ３）。スライシング後のシリコン単結晶ウェーハ（以下、単にウェーハともいう）は、遊離砥粒を用いて両面がラッピングされる（図１：Ｓ４）。次に、これをエッチング液に浸漬することにより、両面が化学エッチング処理される（図１：Ｓ５）。この化学エッチング工程は、Ｓ２〜Ｓ４の機械加工工程においてシリコン単結晶ウェーハの表面に生じたダメージ層を除去するために行われる。このダメージ層の化学エッチングによる除去は、例えば弗酸と硝酸と酢酸からなる混酸水溶液による酸エッチングにより行われる。なお、太陽電池用基板としてウェーハが製造される場合、Ｓ４のラッピング工程は省略されることが多く、Ｓ５のエッチング工程とＳ６のテクスチャ工程とを同時に行なうこともある。

化学エッチング処理（図１：Ｓ５）までの工程が施されたシリコン単結晶ウェーハに、図２に示すように第一主表面側にｎ型ドーパントの拡散層４２を形成することにより、ｐ−ｎ接合部４８を形成する（図１：Ｓ７）。ウェーハ４１の主表面からｐ−ｎ接合４８までの深さは、通常０．５μｍ程度である。なお、ｎ型ドーパントの拡散層４２は、ｐ型シリコン単結晶ウェーハの主表面から、例えば燐（Ｐ）を拡散することにより形成する。

ｐ−ｎ接合部４８が形成されたウェーハ４１は、さらに、酸化膜４３を第一主表面に形成した後に、第一主表面及び第二主表面に電極４４，４５を設け、円板状の太陽電池セルとなる（図１：Ｓ８）。これはのちに切断されて形状の異なる太陽電池セグメントとなるので、第一主表面上の電極形成は切断後のセグメントの形状を考慮して行なう必要がある。例えば、図５に示す様にウェーハ４１の中心点Ｏに関して対称な位置にある平行な第一の平行区画線ＰＬ１の対と、同じく第二の平行区画線ＰＬ２の対とを、第一の平行区画線ＰＬ１が第二の平行区画線ＰＬ２よりも長尺となるように互いに直交する形態で設定し、該区画線が境界線となるように、中心点Ｏを含む長方形状の第一セグメント領域２１’と、その第一セグメント領域２１’の長辺に対応する２つの弓形の第二セグメント領域２２’と、同じく短辺に対応する２つの弓形の第三セグメント領域２３’とに区分して、少なくとも第一セグメント領域２１’と第二セグメント領域２２’とにセル形成プロセスを行なう方法を例示できる。該セル形成プロセスにおいて（長方形状の）第一セグメント領域２１’の第一主表面には、その短辺方向に出力取出用のフィンガー電極（図３参照）を設け、長辺方向にそれらフィンガー電極にまたがるバスバー電極を形成する。

電極を形成したのち、光の反射による光エネルギーの損失を減らすために、第一主表面側に反射防止膜４７を付けることにより（図１：Ｓ９）、円板状のシリコン単結晶ウェーハの形状を維持した太陽電池セルとなる。

なお、図２の第一主表面（受光面）側の電極４４は、ｐ−ｎ接合部４８への光の入射効率を高めるために、例えば図３に示すようにフィンガー電極とされ、さらに、内部抵抗低減のため適当な間隔で太いバスバー電極が設けられる。他方、第二主表面側の電極４５は該第二主表面の略全面を覆うものとされる（図３：裏面電極）。一方、図２の反射防止膜４７は、シリコンと屈折率の異なる透明材料にて構成される。

受光面が平坦である場合は、反射防止膜４７を形成しても多かれ少なかれ反射が生じてしまうが、化学エッチング工程（図１：Ｓ５）の後に、図４に示すように、外面が（１１１）面の多数のピラミッド状突起からなるテクスチャ構造を第一主表面に形成することにより、反射をさらに抑制することができる（図１：Ｓ６）。このようなテクスチャ構造は、シリコン単結晶の（１００）面を、ヒドラジン水溶液や水酸化ナトリウムなどのエッチング液を用いて異方性エッチングすることにより形成することができる。また、セルの軽量化のため基板の厚さを薄くする場合は、第二主表面側の電極４５での少数キャリアの再結合・消滅を防止するために、図２に示すように、該第二主表面側に基板４１と同一導電型であってより高濃度の裏面高濃度層４６を形成することができる。

以上のようにして得られた太陽電池セルは、ウェーハ４１の形状を維持した円板状である。これを、前述の第一の平行区画線ＰＬ１と第二の平行区画線ＰＬ２とに沿って厚み方向に切断する。これにより、ウェーハ４１の中心点を含む長方形状の第一セル（第一半導体セグメント）２１と、その第一セル２１の長辺に対応した弓形の第二セル（第二半導体セグメント）２２とが得られる（図１：Ｓ１０）。図４には、２００ｍｍのＣＺシリコン単結晶より得たウェーハ４１を採用し、そこから長辺寸法が１５４ｍｍ、短辺寸法が１２７ｍｍの第一セル２１を切り出す場合を例示している。なお、第一セル２１の短辺に対応した弓形の第三半導体セグメント２３は、周知のＣＺ法ないしＦＺ法にてシリコン単結晶インゴットを製造する際のシリコン原料に流用される。

次に、図８に示すように、長方形状の第一セル２１のみを複数集め、これをプレート（フレーム）９上に、セルの面積充填率ができるだけ大きくなるように配置し、第一の太陽電池モジュール３０を組み立てる。具体的には、長方形（あるいは正方形）状のプレート９の主表面にそれらの第一セル２１を、短辺方向と長辺方向とをそれぞれ揃えた形で、縦横いずれの方向にも一定の間隔で格子状に配列する形で組み付ける。なお、セル同士の間隔、及びセルとセルを載置するプレート９の周縁との間隔は、最も近接している箇所でいずれも２ｍｍである。

一方、図９に示すように、弓型の第二セル２２（第二半導体セグメント）は、２枚を一組として弦部（切断線）同士が対向する形で組み合わせ、モジュールの充填率ができるだけ大きくなるように配置して、第二の太陽電池モジュール３１を組み立てる。第二セル２２は、弦部に直交する第一方向と弦部に平行な第二方向Ｄ２とにそれぞれ一定間隔で複数枚ずつ配列されている。具体的には、複数の第二セル対２２，２２を、対向させた弦部が互い平行となるように、プレート９上に千鳥状に配列して組み付けられている。先の例と同様に、セル同士の間隔、及びセルとセルを載置するプレート９の周縁との間隔は、最も近接している箇所でいずれも２ｍｍである。なお、方形のプレート９上に第二セル対２２，２２を千鳥配列すると、幾何学的な事情により、第二セル対２２，２２の弦部長手方向と平行な向きの配列において、プレート９の周縁には、第二セル２２の１枚分に想到するデッドスペースが周期的に生じることになる。しかし、千鳥配列の単位が２枚の第二セル２２，２２であることから、そのデッドスペースを１枚の第二セグメント２２にて埋めることが可能である。こうすればセルの面積充填率をさらに高めることができる。

なお、以上の実施形態では、図５に示すように、円柱状のシリコン単結晶インゴットをスライスすることにより複数枚の円板状のウェーハ４１を作り、各ウェーハ４１を第一の平行区画線ＰＬ１及び第二の平行区画線ＰＬ２に沿って切断することにより、第一半導体セグメント２１及び第二半導体セグメント２３を作製していた。しかし、図６に示すような方法を採用することもできる。すなわち、シリコン単結晶インゴット５から、複数枚のウェーハ領域にまたがった一体の第三セグメント領域３を切断又は研削により除去し、残余のインゴット部分６をスライスすることにより、第三セグメント領域が予め除去された複数枚のウェーハ２６を作る。そして、各ウェーハ２６を第一の平行区画線ＰＬ１に沿って切断することにより、第一半導体セグメント２１及び第二半導体セグメント２２を作製する方法を採用してもよい。なお、第三セグメント領域は、インゴットから外周刃切断機等を用いた切断により一括分離すれば、切断工程に時間がかからず、かつ、分離した部分のインゴット製造等へのリサイクルも一層容易である。なお、第三セグメント領域の体積が小さい場合は、平面研削等によってもこれを効率的に除去することが可能である。

他方、図７に示すような工程を採用することもできる。すなわち、シリコン単結晶インゴット５から、複数枚のウェーハ領域にまたがった一体の第二セグメント領域からなる第二副インゴット２を切断・分離し、他方、複数枚のウェーハ領域にまたがった一体の第三セグメント領域３を切断又は研削により除去して、残余のインゴット部分を複数枚のウェーハ領域にまたがった一体の第一セグメント領域からなる第一副インゴット１となす。そして、該第一副インゴット１をスライスすることにより複数枚の第一半導体セグメント２１を得る一方、第二副インゴット２をスライスすることにより複数枚の第二半導体セグメント２２を得る。この場合、第一半導体セグメント２１と第二半導体セグメント２２とは、互いに分離された後で電極形成等のセル化プロセスがなされることとなる。

また、図９に示す第二の太陽電池モジュール３１は、図１４に示すように構成することもできる。すなわち、第一方向Ｄ１が水平となるようにモジュールを見たときの第二セル２２（弓型の半導体セグメント）の該第一方向Ｄ１への配列として、弧部が弦部に対し左側に位置するように配列した第一配列Ａ１と、弧部が弦部に対し右側に位置するように配列した第二配列Ａ２との２種を設定する。そして、該第一配列Ａ１と第二配列Ａ２とを第二方向Ｄ２に交互に配列するとともに、第一配列Ａ１をなす第二セル２２と、これと隣接する第二配列Ａ２をなす第二セル２２とを、第一配列Ａ１内の互いに隣接する一方のセル（セグメント）２２の弦部と他方のセル（セグメント）２２の弧部とが形成する凹状の空白領域ＳＰに、第二配列Ａ２内のセル（セグメント）２２の端部が入り込むように配置する。

上記の配列によると、第一配列Ａ１内の互いに隣接する一方のセル２２の弦部と他方のセル２２の弧部とが形成する凹状の空白領域ＳＰに、第二配列Ａ２内のセル２２の端部を入り込ませることで、セルの面積充填率を最適化することができる。そして、第一配列Ａ１内及び第二配列Ａ２内のそれぞれにおいては、第一方向Ｄ１における弓型のセル２２の向きを全て同じに揃えることができ、各配列内では、プレート９上にセル２２を順次配列する際に、セル２２の向き反転が不要となるから、配列作業を大幅に単純化することができ、自動化も容易となる。また、セル２２の配線の極性取り違え等による誤結線も生じにくくなる。他方、弓型のセル２２の第二方向Ｄ２の配列については、弧部と弦部との位置関係が交互に反転することになるが、これによって第二方向Ｄ２には弓型のセルの弧部が波型に連なり、水の流れを想起させる独特の模様を生じるので、意匠的な効果も高められる。例えは該太陽電池モジュール３１を建築外装等に用いれば、建築物の美観を大幅に向上させることができる。

以上説明した実施形態では、太陽電池のセグメントとして第一主表面にフィンガー電極を形成する場合を例に取ったが、以下のような別の種類の太陽電池を用いることもできる。すなわち、図１０に示すように、太陽電池のセグメントとして、第一主表面１２４ａ上に互いに略平行な複数の溝１０２が形成され、各溝１０２の幅方向片側における内側面に出力取出用の電極１０６が設けられた構造を有するものを用いる。このような構造は、ＯＥＣＯ（Obliquely Evaporated Contact）構造と呼ばれる。溝内面を利用することにより電極６の主表面上への射影面積を低減できる結果、電池のシャドウイングロスが大幅に軽減され、高いエネルギー変換効率が達成可能となる。

図１０においては、ｐ型シリコン単結晶基板の第一主表面１２４ａ上に、例えば幅数１００μｍ程度、深さ１００μｍ程度の多数の溝１０２が互いに平行に形成されている。上記溝刻設した基板の第一主表面１２４ａには、ｎ型ドーパントであるリンを熱拡散することによりエミッタ層１０４が形成され、ｐ−ｎ接合部が形成されている。そして、そのｐ−ｎ接合部の上に、トンネル絶縁膜として機能する薄いシリコン酸化膜１０５が、例えば熱酸化法により形成されている。

そして上記シリコン酸化膜１０５の上に電極１０６が形成されている。該電極１０６は、蒸着装置内において電極材料（例えばアルミニウム等の金属）を溝の内側面に蒸着することにより形成されたものであり、その蒸着時においては、溝幅方向における片側の内側面に優先的に電極材料が蒸着されるよう、蒸着源に対し基板１０１を所定角度以上に相対的に傾けて配置するようにする（これが、ＯＥＣＯの命名の由来でもある：なお、該蒸着時には、溝１０２，１０２間に形成された凸状部１２３の頂面にも余分の電極材料が堆積するが、これは塩酸溶液等のエッチング液にて除去される）。そして、電極１０６を含む基板１０１の第一主表面１２４ａの全体が、保護層および反射防止膜として機能する窒化シリコン膜１０７により覆われている。

ＯＥＣＯ構造を有するセグメントにおいては、溝形成方向に対して太陽光が最適の角度で当たったとき、変換効率も最大となる。従って、１つのモジュールの中でセグメントの溝の向きがまちまちになっていると、出力ムラを生じてモジュール全体の発電効率を大幅に減少させることにつながる。そこで、モジュール内においては、溝の向きが互いに一致するようにセグメントを配列することが望ましい。図１１に示すように、この溝は溝入れ刃により、ウェーハの段階で、第一セル（第一半導体セグメント）２１と第二セル（第二半導体セグメント）２２とにまたがる形で一括形成できる。そして、第一セル２１と第二セル２２とは、溝方向をそれぞれ考慮して、各々を集めた第一の太陽電池モジュール３０（図１２）及び第二の太陽電池モジュール３１（図１３）として組み立てられる。

図１２に示す第一の太陽電池モジュール３０においては、使用される第一セル２１が、図１１に示すものとされる。すなわち、第一セル２１は長方形状の半導体セグメントからなり、かつ、第一主表面上に互いに略平行な複数の溝１０２が短辺方向に形成され、各溝１０２の幅方向片側における内側面に出力取出用のフィンガー電極４４ｆが設けられ、長辺方向にそれらフィンガー電極４４ｆにまたがるバスバー電極４４ｂが形成される。そして、図１２に示すように、第一の太陽電池モジュール３０は、これらの第一セル２１が、短辺方向の溝１０２の向きを揃えた形で縦横複数枚ずつ格子状に配列される。該構造によると、図１１に示すように、長方形状のＯＥＣＯセルからなる第一セル２１が用いられ、その細いフィンガー電極４４ｆが短辺方向に形成されているので電極抵抗が低く、かつ、図１２に示すように、モジュール内において全てのセル２２の溝方向が一方向に揃っているので、発電効率の非常に高い太陽電池モジュールが実現する。

他方、第二の太陽電池モジュール３１は、図１１に示すように、使用する第二セル２２が、上記第一セル２１の長辺に隣接するセグメント領域に基づくものであり、第一セル２１の短辺方向に溝形成する際に一括して溝形成されることから、弦部と直交する向きに溝１０２の向きが揃ったものが常に得られる。従って、図１３に示すように、これを第二の太陽電モジュール３１として組み立てた際にも、全ての第二セル２２は，その溝１０２の向きを弦部と直交する向きに揃えることができ、ひいては発電効率の高い太陽電池モジュールが実現する。なお、この場合も第二セル２２を、図１４に示すごとくに配列することができる。

本発明に係る太陽電池モジュールの製造工程の一例を示す流れ図。 シリコン単結晶系太陽電池の断面構造の一例を示す模式図。 シリコン単結晶系太陽電池の受光面における電極形成形態の一例を模式的に示す斜視図。 テクスチャ構造の概念図。 形状の異なる第一半導体セグメント及び第二半導体セグメントをウェーハより切り出す方法を示す模式図。 第三セグメント領域をインゴット段階で除去する変形工程を説明する図。 第一セグメント領域と第二セグメント領域とをインゴット段階で分割する変形工程を説明する図。 第一の太陽電池モジュールの一例を示す平面模式図。 第二の太陽電池モジュールの一例を平面模式図。 ＯＥＣＯ構造の太陽電池セグメントの断面構造を模式的に示す図。 ＯＥＣＯ構造の太陽電池セルを、長方形状の第一セルと、その長辺に隣接する弓形の第二セルとに分割する例を示す平面模式図。 図１１の第一セルを用いた第一の太陽電池モジュールの例を示す平面模式図。 同じく第二セルを用いた第二の太陽電池モジュールの例を示す平面模式図。 第二の太陽電池モジュールの変形例を示す平面模式図。

符号の説明

２１ 第一セル（第一半導体セグメント）
２１’ 第一セグメント領域
２２ 第二セル（第二半導体セグメント）
２２’ 第二セグメント領域
３０ 第一の太陽電池モジュール
３１ 第二の太陽電池モジュール
４１ ウェーハ
１０２ 溝

Claims (12)

1. 円柱状の半導体単結晶インゴットから太陽電池セルを構成する複数の半導体セグメントを製造するに際し、
   前記半導体単結晶インゴットを軸直交断面により一定厚さの複数枚のウェーハ領域に区画し、さらに各ウェーハ領域の主表面において、ウェーハ中心点に関して対称な位置にある平行な第一の平行区画線の対と、同じく第二の平行区画線の対とを、前記第一の平行区画線が前記第二の平行区画線よりも長尺となるように互いに直交する形態で設定し、それら平行区画線の組にて前記ウェーハ領域を前記主表面の面内方向に区画することにより形成される３種のウェーハセグメント領域、すなわち、前記ウェーハ中心点を含む長方形状の第一セグメント領域と、その第一セグメント領域の残余の領域のうち該第一セグメント領域の長辺に対応する弓形の第二セグメント領域と、同じく短辺に対応する弓形の第三セグメント領域とのうち、前記第一セグメント領域に基づく長方形状の第一半導体セグメントと、前記第二セグメント領域に基づく弓形の第二半導体セグメントとを各々複数枚ずつ製造し、
   前記長方形状の第一半導体セグメントに基づく第一セルのみを集め、これを長辺方向及び短辺方向にそれぞれ一定間隔で複数枚ずつ格子状に配列して第一の太陽電池モジュールを作製する一方、
   前記弓形の第二半導体セグメントに基づく第二セルのみを集め、それら複数の第二半導体セグメントを、弦部に直交する第一方向と弦部に平行な第二方向とにそれぞれ一定間隔で複数枚ずつ配列して第二の太陽電池モジュールを作製することを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。
2. 前記半導体単結晶インゴットのうち前記第三セグメント領域を構成する部分を、別の半導体単結晶インゴットを製造するための原料としてリサイクルすることを特徴とする請求項１記載の太陽電池モジュールの製造方法。
3. 前記円柱状の半導体単結晶インゴットをスライスすることにより複数枚の円板状の半導体ウェーハを作り、各半導体ウェーハを前記第一の平行区画線及び前記第二の平行区画線に沿って切断することにより、前記第一半導体セグメント及び前記第二半導体セグメントを作製することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
4. 前記半導体単結晶インゴットから、前記複数枚のウェーハ領域にまたがった一体の前記第三セグメント領域を切断又は研削により除去し、残余のインゴット部分をスライスすることにより、前記第三セグメント領域が予め除去された複数枚の半導体ウェーハを作り、各半導体ウェーハを前記第一の平行区画線に沿って切断することにより、前記第一半導体セグメント及び前記第二半導体セグメントを作製することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
5. 前記半導体セグメントは、切断前の前記半導体ウェーハの状態で、前記半導体セグメントへの分割の予定された各領域に各々太陽電池セル形成のためのセル形成プロセスが行われ、セル形成プロセス終了後に各半導体セグメントへの切断がなされることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
6. 前記半導体セグメントの第一主表面上に互いに略平行な複数の溝を形成し、前記セル形成プロセスにおいて、各溝の幅方向片側における内側面に出力取出用の電極を設けるとともに、切断前の前記半導体ウェーハの状態で前記複数の溝を、前記第一セグメント領域と前記第二セグメント領域とにまたがる形で一括形成し、さらに前記セル形成プロセス終了後に前記第一半導体セグメントと第二半導体セグメントとに切断し、複数の前記第一半導体セグメント及び複数の第二半導体セグメントを個別に集めて、各々前記溝の向きが互いに一致するように配列することにより前記第一及び第二の太陽電池モジュールを作製することを特徴とする請求項５に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
7. 前記半導体単結晶インゴットから、前記複数枚のウェーハ領域にまたがった一体の前記第二セグメント領域からなる第二副インゴットを切断・分離し、他方、前記複数枚のウェーハ領域にまたがった一体の前記第三セグメント領域を切断又は研削により除去して、残余のインゴット部分を前記複数枚のウェーハ領域にまたがった一体の前記第一セグメント領域からなる第一副インゴットとなし、該第一副インゴットをスライスすることにより複数枚の前記第一半導体セグメントを得る一方、前記第二副インゴットをスライスすることにより複数枚の前記第二半導体セグメントを得ることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
8. 前記セル形成プロセスにおいて、前記第一半導体セグメントの第一主表面の短辺方向に出力取出用のフィンガー電極を設けるとともに、長辺方向にそれらフィンガー電極にまたがるバスバー電極を形成することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
9. 前記第一半導体セグメントの第一主表面上に互いに略平行な複数の溝が短辺方向に形成され、各溝の幅方向片側における内側面に前記フィンガー電極を形成する請求項８記載の太陽電池モジュールの製造方法。
10. 前記第二の太陽電池モジュールを作製する際に、前記第一方向が水平となるようにモジュールを見たときの前記第二半導体セグメントの該第一方向への配列として、弧部が前記弦部に対し左側に位置するように配列した第一配列と、弧部が前記弦部に対し右側に位置するように配列した第二配列との２種を設定し、該第一配列と第二配列とを前記第二方向に交互に配列するとともに、前記第一配列をなす第二半導体セグメントと、これと隣接する第二配列をなす第二半導体セグメントとを、前記第一配列内の互いに隣接する一方のセグメントの弦部と他方のセグメントの弧部とが形成する凹状の空白領域に、前記第二配列内のセグメントの端部が入り込むように配置することを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
11. 長方形状の半導体セグメントからなり、第一主表面上に互いに略平行な複数の溝が短辺方向に形成され、各溝の幅方向片側における内側面に出力取出用のフィンガー電極が設けられ、長辺方向にそれらフィンガー電極にまたがるバスバー電極が形成された太陽電池セルが、短辺方向の前記溝の向きを揃えた形で縦横複数枚ずつ格子状に配列されたことを特徴とする太陽電池モジュール。
12. 太陽電池セルをなす弦部と弧部とを有する弓形の半導体セグメントを、弦部に直交する第一方向と弦部に平行な第二方向とにそれぞれ一定間隔で複数枚ずつ配列することにより構成され、前記第一方向が水平となるようにモジュールを見たときの前記第二半導体セグメントの該第一方向への配列として、弧部が前記弦部に対し左側に位置するように配列した第一配列と、弧部が前記弦部に対し右側に位置するように配列した第二配列との２種を設定し、該第一配列と第二配列とを前記第二方向に交互に配列するとともに、前記第一配列をなす第二半導体セグメントと、これと隣接する第二配列をなす第二半導体セグメントとを、前記第一配列内の互いに隣接する一方のセグメントの弦部と他方のセグメントの弧部とが形成する凹状の空白領域に、前記第二配列内のセグメントの端部が入り込むように配置したことを特徴とする太陽電池モジュール。

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