JP6372760B2 - 太陽電池セル - Google Patents
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Description
本発明は、太陽電池セルに関する。
太陽電池セルの表面に形成されるフィンガー電極やバスバー電極などの集電極は、一般に、太陽電池セルの表面にスクリーン印刷等の印刷法で導電性ペーストを印刷することにより形成されている。
特許文献１においては、集電極を形成する際に、スクリーン印刷処理を複数回繰り返すことにより、集電極の表面の凹凸を低減してその抵抗値を低減させることが提案されている。特許文献２においては、シリコーン樹脂を含む導電性ペースト組成物を用いて集電極を形成することが提案されている。
導電性ペーストから形成する太陽電池セルの電極においては、電極の抵抗値を増大させることなく、電極を形成する際の導電性ペーストの損失を低減することができる電極が求められている。
本発明の目的は、電極を形成する際の導電性ペーストの損失を低減することができる太陽電池セルを提供することにある。
本発明の太陽電池セルは、半導体材料からなる基板に形成された光電変換層と、前記光電変換層の主面側に導電性ペーストを印刷することにより形成され、表面の凹凸の高さの標準偏差の平均値が、５．０μｍ以下である第１のフィンガー電極と、を備える。
本発明によれば、電極を形成する際の導電性ペーストの損失を低減することができる。
以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、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場合がある。
図１に示されるように、本実施形態では、太陽電池セル１は、基板３１を有する。基板３１は、半導体材料からなる。基板３１は、結晶半導体材料からなることが好ましい。基板３１は、単結晶半導体材料からなることがより好ましい。基板３１は、具体的には、例えば、単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板により構成することができる。
基板３１の少なくとも一方の主面には、テクスチャ構造と呼ばれる凹凸構造が設けられている。ここで、「テクスチャ構造」とは、表面反射を抑制し、基板３１の光吸収量を増大させるために形成されている凹凸構造のことをいう。テクスチャ構造の具体例としては、（１００）面を有する単結晶シリコン基板の表面に異方性エッチングを施すことによって得られるピラミッド状（四角錐状や、四角錐台状）の凹凸構造が挙げられる。
基板３１の一主面の上には、ｎ型半導体層３２が配されている。ｎ型半導体層３２は、例えば、ｎ型アモルファスシリコンにより構成することができる。ｎ型半導体層３２と基板３１との間に、実質的に発電に寄与しない程度の厚みを有する、実質的に真性なｉ型半導体層が設けられていてもよい。ｉ型半導体層は、例えば、ｉ型アモルファスシリコンにより構成することができる。
ｎ型半導体層３２の上には、透光性膜としての透明導電性酸化物膜３３が配されている。透明導電性酸化物膜３３は、例えばインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）等により構成することができる。
透明導電性酸化物膜３３の上には、ｎ側電極３４が配されている。
基板３１の他主面の上には、ｐ型半導体層３５が配されている。ｐ型半導体層３５は、例えば、ｐ型アモルファスシリコンにより構成することができる。ｐ型半導体層３５と基板３１との間に、実質的に発電に寄与しない程度の厚みを有する、実質的に真性なｉ型半導体層が設けられていてもよい。ｉ型半導体層は、例えば、ｉ型アモルファスシリコンにより構成することができる。基板３１にｐ型半導体層３５を形成することによりｐｎ接合が形成され、光電変換層として機能する。
ｐ型半導体層３５の上には、透光性膜としての透明導電性酸化物膜３６が配されている。透明導電性酸化物膜３６は、例えばインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）等により構成することができる。
透明導電性酸化物膜３６の上には、ｐ側電極３７が配されている。なお、図１において、ｐ側電極３７の詳細な表面形状は図示を省略している。
図示は省略するが、複数の太陽電池セル１は、第１の保護部材と第２の保護部材との間に配された充填材層内に配されている。例えば、第１の保護部材を透光性を有するガラス板又は樹脂板等により構成し、第２の保護部材を樹脂シート等により構成してもよい。また、第１の保護部材と第２の保護部材との両方を、ガラス板又は樹脂板により構成してもよい。充填材層は、例えば、エチレン・酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）などの架橋性樹脂や、ポリオレフィンなどの非架橋性樹脂等により構成することができる。なお、本明細書において、受光面は太陽電池セル１に対して透光性を有する第１の保護部材が配置される側面を示し、裏面とは太陽電池セル１に対して第２の保護部材が配置される側面を示す。
図２は、実施形態の太陽電池セルの裏面を示す平面図である。したがって、太陽電池セルの光入射側と反対側の面を示している。図２に示すように、太陽電池セル１の裏面の透明導電性酸化物膜３６の上にはｐ側電極３７が形成されており、ｐ側電極３７はフィンガー電極である第１の電極２と、バスバー電極である第２の電極３を含む。第１の電極２は、ｘ方向に延びるように複数設けられている。第２の電極３は、第１の電極２と略直交するｙ方向に延びるように設けられている。本実施形態では、第２の電極３は２本設けられている。
第２の電極３の上には、配線タブ４の一方端が電気的に接続されている。配線タブ４の他方端は、隣接する太陽電池セルの表面の上の第２の電極（バスバー電極）３に電気的に接続されている。
図３は、図２のＡ−Ａ線に沿う実施形態のｐ側電極３７の断面図である。図３に示すように、透明導電性酸化物膜３６の上には、ｐ側電極３７としての第１の電極２が形成されている。第１の電極２の表面２ａは、凹凸が小さい表面であり、凹凸の高さの標準偏差の平均値が、５．０μｍ以下である。
図４は、参考例のｐ側電極３７の断面図である。図４に示すように、参考例では、第１の電極２の表面２ａは、凹凸が大きい表面であり、凹凸の高さの標準偏差の平均値が、５．０μｍより大きくなっている。
ｐ側電極３７は、導電性ペーストを印刷することにより形成することができる。図３に示すような凹凸が小さく、凹凸の高さの標準偏差の平均値が５．０μｍ以下であるｐ側電極３７は、例えば、導電性ペーストにおける溶剤の量を多くしたり、導電性ペーストの粘度を低くすることにより形成することができる。導電性ペーストの印刷としては、例えば、スクリーン印刷を用いることができる。この場合、スクリーン版を調整することによっても、凹凸の高さの標準偏差の平均値が５．０μｍ以下であるｐ側電極３７を形成することができる。
導電性ペーストは、特に限定されるものではないが、低温硬化型の導電性ペーストが好ましく用いられる。低温硬化型の導電性ペーストとしては、１５０〜２５０℃で加熱硬化する導電性ペーストが挙げられる。このような低温硬化型の導電性ペーストとしては、特許文献２に開示されている、シリコーン樹脂と、導電性粉末と、熱硬化性成分と、硬化剤と、溶剤とを含有する導電性ペーストが挙げられる。熱硬化性成分は、例えば、エポキシ当量が１０００以下のエポキシ樹脂と、エポキシ当量が１５００以上のエポキシ樹脂とを含むことができる。
シリコーン樹脂としては、一般に用いられているものが使用可能である。例えば、メチル系やメチルフェニル系のようなストレートシリコーン樹脂や、エポキシ樹脂、アルキド樹脂、ポリエステル、アクリル樹脂などで変性した変性シリコーン樹脂等を挙げることができ、これらを単独または組み合わせて使用することができる。導電性粉末としては、導電性を有するものであれば、一般に用いられているものを使用することができる。例えば、銀、銅、ニッケル、アルミニウム、銀被覆銅、銀被覆アルミニウム、カーボン等の粉末を挙げることができる。熱硬化性成分としては、エポキシ樹脂とブロック化ポリイソシアネート化合物を挙げることができる。硬化剤としては、一般的に用いられているイミダゾール類、三級アミン、フッ化ホウ素を含むルイス酸及びそれらの錯体または塩が使用可能である。溶剤としては特に限定はしないが、印刷等で塗布する場合は、高沸点溶媒であるエチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトールアセテート、ターピネオール等を用いることができる。
実施形態のｐ側電極３７及び参考例のｐ側電極３７は、上記の低温硬化型導電性ペーストを用いて形成した。導電性粉末として、銀粉末を含む導電性ペーストを用いた。但し、実施形態のｐ側電極３７を形成した導電性ペーストは、参考例のｐ側電極３７を形成した導電ペーストに比べ、溶剤の量を多くし、粘度を低下させた。具体的には、導電性ペースト３ｋｇに対して溶剤量１０ｍｌを補充して粘度を１０ｐａ・ｓ低下させた。
上記のようにして調製した導電性ペーストを、スクリーン版を用いて印刷することにより、ｐ側電極３７である第１の電極２を形成した。第１の電極２の幅（図２に示すｙ方向の幅）は、０．０６ｍｍである。第１の電極２の延びる方向（図２に示すｘの方向）における５００μｍの長さを測定サンプルの長さとして、第１の電極２の表面の凹凸の高さを測定した。具体的には、キセノンランプを用いた走査型共焦点顕微鏡を用い、対物レンズ２０倍、光学ズーム１３．９倍、エンハンスモードで、高さ分解能２μｍのステップサーチ方式で表面凹凸の高さ情報を取り込んだ。得られた凹凸の高さ情報をメディアンモード、マスクサイズ５でＸＹ方向に平滑化補正を１回行って測定ノイズを除去した。
図６は、上記のようにして測定した実施形態のｐ側電極３７の表面における１つの測定サンプルでの凹凸の高さの分布を示す図である。横軸は、測定箇所を示しており、測定端部からの距離（μｍ）を示している。縦軸は、凹凸の高さ（μｍ）を示している。図６に示す凹凸の高さの標準偏差σは、２．９μｍであった。図７は、上記のようにして測定したｐ側電極３７の表面における他の測定サンプルでの凹凸の高さの分布を示す図である。図７に示す凹凸の高さの標準偏差σは、４．９μｍであった。
以上のようにして、２８個の測定サンプルについてそれぞれの標準偏差σを求め、各測定サンプルの標準偏差σを図５に示した。横軸は、Ｎ個目の測定サンプルであることを示しており、縦軸は、測定サンプルの標準偏差σを示している。標準偏差σの最小値は、２．９μｍであり、最大値は、５．８μｍであった。また、本実施形態のｐ側電極３７の表面における凹凸の高さの標準偏差σの平均値は、４．２μｍであった。なお、平均値は、算術平均の値である。標準偏差σの平均値を算出するためのサンプル数は、２０以上であることが好ましい。
参考例のｐ側電極３７についても、上記と同様にして、電極表面の凹凸の高さの標準偏差σを求めた。図９は、参考例のｐ側電極３７の表面における１つの測定サンプルでの凹凸の高さの分布を示す図である。図９に示す凹凸の高さの標準偏差σは、５．０μｍであった。図８は、２２個の測定サンプルの標準偏差σを示す図である。標準偏差σの最小値は、４．２μｍであり、最大値は、６．５μｍであった。また、参考例のｐ側電極３７の表面における凹凸の高さの標準偏差σの平均値は、５．４μｍであった。したがって、参考例のｐ側電極３７は、本発明の範囲外の標準偏差σの平均値であった。
実施形態のｐ側電極３７及び参考例のｐ側電極３７について、電気抵抗値を測定したところ、同等の値を示した。実施形態のｐ側電極３７を形成する場合、参考例のｐ側電極３７を形成する場合に比べ、導電性ペースト中における銀粉末の量を８.０質量％削減することができた。したがって、本発明によれば、電極を形成する際の導電ペーストの損失を低減することができる。
受光面側に設けられたｎ側電極３４の表面は、参考例に示す凹凸と同様の構造を有する。つまり、ｐ側電極３７の表面の凹凸の標準偏差の平均値は、ｎ側電極３４の表面の凹凸の標準偏差の平均値より小さくなる。導電性ペーストの使用量に対するフィンガー電極の電気抵抗値の観点では、ｎ側電極３４もｐ側電極３７と同様に表面の凹凸の標準偏差の平均値を小さくすることが好ましい。しかし、ｎ側電極３４の表面の凹凸を大きくすると、入射光が散乱して反射し、太陽電池セル１の表面に再入射させて発電量を増加させることができる。このような観点から、ｐ側電極３７の表面の凹凸の標準偏差の平均値は、ｎ側電極３４の表面の凹凸の標準偏差の平均値より小さくすることが好ましい。
なお、実施形態の太陽電池セルは裏面側にｐｎ接合を形成したが、受光面側にｐｎ接合を形成したものでもよい。その場合、裏面側に設けられるｎ側電極を、表面の凹凸の高さの標準偏差の平均値が、５．０μｍ以下となるように形成する。
１…太陽電池セル
２…第１の電極（フィンガー電極）
２ａ…電極表面
３…第２の電極（バスバー電極）
４…配線タブ
３１…基板
３２…ｎ型半導体層
３３…透明導電性酸化物膜
３４…ｎ側電極
３５…ｐ型半導体層
３６…透明導電性酸化物膜
３７…ｐ側電極
２…第１の電極（フィンガー電極）
２ａ…電極表面
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４…配線タブ
３１…基板
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３４…ｎ側電極
３５…ｐ型半導体層
３６…透明導電性酸化物膜
３７…ｐ側電極
Claims (5)
- 半導体材料からなる基板に形成された光電変換層と、
導電性ペーストを印刷することにより形成され、表面の凹凸の高さの標準偏差の平均値が、５．０μｍ以下である第１のフィンガー電極および第２のフィンガー電極と、を備え、
前記第１のフィンガー電極は前記基板の裏面側に形成され、
前記第２のフィンガー電極は前記基板の受光面側に形成され、
前記第１のフィンガー電極の表面の凹凸の高さの標準偏差の平均値は、前記第２のフィンガー電極の表面の凹凸の高さの標準偏差の平均値に比べ小さい、太陽電池セル。 - 前記基板は、結晶系シリコン基板であって、
前記光電変換層は、
前記結晶系シリコン基板と、前記基板に形成された非晶質シリコン層と、
前記非晶質シリコン層の上に形成された透明導電性酸化物膜と、
を備え、前記第１のフィンガー電極は前記透明導電性酸化物膜の上に設けられる、請求項１に記載の太陽電池セル。 - 前記非晶質シリコン層は、第１の導電型を有する第１の非晶質シリコン層と、前記第１の非晶質シリコン層と前記結晶系シリコン基板との間に設けられた、実質的に真性な第２の非晶質シリコン層とを有する、請求項２に記載の太陽電池セル。
- 前記基板は、結晶系シリコン基板であって、
前記光電変換層は、前記結晶系シリコン基板と、
前記基板の裏面側に形成された第１の導電型を有する第１の非晶質シリコン層と、前記第１の非晶質シリコン層と前記結晶系シリコン基板との間に設けられた、実質的に真性な第２の非晶質シリコン層と、
前記基板の受光面側に形成された前記第１の導電型と異なる第２の導電型を有する第３の非晶質シリコン層と、前記第３の非晶質シリコン層と前記結晶系シリコン基板との間に設けられた、実質的に真性な第４の非晶質シリコン層と、
前記第１の非晶質シリコン層の上に形成された第１の透明導電性酸化物膜と、
前記第３の非晶質シリコン層の上に形成された第２の透明導電性酸化物膜と、
を備え、前記第１のフィンガー電極は前記第１の透明導電性酸化物膜の上に設けられ、前記第２のフィンガー電極は前記第２の透明導電性酸化物膜の上に設けられる、請求項１に記載の太陽電池セル。 - 前記標準偏差の平均値が、測定サンプル数２０以上の平均値である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の太陽電池セル。
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