JP5285571B2 - 太陽電池および太陽電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池および太陽電池の製造方法に関する。

太陽光エネルギを直接電気エネルギに変換する太陽電池は、近年、特に地球環境問題の観点から、次世代のエネルギ源としての期待が急激に高まっている。太陽電池としては化合物半導体または有機材料を用いたものなど様々な種類があるが、現在、主流となっているのはシリコン結晶を用いたものである。

図５〜図７は、従来の太陽電池を表す図である。図５は断面図であり、図６は受光面側、図７は受光面の反対側である裏面側から見た図である。図５は、図６、図７で示したｂ−ｂ′の断面である。

ｐ型シリコン基板１０２の受光面側にはｎ^＋層であるｎ型拡散層１０３を形成することによりｐｎ接合が形成され、ｐ型シリコン基板１０２の受光面には窒化シリコン膜等の反射防止膜１０４および受光面銀電極１１０がそれぞれ形成されている。

受光面銀電極１１０は図６に示すようにバスバー電極１０５とフィンガ電極１０９とからなり、図５に現れているのは、バスバー電極１０５である。

また、ｐ型シリコン基板１０２の受光面とは反対側の面である裏面側にはｐ^＋層であるＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）層１０６が形成されている。そして、ｐ型シリコン基板１０２の裏面にはアルミニウム電極１０７および裏面銀電極１０８がそれぞれ形成されている。なお、アルミニウム電極１０７は太陽電池の裏面の周囲の内側に形成される。また、太陽電池の変換効率を高めるためにｐ型シリコン基板１０２の受光面側に凹凸を形成する（図示せず）場合もある。なお、本明細書において、シリコン基板に対して、一方を受光面、その反対側を裏面と表現する。

ｐ型シリコン基板１０２の裏面にアルミニウム電極１０７、裏面銀電極１０８を形成する方法としてはアルミニウムペースト、銀ペースト等の導電性ペーストを用いたスクリーン印刷法が知られている。

ここで、スクリーン印刷法について図８を用いて説明する。所定のパターンが形成されたスクリーン２０１を用い、塗布したいペースト状の材料２０２をスキージ２０３で、フラットなステージ２０４上に保持された基板２０５に、所定のパターンを塗布する方法である。

ｐ型シリコン基板１０２の裏面にアルミニウムペーストを用いてアルミニウム電極１０７を形成する際、熱処理によりアルミニウムが溶融してシリコンと合金化し形成されたアルミニウム−シリコン合金層の下に、ｐ^＋層であるＢＳＦ層１０６も形成される。

受光面銀電極１１０は裏面銀電極１０８と同様に形成される。この際、反射防止膜１０４が先にｐ型シリコン基板１０２上に形成されている場合には、受光面銀電極１１０が形成される部分の反射防止膜１０４をあらかじめ除去する必要がある。だが、熱処理により反射防止膜１０４を突きぬけるファイヤースルー型の銀ペースト用いた場合には、その必要はない。なお、反射防止膜１０４の形成は受光面銀電極１１０の形成後に行う場合もある。

一方、アルミニウムペーストによってアルミニウム電極１０７を裏面に形成する際、シリコンとアルミニウムとの熱膨張係数の差に起因して、ｐ型シリコン基板１０２が凹状に変形し反りが発生する。このため、太陽電池の製造工程で割れ等が発生し、その結果、太陽電池の製造歩留まりが低下するという問題があった。

そこで、特許文献１にはペースト組成物に無機化合物粉末を含ませたアルミニウムペーストを塗布することで、焼成した後のｐ型シリコン半導体基板の変形を抑制することができる内容が提案されている。

また、太陽電池は、製造後の特性評価を経て太陽電池どうしを互いにインターコネクタで電気接続するモジュール工程に進む。この際、モジュール工程でインターコネクタによる電気接続がスムーズに行えるように、太陽電池は受光面にある銀電極パターン、または裏面にある銀電極パターンが揃うようにしてスタック状に重ね合わせる。

モジュール工程では、太陽電池に形成された数ｍｍ幅の受光面のバスバー電極１０５、裏面銀電極１０８に、各々の幅以下のインターコネクタを電気接続する。図６、図７に示すように、バスバー電極１０５、裏面銀電極１０８の各々にインターコネクタを合わせる際、基準として、シリコン基板の１つの特定の端面１１１を用いる。

受光面では、図６に示すように端面１１１から一定の距離Ｑ１、Ｒ１にバスバー電極１０５の中心がくるように、また、裏面では、図７に示すように端面１１１から一定の距離Ｑ２、Ｒ２に裏面銀電極１０８の中心がくるように形成されるので、電気接続するインターコネクタのずれを抑えることができる。ここで、Ｑ１＝Ｑ２、Ｒ１＝Ｒ２である。

また、この端面１１１は、図７に示すようにアルミニウム電極１０７形成時のスクリーン印刷の基準にもなり、端面１１１から距離Ｓだけ内側に入った領域にアルミニウム電極１０７を形成する。

前述のように、モジュール工程では、太陽電池の電極パターンを揃える必要があるが、太陽電池の電極パターンが左右対称である等により、シリコン基板の基準となる端面１１１が特定しにくい場合がある。そのときは、端面１１１を特定するため、太陽電池の受光面等にマーキングが行われることがある。また、マーキングは、製造工程の効率化のために銀電極の一部をマーキング用にパターン化して行うことがある。なお、太陽電池の電極パターンが左右対称であっても端面１１１を特定する必要があるのは、シリコン基板の幅、長さにはスペックがあり、そのスペック内でバラツキがあるので、バスバー電極１０５、裏面銀電極１０８が、端面１１１と向かい合う端面からも同じ距離に形成されているとは限らないからである。

特開２００３−２２３８１３（平成１５年８月８日公開）

アルミニウムペーストを用いて太陽電池裏面のアルミニウム電極１０７を形成する際、シリコン基板の裏面面内に同じ厚みを塗布した場合であっても、スライス時のシリコン基板面内の厚みバラツキ、熱処理時のシリコン基板の処理位置、熱処理後の冷却工程での面内の温度分布等により、シリコン基板の変形による反りはランダムな方向に発生する。

その結果、太陽電池をスタック状に重ね合わせる際に、太陽電池の受光面にある銀電極のパターンに対し１枚毎の太陽電池がランダムな方向の反りによって嵩張りが生じたり、場合によっては太陽電池の割れが発生することもあった。

また、モジュール工程で太陽電池の向きを揃えるために、マーキングを受光面に行うと太陽電池の受光面積が減少し、そのマーキングを銀電極で行う場合は銀ペーストの使用量が増加する等の面で好ましくない。

一方、太陽光発電システムが急速に普及するにつれ太陽電池の製造コストの低減は必要不可欠となっている。太陽電池の製造コストの低減において、シリコン基板の薄型化は非常に有効な手段である。このことから、厚さ２００μｍ以下のシリコン基板を使用するようになってきている。特許文献１に示すアルミニウムペーストを用いた場合、従来用いられていた厚さ３００μｍのシリコン基板を用いた太陽電池においては基板の反りを抑えることができたものの、厚さ２００μｍのシリコン基板を用いた場合には、反りを十分に抑制することができなかった。このように、シリコン基板を薄型化すれば、前述のようなシリコンとアルミニウムとの熱膨張係数の差に起因して、アルミニウム電極側の裏面が凹状になる傾向がさらに増し、シリコン基板が変形し反りが発生する。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、太陽電池の反りを決まった方向にコントロールすることにある。

本発明は、ｐｎ接合を有する半導体基板と、半導体基板の裏面に形成されたアルミニウム電極とを備えた太陽電池において、アルミニウム電極のコーナ部の厚みを、他のコーナ部の厚みと異ならせた太陽電池である。

ここで、本発明の太陽電池において、アルミニウム電極のコーナ部の３箇所の厚みが、他のコーナ部の厚みより薄いことが好ましい。

また、本発明の太陽電池において、アルミニウム電極の同辺にある２箇所のコーナ部の厚みが、他のコーナ部の厚みより薄いことが好ましい。

また、本発明の太陽電池において、アルミニウム電極の１箇所のコーナ部の厚みが、他のコーナ部の厚みより薄いことが好ましい。

本発明は、ｐｎ接合を有する半導体基板の裏面に、スクリーン印刷法によりアルミニウムペーストを塗布する工程と、アルミニウムペーストが塗布された半導体基板を焼成する工程とを備えた太陽電池の製造方法において、スクリーン印刷法で用いられるスクリーンは、半導体基板のコーナ部に相当する紗厚を、他のコーナ部に相当する紗厚の厚みと異ならせた太陽電池の製造方法である。

ここで、本発明の太陽電池の製造方法において、スクリーンは、半導体基板のコーナ部に相当する３箇所の紗厚が、他のコーナ部に相当する紗厚の厚みより薄いことが好ましい。

また、本発明の太陽電池の製造方法において、スクリーンは、半導体基板の同辺にあるコーナ部の２箇所に相当する紗厚が、他のコーナ部に相当する紗厚の厚みより薄いことが好ましい。

また、本発明の太陽電池の製造方法において、スクリーンは、半導体基板のコーナ部に相当する１箇所の紗厚が、他のコーナ部に相当する紗厚の厚みより薄いことが好ましい。

本発明によれば、太陽電池のアルミニウム電極のコーナ部の厚みを他のコーナ部と異ならせることで太陽電池の反りを決まった方向にコントロールすることができたため、スタック時の嵩張りや、その際の割れを低減させることができる。さらに、反りの位置から太陽電池の受光面電極パターンに対する上下左右の向きがわかるので、太陽電池の受光面側にある銀電極のパターンに揃えるためのマーキングは必要ない。

本発明の太陽電池の一例の模式的な断面構成図である。 本発明の太陽電池の一例の模式的な受光面図である。 本発明の太陽電池の一例の模式的な裏面図である。 本発明の太陽電池の製造方法の一例のスクリーン版を図解する模式的な図である。 従来技術の太陽電池の一例の模式的な断面構成図である。 従来技術の太陽電池の一例の模式的な受光面図である。 従来技術の太陽電池の一例の模式的な裏面図である。 太陽電池の製造方法の一例の製造工程の一部を図解する模式的な図である。

図１〜図３は、本発明の太陽電池を表す図である。図１は断面図であり、図２は受光面側、図３は裏面側から見た図である。図１は、図２、図３で示したａ−ａ′の断面である。

図１に示すように、厚み約１８０μｍ、幅、長さ共に１５６ｍｍのｐ型多結晶シリコン基板２の受光面側にはｎ^＋層であるｎ型拡散層３を形成することによりｐｎ接合が形成され、ｐ型多結晶シリコン基板２の受光面には反射防止膜４および受光面銀電極１０がそれぞれ形成されている。受光面銀電極１０は図２に示すようにバスバー電極７とフィンガ電極９とからなり、図１の断面に現れているのは、バスバー電極７である。また、ｐ型多結晶シリコン基板２の裏面側にはｐ^＋層であるＢＳＦ層５が形成されている。そして、ｐ型多結晶シリコン基板２の裏面にはアルミニウム電極６および裏面銀電極８がそれぞれ形成されている。なお、アルミニウム電極６は、太陽電池１の裏面の周囲の内側に、太陽電池１の形状に合わせて形成される。

以下に、太陽電池の製造方法の一例について示す。

ｐ型多結晶シリコン基板２の受光面となる面にリンを含む塗布液を塗布乾燥後、約９００℃で１０分間熱処理を行うことにより深さ約０．５μｍのｎ型拡散層３を形成する。ｐ型多結晶シリコン基板２表面に残った塗布乾燥後のガラス層を酸洗浄により除去した後、プラズマＣＶＤ法を用いてｐ型多結晶シリコン基板２の受光面となる面に７０ｎｍ〜１００ｎｍの窒化シリコン膜を形成し反射防止膜４とした。

次に、図３に示すように、太陽電池の裏面において、ｐ型多結晶シリコン基板２の１つの特定の端面１１を基準として、裏面の所定の位置に銀ペーストをスクリーン印刷法により、塗布、乾燥し、引き続いて、ｐ型多結晶シリコン基板２の端面１１を基準として、裏面の所定の位置にアルミニウムペーストをスクリーン印刷法により、塗布、乾燥する。さらに、図２に示すように受光面においても、ｐ型多結晶シリコン基板２の端面１１を基準として、受光面の所定の位置に銀ペーストをスクリーン印刷法により、塗布、乾燥する。その後、７００〜８００℃の温度で焼成して、深さ約１０μｍのＢＳＦ層５と厚さ数十μｍのアルミニウム電極６、受光面銀電極１０、及び裏面銀電極８を形成することにより、太陽電池１を作製した。

なお、図２、図３に示すように、端面１１を基準として、アルミニウム電極６は距離Ｎだけ内側の領域に形成し、受光面銀電極１０のバスバー電極７はその中心までの距離をＬ１、Ｍ１とし、裏面銀電極８はその中心までの距離をＬ２、Ｍ２として形成されている。また、バスバー電極７の幅、裏面銀電極８の幅は、いずれも３〜４ｍｍである。ここで、Ｌ１＝Ｌ２、Ｍ１＝Ｍ２である。

ここで、アルミニウム電極６を形成する際のアルミニウムペースト塗布量を、特定のコーナ部と、他のコーナ部とで変えることにより、焼成後のｐ型多結晶シリコン基板２の反りの発生箇所をコントロールすることができた。この反りは製造ラインの許容範囲であった。

その後、ソーラシミュレータにより特性評価を行い、良品をスタック状に重ね合わせ、モジュール工程に進める。この際、前述のように太陽電池１の受光面銀電極７のパターンを揃えて重ね合わせる。

ソーラシミュレータによる特性評価においても、特性評価用のプローブが受光面のバスバー電極７を押さえた際、太陽電池１の裏面のアルミニウム電極６が測定ステージに全面接したので問題はなかった。

その後、特性評価後の太陽電池１を受光面銀電極１０のパターンを揃えスタック状に重ね合わせることができた。重ね合わせる際に、各太陽電池１において反りの発生部分は同じ箇所になるため、必要以上の嵩張りも生じなく太陽電池の割れの発生も抑制することができた。

次に、アルミニウム電極６が形成される各コーナ部に対して、アルミニウムペースト塗布量を変える方法について下記に示す。

アルミニウムペースト塗布量が多い箇所は太陽電池の反りが大きくなるので、アルミニウム電極６が形成されるコーナ部のうち、反らしたいコーナ部とそうでないコーナ部のアルミニウムペースト塗布量を変える。

本実施例ではスクリーン印刷法を使用したことから、塗布量はスクリーンを加工することで対応した。

図４に、スクリーン版２１の一例を示す。アルミニウム電極６が形成されるコーナ部に相当するスクリーンの領域に対して反りを起こしたくないコーナ部は、プレス加工を施してコーナ部の紗厚を低減させることで塗布量（印刷量）を低減させる。また、反りを起こしたいコーナ部はプレス加工を施こさなかった。なお、図４に示したのは、１箇所のコーナ部のみ反りを発生させる場合の一例である。２２はスクリーン、２３はスクリーン版の枠であり、２４はスクリーンのプレス加工部である。また、点線はｐ型多結晶シリコン基板２の配置される位置である。

アルミニウム電極形成工程のみを以下に示す。本実施例において、アルミニウム電極６を所望の厚さにしようとするとコーナ部で反りが発生する。そこで、反りの発生を抑えたいコーナ部においてアルミニウムペーストの塗布量を少なくする。なお、全体にわたって塗布量を少なくした場合は、太陽電池特性に寄与する程度のＢＳＦ層が形成されなくなり不都合が発生する。

なお、他の工程は上記発明を実施するための形態に示したとおりである。

使用したアルミニウム電極用のスクリーンは、市販のＳＵＳ１２０メッシュ、線径８０μｍ、パターン形成のための乳剤厚８μｍの仕様で加工はプレス機を用いた。スクリーン版の枠（鋳物枠）をプレス機に固定し、直径５０ｍｍの平滑面を持つ金属冶具を所望のコーナ部においてプレスする。初期スクリーン紗厚約１６０μｍが約１２０μｍになるよう１箇所ずつプレスした。プレス時にはスクリーンの紗に傷がつかないよう高分子フィルムを貼付して行った。プレスした箇所の焼成後のアルミニウム層の厚みは約４０μｍでありプレスしていない箇所の焼成後のアルミニウム層の厚みは約５０μｍであった。

また、コーナ部の反りによって、受光面銀電極のパターンを揃えて太陽電池を重ね合わせるには下記の４パターンであることがわかる。括弧はスクリーンのプレス箇所である。

実施例１：対角のコーナ部２箇所をそらす。（対角のコーナ部２箇所をプレス。）
実施例２：コーナ部１箇所を反らす。（コーナ部３箇所をプレス。）
実施例３：同辺のコーナ部２箇所を反らす。（同辺のコーナ部２箇所をプレス。）
実施例４：コーナ部３箇所を反らす。（コーナ部１箇所をプレス。）
図４には前述のように実施例２の場合を示したが、実施例１、３、４とも、図４を参考に必要箇所をプレス加工したスクリーンを使用した。プレス加工位置は図４を参考にｐ型多結晶シリコン基板２の配置される右上をＡとして、時計回りにＢ、Ｃ、Ｄとすると、各実施例のプレス加工箇所は、実施例１ではＢとＤ、実施例２ではＢとＣとＤ、実施例３ではＢとＣ、実施例４ではＢのみである。なお、実施例１、２、３、４のいずれも、プレス加工部２４において、太陽電池側に対応する幅Ｐは１５〜１８ｍｍであった。

さらに、コーナ部４箇所すべてを反らす、すなわちプレス加工していないスクリーンを使用した場合を比較例とした。

太陽電池の反りの結果を表１に示す。測定は平坦な机上に太陽電池が動かないように置き、各コーナ部の机面からの距離を金尺で測定した。

なお、反り量の測定は３枚の太陽電池に対して行い、表１に示したのは、そのうちの１枚の結果である。

表１に示されるように、実施例１〜４のいずれにおいてもプレス加工を施したコーナの反りは、０．９ｍｍ以下に抑えられた。一方、プレス加工を施さなかったコーナ部では、反りが２．４ｍｍ以上となった。また、実施例１のスクリーン版を用いた太陽電池は、３枚ともＢ、Ｃに相当する箇所に反りが発生した。実施例２〜４も同様に、同じスクリーン版を用いた太陽電池は、同じ箇所に反りが発生した。

実施例１は、反りの発生箇所がコントロールできているため、スタック状に重ねあわせる際に、必要以上の嵩張りも生じなく、太陽電池の割れの発生も抑制することができた。実施例２、４は、スタック状に重ね合わせる際に、必要以上の嵩張りも生じなく、太陽電池の割れの発生も抑制することができただけでなく、太陽電池のコーナ部の反りの位置関係のみで受光面銀電極のパターンを揃えることができた。

なお、比較例は、同じスクリーン版を用いても、反りの発生がランダムとなり、重ね合わせの際に嵩張りが生じた。

また、製造ラインにおいて、反りで一番問題となるキャリアの使用の可否については、実施例１、２、３、４のすべてで、４．０ｍｍピッチのキャリアの使用が可能であった。ここで、４．０ｍｍピッチのキャリアへの機械による挿入は、反りが３．６ｍｍ以下でないと挿入できずキャリアの溝等に当たり割れが生じた。比較例の場合も４．０ｍｍピッチのキャリアが使用可能であったが、各コーナ部ともランダムに反った。

電気特性については、実施例１、２、３、４とも比較例に対し、平均出力が±１％以内であり問題なかった。

今回の実施例では、乳剤付のスクリーンに対してプレス加工を行ったが、プレス加工後に乳剤形成を行ってもかまわない。

また、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。

本発明に係る太陽電池、および太陽電池の製造方法は、太陽電池、および太陽電池の製造方法全般に広く適用することができる。

１ 太陽電池、２ ｐ型多結晶シリコン基板、３ ｎ型拡散層、４ 反射防止膜、５ ＢＳＦ層、６ アルミニウム電極、７ バスバー電極、８ 裏面銀電極、９ フィンガ電極、１０ 受光面銀電極、１１ 端面、２１ スクリーン版、２２ スクリーン、２３ スクリーン版の枠、２４ スクリーンのプレス加工部、１０１ 太陽電池、１０２ ｐ型シリコン基板、１０３ ｎ型拡散層、１０４ 反射防止膜、１０５ バスバー電極、１０６ ＢＳＦ層、１０７ アルミニウム電極、１０８ 裏面銀電極、１０９ フィンガ電極、１１０ 受光面銀電極、１１１ 端面、２０１ スクリーン、２０２ ペースト状の材料、２０３ スキージ、２０４ ステージ、２０５ 基板。

Claims (4)

1. ｐｎ接合を有する半導体基板と、
   前記半導体基板の裏面に形成されたアルミニウム電極とを備えた太陽電池において、
   前記アルミニウム電極のコーナ部の３箇所の厚みが、他のコーナ部の厚みより薄いことを特徴とする太陽電池。
2. ｐｎ接合を有する半導体基板と、
   前記半導体基板の裏面に形成されたアルミニウム電極とを備えた太陽電池において、
   前記アルミニウム電極の１箇所のコーナ部の厚みが、他のコーナ部の厚みより薄いことを特徴とする太陽電池。
3. ｐｎ接合を有する半導体基板の裏面に、
   スクリーン印刷法によりアルミニウムペーストを塗布する工程と、
   前記アルミニウムペーストが塗布された前記半導体基板を焼成する工程とを備えた太陽電池の製造方法において、
   前記スクリーン印刷法で用いられるスクリーンは、前記半導体基板のコーナ部に相当する３箇所の紗厚が、他のコーナ部に相当する紗厚より薄いことを特徴とする太陽電池の製造方法。
4. ｐｎ接合を有する半導体基板の裏面に、
   スクリーン印刷法によりアルミニウムペーストを塗布する工程と、
   前記アルミニウムペーストが塗布された前記半導体基板を焼成する工程とを備えた太陽電池の製造方法において、
   前記スクリーン印刷法で用いられるスクリーンは、前記半導体基板のコーナ部に相当する１箇所の紗厚が、他のコーナ部に相当する紗厚より薄いことを特徴とする太陽電池の製造方法。