JP2014000740A - スクリーン印刷用メッシュ部材およびスクリーン印刷版 - Google Patents

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Abstract

【課題】太陽電池としての性能を落とすことなく、使用する表面電極用銀ペーストの使用量を削減して貴金属資源の有効活用を促進すると共に、製造コストを抑えることのできるスクリーン印刷用メッシュ部材を提供する。
【解決手段】太陽電池の表面電極となるフィンガー電極およびバスバー電極をスクリーン印刷で形成するときに用いられるスクリーン印刷用メッシュ部材であって、このメッシュ部材は圧延金属箔にエッチングで孔開け加工されたものであり、フィンガー電極対応部では、横長型に形成された個々の孔が当該横長方向と直交する方向に列設され、当該横長方向長さが、印刷パターン予定部の幅より大きく、その端部が印刷パターン予定部の外側まで延びて形成されており、一方バスバー電極対応部では、同一形状の孔が縦方向および横方向に複数並んで配設されており、且つフィンガー電極対応部における開口面積率がバスバー電極対応部における開口面積率よりも大きく形成されたものである。
【選択図】なし

Description

本発明は、太陽電池の表面電極のスクリーン印刷に用いられるスクリーン印刷版およびこうしたスクリーン印刷版を構成するためのメッシュ部材(スクリーン印刷用メッシュ部材)に関するものであり、特に太陽電池の表面電極の印刷に用いられるスクリーン印刷において、太陽電池における変換効率を落とすことなく、使用する表面電極用銀ペーストの使用量を削減して貴金属資源の有効活用を促進すると共に、製造コストを抑えることのできるスクリーン印刷用メッシュ部材およびスクリーン印刷版に関するものである。
太陽電池セルの表面電極には、集電用メイン電極(「バスバー電極」と呼ばれる)と集電用グリッド電極(「フィンガー電極」と呼ばれる)がある。これらの表面電極は、太陽電池セルの製造工程において導電性銀ペーストをスクリーン印刷することにより形成される。図1(図面代用写真)に、太陽電池セルの表面電極(バスバー電極およびフィンガー電極)の構成例を示す。
スクリーン印刷に使われるスクリーン印刷版には、金属または樹脂(例えば、ポリエステル)からなる細線を編んだメッシュ部材(以下、「細線メッシュ部材」と称す)が広く使用されており、このメッシュ部材の周縁に、ポリエステル細線を編んだメッシュ織物を接合させ(コンビネーションマスクとも呼ばれる)、最終的にはアルミ枠に固定し、更に印刷パターンを形成してスクリーン印刷版(以下、単に「印刷版」と呼ぶことがある)としている(図2)。また最近では、圧延金属箔にエッチング法で孔を開けた金属箔メッシュ部材も使用され始めている(例えば、特許文献1)。
図3は、スクリーン印刷に用いられている汎用印刷版の一部拡大説明図である。細線メッシュ部材[図3(a)]あるいは金属箔メッシュ部材[図3(b)]をスクリーン枠(図示せず)に張った後、全面に樹脂(感光性乳剤)を塗布してからマスクで覆い、印刷しない部分(例えば、図3の「4」の部分)のみに露光して、感光性乳剤を硬化させ、次いで印刷したい部分(例えば、図3の「3」の部分)の感光性乳剤を除去し、4の部分のみを残し印刷版5を作製する(図中、1は線部、2はメッシュ部材の開口部(孔)を示す)。この感光性乳剤を除去した部分3を印刷パターンと呼ぶ。
図4に、細線メッシュ部材あるいは金属箔メッシュ部材を用いてスクリーン印刷を行うときの状態を模式的に示す。スキージ6を図の右から左へ移動させることにより、印刷パターン3(前記図3参照)の開口部(孔)2にペースト7を充填すると共に、印刷対象物8にペースト7を付着させる。スキージ6が通過した後は、印刷版の張力(テンション)により印刷版5(前記図3参照)と印刷対象物8が離れるが、ペースト7は印刷対象物8に残り、感光性乳剤が除去された印刷パターン通りに印刷される。
太陽電池の表面電極の形成に使用される印刷版は、メッシュ部材に感光性乳剤を塗布後、フィンガー電極とバスバー電極の配線形状を露光、現像し、次いで銀ペーストが透過する電極部分の感光性乳剤を除去して印刷パターンが作製される。圧延金属箔メッシュ部材にてフィンガー電極とバスバー電極の印刷パターンを形成した印刷版の構成例を図5に示す。
太陽電池の変換効率(光エネルギーから電気エネルギーへの変換効率)は、表面電極の面積と抵抗値に大きく左右されることになる。即ち、電極面積(平面視面積)は小さいほど、また抵抗値は小さいほど変換効率は向上する。
フィンガー電極は本数が多く、また電極部分は太陽光を遮るため、受光面積を大きくして太陽電池の変換効率を高めるためには、より細く印刷する必要がある。また電極を細くすることにより電極の抵抗値が下がると、太陽電池の変換効率が低下するため、幅を狭くした分だけ厚くして、電極の断面積を一定に保ち、抵抗値を低下させないように工夫する必要がある。
バスバー電極はフィンガー電極よりも更に低い抵抗値が求められるため、バスバー電極上に銅製のリボン(「タブ」と呼ばれている)をはんだ付けし、全体として低抵抗の電極体としている。タブの幅はバスバー電極の本数ごとにほぼ一定の幅となっており、例えば4本で構成される場合には1本当たり1000μm程度、3本で構成される場合には1本当たり1500μm程度、2本で構成される場合には1本当たり1800μm程度の幅に設定され、バスバー電極の幅はタブの幅に合わせて印刷される。
バスバー電極では、タブにより低抵抗が実現されるため、印刷厚さは必要なく、タブがはんだ付けできる最低限の厚さがあれば良い。このタブは、太陽電池同士を直列につないで太陽電池モジュールとする際に、隣接する太陽電池間をつなぐ役割も担っている。タブによって、隣接する太陽電池セルを接続する状態を模式的に図6に示す。
フィンガー電極を細くより厚く印刷するには、印刷版のフィンガー電極対応部(前記図5では「フィンガー電極部」と表示)での開口面積率を高くする必要があり、細線メッシュ部材を用いた印刷版のフィンガー電極対応部の開口面積率は60%程度に設定されている(例えば、特許文献2)。細線メッシュ部材で開口面積率をこれ以上大きくすると、幅が大きいバスバー電極対応部(前記図5では「バスバー電極部」と表示)でのメッシュ部材強度が不足し、印刷時にメッシュ破れが生じる。このため細線メッシュ部材では開口面積率を最大60%程度に抑えることが一般的である。
特開2011−194885号公報 特開2007−62079号公報
細線メッシュ部材は、細線を一定の間隔で編んだものであるため、メッシュ部材の全ての領域での開口面積率が一定であり、領域によって開口面積率は変えられない。このためフィンガー電極対応部の開口面積率を大きくしてフィンガー電極を厚くしようとすると、必然的にバスバー電極も厚くなる。バスバー電極は、タブをはんだ付けするため厚さはそれほど必要なく、開口面積率の大きな印刷版でバスバー電極を印刷すると、いたずらに銀の使用量を増やすこととなる。現在、太陽電池で使用される銀ペーストに含まれる銀の量は、世界の銀の産出量の10%弱といわれており、将来太陽電池の採算量が現在の10倍以上となると、銀資源の枯渇が懸念される。
貴金属資源の有効活用の観点から、銀ペーストの使用量を減らすこと、すなわちバスバー電極の厚さを抑えて銀ペーストの使用量を減らすことが新たな課題となっている。銀ペーストの使用量を減らすことは、太陽電池の製造コストの低減にも結びつくため、発電コストの低減で太陽電池の普及にも大いに貢献することが期待される。太陽電池の製造コスト(シリコンウエハに電極を付けた太陽電池セルの製造コスト)に占める銀ペーストの比率は10%程度と言われている。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、太陽電池としての性能を落とすことなく、使用する表面電極用銀ペーストの使用量を削減して貴金属資源の有効活用を促進すると共に、製造コストを抑えることのできるスクリーン印刷用メッシュ部材、およびスクリーン印刷版を提供することにある。
上記目的を達成することのできた本発明のスクリーン印刷用メッシュ部材は、太陽電池の表面電極となるフィンガー電極およびバスバー電極をスクリーン印刷で形成するときに用いられるスクリーン印刷用メッシュ部材であって、このメッシュ部材は圧延金属箔にエッチングで孔開け加工されたものであり、フィンガー電極対応部では、横長型に形成された個々の孔が当該横長方向と直交する方向に列設され、当該横長方向長さが、印刷パターン予定部の幅より大きく、その端部が印刷パターン予定部の外側まで延びて形成されており、一方バスバー電極対応部では、同一形状の孔が縦方向および横方向に複数並んで配設されており、且つフィンガー電極対応部における開口面積率がバスバー電極対応部における開口面積率よりも大きく形成されたものであることを特徴とする。
本発明のスクリーン印刷用メッシュ部材においては、フィンガー電極対応部の開口面積率が65〜85%であり、バスバー電極対応部の開口面積率が25〜70%であることが好ましい。また、フィンガー電極対応部の開口面積率に対するバスバー電極対応部の開口面積率の比が、0.30〜0.80であることが好ましい。
上記のようなスクリーン印刷用メッシュ部材を備えて構成されるスクリーン印刷版では、太陽電池の表面電極の印刷に用いられるスクリーン印刷において、太陽電池としての性能を落とすことなく、使用する表面電極用銀ペーストの使用量を削減して貴金属資源の有効活用を促進すると共に、製造コストを抑えるこができるものとなる。このスクリーン印刷版においては、フィンガー電極対応部の印刷パターンの幅が35〜75μmであることが好ましい。
本発明のメッシュ部材によれば、圧延金属箔にエッチングで孔開け加工されたものとし、フィンガー電極対応部およびバスバー電極対応部における開口面積率の関係を規定するようにしたので、太陽電池としての性能を落とすことなく、ペースト使用量の削減を実現するスクリーン印刷用メッシュ部材、およびこうしたスクリーン印刷用メッシュ部材を備えて構成されるスクリーン印刷版が実現できる。
太陽電池セルの表面電極(バスバー電極およびフィンガー電極)の構成例を示す図面代用写真である。 スクリーン印刷に使われるスクリーン印刷版の構成例を示す概略説明図である。 スクリーン印刷に用いられている汎用印刷版の一部拡大説明図である。 細線メッシュ部材あるいは圧延金属箔メッシュ部材を用いてスクリーン印刷を行うときの状態を模式的に示す説明図である。 圧延金属箔メッシュ部材にてフィンガー電極対応部とバスバー電極対応部の印刷パターンを形成した印刷版の構成例を示す概略説明図である。 タブによって、隣接する太陽電池セルを接続する状態を模式的に示す説明図である。 フィンガー電極対応部に形成される孔形状例を示す概略説明図である。 バスバー電極対応部に形成される孔形状例を示す概略説明図である。 開口面積率を説明するための図(図7対応説明図)である。 開口率比(開口面積率比)とペースト重量との関係を示すグラフである。
本発明者らは、上記目的を達成すべく、様々な角度から検討した。その結果、メッシュ部材でのフィンガー電極対応部の開口面積率をバスバー電極対応部の開口面積率よりも大きくし、すなわち銀ペーストの透過量を高めてフィンガー電極を細く厚く印刷しながら、且つバスバー電極対応部からの銀ペースト透過量を制御して必要以上に高くならないようにすることにより、太陽電池としての性能を落とすことなく、ペースト使用量の削減を実現できることを見出し、本発明を完成した。
フィンガー電極とバスバー電極の印刷厚さを変えるためには、メッシュ部材の段階でフィンガー電極対応部とバスバー電極対応部の開口面積率を変える必要がある。すなわちフィンガー電極対応部は、開口面積率をバスバー電極部の開口面積率よりも大きく形成する。圧延金属箔にエッチングで孔開けして得られるメッシュ部材では、エッチングのパターンを自由に設定できるため、フィンガー電極対応部とバスバー電極対応部で開口面積率を変えることが可能となる。既に述べたように、細線メッシュ部材では、部分的に開口面積率を変えることはできず、フィンガー電極対応部とバスバー電極対応部で開口面積率を変えることは、圧延金属箔のメッシュ部材を用いたスクリーン印刷版を使用することにより初めて可能となる。
尚、フィンガー電極対応部とは、スクリーン印刷した後にフィンガー電極となるメッシュ部材対応部分を意味し、バスバー電極対応部は、スクリーン印刷した後にバスバー電極となるメッシュ部材対応部分を意味する。また印刷パターン予定部とは、スクリーン印刷する段階で印刷パターンが設定されるメッシュ部材対応部分を意味するが、この部分を説明の便宜上「印刷パターン部」と呼ぶことがある。
高い開口面積率を達成するためには、印刷パターン部内(即ち、印刷パターン予定部内)にできるだけメッシュの線部が存在しない形とする必要がある。本発明のメッシュ部材では、フィンガー電極対応部での孔形状を横長型に形成された個々の孔が当該横長方向と直交する方向に列設されたもののとし、この横長方向の長さを印刷パターン予定部の幅より大きく形成し、その端部が印刷パターン予定部の外側まで延びで形成することにより、65〜85%の高い開口面積率を得ることを実現した。こうした孔形状(開口形状)を図7に示す[図7(a)は、略長方形のもの、図7(b)は、楕円形のものを示す]。尚、フィンガー電極対応部での孔形状は、上記の要件を満足するものであればよく、図示した略長方形または楕円形に限定されない。
図7に示した孔形状は、印刷パターンの長手方向(図7の上下方向)にメッシュの線部が存在しないため、メッシュが変形しやすく、線部の幅を75μm以下の細い印刷パターン部の幅でのみ使用することができる。但し、フィンガー電極対応部の印刷パターン部の幅が35μm以下となるとペーストの吐出が抑えられ、その結果として電極の断線が実用上問題となるため、フィンガー電極対応部の印刷パターン部の幅は35〜75μmとすることが好ましい。より好ましくは、40μm以上、70μm以下である。
一方、バスバー電極対応部では、同一形状の孔が縦方向および横方向に複数並んで配設される。このときの孔形状は、一般的にメッシュ部材で使用されている正方形、長方形、六角形あるいは円形であればよいが、これらに限定されない。こうした孔形状(開口部形状)の例を、図8に示す[図8(a)〜図8(d)]。図8には、代表的な孔形状である上記した正方形、長方形、六角形および円形を夫々示した。
バスバー電極対応部で上記のような孔形状を持つメッシュ部材では、強度的に満足できるものとなるため、開口面積率を25〜70%(より好ましくは30〜65%)としても、一般的なバスバー電極の幅である1000〜2000μm程度に作製しても不都合なく使用可能である。バスバー電極対応部での開口面積率が70%よりも大きくとなると、印刷時にメッシュ部材の破れが発生しやすくなる。また開口面積率が25%よりも小さくなると、印刷後のバスバー電極に印刷かすれが生じ、フィンガー電極との接続が不安定になると共に、タブのはんだ付けにも不具合が生じる。
上記開口面積率とは、例えば図9(図7対応説明図)に示すように、孔(開口部)を形成した領域とそれ以外の領域との境界(点線で示す)を、孔の端部を基準として設定し、点線で囲まれた領域内での孔(開口部)の面積割合(平面視面積率:%)を意味する。尚、図9では、フィンガー電極対応部(図では「フィンガー電極部」と表示)での開口面積率の場合を示したが、バスパー電極対応部での開口面積率の場合においても同様にして計算する。
本発明のメッシュ部材では、フィンガー電極対応部の開口面積率をバスバー電極対応部の開口面積率よりも大きくできるのであるが、フィンガー電極対応部の開口面積率に対するバスバー電極部の開口面積率の比(「バスバー/フィンガー」、以下単に「開口率比」と呼ぶことがある)は、0.30〜0.80であることが好ましい。この開口率比が0.30よりも小さくなると、スクリーン印刷の際に銀ペーストの量が少なくなり過ぎて、印刷かすれが生じやすくなる。また開口率比が0.80よりも大きくなると、銀ペースト量の低減効果が得られにくくなる。開口率比のより好ましい下限は0.40以上であり、より好ましい上限は0.70以下である。
フィンガー電極対応部の開口面積率とバスバー電極対応部の開口面積率を変えてメッシュ部材を作製し、これらを備えて印刷版を構成し、この印刷版を用いて印刷試験を行ったときの電極に形成された銀ペーストの重量を測定した。
このときメッシュ部材には、厚さ25μmのステンレス圧延箔(日本金属株式会社製、SUS301)を圧延金属箔として使用した。圧延金属箔にレジストを塗布し、フィンガー電極対応部とバスバー電極対応部で孔形状および開口面積率が変わるように孔を配列し、印刷したパターンを描画したガラスマスクを使って露光後、現像した。その後エッチングにより、孔を開ける部分の圧延金属箔を溶かし、圧延金属箔に孔を開けたメッシュ部材を作製した。
メッシュ部材の孔の形状は、フィンガー電極対応部ではコーナー部に丸みを帯びた略長方形とし(前記図7(a)参照)、バスバー電極対応部ではコーナー部に丸みを帯びた正方形とした。孔と孔の間隔(ピッチ)は、フィンガー電極対応部とバスバー電極対応部ともに100μmとした。フィンガー電極対応部の開口面積率とバスバー電極対応部の開口面積率を夫々独立して変えた複数のメッシュ部材(圧延金属箔メッシュ部材)を作製した。このときフィンガー電極対応部での孔の大きさ(図7(a)に示した略長方形の長辺の長さ)は、フィンガー電極対応部での印刷パターン幅(後記表1、2)よりも大きくなるように75〜350μmの範囲で設定した。
メッシュ部材のスキージ面側と印刷面側の開口の面積をマイクロスコープ(株式会社キーエンス製、型式VHX−2000)で測定し(孔の形態によっては、両面で面積率が異なる)、各面での開口面積率を平均したものを開口面積率とした。また、面積率の測定は、いずれの領域(フィンガー電極対応部およびバスバー電極対応部)においても、均等となるように5箇所(例えばフィンガー電極対応部では、中央1箇所と4隅の4箇所)について、上記と同様に測定し、平均化した。
樹脂メッシュをメッシュ部材の周辺に付けたコンビネーションマスクとし、感光性乳剤を塗布後、フィンガー電極対応部とバスバー電極対応部に印刷パターン部を形成して印刷版を作製した。これらの印刷版を用いてスクリーン印刷を行い、印刷されたペースト重量を測定した。ペーストは、太陽電池の表面電極用銀ペースト(京都エレックス株式会社製、品名DD−1200M−200)を使用した。印刷は、東海精機株式会社製スクリーン印刷装置(型式SSA−PC250)を使用し、印刷条件を印圧10kgf、クリアランス1mm、印刷速度200mm/secとして、太陽電池用多結晶ウエハ(外形寸法156×156mm)に印刷した。
スクリーン印刷前および印刷後に、太陽電池ウエハの重量を電子天秤(研精工業株式会社製、型式HR−120)で測定し、印刷されたペースト重量を求めた。印刷版でのフィンガー電極対応部およびバスバー電極対応部の印刷パターン部の幅をマイクロスコープ(株式会社キーエンス製、型式VHX−2000)で測定した。
このときペーストの透過性を確保するため、フィンガー電極対応部での開口面積率はできるだけ大きくなるように、66〜84%の範囲に設定した。またフィンガー電極対応部の印刷パターン部の幅は30〜71μmに設定した。フィンガー電極の本数は、太陽電池で標準的に使われている範囲である72〜100本に設定した。
バスバー電極対応部での開口面積率は、できるだけ小さくするとの観点から、20%以上、72%以下に設定した。バスバー電極対応部での印刷パターン部の幅は、バスバー電極の本数が2本の場合に1本当たり1700〜1800μmに、バスバー電極の数が3本の場合に1本当たり1450〜1500μmに設定した。
その結果を、下記表1、2に示す。下記1、2では、フィンガー電極対応部の開口面積率に対するバスバー電極対応部の開口面積率の比(開口率比)の順に、試験No.を付けている。また、この結果に基づき、開口率比とペースト重量との関係を図10に示す。尚、表1において「−」で示した欄は、バスバー電極対応部(図10では「バスバー電極部」と表示)でメッシュ破れが生じたことを意味する。
これらの結果から、次のように考察できる。開口率比が1から0.80まではペースト重量はほぼ一定値となるが、開口率比が0.80より小さくなるとペースト重量は減少し、コストダウン効果が期待でできる。更に、好ましくは開口率比を0.70以下とすることで、大きなコストダウン効果を得ることが可能となる。但し、開口率比が0.30よりも小さくなると(試験No.40、41)、バスバー電極に印刷かすれが認められた。試験No.40でバスバー電極対応部の開口面積率が20%、試験No.41でバスバー電極対応の開口面積率が21%となっており、これらの開口面積率では印刷かすれが避けがたい。
開口率比が0.80を超え、且つバスバー電極対応部の開口面積率が70%を超えると、スクリーン印刷時に印刷版のバスバー電極対応部のメッシュ部材に破れが生じ(試験No.2、5)、印刷実験が行えない印刷版があった。こうした観点から、バスバー電極対応部の開口面積率は70%以下とすることが好ましい。
これに対し、開口率比を0.30〜0.80の範囲とするメッシュ部材(試験No.10〜39)では、フィンガー電極対応部でのメッシュの断線は観察されず、またバスバー電極のかすれも観察されず良好な電極となっている。加えて印刷時のバスバー電極対応部におけるメッシュ部材の破れも見られない。
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
下記表3に示した仕様のスクリーン印刷版(試験No.42、43)を用いて、実際の太陽電池を作製して変換効率を測定した。作製した太陽電池のフィンガー電極およびバスバー電極の実際の幅と厚さをレーザ顕微鏡(株式会社キーエンス製、型式VK9700)により測定した。その結果を、下記表4に示す。
試験No.42では、開口率比が0.91の印刷版を用いて各電極(フィンガー電極およびバスバー電極)を形成しており、試験No.43では、開口率比0.57の印刷版を用いて各電極を形成している。ペースト重量は夫々232.0mg(試験No.42)、190.1mg(試験No.43)と大きく異なるが、変換効率は夫々16.4%、16.5%とほぼ同レベルであり、ペースト重量が削減された状態で太陽電池としての性能を維持していることが分かる。
これはフィンガー電極の幅、厚さが両者でほぼ同じであることと、バスバー電極の幅がほぼ同一で厚さが大きく異なることで実現されている。すなわちフィンガー電極対応部とバスバー電極対応部で、孔形状および開口面積率を変えることができる圧延金属箔メッシュ部材を用いた印刷版の有用性が明確に認められる。
1 線部
2 孔(開口部)
3 印刷パターン部
5 スクリーン印刷版
6 スキージ
8 印刷対象物

Claims (5)

  1. 太陽電池の表面電極となるフィンガー電極およびバスバー電極をスクリーン印刷で形成するときに用いられるスクリーン印刷用メッシュ部材であって、このメッシュ部材は圧延金属箔にエッチングで孔開け加工されたものであり、フィンガー電極対応部では、横長型に形成された個々の孔が当該横長方向と直交する方向に列設され、当該横長方向長さが、印刷パターン予定部の幅より大きく、その端部が印刷パターン予定部の外側まで延びて形成されており、一方バスバー電極対応部では、同一形状の孔が縦方向および横方向に複数並んで配設されており、且つフィンガー電極対応部における開口面積率がバスバー電極対応部における開口面積率よりも大きく形成されたものであることを特徴とするスクリーン印刷用メッシュ部材。
  2. フィンガー電極対応部の開口面積率が65〜85%であり、バスバー電極対応部の開口面積率が25〜70%である請求項1に記載のスクリーン印刷用メッシュ部材。
  3. フィンガー電極対応部の開口面積率に対するバスバー電極対応部の開口面積率の比が、0.30〜0.80である請求項1または2に記載のスクリーン印刷用メッシュ部材。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載のスクリーン印刷用メッシュ部材を備えて構成されるスクリーン印刷版。
  5. フィンガー電極対応部の印刷パターンの幅が35〜75μmである請求項4に記載のスクリーン印刷版。
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