JP4903444B2

JP4903444B2 - 光電変換素子

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Publication number: JP4903444B2
Application number: JP2006015376A
Authority: JP
Inventors: 塁三上; 諭岡本; 晋木戸口
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2006-01-24
Filing date: 2006-01-24
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2026-01-24
Also published as: JP2007201007A

Description

本発明は、光電変換素子に関し、特に、電極の剥離を抑制することができるとともに変換効率を向上することができる光電変換素子に関する。

図２に、従来の光電変換素子の一例である太陽電池の一例の模式的な断面図を示す。この従来の太陽電池は、ｐ型のシリコン基板１の一方の主面である受光面に形成されたｎ型拡散層２と、ｎ型拡散層２上に形成された反射防止膜３と受光面電極層８とを含み、シリコン基板１の他方の主面である裏面に形成されたアルミニウムとシリコンとの共晶層５と、共晶層５上に形成されたＢＳＦ（Back Surface Field;裏面電界）層６とを含んでいる。また、この太陽電池のシリコン基板１の裏面上にはアルミニウムを含む第１電極層４と銀を含む第２電極層７とダスト層９とが形成されている。

ここで、太陽電池の裏面の共晶層５およびＢＳＦ層６は、シリコン基板１の裏面にスクリーン印刷法を用いてアルミニウムを含むペーストを塗布した後、これを焼成することによって、アルミニウムを含むペースト中のアルミニウムがシリコンと反応して共晶層５が形成され、そこからさらにアルミニウムがシリコン基板１の内部に拡散して、ＢＳＦ層６が形成されるとともに、シリコン基板１の裏面上に第１電極層４とダスト層９とが形成される。

この太陽電池を太陽光発電システムとして用いる場合には、この太陽電池を複数枚直列に接続して太陽電池ストリングを形成し、電圧を昇圧して用いるのが一般的である。太陽電池ストリングは、隣接する太陽電池のうち一方の太陽電池の裏面の第２電極層７と他方の太陽電池の受光面の受光面電極層８とが半田を介して配線材によって電気的に直列に接続して構成される。

ここで、配線材と、太陽電池の裏面の第２電極層７および受光面の受光面電極層８とを固定するために半田を用いることが多い。しかし、アルミニウムは金属の中でも半田濡れ性が悪く、半田付けが困難であるため、シリコン基板１の裏面にはアルミニウムを含むペーストだけでなく、銀を含むペーストも塗布されて、焼成されることになる。なお、銀以外にも、チタン、金、銅または錫などの金属も半田濡れ性が高いため、第２電極層７の材料として用いることができる。
特開２００４−２３５２６８号公報

上記の従来の太陽電池において、アルミニウムを含むペーストを焼成することによって形成された第１電極層４の表面には、アルミニウム以外にもペースト中に含まれていたガラスなどが多く残留した多孔質状のダスト層９が形成される。ダスト層９は、電気的な導通はあるものの、共晶層５および第２電極層７と比べると電気抵抗はかなり高いものとなっている。

上記の従来の太陽電池ストリングにおいては、太陽光が照射されることによって太陽電池に発生した電流は、電気抵抗が最も低い共晶層５および第１電極層４を通って第２電極層７に集められることになる。しかしながら、上記の従来の太陽電池の構成において、第２電極層７は、第１電極層４および共晶層５のそれぞれと接触していないため、共晶層５および第１電極層４を流れる電流は、電気抵抗の大きいダスト層９を通って第２電極層７
に集められることになる。したがって、上記の従来の太陽電池の構成は、発生した電流のロスが大きく、変換効率が十分でないという問題があった。

また、特許文献１には、第２電極層とシリコン基板との界面の面積と、第２電極層の共晶層側と反対側の表面の面積と、の和を、第１電極層と第２電極層との界面の面積よりも小さくして、出力特性を向上させた太陽電池が開示されている（特許文献１の図１）。

特許文献１の図１に記載の太陽電池において、この太陽電池を製造するためにフォトリソグラフィのようなＬＳＩの製造に用いられる高精細な技術を用いると、第２電極層の形成のために蒸着法やスパッタ法などを利用しなければならないため、太陽電池の製造コストが増加し、太陽電池の製造工程が複雑化する。

また、スクリーン印刷法を用いて特許文献１の図１に記載の太陽電池を製造する場合には、アルミニウムを含む第１電極層の表面上のダスト層と銀を含む第２電極層との接着強度は非常に低いため、太陽電池ストリングの形成時において、第２電極層が太陽電池から剥離しやすいという問題があった。特に、特許文献１に記載されているように、第１電極層に隙間を設けてＢＳＦ層をシリコン基板全体に一様に形成するためには、ＢＳＦ層の厚さと同程度の幅以下の隙間にしなければならない。ＢＳＦ層の厚さは２〜５μｍ程度であるため、第２電極層の幅が２ｍｍ程度、第２電極層とシリコン基板との接触幅が４〜１０μｍ程度では、第２電極層の大きな接着強度は望めない。

本発明の目的は、電極の剥離を抑制することができるとともに変換効率を向上することができる光電変換素子を提供することにある。

本発明は、半導体基板の一主面に第１の金属と半導体基板の材料との共晶層を有し、半導体基板の一主面上に第１の金属を含む第１電極層、第１の金属を含むダスト層および第２の金属を含む第２電極層を有する光電変換素子であって、第２電極層の半導体基板側の表面の少なくとも一部が第１電極層および／または共晶層と接触している光電変換素子である。なお、本発明において、「ダスト層」は、第１電極層に接触する層であって、第１電極層よりも第１の金属の体積密度の低い層のことをいう。具体的には、たとえば、ガラスなどの第１金属とは異なる物や酸化された第１金属などが混在する層または多孔質状の層などが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。

ここで、本発明の光電変換素子においては、第２の金属が第１の金属よりも半田濡れ性が高くてもよい。

また、本発明の光電変換素子においては、第１の金属がアルミニウムからなっていてもよい。

また、本発明の光電変換素子においては、第２の金属が銀からなっていてもよい。

本発明によれば、電極の剥離を抑制することができるとともに変換効率を向上することができる光電変換素子を提供することができる。

以下、ガラスと酸化された第１の金属とが混在した多孔質状のダスト層を例として、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

図１（Ａ）に本発明の光電変換素子の一例である太陽電池の好ましい一例の模式的な断面図を示し、図１（Ｂ）にこの太陽電池の裏面の模式的な平面図を示す。図１（Ａ）に示すように、この太陽電池は、たとえばｐ型のシリコン基板からなる半導体基板１１の一方の主面である受光面にｎ型ドーパントが拡散することによって形成されたｎ型拡散層１２と、ｎ型拡散層１２上に形成された反射防止膜１３と受光面電極層１８とを含み、半導体基板１１の他方の主面である裏面に形成されたたとえばアルミニウムとシリコンとの共晶からなる共晶層１５と、共晶層１５上に形成されたＢＳＦ層１６とを含んでいる。また、この太陽電池の半導体基板１１の裏面の共晶層１５の表面にはたとえばアルミニウムを含む第１電極層１４が形成され、第１電極層１４上にはたとえばアルミニウムを含むダスト層１９とたとえば銀を含む第２電極層１７とが形成されている。また、図１（Ｂ）に示すように、ダスト層１９は半導体基板１１の裏面の略全面に形成されており、第２電極層１７は半導体基板１１の裏面において島状に形成されている。ダスト層１９は上記のようにガラスや酸化された金属などを含むので、第１電極層１４や共晶層１５よりも電気抵抗は高いと推測される。

ここで、この太陽電池においては、図１（Ａ）に示すように、第２電極層１７の半導体基板１１側の表面の少なくとも一部が第１電極層１４と接触していることを特徴としている。

このように、この太陽電池においては、第２電極層１７の半導体基板１１側の表面の少なくとも一部が第１電極層１４と接触していることによって太陽電池の内部で発生して共晶層１５に流れ込んだ電流が第１電極層１４の表面上の第１電極層１４よりも電気抵抗が高いダスト層１９を経由することがほとんどなく電気抵抗の低い第２電極層１７に流れ込みやすい傾向にあるために太陽電池の変換効率が向上する傾向にある。また、本発明の太陽電池においては、第２電極層１７は、第１電極層１４の表面上のダスト層１９によってその接着強度にほとんど影響を受けることなく第１電極層１４の表面上に形成されている。したがって、本発明の太陽電池においては、第２電極層１７の接着強度も特許文献１に記載の太陽電池と比べて大きくなる。

したがって、本発明においては、電極の剥離を抑制することができるとともに変換効率を向上することができる太陽電池を得ることができる。

図３に、本発明の光電変換素子の一例である太陽電池の好ましい他の一例の模式的な断面図を示す。この太陽電池においては、第２電極層１７の半導体基板１１側の表面の少なくとも一部が共晶層１５と接触していることに特徴がある。このような構成とすることにより、第１電極層１４を分断することができるため、半導体基板１１が第１電極層１４から受ける応力を分散させることができる。したがって、この太陽電池においては、アルミニウムを含むペーストを塗布して焼成した後の冷却時において第１電極層１４と半導体基板１１の熱収縮率の差から生じる半導体基板１１の反りを抑制することができる傾向にある。また、共晶層１５は第１電極層１４よりも若干電気抵抗が高いが、ダスト層１９と比べると十分に低いので、変換効率も向上することができる。

図４に、本発明の光電変換素子の一例である太陽電池の好ましいさらに他の一例の模式的な断面図を示す。この太陽電池においては、第２電極層１７の半導体基板１１側の表面の少なくとも一部が共晶層１５および第１電極層１４の両方と接触していることに特徴がある。このような構成とすることによっても、第１電極層１４を分断することができるため、半導体基板１１が第１電極層１４から受ける応力を分散させることができることから、アルミニウムを含むペーストを塗布して焼成した後の冷却時における半導体基板１１の反りを抑制することができる傾向にある。また、第２電極層１７を電気抵抗の最も低い第
１電極層１４と接触させることができるため、変換効率も向上することができる傾向にある。

以下、図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図３および図４にそれぞれ示されている太陽電池の製造方法の好ましい一例について説明する。

まず、たとえばｐ型のシリコン基板からなる半導体基板１１を酸溶液またはアルカリ溶液で処理して、半導体基板１１の表面のダメージ層を除去する。次に、半導体基板１１をたとえばＰＯＣｌ₃などのｎ型ドーパントを含む拡散ソースを用いてたとえば７００℃以上９００℃以下の温度条件で半導体基板１１の表面にｎ型ドーパントを拡散してｎ型拡散層１２を形成する。続いて、半導体基板１１の一方の主面に形成されたｎ型拡散層１２上にたとえば窒化シリコンなどの反射防止膜１３をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成した後、半導体基板１１の他方の主面および側面に形成された余分なｎ型拡散層を化学エッチングなどの方法により除去する。このｎ型拡散層の除去工程は、接合を分離するために行なうものである。また、別の態様として、たとえばｎ型ドーパントの拡散前に酸化チタンなどの絶縁物を含む溶液を半導体基板１１の主面および側面に予め塗布することによりｎ型ドーパントの拡散を防いで半導体基板１１の一方の主面のみにｎ型拡散層１２を形成し、その後、反射防止膜１３を形成することもできる。

次いで、半導体基板１１の反射防止膜１３が形成されていない方の主面の略全面にたとえばアルミニウムを含むペーストをスクリーン印刷法により塗布する。また、スクリーン印刷法に代えて、ロールコートやカーテンコートといったスクリーン印刷法よりも低コストな方法で塗布することもできる。

そして、この塗布したアルミニウムを含むペーストをたとえば６５０℃以上９５０℃以下の温度に加熱することによって焼成する。この焼成により、半導体基板１１の主面の略全面に略均一な厚さで共晶層１５が形成され、この共晶層１５からアルミニウムが半導体基板１１の内部に拡散してＢＳＦ層１６が形成される。また、焼成後のアルミニウムを含むペーストは固化して第１電極層１４を形成する。ここで、第１電極層１４の表面上には、アルミニウム以外にもペースト中に含まれていたガラスや焼成時に酸化されたアルミニウムなどが多く含まれる多孔質状のダスト層１９が形成される。

続いて、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示す太陽電池の製造においては、半導体基板１１の主面の略全面に形成された第１電極層１４の表面上のダスト層１９の一部を除去してその除去部分から第１電極層１４の表面を露出させる。ここで、ダスト層１９を除去する方法としては、たとえば、鑢などで機械的にダスト層１９を削り取る方法または化学エッチングなどで化学的に除去する方法などがある。鑢で機械的に除去する場合には、ダスト層１９と第１電極層１４の硬度が大きく異なるので、脆くて削りやすいダスト層１９はすぐに削り取ることができる。

また、図３および図４に示す太陽電池の製造においては、たとえば、大きな鑢でまずダスト層１９のみを削り、第１電極層１４を露出させた後、露出した第１電極層１４の一部を小さな鑢で削り取ることなどによって、選択的にダスト層１９と第１電極層１４を削り取ることができる。

なお、ダスト層１９をすべて除去した後に第２電極層１７を第１電極層１４の表面上に形成するよりは、ダスト層１９の一部を除去して露出した第１電極層１４および／または共晶層１５の表面上に第２電極層１７を形成する方が凹凸を小さくして後工程における歩留りを向上することができ、かつ、第２電極層１７の材料コストを低減できるために好ましい。

その後、第１電極層１４の表面上および／または共晶層１５の表面上ならびに反射防止膜１３の表面上にたとえば銀を含むペーストを塗布した後に乾燥させ、たとえば５００℃以上８００℃以下の温度で焼成することによって、第２電極層１７が形成されるとともにファイヤースルーにより受光面電極層１８が形成されて太陽電池が完成する。

このようにして作製された太陽電池は、背景技術の欄でも述べたように電気的に直列に接続されて、太陽電池ストリングなどに利用することができる。ここで、第２電極層１７を構成する銀は、第１電極層１４を構成するアルミニウムよりも半田濡れ性が高いため、第２電極層１７に半田が塗布されて第２電極層１７が配線材と電気的に接続される電極となる。

（実施例１）
まず、ｐ型のシリコン基板をアルカリ溶液で処理して、シリコン基板の表面のダメージ層を除去した。次に、ＰＯＣｌ₃を拡散ソースとし、８００℃程度の温度で上記のシリコン基板の主面にリンを拡散してｎ型拡散層を形成した。

続いて、このｎ型拡散層上に窒化シリコンからなる反射防止膜をＣＶＤ法により形成した後、シリコン基板の他方の主面および側面に形成された余分なｎ型拡散層を化学エッチングにより除去した。

そして、シリコン基板の反射防止膜が形成されていない方の主面の略全面にアルミニウムを含むペーストをスクリーン印刷法により塗布した。そして、この塗布したアルミニウムを含むペーストを７５０℃程度の温度で加熱することによって焼成し、シリコン基板の主面の略全面に略均一な厚さでアルミニウムとシリコンの共晶層が形成されるとともに、この共晶層からアルミニウムがシリコン基板の内部に拡散してＢＳＦ層が形成された。また、焼成後のアルミニウムを含むペーストは固化して第１電極層を形成し、第１電極層の表面上にはダスト層が形成された。

続いて、シリコン基板の主面の略全面に形成された第１電極層の表面上のダスト層に１辺が５ｍｍの正方形状の共晶層の露出面が１列４個で２列（合計８個）形成されるようにダスト層の一部および第１電極層の一部を除去した。ここで、ダスト層の一部および第１電極層の一部は、ニッケル製の鑢で削ることにより機械的に除去した。

その後、露出した共晶層の表面上および反射防止膜の表面上に銀を含むペーストを塗布した後に乾燥させ、６５０℃前後の温度で焼成することによって、シリコン基板の第１電極層が形成されている主面側に第２電極層を形成し、シリコン基板の反射防止膜が形成されている側の主面側に受光面電極層を形成して図３に示す断面を有する実施例１の太陽電池を完成させた。

このようにして作製された実施例１の太陽電池の開放電圧（ｍＶ）、短絡電流（ｍＡ／ｃｍ²）、曲線因子および変換効率（％）を照射強度１００ｍＷ／ｃｍ²の擬似太陽光下（ＪＩＳ標準光ＡＭ１．５Ｇ）で測定した。その結果を表１に示す。なお、表１に示された開放電圧、短絡電流、曲線因子および変換効率の値は、実施例１の太陽電池の１０個の平均値である。

表１に示すように、実施例１の太陽電池の開放電圧は５８４（ｍＶ）であり、短絡電流は２９．０（ｍＡ／ｃｍ²）であり、曲線因子は０．７４８であり、変換効率は１２．７（％）であった。

また、実施例１の太陽電池の第２電極層に銅製の配線材を半田付けした後に配線材を引っ張り、第２電極層の接着強度を調査したが、第２電極層が特に簡単に剥離してしまうといった現象は見られなかった。

（比較例１）
ｐ型のシリコン基板に反射防止膜を形成した後、余分なｎ型拡散層を化学エッチングにより除去する工程までは実施例１と同様にして行なった。

そして、ｐ型のシリコン基板の主面の第２電極層の形成箇所（実施例１の第２電極層と同一の形成箇所）以外の略全面にアルミニウムを含むペーストをスクリーン印刷法により塗布し、７５０℃程度の温度で加熱することによって焼成して、共晶層、ＢＳＦ層、第１電極層およびダスト層を形成した。

その後、第１電極層が形成されていない第２電極層の形成箇所および反射防止膜の表面上に銀を含むペーストを塗布した後に乾燥させ、６５０℃程度の温度で焼成することによって、図２に示す断面を有する比較例１の太陽電池を完成させた。なお、比較例１の太陽電池は、実施例１の太陽電池とは異なり、第２電極層と共晶層とが接触していない構成となっている。

また、比較例１の太陽電池についても、上記のようにして１０個作製した。そして、比較例１の太陽電池の開放電圧（ｍＶ）、短絡電流（ｍＡ／ｃｍ²）、曲線因子および変換効率（％）を実施例１と同様に照射強度１００ｍＷ／ｃｍ²の擬似太陽光下（ＪＩＳ標準光ＡＭ１．５Ｇ）で測定した。その結果を表１に示す。なお、表１に示された開放電圧、短絡電流、曲線因子および変換効率の値は、比較例１の太陽電池の１０個の平均値である。

表１に示すように、比較例１の太陽電池の開放電圧は５７７（ｍＶ）であり、短絡電流は２９．０（ｍＡ／ｃｍ²）であり、曲線因子は０．７３３であり、変換効率は１２．３（％）であった。

表１に示す結果から、実施例１の太陽電池は、比較例１の太陽電池と比べて、開放電圧および曲線因子が改善されており、変換効率が高くなることが確認された。

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。

（Ａ）は本発明の光電変換素子の一例である太陽電池の好ましい一例の模式的な断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す太陽電池の裏面の模式的な平面図である。従来の光電変換素子の一例である太陽電池の一例の模式的な断面図である。本発明の光電変換素子の一例である太陽電池の好ましい他の一例の模式的な断面図である。本発明の光電変換素子の一例である太陽電池の好ましいさらに他の一例の模式的な断面図である。

符号の説明

１シリコン基板、２，１２ｎ型拡散層、３，１３反射防止膜、４，１４第１電極層、５，１５共晶層、６，１６ＢＳＦ層、７，１７第２電極層、８，１８受光面電極層、９，１９ダスト層、１０配線材、１１半導体基板。

Claims

半導体基板の一主面に第１の金属と前記半導体基板の材料との共晶層を有し、前記半導体基板の前記一主面上に前記第１の金属を含む第１電極層、前記第１の金属を含むダスト層および第２の金属を含む第２電極層を有する光電変換素子であって、
前記第２電極層の前記半導体基板側の表面の少なくとも一部が前記第１電極層および／または前記共晶層と接触していることを特徴とする、光電変換素子。
前記第２の金属が前記第１の金属よりも半田濡れ性が高いことを特徴とする、請求項１に記載の光電変換素子。
前記第１の金属がアルミニウムからなることを特徴とする、請求項１または２に記載の光電変換素子。
前記第２の金属が銀からなることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の光電変換素子。