JP6214400B2

JP6214400B2 - ペースト組成物

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Publication number: JP6214400B2
Application number: JP2013556362A
Authority: JP
Inventors: 正博中原; 隆和辻; マルワンダムリン
Original assignee: TOYO ALMINIUM KABUSHIKI KAISHA
Current assignee: TOYO ALMINIUM KABUSHIKI KAISHA
Priority date: 2012-02-02
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2017-10-18
Anticipated expiration: 2033-01-25
Also published as: TW201337958A; WO2013115076A1; TWI578334B; JPWO2013115076A1

Description

本発明は、一般的にはペースト組成物に関し、特定的には、太陽電池セルにおけるｐ型拡散領域とｎ型拡散領域に電気的に接触する電極を形成するためのペースト組成物に関するものである。

従来から、結晶系太陽電池では、ｐ型シリコン基板の受光面にはｎ型不純物層を介して反射防止膜とグリッド電極が形成されるとともに、受光面と反対側の裏面にはｐ型拡散領域と電極が形成されている。このような電極を形成するために導電成分としてアルミニウムを含むアルミニウムペーストの組成について種々検討されており、たとえば、太陽電池用アルミニウムペーストが、特開２０１１‐６６３５３号公報（特許文献１）に開示されている。

また、高い変換効率の結晶系太陽電池として、ｎ型シリコン基板の受光面と反対側の裏面にのみ、ｎ型拡散領域とそれに接触するｎ型用電極、および、ｐ型拡散領域とそれに接触するｐ型用電極が形成された太陽電池が、たとえば、特開２０１１‐２３３６５７号公報（特許文献２）に開示されているように、開発されている。

このような構造を有する太陽電池セルでは、たとえば、特表２００７‐５２５００８号公報（特許文献３）に開示されているように、通常、シリコン基板とのコンタクト抵抗を十分に小さくするために、電極の導電成分としてアルミニウムよりも導電性に優れた銀を含む銀ペーストが用いられている。

特開２０１１‐６６３５３号公報特開２０１１‐２３３６５７号公報特表２００７‐５２５００８号公報

太陽電池は、屋外に設置されるので、その使用環境下において高い湿度の雰囲気中にさらされることが多い。このため、特許文献２に開示されたような構造を有する太陽電池においてｐ型用電極とｎ型用電極を形成するために銀ペーストを用いた場合、ｐ型用電極とｎ型用電極との間での微弱な電位差により、銀のマイグレーションが生じる。その結果、ｐ型拡散領域とｎ型拡散領域を介して、ｐ型用電極とｎ型用電極との間で短絡が生じ、太陽電池からの電気エネルギーの取り出し不良を起こしやすくなる。また、製造コストと資源リスクの観点からも、銀を使用することは好ましくない。

そこで、本発明の目的は、太陽電池におけるｐ型拡散領域とｎ型拡散領域に電気的に接触する電極を形成するための導電成分として銀を用いることなく、耐環境性に優れるとともに、導電成分のシリコン基板への拡散を防止し、かつ、シリコン基板とのコンタクト抵抗を低くすることが可能なペースト組成物を提供することである。

本発明者らは、太陽電池におけるｐ型拡散領域とｎ型拡散領域に電気的に接触する電極を形成するために用いる導電性ペーストの組成について種々検討した。その結果、導電成分としてアルミニウム‐シリコン合金粉末を用いることによって耐環境性に優れるとともに、導電成分のシリコン基板への拡散を防止し、シリコン基板とのコンタクト抵抗を低くすることができることを見出した。この知見に基づいて、本発明に従ったペースト組成物は、次のような特徴を備えている。

本発明に従ったペースト組成物は、太陽電池におけるｐ型拡散領域とｎ型拡散領域に電気的に接触する電極を形成するためのペースト組成物であって、アルミニウム‐シリコン合金粉末と、ガラス粉末と、有機ビヒクルとを含み、アルミニウム‐シリコン合金粉末が、シリコンを２５質量％以上３０質量％以下含み、前記アルミニウム−シリコン合金粉末は、過共晶組成のアルミニウム−シリコン合金からなる。

本発明のペースト組成物において、アルミニウム‐シリコン合金粉末を構成する粒子が、鱗片状の形状を有することが好ましい。

また、本発明のペースト組成物において、アルミニウム‐シリコン合金粉末を構成する粒子が短径と長径とを有し、短径に対する長径の比率が１以上１００以下であることが好ましい。

さらに、本発明のペースト組成物において、アルミニウム‐シリコン合金粉末１００質量部に対して、ガラス粉末を０．５質量部以上４０質量部以下、有機ビヒクルを３０質量部以上１００質量部以下、含むことが好ましい。

以上のように、本発明のペースト組成物を用いることにより、太陽電池におけるｐ型拡散領域とｎ型拡散領域に電気的に接触する電極を形成するための導電成分として銀を用いることなく、電極が耐環境性に優れるとともに、導電成分のシリコン基板への拡散を防止し、かつ、シリコン基板とのコンタクト抵抗を低くすることができる。

一つの実施の形態として本発明が適用される太陽電池素子の一般的な断面構造を模式的に示す断面図である。本発明の実施例と比較例において作製された電極パターンを示す平面図である。本発明の実施例と比較例において作製された電極構造の断面を模式的に示す断面図である。

＜太陽電池素子＞
図１に示すように、太陽電池素子は、たとえば、厚みが１８０〜２５０μｍのｎ型シリコン半導体基板１を用いて構成される。ｎ型シリコン半導体基板１の受光面側には、たとえば、窒化シリコン膜からなる受光面パッシベーション膜２が形成されている。

ｎ型シリコン半導体基板１の受光面と反対側の裏面には、たとえば、窒化シリコン膜からなる裏面パッシベーション膜３が形成されている。また、ｎ型シリコン半導体基板１の裏面側には、ｎ⁺拡散領域４とｐ⁺拡散領域５とが交互に隣接して形成されている。裏面パッシベーション膜３を貫通してｎ型シリコン半導体基板１の表面に到達する複数のコンタクト孔が形成され、各コンタクト孔を通じてｎ⁺拡散領域４とｐ⁺拡散領域５のそれぞれの表面に接触するように所定のパターン形状に従ったｎ型用電極６とｐ型用電極７が形成されている。ｎ型用電極６とｐ型用電極７の各々は、過共晶組成のアルミニウム‐シリコン（Ａｌ‐Ｓｉ）合金粉末、具体的には、シリコンを１２質量％以上３０質量％以下含むアルミニウム‐シリコン（Ａｌ‐Ｓｉ）合金粉末と、ガラス粉末と、有機ビヒクルを含むペースト組成物をスクリーン印刷等によって塗布し、乾燥させた後、５７７℃以下（アルミニウムとシリコンの固相線温度以下）の温度にて焼成することによって形成されている。上記の組成を有するペースト組成物が、太陽電池セルの一方面に交互に形成されたｎ⁺拡散領域４とｐ⁺拡散領域５に電気的に接触するようにｎ型用電極６とｐ型用電極７を形成するために用いられることにより、ｎ型用電極６とｐ型用電極７が耐環境性に優れるとともに、導電成分のｎ型シリコン半導体基板１への拡散を防止し、かつ、ｎ型シリコン半導体基板１とのコンタクト抵抗を低くすることができる。

＜ペースト組成物＞
ペースト組成物は、上記のｎ型用電極６とｐ型用電極７を形成するために、裏面パッシベーション膜３の上に塗工され、かつ、裏面パッシベーション膜３に形成されたコンタクト孔を通じてｎ型シリコン半導体基板１の表面、すなわち、ｎ⁺拡散領域４とｐ⁺拡散領域５のそれぞれの表面に電気的に接触（オーミックコンタクト）するように塗工される導電性のペースト組成物であり、アルミニウム‐シリコン合金粉末、ガラス粉末、および、有機ビヒクルを含有する。

＜アルミニウム‐シリコン合金粉末＞
ペースト組成物に含まれるアルミニウム‐シリコン合金粉末は、ペースト組成物を焼成することによって形成されたｎ型用電極６とｐ型用電極７において導電性を発揮する。また、アルミニウム‐シリコン合金粉末をペースト組成物に含ませることにより、ｎ型シリコン半導体基板１内へのアルミニウムの拡散を防ぐことができる。

アルミニウム‐シリコン合金粉末を構成するアルミニウム‐シリコン合金粒子の形状は特に限定されない。アルミニウム‐シリコン合金粉末を構成するアルミニウム‐シリコン合金粒子の平均粒子径は１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。平均粒子径が１μｍ未満では、アルミニウム‐シリコン合金粒子同士が凝集するおそれがあるので、ペースト中での分散性が悪化する。平均粒子径が１０μｍを越えると、反応性が低下してしまう。

また、アルミニウム‐シリコン合金粉末は、過共晶組成のアルミニウム‐シリコン合金からなるのが好ましく、具体的には、シリコンを１２質量％以上３０質量％以下含む。アルミニウム‐シリコン合金粉末中のシリコン含有量が１２質量％未満では、焼成後に形成されたｎ型用電極６とｐ型用電極７からｎ型シリコン半導体基板１中にアルミニウムが拡散してしまい、ｐ‐ｎジャンクションを破壊してしまう。また、シリコン含有量が３０質量％を越えると、ｎ型用電極６とｐ型用電極７の電気抵抗が増加してしまう。

さらに、アルミニウム‐シリコン合金粉末を構成する粒子が、球状または鱗片状の形状を有することが好ましいが、特に鱗片状の形状を有することが好ましい。アルミニウム‐シリコン合金粉末を構成する粒子が鱗片状の形状を有することによって、ｎ型シリコン半導体基板１との接触面積が大きくなり、コンタクト抵抗をより低下させることができる。この場合、アルミニウム‐シリコン合金粉末を構成する粒子が短径と長径とを有し、短径に対する長径の比率が１以上１００以下であることが好ましい。

＜ガラス粉末＞
ガラス粉末は、アルミニウム粉末とシリコンとの反応と、アルミニウム粉末自身の焼結とを助ける作用があるとされている。

ガラス粉末としては、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、バナジウム（Ｖ）、ホウ素（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、スズ（Ｓｎ）、リン（Ｐ）、および、亜鉛（Ｚｎ）からなる群より選ばれた１種、または２種以上を含有してもよい。また、鉛を含むガラス粉末、または、ビスマス系、バナジウム系、スズ‐リン系、ホウケイ酸亜鉛系、アルカリホウケイ酸系等の無鉛のガラス粉末を用いることができる。特に人体への影響を考慮すると、無鉛のガラス粉末を用いることが望ましい。

また、ガラス粉末の軟化点は７５０℃以下であることが好ましい。

さらに、ガラス粉末を構成するガラス粒子の平均粒子径は、１μｍ以上３μｍ以下であることが好ましい。

なお、本発明のペースト組成物中に含まれるガラス粉末の含有比率は、特に限定されないが、アルミニウム‐シリコン合金粉末１００質量部に対して、０．５質量部以上４０質量部以下であることが好ましい。ガラス粉末の含有比率がアルミニウム‐シリコン合金粉末１００質量部に対して、０．５質量部未満ではｎ型シリコン半導体基板１および裏面パッシベーション膜３との密着性が低下し、４０質量部を越えるとｎ型用電極６とｐ型用電極７の電気抵抗が増加してしまう。

＜有機ビヒクル＞
有機ビヒクルとしては、溶剤に、必要に応じて各種添加剤および樹脂を溶解したものが使用される。溶剤としては公知のものが使用可能であり、具体的には、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル等が挙げられる。各種添加剤としては、たとえば、酸化防止剤、腐食抑制剤、消泡剤、増粘剤、タックファイヤー、カップリング剤、静電付与剤、重合禁止剤、チキソトロピー剤、沈降防止剤等を使用することができる。具体的には、たとえば、ポリエチレングリコールエステル化合物、ポリエチレングリコールエーテル化合物、ポリオキシエチレンソルビタンエステル化合物、ソルビタンアルキルエステル化合物、脂肪族多価カルボン酸化合物、燐酸エステル化合物、ポリエステル酸のアマイドアミン塩、酸化ポリエチレン系化合物、脂肪酸アマイドワックス等を使用することができる。樹脂としては公知のものが使用可能であり、エチルセルロース、ニトロセルロース、ポリビニールブチラール、フェノール樹脂、メラニン樹脂、ユリア樹脂、キシレン樹脂、アルキッド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、フラン樹脂、ウレタン樹脂、イソシアネート化合物、シアネート化合物等の熱硬化樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ポリメタクリル酸メチル、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンオキサイド、ポリスルフォン、ポリイミド、ポリエーテルスルフォン、ポリアリレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリ４フッ化エチレン、シリコン樹脂等の二種以上を組み合わせて用いることができる。本発明のペースト組成物に含められる有機ビヒクルとして、溶剤に溶解させないで樹脂を用いてもよい。

なお、本発明のペースト組成物中に含まれる有機ビヒクルの含有比率は、特に限定されないが、アルミニウム‐シリコン合金粉末１００質量部に対して、３０質量部以上１００質量部以下であることが好ましい。有機ビヒクルの含有比率がアルミニウム‐シリコン合金粉末１００質量部に対して、３０質量部未満、または、１００質量部を越えると、ペースト組成物の印刷性が低下するおそれがある。

以下、本発明の実施例と比較例について説明する。

（ペースト組成物の準備）
実施例１〜３と比較例１〜３のペースト組成物を次のようにして準備した。

（実施例１）
球状のアルミニウム‐１５質量％シリコン合金粉末１００質量部に対して、ガラス粉末を７．５質量部、および、有機ビヒクルを７０質量部加えて、周知の混合機にて混合した。

（実施例２）
鱗片状のアルミニウム‐１５質量％シリコン合金粉末１００質量部に対して、ガラス粉末を７．５質量部、および、有機ビヒクルを７０質量部加えて、周知の混合機にて混合した。

（実施例３）
球状のアルミニウム‐２５質量％シリコン合金粉末１００質量部に対して、ガラス粉末を７．５質量部、および、有機ビヒクルを７０質量部加えて、周知の混合機にて混合した。

（比較例１）
球状のアルミニウム‐１０質量％シリコン合金粉末１００質量部に対して、ガラス粉末を７．５質量部、および、有機ビヒクルを７０質量部加えて、周知の混合機にて混合した。

（比較例２）
球状のアルミニウム‐３２質量％シリコン合金粉末１００質量部に対して、ガラス粉末を７．５質量部、および、有機ビヒクルを７０質量部加えて、周知の混合機にて混合した。

（比較例３）
シリコンの含有量が０質量％の球状のアルミニウム粉末１００質量部に対して、ガラス粉末を７．５質量部、および、有機ビヒクルを７０質量部加えて、周知の混合機にて混合した。

（電極の形成）
図２と図３に示すように、まず、ｎ⁺拡散領域４が予め形成された厚みが１８０μｍのｎ型シリコン半導体基板１の上に、上記で得られた実施例１〜３と比較例１〜３の各ペース組成物を、スクリーン印刷機を用いて、厚みが２０μｍ、幅が５００μｍ、長さが３０ｍｍの線状パターン８で、線間隔が１ｍｍとなるように等間隔で塗布した。そして、ペースト組成物が塗布されたｎ型シリコン半導体基板１を、１００℃の温度で１０分間乾燥させた後、イメージ炉（株式会社アルバック製、型番：ＶＨＣ‐６１０ＣＰ）の炉内温度を５６０℃に設定して、焼成した。この焼成により、図３に示すように、ｎ型用電極６が形成された。

以上のようにして実施例１〜３と比較例１〜３の焼成基板の試料を作製した。

（コンタクト抵抗の評価）
日置電機株式会社製の抵抗測定器（製品名：ミリオームハイテスタHiTESTER 3540）を用いて、得られた焼成基板の各試料の電気抵抗を測定し、ＴＬＭ(Transmission line method)法により、ｎ型用電極６とｎ型シリコン半導体基板１とのコンタクト抵抗を算出した。

（シリコン基板へのアルミニウムの拡散の評価）
また、各試料の断面を光学顕微鏡（２００倍）で観察し、ｎ型シリコン半導体基板１にアルミニウム‐シリコン合金層が形成されているか否かを評価した。ｎ型シリコン半導体基板１の表面上に、アルミニウム‐シリコン合金層が形成されていなかったものを「○」、アルミニウム‐シリコン合金層が形成されていたものを「△」、アルミニウム‐シリコン合金層が全体に形成されていたものを「×」と評価した。

以上の評価結果を表１に示す。

表１から、アルミニウム粉末に、シリコンを１２質量％以上２０質量％以下含むアルミニウム‐シリコン合金粉末を主成分とする実施例１〜３のペースト組成物を用いてｎ型用電極６を形成すると、ｎ型シリコン半導体基板１中にアルミニウムが拡散することがなく、かつ、ｎ型シリコン半導体基板１とのコンタクト抵抗を低くすることができることがわかる。特に、鱗片状の形状を有する粒子からなるアルミニウム‐シリコン合金粉末を主成分とする実施例３のペースト組成物を用いてｎ型用電極６を形成すると、ｎ型シリコン半導体基板１とのコンタクト抵抗をさらに低くすることができることがわかる。

以上に開示された実施の形態と実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態と実施例ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正と変形を含むものと意図される。

本発明のペースト組成物を用いることにより、太陽電池におけるｐ型拡散領域とｎ型拡散領域に電気的に接触する電極を形成するための導電成分として銀を用いることなく、電極が耐環境性に優れるとともに、導電成分のシリコン基板への拡散を防止し、かつ、シリコン基板とのコンタクト抵抗を低くすることができる。

１：ｎ型シリコン半導体基板、２：受光面パッシベーション膜、３：裏面パッシベーション膜、４：ｎ⁺拡散領域、５：ｐ⁺拡散領域、６：ｎ型用電極、７：ｐ型用電極。

Claims

太陽電池セルにおけるｐ型拡散領域（５）とｎ型拡散領域（４）に電気的に接触する電極を形成するためのペースト組成物であって、
アルミニウム‐シリコン合金粉末と、ガラス粉末と、有機ビヒクルとを含み、
前記アルミニウム‐シリコン合金粉末が、シリコンを２５質量％以上３０質量％以下含み、
前記アルミニウム‐シリコン合金粉末は、過共晶組成のアルミニウム−シリコン合金からなる、ペースト組成物。
前記アルミニウム‐シリコン合金粉末を構成する粒子が、鱗片状の形状を有する、請求項１に記載のペースト組成物。
前記アルミニウム‐シリコン合金粉末を構成する粒子が短径と長径とを有し、短径に対する長径の比率が１以上１００以下である、請求項１に記載のペースト組成物。
前記アルミニウム‐シリコン合金粉末１００質量部に対して、前記ガラス粉末を０．５質量部以上４０質量部以下、前記有機ビヒクルを３０質量部以上１００質量部以下、含む、請求項１に記載のペースト組成物。