JP2012124328A - 太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】フィンガー電極による集電性を充分に確保しつつ、半導体素子まで達する太陽光を増加させ、高い発電効率を実現した太陽電池を提供する。
【解決手段】フィンガー電極２２は、少なくとも透明導電体で形成された第一領域２２ａと、導電性金属で形成された第二領域２２ｂとの、互いに異なる材料で形成された２つの領域をもつ。第一領域２２ａは、透明導電体、例えばＩＴＯ（酸化インジウム−スズ）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＴＯ（酸化スズ）などから構成されれば良い。この本実施形態では、例えばＩＴＯが用いられる。一方、第二領域２２ｂは、導電性金属、例えば、Ａｇ（銀）、Ａｌ（アルミニウム）Ａｕ（金）Ｃｕ（銅）などから構成されれば良い。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池に関し、詳しくは、太陽光の透過率を向上させて、光電変換効率を高めた太陽電池に関する。

太陽光に含まれる光子というエネルギー粒子がｐｎ接合界面に当たると光起電力効果により、電子と正孔（hole）が発生し、電子はｎ層、正孔はｐ層に向かって移動する。この光起電力効果により発生した電子を上部電極と裏面電極により取り出して、光エネルギーを電気エネルギーに変換する素子が太陽電池である。

こうした太陽電池の一例として、結晶シリコン太陽電池は、ｐｎ接合された半導体素子の裏面側に金属膜などからなる裏面電極を形成すると共に、受光面側には、集電電極として、フィンガー電極、およびバスバー電極が形成される。フィンガー電極は、例えば、半導体基板の受光面側に沿って延びる数百〜数十μｍ幅の細長い電極であり、こうしたフィンガー電極が多数、配列されている。また、バスバー電極は、こうした多数のフィンガー電極と交差するように形成され、フィンガー電極で集められた電子を外部に取り出す電力線に接続される。

従来、こうしたフィンガー電極、およびバスバー電極は、導電性の高い金属材料、例えばＡｇを含むペーストを半導体素子の一面側に所定のパターンで形成して得られる金属膜によって構成されていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−２３７３６３号公報

しかしながら、上述したフィンガー電極は、光を透過させない金属膜で形成されているため、この部分に入射した太陽光（自然光）は半導体素子に達しないため発電に寄与せず、ロスになってしまう。一方でこうしたロスを低減するために、フィンガー電極の幅を細くするなどして開口率を上げようとすると、今度はフィンガー電極の抵抗が増加し、集電性が低下するという課題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、フィンガー電極による集電性を充分に確保しつつ、半導体素子まで達する太陽光を増加させ、高い発電効率を実現した太陽電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のいくつかの態様は次のような太陽電池を提供した。
すなわち、本発明の太陽電池は、少なくともｐ型半導体層、およびｎ型半導体層を備えた半導体素子と、該半導体素子の少なくとも一面側に沿って延びるバスバー電極と、該バスバー電極と交差する複数のフィンガー電極と、を少なくとも備えた太陽電池であって、
前記フィンガー電極の少なくとも一部は、透明導電体で形成されていることを特徴とする。

複数の前記フィンガー電極のうち、少なくとも１つのフィンガー電極が全域にわたって透明導電体で形成されていてもよい。
また、前記フィンガー電極と交差し、前記バスバー電極と略平行に延びる、透明導電体で形成された配線を更に備えていてもよい。

前記配線は、前記フィンガー電極の透明導電体で形成された第一領域と、導電性金属で形成された第二領域との接続部において交差していてもよい。
また、前記配線は、前記フィンガー電極の導電性金属で形成された第二領域において交差していてもよい。

前記バスバー電極は、互いに略平行に延びるように複数形成されており、かつ、前記フィンガー電極の延長方向の少なくとも端部が透明導電体で形成されていればよい。
また、前記フィンガー電極は、隣り合う前記バスバー電極どうしを導通させてもよい。

前記フィンガー電極は、前記第二領域において隣り合う前記バスバー電極どうしを導通させればよい。
また、複数の前記フィンガー電極は、前記第二領域をもつフィンガー電極と、全域にわたって透明導電体で形成されたフィンガー電極とが互いに隣り合うように配列されていればよい。

本発明の太陽電池によれば、太陽光の入射の際に、櫛歯状に配列されたフィンガー電極どうしの間から太陽光が半導体素子に達するが、更に、このフィンガー電極のうち、透明導電材料によって形成された領域に入射した太陽光も、この領域を透過して半導体素子に達することができる。

従来は金属膜などで形成されていたために発電（光電変換）に寄与できなかった集電電極に入射した太陽光のうち、透明導電材料によって形成された領域に入射した太陽光も半導体素子１８に達することができるため、金属材料で形成されたバスバー電極と、少なくとも一部が透明導電材料で形成されたフィンガー電極によって、高い集電能力を保ちつつ、発電効率を向上させた太陽電池を実現することが可能になる。

本発明の太陽電池の一実施形態を示す断面図である。 図１の太陽電池における一面側を示す平面図である。 本発明の太陽電池の一実施形態における作用を示す説明図である。 第二実施形態の太陽電池を示す断面図である。 第三実施形態の太陽電池を示す断面図である。 第四実施形態の太陽電池を示す断面図である。 本発明の太陽電池の製造方法の一例について段階的に示した断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る太陽電池の一実施形態について説明する。なお、本実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（第一実施形態）
図１は、本発明の太陽電池の一実施形態である単結晶シリコン太陽電池の厚み方向に沿った断面図である。
例えば、単結晶シリコン太陽電池（以下、単に太陽電池と称する）１０は、ｎ型半導体層を構成する基板（ｎ型半導体層）１１を備える。この基板（ｎ型半導体層）１１の一面（太陽光の入射面）１１ａ側には、ｐ型半導体層１３、および透明導電膜１４が順に重ねて積層されている。このうち、基板（ｎ型半導体層）１１、およびｐ型半導体層１３で、半導体素子１８が構成される。
一方、基板１１の他面（裏面）１１ｂ側には、金属電極膜（裏面電極）１６が順に重ねて積層されている。

基板（ｎ型半導体層）１１は、例えば、シリコン単結晶ウェーハから構成されればよい。ｐ型半導体層１３は、例えば、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）や、マイクロクリスタルシリコン（μｃ−Ｓｉ）の薄膜から構成されていればよい。また、ｐ型半導体となるようにドープされた層であってもよい。

透明導電膜１４は、光透過性のある導電体薄膜、例えば、ＩＴＯ（酸化インジウム−スズ）膜、ＺｎＯ（酸化亜鉛）膜、ＴＯ（酸化スズ）膜などから構成されれば良い。なお、太陽光の入射面側となる透明導電膜１４には、光エネルギーの変換効率を向上させるために、入射した太陽光の光路を伸ばすプリズム効果と光の閉じ込め効果を目的としたテクスチャを形成するのも好ましい。
金属電極膜１６は、例えば、Ａｇ（銀）膜から構成されればよい。

このように構成した太陽電池１０は、太陽光に含まれる光子というエネルギー粒子が半導体素子１８に入射し、基板（ｎ型半導体層）１１とｐ型半導体層１３とのｐｎ接合界面に達すると、光起電力効果によって電子と正孔（ｈｏｌｅ）が発生し、電子は基板（ｎ型半導体層）１１、正孔はｐ型半導体層１３に向かって移動する。この光起電力効果により発生した電子によって、透明導電膜１４と金属電極膜（裏面電極）１６との間に電位差が生じる。これにより、光エネルギーを電気エネルギーに変換（光電変換）することができる。

透明導電膜１４は、金属膜などと比較すると電気抵抗が大きく、この透明導電膜１４を電力取り出し用の電極として用いるには難がある。このため、透明導電膜１４の一面１４ａ側には、入射面側の電極となる集電電極（上部電極）２１が形成されている。

図２は、図１の太陽電池における一面側（太陽光の入射面側）を示す平面図である。
集電電極（上部電極）２０は、バスバー電極２１と、このバスバー電極２１と交差する複数のフィンガー電極２２とを備えている。
バスバー電極２１は、例えばＡｇなど良導体である金属層からなり、後述するフィンガー電極２２に流れ込んだ電子を集めて外部に出力する。バスバー電極２１は、例えば、幅０．０５〜２ｍｍ、厚み０．５〜４０μｍ程度の細長く形成されたＡｇ膜であればよい。

フィンガー電極２２は、バスバー電極２１と、例えば直角に交差する方向に延びる細長い電極であり、バスバー電極２１の延長方向に沿って両側に複数形成されている。このフィンガー電極２２は、例えば、幅０．０５〜０．１ｍｍ、厚み０．５〜４０μｍ程度に形成されている。

フィンガー電極２２は、少なくとも透明導電体で形成された第一領域２２ａと、導電性金属で形成された第二領域２２ｂとの、互いに異なる材料で形成された２つの領域をもつ。
第一領域２２ａは、透明導電体、例えばＩＴＯ（酸化インジウム−スズ）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＴＯ（酸化スズ）などから構成されれば良い。この本実施形態では、例えばＩＴＯが用いられる。一方、第二領域２２ｂは、導電性金属、例えば、Ａｇ（銀）、Ａｌ（アルミニウム）Ａｕ（金）Ｃｕ（銅）などから構成されれば良い。この本実施形態では、例えばＡｇが用いられる。

フィンガー電極２２は、例えばバスバー電極２１に電気的に接続される部分から所定の長さ、例えば１０〜５０ｍｍの長さでＡｇからなる第二領域２２ｂが形成され、この第二領域２２ｂの端部から更に太陽電池１０の周縁部に向けて、例えば２〜１０ｍｍの長さでＩＴＯからなる第一領域２２ａが延びている。

こうした構成の太陽電池１０の作用を説明する。図１〜３を用いて説明する。
図３は、本発明の一実施形態の太陽電池の作用を説明する説明図である。
太陽電池１０は、入射面側、即ち集電電極（上部電極）２０が形成された側から太陽光（自然光）Ｓを入射させる。そして、透明導電膜１４を経て半導体素子１８に達した太陽光Ｓによって光電変換を行い電力を発生させる。こうした太陽光Ｓの入射の際に、櫛歯状に配列されたフィンガー電極２２どうしの間から太陽光Ｓが半導体素子１８に達するが、更に、このフィンガー電極２２のうち、透明導電材料であるＩＴＯによって形成された第一領域２２ａに入射した太陽光Ｓａも、この第一領域２２ａを透過して半導体素子１８に達することができる。

従来は金属膜などで形成されていたために発電（光電変換）に寄与できなかった集電電極（上部電極）に入射した太陽光Ｓのうち、透明導電材料であるＩＴＯによって形成された第一領域２２ａに入射した太陽光Ｓａは、この第一領域２２を透過して半導体素子１８に達することができる。これによって、金属材料で形成されたバスバー電極２１とフィンガー電極２２の第二領域２２ｂによって高い集電能力を保ちつつ、透明導電材料で形成された第一領域２２ａによって集電電極（上部電極）２０に入射した太陽光Ｓの一部を透過させて発電効率を向上させることを可能とした太陽電池１０を実現できる。

次に、こうした太陽電池の製造方法の一例を説明する。
図７は、本発明の太陽電池の製造方法の一例について、段階的に示した断面図である。
太陽電池１０の製造にあたっては、まず、例えば、テクスチャエッチングにより表面がテクスチャ構造とされた厚み２００μｍ、１２５ｍｍ角程度のｐ型単結晶シリコン基板１０１を用意し（図７（ａ））、このシリコン基板１０１の表面１０１ａに、リン（Ｐ）を含む塗料を塗布する。次いで、このシリコン基板１０１を、例えば、９００℃にて１０分間熱処理を施し、シリコン基板の表面近傍に、厚みが約０．５μｍのｎ型の拡散層１０２を形成する（図７（ｂ））。

次いで、シリコン基板１０１の裏面１０１ｂの裏面電極を形成する領域に、スパッタ法によりアルミニウム層１０４を２μｍ程度の厚みで成膜する。または、シリコン基板１０１の裏面１０１ｂの裏面電極を形成する領域に、スクリーン印刷法によりアルミニウムペーストを４０μｍの厚みで塗布し、その後１５０℃にて１０分間乾燥させればよい。これによって、シリコン基板１０１の裏面１０１ｂに、アルミニウム層１０４が所定のパターンで形成される（図７（ｃ））。

次に、シリコン基板１０１の拡散層１０２の表面に、スパッタ装置を用いて、２００℃程度でＩＴＯを膜厚８００Å程度に成膜し、ＩＴＯ膜１０７を形成する（図７（ｄ））。
その後、表面側のフィンガー電極を形成する領域に、例えば、スクリーン印刷法、インクジェットプリンターによる塗布などによりＩＴＯペーストを塗布し、真空中で２３０℃で３０分、１×１０^−３Ｐａの減圧下で第1の焼成を行う。次いで、大気雰囲気に戻し、空気中で２３０℃で３０分の第２の焼成を行う。次に表面に、グリッド及びフィンガー電極を形成する領域にスクリーン印刷法により、Ａｇのペーストを印刷し、２００℃２０分焼成を行なう。こうした２段階の焼成によって、ＩＴＯからなるフィンガー電極１０８と、Ａｇからなるバスバー電極１０９とを備えた太陽電池１０を形成することができる（図７（ｅ））。

（第二実施形態）
図４は、本発明の第二実施形態の太陽電池における一面側（太陽光の入射面側）を示す平面図である。
この実施形態の太陽電池３０は、半導体素子１８の一面側（太陽光の入射面側）に、集電電極（上部電極）３１が形成されている。この集電電極３１は、バスバー電極３２と、このバスバー電極３２と交差する複数のフィンガー電極３３とを備えている。
バスバー電極３２は、例えばＡｇなど良導体である金属層から形成されている。フィンガー電極３３は、バスバー電極３２と、例えば直角に交差する方向に延びる細長い電極であり、バスバー電極３２の延長方向に沿って両側に複数形成されている。

フィンガー電極３３は、少なくとも透明導電体で形成された第一領域２２ａと、導電性金属で形成された第二領域２２ｂとからなる第一のフィンガー電極３３ａと、全域に渡って透明導電体で形成された第一領域２２ａからなる第二のフィンガー電極３３ｂとからなる。そして、こうした第一のフィンガー電極３３ａと第二のフィンガー電極３３ｂとが、バスバー電極３２の延長方向に沿って交互に形成されている。

こうした第二実施形態の太陽電池３０によれば、全域に渡って透明導電体で形成された第一領域２２ａからなる第二のフィンガー電極３３ｂによって、第一実施形態の太陽電池１０と比べて太陽光の透過可能面積が更に大きくなり、より一層発電効率を高めることが可能になる。

（第三実施形態）
図５は、本発明の第三実施形態の太陽電池における一面側（太陽光の入射面側）を示す平面図である。
この実施形態の太陽電池４０は、半導体素子１８の一面側（太陽光の入射面側）に、集電電極（上部電極）４１が形成されている。この集電電極４１は、バスバー電極４２と、このバスバー電極４２と交差する複数のフィンガー電極４３とを備えている。
バスバー電極４２は、例えばＡｇなど良導体である金属層から形成されている。フィンガー電極４３は、バスバー電極４２と、例えば直角に交差する方向に延びる細長い電極であり、バスバー電極４２の延長方向に沿って両側に複数形成されている。

フィンガー電極４３は、少なくとも透明導電体で形成された第一領域２２ａと、導電性金属で形成された第二領域２２ｂとからなる第一のフィンガー電極４３ａと、全域に渡って透明導電体で形成された第一領域２２ａからなる第二のフィンガー電極４３ｂとからなる。そして、こうした第一のフィンガー電極４３ａと第二のフィンガー電極４３ｂとが、バスバー電極４２の延長方向に沿って交互に形成されている。

更に、集電電極（上部電極）４１を構成する配線（フィンガー電極連結配線）４５が形成されている。この配線（フィンガー電極連結配線）４５は、第一のフィンガー電極４３ａにおける第一領域２２ａと第二領域２２ｂとが接続される部分を結ぶように、バスバー電極４２と略平行に形成されている。配線４５は、全体が透明導電体、例えばＩＴＯから構成されていれば良く、バスバー電極４２を挟んで、例えば２本形成されていればよい。

こうした第三実施形態の太陽電池４０によれば、配線（フィンガー電極連結配線）４５によって、複数のフィンガー電極４３の相互間の導電性を高めるとともに、導電性に優れた金属膜（第二領域２２ｂ）による高い集電性をフィンガー電極４３の先端方向に波及させる効果がある。従って、太陽光の透過可能面積を更に大きくして発電効率を高めるとともに、高い集電性を確保した太陽電池を実現することが可能になる。

なお、第三実施形態における配線（フィンガー電極連結配線）４５は、ＩＴＯなど透明導電膜で形成する以外にも、Ａｇなどの導電性金属によって構成することも好ましい。配線４５を透明導電材料とするかＡｇなどの導電性金属とするかは、導電性（集電性）を一層高めるか、あるいは太陽光の透過性（開口率）を高めるか、目的によって適宜選択されれば良い。

（第四実施形態）
図６は、本発明の第四実施形態の太陽電池における一面側（太陽光の入射面側）を示す平面図である。
この第四実施形態では、大面積の太陽電池５０における集電電極（上部電極）５１の形成例を示す。第四実施形態の太陽電池５０は、半導体素子１８の一面側（太陽光の入射面側）に、集電電極（上部電極）５１が形成されている。この集電電極５１は、複数のバスバー電極５２と、このバスバー電極５２と交差する複数のフィンガー電極５３とを備えている。

複数のバスバー電極５２は、例えば２本のバスバー電極５２が互いに平行に形成されている。このバスバー電極５２は、例えばＡｇなど良導体である金属層から形成され、長さ方向において、それぞれ一方の端部の幅が漸減するように形成されている。

フィンガー電極５３は、２本のバスバー電極５２に対して、それぞれ直角に交差する方向に延びる細長い電極であり、バスバー電極５２の延長方向に沿って両側に複数形成されている。フィンガー電極５３は、少なくとも透明導電体で形成された第一領域２２ａと、導電性金属で形成された第二領域２２ｂとからなる第一のフィンガー電極５３ａと、全域に渡って透明導電体で形成された第一領域２２ａからなる第二のフィンガー電極５３ｂとからなる。そして、こうした第一のフィンガー電極５３ａと第二のフィンガー電極５３ｂとが、例えば第一のフィンガー電極５３ａが１本に対して第二のフィンガー電極５３ｂが３本の割合でバスバー電極５２の延長方向に沿って、形成されている。

こうしたフィンガー電極５３のうち、第一のフィンガー電極５３ａのいくつかは、導電性金属で形成された第二領域２２ｂで、隣り合う２本のバスバー電極５２どうしを相互に接続（導通）させるように形成されている。

更に、集電電極（上部電極）５１を構成する配線（フィンガー電極連結配線）５５が形成されている。この配線（フィンガー電極連結配線）５５は、複数配列されたフィンガー電極５３と交差して、互いにフィンガー電極５３どうしを導通させるように、バスバー電極５２と略平行に形成されている。配線５５は、全体が透明導電体、例えばＩＴＯから構成されていれば良く、複数本、例えば本実施形態では６本形成されていればよい。

こうした第四実施形態の太陽電池５０によれば、太陽電池５０の広い受光面を網羅するように、フィンガー電極５３が配され、少なくとも透明導電体で形成された第一領域２２ａと、導電性金属で形成された第二領域２２ｂとからなる第一のフィンガー電極５３ａによって、集電性を確保しつつ、太陽光の透過面積を増大させ、発電効率に優れた太陽電池を実現できる。

また、配線（フィンガー電極連結配線）５５によって、複数のフィンガー電極５３の相互間の導電性を高めるとともに、導電性に優れた金属膜（第二領域２２ｂ）による高い集電性をフィンガー電極５３の先端方向に波及させる効果がある。従って、太陽光の透過可能面積を更に大きくして発電効率を高めるとともに、高い集電性を確保した太陽電池を実現することが可能になる。

本出願人は、本願発明の一実施形態に係る効果を検証した。
受光面が正方形の太陽電池のセル２種、１２５ｍｍ角、５０ｍｍ角において、それぞれ
・フィンガー電極全体を金属膜で形成したもの（比較例（従来例））
・全てのフィンガー電極の先端領域だけをＩＴＯで形成したもの（実施例１）
・フィンガー電極の先端領域をＩＴＯで形成した第一のフィンガー電極と、フィンガー電極全体をＩＴＯで形成した第二のフィンガー電極とを交互に配置し、更に、これらフィンガー電極と交差するように、ＩＴＯで形成した配線を設けたもの（実施例２）
をそれぞれ形成し、比較例を１００％とした時の実施例１と実施例２における発電効率を求めた。
こうした検証結果を表１に示す。

表１に示す結果によれば、本発明の実施例１と実施例２において、フィンガー電極の一部ないし全部をＩＴＯなど光透過性の導電材料で形成することによって、半導体素子まで到達する太陽光の光量が増加し、発電効率が向上することが確認された。

１０…太陽電池、１１…基板、１３…ｐ型半導体層、２０…集電電極（上部電極）、２１…バスバー電極、２２…フィンガー電極、２２ａ…第一領域、２２ｂ…第一領域。

Claims (9)

1. 少なくともｐ型半導体層、およびｎ型半導体層を備えた半導体素子と、該半導体素子の少なくとも一面側に沿って延びるバスバー電極と、該バスバー電極と交差する複数のフィンガー電極と、を少なくとも備えた太陽電池であって、
   前記フィンガー電極の少なくとも一部は、透明導電体で形成されていることを特徴とする太陽電池。
2. 複数の前記フィンガー電極のうち、少なくとも１つのフィンガー電極が全域にわたって透明導電体で形成されていることを特徴とする請求項１記載の太陽電池。
3. 前記フィンガー電極と交差し、前記バスバー電極と略平行に延びる、透明導電体で形成された配線を更に備えたことを特徴とする請求項１または２記載の太陽電池。
4. 前記配線は、前記フィンガー電極の透明導電体で形成された第一領域と、導電性金属で形成された第二領域との接続部において交差することを特徴とする請求項３記載の太陽電池。
5. 前記配線は、前記フィンガー電極の導電性金属で形成された第二領域において交差することを特徴とする請求項３記載の太陽電池。
6. 前記バスバー電極は、互いに略平行に延びるように複数形成されており、かつ、前記フィンガー電極の延長方向の少なくとも端部が透明導電体で形成されていることを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の太陽電池。
7. 前記フィンガー電極は、隣り合う前記バスバー電極どうしを導通させることを特徴とする請求項６記載の太陽電池。
8. 前記フィンガー電極は、前記第二領域において隣り合う前記バスバー電極どうしを導通させることを特徴とする請求項７記載の太陽電池。
9. 複数の前記フィンガー電極は、前記第二領域をもつフィンガー電極と、全域にわたって透明導電体で形成されたフィンガー電極とが互いに隣り合うように配列されたことを特徴とする請求項７または８記載の太陽電池。

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