JP2012129407A - Method for manufacturing solar cell element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽電池素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a solar cell element.
シリコン基板を備えた太陽電池素子の電極の形成方法として、導電性ペーストを塗布し、焼成する方法がある。導電性ペーストは、例えば、銀を主成分とする金属粉末と、ガラスフリットと、有機ビヒクルとを有する。ガラスフリットはシリコン基板と電極との接着強度を向上させるために含有される。また、窒化シリコン膜等の反射防止層の上に導電性ペーストを塗布し、焼成することによって、反射防止層を貫通し、導電性ペーストより形成された電極がシリコン基板と導通する、いわゆる「ファイヤースルー」を行う際にもガラスフリットは含有される。 As a method for forming an electrode of a solar cell element provided with a silicon substrate, there is a method of applying and baking a conductive paste. The conductive paste includes, for example, a metal powder containing silver as a main component, glass frit, and an organic vehicle. Glass frit is contained in order to improve the adhesive strength between the silicon substrate and the electrode. In addition, a conductive paste is applied on an antireflection layer such as a silicon nitride film and baked so that an electrode formed of the conductive paste penetrates the antireflection layer and is electrically connected to the silicon substrate. Glass frit is also contained when performing “through”.
従来、ガラスフリットの主成分としては酸化鉛(PbO)を含有するものが多く用いられているが、環境問題への懸念から、鉛フリーのガラスフリットが検討されている。鉛フリーのガラスフリットとしては、例えば、酸化ビスマス(Bi2O3)を主成分とするものが検討されている。(例えば、特許文献1〜4参照)
Conventionally, many glass frit containing lead oxide (PbO) has been used as a main component. However, lead-free glass frit has been studied in view of environmental concerns. As a lead-free glass frit, for example, one containing bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) as a main component has been studied. (For example, see
しかし、上記文献における主成分が酸化ビスマスであるガラスフリットを用いた太陽電池素子は、主成分が酸化鉛であるガラスフリットを用いた太陽電池素子と比較して、低い変換効率しか得ることができなかった。 However, the solar cell element using the glass frit whose main component is bismuth oxide in the above-mentioned document can obtain only a low conversion efficiency compared with the solar cell element using the glass frit whose main component is lead oxide. There wasn't.
本発明は、鉛フリーのガラスフリットを有する導電性ペーストを用いて作製した高い変換効率を有する太陽電池素子の製造方法を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the manufacturing method of the solar cell element which has the high conversion efficiency produced using the electrically conductive paste which has a lead-free glass frit.
上記課題を解決するため、本発明の一形態に係る太陽電池素子の製造方法は、酸化ビスマスを主成分とするガラスフリットを含有する導電性ペーストを半導体基板の一主面に塗布する塗布工程と、前記導電性ペーストが塗布された前記半導体基板を焼成する焼成工程と、を有する。そして、前記焼成工程において、加熱の最高温度を700℃以上とするとともに、500℃以上の温度域における加熱時間を10秒以下とする。 In order to solve the above-described problem, a method for manufacturing a solar cell element according to one embodiment of the present invention includes a coating step of applying a conductive paste containing glass frit mainly composed of bismuth oxide to one main surface of a semiconductor substrate. And a baking step of baking the semiconductor substrate on which the conductive paste is applied. And in the said baking process, while making the highest temperature of heating into 700 degreeC or more, the heating time in the temperature range of 500 degreeC or more shall be 10 seconds or less.
上記の太陽電池素子の製造方法によれば、高い変換効率を有した太陽電池素子を提供することができる。 According to the method for manufacturing a solar cell element, a solar cell element having high conversion efficiency can be provided.
以下、本発明の一形態に係る太陽電池素子の製造方法について、図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing a solar cell element according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<太陽電池素子の基本構成>
図1乃至図3に示すように、太陽電池素子10は、光が入射する受光面(図3における上面であり、以下では第1面という)10aとこの第1面10aの裏面に相当する非受光面(図3における下面であり、以下では第2面という)10bを有する。また、太陽電池素子10は、板状の半導体基板1を備える。該半導体基板1は、図3に示すように、例えば、一導電型の半導体層である第1半導体層2と、この第1半導体層2における第1面10a側に設けられた逆導電型の半導体層である第2半導体層3と、から構成される。そして、太陽電池素子10は、さらに、第1面10a側に設けられ第2半導体層3と導通する第1電極6を備えている。
<Basic configuration of solar cell element>
As shown in FIGS. 1 to 3, the
<太陽電池素子の具体例>
図1乃至図3は、本発明の一実施形態に係る太陽電池素子の製造方法を用いて製造された太陽電池素子10を示す図である。図3に示すように、本実施形態において、太陽電池素子10は、半導体基板1(第1半導体層2および第2半導体層3)、第3半導体層4、反射防止層5、第1電極6及び第2電極7を備える。
<Specific examples of solar cell elements>
FIGS. 1 to 3 are views showing a
上述したように、半導体基板1は、第1半導体層2と、該第1半導体層2の第1面側に設けられた第2半導体層3と、を備える。
As described above, the
第1半導体層2としては、一導電型(例えば、p型)を有する板状の半導体を用いることができる。第1半導体層2を構成する半導体としては、単結晶シリコンまたは多結晶シリコン等の結晶シリコンが用いられる。第1半導体層2の厚みは、例えば、250μm以下、さらには150μm以下とすることができる。第1半導体層2の形状は、特に限定されるものではないが、製法上の観点から平面視で四角形状としてもよい。
As the
第1半導体層2(板状の半導体)としてp型の導電型を呈する結晶シリコン基板を用いた例を説明する。結晶シリコン基板からなる第1半導体層2がp型を呈するようにする場合、ドーパント元素としては、例えば、ボロンあるいはガリウムを用いることができる。
An example in which a crystalline silicon substrate exhibiting p-type conductivity is used as the first semiconductor layer 2 (plate-like semiconductor) will be described. When the
第1半導体層2とpn接合を形成する第2半導体層3は、第1半導体層2と逆の導電型を呈する層であり、第1半導体層2における第1面10a側に設けられている。第1半導体層2がp型の導電型を呈する場合であれば、第2半導体層3はn型の導電型を呈するように形成される。一方、第1半導体層2がn型の導電型を呈する場合であれば、第2半導体層3はp型の導電型を呈するように形成される。第1半導体層2がp型の導電型を呈するシリコン基板において、第2半導体層3がシリコン基板の表層内に形成される場合には、例えば、第2半導体層3はシリコン基板における第1面10a側にリン等の不純物を拡散させることによって形成できる。
The
反射防止層5は、半導体基板1の第1面10a側に形成される。反射防止層5は、例えば窒化シリコン膜、酸化チタン膜、酸化シリコン膜、酸化マグネシウム膜、酸化インジウ
ムスズ膜、酸化スズ膜または酸化亜鉛膜などからなる。反射防止層5の厚みは、材料によって適宜選択されて、適当な入射光に対して無反射条件を実現できるようにする。半導体基板1がシリコン基板である場合においては、例えば、反射防止層5の屈折率は1.8〜2.3程度、厚みは500〜1200Å程度とすることができる。また、反射防止層5が窒化シリコン膜からなる場合、パッシベーション効果も有することができる。
The
第3半導体層4は、半導体基板1の第2面10b側に形成され、第1半導体層2と同一の導電型を呈している。そして、第3半導体層4が含有するドーパントの濃度は、第1半導体層2が含有するドーパントの濃度よりも高い濃度を有している。すなわち、第3半導体層4中には、第1半導体層2において一導電型を呈するためにドープされるドーパント元素の濃度よりも高い濃度でドーパント元素が存在する。このような第3半導体層4は、半導体基板1における第2面10bの近傍でキャリアの再結合による変換効率の低下を低減させる役割を有しており、半導体基板1における第2面10b側で内部電界を形成するものである。第3半導体層4は、半導体基板1の第1半導体層2がp型を呈する場合においては、例えば、第2面10b側にボロンまたはアルミニウムなどのドーパント元素を拡散させることによって形成できる。このとき、第3半導体層4が含有するドーパント元素の濃度は1×1018〜5×1021atoms/cm3程度とすることができる。
The
第1電極6は、半導体基板1の第1面10a側に設けられた電極であり、図1(a)に示すように、第1出力取出電極6aと、複数の線状の第1集電電極6bと、を有する。第1出力取出電極6aの少なくとも一部は、第1集電電極6bと交差している。一方、第1集電電極6bは、線状であり、短手方向において、例えば、50〜200μm程度の幅を有している。第1出力取出電極6aは、例えば、短手方向において、1.3〜2.5mm程度の幅を有している。そして、第1集電電極6bの短手方向の幅は、第1出力取出電極6aの短手方向の幅よりも小さい。また、第1集電電極6bは、互いに1.5〜3mm程度の間隔を空けて複数設けられている。このような第1電極6の厚みは、10〜40μm程度である。上述のような第1電極6は、例えば、銀を主成分とする導電性ペーストをスクリーン印刷等により所望の形状に塗布した後、焼成することによって形成することができる。
The
第2電極7は、半導体基板1の第2面10b側に設けられた電極であり、図2に示すように、第2出力取出電極7aと第2集電電極7bとを有する。第2出力取出電極7aの厚みは10〜30μm程度、短手方向の幅は1.3〜7mm程度である。第2出力取出電極7aは、上述の第1電極6と同等の材質および製法で形成することができ、または銀ペーストを所望の形状に塗布した後、焼成することによって形成してもよい。また、第2集電電極7bは、厚みが15〜50μm程度であり、半導体基板の第2面10bのうち第2出力取出電極7aが形成される領域を除いた略全面に形成される。この第2集電電極7bは、例えば、アルミニウムペーストを所望の形状に塗布した後、焼成することによって形成することができる。
The
<太陽電池素子の製造方法>
本実施形態の太陽電池素子10の基本的な製造方法は、少なくとも以下の工程を順次行うものとする。
<Method for producing solar cell element>
The basic manufacturing method of the
まず、p型である第1半導体層2を有する半導体基板1を準備する基板準備工程を行う。次に、銀を主成分とする金属粉末と、有機ビヒクルと、酸化ビスマス(Bi2O3)を主成分とするガラスフリットと、を有する導電性ペーストを半導体基板1に塗布する塗布工程を行う。そして、導電性ペーストが塗布された半導体基板1を焼成することにより第1電極6を形成する焼成工程を行う。そして、この焼成工程において、加熱の最高温度を700℃以上とするとともに、500℃以上の温度域における加熱時間を10秒以下とす
る。
First, a substrate preparation step for preparing a
次に、太陽電池素子10の製造方法の具体例について説明する。
Next, a specific example of a method for manufacturing the
まず、第1半導体層2を構成する半導体基板1の基板準備工程について説明する。半導体基板1が単結晶シリコン基板の場合は、例えば引き上げ法などによって形成され、半導体基板1が多結晶シリコン基板の場合は、例えば鋳造法などによって形成される。なお、以下では、p型の多結晶シリコン基板を用いた例によって説明する。
First, the substrate preparation process of the
最初に、例えば、鋳造法により多結晶シリコンのインゴットを作製する。次いで、そのインゴットを例えば、250μm以下の厚みにスライスする。その後、半導体基板1の切断面の機械的ダメージ層および汚染層を清浄化するために、表面をNaOH、KOH、フッ酸またはフッ硝酸などでごく微量エッチングしてもよい。なお、このエッチング工程後に、ウェットエッチング方法またはドライエッチング方法を用いて、半導体基板1の表面に微小な凹凸構造を形成してもよい。
First, a polycrystalline silicon ingot is produced by, for example, a casting method. Next, the ingot is sliced to a thickness of 250 μm or less, for example. Thereafter, in order to clean the mechanical damage layer and the contamination layer on the cut surface of the
次に、半導体基板における第1面10a側の表層内にn型の第2半導体層3を形成する。このような第2半導体層3は、ペースト状態にしたP2O5を半導体基板の表面に塗布して熱拡散させる塗布熱拡散法、ガス状態にしたPOCl3(オキシ塩化リン)を拡散源とした気相熱拡散法、およびリンイオンを直接拡散させるイオン打ち込み法などによって形成される。この第2半導体層3は0.2〜2μm程度の深さ、40〜200Ω/□程度のシート抵抗を有するように形成される。
Next, the n-type
次に、第2面10b側に第2半導体層3が形成された場合には、第2面10b側のみをエッチングして除去して、第2面10b側にp型の導電型領域を露出させる。例えば、フッ酸溶液に半導体基板における第2面10b側のみを浸して第2半導体層3を除去する。その後に、第2半導体層3を形成する際に半導体基板1の表面に付着した燐ガラスをエッチングして除去する。このように、第1面10a側に燐ガラスを残存させて第2面10b側に形成された第2半導体層3を除去することにより、燐ガラスによって第1面10a側の第2半導体層3が除去されたり、ダメージを受けたりするのを低減することができる。また、予め第2面10b側に拡散マスクを形成しておき、気相熱拡散法等により第2半導体層3を形成し、続いて拡散マスクを除去するプロセスによっても、同様の構造を形成することが可能である。
Next, when the
以上により、p型半導体層を有する第1半導体層2とn型半導体層を有する第2半導体層3とを備えた半導体基板1を準備することができる。
As described above, the
次に、半導体基板1の第1面10a側に、すなわち、第2半導体層3の上に反射防止層5を形成する。反射防止層5は、例えば、PECVD(plasma enhanced chemical vapor
deposition)法、蒸着法、スパッタ法などを用いて形成される。例えば、窒化シリコン膜からなる反射防止層5をPECVD法で形成する場合であれば、反応室内を500℃程度としてシラン(SiH4)とアンモニア(NH3)との混合ガスを窒素(N2)で希釈し、グロー放電分解でプラズマ化させて堆積させることで反射防止層5が形成される。
Next, the
deposition) method, vapor deposition method, sputtering method or the like. For example, when the
次に、半導体基板1の第2面10b側に、一導電型の半導体不純物が高濃度に拡散された第3半導体層4を形成する。製法としては、例えば、次の2つの方法を採用することができる。第1の方法は、BBr3(三臭化ボロン)を拡散源とした熱拡散法を用いて温度800〜1100℃程度で形成する方法である。そして、第2の方法は、アルミニウム粉末及び有機ビヒクル等からなるアルミニウムペーストを印刷法で塗布したのち、温度600〜850℃程度で熱処理(焼成)してアルミニウムを半導体基板1に拡散する方法であ
る。また、この第2の方法を用いれば、印刷面だけに所望の拡散領域を形成することができるだけではなく、第1面10a側に第2半導体層3を形成する工程と同じ工程で第2面10b側に形成されたn型の第2半導体層3を除去する必要もない。そのため、第1面10a側または第2面10b側の周辺部のみレーザー等を用いてpn分離を行えばよく、製造工程の簡略化が図れる。
Next, on the
次に、第1電極6(第1出力取出電極6a、第1集電電極6b)と第2電極7(第2出力取出電極7a、第2集電電極7b)とを以下のようにして形成する。
Next, the first electrode 6 (first
第1電極6は、銀を主成分とする金属粉末と、酸化ビスマス(Bi2O3)を主成分とするガラスフリットと、有機ビヒクルと、を含有する導電性ペーストを用いて作製される。
The
金属粉末は、導電性ペースト全体に対して70〜95質量%程度の割合で含有され、金属粉末の平均粒径は、0.1〜5μm程度とすることができる。ここで、平均粒径とは、マイクロトラック式粒度分布測定法により粒径を測定した場合において、小径側から累積50%の粒径とすることができる。また、金属粉末の粒子形状は、特に限定されないが、例えば、球状、リン片状とすることができる。なお、銀を主成分とする金属粉末とは、金属粉末全体に対して銀が50質量%より多く含有されていることを意味する。金属粉末に含まれる銀以外の金属としては、銅、ニッケルなどがある。 The metal powder is contained at a ratio of about 70 to 95% by mass with respect to the entire conductive paste, and the average particle size of the metal powder can be about 0.1 to 5 μm. Here, the average particle diameter may be a cumulative 50% particle diameter from the small diameter side when the particle diameter is measured by the microtrack particle size distribution measuring method. Moreover, the particle shape of the metal powder is not particularly limited, and may be, for example, spherical or flake shaped. In addition, the metal powder which has silver as a main component means that silver contains more than 50 mass% with respect to the whole metal powder. Examples of metals other than silver contained in the metal powder include copper and nickel.
ガラスフリットは、酸化ビスマスを主成分とする鉛フリー系ガラスフリットが用いられる。ここで、酸化ビスマスを主成分とするとは、酸化ビスマスがガラスフリットの成分全体に対して50質量%より多く含有されていることを意味する。ガラスフリットは、酸化ビスマス以外の成分としては、ガラス化するために酸化ホウ素や酸化ケイ素を含有してもよい。また、ガラスフリットは、必要に応じて酸化亜鉛や酸化アルミニウム、酸化アンチモン、酸化カルシウム、酸化ジルコニウム、酸化セレン、酸化バリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化リチウム及び酸化銅等を適宜含有することができる。ガラスフリットの平均粒径は0.05〜1μm程度であってもよい。ここで、ガラスフリットの平均粒径も、上述した金属粉末の平均粒径と同様の方法で測定することができる。そして、導電性ペーストにおけるガラスフリットの含有量は、例えば、導電性ペースト全体に対して1〜10質量%とすることができる。 As the glass frit, a lead-free glass frit mainly composed of bismuth oxide is used. Here, bismuth oxide as a main component means that bismuth oxide is contained in an amount of more than 50% by mass with respect to the entire components of the glass frit. The glass frit may contain boron oxide or silicon oxide as a component other than bismuth oxide for vitrification. Further, the glass frit can appropriately contain zinc oxide, aluminum oxide, antimony oxide, calcium oxide, zirconium oxide, selenium oxide, barium oxide, magnesium oxide, manganese oxide, lithium oxide, copper oxide and the like as required. . The average particle size of the glass frit may be about 0.05 to 1 μm. Here, the average particle diameter of the glass frit can also be measured by the same method as the average particle diameter of the metal powder described above. And content of the glass frit in an electrically conductive paste can be 1-10 mass% with respect to the whole electrically conductive paste, for example.
有機ビヒクルは、有機バインダを有機溶剤に溶解したものである。有機溶剤としては、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、ブチルセロソルブ、ブチルセロソルブアセテート、ターピネオール、水素添加ターピネオール、水素添加ターピネオールアセテート、メチルエチルケトン、イソボニルアセテート、ノピルアセテートなどが挙げられる。有機バインダとしては、メチルセルロース、エチルセルロース、ニトロセルロースなどのセルロース系樹脂およびメチルメタクレートなどのアクリル樹脂およびブチラール樹脂などが挙げられる。 The organic vehicle is obtained by dissolving an organic binder in an organic solvent. Examples of the organic solvent include butyl carbitol, butyl carbitol acetate, butyl cellosolve, butyl cellosolve acetate, terpineol, hydrogenated terpineol, hydrogenated terpineol acetate, methyl ethyl ketone, isobornyl acetate, and nopylacetate. Examples of the organic binder include cellulose resins such as methyl cellulose, ethyl cellulose, and nitrocellulose, acrylic resins such as methyl methacrylate, and butyral resins.
また、導電性ペーストにアニオン性および非イオン性の分散剤や界面活性剤などの添加剤を添加してもよい。これにより、導電性ペースト中における金属粉末およびガラスフリットの分散性を向上させることができる。 In addition, additives such as anionic and nonionic dispersants and surfactants may be added to the conductive paste. Thereby, the dispersibility of the metal powder and the glass frit in the conductive paste can be improved.
このような組成を有する導電性ペーストを半導体基板1の第1面10aに塗布し、その後、酸素含有雰囲気下で焼成することで第1電極6が形成される。このとき、加熱の最高温度が700℃以上の高温条件で導電性ペーストを焼成する。これにより、ガラスフリットと反射防止層5が反応するファイヤースルーによって反射防止層5の上に塗布された導電性ペーストの成分が反射防止層5を突き破り、半導体基板1と導通する第1電極6が形
成される。ここで、導電性ペーストの塗布法としては、スクリーン印刷法などを用いることができる。塗布後、所定の温度で溶剤を蒸散させて乾燥してもよい。
The
このとき、上記焼成工程において、500℃以上の温度域における加熱時間を10秒以下とすることにより、高い変換効率を有する太陽電池素子を形成することができる。これは、酸化ビスマスを主成分とするガラスフリットの反射防止層5との反応性は、酸化鉛を主成分とするガラスフリットよりも高い。このことから、ガラスの軟化点よりも高い温度における熱負荷時間を上記のように設定することにより、ガラスフリットが第2半導体層3を突き抜けて第2半導体層3を傷つけることを低減できたためと推察される。
At this time, a solar cell element having high conversion efficiency can be formed by setting the heating time in the temperature range of 500 ° C. or higher to 10 seconds or less in the baking step. This is because the reactivity of the glass frit mainly composed of bismuth oxide with the
さらに、焼成工程における加熱の最高温度は700℃以上、好ましくは750℃以上とすることにより、良好なファイヤースルーが行われる。 Furthermore, by setting the maximum heating temperature in the firing step to 700 ° C. or higher, preferably 750 ° C. or higher, good fire-through is performed.
また、第2半導体層3を塗布熱拡散法または気相熱拡散法の熱拡散法によって形成する場合、第2半導体層3を形成する温度(最高温度)に比べて、第1電極6を形成する焼成工程における加熱の最高温度を低くすることができる。これによって、ガラスフリットによる第2半導体層3への突き抜けを低減でき、高い変換効率を有する太陽電池素子を形成することができる。例えば、第2半導体層3を形成する温度(最高温度)は、800℃以上、好ましくは820℃以上とすることができる。例えば、気相熱拡散法では、POCl3等からなる拡散ガスを有する雰囲気中で600℃〜800℃程度の温度において半導体基板を5〜30分程度熱処理して燐ガラスを半導体基板の表面に形成した後、アルゴンや窒素等の不活性ガス雰囲気中で800〜900℃程度の高い温度において半導体基板を10〜40分程度熱処理することにより燐ガラスから半導体基板にリンが拡散して第2半導体層3が形成される。
When the
また、第1電極6を形成する焼成工程は、500℃から最高温度まで加熱する第1工程と、最高温度から500℃まで冷却する第2工程と、を有する。
Moreover, the baking process which forms the
このとき、第1工程においては、一定温度に保持することなく、500℃から最高温度まで連続して温度の上昇を続けてもよい。また、その後の第2工程においても、一定の温度に保持する時間を設けず、最高温度から500℃まで連続して温度の降下を続けてもよい。これにより、第2半導体層3のダメージを低減でき、良好な第1電極6と半導体基板1とのコンタクト性を得ることができる。
At this time, in the first step, the temperature may be continuously increased from 500 ° C. to the maximum temperature without being kept at a constant temperature. Also in the subsequent second step, the temperature may be continuously decreased from the maximum temperature to 500 ° C. without providing a time for keeping the temperature constant. Thereby, the damage of the
また、最高温度から500℃に達するまでの時間は500℃から最高温度に達するまでの時間よりも短くすることができる。すなわち、第2工程における冷却時間T2は、第1工程における加熱時間T1よりも短くすることができる。このように温度が上昇する時間帯を長くすることにより、ガラスフリットと反射防止層5との反応不足を低減でき、温度が下降する時間帯を短くすることにより、熱負荷時間が短縮され第2半導体層3への突き抜けを低減できる。その結果、変換効率の高い太陽電池素子を形成することができる。
Further, the time required to reach 500 ° C. from the maximum temperature can be shorter than the time required to reach the maximum temperature from 500 ° C. That is, the cooling time T2 in the second step can be shorter than the heating time T1 in the first step. By extending the time period during which the temperature rises in this way, the reaction shortage between the glass frit and the
ここで、第1工程における加熱時間とは、500℃から最高温度に達するまでの合計の加熱時間である。すなわち、500℃から最高温度において、昇温せずに一定の温度で保持されている時間も含む。第2工程における冷却時間も、同様に定義できる。 Here, the heating time in the first step is a total heating time from 500 ° C. to the maximum temperature. That is, it includes the time during which the temperature is maintained at a constant temperature from 500 ° C. without increasing the temperature. The cooling time in the second step can be defined similarly.
第1工程における加熱時間T1および第2工程における冷却時間T2は、第2半導体層3の厚み、反射防止層5の厚み等に応じて、適宜選択できる。例えば、第1工程における加熱時間T1は、3.5秒以上且つ7秒以下とでき、第2工程における冷却時間T2は、2.5秒以上且つ5秒以下とすることができる。
The heating time T1 in the first step and the cooling time T2 in the second step can be appropriately selected according to the thickness of the
また、500℃から最高温度まで加熱する第1工程において、後半の温度上昇速度を前半の温度上昇速度よりも小さくすることができる。すなわち、第1工程は、第1の昇温速度Δt1で加熱する前工程と、第1の昇温速度Δt1よりも小さい第2の昇温速度Δt2で加熱する後工程と、を有してもよい。具体的には、例えば、最高温度よりも50℃低い温度における昇温速度を500℃〜600℃付近の昇温速度よりも低くすればよい。 Further, in the first step of heating from 500 ° C. to the maximum temperature, the temperature increase rate in the second half can be made smaller than the temperature increase rate in the first half. In other words, the first step may include a pre-step for heating at the first temperature rise rate Δt1 and a post-step for heating at the second temperature rise rate Δt2 smaller than the first temperature rise rate Δt1. Good. Specifically, for example, the temperature increase rate at a temperature 50 ° C. lower than the maximum temperature may be set lower than the temperature increase rate in the vicinity of 500 ° C. to 600 ° C.
これにより、第1工程における最高温度付近での時間帯を長くすることができ、ガラスフリットと反射防止層5との反応不足を低減できる。その結果、焼成工程における金属粉末の焼結性を向上させて第1電極6の線抵抗を低減することができる。また、第1工程における500℃〜600℃付近の時間帯を短くすることができ、焼成工程における熱負荷時間を短縮することができる。その結果、ガラスフリットの第2半導体層3への突き抜けによる第2半導体層3のダメージを低減して、変換効率の高い太陽電池素子を形成することができる。
Thereby, the time slot | zone near the maximum temperature in a 1st process can be lengthened, and the reaction deficiency with a glass frit and the
各昇温速度については、例えば、前工程における昇温速度Δt1を100℃/秒以上230℃/秒以下とし、後工程における昇温速度Δt2を80℃/秒以上30℃/秒以下とすることができる。また、前工程における昇温速度Δt1と後工程における昇温速度Δt2の差は50℃/秒以上とすることができる。なお、上述したように、第1工程は、前工程および後工程の他に、一定の温度で保持される保持工程を有していてもよい。この保持工程は、前工程よりも前、前工程と後工程との間、および後工程の後のいずれに設けても良い。また、保持工程を設けずに500℃から最高温度まで連続で温度を上昇させることにより、焼成工程における熱負荷時間を短縮することができる。 For each temperature increase rate, for example, the temperature increase rate Δt1 in the previous process is set to 100 ° C./second or more and 230 ° C./second or less, and the temperature increase rate Δt2 in the subsequent process is set to 80 ° C./second or more and 30 ° C./second or less Can do. Further, the difference between the temperature increase rate Δt1 in the previous step and the temperature increase rate Δt2 in the subsequent step can be set to 50 ° C./second or more. As described above, the first step may include a holding step that is held at a constant temperature in addition to the pre-step and the post-step. This holding process may be provided before the previous process, between the previous process and the subsequent process, and after the subsequent process. Moreover, the heat load time in a baking process can be shortened by raising temperature continuously from 500 degreeC to the maximum temperature, without providing a holding process.
また、室温から500℃まで加熱する時間は特に限定されないが、導電性ペースト中の溶剤を十分に蒸散させるために、例えば、300℃以上500℃未満の温度域における加熱時間を15秒以上60秒以下としてもよい。 In addition, the time for heating from room temperature to 500 ° C. is not particularly limited, but in order to sufficiently evaporate the solvent in the conductive paste, for example, the heating time in the temperature range of 300 ° C. or higher and lower than 500 ° C. is 15 seconds or longer and 60 seconds. It is good also as follows.
次に、第2電極7について説明する。上述したように、第2電極7は、第2出力取出電極7aと第2集電電極7bとを有する。
Next, the
まず、第2集電電極7bは、例えば、アルミニウム粉末と有機ビヒクルとを含有するアルミニウムペーストを用いて作製される。このアルミニウムペーストを、第2出力取出電極7aを形成する部位の一部を除いて、第2面10bのほぼ全面に塗布する。塗布法としては、スクリーン印刷法などを用いることができる。このようにアルミニウムペーストを塗布した後、所定の温度で溶剤を蒸散させて乾燥させてもよい。この場合、以降の作業時にアルミニウムペーストがその他の部分に付着しにくいため、作業性が高まる。
First, the 2nd
次に、第2出力取出電極7aは、例えば、銀粉末などからなる金属粉末と有機ビヒクルとガラスフリットとを含有する銀ペーストを用いて作製される。この銀ペーストを、第2面10bに予め決められた形状に塗布する。なお、このとき、銀ペーストは、アルミニウムペーストの一部と接する位置に塗布されることで、第2出力取出電極7aと第2集電電極7bとの一部が重なるように形成される。塗布法としては、スクリーン印刷法などを用いることができる。この塗布後、好ましくは所定の温度で溶剤を蒸散させて乾燥させてもよい。
Next, the 2nd
そして、このようにアルミニウムペーストおよび銀ペーストが塗布された半導体基板1を焼成炉内にて最高温度が600〜850℃の条件で数十秒〜数十分間程度焼成することにより、第2電極7が半導体基板1の第2面10b側に形成される。
Then, the
なお、本実施形態においては、第2電極7の形成方法として、印刷・焼成法による電極
形成を用いたが、蒸着もしくはスパッタ等の薄膜形成、またはめっき法を用いることも可能である。
In the present embodiment, electrode formation by printing / firing is used as a method for forming the
以上のようにして、出力特性の優れた太陽電池素子10を少ない工程数で迅速にかつ容易に作製することができる。
As described above, the
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、以下のように、本発明の範囲内で多くの修正および変更を加えることができる。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, Many corrections and changes can be added within the scope of the present invention as follows.
例えば、第1面10aに塗布した前記導電性ペーストと第2面10bに塗布したアルミニウムペーストおよび銀ペーストを同時に焼成しても構わない。
For example, the conductive paste applied to the
また、半導体基板1の第2面10b側にパッシベーション膜を設けてもよい。このパッシベーション膜は、半導体基板1の裏面である第2面10bにおいて、キャリアの再結合を低減する役割を有するものである。パッシベーション膜としては、窒化シリコン(Si3N4)膜、アモルファスSi窒化(a−SiNx)膜などのSi系窒化膜、酸化シリコン(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)または酸化チタン(TiO2)などの膜が使用できる。なお、このパッシベーション膜は、厚みを、100〜2000Å程度とでき、PECVD法、蒸着法またはスパッタ法などを用いて形成すればよい。そのため、半導体基板1の第2面10b側の構造は、PERC(Passivated Emitter and Rear Cell)構造またはPERL(Passivated Emitter Rear Locally-diffused)構造に用いられる第2面10b側の構造を用いることができる。
Further, a passivation film may be provided on the
また、第1電極6は、第1集電電極6bの両端部に第1集電電極6bの長手方向に対して交差する線状の補助電極6cを更に有してもよい。この場合、第1集電電極6bの一部が線切れを生じても、補助電極6cにより他の第1集電電極6bを通って第1出力取出電極6aまでキャリアを移動することができる。
Moreover, the
また、第1集電電極6bと第1出力取出電極6a、または、第1集電電極6bと補助電極6cとの交点において、第1集電電極6bの幅が、第1出力取出電極6aまたは補助電極6cに向かって広くなっていてもよい。上述したように第1集電電極6bの幅は非常に狭いため、第1集電電極6bの長手方向に対して垂直に延びる第1出力取出電極6aまたは補助電極6cとの交点において線切れを生じる可能性があるが、交点部分における第1集電電極6bの幅を広くすることにより、線切れの発生を低減することができる。
In addition, at the intersection of the
第1電極6の形成位置において、第2半導体層3と同じ導電型であり、第2半導体層3よりも厚みが厚い第4半導体層を形成してもよい。すなわち、第1面10aにおける第1電極6が形成される位置に、第2半導体層3ではなく、第4半導体層が形成されてもよい。このとき第4半導体層は第2半導体層3よりもシート抵抗が低くなるよう形成される。第1電極6の下に位置する第4半導体層の厚みを厚く形成することにより、第1電極6の形成におけるpn接合領域へのダメージを低減することができる。第4半導体層の厚みを厚くする方法の一例としては、例えば、塗布熱拡散法または気相熱拡散法により第2半導体層3を形成した後、燐ガラスが残存する状態で第1電極6の電極形状に合わせて半導体基板1にレーザーを照射する方法がある。これによって、燐ガラスから第2半導体層3へリンが再拡散し、第1電極6の形成位置に厚みの厚い第4半導体層が形成される。
A fourth semiconductor layer that has the same conductivity type as the
また、第1電極6の形成に用いられる導電性ペースト中に酸化アルミニウムの粒子を添加しても構わない。酸化アルミニウムはガラス成分との濡れ性が銀よりも大きく、焼成の際にガラスと吸着しやすい。そのため、導電性ペーストに酸化アルミニウムを添加することにより、焼成中に溶融したガラス成分の一部が電極内に留まって、半導体基板1の界面
に存在するガラス成分と結合することにより、形成される第1電極6の密着強度の改善に寄与する。さらに、半導体基板1の界面に達するガラスフリット量が低減されるため、ガラスフリットの第2半導体層3への突き抜けによる第2半導体層3のダメージを低減して、変換効率の高い太陽電池素子を形成することができる。なお、酸化アルミニウムは、金属粉末およびガラスフリットの合計含有質量に対して0.5%以上5%以下の含有質量(=銀粉末およびガラスフリットの合計含有質量100に対して1以上5以下)で、導電性ペーストに含有されてもよい。また、酸化アルミニウムの平均粒径は、0.1μm以上5μm以下とすることができ、上述した金属粉末の平均粒径と同様の方法で測定することができる。
Further, aluminum oxide particles may be added to the conductive paste used to form the
<<太陽電池モジュール>>
本実施形態の太陽電池素子10を1つ以上備えている太陽電池モジュールについて説明する。以下、上記太陽電池素子10の複数が電気的に接続してなる太陽電池モジュールを例にとり説明する。
<< Solar cell module >>
A solar cell module including one or more
単独の太陽電池素子10の電気出力が小さい場合など、複数の太陽電池素子10を直列および並列に接続することで太陽電池モジュールが構成される。この太陽電池モジュールを複数個組み合わせることによって、実用的な電気出力の取り出しが可能となる。
A solar cell module is configured by connecting a plurality of
図4(a)に示すように、太陽電池モジュール20は、例えば、ガラスなどの透明部材22と、透明のEVAなどからなる表側充填材24と、複数の太陽電池素子20と、該複数の太陽電池素子10を接続する配線部材21と、EVAなどからなる裏側充填材25と、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリフッ化ビニル樹脂(PVF)等の材料からなり、単層または積層構造の裏面保護材23と、を主として備える。
As shown in FIG. 4A, the
隣接する太陽電池素子10同士は、一方の太陽電池素子10の第1電極6と他方の太陽電池素子10の第2電極7とが配線部材21によって接続されることで、互いに電気的に直列に接続されている。配線部材21としては、例えば、厚さ0.1〜0.2mm程度、幅2mm程度の銅箔の全面を半田材料によって被覆された部材が用いられる。
Adjacent
また、直列接続された複数の太陽電池素子10のうち、最初の太陽電池素子10と最後の太陽電池素子10の電極の一端は、各々、出力取出部である端子ボックス27に、出力取出配線26によって接続される。また、図4(a)では図示を省略しているが、図4(b)に示すように、太陽電池モジュール20は、アルミニウムなどからなる枠28を備えていてもよい。
In addition, among the plurality of
本実施形態に係る太陽電池モジュール20は、上述した良好なファイヤースルーによって形成された第1電極6を有する太陽電池素子10を備えるため、高い変換効率を示すことができる。
Since the
以下に、より具体的な実施例について説明する。なお、参照図面は図1〜3である。 Hereinafter, more specific examples will be described. The reference drawings are FIGS.
まず、厚さ220μm、外形156mm×156mm、比抵抗1.5Ω・cmの多結晶シリコン基板(半導体基板)を用意して、シリコン基板の表面のダメージ層をNaOHでエッチングして洗浄した。 First, a polycrystalline silicon substrate (semiconductor substrate) having a thickness of 220 μm, an outer shape of 156 mm × 156 mm, and a specific resistance of 1.5 Ω · cm was prepared, and the damaged layer on the surface of the silicon substrate was etched and washed with NaOH.
次に、ドライエッチング法で半導体基板の第1面10aに凹凸構造1aを形成した。そして、POCl3を拡散源とした気相熱拡散法で半導体基板の第1面10aに第2半導体層3を形成した。このとき、第2半導体層3のシート抵抗は70Ω/□であった。このよ
うにして、第1半導体層2と第2半導体層3とを含む半導体基板1を準備した。
Next, the concavo-convex structure 1a was formed on the
得られた半導体基板1にフッ酸溶液による燐ガラスのエッチング除去を行なった後、第1面10aにPECVD法により反射防止層5となる窒化シリコン膜を形成した。
The obtained
さらに、半導体基板1の第2面10bにアルミニウムペーストを略全面に塗布・焼成して第3半導体層4と第2集電電極7bを形成した。また第1面10aと第2面10bに銀ペーストを塗布・焼成して第1電極6と第2出力取出電極7aとを形成した。
Further, an aluminum paste was applied to almost the entire surface of the
このとき、第1電極6に使用した銀ペーストとして、銀粉末、酸化ビスマス系のガラスフリット、有機ビヒクルを混合したものを用いた。この銀ペーストをスクリーン印刷法で塗布し、表1に示す加熱条件で焼成することで、第1電極6を形成した。なお、この焼成工程における加熱の最高温度は840℃とした。
At this time, the silver paste used for the
また、ガラスフリットの組成は、酸化物換算で酸化ビスマスが78質量%、酸化ホウ素が4%、酸化ケイ素が3%、酸化亜鉛が10%およびその他の成分が3%であった。 The composition of the glass frit was 78% by mass of bismuth oxide, 4% of boron oxide, 3% of silicon oxide, 10% of zinc oxide and 3% of other components in terms of oxide.
また、第1電極6に使用した銀ペースト中の銀粉末の含有質量は、80質量%であり、該銀粉末の含有質量に対してガラスフリットの含有質量は5質量%であった。
Moreover, the content mass of the silver powder in the silver paste used for the
最後に半導体基板1の第2面10b側の周辺部においてレーザーによるpn分離を行い、太陽電池素子を形成した。
Finally, pn separation with a laser was performed in the peripheral portion on the
各条件で作製した太陽電池素子について、太陽電池素子出力特性(短絡電流Isc,開放電圧Voc,曲線因子FF,変換効率)を測定し評価した。なお、これらの特性の測定は、JIS C 8913に基づいて、AM1.5、100mW/cm2の照射の条件下にて測定した。その結果を表1に示す。また、表1中のNo.2の条件における温度プロファイルを表2に示す。 The solar cell element output characteristics (short-circuit current Isc, open-circuit voltage Voc, fill factor FF, conversion efficiency) were measured and evaluated for the solar cell elements fabricated under each condition. In addition, the measurement of these characteristics was measured on the conditions of irradiation of AM1.5 and 100 mW / cm < 2 > based on JISC8913. The results are shown in Table 1. In Table 1, No. Table 2 shows the temperature profile under the condition of 2.
表1の結果から、500℃以上の温度域における加熱時間が12.4秒である条件No.10に比べて10秒以下であるNo.1〜9は、電圧と曲線因子が向上することにより、高い変換効率を有する太陽電池素子であった。 From the results in Table 1, the condition No. 1 in which the heating time in the temperature range of 500 ° C. or higher is 12.4 seconds. No. 10 which is 10 seconds or less compared to No. 10. 1 to 9 were solar cell elements having high conversion efficiency due to the improvement in voltage and fill factor.
これは、第1電極6の形成工程である焼成工程において、第2半導体層3への突き抜けの低減により空乏層領域におけるキャリアの再結合による飽和電流を低減することができたためと考えられる。
This is presumably because the saturation current due to the recombination of carriers in the depletion layer region could be reduced by reducing the penetration to the
また、No.2とNo.3およびNo.4〜8を比較するより、第1工程における加熱
時間T1よりも第2工程における冷却時間T2を短くすることにより、高い変換効率を有する太陽電池素子が得られる。
No. 2 and No. 3 and no. Compared with 4-8, the solar cell element which has high conversion efficiency is obtained by shortening the cooling time T2 in a 2nd process rather than the heating time T1 in a 1st process.
また、No.4とNo.5およびNo.6とNo.7を比較することにより、前工程における第1の昇温速度Δt1よりも後工程における第2の昇温速度Δt2を小さくすることにより、高い変換効率を有する太陽電池素子が得られる。 No. 4 and no. 5 and no. 6 and no. 7 is compared, the solar cell element having high conversion efficiency is obtained by making the second temperature rising rate Δt2 in the subsequent step smaller than the first temperature rising rate Δt1 in the previous step.
さらに、酸化アルミニウム粉末を3質量%添加した銀ペーストを条件No.4で焼成して形成した太陽電池素子は、曲線因子が7.75となり、変換効率が16.3%に向上することが確認できた。 Furthermore, a silver paste to which 3% by mass of aluminum oxide powder was added was prepared under Condition No. It was confirmed that the solar cell element formed by firing at 4 had a fill factor of 7.75 and improved conversion efficiency to 16.3%.
1 :半導体基板
2 :第1半導体層
3 :第2半導体層
4 :第3半導体層
5 :反射防止層
6 :第1電極
6a :第1出力取出電極
6b :第1集電電極
7 :第2電極
7a :第2出力取出電極
7b :第2集電電極
10 :太陽電池素子
10a:第1面
10b:第2面
1: Semiconductor substrate 2: 1st semiconductor layer 3: 2nd semiconductor layer 4: 3rd semiconductor layer 5: Antireflection layer 6:
Claims (6)
前記導電性ペーストが塗布された前記半導体基板を焼成する焼成工程と、を有し、
前記焼成工程において、加熱の最高温度を700℃以上とするとともに、500℃以上の温度域における加熱時間を10秒以下とすることを特徴とする太陽電池素子の製造方法。 An application step of applying a conductive paste containing glass frit mainly composed of bismuth oxide to one main surface of a semiconductor substrate;
Firing step of firing the semiconductor substrate coated with the conductive paste,
In the firing step, the maximum heating temperature is set to 700 ° C. or higher, and the heating time in a temperature range of 500 ° C. or higher is set to 10 seconds or less.
前記第2工程における冷却時間を、前記第1工程における加熱時間よりも短くすることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池素子の製造方法。 The firing step includes a first step of heating from 500 ° C. to the maximum temperature and a second step of cooling from the maximum temperature to 500 ° C.,
The method for manufacturing a solar cell element according to claim 1, wherein the cooling time in the second step is shorter than the heating time in the first step.
該第1工程は、第1の昇温速度で加熱する前工程と、該前工程の後に前記第1の昇温速度よりも小さい第2の昇温速度で加熱する後工程と、を有す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の製造方法。 The firing step includes a first step of heating from 500 ° C. to the maximum temperature,
The first step includes a pre-step of heating at a first temperature rise rate and a post-step of heating at a second temperature rise rate smaller than the first temperature rise rate after the pre-step. The manufacturing method of the solar cell element of Claim 1 or Claim 2 characterized by these.
該拡散工程における加熱温度を前記焼成工程における最高温度よりも高くす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の製造方法。 In addition to using the semiconductor substrate having one conductivity type in the coating step, the method further includes a diffusion step of diffusing reverse conductivity type impurities into the one main surface of the semiconductor substrate by a thermal diffusion method.
The method for manufacturing a solar cell element according to any one of claims 1 to 3, wherein a heating temperature in the diffusion step is higher than a maximum temperature in the firing step.
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