JP2005217131A - 太陽電池およびこれを用いた太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ｐｎ接合型太陽電池において、裏面電界領域による電界効果を損なうことなく、なおかつ十分な電極強度を有するとともに長期信頼性に優れた太陽電池とそれを用いた太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】受光面と非受光面とを備えた一導電型を有する半導体基板１と、受光面側に形成された、半導体基板と逆導電型を有する逆導電型領域２と、受光面側に形成された表面電極５と、非受光面側に形成された、半導体基板１と同じ導電型を有する裏面電界領域４ａと、非受光面側に形成された裏面電極６とを備え、さらに、裏面電極６と半導体基板１とが裏面電界領域４ａを介さずに接触するとともに、表面電極５の外郭形状を受光面に対して直交する方向に投影した第一形状の外郭位置を示す線Ｓ１の内側に存在してなるコンタクト部７を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池およびこの太陽電池を用いた太陽電池モジュールに関し、その電極の密着強度を改善した太陽電池およびこの太陽電池を用いた太陽電池モジュールに関する。

太陽電池は入射した光エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。太陽電池のうち主要なものは使用材料の種類によって結晶系、アモルファス系、化合物系などに分類される。このうち、現在市場で流通しているのはほとんどが結晶系シリコン太陽電池である。この結晶系シリコン太陽電池はさらに単結晶型、多結晶型に分類される。単結晶型のシリコン太陽電池は基板の品質がよいために高効率化が容易であるという長所を有する反面、基板の製造が高コストになるという短所を有する。これに対して多結晶型のシリコン太陽電池は基板の品質が劣るために高効率化が難しいという短所はあるものの、低コストで製造できるという長所がある。また、最近では多結晶シリコン基板の品質の向上やセル化技術の進歩により、研究レベルでは１８％程度の変換効率が達成されている。

一方、量産レベルの多結晶シリコン太陽電池は低コストであったため、従来から市場に流通してきたが、近年環境問題が取りざたされる中でさらに需要が増してきており、低コストでより高い変換効率が求められるようになった。

特許文献１に記載されている太陽電池の一般的な構造を図５に示す。図５（ａ）は、断面構造を示す図であり、図５（ｂ）は表面から見た図、図５（ｃ）は裏面から見た図である。１０１は例えばｐ型シリコンの半導体基板、１０２は半導体基板１０１の表面側にリン原子などが高濃度に拡散され、半導体基板１０１との間にｐｎ接合を形成した逆導電型領域、１０３は窒化シリコン膜や酸化シリコン膜などからなる反射防止膜である。さらに、半導体基板１０１の表面側には表面電極１０５を設けるとともに、裏面側にはアルミニウムなどのｐ型半導体不純物を多量に含んだｐ^＋領域である裏面電界領域１０４ａと、アルミニウムからなる裏面集電部１０４ｂ、銀を主成分とする裏面電極１０６とを設けている。

表面電極は、図５（ｂ）に示されるように、格子状に形成されるのが一般的であり、スクリーン印刷法等により銀ペーストなどを塗布した後、焼成することで形成される。また、表面電極１０５は反射防止膜１０３の電極に相当する部分をエッチング除去して、この部分に表面電極１０５を形成する場合と、もしくは反射防止膜１０３の上から直接、表面電極１０５を焼き付けて形成する場合とがある。

裏面側は、図５（ｃ）に示すように、スクリーン印刷法等によりアルミニウム粉末を含んだ金属ペーストを塗布した後、７００〜８００℃で焼成することにより、シリコンの半導体基板１０１のシリコン中にアルミニウムが拡散して、ｐ型半導体不純物を多量に含んだｐ^＋領域である裏面電界領域１０４ａが形成される。裏面電界領域１０４ａは発生したキャリアが裏面で再結合することを防ぐ効果がある。

なおこの、裏面電界領域１０４ａは半導体基板１の裏面略全面に形成されることが多く、これを形成するのと同時に、シリコン中に拡散しなかったアルミニウムなどを主体とする裏面集電部１０４ｂを裏面に残し、これを裏面電極の一部として使用する場合もある。通常は、裏面に対してアルミニウムより半田濡れ性のよい、例えば銀粉末を含んだ金属ペーストを印刷、焼成して裏面電極１０６を形成する。

そして上述のようにして作製された銀を主成分とする表面電極１０５、裏面電極１０６の表面には、銀の酸化を防止して接続性をよくするために、半田が被覆されることが多い。

上述の裏面電界領域１０４ａによって、太陽電池で発生したキャリアを電界効果（ＢＳＦ効果）により効率よく収集し、太陽電池の変換効率を向上させることができる。

また通常、太陽電池一枚では発生する電気出力が小さいため、複数の太陽電池を直並列に接続して太陽電池モジュールを構成し、実用的な電気出力が取り出せるようにする必要がある。太陽電池モジュールの一例として、図４に、太陽電池Ｘを組み合わせて構成した一般的な太陽電池モジュールを示す。

図４に示すように、ある太陽電池Ｘの表面電極と隣接する太陽電池Ｘの裏面電極とが例えば銅箔などからなるインナーリード９によって半田接続され、電気的に接続されている。そして、ガラスなどからなる透光性パネル１０と、裏面保護材１２との間にエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）などを主成分とする充填材１１で気密に封入されて、太陽電池モジュールを構成している。太陽電池モジュールの出力は、出力配線１３を経て端子ボックス１４に接続されている。そしてこの端子ボックスからさらに外部の負荷に接続されている。
特開平８−２７４３５６号公報

ところが、このようにして形成した裏面電界領域１０４ａは太陽電池で発生したキャリアを電界効果により効率よく収集し、太陽電池の変換効率を向上させる効果が大きいため、非常に有効であるが、その反面、基板裏面の表面はシリコンとアルミニウムの合金が形成され、特にその最表面はアルミニウムの濃度が非常に高くなっていることから、脆くなっており、その上に形成した裏面電極１０６の密着強度が弱くはがれやすくなりやすいという問題があった。また、アルミニウムを主成分とする裏面集電部１０４ｂを間に介した場合には、脆い合金層の上に、気孔率の高いアルミニウムを主成分とする裏面集電部１０４ｂが存在するため、裏面集電部１０４ｂ内や、合金層からの剥離が発生しやすく、裏面電極１０６の密着強度を向上させることは難しい。

このような問題点を有する太陽電池を用いて、図４に示したような太陽電池モジュールを作製した場合、裏面電極１０６と半田で接続されたインナーリード９の接続部が、裏面電極１０６の密着強度が弱いため、長期信頼性に欠けたものとなるといった問題があった。

例えば、リード線を取り付けるときには通常熱により半田付けを行うため、太陽電池の電極密着強度が弱いとこの工程で電極がはがれるという問題が生じやすい。また、モジュール化した後、通常そのモジュールは屋外に設置する。そのためモジュールは太陽光を受けて発熱し、また、風雨も受けるため、熱、湿度の変化にさらされる。そのためこのときに電極の密着強度が弱いとモジュール化してからも電極が剥離して太陽電池モジュールとしての電気特性が低下するという問題が発生しやすくなる。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、ｐｎ接合型太陽電池において、裏面電界領域による電界効果を損なうことなく、なおかつ十分な電極強度を有するとともに長期信頼性に優れた太陽電池とそれを用いた太陽電池モジュールを提供することにある。

本発明の請求項１に記載の太陽電池は、受光面と非受光面とを備えた一導電型を有する半導体基板と、前記受光面側に形成された、前記半導体基板と逆の導電型を有する逆導電型領域と、前記受光面側に形成された表面電極と、前記非受光面側に形成された、前記半導体基板と同じ導電型を有する裏面電界領域と、前記非受光面側に形成された裏面電極と、前記裏面電極と前記半導体基板とが前記裏面電界領域を介さずに接触したコンタクト部であって、前記表面電極の外郭形状を前記受光面に対して直交する方向に投影した第一形状の内側に存在するコンタクト部と、を備えている。

このように、裏面電極と半導体基板とが裏面電界領域を介さずに直接接触したコンタクト部は、脆い裏面電界領域の影響を受けないので、良好な密着強度を得ることができる。その反面、このコンタクト部は、裏面電界領域を介さないで接触しているので、長波長側の感度が低くなってしまい特性が低下してしまう。本発明の構成においては、このコンタクト部が、表面電極の外郭形状を受光面に対して直交する方向に投影した第一形状の内側、すなわち表面電極の陰となって発電特性に対する寄与が小さい部分に存在するので悪影響を少なくできる。

また、本発明の請求項２に記載の太陽電池は、請求項１に記載の太陽電池であって、光活性領域であるバルク基板領域部分と、このバルク基板領域以外の部分とからなり、前記コンタクト部は、前記第一形状の外郭から、前記バルク基板領域部分を単独で取り出してその受光面側から測定した少数キャリア拡散長の長さだけ内側にずらした第二形状の内側に存在するようにした。

本発明の太陽電池において、主にｐｎ接合部（逆導電型領域と一導電型の半導体基板との界面）において光照射により発生した少数キャリア（例えば、ｐ型半導体基板では電子）は発生した後に、拡散によって裏面電極に到達する。ここで表面電極の陰となっている部分との境界の近くで発生した少数キャリアの一部は、拡散によって裏面電極に到達したときに、表面電極の陰となっている部分、すなわち第一形状の外郭の内側にまで入り込んでくる可能性がある。本発明では、裏面電極と半導体基板とが裏面電界領域を介さずに直接接触したコンタクト部が、第一形状よりさらに少数キャリア拡散長の長さだけ内側にずれた第二形状の内側に存在するように構成した。これによって、拡散によって少数キャリアが裏面に到達したときに、表面電極の陰の部分（第一形状の内側）に入り込んできた少数キャリアの大部分は、第一形状と第二形状との間に存在する裏面電界領域で確実に捕捉できるので、太陽電池の特性に与える悪影響を少なくすることができる。

なお、本発明において太陽電池の少数キャリア拡散長は、元の半導体基板の少数キャリア拡散長とは異なり、「バルク基板領域部分を単独で取り出してその受光面側から測定した少数キャリア拡散長」と定義され、太陽電池の製造工程を経て太陽電池素子として形成された太陽電池のバルク基板領域における少数キャリア拡散長を意味する。このバルク基板領域は、元の半導体基板と比較すれば、太陽電池の製造工程を通過しているので、その途中で熱処理・化学薬品処理などを複数回受けていることから、半導体特性が変化している。

また、「バルク基板領域部分を単独で取り出して」とは、太陽電池から電極部、反射防止膜、ｐｎ接合部、ｈｉｇｈ−ｌｏｗ接合部、などの光活性領域であるｐ型もしくはｎ型のバルク基板領域部分以外を全て取り除いて、基板状態に戻すことを意味する。

このように太陽電池を基板状態に戻すためには、機械的に研磨したり、化学的にエッチングしたりすればよい。例えば、表面電極や裏面電極については、王水で溶解除去、ＳｉＮ_Ｘ膜である反射防止膜については、ＨＦ液でエッチング除去、表面側の接合や裏面側の裏面電界領域（ＢＳＦ）などの拡散領域については、混酸（ＨＦ：ＨＮＯ_３＝１：３〜１：４で混合したもの）でエッチング除去すれば、基板状態に復帰させることができる。また、この方法によれば、エッチング面が鏡面状態となるので好ましい。このようにして基板状態に復帰させた後、希ＨＦ液で表面処理を行って純水洗浄し、１週間以上大気中で放置して処理表面状態が安定化してから少数キャリア拡散長の測定を行うことが望ましい。

また、少数キャリア拡散長は、測定したデータの平均値とすればよい。

そして、本発明の請求項３に記載の太陽電池は、請求項２に記載の太陽電池において、前記少数キャリア拡散長の測定は、ＳＰＶ法（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｇｅ Ｍｅｔｈｏｄ）によって行われる。このＳＰＶ法は、非接触非破壊の測定法であること、短時間に高精度で測定ができること、試料の前処理が不要なこと、表面状態の影響を受けにくいこと、などの優れた点を有し、本発明の効果を再現性よく得ることができるので望ましい。

さらに、本発明の請求項４に記載の太陽電池は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の太陽電池において、前記半導体基板は、Ｂ（ホウ素）をドープしたｐ型結晶シリコン基板としたので、容易に入手可能であり、コストパフォーマンスの高い太陽電池を形成することができる。

また、本発明の請求項５に記載の太陽電池は、請求項４に記載の太陽電池において、前記裏面電界領域は、主成分としてＡｌを含有する。このようにｐ型結晶シリコンにおいてｐ型ドーパントであるＡｌを用いれば、シリコンとの間に低温の融点を有する共晶合金相の裏面電界領域を容易に形成することができる。

そして、本発明の請求項６に記載の太陽電池は、請求項５に記載の太陽電池において、前記裏面電極は、主成分としてＡｇを含有する。本発明では、裏面電極として、Ａｌを主成分とする裏面電界領域を介さずシリコン基板と直接接触したＡｇを主成分とする材料によって構成したので、ハンダ濡れ性が高く、低抵抗の裏面電極とすることができ、高性能な太陽電池とすることができる。

さらに、本発明の請求項７に記載の太陽電池モジュールは、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の太陽電池が含まれた複数個の太陽電池と、一の前記太陽電池の前記表面電極と他の前記太陽電池の前記裏面電極とを電気的に接続したインナーリードと、を備えている。このように本発明の太陽電池モジュールは、裏面電極の密着強度が向上した本発明の太陽電池同士をインナーリードで接続しているため、太陽電池としての電気特性を低下させることなく電極密着強度を増すことができ、太陽電池モジュールの作製工程における歩留まりが向上し、さらに太陽電池モジュールの長期信頼性も向上する。

上述のように本発明の太陽電池は、裏面電極と半導体基板とが裏面電界領域を介さずに直接接触したコンタクト部を有し、脆い裏面電界領域の影響を受けないので、良好な密着強度を得ることができる。このコンタクト部は、裏面電界領域を介さないで接触しているので、長波長側の感度が低くなってしまい特性が低下してしまうが、本発明の構成においては、このコンタクト部が、表面電極の外郭形状を受光面に対して直交する方向に投影した第一形状の内側、すなわち表面電極の陰となって発電特性に対する寄与が小さい部分に存在するので悪影響を少なくでき、太陽電池としての電気特性を低下させることなく電極密着強度を増すことができる。

また、本発明の太陽電池において、主にｐｎ接合部（逆導電型領域と一導電型の半導体基板との界面）において光照射により発生した少数キャリア（例えば、ｐ型半導体基板では電子）は発生した後に、拡散によって裏面電極に到達する。ここで表面電極の陰となっている部分との境界の近くで発生した少数キャリアの一部は、拡散によって裏面電極に到達したときに、表面電極の陰となっている部分、すなわち第一形状の外郭の内側にまで入り込んでくる可能性がある。本発明では、裏面電極と半導体基板とが裏面電界領域を介さずに直接接触したコンタクト部が、第一形状よりさらに少数キャリア拡散長の長さだけ内側にずれた第二形状の内側に存在するように構成した。これによって、拡散によって少数キャリアが裏面に到達したときに、表面電極の陰の部分（第一形状の内側）に入り込んできた少数キャリアの大部分は、第一形状と第二形状との間に存在する裏面電界領域で確実に捕捉できるので、太陽電池の特性に与える悪影響を少なくすることができ、電極密着強度を増加させる際に、太陽電池としての電気特性を低下させることをさらに少なくすることができる。

また、この少数キャリア拡散長の測定を、非接触非破壊の測定法である、短時間に高精度で測定ができる、試料の前処理が不要、表面状態の影響を受けにくい、などの優れた点を有するＳＰＶ法を用いて行うことにより、本発明の効果を再現性よく得ることができる。

そして、このように裏面電極の密着強度が向上した本発明の太陽電池同士をインナーリードで接続した本発明の太陽電池モジュールは、電気特性を低下させることなく電極密着強度を増加した太陽電池を用いていることから、その電気特性を維持したまま太陽電池モジュールの作製工程における歩留まりが向上し、さらに太陽電池モジュールの長期信頼性も向上する。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。

図３は本発明にかかる太陽電池を示す図であり、（ａ）はその断面構造、図３（ｂ）は表面から見た図、図３（ｃ）は裏面から見た図である。

図中、１は例えばｐ型シリコンの半導体基板、２は半導体基板１の表面側にリン原子などが高濃度に拡散され、半導体基板１との間にｐｎ接合を形成した逆導電型領域、３は窒化シリコン膜や酸化シリコン膜などからなる反射防止膜である。さらに、半導体基板１の表面側には表面電極５を設けるとともに、裏面側にはアルミニウムなどのｐ型半導体不純物を多量に含んだｐ^＋領域である裏面電界領域４ａと、アルミニウムからなる裏面集電部４ｂ、銀を主成分とする裏面電極６とを設けている。

半導体基板１は単結晶もしくは多結晶のシリコン基板であり、一主面である受光面（表面）と、他の一主面である非受光面（裏面）とを備えている。この基板はｐ型、ｎ型いずれでもよい。単結晶シリコンの場合は引き上げ法などによって形成され、多結晶シリコンの場合は鋳造法などによって形成される。多結晶シリコンは、大量生産が可能で製造コスト面で単結晶シリコンよりもきわめて有利である。引き上げ法や鋳造法によって形成されたインゴットを１５ｃｍ×１５ｃｍ程度の大きさに切断して、３００μｍ程度の厚みにスライスして、シリコン基板となる。なお、以下の説明は、入手が容易であり太陽電池としての製造方法も確立しているホウ素をドープしたｐ型の多結晶のシリコン基板１を用いた例によって行う。

シリコン基板１の表面側には、シリコン基板１の導電型と逆の導電型を有する半導体不純物、例えばリンなどが高濃度に拡散された逆導電型領域２が形成され、シリコン基板１との間にｐｎ接合を形成している。また、シリコン基板１の表面側には反射防止膜３、表面電極５が設けられている。

シリコン基板１の裏面側には、シリコン基板１の導電型と同じ導電型を有する半導体不純物、例えばアルミニウムが高濃度に拡散された裏面電界領域４ａが形成され、裏面電極６が設けられている。

表面電極は、図３（ｂ）に示されるように、格子状に形成されるのが一般的であり、スクリーン印刷法等により銀ペーストなどを塗布した後、焼成することで形成される。また、表面電極５は反射防止膜３の電極に相当する部分をエッチング除去して、この部分に表面電極５を形成する場合と、もしくは反射防止膜３の上から直接、表面電極５を焼き付けて形成する場合とがある。

裏面側は、図３（ｃ）に示すように、スクリーン印刷法等によりアルミニウム粉末を含んだ金属ペーストを塗布した後、７００〜８００℃で焼成することにより、シリコンの半導体基板１のシリコンにアルミニウムが拡散して、ｐ型半導体不純物を多量に含んだｐ^＋領域である裏面電界領域４ａが形成される。裏面電界領域４ａは発生したキャリアが裏面で再結合することを防ぐ効果があり、太陽電池で発生したキャリアを電界効果（ＢＳＦ効果）により効率よく収集し、太陽電池の変換効率を向上させることができる。

なおこの、裏面電界領域４ａは半導体基板１の裏面略全面に形成されることが多く、これを形成するのと同時に、シリコンと未反応のアルミニウムなどを主体とする裏面集電部４ｂを裏面に残し、これを裏面電極の一部として使用する場合もある。通常は、裏面に対してアルミニウムより半田濡れ性のよい、例えば銀粉末を含んだ金属ペーストを印刷、焼成して裏面電極６を形成する。

なお、このようにして作製された銀を主成分とする表面電極５、裏面電極６の表面には、銀の酸化を防止して接続性をよくするために、半田が被覆されることが多い。

また通常、太陽電池一枚では発生する電気出力が小さいため、複数の太陽電池を直並列に接続して太陽電池モジュールを構成し、実用的な電気出力が取り出せるようにする必要がある。本発明の太陽電池モジュールの一例として、図４を用いて説明する。この図は従来の一般的な太陽電池モジュールの説明において使用したものであるが、本発明は、太陽電池に特徴があるため、太陽電池モジュールの構造としては特に変化はない。

図４に示すように、ある太陽電池Ｘの表面電極と隣接する太陽電池Ｘの裏面電極とが例えば銅箔などからなるインナーリード９によって半田接続され、電気的に接続されている。そして、ガラスなどからなる透光性パネルと、裏面保護材１２との間にエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）などを主成分とする充填材１１で気密に封入されて、太陽電池モジュールを構成している。太陽電池モジュールの出力は、出力配線１３を経て端子ボックス１４に接続されている。そしてこの端子ボックスからさらに外部の負荷に接続されている。

本発明にかかる太陽電池および太陽電池モジュールは以上のような構造を有しているが、以下、本発明にかかる太陽電池の構成について、その製造方法についての説明を交えながらさらに詳しく説明する。なお、以下説明する製造方法は、本発明の太陽電池および太陽電池モジュールを作製するための一例に過ぎず、この製造方法に限定されるものではない。

上述のように、太陽電池の裏面電界領域４ａは通常、半導体基板１と同一の導電型を形成する不純物を高濃度にドーピングすることによって作製する。例えば、半導体基板１がｐ型シリコン基板の場合、アルミニウムペーストを裏面全面に印刷し、焼成を行うことでアルミニウムとシリコンが合金を形成し、裏面電界領域４ａとしての役割を担う。これは光の照射により基板内部で発生したキャリアの収集効率を向上させるための電界を形成するものであり、裏面にこうした裏面電界領域４ａを設けることで長波長側の感度を向上させることができる。なお、この感度の違いは基板の厚みやドーピング濃度など、太陽電池の各パラメータによって変化する。

それに対して、裏面電界領域４ａがない部分では長波長側の感度が低くなり、特性が低下してしまう。そのため裏面電界領域４ａは太陽電池の裏面全面に形成することが望ましい。

通常、例えばシリコン太陽電池の場合には、裏面にアルミニウムペーストを印刷して焼成を行うことで裏面電界領域４ａを形成している。このときに印刷・焼成したアルミニウムはさらに裏面集電部４ｂとして利用できる。ただし、このアルミニウムの裏面集電部４ｂは焼成時の収縮により、時としてシリコン基板１の反りの原因になることがある。その場合にはこのアルミニウムの裏面集電部４ｂを除去して形成した裏面電界領域４ａのみを残すこともできる。本発明はこの裏面集電部４ｂの有無とは無関係に効果を奏することができるので、以下、裏面集電部４ｂについては特に必要がない限り触れないが、存在していてもよいことはもちろんである。

裏面電界領域４ａを形成すると同時もしくはその後には、表面電極５とともに裏面電極６を形成する。これらの電極は通常、銀を含有したペーストである。受光面側に形成する表面電極５はｐｎ接合面に十分に光を吸収するために電極面積はできるだけ少ない方が好ましいが、非受光面側に形成する裏面電極６はこの制約がないため、直列抵抗を十分に小さくするように大きな面積を取ることが一般的である。ただし、電極材料として主に用いられる銀は高価であるため、使用する量は少ない方がよい。この相反する要因から、一般的には受光面側の表面電極５の主電極よりも若干太い主電極を、裏面電極６に持たせることが多い。

この裏面電界領域４ａは、シリコン表面に多量の不純物をドーピングしたものであることから非常に脆くなっており、この上に裏面電極６を形成した場合、脆くなった裏面電界領域４ａの部分から局所的に剥がれやすいという問題がある。なお、裏面電界領域４ａを形成する際に形成した裏面集電部４ｂのアルミニウムの上に形成した場合には、気孔率の高い裏面集電部４ｂのアルミニウムや脆くなった裏面電界領域４ａのために、十分な密着強度が得られにくかった。

そこで本発明は、この裏面電極６を以下に示すような構造とすることによってこれらの課題を一気に解決した。図１に本発明にかかる太陽電池の断面構造を示す。図１（ａ）は太陽電池の断面構造を示す模式図であり、（ｂ）は、その一実施形態における（ａ）のＡ部の要部拡大図、（ｃ）は別の実施形態における（ａ）のＡ部の要部拡大図である。

最初に本発明の第一の実施形態について図１（ｂ）を用いて説明する。

本発明の第一の実施形態にかかる裏面電極６の構造は、図１（ｂ）に示すように、裏面電極６と半導体基板であるシリコン基板１とが裏面電界領域４ａを介さずに直接接触したコンタクト部７を設けるとともに、このコンタクト部７を存在させる領域として、表面電極５の外郭形状を受光面に対して直交する方向に投影した第一形状の外郭位置を示す線Ｓ１の内側に存在するようにしている。

具体的な裏面電極６の例について、図２に下面方向から見た斜視図を示す。この例では、裏面電極６を設けるに当たって、裏面電界領域４ａを間に介さない窓状のコンタクト部７を設けている。

このように、裏面電極６と半導体基板であるシリコン基板１とが脆い裏面電界領域４ａを介さずに直接接触したコンタクト部７が存在することによって、この裏面電極６は、シリコン基板１に対して合金層を形成するなどして、良好な密着強度を有するようになる。そして、このコンタクト部７は、裏面電界領域４ａを介さないでシリコン基板１と接触しているので、長波長側の感度が低くなってしまい特性が低下してしまう。本発明の構成においては、このコンタクト部７が、表面電極５の外郭形状を受光面に対して直交する方向に投影した第一形状の外郭位置を示す線Ｓ１の内側、すなわち表面電極５の陰となって実質的に光電変換に寄与しない部分に存在するので、太陽電池としての電気特性を低下させることなく電極の密着強度を増すことができる。

また、図３に示す本発明の太陽電池Ｘ同士をインナーリードで接続した本発明の太陽電池モジュールは、電極の密着強度を増加した太陽電池を用いていることから、太陽電池モジュールの電気特性を低下させることなく、作製工程における歩留まりが向上し、さらに太陽電池モジュールの長期信頼性も向上する。

次に本発明の第二の実施形態について図１（ｃ）を用いて説明する。なお、主要部は第一の実施形態と全く同様であるので異なる部分についてのみ説明する。

本発明の第二の実施形態にかかる裏面電極６の構造は、図１（ｃ）に示すように裏面電極６と半導体基板であるシリコン基板１とが裏面電界領域４ａを介さずに直接接触したコンタクト部７を設けるところまでは第一の実施形態と同様であるが、このコンタクト部７を存在させる領域として、表面電極５の外郭形状を受光面に対して直交する方向に投影した第一形状の外郭位置を示す線Ｓ１から少数キャリア拡散長Ｌの長さだけさらに内側にずらした第二形状の外郭位置を示す線Ｓ２の内側に存在するようにしている。

ここで述べた少数キャリア拡散長Ｌは、半導体に注入された少数キャリアの拡散距離を表すものであり、この値が大きいときには、キャリアが再結合などによって失われることがなく、拡散によってより遠くに移動することができる。太陽電池の厚さレベルの少数キャリア拡散長Ｌを有する場合、例えば、表面電極５の近傍で発生した少数キャリアは、裏面電極６にまで移動することができる。逆に小さいときには、再結合などによって失われてしまう。典型的には、少数キャリア拡散長Ｌは数十から数百μｍの値を有している。

上述に記載したような本発明の第二の実施形態にかかる構成を有する太陽電池が効果を奏する理由については、以下のように推測する。

本発明の太陽電池において、主にｐｎ接合部（逆導電型領域２とシリコン基板１との界面）において光照射により発生した少数キャリア（例えば、ｐ型半導体基板では電子）は発生した後に、少数キャリア拡散長Ｌで規定される長さ程度の距離を拡散によって移動する。この少数キャリアについては、電界によるドリフトがかかっていない限り、基本的に等方向に拡散する。

ここで図１（ｃ）に示すように、表面電極５の陰となっている部分である第一形状の外郭位置を示す線Ｓ１の境界近傍で光照射によって発生した少数キャリアについては、拡散によって裏面電極６に到達したときに、表面電極５の陰となっている部分、すなわち線Ｓ１の内側（図１（ｃ）においてＳ１の左側）にまで入り込んでくる可能性がある。

このような場合、図１（ｂ）の第一の実施形態に示した裏面電極６の構造では、このように外部から入り込んできた少数キャリアが、裏面電界領域４ａを介さずに裏面電極６とシリコン基板１とが直接接触しているコンタクト部７に到達するので、このような少数キャリアは裏面電界領域４ａによる効果を受けることができない。

それに対して本発明では、第一形状の外郭位置を示す線Ｓ１から少数キャリア拡散長Ｌの長さだけさらに内側にずらした第二形状の外郭位置を示す線Ｓ２の内側に存在するようにしているので、拡散によって少数キャリアが裏面に到達したときに、表面電極５の陰の部分である第一形状の外郭位置を示す線Ｓ１の内側に入り込んできた少数キャリアの大部分は、このＳ１とＳ２との間に存在する裏面電界領域４ａで確実に捕捉できるので、太陽電池の特性に与える悪影響を少なくすることができる。

なお、第二の外郭位置を示す線Ｓ２の内側（図１（ｃ）においてＳ２の左側）に少数キャリアが入り込む可能性はあるが、大部分は少数キャリア拡散長Ｌの長さ程度拡散した時点で再結合などによって失われるので、Ｓ２の内側に入り込む分はごくわずかとなり、問題とならない。

なお、本発明において、太陽電池の少数キャリア拡散長Ｌは、元の半導体基板の少数キャリア拡散長とは異なり、「バルク基板領域部分を単独で取り出してその受光面側から測定した少数キャリア拡散長」と定義される。これは、太陽電池の製造工程を経て太陽電池素子として形成された太陽電池のバルク基板領域における少数キャリア拡散長Ｌを意味する。

少数キャリア拡散長の値は、シリコン基板を作製する前のインゴットの製造方法や基板の処理方法によっても変化するし、太陽電池を作製するセルプロセスにおける熱処理工程の条件や洗浄方法等によっても変化する。ここで定義したバルク基板領域についても、元の半導体基板と比較すれば、太陽電池の製造工程を通過しているので、その途中で熱処理・化学薬品処理などを複数回受けていることから、半導体特性が変化しており、このバルク基板領域における少数キャリア拡散長で定義することによって、本発明は意味を持つものとなる。

なお、バルク基板領域部分を単独で取り出すためには、図３に示した太陽電池から、銀を主成分とする表面電極５および裏面電極６（アルミニウムを主成分とする裏面集電部４ｂが存在する場合も含む）については王水で溶解除去、ＳｉＮ_Ｘ膜などからなる反射防止膜３についてはＨＦ液でエッチング除去、ｐｎ接合部、ｈｉｇｈ−ｌｏｗ接合部などを構成しているｎ型のシリコンである逆導電型領域２やｐ^＋型のシリコンとアルミニウム合金である裏面電界領域４ａについては混酸でエッチング除去すれば、バルク基板領域部分のみを取り出し、基板状態に戻すことができる。

そして、基板状態に戻したこのバルク基板領域部分を光入射面側から、例えば、ＳＰＶ法によって少数キャリア拡散長Ｌを全面にわたって測定すればよい。

なお、本発明においては、少数キャリア拡散長Ｌの測定として、ＳＰＶ法を用いて行うのが望ましい。その理由として、ＳＰＶ法は、非接触非破壊の測定法である、短時間に高精度で測定ができる、試料の前処理が不要、表面状態の影響を受けにくい、などの優れた点を有し、本発明の効果を再現性よく得ることができるからである。

なお、本発明において、ＳＰＶ法を用いる場合、再現性よく評価するために、
（１）測定光波長が、試料の厚さに比べて十分小さいこと、具体的には、１／４以下であること
（２）表面状態を一定にするため鏡面状態で測定を行うこと、具体的には、混酸（ＨＦ：ＨＮＯ_３＝１：３〜１：４で混合したもの）でエッチング除去して、エッチング面を鏡面状態とすること
（３）表面処理後、１週間以上大気中で放置して処理表面状態が安定化してから測定を行うこと
が必要である。

測定を行うデータ数は、バルク基板領域部分のサイズと、測定サイズ（例えば、ＳＰＶ法による測定光のスポット径）から定まる最大測定点数の１／４以上とすればよい。例えば、１５０ｍｍ角のバルク基板領域部分を６ｍｍ径の測定光スポットサイズを有するＳＰＶ法で測定する場合、最大測定点数は、（１５０／６）×（１５０／６）＝２５点×２５点＝６２５点となるが、これに対して、６２５点／４≒１５７点以上とすればよく、例えば、１３点×１３点＝１６９点の測定を行うことによって、十分信頼性のある測定を行うことができ、測定に必要な時間も短縮できる。

なお、このように被測定体の複数ポイントを測定して得られた少数キャリア拡散長より、例えば、その平均値を、この被測定体の少数キャリア拡散長として採用することが望ましい。また、最大値を少数キャリア拡散長として採用してもよく、より確実に本発明の効果を得ることができる。

図１（ｂ）、図１（ｃ）に示した本発明にかかるコンタクト部７を有する裏面電極６を作製するためには、例えば、裏面電界領域４ａを形成するときに、アルミニウムペーストを印刷・焼成する際にシリコン基板１の裏面の略全面に印刷する代わりに、このコンタクト部７を設けたい位置をパターンで抜いておいて印刷・焼成してシリコン基板１が外部に露出した領域を形成しておき、その露出領域に接触するように銀ペーストを印刷・焼成して裏面電極６を形成すればよい。このコンタクト部７を設ける基板露出領域を形成する方法としては、この方法に限定されるものではなく、レジストを塗布して、所定形状のマスクを通して露光することによって、レジストを硬化させ、未硬化部分を現像で除去した後、エッチングなどの所定方法によって基板露出領域を形成してもよい。また、感光性を有するペーストを用いて所定形状としてもよい。

また表面電極５は、図３（ｂ）に示すように、通常は、フィンガー電極と呼ばれる１５０μｍ〜２００μｍ程度の幅を有する多数の細い電極と、バスバー電極と呼ばれる１ｍｍ程度の太い電極（例えば、図に示すように太陽電池セル当たり２本設けている）との組合せが用いられることが多いが、表面電極５の中でもバスバー電極の裏面側の位置に上述のような形状としてコンタクト部７を形成することが望ましい。これによって、裏面電極６とシリコン基板１との密着強度を十分強いものとすることができる。

以上、本発明にかかる構成を有した太陽電池および太陽電池モジュールは、従来の問題点が解決され、ｐｎ接合型太陽電池において、裏面電界領域による電界効果を損なうことなく、なおかつ十分な電極強度を有するとともに長期信頼性に優れたものとなる。

なお、本発明の実施形態は上述の例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることはもちろんである。

さらに、上述の説明では、アルミニウムよりも半田に対する濡れ性の高い金属ペーストを塗布・焼成して裏面電極６を形成する工程において、金属ペーストとしては、銀を主成分とする銀ペーストを用いて行った例によって説明したが、これに限るものではなく、銀以外に、白金、金、銅などの導電抵抗の低い金属を主成分とする金属ペーストを用いても構わない。

また、上述の説明では、所定の金属ペーストを塗布・焼成して本発明にかかる裏面電極を形成する工程と、表面電極５を形成する工程を別々に塗布・焼成した例によって説明したがこれに限るものではなく、同時に焼成しても構わない。同時に焼成すれば、工程を短縮して、高い生産性を得ることができる。

そして、すでに述べたように、裏面集電部４ｂであるアルミニウムを主成分とする電極を設けても設けなくても構わないし、また形状は図に示されたものに限定されるものではない。図に示したように略全面に形成された形状でも構わないし、反りの低減のため、ライン状、格子状、ドット状に形成された形状のものに使用してもよい。

さらに上述の説明では、半導体基板１として、シリコン基板を用いた例によって説明したが、これに限るものではなく、光電変換機能を有する半導体基板であれば、いかなるものであっても本発明の効果を奏しうる。その例としては、例えばＧａＡｓなどの化合物半導体基板を挙げることができる。

また、上述の説明では、主成分としてアルミニウム粉末を含むアルミニウムペーストを塗布・焼成して本発明にかかる裏面電界領域４ａを形成する工程と、アルミニウムよりも半田に対する濡れ性の高い金属ペーストを塗布・焼成して裏面電極６を形成する工程とで、別々に塗布・焼成して電極を形成した例によって説明したがこれに限るものではなく、同時に焼成しても構わない。同時に焼成すれば、工程を短縮して、高い生産性を得ることができる。

そして、上述の説明では、主成分としてアルミニウム粉末を含むアルミニウムペーストを塗布・焼成して本発明にかかる裏面電界領域４ａを形成する工程が、アルミニウムよりも半田に対する濡れ性の高い金属ペーストを塗布・焼成して裏面電極６を形成する工程よりも先に行うような例によって説明したがこれに限るものではなく、これらの工程の順番を入れ替えても構わない。

さらに、太陽電池の製造方法についても上述の方法に限定されるものではなく、本発明の構成を得るために、別の方法を用いても構わない。例えば、所定の金属ペーストの印刷・焼成によって表面電極５、裏面電極６を得る代わりに、ＣＶＤ法やＰＶＤ法などの薄膜を形成する手法を用いてこれらの電極を形成しても構わない。

例えば、上述の説明では、キャスト法を用いた多結晶シリコン基板を例にとって説明したが、多結晶シリコン基板はキャスト法に限る必要はなく、その他の手法による多結晶シリコン基板一般に適用できる。また多結晶シリコン基板に限定されるものではなく、太陽電池級単結晶シリコン基板に代表される単結晶シリコン基板にも適用できる。また結晶シリコン基板に限定される必要はなく、結晶質シリコン薄膜であってもよい。

また上述の説明では、少数キャリア拡散長を用いて説明したが、この少数キャリア拡散長と比例関係にある少数キャリアライフタイムを用いても同様な説明が可能である。少数キャリアライフタイムの測定は例えばμＰＣＤ法（マイクロ波光導電率減衰法）で測定できる。

（ａ）は本発明にかかる太陽電池の概略断面構造を示す模式図であり、（ｂ）は本発明にかかる太陽電池の一実施形態における（ａ）のＡ部の要部拡大図であり、（ｃ）は本発明にかかる太陽電池の別の実施形態における（ａ）のＡ部の要部拡大図である。 本発明の太陽電池にかかる裏面電極を下面方向から見た斜視図である。 本発明にかかる太陽電池を示す図であり、（ａ）はその断面構造、（ｂ）は表面から見た図、（ｃ）は裏面から見た図である。 太陽電池を用いて形成した太陽電池モジュールの概略断面構造を示す模式図である。 一般的な太陽電池を示す図であり、（ａ）はその断面構造、（ｂ）は表面から見た図、（ｃ）は裏面から見た図である。

符号の説明

１：半導体基板（シリコン基板）
２：逆導電型領域
３：反射防止膜
４ａ：裏面電界領域（ＢＳＦ領域）
４ｂ：裏面集電部
５：表面電極
６：裏面電極
７：コンタクト部
９：インナーリード
１０：透光性パネル
１１：充填材
１２：裏面保護材
１３：出力配線
１４：端子ボックス
Ｌ：少数キャリア拡散長
Ｓ１：第一形状の外郭位置を示す線
Ｓ２：第二形状の外郭位置を示す線
Ｘ：太陽電池

Claims (7)

1. 受光面と非受光面とを備えた一導電型を有する半導体基板と、
   前記受光面側に形成された、前記半導体基板と逆の導電型を有する逆導電型領域と、
   前記受光面側に形成された表面電極と、
   前記非受光面側に形成された、前記半導体基板と同じ導電型を有する裏面電界領域と、
   前記非受光面側に形成された裏面電極と、
   前記裏面電極と前記半導体基板とが前記裏面電界領域を介さずに接触したコンタクト部であって、前記表面電極の外郭形状を前記受光面に対して直交する方向に投影した第一形状の内側に存在するコンタクト部と、を備えた太陽電池。
2. 請求項１に記載の太陽電池であって、光活性領域であるバルク基板領域部分と、このバルク基板領域以外の部分とからなり、
   前記コンタクト部は、前記第一形状の外郭から、前記バルク基板領域部分を単独で取り出してその受光面側から測定した少数キャリア拡散長の長さだけ内側にずらした第二形状の内側に存在する請求項１に記載の太陽電池。
3. 前記少数キャリア拡散長の測定は、ＳＰＶ法（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｇｅ法）によって行われる請求項２に記載の太陽電池。
4. 前記半導体基板は、Ｂ（ホウ素）をドープしたｐ型結晶シリコン基板である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の太陽電池。
5. 前記裏面電界領域は、主成分としてＡｌを含有する請求項４に記載の太陽電池。
6. 前記裏面電極は、主成分としてＡｇを含有する請求項５に記載の太陽電池。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の太陽電池が含まれた複数個の太陽電池と、
   一の前記太陽電池の前記表面電極と他の前記太陽電池の前記裏面電極とを電気的に接続したインナーリードと、を備えた太陽電池モジュール。

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