TW201626586A - 光伏元件、太陽電池模組、太陽光發電系統、光伏元件之製造方法 - Google Patents

光伏元件、太陽電池模組、太陽光發電系統、光伏元件之製造方法 Download PDF

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Abstract

提供光伏元件、太陽電池模組、太陽光發電 系統、及光伏元件之製造方法。 本發明之光伏元件(10)係具備有：一導 電型(n型)的結晶系的矽基板(12)；被積層在前述矽基板(12)的第1主面(12a)的一導電型的非晶質的n型矽層(16)；被積層在前述n型矽層(16)的第1透明導電膜(18)；被積層在前述矽基板(12)的第2主面(12b)的其他導電型(p型)的非晶質的p型矽層(24)；及被積層在前述p型矽層(24)的第2透明導電膜(26)，其特徵為：前述第2透明導電膜(26)係被設在成為比前述第2半導體層的主面的周緣更為內側的區域，在前述第1透明導電膜(18)上設有集電極(20)，在前述第2透明導電膜(26)上設有背面電極(28)。

Description

光伏元件、太陽電池模組、太陽光發電系統、光伏元件之製造方法
本發明係關於光伏元件、及使用該光伏元件的太陽電池模組、太陽光發電系統、及光伏元件之製造方法。
異質接合型的光伏元件係指在半導體基板的其中一面，形成顯示與半導體基板為相同的一導電型的非晶質的半導體層，在半導體基板的另一面，形成顯示與半導體基板為相反之其他導電型的非晶質的半導體層，在各半導體層積層透明導電膜者。其中，亦有在形成前述半導體層之前，在半導體基板的兩面形成本質的非晶質的半導體層的情形。
該光伏元件係藉由氫，使存在於半導體基板與半導體層的界面的懸鍵形成終端來發揮高的鈍化性能。但是，若形成半導體層之後的熱歷程超過200度，使懸鍵形成終端的氫會脫離，因此並無法使用一般的矽系太陽電池所使用的燒穿(fire-through)的手法。因此，如前所 述，必須在各半導體層上積層透明導電膜。光伏元件中的透明導電膜係發揮至集電極為止的橫方向的集電、及反射防止膜的2個作用。
在圖10中顯示光伏元件的等效電路。如圖10所示，在光伏元件，使串聯電阻Rs接近0Ω，並且極為提高並聯電阻Rsh(接近無限大)即成為使光伏元件的輸出特性增加的指針。
但是，在形成透明導電膜時，由於使用濺鍍法、CVD法等製造法，因此透明導電膜不僅半導體層的表面，亦繞入至半導體層及基板的側面。此時，顯示一導電型的半導體層上的透明導電膜、及顯示其他導電型的半導體層上的透明導電膜會作電性接觸。由此，光伏元件的並聯電阻Rsh降低而漏電流增大，且光伏元件的輸出特性降低。因此，以避免如上所示之電性接觸的手法而言，一般已知使用雷射光等的邊緣隔離(edge isolation)(參照專利文獻1)。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
[專利文獻1]日本專利第3349308號
但是，如專利文獻1所示，在實施邊緣隔離 時，必須導入專用設備，成為成本的增加要因。此外，在專利文獻1中，係在其他導電型的半導體層上形成集電極，在一導電型的半導體層上形成背面電極。此時，由半導體基板至背面電極的各層的界面係形成為歐姆接觸。此外，形成有集電極之側的透明導電膜繞入至半導體基板的側面，該透明導電膜與半導體基板之間形成為歐姆接觸。在此，歐姆接觸係指不僅按照歐姆定律之成為電傳導的歐姆接觸，亦包含即使在價帶的上部或傳導體的下部有位能障壁，如其高度與熱能相比較為較低時、或其寬幅對載體而言為以藉由穿隧效應而可容易貫穿的程度為較窄時，可進行類似歐姆接觸的電傳導的接觸。因此，形成有集電極之側的透明導電膜與背面電極之間透過半導體基板而形成為歐姆傳導，會有發生漏電流的問題。
因此，本發明係著重在上述問題，目的在提供藉由減低形成有集電極之側的透明導電膜與背面電極之間的歐姆傳導，來抑制漏電流而實現高效率的光伏元件、及使用該光伏元件的太陽電池模組、太陽光發電系統。此外，本發明之目的在提供用以無須經由邊緣隔離等後工程來製造前述之光伏元件之光伏元件之製造方法。
為達成上述目的，本發明之光伏元件，第1，其係具備有：一導電型的結晶系的半導體基板；被積層在前述半導體基板的第1主面的一導電型的非晶質的第1半 導體層；被積層在前述第1半導體層的第1透明導電膜；被積層在前述半導體基板的第2主面的其他導電型的非晶質的第2半導體層；及被積層在前述第2半導體層的第2透明導電膜，該光伏元件之特徵為：前述第2透明導電膜係被設在成為比前述第2半導體層的主面的周緣更為內側的區域，在前述第1透明導電膜上設有集電極，在前述第2透明導電膜上設有背面電極。
在上述構成中，配置有集電極的第1透明導電膜成為太陽光的受光面。此外，藉由上述構成，被積層在第2半導體層的第2透明導電膜並未接觸半導體基板，而且藉由其他導電型的第2半導體層，背面電極、與形成在半導體基板的第2主面側的各層之間係形成為非歐姆傳導。因此，假設即使被積層在第1半導體層的第1透明導電膜繞入至半導體基板的側面，甚至第2半導體層的側面，第1透明導電膜與背面電極之間並不會有因第2半導體層的存在而成為歐姆傳導的情形。因此，抑制由第1透明導電膜至背面電極的漏電流而成為高效率的光伏元件。
第2，其特徵為：前述第1透明導電膜係由前述第1半導體層的周緣繞入至其側面而包覆前述半導體基板的側面。
藉由上述構成，可一邊維持抑制由第1透明導電膜至背面電極的漏電流的狀態，一邊提高第1透明導電膜之來自第1半導體層的載體的集電效率。
第3，其特徵為：在前述半導體基板與前述第 1半導體層之間、及前述半導體基板與前述第2半導體層之間係分別設有本質的非晶質的半導體層。
藉由上述構成，可減低載體的再結合損失而提高光伏元件的轉換效率。
本發明之太陽電池模組之特徵為：具備有前述之光伏元件。
藉由上述構成，抑制由第1透明導電膜至背面電極的漏電流而成為高效率的太陽電池模組。
本發明之太陽光發電系統之特徵為：具備有前述之太陽電池模組。
抑制由第1透明導電膜至背面電極的漏電流而成為高效率的太陽光發電系統。
另一方面，本發明之光伏元件之製造方法之特徵為：將在一導電型的結晶系的半導體基板的第1主面積層一導電型的非晶質的第1半導體層，而且在前述半導體基板的第2主面積層其他導電型的非晶質的第2半導體層而得的積層體配置在基板固持具，前述積層體係形成為將積層前述第2半導體層的面朝向前述基板固持具側作配置者，在前述基板固持具係預先形成有使前述積層體之積層前述第2半導體層的面殘留其周緣部而露出的開口部，在將前述積層體配置在前述基板固持具的狀態下，將透明導電膜的材料朝向前述第1半導體層的主面進行供給而積層第1透明導電膜，而且通過前述開口部，將透明導電膜的材料朝向前述第1半導體層的主面進行供給而積層第2 透明導電膜，在前述第1透明導電膜上形成集電極，在前述第2透明導電膜上形成背面電極。
藉由上述方法，可將基板固持具作為僅將第2半導體層的周緣對第2透明導電膜的材料作遮蔽的遮罩來使用。因此，不會有第2透明導電膜被積層在被遮罩覆蓋的第2半導體層的周緣的情形，並不會有第2透明導電膜接觸第1透明導電膜的情形。因此，無須經由邊緣隔離等後工程，即可製造前述之光伏元件。
藉由本發明之光伏元件、及使用該光伏元件的太陽電池模組、太陽光發電系統，可抑制由被配置在集電極側的第1透明導電膜至背面電極的漏電流。此外，藉由本發明之光伏元件之製造方法，無須經由邊緣隔離等後工程，即可製造前述之光伏元件。
10‧‧‧光伏元件
12‧‧‧矽基板
12a‧‧‧第1主面
12b‧‧‧第2主面
13‧‧‧積層體
14‧‧‧i型矽層
16‧‧‧n型矽層
18‧‧‧第1透明導電膜
20‧‧‧集電極
22‧‧‧i型矽層
24‧‧‧p型矽層
26‧‧‧第2透明導電膜
28‧‧‧背面電極
100‧‧‧製造裝置
102‧‧‧基板固持具
103‧‧‧驅動機構
104‧‧‧開口部
106‧‧‧靶材
108‧‧‧靶材
109‧‧‧磁石
圖1係本實施形態之光伏元件的模式圖(剖面圖)。
圖2係本實施形態之光伏元件的模式圖(背面圖)。
圖3係本實施形態之光伏元件之製造裝置的模式圖(正面圖)。
圖4係本實施形態之光伏元件之製造裝置的模式圖(平面圖)。
圖5係顯示本實施形態之光伏元件之製造裝置中的透明導電膜積層前的模式圖(剖面圖)。
圖6係顯示本實施形態之光伏元件之製造裝置中的透明導電膜積層後的模式圖(剖面圖)。
圖7係比較例的光伏元件的模式圖(剖面圖)。
圖8係顯示實施例及比較例的暗流特性的圖。
圖9係顯示實施例及比較例的IV特性的圖。
圖10係顯示光伏元件的等效電路的圖。
以下使用圖示之實施形態，詳細說明本發明。但是，該實施形態所記載之構成要素、種類、組合、形狀、其相對配置等只要沒有特定記載，僅為說明例，而非為將本發明的範圍僅限定於此。
在圖1、圖2中顯示本實施形態之光伏元件的模式圖(剖面圖、背面圖)。本實施形態之光伏元件10係使用一導電型(n型)的單結晶的矽基板12(半導體基板)。接著，在矽基板12的第1主面12a係依序積層有：本質(i型)的非晶質(amorphous)的i型矽層14(半導體層)、一導電型(n型)的非晶質的n型矽層16(第1半導體層)、以ITO(Indium Tin Oxide，氧化銦錫)等為材料的第1透明導電膜18、及集電極20。因此，矽基板12的第1主面12a側成為太陽光的受光面。
另一方面，在矽基板12的第2主面12b係依 序積層有：本質(i型)的非晶質(amorphous)的i型矽層22(半導體層)、其他導電型(p型)的非晶質的p型矽層24(第2半導體層)、以ITO等為材料的第2透明導電膜26、及背面電極28。
i型矽層14、22、n型矽層16、p型矽層24係可藉由使用矽烷等矽化合物的電漿CVD法而成長。其中，在n型矽層16成長時，若在矽化合物添加二硼烷等即可，在p型矽層24成長時，若在矽化合物添加膦等即可。此外，第1透明導電膜18及第2透明導電膜26係可藉由後述之濺鍍法而成長。
集電極20及背面電極28係可藉由使用導電性糊料的印刷技術來形成。以背面電極28的材料而言，適於使用銀、鎳、銅、鋁、碳等導電性糊料。另一方面，雖圖示省略，集電極20係為了減低對第1透明導電膜18的遮光率而必須形成為梳齒狀，來減小通電面積。因此，為了在通電面積小的狀態下形成為良導體，以集電極20的材料而言，係以使用導電性高的銀糊為適合。
如圖1、圖2所示，第1透明導電膜18係積層在n型矽層16(圖1)上者，但是由n型矽層16的周緣突出，且繞入至n型矽層16的側面及矽基板12的側面、i型矽層22的側面、p型矽層24的側面。
另一方面，第2透明導電膜26係積層在p型矽層24上者，但是形成在成為比p型矽層24的主面的周緣(i型矽層22的主面的周緣及矽基板12的主面的周 緣)為稍微內側的區域。
藉由上述構成，被積層在p型矽層24的第2透明導電膜26並未接觸矽基板12，而且藉由其他導電型的p型矽層24，背面電極28、與形成在矽基板12的第2主面12b側的各層之間係成為非歐姆傳導。因此，如圖1所示，假設被積層在n型矽層16的第1透明導電膜18繞入至矽基板12的側面，甚至繞入至p型矽層24的側面，第1透明導電膜18與背面電極28之間並不會有因p型矽層24的存在而成為歐姆傳導的情形。因此，抑制由第1透明導電膜18至背面電極28的漏電流而成為高效率的光伏元件10。
此外，第1透明導電膜18係由n型矽層16的周緣繞入至其側面而包覆矽基板12的側面。藉此，可一邊維持抑制由第1透明導電膜18至背面電極28的漏電流的狀態，一邊提高第1透明導電膜18之來自n型矽層16的載體的集電效率。
此外，在矽基板12與n型矽層16之間設有i型矽層14，在矽基板12與p型矽層24之間設有i型矽層22。藉此，可減低載體的再結合損失，而提高光伏元件10的轉換效率。
在圖3、圖4中顯示本實施形態之光伏元件之製造裝置的模式圖(正面圖、平面圖)。此外，在圖5、圖6中顯示表示本實施形態之光伏元件之製造裝置中的透明導電膜的積層前與積層後的模式圖(剖面圖)。
本實施形態之光伏元件10之製造裝置100(濺鍍裝置)係使第1透明導電膜18及第2透明導電膜26成長者。製造裝置100係在腔室(未圖示)內配置有載置積層體13的基板固持具102。在此，積層體13係指依i型矽層14、n型矽層16的順序積層在矽基板12的第1主面12a，且依i型矽層22、p型矽層24的順序積層在第2主面12b者。此外，在腔室內，在成為基板固持具102的上方及下方的位置，分別配置有使透明導電膜的材料燒結的圓筒形的靶材106、108。在此，基板固持具102係可將積層體13藉由驅動機構103，由與其中一方靶材106相對向的位置移動至與另一方靶材108相對向的位置。
靶材106、108係分別形成為中空的圓筒形狀。接著，在靶材106、108的內部係分別配置有磁石109，若藉由輝光放電用的高電壓電源供給電力，被因該磁石109所產生的磁力線封入而形成高密度放電電漿。因此，被照射在該高密度放電電漿中所產生的離子，靶材106、108的材料被彈飛，而到達至積層體13。另一方面，靶材106、108係繞圓筒形的軸旋轉。藉此，在腔室內，靶材106、108的材料被彈飛的位置係幾乎為固定，但是將靶材106、108的圓筒面中的材料彈飛的位置係藉由旋轉而移動。圖中，由被配置在上部的靶材106係靶材106的材料朝向基板固持具102(積層體13)的上面飛散，由被配置在下部的靶材108係靶材108的材料朝向基 板固持具102(積層體13)的下面飛散。
在基板固持具102之載置積層體13的位置，形成有為積層體13(矽基板12)的外形的相似形且比積層體13稍小的開口部104，積層體13係僅有其周緣被基板固持具102支持。藉此，積層體13的周緣係對由靶材108被彈飛的材料予以遮蔽(遮罩)，剩餘部分藉由開口部104露出，由靶材108被彈飛的材料即堆積。
如圖5所示，在本實施形態中，積層體13係將矽基板12的第2主面12b，亦即形成有p型矽層24的面朝向開口部104而載置在基板固持具102。此外，如圖6所示，在本實施形態中，在第1主面12a側積層第1透明導電膜18，在第2主面12b側積層第2透明導電膜26，但是積層的順序為任意。此外，在圖3、4中，係單面單面地積層透明導電膜，但是亦可靶材106、108形成為同時夾入積層體13的配置，兩面同時積層透明導電膜。
接著，將第1透明導電膜18及第2透明導電膜26積層後，在第1透明導電膜18上形成集電極20，且在第2透明導電膜26上形成背面電極28，藉此形成圖1、2所示之光伏元件10。
藉由上述工程，可使用基板固持具102作為僅將p型矽層24的周緣對第2透明導電膜26的材料作遮蔽的遮罩。因此不會有第2透明導電膜26被積層在被遮罩覆蓋的p型矽層24的周緣的情形，並不會有第2透明 導電膜26接觸第1透明導電膜18的情形。因此，無須經由邊緣隔離等後工程，即可製造光伏元件10。
〔實施例〕
說明本實施形態之光伏元件10之製造工程。首先，備妥一邊為156mm的正方形的單結晶系的n型矽基板12。接著，藉由電漿CVD法，在矽基板12的第1主面12a依序積層非晶質的i型矽層14、及非晶質的n型矽層16，在第2主面12b依序積層非晶質的i型矽層22、及非晶質的p型矽層24。
接著，第1透明導電膜18、第2透明導電膜26係藉由濺鍍法進行積層。此時，靶材106、108係使用含有3wt%錫(Sn)的ITO的圓筒形的燒結體。此外，在基板固持具102係形成一邊為152mm的正方形的開口部104，且以覆蓋該開口部104的方式將矽基板12配置在基板固持具102。
在此，若過於加寬開口部104，矽基板12會發生位置偏移而局部使第1透明導電膜18與第2透明導電膜26作電性接觸。相反地，若過於縮窄開口部104，實質的發電區域會變窄。因此，使用156mm見方的矽基板12時的開口部104的尺寸係以150mm見方~155mm見方為適合。此時的第2透明導電膜26的遮罩區域(非成膜區域)係形成為由矽基板12的周緣，在其內側具有0.5mm~3mm的寬幅的矩形的環狀。
其中，各層的厚度係矽基板12為200μm左右，i型矽層14及n型矽層16為10nm左右，i型矽層22、p型矽層24、第1透明導電膜18、及第2透明導電膜26為100nm左右。
在實施例中，由於將矽基板12設為156mm見方、開口部104設為152mm見方，因此對第2透明導電膜26的遮罩區域(非成膜區域)係形成為由矽基板12的周緣，在其內側具有2mm的寬幅的矩形的環狀。另一方面，第1透明導電膜18係在繞入至矽基板12的側面的狀態下被積層在n型矽層16上。之後，藉由使用導電性糊料的印刷技術，在第1透明導電膜18上形成集電極20，在第2透明導電膜26上形成背面電極28。
在圖7中顯示比較例之光伏元件的模式圖(剖面圖)。在實施例中，係以p型矽層24與開口部104相對向的方式將積層體13配置在基板固持具102，但是在比較例中，係在積層體13中，以n型矽層16與開口部104相對向的方式將積層體13配置在基板固持具102而形成光伏元件11。在比較例中，積層在p型矽層24上的第2透明導電膜26繞入至矽基板12的側面，積層在n型矽層16上的第1透明導電膜18係藉由開口部104(遮罩)而形成在成為比n型矽層16的周緣為稍微內側的區域。接著，在第1透明導電膜18上形成背面電極28，在第2透明導電膜26上形成集電極20。因此，在光伏元件11，係第2透明導電膜26側成為太陽光的受光面。
在圖8中顯示實施例及比較例的暗流特性，在圖9顯示實施例及比較例的IV特性。圖8係橫軸表示集電極20與背面電極28之間的施加電壓(V)，縱軸表示在光伏元件10、11內流通的暗電流(A)。此外，圖9係對光伏元件10、11照射光而使電動勢發生，且測定出開放電壓、短路電流、負荷特性者。
如圖8所示，若施加電壓為0.6V以上，在實施例與比較例幾乎看不到差異。但是，若將施加電壓形成為0.6V以下，在兩者之間係產生差異，在0.3V，實施例的暗電流係降低至比實施例的暗電流為約10分之1程度，在0.1V，係降低至約50分之1程度。
在比較例中，矽基板12與背面電極28之間形成為歐姆傳導。此外，積層在p型矽層24上的第2透明導電膜26係繞入至n型矽層16的側面(圖7)，兩者形成為歐姆傳導。因此，第2透明導電膜26與背面電極28係形成為歐姆傳導。因此，如圖8所示，在比較例中，低偏壓區域中的暗電流(漏電流)與實施例相比較，並無法抑制，如圖9所示形成為光照射時的電流亦以暗電流的部分而比實施例為更低，輸出特性比實施例為更差的形式。
可藉由將本實施形態之光伏元件10，例如以陣列狀排列複數在面板而作並聯連接，來建構太陽電池模組。此外，可藉由在屋外(屋頂)配置複數該太陽電池模組，來建構太陽光發電系統。
其中，在矽基板12的第1面12a積層i型矽層14，在第2面12b積層i型矽層22，但是基於載體的再結合損失小等理由，若可得充分的轉換效率，亦可省略該等。
〔產業上可利用性〕
可作為藉由減低形成有集電極之側的透明導電膜與背面電極之間的歐姆傳導，來抑制漏電流而實現高效率的光伏元件、及使用該光伏元件的太陽電池模組、太陽光發電系統加以利用。此外，可作為用以無須經由邊緣隔離等後工程，來製造前述之光伏元件之光伏元件之製造方法加以利用。
10‧‧‧光伏元件
12‧‧‧矽基板
12a‧‧‧第1主面
12b‧‧‧第2主面
14‧‧‧i型矽層
16‧‧‧n型矽層
18‧‧‧第1透明導電膜
20‧‧‧集電極
22‧‧‧i型矽層
24‧‧‧p型矽層
26‧‧‧第2透明導電膜
28‧‧‧背面電極

Claims (6)

  1. 一種光伏元件，其係具備有：一導電型的結晶系的半導體基板；被積層在前述半導體基板的第1主面的一導電型的非晶質的第1半導體層；被積層在前述第1半導體層的第1透明導電膜；被積層在前述半導體基板的第2主面的其他導電型的非晶質的第2半導體層；及被積層在前述第2半導體層的第2透明導電膜，該光伏元件之特徵為：前述第2透明導電膜係被設在成為比前述第2半導體層的主面的周緣更為內側的區域，在前述第1透明導電膜上設有集電極，在前述第2透明導電膜上設有背面電極。
  2. 如申請專利範圍第1項之光伏元件，其中，前述第1透明導電膜係由前述第1半導體層的周緣繞入至其側面而包覆前述半導體基板的側面。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之光伏元件，其中，在前述半導體基板與前述第1半導體層之間、及前述半導體基板與前述第2半導體層之間係分別設有本質的非晶質的半導體層。
  4. 一種太陽電池模組，其特徵為：具備有如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之光伏元件。
  5. 一種太陽光發電系統，其特徵為：具備有如申請專利範圍第4項之太陽電池模組。
  6. 一種光伏元件之製造方法，其特徵為：將在一導電型的結晶系的半導體基板的第1主面積層一導電型的非晶質的第1半導體層，而且在前述半導體基板的第2主面積層其他導電型的非晶質的第2半導體層而得的積層體配置在基板固持具，前述積層體係形成為將積層前述第2半導體層的面朝向前述基板固持具側作配置者，在前述基板固持具係預先形成有使前述積層體之積層前述第2半導體層的面殘留其周緣部而露出的開口部，在將前述積層體配置在前述基板固持具的狀態下，將透明導電膜的材料朝向前述第1半導體層的主面進行供給而積層第1透明導電膜，而且通過前述開口部，將透明導電膜的材料朝向前述第1半導體層的主面進行供給而積層第2透明導電膜，在前述第1透明導電膜上形成集電極，在前述第2透明導電膜上形成背面電極。
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