JP2006054374A - 太陽電池の製造方法および太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】高いアスペクト比を有し抵抗率が低い電極を形成することによって、変換効率の高い太陽電池を低コストで製造する方法、およびその方法で製造された太陽電池を提供する。
【解決手段】導電性ペーストを使用して基板上に電極を形成する工程を有する太陽電池の製造方法において、少なくとも基板上に電極形成用の溝部を形成した後、該電極形成用溝部に前記導電性ペーストを減圧下で充填して電極を形成することを特徴とする太陽電池の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、生産性がよく、信頼性が高い高効率の太陽電池を作製する方法に関し、さらに詳しくは、スクリーン印刷法を利用して高アスペクト比で低抵抗率の電極を有する太陽電池の製造方法に関する。

太陽電池は、一般にシリコンなどの半導体基板の受光面に光を受光するためのｐｎ接合が形成され、その上に電力取り出し用の受光面電極が互いに平行になるよう複数形成されている。

太陽電池の受光面電極の形成には、製造コスト低減のメリットが大きいスクリーン印刷法を用いるのが一般的である。この受光面電極は、光を遮らないよう占有面積が小さく、且つ低抵抗率を有することが要求され、そのため、ライン幅が細く厚い（すなわち、アスペクト比が高い）電極、例えば、幅５０μｍ、高さ８０μｍの電極を形成する必要がある。スクリーン印刷法では一般的に、電極ペースト材料や製版の特性から、相対印刷膜厚がライン幅の半分が限界とされているので、より理想的なアスペクト比を実現することは困難である。そこで、太陽電池基板上に所定の溝を形成し、その中にスクリーン印刷法を用いて電極材料を押し込むことにより、高アスペクト比の受光面電極を実現することが考案されている。

しかしながら、スクリーン印刷法を用いて粘性材料である導電性ペーストを微細な溝に完全に充填することは容易ではない。また、実用化されている面積１００ｃｍ^２以上の太陽電池に均一な溝埋め込み電極を形成することは困難である。例えば、溝内部に気泡が残留して電極との接触面積が小さい部分が存在するなど、導電性ペーストの充填が不十分となり、電極内にボイドが発生したり厚さが不均一になる等が挙げられる。このように、電極の形成が不十分であると、太陽電池の直列抵抗が増大し、出力に大きな影響を及ぼす。

このような問題を解決する方法としては、例えば特許文献１に、基板上に形成したパターン溝内部に導電性ペーストをスクリーン印刷法により充填し、その後真空脱泡処理によって溝に充填されたペースト内部の気泡を除去する工程を経て、配線基板を形成する方法が開示されている。しかしながら、この方法では塗布後に真空脱泡するため工程が煩雑である上に、コストの低減が計れない。また、脱泡の際、導電性ペーストが飛散して所定の場所以外に導電性ペーストが付着したり、電極表面に凹凸が発生するなどの問題があった。さらに、特に高アスペクト比の溝に充填する場合気泡が抜けにくいなどの問題もあった。

また、例えば特許文献２には、スクリーン印刷法において、スクリーン版に塗布物をコートした後真空中で塗布物内の気泡を脱泡し、その後真空中で被印刷物上に転写する方法が開示されている。この方法により、塗布物中に気泡が残留することなく所定位置に印刷できるので、高性能、高品質の電子部品を製造することが可能となる。しかし、この方法では、スクリーン印刷装置を真空チャンバーに収納するため、装置構成が大掛かりになるほか、所望の真空度に排気するまでに長時間を要し生産性が低下するという問題があった。

特開平１０−２４２６２０号公報 特開２００３−３００３０２号公報

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高いアスペクト比を有し抵抗率が低い電極を形成することによって、変換効率の高い太陽電池を低コストで製造する方法、およびその方法で製造された太陽電池を提供するものである。

上記課題を解決するための本発明は、導電性ペーストを使用して基板上に電極を形成する工程を有する太陽電池の製造方法において、少なくとも基板上に電極形成用の溝部を形成した後、該電極形成用溝部に前記導電性ペーストを減圧下で充填して電極を形成することを特徴とする太陽電池の製造方法である（請求項１）。

このように、基板上に電極形成用の溝部を形成した後、電極形成用溝部に導電性ペーストを減圧下で充填して電極を形成すれば、高アスペクト比の電極を形成することが可能となり、さらに、導電性ペーストを減圧下で充填するので、気泡が残留することなく所定量の導電性ペーストを充填できるため、溝部への充填率が向上する。その結果、電極内にボイドが存在せず抵抗率が低くなり、高品質の電極を形成することができる。

この場合、前記電極をスクリーン印刷法により形成することが好ましい（請求項２）。
このように、電極をスクリーン印刷法により形成すれば、電極を効率的に形成できるため量産性に優れ、製造コストを低減することができる。

この場合、前記スクリーン印刷法による電極の形成を、前記基板とスクリーン製版との間の空間のみを減圧しながら行うことが好ましい（請求項３）。
このように、スクリーン印刷法による電極の形成を基板とスクリーン製版との間の空間のみを減圧しながら行えば、排気に要する時間を短縮でき、装置を簡略化することもできる。また、基板とスクリーン製版との間の空間と外部空間との圧力差が生じ、導電性ペーストが勢い良く溝に充填されるので、高速印刷が可能となる。

この場合、前記電極を形成する時の圧力を０．０９ＭＰａ以下とするが好ましい（請求項４）。
このように、電極を形成する時の圧力を０．０９ＭＰａ以下とすれば、より確実に気泡を残留させずに溝部に導電性ペーストを充填でき、高品質の電極を高速度で形成することができる。

この場合、前記電極を、受光面側の集電用の電極とすることが好ましい（請求項５）。
特に受光面側の集電用の電極は、入射光を遮らないように占有面積が小さく低抵抗率であることが求められている。したがって、上記本発明の方法で受光面側の集電用の電極を形成すれば、高アスペクト比でありボイドなどの不良が無い低抵抗率を有する電極を得ることができる。

この場合、前記導電性ペーストとして、金、銀、銅、ニッケル、亜鉛、アルミニウムのうち少なくとも１つを含むものを用いることが好ましい（請求項６）。
このように、導電性ペーストとして、金、銀、銅、ニッケル、亜鉛、アルミニウムのうち少なくとも１つを含むものを用れば、得られる電極は低抵抗率を有するものとなる。

この場合、前記電極形成用溝部を、幅２０〜１００μｍ、深さ５〜１００μｍとなるように形成することが好ましい（請求項７）。
このように、電極形成用溝部を幅２０〜１００μｍ、深さ５〜１００μｍとなるように形成すれば、電極部分の占有面積が小さく高アスペクト比を有する電極を形成することが容易となる。

さらに本発明は、上記の太陽電池の製造方法により製造されたことを特徴とする太陽電池を提供する（請求項８）。

本発明の太陽電池の製造方法で製造された太陽電池であれば、高アスペクト比で低抵抗率の電極を有するので、高変換効率であるとともに安価な太陽電池とすることができる。

以上、本発明によれば、太陽電池用基板上に形成した溝部に導電性ペーストを減圧下で充填することによって、溝内に気泡が残留したり充填量不足の箇所が存在するなどの問題が発生しなくなる。その結果、形成される電極は高アスペクト比であり、かつ電極内部のボイドや厚さの不均一部分が無くなるので低抵抗率となり、かつ接触抵抗も低く、高い変換効率を有する太陽電池を製造することが可能となる。しかも、工程が簡単であるので、低コストで実施することができる。

以下、本発明の実施の形態について具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１は、本発明の太陽電池の製造方法を説明するフロー図である。
まず、太陽電池を製造する基板として、図１（ａ）に示すように、ホウ素あるいはガリウムなどをドープしたｐ型のアズカットシリコン単結晶基板１を準備する。シリコン単結晶の物性は特に限定されるものではなく、例えば、比抵抗を０．１〜５Ω・ｃｍ、結晶方位を｛１００｝とすることができる。シリコン単結晶の育成方法としては、チョクラルスキー（ＣＺ）法やフローティングゾーン（ＦＺ）法を用いることができる。このシリコン単結晶基板１に対し、スライス加工時のダメージを除去するために、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどの高濃度アルカリ溶液、あるいはフッ酸と硝酸の混酸などを用いてシリコン単結晶基板１の表面をエッチングする。

次に、シリコン単結晶基板１の表面にテクスチャ（光閉じ込め用凹凸）を形成する。テクスチャは、加熱した水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウムなどのアルカリ溶液（濃度数％から数十％、温度６０〜１００℃）中に１０分から３０分程度浸漬することで、容易に形成される。上記溶液中に、所定量の２−プロパノールを溶解させ、反応を促進させても良い。特に、均一なテクスチャを形成するためには、６０〜７０℃に加熱した濃度数％の水酸化ナトリウムもしくは水酸化カリウム溶液中に、数％の２−プロパノールを混合した溶液を用いるのが好ましい。

テクスチャ形成後、塩酸、硫酸、硝酸、ふっ酸等、もしくはこれらの混合液の酸性水溶液中でシリコン単結晶基板１を洗浄する。経済的及び効率的見地から、特に塩酸を用いて洗浄することが好ましい。清浄度を向上するため、塩酸溶液中に、数％の過酸化水素を混合させ、６０〜９０℃に加温して洗浄してもよい。

次に、図１（ｂ）に示すように、シリコン単結晶基板１の受光面に低濃度エミッタ層２ａを形成する。低濃度エミッタ層の形成方法としては、オキシ塩化リンを用いた気相拡散法を適用することができる。シリコン単結晶裏面へ不純物が拡散するのを防ぐため、裏面同士を重ねあわせ、２枚１組で拡散ボートに並べて気相拡散を行って、シリコン単結晶表面のみに低濃度エミッタ層２ａを形成することが好ましい。

具体的には、オキシ塩化リン雰囲気中で、８２０〜８８０℃で数十分熱処理し、受光面にｎ型層を形成する。形成する低濃度エミッタ層２ａの深さは０．２〜１．０μｍとし、シート抵抗は４０〜１５０Ω／□とする。拡散後、拡散で形成されたリンガラスを、数％のふっ酸水溶液中に数分浸漬して除去する。

低濃度エミッタ層形成後、図１（ｃ）に示すように、低濃度エミッタ層２ａ上に反射防止膜３を形成する。反射防止膜３は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化セリウム、アルミナ、二酸化スズ、二酸化チタン、フッ化マグネシウム、酸化タンタル等から１種類を選択した単層膜、あるいはこれらの中から異なる２種類を選択し組み合わせた二層膜とすることができる。反射防止膜３の形成には、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法等の公知の方法を用いることが可能である。特に、高効率太陽電池作製のためには、窒化シリコンをリモートプラズマＣＶＤ法で形成したものが、小さな表面再結合速度を達成できるため好ましい。

次に、シリコン単結晶基板１の受光面側に、図１（ｄ）のように、電極形成用の溝部４を形成する。このような電極形成用溝部４は、ダイシング装置などを用いて形成する。電極部分の占有面積を小さくし、後の工程で導電性ペーストを容易に充填し易くし、かつ高効率の太陽電池を得るために、幅２０〜１００μｍ、深さ５〜１００μｍの溝を、１〜３ｍｍ間隔でシリコン単結晶基板の端から端まで形成する。溝形成後の基板表面にはダメージが発生するので、アルカリ溶液（濃度数％から数十％、温度６０〜１００℃）に１０秒〜５分浸して表面のダメージの除去を行う。

更に、図１（ｅ）のように、オキシ塩化リンを用いた気相拡散法により、受光面に高濃度エミッタ層２ｂを形成する。図１（ｂ）に示す工程と同様に、裏面への拡散を防ぐため、裏面同士を重ねあわせ、２枚一組で拡散ボートに並べて気相拡散するのが好ましい。この場合、既に形成された反射防止膜３がマスクとなり、リンは受光面全体には拡散されず、溝部４の内側のみへ選択的に拡散される。

具体的には、オキシ塩化リン雰囲気中で、８５０〜９５０℃で数十分熱処理し、受光面にｎ型層を形成する。形成する高濃度エミッタ層の深さは０．５〜２．０μｍとし、シート抵抗は１０〜４０Ω／□とする。拡散後、拡散で形成されたリンガラスを、数％のふっ酸水溶液中に数分浸漬して除去する。

続いて、図１（ｆ）に示すように、シリコン単結晶基板１の裏面に裏面電極５を形成する。電極材料には銀や銅等の金属が用いられるが、経済性、加工性、シリコン単結晶との接着性の観点からアルミニウムが最も好ましい。また、抵抗率や生産性の観点から、裏面電極５の厚さは１０〜５０μｍとすることが好ましい。裏面電極の形成方法としては、スパッタリング法、真空蒸着法、スクリーン印刷法等を用いることができる。

さらに、図１（ｇ）のように、電極形成用溝部４に集電用の受光面電極６を形成することによって、太陽電池７を製造する。電極材料としては、金、銀、銅、ニッケル、亜鉛、アルミニウムのうち少なくとも１つを含む導電性ペーストを用いる。また、受光面電極の形成方法としては、製造コストの観点からスクリーン印刷法が最適である。

この時、スクリーン印刷法で受光面電極６を形成する際、従来のように大気圧下で電極となる導電性ペースト１５を電極形成用溝部４に充填すると、例えば図４に示すように溝内部に気泡１６が残留し、その結果電極６内部にボイドが発生して抵抗率が増大し、基板との接触抵抗も増大してしまう。そこで、本発明では、減圧下で導電性ペースト１５を電極形成用溝部４に充填する。これによって、図３のように溝内部に気泡が残留せず充填率を向上させることができるので、低抵抗率の電極を得ることが可能となる。

減圧下で受光面電極を形成するために、スクリーン印刷用装置自体を真空チャンバー内に設置し、真空ポンプで減圧することも可能であるが、例えば図２に示すようなスクリーン印刷装置を用いれば、スクリーン製版とシリコン単結晶基板との間の空間のみを減圧することができるので、より効率良く減圧下での電極形成を安価で実施することが可能となり有利である。

具体的には、図２に示すように、スクリーン印刷装置の印刷ステージ１１上に真空シール１０が設けられ、また印刷ステージ１１を貫通するように真空排気用の排気管１３が設けられ、真空ポンプ１４に接続されている。印刷ステージ１１上の真空シール１０の内側に電極形成用溝部４を形成した基板１２が配置され、さらに真空シール１０上にスクリーン製版８を設置する。スクリーン製版８には、電極形成用溝部４のパターン形状と対応するようにスクリーン製版開口部９が設けられており、開口部９のみが通気孔となっている。

受光面電極を形成するには、真空ポンプ１４を作動させ、排気管１３を通じて印刷ステージ１１とスクリーン製版８の間の空間、すなわち、溝加工を施した基板１２とスクリーン製版８との間の空間を減圧する。この状態で、不図示のスキージを用いて、例えば銀粉末とガラスフリットを有機物バインダで混合した銀ペーストを、スクリーン製版開口部９を通して電極形成用溝部４に充填する。この際、基板１２とスクリーン製版８との間の空間が減圧されているため空間中に存在する気体量が少なく、かつスクリーン製版８上部との圧力差があるために、開口部９を通過した銀ペーストが勢い良く溝部４に充填される。その結果、溝内に気泡が残留せず、さらに従来技術よりも高速で導電性ペーストが溝に充填される。基板１２とスクリーン製版８との間の空間の圧力を０．０９ＭＰａ以下、好ましくは０．０９ＭＰａ〜０．００１ＭＰａの範囲にすれば、気泡残留阻止に十分な真空状態を得ることができる。

溝部４に充填された銀ペーストは、熱処理されることにより受光面電極６となる。こうして形成された電極は、内部にボイドが無く厚さが均一である。したがって、高アスペクト比で抵抗率が低い電極が形成される。このような方法で得られる太陽電池は、高い変換効率を有するとともに、製造コストも低いものとなる。

なお、上記実施形態において、裏面電極形成と受光面側電極形成を逆の順序で行っても構わない。また、上記実施形態では、裏面電極をシリコン単結晶基板の裏面全面に形成しているが、所定のパターン形状に形成することも可能である。この場合、上記実施形態の受光面電極と同様の形成方法を用いて裏面電極を形成することができる。

以下に本発明の実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
一辺が１００ｍｍの角ウェーハで、厚さ３００μｍ、比抵抗０．５Ω・ｃｍ、方位｛１００｝のＣＺ法で育成されたホウ素ドープｐ型アズカットシリコン単結晶基板１を４枚用意し、濃水酸化カリウム水溶液によるエッチングを行ってダメージ層を除去した。その後、水酸化カリウム／２−プロパノール混合溶液中に浸漬して、シリコン単結晶基板１の表面にテクスチャ形成を行い、その後塩酸／過酸化水素混合溶液を用いて洗浄した。

次に、このｐ型シリコン単結晶基板１を２枚ずつ裏面同士重ね合わせて、２枚１組でオキシ塩化リン雰囲気中、８５０℃の条件で熱処理し、厚さ０．４μｍの低濃度エミッタ層２ａを形成した。低濃度エミッタ層２ａのシート抵抗を直流四端子法により測定したところ、５５Ω／□であった。低濃度エミッタ層形成後、フッ酸水溶液中に浸漬し拡散で形成されたリンガラスを除去した。

その後、低濃度エミッタ層２ａの上に、反射防止膜３として、リモートプラズマＣＶＤ法を用いて窒化シリコン膜を形成した。
続いて、シリコン単結晶基板の受光面に、ダイシング装置を用いて幅６０μｍ、深さ５０μｍの溝を２ｍｍ間隔で電極形成用溝部４を互いに平行になるように複数形成した。溝形成後、水酸化カリウム溶液中に浸漬して表面に発生したダメージを除去した。

洗浄後、シリコン単結晶基板を２枚ずつ裏面同士重ね合わせて、２枚１組でオキシ塩化リン雰囲気中、９００℃の条件で熱処理し、溝部４の表面に厚さ１．２μｍの高濃度エミッタ層２ｂを形成した。高濃度エミッタ層２ｂのシート抵抗を直流四端子法により測定したところ、３０Ω／□であった。エミッタ層形成後、フッ酸水溶液中に浸漬し拡散で形成されたリンガラスを除去した。
次いで、シリコン単結晶基板裏面全体に、スクリーン印刷法を用いてアルミニウムペーストを塗布し、その後熱処理して厚さ２０μｍのアルミニウム裏面電極５を形成した。

そして、図２に示すスクリーン印刷装置を用いて基板１２とスクリーン製版８との間の空間を０．０５ＭＰａに減圧し、スクリーン印刷法により減圧下で受光面側の電極形成用溝部４に銀ペーストを充填した。そして、この基板を熱処理して受光面電極６を形成し、シリコン太陽電池７を製造した。

（比較例）
実施例と同様のシリコン単結晶基板を４枚準備した。そして、受光面側電極を形成する際に、シリコン単結晶基板とスクリーン製版との間の空間を減圧せず大気圧のまま（約０．１ＭＰａ）で、スクリーン印刷法により電極形成用溝部に銀ペーストを充填した以外は実施例と同様の方法で、シリコン太陽電池を製造した。

実施例および比較例のシリコン太陽電池について、ソーラーシミュレータを用い、標準条件下でこれら太陽電池の電流―電圧特性を測定し、変換効率を得た。表１に実施例および比較例の太陽電池各４枚の測定結果の平均値を示す。

また、受光面電極の断面構造を数箇所観察したところ、実施例では全ての測定箇所で図３に示すようにボイドが無く均一の厚さで電極が形成されていた。一方、比較例では、例えば図４のように測定箇所によってボイドが発生していたり厚さが不十分であるなど、ばらつきが大きかった。
実施例では受光面電極にボイドや厚さ不足がなかったため、直列抵抗が低減し曲線因子が増加した。その結果、変換効率を上昇させることができた。一方、比較例ではボイドや厚さの不均一により直列抵抗が大きくなったために、実施例よりも曲線因子が増加し変換効率が小さくなった。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、如何なるものであっても本発明の技術範囲に包含される。

本発明の太陽電池の製造方法を説明するフロー図である。 本発明で受光面電極を形成する際に用いることができるスクリーン印刷装置を説明する概略断面図である。 本発明の太陽電池の製造方法により形成される受光面電極の断面図である。 従来の太陽電池の製造方法により形成される受光面電極の断面図である。

符号の説明

１…シリコン単結晶基板、 ２ａ…低濃度エミッタ層、 ２ｂ…高濃度エミッタ層、
３…反射防止膜、 ４…電極形成用溝、 ５…裏面電極、 ６…受光面電極、
７…太陽電池、 ８…、スクリーン製版、 ９…スクリーン製版開口部、
１０…真空シール、 １１…印刷ステージ、 １２…溝加工を施した基板、
１３…排気管、 １４…真空ポンプ、 １５…導電性ペースト、 １６…気泡。

Claims (8)

1. 導電性ペーストを使用して基板上に電極を形成する工程を有する太陽電池の製造方法において、少なくとも基板上に電極形成用の溝部を形成した後、該電極形成用溝部に前記導電性ペーストを減圧下で充填して電極を形成することを特徴とする太陽電池の製造方法。
2. 前記電極を、スクリーン印刷法により形成することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
3. 前記スクリーン印刷法による電極の形成を、前記基板とスクリーン製版との間の空間のみを減圧しながら行うことを特徴とする請求項２に記載の太陽電池の製造方法。
4. 前記電極を形成する時の圧力を、０．０９ＭＰａ以下とすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法。
5. 前記電極を、受光面側の集電用の電極とすることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法。
6. 前記導電性ペーストとして、金、銀、銅、ニッケル、亜鉛、アルミニウムのうち少なくとも１つを含むものを用いることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法。
7. 前記電極形成用溝部を、幅２０〜１００μｍ、深さ５〜１００μｍとなるように形成することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法により製造されたことを特徴とする太陽電池。

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