JP3732947B2 - 太陽電池素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池素子の製造方法に関し、特に半導体基板の両主面側に電極が形成される太陽電池素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の太陽電池素子を図4に示す。例えば厚さ0.5mm程度の単結晶または多結晶シリコンなどから成るp型シリコンウェハ11の一主面側に、0.2〜0.5μmの深さにリン(P)などを拡散させたエミッタ層11aを設け、このエミッタ層11aの表面に、銀などから成るグリッド状の表面電極13およびこの表面電極13の間隙に窒化シリコン膜や酸化シリコン膜などから成る反射防止膜12を設けて構成されている。また、シリコンウェハ11の他の主面側には、銀などから成る裏面電極14が設けられている。そして、表面電極13および裏面電極14上には、外部リード線が容易に接続できるように、半田層(不図示)を設ける場合もある。
【0003】
また、シリコンウェハ11の裏面側にアルミニウムなどを高濃度に拡散させたp+ 領域11bを設け、シリコンウェハ11の裏面側の内部電界によって少数キャリア(電子)の再結合速度を遅くさせて短絡電流を向上させ、もって太陽電池の変換効率を高めることも提案されている。
【0004】
このような結晶系シリコンで形成される太陽電池素子では、低コスト化のため、電極は一般的に印刷・焼成法で形成される。印刷・焼成法では、シリコンとの密着強度を向上させるために、銀粉末と有機ビヒクルにガラスフリットを銀100重量部に対して0.1〜5重量部添加して、ペースト状にしたものをスクリーン印刷法によりシリコン面に印刷して、600〜800℃で1〜30分程度焼成することにより形成する。つまり、電極ペースト中にガラスフリットを添加して、電極ペースト中の金属成分の焼結を促進させると共に、基板材料のシリコンと共融状態を作って密着強度を向上させるものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、結晶系シリコンで形成される太陽電池素子のエミッタ層11aは、厚みが2000〜10000Åと薄いため、図5に示すように、このエミッタ領域11a上に表面電極13を印刷・焼成法で形成する際に、電極ペースト13aに含まれる不純物や金属成分が電極焼成中にp/n接合を貫通し、太陽電池素子を形成した場合にリーク電流を増大させて、セル特性を低下させるという問題があった。なお、図5(a)は電極13を焼き付ける前の状態を示す図であり、図5(b)は電極13を焼き付けた後の状態を示す図である。このエミッタ領域11aへのダメージは、電極ペースト13a中のガラスフリットGが大きく関与している。つまり、電極ペースト13a中のガラスフリットGの含有量を少なくすると、リーク電流が減少してセル特性が改善されるが、電極13の密着強度が低下し、太陽電池素子の信頼性が損なわれるという問題を誘発する。
【0006】
そのため、従来の太陽電池素子では、電極ペースト13a中に添加するガラスフリットGの量は、セル特性と密着強度を考慮して適当な値に設定せざるを得なかった。
【0007】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、受光面側の電極を厚膜手法で形成すると太陽電池素子のエミッタがダメージを受けたり、密着強度が弱くなるという従来方法の問題点を解消した太陽電池素子の製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【問題点を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に係る太陽電池素子の製造方法では、一導電型不純物を含有する半導体基板の一主面側に他の導電型不純物を含有する領域を形成して、一主面側に表面電極を形成すると共に、他の主面側に裏面電極を形成する太陽電池素子の製造方法において、前記表面電極は、ガラスフリットを含有しない下層銀ペーストとガラスフリットを含有する上層銀ペーストとを塗布して焼き付けることによって、溶融した前記ガラスフリットが前記他の導電型不純物を含有する領域に達して共融状態を作ることで形成される。
【0009】
上記太陽電池素子の製造方法では、前記上層銀ペースト中に、銀100重量部に対してガラスフリットを0.1〜5重量部含有することが望ましい。
【0010】
また、請求項3に係る太陽電池素子の製造方法では、一導電型不純物を含有する半導体基板の一主面側に他の導電型不純物を含有する領域を形成して、一主面側に表面電極を形成すると共に、他の主面側に裏面電極を形成する太陽電池素子の製造方法において、前記表面電極を、逆導電型不純物を含有するシリコン微粒子が添加された銀ペーストを塗布して焼き付けることによって形成する。
【0011】
【作用】
電極材料中の銀ペースト中のガラスフリットがエミッタ領域のシリコンと共融状態を作るとエミッタ領域にはダメージとなるが、その際に、ガラスフリットがシリコンと広い面積で接触すると、エミッタの深さ方向へのダメージも大きくなる。したがって、ガラスフリットのシリコンとの接触面積はできるだけ小さくする必要がある。この場合、単純にガラスフリットの粒径を小さくしてもよいが、ガラスフリットの製造コスト面から好ましくない。また、電極ペースト中のガラスフリットの含有量を減らすと、全体の接触面積が減少し、密着強度が低下する。
【0012】
そこで、請求項1に係る太陽電池素子の製造方法では、ガラスフリットのシリコンとの接触面積を減らすことなく、接触点の密度を上げることで、エミッタの深さ方向へのダメージの低減を図り、かつ密着強度も維持するようにしていた。
【0013】
また、電極材料の銀ペースト中のガラスフリットがエミッタ領域のシリコンと共融状態を作ることでエミッタへのダメージを誘発するが、これはエミッタ領域のシリコンが溶融して電極中に取り込まれることが原因でもある。
【0014】
そこで、請求項3に係る太陽電池素子の製造方法では、電極ペーストを焼き付ける際に、エミッタ領域のシリコンが電極中へ析出するを防止するために、電極中にエミッタ領域と同じ導電型を示す半導体不純物を高濃度に含有するシリコン粒子が添加された銀ペーストを印刷・焼成して表面電極として用いる。
【0015】
このように構成すると、電極中(溶融ガラスフリット中)のシリコン濃度が高いため、エミッタ領域のシリコンが浸食されにくくなる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、請求項1ないし3に係る各発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図1は、請求項1に係る太陽電池素子の一実施形態を示す図であり、1は半導体基板、1aはn層、1bはBSF層、2は反射防止膜、3は表面電極、4は裏面電極である。
【0017】
半導体基板1は、0.2〜1.0mm程度の厚みを有するシリコンウェハから成る。このシリコンウェハは、CZ法、FZ法、EFG法、或いは鋳造法などで形成された単結晶シリコン又は多結晶シリコンなどをスライスして形成され、例えばボロン(B)などのp型不純物を含有する。
【0018】
このシリコンウェハ1の一主面側にn層1aを設け、p−n接合部を形成する。n層1aの深さは2000〜10000Å程度である。このn層1aは、例えばオキシ塩化リン(POCl3 )などを用いてリン(P)などを気相拡散させることにより、形成される。
【0019】
この半導体基板1の一主面側には、反射防止膜2が形成される。この反射防止膜2はシリコンウェハ1に入射する光を効率よく吸収するための膜であり、その厚みが500〜1000Å、屈折率が1.90〜2.30程度になるようにプラズマCVD法などで形成される。この反射防止膜2の材料としては窒化シリコン膜の他に、一酸化シリコン(SiO)、二酸化シリコン(SiO2 )、二酸化チタン(TiO2 )などがある。
【0020】
シリコンウェハ1の一主面側の反射防止膜2の除去部分には表面電極3が形成されると共に、他の主面側には裏面電極4が形成される。この表面電極3と裏面電極4は銀粉末を主成分とするペーストをシリコン基板1の表面および裏面に厚膜手法で塗布して600〜800℃程度の温度で焼き付けることにより形成される。
【0021】
表面電極3は、ガラスフリットを含まない層3aを約10μmとガラスフリットを含む層3bを約10μmを塗布して焼き付けることにより形成される。つまり、ガラスフリットを含まない銀ペーストをエミッタ上へ印刷して乾燥し、続いてその上にガラスフリットを0.1〜5重量部含有する銀ペーストを印刷する。その後、600〜800℃で1分〜30分の焼成を行う。このガラスフリットは、PbO、B2 O3 、SiO2 のうちの少なくとも一種を含むものなどから成る。このガラスフリットが銀100重量部に対して0.1重量部以下の場合は、電極の密着強度が低下し、5重量部以上の場合は、リーク電流が増大して特性が低下する。したがって、このガラスフリットは、銀100重量部に対して0.1〜5重量部添加することが望ましい。
【0022】
このように、上層3bの銀ペーストのみにガラスフリットGを含有させると、図2(a)に示すように、印刷時にはガラスフリットGを含有する層3bとエミッタ領域1bが離れており、焼成中に上層3bのガラスフリットが溶融して、下層3aの銀粒子Sのすき間に入り込んできて始めてエミッタ領域1aと共融状態を作るため、図2(b)に示すように、ガラスフリットGのシリコン基板1との一つ一つの接触面積が小さくなる。したがって、エミッタ領域1aの深さ方向のダメージも小さく、セル特性の低下が防止できる。なお、トータルの接触面積は変わらないため、密着強度の低下はない。
【0023】
裏面電極4は、従来どおり、ガラスフリットを含有する銀などで形成される。この表面電極3および裏面電極4上には、必要に応じて半田層(不図示)などが形成される。
【0024】
図4に示す従来構造の太陽電池素子と図1に示す構造の太陽電池素子を形成して諸特性を測定したその結果を表1に示す。
【0025】
【表1】
【0026】
表1から明らかなように、請求項1に係る製造方法で形成した太陽電池素子は、従来方法で形成した太陽電池素子と比較して、短絡電流(Jsc mA/cm2)と解放電圧(Voc mV)がともに上昇し、変換効率(Effi. %)も15.54%になり、従来方法よりも0.78%上昇する。
【0027】
次に、請求項3に係る太陽電池素子の製造方法の一実施形態を図3に基づいて説明する。この太陽電池素子の製造方法でも、請求項1に係る太陽電池素子の製造方法とほぼ同じであるが、この太陽電池素子の製造方法では、表面電極3の銀ペースト中に逆導電型不純物を多量に含有するシリコン微粒子とガラスフリットを添加して焼き付ける。つまり、n+ /p/(p+ )型太陽電池素子では表面電極3の銀ペースト中にn+ 型シリコン粒子を、またp+ /n/(n+ )型太陽電池素子では表面電極3の銀ペースト中にp+ 型シリコン粒子を銀100重量部に対して0.1〜5重量部添加したものを用いる。このときの逆導電型不純物のドーパント濃度としては、1×1018〜1022atoms/cm3 とする。この銀ペーストをスクリーン印刷法により、シリコン基板1の受光面側に印刷して乾燥した後、600〜800℃で1〜30分焼成する。
【0028】
この場合、エミッタ領域1aのシリコンがガラスフリットと共融状態を作り、そのシリコンが電極3に析出することが防止できるため、エミッタ領域1aのダメージがなく、また共融状態は作られるため、電極の密着強度も向上する。
【0029】
図4に示す従来構造の太陽電池素子と図3に示す構造の太陽電池素子を形成して諸特性を測定したその結果を表2に示す。
【0030】
【表2】
【0031】
表2から明らかなとおり、請求項3に係る製造方法で形成した太陽電池素子では、従来の方法で形成した太陽電池素子と比較して、短絡電流(Jsc mA/cm2)と解放電圧(Voc mV)がともに上昇し、変換効率(Effi. %)も15.68%になり、従来方法よりも0.92%上昇する。
【0032】
【発明の効果】
以上のように、請求項1に係る太陽電池素子の製造方法では、表面電極を、ガラスフリットを含有しない下層銀ペーストとガラスフリットを含有する上層銀ペーストを二層に塗布して焼き付けることによって形成することから、下層の印刷電極にはガラスフリットが含有されておらず、印刷後にはガラスフリットとシリコン面の距離が離れており、焼成中に上層のガラスフリットが溶融し、下層の銀粒子のすき間に入り込んできて始めてシリコンとの共融状態を作るために、一つ一つの接触面積が小さくなる。したがって、エミッタの深さ方向のダメージも小さく、セル特性の低下が防げるとともに、トータルの接触面積は変わらないため、密着強度の低下もない。
【0033】
また、請求項3に係る太陽電池素子の製造方法では、表面電極を、逆導電型不純物を含有するシリコン微粒子が添加された銀ペーストを塗布して焼き付けることによって形成することから、エミッタのシリコンがガラスフリットと共融状態を作り、そのシリコンが電極に析出することが防げるため、エミッタのダメージがなく、また共融状態は作られるため、電極の密着強度も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】請求項1に係る太陽電池素子の一実施形態を示す図である。
【図2】請求項1に係る太陽電池素子の電極を焼き付ける前と後の状態を示す図である。
【図3】請求項3に係る太陽電池素子の一実施形態を示す図である。
【図4】従来の太陽電池素子を示す断面図である。
【図5】従来の太陽電池素子の電極を焼き付ける前と後の状態を示す図である。
【符号の説明】
1‥‥‥半導体基板、1a‥‥‥逆導電型不純物を含有する領域、1b‥‥‥一導電型不純物を多量に含有する領域、2‥‥‥反射防止膜、3‥‥‥表面電極、4‥‥‥裏面電極
Claims (3)
- 一導電型不純物を含有する半導体基板の一主面側に他の導電型不純物を含有する領域を形成して、一主面側に表面電極を形成すると共に、他の主面側に裏面電極を形成する太陽電池素子の製造方法において、
前記表面電極は、ガラスフリットを含有しない下層銀ペーストとガラスフリットを含有する上層銀ペーストとを塗布して焼き付けることによって、溶融した前記ガラスフリットが前記他の導電型不純物を含有する領域に達して共融状態を作ることで形成されることを特徴とする太陽電池素子の製造方法。 - 前記上層銀ペースト中に、銀100重量部に対してガラスフリットを0.1〜5重量部含有することを特徴とする請求項1に記載の太陽電池素子の製造方法。
- 一導電型不純物を含有する半導体基板の一主面側に他の導電型不純物を含有する領域を形成して、一主面側に表面電極を形成すると共に、他の主面側に裏面電極を形成する太陽電池素子の製造方法において、
前記表面電極を、逆導電型不純物を含有するシリコン微粒子とガラスフリットが添加された銀ペーストを塗布して焼き付けることによって形成することを特徴とする太陽電池素子の製造方法。
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