JP3957461B2

JP3957461B2 - 太陽電池セルおよびその製造方法

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Publication number: JP3957461B2
Application number: JP2001013618A
Authority: JP
Inventors: 正臣日置
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-01-22
Filing date: 2001-01-22
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2021-01-22
Also published as: JP2002217435A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、太陽電池セルおよびその製造方法に関し、特にアルミニウムからなる裏面電極を備えた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】
従来の一般的な太陽電池セルの構造を図１に示す。図１（ａ）は正面断面図、図１（ｂ）は表面側（受光面側）から見た平面図、図１（ｃ）は裏面側から見た平面図である。
【０００３】
従来の例えばｐｎ接合型太陽電池セル１００では、図１（ａ）に示すように、例えば厚さ３００〜４００μｍ程度のＳｉ単結晶または多結晶のｐ型半導体基板１の表面側に、ｎ型活性不純物を熱拡散等により浅く拡散させてｎ⁺層２を形成し、これにより基板１の表面近くにｐｎ接合部２０を形成している。そして、ｎ⁺層２の上には、太陽光の表面反射を軽減するための反射防止膜３と、太陽光により発電した電流を外部に取り出すための表面電極７を形成している。
【０００４】
ｐ型半導体基板１の表面側には、図１（ｂ）に示すように、上述した表面電極７とその表面電極７から櫛歯状に延びた集電電極８とを銀ペーストの焼成により設けている。
【０００５】
ｐ型半導体基板１の裏面側には、図１（ｃ）に示すように、スクリーン印刷法等によりアルミニウムペーストを塗布し、それを７００〜８００℃で焼成することにより、ｐ型の半導体不純物を多量に含む層（ＢＳＦ：Back Surface Field）であるｐ⁺層４を形成するとともに、アルミニウムからなる裏面電極５を形成している。裏面電極５は、ほぼ裏面全面に形成しており、その裏面電極５に接するように、接続用裏面電極６を銀ペーストの焼成により設けている。
【０００６】
接続用裏面電極６と表面電極７、および集電電極８の表面には、銀の酸化を防止して接続性を良くするためにハンダ９を被覆している。
【０００７】
このような、ｐ⁺層４を設けたＢＳＦ層を有する構造の太陽電池セルでは、裏面近傍にｐｐ⁺層の障壁が形成され、ｐ型半導体基板１内で生成された少数キャリアのうち、裏面電極５に向かうものが反射され、裏面電極５部分で再結合しなくなって、ｐｎ接合部２０に到達するものが増加し、光電流を増加させる。さらに、ｐｐ⁺層間のエネルギー差が開放電圧の増大をもたらす。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、太陽電池セルは低コスト化が求められており、これに伴って半導体基板の薄型化が要求されている。ところが、図１に示したような太陽電池セル１００では、図２に示すように、裏面にアルミニウムペーストを印刷し、焼成してアルミニウム層からなる裏面電極５１を形成するので、半導体基板１１と裏面電極５１の熱膨張率の違いにより、半導体基板１１に反り１２が発生し、この現象は特に基板が薄い場合や大面積の場合に顕著にあらわれるという問題があった。半導体基板１１に反り１２が発生すると、製造工程で搬送ミスや、装置エラーの原因となる。
【０００９】
このような反り１２を軽減させるための方法として、特開平８−２７４３５６号公報で提案されている構造の太陽電池が知られている。この太陽電池では、裏面電極を櫛歯状もしくは格子状にして、反りを軽減するようにしている。しかし、この構造では、裏面にＢＳＦ層が形成されない部分ができる。したがって、ＢＳＦ層が形成されない部分での少数キャリアの表面再結合のため、特性の低下を招くという問題がある。このＢＳＦ層が形成されない部分を、酸化膜等によりパッシベーションし、表面再結合を減らすことも提案されているが、製造プロセスが複雑になり、高コストになるという問題がある。
【００１０】
一方、図３に示すように、太陽電池セル１０１の裏面に塗布するアルミニウムペースト５２の厚みを薄くすることにより、反りを軽減させることは可能であるが、焼成の際、太陽電池セルの裏面周辺にアルミニウム粒１３が発生するという問題があった。
【００１１】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、半導体基板の反りを解消するとともに、特性の低下を解消し、さらに低コスト化を図った太陽電池セルおよびその製造方法を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体基板と、その半導体基板の裏面全体に形成されたアルミニウムからなる裏面電極と、半導体基板の裏面電極接合面に形成されたＢＳＦ層を備えた太陽電池セルを製造するための太陽電池セルの製造方法であって、
半導体基板の平坦な裏面全体にアルミニウムペーストを塗布し、その上から再度厚くしたい裏面電極の部分にアルミニウムペーストを塗布した後、焼成することにより、半導体基板の平坦な裏面に２種以上の厚みの裏面電極と共にＢＳＦ層を形成する工程を含んでなる太陽電池セルの製造方法である。
【００１３】
本発明によれば、裏面電極が２種以上の厚みで形成されているので、半導体基板と裏面電極の熱膨張率の違いによる半導体基板の反りが防止される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明において、半導体基板としては、主としてシリコン系のＩＶ族半導体が適用されるが、これに限定されるものではなく、アルミニウムからなる裏面電極を形成する半導体基板であればどのような半導体基板であってもよい。
【００１５】
裏面電極は、２種以上の厚みで形成されていればよく、どのような方法で形成されていてもよい。この裏面電極の形成方法としては、スクリーン印刷法、蒸着法、スパッタ法等の各種の成膜法を適用することができる。ただし、コストの面からは、スクリーン印刷法を適用することが望ましい。スクリーン印刷法を適用した場合には、裏面電極の形成の際、半導体基板の裏面にアルミニウムペーストを塗布して焼成するときにＢＳＦ層の形成も同時に行うことができ、工程の短縮化を図ることができる。
【００１６】
裏面電極は、薄い部分と厚い部分の２段階の厚みで形成してもよく、その場合には、薄い部分と厚い部分を交互に形成することが望ましい。より好ましくは、裏面電極を薄い部分と厚い部分の２段階の厚みで形成した場合には、裏面電極の厚い部分を格子状に形成することが望ましい。この場合、裏面電極の厚い部分をストライプ状に形成してもよい。また、裏面電極の厚い部分を半導体基板の外周の部分として形成してもよい。
【００１７】
上記太陽電池セルの製造に際しては、半導体基板の裏面全体に公知のアルミニウムペーストを塗布し、その上から再度厚くしたい裏面電極の部分に同じアルミニウムペーストを塗布した後、焼成することにより、半導体基板の裏面に２種以上の厚みで裏面電極を形成することができる。
【００１８】
また、半導体基板の厚くしたい裏面電極の部分にアルミニウムペーストを塗布するとともに、薄くしたい裏面電極の部分についてはその塗布したアルミニウムペーストの広がりを利用して形成した後、焼成することにより、半導体基板の裏面に２種以上の厚みで裏面電極を形成することもできる。この製法を適用する場合、アルミニウムペーストの粘度を適度に設定しておくとともに、例えば、厚くしたい裏面電極の部分を格子状に形成する場合であれば、格子のピッチを通常より狭くする等、格子のピッチを適切に設定しておくことが必要である。
【００１９】
例えば、このように厚い裏面電極の部分を格子状に形成する場合であれば、薄くしたい裏面電極の部分を０．５ｍｍ以下の幅とし、面内は幅およびピッチが０．２〜０．５ｍｍの格子状のスクリーンマスクを用い、粘度約８０ｐａ・ｓのアルミニウムペーストを使用して、厚くしたい裏面電極の部分を印刷し、薄くしたい裏面電極の部分は、印刷した厚くしたい部分が自然に広がることを利用して形成する。これにより、周囲と格子状の部分が厚く、その他の部分が薄い裏面電極を容易に形成することができる。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、これによって本発明が限定されるものではない。
【００２１】
図４は本発明による太陽電池セルの第１実施形態を示す説明図である。この図は断面状態を示している。
この図において、１はｐ型半導体基板、２は半導体基板１の表面側（受光面側）に形成されたｎ型不純物を有するｎ層、３は反射防止膜、４は半導体基板１の裏面側に形成されたｐ⁺層、５３はアルミニウムからなる裏面電極、６は銀からなる裏面電極接続部、７は銀からなる表面電極、９は電極を被覆するハンダである。
【００２２】
裏面電極接続部６および表面電極７は、発生した電流を取り出すためのものである。ハンダ９は、裏面電極接続部６と表面電極７の銀の酸化を防止して接続性を良好にするために、裏面電極接続部６と表面電極７を被覆しているが、なくてもよい。
【００２３】
半導体基板１には、単結晶または多結晶シリコンのどちらを用いてもよい。本実施形態では、厚さ約３００μｍで、１２５ｍｍ角のｐ型多結晶シリコン基板を用いた。
【００２４】
ｐ型半導体基板１の表面側のｎ⁺層２は、ｎ型となるリン等のドーパントを含んだ溶液を塗布した後、熱処理することにより形成している。
反射防止膜３は、太陽光の表面反射率を軽減するためのものであり、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＳｉＮ等を用いて、常圧ＣＶＤまたはプラズマＣＶＤにより形成している。
【００２５】
基板１の裏面側には、アルミニウムペーストを、スクリーン印刷により、２種以上の厚みで塗布し、７００〜８００℃で焼成することで、裏面全体にｐ⁺層４を形成するとともに、Ａｌからなる裏面電極５３を形成している。
【００２６】
この裏面電極５３の厚みの薄い部分が反りを低減し、さらに裏面全体にＢＳＦ層を形成するため、厚みの薄い部分のない太陽電池セルと比較して、特性の低下がない。
【００２７】
なお、半導体基板１にはｐ型のものを用いたが、ｎ型のものを用いることも可能である。その場合には、半導体基板１の表面側にｐ型不純物を有するｐ層を形成し、裏面側にｎ⁺層を形成する。
【００２８】
図５は本発明による太陽電池セルの第２実施形態を示す説明図である。この図も第１実施形態と同様に断面状態を示している。
本実施形態では、太陽電池セル１０２ａの裏面電極５４を、厚みの薄い部分（薄い電極部）と厚い部分（厚い電極部）との２段階の厚みで形成し、さらに、薄い電極部と厚い電極部を交互に形成した構成となっている。これにより第１実施形態よりもさらに反りを低減する効果が増す。
【００２９】
図６（ａ）および図６（ｂ）は本発明による太陽電池セルの第３実施形態を示す説明図である。図６（ｂ）は太陽電池セルの裏面側を示す平面図であり、図６（ａ）は図６（ｂ）のVI-VI断面を示している。
【００３０】
本実施形態の太陽電池セル１０２ｂでは、図に示すように、裏面電極５５を、薄い電極部５５ａと、その薄い電極部５５ａから格子状に盛り上がった厚い電極部５５ｂとで構成している。これにより、面内のかたよりがなくなり、反りを均一に抑制することができる。
【００３１】
図７（ａ）および図７（ｂ）は本発明による太陽電池セルの第４実施形態を示す説明図である。図７（ｂ）は太陽電池セルの裏面側を示す平面図であり、図７（ａ）は図７（ｂ）のVII-VII断面を示している。
【００３２】
本実施形態の太陽電池セル１０２ｃでは、図に示すように、裏面電極５６を、薄い電極部５６ａと、その薄い電極部５６ａからストライプ状に盛り上がった厚い電極部５６ｂとで構成している。この場合、反りの方向が予測できるため、セルプロセスでの対応策が容易に考えられる。
【００３３】
図７（ａ）に示すように、半導体基板１の厚みに片寄りがある場合、反りにくい厚い辺１５とストライプ状の厚い電極部５６ｂとが平行になるように、アルミニウムペーストを印刷することで、反りを効果的に抑制することができる。
【００３４】
図８（ａ）および図８（ｂ）は本発明による太陽電池セルの第５実施形態を示す説明図である。図８（ｂ）は太陽電池セルの裏面側を示す平面図であり、図８（ａ）は図８（ｂ）のVIII-VIII断面を示している。
【００３５】
本実施形態の太陽電池セル１０２ｄでは、図に示すように、裏面電極５７を、薄い電極部５７ａと、その薄い電極部５７ａから特定部分だけ盛り上げた厚い電極部５７ｂとで構成している。厚い電極部５７ｂは、裏面電極接続部６の周辺部と半導体基板１の周辺部である。この盛り上がりは、少なくとも半導体基板１の周辺部で盛り上がっていればよい。これにより、Ａｌ粒の発生を抑えることができる。
【００３６】
上述の第１実施形態〜第５実施形態において、裏面電極接続部６が形成される部分の裏面電極の形状は、平面状で、かつ厚い電極部と同じ高さで形成している。裏面電極接続部６へ流れる電流は横方向になるため、その周囲の抵抗が小さくなるように、裏面電極接続部６と重なる部分の裏面電極の厚みは厚いほうがよい。
【００３７】
図９（ａ）〜図９（ｄ）は上述の第１実施形態〜第５実施形態の裏面電極を形成するための製造方法を示す説明図である。
まず、図９（ａ）に示すように、ｐ型多結晶シリコン基板である半導体基板１の表面側に、ｎ型となるリン等のドーパントを含んだ溶液を塗布した後、約９００℃で熱処理することにより拡散し、ｎ⁺層２を形成する。ｎ⁺層２はＰＯＣ１３等による気相拡散法を用いてもよい。これにより、半導体基板１の表面近くにｐｎ接合を形成する。
【００３８】
次に、太陽電池セル１０２ｂの表面の反射を低減するために、常圧ＣＶＤまたはプラズマＣＶＤにより、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＳｉＮ等からなる反射防止膜３を形成する。
【００３９】
次に、図９（ｂ）に示すように、スクリーン印刷により、公知のアルミニウムペーストを用いて、薄い電極部５９となる部分を印刷し、次に、図９（ｃ）に示すように、もう一度その上から、同じアルミニウムペーストを用いて、厚い電極部６０となる部分を格子状に印刷する。そして、７００〜８００℃で焼成することで、半導体基板１の裏面全体にｐ⁺層４およびＡｌからなる裏面電極を形成する。
【００４０】
次に、図９（ｄ）に示すように、発生した電流を外部へ取り出すために、表面と裏面に、銀ペーストをスクリーン印刷法等により塗布し、６００〜７００℃で焼成することで、表面電極７と裏面電極接続部６を形成する。そして、電極の酸化を防ぎ、接続性を良くするために、これらの表面電極７と裏面電極接続部６をハンダ９で被覆する。
【００４１】
図１０は第１実施形態〜第５実施形態の裏面電極の形成に際し、裏面電極を容易に形成するための製造方法を示す説明図である。
まず、図９（ａ）と同様の半導体基板１に、同じ材料を用いて、ｎ⁺層２と反射防止膜３を形成する（図１０（ａ）参照）。
【００４２】
次に、図１０（ｂ）に示すように、スクリーン印刷により、公知のアルミニウムペーストを用いて、厚い電極部６１となる部分のみを格子状に印刷する。そして、図１０（ｃ）に示すように、薄い電極部６２となる部分は、厚い電極部６１の部分が自然に広がることを利用して形成する。この場合、アルミニウムペーストの粘度を適切に調整しておく。このようにすれば、製造工程を増やすことなく、より安価に本発明の太陽電池セル１０２ｂを製造することができる。
【００４３】
その後、図９（ｄ）と同様に、表面電極７と裏面電極接続部６を形成し、ハンダ９で被覆する（図１０（ｄ）参照）。
【００４４】
本実施形態では、好ましくは、裏面電極パターンのアルミニウムペーストが抜ける領域（薄い電極部６２となる部分）を０．５ｍｍ以下の幅とし、面内は幅およびピッチが０．２〜０．５ｍｍの格子状のスクリーンマスクを用い、粘度約８０ｐａ・ｓのアルミニウムペーストを使用して、厚い電極部６１となる部分を印刷する。これにより、周囲と格子状の部分が厚く、その他の部分が薄い裏面電極を容易に形成することができる。
【００４５】
図１１は本発明の太陽電池セルと比較例１〜３の太陽電池セルとの比較を示す説明図である。これらの太陽電池セルには、全て厚さ約３００μｍで、１２５μｍ角のｐ型多結晶シリコン基板を用いた。また、受光面側の構造は、全て図６に示した構造とした。
【００４６】
比較した本発明の太陽電池セルは、図６で示した裏面電極構造の太陽電池セルを図１０で示した製造方法で製造したものである。すなわち、図６の薄い電極部５５ａの幅と厚い電極部５５ｂの幅を０．２ｍｍとし、スクリーン印刷により、約１．２ｇのアルミニウムペーストを、厚い電極部５５ｂの部分にのみ印刷し、薄い電極部５５ａの部分は、厚い電極部５５ｂの部分の広がりを利用して、裏面電極を形成したものである。
【００４７】
比較例１および比較例２の太陽電池セルは、図１で示した従来の裏面電極構造のものである。すなわち、比較例１の太陽電池セルは裏面電極を厚く形成したものであり、スクリーン印刷により、約２．０ｇのアルミニウムペーストを、裏面全体に均一に印刷して、裏面電極を形成したものである。また、比較例２の太陽電池セルは裏面電極を薄く形成したものであり、スクリーン印刷により、約１．２ｇのアルミニウムペーストを、裏面全体に均一に印刷して、裏面電極を形成したものである。
【００４８】
比較例３の太陽電池セルは、図６で示した格子状の裏面電極パターンで、薄い電極部５５ａの部分がない構造の太陽電池セルである。すなわち、厚い電極部５５ｂの幅を１．０ｍｍ、ピッチを５．０ｍｍとし、スクリーン印刷により、約１．２ｇのアルミニウムペーストを、厚い電極部５５ｂの部分にのみ印刷して、裏面電極を形成したものである。
【００４９】
比較項目は、短絡電流Ｉｓｃ〔ｍＡ／ｃｍ²〕、開放電圧Ｖｏｃ〔ｍＶ〕、曲線因子ＦＦ、変換効率η〔％〕、反り〔ｍｍ〕、印刷重量〔ｇ〕とした。反りは図２で示した反り１２の高さである。
【００５０】
この比較でわかるように、本発明の太陽電池セルと比較例１とを比較した場合、本発明の太陽電池セルのほうが反りが少ない。また、本発明の太陽電池セルと比較例２とを比較した場合、反りは同程度であるが、比較例２では、アルミニウム粒が発生している。
【００５１】
本発明の太陽電池セルと比較例３とを比較した場合、比較例３のほうが反りが少ないが、比較例３では、従来の項で述べたように、裏面にＢＳＦ層が形成されない部分があるので、ＢＳＦ層が形成されない部分での少数キャリアの表面再結合のため、特性の低下がある。したがって、これらの点を考慮した場合、本発明の太陽電池セルであれば、特性を低下させずに、反りを低減させることができる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、製造工程を増やすことなく、特性を低下させずに、反りを低減させることができる。さらに、印刷重量を従来比約６０％に低減してもアルミニウム粒の発生がないため、アルミニウムペーストの材料費の低減が可能となり、より低コストの太陽電池セルとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の一般的な太陽電池セルの構造を示す説明図である。
【図２】従来の一般的な太陽電池セルの反りの状態を示す説明図である。
【図３】従来の一般的な太陽電池セルの反りを軽減させる構造を示す説明図である。
【図４】本発明による太陽電池セルの第１実施形態を示す説明図である。
【図５】本発明による太陽電池セルの第２実施形態を示す説明図である。
【図６】本発明による太陽電池セルの第３実施形態を示す説明図である。
【図７】本発明による太陽電池セルの第４実施形態を示す説明図である。
【図８】本発明による太陽電池セルの第５実施形態を示す説明図である。
【図９】第１実施形態〜第５実施形態の裏面電極を形成するための製造方法を示す説明図である。
【図１０】第１実施形態〜第５実施形態の裏面電極を容易に形成するための製造方法を示す説明図である。
【図１１】本発明の太陽電池セルと比較例１〜３の太陽電池セルとの比較を示す説明図である。
【符号の説明】
１ｐ型半導体基板
２ｎ層
３反射防止膜
４ｐ⁺層
６裏面電極接続部
７表面電極
９ハンダ
５３，５４，５５，５６，５７裏面電極
５５ａ，５６ａ，５７ａ，５９，６２薄い電極部
５５ｂ，５６ｂ，５７ｂ，６０，６１厚い電極部
１０２，１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ太陽電池セル

Claims

半導体基板と、その半導体基板の裏面全体に形成されたアルミニウムからなる裏面電極と、半導体基板の裏面電極接合面に形成されたＢＳＦ層を備えた太陽電池セルを製造するための太陽電池セルの製造方法であって、
半導体基板の平坦な裏面全体にアルミニウムペーストを塗布し、その上から再度厚くしたい裏面電極の部分にアルミニウムペーストを塗布した後、焼成することにより、半導体基板の平坦な裏面に２種以上の厚みの裏面電極と共にＢＳＦ層を形成する工程を含んでなる太陽電池セルの製造方法。
半導体基板と、その半導体基板の裏面全体に形成されたアルミニウムからなる裏面電極と、半導体基板の裏面電極接合面に形成されたＢＳＦ層を備えた太陽電池セルを製造するための太陽電池セルの製造方法であって、
半導体基板の平坦な裏面の厚くしたい裏面電極の部分にアルミニウムペーストを塗布するとともに、薄くしたい裏面電極の部分についてはその塗布したアルミニウムペーストの広がりを利用して形成した後、焼成することにより、半導体基板の平坦な裏面に２種以上の厚みの裏面電極と共にＢＳＦ層を形成する工程を含んでなる太陽電池セルの製造方法。
請求項１または２記載の製造方法によって製造された太陽電池セルであって、
裏面電極が薄い部分と厚い部分の２段階の厚みで形成されるとともに、裏面電極の厚い部分が格子状に形成されてなる太陽電池セル。
請求項１または２記載の製造方法によって製造された太陽電池セルであって、
裏面電極が薄い部分と厚い部分の２段階の厚みで形成されるとともに、裏面電極の厚い部分が半導体基板の外周の部分である太陽電池セル。