JP4121928B2 - 太陽電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ｐｎ接合を有する太陽電池に関するものであり、特に、光電変換効率の高い太陽電池に関する。

太陽光エネルギを直接、電気エネルギに変換する太陽電池は、近年、特に地球環境問題の観点から次世代のエネルギ源としての期待が急激に高まっている。太陽電池としては、化合物半導体または有機材料を使ったものなど、様々な種類があるが、現在、主流となっている太陽電池は、シリコン結晶を使ったものである。

従来から、太陽電池の光電変換効率を高めるために、できるだけ受光面電極の面積を低減し、かつ、直列抵抗が大きくならないようにした電極構造が提案されている。その一例として、図５に示す太陽電池は、主電極５１とグリッド電極５２とからなる受光面電極パターンを、シリコン基板５３上の反射防止膜５４に、スクリーン印刷により形成した後、７００℃程度で熱処理をすることによって、グリッド電極形成用銀ペーストを反射防止膜５４に貫通させるとともに、グリッド電極と主電極とを連結して製造される。かかる太陽電池は、シリコン基板５３との電気的コンタクトが良好である（特許文献１参照）。
特開昭６２−１５６８８１号公報

しかし、従来の太陽電池では、受光面電極パターンの受光面積に対する割合が１０％程度と高く、そのために、発電に寄与する受光面積が減少すると同時に、主電極５１およびグリッド電極５２での表面再結合速度が大きく、太陽電池の電気特性、特に、開放電圧を下げる傾向にある。また、受光面積に対する電極面積を５％程度減らすことにより、発電に寄与する受光面積を増やし、表面再結合速度を低減させ、開放電圧を上げることは可能であるが、その場合、直列抵抗が大きくなってしまうため、太陽電池の曲線因子が小さくなり、取り出せる電力が小さくなる。

本発明の課題は、かかる技術的問題を解決し、光電変換効率の高い太陽電池を提供することにある。

本発明の太陽電池の製造方法は、グリッド電極と、グリッド電極から外部に出力する主電極を有する太陽電池の製造方法であって、
金属ペースト材料を焼成し、ｐｎ接合を有する基板の受光面に細線状のグリッド電極を形成する工程と、
グリッド電極と電気的に連結する棒状の主電極を形成する工程と
を備えることを特徴とする。

グリッド電極の形成は、細線状の開口部を有する板状体、または、細線状の開口部を有する厚膜を電着法もしくは接着法により形成した紗を、スクリーンとして使用するスクリーン方式、あるいは、インクジェット方式、あるいは、ディスペンス方式、により行なう態様が好ましい。スクリーン方式によるときは、スクリーンの細線の方向に隣接する開口部間の距離を、棒状の主電極の幅より短くし、細線の方向に隣接するグリッド電極同士が、棒状の主電極の形成により連結するようにすると望ましい。

グリッド電極の形成工程において、グリッド電極と主電極との位置合せ用のマークを基板上に形成し、位置合せ用のマークを、主電極が形成される位置に表示する態様が好ましい。また、グリッド電極の形成工程において基板上に形成した位置合せマークと、主電極形成用のスクリーンに表示した位置合せマークにより、グリッド電極と主電極との位置決めをし、グリッド電極の形成工程において基板上に形成した位置合せマークをＣＣＤカメラにより認識する態様が好適である。この場合、位置合せマークの形状は、円形または楕円形とするのが好ましい。

スクリーン方式において、印刷用スキージは、スクリーンの開口部の細線方向に駆動するのが望ましい。また、主電極を形成する工程においては、紗をスクリーンとして使用することができる。スクリーン方式において使用するスキージは、ペーストを掻き取る先端部と、先端部を支持する本体部とを有し、先端部は柔軟性があって薄く、本体部は剛性があって厚い板状体が好適である。一方、スクリーンが細線状の開口部を有する板状体であるときは、開口部内に少なくとも１の連結部を有し、連結部が、基板側に切欠き部を有する態様が好ましい。

グリッド電極を形成する工程においては、ｎ^＋層と良好なオーミック接触が得られる金属材料からなるペーストを使用し、主電極を形成する工程においては、ハンダ濡れ性と基板との接触性が良好な金属材料からなるペーストを使用するのが好ましいが、グリッド電極を形成する工程において使用するペーストの粘度と、主電極を形成する工程において使用するペーストの粘度とは異なるものであってもよい。

本発明の太陽電池は、
金属ペースト材料を焼成し、ｐｎ接合を有する基板の受光面に細線状のグリッド電極を形成する工程と、
グリッド電極と電気的に連結する棒状の主電極を形成する工程と
を備える方法により製造されたことを特徴とする。

本発明によれば、幅の細いグリッド電極を厚く形成できるため、発電に寄与する受光面積が大きく、また、グリッド電極における直列抵抗が小さい太陽電池を製造することができる。したがって、光電変換効率を高めることができる。

本発明の太陽電池の製造方法は、金属ペースト材料を焼成し、ｐｎ接合を有する基板の受光面に細線状のグリッド電極を形成する工程と、グリッド電極と電気的に連結する棒状の主電極を形成する工程とを備えることを特徴とする。グリッド電極と主電極をそれぞれに適した条件で個別に形成することにより、細線状のグリッド電極と棒状の主電極を有する高性能の太陽電池を製造することができる。

グリッド電極を形成する工程では、細線状の開口部を有する板状体を、または、細線状の開口部を有する厚膜を電着法もしくは接着法により形成した紗を、スクリーンとして使用することが好ましい。かかるスクリーンは、太陽電池のグリッド電極の微細パターンを形成することができる点で、好適なスクリーンであり、より幅の細いグリッド電極をより厚く形成できる。このため、電極の影による光のロスを大幅に低減し、同時に、電極面積が小さくなることから、電極部での表面再結合速度が従来のものより小さくなり、これによって、開放電圧を大きくすることができる。また、より幅の細いグリッド電極をより厚く形成できるため、グリッド電極の直列抵抗を低減でき、曲線因子を増大させる効果を有する。したがって、太陽電池の光電変換効率を大幅に改善することができる。

グリッド電極を形成する工程において使用するスクリーンは、印刷に使用するペーストの物性などによっても異なるが、一般的には、幅の細いグリッドパターンを形成する点で、細線状の開口部の幅は、０．１５ｍｍ以下が好ましく、０．１２ｍｍ以下がより好ましい。また、グリッド電極の断線を少なくする点で、細線状の開口部の幅は、０．０７ｍｍ以上が好ましく、０．１０ｍｍ以上がより好ましい。かかるスクリーンとして、たとえば、レーザなどにより細線状の開口部を設けたステンレス製の薄板などを使用することができる。棒状の主電極を形成する工程において使用するスクリーンは、あまり寸法精度を要求されない場合には、一般的な紗のスクリーンを用いることができるが、高精度の印刷を行なう場合は、紗に電着法または接着法で細線状の開口のある厚膜を形成したスクリーンを用いる態様が好ましい。

ステンレス製の薄板にレーザなどを使用して、細線状の開口部を形成したスクリーンを用いる場合、細線の長さがあまり長くなると、印刷の際に開口部が広がりグリッドが太くなる傾向がある。したがって、かかる場合には、スクリーンの開口部内に少なくとも１の連結部を有し、連結部が、基板側に切欠き部を有する態様が好ましい。連結部が基板側に切欠き部を有するため、切欠き部にペーストが廻り込み、印刷されたグリッド電極は分断されることなく、連続した細線を形成することができる。印刷に際して、連結部が開口部の広がりを抑える機能を発揮し、一方、切欠き部にペーストが廻り込む余地を残しておくために、連結部における切り欠きは、スクリーンの厚さの半分程度が好ましい。

図６（ａ）に示すグリッド電極形成用のスクリーンに形成された開口部６６が、開口部内に１つの連結部６６ａを有し、連結部６６ａが、基板側に切欠き部を有する例を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）は、かかる態様の開口部の拡大平面図を示している。図６（ｂ）において、ＶＩＣ−ＶＩＣで上下方向に切断したときの断面図を、図６（ｃ）に示す。図６（ｃ）において、開口部には、基板と反対側（図６（ｃ）における左側）に、１つの連結部６６ａがある。また、図６（ｂ）において、ＶＩＤ−ＶＩＤで上下方向に切断したときの断面図を、図６（ｄ）に示す。図６（ｄ）では、基板側（図６（ｄ）における下側）に切欠き部６６ｃを有している。かかるスクリーンは、細線の長さが長くなっても開口部に連結部６６ａを有するから、印刷の際に開口部が広がり、グリッド電極の幅が太くなることはない。また、かかるスクリーンを介してペーストを印刷すると、ペーストが開口部内で、切欠き部６６ｃに廻り込むため、図６（ｅ）に示すような、断線のない幅の均一なグリッド電極を形成することができる。

グリッド電極を、インクジェット方式またはディスペンス方式によって形成すると、ペーストの微細かつ精密な塗布が可能であり、塗布速度が速く、量産性および低コスト化を図ることができる点で好ましい。インクジェット方式は、ペーストを微粒化してノズルから噴射することによって基板上に塗布する方式である。インクジェット方式には、圧電振動子を振動させるときの圧力によりペーストを微粒化する静電式のインクジェット方式、またはノズルに設けたヒータにより、瞬間的に加熱し、その蒸発力によって、微細なペースト粒子を噴射し、基板に塗布するバブルジェット（Ｒ）式などがあり、いずれも本発明の製造方法に利用することができる。一方、ディスペンス方式は、ペーストを細い管から吐出して描画する方式であり、複数の細管を一定間隔で並べ、複数本のグリッド電極を同時に形成することができる。グリッド電極の形成方式またはペーストの特性などによっても異なるが、一般的には、受光面に占める電極面積を低減し、変換効率を高める点で、また、細線状の電極の断線を防止する点で、グリッド電極の幅は０．１２ｍｍ〜０．１５ｍｍが好ましく、０．１０ｍｍ〜０．１２ｍｍがより好ましい。

図２に、グリッド電極となるペースト層２６のパターンを例示する。図２において、ペースト層２６は、シリコン基板２１上の反射防止膜２３に形成されている。また、図３に、主電極となるペースト層３７のパターンを例示する。図３において、ペースト層３７は、シリコン基板３１上の反射防止膜３３上に形成されている。図２および図３の例では、主電極となるペースト層のパターンは、グリッド電極となるペースト層と直交する２本のラインである。かかる態様において、細線の方向に隣接するグリッド電極間の距離を、主電極の幅より短くすることにより、細線の方向に隣接するグリッド電極同士を、棒状の主電極の形成により、電気的に連結することができる。たとえば、グリッド電極の形成工程において、スクリーンの細線の方向に隣接する開口部間の距離を、棒状の主電極の幅より短くすることにより、かかる態様が可能である。電気的に連結した状態を図４に示す。図４の例では、シリコン基板４１上の反射防止膜４３に形成されたグリッド電極４６は、主電極４７と電気的に連結されている。

グリッド電極の形成工程においては、グリッド電極と主電極との位置合わせを容易にし、正確な位置合わせを可能にする点で、位置合せ用のマークを基板上に形成する態様が好ましい。また、かかる位置合せ用のマークは、主電極の形成により基板上から消失できる点で、主電極が形成される位置に、形成する態様がより好ましい。図６（ａ）に、グリッド電極形成用のスクリーンを例示する。かかるスクリーンは、スクリーン枠６１内にあり、位置合せ用マークを形成するための空孔部６９を有する。一方、図８には、主電極形成用のスクリーンを例示する。図８に示すスクリーンは、スクリーン枠８１内にあり、主電極形成用の開口部８７と位置合せ用のマークを形成するための空孔部８０を有する。図６（ａ）に示す空孔部６９により、グリッド電極とともに位置合せ用マークが基板上に形成される。かかる位置合せマークを、ＣＣＤカメラなどにより認識し、つぎに、図８に示す位置合せ用マーク（空孔部８０）と位置合わせをすることによりスクリーンを移動させると、グリッド電極と主電極を高精度に位置決めすることができる。位置合せマークの形状は、印刷のカスレなどの欠損が出にくい形状であること、また、多少印刷のカスレがあっても、ＣＣＤカメラによる認識が容易である点で、円形または楕円形が好ましい。

本発明において、グリッド電極をスクリーン方式により形成するときに使用する印刷用スキージを、図７（ａ）に例示する。また、図７（ａ）において、ＶＩＩＢ−ＶＩＩＢで切断したときの断面図を図７（ｂ）に例示する。印刷用スキージ７２において、ペーストを掻き取る先端部７２ｂが、柔軟性のある薄い板状体であり、先端部７２ｂを支持する本体部７２ａが、剛性のある厚い板状体であると、細線上のパターンを精度よく形成できる。図７（ｃ）に、従来の印刷用スキージを使用して形成したグリッド電極の断面図を示す。また、図７（ｄ）に、本発明で使用するスキージにより形成したグリッド電極の断面図を示す。図７（ｃ）に示すように、従来より、一般に使用されるウレタン製スキージの場合、グリッド電極の断面は中央部が凹んだ形状になるのに対し、本件のスキージによる場合には、グリッド電極の断面が矩形となり、厚い電極が得られ、電極の断面積が大きくなる。このため、グリッド電極の幅が細い場合でも、直列抵抗を小さくすることができる。

スクリーン方式を採用する場合には、断線のない細線状のグリッド電極を形成しやすい点で、図６（ａ）に示すように、印刷用スキージの駆動方向が、スクリーンの細線方向と一致する態様が好ましい。ここに、印刷用スキージの駆動方向が、スクリーンの細線方向と一致するとは、方向が完全に一致する場合のほか、断線のない細線状のグリッド電極を形成しやすいという効果が得られる点で、実質的に一致する場合が含まれ、実質的に一致する態様には、ペーストの粘度またはスキージの押圧などによっても異なるが、一般的には、印刷用スキージの駆動方向が、スクリーンの細線方向と±１０度以内で相違する場合が含まれる。

グリッド電極を形成する工程において使用するペーストは、焼成により反射防止膜を貫通して、シリコン基板のｎ^＋層と良好なオーミック接触が得られる金属材料からなるものが好ましく、たとえば、リンまたはリン系化合物を銀ペーストに対し、０．０５〜０．３ｗ／ｏでドープした、いわゆるファイアースル用銀ペーストが好適である。一方、主電極を形成する工程においては、ハンダ濡れ性と基板との接触性が良好な金属材料からなるペーストを使用するのが好ましく、たとえば、リンまたはリン系化合物を含まないハンダ濡れ性および基板との接着性が良好な銀ペーストが好適である。リンまたはリン系化合物が多量に含まれる銀ペーストは、一般にファイアースル性は良好ではあるが、ハンダ濡れ性が悪く、基板との接着性も悪いためである。さらに、同一の組成のペーストをグリッド電極および主電極の形成に用いる場合でも、異なる粘度のペーストを用いることにより、それぞれの電極に適した印刷を行ない、印刷制度を高めることができる。

以上、いわゆるコンベンショナル型の太陽電池を例示して本発明の実施の形態を説明したが、その他、たとえば、ＢＳＦ型の太陽電池および電極の表面がテクスチヤ処理されている太陽電池も本発明により製造することができる。

本発明の太陽電池は、上述の方法により製造されたことを特徴とする。太陽電池の表面電極の形成において、グリッド電極はより幅を細く、厚さを厚く形成し、主電極は、細線方向に隣接したグリッド電極同士を連結することにより、表面電極の直列抵抗を増加させることなく、電極の面積を低減することができるため、本発明の太陽電池は、変換効率を大幅に改善することができる。

実施例１
本発明の太陽電池を、図１（ａ）〜図１（ｉ）に示す工程により製造した。まず、ｐ型シリコン基板１１の表面を高温の水酸化ナトリウム水溶液で処理し、表面ダメージ層を除去した（図１（ａ））。つぎに、ＰＯＣｌ_３の気相拡散により、図１（ｂ）に示すように、ｐ型シリコン基板１１の全表面にｎ⁺層（高濃度ｎ層）１２を形成した。その後、ｎ⁺層１２の表面をフッ酸で洗浄した後、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapour Deposition）法により、図１（ｃ）に示すように、受光面側に窒化シリコンから成る反射防止膜１３を形成した。つぎに、図１（ｄ）に示すように、反射防止膜１３上にレジストインク層１４を印刷により形成し、その後、フッ硝酸でケミカルエッチして接合分離を行ない、溶剤でレジストインク層１４を剥離した（図１（ｅ））。レジストインク層の除去後、シリコン基板１１の受光面とは反対側の背面に、ＡｌをＡｇに対して数％混入させた銀ペーストを印刷し、図１（ｆ）に示すように、背面電極となる銀ペースト層１５を形成し、乾燥した。

つぎに、シリコン基板１１の受光面に、銀ペーストをスクリーン方式により印刷し、図１（ｇ）に示すように、細線状のグリッド電極となる銀ペースト層１６を形成し、同時に、主電極との位置合せ用のマーク（図示していない。）を、主電極の形成を予定している位置に形成し、乾燥した。つづいて、図１（ｈ）に示すように、銀ペースト層１６と同様、スクリーン方式によって、棒状の主電極となる銀ペースト層１７のパターンを形成し、乾燥した。その後、７００℃で焼成することにより、グリッド電極と主電極とを電気的に連結し、図１（ｉ）に示すように、受光面電極および背面電極が形成され、デイップハンダ付けによって、受光面電極上および背面電極上にハンダ層１８を形成し、リード線１０と接続して、図４に示すような電極パターンを有する太陽電池を得た。得られた太陽電池は、グリッド電極の幅が細く、かつ厚さが厚いため、受光面に占める受光面電極の面積が狭く、直列抵抗も小さく、変換効率は１７％であった。

グリッド電極形成用の銀ペーストは、リンを銀に対して０．１ｗ／ｏでドーピングしたものであり、７００℃で焼成することにより、反射防止膜を貫通し、ｎ^＋層と良好な電気的接続が得られた。一方、主電極形成用の銀ペーストは、リンまたはリン系化合物を含まないペースト、たとえば、銀粉末、ガラスフリット、樹脂または溶剤との混合物からなり、ハンダの濡れ性および基板との接触性が良好であった。

グリッド電極となる銀ペーストの印刷は、図６（ａ）に示すように、スクリーンに形成された開口部６６の細線の方向に、印刷スキージを駆動して行なったため、形成された銀ペースト層は、幅が均一で、断線したものはなかった。乾燥後の状態は、図２に示すように、グリッド電極となるストライプ状の銀ペースト層２６と、主電極との位置合せ用のマーク２９が、基板２１上に形成されていた。印刷用スクリーンは、ステンレス製薄板にレーザを使用して細線状に開口した板状体を使用し、開口部の幅は０．０９ｍｍであり、形成されたストライプ状の銀ペースト層の幅は０．１１ｍｍであった。印刷に使用したスキージの正面図を図７（ａ）に示す。また、図７（ｂ）に、その断面図を示す。使用したスキージ７２は、ステンレス製であり、本体部７２ａが剛性のある厚めの板状材であり、先端部７２ｂが柔軟性のある薄い板状体であった。このため、形成された電極の断面は、図７（ｄ）に示すように、矩形となり、ウレタン性のスキージを使用した従来の場合に得られる図７（ｃ）に示すような電極に比べて、明らかに断面積が大きくなった。

主電極となる銀ペースト層のパターンは、細線状のグリッド電極となる銀ペースト層と直交する二本のラインであり、細線方向に隣接するグリッド電極同士の間隔を、主電極の幅より狭くしたため、主電極の形成により、主電極はグリッド電極と電気的に連結した。主電極となる銀ペースト層の形成に際しては、先にグリッド電極とともに基板上に形成した位置合せマークを、ＣＣＤカメラで認識した上で、主電極形成用スクリーンに表示した位置合せマークによりスクリーンを移動させながら位置決めを行なった。このため、グリッド電極と主電極との位置決めを高精度に行なうことができた。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明により、変換効率の高い太陽電池を製造することができる。

本発明の製造方法を示す工程図である。 本発明におけるグリッド電極を形成するペースト層のパターンを示す平面図である。 本発明における主電極を形成するペースト層のパターンを示す平面図である。 本発明の太陽電池の電極パターンを示す平面図である。 従来の太陽電池の電極パターンを示す平面図である。 本発明におけるグリッド電極形成用のスクリーンの構造を示す模式図である。 本発明におけるグリッド電極形成用のスキージの構造を示す模式図である。 本発明における主電極形成用のスクリーンを示す平面図である。

符号の説明

４１ シリコン基板、４３ 反射防止膜、４６ グリッド電極、４７ 主電極。

Claims (12)

1. グリッド電極と、グリッド電極から外部に出力する主電極を有する太陽電池の製造方法であって、
   金属ペースト材料を焼成し、ｐｎ接合を有する基板の受光面に細線状のグリッド電極を形成する工程と、
   前記グリッド電極と電気的に連結する棒状の主電極を形成する工程と
   を備え、
   前記グリッド電極の形成は、細線状の開口部を有する板状体を、スクリーンとして使用するスクリーン方式、あるいは、インクジェット方式、あるいは、ディスペンス方式、により行ない、
   前記板状体は、前記開口部内に少なくとも１の連結部を有し、該連結部は、基板側に切欠き部を有することを特徴とする太陽電池の製造方法。
2. 前記スクリーンの細線の方向に隣接する開口部間の距離が、棒状の主電極の幅より短い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。
3. 細線の方向に隣接するグリッド電極同士が、棒状の主電極の形成により連結することを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池の製造方法。
4. 前記グリッド電極の形成工程において、グリッド電極と主電極との位置合せ用のマークを基板上に形成する請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
5. 位置合せ用のマークが、主電極が形成される位置に表示されることを特徴とする請求項４に記載の太陽電池の製造方法。
6. 前記グリッド電極の形成工程において基板上に形成した位置合せマークと、主電極形成用のスクリーンに表示した位置合せマークにより、グリッド電極と主電極との位置決めをし、グリッド電極の形成工程において基板上に形成した前記位置合せマークはＣＣＤカメラにより認識することを特徴とする請求項４に記載の太陽電池の製造方法。
7. 前記位置合せマークの形状が、円形または楕円形であることを特徴とする請求項６に記載の太陽電池の製造方法。
8. 前記スクリーン方式において、印刷用スキージの駆動方向が、スクリーンの開口部の細線方向と一致する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。
9. 主電極を形成する工程において、紗をスクリーンとして使用する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。
10. 前記スクリーン方式において使用するスキージであって、ペーストを掻き取る先端部と、該先端部を支持する本体部とを有し、先端部は柔軟性のある薄い板状体からなり、本体部は剛性のある厚い板状体からなる印刷用スキージを使用する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。
11. グリッド電極を形成する前記工程において、ｎ^＋層と良好なオーミック接触が得られる金属材料からなるペーストを使用し、主電極を形成する前記工程において、ハンダ濡れ性と基板との接触性が良好な金属材料からなるペーストを使用することを特長とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
12. グリッド電極を形成する前記工程において使用するペーストの粘度と、主電極を形成する前記工程において使用するペーストの粘度とが異なる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。

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