JP2013504199A - 太陽電池の後面電極用アルミニウムペースト - Google Patents
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Abstract
【課題】太陽電池の後面電極用アルミニウムペーストを提供すること。
【解決手段】本発明のアルミニウムペーストは、テクスチャリングされているシリコンウエハーとアルミニウムペースト間の接触を向上させることにより、焼成工程中に太陽電池の反りやアルミニウム後面電極層に対するアルミニウム気泡、バンプ及び黄変の発生を最小化し、Ｉｓｃ及びＶｏｃ値を大幅向上させるうえ、太陽電池の効率も画期的に向上させる。
【選択図】なし
【解決手段】本発明のアルミニウムペーストは、テクスチャリングされているシリコンウエハーとアルミニウムペースト間の接触を向上させることにより、焼成工程中に太陽電池の反りやアルミニウム後面電極層に対するアルミニウム気泡、バンプ及び黄変の発生を最小化し、Ｉｓｃ及びＶｏｃ値を大幅向上させるうえ、太陽電池の効率も画期的に向上させる。
【選択図】なし
Description
本発明は、太陽電池の後面電極用アルミニウムペーストに関する。
一般に、シリコン結晶型太陽電池は、厚さ１８０〜２２０μｍのＰ型シリコン基板を使用する。前記基板の前面部には厚さ０．２〜０．６μｍのｎ型不純物層が形成され、その上に反射防止のためのＳｉＮx層と前面電極が形成される。後面部にはアルミニウム電極が形成されるが、アルミニウム電極は、アルミニウムペーストをスクリーン印刷などによって塗布し、これを乾燥させた後、低温（約６００℃）と高温（８００〜９５０℃）の２段焼成過程を経て形成される。このような焼成過程でアルミニウムがＰ型シリコンウエハーの内部に拡散しながらＡｌ−Ｓｉ合金層が形成される。このような拡散層（Ｐ+層）によって、太陽電池で生成される電子の再結合を防止し、生成されたキャリア(carrier)の収集効率を向上させるＢＳＦ(Back Surface Field)が形成される。このように形成されるＢＳＦ層の厚さ及び均一度によって太陽電池の効率が左右されるが、厚さが薄くなると太陽電池の効率が低下し、厚さが厚くなると太陽電池の効率が上昇する。
一方、最近、太陽電池のコスト節減を図るために、シリコンウエハーの基板を薄くする趨勢であるが、シリコンウエハーの厚さを薄くすると、シリコンウエハーとアルミニウムの膨張係数差によりウエハーの反りが発生し、それによりウエハーの亀裂現象なども発生する。
かかる問題点を解決するために、後面電極としてのアルミニウム電極の厚さを薄く形成する必要があり、これはアルミニウムペーストの塗布量を減らす方法で達成できる。ところが、アルミニウムペーストの塗布量を減らすと、後面電界層としてのＢＳＦ層の厚さが減少して太陽電池の効率が低下するうえ、焼成工程中に電極層に対するアルミニウム気泡又はバンプ(bump)の発生が増加するという問題が引き起こされる。このように発生したアルミニウム気泡又は突出部位としてのバンプは、ウエハー後面の平滑度を低下させるうえ、応力が集中することにより太陽電池の製造工程又はモジュール製造工程における電池の割れを引き起こす。
焼成工程中に太陽電池の反りやアルミニウム気泡の発生を減少させるために提案された従来の技術としては、次のような技術がある。特許文献１には粒径０．５〜１０μｍのアルミニウム粉末と有機ビヒクルに金属アルコキシドを添加したアルミニウムペーストが開示されており、特許文献２には粒径２〜２０μｍのアルミニウム粉末、ガラスフリット、有機ビヒクル及び金属水酸化物を含むアルミニウムペーストが開示されており、特許文献３には粒径２〜２０μｍのアルミニウム粉末、ガラスフリット、有機ビヒクル及び可塑剤を含むアルミニウムペーストが開示されており、特許文献４には粒径４〜１０μｍのアルミニウム粒子とアルカリ系ガラスフリットを含み、さらにボロンエトキシド(Boron Ethoxide)、チタニウムエトキシド(Titanium Ethoxide)、ヒュームドシリカ(Fumed silica)などを添加したアルミニウムペーストが開示されている。
しかし、これらの特許文献に紹介されたアルミニウムペーストはいずれも、アルミニウム、ガラスフリット及び有機ビヒクルの他に、有機又は無機添加剤を含んでいる。ところで、このような添加剤は、ペーストの焼成過程で残留物として残り或いは空隙として存在してペーストの抵抗を低下させるうえ、均一度を低下させて太陽電池の効率に悪影響を及ぼすという問題を引き起こす。また、前記アルミニウムペーストは、アルミニウム粒子の粒径が最大１０〜２０μｍであるため、テクスチャリングされた太陽電池の後面の表面と均一な接触を形成することが難しいので、内部気孔によってアルミニウムバンプが発生する可能性が高いという欠点を持つ。
そこで、本発明は、従来の技術の上述した問題を解決するためのもので、その目的は、焼成工程中に太陽電池の反りやアルミニウム後面電極層に対するアルミニウム気泡、バンプ及び黄変の発生を最小化し、Ｉｓｃ及びＶｏｃ値を大きく向上させるうえ、太陽電池の効率も画期的に向上させる太陽電池後面電極用アルミニウムペーストを提供することにある。
組成物の全体重量に対して、０．０１μｍ〜５μｍの平均粒度分布を有するアルミニウム粉末６５〜７５重量％、ガラスフリット０．０１〜５重量％、及び有機ビヒクル溶液２０〜３４．９０重量％を含んでなる、太陽電池後面電極用アルミニウムペーストを提供する。
また、本発明は、前記アルミニウムペーストを用いて後面電極を形成する工程を含むことを特徴とする、太陽電池の製造方法を提供する。
本発明のアルミニウムペースト組成物は、テクスチャリングされているシリコンウエハーとアルミニウムペースト間の接触を向上させることにより、焼成工程中に太陽電池の反りやアルミニウム後面電極層に対するアルミニウム気泡、バンプ及び黄変の発生を最小化し、Ｉｓｃ及びＶｏｃ値を大きく向上させるうえ、太陽電池の効率も画期的に向上させる。
本発明は、 組成物の全体重量に対して、０．０１μｍ〜５μｍの平均粒度分布を有するアルミニウム粉末６５〜７５重量％、ガラスフリット０．０１〜５重量％、及び有機ビヒクル溶液２０〜３４．９０重量％を含む、太陽電池後面電極用アルミニウムペーストに関する。
本発明のペースト組成物に含まれるアルミニウム粉末は、平均粒度分布が０．０１μｍ〜５μｍのものを使用する。
一般に、シリコン太陽電池の場合、太陽光の受光面積を広めるために前後の表面をテクスチャリング(texturing)する。一般に、単結晶テクスチャリングの形態はピラミッド形の構造を有するが、このようなピラミッド構造は高さ２μｍ〜１５μｍ／幅２μｍ〜２０μｍ内外にする。また、多結晶シリコンテクスチャリングは不規則な迷路形態を有する。このような構造を有するシリコンウエハー上にアルミニウムペーストをスクリーン印刷、グラビア印刷又はオフセット印刷を介して後面アルミニウムペーストを印刷し、乾燥させた後、焼成工程を経てアルミニウム電極を形成する。このような工程でアルミニウム粒子の大きさがあまり大きいと、アルミニウムペーストとシリコンウエハーとの接触がよく行われず、印刷及び乾燥の後にペーストとシリコンウエハーのテクスチャー構造との間に空隙が設けられる。このような空隙は、焼成過程を行う間にアルミニウムペースト層を通過してアルミニウム電極の表面に噴出されるが、このような過程に伴ってアルミニウムのバンプと気泡が発生する。よって、ペーストに含まれるアルミニウム粉末の平均粒度分布は０．０１μｍ〜５μｍの範囲が好ましい。平均粒度が０．０１μｍ未満であれば、印刷後の焼成工程でアルミニウムバンプが発生し、ウエハーの反りが大きくなり、５μｍ超過であれば、粒子の充填率が低下し、これにより効率が低下する。
前述したような平均粒度分布を有するアルミニウム粉末を用いてペーストを製造すると、ウエハーのテクスチャリング構造の間に深くペーストが浸透しうるうえ、ペースト内の空隙率も減少する。よって、後面ＢＳＦ層が均一に形成され、アルミニウム電極の抵抗も低くなり、ウエハーの反りも抑制される。よって、前述したようなアルミニウム粉末を用いて製造される太陽電池は、最大出力電流Ｉｓｃが上昇し、効率も増加する。また、焼成工程後にアルミニウム電極に発生する黄変現象が防止される効果も得られる。
また、本発明のペースト組成物において、アルミニウム粉末は、粒度分布が０．０１μｍ〜５μｍに限定されたものが使用されてもよい。
本発明のアルミニウムペーストにおいて、前記アルミニウム粉末は６５〜７５重量％で含まれることが好ましい。６５重量％未満であれば、焼成の後に印刷されたアルミニウム層が薄くなって後面ＢＳＦ層が十分に形成されないため効率が低下するという問題が発生し、７５重量％超過であれば、印刷層があまり厚くなり、これによりシリコンウエハーの反りがもたらされる。
本発明のペースト組成物に含まれるガラスフリットは、０．０１〜５重量％、好ましくは０．０５〜３重量％、さらに好ましくは０．１〜１重量％で含まれる。
前記ガラスフリットとしては、例えば、Ｂｉ2Ｏ3−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3− Ｂ2Ｏ3−ＳｒＯ系を挙げることができる。前記ガラスフリットの組成比は特に限定されるものではないが、前記ガラスフリットはＢｉ2Ｏ3２０〜３０ｍｏｌ％、Ａｌ2Ｏ3５〜１５ｍｏｌ％、ＳｉＯ2２５〜３５ｍｏｌ％、ＳｒＯ１〜１０ｍｏｌ％、及びＢ2Ｏ3２０〜４０ｍｏｌ％を含む組成を有することが好ましい。
前記ガラスフリットの組成において、ＳｒＯはガラスフリットの軟化点を低めるのに効果的である。ＳｒＯが含まれていない組成では、ガラスフリットの軟化点が高くなって太陽電池焼成工程でペーストがまともに軟化しないので、シリコンウエハーとの密着力が低下して効率低下がもたらされる。ところが、ＳｒＯが過量で含まれる場合には、軟化点があまり低くなってアルミニウム電極におけるバンプの発生がもたらされる。
また、本発明で使用されるガラスフリットは、軟化点が４００〜６００℃であることが好ましい。ガラスフリットの軟化点が４００℃未満であれば、ガラスフリットの熱膨張係数が相対的に大きくなり、太陽電池製造工程中の焼成工程を経た後にウエハーの反りを増加させるという問題が発生し、６００℃超過であれば、焼成工程でガラスフリットが溶融されてアルミニウム層とシリコンウエハー層との間で密着性を与えなければならないが、ガラスフリットが十分に溶融されないため、密着性が低下するという問題が発生しうる。
本発明のペーストは、組成物の全体重量に対して２０〜３４．９０重量％の有機ビヒクル溶液を含むことが好ましく、前記有機ビヒクル溶液は、有機溶媒に高分子樹脂を溶かして製造し、必要に応じて、揺変剤、湿潤剤、添加剤などを含むことができる。
本発明に使用される有機ビヒクル溶液は、溶液の全体重量に対して、７５重量％以上の溶媒、１〜３０重量％の高分子樹脂、約５重量％以下の湿潤剤と揺変剤、１〜１０重量％の添加剤を含むことができる。
前記溶媒としては、印刷工程中にペーストの乾燥を防ぎ且つ流動性を調節することができるように、約１５０〜３００℃範囲の沸騰点を有する溶媒が適する。広く使用される溶媒は、グリコールエーテル系として、トリプロピレングリコールメチルエーテル、ジプロピレングリコールｎ−プロピルエーテル、ジプロピレングリコールｎ−ブチルエーテル、トリプロピレングリコールｎ−ブチルエーテル、プロピレングリコールフェニルエーテル、ジエチレングリコールエチルエーテル、ジエチレングリコールｎ−ブチルエーテル、ジエチレングリコールヘキシルエーテル、エチレングリコールヘキシルエーテル、トリエチレングリコールメチルエーテル、トリエチレングリコールエチルエーテル、トリエチレングリコールｎ−ブチルエーテル、エチレングリコールフェニルエーテル、テルピネオール、Ｔｅｘａｎｏｌ（登録商標）、エチレングリコールなどを挙げることができる。
前記高分子樹脂としては、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、エチルセルロース、ロジン、フェノール樹脂、アクリル樹脂などを挙げることができる。高分子樹脂の含量は、有機ビヒクル溶液の全体重量に対して１〜３０重量％、好ましくは５〜２５重量％である。高分子樹脂の添加量が１重量％未満であれば、ペーストの印刷性及び分散安定性が低下し、高分子樹脂の添加量が３０重量％超過であれば、ペーストが印刷されないおそれがある。
前記揺変剤及び湿潤剤としては、当該分野における公知のものを制限なく使用することができる。
前記添加剤としては、分散剤など、当該分野における公知のものを挙げることができる。前記分散剤としては市販の界面活性剤を使用することができ、これらはそれぞれ単独で或いは２種以上を組み合わせて使用することができる。前記界面活性剤は、例えば、非イオン性界面活性剤として、アルキルポリオキシエチレンエーテル、アルキルアリールポリオキシエチレンエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレン共重合体などのエーテル型；グリセリンエステルのポリオキシエチレンエーテル、ソルビタンエステルのポリオキシエチレンエーテル、ソルビトールエステルのポリオキシエチレンエーテルなどのエステルエーテル型；ポリエチレングリコール脂肪酸エステル、グリセリンエステル、ソルビタンエステル、プロピレングリコールエステル、糖エステル、アルキルポリグルコシドなどのエステル型；脂肪酸アルカノールアミド、ポリオキシエチレン脂肪酸アミド、ポリオキシエチレンアルキルアミン、アミンオキシドなどの含窒素型があり；高分子系界面活性剤としてポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸−マレイン酸共重合体、ポリ１２-ヒドロキシステアリン酸などがある。
市販される商品としては、ｈｙｐｅｒｍｅｒ ＫＤ（Ｕｎｉｑｅｍａ製）、ＡＫＭ０５３１（日本油脂（株）製）、ＫＰ（信越化学工業（株）製）、ポリフロー(POLYFLOW)（共栄化学（株）製）、ＥＦＴＯＰ（トーケムプロダクツ社製）、アサヒガード(Asahi guard)（旭硝子（株）製）、サーフロン(Surflon)（旭硝子（株）製）、ソルスパース(SOLSPERSE)（ゼネカ（株）製）、ＥＦＫＡ（ＥＦＫＡケミカル社製）、ＰＢ８２１（味の素（株）製）、ＢＹＫ−１８４、ＢＹＫ−１８５、ＢＹＫ−２１６０、Ａｎｔｉ−Ｔｅｒｒａ Ｕ（ＢＹＫ社製）などを挙げることができる。
前記分散剤は、有機ビヒクル溶液の全体重量に対して１〜１０重量％が好ましく、さらに好ましくは１〜５重量％である。
本発明に係るペーストの製造は、自転と公転を同時に行うプラナーミキサーを用いて容易に行うことができる。すなわち、前述した成分らを該当組成比に基づいてプラナーミキサー容器に入れて攪拌し、固形分と有機ビヒクル溶液を適切に混合及び分散させて製造することができる。このように製造されたペーストの粘度は、２５℃でＢｒｏｏｋｆｉｅｌｄ ＨＢＤＶ−III Ｕｌｔｒａ Ｒｈｏｅｍｅｔｅｒ、スピンドルＣＰＥ−５２によって測定したとき、５ｒｐｍで２０，０００〜２００，０００ｃｐｓである。好ましくは４０，０００〜１００，０００ｃｐｓである。
また、本発明は、前記アルミニウムペーストを用いて後面電極を形成する工程を含むことを特徴とする、太陽電池の製造方法を提供する。
前記方法によって製造された太陽電池は、反りや電極層におけるアルミニウム気泡及びバンプの発生が最小化され、Ｉｓｃ及びＶｏｃ値が向上するうえ、その効率も画期的に向上する。
以下、実施例によって本発明をより詳細に説明する。ところが、下記の実施例は本発明をさらに具体的に説明するためのもので、本発明の範囲を限定するものではない。下記の実施例は本発明の範囲内で当業者によって適切に修正、変更できる。
実施例１：アルミニウムペーストの製造
平均粒度分布が０．０４〜５μｍのアルミニウム粉末７０重量％、下記表１に示された組成のガラスフリット０．５重量％、エチルセルロースグリコールエーテルに溶かして溶解させた有機ビヒクル溶液２９．５重量％を順次添加した後、自転及び公転を同時に行うミキサーを用いて１，０００ｒｐｍで３分間攪拌を行い、アルミニウムペーストを製造した。
平均粒度分布が０．０４〜５μｍのアルミニウム粉末７０重量％、下記表１に示された組成のガラスフリット０．５重量％、エチルセルロースグリコールエーテルに溶かして溶解させた有機ビヒクル溶液２９．５重量％を順次添加した後、自転及び公転を同時に行うミキサーを用いて１，０００ｒｐｍで３分間攪拌を行い、アルミニウムペーストを製造した。
実施例２：アルミニウムペーストの製造
平均粒度分布が０．０４〜５μｍのアルミニウム粉末を６５重量％の含量で仕込み、有機ビヒクル溶液を３４．５重量％で添加した以外は実施例１と同様にして、アルミニウムペーストを製造した。
平均粒度分布が０．０４〜５μｍのアルミニウム粉末を６５重量％の含量で仕込み、有機ビヒクル溶液を３４．５重量％で添加した以外は実施例１と同様にして、アルミニウムペーストを製造した。
実施例３：アルミニウムペーストの製造
平均粒度分布が０．０４〜５μｍのアルミニウム粉末７５重量％の含量で仕込み、有機ビヒクル溶液を２４．５重量％で添加した以外は実施例１と同様にして、アルミニウムペーストを製造した。
平均粒度分布が０．０４〜５μｍのアルミニウム粉末７５重量％の含量で仕込み、有機ビヒクル溶液を２４．５重量％で添加した以外は実施例１と同様にして、アルミニウムペーストを製造した。
比較例１：アルミニウムペーストの製造
ガラスフリットを下記表２の組成で代替する以外は実施例１と同様にして、アルミニウムペーストを製造した。
ガラスフリットを下記表２の組成で代替する以外は実施例１と同様にして、アルミニウムペーストを製造した。
比較例２：アルミニウムペーストの製造
平均粒度分布が０．０４〜５μｍのアルミニウム粉末を７６重量％の含量で仕込み、有機ビヒクル溶液を２３．５重量％で添加した以外は実施例１と同様にして、アルミニウムペーストを製造した。
平均粒度分布が０．０４〜５μｍのアルミニウム粉末を７６重量％の含量で仕込み、有機ビヒクル溶液を２３．５重量％で添加した以外は実施例１と同様にして、アルミニウムペーストを製造した。
比較例３：アルミニウムペーストの製造
平均粒度分布が０．０４〜５μｍのアルミニウム粉末の代わりに２〜１０μｍのアルミニウム粉末を使用した以外は実施例１と同様にして、アルミニウムペーストを製造した。
平均粒度分布が０．０４〜５μｍのアルミニウム粉末の代わりに２〜１０μｍのアルミニウム粉末を使用した以外は実施例１と同様にして、アルミニウムペーストを製造した。
比較例４：アルミニウムペーストの製造
平均粒度分布が０．０４〜５μｍのアルミニウム粉末の代わりに５〜１５μｍのアルミニウム粉末を使用した以外は実施例１と同様にして、アルミニウムペーストを製造した。
平均粒度分布が０．０４〜５μｍのアルミニウム粉末の代わりに５〜１５μｍのアルミニウム粉末を使用した以外は実施例１と同様にして、アルミニウムペーストを製造した。
試験例：太陽電池の製造及び特性テスト
１５６×１５６ｍｍ、厚さ２００μｍの単結晶ウエハーに表面テクスチャリング工程を行い、ピラミッドの高さが約４〜６μｍとなるように形成した後、ウエハーのＮ側上にＳｉＮｘをコートした。次いで、ウエハーの後面に銀ペーストを用いてバスバー（Ｂｕｓ Ｂａｒ）を印刷して乾燥させた後、前記実施例１〜３及び比較例１〜４のペーストを２５０ｍｅｓｈのスクリーン印刷版を用いてペーストの重量が１．５±０．１ｇとなるように塗布し、乾燥させた。前面ＳｉＮｘ側上に銀ペーストを用いてＦｉｎｇｅｒ ｌｉｎｅを印刷し、乾燥させた。
１５６×１５６ｍｍ、厚さ２００μｍの単結晶ウエハーに表面テクスチャリング工程を行い、ピラミッドの高さが約４〜６μｍとなるように形成した後、ウエハーのＮ側上にＳｉＮｘをコートした。次いで、ウエハーの後面に銀ペーストを用いてバスバー（Ｂｕｓ Ｂａｒ）を印刷して乾燥させた後、前記実施例１〜３及び比較例１〜４のペーストを２５０ｍｅｓｈのスクリーン印刷版を用いてペーストの重量が１．５±０．１ｇとなるように塗布し、乾燥させた。前面ＳｉＮｘ側上に銀ペーストを用いてＦｉｎｇｅｒ ｌｉｎｅを印刷し、乾燥させた。
前記過程を経たシリコンウエハーを赤外線連続焼成炉で焼成領域の温度が７２０〜９００℃となるようにして焼成し、太陽電池を製造した。
前記焼成工程は、前記シリコンウエハーをベルト炉(Belt Furnace)内に通過させながら前後面同時焼成で行われてもよい。この際、ベルト炉は約６００℃のＢｕｒｎ−ｏｕｔ区間と８００〜９５０℃付近のＦｉｒｉｎｇ区間を含み、ペースト内の有機物を燃やしてなくした後、前後面の銀とアルミニウムを溶融させて電極が形成されるようにする。
前記で製造された太陽電池の四つ角部を床面と一致させた後、中央部の浮き上がり程度を測定して太陽電池の反り程度を評価した。また、後面アルミニウム電極部位のバンプ及びアルミニウム気泡の発生は肉眼で観察し、その個数をカウントした。評価結果は下記表３に示す。
太陽電池の効率は、ＦｉｔＴｅｃｈ社の太陽電池性能評価装置「ＳＣＭ−１０００」を用いて評価し、その結果を下記表４に示す。
説明に役立てるために本願発明の好ましい実施例を開示したが、当業者であれば、続く請求項で開示された発明の範囲および趣旨を逸脱することなく種々の修飾、追加および置換できることを理解するであろう。
Claims (5)
- 組成物の全体重量に対して、０．０１μｍ〜５μｍの平均粒度分布を有するアルミニウム粉末６５〜７５重量％、ガラスフリット０．０１〜５重量％、及び有機ビヒクル溶液２０〜３４．９０重量％を含んでなる、太陽電池の後面電極用アルミニウムペースト。
- 前記ガラスフリットがＢｉ2Ｏ3−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3− Ｂ2Ｏ3−ＳｒＯ系ガラスフリットであることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池の後面電極用アルミニウムペースト。
- 前記ガラスフリットはＢｉ2Ｏ3２０〜３０ｍｏｌ％、Ａｌ2Ｏ3５〜１５ｍｏｌ％、ＳｉＯ2２５〜３５ｍｏｌ％、ＳｒＯ１〜１０ｍｏｌ％、及びＢ2Ｏ3２０〜４０ｍｏｌ％を含むことを特徴とする、請求項２に記載の太陽電池の後面電極用アルミニウムペースト。
- 前記ガラスフリットが４００〜６００℃の軟化点を有することを特徴とする、請求項３に記載の太陽電池の後面電極用アルミニウムペースト。
- 請求項１に記載のアルミニウムペーストを用いて後面電極を形成する工程を含むことを特徴とする、太陽電池の製造方法。
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