JP5127273B2 - Method for manufacturing solar cell element - Google Patents
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Description
本発明は太陽電池素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a solar cell element.
一般的な太陽電池素子は、次のようにして作製される。 A general solar cell element is manufactured as follows.
まず、厚み0.2〜0.5mm程度、大きさ100〜150mm角程度の単結晶シリコンや多結晶シリコン等からなるp型の半導体基板を準備する。 First, a p-type semiconductor substrate made of single crystal silicon, polycrystalline silicon, or the like having a thickness of about 0.2 to 0.5 mm and a size of about 100 to 150 mm square is prepared.
次に、半導体基板の表面(受光面)側の表面近傍に一定の深さまで逆導電型のn型不純物を拡散させて、n型を呈する拡散層を設け、p型の半導体基板との間にpn接合を形成する。 Next, an n-type diffusion layer having an n-type conductivity is provided by diffusing an n-type impurity of a reverse conductivity type to a certain depth in the vicinity of the surface (light-receiving surface) side of the semiconductor substrate, and between the p-type semiconductor substrate. A pn junction is formed.
次に、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化チタン膜等からなる反射防止膜が形成される。 Next, an antireflection film made of a silicon oxide film, a silicon nitride film, a titanium oxide film, or the like is formed.
そして、太陽電池素子の表面電極および裏面電極は、金属を主成分とする導電性ペーストを塗布して焼成することによって得ることができる。 And the surface electrode and back surface electrode of a solar cell element can be obtained by apply | coating and baking the electrically conductive paste which has a metal as a main component.
近年、太陽電池素子のコストダウンを図るべく、シリコン基板の厚みを200μm以下とする薄型化が検討されている。係る薄型化を実現する上での問題点として、シリコン基板を薄くするほど、アルミニウムを主成分とする裏面電極5の集電部5b(アルミニウム電極)との熱膨張差に起因した反りがシリコン基板に生じやすくなるということがある。
In recent years, in order to reduce the cost of solar cell elements, a reduction in the thickness of the silicon substrate to 200 μm or less has been studied. As a problem in realizing such a thinning, as the silicon substrate is made thinner, the warpage due to the difference in thermal expansion between the
すなわち、シリコンの熱膨張率は2.5×10−6/degであるのに対し、アルミニウムは23.25×10−6/degと、両者は約10倍程度の差異を有しており、シリコン基板の反りは、アルミニウムペーストをシリコン基板上に印刷し、焼成した後の降温時に、上記熱膨張率の違いに起因して生じるものである。 That is, the thermal expansion coefficient of silicon is 2.5 × 10 −6 / deg, whereas aluminum is 23.25 × 10 −6 / deg, both having a difference of about 10 times. The warpage of the silicon substrate is caused by the difference in the coefficient of thermal expansion when the temperature is lowered after the aluminum paste is printed on the silicon substrate and baked.
このような反りが生じると、その後の工程において自動機へのハンドリングミスが生じやすく、太陽電池素子の割れや欠けを発生させ、搬送トラブルにより製造歩留まりを低下させるという問題がある。また、モジュール工程の際に太陽電池素子を平坦な状態にする必要があり、その際に半導体基板に割れが発生したり電気特性および外観上に問題を生じる可能性もある。 When such a warp occurs, there is a problem that a handling error to an automatic machine is likely to occur in the subsequent processes, the solar cell element is cracked or chipped, and the manufacturing yield is lowered due to a transportation trouble. Moreover, it is necessary to make a solar cell element into a flat state in the case of a module process, and in that case, a crack may generate | occur | produce in a semiconductor substrate and a problem may be produced on an electrical property and an external appearance.
係る問題の解決策として、アルミニウムペーストの塗布量を減らしてアルミニウム電極を薄くすることにより、反る力を物理的に軽減する手法が想定される。 As a solution to such a problem, a method of physically reducing the warping force by reducing the amount of aluminum paste applied and making the aluminum electrode thin is assumed.
しかしながらこの手法ではシリコン基板へのアルミニウムの拡散量が少なくなり、裏面電界領域6が形成されにくく、発電効率が低下するという問題がある。
However, this method has a problem that the amount of aluminum diffused into the silicon substrate is reduced, the back surface
これに対しては、アルミニウム粉末と、有機ビヒクルと、アルミニウムよりも熱膨張率が小さくかつアルミニウムの融点よりも溶融温度、軟化温度、分解温度のいずれかが高い無機化合物、具体的にはSiO2やAl2O3などを添加したペーストを用いて、裏面電極を形成する方法が開示されている(例えば特許文献1参照)。
しかしながら、上述の方法では、シリコン基板の反りを低減することはできるものの、導電性ペーストに添加した無機化合物が焼成後もそのままの形で存在するため、裏面電極の抵抗が大きくなり、素子特性が低下するという問題があった。 However, although the above-described method can reduce the warpage of the silicon substrate, the inorganic compound added to the conductive paste is present as it is after firing, so that the resistance of the back electrode is increased and the device characteristics are increased. There was a problem of lowering.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、素子特性の低下を抑制し、且つ、半導体基板の反りを低減することができる太陽電池素子の製造方法を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said subject, and it aims at providing the manufacturing method of the solar cell element which can suppress the fall of an element characteristic and can reduce the curvature of a semiconductor substrate.
本発明の一形態に係る太陽電池素子の製造方法は、一主面に導電性ペーストが形成された半導体基板を、450℃以上の最高焼成温度で焼成する焼成工程と、前記最高焼成温度からの冷却過程の250℃以上400℃以下の所定の温度で20秒以上600秒以下の時間維持する維持工程とを備えるものである。
According to one aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a solar cell element comprising: a baking step of baking a semiconductor substrate having a conductive paste formed on one main surface at a maximum baking temperature of 450 ° C. or more; And a maintaining step of maintaining a predetermined temperature of 250 ° C. or higher and 400 ° C. or lower during the cooling process for 20 seconds or longer and 600 seconds or shorter.
また本発明の一形態に係る太陽電池素子の製造方法は、一主面に導電性ペーストが形成された半導体基板を、450℃以上の最高焼成温度で焼成する焼成工程と、前記焼成工程の後、10℃/秒以上の冷却速度で100℃以下まで冷却する冷却工程と、前記冷却工程の後、前記半導体基板を250℃以上400℃以下の所定の温度で20秒以上600秒以下の時間維持する維持工程とを備えるものである。
In addition, a method for manufacturing a solar cell element according to one embodiment of the present invention includes a baking step of baking a semiconductor substrate having a conductive paste formed on one main surface at a maximum baking temperature of 450 ° C. or higher, and after the baking step. A cooling step of cooling to 100 ° C. or lower at a cooling rate of 10 ° C./second or higher, and after the cooling step, the semiconductor substrate is maintained at a predetermined temperature of 250 ° C. or higher and 400 ° C. or lower for 20 seconds or longer and 600 seconds or shorter And a maintenance step.
これらによれば、素子特性の低下を抑制し、且つ、半導体基板の反りが低減された太陽電池素子を得ることが可能となる。 According to these, it becomes possible to obtain a solar cell element in which the deterioration of the element characteristics is suppressed and the warpage of the semiconductor substrate is reduced.
上記各発明において、前記維持時間が20秒以上600秒以下であることが好ましく、また、前記導電性ペーストは、アルミニウムを主成分とすることが好ましく、これらによってより効果的に上記目的を奏することが可能となる。 In each of the above inventions, the maintenance time is preferably 20 seconds or more and 600 seconds or less , and the conductive paste preferably contains aluminum as a main component, and thereby more effectively achieves the object. Is possible.
本発明の太陽電池素子の製造方法について詳しく説明する。 The manufacturing method of the solar cell element of this invention is demonstrated in detail.
≪太陽電池素子≫
図1は本発明の一実施形態に係る太陽電池素子の製造方法を用いて形成された太陽電池素子を示す断面図であり、図2は、図1に示す太陽電池素子の電極形状の一例を示す平面図であり、(a)は受光面側(表面)、(b)は非受光面側(裏面)である。なお、図中、1は半導体基板、2は拡散層、3は反射防止膜、4は表面電極、5は裏面電極、5aは出力取出部、5bは集電部、6は裏面電界領域を示す。
≪Solar cell element≫
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a solar cell element formed using the method for manufacturing a solar cell element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows an example of the electrode shape of the solar cell element shown in FIG. 2A is a light receiving surface side (front surface), and FIG. 2B is a non-light receiving surface side (back surface). In the figure, 1 is a semiconductor substrate, 2 is a diffusion layer, 3 is an antireflection film, 4 is a front electrode, 5 is a back electrode, 5a is an output extraction part, 5b is a current collecting part, and 6 is a back surface electric field region. .
ここで、図1に示す太陽電池素子の作用について簡単に説明する。 Here, the effect | action of the solar cell element shown in FIG. 1 is demonstrated easily.
太陽電池素子の受光面側である反射防止膜3の側から光が入射すると、主にp型半導体である半導体基板1のバルク領域で吸収・光電変換されて電子−正孔対(電子キャリアおよび正孔キャリア)が生成される。この光励起起源の電子キャリアおよび正孔キャリア(光生成キャリア)によって、太陽電池素子の表側に設けられた表面電極4と、裏側に設けられた裏面電極5との間に光起電力を生ずる。
When light is incident from the side of the
なお、反射防止膜3は反射防止膜となる膜の屈折率と膜厚とによって所望の光波長領域で反射率を低減させて、光生成キャリア量を増大させる役割を果たし、太陽電池素子の光電流密度Jscを向上させる。
The
また、通常、半導体基板であるシリコンに対してp型不純物元素として作用するアルミニウムをシリコン基板の裏面に拡散させ、シリコン基板の裏面側表層部にp+領域となった裏面電界領域6を形成する。裏面電界領域6は、BSF(Back Surface Field)領域とも呼ばれ、半導体基板1の裏面近くで光生成キャリアによる再結合による効率の低下を防ぐ。そのため半導体基板1の裏面近くで発生した光生成キャリアが、この電界によって加速される結果、電力が有効に取り出されることとなり、特に長波長の光感度が増加する。この結果、光電流密度Jscが向上し、またこの裏面電界領域6では少数キャリア(電子)密度が低減されるので、裏面電極5に接する領域でのダイオード電流量(暗電流量)を低減する働きをすることで、開放電圧Vocが向上する。
Also, aluminum acting as a p-type impurity element is usually diffused into the back surface of the silicon substrate with respect to silicon, which is a semiconductor substrate, to form a back surface
≪太陽電池素子の製造方法≫
次に、上述の構造を有する太陽電池素子を製造する方法について、工程毎に説明する。
≪Method for manufacturing solar cell element≫
Next, a method for manufacturing a solar cell element having the above-described structure will be described for each step.
<半導体基板の準備工程>
半導体基板1は、単結晶又は多結晶シリコンなどから成る。この半導体基板1として半導体シリコンを用いる場合、ボロン(B)などのp型の導電型を呈する半導体不純物を1×1016〜1018atoms/cm3程度含有し、比抵抗0.2〜2.0Ω・cm程度の基板が好適に用いられる。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ので、ここでは多結晶シリコンを用いた例によって説明する。
<Preparation process of semiconductor substrate>
The
多結晶シリコンのインゴットは、例えば、鋳造法によって形成され、500μm以下、より好ましくは350μm以下の厚みにスライスして、10cm×10cm〜20cm×20cm程度の大きさに切断され、半導体基板1とする。なお、基板の切断面の機械的ダメージ層や汚染層を清浄化するために表面をNaOHやKOHあるいは、フッ酸やフッ硝酸などでごく微量エッチングすることが望ましい。
The polycrystalline silicon ingot is formed by, for example, a casting method, sliced to a thickness of 500 μm or less, more preferably 350 μm or less, and cut into a size of about 10 cm × 10 cm to 20 cm × 20 cm to form a
その後、ドライエッチング方法やウェットエッチング方法を用いて、シリコン基板の表面に微小な突起を形成するのが望ましい。特に、光入射面となる半導体基板表面側に、ドライエッチング方法やウェットエッチング方法などを用いて、光反射率低減機能を有する凹凸(粗面化)構造を形成するのが好ましい。 Thereafter, it is desirable to form minute protrusions on the surface of the silicon substrate using a dry etching method or a wet etching method. In particular, it is preferable to form a concavo-convex (roughened) structure having a light reflectance reduction function on the semiconductor substrate surface side, which is a light incident surface, using a dry etching method, a wet etching method, or the like.
<拡散層の形成工程>
その後、n型の拡散層2を形成する。n型化ドーピング元素としてはP(リン)を用いることが好ましく、シート抵抗が30〜300Ω/□程度のn+型とする。これによって上述のp型バルク領域との間にpn接合部が形成される。
<Diffusion layer formation process>
Thereafter, an n-
拡散層2は、p+イオンを直接拡散させるイオン打ち込み法、ペースト状態にしたP2O5を半導体基板表面に塗布して熱拡散させる塗布熱拡散法及びガス状態にしたPOCl3(オキシ塩化リン)を拡散源とした気相熱拡散法などによって形成される。この拡散層2は0.2〜0.5μm程度の深さに形成される。なお、目的とする面とは反対側の面にも拡散領域が形成される場合には、その部分に予め拡散防止膜を形成したり、その部分を後からエッチングして除去すればよい。このとき、この半導体基板1の表面側以外の拡散層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、フッ酸又は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。また、後述するように、裏面の裏面電界領域6をアルミニウムペーストによって形成する場合は、p型ドープ剤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、既に拡散してあった浅いn型拡散層の影響は無視できるようにすることができ、この裏面側に形成されたn型拡散層を特に除去する必要はない。
The
なお、拡散層2の形成方法は上記方法に限定されるものではなく、例えば薄膜技術及び条件を用いて、水素化アモルファスシリコン膜や、微結晶シリコン膜を含む結晶質シリコン膜などを形成してもよい。さらに、半導体基板1と拡散層2との間にi型シリコン領域(不図示)を形成してもよい。
Note that the method for forming the
<反射防止膜の形成工程>
次に、反射防止膜3を形成する。反射防止膜3の材料としては、SiNx膜(Si3N4ストイキオメトリを中心にして組成比(x)には幅がある)、TiO2膜、SiO2膜、MgO膜、ITO膜、SnO2膜、ZnO膜などを用いることができる。その厚さは、材料によって適宜選択されて、適当な入射光に対して無反射条件を実現できるようにする。例えば半導体基板1がシリコン基板である場合、屈折率は1.8〜2.3程度、厚み500〜1200Å程度にすればよい。
<Antireflection film formation process>
Next, the
反射防止膜3の製法としては、PECVD法、蒸着法、スパッタ法などを用いて形成する。なお反射防止膜3は、後述するファイヤースルー法で表面電極4を形成しない場合は、表面電極4を形成するために所定のパターンでパターニングしておく。パターニング法としてはレジストなどマスクを用いたエッチング法(ウェットあるいはドライ)や、反射防止膜3形成時にマスクを予め形成しておき、反射防止膜3形成後にこれを除去する方法を用いることができる。一方、反射防止膜3の上に表面電極4の導電性ペーストを直接塗布し焼き付けることによって表面電極4と拡散層2を電気的に接触させる、いわゆるファイヤースルー法を用いる場合は前記パターニングの必要はない。なお、図2(a)ではファイヤースルー法を用いるため前記パターニングを行っていない。
As a manufacturing method of the
さらに、半導体基板1の裏面側には、一導電型半導体不純物が高濃度に拡散された裏面電界領域6を形成することが望ましい。不純物元素としてはB(ボロン)やAl(アルミニウム)を用いることができ、不純物元素濃度を高濃度として、p+型とすることによって後述する裏面電極5との間にオーミックコンタクトを得ることができる。製法としてはBBr3(三臭化ボロン)を拡散源とした熱拡散法を用いて温度800〜1100℃程度で形成したり、特にアルミニウムの場合はアルミニウム粉末と、有機ビヒクルなどからなるアルミニウムペーストを印刷法で塗布したのち、温度700〜850℃程度で熱処理(焼成)してアルミニウムを半導体基板1に向けて拡散したりする方法を用いることができる。なお、この裏面電界領域6を熱拡散法で形成する場合は、既に形成してある拡散層2には酸化膜などの拡散バリアをあらかじめ形成しておくことが望ましい。また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拡散領域を形成することができるだけではなく、既に述べたように拡散層2形成時に同時に裏面側にも形成されているn型の逆導電型の拡散層を除去する必要もない。この裏面電界領域6は、半導体基板1の裏面近くでキャリアの再結合による効率の低下を防ぐために、半導体基板1の裏面側に内部電界を形成するものである。
Further, it is desirable to form a back surface
また、焼成されたアルミニウムは除去せずに、そのまま裏面電極の集電部5aとして利用することができる。
Further, the baked aluminum can be used as it is as the
次に表面電極4と、集電部5bと出力取出部5aから構成される裏面電極5を以下のようにして形成する。
Next, the
<導電性ペーストの塗布工程>
表面電極4については、例えば銀等からなる金属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導電性ペーストを、図2(a)に示すような格子状等の所定の電極形状に塗布する。塗布法としては、スクリーン印刷法などの周知の方法を用いることができ、塗布後、例えば、150℃程度の所定の温度で溶剤を蒸散させて乾燥させたほうが好ましい。なお、導電性ペーストを塗布した後の乾燥は、後に導電性ペーストを塗布するときに印刷機の作業テーブルやスクリーンに前の導電性ペーストが付着するといった問題がなければ省略しても構わない。この点は以下の工程においても同様である。
<Application process of conductive paste>
For the
裏面電極5を構成する出力取出部5aについては、表面電極4と同様に、例えば銀粉末などからなる金属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導電性ペーストを、図2(b)に示すような電極形状となるように塗布する。塗布法としては、スクリーン印刷法などの周知の方法を用いることができ、塗布後、例えば、150℃程度の所定の温度で溶剤を蒸散させて乾燥させることが好ましい。
For the
裏面電極5を構成する集電部5bについては、例えばアルミニウム粉末などからなる金属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導電性ペーストを、図2(b)に示すような電極形状となるように塗布する。つまり、上述した出力取出部5aを除いた開口部を設けて裏面のほぼ全面に塗布することが好ましく、集電部5bと出力取出部5aは一部が重なるように形成する。塗布法としては、スクリーン印刷法などの周知の方法を用いることができ、塗布後、例えば、150℃程度の所定の温度で溶剤を蒸散させて乾燥させることが好ましい。
For the
ここで、銀ペーストを塗布して出力取出部5aを形成した後に、アルミニウムペーストを塗布して集電部5bを形成してもよいし、或いは、その逆の順序で形成してもよい。
Here, after the silver paste is applied to form the
<導電性ペーストの焼成工程>
上述のようにして塗布・乾燥した各導電性ペーストを、最高温度が450〜850℃、より好ましくは500℃以上で数十秒〜数十分程度焼成する焼成工程を経ることによって、半導体基板1に対して表面電極4、裏面電極5(出力取出部5a、集電部5b)を形成することができる。
<Baking process of conductive paste>
The
焼成工程には、バッチ式の焼成炉、或いは、ウォーキングビーム式やベルト式連続焼成炉などの連続式の焼成炉を用いることができるが、連続式の焼成炉を用いた場合、連続的に大量の半導体基板1を処理することができ、生産性が高いので望ましい。連続式の焼成炉の中でも、焼成炉の加熱部を貫通させた搬送用ベルト上に半導体基板1を配置し、この搬送用ベルトをエンドレスに回転させることによって、焼成炉の加熱部の中を通過させるベルト式連続焼成炉が、調整が簡単で高い再現性が得られ、焼成炉内をスムーズに半導体基板を通過させることができ、望ましい。
In the firing process, a batch-type firing furnace or a continuous firing furnace such as a walking beam type or a belt-type continuous firing furnace can be used. However, when a continuous firing furnace is used, a large amount is continuously produced. It is desirable because the
図3は、本発明の太陽電池素子の製造方法に用いるベルト式連続焼成炉を示す概略断面図である。図中、11は搬送用ベルト、12は上部ヒーター、13は下部ヒーター、14はカバー、15はローラーを示す。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a belt-type continuous firing furnace used in the method for producing a solar cell element of the present invention. In the figure, 11 is a conveyor belt, 12 is an upper heater, 13 is a lower heater, 14 is a cover, and 15 is a roller.
半導体基板1を処理するベルト式連続焼成炉は、断熱性や安全性、そして雰囲気を外気と遮断するために設けられたカバー14の中に、複数の上部ヒーター12と下部ヒーター13が搭載されている。この上部ヒーター10と下部ヒーター13は遠赤外や近赤外等のヒーターで、抵抗コイルやランプなどからなる。なお、図3では上部ヒーター12、下部ヒーター13ともそれぞれ3分割にして記載したが、これに制限されるものではなく、これより多くても少なくても構わない。ただし、半導体基板の加熱の温度プロファイルを自在に設定するためには、3分割以上とすることが望ましい。
The belt-type continuous firing furnace for treating the
さらに、図3では上部ヒーター12と下部ヒーター13の両方を記載したが、これに制限されるものではなく、上部ヒーター12のみや下部ヒーター13のみの構造でもよい。しかし、半導体基板1の両面に導電性ペーストが塗布されている場合、上部ヒーター12と下部ヒーター13の両方を備えていれば、これらを用いることによって、同時に焼成を行うことができるのでより望ましい。
Furthermore, although both the
このベルト式連続焼成炉の長手方向に炉を貫通して搬送用ベルト11が設けられ、この搬送用ベルト11は、ローラー15が回転駆動することによって循環し、これによって搬送用ベルト11上に乗せた半導体基板1が焼成炉内を通過する。なお、搬送用ベルト11は、例えば、耐熱性を有する金属のメッシュなどから構成されている。また、搬送用ベルト11の入口側には焼成前の半導体基板1を連続的に搬送用ベルト11上に配置するローダー(不図示)を設け、さらに、搬送用ベルト11の出口側には、焼成後の半導体基板1を連続的に搬送用ベルト11からピックアップ可能なアンローダー(不図示)を設けてもよい。
A conveyor belt 11 is provided through the furnace in the longitudinal direction of the belt-type continuous firing furnace, and the conveyor belt 11 circulates when the
このような焼成工程について、本発明の特徴部分をさらに詳細に説明する。 About such a baking process, the characteristic part of this invention is demonstrated in detail.
以下、上述の図3のベルト式連続焼成炉を用いて説明を行うが、同様の焼成条件が実現できればその他の焼成炉であっても構わない。ベルト式連続焼成炉は、入口付近から急激に温度が上昇し、最高焼成温度となる450〜850℃まで上昇し、最高焼成温度に達した後は、速やかに温度を低下させる温度分布に設定されている。 Hereinafter, the belt-type continuous firing furnace of FIG. 3 will be described, but other firing furnaces may be used as long as similar firing conditions can be realized. The belt type continuous firing furnace is set to a temperature distribution in which the temperature rises rapidly from the vicinity of the inlet, rises to 450 to 850 ° C., which is the maximum firing temperature, and quickly decreases after reaching the maximum firing temperature. ing.
[第一実施形態]
本実施形態は、最高焼成温度からの冷却過程の250℃以上の温度領域において、7.5℃/秒以下の冷却速度を所定時間維持する維持工程を備えることを特徴とする。
[First embodiment]
The present embodiment is characterized by including a maintaining step of maintaining a cooling rate of 7.5 ° C./second or less for a predetermined time in a temperature region of 250 ° C. or more in the cooling process from the maximum firing temperature.
すなわち、電極の焼成温度、例えば、銀・アルミニウムであれば最高焼成温度に達し電極を焼結した後、電極(例えば、アルミニウム電極)の引っ張り強度が著しく低下する250℃以上の温度で維持する。250℃以上にすることによって、アルミニウムの単位面積当たりの荷重(応力)に対する伸び率を著しく向上した状態となるため、その温度を所定時間維持することにより半導体基板は平坦(元の形状)に戻ろうとする力が生じて、アルミニウムのフォーミングを行うことができる。このように、電極の引っ張り強さを低下させ、半導体基板の曲げに対して平坦(元の形状)に戻ろうとする効果を利用することにより太陽電池素子に発生した応力を除去し、反りが低減する。 That is, if the firing temperature of the electrode, for example, silver / aluminum, reaches the maximum firing temperature and sinters the electrode, the electrode is maintained at a temperature of 250 ° C. or higher at which the tensile strength of the electrode (eg, aluminum electrode) is significantly reduced. By setting the temperature to 250 ° C. or higher, the elongation rate with respect to the load (stress) per unit area of aluminum is remarkably improved. By maintaining the temperature for a predetermined time, the semiconductor substrate returns to the flat (original shape). A force to try is generated and aluminum can be formed. In this way, the stress generated in the solar cell element is removed by reducing the tensile strength of the electrode and using the effect of returning to the flat (original shape) with respect to the bending of the semiconductor substrate, thereby reducing warpage. To do.
[第二実施形態]
本実施形態は、一主面に導電性ペーストが形成された半導体基板を、450℃以上の最高焼成温度で焼成する焼成工程と、前記焼成工程の後、10℃/秒以上の冷却速度で100℃以下まで冷却する冷却工程と、前記冷却工程の後、前記半導体基板を250℃以上の温度領域で所定時間維持する維持工程とを備えることを特徴とする。
[Second Embodiment]
In the present embodiment, a semiconductor substrate having a conductive paste formed on one main surface is baked at a maximum baking temperature of 450 ° C. or higher, and after the baking step, a cooling rate of 10 ° C./second or higher is set to 100. A cooling step of cooling to a temperature of less than or equal to ° C., and a maintenance step of maintaining the semiconductor substrate in a temperature region of 250 ° C. or higher for a predetermined time after the cooling step.
すなわち、焼成工程・冷却工程の後に、別途、維持工程を設けることによって、電極の引っ張り強さを低下させ、半導体基板の曲げに対して平坦(元の形状)に戻ろうとする効果を利用することにより太陽電池素子に発生した応力を除去し、焼成後の反りを低減させ製造歩留まりの良好な太陽電池素子が得られる。冷却工程において100℃以下、より好ましくは50℃以下まで冷却すれば、基板の取り出し等の作業性の上で好ましい。 In other words, after the firing process / cooling process, by providing a separate maintenance process, the tensile strength of the electrode is reduced, and the effect of trying to return to the flat (original shape) against the bending of the semiconductor substrate is utilized. Thus, the stress generated in the solar cell element is removed, the warp after firing is reduced, and a solar cell element with a good manufacturing yield is obtained. Cooling to 100 ° C. or lower, more preferably 50 ° C. or lower in the cooling step is preferable in terms of workability such as taking out the substrate.
次に、第一実施形態および第二実施形態における種々の好ましい態様について説明する。 Next, various preferable aspects in the first embodiment and the second embodiment will be described.
まず、維持工程における温度は、400℃以下、より好ましくは350℃以下が好ましいが、電極の引っ張り強度が低下する温度に基づいて決定されれば良い。400℃以下に設定することで、逆導電型拡散領域2へのダメージを抑制し太陽電池素子の電気的特性に悪影響を低減できるため好ましい。
First, the temperature in the maintaining step is preferably 400 ° C. or lower, more preferably 350 ° C. or lower, but it may be determined based on the temperature at which the tensile strength of the electrode is lowered. Setting to 400 ° C. or lower is preferable because damage to the reverse conductivity
また、維持する時間は、20秒以上600秒以下、より好ましくは60秒以上480秒以下が好ましいが、20秒より短いと充分に反りを低減できない可能性があるため好ましくない。また、600秒より長いと逆導電型拡散領域2がダメージを受け太陽電池素子の電気的特性に悪影響をあたえる可能性があるため好ましくない。
Further, the maintaining time is preferably 20 seconds or more and 600 seconds or less, more preferably 60 seconds or more and 480 seconds or less. However, if it is shorter than 20 seconds, the warp may not be sufficiently reduced, which is not preferable. On the other hand, when the time is longer than 600 seconds, the reverse conductivity
さらに、焼成工程は最高焼成温度の前後において10℃/秒以上、より好ましくは20℃/秒以上の急昇温、急冷却を行うことが出力特性の面から好ましいため、最高焼成温度から維持工程における所定の温度まで急冷却(第二実施形態においては100℃以下まで急冷却して所定の温度まで加熱)したのち、所定の温度で維持することが好ましい。なお、上記昇温速度および降温速度は、半導体基板に熱電対を取り付けて温度プロファイル(温度−時間)をとり、最高焼成温度前後の温度プロファイルの傾きから算出される。 Furthermore, since the firing step is preferably performed at a temperature of 10 ° C./second or more, more preferably 20 ° C./second or more before and after the maximum firing temperature, from the viewpoint of output characteristics, the maintaining step from the maximum firing temperature. It is preferable to maintain at a predetermined temperature after rapid cooling to a predetermined temperature in (in the second embodiment, rapid cooling to 100 ° C. or lower and heating to a predetermined temperature). The temperature increase rate and the temperature decrease rate are calculated from the gradient of the temperature profile before and after the maximum firing temperature by attaching a thermocouple to the semiconductor substrate and taking a temperature profile (temperature-time).
またさらに、表面電極4、裏面電極5を形成する際に、焼成工程を別々にした場合においても、それぞれの焼成工程(・冷却工程)の後に維持工程を設けてもよいし、最後の焼成工程(・冷却工程)の後にのみ維持工程を設けても構わない。
Furthermore, when forming the
さらにまた、維持工程は250℃以上の温度で多段階的に維持する温度を変更しても構わない。例えば、最高焼成温度から350℃まで急冷した後、350℃の温度で所定時間(数十秒から数分間)維持し、さらに、300℃の温度で所定時間(数十秒から数分間)維持しても構わない。さらには、最高焼成温度から350℃まで急冷(第二実施形態においては加熱)した後、降温速度7.5℃/秒以下、より好ましくは2.5℃/秒以下の速度で、降温しながら半導体基板を維持しても構わない。 Furthermore, in the maintenance step, the temperature maintained in a multistage manner at a temperature of 250 ° C. or higher may be changed. For example, after rapid cooling from the highest firing temperature to 350 ° C., the temperature is maintained at 350 ° C. for a predetermined time (several tens of seconds to several minutes), and further maintained at a temperature of 300 ° C. for a predetermined time (several tens of seconds to several minutes). It doesn't matter. Furthermore, after rapid cooling from the highest firing temperature to 350 ° C. (heating in the second embodiment), the temperature is lowered at a rate of temperature drop of 7.5 ° C./second or less, more preferably 2.5 ° C./second or less. The semiconductor substrate may be maintained.
またさらに、所定の温度に維持した後においては、10℃/秒程度の速度で、常温に戻せばよい。 Furthermore, after maintaining at a predetermined temperature, the temperature may be returned to room temperature at a rate of about 10 ° C./second.
以上に説明したような各工程を経ることによって、導電性ペースト中への無機化合物等の添加等を行うことなく、反りが低減された太陽電池素子を得ることが可能となる。 By passing through each process demonstrated above, it becomes possible to obtain the solar cell element with which curvature was reduced, without adding an inorganic compound etc. in an electrically conductive paste.
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの修正および変更を加えることが出来る。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, Many corrections and changes can be added within the scope of the present invention.
例えば、太陽電池素子の構造はこれに限定されるものではなく、電極が片面にしかない太陽電池素子に使用することも可能であるし、結晶系シリコン太陽電池素子に限定されるものでもない。 For example, the structure of the solar cell element is not limited to this, and the solar cell element can be used for a solar cell element having electrodes on only one side, and is not limited to a crystalline silicon solar cell element.
また、焼成する導電性ペーストや塗布する電極形状、あるいは塗布方法についても、上述の例に限るものではなく、太陽電池素子としての特性を発揮できる材料や形状の組合せであれば、本発明特有の作用効果を得ることができることは言うまでもない。 Also, the conductive paste to be fired, the electrode shape to be applied, or the application method are not limited to the above examples, and any combination of materials and shapes that can exhibit characteristics as a solar cell element is unique to the present invention. Needless to say, the effects can be obtained.
厚さが150μmで、外形が15cm×15cmの多結晶シリコンのp型の半導体基板1表面に、リン原子を拡散させて、シート抵抗が60Ω/□となるn型の拡散層2を形成した。この拡散層2上に窒化シリコン膜からなる反射防止膜3を形成した。そして、図2に示されるように、裏面側にアルミニウムペーストを略全面に塗布し、また、表面側と裏面側に銀ペーストを塗布し、乾燥した後、以下に説明する焼成条件により、表面電極4と出力取出部5aと集電部5bと裏面電界領域6とを形成することにより太陽電池素子を作製した。
An n-
比較例である太陽電池素子(No.1)の焼成条件は、ベルト式連続焼成炉を用いて、導電性ペーストが塗布された半導体基板を焼成炉内に投入し、焼成条件として最高焼成温度を750℃とし、最高焼成温度到達後、降温速度30℃/秒で急冷し、その後、所定の温度で維持することなく、常温まで戻した。 The firing condition of the solar cell element (No. 1) as a comparative example is a belt type continuous firing furnace, the semiconductor substrate coated with the conductive paste is put into the firing furnace, and the maximum firing temperature is set as the firing condition. The temperature was set to 750 ° C., and after reaching the maximum firing temperature, it was rapidly cooled at a temperature lowering rate of 30 ° C./second, and then returned to room temperature without being maintained at a predetermined temperature.
本発明の実施例である太陽電池素子(No.2〜7)の焼成条件では、ベルト式連続焼成炉を用いて、導電性ペーストが塗布された半導体基板を焼成炉内に投入し、焼成条件として最高焼成温度を750℃とし、最高焼成温度到達後、降温速度30℃/秒で所定の温度420〜200℃まで急冷し、その後420〜200℃の温度で25秒間維持した後、常温まで戻した。 In the firing conditions of the solar cell elements (Nos. 2 to 7) which are the examples of the present invention, the semiconductor substrate coated with the conductive paste was put into the firing furnace using a belt type continuous firing furnace, and the firing conditions were set. The maximum firing temperature is set to 750 ° C., and after reaching the maximum firing temperature, the sample is rapidly cooled to a predetermined temperature of 420 to 200 ° C. at a temperature drop rate of 30 ° C./second, and then maintained at a temperature of 420 to 200 ° C. for 25 seconds and then returned to room temperature. It was.
なお、焼成条件については、予め半導体基板に熱電対を取り付けて温度プロファイル(温度−時間)をとり確認を行った。 The firing conditions were confirmed by attaching a thermocouple to the semiconductor substrate in advance and taking a temperature profile (temperature-time).
このようにして作製した各太陽電池素子について、その反り量および素子特性を評価した。 Thus, about each solar cell element produced, the curvature amount and element characteristic were evaluated.
図4は、本実施例にかかる半導体基板の反り量の評価方法について説明するための断面図である。半導体基板1の厚さを含んだ値で反り量を評価した。具体的には、レーザー変位計で所定位置の高さを測定し、図4に示すように、水平面に載置した場合の最低部(水平面)と最高部との高さの差で反り量を評価した。
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining a method of evaluating the warpage amount of the semiconductor substrate according to this example. The amount of warpage was evaluated by a value including the thickness of the
素子特性は、ソーラーシミュレーターを用いたAM1.5条件下でV−I特性測定を行った。なお、実施例におけるF.F.(−)とPm(W)の低下率は比較例のF.F.(−)とPm(W)の値を基準値として比較した値である。 The element characteristic measured VI characteristic on AM1.5 conditions using a solar simulator. In addition, F. in an Example. F. The decrease rate of (−) and Pm (W) is the same as that of the comparative example. F. It is the value which compared the value of (-) and Pm (W) as a reference value.
評価結果を表1に示す。
表1に示すように、比較例(No.1)は、反りの値が5.5mmであったのに対して、本実施例(No.2〜6)は、反りの値が5.0mm以下であり、素子特性も比較例とほぼ同等の特性が得られた。但し、維持工程の温度が200℃であるNo.7は、反りの値が5.3mmとなり、他の実施例と比べると反りの低減効果が乏しいことが分かった。 As shown in Table 1, the comparative example (No. 1) had a warp value of 5.5 mm, whereas the present example (Nos. 2 to 6) had a warp value of 5.0 mm. The device characteristics were almost the same as those of the comparative example. However, No. in which the temperature of a maintenance process is 200 degreeC. No. 7 had a warp value of 5.3 mm, and it was found that the effect of reducing the warp was poor compared to other examples.
次に、素子特性の低下率については、No.3〜6が97%以上であり特性低下を抑制することができるものの、No.2は95%であり、他の実施例と比べると若干の低下が見られた。 Next, regarding the rate of decrease in device characteristics, No. Although 3 to 6 is 97% or more and deterioration of characteristics can be suppressed, 2 was 95%, showing a slight decrease compared to the other examples.
太陽電池素子の作製方法は上述の実施例1と同等とし、以下においては異なる部分のみ説明する。 The manufacturing method of the solar cell element is the same as that of the above-described Example 1, and only different parts will be described below.
比較例である太陽電池素子(No.1)の焼成条件では、ベルト式連続焼成炉を用いて、導電性ペーストが塗布された半導体基板を焼成炉内に投入し、焼成条件として最高焼成温度を750℃とし、最高焼成温度到達後、降温速度30℃/秒で急冷し、その後、所定の温度で維持することなく、常温(25℃)まで戻した。 In the firing conditions of the solar cell element (No. 1) which is a comparative example, the semiconductor substrate coated with the conductive paste is put into the firing furnace using a belt type continuous firing furnace, and the maximum firing temperature is set as the firing condition. The temperature was set to 750 ° C., and after reaching the maximum firing temperature, it was rapidly cooled at a temperature lowering rate of 30 ° C./second, and then returned to room temperature (25 ° C.) without being maintained at a predetermined temperature.
本発明の実施例である太陽電池素子(No.8〜18)の焼成工程は、比較例と同様の焼成条件で一度、常温まで冷却し、その後に所定温度まで加熱して維持工程を行う。維持工程では、電極が形成された半導体基板を420〜200℃の温度で480秒間維持した後、常温まで戻した。また、350℃の温度については、維持時間を20秒から780秒まで変えた実験も行った。 The baking process of the solar cell element (No. 8-18) which is an Example of this invention once cools to normal temperature on the baking conditions similar to a comparative example, and heats to predetermined temperature after that, and performs a maintenance process. In the maintaining step, the semiconductor substrate on which the electrode was formed was maintained at a temperature of 420 to 200 ° C. for 480 seconds, and then returned to room temperature. For the temperature of 350 ° C., an experiment was conducted in which the maintenance time was changed from 20 seconds to 780 seconds.
このようにして作製したそれぞれの太陽電池について、実施例1と同様に、太陽電池素子の反り量および素子特性を評価した。 About each solar cell produced in this way, the amount of warpage and device characteristics of the solar cell element were evaluated in the same manner as in Example 1.
評価結果を表2に示す。
表2に示すように、比較例であるNo.1においては、反りの値が5.5mmであったが、本実施例であるNo.8〜12、14〜18においては、反りの値が5.0mm以下であり、素子特性も比較例とほぼ同等の特性が得られた。しかしながら、維持温度が200℃であるNo.13においては、反りの値が5.2mmとなり、他の実施例と比べると反りの低減効果が乏しいことがわかった。 As shown in Table 2, the comparative example No. In No. 1, the value of warpage was 5.5 mm. In 8-12 and 14-18, the value of the warp was 5.0 mm or less, and the device characteristics were also substantially equivalent to those of the comparative example. However, no. In No. 13, the value of the warpage was 5.2 mm, and it was found that the effect of reducing the warp was poor as compared with other examples.
さらに、No.9〜12、15〜18においては、素子特性の低下率が97%以上と特性の低下を抑制できるが、No.8、14においては、素子特性の低下率が95%程度であり、他の実施例と比べると若干の低下が見られた。 Furthermore, no. In Nos. 9-12 and 15-18, the deterioration rate of the element characteristics can be suppressed to 97% or more. In Nos. 8 and 14, the reduction rate of the element characteristics was about 95%, and a slight reduction was observed as compared with other examples.
特に、維持温度が250℃、300℃、350℃であるNo.9〜12、並びに、維持時間が480秒、120秒、60秒であるNo.10、No.15〜17において、より好ましい結果が得られた。 In particular, No. having maintenance temperatures of 250 ° C., 300 ° C., and 350 ° C. No. 9-12, and the maintenance time is 480 seconds, 120 seconds, 60 seconds. 10, no. More preferable results were obtained in 15-17.
1・・・半導体基板
2・・・拡散層
3・・・反射防止膜
4・・・表面電極
5・・・裏面電極
5a・・出力取出部
5b・・集電部
6・・・裏面電界領域
11・・搬送用ベルト
12・・上部ヒーター
13・・下部ヒーター
14・・カバー
15・・ローラー
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記最高焼成温度からの冷却過程の250℃以上400℃以下の所定の温度で20秒以上600秒以下の時間維持する維持工程と、を備えることを特徴とする太陽電池素子の製造方法。 A firing step of firing a semiconductor substrate having a conductive paste formed on one main surface at a maximum firing temperature of 450 ° C. or higher;
And a maintenance step of maintaining a predetermined temperature of 250 ° C. or higher and 400 ° C. or lower during the cooling process from the maximum firing temperature for a time of 20 seconds or longer and 600 seconds or shorter.
該焼成工程の後、10℃/秒以上の冷却速度で100℃以下まで冷却する冷却工程と、
該冷却工程の後、前記半導体基板を250℃以上400℃以下の所定の温度で20秒以上600秒以下の時間維持する維持工程と、を備えることを特徴とする太陽電池素子の製造方法。 A firing step of firing a semiconductor substrate having a conductive paste formed on one main surface at a maximum firing temperature of 450 ° C. or higher;
A cooling step of cooling to 100 ° C. or lower at a cooling rate of 10 ° C./second or higher after the firing step;
And a maintaining step of maintaining the semiconductor substrate at a predetermined temperature of 250 ° C. or higher and 400 ° C. or lower for a time of 20 seconds or longer and 600 seconds or shorter after the cooling step.
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