JP4210220B2 - 太陽電池モジュール及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体単結晶基板を使用した太陽電池セルを複数配置して構成される太陽電池モジュール及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体単結晶ウェーハを用いた太陽電池セルは、多結晶やアモルファスを用いた場合と比較してエネルギー変換効率が高く、半導体単結晶ウェーハも比較的安価であることから、現在普及している太陽電池の主力となっている。
例えば、チョクラルスキー法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法、以下、単にＣＺ法という）や、浮遊帯域溶融法（Ｆｌｏａｔｉｎｇ ｚｏｎｅ法、以下、単にＦＺ法という）によって得られる半導体単結晶をスライスして得られる単結晶ウェーハは円板状である。全モジュール面積に対する太陽電池セルの占める割合をモジュール充填率としたとき、ウェーハの形状を維持した太陽電池セル、すなわち円板状の太陽電池セルをそのまま平面配置したのでは高レベルのモジュール充填率は達成できない。
【０００３】
モジュールの面積を基準とした実質的なエネルギー変換効率を向上させるためには、このモジュール充填率を向上させる必要がある。そこで、モジュール充填率を高める手法として、四角形状に加工して配列する方法が一般的に良く知られている。この方法では円板状の半導体単結晶ウェーハを切断して四角形状にするため、結晶ロスが生ずるという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
モジュール充填率と結晶ロスという２つの問題点を解決する手法として、六角形状の太陽電池セルを作製する提案がなされている（米国特許４０８９７０５号参照）。しかしながらこの方法は、前述した四角形状の場合と比較して結晶ロスは低減できるものの、依然として結晶ロスは避けられない上、六角形状への加工が煩雑であるという問題や、六角形状であるがゆえに、通常のＬＳＩのデバイスプロセスに使用される自動化された装置をそのまま利用できないという問題があった。
【０００５】
本発明の課題は、使用する単結晶ウェーハのロスをなくし、かつ、セル形成プロセスにおいてＬＳＩのデバイスプロセスに使用される自動化された装置を使用可能とし、さらに、円板状のセルをそのまま配置した場合と比較して、モジュール充填率を高めた太陽電池モジュール及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明の太陽電池モジュールの製造方法は、
シリコン単結晶棒をスライスして得られた半導体単結晶ウェーハによって太陽電池用基板を形成し、その円板状を成す太陽電池用基板を互いに形状の異なるセグメントに分割形成し、それらセグメントの同種のものをそれぞれ集め、各セグメントの種別ごとにそれらを平面的に配列した太陽電池モジュールの製造方法であって、
前記太陽電池用基板の前記セグメントには、分割前に太陽電池セル形成のためのセル形成プロセスが行われ、形状の異なる前記セグメントを得るために、前記半導体単結晶ウェーハの主表面上に切断予定線として、ウェーハ中心点に関して対称な位置にある平行線の組（以下、平行切断予定線という）を１組設定し、該平行切断予定線が境界線となるように、前記半導体単結晶ウェーハを、前記ウェーハ中心点を含む第一セグメントの形成領域と、その第一セグメントの形成領域の残余の領域である弓形の第二セグメントの形成領域とに区分してセル形成プロセスを行って前記太陽電池セルとなし、前記切断予定線にて前記太陽電池用基板を厚み方向に切断し、
前記第一セグメントについては、複数の第一セグメントを、前記平行切断予定線により形成される平行切断線同士が互いに隣接するように列方向に配置し、更に前記第一セグメントは千鳥状に複数列にわたって配置されており、
前記第二セグメントについては、前記第二セグメントの弦部をなす切断線に対し、次の第二セグメントの弧部を隣接させる形にて、複数の第二セグメントを一方向に配列した第一種セグメント列と、個々の第二セグメントの弦部と弧部との向きを前記第一種セグメント列とは逆転させた第二種セグメント列とを形成するとともに、
前記第一種セグメント列の互いに隣接する第二セグメントの、一方の第二セグメントの弦部と他方の第二セグメントの弧部との間に形成される凹状の領域に、前記第二種セグメント列の第二セグメントの弦方向端部を入り込ませる形で、それら第一種セグメント列と第二種セグメント列とが交互に配置されており、
前記太陽電池セルを切断して得たそれぞれのセグメントには、第一主表面上に互いに略平行な複数の溝が形成され、各溝の幅方向片側における内側面に出力取出用の電極が設けられた構造を有するものを用い、それらセグメントを、前記溝の向きが互いに一致するように配置されていることを特徴とする。
【０００７】
具体的には、太陽電池用基板のすべての部位を、複数セグメントのいずれかの種別のものに属するものとなるように分割形成している。すなわち、セル形成プロセスを行う以前の半導体単結晶ウェーハは、余すところなく全て使い尽くされる形となり、結晶ロスが全く生じない（ただし、切断刃等によりセグメントに分割する際に、その切断しろとなって消耗する部分はのぞく）。
【０００８】
太陽電池セル化のための処理（セル形成プロセス）は、半導体単結晶ウェーハを分割したのちに行うことも可能であるが、望ましくは分割する以前の半導体単結晶に対して行うのがよい。すなわち、半導体単結晶ウェーハの状態でセグメントへの分割の予定された各領域のそれぞれにセル形成プロセスを行い、プロセス終了後にセグメントへ分割処理を行うとよい。このようにすると、セル形成のためのパターンは分割予定領域毎に必要となるが、セル形成プロセス自体は全てウェーハ全体で一括して行えるので特別な工程を含まず、従来と同様の装置をそのまま適用して太陽電池モジュールを製造できる。
この場合、セル形成プロセスを行う半導体単結晶ウェーハとしては、ＬＳＩのデバイスプロセスに使用されるウェーハと同様にウェーハの外周部に面取り加工を施したものを用いることが好ましい。これにより、面取り加工を施さずにセル化プロセスを行う従来の四角形状などのウェーハに比べて、セル化プロセスにおけるワレ、カケ等の不良率を低下させることができる。
【０００９】
そして、具体的な円板状の太陽電池用基板から分割形成されたセグメントを得る方法としては、面積的に大きい主要なセグメントである第一セグメントを太陽電池モジュール形成に用いることはもちろんであるが、本発明においては、面積的には小さいいわば「端切れ」に相当し、一見廃棄するしか方法がないと思われる（というより、第一セグメントを採取した後は本質的に着目されにくい）第二セグメントをも、太陽電池モジュールの構成要素として有効に活用する点に最大の特徴がある。また、所定間隔の平行な切断位置にてウェーハを精度良く切断することは、特別な装置やプログラムを必要とせず、従来のデバイスプロセスに使用される自動化された装置をそのまま適用できる利点もある。
【００１０】
上記のように太陽電池セルを第一セグメントと第二セグメントとに分割する場合、第二セグメントの面積が極度に小さくなりすぎると、１つの太陽電池モジュールを構成するのに非常に多くのセグメントが必要となり、セルの組み立て工数が増大してコストアップにつながる。従って、用いる円状の太陽電池セルの大きさを基準として、第二セグメントの大きさは適当な範囲に制限すること、例えば第一セグメントの大きさの１０％〜３０％程度に留めることが望ましい。
【００１１】
切断の工数を少なくする観点からは、平行切断予定線を、半導体単結晶ウェーハの第一主表面上に１組のみ定める方法を採用するのがよい。この場合、図４に示すように、円状をなす第一主表面の半径をＲとしたとき、各平行切断予定線とウェーハ中心点との距離を（Ｒ／２）に定めると、２枚の第二セグメントの合計面積が第一セグメントの面積に近くなり、並列接続した第二セグメントを１組として取り扱えば、種々の電池定数を第一セグメントに近くでき、第一セグメントと第二セグメントとの設計上の取り扱いを共通化できるので便利である。
【００１２】
そして、上記製造方法における第一セグメントを用いて、以下のような本発明の太陽電池モジュールの第一の態様を実現することができる。すなわち、該太陽電池モジュールは、円板状の太陽電池セルの周縁部から、該太陽電池セルの主表面中心点に関し対称な１組の平行切断予定線により、１対の弓形形状の部分を切除した形状を有する太陽電池のセグメントが、その平行切断線同士を互いに隣接させる形で千鳥状に平行配列して構成されていることを特徴とする。
【００１３】
この第一の態様の太陽電池モジュールにおいては、用いる第一セグメントが平行切断線を有するものであり、これを隣接させる配列とすることで、隣り合う第一セグメント同士を比較的長い距離に渡って密接配置できる。従って、円板状の太陽電池セルを配列した場合よりもはるかに高いモジュール充填率が達成できる。また、平行切断線を一組形成すればよいので、六角形状や四角形状のセグメントを得ようとする場合よりも切断工程は単純である。
【００１４】
さて、円状の太陽電池セルを上記のような平行切断予定線にて切断を行えば、その両側に合同な２つの弓形の第二セグメントが得られる。本発明の太陽電池モジュールの第二の態様は、太陽電池のセグメントとして、互いに合同な平面形状を有する複数の弓形のセグメントを有し、それら弓形のセグメントの弦部に対し、次のセグメントの弧部を隣接させる形にて複数のセグメントを一方向に配列した第一種セグメント列と、個々のセグメントの弦部と弧部との向きを第一種セグメント列とは逆転させた第二種セグメント列とが形成され、第一種セグメント列の互いに隣接するセグメントの、一方のセグメントの弦部と他方のセグメントの弧部との間に形成される凹状の領域に、第二種セグメント列のセグメントの弦方向端部を入り込ませる形で、それら第一種セグメント列と第二種セグメント列とを交互に配置したことを特徴とする。
【００１５】
該太陽電池モジュールの第二の態様は、前記した第二セグメントの弦部をなす切断線に対し、次の第二セグメントの弧部を隣接させる形にて、複数の第二セグメントを一方向に配列した第一種セグメント列と、個々の第一のセグメントの弦部と弧部との向きを第一種セグメント列とは逆転させた第二種セグメント列とを形成するとともに、第一種セグメント列の互いに隣接する第二セグメントの、一方の第二セグメントの弦部と他方の第二セグメントの弧部との間に形成される凹状の領域に、第二種セグメント列の第二セグメントの弦方向端部を入り込ませる形で、それら第一種セグメント列と第二種セグメント列とを交互に配置することにより得られる。
【００１６】
上記の構成において、弓形の第二セグメントは、面積及び形状が等価なため、内部抵抗のほぼ等しい太陽電池として機能する。従って、モジュール化に際して直列接続する太陽電池間の出力電流を容易にマッチングさせることができ、効率のよい太陽電池モジュールを作ることができる。
【００１７】
また、第一セグメントばかりからなるモジュールと、第二セグメントばかりからなるモジュールとを併用して太陽光発電に用いる場合、同じ面積の円板状のものを最密に配列してモジュールを作製した場合と比較して、平均的なモジュール充填率を向上させることができる。これにより、実質的には素子のエネルギー変換効率を向上させることと同等の効果が得られる。例えば、平行切断予定線を１組のみ定める態様において、各平行切断予定線とウェーハ中心点との距離を（Ｒ／２）に定める場合、１種類の円板状のセルから、前記第一の態様のモジュールと、第二の態様のモジュールとを作製して、それらの面積充填率を平均すると、同じ面積の円板状のものを最密に配列してモジュールを作製した場合と比較して、モジュール充填率は約４％あるいは５％向上する（これについては後述する）。
【００１８】
本発明において、半導体単結晶ウェーハを切断してセグメントを形成する際、ＬＳＩの製造プロセスで使用するダイサー（ダイヤモンド刃やレーザー切断）を用いることが好ましい。
従来の太陽電池セル形成プロセスにおいて例えば四角形状のセルを形成する場合、外周刃を用いてスライスされているが、これでは切断精度が十分でなく（±０．５ｍｍの精度）、稠密なセル配置を有するモジュールができなかった。これに対し、数μｍから数十μｍの精度でカットできるダイサーを用いることにより、セル間隔を１ｍｍ以下、あるいは５００μｍ以下とした稠密なセル配置を有するモジュールを形成できるだけでなく、セルをならべる作業の自動化を容易にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を用いて説明する。
図１は、太陽電池モジュールの製造工程の一例を示す流れ図である。太陽電池モジュール製造工程は大きくわけて、基板となる単結晶ウェーハ製造工程と、太陽電池セル（セグメント）を製造する工程とに分けられる。
【００２０】
基板となる単結晶ウェーハ製造工程について簡単に説明する。太陽電池用半導体単結晶ウェーハとしては、シリコン単結晶ウェーハが一般的である。これらシリコン単結晶ウェーハはＣＺ法又はＦＺ法にて得られる単結晶棒をスライスして得ることができるので、ＣＺ法にてまずシリコン単結晶棒を製造する（図１：Ｓ１）。なお、育成されるシリコン単結晶棒は、例えばガリウムやボロンを添加することによりｐ型に導電型が調整される。
【００２１】
こうして得られた単結晶インゴットは、一定の抵抗率範囲のブロックに切断され（図１：Ｓ２）、例えば厚さ３００μｍ程度に薄くスライシングされる（図１：Ｓ３）。スライシング後のシリコン単結晶ウェーハ（以下、単にウェーハともいう）は、必要に応じて面取り加工を施した後、遊離砥粒を用いて両面がラッピングされる（図１：Ｓ４）。次に、これをエッチング液に浸漬することにより、両面が化学エッチング処理される（図１：Ｓ５）。この化学エッチング工程は、Ｓ２〜Ｓ４の機械加工工程においてシリコン単結晶ウェーハの表面に生じたダメージ層を除去するために行われる。このダメージ層の化学エッチングによる除去は、例えば弗酸と硝酸と酢酸からなる混酸水溶液による酸エッチングにより行われる。なお、太陽電池用基板としてウェーハが製造される場合、Ｓ４のラッピング工程は省略されることが多く、Ｓ５のエッチング工程とＳ６のテクスチャ工程とを同時に行うこともある。
【００２２】
化学エッチング処理（図１：Ｓ５）までの工程が施されたシリコン単結晶ウェーハに、図２に示すように第一主表面側にｎ型ドーパントの拡散層４２を形成することにより、ｐ−ｎ接合部４８を形成する（図１：Ｓ７）。ウェーハ４１の主表面からｐ−ｎ接合４８までの深さは、通常０．５μｍ程度である。なお、ｎ型ドーパントの拡散層４２は、ｐ型シリコン単結晶ウェーハの主表面から、例えば燐（Ｐ）を拡散することにより形成する。
【００２３】
ｐ−ｎ接合部４８が形成されたウェーハ４１は、さらに、酸化膜４３を第一主表面に形成した後に、第一主表面及び第二主表面に電極４４，４５を設け、円板状の太陽電池セルとなる（図１：Ｓ８）。これはのちに切断されて形状の異なる太陽電池セグメントとなるので、第一主表面上の電極形成は切断後のセグメントの形状を考慮して行う必要がある。例えば、ウェーハ４１の中心点Ｏに関して対称、かつ平行な１組の直線状の切断予定線（図４参照）を第一主面上に定め、該切断予定線が境界線となるように、中心点Ｏを含む第一セグメントと、その第一セグメントの両端に隣接する２つの弓形の第二セグメントとに区分して、それぞれの領域ごとにセル形成プロセスを行う方法を例示できる。
【００２４】
電極を形成したのち、光の反射による光エネルギーの損失を減らすために、第一主表面側に反射防止膜４７を付けることにより（図１：Ｓ９）、円板状のシリコン単結晶ウェーハの形状を維持した太陽電池セルとなる。
【００２５】
なお、図２の第一主表面（受光面）側の電極４４は、ｐ−ｎ接合部４８への光の入射効率を高めるために、例えば図３に示すようにフィンガー電極とされ、さらに、内部抵抗低減のため適当な間隔で太いバスバー電極が設けられる。他方、第二主表面側の電極４５は該第二主表面の略全面を覆うものとされる（図３：裏面電極）。一方、図２の反射防止膜４７は、シリコンと屈折率の異なる透明材料にて構成される。
【００２６】
受光面が平坦である場合は、反射防止膜４７を形成しても多かれ少なかれ反射が生じてしまうが、化学エッチング工程（図１：Ｓ５）の後に、図７に示すように、外面が（１１１）面の多数のピラミッド状突起からなるテクスチャ構造を第一主表面に形成することにより、反射をさらに抑制することができる（図１：Ｓ６）。このようなテクスチャ構造は、シリコン単結晶の（１００）面を、ヒドラジン水溶液や水酸化ナトリウムなどのエッチング液を用いて異方性エッチングすることにより形成することができる。また、セルの軽量化のため基板の厚さを薄くする場合は、第二主表面側の電極４５での少数キャリアの再結合・消滅を防止するために、図２に示すように、該第二主表面側に基板４１と同一導電型であってより高濃度の裏面高濃度層４６を形成することができる。
【００２７】
以上のようにして得られた太陽電池セルは、ウェーハ４１の形状を維持した円板状である。これをダイサーにより切断予定線にて厚み方向に精度よく切断して、図４に示すように、予め領域を定めて電極を形成された、形状の異なる第一セグメント１０と２片の第二セグメント２０，２０に分離させる（図１：Ｓ１０）。仮に、２００ｍｍのＣＺシリコン単結晶より得たウェーハ４１を本発明に採用した場合、中心点Ｏを含む第一セグメント１０の面積は約１９１．３ｃｍ２、中心点Ｏを含まない第二のセル２０，２０の面積はそれぞれ約６１．３７ｃｍ２となる。なお、ウェーハ４１を所望の形状に切断したのち、その切断したウェーハに対し、セル形成プロセスを行うこともできる。
【００２８】
次に、第一セグメント１０のみを複数集めて、モジュールの充填率ができるだけ大きくなるように配置する。図５Ｂは、２００ｍｍのシリコン単結晶ウェーハを２９枚使用して得た２９枚の第一セグメント１０の配置例を示した図である。このモジュール１００は、第一セグメント１０が、その平行切断線同士（弦状の縁）を互いに隣接させる形で千鳥状に平行配列して構成されている。
【００２９】
この太陽電池モジュール１００は、５９５ｍｍ×１０２２ｍｍの長方形状となる。図５Ａに示すようにセル同士の間隔、及びセルとセルを載置するフレームの端部との間隔は、最も近接している箇所でいずれも２ｍｍである。（モジュール充填率）＝（太陽電池セルの占める面積）／（モジュールの占める面積）として計算すると、この太陽電池モジュール１００の充填率は約９１．２％となる。
また、セル間隔をさらに近接させ、例えば１ｍｍとすることにより、さらに充填率を高めることができる。
【００３０】
一方、１対の弓形の第二セグメント２０，２０を、その切断線同士が対向する形で組み合わせて、モジュールの充填率ができるだけ大きくなるように配置する。図６Ｂは、図５Ｂに示した太陽電池モジュール１００の場合と同様に２００ｍｍのシリコン単結晶ウェーハ４１を２９枚使用して得た２９組の第二セグメント２０，２０の配置例を示した図である。このモジュール１０１は、第二セグメント２０，２０とを組み合わせた対が、千鳥状に平行配列して構成されている。
【００３１】
この太陽電池モジュール１０１は、４４４ｍｍ×１０４２ｍｍの長方形状となる。先の例と同様に、セル同士の間隔、及びセルとセルを載置する長方形状（あるいは正方形状）のモジュールプレート（フレーム）９の端部との間隔は、最も近接している箇所でいずれも２ｍｍである（図６Ａ）。モジュール充填率を計算すると、この第二の太陽電池モジュール１０１の充填率は約７７．２％となる。なお、千鳥配列の場合は、第二セグメント２０，２０の列間の配列ずれの影響により、そのずれ方向の末端位置にあるプレート９の縁に沿って、１列毎に比較的大きなデッドスペースＤＳが生じることになる。これは、第一セグメント１０を千鳥配列した図５Ｂのモジュールにおいても事情は同じである。しかし、図６Ｂのモジュールにおいては、千鳥配列の単位が２枚の第二セグメント２０，２０であることから、一点鎖線で示すように、そのデッドスペースＤＳを１枚の第二セグメント２０にて埋めることが可能である。こうすればモジュール充填率はさらに上がり、７９．８％に達する。
【００３２】
そして、図５Ｂ及び図６Ｂのように構成された第一及び第二の太陽電池モジュールのトータルの充填率を計算すると約８５．２％（デッドスペースＤＳを埋める場合は８６．２％）となる。これに対し、分割せずに円板状のままの太陽電池セル２９枚を図５Ｂ及び図６Ｂと同様に３列に配置すると、５５３ｍｍ×２０２２ｍｍのアスペクト比の大きいモジュールとなり、その充填率は約８１．４％になる（図示せず）。すなわち、本発明の実施形態である図５Ｂ及び図６Ｂのモジュールは、トータルの充填率で４％（デッドスペースＤＳを埋める場合は５％）近く高い値を示す。
【００３３】
また、図５Ｂ及び図６Ｂのモジュールを組み合わせると、正方形に近い形状のモジュールを構成することができるため、実用上便利である。同様のほぼ正方形のモジュールを上記円形の太陽電池セル２９枚で構成しようとすると、モジュール充填率はさらに低くなる。すなわち、本発明によると高レベルのモジュール充填率を維持しつつ、モジュールの形状を選択する自由度も向上する。
【００３４】
一方、円板状のままの太陽電池セル２９枚のモジュールを１４枚（５枚、４枚、５枚の３列配置）と１５枚（５枚、５枚、５枚の３列配置）の２つのモジュールに分けて形成すると、前者は５５３ｍｍ×１０１２ｍｍ、後者は５５３ｍｍ×１１１３ｍｍのモジュールとなり、モジュール形状は本発明のモジュール形状と同等となるが、充填率はそれぞれ約７８．６％、約７６．６％であり、２つのモジュールのトータルの充填率は７７．５％となる。従って、本発明の実施形態である図５Ｂ及び図６Ｂのモジュールは、トータルの充填率で７．５％も高い値が得られることになる。
【００３５】
次に、図８に示すように、円板状の太陽電池セルに対し、平行切断予定線を２組定め、第一セグメント２１を正方形状に形成することもできる。図８においては、直径２００ｍｍの太陽電池セルを用い、これにほぼ内接する正方形状（１辺が１４０ｍｍ）の第一セグメント２１を得る例である。この場合は、４つの弓形の第二セグメント２２が生ずる。
【００３６】
第一セグメント２１は、例えば図９に示すように、プレート９上に格子状に配列して太陽電池モジュールとすることができるが、プレート縁及びセグメント間の隙間を一律に２ｍｍとする形でセグメント配列を行えば、このモジュールの面積充填率は約９７％に達する。
【００３７】
また、第二セグメント２２は、図１０に示すように、図６と同様の配列による太陽電池モジュールとすることができる（プレート縁に沿うデッドスペースを非対の第二セグメント２２で埋めている）。このモジュールの面積充填率は、約８０％である。両者の平均の充填率は約８９％となり、円板状のままの太陽電池セルを配列したときの充填率（約８１．４％）より７．６％向上する。
【００３８】
また、図９，図１０の場合も、セル間隔を１ｍｍ程度あるいはそれ以下に近接させることができるので、さらに充填率を高めることができる。
【００３９】
なお、第一セグメント２１の形状は、正方形の対角線の長さが、円板状の太陽電池セルの直径Ｄにほぼ一致する内接正方形の場合に加え、本明細書では、図１１の第一セグメント２１’に示すように、四隅が円外に少しはみ出した寸法となっている場合も概念に含む。この場合、はみ出した四隅の部分は太陽電池セル部分としての実体はないので、第一セグメント２１’の実際の形状は、４隅が欠落した擬似正方形状のものとなる。この場合、四隅を補完した正方形の対角線長さＤ’が、直径Ｄの０．９８〜１．１倍になっていれば、「正方形状」の概念に属するもとして取り扱う（下限値は１より少し小さくなっていてもよい。これは、切断代による寸法減少を見込めば容易に理解できる）。図１２は、このようにして得られた第一セグメント２１’による太陽電池モジュールの構成例である。各セグメント２１’の四隅が欠落しているために、セグメント２１’の頂点が集まっている位置にはデッドスペース２３が形成される。従って、面積充填率は僅かではあるが減少するが、ほとんど影響はない。また、図１３は、第二セグメント２２’を集めた太陽電池モジュールの構成例である。第二セグメント２２’の幅が狭くなるので、図１０と比較して配置枚数が多くなっていることがわかる。
【００４０】
図１９は、弓形の第二セグメント２２を集めた太陽電池モジュールの別の構成例を示す。この構成では、第二セグメント２２の弦部（切断線）２２ｇに対し、次の第二セグメント２２の弧部２２ｋを隣接させる形にて、複数の第二セグメント２２を一方向に配列した第一種セグメント列３０と、個々の第二セグメント２２の弦部２２ｇと弧部２２ｋとの向きを第一種セグメント列３０とは逆転させた第二種セグメント列４０とを有する。そして、第一種セグメント列３０の互いに隣接する第二セグメント２２，２２の、一方の第二セグメント２２の弦部２２ｇと他方の第二セグメント２２の弧部２２ｋとの間に形成される凹状の領域に、第二種セグメント列４０の第二セグメント２２の弦方向端部を入り込ませる形で、それら第一種セグメント列３０と第二種セグメント列４０とを交互に配置したものである。この構成は、図１０や図１３の千鳥配列のモジュールと同様の、高いセル面積充填率を達成できるとともに、水の流れを髣髴とさせる爽やかな意匠効果が現れるので、建築物等に組み込む際の装飾的な利用価値も高めることができる。
【００４１】
なお、円状の太陽電池セルを切断して得られる第一種セグメントあるいは第二種セグメントを用いる場合、切断後のセグメントの寸法バラツキが大きいと、そのバラツキを吸収するために、隣接するセグメント間の間隔を大きく設定する必要が生じ、太陽電池モジュールのセルの面積充填率も下がらざるを得ない。そこで、太陽電池セルの切断は、ＬＳＩの製造プロセスで用いられる様な円板状の切断刃を有するダイシング装置を用いることにより、得られる第一種セグメントあるいは第二種セグメントの寸法精度を大幅に高めることができる。その結果、隣接するセグメントをより接近させることができ、セルの面積充填率向上に寄与する。特に、第一種セグメントが正方形状のセルとなる場合、切断後の寸法精度を高めることで、平面を隙間なく埋めることができる正方形特有の幾何学的性質を最大限に引き出すことができ、セルの面積充填率増加への貢献度が大きい。
【００４２】
以上説明した実施形態では、太陽電池のセグメントとして第一主表面にフィンガー電極を形成する場合を例に取ったが、以下のような別の種類の太陽電池を用いることもできる。すなわち、図１４に示すように、太陽電池のセグメントとして、第一主表面１２４ａ上に互いに略平行な複数の溝１０２が形成され、各溝１０２の幅方向片側における内側面に出力取出用の電極１０６が設けられた構造を有するものを用いる。このような構造は、ＯＥＣＯ（Ｏｂｌｉｑｕｅｌｙ Ｅｖａｐｏｒａｔｅｄ Ｃｏｎｔａｃｔ）構造と呼ばれる。溝内面を利用することにより電極６の主表面上への射影面積を低減できる結果、電池のシャドウイングロスが大幅に軽減され、高いエネルギー変換効率が達成可能となる。
【００４３】
図１４においては、ｐ型シリコン単結晶基板の第一主表面１２４ａ上に、例えば幅数１００μｍ程度、深さ１００μｍ程度の多数の溝１０２が互いに平行に形成されている。上記溝刻設した基板の第一主表面１２４ａには、ｎ型ドーパントであるリンを熱拡散することによりエミッタ層１０４が形成され、ｐ−ｎ接合部が形成されている。そして、そのｐ−ｎ接合部の上に、トンネル絶縁膜として機能する薄いシリコン酸化膜１０５が、例えば熱酸化法により形成されている。
【００４４】
そして上記シリコン酸化膜１０５の上に電極１０６が形成されている。該電極１０６は、蒸着装置内において電極材料（例えばアルミニウム等の金属）を溝の内側面に蒸着することにより形成されたものであり、その蒸着時においては、溝幅方向における片側の内側面に優先的に電極材料が蒸着されるよう、蒸着源に対し基板１０１を所定角度以上に相対的に傾けて配置するようにする（これが、ＯＥＣＯの命名の由来でもある：なお、該蒸着時には、溝１０２，１０２間に形成された凸状部１２３の頂面にも余分の電極材料が堆積するが、これは塩酸溶液等のエッチング液にて除去される）。そして、電極１０６を含む基板１０１の第一主表面１２４ａの全体が、保護層および反射防止膜として機能する窒化シリコン膜１０７により覆われている。
【００４５】
ＯＥＣＯ構造を有するセグメントにおいては、溝形成方向に対して太陽光が最適の角度で当たったとき、変換効率も最大となる。従って、１つのモジュールの中でセグメントの溝の向きがまちまちになっていると、出力ムラを生じてモジュール全体の発電効率を大幅に減少させることにつながる。そこで、モジュール内においては、溝の向きが互いに一致するようにセグメントを配列することが望ましい。図１５に示すように、この溝は溝入れ刃により、円板状の基板の段階で一括形成される。従って、この基板から製造される太陽電池セルから切り出された第一セグメント２１と第二セグメント２２は、溝方向をそれぞれ考慮して、各々を集めたモジュール内に組みつけられる。
【００４６】
例えば、図８あるいは図１１と同様に正方形状の第一セグメント２１を切り出す場合を考える。図１６は、溝方向をそろえて第一セグメント２１を配列した太陽電池モジュールの例である。また、溝１０２の方向を第一セグメント２１のどちらか１辺の向きに合わせた場合、第二セグメントは、弦状の縁が溝１０２と平行になるセグメント２２ａと、同じく直交するセグメント２２ｂとの二種類が生ずる。従って、図１７及び図１８に示すように、これら２種のセグメント２２ａ，２２ｂは別々に集められ、それぞれ溝方向をそろえた形でプレート９に組みつけられ、太陽電池モジュールとされる。
【００４７】
以上示したように、本発明は使用する単結晶ウェーハのロスをなくし、太陽電池モジュール充填率の向上に寄与することは明らかである。なお、本発明は実施例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲にて種々の態様で実施できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
図１は、本発明に係る太陽電池モジュールの製造工程の一例を示す流れ図。
図２は、シリコン単結晶系太陽電池の断面構造の一例を示す模式図。
図３は、シリコン単結晶系太陽電池の受光面における電極形成形態の一例を模式的に示す斜視図。
図４は、形状の異なる第一セグメント及び第二セグメントを単一のシリコン単結晶ウェーハより切り出す方法を示す模式図。
図５Ａは、第一セグメントのみを配置して作製した太陽電池モジュールの要部を示す平面模式図。
図５Ｂは、図５Ａのモジュールの全体図。
図６Ａは、第二セグメントの寸法説明図。
図６Ｂは、第二セグメントのみを配置して作製した太陽電池モジュールの平面模式図。
図７は、テクスチャ構造の概念図。
図８は、第一セグメントと第二セグメントとの分割方法の第一変形例を示す平面模式図。
図９は、図８の第一セグメントを用いた太陽電池モジュールの例を示す平面模式図。
図１０は、同じく第二セグメントを用いた太陽電池モジュールの例を示す平面模式図。
図１１は、第一セグメントと第二セグメントとの分割方法の第二変形例を示す平面模式図。
図１２は、図１１の第一セグメントを用いた太陽電池モジュールの例を示す平面模式図。
図１３は、同じく第二セグメントを用いた太陽電池モジュールの例を示す平面模式図。
図１４は、ＯＥＣＯ構造の太陽電池セグメントの断面構造を模式的に示す図。
図１５は、ＯＥＣＯ構造の太陽電池セルを、正方形状の第一セグメントと、弓形の第二セグメントとに分割する例を示す平面模式図。
図１６は、図１５の第一セグメントを用いた太陽電池モジュールの例を示す平面模式図。
図１７は、同じく２種の第二セグメントの一方を用いた太陽電池モジュールの例を示す平面模式図。
図１８は、同じく２種の第二セグメントの他方を用いた太陽電池モジュールの例を示す平面模式図。
図１９は、第二セグメントを用いた太陽電池モジュールの別例を示す平面模式図。
【符号の説明】
【００４９】
１０ ２１ 第一セグメント
２０ ２２ 第二セグメント
２２ｇ 弦部
２２ｋ 弧部
３０ 第一種セグメント列
４０ 第二種セグメント列
４１ 半導体単結晶ウェーハ（太陽電池用基板）
１００ １０１ 太陽電池モジュール
１０２ 溝
１０６ 出力取出用の電極
１２４ａ 第一主表面
【０００１】
本発明は、半導体単結晶基板を使用した太陽電池セルを複数配置して構成される太陽電池モジュール及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体単結晶ウェーハを用いた太陽電池セルは、多結晶やアモルファスを用いた場合と比較してエネルギー変換効率が高く、半導体単結晶ウェーハも比較的安価であることから、現在普及している太陽電池の主力となっている。
例えば、チョクラルスキー法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法、以下、単にＣＺ法という）や、浮遊帯域溶融法（Ｆｌｏａｔｉｎｇ ｚｏｎｅ法、以下、単にＦＺ法という）によって得られる半導体単結晶をスライスして得られる単結晶ウェーハは円板状である。全モジュール面積に対する太陽電池セルの占める割合をモジュール充填率としたとき、ウェーハの形状を維持した太陽電池セル、すなわち円板状の太陽電池セルをそのまま平面配置したのでは高レベルのモジュール充填率は達成できない。
【０００３】
モジュールの面積を基準とした実質的なエネルギー変換効率を向上させるためには、このモジュール充填率を向上させる必要がある。そこで、モジュール充填率を高める手法として、四角形状に加工して配列する方法が一般的に良く知られている。この方法では円板状の半導体単結晶ウェーハを切断して四角形状にするため、結晶ロスが生ずるという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
モジュール充填率と結晶ロスという２つの問題点を解決する手法として、六角形状の太陽電池セルを作製する提案がなされている（米国特許４０８９７０５号参照）。しかしながらこの方法は、前述した四角形状の場合と比較して結晶ロスは低減できるものの、依然として結晶ロスは避けられない上、六角形状への加工が煩雑であるという問題や、六角形状であるがゆえに、通常のＬＳＩのデバイスプロセスに使用される自動化された装置をそのまま利用できないという問題があった。
【０００５】
本発明の課題は、使用する単結晶ウェーハのロスをなくし、かつ、セル形成プロセスにおいてＬＳＩのデバイスプロセスに使用される自動化された装置を使用可能とし、さらに、円板状のセルをそのまま配置した場合と比較して、モジュール充填率を高めた太陽電池モジュール及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明の太陽電池モジュールの製造方法は、
シリコン単結晶棒をスライスして得られた半導体単結晶ウェーハによって太陽電池用基板を形成し、その円板状を成す太陽電池用基板を互いに形状の異なるセグメントに分割形成し、それらセグメントの同種のものをそれぞれ集め、各セグメントの種別ごとにそれらを平面的に配列した太陽電池モジュールの製造方法であって、
前記太陽電池用基板の前記セグメントには、分割前に太陽電池セル形成のためのセル形成プロセスが行われ、形状の異なる前記セグメントを得るために、前記半導体単結晶ウェーハの主表面上に切断予定線として、ウェーハ中心点に関して対称な位置にある平行線の組（以下、平行切断予定線という）を１組設定し、該平行切断予定線が境界線となるように、前記半導体単結晶ウェーハを、前記ウェーハ中心点を含む第一セグメントの形成領域と、その第一セグメントの形成領域の残余の領域である弓形の第二セグメントの形成領域とに区分してセル形成プロセスを行って前記太陽電池セルとなし、前記切断予定線にて前記太陽電池用基板を厚み方向に切断し、
前記第一セグメントについては、複数の第一セグメントを、前記平行切断予定線により形成される平行切断線同士が互いに隣接するように列方向に配置し、更に前記第一セグメントは千鳥状に複数列にわたって配置されており、
前記第二セグメントについては、前記第二セグメントの弦部をなす切断線に対し、次の第二セグメントの弧部を隣接させる形にて、複数の第二セグメントを一方向に配列した第一種セグメント列と、個々の第二セグメントの弦部と弧部との向きを前記第一種セグメント列とは逆転させた第二種セグメント列とを形成するとともに、
前記第一種セグメント列の互いに隣接する第二セグメントの、一方の第二セグメントの弦部と他方の第二セグメントの弧部との間に形成される凹状の領域に、前記第二種セグメント列の第二セグメントの弦方向端部を入り込ませる形で、それら第一種セグメント列と第二種セグメント列とが交互に配置されており、
前記太陽電池セルを切断して得たそれぞれのセグメントには、第一主表面上に互いに略平行な複数の溝が形成され、各溝の幅方向片側における内側面に出力取出用の電極が設けられた構造を有するものを用い、それらセグメントを、前記溝の向きが互いに一致するように配置されていることを特徴とする。
【０００７】
具体的には、太陽電池用基板のすべての部位を、複数セグメントのいずれかの種別のものに属するものとなるように分割形成している。すなわち、セル形成プロセスを行う以前の半導体単結晶ウェーハは、余すところなく全て使い尽くされる形となり、結晶ロスが全く生じない（ただし、切断刃等によりセグメントに分割する際に、その切断しろとなって消耗する部分はのぞく）。
【０００８】
太陽電池セル化のための処理（セル形成プロセス）は、半導体単結晶ウェーハを分割したのちに行うことも可能であるが、望ましくは分割する以前の半導体単結晶に対して行うのがよい。すなわち、半導体単結晶ウェーハの状態でセグメントへの分割の予定された各領域のそれぞれにセル形成プロセスを行い、プロセス終了後にセグメントへ分割処理を行うとよい。このようにすると、セル形成のためのパターンは分割予定領域毎に必要となるが、セル形成プロセス自体は全てウェーハ全体で一括して行えるので特別な工程を含まず、従来と同様の装置をそのまま適用して太陽電池モジュールを製造できる。
この場合、セル形成プロセスを行う半導体単結晶ウェーハとしては、ＬＳＩのデバイスプロセスに使用されるウェーハと同様にウェーハの外周部に面取り加工を施したものを用いることが好ましい。これにより、面取り加工を施さずにセル化プロセスを行う従来の四角形状などのウェーハに比べて、セル化プロセスにおけるワレ、カケ等の不良率を低下させることができる。
【０００９】
そして、具体的な円板状の太陽電池用基板から分割形成されたセグメントを得る方法としては、面積的に大きい主要なセグメントである第一セグメントを太陽電池モジュール形成に用いることはもちろんであるが、本発明においては、面積的には小さいいわば「端切れ」に相当し、一見廃棄するしか方法がないと思われる（というより、第一セグメントを採取した後は本質的に着目されにくい）第二セグメントをも、太陽電池モジュールの構成要素として有効に活用する点に最大の特徴がある。また、所定間隔の平行な切断位置にてウェーハを精度良く切断することは、特別な装置やプログラムを必要とせず、従来のデバイスプロセスに使用される自動化された装置をそのまま適用できる利点もある。
【００１０】
上記のように太陽電池セルを第一セグメントと第二セグメントとに分割する場合、第二セグメントの面積が極度に小さくなりすぎると、１つの太陽電池モジュールを構成するのに非常に多くのセグメントが必要となり、セルの組み立て工数が増大してコストアップにつながる。従って、用いる円状の太陽電池セルの大きさを基準として、第二セグメントの大きさは適当な範囲に制限すること、例えば第一セグメントの大きさの１０％〜３０％程度に留めることが望ましい。
【００１１】
切断の工数を少なくする観点からは、平行切断予定線を、半導体単結晶ウェーハの第一主表面上に１組のみ定める方法を採用するのがよい。この場合、図４に示すように、円状をなす第一主表面の半径をＲとしたとき、各平行切断予定線とウェーハ中心点との距離を（Ｒ／２）に定めると、２枚の第二セグメントの合計面積が第一セグメントの面積に近くなり、並列接続した第二セグメントを１組として取り扱えば、種々の電池定数を第一セグメントに近くでき、第一セグメントと第二セグメントとの設計上の取り扱いを共通化できるので便利である。
【００１２】
そして、上記製造方法における第一セグメントを用いて、以下のような本発明の太陽電池モジュールの第一の態様を実現することができる。すなわち、該太陽電池モジュールは、円板状の太陽電池セルの周縁部から、該太陽電池セルの主表面中心点に関し対称な１組の平行切断予定線により、１対の弓形形状の部分を切除した形状を有する太陽電池のセグメントが、その平行切断線同士を互いに隣接させる形で千鳥状に平行配列して構成されていることを特徴とする。
【００１３】
この第一の態様の太陽電池モジュールにおいては、用いる第一セグメントが平行切断線を有するものであり、これを隣接させる配列とすることで、隣り合う第一セグメント同士を比較的長い距離に渡って密接配置できる。従って、円板状の太陽電池セルを配列した場合よりもはるかに高いモジュール充填率が達成できる。また、平行切断線を一組形成すればよいので、六角形状や四角形状のセグメントを得ようとする場合よりも切断工程は単純である。
【００１４】
さて、円状の太陽電池セルを上記のような平行切断予定線にて切断を行えば、その両側に合同な２つの弓形の第二セグメントが得られる。本発明の太陽電池モジュールの第二の態様は、太陽電池のセグメントとして、互いに合同な平面形状を有する複数の弓形のセグメントを有し、それら弓形のセグメントの弦部に対し、次のセグメントの弧部を隣接させる形にて複数のセグメントを一方向に配列した第一種セグメント列と、個々のセグメントの弦部と弧部との向きを第一種セグメント列とは逆転させた第二種セグメント列とが形成され、第一種セグメント列の互いに隣接するセグメントの、一方のセグメントの弦部と他方のセグメントの弧部との間に形成される凹状の領域に、第二種セグメント列のセグメントの弦方向端部を入り込ませる形で、それら第一種セグメント列と第二種セグメント列とを交互に配置したことを特徴とする。
【００１５】
該太陽電池モジュールの第二の態様は、前記した第二セグメントの弦部をなす切断線に対し、次の第二セグメントの弧部を隣接させる形にて、複数の第二セグメントを一方向に配列した第一種セグメント列と、個々の第一のセグメントの弦部と弧部との向きを第一種セグメント列とは逆転させた第二種セグメント列とを形成するとともに、第一種セグメント列の互いに隣接する第二セグメントの、一方の第二セグメントの弦部と他方の第二セグメントの弧部との間に形成される凹状の領域に、第二種セグメント列の第二セグメントの弦方向端部を入り込ませる形で、それら第一種セグメント列と第二種セグメント列とを交互に配置することにより得られる。
【００１６】
上記の構成において、弓形の第二セグメントは、面積及び形状が等価なため、内部抵抗のほぼ等しい太陽電池として機能する。従って、モジュール化に際して直列接続する太陽電池間の出力電流を容易にマッチングさせることができ、効率のよい太陽電池モジュールを作ることができる。
【００１７】
また、第一セグメントばかりからなるモジュールと、第二セグメントばかりからなるモジュールとを併用して太陽光発電に用いる場合、同じ面積の円板状のものを最密に配列してモジュールを作製した場合と比較して、平均的なモジュール充填率を向上させることができる。これにより、実質的には素子のエネルギー変換効率を向上させることと同等の効果が得られる。例えば、平行切断予定線を１組のみ定める態様において、各平行切断予定線とウェーハ中心点との距離を（Ｒ／２）に定める場合、１種類の円板状のセルから、前記第一の態様のモジュールと、第二の態様のモジュールとを作製して、それらの面積充填率を平均すると、同じ面積の円板状のものを最密に配列してモジュールを作製した場合と比較して、モジュール充填率は約４％あるいは５％向上する（これについては後述する）。
【００１８】
本発明において、半導体単結晶ウェーハを切断してセグメントを形成する際、ＬＳＩの製造プロセスで使用するダイサー（ダイヤモンド刃やレーザー切断）を用いることが好ましい。
従来の太陽電池セル形成プロセスにおいて例えば四角形状のセルを形成する場合、外周刃を用いてスライスされているが、これでは切断精度が十分でなく（±０．５ｍｍの精度）、稠密なセル配置を有するモジュールができなかった。これに対し、数μｍから数十μｍの精度でカットできるダイサーを用いることにより、セル間隔を１ｍｍ以下、あるいは５００μｍ以下とした稠密なセル配置を有するモジュールを形成できるだけでなく、セルをならべる作業の自動化を容易にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を用いて説明する。
図１は、太陽電池モジュールの製造工程の一例を示す流れ図である。太陽電池モジュール製造工程は大きくわけて、基板となる単結晶ウェーハ製造工程と、太陽電池セル（セグメント）を製造する工程とに分けられる。
【００２０】
基板となる単結晶ウェーハ製造工程について簡単に説明する。太陽電池用半導体単結晶ウェーハとしては、シリコン単結晶ウェーハが一般的である。これらシリコン単結晶ウェーハはＣＺ法又はＦＺ法にて得られる単結晶棒をスライスして得ることができるので、ＣＺ法にてまずシリコン単結晶棒を製造する（図１：Ｓ１）。なお、育成されるシリコン単結晶棒は、例えばガリウムやボロンを添加することによりｐ型に導電型が調整される。
【００２１】
こうして得られた単結晶インゴットは、一定の抵抗率範囲のブロックに切断され（図１：Ｓ２）、例えば厚さ３００μｍ程度に薄くスライシングされる（図１：Ｓ３）。スライシング後のシリコン単結晶ウェーハ（以下、単にウェーハともいう）は、必要に応じて面取り加工を施した後、遊離砥粒を用いて両面がラッピングされる（図１：Ｓ４）。次に、これをエッチング液に浸漬することにより、両面が化学エッチング処理される（図１：Ｓ５）。この化学エッチング工程は、Ｓ２〜Ｓ４の機械加工工程においてシリコン単結晶ウェーハの表面に生じたダメージ層を除去するために行われる。このダメージ層の化学エッチングによる除去は、例えば弗酸と硝酸と酢酸からなる混酸水溶液による酸エッチングにより行われる。なお、太陽電池用基板としてウェーハが製造される場合、Ｓ４のラッピング工程は省略されることが多く、Ｓ５のエッチング工程とＳ６のテクスチャ工程とを同時に行うこともある。
【００２２】
化学エッチング処理（図１：Ｓ５）までの工程が施されたシリコン単結晶ウェーハに、図２に示すように第一主表面側にｎ型ドーパントの拡散層４２を形成することにより、ｐ−ｎ接合部４８を形成する（図１：Ｓ７）。ウェーハ４１の主表面からｐ−ｎ接合４８までの深さは、通常０．５μｍ程度である。なお、ｎ型ドーパントの拡散層４２は、ｐ型シリコン単結晶ウェーハの主表面から、例えば燐（Ｐ）を拡散することにより形成する。
【００２３】
ｐ−ｎ接合部４８が形成されたウェーハ４１は、さらに、酸化膜４３を第一主表面に形成した後に、第一主表面及び第二主表面に電極４４，４５を設け、円板状の太陽電池セルとなる（図１：Ｓ８）。これはのちに切断されて形状の異なる太陽電池セグメントとなるので、第一主表面上の電極形成は切断後のセグメントの形状を考慮して行う必要がある。例えば、ウェーハ４１の中心点Ｏに関して対称、かつ平行な１組の直線状の切断予定線（図４参照）を第一主面上に定め、該切断予定線が境界線となるように、中心点Ｏを含む第一セグメントと、その第一セグメントの両端に隣接する２つの弓形の第二セグメントとに区分して、それぞれの領域ごとにセル形成プロセスを行う方法を例示できる。
【００２４】
電極を形成したのち、光の反射による光エネルギーの損失を減らすために、第一主表面側に反射防止膜４７を付けることにより（図１：Ｓ９）、円板状のシリコン単結晶ウェーハの形状を維持した太陽電池セルとなる。
【００２５】
なお、図２の第一主表面（受光面）側の電極４４は、ｐ−ｎ接合部４８への光の入射効率を高めるために、例えば図３に示すようにフィンガー電極とされ、さらに、内部抵抗低減のため適当な間隔で太いバスバー電極が設けられる。他方、第二主表面側の電極４５は該第二主表面の略全面を覆うものとされる（図３：裏面電極）。一方、図２の反射防止膜４７は、シリコンと屈折率の異なる透明材料にて構成される。
【００２６】
受光面が平坦である場合は、反射防止膜４７を形成しても多かれ少なかれ反射が生じてしまうが、化学エッチング工程（図１：Ｓ５）の後に、図７に示すように、外面が（１１１）面の多数のピラミッド状突起からなるテクスチャ構造を第一主表面に形成することにより、反射をさらに抑制することができる（図１：Ｓ６）。このようなテクスチャ構造は、シリコン単結晶の（１００）面を、ヒドラジン水溶液や水酸化ナトリウムなどのエッチング液を用いて異方性エッチングすることにより形成することができる。また、セルの軽量化のため基板の厚さを薄くする場合は、第二主表面側の電極４５での少数キャリアの再結合・消滅を防止するために、図２に示すように、該第二主表面側に基板４１と同一導電型であってより高濃度の裏面高濃度層４６を形成することができる。
【００２７】
以上のようにして得られた太陽電池セルは、ウェーハ４１の形状を維持した円板状である。これをダイサーにより切断予定線にて厚み方向に精度よく切断して、図４に示すように、予め領域を定めて電極を形成された、形状の異なる第一セグメント１０と２片の第二セグメント２０，２０に分離させる（図１：Ｓ１０）。仮に、２００ｍｍのＣＺシリコン単結晶より得たウェーハ４１を本発明に採用した場合、中心点Ｏを含む第一セグメント１０の面積は約１９１．３ｃｍ２、中心点Ｏを含まない第二のセル２０，２０の面積はそれぞれ約６１．３７ｃｍ２となる。なお、ウェーハ４１を所望の形状に切断したのち、その切断したウェーハに対し、セル形成プロセスを行うこともできる。
【００２８】
次に、第一セグメント１０のみを複数集めて、モジュールの充填率ができるだけ大きくなるように配置する。図５Ｂは、２００ｍｍのシリコン単結晶ウェーハを２９枚使用して得た２９枚の第一セグメント１０の配置例を示した図である。このモジュール１００は、第一セグメント１０が、その平行切断線同士（弦状の縁）を互いに隣接させる形で千鳥状に平行配列して構成されている。
【００２９】
この太陽電池モジュール１００は、５９５ｍｍ×１０２２ｍｍの長方形状となる。図５Ａに示すようにセル同士の間隔、及びセルとセルを載置するフレームの端部との間隔は、最も近接している箇所でいずれも２ｍｍである。（モジュール充填率）＝（太陽電池セルの占める面積）／（モジュールの占める面積）として計算すると、この太陽電池モジュール１００の充填率は約９１．２％となる。
また、セル間隔をさらに近接させ、例えば１ｍｍとすることにより、さらに充填率を高めることができる。
【００３０】
一方、１対の弓形の第二セグメント２０，２０を、その切断線同士が対向する形で組み合わせて、モジュールの充填率ができるだけ大きくなるように配置する。図６Ｂは、図５Ｂに示した太陽電池モジュール１００の場合と同様に２００ｍｍのシリコン単結晶ウェーハ４１を２９枚使用して得た２９組の第二セグメント２０，２０の配置例を示した図である。このモジュール１０１は、第二セグメント２０，２０とを組み合わせた対が、千鳥状に平行配列して構成されている。
【００３１】
この太陽電池モジュール１０１は、４４４ｍｍ×１０４２ｍｍの長方形状となる。先の例と同様に、セル同士の間隔、及びセルとセルを載置する長方形状（あるいは正方形状）のモジュールプレート（フレーム）９の端部との間隔は、最も近接している箇所でいずれも２ｍｍである（図６Ａ）。モジュール充填率を計算すると、この第二の太陽電池モジュール１０１の充填率は約７７．２％となる。なお、千鳥配列の場合は、第二セグメント２０，２０の列間の配列ずれの影響により、そのずれ方向の末端位置にあるプレート９の縁に沿って、１列毎に比較的大きなデッドスペースＤＳが生じることになる。これは、第一セグメント１０を千鳥配列した図５Ｂのモジュールにおいても事情は同じである。しかし、図６Ｂのモジュールにおいては、千鳥配列の単位が２枚の第二セグメント２０，２０であることから、一点鎖線で示すように、そのデッドスペースＤＳを１枚の第二セグメント２０にて埋めることが可能である。こうすればモジュール充填率はさらに上がり、７９．８％に達する。
【００３２】
そして、図５Ｂ及び図６Ｂのように構成された第一及び第二の太陽電池モジュールのトータルの充填率を計算すると約８５．２％（デッドスペースＤＳを埋める場合は８６．２％）となる。これに対し、分割せずに円板状のままの太陽電池セル２９枚を図５Ｂ及び図６Ｂと同様に３列に配置すると、５５３ｍｍ×２０２２ｍｍのアスペクト比の大きいモジュールとなり、その充填率は約８１．４％になる（図示せず）。すなわち、本発明の実施形態である図５Ｂ及び図６Ｂのモジュールは、トータルの充填率で４％（デッドスペースＤＳを埋める場合は５％）近く高い値を示す。
【００３３】
また、図５Ｂ及び図６Ｂのモジュールを組み合わせると、正方形に近い形状のモジュールを構成することができるため、実用上便利である。同様のほぼ正方形のモジュールを上記円形の太陽電池セル２９枚で構成しようとすると、モジュール充填率はさらに低くなる。すなわち、本発明によると高レベルのモジュール充填率を維持しつつ、モジュールの形状を選択する自由度も向上する。
【００３４】
一方、円板状のままの太陽電池セル２９枚のモジュールを１４枚（５枚、４枚、５枚の３列配置）と１５枚（５枚、５枚、５枚の３列配置）の２つのモジュールに分けて形成すると、前者は５５３ｍｍ×１０１２ｍｍ、後者は５５３ｍｍ×１１１３ｍｍのモジュールとなり、モジュール形状は本発明のモジュール形状と同等となるが、充填率はそれぞれ約７８．６％、約７６．６％であり、２つのモジュールのトータルの充填率は７７．５％となる。従って、本発明の実施形態である図５Ｂ及び図６Ｂのモジュールは、トータルの充填率で７．５％も高い値が得られることになる。
【００３５】
次に、図８に示すように、円板状の太陽電池セルに対し、平行切断予定線を２組定め、第一セグメント２１を正方形状に形成することもできる。図８においては、直径２００ｍｍの太陽電池セルを用い、これにほぼ内接する正方形状（１辺が１４０ｍｍ）の第一セグメント２１を得る例である。この場合は、４つの弓形の第二セグメント２２が生ずる。
【００３６】
第一セグメント２１は、例えば図９に示すように、プレート９上に格子状に配列して太陽電池モジュールとすることができるが、プレート縁及びセグメント間の隙間を一律に２ｍｍとする形でセグメント配列を行えば、このモジュールの面積充填率は約９７％に達する。
【００３７】
また、第二セグメント２２は、図１０に示すように、図６と同様の配列による太陽電池モジュールとすることができる（プレート縁に沿うデッドスペースを非対の第二セグメント２２で埋めている）。このモジュールの面積充填率は、約８０％である。両者の平均の充填率は約８９％となり、円板状のままの太陽電池セルを配列したときの充填率（約８１．４％）より７．６％向上する。
【００３８】
また、図９，図１０の場合も、セル間隔を１ｍｍ程度あるいはそれ以下に近接させることができるので、さらに充填率を高めることができる。
【００３９】
なお、第一セグメント２１の形状は、正方形の対角線の長さが、円板状の太陽電池セルの直径Ｄにほぼ一致する内接正方形の場合に加え、本明細書では、図１１の第一セグメント２１’に示すように、四隅が円外に少しはみ出した寸法となっている場合も概念に含む。この場合、はみ出した四隅の部分は太陽電池セル部分としての実体はないので、第一セグメント２１’の実際の形状は、４隅が欠落した擬似正方形状のものとなる。この場合、四隅を補完した正方形の対角線長さＤ’が、直径Ｄの０．９８〜１．１倍になっていれば、「正方形状」の概念に属するもとして取り扱う（下限値は１より少し小さくなっていてもよい。これは、切断代による寸法減少を見込めば容易に理解できる）。図１２は、このようにして得られた第一セグメント２１’による太陽電池モジュールの構成例である。各セグメント２１’の四隅が欠落しているために、セグメント２１’の頂点が集まっている位置にはデッドスペース２３が形成される。従って、面積充填率は僅かではあるが減少するが、ほとんど影響はない。また、図１３は、第二セグメント２２’を集めた太陽電池モジュールの構成例である。第二セグメント２２’の幅が狭くなるので、図１０と比較して配置枚数が多くなっていることがわかる。
【００４０】
図１９は、弓形の第二セグメント２２を集めた太陽電池モジュールの別の構成例を示す。この構成では、第二セグメント２２の弦部（切断線）２２ｇに対し、次の第二セグメント２２の弧部２２ｋを隣接させる形にて、複数の第二セグメント２２を一方向に配列した第一種セグメント列３０と、個々の第二セグメント２２の弦部２２ｇと弧部２２ｋとの向きを第一種セグメント列３０とは逆転させた第二種セグメント列４０とを有する。そして、第一種セグメント列３０の互いに隣接する第二セグメント２２，２２の、一方の第二セグメント２２の弦部２２ｇと他方の第二セグメント２２の弧部２２ｋとの間に形成される凹状の領域に、第二種セグメント列４０の第二セグメント２２の弦方向端部を入り込ませる形で、それら第一種セグメント列３０と第二種セグメント列４０とを交互に配置したものである。この構成は、図１０や図１３の千鳥配列のモジュールと同様の、高いセル面積充填率を達成できるとともに、水の流れを髣髴とさせる爽やかな意匠効果が現れるので、建築物等に組み込む際の装飾的な利用価値も高めることができる。
【００４１】
なお、円状の太陽電池セルを切断して得られる第一種セグメントあるいは第二種セグメントを用いる場合、切断後のセグメントの寸法バラツキが大きいと、そのバラツキを吸収するために、隣接するセグメント間の間隔を大きく設定する必要が生じ、太陽電池モジュールのセルの面積充填率も下がらざるを得ない。そこで、太陽電池セルの切断は、ＬＳＩの製造プロセスで用いられる様な円板状の切断刃を有するダイシング装置を用いることにより、得られる第一種セグメントあるいは第二種セグメントの寸法精度を大幅に高めることができる。その結果、隣接するセグメントをより接近させることができ、セルの面積充填率向上に寄与する。特に、第一種セグメントが正方形状のセルとなる場合、切断後の寸法精度を高めることで、平面を隙間なく埋めることができる正方形特有の幾何学的性質を最大限に引き出すことができ、セルの面積充填率増加への貢献度が大きい。
【００４２】
以上説明した実施形態では、太陽電池のセグメントとして第一主表面にフィンガー電極を形成する場合を例に取ったが、以下のような別の種類の太陽電池を用いることもできる。すなわち、図１４に示すように、太陽電池のセグメントとして、第一主表面１２４ａ上に互いに略平行な複数の溝１０２が形成され、各溝１０２の幅方向片側における内側面に出力取出用の電極１０６が設けられた構造を有するものを用いる。このような構造は、ＯＥＣＯ（Ｏｂｌｉｑｕｅｌｙ Ｅｖａｐｏｒａｔｅｄ Ｃｏｎｔａｃｔ）構造と呼ばれる。溝内面を利用することにより電極６の主表面上への射影面積を低減できる結果、電池のシャドウイングロスが大幅に軽減され、高いエネルギー変換効率が達成可能となる。
【００４３】
図１４においては、ｐ型シリコン単結晶基板の第一主表面１２４ａ上に、例えば幅数１００μｍ程度、深さ１００μｍ程度の多数の溝１０２が互いに平行に形成されている。上記溝刻設した基板の第一主表面１２４ａには、ｎ型ドーパントであるリンを熱拡散することによりエミッタ層１０４が形成され、ｐ−ｎ接合部が形成されている。そして、そのｐ−ｎ接合部の上に、トンネル絶縁膜として機能する薄いシリコン酸化膜１０５が、例えば熱酸化法により形成されている。
【００４４】
そして上記シリコン酸化膜１０５の上に電極１０６が形成されている。該電極１０６は、蒸着装置内において電極材料（例えばアルミニウム等の金属）を溝の内側面に蒸着することにより形成されたものであり、その蒸着時においては、溝幅方向における片側の内側面に優先的に電極材料が蒸着されるよう、蒸着源に対し基板１０１を所定角度以上に相対的に傾けて配置するようにする（これが、ＯＥＣＯの命名の由来でもある：なお、該蒸着時には、溝１０２，１０２間に形成された凸状部１２３の頂面にも余分の電極材料が堆積するが、これは塩酸溶液等のエッチング液にて除去される）。そして、電極１０６を含む基板１０１の第一主表面１２４ａの全体が、保護層および反射防止膜として機能する窒化シリコン膜１０７により覆われている。
【００４５】
ＯＥＣＯ構造を有するセグメントにおいては、溝形成方向に対して太陽光が最適の角度で当たったとき、変換効率も最大となる。従って、１つのモジュールの中でセグメントの溝の向きがまちまちになっていると、出力ムラを生じてモジュール全体の発電効率を大幅に減少させることにつながる。そこで、モジュール内においては、溝の向きが互いに一致するようにセグメントを配列することが望ましい。図１５に示すように、この溝は溝入れ刃により、円板状の基板の段階で一括形成される。従って、この基板から製造される太陽電池セルから切り出された第一セグメント２１と第二セグメント２２は、溝方向をそれぞれ考慮して、各々を集めたモジュール内に組みつけられる。
【００４６】
例えば、図８あるいは図１１と同様に正方形状の第一セグメント２１を切り出す場合を考える。図１６は、溝方向をそろえて第一セグメント２１を配列した太陽電池モジュールの例である。また、溝１０２の方向を第一セグメント２１のどちらか１辺の向きに合わせた場合、第二セグメントは、弦状の縁が溝１０２と平行になるセグメント２２ａと、同じく直交するセグメント２２ｂとの二種類が生ずる。従って、図１７及び図１８に示すように、これら２種のセグメント２２ａ，２２ｂは別々に集められ、それぞれ溝方向をそろえた形でプレート９に組みつけられ、太陽電池モジュールとされる。
【００４７】
以上示したように、本発明は使用する単結晶ウェーハのロスをなくし、太陽電池モジュール充填率の向上に寄与することは明らかである。なお、本発明は実施例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲にて種々の態様で実施できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
図１は、本発明に係る太陽電池モジュールの製造工程の一例を示す流れ図。
図２は、シリコン単結晶系太陽電池の断面構造の一例を示す模式図。
図３は、シリコン単結晶系太陽電池の受光面における電極形成形態の一例を模式的に示す斜視図。
図４は、形状の異なる第一セグメント及び第二セグメントを単一のシリコン単結晶ウェーハより切り出す方法を示す模式図。
図５Ａは、第一セグメントのみを配置して作製した太陽電池モジュールの要部を示す平面模式図。
図５Ｂは、図５Ａのモジュールの全体図。
図６Ａは、第二セグメントの寸法説明図。
図６Ｂは、第二セグメントのみを配置して作製した太陽電池モジュールの平面模式図。
図７は、テクスチャ構造の概念図。
図８は、第一セグメントと第二セグメントとの分割方法の第一変形例を示す平面模式図。
図９は、図８の第一セグメントを用いた太陽電池モジュールの例を示す平面模式図。
図１０は、同じく第二セグメントを用いた太陽電池モジュールの例を示す平面模式図。
図１１は、第一セグメントと第二セグメントとの分割方法の第二変形例を示す平面模式図。
図１２は、図１１の第一セグメントを用いた太陽電池モジュールの例を示す平面模式図。
図１３は、同じく第二セグメントを用いた太陽電池モジュールの例を示す平面模式図。
図１４は、ＯＥＣＯ構造の太陽電池セグメントの断面構造を模式的に示す図。
図１５は、ＯＥＣＯ構造の太陽電池セルを、正方形状の第一セグメントと、弓形の第二セグメントとに分割する例を示す平面模式図。
図１６は、図１５の第一セグメントを用いた太陽電池モジュールの例を示す平面模式図。
図１７は、同じく２種の第二セグメントの一方を用いた太陽電池モジュールの例を示す平面模式図。
図１８は、同じく２種の第二セグメントの他方を用いた太陽電池モジュールの例を示す平面模式図。
図１９は、第二セグメントを用いた太陽電池モジュールの別例を示す平面模式図。
【符号の説明】
【００４９】
１０ ２１ 第一セグメント
２０ ２２ 第二セグメント
２２ｇ 弦部
２２ｋ 弧部
３０ 第一種セグメント列
４０ 第二種セグメント列
４１ 半導体単結晶ウェーハ（太陽電池用基板）
１００ １０１ 太陽電池モジュール
１０２ 溝
１０６ 出力取出用の電極
１２４ａ 第一主表面
Claims (3)
- シリコン単結晶棒をスライスして得られた半導体単結晶ウェーハによって太陽電池用基板を形成し、その円板状を成す太陽電池用基板を互いに形状の異なるセグメントに分割形成し、それらセグメントの同種のものをそれぞれ集め、各セグメントの種別ごとにそれらを平面的に配列した太陽電池モジュールの製造方法であって、
前記太陽電池用基板の前記セグメントには、分割前に太陽電池セル形成のためのセル形成プロセスが行われ、形状の異なる前記セグメントを得るために、前記半導体単結晶ウェーハの主表面上に切断予定線として、ウェーハ中心点に関して対称な位置にある平行線の組（以下、平行切断予定線という）を１組設定し、該平行切断予定線が境界線となるように、前記半導体単結晶ウェーハを、前記ウェーハ中心点を含む第一セグメントの形成領域と、その第一セグメントの形成領域の残余の領域である弓形の第二セグメントの形成領域とに区分してセル形成プロセスを行って前記太陽電池セルとなし、前記切断予定線にて前記太陽電池用基板を厚み方向に切断し、
前記第一セグメントについては、複数の第一セグメントを、前記平行切断予定線により形成される平行切断線同士が互いに隣接するように列方向に配置し、更に前記第一セグメントは千鳥状に複数列にわたって配置されており、
前記第二セグメントについては、前記第二セグメントの弦部をなす切断線に対し、次の第二セグメントの弧部を隣接させる形にて、複数の第二セグメントを一方向に配列した第一種セグメント列と、個々の第二セグメントの弦部と弧部との向きを前記第一種セグメント列とは逆転させた第二種セグメント列とを形成するとともに、
前記第一種セグメント列の互いに隣接する第二セグメントの、一方の第二セグメントの弦部と他方の第二セグメントの弧部との間に形成される凹状の領域に、前記第二種セグメント列の第二セグメントの弦方向端部を入り込ませる形で、それら第一種セグメント列と第二種セグメント列とが交互に配置されており、
前記太陽電池セルを切断して得たそれぞれのセグメントには、第一主表面上に互いに略平行な複数の溝が形成され、各溝の幅方向片側における内側面に出力取出用の電極が設けられた構造を有するものを用い、それらセグメントを、前記溝の向きが互いに一致するように配置されていることを特徴とする太陽電池モジュールの製造方法。 - 円状をなす前記太陽電池用基板の前記第一主表面の半径をＲとしたとき、各前記平行切断予定線と前記ウェーハ中心点との距離を（Ｒ／２）に定めることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
- シリコン単結晶棒をスライスして得られた半導体単結晶ウェーハによって太陽電池用基板を形成し、その円板状を成す太陽電池用基板は、ウェーハ中心点に関して対称な位置にある１組の平行な直線状切断予定線によって厚み方向に切断され、
前記太陽電池用基板の切断によって、前記ウェーハ中心点を含む第一セグメントと、その第一セグメントの残余の領域である湾曲縁と直線縁を有する弓形の第二セグメントとによって、形状が異なる２種のセグメントが構成され、
前記第一セグメントについては、複数の第一セグメントを、前記平行切断予定線により形成される平行切断線同士が互いに隣接するように列方向に配置し、更に前記第一セグメントは千鳥状に複数列にわたって配置され、
前記第二セグメントについては、その弓形の第二セグメントの弦部に対し、次の第二セグメントの弧部を隣接させる形にて、複数の第二セグメントを一方向に配列した第一種セグメント列と、個々の第二セグメントの弦部と弧部との向きを前記第一種セグメント列とは逆転させた第二種セグメント列とを形成するとともに、
前記第一種セグメント列の互いに隣接する第二セグメントの、一方の第二セグメントの弦部と他方の第二セグメントの弧部との間に形成される凹状の領域に、前記第二種セグメント列の第二セグメントの弦方向端部を入り込ませる形で、それら第一種セグメント列と第二種セグメント列とが交互に配置されており、
前記太陽電池セルを切断して得たそれぞれのセグメントには、第一主表面上に互いに略平行な複数の溝が形成され、各溝の幅方向片側における内側面に出力取出用の電極が設け られた構造を有するものを用い、それらセグメントは、前記溝の向きが互いに一致するように配置されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
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