JP5806304B2 - 太陽電池およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は太陽電池およびその製造方法に関する。
太陽電池の電極に用いる銀等の高価な材料の使用量を減らして、電極と半導体基板との接着力を高めるために、例えば、太陽電池を構成するシリコン基板の裏面周辺部のリードフレームの接続予定領域に銀ペーストを塗布乾燥する工程と、リードフレームの接続予定領域の銀ペーストの一部に重なるように、裏面にアルミペーストを塗布乾燥する工程と、焼成によってBSF(Back Surface Field)層およびパッド銀電極を形成する工程とを有する太陽電池の製造方法が提案されている(例えば、特開平5−326990号公報等を参照)。
しかしながら、従来方法では信頼性の高い太陽電池を得るには不十分であったので、さらに、銀等の電極材料の使用量を低減しつつ、電極と半導体基板との接着力を確実に向上させることができる優れた太陽電池が望まれている。
そこで、本発明では銀等の電極材料の使用量を確実に減らすことができて、信頼性等に優れた太陽電池およびその製造方法を提供することを目的の一つとする。
本発明の一形態に係る太陽電池は、半導体基体と、該半導体基体の裏面における少なくとも所定の導体配置領域を除く領域に配置されている裏面電極と、前記導体配置領域に位置している前記半導体基体の裏面および前記裏面電極のそれぞれに付着しているはんだとを有している太陽電池であって、前記導体配置領域は一方向に一列に並んだ複数の貫通孔部を含んでおり、前記はんだは前記貫通孔部および前記貫通孔部どうしの間における前記裏面電極を覆っている。
本発明の一形態に係る太陽電池の製造方法は、半導体基体を準備する準備工程と、前記半導体基体の裏面において、前記半導体基体を複数箇所で露出させて、一方向に一列に並んだ複数の貫通孔部を含む導体配置領域を除く領域に、裏面電極を形成する裏面電極形成工程と、前記貫通孔部に露出した前記半導体基体および前記裏面電極のそれぞれにはんだを接触させて超音波はんだ付にてはんだを付着させる付着工程とを有する。
上記構成の太陽電池およびその製造方法によれば、はんだが直接半導体基体に付着しているので、電極材料の使用量を確実に低減することができて、はんだと半導体基体との接着力を高めることができて、信頼性の高い太陽電池を提供することができる。また、はんだの上に配線導体を設ける場合にも、配線導体とはんだと半導体基体との密着性を高めることができて、信頼性の高い太陽電池を提供できる。
図1は、本発明の一形態に係る太陽電池の一例を受光面側からみた平面模式図である。 図2は、本発明の一形態に係る太陽電池の一例を非受光面側からみた平面模式図である。 図3は、本発明の一形態に係る太陽電池の一例を示す図であり、図におけるA−A線方向で切断した断面模式図である。 図4は、本発明の一形態に係る太陽電池の一例を模式的に説明する斜視図である。 図5(a)〜(c)は、それぞれ本発明の一形態に係る太陽電池の製造方法の一例を模式的に説明する斜視図である。 図6(a)〜(c)は、それぞれ本発明の一形態に係る太陽電池の一部分の例を拡大して示す断面模式図である。 図7は、導体配置領域の変形例を説明する平面模式図である。 図8は、導体配置領域の変形例を模式的に説明する図であり、図8(a)は斜視図、図8(b)は図8(a)のA部拡大平面図である。 図9は、導体配置領域の変形例を説明する平面模式図である。 図10は、導体配置領域の変形例を説明する平面模式図である。 図11(a),(b)は、それぞれ配線導体の変形例を模式的に説明する斜視図である。 図12は、配線導体の変形例を説明する断面模式図である。 図13は、配線導体の変形例を模式的に説明する斜視図である。 図14は本発明の一形態に係る太陽電池の一例を裏面側からみた平面模式図である。 図15は、本発明の一形態に係る太陽電池の一部分の例を拡大して示す断面模式図である。 図16は、本発明の一形態に係る太陽電池の一例を非受光面側からみた平面模式図である。 図17(a),(b)は、それぞれ本発明の一形態に係る太陽電池の一部分の例を拡大して示す断面模式図である。 図18は、本発明の一形態に係る太陽電池の一例を模式的に説明する図であり、太陽電池の非受光面側における部分断面図である。 図19は、本発明の一形態に係る太陽電池の一例を模式的に説明する図であり、太陽電池の非受光面側における電極材料中にはんだが入り込んで、はんだが半導体基体に直接接触させるようにするための構造を示す部分断面図である。 図20は、本発明の一形態に係る太陽電池の製造方法の一例を模式的に説明する断面図である。 図21は、本発明の一形態に係る太陽電池の製造方法の一例を模式的に説明する斜視図である。 図22は、本発明の一形態に係る太陽電池の一例を模式的に説明する分解斜視図である。
以下、本発明の一形態に係る太陽電池およびその製造方法について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、図面は模式的に示したものであるので、図面における各構成の寸法比および位置関係等は必ずしも正確ではない。
<太陽電池の基本構成>
まず、太陽電池の基本構成について説明する。図1乃至3に示すように、太陽電池10は光が入射する受光面(以下、第1面という)10aと、第1面10aの反対側に位置する裏面である非受光面(以下、第2面という)10bとを有する。また、太陽電池10は、例えば板状の半導体基体9を備えている。半導体基体9は、例えば、一導電型の半導体領域である第1半導体部1と、この第1半導体部1における第1面10a側に設けられた逆導電型の半導体領域である第2半導体部2とから構成される。また、太陽電池10は、半導体基体9と、半導体基体9の裏面における少なくとも所定の導体配置領域8を除く領域に配置されている裏面電極である第2電極5と、導体配置領域8に位置している半導体基体9の裏面および第2電極5のそれぞれに付着しているはんだ7とを有している。
ここで、導体配置領域8とは、太陽電池10の第2面側において、少なくとも導体であるはんだ7が半導体基体9に接している部分をいうものとし、その領域においてリードフレーム等の配線導体が配置され得る箇所をいうものとする。
また、はんだ7と半導体基体9とは、例えば超音波振動を利用した超音波はんだ付によって強固に接合されている。特にフラックスを不要とした超音波はんだ付によって、半導体基体9の表面に存在していた酸化物の除去が促進されるなどして、はんだ7が半導体基体9に強固に接合されている。このように、超音波はんだ付を用いることによって、腐食等の原因となるフラックスを不要にできて、はんだ7と半導体基体9とを強固に接合することができる。
また、太陽電池10は、半導体基体9における第1面10a側には反射防止層3が設けられており、半導体基体9における第1面10a側にはさらに表面電極である第1電極4が設けられている。
第1半導体部1には、例えば所定のドーパント元素(導電型制御用の不純物元素)を有した、一導電型(例えばp型)を呈する単結晶シリコン基板または多結晶シリコン基板等の結晶シリコン基板が好適に用いられる。第1半導体部1の厚みは、例えば、250μm以下であるのが好ましく、150μm以下とするのがさらに好ましい。第1半導体部1の形状は、特に限定されないが、図示されているように、平面視して四角形状であれば製法上および多数の太陽電池素子を配列して太陽電池モジュールを構成する際等の観点から好適である。
なお、半導体基体9としては、シリコンが50質量%以上含まれた、シリコンが主成分の結晶材料を使用すると好適であるが、上記の結晶質シリコン系以外の半導体材料を用いてもよい。半導体基体9として、例えば、薄膜シリコン系(アモルファスシリコンおよび微結晶シリコンのうち少なくとも一方を含む)材料またはシリコンゲルマニウム系等の半導体材料が使用可能である。ただし、半導体基体9として結晶質シリコンを用いると、作製が容易であり、製造コストおよび光電変換効率等の点で好適である。
また、太陽電池10は、上記構成に加えて、はんだ7の上に後述する配線導体を少なくとも設けた構成にしてもよい。この場合においても、超音波はんだ付等を用いることによって、配線導体11とはんだ7と半導体基体9との密着性を高めることができて、信頼性の高い太陽電池を提供できる。また、太陽電池10は、第1面10aおよび第2面10bの両面から出力を取り出す両面電極型の太陽電池に限定されない。また、太陽電池10は、単に太陽電池素子のみをさすのではなく、1以上の太陽電池素子を適当な封止材料を用いて、支持基板上に封止した構造の太陽電池モジュール等を含むものである。
<太陽電池の具体例>
次に、太陽電池のより具体的な例について説明する。p型の導電型を呈する結晶シリコン基板を用いる例について説明する。結晶シリコンからなる第1半導体部1がp型を呈するようにする場合、ドーパント元素としては、例えばボロンまたはガリウムを用いるのが好適である。
第2半導体部2は、第1半導体部1と逆の導電型を呈する層であり、第1半導体部1における第1面10a側に設けられている。すなわち、第2半導体部2は半導体基体9の表層に形成されている。第1半導体部1としてp型の導電型を呈するシリコン基板を使用する場合であれば、第2半導体部2はn型の導電型を呈するように形成される。一方、第1半導体部1としてn型の導電型を呈するシリコン基板を使用する場合であれば、第2半導体部2は、p型の導電型を呈するように形成される。また、p型の導電型の領域とn型の導電型の領域との間にはpn接合部が形成される。このような第2半導体部2は、p型の導電型を呈するシリコン基板を用いる場合は、例えば、このシリコン基板における第1面10aとなる側にリン等の不純物を拡散させることによって形成できる。
反射防止層3は、所望の波長領域の光の反射率を低減させて、光生成キャリア量を増大させる役割を果たすので、太陽電池素子10の光電流密度Jscを向上させることができる。反射防止層3は、例えば窒化シリコン膜、酸化チタン膜、酸化シリコン膜、酸化マグネシウム膜、酸化インジウムスズ膜、酸化スズ膜または酸化亜鉛膜等を含む。反射防止層3の厚みは、用いる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厚みであればよい。例えばシリコンからなる半導体基体9を用いる場合には、反射防止層3の屈折率は1.8〜2.3程度であって、その厚みは500〜1200Å程度であることが好ましい。また、反射防止層3に窒化シリコン膜を用いた場合は、パッシベーション効果も有するので好適である。
第1半導体部1の第2面10b側において、第2電極5が形成される部位にはBSF領域6が設けられている。BSF領域6は第1半導体部1における第2面10bの近傍で少数キャリアの再結合による効率の低下を低減させる役割を有しており、第1半導体部1における第2面10b側に内部電界を形成するものである。BSF領域6は第1半導体部1と同一の導電型を呈しているが、BSF領域6のドーパント元素は第1半導体部1が含有する多数キャリアの濃度よりも高い濃度を有している。つまりBSF領域6は、第1半導体部1がp型を呈するのであれば、不純物濃度がより高いp半導体領域となっている。BSF領域6は、例えば第2面10b側にボロンまたはアルミニウム等のドーパント元素を拡散させることによって、これらドーパント元素の濃度が1×1018〜5×1021atoms/cm程度となるように形成されるとよい。
図1に示すように、第1電極4は出力取出電極であるバスバー電極4aと複数の線状の集電電極であるフィンガー電極4bとを有する。バスバー電極4aの少なくとも一部は、フィンガー電極4bと交差している。このバスバー電極4aは、例えば、1.3〜2.5mm程度の幅を有している。一方、フィンガー電極4bは線状であり、その幅が50〜200μm程度であるため、バスバー電極4aよりも幅が小さい。また、フィンガー電極4bは、複数の線状電極が互いに1.5〜3mm程度の間隔を空けて設けられている。また、このような第1電極4の厚みは10〜40μm程度である。第1電極4は、例えば銀のように導電性が良好な金属材料を含む導電性ペーストを、スクリーン印刷等によって所望の形状に塗布した後、焼成することによって形成することができる。
第2電極5の厚みは1〜40μm程度であり、第2電極5は第1半導体部1における第2面10b側の面の略全面に形成される。この第2電極5は、例えば銀またはアルミニウムを主成分とする導電性ペーストを塗布した後に焼成する、または、スパッタリング法もしくは蒸着法を用いて製膜することによって、形成することができる。導電層を有する第2電極5は、BSF領域6を通じて第1半導体部1と電気的に接続される。
また、図3に示すように、太陽電池10は少なくとも第2面側10bにはんだ7を有している。本実施形態では、配線導体11と太陽電池とを接続するための銀等の電極材料を使用しないので、封止材を使用した場合に、封止材からの酸による腐食を抑制することができる上に、電極材料による反りも抑制できる。また、第2電極5としてアルミニウムを使用すれば、アルミニウムの形成領域を広くすることによって、BSF領域6を広く形成することができる。例えば、はんだ7を設ける領域に銀等の電極材料を配する場合、電極材料と半導体基体9との密着強度を確保するために、例えば2〜4mm程度の横幅の導体配置領域を設けて、この導体配置領域に銀等の電極材料を配置するようにすると、アルミニウムの形成領域を広くすることは困難であった。しかし、半導体基体9とはんだとの密着強度は、半導体基体9と銀等の電極材料との密着強度よりも大きいので、上記と同等の密着強度を得る場合、例えば、導体配置領域8の横幅を小さくしてアルミニウムの形成領域を広くすることができる。
また、例えば、はんだ7は第2電極5の上面に付着しない状態で、導体配置領域8に面した第2電極5の側面に接合してもよい。この場合、第2電極5の上面がはんだ7で覆われていないので、はんだ7の体積を少なくしてはんだ7の熱収縮による太陽電池10への影響を少なくすることができる。これにより、太陽電池10の反りを少なくすることが可能であり、信頼性の高い太陽電池10を提供できる。
また、例えば、はんだ7は、第2電極5の上面と導体配置領域8に面した第2電極5の側面との双方に付着していてもよい。この場合、はんだ7が第2電極5の上面を覆っているので、第2電極2と半導体基体9との接触面積を広くすることができて太陽電池特性に有利である。
また、はんだ7の組成は特に限定されないが、例えば、スズと鉛との合金、または、スズと亜鉛との合金を含むものとするのがよい。はんだ7がスズと鉛との合金の場合、スズ:鉛の質量比は60〜80:20〜40とするとよく、さらにアンチモンを合金全体(100質量%)に対して1〜20質量%程度含ませるとよい。また、はんだ7がスズと亜鉛との合金の場合、スズ:亜鉛の質量比は80〜99.9:0.1〜20とするとよく、さらにアンチモンを合金全体(100質量%)に対して1〜2質量%程度含ませるとよい。
また、はんだ7はスズと銀とビスマスとの合金を含むものであってもよい。はんだ7がスズと銀とビスマスとの合金の場合、スズ:銀:ビスマスの質量比は78〜99:0.1〜20:0.1〜10とするのがよい。
また、はんだ7はスズと銀と銅との合金を含むものであってもよい。はんだ7がスズと銀と銅との合金の場合、スズ:銀:銅の質量比は78〜99:0.1〜10:0.1〜10とするのがよい。
また、はんだ7はスズとアルミニウム、またはガリウム、またはインジウムを含むものであってもよい。はんだ7をこれらの組成とすると、第1半導体部1に上記p型のドーパント元素が拡散することによって、第1半導体部1における第2面10bの近傍でキャリアの再結合による効率の低下を低減させることができる。
また、環境面への配慮からはんだ7は鉛を含まないもの、例えばスズ−亜鉛−アンチモン系のはんだを用いることが好ましい。
第2電極5としてアルミニウムを主成分(60質量%以上)として含み、はんだ7と第2電極5との接合部に、はんだ成分とアルミニウムとを含む合金層が存在している。この合金層によって、はんだ7と第2電極5とのコンタクト抵抗を低減できるので好適である。また、超音波はんだ付によって、はんだ7と第2電極5との表面に形成されている酸化膜が除去されて、合金層が形成されやすくなる。
導体配置領域8は半導体基体9を複数箇所で露出させ得る複数の貫通部を含むものであってもよい。また、導体配置領域8は、平面視して半導体基体9または第2電極5の一端部から所定位置までの、半導体基体9の裏面がはんだ7で覆われる長尺領域を含むものであってもよい。また、導体配置領域8は平面視して半導体基体9の一端部から他端部までの、半導体基体9の裏面がはんだ7で覆われる長尺領域であってもよい。ここで、特に導体配置領域8の半導体基体9の一端側に位置している部位の幅が他の部位よりも広いと、この広い箇所において配置する後記する配線導体11と半導体基体9との密着性が向上するため好適である。
図4に示すように、太陽電池10がはんだ7の上に配線導体11を設けたものである場合、配線導体11の表面は、上記した組成のはんだを用いて、厚さ5〜100μm程度に被覆されていてもよい。このとき、被覆するはんだの組成は特に限定されないが、上記した組成とすることによって、はんだ7と配線導体11との接続性が向上する。これにより、配線導体11は、はんだ7の上に強固に接着することが可能となる。また、配線導体11は厚さ0.1〜0.8mm程度の銅箔またはアルミ箔等の金属箔であってもよい。
また、はんだ7の融点は、配線導体11の表面を被覆するはんだの融点よりも高くするとよい。これにより、配線導体11をはんだ7に接着する際の温度を、例えば255℃以上305℃以下の高温で接着した場合であっても、半導体基体9側のはんだ7が溶融しないことから、配線導体11と半導体基体9との密着性が向上する。
また、太陽電池10の第1面10a側に第1電極4を設ける場合、平面透視して配線導体11と重なる第1電極4が配置されているとよい。
<太陽電池の製造方法>
次に、太陽電池10の製造方法について説明する。
まず、本実施形態の太陽電池の基本的な製造方法について説明する。本実施形態では、少なくとも以下の工程を順次行なうものとする。
半導体基体9を準備する基体準備工程を行なう。次いで、半導体基体9の第2面10b上に、半導体基体9を露出させる導体配置領域8となる空所部を有する第2電極5を形成する裏面電極形成工程を行なう。そして、この空所部において、空所部に露出した半導体基体9および第2電極5のそれぞれに、はんだ7を接触させて超音波はんだ付にてはんだを付着させて、空所部内にはんだ7を接合する付着工程を少なくとも行なう。
この付着工程において、空所部に配線導体11を配置して、しかる後にリードフレーム等の配線導体11、空所部に露出した半導体基体9および第2電極5のそれぞれにはんだを接触させて超音波はんだ付にてはんだを付着させて、空所部内にはんだ7を付着させるようにしてもよい。
また、付着工程において、配線導体11として銅箔またはアルミ箔等の金属箔を用いてもよく、または、表面が上述した組成を含むはんだで被覆された銅箔等の金属箔を用いてもよい。
次に、太陽電池10の製造方法の具体例について説明する。まず、半導体基体9の基体準備工程について説明する。半導体基体9を主に構成する第1半導体部1に単結晶シリコン基板を使用する場合は、例えば引き上げ法等によって作製される。一方、第1半導体部1に多結晶シリコン基板を使用する場合は、例えば鋳造法等によって作製される。なお、以下では、最初に用意する基体としてp型の多結晶シリコンを使用する例について説明する。
最初に、例えば鋳造法によってp型の多結晶シリコンのインゴットを作製する。次いで、そのインゴットを例えば250μm以下の厚みにスライスして基板を得る。その後、この基板の切断面における機械的ダメージ層および汚染層を清浄化するために、表面をNaOH、KOH、フッ酸またはフッ硝酸等を用いた溶液によってごく微量エッチングするのが望ましい。なお、このエッチング工程の後に、ウェットエッチング方法を用いて、基板の表面に微小な凹凸構造を形成するのがさらに望ましい。また、ウェットエッチング法において、上記のダメージ層の除去工程を省略することも可能である。このようにして、第1半導体部1を有する半導体基体9を用意することができる。
次に、第1半導体部1における第1面10a側にn型の第2半導体部2を形成する。このような第2半導体部2は、ペースト状態にしたPを第1半導体部1の表面に塗布して熱拡散させる塗布熱拡散法、ガス状態にしたオキシ塩化リン(POCl)を拡散源とした気相熱拡散法、またはリンイオンを直接拡散させるイオン打ち込み法等によって形成される。この第2半導体部2は0.2〜2μm程度の深さ、60〜150Ω/□程度のシート抵抗に形成される。なお、第2半導体部2の形成方法は、上記方法に限定されるものではなく、例えば薄膜技術を用いて、水素化アモルファスシリコン膜または微結晶シリコン膜を含む結晶質シリコン膜等を形成してもよい。さらに、第1半導体部1と第2半導体部2との間にi型シリコン領域を形成してもよい。
次に、第1半導体部1の第2面10b側に第2半導体部2が形成された場合には、第2面10b側のみをエッチングして除去することによって、p型の導電型領域を露出させてもよい。例えば、フッ硝酸溶液に第1半導体部1における第2面10b側のみを浸して第2半導体部2を除去する。その後、第2半導体部2を形成する際に第1半導体部1の表面に付着した燐ガラスをエッチングして除去する。このように、燐ガラスを残存させて、第2面10b側に形成された第2半導体部2を除去することによって、燐ガラスがエッチングマスクの役割を果たす。これにより、第1面10a側の第2半導体部2が除去されたり、ダメージを受けるのを低減することができる。
以上により、p型半導体領域を有する第1半導体部1と第2半導体部2とを備えた半導体基体9を準備することができる。
次に、反射防止層3を形成する。反射防止層3は、例えば、PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)法、蒸着法またはスパッタリング法等を用いて形成される。例えば、窒化シリコン膜からなる反射防止層3をPECVD法で形成する場合であれば、反応室内を500℃程度としてシラン(SiH)とアンモニア(NH)との混合ガスを窒素(N)ガスで希釈して、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3が形成される。
次に、第1電極4(バスバー電極4a、フィンガー電極4b)と第2電極5とを以下のようにして形成する。
第1電極4は、例えば銀等からなる金属粉末と、有機ビヒクルと、ガラスフリットとを含有する銀ペーストを用いて作製される。この銀ペーストを第1半導体部1の第1面に塗布して、その後、最高温度600〜850℃で数十秒〜数十分程度焼成する。ファイヤースルー法によって、反射防止層3を突き破った第1電極4が第1半導体部1上に形成される。上記ペーストの塗布法としてはスクリーン印刷法等を用いることができる。なお、第1電極4を形成する際に、銀ペーストを塗布後、所定の温度で銀ペースト中の溶剤を蒸散させて乾燥させるとよい。
次に、BSF領域6の形成について説明する。所定領域に例えばアルミニウム粉末と有機ビヒクルとを含有するアルミニウムペーストを塗布する。この塗布法としては、スクリーン印刷法等を用いることができる。ここで、ペーストを塗布した後、所定の温度で溶剤を蒸散させて乾燥させると、作業時にペーストがその他の部分に付着しにくいのでよい。
次に、半導体基体9を焼成炉内にて最高温度が600〜850℃で数十秒〜数十分程度焼成することによって、BSF領域6が第1半導体部1の第2面10b側に形成されて、第2電極5となるアルミニウム層が形成される。このとき、第2面10b側に第2半導体部2が形成された場合であっても、第2面10b側の第2半導体部2を除去する必要はない。pn接合部の連続領域を分離するpn分離の方法としては、第1面10a側または第2面10b側の周辺部のみに対してレーザーを照射する等によって行えばよい。また、アルミニウムペーストの非形成領域において同時に導体配置領域8が形成される。
次に、導体配置領域8にはんだ7を付着させて、このはんだ7の上に配線導体11を配置する方法について説明する。導体配置領域8は平面視して半導体基体9の一端部5aから他端部5bまで半導体基体9を露出させる長尺領域とした場合を例にとり説明する。
図5(a)に示すように、上述した組成を含むはんだ線60を導体配置領域8に置いて、その上から超音波はんだ付を行なう。この超音波はんだ付の装置は、従来の鏝式はんだ付装置に超音波発振器を設けたはんだ鏝50を備えたものであり、はんだ鏝50がXYZ軸方向に移動可能である。導体配置領域8において、はんだ線60からの適当量のはんだを導体配置領域8内に付着させる場合、超音波発振周波数は例えば40〜100kHz程度、超音波発振出力は1〜15W程度、温度調整は180〜450℃程度とするとよい。なお、この際に半導体基体9を載置するテーブルを予め50〜100℃程度加熱しておいてもよい。また、はんだ線60の幅およびはんだ鏝50の鏝先の幅を導体配置領域8の幅よりも小さくすることによって、はんだ7は第2電極5の上面5cに接合しない状態で導体配置領域8の内壁に強固に接合させることができる。また、この超音波はんだ付によって、半導体基体9の表面を清浄にすることができて、自然酸化膜等の酸化物の除去等が促進されて、はんだ7が半導体基体9に対して強固に接合させることが可能となる。また、第2電極5が導電性ペーストを焼成して形成した場合には、超音波はんだ付によって溶融したはんだが、第2電極5を構成している金属粒状体間に入り込み、さらに、表面の酸化物の除去が促進されて、はんだ7と第2電極5とのコンタクト抵抗を低減できることになり好適である。また、超音波はんだ付によって金属粒状体の表面にはんだ成分との合金層が形成される。また、はんだ鏝50と半導体基体9との間隔、はんだ鏝50の移動速度、および、はんだ線60の投入量を各々調整することによって、はんだ7の厚みを調整することができる。例えば、はんだ7の厚みは5〜40μm程度に形成される。また、はんだ付け工程においてはんだ鏝50は第2電極5または半導体基体9に対して接触状態としてもよいし、非接触状態としてもよい。また、超音波はんだ付の開始時および終了時に、はんだ鏝50を上下に移動する際に、はんだ7に突起部が生じる可能性がある。このとき、突起部にホットエアーを吹き付けることによって、突起部を平坦にすることができて、搬送時におけるクラックの発生を低減することができる。
ここで、はんだ7の厚みは、第2電極5の厚みより厚くするとよい。なぜなら、配線導体11が先にはんだ7と接触することから、クラックの発生を低減することができる。
次に、図5(b)に示すように、導体配置領域8に付着されたはんだ7の上に長尺の配線導体11を配置して、図5(c)に示すように、通常のはんだ鏝50によるはんだ付または超音波はんだ付によって、配線導体11をはんだ7に対して直接接合させることができる。このときの半導体基体9の一端部側からみた側面図は図6(a)に示すとおりである。なお、配線導体11とはんだ7との接合は、周知のはんだ付方法であればよく、リフロー炉またはホットエアーを使用してもよい。
ここで、図6(b)に示すように、はんだ7は第2電極5の上面にも接合するようにしてもよい。この場合には、図5(a)のはんだ付作業または図5(c)のはんだ付作業の際に、はんだ7が第2電極5の上面を覆うように形成させるとよい。例えば、鏝先におけるはんだの幅を導体配置領域8の幅よりも大きくすることによって、はんだ線60から溶けたはんだが導体配置領域8の近傍の第2電極5の上面を覆い、はんだ7が形成される。例えば、鏝先におけるはんだの幅は1〜5mm程度のものを使用してもよい。また、第2電極5が導電性ペーストを焼成して形成した場合には、超音波はんだ付によって溶融したはんだが第2電極5の金属粒状体間に入り込んでもよく、はんだが入り込む量を第2電極5の表面から厚み方向の途中までとしてもよい。はんだ付の時間を適宜調整することによってはんだの入り込む量を調整することができる。
また、図6(c)に示すように、はんだ7の上に銅箔等の導体の表面をはんだ7と同様な材質のはんだ12(はんだメッキ)で被覆された配線導体11を配置するようにしてもよい。
以上のようにして、太陽電池素子10を作製することができる。これにより、配線導体11と太陽電池10とを接続する際に、銀等の電極材料の使用量を低減することができて、はんだ7と半導体基体9との接着力を高めることができる。また、本実施形態によれば、信頼性の高い太陽電池を提供することができる。さらに、はんだ7の上に配線導体11を設ける場合には、配線導体11とはんだ7と半導体基体9との密着性を高めることができて、ひいては信頼性の高い太陽電池を提供できる。
<変形例>
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの修正および変更を加えることができる。以下に、種々の変形例について説明する。
上記実施形態では、導体配置領域8の態様として、平面視して半導体基体9の一端部から他端部まで半導体基体9を露出させる長尺領域とした例について説明したが、例えば、図7に示すように、導体配置領域8は平面視して半導体基体9の一端部5aから一点鎖線で示す所定位置5dまで半導体基体9を露出させる長尺領域を含むものであってもよい。このように、導体配置領域8は平面視して半導体基体9の一端部5aから所定位置5dまで半導体基体9を露出させる長尺領域と、半導体基体9の他端部5bから一点鎖線で示す所定位置5eまで半導体基体9を露出させる長尺領域とを有するので、所定位置5dから所定位置5e間に第2電極5の形成領域を増やすことができるので好適である。
また、図8(a)に示すように、導体配置領域8を半導体基体9の一端の近傍位置から他端の近傍位置までの長尺領域としてもよい。このとき、半導体基体9の一端または他端から導体配置領域8までの間の少なくとも一部に第2電極5が形成されてもよい。この場合、図8(b)に示すように、超音波はんだ付の開始位置は、空所部の一端から少し離れた位置から行なうようにするとよい。これにより、超音波はんだ付の開始時にはんだが第2電極5にはじかれずに、はんだが半導体基体9に好適に付着できる。そして、溶融したはんだが移動することによって、空所部を覆うことができて、はんだ量を多くすることによって、はんだの一部が空所部の一端にある第2電極5の上面を覆うことができる。
また、図9に示すように、導体配置領域8は半導体基体9を複数箇所で露出させる複数の貫通部を含む領域であってもよい。特に、これら複数の貫通部は半導体基体9の一端部から他端部へ一列に並ぶようにするとよい。これにより、図7の例よりもさらに第2電極5の形成領域を増やすことができるので好適である。また、はんだ7を導体配置領域8のみ、または導体配置領域8とその近傍の第2電極との上面に設けて、配線導体11とのはんだ付け箇所を島状に点在させることによって、配線導体11の熱伸縮を逃がすことが容易になり、太陽電池の反りを軽減させることができる。また、はんだ7が列状に並んだ貫通部どうしの間における第2電極5の上面、つまり、配線導体11に接する第2電極5の上面に、はんだ7を形成することによって、はんだ7と第2電極5とのコンタクト抵抗が低減して、太陽電池特性を向上させることができる。
また、図10に示すように、導体配置領域8が複数の貫通部等を含む場合に、例えば導体配置領域8の半導体基体9の一端側に位置している部位8aにおいて、その幅が他の部位の幅よりも広いと、この箇所に配置させるはんだ7と半導体基体9との密着性が向上するので好適である。
配線導体11は、図11(a)に示すように、例えば、長尺の配線導体11の長手方向に複数の貫通孔11aが所定間隔を空けて設けられたものを用いてもよい。このような配線導体11を用いることによって、図11(b)に示すように、配線導体11の貫通孔11aが設けられている部位を導体配置領域8に合わせて配線導体11を配置して、はんだ線(不図示)を供給しながら超音波はんだ付を施すことができる。これにより、貫通孔11aを通してはんだが導体配置領域8に供給されるので、はんだが第2電極と配線導体11との双方に接合することができて、簡易な方法によってはんだが付着できるので好適である。また、配線導体11の表面がはんだで被覆されていてもよい。これにより、貫通孔11aの表面にはんだが存在するので、はんだ線60が不要となる。また、超音波はんだ付による簡便なはんだ付によって、貫通孔11aの表面に設けられたはんだが導体配置領域8に供給されて、はんだが第2電極5に付着して、溶融したはんだがさらに配線導体11の本体に対しても付着するので、はんだを介しての配線導体11および第2電極5の強固な接合が実現される。
また、図12に示すように、配線導体11の幅(または短手方向の長さ)は導体配置領域8の幅(または短手方向の長さ)よりも広い部分を有するか、または配線導体11が導体配置領域8を完全に覆う(または第2電極5の導体配置領域8近傍の上面を覆う)ようにしてもよい。この場合は、はんだ7は第2電極5の上面を覆うようにしてもよいし、第2電極5の上面を覆わない状態で、導体配置領域8に面した第2電極5の側面に付着させるようにしてもよい。特に、配線導体11が導体配置領域8を完全に覆うようにした場合には、配線導体11が第2電極5に対して電気的に接触して、電気抵抗が低減して光電変換効率を向上させることができるので好適である。また、はんだ7の幅が配線導体11の幅よりも大きくてもよく、上記構成によって電気抵抗が低減して光電変換効率を向上させることができるので好適である。
また、配線導体11は、図13に示すように、複数の細い導線13の集合体からなるようにして、この集合体の表面をはんだディップ技術によって、はんだ14で覆うようにしてもよい。このような配線導体11を用いることによって、複数の細い導線がばらばらに分離されることがないし、さらに、配線導体11の幅方向への曲がりの抵抗を少なくして適用する太陽電池10へのストレスを減らして、太陽電池10に対してクラック等が生じ難くすることができるので好適である。
また、第2面10b側においてパッシベーション膜を形成して、第2電極5を第1電極4と同様の格子型の形状にした場合にも適用することも可能である。図14は、他の太陽電池10の一例を第2面10b側からみた平面模式図である。図14に示すように、太陽電池10は、第2面10bのほぼ全面にパッシベーション膜30が形成されている。すなわち、第2面10b側の第1半導体部1の上にパッシベーション膜30が設けられている。このパッシベーション膜30は、例えば、ALD(Atomic Layer Deposition:原子層蒸着)法を用いることによって形成することができる。
ALD法によって、例えば酸化アルミニウムから成るパッシベーション膜30を形成するには、次の工程を行なう。まず、成膜室内に上述の結晶シリコンなどから成る半導体基体9を載置して、半導体基体9の表面温度を100〜300℃に加熱する。次に、トリメチルアルミニウム等のアルミ原料を、アルゴンガス、窒素ガス等のキャリアガスとともに0.5秒間、半導体基板1上に供給して、半導体基板1の全周囲にアルミニウム原料を吸着させる(工程1)。次に、窒素ガス等によって成膜室内を1.0秒間パージすることによって、空間中のアルミ原料を除去するとともに、半導体基体9に吸着したアルミニウム原料のうち、原子層レベルで吸着した成分以外を除去する(工程2)。次に、水またはオゾンガス等の酸化剤を、成膜室内に4.0秒間供給して、アルミニウム原料であるトリメチルアルミニウムのアルキル基であるCHを除去するとともに、アルミニウムの未結合手を酸化させ、半導体基体9に酸化アルミニウムの原子層を形成する(工程3)。次に、窒素ガス等によって成膜室内を1.5秒間パージすることによって、空間中の酸化剤を除去するとともに、原子層レベルの酸化アルミニウム以外、例えば、反応に寄与しなかった酸化剤等を除去する(工程4)。そして、上記工程1から工程4を繰り返すことによって、所定厚みを有する、酸化アルミニウム層からなるパッシベーション膜30を形成することができる。また、工程3で用いる酸化剤に水素を含有させることによって、酸化アルミニウム層に水素が含有されやすくなり、水素パッシベーション効果を増大させることもできる。
また、図15に示すように、太陽電池10の第1面10a側にバスバー電極4aを設ける場合、平面透視して第2面10b側の配線導体11と重なる部分にバスバー電極4aが配置されているとよい。なぜなら、複数の太陽電池10の出力を配線導体11で連結する際、バスバー電極4aと第2電極5を配線導体11で一直線上に精度よく簡便・迅速に接続できるからである。
また、上述した実施形態では、半導体基体9の第1面10aおよび第2面10bの両側に設けた電極から出力を取り出すようにした両面電極型の太陽電池について説明したが、第2面10b側に設けた電極から出力を取り出すようにしたバックコンタクト型の太陽電池に対しても本実施形態の技術は適用が可能である。
バックコンタクト型の太陽電池の例について図16,17に示す。図16,17に示すように、半導体基体9に対して多数の貫通孔を形成した後に、この貫通孔の内壁においても受光面側に配置されている第2半導体部2を設けて、この第2半導体部2にスルーホール導体16を接続させる構成にしてもよい。
ここで、超音波はんだ付によって、図17(a)に示すように、第2面10b側においてスルーホール導体16にはんだ7が表面に被覆された配線導体11を接続するとともに、半導体基体9に上述した実施形態と同様にして作製した導体配置領域8にはんだで表面が被覆された配線導体11を接続するようにしてもよい。
また、図17(b)に示すように、図17(a)の構成に加えて、スルーホール導体16の上に導電性ペーストを焼成して作製した、銀または銅等からなる中継電極18を介して、スルーホール導体16とはんだ7で表面が被覆された配線導体11とを電気的に接続する構成を採用してもよい。
さらに、本実施形態の太陽電池10は、図18に示すように、太陽電池10の第2面10b側の半導体基体9の上において、第2電極5を構成する金属の粒状体5cが、密に存在する領域と、まばらに存在する疎の領域とがあって、この疎の領域において、はんだ7が浸入してはんだ7と半導体基体9とが接合したものであってもよい。導体配置領域8においては、金属の粒状体5cとはんだ7とが混在して、金属の粒状体5cの周囲がはんだ7で覆われている。また、はんだ7を介して金属の粒状体5c同士が結合する形態となることから、第2電極5における抵抗損失を低減することができる。また、金属の粒状体5cが密に存在する領域でも、はんだ7と第2電極5との界面近傍において、金属の粒状体5cとはんだ7とが混在し、金属の粒状体5cの周囲がはんだ7で覆われて、はんだ7を介して金属の粒状体5c同士が結合していてもよい。これにより、第2電極5におけるさらに抵抗損失を低減することができる。このとき、金属の粒状体5cとはんだ7とが混在する領域の高さは、金属の粒状体5cが密に存在する領域に比べて疎の領域の方が高く形成されてもよい。なお、金属の粒状体5cとはんだ7とが混在する領域において、数個の金属の粒状体5cが結合した状態のものが存在してもよい。
図18に示すように、はんだ7が第2電極5中に浸入して、はんだ7と半導体基体9とを接合させるには、超音波はんだ付を行なう前に、例えば、図19(a)に示すように、第2電極5の一部を薄肉部5dとして、第2電極5の一部の厚みを薄くするとよい。この薄肉部5dの形成は、導電性ペースト(例えば、アルミニウムペースト)をスクリーン印刷する際に、印刷機のメタルマスクの厚みを、第2電極5の薄くする部分において薄くするとよい。また、メタルマスクの孔をメッシュ状(多孔状)にして、導電性ペーストの吐出量を減らすようにしても、薄肉部5dの形成が可能である。
また、第2電極5の一部の厚みを薄くする断面形状としては、図19(b)に示すように、第2電極5を形成した後に、この第2電極5の表面を例えばV溝状に機械的に切削等をして、第2電極5の一部を溝5eに形成して、第2電極5の一部の厚みを薄くしてもよい。この際に、溝5eが半導体基体9の表面に到達するように切削等してもよい。この場合、溝5eの数は複数でもよく、多数の細溝を形成することによって、強度を増すようにすることも可能である。このように、機械的に切削等することは、上記の印刷に比べて厚みの管理を容易に行なうことができる。
また、第2電極5の一部の厚みを薄くする断面形状としては、図19(c)に示すように、第2電極5を形成した後に、この第2電極5の一部を繰り返し凹凸形状(櫛状)部5fにしてもよい。この形成は、上述したように、薄肉部5dまたは溝5eの形成と同様な形成方法によって可能である。このように、繰り返し凹凸形状5fを設けることによって、第2電極5の表面の平坦度を高めることができる。これにより、超音波はんだ付等の際に、図20に示すように、はんだ鏝50またははんだ線が第2電極5の薄い箇所で係止して移動が停止する不具合を無くして、はんだ鏝50を第2電極5の高さ方向に沿って上下させるといった複雑な機構を不要にできる。また、配線導体11を設ける際にも、第2電極5の凹凸箇所5gにおける平坦度が高いほど、はんだ付の作業性が良好となり、配線導体11に不要な応力が印加されないので、太陽電池10が割れることが抑制される。
以上のように、一部を薄くした導電性ペーストを焼成して得た第2電極5の形成後に、図21に示すように、超音波はんだ付を行なう。超音波はんだ付によって、はんだ鏝50における超音波振動で生じたキャビテーションの崩壊における衝撃によって、第2電極5の焼結時に結合していた金属の粒状体(例えばアルミニウムの粒状体)同士が分離する。そして、図18に示すように、金属の粒状体5cの隙間にはんだ7が浸入して、金属の粒状体5cとはんだ7とが混在する領域が形成されるものと推察される。また、第2電極5の一部の厚みが薄い部分においては、第2電極5の表面とはんだ鏝50との距離が大きくなり、第2電極5とはんだ鏝50との間に介在するはんだ量が多くなることから、発生するキャビテーションの量も多くなる。このため、図18に示すように、はんだ7が半導体基体9の表面に到達して、はんだ7と半導体基体9とが強固に接合される。第2電極9として例えばアルミニウムを用いて、半導体基体9として例えばシリコン基板を用いた場合には、第2電極9の形成時に、半導体基体9の表面にBSF領域が形成される。このため、半導体基体9のはんだ7が接合した部分にBSF領域が存在することになり、BSF領域の面積を広くすることが可能となる。
ここで、第2電極5として例えばアルミニウムを用いて、半導体基体9として例えばシリコン基板を用いた場合には、第2電極5と半導体基体9との間に例えばアルミニウム・シリコンの合金層が形成されていてもよく、この合金層を介して、はんだ7と半導体基体9とが強固に接合されていてもよい。特にこの合金層にアルミニウム・シリコンを含んでいると抵抗損失が低減して、光電変換効率を向上させるので好適である。
また、図22に示すように、本実施形態の太陽電池は太陽電池モジュール20にも適用可能である。図22に示すように、例えば、ガラスまたは樹脂等の透光性の支持基板21上に、上述した1つの太陽電池(太陽電池素子)10、または、図示されているように、複数の太陽電池(太陽電池素子)10を配線導体11によって電気的に直列接続等させた太陽電池素子ストリング23の複数を、耐湿性に優れた例えばエチレンビニルアセテート(EVA)等の第1充填材22および第2充填材24にて封止してもよい。さらに、ポリエチレンテレフタレート(PET)またはポリフッ化ビニル樹脂(PVF)等からなる裏面シート25を、充填材24の上に設けてもよい。さらに、金属または樹脂等の枠体を支持基板21の周囲に設けてもよい。
次に、本実施形態の実施例について説明する。まず、厚さ260μm、外形156mm×156mmおよび比抵抗1.5Ω・cmの多結晶からなるシリコン基板であるp型の第1半導体部1を有する半導体基体9を用意して、半導体基体9の表面のダメージ層をNaOH溶液でエッチングして洗浄した。
次に、フッ酸と硝酸とを使用したウェットエッチング法で半導体基体9の第1面10a側にテクスチャを形成した。そして、POClを拡散源とした気相熱拡散法で第2半導体部2を形成した。このようにして半導体基体9を準備した後に、フッ酸溶液による燐ガラスのエッチング除去とレーザーによるpn分離とを行なった。その後、半導体基体9の第1面10a側に、PECVD法によって反射防止層3となる窒化シリコン膜を形成した。
さらに、半導体基体9の第2面10b側に、アルミニウムペーストを、図9に示す第2電極5の形成領域に塗布・焼成して、BSF領域6と第2電極5とを形成した。また、第1面10aに銀ペーストを塗布・焼成して第1電極4を形成した。
その後、試料1においては、矩形の幅が2mmであり、長さが4mmの導体配置領域8と、図9における上下方向に一列に並んだ導体配置領域8間の第2電極5とを覆うように、超音波はんだ付を行ないはんだ7を形成した。ここで、はんだは7は、スズと亜鉛との合金組成比(質量比)が96:4からなるものを用いた。また、上記超音波はんだ付の条件は超音波発振周波数を60kHz、超音波発振出力を3W、加熱温度を350℃とした。そして、はんだ7の上に、銅箔の全面に上記合金組成と同一のはんだを被覆した配線導体11をはんだ鏝で溶着した。
一方、比較対象の試料2においては、上記と同じ形状・大きさの導体配置領域8と、図8における上下方向に一列に並んだ導体配置領域8間の第2電極5とを覆うように、はんだにかえて銀ペースト(銀粉末の含有質量100%に対してガラスフリットの含有質量が5%)を塗布・焼成して、試料1と同様にして配線導体11に接続するための電極を形成した。そして、上記電極にフラックスを塗布して、銅箔の全面に上記合金組成と同一のはんだを被覆した配線導体11をはんだ鏝で溶着した。
また、比較対象の試料3においては、導体設置領域8を設けずに、半導体基体9の裏面側のほぼ全領域に第2電極5を設けて、上記の導体配置領域8と同じ形状・大きさの領域において第2電極5を覆うように超音波はんだ付を行なって、はんだ7を形成した。そして、はんだ7の上に、銅箔の全面に上記合金組成と同一のはんだを被覆した配線導体11をはんだ鏝で溶着した。
次に、試料1〜3に対して引張強度試験機を用いて、配線導体11の密着強度の測定を行なった。
その結果、試料2においては密着強度が1.96N、試料3においては密着強度が1.86Nであったのに対して、試料1においては密着強度が3.43Nであり、密着強度の大幅に改善されたことを確認した。
1 :第1半導体部
2 :第2半導体部
3 :反射防止層
4 :第1電極
5 :第2電極
6 :BSF領域
7 :はんだ
8 :導体配置領域
9 :半導体基体
10 :太陽電池素子
10a:第1面
10b:第2面
11 :配線導体

Claims (18)

  1. 半導体基体と、
    該半導体基体の裏面における少なくとも所定の導体配置領域を除く領域に配置されている裏面電極と、
    前記導体配置領域に位置している前記半導体基体の裏面および前記裏面電極のそれぞれに付着しているはんだとを有している太陽電池であって、
    前記導体配置領域は一方向に一列に並んだ複数の貫通部を含んでおり、
    前記はんだは前記貫通部および前記貫通部どうしの間における前記裏面電極を覆っている太陽電池。
  2. 前記はんだは、前記裏面電極の上面と、前記導体配置領域に面した前記裏面電極の側面との双方に付着している請求項1に記載の太陽電池。
  3. 前記裏面電極は、アルミニウムを主成分として含み、前記はんだと前記裏面電極との付着部には前記アルミニウムを含む合金層が存在している請求項1または2の項に記載の太陽電池。
  4. 前記はんだはスズと鉛との合金、またはスズと亜鉛との合金を含む請求項1からのいずれかの項に記載の太陽電池。
  5. 前記はんだはアンチモンをさらに含む請求項に記載の太陽電池。
  6. 前記はんだはスズと銀とビスマスとの合金を含む請求項1からのいずれかの項に記載の太陽電池。
  7. 前記半導体基体はシリコンを主成分として含む請求項1からのいずれかの項に記載の太陽電池。
  8. 前記導体配置領域は平面視して前記裏面電極の一端部から所定位置までの長尺領域を含む請求項1からのいずれかの項に記載の太陽電池。
  9. 前記導体配置領域は平面視して前記裏面電極の一端部から他端部までの長尺領域である請求項に記載の太陽電池。
  10. 前記導体配置領域の前記裏面電極の一端側に位置している部位の幅が他の部位よりも広い請求項1からのいずれかの項に記載の太陽電池。
  11. 前記はんだの上に設けられている配線導体をさらに有する請求項1から10のいずれかの項に記載の太陽電池。
  12. 前記配線導体の表面ははんだで被覆されている請求項11に記載の太陽電池。
  13. 前記配線導体は金属箔である請求項12に記載の太陽電池。
  14. 前記半導体基体の前記裏面に対して反対側の表面には、平面透視して前記配線導体と重なる表面電極が配置されている請求項12または13の項に記載の太陽電池。
  15. 半導体基体を準備する準備工程と、
    前記半導体基体の裏面において、前記半導体基体を複数箇所で露出させて、一方向に一列に並んだ複数の貫通部を含む導体配置領域を除く領域に、裏面電極を形成する裏面電極形成工程と、
    前記貫通部に露出した前記半導体基体および前記裏面電極のそれぞれにはんだを接触させて超音波はんだ付にてはんだを付着させる付着工程とを有する太陽電池の製造方法。
  16. 前記付着工程は、前記貫通部に配線導体を配置して、しかる後に前記配線導体、前記貫通部に露出した半導体基体および前記裏面電極のそれぞれにはんだを接触させて超音波はんだ付にてはんだを付着させる請求項15に記載の太陽電池の製造方法。
  17. 前記付着工程は、前記配線導体として金属箔を用いてはんだを付着させる請求項16に記載の太陽電池の製造方法。
  18. 前記付着工程は、前記配線導体として表面がはんだで被覆された金属箔を用いてはんだを付着させる請求項17に記載の太陽電池の製造方法。
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