JP2010267990A - 太陽電池素子および太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】高効率の太陽電池素子および太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】受光面を有する半導体基板１と、前記受光面上に設けられた表面電極５とを備えた太陽電池素子であって、表面電極５は、３本の表面バスバー電極５ａと、隣り合う表面バスバー電極５ａを互いに電気的に接続する複数の表面フィンガー電極５ｂとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池素子および太陽電池モジュールに関する。

太陽電池は入射した光エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。
太陽電池のうち主要なものは使用材料の種類によって結晶系、アモルファス系、化合物系等に分類される。

このうち、現在市場で流通しているのはほとんどが結晶系シリコン太陽電池である。この結晶系シリコン太陽電池はさらに単結晶型、多結晶型に分類される。単結晶型のシリコン太陽電池は基板の品質がよいために高効率化が容易であるという長所を有する反面、基板の製造が高コストになるという短所を有する。これに対して多結晶型のシリコン太陽電池は基板の品質が劣るために高効率化が難しいという短所はあるものの、低コストで製造できるという長所がある。また、最近では多結晶シリコン基板の品質の向上やセル化技術の進歩により、研究レベルでは１８％程度の変換効率が達成されている。

一方、量産レベルの多結晶シリコン太陽電池は低コストであったため、従来から市場に流通し、現在、太陽電池の主流製品となっている。

太陽電池素子の一般的な構造を図２および図３に示す。図３（ａ）は、太陽電池素子Ｘの断面の構造を示す図である。また、図４は、電極形状の一例を示す図であり、（ａ）は受光面側（表面）、（ｂ）は非受光面側（裏面）である。

このような太陽電池素子Ｘは次のようにして作製される。

まず、厚み０．３〜０．４ｍｍ程度、大きさ１００〜１５０ｍｍ角程度の単結晶シリコンや多結晶シリコンなどからなるｐ型半導体のシリコン基板１を準備する。そして、シリコン基板１にｎ型拡散層１ａを形成し、半導体接合部３とする。このようなｎ型拡散層１ａは、シリコン基板１を拡散炉中に配置して、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ_３）中で加熱することによって、シリコン基板１の表面部全体にｎ型不純物であるリン原子を拡散させて、厚み０．２〜０．５μｍ程度のｎ型拡散層１ａとして形成することができる。その後、側面部と底面部の拡散層の部分を除去する。

太陽電池素子Ｘの受光面側には、例えば、窒化シリコン膜からなる反射防止膜２が形成される。このような反射防止膜２は、例えばプラズマＣＶＤ法などで形成され、パッシベーション膜としての機能をも有する。

そして、シリコン基板１の表面に銀ペーストを、裏面にはアルミニウムペーストおよび銀ペーストを塗布して焼成することにより、表面電極５および裏面電極４を同時に形成する。

図３（ａ）に示されるように裏面電極４は裏面から出力を取り出すための裏面バスバー電極４ａと裏面集電用電極４ｂからなる。
また、図３（ｂ）に示されるように表面電極５は表面から出力を取り出すための表面バスバー電極５ａと、これに直交するように設けられた集電用の表面フィンガー電極５ｂとから構成される。

裏面集電用電極４ｂは、アルミニウムペーストをスクリーン印刷法で印刷して焼き付けることによって形成され、このときにシリコン基板１中にアルミニウムが拡散して、裏面で発生したキャリアが再結合することを防ぐ裏面電界層が形成される。
また、裏面バスバー電極４ａ、表面バスバー電極５ａ、表面フィンガー電極５ｂは銀ペーストをスクリーン印刷法で印刷して焼成する方法によって形成される。
なお、表面電極５は、反射防止膜２の電極に相当する部分をエッチング除去して形成される場合と、もしくは反射防止膜２の上から、ファイアースルーという手法によって直接形成される場合とがある。

また、これら太陽電池素子Ｘの電極部には出力を外部に取り出すための配線をしやすくしたり、電極の耐久性を維持するために半田が被覆される場合もあり、この半田の被覆には、ディップ法、噴流式などが採用されている。

近年環境問題が取りざたされる中で、太陽電池に対してより高い変換効率が求められるようになっている。そこで、受光面に配置される表面電極（バスバー電極５ａ、フィンガー電極５ｂ）に対して様々な工夫がなされている。例えば、細線化させて光学ロス（反射ロス）を減少させたり、フィンガー電極５ｂに集められた電子をできる限り損失なくバスバー電極５ａに運ぶためにそれぞれの電極同士を直交させて設けたりすることが一般的に行われてきた。

太陽電池素子一枚では発生する電気出力が小さいため、複数の太陽電池素子を直並列に接続して、実用的な電気出力が取り出せるようにする必要がある。
太陽電池モジュールの一例として、図２（ｂ）に、図２（ａ）の太陽電池素子Ｘを組み合わせて構成した太陽電池モジュールＹを示す。

図２（ｂ）に示すように、複数の太陽電池素子Ｘは、インナーリード８によって電気的に接続され、透光性パネル９と裏面保護材１１の間にエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）などを主成分とする充填材１０で気密に封入されて、太陽電池モジュールＹを構成している。太陽電池モジュールＹの出力は、出力配線１２を経て端子ボックス１３に接続されている。図２（ｃ）に、図２（ｂ）の太陽電池モジュールＹの内部構造の部分拡大図を示す。

図２（ｃ）に示すように、太陽電池素子Ｘ１の表面バスバー電極５ａと、隣接する太陽電池素子Ｘ２の裏面バスバー電極４ａとをインナーリード８によって接続して、複数の太陽電池素子Ｘ同士が電気的に接続されている。一般的にインナーリードは厚さ０．１〜０．３ｍｍ程度の銅箔などの全面を半田被覆したものを用いており、このインナーリード８と太陽電池素子Ｘのバスバー電極（４ａ、５ａ）を半田を介在させて加熱し、部分的もしくは全長にわたり圧着させることにより太陽電池素子Ｘとインナーリード８とを半田によって接続する。

特開２００３−６９０５５号公報

太陽電池素子の出力特性は、次式であらわすことができる。

出力特性（Ｐｍ）＝短絡電流（Ｉｓｃ）×開放電圧（Ｖｏｃ）×曲線因子（Ｆ．Ｆ．）・・・（１）
この出力特性を太陽電池素子の面積で割った値が変換効率である。この変換効率は単位面積あたりの太陽電池素子の出力特性を示す値であり、この変換効率の向上が太陽電池素子開発の大きな課題である。太陽電池素子の変換効率を向上させるためには、（１）式に示した短絡電流、開放電圧、Ｆ．Ｆ．のそれぞれを向上させる必要がある。

環境問題がとりだたされるなか、太陽電池には更なる高効率化が求められており、その１つの手段として表面電極の電極面積を減少させることによって、受光面積を向上させようとするものである。

しかし、上述したように電極面積を減少させるために、特にフィンガー電極を細線化した場合、電極内での抵抗が上昇することによるロスが発生するという問題がある。

この問題を解決するために、フィンガー電極を厚膜化することによって電極内の断面積を増やし、抵抗を下げるという方法が検討されている。
しかし、電極形成をスクリーン印刷法で行う場合、その厚みには限界があるというのが実情であり、複数回の印刷や例えばスパッタ・蒸着といった高価な設備を使用した工程でしか所望の厚みは得られず、太陽電池素子の製造コストの上昇を招いてしまうという問題があった。

そこで、バスバー電極の本数を増やすことにより、フィンガー電極の長さを短くすることによって、実質の抵抗値を下げるという検討がなされている。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、高効率の太陽電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明の太陽電池素子は、受光面を有する半導体基板と、前記受光面上に設けられた表面電極とを備えた太陽電池素子であって、前記表面電極は、３本の表面バスバー電極と、隣り合う前記表面バスバー電極を互いに電気的に接続する複数の表面フィンガー電極とを有することを特徴とする。

また、本発明の太陽電池モジュールは、互いに電気的に接続された本発明の複数の太陽電池素子と、前記半導体基板の受光面側に配置された透光性パネルと、前記半導体基板の非受光面側に配置された裏面保護材とを備えたことを特徴とする。

本発明の太陽電池素子および太陽電池モジュールでは、出力が高く高効率の太陽電池素子および太陽電池モジュールとすることができる。

（ａ）は本発明に係る太陽電池モジュールに使用する太陽電池素子を裏面から見たときの図であり、（ｂ）は本発明に係る太陽電池モジュールに使用する太陽電池素子を表面から見たときの図である。 （ａ）は本発明に係る太陽電池素子の断面を示した図であり、（ｂ）、（ｃ）は本発明に係る太陽電池モジュールの断面を示した図である。 （ａ）は従来の太陽電池素子を裏面から見たときの図であり、（ｂ）は従来の太陽電池素子を表面から見たときの図である。

以下、本発明の太陽電池モジュールを添付図面に基づき詳細に説明する。図２（ａ）は
、本発明の太陽電池モジュールにかかる太陽電池素子Ｘの断面の構造を示す図である。また、図１は、電極形状の一例を示す図であり、（ａ）は受光面側（表面）、（ｂ）は非受光面側（裏面）である。

図２（ａ）において、１は半導体基板であるｐ型のシリコン基板、１ａはｎ型拡散層、２は反射防止膜、３は半導体接合部、４ａは裏面バスバー電極、４ｂは裏面集電用電極、５ａは表面バスバー電極を示す。

ここで、太陽電池素子Ｘの製造工程を説明する。まず、単結晶シリコンや多結晶シリコンなどからなるｐ型半導体のシリコン基板１を準備する。このシリコン基板１は、ボロン（Ｂ）などの一導電型半導体不純物を１×１０^１６〜１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度含有し、比抵抗１．０〜２．０Ω・ｃｍ程度の基板である。単結晶シリコン基板の場合は引き上げ法などによって形成され、多結晶シリコン基板の場合は鋳造法などによって形成される。多結晶シリコン基板は、大量生産が可能であり、製造コスト面で単結晶シリコン基板よりも有利である。引き上げ法や鋳造法によって形成されたインゴットを３００μｍ程度の厚みにスライスして、１５ｃｍ×１５ｃｍ程度の大きさに切断してシリコン基板１とする。

その後、基板の切断面を清浄化するために表面をフッ酸やフッ硝酸などでごく微量エッチングする。

また太陽光を有効に素子内に導くため、表面に凹凸を形成する。この凹凸は水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）溶液や、水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液などに浸漬させるウェットエッチング法やダイシング法、また反応性イオンエッチング法などで形成することができる。単結晶シリコン基板を使用した場合には、どの方法によっても均一な凹凸を形成することが可能であるが、多結晶シリコン基板を使用する場合、結晶方位によるエッチング速度の違いを利用して凹凸を形成するウェットエッチング法では、ある程度の反射率の低減を図ることができるものの、均一な凹凸を形成することができないため、充分な反射率低減を図ることはできない。この反射率低減は太陽電池素子の短絡電流向上に大変有効な手段である。このとき幅と高さがそれぞれ２μｍ以下で、アスペクト比が０．１〜２の微細な凹凸が多数形成されていれば、特に有効に反射率を低減させ、太陽電池素子の変換効率を向上させることができる。

次に、シリコン基板１を拡散炉中に配置して、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ_３）などの不純物元素を含むガス中で熱処理することによって、シリコン基板１の表面部分にリン原子を拡散させてシート抵抗が６０〜３００Ω／□程度のｎ型拡散層１ａを形成し、半導体接合部３を形成する。シート抵抗が６０Ω／□以下の場合、拡散層が深くなりすぎることによって、短絡電流を充分向上させることができない。また、３００Ω／□以上の場合、拡散層が浅くなりすぎるため、後工程で電極を形成したときにｐｎ接合が破壊されたり、逆に基板と電極の十分な密着強度が得られないなどの問題が発生するため不適である。

そして、シリコン基板１の表面側のみにｎ型拡散層１ａを残して他の部分を除去した後、純水で洗浄する。このシリコン基板１の表面側以外のｎ型拡散層１ａの除去は、シリコン基板１の表面側にレジスト膜を塗布し、フッ酸と硝酸の混合液を用いてエッチング除去した後、レジスト膜を除去することにより行う。

さらに、シリコン基板１の表面側に反射防止膜２を形成する。この反射防止膜２は例えば窒化シリコン膜などから成り、例えばシラン（ＳｉＨ_４）とアンモニア（ＮＨ_３）との混合ガスをグロー放電分解でプラズマ化させて堆積させるプラズマＣＶＤ法などで形成される。この反射防止膜２は、シリコン基板１との屈折率差などを考慮して、屈折率が１．
８〜２．３程度になるように形成され、厚み５００〜１０００Å程度の厚みに形成される。この窒化シリコン膜は、形成の際に、パッシベーション効果があり、反射防止の機能と併せて、太陽電池の電気特性を向上させる効果がある。

そして、シリコン基板１の表面に銀ペーストを、裏面にはアルミニウムペーストおよび銀ペーストを塗布して焼成することにより、表面電極５および裏面電極４を形成する。

図１（ａ）に示されるように裏面電極４は裏面から出力を取り出すための裏面バスバー電極４ａと裏面集電用電極４ｂからなる。また、図１（ｂ）に示されるように表面電極５は表面から出力を取り出すための表面バスバー電極５ａと、これに直交するように設けられた集電用の表面フィンガー電極５ｂとから構成される。

裏面集電用電極４ｂはアルミニウム粉末と有機ビヒクルとガラスフリットをアルミニウム１００重量部に対してそれぞれ１０〜３０重量部、０．１〜５重量部を添加してペースト状にしたアルミニウムペーストを、例えばスクリーン印刷法で印刷し、乾燥後に同時に６００〜８００℃で１〜３０分程度焼成することにより焼き付けられる。このときにシリコン基板１中にアルミニウムが拡散して、裏面で発生したキャリアが再結合することを防ぐ裏面電界層が形成される。

また、裏面バスバー電極４ａ、表面バスバー電極５ａ、表面フィンガー電極５ｂ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１０〜３０重量部、０．１〜５重量部を添加してペースト状にした銀ペーストを、例えばスクリーン印刷法で印刷、乾燥後に同時に６００〜８００℃で１〜３０分程度焼成することにより焼き付けられる。なお、表面電極５は、反射防止膜２の電極に相当する部分をエッチング除去して形成してもよいし、もしくは反射防止膜２の上から、ファイアースルーという手法によって直接形成してもよい。

ここで本発明に係る太陽電池素子では、３本のバスバー電極の幅が０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下であり、フィンガー電極はその幅が０．０５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下である。

バスバー電極の幅が０．５ｍｍに満たない場合、バスバー電極内の抵抗が高くなるとともに、後工程でバスバー電極上に接続されるインナーリードの抵抗が高くなってしまうため不適である。逆に２ｍｍを越える場合、バスバー電極内の抵抗を充分に低下させることは可能であるが、過剰な太さとなり表面電極の電極面積の増加による、受光面面積の減少によって、太陽電池素子の変換効率の低下を招くため不適である。

フィンガー電極の幅が０．０５ｍｍに満たない場合、フィンガー電極内の抵抗が高くなるため不適である。逆に０．１ｍｍを越える場合、バスバー電極内の抵抗を充分に低下させることは可能であるが、過剰な太さとなり表面電極の電極面積の増加による、受光面面積の減少によって、太陽電池素子の変換効率の低下を招くため不適である。

また本発明に係る太陽電池モジュールでは太陽電池素子の電極表面をはんだで覆うことはない。このようにすることによって、さらに高特性の太陽電池モジュールを得ることができる。

太陽電池素子一枚では発生する電気出力が小さいため、複数の太陽電池素子を直並列に接続して、実用的な電気出力が取り出せるようにする必要がある。太陽電池モジュールの一例として、図２（ｂ）に、図２（ａ）の太陽電池素子Ｘを組み合わせて構成した太陽電池モジュールＹを示す。

図２（ｂ）に示すように、複数の太陽電池素子Ｘは、インナーリード８によって電気的に接続され、透光性パネル９と裏面保護材１１の間にエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）などを主成分とする充填材１０で気密に封入されて、太陽電池モジュールＹを構成している。太陽電池モジュールＹの出力は、出力配線１２を経て端子ボックス１３に接続されている。これにより本発明に係る太陽電池モジュールが完成する。

図２（ｃ）に、図２（ｂ）の太陽電池モジュールＹの内部構造の部分拡大図を示す。

図２（ｃ）に示すように、太陽電池素子Ｘ１の表面バスバー電極５ａと、隣接する太陽電池素子Ｘ２の裏面バスバー電極４ａとをインナーリード８によって接続して、複数の太陽電池素子Ｘ同士が電気的に接続されている。インナーリード８を裏面バスバー電極４ａと表面バスバー電極５ａの全長もしくは複数箇所をホットエアーなどの熱溶着により接続して、太陽電池素子Ｘ同士を接続配線されている。インナーリード８としては、例えば、その表面全体に２０〜７０μｍ程度の半田を被覆した厚さ１００〜３００μｍ程度の銅箔を所定の長さに切断したものを用いる。

本発明においては、あらかじめ太陽電池素子Ｘのバスバー電極（４ａ、５ａ）の表面には半田を被覆しておかず、インナーリード８に被覆されている半田を溶融させることにより、太陽電池素子Ｘとインナーリード８を接続する。

なお、本発明の実施形態は上述の例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得る。

また上述の説明では、ｐ型シリコン基板を用いた太陽電池について説明したが、ｎ型シリコン基板を用いた場合にも、説明中の極性を逆にすれば同様のプロセスによって本発明の効果を得ることができる。さらに上述の説明では、シングル接合の場合について説明したが、半導体多層膜からなる薄膜接合層をバルク基板使用接合素子に積層して形成した多接合型であっても、本発明を適用することができる。

そして上述の説明では、キャスティング法を用いた多結晶シリコン基板を例にとったが、基板はキャスティング法によるものに限る必要はない。

以下、上述の実施形態に沿って作製した太陽電池素子の実験結果について説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

基板としては、キャスト法で製造された１５０ｍｍ×１５０ｍｍサイズの比抵抗２Ω・ｃｍの平板状のｐ型多結晶シリコン基板を用いた。

本発明の太陽電池素子に係る表面電極は、銀を主成分としたペーストを用いて印刷焼成した。表面電極の全体パターンは、基板縦中心線に１本これに対して線対称に２本の計３本配置されたバスバー電極１の長さを１４８．８ｍｍ、バスバー電極１の幅を０．６、０．８、１．０、１．２、１．４、１．６、１．８、２．０ｍｍ、バスバー電極の中心線間距離を４９．３ｍｍ、バスバー電極に対して垂直（基板横方向）に配置され基板縦中心線に対して線対称に配置されたフィンガー電極の基板一端から他端までの長さ（途中で横切るバスバー電極１の幅を含むとしたとき）を１４９ｍｍ、フィンガー電極の中心線間の平均距離を２．４ｍｍとした。フィンガー電極２の幅を１０〜２００μｍまで変化させた太陽電池素子を作成した。その後この太陽電池素子をバスバー電極幅と同じ幅のインナーリードで４８枚接続し、太陽電池モジュールを作成し、出力特性を測定した。

表１、表２、表３に太陽電池モジュールの出力特性から換算した太陽電池素子１枚あたりの短絡電流（Ｉｓｃ）、曲線因子（ＦＦ）、変換効率（Ｅｆｆｉ．）を示す。

これらの表からわかるように、バスバー電極の幅が１．４〜２ｍｍの条件ではフィンガー電極の幅が細くなるにつれ短絡電流値が向上し、ＦＦ値が減少する。バスバー電極の幅が０．６〜１．２ｍｍの条件では、フィンガー電極の幅が太くなるにつれＦＦ値は向上するものの、短絡電流値はフィンガー幅０．０２〜０．０６ｍｍの間にピークを持つ。

しかし、どのバスバー幅の条件においても短絡電流とＦＦの相殺により、変換効率ではフィンガー幅が０．０６〜０．０９ｍｍの間にピークをもち、フィンガー幅０．０４〜０．１１ｍｍの間では、バスバー電極の幅によらず、１６％を越える高い変換効率を得ることができた。

１：シリコン基板（半導体基板）
１ａ：ｎ型拡散層
２：反射防止膜
３：半導体接合部
４：裏面電極
４ａ：裏面バスバー電極
４ｂ：裏面集電用電極
５：表面電極
５ａ：表面バスバー電極
５ｂ：表面フィンガー電極
６：半田
７：半田レジスト
８：インナーリード
９：透光性パネル
１０：充填材
１１：裏面保護材
１２：出力配線
１３：端子ボックス
Ｘ、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３：太陽電池素子
Ｙ：太陽電池モジュール

Claims (8)

1. 受光面を有する半導体基板と、
   前記受光面上に設けられた表面電極とを備えた太陽電池素子であって、
   前記表面電極は、３本の表面バスバー電極と、隣り合う前記表面バスバー電極を互いに電気的に接続する複数の表面フィンガー電極とを有することを特徴とする太陽電池素子。
2. 前記フィンガー電極は、前記表面バスバー電極と直交するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池素子。
3. 前記表面バスバー電極は、その幅が０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下であり、前記表面フィンガー電極は、その幅が０．０５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の太陽電池素子。
4. 前記受光面の裏面に位置する非受光面上に３本の裏面バスバー電極をさらに有し、
   各々の前記裏面バスバー電極は、前記半導体基板を挟んで、各々の前記表面バスバー電極の直下に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の太陽電池素子。
5. 前記表面フィンガー電極の長手方向における長さは、前記バスバー電極の長手方向における長さよりも長いことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の太陽電池素子。
6. ３本の前記表面バスバー電極は、前記半導体基板の基板中心線上に位置する中心バスバー電極と、該中心バスバー電極の両側にそれぞれ位置する２本の外側バスバー電極とからなり、
   前記基板中心線に平行な複数の仮想線で前記半導体基板の一辺を６等分に分割した場合、２本の前記外側バスバー電極の中心線は、前記半導体基板の最外部にそれぞれ位置する前記仮想線よりも、前記中心バスバー電極側にそれぞれ位置していることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の太陽電池素子。
7. 前記表面電極は、はんだで覆われていないことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の太陽電池素子。
8. 互いに電気的に接続された請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の複数の太陽電池素子と、
   前記半導体基板の受光面側に配置された透光性パネルと、
   前記半導体基板の非受光面側に配置された裏面保護材とを備えた太陽電池モジュール。

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