JP2006324504A

JP2006324504A - 太陽電池

Info

Publication number: JP2006324504A
Application number: JP2005146845A
Authority: JP
Inventors: Satoyuki Ikushima; 聡之生島; Naoki Ishikawa; 直揮石川; Hiroyuki Otsuka; 寛之大塚
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd; Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd; Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2025-05-19
Also published as: JP5301758B2

Abstract

【課題】基板表面の電極による太陽光の遮蔽が小さく高効率であり、酸浸漬等による電極剥がれを防止できて生産歩留まりの高い太陽電池を提供する。
【解決手段】ＰＮ接合が形成された半導体基板１と、半導体基板１の少なくとも片面上に櫛歯状に形成されたフィンガー電極２と、フィンガー電極２に接続するバスバー電極３を具備する太陽電池であって、フィンガー電極２が、少なくとも、バスバー電極３と接続する電極幅が一定の定幅部４と、定幅部４に接続する定幅部４よりも幅が広い幅広部５とを有するものであることを特徴とする太陽電池。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも、ＰＮ接合が形成された半導体基板と、該半導体基板の少なくとも片面上に櫛歯状に形成されたフィンガー電極と、該フィンガー電極に接続するバスバー電極を具備する太陽電池であって、特に、フィンガー電極が、電極と基板との間の接触抵抗が低く、太陽光の遮蔽が小さい高効率の太陽電池に関する。

太陽電池には、一般的に、ＰＮ接合が形成された半導体基板の受光面上に、該半導体基板から電力を取り出すための櫛歯状のフィンガー電極と、該フィンガー電極に接続して電力を取り出すバスバー電極とが形成される。

高効率の太陽電池を得るために、基板の受光面上に形成されるフィンガー電極には、（１）基板から電力を取り出す際の障害となる、電極と基板との間の接触抵抗を低くすることと、（２）電極内の抵抗を低くして抵抗損失を減らすことと、（３）電極幅を細くして、基板に入射する太陽光の遮蔽を小さくすることが求められる。
その一方で、細いフィンガー電極を形成した場合には、電極と基板との接触面積が減少して、電極と基板の接着強度が低下してしまうという問題がある。

また、フィンガー電極は、基板上に導電性ペーストをスクリーン印刷して焼成することによって低コストで形成することができるが、この導電性ペーストで形成されたフィンガー電極と基板との接触抵抗は、一般的に、真空蒸着等で作製された場合に比べて大きい。そのため、導電性ペーストによって形成されたフィンガー電極と基板との接触抵抗を下げるために、電極形成後の太陽電池をフッ化水素酸等の酸に浸漬する方法がある（特許文献１、２参照）。
この方法における接触抵抗低減の原理は、明らかではないが次のような仮説が考えられている。

焼成後の導電性ペーストは、主に金属粒子とガラスフリットから構成され、内部に空孔を持つ多孔質の状態となっている。このガラスフリットは、金属粒子間や金属と基板間の接触を保つ接着剤としての役割を持つ。
しかし、一方でこのガラスフリットは不導体のために接触部分において接触抵抗の増大を引き起こしてもいる。
そこで、酸によってこの基板と電極界面付近におけるガラスフリットを溶解して除去することで、基板と電極内の金属粒子との接触点が増加するために、接触抵抗が低減すると言われている。

このように、酸浸漬によれば接触抵抗が低減できるが、接着剤としてのガラスフリットを溶解して除去することにもなるので、電極と基板との接着強度が低下して、基板からフィンガー電極の剥がれを誘発する。そのため、接触抵抗の低減幅が大きいものを安定的に得ることが困難であり、生産歩留まりが低いという問題がある。
また、電極と基板とは熱収縮率が相違するので、焼成後の電極と基板の間ではせん断もしくは引っ張りの応力が生じており、これによっても電極剥がれを助長している。

さらに効率向上の要求から、従来より細いフィンガー電極を形成することが求められており、電極と基板との接触面積が減少し、接触強度が低下して、一層剥がれが生じ易いという問題がある。

また、電極を剥がれにくくするために、基板表面にリアクティブイオンエッチング法で微細な突起を多数形成することで下地の基板の表面積を増加させる方法がある（特許文献３参照）が、線幅が１５０μm以下のフィンガー電極の剥がれを防止するためには不十分であった。

特開昭５９−１２９４７７号公報特開平９−２１３９７９号公報特開２０００−３３２２７９号公報

そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、基板表面の電極による太陽光の遮蔽が小さく高効率であり、酸浸漬等による電極剥がれを防止できて生産歩留まりの高い太陽電池を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明によれば、少なくとも、ＰＮ接合が形成された半導体基板と、該半導体基板の少なくとも片面上に櫛歯状に形成されたフィンガー電極と、該フィンガー電極に接続するバスバー電極を具備する太陽電池であって、前記フィンガー電極が、少なくとも、前記バスバー電極と接続する電極幅が一定の定幅部と、該定幅部に接続する該定幅部よりも幅が広い幅広部とを有するものであることを特徴とする太陽電池が提供される（請求項１）。

このように、フィンガー電極が、バスバー電極と接続する電極幅が一定の定幅部と、該定幅部よりも幅が広い幅広部とを有するものとすることにより、該幅広部における電極と基板との接触面積が他の箇所に比べて増加するため、接着強度が向上し、これにより、電極と基板との界面に印加されるせん断力や引っ張り応力に対する耐性が向上し、酸浸漬等による電極剥がれを防止できて、高効率の太陽電池の生産歩留まりを向上させることができる。また、幅広となるのは一部であるため、遮蔽による効率低下もほとんどなく、むしろ接触抵抗の低下等により効率を向上させることができる。

このとき、前記幅広部が、前記フィンガー電極の先端部に形成されたものであることが好ましい（請求項２）。
フィンガー電極の先端部は、特にフッ化水素酸等の酸の浸透量・浸透速度が大きいため非常に剥がれ易い。そのため、このように前記幅広部をフィンガー電極の先端部に形成することにより、電極剥がれを効果的に防止することができる。また、フィンガー電極の先端部は、基板からの電流が集中するため、このように前記幅広部を先端部に形成することにより、基板から集中する電流への抵抗を大きく低減することができ、より効果的に高効率の太陽電池の生産歩留まりを向上させることができる。

また、前記幅広部が、前記フィンガー電極の先端から２ｍｍの範囲に形成されたものであることが好ましい（請求項３）。
このように幅広部を、特に剥がれ易い電極の先端から２ｍｍの範囲に形成することにより電極剥がれを確実に防止することができる。また、先端から２ｍｍの範囲に前記幅広部を形成することで、前記バスバー電極と接続する電極幅が一定の定幅部を長くして電極が太陽光を遮る面積を小さくすることができ、さらに高効率の太陽電池の生産歩留まりを向上させることができる。

さらに、前記幅広部の形状が、円状、楕円状、液滴状、多角形のいずれかの形状であることが好ましい（請求項４）。
このように幅広部の形状が、円状、楕円状、液滴状のいずれかの形状であることにより、酸浸漬の際に酸が集中的に作用する鋭角的な箇所がなく、剥がれ現象の開始点をなくすことができて、効果的に電極剥がれを防止することができる。また、前記幅広部の形状を多角形としてもよく、多角形状であれば形成し易く、かつ容易に、幅広部における電極と基板との接触面積を大きくすることができるため、効果的に電極剥がれを防止することができる。

また、前記バスバー電極と接続する定幅部の幅が、１０〜１５０μｍであることが好ましい（請求項５）。
このように定幅部の幅が１０〜１５０μｍであることにより、電極剥がれを防止できる程度に十分に広い基板との接触面積を有し、かつ、太陽光の遮断が十分に小さく狭い電極面積を有するものとなる。

さらに、前記幅広部が、最大で定幅部の１．１〜３．０倍の幅を有するものであることが好ましい（請求項６）。
このように幅広部が最大で定幅部の１．１〜３．０倍の幅を有するものとすることにより、幅広部における電極と基板との接触面積を大きくすることができて、かつ、電極が太陽光を遮る面積を小さく抑えることができるため、効果的に電極剥がれを防止することができるとともに発電効率を下げることもない。

また、前記フィンガー電極は、導電性ペーストが印刷され焼成されたものであることが好ましい（請求項７）。
このようにフィンガー電極を、導電性ペーストが印刷され焼成されたものとすることにより、低コストで、高効率の太陽電池の生産歩留まりを向上させることができる。また、導電性ペーストを用いてフィンガー電極を作製したときに剥がれの問題を生じやすいので、本発明が特に有効である。

さらに、前記半導体基板は、ガリウムをドープしたｐ型単結晶シリコン基板であることが好ましい（請求項８）。
このように半導体基板を、ガリウムをドープしたｐ型単結晶シリコン基板とすることにより、光劣化を生じることのない光電変換効率が非常に高い実用的な太陽電池とすることができる。

このように、本発明により、酸浸漬等による電極剥がれを防止できて、基板表面の電極による太陽光の遮蔽が小さく高効率である太陽電池の生産歩留まりを向上することが可能となった。特に、フッ化水素酸等の酸の浸透量・浸透速度が大きいために非常に剥がれ易いフィンガー電極の先端部からの電極剥がれを効果的に防止することができる。

ＰＮ接合が形成された半導体基板の受光面上に、導電性ペーストが櫛歯状に印刷され焼成されることにより電極が形成された太陽電池は、フィンガー電極と半導体基板との接触抵抗を下げるために酸浸漬が行われるが、酸浸漬された場合、電極と基板の接着強度が低下するため、基板からの電極の剥がれを誘発して、接触抵抗の低減幅が大きいものを安定的に得ることは困難であり、生産歩留まりが低いという問題があった。
これに対して、電極と基板との接触面積を大きくすることが考えられるが、単に大きくしたのでは光を遮蔽してしまい太陽電池の変換効率を低下させてしまう。

そこで、本発明者等は、鋭意研究を重ね、少なくとも、ＰＮ接合が形成された半導体基板と、該半導体基板の少なくとも片面上に櫛歯状に形成されたフィンガー電極と、該フィンガー電極に接続するバスバー電極を具備する太陽電池であって、前記フィンガー電極が、少なくとも、前記バスバー電極と接続する電極幅が一定の定幅部と、該定幅部に接続する該定幅部よりも幅が広い幅広部とを有する太陽電池とすることにより、該幅広部における電極と基板との接触面積が他の箇所に比べて増加して接着強度が向上し、電極と基板との界面に印加されるせん断力や引っ張り応力に対する耐性が向上して、酸浸漬等による電極剥がれを防止できて、かつ、定幅部を設けることで幅広部は一部とすることによって、遮光を最小限にとどめ、高効率の太陽電池の生産歩留まりを向上させることができることを見出した。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１〜図３は、本発明に係る太陽電池の一例であって、フィンガー電極の先端部に幅広部が形成されたものの図である。

本発明は、ＰＮ接合が形成された半導体基板１と、半導体基板１の少なくとも片面上に櫛歯状に形成されたフィンガー電極２と、フィンガー電極２に接続するバスバー電極３を具備する太陽電池であって、フィンガー電極２が、少なくとも、バスバー電極３と接続する電極幅が一定の定幅部４と、定幅部４に接続する定幅部４よりも幅が広い幅広部５とを有する太陽電池である。

半導体基板１は、ガリウムをドープしたｐ型単結晶シリコン基板であることが好ましく、これにより、製造する太陽電池が光劣化を生じない光電変換効率の非常に高い実用的なものとなる。まず、半導体基板からエッチングによりダメージ層を除去した後、反射防止のためのテクスチャ構造を形成した半導体基板にＰＮ接合を形成することが好ましい。
ＰＮ接合の形成は、受光面側にリンなどのｎ型不純物を熱拡散によって行うのが好ましいが、塗布拡散もしくはイオン注入法によって行ってもよい。ここで、太陽光反射防止と表面保護のために、プラズマＣＶＤ法またはＰＶＤ法等によって、窒化膜を受光面上に形成することが好ましい。

フィンガー電極２は、ＰＮ接合が形成された半導体基板１の受光面上に、導電性ペーストを櫛歯状にスクリーン印刷して焼成されることにより形成されることが好ましい。これにより、低コストで高効率の太陽電池を生産することができる。

バスバー電極３は、櫛歯状のフィンガー電極２の根元に接続するように形成されることが好ましい。さらに、バスバー電極３もフィンガー電極２と同様に半導体基板１の受光面上に、導電性ペーストをスクリーン印刷して焼成されることにより形成されることが好ましく、フィンガー電極２と一体的に同時に印刷され焼成されることにより形成されると、製造コストを抑制できるので、さらに好ましい。

定幅部４は、バスバー電極３と接続するフィンガー電極２の電極幅が一定の部分であるが、その幅が１０〜１５０μｍであることにより、電極剥がれを防止できる程度に十分に広い基板との接触面積を有し、かつ、太陽光の遮断が十分に小さく狭い電極面積を有するものとなる。さらに、定幅部４の幅は、５０〜１２０μｍであればより好ましく、８０〜１００μｍであればさらに好ましい。

幅広部５は、フィンガー電極２の定幅部４に接続して定幅部４よりも幅が広い部分であり、定幅部４等の他の箇所に比べて基板との接触面積が増加するため、接着強度が向上する。これにより、電極と基板との界面に印加されるせん断力や引っ張り応力に対する耐性が向上し、酸浸漬等による電極剥がれを防止できて、高効率の太陽電池の生産歩留まりを向上させることができる。

フィンガー電極２の先端部は、特にフッ化水素酸等の酸の浸透量・浸透速度が大きいため非常に剥がれ易い。そのため、このように幅広部５を先端部に形成することにより、電極剥がれを効果的に防止することができる。
また、フィンガー電極２の先端部は、基板からの電流が集中するため、このように前記幅広部を先端部に形成することにより、基板から集中する電流への抵抗を大きく低減することができ、より効果的に高効率の太陽電池の生産歩留まりを向上させることができる。

さらに、フィンガー電極２の先端から２ｍｍの範囲は、特に剥がれ易いため、この範囲に幅広部５を形成することにより、電極剥がれをより確実に防止することができる。また、先端から２ｍｍの範囲に幅広部５を形成することで、バスバー電極３と接続する電極幅が一定の定幅部４を長くして電極が太陽光を遮る面積を小さくすることができ、さらに高効率の太陽電池の生産歩留まりを向上させることができる。

また、まれにフィンガー電極２の先端部以外の場所、例えば中央部付近で電極が剥がれて浮いてくる場合があるため、幅広部５は、フィンガー電極２の先端部以外の場所に形成されてもよい。さらにこの場合、より確実に電極剥がれを防止するために、幅広部５は、先端部および、先端部以外の所望場所の両方に形成されてもよい。

幅広部５の形状が、図１や図２のように、楕円状、液滴状、あるいは円状のいずれかの形状であることにより、基板との接触面積を広くしつつ、酸浸漬の際に酸が集中的に作用する鋭角的な箇所がなく、剥がれ現象の開始点をなくすことができて、効果的に電極剥がれを防止することができる。

円状の形状とすれば、最も滑らかな曲線となって剥がれ現象の開始点を効果的になくすことができる。また、図１のように、楕円状の形状にした場合、幅をとることなく効果的に基板との接触面積を広げることができる。さらに、図２のように、液滴状の形状とした場合、剥がれやすい先端により近い位置で基板との接触面積を広げることができる。

また、図３のように幅広部５の形状を多角形としてもよく、これにより、幅広部５における電極と基板との接触面積を確実に大きくすることができるため、効果的に電極剥がれを防止することができる。
なお、導電性ペーストを多角形の形状にスクリーン印刷する際、にじみや版の開口形状のダレによって、印刷形状の角部に丸みが生じるが、酸が集中して電極剥がれの原因となる鋭角的部分を解消することにもなるので、好ましい。

幅広部５は、最大で定幅部４の１．１〜３．０倍の幅を有するものとすることが好ましい。これにより、幅広部５によって電極と基板との接触面積を大きくして電極剥がれを防止しつつも、電極が太陽光を遮る面積を小さく抑えることができるため、高効率の太陽電池の生産歩留まりをより効果的に向上させることができる。

以上のような本発明の太陽電池の製造では、フィンガー電極を形成後に電極と基板との接触抵抗を下げるために、酸浸漬を行う。太陽電池の酸浸漬は、０．１〜１０体積％のフッ化水素酸等の酸を含む水溶液に浸漬させることによって行うと、電極内に十分な量の酸を確実に浸漬させることができるため好ましい。浸漬時間としては、１秒から５分間程度が好ましい。

基板を浸漬させる酸としては、フッ化水素酸、臭化水素酸、ＤＬ−リンゴ酸、ステアリン酸、アジピン酸、サリチル酸、クエン酸、および乳酸などが電極腐食の問題を生じることなく優れた電気的特性を得ることができるので好ましい。特に、フッ化水素酸であれば、非常に優れた電気的特性を得ることができるのでさらに好ましく、また、臭化水素酸やＤＬ−リンゴ酸であれば、高い電極強度を得ることができるので好ましい。

次に、半導体基板に付着した酸を水で洗い流す。ここでは、洗浄効果を高めるために揺動し、若しくは、超音波を印加しながら水洗するのが好ましい。そして、最後に半導体基板を乾燥させることにより、高効率の太陽電池を得ることができる。乾燥方法には、放置や温風、ＩＰＡ乾燥などを用いてもよい。

本発明の太陽電池は、このような酸浸漬を行う際に生じる電極剥がれを防止できて、特にフィンガー電極の定幅部が狭く、その先端に幅広部を設けることで電極による太陽光の遮蔽が小さくて高効率である太陽電池の生産歩留まりを向上することが可能となった。特に、フッ化水素酸等の酸の浸透量・浸透速度が大きいために非常に剥がれ易いフィンガー電極の先端部からの電極剥がれを効果的に防止することができる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより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、比較例）
ＩＩＩ族元素のガリウムを不純物元素とするｐ型単結晶太陽電池用シリコン基板（１００ｍｍ角、面方位｛１００｝、基板厚３００μｍ、抵抗率０．５Ωｃｍ）を、水酸化カリウム水溶液によりエッチングしてダメージ層を取り除いた。

さらにＩＰＡを混入した水酸化カリウム水溶液により、反射防止構造であるテクスチャ構造を形成した後、受光面側にＰＯＣｌ_３液体ソースを利用した熱拡散によってＶ族元素のリンを不純物としたｎ領域を受光面に作製することにより、ＰＮ接合を形成した。
そして、太陽光反射防止と表面保護をかねてプラズマＣＶＤ法によって膜厚７０ｎｍの窒化膜を受光面上に形成した。

さらに、受光面と反対側の裏面に対して、アルミニウム粒子を含む導電性ペーストを全面に印刷した後、受光面に対し、銀粒子を含む導電性ペーストをフィンガー電極とバスバー電極を形成するためにスクリーン印刷した。

ここで、フィンガー電極の先端部に円状の幅広部を形成した。その大きさは、円の直径（幅広部の最大幅）が、３００μｍ（実施例１）、１５０μｍ（実施例２）、１１０μｍ（実施例３）の３種類である。フィンガー電極の定幅部の幅は１００μｍとした。
また、比較のために、幅広部を形成せず、幅が１００μｍの定幅部のみのフィンガー電極を形成したものを用意した（比較例１）。

次に、基板を７００℃で３分間焼成した。
最後に、太陽電池を濃度１％のフッ化水素酸に６０秒間浸漬した後、純水でフッ化水素酸を洗い流し、太陽電池を乾燥させた。そして、ソーラシミュレータ（光強度：１ｋＷ／ｍ^２、スペクトル：ＡＭ１．５グローバル）を用いて、作製した太陽電池の出力特性を測定した。得られた出力特性および、酸浸漬後のフィンガー電極の剥がれ発生確率を、表１に示す。

以上の結果から、フィンガー電極の先端部に円状の幅広部を形成することで、剥がれの発生確率は大幅に低下した。特に、円の直径（幅広部の最大幅）が３００μｍの実施例１の場合は、剥がれが全く発生しなかった。
また、本発明によってフィンガー電極の剥がれが防止されるため、直列抵抗が低く、フィルファクタが増加した。その結果、太陽電池の変換効率を高くすることができた。

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、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

例えば、上記ではフィンガー電極およびバスバー電極を導電性ペーストを用いてスクリーン印刷で形成する場合を例として説明したが、本発明はこれには限られず、フィンガー電極の先端で剥がれが生じやすいのは、真空蒸着等で形成した場合等でも同じであり、本発明を適用することによって、剥がれの発生率を低減できることは言うまでもない。

また、上記では、受光面側にだけフィンガー電極を形成する場合につき説明したが、両面に形成してもよく、本発明は受光面のみならず、裏面のフィンガー電極に適用してもよいし、効果を奏する。

本発明に係る太陽電池の一例であって、フィンガー電極の先端部に楕円状の幅広部が形成されたものの図である。本発明に係る太陽電池の一例であって、フィンガー電極の先端部に液滴状の幅広部が形成されたものの図である。本発明に係る太陽電池の一例であって、フィンガー電極の先端部に四角形状の幅広部が形成されたものの図である。

符号の説明

１…半導体基板、２…フィンガー電極、３…バスバー電極、
４…定幅部、５…幅広部。

Claims

少なくとも、ＰＮ接合が形成された半導体基板と、該半導体基板の少なくとも片面上に櫛歯状に形成されたフィンガー電極と、該フィンガー電極に接続するバスバー電極を具備する太陽電池であって、前記フィンガー電極が、少なくとも、前記バスバー電極と接続する電極幅が一定の定幅部と、該定幅部に接続する該定幅部よりも幅が広い幅広部とを有するものであることを特徴とする太陽電池。
前記幅広部が、前記フィンガー電極の先端部に形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
前記幅広部が、前記フィンガー電極の先端から２ｍｍの範囲に形成されたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の太陽電池。
前記幅広部の形状が、円状、楕円状、液滴状、多角形のいずれかの形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の太陽電池。
前記バスバー電極と接続する定幅部の幅が、１０〜１５０μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の太陽電池。
前記幅広部が、最大で定幅部の１．１〜３．０倍の幅を有するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の太陽電池。
前記フィンガー電極は、導電性ペーストが印刷され焼成されたものであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の太陽電池。
前記半導体基板は、ガリウムをドープしたｐ型単結晶シリコン基板であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の太陽電池。