JP2006041309A - 太陽電池素子の接続構造及びこれを含む太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】銀とアルミニウムとの合金層によるシリコン基板の侵食を抑制し、薄いシリコン基板でも破損しにくく、信頼性の高い良好な接続を得ることができる太陽電池素子同士を接続するための太陽電池素子の接続構造と、これを用いた高い信頼性の太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】非受光面側に、アルミニウムを含有するペーストを塗布焼成して形成した裏側集電極６を設けた、シリコンを基板１とする太陽電池素子と、裏側集電極６と接触した状態で、固定手段であるリード線保持体７ａによって固定されたリード線１１と、を含むようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池素子同士を接続するための、電極とリード線とを接続する接続構造とこれを含む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素子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。

近年ではさらに低コスト化への要請が高まっている。低コスト化のための一つの方法として、太陽電池素子の大面積化がある。面積を大きくすればそれだけ同じ枚数を作製したときにできる太陽電池の出力を大きくできることが理由である。また、太陽電池素子を形成するシリコン基板を薄くし、材料の使用量を減らすことによって低コスト化を行うことも検討されている。

太陽電池素子の一般的な構成を図８に示す。図８のうち、（ａ）は断面構造を示す図、（ｂ）は（ａ）の上視図、（ｃ）は下視図である。

図８（ａ）に示すように、Ｂ（ホウ素）を半導体不純物として含むｐ型のシリコン基板１０１の光入射面側にＰ（リン）原子などが高濃度に拡散され、ｐ型シリコン基板との間にｐｎ接合を形成した逆導電型領域１０２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１０３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裏面電界領域１０４が設けられている。そして、図８（ｂ）、（ｃ）に示すように太陽電池素子の表面側には銀などを主成分とする表側電極１０５（表側主電極１０５ａ、表側集電極１０５ｂ）が設けられ、裏面側にはアルミニウムなどからなる裏側集電極１０６ａ、銀などを主成分とする裏側主電極１０６ｂが設けられている。これらの電極はいずれも所定の金属粉末と有機溶剤、バインダーなどを含有する金属ペーストをスクリーン印刷法などにより塗布した後、乾燥・焼成して得られる。

特に、裏側集電極１０６ａは、シリコン基板１に対して、ｐ型不純物元素として作用するアルミニウムを含んだアルミニウムペーストを用いて塗布焼成して形成され、シリコン基板１の裏面側表層部にｐ^＋領域とした裏面電界領域１０４を形成する。この裏面電界領域１０４はＢＳＦ（Back Surface Field）領域とも呼ばれ、上述したように光生成した電子キャリアが裏側集電極１０６ａに到達する際に、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。またこの裏面電界領域１０４では少数キャリア（電子）密度が低減されるので、この裏面電界領域１０４および裏側集電極１０６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。

光入射面から光が入射すると、シリコン基板１で光生成キャリアが発生し、太陽電池素子の表側電極１０５、裏側電極１０６の間に起電力が生ずる。通常、太陽電池はシリコン太陽電池で６００ｍＶ程度と電圧が低いため、このままでは実用的ではない。そのため電圧を上げるために素子同士を直列に接続して電圧を大きくするのが一般的である。接続のためには表面の電極と他の太陽電池素子の裏側の電極とをリード線により接続する。このリード線を太陽電池に接続するため、通常このリード線が通るところに主電極（表側主電極１０５ａ、裏側主電極１０６ｂ）が設けられている。

裏側集電極１０６ａと裏側主電極１０６ｂとは互いに電気的に導通が取れている必要があるため、例えば、特許文献１に開示されているように、シリコン基板の裏面の一領域に銀ペーストを塗布乾燥の後、その領域の一部に重なるようにアルミニウムペーストを塗布乾燥し、その後、焼成を行うなどの方法が用いられている。図９（ａ）は、焼成前の太陽電池素子の裏側の部分拡大図であり、図９（ｂ）は該箇所の断面を示す図である。
特開平５−３２６９９０号公報 特開２０００−１３３８２６号公報

上述の特許文献１に記載された方法によれば、銀とアルミニウムとが重ね合わされた部分では、焼成することによってアルミニウムと銀とが相互に拡散した合金層が形成される。具体的には、図９（ｃ）に示すように、アルミニウムペーストと銀ペーストが焼成される際、温度が上がっていくとペースト中の有機溶剤が蒸発し、その後、バインダーが分解、蒸発する。ガラスフリットの軟化点に達すると、ガラスは溶融し始める。さらに高温になるとアルミニウムも溶融し、銀ペースト側に拡散して合金層を形成する。

このとき、溶融したガラス成分がシリコンを侵食していくが、この合金層部分では侵食のスピードが速い。そのため、図９（ｃ）に示したように、この合金層の下部ではシリコン基板の厚みが局所的に薄くなってしまう。また、アルミニウム、銀との合金が形成される際にシリコン基板表面との界面に応力が発生する。太陽電池の素子を作製した後、通常モジュール化するためにリード線として銅箔を主電極に接続するが、この際に基板に機械的な力が加わると、上記のような問題によって、クラックが入りやすくなるという問題があった。この合金は銀電極とアルミニウム電極を焼成する際に発生する金属融液の量が多いほど、また、温度が高く融液状態の保持時間が長いほど、合金を発生しやすい。クラックの原因となる合金の発生が多いほど局所的に基板の厚みは薄くなり、合金も多く発生するので応力も大きくなり、クラックが発生しやすくなる。特に、低コスト化のために薄くしたシリコン基板は合金によってさらに薄くなると大変割れやすくなり、歩留まりが下がるなどの問題が大きかった。さらに、銀とアルミニウムと同時に焼成を行うと、より合金層が形成されやすくなりクラックが発生しやすくなるため、分けて焼成せざるを得ず、工程数が増えてしまい、低コスト化が難しいという問題もあった。

また、特許文献２には、アルミニウム電極上に銀電極を塗布焼成し、これに対してリード線を半田で接続することで、シリコン基板に対して、アルミニウム電極と銀電極との境界が存在しないようにした構造が記載されている。この構造によれば、形成された両電極のエッジ部がシリコン基板上に存在しないので、応力の集中を少なくすることができるとされている。しかしながら、発明者が調査したところ、アルミニウムと銀との合金層によるシリコンへの侵食が減少する効果が幾分見られるものの、アルミニウム電極上に銀電極を塗布焼成するため、この部分にアルミニウムと銀とが相互に拡散した合金層が形成され、アルミニウム電極との間でクラックが生ずるなどの問題が生じることがわかった。特許文献２に記載された方法は、このクラックが生じやすい部分に対してリード線を接続する構成となっているため、太陽電池素子を相互に接続してモジュール化した場合、経年的な変化に問題が生じる可能性が高い。

上述の問題に鑑み、本発明の目的は、銀とアルミニウムとの合金層によるシリコン基板の侵食を抑制し、薄いシリコン基板でも破損しにくく、信頼性の高い良好な接続を得ることができる太陽電池素子同士を接続するための太陽電池素子の接続構造と、これを用いた高い信頼性の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に係る太陽電池素子の接続構造は、非受光面側に、アルミニウムを含有するペーストを塗布焼成して形成した集電極を設けた、シリコンを基板とする太陽電池素子と、前記集電極と接触した状態で、固定手段により固定されたリード線と、を含む。

本発明の請求項２に係る太陽電池素子の接続構造は、請求項１に記載の太陽電池素子の接続構造において、前記固定手段は、前記太陽電池素子の非受光面側に設けられた、大気中で焼成可能なアルミニウム以外の金属を含有するペーストを塗布焼成して形成したリード線保持体である。

本発明の請求項３に係る太陽電池素子の接続構造は、請求項２に記載の太陽電池素子の接続構造において、前記リード線は、前記リード線保持体に半田付けで固着されている。

本発明の請求項４に係る太陽電池素子の接続構造は、請求項２又は請求項３に記載の太陽電池素子の接続構造において、前記大気中で焼成可能なアルミニウム以外の金属は、銀である。

本発明の請求項５に係る太陽電池素子の接続構造は、請求項１に記載の太陽電池素子の接続構造において、前記固定手段は、前記太陽電池素子に対して前記リード線を固定する接着剤である。

本発明の請求項６に係る太陽電池素子の接続構造は、請求項１に記載の太陽電池素子の接続構造において、前記固定手段は、前記太陽電池素子に対して前記リード線を固定する熱硬化性樹脂である。

本発明の請求項７に係る太陽電池素子の接続構造は、請求項１乃至請求項６に記載の太陽電池素子の接続構造において、前記太陽電池素子の受光面に光を照射したときに前記リード線に流れる電流は、主として前記集電極と接触した箇所から、このリード線に流れ込むことを特徴とする。

本発明の請求項８に係る太陽電池素子の接続構造は、非受光面側に、アルミニウムを含有するペーストを塗布焼成して形成した集電極を設けた、シリコンを基板とする太陽電池素子と、前記集電極と半田付けで電気的に接続されたリード線と、を含むようにした。

本発明の請求項９に係る太陽電池モジュールは、複数の太陽電池素子が電気的に接続された太陽電池モジュールであって、本発明の太陽電池素子の接続構造を含むようにした。

本発明の太陽電池素子の接続構造は、非受光面側に、アルミニウムを含有するペーストを塗布焼成して形成した集電極を設けた、シリコンを基板とする太陽電池素子と、前記集電極と接触した状態で、前記太陽電池素子に対する相対的な位置を変えないように固定されたリード線と、を含むようにした。このように、集電極とリード線とを接触させた状態で集電するようにしたので、アルミニウム電極自体が持つ脆さ、アルミニウムと銀の合金層の応力、シリコン基板への侵食などの影響を避けることができる。したがって、薄いシリコン基板でも破損する危険性を減少させ、信頼性の高い良好な接続を得ることができる。

また、本発明の他の太陽電池素子の接続構造は、非受光面側に、アルミニウムを含有するペーストを塗布焼成して形成した集電極を設けた、シリコンを基板とする太陽電池素子と、前記集電極と半田付けで電気的に接続されたリード線と、を含むようにした。このように、集電極に対して直接リード線が半田付けされ、これによって集電を行うようにしたので、アルミニウムと銀との合金層による応力の影響を避け、集電極から効率よくリード線へ集電することができる。

本発明の太陽電池モジュールは、複数の太陽電池素子が電気的に接続された太陽電池モジュールであって、本発明の太陽電池素子の接続構造を含むようにしたので、アルミニウム電極の有する脆性、銀電極との合金生成による応力やシリコン基板の侵食などの問題を克服し、経年変化の少ない信頼性の高い太陽電池モジュールを得ることができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。

図２は本発明の太陽電池素子の接続構造に係る太陽電池素子の概略断面構造図である。また、図３（ａ）は光入射面側（受光面側、表面側）の電極形状の一例を示す図であり、図３（ｂ）及び図３（ｃ）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。図中、１はシリコン基板、２は受光面側の逆導電型領域、３は反射防止膜、４は裏面電界領域（ＢＳＦ領域）、５は表側電極（５ａは表側主電極５ａ、５ｂは表側集電極）、６は裏側集電極、７（７ａ、７ｂ）は固定手段であるリード線保持体、１０は太陽電池素子である。

本発明の太陽電池素子の接続構造に係る太陽電池素子１０の構造について簡単に説明する。図２に示すように、Ｂ（ホウ素）を半導体不純物として含むｐ型のシリコン基板１の受光面側にＰ（リン）原子などが高濃度に拡散され、ｐ型シリコン基板との間にｐｎ接合を形成した逆導電型領域２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３が設けられている。また、受光面の反対側には、アルミニウムなどのｐ型半導体不純物を高濃度に含んだ裏面電界領域４が設けられている。そして、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように太陽電池素子１０の受光面側には銀などの金属材料を主成分とする表側電極５（表側主電極５ａ、表側集電極５ｂ）が設けられ、非受光面側にはアルミニウムを主成分とする裏側集電極６が設けられている。

この太陽電池素子１０の受光面側である反射防止膜３の側から入射から光が入射すると、ｐ型半導体であるシリコン基板１の領域で吸収・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の受光面側に設けられた表側電極５と、非受光面側に設けられた裏側集電極６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、出力端子にまで導かれる。

図３（ａ）に示すように、表側電極５は、一般的には線幅の狭い表側集電極５ｂ（枝電極）とそれら表側集電極５ｂの少なくとも一端が接続される線幅が太い表側主電極５ａ（幹電極）とからなっている。この表側電極５での電力ロスをできるだけ低減するために、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、太陽電池素子１０の裏面側には、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示されるように、裏側集電極６が設けられている。この裏側集電極６は、シリコン基板１に対して、ｐ型不純物元素として作用するアルミニウムを含んだアルミニウムペーストを用いてスクリーン印刷法などにより塗布した後、焼成して形成され、シリコン基板１の裏面側表層部にｐ^＋領域とした裏面電界領域４を形成する。この裏面電界領域４はＢＳＦ（Back Surface Field）領域とも呼ばれ、上述したように光生成した電子キャリアが裏側集電極６に到達する際に、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。またこの裏面電界領域４では少数キャリア（電子）密度が低減されるので、この裏面電界領域４および裏側集電極６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。

さらに、本発明に係る太陽電池素子１０は、裏面側に固定手段としてリード線保持体７（７ａ、７ｂ）が設けられ、この太陽電池素子１０をリード線によって電気的に接続する際に、このリード線が太陽電池素子に対する相対的位置を変えないように固定する。

この本発明に係るリード線保持体について図４を用いて説明するが、まずリード線１１について説明を加えておく。リード線１１は、太陽電池素子同士を相互に電気的に接続して、後述する太陽電池モジュールを形成するものである。太陽電池モジュールの特性を高めるため、電気抵抗が低いものを用いる必要があることから、通常、銅箔が用いられている。この銅箔に対しては、あらかじめ半田を被覆しておくことが望ましい。この半田の種類には融点の異なるいろいろなタイプのものがあるが、本発明はこの種類によって限定されるものではなく適宜必要なものを用いればよい。

図４は、本発明に係るリード線保持体７の部分拡大図であり、図４（ａ）、図４（ｂ）はいずれも実施形態の例を示す。図４（ａ）に示すリード線保持体７ａは、ライン状に形成した例であり、このリード線保持体７ａとアルミニウムの裏側集電極６とを離間させて構成している。また、図４（ｂ）に示すリード線保持体７ｂは、ドット状に形成し、リード線保持体７ｂとアルミニウムの裏側集電極６とを離間させて構成した例である。

図５は、本発明の太陽電池素子の接続構造を構成する方法を示す模式図である。図５は、二枚の太陽電池素子がいずれも裏側を手前に向けて並べて配置されている図であり、図５（ａ）はリード線１１によって接続する前、図５（ｂ）はリード線１１によって接続した後を示す。なお、図５（ａ）は、二枚の太陽電池素子のうち、左の方は表側電極５のうち表側主電極５ａが透過して見えた状態となっており、右の方は裏側集電極６とライン状のリード線保持体７ａが見えた状態となっている。そして、図１（ａ）は、図５（ａ）のＡ−ａ線の矢視断面図、図１（ｂ）は図５（ｂ）のＢ−ｂ線の矢視断面図である。

図１（ｂ）に示すように、リード線１１は、アルミニウムを主成分とする裏側集電極６に対して接触して電気的に接続された状態のまま、リード線保持体７ａに固着した状態で保持され、太陽電池素子１０に対して相対的位置を変えないような構成となっている。このような本発明に係る構成によって、効果が得られる理由は次の通りであると考える。

まず、焼成したアルミニウムペーストは、その中に含まれるアルミニウムの粉体の表面の酸化が早いため近隣のアルニウム粉体と結合しにくく、アルミニウム粉体同士が結合せずに積層したような状態となる。このような状態のアルミニウムの焼成電極に対しては、特許文献２に記載されているように銀電極を介して接続したとしても、強度が低く、アルミニウムの部分において剥がれやすい。特に、特許文献２のようにアルミニウムと銀とが界面を接して広がった状態で焼成される場合、相互拡散した合金層の収縮によって、界面部分にクラックが入りやすく、信頼性の高い接続が得られない。本発明の構成では、アルミニウム電極とリード線とを物理的に接触させた状態でリード線保持体７によってリード線１１を固定し、太陽電池素子１０に対して変位しないように固定しているので、安定した状態で集電することができ、アルミニウム電極自体が持つ脆さ、アルミニウムと銀の合金層の応力、シリコン基板１への侵食などの影響を避け、薄いシリコン基板でも破損する危険性を減少させ、信頼性の高い良好な接続を得ることができる。

このようなリード線保持体７としては、大気中で焼成可能なアルミニウム以外の金属を含有するペーストを塗布焼成して形成することが望ましい。このような金属としては、金、白金、銀、銀−パラジウム合金、ニッケルなどがあげられる。このような金属ペーストは大気中で焼成した時に粒子同士が相互に焼結し、十分な機械強度を有するようになるとともに、太陽電池素子の非受光面に対して、良好に固着するので、太陽電池素子とリード線１１とを十分な強度を持たせることができる。

また、リード線保持体７とリード線１１との接続は、半田付けによって接続することが望ましい。簡便な方法で信頼性の高い固着強度が得られるからである。

さらに、上述の大気中で焼成可能なアルミニウム以外の金属の中では、銀を用いることが望ましい。その理由としては、貴金属の中では比較的低コストであるとともに、抵抗が低いため、リード線保持体７と裏側集電極６が一部接触し、裏側集電極６からリード線保持体７に一部電流が流れ込んだとしても、リード線１１に対して電流のパスを増加させることによって、実質的な電気抵抗を低減することができ、流れ込んだ電流を有効にリード線１１に取り出すことができるからである。

上述の図１（ａ）、図１（ｂ）に記載した本発明に係る構成では、銀を用いてリード線保持体７を形成した場合であっても、アルミニウムによる裏側集電極６と接触しないように離間した構成としたので、特許文献１や特許文献２に記載された従来技術とは異なり、銀とアルミニウムを焼成する際に発生する金属の融液がシリコンと合金を作って、実質のシリコンの厚みを薄くすることを避けることができる。

しかしながら、本発明に係る太陽電池素子の接続構造では、クラックが発生しないレベルであれば、銀によるリード線保持体７とアルミニウムによる裏側集電極６とが接していても良い。特にシリコン基板１の厚みが大きい場合（例えば、３５０μｍ以上など）は後工程でのハンドリングにより割れる恐れが減少するため、太陽電池素子１０の直列抵抗を減少させるという点で、これらが接していることによって、裏側集電極６とリード線１１との抵抗がより小さくなるので有利である。

また、本発明では、このリード線１１に対して流れ込む電流が、太陽電池素子１０の受光面に光を照射したときに、主として裏側集電極６と接触した箇所から、このリード線１１に流れ込んでくるようにすることが望ましい。これには以下に説明するような意味がある。まず、図１に示すように、アルミニウムによって形成された裏側集電極６はシリコン基板１との間に裏面電界領域４を形成しているので、このような太陽電池素子において光を照射したときに生成するキャリアは、ほとんどが裏側集電極６に集められ、裏面電界領域４が形成されていない箇所であるリード線保持体７ａ等にはほとんどキャリアが到達しない。しかしながら、上述したように、アルミニウムよりなる裏側集電極６と銀よりなるリード線保持体７とが接触している場合には、リード線１１に流れ込む電流のうち、いったん裏側集電極６からリード線保持体７を経由して、リード線１１に流れ込む分が生ずるので、裏側集電極６から直接流れ込んでくる比率が減少する。この裏側集電極６からリード線保持体７を経由して、リード線１１に流れ込む比率を低く抑えることにより、銀によるリード線保持体７とアルミニウムによる裏側集電極６とが接していても、クラックが発生しないレベルに抑えることができる。

なお、リード線１１に対して太陽電池素子１０から流れ込む電流が、主として裏側集電極６に由来しているかどうかについては、表裏のリード線１１を出力端子に接続し、太陽電池素子１０の受光面に光を照射したときの出力特性と、リード線１１と裏側集電極６の間に絶縁物を介在させ、再度表裏のリード線１１を出力端子に接続し、太陽電池素子１０の受光面に光を照射したときの出力特性を比較し、特にＦＦ（フィルファクター）の０．０５以上の大幅な低下が発生することにより確認することができる。

次に、本発明に係る太陽電池素子の接続構造の別の実施形態について説明する。これは、非受光面側に設けたアルミニウムを含有するペーストを塗布焼成して形成した裏側集電極６に対して、リード線１１を半田付けで電気的に接続した構成である。アルミニウムは表面に酸化膜が存在するため、通常、半田付けによって接続することは難しいが、フラックス（たとえば日本アルミット製のＳＰ−２０）をアルミニウム電極側に塗布し、これに半田付きの銅箔のリード線１１を１５０〜３００℃程度の温度にて溶着することによって半田付けすることができる。この銅箔の半田としては、Ｓｎを主成分としたいわゆる鉛フリー半田（鉛を含まない半田）を用いてもよいし、Ｓｎ−Ｐｂを主成分とする半田を用いてもよい。また、半田が塗布されていない銅箔をリード線１１として用いることも可能である。なお、フラックスが残ると電極を腐食させる原因となるので、半田付け後に所定の溶剤などを用いて十分に洗浄し、除去することが好ましい。

次に、本発明に係る太陽電池素子を形成するプロセスを説明する。

シリコン基板１は単結晶もしくは多結晶の半導体基板である。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ので、この例では太陽電池としてもっとも一般的なｐ型の多結晶シリコン基板を用いた例によって説明する。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。

引き上げ法や鋳造法によって形成された多結晶シリコンのインゴットは、１５ｃｍ×１５ｃｍ程度の大きさに切断され、３００μｍ程度の厚みにスライスされてシリコン基板１となる。なお、本発明の構成によれば、３００μｍ以下の薄いシリコン基板であっても良好に太陽電池素子の接続構造を形成することができる。なお、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。

この後、受光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のが好ましい（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。

次にｎ型の逆導電型領域２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ｐ型半導体のシリコン基板１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、シリコン基板１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２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、本発明では裏面の裏面電界領域４（ＢＳＦ領域）をアルミニウムペーストによって形成するため、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２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。

次に反射防止膜３を形成する。反射防止膜３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３は表側電極５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３形成時にマスクをあらかじめ形成しておき、反射防止膜３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３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側電極５と逆導電型領域２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、シリコン基板１の表面の所定位置に銀ペーストを、裏面の所定位置にアルミニウムペーストをスクリーン印刷法などにより塗布して焼成することにより、表側電極５（表側主電極５ａ、表側集電極５ｂ）および裏側集電極６を形成する。裏側に本発明に係る
まず、裏側集電極６として、アルミニウム粉末１００重量部に対して、有機ビヒクル１０〜３０重量部、ガラスフリット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所定の形状に印刷・乾燥させる。

また、表側電極５およびリード線保持体７（必要な場合）を形成する。これらは、例えば、銀粉末１００重量部に対して、有機ビヒクル１０〜３０重量部、ガラスフリット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所定の形状に印刷、乾燥させる。

上述のようにしてシリコン基板１に金属ペーストを塗布乾燥させた後、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１の裏側の表面には裏側集電極６を形成するのと同時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^＋の裏面電界領域４（ＢＳＦ領域）が形成される。このｐ^＋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。このペースト中の金属成分のうち裏面電界領域４の形成に使われずこの裏面電界領域４の上に残存したものはそのまま裏側集電極６の一部として使われる。裏側集電極６は基板裏面の略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。

表側電極５を形成するため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。また、いわゆるファイヤースルー法によって、反射防止膜３をパターニングすることなしに、表側電極５となる金属含有ペーストを反射防止膜３上に直接印刷し焼成処理をすることによって表側電極５と逆導電型領域２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、表側電極５の形成は、裏面側の裏面電界領域４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、ＴｉＯ_２などの酸化物成分をペースト中にわずかに含ませるとよい。

以上のようにして、本発明に係る太陽電池素子を実現することができる。

次に、本発明に係る太陽電池モジュールについて説明する。図７は本発明の太陽電池モジュール１８の製造プロセスを示すための模式的な断面構造図である。図に示すように、ガラスなどからなる透明部材１２、透明のエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）などからなる表側充填材１３、リード線１１によって隣接した太陽電池素子１０の表面電極と裏面電極とを交互に接続された複数の太陽電池素子１０、白色のＥＶＡなどからなる裏側充填材１４、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）や金属箔をポリフッ化ビニル樹脂（ＰＶＦ）で挟みこんだ裏面保護材１５を順次積層して、ラミネータの中で脱気、加熱して押圧することによって、ＥＶＡが硬化重合し、各部材が一体化されて太陽電池モジュールを形成することができる。その後必要に応じてアルミニウムなどのフレーム（不図示）を周囲にはめ込む。さらに直列接続された複数の素子の最初の素子と最後の素子の電極の一端は出力取出部である端子ボックス１７に、出力取出配線１６によって接続される。

この太陽電池モジュールにおいて、太陽電池素子１０の裏面電極とリード線１１との接続構造を、上述した本発明の太陽電池素子の接続構造とすることによって、信頼性が高く優れたものとなる。なお、本発明の太陽電池モジュールでは、最低一つが本発明の太陽電池素子の接続構造となっていれば良いが、全てが本発明に係る太陽電池素子の接続構造となっていれば、最も良好に発明の効果を奏することができるので好ましい。

以上のようにして、本発明の太陽電池素子の接続構造及びこれを用いた太陽電池モジュールを実現することができる。

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。また、各請求項に記載され、上述の実施形態で明らかにした構成は、矛盾が生じない限り、二つ以上を組み合わせて用いることができる。以下、本発明の範囲に属する実施形態の例について記載する。

例えば、図６に示すように、固定手段としては、無機乃至有機の接着剤８や熱硬化性の樹脂を用いてこれらによってリード線１１と太陽電池素子１０とを接合してもよい。このような接着剤８は、アルミニウムの裏側集電極６と金属融液を形成してシリコンとの合金層を形成しないので、シリコン基板１を侵食することがない。このような接着剤８は裏側集電極６と接触しても接触しなくても問題はない。また、接着するときに収縮するので、リード線１１とアルミニウムの裏側集電極６との間の接触性が向上するという効果も得られる。

特に固定手段として熱硬化性の樹脂を用いる場合、モジュールの部材となるエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）を熱硬化性の樹脂として用い、上述した太陽電池モジュール１８の製造時に、これによって太陽電池モジュール１８を封止するとともに、同時にアルミニウム電極に接触した状態でリード線１１を固定するようにしても構わない。なお、この場合、さらに信頼性を高めるために、リード線１１の上から太陽電池裏面全面を覆うように導電性のシート（アルミ箔など）をかぶせた状態でＥＶＡによって封止することが好ましい。図１（ｂ）の場合、リード線１１の銅箔とアルミニウム電極とは、アルミニウムの周端部で接触するが、導電性のシートをかぶせるようにすることでこの導電性のシートがアルミニウム電極及び銅箔と接触するようになり、導通性が向上するからである。また、この導電性のシートがくさびの役割を果たし、リード線１１の銅箔をアルミニウム電極に対して付勢し、相互の密着性を向上させるため、太陽電池モジュールの信頼性を向上させ、十分な導通をとることが可能となる。

また、アルミニウムの裏側集電極６とリード線１１の銅箔とを電気的に接続させたり、リード線保持体７とリード線との接続を行ったりする際に、半田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、超音波による溶着を行うようにしても構わない。これは物理溶着を行う一般的な方法であり、超音波ウェルダと呼ばれる。この方法は、超音波振動子に結合させたホーンにより、ホーン先端の振幅を増幅させ、このホーン先端に溶着対象物を接触させることで振動を熱に変えて溶着するものである。この方法を用いる場合、アルミニウムペーストの塗布量を多くすることが望ましい。塗布量が少ないと、脆性の大きなシリコン基板に超音波の振動が伝わり割れてしまう恐れがあるからである。

なお、受光面側の表側電極５は裏側集電極６と同時に印刷・焼成しても良いし、それぞれの順番を前後に入れ替えて印刷・焼成してもよい。本発明ではアルミニウムペーストを先に塗布し、次に銀ペーストを塗布する方法を示したが、逆でもかまわない。また、このアルミニウムと銀の２つを同時に焼成することを例に説明したが、別々に焼成する場合であっても本発明は有効である。

本発明の太陽電池素子の接続構造の断面構造図であり、（ａ）は図５（ａ）のＡ−ａ線の矢視断面図であり、（ｂ）は図５（ｂ）のＢ−ｂ線の矢視断面図である。 本発明の太陽電池素子の接続構造に係る太陽電池素子の概略断面構造図である。 本発明の太陽電池素子の接続構造に係る太陽電池素子において、（ａ）は光入射面側（受光面側、表面側）の電極形状の一例を示す図であり、（ｂ）及び（ｃ）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。 本発明に係るリード線保持体７の部分拡大図であり、（ａ）、（ｂ）はいずれも実施形態の例を示す。 本発明の太陽電池素子の接続構造を構成する方法を示す模式図であり、（ａ）はリード線によって接続する前、（ｂ）はリード線によって接続した後を示す。 本発明の太陽電池素子の接続構造の別の例を示す断面構造図である。 本発明の太陽電池モジュールの製造プロセスを示すための模式的な断面構造図である。 太陽電池素子の一般的な構成を示す図であり、（ａ）は断面構造、（ｂ）は（ａ）の上視図、（ｃ）は下視図である。 アルミニウムからなる集電極と銀の主電極との位置を示すものであり、（ａ）は、焼成前の太陽電池素子の裏側の部分拡大図であり、（ｂ）は（ａ）部の焼成前の断面、（ｃ）は（ａ）部の焼成後の断面を示す。

符号の説明

１：シリコン基板
２：逆導電型領域
３：反射防止膜
４：裏面電界領域
５：表側電極
５ａ：表側主電極
５ｂ：表側集電極
６：裏側集電極
６ａ：裏側集電極
７、７ａ、７ｂ：リード線保持体（固定手段の一例）
８：接着剤（固定手段の一例）
１０：太陽電池素子
１１：リード線
１２：透明部材
１３：表側充填材
１４：裏側充填材
１５：裏面保護材
１６：出力取出配線
１７：端子ボックス
１８：太陽電池モジュール
１０１：シリコン基板
１０２：逆導電型領域
１０３：反射防止膜
１０４：裏面電界領域
１０５：表側電極
１０５ａ：表側主電極
１０５ｂ：表側集電極
１０６：裏側集電極
１０６ａ：裏側集電極
１０６ｂ：裏側主電極

Claims (9)

1. 非受光面側に、アルミニウムを含有するペーストを塗布焼成して形成した集電極を設けた、シリコンを基板とする太陽電池素子と、
   前記集電極と接触した状態で、固定手段により固定されたリード線と、を含む太陽電池素子の接続構造。
2. 前記固定手段は、前記太陽電池素子の非受光面側に設けられた、大気中で焼成可能なアルミニウム以外の金属を含有するペーストを塗布焼成して形成したリード線保持体である請求項１に記載の太陽電池素子の接続構造。
3. 前記リード線は、前記リード線保持体に半田付けで固着された請求項２に記載の太陽電池素子の接続構造。
4. 前記大気中で焼成可能なアルミニウム以外の金属は、銀である請求項２又は請求項３に記載の太陽電池素子の接続構造。
5. 前記固定手段は、前記太陽電池素子に対して前記リード線を固定する接着剤である請求項１に記載の太陽電池素子の接続構造。
6. 前記固定手段は、前記太陽電池素子に対して前記リード線を固定する熱硬化性樹脂である請求項１に記載の太陽電池素子の接続構造。
7. 前記太陽電池素子の受光面に光を照射したときに前記リード線に流れる電流は、主として前記集電極と接触した箇所から、このリード線に流れ込むことを特徴とする請求項１乃至請求項６に記載の太陽電池素子の接続構造。
8. 非受光面側に、アルミニウムを含有するペーストを塗布焼成して形成した集電極を設けた、シリコンを基板とする太陽電池素子と、
   前記集電極と半田付けで電気的に接続されたリード線と、を含む太陽電池素子の接続構造。
9. 複数の太陽電池素子が電気的に接続された太陽電池モジュールであって、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の太陽電池素子の接続構造を含む太陽電池モジュール。
   
   

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