JP6029023B2 - 太陽電池、太陽電池モジュール及び太陽電池の製造方法 - Google Patents

太陽電池、太陽電池モジュール及び太陽電池の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、太陽電池、太陽電池モジュール及び太陽電池の製造方法に関する。
従来、改善された光電変換効率を実現し得る太陽電池として、裏面接合型の太陽電池が知られている（例えば特許文献１を参照）。
特開２００５−１０１１５１号公報
近年、裏面側太陽電池の光電変換効率をさらに改善したいという要望がある。
本発明は、改善された光電変換効率を有する太陽電池を提供することを主な目的とする。
本発明に係る太陽電池は、光電変換部と、ｐ側電極と、ｎ側電極と、絶縁層とを備える。光電変換部は、一主面にｐ型表面とｎ型表面とを有する。ｐ側電極は、ｐ型表面の上に配されている。ｎ側電極は、ｎ型表面の上に配されている。絶縁層は、ｐ側電極とｎ側電極との間に配されている。絶縁層の表面は、凸状である。
本発明に係る太陽電池モジュールは、本発明に係る太陽電池と、樹脂封止材とを備える。樹脂封止材は、太陽電池を封止している。絶縁層は、樹脂を含む。
本発明に係る太陽電池の製造方法では、一主面にｐ型表面とｎ型表面とを有する光電変換部を準備する。光電変換部の一主面のｐ型表面とｎ型表面との境界部の上に、ｐ型表面が露出した部分と、ｎ型表面が露出した部分とが区画されるように絶縁層を形成する。絶縁層を形成した後に、めっき法により、ｐ型表面の上にｐ側電極を形成すると共に、ｎ型表面の上にｎ側電極を形成する。
本発明によれば、改善された光電変換効率を有する太陽電池を提供することができる。
図１は、第１の実施形態における太陽電池の略図的断面図である。 図２は、第１の実施形態における太陽電池モジュールの略図的断面図である。 図３は、第２の実施形態における太陽電池の略図的断面図である。 図４は、第３の実施形態における太陽電池の略図的断面図である。 図５は、第３の実施形態において複数の太陽電池を積層した際の模式的断面図である。 図６は、第４の実施形態における太陽電池の略図的断面図である。
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
（第１の実施形態）
（太陽電池１ａの構成）
図１に示されるように、太陽電池１ａは、受光面１０ａ及び裏面１０ｂを有する光電変換部１０を有する。光電変換部１０は、基板１１を備えている。基板１１は、半導体材料からなる。基板１１は、例えば、結晶シリコンなどの結晶半導体等により構成することができる。基板１１は、一の導電型を有する。具体的には、本実施形態では、基板１１の導電型がｎ型である例について説明する。
基板１１の受光面１０ａ側に位置する第１の主面１１ａの上には、基板１１と同じ導電型であるｎ型の半導体により構成された半導体層１２ｎが配されている。この半導体層１２ｎにより、第１の主面１１ａの実質的に全体が覆われている。半導体層１２ｎは、ｎ型のアモルファスシリコンなどにより構成することができる。半導体層１２ｎの厚みは、例えば、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度とすることができる。
なお、半導体層１２ｎと第１の主面１１ａとの間に、例えば数Å〜２５０Å程度の、発電に実質的に寄与しない程度の厚みの実質的に真性なｉ型半導体からなる半導体層が配されていてもよい。
半導体層１２ｎの基板１１とは反対側の表面の上には、反射を抑制する機能と、保護膜としての機能とを併せ持つ反射抑制層１３が配されている。この反射抑制層１３によって光電変換部１０の受光面１０ａが構成されている。反射抑制層１３は、例えば窒化ケイ素等により構成することができる。なお、反射抑制層１３の厚みは、反射を抑制しようとする光の波長等に応じて適宜設定することができる。反射抑制層１３の厚みは、例えば、５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度とすることができる。
基板１１の第２の主面１１ｂの一部分の上には、基板１１とは異なる導電型であるｐ型の半導体により構成された半導体層１４ｐが配されている。基板１１の第２の主面１１ｂの半導体層１４ｐが配されていない部分の少なくとも一部の上には、基板１１と同じ導電型であるｎ型の半導体により構成された半導体層１５ｎが配されている。本実施形態では、半導体層１４ｐと半導体層１５ｎとによって第２の主面１１ｂの実質的に全体が覆われている。半導体層１４ｐ及び半導体層１５ｎは、それぞれｐ型及びｎ型のアモルファスシリコンなどにより構成することができる。
これら半導体層１４ｐと半導体層１５ｎとによって光電変換部１０の裏面１０ｂが構成されている。半導体層１４ｐは、ｐ型表面１０ｂｐを構成している。半導体層１５ｎは、ｎ型表面１０ｂｎを構成している。
半導体層１４ｐの厚みは、例えば、２ｎｍ〜２０ｎｍ程度とすることができる。半導体層１５ｎの厚みは、例えば、５ｎｍ〜５０ｎｍ程度とすることができる。なお、半導体層１４ｐと第２の主面１１ｂとの間に、例えば数Å〜２５０Å程度の、発電に実質的に寄与しない程度の厚みの実質的に真性なｉ型半導体からなる半導体層が配されていてもよい。同様に、半導体層１５ｎと第２の主面１１ｂとの間に、例えば数Å〜２５０Å程度の、発電に実質的に寄与しない程度の厚みの実質的に真性なｉ型半導体からなる半導体層が配されていてもよい。実質的に真性なｉ型半導体からなる半導体層は、アモルファスシリコンなどにより構成することができる。
半導体層１４ｐのｘ軸方向における端部は、半導体層１５ｎと厚み方向ｚにおいて重畳している。半導体層１４ｐの端部と半導体層１５ｎとの間には、絶縁層１６が配されている。絶縁層１６は、例えば、窒化ケイ素や酸化ケイ素等により構成することができる。
半導体層１４ｐの上には、第１のシード層１７が配されている。この第１のシード層１７は、後述のように、ｐ側電極２１ｐをめっき法により形成するためのシードとしての機能を有する層である。一方、半導体層１５ｎの上には、第２のシード層１８が配されている。この第２のシード層１８は、後述のように、ｎ側電極２２ｎをめっき法により形成するためのシードとしての機能を有する層である。第１及び第２のシード層１７，１８のそれぞれは、例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）等の透明導電性酸化物や、Ｃｕ、Ａｇなどの少なくとも一種の金属により構成することができる。第１及び第２のシード層１７，１８のそれぞれは、例えば、透明導電性酸化物層と、透明導電性酸化物層の上に配された金属層との積層体により構成されていてもよい。第１及び第２のシード層１７，１８の厚みは、それぞれ、０．１μｍ〜１．０μｍ程度とすることができる。
ｐ型表面１０ｂｐの上に配された第１のシード層１７の上には、正孔を収集するｐ側電極２１ｐが配されている。ｐ側電極２１ｐは、第１のシード層１７を介してｐ型表面１０ｂｐに電気的に接続されている。一方、ｎ型表面１０ｂｎの上に配された第２のシード層１８の上には、電子を収集するｎ側電極２２ｎが配されている。ｎ側電極２２ｎは、第２のシード層１８を介してｎ型表面１０ｂｎに電気的に接続されている。なお、ｐ側電極２１ｐは、ｐ型表面１０ｂｐの直上に配されていてもよい。ｎ側電極２２ｎは、ｎ型表面１０ｂｎの直上に配されていてもよい。
ｐ側電極２１ｐ及びｎ側電極２２ｎのそれぞれは、めっき膜を含むことが好ましく、めっき膜により構成されていることがより好ましい。ｐ側電極２１ｐ及びｎ側電極２２ｎのそれぞれは、例えば、複数のめっき膜の積層体により構成されていてもよい。具体的には、ｐ側電極２１ｐ及びｎ側電極２２ｎのそれぞれは、例えば、Ｃｕからなる第１のめっき膜と、Ｓｎからなる第２のめっき膜の積層体により構成されていてもよい。
ｐ側電極２１ｐ及びｎ側電極２２ｎの厚みは、それぞれ、２０μｍ〜３０μｍ程度とすることができる。
光電変換部１０の裏面１０ｂの面方向において、ｐ側電極２１ｐとｎ側電極２２ｎとの間には、絶縁層２３が配されている。絶縁層２３の表面２３ａは、凸状である。即ち、絶縁層２３の横断面形状は、ドーム状である。絶縁層２３は、ｘ軸方向において隣り合う第１のシード層１７の端部と第２のシード層１８の端部とに跨がって設けられている。絶縁層２３は、第１のシード層１７とｐ側電極２１ｐとの間と、第２のシード層１８とｎ側電極２２ｎとの間とのそれぞれに入り込んでいる。
絶縁層２３は、例えば、酸化ケイ素や窒化ケイ素などの無機絶縁材料により構成されていてもよいが、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂などの有機絶縁材料により構成されていることが好ましく、エポキシ樹脂を含むレジスト材料からなるめっきレジストであることがより好ましい。
（太陽電池１ａの製造方法）
次に、太陽電池１ａの製造方法の一例について説明する。
まず、光電変換部１０を用意する。次に、ｐ型表面１０ｂｐの上に第１のシード層１７を形成すると共に、ｎ型表面１０ｂｎの上に第２のシード層１８を形成する。第１及び第２のシード層１７，１８のそれぞれは、例えば、スパッタリング法やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等により形成することができる。
次に、絶縁層２３を形成する。具体的には、光電変換部１０の裏面１０ｂのｐ型表面１０ｂｐとｎ型表面１０ｂｎとの境界部の上に、ｐ型表面１０ｂｐが露出した部分と、ｎ型表面１０ｂｎが露出した部分とが区画されるように、表面２３ａが凸状である絶縁層２３を形成する。絶縁層２３の形成方法は、特に限定されない。例えば絶縁層２３が有機絶縁材料からなる場合は、絶縁層２３は、例えば、スクリーン印刷法、インクジェット法、フォトリソグラフィー法などにより形成することができる。
次に、電解めっき法などのめっき法によりｐ型表面１０ｂｐの上にｐ側電極２１ｐを形成すると共に、ｎ型表面１０ｂｎの上にｎ側電極２２ｎを形成する。ここで、ｐ側電極２１ｐとｎ側電極２２ｎとが絶縁層２３上において接触することを抑制するために、絶縁層２３は、めっきレジストにより形成しておくことが好ましい。
以上説明したように、太陽電池１ａでは、ｐ側電極２１ｐとｎ側電極２２ｎとの間に配されている絶縁層２３の表面２３ａが凸状である。このため、裏面１０ｂ上におけるｐ側電極２１ｐとｎ側電極２２ｎとの間の距離を長くすることができる。従って、ｐ側電極２１ｐとｎ側電極２２ｎとの間のｘ軸方向における距離を短くした場合であっても、ｐ側電極２１ｐとｎ側電極２２ｎとの間の絶縁抵抗を高くすることができる。従って、改善された光電変換効率を実現することができる。
また、絶縁層２３が設けられていない場合は、ｐ側電極とｎ側電極とをめっき法により形成すると、各電極がシード層より広い領域に形成されるため、ｐ側電極とｎ側電極とが接触してしまう場合がある。よって、ｐ側電極とｎ側電極とが接触しないようにするため、第１のシード層と第２のシード層との間の距離を大きくする必要がある。
それに対して、本実施形態のように絶縁層２３を設けておけばｐ側電極２１ｐとｎ側電極２２ｎとの接触が抑制されるため、第１のシード層１７と第２のシード層１８との間の距離を短くすることができる。絶縁層２３の表面２３ａを凸状にしておくことにより、ｐ側電極２１ｐとｎ側電極２２ｎとの接触がより効果的に抑制されるため、第１のシード層１７と第２のシード層１８との間の距離をさらに短くすることができる。従って、より改善された光電変換効率を実現することができる。
また、絶縁層２３をめっきレジストにより形成することにより、ｐ側電極２１ｐとｎ側電極２２ｎとの接触がより効果的に抑制されるため、第１のシード層１７と第２のシード層１８との間の距離をさらに短くすることができる。従って、より改善された光電変換効率を実現することができる。
絶縁層２３は、第１のシード層１７と第２のシード層１８とに跨がって設けられている。このとき、絶縁層２３の第１のシード層１７と第２のシード層１８との表面上での幅は、半導体層１４ｐと半導体層１５ｎとの表面上での幅に比べて広くなる。このため、第１及び第２のシード層１７，１８の光電変換部１０からの剥離を抑制することができる。
（太陽電池モジュール２）
図２は、第１の実施形態における太陽電池モジュールの略図的断面図である。図２に示されるように、太陽電池モジュール２は、太陽電池１ａを備えている。太陽電池１ａは、樹脂封止材３０によって封止されている。樹脂封止材３０の受光面１０ａ側には、受光面側保護部材３１が配されている。一方、樹脂封止材３０の裏面１０ｂ側には、裏面側保護部材３２が配されている。
絶縁層２３が樹脂を含む場合は、絶縁層２３と樹脂封止材３０との間の密着性が高い。このため、太陽電池１ａをより好適に封止することができ、太陽電池１ａへの水分等の到達を抑制することができる。
詳述すると、エポキシ材料を３０％含むレジスト材料を絶縁層２３に用い、エチレン・酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）を樹脂封止材３０に用いる場合、絶縁層２３と樹脂封止材３０との密着強度は７５Ｎであり、半導体層１４ｐと絶縁層２３との密着強度は７５Ｎ以上であった。一方、絶縁層２３を有さない太陽電池では、半導体層１４ｐと樹脂封止材３０とが密着する構成となるが、半導体層１４ｐと樹脂封止材３０との密着強度は４２Ｎであった。以上の結果より、絶縁層２３を設けることにより半導体層１４ｐと樹脂封止材３０との密着強度が増加し、水分等の到達を抑制することができる。なお、上述の密着強度は、２種類の層間の引張り強度試験によって測定した。
なお、樹脂封止材３０は、例えば、エチレン・酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、ポリエチレン(ＰＥ)、ポリウレタン(ＰＵ)などの樹脂により構成することができる。受光面側保護部材３１は、例えば、透光性を有するガラス板、プラスチック板などにより構成することができる。裏面側保護部材３２は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム等の樹脂フィルムや、積層した樹脂フィルムの間にＡｌ箔等の金属箔を介挿させた積層フィルム、或いは鋼板などにより構成することができる。
以下、本発明の好ましい実施形態の他の例について説明する。以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。
（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態における太陽電池１ｂの略図的断面図である。図３に示されるように、第２の実施形態における太陽電池１ｂは、第１の実施形態における太陽電池１ａと、光電変換部１０の構成において異なる。以下、本実施形態における光電変換部１０の構成について説明する。
基板１１と半導体層１４ｐとの間には、例えば数Å〜２５０Å程度の、発電に実質的に寄与しない程度の厚みの実質的に真性なｉ型半導体からなる半導体層１４ｉが配されている。基板１１と半導体層１５ｎとの間には、例えば数Å〜２５０Å程度の、発電に実質的に寄与しない程度の厚みの実質的に真性なｉ型半導体からなる半導体層１５ｉが配されている。
半導体層１４ｉと半導体層１４ｐとは、半導体層１５ｎの上を含め、第２の主面１１ｂの実質的に全体を覆うように配されている。このため、半導体層１５ｎの上にも、半導体層１４ｉと半導体層１４ｐとが配されている。半導体層１５ｎと半導体層１４ｐとの間には、再結合層１９が配されている。このように、半導体層１５ｎにより構成されたｎ型表面１０ｂｎの上に、さらなる半導体層が設けられていてもよい。
ｐ型表面１０ｂｐで収集された電荷は、第１の実施形態と同様に、半導体層１４ｐに直接接触するp側電極２１ｐから取り出される。一方、ｎ型表面１０ｂｎで収集された電子は、再結合層１９、半導体層１４ｉ及び半導体層１４ｐを介して、ｎ側電極２２ｎから取り出される。
再結合層１９は、エネルギーバンド中に多くのギャップ内準位が存在する半導体材料や、ｐ型半導体層とオーム性接触する金属材料などにより構成することができる。このような材料を選択することにより、ｎ側電極２２ｎから取り出される電子の損失を低減することができる。具体的には、再結合層１９は、例えば、ｐ型またはｎ型のアモルファスシリコン、ｐ型またはｎ形の微結晶シリコン等により構成することができる。
ｐ型表面１０ｂｐとｎ型表面１０ｂｎとの間は半導体層１４ｉ及び半導体層１４ｐを介して接続されている。しかし、半導体層１４ｉ及び半導体層１４ｐの膜厚は薄いため、抵抗が大きく流れる電流も小さい。これによって、半導体層１４ｉ及び半導体層１４ｐを形成する工程を省きつつ、ｐ側電極２１ｐとｎ側電極２２ｎとから発電した電流を効率的に取り出すことができる。太陽電池１ｂにおいても、太陽電池１ａと同様の効果が奏される。また、太陽電池１ｂでは、半導体層１４ｐのパターニング工程等が不要となる。従って、製造コストを低減することができる。
（第３の実施形態）
図４は、第３の実施形態における太陽電池１ｃの略図的断面図である。図４に示されるように、太陽電池１ｃでは、絶縁層２３がｐ側電極２１ｐ及びｎ側電極２２ｎよりも突出している。絶縁層２３が、樹脂等の弾性体により構成されている。このため、図５に示されるように、複数の太陽電池１ｃを積層した場合、隣り合う太陽電池１ｃに接触するのは、弾性体により構成された絶縁層２３のみである。太陽電池１ｃの絶縁層２３以外の部分が隣り合う太陽電池１ｃに接触することが抑制されている。従って、樹脂シート等を介在させずに複数の太陽電池１ｃを積層した場合であっても、太陽電池１ｃが損傷することを抑制することができる。その結果、太陽電池１ｃの保存が容易となり、太陽電池モジュール２の製造コストも低減し得る。
なお、複数の絶縁層２３のすべてがｐ側電極２１ｐ及びｎ側電極２２ｎよりも突出している必要は必ずしもなく、一部の絶縁層２３のみがｐ側電極２１ｐ及びｎ側電極２２ｎよりも突出していてもよい。
（第４の実施形態）
図６は、第４の実施形態における太陽電池１ｄの略図的断面図である。太陽電池１ｃでは、絶縁層２３がｐ側電極２１ｐ及びｎ側電極２２ｎの形成前に形成される。それに対して、太陽電池１ｄでは、絶縁層２３がｐ側電極２１ｐ及びｎ側電極２２ｎの形成後に形成される。このような場合であっても第３の実施形態において説明した効果と同様の効果が奏される。
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ…太陽電池
２…太陽電池モジュール
１０…光電変換部
１０ａ…受光面
１０ｂ…裏面
１０ｂｎ…ｎ型表面
１０ｂｐ…ｐ型表面
１１…基板
１２ｎ…半導体層
１３…反射抑制層
１４ｐ…半導体層
１７…第１のシード層
１８…第２のシード層
２１ｐ…ｐ側電極
２２ｎ…ｎ側電極
２３…絶縁層
２３ａ…絶縁層の表面
３０…樹脂封止材

Claims (7)

  1. 一主面にｐ型表面とｎ型表面とを有する光電変換部と、
    前記ｐ型表面の上に配され、めっき膜を含むｐ側電極と、
    前記ｐ型表面と前記ｐ側電極との間に配された第１のシード層と、
    前記ｎ型表面の上に配され、めっき膜を含むｎ側電極と、
    前記ｎ型表面と前記ｎ側電極との間に配された第２のシード層と、
    前記ｐ側電極と前記ｎ側電極との間に配されており、隣り合う前記第１のシード層の端部と前記第２のシード層の端部とに跨がって設けられ、表面が凸状である絶縁層と、
    を備える、太陽電池。
  2. 前記光電変換部は、
    半導体材料からなる基板と、
    前記基板の一主面の上に配されており、前記ｐ型表面を構成しているｐ型アモルファスシリコン層と、
    前記基板の一主面の上に配されており、前記ｎ型表面を構成しているｎ型アモルファスシリコン層と、
    を有する、請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記絶縁層が弾性体により構成されており、
    前記絶縁層が前記ｐ側電極及びｎ側電極から突出している、請求項１または２に記載の太陽電池。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽電池と、
    前記太陽電池を封止している樹脂封止材と、
    を備え、
    前記絶縁層が樹脂を含む、太陽電池モジュール。
  5. 一主面にｐ型表面とｎ型表面とを有する光電変換部を準備する工程と、
    前記ｐ型表面の上に第１のシード層を形成すると共に、前記ｎ型表面の上に第２のシード層を形成する工程と、
    前記第１のシード層及び前記第２のシード層を形成した後に、前記光電変換部の一主面の前記ｐ型表面と前記ｎ型表面との境界部の上に、前記ｐ型表面が露出した部分と、前記ｎ型表面が露出した部分とが区画され、隣り合う前記第１のシード層の端部と前記第２のシード層の端部とに跨がるように絶縁層を形成する工程と、
    前記絶縁層を形成した後に、めっき法により、前記ｐ型表面の上にｐ側電極を形成すると共に、前記ｎ型表面の上にｎ側電極を形成する工程と、
    をさらに備える、太陽電池の製造方法。
  6. 前記絶縁層を、表面が凸状となるように形成する、請求項５に記載の太陽電池の製造方法。
  7. 前記絶縁層をエポキシ樹脂を含むレジスト材料により形成する、請求項５または６に記載の太陽電池の製造方法。
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