JP6186683B2 - 太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、長期信頼性の高い太陽電池を、歩留り良く作製する方法に関し、更に詳しくは、電極構成材料に安価なＣｕ金属を用いることにより、コストを低減し、高い変換効率を維持した太陽電池の電極を有効に作製することができる太陽電池の製造方法に関する。
従来の技術を用いて作製された、太陽電池の断面図（図１）と、表面（図２）、裏面の構造（図３）を説明する。一般的な太陽電池セルは、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接合が形成されている。Ｎ型拡散層１０１の上には、ＳｉＮx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、ほぼ全面にアルミニウムペーストが塗布され、焼結することによりＢＳＦ層１０３とアルミニウム電極１０４が形成される。また、裏面には集電用としてバスバー電極とよばれる太い電極１０６が、銀等を含む導電性ペーストを塗布し、焼成することで形成される。一方、受光面側には集電用のフィンガー電極１０７と、フィンガー電極から電流を集めるためのバスバー電極１０５とよばれる太い電極が、略直角に交わるように櫛形状に配置される。
そして、この種の太陽電池を製造する際、電極形成の方法としては、蒸着法、メッキ法、印刷法等が挙げられるが、表面フィンガー電極１０７は、形成が容易で低コストであるなどの理由のため、一般的には、以下に示すような印刷・焼成法で形成される。すなわち、表面電極材料には、一般に銀粉末と、ガラスフリットと、有機ビヒクルと、有機溶媒とを主成分を配合した導電性ペーストが用いられ、スクリーン印刷法等によりこの導電性ペーストを塗布した後、焼成炉中で高温焼結して表面電極を形成するものである。なお、この高温焼結工程は、〔１〕反射防止膜の除去、〔２〕Ｓｉと電極材料のオーミックコンタクトの形成、〔３〕導電性ペースト中の有機物燃焼を一度に行っており、太陽電池プロセスの低減及びコスト削減の手法として、一般的に用いられるものである。
このような方法により形成された表面フィンガー電極１０７とＳｉ基板１００とのコンタクト抵抗（接触抵抗）と電極の配線抵抗は、太陽電池の変換効率に大きな影響を及ぼし、高効率（低セル直列抵抗、高フィルファクターＦＦ（曲線因子））を得るためには、コンタクト抵抗と表面フィンガー電極１０７の配線抵抗の値が十分に低いことが要求される。
また、受光面においてはできるだけ多くの光を取り込めるように電極面積を小さくしなければならない。前記ＦＦを維持したまま短絡電流（Ｊｓｃ）を向上させるために、フィンガー電極は細く、断面積は大きく、つまり高アスペクト比のフィンガー電極を形成しなくてはならない。上記のような高効率の太陽電池を作製するためには、金属材料の中で最も抵抗率の小さいＡｇ（１．５９×１０-8Ωｍ）が広く用いられている。
しかしながら、Ａｇは大変高価であり、太陽電池製造コストに占める割合も大きい。コストを低減しようとしてＡｇ使用量を減少させると、配線抵抗が増加して太陽電池の変換効率が減少してしまう。低コスト化を実現するためには、比較的抵抗率が低く、安価な金属を用いることが望ましい。たとえば、Ｃｕ（１．６８×１０-8Ωｍ）、Ａｌ（２．６５×１０-8Ωｍ）、Ｍｇ（４．４２×１０-8Ωｍ）、Ｃｏ（５．８１×１０-8Ωｍ）Ｚｎ（６．０２×１０-8Ωｍ）、Ｎｉ（６．９９×１０-8Ωｍ）等はＡｇと同じ１０-8Ωｍオーダーの比較的低い抵抗率を有し、Ａｇより安価な金属である。例えばＣｕ単価はＡｇのおよそ５０分の１であり、従来の製法による太陽電池セル製造の際の全材料費に占める銀ペーストの割合は１２％程度であるが、本発明により、受光面の電極ペーストの占める割合は６％程度まで半減することができる。
これまでにＡｇの代替材料が検討されてきたが、Ａｇに比べて他の金属は酸化されやすく、安価な空気中での焼成法では酸化による配線抵抗の増加が問題となっていた。酸化を防ぐ方法としては、不活性ガス雰囲気等の無酸素下で焼成する必要があるが、窒素やアルゴン等を使用するため、結果としてコストが増加してしまうという問題があった。
また、酸化を抑制させるためにＣｕ−Ａｌの合金表面をアルミナ膜で被覆した配線材料が特開２０１１−０３４８９４号公報（特許文献１）により開示されている。この手法による問題点は、ＣｕとＡｌの合金に対して表面にアルミナ膜を形成することが難しく、コスト高になってしまうということであった。
更に、特許第４８５３５９０号公報（特許文献２）では、過熱水蒸気で金属微粒子を加熱することにより、金属表面が酸化被膜にならず、低抵抗の金属薄膜が得られることが開示されている。
しかしながら、この手法を太陽電池に利用しようとすると、処理温度がシリコン結晶太陽電池の焼成温度に比べて低温であり、導電性ペースト中にガラスフリットを混入させても反射防止膜を除去することができず、高い接触抵抗になってしまうことが問題であった。
更には熱処理によってＣｕがＳｉ中に拡散すると、光起電力効果により発生した電子とホールの再結合中心となって、太陽電池の出力が低下してしまうという問題があった。
しかしながら、この手法を太陽電池に利用しようとすると、処理温度がシリコン結晶太陽電池の焼成温度に比べて低温であり、導電性ペースト中にガラスフリットを混入させても反射防止膜を除去することができず、高い接触抵抗になってしまうことが問題であった。
更には熱処理によってＣｕがＳｉ中に拡散すると、光起電力効果により発生した電子とホールの再結合中心となって、太陽電池の出力が低下してしまうという問題があった。
一方で、焼成を不要とする電極形成の方法としては、特開２０１２−００４５３１号公報（特許文献３）のように、シード層にＡｇを用い、上層電極は他の金属をメッキにより形成することで、配線抵抗が低く、低コストの電極を形成できるとの提案がなされている。しかしながら、メッキ法では、金属の析出方向を一方向に制御することが難しく、膜厚が大きくなるにつれて幅が大きくなり、太陽電池受光面積を減少させてしまい、結果として変換効率が低下してしまうという問題があった。また、メッキ液中にシード層であるＡｇが溶け出して、Ｓｉ−Ａｇの接着力が低下するという問題があった。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コストで変換効率が高い太陽電池を歩留り良く製造する方法を提供することである。
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を行った結果、ＰＮ接合が形成された半導体基板と、該半導体基板の少なくとも片面上に櫛歯状に形成されたフィンガー電極と、該フィンガー電極に接続するバスバー電極とを具備する太陽電池に対して、少なくとも該フィンガー電極をＡｇを主成分とする第１電極と、Ｃｕを主成分とする第２電極からなる積層体の構成とし、この場合、第１電極を５００℃以上の空気雰囲気下で焼成し、形成して半導体基板と接続すること、更にこの場合、好ましくは第２電極の焼成を過熱水蒸気雰囲気により行うこと、更に好ましくはバスバー電極も同様にＡｇを主成分とする第１電極と、Ｃｕを主成分とする第２電極とからなる積層体構成とし、同様に形成することで、、電極を酸化させることなく、また、太陽電池の出力を損なうことなく、低コストの太陽電池を歩留り良く製造することができることを知見し、本発明をなすに至った。
従って、本発明は、受光面側にテクスチャ及びＰＮ接合が形成された半導体基板と、該半導体基板の受光面に設けられた反射防止膜と、該反射防止膜上に櫛歯状に形成されたフィンガー電極と、該フィンガー電極に接続するバスバー電極とを具備する太陽電池の製造方法であって、該フィンガー電極及びバスバー電極は、Ａｇを主成分とする第１電極と、Ｃｕを主成分とする第２電極からなる積層体を成し、前記フィンガー電極及びバスバー電極の開口パターンを有するスクリーン製版を用いてＡｇ粉末とガラスフリットと有機バインダを含むペーストを反射防止膜上に印刷し、５００℃以上の空気雰囲気下で焼成してペースト中の有機物を燃焼させると共に反射防止膜を除去して半導体基板とオーミックコンタクトする前記第１電極を形成し、その後に前記第１電極用のスクリーン製版と同じ開口パターンを有するスクリーン製版を用いてＣｕ粉末とガラスフリットと有機溶剤からなるペーストを該第１電極表面を覆うように重ねて印刷し、これを過熱水蒸気により加熱焼成して前記第２電極を形成すると共に、第１電極と第２電極との界面にＡｇのイオンマイグレーションを抑制するＡｇ−Ｃｕ系合金を形成することを特徴とする太陽電池の製造方法を提供する。
この場合、過熱水蒸気によって焼成する雰囲気が酸素量５体積％以下であることが好ましい。
また、フィンガー電極及びバスバー電極において、それぞれ第１電極の厚さが５〜２０μｍであり、第２電極の厚さが１５〜３０μｍであり、第１電極と第２電極との合計厚さが２０〜５０μｍであることが好ましく、更に、前記スクリーン製版の開口パターンにおけるフィンガー電極の幅が３０〜８０μｍであり、バスバー電極の幅が５００〜３０００μｍであることが好ましい。
また、フィンガー電極及びバスバー電極において、それぞれ第１電極の厚さが５〜２０μｍであり、第２電極の厚さが１５〜３０μｍであり、第１電極と第２電極との合計厚さが２０〜５０μｍであることが好ましく、更に、前記スクリーン製版の開口パターンにおけるフィンガー電極の幅が３０〜８０μｍであり、バスバー電極の幅が５００〜３０００μｍであることが好ましい。
第１電極をＡｇ、第２電極をＣｕとすることにより電極材料費が安価となり、また、Ｃｕが直接シリコン基板と接していないため、Ｃｕがシリコン基板に拡散して光起電力効果により発生した電子とホールの再結合中心となって発電量が減少することがない太陽電池を製造することができる。
更には、イオンマイグレーションが起きにくいＣｕ材料でＡｇ材料を覆うことにより、イオンマイグレーションが抑制され、材料費を上昇させることなく、長期信頼性の高い電極及び太陽電池モジュールを歩留りよく作製することができる。
本発明によれば、焼成炉以外の設備を変更することなく、太陽電池製造工程に導入することができ、更に材料費の低減分太陽電池の製造コストが低減され、非常に有効である。
更には、イオンマイグレーションが起きにくいＣｕ材料でＡｇ材料を覆うことにより、イオンマイグレーションが抑制され、材料費を上昇させることなく、長期信頼性の高い電極及び太陽電池モジュールを歩留りよく作製することができる。
本発明によれば、焼成炉以外の設備を変更することなく、太陽電池製造工程に導入することができ、更に材料費の低減分太陽電池の製造コストが低減され、非常に有効である。
本発明の太陽電池の作製方法の一例を以下に述べる。ただし、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、フッ酸と硝酸の混酸等を用いてエッチングする。単結晶シリコン基板は、ＣＺ法、ＦＺ法の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、フッ酸等、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ＳｉＮx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フッ酸等で除去する。
次に、受光面の反射防止膜形成を行う。製膜にはプラズマＣＶＤ装置を用いＳｉＮx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。裏面電極は他にもオフセット印刷やインクジェット印刷等で形成することが望ましいが、蒸着法、スパッタ法等で作製することも可能である。
次に、本発明に係る太陽電池の受光面電極の形成方法について説明する。
まず、図４に示したように、シリコン基板に拡散層、反射防止膜を形成した太陽電池基板（１０８）上に、フィンガー電極幅が３０〜８０μｍ、フィンガー電極間隔０．５〜４．０ｍｍの櫛歯状パターン及びバスバー電極幅５００〜３０００μｍ、バスバー電極間隔３０〜８０ｍｍのパターンを有するスクリーン製版を用いて、Ａｇ粉末とガラスフリットと有機物バインダを混合したペーストを用いてフィンガー電極の第１電極（１０９）及びバスバー電極（１０６）の第１電極を印刷する。
スクリーン印刷法は厚膜形成に優れた方法であり、１回の印刷により２０μｍ程度の厚みが得られる。第１電極は他にもオフセット印刷やインクジェット印刷等で形成することもできるが、蒸着法、スパッタ法等で作製することも可能である。
まず、図４に示したように、シリコン基板に拡散層、反射防止膜を形成した太陽電池基板（１０８）上に、フィンガー電極幅が３０〜８０μｍ、フィンガー電極間隔０．５〜４．０ｍｍの櫛歯状パターン及びバスバー電極幅５００〜３０００μｍ、バスバー電極間隔３０〜８０ｍｍのパターンを有するスクリーン製版を用いて、Ａｇ粉末とガラスフリットと有機物バインダを混合したペーストを用いてフィンガー電極の第１電極（１０９）及びバスバー電極（１０６）の第１電極を印刷する。
スクリーン印刷法は厚膜形成に優れた方法であり、１回の印刷により２０μｍ程度の厚みが得られる。第１電極は他にもオフセット印刷やインクジェット印刷等で形成することもできるが、蒸着法、スパッタ法等で作製することも可能である。
なお、上記フィンガー電極、バスバー電極は、スクリーン印刷法により同時に形成することが望ましい。このようにすると、印刷工程を１回とすることができ、コストを削減できるとともに、シリコン基板に対して力をかける工程数を少なくすることができるため、割れ等が発生しにくく、歩留りが向上するという利点がある。また、受光面側の電極パターンの応用として、隣り合うフィンガー電極の端部同士を接続したパターンでフィンガー電極を形成してもよい。このような補助フィンガー電極を設けると、フィンガー電極の一部にたとえ断線が生じても、他のフィンガー電極から電流を取り出すことが可能である。
上記のように電極ペーストを印刷したのち、１２０℃のホットプレートで５分間乾燥し、空気雰囲気下において、５００℃以上、特に７００〜８００℃で５〜３０分間焼成する。第１電極は裏面電極と同時に焼成することも可能である。
続いて、フィンガー電極の第２電極（１１０）及びバスバー電極（１０６）の第２電極の形成方法について説明する。第１電極と同形状の櫛歯状パターン及びバスバーパターンとなるように、Ｃｕ粉末とガラスフリットと、有機溶剤を混合したペーストをスクリーン印刷、オフセット印刷、インクジェット印刷法等で印刷する。中でも、スクリーン印刷法は厚膜形成に優れた方法であり好ましい。なお、フィンガー電極及びバスバー電極において、それぞれ第１電極の厚さは３〜３０μｍ、特に５〜２０μｍ、第２電極の厚さは３〜３０μｍ、特に１５〜３０μｍとすることが好ましく、また第１電極と第２電極との合計厚さが６〜６０μｍの厚膜とすることが好ましい。
次に、上記積層された電極を、過熱水蒸気により焼成を行う。
過熱水蒸気とは、飽和水蒸気に対し圧力を上げることなくそのまま熱を加えたものをいい、標準の大気圧であれば１００℃で沸騰して蒸発して出てくる水蒸気が飽和水蒸気であり、この飽和水蒸気に更に熱を加えたものが過熱水蒸気である。
過熱水蒸気は高温空気と比べて約４倍の熱容量を持っていることから焼成炉の温度が一定し、均一な焼結が可能である。
過熱水蒸気とは、飽和水蒸気に対し圧力を上げることなくそのまま熱を加えたものをいい、標準の大気圧であれば１００℃で沸騰して蒸発して出てくる水蒸気が飽和水蒸気であり、この飽和水蒸気に更に熱を加えたものが過熱水蒸気である。
過熱水蒸気は高温空気と比べて約４倍の熱容量を持っていることから焼成炉の温度が一定し、均一な焼結が可能である。
また、無酸素状態であることにより、酸化されることなく乾燥、焼成ができることから食品加熱、焙煎、殺菌等に用いられ、発がん性物質や過酸化脂質の発生のおそれがほとんどなく、ダイオキシンの発生を抑えることができる。
なお、過熱水蒸気は無酸素に近い状態であるので火災や爆発のおそれがない上に大気圧での常圧過熱蒸気では圧力的にも安全である。
なお、過熱水蒸気は無酸素に近い状態であるので火災や爆発のおそれがない上に大気圧での常圧過熱蒸気では圧力的にも安全である。
本発明に係る製造方法では、過熱水蒸気中の酸素濃度は５体積％以下であることが望ましく、特に、１体積％以下が好ましい。酸素濃度が５体積％を超えた場合、金属の酸化が進行するだけでなく、伝熱効果が減少して焼結が不均一になったりする。焼結が不均一の場合、発電した電流が高抵抗部に流れて発熱し、太陽電池モジュールが発火するなどして信頼性を低下させる原因となってしまう。
なお、過熱水蒸気の温度は１００〜９００℃であることが好ましい。より好ましくは、３００℃以上８００℃以下である。１００℃より低い場合は金属同士の溶融が進まず、所望の抵抗率まで低下しないためである。導電性ペーストを用いた太陽電池の電極形成法では、９００℃を超えた温度にさらされると、ペースト中の金属が基板側へ拡散して、太陽電池特性を劣化させるおそれがあるためである。
上記焼成条件下で、５〜３０分間処理されることにより、太陽電池が完成する。
上記焼成条件下で、５〜３０分間処理されることにより、太陽電池が完成する。
このようにして形成される本発明に係る太陽電池の受光面電極は次に述べるような特徴を有する。
すなわち、Ａｇを主成分とする第１電極とＣｕを主成分とする第２電極からなる積層体を成し、過熱水蒸気により焼成することによってＣｕの酸化を防ぎ、配線抵抗の低い電極が得られる。積層体にする理由は第一に、受光面積を大きくするために、細線かつ厚みの大きい、高アスペクト比の電極を形成することが必須であること、第二にシリコン基板とコンタクトする金属がＣｕである場合、高温の熱処理においてＣｕがＳｉ基板に拡散し、光起電力効果により発生した電子とホールの再結合中心となって、発電量が減少することが懸念されるからである。また、第１電極をＡｇで形成すると、Ｃｕに比べて低いコンタクト抵抗が得られ、変換効率の高い太陽電池を製造することが可能であるためである。更には、Ｃｕの単価はＡｇの５０分の１であるために、大幅な材料コストを低減することができる。
すなわち、Ａｇを主成分とする第１電極とＣｕを主成分とする第２電極からなる積層体を成し、過熱水蒸気により焼成することによってＣｕの酸化を防ぎ、配線抵抗の低い電極が得られる。積層体にする理由は第一に、受光面積を大きくするために、細線かつ厚みの大きい、高アスペクト比の電極を形成することが必須であること、第二にシリコン基板とコンタクトする金属がＣｕである場合、高温の熱処理においてＣｕがＳｉ基板に拡散し、光起電力効果により発生した電子とホールの再結合中心となって、発電量が減少することが懸念されるからである。また、第１電極をＡｇで形成すると、Ｃｕに比べて低いコンタクト抵抗が得られ、変換効率の高い太陽電池を製造することが可能であるためである。更には、Ｃｕの単価はＡｇの５０分の１であるために、大幅な材料コストを低減することができる。
本発明は更に、下記のような効果も持ち合わせている。
すなわちイオンマイグレーションが起きにくくなるという効果である。
太陽電池そのものは、屋外環境に曝されると、温度・湿度・圧力等により、集電電極にダメージが加えられ、変換効率が低下してしまう。また、ごみなど光を透過しない異物が受光面に付着すると、太陽光を取り込むことができず、著しく変換効率が低下してしまう。また、太陽電池１枚の発電量は小さいため、普通複数枚繋げて使用される。
そこで、一般的な太陽電池モジュールは、製造コストや作業の容易性等の観点から、連結用の配線１７１４をバスバー電極１７０６にはんだ付けしたのち、白板強化ガラス等の透明な表面側カバー／エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）等の充填剤／太陽電池／ＥＶＡなどの充填剤／ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）等の樹脂フィルムからなる耐候性の裏面側カバーの順に積層した状態で加熱圧着することによって、変換効率の低下をできる限り防ぐようにモジュール化される。
すなわちイオンマイグレーションが起きにくくなるという効果である。
太陽電池そのものは、屋外環境に曝されると、温度・湿度・圧力等により、集電電極にダメージが加えられ、変換効率が低下してしまう。また、ごみなど光を透過しない異物が受光面に付着すると、太陽光を取り込むことができず、著しく変換効率が低下してしまう。また、太陽電池１枚の発電量は小さいため、普通複数枚繋げて使用される。
そこで、一般的な太陽電池モジュールは、製造コストや作業の容易性等の観点から、連結用の配線１７１４をバスバー電極１７０６にはんだ付けしたのち、白板強化ガラス等の透明な表面側カバー／エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）等の充填剤／太陽電池／ＥＶＡなどの充填剤／ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）等の樹脂フィルムからなる耐候性の裏面側カバーの順に積層した状態で加熱圧着することによって、変換効率の低下をできる限り防ぐようにモジュール化される。
しかしながら、上記材料で封止しても、水分の浸入を完全に抑制することはできない。一般的なＡｇの電極配線を有する太陽電池モジュールを太陽光の下で長期に亘って曝露し、発電させ続けると、モジュール内に侵入した水分により、イオンマイグレーションが発生し、太陽電池の出力が低下や不具合が発生することがあった。
イオンマイグレーションとは、電界の影響で金属成分が非金属媒体の上や中を横切って移動する現象である。この現象では、移動の前後で金属成分は金属状態であり導電性を示す。太陽電池モジュールにおいてイオンマイグレーションが発生した場合、太陽電池受光面側と裏面側の連結用の配線が短絡して、太陽電池モジュールの出力が低下してしまうという問題が発生する。
イオンマイグレーションとは、電界の影響で金属成分が非金属媒体の上や中を横切って移動する現象である。この現象では、移動の前後で金属成分は金属状態であり導電性を示す。太陽電池モジュールにおいてイオンマイグレーションが発生した場合、太陽電池受光面側と裏面側の連結用の配線が短絡して、太陽電池モジュールの出力が低下してしまうという問題が発生する。
イオンマイグレーションの発生しやすさは、Ａｇ＞Ｐｂ≧Ｃｕ＞Ｓｎ＞Ａｕとなっており、Ａｇは最もイオンマイグレーションが起きやすい金属である。本発明のように、イオンマイグレーションの起こりやすいＡｇ材料を、より起きにくいＣｕ材料で覆い、更に加熱焼成という工程を経ることによってＡｇ−Ｃｕ界面には合金ができ、少なくともＡｇのイオンマイグレーションは抑制できるという効果が得られる。一般的な太陽電池表面はＡｇ電極であるから、表面がＣｕで覆われることによって、イオンマイグレーションによる太陽電池の短絡が起きにくくなり、長期信頼性の高い太陽電池モジュールとなる。
このように、本発明に係る電極形成方法を用いれば、電極材料費が安価になるにも関わらず、長期信頼性の高い太陽電池モジュールを製造することができる。
このように、本発明に係る電極形成方法を用いれば、電極材料費が安価になるにも関わらず、長期信頼性の高い太陽電池モジュールを製造することができる。
この場合、太陽電池モジュールは、図５，６に示したように、一の太陽電池１Ａの表面バスバー電極１０５Ａとこれに隣接する他の太陽電池１Ｂの裏面バスバー電極１０６Ｂを接続するという態様で複数個の太陽電池を接続すると共に、この複数の太陽電池が接続した太陽電池群を表面側透光パネルと裏面側保護パネルとの間に介在させ、これら両パネル間の空隙を公知の封止材によって封止することによって得ることができる。
以下、実施例と比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
［実施例１、比較例１］
本発明の有効性を確認するため、以下の工程を半導体基板１０枚について行い、太陽電池を作製した。
まず、１５ｃｍ角、厚さ２５０μｍ、比抵抗２．０Ω・ｃｍの、ホウ素ドープ｛１００｝ｐ型アズカットシリコン基板（１００）を用意し、濃水酸化カリウム水溶液によりダメージ層を除去、テクスチャを形成、オキシ塩化リン雰囲気下８５０℃で熱処理したエミッタ層（１０１）を形成し、フッ酸にてリンガラスを除去し、洗浄、乾燥させた。次にプラズマＣＶＤ装置を用い、ＳｉＮx膜（１０２）を製膜し、裏面に、Ａｇ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（１０６）、Ａｌ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した（１０４）。１２０℃のホットプレートで有機溶媒を乾燥して裏面電極を形成した半導体基板を作製した。
次に、この半導体基板の受光面上に、Ａｇ粉末とガラスフリットを有機物バインダーで混合したペーストを、フィンガー電極開口８０μｍ、フィンガー間ピッチ２ｍｍ、バスバー電極幅２ｍｍの櫛歯状パターンを有するスクリーン製版を用いて、スキージ硬度７０度、スキージ角度７０度、印圧０．３ＭＰａ、印刷速度１００ｍｍ／ｓｅｃで印刷し、１２０℃のホットプレートで乾燥した。その後、７００℃の空気雰囲気下で５分間焼成を行った。
次に、フィンガー電極及びバスバー電極の第２電極として導電性ペーストＡ，Ｂを、第１電極と同じ櫛歯状パターンを有するスクリーン製版を用いて、スキージ硬度７０度、スキージ角度７０度、印圧０．３ＭＰａ、印刷速度５０ｍｍ／ｓｅｃで第１電極上に重ねるようにしてそれぞれ塗布した。第２電極を形成するための導電性ペースト中の主たる金属は、比較例１：Ａｇ粉末、実施例１：Ｃｕ粉末とした。主たる金属はペースト総質量の８５質量％であり、残り５質量％がガラスフリット、残り１０質量％が有機溶媒である。１２０℃のクリーンオーブンで有機溶媒の乾燥を行ったのち、ＤＨＦ社製蒸気加熱装置を用いて、５００℃、蒸気量２０ｋｇ／ｈの過熱水蒸気で５分間焼成した。なお、フィンガー電極、バスバー電極のそれぞれにおいて、第１電極の厚さは１５μｍ、第２電極の厚さは２０μｍであった。
本発明の有効性を確認するため、以下の工程を半導体基板１０枚について行い、太陽電池を作製した。
まず、１５ｃｍ角、厚さ２５０μｍ、比抵抗２．０Ω・ｃｍの、ホウ素ドープ｛１００｝ｐ型アズカットシリコン基板（１００）を用意し、濃水酸化カリウム水溶液によりダメージ層を除去、テクスチャを形成、オキシ塩化リン雰囲気下８５０℃で熱処理したエミッタ層（１０１）を形成し、フッ酸にてリンガラスを除去し、洗浄、乾燥させた。次にプラズマＣＶＤ装置を用い、ＳｉＮx膜（１０２）を製膜し、裏面に、Ａｇ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（１０６）、Ａｌ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した（１０４）。１２０℃のホットプレートで有機溶媒を乾燥して裏面電極を形成した半導体基板を作製した。
次に、この半導体基板の受光面上に、Ａｇ粉末とガラスフリットを有機物バインダーで混合したペーストを、フィンガー電極開口８０μｍ、フィンガー間ピッチ２ｍｍ、バスバー電極幅２ｍｍの櫛歯状パターンを有するスクリーン製版を用いて、スキージ硬度７０度、スキージ角度７０度、印圧０．３ＭＰａ、印刷速度１００ｍｍ／ｓｅｃで印刷し、１２０℃のホットプレートで乾燥した。その後、７００℃の空気雰囲気下で５分間焼成を行った。
次に、フィンガー電極及びバスバー電極の第２電極として導電性ペーストＡ，Ｂを、第１電極と同じ櫛歯状パターンを有するスクリーン製版を用いて、スキージ硬度７０度、スキージ角度７０度、印圧０．３ＭＰａ、印刷速度５０ｍｍ／ｓｅｃで第１電極上に重ねるようにしてそれぞれ塗布した。第２電極を形成するための導電性ペースト中の主たる金属は、比較例１：Ａｇ粉末、実施例１：Ｃｕ粉末とした。主たる金属はペースト総質量の８５質量％であり、残り５質量％がガラスフリット、残り１０質量％が有機溶媒である。１２０℃のクリーンオーブンで有機溶媒の乾燥を行ったのち、ＤＨＦ社製蒸気加熱装置を用いて、５００℃、蒸気量２０ｋｇ／ｈの過熱水蒸気で５分間焼成した。なお、フィンガー電極、バスバー電極のそれぞれにおいて、第１電極の厚さは１５μｍ、第２電極の厚さは２０μｍであった。
このように作製した太陽電池１０枚について、次のような評価を行った。
（１）ソーラーシミュレーター（２５℃の雰囲気の中、照射強度：１ｋＷ／ｍ2、スペクトル：ＡＭ１．５グローバル）による評価を行った。
（２）電極コスト
実施例１、比較例１の平均を表１に示す。
（１）ソーラーシミュレーター（２５℃の雰囲気の中、照射強度：１ｋＷ／ｍ2、スペクトル：ＡＭ１．５グローバル）による評価を行った。
（２）電極コスト
実施例１、比較例１の平均を表１に示す。
実施例の太陽電池は、比較例とほぼ同等の変換効率が得られ、電極コストはＡｇの半分となった。
［実施例２、比較例２］
実施例１、比較例１で作製した太陽電池２枚ずつ用いて下記要領でモジュール化した。幅が２ｍｍで厚さが０．２ｍｍの直線状のインターコネクタを用意した。図５のように、インターコネクタ１１１とバスバー電極１０６が接続する箇所に、予めフラックスを塗布し、インターコネクタと太陽電池セルの受光面バスバー部をハンダで接続した。また、太陽電池セルの裏面側のバスバー電極も同様にハンダ付けを行い、図６に示すように２枚直列つなぎにした。
次に、白板強化ガラス／エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）／配線材料を取り付けた太陽電池／ＥＶＡ／ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）の順に積層し、周囲を真空にしたあと、１５０℃の温度で１０分間加熱圧着したのち、１５０℃で１時間加熱することにより完全に硬化させた。
以上の工程を経て、太陽電池モジュールを製造した。
実施例及び比較例に係る太陽電池モジュールに対し、それぞれ高温高湿試験（８５℃，８５％ＲＨ、ＪＩＳ Ｃ８９１７）を１，０００時間行い、試験前後での太陽電池モジュールの電気特性を比較した。また、太陽電池モジュールの電気特性はＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ2の擬似太陽光照射下で測定した。結果を表２に示す。
実施例１、比較例１で作製した太陽電池２枚ずつ用いて下記要領でモジュール化した。幅が２ｍｍで厚さが０．２ｍｍの直線状のインターコネクタを用意した。図５のように、インターコネクタ１１１とバスバー電極１０６が接続する箇所に、予めフラックスを塗布し、インターコネクタと太陽電池セルの受光面バスバー部をハンダで接続した。また、太陽電池セルの裏面側のバスバー電極も同様にハンダ付けを行い、図６に示すように２枚直列つなぎにした。
次に、白板強化ガラス／エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）／配線材料を取り付けた太陽電池／ＥＶＡ／ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）の順に積層し、周囲を真空にしたあと、１５０℃の温度で１０分間加熱圧着したのち、１５０℃で１時間加熱することにより完全に硬化させた。
以上の工程を経て、太陽電池モジュールを製造した。
実施例及び比較例に係る太陽電池モジュールに対し、それぞれ高温高湿試験（８５℃，８５％ＲＨ、ＪＩＳ Ｃ８９１７）を１，０００時間行い、試験前後での太陽電池モジュールの電気特性を比較した。また、太陽電池モジュールの電気特性はＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ2の擬似太陽光照射下で測定した。結果を表２に示す。
高温高湿試験後、比較例では曲線因子が２５％、発電量が３０％低下したが、実施例ではほとんど低下が見られなかった。
比較例のモジュールを目視検査すると、Ａｇが樹状に拡がっているのが見られ、イオンマイグレーションが確認された。これにより受光面電極と裏面電極が接続されて曲線因子が減少し、発電量が減少してしまった。
以上より、Ａｇ代替材料を用いて電極形成を行うと、酸化して電極の配線抵抗が増加したり、無酸素下で焼成する高コスト化などの従来法での問題点を解決し、変換効率を減少させることなく、更には高い信頼性を持った太陽電池を製造することができる。
比較例のモジュールを目視検査すると、Ａｇが樹状に拡がっているのが見られ、イオンマイグレーションが確認された。これにより受光面電極と裏面電極が接続されて曲線因子が減少し、発電量が減少してしまった。
以上より、Ａｇ代替材料を用いて電極形成を行うと、酸化して電極の配線抵抗が増加したり、無酸素下で焼成する高コスト化などの従来法での問題点を解決し、変換効率を減少させることなく、更には高い信頼性を持った太陽電池を製造することができる。
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
１０８ 太陽電池基板
１０９ 第１電極
１１０ 第２電極
１１１ インターコネクタ
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
１０８ 太陽電池基板
１０９ 第１電極
１１０ 第２電極
１１１ インターコネクタ
Claims (5)
- 受光面側にテクスチャ及びＰＮ接合が形成された半導体基板と、該半導体基板の受光面に設けられた反射防止膜と、該反射防止膜上に櫛歯状に形成されたフィンガー電極と、該フィンガー電極に接続するバスバー電極とを具備する太陽電池の製造方法であって、該フィンガー電極及びバスバー電極は、Ａｇを主成分とする第１電極と、Ｃｕを主成分とする第２電極からなる積層体を成し、前記フィンガー電極及びバスバー電極の開口パターンを有するスクリーン製版を用いてＡｇ粉末とガラスフリットと有機バインダを含むペーストを反射防止膜上に印刷し、５００℃以上の空気雰囲気下で焼成してペースト中の有機物を燃焼させると共に反射防止膜を除去して半導体基板とオーミックコンタクトする前記第１電極を形成し、その後に前記第１電極用のスクリーン製版と同じ開口パターンを有するスクリーン製版を用いてＣｕ粉末とガラスフリットと有機溶剤からなるペーストを該第１電極表面を覆うように重ねて印刷し、これを過熱水蒸気により加熱焼成して前記第２電極を形成すると共に、第１電極と第２電極との界面にＡｇのイオンマイグレーションを抑制するＡｇ−Ｃｕ系合金を形成することを特徴とする太陽電池の製造方法。
- ７００〜８００℃の空気雰囲気下で焼成して前記第１電極を形成し、３００〜８００℃の過熱水蒸気により加熱焼成して前記第２電極を形成することを特徴とする請求項１記載の太陽電池の製造方法。
- 過熱水蒸気によって焼成する雰囲気が、酸素量５体積％以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の太陽電池の製造方法。
- 第１電極の厚さが５〜２０μｍであり、第２電極の厚さが１５〜３０μｍであり、第１電極と第２電極との合計厚さが２０〜５０μｍである請求項１〜３のいずれか１項記載の太陽電池の製造方法。
- 前記スクリーン製版の開口パターンにおけるフィンガー電極の幅が３０〜８０μｍであり、バスバー電極の幅が５００〜３０００μｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の太陽電池の製造方法。
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