JPWO2013027591A1 - 太陽電池及び太陽電池モジュール - Google Patents
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Abstract
本発明は、裏面接合型太陽電池の太陽電池の効率を向上させる。本発明の太陽電池は、基板１１に、太陽光を受光する受光面と、受光面の反対側に設けられた裏面とを有する太陽電池であって、基板１１の裏面上に形成された電極部１６、１７を備え、電極部は、裏面上に形成された複数のｎ型細線電極１６ｆと、ｎ型細線電極１６ｆに隣接して形成された複数のｐ型細線電極１７ｆと、複数のｎ型細線電極１６ｆを互い接続するｎ型バスバー電極１６ｂと、複数のｐ型細線電極１７ｆを互い接続するｐ型バスバー電極１７ｂと、を有し、細線電極１６ｆ、１７ｆの電極端部は、二辺が交差する部分が円弧状に形成されている。
Description
本発明は、太陽電池に係り、特に、受光面と反対の裏面側に正負の電極が配置される裏面接合型太陽電池に好適な技術に関するものである。
シリコン基板の受光面には電極を形成せずに、基板の裏面のみに異なる導電型の電極を形成するいわゆる裏面接合型太陽電池が開発されている。裏面接合型太陽電池としては、太陽電池の受光面側に電極を形成せずに、基板の裏面にｐ型領域、ｎ型領域を形成し、正負両キャリアの取り出しを櫛型に形成した取り出し電極から取り出すものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
図９に従い従来の裏面接合型太陽電池について説明する。裏面接合型太陽電池１００は、ｎ型のシリコンからなる基板１１１の受光面側とは反対側の裏面に、ｎ型電極１１６、ｐ型電極１１７が形成される。ｎ型電極１１６は、ｎ型細線電極１１６ｆとｎ型バスバー電極１１６ｂとで構成され、ｐ型電極１１７は、ｐ型細線電極１１７ｆとｐ型バスバー電極１１７ｂとで構成される。
太陽電池の出力を向上させる観点から、ｐ型電極１１７とｎ型電極１１６とが基板１１１の略全体を覆うように形成されている。そして、基板１１１の裏面上における一方の端部に、ｎ型細線電極１１６ｆと交差する方向に延在するｎ型バスバー電極１１６ｂが形成され、ｎ型細線電極１１６ｆとｎ型バスバー電極１１６ｂでｎ型電極１１６が構成される。また、シリコン基板１０１の裏面上における他方の端部に、ｐ型細線電極１１７ｆと交差する方向に延在するｐ型バスバー電極１１７ｂが形成され、ｐ型細線電極１１７ｆとｐ型バスバー電極１１７ｂでｐ型電極１１７が構成される。
そして、ｎ型電極１１６、及びｐ型電極１１７と接する基板１１には、それぞれの領域に対応するように形成されたｎ型領域、ｐ型領域が設けられる。
この裏面接合型太陽電池の受光面に太陽光が入射すると、基板１１１の受光面近傍で生じたキャリアが裏面に形成されたｐｎ接合まで到達し、ｎ型細線電極１１６ｆおよびｐ型細線電極１１７ｆに電流として収集される。収集された電流は、バスバー電極１１６ｂ、１１７ｂを介して外部に出力される。
ところで、裏面接合型太陽電池においては、太陽電池の出力を外部に無駄なく取り出すことができるように、メッキにより下地電極上に銅などを成長させ、低抵抗の電極を形成していた。しかし、メッキで電極を形成する場合、電極の先端に電流が集中し、端部分にメッキが厚く形成され、電極の膜厚にばらつきが発生する問題が生じる恐れがあった。
本発明は、電極の膜厚のばらつきが少ない太陽電池の提供することを課題とする。
本発明の太陽電池は、半導体基板に、受光面と、前記受光面の反対側に設けられた裏面とを有する太陽電池であって、前記基板の一主面上に形成された電極部を備え、前記電極部は、前記一主面上に形成された複数の第１細線電極と、前記第１細線電極に隣接して形成された複数の第２細線電極と、前記複数の第１細線電極を互い接続する第１バスバー電極と、前記複数の第２細線電極を互い接続する第２バスバー電極と、を有し、前記第１細線電極及び第２細線電極のそれぞれの電極端部は、二辺が交差する部分が円弧状に形成されている。
本発明の太陽電池モジュールは、電気的に接続されている複数の太陽電池を含む太陽電池モジュールであって、前記太陽電池は、半導体基板に、太陽光を受光する受光面と、前記受光面の反対側に設けられた裏面とを有し、前記基板の一主面上に形成された電極部を備え、前記電極部は、前記一主面上に形成された複数の第１細線電極と、前記第１細線電極に隣接して形成された複数の第２細線電極と、前記複数の第１細線電極を互い接続する第１バスバー電極と、前記複数の第２細線電極を互い接続する第２バスバー電極と、を有し、前記第１細線電極及び第２細線電極のそれぞれの電極端部は、二辺が交差する部分が円弧状に形成されている。
本発明の太陽電池は、第１電極、第２電極の端部近傍の膜厚のばらつきが少ない太陽電池を提供することができる。
本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるためにその説明は繰返さない。
尚、本願明細書において、「受光面」とは、太陽電池または太陽電池モジュールにおいて、光が主として入射する表面を意味し、「裏面」とは、受光面と反対側の表面を意味する。
本実施形態では、図１及び図２に示すように、基板１１として、単結晶シリコンウェハーを用い、その基板１１の上にアモルファスシリコン層を積層して形成した太陽電池１０とした。より具体的には、太陽電池１０は、基板１１となるｎ型の単結晶シリコンウェハーの受光面上に、実質的に真性な非晶質半導体１９、ｎ型非晶質シリコン２０、窒化シリコンなどの保護膜２１が順次積層された構成を有する。また、基板１１の裏面においては、ｎ型電極１６に対応するｎ領域１２では、基板１１上に、実質的に真性な非晶質半導体層１２１、ｎ型非晶質半導体層１２２、窒化シリコン層１２３、ｎ型電極１６が順次積層され、窒化シリコン層１２３を貫通する穴を介して、ｎ型非晶質半導体層１２２とｎ型電極１６とが接続された構造を有する。また、ｐ型電極１７に対応するｐ領域１３では、基板１１上に、実質的に真性な非晶質半導体層１３１、ｐ型非晶質半導体層１３２、ｐ型電極１７が順次積層された構造を有する。
また、ｎ領域１２のｎ型電極１６は、ｎ型細線電極１６ｆとｎ型バスバー電極１６ｂとで構成され、ｐ領域１３のｐ型電極１７は、ｐ型細線電極１７ｆとｐ型バスバー電極１７ｂとで構成される。
太陽電池の出力を向上させる観点から、ｎ型電極１６とｐ型電極１７とが基板１１の裏面全体を略覆うように、互いに所定の間隔を隔てて櫛型形状に形成される。これにより、多くの領域で光電変換により生じた電流を、ｎ型電極１６とｐ型電極１７との間で略一定の電界を発生させることで効率良く収集することができる。
ｎ型バスバー電極１６ｂは、シリコン基板１１の裏面上における一方の端部に、ｎ型細線電極１６ｆと交差する方向に延在して形成され、ｎ型細線電極１６ｆと接続されている。ｐ型バスバー電極１７ｂは、シリコン基板１１の裏面上における他方の端部にｐ型細線電極１７ｆと交差する方向で延在して形成され、ｐ型細線電極１７ｆと接続されている。
これら電極１６ｆ、１６ｂ、１７ｆ、１７ｂは、太陽電池に発生する電流を外部に十分に取り出すことができるように、メッキにより銅などの金属を下地電極上に成長させ、低抵抗の電極が形成される。
本実施形態では、スパッタなどにより形成した下地電極１６ａ、１７ａ上にメッキにより銅層（メッキ層）１６ｍ、１７ｍを成長させたものを用いる。下地電極１６ａ、１７ａは、銅により構成される。
そして、下地電極１６ａ上にメッキにより銅層１６ｍが設けられ、ｎ型細線電極１６ｆが形成される。ｐ型領域１３上に下地電極１７ａが形成され、その下地電極１７ａ上にメッキにより銅層１７ｍが設けられ、ｐ型細線電極１７ｆが形成される。
以下に、図３を用いて本実施形態の特徴部分である電極１６、１７の形状、特に細線電極１６ｆの端部について説明を行う。
細線電極１６ｆが有する端部の角においては、メッキ時に電流が集中し、他のメッキを処理する領域に比べてメッキされ易くなることがあった。これにより、メッキ膜厚が大きくなる他、処理領域以外の領域までメッキされてしまい、電極間のショート等の問題が生じていた。
そこで、細線電極１６ｆの端部を半円状に形成し、電流集中を抑制することを検討していた。しかし、細線電極１６ｆの端部を半円状に形成した場合、この細線電極１６ｆの端部に対向するｐ型電極１７の面積が大きくなり、無効部分が多くなる新たな問題が生じていた。
具体的には、細線電極１６ｆの端部を丸くした場合、細線電極１６ｆとこの細線電極１６ｆに隣接するｐ型電極１７までの距離が広くなり、生じる電界が弱くなり効率良く発生した電流を取り出せない問題点が生じる。そこで、ｐ型電極１７の形状を、細線電極１６ｆ付近に形成されるｐ型電極１７までの距離を略一定となるように円弧状部１７ｂｃ’を形成し、略一定の電界が生じるようにすることが検討された。しかし、この場合では、ｐ型電極１７の面積が大きくなり、発電に寄与しない無効部分（図３のａ部部分）が大きくなってしまう問題があった。
他方では、細線電極１６ｆの端部を矩形形状とし、ｐ型電極１７の形状を、この細線電極１６ｆ付近に形成されるｐ型電極１７までの距離を略一定となるように形成し、略一定の電界が生じるように形成することを検討していた。これにより、細線電極１６ｆに隣接するｐ型電極１７は、低抵抗で且つ形成される面積が小さい細線電極１７ｆと、低抵抗で且つ形成される面積が小さいバスバー電極１７ｂとで構成することできる。この結果、発電に寄与しない無効部分を狭くした構成とすることができる。しかしながら、矩形形状にすると、二辺が直交する角部にメッキ時の電流が集中し、電極の膜厚にばらつきが発生する問題があった。
そこで、本発明は、図３に示すように、細線電極１６ｆの端部を、二辺が交差する角部を円弧状部１６ｒとし、細線電極１６ｆの先端部は、円弧状部１６ｒ、１６ｒの間に直線状の端辺１６ｃを有する輪郭とする。
また、ｐ型電極１７においては、この円弧状部１６ｒに対応して、バスバー電極１７ｂと細線電極１７ｆが接続され、それぞれの辺が交差する部分は、円弧状部１７ｂｃが形成される。
本実施形態によれば、図３のａで示す無効領域を減らして、キャリアの収集効率を向上させる。そして、二辺が交差する部分を円弧状部１６ｒとし、メッキ時の電流集中を抑制し、細線電極１６ｆの膜厚のばらつきを小さくするとともに、処理領域以外がメッキされることを減らすことができる。
なお、上記の実施形態では、ｎ型電極１６の細線電極１６ｆの端部及びｐ型電極１７の形状について説明を行ったが、ｎ型電極１６の細線電極１６ｆの端部をｐ型電極１７の細線電極１７ｆの端部に、またｐ型電極１７をｎ型電極１６に置き換え、同様な構成としても同様の作用効果を得ることができる。このため、細線電極１６ｆの端部と同様に細線電極１７ｆの端部を、またｐ型電極１７と同様にｎ型電極１６に形成を行った。加えて、ｎ型バスバー電極１６ｂとｐ型バスバー電極１７ｂにおいても、細線電極１６ｆ同様、メッキ時に角部へ電流が集中し、他の処理領域に比べてメッキされ易くなるため、二辺が交差する角部を円弧状部とした。
次に、円弧状部１６ｒの半径の大きさとメッキ厚の関係につき、図４及び図５を参照して説明する。
円弧状部１６ｒの半径の大きさとメッキ厚の関係を調べるために、図４に示す電極パターンを用意した。電極パターンは、幅（Ｗ）を１０００μｍとした。電極パターンは、下地電極として膜厚０．２μｍの銅（Ｃｕ）をスパッタリングで形成し、フォトリソグラフィで所定の形状に形成した。その後、含りん銅（硫酸銅浴）をメッキ液として用い、０．０１Ａ／ｃｍ２の電流の条件で、下地電極１６ａ上に銅をメッキで形成した。
端部の円弧状部１６ｒの半径Ｒの大きさを２μｍから１００μｍに変化させて、それぞれのメッキ膜厚の関係を測定した。測定は、先端から３Ｗの距離の中央部の測定位置（Ｔｍｉｄ）と円弧状部１６ｒの外周の最大膜厚箇所（Ｔｒ）を測定し、両者の比（Ｔｒ／Ｔｍｉｄ）を用いて評価した。
その結果を、表１及び図５に示す。
表１、図５に示すように、円弧状部１６ｒの半径Ｒが大きくなるにつれ、その比が１に近づき、中央部と円弧状部１６ｒとの膜厚のばらつきが小さくなる。そして、その比が２０％以下となるばらつきの大きさは、円弧状部１６ｒの半径Ｒの値が２０μｍ程度であった。局所的なストレスは、膜厚の変動幅が、概ね２０％程度の範囲内であれば、電極の剥離等が発生しにくいことが、実際の装置でテストした結果、確認できている。したがって、電極の膜厚のばらつきの観点から、円弧状部１６ｒの半径Ｒの値が２０μｍ以上とすることが好ましい。また、円弧状部１６ｒの半径Ｒを大きくすればするほど、ばらつきは少なくなるが、大きくするだけ、無効領域が増える。このことから、円弧状部１６ｒの半径Ｒは２０μｍ以上１００μｍ以下とすることがより好ましい。
これらのことを考慮すると、細線電極１６ｆの幅（Ｗ）に対して円弧状部１６ｒの半径Ｒは、２％以上１０％以下とすることが好ましい。
次に、上記の太陽電池１０を製造する方法について、説明する。
単結晶シリコンからなる基板１１は、単結晶シリコンのインゴッドをスライスして得られる。基板１１の導電型はｎ型でもｐ型でもよいが、この実施形態では、ｎ型単結晶シリコンからなる基板を用いた。また、基板１１の大きさや厚みについても適宜変更が可能である。この実施形態では、厚さ２００μｍ、大きさ１００ｍｍ角の基板を用いた。
基板１１の受光面上に、実質的に真性な非晶質半導体１９、ｎ型非晶質シリコン２０、窒化シリコンなどの保護膜２１を順次、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置を用いて積層する。また、基板１１の裏面においては、ｎ型電極１６に対応するｎ領域１２では、実質的に真性な非晶質半導体層１２１、ｎ型非晶質半導体層１２２、窒化シリコン層１２３を順次、ＣＶＤ装置を用いて積層した後、弗硝酸及び弗酸を用いて、窒化シリコン層１２３を貫通し、ｎ型非晶質半導体層１２２が露出するようにエッチングを行う。また、ｐ型電極１７に対応するｐ領域１３では、基板１１上に、実質的に真性な非晶質半導体層１３１、ｐ型非晶質半導体層１３２を順次ＣＶＤ装置を用いて積層する。
続いて、基板１１の裏面側のｎ型領域１２、ｐ型領域１３に、ｎ型細線電極１６ｆ用並びにｎ型バスバー電極１６ｂ用の下地電極１６ａ、ｐ型細線電極１７ｆ用並びにバスバー電極１７ｂ用の下地電極１７ａを形成した。この実施形態では、下地用電極１６ａ、１７ａは、銅をスパッタ法によりメタルマスクを用いて形成した。下地用電極１６ａ、１７ａは、各々厚み０．１μｍ〜４μｍ、幅０．２ｍｍに形成した。この時、メタルマスクを用いることにより、細線電極１６ｆ（１７ｆ）の端部の半径（Ｒ）が２０μｍ以上の円弧状部１６ｒ（１７ｒ）の間に直線状の端部１６ｃ（１７ｃ）を有する輪郭を有して形成することができる。そして、バスバー電極１７ｂ（１６ｂ）と細線電極１７ｆ（１６ｆ）の接続部もこの円弧状部１６ｒ（１７ｒ）に対応した円弧状部１７ｂｃ（１６ｂｃ）が形成された電極１６（１７）に対応した形状の下地電極１６ａ、１７ａを形成することができる。
その後、下地電極１６ａ、１７ａに対して、個別に給電しながら電界メッキを行い、メッキ層１６ｍ、１７ｍを形成して、電極１６、１７を完成させ、本実施形態の太陽電池１０が得られる。メッキは、アノードを含りん銅、カソードを下地電極１６ａ又は１７ａとし、メッキ厚１０μｍ〜３０μｍ、この実施形態では、１０μｍとした。メッキ条件は、メッキ電流は０．０１Ａ／ｃｍ２、メッキ液は硫酸銅、電極間距離は５ｃｍ、温度は４０℃とした。
上記のように、円弧状部１６ｒ（１７ｒ）と直線状の端辺１６ｃ（１７ｃ）を有する細線電極１６ｆ（１７ｆ）により、無効領域を減らして、キャリアの収集効率を向上させる。そして、二辺が交差する部分を円弧状部１６ｒ（１７ｒ）とし、メッキ時の電流集中を抑制し、膜厚のばらつきを小さくすることができるとともに、処理領域以外がメッキされることを減らすことができる。
なお、本発明の実施形態にかかる太陽電池を複数個用い、太陽電池モジュールを形成することができる。以下に、本発明の実施形態にかかる太陽電池を用いた太陽電池モジュールについて図６及び図７を参照して説明する。図６は、本発明の実施形態にかかる太陽電池と配線タブとの接続を示す模式的平面図、図７は、本発明の実施形態にかかる太陽電池を用いた太陽電池モジュールを示す概略断面図である。
太陽電池モジュール６０は、複数の太陽電池１０を配線タブ５０と渡り配線（図示しない）により形成した太陽電池ユニット６０ａを、ガラス等の表面保護部材４１と樹脂等の裏面保護部材４２の間に、ＥＶＡ（Ethylene-Vinyl Acetate）等の透光性を有する封止材４３を介して積層された構造を有する。
次に、太陽電池モジュール６０の形成方法について説明を行う。まず、初めに複数の太陽電池１０を、一方の太陽電池１０のｐ側電極１７のバスバー電極１７ｂと、他方の太陽電池１０のｎ側電極１６のバスバー電極１６ｂと、が隣接するように配置する。そして、一方の太陽電池１０のバスバー電極１７ｂと、他方の太陽電池１０のバスバー電極１６ｂと、を配線タブ５０を用いて電気的に接続し、ストリング６０ｂを形成する。更に、ストリング６０ｂとした太陽電池１０は、ストリング間を接続する渡り配線（図示しない）を接続し、太陽電池ユニット６０ａを形成する。
最後に、図７に示すように、太陽電池モジュール６０は、受光面側からガラス等の表面保護部材４１、ＥＶＡ等の透光性を有する封止材４３、太陽電池ユニット６０ａ、封止材４３、裏面保護部材４２をこの順序で積層し、ラミネートすることにより完成する。
本実施形態にかかる太陽電池モジュール６０は、発電した電力を効率よく収集することができる太陽電池１０を用いることにより、発電効率を高くすることができる。
なお、上記の実施形態にかかる太陽電池は、基板１１に非晶質シリコン膜などを積層して形成した太陽電池を用いたが、これに限られず、ドーパントを拡散して形成した太陽電池としてもよい。さらには、上記の実施形態にかかる太陽電池は、裏面接合型の太陽電池を用いたが、これに限られず、受光面と裏面の両方に電極を形成した太陽電池としてもよく、メッキにより電極を形成するものであれば同様に適用できる。したがって、図８に示すように、一導電型の半導体基板１１の表面側に他導電型の不純物領域１３を設け、基板１１の裏面側に、基板１１と一導電型の電極１６と、スルーホール３１を介して接続された他導電型の電極１７を形成する場合にあっても同様に用いることができる。なお、この場合にあっては、電極１７と基板１１の間には、絶縁膜１８が形成され、一導電型の電極１６と他導電型の電極１７とが接触しないように配置される。
また、上記の実施形態においては、電極は、電解メッキを用いて形成しているが、無電解メッキで形成してもよい。なお、電極として無電解メッキで銅を析出させるためには、銅よりイオン化傾向の大きい錫やニッケルなどの金属で下地電極を形成すればよい。また、無電解メッキ液としては、例えば硫酸第二銅、エチレンジアミン四酢酸、ホルムアルデヒド、及び水酸化アルカリの少なくとも一つを主成分としているものを用いることができる。
上記の実施形態は、スパッタ法により下地電極として銅などの蒸着金属膜からなる層を形成したが、これに限らず、例えば、導電性樹脂であるＡｇペーストをスクリーン印刷により形成し、加熱して、Ａｇペーストを硬化させ、下地電極として用いることもできる。
また、ｎ領域１２のｎ型非晶質半導体層１２２、またはｐ領域１３のｐ型非晶質半導体層１３２、と下地電極との間には、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＳｎＯ２（酸化錫）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）等からなる透明電極を形成してもよい。
今回開示された実施形態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、上記の実施形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許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。
１０ 太陽電池
１１ 基板
１２ ｎ型領域
１３ ｐ型領域
１６ ｎ型電極
１６ｆ ｎ型細線電極
１６ｂ ｎ型バスバー電極
１６ｒ 円弧状部
１７ ｐ型電極
１７ｆ ｐ型細線電極
１７ｂ ｐ型バスバー電極
１７ｒ 円弧状部
１１ 基板
１２ ｎ型領域
１３ ｐ型領域
１６ ｎ型電極
１６ｆ ｎ型細線電極
１６ｂ ｎ型バスバー電極
１６ｒ 円弧状部
１７ ｐ型電極
１７ｆ ｐ型細線電極
１７ｂ ｐ型バスバー電極
１７ｒ 円弧状部
Claims (8)
- 半導体基板に、受光面と、前記受光面の反対側に設けられた裏面とを有する太陽電池であって、
前記基板の一主面上に形成された電極部を備え、
前記電極部は、
前記一主面上に形成された複数の第１細線電極と、
前記第１細線電極に隣接して形成された複数の第２細線電極と、
前記複数の第１細線電極を互い接続する第１バスバー電極と、
前記複数の第２細線電極を互い接続する第２バスバー電極と、
を有し、
前記第１細線電極及び第２細線電極のそれぞれの電極端部は、二辺が交差する部分が円弧状とされた円弧状部を二つ有するように形成されている、太陽電池。 - 前記第1細線電極及び第２細線電極の端部は、円弧状部に連なって直線状の端部が形成されている、請求項１に記載の太陽電池。
- 前記一主面は、基板の裏面である、請求項１又は請求項２に記載の太陽電池。
- 前記電極は、下地電極上にメッキにより形成された電極である、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の太陽電池。
- 少なくとも一方の細線電極の幅に対して円弧の半径が２％以上１０％以下である、請求項４に記載の太陽電池。
- 前記下地電極は、蒸着金属膜又は導電性樹脂から選択されている、請求項４又は請求項５に記載の太陽電池。
- 前記第１バスバー電極及び前記第２バスバー電極の二辺が交差する部分は、円弧状に形成されている、請求項１に記載の太陽電池。
- 電気的に接続されている複数の太陽電池を含む太陽電池モジュールであって、
前記太陽電池は、半導体基板に、太陽光を受光する受光面と、前記受光面の反対側に設けられた裏面とを有し、前記基板の一主面上に形成された電極部を備え、
前記電極部は、
前記一主面上に形成された複数の第１細線電極と、
前記第１細線電極に隣接して形成された複数の第２細線電極と、
前記複数の第１細線電極を互い接続する第１バスバー電極と、
前記複数の第２細線電極を互い接続する第２バスバー電極と、
を有し、
前記第１細線電極及び第２細線電極のそれぞれの電極端部は、二辺が交差する部分が円弧状とされた円弧状部を二つ有するように形成されている、太陽電池モジュール。
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