JP2005175160A - 光起電力装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】透明導電膜の表面粗さが小さい場合にも、生産時の歩留まりが低下するのを抑制することが可能な光起電力装置を提供する。
【解決手段】この光起電力装置は、０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下の算術平均表面粗さ（Ｒａ）を有するＩＴＯ膜５および９と、ＩＴＯ膜５および９の各々の上に形成され、銀と樹脂バインダとを含むペースト電極６および１０とを含み、樹脂バインダは、６０質量％以上１００質量％以下のエポキシ樹脂を含有する、光起電力素子１を備えている。
【選択図】図１
【解決手段】この光起電力装置は、０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下の算術平均表面粗さ（Ｒａ）を有するＩＴＯ膜５および９と、ＩＴＯ膜５および９の各々の上に形成され、銀と樹脂バインダとを含むペースト電極６および１０とを含み、樹脂バインダは、６０質量％以上１００質量％以下のエポキシ樹脂を含有する、光起電力素子１を備えている。
【選択図】図１
Description
本発明は、光起電力装置に関し、特に、酸化物透明導電膜とその上に形成されたペースト電極とを含む光起電力素子を備えた光起電力装置に関する。
従来、第１導電型の結晶系半導体層と第２導電型の非晶質半導体層との間に、実質的に真性の非晶質半導体層を挿入することにより接合特性を改善した構造を有するとともに、第２導電型の非単結晶半導体層上に形成された酸化物透明導電膜とその上に形成されたペースト電極とを備えた光起電力素子が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
上記特許文献１に開示された構造の光起電力素子では、プラズマＣＶＤ法を用いて約２００℃以下の低温で非晶質半導体層を形成することが可能である。このような低温のプロセスにより光起電力素子を形成する場合には、約２００℃以下の温度で焼成することにより硬化させることが可能な低温焼成ペーストを用いて酸化物透明導電膜上にペースト電極を形成する。
特開２００３−１９７９４３号公報
しかしながら、上記特許文献１に開示された構造の光起電力素子では、低温焼成ペーストの酸化物透明導電膜に対する密着性が比較的小さいため、ペースト電極の酸化物透明導電膜に対する密着性が低下する場合がある。特に、酸化物透明導電膜の表面粗さを小さくした場合には、ペースト電極の酸化物透明導電膜に対する接触面積が減少するため、ペースト電極の酸化物透明導電膜に対する密着性がより低下するという不都合がある。このため、このようなペースト電極を有する複数の光起電力素子を電気配線で接続することにより光起電力装置（光起電力モジュール）を作製する際に、電気配線を介してペースト電極に外力が加えられると、電気配線およびペースト電極が光起電力素子の酸化物透明導電膜から剥離する場合がある。その結果、光起電力装置の生産時の歩留まりが低下するという問題点があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、酸化物透明導電膜の表面粗さが小さい場合にも、生産時の歩留まりが低下するのを抑制することが可能な光起電力装置を提供することである。
この発明の第１の局面における光起電力装置は、２ｎｍ以下の算術平均表面粗さ（Ｒａ）を有する酸化物透明導電膜と、酸化物透明導電膜上に形成され、少なくとも金属材料と樹脂材料とを含むペースト電極とを含み、樹脂材料は、６０質量％以上１００質量％以下のエポキシ樹脂を含有する、光起電力素子を備えている。
この第１の局面による光起電力装置では、上記のように、６０質量％以上１００質量％以下のエポキシ樹脂を含有する樹脂材料を含むペースト電極を、２ｎｍ以下の算術平均表面粗さ（Ｒａ）を有する酸化物透明導電膜上に形成することによって、算術平均表面粗さ（Ｒａ）が２ｎｍ以下の小さい値であることにより酸化物透明導電膜に対するペースト電極の密着性が低下する場合にも、密着性の高いエポキシ樹脂が６０質量％以上含有されているので、ペースト電極を酸化物透明導電膜に良好に密着させることができる。これにより、光起電力装置の生産時に光起電力素子のペースト電極に外力が加えられた場合にも、ペースト電極が酸化物透明導電膜から剥離するのを抑制することができる。その結果、酸化物透明導電膜の算術平均表面粗さ（Ｒａ）が２ｎｍ以下の小さい値である場合にも、光起電力装置の生産時の歩留まりが低下するのを抑制することができる。また、ペースト電極を酸化物透明導電膜に良好に密着させることができることにより、光起電力装置を長期間使用した場合にも、ペースト電極が酸化物透明導電膜から剥離するのを抑制することができる。その結果、光起電力装置の生産時の信頼性のみならず、光起電力装置の長期間にわたる信頼性を向上させることができる。また、酸化物透明導電膜の算術平均表面粗さ（Ｒａ）を２ｎｍ以下の小さい値に設定することによって、酸化物透明導電膜の光吸収および抵抗を低減することができるので、光起電力素子の出力特性を向上させることができる。その結果、光起電力装置の出力特性を向上させることができる。
上記第１の局面による光起電力装置において、好ましくは、光起電力素子は、第１導電型の結晶系半導体層と、結晶系半導体層上に形成された実質的に真性の非単結晶半導体層とを含み、酸化物透明導電膜は、非単結晶半導体層上に形成されている。このように構成すれば、第１導電型の結晶系半導体層上に実質的に真性の非単結晶半導体層が形成された構造を有する光起電力素子を備えた光起電力装置において、酸化物透明導電膜の表面粗さが小さい場合にも、生産時の歩留まりが低下するのを抑制しながら、出力特性を向上させることができる。なお、非単結晶とは、非晶質のみならず、微結晶も含む広い概念である。
上記第１の局面による光起電力装置において、好ましくは、ペースト電極を構成する樹脂材料は、７５質量％以上１００質量％以下のエポキシ樹脂を含有する。このように構成すれば、ペースト電極を酸化物透明導電膜により良好に密着させることができる。これにより、ペースト電極が酸化物透明導電膜から剥離するのをより抑制することができるので、光起電力装置の生産時の歩留まりが低下するのをより抑制することができる。また、ペースト電極を酸化物透明導電膜により良好に密着させることができることにより、光起電力装置を長期間使用した場合にも、ペースト電極が酸化物透明導電膜から剥離するのをより抑制することができる。その結果、光起電力装置の生産時の信頼性のみならず、光起電力装置の長期間にわたる信頼性もより向上させることができる。
上記第１の局面による光起電力装置において、好ましくは、酸化物透明導電膜は、０．５ｎｍ以上１ｎｍ以下の算術平均表面粗さ（Ｒａ）を有する。このように構成すれば、０．５ｎｍ以上１ｎｍ以下のより小さい算術平均表面粗さにより、酸化物透明導電膜の光吸収および抵抗をより低減することができるので、光起電力素子の出力特性をより向上させることができる。
上記第１の局面による光起電力装置において、好ましくは、酸化物透明導電膜は、ＳｎＯ２を添加したＩｎ２Ｏ３を含む。このように構成すれば、ＳｎＯ２を添加したＩｎ２Ｏ３であるＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）膜からなる酸化物透明導電膜を含む光起電力素子において、酸化物透明導電膜の表面粗さが小さい場合にも、生産時の歩留まりが低下するのを抑制することができる。
上記第１の局面による光起電力装置において、好ましくは、ペースト電極を構成する樹脂材料は、エポキシ樹脂に加えて、ウレタン樹脂を含む。このように構成すれば、弾力性の高いウレタン樹脂により、ペースト電極の弾力性を向上させることができる。これにより、ペースト電極を焼成することにより硬化させる際にペースト電極に生じる残留応力を低減することができる。その結果、６０質量％以上含有されたエポキシ樹脂により密着性を向上しながら、ウレタン樹脂によりペースト電極の残留応力を低減することができる。また、樹脂材料中にウレタン樹脂を加えることによって、樹脂材料は軟らかくなるので、酸化物透明導電膜上にスクリーン印刷法などによりペースト電極を形成する際に、容易にペースト電極を形成することができる。
上記第１の局面による光起電力装置において、好ましくは、酸化物透明導電膜の表面に対する水の接触角は、４０°以上７４°以下である。このように構成すれば、酸化物透明導電膜の表面に対する水の接触角が４０°以上７４°以下の大きい角度であることにより酸化物透明導電膜の表面の濡れ性が低下することに起因して、酸化物透明導電膜の表面に対するペースト電極の密着性が低下する場合にも、６０質量％以上含有されたエポキシ樹脂によりペースト電極を酸化物透明導電膜に良好に密着させることができる。
上記第１の局面による光起電力装置において、好ましくは、光起電力素子は、所定の間隔を隔てて複数設けられており、ペースト電極は、光起電力素子の上面側に形成された第１ペースト電極と、光起電力素子の下面側に形成された第２ペースト電極とを含み、所定の光起電力素子の上面側に形成された第１ペースト電極に一方端側が接続されるとともに、所定の光起電力素子に隣接する別の光起電力素子の下面側に形成された第２ペースト電極に他方端側が接続される電気配線をさらに備えている。このように構成すれば、電気配線により複数接続された光起電力素子を備えた光起電力装置において、酸化物透明導電膜の表面粗さが小さい場合にも、生産時の歩留まりが低下するのを抑制することができる。
この発明の第２の局面による光起電力装置は、水に対する接触角が４０°以上７４°以下の表面を有する酸化物透明導電膜と、酸化物透明導電膜上に形成され、少なくとも金属材料と樹脂材料とを含むペースト電極とを含み、樹脂材料は、６０質量％以上１００質量％以下のエポキシ樹脂を含有する、光起電力素子を備えている。
この第２の局面による光起電力装置では、上記のように、６０質量％以上１００質量％以下のエポキシ樹脂を含有する樹脂材料を含むペースト電極を、水に対する接触角が４０°以上７４°以下の表面を有する酸化物透明導電膜上に形成することによって、水の接触角が４０°以上７４°以下の大きい角度であることにより酸化物透明導電膜の表面の濡れ性が低下することに起因して酸化物透明導電膜に対するペースト電極の密着性が低下する場合にも、密着性の高いエポキシ樹脂が６０質量％以上含有されているので、ペースト電極を酸化物透明導電膜に良好に密着させることができる。これにより、光起電力装置の生産時に光起電力素子のペースト電極に外力が加えられた場合にも、ペースト電極が酸化物透明導電膜から剥離するのを抑制することができる。その結果、酸化物透明導電膜の表面に対する水の接触角が４０°以上７４°以下であることにより酸化物透明導電膜に対するペースト電極の密着性が低下する場合にも、光起電力装置の生産時の歩留まりが低下するのを抑制することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態による光起電力素子の構成を示した断面図である。図２は、図１に示した一実施形態による光起電力素子の単結晶シリコン基板の表面近傍の構造を示した断面図である。図３は、図１に示した一実施形態による光起電力素子のＩＴＯ膜の構造を示した拡大断面図である。図４は、図１に示した一実施形態による光起電力素子を用いた光起電力モジュールの構成を示した断面図である。まず、図１〜図４を参照して、本実施形態による光起電力素子およびそれを用いた光起電力モジュール（光起電力装置）の構成について説明する。
本実施形態による光起電力素子１は、図１に示すように、約１Ω・ｃｍの抵抗率と約３００μｍの厚みとを有するとともに、（１００）面を有するｎ型単結晶シリコン基板２（以下、ｎ型単結晶シリコン基板２という）を備えている。なお、このｎ型単結晶シリコン基板２は、本発明の「第１導電型の結晶系半導体層」の一例である。また、ｎ型単結晶シリコン基板２の表面には、図２に示すように、数μｍ〜数十μｍの高さＨを有するピラミッド状凹凸が形成されている。このｎ型単結晶シリコン基板２の上面上には、約５ｎｍの厚みを有する実質的に真性のｉ型非晶質シリコン層３が形成されている。なお、このｉ型非晶質シリコン層３は、本発明の「非単結晶半導体層」の一例である。また、ｉ型非晶質シリコン層３上には、約５ｎｍの厚みを有するｐ型非晶質シリコン層４が形成されている。
また、ｐ型非晶質シリコン層４上には、約１００ｎｍの厚みを有するＩＴＯ膜５が形成されている。なお、このＩＴＯ膜５は、本発明の「酸化物透明導電膜」の一例である。また、このＩＴＯ膜５は、ＳｎＯ２を添加したＩｎ２Ｏ３によって形成されている。なお、ＩＴＯ膜５の光の透過率を向上させるために、ＩＴＯ膜５中のＳｎの含有率は、好ましくは、約５質量％以下、より好ましくは、約２質量％以下に設定する。また、ＩＴＯ膜５は、図３に示すように、約０．５ｎｍ〜約４ｎｍの大きさを有する凹凸が表面に形成されている。これにより、ＩＴＯ膜５は、約０．５ｎｍ以上約２ｎｍ以下の算術平均表面粗さ（Ｒａ）を有している。なお、この算術平均表面粗さ（Ｒａ）は、日本工業規格（ＪＩＳ Ｂ ０６０１−１９９４）により規定されている。また、約０．５ｎｍ以上約２ｎｍ以下の算術平均表面粗さ（Ｒａ）を有するＩＴＯ膜５の表面に対する水の接触角は、約４０°以上約７４°以下である。
また、ＩＴＯ膜５の上面上の所定領域には、ペースト電極６が形成されている。なお、このペースト電極６は、本発明の「第１ペースト電極」の一例である。また、このペースト電極６は、銀（Ａｇ）と樹脂バインダとによって構成されている。なお、この銀は、本発明の「金属材料」の一例であり、樹脂バインダは、本発明の「樹脂材料」の一例である。また、ペースト電極６を構成する樹脂バインダは、エポキシ樹脂を含むとともに、樹脂バインダ中のエポキシ樹脂の含有率は、約６０質量％以上約１００質量％以下である。なお、樹脂バインダ中のエポキシ樹脂が１００質量％未満の場合、樹脂バインダ中のエポキシ樹脂以外の部分は、すべてウレタン樹脂によって構成されている。
また、ｎ型単結晶シリコン基板２の下面上には、約５ｎｍの厚みを有する実質的に真性のｉ型非晶質シリコン層７が形成されている。なお、このｉ型非晶質シリコン層７は、本発明の「非単結晶半導体層」の一例である。また、ｉ型非晶質シリコン層７上には、約２０ｎｍの厚みを有するｎ型非晶質シリコン層８が形成されている。このようにｎ型単結晶シリコン基板２の下面上に、ｉ型非晶質シリコン層７およびｎ型非晶質シリコン層８が順番に形成されることにより、いわゆるＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）構造が形成されている。また、ｎ型非晶質シリコン層８上には、約１００ｎｍの厚みを有するＩＴＯ膜９が形成されている。なお、このＩＴＯ膜９は、本発明の「酸化物透明導電膜」の一例である。また、ＩＴＯ膜９上の所定領域には、ペースト電極１０が形成されている。なお、このペースト電極１０は、本発明の「第２ペースト電極」の一例である。また、ｎ型単結晶シリコン基板２の下面上に形成されたｉ型非晶質シリコン層７、ｎ型非晶質シリコン層８、ＩＴＯ膜９およびペースト電極１０の上記以外の構成は、それぞれ、ｎ型単結晶シリコン基板２の上面上に形成されたｉ型非晶質シリコン層３、ｐ型非晶質シリコン層４、ＩＴＯ膜５およびペースト電極６の構成と同様である。
また、本実施形態による光起電力素子１を用いた光起電力モジュール１１は、図４に示すように、複数の光起電力素子１を備えている。この複数の光起電力素子１の各々は、互いに隣接する他の光起電力素子１と偏平形状の銅箔からなるタブ１２を介して直列に接続されている。なお、このタブ１２は、本発明の「電気配線」の一例である。また、タブ１２の一方端側は、所定の光起電力素子１の上面側のペースト電極６（図１参照）に接続されるとともに、他方端側は、その所定の光起電力素子１に隣接する別の光起電力素子１の下面側のペースト電極１０（図１参照）に接続されている。また、タブ１２によって接続された複数の光起電力素子１は、ＥＶＡ（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｖｉｎｙｌ Ａｃｅｔａｔｅ）からなる充填材１３によって覆われている。また、充填材１３の上面上には、ガラス基板からなる表面保護材１４が設けられている。また、充填材１３の下面上には、ＰＥＴ（Ｐｏｌｙ Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔａｌａｔｅ）／アルミニウム箔／ＰＥＴの３層構造からなる裏面保護材１５が設けられている。
図５および図６は、本実施形態による光起電力素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１および図４〜図６を参照して、本実施形態による光起電力素子およびそれを用いた光起電力モジュールの製造プロセスについて説明する。
まず、図５に示すように、洗浄することにより不純物が除去された約１Ω・ｃｍの抵抗率と約３００μｍの厚みとを有するｎ型単結晶シリコン基板２を準備する。次に、ＲＦプラズマＣＶＤ法を用いて、ｎ型単結晶シリコン基板２の上面上に約５ｎｍの厚みを有するｉ型非晶質シリコン層３と、約５ｎｍの厚みを有するｐ型非晶質シリコン層４とをこの順番で形成する。なお、ＲＦプラズマＣＶＤ法によるｉ型非晶質シリコン層３およびｐ型非晶質シリコン層４の具体的な形成条件は、周波数：約１３．５６ＭＨｚ、形成温度：約１００℃〜約２５０℃、反応圧力：約２６．６Ｐａ〜約８０．０Ｐａ、ＲＦパワー：約１０Ｗ〜約１００Ｗである。
次に、ｎ型単結晶シリコン基板２の下面上に約５ｎｍの厚みを有するｉ型非晶質シリコン層７と、約２０ｎｍの厚みを有するｎ型非晶質シリコン層８とをこの順番で形成する。なお、このｉ型非晶質シリコン層７およびｎ型非晶質シリコン層８は、それぞれ上記したｉ型非晶質シリコン層３およびｐ型非晶質シリコン層４と同様のプロセスにより形成する。
次に、図６に示すように、マグネトロンスパッタ法を用いて、ｐ型非晶質シリコン層４およびｎ型非晶質シリコン層８の各々の上に、約１００ｎｍの厚みを有するとともに、約０．５ｎｍ以上約２ｎｍ以下の算術平均表面粗さ（Ｒａ）を有するＩＴＯ膜５および９をそれぞれ形成する。このＩＴＯ膜５および９の具体的な形成条件は、形成温度：約５０℃〜約２５０℃、Ａｒガス流量：約２００ｓｃｃｍ、Ｏ２ガス流量：約５０ｓｃｃｍ、パワー：約０．５ｋＷ〜約３ｋＷ、磁場強度：約５００Ｇａｕｓｓ〜約３０００Ｇａｕｓｓである。
次に、ＩＴＯ膜５および９の各々の上の所定領域にスクリーン印刷法を用いて、銀（Ａｇ）と樹脂バインダ（エポキシ樹脂／ウレタン樹脂が約６０質量％／約４０質量％〜約１００質量％／約０質量％）とからなる銀ペースト（低温焼成ペースト）を塗布した後、約１８０℃で約１時間焼成して銀ペーストを硬化させる。これにより、ペースト電極６および９を形成する。このようにして、図１に示した本実施形態による光起電力素子１が形成される。
次に、上記のようにして作成した光起電力素子１を複数準備する。そして、この複数の光起電力素子１の上面側のペースト電極６に銅箔からなるタブ１２（図４参照）の一方端側を接続する。このタブ１２のペースト電極６への接続は、タブ１２の表面にコーティングされた半田を加熱することによりペースト電極６にタブ１２を半田付けすることによって行う。そして、タブ１２の他方端側を、同様のプロセスにより、隣接する別の光起電力素子１の下面側のペースト電極１０（図１参照）に接続する。このようにして、複数の光起電力素子１を直列に接続する。
次に、ガラス基板からなる表面保護材１４の上にＥＶＡシートからなる充填材１３を載せた後、タブ１２により接続した複数の光起電力素子１を載せる。そして、その上にさらにＥＶＡシートからなる充填材１３を載せた後、ＰＥＴ／アルミニウム箔／ＰＥＴの３層構造を有する裏面保護材１５を載せる。その後、加熱しながら加圧することによって、表面保護材１４、充填材１３、タブ１２により接続した複数の光起電力素子１および裏面保護材１５を一体化させる。このようにして、図４に示した本実施形態による光起電力モジュール１１が形成される。
本実施形態では、上記のように、約６０質量％以上約１００質量％以下のエポキシ樹脂を含有する樹脂バインダを含むペースト電極６および１０を、それぞれ、約０．５ｎｍ以上約２ｎｍ以下の算術平均表面粗さ（Ｒａ）を有するＩＴＯ膜５および９上に形成することによって、算術平均表面粗さ（Ｒａ）が約０．５ｎｍ以上約２ｎｍ以下の小さい値であることによりＩＴＯ膜５および９に対するペースト電極６および１０の密着性が低下する場合にも、密着性の高いエポキシ樹脂が約６０質量％以上含有されているので、ペースト電極６および１０を、それぞれ、ＩＴＯ膜５および９に良好に密着させることができる。これにより、光起電力素子１を用いて光起電力モジュール１１を生産する時にタブ１２を介してペースト電極６および１０に外力が加えられた場合にも、ペースト電極６および１０とタブ１２とがＩＴＯ膜５および１０から剥離するのを抑制することができる。その結果、算術平均表面粗さ（Ｒａ）が約０．５ｎｍ以上約２ｎｍ以下の小さい値であることによりＩＴＯ膜５および９の各々に対するペースト電極６および１０の密着性が低下する場合にも、光起電力モジュール１１の生産時の歩留まりが低下するのを抑制することができる。また、ペースト電極６および１０を、それぞれ、ＩＴＯ膜５および９に良好に密着させることができることにより、光起電力モジュール１１を長期間使用した場合にも、ペースト電極６および１０がそれぞれＩＴＯ膜５および９から剥離するのを抑制することができる。その結果、光起電力モジュール１１の長期間にわたる信頼性を向上することができる。
また、本実施形態では、ＩＴＯ膜５の算術平均表面粗さ（Ｒａ）を約２ｎｍ以下の小さい値に設定することによって、ＩＴＯ膜５の光吸収および抵抗を低減することができるので、光起電力素子１の出力特性を向上させることができる。その結果、光起電力モジュール１１の出力特性を向上させることができる。
また、本実施形態では、ペースト電極６および１０を構成する樹脂バインダに、エポキシ樹脂に加えて、ウレタン樹脂を添加することによって、弾力性の高いウレタン樹脂により、ペースト電極６および１０の弾力性を向上させることができる。これにより、ペースト電極６および１０（銀ペースト）を焼成することにより硬化させる際にペースト電極６および１０に生じる残留応力を低減することができる。その結果、６０質量％以上含有されたエポキシ樹脂により密着性を向上しながら、ウレタン樹脂によりペースト電極６および１０の残留応力を低減することができる。また、樹脂バインダ中にウレタン樹脂を加えることによって、樹脂バインダは軟らかくなるので、ＩＴＯ膜５および９上にスクリーン印刷法などによりペースト電極６および１０をそれぞれ形成する際に、容易にペースト電極６および１０を形成することができる。
また、本実施形態では、ＩＴＯ膜５および９の表面に対する水の接触角を約４０°以上約７４°以下の大きい角度に設定することによって、ＩＴＯ膜５および９の表面の濡れ性が低下することに起因してＩＴＯ膜５および９の各々の表面に対するペースト電極６および１０の密着性が低下する場合にも、密着性の高いエポキシ樹脂が６０質量％以上含有されているので、ペースト電極６および１０をそれぞれＩＴＯ膜５および９に良好に密着させることができる。これにより、光起電力素子１を用いて光起電力モジュール１１を生産する時に、タブ１２を介してペースト電極６および１０に外力が加えられた場合にも、ペースト電極６および１０とタブ１２とがＩＴＯ膜５および９から剥離するのを抑制することができる。その結果、ＩＴＯ膜５および９の表面に対する水の接触角が約４０°以上約７４°以下の大きい角度であることによりＩＴＯ膜５および９に対するペースト電極６および１０の密着性が低下する場合にも、光起電力モジュール１１の生産時の歩留まりが低下するのを抑制することができる。
次に、上記した効果を確認するために行った実験について説明する。具体的には、ＩＴＯ膜の表面粗さと光起電力素子の出力特性との関係、および、ＩＴＯ膜の表面粗さとペースト電極の密着性との関係を調べるために行った実験について説明する。この実験では、表面にピラミッド状凹凸を含まない平坦なｎ型単結晶シリコン基板を用いて光起電力素子を作成した。なお、この平坦なｎ型単結晶シリコン基板上にＩＴＯ膜を形成した場合にも、表面にピラミッド状凹凸を含むｎ型単結晶シリコン基板上にＩＴＯ膜を形成した場合と同様の凹凸形状がＩＴＯ膜表面に形成されることをＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により確認済みである。
まず、図７には、ＩＴＯ膜の算術平均表面粗さ（Ｒａ）と、光起電力素子の規格化出力（Ｐｍａｘ）との関係が示されている。なお、この図７に示した実験では、ＡｒガスおよびＯ２ガスの流量を固定するとともに、スパッタ電圧を−５００Ｖから−５０Ｖに変更しながら、ＩＴＯ膜をマグネトロンスパッタ法により形成した。また、ペースト電極の樹脂バインダ中のエポキシ樹脂およびウレタン樹脂の組成比は、エポキシ樹脂／ウレタン樹脂＝３０質量％／７０質量％に設定した。また、ＩＴＯ膜の算術平均表面粗さ（Ｒａ）は、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて測定した。また、図７では、ＩＴＯ膜の算術平均表面粗さ（Ｒａ）が３ｎｍのときの光起電力素子の出力により規格化した規格化出力（Ｐｍａｘ）を示している。
図７を参照して、ＩＴＯ膜の算術平均表面粗さ（Ｒａ）が４ｎｍから０．５ｎｍへ小さくなるにつれて、規格化出力（Ｐｍａｘ）が０．９９から１．０２へ大きくなることがわかる。これにより、ＩＴＯ膜の算術平均表面粗さ（Ｒａ）小さくなるにつれて、光起電力素子の出力特性が向上することがわかる。この出力特性の向上は、短絡電流（Ｉｓｃ）および曲線因子（Ｆ．Ｆ．）が増加したことに起因する。上記のように光起電力素子の出力特性が向上した理由は、以下のように考えられる。すなわち、ＩＴＯ膜の算術平均表面粗さ（Ｒａ）が小さくなるにつれて、ＩＴＯ膜の光吸収および抵抗が低減される。これにより、光起電力素子の短絡電流（Ｉｓｃ）および曲線因子（Ｆ．Ｆ．）が増加するので、光起電力素子の出力特性（規格化出力Ｐｍａｘ）が向上すると考えられる。
また、ＩＴＯ膜の算術平均表面粗さ（Ｒａ）が２ｎｍのときの光起電力素子の出力特性（Ｐｍａｘ：１．０１）は、算術平均表面粗さ（Ｒａ）が３ｎｍのときの光起電力素子の出力特性（Ｐｍａｘ：１）に対して１％の改善率を示すことがわかる。また、ＩＴＯ膜の算術平均表面粗さ（Ｒａ）が０．５ｎｍ以上１ｎｍ以下のときの光起電力素子の出力特性（Ｐｍａｘ：１．０２）は、算術平均表面粗さ（Ｒａ）が３ｎｍのときの光起電力素子の出力特性（Ｐｍａｘ：１）に対して２％の改善率を示すことがわかる。これにより、光起電力素子の出力特性を向上するためには、ＩＴＯ膜の算術平均表面粗さ（Ｒａ）を０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下に設定することが好ましく、０．５ｎｍ以上１ｎｍ以下に設定することがより好ましいことが判明した。
また、図８には、ＩＴＯ膜の算術平均表面粗さ（Ｒａ）とＩＴＯ膜表面の水の接触角との関係が示されている。なお、図８におけるＩＴＯ膜表面の水の接触角は、図９に示すように、ＩＴＯ膜表面に載せた水滴とＩＴＯ膜表面との接点から、水滴表面に対する接線を引いた後、その接線とＩＴＯ膜表面との間の角度を測定することによって求めた。図８を参照して、ＩＴＯ膜の算術平均表面粗さ（Ｒａ）が４ｎｍから０．５ｎｍへ小さくなるにつれて、ＩＴＯ膜表面の水の接触角が２０°から７４°へ徐々に大きくなることがわかる。すなわち、ＩＴＯ膜の算術平均粗さ（Ｒａ）が小さくなるにつれて、ＩＴＯ膜表面の濡れ性が低下することがわかる。このようにＩＴＯ膜表面の濡れ性が低下すると、銀ペーストが硬化する際に生じる銀ペースト中のエポキシ樹脂とＩＴＯ膜の表面吸着水との水素結合の数が減少する。このため、ＩＴＯ膜の算術平均表面粗さ（Ｒａ）が小さくなるにつれて、ペースト電極のＩＴＯ膜に対する密着性が低下すると考えられる。また、図８から、光起電力素子の出力特性を向上させるために好ましいＩＴＯ膜の算術平均表面粗さ（Ｒａ）が約０．５ｎｍ以上約２ｎｍ以下の範囲では、ＩＴＯ膜表面の水の接触角が約４０°以上約７４°以下となることが判明した。このことは、ＩＴＯ膜表面の水の接触角が約４０°以上約７４°以下である場合には、良好な出力特性を得ることができることを意味する。
また、図１０には、タブ強度と光起電力モジュール生産時の歩留まりとの関係が示されている。ここで、タブ強度とは、光起電力素子のペースト電極に銅箔からなるタブを半田付けした後、その半田付けしたタブを引き剥がす際の引き剥がし強度を意味する。このタブ強度は、ペースト電極のＩＴＯ膜に対する密着性の指標となる。また、タブ強度の測定では、図１１に示すように、光起電力素子１を引き剥がし強度測定器２０に固定するとともに、引き剥がし強度測定器２０のクリップ２１により光起電力素子１のペースト電極６（図１参照）上に半田付けしたタブ１２を挟む。その後、引き剥がし強度測定器２０のハンドル２２を回すことにより、タブ１２およびペースト電極６（図１参照）が光起電力素子１から剥離するまでクリップ２１を引張る。そして、引き剥がし強度測定器２０のゲージ２３に表示される引き剥がし強度の最大値を測定することによって、タブ強度を測定する。
図１０を参照して、規格化タブ強度が１から２へ大きくなるにつれて、光起電力モジュールの生産時の歩留まりが９７％から９９．８％へ徐々に向上することがわかる。これは、以下の理由によると考えられる。すなわち、規格化タブ強度が大きくなるにつれて、タブおよびペースト電極がＩＴＯ膜から剥離しにくくなる。これにより、光起電力モジュールの生産時に、タブによって接続した光起電力素子を搬送する際にタブを介してペースト電極に加わる外力や、表面保護材、充填材、タブにより接続した光起電力素子および裏面保護材を加熱しながら加圧する際にペースト電極に加わる圧力などによってタブおよびペースト電極が光起電力素子から剥離するのが抑制される。その結果、不良品の発生が抑制されるので、光起電力モジュールの生産時の歩留まりが向上すると考えられる。また、図１０から、規格化タブ強度が１．５以上であれば、光起電力モジュール生産時の歩留まりが９９％以上になることがわかる。
また、図１２には、ＩＴＯ膜の算術平均表面粗さ（Ｒａ）を２ｎｍに設定した場合のペースト電極の樹脂バインダ中のエポキシ樹脂の含有率とタブ強度との関係が示されている。なお、この図１２では、ペースト電極の樹脂バインダ中のエポキシ樹脂の含有率が３０質量％（ウレタン樹脂の含有率：７０質量％）のときのタブ強度により規格化した規格化タブ強度を示している。また、樹脂バインダ中のエポキシ樹脂以外の部分は、全てウレタン樹脂によって構成している。図１２を参照して、ペースト電極の樹脂バインダ中のエポキシ樹脂の含有率が３０質量％から１００質量％へ大きくなるのに伴って、規格化タブ強度が１から２へ徐々に大きくなることがわかる。これは、エポキシ樹脂のＩＴＯ膜に対する接着強度がウレタン樹脂の接着強度に比べて大きいため、エポキシ樹脂の含有率が大きくなるのに伴って規格化タブ強度が大きくなったと考えられる。また、規格化タブ強度が１．５以上であることを良品の基準（光起電力モジュール生産時の歩留まり９９％以上）とすると、樹脂バインダ中のエポキシ樹脂の含有率が６０質量％以上のとき良品の基準を満たすことがわかる。これにより、ＩＴＯ膜の算術平均表面粗さ（Ｒａ）が２ｎｍの場合には、ペースト電極の樹脂バインダ中のエポキシ樹脂が６０質量％以上（１００質量％以下）であることが好ましいことが判明した。
また、図１３には、ペースト電極の樹脂バインダ中のエポキシ樹脂の含有率を変化させた場合におけるＩＴＯ膜の算術平均表面粗さ（Ｒａ）とタブ強度との関係が示されている。この図１３では、樹脂バインダ中のエポキシ樹脂の含有率が３０質量％（ウレタン樹脂の含有率：７０質量％）の場合のタブ強度により規格化した規格化タブ強度を示している。図１３を参照して、ペースト電極の樹脂バインダ中のエポキシ樹脂の含有率が３０質量％から７５質量％へ徐々に大きくなるにつれて、規格化タブ強度が大きくなることがわかる。また、ＩＴＯ膜の算術平均表面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以上２ｎｍ以下の場合には、ペースト電極の樹脂バインダ中のエポキシ樹脂の含有率が６０質量％以上であれば、規格化タブ強度が１．５以上になるとともに、エポキシ樹脂の含有率が７５質量％以上であれば、規格化タブ強度が１．７５以上になることがわかる。また、ＩＴＯ膜の算術平均表面粗さ（Ｒａ）が０．５ｎｍ以上１ｎｍ以下のより小さい値である場合には、ペースト電極の樹脂バインダ中のエポキシ樹脂の含有率が７５質量％以上であれば、１．７５以上の規格化タブ強度が得られることがわかる。この結果から、ＩＴＯ膜の算術平均表面粗さ（Ｒａ）が０．５ｎｍ以上１ｎｍ以下の小さい値である場合には、ペースト電極の樹脂バインダ中のエポキシ樹脂の含有率が７５質量％以上（１００質量％以下）であることが好ましいことが判明した。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記実施形態では、ｎ型単結晶シリコン基板上に実質的に真性のｉ型非晶質シリコン層およびｐ型非晶質シリコン層が形成される構造の光起電力素子を例にとって説明したが、本発明はこれに限らず、酸化物透明導電膜およびペースト電極を含む光起電力素子に広く適用可能である。
また、上記実施形態では、ｎ型単結晶シリコン基板の下面側にＢＳＦ構造を形成した光起電力素子を例にとって説明したが、本発明はこれに限らず、ＢＳＦ構造を形成しない光起電力素子にも適用可能である。
また、上記実施形態では、光起電力素子にＩＴＯ膜からなる酸化物透明導電膜を形成した例について説明したが、本発明はこれに限らず、光起電力素子にＩＴＯ膜以外の材料からなる酸化物透明導電膜を形成した場合にも、本発明と同様の効果を得ることができる。
１ 光起電力素子
２ ｎ型単結晶シリコン基板（結晶系半導体層）
３、７ ｉ型非晶質シリコン層（非単結晶半導体層）
４ ｐ型非晶質シリコン層
５、９ ＩＴＯ膜（酸化物透明導電膜）
６ ペースト電極（第１ペースト電極）
８ ｎ型非晶質シリコン層
１０ ペースト電極（第２ペースト電極）
１１ 光起電力モジュール（光起電力装置）
１２ タブ（電気配線）
１３ 充填材
１４ 表面保護材
１５ 裏面保護材
２ ｎ型単結晶シリコン基板（結晶系半導体層）
３、７ ｉ型非晶質シリコン層（非単結晶半導体層）
４ ｐ型非晶質シリコン層
５、９ ＩＴＯ膜（酸化物透明導電膜）
６ ペースト電極（第１ペースト電極）
８ ｎ型非晶質シリコン層
１０ ペースト電極（第２ペースト電極）
１１ 光起電力モジュール（光起電力装置）
１２ タブ（電気配線）
１３ 充填材
１４ 表面保護材
１５ 裏面保護材
Claims (9)
- ２ｎｍ以下の算術平均表面粗さ（Ｒａ）を有する酸化物透明導電膜と、前記酸化物透明導電膜上に形成され、少なくとも金属材料と樹脂材料とを含むペースト電極とを含み、前記樹脂材料は、６０質量％以上１００質量％以下のエポキシ樹脂を含有する、光起電力素子を備えた、光起電力装置。
- 前記光起電力素子は、第１導電型の結晶系半導体層と、前記結晶系半導体層上に形成された実質的に真性の非単結晶半導体層とを含み、
前記酸化物透明導電膜は、前記非単結晶半導体層上に形成されている、請求項１に記載の光起電力装置。 - 前記ペースト電極を構成する前記樹脂材料は、７５質量％以上１００質量％以下のエポキシ樹脂を含有する、請求項１または２に記載の光起電力装置。
- 前記酸化物透明導電膜は、０．５ｎｍ以上１ｎｍ以下の算術平均表面粗さ（Ｒａ）を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光起電力装置。
- 前記酸化物透明導電膜は、ＳｎＯ２を添加したＩｎ２Ｏ３を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光起電力装置。
- 前記ペースト電極を構成する前記樹脂材料は、前記エポキシ樹脂に加えて、ウレタン樹脂を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光起電力装置。
- 前記酸化物透明導電膜の表面に対する水の接触角は、４０°以上７４°以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光起電力装置。
- 前記光起電力素子は、所定の間隔を隔てて複数設けられており、
前記ペースト電極は、前記光起電力素子の上面側に形成された第１ペースト電極と、前記光起電力素子の下面側に形成された第２ペースト電極とを含み、
所定の前記光起電力素子の上面側に形成された前記第１ペースト電極に一方端側が接続されるとともに、前記所定の光起電力素子に隣接する別の前記光起電力素子の下面側に形成された前記第２ペースト電極に他方端側が接続される電気配線をさらに備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光起電力装置。 - 水に対する接触角が４０°以上７４°以下の表面を有する酸化物透明導電膜と、前記酸化物透明導電膜上に形成され、少なくとも金属材料と樹脂材料とを含むペースト電極とを含み、前記樹脂材料は、６０質量％以上１００質量％以下のエポキシ樹脂を含有する、光起電力素子を備えた、光起電力装置。
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