WO2012014806A1 - 太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
この発明は、スクリーン印刷により電極を形成する際に、ｐｎ接合にダメージを与えずに出力の特性の高い太陽電池を提供することを課題とする。 この発明は、発電が寄与するｐｎ接合が下面側にある基板１の下面の上に、スクリーン印刷により電極５を形成した後、下面と反対である基板１の上面側にスクリーン印刷により電極９を形成する。電極５、９はフィンガー電極を有し、電極５のフィンガー電極の本数を電極９のフィンガー電極の本数より多くする。
Description
この発明は、太陽電池の製造方法に関し、特に、太陽電池にスクリーン印刷法により電極を設ける太陽電池の製造方法に関するものである。
太陽電池に電極を形成する場合、生産性及び信頼性等の面において優位なスクリーン印刷法が多く用いられている。銀ペーストを用いて、受光面と反対側の面にそれぞれフィンガー電極をスクリーン印刷により形成したものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
ところで、結晶系半導体基板と非晶質半導体との間に実質的に真性な非晶質半導体を挟み、その界面での欠陥を低減し、ヘテロ接合界面の特性を改善した構造の太陽電池が知られている。
かかる構造の太陽電池においても、従来スクリーン印刷法を用いて電極を形成していた。
しかしながら、近年、太陽電池の普及に伴い高性能化の要請が高まっており、このため、電極の形成工程を改善して太陽電池の性能を改善する必要が生じてきた。
この発明は、斯かる要請に応えるためになされたものにして、電極の形成工程を改善することにより性能の高い太陽電池を提供することを目的とする。
この発明は、ｐ型またはｎ型の半導体基板の一方の面にｐｎ接合が形成された太陽電池の製造方法であって、半導体基板の一方の面の上にスクリーン印刷により電極を形成した後、半導体基板の他方の面の上にスクリーン印刷により電極を形成することを特徴とする。
この発明によれば、上記の工程を備えることにより性能の高い太陽電池が得られる。
この発明の実施の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。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、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とは勿論である。
図１は、実施形態による太陽電池の構成を示した断面図である。図１を参照して、実施形態による太陽電池の構成について説明する。
実施形態に係る太陽電池は、結晶系半導体基板と非晶質半導体との間に実質的に真性な非晶質半導体を挟んだ構造を採用している。これによって、その界面での欠陥を低減し、ヘテロ接合界面における少数キャリアの再結合を防止した構造を用いている。
太陽電池装置は、図１に示すように、約１Ω・ｃｍの抵抗率と約２００μｍの厚みとを有するとともに、（１００）面を有するｎ型単結晶シリコン基板（ｎ：ｃ－Ｓｉ）１を備えている。ｎ型単結晶シリコン基板１の表面には、数μｍから数十μｍの高さを有するピラミッド状の凹凸からなるテクスチャー構造が形成されている。このｎ型単結晶シリコン基板１の下面の上には、約５ｎｍの厚みを有する実質的にｉ型の非晶質シリコン層（ｉ：ａ－Ｓｉ）２が形成されている。また、ｉ型非晶質シリコン層２上には、約５ｎｍの厚みを有するｐ型非晶質シリコン層（ｐ：ａ－Ｓｉ）３が形成され、発電に寄与するｐｎ接合が形成されている。なお、図１において、ｎ型単結晶シリコン基板１の下側で、ｐ型非晶質シリコン層３が形成される面を下面とし、その反対側の面を上面とする。
また、ｐ型非晶質シリコン層３上には、約１００ｎｍの厚みを有する透明導電膜（ＴＣＯ）４が形成されている。この透明導電膜４は、酸化インジウム錫や酸化亜鉛等の透光性導電酸化膜で形成されている。
更に、この透明導電膜４の上面の上の所定領域には、電極５が形成されている。この電極５は、銀（Ａｇ）ペースト等の導電ペーストを用いて形成されている。また、この電極５は、複数のフィンガー電極部とバスバー電極部で構成されている。
ｎ型単結晶シリコン基板１の上面の上には、約５ｎｍの厚みを有する実質的にｉ型の非晶質シリコン層６が形成されている。ｉ型非晶質シリコン層６上には、約２０ｎｍの厚みを有するｎ型非晶質シリコン層７が形成されている。また、ｎ型非晶質シリコン層７上には、約１００ｎｍの厚みを有する透明導電膜８が形成されている。透明導電膜８上の所定領域には、電極９が形成されている。
この発明の実施形態における太陽電池装置は、図１に示すように、発電に寄与するｐｎ接合が下面側にある構造（以下、「ＢＳ構造」という。）であって、光は主に図１に示す太陽電池のｎ型非晶質シリコン層７側から入射する。光の遮蔽を少なくするため、光入射量の少ないｐ型非晶質シリコン層３側に設けられる電極５のフィンガー電極の本数が多く、光入射量の多いｎ型非晶質シリコン層７側に設けられる電極９のフィンガー電極の本数は少なくする。
例えば、電極５のフィンガー電極の本数は２２１本、電極９のフィンガー電極の本数は６１本と、ｐ型非晶質シリコン層３側の電極５のフィンガー本数を約４倍程度多くしている。
次に、この図１に示す太陽電池の製造方法につき、図２Ａ～図２Ｅ、図３及び図４を参照して説明する。
図２Ａに示すように、まず、（１００）面を有するｎ型単結晶シリコン基板１を用意する。このｎ型単結晶シリコン基板１にエッチングを施し、基板表面にピラミッド状凹凸を形成する。そして、このｎ型単結晶シリコン基板１の一面の上に、ｉ型非晶質シリコン層２、ｐ型非晶質シリコン層３を形成する。例えば、プラズマＣＶＤ法等のＣＶＤ法により、ｉ型非晶質シリコン層２、ｐ型非晶質シリコン層３を形成する。
続いて、図２Ｂに示すように、ｎ型単結晶シリコン基板１の他面の上には、ｉ型非晶質シリコン層６、ｎ型非晶質シリコン層７を形成する。例えば、プラズマＣＶＤ法等のＣＶＤ法により、ｉ型非晶質シリコン層６、ｎ型非晶質シリコン層７を形成する。
その後、図２Ｃに示すように、ｐ型非晶質シリコン層３、ｎ型非晶質シリコン層７上に、約１００ｎｍの厚みを有する透明導電膜４、８を形成する。例えば、酸化インジウムを用いたスパッタ法により、透明電極膜４、８を形成する。
そして、図２Ｄに示すように、発電に寄与するｐｎ接合がある面、すなわち、ｐ型非晶質シリコン層３側の透明導電膜４の下面の上の所定領域に、銀ペーストを用いたスクリーン印刷により、電極５を形成する。図３に示すように、ｎ型非晶質シリコン層７が設けられた上面側が接触するようにｎ型単結晶シリコン基板１を印刷ステージ２２上に載せ、電極形成のために所定のパターンを形成したスクリーンマスク２３を、ｐ型非晶質シリコン層３が設けられた下面側の表面に配設する。そして、そのスクリーンマスク２３上に電極となる導電ペースト２０を載置し、所定のスキージ２１により、スクリーンマスク２３に設けられた開口部に導電ペースト２０を充填する。導電性ペースト２０を充填した後、スクリーンマスク２３を取り除き、透明導電膜４上に電極５を形成する。
続いて、図２Ｅに示すように、透明導電膜８の上面の上の所定領域に、導電ペーストを用いたスクリーン印刷により、電極９を形成する。図４に示すように、電極５が形成された上面側が接触するようにｎ型単結晶シリコン基板１を印刷ステージ２２上に載せ、電極形成のために所定のパターンを形成したスクリーンマスク２４をｎ型非晶質シリコン層７が設けられた面側の表面に配設する。このとき、スクリーン印刷工程においては、印刷ステージ２２上に電極５を介してｐｎ接合面が支持される。そして、そのスクリーンマスク２４上に電極となる導電ペースト２０を載置し、所定のスキージ２１により、スクリーンマスク２４に設けられた開口部に導電ペースト２０を充填する。導電性ペースト２０を充填した後、スクリーンマスク２４を取り除き、透明導電膜８上に電極９を形成する。
このようにして、この発明による太陽電池が得られる。上記のように、この発明によれば、スクリーン印刷により電極を形成する際に、ｐｎ接合にダメージを与えずに出力の特性の高い太陽電池が得られる。
詳述すると、図２Ｄに示すスクリーン印刷工程においては、発電に寄与するｐｎ接合が設けられた面が印刷ステージ２２に接触しない。これによって、基板のずれやこすれ等により、ｐｎ接合にダメージを与える虞がなくなり、ｐｎ接合の破壊等の悪影響を防止できる。その後、図２Ｅに示すスクリーン印刷工程において、印刷ステージ２２上に電極５を介してｐｎ接合面が支持される。これによって、ｐｎ接合面が印刷ステージ２２に直接接触する虞がなくなり、ｐｎ接合に与えるダメージを軽減させることができる。また、電極５の本数は電極９に比べて多いので、スクリーン印刷工程における圧力は分散され、ｐｎ接合へのダメージも軽減される。
次に、参考例による太陽電池につき、図５Ａ～図５Ｂ、図６及び図７を参照して説明する。この参考例は、電極５、９をスクリーン印刷によって形成するが、ｎ型非晶質シリコン層７側の電極９から形成するものである。なお、図５Ａにおいて、ｎ型単結晶シリコン基板１の下側で、ｐ型非晶質シリコン層３が形成される面を下面とし、その反対側の面を上面とする。透明導電電極４、８の形成までは前述と同様に形成される。
そして、図５Ａに示すように、導電ペーストを用いてスクリーン印刷により、電極９を形成する。電極９の形成は、図６に示すように、ｐ型非晶質シリコン層３が設けられた下面側を印刷ステージ２２上に載せ、その後は図２Ｅの工程と同様の方法で透明導電膜８上に電極９を形成する。
続いて、図５Ｂに示すように、透明導電膜４の下面の上の所定領域に、スクリーン印刷により、導電ペーストを用いて電極５を形成する。この電極５の形成は、図７に示すように、電極９が形成された上面側が接触するようにｎ型単結晶シリコン基板１を印刷ステージ２２上に載せ、その後は図２Ｄの工程と同様の方法で透明導電膜４上に電極５を形成する。
このようにして、この発明の参考例による太陽電池が得られる。
参考例におけるスクリーン印刷工程においては、図５Ａの工程において、発電に寄与するｐｎ接合の面が印刷ステージ２２に接触することになり、ｐｎ接合にダメージを与え、ｐｎ接合の破壊等が生じる虞がある。
次に、実施形態に係る太陽電池と参考例の太陽電池を用意し、太陽電池特性を測定した結果を図１２に示す。図１２において、縦軸はサンプル数、横軸は太陽電池の特性である。なお、横軸は印刷環境の良い状態、すなわち、両面ともスクリーンマスクは新品のものを使用し、清掃した後の印刷ステージ２２を用いて作成した参考例による太陽電池の特性により規格化したものである。
比較した各サンプルは、印刷ステージ２２を清掃した後、５００ショット印刷後の状態からそれぞれ太陽電池を作成した。なお、１ショットの印刷とは、図３に示す動作を示す。詳述すると、１ショットの印刷は、ｎ型単結晶シリコン基板１を印刷ステージ２２上に載せてスクリーンマスク２３を表面に配設し、スクリーンマスク２３上に導電性ペースト２０を載置してスクリーンマスク２３に設けられた開口部に導電性ペースト２０を充填する１回の動作である。
図１２に示すように、実施形態に係る太陽電池の方が参考例のものより、太陽電池の特性の高いサンプルが多く得られた。詳述すると、図１２の横軸は太陽電池の出力電力の最大値（Ｐｍａｘ）で、縦軸はＰｍａxの値に対応したサンプルの数である。最もサンプル数の多いＰｍａｘの区間を基準とすると、実施形態に係る太陽電池について基準よりもＰｍａｘの高いサンプルの数が、参考例による太陽電池について基準よりもＰｍａｘの高いサンプルの数に比べ、多くなった。このように、実施形態に係る太陽電池について、スクリーン印刷により電極を形成する際にｐｎ接合に与えるダメージを低減することによって、出力の特性の高い太陽電池が得られることが分かる。
次に、他の実施形態につき図８、図９Ａ～図９Ｅ、図１０及び図１１に従い説明する。この図８に示すものは、ｐｎ接合が形成された上面側から光が入射する構造（以下、「ＳＴＤ構造」という。）にこの発明を適用したものである。なお、図８において、ｎ型単結晶シリコン基板１の下側で、ｎ型非晶質シリコン層７が形成される面を下面とし、その反対側の面を上面とする。
図８に示すように、ｎ型単結晶シリコン基板１の上面の上には、実質的に真性のｉ型非晶質シリコン層２が形成されている。ｉ型非晶質シリコン層２上には、ｐ型非晶質シリコン層３が形成されている。ｐ型非晶質シリコン層３上には、透明導電膜としての透明導電膜４が形成されている。この透明導電膜４の上面の上の所定領域には、電極５が形成されている。
また、ｎ型単結晶シリコン基板１の下面の上には、実質的に真性のｉ型非晶質シリコン層６が形成されている。ｉ型非晶質シリコン層６上には、ｎ型非晶質シリコン層７が形成されている。ｎ型非晶質シリコン層７上には、透明導電膜８が形成されている。透明導電膜８上の所定領域には、電極９が形成されている。このようにｎ型単結晶シリコン基板１の下面の上に、ｉ型非晶質シリコン層６およびｎ型非晶質シリコン層７が順番に形成されることにより、いわゆるＢＳＦ構造が形成されている。他の実施形態に係るそれぞれの膜の厚みは、実施形態に係る太陽電池の膜の厚みと同様である。
次に、他の実施形態に係る太陽電池の製造方法につき、図９Ａ～図９Ｅ、図１０及び図１１を参照して説明する。
図９Ａから図９Ｃの工程は、上記した図２Ａから図２Ｃと同様であるので、同じ符号を付しここでは説明を割愛する。
図９Ｄに示すように、発電に寄与するｐｎ接合がある面、すなわち、ｐ型非晶質シリコン層３側の透明導電膜４の上面の上の所定領域に、導電ペーストを用いたスクリーン印刷により、電極５を形成する。図１０に示すように、ｎ型非晶質シリコン層７が設けられた下面側を印刷ステージ２２上に載せ、その後は図２Ｅの工程と同様の方法で透明導電膜４上に電極５を形成する。
続いて、図９Ｅに示すように、透明導電膜８の下面の上の所定領域に、導電ペーストを用いたスクリーン印刷により、電極９を形成する。この電極５の形成は、図１１に示すように、ｐ側の電極５が形成された上面側を印刷ステージ２２上に載せ、その後は図２Ｄの工程と同様の方法で透明導電膜８上に電極９を形成する。
上記のように、他の実施形態によれば、スクリーン印刷により電極を形成する際に、ｐｎ接合にダメージを与えずに出力の特性の高い太陽電池が得られる。
なお、図２Ａ～図２Ｅに示す工程と図９Ａ～図９Ｅに示す工程においては、ｐ型非晶質シリコン層３上に形成する電極の本数が相違する。ＢＳ構造の太陽電池の方がＳＴＤ構造の太陽電池よりｐ型非晶質シリコン層３上に形成する電極の本数が多く、この実施形態では約４倍である。この結果、ｎ型非晶質シリコン層７側に電極を形成する際に、ＢＳ構造の太陽電池の方がｐｎ接合に加わる圧力の分散がなされ、ＳＴＤ構造のものよりｐｎ接合に対するダメージが削減されるという効果が期待できる。
今回開示された実施の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。この発明の範囲は、上記した実施の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。
例えば、この発明は、熱拡散を用いてｐｎ接合を形成した結晶系太陽電池にも適用することができる。また、ｐ型の半導体基板（シリコン基板）を用いて形成した結晶系太陽電池にも適用することができる。
１ ｎ型単結晶シリコン基板
２ ｉ型非晶質シリコン層
３ ｐ型非晶質シリコン層
４ 透明導電膜
５ 電極
６ ｉ型非晶質シリコン層
７ ｎ型非晶質シリコン層
８ 透明導電膜
９ 電極
２ ｉ型非晶質シリコン層
３ ｐ型非晶質シリコン層
４ 透明導電膜
５ 電極
６ ｉ型非晶質シリコン層
７ ｎ型非晶質シリコン層
８ 透明導電膜
９ 電極
Claims (4)
- ｐ型またはｎ型の半導体基板の一方の面にｐｎ接合が形成された太陽電池の製造方法であって、前記半導体基板の前記一方の面の上にスクリーン印刷により電極を形成した後、前記半導体基板の他方の面の上にスクリーン印刷により電極を形成する、太陽電池の製造方法。
- 前記電極はバスバー電極と、バスバー電極に接続された複数のフィンガー電極を備え、前記一方の面の上に形成される前記フィンガー電極の本数は、前記他方の面の上に形成される前記フィンガー電極の本数と異なる、請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記一方の面の上に形成される前記フィンガー電極の本数は、前記他方の面の上に形成される前記フィンガー電極の本数に比べ多い、請求項２に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記太陽電池は、ｐ型またはｎ型の結晶系シリコン基板に非晶質シリコン層を積層してｐｎ接合が形成されたものである、請求項１～３のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
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