JP3847188B2 - 太陽電池素子 - 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に関し、特に裏面側に帯状の電極取出部とこの電極取出部以外の部分に形成された集電極部とから成る裏面電極を形成した太陽電池素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の太陽電池素子を図4に示す。従来の太陽電池素子は、P型半導体基板1の表面にN型不純物を一定の深さまで拡散させてN型を呈する拡散層2を設けるとともに、半導体基板1の表面に窒化シリコン膜などから成る反射防止膜3を形成して構成されている。表面には銀ペーストをスクリーン印刷するとともに、裏面にはアルミニウムペーストおよび銀ペーストをスクリーン印刷して焼成した表面電極4と裏面電極5が形成されている。
【0003】
裏面電極5は、図5および図6に示すように、半導体基板1の裏面の電極取出部5aを形成する領域に銀ペーストを塗布して乾燥した後、その領域5aの銀ペーストの周縁部に重なるように集電極部5bとなる領域にアルミニウムペーストを塗布して乾燥し、この銀ペーストとアルミニウムペーストとを同時に焼成して電極取出部5aと集電極部5bを同時に形成する同時焼成法(一段階焼成)で形成されている(例えば特開平5−326990号公報および特表平6−509910号公報参照)。
【0004】
このようにして製造された太陽電池素子は、複数の素子同士を直列に接続して電圧を昇圧して使用するのが一般的である。この複数の素子同志の接続は裏面電極5と表面電極4とに配線材(不図示)を半田接続することにより行われる。半田接続する半田は裏面電極5と表面電極4との双方、および配線材にあらかじめコーティングしておく。
【0005】
しかしながら、集電極部5bのアルミニウムは半田濡れ性が悪くて半田コーティングが困難であることから、電極取出部5aを半田濡れ性の良好な銀で形成してこれに配線材(不図示)を半田付けしていた。
【0006】
このように、電極取出部5aをアルミニウムに比べて電気抵抗率の低い銀で形成することにより、太陽電池の曲線因子の低下を防ぐこともできる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のような裏面電極5の構造では、低コスト化のために半田コーティングを浸漬式で行った場合、電極取出部5aの幅が1mmを越える場合には引き上げ方向(帯状取出電極5aが水平状態で引き上げられる)の下側の半田盛りが大きくなり、後工程の作業時にセル割れが発生するという問題があった。
【0008】
この問題を解消するため、本出願人は、特願平2001−392772号において、図7および図8に示すように、裏面電極5の帯状電極取出部5aを二本に分割して設けるとともに、短手方向の複数箇所で集電極部5bが電極取出部5aを跨ぐように形成することを提案した。電極取出部5aの露出部分を細分化して半田盛りを低減させるためである。
【0009】
しかし、銀から成る電極取出部5aの周縁部上にアルミニウムから成る集電極部5bが位置するような電極構造とした場合には、焼成する際に形成される合金層がシリコン基板1に隣接し、応力集中によって太陽電池セルに割れやクラックが発生しやすくなるという問題があった。すなわち、アルミニウムと銀を積層して加熱する場合、アルミニウムが銀に拡散しやすくなる。そのため銀から成る電極取出部5aの周縁部でアルミニウムが銀に拡散し、電極取出部5aの周縁部は内部応力を内在したまま硬質化し、太陽電池セルに割れやクラックが発生しやすくなる。
【0010】
また、この電極取出部5aを半田コーティングする場合、アルミニウムはその表面が酸素と強く結合して半田コーティングされない。また、銀は半田コーティングされるが、アルミニウムが拡散した銀は半田コーティングの程度にばらつきがある。したがって、電極取出部5aの表面の横方向にアルミニウムが拡散する程度によって、半田コーティング層の幅が異なり、半田コーティングにばらつきが発生するという問題もあった。
【0011】
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、半田盛りが大きくなって後工程でセル割れが発生したり、電極取出部5aの周縁部が内部応力を内在したまま硬質化して太陽電池セルに割れやクラックが発生しやすくなったり、半田コーティングにばらつきが発生するという従来の問題を解消した太陽電池素子を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に係る太陽電池素子では、半導体基板と、該半導体基板の表面の一部に帯状に形成された電極取出部と、該電極取出部が形成されていない前記半導体基板の表面部分に形成された集電極部とを備える太陽電池素子において、前記電極取出部は、銀、銅、金、又は、白金のいずれかを主成分としており、前記集電極部は、アルミニウム、ガリウム、又は、インジウムのいずれかを主成分としており、前記電極取出部は長手方向および短手方向に複数に分割されると共に、当該分割された電極取出部の周辺部すべてが前記集電極部上に位置するように形成されており、前記分割された電極取出部は、それぞれ凹み部を有することを特徴とする。
【0013】
上記太陽電池素子では、前記帯状電極取出部を長手方向に3〜20mmごとに分割することが望ましい。
【0014】
上記太陽電池素子では、前記帯状電極取出部を短手方向に0.5〜1mmごとに分割することが望ましい。
【0015】
上記太陽電池素子では、前記帯状電極取出部の周辺部の短手方向と前記裏面集電極部の重なり部分が0.25mm以下であることが望ましい。
【0016】
上記太陽電池素子では、前記表面電極と裏面電極の電極取出部が銀を主成分として構成されるとともに、前記裏面電極の集電極部がアルミニウムを主成分として構成されることが望ましい。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の太陽電池素子も基本的な構造は図4に示す従来の太陽電池素子の構造と同じである。すなわち、一導電型を呈する半導体基板1の表面に逆導電型半導体不純物を一定の深さまで拡散させた拡散層を設けるとともに、半導体基板1の表面に反射防止膜を形成したものである。また、表面にはグリッド状に表面電極が形成されると共に、裏面には裏面電極が形成される。
【0018】
本発明の裏面電極の構造を図1および図2に示す。
図1および図2に示すように、本発明の太陽電池素子では、裏面電極5(5a、5b)の集電極部5bとなる部分の印刷を行った後に、電極取出部5aのパタ−ンニングを行って、銀電極5aがシリコン基板1に接触するようにしている。
また、電極取出部5aは集電極部5bで集めたキャリアを受け取るために電極取出部5aおよび集電極部5bは重なり部分を必要とする。
すなわち、帯状電極取出部を長手方向および短手方向に複数に分割すると共に、この分割した電極取出部5aの周辺部が集電極部5b上に位置するように形成する。
【0019】
この重なり部分のうち、半田ディップ方向に対して垂直な部分(帯状電極5aの長さ方向での重なり)は両側に0.25mm以下となるようにする。一方、半田盛を低減するために必要な電極取出部5aの分割した短手方向の幅lは集電極部5bとの重なり部分を含めて1mm以下にする必要があり、電極取出部5aとシリコン基板1の接触も0.5mm以上必要であるから電極取出部5aおよび集電極部5bの重なり部分は両側毎に0.25mm以下にする。
【0020】
また、集電極部5bは長手方向に3〜20mm程度ごとに分割して形成される。
3mmを下回ると、半田付け銅箔を溶着するのに距離が不十分であり、20mmを越えると、ひとつのパターンに対する半田量が多すぎて溜まりをつくる可能性がある。また、電極取出部5aは短手方向に0.05〜3mm程度ごとに分割される。0.05mm以下ではペースト印刷時に滲み等で繋がる可能性があり、一方3mmを越えると分割した両者を跨ってつなげる銅箔の幅がいたずらに広くなりコストメリットがない。
【0021】
このように帯状電極取出部5aを長手方向に複数に分割して配置するとともに短手方向にも複数に分割して配置すると、この電極取出部5aに配線材(不図示)を半田付けする際に、複数の電極取出部5aの間に半田溜まりを形成でき、配線材を取出電極部5aにより安定して半田付けできるようになる。また、半田コーティングする部分が細分化され、半田盛りが均一化されることから、半田盛りの違いによる後工程でのセル割れを防止することができる。
【0022】
表面電極4と裏面電極5の電極取出部5aは銀を主成分として構成されるとともに、裏面電極5の集電極部5bはアルミニウムを主成分として構成されることが望ましい。つまり、このように形成されたアルミニウム−銀電極では、アルミニウムの下に銀が位置して両者の合金層がシリコン基板1に隣接した従来の電極に比べると、応力の分散が図られて太陽電池セルの割れやクラックを防止する効果がある。
【0023】
また、裏面電極5の集電極部5bがアルミニウムを主成分として構成されることにより、集電電極5bの下部には一般にBSFと呼ばれる高濃度P型層が形成される。この高濃度P型層を形成することによって、半導体基板1の裏面側の内部電界によって少数キャリアである電子の再結合速度を遅くさせて短絡電流および開放電圧を向上させ、もって太陽電池の変換効率を高めることができる。
【0024】
次に、本発明に係る太陽電池素子の製造方法を図3に基づいて説明する。まず図3(a)のように一導電型半導体基板1を準備する。次に、図3(b)に示すように、半導体基板1を逆導電型半導体不純物雰囲気中で熱処理などして、半導体基板1の表面近傍の全面に一定深さまで逆導電型半導体不純物を拡散させて逆導電型半導体不純物を含有する拡散領域2を形成する。次に、図3(c)に示すように、半導体基板1の表面にプラズマCVD装置などで窒化シリコン膜などから成る反射防止膜3を形成する。また、半導体基板1の裏面側の拡散層2は除去する。次に、半導体基板1の表面に銀ペーストをスクリーン印刷するとともに、裏面にアルミニウムペーストおよび銀ペーストをスクリーン印刷して焼成することにより、図3(d)に示すような表面電極4と裏面電極5を有する太陽電池素子を得る。
【0025】
表面電極4と裏面電極5の焼成は、半導体基板1をベルト炉等の焼成炉で焼成することによって、アルミニウムペーストと銀ペーストが同時に形成される。このときアルミニウムを主成分とする集電極部5bを先に焼成してもよく、銀を主成分とする表面電極4および裏面電極5の電極取出部5aと同時に焼成してもよい。また、表面電極4と裏面電極5が形成された半導体基板1を半田槽に浸漬して表面電極4と裏面電極5の電極取出部5aに半田をコーティングして半田層を形成する。このように構成すると、太陽電池の高効率化と半田盛りを低減することができる。
【0026】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの変更を加えることができる。例えばアルミニウムペーストに代えてガリウムやインジウムをベースとした金属ペーストを用いてもよいし、またボロンを塗布してもよい。また、銀ペーストに代えて銅、金、白金をベースとした金属ペーストを用いてもよい。
【0027】
【実施例】
半導体基板として15cm角で厚さ0.3mm、比抵抗1.5Ω・cmのP型シリコン基板を準備した。そして、熱拡散法でオキシ塩化リン(POCl3)を拡散源として、深さ0.5μmのN型拡散層を形成した。次に、表面以外のN型拡散層を除去し、表面にプラズマCVD法で窒化シリコンの反射防止膜を800Åの厚さで形成した。次に、図2に示すパターンで電極取出部の長手方向の分割ピッチを12mm、短い手方向の分割のピッチを0.8mmとし、裏面にアルミニウムペーストをスクリーン印刷して800℃で焼成した。その後、裏面の電極取出部となる部分に銀ペーストを短手方向の分割された幅が1mmごとでかつアルミニウムの周辺部との重なり部分が両側に0.1mmとなるようにスクリーン印刷し、表面にも銀ペーストをスクリーン印刷して700℃で焼成することで集電極部を形成した。その後、さらに200℃の半田浴槽に上記基板を浸漬して引き上げることで、上記集電極部の表面を半田でコーティングして太陽電池素子を製造した。
【0028】
本発明の構造の太陽電池素子と図5に示す従来の構造の太陽電池素子の半田厚みを表1に、また裏面電極のアルミニウム−銀合金層部分の破壊強度を表2に示す。
【0029】
【表1】
【0030】
【表2】
【0031】
本発明により、従来400μmを超えていた半田の厚みは160μm程度以上に減少した。また、アルミニウム−銀の合金層の破壊強度も従来の平均0.5kg/cm2から平均1.8kg/cm2へと向上し、セル割れおよびクラック防止が図られた。
【0032】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、帯状電極取出部を長手方向および短手方向に複数に分割すると共に、この分割した電極取出部の周辺部すべてが上記集電極部上に位置するように形成したことから、浸漬法による半田コーティングを行っても部分的に半田盛りが大きくなるという問題が発生せず、後工程でのセル割れの発生も抑制される。
また、電極取出部の周縁部が内部応力を内在したまま硬質化して太陽電池セルに割れやクラックが発生しやすくなったり、半田コーティングにばらつきが発生することも極力解消できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る太陽電池素子の裏面電極を示す図である。
【図2】図1中の本x−x線断面図である。
【図3】本発明に係る太陽電池素子の製造方法を説明するための図である。
【図4】従来の太陽電池素子を示す図である。
【図5】従来の太陽電池素子の裏面電極を示す図である。
【図6】図5のx−x線断面図である。
【図7】従来の他の太陽電池素子の裏面電極を示す図である。
【図8】図7中のx−x線断面図である。
【符号の説明】
1;半導体基板、2;n型拡散層、3;反射防止膜、4;・表面電極、5;・裏面電極、5a;電極取出部、5b;集電極部、5c;横断領域、5d;縦断領域
Claims (4)
- 半導体基板と、該半導体基板の表面の一部に帯状に形成された電極取出部と、該電極取出部が形成されていない前記半導体基板の表面部分に形成された集電極部とを備える太陽電池素子において、
前記電極取出部は、銀、銅、金、又は、白金のいずれかを主成分としており、
前記集電極部は、アルミニウム、ガリウム、又は、インジウムのいずれかを主成分としており、
前記電極取出部は長手方向および短手方向に複数に分割されると共に、当該分割された電極取出部の周辺部すべてが前記集電極部上に位置するように形成されており、
前記分割された電極取出部は、それぞれ凹み部を有することを特徴とする太陽電池素子。 - 前記電極取出部を長手方向に3〜20mmごとに分割したことを特徴とする請求項1に記載の太陽電池素子。
- 前記電極取出部を短手方向に0.5〜1mmごとに分割したことを特徴とする請求項1または2に記載の太陽電池素子。
- 前記電極取出部の周辺部の短手方向と前記集電極部の重なり部分が0.25mm以下であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の太陽電池素子。
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