JP5258325B2 - 太陽電池モジュール - Google Patents

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本発明は、太陽電池モジュールに関する。
現在主流となっている結晶型シリコン太陽電池の発電効率を高効率化する構成として、太陽電池素子の受光面側に形成された電極の面積を減らして受光面積を大きくする構成が検討されている。図９は、スルーホール型太陽電池モジュールの構成を示す図である。
スルーホール型太陽電池モジュールとは、受光面側から裏面側への貫通電極を設けることで、太陽電池素子の受光面側に存在していた電極をなくす、もしくは電極による占有面積を減らすことによって太陽電池素子の受光面積を向上させ、高効率化を図るというものである。たとえば、第１導電型の結晶基板表面上に順次第１導電型の化合物半導体層、第２導電型の化合物半導体層を順次積層し、スルーホールを介して受光面側電極を裏面側に回すという構造が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。
また、スルーホールの裏面側周辺に逆導電型層を広げた構造を有する太陽電池素子も示されている（たとえば、特許文献２参照）。図９（ａ）は、その構造を示す断面図、図９（ｂ）は一主面（受光面）側から見た平面図、図９（ｃ）は他主面（裏面）側から見た平面図を示したものである。なお、図９（ａ）は、図９（ｂ）、（ｃ）における矢印Ｘ方向の断面を示したものである。
この太陽電池素子の製造方法としては、まず第１導電型（たとえばＰ型）を示す半導体基板１にドリルなどにより多数の貫通孔３を設けた後、貫通孔３の内壁を含む半導体基板１の両面に第２導電型（たとえばＮ型）の逆導電型層２（第１逆導電型層２ａ、第２逆導電型層２ｂ、第３逆導電型層２ｃ）を形成する。このとき裏面側には第３逆導電型層２ｃを形成しない領域が必要となる。その後、裏面側の第３逆導電型層２ｃ上および貫通孔３内に第１電極４（貫通孔内電極４ｂ、裏面側電極４ｃ）を形成し、第３逆導電型層２ｃを形成していない領域に第２電極５を形成し、受光面側電極４ａを貫通孔内電極４ｂと接続することで太陽電池素子が完成する。
また、太陽電池素子は、そのままでは屋外での過酷な環境下での使用に耐えることはできないことから、一般的に太陽電池素子の受光面側に設けるガラス等の透明で耐候性のある受光面側部材と、太陽電池素子の裏面側に設けるポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）や金属箔をポリフッ化ビニル樹脂（ＰＶＦ）で挟みこんだフィルム等の防湿性、電気絶縁性に優れた裏面側部材との間に、ポリビニルブチラール、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）等の封止性樹脂を介して太陽電池素子を挟持してラミネートし、太陽電池モジュールとして使用される。
特開昭６３−２１１７７３号公報 特表２００２−５００８２５号公報
太陽電池モジュールは、屋外で長期間使用されるために高度な耐湿性が要求されるが、１０年以上におよぶ屋外曝露では被覆材の光劣化、熱劣化によって、各部材間での剥離が顕在化する場合があり、部材間の剥離は剥離部分への水分の浸入によって、太陽電池素子あるいは素子に付随する金属部材からなる電極や接続タブの腐食や、封止性樹脂の黄変を招き、太陽電池特性の低下につながる。電極が酸化したり、ＥＶＡが水と反応して酸が発生し、電極の腐食、特に電極と半導体層との界面の腐食により集電効率が悪化する。
ガラス等の受光面側部材に比べ、樹脂等からなる裏面側部材から水分は浸入しやすいことから、特性に対して大きな影響を与える受光面側の電極の腐食や受光面側の封止性樹脂の黄変は一般的に起こりにくいと考えられるが、上記のようなスルーホール型太陽電池モジュールの場合、裏面側から浸入した水分が貫通孔３を通して受光面側電極や封止樹脂に対して影響を与えてしまう。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、簡易な構成でかつ長期間の屋外曝露、特に高温高湿環境下での太陽電池特性の劣化を最小限にする太陽電池モジュールを提供することである。
本発明は、受光面と裏面とを含み、前記受光面と前記裏面との間を貫通する貫通孔を有する半導体基板と、前記受光面上に形成された受光面電極と、前記半導体基板の前記貫通孔内に設けられた貫通電極を有し、前記貫通孔の断面積が前記半導体基板の前記裏面側の開口において最小である太陽電池素子と、前記太陽電池素子の受光面を封止する第１の樹脂と、前記太陽電池素子の裏面を封止する第２の樹脂と、を有する太陽電池モジュールであって、前記受光面電極はＰｂＯ−ＳｉＯ ２ −Ｂ ２ Ｏ ３ 系ガラスフリット、前記貫通孔電
極はＢｉ ２ Ｏ ３ −ＳｉＯ ２ −Ｂ ２ Ｏ ３ 系ガラスフリットによって形成されたものである。ここで裏面開口部における「断面積が最小である」とは、貫通孔の厚み方向における他のいずれの部位における断面積よりも、裏面開口部の断面積が小さい(同一を含まない)ことを意味する。
本発明の太陽電池モジュールは、半導体基板の裏面側の開口における面積が最小である貫通電極を有する太陽電池素子と、太陽電池素子の受光面側を封止する第1の樹脂と、太陽電池素子の裏面側を封止する第2の樹脂と、を有する。
これにより、太陽電池モジュール内部に裏面側から浸入してきた水分が貫通孔を通して受光面側に浸入することを低減できるので、受光面側での電極の腐食や受光面側の封止性樹脂の黄変の発生を低減でき、高温高湿環境下での太陽電池特性の劣化を低減できる。
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。
［太陽電池素子］
図１は、本発明の実施の一形態である太陽電池モジュールを構成する太陽電池素子１０の構成を示す断面図である。
第１の導電型を示す半導体基板１として、Ｐ型のシリコン基板を使用する場合を例にとり説明する。なお、Ｎ型のシリコン基板を用いても良いのは言うまでもなく、その場合には電極の極性を逆にすればよい。
Ｐ型シリコン基板１は、一主面（以下では「受光面」という）と他主面（以下では「裏面」という）との間を貫通する貫通孔３を有する。図１において、貫通孔３はシリコン基板１の厚み方向に貫通している。従来における貫通孔３は、受光面側と裏面側の開口が同じ円形状を有する円柱状であったり、受光面積を確保する観点から特許文献２に記載されているように、受光面側開口部の断面積が最小となるように形成される。
これに対し、本実施形態の太陽電池素子１０において、貫通孔３は、裏面開口部における断面積が最小となるように形成されている。これにより裏面側からの水分の浸入を低減できる。
半導体基板１の受光面および裏面には、リンなどを拡散させることによってＮ型の第１逆導電型層２a、第３逆導電型層２ｃが形成されている。また、貫通孔３の内壁には、リンなどを拡散させることによってＮ型の第２逆導電型層２ｂが形成されている。第１逆導電型層２a、第２逆導電型層２ｂ、第３逆導電型層２ｃをまとめて逆導電型層２と呼ぶ。
次に、第１電極４は、貫通孔３内を充填するように形成され、逆導電型層２と接続される電極であり、受光面側電極４ａ、貫通孔内電極４ｂおよび裏面側電極４ｃで構成される。第１電極４は、銀、銅などを主成分とした材料によって形成される。なお、「貫通電極」は、本実施形態においては、貫通孔内電極４ｂに相当する。
本実施の形態において、貫通孔３内に形成された第１電極４は、裏面における断面積が
最小になるように形成されることになる。
ここで、第１電極４は、受光面上に廻り込むように存在することが好ましく、これによってより多くの集電を行うことが可能となる。
なお、貫通孔３の空間容積、言い換えると第１電極４の体積は、従来の貫通電極の抵抗値と変わらないように形成するために、従来の貫通電極の体積と略同じ体積となるように形成される。
図２は、太陽電池素子１０を受光面側からみた平面図である。たとえば、図２（ａ）に示されるように、受光面側電極４ａを複数のライン状電極により構成することが好ましく、各ライン状電極は、貫通孔内電極４ｂの少なくとも１つと電気的に接続される。これにより、半導体基板１中で生成されたキャリア（電子、正孔）を効率よく集電することができ、貫通孔内電極４ｂを通して、裏面側電極４ｃから取り出すことができる。なお、取り出し電極は、本実施形態においては、裏面側電極４ｃがこれに相当する。
ここで、裏面側電極４ｃは貫通孔３を塞ぐような位置に形成されることが好ましく、これによって、より効果的に貫通孔３への水分の浸入を防ぐことができる。
また、図２（ｂ）に示すように、受光面側電極４ａは、少なくとも貫通孔内電極４ｂ上に形成されたポイント状（島状）電極であってもよく、このようにポイント状にすることによって、半導体基板１に吸収される受光量を多くすることができる。
また、半導体基板１の裏面上に形成される裏面側電極４ｃは、第３逆導電型層２ｃ上に設けられる。
図１において、高濃度ドープ層６は、半導体基板１の裏面であって、貫通孔３近傍以外の略全面に、ボロンやアルミニウムを高濃度に拡散してなるものであり、半導体基板１の裏面と、後述の第２電極５との間に位置するように形成される。ここで、高濃度とは、半導体基板１における第１導電型不純物の濃度よりも不純物濃度が大きいことを意味する。
この高濃度ドープ層６は、半導体基板１の裏面全領域の７０％以上９０％以下の面積を覆うように形成されることが好ましい。７０％以上とすることで、太陽電池素子の出力特性を効果的に向上させることができ、９０％以下とすることで、外部取出電極である裏面側電極４ｃの面積を確保して抵抗損失を低減することが可能となる。
第２電極５は、半導体基板１の裏面上に位置し、且つ、第１電極４と極性を異にするものである。この第２電極５は、アルミニウムや銀を主成分とする材料によって構成された集電電極５ｂと、該集電電極５ｂと接続され銀などを主成分とする出力取出電極５ａとで構成される。
なお、集電電極５ｂは、上述の高濃度ドープ層６上に形成することが好ましく、これによって半導体基板１中で生成されたキャリアを効率よく集電することができる。また、集電電極５ｂは、半導体基板１内で吸収されなかった光を再び半導体基板１内へ反射させて光電流を増加させる役割も有する。さらに、アルミニウムを主成分として用いることで、集電電極５ｂを形成する際に、高濃度ドープ層６を同時に形成することができる。
以下、本発明の実施形態に係る太陽電池モジュールについて図面を参照して説明する。
図３は、本発明の実施形態に係る太陽電池モジュール２０の構成を示す図であり、図３（ａ）は断面図、図３（ｂ）は、受光面側からみた平面図である。
本実施形態の太陽電池モジュール２０は、複数の太陽電池素子１０の受光面側を封止する第1の樹脂１４と裏面側を封止する第2の樹脂１５とを有する。図３において、第1の樹脂１４には受光面側部材１２が設けられており、第2の樹脂１５には裏面側部材１３が設けられている。
このような太陽電池モジュール２０は、ガラス等からなる受光面側部材１２の上に、透明のポリビニルブチラール、エチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）等からなる封止性樹脂１４と、配線部材１１によって接続された複数の太陽電池素子１０と、ＥＶＡ等からなる封止性樹脂１５と、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）や金属箔をポリフッ化ビニル樹脂（ＰＶＦ）で挟みこんだフィルム等の裏面側部材１３と、を順次積層して、ラミネータ装置の中で脱気・加熱して押圧することによって一体化させ、太陽電池モジュール２０を得る。
配線部材１１としては、通常、厚さ０．１〜０．２ｍｍ程度、幅２ｍｍ程度の直線形状の銅箔の全面を半田材料によって被覆したものを所定の長さに切断したものが好適に用いられる。これをホットエアーや半田鏝等を用いて太陽電池素子１０の電極上に半田付けして使用される。
図３に示されるように、本実施形態の太陽電池モジュール２０においては、配線部材１１は、複数の太陽電池素子１０の裏面に設けられた複数の電極と接続される。このため、配線部材１１を折り曲げて受光面側に配置する必要もなく、配線部材１１と電極との剥離を低減できる。
なお、上述の太陽電池モジュール２０の外周には、ブチルゴムなどからなる弾性絶縁部材を介してアルミニウムなどの枠体１８をはめ込むことができる。さらに、直列接続された複数の太陽電池素子１０のうち、最端部の太陽電池素子１０の各電極の一端は、出力取出配線１６によって出力取出部である端子ボックス１７に接続される。
以上のような構成を有する太陽電池モジュール２０は、半導体基板１を貫通し、裏面開口部における断面積が最小である貫通孔３を有する太陽電池素子１０を用いることにより、太陽電池モジュール２０の裏面側部材１３からモジュール内に浸入してきた水分が貫通孔３を通って受光面側に浸入しにくい。
これにより、受光面側に形成されている受光面側電極４ａの腐食を低減でき、受光面側電極４ａと第１逆導電型層２aとのオーミックコンタクト性を良好な状態に維持することができるので、高温高湿環境下での太陽電池特性の劣化を低減できる。
受光面側電極４ａは、半導体基板１と充分なコンタクトをとることにより、太陽電池素子１０に光が入射し、吸収・光電変換され生成された光生成キャリア（電子キャリアまたは正孔キャリア）を効率よく収集することができる。そのため、受光面側電極４ａは、第１逆導電型層２aとのオーミックコンタクト性を考慮した設計をする必要がある。
特に、第１逆導電型層２a上に反射防止膜７を形成した後、反射防止膜７に直接、導電性ペーストを塗布し焼成することにより受光面側電極４ａと第１逆導電型層２aとのコンタクトをとる場合には、受光面側電極４ａにファイヤースルーに寄与するガラスフリットを使用する必要がある。したがって、受光面側電極４ａには、耐湿性の高いガラスフリットを含有した導電性ペーストを使用することができない等の問題があり、必ずしもオーミックコンタクト性と耐湿性の両方を持ち合わせた電極を形成できるとは限らない。
これに対し、貫通孔内電極４ｂと裏面側電極４ｃとは、第２逆導電型層２ｂ、第３逆導電型層２ｃとのオーミックコンタクト性を考慮しなくてもよいため、耐湿性の高いガラスフリットを用いて電極形成を行うことが好ましい。
また、図４の断面図に示されるように、他の実施形態である太陽電池素子１１では、第３逆導電型層２ｃを無くし、半導体基板１の裏面に、絶縁材料層８を形成しても構わない。裏面側電極４ｃを、絶縁材料層８を介して半導体基板１上に形成することにより、半導体基板１と裏面側電極４ｃとが直接接触しないため、リークの発生を低減できる。しかも、絶縁材料層８として酸化膜や窒化膜を用いる場合には、パッシベーション効果によって半導体基板１の裏面の表面再結合速度を低減させて太陽電池素子の出力特性を向上させることが可能になる。
さらに、これらの絶縁材料層８に水素を含有させればパッシベーション効果をより向上させることが可能になる。水素含有の絶縁材料層８としては、たとえば、他の導電型を示す水素化アモルファスシリコン膜を用いても構わない。また、半導体基板と他の導電型を示す水素化アモルファスシリコン膜との間にノンドープ型（i型）の水素化アモルファスシリコン膜を設けても構わない。
なお、半導体基板１の受光面は、幅と高さが２μｍ以下であり、アスペクト比が０．１〜２の微細な突起が多数形成されたテクスチャ構造とすることが好ましい。こうすることによって、受光面における反射率が低減し、太陽光が半導体基板１内へ多く吸収されるため、太陽電池素子１０の特性を向上させることができる。
また、受光面のシート抵抗が６０〜３００Ω／□（ｓｑ．）であることが好ましく、この範囲とすることで受光面での表面再結合の増大及び表面抵抗の増大を抑えることができる。特に、上記のようにテクスチャ構造の微細突起と組み合わせることによって、太陽電池モジュールを形成したときの短絡電流を大幅に増大させることができる。なお、受光面のシート抵抗の値は、四探針法により測定することができ、半導体素子の表面に一直線上に並んだ４本の金属針を加圧しながら接触させ、外側の２本の針に電流を流したときに、内側の２本の針の間に発生した電圧を測定し、この電圧と流した電流からオームの法則によって抵抗値が求められる。
［太陽電池素子の製造方法］
太陽電池素子１０の製造方法について、図５の工程図を用いて説明する。
＜半導体基板の準備工程＞
まず、第１導電型を示す半導体基板１として、Ｐ型のシリコン基板を準備する（図５（ａ））。
シリコン基板は、単結晶シリコン基板であれば、ＦＺやＣＺ法などの製法で作製された単結晶シリコンインゴットから切り出すことで得られる。
また、多結晶シリコン基板であれば、キャスト法や鋳型内凝固法などの製法で作製された多結晶シリコンインゴットから切り出すことで得られる。また、リボン法等の引き上げ法で得られた板状シリコンを用いる場合は、この板状シリコンを所定の大きさにカットし、必要に応じて表面研磨処理等を施すことで所望のシリコン基板を得ることができる。
シリコン基板の導電型の制御は、上記各シリコンインゴットの製造工程において、ドーパント元素そのもの、またはドーパント元素がシリコン中に適量含まれたドーパント材を、適量、シリコン融液中に溶かすことで実現できる。
以下では、Ｂ（ボロン）あるいはＧａ（ガリウム）が、１×１０１５〜１×１０１７ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ３程度の濃度でドープされたＰ型結晶シリコン基板を用いた場合について説明する。ここで、Ｇａを用いれば、基板中のＯ（酸素）とＢとが関係して生じる光劣化現象を回避できるので高効率化に好適である。また、シリコン基板の厚みは、３００μｍ以下にすることが好ましく、より好ましくは２５０μｍ以下、さらに好ましくは１５０μｍ以下にすればよい。また、Ｐ（リン）等をドープしたＮ型結晶シリコン基板を用いることもできる。
なお、基板の切り出し（スライス）に伴う基板表層部の機械的ダメージ層や汚染層を除去するために、切り出した基板の受光面側および裏面側の表層部分をＮａＯＨやＫＯＨ、あるいはフッ酸と硝酸の混合液などでそれぞれ１０〜２０μｍ程度エッチングし、その後、純水などで洗浄する。
＜貫通孔の形成工程＞
次に、半導体基板１を厚み方向に貫通する貫通孔３を形成する（図５（ｂ））。
貫通孔３は、機械的ドリル、ウォータージェットまたはレーザー装置等を用いて、半導体基板１の受光面側から裏面側に向けて形成することにより、裏面開口部における断面積を最小とすることが可能となる。なお、貫通孔３は、受光面全体にわたって一定のピッチで複数形成されることが好ましい。また、貫通孔３の円形状開口部の直径は、５０μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。具体的には、受光面開口部における断面積Ｓ１に対する裏面開口部における断面積Ｓ２の割合（Ｓ２／Ｓ１）が、０．５≦（Ｓ２／Ｓ１）≦０．９となるように形成することが好ましく、より好ましくは、０．６≦（Ｓ２／Ｓ１）≦０．８である。
（Ｓ２／Ｓ１）を０．５よりも小さくすると裏面側での第１電極４の抵抗値が大きくなり、０．９よりも大きくすると、水分の浸入を十分に防ぐことができない。
また、貫通孔３にダメージ層がある場合には、エッチングすることが好ましく、たとえば、フッ酸と硝酸を２：７で混合した溶液にてミラーエッチングを行ってもよい。
＜受光面のテクスチャ構造形成工程＞
次に、半導体基板１の受光面側に、光反射率の低減を効果的に行うための微細な突起（凸部）をもつテクスチャ構造１ａを形成する（図５（ｃ））。
テクスチャ構造１ａの形成方法としては、ＮａＯＨやＫＯＨなどによるアルカリ液によるウェットエッチング法や、Ｓｉをエッチングする性質を有するエッチングガスを用いるドライエッチング法を用いることができる。
前者は、先に述べた基板表層部のダメージ層を除去するプロセスに連続して行うこともできるので、特に裏面側をエッチング防止材でマスクしない限り、裏面側にもテクスチャ構造が形成されるため好ましい。
後者は、基本的に、処理した面（受光面側）にだけ微細なテクスチャ構造１ａが形成される。ドライエッチング法には様々な手法があるが、特にＲＩＥ法（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ法）を用いると、広い波長域に渡って極めて低い光反射率に抑えられる微細なテクスチャ構造１ａを、広範囲に渡って短時間で形成することができるので、高効率化に極めて有効である。また、ＲＩＥ法を用いると、結晶の面方位に大きく影響されないでテクスチャ構造１ａを形成できる特徴があるので、結晶シリコン基板として多結晶シリコン基板を用いた場合でも、多結晶シリコン基板内の各結晶粒の面方位に依存しないで、基板全域に渡って低反射率を有する微細テクスチャ構造を一様に形成することができる。
また、貫通孔３の受光面開口部における断面積が比較的大きいことから、貫通孔３内部、特に受光面側に微細なテクスチャ構造が形成され易くなるため、アンカー効果によってその部分に設けられた電極の強度を向上させることができる。
＜逆導電型層の形成工程＞
次に、受光面上に第１逆導電型層２ａを形成し、貫通孔３の内壁に逆導電型を成す第２逆導電型層２ｂを形成し、裏面上に第３逆導電型層２ｃを形成する（図５（ｄ））。
逆導電型２を形成するための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６０〜３００Ω／□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。
逆導電型層２は、ペースト状態にしたＰ２Ｏ５を半導体基板１の表面に塗布して熱拡散させる塗布熱拡散法、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、および、Ｐ＋イオンを直接拡散させるイオン打ち込み法などによって形成されるが、気相拡散法を用いれば半導体基板１の両面および貫通孔内壁に、同時に逆導電型層２を形成することができるため好ましい。
第１逆導電型層２ａは、表面から０．２〜０．５μｍ程度の深さに形成されることが好ましい。なお、第２逆導電型層２ｂは、貫通孔３内部に形成されるため、第１逆導電型層２ａに比べて、ドーパント濃度が低く、厚みが薄くなりやすい。
また、処理対象領域以外にも拡散領域が形成されるような条件下では、その部分に予め絶縁材料層を形成することにより、部分的に拡散を低減でき、また、絶縁材料層を形成しない場合には、処理対象領域以外に形成された部分を後からエッチングして除去してもよい。
なお、後述するように、裏面の高濃度ドープ層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逆導電型層の影響は無視することができ、この高濃度ドープ層６形成位置に存在する逆導電型層は特に除去する必要がない。
逆導電型層２の形成方法は、上記の方法に限定されるものではなく、たとえば薄膜技術を用いて、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。ここで水素化アモルファスシリコン膜を用いて逆導電型層２を形成する場合は、その厚さは５０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下とし、結晶質シリコン膜を用いて形成する場合は、その厚さを５００ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以下とする。さらに、半導体基板１と逆導電型層２との間に、ｉ型シリコン領域を厚さ２０ｎｍ以下で形成してもよい。
＜反射防止膜の形成工程＞
次に、第１逆導電型層２ａの上に、反射防止膜７を形成する（図５（ｅ））。
反射防止膜７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膜やＺｎＯ膜などを用いることができる。その屈折率および厚みは、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ればよく、たとえば半導体基板１がシリコン基板である場合、屈折率は１．８〜２．３程度、厚みは５００〜１２００Å程度にすればよい。
反射防止膜７の形成方法としては、ＰＥＣＶＤ法（プラズマ化学気相成長法）、蒸着法やスパッタ法などを用いることができる。
なお、反射防止膜７は、受光面側電極４ａ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いてもよい。パターニング法としては、レジストなどの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７形成時にマスクを予め形成しておき、反射防止膜７形成後にマスクを除去する方法、を用いることができる。
なお、反射防止膜７の上に受光面側電極４ａ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受光面側電極４ａと第１逆導電型層２ａと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、上記パターニングの必要はない。
また、受光面側電極４ａを形成した後に反射防止膜７を形成してもよく、こうすることによって、パターニングする必要がなく、またファイヤースルー法を用いる必要もないため、受光面側電極４ａの形成条件を広くすることができ、たとえば、８００℃程度の高温焼成をする必要もない。
＜裏面への高濃度ドープ層形成工程＞
次に、半導体基板１の裏面には、第１導電型半導体の不純物が高濃度に拡散された高濃度ドープ層６を形成する（図５（ｆ））。
この高濃度ドープ層６は、半導体基板１よりも第１導電型不純物のドーピング割合が多い層を意味し、半導体基板１の裏面近くでのキャリア再結合による効率低下を低減するために内部電界を形成するものである。
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１×１０１８〜５×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度の高濃度として、Ｐ＋型とすることにより、後述する集電電極５ｂとの間にオーミックコンタクトを得ることができる。
高濃度ドープ層６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℃程度で形成することができる。なお、当該工程を行うに際して、既に形成されている逆導電型層２に酸化膜などの拡散バリアを形成しておくことが望ましい。
また、不純物元素としてアルミニウムを用いる場合は、アルミニウム粉末と有機ビヒクル等からなるアルミニウムペーストを印刷法で塗布した後、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に向けて拡散する方法を用いることができる。この方法の場合、ペーストの印刷面だけに所望の拡散領域を形成することができ、かつ、焼成されたアルミニウムは、除去せずにそのまま集電電極５ｂとして利用することができる。
また、上記の各方法に限定されず、たとえば薄膜技術を用いて水素化アモルファスシリコン膜や微結晶Ｓｉ相を含む結晶質シリコン膜などを形成しても良い。特にｐｎ接合部を、薄膜技術を用いて形成した場合は、高濃度ドープ層６の形成も薄膜技術を用いて行う。このとき膜厚は１０〜２００ｎｍ程度とする。さらに、半導体基板１と高濃度ドープ層６との間にｉ型シリコン領域を厚さ２０ｎｍ以下で形成すると特性向上に有効である。
＜第１電極および第２電極の形成方法＞
次に、半導体基板１に、受光面側電極４ａと貫通孔内電極４ｂを形成する（図５（ｇ））。
これらの電極は、半導体基板１の受光面に塗布法を用いて導電性ペーストを塗布すればよく、たとえば銀、銅、金、白金等からなる導電性ペーストが一般的に用いられるが、生産面、特性面の両方から銀ペーストを用いることが好ましい。
そして、本実施の形態の太陽電池素子１０の製造方法においては、金属粉末と、有機ビヒクルと、ガラスフリットとを含有する導電性ペーストを図２に示したような所定の電極形状となるよう受光面に塗布し、また、貫通孔３内にも導電性ペーストを充填する。
貫通孔３は、受光面開口部における断面積よりも裏面開口部における断面積が小さくなるように形成されているので、たとえば、受光面側から導電性ペーストを印刷、充填することが可能で、こうすることにより、受光面側が印刷ステージと接触する回数を減らすことができるため、印刷ステージとの接触によるテクスチャ構造へのダメージを軽減することができる。
受光面に塗布する導電性ペーストと貫通孔内に充填する導電性ペーストとは同じであっても異なっても構わないが、受光面に塗布する導電性ペーストは、第１逆導電型層２ａとのコンタクト性を重視したペーストを用い、貫通孔内に充填する導電性ペーストは耐湿性を重視したペーストを用いた方が好ましい。塗布する順番は、受光面側が先であっても後であっても構わない。そして、最高温度５００〜８５０℃で数十秒〜数十分程度焼成することにより受光面側電極４ａと貫通孔内電極４ｂとが形成される。
なお、塗布後、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。また、受光面および貫通孔内にペーストを塗布した後、生産性の観点から受光面上のペーストと貫通孔内のペーストとを同時に焼成することが好ましいが、それぞれを最適な焼成条件で別々に焼成を行っても構わない。
特に、反射防止膜７を形成した後、反射防止膜７に直接、導電性ペーストを塗布し、貫通孔３内に導電性ペーストを充填した後に焼成を行うことが好ましい。上記方法によって、ファイヤースルーおよび受光面側電極４ａと貫通孔内電極４ｂとが同時焼成されるため、生産性を向上することができる。
受光面側電極４ａに用いる導電性ペーストとしては、主成分を銀粉末とし、たとえば、銀１００重量部に対して有機ビヒクルを１０〜３０重量部、ガラスフリットを０．１〜１０重量部添加したものからなり、貫通孔内電極４ｂに用いる導電性ペーストとしては、銀１００重量部に対して有機ビヒクルを１０〜３０重量部添加したものからなる。
また、金属粉末は球状、フレーク状、不定形状等の粉末を用いることができ、貫通孔内電極４ｂに用いる導電性ペーストにおいては、特に球状の粉末を用いることで焼成した際の電極の収縮を抑えることができるので好ましい。
また、有機ビヒクルとしては、メチルセルロース、エチルセルロース、ニトロセルロースなどのセルロース系樹脂およびメチルメタクレートなどのアクリル樹脂およびブチラール樹脂等から選択される少なくとも１種類の樹脂をブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、ブチルセロソルブ、ブチルセロソルブアセテート、ターピネオール、水素添加ターピネオール、水素添加ターピネオールアセテート、メチルエチルケトン、イソボニルアセテート、ノピルアセテート等の有機溶剤に溶解させたものを用いることができる。
ガラスフリットとしては、ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系やＢｉ２Ｏ３−ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、また鉛レスのＺｎＯ−ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系等を用いることができる。
第１逆導電型層２ａとのコンタクト性を重視した受光面側電極４ａの形成に用いられる
ペーストには、ガラスフリットとして、ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系ガラスフリットを含有することが好ましい。また、耐湿性を重視した貫通孔内電極４ｂに用いられるペーストには、ガラスフリットとして、鉛レスのＢｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系ガラスフリットを含有することが好ましい。
塗布および充填方法は、スクリーン印刷法、ロールコーター方式及びディスペンサー方式など種々の手法を用いることができる。
なお、貫通孔内電極４ｂは、ペーストを用いた印刷、充填法によって形成することが好ましいが、受光面側電極４ａは、これに限らず、貫通孔内電極４ｂの充填後に、たとえばＣＶＤ法、蒸着法などによって、形成してもよい。
次に、半導体基板１の裏面上に、第２電極５の集電電極５ｂを形成する（図５（ｈ））。
上述と同様の塗布法を用いて、半導体基板１の裏面に導電性ペーストを塗布すればよく、たとえばアルミニウムまたは銀等からなる金属粉末、有機ビヒクルおよびガラスフリットを、金属粉末１００重量部に対してそれぞれ１０〜３０重量部、０．１〜１０重量部を添加してペースト状にしてなる導電性ペーストを用いる。
図６は、半導体素子１０を裏面側からみた平面図である。図に示すような所定のストライプ状の電極形状に塗布し、最高温度５００〜８５０℃で数十秒〜数十分程度焼成することにより集電電極５ｂを形成する。なお、前述したように、アルミニウムペーストを用いる場合は、高濃度ドープ層６と集電電極５ｂとを同時に形成することができ、特に半導体基板１の裏面全領域の７０％以上９０％以下の面積を覆うように形成されることが好ましい。
次に、半導体基板１の裏面に、第１電極４の裏面側電極４ｃと第２電極５の出力取出電極５ａとを形成する（図５（ｉ））。
上述と同様の塗布法を用いて、半導体基板１の裏面に導電性ペーストを塗布すれば良く、たとえば、図６に示すような所定のストライプ状の電極形状に塗布し、最高温度５００〜８５０℃で数十秒〜数十分程度焼成することにより裏面側電極４ｃと出力取出電極５ａとを形成する。
なお、裏面側電極４ｃと出力取出電極５ａとを別々に形成したり、別の導電性ペーストを用いて形成しても構わない。さらに、受光面側電極４ａと同様の導電性ペーストであってもよいし、銀の粒径、形状、有機ビヒクルの成分、ガラスフリットの成分、銀または有機ビヒクルまたはガラスフリットの含有量のいずれかが異なる導電性ペーストを用いても構わない。
なお、集電電極５ｂを形成する場合には、出力取出電極５ａの一部が集電電極５ｂの一部と重なるように構成されることが好ましい。
以上のようにして、本実施の形態の太陽電池素子１０が完成する。
［太陽電池モジュールの製造方法］
次に、上述したような太陽電池素子１０を用いた太陽電池モジュール２０を形成する製造工程について説明する。
ガラス等からなる受光面側部材１２の上に、透明のポリビニルブチラール、エチレンビ
ニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）などからなる封止性樹脂１４と、配線部材１１によって隣接太陽電池素子の第１電極４と第２電極５とが交互に接続された複数の太陽電池素子１０と、ＥＶＡなどからなる封止性樹脂１５と、たとえばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）や金属箔をポリフッ化ビニル樹脂（ＰＶＦ）で挟みこんだフィルム等の裏面側部材１３とを順次積層して、ラミネータの中で脱気、加熱して押圧することによって一体化させる。
なお、これらの太陽電池素子１０同士を接続する配線部材１１としては、通常、厚さ０．１〜０．２ｍｍ程度、幅２ｍｍ程度の銅箔の全面を半田材料によって被覆したものを、所定の長さに切断し、太陽電池素子１０の電極上に半田付けして用いる。また、環境問題を考慮して半田材料は無鉛半田を用いることが望ましい。また、導電性接着剤を用いて電極と配線部材１１とを接続してもよい。
本発明の太陽電池モジュール２０に使用される太陽電池素子１０は、裏面側に第１電極４と第２電極５とを設けているため、製造工程中では、太陽電池素子１０の受光面側を下方に向けて載置し、上方から配線部材１１を接触させて、ホットエアーや半田鏝を用いて電極と接続すればよく、配線部材１１を接続するために、太陽電池素子１０の表裏を反転させる等の作業を必要としないため、生産性を向上することができる。
次に、直列接続された複数の素子の最初の素子と最後の素子の電極の一端を、出力取出部である端子ボックス１７に、出力取出配線１６を介して接続する。また図３（ｂ）に示したように、必要に応じてアルミニウムなどの枠１８をブチルゴムなどからなる弾性絶縁部材を介して半導体素子１０の周囲に嵌め込む。以上によって、太陽電池モジュール２０を完成させる。
なお、必要に応じて、半田ディップ処理によって裏面側に形成された第１電極４、第２電極５に半田領域を形成してもよい。
また、上記説明においては、第３逆導電型層２ｃを形成しているが、これに限らず、図４に示したように、裏面側に絶縁材料層８を形成しても構わない。
具体的には、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）、チタン酸化膜（ＴｉＯ２）やシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）などを、スパッタ法、蒸着法或いはＣＶＤ法などを用いて、厚さ１０ｎｍ〜５０μｍ程度で絶縁材料層８を形成する。また、酸素雰囲気または大気雰囲気の熱酸化炉内で半導体基板１に熱処理を施したり、酸化膜材料をスピンコート法、スプレー法やスクリーン印刷法等の塗布法を用いて塗布・焼成することによって、絶縁材料層８を形成しても構わない。なお、絶縁材料層８は単層膜であってもよいし、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の二層構造等からなる複数層であってもよい。
また、プラズマＣＶＤ法を用いて形成したシリコン窒化膜は、水素（Ｈ２）を含んでおり、成膜中および成膜後の加熱により、半導体基板１内に水素（Ｈ２）を拡散させる。こうすることで、半導体基板１中に存在するダングリングボンド（未結合手）に水素（Ｈ２）を結合させ、キャリアがダングリングボンドに捕まる確率を低減することができるので、パッシベーション効果を付与することができる。よって、裏面の略全面にシリコン窒化膜を形成することにより、高効率な太陽電池素子１０を形成することが可能となる。
また、裏面の略全面に絶縁材料層８を形成することで、逆導電型層（拡散層）の形成に際して、半導体基板１の裏面側に逆導電型層が形成されるのを低減できる。特に、ＣＶＤ法や塗布法等を用いれば、絶縁材料層８のみを半導体基板１の裏面側表面のみに形成することができるため好ましい。
また、絶縁材料層８の上に第１電極４（裏面側電極４ｃ）を形成したとき、焼成温度としては５００〜７００℃程度の低温で焼成することにより、絶縁材料層８の厚みが薄い場合においてファイヤースルーによる第１電極４の成分が絶縁材料層を突き抜け、第１電極４が半導体基板１と接触しリークするといった問題を低減できる。
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。
たとえば、第１電極４（受光面側電極４ａ、貫通孔内電極４ｂおよび裏面側電極４ｃ）、第２電極５（出力取出電極５ａおよび集電電極５ｂ）の各種電極における塗布・焼成は、上述の実施形態で述べた順序で形成する必要はなく、これに代えて、たとえば、各電極となる導電性ペーストをそれぞれ塗布した後に一括焼成を行ってすべての電極を形成したり、あるいは、集電電極５ｂ、出力取出電極５ａ、裏面側電極４ｃおよび貫通孔内電極４ｂを塗布・焼成して形成した後に、受光面側電極４ａを塗布・焼成して形成してもよく、適宜、組み合わせて電極を形成すればよい。
また、裏面側電極４ｃの電極形状は、図６に示したようなストライプ状（帯状）に限定されるものではなく、これに代えて、たとえば、他の実施形態である太陽電池素子１２では、図７（ａ）に示されるように、裏面側電極４ｃが、貫通孔内電極４ｂ上に形成されるポイント状（島状）に形成されてもよい。この場合には、図７（ｂ）に示されるように、ポイント状の各裏面側電極４ｃ間には絶縁材料層８が形成されることが好ましく、パッシベーション効果を得て太陽電池素子の出力特性を向上させることができる。また、ポイント状の各裏面側電極４ｃ間に高濃度ドープ層６を形成しても構わない。
さらに、絶縁材料層８を形成した後に水素添加処理を行っても構わない。水素添加処理により、シリコン基板の粒界に水素を拡散させて、基板の粒界においてパッシベーションを発揮させることができる。水素添加処理としては、水素雰囲気内においてプラズマ処理すればよい。また、水素雰囲気中にヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスを混合してもよい。水素プラズマを発生させるための電源の周波数は、ラジオ周波数（ＲＦ）やマイクロ波を使用すればよい。
また、他の実施形態として太陽電池素子１３は、図８に示されるように、高濃度ドープ層６を第３逆導電型層２ｃの近傍まで設けた後に、ガラスペーストを高濃度ドープ層６と第３逆導電型層２ｃとの境界部分に塗布・焼成してｐｎ分離を行ってもよい。また、そのままガラスから成る絶縁材料層８を残して、その上に第１電極４を形成してもよい。
本発明の実施の一形態である太陽電池モジュールを構成する太陽電池素子１０の構成を示す断面図である。 太陽電池素子１０を受光面側からみた平面図である。 本発明の実施の一形態である太陽電池モジュール２０の構成を示す図である。 太陽電池素子１１の他の構成を示す断面図である。 太陽電池素子１０の製造方法を示す工程図である。 半導体素子１０を裏面側からみた平面図である。 裏面側電極４ｃの電極形状を示す図である。 本発明の太陽電池素子１３の構成を示す部分断面図である。 従来のスルーホール型太陽電池素子の構成を示す図である。
１ 半導体基板
１ａ テクスチャ構造
２ 逆導電型層（拡散層）
２ａ 第１逆導電型層
２ｂ 第２逆導電型層
２ｃ 第３逆導電型層
３ 貫通孔
４ 第１電極
４ａ 受光面側電極
４ｂ 貫通孔内電極
４ｃ 裏面側電極
５ 第２電極
５ａ 出力取出電極
５ｂ 集電電極
６ 高濃度ドープ層
７ 反射防止膜
８ 絶縁材料層
１０，１１，１２，１３ 太陽電池素子
２０ 太陽電池モジュール

Claims (4)

  1. 受光面と裏面とを含み、前記受光面と前記裏面との間を貫通する貫通孔を有する半導体基板と、前記受光面上に形成された受光面電極と、前記半導体基板の前記貫通孔内に設けられた貫通電極を有し、前記貫通孔の断面積が前記半導体基板の前記裏面側の開口において最小である太陽電池素子と、前記太陽電池素子の受光面を封止する第１の樹脂と、前記太陽電池素子の裏面を封止する第２の樹脂と、を有する太陽電池モジュールであって、
    前記受光面電極はＰｂＯ−ＳｉＯ ２ −Ｂ ２ Ｏ ３ 系ガラスフリット、前記貫通孔電極はＢｉ ２ Ｏ ３ −ＳｉＯ ２ −Ｂ ２ Ｏ ３ 系ガラスフリットによって形成された太陽電池モジュール。
  2. 前記貫通孔の受光面開口部における断面積Ｓ１に対する、裏面開口部における断面積Ｓ２の割合（Ｓ２／Ｓ１）は、０．５≦（Ｓ２／Ｓ１）≦０．９であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
  3. 前記太陽電池素子の前記裏面側に、前記貫通電極に電気的に接続され、前記太陽電池素子によって発生した電力を取り出す取り出し電極を有することを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
  4. 前記貫通電極と電気的に接続されており、前記太陽電池素子の前記裏面側に形成された裏面電極を有し、前記取り出し電極が、前記裏面電極と部分的に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の太陽電池モジュール。
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