JPWO2012115006A1 - スクリーンおよび太陽電池の製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明のスクリーン(21,31,41)は、電極(4)に対応した開口部を有するマスク部材(23,33,43)を備える。電極パターンは所定の方向に向かうにつれて線幅が狭くなるように形成され、マスク部材(23,33,43)は所定の方向に向かうにつれて厚さが薄くなるように形成されている。

Description

本発明は、スクリーンおよび太陽電池の製造方法に関し、特に、太陽電池の電極の形成方法に関する。
太陽光エネルギを電気エネルギに直接変換する太陽電池は、近年、特に地球環境問題の観点から、次世代のエネルギ源としての期待が急速に高まっている。太陽電池としては、化合物半導体材料からなる太陽電池または有機材料からなる太陽電池など種々の太陽電池があるが、現在、主流の太陽電池は、シリコン結晶材料からなる太陽電池である。
図8〜図10は、従来の太陽電池101の構成の一例を示す。図8は従来の太陽電池101の断面図であり、図9および図10に示すVIII−VIII線における断面図である。図9は、従来の太陽電池101を受光面側から見たときの平面図であり、図10は、従来の太陽電池101を、受光面側とは反対側である裏面側から見たときの平面図である。なお、本明細書において、シリコン基板よりも入射光側を受光面側と記し、受光面側とは反対側を裏面側と記す。
図8〜図10に示す太陽電池101では、p型シリコン基板(半導体基板)102の受光面側にn型拡散層103が形成され、p型シリコン基板102の受光面上に窒化シリコン膜等の反射防止膜104および受光面側銀電極110がそれぞれ形成されている。
受光面側銀電極110は、図9に示すように集電極105とサブグリッド電極109とからなり、図8に現れている受光面側銀電極110は、集電極105である。ここで、サブグリッド電極は、発生したキャリアを収集するための電極である。集電極は、サブグリッド電極で収集したキャリアをさらに集めるとともに、太陽電池同士を接続する際に用いるインターコネクタに接続される電極である。
p型シリコン基板102の裏面側には、p+層であるBSF(Back Surface Field)層106が形成されている。そして、p型シリコン基板102の裏面上には、アルミニウム電極107および裏面側銀電極108がそれぞれ形成されている。また、太陽電池の変換効率を高めるために、p型シリコン基板102の受光面にテクスチャ構造と呼ばれる凹凸形状を形成する(図示せず)場合もある。
図8〜図10に示す太陽電池101では、受光面側銀電極110がp型シリコン基板102の受光面上に形成されているので、受光面側銀電極110において光の反射および吸収が起こる。よって、p型シリコン基板102の受光面における受光面側銀電極110の面積に相当する領域に入射される光の強度分だけ、入射光の強度が減少する。ここで、集電極105には、インターコネクタの幅と同程度の幅が必要となる。そのため、入射光の減少を防止するためにサブグリッド電極109の幅を狭くすることが検討されている。
図11は、特許文献1に示されている太陽電池の斜視図である。特許文献1(特開平6−283736号公報)に記載の太陽電池では、p型半導体基板301の上面側にはn型半導体層302が形成されており、n型半導体層302の上面上には受光面電極304および表面主電極305が形成されている。p型半導体基板301の下面側にはp-型半導体層303が形成されており、p-型半導体層303の下面上には裏面側電極306が形成されている。特許文献1には、受光面電極304が表面主電極305に接続されていること、および受光面電極304は当該受光面電極304の先端から表面主電極305に向かうにつれて断面積が大きくなるように形成されていることが記載されている。また、特許文献1には、フォトリソグラフィーおよび酸エッチングにより、n型半導体層302の上面のうち受光面電極304が形成される領域内の反射防止膜および酸化膜を除去した後、リフトオフ法により、n型半導体層302の上面上に受光面電極304を形成することも記載されている。
一方、太陽電池を量産するにあたって、受光面側銀電極を効率的に形成する方法としては、導電性ペーストである銀ペーストを用いたスクリーン印刷法が知られている。ここで、スクリーン印刷法について図12を用いて説明する。スクリーン印刷法とは、所定のパターンが形成されたスクリーン版201の上にペースト状の材料202を設け、スキージ203によりペースト状の材料202を基板205の上面に印刷するというものである。ここで、基板205は、フラットなステージ204上に保持されている。スクリーン版には、たとえばスクリーン紗などが設けられている。受光面側銀電極を形成するためのマスク部材には、乳剤からなる乳剤部または金属膜などが用いられる。
図13(a)〜(b)には銀ペーストをスクリーン印刷法にて印刷するためのスクリーン版を示しており、図13(a)はスクリーン版401を上から見た平面図であり、図13(b)は図13(a)に示すXIIIB−XIIIB線における断面図である。スクリーン版401はスクリーン紗402と乳剤部403とを備える。シリコン基板404は、図13(b)に示すように乳剤部403よりも下に置かれる。銀ペーストは、スクリーン紗402の上に設けられ、スキージによりスクリーン紗402を通過する。ここで、乳剤部403は一定の厚さd3を有し、電極パターンに対応するスクリーン紗の下側には形成されていない。これにより、銀ペースト(厚さd3)がシリコン基板404の上面に印刷される。スクリーン印刷法により銀ペーストを印刷した後に熱処理を行なうことにより、受光面側銀電極が形成される。
特開平6−283736号公報(平成6年10月7日公開)
特許文献1に記載の太陽電池が備える受光面側銀電極をスクリーン印刷法で形成するためには、集電極からサブグリッド電極の先端に向かうにつれて電極幅が狭くなるようにサブグリッド電極を形成する必要がある。しかし、電極幅が狭い箇所では、電極がパターンどおりに印刷されず、印刷がかすれるなどの不具合が生じることがあった。
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、スクリーン印刷法を用いて電極幅が先端に向かうにつれて狭くなるように電極を形成する場合であっても、印刷後の電極にかすれなどが発生することを防止可能なスクリーンの提供にある。
本発明のスクリーンは、太陽電池の電極を形成する際に用いられ、電極に対応した開口部を有するマスク部材を備える。開口部は、所定の方向に向かうにつれて線幅が狭くなるように形成され、マスク部材は、所定の方向に向かうにつれて厚さが薄くなるように形成されている。ここで、「所定の方向」とは、電極または電極に対応してマスク部材に形成された開口部の幅が広い部位から狭い部位へ向かう方向である。後述の実施形態では、「所定の方向」は、電極または電極に対応してマスク部材に形成された開口部の先端へ向かう方向であり、電極が集電極と集電極から延在されたサブグリッド電極とを有する場合にはサブグリッド電極またはサブグリッド電極に対応してマスク部材に形成された開口部の先端へ向かう方向である。
マスク部材は、乳剤からなっても良いし、めっき箔であっても良いし、金属板であっても良い。
本発明の第1の太陽電池の製造方法は、半導体基板に電極を形成する工程を含む。電極を形成する工程は、スクリーンを用いて半導体基板に導電性ペーストを塗布する工程と、導電性ペーストが塗布された半導体基板を熱処理する工程とを備える。スクリーンは、電極に対応した開口部を有するマスク部材を備え、開口部は、所定の方向に向かうにつれて線幅が狭くなるように形成され、マスク部材は、所定の方向に向かうにつれて厚さが薄くなるように形成されている。
本発明の第1の太陽電池の製造方法では、電極は、集電極と、集電極から延在されたサブグリッド電極とを有することが好ましい。所定の方向は、サブグリッド電極の先端に向かう方向であることが好ましい。
本発明の第2の太陽電池の製造方法は、半導体基板に電極を形成する工程を含む。電極を形成する工程は、スクリーンを用いて半導体基板に導電性ペーストを塗布する工程と、導電性ペーストが塗布された半導体基板を熱処理する工程とを備える。電極は、所定の方向に向かうにつれて線幅が狭くなるようにかつ厚さが薄くなるように形成されている。
本発明の第2の太陽電池の製造方法では、電極は、集電極と集電極から延在されたサブグリッド電極とを有することが好ましい。所定の方向は、サブグリッド電極の先端に向かう方向であることが好ましい。
導電性ペーストは、銀ペーストであることが好ましい。
電極は、半導体基板の受光面上に形成されることが好ましい。
本発明によれば、スクリーン印刷法を用いて電極幅が電極の先端に向かうにつれて狭くなるように電極を形成する場合であっても、印刷後の電極にかすれなどが発生することを防止可能である。
本発明の太陽電池の一例を受光面側から見たときの平面図である。 本発明の太陽電池の製造方法を工程順に示すフロー図である。 乳剤からなるマスク部材を備えたスクリーンの平面図および断面図である。 サスペンドメタルマスクを備えたスクリーンの平面図、断面図および拡大図である。 メタルマスクを備えたスクリーンの平面図、断面図および拡大図である。 本発明のサブグリッド電極の先端部分の平面図である。 本発明のサブグリッド電極の先端部分の断面図である。 従来の太陽電池の構成の一例を示す断面図である。 図8に示す太陽電池を受光面側から見たときの平面図である。 図8に示す太陽電池を裏面側からみたときの平面図である。 従来の太陽電池の構成の一例を示す斜視図である。 スクリーン印刷法を説明するための断面図である。 従来のスクリーンの平面図および断面図である。
以下、本発明のスクリーンおよび太陽電池の製造方法について図面を用いて説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
図1は、本発明の太陽電池の一例を受光面側から見たときの平面図である。図1に示す太陽電池1では、受光面上に、受光面側銀電極4として集電極2とサブグリッド電極3とが形成されている。サブグリッド電極3は、集電極2から延在し、集電極2側から太陽電池1の外側へ向かうにつれてその電極幅が連続的に狭くなるテーパ形状に形成されている。図1に示す太陽電池1の断面図および裏面側から見た平面図は、それぞれ、図8および図10と同様である。つまり、本発明の太陽電池では、半導体基板の受光面側には第1導電型半導体層が形成されており、第1導電型半導体層の受光面上には反射防止膜および受光面側銀電極4が形成されている。半導体基板の裏面側には、アルミニウム電極を形成することにより第2導電型半導体層が形成されている。加えて、半導体基板の裏面上には、裏面側銀電極が形成されている。
以下に、本発明の太陽電池の製造方法の一例を示す。図2は、本発明の太陽電池の製造方法を工程順に示すフロー図である。まず、工程S1では、p型シリコン基板をエッチングすることにより、ダメージ層をp型シリコン基板から除去する。次に、工程S2では、リンの熱拡散により、太陽電池1の受光面となる面(以下「p型シリコン基板の受光面」という。)側にn型拡散層を形成し、プラズマCVD法により、n型半導体層の上面上に反射防止膜としての窒化シリコン膜を形成する。次に、工程S3では、銀ペーストを、スクリーン印刷法によりp型シリコン基板の裏面となる面(以下「p型シリコン基板の裏面」という。)の一部に印刷して乾燥させる。次に、工程S4では、アルミニウムペーストを、スクリーン印刷法によりp型シリコン基板の裏面のほぼ全面に印刷して乾燥させる。このとき、アルミニウムペーストが部分的に銀ペーストに重なるように、当該アルミニウムペーストをp型シリコン基板の裏面に印刷する。次に、工程S5では、図1に示すパターンの受光面側銀電極が反射防止膜の上に形成されるように、銀ペーストをスクリーン印刷法により印刷して乾燥させる。次に、工程S6では、熱処理を行なう。これにより、受光面側銀電極、裏面側銀電極、アルミニウム電極、およびBSF層が形成される。このとき、工程S5においてパターニングされた銀ペーストは反射防止膜を突き抜けてn型拡散層と接し、これにより、受光面側銀電極が形成される。このようにして、図1に示す太陽電池1が作製される。
<実施形態1>
実施形態1では、図2の工程S5における受光面側銀電極を形成するための銀ペーストの印刷工程および乾燥工程を示す。
図3(a)は、銀ペーストをスクリーン印刷法にて印刷するためのスクリーン版(スクリーン)21を上から見た平面図であり、図3(b)は、図3(a)に示すIIIB−IIIB線における断面図である。スクリーン版21は、スクリーン紗22と、乳剤部23とを備える。乳剤部23は、マスク部材として機能し、スクリーン紗22の下方に設けられ、集電極2に対応した電極パターン(集電極パターン)およびサブグリッド電極3に対応した電極パターン(サブグリッド電極パターン)を有する。具体的には、乳剤部23には、集電極2の平面形状と同形である開口部(集電極パターンに相当)と、サブグリッド電極3の平面形状と同形である開口部(サブグリッド電極パターンに相当)とが、形成されている。銀ペーストは、スクリーン紗22の上に設けられ、スキージにより、スクリーン紗22、さらには乳剤部23に形成された開口部を通過して、p型シリコン基板24(p型シリコン基板24は乳剤部23よりも下方に配置されている)の上面に印刷される。
ここで、集電極2からサブグリッド電極3の先端に向かうにつれて電極幅が狭くなるテーパ形状からなるサブグリッド電極3を印刷するための検討を行なった。なお、集電極2と集電極2との間に位置するサブグリッド電極3の幅および厚さは一定である。サブグリッド電極3のテーパ形状に合わせて、スクリーン版21に形成されるサブグリッド電極パターンの形状を当該サブグリッド電極パターンの先端に向かうにつれてパターン幅が狭くなるテーパ形状とし、さらに、乳剤部23の形状をサブグリッド電極パターンの先端に向かうにつれて厚さが連続的に薄くなるテーパ形状とした。このようなテーパ形状は、たとえば乳剤部23を1000番のサンドペーパーで複数回研磨することにより形成された。
そして、サブグリッド電極パターンの長手方向中央付近における乳剤部23の厚さ、および集電極パターン付近の乳剤部23の厚さをd1とし、サブグリッド電極パターンの先端における乳剤部23の厚さをd2とし、d1およびd2を変えて受光面側銀電極を形成し、得られた太陽電池1を評価した。
以下に、実施例1〜2および比較例1でのスクリーン版21のサブグリッド電極パターンの長手方向中央付近における電極幅、スクリーン版21のサブグリッド電極パターンの先端における電極幅、d1、およびd2を示す。なお、比較例1では、サブグリッド電極パターンの長手方向において乳剤部23の厚さを一定とした。
実施例1:中央:電極幅/乳剤厚(d1)→100μm/20μm
先端:電極幅/乳剤厚(d2)→70μm/8μm
実施例2:中央:電極幅/乳剤厚(d1)→100μm/20μm
先端:電極幅/乳剤厚(d2)→60μm/8μm
比較例1:中央:電極幅/乳剤厚(d1)→100μm/20μm
先端:電極幅/乳剤厚(d2)→70μm/20μm
上記条件にしたがって受光面側銀電極を形成し、図2に示す製造フローにしたがって図1に示す太陽電池1を作製した。そして、得られた太陽電池1の特性を評価した。表1にその結果を示す。
Figure 2012115006
表1において、中央は、スクリーン版21に形成されたサブグリッド電極パターンの長手方向中央付近を意味し、先端は、スクリーン版21に形成されたサブグリッド電極パターンの先端を意味する。乳剤厚は、乳剤部23の厚さを意味する。
表1において、Jscは短絡電流密度であり、Vocは開放電圧であり、FFは曲線因子であり、Pmは最大出力である。表1におけるJsc値、Voc値、FF値、およびPm値は、それぞれ、比較例1におけるJsc値、Voc値、FF値、およびPm値に対する比率である。また、表1におけるペースト使用量も、比較例1におけるペースト使用量に対する比率である。また、表1における先端の印刷後のパターン状態は、サブグリッド電極3の先端における印刷後のパターン状態を示し、表1における「A」は、サブグリッド電極3の先端における印刷後のパターン状態が良好であることを意味し、表1における「B」は、サブグリッド電極3の先端における印刷後のパターンにかすれが発生していることを意味する。ここで、表1における「B」とは、銀ペーストが乳剤部23の厚さ方向の途中まで入っていくがp型シリコン基板24の受光面にまで到達しない箇所が存在するため、印刷後の電極に部分的なかすれが発生したことを表している。
表1に示すように、実施例1〜2のいずれにおいても、サブグリッド電極3は、スクリーン21版に形成されたサブグリッド電極パターンの形状に対応した形状に形成された。具体的には、サブグリッド電極3の平面形状は、サブグリッド電極3の先端に向かうにつれて電極幅が狭くなるテーパ形状であった。また、サブグリッド電極3の厚さは、サブグリッド電極3の先端に向かうにつれて薄くなっていた(表1において「厚さ方向形状」が「テーパ」であることに相当する)。
表1に示すように、サブグリッド電極3の先端における印刷後のパターン状態については、実施例1〜2のいずれにおいても良好であったが、比較例1では部分的にかすれが発生した。太陽電池1の特性については、たとえばPm値については、実施例1では比較例1に対して2.1%改善し、実施例2では比較例1に対して2.4%改善した。ペースト使用量については、実施例1では比較例1に対して8%低減され、実施例2では比較例1に対して10%低減された。
スクリーン版21の乳剤部23の厚さがサブグリッド電極パターンの先端に向かうにつれて薄くなるように形成すれば、サブグリッド電極パターンの幅が狭い箇所では、銀ペーストが乳剤部23を通過する距離が短くなるので、スクリーン版からの銀ペーストの抜けが良くなる。したがって、サブグリッド電極3の幅が狭い箇所において印刷のかすれが発生することを防止でき、先端部分の幅が狭いサブグリッド電極3を正常に形成することが可能となる。これにより、太陽電池1の受光面に入射する太陽光が増加するので、太陽電池1の特性が向上する。この効果を有効に得るためには、サブグリッド電極3の先端を形成することとなる乳剤部23の厚さを、サブグリッド電極3の長手方向中央(たとえば集電極2と集電極2との間に位置するサブグリッド電極3)を形成することとなる乳剤部23の厚さの0.1倍以上0.99倍以下とすることが好ましく、サブグリッド電極3の長手方向中央を形成することとなる乳剤部23の厚さの0.2倍以上0.7倍以下とすることがより好ましい。
また、サブグリッド電極3の幅が狭い箇所が薄く形成されるので、受光面側銀電極を形成するためのペースト使用量も低減させることが可能になる。加えて、新たな設備を導入する必要はなくスクリーン版の構造を変更すれば、本実施形態における受光面側銀電極を形成することができる。
なお、サブグリッド電極3の電気抵抗による損失を抑えるためには、サブグリッド電極3の断面は大きいほうが望ましい。また、サブグリッド電極3が太陽電池1に入射する太陽光を遮ることを防止するためには、サブグリッド電極3の表面積は小さいほうが望ましい。これらのことから、サブグリッド電極3は、幅が狭く、かつ厚さが厚いことが望ましい。例えば、上記実施例1で使用したスクリーン版21において、ペーストの粘弾性を変化させてスクリーンの抜け性を良くした銀ペーストを使用した場合には、長手方向中央の電極幅/電極厚が115μm/21μmであり且つ先端の電極幅/電極厚が80μm/15μmであるサブグリッド電極3を形成することができた。
<実施形態2>
実施形態2では、図2の工程S5における受光面側銀電極を形成するための銀ペーストの印刷工程および乾燥工程の別の例を示す。
本実施形態では、銀ペーストをスクリーン印刷するためのスクリーン版として、サスペンドメタルマスク(マスク部材)を備えたスクリーン版(スクリーン)31を使用する。上記の実施形態1で使用したスクリーン版21は、スクリーン紗に乳剤を塗布し、乳剤が塗布されたスクリーン紗に電極パターンを形成することにより作製されたものである。これに対し、スクリーン版31は、Niめっき箔等の金属に電極パターンを形成し、その電極パターンをステンレスメッシュ等のスクリーン紗に張り付けて作製されたものである。マスク部材としてサスペンドメタルマスクを備えたスクリーン版は、耐久性が高いため当該スクリーン版の使用回数を増やせること、寸法安定性に優れること、およびペースト透過性に優れることなどの点から、近年多用されつつある。なお、Niの代わりにNi合金またはステンレスを用いてもよい。
図4(a)は、スクリーン版31を上から見た平面図であり、図4(b)は、図4(a)に示すIVB−IVB線における断面図であり、図4(c)は、図4(b)に示すIVC領域の拡大図である。スクリーン版31は、スクリーン紗32と、Niめっき箔部33とを備える。Niめっき箔部33は、マスク部材として機能し、スクリーン紗32の下方に設けられ、集電極2に対応した電極パターン(集電極パターン)およびサブグリッド電極3に対応した電極パターン(サブグリッド電極パターン)を有する。具体的には、Niめっき箔部33には、集電極2の平面形状と同形である開口部(集電極パターンに相当)と、サブグリッド電極3の平面形状と同形である開口部(サブグリッド電極パターンに相当)とが、形成されている。銀ペーストは、スクリーン紗32の上に設けられ、スキージにより、スクリーン紗32、さらにはNiめっき箔部33に形成された開口部を通過して、p型シリコン基板24(p型シリコン基板24はNiめっき箔部33よりも下方に配置されている)の上面に印刷される。
上記の実施形態1と同様に、集電極2からサブグリッド電極3の先端に向かうにつれて電極幅が狭くなるテーパ形状からなるサブグリッド電極3を印刷するための検討を行った。なお、集電極2と集電極2との間に位置するサブグリッド電極3の幅および厚さは一定である。サブグリッド電極3のテーパ形状に合わせて、スクリーン版31に形成されるサブグリッド電極パターンの形状を当該サブグリッド電極パターンの先端に向かうにつれて電極幅が狭くなるテーパ形状とした。また、Niめっき箔部33に段差を設け、サブグリッド電極パターンの先端側におけるNiめっき箔部33のめっき厚さをサブグリッド電極パターンの長手方向中央付近におけるNiめっき箔部33のめっき厚さの約半分とした。このようなNiめっき箔部33は、サブグリッド電極パターンの先端部分が所望の厚さになるように、サブグリッド電極パターンの先端部分のみを1000番のサンドペーパーで一定圧力で複数回研磨することにより、形成された。なお、Niめっき箔部33は、これ以外の研磨法により形成することもできる。また、スクリーン版のマスク部材がめっき箔である場合には、サブグリッド電極パターンの長手方向中央付近から先端に向かうにつれてマスク部材の厚さが連続的に薄くなるようにマスク部材を形成することは、加工に手間がかかることがある。サブグリッド電極パターンの長手方向中央付近から先端に向かう途中に段差を設けることによりマスク部材の厚さが不連続に薄くなるようにマスク部材を形成する方が、加工が容易である。
そして、サブグリッド電極パターンの長手方向中央付近におけるNiめっき箔部33の厚さ、および集電極パターン付近のNiめっき箔部33の厚さをd11とし、サブグリッド電極パターンの先端におけるNiめっき箔部33の厚さをd12とし、d11およびd12を変えて受光面側銀電極を形成し、得られた太陽電池を評価した。
以下に、実施例3〜4および比較例2でのスクリーン版31のサブグリッド電極パターンの長手方向中央付近における電極幅、スクリーン版31のサブグリッド電極パターンの先端における電極幅、d11、およびd12を示す。なお、比較例2では、サブグリッド電極パターンの長手方向においてNiめっき箔部33の厚さを一定とした。
実施例3:中央:電極幅/めっき厚(d11)→85μm/20μm
先端:電極幅/めっき厚(d12)→75μm/10μm
実施例4:中央:電極幅/めっき厚(d11)→85μm/20μm
先端:電極幅/めっき厚(d12)→70μm/10μm
比較例2:中央:電極幅/めっき厚(d11)→85μm/20μm
先端:電極幅/めっき厚(d12)→75μm/20μm
上記条件にしたがって受光面側銀電極を形成し、図2に示す製造フローにしたがって図1に示す太陽電池を作製した。そして、得られた太陽電池の特性を評価した。表2にその結果を示す。
Figure 2012115006
表2において、中央および先端は、表1について示したとおりであり、めっき厚は、Niめっき箔部33の厚さを意味する。
表2において、Jsc、Voc、FF、およびPmは、表1について示したとおりである。表2におけるJsc値、Voc値、FF値、およびPm値は、それぞれ、比較例2におけるJsc値、Voc値、FF値、およびPm値に対する比率である。また、表2におけるペースト使用量も、比較例2におけるペースト使用量に対する比率である。また、表2における先端の印刷後のパターン状態は、サブグリッド電極3の先端における印刷後のパターン状態を示し、表2における「A」および「B」は、表1について示したとおりである。
表2に示すように、実施例3〜4のいずれにおいても、サブグリッド電極3は、スクリーン31版に形成されたサブグリッド電極パターンの形状に対応した形状に形成された。具体的には、サブグリッド電極3の平面形状は、サブグリッド電極3の先端に向かうにつれて電極幅が狭くなるテーパ形状であった。また、サブグリッド電極3の厚さ方向の形状は、2段の階段状に形成された(表2において「厚さ方向形状」が「階段(2段)」であることに相当する)。また、表2に示すように、先端の印刷後のパターン状態については、実施例3〜4のいずれにおいても良好であったが、比較例2では部分的にかすれが発生した。
太陽電池の特性については、たとえばPm値については、実施例3では比較例2に対して2.7%改善し、実施例4では比較例2に対して3.0%改善した。ペースト使用量については、実施例3では比較例2に対して1%低減でき、実施例4では比較例2に対して3%低減できた。
スクリーン版31のめっき箔部33に段差を設けることによりサブグリッド電極パターンの先端側におけるめっき箔部33の厚さをサブグリッド電極パターンの長手方向中央付近におけるめっき箔部33の厚さよりも薄くすれば、サブグリッド電極3の幅が狭い箇所では、銀ペーストがめっき箔部33を通過する距離が短くなるので、スクリーン版からの銀ペーストの抜けが良くなる。したがって、サブグリッド電極3の幅が狭い箇所において印刷のかすれが発生することを防止でき、先端部分の幅が狭いサブグリッド電極3を正常に形成することが可能となる。これにより、太陽電池の受光面に入射する太陽光が増加するので、太陽電池の特性が向上する。この効果は、本実施形態のようにサブグリッド電極3の厚さ方向の形状がテーパではなく階段状であっても得られる。また、この効果を有効に得るためには、サブグリッド電極3の先端を形成することとなるめっき箔部33の厚さを、サブグリッド電極3の長手方向中央(たとえば集電極2と集電極2との間に位置するサブグリッド電極3)を形成することとなるめっき箔部33の厚さの0.1倍以上0.99倍以下とすることが好ましく、サブグリッド電極3の長手方向中央を形成することとなるめっき箔部33の厚さの0.2倍以上0.7倍以下とすることがより好ましい。
また、サブグリッド電極3の幅が狭い箇所が薄く形成されるので、受光面側銀電極を形成するためのペースト使用量も低減させることが可能になる。加えて、新たな設備を導入する必要はなくスクリーン版の構造を変更すれば、本実施形態における受光面側銀電極を形成することができる。実施例3〜4では、280メッシュで25μm径のスクリーン紗を用いたが、スクリーン紗がこの仕様に限定されないことは言うまでもない。
<実施形態3>
実施形態3では、図2の工程S5における受光面側銀電極を形成するための銀ペーストの印刷工程および乾燥工程のさらに別の例を示す。
本実施形態では、銀ペーストをスクリーン印刷するためのスクリーン版として、メタルマスク(マスク部材)を備えたスクリーン版(スクリーン)41を使用する。スクリーン版41は、スクリーン紗を用いず金属のみで形成されたスクリーンである。スクリーン版41の材料としては、Ni系金属が主に用いられるが、ステンレスまたは銅合金を用いることも可能である。マスク部材としてメタルマスクを備えたスクリーン版は、耐久性が高いため当該スクリーン版の使用回数を増やせること、寸法安定性に優れること、およびマスク部材としてサスペンドメタルマスクを備えたスクリーン版よりもペースト透過性にさらに優れることなどの利点を有する。一方、マスク部材としてメタルマスクを備えたスクリーン版ではメタルマスクがスクリーン紗で支えられていないため、このスクリーン版を用いて抜きパターンのような島状部を形成することは困難を伴う。したがって、マスク部材としてメタルマスクを備えたスクリーン版を用いて集電極2とサブグリッド電極3とのように直交する電極を形成することは困難を伴い、集電極2とサブグリッド電極3とをそれぞれ別々に印刷するなどの工夫が必要である。本実施形態では、サブグリッド電極3をスクリーン版41を用いてスクリーン印刷により作製し、且つ、集電極2をマスク部材としてサスペンドメタルマスクを備えたスクリーン版を用いてスクリーン印刷する。
図5(a)は、スクリーン版41を上から見た平面図であり、図5(b)は、図5(a)に示すVB−VB線における断面図であり、図5(c)は、図5(b)に示すVC領域の拡大図である。スクリーン版41は、Ni板部43を備える。Ni板部43は、マスク部材として機能し、サブグリッド電極3に対応する電極パターンを有する。具体的には、Ni板部43には、サブグリッド電極3の平面形状と同形である開口部(サブグリッド電極パターンに相当)が形成されている。銀ペーストは、Ni板部43の上に設けられ、スキージにより、Ni板部43に形成された開口部を通過して、p型シリコン基板24(p型シリコン基板24はNi板部43よりも下方に配置されている)の上面に印刷される。
上記の実施形態1〜2と同様に、集電極2からサブグリッド電極3の先端に向かうにつれて電極幅が狭くなるテーパ形状からなるサブグリッド電極3を印刷するための検討を行った。なお、集電極2と集電極2との間に位置するサブグリッド電極3の幅および厚さは一定である。サブグリッド電極3のテーパ形状に合わせて、スクリーン版41に形成されるサブグリッド電極パターンの形状を当該サブグリッド電極パターンの先端に向かうにつれて電極幅が狭くなるテーパ形状とした。また、Ni板部43に段差を設け、サブグリッド電極パターンの先端側におけるNi板部43のめっき厚さをサブグリッド電極パターンの長手方向中央付近におけるNi板部43のめっき厚さの約半分とした。このようなNi板部43は、サブグリッド電極パターンの先端部分が所望の厚さになるように、サブグリッド電極パターンの先端部分のみを1000番のサンドペーパーで一定圧力で複数回研磨することにより、形成された。なお、Ni板部43は、これ以外の研磨法により形成することもできる。また、スクリーン版のマスク部材が金属板である場合には、サブグリッド電極パターンの長手方向中央付近から先端に向かうにつれてマスク部材の厚さが連続的に薄くなるようにマスク部材を形成することは、加工に手間がかかることがある。サブグリッド電極パターンの長手方向中央付近から先端に向かう途中に段差を設けることによりマスク部材の厚さが不連続に薄くなるようにマスク部材を形成する方が、加工が容易である。
そして、サブグリッド電極パターンの長手方向中央付近におけるNi板部43の厚さ、および集電極パターン付近のNi板部43の厚さをd21とし、サブグリッド電極パターンの先端におけるNi板部43の厚さをd22とし、d21およびd22を変えて受光面側銀電極を形成し、得られた太陽電池を評価した。
以下に、実施例5〜6および比較例3でのスクリーン版41のサブグリッド電極パターンの長手方向中央付近における電極幅、スクリーン版41のサブグリッド電極パターンの先端における電極幅、d21、およびd22を示す。なお、比較例3では、サブグリッド電極パターンの長手方向においてNi板部43の厚さを一定とした。
実施例5:中央:電極幅/Ni板厚(d21)→75μm/40μm
先端:電極幅/Ni板厚(d22)→65μm/20μm
実施例6:中央:電極幅/Ni板厚(d21)→75μm/40μm
先端:電極幅/Ni板厚(d22)→60μm/20μm
比較例3:中央:電極幅/Ni板厚(d21)→75μm/40μm
先端:電極幅/Ni板厚(d22)→65μm/40μm
上記条件にしたがって受光面側銀電極を形成し、図2に示す製造フローにしたがって図1に示す太陽電池を作製した。そして、得られた太陽電池の特性を評価した。表3にその結果を示す。
Figure 2012115006
表3において、中央および先端は、表1について示したとおりであり、Ni板厚は、Ni板部43の厚さを意味する。
表3において、Jsc、Voc、FF、およびPmは、表1について示したとおりである。表3におけるJsc値、Voc値、FF値、およびPm値は、それぞれ、比較例3におけるJsc値、Voc値、FF値、およびPm値に対する比率である。また、表3におけるペースト使用量も、比較例3におけるペースト使用量に対する比率である。また、表3における先端の印刷後のパターン状態は、サブグリッド電極3の先端における印刷後のパターン状態を示し、表3における「A」および「B」は、表1について示したとおりである。
表3に示すように、実施例5〜6のいずれにおいても、サブグリッド電極3は、スクリーン41版に形成されたサブグリッド電極パターンの形状に対応した形状に形成された。具体的には、サブグリッド電極3の平面形状は、サブグリッド電極3の先端に向かうにつれて電極幅が狭くなるテーパ形状であった。また、サブグリッド電極3の厚さ方向の形状は、2段の階段状に形成された(表3において「厚さ方向形状」が「階段(2段)」であることに相当する)。また、表3に示すように、先端の印刷後のパターン状態については、実施例5〜6のいずれにおいても良好であったが、比較例3では部分的にかすれが発生した。
太陽電池の特性については、たとえばPm値については、実施例5では比較例3に対して2.3%改善し、実施例6では比較例3に対して2.5%改善した。ペースト使用量については、実施例5では比較例3に対して1%低減でき、実施例6では比較例3に対して5%低減できた。
スクリーン版41のNi板部43に段差を設けることによりサブグリッド電極パターンの先端側におけるNi板部43の厚さをサブグリッド電極パターンの長手方向中央付近におけるNi板部43の厚さよりも薄くすれば、サブグリッド電極パターンの幅が狭い箇所では、銀ペーストがNi板部43を通過する距離が短くなるので、スクリーン版からの銀ペーストの抜けが良くなる。したがって、サブグリッド電極3の幅が狭い箇所において印刷のかすれが発生することを防止でき、先端部分の幅が狭いサブグリッド電極3を正常に形成することが可能となる。これにより、太陽電池の受光面に入射する太陽光が増加するので、太陽電池の特性が向上する。この効果は、本実施形態のようにサブグリッド電極3の厚さ方向の形状がテーパではなく階段状であっても得られる。また、この効果を有効に得るためには、サブグリッド電極3の先端を形成することとなるNi板部43の厚さを、サブグリッド電極3の長手方向中央(たとえば集電極2と集電極2との間に位置するサブグリッド電極3)を形成することとなるNi板部43の厚さの0.1倍以上0.99倍以下とすることが好ましく、サブグリッド電極3の長手方向中央を形成することとなるNi板部43の厚さの0.2倍以上0.7倍以下とすることがより好ましい。
また、サブグリッド電極3の幅が狭い箇所が薄く形成されることから、受光面側銀電極を形成するためのペースト使用量も低減させることが可能になる。加えて、新たな設備を導入する必要はなくスクリーン版の構造を変更すれば、本実施形態における受光面側銀電極を形成することができる。
<サブグリッド電極3のその他の形状の例>
上記の実施形態1〜3では、太陽電池への入射光の強度を増加させるという目的のために、サブグリッド電極3の平面形状が先端へ向かうにつれて幅が狭くなるテーパ形状となるようにサブグリッド電極3をスクリーン印刷法により形成している。また、印刷のかすれを防止するという目的のために、サブグリッド電極3の先端側における当該サブグリッド電極3の厚さがサブグリッド電極3の長手方向中央付近における当該サブグリッド電極3の厚さより薄くなるようにサブグリッド電極3をスクリーン印刷法により形成している。しかし、太陽電池への入射光の強度を増加させるという効果および印刷のかすれを防止するという効果を得るためには、サブグリッド電極3の形状は上記の実施形態1〜3における形状に限定されない。
図6(a)〜(g)は、サブグリッド電極3の平面形状の一例を示した図であり、図1におけるVI領域の拡大図に相当する。図6(a)に示すサブグリッド電極3では、サブグリッド電極3の先端へ向かうにつれてサブグリッド電極3の幅が一定の割合で減少しており、図6(a)に示すサブグリッド電極3は上記の実施形態1〜3におけるサブグリッド電極3と同様の形状を有する。図6(b)に示すサブグリッド電極3では、サブグリッド電極3の先端へ向かうにつれてサブグリッド電極3の幅の減少率が大きくなっており、図6(c)に示すサブグリッド電極3では、サブグリッド電極3の先端へ向かうにつれてサブグリッド電極3の幅の減少率が小さくなっている。図6(d)に示すサブグリッド電極3では、サブグリッド電極3の幅は、サブグリッド電極3が集電極2から延在された箇所(以下では「サブグリッド電極3の根元」と記す)からサブグリッド電極3の長手方向の途中までは一定であるが、その後、サブグリッド電極3の先端へ向かうにつれて一定の割合で減少している。図6(e)に示すサブグリッド電極3では、サブグリッド電極3の幅はサブグリッド電極3の根元からサブグリッド電極3の長手方向の途中まで一定であるが、その後、サブグリッド電極3の先端へ向かうにつれてサブグリッド電極3の幅の減少率が大きくなっている。図6(f)に示すサブグリッド電極3では、サブグリッド電極3の幅は、サブグリッド電極3の先端へ向かうにつれて段階的に狭くなっている。図6(g)に示すサブグリッド電極3では、サブグリッド電極3の幅は、図6(f)と同様にサブグリッド電極3の先端へ向かうにつれて段階的に狭くなっており、各段においてもサブグリッド電極3の先端へ向かうにつれて狭くなっている。なお、図6(f)に示すサブグリッド電極3および図6(g)に示すサブグリッド電極3では、階段の段数は3段に限定されず、2段でも良いし、4段以上でも良い。また、図6(f)に示すサブグリッド電極3では、サブグリッド電極3の根元側の電極幅に対するサブグリッド電極3の中央側の電極幅の割合は特に限定されず、サブグリッド電極3の中央側の電極幅に対するサブグリッド電極3の先端側の電極幅の割合は特に限定されない。このことは、図6(g)に示すサブグリッド電極3においても言える。
図6(a)〜図6(g)に示すサブグリッド電極3では、p型シリコン基板24の受光面におけるサブグリッド電極3の占有面積の減少を図ることができるため、太陽電池への入射光の強度を増加させることができる。
図7(a)〜(g)は、サブグリッド電極3の断面形状の一例を示した図であり、図1におけるVI領域の拡大断面図に相当する。図7(a)〜(g)では、集電極2およびサブグリッド電極3の下側にp型シリコン基板24(図7(a)〜(g)には図示せず)が設けられている。図7(a)に示すサブグリッド電極3では、サブグリッド電極3の先端へ向かうにつれて厚さが一定の割合で減少しており、図7(a)に示すサブグリッド電極3は上記の実施形態1におけるサブグリッド電極3と同様の形状を有する。図7(b)に示すサブグリッド電極3では、サブグリッド電極3の先端へ向かうにつれて厚さの減少率が大きくなっており、図7(c)に示すサブグリッド電極3では、サブグリッド電極3の先端へ向かうにつれて厚さの減少率が小さくなっている。図7(d)に示すサブグリッド電極3では、サブグリッド電極3の厚さは、サブグリッド電極3の根元からサブグリッド電極3の長手方向の途中までは一定であるが、その後、サブグリッド電極3の先端へ向かうにつれて一定の割合で減少している。図7(e)に示すサブグリッド電極3では、サブグリッド電極3の厚さはサブグリッド電極3の根元からサブグリッド電極3の長手方向の途中まで一定であるが、その後、サブグリッド電極3の先端へ向かうにつれてサブグリッド電極3の厚さの減少率が大きくなっている。図7(f)に示すサブグリッド電極3では、サブグリッド電極3の厚さは、サブグリッド電極3の先端へ向かうにつれて段階的に薄くなっている。図7(g)に示すサブグリッド電極3では、サブグリッド電極3の厚さは、図7(f)と同様にサブグリッド電極3の先端へ向かうにつれて段階的に薄くなっており、各段においてもサブグリッド電極3の先端へ向かうにつれて薄くなっている。なお、図7(f)に示すサブグリッド電極3および図7(g)に示すサブグリッド電極3では、階段の段数は3段に限定されず、2段でも良いし、4段以上でも良い。また、図7(f)に示すサブグリッド電極3では、サブグリッド電極3の根元側の厚さに対するサブグリッド電極3の中央側の厚さの割合は特に限定されず、サブグリッド電極3の中央側の厚さに対するサブグリッド電極3の先端側の厚さの割合は特に限定されない。このことは、図7(g)に示すサブグリッド電極3においても言える。
図7(a)〜図7(g)に示すサブグリッド電極3では、サブグリッド電極3の先端側の厚さが薄いため、別の言い方をすると電極幅が狭い箇所におけるサブグリッド電極3の厚さが薄いため、電極幅が狭い箇所におけるサブグリッド電極3の印刷のかすれを防止できる。
上記の図6(a)〜(g)および図7(a)〜(g)に示したように、本発明のサブグリッド電極3の平面形状および厚さ方向の形状としては、様々な形状が考えられる。これらの平面形状および厚さ方向の形状を自由に組み合わせてサブグリッド電極3の形状とすることができ、どのように組み合わせても同様の効果(太陽電池への入射光の強度を増加させることができ、サブグリッド電極3の印刷のかすれを防止することができる)を発揮する。そして、そのような形状のサブグリッド電極3をスクリーン印刷するためのスクリーン版はいずれも、本発明の目的を達成するものである。
なお、サブグリッド電極3は太陽電池で発生した光電流を出来るだけ損失なく集電するためのものである。サブグリッド電極3の根元部分には集めた電流がすべて流れることから、少なくともサブグリッド電極3の根元部分は太い方が好ましい。
上記の実施形態1〜3では、それぞれ異なる種類のスクリーン版を示している。スクリーン版の種類が違ってもスクリーン版におけるサブグリッド電極パターンの形状が所定の形状を有していれば、具体的にはスクリーン版の種類が違ってもスクリーン版におけるサブグリッド電極パターンの形状が図6(a)〜(g)のいずれかの平面形状を有し且つ図7(a)〜(g)のいずれかの断面形状を有していれば、太陽電池への入射光の強度を増加させることができ、サブグリッド電極3の印刷のかすれを防止することができる。
上記の実施形態1〜3では、集電極2と集電極2との間に位置するサブグリッド電極3では、電極幅は一定である。しかし、集電極2と集電極2との間に位置するサブグリッド電極3の幅を集電極2から遠ざかるほど狭くし、且つ、集電極2と集電極2との間に位置するサブグリッド電極3の厚さを集電極2から遠ざかるほど薄くしても、太陽電池への入射光の強度を増加させることができるとともにサブグリッド電極3の印刷のかすれを防止することができるという効果を得ることができる。
また、入射光によって発生したキャリアを収集する電極のみを備えた太陽電池では、電極の先端に向かうにつれて当該電極の幅を狭くするとともに当該電極の厚さを薄くすれば良い。これにより、太陽電池への入射光の強度を増加させることができるとともにサブグリッド電極3の印刷のかすれを防止することができるという効果を得ることができる。
また、受光面側銀電極4の材料は銀ペーストに限定されない。アルミニウムペースト等の銀ペーストとは異なる導電性ペーストを用いて受光面側銀電極4を作製した場合であっても、上記の実施形態1〜3で得られた効果を得ることができる。また、裏面側電極のみが形成された裏面電極型太陽電池において当該裏面側電極を形成するときにも本発明のスクリーン版を用いることができ、この場合であっても上記の実施形態1〜3で得られた効果が得られる。
また、本発明では、スクリーンを構成する部材の材料は特に限定されない。また、本発明では、電極以外の太陽電池を構成する部材の作製方法は特に限定されない。
また、本発明では、太陽電池を構成する部材の材料および太陽電池を構成する部材の厚さは特に限定されない。太陽電池を構成する部材がn型不純物またはp型不純物を含む場合、n型不純物およびp型不純物の材料は特に限定されず、太陽電池を構成する部材におけるn型不純物濃度およびp型不純物濃度も特に限定されない。
今回開示された実施の形態および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えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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変更が含まれることが意図される。
1 太陽電池、2 集電極、3 サブグリッド電極、4 受光面側銀電極、21 スクリーン版、22 スクリーン紗、23 乳剤部、24 p型シリコン基板、31 サスペンドメタルマスクによるスクリーン版、32 スクリーン紗、33 Niめっき箔部、41 メタルマスクによるスクリーン版、43 Ni板部、101 太陽電池、102 p型シリコン基板、103 n型拡散層、104 反射防止膜、105 集電極、106 BSF層、107 アルミニウム電極、108 裏面側銀電極、109 サブグリッド電極、110 受光面側銀電極、201 スクリーン、202 ペースト状の材料、203 スキージ、204 ステージ、205 基板、301 p型半導体基板、302 n型の半導体層、303 p-型半導体層、304 受光面電極、305 表面主電極、306 裏面電極、401 スクリーン版、402 スクリーン紗、403 乳剤部、404 シリコン基板。

Claims (10)

  1. 太陽電池の電極(4)を形成する際に用いられるスクリーン(21,31,41)であって、
    前記スクリーン(21,31,41)は、前記電極(4)に対応した開口部を有するマスク部材(23,33,43)を備え、
    前記開口部は、所定の方向に向かうにつれて線幅が狭くなるように形成され、
    前記マスク部材(23,33,43)は、前記所定の方向に向かうにつれて厚さが薄くなるように形成されているスクリーン(21,31,41)。
  2. 前記マスク部材(23)は、乳剤からなる請求項1に記載のスクリーン(21)。
  3. 前記マスク部材(33)は、めっき箔である請求項1に記載のスクリーン(31)。
  4. 前記マスク部材(43)は、金属板である請求項1に記載のスクリーン(41)。
  5. 半導体基板(24)に電極(4)を形成する工程を含む太陽電池(1)の製造方法であって、
    前記電極(4)を形成する工程は、スクリーン(21,31,41)を用いて前記半導体基板(24)に導電性ペーストを塗布する工程と、前記導電性ペーストが塗布された半導体基板(24)を熱処理する工程とを備え、
    前記スクリーン(21,31,41)は、前記電極(4)に対応した開口部を有するマスク部材(23,33,43)を備え、
    前記開口部は、所定の方向に向かうにつれて線幅が狭くなるように形成され、
    前記マスク部材(23,33,43)は、前記所定の方向に向かうにつれて厚さが薄くなるように形成されている太陽電池(1)の製造方法。
  6. 前記電極(4)は、集電極(2)と、前記集電極(2)から延在されたサブグリッド電極(3)とを有し、
    前記所定の方向は、前記サブグリッド電極(3)の先端に向かう方向である請求項5に記載の太陽電池(1)の製造方法。
  7. 半導体基板(24)に電極(4)を形成する工程を含む太陽電池(1)の製造方法であって、
    前記電極(4)を形成する工程は、スクリーン(21,31,41)を用いて前記半導体基板(24)に導電性ペーストを塗布する工程と、前記導電性ペーストが塗布された半導体基板(24)を熱処理する工程とを備え、
    前記電極(4)は、所定の方向に向かうにつれて線幅が狭くなるようにかつ厚さが薄くなるように形成される太陽電池(1)の製造方法。
  8. 前記電極(4)は、集電極(2)と、前記集電極(2)から延在されたサブグリッド電極(3)とを有し、
    前記所定の方向は、前記サブグリッド電極(3)の先端に向かう方向である請求項7に記載の太陽電池(1)の製造方法。
  9. 前記導電性ペーストは、銀ペーストである請求項5または7に記載の太陽電池(1)の製造方法。
  10. 前記電極(4)は、前記半導体基板(24)の受光面上に形成される請求項5または7に記載の太陽電池(1)の製造方法。
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