JP2005317886A - 光電変換装置とこれを用いた太陽電池素子、並びに太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】表集電極と半導体領域間のコンタクト抵抗を低減することによって、出力特性を向上させた光電変換装置を提供する。
【解決手段】光入射面を有する半導体領域３と、光入射面への光照射によって半導体領域３で生じた光生成キャリアを電流として集める光入射面に配設された略線状の表集電極１、２と、表集電極１、２と半導体領域３とが接触したコンタクト部２ａと、表集電極１、２を流れる電流方向Ｉと略垂直な面Ｊとこの表集電極１、２が構成するコンタクト部２ａの外郭線２ｂとの交点を電流方向に対して連続的に移動したときの軌跡線２ｂと、を備え、この軌跡線２ｂは、その接線方向と電流方向とが一致しない領域、例えば、凹凸状の屈曲領域を少なくとも一部に含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、略線状の表集電極を有した光電変換装置とこの光電変換装置を用いた太陽電池素子、並びに太陽電池モジュールに関するものである。

現在、太陽電池の主流製品は結晶シリコン基板を用いたバルク型シリコン太陽電池である。特許文献１に記載されているバルク型シリコン太陽電池１１０の一般的な構成を図７に示す。図７（ａ）は、断面構造を示す図である。図に示すように、ｐ型シリコンの半導体基板からなるｐ型バルク領域１０５の光入射面側にＰ（リン）原子などが高濃度に拡散され、ｐ型バルク領域との間にｐｎ接合を形成した逆導電型領域１０４が形成され、さらに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１０６が設けられている。また、光入射面の反対側には、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ｐ^＋型領域１０７が設けられている。

光入射面から光が入射すると、逆導電型領域１０４とｐ型バルク領域１０５とｐ^＋型領域１０７とからなる半導体領域１０３で光生成キャリアが発生するが、これらを電流として集めて出力端子にまで導くために、光入射面側には銀などの金属材料を主成分とする表集電極（バスバー電極１０１、フィンガー電極１０２（後述））が設けられ、反対側にはアルミニウムからなる裏面集電極１０８、銀を主成分とする裏面出力電極１０９が設けられている。

図７（ｂ）は光入射面（表面）側から表集電極を見た図である。同図において１０１はバスバー電極、１０２はフィンガー電極を示す。このように、表集電極は、一般的には線幅の狭いフィンガー電極１０２（枝電極）とそれらフィンガー電極１０２の少なくとも一端が接続される線幅が太いバスバー電極１０１（幹電極）とからなっている。

この表集電極での電力ロスをできるだけ低減するために、表集電極には、通常、金属材料が使われ、とりわけ抵抗率の低い銀を主成分とすることが一般的であり、例えば、スクリーン印刷法などにより銀ペーストなどを塗布した後、焼成して形成される。

また、表集電極は光入射面に配置されるため、必然的に表集電極の面積分の光学ロス（反射ロス）が生じる。そのため表集電極のフィンガー電極１０２やバスバー電極１０１は極力細線化する必要があるが、一方で該細線化は、フィンガー電極１０２やバスバー電極１０１の線抵抗を増大させるため、電力の抵抗ロスを増大させる方向にあるので、両者（光学ロス側面と抵抗ロス側面）のバランスを考慮して最適設計をする必要がある。また、フィンガー電極１０２に集められた電子をできる限り損失なくバスバー電極１０１に運ぶため（フィンガー電極長を最短にするため）、フィンガー電極１０２はバスバー電極１０１と直交して設けられることが一般的である。図７（ｂ）のＣ部の拡大図を図７（ｃ）に示す。図７（ｃ）に示すように通常、フィンガー電極１０２はほぼ直線的に設けられる。これは、フィンガー電極長に起因した電気的ロス（抵抗ロス）を抑えるとともに、光学ロスを抑えるという目的にかなっている。
特開平８−２７４３５６号公報 特開平５−７５１５２号公報 特開平９−１０２６２５号公報 特開平１１−３１２６５号公報

上述のように、表集電極は、光学的なロスとフィンガー電極長に起因した電気的ロスの狭間で最適にバランスするような設計が必要であるが、これらはトレードオフの関係にあるため自ずと限界がある。そこで発明者は、フィンガー電極長に起因した電気的ロス以外に存在する電気的ロスを低減することができないかと鋭意考察し、表集電極と半導体領域１０３との間の接触抵抗（コンタクト抵抗）の改善という課題に着目した。

表集電極／半導体領域１０３間のコンタクト抵抗は、太陽電池特性のうち、特に曲線因子（ＦＦ）に影響する直列抵抗成分のひとつで、コンタクト抵抗の増大はＦＦ特性を低下させて変換効率を低下させる。ここで変換効率η∝短絡電流密度Ｊｓｃ×開放電圧Ｖｏｃ×曲線因子ＦＦである。なお、シャント抵抗Ｒｓｈが充分に大きくない、すなわちリーク電流が充分小さくない場合は、その程度に比例して特に開放電圧Ｖｏｃに影響を及ぼす。

そこで、現在市場に売り出されている結晶シリコン系モジュールに使われている多結晶シリコン基板を用いた変換効率１５％程度の太陽電池素子について、表集電極／半導体領域１０３のコンタクト部を起源とするコンタクト抵抗が太陽電池の変換効率に及ぼす影響を計算したところ、これまでに蓄積されている様々な実験データから、変換効率に換算して約０．３％程度のロス量と見積もられた。したがって、このようなコンタクト抵抗を低減することができれば、さらに太陽電池の変換効率を向上させることが可能となる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、表集電極と半導体領域間のコンタクト抵抗を低減することによって、出力特性を向上させた光電変換装置を提供するとともに、これを用いた高い変換効率を有する太陽電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１にかかる光電変換装置は、光入射面を有する半導体領域と、前記光入射面への光照射によって前記半導体領域で生じた光生成キャリアを電流として集める前記光入射面に配設された略線状の表集電極と、前記表集電極と前記半導体領域とが接触したコンタクト部と、を備え、前記表集電極を流れる電流方向と略垂直な面とこの表集電極が構成する前記コンタクト部の外郭線との交点を前記電流方向に対して連続的に移動したときの軌跡線は、この軌跡線の接線方向と前記電流方向とが一致しない領域を少なくとも一部に含む。

本発明の請求項２にかかる光電変換装置は、請求項１に記載の光電変換装置において、前記軌跡線の接線方向と前記電流方向とが一致しない領域には、凹凸状の屈曲が設けられている。

本発明の請求項３にかかる光電変換装置は、請求項１又は請求項２に記載の光電変換装置において、前記表集電極は、フィンガー電極と、このフィンガー電極の少なくとも一端部が接続されるとともにこのフィンガー電極よりも線幅を太くした、出力取出用のバスバー電極と、を含む。

本発明の請求項４にかかる光電変換装置は、請求項３に記載の光電変換装置において、前記コンタクト部は、前記表集電極の前記フィンガー電極と前記半導体領域とが接触して構成され、このコンタクト部の外郭線によって囲まれた面積をＳ_１、前記コンタクト部の前記外郭線を前記フィンガー電極の電流方向に略垂直な複数の切断面で切断して形成されるそれぞれの切断面内における２つの交点間距離の平均値をｄ_１、および前記コンタクト部の前記外郭線の全長をＬ_１としたときに、これらが次式の関係を有するフィンガー電極を少なくとも一つ有する。

０．５Ｌ_１（Ｓ_１・ｄ_１ ^−１＋ｄ_１）^−１＞１．２・・・（１）
本発明の請求項５にかかる光電変換装置は、請求項３又は請求項４に記載の光電変換装置において、前記コンタクト部の外郭線の形状は、このコンタクト部を形成する表集電極の中心線であって、この表集電極の電流方向と同方向をなす中心線を挟んで非対称となるようにした部分を少なくとも一部に有する。

本発明の請求項６にかかる光電変換装置は、請求項３に記載の光電変換装置において、前記コンタクト部は、前記表集電極の前記バスバー電極と前記半導体領域とが接触して構成され、このコンタクト部を光入射面の鉛直方向から平面視したときの、外郭線の全長の総和をＬ_２、面積をＳ_２とし、前記光入射面全体を光入射面の鉛直方向から平面視したときの面積をＳ_３としたときに、これらが次式の関係を有する。

Ｌ_２＞５Ｓ_３ ^１／２・・・（２）
０．０１５＜Ｓ_２／Ｓ_３＜０．０５０・・・（３）
本発明の請求項７にかかる太陽電池素子は、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の本発明の光電変換装置を用いている。

本発明の請求項８にかかる太陽電池モジュールは、所定間隔で配列されるとともに互いに電気的に接続された、複数枚の板状の太陽電池素子を有する太陽電池モジュールであって、前記複数枚の太陽電池素子は、請求項７に記載の本発明の太陽電池素子を含む。

なお、本発明において、電極と半導体領域とが接触したコンタクト部は、必ずしも電極と半導体領域とが全面で接触していることを指すものではなく、半導体領域に電極が設けられ、電極と半導体領域間において相互に導通が取れていればよい。

また、これらの各請求項は互いに組み合わせても本発明の作用効果を奏する。

本発明によれば、表集電極を流れる電流方向と略垂直な面とこの表集電極が構成する前記コンタクト部の外郭線との交点を前記電流方向に対して連続的に移動したときの軌跡線は、この軌跡線の接線方向と前記電流方向とが一致しない領域を少なくとも一部に含むようにしている。これによって、表集電極のエッジ部分（該電極が半導体領域となすコンタクト領域の外郭線）が、直線形状のときに比べて長さが増大する。したがって、Ｒｃ＝Ｒｃｓ／（Ｗｃ×Ｄｃ）におけるＷｃが実質的に増大し、その結果としてコンタクト面積が増大してコンタクト抵抗を低減せしめることができる。

このように本発明の光電変換装置によれば、表集電極と半導体の実質的なコンタクト面積が増えるので両者接触部のコンタクト抵抗を有効に低減することができ、この光電変換装置を用いた太陽電池は高効率なものとなる。

以下、本発明にかかる光電変換装置の一例である太陽電池素子の実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。

図１（ａ）は本発明にかかる太陽電池素子の光入射面側（受光面側、表面側）の電極形状の一例を示す図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ部において図２（ａ）のＢ−Ｂ方向の断面で切ったときの部分拡大図である。また、図２（ａ）は本発明にかかる太陽電池素子の断面構造を示す図であり、図２（ｂ）は非光入射面側（非受光面側、裏面側）の電極形状の一例を示す図である。

構造について簡単に説明する。図２（ａ）に示すように、ｐ型シリコンの半導体基板からなるｐ型バルク領域５の光入射面側にＰ（リン）原子などが高濃度に拡散され、ｐ型バルク領域との間にｐｎ接合を形成した逆導電型領域４が形成され、さらに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６が設けられている。また、光入射面の反対側には、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ｐ^＋型領域７が設けられて、本発明にかかる太陽電池素子１０が構成されている。そして、図１（ａ）、図２（ｂ）に示すように太陽電池素子１０の光入射面側には銀などの金属材料を主成分とする表集電極（バスバー電極１、フィンガー電極２）が設けられ、反対側にはアルミニウムからなる裏面集電極８、銀を主成分とする裏面出力電極９が設けられている。

太陽電池素子１０の光入射面側である反射防止膜６の側から入射から光が入射すると、逆導電型領域４とｐ型バルク領域５とｐ^＋型領域７とからなる半導体領域３で吸収・光電変換されて電子−正孔対（電子キャリアおよび正孔キャリア）が生成される。この光励起起源の電子キャリアおよび正孔キャリア（光生成キャリア）によって、太陽電池素子１０の表側に設けられた略線状の表集電極と、裏側に設けられた裏側電極との間に光起電力を生じ、発生した光生成キャリアはこれらの電極で集められて、出力端子にまで導かれる。

図１（ａ）は光入射面（表面）側から見た表集電極の一例を示す図である。同図において１はバスバー電極、２はフィンガー電極を示す。表集電極は、一般的には線幅の狭いフィンガー電極２（枝電極）とそれらフィンガー電極２の少なくとも一端が接続される線幅が太いバスバー電極１（幹電極）とからなっている。この表集電極での電力ロスをできるだけ低減するために、表集電極には、通常、金属材料が使われ、とりわけ抵抗率の低い銀を主成分とすることが一般的であり、例えば、スクリーン印刷法などにより銀ペーストなどを塗布した後、焼成して形成される。

裏側電極は、図２（ｂ）に示されるように、裏面集電極８と裏面出力電極９とからなる。裏面集電極８は、通常、半導体基板であるシリコンに対して、ｐ型化ドーピング元素として作用するアルミニウムを用いて形成され、シリコン基板の裏面側表層部にｐ^＋型領域７を形成する。このｐ^＋型領域７はＢＳＦ（Back Surface Field）領域とも呼ばれ、光生成電子キャリアが裏面集電極８に到達して再結合損失する割合を低減する役割を果たし、光電流密度Ｊｓｃが向上する。またこのｐ^＋型領域７では少数キャリア（電子）密度が低減されるので、このｐ^＋型領域７および裏面集電極８に接する領域でのダイオード電流量（暗電流量）を低減する働きをし、開放電圧Ｖｏｃが向上する。

ここで、図１（ｂ）に示すように、本発明にかかる表集電極において、太陽電池素子１０の表集電極（図１（ｂ）に示した例ではフィンガー電極２）と半導体領域３とが接触したコンタクト部２ａを有し、表集電極を流れる電流方向Ｉと略垂直な面Ｊが、この表集電極と逆導電型領域４とのコンタクト部２ａの外郭線２ｂと交わる交点を電流方向Ｉに対して連続的に移動したときの軌跡線（本図面の例においては外郭線２ｂと一致）の少なくとも一部に凹凸状の屈曲が設けられている。このようにコンタクト部２ａの外郭線２ｂに凹凸状の屈曲を設けたことによって、表集電極と半導体領域３との間の接触抵抗（コンタクト抵抗）を低減させることができる。

以下、その理由について考察する。図６にフィンガー電極２（特にそのエッジ部分）における電流経路を模式的に示したものを示す。図６において２はフィンガー電極、３は半導体領域、４は逆導電型領域、５はｐ型バルク領域、６は反射防止膜、７はｐ^＋型領域である。

図６において、主にｐ型バルク領域５で生成した電子および正孔キャリアがｐｎ接合によって分離されて電子キャリアが逆導電型領域４に掃き集められ（正孔キャリアはｐ^＋領域側に掃き集められ：不図示）、この掃き集められた電子キャリアが逆導電型領域４を横方向（基板面に水平な方向）に流れて、電子電流としてフィンガー電極２に流れ込む様子を矢印で示している。ここで図中にも示したように、電子電流はフィンガー電極２のエッジ付近に集中して流れる傾向にある。この集中の程度は逆導電型領域４のシート抵抗と表集電極／逆導電型領域４のコンタクト抵抗の大小関係によって決まる。すなわち逆導電型領域４からフィンガー電極２に電子が流れ込む位置（電子が両者の界面を横切る位置）が異なる任意の電流経路を考えた場合に、この電流経路の全抵抗に占めるシート抵抗起源の抵抗に比べて、コンタクト抵抗起源の抵抗が充分に小さければ（通常は大なり小なりこの条件が実現している）、電流は最も抵抗ロスが少ない経路を選んで流れるので、電子電流は図６に示したようにフィンガー電極２のエッジ部分に集中して流れる。一方、もし経路全抵抗に占めるコンタクト抵抗起源の抵抗が非常に大きければ（まれにコンタクト特性が悪い不良セルなどの場合）、電子電流がエッジ部分に集中する程度は弱まり、より広い接触範囲に渡って流れるようになる（不図示）。

ここで、本発明においては、図１（ｂ）に示すように、上述した軌跡線（外郭線２ｂ）の少なくとも一部に凹凸状の屈曲が設けられている。このような構成としたので、図６に示したように、フィンガー電極のエッジ部分のフィンガー電極線方向への長さ、すなわち電極エッジ部分の電子電流が集中して流れる領域（面積）を実質的に拡張（増大）することができ、その結果、表集電極と半導体領域３との間の接触抵抗（コンタクト抵抗）を低減させることができるものと思われる。

なお、本件が関わる通常のコンタクト特性が実現している場合について言えば、コンタクト抵抗Ｒｃ［Ω］は面コンタクト抵抗Ｒｃｓ［Ω・ｃｍ^２］とコンタクト面積Ｓｃ［ｃｍ^２］とによって、次のように書ける。
Ｒｃ＝Ｒｃｓ／Ｓｃ
ここでコンタクト面積Ｓｃをコンタクト幅Ｗｃ（図６において紙面に垂直な方向）とコンタクト奥行きＤｃ（図６においてコンタクトエッジからフィンガー電極２の内部に向かう紙面に平行な方向）によってＳｃ＝Ｗｃ×Ｄｃと書き表せば、前式は次のように表現される。ここでＤｃは図６中のコンタクト有効幅に対応している。
Ｒｃ＝Ｒｃｓ／（Ｗｃ×Ｄｃ）
すなわちＷｃを増大させればＲｃを低減させることができ、本発明によればこのＷｃを有効に増大させることが可能になる。

なお、一般にＤｃの値を知ることは非常に困難であるが、この場合はＲｃの代わりにＲｃ×Ｄｃを用いて［Ω・ｃｍ］の単位で議論するのが好都合である。このようにすれば、測定可能なＲｃｓとＷｃだけでＲｃに比例した量の大小を議論できるからである（Ｒｃｓは四探針測定法により容易に測定することができる）。これによれば上述の軌跡線（外郭線２ｂ）に凹凸状の屈曲を設けない従来の構造では、Ｒｃ×Ｄｃの物理量において２〜４Ω・ｃｍ程度と見積もられる。これは、現在市場に売り出されている結晶シリコン系モジュールに使われている多結晶シリコン基板を用いた変換効率１５％程度の太陽電池素子について、変換効率に換算して約０．２〜０．３％程度のロス量と見積もられる。それに対して本発明にかかる上述の軌跡線（外郭線２ｂ）に凹凸状の屈曲を設けた構成では、コンタクト部の抵抗は、このＲｃ×Ｄｃの物理量において、５０％前後程度低減させることは比較的容易であり、これは変換効率に換算して、従来の構造よりも約０．１〜０．１５％程度の改善となる。

次いで、図２（ａ）に示した本発明にかかる太陽電池素子を形成するプロセスを説明する。

まずｐ型シリコン基板を用意する。図２（ａ）中、少なくともｐ型バルク領域５は基板に含まれる。このときｐ型化ドーピング元素としてはＢ（ボロン）を用いることが望ましく、濃度は１×１０^１６〜１×１０^１７／ｃｍ^３程度とし、このとき基板の比抵抗値は０．２〜２Ω・ｃｍ程度となる。

基板厚は５００μｍ以下にし、より好ましくは３５０μｍ以下にする。基板としては、キャスト法で鋳造された多結晶シリコンインゴットをスライスして基板にした多結晶シリコン基板や単結晶シリコン基板などを用いる。なおドーピングはドーピング元素単体を適量シリコンインゴット製造時に含ませてもよいし、既にドープ濃度の分かっているＢ含有シリコン塊を適量含ませてもよい。その後、基板のスライスにともなう基板表層部の機械的ダメージ層を除去するために、この基板の表面側および裏面側の表層部をＮａＯＨやＫＯＨあるいは、フッ酸やフッ硝酸などでそれぞれ１０〜２０μｍ程度エッチングし、その後、純水などで洗浄する。

次に光入射面となる基板表面側に光反射率低減機能を有する凹凸構造を形成する（不図示）。この凹凸構造の形成にあたっては、上述の基板表層部を除去する際に用いるＮａＯＨなどのアルカリ液による異方性ウェットエッチング法を適用することができるが、シリコン基板がキャスト法などによる多結晶シリコン基板である場合は、基板面内での結晶面方位が結晶粒ごとにランダムにばらつくので、基板全域にわたって光反射率を効果的に低減せしめる良好な凹凸構造を一様に形成することは非常に困難である。この場合は、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法などによるガスエッチングを行えば比較的容易に良好な凹凸構造を基板全域にわたって形成することができる（例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４などを参照）。

次にｎ型の逆導電型領域４を形成する。ｎ型化ドーピング元素としてはＰ（リン）を用いることが望ましく、ドーピング濃度は１×１０^１８〜５×１０^２１／ｃｍ^３程度とし、シート抵抗が３０〜３００Ω／□程度のｎ^＋型とする。これによって上述のｐ型バルク領域５との間にｐｎ接合が形成される。

製法としてはＰＯＣｌ_３（オキシ塩化リン）を拡散源とした熱拡散法を用いて温度７００〜１０００℃程度で、ｐ型シリコン基板の表層部にドーピング元素を拡散させることによって形成する。このとき拡散層厚は０．２〜０．５μｍ程度とするが、これは拡散温度と拡散時間を調節することで、所望の厚さとすることができる。

通常の拡散法では、目的とする面とは反対側の面にも拡散領域が形成されるが、その部分は後からエッチングして除去すればよい。このとき、この基板の表面側以外の逆導電型領域４の除去は、シリコン基板の表面側にレジスト膜を塗布し、フッ酸と硝酸の混合液を用いてエッチング除去した後、レジスト膜を除去することにより行う。また、後述するように、裏面のｐ^＋型領域７（ＢＳＦ領域）をアルミニウムペーストによって形成する場合は、ｐ型ドープ剤であるアルミニウムを充分な濃度で充分な深さまで拡散させることができるので、既に拡散してあった浅い領域のｎ型拡散層の影響は無視できるようにすることができ、この裏面側に形成されたｎ型拡散層を特に除去する必要はない。

なお、逆導電型領域４の形成方法は熱拡散法に限定されるものではなく、例えば薄膜技術および条件を用いて水素化アモルファスシリコン膜や微結晶シリコン層を含む結晶質シリコン膜などを基板温度４００℃程度以下で形成してもよい。ただし薄膜技術を用いて形成する場合は、以下に述べる各プロセスの温度を考慮して後段プロセス程低いプロセス温度となるようにその形成順序を決めることが必要である。

ここで水素化アモルファスシリコン膜を用いて逆導電型領域４を形成する場合はその厚さは５０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下とし、結晶質シリコン膜を用いて形成する場合はその厚さは５００ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以下とする。

なお、逆導電型領域４を上記薄膜技術で形成するときは、ｐ型バルク領域５と逆導電型領域４との間にｉ型シリコン領域（不図示）を厚さ２０ｎｍ以下で形成すると特性向上に有効である。

次に反射防止膜６を形成する。反射防止膜６の材料としては、Ｓｉ_３Ｎ_４膜、ＴｉＯ_２膜、ＳｉＯ_２膜、ＭｇＯ膜、ＩＴＯ膜、ＳｎＯ_２膜、ＺｎＯ膜などを用いることができる。厚さは材料によって適宜選択され入射光に対する無反射条件を実現する（材料の屈折率をｎとし、無反射にしたいスペクトル領域の波長をλとすれば、（λ／ｎ）／４＝ｄが反射防止膜の最適膜厚となる）。例えば、一般的に用いられるＳｉ_３Ｎ_４膜（ｎ＝約２）の場合は、無反射目的波長を６００ｎｍとすれば、膜厚を７５ｎｍ程度とすればよい。

製法としては、ＰＥＣＶＤ法、蒸着法、スパッタ法などを用い、温度４００〜５００℃程度で形成する。なお反射防止膜６は後述する表集電極１、２を形成するために所定のパターンでパターニングしておく。パターニング法としてはレジストなどマスクに用いたエッチング法（ウェットあるいはドライ）や、反射防止膜６形成時にマスクをあらかじめ形成しておき、反射防止膜６形成後にこれを除去する方法を用いることができる。また別の方法として、反射防止膜６の上に直接電極材料を塗布し焼き付けることによって表集電極１、２と逆導電型領域４を接触させるいわゆるファイヤースルー法も一般的であり、この場合は前記パターニングの必要はない。このＳｉ_３Ｎ_４膜には、形成の際には表面パッシベーション効果、その後の熱処理の際にはバルクパッシベーション効果があり、反射防止の機能と併せて、太陽電池素子の電気特性を向上させる効果がある。

次に、基板の表面に銀ペーストを、裏面にはアルミニウムペーストおよび銀ペーストを塗布して焼成することにより（以後、印刷焼成法と呼ぶ）、表集電極および裏側電極を形成する。

まず、裏面集電極８として、アルミニウム粉末と有機ビヒクルとガラスフリットをアルミニウム１００重量部に対してそれぞれ１０〜３０重量部、０．１〜５重量部を添加してペースト状にしたアルミニウムペーストを、例えばスクリーン印刷法で印刷し、乾燥後に同時に６００〜８５０℃で１〜３０分程度焼成することにより焼き付けられる。このときにシリコン基板中にアルミニウムが拡散して、裏面で発生したキャリアが再結合することを防ぐｐ^＋型領域７（ＢＳＦ領域）が同時に形成される。このときｐ^＋型領域のアルミニウムドープ濃度は、１×１０^１８〜５×１０^２１／ｃｍ^３程度とする。なお、ｐ型化ドーピング元素としてはＢ（ボロン）を用いることもできる。

なお、印刷焼成法を用いてこのｐ^＋型領域７を形成する場合は、既に述べたように基板表面側の逆導電型領域４形成時に同時に基板裏面側にも形成されているｎ型の領域を除去する必要もなくすことができる。

また、このペースト中の金属成分のうちｐ^＋型領域７の形成に使われずこのｐ^＋型領域７の上に残存したものはそのまま裏側電極の一部として使うこともでき、この場合は残存成分を塩酸などで特に除去する必要はない。なお、本明細書では、このｐ^＋型領域７の上に残存したアルミニウムを主成分とする裏面集電極８が存在するものとして扱うが、除去した場合は代替電極材料を形成すればよい。この代替電極材料としては、後述する裏面集電極８となる銀ペーストを使うことが、裏面に到達した長波長光の反射率を高めるために望ましい。

なお、このｐ^＋型領域７（裏面側）は、印刷焼成法に代えて、ガス拡散法で形成することも可能である。この場合は、ＢＢｒ_３を拡散源として温度８００〜１１００℃程度で形成する。このとき、既に形成してある逆導電型領域４（表面側）には酸化膜などの拡散バリアをあらかじめ形成しておく。また、このプロセスによって反射防止膜６にダメージが生じる場合は、このプロセスを反射防止膜形成プロセスの前に行うことができる。またドーピング元素濃度は１×１０^１８〜５×１０^２１／ｃｍ^３程度とする。これによってｐ型バルク領域５とこのｐ^＋型領域７との間にＬｏｗ−Ｈｉｇｈ接合を形成することができる。

なおまた、ｐ^＋型領域７の形成方法は、印刷焼成法やガス拡散法に限定されるものではなく、例えば薄膜技術を用いて水素化アモルファスシリコン膜や微結晶シリコン相を含む結晶質シリコン膜などを基板温度４００℃程度以下で形成してもよい。このとき膜厚は１０〜２００ｎｍ程度とする。このとき、ｐ^＋型領域７とｐ型バルク領域５との間にｉ型シリコン領域（不図示）を厚さ２０ｎｍ以下で形成すると特性向上に有効である。ただし薄膜技術を用いて形成する場合は、以下に述べる各プロセスの温度を考慮して後段プロセス程低いプロセス温度となるようにその形成順序を決めることが必要である。

次に本発明の表集電極１、２および裏面出力電極９を形成する。これらは、銀粉末と有機ビヒクルとガラスフリットを銀１００重量部に対してそれぞれ１０〜３０重量部、０．１〜５重量部を添加してペースト状にした銀ペーストを、例えばスクリーン印刷法で印刷、乾燥後に同時に６００〜８００℃で１〜３０分程度焼成することにより印刷面に焼き付けられる。

これらの電極材料としては、銀、Ｃｕ、アルミニウムといった低抵抗金属を少なくとも１種含む材料を用いることが望ましいが、抵抗率の関係から銀が最も好ましい。製法としてはこれら金属を含んだペーストを用いた印刷焼成法以外にも、スパッタ法、蒸着法などの真空製膜法を用いることができる。特にペーストを用いた印刷焼成法では、いわゆるファイヤースルー法によって、反射防止膜６をパターニングすることなしに、表集電極１、２となる金属含ペーストを反射防止膜６上に直接印刷し焼成処理をすることによって表集電極１、２と逆導電型領域４との間に電気的コンタクトをとることができ、製造コスト低減に非常に有効である。なお、表集電極１、２の形成は、裏面側のｐ^＋型領域７の形成に先立って行われてもよい。

さらに電極と半導体領域との接着強度を特に高めるため、ペーストを用いた印刷焼成法ではＴｉＯ_２などの酸化物成分をペースト中にわずかに含ませ、また真空製膜法では電極と半導体領域との界面にＴｉを主成分とした金属層を挿入するとよい。なお、裏側電極の場合は、Ｔｉ主成分金属層の厚さは５ｎｍ以下として金属層が挿入されることによる反射率低減を抑制することが望ましい。裏面集電極８は基板裏面全面に形成することが裏面に到達した長波長光の反射率を高めるために望ましい。

なお、裏面集電極８と裏面出力電極９とは重なり合って厚くなると割れが生じやすいので、出力取出用の裏面出力電極９を形成した後、裏面集電極８は、裏面出力電極９をできるだけ覆わないように導通が取れる程度の状態で形成するのが望ましい。なお、この裏面出力電極９と裏面集電極８を形成する順番はこの逆でもよい。また、裏側電極においては上記構造をとらず、表集電極と同様の銀を主成分とするバスバー部とフィンガー部で構成された構造としてもよい。

本発明にかかる光電変換装置においては、表集電極のパターンは、既に図１（ｂ）で示したように、逆導電型領域４と集電電極のコンタクト部２ａの外郭線２ｂが、電流方向Ｉと略垂直な面Ｊに対して交わる点がＩ方向に向かって形成する連続した軌跡線の少なくとも一部に凹凸状の屈曲が設けられている。具体的には、例えばペーストを用いた印刷焼成法を用いる場合には、図１（ｂ）に示したような、コンタクト部２ａの外郭線２ｂがジグザグ形状になるような所定の開口パターンを有するスクリーンを用いてスクリーン印刷を行い、上述したように焼き付ければよい。このようにすれば、既に述べたように集電電極のコンタクト部２ａの外郭線２ｂの長さが長くなり、逆導電型領域４との実質的なコンタクト領域が増大するのでコンタクト抵抗を有効に低減することができる。

最後に、必要に応じて半田ディップ処理によって表集電極および裏側電極上に半田領域を形成する（不図示）。なお、半田材料を用いない半田レス電極とする場合は半田ディップ処理を省略する。

以上によって本発明の太陽電池素子が実現される。

なお、このようにして形成された太陽電池素子は、通常、太陽電池素子一枚では発生する電気出力が小さいため、一般的に複数の太陽電池素子を直並列に接続した太陽電池モジュールとして用いられる。そして、さらにこの太陽電池モジュールを複数枚組み合わせることによって、実用的な電気出力が取り出せるように構成される。

ここで本発明にかかる太陽電池モジュールの構造とこれを形成するプロセスについて、図８を用いて説明する。

透光性パネル１２としては、ガラスやポリカーボネート樹脂などが用いられる。ガラスとしては白板ガラス、強化ガラス、倍強化ガラス、熱線反射ガラスなどが用いられるが、一般的には厚さ３ｍｍ〜５ｍｍ程度の白板強化ガラスが多く使用される。ポリカーボネート樹脂の場合、厚みが５ｍｍ程度のものが多く使用される。

充填材１３としては、透光性、耐熱性、電気絶縁性を有する素材が好適に用いられ、酢酸ビニル含有量２０〜４０％のエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）のほか、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）などを主成分とする、厚さ０．４〜１ｍｍ程度のシート状形態のものが用いられる。充填材１３は、太陽電池モジュール１７の作製に当たっては、太陽電池素子の表側と裏側の双方に配されることが多く、これらは減圧下でのラミネート工程において、熱架橋融着して他の部材と一体化する。

裏面保護材１４は、水分を透過しないようにアルミ箔を挟持した耐候性を有するフッ素系樹脂シートやアルミナまたはシリカを蒸着したポリエチレンテレフタレ−ト（ＰＥＴ）シートなどが用いられる。

タブ１１は、例えば、銅箔を主体としその表面に半田がコートされた導電性の材質からなる。これを所定の長さに切断し、太陽電池素子１０の出力取出電極であるバスバー電極１および裏側の裏面出力電極９に半田付けして用いる。

実際にタブ１１を配線するには、まず、タブ１１の一端を太陽電池素子１０のバスバー電極１にホットエアーやホットプレートなどにより半田付けで接着する。続いて、このタブ１１の他端をモジュールにしたときに隣接する太陽電池素子１０の裏側の裏面出力電極９に同様にして半田付け接着する。なお、並列接続の場合は隣接する太陽電池素子１０のバスバー電極１同士を接着すればよい。これを繰り返して複数の太陽電池素子１０を接続した太陽電池素子群を作製する。

なお、太陽電池素子群の中に、本発明の太陽電池素子１０が少なくとも１つ含まれていれば効果を奏するが、発明の効果を良好に奏するためには、太陽電池素子群を構成する太陽電池素子全てが本発明の太陽電池素子１０であることがより望ましい。

出力配線１５は、タブ１１によって接続された太陽電池素子１０の群からの電気出力を端子ボックス１６のターミナルに伝えるもので、通常厚さ０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度、幅６ｍｍ程度の銅箔の表面全体に２０〜７０μｍ程度の半田を被覆したものを、所定の長さに切断し、太陽電池素子１０の電極に半田付けされている。

ここで、上述のような透光性パネル１２、表側の充填材１３、複数の太陽電池素子１０にタブ１１や出力配線１５が接続された太陽電池素子群、裏側の充填材１３、裏面保護材１４の積層体を接着一体化する。すなわち、各部材の積層体をラミネータと呼ばれる減圧状態で加熱しながら加圧する装置にセットした後、太陽電池モジュール１７の内部の空気を除去するために５０〜１５０Ｐａ程度に減圧し、１００〜２００℃の温度で１５分〜１時間加熱しながら加圧する。これによって、表側と裏側にそれぞれ配された充填材１３が軟化し架橋融着するため、各部材を接着し一体化し、太陽電池モジュール１７のパネル部を作製することができる。

さらに、上述の方法によって作製された太陽電池モジュール１７のパネル部の裏面に端子ボックス１６を接着剤により取り付ける。端子ボックス１６は、太陽電池素子１０からの出力配線１５と外部回路に接続するためのケーブル（不図示）の接続を行うものであり、変性ＰＰＥ樹脂などで紫外線などに対する耐光性を考慮して通常黒色に造られる。また端子ボックス１６の概略の大きさは、出力約１６０Ｗ程度の一般的な太陽電池モジュールでは１００×６０×２０ｍｍ程度のものが多い。

また、通常、太陽電池モジュール１７のパネル部の各辺部に対してモジュール枠（不図示）が設けられることが多い。モジュール枠は、アルミニウムの押し出し成形で造られることが多く、その表面にはアルマイト処理などが施される。そしてこのモジュール枠を太陽電池のパネル部の外周各辺に嵌め込み、各コーナー部をビスなどにより固定する。このようなモジュール枠を設けることによって、機械的強度や耐候性能を付与し、さらに、太陽電池モジュールを設置する場合などに取り扱いやすくすることができる。

以上によって、本発明の太陽電池モジュールが実現される。

次に本発明にかかる電極の他の実施形態について説明する。

図１（ｂ）に示した例では、表集電極と半導体領域３とが接触したコンタクト部２ａの外郭線２ｂに設けた凹凸状の屈曲として、三角形を連続的につけた三角波状のジグザグとなった形状としたが、例えば、図３（ａ）に示すように、外郭線２ｂが三角形を断続的につけた形状や、図３（ｂ）に示すように、曲線によって形成されていてもよい。このように多角形、矩形、曲線、あるいはこれらの組合せによって外郭線２ｂを形成することが可能である。

また、コンタクト部２ａの外郭線の形状は、コンタクト部２ａを形成する表集電極の中心線であって、この表集電極の電流方向Ｉと同方向をなす中心線を挟んで非対称となるようにしたほうがよい。わかりやすくするため、図４は表集電極のうちフィンガー電極２と半導体領域３とのコンタクト部２ａの形状とその外郭線２ｂで示す。図４（ａ）に示す例は、この外郭線２ｂと、電流が流れる方向と同方向の中心線Ｋを挟んで対向する外郭線２ｂとのジグザグ形状は、位相がずれた状態であり、互いに非対称の位置関係となっている。このようにすれば、フィンガー電極２の幅が特に狭くなる部分をなくすことができるのでフィンガー電極２の線抵抗を高めることもなく非常に有効である。図にはフィンガー電極２の中心線を挟んで対称位置にあるエッジ形状の位相差が半周期とした場合について示したが、位相差は半周期に限る必要はなく、フィンガー電極２の括れ部分を少なくすることができれば、その程度に応じて特性向上が期待できる。この場合にもジグザグ形状ばかりでなく、図４（ｂ）、図４（ｃ）に示すように多角形、矩形、曲線、あるいはこれらの組合せによって、その外郭線が、電流が流れる方向を挟んで非対称となるように形成することが可能である。

また、図５に示すように、フィンガー電極２と半導体領域３が接触して構成されるコンタクト部２ａの外郭線２ｂによって囲まれた面積をＳ_１、外郭線２ｂを電流が流れる方向Ｉに略垂直な複数の面で切断したとき、これらそれぞれの切断面中の２つの切断交点間の距離の平均値をｄ_１、および外郭線２ｂの周囲の長さをＬ_１としたときに、これらが、次式の関係を有していることが望ましい。

０．５Ｌ_１（Ｓ_１・ｄ_１ ^−１＋ｄ_１）^−１＞１．２・・・（１）
（１）式の意味について説明する。フィンガー電極２と半導体領域３が接触して構成されるコンタクト部２ａの外郭線２ｂによって囲まれた面積Ｓ_１は、別の表現をすれば、コンタクト部２ａの外郭線を鉛直方向から平面視したときの面積と言い換えることもできる。したがって、フィンガー電極２の形状を矩形状と仮定した場合に、２（Ｓ_１・ｄ_１ ^−１＋ｄ_１）はこの矩形の外周の周囲の長さと等しくなる。したがって、Ｌ_１をこれで割った０．５Ｌ_１（Ｓ_１・ｄ_１ ^−１＋ｄ_１）^−１は、本発明にかかるコンタクト部２ａの外郭線２ｂ（凹凸状の屈曲部を有している）の周囲の長さと、凹凸状の屈曲のない場合（矩形状の場合）の周囲の長さとの比であるから、これはすなわち凹凸状の屈曲によって長くなっている比率を意味する。このように特に表集電極の中でも集電の役割を主として果たすフィンガー電極２と半導体領域３とのコンタクト部２ａにおいて、その外郭線２ｂの周囲の長さＬ_１が、同面積の矩形とした場合の外郭線の周囲の長さに対して１．２倍以上にすることにより、コンタクト部２ａの有効面積を明らかに増加させて、コンタクト抵抗の低減を図ることができるため、光電変換素子の出力特性を向上させることができる。

なお、この凹凸状の屈曲によって長くすべき比率の上限としては、３〜５とすることが望ましく、より望ましくは３である。すなわち、外郭線２ｂが２次元構造をなす場合は、比率が値よりも大きくなると、表集電極の面積の増大を招かないためには必然的に、この凹凸状の凸部の線幅が細くなりすぎ線切れなどの問題を招来する。また、外郭線２ｂを表集電極下の半導体領域表面の凹凸構造を反映させて３次元構造で形成する場合は、比率が値よりも大きくなると、該半導体表面の凹凸構造のアスペクト比（凹凸高さ／凹凸ピッチ）が大きくなりすぎることに対応するため該凹凸構造の凸部でリークが発生しやすくなる。上記に示した範囲においては、これらのバランスが取れており発明の効果を良好に奏する。

なお、フィンガー電極２の幅を測定する場合は、その長さ方向にｍ等分（ｍ≧６）して、これらの平均値を求めればよい。例えば、図５の場合、ｄ_１１〜ｄ_１５の５箇所で切断して６等分したものであり、これらの５箇所の平均値をｄ_１とすればよい。

なお、上述の説明では、表集電極として半導体領域３と接触してコンタクト部２ａを構成するフィンガー電極２と、このフィンガー電極２の少なくとも一端部が接続されるとともにこのフィンガー電極２よりも線幅を太くした、出力取出用のバスバー電極１と、を含んだ例によって説明した。このような構成とすることによって、光電変換装置の光入射面積を最大限に増加させ、抵抗を最大限に減らすことができるので望ましい。

また、このように表集電極として半導体領域と接触してコンタクト部を構成するのは、フィンガー電極に限るものではなく、バスバー電極に対しても同様に、半導体領域と接触して本発明に係るコンタクト部を構成するようにすれば、さらに優れた効果を奏するので望ましい。

以下、本発明にかかるバスバー電極１の好ましい態様について、図９を用いて説明する。

図９（ａ）は本発明の太陽電池素子の光入射面側から表集電極を見た図であり、図１（ａ）と比べて、バスバー電極が１本多い状態である。図９（ｂ）は図９（ａ）のＤ部の部分拡大図である。

図９の場合では、表集電極からフィンガー電極２を除いた部分、すなわちバスバー電極１は３本であり、図９（ｂ）に示すように、これらのバスバー電極１と半導体領域３（図２（ａ）の断面構造図に示した）とが接触して構成されるコンタクト部１ａについて、外郭線を平面視したときの全長の総和をＬ_２、コンタクト部１ａの外郭線を光入射面の鉛直方向から平面視したときの面積をＳ_２、光入射面全体を光入射面の鉛直方向から平面視したときの面積をＳ_３としたときに以下の式が成り立つように構成すると望ましい。

Ｌ_２＞５Ｓ_３ ^１／２・・・（２）
０．０１５＜Ｓ_２／Ｓ_３＜０．０５０・・・（３）
まず、（２）式について説明する。これは、図９（ｂ）に示すように、コンタクト部１ａを平面視したときの、外郭線１ｂの全長の総和Ｌ_２が、この太陽電池素子の光入射面全体を平面視したときの面積Ｓ_３の平方根（１／２乗）の５倍よりも大きいことを表す。図に示した例はバスバー電極１の一部分を拡大して示したものであり、実際の外郭線の全長は、バスバー電極１の全長に渡るものであり、さらに、この外郭線の長さの総和Ｌ_２は、バスバー電極の本数の分だけ足し合わせる必要がある。

本発明において、このコンタクト部１ａを平面視したとき外郭線１ｂの長さが大きいことは、このバスバー電極１のエッジ部分の電子電流が集中して流れる領域（面積）を実質的に拡張（増大）することに相当する。これは、既に図６の説明において述べた推測のとおりである。この結果、バスバー電極１と半導体領域３との間の接触抵抗（コンタクト抵抗）を低減させることができ、太陽電池素子の変換効率を上げることができる。

この外郭線の全長の総和Ｌ_２としては、この太陽電池素子の光入射面全体の面積Ｓ_３の平方根（１／２乗）の５倍よりも大きいことが望ましいが、これは、図９（ａ）に示したように略正方形の太陽電池素子で、一辺の長さよりわずかに小さいバスバー電極１が設けられている場合には、バスバー電極１を３本以上とすれば達成できるが、単に増やしただけでは、光入射面を遮ってしまい、逆に光の入射量を減少させることになる。したがって、（３）式に示すように、コンタクト部１ａの外郭線を鉛直方向から平面視したときの面積Ｓ_２が、光入射面を平面視したときの面積Ｓ_３にの対して、比率が０．０５０（５％）よりも小さくなるにする。なお、それぞれ「平面視」という限定を付けているのは、表面の凹凸やうねりを除去するためである。

コンタクト部１ａの外郭線を平面視したときの面積Ｓ_２は、バスバー電極１の面積に対応する。この面積を光入射面の全面積に対して、所定範囲よりも小さく抑えることによって、変換効率を下げることを抑制できるということを意味するものである。なお、この比率は０．０１５（１．５％）以下にしてしまうと、バスバー電極１の幅が狭くなるなどの理由から導電抵抗が上がってしまい望ましくない。

なお、上式による作用効果は、太陽電池素子の形状が不規則な場合にも良好に発揮される。図１０に示す例は、不規則な形状の太陽電池素子の一例を示すものである。図１０（ａ）は横長の太陽電池素子１０ａの長手方向にフィンガー電極２を設け、短手方向にバスバー電極１を設けた例であり、図１０（ｂ）は縦長の太陽電池素子１０ｂの長手方向にバスバー電極１を設け、短手方向にフィンガー電極２を設けた例である。

例えば、図１０（ａ）の場合には、バスバー電極１の１本当たりの長さは短くなるが、（２）式によって、バスバー電極１の本数を増加させるような構成とする。このような横長の太陽電池素子１０ａの場合、フィンガー電極２の長さが大きくなり、抵抗が高くなって、素子特性に悪影響を及ぼすが、このように（２）式に示すようにバスバー電極１の本数を増加させることによって、フィンガー電極２からバスバー電極１までの距離を短くすることができ、高抵抗化による悪影響を回避できる。

また、図１０（ｂ）の場合には、バスバー電極１の１本当たりの長さが長くなるので、（２）式にしたがえば、バスバー電極１の本数は減少する構成となる可能性がある。このような縦長の太陽電池素子１０ａの場合、フィンガー電極２の長さも短くなるから、バスバー電極１の本数が少なくても、フィンガー電極２の抵抗による悪影響が少ない。

このように、本発明にかかるバスバー電極は、（２）式と（３）式による構成とすることによって、その長さと面積を最適なものとすることができるので、本発明の光電変換装置（太陽電池素子）は良好な変換効率を得ることができる。

なお、半導体領域３に対してＲＩＥ法などのガスエッチングなどによって微細な凹凸を多数設けるようにすれば、コンタクト部１ａを平面視して得られる外郭線よりも、真の外郭線は実質的に長くなるため、さらに高い効果を得ることができる。

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。

例えば、上述では、出力取出用のバスバー電極１に対して、フィンガー電極２の一端部が略直交して接続された例によって説明したが、直交していなくても構わないし、さらにフィンガー電極の両端部がバスバー電極１に接続され、閉じた形状となっていても構わない。そして、フィンガー電極２にかかるコンタクト部２ａの外郭線２ｂとして、そのエッジ形状が互いに相似となった例によって説明したが、これらの形状は相似形状でなくてもよい。

さらに表集電極が略直線状となった例によって説明したが、略曲線状であってもよい。そして半導体基板が平坦な場合（外郭線２ｂが２次元構造である場合）を例にとって説明したが、これに限るものではなく、例えば、半導体基板表面が、凹凸状（例えばアルカリエッチングによって形成されるピラミッド構造やＲＩＥ処理によって形成される微細凹凸形状など）や、曲面状（例えば球形状）であっても（すなわち外郭線２ｂが３次元構造を有する場合であっても）、本発明の原理・構成によれば、全く同様の効果を奏することは言うまでもない。これらの場合、電流が流れる方向やコンタクト部２ａ自体も電極形状にしたがって略曲線状あるいは曲面状となるが、この電流が流れる方向に対して略垂直方向を求めるには、電流が流れる方向を示す曲線において、求めたい部分における法線に対して垂直な方向とすればよい。

また上述の説明では、ｐ型シリコン基板を用いた太陽電池について説明したが、ｎ型シリコン基板を用いた場合にも、説明中の極性を逆にすれば同様のプロセスによって本発明の効果を得ることができる。

そして上述の説明では、シングル接合の場合について説明したが、半導体多層膜からなる薄膜接合層をバルク基板使用接合素子に積層して形成した多接合型であっても、本発明を適用することができる。

さらに上述の説明では、キャスティング法を用いた多結晶シリコン基板を例にとったが、基板はキャスティング法によるものに限る必要はなく、また多結晶シリコンに限る必要はない。また、半導体基板に限定されることもなく、半導体薄膜であってもよい。またシリコン材料に限定されることもなく、半導体一般に適用できる。すなわち、化合物系や有機物系の太陽電池にも適用できる。

また、上述の説明では、バルク型シリコン太陽電池を例にとったが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の原理・目的を逸脱しない限り任意の形態とすることができる。すなわち、光入射面を有する半導体領域を備えた光電変換装置であって、前記光入射面への光照射によって前記半導体領域で生じた光生成キャリアを電流として集める、この光入射面に配設された略線状の表集電極と、前記表集電極と前記半導体領域とが接触したコンタクト部であって、このコンタクト部の外郭線は、前記電流が流れる方向と略垂直方向に対して交わる部分の少なくとも一部に凹凸状の屈曲が設けられたコンタクト部と、を備えていれば、太陽電池以外の光センサなどの光電変換装置一般に適用できる。

さらに、上述の説明では、本発明の光電変換装置にかかる軌跡線（上述した例においては外郭線と一致）の少なくとも一部に凹凸状の屈曲が設けられている例によって説明したが、この軌跡線の領域の少なくとも一部に、その接線方向と電流方向とが一致しない領域を含むように構成すれば、本発明の効果を奏する。接線方向と電流方向とが一致しない領域とは、例えば、凹凸状の屈曲形状の例では、凹部から凸部あるいは凸部から凹部への移行部などが含まれる。

以下、上述の実施形態に沿って作製した光電変換装置であるバルク型結晶シリコン太陽電池について、表集電極のフィンガー形状と特性との関係を調べた実験結果について説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

基板としては、キャスト法で製造された１５０ｍｍ×１５５ｍｍサイズの平板状のｐ型多結晶シリコン基板を用い、図２（ａ）に示した構成で太陽電池素子を形成した。

本発明の光電変換装置にかかる表集電極は、銀を主成分としたペーストを用いて印刷焼成した。表集電極の全体パターンは、図１において、基板の向きを縦方向１５０ｍｍ・横方向１５５ｍｍとしたときに、基板縦中心線に対して線対称に配置されたバスバー電極１の長さを１４７．５ｍｍ、バスバー電極１の幅を２ｍｍ、二つのバスバー電極１の中心線間距離を７７．５ｍｍ、バスバー電極１に対して垂直（基板横方向）に配置され基板縦中心線に対して線対称に配置されたフィンガー電極２の基板一端から他端までの長さ（途中で横切るバスバー電極１の幅を含むとしたとき）を１５２．８ｍｍ、フィンガー電極２の平均の幅を１６５μｍ、隣接するフィンガー電極２の中心線間の平均距離を２．３８ｍｍとした。なお、フィンガー電極２の平均の幅は、上述したようにバスバー電極１に接続した一端から他端までの長さを１０等分して、各々の位置（９ポイント）における幅を求め、平均値を求めた。

この全体パターンを共通条件として、図１（ｂ）および図３、図４に示すフィンガー電極形状の効果を確認する実験を行った。

まず、図１（ｂ）に示すような本発明の光電変換装置にかかる軌跡線、すなわちフィンガー電極２と半導体領域３のコンタクト部２ａの外郭線２ｂに対して、凹凸状の屈曲を設けた場合について実験を行った。実験結果を表１に示す。ここで凹凸状の屈曲は、いずれの形状条件であっても表集電極の光入射面に占める面積割合がほぼ同一になるようにしてある。また、表１には、フィンガー電極２のコンタクト部２ａの外郭線２ｂが凹凸状の屈曲ではない場合（すなわち略直線状の場合）の外周長さを１に規格化したときの凹凸状の屈曲の度合いに対応した外周長さの比率を示している。これはすなわち本発明の請求項３で説明した、
０．５Ｌ_１（Ｓ_１・ｄ_１ ^−１＋ｄ_１）^−１
の式で表される値に該当する。ここで凹凸状の屈曲の１周期距離はおよそ１０〜２０μｍ程度とした。

表１より、本発明によって特性向上がなされていることが明らかである。すなわちフィンガー電極２のコンタクト部２ａの外郭線２ｂに凹凸状の屈曲を設けたことにより、実質的なコンタクト面積が増大した結果、コンタクト抵抗成分が低減されて特性が向上したと考えられる。

次に、図４に示すフィンガー形状の効果を把握するための実験を行った。表２には、上述の表１の規格化外周長さが１．４の場合について、図４に示すようにフィンガー電極２の電流が流れる方向と同方向の中心線を挟んで対称位置にある凹凸状の屈曲のエッジ形状の位相を半周期ずらして、非対称としたときの実験結果を示す。

表２より、凹凸状の屈曲の位相差を半周期ずらしたことによる特性向上効果が明らかである。すなわち、凹凸状の屈曲の位相差を半周期ずらして、非対称としたことによりフィンガー電極２の括れた部分が解消されてフィンガー電極２の線抵抗が有効に低減され、特性向上が図れたものと考えられる。

次に、図９に示すバスバー電極の形状の効果を把握するための実験を行った。

基板としては、キャスト法で製造された１５０ｍｍ×１５０ｍｍサイズの平板状のｐ型多結晶シリコン基板を用い、図２（ａ）に示した構成で太陽電池素子を形成した。

本発明にかかる表集電極は、銀を主成分としたペーストを用いて印刷焼成した。表集電極の基本パターンとしては、バスバー電極の本数は三本とし、以下に示す寸法とした。

基板縦中心線に１本、それに対して線対称に２本の計３本配置されたバスバー電極１の長さを１４８．８ｍｍ、バスバー電極１の幅を１．３ｍｍ、二つのバスバー電極１の中心線間距離を５０ｍｍ、バスバー電極１に対して垂直（基板横方向）に配置され基板縦中心線に対して線対称に配置されたフィンガー電極２の基板一端から他端までの長さ（途中で横切るバスバー電極１の幅を含むとしたとき）を１４９ｍｍ、フィンガー電極２の幅を８０μｍ、隣接するフィンガー電極２の中心線間の平均距離を２．４ｍｍとした。

またコンタクト部１ａを鉛直方向から平面視したときの外郭線１ｂの長さと、面積Ｓ_２については、太陽電池素子を鉛直方向から撮影して、表面画像をデジタル化した後、電極とそれ以外の部分とが分離されるような閾値によって二値化することによって、電極の箇所とそれ以外の箇所とを分離し、面積Ｓ_２と外郭線１ｂの長さを求めた。

なお、上述の面積Ｓ_２と外郭線１ｂの長さを求めるに当たっては、各測定値はいずれも棄却検定として有意水準０．０５でｔ検定を行い、妥当性を確認済である。

この太陽電池素子について各種特性を測定した結果を表３に示す。なお、太陽電池の特性として、ＪＩＳ Ｃ ８９１３（１９９８）で規定される短絡電流値（Ｉｓｃ）と曲線因子（ＦＦ）については、この規格に基づいて測定を行った。

なお、図１０（ａ）、（ｂ）に示す横長、縦長の形状を有する多結晶シリコン基板（面積は上記の１５０ｍｍ角と同じとして）についても、同様の実験を行った。なお、バスバー電極１については、横長形状の場合は三本、四本の２種類とし、縦長形状の場合は、二本、三本の二種類とした。

表３より、本発明の（２）式、（３）式の条件を満たす、試料Ｎｏ．２〜６、試料Ｎｏ．９，１０は特性向上効果が明らかであった。

（ａ）は、本発明にかかる光電変換装置の一例である太陽電池素子の光入射面側（表面側）の電極形状の一例を示す図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部において図２（ａ）のＢ−Ｂ方向の断面で切ったときの部分拡大図である。 （ａ）は本発明にかかる光電変換装置の一例である太陽電池素子の断面構造を示す図であり、（ｂ）は非光入射面側（裏面側）の電極形状の一例を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明にかかるコンタクト部の実施形態の例を示す図であり、図１（ａ）のＡ部において図２（ａ）のＢ−Ｂ方向の断面で切ったときの部分拡大図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明にかかるコンタクト部の実施形態の例を示す図であり、図１（ａ）のＡ部において図２（ａ）のＢ−Ｂ方向の断面で切ったときの部分拡大図である。 本発明にかかるフィンガー電極の寸法構成において好ましい態様を説明するための図である。 一般的なフィンガー電極（特にそのエッジ部分）における電流経路を模式的に示す図である。 バルク型シリコン太陽電池の一般的な構成を示し、（ａ）は断面構造図であり、（ｂ）は光入射面（表面）側からの表集電極の上視図であり、（ｃ）は（ｂ）のＣ部の部分拡大図である。 本発明の太陽電池モジュールの断面構造を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明にかかるバスバー電極の寸法構成において好ましい態様を説明するための図であり、（ｂ）は（ａ）のＤ部の部分拡大図である。 （ａ）、（ｂ）は、不規則な形状の太陽電池素子における、本発明にかかるバスバー電極を示す図である。

符号の説明

１：表集電極であるバスバー電極
１ａ：コンタクト部
１ｂ：外郭線
２：表集電極であるフィンガー電極
２ａ：コンタクト部
２ｂ：外郭線
３：半導体領域
４：逆導電型領域
５：ｐ型バルク領域
６：反射防止膜
７：ｐ^＋型領域
８：裏面集電極
９：裏面出力電極
１０：太陽電池素子

Claims (8)

1. 光入射面を有する半導体領域と、
   前記光入射面への光照射によって前記半導体領域で生じた光生成キャリアを電流として集める前記光入射面に配設された略線状の表集電極と、
   前記表集電極と前記半導体領域とが接触したコンタクト部と、を備え、
   前記表集電極を流れる電流方向と略垂直な面とこの表集電極が構成する前記コンタクト部の外郭線との交点を前記電流方向に対して連続的に移動したときの軌跡線は、この軌跡線の接線方向と前記電流方向とが一致しない領域を少なくとも一部に含む光電変換装置。
2. 前記軌跡線の接線方向と前記電流方向とが一致しない領域には、凹凸状の屈曲が設けられている請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記表集電極は、フィンガー電極と、このフィンガー電極の少なくとも一端部が接続されるとともにこのフィンガー電極よりも線幅を太くした、出力取出用のバスバー電極と、を含む請求項１又は請求項２に記載の光電変換装置。
4. 前記コンタクト部は、前記表集電極の前記フィンガー電極と前記半導体領域とが接触して構成され、
   このコンタクト部の外郭線によって囲まれた面積をＳ_１、前記コンタクト部の前記外郭線を前記フィンガー電極を流れる電流方向に略垂直な複数の切断面で切断して形成されるそれぞれの切断面内における２つの交点間距離の平均値をｄ_１、および前記コンタクト部の前記外郭線の全長をＬ_１としたときに、これらが次式の関係を有するフィンガー電極を少なくとも一つ有する請求項３に記載の光電変換装置。
   ０．５Ｌ_１（Ｓ_１・ｄ_１ ^−１＋ｄ_１）^−１＞１．２・・・（１）
5. 前記コンタクト部の外郭線の形状は、このコンタクト部を形成する表集電極の中心線であって、この表集電極の電流方向と同方向をなす中心線を挟んで非対称となるようにした部分を少なくとも一部に有する請求項３又は請求項４に記載の光電変換装置。
6. 前記コンタクト部は、前記表集電極の前記バスバー電極と前記半導体領域とが接触して構成され、
   このコンタクト部を光入射面の鉛直方向から平面視したときの、外郭線の全長の総和をＬ_２、面積をＳ_２とし、前記光入射面全体を光入射面の鉛直方向から平面視したときの面積をＳ_３としたときに、これらが次式の関係を有する請求項３に記載の光電変換装置。
   Ｌ_２＞５Ｓ_３ ^１／２・・・（２）
   ０．０１５＜Ｓ_２／Ｓ_３＜０．０５０・・・（３）
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光電変換装置を用いた太陽電池素子。
8. 所定間隔で配列されるとともに互いに電気的に接続された、複数枚の板状の太陽電池素子を有する太陽電池モジュールであって、
   前記複数枚の太陽電池素子は、請求項７に記載の太陽電池素子を含む太陽電池モジュール。

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