JP2013171903A

JP2013171903A - 太陽電池セル

Info

Publication number: JP2013171903A
Application number: JP2012033780A
Authority: JP
Inventors: Keiji Shimada; 啓二島田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2013-09-02
Anticipated expiration: 2032-02-20
Also published as: JP5866224B2

Abstract

【課題】熱ストレスに起因する接続不良の発生を、簡便な構成で抑制する。
【解決手段】太陽電池セル２００は、表面にインターコネクタ２６が接続される電極２４と、電極２４に接続されたインターコネクタ２６の一部が電極２４に接触しないように電極２４の表面から凹むように設けられた段差部２４Ｔとを備え、インターコネクタ２６が電極２４に接続された状態では、段差部２４Ｔはインターコネクタ２６の上記一部に間隔２４Ｓを空けて対向する。
【選択図】図６

Description

本発明は、太陽電池セルに関し、特に、インターコネクタに接続される太陽電池セルに関する。

太陽電池セルは、人工衛星または宇宙ステーション等に電源（電力生成手段）として搭載される。人工衛星等に搭載される太陽電池セルとしては、シリコン太陽電池セル、または、化合物系太陽電地セルなどが用いられる。複数の太陽電池セルは、インターコネクタにより直列および並列に接続され、太陽電池モジュールを構成する。

太陽電池セル同士の接続に用いられるインターコネクタは、一般的に０．０５ｍｍ程度の厚さを有し、その材料としては銀箔または金箔等が使用される。特開昭６２−０１６５７９号公報（特許文献１）に開示されているように、一般的に、インターコネクタは、パラレルギャップ溶接等により太陽電池セルの電極に接続される。

太陽電池セルがたとえば人工衛星に搭載される場合、その太陽電池セルとしては、宇宙空間における過酷な温度環境下に置かれた場合であっても正常に動作する事が求められる。宇宙空間における温度範囲は、たとえば−１００℃以上＋１００℃以下である。内惑星探査用の人工衛星に太陽電池セルが搭載された場合、その太陽電池セルは、２００℃を超える温度環境にさらされる場合もある。

太陽電池セルがこのように非常に広い温度範囲の中で使用された場合、太陽電池セルとインターコネクタとの間の接続部には、太陽電池セル（太陽電池セルの電極）とインターコネクタとの間の熱膨張係数の差に起因して、非常に大きな熱ストレスがかかる。熱ストレスが繰り返し発生することによって、インターコネクタが太陽電池セルから剥離してしまい、接続不良が発生することがある。

熱ストレスを緩和する手段の一例として、たとえば特開昭６２−０１６５７９号公報（特許文献１）には、インターコネクタの接続部をメッシュ形状に加工することが開示されている。インターコネクタをメッシュ形状に加工することによって、そのインターコネクタは、面方向に伸び縮みすることが可能となる。

インターコネクタを面方向に膨張させたり収縮させたりするような応力が発生したとしても、このインターコネクタは、自身が変形することによってその応力を吸収する。このようなインターコネクタに繰り返し熱ストレスが作用したとしても、接続不良の発生は防止または抑制される。

特開昭６２−０１６５７９号公報

特開昭６２−０１６５７９号公報（特許文献１）に開示されるメッシュ状のインターコネクタは、非常に薄い金属箔をエッチングすることによって作製される。インターコネクタの素材が非常に薄いため、エッチングによる加工制御は困難であり、メッシュ形状の開口部の大きさにバラツキが発生しやすく歩留まりが悪くなる場合がある。

本発明は、インターコネクタに接続される太陽電池セルであって、熱ストレスに起因する接続不良の発生をより簡便な構成で抑制することが可能な太陽電池セルを提供することを目的とする。

本発明に基づく太陽電池セルは、表面にインターコネクタが接続される電極と、上記電極に接続された上記インターコネクタの一部が上記電極に接触しないように、上記電極の上記表面から凹むように設けられた段差部と、を備え、上記インターコネクタが上記電極に接続された状態では、上記段差部は上記インターコネクタの上記一部に間隔を空けて対向する。

好ましくは、上記段差部は、上記インターコネクタのうちの上記電極に接合される部分の幅が、上記インターコネクタの全体の幅に対して３０％以上７０％以下となるように設けられる。好ましくは、上記段差部は、上記電極の上記表面から０．０１ｍｍ以上の深さで凹むように設けられている。

本発明によれば、インターコネクタに接続される太陽電池セルであって、熱ストレスに起因する接続不良の発生をより簡便な構成で抑制することが可能な太陽電池セルを得ることができる。

参考技術における太陽電池セルおよびこの太陽電池セルに接続されたインターコネクタを示す平面図である。図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面図である。実施の形態における太陽電池セルを示す平面図である。図３中のＩＶ−ＩＶ線に沿った矢視断面図である。実施の形態における太陽電池セルおよびこの太陽電池セルに接続されたインターコネクタを示す平面図である。図５中のＶＩ−ＶＩ線に沿った矢視断面図である。実施の形態における太陽電池セルおよびこの太陽電池セルに接続されたインターコネクタを拡大して示す平面図である。図７中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った矢視断面図である。実施の形態における太陽電池セルの製造方法の第１工程を示す断面図である。実施の形態における太陽電池セルの製造方法の第２工程を示す断面図である。実施の形態における太陽電池セルの製造方法の第３工程を示す断面図である。実施の形態における太陽電池セルの製造方法の第４工程を示す断面図である。実施の形態における太陽電池セルの製造方法の第５工程を示す断面図である。実施の形態における太陽電池セルの製造方法の第６工程を示す断面図である。実施の形態における太陽電池セルの製造方法の第７工程を示す断面図である。実施の形態における太陽電池セルの製造方法の第８工程を示す断面図である。実施の形態における太陽電池セルの製造方法の第９工程を示す断面図である。

本発明に基づいた実施の形態について説明する前に、以下、本発明に関する参考技術について説明する。参考技術の説明において、同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

［参考技術］
図１および図２を参照して、参考技術における太陽電池セル１００について説明する。図１は、太陽電池セル１００および太陽電池セル１００に接続されたインターコネクタ１６を示す平面図である。図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面図である。説明上の便宜のため、反射防止膜１５（詳細は後述する）は図２にのみ図示しており、図１には図示していない。

図１および図２に示すように、参考技術における太陽電池セル１００は、シリコン基板１１、ｎ＋型拡散層１２、ｐ型電極１３（図２参照）、ｎ型電極１４、および、反射防止膜１５（図２参照）を備える。ｎ＋型拡散層１２は、シリコン基板１１の表面側に形成されている。ｐ型電極１３は、シリコン基板１１の裏面側に形成されている。ｎ型電極１４は、ｎ＋型拡散層１２が形成されたシリコン基板１１の表面上に設けられる。

反射防止膜１５は、ｎ＋型拡散層１２およびｎ型電極１４を覆うように設けられる。ｎ型電極１４のうち、インターコネクタ１６が設けられるパッド部分は、反射防止膜１５が設けられていない（図２参照）。

ｎ型電極１４の電極パッド上に設けられるインターコネクタ１６は、メッシュ状の形状を有し、６角形状の複数の開口部１７が設けられる。インターコネクタ１６は、パラレルギャップ溶接などによってｎ型電極１４上に接続される。インターコネクタ１６とｎ型電極１４との間には、複数の接続部１８が形成される。インターコネクタ１６は、ｎ型電極１４に接続された状態で、面方向に伸び縮みすることができる。

インターコネクタ１６を面方向に膨張させたり収縮させたりするような応力が発生したとしても、このインターコネクタ１６は、自身が変形することによってその応力を吸収することができる。このようなインターコネクタ１６に繰り返し熱ストレスが作用したとしても、ｎ型電極１４およびインターコネクタ１６の間における接続不良の発生は防止または抑制される。

しかしながら、冒頭に説明したように、インターコネクタ１６は、非常に薄い金属箔をエッチングすることによって作製される。インターコネクタ１６の素材が非常に薄いため、エッチングによる加工制御は困難であり、メッシュ形状の開口部１７の大きさにバラツキが発生しやすく、歩留まりが悪くなる場合がある。

［実施の形態］
本発明に基づいた実施の形態について、以下、図面を参照しながら説明する。実施の形態の説明において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。実施の形態の説明において、同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

図３および図４を参照して、実施の形態における太陽電池セル２００について説明する。図３は、太陽電池セル２００を示す平面図である。図４は、図３中のＩＶ−ＩＶ線に沿った矢視断面図である。説明上の便宜のため、反射防止膜２５（詳細は後述する）は図４にのみ図示しており、図３には図示していない。

図３および図４に示すように、実施の形態における太陽電池セル２００は、シリコン基板２１、ｎ＋型拡散層２２、ｐ型電極２３（図４参照）、ｎ型電極２４、および、反射防止膜２５（図４参照）を備える。ｎ＋型拡散層２２は、シリコン基板２１の表面側に形成されている。ｐ型電極２３は、シリコン基板２１の裏面側に形成されている。ｎ型電極２４は、ｎ＋型拡散層２２が形成されたシリコン基板２１の表面上に設けられる。

反射防止膜２５は、ｎ＋型拡散層２２およびｎ型電極２４を覆うように設けられる。ｎ型電極２４のうち、インターコネクタ２６が設けられるパッド部分は、反射防止膜２５が設けられていない（図４参照）。ｎ型電極２４のパッド部分には、ｎ型電極２４に接続されたインターコネクタ２６の一部がｎ型電極２４に接触しないように、ｎ型電極２４の表面から凹むように段差部２４Ｔが設けられる。

図５は、太陽電池セル２００およびこの太陽電池セル２００に接続されたインターコネクタ２６を示す平面図である。図６は、図５中のＶＩ−ＶＩ線に沿った矢視断面図である。図５および図６に示すように、インターコネクタ２６がｎ型電極２４に接続された状態では、段差部２４Ｔは、インターコネクタ２６の上記一部に間隔２４Ｓを空けて対向する。換言すると、インターコネクタ２６がｎ型電極２４に接続された状態では、段差部２４Ｔとインターコネクタ２６との間に隙間（間隔２４Ｓ）が形成される。

図７は、太陽電池セル２００とインターコネクタ２６との間の接続部を拡大して示す平面図である。図８は、図７中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った矢視断面図である。図７および図８を参照して、インターコネクタ２６は、パラレルギャップ溶接などによってｎ型電極２４上に接続される。インターコネクタ２６とｎ型電極２４との間には、複数の（ここでは３つの）接続部２８が形成される。

以上のように構成される太陽電池セル２００が、広い温度範囲の中で使用されたとする。この場合、太陽電池セル２００（ｎ型電極２４）とインターコネクタ２６との間の接続部には、ｎ型電極２４とインターコネクタ２６との間の熱膨張係数の差に起因して、非常に大きな熱ストレスがかかる。本実施の形態の太陽電池セル２００に用いられるインターコネクタ２６は、ｎ型電極２４に対して部分的に接合されている。

このため、ｎ型電極２４とインターコネクタ２６との間の接続部に剪断方向（面方向）の応力が発生したとしても、その応力は、間隔２４Ｓを利用したｎ型電極２４の膨縮変形またはインターコネクタ２６の膨縮変形によって吸収（緩和）され、接続不良の発生は効果的に防止または抑制されることができる。太陽電池セル２００によれば、インターコネクタ２６の接続部分にメッシュ等の加工を施す必要がないため、インターコネクタ２６を製造ないし接続する上での歩留まりが向上し、熱ストレスに起因する接続不良の発生を簡便な構成で抑制することが可能となる。また、インターコネクタ２６にメッシュ等の加工を施す必要が無くなるため、エッチングなどの安価な打ち抜き等によっても加工する事も可能となる。

図８を参照して、インターコネクタ２６がｎ型電極２４に接続された際に良好な間隔２４Ｓが形成されるように、段差部２４Ｔはｎ型電極２４の表面から０．０１ｍｍ以上の深さＤで凹むように設けられているとよい。

また、段差部２４Ｔは、インターコネクタ２６のうちのｎ型電極２４に接触する部分の幅（Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３）が、インターコネクタ２６の全体の幅Ｗに対して３０％以上７０％以下となるように設けられるとよい。ｎ型電極２４に接触する部分の幅（Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３）が、インターコネクタ２６の全体の幅Ｗに対して３０％未満の場合、ストレスの緩和機能が十分に発揮されない。ｎ型電極２４に接触する部分の幅（Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３）が、インターコネクタ２６の全体の幅Ｗに対して７０％を超える場合、インターコネクタ２６とｎ型電極２４との間の接続部分の面積が小さくなりすぎ、接続強度が低下することになる。

（太陽電池セル２００の製造方法）
以下、図９〜図１７を参照して、太陽電池セル２００の製造方法について説明する。図９を参照して、まず、シリコン結晶のインゴッドをスライスすることによって、表面２１Ａおよび裏面２１Ｂを有するシリコン基板２１を得る。シリコン基板２１の表面２１Ａおよび裏面２１Ｂには、スライスの際にダメージ層が形成されている。表面２１Ａおよび裏面２１Ｂに形成されたダメージ層は、酸性またはアルカリ性の溶液を用いてエッチングされるとよい。

シリコン基板２１は、ｐ型であってもｎ型であってもよく、シリコン基板２１の大きさおよび厚さに制限はない。入射する太陽光の反射の損失を抑制するため、シリコン基板２１の受光面にテクスチャと呼ばれるピラミッド状の微細構造を形成する場合には、シリコン基板２１の受光面の面方位が（１００）であることが好ましい。便宜上、ｐ型のシリコン基板２１に基づいて以下説明するが、ｎ型のシリコン基板を使用する場合は、以下に記載されているｎ＋層は、ｐ＋層となる。ただし、ｎ＋層の場合とｐ＋層の場合とで、拡散条件等は異なるものとなる。

図１０を参照して、次に、シリコン基板２１は、たとえば９００℃〜１０００℃に加熱された石英炉（図示せず）内に投入される。シリコン基板２１は、酸素雰囲気または水蒸気雰囲気に形成された石英炉内に３０分〜６０分間配置される。図１０に示すように、シリコン基板２１の表面２１Ａには酸化膜３２が形成され、シリコン基板２１の裏面２１Ｂには、酸化膜３３が形成される。酸化膜３２，３３は、酸化シリコン膜から形成されてもよい。この場合、酸化シリコン膜は、常圧ＣＶＤ法を用いて成膜したり、酸化シリコンを含む塗布液を乾燥させたりすることによって形成される。

図１１を参照して、表面２１Ａに形成された酸化膜３２は、エッチング加工によって所定のパターンに形成される。このエッチングは、フォトリソグラフィー等の手法を用いて酸化膜３２をエッチングするためのレジストパターンを形成したのち、フッ酸等を用いて行なわれる。当該エッチングによって、シリコン基板２１の表面２１Ａの一部が露出する。

図１２を参照して、次に、シリコン基板２１は、たとえば水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムなどの、アルカリおよびイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）等を含む高温水溶液に浸漬される。シリコン基板２１の表面２１Ａおよび裏面２１Ｂのうちの酸化膜３２，３３が形成されている部分は、エッチングが進行しない。

一方で、シリコン基板２１の表面２１Ａのうちの露出している部分は、シリコン結晶方位に沿った異方性エッチングが進行する。これにより、図１２に示すように、シリコン基板２１の受光面に、（１１１）面による微細なピラミッド状のテクスチャ構造３５が形成される。このテクスチャ構造３５の形成に合わせて、インターコネクタ２６（図５〜図８参照）の接続が予定されている部分に、段差状の凹部３５（３５Ｔ）が設けられる。

図１３を参照して、次に、シリコン基板２１の表面２１Ａ側の酸化膜３２（図１３において図示せず）を除去した後、８００〜１１００℃程度に加熱された石英炉内にそのシリコン基板２１を投入する。リンを含むガスをその石英炉内に導入し、シリコン基板２１の表面２１Ａにｎ＋型拡散層２２を形成する。

図１４を参照して、シリコン基板２１の裏面２１Ｂ側の酸化膜３３（図１４において図示せず）を除去した後、シリコン基板２１の表面２１Ａ上にｎ型電極２４を形成する。ｎ型電極２４が段差状の凹部３５（３５Ｔ）に入り込むように形成されることによって、インターコネクタ２６（図５〜図８参照）の接続が予定されている部分には、段差部２４Ｔが形成される。

ｎ型電極２４の材料としては、銀またはアルミニウムなどの高導電材料が用いられるとよい。ｎ型電極２４を形成するためには、たとえば、高真空中において電子ビームを照射し、電子ビームの加熱作用によって電極材料をシリコン基板２１の表面２１Ａ上に蒸着させたり、電極材料を含むペーストを、スクリーン印刷法を用いてシリコン基板２１の表面２１Ａに定着させたり、電極材料をメッキなどによって表面２１Ａに定着させたり、といった各種の手段を用いることができる。

スクリーン印刷以外の電極形成法の場合は、事前にフォトリソグラフィーにより電極パターンを形成するか、または、メタルマスク等を使用することにより、ｎ型電極２４のパターニングを行う。さらに、シリコン基板２１とｎ型電極２４との間に良好なオーミック接触を得るために、シリコン基板２１の表面２１Ａへの電極材料の付着後に、シリコン基板２１およびｎ型電極２４に対して４００℃〜５００℃の熱処理が行なわれることが好ましい。

図１５を参照して、酸化膜３３（図１３参照）の除去によって露出したシリコン基板２１の裏面２１Ｂに、ｎ型電極２４の形成と同様な手段を用いて、ｐ型電極２３を形成する。

図１６を参照して、次に、シリコン基板２１の表面２１Ａおよび表面２１Ａに形成されたｎ型電極２４を覆うように、反射防止膜２５が形成される。反射防止膜２５は、インターコネクタ２６の接続が予定されているｎ型電極２４のパッド部分には設けられない。

反射防止膜２５は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、または酸化アルミニウム等の材料を、単層または複数層用いることにより形成される。反射防止膜２５を形成するためには、たとえば、高真空中において電子ビームを照射し、電子ビームの加熱作用によって反射防止膜材料を表面２１Ａ上に蒸着させたり、スパッタ法を使用したり、または、反射防止膜材料を含む塗布液を乾燥させたり、といった各種の手段を用いることができる。

反射防止膜２５の形成の後、ダイシングソー（図示せず）を用いてシリコン基板２１を切断することによって、所定の大きさを有する太陽電池セル２００が得られる。シリコン基板２１を切断する手段としては、レーザー等を用いてもよい。

図１７を参照して、太陽電池セル２００のｎ型電極２４には、パラレルギャップ溶接等の手段により、インターコネクタ２６が接続される。太陽電池セル２００においては、インターコネクタ２６がｎ型電極２４に接続された状態では、段差部２４Ｔがインターコネクタ２６の一部に間隔２４Ｓを空けて対向する。

ｎ型電極２４とインターコネクタ２６との間の接続部に剪断方向（面方向）の応力が発生したとしても、その応力は、間隔２４Ｓを利用したｎ型電極２４の膨縮変形またはインターコネクタ２６の膨縮変形によって吸収（緩和）され、接続不良の発生は効果的に防止または抑制されることができる。

上述の参考技術の場合とは異なり、インターコネクタ２６の接続部分にメッシュ等の加工を施す必要がないため、インターコネクタ２６を製造ないし接続する上での歩留まりが向上し、製造費用を低減することが可能となる。また、インターコネクタ２６にメッシュ等の加工を施す必要が無くなるため、エッチングなどの安価な打ち抜き等によっても加工する事が可能となる。

太陽電池セル２００においては、ｎ型電極２４に段差部２４Ｔを形成することは、シリコン基板２１の表面２１Ａにテクスチャ構造３５を形成し、これと同時に段差状の凹部３５（３５Ｔ）を設けることによって得られる。このため、段差部２４Ｔを形成するに当たって別工程を設ける必要は無く、製造費用が増加することもない。本実施の形態では、シリコン基板２１に対して異方性エッチングで加工を行っているが、他の手段で加工を行う事も可能であり、たとえばフッ酸と硝酸とを混合した薬液によりシリコン基板２１のエッチングを行う事も可能である。

以上、本発明に基づいた実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１１，２１シリコン基板、１２，２２型拡散層、１３，２３ｐ型電極、１４，２４ｎ型電極、１５，２５反射防止膜、１６，２６インターコネクタ、１７開口部、１８，２８接続部、２１Ａ表面、２１Ｂ裏面、２４Ｓ間隔、２４Ｔ段差部、３２，３３酸化膜、３５テクスチャ構造、３５（３５Ｔ）凹部、１００，２００太陽電池セル、Ｄ深さ、Ｗ，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３幅。

Claims

表面にインターコネクタが接続される電極と、
前記電極に接続された前記インターコネクタの一部が前記電極に接触しないように、前記電極の前記表面から凹むように設けられた段差部と、を備え、
前記インターコネクタが前記電極に接続された状態では、前記段差部は前記インターコネクタの前記一部に間隔を空けて対向する、
太陽電池セル。
前記段差部は、前記インターコネクタのうちの前記電極に接合される部分の幅が、前記インターコネクタの全体の幅に対して３０％以上７０％以下となるように設けられる、
請求項１に記載の太陽電池セル。
前記段差部は、前記電極の前記表面から０．０１ｍｍ以上の深さで凹むように設けられている、
請求項１または２に記載の太陽電池セル。