JP5118044B2 - 半導体基板並びに電極の形成方法及び太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Description
また、本発明に従う電極の形成方法に従えば、半導体基板上に、また、簡便な方法によって、高アスペクト比であり、良好な電流性能の電極を形成することができる。また、簡便な電極形成方法であるので、低コスト化が可能となる。そして、このような半導体基板及び電極の形成方法を、太陽電池に応用すれば、高効率で低コストの太陽電池を製造することができる。
前述のように、半導体基板上に形成された電極であって、従来の多層電極構造のように、単純に太陽電池用電極ペーストのスクリーン印刷と乾燥を繰り返して高アスペクト比とした電極であると、焼結する際に銀粒子が収縮することにより断線が発生し、電極として機能しない場合があるという問題があった。
そして、本発明者らは、さらに実験及び検討を行い、種々の条件を最適化して本発明を完成させた。
例えば、シリコン単結晶基板等の、原料基板11の表面上に電極12が形成されており、電極12は、原料基板11に直接接合する第一電極層13と、第一電極層の上に配置され、少なくとも一層からなる上部電極層14からなる多層構造を有するものである。電極12は、上部電極層14の表面で、図示しない配線と接続される。
電極12を構成する電極層のうち、第一電極層13は、少なくとも銀とガラスフリットとを含有するものである。また、上部電極層14は、少なくとも銀とガラスフリットとを含有するものであり、銀の総含有割合が75wt%以上95wt%以下である導電性ペーストを焼成したものであり、上部電極層の銀の総含有量に対する平均粒径4μm以上8μm以下の銀粒子の含有割合が、第一電極層中の含有割合より高いものである。
なお、ここでの平均粒径とは、SEM写真を基にして粒子の直径を計測して平均値を算出したもの(SEM粒径)のことを言う。
原料基板11を準備した後、まず、原料基板11上に第一電極層13を形成する。このとき、後述するような理由により、原料基板11上には薄い酸化膜や窒化膜等が形成されていてもよい。第一電極層13の形成は、少なくとも銀粉末と、ガラスフリットと、有機ビヒクルと、有機溶媒とを含有する導電性ペーストを、原料基板11上に塗布し、例えば150℃〜200℃で加熱することにより導電性ペースト中の有機溶媒を蒸発させることによって行うことができる。
また、第一電極層用導電性ペーストの粘度は、80Pa・s以上200Pa・s以下としたり、チクソ性(TI値)を1.5以上5.0以下(5rpm/50rpm)としたりすることによって、印刷性をより良好にすることが好ましい。このようにすることによって第一電極層の印刷はファインラインとなる。なお、ここでの粘度は温度25℃でBrookfield回転粘度計(例えばHB型SSA 15/6R)の回転速度を50rpmとした場合の測定値である。また、チクソ性(TI値)は、温度25℃で回転速度5rpmと50rpmにおけるそれぞれの粘度を比で表したものである。導電性ペーストをこのような粘度、チクソ性にするには、有機溶媒や有機ビヒクルの種類や含有量を調節すればよい。
また、第一電極層と半導体基板とのコンタクト性をより向上させるために、第一電極層用導電性ペースト中の銀の総含有量に対する平均粒径0.5μm以上4μm未満の銀粒子の含有割合を、比較的多量に、例えば80wt%以上とすることが望ましい。このようにすると、形成される第一電極層中の銀の総含有量に対する平均粒径0.5μm以上4μm未満の銀粒子の含有割合も概ね80wt%以上となる。
すなわち、第一電極層13中の銀の総含有量に対する平均粒径4μm以上8μm以下の銀粒子の含有割合よりも、上部電極層14中の銀の総含有量に対する平均粒径4μm以上8μm以下の銀粒子の含有割合を高くすることによって、上部電極層の耐収縮性を高め、電極12全体の耐収縮性を高めることができる。これは、平均粒径が4μm以上8μm以下のように、比較的大きい銀粒子が、それよりも小さい銀粒子よりも、収縮幅が小さいことによるものである。そして、このような耐収縮性の高い電極であれば、断線等の不具合の発生を従来の多層構造電極よりも抑制することができる。
本発明に係る太陽電池の一例を示す概略図を図2に示した。その構造は、表面電極以外は従来の太陽電池と同様のものであり、例えば以下のようにすることができる。単結晶又は多結晶Siからなるp型Si基板21の一主面側に、0.1〜0.5μmの深さにP等を拡散させたエミッタ層(n+層)22が設けられ、その上側には表面反射率を低減させるためのSi3N4やSiO2等からなる反射防止膜23と電流を取り出すための表面電極(受光面電極)27とが形成され、Si基板の他面側(裏面側)に裏面電極26が形成され、必要に応じてAl等を高濃度に拡散させたBSF層(p+層)25が形成されている。このうち、表面電極27は、第一電極層27a、上部電極層27bからなり、第一電極層27aは、少なくとも銀とガラスフリットを含有するものであり、上部電極層27bは、少なくとも銀とガラスフリットを含有し、上部電極層27b中の銀の総含有割合は、75wt%以上95wt%以下であり、上部電極層27bの銀の総含有量に対する平均粒径4μm以上8μm以下の銀粒子の含有割合が、第一電極層27a中の含有割合より高いものである。
以下の工程をそれぞれの半導体基板10枚ずつについて行い、太陽電池を10枚ずつ作製した。
まず、15cm角、厚さ250μm、比抵抗2.0Ω・cmの、ホウ素ドープ{100}p型アズカットシリコン基板21を用意し、濃水酸化カリウム水溶液によりダメージ層を除去、テクスチャを形成、オキシ塩化リン雰囲気下850℃で熱処理したエミッタ層22を形成し、リンガラスを除去し、反射防止膜23を形成し、裏面全面にはアルミニウムを主成分とするペーストをスクリーン印刷し、有機溶媒を乾燥して裏面電極26を形成した半導体基板を作製した。
まず、第一電極層用導電性ペーストとして、銀粉末と、ガラスフリットと、有機ビヒクルと、有機溶媒とを主成分とし、銀の総含有割合を80wt%とし、銀の総含有量に対する各粒径範囲の銀粒子の含有割合を、0.5μm以上4μm未満のものを90wt%、4μm以上8μm以下のものを5wt%、0.5μmより小さいか、8μmより大きいものを5wt%とし、粘度を120Pa・s、チクソ性(TI値)を2.5としたもの(すなわち、後述の比較例4に用いた導電性ペーストと同一のもの)を用いて、スクリーン印刷で半導体基板上に形成された反射防止膜上に塗布し、150℃のクリーンオーブンで有機溶媒の乾燥を行って、第一電極層27aを形成した。
次に、上部電極層用導電性ペーストとして、銀粉末と、ガラスフリットと、有機ビヒクルと、有機溶媒とを主成分とし、銀の総含有割合、上部電極層用導電性ペースト中の銀の総含有量に対する各粒径範囲の銀粒子の含有割合、粘度、チクソ性を下記の表1中に示したようにしたものを用いて、第一電極層上に塗布し、150℃のクリーンオーブンで有機溶媒の乾燥を行って、上部電極層27bを形成した。このように電極各層を形成した半導体基板について、最高温度を750℃と設定した近赤外線炉内で5分にわたって加熱し、電極27全体の焼成を行った。なお、比較例1、2は、上部電極層用導電性ペースト中の銀の総含有割合がそれぞれ70wt%、97wt%であり、本発明の範囲である75wt%以上95wt%以下から外れている例である。
特性評価は、25℃の雰囲気の中、ソーラーシミュレーター(照射強度:1kW/m2、スペクトル:AM1.5グローバル)の下で電気測定(短絡電流密度、開放電圧、曲線因子、変換効率)を行った。
(実施例11)
実施例1と同様の方法で、ただし、以下のように、上部電極層を二層とし、表面電極全体では三層構造とした太陽電池を10枚作製した。
まず、実施例1と同様に、第一電極層を形成した。次に、上部電極層用導電性ペーストとして、銀粉末と、ガラスフリットと、有機ビヒクルと、有機溶媒とを主成分とし、銀の総含有割合、上部電極層用導電性ペースト中の銀の総含有量に対する各粒径範囲の銀粒子の含有割合、粘度、チクソ性を表1中に示したようにしたものを用いて、第一電極層上に塗布し、150℃のクリーンオーブンで有機溶媒の乾燥を行って、上部電極層のうち第一層目を形成した。次に、上部電極層のうち第一層目を形成した導電性ペーストと同一の導電性ペーストを上部電極層のうち一層目の上に塗布し、150℃のクリーンオーブンで有機溶媒の乾燥を行って、上部電極層のうち二層目を形成した。
このように電極各層を形成した半導体基板について、最高温度を750℃と設定した近赤外線炉内で5分にわたって加熱し、電極全体の焼成を行った。
このように作製した太陽電池10枚について、実施例1と同様に特性評価を行った。
裏面電極26の形成工程までは実施例1と同様の方法で行い、表面電極の形成は、以下のように、電極層の形成は一回のみとし、表面電極を単層構造とした太陽電池、すなわち、図3に示したような構造を有する太陽電池を10枚ずつ作製した。
表面電極34の形成は以下のように行った。すなわち、導電性ペーストとして、銀粉末と、ガラスフリットと、有機ビヒクルと、有機溶媒とを主成分とし、銀の総含有割合、電極層用導電性ペースト中の銀の総含有量に対する各粒径範囲の銀粒子の含有割合、粘度、チクソ性を下記の表2中に示したようにしたものを用いて、半導体基板上に塗布し、150℃のクリーンオーブンで有機溶媒の乾燥を行って形成した後、最高温度を750℃と設定した近赤外線炉内で5分にわたって加熱し、表面電極34の焼成を行った。
このように作製した太陽電池10枚ずつについて、実施例1と同様に特性評価を行った。
裏面電極26の形成工程までは実施例1と同様の方法で行い、ただし、表面電極の形成は、以下のように、第一電極層用及び上部電極層用導電性ペーストとして同じ組成のものを用いて行う以外は実施例1と同様にして太陽電池を10枚ずつ作製した。なお、第一電極層用及び上部電極層用導電性ペーストとしては、表2中に示したものを用いた。
このように作製した太陽電池10枚ずつについて、実施例1と同様に特性評価を行った。
実施例1〜11は、いずれも高い効率の太陽電池が得られている。ただし、実施例10は上部電極層の銀の総含有量に対する平均粒径0.5μmより小さいか、または平均粒径8μmより大きい銀粒子の含有割合が40wt%と比較的高いものであり、変換効率はやや低くなっている。これは、耐収縮性の高い平均粒径4μm以上8μm以下の銀粒子の含有割合が低く、銀粒子の収縮による断線の発生や電極の高さが不十分となったため、フィルファクター(曲線因子)が低下したからであると考えられる。
一方、比較例1〜6は、主にフィルファクター(曲線因子)が低下し、実施例に比べ変換効率は低い。
Claims (11)
- 電極が形成された半導体基板であって、前記電極は、少なくとも銀とガラスフリットとを含有するものであり、前記半導体基板に直接接合する第一電極層と、該第一電極層上に配置され、少なくとも一層からなる上部電極層とからなる多層構造を有するものであり、前記上部電極層は、銀の総含有割合が75wt%以上95wt%以下である導電性ペーストを焼成したものであり、前記上部電極層の銀の総含有量に対する平均粒径4μm以上8μm以下の銀粒子の含有割合が、前記第一電極層中の含有割合より高いものであり、前記第一電極層の銀の総含有量に対する平均粒径0.5μm以上4μm未満の銀粒子の含有割合が80wt%以上であることを特徴とする半導体基板。
- 前記上部電極層中の銀の総含有量に対する平均粒径0.5μm以上4μm未満の銀粒子の含有割合及び平均粒径4μm以上8μm以下の銀粒子の含有割合は、それぞれ20wt%以上80wt%以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体基板。
- 請求項1または請求項2に記載の半導体基板であって、前記上部電極層の銀の総含有量に対する平均粒径0.5μmより小さいか、または平均粒径8μmより大きい銀粒子の含有割合は30wt%以下であることを特徴とする半導体基板。
- 請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の半導体基板であって、pn接合を有し、前記電極は表面電極であり、該表面電極側に反射防止膜を具備し、裏面側に裏面電極を具備するものであり、太陽電池として動作するものであることを特徴とする半導体基板。
- 少なくとも、銀粉末と、ガラスフリットと、有機ビヒクルと、有機溶媒とを含有する導電性ペーストを用いて、スクリーン印刷法により、半導体基板上に電極を形成する方法であり、前記半導体基板と直接接合する第一電極層を形成する工程と、該第一電極層上に、少なくとも一層からなる上部電極層を形成する工程とを含む、多層構造を有する電極を形成する方法であって、
前記上部電極層を形成するための上部電極層用導電性ペーストとして、銀の総含有割合を75wt%以上95wt%以下とし、前記上部電極層用導電性ペースト中の銀の総含有量に対する平均粒径4μm以上8μm以下の銀粒子の含有割合を、前記第一電極層を形成するための第一電極層用導電性ペースト中の含有割合より高くした導電性ペーストを用い、前記第一電極層用導電性ペースト中の銀の総含有量に対する平均粒径0.5μm以上4μm未満の銀粒子の含有割合を80wt%以上として前記電極を形成することを特徴とする電極の形成方法。 - 前記上部電極層用導電性ペーストに含有される銀の総含有量に対する平均粒径0.5μm以上4μm未満の銀粒子の含有割合及び平均粒径4μm以上8μm以下の銀粒子の含有割合を、それぞれ20wt%以上80wt%以下とすることを特徴とする請求項5に記載の電極の形成方法。
- 前記上部電極層用導電性ペーストに含有される銀の総含有量に対する平均粒径0.5μmより小さいか、または平均粒径8μmより大きい銀粒子の含有割合を30wt%以下とすることを特徴とする請求項5または請求項6に記載の電極の形成方法。
- 前記第一電極層用導電性ペーストに含有される有機ビヒクルは分解開始温度が250℃よりも高いものを用い、上部電極層用導電性ペーストに含有される有機ビヒクルは分解開始温度が、170℃以上250℃以下のものを用いることを特徴とする請求項5ないし請求項7のいずれか一項に記載の電極の形成方法。
- 前記第一電極層用及び上部電極層用導電性ペーストの粘度を、80Pa・s以上200Pa・s以下とすることを特徴とする請求項5ないし請求項8のいずれか一項に記載の電極の形成方法。
- 前記第一電極層用及び上部電極層用導電性ペーストの5rpm/50rpmにおけるチクソ性(TI値)を、第一電極層は1.5以上5.0以下、上部電極層は1.2以上3.5以下とすることを特徴とする請求項5ないし請求項9のいずれか一項に記載の電極の形成方法。
- 少なくとも、pn接合を有する半導体基板の表面側に反射防止膜を形成する工程と、該反射防止膜部分に表面電極を形成する工程と、裏面側に裏面電極を形成する工程とを含む太陽電池の製造方法であって、少なくとも前記表面電極の形成は、請求項5ないし請求項10のいずれか一項に記載の電極の形成方法により形成することを特徴とする太陽電池の製造方法。
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