JP2011204872A - 太陽電池素子の受光面電極形成用導電性ペースト及び太陽電池素子並びにその太陽電池素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
半導体基板の受光面側に多層構造の受光面電極を形成するために使用される、導電性粒子と、有機バインダと、溶剤と、ガラスフリットとを含有する導電性ペーストである。多層構造の受光面電極の中で半導体基板に直接接合される下部電極層形成用導電性ペースト中の無機成分に対する導電性粒子を除く無機物の割合をX%とし、多層構造の受光面電極の中で上記下部電極層上に配置される上部電極層形成用導電性ペースト中の無機成分に対する導電性粒子を除く無機物の割合をY%とした場合、X>Yである。
【選択図】なし
Description
(1)導電性粒子
導電性粒子としては、銀粉、銅粉、金粉など電気の良導体を用いることができるが、コスト面および大気中での焼成でも酸化しにくいという点を考慮して、銀粉が好ましい。
(2)ガラスフリット
本発明で使用可能なガラスフリットは、導電性ペーストが約750ないし950℃で焼成されたときに、反射防止層を浸食し、適切に半導体基板への接着が行われるように、300ないし550℃の軟化点を有するものが好ましい。軟化点が300℃より低いと、焼成が進んで本発明の効果を十分に得ることができないという不都合がある。一方、軟化点が550℃より高いと、焼成時に十分な溶融流動が起こらないため、十分な接着強度が得られないという不都合がある。例えば、ガラスフリットとしては、Bi系ガラス、Bi2O3−B2O3−ZnO系ガラス、Bi2O3−B2O3系ガラス、Bi2O3−B2O3−SiO2系ガラス、Ba系ガラス、BaO−B2O3−ZnO系ガラスなどを用いることができる。
(3)有機バインダ
有機バインダとしては、限定されるものではないが、メチルセルロース、エチルセルロース等のセルロース誘導体、アクリル樹脂、アルキド樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ロジン系樹脂、テルペン系樹脂、フェノール系樹脂、脂肪族系石油樹脂、アクリル酸エステル系樹脂、キシレン系樹脂、クマロンインデン系樹脂、スチレン系樹脂、ジシクロペンタジエン系樹脂、ポリブテン系樹脂、ポリエーテル系樹脂、ユリア系樹脂、メラミン系樹脂、酢酸ビニル系樹脂、ポリイソブチル系樹脂等を用いることができる。
(4)溶剤
溶剤としては、限定されるものではないが、ヘキサン、トルエン、エチルセロソルブ、シクロヘキサノン、ブチルセロソルブ、ブチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジアセトンアルコール、ターピネオール、メチルエチルケトン、ベンジルアルコール等を挙げることができる。
(5)導電性粒子とガラスフリットとを除く無機物
本発明において、導電性粒子とガラスフリットとを除く無機物は、焼結抑制剤として作用するとともに、ガラスフリットに類似した作用をしてファイヤースルー性を向上させる。そのような作用をする無機物としては、低融点金属および低融点金属系化合物を挙げることができる。低融点金属とは、融点が500℃以下の金属をいい、例えば、亜鉛(融点419.6℃)、鉛(融点327.5℃)、スズ(融点231.97℃)、ビスマス(融点271.3℃)、テルル(融点449.5℃)、セレン(融点217℃)を挙げることができる。この中で比抵抗が0.436Ωcmの半導体であるテルルを好ましく用いることができる。さらに、低融点金属に代えて導電性ペーストの焼成温度以下の融点を有する物質、例えば、二酸化テルル(融点732.6℃)を用いることもできる。要するに、低融点金属に代えて、導電性ペーストの焼成温度以下の融点を有する物質(二酸化テルルのような低融点金属系化合物)を用いることができる。導電性ペーストが低融点金属または低融点金属系化合物を含む場合、その導電性ペーストを大気雰囲気で焼成すると、低融点金属または低融点金属系化合物が酸化されやすくなる。すなわち、導電性ペーストの焼成過程において酸化物被膜が自然と形成されるため、導電性粒子の過剰な焼結が抑制され、半導体基板の主成分である半金属元素Siと大差のない熱収縮挙動を示すことが期待できる。このようにして、半導体基板表面に本発明の導電性ペーストを印刷・乾燥後、焼成時におけるマイクロクラックの発生や接触抵抗の増大を招くことがないのである。さらに、上記したように、低融点金属および低融点金属系化合物はガラスフリットに類似した作用をするので、焼成時にガラスフリットとともに反射防止層を浸食して良好なファイヤースルー性を達成することができる。
(6)分散剤
ステアリン酸、パルミチン酸、ミリスチン酸、オレイン酸、ラウリン酸などの分散剤を導電性ペーストに配合することができる。なお、分散剤は一般的なものであれば、有機酸に限定されるものではない。これら分散剤の配合量は導電性ペースト全体に対して0.05ないし10重量%であるのが好ましい。0.05重量%未満であるとペーストの分散性が悪くなるという不都合があり、10重量%を超えると焼成によって得られる受光面電極の抵抗が上昇するという不都合がある。
(7)その他の添加剤
本発明においては、安定剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、シランカップリング剤、消泡剤、粘度調整剤などの各種添加剤を本発明の効果を妨げない範囲において導電性ペーストに配合することができる。
(8)太陽電池素子の製造方法
太陽電池素子の製造方法について詳しく説明する。
(9)太陽電池モジュールの製造方法
上記のようにして製造した太陽電池素子を用いて太陽電池モジュールを製造する方法の一例について説明する。
(1)半導体ウエハの準備
厚さが200μmで、外形が6インチ×6インチの大きさで、比抵抗が1.5Ωcmの多結晶シリコンのp型シリコン基板の表面にn型拡散層が形成され、さらに、n型拡散層の上にSiNxの反射防止層が形成された半導体ウエハを準備した。
(2)導電性ペーストの調製
a.BSF層と裏面(反受光面)集電電極形成用の導電性ペースト
平均粒径が約3μmのアルミニウム粉末70重量部と、エチルセルロース(有機バインダ)1重量部と、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオール モノイソブチレート(溶剤)28重量部と、軟化点が約405℃のBi2O3−B2O3−ZnO系ガラスフリット1重量部とを3本ロールミルで混合することによりペースト状にして、BSF層と裏面集電電極形成用の導電性ペーストを得た。
b.裏面(反受光面)バスバー電極形成用の導電性ペースト
平均粒径が約1μmの銀粉末80重量部と、平均粒径が約3μmのアルミニウム粉末2.4重量部と、エチルセルロース(有機バインダ)1重量部と、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオール モノイソブチレート(溶剤)15重量部と、軟化点が約405℃のBi2O3−B2O3系ガラスフリット1.5重量部と、ステアリン酸0.1重量部とを3本ロールミルで混合することによりペースト状にして、裏面バスバー電極形成用の導電性ペーストを得た。
c.表面(受光面)バスバー電極と表面(受光面)フィンガー電極形成用の導電性ペースト
平均粒径が約0.5μmの湿式還元法により製造された球状銀粉末86重量部と、エチルセルロース1重量部(有機バインダ)と、ステアリン酸0.5重量部(分散剤)と、ステアリン酸マグネシウム1重量部に対して、以下の表1に示すように、軟化点が約530℃のBa系ガラスフリット(BaOを主成分とし、B2O3とZnOとCaOを含み、鉛を含有しないもの)と、TeO2と、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオール モノイソブチレート(溶剤)とを配合したものを3本ロールミルで混合することによりペースト状にし、さらに、後記するスクリーン印刷時のペーストの粘度が約400Pa・sとなるように、上記有機溶剤を適宜添加して調製した。このようにして、表面バスバー電極と表面フィンガー電極形成用の導電性ペーストA、B、C、D、Eを得た。上記ペーストの粘度は、ブルックフィールド社製のDV−III型粘度計を用い、コーンスピンドルCP−52(角度3.0°、半径1.2cm) により、25℃の循環水で保温したサンプルカップ内に導電性ペーストを保持して、回転数1rpmで測定した粘度(ずり速度2/秒に相当)である。
上記(2)aのように調製した導電性ペーストを、(1)のように準備した半導体ウエハの裏面側の略全面にスクリーン印刷により塗布し、その導電性ペーストの上に、図2(b)の6aに示すような形状となるように(2)bのように調製した導電性ペーストをスクリーン印刷により塗布し、150℃で5分間乾燥を行った後、自然放冷により室温まで冷却した。
(4)焼成
以上のように導電性ペーストを塗布した半導体ウエハを、BTU社製のモデルPV309で4ゾーンの加熱ゾーンがある高速焼成炉に挿入して、Datapaq社の温度ロガーで半導体ウエハ表面の最高温度を確認しながら、その表面最高温度を焼成温度として、820℃の焼成温度で上記高速焼成炉に挿入してから取り出すまでの時間を約1分間として焼成した。この焼成過程において、半導体ウエハの裏面側に塗布したアルミニウムが半導体ウエハ側に拡散することにより、図1の4に示すようなBSF層が形成されるのである。
(5)電気特性の評価
以上のようにして作製した太陽電池素子試験片の変換効率を求めた。具体的には、共進電機株式会社製の商品名「KST−15Ce−1s」のIVトレーサーと、株式会社ワコ
ム電創製の商品名「WXS−156S−10、AM1.5G」のソーラーシミュレーターとを用いて、100mW/cm2相当の入射光に対して得られる変換効率を求めた。以下の表2にその変換効率の数値を示す。
また、以上のようにして作製した太陽電池素子試験片の受光面電極の接着強度を以下に説明するように測定した。図6に示すように、太陽電池素子試験片31の裏面とSUS製の支持基板32とを両面テープ33で貼着した。そして、図6において、太陽電池素子試験片31の1本の表面バスバー電極34にフラックスとしてタムラ化研社製の商品名「XA−100」の物質を綿棒で塗布した後、鉛を含有しない日立電線社製の品番「SSA−TPS」(組成がSn−Ag−Cuで、幅が2mmで、厚みが0.16mm)のタブ35を約350℃に加熱した半田コテにて取り付けた。このようにして接合したタブ35を引張試験機(図示せず)を用いて垂直方向(図6の矢示方向)に15mm/秒の速度で引き上げた場合に、バスバー電極34が太陽電池素子試験片31から剥がれるか又はタブ35がバスバー電極34から剥がれたときの強度を受光面電極の接着強度とした。この接着強度を表2に示す。
(7)考察
表2に示すように、多層構造の受光面電極の中で半導体基板に直接接合される下部電極層形成用導電性ペースト中の無機成分(銀粉とBa系ガラスとTeO2)に対する導電性粒子を除く無機物(Ba系ガラスとTeO2)の割合をX%とし、多層構造の受光面電極の中で上記下部電極層上に配置される上部電極層形成用導電性ペースト中の無機成分(銀粉とBa系ガラスとTeO2)に対する導電性粒子を除く無機物(Ba系ガラスとTeO2)の割合をY%とした場合、X>Yである実施例1ないし4は、参考例および比較例より変換効率と受光面電極の接着強度が高くなることが分かる。中でも、下部電極層形成用導電性ペーストとして導電性ペーストAを使用し、上部電極層形成用導電性ペーストとして導電性ペーストBを使用した実施例1の変換効率と接着強度が最も高い。すなわち、下部電極層形成用導電性ペーストとしては、ファイヤースルー性を確保するとともに接触抵抗の増大を避けるために、導電性粒子としての銀粉に適量のガラスフリットと適量の低融点金属系化合物を含有することが好ましく、上部電極層形成用導電性ペーストとしては、内部抵抗を低減するために、導電性粒子以外の無機物が少ない方が好ましいといえる。
2 n型拡散層
3 反射防止層
4 BSF層
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 裏面電極
6a 裏面バスバー電極
6b 裏面集電電極
7 シリコン基板
8a 下部電極層形成用導電性ペースト
8b 上部電極層形成用導電性ペースト
9a 裏面バスバー電極
9b 裏面集電電極
10a 表面バスバー電極
10b 表面フィンガー電極
11 配線
12 太陽電池素子
13 表側充填材
14 裏側充填材
15 透明部材
16 裏面保護材
17 端子ボックス
18 出力取出配線
21 半導体基板
22 拡散層
23 反射防止層
24 裏面電極
25 表面電極
31 太陽電池素子試験片
32 支持基板
33 両面テープ
34 表面バスバー電極
35 タブ
Claims (3)
- 半導体基板の受光面側に多層構造の受光面電極を形成するために使用される、導電性粒子と、有機バインダと、溶剤と、ガラスフリットとを含有する太陽電池素子の多層構造の受光面電極形成用導電性ペーストにおいて、多層構造の受光面電極の中で半導体基板に直接接合される下部電極層形成用導電性ペースト中の無機成分に対する導電性粒子を除く無機物の割合をX%とし、多層構造の受光面電極の中で上記下部電極層上に配置される上部電極層形成用導電性ペースト中の無機成分に対する導電性粒子を除く無機物の割合をY%とした場合、X>Yであることを特徴とする太陽電池素子の多層構造の受光面電極形成用導電性ペースト。
- 半導体基板の受光面側に拡散層を形成し、この拡散層上に反射防止層と受光面電極を有し、半導体基板の反受光面側に反受光面電極を有する太陽電池素子において、受光面電極は、反射防止層上に請求項1記載の下部電極層形成用導電性ペーストを印刷し、この下部電極層形成用導電性ペースト上に請求項1記載の上部電極層形成用導電性ペーストを印刷して焼成することにより形成され、反受光面電極は、反受光面側に反受光面電極形成用導電性ペーストを印刷して焼成することにより形成されたものであることを特徴とする太陽電池素子。
- 半導体基板の受光面側に拡散層を形成し、この拡散層上に反射防止層を形成し、この反射防止層上に請求項1記載の下部電極層形成用導電性ペーストを印刷し、この下部電極層形成用導電性ペースト上に請求項1記載の上部電極層形成用導電性ペーストを印刷し、半導体基板の反受光面側に反受光面電極用導電性ペーストを印刷し、さらに、反射防止層上に印刷された下部電極層形成用導電性ペーストと上部電極層形成用導電性ペーストを焼成することによって拡散層と導通させて受光面電極を形成し、反受光面電極用導電性ペーストを焼成することによって反受光面電極を形成することを特徴とする太陽電池素子の製造方法。
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