JP5152407B2 - 太陽電池セルおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、太陽電池セルおよびその製造方法に関する。
従来のＰＮ接合を有する結晶系シリコン太陽電池の多くは、ｐ型多結晶シリコン基板の受光面側の主面である表主面（以下、表面と記載）には全体にｎ型の拡散層が形成され、表面の受光面側に微小な凹凸と表面電極が設けられている。この太陽電池セルの受光面側と反対側の主面である裏主面（以下、裏面と記載）には、ＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ、以下ＢＳＦとのみ記載）及びＢＳＲ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ、以下ＢＳＲとのみ記載）が施され、ＢＳＦによる光生成キャリアの反射及びＢＳＲによる入射光の反射によって太陽電池セルの交換効率の向上を図っている。
このような太陽電池セルでは、ベース層の厚さが薄くなるに従いＢＳＲの機能が十分に発揮されないため、分離したＢＳＦとＢＳＲを有し、電極形成が容易な太陽電池セル構造を持つものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、薄くて大面積の基板に対して、Ａｌペースト材料を全面に印刷焼成する方法でＢＳＦ層を形成すると、基板の反りや割れが生じることを防止するためにＡｌペースト材料をドット状に印刷焼成する方法、又はＢＢｒ３を用いて熱拡散法で全面に形成する方法等があるが、このような方法を用いると十分な変換効率が得られないことから、解決法として、基板の裏面全面に平面状裏面電界層を形成し、基板の裏面の所定に位置に平面状裏面電極より深いドット状裏面電界層とを設けたものがある（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、特許文献１に記載されている発明では、裏面で光の反射が小さく、裏面電極で光が吸収されるため基板を透過する光の利用率が小さい。
一方、特許文献２に記載されている発明のように、裏面電極において、表面保護膜であるパッシベーション膜の開口部をドット状に形成し、電極焼成後に裏面反射膜を形成する、もしくはそのまま太陽電池セルを複数枚か並べてフィルムや強化ガラスなどで挟み込み一体化した太陽電池モジュールを形成し、該太陽電池モジュールの太陽電池セルの背面に配置し、紫外線、水蒸気又は塩などから太陽電池モジュールを保護する対候性フィルムであるバックシートの反射により長波長の光利用率をあげることができるように構成することもできる。
しかし、このような構成をとった場合、粒径数μｍのアルミニウム粉末と樹脂と有機溶剤とを混合したペーストを用いて、印刷法によりドットを形成することから、乾燥した状態ではアルミニウム粒子が集合した形状であり、構造強度が弱い。そのため、焼成工程までの表面電極印刷工程や搬送時などにドット状の裏面電極が剥離して、アルミニウム合金層やＰ+層のＢＳＦが十分に形成されず、コンタクト抵抗が増し、太陽電池セルの特性が低下する不具合があった。
また、アルミニウム粒子を含む電極は７００〜８００℃の電極焼成工程を経ても粒子の密着性が低く、表面酸化などによる抵抗成分の増加に伴い、裏面電極全体の直列抵抗成分が増加し、太陽電池セルの特性が低下する不具合があった。
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、裏面保護と裏面反射の十分な効果が得られ、かつ、構造強度が大きく、抵抗成分の小さい裏面電極を得ることにより、丈夫で特性の優れた太陽電池セルを得ることを目的とする。
この発明に係る太陽電池セルは、半導体基板と、前記半導体基板の受光面側の主面上に形成された導電性を有する半導体層と、を有する太陽電池セルにおいて、前記半導体基板の裏面側の主面上にパッシベーション膜を形成し、該パッシベーション膜に少なくとも１つの開口部を設け、前記パッシベーション膜上で前記開口部が占める面積の全ての部分と重複し、かつ、前記開口部を覆う第１の裏面電極と、前記パッシベーション膜上で前記第１の裏面電極が占める面積の全ての部分と重複し、かつ、前記第１の裏面電極を覆う第２の裏面電極とを設けたものである。
この発明は、アルミニウム裏面電極と積層するアルミニウムとシリコンを含む裏面電極をさらに持つことこれにより、構造強度を増し、製造中の電極剥離を防止するとともに、導電性に優れた裏面電極を得ることにより、丈夫で、優れた裏面保護効果と裏面反射効果を併せ持つ変換効率の高い太陽電池セルを得ることができる。
実施の形態１．
次に、図面を用いて、この発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
次に、図面を用いて、この発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
図１は、この発明の実施の形態１における太陽電池セルの一部を裏面側から見た透視図（裏面側下層電極を表示）である。また、図２は、図１に示すＡ−Ｂに沿って切断した場合の断面図である。
図において、太陽電池セル１は、半導体基板であるｐ型の単結晶もしくは多結晶からなるシリコン基板２と、シリコン基板２の受光面側の主面には、光を閉じ込めるための表面凹凸部３が１０μｍ程度の深さで形成されている。表面凹凸部３には、受光面側に沿って０．２μｍ程度の厚みで、導電型を有する多結晶半導体層であるｎ型拡散層４が形成され、ＰＮ接合部を構成している。ｎ型拡散層４のさらに受光面側には、反射を低減し光利用率を向上させるための反射防止膜５が形成され、これらから光電変換部が構成されている。反射防止膜５の上面には、複数のグリッド電極と直交する複数のバス電極からなる表面電極６が形成されている。なお、シリコン基板２は、ｐ型の単結晶もしくは多結晶に限定されるものではなく、ｎ型の単結晶もしくは多結晶であってもかまわない。
シリコン基板２の裏面側の主面上には、シリコンの欠陥を水素で終端し、少数キャリアの再結合を抑制するパッシベーション膜７が形成されている。このパッシベーション膜７には開口部８が設けられている。開口部８を裏面側から覆うように第１の裏面電極であるドット状のアルミニウム電極９が形成され、アルミニウム電極９の受光面側でシリコン基板２内には、焼成によるアルミニウムとシリコンの合金層１０が形成されている。合金層１０の受光面側を覆うようにアルミニウム拡散によるＰ＋層であるＢＳＦ層１１が形成されている。
パッシベーション膜７の裏面側で、アルミニウム電極９を覆い、かつ、アルミニウム電極９間をライン接続するように第２の裏面電極であるＡｌ−Ｓｉ電極１２が形成されている。さらに、これらパッシベーション膜７、アルミニウム電極９、及び、Ａｌ−Ｓｉ電極１２を覆い、シリコン基板２の裏面側の主面全体を覆うように裏面反射膜１３であるＢＳＲが形成されている。
次に、この発明の実施の形態１における太陽電池セルの製造方法について、図３〜図１２、及び、図１３を参照して説明する。ここで、図３〜図１２はこの発明の太陽電池セルの製造工程ごとの形態を示した図であり、図１３は太陽電池セルの製造工程を示したフロー図である。図１３において、Ｓ１は開始、Ｓ２は基板洗浄、Ｓ３は表面エッチング、Ｓ４はｎ型拡散層形成、Ｓ５は反射防止膜形成、Ｓ６は裏面エッチング、Ｓ７はパッシベーション膜形成、Ｓ８は開口部形成、Ｓ９は第１の裏面電極形成、Ｓ１０は第２の裏面電極形成、Ｓ１１は表面電極形成、Ｓ１２は熱処理焼成、Ｓ１３は裏面反射膜形成、及び、Ｓ１４は完了の各工程である。以下図１３のフローに沿って、図３〜図１２の段階ごとに説明する。
図３において、シリコン基板２としてｐ型多結晶シリコン基板を用い、シリコン基板２をフッ化水素および純水で洗浄する。
図４において、例えばアルカリ溶液ＮａＯＨとイソプロピルアルコールの混合溶液にシリコン基板２を浸し、表面の凹凸が１０μｍ程度になるようにウェットエッチングを行い、表面凹凸部３を形成する。また、ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）法などのドライエッチングプロセスで表面に１〜３μｍ程度の凹凸を形成したり、プラズマＣＶＤを用いて表面にエッチングマスクを形成し、そこに複数の開口部を形成してからフッ硝酸でエッチングして半球状の微小凹凸部を形成しても良い。後者の凹凸形成方法では、シリコン基板２の面方位によらず規則正しい配列の凹凸が形成でき、光閉じ込め効率が高くなる。
図５において、表面に表面凹凸部３を形成したシリコン基板２をオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）ガス中で気相拡散法により高温で熱拡散させてｎ型拡散層４を形成する。拡散させるリン濃度は、ＰＯＣｌ３ガスの濃度および雰囲気温度、加熱時間等により制御可能である。拡散後の基板のシート抵抗は４０〜８０Ω／ｃｍ２になる。拡散工程後に、反射防止膜５を形成する。ここでは、プラズマＣＶＤによりシランとアンモニアの混合ガスを用いて窒化シリコン膜を８０ｎｍ形成した。
次に裏面電極の印刷形成工程に移る。図６において、まず、前記拡散工程で裏面もｎ型拡散層が形成されているのでアルカリエッチングで除去したのち、パッシベーション膜７を形成する。パッシベーション膜７は、例えば酸化シリコン膜又は膣化シリコン膜などであるが、ここでは、反射防止膜５と同じ膣化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法で２００ｎｍの厚さで形成した。
図７において、成膜したパッシベーション膜７に複数の開口部１０を形成する。開口部８を形成する方法には、レジスト塗布、露光、エッチング処理による写真製版法や機械的な開口方法があるが、ここでは、短時間で処理可能なＹＡＧレーザー（波長５３２ｎｍ）を用いた開口を行う。稼働ステージにシリコン基板２を吸着固定し、ステージをＸ方向にレーザーをＹ方向に移動させて０．７ｍｍピッチで開口径０．２ｍｍのパターンをレーザーの照射で開口する。
レーザーパターンのピッチと開口径は、電極面積とパッシベーション膜７の面積との関係で変わるので、開口径が大きくなれば十分なＢＳＦ層１１が形成できアルミニウム電極９とシリコン基板２間の抵抗が小さくなる。逆に開口径が小さくなればＢＳＦ層１１の形成が浅くなるため、アルミニウム電極９とシリコン基板２間の抵抗が大きくなる。また、パッシベーション効果からすると、開口径が大きくなればパッシベーション膜７の面積は小さくなり効果は小さくなる。逆に開口径が小さくなればパッシベーション膜７の面積は大きくなり十分な効果が得られ、開放電圧Ｖｏｃや短絡電流Ｉｓｃの値を高くすることができる。
図８において、開口部８に合わせて第１の裏面電極であるアルミニウム電極９を印刷法によりドット状に形成する。印刷装置でアルミニウムを含むペーストをレーザー開口パターンと同位置に設計された印刷マスクを用いて印刷し、アルミニウム電極９を形成する。このとき、アルミニウム電極９の形成は、印刷位置精度及びマスク精度を考慮し、レーザー開口径より大きい０．３〜０．４ｍｍ程度の径で行う。印刷マスクとしてステンレス２５０メッシュ仕様を用いた場合、電極の厚さは２０μｍ程度になる。
印刷されたアルミニウム電極は約２００℃で乾燥する。
図９において、ドット状のアルミニウム電極９を形成した上に重ねてアルミニウム粒子とシリコン粒子とを含むＡｌ−Ｓｉペーストを印刷し、第２の裏面電極であるＡｌ−Ｓｉ電極１２を形成する。アルミニウム電極９はパッシベーション膜７に重なるように印刷されているので印刷パターンより０．０３〜０．０５ｍｍ程度広がる。よって、Ａｌ−Ｓｉ電極１２の大きさは、アルミニウム電極９の印刷マスクより大きく０．３５〜０．４５ｍｍ程度の径とし、下層を覆うように設計する。Ａｌ−Ｓｉ電極１２の印刷マスクは、アルミニウム電極９の印刷マスクと同じ２５０メッシュ仕様を用いた場合、電極の厚さは１０〜２０μｍ程度になる。またアルミニウム電極９を覆い、かつ、アルミニウム電極９間をライン接続するＡｌ−Ｓｉ電極１２の幅は、広くとれば導体抵抗が下がるが、裏面反射膜１３による反射効率が下がるので０．３〜０．４ｍｍ程度の幅とした。
ここで用いるＡｌ−Ｓｉペーストのアルミニウム粒子とシリコン粒子の配合比は、シリコン粒子の混合比が多くなるとアルミニウム電極９との密着力が強くなるが導体抵抗は大きくなる傾向がある。アルミニウム１００重量部に対するシリコンの組成比は５〜２０重量部であるが、この混合比が剥離しない電極強度を保持し、十分な導体抵抗値を持つ望ましい値である。シリコンの組成比が５重量部以下になると電極強度が弱くなり、２０重量部以上になると導体抵抗が低下する傾向にある。印刷されたＡｌ−Ｓｉ電極１２は約２００℃で乾燥する。
以上で裏面電極の印刷形成工程が完了し、次に表面電極を形成する。表面電極は複数の太いバス電極と、当該バス電極に直交する複数の細いグリッド電極からなるパターンを印刷法で形成する。印刷には、銀の粒子を含む樹脂や有機溶剤などからなるペーストを用いる。印刷形成された電極は、約２００℃で乾燥する。
次に表裏面の電極焼成を行う。ここでは、焼成は赤外線加熱炉を用いて８００℃で行う。図１０において、焼成工程により、先に形成しておいた表面電極６がファイヤースルーによりシリコンとコンタクトし、また、図１１に示すように、アルミニウム電極９のアルミニウムがシリコンと溶融し合金層１０を形成する。併せて合金層１０を覆うようにＡｌ拡散によるＰ＋層であるＢＳＦ層１１が形成される。電極の膜厚は２０〜２５μｍ程度で、合金層１０は１０〜２０μｍ程度に形成される。これにより４〜８μｍ程度の十分なＢＳＦ層１１が得られる。
図１２に示すように、焼成後、水素雰囲気４００℃で加熱したのち裏面反射膜１３を形成する。裏面反射膜１３はスパッタ法を用いて、Ａｇを厚さ５００〜１０００ｎｍ程度に成膜した。
実施の形態２．
図１４は、この発明の実施の形態２における太陽電池セルの一部を裏面側から見た透視図（裏面側下層電極を表示）である。前記実施の形態１では、アルミニウム電極９がドット状である場合について説明したが、本発明に係る裏面パッシベーション構造の太陽電池セルでは、多結晶シリコンにおいて、開口部面積が小さくなると結晶粒界によりシリコンの反応が変わりコンタクト状態が安定しないので十分な特性が得られない可能性がある。
図１４は、この発明の実施の形態２における太陽電池セルの一部を裏面側から見た透視図（裏面側下層電極を表示）である。前記実施の形態１では、アルミニウム電極９がドット状である場合について説明したが、本発明に係る裏面パッシベーション構造の太陽電池セルでは、多結晶シリコンにおいて、開口部面積が小さくなると結晶粒界によりシリコンの反応が変わりコンタクト状態が安定しないので十分な特性が得られない可能性がある。
そこで、この発明の実施の形態２における太陽電池セル１では、パッシベーション膜７の開口形状と第１の裏面電極であるアルミニウム電極９の電極形状を多結晶の各粒界を通るようにストライプ形状としたストライプ電極１４により構成し、コンタクト面積を大きくとるようにする。
ここで、上記実施の形態１に示すようにドット形状とし、ドットが占める面積を大きくしても良いが、アルミニウム電極９が多結晶の各粒界を通るようにするためには、直径をかなり大きく取らねばならず、非効率的である。
この発明の実施の形態２で示すストライプ形状の開口部とストライプ電極１４を形成するためには、前記実施の形態１で示したＹＡＧレーザーの加工パターン及び印刷マスクのパターン形状を変更することで極めて容易に対応することができる。ここで、本発明の実施の形態２では、裏面電極をストライプ形状とした場合について説明したが、縦と横にラインが交差するクロス形状、または、効率面で少し劣るが円形状又は四角形状にしても良い。
次に、実施の形態２に示す太陽電池セル１の製造方法の具体的一例と得られた太陽電池セル１の性能を示す。
この実施の形態２に係る発明では、シリコン基板２として、１５０×１５０ｍｍ角、板厚０．１８ｍｍのｐ型多結晶シリコン基板を用いた。ここで、パッシベーション膜７を反射防止膜５と同じ膣化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法で２００ｎｍの厚さで成膜する工程までは上記実施の形態１と同様であるため説明を省略する。なお、この実施の形態では、ｎ型拡散層４を形成する工程で、表面をシート抵抗５０〜６０Ω／ｃｍ２になるようにｎ型拡散した。
次に成膜したパッシベーション膜７にＹＡＧレーザーを用い、幅６０μｍ、ピッチ１．５ｍｍでストライプ状にパッシベーション膜７を除去し、複数のストライプ状の開口部を形成する。
裏面電極形成は、まずアルミニウムペーストを用い、上記複数のストライプ状の開口部を覆うように幅６０μｍのストライプ電極１４を印刷法で形成する。約２００℃で乾燥後、アルミニウムと、アルミニウム１００重量部に対し、シリコンの組成比が１２重量部であるシリコン混合ペーストを用い、幅１００μｍでストライプ電極１４と重なるように１．５ｍｍピッチの格子状にＡｌ−Ｓｉ電極１２を印刷法で形成する。
次に、銀を含むペーストを用いて、表面電極６を電極幅２．０ｍｍの複数の太いバス電極と電極幅０．１ｍｍの複数の細いグリッド電極が交差するように印刷法でパターン形成する。その後、２００℃で乾燥し、赤外線加熱炉を用い８００℃で焼成する。最後に裏面反射膜１３を形成する。裏面反射膜１３はスパッタ法を用いて、Ａｇを厚さ８００ｎｍ程度に成膜した。このように形成された太陽電池セル１には、裏面の電極剥離は見られなかった。
上記方法で得られた実施の形態２に係る太陽電池セルについて、太陽光シミュレータを用いてセル特性を測定した。比較として裏面をパッシベーション膜７がなくアルミニウムを含むペーストで全面塗布焼成した従来型の太陽電池セルを用いた。その結果、全面アルミニウム電極の従来型の太陽電池セルが開放電圧Ｖｏｃ ６２０ｍＶ 短絡電流密度Ｊｓｃ ３２．５Ａ／ｃｍ２ 変換効率Ｅｆｆ １６．５％であるのに対し、実施の形態２に係る太陽電池セルはＶｏｃ ６２５ｍＶ、Ｊｓｃ ３４．５Ａ／ｃｍ２、変換効率Ｅｆｆ １７．０％と光‐電子変換効率が向上することを確認した。
実施の形態３
上記実施の形態１では、アルミニウム電極を形成した上に重ねてアルミニウム粒子とシリコン粒子とを含むＡｌ−Ｓｉペーストを印刷し、第２の裏面電極であるＡｌ−Ｓｉ電極を形成していたが、アルミニウムとシリコンとを溶融したＡｌ−Ｓｉ合金を用い、当該合金を粒状にした粉体からなるペースト、または、当該粉体を含むペーストを用いてもよい。
上記実施の形態１では、アルミニウム電極を形成した上に重ねてアルミニウム粒子とシリコン粒子とを含むＡｌ−Ｓｉペーストを印刷し、第２の裏面電極であるＡｌ−Ｓｉ電極を形成していたが、アルミニウムとシリコンとを溶融したＡｌ−Ｓｉ合金を用い、当該合金を粒状にした粉体からなるペースト、または、当該粉体を含むペーストを用いてもよい。
このＡｌ−Ｓｉ合金におけるアルミニウムとシリコンの組成比は、アルミニウム粒子とシリコン粒子とを用いた場合の混合比と同様アルミニウム１００重量部に対しシリコンを５〜２０重量部とする。
Ａｌ−Ｓｉ合金から成る粉体を用いた場合は、アルミニウム粒子とシリコン粒子との混合粉から成るペーストを用いた場合に比べ、シリコン基板に対する反応性が少し低いので、基板の反りを小さく抑えることができる。
１ 太陽電池セル、２ シリコン基板、３ 表面凹凸部、４ ｎ型拡散層、５ 反射防止膜、６ 表面電極、７ パッシベーション膜、８ 開口部、９ アルミニウム電極、１０ 合金層、１１ ＢＳＦ層、１２ Ａｌ−Ｓｉ電極、１３ 裏面反射膜、１４ ストライプ電極
Claims (6)
- 半導体基板と、該半導体基板の受光面側の主面上に形成された導電性を有する半導体層と、を有する太陽電池セルにおいて、前記半導体基板の裏面側の主面上にパッシベーション膜を形成し、該パッシベーション膜に少なくとも１つの開口部を設け、前記パッシベーション膜上で前記開口部が占める範囲の全ての部分と重複し、かつ、前記開口部を覆う第１の裏面電極と、前記パッシベーション膜上で前記第１の裏面電極が占める範囲の全ての部分と重複し、かつ、前記第１の裏面電極を覆う第２の裏面電極とを設けたことを特徴とする太陽電池セル。
- 前記半導体基板は受光面側の主面上に形成された表面凹凸部を備え、前記半導体層は前記表面凹凸部に沿って形成され、前記半導体層の受光面側に形成された反射防止膜を備える請求項１に記載の太陽電池セル。
- 前記第２の裏面電極は少なくともアルミニウムとシリコンを含む合金からなることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池セル。
- 前記第２の裏面電極に含まれるアルミニウムとシリコンの組成比は、アルミニウム１００重量部に対してシリコンが５〜２０重量部であることを特徴とする請求項３記載の太陽電池セル。
- 前記開口部及び前記第１の裏面電極がストライプ状であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか記載の太陽電池セル。
- 前記開口部に合わせて第１の裏面電極を印刷法により形成する工程と、前記第１の裏面電極を形成した上に重ねて第２の裏面電極を印刷法により形成する工程とを含むこと特徴とする請求項１記載の太陽電池セルの製造方法。
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