JP2019106525A - 太陽電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】反射率を低減させることによって変換効率が改善された太陽電池を提供する。【解決手段】シリコン基板、および前記シリコン基板上に形成された電極を含む太陽電池であって、前記シリコン基板は、断面で高さ（ｈ）が５０ｎｍ以上である凸部を、基板の長さ当たり５個以上有し、前記電極は、電極形成用組成物から形成され、前記電極形成用組成物に対する水の接触角が１５°〜６０°である、太陽電池。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池に関する。
太陽電池は、太陽光の光子を電気に変換させるｐｎ接合の光電効果を用いて、電気エネルギーを発生させる。太陽電池においては、ｐｎ接合が構成される半導体ウェハーまたは基板の上面および下面に、それぞれ前面電極および後面電極が形成されている。また、太陽電池においては、半導体ウェハーに入射する太陽光によってｐｎ接合の光電効果が誘導され、これから発生した各電子が電極を介して外部に流れる電流を提供する。このような太陽電池の電極は、太陽電池電極形成用組成物の塗布、パターニング、および焼成によってウェハーの表面に形成できる。
太陽電池に入射する光の反射率を低減させることによって太陽電池の効率を高めるために、基板の表面に対するテクスチャ処理および／または反射防止膜の形成等の方法が適用されているが、反射防止効果が十分ではない。
また、テクスチャ処理をする場合、電極と基板との接着性が低下するという問題もある。
したがって、太陽電池に入射する光の反射防止効果を向上させると共に、電極と基板との接着性に優れ、接触抵抗、直列抵抗、短絡電流、および変換効率などの電気的特性が改善された太陽電池が求められている。
これに関連する先行技術は、特許文献１に記載されている。
特開２０１２−０８４５８５号公報
本発明の目的は、反射率を低減させることによって変換効率が改善された太陽電池を提供することにある。
本発明の他の目的は、電極と基板との接着性に優れ、接触抵抗、直列抵抗、短絡電流などの電気的特性に優れた太陽電池を提供することにある。
本発明の上記目的およびその他の目的は、下記で説明する本発明によって全て達成され得る。
本発明は、太陽電池に関する。
本発明の一実施形態による太陽電池は、シリコン基板、および前記シリコン基板上に形成された電極を含み、前記シリコン基板は、断面で高さ（ｈ）が５０ｎｍ以上である凸部を、基板の長さ５μｍ当たり５個以上有し、前記電極は、電極形成用組成物から形成され、前記電極形成用組成物に対する水の接触角が１５°〜６０°である。
前記電極形成用組成物は、電極形成用組成物の全質量に対して、導電性粉末を６０質量％〜９５質量％、ガラスフリットを０．１質量％〜２０質量％、有機バインダーを０．１質量％〜１５質量％、表面張力調節剤を０．１質量％〜５質量％、および溶媒を０．１質量％〜２０質量％の含有量で含むことが好ましい。
前記ガラスフリットは、テルル（Ｔｅ）、リチウム（Ｌｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、鉛（Ｐｂ）、ナトリウム（Ｎａ）、リン（Ｐ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム（Ｇａ）、セリウム（Ｃｅ）、鉄（Ｆｅ）、ケイ素（Ｓｉ）、タングステン（Ｗ）、マグネシウム（Ｍｇ）、モリブデン（Ｍｏ）、セシウム（Ｃｓ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、チタン（Ｔｉ）、スズ（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、バナジウム（Ｖ）、バリウム（Ｂａ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、カリウム（Ｋ）、ヒ素（Ａｓ）、コバルト（Ｃｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、マンガン（Ｍｎ）、アルミニウム（Ａｌ）およびホウ素（Ｂ）からなる群より選択される少なくとも１種の元素を含むことが好ましい。
前記表面張力調節剤は、シリコン系添加剤、アミド系添加剤、および脂肪酸系界面活性剤からなる群より選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。
前記溶媒は、へキサン、トルエン、エチルセロソルブ、シクロヘキサノン、ブチルセロソルブ、ブチルカルビトール（ジエチレングリコールモノブチルエーテル）、ジブチルカルビトール（ジエチレングリコールジブチルエーテル）、ブチルカルビトールアセテート（ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート）、プロピレングリコールモノメチルエーテル、へキシレングリコール、メチルエチルケトン、ベンジルアルコール、γ−ブチロラクトン、乳酸エチル、テキサノール（登録商標、以下同じ）（２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノイソブチレート）、およびジエチレングリコールジブチルエーテルからなる群より選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。
前記有機バインダーは、エチルヒドロキシエチルセルロース、ニトロセルロース、エチルセルロースとフェノール樹脂との混合物、アルキド樹脂、フェノール系樹脂、アクリル酸エステル系樹脂、キシレン系樹脂、ポリブテン系樹脂、ポリエステル系樹脂、尿素系樹脂、メラミン系樹脂、酢酸ビニル系樹脂、木材ロジン（ｒｏｓｉｎ）、アルコールのポリメタクリレート、ポリビニルブチレート、およびポリビニルアセタールからなる群より選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。
前記組成物は、分散剤、揺変剤、可塑剤、粘度安定化剤、消泡剤、顔料、紫外線安定剤、酸化防止剤、およびカップリング剤からなる群より選択される少なくとも１種の添加剤をさらに含むことが好ましい。
本発明によれば、反射率を低減させることによって変換効率を改善することができる太陽電池が提供される。
また、本発明によれば、電極と基板との接着性に優れ、接触抵抗、直列抵抗、短絡電流などの電気的特性に優れた太陽電池が提供される。
本発明の一実施形態に係る太陽電池を示す概略図である。 本発明に係るシリコン基板の凸部の高さの定義を説明する図である。 太陽電池セルの凹凸基準を例に挙げた電子顕微鏡イメージである。 組成物に対する水の接触角の測定方法を説明する図である。 比較例３で用いられたシリコン基板表面の電子顕微鏡写真である。 本発明の実施例２に係るシリコン基板表面の電子顕微鏡写真である。
以下、本発明をより具体的に説明する。
本発明を説明する際、関連する公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にし得ると判断される場合、それに対する詳細な説明は省略する。
本明細書において、「含む」、「有する」、「からなる」などが使用される場合、「〜のみ」が使用されない以上、他の部分が追加されてもよい。構成要素を単数で表現した場合、特別に明示的な記載事項がない限り、複数を含む場合も含む。
また、構成要素を解釈する際、別途の明示的な記載がなくても誤差範囲を含むものと解釈する。
本明細書において、「金属酸化物」は、一つの金属酸化物を意味してもよく、複数の金属酸化物を意味してもよい。
また、本明細書において、範囲を示す「Ｘ〜Ｙ」は、「Ｘ以上Ｙ以下」を意味する。
本明細書において、「高さ（ｈ）が５０ｎｍ以上である凸部」とは、シリコン基板の断面で周囲より高い５００ｎｍ直径以内の部分である突出部であって、突出部の両端を結んだ直線から垂直に最も高い部分の長さが５０ｎｍ以上であることを意味する（図２参照）。図３は、実際のシリコン基板の断面写真（電子顕微鏡写真）を使用して凸部を定義したものである。
（太陽電池）
以下、図１を参考にして、本発明の一実施形態に係る太陽電池を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る太陽電池の構造示す概略図である。
本発明の一実施形態に係る太陽電池１００は、シリコン基板１０、およびシリコン基板１０上に形成された電極を含んでもよく、具体的には、シリコン基板１０の前面には、前面電極２３を有してもよい。シリコン基板１０は、ｐｎ接合を有する基板であってもよく、シリコン基板１０の後面は、後面電極２１を有していてもよい。具体的に、シリコン基板１０は、半導体基板１１およびエミッター１２を有してもよい。より具体的に、シリコン基板１０は、ｐ型半導体基板１１の一の面に、ｎ型ドーパントをドーピングすることによってｎ型エミッター１２が形成された基板であってもよい。または、シリコン基板１０は、ｎ型半導体基板１１の一の面に、ｐ型ドーパントをドーピングすることによってｐ型エミッター１２が形成された基板であってもよい。このとき、半導体基板１１は、ｐ型基板およびｎ型基板のうちいずれか一つを意味する。ｐ型基板は、ｐ型ドーパントでドーピングされた半導体基板１１であってもよく、ｎ型基板は、ｎ型ドーパントでドーピングされた半導体基板１１であってもよい。
本明細書において、シリコン基板１０および半導体基板１１などを説明する際、光が入射する側の表面は前面（受光面）といい、前面と反対側の表面は後面という。
一実施形態による半導体基板１１は、結晶質ケイ素または化合物半導体から製造され得る。このとき、結晶質ケイ素は、単結晶であってもよいし多結晶であってもよい。結晶質ケイ素から製造される半導体基板としては、たとえば、シリコンウェハーが使用されてもよい。
ｐ型ドーパントは、ボロン、アルミニウム、ガリウムなどの周期律表第１３族元素を含む物質であってもよい。また、ｎ型ドーパントは、リン、ヒ素、アンチモンなどの周期律表第１５族元素を含む物質であってもよい。
シリコン基板１０の表面に形成される後面電極２１または前面電極２３は、後述する電極形成用組成物から製造され得る。具体的には、電極形成用組成物を基板に印刷した後焼成することによって製造され得る。
本発明の一実施形態に係る太陽電池１００は、シリコン基板１０、および前記シリコン基板１０上に配置された電極を含み、前記シリコン基板は、断面で高さ（ｈ）が５０ｎｍ以上である凸部を、基板の長さ５μｍ当たり５個以上有する。具体的には、凸部は５個〜１００個有することが好ましく、５個〜５０個有することがさらに好ましい。
凸部を５個以上有するシリコン基板は、既存のシリコンウェハーに比べて表面粗さ（ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）が増加し、太陽光の反射率をさらに低減させることができ、電極とシリコン基板との接触面積を増加させることによって、接触抵抗（Ｒｃ）および短絡電流（Ｉｓｃ）も改善することができる。
シリコン基板にナノテクスチャ（Ｎａｎｏ ｔｅｘｔｕｒｅ、凸部）を形成するための方法としては、大きく分けて、湿式エッチングと乾式エッチングとを挙げることができる。代表的な湿式エッチング方法としては、金属触媒を用いた化学エッチング法（ＭＣＣＥ、Ｍｅｔａｌ Ｃａｔａｌｙｚｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｔｃｈｉｎｇ）がある。たとえば、切断ダメージ除去（ＳＤＲ、Ｓａｗ Ｄａｍａｇｅ Ｒｅｍｏｖａｌ）の工程により、ダイヤモンド切削（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｓａｗｉｎｇ）工程中に発生した切断ダメージ（Ｓａｗ ｄａｍａｇｅ）を除去し、ＭＣＣＥ工程によりナノテクスチャを形成する。ＭＣＣＥは、硝酸銀（ＡｇＮＯ３）を用いてシリコン表面を徐々に切り取り、その副生物として発生した銀ナノ粒子を除去することによって完了する工程である。また、乾式エッチング方法の代表的な例としては、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ、Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）があるが、この方法は、前記ＳＤＲ工程を経たシリコンウェハーを、プラズマを用いて乾式エッチングを行う方法である。このとき、ＳＦ６／Ｏ２ガスが使用され、マスクとして使用されるＳｉＯＦ層の除去が必要である。
本発明では、湿式エッチング法を用いて、シリコン基板のナノテクスチャ（凸部）の数を調節した。
他の実施形態において、本発明の太陽電池は、シリコン基板１０の前面に反射防止膜（図示せず）を有してもよい。また、シリコン基板１０の後面は、後面電界層（図示せず）、反射防止膜（図示せず）、および後面電極２１を順次有してもよい。このとき、前面電極２３または後面電極２１は、シリコン基板１０にバスバーのパターンで形成され得る。
以下、説明の便宜上、半導体基板１１がｐ型基板であるという前提で、本発明の太陽電池の各構成を説明する。しかしながら、本発明の具体例はこれに限定されず、半導体基板１１がｎ型基板である場合も含む。
ｐ型基板１１の一の面には、ｎ型ドーパントをドーピングしてｎ型エミッター１２が形成され、これによりｐｎ接合が形成される。このとき、ｐｎ接合は、半導体基板とエミッターとの界面に形成されてもよい。ｐｎ接合を通じて生成された電子は、前面電極２３で集められる。
シリコン基板１０の前面にはテクスチャ構造が形成されてもよい。テクスチャ構造は、シリコン基板１０の前面側の表面を、エッチングなどの公知の技術を用いて表面処理することによって形成され得る。テクスチャ構造は、基板の前面を介して入射する光を集める機能をする。テクスチャ構造は、ピラミッド形状、正方形の蜂の巣形状、三角形の蜂の巣形状などであってもよい。この場合、ｐｎ接合まで到逹する光量を増加させることができ、光の反射率を低減させ、光の損失を最小化することができる。
本発明によれば、シリコン基板は、テクスチャ構造を形成したシリコン基板にさらに凸部を形成することによって、太陽光の反射率をさらに低減させることができ、接触抵抗（Ｒｃ）および短絡電流（Ｉｓｃ）をさらに改善することができる。
ｐ型基板の後面には、後面電界（ｂａｃｋ ｓｕｒｆａｃｅ ｆｉｅｌｄ、ＢＳＦ）効果をもたらす後面電界層（ＢＳＦ ｌａｙｅｒ、ｂａｃｋ ｓｕｒｆａｃｅ ｆｉｅｌｄ ｌａｙｅｒ）が形成されてもよい。
後面電界層は、ｐ型半導体基板１１の後面に、ｐ型ドーパントを高濃度でドーピングすることによって追加的に形成された層を意味する。後面電界層は、ｐ型半導体基板１１より高濃度でドーピングされるので、後面電界層とｐ型半導体基板１１との間に電位差が生じる。この場合、ｐ型半導体基板１１の内部で発生した電子が後面側に移動して金属と再結合することを防止することができ、その結果、電子の損失率が低下する。これにより、開放電圧（ｏｐｅｎ−ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ、Ｖｏｃ）および曲線因子（Ｆｉｌｌ Ｆａｃｔｏｒ）が向上し、太陽電池の効率を向上させることができる。
また、ｎ型エミッター１２の上部表面または後面電界層（図示せず）の下部表面には、第１反射防止膜（図示せず）および／または第２反射防止膜（図示せず）がそれぞれ形成されてもよい。
第１および第２反射防止膜は、光の反射率を低減させ、特定の波長の光の吸収率を増加させることができる。また、第１および第２反射防止膜は、シリコン基板１０の表面に存在するシリコンとの接着性を改善し、太陽電池の効率を向上させることができる。よって、第１および第２反射防止膜は、光の反射を少なくし、且つ絶縁性を有する物質を含み得る。また、第１および第２反射防止膜は、その表面に凹凸構造が形成されてもよいし、または、基板に形成されたテクスチャと同様の形態を有してもよい。この場合、入射光の反射損失を低減させることができる。
第１および第２反射防止膜は、たとえば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２またはＴｉＯ４）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、およびこれらの組み合わせを含む酸化物；窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（ＳｉＮＸ）、窒化チタン（ＴｉＮ）およびこれらの組み合わせを含む窒化物；ならびに酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、酸窒化チタン（ＴｉＯＮ）およびこれらの組み合わせを含む酸窒化物；のうち少なくとも１種を含むことが好ましい。この場合、反射防止効率がさらに向上する。
反射防止膜の形成方法としては、たとえば、原子層蒸着法（ＡＬＤ、ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、真空蒸着法、常圧化学気相蒸着法、プラズマ化学気相蒸着法（ＰＥＣＶＤ、ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などを挙げることができる。
一実施形態において、前記反射防止膜は、ＰＥＣＶＤにより窒化ケイ素（ＳｉＮＸ）などの材料から形成され得る。他の実施形態において、前記反射防止膜は、ＡＬＤにより酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの材料から形成され得る。
一実施形態において、第１反射防止膜は、シリコン基板１０の前面に形成されてもよく、単層または複数層で形成されてもよい。
また、他の実施形態において、ｐ型半導体基板１１の後面にボロンがドーピングされることによって後面電界層が形成された場合は、後面電界層の下部に第２反射防止膜がさらに形成されてもよい。第２反射防止膜の形成により、開放電圧をさらに向上させることができる。
反射防止膜の形成後には、ｎ型エミッター層１２と通電する前面電極２３、およびｐ型半導体基板１１と通電する後面電極２１が形成されてもよい。前面電極２３には、ｎ型エミッターで集められた電子が流れ得る。後面電極２１はｐ型基板と通電し、電流が流れる通路となる。
一実施形態による前面電極２３および後面電極２１は、電極形成用組成物によって形成され得る。
たとえば、電極形成用組成物を、ｐｎ接合を有する基板の後面に印刷することにより塗布する。その後、たとえば２００℃〜４００℃の温度で１０秒〜６０秒間乾燥させることによって、後面電極のための事前準備がなされる。また、ｐｎ接合を有する基板の前面に電極形成用組成物を印刷した後で乾燥することによって、前面電極のための事前準備がなされる。その後、たとえば４００℃〜９５０℃、好ましくは７５０℃〜９５０℃の温度で、たとえば３０秒〜２１０秒間、好ましくは３０秒〜約１８０秒間焼成を行うことによって、前面電極および後面電極を形成することができる。
特に、本発明の一実施形態による前面電極または後面電極は、後述する電極形成用組成物から形成されることによって、凸部を含むシリコン基板に対しても、電極とシリコン基板との接着性に優れ、接触抵抗、直列抵抗などの電気的特性をさらに改善することができる。
（電極形成用組成物）
本発明に係る電極形成用組成物は、導電性粉末、ガラスフリット、有機バインダー、表面張力調節剤、および溶媒を含むことが好ましい。
以下、各成分を詳細に説明する。
（導電性粉末）
本発明に係る電極形成用組成物は、導電性粉末を含むことが好ましい。導電性粉末の好ましい例として、銀（Ａｇ）粉末が挙げられる。銀粉末は、ナノサイズまたはマイクロサイズの平均粒径を有する粉末であることが好ましい。たとえば、銀粉末は、数十ナノメートル〜数百ナノメートルの平均粒径であるか、数マイクロメートル〜数十マイクロメートルの平均粒径であってもよい。また、２以上の互いに異なる平均粒径を有する銀粉末を混合して使用してもよい。
銀粉末の粒子の形状は、たとえば、球状、板状、無定形などが挙げられ、特に制限されない。
上記平均粒径は、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）に導電性粉末を、超音波を用いて２５℃で３分間分散させた後、シーラス（ＣＩＬＡＳ）社製の粒度分布測定装置１０６４ＬＤモデルを使用して測定されたものである。導電性粉末は、電極形成用組成物の全量に対して６０質量％〜９５質量％の含有量で含まれることが好ましい。このような範囲であれば、抵抗を低下させることができ、変換効率を向上させることができ、また、ペースト化に有利になる。具体的には、銀粉末は、電極形成用組成物の全質量に対して６０質量％〜９５質量％の含有量で含まれることが好ましい。銀粉末の含有量がこのような範囲であれば、太陽電池の変換効率が向上し、ペースト化が容易に行われ得る。
（ガラスフリット）
ガラスフリットは、電極形成用組成物の焼成中に反射防止膜をエッチングし、導電性粉末を溶融させ、エミッター領域に金属結晶粒子を生成させるためのものである。また、ガラスフリットは、導電性粉末とウェハーとの間の接着力を向上させ、焼結時に軟化することによって焼成温度をより低下させる効果をもたらす。
ガラスフリットは、テルル（Ｔｅ）、リチウム（Ｌｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、鉛（Ｐｂ）、ナトリウム（Ｎａ）、リン（Ｐ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム（Ｇａ）、セリウム（Ｃｅ）、鉄（Ｆｅ）、ケイ素（Ｓｉ）、タングステン（Ｗ）、マグネシウム（Ｍｇ）、モリブデン（Ｍｏ）、セシウム（Ｃｓ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、チタン（Ｔｉ）、スズ（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、バナジウム（Ｖ）、バリウム（Ｂａ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、カリウム（Ｋ）、ヒ素（Ａｓ）、コバルト（Ｃｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、マンガン（Ｍｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、およびホウ素（Ｂ）からなる群より選択される少なくとも１種の元素を含むことが好ましい。また、ガラスフリットは上記元素の酸化物から形成されてもよい。
たとえば、上記ガラスフリットは、Ｂｉ−Ｔｅ−Ｏ系ガラスフリット、Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ系ガラスフリット、Ｐｂ−Ｔｅ−Ｏ系ガラスフリット、Ｔｅ−Ｂ−Ｏ系ガラスフリット、Ｔｅ−Ａｇ−Ｏ系ガラスフリット、Ｐｂ−Ｓｉ−Ｏ系ガラスフリット、Ｂｉ−Ｓｉ−Ｏ系ガラスフリット、Ｔｅ−Ｚｎ−Ｏ系ガラスフリット、Ｂｉ−Ｂ−Ｏ系ガラスフリット、Ｐｂ−Ｂ−Ｏ系ガラスフリット、Ｂｉ−Ｍｏ−Ｏ系ガラスフリット、Ｍｏ−Ｂ−Ｏ系ガラスフリット、およびＴｅ−Ｓｉ−Ｏ系ガラスフリットからなる群より選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。この場合、電極の電気的特性のバランスに優れるという長所がある。
ガラスフリットは、当該技術分野で使用される通常の方法で製造可能であり、特に制限されない。たとえば、ガラスフリットは、上述した元素を含む酸化物をボールミルまたはプラネタリーミルなどを使用して混合した後、混合された組成物を９００℃〜１３００℃の条件で溶融させ、２５℃でクエンチング（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）した後、得られた結果物をディスクミル、プラネタリーミルなどによって粉砕することによって得ることができる。前記ガラスフリットは、平均粒径（Ｄ５０）が０．１μｍ〜１０μｍであってもよい。
また、ガラスフリットは、電極形成用組成物の全質量に対して、０．１質量％〜２０質量％の含有量で含まれることが好ましく、０．５質量％〜１０質量％の含有量で含まれることがより好ましい。ガラスフリットが上記の含有量の範囲で含まれる場合、多様な面抵抗下でｐｎ接合の安定性を確保することができ、抵抗を最小化させることができ、その結果、太陽電池の効率を改善することができる。
（有機バインダー）
有機バインダーとしては、アクリレート系樹脂またはセルロース系樹脂などを使用することができ、エチルセルロースが一般的に使用される。また、有機バインダーは、たとえばエチルヒドロキシエチルセルロース、ニトロセルロース、エチルセルロースとフェノール樹脂との混合物、アルキド樹脂、フェノール系樹脂、アクリル酸エステル系樹脂、キシレン系樹脂、ポリブテン系樹脂、ポリエステル系樹脂、尿素系樹脂、メラミン系樹脂、酢酸ビニル系樹脂、木材ロジン（ｒｏｓｉｎ）、アルコールのポリメタクリレート、ポリビニルブチレート、およびポリビニルアセタールからなる群より選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。
有機バインダーは、電極形成用組成物の全質量に対して、０．１質量％〜１５質量％の含有量で含まれることが好ましく、０．１質量％〜１０質量％の含有量で含まれることがより好ましい。このような範囲であれば、電極の十分な接着強度を確保することができる。
（表面張力調節剤）
本発明に係る電極形成用組成物は、表面張力調節剤を含むことが好ましい。表面張力調節剤は、電極形成用組成物に含まれることにより、組成物に対する水の接触角を制御する役割を果たす。
表面張力調節剤は、シリコン系添加剤、アミド系添加剤および脂肪酸系界面活性剤からなる群より選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。シリコン系添加剤の例としては、たとえば、ジメチルシリコーンオイルが挙げられる。表面張力調節剤の含有量および種類は、水の接触角の範囲を調節するために他の成分の含有量および種類によって調節してもよい。
表面張力調節剤は、電極形成用組成物の全質量に対して、０．１質量％〜５質量％の含有量で含まれることが好ましく、０．１質量％〜４質量％の含有量で含まれることがより好ましい。このような範囲であれば、電極形成用組成物に対する水の接触角を調節しやすくなる。
（溶媒）
本発明に係る電極形成用組成物で使用される溶媒は、へキサン、トルエン、エチルセロソルブ、シクロヘキサノン、ブチルセロソルブ、ブチルカルビトール（ジエチレングリコールモノブチルエーテル）、ジブチルカルビトール（ジエチレングリコールジブチルエーテル）、ブチルカルビトールアセテート（ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート）、プロピレングリコールモノメチルエーテル、へキシレングリコール、メチルエチルケトン、ベンジルアルコール、γ−ブチロラクトン、乳酸エチル、テキサノール（２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノイソブチレート）、およびジエチレングリコールジブチルエーテルからなる群より選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。溶媒の含有量は、所望の組成物に対する水の接触角を得るために、他の成分によって調節してもよい。特に、本発明に係る電極形成用組成物に対する水の接触角は、表面張力調節剤および溶媒を適宜組み合わせて使用することにより、容易に調節することができる。
溶媒は、電極形成用組成物の全質量に対して、０．１質量％〜２０質量％の含有量で含まれることが好ましく、０．１質量％〜１５質量％の含有量で含まれることがより好ましい。このような範囲であれば、電極形成用組成物に対する水の接触角を調節しやすくなる。
（添加剤）
本発明に係る太陽電池電極形成用組成物は、上述した構成成分の他に、流動性、工程特性、および安定性等を向上させるために、必要に応じて、通常の添加剤をさらに含んでもよい。添加剤としては、分散剤、揺変剤、可塑剤、粘度安定化剤、消泡剤、顔料、紫外線安定剤、酸化防止剤、カップリング剤からなる群より選択される少なくとも１種が好ましい。これら添加剤は、電極形成用組成物の全質量に対して０．１質量％〜５質量％の含有量で含まれることが好ましいが、必要に応じて含有量を変更してもよい。
上記各成分を含む本発明に係る電極形成用組成物は、組成物に対する水の接触角が１５°〜６０°である。このような接触角の範囲であれば、電極形成用組成物は、凸部が形成されたシリコン基板にうまく充填され、接着性が優秀になり、その結果、接触抵抗、直列抵抗などの電気的特性をさらに改善するという長所を有する。
以下、本発明の好ましい実施例を通じて、本発明の構成および作用をさらに詳細に説明する。ただし、これは、本発明の好ましい例として提示したものであって、如何なる意味でも、これによって本発明が制限されると解釈してはならない。
ここに記載されていない内容は、この技術分野で熟練した者であれば十分に技術的に類推可能であるので、それに対する説明は省略する。
（実施例１）
有機バインダーとして、エチルセルロース（ダウ・ケミカル株式会社製、ＳＴＤ４）を最終的に得られる組成物に対して２．０質量％で用いて、溶媒である２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノイソブチレート（テキサノール、イーストマンケミカル株式会社製）４．２質量％に６０℃で十分に溶解した後、平均粒径が２．０μｍである球状の銀粉末（ＤＯＷＡハイテック株式会社製、ＡＧ−４−８）を最終的に得られる組成物に対して８８．９質量％となる量で、平均粒径が１．０μｍであるＰｂ−Ｔｅ−Ｏ系ガラスフリット（Ｔｇ：２７５℃、Ｔｃ：４１０℃、Ｔｍ：５３０℃）を最終的に得られる組成物に対して３．１質量％となる量で、表面張力調節剤としてＫＦ−９６（ジメチルシリコーンオイル、信越化学工業株式会社製）を最終的に得られる組成物に対して０．５質量％となる量で、その他の添加剤として分散剤（ＢＹＫ−ｃｈｅｍｉｅ社製、ＢＹＫ−１０２）を最終的に得られる組成物に対して０．５質量％となる量で、および揺変剤（エレメンティス株式会社製、Ｔｈｉｘａｔｒｏｌ ＳＴ）を最終的に得られる組成物に対して０．８質量％となる量で、それぞれ投入して均一に混合した。その後、３本ロール混練機で混合・分散させることによって、電極形成用組成物を調製した。調製した電極形成用組成物に対する水の接触角は、４３．５°であった。
得られた組成物を、前記シリコン基板の前面に一定のパターンでスクリーン印刷し、赤外線乾燥炉を使用して乾燥させた。このようにして形成したセルを、ベルト型焼成炉を使用して、６００℃〜９００℃で３０秒〜２１０秒間焼成することによって太陽電池を製造した。
（実施例２）
電極形成用組成物に対する水の接触角が２１．２゜になるように、テキサノールの代わりに、溶媒としてブチルカルビトールアセテート（ＢＣＡ、ダウ・ケミカル株式会社製）を使用したこと、および凸部の個数（平均）が９個であるシリコン基板を使用したことを除いては、実施例１と同様の方法で、太陽電池を製造した。
（実施例３）
電極形成用組成物に対する水の接触角が５７．１゜になるように、銀粉末（ＤＯＷＡハイテック株式会社製、ＡＧ−４−８）の代わりに、平均粒径が２．０μｍである球状の銀粉末（ＤＯＷＡハイテック株式会社、ＡＧ−４−１００）を使用したこと、および凸部の個数（平均）が１８個であるシリコン基板を使用したことを除いては、実施例１と同様の方法で、太陽電池を製造した。
（実施例４）
電極形成用組成物に対する水の接触角が４９．２゜になるように、Ｐｂ−Ｔｅ−Ｏ系ガラスフリットの代わりに、平均粒径が１．０μｍであるＢｉ−Ｔｅ−Ｏ系ガラスフリット（Ｔｇ：２９６℃、Ｔｃ：４１９℃、Ｔｍ：６１１℃）を最終的に得られる組成物に対して３．１質量％の量で使用し、表面張力調節剤としてオレイン酸（Ｏｌｅｉｃ ａｃｉｄ）を最終的に得られる組成物に対して０．５質量％で追加し、その他の添加剤として分散剤（ＢＹＫ−ｃｈｅｍｉｅ社、ＢＹＫ−１０２）を最終的に得られる組成物に対して０．３質量％となる量で、および揺変剤（エレメンティス株式会社、Ｔｈｉｘａｔｒｏｌ（登録商標） ＳＴ）を最終的に得られる組成物に対して０．５質量％となる量で、それぞれ使用したこと、ならびに凸部の個数（平均）が１７個であるシリコン基板を使用したことを除いては、実施例１と同様の方法で、太陽電池を製造した。
（実施例５）
凸部の個数（平均）が５個であるシリコン基板を使用したことを除いては、実施例１と同様の方法で、太陽電池を製造した。
（比較例１）
電極形成用組成物に対する水の接触角が１２．６゜になるように、テキサノールの代わりに溶媒としてテルピネオール（Ｔｅｒｐｉｎｅｏｌ、シグマアルドリッチ株式会社製）を使用したこと、および凸部の個数（平均）が８個であるシリコン基板を使用したことを除いては、実施例１と同様の方法で、太陽電池を製造した。
（比較例２）
電極形成用組成物に対する水の接触角が６７．２゜になるように、テキサノールを最終的に得られる組成物に対して３．２質量％となる量で使用し、Ｐｂ−Ｔｅ−Ｏ系ガラスフリットの代わりに平均粒径が１．０μｍであるＢｉ−Ｔｅ−Ｏ系ガラスフリット（Ｔｇ：２９６℃、Ｔｃ：４１９℃、Ｔｍ：６１１℃）を最終的に得られる組成物に対して３．１質量％となる量で使用し、表面張力調節剤としてＫＦ−９６（信越化学工業株式会社製）を最終的に得られる組成物に対して２．０質量％となる量で使用し、その他の添加剤として分散剤（ＢＹＫ−ｃｈｅｍｉｅ社製、ＢＹＫ−１０２）を最終的に得られる組成物に対して０．３質量％となる量で使用し、揺変剤（エレメンティス株式会社製、Ｔｈｉｘａｔｒｏｌ（登録商標）ＳＴ）を最終的に得られる組成物に対して０．５質量％となる量で使用したことを除いては、実施例１と同様の方法で、太陽電池を製造した。
（比較例３）
凸部の個数（平均）が２個であるシリコン基板を使用したことを除いては、実施例１と同様の方法で、太陽電池を製造した。
（比較例４）
凸部形成処理をしていないシリコン基板（凸部の個数：０）を使用したことを除いては、実施例１と同様の方法で、太陽電池を製造した。
（物性測定方法）
（１）凸部の個数（平均、単位：個）：実施例および比較例で製造された太陽電池の断面の電子顕微鏡写真を使用し、５μｍ長さ当たりの高さ（ｈ）が５０ｎｍ以上である凹凸の個数を１０回測定し、その平均を下記の表１に示した。
（２）水の接触角（単位：゜）：電極形成用組成物に対する水の接触角は、以下のようにして測定した値である。すなわち、常温（２０℃〜２５℃）条件で、電極形成用組成物を高分子フィルム上にスキージ（ｓｑｕｅｅｇｅｅ）を用いて塗布し乾燥することによって膜を形成し、得られた膜の表面にマイクロシリンジを用いて蒸留水を落とした後、液体−固体−気体接合点で、液の接線と前記膜の表面とがなす角度を接触角測定機（Ｐｈｏｅｎｉｘ ３００ ｐｌｕｓ、（株）ＳＥＯ製）を使用して測定した（図４参照）。前記高分子フィルムとしては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムなどが使用されてもよく、これに限定されることはない。
（３）短絡電流（Ｉｓｃ、単位：Ａ）、直列抵抗（Ｒｓ、単位：ｍΩ）、曲線因子（単位：％）、および変換効率（単位：％）：上記実施例および比較例で製造した電極形成用組成物を、ウェハーの前面に一定のパターンでスクリーン印刷し、赤外線乾燥炉を使用して乾燥させた。その後、ウェハーの後面にアルミニウムペーストを印刷した後、同様の方法で乾燥させセルを形成した。形成したセルを、ベルト型焼成炉を使用して２００℃〜９００℃で３０秒〜１８０秒間乾燥および焼成し、太陽電池を得た。このように製造が完了した太陽電池に対して、太陽電池効率測定装置（Ｐａｓａｎ社製、ＣＴ−８０１）を使用して、太陽電池の短絡電流（Ｉｓｃ、単位：Ａ）、直列抵抗（Ｒｓ、単位：ｍΩ）、曲線因子（ＦＦ、単位：％）、および変換効率（Ｅｆｆ．、単位：％）を測定し、その結果を下記表１に示した。
上記表１に示したように、凸部の個数および電極形成用組成物に対する水の接触角が本発明の範囲内である実施例１〜５の場合、短絡電流に優れ、低い直列抵抗（Ｒｓ）を具現し、良好な曲線因子（ＦＦ）で、変換効率に優れることが分かる。ちなみに、図６は実施例２で用いたシリコン基板の写真である。
一方、比較例１の場合、低い水の接触角（１５゜未満）によって短絡電流が悪化し、直列抵抗（Ｒｓ）も増加した。比較例２の場合、高い水の接触角（６０゜超）であって、短絡電流に問題は生じなかったが、パターン印刷性に問題があり、高い直列抵抗（Ｒｓ）を示したため、変換効率が低くなった。また、比較例３〜４の場合、凸部の個数が少ないため、低い短絡電流および高い直列抵抗（Ｒｓ）を示した（図５参照）。
以上、本発明の各実施例を説明したが、本発明は、上記の各実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態に製造可能であり、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想や必須な特徴を変更せずとも他の具体的な形態で実施可能であることを理解できるだろう。そのため、以上で記述した各実施例は、全ての面で例示的なものであって、限定的なものではないことを理解しなければならない。
１０ 基板、
１１ 半導体基板、
１２ エミッター、
２１ 後面電極、
２３ 前面電極、
１００ 太陽電池。

Claims (9)

  1. シリコン基板、および前記シリコン基板上に配置された電極を含む太陽電池であって、
    前記シリコン基板は、断面で高さ（ｈ）が５０ｎｍ以上である凸部を、基板の長さ５μｍ当たり５個以上有し、
    前記電極は、電極形成用組成物から形成され、
    前記電極形成用組成物に対する水の接触角が１５°〜６０°である、太陽電池。
  2. 前記電極形成用組成物は、電極形成用組成物の全質量に対して導電性粉末を６０質量％〜９５質量％、ガラスフリットを０．１質量％〜２０質量％、有機バインダーを０．１質量％〜１５質量％、表面張力調節剤を０．１質量％〜５質量％、および溶媒を０．１質量％〜２０質量％の含有量でそれぞれ含む、請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記ガラスフリットは、テルル（Ｔｅ）、リチウム（Ｌｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、鉛（Ｐｂ）、ナトリウム（Ｎａ）、リン（Ｐ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム（Ｇａ）、セリウム（Ｃｅ）、鉄（Ｆｅ）、ケイ素（Ｓｉ）、タングステン（Ｗ）、マグネシウム（Ｍｇ）、モリブデン（Ｍｏ）、セシウム（Ｃｓ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、チタン（Ｔｉ）、スズ（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、バナジウム（Ｖ）、バリウム（Ｂａ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、カリウム（Ｋ）、ヒ素（Ａｓ）、コバルト（Ｃｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、マンガン（Ｍｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、およびホウ素（Ｂ）からなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む、請求項２に記載の太陽電池。
  4. 前記表面張力調節剤は、シリコン系添加剤、アミド系添加剤、および脂肪酸系界面活性剤からなる群より選択される少なくとも１種を含む、請求項２または３に記載の太陽電池。
  5. 前記溶媒は、へキサン、トルエン、エチルセロソルブ、シクロヘキサノン、ブチルセロソルブ、ブチルカルビトール（ジエチレングリコールモノブチルエーテル）、ジブチルカルビトール（ジエチレングリコールジブチルエーテル）、ブチルカルビトールアセテート（ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート）、プロピレングリコールモノメチルエーテル、へキシレングリコール、メチルエチルケトン、ベンジルアルコール、γ−ブチロラクトン、乳酸エチル、２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノイソブチレート、およびジエチレングリコールジブチルエーテルからなる群より選択される少なくとも１種を含む、請求項２〜４のいずれか１項に記載の太陽電池セル。
  6. 前記有機バインダーは、エチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、ニトロセルロース、エチルセルロースとフェノール樹脂との混合物、アルキド樹脂、フェノール系樹脂、アクリル酸エステル系樹脂、キシレン系樹脂、ポリブテン系樹脂、ポリエステル系樹脂、尿素系樹脂、メラミン系樹脂、酢酸ビニル系樹脂、木材ロジン（ｒｏｓｉｎ）、アルコールのポリメタクリレート、ポリビニルブチレートおよびポリビニルアセタールからなる群より選択される少なくとも１種を含む、請求項２〜５のいずれか１項に記載の太陽電池。
  7. 前記電極形成用組成物は、分散剤、揺変剤、可塑剤、粘度安定化剤、消泡剤、顔料、紫外線安定剤、酸化防止剤、およびカップリング剤からなる群より選択される少なくとも１種をさらに含む、請求項２〜６のいずれか１項に記載の太陽電池。
  8. 断面で５μｍ長さ当たりの高さ（ｈ）が５０ｎｍ以上である凸部を、基板の長さ５μｍ当たり５個以上有するシリコン基板の上部に、電極形成用組成物を印刷し焼成して電極を形成することを含む、太陽電池の製造方法であって、
    前記電極形成用組成物に対する水の接触角が１５°〜６０°である、太陽電池の製造方法。
  9. 前記電極形成用組成物は、電極形成用組成物の全質量に対して、導電性粉末を６０質量％〜９５質量％、ガラスフリットを０．１質量％〜２０質量％、有機バインダーを０．１質量％〜１５質量％、表面張力調節剤を０．１質量％〜５質量％、および溶媒を０．１質量％〜２０質量％の含有量でそれぞれ含む、請求項８に記載の太陽電池の製造方法。
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