JP5452755B2 - 光起電力装置の製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、光起電力装置の製造方法に関するものである。
現在地球上で用いられている電力用太陽電池の主流はシリコン太陽電池であるが、その量産レベルにおけるプロセスフローは、なるべく簡素化して製造コストの低減を図ろうとするのが一般的である。以下、そのシリコン太陽電池の従来の製造方法の一例について説明する。リン(P)などを熱的に拡散させてn型拡散層を形成したp型シリコン基板の受光面側の表面上に、窒化シリコン膜を反射防止膜として形成する。その後、裏面には、アルミペーストと裏面用銀ペーストをスクリーン印刷法で塗布して逐次乾燥させ、また、受光面側の反射防止膜上に銀ペーストをスクリーン印刷法で塗布して乾燥させた後、700〜900℃で焼成する。これによって、裏面側では、アルミペーストからシリコン基板中にアルミニウムが高濃度に拡散し、一般的にBSF(Back Surface Field)層と呼ばれるp+層が形成され、このp+層の上面にアルミペーストの焼成による裏面アルミニウム電極と、裏面用銀ペーストの焼成による裏面銀電極とが形成される。この焼成時に裏面アルミニウム電極と裏面銀電極の境界は合金状態となり電気的にも接続される。また、裏面アルミニウム電極は、シリコン基板の裏面全面に形成され、裏面銀電極は、シリコン基板の裏面の所定の位置に部分的に形成されている。一方、受光面側では、反射防止膜を貫通してn型拡散層と電気的に接触した表銀電極が形成される。以上のようにして、太陽電池セルが形成される(たとえば、特許文献1参照)。その後、この太陽電池セルの表銀電極と他の太陽電池セルの裏面銀電極とをタブ電極で接続し、複数のセル間を直列に接続することによって、モジュールが形成される。
しかし、このように形成された太陽電池セルにおいては、受光面側から入射した光を受光面側に反射させる裏面アルミ電極の反射率が、60%程度であり、太陽電池セルに入射した光を効率的に利用することができていなかった。そこで、従来では、この裏面での反射率を上げ、太陽電池セルに入射した光を有効に活用するために、p+層上に形成された裏面アルミニウム電極を除去し、p+層上の全面にアルミニウムよりも反射率の高い銀や銅からなる光反射電極層を設けた構造の太陽電池が提案されている(たとえば、特許文献2参照)。
上記特許文献2に記載の太陽電池を製造するには、裏面にp+層形成用のアルミニウム膜を形成し、焼成してp+層を形成した後、フッ酸、塩酸、硝酸の混合液により拡散しないで残ったアルミニウム層を除去し、蒸着法またはスパッタ法などによって銀や銅などの光反射電極層を形成することになる。しかし、通常、フッ酸、塩酸、硝酸の混合液に金属を浸漬するとエッチングされてしまうので、表銀電極の形成にあたって、上記特許文献1の方法をそのまま利用することはできず、以下に示すような工夫を行う必要がある。たとえば、受光面側は混合液に対し耐性を有するマスク材で保護し、裏面のアルミニウム層除去後に、受光面側のマスク材を除去したり、または、受光面には電極を形成しない状態で、裏面側のみ先にp+層を形成した後、裏面側のアルミニウム層を除去し、その上で改めて受光面側の表銀電極を印刷、焼成して形成したりしなければならない。
このように、1回の焼成において表裏の電極を形成することができた裏アルミニウム電極を有する構造の太陽電池に対して、裏面に光反射電極層を形成した構造の太陽電池では、他の銀電極をそのままにして裏面のp+層を形成するために必要なアルミニウム層のみを除去する工程が含まれるため、工程数が増加してしまうという問題点があった。また、光反射電極層の形成にあたっては、銀や銅などの金属材料を用いるので蒸着装置やスパッタ装置といった高価で成膜に時間のかかる真空設備を用いる必要があり、特許文献1に記載の方法に比して成膜に時間とコストがかかってしまうという問題点もあった。
この発明は上記に鑑みてなされたもので、光起電力装置における裏面側での反射光を活用するための構造を有する光起電力装置を得ることを目的とする。また、この光起電力装置の製造にあたって、裏面アルミニウム電極を用いた場合に比して、工程数をそれほど増加させず、時間とコストを抑えて、裏面側での光の反射率を向上させた光起電力装置の製造方法を得ることも目的とする。
上記目的を達成するため、この発明にかかる光起電力装置の製造方法は、第1の導電型の半導体基板の光の入射面側に第2の導電型の不純物を拡散させて、第1の拡散層を形成する第1の拡散層形成工程と、前記第1の拡散層上に所定の形状の表面電極用ペーストを塗布し、前記半導体基板の光の入射面に対向する裏面上に所定の位置が開口した第1の導電型の元素であるアルミニウムを含む第1の導電型元素含有ペーストと、前記第1の導電型元素含有ペーストの開口部を覆うとともに前記開口部に接する周囲の前記第1の導電型元素含有ペーストと重なるように銀を含む裏面電極用ペーストを塗布するペースト塗布工程と、前記ペーストを焼成し、前記半導体基板の裏面の前記第1の導電型元素含有ペーストの塗布領域に前記半導体基板よりも高い第1の導電型の不純物濃度を有する第2の拡散層と、拡散しなかった前記第1の導電型元素含有ペーストが焼成された第1の導電型不純物層と、を形成するとともに、前記第1の拡散層上と前記半導体基板の裏面上にそれぞれ表面電極と裏面銀電極を形成する焼成工程と、希フッ酸に前記表面電極と前記裏面銀電極とを形成した前記半導体基板を浸漬して、前記表面電極と前記裏面銀電極の表面側に析出した溶融ガラス成分とともに、前記第1の導電型不純物層を除去する除去工程と、前記表面電極と前記裏面銀電極上にタブ電極を形成するタブ電極形成工程と、前記タブ電極を形成した前記半導体基板の裏面上および前記裏面銀電極上に直接に、光を反射する絶縁性の材料からなる反射層を形成する反射層形成工程と、前記タブ電極を形成した前記半導体基板を密封するように透明樹脂で挟む樹脂密封工程と、を含み、前記ペースト塗布工程で使用される前記第1の導電型元素含有ペーストは、ガラス粉を含まないまたは希フッ酸で除去可能なガラス粉を含み、前記反射層形成工程では、前記半導体基板と前記第1の拡散層を含む半導体層部における光電変換に寄与する波長領域の全てまたは一部を反射するアルミニウム粉末または酸化チタン粉末を配合した塗料を前記反射層として形成することを特徴とする。
この発明によれば、1,000nm以上の長波長での裏面での反射率を従来の構造に比して高めた反射層を設けるようにしたので、吸収されずに半導体層部を透過した光が反射層で反射される割合が従来の構造に比して高まり、発電効率を高めることができるという効果を有する。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光起電力装置とその製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態では、光起電力装置として太陽電池を例に挙げて説明を行うが、この発明がこれらの実施の形態により限定されるものではない。また、以下の実施の形態で用いられる太陽電池の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。
実施の形態1.
図1−1は、この発明の実施の形態1にかかる太陽電池セルの一例を示す上面図であり、図1−2は、図1−1の太陽電池セルの裏面図であり、図2は、図1−1のA−A断面図である。この太陽電池セル10は、半導体基板としてのp型シリコン基板12と、このp型シリコン基板12の表面の導電型が反転したn型拡散層13と、高濃度不純物を含んだp+層(BSF層)14と、を含む光電変換機能を有する半導体層部11と、この半導体層部11の受光面に設けられ入射光の反射を防止する反射防止膜15と、この半導体層部11で発電された電気を局所的に集電するために受光面に所定の方向に複数並行して設けられる表銀グリッド電極16と、表銀グリッド電極16で集電された電気を取り出すために表銀グリッド電極16にほぼ直交して設けられる表銀バス電極17と、半導体層部11で発電された電気を集電する裏面銀電極18と、表銀バス電極17と裏面銀電極18の上面に設けられ、複数の太陽電池セル10を直列に接続するためのタブ電極19と、受光面側から入射し、半導体層部11を透過した光を半導体層部11に反射させ、裏面銀電極18が形成されたp+層14上の全面に形成される反射層20と、を備える。なお、表銀グリッド電極16と表銀バス電極17をまとめて表銀電極という。
図1−1は、この発明の実施の形態1にかかる太陽電池セルの一例を示す上面図であり、図1−2は、図1−1の太陽電池セルの裏面図であり、図2は、図1−1のA−A断面図である。この太陽電池セル10は、半導体基板としてのp型シリコン基板12と、このp型シリコン基板12の表面の導電型が反転したn型拡散層13と、高濃度不純物を含んだp+層(BSF層)14と、を含む光電変換機能を有する半導体層部11と、この半導体層部11の受光面に設けられ入射光の反射を防止する反射防止膜15と、この半導体層部11で発電された電気を局所的に集電するために受光面に所定の方向に複数並行して設けられる表銀グリッド電極16と、表銀グリッド電極16で集電された電気を取り出すために表銀グリッド電極16にほぼ直交して設けられる表銀バス電極17と、半導体層部11で発電された電気を集電する裏面銀電極18と、表銀バス電極17と裏面銀電極18の上面に設けられ、複数の太陽電池セル10を直列に接続するためのタブ電極19と、受光面側から入射し、半導体層部11を透過した光を半導体層部11に反射させ、裏面銀電極18が形成されたp+層14上の全面に形成される反射層20と、を備える。なお、表銀グリッド電極16と表銀バス電極17をまとめて表銀電極という。
ここで、反射層20は、1,000nm以上の長波長領域における光の反射率が、アルミニウムをp型シリコン基板12の裏面側に形成した場合の反射率よりも高い材料によって構成される。また、反射層20全体としては、絶縁性を有している。この反射層20として、アルミニウム微粒粉を絶縁性樹脂に分散させて形成したメタリック系塗料や、微小な酸化チタンが絶縁性樹脂に配合された白色系塗料などを挙げることができる。
このように構成された太陽電池セル10では、太陽光が太陽電池セル10の受光面側から半導体層部11のpn接合面(p型シリコン基板12とn型拡散層13との接合面)に照射されると、ホールと電子が生成する。pn接合部の電界によって、生成した電子はn型拡散層13に向かって移動し、ホールはp+層14に向かって移動する。これにより、n型拡散層13に電子が過剰となり、p+層14にホールが過剰となる結果、光起電力が発生する。この光起電力はpn接合を順方向にバイアスする向きに生じ、n型拡散層13に接続した表銀バス電極17がマイナス極となり、p+層14に接続した裏面銀電極18がプラス極となって、図示しない外部回路に電流が流れる。
また、太陽電池セル10の受光面側から入射した太陽光のうち、半導体層部11で吸収されなかった光は、反射層20に入射する。反射層20は、入射した光、特に1,000nm以上の長波長領域の光を、アルミニウムを裏面電極とした場合に比して効率よく反射させることができるので、半導体層部11で光電変換される反射光の割合を高めることができる。
つぎに、このような構成の太陽電池の製造方法について説明する。図3−1〜図3−9は、この発明の実施の形態1による太陽電池セルの製造方法の一例を模式的に示す断面図であり、図4−1〜図4−3は、裏面銀電極付近のアニール時の様子を模式的に示す断面図であり、図5−1〜図5−4は、複数の太陽電池セルからなる太陽電池モジュールの製造方法の一例を模式的に示す斜視図である。
太陽電池の場合、たとえば引き上げ法または鋳造法によって製造されるインゴットからスライスしたままの単結晶シリコン基板または多結晶シリコン基板を用いることが多い。この場合、スライスに用いたワイヤソーなどの傷による基板表面ダメージおよびウエハスライス工程の汚染を取り除くために、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ水溶液、または弗酸と硝酸の混合液などを用いて、およそ10〜20μm程度、基板表面をエッチングする。さらには、基板表面に付着した鉄などの重金属類を除去するために、塩酸と過酸化水素の混合液で洗浄する工程を付加してもよい。その後、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ水溶液などを用いて反射防止構造であるテクスチャ構造(微細な凹凸構造)を形成する場合もある。このようにして、太陽電池セルを製造するためのシリコン基板12を用意する(図3−1)。ここでは、p型シリコン基板が用いられるものとする。
ついで、p型シリコン基板12にpn接合を形成するためにn型拡散層13を形成する(図3−2)。具体的には、リンの拡散源として、オキシ塩化リン(POCl3)を用い、熱的に拡散させることで、p型シリコン基板12の表面にはリン(P)が拡散され、導電型が反転したn型拡散層13が形成される。なお、特に、工夫のない場合には、n型拡散層13は、p型シリコン基板12の全面に形成される。n型拡散層13の深さは拡散温度や時間をコントロールすることによって変えることが可能であり、ここでは0.3〜0.5μm程度の範囲のものを形成している。また、このn型拡散層13のシート抵抗は数十Ω/□程度である。
その後、シリコン基板12の一方の主面上にのみレジストを塗布し、エッチングによってレジストで覆われなかった面のn型拡散層13を除去した後、レジストを有機溶剤などを用いて除去する。これによって、一方の主面にのみn型拡散層13が形成されたp型シリコン基板12が得られる(図3−3)。
なお、n型拡散層13の形成方法として、リンが含まれる液体塗布材料、たとえばPSG(Phospho-Silicate-Glass)などをp型シリコン基板12の一の主面のみにスピンコートなどで塗布して、適当な条件でアニールしてリンを拡散させ、一の主面にのみn型拡散層13を形成することもできる。勿論、この場合にも、シリコン基板12の裏面までn型拡散層13が形成されている虞のある場合には、上記と同様に、一の主面上にレジストを形成し、他の面上に形成されたn型拡散層13をエッチングによって除去することで、完全性を高めることができる。
ついで、n型拡散層13上に反射防止膜15として機能する窒化シリコン膜を形成する。この窒化シリコン膜によって、太陽電池セル10の入射光に対する表面反射率が低減するために大幅に発生電流を増加させることが可能となる(図3−4)。窒化シリコン膜の厚さは、その屈折率にも依るが、たとえば屈折率が1.9〜2.1程度である場合には、700〜900Å程度が適当である。この窒化シリコン膜は、減圧CVD(Chemical Vapor Deposition)法やプラズマCVD法を用いて形成される。
熱CVD法の場合、ジクロルシラン(SiCl2H2)とアンモニア(NH3)ガスを原料とすることが多く、700℃以上の温度で成膜を行う。この方法では原料ガスを高温で熱分解するために、窒化シリコン膜中にはほとんど水素は含まれず、SiとNの組成比は、ほぼ化学量論的組成であるSi3N4となり、屈折率もほぼ1.96〜1.98の範囲になる。したがって、この様な窒化シリコン膜の場合、後の工程で熱処理が加えられても膜質(膜厚、屈折率)が変化しない極めて緻密な膜質であるという特徴を有する。
また、プラズマCVD法で形成する場合の原料ガスとしてはSiH4とNH3の混合ガスを用いるのが一般的であり、プラズマにより原料ガスを分解し、300〜550℃の温度で成膜を行う。このプラズマCVD法の場合、熱CVD法に比べて低温成膜であるため、原料ガスに含まれていた水素が窒化シリコン膜中にも含まれること、またガス分解がプラズマによるために、SiとNの組成比も大きく変化させることができること、などの特徴を有する。具体的には、原料ガスの流量比、成膜時の圧力、温度などの条件を変化させることで、Si、N、水素の組成比が変化し、屈折率で1.8〜2.5の範囲の窒化シリコン膜を形成することができる。このような膜質の場合、後の熱処理が加えられる工程、たとえば後の電極焼成工程で、水素が脱離するなどの現象により屈折率が成膜直後と比較して変化する場合がある。この場合には、あらかじめ後の工程での熱処理による膜質変化(すなわち、屈折率変化)を考慮して、成膜条件を決定することによって、太陽電池の反射防止膜15として必要な窒化シリコン膜を形成すればよい。
ついで、p型シリコン基板12の裏面には、スクリーン印刷法によって、アルミペースト51をp型シリコン基板12の裏面のほぼ全面に(裏面用銀ペースト52を塗布する位置を除いた領域に)塗布し、また裏面用銀ペースト52をp型シリコン基板12の裏面の所定の位置(アルミペースト51を塗布しなかった位置)に塗布して逐次乾燥させ、さらに反射防止膜15(窒化シリコン膜)上には、スクリーン印刷法によって、表面銀電極となる表面用銀ペースト53を塗布して乾燥させる(図3−5)。なお、アルミペースト51は、請求の範囲における第1の導電型元素含有ペーストに対応している。
その後、700〜900℃で数分〜十数分間、酸素濃度が30%以上の酸素と窒素の混合ガスを流した状態で、近赤外炉中で焼成する(図3−6)。その結果、p型シリコン基板12の裏面側では、焼成中にアルミペースト51からp型の不純物としてのアルミニウムがp型シリコン基板12中に拡散し、アルミニウムを高濃度に含んだp+層14が形成される。この焼成処理で拡散に使用されずに残ったアルミペースト51は、アルミニウム層54となる。また、裏面用銀ペースト52も同時に焼成され、焼成後状態である裏面銀電極18となる。この焼成時のアルミニウム層54と裏面銀電極18との境界の状態については後述する。
上述したように、裏面のほとんどの部分はp+層14を形成する必要もあり、アルミニウム層54が占める。アルミペースト51としては、たとえばアルミニウム粉末を有機ビヒクルに分散して得られる厚膜ペースト組成物、または、アルミニウム粉末と後の希フッ酸処理工程で除去可能なガラス紛とを有機ビヒクルに分散して得られる厚膜ペースト組成物が用いられる。一方、裏面銀電極18は、アルミニウム電極上には半田付けが不可能であるため、銅箔などで太陽電池セル10を相互に接続するための電極として裏面の一部に形成される。そのため、銀ペーストには、たとえば銀粉末とガラス粉末とを有機ビヒクルに分散して得られる厚膜ペースト組成物が用いられる。
また、表面側では、ガラス成分および銀フリットから構成された表面用銀ペースト53が、焼成中に反射防止膜15としての窒化シリコン膜を溶融、貫通し、n型拡散層13と電気的な接触を取る(ファイヤスルー)ことが可能な表面銀電極16,17(なお、表銀バス電極17は図示されていない)となる。
これらの表裏電極となる銀ペースト52,53に含まれるガラス紛の一部は焼成後、溶融したガラスとして電極表面側に析出する。このため、このまま裏面銀電極18と表面銀電極16,17上に、太陽電池セル10と太陽電池セル10を電気的に相互に接続するための銅箔を半田付けする場合には、半田付けの熱印加時に表面に析出した溶融ガラスを除去するために、フラックスとしてガラスを溶融させる酸系樹脂を含んだ材料を用いて、銀電極を露出させる必要があり、また、以降のモジュール化の段階で太陽電池セルを専用のフラックス除去剤などで洗浄する必要も生じる。
そこで、この実施の形態1では、電極焼成後に表裏の銀電極16〜18の表面側に析出した溶融ガラス成分を除去するために1:10〜1:500程度、望ましくは1:25〜1:200程度の希フッ酸に数秒〜数分間の間、図3−6の状態の太陽電池セル10(p型シリコン基板12)を浸漬する。ここで、この希フッ酸への浸漬では、p型シリコン基板12の表裏に形成した銀電極16〜18と反射防止膜15(窒化シリコン膜)はその機能を失うことがない。すなわち、反射防止膜においては、反射防止効果が変化するほどエッチングされることはなく、銀電極17,18においては、以降の半田付け工程を経たアセンブリ工程で、タブ電極19と銀電極17,18の機械的な強度を保持することができる。また、この浸漬によって、表裏の銀電極17,18の表面は溶融ガラスが除去され銀電極面が露出する。したがって、銅箔と半田付けするフラックスには、ガラスを溶融させる酸系樹脂を含んだ材料と比較して反応性が抑制され、モジュール化に際し洗浄を必要としないフラックスを用いることができる。
従来の太陽電池セルでは、この希フッ酸処理工程においても付着力が十分に得られ、ガラス紛が含まれるアルミペーストを用いたアルミニウム電極が形成されていた。しかし、この実施の形態ではガラス紛が含まれない、または、希フッ酸処理工程で除去可能なガラス紛が含まれるアルミペースト51を用いるので、希フッ酸処理工程で、図3−6の状態の太陽電池セルを、その表裏の銀電極17,18の表面に形成された溶融ガラス紛を取り除く際に、表裏の銀電極16〜18が形成されたまま、アルミニウム層54を除去することができる(図3−7、図5−1)。
ここで、図4−1〜図4−3を用いて、裏面電極形成用ペーストの塗布工程から希フッ酸処理工程での詳細を説明する。裏面電極形成用ペーストの塗布工程では、シリコン基板12の裏面上の所定の位置が塗布されないようにアルミペースト51が印刷され、アルミペースト51が印刷されなかった位置に裏面用銀ペースト52が印刷される。このとき、実際には、図4−1に示されるように、裏面用銀ペースト52は、p型シリコン基板12が露出した領域だけでなく、この領域に接する周囲のアルミペースト51と重なる様に印刷される。焼成時、裏面用銀ペースト52にはアルミニウムが含まれていないので、焼成後の図4−2に示されるように、裏面銀電極18に接したp型シリコン基板12にはp+層14は形成されない。また、アルミペースト51が塗布された部分にはアルミニウム層54が形成され、アルミペースト51と裏面用銀ペースト52とが重なった部分には、アルミ銀合金部56が形成される。この場合のアルミニウム層54の付着強度は、たとえば、JIS K5400−8.4.1またはJIS K5400−8.4.2に記載された試験に基づく値がH以下の柔らかな鉛筆HやHBによりすり傷が認められる。希フッ酸処理工程後では、上述したように、アルミニウム層54は除去されるが、裏面銀電極18とアルミ銀合金部56が残され、p+層14との電気的な接続はアルミ銀合金部56で行われる。以上が、アルミニウム層54を除去した後の焼成時のアルミニウム層54と裏面銀電極18との境界の状態である。
その後、表銀バス電極17上を覆うと共に、表銀バス電極17上の一方の端部側に延長して形成された銅からなるタブ電極19を形成する。このタブ電極19のp型シリコン基板12よりも外側に延長して形成された部分を張出部19aという。また、裏面上に所定の間隔で形成された裏面銀電極18間を結ぶように銅からなるタブ電極19を形成する(図3−8、図5−2)。
ついで、p型シリコン基板12の表面側に形成されたタブ電極19の張出部19aを、隣接する太陽電池セル10の裏面のタブ電極19の形成位置に半田付けをして、太陽電池セル10間を直列に接続しユニット化する(図5−3)。図5−3の例では、5個の太陽電池セル10を直列に接続したものを1つのユニット5aとしている。
さらに、この一方向に配列したユニット5aをそれぞれ並行に配置し、それぞれのユニット5aの端部のタブ電極19を横タブ電極60と接続することによって、それぞれのユニット5aを所定の数直列に接続し、平面状のユニット5bを形成する。ここでは、たとえば8個のユニット5aを並列に配置して、すなわち40個の太陽電池セル10を直列に配置して、1つの平面状のユニット5bが形成されている。この平面状のユニット5bの裏面側に、乾燥後に高反射率を有する層を形成することができる塗料を塗布して乾燥させ、反射層20を形成する(図3−9、図5−4)。この反射層20は、アルミニウム微粒紛が含まれたメタリック系塗料や白色系塗料を、p型シリコン基板12の裏面側(タブ電極19を形成したp+層14上)に噴射塗布またはスプレー塗布などの吹き付け塗装を行って形成する。その後、図示しないが、EVA(Ethylene-Vinyl-Acetate)などの透明樹脂で、反射層20を形成した平面状のユニット5bを密封するように挟み、平面状のユニット5bの表面側には強化ガラスが接着され、裏面側にはバックフィルムがラミネートにより接着される。なお、バックフィルムは、耐湿性を有していることが望ましい。以上によって、太陽電池モジュールが形成される。
以下に、この実施の形態1による太陽電池の特性を評価した結果について示す。なお、ここでは、この実施の形態1による太陽電池の反射層として、アルミニウム紛が配合されたメタリック系塗料を塗布したものと、微少な酸化チタンが配合された白色系塗料を塗布したものの2種類のものを作製し、評価した。また、比較対照として、従来の製造方法によって形成したp+層上に裏面アルミニウム電極を有する太陽電池についても作製し、評価を行った。
図6は、この実施の形態1による反射層を形成した太陽電池と従来の製造方法により形成した太陽電池の内部量子効率と反射率の波長依存性を示す図である。この図において、横軸は、太陽電池に照射される光の波長を示しており、縦軸は、内部量子効率と反射率とを示している。また、この図における反射率は、空気中から太陽電池に入射した光が、再び空気中に反射される際の反射率を示している。
この図6に示されるように、裏面にメタリック塗装、白色塗装を行ったものは、従来の裏面がアルミニウム電極の場合と比較して1,000nm以上の長波長領域で反射率と内部量子効率が高くなっている。これは1,000nmから長波長領域において裏面の反射層20からの反射効果によって測定される反射率が高くなり、従来構造の裏面のアルミニウム電極で吸収されていた光の一部が反射され、シリコン基板12内を透過することによって内部量子効率が向上したことを示している。なお、反射の程度は塗料の組成に依存し、メタリック塗装よりも白色塗装の方が反射率が高くなる傾向にある。
図7は、この実施の形態1による反射層を形成した太陽電池と従来の製造方法により形成した太陽電池の短絡電流密度と変換効率の結果の一例を示す図である。この図7に示されるように、太陽電池の特性としては、裏面にメタリック塗装、白色塗装を行ったものは、従来の裏面アルミニウム電極を有する場合と比較して、短絡電流密度と変換効率とも向上している。
この実施の形態1によれば、表裏の銀電極16〜18の形成時に、ガラス粉末を含まないまたは希フッ酸処理によって溶けるガラス粉末を含むアルミペースト51を裏面銀電極18を形成しない領域に塗布して焼成したので、焼成によって表裏の銀電極16〜18を同時に形成し、またシリコン基板12の裏面にp+層14を形成することができると共に、その後の希フッ酸処理によって、反射防止膜15(窒化シリコン膜)の性能を劣化させずに、裏面に形成されたアルミニウム層54と、表裏の銀電極16〜18に析出した溶融ガラス膜を除去することができる。そのため、従来のアルミニウム層54を除去するために、表裏の銀電極16〜18を同時に形成できなかったり、表面銀電極16,17を保護する工程が増加したりするという不都合を解決することができる。また、このようにして形成された太陽電池は、1,000nm以上の長波長での裏面での反射率を高め、発電効率を高めることができるという効果を有する。
実施の形態2.
実施の形態1では、図5−4に示されるように、太陽電池セルを40個直列にアセンブリした状態で、太陽電池セルをEVAなどによって封止しているが、反射層の材質によっては反射の効果は高いもののモジュール化した場合において、EVAとの接着強度が十分に得られない場合が発生する。そこで、この実施の形態2では、このような反射層を用いた場合においても、太陽電池セル裏面側とEVAとの接着強度が十分に得られる構造の太陽電池セルの構造とその製造方法について説明する。
実施の形態1では、図5−4に示されるように、太陽電池セルを40個直列にアセンブリした状態で、太陽電池セルをEVAなどによって封止しているが、反射層の材質によっては反射の効果は高いもののモジュール化した場合において、EVAとの接着強度が十分に得られない場合が発生する。そこで、この実施の形態2では、このような反射層を用いた場合においても、太陽電池セル裏面側とEVAとの接着強度が十分に得られる構造の太陽電池セルの構造とその製造方法について説明する。
図8−1〜図8−3は、この発明の実施の形態2の太陽電池モジュールの製造方法の一例を模式的に示す断面図である。実施の形態1の図3−1〜図3−8で説明したものと同様に、p型シリコン基板12の受光面側にn型拡散層13と反射防止膜15としての窒化シリコン膜と表面銀電極16,17を形成し、裏面側にp+層14と裏面銀電極18を形成する。このとき、p+層14を形成するのに使用したアルミニウム層54は希フッ酸処理によって除去される。また、表銀バス電極17上に銅からなるタブ電極19を形成し、裏面銀電極18を結ぶように銅からなるタブ電極19を形成し、表銀バス電極17上に形成されたタブ電極19の張出部19aを、隣接する他の太陽電池セル10の裏側のタブ電極19に接触させる。
ついで、各太陽電池セル10の裏面側に格子状のマスク31を載せ(図8−1)、この状態で反射層20の吹き付け塗装を行う(図8−2)。これによって、マスク31を載せた部分には塗装は行われず、p+層14上には格子状に反射層20が塗布されない領域が形成される。この状態から載せていたマスク31を取り除く(図8−3)。これによって、マスク31が形成されていた箇所には、p+層14が剥き出した領域32が形成される。その後、実施の形態1で説明したように、太陽電池セル10がEVAなどの透明樹脂で平面状のユニット5bを挟むように密封し、表面側にはモジュール用強化ガラスが接着され、裏面側にはバックフィルムがラミネートにより接着され、太陽電池モジュールが形成される。
これによって、太陽電池セル10の裏面のp+層14上には、格子状にp+層14の表面が露出した領域32を有する反射層20が形成される。なお、裏面に載せるマスク31の形状として、たとえば、1mm幅で、10mm間隔の格子状模様とすると、塗装されない部分は総面積の内の10%未満となり反射の効果はほとんど損なわれず、かつ接着強度も十分であった。このように、反射層20が形成されない領域32の面積は、裏面の総面積の内の10%未満となることが望ましい。また、以上の説明では、反射層20が形成されない領域32を格子状に形成したが、これに限定されるものではない。
このように、p+層14上に反射層20が形成されない領域32を設けるようにし、この領域32に直接EVAなどの透明樹脂を接着することが可能となったので、太陽電池セル10とEVAなどの透明樹脂との間の付着強度が十分に得られ、かつ裏面反射による発電効率の高効率化を図ることが可能となる。
この実施の形態2によれば、太陽電池セル10の裏面に反射層20が形成されない領域32を形成し、このp+層14が露出した領域32にEVAなどの透明樹脂を塗布したので、p+層14と透明樹脂との間の接着強度を高めることができる。また、p+層14が露出した領域32を総面積の内の10%未満(すなわち、裏面の総面積の内の90%以上)とすることで、反射層20による反射の効果を損なわずに、p+層14と透明樹脂との間の接着強度を高めることができるという効果を有する。なお、裏面に反射層20を形成しない場合、透明樹脂上に接着されたバックフィルムの引張り強度(この場合は、太陽電池セル10とEVAの接着強度)は、1平方センチ当たり1kgfに達し、この値は、反射層20が形成されない領域32が100〜5%の領域を占める場合は、ほぼその強度を維持しているが、5%を超えると0.8kgf以下に減じてしまう。したがって、引張り強度を維持するためには、10%程度の反射層20が形成されない領域32が必要となる。
なお、上述した説明では、p型シリコン基板12にn型拡散層13を形成した場合を例に挙げたが、導電型を逆にした場合にも同様にこの発明を適用することができる。また、シリコン基板だけでなく、半導体基板全般に対して、この発明を適用することができる。
以上のように、この発明にかかる光起電力装置は、フォトダイオードや太陽電池などの受光素子に有用である。
5a,5b ユニット、10 太陽電池セル、11 半導体層部、12 p型シリコン基板、13 n型拡散層、14 p+層、15 反射防止膜(窒化シリコン膜)、16 表銀グリッド電極、17 表銀バス電極、18 裏面銀電極、19 タブ電極、19a 張出部、20 反射層、31 マスク、51 アルミペースト、52 裏面用銀ペースト、53 表面用銀ペースト、54 アルミニウム層、56 アルミ銀合金部、60 横タブ電極。
Claims (7)
- 第1の導電型の半導体基板の光の入射面側に第2の導電型の不純物を拡散させて、第1の拡散層を形成する第1の拡散層形成工程と、
前記第1の拡散層上に所定の形状の表面電極用ペーストを塗布し、前記半導体基板の光の入射面に対向する裏面上に所定の位置が開口した第1の導電型の元素であるアルミニウムを含む第1の導電型元素含有ペーストと、前記第1の導電型元素含有ペーストの開口部を覆うとともに前記開口部に接する周囲の前記第1の導電型元素含有ペーストと重なるように銀を含む裏面電極用ペーストを塗布するペースト塗布工程と、
前記ペーストを焼成し、前記半導体基板の裏面の前記第1の導電型元素含有ペーストの塗布領域に前記半導体基板よりも高い第1の導電型の不純物濃度を有する第2の拡散層と、拡散しなかった前記第1の導電型元素含有ペーストが焼成された第1の導電型不純物層と、を形成するとともに、前記第1の拡散層上と前記半導体基板の裏面上にそれぞれ表面電極と裏面銀電極を形成する焼成工程と、
希フッ酸に前記表面電極と前記裏面銀電極とを形成した前記半導体基板を浸漬して、前記表面電極と前記裏面銀電極の表面側に析出した溶融ガラス成分とともに、前記第1の導電型不純物層を除去する除去工程と、
前記表面電極と前記裏面銀電極上にタブ電極を形成するタブ電極形成工程と、
前記タブ電極を形成した前記半導体基板の裏面上および前記裏面銀電極上に直接に、光を反射する絶縁性の材料からなる反射層を形成する反射層形成工程と、
前記タブ電極を形成した前記半導体基板を密封するように透明樹脂で挟む樹脂密封工程と、
を含み、
前記ペースト塗布工程で使用される前記第1の導電型元素含有ペーストは、ガラス粉を含まないまたは希フッ酸で除去可能なガラス粉を含み、
前記反射層形成工程では、前記半導体基板と前記第1の拡散層を含む半導体層部における光電変換に寄与する波長領域の全てまたは一部を反射するアルミニウム粉末または酸化チタン粉末を配合した塗料を前記反射層として形成することを特徴とする光起電力装置の製造方法。 - 前記ペースト塗布工程で使用される前記表面電極用ペーストは、銀を含むペーストであり、前記第1の導電型元素含有ペーストは、ガラス粉を含まないペーストであり、
前記除去工程では、1:10〜1:500の割合で純水によって希釈されたフッ酸を用いて、前記第1の導電型不純物層であるアルミニウム層を選択的に除去することを特徴とする請求項1に記載の光起電力装置の製造方法。 - 前記焼成工程で焼成された前記第1の導電型不純物層であるアルミニウム層は、JIS K5400−8.4.1またはJIS K5400−8.4.2に記載された試験に基づく値がH以下の柔らかい鉛筆によるすり傷が認められることを特徴とする請求項2に記載の光起電力装置の製造方法。
- 前記反射層形成工程では、前記裏面銀電極を形成した前記第2の拡散層上の全面に前記反射層を形成することを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載の光起電力装置の製造方法。
- 前記反射層形成工程では、前記裏面銀電極を形成した前記第2の拡散層上の総面積の90%以上を覆うように前記反射層を形成することを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載の光起電力装置の製造方法。
- 前記反射層形成工程は、
前記裏面銀電極を形成した前記第2の拡散層上に、前記第2の拡散層の総面積のうち10%未満の領域にマスクを形成する工程と、
前記マスクを含む前記第2の拡散層および前記裏面銀電極上に前記反射層を形成する工程と、
前記マスクを取り除く工程と、
を含むことを特徴とする請求項5に記載の光起電力装置の製造方法。 - 前記反射層形成工程では、前記塗料を噴射塗布またはスプレー塗布によって前記タブ電極を形成した前記半導体基板上に塗布することを特徴とする請求項1から6のいずれか1つに記載の光起電力装置の製造方法。
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