JP2014022194A - Ag電極形成用ペースト組成物とその製造方法ならびに太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
銀粉末と、ガラス成分と、有機媒体とを含むペースト組成物であって、ガラス成分は、ガラスフリットの表面にテルル化合物が担持されたテルル担持ガラスフリットを含む、Ag電極形成用ペースト組成物とする。このAg電極形成用ペースト組成物は、ガラスフリットとTe原料化合物とを混合し、ガラスフリットの融点をTm℃としたとき、(Tm−35)℃〜(Tm+20)℃の温度範囲で焼成することで、ガラスフリットの表面にテルル化合物が担持されたテルル担持ガラスフリットを用意する工程、ガラス成分の少なくとも一部としてテルル担持ガラスフリットを用い、該ガラス成分と銀粉末とを有機媒体に分散させる工程、を包含する製造方法により製造することができる。
【選択図】図2
Description
この太陽電池110は、p型シリコン基板(Siウエハ:p型結晶シリコンからなるp−Si層)111の受光面(図13では上面)側にpn接合形成により形成されたn−Si層116を備え、n−Si層116上には酸化チタンや窒化シリコンから成る反射防止膜114と、銀(Ag)から成る表面電極(受光面電極)112とを備えている。一方、p型シリコン基板(p−Si層)111の裏面(図13では下面)側には、受光面電極112と同様に銀(Ag)から成る裏面側外部接続用電極122と、いわゆる裏面電界(BSF;Back Surface Field)効果を奏するアルミニウム電極120とを備えている。
その他の手法として、例えば、シリコン基板111の表面のほぼ全面に反射防止膜114を形成し、この反射防止膜14の上の受光面電極112の形成部分に銀ペーストを直接塗布して焼成することにより、銀ペーストの下の反射防止膜114を溶融させて銀ペーストとシリコン基板111との電気的接触をとる、いわゆるファイヤースルー法も知られている。このファイヤースルー法で用いる銀ペーストは、例えば、銀粉末と、ガラス成分と、有機媒体とから主として構成されるものであって、ペースト中のガラス成分が焼成過程において反射防止膜を破ることで、ペースト中の銀成分とn−Si層116とによるオーミックコンタクトが実現されるものである。かかる手法によると、反射防止膜114の部分的除去を伴う電極形成手法と比較して、工程数が削減できるとともに、反射防止膜114の除去部分と受光面電極112の形成位置とにズレが生じる心配がない。そのため、受光面電極112の形成には、かかるファイヤースルー法が好ましく採用されている。
例えば、特許文献1〜3には、銀ペーストのガラス成分として、テルル(Te)をガラスネットワークフォーマー元素として含むガラスフリットを用いることで、良好なオーミックコンタクトが実現できることが開示されている。
また、特許文献4には、導電性粒子と、有機バインダと、溶剤と、ガラスフリットと、TeO2とを含有する太陽電池素子の電極形成用導電性ペーストにおいて、0.01ないし10重量%のTeO2を含有することで、低抵抗でFFの大きい電極を形成できることが開示されている。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、接着強度が高く接触抵抗の低い銀(Ag)電極を形成し得るペースト組成物を提供することを目的とする。また、かかるペースト組成物の製造方法を提供することを他の目的とする。さらにかかるペースト組成物を用いて形成された電極を備える変換効率が高く信頼性に優れた太陽電池を提供することを他の目的とする。
すなわち、このペースト組成物において、テルル化合物は、本質的に、単独の構成成分(例えば、テルル化合物粉末等の状態)として含まれていない。このペースト組成物において、テルル化合物は、ガラスを構成する成分としてではなく、ガラスフリットと不可分一体的に結合された状態で含まれている。なお、ガラスフリットとは、例えば、ガラス原料を溶融し急冷した後に必要に応じて粉砕する等して得られる、フレーク状または粉末状のガラスである。
したがって、「テルル(Te)をガラスネットワークフォーマー元素として含まないガラスを主成分とするガラス相」とは、当該ガラス相において、テルル(Te)をガラスネットワークフォーマー元素として含まないガラスが50質量%を超えて含まれることを意味している。例えば、テルル化合物相との界面近傍においてはガラス相中にテルルが含まれる部分があっても良いが、かかるテルルが含まれる部分はガラス相の50質量%未満であり、好ましくは30質量%以下であり、より好ましくは10質量%以下である。
また、「テルル化合物を主成分とするテルル化合物相」とは、当該テルル化合物相において、テルル化合物が50質量%を超えて含まれることを意味し、好ましくは当該成分が70質量%以上、より好ましくは90質量%以上含まれることをいう。例えば、ガラス相との界面近傍においてはテルル化合物相中にガラス相の構成成分が含まれる部分があっても良いが、かかるガラス相の構成成分を含む部分はテルル化合物相の50質量%未満であり、好ましくは30質量%以下であり、より好ましくは10質量%以下である。
かかるテルル担持ガラスフリットは、ガラス成分とテルル化合物とが強固に結合され、上記の最適な状態を長期に亘って維持可能であり得る。したがって、かかる構成によっても、強いハンダ強度と低接触抵抗とを両立し得るAg電極を形成できるAg電極形成用ペースト組成物が提供される。
なお、ここでいう「焼成」とは、ガラスフリットとテルル化合物の粉末同士を焼結により結合させることを意味するが、ガラスフリットとテルル化合物との緻密な焼結体を得ることは意味しない。なお、酸化によりTe原料化合物に含まれる炭酸や硝酸等の成分を離脱させることを含み得る。
かかる構成によると、ガラス成分が、ガラスフリットの存在を示すハローパターンと、ガラスフリットに担持されるテルル化合物に帰属するピークと、ガラスフリットとテルル化合物との反応物であるテルル含有化合物を含むことが確認できる。すなわち、ガラスフリットとテルル化合物とが界面を介して拡散結合していることが確認できる。
Ag電極形成用ペースト組成物に遷移金属粉末および遷移金属酸化物粉末等が含まれることで、かかるペースト組成物により形成される電極膜の接着強度の向上と、接触抵抗の低減が図られる。ここで、Ag電極形成用ペースト組成物に添加するに相応しい遷移金属粉末および遷移金属酸化物粉末としては、第4周期の遷移金属およびその酸化物の粉末が挙げられ、より好ましくは、例えば、Ni,Ti,Fe,Zn,Cu,Mnおよびこれらの酸化物の粉末が例示される。これにより、さらに高いレベルで接着強度の向上と低接触抵抗の両方が実現されたAg電極形成用ペースト組成物が実現される。
ガラスフリットとTe原料化合物とは、混合した状態のまま上記の温度範囲で焼成することで、テルル化合物がガラスフリットの表面に確実に担持される。このようにして用意されるテルル担持ガラスフリットをガラス成分として用いることで、接着強度が高く接触抵抗の低いAg電極を形成可能なAg電極形成用ペースト組成物を製造できる。
ガラスフリットとTe原料化合物とは焼成により互いに結合されて、ペースト組成物を調製するには大きな凝集体を形成することが考えられる。焼結による結合は、吸着等による付着に比べて強固ではあるものの、ガラスフリットとTe原料化合物とは混合した状態のまま間隙を持って結合されているため、この凝集体は軽い解砕(例えば、手作業による圧潰や、乳鉢および乳棒等を用いた軽い混合)によって所望の粒度にまで細粒化することができる。したがって、ボールミルや粉砕機等の特別な装置を用いることなく、ペースト組成物を調製するに適した粒度(例えば、0.1μm〜5μm程度)に調製することができる。
ここで開示されるペースト組成物は、太陽電池における銀(Ag)電極を形成する用途に用いられるAg電極形成用ペースト組成物である。かかるペースト組成物は、固形分として、銀粉末とガラス成分とを含んでおり、これが有機媒体に分散されて調製されている。そしてこのAg電極形成用ペースト組成物は、ガラス成分が、ガラスフリットの表面にテルル化合物が担持されたテルル担持ガラスフリットを含むことによって特徴づけられるものである。したがって、本発明の目的を実現する限りにおいて、その他の構成成分やその配合量(率)に関して厳密な制限はなく、また、この種のペースト組成物に従来より一般的に使われている分散剤等の各種の添加剤が含まれることは許容される。
ここで開示されるペースト組成物に主たる固形分として含まれる銀粉末は、銀(Ag)を主体とする粒子の集合体であり、典型的には、Ag単体からなる粒子の集合体である。しかし、かかる銀粉末が、Ag以外の不純物やAg主体の合金(粒子)を微量含むものであっても、全体としてAg主体の粒子の集合体であれば、ここでいう「銀粉末」に包含され得る。なお、かかる銀粉末は、従来公知の製造方法によって製造されたものでよく、特別な製造手段を要求するものではない。
例えば、平均粒径の差が互いに異なる複数の銀粉末(典型的には2種類)同士を混合し、混合粉末の平均粒径が上記範囲内にあるような銀(混合)粉末を用いることもできる。上記のような平均粒径の銀粉末を用いることにより、受光面電極として好適な緻密なAg電極を形成することができる。
ここで開示されるペースト組成物中の固形分のうち、副成分として含まれるガラス成分は、太陽電池の受光面電極としてのAg電極をファイヤースルー法により反射防止膜の上から形成するために必須の成分であり、また、基板への接着強度を向上させる無機添加材でもあり得る。そして本発明においては、かかるガラス成分が、ガラスフリットの表面にテルル化合物が担持されたテルル担持ガラスフリットを含んでいることで、Ag電極の付着強度を更に高め、かつ、接触抵抗を低減するという効果を奏する。
また、テルル化合物相は、ガラス相との界面近傍においてガラス相の構成成分を含み得る。この場合、ガラス相の構成成分は、テルル化合物の一構成成分として含まれる。
すなわち、テルル担持ガラスフリットにおいて、ガラス相とテルル化合物相は界面を介して接合し、界面近傍において互いの成分が拡散し得るものの、一方の相が他方の相に取り込まれることはなく、本質的には独立した異なる相として存在している。
かかるテルル担持ガラスフリットの特徴的な構成は、X線回折分析以外にも、例えば、エネルギー分散型X線(EDX)分析を行うこと等でも確認することができる。
このようなガラスフリットとしては、例えば、鉛系、亜鉛系、ホウケイ酸系、アルカリ系のガラス、および酸化バリウムや酸化ビスマス等を含有するガラス、またはこれら2種以上の組合せ等からなるものが例示される。より具体的には、例えば、以下に示すような代表組成(酸化物換算組成;ガラスフリット全体を100mol%とする。)を有するガラスフリットが例示される。
46〜57mol%PbO−1〜7mol%B2O3−38〜53mol%SiO2
[Li含有鉛系ガラス]
0.6〜18mol%Li2O−20〜65mol%PbO−1〜18mol%B2O3−20〜65mol%SiO2
[無鉛系ガラス]
10〜29mol%Bi2O3−15〜30mol%ZnO−0〜20mol%SiO2−20〜33mol%B2O3−8〜21mol%(Li2O,Na2O,K2O)
ガラスフリットに担持されるテルル化合物の割合についても特に制限はないが、例えば、おおよその目安として、上記のテルル化合物が、ガラスフリット100質量部に対して、酸化テルル(TeO2)に換算した時の質量で20質量部〜60質量部の割合で担持されているのが好ましく、より好ましくは30質量部〜50質量部程度である。
基板(例えばSi基板)上に付与したペースト組成物(膜)を安定的に焼成し、固着させる(焼き付かせる)ためには、該ペースト組成物中に含まれるテルル担持ガラスフリットのBET法に基づく比表面積が、概ね0.1m2/g以上10m2/g以下の程度であることが好ましい。また、平均粒径については、0.01μm以上10μm以下、より限定的には0.1μm以上5μm以下であるのが好ましい。
すなわち、テルル担持ガラスフリットは、銀粉末に対する割合がモル比で、Ag:Teとして、1:0.001〜1:0.1となる範囲で配合されているのが好ましい。より好ましくは、Ag:Teとして、1:0.001〜1:0.02である。
なお、ここで開示されるペースト組成物には、固形分として、更に、遷移金属粉末および遷移金属酸化物粉末の少なくともいずれかが含まれていても良い。遷移金属粉末および遷移金属酸化物粉末としては、周期律表の第3族から第11族に属する元素の単体もしくはその酸化物の粉末であってよく、典型的には、第一遷移元素(3d遷移元素)であるスカンジウム(Sc),チタン(Ti),バナジウム(V),クロム(Cr),マンガン(Mn),鉄(Fe),コバルト(Co),ニッケル(Ni),銅(Cu)および亜鉛(Zn)の単体もしくはその酸化物の粉末を考慮することができる。より好ましくは、Ni,Ti,Mnの単体あるいはその酸化物の粉末であり、さらに限定的には、NiまたはNiOであり得る。これらの粉末は、いずれか1種が単独で含まれても良いし、2種以上が含まれていても良い。
これらの粉末を構成する粒子の平均粒径としては、1nm以上200nm以下であることが適当であり、好ましくは5nm以上200nm以下であり、より好ましくは15nm以上200nm以下である。
かかる遷移金属粉末および遷移金属酸化物粉末の含有量としては、例えば、ペースト組成物の全体を100質量%としたとき、およそ0.5質量%以下程度を目安とすることができる。好ましくは0.001質量%〜0.5質量%、より好ましくは0.001質量%〜0.1質量%である。
ここで開示されるペースト組成物は、固形分として、上記のような銀粉末、ガラス成分、および必要に応じて遷移金属および遷移金属酸化物等の粉末を含むとともに、これらの固形分を分散させるための有機媒体(典型的にはビヒクル)を含んでいる。かかる有機媒体としては、上記の固形分、とりわけ銀粉末を良好に分散させ得るものであればよく、従来のこの種のペーストに用いられているものを特に制限なく使用することができる。例えば、有機媒体を構成する溶剤として、エチレングリコールおよびジエチレングリコール誘導体(グリコールエーテル系溶剤)、トルエン、キシレン、ブチルカルビトール(BC)、ターピネオール等の高沸点有機溶剤を一種類または複数種組み合わせて使用することができる。
また、ビヒクルは、有機バインダとして種々の樹脂成分を含むことができる。かかる樹脂成分はペースト組成物に良好な粘性および塗膜形成能(基板に対する付着性)を付与し得るものであればよく、従来のこの種のペーストに用いられているものを特に制限なく使用することができる。例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アルキド樹脂、セルロース系高分子、ポリビニルアルコール、ロジン樹脂等を主体とするものが挙げられる。このうち、特にエチルセルロース等のセルロース系高分子が好ましい。
(S10)ガラスフリットとTe原料化合物とを混合し、上記ガラスフリットの融点をTm℃としたとき、(Tm−35)℃〜(Tm+20)℃の温度範囲で焼成してテルル担持ガラスフリットを用意する工程。
(S20)ガラス成分の少なくとも一部として上記テルル担持ガラスフリットを用い、該ガラス成分と銀粉末とを有機媒体に分散させる工程。
図1に、一実施形態としてのテルル担持ガラスフリットを用意する工程(S10)のフローを、図6に、一実施形態としてのAg電極形成用ペースト組成物の製造フロー(S20)を示した。以下、適宜図面を参照しながら、Ag電極形成用ペースト組成物の製造方法について説明を行う。
ここに開示されるAg電極形成用ペースト組成物の製造方法では、まず、図1の工程S10として示したように、ガラスフリットとTe原料化合物とを混合し(S11)、この混合物を焼成する(S12)ことでテルル担持ガラスフリット(S13)を用意する。
ガラスフリットとしては、上記で示したように従来よりAg電極形成用ペーストに用いられているガラスフリットと同様のものを特に制限なく用いることができる。
次いで、図6の工程S20に示したように、上記で用意したテルル担持ガラスフリットをガラス成分の少なくとも一部として用い、ガラス成分と銀粉末とを有機媒体に分散させる。
かかる固形分材料の有機媒体への分散は、工程S21に示したように、これらの材料を混合することによって容易に実施することができる。これらの操作は、典型的には、例えば、三本ロールミルあるいはその他の混練機を用いて、所定の混合比の銀粉末およびガラス成分をビヒクルとともに混合・撹拌するとよい。なお、かかるペースト組成物に上記の遷移金属粉末あるいは遷移金属酸化物粉末を添加する場合には、銀粉末およびガラス成分などと共にこれらの粉末を混合すればよい。なお、以上の材料を混合するにあたり、全ての材料を同時に混合するようにしても良いし、2回以上に分けて投入しても良い。また、予め一部の材料を、例えば水系溶媒やアルコール類等の媒体に分散させた分散液の形態で混合する等してもよい。これにより、工程S22に示したようにAg電極形成用ペースト組成物を調製することができる。
以上のようにして得られるここで開示されるAg電極形成用ペースト組成物は、例えば、従来より基板上に受光面電極としてのAg電極を形成するのに用いられてきた銀ペーストと同様に取り扱うことができる。すなわち、ここに開示されるAg電極形成用ペースト組成物によるAg電極の形成には、従来公知の方法を特に制限なく採用することができる。例えば、図9に示した太陽電池10におけるAg電極(受光面電極12)を、ファイヤースルー法によりを形成する場合には、従来と同様にn+層16や反射防止膜14を基板の受光面に形成した後に、このAg電極形成用ペースト組成物を反射防止膜14の上に所望する膜厚(例えば20μm程度)や所望の塗膜パターンとなるように供給(塗布)する。ペースト組成物の供給は、典型的には、スクリーン印刷法、ディスペンサー塗布法、ディップ塗布法等によって行うことができる。なお、かかる基板としては、シリコン(Si)製基板11が好適であり、典型的にはSiウエハである。かかる基板11の厚さとしては、所望する太陽電池のサイズや、該基板11上に形成されるAg電極12,裏面電極20,反射防止膜14等の膜厚、該基板11の強度(例えば破壊強度)等を考慮して設定することができ、一般的には100μm以上300μm以下とされ、150μm以上250μm以下が好ましく、例えば160μm以上200μmであり得る。また、本ペースト組成物は、n+層16が薄くドーパント濃度の低いシャローエミッタ構造を有する基板11に対しても用いることができる。
次いで、ペースト塗布物を適当な温度(例えば室温以上であり、典型的には100℃程度)で乾燥させる。乾燥後、適当な焼成炉(例えば高速焼成炉)中で適切な加熱条件(例えば600℃以上900℃以下、好ましくは700℃以上800℃以下)で所定時間加熱することによって、乾燥塗膜の焼成を行う。これにより、上記ペースト塗布物が基板11上に焼き付けられ、図9に示すようなAg電極12が形成される。
なお、ここで開示されるAg電極形成用ペースト組成物を使用してAg電極(典型的には、受光面電極)を形成すること以外の太陽電池製造のための材料やプロセスは、従来と全く同様でよい。そして、特別な処理をすることなく、当該ペースト組成物によって形成されたAg電極を備えた太陽電池(典型的には結晶シリコン系太陽電池)を製造することができる。かかる結晶シリコン系太陽電池の構成の一典型例としては、上述の図9に示される構成が挙げられる。
Ag電極形成以外のプロセスとしては、裏面電極20としてのアルミニウム電極20の形成が挙げられる。かかるアルミニウム電極20の形成の手順は以下のとおりである。例えば、先ず、上記の通り受光面に受光面電極12を形成するためのAg電極形成用ペースト組成物を印刷し、裏面にも銀ペースト(ここで開示されるAg電極形成用ペースト組成物であってよい)を所望の領域に印刷し、乾燥させる。その後、裏面の銀ペースト形成領域の一部に重なるようにアルミニウム電極ペースト材料を印刷・乾燥し、全ての塗膜の焼成を行う。通常、アルミニウム電極20が焼成されるとともに、P+層(BSF層)24も形成され得る。すなわち、焼成によって裏面電極となるアルミニウム電極20がp型シリコン基板11上に形成されるとともに、アルミニウム原子が該基板11中に拡散することで、アルミニウムを不純物として含むp+層24が形成されることとなる。このようにして太陽電池(セル)10を作製することができる。
ガラスフリットとして、平均粒径が1.1μmで、PbO:38mol%,SiO2:32mol%,Li2O:12mol%の配合比で構成される鉛系(Pb系)ガラスからなるガラスフリットを用意した。
テルル化合物として、平均粒径が5μmのテルル酸粉末(Te(OH)6,稀産金属株式会社製、純度99%以上)を用意した。
このガラスフリット100質量部に対して、Te(OH)6を60質量部混合した。これは、酸化テルル(TeO2)に換算した時の質量で約40質量部となる。これらの材料を、図1に示したフローに従って混合した後、バットに広げ、450℃で30分程焼成した。これにより得られた焼成物は、焼結により凝集体を形成していたため、手で軽くほぐして解砕し、#150のふるいを通過したものを、テルル担持ガラスフリットとして用いた。なお、かかる焼成温度は、ガラスフリットの融点Tm(450℃)と同温度とした。
上記で用意したテルル担持ガラスフリットと、このテルル担持ガラスフリットの焼成前のガラスフリットおよびテルル酸粉末の混合物とについて、それぞれ走査型電子顕微鏡(SEM)により観察した。テルル担持ガラスフリットをSEMにより観察した結果を図3に、未焼成の混合物をSEMにより観察した結果を図4に示した。
図3からわかるように、テルル担持ガラスフリットではTe化合物粒子が凝集している割合が少なく、比較的均一に分散されてガラスフリットの表面に密着するように担持されているのがわかった。また、Te化合物粒子は図4のものに比べて丸みを失っており、Te化合物粒子とガラスフリットとが接合部でネックを形成して結合しているのが観察できた。
これに対し図4の未焼成の混合物では、Te化合物は丸い粒状を保ったまま、比較的凝集しつつガラスフリットと混合状態にあるのがわかる。またTe化合物は丸い粒状であり、ガラスフリットとTe化合物粒子は接触している部分はあるが一体化されずに存在している様子が観察された。
上記で用意したテルル担持ガラスフリットと、このテルル担持ガラスフリットの焼成前の混合物とについて、X線回折(XRD)分析を行った。XRD回折分析には、線源にCuKα線を用いたXRD分析装置(株式会社リガク製、Ultrax18‐TTR3−300)により、測定角2θを0°〜60°の範囲とする測定を行った。テルル担持ガラスフリットについて得られたXRDパターンを図5に、未焼成の混合物について得られたXRDパターンを図6に示した。
図6の未焼成の混合物のXRDパターンでは、テルル酸の鋭いピークが検出されており、ガラスとテルル酸とが一体化されずに存在していることが確認された。
これに対し、図5のテルル担持ガラスフリットのXRDパターンは、ハローパターンに結晶のピークパターンが重畳した形態であり、得られた回折ピークはPb3TeO5、Te2O5およびTeO3のテルル含有酸化物に帰属するピークが観測された。すなわち、テルル担持ガラスフリットには、(1)ガラスフリットに由来するガラス相と、(2)テルル酸が焼成されて形成されたテルル酸化物からなる相(Te2O5およびTeO3)に加えて、(3)ガラスフリットの構成成分とテルル酸の構成成分とから構成されるテルル含有化合物(Pb3TeO5)が存在することが確認できた。上記のSEM観察の結果と併せて、(3)テルル含有化合物はガラス相とテルル酸化物からなる相との界面に形成されているものと考えられる。
(ペースト組成物A)
銀粉末として、平均粒径(D50)が2μmの銀粒子(DOWAエレクトロニクス株式会社製、AG48F)を用意した。
有機媒体として、バインダ(エチルセルロース)と有機溶剤(ターピネオール)とからなる有機ビヒクルを用意した。
図6のフローに従い、この銀粉末100質量部に対し、上記で用意したテルル担持ガラスフリット3.5質量部を加え、有機媒体と共に混合して、ペースト組成物を調製した。なお、ここでは、バインダの割合は、銀粉末とテルル担持ガラスフリットとの合計量を100質量部として6質量部となるように配合し、残部を有機溶剤とした。これにより、Ag電極形成用ペースト組成物を得た。これを、ペースト組成物Aとした。
また、銀粉末100質量部に対し、上記で用意したのと同じ、ガラスフリット(すなわち、テルルを担持しないガラスフリット)2質量部と、テルル酸1質量部とを混合した後、有機媒体と共に混合し、ペースト組成物を調製した。ここでも、有機媒体は、バインダの質量が、銀粉末とテルル担持ガラスフリットとの合計量に等しくなるように配合した。これにより、Ag電極形成用のペースト組成物を調整した。これを、ペースト組成物Bとした。
上記で用意したペースト組成物AおよびBをシリコン基板の表面にそれぞれ印刷し、85℃で乾燥させて有機溶剤を揮発させることで、塗膜AおよびBをそれぞれ作製した。
上記で用意した塗膜AおよびBを基板ごと切断し、それぞれの切断面についてエネルギー分散型X線分光法(EDX)による分析を行った。分析には、SEM−EDX(SEM:株式会社日立ハイテクフィールディング製,S−4700、EDX:株式会社HORIBA製,X−max)を用いた。SEM−EDXによる分析結果を、図7A〜図8Cに示した。図7Aは塗膜Aの断面のSEM観察結果であり、図7Bは、図7A中のTで示した位置におけるEDXスペクトルを、図7Cは、図7A中のGで示した位置におけるEDXスペクトルをそれぞれ示している。また、図8Aは塗膜Bの断面のSEM観察結果であり、図8Bは、図8A中のTで示した位置におけるEDXスペクトルを、図8Cは、図8A中のGで示した位置におけるEDXスペクトルをそれぞれ示している。
また、図8A中の位置「T」は、SEM観察の結果から、テルル酸の中心付近とみられる位置であり、「G」はガラスフリットの端部である。図8B〜Cより、焼成前の塗膜Bにおいては、ガラスフリットの成分(Pb)とテルル酸の部分とで、各々の成分が別個に検出されることが確認できた。
このことから、塗膜Aと塗膜Bとでは、ペーストを調製するのに用いた材料は同じであっても、全く異なる構成の塗膜が形成されていることが確認できた。
[ガラス成分の用意]
(ガラス成分a) PbO:38mol%,SiO2:32mol%,Li2O:12mol%の配合比で構成される鉛系(Pb系)ガラスからなるガラスフリットを用意し、ガラス成分aとした。
(ガラス成分b) 上記のガラス成分aを100重量部に対して、Te(OH)2を60質量部混合し、450℃で30分程焼成することで、ガラスフリットにテルル化合物を担持させた焼成体を用意した。この焼成体を軽く解砕し、#150のふるいを通過したものをガラス成分b(テルル担持ガラスフリット)とした。
(ガラス成分c) PbO:52mol%,TeO2:36mol%の配合比で構成される鉛−テルル系(Pb−Te系)ガラスからなるガラスフリットを用意し、ガラス成分cとした。
(1)銀粉末として、平均粒径(D50)が2μmの銀粒子(DOWAエレクトロニクス株式会社製、AG48F)を用意した。
(2)ガラス成分としては、上記で用意したガラス成分a〜cのいずれかを用いることとした。
(3)添加成分として、平均粒径(D50)が0.15μmのニッケル粒子(JFEミネラル株式会社製、117X)を用意した。
(4)有機媒体として、バインダ(エチルセルロース)と有機溶剤(ターピネオール)とからなる有機ビヒクルを用意した。
上記で用意した(1)銀粉末、(2)ガラス成分b(テルル担持ガラスフリット)、および(3)ニッケル粒子とを混合し、(4)有機媒体と混練することで、ペースト組成物(サンプル1)を得た。各材料の配合割合は、ペースト組成物全体を100質量%としたとき、銀粉末が85質量%、ガラス成分bが2質量%、ニッケル粒子が0.06質量%、残部が有機媒体となる割合とした。なお、有機媒体は、上記バインダがペースト組成物の固形分重量を100質量部として6質量部となり、その残りが有機溶剤となるように調製した。
サンプル1のガラス粉末bに代えて、上記のガラス成分c(Pb−Te系ガラスフリット)を用い、その他の条件はサンプル1と同様にして、ペースト組成物(サンプル2)を得た。
(サンプル3)
サンプル1のガラス粉末bに代えて、ガラス成分a(Pb系ガラスフリット)を用い、さらにTeO2を加えて、その他の条件はサンプル1と同様にして、ペースト組成物(サンプル3)を得た。なお、ガラス成分aおよびTeO2の割合は、ペースト組成物全体を100質量%としたとき、ガラス成分aが2質量%、TeO2が1質量%となるように混合した。
上記で得られたサンプル1〜3のペースト組成物を受光面電極形成用ペーストとして用い、以下の手順で評価用の太陽電池セルを作製した。
すなわち、先ず、市販の156mm四方の大きさの太陽電池用p型単結晶シリコン基板(板厚180μm)を用意し、その表面を、フッ酸と硝酸とを混合した混酸を用いて酸エッチング処理した。次いで、上記エッチング処理で微細な凹凸構造が形成されたシリコン基板の受光面にリン含有溶液を塗布し、熱処理を行なうことによって当該シリコン基板の受光面に厚さが約0.5μmであるn−Si層(n+層)を形成した(図9参照)。このn−Si層上に、プラズマCVD(PECVD)法によって厚みが80nm程度の反射防止膜(窒化シリコン膜)を形成した。
その後、用意したサンプル1〜3のペースト組成物を用い、反射防止膜上にスクリーン印刷法によって受光面電極(Ag電極)となる塗膜(厚さ10μm以上30μm以下)を形成した。また、同様にして、裏面電極(Ag電極)となる塗膜をパターン状に形成した。これらの塗膜は85℃で乾燥させて次工程に供した(図9参照)。
以下、サンプル1〜3のペースト組成物を用いて作製した太陽電池をそれぞれサンプル1〜3の太陽電池等のように対応させて呼ぶ。
ソーラーシミュレータ(Beger社製、PSS10)を用いて、サンプル1〜3の太陽電池のI−V特性を測定し、得られたI−V曲線から曲線因子(fill factor:FF)とエネルギー変換効率(Eff)を求めた。FF値およびEff値は、JIS C−8913に規定される「結晶系太陽電池セル出力測定方法」に基づいて算出した。
FF値およびEff値の算出結果を、百分率の形式で表し、表1に示した。なお、この算出値は、ソーラーシミュレータによって得られた100個のデータの平均値である。変換効率については、図11にも示した。
次に、上記のとおり作製したサンプル1〜3の太陽電池における、銀電極の接着強度を評価した。銀電極の接着強度(剥離強度)の評価は、図5に示したような、強度測定装置300を用いて行った。
具体的には、図10に示した強度測定装置300の固定治具40上に固定ねじ43及び係止板44を介してガラス基板41を固定し、そのガラス基板41上にエポキシ接着材42を介して、評価用の太陽電池10の受光面側を上にし、裏面側を下にして載置し、固着した。
こうしてガラス基板41上に固着した評価用の太陽電池の上面側に位置する銀電極12上に、タブ線35をハンダ層30を介してハンダ付けし、この導電性接着フィルム30上にさらに貼り付けた。
そして、図10に示すように、強度測定装置300を固定治具40の底面が135°になるように傾斜させ、タブ線35に予め形成されている延長部35eを鉛直方向上方に引っ張ることにより(矢印45参照)、タブ線35/ハンダ層30/銀電極12の接着強度を測定した。接着強度の測定結果を表1と図12に示した。
サンプル1〜3のペースト組成物に含まれるTe成分の割合はいずれも同じであるが、ペースト組成物中のTe成分の含有形態がそれぞれ異なっている。すなわち、サンプル1のペースト組成物において、Te成分は、ガラスフリットの表面に担持されて一体化された状態で存在しているが、そのほとんどがガラスフリット(ガラス相)からは独立した状態を維持している。サンプル2のペースト組成物において、Te成分は、全てがガラス形成成分として含まれ、ガラスフリット(ガラス相)中にほぼ均一に含まれている。サンプル3のペースト組成物において、Te成分は、単独の化合物として、ガラスフリットや銀粉末等の他の材料とは独立し、これらの材料との混合物の状態で含まれている。
また、変換効率(Eff)についても、曲線因子とほぼ同様の結果が得られた。すなわち、Teがガラス成分の一部として含まれるサンプル1および2については、Teがガラス成分と離れた状態で含まれるサンプル3よりもEff値が0.1%以上高い値となり、Teがガラス相に含まれるかガラス相と極めて近い位置に存在することで変換効率が高められることが確認できた。
サンプル1のニッケル粒子(Ni粒子)に代えて、表2に示す添加成分を用い、その他の条件はサンプル1と同様にして、ペースト組成物(サンプル4〜13)を得た。
すなわち、サンプル4のペースト組成物は、添加成分を含むことなく、サンプル1のペースト組成物からNi粒子を取り除いたものとした。
サンプル6のペースト組成物は、サンプル1のNi粒子に代えて、Ti粒子を同量用いたものとした。
サンプル7のペースト組成物は、サンプル1のNi粒子に代えて、Fe2O3粒子を同量用いたものとした。
サンプル8のペースト組成物は、サンプル1のNi粒子に代えて、ZnO粒子を同量用いたものとした。
サンプル10のペースト組成物は、サンプル9のCu粒子に代えて、CuO粒子を同量用いたものとした。
サンプル11のペースト組成物は、サンプル9のCu粒子に代えて、MnO2粒子を同量用いたものとした。
サンプル12のペースト組成物は、サンプル9のCu粒子に代えて、Mn2O3粒子を同量用いたものとした。
サンプル13のペースト組成物は、サンプル9のCu粒子に代えて、Mn3O4粒子を同量用いたものとした。
上記で得られたサンプル4〜13のペースト組成物を受光面電極形成用ペーストとして用い、上記のサンプル1〜3の場合と同じ手順で評価用の太陽電池セルを作製した。サンプル4〜13のペースト組成物を用いて作製した評価用の太陽電池を、便宜上、それぞれサンプル4〜13の太陽電池等のように対応させて呼ぶ。
サンプル4〜13の太陽電池について、上記のサンプル1〜3の場合と同じ手順で、曲線因子(FF)を算出し、また、受光面のAg電極の接着強度の測定を行った。これらの結果を、表2に示した。なお、参考のために、サンプル1の太陽電池についての結果も併せて示した。
11 基板
12 受光面電極(Ag電極)
14 反射防止膜
16 n−Si層(n+層)
20 裏面電極(アルミニウム電極)
22 裏面側外部接続用電極
24 p+層
110 太陽電池
111 基板
112 表面電極(受光面電極)
114 反射防止膜
116 n−Si層(n+層)
120 アルミニウム電極(裏面電極)
122 裏面側外部接続用電極
124 p+層
300 強度測定装置
Claims (13)
- 銀粉末と、ガラス成分と、有機媒体とを含むペースト組成物であって、
前記ガラス成分は、ガラスフリットの表面にテルル化合物が担持されたテルル担持ガラスフリットを含む、Ag電極形成用ペースト組成物。 - 前記テルル担持ガラスフリットは、
テルル(Te)をガラスネットワークフォーマー元素として含まないガラスを主成分とするガラス相と、
テルル化合物を主成分とするテルル化合物相とを少なくとも有し、
前記ガラス相と前記テルル化合物相とが界面を介して一体化されている、請求項1に記載のAg電極形成用ペースト組成物。 - 前記テルル担持ガラスフリットは、前記ガラスフリットと前記テルル化合物を形成するためのTe原料化合物との混合物が焼成されてなる、請求項1または2に記載のAg電極形成用ペースト組成物。
- 前記混合物は、前記ガラスフリットの融点をTmとしたとき、(Tm−35)℃〜(Tm+20)℃の温度範囲で焼成されてなる、請求項3に記載のAg電極形成用ペースト組成物。
- 前記テルル担持ガラスフリットは、前記テルル化合物が、前記ガラスフリット100質量部に対して、酸化テルル(TeO2)に換算した時の質量で20質量部〜60質量部の割合で担持されている、請求項1〜4のいずれかに記載のAg電極形成用ペースト組成物。
- 前記テルル担持ガラスフリットは、銀粉末に対する割合がモル比で、Ag:Teとして、1:0.001〜1:0.1となる範囲で配合されている、請求項1〜5のいずれかに記載のAg電極形成用ペースト組成物。
- 前記ガラス成分のX線回折分析により得られる回折パターンが、前記ガラスフリットに由来するハローパターンの中に、前記テルル化合物に帰属するピークを含む、請求項1〜6に記載のAg電極形成用ペースト組成物。
- 前記ガラス成分のX線回折分析により得られる回折パターンが、さらに、前記ガラスフリット成分および前記テルル化合物成分から構成されるテルル含有化合物に帰属するピークを含む、請求項7に記載のAg電極形成用ペースト組成物。
- さらに、遷移金属粉末および遷移金属酸化物粉末の群から選択される少なくとも1種の粉末を含む、請求項1〜8のいずれかに記載のAg電極形成用ペースト組成物。
- 銀粉末と、ガラス成分と、有機媒体とを含む太陽電池用のAg電極形成用ペースト組成物を製造する方法であって、
ガラスフリットとTe原料化合物とを混合し、前記ガラスフリットの融点をTm℃としたとき、(Tm−35)℃〜(Tm+20)℃の温度範囲で焼成することで、ガラスフリットの表面にテルル化合物が担持されたテルル担持ガラスフリットを用意する工程、
ガラス成分の少なくとも一部として前記テルル担持ガラスフリットを用い、該ガラス成分と銀粉末とを有機媒体に分散させる工程、
を包含する、製造方法。 - 前記テルル担持ガラスフリットをさらに解砕する工程を含む、請求項10に記載の製造方法。
- 請求項1〜9のいずれか1項に記載のAg電極形成用ペースト組成物を用いて形成された電極を備える太陽電池。
- 前記電極が受光面電極である、請求項12に記載の太陽電池。
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