JP2008235604A - 太陽電池の製造方法及びその太陽電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】短時間で分割溝が形成され、かつ、特性が向上した太陽電池及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明によれば、光電変換部の厚み方向において半導体基板に達する分割溝を形成する工程と、分割溝に沿って光電変換部を割断する工程とを備え、分割溝は、光電変換部の外周よりも内側において連続して形成される。
【選択図】図5

Description

本発明は、分割溝に沿って割断される太陽電池の製造方法及びその太陽電池に関する。
太陽電池は、クリーンで無尽蔵に供給される太陽光を直接電気に変換する。従って、太陽電池は、新しいエネルギー源として期待されている。
太陽電池1枚当りの出力は数W程度である。従って、家屋やビル等の電源として太陽電池を用いる場合には、複数の太陽電池が電気的に直列又は並列に接続された太陽電池モジュールが用いられる。太陽電池は、円形半導体基板を加工した多角形状半導体基板を用いて半導体接合を形成することにより作製される。
太陽電池モジュールの受光面積を大きくし、かつ、円形半導体基板の利用効率を向上させるために、円形太陽電池の外周上に頂点を有する正六角形に円形太陽電池を加工することが知られている(例えば、特許文献1)。この場合、レーザ光を照射することにより円形太陽電池の外周上に頂点を有する正六角形の分割溝を形成した後に、分割溝に沿って割断する方法が採用されている。
ここで、分割溝は、円形太陽電池が備える半導体接合を破壊しないように、所定の深さで一様に形成されることが望ましい。従って、図1に示すように、円形太陽電池11を加工して正六角形太陽電池12を作製する際には、分割溝13を所定の深さで一様に形成するために、円形太陽電池11の外側においてレーザ光の方向転換が行われる。
特開平9−148601号公報
しかしながら、このような分割溝13の形成方法では、レーザ光の方向転換を全ての頂点Aにおいて行う必要があるため、分割溝形成工程に時間を要するという問題があった。
また、円形半導体基板の外周には結晶欠陥が多く存在する傾向があるため、円形半導体基板の外周(頂点A付近)を用いて形成される正六角形太陽電池12では、良好な太陽電池特性を得ることができないおそれがあった。
さらに、頂点A付近には、レーザ光が2度照射されるため、頂点A付近の側面における半導体接合が破壊され、正六角形太陽電池12の特性低下を招くおそれがあった。
そこで、本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであり、短時間で分割溝を形成し、かつ、太陽電池特性を向上させた太陽電池の製造方法及びその太陽電池を提供することを目的とする。
本発明の第1の特徴に係る太陽電池の製造方法は、半導体基板を含む光電変換部を形成する工程と、前記光電変換部上に集電電極を形成する工程と、前記光電変換部の厚み方向において前記半導体基板に達する分割溝を形成する工程と、前記分割溝に沿って前記光電変換部を割断する工程とを備え、前記分割溝は、前記光電変換部の外周よりも内側において連続して形成されることを要旨とする。
本発明の第1の特徴に係る太陽電池の製造方法によれば、分割溝は連続して形成されるため、レーザ光が2度照射される部分が少なく、半導体接合が破壊されるおそれが少なくなる。
また、分割溝は、光電変換部の外周よりも内側に形成されるため、太陽電池は、半導体基板の結晶欠陥が少ない部分を用いて光電変換部を作製することができる。従って、太陽電池は、良好な特性を得ることができる。
さらに、光電変換部上に集電電極を形成した後に、分割溝の形成及び光電変換部の割断を行うので、良好な生産性を得ることができる。
本発明の第1の特徴に係る太陽電池の製造方法において、前記分割溝は、頂点を有することなく形成されていることが好ましい。
これによれば、太陽電池の外周において頂点を形成するためのレーザ光の方向転換を行う必要がない。従って、分割溝形成工程の時間を短縮することができ、太陽電池の生産性を向上することができる。
本発明の第1の特徴に係る太陽電池の製造方法において、分割溝は、直線溝と曲線溝とから構成されており、前記曲線溝と前記光電変換部の外周との最短距離は、前記直線溝と前記光電変換部の外周との最短距離よりも小さいことが好ましい。
本発明の第2の特徴に係る太陽電池は、半導体基板を含む光電変換部と、前記光電変換部上に形成された集電電極とを備え、前記光電変換部のすべての側面は、前記半導体基板が分割された加工面を含むことを要旨とする。
本発明によれば、短時間で分割溝を形成し、かつ、太陽電池特性を向上させた太陽電池の製造方法及びその太陽電池を提供することができる。
次に、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
〈太陽電池モジュールの構成〉
図2及び図3を用いて本実施形態に係る太陽電池モジュール100の構成について説明する。図2は、本実施形態に係る太陽電池モジュール100の断面図である。図3は、本実施形態に係る太陽電池101の拡大断面図である。なお、図3においては、下方面を太陽電池101の受光面として示している。
太陽電池モジュール100は、図2に示すように、太陽電池101、配線材102、封止材103、受光面側保護材104及び裏面側保護材105を備える。
太陽電池101は、図3に示すように、光電変換部10、受光面側集電電極6及び裏面側集電電極7を備える。
光電変換部10は、受光によりキャリアを生成する。キャリアとは、光が光電変換部10に吸収されることにより生成される一対の正孔と電子をいう。本実施形態に係る光電変換部10は、半導体pin接合を基本構造として有する。具体的には、光電変換部10は、n型単結晶シリコン基板1、i型非晶質シリコン層2i、p型非晶質シリコン層2p、透明導電膜3、i型非晶質シリコン層4i、n型非晶質シリコン層4n及び透明導電膜5を備える。n型単結晶シリコン基板1の受光面(下方面)側には、i型非晶質シリコン層2iと、p型非晶質シリコン層2pと、透明導電膜3とが順次積層されている。また、n型単結晶シリコン基板1の裏面(上方面)側では、i型非晶質シリコン層4iと、n型非晶質シリコン層4nと、透明導電膜5とが順次積層されている。
ここで、本実施形態に係る光電変換部10のすべての側面において、n型単結晶シリコン基板1は、レーザによって形成された分割溝に沿って折り曲げることにより割断された割断面を含んでいる。即ち、光電変換部10のすべての側面において、n型単結晶シリコン基板1は分割されている。光電変換部10の側面のうちレーザによって分割溝が形成された部分の形態は、融解した後に凝固した態様を示す。
受光面側集電電極6及び裏面側集電電極7は、光電変換部10が受光により生成する光生成キャリアを収集する。受光面側集電電極6は、透明導電膜3の受光面上に、櫛形状に形成されている。裏面側集電電極7は、透明導電膜5の裏面上に、櫛形状に形成されている。また、受光面側集電電極6及び裏面側集電電極7は、銀やアルミ、銅、ニッケル、錫、金等、もしくはこれらの合金等の導電性材料を含んだもので形成することができる。
以上のような構成の太陽電池101を備える太陽電池モジュール100は、HIT型太陽電池モジュールと呼ばれる。太陽電池101は、配線材102によって互いに電気的に接続されている。
封止材103は、配線材102によって互いに電気的に接続された複数の太陽電池101を封止している。封止材103は、EVA(エチレン・ビニル・アセチレート)やPVB(ポリ・ビニル・ブチラール)などの樹脂材料を用いて形成することができる。
受光面側保護材104は、太陽電池101が吸収できる波長の光の大半を透過させる部材を用いて構成される。受光面側保護材104として、ガラスやプラスチック等を用いることができる。
裏面側保護材105は、PET(ポリエチレンテレフタラート)等の樹脂フィルム、アルミナ等の金属酸化物の蒸着膜が形成された樹脂フィルム、アルミ箔等の金属フィルム、もしくは、これらを積層したフィルムで構成することができる。
〈太陽電池モジュール100の製造方法〉
本実施形態に係る太陽電池モジュール100の製造方法について説明する。
まず、インゴット状n型単結晶シリコンを薄く切断した円形のn型単結晶シリコン基板1を準備し、その表面をアルカリ水溶液で異方性エッチング加工することにより微細な凹凸を形成する。また、n型単結晶シリコン基板1の表面を洗浄して、不純物を除去する。
次に、RFプラズマCVD法等の気相成長法を用いて、n型単結晶シリコン基板1の受光面上に、i型非晶質シリコン層2i、p型非晶質シリコン層2pを順次積層する。同様に、n型単結晶シリコン基板1の裏面上に、i型非晶質シリコン層4i、n型非晶質シリコン層4nを順次積層する。
次に、マグネトロンスパッタ法を用いて、p型非晶質シリコン層2pの受光面上に、ITO膜(透明導電膜3)を形成する。同様に、n型非晶質シリコン層4nの裏面上に、ITO膜(透明導電膜5)を形成する。以上により、円形のn型単結晶シリコン基板1を用いたpin接合を有する円形の光電変換部10が形成される。
次に、スクリーン印刷法、オフセット印刷法等の印刷法を用いて、エポキシ系熱硬化型の銀ペーストを、ITO膜(透明導電膜3)の受光面に櫛形状に形成する。これにより、光電変換部10の受光面に、受光面側集電電極6が形成される。同様に、エポキシ系熱硬化型の銀ペーストを、ITO膜(透明導電膜3)の裏面に櫛形状に形成する。これにより、光電変換部10の裏面に、裏面側集電電極7が形成される。図4は、光電変換部10の裏面に形成された裏面側集電電極7を示している。なお、受光面側集電電極6は、光電変換部10の受光面において、裏面側集電電極7と略対称的に形成されている(不図示)。
次に、銀ペーストを所定条件で加熱して溶剤を揮発させた後、さらに加熱して本乾燥する。以上により、円形の太陽電池101が製造される。
次に、裏面側集電電極7が形成された櫛形状のパターンに応じて、光電変換部10の裏面側にYAGレーザ装置を用いて分割溝を形成し、分割溝に沿って光電変換部10を割断する。本実施形態では、分割溝に沿って光電変換部10を割断することにより、太陽電池101を4分割する。なお、分割溝形成工程は、本発明の特徴的部分に係るため後に詳述する。
次に、一の太陽電池101の受光面に形成された受光面側集電電極6と、隣接する他の太陽電池101の裏面に形成された裏面側集電電極7とを、タブ(配線材102)により電気的に接続する。
次に、ガラス基板(受光面側保護材104)上に、EVAシート(封止材103)、タブにより接続された複数の太陽電池101、EVAシート(封止材103)及びPETフィルム(裏面側保護材105)を順次積層して積層体とする。
次に、積層体を、真空雰囲気において加熱圧着することにより仮圧着した後、所定条件で加熱することによりEVAを完全に架橋させる。
以上により、太陽電池モジュール100が製造される。なお、太陽電池モジュール100には、端子ボックスやAlフレーム等を取り付けることができる。
〈分割溝形成工程について〉
次に、図面を用いて、本発明の特徴的部分に係る分割溝形成工程について説明する。図5(a)は、円形の太陽電池101(光電変換部10)の裏面に照射されるレーザ光の軌跡を示している。図5(b)は、円形の太陽電池101(光電変換部10)の裏面に形成された分割溝8を示している。
まず、図5(a)に示すように、レーザ光を点Aから点Cまで連続して照射することにより、分割溝8を形成する。具体的には、レーザ光を、加速時定数10〜50mm/秒で点Aから点B方向へ加速しながら移動させ、点Bに至るまでに移動速度300mm/秒に到達させる。続いて、移動速度300mm/秒を凡そ維持しながら、太陽電池101の外周よりも内側においてレーザ光を一周させ、再び点Bに到達させる。この場合、レーザ光の直線的な移動と曲線的な移動とを交互に繰り返し行うことによりレーザ光の方向転換を行う。以上により、太陽電池101の外周よりも内側に、直線溝と曲線溝とから構成される分割溝8aが形成される。
次に、レーザ光を点Bから太陽電池101の外側に一旦移動させた後、太陽電池101の中心点を通過するように、移動速度300mm/秒を凡そ維持しながら移動させる。これにより、太陽電池101を2分割する分割溝8bが形成される。続いて、レーザ光を太陽電池101の外側において外周の1/4を移動させた後、太陽電池101の中心点を再び通過するように移動させる。これにより、太陽電池101を2分割する分割溝8cが形成される。
以上の分割溝形成工程におけるレーザ光の移動は、太陽電池101が固定されたXYテーブルを動かすことにより、或いは、レーザ光発振装置を動かすことにより行うことができる。また、レーザ光発振装置としてYAGレーザなどを用いることができる。YAGレーザのレーザ光照射条件は、第2高調波の波長が400nm以上、周波数1kHz〜50kHz、光径20〜200μm、出力1〜25Wに設定して行うことができる。このようなレーザ光照射条件を用いることにより、レーザ光の光径と略同等の幅を有する分割溝8が形成される。
その後、分割溝8aに沿って太陽電池101を折り曲げることにより、分割溝8aに沿って太陽電池101を割断する。これにより、図6(a)に示すように、太陽電池101の外周より内側に形成された分割溝8aの外側部分が除去される。
次に、太陽電池101を、分割溝8b及び8cに沿って折り曲げることにより、分割溝8b及び8cに沿って太陽電池101を割断する。この場合、太陽電池101を折り曲げる順序に限定はなく、例えば、分割溝8bに沿って割断することにより太陽電池101を2分割した後に、それぞれを分割溝8cに沿って割断することにより、図6(b)に示すように、太陽電池101を4分割することができる。
〈分割溝8について〉
図5(b)に示すように、分割溝8aは、太陽電池101の外周よりも内側において、頂点を有することなく連続して形成されている。従って、分割溝8aは、直線状に形成された直線溝と曲線状に形成された曲線溝とが交互に連結された構成を有する。なお、本実施形態において「頂点」とは、2つの直線が交わる点をいう。
また、曲線溝と太陽電池101の外周との最短距離は、直線溝と太陽電池101との最短距離よりも小さい。即ち、曲線溝は、分割溝8aの最外部を形成している。換言すれば、曲線溝は、分割溝8aの外側に向かって凸形状を有している。
図7(a)は、図5(b)におけるα部分の拡大断面図である。図7(a)に示すように、分割溝8は、光電変換部10の厚みT(140μm〜190μm)に対して、裏面側からの深さd(60μm〜80μm)を有する。分割溝8の深さdは、光電変換部10の厚み方向においてn型単結晶シリコン基板1に達する大きさであればよい。また、分割溝8の深さdは、p型非晶質シリコン層2pにまで達しないことが好ましい。
図7(b)は、図5(b)におけるα部分の拡大図である。分割溝8aは、2つの直線溝8mの間を1つの曲線溝8nによって連結されるように形成されている。曲線溝8nの曲率半径rに限定はなく、レーザ光の移動速度が凡そ維持される範囲に設定することができる。
〈作用及び効果〉
本実施形態に係る太陽電池の製造方法によれば、光電変換部10の厚み方向においてn型単結晶シリコン基板1に達する分割溝8aを形成する工程と、分割溝8aに沿って太陽電池101(光電変換部10)を割断する工程とを備え、分割溝8aは、太陽電池101(光電変換部10)の外周よりも内側において連続して形成される。
このように、分割溝8aは連続して形成されるため、レーザ光が2度照射される部分が少ないため、半導体接合が破壊されるおそれが少なくなる。また、分割溝8aは、光電変換部10の外周よりも内側に形成されるため、太陽電池101は、n型単結晶シリコン基板1の結晶欠陥が少ない部分を用いて光電変換部10を作製することができる。従って、太陽電池101は、良好な特性を得ることができる。さらに、光電変換部10上に集電電極(受光面側集電電極6、裏面側集電電極7)を形成した後に、分割溝8aの形成及び光電変換部10の割断を行うので、良好な生産性を得ることができる。
また、本実施形態に係る太陽電池の製造方法によれば、分割溝8aは、頂点を有することなく形成されている。
従って、太陽電池101の外周において頂点を形成するためのレーザ光の方向転換を行う必要がない。その結果、分割溝形成工程の時間を短縮することができ、太陽電池101の生産性を向上することができる。
また、分割溝8aは、直線溝8mと曲線溝8nとから構成され、曲線溝8nと太陽電池101の外周との最短距離は、直線溝8mと太陽電池101の外周との最短距離よりも小さいことが好ましい。
このように、分割溝8aの最外部を曲線溝8nによって構成することにより、分割溝8aに沿って除去される領域の面積を小さくすることができる。従って、n型単結晶シリコン基板1の利用効率の向上を図ることができる。
以上より、本実施形態に係る太陽電池の製造方法によれば、短時間で分割溝を形成し、かつ、太陽電池特性を向上させることができる。
〈その他の実施形態〉
本発明は上記の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
例えば、上記の実施形態では、n型単結晶シリコン基板1を用いたが、p型単結晶シリコン基板を用いることができる。この場合には、p型単結晶シリコン基板の受光面側にi型非晶質シリコン層と、n型非晶質シリコン層とを順次積層し、p型単結晶シリコン基板の裏面側にi型非晶質シリコン層と、p型非晶質シリコン層とを順次積層すればよい。
また、n型単結晶シリコン基板の受光面側に、i型非晶質シリコン層とn型非晶質シリコン層とを順次積層し、n型単結晶シリコン基板の裏面側に、i型非晶質シリコン層とp型非晶質シリコン層とを順次積層してもよい。
また、上記の実施形態では、n型単結晶シリコン基板1を用いたが、多結晶シリコン基板や化合物半導体基板などの一般的な半導体基板を用いることができる。
また、上記の実施形態では、光電変換部10が、n型単結晶シリコン基板1を用いた半導体pin接合を有する場合について説明したが、光電変換部10は、半導体基板を用いた半導体pn接合を有していてもよい。この場合、n型又はp型の結晶系半導体基板の表面に、p型又はn型のドーパントをドープすることによりpn接合を形成することができる。
また、上記の実施形態では、n型単結晶シリコン基板1を用いた太陽電池101の製造方法について説明したが、太陽電池以外の半導体基板にも適用することができる。
また、上記の実施形態では、受光面側集電電極6及び裏面側集電電極7を櫛形状に形成したが、これらの形成パターンは任意に設計することができる。
また、上記の実施形態では、円形の太陽電池101を割断することにより4分割したが、割断後の太陽電池101の形状に限定はない。従って、分割溝8の形成パターンについても、上記の実施形態において説明したものには限られない。例えば、曲線部を極率の異なる複数の曲線で形成してもよい。
従来の分割溝形成工程を説明するための図である。 実施形態に係る太陽電池を備える太陽電池モジュールの断面図である。 実施形態に係る太陽電池の断面図である。 実施形態に係る太陽電池の平面図である。 実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である(その1)。 実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である(その2)。 図5におけるα部分の拡大図である。
符号の説明
1…n型単結晶シリコン基板、2i…i型非晶質シリコン層、2p…p型非晶質シリコン層、3…透明導電膜、4i…i型非晶質シリコン層、4n…n型非晶質シリコン層、5…透明導電膜、6…受光面側集電電極、7…裏面側集電電極、8…分割溝、8a…分割溝、8b…分割溝、8c…分割溝、8m…直線溝、8n…曲線溝、10…光電変換部、11…円形太陽電池、12…正六角形太陽電池、13…分割溝、100…太陽電池モジュール、101…太陽電池、102…配線材、103…封止材、104…受光面側保護材、105…裏面側保護材、

Claims (4)

  1. 半導体基板を含む光電変換部を形成する工程と、
    前記光電変換部上に集電電極を形成する工程と、
    前記光電変換部の厚み方向において前記半導体基板に達する分割溝を形成する工程と、
    前記分割溝に沿って前記光電変換部を割断する工程とを備え、
    前記分割溝は、前記光電変換部の外周よりも内側において連続して形成される
    ことを特徴とする太陽電池の製造方法。
  2. 前記分割溝は、頂点を有することなく形成されてい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. 前記分割溝は、直線溝と曲線溝とから構成されており、
    前記曲線溝と前記光電変換部の外周との最短距離は、前記直線溝と前記光電変換部の外周との最短距離よりも小さい
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の太陽電池の製造方法。
  4. 半導体基板を含む光電変換部と、
    前記光電変換部上に形成された集電電極とを備え、
    前記光電変換部のすべての側面は、前記半導体基板が分割された加工面を含む
    ことを特徴とする太陽電池。
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