JP5608828B1 - 結晶シリコン太陽電池の製造方法、太陽電池モジュールの製造方法、結晶シリコン太陽電池並びに太陽電池モジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 第一透明電極層6を形成する第一透明電極層形成工程と、第二主面側の面のほぼ全面に、銅を主成分とする裏面電極層11を形成する裏面電極層形成工程を含み、第一透明電極層形成工程及び裏面電極層形成工程後に、第一主面側の少なくとも第一透明電極層6と、第二主面側の少なくとも第二透明電極層10及び裏面電極層11と、の短絡が除去されるように絶縁領域30を形成する絶縁処理工程を行い、絶縁処理工程は、第一主面側から、第一主面外周部の全周に亘ってレーザー光を照射する工程を有する。
【選択図】図10
Description
結晶シリコン表面と導電型非晶質シリコン系薄膜との間に薄い真性の非晶質シリコン層を製膜することで、結晶シリコンの表面に存在する欠陥をパッシベート(Passivation)することができる。また、導電型非晶質シリコン系薄膜を製膜する際の、キャリア導入不純物の結晶シリコン表面への拡散も防止することができる。
すなわち、特許文献2には、結晶系半導体基板の両面に、互いに逆導電型を有する非晶質又は微結晶からなる半導体層を設け、表面側の前記半導体層を前記基板の略全面に形成する。さらに、裏面側の前記半導体層をマスクにより前記基板より小面積に製膜することによる光起電力素子の製造方法が開示されている。
この光起電力素子の製造方法を用いれば、表面及び裏面におけるシリコン薄膜の回り込みによる特性低下を低減すると共に、無効部を低減できるとされている。
また、上記した光起電力素子の製造方法は、リーク防止の観点から、マスクの余白部を確保する必要がある。すなわち、光起電力素子の製造方法は、シリコン薄膜層を製膜しない領域をある程度確保する必要があり、当該製造方法によって製造された光起電力素子は、電流のゲイン(Gain)とリーク(Leak)による損失(ロス)がトレードオフ(Trade off)するという問題があった。
特許文献3では、表面又は裏面から真性非晶質半導体層に達する溝を形成して絶縁処理を施すことにより、回り込みによる短絡を防止する旨が記載されている。
このヘテロ接合太陽電池は、光入射面側からレーザー光を照射するとpn接合界面がダメージを受け、リーク電流が発生するという問題がある。
そのため、リーク電流を防止する観点から、特許文献4に記載されているように、裏面側にレーザー光を照射して分離溝を形成し、更に折り割りにより絶縁処理を実施することが好ましく行われている。
なお、特許文献4では、裏面側に櫛形の裏面電極を形成し、裏面電極以外の所にレーザー光を照射することにより分離溝を形成する旨が記載されている。
上記の他、本発明に関連する先行技術を記載した文献として、特許文献5〜7がある。
しかしながら、銀ペーストは、材料コストが高いため、銀の代わりに安価な銅(Cu)を用いる検討が精力的に行われている。
この太陽電池特性の低下の対策として、非特許文献1には、酸化インジウム錫(ITO)が銅のシリコン内への拡散を防止するという報告がなされている。
この報告から鑑みると、ヘテロ接合太陽電池では、通常、シリコン基板と裏面電極の間にITOなどからなる透明電極層を有するため、透明電極層の膜厚を調整することにより銅の拡散を防止できると考えられる。
すなわち、図17のように、銅を有する裏面電極層11を形成した後に、裏面側(裏面電極層11側)からレーザー光を照射して、分離溝を形成すると、裏面電極層11の銅成分がレーザー光によって吹き飛ばされてしまう。そうすると、図17のハッチングのように溝の表面部分からシリコン基板への銅(Cu)の拡散が生じる可能性がある。
すなわち、レーザー光によって、裏面電極層を構成する銅がシリコン基板に向かって飛散し、シリコン基板に接触してしまう。
また、特許文献3に記載の光起電力素子は、真性非晶質半導体層にまで達する溝を形成している。そのため、裏面電極層として銅(Cu)を使用した場合、環境試験を実施すると、溝に沿って銅が結晶シリコン基板へと拡散していき、太陽電池特性が低下するといった問題があると推測される。すなわち、環境試験の際の銅の拡散によって溝の表面を介して太陽電池特性が低下すると考えられる。
その結果、本発明者は、裏面のほぼ全面に銅(Cu)を主成分とする裏面電極層を形成し、表面(光入射面)側からレーザー光を照射することで、レーザー照射による銅のシリコン基板内への拡散を防止できることを見出した。その結果、長時間経過後の太陽電池特性の低下を抑制(保持率を維持)できることを見出した。
請求項3に記載の発明は、前記裏面電極層は、前記第二透明電極層側から、第一導電層と、銅を主成分とする第二導電層をこの順に有することを特徴とする請求項1又は2に記載の結晶シリコン太陽電池である。
こと とする請求項1乃至3のいずれかに記載の結晶シリコン太陽電池である。
請求項8に記載の発明は、一導電型単結晶シリコン基板の第一主面側に、逆導電型シリコン系薄膜層及び第一透明電極層をこの順に有し、一導電型単結晶シリコン基板の第二主面側に、一導電型シリコン系薄膜層、第二透明電極層及び裏面電極層をこの順に有する結晶シリコン太陽電池の製造方法において、一導電型単結晶シリコン基板を基準として、逆導電型シリコン系薄膜層の外側に第一透明電極層を形成する第一透明電極層形成工程と、一導電型単結晶シリコン基板の第二主面側であって、第二透明電極層の外側に、銅を主成分とする層を含む裏面電極層を形成する裏面電極層形成工程を含み、裏面電極層形成工程では、第二透明電極層の第二主面側の面のほぼ全面に前記裏面電極層を形成するものであり、第一透明電極層形成工程及び裏面電極層形成工程後に、少なくとも第一透明電極層と、少なくとも第二透明電極層及び裏面電極層との電気的な接続を物理的に分断した絶縁領域を形成する絶縁処理工程を行い、前記絶縁処理工程は、第一主面の外周部の全周に亘って、前記第一主面側からレーザー光を照射するレーザー照射工程を有し、前記レーザー照射工程は、第一主面側から第二主面側に達するようにレーザー光を照射することにより前記第一透明電極層、前記逆導電型シリコン系薄膜層、前記一導電型単結晶シリコン基板、前記一導電型シリコン系薄膜層、前記第二透明電極層及び前記裏面電極層を完全に分断し、前記絶縁領域を形成することを特徴とする結晶シリコン太陽電池の製造方法である。
請求項9に記載の発明は、一導電型単結晶シリコン基板の第一主面側に、第一真性シリコン系薄膜層、逆導電型シリコン系薄膜層、第一透明電極層をこの順に有し、前記一導電型単結晶シリコン基板の第二主面側に、第二真性シリコン系薄膜層、一導電型シリコン系薄膜層、第二透明電極層、裏面電極層をこの順に有する結晶シリコン太陽電池の製造方法であって、逆導電型シリコン系薄膜層上に第一透明電極層を形成する第一透明電極層形成工程と、前記第二主面側の面のほぼ全面に、銅を主成分とする層を含む裏面電極層を形成する裏面電極層形成工程を含み、前記第一透明電極層形成工程及び前記裏面電極層形成工程後に、前記第一主面側の少なくとも第一透明電極層と、前記第二主面側の少なくとも第二透明電極層及び裏面電極層と、の短絡が除去されるように絶縁領域を形成する絶縁処理工程を行うものであり、前記絶縁処理工程は、前記第一主面側から、第一主面外周部の全周に亘ってレーザー光を照射するレーザー照射工程を有し、前記レーザー照射工程は、第一主面側から第二主面側に達するようにレーザー光を照射することにより前記第一透明電極層、前記逆導電型シリコン系薄膜層、前記第一真性シリコン系薄膜層、前記一導電型単結晶シリコン基板、前記第二真性シリコン系薄膜層、前記一導電型シリコン系薄膜層、前記第二透明電極層及び前記裏面電極層を完全に分断し、前記絶縁領域を形成することを特徴とする結晶シリコン太陽電池の製造方法。
ここでいう「一導電型」とは、n型、又は、p型のどちらか一方であることを意味する。すなわち、一導電型単結晶シリコン基板2とは、n型の単結晶シリコン基板又はp型の単結晶シリコン基板である。
すなわち、本様相によれば、第一主面側から第二主面側に向けて順に、第一透明電極層、逆導電型シリコン系薄膜層、第一真性シリコン系薄膜層、一導電型単結晶シリコン基板、第二真性シリコン系薄膜層、一導電型シリコン系薄膜層、第二透明電極層及び裏面電極層が積層した積層構造を取っている。
言い換えると、第一透明電極層を有する第一主面側電極層と、第二透明電極層及び裏面電極層を有する第二主面側電極層との間に、逆導電型シリコン系薄膜層、第一真性シリコン系薄膜層、一導電型単結晶シリコン基板及び第二真性シリコン系薄膜層を有するシリコン系薄膜層が介在している。
また、本様相によれば、前記第一主面側の少なくとも第一透明電極層と、前記第二主面側の少なくとも第二透明電極層及び裏面電極層と、の短絡が除去されるように絶縁領域を形成する絶縁処理工程を行う。
すなわち、結晶シリコン太陽電池を駆動させたときに、結晶シリコン太陽電池の電極をなす第一透明電極層と、対極である第二透明電極層及び裏面電極層とが通電することによる短絡が除去されるように絶縁領域を形成するため、発電時にショートしない。
さらに、本様相によれば、絶縁処理工程は、一導電型単結晶シリコン基板の外周部側面から3mm以内の位置に、前記第一主面側から、第一主面外周部の全周に亘ってレーザー光を照射する工程を有する。すなわち、銅を主成分とする裏面電極層が位置する第二主面側と反対側である第一主面側からレーザー光を照射する。そのため、レーザー光による裏面電極層内の銅の飛散が起こらないか、起こったとしても一導電型単結晶シリコン基板と反対側に飛散する。それ故に、銅が一導電型単結晶シリコン基板に付着せず、長時間経過後の太陽電池特性の低下を抑制できる。
また、ここでいう「不要部」とは、製造される太陽電池として実質的に発電に寄与しない部位である。具体的には、太陽電池を駆動した際に短絡させる可能性の高い部位である。
ここで、裏面側からのレーザー照射を行って有底溝を形成した場合には、一導電型単結晶シリコン基板を超えて逆導電型シリコン系薄膜層にまで有底溝が至っていないと、短絡が生じるおそれがある。そのため、有底溝を形成後に折り割を行う必要がある。
一方、本発明のように光入射面側からのレーザー照射により有底溝を形成する場合には、一導電型単結晶シリコン基板まで有底溝が至っていれば絶縁される。そのため、本来、絶縁処理という意味では、本発明のように光入射面側からのレーザー照射により有底溝を形成するだけでも絶縁される。つまり、光入射面側からのレーザー照射を行った場合には、必ずしも折り割工程を必要としない。
しかしながら、不要部が残ったままだと、例えばモジュール化を行った場合のタブ線の接触等により、リーク電流が発生する可能性がある。
そこで、本様相によれば、絶縁処理工程は、レーザー照射工程後に有底溝に沿って折り割り除去する折り割工程を行う。すなわち、上記したレーザー照射工程において、レーザー照射により有底溝を形成し、折り割工程において、有底溝の底部に外力を加えて折り割することにより絶縁領域を形成する。そのため、銅を主成分とする裏面電極層は折り割によって分割されるので、裏面電極層がレーザー光のエネルギーによって溶解することはない。そのため、より確実に銅の拡散を防止することができる。
また、絶縁処理工程に折り割工程を含む場合、機械的に折り割りを行うため、ある程度、不要部に幅を持たせる必要がある。一方、本様相のように、レーザー照射のみで分割する場合、折り割工程を省略できるため不要部を最小限にとどめることができ、製造される太陽電池の有効面積を大きくすることができる。
また、例えば、ヘテロ接合型太陽電池では、一般的に略四角形のシリコン基板(シリコンウェハ)を用いて太陽電池が形成される。
このヘテロ接合型太陽電池を製造するにあたって、本様相によれば、レーザー照射工程は、第一主面側から第二主面側に達するようにレーザー光を照射することにより絶縁領域を形成するので、シリコン基板の周縁部(外周部)の全周に亘って連続してレーザー照射を行うことによって、シリコン基板の角部からの破損を防ぐことができ、生産性をより向上させることができる。
その反面、電極層の製膜面積を大きく設定できるため、縁ぎりぎりまで製膜することができ、面内分布が良好な電極層を形成することができる。
また、本様相によれば、このような短絡部位は、絶縁処理工程によって除去されるため、実際には短絡することはない。
すなわち、「密な導電材料」とは、実質的に平面充填されているものである。ここでいう「実質的に充填される」とは、第二導電層を構成する金属のシリコン基板側へのマイグレーションを防止できる程度に充填されていることをいい、ピンホールなどが形成されているものも含む。
ここでいう「ある主面側(第一主面側または第二主面側)の面のほぼ全面」とは、対象部材の基準面(第一主面または第二主面)のほぼ全面であることを意味する。
このように、密な導電材料からなる第一導電層によって、第二導電層の主成分である銅の一導電型単結晶シリコン基板側への拡散を防止することができ、長時間経過後の太陽電池特性の低下をより抑制することができる。
また、本様相によれば、前記絶縁処理工程は、前記一導電型単結晶シリコン基板の外周部の端面から3mm以内の領域を第一主面の外周部の全周に亘って、前記第一主面側からレーザー光を照射するレーザー照射工程を含んでいる。すなわち、銅を主成分とする裏面電極層が位置する第二主面側と反対側である第一主面側からレーザー光を照射するので、レーザー光による裏面電極層内の銅の飛散が起こらないか、起こったとしても一導電型単結晶シリコン基板と反対側に飛散する。そのため、銅が一導電型単結晶シリコン基板に付着せず、長時間経過後の太陽電池特性の低下を抑制できる。
すなわち、第一導電層として、例えば銀等の銅に比べて高価な材料を使用したとしても、裏面電極層の大部分が第二導電層を構成する銅で形成されることとなり、第一導電層として使用する材料の使用量を減らすことができる。すなわち、低コスト化が可能である。
本様相によれば、一導電型単結晶シリコン基板の外周部の全周に亘って、少なくとも第一透明電極層と、少なくとも第二透明電極層及び裏面電極層との電気的な接続が物理的に分断された絶縁領域を有している。
すなわち、結晶シリコン太陽電池の電極をなす第一透明電極層と、対極である第二透明電極層及び裏面電極層との通電時における短絡が除去されるように、第一透明電極層と、第二透明電極層及び裏面電極層との電気的な接続が物理的に分断された絶縁領域を形成するので、発電時にショートしない。
また、本様相によれば、絶縁領域は、第一主面側から前記第二主面側に向かって傾斜して延びる第一領域を有し、当該第一領域は、少なくとも、第一主面側から少なくとも一導電型単結晶シリコン基板まで至っており、前記第一領域は、表面にレーザー痕が形成されている。
すなわち、第一領域が、第一主面側から前記第二主面側に向かって傾斜して延びることからレーザー痕を形成するレーザー光は、例えば、レーザー光が、ガウシアンビーム(Gaussian Beam)であれば、銅を主成分とする裏面電極層が位置する第二主面側と反対側である第一主面側から、レーザー光を照射されることとなる。
そのため、レーザー光による裏面電極層内の銅の飛散が起こらないか、起こったとしても一導電型単結晶シリコン基板と反対側に飛散するため、銅が一導電型単結晶シリコン基板に付着せず、長時間経過後の太陽電池特性の低下を抑制できる。
なお、ここでいう「ガウシアンビーム」とは、径方向の光強度がガウス分布(正規分布)を持つビームである。
すなわち、第二領域は、第一領域と異なる形成方法によって形成されているため、レーザー光により、第二導電層が溶解・飛散することを防止することができる。
また、本発明の結晶シリコン系太陽電池及び太陽電池モジュールによれば、銅を主成分とした裏面電極を用いた場合でも、太陽電池特性が良好な結晶シリコン系太陽電池及び太陽電池モジュールとなる。
また、第一実施形態の結晶シリコン系太陽電池1は、図1に示されるように、テクスチャ構造(凹凸構造)を形成しているので、以下の説明においては、特に断りがない限り、膜厚は、一導電型単結晶シリコン基板2(以下、単に「シリコン基板2」ともいう)上におけるテクスチャ斜面に対して垂直方向における膜厚を意味する。勿論、シリコン基板2が平滑な場合には、主面に対して直交する方向の厚みである。以下の説明においては、第一主面を光入射面ともいい、第二主面を裏面ともいう。
一方、結晶シリコン系太陽電池1は、第二主面側(裏面側)において、シリコン基板2上に、第二真性シリコン系薄膜層7、一導電型シリコン系薄膜層8(裏面側シリコン系薄膜層)、第二透明電極層10(裏面側透明電極層)、裏面電極層11(裏面電極)がこの順に積層されている。また、裏面電極層11は、第二透明電極層10側から第一導電層12と第二導電層13の順に積層されている。さらに、裏面電極層11の第二主面側(裏面側)には、図示しない保護層を有している。
結晶シリコン系太陽電池1は、光入射側において、逆導電型シリコン系薄膜層5上に第一透明電極層6を備えており、裏面側において、一導電型シリコン系薄膜層8上に第二透明電極層10を備えている。
まず、結晶シリコン系太陽電池1の骨格を形成する一導電型単結晶シリコン基板2について説明する。
すなわち、一導電型単結晶シリコン基板2は、単結晶シリコン基板に導電性を持たせるために、単結晶シリコン基板を構成するシリコンに対して電荷を供給する不純物を含有させて形成している。
導電性を付加させた単結晶シリコン基板は、Si原子(珪素原子)に対して電子を導入するリン原子を供給したn型と、ホール(正孔ともいう)を導入するボロン原子を供給したp型がある。
この導電性を付加させた単結晶シリコン基板を太陽電池に用いる場合、単結晶シリコン基板へ入射した光が最も多く吸収される入射側のへテロ接合を逆接合として強い電場を設けることで、電子正孔対を効率的に分離回収することができる。
よって、この観点から光入射側のヘテロ接合は、逆接合とすることが好ましい。
シリコン基板2は、基本的にはn型単結晶シリコン基板でもp型単結晶シリコン基板でもよいが、上記した観点から、本実施形態のシリコン基板2は、n型単結晶シリコン基板を採用している。
なお、本実施形態のシリコン基板2は、図1のように、光入射面(第一主面側の面)及び裏面(第二主面側の面)にテクスチャ構造(凹凸構造)を形成している。
ここでいう「導電型シリコン系薄膜層」は、一導電型又は逆導電型のシリコン系薄膜層を意味する。
例えば、シリコン基板2としてn型を用いた場合は、一導電型シリコン系薄膜層8はn型となり、逆導電型シリコン系薄膜層5はp型となる。
本実施形態では、上記したようにシリコン基板2がn型であるので、逆導電型シリコン系薄膜層5は、p型の導電型シリコン系薄膜層である。
また、P(リン)やB(ボロン)といった不純物の添加量は、微量でよいため、予めSiH4やH2で希釈された混合ガスを用いることが好ましい。また、製膜ガスにCH4、CO2、NH3、GeH4等といった異種元素を含むガスを添加することで、合金化しエネルギーギャップを変更することもできる。
この際、本実施形態では、逆導電型シリコン系薄膜層5は、図1に示すように、シリコン基板2の光入射側(第一主面側)に位置している。
これは、シリコン基板2の光入射面側において、一導電型単結晶シリコン基板2の光入射面側において入射光による電子の励起が最も行われるため、光入射面側に強い電場勾配を有することにより再結合ロスを抑えられるためである。
逆導電型シリコン系薄膜層5は、不純物拡散や直列抵抗の観点では、p型水素化非晶質シリコン層が好ましい。
一方で、逆導電型シリコン系薄膜層5としてのp型非晶質シリコンカーバイド層あるいはp型酸化非晶質シリコン層は、ワイドギャップの低屈折率層として光学的なロスを低減できる点において好ましい。
この場合の真性シリコン系薄膜層3,7としては、シリコンと水素で構成されるi型水素化非晶質シリコンを用いることが好ましい。
真性シリコン系薄膜層3,7としてi型水素化非晶質シリコンを用い、CVD法にて製膜を行った場合には、シリコン基板2への不純物拡散を抑えつつ表面パッシベーションを有効に行うことができる。
これは、膜中の水素量を変化させることで、エネルギーギャップにキャリア回収を行う上で有効なプロファイルを持たせることができるためである。
すなわち、一導電型単結晶シリコン基板2がn型である場合には、一導電型シリコン系薄膜層8は、n型となり、一導電型単結晶シリコン基板2がp型である場合には、一導電型シリコン系薄膜層8は、p型となる。
本実施形態では、上記したようにシリコン基板2がn型であるので、一導電型シリコン系薄膜層8は、n型の導電型シリコン系薄膜層である。
すなわち、一導電型シリコン系薄膜層8の電気伝導を担うキャリア(正孔や電子)が逆導電型シリコン系薄膜層5と異なる。
一導電型シリコン系薄膜層8(裏面側シリコン系薄膜)は、シリコン基板2と電気伝導を担うキャリアが同一であるため、主にBSF(Back Surface Field)効果により裏面側での正孔と電子の再結合を抑制する効果がある。
さらに、裏面側の第二透明電極層10との電気的なコンタクトを良好にするために、結晶質シリコン系薄膜を非晶質シリコン系薄膜と裏面側の第二透明電極層10との間に有しても良い。
すなわち、一導電型シリコン系薄膜層8を多層構造として、光入射側(シリコン基板2側)から第二透明電極層10側に向けて、非晶質シリコン系薄膜、結晶質シリコン系薄膜の順に積層した積層構造をとってもよい。
なお「結晶質」との用語は、薄膜光電変換装置の技術分野で一般に用いられている様に、完全な結晶状態だけではなく、部分的に非晶質状態を含むものとする。
これにより少数キャリア(シリコン基板2としてn型単結晶シリコン基板を用いた場合は正孔)が裏面電極層11側に拡散していくことを防ぎ、裏面側での正孔と電子の再結合を抑制することができる。
すなわち、本実施形態の結晶シリコン系太陽電池1は、第二透明電極層10により、裏面電極層11として用いる金属がシリコン基板2へ拡散することを防止できる。さらに、結晶シリコン系太陽電池1は、第二透明電極層10が薄い領域や一部存在しない領域があった場合などにおいても、上記一導電型シリコン系薄膜層8により、更なる拡散防止の効果が期待できる。
この場合、一導電型シリコン系薄膜層8の厚みは、上記したBSF効果を得ることを総合して、5nm以上が好ましく、10nm以上がより好ましく、30nm以上が特に好ましい。
一方、一導電型シリコン系薄膜層8の厚みの上限は、特に制限されないが、製造コスト低減の観点から、100nm以下が好ましく、70nm以下がより好ましく、50nm以下が特に好ましい。
この範囲内であれば、シリコン基板2のテクスチャ構造(凹凸構造)の寸法(μmオーダー)と比較して遥かに小さい。そのため、積層方向外側に位置する逆導電型シリコン系薄膜層5(p型シリコン系薄膜層)、及び一導電型シリコン系薄膜層8(n型シリコン系薄膜層)の表面形状は、図1で示されるようにシリコン基板2の表面形状と概ね同じ形状となる。すなわち、シリコン基板2の表面形状を追随して、これらの積層体の表面は、テクスチャ構造(凹凸構造)を取ることが可能である。
導電性酸化物としては、例えば、酸化亜鉛や酸化インジウム、酸化錫を単独又は混合して用いることができるが、導電性、光学特性、及び長期信頼性の観点から、酸化インジウムを含んだインジウム系酸化物が好ましく、中でも酸化インジウム錫(ITO)を主成分とするものがより好ましく用いられる。
ここで本発明において「主成分とする」とは、その材料を50%(パーセント)より多く含むことを意味し、70%以上が好ましく、90%以上がより好ましい。
例えば、透明電極層6,10として、酸化亜鉛を用いた場合のドーピング剤には、アルミニウムやガリウム、ホウ素、ケイ素、炭素などが挙げられる。
透明電極層6,10として、酸化インジウムを用いた場合のドーピング剤には、亜鉛や錫、チタン、タングステン、モリブデン、ケイ素などが挙げられる。
透明電極層6,10として酸化錫を用いた場合のドーピング剤には、フッ素などが挙げられる。
これは、光入射側に形成される集電極15は一般的に櫛形であることから、第一透明電極層6で生じうる抵抗損を抑制できるためである。
第一透明電極層6の役割の一つは、集電極15へのキャリアの輸送であり、そのために必要な導電性があればよい。
一方で、透明性の観点から、140nm以下にすることにより、第一透明電極層6自体の吸収ロスが少ないため、透過率の低下に伴う光電変換効率の低下を抑制することができる。
また、第一透明電極層6中のキャリア濃度を低くすれば、赤外域の光吸収の増加に伴う光電変換効率を低下も抑制できる。
さらに、第一透明電極層6は、反射防止膜の役割も果たすため、適切な膜厚にすることで、光閉じ込め効果も見込まれる。
光吸収の抑制、すなわち長波長光の吸収による電流(Jsc)の低下を抑制する観点からは、第二透明電極層10の厚みは180nm以下であることが好ましく、150nm以下がより好ましく、110nm以下がさらに好ましく、90nm以下であることが最も好ましい。
また、第一導電層12が一部薄い場合や第一導電層12がない場合などにおいて生じるおそれがある第二導電層13(第二電極層)を構成する銅の拡散についても、第二透明電極層10の膜厚を上記範囲に調整することにより、防止することができる。つまり、第二透明電極層10の膜厚を上記範囲に調整することにより、拡散防止効果がより期待できる。
透明電極層6,10作製時の基板温度は、適宜設定すればよいが、シリコン系薄膜層3,5,7,8として、いずれかに非晶質シリコン系薄膜を用いた場合、200℃以下が好ましい。
200℃(摂氏200度)以下で作製することにより、非晶質シリコン層からの水素の脱離、それに伴うケイ素原子へのダングリングボンド(Dangling Bond)の発生を抑制でき、結果として変換効率を向上させることができるからである。
すなわち、第一導電層12がない場合でも、上記したように第二透明電極層10の膜厚を調整することによって、第二導電層13の銅の拡散を防止できるが、第一導電層12を導入することにより、銅の拡散をさらに防止できる。また、第二透明電極層10が上記した膜厚の範囲ではなく薄い場合であっても、第一導電層12によって、第二導電層13の銅の拡散を防止することができる。
ここでいう「密な導電材料」とは、第一導電層12を形成した部位において、第一導電層12を構成する導電材料中に空間的な隙間が概ね存在しないものを意味する。すなわち、「密な導電材料」とは、平面的に実質的に充填されているものである。
ここでいう「実質的に充填される」とは、第二導電層13を構成する金属のシリコン基板2側へのマイグレーションを防止できる程度に充填されていることをいい、ピンホールが形成されているものも含む。
例えば、ペースト材料のような金属微粒子を有する材料の場合、微粒子間には樹脂等が存在し、金属微粒子の間には空間的な隙間が存在するため、このようなものは「密な導電材料」に該当しない。
一方で、スパッタ法などにより形成された膜は、第一導電層12中の導電材料中に空間的な隙間は概ね存在しないため、「密な導電材料」に該当する。
また、金属単体や合金も「密な導電材料」に該当する。
すなわち、「第一導電層12は、第二透明電極層10の第二主面側の面のほぼ全面に形成されている」とは、第二透明電極層10の第二主面側の面の90パーセント以上が第一導電層12で覆われていることを表す。
この際、第二導電層13が形成された領域に、第一導電層12が形成されていることが好ましい。
その中でも、90パーセント以上が覆われていることが好ましく、95パーセント以上が覆われていることがより好ましく、100パーセントすなわち全面が覆われていることが特に好ましい。
この場合、第二導電層13に含まれる金属(具体的には銅)の拡散防止効果がより期待できる。また容易に製膜できる観点からも好ましい。
本実施形態においては、上記したように第一導電層12として密な導電材料を用いることにより、樹脂ペーストを有するものに比べて、樹脂等の不純物を含まないために低抵抗になり、より膜厚を薄くすることが出来る。
したがって、例えば、第一導電層12として、銀など主成分としたものを用いる場合においても、より低コストで作製することができる。また微粒子等を有さないため、銅の拡散防止効果がより期待でき、また反射率もより高くなると考えられる。
以上の観点から、第一導電層12は、樹脂ペースト等で形成されていてもよいが、密な導電材料から形成されていることが好ましい。
第一導電層の膜厚d1は8nm以上が好ましい。d1を8nm以上とすることで、裏面反射による電流の増加が期待できる。
中でも、第二透明電極層10の第二主面側の表面をより完全に被覆し、反射率や信頼性を向上させる観点から、第一導電層12の膜厚d1は、20nm以上が好ましく、30nm以上がより好ましく、40nm以上がさらに好ましい。
またコスト低減の観点から、100nm以下が好ましく、80nm以下がより好ましく、70nm以下がさらに好ましく、60nm以下が特に好ましい。
第二導電層13の膜厚を第一導電層12の膜厚よりも大きくする(すなわちd1<d2)ことで、第一導電層12として使用する材料の使用量を減らすことができる。
また、第二導電層13は、銅を主成分とするため、第一導電層12は、銅に比べて結晶シリコンへの熱拡散速度が遅い材料である必要がある。
このような特性を満たす材料としては、銀、金、アルミニウムなどが挙げられる。これらの中でも、反射率や電気伝導率の観点から銀又は金を主成分としたものを用いることが好ましく、銀を主成分としたものを用いることがより好ましく、銀を用いることが特に好ましい。
本実施形態では、第一導電層12の材料として、銀を用いている。
ここで、透過率が低くなるにつれて反射率が高くなることから、銀の膜厚が厚くなるにつれて反射率が高くなると考えられる。
特に、銀の膜厚が25nm程度以上あれば、十分高い反射率を示し、膜厚50nm程度以上の場合は、透過率の値が0.02程度とほぼ同程度になり、反射率が同程度になると考えられる。
したがって、特に、第一導電層12として銀を主成分としたものを用いた場合、材料費の観点からは、第一導電層12の膜厚はできるだけ薄い方が好ましいが、反射率の観点からは25nm程度以上がより好ましい。
第二導電層13は、第一導電層12の第二主面側に、ほぼ全面に形成したものが用いられる。
ここで、上記したように「ほぼ全面に形成」するとは、基準面の90パーセント以上が覆われていることを意味する。
すなわち、「第二導電層13は、第一導電層12の第二主面側にほぼ全面に形成する」とは、第一導電層12の第二主面側の面の90パーセント以上が第二導電層13で覆われていることを表す。
第二導電層13は、直列抵抗を十分に低下させる観点から、第二導電層13は全面に形成されていることがより好ましい。
この場合、第一導電層12は、全面に形成されていることがより好ましい。すなわち、第一導電層12及び第二導電層13のいずれも第二主面側の面全面に形成されていることが好ましい。つまり、第一導電層12は、第二透明電極層10の第二主面側の面全面に形成され、第二導電層13は、第一導電層12の第二主面側の面全面に形成されていることが好ましい。
このため、直列抵抗によるロスをより低減させる観点から、結晶シリコン系太陽電池1の裏面全面に形成された裏面電極層11の膜厚は、薄膜シリコン系太陽電池より一般的に厚くなる。
そのため、コストを抑制させる観点から、裏面電極層11として、一部又は全部に銀と同程度の電気伝導率を有し、かつ材料費の安価である銅を用いており、膜厚が厚い場合であっても、銀単体を使用する場合に比べて、低コストで裏面電極層11を形成できる しかしながら上述のように銅は、結晶シリコンへの熱拡散速度が非常に速いため、裏面電極層11として銀の替わりに銅を用いた場合、銅の拡散が生じて太陽電池特性が低下してしまう。また、銅は、銀と比較して長波長側の反射率が低いため、光反射量が減少し、電流が低下してしまうなどの課題がある。
こうすることにより、銅を主成分とする第二導電層13を用いた場合であっても、銀を用いた場合と同程度の反射率を保持したまま、第二透明電極層10や第一導電層12の存在によって、シリコン基板2(結晶シリコン基板)への銅の拡散を抑制することが可能となる。また従来よりも低コストで結晶シリコン系太陽電池1を作製することが可能となる。
すなわち、上記したように、本実施形態では、第二導電層13として、材料費の安価な銅を主成分としたものを用いており、その中でも、低コスト化の観点から、第二導電層13として、銅を用いることがより好ましい。
これにより、密な導電材料からなる第一導電層12を、第二主面側のほぼ全面に形成することができる。
その中でも第一導電層12として銀や金などを用いた場合、製造コスト低減の観点や被覆の良さの面からスパッタ法にて形成することが好ましい。この場合、膜厚が薄くても十分な被覆を行うことができ(ほぼ全面に精度よく製膜することができ)、十分高い裏面光反射特性と銅に対する拡散防止特性を得ることができる。
特に光入射面側の第一透明電極層6を形成後、裏面側の第二透明電極層10と裏面電極層11をこの順に形成することがより好ましい。
保護層を形成することにより、後述の熱処理工程を行った場合も、裏面電極層11の変質が低減される。
保護層としては、導電性材料であってもよいし、絶縁性材料であってもよい。導電性材料を用いれば、集電極15の抵抗を低下させることができるため、集電極15での抵抗損をより低減させることができ、曲線因子(FF)を向上することができる場合がある。
膜厚に関しては、特に制限されることはないが、膜厚は500nm以下が好ましく、100nm以下がより好ましい。
また、裏面電極層11の拡散をより抑制できる観点からは、5nm以上が好ましく、10nm以上がより好ましい。緻密な膜を形成する観点から、保護層は、スパッタ法やめっき法で形成することが好ましい。
集電極15としては、インクジェット法、スクリーン印刷法、導線接着法、スプレー法、真空蒸着法、スパッタ法等の公知技術によって作製できるが、生産性の観点からAgペーストを用いたスクリーン印刷法や、銅を用いためっき法等が好ましい。
結晶シリコン系太陽電池1の面方向の端部近傍には、図3のように絶縁領域30が形成されている。
絶縁領域30は、結晶シリコン系太陽電池1を駆動したときに、生じる可能性がある第一主面側の少なくとも第一透明電極層6と、第二主面側の少なくとも第二透明電極層10及び裏面電極層11との短絡が除去された領域である。
すなわち、絶縁領域30は、シリコン基板2の第一主面側の少なくとも第一透明電極層6並びに/又は第二主面側の少なくとも第二透明電極層10と裏面電極層11を構成する成分が除去され、当該成分が付着していない領域である。
ここで、「付着していない領域」とは、当該層を構成する材料元素が全く検出されない領域に限定されるものではなく、材料の付着量が周辺の「形成部」と比較して著しく少なく、当該層自体が有する特性(電気的特性、光学特性、機械的特性等)が発現しない領域も、「付着していない領域」に包含される。つまり、材料の付着量が少なすぎて層として機能していないものを含有する場合も含む。
第一領域31は、表面が比較的滑らかになっており、レーザー光によって溶けたレーザー痕が形成されている。
第二領域32は、第二主面に対してほぼ直交方向に延びており、第二主面(結晶シリコン系太陽電池1の第二主面側)から少なくとも第一導電層12まで至っている。すなわち、結晶シリコン太陽電池1の第二主面側から、第一導電層12まで至っていれば良く、例えば、第二透明電極層10にも至っていても良い。
また、第二領域32の表面粗さ(算術平均表面粗さ)は、第一領域31の表面粗さ(算術平均表面粗さ)と異なっている。
結晶シリコン系太陽電池1は、図示しないプラズマCVD装置やスパッタ装置などの製膜装置によって製膜し、図示しないレーザースクライブ装置等を使用して形状加工されて製造される。
このとき、シリコン基板2の表裏面は、凹凸が形成されている。
より詳細には、この表面シリコン系薄膜層形成工程では、図4(b)のように第一真性シリコン系薄膜層3を形成した後に(第一真性シリコン系薄膜層形成工程)、図4(c)のように逆導電型シリコン系薄膜層5を形成する(第一シリコン系薄膜層形成工程)。
このとき、シリコン系薄膜層3,5の形成条件としては、基板温度100℃〜300℃、圧力20Pa〜2600Pa、高周波パワー密度0.004W/cm2〜0.8W/cm2が好ましく用いられる。
シリコン系薄膜層3,5の形成に使用する原料ガスとしては、SiH4、Si2H6等のシリコン含有ガス、又は、それらのガスとH2(水素ガス)を混合したものが用いられる。
より詳細には、この裏面シリコン系薄膜層形成工程では、図4(d)のように、第二真性シリコン系薄膜層7を形成した後に(第二真性シリコン系薄膜層形成工程)、図4(e)のように、一導電型シリコン系薄膜層8を形成する(第二シリコン系薄膜層形成工程)。
すなわち、図5(f)のように光入射面側の逆導電型シリコン系薄膜層5上に第一透明電極層6を形成し(第一透明電極層形成工程)、続いて、図5(g)のように裏面側の一導電型シリコン系薄膜層8上に第二透明電極層10を形成する(第二透明電極層形成工程)。
このとき、スパッタ装置の製膜面積は、基板面積と比べて、同じか、やや大きく設定している。
中でも、シート抵抗を下げる観点から、第二透明電極層10の表面上の95パーセント以上がより好ましく、100パーセントすなわち第二透明電極層10の全面に形成されていることが特に好ましい。
よって、裏面電極層11を全面に形成した場合、シート抵抗の低下による曲率因子の向上が期待できる。
そして、本実施形態のように第一透明電極層6の製膜面積や第二透明電極層10の製膜面積が、シリコン基板2の面積よりも大きい場合には、図6に示される表面(光入射面)もしくは裏面のシリコン系薄膜層5,8や透明電極層6,10が他面に回りこむ。
本実施形態では、第一透明電極層6は、図6のように、第一主面側から第二主面側に跨がって形成されている。第二透明電極層10は、第二主面側から第一主面側に跨がって形成されている。すなわち、第一主面側及び第二主面側において、第一透明電極層6と第二透明電極層10が重畳した部位が存在する。
このように、表面(光入射面)もしくは裏面のシリコン系薄膜層5,8や透明電極層6,10が他面に回りこむことにより生じる将来的な電気的短絡を防止するため、絶縁処理工程を行う必要がある。
すなわち、本実施形態で則していうと、図6のように、光入射面側の第一透明電極層6が裏面側の一導電型シリコン系薄膜層8上に回りこんだり、裏面側の第二透明電極層10が光入射面側の第一透明電極層6に回りこんだりするので、透明電極層6,10間の電気的な接続を実質的に絶縁する必要がある。
すなわち、図2の斜線部に示されている部分のように、折り割溝20は、シリコン基板2の端面近傍に全周に亘って形成されており、シリコン基板2の側面と被っていない。
言い換えると、折り割溝20は、シリコン基板2の側面よりも内側にあり、折り割溝20の外側にシリコン基板2等が残っている。
またこのとき、折り割溝20の深さは、少なくとも、第一透明電極層6及び第一真性シリコン系薄膜層3を貫いてシリコン基板2の一部又は全部まで至っている。後述する折り割工程を行いやすくする観点から、折り割溝20の深さは、シリコン基板2の厚みの1/4以上であることが好ましく、1/3以上であることがより好ましく、1/2以上であることがさらに好ましい。
この範囲であれば、後述する折り割工程にシリコン基板2に加える力を小さくすることができる。
本実施形態では、レーザー光は、ガウシアンビームである。
上記したように本実施形態では、裏面電極層11の最表面に銅(Cu)を主成分とする第二導電層13がほぼ全面に形成されている。
したがって、レーザー光を裏面側から照射した場合は、図17に示されるように、レーザー光により、溶解又は蒸発した銅(Cu)が吹き飛ばされ、加工した結晶シリコン系太陽電池1の端部に付着する(図17中の斜線部)。そして、時間の経過とともに端部からCuがシリコン基板2内に拡散していくことが考えられる。すなわち、レーザー光により形成される折り割溝20の内側壁面に溶解又は蒸発した銅(Cu)が付着し、時間の経過や発電等とともにCuが内側壁面からシリコン基板2内に拡散していくおそれがある。
これは、どのような金属を裏面電極層11に用いた場合においても一般的に言えることであり、一般的に裏面電極層として使用される銀(Ag)やアルミニウム(Al)などについても拡散が生じうる。
しかしながら、銅(Cu)はシリコンへの熱拡散速度が非常に速いため、特に顕著である。
したがって、裏面電極層11の最表面に位置する第二導電層13の銅(Cu)がシリコン基板2へ拡散すると、太陽電池特性が低下すると考えられる。
以上のような観点から、本実施形態では、レーザー光を光入射面側から照射している。
このとき、前記した折り割溝20の内側壁面は、第一領域31を形成し、折り割面21は、第二領域32を形成している。
このとき、外力を加える方法は特に限定されない。人力によって外力を加えて折り割してもよいし、機械を用いて折り割してもよい。また、機械を用いる場合には、手動でおこなってもよいし、自動で行っても良い。
すなわち、折り割りを行った基板を熱処理装置に入れ、所定の温度に加熱し、アニールする。
一方、結晶シリコン系太陽電池1は、導電型シリコン系薄膜層5,8や透明電極層6,10を有する。そのため、これらの層の変質に伴う、開放電圧(Voc)や曲線因子(FF)の低下をより抑制できる観点から、熱処理温度は250℃以下であることが好ましく、230℃以下であることがより好ましい。
ただし、上述のような裏面電極層11上に保護層を形成しない場合は、裏面電極層11の変質(例えば、酸化)などをより抑制できる観点から、減圧雰囲気や真空中、酸化性ガスを低減した雰囲気で実施することが好ましい。
ここでいう「大気中」とは、大気雰囲気の組成、圧力を特に制御することなく熱処理工程を実施することを意味する。
なお、熱処理工程において、気密性の高い設備を用いた場合、加熱により設備内に封止された大気が熱膨張し、装置内の圧力が大気圧よりも高くなり得るが、このときも大気圧中とみなすものとする。
なお、集電極15は、絶縁処理工程前に形成しても良いし、絶縁処理工程後に形成しても良い。
集電極15を形成する前に絶縁処理工程を行うことが好ましい。
例えば、第一主面側からレーザー照射により一導電型単結晶シリコン基板2と逆導電型シリコン系薄膜層5に跨がるpn接合部への溝形成を行う際に生じうる、pn接合部へのダメージをより抑制することが可能となる。
なお、配線部材は、タブ等の公知のインターコネクタである。
以上のようにして、複数の結晶シリコン系太陽電池が封止され、本実施形態の太陽電池モジュール40が形成される。
しかしながら、厚くすれば厚くするほど、透明電極層における光吸収が多くなり、短絡電流密度(Jsc)が低下するといった問題が生じ得るので、上記したように180nm以下が好ましい。
第一領域52は、第1実施形態の第一領域31と同様、レーザー光によって形成される部位である。第一領域52は、表面がレーザー痕で形成されており、第一主面の直交方向に対してやや傾斜した方向に延びている。すなわち、第一主面から第二主面に向かって、外側に下り傾斜している。そのため、結晶シリコン系太陽電池50の第一主面の面積は、第二主面の面積よりも小さい。
なお、ここでいう「傾斜」とは、面全体として傾斜を表す。すなわち傾斜面は、必ずしも平滑である必要はなく、多少の凹凸があってもよい。
本実施形態の場合、第一領域の第一主面側の端部と第二主面側の端部との間で、面方向にズレがあればよい。
このとき、形成される溝53は、貫通溝となっており、溝53の内側側面によって、第一領域52が形成される。言い換えると、レーザー光が照射された基板には、第一主面から第二主面に達するレーザー痕が形成される。
なお、溝53の形成場所等は、第一実施形態と折り割溝20と同様である。
例えば、集電極15にタブ等のインターコネクタを介してバスバーが接続されることによって、複数の結晶シリコン系太陽電池1が直列又は並列に接続され、封止剤及びガラス板により封止されることによりモジュール化を行うこともできる。
例えば、裏面電極層11が単層の場合には、銅を主成分とする第二導電層13のみで形成されていてもよい。この場合、第二透明電極層10などの膜厚を調整することで拡散防止できる。また、裏面電極層11が複数層でも、第二透明電極層10側から第二導電層13/別の層(第二導電層13以外の層)の順でもよい。
裏面電極層11を単層としたときの形成方法としては、例えば、スパッタ法や蒸着法、めっき法などが挙げられるが、中でも裏面側のほぼ全面に容易に形成出来る観点から、スパッタ法により形成することが好ましい。
裏面電極層11をスパッタ法により製膜する場合、精度よく被覆することができるため、好ましい。
特にシリコン基板2として、凹凸構造付き基板を用いた場合、当該凹凸部分にも精度よく被覆できるため、スパッタ法により製膜することがより好ましい。
例えば、第二主面側の第二真性シリコン系薄膜層7、一導電型シリコン系薄膜層8を順に形成後に、第一主面側の第一真性シリコン系薄膜層3、逆導電型シリコン系薄膜層5という順番で形成しても良いし、第一主面側の第一真性シリコン系薄膜層3、第二主面側の第二真性シリコン系薄膜層7を形成後に、第二主面側の一導電型シリコン系薄膜層8、第一主面側の逆導電型シリコン系薄膜層5を順に形成しても良い。
また、第一透明電極層6を形成後に第二透明電極層10を形成しても良いし、その逆の順番で形成しても良い。
更には、第一主面側に第一真性シリコン系薄膜層3、逆導電型シリコン系薄膜層5、第一透明電極層6を順に形成した後に、第二主面側に第二真性シリコン系薄膜層7、一導電型シリコン系薄膜層8、第二透明電極層10を順に形成しても良いし、その逆の順番でも良い。
一導電型単結晶シリコン基板2として、入射面の面方位が(100)で、厚みが200μmのn型単結晶シリコン基板を用い、このn型単結晶シリコン基板を2重量%のHF水溶液に3分間浸漬し、表面の酸化シリコン膜を除去し、超純水によるリンスを2回行った。
次に70℃に保持した5/15重量%のKOH/イソプロピルアルコール水溶液に15分間浸漬し、基板表面をエッチングすることでテクスチャを形成した。
その後に超純水によるリンスを2回行った。原子間力顕微鏡(AFM パシフィックナノテクノロジー社製)による単結晶シリコン基板(一導電型単結晶シリコン基板2)の表面観察を行ったところ、基板表面はエッチングが最も進行しており、(111)面が露出したピラミッド型のテクスチャ構造が形成されていた。
本実験例において製膜した薄膜の膜厚は、ガラス基板上に同条件にて製膜した場合の膜厚を分光エリプソメトリー(商品名M2000、ジェー・エー・ウーラム社製)にて測定し、製膜速度を求め、同じ製膜速度にて製膜されていると仮定して算出した。
このi型非晶質シリコン層(第一真性シリコン系薄膜層3)の上に、逆導電型シリコン系薄膜層5としてp型非晶質シリコン層を7nm製膜した。このp型非晶質シリコン層の製膜条件は、基板温度が150℃、圧力60Pa、SiH4/B2H6流量比が1/3、投入パワー密度が0.01W/cm2であった。なお、上記でいうB2H6ガスは、B2H6濃度を5000ppmまでH2で希釈したガスを用いた。
i型非晶質シリコン層(第二真性シリコン系薄膜層7)上に、一導電型シリコン系薄膜層8としてn型非晶質シリコン層を8nm製膜した。このn型非晶質シリコン層の製膜条件は、基板温度が150℃、圧力60Pa、SiH4/PH3流量比が1/2、投入パワー密度が0.01W/cm2であった。なお、上記でいうPH3ガスは、PH3濃度を5000ppmまでH2で希釈したガスを用いた。
製膜条件は、基板温度を室温とし、ターゲットとして酸化インジウムと酸化錫の焼結体を、0.2Paのアルゴン雰囲気中で0.5W/cm2のパワー密度を印加して製膜した。
その後、光入射側透明電極層(第一透明電極層6)と同様の製膜条件にて裏面側透明電極層(第二透明電極層10)を50nm製膜した。
第二透明電極層10を形成した後、裏面電極層11の第一導電層12としてスパッタ法により銀を25nm形成し、その後、蒸着法を用いて、第二導電層13として銅を500nm形成した。
なお、第二透明電極層10及び第一導電層12、第二導電層13はいずれもマスクを用いることなく製膜し、シリコン基板2の全面に形成されるように製膜した。
上記光入射側透明電極層(第一透明電極層6)上には、スクリーン印刷法を用いて銀ペーストにて集電極15を形成した。
溝の位置は結晶シリコン基板端から0.5mmとした。レーザー光としては、YAGレーザーの第三高調波(波長355nm)を用い、溝の深さは結晶シリコン基板の厚みの3分の1程度とした。
続いて溝に沿って折り曲げ破断し、結晶シリコン基板外周部を除去することで絶縁処理工程とした。その後、190度で1時間アニール処理を行った。
ミニモジュールの構造は、バックシート/封止材/配線部材接続済み結晶シリコン系太陽電池/封止材/ガラスであり、結晶シリコン系太陽電池に貼り付けた配線部材を介して外部の測定器と接続し、前記のソーラーシミュレータを用いて太陽電池特性の測定を行った。環境試験前後で、太陽電池出力を比較し、保持率=(環境試験後出力)÷(環境試験前出力)×100と判定した。
実験例1に記載の第一導電層12として銀を50nm形成した点を除いて、実験例1と同様にして結晶シリコン系太陽電池を作製し、評価を実施した。
実験例1に記載の第一導電層12として銀を250nm形成した点を除いて、実験例1と同様にして結晶シリコン系太陽電池を作製し、評価を実施した。
実験例1に記載の第一導電層12として銀を500nm形成した点を除いて、実験例1と同様にして結晶シリコン系太陽電池を作製し、評価を実施した。
実験例1に記載の第一導電層12として銀を形成しなかった点を除いて、実験例1と同様にして結晶シリコン系太陽電池を作製し、評価を実施した。
実験例1に記載の第一導電層12として銀を5nm形成した点を除いて、実験例1と同様にして結晶シリコン系太陽電池を作製し、評価を実施した。
ここで、上記した実験例では、第二透明電極層10の厚みを裏面電極層として、熱拡散速度が銅よりも低い銀単層を用いたときの最適値である50nmで行ったために、保持率が低下したと考えられるが、第二透明電極層10の厚みをもう少し厚くすることで、第一導電層12が存在しなくても、熱拡散速度のより速い銅を用いた場合でも、銅の拡散を防止でき、保持率が向上すると考察できる。
第一導電層12を用いずに、透明電極層10の厚みを斜面垂直膜厚で、55nmになるように形成した点を除いて、実験例1と同様にして結晶シリコン系太陽電池を作製し、評価を実施した。
透明電極層10の厚みを斜面垂直膜厚で、80nmになるように形成した点を除いて、実験例7と同様にして結晶シリコン系太陽電池を作製し、評価を実施した。
勿論、第一導電層12を設けることによって、より銅の拡散を抑制できると推察される。
第一導電層12として銀を90nm形成した点と、透明電極層10の厚みを、各々、0nm(実験例9)、10nm(実験例10)、30nm(実験例11)、50nm(実験例12)、80nm(実験例13)、100nm(実験例14)、150nm(実験例15)、200nm(実験例16)に変更した点を除いて、実験例1と同様にして結晶シリコン系太陽電池を作製した。
本実施例の結晶シリコン太陽電池は、ヘテロ接合太陽電池であり、一導電型単結晶シリコン基板2であるn型結晶シリコン基板の両面にそれぞれ凹凸構造を備えている。
n型結晶シリコン基板の光入射面には、i型非晶質シリコン層(第一真性シリコン系薄膜層3)/p型非晶質シリコン層(逆導電型シリコン系薄膜層5)/酸化インジウム層(第一透明電極層6)が製膜されている。酸化インジウム層の上には集電極15が形成されている。
一方、n型結晶シリコン基板の裏面側にはi型非晶質シリコン層(第二真性シリコン系薄膜層7)/n型非晶質シリコン層(一導電型シリコン系薄膜層8)/n型微結晶シリコン層(一導電型シリコン系薄膜層8)/酸化インジウム層(第二透明電極層10)/銅層(裏面電極層11)が製膜されている。すなわち、一導電型シリコン系薄膜層8をn型非晶質シリコン層とn型微結晶シリコン層の2層構造とした。
この構造を備える実施例1の結晶シリコン太陽電池を以下のようにして製造した。
製膜した薄膜の膜厚は、ガラス基板上に同条件にて製膜した場合の膜厚を分光エリプソメトリーにて測定し、製膜速度を求め、同じ製膜速度にて製膜されていると仮定して算出した。
i型非晶質シリコン層の製膜条件は、基板温度が170℃、圧力120Pa、SiH4/H2流量比が3/10、投入パワー密度が0.011W/cm2であった。i型非晶質シリコン層の上にp型非晶質シリコン層を4nm製膜した。
p型非晶質シリコン層の製膜条件は、基板温度が170℃、圧力60Pa、SiH4/B2H6流量比が1/3、投入パワー密度が0.01W/cm2であった。ここで、B2H6ガスはB2H6濃度を5000ppmまでH2で希釈したガスを用いた。
n型非晶質シリコン層上にn型微結晶シリコン層(一導電型シリコン系薄膜層8)を6nm製膜した。n型微結晶シリコン層の製膜条件は基板温度が170℃、圧力800Pa、SiH4/PH3/H2流量比が1/5/180、投入パワー密度が0.08W/cm2であった。
ITOの表面形状は平坦であり、ITOのスパッタターゲットには、インジウム酸化物と酸化錫の焼結体を使用した。酸化錫の混合比は5wt%とした。
更に、第一透明電極層6上に銀ペースト(第二導電層13)をスクリーン印刷し、櫛形電極を形成し、集電極15とした。
レーザー光としては第三高調波(波長355nm)を用い、ウェハの3分の1程度まで切れ込みを入れてから、手で溝に沿って折り割った。
この際、レーザー光は上記したように太陽電池の光入射面から行い、櫛形の集電極15に対してズレのない位置をダイシング(Dicing)した。
最後に、190度で1時間アニール処理を行った(熱処理工程)。
ミニモジュールの構造は、バックシート/封止材/配線部材接続済み結晶シリコン系太陽電池/封止材/ガラスであり、結晶シリコン系太陽電池に貼り付けた配線部材を介して外部の測定器と接続し、前記のソーラーシミュレータを用いて太陽電池特性の測定を行った。
環境試験前後で、太陽電池出力を比較し、保持率=(環境試験後出力)÷(環境試験前出力)×100≧94.0(%)を満たせば合格と判定した。
レーザーの照射方向を裏面側(裏面電極層11側)から行った以外は、実施例1と同様にして太陽電池セルを作製した。
レーザーの照射方向を裏面側(裏面電極層11側)から行った点と、裏面電極層11としてCuの代わりにAgをスパッタで250nm製膜した点を除いて、実施例1と同様にして太陽電池セルを作製した。
裏面電極層11として、Cuの代わりにAgをスパッタで250nm製膜した以外は、実施例1と同様にして太陽電池セルを作製した。
実施例1の作製工程において、レーザー光を光入射面側(集電極15側)から入射させて外周部を0.5mm切除した。すなわち、実施例1の作製方法において、割折り工程を行わずに、レーザー照射工程のみで外周部を0.5mm切除した。この際、レーザー光は上記したように太陽電池の光入射面から行い、櫛形の集電極15に対してズレのない位置をダイシングした。その後、実施例1と同様、190度で1時間アニール処理を行った(熱処理工程)。
レーザーの照射方向を裏面側(裏面電極層11側)から行った以外は、実施例2と同様にして太陽電池セルを作製した。
実施例2の作製工程において、ITO(第二透明電極層10)の厚みを、80nmとなるように製膜した。さらに、裏面電極層11として、銅単層ではなく、銀と銅の積層構造を用いた。すなわち、実施例2の作製工程において、裏面のITO(第二透明電極層10)上に、スパッタ装置を用いて、銀(第一導電層12)と銅(第二導電層13)を、それぞれ150nm、300nm製膜した。それ以外の工程は、実施例2の作製工程と同様である。
レーザーの照射方向を裏面側(裏面電極層11側)から行った以外は、実施例3と同様にして太陽電池セルを作製した。
表5に示されているように、全ての例について環境試験前の初期のデータを比較すると、レーザー照射を光入射面側(集電極15側)から行った実施例1及び参考例2では、裏面側(裏面電極層11側)から行った比較例1、及び、参考例1に対して、FFの値が若干低下していることが分かる。
これは、レーザー照射により、光入射面側に存在するpn接合にダメージを与えているためであり、リーク電流によるFFの低下と考えられる。
これは、レーザー照射時にシリコン基板2の端部に付着した銅(Cu)が、環境試験により徐々にシリコン基板2内に拡散していき、再結合中心を形成することで、Vocの低下を引き起こしたためと考えられる。
これにより、環境試験後の変換効率の保持率は比較例1のみ94%を下回り不合格となった。一方、環境試験後の実施例1の結果から分かるように、裏面電極層11としてAgを用いた場合と略同等の変換効率を示している。
表7に示されているように、全ての例について環境試験前の初期のデータを比較すると、レーザー照射を光入射面側(集電極15側)から行った実施例2,3では、裏面側(裏面電極層11側)から行った比較例2,3に対して、FFの値が若干低下していることが分かる。
これは、レーザー照射により、光入射面側に存在するpn接合にダメージを与えているためであり、リーク電流によるFFの低下と考えられる。
また同様に、裏面電極層11として銅(Cu)及び銀(Ag)を用いており、かつレーザーを裏面側から照射している比較例2においても、Vocが著しく低下していることが分かる。
これは、レーザー照射時にシリコン基板2の端部に付着した銅(Cu)が、環境試験により徐々にシリコン基板2内に拡散していき、再結合中心を形成することで、Vocの低下を引き起こしたためと考えられる。
これにより、環境試験後の変換効率の保持率は、比較例2,3が94%(パーセント)を下回り不合格となった。一方、環境試験後の実施例2,3の結果は、94%を上回った。
実施例1の結晶シリコン系太陽電池において、絶縁領域30は、図13から読み取れるように、光入射面側から裏面側にかけて第一領域31が下り傾斜しており、第一領域31に連続する第二領域32がほぼ直交方向に延びている。
一方、比較例1の結晶シリコン系太陽電池において、絶縁領域30は、図14から読み取れるように、光入射面側から裏面側にかけて第二領域32がほぼ直交方向に延びており、第二領域32に連続する第一領域31が下り傾斜している。
また、実施例1及び比較例1において、レーザー照射によって形成される第一領域31と、折り割によって形成される第二領域32とで明らかな表面構造の違いが見られた。
一方、比較例2の結晶シリコン系太陽電池では、絶縁領域51が図16から読み取れるように、光入射面側から裏面側にかけて第一領域52が上り傾斜している。また、比較例2の結晶シリコン系太陽電池では、裏面側からの亀裂が多かった。
2 一導電型単結晶シリコン基板(シリコン基板)
3 第一真性シリコン系薄膜層
5 逆導電型シリコン系薄膜層(光入射側シリコン系薄膜層)
6 第一透明電極層(光入射側透明電極層)
7 第二真性シリコン系薄膜層
8 一導電型シリコン系薄膜層(裏面側シリコン系薄膜層)
10 第二透明電極層(裏面側透明電極層)
11 裏面電極層(裏面電極)
12 第一導電層
13 第二導電層
20 折り割溝
21 折り割面
25 第一主面側電極層
26 第二主面側電極層
27 光電変換部
30,51 絶縁領域
31,52 第一領域
32 第二領域
40 太陽電池モジュール
42 ガラス基板(封止部材)
43 バックシート(封止部材)
53 溝
Claims (10)
- 一導電型単結晶シリコン基板の第一主面側に、逆導電型シリコン系薄膜層及び第一透明電極層をこの順に有し、
前記一導電型単結晶シリコン基板の第二主面側に、一導電型シリコン系薄膜層、第二透明電極層及び裏面電極層をこの順に有する結晶シリコン太陽電池において、
前記裏面電極層は、銅を主成分とする層を有するものであって、かつ、前記第二主面側の面のほぼ全面に形成されており、
前記一導電型単結晶シリコン基板の外周部の全周に亘って、少なくとも第一透明電極層と、少なくとも第二透明電極層及び裏面電極層との電気的な接続が物理的に分断された絶縁領域を有し、
前記絶縁領域は、第一主面側から前記第二主面側に向かって傾斜して延びる第一領域を有し、
当該第一領域は、第一主面側から、少なくとも一導電型単結晶シリコン基板まで至っており、
前記第一領域は、表面にレーザー痕が形成されており、
前記絶縁領域は、前記第一領域と連続し、結晶シリコン太陽電池の第二主面側まで延びた第二領域を有し、
第二領域の表面粗さは、第一領域の表面粗さと異なっていることを特徴とする結晶シリコン太陽電池。 - 一導電型単結晶シリコン基板の第一主面側に、逆導電型シリコン系薄膜層及び第一透明電極層をこの順に有し、
前記一導電型単結晶シリコン基板の第二主面側に、一導電型シリコン系薄膜層、第二透明電極層及び裏面電極層をこの順に有する結晶シリコン太陽電池において、
前記裏面電極層は、銅を主成分とする層を有するものであって、かつ、前記第二主面側の面のほぼ全面に形成されており、
前記一導電型単結晶シリコン基板の外周部の全周に亘って、少なくとも第一透明電極層と、少なくとも第二透明電極層及び裏面電極層との電気的な接続が物理的に分断された絶縁領域を有し、
前記絶縁領域は、第一主面側から前記第二主面側に向かって傾斜して延びる第一領域を有し、
当該第一領域は、第一主面側から、第二主面側まで至っており、
前記第一領域は、表面にレーザー痕が形成されていることを特徴とする結晶シリコン太陽電池。 - 前記裏面電極層は、前記第二透明電極層側から、第一導電層と、銅を主成分とする第二導電層をこの順に有することを特徴とする請求項1又は2に記載の結晶シリコン太陽電池。
- 前記一導電型単結晶シリコン基板と前記逆導電型シリコン系薄膜層との間に第一真性シリコン系薄膜層が介在しており、
前記一導電型単結晶シリコン基板と前記一導電型シリコン系薄膜層との間に第二真性シリコン系薄膜層が介在し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結晶シリコン太陽電池。 - 請求項1乃至4のいずれかに記載の結晶シリコン太陽電池を用いることを特徴とする太陽電池モジュール。
- 一導電型単結晶シリコン基板の第一主面側に、逆導電型シリコン系薄膜層及び第一透明電極層をこの順に有し、一導電型単結晶シリコン基板の第二主面側に、一導電型シリコン系薄膜層、第二透明電極層及び裏面電極層をこの順に有する結晶シリコン太陽電池の製造方法において、
一導電型単結晶シリコン基板を基準として、逆導電型シリコン系薄膜層の外側に第一透明電極層を形成する第一透明電極層形成工程と、
一導電型単結晶シリコン基板の第二主面側であって、第二透明電極層の外側に、銅を主成分とする層を含む裏面電極層を形成する裏面電極層形成工程を含み、
裏面電極層形成工程では、第二透明電極層の第二主面側の面のほぼ全面に前記裏面電極層を形成するものであり、
第一透明電極層形成工程及び裏面電極層形成工程後に、少なくとも第一透明電極層と、少なくとも第二透明電極層及び裏面電極層との電気的な接続を物理的に分断した絶縁領域を形成する絶縁処理工程を行い、
前記絶縁処理工程は、第一主面の外周部の全周に亘って、前記第一主面側からレーザー光を照射して有底溝を形成するレーザー照射工程を有し、
前記絶縁処理工程は、前記レーザー照射工程後に前記有底溝に沿って、折り割る工程を含んでいることを特徴とする結晶シリコン太陽電池の製造方法。 - 一導電型単結晶シリコン基板の第一主面側に、第一真性シリコン系薄膜層、逆導電型シリコン系薄膜層、第一透明電極層をこの順に有し、前記一導電型単結晶シリコン基板の第二主面側に、第二真性シリコン系薄膜層、一導電型シリコン系薄膜層、第二透明電極層、裏面電極層をこの順に有する結晶シリコン太陽電池の製造方法であって、
逆導電型シリコン系薄膜層上に第一透明電極層を形成する第一透明電極層形成工程と、 前記第二主面側の面のほぼ全面に、銅を主成分とする層を含む裏面電極層を形成する裏面電極層形成工程を含み、
前記第一透明電極層形成工程及び前記裏面電極層形成工程後に、前記第一主面側の少なくとも第一透明電極層と、前記第二主面側の少なくとも第二透明電極層及び裏面電極層と、の短絡が除去されるように絶縁領域を形成する絶縁処理工程を行うものであり、
前記絶縁処理工程は、前記第一主面側から、第一主面外周部の全周に亘ってレーザー光を照射して有底溝を形成するレーザー照射工程を有し、
前記絶縁処理工程は、前記レーザー照射工程後に前記有底溝に沿って、折り割る工程を含んでいることを特徴とする結晶シリコン太陽電池の製造方法。 - 一導電型単結晶シリコン基板の第一主面側に、逆導電型シリコン系薄膜層及び第一透明電極層をこの順に有し、一導電型単結晶シリコン基板の第二主面側に、一導電型シリコン系薄膜層、第二透明電極層及び裏面電極層をこの順に有する結晶シリコン太陽電池の製造方法において、
一導電型単結晶シリコン基板を基準として、逆導電型シリコン系薄膜層の外側に第一透明電極層を形成する第一透明電極層形成工程と、
一導電型単結晶シリコン基板の第二主面側であって、第二透明電極層の外側に、銅を主成分とする層を含む裏面電極層を形成する裏面電極層形成工程を含み、
裏面電極層形成工程では、第二透明電極層の第二主面側の面のほぼ全面に前記裏面電極層を形成するものであり、
第一透明電極層形成工程及び裏面電極層形成工程後に、少なくとも第一透明電極層と、少なくとも第二透明電極層及び裏面電極層との電気的な接続を物理的に分断した絶縁領域を形成する絶縁処理工程を行い、
前記絶縁処理工程は、第一主面の外周部の全周に亘って、前記第一主面側からレーザー光を照射するレーザー照射工程を有し、
前記レーザー照射工程は、第一主面側から第二主面側に達するようにレーザー光を照射することにより前記第一透明電極層、前記逆導電型シリコン系薄膜層、前記一導電型単結晶シリコン基板、前記一導電型シリコン系薄膜層、前記第二透明電極層及び前記裏面電極層を完全に分断し、前記絶縁領域を形成することを特徴とする結晶シリコン太陽電池の製造方法。 - 一導電型単結晶シリコン基板の第一主面側に、第一真性シリコン系薄膜層、逆導電型シリコン系薄膜層、第一透明電極層をこの順に有し、前記一導電型単結晶シリコン基板の第二主面側に、第二真性シリコン系薄膜層、一導電型シリコン系薄膜層、第二透明電極層、裏面電極層をこの順に有する結晶シリコン太陽電池の製造方法であって、
逆導電型シリコン系薄膜層上に第一透明電極層を形成する第一透明電極層形成工程と、 前記第二主面側の面のほぼ全面に、銅を主成分とする層を含む裏面電極層を形成する裏面電極層形成工程を含み、
前記第一透明電極層形成工程及び前記裏面電極層形成工程後に、前記第一主面側の少なくとも第一透明電極層と、前記第二主面側の少なくとも第二透明電極層及び裏面電極層と、の短絡が除去されるように絶縁領域を形成する絶縁処理工程を行うものであり、
前記絶縁処理工程は、前記第一主面側から、第一主面外周部の全周に亘ってレーザー光を照射するレーザー照射工程を有し、
前記レーザー照射工程は、第一主面側から第二主面側に達するようにレーザー光を照射することにより前記第一透明電極層、前記逆導電型シリコン系薄膜層、前記第一真性シリコン系薄膜層、前記一導電型単結晶シリコン基板、前記第二真性シリコン系薄膜層、前記一導電型シリコン系薄膜層、前記第二透明電極層及び前記裏面電極層を完全に分断し、前記絶縁領域を形成することを特徴とする結晶シリコン太陽電池の製造方法。 - 請求項6乃至9のいずれかに記載の結晶シリコン太陽電池の製造方法により結晶シリコン太陽電池を形成する工程を含む太陽電池モジュールの製造方法。
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