JP2007294678A - 太陽電池電極用導電性ペースト - Google Patents

Abstract

【課題】高いＦＦを安定して得ることができる太陽電池電極用導電性ペースト、特に結晶系シリコン太陽電池のＮ型半導体上の電極を形成するための導電性ペーストを提供する。
【解決手段】有機バインダと、溶剤と、導電性粒子と、ガラスフリットと、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ又はＴｌを含む化合物とを含有する、ことを特徴とする太陽電池電極用導電性ペーストである。
【選択図】なし

Description

本発明は、太陽電池電極用導電性ペースト、特に結晶系シリコン太陽電池のＮ型半導体上の電極を形成するための導電性ペースト、当該導電性ペーストを焼成してなる太陽電池の電極、当該電極を備えた太陽電池、当該導電性ペーストを用いた太陽電池の製造方法に関する。

単結晶又は多結晶シリコンを主たる半導体基板材料として用いる従来の太陽電池は、基板表面近傍に設けられたＰＮ接合に発生する電界により、半導体内に入射・吸収された光によって発生する電子・正孔対を分離し、Ｐ型半導体及びＮ型半導体のそれぞれと低接触抵抗になるように形成された電極を介して、電流として外部に取り出す。

例えば、一般的な多結晶シリコン太陽電池の場合、Ｂ（ボロン原子）等を不純物として添加したＰ型シリコン基板の片側表面から、Ｐ（リン原子）等のＮ型拡散層を形成可能な元素を拡散させて、ＰＮ接合を形成する。この場合、光の閉じ込め効果をもたせるため、Ｐ型シリコン基板表面にテクスチャ（凹凸）加工を施してからＮ型拡散層を形成する。

Ｎ型拡散層側を光入射側とし、窒化ケイ素、酸化チタン等の反射防止膜（膜厚５０〜１００nm）を介して、バス電極とフィンガー電極からなる光入射側電極を形成する。裏面側のＰ型シリコン基板側には、光を入射させなくてもよいため、ほぼ全面に裏面側電極を形成する。両電極は、各半導体と低抵抗でオーミック接触する必要がある。

両電極は、一般的には、導電性ペーストの印刷、乾燥、焼成によって形成する。導電性ペースト組成と焼成条件は、太陽電池の特性にとって特に重要である。

導電性ペーストは、一般的には、有機バインダ、溶剤、導電性粒子、ガラスフリットを含み、場合により添加物が配合されている。これらの成分は、印刷性や印刷後の形状の制御、電極としての導電性付与、半導体基板との密着性保持、反射防止膜のファイヤースルー、太陽電池の半導体基板及び拡散層との接触抵抗の低減等の役割を担う。

導電性ペーストを、スクリーン印刷等の方法で半導体基板に直接印刷して、又は拡散層上に形成された反射防止膜上に印刷して、１００〜１５０℃程度の温度で数分間乾燥し、その後、６００〜８５０℃程度で数分間高速焼成して、光入射側電極又は裏面側電極を形成する。焼成条件は、導電性ペースト組成によって良好な太陽電池特性を得るための最適条件が異なるため、ペースト組成に適した条件が選ばれる。

結晶系シリコン太陽電池の変換効率と電池特性の安定性に及ぼす電極の影響は大きく、特に光入射側電極の影響は非常に大きい。電極性能の目安として、太陽電池の曲線因子（ＦＦ）がある。太陽電池の直列抵抗が高いと、ＦＦは小さくなる傾向にあるが、直列抵抗の構成要素の一つがＰ型半導体及びＮ型半導体と電極との接触抵抗である。なお、太陽電池における直列抵抗は、太陽電池の光照射下のＩ−Ｖ（電流−電圧）特性におけるＶｏｃ点（開放電圧点）での接線の傾きを指標として評価できる。

このため、太陽電池の高い変換効率と安定な特性を得ることを目的として、太陽電池電極用導電性ペーストに各種の添加物を配合する以下の方法が、これまでに提案されている。
（ｉ）Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２を含有するガラスフリットを配合した導電性ペースト（特許文献１）。
（ii）Ｔｉ、Ｚｎ、Ｙ等の金属やその化合物を０．００１〜０．１μｍの微細な粒子として添加した導電性ペースト（特許文献２）。
（iii）Ｔｉ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｃｒを含む導電性ペースト（特許文献３）。
（iv）ハロゲン化物を添加した導電性ペースト（特許文献４）。

しかしながら、いずれの導電性ペーストにおいても、それを用いて形成した電極を備えた太陽電池において、十分高いＦＦ（曲線因子）が得られず、また電極を形成するための焼成温度の変動によるＦＦの変化が大きい、といった問題があった。

特開平１１−３２９０７２号公報 特開２００５−２４３５００号公報 特開２００１−３１３４００号公報 特開２００１−１１８４２５号公報

本発明は、上記の問題を解決して、とりわけ結晶系シリコン太陽電池のＮ型半導体にオーミック接触させる電極において、高いＦＦを安定して得ることができる太陽電池電極用導電性ペースト、並びに当該導電性ペーストを焼成してなる太陽電池の電極（特にＮ型半導体上の電極）、当該電極を備えた太陽電池及び当該導電性ペーストを用いた太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。

一般に、電極中にIII族元素が存在するとアクセプターレベルが形成されるため、このような電極をＮ型半導体と接合させると、Ｎ型半導体に形成されているドナーレベルと補償することとなり、接触抵抗が高くなることが予想される。本発明者らは、太陽電池電極用導電性ペーストにIII族元素であるＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ又はＴｌを化合物として配合した場合、かかるペーストを用いて形成したＮ型半導体上の電極は、予想に反して、Ｎ型半導体との間の接触抵抗が低く、太陽電池に優れたＦＦをもたらすことを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、有機バインダと、溶剤と、導電性粒子と、ガラスフリットと、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ又はＴｌを含む化合物とを含有する、ことを特徴とする太陽電池電極用導電性ペーストである。また、本発明は、上記の導電性ペーストを焼成してなる太陽電池の電極に関する。さらに、本発明は、上記の電極を備えた太陽電池に関する。加えて本発明は、上記の導電性ペーストを用いた太陽電池の製造方法に関する。

本発明の導電性ペーストによれば、高いＦＦの太陽電池を得ることができ、太陽電池の性能を向上させることができる。

本発明の太陽電池電極用導電性ペーストは、有機バインダと、溶剤と、導電性粒子と、ガラスフリットと、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ又はＴｌを含む化合物とを含有する。

（１）有機バインダと溶剤
有機バインダと溶剤は、導電性ペーストの粘度調整等の役割を担うものであり、いずれも特に限定されない。有機バインダを溶剤に溶解させて使用することもできる。

有機バインダとしては、セルロース系樹脂、例えばエチルセルロース、ニトロセルロース等；（メタ）アクリル系樹脂、例えばポリメチルアクリレート、ポリメチルメタクリレート等が挙げられ、有機溶媒としては、アルコール類、例えばターピネオール（α−ターピネオール、β−ターピネオール等）；エステル類、例えばヒドロキシ基含有エステル類（２，２，４―トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノイソブチラート、ブチルカルビトールアセテート等）を使用することが出来る。

（２）導電性粒子
導電性粒子は、特に限定されず、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ等が挙げられる。空気中でも焼成できるため、Ａｇが好ましい。導電性粒子の形状・平均粒子寸法は、特に限定されず、当該分野で公知のものを使用することができる。導電性粒子の形状としては、球状、リン片状、等が挙げられる。導電性粒子の平均粒子寸法は、作業性の点等から、０．０５〜１０μｍが好ましく、好ましくは０．１〜５μｍである。なお、平均粒子寸法とは、球状の場合は粒子径、りん片状の場合は粒子薄片の長径、針状の場合は長さのそれぞれ平均をいう。

（３）ガラスフリット
ガラスフリットは、特に限定されず、Ｐｂ系ガラスフリット、例えばＰｂＯ−Ｂ₂Ｏ₃-ＳｉＯ₂系等；Ｐｂフリー系ガラスフリット、例えばＢｉ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−ＣｅＯ₂−ＬｉＯ₂−ＮａＯ₂系等が挙げられる。ガラスフリットの形状・大きさは、特に限定されず、当該分野で公知のものを使用することができる。ガラスフリットの形状としては、球状、不定形等が挙げられる。ガラスフリットの平均粒子寸法は、作業性の点等から、０．０１〜１０μｍが挙げられ、好ましくは０．０５〜１μｍである。平均粒子寸法は、上記のとおりであるが、不定形の場合は、最長の径のそれぞれ平均をいう。

（４）Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ又はＴｌを含む化合物
本発明の導電性ペーストは、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ又はＴｌを含む化合物を含有する。これらの化合物は、単独でも、２種以上併用してもよい。

化合物としては、酸化物、水酸化物、有機金属化合物が挙げられる。本明細書では、有機金属化合物は各種の金属を含む有機化合物を指すこととし、ジケトン錯体やカルボン酸塩が利用できる。ジケトン錯体としては、アセチルアセトン金属錯体、アセト酢酸金属錯体、ジエチルマロン酸エステル金属錯体、シクロペンタジエン錯体等が挙げられる。カルボン酸塩としては、（メタ）アクリル酸金属化合物、ナフテン酸金属化合物、オクチル酸金属化合物、ステアリン酸金属化合物、パルミチン酸金属化合物等が挙げられ、好ましくはアセチルアセトン金属錯体又はオクチル酸金属化合物である。

Ａｌ化合物としては、Ａｌ₂Ｏ₃、Ａｌ（ＯＨ）₃、Ａｌ（Ｃ_５Ｈ_７Ｏ_２）_３、アクリル酸アルミニウム等；Ｇａ化合物としては、Ｇａ₂Ｏ₃、Ｇａ（ＯＨ）₃、Ｇａ（Ｃ_５Ｈ_７Ｏ_２）_３等；Ｉｎ化合物としては、Ｉｎ₂Ｏ₃、Ｉｎ（ＯＨ）₃、Ｉｎ（Ｃ_５Ｈ_７Ｏ_２）_３等；Ｔｌ化合物としては、Ｔｌ₂Ｏ₃、Ｔｌ（ＯＨ）₃、Ｔｌ（Ｃ_５Ｈ_７Ｏ_２）_３等が挙げられる。

Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ又はＴｌを含む化合物は、通常、固体又は液体であり、このまま導電性ペーストに配合することができる。固体の場合は、形状やサイズの影響は少ないが、作業性の点等から平均粒子寸法が０．０５〜１０μmであることが好ましく、例えば０．１５〜５μｍのものを使用することができ、また、トルエン、エタノール、アセチルアセトン、塩化メチレン等を溶媒として、これらに溶解又は分散させて使用することもできる。

導電性ペーストから電極を形成する際のＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ又はＴｌを含む化合物の作用は不明であるが、以下のように考えられる。電極の形成においては、導電性ペーストを基板上に塗布・乾燥させた後、一般に、６００〜８００℃の焼成温度でイン−アウトが数分間という短時間の焼成を行う。このような温度と時間では、Ｎ型半導体基板のシリコンとIII族元素の置換が生ずるとは考え難い。その一方で、これらの化合物が還元された金属は、比較的低い融点を有するため、焼成工程で、還元された金属が融解した状態で分散して、導体／電極界面に存在し良好な接触の形成に寄与すると考えられる。

（５）金属酸化物
本発明の導電性ペーストには、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化スズ、酸化銅又は酸化ニッケルを併用すると、高いＦＦを得る上で効果的である。これら特定の金属酸化物は、単独でも、２種以上を併用してもよい。

これら特定の金属酸化物は、導電性ペーストの焼成過程で導電性粒子の過度な焼結を防ぐと同時に、ガラスフリットに由来する液化したガラスの広がりを抑制し、導電性粒子が半導体表面と接触する場を作ることに寄与し、さらには有機バインダ由来のＣＯ等による還元性雰囲気で還元されて半導体化しうることも良好な接触を得るのに役立っていると考えられる。これら特定の金属酸化物のうち、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化スズが好ましく、具体的には、ＺｎＯ、ＴｉＯ₂、ＳｎＯ₂である。

特定の金属酸化物は、通常、常温で固体であり、形状・平均粒子寸法は特に限定されない。形状としては、球形、不定形等が挙げられる。平均粒子寸法としては、分散性等の点から０．０５〜１μｍのものが好ましい。

本発明の導電性ペーストには、本発明の効果を損なわない範囲で、分散剤、可塑剤等の任意成分を配合してもよい。

本発明の導電性ペーストにおいては、十分な接着強度を確保し、かつ接触抵抗の増加を抑制する点から、ガラスフリットは、導電性粒子１００重量部に対して、０．５〜１０重量部であることが好ましく、より好ましくは１〜５重量部である。この範囲であれば、良好な接着強度と低接触抵抗値を得ることができる。

また、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ又はＴｌを含む化合物は、導電性粒子１００重量部に対して、０．００１〜１０重量部であることが好ましく、より好ましくは０．０２〜５重量部である。この範囲であると、配合の効果が十分得られやすい。

さらに、特定の金属酸化物を配合する場合、特定の金属酸化物は、導電性粒子１００重量部に対して、０．５〜１５重量部であることが好ましく、より好ましくは２〜１０重量部である。この範囲であると、配合の効果が十分得られやすい。なお、特定の金属酸化物を使用する場合、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ又はＴｌの化合物は、上記配合範囲の下限の近くでも（例えば、導電性粒子１００重量部に対して０．１重量部未満、例えば０．００１〜０．０８重量部）、十分な効果を発揮しうる。

なお、有機バインダ及び溶剤は、導電性ペーストの塗布・印刷法に応じて、適切な粘度となるよう、適宜、量を選択することができる。

本発明の導電性ペーストの製造方法は、特に限定されず、有機バインダ、溶剤、導電性粒子、ガラスフリット、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ又はＴｌを含む化合物、場合により金属酸化物、その他の任意成分を、まず、プラネタリーミキサー等で混練りし、次に３本ロール（金属又はセラミック製）等で分散を行うことにより調製することができる。

本発明の導電性ペーストは、太陽電池用電極の製造に使用することができ、Ｎ型半導体に対し良好な接触を得ることができるため、Ｎ型半導体（例えば、Ｎ型拡散層）上の電極を形成するために有用である。

太陽電池用電極の製造及び太陽電池の製造方法は、特に限定されない。図１を用いて、一例を説明する。

Ｐ型多結晶シリコン基板４の表面に、場合によりテクスチャを形成し、その後、Ｐ（リン）等を９００℃で熱拡散させて、Ｎ型拡散層３を形成する。次いで、窒化ケイ素薄膜、酸化チタン等の反射防止膜２をプラズマＣＶＤ法等によって５０〜１００ｎｍの膜厚で形成する。光入射側電極として、本発明の導電性ペーストを反射防止膜２上にスクリーン印刷し、１５０℃程度で溶剤を蒸発させ乾燥させる。次に裏面側電極として、場合により、アルミニウム電極用ペーストを、スクリーン印刷で、Ｐ型多結晶シリコン基板４の裏面に、印刷し、乾燥させる。次いで焼成して、光入射側電極１及び裏面電極５を備えた太陽電池セルを得る。

実施例における太陽電池は以下のようにして製造した。Ｂ（ボロン）をドープしたＰ型多結晶シリコン基板（基板厚み２００μｍ）の表面に、ウエットエッチングによってテクスチャを形成した。その後、Ｐ（リン）を熱拡散させて、Ｎ型拡散層（厚み０．３μｍ）を形成した。次いで、プラズマＣＶＤ法によって、シランガスとアンモニアガスから窒化ケイ素薄膜（厚み約６０nm）からなる反射防止膜を形成した。得られた反射防止膜付き基板を、１５ｍｍｘ１５ｍｍに切断して使用した。

下記表記載の成分（重量部表示）を、プラネタリーミキサーと３本ロールで混合することにより調製したペーストを、スクリーン印刷で、反射防止膜上に、膜厚が約２０μｍになるように、バス電極とフィンガー電極からなるパターンで印刷し、１５０℃で約１分間乾燥した。

次に、アルミニウム電極用ペーストを、スクリーン印刷で、Ｐ型多結晶シリコン基板１の裏面に、膜厚が約２０μｍになるように印刷し、１５０℃で約１分間乾燥した。

その後、両面のペーストを印刷・乾燥させた基板を、ピーク温度７２５℃、イン−アウト２分間で焼成して、光入射側電極及び裏面電極を備えた太陽電池セルを得た。

太陽電池セルの電流−電圧特性を、ソーラーシミュレータ光（ＡＭ１．５、エネルギー密度１００ｍＷ／ｃｍ^２）のもとで測定し、測定結果から、ＦＦを算出した。

各導電性ペーストの組成は、下記表１〜３のとおりである。ＦＦの値をあわせて示す。実施例は、いずれも、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ又はＴｌを含む化合物を含有しない比較例に比べて、良好なＦＦを示した。

太陽電池の基本構造である。

符号の説明

１ 光入射側電極
２ 反射防止膜
３ Ｎ型拡散層
４ Ｐ型シリコン基板
５ 裏面電極

Claims (8)

1. 有機バインダと、溶剤と、導電性粒子と、ガラスフリットと、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ又はＴｌを含む化合物とを含有する、ことを特徴とする太陽電池電極用導電性ペースト。
2. Ｎ型半導体上の電極を形成するための、請求項１記載の導電性ペースト。
3. 化合物が、酸化物、水酸化物又は有機金属化合物である、請求項１又は２記載の導電性ペースト。
4. 有機金属化合物が、アセチルアセトン金属錯体、アセト酢酸金属錯体、ジエチルマロン酸エステル金属錯体、シクロペンタジエン錯体、ナフテン酸金属化合物、オクチル酸金属化合物、ステアリン酸金属化合物及びパルミチン酸金属化合物である、請求項３記載の導電性ペースト。
5. さらに、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化スズ、酸化銅又は酸化ニッケルを含有する、請求項１〜４のいずれか１項記載の導電性ペースト。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載の導電性ペーストを焼成してなる太陽電池のＮ型半導体上の電極。
7. 請求項６記載の電極をＮ型半導体上に備えた太陽電池。
8. 請求項１〜５のいずれか１項記載の導電性ペーストをＮ型半導体上に塗布し、場合により乾燥させた後、焼成して電極を形成する、太陽電池の製造方法。