JP2006339342A - 太陽電池および太陽電池の製造方法 - Google Patents

太陽電池および太陽電池の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】バスバ電極に半田付けされるコネクタが剥がれ難く、かつ、バスバ電極による太陽光の遮蔽が小さい低コストで高効率の太陽電池および太陽電池の製造方法を提供する。
【解決手段】少なくとも、ＰＮ接合が形成された半導体基板５と、半導体基板５の少なくとも片面上に櫛歯状に形成されたフィンガ電極４と、半導体基板５上でフィンガ電極４に接続されたバスバ電極３とを具備する太陽電池であって、バスバ電極３は、表面上に凹凸パターン１が形成された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電極と、前記半導体基板上で前記フィンガ電極に接続されたバスバ電極とを具備する太陽電池であって、特に、取り付けるコネクタが剥がれ難く、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電極と、該フィンガ電極に接続して電力を取り出すバスバ電極とが形成されている。
そして、バスバ電極には、例えば太陽電池同士を結線するために、半田によってコネクタが取り付けられる。
このバスバ電極は、基板に太陽光が入射する際の影になるため、電極幅を狭くすることが求められる。
しかし、バスバ電極の電極幅を狭くすることによって、バスバ電極の表面積が小さくなり、コネクタを取り付ける半田とバスバ電極との接触面積が減少して接着強度が低下し、取り付けたコネクタが剥がれ易くなるという問題がある。
これに対して、バスバ電極の端部、あるいは、中間部において拡大して、多くの半田を付着させることにより取り付けたコネクタが剥がれるのを防止する方法が提案されている（特許文献１参照）。
しかし、この方法では、バスバ電極が太陽光を遮る面積が増加するため、太陽電池の効率が低下することとなる。
特開２０００−１８８４０９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、バスバ電極に半田付けされるコネクタが剥がれ難く、かつ、バスバ電極による太陽光の遮蔽が小さい低コストで高効率の太陽電池および太陽電池の製造方法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電極と、前記半導体基板上で前記フィンガ電極に接続されたバスバ電極とを具備する太陽電池であって、前記バスバ電極は、表面上に凹凸パターンが形成された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）。
このようにバスバ電極が表面上に凹凸パターンが形成されたものであることによって、コネクタを取り付ける半田との接触面積が増大して、バスバ電極とコネクタとの接着強度が向上する。また、これによりバスバ電極の幅を広げる必要がないので、バスバ電極による太陽光の遮蔽を小さくすることができ、低コストで高効率の太陽電池となる。
このとき、前記凹凸パターンの凹部に対する凸部の高さが、５〜５０μｍであることが好ましい（請求項２）。
このように凹凸パターンの凹部に対する凸部の高さが、５〜５０μｍであることにより、電極が高くなりすぎることもなく、少ない電極材料で、バスバ電極の表面積を大きくすることができる。
また、前記凹凸パターンのパターン形状が、縞状、網目状、ハニカム状、点状のいずれかの形状であることが好ましい（請求項３）。
このように凹凸パターンのパターン形状が、縞状、網目状、ハニカム状、点状のいずれかの形状であれば、半田が凹凸の間に入り込み、両者の接触面積が増大し、電極と半田が強固に接着することができる。特に、網目状もしくはハニカム状であれば、コネクタの剥がれ難さの方向性の差をなくすことができ、点状であれば、電極材料の使用量を削減することができる。
さらに、前記凹凸の凸部の間隔が、５０μｍ〜１ｍｍであることが好ましい（請求項４）。
このように凹凸の凸部の間隔が、５０μｍ〜１ｍｍであることにより、接触面積が増大し、電極表面の凹凸の間に確実に半田が流れ込むことができるため、接着強度を確実に向上させることができる。
また、前記バスバ電極は、幅が１〜２ｍｍであり、厚さが８０μｍ以下であることが好ましい（請求項５）。
このようにバスバ電極は、幅が１〜２ｍｍであり、厚さが８０μｍ以下であることにより、太陽光を遮断する電極面積を十分に小さくし、電極材料の使用量も小さく抑えながら、接続するのに十分に広い電極表面積を得ることができる。
さらに、前記バスバ電極は、二層からなるものであることが好ましく（請求項６）、前記バスバ電極の二層のうち、少なくとも一層により前記凹凸パターンのパターン形状が形成されたものであることが好ましい（請求項７）。
このようにバスバ電極は、二層からなるものとすることにより、その少なくとも一層によって、容易に凹凸パターンのパターン形状を形成することができる。
また、前記バスバ電極は、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８）。
このようにバスバ電極は、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バスバ電極を作製し、コネクタを半田付けした場合に、コネクタの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９）。
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。
また、本発明によれば、少なくとも、半導体基板上にＰＮ接合を形成した後、該半導体基板の少なくとも片面上に、櫛歯状のフィンガ電極と、該フィンガ電極に接続するバスバ電極とを形成する太陽電池の製造方法であって、導電性ペーストを２回印刷して焼成することによって二層構造のバスバ電極を形成し、前記２回の印刷および焼成のうち少なくとも１回の印刷および焼成によって、前記二層構造のバスバ電極の表面上に凹凸パターンを形成することを特徴とする太陽電池の製造方法が提供される（請求項１０）。
このように導電性ペーストを２回印刷して焼成することによって二層構造のバスバ電極を形成し、前記２回の印刷および焼成のうち少なくとも１回の印刷および焼成によって、前記二層構造のバスバ電極の表面上に凹凸パターンを形成することで、低コストで容易に、バスバ電極に半田付けされるコネクタが剥がれることのない、高効率の太陽電池を製造できる。
このように、本発明の太陽電池であれば、バスバ電極の表面積を大きくすることができるので、コネクタを取り付ける半田との接触面積が増大して接着強度が向上し、コネクタが剥がれ難くなり、また、バスバ電極の幅が狭いために、太陽光の遮蔽が小さい低コストで高効率のものとなる。
バスバ電極は、基板に太陽光が入射する際の影になるため、電極幅を狭くすることが求められるが、電極幅を細くすることによってバスバ電極とコネクタとの接触面積が減少して、接着強度が低下し、半田によって取り付けたコネクタが剥がれ易くなるという問題がある。
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電極と、前記半導体基板上で前記フィンガ電極に接続されたバスバ電極とを具備する太陽電池であって、前記バスバ電極は、表面上に凹凸パターンが形成されたものとすることによって、バスバ電極に半田付けされるコネクタが剥がれ難く、かつ、バスバ電極による太陽光の遮蔽が小さい低コストで高効率の太陽電池となることを見出した。
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１〜４は、本発明に係る太陽電池であって、バスバ電極の表面上に凹凸のパターン形状を形成したものの例の図である。
本発明の太陽電池は、少なくとも、ＰＮ接合が形成された半導体基板５と、半導体基板５の少なくとも片面上に櫛歯状に形成されたフィンガ電極４と、半導体基板５上でフィンガ電極４に接続されたバスバ電極３とを具備する太陽電池であって、バスバ電極３は、表面上に凹凸パターン１が形成されたものである。
半導体基板５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５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５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。
フィンガ電極４は、ＰＮ接合が形成された半導体基板５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。
バスバ電極３は、櫛歯状のフィンガ電極４の根元に接続するように形成される。さらに、バスバ電極３もフィンガ電極４と同様に半導体基板５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、フィンガ電極４と一体的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。
このようなバスバ電極３は、表面上に凹凸パターン１が形成されたものであることによって、コネクタを取り付ける半田との接触面積が増大して、アンカー効果が得られ、バスバ電極３とコネクタとの接着強度が向上して、剥がれ難くなる。
また、これによりバスバ電極３の幅を広げる必要がないので、バスバ電極３による太陽光の遮蔽を小さくすることができ、低コストで高効率の太陽電池となる。
特に、バスバ電極３は、幅が１〜２ｍｍであり、厚さが８０μｍ以下であることが好ましく、これにより、太陽光を遮断する電極面積を十分に小さくし、電極材料の使用量も小さく抑えながら、表面上に凹凸パターン１を形成することによってコネクタを接続するのに十分に広い電極表面積を得ることができる。
凹凸パターン１の凹部に対する凸部２の高さは、５〜５０μｍとすることが好ましく、これにより、電極が高くなりすぎることもなく、少ない電極材料で、バスバ電極３の表面積を大きくすることができる。
このように凹凸パターン１のパターン形状が、図２のような縞状、図１、図３のような網目状、ハニカム状、図４のような点状のいずれかの形状であれば、半田が凹凸の間に入り込み、両者の接触面積が増大し、電極と半田が強固に接着することができる。
凹凸の凸部２の間隔は、５０μｍ〜１ｍｍであることが好ましい。これにより、接触面積が増大し、電極表面の凹凸の間に確実に半田が流れ込むことができるため、確実に接着強度を向上させ、アンカー効果を発揮することができる。
なお、図１〜図４は、凸部２によって、凹凸パターン１のパターン形状を形成した場合を示しているが、電極表面の凹凸の間に確実に半田が流れ込むことができるのであれば、必ずしも凸部２によらず、凹部によって、縞状、網目状、ハニカム状、点状を形成してもよい。
特に、図１、図３のような網目状、もしくはハニカム状の形状であれば、コネクタの剥がれ難さの方向性の差をなくすことができ、点状の形状で凸部２を形成した場合であれば、電極材料の使用量を削減することができる。なお、点状に形成される凸部もしくは凹部の形状は、円状、楕円状、多角形状、星状でも構わない。
バスバ電極３は、二層からなるものであることが好ましく、これにより、バスバ電極３の二層のうち、少なくとも一層によって容易に凹凸パターン１のパターン形状を形成することができる。
特に、導電性ペーストを２回印刷して焼成することによって二層構造のバスバ電極３を形成し、前記２回の印刷および焼成のうち少なくとも１回の印刷および焼成によって、前記二層構造のバスバ電極３の表面上に凹凸パターン１を形成することが好ましい。これにより、低コストで容易に、バスバ電極３に半田付けされるコネクタが剥がれることのない、高効率の太陽電池を製造できる。
電極の表面に凹凸パターンを形成するために、バスバ電極３の印刷を２回に分けて行う際、印刷形状の組み合わせは、例えば、次の３通りがある。
（１）一層目：平坦形状 二層目：縞状、網目状、ハニカム状、点状
（２）一層目：縞状、網目状、ハニカム状、点状 二層目：平坦形状
（３）一層目：縞状、網目状、ハニカム状、点状 二層目：縞状、ハニカム状、網目状、点状
例えば、（１）のように一層目を平坦形状で印刷し、その上に図２のように縞状に二層目を印刷したり、図１、図３、図４のように網目状や点状に二層目を印刷することが好ましい。このように、二層目の印刷形状によって凸部２を形成することによって、確実にバスバ電極３に凹凸パターン１を形成することができる。
また、（２）のように一層目を縞状、網目状、ハニカム状、点状の形状で印刷し、その上に二層目を平坦形状で印刷することによって凹凸パターンを形成してもよく、この場合、一層目から二層目が剥がれるようなことも防止することができる。
さらに、（３）のように一層目と二層目をそれぞれ平坦形状でないものとして、それぞれの重ね合わせの結果として、バスバ電極３の表面に凹凸パターンを形成することも可能である。
以上のような本発明の太陽電池のバスバ電極３に、コネクタを半田付けして使用すれば、コネクタが剥がれ難く、かつ、バスバ電極３による太陽光の遮蔽が小さく、低コストで高効率に電力を得ることができる。なお、半田付けするコネクタは、一つの太陽電池から直接電力を取り出すコネクタであっても、複数の太陽電池同士を結線して電力を取り出すインタコネクタであってもよい。
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。
そして、受光面側にＰＯＣｌ３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した。ここで、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、裏面（受光面と反対側の面）に対し、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。
そして、受光面に対し、銀粒子を含む導電性ペーストをフィンガ電極とバスバ電極の形状に印刷し、７００℃で３分間焼成して太陽電池を完成した。
ここで、バスバ電極は２回重ねて印刷を行った。一層目は（フィンガ電極とともに）、平坦形状で行い、二層目は、図１、図３のような網目状で行った（実施例）。バスバ電極の幅は１．５ｍｍ、一層目の電極厚さは２０μｍ、二層目の電極厚さは３０μｍ（これが凹凸差となる）とした。また、二層目の網目状の線幅は１００μｍ、線の間隔は２００μｍとした。
さらに比較のために、二層目も一層目同様、平坦形状で作製した太陽電池を用意した（比較例）。
最後に、ソーラシミュレータ（光強度：１ｋＷ／ｍ２、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。
また、バスバ上にインタコネクタを半田付けし、そのインタコネクタを基板表面の法線方向に２Ｎの力で引っ張った際の、剥がれ確率を測定した。
得られた出力特性および剥がれ確率、次の表１に示す。
Figure 2006339342
実施例のインタコネクタの剥がれ発生確率は、比較例に比べて大幅に改善したことから、本発明の太陽電池のバスバ電極にコネクタを半田付けすることにより、コネクタが剥がれ難くなったことが確かめられた。
また、出力特性の測定結果から、バスバ電極の電極幅を広げる必要がない本発明による太陽電池は、太陽光の遮蔽が大きくなることもなく、効率への影響も小さいことが確かめられた。
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、上記ではフィンガ電極およびバスバ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、バスバ電極に半田付けしたコネクタが剥がれ生じやすいのは、真空蒸着等で電極を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、アンカー効果により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、受光面側にだけバスバ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、裏面のバスバ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であって、バスバ電極の表面上に形成された凹凸パターンのパターン形状が網目状であるものの一例の概略平面図である。 本発明に係る太陽電池であって、バスバ電極の表面上に形成された凹凸パターンのパターン形状が縞状であるものの一例の概略断面を示した斜視図である。 本発明に係る太陽電池であって、バスバ電極の表面上に形成された凹凸パターンのパターン形状が網目状であるものの一例の概略断面を示した斜視図である。 本発明に係る太陽電池であって、バスバ電極の表面上に形成された凹凸パターンのパターン形状が点状であるものの一例の概略断面を示した斜視図である。
符号の説明
１…凹凸パターン、 ２…凸部、 ３…バスバ電極、 ４…フィンガ電極、
５…半導体基板。

Claims (10)

  1. 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電極と、前記半導体基板上で前記フィンガ電極に接続されたバスバ電極とを具備する太陽電池であって、前記バスバ電極は、表面上に凹凸パターンが形成されたものであることを特徴とする太陽電池。
  2. 前記凹凸パターンの凹部に対する凸部の高さが、５〜５０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記凹凸パターンのパターン形状が、縞状、網目状、ハニカム状、点状のいずれかの形状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。
  4. 前記凹凸の凸部の間隔が、５０μｍ〜１ｍｍ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。
  5. 前記バスバ電極は、幅が１〜２ｍｍであり、厚さが８０μｍ以下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。
  6. 前記バスバ電極は、二層からな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。
  7. 前記バスバ電極の二層のうち、少なくとも一層により前記凹凸パターンのパターン形状が形成されたものであることを特徴とする請求項６に記載の太陽電池。
  8. 前記バスバ電極は、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７のいずれか一項に記載の太陽電池。
  9. 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８のいずれか一項に記載の太陽電池。
  10. 少なくとも、半導体基板上にＰＮ接合を形成した後、該半導体基板の少なくとも片面上に、櫛歯状のフィンガ電極と、該フィンガ電極に接続するバスバ電極とを形成する太陽電池の製造方法であって、導電性ペーストを２回印刷して焼成することによって二層構造のバスバ電極を形成し、前記２回の印刷および焼成のうち少なくとも１回の印刷および焼成によって、前記二層構造のバスバ電極の表面上に凹凸パターンを形成することを特徴とする太陽電池の製造方法。
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