JPWO2014016954A1 - 太陽電池 - Google Patents
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Abstract
光の入射を受けて発電を行う光電変換部と、光電変換部に電気的に接続された銀を含む集電極と、を備え、集電極は、銀粒子が相互に溶着されたネットワーク構造と、導電性材料の粒子であって、長径と厚みの比が長径／厚み≧１０であり、平均粒子径が２〜５μｍ以上であるフレークと、を含み、フレークの比率が６０重量％以下とする。
Description
本発明は、太陽電池に関する。
太陽電池は、図１０に示すように、光電変換部１０の表面及び裏面に櫛状のフィンガー１２及びバスバー１４が設けられている。フィンガー１２及びバスバー１４は、光電変換部１０で発電された電力を太陽電池の外部へ取り出す集電極として利用される。
フィンガー１２及びバスバー１４は、スクリーン印刷等を用いて導電性ペーストを光電変換部１０上に塗布することによって形成される。導電性ペーストとしては、例えば、エポキシ樹脂等の樹脂材料をバインダとし、銀粒子等の導電性粒子をフィラーとして混合した樹脂型導電性ペーストを用いることができる。さらには、導電性粒子の形状としては、フレーク状のものと球状のものを混合したり、サイズの異なるものを混合したり、あるいは表面に凹凸形状を設けたりしたものであってもよい。
ところで、導電性粒子とフレーク状粒子とが混合されたフィンガー及びバスバーを備えた太陽電池においてさらなる出力の向上が望まれている。
本発明に係る太陽電池の一態様は、光の入射を受けて発電を行う発電部と、発電部に電気的に接続された銀を含む集電極と、を備え、集電極は、銀粒子が相互に溶着されたネットワーク構造と、導電性材料の粒子であるフレークと、を含み、フレークの比率が６０重量％以下である。
本発明に係る太陽電池によれば、集電極にネットワーク構造を有する太陽電池において出力を向上させることができる。
本実施の形態における太陽電池１００は、図１〜図３に示すように、光電変換部２０、フィンガー２２及びバスバー２４を含んで構成される。図１は、太陽電池１００の受光面側の平面図を示す。図２は、太陽電池１００の裏面側の平面図を示す。図３は、図１及び図２のラインＡ−Ａに沿った断面図を示す。
なお、図面は模式的なものであり、説明を分かり易くするために各寸法の比率等は現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
ここで、「受光面」とは太陽電池の外部から太陽光が主に入射する主面を、「裏面」とは受光面と反対側の主面をそれぞれ意味する。例えば、太陽電池１００に入射する太陽光のうち５０％超過〜１００％が受光面側から入射する。
光電変換部２０は、ｐｎ或いはｐｉｎ接合等の半導体接合を有しており、単結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉ等の結晶系半導体材料、非晶質Ｓｉ系合金或いはＣｕＩｎＳｅ等の薄膜半導体材料、或いはＧａＡｓ、ＩｎＰ等の化合物半導体材料等の半導体材料から構成されている。また、色素増感型等の有機材料を用いてもよい。
例えば、光電変換部２０は、基板２０ａ、ｉ型非晶質シリコン層２０ｂ、ｐ型非晶質シリコン層２０ｃ、透明導電層２０ｄ、ｉ型非晶質シリコン層２０ｅ、ｎ型非晶質シリコン層２０ｆ及び透明導電層２０ｇを含んで構成することができる。基板２０ａの上面側にｉ型非晶質シリコン層２０ｂ及びｐ型非晶質シリコン層２０ｃが設けられる。さらに、ｐ型非晶質シリコン層２０ｃ上に透明導電層２０ｄが設けられる。一方、基板２０ａの下面側にはｉ型非晶質シリコン層２０ｅ及びｎ型非晶質シリコン層２０ｆが設けられる。さらに、ｎ型非晶質シリコン層２０ｆ上に透明導電層２０ｇが設けられる。このような、光電変換部２０を有する太陽電池１００は、結晶系半導体とｐ型の非晶質半導体膜で形成されるｐｎ接合の間に、真性（ｉ型）の非晶質半導体膜を介挿することによって変換効率を飛躍的に向上させたものである。
ｉ型非晶質シリコン層２０ｂ、ｐ型非晶質シリコン層２０ｃ、ｉ型非晶質シリコン層２０ｅ及びｐ型非晶質シリコン層２０ｆは、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｓｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、Ｃａｔ−ＣＶＤ（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタリング法等により形成することができる。ＰＥＣＶＤは、ＲＦプラズマＣＶＤ法、周波数の高いＶＨＦプラズマＣＶＤ法、さらにはマイクロ波プラズマＣＶＤ法などいずれの手法を用いてもよい。例えば、基板２０ａの受光面側に約５ｎｍの厚みを有するｉ型非晶質シリコン層２０ｂを形成し、さらに約５ｎｍの厚みを有するｐ型非晶質シリコン層２０ｃを形成する。また、基板２０ａの裏面側に約５ｎｍの厚みを有するｉ型非晶質シリコン層２０ｅを形成し、さらに約２０ｎｍの厚みを有するｎ型非晶質シリコン層２０ｆを形成する。
透明導電層２０ｄ及び２０ｇは、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化錫、または酸化チタンなどの金属酸化物を少なくとも一つを含んで構成され、これらの金属酸化物に、錫、亜鉛、タングステン、アンチモン、チタン、セリウム、ガリウムなどのドーパントがドープされていてもよい。透明導電層２０ｄ及び２０ｇは、蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法等の成膜方法により形成することができる。
ただし、光電変換部２０を構成する材料は特に限定されるものではなく、種々の材料を用いることができる。
フィンガー２２及びバスバー２４は、透明導電層２０ｄ及び２０ｇ上に設けられる。フィンガー２２は、光電変換部２０で生成されたキャリアの収集用の電極である。フィンガー２２は、光電変換部２０からできるだけ均等にキャリアを収集するために、例えば１００μｍ程度の幅を有する線形状とされ、２ｍｍおきに配置される。また、バスバー２４は、複数のフィンガー２２で収集されたキャリアの集電用電極である。バスバー２４は、例えば１ｍｍの幅を有する線形状とされ、フィンガー２２と交差するように配置される。すなわち、複数の幅狭のフィンガー２２と幅広のバスバー２４とが組み合わされて櫛型状の集電極とされる。フィンガー２２及びバスバー２４の本数や面積は、太陽電池１００の大きさや抵抗を考慮して適宜に設定される。なお、バスバー２４を設けない構成としてもよい。
なお、太陽電池１００の受光面側に設けられるフィンガー２２及びバスバー２４の設置面積は裏面側よりも小さくすることが好ましい。すなわち、太陽電池１００の受光面側では、入射光を遮る面積をできるだけ小さくすることによって遮光ロスを低減することができる。一方、裏面側では入射光を考慮する必要がなく、フィンガー２２の代りに太陽電池１００の裏面全面を覆うように集電極を設けてもよい。
また、上記構成において、フィンガー２２とバスバー２４とは、導電性ペーストにより形成される。導電性ペーストとして、例えば、エポキシ樹脂等の樹脂材料をバインダとし、銀粒子等の導電性粒子をフィラーとした樹脂型導電性ペーストを用いることができる。バインダは、接着を主目的として混合される。信頼性を維持するためには、バインダは、耐湿性や耐熱性に優れていることが要求される。バインダは、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂等から選ばれる少なくとも一種、あるいは、これらの樹脂の混合、共重合などを適用すればよい。フィラーは、フィンガー２２とバスバー２４の電気伝導性を得ることを目的に混入される。銀粒子は、サイズの異なるものを混合したり、表面に凹凸形状を設けたものを混合したりしてもよい。また、必要に応じて、導電性ペーストに溶剤を加えてもよい。溶剤は、ブチルカルビトールアセテート（ＢＣＡ）等とすればよい。
さらに、本実施の形態では、導電性ペーストに導電性粒子のフレークも混合する。フレークとは、導電性材料の粉末粒子の長径と厚みの比が長径／厚み≧１０であり、平均粒子径が２〜５μｍ以上のことをいう。フレーク形状の導電性粒子は、例えば、粒状の導電性粒子を転動ミル、遊星ミル、塔式ミル、媒体攪拌ミル、等の粉砕メディアとしてボールを用いた粉砕機を使用して加工することにより得ることができる。フレークは、例えば、銀を含む材料とするとよい。
フィンガー２２とバスバー２４は、このような導電性ペーストをスクリーン印刷、オフセット印刷等の手法により透明導電層２０ｄ及び２０ｇ上に所望のパターンで塗布し、加熱して硬化させることによって形成することができる。このとき、銀粒子の特性や加熱温度を調整することによって、図４の断面模式図に示すように、多数の銀粒子が相互に溶着したネットワーク構造３０を持たせることができる。フィンガー２２とバスバー２４の銀粒子がネットワーク構造３０を有する場合、顕微鏡観察の観察範囲においてフィンガー２２とバスバー２４の銀粒子の半分以上が溶着して互いに繋がり合った構造を確認することができる。ただし、太陽電池１００としてＨＩＴ太陽電池等の低温プロセスで作成する太陽電池を適用する場合には、各非晶質半導体層への熱ダメージが小さい温度範囲（２００℃以下）で硬化され、ネットワーク構造３０を形成する導電性ペーストを用いることが好ましい。
太陽電池１００をモジュール化した太陽電池モジュールでは、複数の太陽電池１００がタブと呼ばれる導電性の接続部材によって相互に接続される。接続部材は、バスバー２４に沿って接続すればよい。さらに、ガラス、透光性プラスチックのなどの透光性を有する受光面側の封止材とＰＥＴ（Ｐｏｌｙ ＥｔｈｙｌｅｎｅＴｅｒｅｐｈｔａｌａｔｅ）等の樹脂フィルム又はアルミニウム（Ａｌ）箔を樹脂フィルムでサンドイッチした構造の積層フィルム等からなる裏面側の封止材とによって封止してもよい。封止にはＥＶＡ等の透光性を有する充填材を用いるとよい。
ところで、本実施の形態にように、フィンガー２２及びバスバー２４に銀粒子のネットワーク構造３０を持たせることによって、フィンガー２２及びバスバー２４の導電性が向上し、太陽電池１００の抵抗損失を低減することができる。
また、銀粒子のネットワーク構造３０が形成されると、銀粒子同士の溶着によってフィンガー２２及びバスバー２４内の収縮応力が大きくなる。これによって、フィンガー２２及びバスバー２４と透明導電層２０ｄ及び２０ｇとの間の応力差も大きくなり、これらの界面においてフィンガー２２及びバスバー２４が剥がれ易くなる。透明導電層２０ｄ及び２０ｇからフィンガー２２又はバスバー２４が剥がれると、接触抵抗が大きくなり、太陽電池１００の特性が低下する。
一方、フィンガー２２及びバスバー２４に導電性粒子のフレーク３２を混在させることによって、フレーク３２によって銀粒子のネットワーク構造３０が分断され、フィンガー２２及びバスバー２４内の収縮応力を低減することができる。フレーク３２は、ネットワーク構造３０内にランダムに分散されてもよい。したがって、図５の断面模式図に示すように、図５（ａ）のようなフィンガー２２及びバスバー２４内のフレーク３２の比率が低い状態から図５（ｂ）のようなフレーク３２に比率が高い状態とすることによって、銀粒子のネットワーク構造３０の切断箇所を増加させ、収縮応力の増加を抑制することができる。しかしながら、フレーク３２の比率の増加は、フィンガー２２及びバスバー２４のバルク抵抗の増大を招く。
図６は、フィンガー２２及びバスバー２４に含まれるフレーク３２の比率と短絡電流密度Ｉｓｃ、曲線因子ＦＦ及び最大発電量Ｐｍａｘとの関係を示す。図６の横軸は、フィンガー２２及びバスバー２４に含まれるフレーク３２による透光性の比率を重量％で示し、縦軸は、フレーク３２の比率が２４重量％であるときを１とした場合の短絡電流密度Ｉｓｃ、曲線因子ＦＦ及び最大発電量Ｐｍａｘの相対値を示す。
なお、フィンガー２２及びバスバー２４内のフレーク３２の比率が６０重量％を超えると、導電性ペーストを硬化させても銀粒子の銀粒子のネットワーク構造３０が形成されなくなり、フィンガー２２及びバスバー２４内として所望の電気的及び機械的な特性が得られなかった。したがって、フィンガー２２及びバスバー２４内のフレーク３２の比率は６０重量％以下とすることが好適である。
また、図６から、フィンガー２２及びバスバー２４に含まれるフレーク３２の比率が増加すると、短絡電流密度Ｉｓｃも増加した。これは、フレーク３２の比率が高いほど、導電性ペーストのチクソ比が増加し、フィンガー２２及びバスバー２４の印刷時のにじみが減少し、結果的にフィンガー２２及びバスバー２４による遮光損失が低下したためと考えられる。また、曲線因子ＦＦは、フィンガー２２及びバスバー２４に含まれるフレーク３２の比率が０から２４重量％にかけて増加すると共に増加し、２４重量％において最大値を示し、２４重量％を超えると徐々に低下した。フレーク３２の比率が２４重量％未満においてフレーク３２の比率が低下すると、フレーク３２によって銀粒子のネットワーク構造３０が分断される箇所が低減する。これにより、フィンガー２２及びバスバー２４内の収縮応力が高まり、フィンガー２２及びバスバー２４が剥がれ易くなり、接触抵抗が増加したために曲線因子ＦＦが低下したと推察される。一方、フレーク３２の比率が２４重量％を超える範囲においてフレーク３２の比率が増加すると、フレーク３２によって銀粒子のネットワーク構造３０が分断される箇所が増加する。これにより、フィンガー２２及びバスバー２４のバルク抵抗が大きくなり、曲線因子ＦＦが低下したと推察される。
これら短絡電流密度Ｉｓｃ及び曲線因子ＦＦの影響により、太陽電池１００の最大発電量Ｐｍａｘは、フレーク３２の比率が１０重量％以上３０重量％以下の範囲において高い値となり、２４重量％において極大値を示した。このことから、フィンガー２２及びバスバー２４内のフレーク３２の比率は１０重量％以上３０重量％以下とすることが好適である。
また、フィンガー２２及びバスバー２４は、図７に示すように、長手方向（Ｌ方向）に垂直な幅方向（Ｗ方向）に厚みの分布があり、端に近づくほど膜厚が薄くなる。フィンガー２２及びバスバー２４が厚くなるほどネットワーク構造３０による銀粒子間の応力が大きくなる。したがって、フィンガー２２及びバスバー２４が厚い領域のフレーク３２の比率を高くし、銀粒子のネットワーク構造３０の切断箇所をより多くすることが好適である。例えば、図７に示すように、フィンガー２２及びバスバー２４の長手方向に垂直な幅方向において、中央部のフレーク３２の密度を端部のフレーク３２の密度より高くすることが好ましい。
また、図８に示すように、透明導電層２０ｄ又は２０ｇにテクスチャ構造３４が設けられることがある。この場合、テクスチャ構造３４の凹部に銀粒子のネットワーク構造３０が形成されると、ネットワーク構造３０内の応力がテクスチャ構造３４の側壁からフィンガー２２及びバスバー２４を引きはがす方向（図中の矢印方向）に作用し易くなる。このような応力の局所的な集中によって、フィンガー２２及びバスバー２４が透明導電層２０ｄ又は２０ｇから剥離し易くなる。したがって、フィンガー２２及びバスバー２４がテクスチャ構造３４上に形成されている場合、テクスチャ構造３４の凹部内の領域にフレーク３２を有することが好ましい。さらに、図８に示すように、テクスチャ構造３４の凹部内の領域のフレーク３２の比率をテクスチャ構造３４より上層の領域より高くすることが好ましい。
テクスチャ構造３４の凹部内の領域のフレーク３２の比率を上層の領域より高くするには、フレーク３２の比率が異なる導電性ペーストを多層に分けて塗布すればよい。例えば、一層目として、フレーク３２の比率がより高い導電性ペーストをテクスチャ構造３４の凹部を埋めるように塗布し、二層目として、フレーク３２の比率がより低い導電性ペーストをテクスチャ構造３４を超える上層領域に塗布すればよい。
一方、フィンガー２２及びバスバー２４全体に亘って考えると、下層ではテクスチャ構造３４によって銀粒子のネットワーク構造３０が切断されており応力が緩和されているといえる。そこで、フィンガー２２及びバスバー２４全体に亘って考慮した場合、テクスチャ構造３４によって分断されていないテクスチャ構造３４より上層領域にフレーク３２を有することが好ましい。また、図９に示すように、テクスチャ構造３４を有する下層より上層におけるフレーク３２の比率を高くすることが好ましい。
このような構成もフレーク３２の比率が異なる導電性ペーストを多層に分けて塗布すればよい。例えば、一層目として、フレーク３２の比率がより低い導電性ペーストをテクスチャ構造３４の凹部を埋めるように塗布し、二層目として、フレーク３２の比率がより高い導電性ペーストをテクスチャ構造３４を超える上層領域に塗布すればよい。
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、各実施形態（各変形例）を組み合わせるようにしてもよい。
１０ 光電変換部、１２ フィンガー、１４ バスバー、２０ 光電変換部、２０ａ 基板、２０ｂ ｉ型非晶質シリコン層、２０ｃ ｐ型非晶質シリコン層、２０ｄ 透明導電層、２０ｅ ｉ型非晶質シリコン層、２０ｆ ｎ型非晶質シリコン層、２０ｇ 透明導電層、２２ フィンガー、２４ バスバー、３０ ネットワーク構造、３２ フレーク、３４ テクスチャ構造、１００ 太陽電池。
Claims (6)
- 光電変換部と、
前記光電変換部に電気的に接続された銀を含む集電極と、
を備え、
前記集電極は、
銀粒子が相互に溶着されたネットワーク構造と、
導電性材料の粒子であるフレークと、を含み、
前記フレークの比率が６０重量％以下である、太陽電池。 - 請求項１に記載の太陽電池であって、
前記フレークの比率が１０重量％以上３０重量％以下である、太陽電池。 - 請求項１又は２に記載の太陽電池であって、
前記集電極は、前記集電極の長手方向に垂直な幅方向において中央部の前記フレークの密度が端部の前記フレークの密度より高い、太陽電池。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池であって、
前記集電極は、テクスチャ構造上に形成されており、前記テクスチャ構造の凹部内の領域に前記フレークを有する、太陽電池。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池であって、
前記集電極は、テクスチャ構造上に形成されており、前記テクスチャ構造より上層の領域に前記フレークを有する、太陽電池。 - 請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽電池であって、
前記フレークは、長径と厚みの比が長径／厚み≧１０であり、平均粒子径が２〜５μｍ以上である、太陽電池。
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