JP3849907B2

JP3849907B2 - 太陽電池およびその製造方法

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Publication number: JP3849907B2
Application number: JP36596699A
Authority: JP
Inventors: 克己天野; 暁一樋口
Original assignee: Mitsui High Tech Inc
Current assignee: Mitsui High Tech Inc
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2019-12-24
Also published as: JP2001185744A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池およびその製造方法に係り、特に球状半導体を用いた太陽電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体のｐｎ接合部分には内部電界が生じており、これに光を当て、電子正孔対を生成させると、生成した電子と正孔は内部電界により分離されて、電子はｎ側に、正孔はｐ側に集められ、外部に負荷を接続するとｐ側からｎ側に向けて電流が流れる。この効果を利用し、光エネルギーを電気エネルギーに変換する素子として太陽電池の実用化が進められている。
【０００３】
近年、単結晶、多結晶シリコンなどの直径１ｍｍ以下の球状の半導体（Ball Semiconductor）上に回路パターンを形成して半導体素子を製造する技術が開発されている。
【０００４】
その１つとして、アルミ箔を用いて多数個の半導体粒子を接続したソーラーアレーの製造方法が提案されている（特開平６-１３６３３号）。この方法では、図６に示すように、第1導電型表皮部と第2導電型内部を有する半導体粒子２０７をアルミ箔の開口にアルミ箔２０１の両側から突出するように配置し、片側の表皮部２０９を除去し、絶縁層２２１を形成する。次に第2導電型内部１１１の一部およびその上の絶縁層２２１を除去し、その除去された領域２１７に第2アルミ箔２１９を結合する。その平坦な領域２１７が導電部としての第2アルミ箔２１９に対し良好なオーミック接触を提供するようにしたものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような方法では、高密度配置には限界があり、また、アルミ箔への位置決めが困難であり、多数個の半導体粒子を実装する場合には特に作業性が悪いという問題があった。
また、電極の形成についても、第1導電型表皮部と第2導電型内部との両方へのコンタクト端子が必要であるが、受光面積を減少させることなく、確実なコンタクト端子の形成を行うのは難しいという問題があった。
さらにまた、研磨などの方法によって一部の外側領域を、除去し、露呈した領域に電極を形成する方法が提案されているが、このような方法では、異なる導電型の拡散層が同一面内に共存し、これらを独立して取り出すのが困難であるという問題があった。
さらに、このような除去領域を形成するに際しては、十分な精度を得るのが困難であり、特性にばらつきが生じ易く、精度を得るためには極めて作業性が悪く，フォトリソグラフィ工程を用いなければならないような場合もあった。
【０００６】
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、特性のばらつきがなく、信頼性の高い太陽電池を提供することを目的とする。
また、本発明は、単位面積当りの起電力の向上をはかり、小型で高効率の太陽電池を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1は、少なくとも表面が第１導電型の半導体層を構成する球状基板表面に、ｐｎ接合を形成するように形成された第２導電型の半導体層と、前記第2の半導体層表面に形成された透明導電膜からなる外側電極とを形成した多数個のセルを用意する工程と、前記セルを、トレイに一列に敷き詰める工程と、前記トレイ内に光透過性の樹脂を充填し、敷き詰められたセルと共に硬化せしめ、多数の太陽電池セルを一体的に固着する工程と、前記光透過性の樹脂で固着された状態で、一体的に研磨することにより、前記第１導電型の半導体層の少なくとも一部を露呈する工程と、前記第１導電型の半導体層の露呈された領域に内側電極を形成する工程とを含むことを特徴とする。
かかる構成によれば、ｐｎ接合および外側電極の形成された球体をトレイに敷き詰めた状態で最密配置状態に整列させ、これを光透過性樹脂で固めることにより、位置精度よく固定し、これを一括して研磨することにより、極めて高精度に電極取り出し部を形成することが可能となる。
また、この光透過性樹脂を除去することなく、そのまま保護部材として、さらには光学部品としても使用することができ、製造が容易で信頼性の高い太陽電池を得ることが可能となる。
【０００８】
本発明の第２によれば、前記透明導電膜の表面に反射防止膜を形成したことを特徴とすることを特徴とする。
かかる構成によれば、反射光が大幅に減らすことができ、受光効率が向上する。
【０００９】
本発明の第３によれば、少なくとも表面が第１導電型の半導体層を構成する球状基板表面に、ｐｎ接合を形成するように形成された第２導電型の半導体層と、前記第2の半導体層表面に形成された透明導電膜からなる外側電極と、前記透明導電膜の表面に反射防止膜とを形成した多数個のセルを用意する工程と、前記セルを、トレイに一列に敷き詰める工程と、前記トレイ内に光透過性の樹脂を充填し、敷き詰められたセルと共に硬化せしめ、多数の太陽電池セルを一体的に固着する工程と、前記セルの一部の領域から、研磨工程により、前記外側電極および前記第2の導電型半導体層を選択的に除去し、前記第1導電型半導体層を露呈せしめる工程と、前記研磨により露呈せしめられた面に、前記多数の太陽電池セルの各々の前記第１導電型の半導体層に接触するように開けられた貫通孔を有し、前記外部電極となるセル間の透明導電膜を接続するように半田バンプを設けられた絶縁シートを貼着する工程と、前記貫通孔に導電性材料を埋め込む工程と、導電プレートを前記絶縁シート上に装着する工程と、前記導電性材料を硬化させ、前記セルと前記導電プレートとの間を半田で固着する工程とを含むことを特徴とする。
かかる構成によれば、前記１の効果に加え、内側電極としての導電プレートを形成することにより、高精度に配列最密配置された球体からなる高効率の太陽電池を生産性良く形成することができる。さらにまた、生産性も極めて高いものとなる。また、この方法によれば、マスク工程が不要である。特に、球状体へのフォトリソグラフィ工程は露光工程が極めて困難であるが、本発明の方法によれば、フォトリソグラフィ工程を必要とすることなく、極めて高効率の太陽電池を形成することが可能となる。
【００１０】
本発明の第４によれば、前記研磨する工程は前記透明部材で覆われた面に対向する側から、前記第１の半導体層が露呈するまで研磨する工程であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の第５によれば、前記導電プレート上に絶縁保護膜を形成する工程を含むことを特徴とする。
かかる構成によれば、保護膜の存在により、信頼性が向上する。
【００１２】
本発明の第６によれば、前記光透過性樹脂に光増感剤を添加したことを特徴とする。
かかる構成によれば、作業工程を増やすことなく、受光効率を向上させることができる。
【００１３】
本発明の第７によれば、少なくとも表面が第１導電型の半導体層を構成する球状基板表面に、ｐｎ接合を形成するように形成された第２導電型の半導体層と、前記第2の半導体層表面に形成された透明導電膜からなる外側電極とを具備し、一部で前記外側電極および前記第2導電型半導体層が除去され前記第1導電型の半導体層が露呈せしめられた多数個の太陽電池セルと、裏面側に導体層を形成してなり、複数の貫通孔を形成してなる絶縁性基板とを具備し、前記太陽電池セルの前記露呈された領域が、前記貫通孔に当接するように搭載せしめられ、前記貫通孔に充填された導電体を介して前記第1導電型の半導体層が前記導体層にコンタクトするとともに、前記外側電極同士が電気的に接続され、受光面側が光透過性の樹脂で覆われ、一体的に固定されていることを特徴とする。
かかる構成によれば、寸法精度が高くかつ、最密配置構造の太陽電池を得ることができる。
また、外側電極側と内側電極側の導電プレートとの間に絶縁層が介在することになり、ショートのおそれもなく、信頼性の高い太陽電池を形成することが可能となる。
【００１４】
本発明の第８によれば、前記貫通孔に接する前記第1導電型の半導体層に金属メッキを施したことを特徴とする請求項７に記載の太陽電池。
かかる構成によれば、内側電極のコンタクト抵抗が低く信頼性の高い太陽電池を容易に形成することが可能となる。
【００１５】
本発明の第９によれば、前記太陽電池セルの外側電極同士は前記絶縁性基板表面に形成された半田層を介して電気的に接続されていることを特徴とする。
かかる構成によれば、容易に確実な電気的接続が可能となる。
【００１６】
本発明の第１０によれば、前記球状基板は、第1導電型のシリコン球からなり、前記シリコン球の表面に形成された第2導電型のシリコン層との間にｐｎ接合を形成してなることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
（実施の形態）
本発明の実施形態の太陽電池は、図1に全体図、図２に断面概要図を示すように、球状シリコンからなる太陽電池セル１が貫通孔Ｈを有する絶縁シート４に貼着されている。そしてこの太陽電池セル１の一部が研磨され露呈された領域が、貫通孔Ｈに当接するように搭載せしめられ、貫通孔Ｈが接する部分にスパッタリングにより、銅薄膜などの金属薄膜１６を形成し、さらに充填されたシルバーペースト６を介して内側に位置する第1の半導体層１１が導電プレート５にコンタクトするとともに、外側電極１３同士が半田層３を介して電気的に接続されていることを特徴とする。
【００１８】
すなわち、ｐ型多結晶シリコン球１１表面にｐｎ接合を形成するように形成されたｎ型多結晶シリコン層１２と、このｎ型多結晶シリコン層１２表面に形成された酸化インジウム錫（ＩＴＯ）からなる透明の外側電極１３と、一部で前記外側電極１３およびｎ型多結晶シリコン層１２表面とが除去され前記ｐ型多結晶シリコン球表面が露呈せしめられた多数個の太陽電池セル１と、前記ｐ型シリコン球１１に貫通孔Ｈが接する部分にスパッタリングにより、銅薄膜などの金属薄膜１６を形成し、さらに充填されたシルバーペースト６を介して導電プレート５にコンタクトし、電気的接続をはかるとともに、複数の前記太陽電池セル１に固着せしめられた絶縁シート４と、前記外側電極１３と絶縁シート４との間に充填され、前記絶縁シート４から離間して、前記太陽電池セル１の外側電極同士を電気的に接続する半田層３とを含むことを特徴とする。この絶縁シート４は可撓性のポリイミドフィルムからなり、マトリックス状に貫通孔Ｈを形成してなるものである。
【００１９】
このポリイミドフィルムからなる絶縁シート４が、前記半田層３と導電プレート５との間に介在することにより、半田層３すなわち外側電極１３側と導電プレート５すなわち内側電極側とのショートを防止し、信頼性の向上を図ることが可能となる。
【００２０】
さらに、この太陽電池セル１の受光面は、反射防止膜１４で覆われ、光増感剤を添加した光透過性樹脂１５が充填された層を通して受光することを特徴とするものである。
【００２１】
次に、この太陽電池の製造方法について説明する。
まず、太陽電池セル１を形成する。図３(ａ)に示すように、直径１ｍｍのｐ型多結晶シリコン粒またはｐ型アモルファスシリコン粒を真空中で加熱しつつ落下させ、結晶性の良好な多結晶シリコン球１１を形成し、この表面に、フォスフィンを含むシランなどの混合ガスを用いたＣＶＤ法により、ｎ型多結晶シリコン層１２を形成する。ここでＣＶＤ工程は細いチューブ内でシリコン球を搬送しながら、所望の反応温度に加熱されたガスを供給排出することにより、薄膜形成を行うものである。
なお、この工程は、ｐ型多結晶シリコン粒またはｐ型アモルファスシリコン粒を真空中で加熱しつつ落下させながら球状化し、ｐ型多結晶シリコン球を形成するとともに、落下途上で所望のガスと接触させることにより、ｎ型多結晶シリコン層１２を形成する様にすることも可能である。
【００２２】
この後、図３(ｂ)に示すように、スパッタリング法により、基板表面全体に膜厚1μｍ程度のＩＴＯ薄膜１３を形成する。
【００２３】
さらに、図３(ｃ)に示すように、好ましくはＩＴＯ薄膜１３の表面に反射防止膜１４を形成する。
このようにして形成された、太陽電池セル１を、図４(ａ)に示すように、トレイＴに一列に敷き詰めたのち、これのトレイＴに光透過性樹脂１５を流し込み、硬化させる。
【００２４】
そして図４(ｂ)に示すように、この底面を位置決めし、球体のセルから、グラインディングにより、一部領域のｐ型多結晶シリコン球１１が露呈するまで、外側電極１３およびｎ型多結晶シリコン層１２を除去する。ここでは高精度に底面を位置決めされた球状セルを一体的に保持してグラインディング装置に接触せしめグラインディングを行うようにしているため、平坦で、均一な露呈面を得ることが可能となる。
【００２５】
次に、太陽電池セル１の下部を溶剤に浸すことにより、浸した箇所のみ光透過性樹脂１５を除去し、残った光透過性樹脂１５をマスクとして使用し、エッチングを施してマスクされていない部分の反射防止膜１４を除去する。このようにして、図４（ｃ）に示すように、太陽電池セル１の下部（光透過性樹脂１５及び反射防止膜１４が除去された部分）に外側電極となるセル間のＩＴＯ薄膜１３を露出させる。
【００２６】
この後、露呈面側に絶縁シート４を設置する。この絶縁シート４は、図４（ｄ）に示すように、貫通孔Ｈをｐ型多結晶シリコン露呈面と接触するようにマトリックス状に設け、また、外側電極となるセル間のＩＴＯ薄膜１３を接続するように半田バンプ１７を設けてなるものである。
【００２７】
そして、図５（ａ）に示すように、セルを加熱し半田バンプ１７を溶融せしめ、セルの外側電極間およびセルと絶縁シート４との間を半田層３で固着する。
【００２８】
次に、図５（ｂ）に示すように、裏面側からスパッタリングが施される。このとき、絶縁シート４がマスクとして働き、貫通孔Ｈ部分のｐ型多結晶シリコン球１１表面に金属薄膜１６が形成される。
【００２９】
そして、図５（ｃ）に示すように、裏面側から貫通孔Ｈに対し、半田またはシルバーペースト６を充填し、図５（ｄ）に示すように、導電プレート（導電層）５を取り付け、ベーキング工程を経てこれを硬化させ、導電プレート（導電層）５とｐ型多結晶シリコン球１１とのコンタクトをとる。
【００３０】
最後に、図５（ｅ）に示すように、導電プレート（導電体層）５を覆うようにポリイミド膜からなる保護膜７を形成する。
このようにして、図１および図２に示したような太陽電池セル１が完成する。
【００３１】
かかる構成によれば、ｐｎ接合および外側電極の形成された球体をトレイに敷き詰めた状態で最密配置状態に整列させ、これを光透過性樹脂で固めることにより、位置精度よく固定し、これを一括して研磨することにより、極めて高精度の寸法精度を有する研磨面を得ることが可能となる。また、セルの集合体全体としても平坦であり導電プレートへの実装が極めて確実で信頼性の高いものとなる。
【００３２】
また、この方法によれば、マスク工程が不要である。特に、球状体へのフォトリソグラフィ工程は露光工程が極めて困難であるが、本発明の方法によれば、フォトリソグラフィ工程を必要とすることなく、極めて高効率の太陽電池を形成することが可能となる。
【００３３】
また、太陽電池を構成するセルの間は、半田バンプを溶融し、太陽電池セル相互を固着するとともに外側電極間の電気的接続を行うようにし、その上層部を光透過性樹脂で固着しており、これら光透過性樹脂および半田層とで球状セル相互間の接続強度を高めているため、信頼性の高い太陽電池を得る事ができる。
【００３４】
なお、太陽電池セルは直列接続してもよいし、並列接続してもよい。直列接続する際には、ｐ層およびｎ層を外面側と内面側とで逆にしたセルを交互に配列し、同様に接続することにより、直列接続体を形成することも可能である。
【００３５】
なお、上述の方法において、スパッタリングする金属は銅以外でもよく、また、メッキでも良い。さらにまた、シルバーペーストのかわりに低温で溶融する半田等を用いてもよい。
【００３６】
実施形態２
前記第１の実施形態では、太陽電池セルの受光面は、反射防止膜で被覆した構造としたが、光透過性樹脂そのものに反射防止の特性を持った材料を使用することにより、反射防止膜の形成を省略してもよい。
かかる構成によれば、太陽電池セルを反射防止膜で覆う工程が省略でき、コストの削減が可能になる。
【００３７】
なお、上述の実施の形態１、２ではｐｎ接合を形成する半導体層として、多結晶シリコンを用いたが、これに限定されることなく、単結晶シリコン層あるいはアモルファスシリコン層、さらにはＧａＡｓ，ＧａＰなどの化合物半導体層にも適用可能である。さらには、ｐｎ構造のみならず、ｐｉｎ構造にも適用可能である。
【００３８】
この球状の半導体素子の製造に際し、各処理工程を連結してライン化することが可能であるため、生産性が極めて高いという特徴がある。
【００３９】
各工程では、活性ガス、不活性ガス等の気体のみならず、水や各種溶液等の液体をも含む種々の雰囲気での処理がなされる。このような処理工程を連結する場合、被処理物を搬送する雰囲気を前工程から後工程に持ち込まないようにしなければならないため、工程間において被処理物から前工程の雰囲気を除去し、そして後工程に合わせた雰囲気に変換して被処理物を搬送するといった作業が必要であるが、雰囲気変換装置を用いることにより搬送しながら各処理工程が実行でき、極めて高速で作業性よく信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、位置決めが不要であり、充填密度も高く、高効率で信頼性の高い太陽電池を提供することが可能となる。
太陽電池セルの球体をトレイに敷き詰めた状態で最密配置状態に整列させ、これを光透過性樹脂で固めているので、位置精度よく固定し、これを一括して研磨することにより、極めて高精度の寸法精度を有する研磨面を得ることが可能となる。
また、セルの集合体全体としても平坦であり導電プレートへの実装が極めて確実で信頼性の高いものとなる。
さらに、太陽電池セル相互を光透過性樹脂と半田層で固着しており、これら光透過性樹脂および半田層とで球状セル相互間の接続強度を高めているため、信頼性の高い太陽電池を得る事ができる。
また、受光面積を減少することなく、高密度の配置が可能である。またフォトリソグラフィ工程を用いることなく高精度で信頼性の高い太陽電池を得ることができる。また低コスト化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の太陽電池を示す図
【図２】本発明の第１の実施形態の太陽電池を構成するセルの断面図
【図３】本発明の第１の実施形態の太陽電池を構成するセルの製造工程図
【図４】本発明の第１の実施形態の太陽電池の実装工程を示す図
【図５】本発明の第１の実施形態の太陽電池の実装工程を示す図
【図６】従来例の太陽電池を示す図
【符号の説明】
１太陽電池セル
３半田層
４絶縁シート
５導電プレート
６シルバーペースト
７絶縁シート（ポリイミドテープ）
８保護膜
１１ｐ型多結晶シリコン球
１２ｎ型多結晶シリコン層
１３ＩＴＯ薄膜（外側電極）
１４反射防止膜
１５光透過性樹脂
１６金属薄膜
１７半田バンプ
Ｈ貫通孔
Ｔトレイ

Claims

少なくとも表面が第１導電型の半導体層を構成する球状基板表面に、ｐｎ接合を形成するように形成された第２導電型の半導体層と、前記第2の半導体層表面に形成された透明導電膜からなる外側電極とを形成した多数個のセルを用意する工程と、
前記セルを、トレイに一列に敷き詰める工程と、
前記トレイ内に光透過性の樹脂を充填し、敷き詰められたセルと共に硬化せしめ、多数の太陽電池セルを一体的に固着する工程と、
前記光透過性の樹脂で固着された状態で、一体的に研磨することにより、前記第１導電型の半導体層の少なくとも一部を露呈する工程と、
前記第１導電型の半導体層の露呈された領域に内側電極を形成する工程とを含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。
前記透明導電膜の表面に反射防止膜を形成したことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
少なくとも表面が第１導電型の半導体層を構成する球状基板表面に、ｐｎ接合を形成するように形成された第２導電型の半導体層と、前記第2の半導体層表面に形成された透明導電膜からなる外側電極と、前記透明導電膜の表面に反射防止膜とを形成した多数個のセルを用意する工程と、
前記セルを、トレイに一列に敷き詰める工程と、
前記トレイ内に光透過性の樹脂を充填し、敷き詰められたセルと共に硬化せしめ、多数の太陽電池セルを一体的に固着する工程と、
前記セルの一部の領域から、研磨工程により、前記外側電極および前記第2の導電型半導体層を選択的に除去し、前記第1導電型半導体層を露呈せしめる工程と、
前記研磨により露呈せしめられた面に、前記多数の太陽電池セルの各々の前記第１導電型の半導体層に接触するように開けられた貫通孔を有し、前記外部電極となるセル間の透明導電膜を接続するように半田バンプを設けられた絶縁シートを貼着する工程と、
前記貫通孔に導電性材料を埋め込む工程と、
導電プレートを前記絶縁シート上に装着する工程と、
前記導電性材料を硬化させ、前記セルと前記導電プレートとの間を半田で固着する工程とを含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。
前記研磨する工程は前記透明部材で覆われた面に対向する側から、前記第１の半導体層が露呈するまで研磨する工程であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
前記導電プレート上に絶縁保護膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
前記光透過性樹脂に光増感剤を添加したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
少なくとも表面が第１導電型の半導体層を構成する球状基板表面に、ｐｎ接合を形成するように形成された第２導電型の半導体層と、前記第2の半導体層表面に形成された透明導電膜からなる外側電極とを具備し、一部で前記外側電極および前記第2導電型半導体層が除去され前記第1導電型の半導体層が露呈せしめられた多数個の太陽電池セルと、
裏面側に導体層を形成してなり、複数の貫通孔を形成してなる絶縁性基板とを具備し、
前記太陽電池セルの前記露呈された領域が、前記貫通孔に当接するように搭載せしめられ、前記貫通孔に充填された導電体を介して前記第1導電型の半導体層が前記導体層にコンタクトするとともに、
前記外側電極同士が電気的に接続され、受光面側が光透過性の樹脂で覆われ、一体的に固定されていることを特徴とする太陽電池。
前記貫通孔に接する前記第1導電型の半導体層に金属メッキを施したことを特徴とする請求項７に記載の太陽電池。
前記太陽電池セルの外側電極同士は前記絶縁性基板表面に形成された半田層を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項７または８に記載の太陽電池。
前記球状基板は、第1導電型のシリコン球からなり、前記シリコン球の表面に形成された第2導電型のシリコン層との間にｐｎ接合を形成してなることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の太陽電池。