JP3577430B2 - 太陽電池セルおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気特性を低下させる低エネルギープロトンからの防御を可能にする太陽電池セル、および、その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人工衛星の電源に使用される宇宙用太陽電池は、図８に示すように、太陽電池セル１の表面に、厚さ５０μm〜１mm程度のカバーガラス２をシリコン接着剤３で接着して形成されている。宇宙空間には、様々なエネルギーの放射線が飛び交っており、太陽電池セル１に放射線が照射されると結晶の欠陥を生み出すために光電変換の能力が低下する。特に、低エネルギーのプロトンは、物体に衝突すると内部にまで到達せずに極表面で吸収される。ところが、太陽電池セル１は、その表面における０.１μm〜０.３μmの極浅い部分にＰＮ接合が有るために、低エネルギープロトンの衝突による劣化が大きいのである。
【０００３】
そこで、上述のように、宇宙用太陽電池の表面には、厚さ５０μm〜１mm程度のカバーガラス２がシリコン接着剤３で接着されているのである。このように、カバーガラス２が接着された場合は、低エネルギーのプロトンは、カバーガラス２によって吸収されて太陽電池セル１までは到達しない。こうして、カバーガラス２によって、太陽電池セル１の放射線劣化の一部が防止されるのである。尚、通常のガラスの場合は放射線によって着色するために、セリウム(Ｃe)を添加して上記放射線による着色を防止するようにしている。
【０００４】
ところで、上記太陽電池セル１の表面電極４は、ＰＮ接合部５から効率的に電流を取り出すために０.５mm〜数mmの間隔で線状に形成され、電流取出し部分(図示せず)に集まるよう設計されている。表面電極４は、電気抵抗が小さくなるように抵抗率の小さい銀等の金属が形成される。さらには、断面積を大きくして電気抵抗を小さくするために、厚く形成されることが要求される。通常、表面電極４は真空蒸着法等により形成されるが、電気抵抗を小さくするために厚く形成しようとすると時間が長く掛る。そこで、メッキによって厚さを厚くする方法が考えられる。
【０００５】
ところが、メッキによって表面電極４を形成すると、厚さ方向だけではなく幅方向にも大きくなって、太陽電池セル１へ入射される太陽光を遮光してしまうことになる。そのために、表面電極４を、厚さ方向にのみメッキによって厚く形成するためには、メッキの厚さ以上のレジストによるパターニングが必要になる。さらに、Ｐ型シリコン基板６に直接銀をメッキすると十分な密着強度が得られないために、チタン(Ｔi)等の金属材料を電極形状にパターニングした後、上記パターニングされた金属材料の周囲を囲むようにメッキ用のパターニングを行う必要がある。
【０００６】
一方において、太陽電池の製造方法の一つとして、膜厚が薄く且つ均一なシリコンウェハを得る水素イオン剥離法(特開平１０−９３１２２号公報)がある。この水素イオン剥離法では、多結晶シリコンのインゴットあるいはウェハに水素イオンを注入し、注入側の表面に第２の基板を接着する。そして、適度な熱処理を行うことによって上記第２の基板側のシリコン基板を薄い厚さで剥離させ、この薄膜シリコンを用いて省資源型の太陽電池を製造するものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の太陽電池には以下のような問題がある。すなわち、図８に示す太陽電池の場合には、上述したように、カバーガラス２を接着する接着剤３としてシリコン接着剤が使用されている。この接着剤３には、宇宙空間での高温,高真空において放出されるガス(アウトガス)が少ないことが要求されているために、精製された非常に高価な樹脂が使用される。したがって、コストアップに繋がると言う問題がある。また、接着剤３は、常温では柔らかい特性を有しているが、シリコンやガラスに比して−８０℃以下の低温で急激な物性変化を呈する。そのために、極低温環境において、太陽電池セル１およびカバーガラス２に大きな熱ストレスを与える。その結果、太陽電池セル１やカバーガラス２の破損や接着剤３の剥離等の不具合が生じ易いと言う問題がある。
【０００８】
また、上記接着剤３は、上記カバーガラス２の接着作業中に、太陽電池セル１の側面やカバーガラス２の表側にはみ出すことがある。ところが、シリコン接着剤３は紫外線に照射されると変質してしまうので、上述のようにカバーガラス２の表面に付着したり側面からはみ出した接着剤３aは取り除く必要がある。しかしながら、接着剤３aの除去作業は、５０μm〜１mmと非常に薄いカバーガラス２や太陽電池セル１を壊すことが多いために精密な取り扱いが必要である。
【０００９】
また、上記太陽電池セル１とカバーガラス２との側壁での位置合せは、太陽電池セル１が露出しないこと及びカバーガラス２が太陽電池セル１よりも大きく張り出さないことから、通常０.２mm以下の寸法差で正確に行う必要がある。さらに、上述のごとくメッキによって表面電極４を形成する場合には、チタン(Ｔi)等の下地金属と表面電極４の横方向への広がりを防ぐメッキ用パターニングとの位置合せを精度良く行う必要がある。ところが、この下地金属とメッキ用パターニングとの位置合せは製造上時間が必要であり、そのために宇宙用太陽電池の量産が難しい欠点がある。
【００１０】
さらに、上記水素イオン剥離法による太陽電池の製造方法においては、得られる太陽電池におけるシリコン基板の膜厚が薄いために、機械的に補強するための第２の基板を予め接着しておく必要がある。この第２の基板は、導電性の金属材料や太陽光線の少なくとも一部に対して透光性を有する絶縁材料であって、ガラス板やアルミニウム板等が用いられる。その場合、上記第２の基板としてガラス板を用いた場合には、太陽電池形成の際に第２の基板をカバーガラスとして利用することになり、シリコンウェハに第２の基板を接着する際には、上述の太陽電池セルにカバーガラスを接着する場合と同様の問題が発生する可能性がある。また、上記第２の基板としてアルミニウム等を用いた場合には、上記第２の基板分だけコストアップに繋がると言う問題がある。
【００１１】
そこで、この発明の目的は、はみ出した接着剤の除去や精度の高い位置合せの必要が無く、地球と宇宙との環境変化が繰り返されても熱歪が小さい太陽電池セル、および、その製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、基板と、上記基板上に形成されたＰＮ接合層と、上記ＰＮ接合層上に形成された複数の電極と、上記ＰＮ接合層上および電極上を覆って形成されたカバーを備えた太陽電池セルであって、上記カバーは、粉末ガラスを焼成して形成され且つ異なる屈折率を有する複数のガラス層を積層して形成されており、上記複数のガラス層の屈折率は、上記基板の表面側から外側に向かって順次大きくなるように設定されていることを特徴としている。
【００１３】
上記構成によれば、接着によらずに放射線保護用のガラス板が太陽電池セルの表面に直接形成されている。したがって、上記ガラスを接着するための高価な接着剤を必要とせず、はみ出した接着剤を取り除く作業を無くし、上記太陽電池セルと上記ガラス板との位置合わせ不良を無くして、コストダウンが図られる。さらには、低温下での接着剤の物性変化に起因する太陽電池セルや上記ガラス板に対する熱応力が無くなり、上記太陽電池セルやガラス板の破損あるいは接着剤の剥離が減少される。
【００１４】
さらに、上記カバーを構成する複数のガラス層の屈折率を、上記基板の表面側から外側に向かって順次大きくなるように設定することによって、上記カバーにおける表面の光反射率が小さくなる。したがって、太陽光の吸収率が大きくなり、光電変換効率が向上される。
【００１５】
また、請求項２に係る発明は、基板上にＰＮ接合層を形成する工程と、上記ＰＮ接合層上に複数の電極を形成する工程と、異なる屈折率を有する複数のガラス層を積層して、上記ＰＮ接合層上および電極上を覆うカバーを形成する工程を備えた太陽電池セルの製造方法であって、上記複数のガラス層の屈折率は、上記基板の表面側から外側に向かって順次大きくなるように設定することを特徴としている。
【００１６】
上記構成によれば、上記カバーを構成する複数のガラス層の屈折率を、上記基板の表面側から外側に向かって順次大きくなるように設定することによって、上記カバーにおける表面の光反射率が小さくなる。したがって、太陽光の吸収率が大きくなり、光電変換効率が向上される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
＜第１実施の形態＞
図１は、本実施の形態の太陽電池における概略縦断面図である。本実施の形態における太陽電池１１では、放射線保護用ガラス(以下、単にガラスと言う)１３が、太陽電池セル１２の表面に、接着剤を介さずに直接形成されている。尚、太陽電池セル１２の構造は図８に示す従来の太陽電池セル１と同じであり、Ｐ型シリコン基板１４の表面にＮ+層１５が形成されて、ＰＮ接合部１６を形成している。そして、Ｎ+層１５の表面にはＮ電極１７が０.５mm〜数mmの間隔で線状に形成され、Ｐ型シリコン基板１４の表面にはＰ電極１８が形成されている。
【００１８】
図２は、上記構成を有する太陽電池１１におけるガラス１３の形成手順を示す図である。先ず、図１に示す構成を有する太陽電池セル１２が用意される(ステップＳ1)。そして、太陽電池セル１２におけるＮ電極１７側の表面に、粉末ガラスを溶剤で溶かした溶液が塗布される(ステップＳ2)。そうした後、溶剤成分が揮発されて乾燥される(ステップＳ3)。但し、一度の溶液塗布で形成されるガラス１３の厚さは２０μm程度と放射線保護用ガラスとしては薄いため、上記ステップＳ2およびステップＳ3が何度も繰り返されて、ガラス１３が何層も重ねて形成される。こうして、所望(５０μm〜１mm程度)の厚さのガラス１３の層が形成されると、ベーク(焼成)によって粉末ガラスが溶融されて最終的にガラス１３が形成される(ステップＳ4)。尚、上記焼成における焼成温度は４００℃〜７５０℃である。
【００１９】
実施例として、上記粉末ガラスとして日本電気硝子社製のＧＰ‐５２１０を用いた例に付いて述べる。先ず、１０ΩのＰ型シリコンウェハの両面に、熱拡散法によってＮ型の不純物層(Ｎ+層)を形成する。そして、片側の不純物層をエッチングによって取り除いたＰ型シリコンウェハにおける残った不純物層上に、アルコールを主成分とする溶剤にＧＰ−５２１０を溶かした溶液を塗布する。次に、アルコール成分を蒸発させ、その後、６００℃と７２０℃とで二回焼成する。
【００２０】
このように、本実施の形態においては、電極１７,１８が形成された太陽電池セル１２における電極１７側の表面に、粉末ガラスを溶剤で溶かしてなる溶液を塗布した後に溶剤成分を揮発させて焼成することによって、直接ガラス１３の層を形成するようにしている。したがって、太陽電池セル１２の表面に均一にガラス１３の層を形成することができ、煩わしい太陽電池セルとガラスとの位置合わせや、はみ出した接着剤を取り除く仕上げ作業を行う必要ない。また、太陽電池セル(Ｐ型シリコン基板１４)１２と略同等の熱膨張係数を呈するガラス１３を形成できる粉末ガラスを選ぶことによって、地球と宇宙との環境変化に伴う大きな温度変動や温度サイクルにおける熱歪を小さくすることができる。
【００２１】
すなわち、本実施の形態によれば、高価な接着剤を必要としないこと、不必要な接着剤の除去工程を無くして製造工程を簡略化すること、太陽電池セルとガラスとの位置合わせを無くして製品歩留まりを向上すること等によって、コストダウンを図ることができるのである。さらに、上記熱歪に伴う太陽電池セル１２やガラス１３の破損やガラス１３の剥離等の不具合を無くして、信頼性を向上させることができるのである。
【００２２】
＜第２実施の形態＞
上述のごとく、第１実施の形態においては、粉末ガラスを溶剤で溶かしてなる溶液の一回の塗布では形成されるガラス１３の厚さが不充分なため、上記溶液の塗布を繰り返してガラス１３を何層も重ねて形成している。本実施の形態においては、ガラス１３を複数層に形成するに際して、各層を形成するための粉末ガラスの屈折率を各層毎に異なるようにするのである。
【００２３】
その場合に、図３に示すように、太陽電池セル２２の表面側から外側に向かって順次屈折率ｎが大きくなるようにガラス層２４〜２７を多層に形成する。こうすることによって、第１実施の形態における効果に加えて、ガラス２３の表面における太陽光の反射率を小さくすることができる。したがって、太陽電池２１による太陽光の吸収率を大きくして光電変換の効率を向上できるのである。尚、ガラス２３の形成手順は、図２に示す形成手順に順ずる。
【００２４】
＜第３実施の形態＞
上記各実施の形態においては、上記粉末ガラスを放射線保護用ガラス１３,２３の形成に使用している。ところが、その場合には、放射線保護用ガラスとして厚いガラスが要求される場合には、粉末ガラスの溶液の塗布回数が非常に多くなり、積層されるガラスの層数が多くなって均一な放射線保護用ガラスが得られない場合がある。そのような場合に対処するため、本実施の形態においては、上記粉末ガラスを太陽電池セルと放射線保護用ガラスの接着に使用するのである。本実施の形態においては、図４に示すように、太陽電池セル３２の表面に、粉末ガラスで形成されるガラス層３４で放射線保護用ガラス３３を接着することによって、太陽電池３１を形成している。
【００２５】
図５は、上記構成を有する太陽電池３１におけるガラス３３の接着手順を示す図である。先ず、太陽電池セル３２が用意される(ステップＳ11)。そして、ガラス３３に粉末ガラスの溶液が塗布される(ステップＳ12)。太陽電池セル３２の表面に粉末ガラスの溶液が塗布される(ステップＳ13)。そうした後、太陽電池セル３２とガラス３３とが貼り合わされ(ステップＳ14)、高温,高真空中でベーク(焼成)が行われる(ステップＳ15)。そして、粉末ガラスが溶融された段階で定圧に戻されて冷却される(ステップＳ16)。こうして、最終的に放射線保護用ガラス３３が接着される。
【００２６】
本実施の形態によれば、上記放射線保護用ガラスとして厚いガラスが要求される場合であっても、粉末ガラス溶液の少ない塗布によって簡単に形成することができる。また、太陽電池セル３２と放射線保護用ガラス３３との接着層としてのガラス層３４は、塗布する粉末ガラスの溶液を薄く塗布することによって薄く均一に形成することができる。したがって、ガラス層３４のはみ出し量は小さく、然も、はみ出したガラス層３４は耐紫外線性に優れているので取り除く必要がない。したがって、貼り合わせ後の仕上げ工程を簡単してコストダウンを図ることができる。また、本実施の形態の場合においても、太陽電池セル(Ｐ型シリコン基板)３２とガラス３３とガラス層３４との熱膨張係数を揃えることによって、地球と宇宙との環境変化に伴う大きな温度変動や温度サイクルにおける熱歪を小さくし、太陽電池セル３２やガラス３３の破損やガラス３３の剥離等の不具合を無くして高信頼性を得ることができるのである。
【００２７】
＜第４実施の形態＞
上記各実施の形態においては、上記Ｎ+層１５の表面にＮ電極１７が形成された太陽電池セル１２,２２,３２上に、ガラス１３,２３,３３を形成あるいは接着する場合に付いて説明している。これに対して、本実施の形態は、Ｎ+層の表面にガラスを形成した後に電極をメッキによって形成するものである。以下、詳細に述べる。
【００２８】
図６は本実施の形態による放射線保護用ガラスおよび電極の形成方法を示す。先ず、図６(a)に示すように、Ｐ型シリコン基板４１の表面にＮ+層４２が形成され、更にＮ+層４２上にチタン(Ｔi)等によって下地金属４３がパターニングされる。
【００２９】
次に、図６(b)に示すように、全面に、粉末ガラスを溶剤に溶かした溶液４４が塗布される。その場合、下地金属４３の部分では粉末ガラスの溶液４４がはじかれるため、塗布された粉末ガラス溶液４４は下地金属４３の部分を除いてパターニングされる。そうした後、溶剤が揮発され、焼成が行われて、図６(c)に示すようにガラス４５が形成される。その後、図(d)に示すように、下地金属４３上に銀等をメッキすることによってメッキ電極４６が形成される。その場合、下地金属４３の両側にはガラス４５の壁が有るために、メッキ電極４６は厚さ方向にのみ形成される。
【００３０】
このように、本実施の形態によれば、上記Ｎ+層４２の表面に形成されたガラス４５をメッキ電極形成用パターンとして使用するので、メッキ電極４６の横方向への広がりを防ぐ専用のレジスト等によるメッキ電極形成用パターンを必要とはしない。また、形成されたガラス４５は下地金属４３の部分を除いてパターニングされるので、下地金属４３とガラス４５との位置合せの必要が無い。したがって、メッキ電極４６の形成が非常に簡単になり、宇宙用太陽電池の量産が容易になる。
【００３１】
尚、本実施の形態においては、粉末ガラスを溶剤に溶かした溶液４４が下地金属４３の部分ではじかれることを利用して、表面電極形成領域を除いて粉末ガラス溶液４４をパターニングしている。しかしながら、この発明はこれに限定されるものではなく、例えば、次のようにして表面電極形成領域を除いて粉末ガラス溶液をパターニングしてもよい。
【００３２】
すなわち、先ず、Ｐ型シリコン基板の表面にＮ+層を形成する。そして、上記Ｐ型シリコン基板の全面に感光性レジストを塗布し、表面電極形成領域のみに上記感光性レジストを残すようにパターニングする。次に、上記Ｐ型シリコン基板の全面に粉末ガラスを溶剤で溶かした溶液を塗布し、上記溶剤を揮発させた後に上記粉末ガラスを焼成して放射線保護用ガラスを形成する。その後、上記レジストを除去し、上記表面電極形成領域に下地金属を形成する。そして、この下地金属上にメッキによって上記表面電極を形成するのである。この場合にも、上記下地金属の両側にはガラスの壁が有るために、メッキ電極は厚さ方向にのみ形成されることになる。また、上記下地金属と放射線保護用ガラスとの位置合せの必要が無く、メッキ電極の形成が非常に簡単になり、宇宙用太陽電池の量産が容易になる。
【００３３】
＜第５実施の形態＞
本実施の形態は、上述の水素イオン剥離法に対してこの発明を適用するものである。図７は本実施の形態によるガラスの形成方法を示す。先ず、図７(a)に示すように、Ｐ型シリコン基板５１の表面にＮ+層５２が形成され、剥離位置(水素注入層)５３まで水素イオンが注入された後に、Ｎ電極５４が形成される。そして、図７(b)に示すように、第１〜第４実施の形態の何れかによって、Ｎ+層５２側の表面にガラス５５が形成される。次に、熱処理が行われて、図７(c)に示すように、Ｐ型シリコン基板５１の表面が水素注入層５３(５６)の位置から剥離される。そして、剥離面上にＰ電極(図示せず)が形成されて、放射線保護用ガラス５５が形成された非常に薄い太陽電池５７が得られる。その場合、放射線保護用ガラス５５が薄膜シリコンの補強材となっている。一方、太陽電池５７が剥離された後のＰ型シリコン基板５１'は再利用されて、図７(d)に示すように、Ｎ+層５２'が形成され、水素注入層５３'まで水素イオンが注入された後に、Ｎ電極５４'が形成される。以後、上述の手順が繰り返される。
【００３４】
このように、本実施の形態においては、Ｐ型シリコン基板５１の表面にＮ+層５２を形成し、水素イオンを注入し、Ｎ電極５４を形成した後、Ｎ+層５２側の表面に放射線保護用のガラス５５を形成する。その後、熱処理を行って剥離を行うようにしている。その結果、放射線保護用ガラス５５を薄膜シリコンの補強材として利用することができ、薄膜シリコンを機械的に補強するための専用の基板を接着する必要がない。したがって、その分だけコストダウンを図ることができる。さらに、放射線保護用ガラス５５は、接着剤を用いることなくＰ型シリコン基板５１上に直接形成されるため、第１〜第４実施の形態と同様に、ガラスを接着剤で貼り付ける場合の種々の問題点を解決できるのである。
【００３５】
尚、上記各実施の形態においては特に述べてはいないが、放射線保護用ガラス１３,２３,４５,５５および接着用のガラス層３４を形成する際に、粉末ガラスを溶剤で溶かした溶液中にセリウムを添加することによって、形成されたガラスが放射線によって着色することを防止できる。
【００３６】
【発明の効果】
以上より明らかなように、請求項１に係る発明の太陽電池セルは、ＰＮ接合および電極の上を覆ってガラス層でなるカバーが形成され、表面に透明ガラス層が直接形成されているので、放射線保護用のガラス板を太陽電池セルの表面に接着する必要が無い。したがって、上記ガラスを接着するための高価な接着剤を必要とはせず、はみ出した接着剤を取り除く作業を無くし、上記太陽電池セルと上記ガラス板との位置合わせ不良を無くして、コストダウンを図ることができる。さらに、低温下での接着剤の物性変化に起因する太陽電池セルや上記ガラス板に対する熱応力を無くし、上記太陽電池セルやガラス板の破損あるいは接着剤の剥離を減少できる。
【００３７】
さらに、屈折率が異なる複数のガラス層を積層して上記カバーを構成すると共に、上記カバーを構成する複数のガラス層の屈折率を基板の表面側から外側に向かって順次大きくなるように設定したので、上記透明ガラス層における表面の光反射率を小さくできる。したがって、太陽光の吸収率を大きくでき、光電変換効率を向上できる。
【００３８】
また、請求項２に係る発明の太陽電池セルの製造方法は、ＰＮ接合層および複数の電極の上に異なる屈折率を有する複数のガラス層を積層して、上記ＰＮ接合層上および電極上を覆うカバーを形成するに際して、上記複数のガラス層の屈折率を、基板の表面側から外側に向かって順次大きくなるように設定したので、上記カバーにおける表面の光反射率を小さくできる。したがって、太陽光の吸収率を大きくでき、光電変換効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の太陽電池における概略縦断面図である。
【図２】図１におけるガラスの形成手順を示す図である。
【図３】図１とは異なる太陽電池における概略縦断面図である。
【図４】図１及び図３とは異なる太陽電池における概略縦断面図である。
【図５】図４におけるガラスの接着手順を示す図である。
【図６】図１,図３,図４とは異なる太陽電池におけるガラスおよび電極の形成方法を示す図である。
【図７】図１,図３,図４,図６とは異なる太陽電池の製造方法の説明図である。
【図８】従来の太陽電池における概略縦断面図である。
【符号の説明】
１１,２１,３１,５７…太陽電池、
１２,２２,３２…太陽電池セル、
１３,２３,３３,４５,５５…放射線保護用ガラス(ガラス)、
１４,４１,５１…Ｐ型シリコン基板、 １５,４２,５２…Ｎ+層、
１６…ＰＮ接合部、 １７,５４…Ｎ電極、
１８…Ｐ電極、 ２４〜２７…ガラス層、
３４…ガラス層(接着層)、 ４３…下地金属、
４４…粉末ガラス溶液、 ４６…メッキ電極、
５３…水素注入層。
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気特性を低下させる低エネルギープロトンからの防御を可能にする太陽電池セル、および、その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人工衛星の電源に使用される宇宙用太陽電池は、図８に示すように、太陽電池セル１の表面に、厚さ５０μm〜１mm程度のカバーガラス２をシリコン接着剤３で接着して形成されている。宇宙空間には、様々なエネルギーの放射線が飛び交っており、太陽電池セル１に放射線が照射されると結晶の欠陥を生み出すために光電変換の能力が低下する。特に、低エネルギーのプロトンは、物体に衝突すると内部にまで到達せずに極表面で吸収される。ところが、太陽電池セル１は、その表面における０.１μm〜０.３μmの極浅い部分にＰＮ接合が有るために、低エネルギープロトンの衝突による劣化が大きいのである。
【０００３】
そこで、上述のように、宇宙用太陽電池の表面には、厚さ５０μm〜１mm程度のカバーガラス２がシリコン接着剤３で接着されているのである。このように、カバーガラス２が接着された場合は、低エネルギーのプロトンは、カバーガラス２によって吸収されて太陽電池セル１までは到達しない。こうして、カバーガラス２によって、太陽電池セル１の放射線劣化の一部が防止されるのである。尚、通常のガラスの場合は放射線によって着色するために、セリウム(Ｃe)を添加して上記放射線による着色を防止するようにしている。
【０００４】
ところで、上記太陽電池セル１の表面電極４は、ＰＮ接合部５から効率的に電流を取り出すために０.５mm〜数mmの間隔で線状に形成され、電流取出し部分(図示せず)に集まるよう設計されている。表面電極４は、電気抵抗が小さくなるように抵抗率の小さい銀等の金属が形成される。さらには、断面積を大きくして電気抵抗を小さくするために、厚く形成されることが要求される。通常、表面電極４は真空蒸着法等により形成されるが、電気抵抗を小さくするために厚く形成しようとすると時間が長く掛る。そこで、メッキによって厚さを厚くする方法が考えられる。
【０００５】
ところが、メッキによって表面電極４を形成すると、厚さ方向だけではなく幅方向にも大きくなって、太陽電池セル１へ入射される太陽光を遮光してしまうことになる。そのために、表面電極４を、厚さ方向にのみメッキによって厚く形成するためには、メッキの厚さ以上のレジストによるパターニングが必要になる。さらに、Ｐ型シリコン基板６に直接銀をメッキすると十分な密着強度が得られないために、チタン(Ｔi)等の金属材料を電極形状にパターニングした後、上記パターニングされた金属材料の周囲を囲むようにメッキ用のパターニングを行う必要がある。
【０００６】
一方において、太陽電池の製造方法の一つとして、膜厚が薄く且つ均一なシリコンウェハを得る水素イオン剥離法(特開平１０−９３１２２号公報)がある。この水素イオン剥離法では、多結晶シリコンのインゴットあるいはウェハに水素イオンを注入し、注入側の表面に第２の基板を接着する。そして、適度な熱処理を行うことによって上記第２の基板側のシリコン基板を薄い厚さで剥離させ、この薄膜シリコンを用いて省資源型の太陽電池を製造するものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の太陽電池には以下のような問題がある。すなわち、図８に示す太陽電池の場合には、上述したように、カバーガラス２を接着する接着剤３としてシリコン接着剤が使用されている。この接着剤３には、宇宙空間での高温,高真空において放出されるガス(アウトガス)が少ないことが要求されているために、精製された非常に高価な樹脂が使用される。したがって、コストアップに繋がると言う問題がある。また、接着剤３は、常温では柔らかい特性を有しているが、シリコンやガラスに比して−８０℃以下の低温で急激な物性変化を呈する。そのために、極低温環境において、太陽電池セル１およびカバーガラス２に大きな熱ストレスを与える。その結果、太陽電池セル１やカバーガラス２の破損や接着剤３の剥離等の不具合が生じ易いと言う問題がある。
【０００８】
また、上記接着剤３は、上記カバーガラス２の接着作業中に、太陽電池セル１の側面やカバーガラス２の表側にはみ出すことがある。ところが、シリコン接着剤３は紫外線に照射されると変質してしまうので、上述のようにカバーガラス２の表面に付着したり側面からはみ出した接着剤３aは取り除く必要がある。しかしながら、接着剤３aの除去作業は、５０μm〜１mmと非常に薄いカバーガラス２や太陽電池セル１を壊すことが多いために精密な取り扱いが必要である。
【０００９】
また、上記太陽電池セル１とカバーガラス２との側壁での位置合せは、太陽電池セル１が露出しないこと及びカバーガラス２が太陽電池セル１よりも大きく張り出さないことから、通常０.２mm以下の寸法差で正確に行う必要がある。さらに、上述のごとくメッキによって表面電極４を形成する場合には、チタン(Ｔi)等の下地金属と表面電極４の横方向への広がりを防ぐメッキ用パターニングとの位置合せを精度良く行う必要がある。ところが、この下地金属とメッキ用パターニングとの位置合せは製造上時間が必要であり、そのために宇宙用太陽電池の量産が難しい欠点がある。
【００１０】
さらに、上記水素イオン剥離法による太陽電池の製造方法においては、得られる太陽電池におけるシリコン基板の膜厚が薄いために、機械的に補強するための第２の基板を予め接着しておく必要がある。この第２の基板は、導電性の金属材料や太陽光線の少なくとも一部に対して透光性を有する絶縁材料であって、ガラス板やアルミニウム板等が用いられる。その場合、上記第２の基板としてガラス板を用いた場合には、太陽電池形成の際に第２の基板をカバーガラスとして利用することになり、シリコンウェハに第２の基板を接着する際には、上述の太陽電池セルにカバーガラスを接着する場合と同様の問題が発生する可能性がある。また、上記第２の基板としてアルミニウム等を用いた場合には、上記第２の基板分だけコストアップに繋がると言う問題がある。
【００１１】
そこで、この発明の目的は、はみ出した接着剤の除去や精度の高い位置合せの必要が無く、地球と宇宙との環境変化が繰り返されても熱歪が小さい太陽電池セル、および、その製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、基板と、上記基板上に形成されたＰＮ接合層と、上記ＰＮ接合層上に形成された複数の電極と、上記ＰＮ接合層上および電極上を覆って形成されたカバーを備えた太陽電池セルであって、上記カバーは、粉末ガラスを焼成して形成され且つ異なる屈折率を有する複数のガラス層を積層して形成されており、上記複数のガラス層の屈折率は、上記基板の表面側から外側に向かって順次大きくなるように設定されていることを特徴としている。
【００１３】
上記構成によれば、接着によらずに放射線保護用のガラス板が太陽電池セルの表面に直接形成されている。したがって、上記ガラスを接着するための高価な接着剤を必要とせず、はみ出した接着剤を取り除く作業を無くし、上記太陽電池セルと上記ガラス板との位置合わせ不良を無くして、コストダウンが図られる。さらには、低温下での接着剤の物性変化に起因する太陽電池セルや上記ガラス板に対する熱応力が無くなり、上記太陽電池セルやガラス板の破損あるいは接着剤の剥離が減少される。
【００１４】
さらに、上記カバーを構成する複数のガラス層の屈折率を、上記基板の表面側から外側に向かって順次大きくなるように設定することによって、上記カバーにおける表面の光反射率が小さくなる。したがって、太陽光の吸収率が大きくなり、光電変換効率が向上される。
【００１５】
また、請求項２に係る発明は、基板上にＰＮ接合層を形成する工程と、上記ＰＮ接合層上に複数の電極を形成する工程と、異なる屈折率を有する複数のガラス層を積層して、上記ＰＮ接合層上および電極上を覆うカバーを形成する工程を備えた太陽電池セルの製造方法であって、上記複数のガラス層の屈折率は、上記基板の表面側から外側に向かって順次大きくなるように設定することを特徴としている。
【００１６】
上記構成によれば、上記カバーを構成する複数のガラス層の屈折率を、上記基板の表面側から外側に向かって順次大きくなるように設定することによって、上記カバーにおける表面の光反射率が小さくなる。したがって、太陽光の吸収率が大きくなり、光電変換効率が向上される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
＜第１実施の形態＞
図１は、本実施の形態の太陽電池における概略縦断面図である。本実施の形態における太陽電池１１では、放射線保護用ガラス(以下、単にガラスと言う)１３が、太陽電池セル１２の表面に、接着剤を介さずに直接形成されている。尚、太陽電池セル１２の構造は図８に示す従来の太陽電池セル１と同じであり、Ｐ型シリコン基板１４の表面にＮ+層１５が形成されて、ＰＮ接合部１６を形成している。そして、Ｎ+層１５の表面にはＮ電極１７が０.５mm〜数mmの間隔で線状に形成され、Ｐ型シリコン基板１４の表面にはＰ電極１８が形成されている。
【００１８】
図２は、上記構成を有する太陽電池１１におけるガラス１３の形成手順を示す図である。先ず、図１に示す構成を有する太陽電池セル１２が用意される(ステップＳ1)。そして、太陽電池セル１２におけるＮ電極１７側の表面に、粉末ガラスを溶剤で溶かした溶液が塗布される(ステップＳ2)。そうした後、溶剤成分が揮発されて乾燥される(ステップＳ3)。但し、一度の溶液塗布で形成されるガラス１３の厚さは２０μm程度と放射線保護用ガラスとしては薄いため、上記ステップＳ2およびステップＳ3が何度も繰り返されて、ガラス１３が何層も重ねて形成される。こうして、所望(５０μm〜１mm程度)の厚さのガラス１３の層が形成されると、ベーク(焼成)によって粉末ガラスが溶融されて最終的にガラス１３が形成される(ステップＳ4)。尚、上記焼成における焼成温度は４００℃〜７５０℃である。
【００１９】
実施例として、上記粉末ガラスとして日本電気硝子社製のＧＰ‐５２１０を用いた例に付いて述べる。先ず、１０ΩのＰ型シリコンウェハの両面に、熱拡散法によってＮ型の不純物層(Ｎ+層)を形成する。そして、片側の不純物層をエッチングによって取り除いたＰ型シリコンウェハにおける残った不純物層上に、アルコールを主成分とする溶剤にＧＰ−５２１０を溶かした溶液を塗布する。次に、アルコール成分を蒸発させ、その後、６００℃と７２０℃とで二回焼成する。
【００２０】
このように、本実施の形態においては、電極１７,１８が形成された太陽電池セル１２における電極１７側の表面に、粉末ガラスを溶剤で溶かしてなる溶液を塗布した後に溶剤成分を揮発させて焼成することによって、直接ガラス１３の層を形成するようにしている。したがって、太陽電池セル１２の表面に均一にガラス１３の層を形成することができ、煩わしい太陽電池セルとガラスとの位置合わせや、はみ出した接着剤を取り除く仕上げ作業を行う必要ない。また、太陽電池セル(Ｐ型シリコン基板１４)１２と略同等の熱膨張係数を呈するガラス１３を形成できる粉末ガラスを選ぶことによって、地球と宇宙との環境変化に伴う大きな温度変動や温度サイクルにおける熱歪を小さくすることができる。
【００２１】
すなわち、本実施の形態によれば、高価な接着剤を必要としないこと、不必要な接着剤の除去工程を無くして製造工程を簡略化すること、太陽電池セルとガラスとの位置合わせを無くして製品歩留まりを向上すること等によって、コストダウンを図ることができるのである。さらに、上記熱歪に伴う太陽電池セル１２やガラス１３の破損やガラス１３の剥離等の不具合を無くして、信頼性を向上させることができるのである。
【００２２】
＜第２実施の形態＞
上述のごとく、第１実施の形態においては、粉末ガラスを溶剤で溶かしてなる溶液の一回の塗布では形成されるガラス１３の厚さが不充分なため、上記溶液の塗布を繰り返してガラス１３を何層も重ねて形成している。本実施の形態においては、ガラス１３を複数層に形成するに際して、各層を形成するための粉末ガラスの屈折率を各層毎に異なるようにするのである。
【００２３】
その場合に、図３に示すように、太陽電池セル２２の表面側から外側に向かって順次屈折率ｎが大きくなるようにガラス層２４〜２７を多層に形成する。こうすることによって、第１実施の形態における効果に加えて、ガラス２３の表面における太陽光の反射率を小さくすることができる。したがって、太陽電池２１による太陽光の吸収率を大きくして光電変換の効率を向上できるのである。尚、ガラス２３の形成手順は、図２に示す形成手順に順ずる。
【００２４】
＜第３実施の形態＞
上記各実施の形態においては、上記粉末ガラスを放射線保護用ガラス１３,２３の形成に使用している。ところが、その場合には、放射線保護用ガラスとして厚いガラスが要求される場合には、粉末ガラスの溶液の塗布回数が非常に多くなり、積層されるガラスの層数が多くなって均一な放射線保護用ガラスが得られない場合がある。そのような場合に対処するため、本実施の形態においては、上記粉末ガラスを太陽電池セルと放射線保護用ガラスの接着に使用するのである。本実施の形態においては、図４に示すように、太陽電池セル３２の表面に、粉末ガラスで形成されるガラス層３４で放射線保護用ガラス３３を接着することによって、太陽電池３１を形成している。
【００２５】
図５は、上記構成を有する太陽電池３１におけるガラス３３の接着手順を示す図である。先ず、太陽電池セル３２が用意される(ステップＳ11)。そして、ガラス３３に粉末ガラスの溶液が塗布される(ステップＳ12)。太陽電池セル３２の表面に粉末ガラスの溶液が塗布される(ステップＳ13)。そうした後、太陽電池セル３２とガラス３３とが貼り合わされ(ステップＳ14)、高温,高真空中でベーク(焼成)が行われる(ステップＳ15)。そして、粉末ガラスが溶融された段階で定圧に戻されて冷却される(ステップＳ16)。こうして、最終的に放射線保護用ガラス３３が接着される。
【００２６】
本実施の形態によれば、上記放射線保護用ガラスとして厚いガラスが要求される場合であっても、粉末ガラス溶液の少ない塗布によって簡単に形成することができる。また、太陽電池セル３２と放射線保護用ガラス３３との接着層としてのガラス層３４は、塗布する粉末ガラスの溶液を薄く塗布することによって薄く均一に形成することができる。したがって、ガラス層３４のはみ出し量は小さく、然も、はみ出したガラス層３４は耐紫外線性に優れているので取り除く必要がない。したがって、貼り合わせ後の仕上げ工程を簡単してコストダウンを図ることができる。また、本実施の形態の場合においても、太陽電池セル(Ｐ型シリコン基板)３２とガラス３３とガラス層３４との熱膨張係数を揃えることによって、地球と宇宙との環境変化に伴う大きな温度変動や温度サイクルにおける熱歪を小さくし、太陽電池セル３２やガラス３３の破損やガラス３３の剥離等の不具合を無くして高信頼性を得ることができるのである。
【００２７】
＜第４実施の形態＞
上記各実施の形態においては、上記Ｎ+層１５の表面にＮ電極１７が形成された太陽電池セル１２,２２,３２上に、ガラス１３,２３,３３を形成あるいは接着する場合に付いて説明している。これに対して、本実施の形態は、Ｎ+層の表面にガラスを形成した後に電極をメッキによって形成するものである。以下、詳細に述べる。
【００２８】
図６は本実施の形態による放射線保護用ガラスおよび電極の形成方法を示す。先ず、図６(a)に示すように、Ｐ型シリコン基板４１の表面にＮ+層４２が形成され、更にＮ+層４２上にチタン(Ｔi)等によって下地金属４３がパターニングされる。
【００２９】
次に、図６(b)に示すように、全面に、粉末ガラスを溶剤に溶かした溶液４４が塗布される。その場合、下地金属４３の部分では粉末ガラスの溶液４４がはじかれるため、塗布された粉末ガラス溶液４４は下地金属４３の部分を除いてパターニングされる。そうした後、溶剤が揮発され、焼成が行われて、図６(c)に示すようにガラス４５が形成される。その後、図(d)に示すように、下地金属４３上に銀等をメッキすることによってメッキ電極４６が形成される。その場合、下地金属４３の両側にはガラス４５の壁が有るために、メッキ電極４６は厚さ方向にのみ形成される。
【００３０】
このように、本実施の形態によれば、上記Ｎ+層４２の表面に形成されたガラス４５をメッキ電極形成用パターンとして使用するので、メッキ電極４６の横方向への広がりを防ぐ専用のレジスト等によるメッキ電極形成用パターンを必要とはしない。また、形成されたガラス４５は下地金属４３の部分を除いてパターニングされるので、下地金属４３とガラス４５との位置合せの必要が無い。したがって、メッキ電極４６の形成が非常に簡単になり、宇宙用太陽電池の量産が容易になる。
【００３１】
尚、本実施の形態においては、粉末ガラスを溶剤に溶かした溶液４４が下地金属４３の部分ではじかれることを利用して、表面電極形成領域を除いて粉末ガラス溶液４４をパターニングしている。しかしながら、この発明はこれに限定されるものではなく、例えば、次のようにして表面電極形成領域を除いて粉末ガラス溶液をパターニングしてもよい。
【００３２】
すなわち、先ず、Ｐ型シリコン基板の表面にＮ+層を形成する。そして、上記Ｐ型シリコン基板の全面に感光性レジストを塗布し、表面電極形成領域のみに上記感光性レジストを残すようにパターニングする。次に、上記Ｐ型シリコン基板の全面に粉末ガラスを溶剤で溶かした溶液を塗布し、上記溶剤を揮発させた後に上記粉末ガラスを焼成して放射線保護用ガラスを形成する。その後、上記レジストを除去し、上記表面電極形成領域に下地金属を形成する。そして、この下地金属上にメッキによって上記表面電極を形成するのである。この場合にも、上記下地金属の両側にはガラスの壁が有るために、メッキ電極は厚さ方向にのみ形成されることになる。また、上記下地金属と放射線保護用ガラスとの位置合せの必要が無く、メッキ電極の形成が非常に簡単になり、宇宙用太陽電池の量産が容易になる。
【００３３】
＜第５実施の形態＞
本実施の形態は、上述の水素イオン剥離法に対してこの発明を適用するものである。図７は本実施の形態によるガラスの形成方法を示す。先ず、図７(a)に示すように、Ｐ型シリコン基板５１の表面にＮ+層５２が形成され、剥離位置(水素注入層)５３まで水素イオンが注入された後に、Ｎ電極５４が形成される。そして、図７(b)に示すように、第１〜第４実施の形態の何れかによって、Ｎ+層５２側の表面にガラス５５が形成される。次に、熱処理が行われて、図７(c)に示すように、Ｐ型シリコン基板５１の表面が水素注入層５３(５６)の位置から剥離される。そして、剥離面上にＰ電極(図示せず)が形成されて、放射線保護用ガラス５５が形成された非常に薄い太陽電池５７が得られる。その場合、放射線保護用ガラス５５が薄膜シリコンの補強材となっている。一方、太陽電池５７が剥離された後のＰ型シリコン基板５１'は再利用されて、図７(d)に示すように、Ｎ+層５２'が形成され、水素注入層５３'まで水素イオンが注入された後に、Ｎ電極５４'が形成される。以後、上述の手順が繰り返される。
【００３４】
このように、本実施の形態においては、Ｐ型シリコン基板５１の表面にＮ+層５２を形成し、水素イオンを注入し、Ｎ電極５４を形成した後、Ｎ+層５２側の表面に放射線保護用のガラス５５を形成する。その後、熱処理を行って剥離を行うようにしている。その結果、放射線保護用ガラス５５を薄膜シリコンの補強材として利用することができ、薄膜シリコンを機械的に補強するための専用の基板を接着する必要がない。したがって、その分だけコストダウンを図ることができる。さらに、放射線保護用ガラス５５は、接着剤を用いることなくＰ型シリコン基板５１上に直接形成されるため、第１〜第４実施の形態と同様に、ガラスを接着剤で貼り付ける場合の種々の問題点を解決できるのである。
【００３５】
尚、上記各実施の形態においては特に述べてはいないが、放射線保護用ガラス１３,２３,４５,５５および接着用のガラス層３４を形成する際に、粉末ガラスを溶剤で溶かした溶液中にセリウムを添加することによって、形成されたガラスが放射線によって着色することを防止できる。
【００３６】
【発明の効果】
以上より明らかなように、請求項１に係る発明の太陽電池セルは、ＰＮ接合および電極の上を覆ってガラス層でなるカバーが形成され、表面に透明ガラス層が直接形成されているので、放射線保護用のガラス板を太陽電池セルの表面に接着する必要が無い。したがって、上記ガラスを接着するための高価な接着剤を必要とはせず、はみ出した接着剤を取り除く作業を無くし、上記太陽電池セルと上記ガラス板との位置合わせ不良を無くして、コストダウンを図ることができる。さらに、低温下での接着剤の物性変化に起因する太陽電池セルや上記ガラス板に対する熱応力を無くし、上記太陽電池セルやガラス板の破損あるいは接着剤の剥離を減少できる。
【００３７】
さらに、屈折率が異なる複数のガラス層を積層して上記カバーを構成すると共に、上記カバーを構成する複数のガラス層の屈折率を基板の表面側から外側に向かって順次大きくなるように設定したので、上記透明ガラス層における表面の光反射率を小さくできる。したがって、太陽光の吸収率を大きくでき、光電変換効率を向上できる。
【００３８】
また、請求項２に係る発明の太陽電池セルの製造方法は、ＰＮ接合層および複数の電極の上に異なる屈折率を有する複数のガラス層を積層して、上記ＰＮ接合層上および電極上を覆うカバーを形成するに際して、上記複数のガラス層の屈折率を、基板の表面側から外側に向かって順次大きくなるように設定したので、上記カバーにおける表面の光反射率を小さくできる。したがって、太陽光の吸収率を大きくでき、光電変換効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の太陽電池における概略縦断面図である。
【図２】図１におけるガラスの形成手順を示す図である。
【図３】図１とは異なる太陽電池における概略縦断面図である。
【図４】図１及び図３とは異なる太陽電池における概略縦断面図である。
【図５】図４におけるガラスの接着手順を示す図である。
【図６】図１,図３,図４とは異なる太陽電池におけるガラスおよび電極の形成方法を示す図である。
【図７】図１,図３,図４,図６とは異なる太陽電池の製造方法の説明図である。
【図８】従来の太陽電池における概略縦断面図である。
【符号の説明】
１１,２１,３１,５７…太陽電池、
１２,２２,３２…太陽電池セル、
１３,２３,３３,４５,５５…放射線保護用ガラス(ガラス)、
１４,４１,５１…Ｐ型シリコン基板、 １５,４２,５２…Ｎ+層、
１６…ＰＮ接合部、 １７,５４…Ｎ電極、
１８…Ｐ電極、 ２４〜２７…ガラス層、
３４…ガラス層(接着層)、 ４３…下地金属、
４４…粉末ガラス溶液、 ４６…メッキ電極、
５３…水素注入層。
Claims (2)
- 基板と、
上記基板上に形成されたＰＮ接合層と、
上記ＰＮ接合層上に形成された複数の電極と、
上記ＰＮ接合層上および電極上を覆って形成されたカバー
を備えた太陽電池セルであって、
上記カバーは、粉末ガラスを焼成して形成され且つ異なる屈折率を有する複数のガラス層を、積層して形成されており、
上記複数のガラス層の屈折率は、上記基板の表面側から外側に向かって順次大きくなるように設定されている
ことを特徴とする太陽電池セル。 - 基板上にＰＮ接合層を形成する工程と、
上記ＰＮ接合層上に複数の電極を形成する工程と、
異なる屈折率を有する複数のガラス層を積層して、上記ＰＮ接合層上および電極上を覆うカバーを形成する工程
を備えた太陽電池セルの製造方法であって、
上記複数のガラス層の屈折率は、上記基板の表面側から外側に向かって順次大きくなるように設定する
ことを特徴とする太陽電池セルの製造方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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