JP2009146578A - 太陽電池および太陽電池用アルミニウムペースト - Google Patents

太陽電池および太陽電池用アルミニウムペースト Download PDF

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Abstract

【課題】少ない塗布量で高いBSF効果を保証しつつ焼成時にシリコン基板に反り等の変形が発生するのを防止し得る薄いアルミニウム電極を形成するために使用される太陽電池用アルミニウムペーストを提供すること。
【解決手段】本発明により提供される太陽電池用アルミニウムペーストは、レーザー回折法に基づく粒度分布のD50が3μm以下であり且つD10とD90との比(D10/D90)が0.2以上であることを特徴とする小粒径アルミニウム粉末と、D50が小粒径アルミニウム粉末のD50の2〜6倍であり且つD10/D90が0.2以上であることを特徴とする大粒径アルミニウム粉末とを混合することにより調製された混合アルミニウム粉末を含む。
【選択図】図3

Description

本発明は太陽電池の受光面の裏面側にアルミニウム電極を形成するためのアルミニウムペーストとその製法に関し、さらに該アルミニウム電極が形成された太陽電池に関する。
従来、結晶系シリコン太陽電池として図1に示すような片面受光タイプの太陽電池10が知られている。
この太陽電池10は、シリコン基板(Siウエハ)11のp−Si層(p型結晶シリコン)18の受光面側にpn接合形成により形成されたn−Si層16を備え、その表面にはCVD等により形成された酸化チタンや窒化シリコンから成る反射防止膜14と、典型的には銀ペーストをスクリーン印刷し焼成することによって形成されるAgから成る表面電極(受光面電極)12とを備える。一方、p−Si層18の裏面側には、表面電極12と同様に銀ペーストをスクリーン印刷・焼成することによって形成されるAgから成る裏面側外部接続用電極22と、いわゆる裏面電界(BSF;Back Surface Field)効果を奏するアルミニウム電極20とを備える。
かかるアルミニウム電極20は、アルミニウム粉末を主体とするアルミニウムペーストを印刷・焼成することによって裏面の略全面に形成される。この焼成時に図示しないAl−Si合金層が形成され、アルミニウムがp−Si層18に拡散してp層24が形成される。かかるp層24、即ちBSF層が形成されることによって、光生成されたキャリアが裏面電極近傍で再結合することが防止され、例えば短絡電流や開放電圧(Voc)の向上が実現される。
ところで、上記BSF効果を効果的に実現させるには、アルミニウム電極20をある程度の膜厚(例えば50〜60μm)で形成する必要がある。その一方で、太陽電池(ソーラーセル)の製造コスト低減や太陽電池モジュールのコンパクト化等の理由によって、従来よりも一層のシリコン基板(Siウエハ)11、即ち太陽電池素子自体の薄板化が求められている。
しかしながら、基板(Siウエハ)11の薄板化は、当該基板11自体の熱膨張係数とアルミニウム電極20の熱膨張係数との差によって、当該アルミニウム電極20を形成するための焼成時にシリコン基板(ウエハ)自体に反りや曲がり等の変形が生じることを助長する。このため、従来、かかる反り等の変形発生を防止するための様々な工夫が行われている。
例えば、特許文献1には、アルミニウム電極形成用のアルミニウムペーストであって、アルミニウム含有有機化合物を添加したことを特徴とするアルミニウムペーストが開示されている。また、特許文献2には、アルミニウム電極形成用のアルミニウムペーストであって、熱膨張率がアルミニウムよりも小さく且つ溶融温度、軟化温度及び分解温度のいずれかがアルミニウムの融点よりも高い無機化合物粉末を含むことを特徴とするアルミニウムペーストが開示されている。そして、これらの特許文献には、かかる特徴の上記アルミニウムペーストを用いることによってアルミニウム電極の膜厚を従来よりも薄くしても十分なBSF効果が得られ、さらにアルミニウム電極の膜厚が薄くなることによって焼成時にウエハに生じる反り等の変形を小さくし得ると記載されている。
特開2000−90734号公報 特開2003−223813号公報
これら特許文献に記載される技術(アルミニウムペースト)の適用によって上記従来の問題(即ち、アルミニウム電極焼成時に生じるウエハの反りや曲がり)について多少の改善を図れるものの、更に改善されるべき余地がある。
本発明は、上記特許文献とは異なるアプローチによって上記従来の問題を解決すべく創出されたものであり、少ない塗布量で高いBSF効果を保証しつつ焼成時にシリコン基板(ウエハ)に反り等の変形が発生するのを防止し得る薄膜状のアルミニウム電極を形成するアルミニウムペーストを提供することを目的とする。また、かかるアルミニウムペーストで形成されたアルミニウム電極を形成すること、さらに当該形成されたアルミニウム電極を備える太陽電池を提供することを他の目的とする。
本発明によって提供される一つの製造方法は、太陽電池のアルミニウム電極を形成する用途に用いるアルミニウムペーストの製造方法である。この製造方法では、以下の2種類のアルミニウム粉末:
(a).レーザー回折法に基づく粒度分布の中心粒径(D50;即ち累積体積50%時の粒径)が3μm以下であり且つ累積体積10%時の粒径(D10)と累積体積90%時の粒径(D90)との比(D10/D90)が0.2以上であることを特徴とする小粒径アルミニウム粉末;及び
(b).レーザー回折法に基づく粒度分布の中心粒径(D50)が上記小粒径アルミニウム粉末のD50の2〜6倍であり且つ累積体積10%時の粒径(D10)と累積体積90%時の粒径(D90)との比(D10/D90)が0.2以上であることを特徴とする大粒径アルミニウム粉末;
を用意する工程と、上記小粒径アルミニウム粉末と、上記大粒径アルミニウム粉末とを混合する工程であって、調製された目的アルミニウムペーストを使用して形成される乾燥アルミニウム膜の密度(g/cm)が、上記小粒径アルミニウム粉末のみをアルミニウム成分として調製された比較アルミニウムペーストを同条件で使用して形成される乾燥アルミニウム膜の密度(g/cm)よりも高くなることを実現する混合比で混合する工程と、上記混合アルミニウム粉末を有機ビヒクルに分散させる工程とを包含する。
なお、上記乾燥アルミニウム膜とは、所定の部位に電極形成用アルミニウムペーストを塗布して得られた塗膜であって、アルミニウム電極形成のために焼成を行う前の乾燥した状態の乾燥膜をいう。
ここで開示されるアルミニウムペースト製造方法では、上記のとおり、粒度分布の異なる2種類のアルミニウム粉末を混合したものを電極形成用原料粉末としてアルミニウムペーストを調製する。このことによって、太陽電池のシリコン基板上に形成される膜状のアルミニウム電極の緻密性(密度)を向上させ得、従来よりも薄い電極膜(例えば乾燥膜での膜厚が30μm以下、特には20μm以下)であるにも拘わらず、従来と同等またはそれ以上の効果(例えば開放電圧Voc)を奏することができる。また、電極膜を薄くし得る結果、塗膜形成後の乾燥時或いは焼成時に基板(ウエハ)に反り等の変形が生じ難く、所望する形状の太陽電池を製造することができる。
好ましくは、上記小粒径アルミニウム粉末の中心粒径が1μm〜3μmであり、上記大粒径アルミニウム粉末の中心粒径が5μm〜10μmであることを特徴とする。また、 上記大粒径アルミニウム粉末と上記小粒径アルミニウム粉末の質量混合比(大粒径アルミニウム粉末/小粒径アルミニウム粉末)が8/2〜2/8の範囲内に設定されることが特に好ましい。
このような構成の製造方法によると、電極膜(焼成アルミニウム膜)の緻密性(密度)が一層向上し、所望する効果を維持しつつ基板(ウエハ)の反りをより確実に防止することができる。
また、本発明は、上記目的を実現する太陽電池用アルミニウムペーストを提供する。即ち、ここで開示されるアルミニウムペーストは、太陽電池のアルミニウム電極を形成するアルミニウムペーストであって、有機ビヒクル中に分散されるアルミニウム粉末を含む。そして、ここで開示される本発明のいずれかの製造方法により製造されたアルミニウムペーストである。
本発明により提供されるアルミニウムペーストによると、上述のとおり、従来よりも薄いアルミニウム膜(例えば乾燥膜での膜厚が30μm以下、特には20μm以下)で、従来の厚膜(例えば乾燥膜での膜厚が50〜60μm)と同等またはそれ以上の効果(例えば開放電圧Voc)を奏するアルミニウム電極を形成することができる。そして、本発明のアルミニウムペーストによると、電極膜を薄くし得る結果、塗膜形成後の乾燥時或いは焼成時に基板(ウエハ)に反り等の変形が生じるのを防止することができる。
ペーストに含まれるアルミニウム粉末としては、上記小粒径アルミニウム粉末と大粒径アルミニウム粉末とを混合した結果、レーザー回折法に基づく粒度分布の中心粒径(D50)が2μm〜6μmであり且つ累積体積10%時の粒径(D10)と累積体積90%時の粒径(D90)との比(D10/D90)が0.2未満であるような粒度分布の広い混合粉末が好ましく、その中心粒径が3μm〜5μmであるものが特に好ましい。
このような構成のアルミニウムペーストを使用することによって、所望する効果を維持しつつ基板(ウエハ)の反りをより確実に防止することができる薄い裏面電極(アルミニウム電極)を例えば板厚が100〜500μmのような薄いシリコン基板(Siウエハ)に形成することができる。
また、本発明は、上記目的を実現する他の側面として、受光面の裏面側にアルミニウム電極を備える太陽電池を提供する。ここで開示される太陽電池は、上記アルミニウム電極が、以下の2種類のアルミニウム粉末:
(a).レーザー回折法に基づく粒度分布の中心粒径(D50)が3μm以下であり且つ累積体積10%時の粒径(D10)と累積体積90%時の粒径(D90)との比(D10/D90)が0.2以上であることを特徴とする小粒径アルミニウム粉末;及び
(b).レーザー回折法に基づく粒度分布の中心粒径(D50)が上記小粒径アルミニウム粉末のD50の2〜6倍であり且つ累積体積10%時の粒径(D10)と累積体積90%時の粒径(D90)との比(D10/D90)が0.2以上であることを特徴とする大粒径アルミニウム粉末;
との混合粉末が焼成されて形成されていることを特徴とする。
例えば、上記混合粉末は、レーザー回折法に基づく粒度分布の中心粒径(D50)が2μm〜6μmであり且つ累積体積10%時の粒径(D10)と累積体積90%時の粒径(D90)との比(D10/D90)が0.2未満であることで規定される。
このような構成の太陽電池では、アルミニウム電極の形成時(乾燥時及び/又は焼成時)にシリコン基板に反り等の変形が発生し難く、結果、形状に関する高精度と性能に関する高信頼性を実現することができる。
このような太陽電池は、ここで開示されるいずれかのアルミニウムペーストを用いてアルミニウム電極(裏面電極)を形成することによって得ることができる。
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項(例えばアルミニウム粉末の種類と混合割合)以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えばペーストの調合法、太陽電池の一般的な製造プロセス)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
ここで開示されるアルミニウムペーストは、太陽電池におけるアルミニウム電極を形成する用途に用いられるアルミニウムペーストであり、上記粒度分布の異なる小粒径アルミニウム粉末及び大粒径アルミニウム粉末とを含むことで特徴付けられるペースト状材料であり、本発明の目的を実現し得る限りにおいて、その他の構成成分や配合量に関して特に制限はない。
本明細書においてアルミニウム粉末とは、アルミニウム(Al)を主体とする粒子の集合体をいい、典型的にはAl単体から成る粒子の集合体であるが、Al以外の不純物やAl主体の合金を微量含むものであっても、全体としてアルミニウム主体の粒子の集合体である限り、ここでいう「アルミニウム粉末」に包含され得る。なお、アルミニウム粉末自体は、従来公知の製造方法によって製造されたものでよく、特別な製造手段を要求するものではない。
また、本明細書においてアルミニウム粉末の粒度分布に関し「中心粒径」とは、当該粉末の粒度分布における累積体積50%時の粒径、即ちD50(メジアン径)をいう。かかるD50は、レーザー回折法(即ちレーザー光が測定試料に照射され、散乱されたときの散乱パターンにより粒度分布を決定する。)に基づく粒度分布測定装置によって容易に測定することができる。
使用するアルミニウム粉末を構成する粒子は、典型的には球状であるが、いわゆる真球状のものに限られない。フレーク形状や不規則形状の粒子を含むものであってもよい。
例えば中心粒径が3μm以下である小粒径アルミニウム粉末としては、当該粉末を構成する粒子(一次粒子)の70質量%以上が球又はそれに類似する形状を有することが好ましい。例えば小粒径アルミニウム粉末を構成する粒子の70質量%以上がアスペクト比(即ち長径/短径比)1〜1.3であるものが好ましい。
他方、大粒径アルミニウム粉末は、アスペクト比1.3以上の微視的に細長い粒を含有するものが好ましい(例えば粉末を構成する粒子の70質量%以上がアスペクト比1.3以上の粒子)。このような形状の大粒径アルミニウム粉末と小粒径アルミニウム粉末とを混合することによって、目的とする緻密性の高い(即ち高密度の)アルミニウム電極を形成することができる。
また、混合する2種の粉末は、それぞれ、粒度分布が比較的狭い(換言すれば粒径の揃った)粉末であることが好ましい。この指標としてレーザー回折法に基づく粒度分布における累積体積10%時の粒径(D10)と累積体積90%時の粒径(D90)との比(D10/D90)が採用できる。粉末を構成する粒径が全て等しい場合はD10/D90の値は1となり、逆に粒度分布が広くなる程このD10/D90の値は0に近づくことになる。上記D10/D90の値が0.2以上(例えば0.2〜0.4)であるような比較的狭い粒度分布の粉末の使用が好ましい。
また、太陽電池を構成するシリコン基板の一つの面(典型的には受光面の裏面側)にアルミニウム電極を形成する場合、本発明の目的を実現する観点からは焼成前の乾燥塗膜(即ち乾燥アルミニウム膜)の状態で膜厚30μm以下が好ましく、典型的には膜厚20μm前後(例えば15〜25μm、特に好ましくは20μm以下、例えば10〜20μm)であることが好ましい。
このような乾燥塗膜を構成するのに好適な小粒径アルミニウム粉末としては、中心粒径が3μm以下(例えば1〜3μm、特に1.5〜2.5μm)であるものが挙げられる。一方、そのような小粒径アルミニウム粉末と混合される大粒径アルミニウム粉末としては、当該小粒径アルミニウム粉末の中心粒径の概ね2〜6倍の中心粒径を有する大粒径アルミニウム粉末が好ましい。例えば、小粒径アルミニウム粉末の中心粒径が3μm以下(例えば1〜3μm、特に1.5〜2.5μm)であり、大粒径アルミニウム粉末の中心粒径が5μm以上(例えば5〜10μm、特に5.5〜8.5μm)であるような2種のアルミニウム粉末を使用することが好ましい。
上記のような観点(粒度分布、粒子形状、等)から、本発明に係るアルミニウムペーストの調製にあたっては、用意した小粒径アルミニウム粉末と大粒径アルミニウム粉末の混合比は特に限定されず、小粒径アルミニウム粉末と大粒径アルミニウム粉末とを混合して調製された目的のアルミニウムペーストを使用して形成された乾燥アルミニウム膜の密度(g/cm)が、当該小粒径アルミニウム粉末のみをアルミニウム成分として調製された比較対象としてのアルミニウムペーストを同条件で使用して形成された乾燥アルミニウム膜の密度よりも高くなるような配合比で両アルミニウム粉末を混合するとよい。
例えば大粒径アルミニウム粉末と小粒径アルミニウム粉末の質量混合比(大粒径アルミニウム粉末/小粒径アルミニウム粉末)が、8/2〜2/8の範囲内に設定されることが好ましい。この混合比が7/3〜3/7の範囲内(特に6/4〜4/6、例えば5/5程度)に設定されることが特に好ましい。
また、小粒径アルミニウム粉末と大粒径アルミニウム粉末とを混合した後の混合粉末の粒度分布が、中心粒径(D50)2μm〜6μmであり且つD10/D90が0.2未満(典型的には0.1以上0.2未満)となるように混合粉末を調製することが好ましい。混合後のアルミニウム粉末全体の中心粒径が3μm〜5μmとなるように小粒径アルミニウム粉末と大粒径アルミニウム粉末とを混合することが特に好ましい。
このような粒度分布上の特徴を有する混合粉末を主成分とするアルミニウムペーストによると、緻密なアルミニウム電極をシリコン基板に形成することができる。また、ペースト中での粉末の分散性を良好に維持することができる。このような粒度分布上の特徴を単一のアルミニウム粉末で実現することは極めて困難であり、ここで開示されるように2種類の相互に粒度分布の異なるアルミニウム粉末を混合することによって実現することができる。
ペースト中のアルミニウム粉末(混合粉末)の含有量は特に制限されないが、ペースト全体を100質量%として、その60〜80質量%(例えば70〜80質量%)がアルミニウム粉末となるように含有率を調整することが好ましい。製造されたアルミニウムペースト中のアルミニウム粉末含有量が上記のような場合には緻密性がより向上したアルミニウム電極膜を形成することができる。
次に、アルミニウムペーストを製造する場合に使用するアルミニウム粉末以外の材料について説明する。
アルミニウムペーストの副成分としては、アルミニウム粉末を分散させておく有機媒質(ビヒクル)が挙げられる。かかるビヒクルを構成する有機溶剤は、アルミニウム粉末を良好に分散させ得るものであればよく、従来のこの種のペーストに用いられているものを特に制限なく使用することができる。例えば、ビヒクルを構成する溶剤として、エチレングリコール及びジエチレングリコール誘導体(グリコールエーテル系溶剤)、トルエン、キシレン、ブチルカルビトール(BC)、ターピネオール等の高沸点有機溶媒を一種類又は複数種組み合わせて使用することができる。
また、ビヒクルを構成する有機バインダーとして種々の樹脂成分を含ませることができる。かかる樹脂成分はアルミニウムペーストに良好な粘性及び塗膜形成能(シリコン基板に対する付着性)を付与し得るものであればよく、従来のこの種のペーストに用いられているものを特に制限なく使用することができる。例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アルキド樹脂、セルロース系高分子、ポリビニルアルコール、ロジン樹脂等を主体とするものが挙げられる。このうち、特にエチルセルロース等のセルロース系高分子が好ましい。
特に限定しないが、有機ビヒクル含有量はペースト全体のほぼ15〜35質量%となる量が適当である。
アルミニウムペーストの他の副成分として、アルミニウム電極のシリコン基板への接着強度向上に寄与する種々の無機添加材、典型的にはガラスフリットが挙げられる。好適なガラスフリットとしては、亜鉛系、鉛系、ホウケイ酸系ガラス、及び酸化ビスマス等、又はこれら2種以上の組み合わせが挙げられる。例えば、B−SiO−ZnO系ガラス、PbO−B−ZnO系ガラス、Bi−B−ZnO系ガラス、B−SiO−PbO系ガラス、B−SiO−Bi系ガラス、SiO−Bi−PbO系ガラス、PbO−B−Al系ガラス、等からなるガラスフリットが好ましい。シリコン基板(ウエハ)上に付着したペースト成分(塗布膜)を安定的に焼成し・固着させる(焼き付かせる)ために添加するガラスフリットは、その比表面積が概ね0.5〜50m/g程度であることが好ましく、中心粒径が2μm以下(特に1μm程度又はそれ以下)のものが特に好適である。
特に限定しないが、ガラスフリット含有量はペースト全体のほぼ0.5〜5質量%となる量が適当である。
ここで開示されるアルミニウムペーストは、従来の太陽電池用アルミニウムペーストと同様、典型的にはアルミニウム粉末(小粒径アルミニウム粉末及び大粒径アルミニウム粉末)、有機ビヒクル及びその他の添加物(ガラスフリット等)を混合することによって容易に調製することができる。例えば、三本ロールミルその他の混練機を用いて、所定の混合比の小粒径アルミニウム粉末及び大粒径アルミニウム粉末、ならびに各種の添加剤(ガラスフリット)を有機ビヒクルとともに所定の配合比で混合・撹拌するとよい。
本発明によって提供されるアルミニウムペーストは、シリコン基板上に裏面アルミニウム電極(延いてはp層即ちBSF層)を形成するのに従来用いられてきたアルミニウムペーストと同様に取り扱うことができ、従来公知の方法を特に制限なく採用することができる。
典型的には、スクリーン印刷法、ディスペンサー塗布法、ディップ塗布法等によって、所望する厚みや塗膜パターンとなるようにしてアルミニウムペーストをシリコン基板(ウエハ)に塗布する。次いで、塗布物を適当な温度(室温〜100℃程度)で乾燥させる。乾燥後、適当な焼成炉(例えば高速焼成炉)中で適当な加熱条件(例えば700〜800℃)で所定時間加熱することによって、乾燥塗膜の焼成を行う。これにより、塗布物がシリコン基板上に焼き付けられ、上述した図1に示すようなアルミニウム電極20が形成される。通常、アルミニウム電極20が焼成されるとともに、上述のとおり、P層(BSF層)24も形成され得る。
本発明によって提供されるアルミニウムペーストによると、小粒径アルミニウム粉末と大粒径アルミニウム粉末との混合粉末を主体としているため、従来の厚いアルミニウム電極(例えば膜厚50〜60μm)を形成(焼成)する場合と同等のBSF層(p層)をより薄いアルミニウム電極(例えば膜厚30μm以下、典型的には15〜25μm)を形成(焼成)する際に形成することができる。そしてアルミニウム電極を薄膜化することによって、ペースト塗布物の乾燥時や乾燥アルミニウム膜を焼成する際のシリコン基板の熱膨張係数と該アルミニウム膜の熱膨張係数との差によってシリコン基板に反りその他の変形或いは割れ等が発生するのを、未然に防止することができる。
なお、本発明のアルミニウムペーストを使用し、従来よりも薄い膜厚のアルミニウム電極を形成すること以外の太陽電池製造のための材料やプロセスは、従来と全く同様でよく、特別な処理をすることなく本発明のアルミニウムペーストによって形成されたアルミニウム電極を備えた結晶シリコン太陽電池(例示として上述の図1参照)を製造することができる。例えば、従来の銀ペーストを用いてスクリーン印刷等を行うことにより、受光面側及び裏面側に所定パターンのAg電極を形成することができる。また、従来と同様の処理を行うことによって受光面側にn層や反射防止膜を形成することができる。
このような太陽電池(素子)の製造プロセス自体は従来技法のままでよく特に本発明を特徴付けるものではないため、詳細な説明は省略する。
以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。なお、以下に記載の粒度分布に関する数値は、分散媒体としてイオン交換水を使用し、レーザー回折・散乱式粒子径分布測定装置(株式会社堀場製作所製品:LA−920)を用いて測定した結果である。
<製造例1:アルミニウムペーストの調製(1)>
大粒径アルミニウム粉末として中心粒径(D50)が6.5μmのアルミニウム粉末(D10:3.8μm、D90:12.2μm、D10/D90=0.311)を使用し、小粒径アルミニウム粉末として中心粒径(D50)が2.2μmのアルミニウム粉末(D10:0.9μm、D90:4.0μm、D10/D90=0.225)を使用した。
そして、大粒径アルミニウム粉末と小粒径アルミニウム粉末との質量混合比が大/小=8/2となるようにかかる2種類のアルミニウム粉末を混合すると共に、当該混合粉末75質量部に、有機ビヒクル23質量部(ターピネオール21.5質量部、エチルセルロース1.5質量部)と、ガラスフリット(亜鉛系ガラス:B−SiO−ZnO系ガラス)2質量部とを加え、三本ロールミルを用いて混練した。これにより本製造例に係るアルミニウムペースト(アルミニウム粉末含有率:75質量%)を調製した。以下、得られたアルミニウムペーストをサンプル1とする。
<製造例2:アルミニウムペーストの調製(2)>
大粒径アルミニウム粉末と小粒径アルミニウム粉末との質量混合比を大/小=7/3とした以外は、製造例1と同様の材料を使用し同様のプロセスを行って本製造例に係るアルミニウムペースト(アルミニウム粉末含有率:75質量%)を調製した。以下、得られたアルミニウムペーストをサンプル2とする。
<製造例3:アルミニウムペーストの調製(3)>
大粒径アルミニウム粉末と小粒径アルミニウム粉末との質量混合比を大/小=5/5とした以外は、製造例1と同様の材料を使用し同様のプロセスを行って本製造例に係るアルミニウムペースト(アルミニウム粉末含有率:75質量%)を調製した。以下、得られたアルミニウムペーストをサンプル3とする。
<製造例4:アルミニウムペーストの調製(4)>
大粒径アルミニウム粉末と小粒径アルミニウム粉末との質量混合比を大/小=3/7とした以外は、製造例1と同様の材料を使用し同様のプロセスを行って本製造例に係るアルミニウムペースト(アルミニウム粉末含有率:75質量%)を調製した。以下、得られたアルミニウムペーストをサンプル4とする。
<製造例5:アルミニウムペーストの調製(5)>
大粒径アルミニウム粉末と小粒径アルミニウム粉末との質量混合比を大/小=2/8とした以外は、製造例1と同様の材料を使用し同様のプロセスを行って本製造例に係るアルミニウムペースト(アルミニウム粉末含有率:75質量%)を調製した。以下、得られたアルミニウムペーストをサンプル5とする。
<製造例6:アルミニウムペーストの調製(6)>
大粒径アルミニウム粉末と小粒径アルミニウム粉末との質量混合比を大/小=9/1とした以外は、製造例1と同様の材料を使用し同様のプロセスを行って本製造例に係るアルミニウムペースト(アルミニウム粉末含有率:75質量%)を調製した。以下、得られたアルミニウムペーストをサンプル6とする。
<製造例7:アルミニウムペーストの調製(7)>
大粒径アルミニウム粉末と小粒径アルミニウム粉末との質量混合比を大/小=10/0、即ち上記大粒径アルミニウム粉末のみを使用し、その他は製造例1と同様の材料、同様のプロセスを行って本製造例に係るアルミニウムペースト(アルミニウム粉末含有率:75質量%)を調製した。以下、得られたアルミニウムペーストをサンプル7とする。
<製造例8:アルミニウムペーストの調製(8)>
大粒径アルミニウム粉末と小粒径アルミニウム粉末との質量混合比を大/小=0/10、即ち上記小粒径アルミニウム粉末のみを使用し、その他は製造例1と同様の材料、同様のプロセスを行って本製造例に係るアルミニウムペースト(アルミニウム粉末含有率:75質量%)を調製した。以下、得られたアルミニウムペーストをサンプル8とする。
<製造例9:アルミニウムペーストの調製(9)>
アルミニウム粉末として中心粒径(D50)が4.0μmのアルミニウム粉末(D10:2.4μm、D90:7.4μm、D10/D90=0.324)のみを使用し、その他は製造例1と同様の材料、同様のプロセスを行って本製造例に係るアルミニウムペースト(アルミニウム粉末含有率:75質量%)を調製した。以下、得られたアルミニウムペーストをサンプル9とする。
<製造例10:アルミニウムペーストの調製(10)>
大粒径アルミニウム粉末として中心粒径(D50)が5.5μmのアルミニウム粉末(D10:2.5μm、D90:9.9μm、D10/D90=0.253)を使用し、小粒径アルミニウム粉末として中心粒径(D50)が2.2μmのアルミニウム粉末(D10:0.9μm、D90:4.0μm、D10/D90=0.225)を使用した。
そして、大粒径アルミニウム粉末と小粒径アルミニウム粉末との質量混合比が大/小=5/5となるようにかかる2種類のアルミニウム粉末を混合すると共に、当該混合粉末75質量部に、有機ビヒクル23質量部(ターピネオール21.5質量部、エチルセルロース1.5質量部)と、ガラスフリット(亜鉛系ガラス:B−SiO−ZnO系ガラス)2質量部とを加え、三本ロールミルを用いて混練した。これにより本製造例に係るアルミニウムペースト(アルミニウム粉末含有率:75質量%)を調製した。以下、得られたアルミニウムペーストをサンプル10とする。
<製造例11:アルミニウムペーストの調製(11)>
使用する大粒径アルミニウム粉末を、中心粒径(D50)が8.5μmのアルミニウム粉末(D10:4.0μm、D90:14.6μm、D10/D90=0.273)に変更した以外は、製造例10と同様の材料、同様のプロセスを行って本製造例に係るアルミニウムペースト(アルミニウム粉末含有率:75質量%)を調製した。以下、得られたアルミニウムペーストをサンプル11とする。
<製造例12:アルミニウムペーストの調製(12)>
大粒径アルミニウム粉末として中心粒径(D50)が6.5μmのアルミニウム粉末(D10:3.8μm、D90:12.2μm、D10/D90=0.311)を使用し、小粒径アルミニウム粉末として中心粒径(D50)が2.2μmのアルミニウム粉末(D10:0.9μm、D50:2.2μm、D90:4.1μm、D10/D90=0.22)を使用した。
そして、大粒径アルミニウム粉末と小粒径アルミニウム粉末との質量混合比が大/小=5/5となるようにかかる2種類のアルミニウム粉末を混合すると共に、当該混合粉末75質量部に、有機ビヒクル23質量部(ターピネオール21.5質量部、エチルセルロース1.5質量部)と、ガラスフリット(亜鉛系ガラス:B−SiO−ZnO系ガラス)2質量部とを加え、三本ロールミルを用いて混練した。これにより本製造例に係るアルミニウムペースト(アルミニウム粉末含有率:75質量%)を調製した。以下、得られたアルミニウムペーストをサンプル12とする。
<製造例13:アルミニウムペーストの調製(13)>
使用する小粒径アルミニウム粉末を、中心粒径(D50)が4.0μmのアルミニウム粉末(D10:2.4μm、D90:7.4μm、D10/D90=0.324)に変更した以外は、製造例12と同様の材料、同様のプロセスを行って本製造例に係るアルミニウムペースト(アルミニウム粉末含有率:75質量%)を調製した。以下、得られたアルミニウムペーストをサンプル13とする。
<製造例14:アルミニウムペーストの調製(14)>
大粒径アルミニウム粉末として中心粒径(D50)が4.0μmのアルミニウム粉末(D10:2.4μm、D90:7.4μm、D10/D90=0.324)を使用し、小粒径アルミニウム粉末として中心粒径(D50)が2.2μmのアルミニウム粉末(D10:0.9μm、D90:4.0μm、D10/D90=0.225)を使用した。
そして、大粒径アルミニウム粉末と小粒径アルミニウム粉末との質量混合比が大/小=5/5となるようにかかる2種類のアルミニウム粉末を混合すると共に、当該混合粉末75質量部に、有機ビヒクル23質量部(ターピネオール21.5質量部、エチルセルロース1.5質量部)と、ガラスフリット(亜鉛系ガラス:B−SiO−ZnO系ガラス)2質量部とを加え、三本ロールミルを用いて混練した。これにより本製造例に係るアルミニウムペースト(アルミニウム粉末含有率:75質量%)を調製した。以下、得られたアルミニウムペーストをサンプル14とする。
<試験例1:乾燥膜密度の測定>
乾燥アルミニウム膜(箔)の密度はソーダガラス基板上で測定した。具体的には、スクリーン印刷(ステンレス製スクリーンメッシュSUS#165を使用)により、ガラス基板上に上記得られたサンプル1〜14のアルミニウムペーストを印刷(塗布)し、100mm×100mmの塗膜を形成した。このとき、塗布量を調節して、乾燥塗膜の膜厚が20μmとなるものと30μmとなるものの2種類を作製した。塗布完了後、室温〜80℃で乾燥し、得られた乾燥アルミニウム膜の密度を、乾燥膜の付着量と厚みの測定から算出した。結果を使用したペースト毎に表1及び表2に区分して示す。
表に示す結果から明らかなように、大粒径アルミニウム粉末と小粒径アルミニウム粉末とを適当な比率で混合した混合アルミニウム粉末を使用することによって、乾燥アルミニウム膜密度を向上させ得ることが確認された。
具体的には、中心粒径が5μm以上の大粒径アルミニウム粉末と、中心粒径が3μm以下の小粒径アルミニウム粉末とを混合比(大/小)が8/2〜2/8の範囲内となるように混合した混合粉末を使用したサンプル1〜5,10〜12では、大粒径アルミニウム粉末のみを使用したもの(サンプル7)や小粒径アルミニウム粉末のみを使用したもの(サンプル8)と比較して乾燥膜密度の向上が認められた。
特に、混合比(大/小)を7/3〜3/7の範囲内に設定したサンプル2〜4,10〜12では、2g/cm以上の乾燥膜密度が得られた。
サンプル2(図2)、サンプル3(図3)及びサンプル4(図4)を使用して得た乾燥アルミニウム膜についてのSEM像と、単一のアルミニウム粉末を含有するサンプル7(図5)、サンプル8(図6)及びサンプル9(図7)を使用して得た乾燥アルミニウム膜についてのSEM像との比較から明らかなように、混合アルミニウム粉末を使用しているサンプル2〜4のペーストから得られた乾燥膜は、単一のアルミニウム粉末を使用しているサンプル7〜9のペーストから得られた乾燥膜よりも緻密であった。
また、サンプル3のアルミニウムペーストに使用されている混合アルミニウム粉末の粒度分布を測定したところ、中心粒径は4.1μmであった。このD50値は、上記サンプル9で用いられている非混合(単一)アルミニウム粉末のD50値(4.0μm)とほぼ同じであった。
しかしながら、サンプル3の混合アルミニウム粉末のD10は1.1μm、D90は8.4μm、D10/D90は0.131であった。かかる広い粒度分布は、2種のアルミニウム混合粉末が混合されたことを反映している。そして、図3と図7のSEM像を比較すると明らかなように、中心粒径が近似することに拘わらず、サンプル3とサンプル9のアルミニウムペーストからそれぞれ構成される乾燥膜の緻密性は顕著に異なる。
このことは、緻密性の高い薄膜状のアルミニウム電極を形成する場合において、上記のような大粒径アルミニウム粉末と小粒径アルミニウム粉末とを混合して使用することが効果的であることを示している。
<試験例2:反り量の算定>
上記得られたサンプル1〜14のアルミニウムペーストをアルミニウム電極形成用として用いて、太陽電池を製造した。
具体的には、市販の125mm四方(□)太陽電池用p型単結晶シリコン基板(板厚200μm)を用意し、その表面をNaOH水溶液を用いてアルカリエッチング処理した。次いで、上記エッチング処理でテクスチャ構造が形成されたシリコン基板の受光面にリン含有溶液を塗布し、熱処理を行なうことによって当該シリコン基板の受光面に厚さが約0.5μmであるn−Si層(n層)を形成した(図1参照)
次いで、n−Si層上にプラズマCVD(PECVD)法によって厚みが50〜100nm程度の反射防止膜(酸化チタン膜)を形成した。さらに、所定の表面電極(Ag電極)形成用銀ペーストを用いて反射防止膜上にスクリーン印刷法によって表面電極(Ag電極)となる塗膜(厚さ20〜50μm)を形成した(図1参照)。
シリコン基板の裏面側に、スクリーン印刷(ステンレス製スクリーンメッシュSUS#165を使用した。以下同じ。)により、サンプル1〜14の各アルミニウムペーストを印刷(塗布)し、膜厚が20μmまたは30μmの乾燥アルミニウム膜を形成した。次いで、このシリコン基板を焼成して、焼成アルミニウム電極を形成した。具体的には、大気雰囲気中で近赤外線高速焼成炉を用いて、焼成温度700〜800℃で焼成した。
次いで、焼成後のシリコン基板の反り量を調べた。即ち、アルミニウム電極が形成された面が上向きになるように水平試験台上に焼成後のシリコン基板を配置し、当該シリコン基板の厚さ方向における最低部と最上部との間の寸法を測定した。その測定値を本試験例における反り量(mm)とした。結果を表1及び表2の該当欄に示す。
表に示すように、アルミニウム電極の厚みが20μm或いは30μm程度(乾燥膜時)であることを反映して、何れも反り量を低く抑えることができた。即ち、20μm厚(乾燥膜時)のアルミニウム電極を備える基板の反りは、0.6〜1.1mm程度であり、30μm厚(乾燥膜時)のアルミニウム電極を備える基板の反りは、1.5〜2.5mm程度であった。
<試験例3:開放電圧の測定>
本試験例では、上記試験例2で表面電極(Ag電極)が形成された各シリコン基板の裏面側に、先ず、上記表面電極(Ag電極)形成用銀ペーストと同様の裏面電極(Ag電極)形成用銀ペーストを用いて所定のパターンにスクリーン印刷し、乾燥することにより、厚さ20〜50μmの裏面側Ag塗布物(即ち、焼成後におけるAgから成る裏面側外部接続用電極:図1参照)を形成した。
次いで、スクリーン印刷により、サンプル1〜14の各アルミニウムペーストを印刷(塗布)し、膜厚が20μmまたは30μmの乾燥アルミニウム膜を形成した。次いで、このシリコン基板を大気雰囲気中で近赤外線高速焼成炉を用いて、焼成温度700〜800℃で焼成した。かかる焼成によって表面電極(Ag電極)及び裏面側外部接続用Ag電極とともに、焼成アルミニウム電極を形成した。
次に、このようにして得られた太陽電池(図1参照)について、表裏Ag電極間に電圧計を接続し、太陽光を受光面に照射したときの最大電圧即ち開放電圧(Voc)を測定した。結果を表1及び表2の該当欄に示す。
表に示すように、アルミニウム電極の厚みが20μm(乾燥膜時)の場合も30μm(乾燥膜時)の場合も、略同等の開放電圧が得られた。具体的には、大粒径アルミニウム粉末と小粒径アルミニウム粉末との混合アルミニウム粉末を使用したほぼ600mV以上の開放電圧が得られた。このことは、本発明に係るアルミニウムペーストを使用することにより、従来よりも薄い(典型的には30μm以下、好ましくは20μm又はそれ以下)アルミニウム電極形成で従来の厚膜のアルミニウム電極形成と同等の効果(例えばBSF効果)を奏し得ることを示している。また、アルミニウム電極を薄くすることで、焼成時や乾燥時にシリコン基板に反り等の変形或いは割れが発生することを防止することができる。
太陽電池の構造の一例を模式的に示す断面図である。 一製造例に係る乾燥アルミニウム膜のSEM像であり、(a)、(b)及び(c)は、それぞれ、1000倍、3000倍及び5000倍のSEM像である。 一製造例に係る乾燥アルミニウム膜のSEM像であり、(a)、(b)及び(c)は、それぞれ、1000倍、3000倍及び5000倍のSEM像である。 一製造例に係る乾燥アルミニウム膜のSEM像であり、(a)、(b)及び(c)は、それぞれ、1000倍、3000倍及び5000倍のSEM像である。 一製造例に係る乾燥アルミニウム膜のSEM像であり、(a)、(b)及び(c)は、それぞれ、1000倍、3000倍及び5000倍のSEM像である。 一製造例に係る乾燥アルミニウム膜のSEM像であり、(a)、(b)及び(c)は、それぞれ、1000倍、3000倍及び5000倍のSEM像である。 一製造例に係る乾燥アルミニウム膜のSEM像であり、(a)、(b)及び(c)は、それぞれ、1000倍、3000倍及び5000倍のSEM像である。
符号の説明
10 太陽電池
11 シリコン基板(Siウエハ)
12 表面電極(受光面電極)
14 反射防止膜
16 n−Si層
18 p−Si層
20 裏面アルミニウム電極
22 裏面側外部接続用電極
24 p

Claims (9)

  1. 太陽電池のアルミニウム電極を形成するアルミニウムペーストを製造する方法であって、
    以下の2種類のアルミニウム粉末:
    (a).レーザー回折法に基づく粒度分布の中心粒径(D50)が3μm以下であり且つ累積体積10%時の粒径(D10)と累積体積90%時の粒径(D90)との比(D10/D90)が0.2以上であることを特徴とする小粒径アルミニウム粉末;及び
    (b).レーザー回折法に基づく粒度分布の中心粒径(D50)が前記小粒径アルミニウム粉末のD50の2〜6倍であり且つ累積体積10%時の粒径(D10)と累積体積90%時の粒径(D90)との比(D10/D90)が0.2以上であることを特徴とする大粒径アルミニウム粉末;
    を用意する工程と、
    前記小粒径アルミニウム粉末と、前記大粒径アルミニウム粉末とを混合する工程であって、調製された目的アルミニウムペーストを使用して形成される乾燥アルミニウム膜の密度が、前記小粒径アルミニウム粉末のみをアルミニウム成分として調製された比較アルミニウムペーストを同条件で使用して形成される乾燥アルミニウム膜の密度よりも高くなることを実現する混合比で混合する工程と、
    前記混合アルミニウム粉末を有機ビヒクルに分散させる工程と、
    を包含する、太陽電池用アルミニウムペースト製造方法。
  2. 前記小粒径アルミニウム粉末の中心粒径が1μm〜3μmであり、前記大粒径アルミニウム粉末の中心粒径が5μm〜10μmである、請求項1に記載の製造方法。
  3. 前記大粒径アルミニウム粉末と前記小粒径アルミニウム粉末の質量混合比(大粒径アルミニウム粉末/小粒径アルミニウム粉末)が8/2〜2/8の範囲内に設定される、請求項2に記載の製造方法。
  4. 太陽電池のアルミニウム電極を形成するアルミニウムペーストであって、
    有機ビヒクル中に分散されるアルミニウム粉末を含み、請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法により製造されたアルミニウムペースト。
  5. 前記アルミニウム粉末は、レーザー回折法に基づく粒度分布の中心粒径(D50)が2μm〜6μmであり且つ累積体積10%時の粒径(D10)と累積体積90%時の粒径(D90)との比(D10/D90)が0.2未満である、請求項4に記載のアルミニウムペースト。
  6. 前記中心粒径が3μm〜5μmである、請求項5に記載のアルミニウムペースト。
  7. 受光面の裏面側にアルミニウム電極を備える太陽電池であって、
    前記アルミニウム電極が、以下の2種類のアルミニウム粉末:
    (a).レーザー回折法に基づく粒度分布の中心粒径(D50)が3μm以下であり且つ累積体積10%時の粒径(D10)と累積体積90%時の粒径(D90)との比(D10/D90)が0.2以上であることを特徴とする小粒径アルミニウム粉末;及び
    (b).レーザー回折法に基づく粒度分布の中心粒径(D50)が前記小粒径アルミニウム粉末のD50の2〜6倍であり且つ累積体積10%時の粒径(D10)と累積体積90%時の粒径(D90)との比(D10/D90)が0.2以上であることを特徴とする大粒径アルミニウム粉末;
    との混合粉末が焼成されて形成されている、太陽電池。
  8. 前記混合粉末は、レーザー回折法に基づく粒度分布の中心粒径(D50)が2μm〜6μmであり且つ累積体積10%時の粒径(D10)と累積体積90%時の粒径(D90)との比(D10/D90)が0.2未満である、請求項7に記載の太陽電池。
  9. 請求項4〜6のいずれかに記載のアルミニウムペーストを用いて前記アルミニウム電極が形成されている、請求項7又は8に記載の太陽電池。
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