JP5858025B2 - 太陽電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、安価で高効率の、スクリーン製版を用いた太陽電池の製造方法に関する。

一般的な太陽電池セルは、図１〜３に示したように、シリコン等のＰ型半導体基板１００に、ｎ型となるドーパントを拡散して、Ｎ型拡散層１０１を形成することによりＰＮ接合を形成している。Ｎ型拡散層１０１の上には、ＳｉＮ_x膜のような反射防止膜１０２が形成されている。Ｐ型半導体基板１００の裏面側には、アルミニウムペーストが塗布され、焼成することによりＢＳＦ層１０３とアルミニウム電極１０４が形成される。また、受光面側には集電用のフィンガー電極１０７と、そこから電流を集めるために形成されたバスバー電極１０５とよばれる太い電極と、裏面側にはバスバー電極１０６が、銀などを含む導電性ペーストを塗布して、焼成することにより形成される。

また、太陽電池セルは、所定の電圧及び電流を得るために複数の太陽電池セルを直列又は並列に接続して太陽電池モジュールとして構成されて使用される。この場合の接続方法としては、表面のバスバー電極１０５と、太陽電池セルの裏面に形成されたバスバー電極１０６とを、リード線を用いて半田付けするのが一般的である。該リード線としては半田で被覆した銅線が主に用いられる。

昨今、太陽電池は環境問題を背景に、クリーンエネルギーの一つとして需要は拡大しつつあるが、一般の商用電力と比較してエネルギーコストの高いことがその普及の障害となっている。太陽電池製造コストの削減は重要な課題であるが、同時に太陽電池の性能は最低限維持しなくてはならない。

これまでに太陽電池製造に関わるコスト削減対策の一つとして、裏面銀電極を薄膜化することを検討した。しかし、電極を薄膜化するとリード線を半田付けした際の接着強度が低下し、十分な信頼性が得られなかった。

これまで報告されてきた電極接着強度を向上させる方法としては、電極バスバー上に、銅箔を厚く接着して接着強度を高めたり（特許文献１：特開２０００−３４０８１２号公報）、電極に穴を空け半田を充填して接着強度を高めたり（特許文献２：特開２００５−２４３７９０号公報）、ペースト材料を検討して接着強度を高めたり（特許文献３：特開２００７−２８１０２３号公報）、いくつか提案がなされている。しかしながらこれらは、工数を必要としたり、材料にコストがかかってしまう。

これに対し、特開２００６−３３９３４２号公報（特許文献４）では接着強度を向上させるために、パターンの異なる２版を用いてバスバーに凹凸を形成することによりコスト削減を目指した。しかしながら、電極幅を細くする場合にはリード線も細くしなくてはならず、接着面積の減少により十分な接着強度が得られないことが分かった。また、２回別版で印刷を行うために、工数が多く、コストがかかってしまう。

特開２０００−３４０８１２号公報 特開２００５−２４３７９０号公報 特開２００７−２８１０２３号公報 特開２００６−３３９３４２号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、リード線を太陽電池セルの裏面銀電極に接続する際に十分な接着強度を有し、かつ特性低下せず、安価に製造し得るためのスクリーン製版を用いた太陽電池の製造方法を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、下記の太陽電池の製造方法を提供する。
請求項１：
バスバー用開口部内に５０％以下の閉口部を有するように、バスバー電極線幅方向に開口部と閉口部とが交互に配置され、最近接する開口部の距離が１００μｍ以下であるスクリーン製版を用いて太陽電池用基板の少なくとも裏面に導電性ペーストをスクリーン印刷する際、上記バスバー用開口部内の開口割合が１００％の閉口部を設けないスクリーン製版を使用する場合にはんだ付けした２ｍｍ幅のリード線の接着強度が２Ｎ以上となるバスバー電極を形成できるメッシュ数Ａよりも上記バスバー用開口部内の開口割合が１００％の閉口部を設けないスクリーン製版を使用する場合にはんだ付けした２ｍｍ幅のリード線の接着強度が２Ｎ未満となるバスバー電極が形成されるようにメッシュ数を大きくすることによって、該メッシュ数を上記メッシュ数Ａとした場合よりもペースト使用量を少なくして印刷し、線幅方向に連続的に表面凹凸を有し、はんだ付けした２ｍｍ幅のリード線の接着強度が２Ｎ以上となるバスバー電極を形成する太陽電池の製造方法。

本発明によれば、バスバー表面に凹凸を形成することで電極表面積が大きくなり、リード線接着時の接着強度が向上してはがれにくくなる。このとき特性低下も見られない。また、電極ペースト使用量を節約できるため、コスト削減に極めて有効である。更に、本発明の具現化は、スクリーン製版の軽微な設計変更で可能である。

一般的な太陽電池の電極の断面図である。 一般的な太陽電池の表面形状を示す平面図である。 一般的な太陽電池の裏面形状を示す裏面図である。 図３のパターンで印刷した後のバスバー電極の断面図である。 本発明に係る、印刷パターンの形状の一例を示す正面図である。 図５のパターンで印刷した後のバスバー電極の断面図である。 本発明に係る、印刷パターンの形状の他の例を示す平面図である。 図７のパターンで印刷した後のバスバー電極の断面図である。 本発明に係る、印刷パターンの形状の別の例を示す平面図である。 （Ａ）は本発明に係る、印刷パターンの形状を示す平面図であり、（Ｂ）はＡの拡大図である。 バスバー厚さと、引張強度の関係を示すグラフである。 バスバー幅と、引張強度の関係を示すグラフである。 バスバー幅と厚さの関係を示すグラフである。

本発明の太陽電池の作製方法の一例を以下に述べる。但し、本発明はこの方法で作製された太陽電池に限られるものではない。

高純度シリコンにホウ素あるいはガリウムのようなＩＩＩ族元素をドープし、比抵抗０．１〜５Ω・ｃｍとしたアズカット単結晶｛１００｝ｐ型シリコン基板表面のスライスダメージを、濃度５〜６０質量％の水酸化ナトリウムや水酸化カリウムのような高濃度のアルカリ、もしくは、ふっ酸と硝酸の混酸などを用いてエッチングする。単結晶シリコン基板は、ＣＺ法、ＦＺ法いずれの方法によって作製されてもよい。

引き続き、基板表面にテクスチャとよばれる微小な凹凸形成を行う。テクスチャは太陽電池の反射率を低下させるための有効な方法である。テクスチャは、加熱した水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム等のアルカリ溶液（濃度１〜１０質量％、温度６０〜１００℃）中に１０〜３０分程度浸漬することで容易に作製される。上記溶液中に、所定量の２−プロパノールを溶解させ、反応を促進させることが多い。

テクスチャ形成後、塩酸、硫酸、硝酸、ふっ酸等、もしくはこれらの混合液の酸性水溶液中で洗浄する。経済的及び効率的見地から、塩酸中での洗浄が好ましい。清浄度を向上するため、塩酸溶液中に、０．５〜５質量％の過酸化水素を混合させ、６０〜９０℃に加温して洗浄してもよい。

この基板上に、オキシ塩化リンを用いた気相拡散法によりエミッタ層を形成する。一般的なシリコン太陽電池は、ＰＮ接合を受光面にのみ形成する必要があり、これを達成するために基板同士を２枚重ね合わせた状態で拡散したり、拡散前に裏面にＳｉＯ₂膜やＳｉＮ_x膜などを拡散マスクとして形成して、裏面にＰＮ接合ができないような工夫を施す必要がある。拡散後、表面にできたガラスをふっ酸などで除去する。

次に、受光面の反射防止膜形成を行う。製膜には前述のプラズマＣＶＤ装置を用いＳｉＮ_x膜を約１００ｎｍ製膜する。反応ガスとして、モノシラン（ＳｉＨ₄）及びアンモニア（ＮＨ₃）を混合して用いることが多いが、ＮＨ₃の代わりに窒素を用いることも可能であり、また、プロセス圧力の調整、反応ガスの希釈、更には、基板に多結晶シリコンを用いた場合には基板のバルクパッシベーション効果を促進するため、反応ガスに水素を混合することもある。

次いで、裏面電極及び受光面の電極をスクリーン印刷法で形成する。上記基板の裏面に、銀粉末とガラスフリットを有機物バインダで混合したペーストをバスバー状にスクリーン印刷したのち、アルミニウム粉末を有機物バインダで混合したペーストをバスバー以外の領域にスクリーン印刷する。印刷後、５〜３０分間，７００〜８００℃の温度で焼成して、裏面電極が形成される。裏面電極形成は印刷法による方が好ましいが、蒸着法、スパッタ法等で作製することも可能である。

裏面バスバーを図３で示されるパターンで印刷すると、裏面バスバー１０６の表面はフラットになる（図４）。これまでの実験で十分な接着強度（＝２Ｎ以上）を有するためには、少なくともバスバー厚みが６．２μｍ（図１１実線）か、バスバーの幅が２．３ｍｍ（図１２実線）必要であり、これらの値以下になると急激に接着強度が減少することがわかった。図１１〜１３のような引張強度の等強度線が描ける。この図より、バスバー幅が２．０〜２．５ｍｍのときの引張強度はある程度の厚さが必要であることが分かる。導電性ペースト粘度によって吐出量が変化すると、引張強度が得られないことがある。多少バスバー厚さが小さくても十分な引張強度を得られるような太陽電池セルを安定的に作ることは必須である。

これを解決するためには裏面バスバーに凹凸を形成して表面積を多くして、接着強度を高める手法が効果的である。

電極に凹凸を形成する手法としては、例えば、印刷後に凹凸を圧着して溝を作ったり、電極を削ったりする方法が考えられる。しかし、基板を圧着すると割れが発生したり、基板を傷める原因となる。また、スクリーン印刷パターンが異なる２版を用いて２度印刷することでバスバーに凹凸を形成する方法が報告されている（特許文献４：特開２００６−３３９３４２号公報）。これも工数が増えてしまうという問題があった。より良い手法は、スクリーン製版のバスバー印刷パターンに閉口部を有することで実現する。最も簡単なパターンは図５に示すような開口部２０８ａの中央部に閉口部２０８ｂを一つ有するパターンである。この版を使用して印刷した裏面バスバー１０６の横断面を図６に示す。リード線との接着面積を増やして、接着強度を向上させることができる。更に図７のように開口部、閉口部を連続的に有するパターンで印刷すれば、図８に示すような横断面図となり、更に接着面積が増して接着力は向上して効果的である。また、従来の箱型バスバー電極に比べて、ペースト使用量が少なく、接着強度を保つことができる。更に、図９に示すような、矩形や菱形パターンにするのも良い。

図７に示されるパターンを用いて凹凸形成した場合の引張強度を図１１、図１２に破線で示す。バスバー厚１０ｍｍ一定の場合はバスバー幅３〜４ｍｍのとき、フラットな電極に比べ凹凸電極では引張強度が向上した。一方、バスバー幅が４ｍｍ一定のときは、引張強度は維持され、必要厚みを２μｍほど減らすことができた。この結果を、図１３に破線で示す。

本発明に係る裏面バスバーの凹凸型の形状は、特に限定されるものではないが、上述したように、例えば横断面形状としては図５で示される製版パターンで印刷された図６のような凹型や、図７で示される製版パターンで印刷された図８のような連続的に凹凸形状を持つものが挙げられる。あるいは図９で示される製版パターンで印刷され、バスバー縦横の断面図が図８のようになったものも含む。

従って、本発明においては、裏面のバスバー電極は、
バスバー電極線幅が２．０ｍｍ以上２．５ｍｍ未満で、最大厚みが９．０μｍ以上であって、電極最大厚みに対する最小厚みの割合が０〜８０％、もしくは、
バスバー電極線幅が２．５ｍｍ以上３．０ｍｍ未満で、最大厚みが６．６μｍ以上であって、電極最大厚みに対する最小厚みの割合が０〜８０％、もしくは、
該バスバー電極線幅が３．０ｍｍ以上５．０ｍｍ以下で、最大厚みが４．０μｍ以上であって、電極最大厚みに対する最小厚みの割合が３０〜８０％であることが必要である。
なお、電極最大厚みＸと最小厚みＹの比は
（Ｙ／Ｘ）×１００
で表される。

また、上記凹凸をスクリーン製版にて形成する場合、スクリーン製版はバスバー用開口部内に５０％以下の閉口部を有することが好ましく、最近接する開口部間の距離は１００μｍ以下であることが好ましい。

本発明のバスバーの凹凸は、開口部と閉口部を有するスクリーン製版と、ペーストのにじみを利用している。開口部は５０％超でないと、本発明に係るペーストにじみを利用した印刷はできない。開口部間の距離が１００μｍを超えると、ペーストのにじみが足りず、バスバーが分裂し、基板が露出する。このとき、基板とリード線を接着しにくいので、モジュール強度としては不十分となってしまう。一方、閉口部が少なすぎる場合、ペーストは開口間を充填するものの、凹凸ができにくいために表面積が稼げず接着強度は従来並みとなる。また、銀使用量の削減効果も小さい。

最後に、受光面電極として銀粉末とガラスフリットを有機物バインダと混合した銀ペーストをスクリーン印刷した後、熱処理によりＳｉＮ_x膜に銀粉末を貫通させ（ファイアースルー）、電極とシリコンを導通させる。裏面電極及び受光面電極の焼成は一度に行うことも可能である。

以下に、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
本発明の有効性を確認するため、以下に示す手法で太陽電池の作製を行った。
バスバー電極の線幅は２．５ｍｍ、電極最大厚みは１２μｍ、電極最大厚さに対する最小厚さの比を３０％としたものに本発明の印刷パターンＢを、更に比較のために、バスバー電極の線幅、電極最大厚みを同様にして、電極最大厚さに対する最小厚さの比を８１％としたものに従来の印刷パターンＡを、以下に示すパターンで印刷した。
印刷パターンは、従来のパターンＡ（開口割合１００％：図３）と、本発明のパターンＢ（開口割合７１％：図１０：開口１００μｍと閉口４０μｍが交互に連続しているパターン）の２種類を用意し、それぞれのパターンをＳＴ１５０、ＳＴ２５０、ＳＴ３５０の３種類のメッシュで製版を作製した。

拡散厚さ２５０μｍ、比抵抗１Ω・ｃｍの、ホウ素ドープ｛１００｝ｐ型アズカットシリコン基板６０枚に対し、熱濃水酸化カリウム水溶液によりダメージ層を除去後、水酸化カリウム／２−プロパノール水溶液中に浸漬しテクスチャ形成を行い、引き続き塩酸／過酸化水素混合溶液中で洗浄を行った。次に、オキシ塩化リン雰囲気下、８７０℃で裏面同士を重ねた状態で熱処理し、エミッタ層を形成した。拡散後、ふっ酸にてガラスを除去し、洗浄、乾燥させた。

以上の処理の後、プラズマＣＶＤ装置を用いてＳｉＮ_x膜を受光面反射防止膜として全試料に対し形成した。次に、裏面電極として銀ペーストをスクリーン製版Ａ，Ｂ、メッシュ３種類で１０枚ずつ印刷し乾燥した。次いで裏面電極としてアルミニウムペーストを、受光面に銀ペーストをスクリーン印刷し、乾燥した。水準Ａ，Ｂを７８０℃の空気雰囲気下で焼成し、Ｉ−Ｖ測定を行ったところ、パターンＡ，Ｂの特性は同等であった。次に、引張強度試験を行った。接着引張強度は、バスバーに２ｍｍ幅のリード線をはんだ付けし、接着したリード線を垂直方向に引っ張り、リード線が基板から剥離するときの力のピークと定義する。測定結果２Ｎ以上を合格とした。結果は、パターンＡではＳＴ１５０メッシュのみ合格であった。パターンＢでは剥離は起こらなかった。

従来の印刷パターンでは、裏面銀電極を薄くしていくと、剥離が確認される電極厚みでも、本発明による印刷パターンを用いれば、剥離は観測されなかった。

１００ Ｐ型半導体基板
１０１ Ｎ型拡散層
１０２ 反射防止膜
１０３ ＢＳＦ層
１０４ アルミニウム電極
１０５ 表面バスバー電極
１０６ 裏面バスバー電極
１０７ フィンガー電極
２０８ａ バスバー開口部
２０８ｂ バスバー閉口部

Claims (1)

1. バスバー用開口部内に５０％以下の閉口部を有するように、バスバー電極線幅方向に開口部と閉口部とが交互に配置され、最近接する開口部の距離が１００μｍ以下であるスクリーン製版を用いて太陽電池用基板の少なくとも裏面に導電性ペーストをスクリーン印刷する際、上記バスバー用開口部内の開口割合が１００％の閉口部を設けないスクリーン製版を使用する場合にはんだ付けした２ｍｍ幅のリード線の接着強度が２Ｎ以上となるバスバー電極を形成できるメッシュ数Ａよりも上記バスバー用開口部内の開口割合が１００％の閉口部を設けないスクリーン製版を使用する場合にはんだ付けした２ｍｍ幅のリード線の接着強度が２Ｎ未満となるバスバー電極が形成されるようにメッシュ数を大きくすることによって、該メッシュ数を上記メッシュ数Ａとした場合よりもペースト使用量を少なくして印刷し、線幅方向に連続的に表面凹凸を有し、はんだ付けした２ｍｍ幅のリード線の接着強度が２Ｎ以上となるバスバー電極を形成する太陽電池の製造方法。

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