JP7444552B2 - ガラス組成物、ガラス組成物の製造方法、導電ペースト、及び太陽電池 - Google Patents
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- Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells
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絶縁層を部分的に除去する方法としてレーザー等で物理的に除去する方法が挙げられるが、当該方法は製造工程の増加や、装置導入コストの増加を伴う。したがって、近年では導電性金属粉末とガラス粉末を含有する導電ペースト(ペースト状の電極材料)を絶縁膜上に塗布して熱処理を行うことで、該導電ペーストに絶縁膜を貫通させる方法(ファイヤースルー)が採用されている。
また、本発明は、導電性金属粉末と有機ビヒクルと混合してペースト化することにより、ファイヤースルー性が高くさらに半導体基板を劣化させることがない導電ペーストを得られるガラス組成物の製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、ファイヤースルー性が高くさらに半導体基板を劣化させることがない導電ペーストを提供することを目的とする。
また、本発明はファイヤースルー性が高くさらに半導体基板を劣化させることがない導電ペーストにより形成された電極を備える太陽電池を提供することを目的とする。
[1]酸化物基準のモル%表記で、Bi2O3を3%以上19%以下、B2O3を20%以上70%以下、SiO2を1%以上30%以下、K2Oを3%以上20%以下、CaOを3%以上20%以下、BaOを1%以上20%以下、含有し、実質的にPbOとCuOとを含まないガラス組成物。
[2]さらに、酸化物基準のモル%表記で、SrO、およびZnOから選ばれる少なくとも1種を合計で0%以上15%以下含有する[1]に記載のガラス組成物。
[3]酸化物基準のモル%表記で、B2O3を35%以上60%以下、K2Oを1%以上40%以下、CaOを3%以上30%以下、BaOを2%以上25%以下、SiO2を5%以上10%以下含有し、実質的にPbOとCuOとを含まない第1のガラス組成物と、酸化物基準のモル%表記で、Bi2O3を5%以上60%以下、B2O3を15%以上80%以下含有し、実質的にPbOとCuOとを含まない第2のガラス組成物とを混合する工程を含む、ガラス組成物の製造方法。
[4]前記第1のガラス組成物が、さらに酸化物基準のモル%表記でSrOを0%以上15%以下含有する[3]に記載のガラス組成物の製造方法。
[5]前記第2のガラス組成物が、さらに酸化物基準のモル%表記でZnOを0%以上30%以下含有する[3]または[4]に記載のガラス組成物の製造方法。
[6]前記第1のガラス組成物と前記第2のガラス組成物の混合割合が質量比で80:20~40:60である[3]~[5]のいずれか1つに記載のガラス組成物の製造方法。
[7][1]または[2]に記載のガラス組成物の製造方法である、[3]~[6]のいずれか1つに記載のガラス組成物の製造方法。
[8]酸化物基準のモル%表記で、Bi2O3を3%以上19%以下、B2O3を20%以上70%以下、SiO2を1%以上30%以下、K2Oを3%以上20%以下、CaOを3%以上20%以下、BaOを1%以上20%以下含有し、実質的にPbOとCuOとを含まないガラスの粉末と、導電性金属粉末と、有機ビヒクルとを含有する導電ペースト。
[9][8]に記載の導電ペーストを用いて形成された電極を具備する太陽電池。
[10]太陽光受光面を有するシリコン基板と、前記シリコン基板の前記太陽光受光面に設けられた第1の絶縁膜と、前記シリコン基板の前記太陽光受光面とは反対側の面に設けられた第2の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜の一部を貫通して前記シリコン基板に接触する第1の電極と、前記第2の絶縁膜の一部を貫通して前記シリコン基板に接触する第2の電極と、を備える太陽電池であって、前記第1の電極は、Al、Ag、Cu、Au、PdおよびPtからなる群から選択される少なくとも1種を含む第1の金属と、第1のガラスとを含み、前記第2の電極は、Al、Ag、Cu、Au、PdおよびPtからなる群から選択される少なくとも1種を含む第2の金属と、酸化物基準のモル%表記で、Bi2O3を3%以上19%以下、B2O3を20%以上70%以下、SiO2を1%以上30%以下、K2Oを3%以上20%以下、CaOを3%以上20%以下、BaOを1%以上20%以下、含有し、実質的にPbOとCuOとを含まない第2のガラスを含む太陽電池。
[11]前記第2の電極は、前記第2の金属100質量部に対して、前記第2のガラスを0.1質量部以上15質量部以下含む[10]に記載の太陽電池。
[12]前記第2の金属はAgを含む[10]または[11]に記載の太陽電池。
[13]前記第2の金属はAlを含む[10]~[12]のいずれか1つに記載の太陽電池。
また、本発明のガラス組成物の製造方法は、導電性金属粉末と有機ビヒクルと混合してペースト化することにより、ファイヤースルー性が高くさらに半導体基板を劣化させることがない導電ペーストを得られるガラス組成物の製造方法を提供する。
また、本発明の導電ペーストは、ファイヤースルー性が高くさらに半導体基板を劣化させることがない。
また、本発明の太陽電池はファイヤースルー性が高くさらに半導体基板を劣化させることがない導電ペーストにより形成された電極を備える太陽電池であり、信頼性と生産性に優れる。
なお、本明細書において、ガラスの組成について「モル%」又は単に「%」というときは、酸化物基準のモル%を意味する。
また、本明細書において、実質的に含有しないとは、積極的には含有させないが、不可避不純物による混入を許容することを意味する。
<1.ガラス組成物>
まず、本発明において提供されるガラス組成物について説明する。
本発明のガラス組成物はモル%表示で、Bi2O3を3%以上19%以下、B2O3を20%以上70%以下、SiO2を1%以上30%以下、K2Oを3%以上20%以下、CaOを3%以上20%以下、BaOを1%以上20%以下含有し、実質的にPbOとCuOとを含まない。
なお、本発明のガラス組成物における各成分の含有量は、誘導結合プラズマ発光分析(ICP-AES:Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy)、または電子線マイクロアナライザ(EPMA:Electron Probe Micro Analyzer)分析の結果から求められる。
本発明のガラス組成物のBi2O3の含有量が3%未満であると、ガラス組成物の流動性が低下し、ガラス組成物と絶縁膜との反応性が低下する。したがって、本発明のガラス組成物のBi2O3の含有量は3%以上、好ましくは5%以上、より好ましくは8%以上である。
一方、本発明のガラス組成物のBi2O3の含有量が19%超であると、結晶化によりガラス組成物が得られない恐れがある。したがって、本発明のガラス組成物のBi2O3の含有量は19%以下、好ましくは15%以下、より好ましくは13%以下である。
本発明のガラス組成物のB2O3の含有量が20%未満であると、ガラス組成物の安定性が低下してガラス化できない恐れがあり、また、上記の半導体基板とガラス組成物の反応の促進効果が十分に得られない恐れがある。したがって、本発明のガラス組成物のB2O3の含有量は20%以上、好ましくは25%以上、より好ましくは35%以上である。
一方、本発明のガラス組成物のB2O3の含有量が70%超であると、ガラス組成物の耐候性が劣化する恐れがある。したがって、本発明のガラス組成物のB2O3の含有量は70%以下、好ましくは60%以下、より好ましくは55%以下である。
本発明のガラス組成物のSiO2の含有量が1%未満であると、結晶化によりガラス組成物が得られない恐れがある。したがって、本発明のガラス組成物のSiO2の含有量は1%以上、好ましくは3%以上である。
一方、本発明のガラス組成物のSiO2の含有量が30%超であると、ガラス転移点が高くなり、ガラス組成物が流動しにくくなる恐れがある。したがって、本発明のガラス組成物のSiO2の含有量は30%以下、好ましくは20%以下、より好ましくは10%以下である。
本発明のガラス組成物のK2Oの含有量が3%未満であると、ガラス転移点が高くなり、ガラスが流動しにくくなる恐れがある。したがって、本発明のガラス組成物のK2Oの含有量は3%以上、好ましくは5%以上、より好ましくは8%以上である。
一方、本発明のガラス組成物のK2Oの含有量が20%超であると、結晶化によりガラス組成物が得られない恐れがある。したがって、本発明のガラス組成物のK2Oの含有量は20%以下、好ましくは18%以下である。
本発明のガラス組成物のCaOの含有量が3%未満であると、絶縁膜の貫通が不十分となる恐れがある。したがって、本発明のガラス組成物のCaOの含有量は3%以上、好ましくは4%以上である。
一方、本発明のガラス組成物のCaOの含有量が20%超であると、結晶化によりガラス組成物が得られない恐れがある。したがって、本発明のガラス組成物のCaOの含有量は20%以下、好ましくは18%以下である。
本発明のガラス組成物のBaOの含有量が1%未満であると、ガラス転移点が高くなり、ガラス組成物が流動しにくくなる恐れがある。したがって、本発明のガラス組成物のBaOの含有量は1%以上、好ましくは4%以上である。
一方、本発明のガラス組成物のBaOの含有量が20%超であると、結晶化によりガラス組成物が得られない恐れがある。したがって、本発明のガラス組成物のBaOの含有量は20%以下、好ましくは18%以下、より好ましくは15%以下である。
一方、本発明のガラス組成物をガラス化しやすくするためには、本発明のガラス組成物にSrO、およびZnOから選ばれる少なくとも1種を含有させる場合の含有量は、合計で15%以下が好ましく、13%以下がより好ましい。
したがって、本発明のガラス組成物にはPbOを添加しない。すなわち、本発明のガラス組成物はPbOを実質的に含有しない。なお、本発明のガラス組成物にはPbOが不純物として含まれる場合がある。本発明のガラス組成物のPbOの含有量は、好ましくは0.1%以下である。
したがって、本発明のガラス組成物にはCuOを添加しない。すなわち、本発明のガラス組成物はCuOを実質的に含有しない。なお、本発明のガラス組成物にはCuOが不純物として含まれる場合がある。本発明のガラス組成物のCuOの含有量は、好ましくは0.1%以下である。
例えば本発明のガラス組成物は、後述の第1のガラス組成物と第2のガラス組成物を、平均組成が上記の組成範囲の条件を満足するように混合した混合物であってもよい。本発明のガラス組成物が後述の第1のガラス組成物と第2のガラス組成物の混合物である場合、第1のガラス組成物と第2のガラス組成物の混合割合は、質量比で80:20~40:60が好ましく、75:25~45:55がより好ましい。
本発明のガラス組成物が粉状である場合は、体積基準の50%粒径D50が0.5μm以上10μm以下であることが好ましい。D50が0.5μm以上であると、ペースト化される際の分散性が向上する。D50が10μm以下であると、本発明のガラス組成物を含むペースト内において導電性金属粉末の周りにガラスが存在しない個所が発生しにくくなり、得られる電極と半導体基板との接着性が特に良好になる。D50は、より好ましくは7.0μm以下である。
なお、本明細書においてD50は、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置を用いて測定した粒径分布の累積粒度曲線において、その積算量が体積基準で50%を占めるときの粒径を意味する。
例えば、粉状のガラス組成物を得たい場合は、乾式粉砕法や湿式粉砕法によってガラス組成物を粉砕すればよい。湿式粉砕法の場合、溶媒として水を用いることが好ましい。粉砕は、例えばロールミル、ボールミル、ジェットミル等の粉砕機を用いて行うことができる。また、粉砕後に必要に応じて分級することにより、粉状のガラス組成物の粒径(D50)を調整することができる。
次に、本発明において提供されるガラス組成物の製造方法(以下「本発明の製造方法」ともいう)について説明する。
本発明の製造方法は、酸化物基準のモル%表記でB2O3を35%以上60%以下、K2Oを1%以上40%以下、CaOを3%以上30%以下、BaOを2%以上25%以下、SiO2を5%以上10%以下含有し、実質的にPbOとCuOとを含まない第1のガラス組成物と、酸化物基準のモル%表記で、Bi2O3を5%以上60%以下、B2O3を15%以上80%以下含有し、実質的にPbOとCuOとを含まない第2のガラス組成物とを混合する工程を含む。
なお、本発明の製造方法は、<1.ガラス組成物>の欄において説明した本発明のガラス組成物を製造する方法に限定されず、本発明のガラス組成物に包含されないガラス組成物を製造する方法も包含する。
一方、第1のガラス組成物のB2O3の含有量が60%超であると、本実施形態のガラス組成物の耐候性が劣化する恐れがある。したがって、第1のガラス組成物のB2O3の含有量は60%以下、好ましくは58%以下、より好ましくは55%以下である。
一方、第1のガラス組成物のK2Oの含有量が40%超であると、結晶化によりガラス組成物が得られない恐れがある。したがって、第1のガラス組成物のK2Oの含有量は40%以下、好ましくは35%以下、より好ましくは25%以下である。
一方、第1のガラス組成物のCaOの含有量が30%超であると、結晶化によりガラス組成物が得られない恐れがある。したがって、第1のガラス組成物のCaOの含有量は30%以下、好ましくは28%以下、より好ましくは25%以下である。
一方、第1のガラス組成物のBaOの含有量が25%超であると、結晶化によりガラス組成物が得られない恐れがある。したがって、第1のガラス組成物のBaOの含有量は25%以下、好ましくは20%以下である。
一方、第1のガラス組成物のSiO2の含有量が10%超であると、ガラス転移点が高くなり、ガラス組成物が流動しにくくなる恐れがある。したがって、第1のガラス組成物のSiO2の含有量は10%以下、好ましくは9%以下である。
一方、第2のガラス組成物のBi2O3の含有量が60%超であると、結晶化によりガラス組成物が得られない恐れがある。したがって、第2のガラス組成物のBi2O3の含有量は60%以下、好ましくは55%以下である。
一方、第2のガラス組成物のB2O3の含有量が80%超であると、本実施形態のガラス組成物の耐候性が劣化する恐れがある。したがって、第1のガラス組成物のB2O3の含有量は80%以下、好ましくは70%以下である。
また、本発明の製造方法の混合工程では、本発明の効果を奏する範囲で、第1及び第2のガラス組成物に加え更にその他のガラス組成物を混合させてもよい。
次に、本発明において提供される導電ペーストについて説明する。
本発明の導電ペーストは、<1.ガラス組成物>の欄において説明したガラス組成物の粉末(以下、「本発明のガラス粉末」ともいう)と、導電性金属粉末と、有機ビヒクルとを含有する。
すなわち、本発明の導電ペーストは、酸化物基準のモル%表記で、Bi2O3を3%以上19%以下、B2O3を20%以上70%以下、SiO2を1%以上30%以下、K2Oを3%以上20%以下、CaOを3%以上20%以下、BaOを1%以上20%以下含有し、実質的にPbOとCuOとを含まないガラスの粉末と、導電性金属粉末と、有機ビヒクルとを含有する導電ペーストである。
導電性金属粉末のD50は、凝集の抑制及び分散性の向上のために1~10μmが好ましい。
一方、ガラス粉末の含有量を導電性金属粉末100質量部に対して15質量部以下、より好ましくは10質量部以下とすることにより、得られる電極の電気抵抗が小さくなる。
ガラス粉末のD50は、凝集の抑制及び分散性の向上のために0.5μm以上が好ましく、1.0μm以上がより好ましく、また、10μm以下が好ましく、5.0μm以下がより好ましい。
一方、本発明の導電ペーストにおける有機ビヒクルの含有量は、導電ペースト全量に対して30質量%以下とすると導電ペーストの固形分の含有割合が好適な範囲となり、十分な塗布膜厚が得られやすいため好ましい。
一方、導電ペーストにおける、無機酸化物の含有量をガラス粉末100質量部に対して3質量部以上、好ましくは5質量部以上とすると、無機酸化物添加による効果(電極と半導体基板との電気抵抗抑制)を得られやすい。
本発明の導電ペーストを用いて形成した電極、具体的には、半導体基板上に焼付けられた電極を具備する製品としては、太陽電池、ダイオード素子、トランジスタ素子、サイリスタ等が挙げられる。本発明の導電ペーストは、太陽電池の製造において、絶縁膜付き半導体基板上にファイヤースルーにより絶縁膜を部分的に貫通して半導体基板に接触する電極を形成するのに特に好適である。例えば、p型Si基板を用いたPERC太陽電池の裏面電極、n型Si基板を用いたPERT(Passivated Emitter, Rear Totally diffused)太陽電池の裏面電極、n型Si基板またはp型Si基板を用いた両面受光太陽電池の、p層またはp+層側に設けられた電極、バックコンタクト型太陽電池の一方の電極の形成に好適である。
次に、本発明において提供される太陽電池について説明する。
本発明の太陽電池は、<3.導電ペースト>の欄において説明した導電ペーストにより形成された電極を具備する。
本発明の太陽電池においては、電極の少なくとも1つが、本発明の導電ペーストを用いて、ファイヤースルーにより、絶縁膜を部分的に貫通して半導体基板に接触する形に設けられた電極であることが好ましい。
実施例および比較例のガラス組成物の製造に使用する第1のガラス組成物、比較例用のガラス組成物、第2のガラス組成物として、表1~3に示す組成、特性を有するガラス粉末を製造した。すなわち、表1~3に示す組成となるように原料粉末を配合、混合し、1000~1300℃の電気炉中で白金ルツボを用いて30分~1時間溶融し、薄板状ガラスを成形した後、この薄板状ガラスをボールミルでD50が所定の範囲(0.5~10μm)となるように乾式粉砕し、150メッシュの篩にて粗粒を除去した。
ガラス転移点は、示差熱分析(DTA)により、発熱-吸熱量を示すDTA曲線の変曲点を用いて求めた。
(D50)
例1~13、例21~24のガラス粉末0.02gをイソプロピルアルコール60ccに混ぜ、超音波分散により1分間分散させた。その後マイクロトラック測定機に試料を投入し、体積基準の50%粒径であるD50の値を測定した。
上記で得られた第1のガラス粉末(G1~G9)、比較例用のガラス粉末(G10~G13)および第2のガラス粉末(G21~G24)を用いて、表4~表6に組成を示す例31~46、例51~53のガラス組成物(ガラス粉末)を製造した。例31~46のガラス粉末については、表4および表5に示す第1のガラス粉末または比較例用のガラス粉末と、第2のガラス粉末を質量比1:1で混合して製造した。例51~53のガラス粉末については、第1のガラスG7と第2のガラスG21を表6に示す割合で混合し製造した。各例において、混合はVミキサーにより1時間行った。
例31~46、例51~53のガラス粉末を用いて、Al電極形成用導電ペーストを製造し、電極形成時の絶縁膜貫通性を評価した。この際、絶縁膜は窒化珪素層と酸化アルミニウム層の2層からなるものを用いた。その結果を表4~表6に示す。
例31~46、例51~53のガラス粉末を含有するAl電極形成用導電ペーストを以下の方法で作製した。
上記で作製したAl電極形成用導電ペーストをそれぞれ用いて、以下のようにして半導体基板上に絶縁膜(窒化珪素層と酸化アルミニウム層から成る2層膜)を介してAl電極を形成し、その際の絶縁膜貫通性について評価した。
上記で得られた、p型層側に絶縁膜(窒化珪素層と酸化アルミニウム層から成る2層膜)を介して形成されたAl電極を有するp型Si半導体基板とAl電極との接触抵抗Rc[Ω]を評価した。接触抵抗Rc[Ω]は、図2のパターンP1にテスターの陽極側を固定させて、パターンP2、P3、P4、P5のそれぞれの位置にテスターの陰極側を当てて電気抵抗を測定し、接触抵抗Rc[Ω]と、シート抵抗成分Rs[Ω]とを分離させることにより求めた。
また、上記で得られた、p型層側に絶縁膜(窒化珪素層と酸化アルミニウム層から成る2層膜)を介して形成されたAl電極を有するp型Si半導体基板を、塩酸(塩化水素の35~38%水溶液)と水を1:1の質量比で混合した水溶液中に24時間浸して、該基板からAl電極を除去した。その後、光学顕微鏡(500倍)により絶縁膜が除去されているかどうかを確認し、貫通性を以下の基準により評価した。
×;絶縁膜が除去されている箇所が確認できなかった。
上記例31~46のガラス粉末をそれぞれ含有するAl電極形成用導電ペーストを用いて製造した太陽電池の変換効率を、ソーラシミュレータ(共進電機社製、KSX-3000H)を用いて測定した。具体的には、ソーラシミュレータに太陽電池を設置し、分光特性AM1.5Gの基準太陽光線によって、JIS C8904-9(2017年)に準拠して電流電圧特性を測定して、各太陽電池の変換効率を導き出した。得られた変換効率[%]の結果を表4および表5に併せて示す。
比較例である例42はCuOを含むため、これを用いて得られた太陽電池は、実施例である例31~41を用いて得られた太陽電池と比較して、変換効率が割合として10%程度低かった。また、貫通性に劣る比較例である例43~46を用いて得られた太陽電池は、実施例である例31~41を用いて得られた太陽電池と比較して、顕著に変換効率が低かった。
Claims (13)
- 酸化物基準のモル%表記で、
Bi2O3を3%以上19%以下、
B2O3を20%以上70%以下、
SiO2を1%以上30%以下、
K2Oを10.1%以上20%以下、
CaOを3%以上20%以下、
BaOを1%以上20%以下、
PbOを0.1%以下、
CuOを0.1%以下、
含有するガラス組成物。 - さらに、酸化物基準のモル%表記で、SrO、およびZnOから選ばれる少なくとも1種を合計で0%以上15%以下含有する請求項1に記載のガラス組成物。
- 酸化物基準のモル%表記で、
B2O3を35%以上60%以下、
K2Oを1%以上40%以下、
CaOを3%以上30%以下、
BaOを2%以上25%以下、
SiO2を5%以上10%以下、
PbOを0.1%以下、
CuOを0.1%以下含有する第1のガラス組成物と、
酸化物基準のモル%表記で、
Bi2O3を5%以上60%以下、
B2O3を15%以上80%以下、
PbOを0.1%以下、
CuOを0.1%以下含有する第2のガラス組成物と
を混合する工程を含む、請求項1に記載のガラス組成物の製造方法。 - 前記第1のガラス組成物が、さらに酸化物基準のモル%表記でSrOを0%以上15%以下含有する請求項3に記載のガラス組成物の製造方法。
- 前記第2のガラス組成物が、さらに酸化物基準のモル%表記でZnOを0%以上30%以下含有する請求項3または4に記載のガラス組成物の製造方法。
- 前記第1のガラス組成物と前記第2のガラス組成物の混合割合が質量比で80:20~40:60である請求項3~5のいずれか1項に記載のガラス組成物の製造方法。
- 請求項2に記載のガラス組成物の製造方法である、請求項3~6のいずれか1項に記載のガラス組成物の製造方法。
- 酸化物基準のモル%表記で、Bi2O3を3%以上19%以下、B2O3を20%以上70%以下、SiO2を1%以上30%以下、K2Oを10.1%以上20%以下、CaOを3%以上20%以下、BaOを1%以上20%以下、PbOを0.1%以下、CuOを0.1%以下含有するガラスの粉末と、導電性金属粉末と、有機ビヒクルとを含有する導電ペースト。
- 請求項8に記載の導電ペーストを用いて形成された電極を具備する太陽電池。
- 太陽光受光面を有するシリコン基板と、
前記シリコン基板の前記太陽光受光面に設けられた第1の絶縁膜と、
前記シリコン基板の前記太陽光受光面とは反対側の面に設けられた第2の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜の一部を貫通して前記シリコン基板に接触する第1の電極と、
前記第2の絶縁膜の一部を貫通して前記シリコン基板に接触する第2の電極と、
を備える太陽電池であって、
前記第1の電極は、Al、Ag、Cu、Au、PdおよびPtからなる群から選択される少なくとも1種を含む第1の金属と、第1のガラスとを含み、
前記第2の電極は、Al、Ag、Cu、Au、PdおよびPtからなる群から選択される少なくとも1種を含む第2の金属と、
酸化物基準のモル%表記で、
Bi2O3を3%以上19%以下、
B2O3を20%以上70%以下、
SiO2を1%以上30%以下、
K2Oを10.1%以上20%以下、
CaOを3%以上20%以下、
BaOを1%以上20%以下、
PbOを0.1%以下、
CuOを0.1%以下、
含有する第2のガラスを含む
太陽電池。 - 前記第2の電極は、前記第2の金属100質量部に対して、前記第2のガラスを0.1質量部以上15質量部以下含む請求項10に記載の太陽電池。
- 前記第2の金属はAgを含む請求項10または11に記載の太陽電池。
- 前記第2の金属はAlを含む請求項10~12のいずれか1項に記載の太陽電池。
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