JP5726308B2 - 太陽電池素子および太陽電池モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、太陽電池素子および太陽電池モジュールに関する。
国際公開第２００８／０７８７４１号および特表２００２−５００８２５号には、バックコンタクト型の太陽電池素子が開示されている。
このような太陽電池素子は、複数の貫通孔を有する半導体基板、第１の電極および第２の電極を有している。第１の電極は、半導体基板の受光面、貫通孔および裏面の一部にかけて設けられている。第２の電極は、第１の電極と異なる極性を有している。第２の電極は、半導体基板の裏面において、第１の電極が配置されていない部位に設けられている。
バックコンタクト型の太陽電池素子では、極性の異なる２つの電極（第１の電極および第２の電極）が、半導体基板の裏面に配置されている。これにより、太陽電池素子にリークによる不良が生じる場合があった。
本発明の１つの目的は、リークの発生を低減した太陽電池素子および太陽電池モジュールを提供することである。
本発明の一形態に係る太陽電池素子は、第１の面および該第１の面の裏側の第２の面を有した第１導電型の半導体基板と、前記第１の面上に位置する第１層および前記半導体基板を貫通してまたは前記半導体基板の側面を経由して前記第１層に連続して前記第２の面上に位置する第２層を有した第２導電型の半導体層とを備えている。さらに、上記太陽電池素子は、前記第１層上に位置する主電極部および前記半導体基板を貫通してまたは前記半導体基板の側面を経由して前記主電極部に電気的に接続されて前記第２層上に位置する第１出力取出部を有した第１の電極と、前記第２の面において前記半導体基板が露出した部分を介して前記第２層から離れて位置する第２の電極とを備えている。そして、上記太陽電池素子において、前記第２層のシート抵抗は前記第１層のシート抵抗よりも大きい。
本発明の一形態に係る太陽電池モジュールは、上記太陽電池素子を備えている。
上記の太陽電池素子および太陽電池モジュールによれば、出力特性を向上させることができる。
≪太陽電池素子≫
本発明の一実施形態に係る太陽電池素子１０は、図１乃至図４に示されるように、一導電型の半導体基板１、半導体基板１と異なる導電型を有する逆導電型層２、貫通孔３、第１の電極４、第２の電極５、半導体部６および反射防止層７を備える。
本発明の一実施形態に係る太陽電池素子１０は、図１乃至図４に示されるように、一導電型の半導体基板１、半導体基板１と異なる導電型を有する逆導電型層２、貫通孔３、第１の電極４、第２の電極５、半導体部６および反射防止層７を備える。
半導体基板１は、第１の面１Ｆ（図３においては上面側）および第１の面１Ｆの裏側の第２の面１Ｓ（図３においては下面側）を有する。太陽電池素子１０においては、第１の面１Ｆが受光面となる。以下、説明の便宜上、第１の面１Ｆを半導体基板１の受光面、第２の面１Ｓを半導体基板１の裏面などと称することもある。
半導体基板１としては、所定のドーパント元素（導電型制御用の不純物）を有して一導電型（例えば、ｐ型）を有する単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板等の結晶シリコン基板が用いられる。すなわち、半導体基板１は、第１導電型を有している。半導体基板１の厚みは、例えば、２５０μｍ以下、さらには、１５０μｍ以下とすることができる。半導体基板１の形状は、特に限定されるものではない。半導体基板１の形状は、例えば、四角形状としてもよい。
半導体基板１としては、例えば、ｐ型の導電型を有する結晶シリコン基板を用いてもよい。半導体基板１がｐ型を有するようにする場合は、ドーパント元素として、例えば、ボロンまたはガリウムを用いればよい。
半導体基板１の第１の面１Ｆには、図３に示すように、多数の微細な突起１ｂを有するテクスチャ構造（凹凸構造）１ａが形成されている。これにより、第１の面１Ｆにおける入射光の反射を低減させて太陽光を半導体基板１内へより多く吸収させることができる。なお、テクスチャ構造１ａは、本実施形態において必須の構成ではなく、必要に応じて形成すればよい。
また、半導体基板１には、図３に示すように、第１の面１Ｆから第２の面１Ｓまで貫通する複数の貫通孔３が設けられている。貫通孔３は、後述するように、その内表面に第３層２ｃが形成されている。また、貫通孔３の内部には、後述する第１の電極４の導通部４ｂが形成されている。貫通孔３は、直径が５０μｍ以上３００μｍ以下の範囲で、所定のピッチで形成されている。なお、貫通孔３は、第１の面１Ｆおよび第２の面１Ｓにおける開口部の直径が異なっていてもよい。例えば、図３に示すように、貫通孔３は、第１の面１Ｆ側から第２の面１Ｓ側に向かって直径が小さくなるような形状であってもよい。
逆導電型層２は、半導体基板１とは逆の導電型を有する層である。すなわち、逆導電型層２は、第２導電型を有する半導体層に相当する。逆導電型層２は、半導体基板１の第１の面１Ｆに形成された第１層２ａ、半導体基板１の第２の面１Ｓに形成された第２層２ｂおよび貫通孔３の内表面に形成された第３層２ｃを含む。本実施形態において、第１層２ａは、第３層２ｃを介して第２層２ｂと連続するように形成されている。半導体基板１がｐ型の導電型を有する際には、逆導電型層２は、ｎ型の導電型を有している。
第１層２ａは、例えば、４０〜１００Ω／□程度のシート抵抗を有するｎ＋型として形成される。シート抵抗の値をこの範囲とすることで、第１の面１Ｆでの表面再結合の増大および表面抵抗の増大を低減することができる。また、第１層２ａは、例えば、半導体基板１の第１の面１Ｆに、０．２μｍ〜２μｍ程度の厚みで形成される。
第２層２ｂは、半導体基板１の第２の面１Ｓのうち、第１の電極４の形成領域およびその周辺部に形成される。第２層２ｂは、第１層２ａよりも高いシート抵抗を有している。第２層２ｂのシート抵抗は、例えば、１００〜６００Ω／□であればよい。第３層２ｃは、貫通孔３の内表面に形成される。第３層２ｃは、第１層２ａと同等のシート抵抗を有すればよい。なお、第３層２ｃが、第１層２ａのシート抵抗よりも低いシート抵抗を有してもよい。これにより、表面抵抗の増大がより低減される。
太陽電池素子１０では、半導体基板１における一導電型の領域と逆導電型層２との間に、ｐｎ接合が形成される。
半導体部６は、太陽電池素子１０の内部に内部電界を形成するために設けられる。すなわち、半導体部６は、ＢＳＦ効果（Back Surface Field Effect）を得ることを目的として設けられる層である。これにより、半導体基板１の第２の面１Ｓの近傍でキャリアの再結合が生じにくくなる。その結果、発電効率の低下が低減される。
半導体部６は、半導体基板１の第２の面１Ｓにおいて、第２層２ｂが形成された領域以外の略全面に形成される。半導体部６は、例えば、図３（ａ）に示すように、第２の面１Ｓにおいて、第２層２ｂと接しないように形成される。半導体部６の形成パターンは、第１の電極４の形成パターンによって異なる。
半導体部６は、半導体基板１と同一の導電型を有している。すわなち、半導体基板１が第１導電型としてのｐ型であれば、半導体部６も第１導電型（ｐ型）である。そして、半導体部６が含有するドーパントの濃度は、半導体基板１が含有するドーパントの濃度よりも高い。すなわち、半導体基板１において一導電型を有するためにドープされるドーパント元素の濃度よりも高い濃度でドーパント元素が半導体部６中に存在している。半導体部６は、半導体基板１がｐ型を有する場合には、例えば、第２の面１Ｓにボロンやアルミニウムなどのドーパント元素を拡散させることによって形成できる。このとき、半導体部６が含有するドーパント元素の濃度は、１×１０１８〜５×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度であればよい。これにより、半導体部６は、半導体基板１のｐ型の導電型よりも高濃度のドーパントを含有したｐ＋型の導電型を有するようになる。これにより、後述する集電部５ｂとの間に良好なオーミックコンタクトが形成される。
半導体部６は、例えば、半導体基板１の第２の面１Ｓを平面視した場合に、第２の面１Ｓの全領域の７０％以上に形成してもよい。これにより、ＢＳＦ効果が高まる。その結果、太陽電池素子１０の出力特性が向上する。なお、半導体部６は、本実施形態において必須の構成ではなく、必要に応じて形成すればよい。
反射防止層７は、半導体基板１の第１の面１Ｆ側に形成される。本実施形態において、反射防止層７は、第１層２ａ上に形成されている。反射防止層７は、半導体基板１の表面（第１の面１Ｆ）において入射光の反射を低減する役割を有する。反射防止層７は、窒化珪素または酸化物材料などによって形成することができる。反射防止層７の厚みは、入射光に対して低反射となる条件が実現される値に設定される。例えば、半導体基板１としてシリコン基板を用いる場合であれば、屈折率が１．８〜２．３程度の材料によって５００〜１２００Å程度の厚みに反射防止層７を形成すればよい。なお、反射防止層７は、本実施形態において必須の構成ではなく、必要に応じて設ければよい。
第１の電極４は、複数の主電極部４ａ、複数の導通部４ｂおよび複数の第１出力取出部４ｃを有している。図１および図３（ａ）に示すように、主電極部４ａは、半導体基板１の第１の面１Ｆ上に形成されている。導通部４ｂは、主電極部４ａと電気的に接続するとともに貫通孔３内に設けられている。図２および３（ａ）に示すように、第１出力取出部４ｃは、第２の面１Ｓ上に形成され、導通部４ｂと接続される。すなわち、主電極部４ａは、半導体基板１を貫通する導通部４ｂを経由して第１出力取出部４ｃに電気的に接続されている。
主電極部４ａは、第１の面１Ｆ側で生成したキャリアを集電する機能を有する。導通部４ｂは、主電極部４ａで集電したキャリアを第２の面１Ｓ側に設けた第１出力取出部４ｃに導く機能を有する。第１出力取出部４ｃは、隣接する太陽電池素子１０同士を電気的に接続する配線と接続される配線接続部としての機能を有する。
導通部４ｂは、図１に示すように、半導体基板１に形成されている貫通孔３に対応して、設けられている。この導通部４ｂは、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、半導体基板１の第１の面１Ｆ側から第２の面１Ｓ側に導出されるように設けられている。なお、図１において、黒丸状に図示している導通部４ｂの形成位置が貫通孔３の形成位置に対応する。
本実施形態においては、複数の導通部４ｂが所定の一方向に配列されている。この太陽電池素子１０では、図１に示すように、複数の導通部４ｂは、半導体基板１の第１の面１Ｆの基準辺ＢＳに対して平行な方向に、複数列（図１では３列）を成すように配列されている。ここで、基準辺ＢＳとは、複数の太陽電池素子１０を配列させて太陽電池モジュール２０を形成する場合に太陽電池素子１０の配列方向に対して平行とされる辺である。なお、本明細書中において平行とは、数学的な定義のように厳密に解すべきものではない。
太陽電池素子１０において、導通部４ｂは、複数の（図１では３本の）直線状に配列するように設けられている。そして、各列における複数の導通部４ｂは、おおむね均等な間隔で配置されている。
主電極部４ａは、半導体基板１の第１の面１Ｆ上において、互いに異なる列に属する導通部４ｂ同士を接続する。主電極部４ａは、線状である。本実施形態において、線状の主電極部４ａは、例えば、図１に示すように、導通部４ｂの配列方向と直交する方向、すなわち基準辺ＢＳと直交する方向に沿って延びて配置される。このように配置された主電極部４ａは、基準辺ＢＳと直交する一直線上に位置する３つの導通部４ｂを接続する。これにより、第１の面１Ｆに均等に光が照射された場合に、一つの導通部４ｂに集中して電流が流れることによって生じる抵抗損失の増大を低減できる。よって、太陽電池素子１０の出力特性が低下することを低減できる。
主電極部４ａの幅は、５０〜２００μｍ、各主電極部４ａの間隔は１〜３ｍｍ程度とすることができる。
また、本実施形態において、基準辺ＢＳに沿う方向に配列した導通部４ｂの個数と、主電極部４ａの本数とは同じである。これにより、第１の面１Ｆにおける受光面積を確保しつつ、受光面における電極部の抵抗損失の増大が低減される。
また、第１の電極４は、図１に示すように、貫通孔３を覆うように配置されてもよい。このとき、第１の電極４には、貫通孔３の直径より大きな直径を有する円状のパッド電極部４ｅを設けてもよい。このような形態であれば、製造過程において主電極部４ａの形成位置が所望の位置から少しずれても、主電極部４ａと導通部４ｂとを接続しやすい。これにより、太陽電池素子１０の信頼性が向上する。
また、第１の電極４は、図１に示すように、各主電極部４ａの各端部同士を接続する補助電極部４ｆを有していてもよい。補助電極部４ｆは、隣り合う線状の主電極部４ａ同士を電気的に接続する機能を有している。具体的には、第１の電極４は、各主電極部４ａの一端同士を接続する補助電極部４ｆと、各主電極部４ａの他端同士を接続する補助電極部４ｆとを有している。このような形態によれば、仮に一部の主電極部４ａに断線が生じても、補助電極部４ｆを通じて他の主電極部４ａにキャリアを導くことができる。これにより、太陽電池素子１０の出力低下が低減される。
太陽電池素子１０では、第１の電極４のうち受光面である第１の面１Ｆ側に形成される部分を受光面電極部としたとき、受光面である第１の面１Ｆの面全体に比してこの受光面電極部の占める割合が非常に小さいものとなっているため、高い受光効率が実現される。加えて、第１の面１Ｆにおいて受光面電極部が一様に形成されるので、第１の面１Ｆにおいて発生したキャリアを効率よく集電することができる。
さらに、第１の電極４は、図３（ｂ）および図４に示すように、半導体基板１の第２の面１Ｓ上において、複数の導通部４ｂ（貫通孔３）に対応する位置に複数の第１出力取出部４ｃを有している。
第１出力取出部４ｃは、主電極部４ａの長手方向と異なる方向（本実施形態では導通部４ｂの配列方向）に順次配列されている。そして、第１出力取出部４ｃは、この配列方向に長手方向を有する長尺状に形成されている。本実施形態では、１つの第１出力取出部４ｃおよび複数の導通部４ｂが接続されている。具体的には、図４に示すように、１つの第１出力取出部４ｃは、６つまたは８つの導通部４ｂと接続されている。
また、第１出力取出部４ｃは、導通部４ｂの配列に対応して、複数列（図２においては３列）形成されている。以下では、複数の第１出力取出部４ｃが配列されている方向、すなわち、基準辺ＢＳに沿う方向（基準辺ＢＳに平行な方向）を配列方向と称する。なお、この配列方向は、上述した導通部４ｂが配列されている方向と同じ方向である。
第２の電極５は、第１の電極４と異なる極性を有している。そして、第２の電極５は、第１の電極４と電気的に絶縁されるように配置されている。このような第２の電極５は、図２および図４に示すように、第２出力取出部５ａおよび集電部５ｂを有している。
第２出力取出部５ａは、第２の面１Ｓに設けられる。集電部５ｂは、第２の面１Ｓを平面視して、第１出力取出部４ｃを挟んで両側に位置する。
集電部５ｂは、第２の面１Ｓの側で生成したキャリアを集電する。集電部５ｂは、半導体基板１の第２の面１Ｓに設けられた半導体部６の上に形成される。この集電部５ｂは、第１出力取出部４ｃおよびその周辺部分、ならびに第２出力取出部５ａが形成された領域の一部を除く第２の面１Ｓの略全面に設けられている。換言すれば、集電部５ｂは、第２の面１Ｓを平面視して、第１出力取出部４ｃを挟み込むように対を成している。
ここで、「略全面」とは、半導体基板１の第２の面１Ｓを平面視した場合に、第２の面１Ｓの全領域の７０％以上の面をいう。集電部５ｂを第２の面１Ｓのうち第１の電極４が形成された領域以外の略全面に設けることにより、集電部５ｂで集電されるキャリアの移動距離を短くすることができる。そのため、第２出力取出部５ａから取り出されるキャリアの量を増加させることができる。その結果、太陽電池素子１０の出力特性が向上する。
第２出力取出部５ａは、隣接する太陽電池素子１０同士を電気的に接続する配線と接続される配線接続部としての役割を有する。また、第２出力取出部５ａは、その少なくとも一部が集電部５ｂと重なるように形成すればよい。これにより、集電部５ｂで集電されたキャリアが外部に出力される。なお、第２出力取出部５ａは、図３（ａ）に示すように、第２の面１Ｓのうち集電部５ｂが形成されていない領域に配置してもよい。
また、第２出力取出部５ａは、複数の第１出力取出部４ｃのそれぞれに並行して配列されている。また、第２出力取出部５ａは、第１出力取出部４ｃと同様に配列方向に長手方向を有する長尺状をなしている。なお、本実施形態において、第１出力取出部４ｃおよび第２出力取出部５ａは、第１出力取出部４ｃまたは第２出力取出部５ａの配列方向に沿って複数個形成されているが、帯状に１本で形成されてもよい。
なお、第１出力取出部４ｃと第２出力取出部５ａの基準辺ＢＳに沿う方向の長さは互いに異なっていても同じであってもよい。
集電部５ｂは、例えば、アルミニウムで形成することができる。第２出力取出部５ａは、例えば、銀で形成することができる。
また、本実施形態において、図３（ａ）、図４に示すように、第１出力取出部４ｃは、導通部４ｂに接続される導通領域４ｃ１（重なり部分）および該導通領域４ｃ１に接続される取出領域４ｃ２を有している。
導通領域４ｃ１は、複数の導通部４ｂの一部を覆うように設けられている。導通領域４ｃ１は、半導体基板１の第２の面１Ｓ上において、複数の導通部４ｂ（貫通孔３）の直下に位置している。この導通領域４ｃ１は、導通部４ｂの配列方向（基準辺ＢＳに沿う方向）に長手方向を有する長尺状をなしている。すなわち、導通領域４ｃ１は、導通部４ｂの配列方向に沿って設けられている。また、この導通領域４ｃ１の短手方向における寸法は、導通部４ｂの直径と略等しければよい。また、上記寸法は、位置ずれ等を考慮して導通部４ｂの直径よりも少し大きくしてもよい。本実施形態では、１つの導通領域４ｃ１は複数の導通部４ｂと接続されており、このような導通領域４ｃ１が、導通部４ｂの配列方向に沿って複数配列されている。具体的には、図４に示すように、導通領域４ｃ１は、６つの導通部４ｂに接続されている。
なお、導通領域４ｃ１は、導通部４ｂと電気的に接続されていればよいため、導通部４ｂの一部を覆う形状とすればよい。
取出領域４ｃ２は、第２の面１Ｓ上において、各導通領域４ｃ１に隣接するとともに、各導通領域部４ｃ１と接続している。取出領域４ｃ２は、導通領域４ｃ１と集電部５ｂとの間に配置されている。取出領域４ｃ２は、導通領域４ｃ１と同様、導通部４ｂの配列方向に沿った長手方向を有する長尺状をなしている。このような取出領域４ｃ２は、図４に示すように、導通部４ｂの配列方向に沿って導通領域４ｃ１と接続されて配列されている。
導通領域４ｃ１および取出領域４ｃ２は、配列されている導通部４ｂの列数に対応して、複数列（図２においては３列）形成される。
そして、本実施形態では、図４に示すように、導通部４ｂの配列方向において、取出領域４ｃ２の長さが、導通領域４ｃ１の長さよりも短い。そして、図４に示すように、半導体部６は、第１出力取出部４ｃの配列方向において、隣り合う取出領域４ｃ２の間に位置する拡張部６ａを有している。
なお、上述したように、本実施形態において、第１出力取出部４ｃが張り出した部分（取出領域４ｃ２）を有するが、このような張り出し部分が設けられていなくてもよい。
本実施形態では、第２層２ｂが第１層２ａよりも高いシート抵抗を有することから、第２層２ｂと第２の電極５との距離を近づけて第２の電極５の領域を大きくすることができる。その結果、第２の電極５から取り出されるキャリアの量を増加させることができるので、太陽電池素子１０の出力特性の向上が図れる。また、大量生産する過程において電極形成位置のばらつき等が生じてもリーク不良等の不良率を低減することができる。
第１層２ａのシート抵抗は、例えば、４０〜１００Ω／□、第２層２ｂのシート抵抗は例えば、１００〜６００Ω／□に設定されればよい。なお、逆導電型層２の各層のシート抵抗は、例えば、４端子法を用いて測定することができる。より具体的に、逆導電型層２各層のシート抵抗は、例えば、任意の１０点に測定プローブを当てることによって測定された値の平均値から算出される。
また、第２層２ｂのドーパント濃度の最大値は、第１層２ａのドーパント濃度の最大値よりも小さくしてもよい。これによっても、リークの発生を低減した上で、第２層２ｂと第２電極５との距離を小さくすることができる。そのため、上記した出力特性の向上がより一層図れる。
また、第２層２ｂのドーパント濃度の最大値が第１層２ａのドーパント濃度の最大値よりも小さく、例えば、第１層２ａのドーパント濃度の最大値は８×１０２０ａｔｏｍ／ｃｍ３程度、第２層２ｂのドーパント濃度の最大値は８×１０１９ａｔｏｍ／ｃｍ３以下に設定される。なお、各層のドーピング濃度は、例えば、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）を用いて測定することができる。より具体的に、逆導電型層２の各層のドーパント濃度は、例えば、各層の任意の合計５点に対してＳＩＭＳ装置（アルバックファイ製 Ｍｏｄｅｌ ６６５０）を用いて測定された各ドーパント濃度の最大値の平均値から算出される。
第２層２ｂと第２の電極５との距離は０．３〜０．６ｍｍ程度に設定される。このとき、第２層２ｂと第２の電極５との間には、ｐｎ分離領域を設けなくてもよい。一方、第２層２ｂと第２の電極５との間および半導体基板１の第２の面１Ｓの周縁部にはｐｎ分離領域を設けてもよい。このようなｐｎ分離領域には、半導体基板１の一導電型の領域が存在する。
また、第３層２ｃのシート抵抗は、第１層２ａのシート抵抗とほぼ同等か、それよりも低ければよい。これにより、表面抵抗の増大をより低減することができる。このように、第２層２ｂが第３層２ｃよりも高いシート抵抗を有していてもよい。
また、第２層２ｂのドーパント濃度は、貫通孔３、第３層３ｃから離れるにつれて低くしてもよい。これにより、貫通孔３近傍においてはキャリアの抵抗損失を低減するとともに、第２の電極５と隣接する貫通孔３から離れた領域においてはリーク発生を低減することができる。
このとき、図３（ａ）に示すように、第２層２ｂのドーパント濃度の最大値について、第２層２ｂの端部におけるドーパント濃度は、第３層３ｃの近傍（貫通孔３の輪郭近傍）におけるドーパント濃度に対して、９０％程度としてもよい。例えば、第２層２ｂの端部におけるドーパント濃度は、７×１０１９ａｔｏｍ／ｃｍ３程度、第３層３ｃの近傍（貫通孔３の輪郭近傍）におけるドーパント濃度、８×１０１９ａｔｏｍ／ｃｍ３程度としてもよい。
≪太陽電池モジュール≫
太陽電池素子１０は、単独で使用することが可能であるが、太陽電池モジュールを構成する要素としても用いられる。すなわち、太陽電池素子１０は、同じ構造を有する複数の太陽電池素子１０と互いに隣接するように配置され、さらに互いを直列に接続して太陽電池モジュール２０を構成することができる。
太陽電池素子１０は、単独で使用することが可能であるが、太陽電池モジュールを構成する要素としても用いられる。すなわち、太陽電池素子１０は、同じ構造を有する複数の太陽電池素子１０と互いに隣接するように配置され、さらに互いを直列に接続して太陽電池モジュール２０を構成することができる。
本発明の一実施形態に係る太陽電池モジュール２０は、互いに隣接して配列された実施形態に係る複数の太陽電池素子１０および隣り合う太陽電池素子１０間を電気的に接続する配線材１５を備える。
太陽電池モジュール２０は、図５（ａ）に示すように、さらに、透光性部材１１と、表側充填材１２と、裏側充填材１３と、裏面保護材１４と、を備える。
透光性部材１１は、太陽電池素子１０の第１の面１Ｆ側に配置されて第１の面１Ｆを保護する機能を有しており、例えば、ガラス等からなる。
表側充填材１２は、太陽電池素子１０の第１の面１Ｆと透光性部材１１との間に配置されて太陽電池素子１０を封止する機能を有しており、例えば、透明のエチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）等からなる。
裏側充填材１３は、太陽電池素子１０の第２の面１Ｓ側に配置されて太陽電池素子１０を封止する機能を有しており、例えば、透明または白色のＥＶＡ等からなる。
裏面保護材１４は、太陽電池素子１０の第２の面１Ｓ側を保護する機能を有しており、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリフッ化ビニル樹脂（ＰＶＦ）等の単層または積層構造からなる。
複数の太陽電池素子１０は、図５（ｂ）に示すように、隣り合う太陽電池素子１０同士が接続部材としての機能を有する配線材１５によって互いに直列接続されてなる。
配線材１５は、基体シートおよび基体シートの上に形成された配線を有する。配線は、第１の電極４（第１出力取出部４ｃ）と接続される第１配線を有している。さらに、配線は、第２の電極５（第２出力取出部５ａ）と接続される第２配線を有している。さらに、配線は、隣り合う一方の太陽電池素子１０と接続する第１配線と他方の太陽電池素子１０と接続する第２配線とを接続する第３配線を含んでいる。
第１配線および第２配線は、それぞれ１本ずつ交互に所定の間隔を空けて配置されている。
また、配線の上に絶縁シートを形成してもよく、各配線と各電極とが接続される部分には開口部が設けられる。
基体シートおよび絶縁シートの材質としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）またはポリフッ化ビニル樹脂（ＰＶＦ）を使用することができる。また、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）、４フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）またはポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）などの耐熱性に優れた樹脂を使用してもよい。なお、基体シートおよび絶縁シートは単層構造であっても複層構造であってもよい。
配線の材質としては、導電性を有するものであればよい。このような材質としては、例えば、銅、アルミニウムおよび銀等の金属を使用することができる。
配線材１５は、半田ペーストや導電性接着剤を用いて、太陽電池素子１０の第１出力取出部４ｃと第２出力取出部５ａとに接続される。なお、配線材１５は、基体シートを備えていなくてもよい。
裏面保護材１４は、白色等の反射率の高い材質のものを用いることができる。これにより、太陽電池素子１０の間に照射された光が裏面保護材１４で乱反射して太陽電池素子１０に照射される。その結果、太陽電池素子１０における受光量をより増大することができる。裏面保護材１４の材料としては、例えば、白色のＰＥＴなどを用いることができる。
≪太陽電池素子の製造方法≫
次に、本発明の実施形態に係る太陽電池素子の製造方法について説明する。具体的には、太陽電池素子１０の製造方法について、説明する。
次に、本発明の実施形態に係る太陽電池素子の製造方法について説明する。具体的には、太陽電池素子１０の製造方法について、説明する。
＜半導体基板の準備工程＞
まず、ｐ型の導電型を呈する半導体基板１を準備する。
まず、ｐ型の導電型を呈する半導体基板１を準備する。
半導体基板１として単結晶シリコン基板を用いる場合であれば、単結晶シリコンインゴットを所定の厚みに切り出すことで半導体基板１を得ることができる。単結晶シリコンインゴットは、ＦＺ法またはＣＺ法など公知の製法で作製されたものを用いることができる。また、多結晶シリコン基板を半導体基板１として用いる場合であれば、多結晶シリコンインゴットを所定の厚みに切り出すことで半導体基板１を得ることができる。多結晶シリコンインゴットは、キャスト法や鋳型内凝固法などの公知の製法で作製されたものを用いることができる。
以下においては、ドーパント元素としてＢ（ボロン）あるいはＧａ（ガリウム）が１×１０１５〜１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度ドープされた結晶シリコン基板を用いる場合を例にとって説明する。すなわち、半導体基板１は、ｐ型の導電型を有している。
なお、切り出し（スライス）に伴う半導体基板１の表層部の機械的ダメージ層や汚染層を除去しておく。例えば、切り出した半導体基板１の表面側および裏面側の表層部をＮａＯＨ、ＫＯＨまたはフッ酸と硝酸との混合液などでそれぞれ１０〜２０μｍ程度エッチングし、その後、純水などで洗浄すればよい。これにより、有機成分や金属成分を除去しておくようにする。
＜貫通孔の形成工程＞
次に、半導体基板１の第１の面１Ｆと第２の面１Ｓとの間に貫通孔３を形成する。
次に、半導体基板１の第１の面１Ｆと第２の面１Ｓとの間に貫通孔３を形成する。
貫通孔３は、ドリル、ウォータージェットあるいはレーザー加工装置等を用いて形成することができる。なお、貫通孔３の形成は、受光面となる第１の面１Ｆが損傷を受けないよう、半導体基板１の第２の面１Ｓの側から第１の面１Ｆの側に向けて加工を行うようにする。ただし、加工による半導体基板１への損傷が少なければ、第１の面１Ｆの側から第２の面１Ｓの側に向けて加工を行うようにしてもよい。
＜テクスチャ構造の形成工程＞
次に、貫通孔３が形成された半導体基板１の受光面側に、微細な突起（凸部）１ｂを持つテクスチャ構造１ａを形成する。
次に、貫通孔３が形成された半導体基板１の受光面側に、微細な突起（凸部）１ｂを持つテクスチャ構造１ａを形成する。
テクスチャ構造１ａの形成方法としては、ＮａＯＨ、ＫＯＨなどのアルカリ水溶液またはフッ硝酸溶液によるウェットエッチング法を用いることができる。テクスチャ構造１ａの他の形成方法としては、半導体基板１の材質をエッチングする性質を有するエッチングガスによるドライエッチング法を用いることができる。
＜逆導電型層の形成工程＞
次に、逆導電型層２を形成する。逆導電型層２は、半導体基板１の第１の面１Ｆに第１層２ａ、第２の面１Ｓに第２層２ｂ、貫通孔３の内表面に第３層２ｃとして形成する。
次に、逆導電型層２を形成する。逆導電型層２は、半導体基板１の第１の面１Ｆに第１層２ａ、第２の面１Ｓに第２層２ｂ、貫通孔３の内表面に第３層２ｃとして形成する。
本実施形態では、逆導電型層２はｎ型を有する。そのため、逆導電型層２を形成するためのｎ型化ドーピング元素としては、例えば、Ｐ（リン）を用いることができる。
逆導電型層２は、例えば、以下の方法を用いて形成することができる。
第１の方法として、半導体基板１における第１の面１Ｆと貫通孔３内に、ペースト状態にしたＰ２Ｏ５を塗布して、熱拡散させる塗布熱拡散法がある。熱拡散させる際に、ペーストから蒸発したドーパントを第２の面１Ｓに拡散させることにより、第１層２ａよりもシート抵抗の高い第２層２ｂを形成することができる。
第２の方法としては、ガス状態にしたＰＯＣｌ３（オキシ塩化リン）を拡散源として形成対象箇所に拡散させる気相熱拡散法がある。気相拡散法を用いれば、半導体基板１の両主面における形成対象箇所と貫通孔３の内表面とにおいて、逆導電型層２を同じ工程で形成することができる。このため、第２の面１Ｓにおいては、薄い厚みを有した拡散低減層を形成して、ドーパントの拡散量を低減させることにより、第１層２ａよりもシート抵抗の高い第２層２ｂを形成することができる。または、第２の面１Ｓの表面をエッチングすることによって、第２層２ｂを形成することができる。
また、気相熱拡散法の場合は以下のような方法であってもよい。まず、複数枚の半導体基板１を保持する溝を有するカセットを用意する。次に、カセットの溝に２枚の半導体基板１をそれぞれの第２の面１Ｓ同士が向かい合うように重ねて挿入する。次いで、ＰＯＣｌ３を拡散させる。このとき、半導体基板１間の間隔が狭いことから、第１の面１Ｆに比べて第２の面１Ｓへのドーパントの拡散量が低減される。これにより、第１層２ａよりもシート抵抗の高い第２層２ｂを形成することができる。また、この方法を用いることにより、半導体基板１に貫通孔３が設けられているため、第２の面１Ｓにおける貫通孔３の近傍はドーパントの拡散量を多くでき、第２層２ｂのドーパント濃度を貫通孔３（第３層３ｃ）から離れるにつれて低くすることができる。
なお、逆導電型層２の形成後、後述するように半導体部６をアルミニウムペーストによって形成する場合は、ｐ型ドーパント元素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で半導体部６を形成することができる。そのため、この場合は、既に形成されていた浅い拡散領域の存在は無視できる。すなわち、この場合は、半導体層６の形成対象箇所に存在する逆導電型層２は除去しなくてもよい。
また、第１の電極４が形成される領域の周囲や半導体基板１の第２の面１Ｓの周縁部について、レーザー照射等の公知の方法でｐｎ分離を行なってもよい。
＜反射防止層の形成工程＞
次に、第１層２ａの上に、反射防止層７を形成する。反射防止層７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。例えば、ＳｉＮｘ膜からなる反射防止層７をＰＥＣＶＤ法で形成する場合であれば、反応室内を５００℃程度として、窒素（Ｎ２）で希釈したシラン（Ｓｉ３Ｈ４）とアンモニア（ＮＨ３）との混合ガスを、グロー放電分解でプラズマ化させて堆積させることで反射防止層７が形成される。また、第３層２ｃの上にも反射防止層７を形成してもよい。
次に、第１層２ａの上に、反射防止層７を形成する。反射防止層７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。例えば、ＳｉＮｘ膜からなる反射防止層７をＰＥＣＶＤ法で形成する場合であれば、反応室内を５００℃程度として、窒素（Ｎ２）で希釈したシラン（Ｓｉ３Ｈ４）とアンモニア（ＮＨ３）との混合ガスを、グロー放電分解でプラズマ化させて堆積させることで反射防止層７が形成される。また、第３層２ｃの上にも反射防止層７を形成してもよい。
＜半導体層の形成工程＞
次に、半導体基板１の第２の面１Ｓに、半導体部６を形成する。ボロンをドーパント元素とする場合は、ＢＢｒ３（三臭化ボロン）を拡散源とする熱拡散法により、８００〜１１００℃程度の温度で形成することができる。この場合においては、半導体部６の形成に先立ち、半導体部６の形成対象箇所以外の領域の上に、例えば、既に形成されている逆導電型層２などの上に、酸化膜などからなる拡散低減層を形成してもよい。そして、半導体部６の形成後に拡散低減層を除去するようにしてもよい。
次に、半導体基板１の第２の面１Ｓに、半導体部６を形成する。ボロンをドーパント元素とする場合は、ＢＢｒ３（三臭化ボロン）を拡散源とする熱拡散法により、８００〜１１００℃程度の温度で形成することができる。この場合においては、半導体部６の形成に先立ち、半導体部６の形成対象箇所以外の領域の上に、例えば、既に形成されている逆導電型層２などの上に、酸化膜などからなる拡散低減層を形成してもよい。そして、半導体部６の形成後に拡散低減層を除去するようにしてもよい。
また、ドーパント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半導体基板１の第２の面１Ｓに塗布した後、７００〜８５０℃程度の温度で熱処理（焼成）すればよい。これにより、アルミニウムが半導体基板１に向けて拡散させることによって、半導体部６が形成される。この場合、アルミニウムペーストの印刷面である第２の面１Ｓだけに所望の拡散領域である半導体部６を形成することができる。しかも、この場合は、焼成後に第２の面１Ｓの上に形成されたアルミニウムからなる層を集電部５ｂとして利用することもできる。
＜電極の形成方法＞
次に、第１の電極４の受光面電極部（主電極部４ａ、パッド電極部４ｅ）と導通部４ｂとを形成する。
次に、第１の電極４の受光面電極部（主電極部４ａ、パッド電極部４ｅ）と導通部４ｂとを形成する。
受光面電極部と導通部４ｂとは、例えば、塗布法を用いて形成される。具体的には、半導体基板１の第１の面１Ｆに、導電性ペーストを、図１に示す受光面電極部の形成パターンにて塗布することで塗布膜を形成する。形成した塗布膜を最高温度５００〜８５０℃で数十秒〜数十分程度焼成することにより、受光面電極部と導通部４ｂとを形成することができる。ここで用いる導電性ペーストは、例えば、銀等からなる金属粉末１００質量部に対して有機ビヒクルを１０〜３０質量部、ガラスフリットを０．１〜１０質量部それぞれ添加したものを用いることができる。
なお、この場合は、導電性ペーストを塗布する際に貫通孔３にも該導電性ペーストが充填されることで、受光面電極部を形成する工程と同じ工程において、導通部４ｂも形成できる。ただし、第１の面１Ｆに導電性ペーストを塗布する際に貫通孔３に十分に導電性ペーストが充填されなくてもよい。これは、後述する第１出力取出部４ｃを形成する際にも、第２の面１Ｓの側から導電性ペーストが塗布されることによって、貫通孔３にも導電性ペーストが再度充填されるからである。
なお、導電性ペーストを塗布した後、焼成に先立って、所定の温度で塗布膜中の溶剤を蒸散させて該塗布膜を乾燥させてもよい。また、受光面電極部（主電極部４ａを含む）と導通部４ｂとを別々に塗布・焼成して形成するようにしてもよい。具体的には、あらかじめ貫通孔３にのみ導電性ペーストを充填・乾燥し、その後、上述の場合と同様に図１に示す受光面電極部（主電極部４ａを含む）のパターンにて導電性ペーストを塗布したうえで焼成するなどしてもよい。
また、受光面電極部（主電極部４ａを含む）の形成前に、反射防止層７を形成する場合は、例えば、反射防止膜７のパターニング後に受光面電極部を形成すればよい。また、受光面電極部は、反射防止膜７の形成後にファイヤースルー法によって形成してもよい。
一方で、受光面電極部を形成した後に、反射防止層７を形成してもよい。この場合、受光面電極部の形成条件が緩やかなものとなる。このような工程であれば、例えば、８００℃程度の高温で焼成を行わずとも、受光面電極部を形成することができる。その結果、熱による半導体基板１へのダメージを低減することができる。
次に、半導体基板１の第２の面１Ｓ上に、集電部５ｂを形成する。集電部５ｂについても、塗布法を用いて形成することができる。まず、半導体基板１の第２の面１Ｓに図２に示すような集電部５ｂのパターンになるように導電性ペーストを塗布して塗布膜を形成する。次いで、形成した塗布膜を最高温度５００〜８５０℃で数十秒〜数十分程度焼成することにより、集電部５ｂが形成される。ここで用いる導電性ペーストとしては、例えば、アルミニウムまたは銀等からなる金属粉末１００質量部に対して、有機ビヒクルを１０〜３０質量部およびガラスフリットを０．１〜１０質量部添加したものを用いることができる。なお、導電性ペーストにアルミニウムペーストを用いる場合は、半導体部６と集電部５ｂとを同じ工程で形成することができる。
さらに、半導体基板１の第２の面１Ｓに、第１出力取出部４ｃおよび第２出力取出部５ａを形成する。第１出力取出部４ｃおよび第２出力取出部５ａは、例えば、塗布法を用いて１つの工程で形成することができる。まず、半導体基板１の第２の面１Ｓに図２または図４に示すようなパターンになるように導電性ペーストを塗布して塗布膜を形成する。次いで、形成した塗布膜を最高温度５００〜８５０℃で数十秒〜数十分程度焼成することにより形成できる。ここで用いる導電性ペーストとしては、例えば、銀等からなる金属粉末１００質量部に対して有機ビヒクルを１０〜３０質量部およびガラスフリットを０．１〜１０質量部添加したものを用いることができる。
なお、第１出力取出部４ｃおよび第２出力取出部５ａは、別々の工程で形成してもよく、相異なる組成の導電性ペーストを用いて形成してもよい。また、アルミニウムペーストを用いて半導体部６と集電部５ｂとを１つの工程で形成した場合は、第２出力取出部５ａの一部が第２層２ｂ上に形成されてもよい。
本実施形態に係る太陽電池素子１０は、以上のような手順で作製することができる。
≪太陽電池モジュールの製造方法≫
次に、上述のように形成される太陽電池素子１０を用いて太陽電池モジュール２０を製造する方法について説明する。
次に、上述のように形成される太陽電池素子１０を用いて太陽電池モジュール２０を製造する方法について説明する。
まず、あらかじめ、基体シートに配線となる金属部材を設置した後、所定領域の金属部材を除去することにより、第１配線、第２配線および第３配線を形成する。次に、基体シート上に開口部を有した絶縁シートを設置して、配線材１５を作製しておく。
そして、配線材１５に半田ペーストまたは導電性接着剤を塗布して、その上に複数の太陽電池素子１０を配置する。この状態で、配線材１５と太陽電池素子１０との接続部分を加熱することで、配線材１５と第１出力取出部４ｃおよび第２出力取出部５ａとを接続させる。また、必要に応じて各ストリングを接続材で接続してもよい。
なお、導電性接着剤としては、例えば、銀、ニッケルまたはカーボン等の導電性フィラーを用いればよい。また、導電性接着剤に含まれるバインダは、例えば、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂またはポリウレタン樹脂等であればよい。
次いで、透光性部材１１の上に、表側充填材１２と、配線材１５によって互いに接続された複数の太陽電池素子１０と、裏側充填材１３と、裏面保護材１４とを順次積層して、モジュール基体を作製する。次に、このモジュール基体をラミネータ等で加熱しながら押圧することによって、モジュール基体の構成部材を一体化する。
次に、図５（ａ）に示すように、直列接続された複数の太陽電池素子１０のうち、最初の太陽電池素子１０および最後の太陽電池素子１０の電極の一端と、外部に出力を取り出す端子ボックス１７内に設けられた端子とを出力取出配線１８で接続する。以上の工程により、太陽電池モジュール２０が作製される。なお、太陽電池モジュール２０は、図５（ｂ）に示すように、太陽電池モジュール２０の外周にアルミニウムなどの枠１６を設けてもよい。
このような太陽電池モジュール２０は、上述の太陽電池素子１０を有しているため、出力特性に優れている。
以上、本発明の実施形態について、具体的な形態を例示して説明したが、本発明は以上の実施形態に限定されないことはいうまでもない。
例えば、太陽電池素子１０においては、第２の面１Ｓ側にパッシベーション膜を有してもよい。パッシベーション膜は、半導体基板１の第２の面１Ｓにおいてキャリアの再結合を低減する役割を有するものである。パッシベーション膜としては、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、アモルファスＳｉ窒化膜（a−ＳｉＮｘ）などのＳｉ系窒化膜、酸化シリコン
（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）などが使用できる。パッシベーション膜の厚みは、１００〜２０００Å程度に形成すればよい。
（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）などが使用できる。パッシベーション膜の厚みは、１００〜２０００Å程度に形成すればよい。
また、本実施形態において、半導体基板１は複数の貫通孔を有する形態を例示したが、例えば、ラップ・アラウンド型太陽電池のような貫通孔を有していない半導体基板１を用いた形態であってもよい。
ラップ・アラウンド型の太陽電池素子において、第２導電型の半導体層に相当する逆導電型層２は、第１の面１Ｆ上に位置する第１層２ａおよび半導体基板１の側面を経由して第１層２ａに連続して第２の面１Ｓ上に位置する第２層２ｂを有している点で上述の太陽電池素子１０と異なっている。このような逆導電型層２に応じて、第１の電極４は、第１層２ａ上に位置する主電極部４ａおよび半導体基板１の側面を経由して主電極部４ａに電気的に接続されて第２層２ｂ上に位置する第１出力取出部４ｃを有する構造となっている。
このように、ラップ・アラウンド型の太陽電池素子において、半導体基板１の受光面側に位置する逆導電型層２および第１の電極４が半導体基板１の側面を経由して半導体基板１の裏面側に導出されている。これにより、バックコンタクト構造が実現される。そして、このような形態であっても、第１層２ａのシート抵抗と第２層２ｂのシート抵抗とが上述した関係を有していれば、太陽電池素子１０と同様に、出力特性を向上させることができる。それゆえ、このような形態を成す太陽電池素子を備えた太陽電池モジュールであっても、太陽電池モジュール２０と同様に出力特性を向上させることができる。
１ ：半導体基板
２ ：逆導電型層
２ａ ：第１層
２ｂ ：第２層
２ｃ ：第３層
３ ：貫通孔
４ ：第１の電極
５ ：第２の電極
６ ：半導体層
７ ：反射防止層
１０ ：太陽電池素子
２ ：逆導電型層
２ａ ：第１層
２ｂ ：第２層
２ｃ ：第３層
３ ：貫通孔
４ ：第１の電極
５ ：第２の電極
６ ：半導体層
７ ：反射防止層
１０ ：太陽電池素子
Claims (7)
- 第１の面および該第１の面の裏側の第２の面を有した第１導電型の半導体基板と、
前記第１の面上に位置する第１層および前記半導体基板を貫通してまたは前記半導体基板の側面を経由して前記第１層に連続して前記第２の面上に位置する第２層を有した第２導電型の半導体層と、
前記第１層上に位置する主電極部および前記半導体基板を貫通してまたは前記半導体基板の側面を経由して前記主電極部に電気的に接続されて前記第２層上に位置する第１出力取出部を有した第１の電極と、
前記第２の面において前記半導体基板が露出した部分を介して前記第２層から離れて位置する第２の電極とを備え、
前記第２層のシート抵抗が前記第１層のシート抵抗よりも大きい、太陽電池素子。 - 前記半導体基板は、前記第１の面から前記第２の面にわたって設けられた貫通孔を有し、
前記半導体層は、前記貫通孔の内部に位置する第３層をさらに備え、
前記第２層のシート抵抗が前記第３層のシート抵抗よりも大きい、請求項１に記載の太陽電池素子。 - 前記第２層と前記第２の電極との間に位置する前記第２の面にｐｎ分離領域をさらに備える、請求項１に記載の太陽電池素子。
- 前記半導体基板は、前記第１の面および前記第２の間に設けられた貫通孔を有し、
前記半導体層は、前記貫通孔の内部に位置する第３層をさらに備え、
前記第２層のシート抵抗が前記第３層のシート抵抗よりも大きい、請求項３に記載の太陽電池素子。 - 前記第２層のドーパント濃度は、前記貫通孔から離れるにつれて低くなっている、請求項３に記載の太陽電池素子。
- 前記第２の面上に形成された、前記半導体基板よりも高い濃度のドーパントを含有する前記第１導電型の半導体部をさらに備え、
該半導体部の上に前記第２の電極が形成されている、請求項３乃至５のいずれかに記載の太陽電池素子。 - 請求項１乃至６のいずれかに記載の太陽電池素子を備える、太陽電池モジュール。
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