JP4373774B2 - 太陽電池素子の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、特に裏面電極にアルミニウム粉末を主成分としたアルミニウムペーストを用いた太陽電池素子の製造方法に関する。
太陽電池素子の一般的な構造の断面図を図1(a)に示す。1は例えばP型シリコンの半導体基板、2は半導体基板1の表面側にリン原子などが高濃度に拡散された拡散領域、3は窒化シリコン膜や酸化シリコン膜などからなる反射防止膜である。さらに、半導体基板1の表面側には表面電極5を設けるとともに、裏面側にはアルミニウムからなる裏面集電部6と銀からなる裏面取出部7とで構成される裏面電極を設けている。
表面電極は、図1(b)に示されるように、格子状に形成されるのが一般的であり、スクリーン印刷法等により銀ペーストなどを塗布した後、焼成することで形成される。また、表面電極5は反射防止膜3の電極に相当する部分をエッチング除去して、この部分に表面電極5を形成する場合と、もしくは反射防止膜3の上から直接、表面電極5を焼き付けて形成する場合とがある。
裏面側は、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粉末を含んだ金属ペーストを塗布した後、700〜800℃で焼成することにより、裏面集電部6を形成すると同時に、P型半導体不純物を多量に含んだP層4が形成される。P層4は裏面で発生したキャリアが再結合することを防ぐ効果がある。裏面集電部6は半導体基板1の裏面略全面に形成され、その一部にアルミニウムより半田濡れ性のよい、例えば銀粉末を含んだ金属ペーストを印刷、焼成にて裏面取出部7が形成される。
そして上述のようにして作製された銀を主成分とする表面電極5、裏面取出部7の表面には、銀の酸化を防止して接続性をよくするために、半田が被覆されることが多い。
特開2002−217435号公報 特開2003−218373号公報
ところで、上記のように裏面電極にアルミニウムを用いた太陽電池素子の場合、図3に示すように、半導体基板1と裏面集電部6を形成するアルミニウムの熱膨張係数が大きく異なるために、半導体基板1に反り8が発生する。この現象は特に半導体基板1のサイズが大きい場合や厚みが薄い場合により顕著にあらわれる。また、裏面集電部6のアルミニウムと半導体基板1が必要以上に反応すると、裏面集電部6に膨れを生じる。特に、半導体基板1に発生する反り8が大きいと、製造工程での搬送エラーや太陽電池素子の割れに繋がり、生産性の低下や歩留り低下を招く原因となる。
このような反り8においては、単純にアルミニウムペーストの塗布量を減らして裏面集電部6の厚みを薄くすることで低減できることが一般に知られているが、アルミニウムペーストの塗布量を減らすと焼成の際にアルミニウムの玉や突起が発生する問題があった。また、半導体基板1中へのP型不純物の拡散が不十分となり所望するP層4の形成ができずに太陽電池素子の出力特性が低下するという問題が生じる。
これらの解決策として、例えば特許文献1では、アルミニウム電極に薄い部分と厚い部分をつくることが提案されている。その形成方法としてアルミニウムペーストを2回重ねて塗布する方法と厚い部分に格子状にアルミニウムペーストを塗布して、薄い部分はその厚い部分のペーストが自然に広がることにより形成する方法とが提案されている。しかしながら、これらの方法では、2回重ねて塗布することによる工程数の増加やペーストの自然広がりを利用することによる厚みのばらつきを制御することが困難であるなどの問題がある。
また、特許文献2においては、このアルミニウム電極の厚みを部分的に変えて形成する他の方法として、種々のスクリーン印刷手法が提案されている。しかしながら、いずれもスペーサーの設置やスクリーンへの特殊加工の実施などを行うために、設備の安定性を低下させたり、高コストになったりするという問題があった。
さらに、太陽電池素子の電極の必要条件としては、効率を上げるために抵抗を低くすることが必要であるが、アルミニウムペーストに含まれるアルミニウム粒子は表面に自然に形成される酸化膜を有するなどの理由から、十分に低抵抗の電極を得にくいという問題点もあった。
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、裏面電極においてアルミニウムの玉・突起の形成や電極の膨れを抑制した高特性の裏面電極を得るとともに、半導体基板の反りを低減した高い生産性を有する太陽電池素子の製造方法を提供するものである。
上記目的を達成するために、本発明の請求項1にかかる太陽電池素子の製造方法は、光電変換機能を有する半導体基板の非受光面側に主成分としてアルミニウム粉末を含むアルミニウムペーストを塗布・焼成して第1の裏面電極を形成する工程と、前記非受光面側にアルミニウムよりも半田に対する濡れ性の高い金属ペーストを塗布・焼成して第2の裏面電極を形成する工程と、を備えた太陽電池素子の製造方法であって、前記第1の裏面電極と前記第2の裏面電極とは、各々の一部同士が重ね合わされるように形成され、前記アルミニウム粉末は、体積基準による累積粒度分布の平均粒径D50が6〜20μmかつ、平均粒径D50の半分以下の粒径のものが全粒度分布に対して占める割合が15%以下である。
このようにアルミニウム粉末の平均粒径D50が6μm以上となること、平均粒径D50の半分以下の粒径のものが全粒度分布に対して占める割合が15%以下であること、の2点から、焼成したときに電極が緻密となりすぎず、半導体基板との熱膨張係数の差を吸収して反りを抑制することができる。
また、電極が緻密にならないので、通常は抵抗が高くなりやすいが、表面活性であって表面積が大きく酸化膜の占める割合が高い微細な粒径のアルミニウム粉末の含有率を低くしたので、電極の導電特性は良好となる。
そして、第1の裏面電極と第2の裏面電極とが一部同士が重ね合わされて形成されている箇所は、第1の裏面電極であるアルミニウムを主成分とする電極が緻密でないため、厚くなりすぎることを回避できる。したがって、焼成後の半導体基板の反りを抑制することができる。
さらに、従来と同じ厚みで電極を形成しても反り抑制効果が得られるため、焼成後のアルミニウムの玉、突起の発生やP層形成不十分による出力特性の低下がなく、アルミニウムペーストのスクリーン印刷条件を変更する必要もない。
なお、平均粒径D50は、横軸に粒径D(μm)、縦軸にQ%(その粒径以下の粒子が存在する割合・単位は粒子の容積%)をとった累積粒度曲線において、Q%=50%に対応する粒径Dの値をいう。このような粒度分布の測定はレーザー回折分散測定装置を用いて行うことができる。
本発明の請求項2にかかる太陽電池素子の製造方法は、請求項1に記載の太陽電池素子の製造方法において、前記半導体基板は、シリコン基板としたので、本発明の作用効果による恩恵を存分に受けることができ、低コストで高性能な太陽電池素子が得られる。
本発明の請求項3にかかる太陽電池素子の製造方法は、請求項2に記載の太陽電池素子の製造方法において、前記アルミニウム粉末は、その粒径が全て1μm以上とした。このように構成したことによって、焼成時に微細なアルミニウム粉末が溶けすぎて、必要以上にシリコンの半導体基板と反応することを抑制できるので、電極部の膨れを少なくすることができる。
本発明の請求項4にかかる太陽電池素子の製造方法は、請求項1から3のいずれか一項に記載の太陽電池素子の製造方法において、前記第2の裏面電極を形成する工程で用いる金属ペーストは、銀ペーストとしたので、半田濡れ性が良好であると同時に抵抗が低く、半導体基板とのオーミックコンタクト性にも優れるので、高性能な太陽電池素子を得ることができる。
以上のように本発明の太陽電池素子の製造方法は、焼成したときに電極が緻密となりすぎず、半導体基板との熱膨張係数の差を吸収できる。そして、第1の裏面電極と第2の裏面電極とが一部同士が重ね合わされて形成されている箇所は、第1の裏面電極であるアルミニウムを主成分とする電極が緻密でないため、厚くなりすぎることを回避できる。したがって、焼成後の半導体基板の反りを抑制することができるから、製造工程での搬送エラーや太陽電池素子の割れを防止することができ、生産性の低下や歩留り低下を抑制することができる。半導体基板の面積を大きくすることができ、また厚みを薄くすることも可能である。
電極が緻密にならないので、通常は抵抗が高くなりやすいが、表面活性であって表面積が大きく酸化膜の占める割合が高い微細な粒径のアルミニウム粉末の含有率を低くしたので、電極の導電特性は良好となる。
さらに、従来と同じ厚みで電極を形成しても反り抑制効果が得られるため、焼成後のアルミニウムの玉、突起の発生やP層形成不十分による出力特性の低下がなく、アルミニウムペーストのスクリーン印刷条件を変更する必要もないため、従来と同じ生産性、製品品質を確保することができる。
また、半導体基板として、シリコン基板を用いることにより、本発明の作用効果による恩恵を存分に受けることができ、低コストで高性能な太陽電池素子が得られる。またこのとき、アルミニウム粉末の粒径が全て1μm以上となるようにすれば、焼成時に微細なアルミニウム粉末が溶けすぎて、必要以上にシリコンの半導体基板と反応することを抑制できるので、電極部の膨れを少なくすることができる。
さらに、第2の裏面電極を形成する工程で用いる金属ペーストを銀ペーストとすれば、半田濡れ性が良好であると同時に抵抗が低く、半導体基板とのオーミックコンタクト性にも優れるので、高性能な太陽電池素子を得ることができる。
以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
図1(a)は太陽電池素子の一般的な構造を示す断面図である。図1(a)において、1は半導体基板、2は拡散領域、3は反射防止膜、4はP層、5は表面電極、6は裏面集電部、7は裏面取出部を示す。
ここで、図1に示す太陽電池素子の製造工程を説明する。まず、半導体基板1を用意する。この半導体基板1は、単結晶または多結晶シリコンなどからなり、p型、n型いずれでもよい。この半導体基板1は、ボロン(B)などのP型の半導体不純物を1×1016〜1018atoms/cm程度含有し、比抵抗1.0〜2.0Ω・cm程度の基板である。単結晶シリコン基板の場合は引き上げ法などによって形成され、多結晶シリコン基板の場合は鋳造法などによって形成される。多結晶シリコン基板は、大量生産が可能であり、製造コスト面で単結晶シリコン基板よりも有利である。引き上げ法や鋳造法によって形成されたインゴットを300μm程度の厚みにスライスして、10cm×10cmまたは15cm×15cm程度の大きさに切断して半導体基板1とする。半導体基板1の切断面を清浄化するために表面をフッ酸やフッ硝酸などでごく微量エッチングしたり、アルカリなどの溶液でエッチングしたりすることにより、スライスや切断の際に表面に付着した汚れや、ダメージを除去し清浄化する。
次に、半導体基板1の表面部分にリン原子を拡散させてシート抵抗が30〜300Ω/□程度の他の導電型を呈する拡散領域2を形成することによって、一導電型を呈する半導体基板1と、他の導電型を呈する拡散領域2と間にPN接合が形成され光電変換機能を付与される。この拡散領域2の形成方法としては、例えば、上述のP型の不純物であるBを含むシリコンの半導体基板1を拡散炉中に配置して、オキシ塩化リン(POCl)などのN型の不純物元素を含むガス中で熱処理することによって、不純物拡散源となるリンガラスを半導体基板1の表面に形成し、同時に半導体基板1の表面への拡散も行うという気相拡散法が一般的である。また、拡散源を半導体基板1の上に塗布し熱処理を行う塗布拡散法や、固体の拡散源を半導体基板1とともに容器内に設置し、加熱処理を行う固相拡散法を用いることも可能である。その後、例えば希釈したフッ酸溶液などの薬品に浸漬させることにより、拡散時に半導体基板1の表面に形成されたリンガラスを除去する。
そして、半導体基板1の表面側のみに拡散領域2を残して他の部分を除去した後、純水で洗浄する。この半導体基板1の表面側以外の拡散領域2の除去は、半導体基板1の表面側にレジスト膜を塗布し、フッ酸と硝酸の混合液を用いてエッチング除去した後、レジスト膜を除去することにより行う。
さらに、半導体基板1の表面側に反射防止膜3を形成する。この反射防止膜3は、例えば窒化シリコン膜などからなり、例えばシラン(SiH)とアンモニア(NH)との混合ガスを窒素(N)で希釈し、グロー放電分解でプラズマ化させて堆積させるプラズマCVD法などで形成される。この反射防止膜3は、半導体基板1との屈折率差などを考慮して、屈折率が1.8〜2.3程度になるように形成され、厚み500〜1000Å程度の厚みに形成され、半導体基板1の表面で光が反射するのを防止して、半導体基板1内に光を有効に取り込むために設ける。また、この窒化シリコン膜は、形成の際にパッシベーション効果があり、反射防止の機能と併せて太陽電池素子の電気特性を向上させる効果がある。
その後、図1(c)に示されるように裏面側に略全面に本発明にかかる第1の裏面電極である裏面集電部6を形成した後、本発明にかかる第2の裏面電極である裏面取出部7を形成する。この裏面取出部7と裏面集電部6を形成する順番はこの逆でも良い。
本発明においては、主成分としてアルミニウム粉末を含むアルミニウムペーストを塗布・焼成して本発明にかかる第1の裏面電極である裏面集電部6を形成する工程と、アルミニウムよりも半田に対する濡れ性の高い金属ペーストを塗布・焼成して第2の裏面電極である裏面取出部7とを形成する工程とを備えている。
具体的には、第1の裏面電極である裏面集電部6は、アルミニウム粉末と有機ビヒクルとガラスフリットをアルミニウム100重量部に対してそれぞれ10〜30重量部、0.1〜5重量部を添加してペースト状にした金属ペーストをスクリーン印刷法で印刷塗布した後、乾燥後、大気中で600〜800℃で1〜30分程度焼成することにより焼き付けられて形成される。このガラスフリットは、PbO、B、SiOのうち少なくとも一種を含む軟化点が500℃以下のものなどからなる。
また、第2の裏面電極である裏面取出部7は、アルミニウムより半田濡れ性のよい例えば銀粉末を用い、銀粉末と有機ビヒクルとガラスフリットを銀100重量部に対してそれぞれ10〜30重量部、0.1〜5重量部を添加してペースト状にした金属ペーストをスクリーン印刷法で印刷塗布した後、乾燥後、大気中で600〜800℃で1〜30分程度焼成することにより焼き付けられて形成される。このガラスフリットは、PbO、B、SiOのうち少なくとも一種を含む軟化点が500℃以下のものなどからなる。
また、第1の裏面電極である裏面集電部6と第2の裏面電極である裏面取出部7とは、各々の一部同士が重ね合わされるように形成されている。
図2に、図1(c)に示した構成とするための製造方法を説明するための図を示す。例えば、図2(a)では、第1の裏面電極である裏面集電部6は、裏面の略全面に設けられ、その一部に空隙部6aがスリット状として設けられている。そして、第2の裏面電極である裏面取出部7を設けるべき外郭部7aは、裏面集電部6に設けられたスリット状の空隙部6aの位置と重なり、わずかに大きなサイズとして設けられているので、裏面取出部7は、裏面集電部6の端部に対して、その一部が重なった構成となっている。
また、図2(b)に示した例では、第1の裏面電極である裏面集電部6は、裏面の略全面に設けられ、その一部に複数のスリットの集合である空隙部6bが設けられている。そして、第2の裏面電極である裏面取出部7を設けるべき外郭部7aは、裏面集電部6に設けられた複数のスリットの集合である空隙部6bの位置と重なるように、設けられており、裏面取出部7は、裏面集電部6の端部に対して、その一部が重なった構成となっている。このように、裏面集電部6と裏面取出部7とからなる裏面電極は一部が重なるように設けられて、全面が重ならないように構成されている。
そして、本発明にかかる太陽電池素子の製造方法では、第1の裏面電極である裏面集電部6に使用されるアルミニウムペーストの主成分であるアルミニウム粉末は、アルミニウム粉末の体積基準による累積粒度分布の平均粒径D50が6〜20μmの範囲で、かつ、平均粒径D50の半分以下の粒径をもつアルミニウム粉末が全粒度分布に対して占める割合が15%以下であるアルミニウムペーストを用いて裏面集電部6を形成している。
このようにアルミニウム粉末の平均粒径D50が6μm以上となること、平均粒径D50の半分以下の粒径のものが全粒度分布に対して占める割合が15%以下であること、の2点から、焼成したときに裏面集電部6が緻密となりすぎず、半導体基板1との熱膨張係数の差を吸収して反りを抑制することができる。なお、裏面集電部6が緻密にならないので、通常は抵抗が高くなりやすいが、表面活性であって表面積が大きく酸化膜の占める割合が高い微細な粒径のアルミニウム粉末、すなわち平均粒径D50の半分以下の粒径をもつアルミニウム粉末が全粒度分布に対して占める割合が15%以下となるようにしたので、裏面集電部6の導電特性は良好となる。
アルミニウム粉末の平均粒径D50が、この範囲より小さければ、アルミニウムペーストを焼成した際における緻密性が高くなりすぎるため、半導体基板1の反り抑制効果が得られず、また、この範囲より大きくなるとスクリーンの透過性が低下して印刷性が低下する。
さらに、平均粒径D50の半分以下の粒径をもつ微細なアルミニウム粉末が全粒度分布の15%以上になると、体積基準による累積粒度分布の平均粒径D50が6〜20μmの範囲にあるアルミニウム粉末間に、これらの微細なアルミニウム粉末が入り込んで焼結性が向上し、アルミニウムペーストを焼成した際における緻密性が向上しすぎるため、半導体基板1の反り抑制効果が得られなくなる。さらに、表面活性であって表面積が大きく酸化膜の占める割合が高い微細な粒径のアルミニウム粉末の割合が増えるため、裏面集電部6の特性も悪化する。
そして、上述のアルミニウム粉末を用いて形成した第1の裏面電極である裏面集電部6は比較的ポーラスな電極となるので、裏面集電部6と、と第2の裏面電極である裏面取出部7との一部同士が重ね合わされて形成しても、例えば、第2の裏面電極である裏面取出部7の金属ペーストが、その間に一部入り込むなどした状態で焼成して形成されるため、厚くなりすぎることを回避でき、焼成後の半導体基板1の反りを抑制することができる。
このように本発明においては、焼成後の半導体基板1の反りを抑制することができるため、製造工程での搬送エラーや太陽電池素子の割れを防止することができ、生産性の低下や歩留り低下を抑制することができる。また、従来と同じ厚みで裏面集電部6を形成しても反り抑制効果が得られるため、焼成後のアルミニウムの玉、突起の発生やP層形成不十分による出力特性の低下がない。また、アルミニウムペーストのスクリーン印刷条件を全く変更する必要はなく、従来と同じ生産性、製品品質を確保することができる。また、反りを抑制できるため半導体基板1の面積を大きくすることができ、また厚みを薄くすることも可能である。
なお、半導体基板1としてシリコン基板を用いれば、特に本発明の作用効果による恩恵を存分に受けることができ、低コストで高性能な太陽電池素子が得られるため望ましい。シリコン基板の中でも、多結晶のシリコン基板を用いることが、極めて低コストであって本発明の作用効果が著しいので好ましい。
そして、このように半導体基板1としてシリコン基板を用いたとき、アルミニウムペーストに含まれる主成分のアルミニウム粉末の粒径が1μm以下の微細粉を含まない全て1μm以上のアルミニウムペーストを用いれば、裏面集電部6の膨れを抑制することができる。これは、微細なアルミニウム粉末があると、焼成時にアルミニウム粉末が多く溶け、必要以上にシリコンと反応するため、電極の膨れになると推測される。このように裏面集電部6の膨れを抑制することができれば、製造工程での太陽電池素子の割れを防止することができ、生産性の低下や歩留り低下を抑制することができる。
また、P型のシリコンの半導体基板1を用いたとき、上述のように、半導体基板1の非受光面側の略全面に裏面集電部6をアルミニウムによって形成した場合、シリコンの半導体基板1に対して、アルミニウムもP型の導電性を呈する不純物であるため、電極を焼成する際に、アルミニウムが高濃度にシリコンの半導体基板1中に拡散され、裏面集電部6としての機能と、P型半導体不純物を多量に含んだP層4としての機能の双方を有するBSF(Back Surface Field)層が形成される。このように、アルミニウムペーストを印刷して焼成する方法を用いれば、印刷面だけに所望の裏面集電部6やP層4を形成することができるだけではなく、既に述べたPによるn型の拡散領域2を形成した時に同時に裏面側にも形成されたn型の拡散領域を除去する必要がなくなる。その理由としては、P型の不純物であるアルミニウムを充分な濃度で充分な深さまで拡散させることができるので、すでに拡散されていた裏面側へのP型の拡散領域の特性に対する影響は無視できるようになるからである。
第2の裏面電極を形成する工程で用いる金属ペーストは、銀ペーストとすることが望ましい。その理由としては、銀は半田濡れ性が良好であると同時に抵抗が低く、半導体基板とのオーミックコンタクト性にも優れるので、高性能な太陽電池素子を得ることができるからである。
上述のようにして、本発明の太陽電池素子の製造方法にかかる裏面電極(裏面集電部6、裏面取出部7)が形成される。
また、図1(b)に示されるように表面電極5を格子状に形成する。この表面電極5としては、第2の裏面電極である裏面取出部7と全く同様に、アルミニウムより半田濡れ性のよい例えば銀粉末を用い、銀粉末と有機ビヒクルとガラスフリットを銀100重量部に対してそれぞれ10〜30重量部、0.1〜5重量部を添加してペースト状にした金属ペーストをスクリーン印刷法で印刷塗布した後、乾燥後、大気中で600〜800℃で1〜30分程度焼成することにより焼き付けられて形成される。このガラスフリットは、PbO、B、SiOのうち少なくとも一種を含む軟化点が500℃以下のものなどからなる。
なお、表面電極5は反射防止膜3の表面電極5に相当する部分をエッチングした上に銀ペーストを塗布して焼成してもよいが、反射防止膜3上に直接電極ペーストを塗布して焼成することにより、ペースト下の反射防止膜3を溶融させ、シリコンの半導体基板1と直接接触させるいわゆるファイヤースルー法により形成してもよい。
その後、長期信頼性の確保および後工程で太陽電池素子同士をインナーリードで接続するために、表面電極5と裏面電極の裏面取出部7は、必要に応じて表面を半田で被覆して半田層を形成してもよい。
なお、このようにして作製された太陽電池素子は、通常、太陽電池素子一枚では発生する電気出力が小さいため、複数の太陽電池素子を直並列に接続して、実用的な電気出力が取り出せるようにする。そのため、インナーリード(不図示)によって電気的に接続され、透光性パネル(不図示)と裏面保護材(不図示)の間にエチレンビニルアセテート共重合体(EVA)などを主成分とする充填材(不図示)で気密に封入されて、太陽電池モジュール(不図示)を構成している。本発明の太陽電池素子の製造方法によって作製された太陽電池素子は、反りが少ないので、このような太陽電池モジュールの製造工程などにおいて、製造工程での搬送エラーや太陽電池素子の割れを防止することができ、生産性の低下や歩留り低下を抑制することができる。また、太陽電池素子の反りが少ないことから無理な応力がかからない状態で太陽電池モジュールに気密封入されているため、このような太陽電池モジュールを野外で長期に用いたときに、太陽電池素子の反りを原因とする割れや断線などの発生が少なく、信頼性の高いものとなる。
なお、本発明の実施形態は上述の例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることはもちろんである。
例えば、上述の説明では、主成分としてアルミニウム粉末を含むアルミニウムペーストを塗布・焼成して本発明にかかる第1の裏面電極である裏面集電部6を形成する工程が、アルミニウムよりも半田に対する濡れ性の高い金属ペーストを塗布・焼成して第2の裏面電極である裏面取出部7とを形成する工程よりも先に行うような例によって説明したがこれに限るものではなく、これらの工程の順番を入れ替えても構わない。
さらに、上述の説明では、主成分としてアルミニウム粉末を含むアルミニウムペーストを塗布・焼成して本発明にかかる第1の裏面電極である裏面集電部6を形成する工程と、アルミニウムよりも半田に対する濡れ性の高い金属ペーストを塗布・焼成して第2の裏面電極である裏面取出部7とを形成する工程とで、別々に塗布・焼成して電極を形成した例によって説明したがこれに限るものではなく、同時に焼成しても構わない。同時に焼成すれば、工程を短縮して、高い生産性を得ることができる。
また、上述の説明では、所定の金属ペーストを塗布・焼成して本発明にかかる裏面電極を形成する工程と、表面電極5を形成する工程を別々に塗布・焼成した例によって説明したがこれに限るものではなく、同時に焼成しても構わない。同時に焼成すれば、工程を短縮して、高い生産性を得ることができる。
そして、上述の説明において用いられたアルミニウムペースト中に主成分として含まれるアルミニウム粉末としては上述のような条件を満たすとともに、標準偏差SDと平均粒径D50との関係式である変動係数A=(SD/D50)×100の値が75%以下であるアルミニウムペーストを用いて裏面集電部6を形成することが望ましい。変動係数Aは、標準偏差SD自体が、測定した分布の広がりを示す指標であることから、この値を平均粒径D50の値で標準化したものであり、平均粒径D50の値を基準とした粒度分布の広がりを意味するものである。したがって、この変動係数Aの値が大きくなれば、ブロードな粒度分布を持つアルミニウム粉末であり、小さな値となるほどシャープな粒度分布を持つ均一なアルミニウム粉末に近づく。粒径の揃ったアルミニウム粉末を用いることで、ペースト性状のばらつきは小さくなり、製造条件の操作や管理が容易となる。
さらに、上述の説明では、アルミニウムよりも半田に対する濡れ性の高い金属ペーストを塗布・焼成して第2の裏面電極である裏面取出部7を形成する工程において、金属ペーストとしては、銀を主成分とする銀ペーストを用いて行った例によって説明したが、これに限るものではなく、銀以外に、白金、金、銅などの導電抵抗の低い金属を主成分とする金属ペーストを用いても構わない。
そして、上述の説明では、半導体基板1として、シリコン基板を用いた例によって説明したが、これに限るものではなく、光電変換機能を有する半導体基板であれば、いかなるものであっても本発明の効果を奏しうる。その例としては、例えばGaAsなどの化合物半導体基板を挙げることができる。
また、裏面集電部6であるアルミニウム電極の形状は図に示されたものに限定されるものではない。図に示したように略全面に形成された形状でも構わないし、反りの低減のため、ライン状、格子状、ドット状に形成された形状のものに使用しても、本発明との相乗効果により、さらに反りを低減することができる。
その他、本発明思想から把握される構成について次に記載する。
主成分としてアルミニウム粉末を含むアルミニウムペーストにおいて、前記アルミニウム粉末は、体積基準による累積粒度分布の平均粒径D50が6〜20μmかつ、平均粒径D50の半分以下の粒径のものが全粒度分布に対して占める割合が15%以下であるという条件を満たす場合、太陽電池素子の裏面構造として、このアルミニウムペーストを塗布し、焼成することによりP層を形成したのち、裏面に残ったアルミニウムを除去してから銀などで裏面電極を形成すれば、アルミニウムの玉・突起の形成や層の膨れを抑制できるとともに、半導体基板の反りを低減した高い生産性を有する太陽電池素子を製造することが可能になる。
以下、本発明の実施例を説明する。上述において説明した本発明の実施形態に基づいて以下のように太陽電池素子を形成した。
まず、厚みが260μm、15cm×15cmで抵抗1.5ΩcmのB(ホウ素)を不純物として含むP型の多結晶シリコンの半導体基板1表面のダメージ層をアルカリでエッチングして洗浄した。次に、半導体基板1を拡散炉中に配置して、オキシ塩化リン(POCl)の中で加熱することによって、半導体基板1の表面にリン原子を1×1017atoms/cm拡散させた拡散領域2を形成した。その上にプラズマCVD法によって反射防止膜3となる厚み850Åの窒化シリコン膜を形成した。
裏面側に裏面電極の裏面集電部6を形成するためにアルミニウム粉末と有機ビヒクルとガラスフリットをアルミニウム100重量部に対してそれぞれ20重量部、1重量部を添加してペースト状にしたアルミニウムペーストをスクリーン印刷法によって、塗布重量が1500〜1550mgになるように塗布して乾燥させ、そして裏面側に裏面取出部7を、表面側に表面電極5を形成するために、銀粉末と有機ビヒクルとガラスフリットを銀100重量部に対してそれぞれ20重量部、1重量部を添加してペースト状にした銀ペーストをスクリーン印刷法で塗布して乾燥させ、同時に赤外線焼成炉にて750℃で15分間焼き付けて、太陽電池素子を形成した。
このとき、有機質ビヒクルやガラスフリットの組成は同一で、アルミニウム粉末の平均粒径D50を5.6〜20.3μmの範囲で変化させ、また平均粒径の半分以下の粒径をもつアルミニウム粉末の割合を11〜20%の範囲で変化させたアルミニウムペーストを各ペーストにつき10枚の塗布を行い、焼成後の半導体基板の反り量を測定した。これらの結果を表1に示す。なお、反り量は図3のようにしてアルミニウムの塗布面を下に向け測定台の上に置き、レーザー膜厚計を対角線状にスキャンさせて得た、各角と最高点の差の平均値によって求めた。
Figure 0004373774
表1より、試料No.1〜4においては、平均粒径D50が6μmより小さい本発明の範囲以外のアルミニウムペーストを用いて形成した半導体基板1の反りが、1210〜1140μmであり、反りが大きくなり、不満足な結果であった。
試料No.21〜24においては、平均粒径D50が20μmより大きい本発明の範囲以外のアルミニウムペーストを用いると、スクリーンの透過性が低下するため印刷性が低下して、抜けが悪く電極にかすれが生じるなどして、作業性を悪化させる結果となった。
試料No.7、8、11、12、15、16、19、20においては、平均粒径D50が6μm〜20μmではあるが、平均粒径D50の半分以下の粒径をもつアルミニウム粉末が全粒度分布の15%以上含むので本発明の範囲以外のアルミニウムペーストを用いて形成した半導体基板1の反りが1160〜1040μmであり、反りを抑える効果が乏しく満足できる効果が得られなかった。
それに対して、平均粒径D50が6μm〜20μm、かつ平均粒径D50の半分以下の粒径をもつアルミニウム粉末が全粒度分布の15%以下含む本発明の範囲内の試料No.5、6、9、10、13、14、17、18においては、半導体基板1の反りが990〜940μmであり、今回用いた半導体基板1の厚みの半分以上に相当する反り量を減少する結果となり、本発明の効果を確認することができた。
一般的な太陽電池素子の構造を示す図であり、(a)は断面図、(b)は表面平面図、(c)は裏面平面図である。 (a)、(b)は、本発明の太陽電池素子の製造方法にかかる裏面集電部と裏面取出部の構成を示す図である。 従来の太陽電池素子の反りの状態を示す図である。
符号の説明
1:半導体基板
2:拡散領域
3:反射防止膜
4:P
5:表面電極
6:第1の裏面電極である裏面集電部
6a、6b:空隙部
7:第2の裏面電極である裏面取出部
7a:裏面取出部の外郭部
8:反り

Claims (4)

  1. 光電変換機能を有する半導体基板の非受光面側に主成分としてアルミニウム粉末を含むアルミニウムペーストを塗布・焼成して第1の裏面電極を形成する工程と、
    前記非受光面側にアルミニウムよりも半田に対する濡れ性の高い金属ペーストを塗布・焼成して第2の裏面電極を形成する工程と、を備えた太陽電池素子の製造方法であって、
    前記第1の裏面電極と前記第2の裏面電極とは、各々の一部同士が重ね合わされるように形成され、
    前記アルミニウム粉末は、体積基準による累積粒度分布の平均粒径D50が6〜20μmかつ、平均粒径D50の半分以下の粒径のものが全粒度分布に対して占める割合が15%以下である太陽電池素子の製造方法。
  2. 前記半導体基板は、シリコン基板である請求項1に記載の太陽電池素子の製造方法。
  3. 前記アルミニウム粉末は、その粒径が全て1μm以上である請求項2に記載の太陽電池素子の製造方法。
  4. 前記第2の裏面電極を形成する工程で用いる金属ペーストは、銀ペーストである請求項1から3のいずれか一項に記載の太陽電池素子の製造方法。
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