JP2010177444A - 太陽電池素子および太陽電池素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】レーザーを使用することによるＰＮ分離方法では、残渣が分離溝に入り込み、分離溝内部の周辺部に付着し、周辺部に付着した残渣を通じて太陽電池素子の発電時にリーク電流が発生し、太陽電池素子の光電変換効率が低下するという問題があった。
【解決手段】第１の面と、第１の面の裏側の第２の面とを有し、第一の導電型の部分１０と、第二の導電型の拡散層９と、を備えるシリコンウェハ２と、拡散層９上に形成された第一の電極と、シリコンウェハの第一導電型の部分１０と拡散層９とに跨って形成された第一の溝と、シリコンウェハの第一導電型の部分１０と拡散層９とに跨って形成されており、第一の溝７ｂよりシリコンウェハの端部側に配置された第二の溝７ａと、を有する。
【選択図】図３
【解決手段】第１の面と、第１の面の裏側の第２の面とを有し、第一の導電型の部分１０と、第二の導電型の拡散層９と、を備えるシリコンウェハ２と、拡散層９上に形成された第一の電極と、シリコンウェハの第一導電型の部分１０と拡散層９とに跨って形成された第一の溝と、シリコンウェハの第一導電型の部分１０と拡散層９とに跨って形成されており、第一の溝７ｂよりシリコンウェハの端部側に配置された第二の溝７ａと、を有する。
【選択図】図３
Description
本発明は、太陽電池素子および太陽電池素子の製造方法に関する。
太陽電池素子は、単結晶または多結晶シリコンウェハを使用したものが主流となっており、市場からはより高効率で安価な太陽電池素子が望まれている。
通常シリコンウェハを使用した太陽電池素子の製造工程においては、Ｐ型シリコンウェハ表面に燐などを拡散してＮ型層を形成してＰＮ接合をその内部に形成し、その後ＰＮ分離することが行われている。
このＰＮ分離は、シリコンウェハの裏面の周辺部にレーザーを照射することにより、シリコンウェハ内のＰＮ接合面の深さ以上の分離溝を形成することで行われる。（特許文献１参照）
このＰＮ分離は、シリコンウェハの裏面の周辺部にレーザーを照射することにより、シリコンウェハ内のＰＮ接合面の深さ以上の分離溝を形成することで行われる。（特許文献１参照）
しかしながら、上記のＰＮ分離方法では、分離溝を形成する際レーザーによるシリコンの残渣が発生する。この残渣はレーザーの照射位置を中心としてその周辺部に飛び散るため、その一部は形成された後の分離溝に入り込み、分離溝内部の周辺部に付着する。このような残渣は、導電性を持つため、分離溝内部に残渣が付着したシリコンウェハを用いて太陽電池素子を作製すると、残渣により太陽電池素子の発電時にリーク電流が発生し、太陽電池素子の光電変換効率が低下するという問題があった。
本発明は係る問題に鑑みなされたものであり、その目的はレーザーによるＰＮ分離を行った場合でも、残渣によるリーク電流の小さい高効率で安価な太陽電池素子を提供することである。
本発明の太陽電池素子は、
第１の面と、前記第１の面の裏側の第２の面とを有し、第一の導電型の部分と、第二の導電型の拡散層と、を備えるシリコンウェハと、前記拡散層上に形成された第一の電極と、前記シリコンウェハの前記第一導電型の部分と前記拡散層とに跨って形成された第一の溝と、前記シリコンウェハの前記第一導電型の部分と前記拡散層とに跨って形成されており、前記第一の溝より前記シリコンウェハの端部側に配置された第二の溝と、を有する。
第１の面と、前記第１の面の裏側の第２の面とを有し、第一の導電型の部分と、第二の導電型の拡散層と、を備えるシリコンウェハと、前記拡散層上に形成された第一の電極と、前記シリコンウェハの前記第一導電型の部分と前記拡散層とに跨って形成された第一の溝と、前記シリコンウェハの前記第一導電型の部分と前記拡散層とに跨って形成されており、前記第一の溝より前記シリコンウェハの端部側に配置された第二の溝と、を有する。
本発明の太陽電池素子は、上述の構成を備えることによって、残渣によるリーク電流を低減でき、信頼性の高い太陽電池素子とすることができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳説する。
＜第一実施形態＞
本実施形態の太陽電池素子１は、光が入射する第１の面と第１の面の裏側の第２の面とを有し、第一の導電型の部分１０と、第二の導電型の拡散層９と、を備えるシリコンウェハ２と、シリコンウェハ２の第１の面上に設けられたバスバー電極３、フィンガー電極４と第２の面上に設けられた集電部５と出力取出電極６とを有する。
＜第一実施形態＞
本実施形態の太陽電池素子１は、光が入射する第１の面と第１の面の裏側の第２の面とを有し、第一の導電型の部分１０と、第二の導電型の拡散層９と、を備えるシリコンウェハ２と、シリコンウェハ２の第１の面上に設けられたバスバー電極３、フィンガー電極４と第２の面上に設けられた集電部５と出力取出電極６とを有する。
シリコンウェハ２は、例えば単結晶シリコン又は多結晶シリコンなどから成る平板状のものである。以下、本実施の形態においては、シリコンウェハ２としてｐ型シリコン基板が用いられる場合を対象に説明を行う。シリコンウェハ２の内部には、Ｐ型シリコンとＮ型シリコンの接合（ＰＮ接合）が形成されている。
第１の面の電極は、幅１ｍｍ〜３ｍｍ程度のバスバー電極３と、バスバー電極３に対して略垂直に交わるように設けられており、幅５０〜２００μｍ程度のフィンガー電極４とから成る。このようなバスバー電極３、フィンガー電極４の厚みは、１０〜２０μｍ程度である。第１の面の全面には反射防止膜８を形成することが望ましい。
第２の面の電極は、集電部５と出力取出電極６とを有する。この出力取出電極６の厚みは１０μｍ〜２０μｍ程度、幅は３．５ｍｍ〜７ｍｍ程度であり、また集電部５の厚みは１５μｍ〜５０μｍ程度である。
このようなフィンガー電極４、集電部５は、発生したキャリアを集電する役割を有し、バスバー電極３、出力取出電極６は、フィンガー電極４、集電部５で集めたキャリア（電力）を集め、外部に出力する役割を有している。
またシリコンウェハ２の第２の面側の集電部５とシリコンウェハ２の端部との間の領域には、平行な２本の溝７が第一の導電型の部分１０と第二の導電型の拡散層９とに渡り連通して設けられている。この溝７は、ＰＮ分離の役割を有する。
次に、本実施形態に係る太陽電池素子の製造工程について説明する。
まず図２（ａ）に示すように一導電型の単結晶又は多結晶のシリコンウェハ２を準備する。このシリコンウェハ２は、ボロン（Ｂ）などのＰ型の導電型を呈する半導体不純物を１×１０１６〜１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度含有し、比抵抗０．２〜２Ω・ｃｍ程度の基板が好適に用いられる。ここでは多結晶シリコンを用いた例によって説明する。
まず図２（ａ）に示すように一導電型の単結晶又は多結晶のシリコンウェハ２を準備する。このシリコンウェハ２は、ボロン（Ｂ）などのＰ型の導電型を呈する半導体不純物を１×１０１６〜１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度含有し、比抵抗０．２〜２Ω・ｃｍ程度の基板が好適に用いられる。ここでは多結晶シリコンを用いた例によって説明する。
多結晶シリコンのインゴットは、例えば、３５０μｍ以下、より好ましくは２００μｍ以下の厚みにスライスして、１５〜１６ｃｍ角程度の大きさに切断され、シリコンウェハ２とされる。なお、シリコンウェハ２の切断面の機械的ダメージ層や汚染層を清浄化するために表面をごく微量エッチングすることが望ましい。
次に、光入射面となるシリコンウェハ２表面側に、光反射率低減機能を有する凹凸（粗面化）構造を形成する。
その後、図２（ｂ）に示すようにシリコンウェハ２表面全面にＮ型の拡散層９を形成する。拡散層９の形成は、シリコンウェハ２を７００〜９００℃程度に昇温して維持しながら、拡散源としてガス状態にしたＰＯＣｌ３（オキシ塩化リン）雰囲気中で２０〜４０分程度処理する気相熱拡散法などによって、Ｎ型の拡散層９が０．２〜０．７μｍ程度の深さに形成される。
次に、第１の面の電極（バスバー電極３とフィンガー電極４）と第２の面の電極（集電部５と出力取出電極６）、反射防止膜８を形成する。
反射防止膜８の材料としては、ＳｉＮｘ膜（Ｓｉ3Ｎ4ストイキオメトリを中心にして組成比（ｘ）には幅がある）、ＴｉＯ2膜、ＳｉＯ２膜、ＭｇＯ膜、ＩＴＯ膜、ＳｎＯ2膜、ＺｎＯ膜などを用いることができる。その厚さは、例えばシリコンウェハ２の場合、屈折率は１．８〜２．３程度、厚み５００〜１２００Å程度にすればよい。
反射防止膜８の製法としては、ＰＥＣＶＤ法、蒸着法、スパッタ法などを用いて形成する。
反射防止膜８の製法としては、ＰＥＣＶＤ法、蒸着法、スパッタ法などを用いて形成する。
第１の面の電極となる電極ペーストとしては、例えば銀からなる金属粉末と有機ビヒクルとガラスフリットを銀１００重量部に対してそれぞれ５〜３０重量部、０．１〜１０重量部を添加してペースト状にした銀ペーストが用いられる。これをスクリーン印刷法等により反射防止膜８の上に塗布し、最高温度が６００〜８５０℃で数十秒〜数十分程度焼成することにより電極を形成する。
次に、シリコンウェハ２の第２の面（裏面）側の電極を形成する。集電部５は、アルミニウムを主成分とするペーストを裏面の外周辺部３〜１０ｍｍ程度を除いてスクリーン印刷法などにより塗布する。この集電部５の形成に用いるペーストは、アルミニウム粉末と有機ビヒクルなどからなるもので、これを塗布した後、温度７００〜８５０℃程度で熱処理（焼成）してアルミニウムをシリコンウェハ２に焼き付ける。これにより、アルミニウムをシリコンウェハ２の塗布部分に高濃度に拡散させることができ、拡散層９の形成と同時に、裏面側のＮ型の逆導電型拡散層をＰ＋型とすることができる。
また、裏面の出力取出電極６は、銀を主成分とするペーストをスクリーン印刷法などにより塗布することで形成する。このペーストは、銀粉末と有機ビヒクルとガラスフリットを銀１００重量部に対してそれぞれ５〜３０重量部、０．１〜１０重量部を添加したものである。塗布後所定の温度で溶剤を蒸散させて乾燥させることが好ましい。
シリコンウェハ２の裏面側に形成されてなる集電部５と少なくとも一部が重畳するように上記の銀ペーストを塗布・乾燥させた後、焼成炉内にて最高温度が７００〜８５０℃で数十秒〜数十分程度焼成することにより集電部５と出力取出電極６とを形成する。
また、アルミニウムペーストを塗布・乾燥した後、銀ペーストを塗布し、両者を同時に焼成しても良いし、アルミニウムペーストを塗布・焼成して集電部５を形成し、銀ペーストを塗布・焼成して出力取出電極６を形成して焼成工程を別々にしても構わない。
また、アルミニウムペーストを塗布して、集電部５を形成した後に銀ペーストを塗布して出力取出電極６を形成してもよいし、またその逆であってもよい。
その後図２（ｄ）に示すように、第２の面側に形成されているＮ型層部分にレーザー光を照射することによりシリコンウェハの第一導電型の部分１０と拡散層９とに跨って形成されており、Ｎ型層部分を除去する溝７（７ａ、７ｂ）を形成し、ＰＮ分離を行う。
本実施形態に係る太陽電池素子の製造方法では、シリコンウェハ２の端部と集電部５の間のＮ型層部分にレーザーによる溝７を略平行に２本形成する。図３においては、シリコン基板の端部１２に近い外側の溝７ａと集電部５に近い内側の溝７ｂの２本を形成する。
溝７（７ａ、７ｂ）の形成には、ＸＹの２軸方向に自在に動くテーブルの所定の位置にシリコンウェハ２を載置、固定し、直上よりＱスイッチＹＡＧレーザー（例えば波長１．０６μｍ、発振周波数４０〜６０ｋＨｚ、パワー密度１０７〜１０８Ｗ/ｃm２）によりレーザー光を照射することにより行う。
このレーザーによる溝７ａ、７ｂの形成は、１本のレーザー光で１本目の溝を形成した後、２本目の溝を形成しても良いが、２本のレーザーを同時に照射することで形成してもよい。この場合、タクト時間を短くできる。
レーザーによる溝７の形成においては、レーザーによりシリコンウェハ２が除去された部分の残渣１３が発生する。この残渣１３はレーザーの照射位置を中心としてその周辺部に飛び散り、その一部は図４に示すように、形成された後の溝７に入り込み、溝７内の表面に付着する。しかしながら、本実施形態の太陽電池素子では、溝７を２本備えることにより、仮に残渣１３が飛散した場合にも、ＰＮ分離がなされやすいため、リーク電流による不具合を低減することが可能となる。
また、溝７ａおよび溝７ｂの幅より、溝７ａと溝７ｂの間の距離Ｙを大きくするのがよい。例えば溝７ｂの幅０．０３３ｍｍに対し、Ｙ０．０５ｍｍ以上とすると残渣が入りにくい。図５に示すように、本実施形態において、溝７ａと溝７ｂの間の距離Ｙは、０．０５ｍｍ以上であることが望ましい。このような値とすることにより、２本の溝７を同時または別々に形成する際、他方の溝の残渣１３がもう一方の溝に入ることを低減できる。
さらに、外側の溝７ａと内側の溝７ｂを別々に形成する場合においては、後に形成された溝を形成するレーザー光の出力を、先に形成された溝を形成するレーザー光の出力に比べ弱くすることにより、後に形成された溝が先に形成された溝に比べ、浅く形成するほうが好ましい。後の溝形成時に発生する残渣１３の量をより少なくでき、また残渣１３の飛び散る範囲をより狭くすることができる。これにより他方の溝の残渣１３がもう一方の溝に入りにくくすることができる。
また、先に形成された溝の幅より、溝７ａと溝７ｂの間の距離Ｙを大きくするのがよい。
さらに、後に形成された溝の深さを、先に形成された溝に比べて浅くする場合において、外側の溝７ａを後に形成することが望ましい。深さのより深い溝のある部分では、衝撃などが加わるとセルが割れたり、クラックが発生しやすくなる。このため深さの浅い溝をシリコンウェハ２の端部側に配置することで、セルの割れやクラックを低減できる。
溝７は、第１の面の電極と第２の面の電極の形成後でも良いし、シリコンウェハ２に溝７を形成した後、第１の面の電極と第２の面の電極を形成してもよい。第１の面の電極と第２の面の電極の形成後に溝７を形成する場合、残渣１３に対して電極形成時の熱が加わらず、残渣１３が導電性の高いものに変質したり、溝７内に拡散するといった不具合を低減できる。なお、第１の面の電極と第２の面の電極の形成後、レーザーにより溝７を形成した場合、先に溝７を形成し、その後第１の面の電極と第２の面の電極を形成した場合と比べ、リーク電流が１／３０〜１／４０程度になる。これにより太陽電池素子１の光電変換効率が１．２〜１．８％程度の向上が図れる。
＜第二実施形態＞
次に、上述の実施形態における太陽電池素子に代えて、受光面側電極の一部または全てを第２の面側に配置したバックコンタクト型太陽電池素子を用いた実施形態について図６、７を用いて説明する。
次に、上述の実施形態における太陽電池素子に代えて、受光面側電極の一部または全てを第２の面側に配置したバックコンタクト型太陽電池素子を用いた実施形態について図６、７を用いて説明する。
本実施形態のバックコンタクト型太陽電池素子は、太陽光を受光する表面と、裏面とを含み、表面と裏面とを貫通する複数の貫通孔２３を有するシリコンウェハ２を備える。
シリコンウェハ２は、表面に形成された受光面側電極１４ａと、貫通孔３内に形成されており、受光面側電極１４ａと電気的に接続された貫通孔電極１４ｂと、裏面上において貫通孔２３の開口部の少なくとも一部を塞ぐように形成されており、貫通孔電極１４ｂと電気的に接続された第１の裏面側電極（第１の電極）１４ｃとを有する。
またシリコンウェハ２は一導電型を有する。シリコンウェハ２の表面および裏面には、シリコンウェハ２の導電型と異なる逆導電型層２２（第一逆導電型層２２ａ、第三逆導電型層２２ｃ）を有する。またシリコンウェハ２の貫通孔２３の内面には、第二逆導電型層２２ｂが設けられている。
図６（ａ）において、シリコンウェハ２の裏面側には、第１の電極１４ｃおよび第２の電極１５ｂが直線上に並んで交互に配置されており、それぞれ矩形状である。
図６（ｂ）において、シリコンウェハ２の表面に形成された電極は、複数の線状の集電電極１４ａと、貫通孔電極１４ｂと接続されており、集電電極１４ａと略垂直に交わる電極とを含む。
また、図６において、太陽電池素子の第２の電極１５は、第一の層１５ａと第２の層１５ｂとを有する。このような第２の電極１５の第２の層１５ｂは、例えば、銀などを主成分とする電極材料が焼成されて形成され、第１の層１５ａは、例えば、アルミニウムや銀を主成分とする電極材料が焼成されることにより形成される。
また、第１の層１５ａは、図７に示すように高濃度ドープ層１６上に形成されている。高濃度ドープ層１６は、シリコンウェハ２の裏面の貫通孔２３近傍以外の略全面に、ボロンやアルミニウムを高濃度に拡散してなるものである。ここで、高濃度とは、シリコンウェハ２における一導電型不純物の濃度よりも不純物濃度が大きいことを意味する。
これにより、シリコンウェハ２中で生成されたキャリアが効率よく集電される。また、第１の層１５ａは、シリコンウェハ２内で吸収されなかった光を再びシリコンウェハ２内へ反射させて、光電流を増加させる役割をも有し得る。第１の層５ａの電極材料として、特に、アルミニウムが用いられた場合、電極材料を焼成して第１の層１５ａを形成する際に、高濃度ドープ層１６を同時に形成することができる。
これにおいて、第三逆導電型層２２ｃ領域でＰＮ分離がなされる。図６（ａ）においては、第１の電極１４ｃと第２の電極１５ｂの間隙、第１の電極１４ｃと高濃度ドープ層１６上に形成されている第１の層１５ａとの間隙に、レーザーによりＰＮ分離を行う。この様な場合においても上述のようにレーザーにより溝を２本形成することによりリーク電流を小さくすることが可能となる。
１；太陽電池素子
２；シリコンウェハ
７；溝７ａ；外側の溝
７ｂ；内側の溝
９；拡散層
１０；第一の導電型の部分
１２；シリコンウェハの端部
１３；残渣
２；シリコンウェハ
７；溝７ａ；外側の溝
７ｂ；内側の溝
９；拡散層
１０；第一の導電型の部分
１２；シリコンウェハの端部
１３；残渣
Claims (8)
- 第１の面と、前記第１の面の裏側の第２の面とを有し、第一の導電型の部分と、前記第２の面側に設けられた第二の導電型の拡散層と、を備えるシリコンウェハと、
前記拡散層上に形成された第一の電極と、
前記シリコンウェハの前記第一導電型の部分と前記拡散層とに跨って形成された第一の溝と、
前記シリコンウェハの前記第一導電型の部分と前記拡散層とに跨って形成されており、前記第一の溝より前記シリコンウェハの端部側に配置された第二の溝と、
を有する太陽電池素子。 - 前記第二の溝の深さが、前記第一の溝より浅いことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池素子。
- 前記第一の電極は、前記シリコンウェハの前記第２の面の端部から離間して形成されており、前記第一の溝および前記第二の溝は、前記電極と前記シリコンウェハの端部との間に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池素子。
- 前記シリコンウェハの前記第２の面上に、前記第一の電極と極性の異なる第二の電極をさらに有し、前記第一の電極と前記第二の電極との間に前記第一の溝および前記第二の溝が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池素子。
- 前記拡散層は前記シリコンウェハの側面から前記第二の面にかけて形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池素子。
- 第１の面と、前記第１の面の裏側の第２の面とを有し、第一の導電型の部分と、第二の導電型の拡散層とを備えるシリコンウェハを準備する工程と、
レーザーにより、前記第一の導電型の部分と前記拡散層とに跨って第一の溝を形成する工程と、
レーザーにより、前記第一の溝と並ぶ位置に前記第一の導電型の部分と前記拡散層とに跨って第二の溝を形成する工程と、を有する太陽電池素子の製造方法。 - 前記第二の溝を、前記第一の溝より浅く形成することを特徴とする請求項６に記載の太陽電池素子の製造方法。
- 前記第二の溝を、前記第一の溝より前記シリコンウェハの端部側に形成することを特徴とする請求項６に記載の太陽電池素子の製造方法。
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| JP2009018407A JP2010177444A (ja) | 2009-01-29 | 2009-01-29 | 太陽電池素子および太陽電池素子の製造方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012209316A (ja) * | 2011-03-29 | 2012-10-25 | Kyocera Corp | 太陽電池素子および太陽電池モジュール |
| KR20120136014A (ko) * | 2011-06-08 | 2012-12-18 | 엘지전자 주식회사 | 태양 전지 및 그의 반도체 기판 에칭 장비 |
| WO2013051323A1 (ja) * | 2011-10-03 | 2013-04-11 | 三菱電機株式会社 | 太陽電池素子およびその製造方法 |
| WO2014192739A1 (ja) * | 2013-05-29 | 2014-12-04 | 株式会社カネカ | 太陽電池およびその製造方法、ならびに太陽電池モジュールおよびその製造方法 |
-
2009
- 2009-01-29 JP JP2009018407A patent/JP2010177444A/ja active Pending
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