JP5460860B2 - 太陽電池素子およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は半導体基板と電極とを備えている太陽電池素子およびその製造方法に関する。
半導体基板と電極とを備えている太陽電池素子を製造する場合に、シリコン等の半導体基板の上に、銀を主成分とする導電ペーストを、スクリーン印刷法を用いて所定のパターン形状に塗布して、その後これを焼成して電極を形成することがある。
また、シリコン等の半導体基板の上に、アルミニウムを主として含む導電ペーストをスクリーン印刷法を用いて塗布して、この塗布した導電ペーストを焼成して集電電極を形成した後に、この集電電極の上に銀を主として含む導電ペーストを塗布して、その後これを焼成して取出電極を形成することがある(下記の特許文献1〜3等を参照)。
特開平11−312813号公報 特開2008−109016号公報 特開2007−266649号公報
しかしながら、シリコン等の半導体基板と、その上に設けた銀からなる電極とはオーミックコンタクト性が悪く、キャリアの取り出しが効率的にできないので、太陽電池素子の光電変換効率が低下する一因になっていた。
また、シリコン等の半導体基板の上にアルミニウムからなる集電電極を設けて、この上に銀からなる取出電極を設けた場合、シリコン等の半導体基板とアルミニウムとの熱膨張係数の差異、および、アルミニウムと銀との熱膨張係数の差異により応力が発生して、半導体基板に反りが発生することがある。
このように、半導体基板に反りが発生すると、その後の製造工程において、半導体基板に割れまたはクラックが発生しやすくなり、作製した太陽電池素子の信頼性が低下することになる。
そこで本発明は、キャリアの取り出しが効率的に行なうことができて、さらに、半導体基板に反りが発生しにくい信頼性の高い太陽電池素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一形態に係る太陽電池素子は、一導電型の第1半導体層と逆導電型の第2半導体層とを有する、結晶系のシリコンを用いた半導体基板と、発電電力を取り出すための電極とを備えており、前記第2半導体層は、前記半導体基板の少なくとも第1主面に配置されているとともに、前記電極は、前記第2半導体層の上に配置された第1電極と、前記半導体基板の前記第1主面の反対側に位置する第2主面に配置された第2電極とを有している太陽電池素子であって、前記第1電極および前記第2電極の少なくとも一方が、主成分として銀、銅およびニッケルを含有しており、100質量部の銀に対して、銅を60質量部以上90質量部以下で、ニッケルを7質量部以上10質量部以下で含有していることを特徴とする。
また、上記太陽電池素子の製造方法において、前記第1電極および前記第2電極の少なくとも一方を、銀、銅およびニッケルを含有する導電ペーストを塗布した後に、該導電ペーストを焼成することによって形成することを特徴とする。
本発明の一形態に係る太陽電池素子およびその製造方法によれば、キャリアの取り出しが効率的に行なうことができて、さらに、半導体基板に反りが発生しにくい。
本発明の一形態に係る両面電極型太陽電池素子の一例を模式的に示す図であり、(a)は太陽電池素子の受光面側における外観の一例を示す平面図であり、(b)は太陽電池素子の裏面側における外観の一例を示す平面図である。 (a)〜(e)のそれぞれは、本発明の一形態に係る両面電極型太陽電池素子の製造工程を模式的に示す断面図である。 本発明の一形態に係るバックコンタクト型太陽電池素子の一例を模式的に示す図であり、(a)は太陽電池素子の受光面側における外観の一例を示す平面図であり、(b)は太陽電池素子の裏面側における外観の一例を示す平面図である。 (a)は図3(a)におけるX−X方向で切断した断面図であり、(b)は図3(a)におけるY−Y方向で切断した断面図である。 バスバー電極のSEM写真を模写した図であり、銅ニッケル合金を主成分として含有する複数の金属領域と、これら金属領域のそれぞれを囲んでいる、銀を主成分として含有する金属領域とを有している様子を示す図である。 バスバー電極のSEM写真を模写した図であり、銅を主成分として含有する金第1金属領域と、銀とニッケルを主成分として含有する第2金属領域とを有している様子を示す図である。 反りの測定を模式的に説明するための太陽電池素子の断面図である。 導電ペーストの種類と太陽電池素子の反りとの関係を示すグラフである。 導電ペーストの種類と太陽電池素子の光電変換効率との関係を示すグラフである。 導電ペーストの種類とバスバー電極と半導体基板との密着強度の関係を示すグラフである。
以下に、本発明の一形態に係る太陽電池素子およびその製造方法について、詳細に説明する。
<太陽電池素子の基本構成>
太陽電池素子の基本構成について説明する。例えば図1(a),(b)に示すように、太陽電池素子1は、少なくとも一導電型の第1半導体層と逆導電型の第2半導体層とを有する半導体基板2と、発電電力を取り出すための電極(バスバー電極3,フィンガー電極4,集電電極5,出力取出電極6)とを備えている。第2半導体層は、半導体基板2の少なくとも第1主面2aに配置されており、電極は、第2半導体層の上に配置された第1電極(バスバー電極3,フィンガー電極4)と、半導体基板2の第1主面2aの反対側に位置する第2主面2bに配置された第2電極(集電電極5,出力取出電極6)とを有している。そして、太陽電池素子1は、第1電極および第2電極の少なくとも一方が、銀、銅およびニッケルを主成分として含有していることを特徴とする。
ここで、「銀、銅およびニッケルを主成分として含有している」とは、電極中すなわち100質量%の電極中における銀、銅およびニッケルの合計含有量(前記の銀、銅およびニッケルの3つの元素以外の金属を含まない合計含有量)が80質量%以上であることをいうものとし、以下に述べる「主成分として」も同様に80質量%以上含有することをいうものとする。
第1電極および第2電極の少なくとも一方は、銅ニッケル合金を主成分として含有する複数の第1金属領域と、これら第1金属領域のそれぞれを囲んでいる、銀を主成分として含有する第2金属領域とを有しているか、銅を主成分として含有する第1金属領域と、銀とニッケルを主成分として含有する第2金属領域とを有している。
半導体基板2は、例えば、一導電型の半導体基板を用意して、この半導体基板の少なくとも第1主面2aに逆導電型の第2半導体層を形成することによって、一導電型の第1半導体層と第2半導体層とを有するものとしてよい。
また、太陽電池素子1の第2半導体層の上に設けられた電極は、半導体基板2の第1主面2a側のみに設けられていてもよい。また、第2半導体層の上に設けられた電極は、半導体基板2の第2主面2b側にも形成されていてもよく、この場合の太陽電池素子(バックコンタクト型太陽電池素子)は、半導体基板2の第1主面2aおよび第2主面2bの間を貫通する複数の貫通孔と、これら貫通孔内に配置された導体とをさらに備え、第2半導体層は、貫通孔の内壁にも導体に接するように配置されており、第1電極は、導体を介して、半導体基板2の第2主面2b側にも導出されている。
<両面電極型太陽電池素子>
次に、図1(a),(b)および図2に示すように、半導体基板2の受光面とした第1主面2aと、第1主面2aに対して反対側に位置して裏面(非受光面)とした第2主面2bとのそれぞれに、互いに異なる極性の電極を1種類ずつ設けている両面電極型太陽電池素子について説明する。なお、太陽電池素子1の発電部分に使用する材料は、その発電部分からの電力を取り出すための電極材料は限定されないが、以下、シリコン系太陽電池素子について説明する。
両面電極型の太陽電池素子1は、光が入射する第1主面2aと、第1主面2aに対して反対側に位置する第2主面2bとを有する半導体基板2と、この半導体基板2の第1主面2a上に設けられたバスバー電極3およびフィンガー電極4と、第2主面2b上に設けられた集電電極5と出力取出電極6とを有する。
半導体基板2は、例えば、単結晶シリコンまたは多結晶シリコンなどから成るシリコンウエハから構成されて、例えば1辺が150〜160mm程度の平面視で矩形状をしている。また、半導体基板2は一導電型の第1半導体層と逆導電型の第2半導体層とを有する。すなわち、半導体基板2はp型シリコン層とn型シリコン層とを有しており、これら層の接合部をpn接合部という。
半導体基板2の第1主面2a上に形成される電極は、幅1〜3mm程度の複数の線状電極からなるバスバー電極3と、バスバー電極3に対して平面視で略垂直に交わる細いフィンガー電極4とからなる。フィンガー電極4は、複数の線状電極が2〜5mm程度のピッチで設けられており、各線状電極の幅は50〜200μm程度である。また、バスバー電極3およびフィンガー電極4の厚みは10〜20μm程度である。
半導体基板2の第1主面2aの全面には、予め反射防止膜8を形成しておくことが望ましい。
第2主面2b上に形成される電極は、集電電極5および複数の線状電極からなる出力取出電極6である。この出力取出電極6の厚みは10〜20μm程度であり、線状電極の幅は3.5〜7mm程度である。また、集電電極5の厚みは15〜50μm程度である。
フィンガー電極4および集電電極5は、発生したキャリアを集電する役割を有し、バスバー電極3および出力取出電極6はフィンガー電極4および集電電極5で集めたキャリアを外部に出力する役割を有する。
次に、太陽電池素子1の作用について説明する。太陽電池素子1の第1主面2a側から光が入射すると、この光は半導体基板2中において電子キャリアおよび正孔キャリアが生成されて光電変換される。すなわち、電子キャリアおよび正孔キャリアが上述のpn接合部の働きにより、太陽電池素子1の第1主面2aおよび第2主面2bのそれぞれに設けられた電極に集められ、両電極間に電位差が生ずる。
<両面電極型太陽電池素子の製造方法>
次に、両面電極型太陽電池素子の製造方法の一例について説明する。
まず、図2(a)に示すように、一導電型の単結晶または多結晶のシリコンから成る半導体基板2を準備する。この半導体基板2は、例えばB(ボロン)などをドーパントとして用いた、比抵抗0.2〜2Ω・cm程度のp型基板が好適に用いられる。なお、半導体基板2は、場合によってはn型を呈するn型基板を用いてもよいが、以下、半導体基板2としてp型基板を用いた例を説明する。
半導体基板2が単結晶シリコンの場合は、チョクラルスキー法などの引き上げ法などによってインゴットが作製される。半導体基板2が多結晶シリコンの場合は鋳造法などによってインゴトが作製される。多結晶シリコンは大量生産が可能である点で単結晶シリコンよりも有利である。以下、半導体基板2として多結晶シリコンを用いた例について説明する。
多結晶シリコンのインゴットは、例えばワイヤーソーなどを用いて350μm以下、より好ましくは200μm以下の厚み(例えば、150〜200μm)にスライスして半導体基板2とする。なお、半導体基板2の表面に付着したスライス時の汚染層を清浄化するために、表面をNaOHの溶液、KOHの溶液、またはフッ酸とフッ硝酸の混合溶液などを用いて、ごく微量エッチングすることが望ましい。
次に、半導体基板2の第1主面2a側に、ドライエッチング方法またはウェットエッチング方法などを用いて、あるいはRIE(Reactive Ion Etching)装置などを用いて、光反射率の低減機能を有する凹凸(粗面)構造を形成するのが好ましい。
次に図2(b)に示すように、半導体基板2の表面全体にn型層9を形成する。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、n型層9のシート抵抗は30〜300Ω/□程度とする。これによって、n型層9とp型バルク領域10との間にpn接合部が形成される。
n型層9は、例えば、半導体基板2を700〜900℃程度に加熱した後に、この温度を維持しながら、拡散源22として用いるガス状態にしたPOCl(オキシ塩化リン)雰囲気中で20〜40分程度、気相熱拡散法などにより0.2〜0.7μm程度の厚みに形成される。この際に、半導体基板2の表面全体にリンガラスが形成される。このリンガラスを除去するために、半導体基板2をフッ酸に浸漬し、その後洗浄して乾燥させる。
次に図2(c)に示すように、半導体基板2の第2主面2bの端面外周部に形成されているn型層9の一部を除去して、この除去部7によりpn分離(pn接合部を削る、またはpn接合部に溝を形成することによりpn接合部の連続部分を分断すること)を行なう。このn型層9の一部の除去は、アルミナまたは酸化シリコンの粒子を高圧でシリコンウエハの第2主面2bの端面外周部に吹きつけるサンドブラスト法、またはYAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)レーザーなどにより、pn接合部に達する分離溝を形成することで行なう。
次に図2(c)に示すように、第1主面2aに反射防止膜8を形成する。反射防止膜8の材料としては、SiNx(窒化珪素)膜、TiO膜、SiO膜、MgO膜、ITO膜、SnO膜またはZnO膜などを用いることができる。反射防止膜8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2の場合、屈折率は1.8〜2.3程度、厚み500〜1200Å程度にすればよい。反射防止膜8の製法としては、PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)法、蒸着法またはスパッタリング法などを用いることができる。
次に図2(d)に示すように、半導体基板2の第2主面2b側に集電電極5を形成する。集電電極5は、アルミニウムを主成分とするペーストを、第2主面2bの外周辺部における幅1〜5mm程度を除いて、第2主面2bの略全面に塗布することで形成する。この塗布法としては、スクリーン印刷法などを用いることができる。集電電極5の形成に用いるペーストは、アルミニウム粉末と有機ビヒクルなどからなるものであり、これを塗布した後、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2に焼き付ける。このアルミニウムペーストを印刷し焼成することにより、p型不純物であるアルミニウムを半導体基板2の塗布部分に高濃度に拡散させることができて、裏面側にも形成されているn型層をp型にすることができる。
次に図2(e)に示すように、第1主面2a側の電極(バスバー電極3およびフィンガー電極4)と第2主面2bの出力取出電極6を形成する。
第2主面2bの出力取出電極6は、銀、銅およびニッケルを含有する導電ペーストを塗布することにより形成することができる。ここで、銅とニッケルは合金の形で導電ペーストに含有されると、シリコンとのオーミックコンタクト性の改善およびシリコンとの熱膨張率に起因する応力の緩和の点で望ましい。
出力取出電極6を形成するための導電ペーストは、例えば平均粒径0.1〜5μmの銀粒子と、厚み0.1〜1.5μmに表面を銀で被覆した、銅とニッケルの合金(以下、銅ニッケル合金という)からなり平均粒径0.5〜6μmの銅ニッケル合金粒子と、有機ビヒクルと、ガラスフリット(例えば、アルミ硼珪酸ガラスまたは酸化ビスマス等)とを混合したものである。これらの混合物は、銀、銅およびニッケルの100質量部に対して、有機ビヒクルと、ガラスフリットとを、それぞれ5〜30質量部、0.1〜15質量部配合して混練し、さらに溶剤(例えば、テレピネオール、ブチルカルビトールまたはフタル酸ジブチル等)等を用いて50〜200Pa・sの程度の粘度に調節したものである。
上記混練は、銀粒子と有機ビヒクルとガラスフリットとを混練しペースト状にするとともに、並行して銀で被覆した銅ニッケル合金粒子と有機ビヒクルとガラスフリットとを混練しペースト状にして、2つのペーストを予め用意しておくとよい。その後、これら2つのペーストを所定の割合で混練し、溶剤等を用いて所定の粘度に調整すると、銀粒子と銅ニッケル合金粒子とがより均一に混ざり合うため好ましい。
ここで、上記導電ペーストは、例えば平均粒径0.1〜5μmの銀粒子と、平均粒径0.5〜6μmの銅ニッケル合金粒子と、有機ビヒクルと、ガラスフリット(例えば、アルミ硼珪酸ガラスまたは酸化ビスマス等)等とを混合したものを用いてもよい。なお、この場合の導電ペーストも他の部材の配合量および粘度等の他の条件は上述した条件と同様とする。またこの場合も、上記と同様にして銀粒子を含有するペーストと、銅ニッケル合金粒子を含有するペーストとを用意して、これらを混練して粘度を調整したペーストを用いるとよい。
また、上記導電ペーストは、例えば平均粒径0.1〜5μmの銀の粒子と、ニッケルで表面が被覆された平均粒径0.5〜6μmの銅粒子と、有機ビヒクルと、ガラスフリット(例えば、アルミ硼珪酸ガラスまたは酸化ビスマス等)等とを混合したものを用いてもよい。この場合も、他の部材の配合量および粘度等の他の条件は上述した条件と同様とする。またこの場合も、上記と同様にして銀粒子を含有するペーストと、ニッケルで表面が被覆された銅粒子を含有するペーストとを用意して、これらを混練して粘度を調整したペーストを用いるとよい。
また、上記導電ペーストは、例えば平均粒径0.1〜5μmのニッケル粒子と、銀で表面が被覆された平均粒径0.5〜6μmの銅粒子と、有機ビヒクルと、ガラスフリット(例えば、アルミ硼珪酸ガラスまたは酸化ビスマス等)等とを混合したものを用いてもよい。この場合も、他の部材の配合量および粘度等の他の条件は上述した条件と同様とする。またこの場合も、上記と同様にしてニッケル粒子を含有するペーストと、銀で表面が被覆された銅粒子を含有するペーストとを用意して、これらを混練して粘度を調整したペーストを用いるとよい。
導電ペーストの塗布法としては、スクリーン印刷法などを用いることができ、塗布後、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。
集電電極5上に、上述のようにして調整した銀粒子と、銀が表面に被覆された銅ニッケル合金粒子とを含有する導電ペーストを塗布し、乾燥後、焼成炉内にて最高温度が500〜650℃で数十秒〜数十分程度焼成することにより出力取出電極6を形成する。この銀と銅ニッケル合金とを含有する導電ペーストの焼成においては、含有している銅ニッケル合金粒子の酸化を抑制する上で、炉内のピーク温度付近の位置の酸素濃度が500ppm未満になるように、窒素ガスなど不活性ガスを炉内部に導入することが望ましい。
裏面2b側の電極形成の工程は、上述のように、アルミニウムペーストを塗布・焼成して集電電極5を形成し、その後、上述した銀と銅ニッケル合金とを含有する導電ペーストを塗布・焼成して出力取出電極6を形成して焼成工程を別々にしても良いし、アルミニウムペーストを塗布・乾燥した後、銀と銅ニッケル合金とを含有する導電ペーストを塗布し、両者を同時に焼成してもよい。
発明者らが繰り返し行なった試験の結果では、銅ニッケル合金の質量比は、銅:ニッケル=95:5〜60:40の範囲であることが望ましい。銅の割合が95を超えると銅の酸化が発生しやすくなり、焼成後の電極の抵抗値が増大する。一方、銅の割合が60未満であるとニッケルの割合が大きくなりすぎ、焼成後の電極の抵抗値が増大する。銅の割合が多い場合も少ない場合も太陽電池素子の光電変換効率が低下するので、上記適当な質量比とする。
また上述したように、半導体基板2にアルミニウムを主成分とするペーストを塗布、焼成することにより集電電極5を形成し、その上に銅ニッケルの合金と銀とを含有する導電ペーストを塗布、焼成することにより出力取出電極6を形成した場合、銀のみの導電ペーストに比べて硬度が低いため、熱膨張係数の差異により応力を緩和することができ、半導体基板2の反りを小さくすることが可能となる。
次に、半導体基板2の第1主面2aの電極(バスバー電極3とフィンガー電極4)を形成する。このバスバー電極3およびフィンガー電極4の形成においても、銀と銅ニッケル合金とを含有する導電ペーストを塗布することにより形成することが、太陽電池素子の反りをより低減できるため望ましい。
バスバー電極3およびフィンガー電極4を形成するための導電ペーストも、上述した条件で作製した銀と銅ニッケル合金とを含有したものである。なお、この場合の導電ペーストの塗布法も、スクリーン印刷法などを用いることができ、塗布後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。
バスバー電極3およびフィンガー電極4を形成するための導電ペーストを塗布して、これを乾燥した後に、焼成炉内にて最高温度が500〜650℃で数十秒〜数十分程度焼成することにより、バスバー電極3とフィンガー電極4を形成する。この銀と銅ニッケル合金とを含有する導電ペーストの焼成においては、含有している銅ニッケル合金粒子の酸化を防止するため、炉内のピーク温度付近の位置の酸素濃度が500ppm未満になるように、窒素ガスなど不活性ガスを炉内部に導入することが望ましい。
バスバー電極3およびフィンガー電極4を形成するための導電ペーストの焼成は、上述の出力取出電極6を形成するための導電ペーストの焼成と同時に行なうことが、別々に焼成するよりも、焼成が1回になり、銅ニッケル合金の酸化を抑制できるため望ましい。
<バックコンタクト型太陽電池素子>
次に、裏面とした第2主面側に、互いに異なる極性の2種類の電極を設けたバックコンタクト型太陽電池素子を説明する。
図3,4に示すように、バックコンタクト型の太陽電池素子21は、太陽光の受光面となる第1主面21aと、その裏面となる第2主面21bとを含み、第1主面21aと第2主面21bとを貫通する複数の貫通孔28を有する半導体基板25から成る。
また、この貫通孔28の内側には導体である導電性充填材Gが充填され、貫通孔電極22bが形成されている。
太陽電池素子21の第1主面21a上に形成された受光面電極22aは、図3(a)に示すように、複数本の直線細線状の電極がほぼ等間隔に設けられ、さらに各々1本の受光面電極22aには貫通孔電極22bがほぼ同じ位置にそれぞれ1〜5個程度接続されている。このように、1本の受光面電極22aに1つ以上の貫通孔電極22bを備えることになり、1つの貫通孔電極22bにおける光電流の密度を小さくすることができ、太陽電池素子21の抵抗成分を下げることができる。
この第1主面21aの電極に対応する第2主面21bに形成された電極の形状は、図3(b)に示すように、まず貫通孔電極22bの直下に、これと電気的に接続された矩形状の第1電極22cが複数個、一直線上にほぼ一定間隔で配置される。この第1電極22cの1つには、貫通孔電極22bが1つまたは複数個、接続されている。
さらに、第2主面21bには、第1電極22cとは異なる極性を持った第2電極23が設けられる。この第2電極23は集電電極23aと出力取出電極23bから成る。
すなわち、上記の直線状に配置された第1電極22cとその周辺部以外の部分に、集電電極23aが配置され、この集電電極23a上に出力取出電極23bが設けられている。
出力取出電極23bは、各々集電電極23a上の対向する位置に設けられる。この対向する出力取出電極23bの2つの領域は、第3電極24で電気的に接続されている。
半導体基板25は主として一導電型を有し、この半導体基板25の第1主面21aおよび裏面1bには、図4(a),(b)に示すように、半導体基板25の導電型と異なる逆導電型半導体層26(第1逆導電型層26a、第3逆導電型層26c)を有する。また半導体基板25の貫通孔28の内壁には、第2逆導電型層26bが設けられている。
主に一導電型を示す半導体基板25としてp型のシリコン基板を使用する場合、このような逆導電型層26はn型となり、例えばリンなどのn型不純物を半導体基板25表面と電極用貫通孔28の内壁とに拡散することで形成される。
また図4(a),(b)において、集電電極23aの電極材料として主としてアルミニウムが用いられた場合、これを塗布、焼成して集電電極23aを形成する際に、高濃度ドープ層30を同時に形成することができる。すなわち集電電極23aは、高濃度ドープ層30上に形成されることになる。これにより、半導体基板25中で生成されたキャリアが効率よく集電される。ここで、高濃度とは半導体基板25における一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。
このように、本実施形態の太陽電池素子21では、その第1主面21aおよび貫通孔28内には、受光面電極22aと貫通孔電極22bが設けられ、その第2主面21b上においては、逆導電型半導体層26上に第1電極22cが設けられ、また逆導電型半導体層26の非形成部には、第2電極23として集電電極23aと出力取出電極23bとが設けられている。
また、半導体基板25の一導電型(例えばp型)と逆導電型層(例えばn型)との接合部を電気的に分離(pn分離)するため、図3(b)に示すように、第1電極22cを取り囲むように、その周辺部に分離溝29aが設けられており、さらに半導体基板25の裏面21bの外周端部に分離溝29bが設けられている。
本実施形態の受光面電極22a、貫通孔電極22b、第1電極22c、および出力取出電極23bは、銀と銅ニッケル合金とを含有する導電ペーストをプリント印刷法などにより塗布し、焼成することで形成される。これにより、発電効率が優れ、反りの少ない信頼性の高い太陽電池素子21を提供することが可能となる。
<バックコンタクト型太陽電池素子の製造方法>
次に、バックコンタクト型太陽電池素子21の製造方法について説明する。
まず半導体基板の準備工程について説明する。一導電型を示す半導体基板25として、例えばボロンなどがドープされたp型シリコン基板を準備する。このシリコン基板は、シリコンインゴットから切り出された単結晶シリコン基板または多結晶シリコン基板を用いればよく、その大きさは例えば一辺が140〜180mm程度の矩形状であり、その厚みは150μm〜300μm程度である。
次に貫通孔28の形成工程について説明する。半導体基板25の第1主面21aと裏面21bとの間に貫通孔28を形成する。この貫通孔28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、例えば半導体基板25の第2主面21b側から第1主面21a側へ貫通するように形成される。貫通孔28の形成時またはその形成後にマイクロクラックが発生することを抑制するにはレーザー装置などが好適に用いられる。使用されるレーザーとしては、例えばエキシマレーザー、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)レーザーまたはYVO(イットリウム・バナデイト)レーザー等を使用することができる。なお、貫通孔28の直径は20〜50μm程度が好ましい。
次に、表面エッチングについて説明する。貫通孔28を設けた半導体基板25を、水酸化ナトリウムが10〜30質量%程度であり、60〜90℃の水酸化ナトリウム水溶液で5〜20μm程度エッチングする。これにより、貫通孔28内部の側面もエッチングされ、その表面が粗面化される。この粗面化により導電性充填材Gとの接触面積を増加させることができ、両者の接着強度を向上せせることが可能となる。また、このエッチングにより、上述のシリコンインゴットから切り出した際に生じたダメージ層をも除去することができる。さらに、第1主面21aも粗面化でき、太陽電池素子21に入射した光の反射を抑えることができ、その光電変換効率をより向上させることができる。
次に逆導電型層の形成について説明する。半導体基板25の表面に逆導電型層26を形成する。逆導電型層26を形成するためのn型化ドーピング元素としてはリンを用い、シート抵抗が60〜300Ω/□程度のn型とする。これにより、逆導電型層26とp型バルク領域との間にpn接合部が形成される。
さらに、この逆導電型層26に例えば気相拡散法が用いられた場合、半導体基板25の両面および貫通孔28内壁に、同時に逆導電型層26を形成することができる。この貫通孔28の内壁に逆導電型層26bが形成されたことにより、この部分のリーク電流を抑えることが可能になる。
次に反射防止膜の形成について説明する。第1逆導電型層26aの上に、反射防止膜27を形成することが好ましい。この反射防止膜27の材料としては、窒化珪素膜または酸化チタン膜などを用いることができる。反射防止膜27の形成方法としては、PECVD法、蒸着法またはスパッタリング法などを用いることができる。
次に受光面電極と貫通孔電極の形成について説明する。半導体基板25に、受光面電極22aと貫通孔電極22bとを形成する。この受光面電極22aと貫通孔電極22bとの形成においても、銀と銅ニッケル合金とを含有する導電ペーストを塗布することにより形成することが望ましい。
受光面電極22aと貫通孔電極22bとを形成するための導電ペーストは、両面電極型太陽電池素子を説明した条件と同様な条件にて、銀粒子と銀を表面に被覆した銅ニッケル合金粒子と有機ビヒクルとガラスフリット等とを混合して、50〜200Pa・sの程度の粘度に調節する。
導電ペーストの塗布法としては、スクリーン印刷法などを用いることができ、塗布後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。
また、上記と同様な条件で作製した銀粒子と銀を被覆した銅ニッケル合金粒子とを含有する導電ペーストを、受光面電極22aと貫通孔電極22bとの形成に用いる場合は、粘度を変えて別々に塗布することが望ましい。まず貫通孔電極22bを形成するために、銀粒子と銅ニッケル合金粒子とを含有する導電ペーストが貫通孔28に入り込みやすいように、導電ペーストを50〜100Pa・sの程度の低粘度に調整後、導電ペーストをスクリーン印刷法で塗布し、その後乾燥させる。そして、受光面電極22aを形成する銀粒子と銅ニッケル合金粒子とを含有する導電ペーストを塗布後に、その形状が崩れにくいように150〜200Pa・sの程度の高粘度に調整後、スクリーン印刷法で塗布し、その後乾燥させる。これにより、受光面電極22aと第1電極22cの貫通孔電極22bとによる電気的接続の低抵抗化が図れるとともに、受光面電極22aをスクリーン印刷後にペーストが崩れて受光面積が減ることを抑制することができる。
受光面電極22aと貫通孔電極22bとを形成するための導電ペーストを塗布して、これを乾燥させた後に、焼成炉内にて最高温度が500〜650℃で数十分程度焼成する。この銀粒子と銅ニッケル合金粒子とを含有する導電ペーストの焼成においては、含有している銅ニッケル合金粒子の酸化を防止するため、炉内のピーク温度付近の位置の酸素濃度が500ppm未満になるように、窒素ガスなど不活性ガスを炉内部に導入することが望ましい。
次に集電電極の形成について説明する。半導体基板25の裏面21b上に、集電電極23aを形成する。これはスクリーン印刷法を用いて、上述したように半導体基板25の裏面21b上にアルミニウムを主成分とする導電性ペーストを所定の電極形状に塗布し、その後、上述したように焼成することにより、集電電極23aを形成する。またこれにより、一導電型半導体不純物が高濃度に拡散された高濃度ドープ層30を形成することも可能となる。
次に、第1電極22cと出力取出電極23bと第3電極24とを形成する工程について説明する。半導体基板25の裏面21b上に第1電極22cと出力取出電極23bと第3電極24とを形成する。バックコンタクト型の太陽電池素子21においては、第1電極22cと出力取出電極23bと第3電極24とを、上述したように銀粒子と銀で表面が被覆された銅ニッケル合金粒子とを含有する導電ペーストを用いて行なう。
すなわちスクリーン印刷法を用いて、半導体基板25の裏面21bに、例えば、図3(a)に示す第1電極22cと出力取出電極23bと第3電極24に、銀と、銅ニッケル合金とを含有する導電ペーストを塗布し、その後焼成することで第1電極2cと出力取出電極3bと第3電極4とを形成する。
第1電極22cと出力取出電極23bと第3電極24を形成するための導電ペーストを塗布、乾燥後、焼成炉内にて最高温度が500〜650℃で数十分程度焼成する。銀粒子と銅ニッケル合金粒子とを含有する導電ペーストの焼成においては、含有している銅ニッケル合金粒子の酸化を防止するため、炉内のピーク温度付近の位置の酸素濃度が500ppm未満になるように、窒素ガスなど不活性ガスを炉内部に導入することが望ましい。
次に、pn分離工程について説明する。例えば、上述の気相拡散法を用いて逆導電型層の形成を行なった場合、半導体基板25の両面および貫通孔28内壁に、同時に逆導電型層26が形成される。このため、半導体基板25の第1主面21aと裏面21bの逆導電型層26を分離(pn分離)する。このpn分離は、裏面21bの周辺部のみに酸化珪素やアルミナなどの粉末を高圧で吹きつけて、裏面21bの周辺部の逆導電型層を削り取るブラスト加工法、または、裏面21bの周辺端部に分離溝29bを形成するレーザー加工法で可能である。
次に、第1電極22c周囲部分のpn分離を行なう。第1電極22cの周辺部、すなわち第1電極22cと集電電極23a、第3電極24の間にできた半導体基板25の部分にYAGレーザー(波長1064nm)などを用いてレーザー光を照射し、矩形状に分離溝29aを形成することで行なう。
以上により、両面電極型太陽電池素子と同様な効果を奏することが可能なバックコンタクト型太陽電池素子を作製することができる。なお、バックコンタクト型太陽電池素子は上述した太陽電池素子に限定されるものではなく、貫通孔を形成しないIBC(Interdigitated Back Contact)構造のバックコンタクト型太陽電池素子においても応用可能である。
<電極組織>
次に、両面電極型の太陽電池素子1において、第1主面2a側に設けたバスバー電極3を5000倍以上に拡大したSEM(Scanning Electron Microscope)写真を模写した図を図5および図6に示す。
図5は、上述したように、平均粒径が0.1〜5μmの銀粒子と、銀を厚さ0.1〜1.5μmに表面に被覆した、平均粒径0.5〜6μmの銅ニッケル合金粒子とを含有した導電ペーストを焼成して得られた電極の拡大図である。図5に示すように、銅ニッケル合金を主成分として含有する複数の第1金属領域31(斜線で示した領域)と、これら第1金属領域31のそれぞれを囲んでいる、銀を主成分として含有する第2金属領域32とを有していることがわかる。このような金属組織を有する電極は、酸化しにくい銅ニッケル合金と銀との存在により電極の耐酸化性を向上させることができる。
図6は、上述したように、平均粒径が0.1〜5μmの銀粒子と、ニッケルを厚さ0.1〜1.5μmに表面に被覆した、平均粒径が0.5〜6μmの銅粒子とを含有した導電ペーストを焼成して得られた電極を拡大した図である。図6からわかるように、銅を主成分として含有する第1金属領域33(斜線で示した領域)と、銀とニッケルとを主成分として含有する第2金属領域34とを有している。このような金属組織を有する電極では、電極中における銀と銅との質量比を高めてニッケルの質量比を低くすることにより、太陽電池素子の反りを低減させることができる。
<変形例>
本実施形態は上述したように、結晶のみからなる半導体基板を用いた太陽電池素子に限定されない。例えば、n型のシリコン基板の一方主面上に、i型およびp型のアモルファスシリコン層をこの順で製膜し、他方主面上に例えばi型およびn型のアモルファスシリコン層をこの順で製膜して、全体として1つの半導体基板を構成して、この半導体基板の上に電極を設けるようにしてもよい。このような太陽電池素子に対しても、本実施形態を適用することは可能であり、同様な作用・効果を期待することができる。
以下に、両面電極型太陽電池素子の実施例について説明する。
まず鋳造法で作製した多結晶シリコンからなるp型の半導体基板2を準備した。この半導体基板2は、p型ドーピング元素であるボロンを1×1016〜1018atoms/cm程度含有させたものであり、その大きさは約150mm角であり、その厚さは約0.2mm程度であった。
この半導体基板2の表面を清浄化するために、その表面を20%程度の水酸化ナトリウム水溶液でごく微量エッチングして、その後洗浄した。
次に、光入射面となる半導体基板2の第1主面2a側に、RIE(Reactive Ion Etching)装置を用いて光反射率低減機能を有する微細な凹凸(粗面化)構造を形成した。
その後、半導体基板2の表面全面にn型層9を形成した。n型化ドーピング元素としてはリンを用い、シート抵抗が50〜100Ω/□程度のn型とした。このn型層9と半導体基板2の主な領域を占めるp型バルク領域との間にpn接合部が形成された。
このn型層9の形成は次のようにして形成した。半導体基板2を700〜900℃程度に昇温して維持しながら、拡散源としてガス状態にしたPOCl(オキシ塩化リン)雰囲気中で20〜40分程度処理する気相熱拡散法によって、n型層9が0.3〜0.6μm程度の深さに形成した。この場合、半導体基板2の表面全面にリンガラスが形成されるので、このリンガラスを除去するために、この半導体基板2をフッ酸に10秒程度浸漬し、その後、洗浄し乾燥させた。
次に、反射防止膜8を形成した。すなわち第1主面2a側の表面に反射防止膜8として、SiNx(窒化シリコン)膜をPECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)装置で、約450℃程度の温度でモノシランガスおよびアンモニアガスを用いて成膜した。このSiNx膜は反射防止効果を発現させるために、屈折率は2.0程度として膜厚は80nm程度とした。
その後、pn分離を行なうために、半導体基板2の第2主面2b側の外周端部にレーザービームを照射し、pn接合部に達する深さ以上に分離溝を形成した。このレーザー装置はYAGレーザー装置で行なった。
その後、半導体基板2の第2主面2b側に集電電極5を形成した。この集電電極5は、アルミニウムを主成分とするペーストを第2主面2bの外周辺部1mm程度を除いて、第2主面2bの略全面にスクリーン印刷法を用いて塗布することで形成した。
この集電電極5の形成に用いるペーストは、アルミニウム粉末と有機ビヒクルとからなるものであり、これを塗布した後、最高温度800〜850℃程度で焼成してアルミニウムを半導体基板2に焼き付けた。焼成後の集電電極5の厚みは約30〜50μmであった。
次にこの集電電極5上に出力取出電極6を形成した。この出力取出電極6の形成に用いた導電ペーストは次の通りである。
銅ニッケル合金の質量比が銅:ニッケル=9:1の粒子を用い、表1に示すように、銀に対する銅ニッケル合金における質量比を変化させた導電ペーストを作製した。表1は銀を100とした場合の銅およびニッケルの金属換算の質量比を示したものである。
これらの導電ペーストは、銀および銅ニッケル合金の合計量100質量部に対して、有機ビヒクル15質量部、ガラスフリット12質量部を添加したものである。さらにテレピネオールを用いて150Pa・sの程度の粘度に調節したものを用いた。塗布法としてはスクリーン印刷法を用いた。スクリーン印刷法による塗布後、乾燥炉で約80〜90℃程度で20分程度、溶剤を蒸散させて乾燥させた。導電ペースト中の銀粒子の粒径は0.1〜5μmであった。また、銅ニッケル合金粒子は表面が厚さ0.1〜1.5μm程度に銀が被覆された粒径0.5〜6μmのものを用いた。
次に、第1主面2a側の表面の反射防止膜8上に、第1主面2aの電極(バスバー電極3およびフィンガー電極4)を形成した。このバスバー電極3およびフィンガー電極4の形成においても、各試験用セルにおいて、出力取出電極6を形成した銀と銅ニッケル合金とを含有する導電ペーストと同様の導電ペーストを、スクリーン印刷法を用いて塗布することにより形成した。
その後、集電電極5上に塗布した導電ペーストと第1主面2aの電極を焼成した。この焼成は、導電ペーストを塗布・乾燥させた後、焼成炉内にて最高温度が500〜600℃で数分程度、炉内のピーク温度付近の位置の酸素濃度が180〜370ppmの雰囲気で焼成することにより行なった。この焼成後の出力取出電極6、バスバー電極3およびフィンガー電極4の厚みは、10〜20μm程度であった。
この焼成後、上記のペーストP1〜P10により、出力取出電極6、バスバー電極3とフィンガー電極4を形成した試験用太陽電池素子の各反り(高さ)を下記のようにして測定した。
図7は反りWを示す断面図である。すなわち上述の試験用太陽電池素子12を水平で平滑な面を有する台に、上が凸形状になるように載置した場合の台の表面から試験用セル12の最上部までの高さを反りWとして測定した。
この結果を図8に示す。図8はペーストP1を用いて作製した太陽電池素子の反りを100としたときに、他の各ペーストでの反りを指数で表したものである。
図8に示すように、銀のみのペーストP1の反りに対しペーストP1からP7までは反りの減少が観られたが、ペーストP8からP10まではこれ以上の減少が観られなかった。これはペーストP8からP10においては、銀の含有量に対し銅とニッケルの含有量が大きくなり、これ以上の応力の緩和が起こらなかったためと考えられる。
すなわち電極が銀100質量部に対して、銅を10質量部以上で、ニッケルを1質量部以上で含有させることにより、太陽電池素子の反りを減少させることがわかった。さらに、銅を60質量部以上で、ニッケルを7質量部以上で含有させることにより、太陽電池素子の反りを大幅に減少させることがわかった。
また上記のペーストP1〜P10により出力取出電極6、バスバー電極3とフィンガー電極4を形成した各試験用セルの光電変換効率を、AM1.5、100mW/cmの擬似太陽光を用い、太陽電池素子の表面温度が25℃で測定した。
図9は、ペーストP1での光電変換効率を100としたときに、他の各ペーストでの光電変換効率を指数で表したものである。
図9に示すように、銀のみのペーストP1の光電変換効率に対してペーストP2からP7までは光電変換効率の向上が観られたが、ペーストP8からP10では急減に低下した。これは銅およびニッケルの添加によりシリコンとのオーミックコンタクト性が改善し、光電変換効率が向上したが、銅およびニッケルの添加量が多くなりすぎると、銅の酸化およびニッケルの影響等により抵抗が増大して、オーミックコンタクト性の低下が起こったためと考えられる。
すなわち電極が銀100質量部に対して、銅を135質量部以下、ニッケルを15質量部以下含有させることにより、さらに好適には銅を60〜90質量部とし、ニッケルを7〜10質量部含有させることにより、太陽電池素子の光電変換効率を向上させることがわかった。
次に、P5,P6,P7のペーストを用いて作製した太陽電池素子の密着強度について測定した結果を図10に示す。この測定は、太陽電池素子1の第1主面2a側に設けたバスバー電極3の3本の線状電極の全てに対して(合計15本)、線状電極の中央部において平面視で2mm×2mm程度の大きさの部位に、長さ約5cmのリボン状リード線の一端部をはんだ付けした。その後、リボン状リード線をはんだ付けした部位から上方へ約90度折り曲げるとともに、このリボン状リード線の他端部をプッシュプルゲージに接続して、このプッシュルプルゲージを毎分6mm程度の速さで引き上げた。この際にバスバー電極3が半導体基板2から剥離したときの引っ張り荷重を測定して各太陽電池素子の平均を計算することにより、バスバー電極3と半導体基板2との密着強度とした。
図10はペーストP6を100としたときのペーストP5およびペーストP7の値を示したものである。この測定結果より、ペーストP5が最も優れた密着強度を示すことがわかった。
以上により、電極が銀100質量部に対して金属換算で、銅を10質量部以上135質量部以下、ニッケルを1質量部以上15質量部以下含有させることにより、銀のみの電極を備えた太陽電池素子に対して、反りを減少させかつ光電変換効率の向上させた太陽電池素子1の作製が可能となった。
1、21:太陽電池素子
2、25:半導体基板
2a、21a:第1主面
2b、21b:第2主面
3:バスバー電極
4,22a:フィンガー電極
5、23a:集電電極
6、23b:出力取出電極
7:除去部
8、27:反射防止膜
9、26:逆導電型層(半導体層)
10:p型バルク領域
22b:貫通孔電極
22c:第1電極
23:第2電極
24:第3電極
26a:第1逆導電型層
26b:第2逆導電型層
26c:第3逆導電型層
28:電極用貫通孔
29a、29b:分離溝
30:高濃度ドープ層
31,33:第1金属領域
32,34:第2金属領域

Claims (11)

  1. 一導電型の第1半導体層と逆導電型の第2半導体層とを有する、結晶系のシリコンを用いた半導体基板と、発電電力を取り出すための電極とを備えており、
    前記第2半導体層は、前記半導体基板の少なくとも第1主面に配置されているとともに、前記電極は、前記第2半導体層の上に配置された第1電極と、前記半導体基板の前記第1主面の反対側に位置する第2主面に配置された第2電極とを有している太陽電池素子であって、
    前記第1電極および前記第2電極の少なくとも一方が、主成分として銀、銅およびニッケルを含有しており、100質量部の銀に対して、銅を60質量部以上90質量部以下で、ニッケルを7質量部以上10質量部以下で含有していることを特徴とする太陽電池素子。
  2. 前記電極のうち前記第2電極のみが、主成分として銀、銅およびニッケルを含有していることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池素子。
  3. 前記第1電極は、前記半導体基板の前記第1主面側のみに配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の太陽電池素子。
  4. 前記第2半導体層は、前記半導体基板の前記第1主面および前記第2主面の両方に配置されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の太陽電池素子。
  5. 前記半導体基板の前記第1主面および前記第2主面の間を貫通する複数の貫通孔と、これら貫通孔内に配置された導体とをさらに備え、前記第2半導体層は、前記貫通孔の内壁にも前記導体に接するように配置されており、
    前記第1電極は、前記導体を介して、前記半導体基板の前記第2主面側にも導出されていることを特徴とする請求項4に記載の太陽電池素子。
  6. 前記導体は、主成分として銀、銅およびニッケルを含有していることを特徴とする請求項5に記載の太陽電池素子。
  7. 請求項1に記載の太陽電池素子の製造方法であって、前記第1電極および前記第2電極の少なくとも一方を、銀、銅およびニッケルを含有する導電ペーストを塗布した後に、該導電ペーストを焼成することによって形成することを特徴とする太陽電池素子の製造方法。
  8. 前記導電ペーストの塗布は、銅ニッケル合金粒子と銀とを含有する前記導電ペーストを用いて行なうことを特徴とする請求項7に記載の太陽電池素子の製造方法。
  9. 前記導電ペーストの塗布は、銀で表面が被覆された銅ニッケル合金粒子を含有する前記導電ペーストを用いて行なうことを特徴とする請求項8に記載の太陽電池素子の製造方法。
  10. 前記導電ペーストの塗布は、ニッケルで表面が被覆された銅粒子と銀とを含有する前記導電ペーストを用いて行なうことを特徴とする請求項7に記載の太陽電池素子の製造方法。
  11. 前記導電ペーストの塗布は、銀で表面が被覆された銅粒子とニッケルとを含有する前記導電ペーストを用いて行なうことを特徴とする請求項7に記載の太陽電池素子の製造方法。
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