JP6541805B2

JP6541805B2 - 太陽電池の製造方法、太陽電池および太陽電池製造装置

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Publication number: JP6541805B2
Application number: JP2017565339A
Authority: JP
Inventors: 土井　誠; 誠土井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-02-03
Filing date: 2016-02-03
Publication date: 2019-07-10
Anticipated expiration: 2036-02-03
Also published as: JPWO2017134782A1; WO2017134782A1

Description

本発明は、太陽電池の製造方法、太陽電池および太陽電池製造装置に係り、特に太陽電池の電極形成に関する。

政府のエネルギー政策の後押しによって、再生可能エネルギーの普及が著しい。中でも太陽光発電は、発電した電力を固定価格で買い取る固定価格買取制度（ＦｉＴ：Ｆｅｅｄ−ｉｎＴａｒｉｆｆ）に則った買取政策によって爆発的な普及を遂げ、大規模な太陽光発電所、いわゆるメガソーラーが数多く出現した。

しかしながら、この買取金額は国民が商用電源を利用する際の料金に上乗せされており、負担額を抑制するために毎年買取価格は下方に見直され、この制度の抜本的な見直しもいずれ来るものと考えられる。とは言え、太陽光発電は二酸化炭素を排出しない発電方法であり、今後も技術革新によって発電に掛かるコストが低減され、特に高性能でかつ安価な太陽電池であれば、普及することは間違いない。

従来の太陽電池の製造に関し、特許文献１では以下のような手順を採用している。先ず、シリコン等の基板材料の表面に、太陽光の基板表面での反射角を変化させ、反射光を基板内に取り込むためのテクスチャと呼ばれる凹凸構造を、エッチング等の手法により形成する。次に、拡散等の手法によってｐｎ接合を形成し、太陽光の反射を光干渉効果によって低減するため、当該基板材料の少なくとも一面に窒化シリコン膜等の高屈折率薄膜からなる反射防止膜を形成する。次に、金属ペースト等の導電性のペーストを反射防止膜上に所望のパターンになるよう塗布し、ペーストを加熱して当該ペーストに含まれるガラスにより反射防止膜を溶融させ、基板との電気的接合を取るための焼成を実施し、電極を形成する。更に、ガラス成分を溶解させるエッチング液に基板材料を浸漬し、電極に含まれるガラス成分を溶解させて電極の電気抵抗を低減する。

また、例えば特許文献２および特許文献３にも、同様の太陽電池の製造方法が開示されている。

太陽電池セルおよび太陽電池モジュールのコスト削減には、価格面で大きな割合を占める太陽電池の構成材料のコスト削減抜きには、実現は極めて困難である。例えば、基材であるシリコン等の基板材料に始まって、各工程で用いる材料や消耗器具備品類等に至るまで、全ての見直しが必要となる。中でもコストの大きな部分を占める電極材料の相対的な価格を下げるため、様々な取り組みが行われている。

電極材料は一般的にペーストと呼称され、主に金属粉からなる導電性材料、ガラス成分である無機材料、樹脂成分である有機材料および有機溶剤の組合せから成る。先に述べたように、ペーストはスクリーン印刷法等の各種印刷法によって所望の電極形状に成型され、焼成と呼ばれる加熱工程によって含有されるガラス成分で反射防止膜を溶融させ、基板材料と電気的接合を取って電極を形成する。

導電性材料として、通常は銀が使用されるが、貴金属でもあり、相場にも左右されやすく、価格的にも安価ではない。しかしながら、太陽電池の性能はこの銀ペーストからなる電極に負うところが大きく、他材料での電極は世の中の主流ではない。そこでこのペーストを開発、製造、販売しているメーカー間では、如何に少ないペースト量で、如何に少ない銀量で、如何に効率の高い太陽電池を製造するかを、日々競争しているのが現状である。

通常、太陽電池の表面には、発電された電流を集電するための細いグリッド電極と、それに直行するように基板間接続用の太いバス電極が配置され、これらをスクリーン印刷法により、一括して成型する手法が主流である。ペーストの高性能化は、すなわち細く高いグリッド電極の成型であり、バス電極に求められる厚みの薄い、つまり塗布量を抑える成型とは異なるため、近年、グリッド電極とバス電極とを各々独立して成型する手法が検討されつつある。

しかしながら、従来法でグリッド電極とバス電極とを各々独立して成型するには、さらに１台分のスクリーン印刷設備に投資をしなければならず、年々太陽電池の高性能化と製品価格の下落が続く中、使用する電極ペーストが非常に安価でない限りその投資が回収できず、先述の通り、現状では採算上有利になるほど電極ペーストは安価でない。

このように、従来の太陽電池用電極の形成方法では、使用する電極ペーストの価格が高価なため、グリッド電極とバス電極に分割して各々に適した電極ペーストを採用した場合でも、同様な設備を各々揃えて製造するには、採算上不利であった。従って、従来のスクリーン印刷法を使用している限りにおいては、トータルの製造コストを削減することは極めて困難であり、太陽電池の価格を下げることが出来ない。

特許第４４８６６２２号公報特許第４３１９００６号公報特許第４４８１８６９号公報

太陽電池の製造コスト削減のため、バス電極、グリッド電極各々に適した電極ペーストを採用しても、同じスクリーン印刷法を用いていては初期投資の額が大きくなり、回収がより難しくなると言う課題があった。また、従来の電極形成方法のままで更に高性能な電極ペーストを使用すると、ペースト全体の使用量を削減した場合でも単価が上昇するため、電極ペーストの材料費が削減できないと言う課題もあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、太陽電池の特性を低下させることなく、低コストの電極形成を実現することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、半導体基板上にｐｎ接合を形成し太陽電池用基板を形成する工程と、電極材料である導電性材料を含むペーストを太陽電池用基板の電極形成面に塗布する塗布工程と、塗布されたペーストを焼成する焼成工程とを有し、電極形成面に分布されるグリッド電極とグリッド電極で集電された電荷をまとめて集電するバス電極を形成する電極形成工程とを備える。塗布工程では、バス電極を形成するとき、太陽電池用基板を載置するためのステージの、バス電極を形成するバス電極形成領域に沿って設けられた圧力センサーによって、圧力センサーがペーストを塗布する際に感知する圧力を測定し、圧力センサーで測定される測定値が、一定となるまで、ペーストを吐出する吐出ノズルを備えた液体塗布装置を使用して、吐出ノズルからの時間当たりの吐出量を制御することを特徴とする。

本発明によれば、太陽電池の特性を低下させることなく、低コストの電極形成を実現することが可能となる。

実施の形態１にかかる太陽電池の電極形成方法によって形成された電極を備える太陽電池の受光面である表面を示す図図１に示す太陽電池について、受光面とは反対側の裏面を示す図図１および図２のIII−III断面図図１および図２のIV−IV断面図実施の形態１の電極形成方法に使用する印刷機を説明する模式図実施の形態１の電極形成方法に使用する印刷機のステージ部分の模式断面図実施の形態１の電極形成方法に使用する印刷機のステージ部分の模式平面図（ａ）および（ｂ）は、圧力センサーを示す上面図および側面図実施の形態１の方法により電極を形成する基板材料の例を示す平面図実施の形態１の方法により電極を形成する基板材料の他の例を示す平面図実施の形態１の印刷機のうち、受光面バス電極を描画している部分および周辺の模式断面図実施の形態１における受光面グリッド電極の形成に用いられるスクリーン印刷機のステージ部分の模式断面図図１２の拡大図比較例の方法で作製した太陽電池セルの性能と実施の形態１の太陽電池の性能を比較した表図比較例の方法で作製した太陽電池セルの受光面バス電極に塗布されたペーストの重量と実施の形態１の塗布重量を比較した比較図比較例の方法での製造コストを、ペースト、印刷マスク、印刷機の３項目に分けて、各々を１とした時の実施の形態１での相対値を表した比較図実施の形態１による太陽電池モジュールの製造方法の手順を説明する模式断面図実施の形態１による太陽電池モジュールの製造方法の手順を説明する模式断面図実施の形態２の方法によって形成された太陽電池セルを示す断面図実施の形態３の電極形成方法に使用する印刷機のステージ部分の模式平面図

以下に、本発明にかかる太陽電池の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池の電極形成方法によって形成された電極を備える太陽電池の受光面である表面を示す図である。図２は、図１に示す太陽電池について、受光面とは反対側の裏面を示す図である。図３は、図１および図２のIII−III断面図、図４は、図１および図２のIV−IV断面図である。

太陽電池セル１０の受光面１Ａには、受光面グリッド電極４Ｇおよび受光面バス電極４Ｂからなる第１の集電電極としての受光面電極４が設けられている。受光面グリッド電極４Ｇおよび受光面バス電極４Ｂは互いに直交している。また、太陽電池セル１０の裏面１Ｂには、裏面アルミニウム電極５Ａおよび裏面バス電極５Ｂからなる第２の集電電極としての裏面電極４が設けられている。図１、図２の矢印Ｘで示した水平方向が受光面グリッド電極４Ｇの長手方向であり、図１、図２の矢印Ｙで示した垂直方向が受光面バス電極４Ｂおよび裏面バス電極４Ｂの長手方向である。

本実施の形態では、受光面バス電極形成に際し、印刷マスクを介さずに、電極材料である導電性材料を含むペーストを基板材料の電極形成面に塗布する工程を含むことを特徴とする。塗布工程では液体吐出装置を使用して、時間当たりの塗布量を制御しながら、基板材料を載置するステージに設置された圧力センサーが感知する圧力を一定にして、ペーストを塗布する。

図３は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セル１０の要部断面図であり、図１および図２におけるIII−III断面図である。図４は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セル１０の要部断面図であり、図１および図２におけるIV−IV断面図である。図３は受光面グリッド電極４Ｇの存在しない断面、図４は受光面グリッド電極４Ｇの存在する断面を示す図である。図中、上側が受光面１Ａである。太陽電池セル１０においては、ｐ型単結晶シリコン基板１の上面にリン拡散によりｎ型不純物拡散層２が形成されて、ｐｎ接合を有する光電変換部が形成されている。ｎ型不純物拡散層２の上側には、反射防止膜３が成膜されている。反射防止膜３上には受光面バス電極４Ｂが設けられている。受光面バス電極４Ｂの下の反射防止膜３は焼成によって溶融され、受光面バス電極４Ｂはｎ型不純物拡散層２と電気的に接触している。ｐ型単結晶シリコン基板１の裏面１Ｂ側には、裏アルミニウム電極５Ａおよび裏バス電極５Ｂが設けられている。なお、図３は、隣接する受光面グリッド電極４Ｇ間の領域における受光面グリッド電極４Ｇの長手方向に沿った断面を示しているため、受光面グリッド電極４Ｇは示されていない。

次に、図１から図４に示す太陽電池セル１０を製造するための工程を説明する。なお、ここで説明する工程は、シリコン基板を用いた一般的な太陽電池セルの製造工程と同様であるため、特に図示しない。

まず、ｐ型単結晶シリコン基板１を、加温した水酸化ナトリウムの水溶液中に浸漬する。これにより、ｐ型単結晶シリコン基板１の表面がエッチングされて、ｐ型単結晶シリコン基板１の表層に微小な凹凸構造が形成される。

次いで、ｐ型単結晶シリコン基板１を熱酸化炉へ投入し、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ_３）蒸気の存在下で加熱する。これにより、ｐ型単結晶シリコン基板１の表面にリンガラスが形成されてｐ型単結晶シリコン基板１中にリンが拡散され、ｐ型単結晶シリコン基板１の表層にｎ型不純物拡散層２が形成される。

次に、フッ酸溶液中でｐ型単結晶シリコン基板１のリンガラス層を除去した後、反射防止膜３としてたとえばプラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜（ＳｉＮ膜）をｎ型不純物拡散層２上に形成する。反射防止膜３の膜厚および屈折率は、光反射を最も抑制する値に設定する。なお、屈折率の異なる２層以上の膜を積層してもよい。また、反射防止膜３は、スパッタリング法など、異なる成膜方法により形成してもよい。

次に、ｐ型単結晶シリコン基板１の裏面１Ｂにアルミニウムの混入したペーストを全面にスクリーン印刷にて印刷する。

そしてさらに、ｐ型単結晶シリコン基板１の受光面１Ａに銀の混入したペーストを櫛形にスクリーン印刷にて印刷し、受光面グリッド電極４Ｇを形成したのち、図５および図６に示す、塗布装置を用いて受光面バス電極４Ｂを塗布する。受光面バス電極４Ｂを塗布した後、焼成処理を実施して受光面電極４と裏面電極５とを形成する。ｐ型単結晶シリコン基板１の受光面１Ａでは、受光面電極４の下の反射防止膜３は焼成によって溶融され、受光面電極４はｎ型不純物拡散層２と電気的に接触する。以上のようにして、図１から図４に示す太陽電池が作製される。

次に、本実施の形態にかかる太陽電池セルの電極形成方法のうち受光面バス電極の形成方法について説明する。図５は、本実施の形態の電極形成方法に使用する印刷機を説明する模式図であり、印刷マスクを介さずに電極を形成するための印刷工程にて使用する。図６は、ステージ部分の模式断面図である。図７は同印刷機のステージ部分の模式平面図、図８（ａ）および（ｂ）は圧力センサーを示す上面図および側面図である。本印刷工程では、印刷マスクを介さずに基板材料の電極形成面にペースト４Ｐを塗布する。

本実施の形態で用いられる圧力センサー１０９は、内部でブリッジを構成し小型薄肉構造としたひずみゲージを用いた小型の圧力変換器であり、歪に起因する容量変化を検出する小型デバイスである。これらの圧力センサー１０９は、ステージに設けられた空洞に対向するように設けられたダイヤフラム状の板に一定間隔で配設された感圧部１０９ａが導電性接着剤を用いて固定され、ダイヤフラム状の板に設けられた配線パターン１０９ｂを介して出力の外部取り出しができるように構成されている。なお、圧力センサー１０９を個別に配置するのではなく、ダイヤフラム状の板を単結晶シリコン基板で形成し、薄膜プロセスを用いて圧力センサーの各感圧部と配線パターンとをシリコン基板上に集積化して形成したものを用いても良い。

図９および図１０は、本実施の形態の方法により電極を形成する基板材料の例を示す平面図である。基板材料としては、例えば、図９に示す正方形形状のもの、図１０に示すように、正方形の四隅を円弧状とした角丸四角形形状のものを使用する。図９に示す正方形形状の一辺Ｍ、図１０に示す角丸四角形形状の一辺相当幅Ｍは、例えば１５６ｍｍとする。

基板材料としては、例えば、薄板状のシリコンであるシリコンウェハを使用する。なお、基板材料は、通例のスクリーン印刷工程によって電極を形成することが可能な材料であれば、いずれの材質のものであっても使用することが可能であり、通例の方法で用いられる基板材料との間に相違はない。

本実施の形態の印刷機は、図５に示すように、電極材料を構成するペースト４Ｐを吐出する液体吐出部１０２を備えた印刷ヘッド１０１と、基板材料すなわち太陽電池用基板であるｐｎ接合の形成されたｐ型単結晶シリコン基板１を載置するためのステージ１０４とを備える。液体吐出部１０２の先端には吐出ノズル１０３が設けられ、吐出ノズル１０３から所望の粘度に調整されたペースト４Ｐが吐出される。ステージ１０４はいわゆるＸ−Ｙテーブルであり、制御部１０５からの信号によって座標を指定し、連続的に走査させることが可能である。また、本印刷機は、ステージ１０４の上方部に液体吐出部１０２を配置するための印刷ヘッド１０１を備える。印刷ヘッド１０１も制御部１０５からの信号によって走査させることが可能である。

印刷機は、予めプログラムされた印刷パターンに従い、印刷ヘッド１０１に配置されたペースト４Ｐを充てん済の液体吐出部１０２および太陽電池用基板１Ｓを載置したステージ１０４を走査させることで、太陽電池用基板１Ｓの電極形成面にペースト４Ｐを塗布する。ここで太陽電池用基板１Ｓとは、ｐ型単結晶シリコン基板１にｐｎ接合を形成し、反射防止膜３を形成したものを示すものとする。

図６は、印刷機のステージ部分を拡大した模式断面図である。ここでは、太陽電池用基板１Ｓに受光面バス電極４Ｂを形成する場合を例とする。受光面バス電極４Ｂの形成に本実施の形態を適用する場合、予め受光面グリッド電極４Ｇを形成しておくか、もしくは受光面バス電極４Ｂを形成した後に受光面グリッド電極４Ｇを形成する。また、受光面グリッド電極４Ｇの形成に際しては、従来より用いられている通例の方法であるスクリーン印刷法で形成しても良いし、本実施の形態の電極形成方法を用いても良い。

図６では、ステージ１０４に太陽電池用基板１Ｓが載置される。ステージ１０４にはエアー吸引を行う吸引機構１０７を構成する吸引部１０８が備えられ、吸引穴を真空ポンプで排気することで太陽電池用基板１Ｓはステージ１０４に固定される。また、ステージ１０４には太陽電池セル１０の受光面バス電極４Ｂに沿った位置に対応して、複数の圧力センサー１０９を具備している。印刷ヘッド１０１に配置された液体吐出部１０２にはペースト４Ｐが充てんされ、液体吐出部１０２の先端に設けられたペースト４Ｐが吐出ノズル１０３より押し出されることにより、太陽電池用基板１Ｓの電極形成面である受光面１Ａに予めプログラムされた受光面バス電極４Ｂのパターンを描画する。

液体吐出部１０２は、印刷機の制御部１０５によって時間当たりの塗布量を制御することができ、均一で均質な塗布が可能である。また、ステージ１０４に備えられた圧力センサー１０９にて感知された圧力は、同制御部１０５を通して液体吐出部１０２にフィードバックされ、常に一定の圧力を保ちながら描画が出来るよう、塗布量を制御する。

液体吐出部１０２に装着される吐出ノズル１０３は、描画するラインによって材質や大きさ、形状を使い分ける。吐出ノズル１０３に用いられる代表的な材料としては、ステンレス等の金属、ポリエチレン等の樹脂が挙げられる。また、描くライン幅によってノズル径を選択し、ノズル形状も通常の丸形、方形、分岐ノズル、多連ノズル、平ノズル等から選択する。

本実施の形態によれば、予めスクリーン印刷法によって受光面グリッド電極４Ｇを形成し、乾燥処理を施した太陽電池用基板１Ｓをステージ１０４に載置し、吸引部１０８によって固定する。次に、予めプログラムされた印刷パターンに従って、受光面バス電極４Ｂを受光面グリッド電極４Ｇと直交するように太陽電池用基板１Ｓの受光面１Ａに描画する。なお、本実施の形態では、受光面バス電極４Ｂの幅が１ｍｍで、予め受光面グリッド電極４Ｇを形成していることにより、適用したノズルは高密度ポリエチレン製テーパーノズル０．８φ径である。このようにして印刷マスクを使用することなく、吐出ノズル１０３から直接ペースト４Ｐを供給することで、受光面バス電極４Ｂを形成することが出来る。

図７は圧力センサー１０９の配列されたステージ１０４の表面を示す模式図であり、図６は図７のＣ−Ｃ断面に相当する。本実施の形態では、圧力センサー１０９が受光面バス電極４Ｂ形成領域Ｒ_4Bに沿って１２個設けられ、３個毎に吸引穴からなる吸引部１０８が設けられている。吸引部１０８によって、太陽電池用基板１Ｓは水平に固定され、複数の圧力センサー１０９が一定の間隔で配列されている。従って圧力センサー１０９の出力を測定することで、受光面バス電極４Ｂを形成するためのペースト４Ｐの供給量に起因する圧力が検出される。圧力センサー１０９の出力は制御部１０５にフィードバックされ、吐出ノズル１０３からのペースト４Ｐの供給量が制御される。

図１１は、実施の形態１の印刷機のうち、受光面バス電極４Ｂを描画している部分およびその周辺の模式断面図である。液体吐出部１０２の吐出ノズル１０３より、ペースト４Ｐが時間当たりの吐出量を制御しながら吐出され、受光面バス電極４Ｂを描画する。その際、描画する位置に沿ってステージ１０４に設置された圧力センサー１０９で感知された圧力、例えば０．９ｋｇ／ｃｍ²で常に一定となるよう液体吐出部１０２の吐出ノズル１０３の高さを制御することにより、吐出量を微細に変化させながら描画することが可能となる。

図１２は、本実施の形態における受光面グリッド電極４Ｇの形成に用いられるスクリーン印刷機のステージ部分の模式断面図である。スクリーン印刷工程では、印刷マスク２０２を介して太陽電池用電極１Ｓの電極形成面にペースト４ＧＰを塗布する。図１３は図１２の拡大図である。図１２および図１３に示す印刷機は太陽電池用基板１Ｓを載置するステージ１０４を備え、ステージ１０４には太陽電池用基板１Ｓを固定するための吸引部１０８を備える。吸引部１０８はステージ１０４におけるエアーの吸引によって、太陽電池用基板１Ｓをステージ１０４に固定する。印刷マスク２０２は、マスクフレーム２０３と縦糸２００Ａと横糸２００Ｂを有し、マスクフレーム２０３の印刷面側に貼り付けられたスクリーンメッシュ２００と、感光性乳剤２００Ｓとを備える。図１３では、ステージ１０４およびマスクフレーム２０３を省略している。

印刷機は、ペースト４ＧＰが載せられた状態の印刷マスク２０２上にてスキージ２０１を走査させることで、印刷マスク２０２を介して、太陽電池用基板１Ｓの電極形成面にペースト４ＧＰを塗布する。印刷マスク２０２のうち感光性乳剤２００Ｓでカバーされた部分ではペースト４ＧＰを通過させず、スクリーンメッシュ２００を露出させた部分でペースト４ＧＰを通過させることで、印刷機は、印刷マスク２０２の印刷パターンを電極形成面上に転写し、受光面グリッド電極４Ｇを形成する。

ペースト４ＧＰは、電極材料である導電性材料を含む。ペースト４ＧＰに使用される代表的な導電性材料としては、金、銀、銅、白金およびパラジウム等の金属材料があげられる。ペーストは、これらの導電性材料の一つあるいは複数を含む。

実施の形態１の電極形成方法では、受光面グリッド電極４Ｇおよび受光面バス電極４Ｂに対して最適なペースト４ＧＰ，４Ｐを選択することが可能である。また、本実施の形態では受光面バス電極４Ｂに必要な塗布量の削減も併せて可能である。ちなみに、通例の方法では、受光面グリッド電極４Ｇおよび受光面バス電極４Ｂに対して一括形成が行われるため、受光面バス電極４Ｂ部分に印刷マスク２０２を通して塗布されるペーストの重量が、受光面グリッド電極４Ｇの性能を発現させるためのマスク仕様によって決められている。これに対し、本実施の形態では、各々独立して形成することにより、最適化を図ることが可能である。

また、受光面バス電極４Ｂに最適なペーストの仕様においては、求められる性能の為、受光面グリッド電極４Ｇで用いられるペーストに比べて少ない量の導電性材料でその機能を発現することが可能である。すなわちこれは、ペースト４ＧＰ，４Ｐの合計価格を下げることに他ならない。従って、受光面グリッド電極４Ｇおよび受光面バス電極４Ｂを各々独立して形成することにより、塗布量的にも価格的にも両面から併せてコストダウンが可能となる。

これに対して、比較例では、通常一括で受光面グリッド電極４Ｇおよび受光面バス電極４Ｂを形成するため、印刷マスク２０２およびペーストの仕様は一様に設定される。しかしながら、受光面グリッド電極４Ｇと受光面バス電極４Ｂに求められる性能は同じではない。前者は太陽電池用基板１Ｓ内で発生した電流を集電することであり、後者はその集電した電流をタブ線を通して流すことである。そのため、受光面グリッド電極４Ｇの性能を最大限発現するよう調整されているペーストを、受光面バス電極４Ｂに用いることは過剰品質であり、価格的にも割高なものを使用している。

図１４は、比較例の方法で作製した太陽電池セルの性能と実施の形態１の太陽電池の性能を比較した表図である。比較例の方法に比べて、電圧（Ｖｏｃ）は２ｍＶ、電流（Ｊｓｃ）は０．２ｍＡ／ｃｍ²向上し、曲線因子（ＦＦ）は３／１０００低下した結果、効率（Ｅｆｆ）は０．１％向上する。

図１５は、比較例の方法で作製した太陽電池セルの受光面バス電極４Ｂに塗布されたペーストの重量と実施の形態１の塗布重量を比較した比較図である。本実施の形態で用いた受光面バス電極４Ｂ用のペースト４Ｐは、含まれる導電性材料の量が比較例の受光面バス電極４Ｂ用のペーストに含まれる導電性材料の量と比べて３割低減したものである。

比較例の方法では０．０５ｇの塗布量であったものが、本実施の形態の方法では０．０１２から０．０３４ｇと、いずれの場合も比較例の方法よりも塗布量の低減が可能である。これによって作製された太陽電池セルの性能は、図１５の条件１では比較例の方法を下回ったものの、条件２、条件３では比較例の方法と同等もしくはそれ以上と言う結果となり、図１１で示した本実施の形態である条件３であっても、比較例の方法におけるペーストの塗布量より３割低減されており、これが導電性材料を３割減じたペースト４Ｐで達成されている。

図１６は、比較例の方法での製造コストを、ペースト、印刷マスク、印刷機の３項目に分けて、各々を１とした時の実施の形態１の方法で製造コストの相対値を表した表図である。本実施の形態では、受光面バス電極４Ｂに対して本実施の形態の電極製造方法を適用し、受光面グリッド電極４Ｇには従来法を適用しており、ペーストはコスト低減、印刷マスクは変化なし、印刷機はコスト増となる。しかしながら、一定の条件の下、太陽電池セルの出力向上とペーストのコストおよび使用量低減により、本実施の形態にかかる印刷機を追加で導入した場合でも、約１年で導入コストが回収され、その後は利益を生むこととなる。なお、図１６では、受光面バス電極用ペーストは受光面バスペースト、受光面バス電極用印刷機は受光面バス印刷機とするなど、用語の省略をしている。

太陽電池用基板１Ｓに塗布されたペーストは、一般に焼成と称される処理によって電極となる。焼成工程では、ピーク温度を８００℃以下、望ましくは７２０℃から７７０℃とする加熱処理を実施する。焼成炉での加熱処理の時間は、概ね２分以内とする。

図１７および図１８は、本実施の形態による太陽電池モジュールの製造方法の手順を説明する模式断面図である。まず、受光面側および裏面側に集電電極の形成された複数の太陽電池セル１０を、タブ線２０によって接続する。この配線付きの太陽電池セル１０を、図１７に示すように、透光性樹脂部材２１Ａおよび２１Ｂを介して透光性基板２２および裏面シート２３との間に挟み込みこれらの部材を圧着させた状態で加熱処理を施すことにより、図１８に示すように、配線付きの太陽電池セル１０が封止された透光性樹脂部材２１と、透光性基板２２と、裏面シート２３とが一体化された太陽電池モジュールが作製される。上記の電極形成方法により形成された電極を備える太陽電池セル１０を用いることで、高い発電効率を持つ太陽電池モジュールを得ることができる。

本実施の形態では、透光性基板２２の上に透光性樹脂部材２１Ｂを設置する。その透光性樹脂部材２１Ｂ上には、配線付きの太陽電池セル１０を設置する。配線付きの太陽電池セル１０は、図１に示した所定の枚数の太陽電池セル１０を並列させて、隣り合う太陽電池セル１０同士を半田付き銅線等の導線からなるタブ線２０により接続することにより作製する。配線付きの太陽電池セル１０は、各太陽電池セル１０の裏面を上にして、透光性樹脂部材２１Ｂに設置する。

配線付きの太陽電池セル１０の上には、さらに透光性樹脂部材２１Ａおよび裏面シート２３を設置する。図１８には、図の下部から順に、透光性基板２２、透光性樹脂部材２１、配線付きの太陽電池セル１０、透光性樹脂部材２１および裏面シート２３を重ね合わせた状態を示している。

太陽電池モジュールの作製における加熱および圧着の処理には、ラミネータと称される真空加熱圧着装置を使用することが望ましい。ラミネータは、透光性樹脂部材２１あるいは裏面シート２３を加熱変形させ、さらにこれらを熱硬化させることにより一体化させるとともに透光性樹脂部材２１に太陽電池セルを封止する。

真空加熱圧着装置は、減圧環境下において、各部材を加熱および圧着させる。これにより、透光性基板２２および透光性樹脂部材２１間、透光性樹脂部材２１および配線付きの太陽電池セル１０間、配線付きの太陽電池セル１０および透光性樹脂部材２１間、透光性樹脂部材２１および裏面シート２３間のいずれについても、空隙や気泡の残留を防ぎ、各部材を均一な圧力で圧着させることができる。

真空加熱圧着装置での加熱および圧着の処理は、２００℃以下、望ましくは１５０℃から２００℃の温度下で実施する。加熱および圧着の処理における温度は、透光性樹脂部材２１の材質等により適宜変更可能であるものとする。

透光性基板２２としては、例えばガラス基板を使用する。透光性基板２２は、太陽光を透過可能であれば良く、ガラス以外の材質からなるものとしても良い。透光性樹脂部材３１は、エチレンビニルアセテート系、ポリビニルブチラール系、エポキシ系、アクリル系、ウレタン系、オレフィン系、ポリエステル系、シリコン系、ポリスチレン系、ポリカーボネート系およびゴム系等の樹脂のうちの一つあるいは複数を含む。透光性樹脂部材２１は、太陽光を透過可能であれば、ここで挙げる以外のいずれの材質を使用するものであっても良い。

裏面シート２３としては、ポリエステル系、ポリビニル系、ポリカーボネート系およびポリイミド系等の樹脂のうちの一つあるいは複数からなるシートを使用する。裏面シート２３は、太陽電池モジュールの保護に十分な強度、耐湿性および耐候性を有するものであれば、ここで挙げる以外のいずれの材質からなるものであっても良い。裏面シート２３は、強度、耐湿性および耐候性を向上させるために、樹脂材料のみならず、金属箔材料を貼り合わせた複合材料からなるものとしても良い。また、裏面シート２３は、高い反射率を持つ金属材料あるいは、高い屈折率を持つ透光性部材を、蒸着等の成膜方法により樹脂材料の表面に成膜したり貼り合わせたものとしても良い。

太陽電池モジュールの端面は、ラミネート加工の密着性を向上させ、外部からの水分等の浸入を防ぐために、ゴム系樹脂部材等の樹脂材料からなるテープにより保護することとしても良い。ゴム系樹脂部材としては、例えば、ブチルゴム等のゴム材を使用する。さらに、太陽電池モジュールは、構造体としての取り扱い易さに鑑み、外周を囲うフレームを設けることとしても良い。フレームは、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属部材を用いて構成する。

本実施の形態では、高額の装置設備を要することなく、簡便な手法により高性能な太陽電池セルおよび太陽電池モジュールを得ることができるため、工業上非常に有用である。

実施の形態１によれば、印刷マスクを使用しないことで、印刷マスクのためのコストが不要になる。また、スクリーン印刷機よりも安価なシステムによって所望の電極を形成することができる。電極形成においては、時間当たりの塗布量を制御しながらペーストを塗布することが可能なため、本来必要な量のペーストを電極形成位置に吐出させることが出来る。これにより、特性を向上させるに必要十分なペーストを供給し、その結果として供給するペースト量を従来に比較して削減する、つまり、コスト削減と効率向上を合わせ持つ太陽電池用電極の形成を可能とする。また、実施の形態１の電極形成方法は簡便で安価な方法であり、従来の手法と置き換える、若しくは従来の手法に追加することにより、電極パターンの配置あるいは線幅、厚さなどに設計変更があった場合にも、即時に実施可能であり、信頼性のある電極形成が容易に可能となる。

本実施の形態によれば、図４からも明らかなように、受光面バス電極４Ｂと受光面グリッド電極４Ｇは互いの上に乗り上げることなく、側面で当接しているため、電極材料の無駄もなく、遮光領域を増大することなく、電池面積を確保することができ、かつ集電性に優れた受光面電極を形成することが可能となる。

なお、受光面グリッド電極４Ｇはスクリーン印刷によって形成し、受光面バス電極４Ｂのみを、スクリーンを用いることなく、液体吐出部１０２を用いて吐出量を制御しながら形成したが、受光面グリッド電極４Ｇについても、液体吐出部１０２を用いて吐出量を制御しながら形成するようにしてもよい。

また、圧力センサーを用いて塗布後の重量を測定しながら塗布量を制御したが、液体吐出部１０２の吐出量を制御することができれば、圧力センサーは必須ではない。圧力センサーに代えて、ステージの走査速度を調整することにより、供給量を調整したり、供給量をより高精度に制御できるようにすることによっても、供給量の制御を実現することが可能である。

なお、制御部は、吐出ノズルからのペーストの供給量を、毎分０．１ｍｌから１ｍｌに制御することで、高精度の線幅および位置を維持しつつ効率よくバス電極を描画することができる。特に、吐出ノズルからのペーストの供給量は、望ましくは毎分０．１ｍｌから０．３ｍｌの範囲で制御しながらバス電極を描画することで、圧力センサーを用いることなく、高精度のバス電極形成が実現される。圧力センサーを使用することなくペースト供給を行う場合において、供給量を毎分０．１ｍｌから１ｍｌで高精度に制御することによって高精度のバス電極のパターンを描画することが可能となる。中でも毎分０．１ｍｌから０．３ｍｌで吐出ノズルからのペーストの供給量すなわち吐出量を制御しながらバス電極のパターンを描画することで、従来塗布量の３割減の供給量でバス電極のパターンを描画することが出来る。従って、高精度でペースト使用量の少ない電極を提供することが可能となる。因みに、ある一定条件下において、塗布量０．０１２ｇは約０．１ｍｌ／ｍｉｎで塗布したもの、塗布量０．０３４ｇは約０．３ｍｌ／ｍｉｎで塗布したものに相当する。さらにまた、前述したように、吐出ノズルの高さを調整することによっても吐出量を微調整することができる。また、圧力センサーを用いる場合にも、毎分０．１ｍｌから０．３ｍｌで吐出ノズルからのペーストの吐出量を制御しながらバス電極のパターンを描画することでより高精度の制御が可能となる。

また、複数の圧力センサーは、図７に示したように、バス電極形成領域の中心線に沿って一定間隔で配列されていることで、高精度にバス電極へのペースト供給量を検知することができ、信頼性の高い制御が可能となる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２にかかる太陽電池セルの電極形成方法のうち受光面バス電極の形成方法について説明する。図１９は、実施の形態２の方法によって形成された太陽電池セルを示す断面図である。受光面および裏面については、図１および図２に示した、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池の電極形成方法によって形成された電極を備える太陽電池と同様である。図１９は、図１および図２のIII−III断面図に相当する断面図である。

太陽電池セルの受光面１Ａには、バス電極形成領域に互いに平行な４本の貫通溝Ｖが設けられ、この貫通溝Ｖに受光面バス電極４Ｂが設けられたことを特徴とする。他の構成については、前記実施の形態１の太陽電池と同様であるため、ここでは説明を省略する。本印刷工程では、印刷マスクを介さずに基板材料の電極形成面に形成された貫通溝Ｖ内に充填するようにペースト４Ｐを供給し塗布する。

後続工程についても、前記実施の形態１と同様である。本実施の形態においても貫通溝Ｖ内に充填された受光面バス電極４Ｂと受光面グリッド電極４Ｇは互いの上に乗り上げることなく、側面で当接している。

かかる構成により、実施の形態１よりもさらに、電極材料の無駄もなく、遮光領域を増大することなく、電池面積を確保することができ、かつ集電性に優れた受光面電極を形成することが可能となる。

実施の形態３．
次に、実施の形態３にかかる太陽電池セルの電極形成方法のうち受光面バス電極の形成方法で用いられる印刷機について説明する。図２０は、実施の形態３の電極形成方法に使用する印刷機のステージ部分の模式平面図である。本実施の形態では、受光面バス電極形成領域Ｒ_4Bに沿って一定間隔で圧力センサー１０９が配列されている。圧力センサー１０９は受光面バス電極形成領域Ｒ_4Bに位置するように配されており、受光面バス電極４Ｂ形成用のペーストが吐出ノズルから供給されることにより変化する圧力センサー１０９の検出値が一定となるように、吐出量を制御する。吐出ノズル１０３からの吐出量の制御は実施の形態１で図５に示したのと同様、塗布装置の制御部１０５で実施する。

図７で示した実施の形態１の印刷機のステージ部分に比べて吸引穴からなる吸引部１０８と圧力センサー１０９の配置が異なるもので、他の部分については前記実施の形態１と同様であるためここでは説明を省略する。

実施の形態３の印刷機によれば、受光面バス電極形成領域Ｒ_4Bの中心線に沿って等間隔で圧力センサー１０９が配列されているため、より確実に供給量の制御をすることが可能となる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ｐ型単結晶シリコン基板、１Ｓ太陽電池用基板、２ｎ型不純物拡散層、３反射防止膜、４受光面電極、４Ｇ受光面グリッド電極、４Ｂ受光面バス電極、５裏面電極、５Ａ裏面アルミニウム電極、５Ｂ裏面バス電極、１０太陽電池セル、２０タブ線、２１，２１Ａ，２１Ｂ透光性樹脂部材、２２透光性基板、２３裏面シート、１０１印刷ヘッド、１０２液体吐出部、１０３吐出ノズル、１０４ステージ、１０５制御部、１０７吸引機構、１０８吸引部、１０９圧力センサ、４Ｐペースト、２０３マスクフレーム、２００スクリーンメッシュ、２００Ｓ感光性乳剤、２０１スキージ、２００Ａ縦糸、２００Ｂ横糸、２０２印刷マスク。

Claims

半導体基板上にｐｎ接合を形成し太陽電池用基板を形成する工程と、
電極材料である導電性材料を含むペーストを前記太陽電池用基板の電極形成面に塗布する塗布工程と、前記塗布されたペーストを焼成する焼成工程とを有し、前記電極形成面に分布されるグリッド電極と前記グリッド電極で集電された電荷をまとめて集電するバス電極を形成する電極形成工程とを備えた太陽電池の製造方法であって、
前記塗布工程では、前記バス電極を形成するとき、前記太陽電池用基板を載置するためのステージの、前記バス電極を形成するバス電極形成領域に沿って設けられた圧力センサーによって、前記圧力センサーが前記ペーストを塗布する際に感知する圧力を測定し、前記圧力センサーで測定される測定値が、一定となるまで、前記ペーストを吐出する吐出ノズルを備えた液体塗布装置を使用して、前記吐出ノズルからの時間当たりの吐出量を制御することを特徴とする太陽電池の製造方法。
前記吐出ノズルが単孔ノズルであることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
前記グリッド電極は、スクリーン印刷で形成されることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
前記塗布工程では、前記吐出ノズルからの前記吐出量を、毎分０．１ｍｌから０．３ｍｌの間で制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法。
ｐｎ接合を有する太陽電池用基板と、
前記太陽電池用基板の受光面である第１主面に形成された第１の集電電極と、
前記太陽電池用基板の第２主面に形成された第２の集電電極とを備えた太陽電池であって、
前記第１の集電電極が、
前記第１主面に分布されるグリッド電極と、
前記グリッド電極で集電された電荷をまとめて集電し、前記グリッド電極よりも厚さの大きいバス電極とを含み、
前記グリッド電極は、厚み方向で側面が前記バス電極の側面に当接することを特徴とする太陽電池。
前記グリッド電極は、前記バス電極とは異なる材料で形成されたことを特徴とする請求項５に記載の太陽電池。
前記バス電極は、前記太陽電池用基板の前記第１主面に形成された凹部に形成されたことを特徴とする請求項５または６に記載の太陽電池。
ｐｎ接合を有する太陽電池用基板の電極形成面に、電極材料である導電性材料を含むペーストを塗布する液体塗布装置を備えた太陽電池製造装置であって、
前記液体塗布装置は、
前記太陽電池用基板を載置するためのステージと、
前記ペーストを吐出する吐出ノズルと、
前記吐出ノズルからの前記ペーストの時間当たりの塗布量を制御する吐出制御部とを有し、
前記ステージは、バス電極を形成するバス電極形成領域に沿って配置された複数の圧力センサーを備え、
前記吐出制御部は、前記塗布量を制御することで、前記複数の圧力センサーが前記ペーストを塗布する際に感知する圧力が一定となるように制御することを特徴とする太陽電池製造装置。
前記ステージは、前記太陽電池用基板を支持するための吸着穴からなる吸着部を備え、
前記複数の圧力センサーは、前記吸着部を避けて配置されたことを特徴とする請求項８に記載の太陽電池製造装置。
前記複数の圧力センサーは、前記バス電極形成領域の中心線に沿って一定間隔で配列されたことを特徴とする請求項９に記載の太陽電池製造装置。
前記吐出制御部は、前記吐出ノズルからの吐出量を、毎分０．１ｍｌから０．３ｍｌの間で制御することを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載の太陽電池製造装置。