JP2006019768A - Solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は太陽電池素子に関し、特に半導体接合部を有する半導体基板の裏面側にアルミニウム電極を設けた太陽電池素子に関する。 The present invention relates to a solar cell element, and more particularly to a solar cell element in which an aluminum electrode is provided on the back side of a semiconductor substrate having a semiconductor junction.
従来の太陽電池素子の裏面電極は、低コスト化の観点から、PN接合が形成された半導体基板に金属ペーストをスクリーン印刷法で塗布して酸化性雰囲気中で焼成して形成していた。また、更なる低コスト化の要請から、半導体基板の裏面側の一領域に銀ペーストを塗布して乾燥した後に、その領域の周縁部に一部が重なるようにアルミニウムペーストを塗布して乾燥して同時に焼成する同時焼成法(1段階焼成)も用いられていた(特許文献1参照)。 A conventional back electrode of a solar cell element is formed by applying a metal paste to a semiconductor substrate on which a PN junction is formed by a screen printing method and firing in an oxidizing atmosphere from the viewpoint of cost reduction. In addition, in order to further reduce the cost, after applying silver paste to one area on the back side of the semiconductor substrate and drying, the aluminum paste is applied and dried so as to partially overlap the peripheral edge of the area. In addition, a simultaneous firing method (one-stage firing) in which firing is performed simultaneously has also been used (see Patent Document 1).
従来の太陽電池素子の製造方法を図4および図5に従って説明する。P型シリコン基板1の表面側に、Pを含む拡散ソースを用いて熱拡散法でN型拡散層2を形成するとともに、窒化シリコン膜からなる反射防止膜3を形成する。また、半導体基板1の裏面側の端部に溝(不図示)を形成して拡散層2の表面側と裏面側を物理的に分離する。次いで、図5に示すように、半導体基板1の裏面側にスクリーン印刷法で銀電極4となる銀ペーストを塗布して乾燥し、その周縁部に一部が重なるように裏面側の大部分にアルミニウム電極5となるアルミニウムペーストを塗布して乾燥した後に同時に焼成することによって裏面電極4、5を形成する。このときには、半導体基板1の表面側には表面電極6として銀ペーストが櫛歯状にパターニングされているので、表面電極6も裏面電極4、5と同時焼成して形成できる。最後に、銀電極4と表面電極6に半田(不図示)を被覆して一連のセル化が終了する。
A conventional method for manufacturing a solar cell element will be described with reference to FIGS. On the surface side of the P-
半導体基板1の裏面側のアルミニウム電極5を形成する際に半導体基板1の裏面側にアルミニウムの拡散が起こってP+層からなるBSF層7が形成され、セルの電流−電圧特性が向上して高変換効率化が達成される。
When the
このようにして製造された太陽電池素子10では、複数のセル同士を配線材(不図示)を用いて直列に接続して電圧を昇圧させて使用するのが一般的である。
In the
このセル同士の接続には半田が必要となるために電極に半田コーティングするが、アルミニウム電極5には半田付けが困難であるので、半田濡れ性の良好な銀電極4を形成して、これに配線材を半田付けしている。
Since solder is required for connection between the cells, the electrodes are solder coated. However, since it is difficult to solder the
ところが、従来の太陽電池素子10ではアルミニウム電極5を半導体基板1の裏面側の略全面に焼き付ける際にアルミニウム電極5とシリコンからなる半導体基板1の熱収縮率の違いによって応力が発生して半導体基板1が反り、半導体基板1の割れの原因になるという問題があった。
However, in the conventional
このような問題を回避するために、裏面電極4、5の表面をブラスト法や反応性イオンエッチング法などで厚み方向に一部エッチングすることによってアルミニウム電極5による応力を低減させる方法も提案されている(特許文献2参照)。これらの方法によれば、アルミニウム電極5の表面の応力が低減できるため、太陽電池素子10の反りを緩和して割れを抑制することができる。
In order to avoid such a problem, a method of reducing the stress caused by the
しかし、これらの方法によれば、エッチングの厚みが少なすぎれば応力を充分に低減できない反面、エッチングの厚みが厚すぎるとアルミニウム電極5の導電抵抗が向上して電極としての機能を果たさなくなってしまうという問題が発生することから、エッチングの厚みのコントロールが非常に難しいという問題があった。
However, according to these methods, if the etching thickness is too small, the stress cannot be sufficiently reduced. On the other hand, if the etching thickness is too thick, the conductive resistance of the
また、ブラスト法によれば、アルミニウム電極5の表面をエッチングする際に銀電極4も同時にエッチングされてしまい、銀電極4の導電抵抗が上昇して太陽電池素子10の出力特性が低下してしまうという問題が発生する。
Further, according to the blast method, when the surface of the
そこで、エッチングする厚みを見越して銀電極4を必要な厚みよりも厚く形成しておく必要があるが、銀はもともと高価な材料であり、必要以上に使用すると太陽電池素子10のコストアップを招くという問題がある。
Therefore, although it is necessary to form the
この問題を防ぐために、まずアルミニウム電極5のみを形成してエッチングした後に銀電極4を形成するという方法もあるが、裏面電極4、5を形成するために必ず2回以上の焼成工程が必要になり、工程の増加によるコストの上昇を招く。また、高温プロセスの増加によって太陽電池素子10の出力特性が低下する場合がある。
一方、反応性イオンエッチング法でアルミニウム電極の表面をエッチングすれば、ガスの種類や条件を選択することによって物質毎のエッチング量の制御が可能となるため、エッチングの必要のない銀電極4の表面はエッチング量を減らし、反りの原因になるアルミニウム電極5の表面はエッチング量を増やすという制御が可能になるが、反応性イオンエッチングは装置自体も高価なうえにランニングコストも高い。また、真空装置であるため基板1枚あたりの処理時間も長く、生産性の観点から不向きであるという問題がある。さらに、その表面が粗面化されることから、後工程で太陽電池素子10の搬送を行うための真空吸着ができなかったり、後工程での割れの原因になったりするという問題があった。
On the other hand, if the surface of the aluminum electrode is etched by the reactive ion etching method, the etching amount for each substance can be controlled by selecting the type and conditions of the gas. Although it is possible to control to reduce the etching amount and increase the etching amount on the surface of the
本発明はこのような従来の問題に鑑みてなされたものであり、太陽電池素子の出力特性を維持しつつ、アルミニウムとシリコンの熱収縮率の違いによって焼成後に発生する基板の反りによる後工程でのセル割れを簡易な方法で再現性よく抑制することを目的とする。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and is a post-process due to warpage of the substrate that occurs after firing due to the difference in thermal shrinkage between aluminum and silicon while maintaining the output characteristics of the solar cell element. The purpose of this is to suppress cell cracking in a simple manner with good reproducibility.
上記目的を達成するために、請求項1に係る太陽電池素子においては、半導体接合部を有する半導体基板の表面側に表面電極を有するとともに、裏面側にアルミニウム電極からなる裏面電極を有する太陽電池素子において、前記アルミニウム電極中に多数のセラミック粒子を含有させたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, in the solar cell element according to
上記太陽電池素子では、前記セラミック粒子の平均粒径が0.04〜5μmであることが望ましい。 In the solar cell element, it is desirable that the ceramic particles have an average particle size of 0.04 to 5 μm.
また、上記太陽電池素子では、前記セラミック粒子が前記アルミニウム電極中に3〜40体積%存在することが望ましい。 Moreover, in the said solar cell element, it is desirable for the said ceramic particle to exist in 3-40 volume% in the said aluminum electrode.
また、上記太陽電池素子では、前記セラミック粒子がAlもしくはSiの酸化物であることが望ましい。 In the solar cell element, it is preferable that the ceramic particles are an oxide of Al or Si.
また、上記太陽電池素子では、前記セラミック粒子が中空状粒子であってもよい。 In the solar cell element, the ceramic particles may be hollow particles.
請求項1に係る太陽電池素子によれば、半導体接合部を有する半導体基板の裏面側のアルミニウム電極中に多数のセラミック粒子を分散させたことから、従来問題であったアルミニウムと半導体基板の熱収縮率の違いによる半導体基板の反りの発生を抑制することができ、それに起因する太陽電池素子の割れを防ぐことができる。 According to the solar cell element of the first aspect, since a large number of ceramic particles are dispersed in the aluminum electrode on the back surface side of the semiconductor substrate having the semiconductor junction portion, heat shrinkage between aluminum and the semiconductor substrate, which has been a problem in the past, has occurred. Generation of warpage of the semiconductor substrate due to the difference in rate can be suppressed, and cracking of the solar cell element due to the warpage can be prevented.
以下、本発明の実施形態を図1を用いて詳細に説明する。半導体基板1はP型単結晶シリコンまたはP型多結晶シリコンなどから成る。この半導体基板1の表面側にシート抵抗が30〜300Ω/□程度のN型不純物の拡散層2を設ける。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. The
この拡散層2はP型半導体基板1をN型不純物が飛散した雰囲気中で熱処理などして形成する。また、半導体基板1の表面側には窒化シリコン膜などから成る反射防止膜3を設ける。この反射防止膜3は例えばプラズマCVD法などで形成される。さらに、半導体基板1の表面側には銀などを主成分とする表面電極6が設けられるととともに、裏面側にはアルミニウム電極5と配線材(不図示)を接続するための銀電極4とが設けられる。
The
本発明においては、図2に示すように、アルミニウム電極5中に多数の気孔部9を設ける。このようにアルミニウム電極5中に多数の気孔部9を設けると、アルミニウム電極5のヤング率が小さくなり、従来問題であったアルミニウムと半導体基板1の熱収縮率の違いによる半導体基板1の反りの発生を抑制することができ、それに起因する太陽電池素子10の割れを防ぐことができる。
In the present invention, a large number of pores 9 are provided in the
この気孔部9は、その平均最大径が0.04〜5μmにするのが望ましい。この気孔部9の平均最大径が0.04μm以下であると添加した粉体の凝集の原因となり、5μm以上であるとスクリーン印刷を行う際に目詰まりの原因となって望ましくない。なお、この気孔部9の平均最大径はSEM観察により測定できる。 The pores 9 preferably have an average maximum diameter of 0.04 to 5 μm. If the average maximum diameter of the pores 9 is 0.04 μm or less, the added powder is agglomerated, and if it is 5 μm or more, clogging is not desirable when screen printing is performed. The average maximum diameter of the pores 9 can be measured by SEM observation.
この気孔部9は、アルミニウム電極中に3〜50体積%存在することが望ましい。この気孔部9がアルミニウム電極5中に3体積%以下しか存在しないときは、反りが充分に抑制できず本発明の目的を果たすことができない。50体積%以上存在するときは、アルミニウム電極5内の抵抗が高くなり電極としての機能を充分に果たさなくなるため、太陽電池素子10の出力特性の低下につながるため不適である。この気孔部9は20〜36体積%が好適である。なお、アルミニウム電極5中の気孔部9の体積割合はSEM観察により測定できる。
The pores 9 are desirably present in an amount of 3 to 50% by volume in the aluminum electrode. When the pores 9 are present in the
この気孔部9は半導体基板1の反りの抑制および出力特性の確保の観点からアルミニウム電極5中に均一に形成されていることが望ましいが、特に大面積や厚みの薄い、大きな反りを発生させやすい半導体基板1を使用した場合は反りの抑止効果をさらに高めるため半導体基板1側に密集して形成されていてもよいし、更に高い特性を必要とする場合はBSF効果を高めるため表面側に密集して形成されていてもよい。
The pores 9 are desirably formed uniformly in the
アルミニウム電極5中に気孔部9を形成するには、例えばアルミニウム粉末、有機溶剤、バインダーなどからなるアルミニウムペースト中にカーボン粒子などの気孔形成剤を分散させて酸化雰囲気中の700〜900℃程度の温度で焼成すればよい。このようにアルミニウムペースト中にカーボン粒子などの気孔形成剤を分散させて酸化雰囲気中で焼成すると、アルミニウムペースト中のカーボン粒子は600℃程度の温度から二酸化炭素となりはじめて空洞になることから、アルミニウム電極5中に気孔部9が形成されることになる。そのため、600〜700℃程度の温度領域では、その温度を一定時間維持するか、徐々に昇温することが必要であり、また空洞が潰れないようにアルミニウムの溶融温度以下の温度で焼成することが必要である。
In order to form the pores 9 in the
このような気孔部9をアルミニウム電極5中の全体にわたって均一に形成するには、アルミニムペースト中にカーボン粒子などの気孔形成剤を均一に分散させることが必要である。アルミニウムペースト中に気孔形成剤を均一に分散させるためには、充分に攪拌すればよい。また、気孔形成剤の比重がアルミニウムと大きく異なると均一に分散させにくいことから、気孔形成剤としてはできるだけアルミニウムの比重に近似したものがよい。そのような点でもカーボンはアルミニウム電極5の気孔形成剤として有効に用いることができる。
In order to form such pores 9 uniformly throughout the
以上詳細に説明したような太陽電池素子によれば、半導体接合部を有する半導体基板の裏面側のアルミニウム電極中に多数の気孔部を設けたことから、従来問題であったアルミニウムと半導体基板の熱収縮率の違いによる半導体基板の反りの発生を抑制することができ、それに起因する太陽電池素子の割れを防ぐことができる。 According to the solar cell element described in detail above, since a large number of pores are provided in the aluminum electrode on the back surface side of the semiconductor substrate having a semiconductor junction, the heat of aluminum and the semiconductor substrate, which has been a problem in the past, has been provided. Generation of warpage of the semiconductor substrate due to a difference in shrinkage rate can be suppressed, and cracking of the solar cell element due to the warpage can be prevented.
図3は本発明に係る太陽電池素子のアルミニウム電極部分を拡大して示す図である。この太陽電池素子も上述した太陽電池素子と略同じであるが、この発明では、アルミニウム電極中にAl2O3やSiO2のセラミック粒子11を分散させている。このようにアルミニウム電極中に多数のセラミック粒子11を分散させても、アルミニウムの熱収縮防止剤となり、従来問題であったアルミニウムと半導体基板1の熱収縮率の違いによる半導体基板1の反りの発生を抑制することができ、それに起因する太陽電池素子10の割れを防ぐことができる。
FIG. 3 is an enlarged view showing an aluminum electrode portion of the solar cell element according to the present invention. This solar cell element is also substantially the same as the above-described solar cell element. In the present invention, Al 2 O 3 or SiO 2 ceramic particles 11 are dispersed in the aluminum electrode. Thus, even when a large number of ceramic particles 11 are dispersed in the aluminum electrode, it becomes an aluminum thermal shrinkage preventing agent, and warpage of the
このセラミック粒子11は、平均粒径が0.04〜5μmであることが望ましい。このセラミック粒子11の平均粒径が0.04μm以下であると凝集の原因となり、5μm以上であるとスクリーン印刷を行う際に目詰まりの原因となって望ましくない。 The ceramic particles 11 preferably have an average particle size of 0.04 to 5 μm. If the average particle size of the ceramic particles 11 is 0.04 μm or less, aggregation is caused, and if the average particle size is 5 μm or more, clogging is undesirable when screen printing is performed.
このセラミック粒子11は、アルミニウム電極5中に3〜50体積%分散させることが望ましい。セラミック粒子10がアルミニウム電極中に3体積%以下しか存在しないときは、反りが充分に抑制できず本発明の目的を果たすことができない。50体積%以上存在するときは、アルミニウム電極5内の抵抗が高くなり電極としての機能を充分に果たさなくなるため、太陽電池素子10の出力特性の低下につながるため不適である。SiO2の場合、10〜30体積%が好適であり、Al2O3の場合、5〜15体積%が最適である。なお、アルミニウム電極5中のセラミック粒子11の体積割合はSEM観察により測定できる。
The ceramic particles 11 are preferably dispersed in the
このセラミック粒子11は半導体基板1の反りの抑制および出力特性の確保の観点からアルミニウム電極5中に均一に形成されていることが望ましいが、特に大面積や厚みの薄い、大きな反りを発生させやすい半導体基板1を使用した場合は反りの抑止効果をさらに高めるため半導体基板1側に密集して形成されていてもよいし、更に高い特性を必要とする場合はBSF効果を高めるため表面側に密集して形成されていてもよい。
The ceramic particles 11 are desirably formed uniformly in the
アルミニウム電極5中にセラミック粒子11を分散させるには、例えばアルミニウム粉末、有機溶剤、バインダーなどからなるアルミニウムペースト中にAl2O3やSiO2などのセラミック粒子11を分散させて700〜900℃程度の温度で焼成すればよい。
In order to disperse the ceramic particles 11 in the
このようなAl2O3やSiO2などのセラミック粒子11をアルミニウム電極5中の全体にわたって均一に存在させるためには、アルミニムペースト中にセラミック粒子11を均一に分散させることが必要である。アルミニウムペースト中にセラミック粒子11を均一に分散させるためには、充分に攪拌すればよい。また、セラミック粒子11の比重がアルミニウムと大きく異なると均一に分散させにくいことから、セラミック粒子11としてはできるだけアルミニウムに比重が近似したものがよい。そのような点でもAl2O3やSiO2などはアルミニウム電極5に分散させるセラミック粒子11として有効に用いることができる。
In order for such ceramic particles 11 such as Al 2 O 3 and SiO 2 to be uniformly present throughout the
また、上記セラミック粒子11は中空状のセラミック粒子であってもよい。中空状のセラミック粒子の場合、添加重量が小さくても体積をかせぐことができる。 The ceramic particles 11 may be hollow ceramic particles. In the case of hollow ceramic particles, the volume can be increased even if the added weight is small.
以上、詳細に説明したような太陽電池素子によれば、半導体接合部を有する半導体基板の裏面側のアルミニウム電極中に多数のセラミック粒子を分散させたことから、従来問題であったアルミニウムと半導体基板の熱収縮率の違いによる半導体基板の反りの発生を抑制することができ、それに起因する太陽電池素子の割れを防ぐことができる。 As described above, according to the solar cell element described in detail, since a large number of ceramic particles are dispersed in the aluminum electrode on the back surface side of the semiconductor substrate having the semiconductor junction portion, the aluminum and the semiconductor substrate, which have been problems in the past, are used. It is possible to suppress the warpage of the semiconductor substrate due to the difference in thermal shrinkage between the solar cell elements and to prevent the solar cell element from cracking.
アルミニウム電極の電極材料として、アルミニウム粉末、バインダー、有機溶剤、ガラスフリットからなるアルミニウムペーストにカーボン粉末をアルミニウムペーストの全重量比に対し14%含有させたアルミニウムペーストを14.5cm×14.5cmの面積で1600mg塗布し、760℃で焼成して気孔部を形成した15cm×15cm×0.35mmの太陽電池素子(焼き上がりの気孔部は28体積%)の反りと出力特性(Pm)と、アルミニウムペーストにそれぞれSiO2とAl2O3をアルミニウムペーストの全重量比に対し14%含有させた本発明によるアルミニウムペーストをそれぞれ14.5cm×14.5cmの面積で1600mg塗布し、760℃で焼成することによって得られた15cm×15cm×0.35mmの太陽電池素子の反りと出力特性(Pm)とを表1に示す(焼き上がりのSiO2は20体積%、Al2O3は10体積%)。また、上述のような気孔部を形成せず、またセラミック粒子も分散させない従来のアルミニウム電極を有する14.5cm×14.5cmの太陽電池素子の反りと出力特性(Pm)も表1に示す
表1に示すように従来の方法によって得られた太陽電池素子の反りが1.02mmであったのに対し、本発明によって得られた太陽電池素子の反りは0.69〜0.73mmに低減した。また、太陽電池素子の出力特性は従来の太陽電池が3.369Wであったのに対し、本発明による太陽電池素子は3.372〜3.385Wとほぼ同等の特性であった。 As shown in Table 1, the warpage of the solar cell element obtained by the conventional method was 1.02 mm, whereas the warpage of the solar cell element obtained by the present invention was reduced to 0.69 to 0.73 mm. did. The output characteristics of the solar cell element were 3.3369 W for the conventional solar cell, whereas the solar cell element according to the present invention was almost equivalent to 3.372 to 3.385 W.
1:半導体基板、2:拡散層、3:反射防止膜、4:裏面側銀電極、5:アルミニウム電極、6:表面電極、7:裏面側半田層、8:表面側半田層、10:太陽電池素子 1: Semiconductor substrate, 2: Diffusion layer, 3: Antireflection film, 4: Back side silver electrode, 5: Aluminum electrode, 6: Front side electrode, 7: Back side solder layer, 8: Front side solder layer, 10: Sun Battery element
Claims (15)
前記アルミニウム電極中に多数のセラミック粒子を含有させたことを特徴とする太陽電池素子。 In a solar cell element having a surface electrode on the front surface side of a semiconductor substrate having a semiconductor junction and a back electrode made of an aluminum electrode on the back surface side,
A solar cell element characterized in that a large number of ceramic particles are contained in the aluminum electrode.
前記半導体基板の裏面側に、多数のセラミック粒子を含有させたアルミニウムペーストを塗布する工程と、
塗布された前記アルミニウムペーストを焼成する工程と、を備えた太陽電池素子の製造方法。 In the method for manufacturing a solar cell element having a surface electrode on the front surface side of a semiconductor substrate having a semiconductor junction, and having a back electrode made of an aluminum electrode on the back surface side,
Applying an aluminum paste containing a large number of ceramic particles on the back side of the semiconductor substrate;
And baking the applied aluminum paste. A method for manufacturing a solar cell element.
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