JPH09246577A - 太陽電池の金属電極形成方法 - Google Patents
太陽電池の金属電極形成方法Info
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Abstract
真空プロセスが必要不可欠であり、太陽電池製造にかか
るコスト、タクトタイム双方の大幅な増加をもたらす要
因となるという問題があり、超微粒子分散ペースト法を
適用しても導電性接触が非常に取りにくいという問題が
ある。また、特に、ステンレスやポリイミド等の基板上
に薄膜太陽電池素子を形成する場合においては、薄膜太
陽電池素子の薄膜裏面金属電極にテクスチャー構造を設
ける必要があるが、複雑な工程を経る必要があるという
問題があった。 【解決手段】 基板上に、金属超微粒子を有機溶媒に分
散させた溶液を用いて下層電極層を形成し、前記下層電
極層を形成した溶液より金属含有濃度の高い溶液を用い
て上部電極層を形成することで、上記問題点を解決し
た。また、上記の方法において、300℃以上650℃
以下の温度で焼成することによって、容易にテクスチャ
ー構造を形成することができた。
Description
電極を形成する方法に関し、特に、薄膜太陽電池に薄膜
裏面金属電極を形成する方法に関する。
ては、真空処理プロセスと塗布プロセスが知られてい
る。表1に各種金属の薄膜金属電極形成方法の特徴を示
す。
背圧を真空にした後、形成した膜の密着性を高めるため
に基板を100〜200℃に加熱し、Ag、Al、Ti
等の金属を電子ビームもしくは高周波で加熱させる真空
蒸着法や、Ar等希ガスのプラズマで電極材料金属のタ
ーゲットをアノードとし、太陽電池素子もしくは太陽電
池を作製する基板をカソードとして、直流電源もしくは
交流電源を用いて、このアノード、カソード間にAr等
希ガスのプラズマを発生させ、アノードである電極材料
金属をプラズマ中のArイオン等でスパッタし、カソー
ドに薄膜金属電極を堆積させるスパッタ法が用いられて
いる。
ター等で電極金属のペーストを塗布し焼成する厚膜ペー
スト法、有機金属化合物を同様に塗布焼成するMOC
(Metallo Organic Compoun
d)法、SHM会誌Vol.11,pp28〜32に記
載されている”超微粒子を用いた低温焼成ペースト”が
ある(以下、超微粒子分散ペースト法と記す)。超微粒
子分散ペースト法は、N、H、C、Oで構成される分子
量100〜200程度の低分子有機溶媒を用いるため、
また、独立分散させた0.03μm以下の粒径の金属超
微粒子を用いるため低温で焼成が可能である。
電極は、光電変換半導体層で吸収されずに透過した入射
光を薄膜裏面金属電極で反射させ、その反射光も光電変
換半導体層に吸収させることによって光電変換効率の向
上が図られている。このため、光電変換半導体層での光
の吸収量を増加させるためには入射光の光路長を長くす
ればよく、そのためにはテクスチャー構造が必要とな
る。結晶半導体層を使用している場合であれば、薬品に
よるエッチングや光入射側の表面に機械加工で数10μ
m程度のグルーブを形成することで容易にテクスチャー
構造が得られる。しかし、厚さ1μm程度のアモルファ
ス半導体層や厚さ数10μmの多結晶薄膜半導体層では
エッチング処理ができず、また、薄膜であるため機械加
工によるグルーブ形成も困難である。そこで、特開平4
−218977号公報に開示されているように蒸着やス
パッタリング時の温度条件を複雑に制御することで、薄
膜裏面金属電極にテクスチャー構造を形成する方法が提
起されている。
着法やスパッタ法では、蒸着金属を効率よく均一に蒸着
するため、また、形成された金属電極内への不純物の混
入を防ぐために、背圧10-5torr以上の高真空プロ
セスが必要不可欠であり、太陽電池製造にかかるコス
ト、タクトタイム双方の大幅な増加をもたらす要因とな
っており、太陽電池の量産化のための大きな障害となっ
ていた。
ト法では、粒径が1μm程度であるため、コスト低減の
ため大面積に均一なサブミクロンオーダーの薄膜形成が
必要な太陽電池の金属電極形成法としては適用が困難で
あり、その上、粒径が大きいため焼成温度が650℃以
上の高温であることが必要なので、太陽電池の素子効率
の低下を招くという問題があった。また、MOC法で
は、焼成温度は厚膜ペースト法と同様に650℃以上と
高いため、同様に素子効率低下の問題があるばかりでは
なく、不純物であるアルカリ、硫黄などを100ppm
オーダーで含み、これらの不純物の拡散が起こるため、
隣接する膜の膜質を悪化させるという問題があり、薄膜
太陽電池の薄膜金属電極形成には使用されていなかっ
た。
子分散ペースト法を用いて薄膜太陽電池の薄膜金属電極
形成工程に適用したところ、優れた比抵抗の特性を示し
たが、半導体層もしくは、透明導電膜上に形成する場合
には導電性接触が非常に取りにくいという課題がわかっ
た。表2に金属超微粒子を塗布焼成することで得られた
金属電極の比抵抗測定結果を示す。
30分間、350℃で30分間の焼成を行った。すべて
の加熱条件において、比抵抗値、バルク値とも非常に良
好な特性を示している。100℃の低温焼成においても
5時間の加熱することによって他の条件と同様の導電性
が得られた。
50℃、30分間で形成した薄膜裏面金属電極を有する
太陽電池の電流−電圧特性曲線を示す。図3は、薄膜裏
面金属電極と光電変換半導体層の間の導電性接触が取れ
ていないことを示している。
薄膜裏面金属電極で透過光を反射させて光路長を長くし
て吸収量を増加させているが、厚膜ペースト法を、用い
れば真空プロセスを用いて作製した金属電極に比べて金
属電極の反射率が大幅に低下し、そのため素子効率を低
下させるという問題もあった。特に、ステンレスやポリ
イミド等の基板上に太陽電池素子を形成する場合におい
ては、Ti、Al、Ag等の薄膜裏面金属電極にサブミ
クロンから数ミクロン程度のテクスチャー構造を形成す
る必要があり、特開平4−218977号公報に記載さ
れているように蒸着やスパッタ時の温度を複雑に変化さ
せるので、工程を複雑化することが必要であった。
金属電極形成方法は、金属超微粒子を有機溶媒に分散さ
せた溶液を用いて塗布焼成を行い、下層電極層を形成
し、その上に、前記下層電極層形成に用いた溶液より金
属超微粒子の含有濃度が同じあるいはより高い濃度の溶
液を用いて塗布焼成を行い、上層電極層を形成すること
を特徴とする。
℃以下の温度で焼成することで、金属電極にテクスチャ
ー構造を形成することを特徴とする。
成方法では、電極層を多層に積層することを特徴として
いる。
上に、薄膜太陽電池の薄膜裏面電極を形成する場合を挙
げる。図1に形成された太陽電池の断面図を示す。1は
薄膜裏面金属電極、2は光電変換半導体層、3は透明導
電膜電極である。
する。
O2からなる透明導電膜電極3を常圧CVD法あるいは
スパッタ法でよって、基板温度500〜600℃で1m
m程度の厚みで製膜する。透明導電膜電極3は、SnO
2だけでなく、ZnO等でも構わない。
レーザーパターニング法を用いて分割した後、例えば原
料ガスをSiH4,GeH4,CH4,B2H6,PH4,H
2等を用いてプラズマCVD法で光電変換半導体層2と
してアモルファス層もしくは薄膜多結晶層を数百nmか
ら数十μm程度堆積させ、単層構造もしくはタンデム等
の多層構造を形成する。
層、b層、i層、n層のアモルファス層からなる場合を
説明する。プラズマCVD法によって、例えばp層では
SiH4/B2H6/CH4/H2=100/1/20/2
00,全流量200sccm,圧力0.3torr,パ
ワー密度0.4W/cm2,b層ではSiH4/CH4/
H2=100/20/200,全流量200sccm,
圧力0.3torr,パワー密度0.45W/cm2,
i層ではSiH4/H2=1/8,全流量200scc
m,圧力0.5torr,パワー密度0.5W/c
m2,n層ではSiH4/PH4/H2=5/1/10,全
流量300sccm,圧力0.5torr,パワー密度
0.5W/cm2の条件で成膜を行う。
積させた後、入射光の光路長を増加させるため、さらに
アモルファス層及び薄膜多結晶層と屈折率の異なる酸化
物系の透明導電膜電極を数十〜数百nm程度この上に作
製しても良い。
透明導電膜電極3を分割した方法と同様の方法でセル毎
に分割した後、100〜200程度の低分子量の有機系
溶媒としてα−テルピネオールにAgの金属超微粒子を
分散させた溶液を、スピンコート法を用いて形成する。
本実施の形態では、有機系溶媒としてα−テルピネオー
ルを使用したがトルエン、キシレンなど他の低分子量の
有機系溶媒を用いてもかまわない。また、金属超微粒子
は、平均粒径0.01μmで0.03〜0.005μm
の範囲の粒径のものを使用した。最初に、超微粒子の粘
度を10cpsとした溶液で30nm程度の薄膜金属電
極を塗布した後、一度250℃,5分間焼成を行ない、
下層電極層を形成する。次に80cps程度の溶液を塗
布した後、250℃で30分以上焼成し、薄膜裏面金属
電極1を300nm〜1000nmの厚さに形成する。
尚、同一の有機溶媒中では、超微粒子の含有重量濃度が
大きくなると、粘度も高くなる。本実施例で用いた粘度
10cpsの溶液は、3.5%の濃度の金属超微粒子を
含有し、80cpsの溶液では30%含有する。
コート法、スクリーン印刷法等で行うこともできるが、
好ましくはスピンコート法であった。また、スクリーン
印刷法を用いるときは、低濃度の溶液で下層電極層を形
成した後、マスクだれを防ぎ、また印刷によるかすれが
生じないようにするため、比較的粘度の高い溶媒、例え
ばECR(エチレングリコールモノエチルエーテルアセ
テート)等に、金属超微粒子を分散させた溶液を使用し
て粘度を10000cps程度まで上げてスクリーン印
刷を行う。これを100〜250℃で良好な導電性が確
保されるまで、好ましくは250℃で30分以上焼成
し、薄膜裏面金属電極を形成する。
常圧で十分である。また焼成方法もオーブン等を用いれ
ばよいが、さらに作製された金属電極の伝導性と反射率
をより高めるためにホットプレートを用いて透明導電膜
電極1側から加熱することが、より効果的である。以上
の方法により、真空プロセスを用いないで容易に良好な
導電性を有する薄膜裏面金属電極1が形成できる。
素子の電流−電圧特性を示す。図4から素子の導電性接
触が通常の高真空プロセスを用いて作製した電極を用い
た場合と同様に小さいことが示されている。また、反射
率も厚膜ペースト法を用いて作製した電極と比較して3
0%程度向上した。従って、本発明に係る金属電極形成
方法を用いた金属電極は、太陽電池素子に対して適用し
ても支障ないことが確認できた。
金属超微粒子としてAgを用いたが、Al、Ti等他の
金属を用いても良い。
てテクスチャー構造をもつ薄膜裏面金属電極1をステン
レスやポリイミドの基板上に形成する場合について述べ
る。図2にテクスチャー構造を持つ薄膜金属電極を有す
る太陽電池の構造図を示す。図1と同一部材には、同一
符号を付す。
cps、150cps、1000cpsのAg超微粒子
分散溶液を噴霧法により各1層ずつ順次塗布焼成を行
う。温度は300℃以上、望ましくは350℃で30分
以上の焼成を行うことにより、良好な電気伝導性を示す
だけでなく、0.5μm程度のテクスチャー構造が得ら
れる。
が、不純物の混入による比抵抗の上昇が起こるため、温
度を上げていく時には、焼成雰囲気を制御する必要があ
る。例えば、350℃程度までは、真空プロセスを用い
る必要はないが、650℃以上では真空プロセスと同様
10-5torr程度まで真空度を上げてやることが必要
である。これ以上の温度では、更に高真空度が必要と思
われるのでコスト的にメリットが少ない。
凹凸構造を形成でき、よりテクスチャー構造を得易いた
めであるが、とくに、この方法に限定されるものではな
く、塗布法、ディプコート法を用いてもよい。
するには、この上に1000cpsの高濃度の層を更に
数回積層する必要があり、逆に所望のテクスチャー構造
の凹凸が0.1μm程度の場合には、粘度85cps程
度の溶液を2層形成するだけで可能である。つまり、所
望のテクスチャー構造の凹凸の大きさを得るためには、
適宜使用する超微粒子分散ペーストの溶液の濃度と、積
層回数を選択するだけでよい。
金属電極1の上に、実施の形態1と同様の方法で光電変
換半導体層2、透明導電膜電極3を形成する。以上によ
って、太陽電池素子が形成される。
性は、平坦なセル構造に比べて光路長が増加したことに
よる出力電流の増加が見られた。
子を有機系溶媒に分散させた溶液を塗布し、100〜2
50℃の低温で焼結することで高真空プロセスを用いず
に、反射率、導電率共に高い大面積で均一な金属電極を
複数回形成することができる。また、300℃以上で焼
結することで、反射率、導電率が共に高く表面に数ミク
ロンからサブミクロン程度のテクスチャー構造を有した
金属電極を形成することができる。本発明に係る電極形
成方法を用いることによって、コスト、タクトタイムと
も大幅な低減が図ることができ、大面積に均一形成が容
易な反射率、導電率双方とも高い薄膜金属電極を形成す
ることができる。また、積層回数を適宜選択することに
よって、所望のテクスチャー構造の凹凸の大きさを得る
ことができる。
ト法を用いた太陽電池の構成図である。
する太陽電池の構成図である。
極を用いた太陽電池の電流−電圧特性である。
面金属電極を用いた太陽電池の電流−電圧特性である。
Claims (3)
- 【請求項1】 太陽電池の金属電極を形成する工程にお
いて、 金属超微粒子を有機溶媒に分散させた溶液を用いて塗布
焼成を行い、下層電極層を形成し、前記下層電極層の形
成に用いた溶液より金属超微粒子の含有重量濃度が同じ
あるいはより高い濃度の溶液を用いて塗布焼成を行い、
上層電極層を形成することを特徴とする太陽電池の金属
電極形成方法。 - 【請求項2】 300℃以上650℃以下の温度で焼成
することで、テクスチャー構造を形成することを特徴と
する請求項1に記載の太陽電池の金属電極形成方法。 - 【請求項3】 さらに前記上層電極層の上に、前記上層
電極層の形成に用いた溶液より金属超微粒子の含有重量
濃度が同じまたはより高い溶液を用いて塗布焼成を繰り
返し、電極層を複数回積層することを特徴とする請求項
1、2に記載の太陽電池の金属電極形成方法。
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