WO2018207312A1 - 太陽電池セルおよび太陽電池セルの製造方法 - Google Patents
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Abstract
太陽電池セル（１）は、ｐｎ接合を有する半導体基板の一面上に、半導体基板の面方向における第１方向に延在するとともに半導体基板の面方向において第１方向と交差する第２方向において平行に配列された複数の細線電極（５）を備える。複数の細線電極（５）は、第１方向における同じ位置に、細線電極（５）の幅が細線電極における他の領域よりも幅広とされて、細線電極（５）と他の太陽電池セルとを電気的に接続するタブ線を接続するための領域であるタブ線接続部（６）を備える。
Description
本発明は、電極材料ペーストを用いて作製される電極を備えた太陽電池セルおよび太陽電池セルの製造方法に関する。
太陽電池セルにおいて、コストの低減は重要な課題である。太陽電池セルのコストにおいては、銀電極に用いられている銀（Ａｇ）のコストが、大きな割合を占めている。銀電極は、主に受光面側電極に用いられている。一般的な受光面電極の構成は、太陽電池セルの全面にわたって形成されて太陽電池セルで発電された電流を半導体基板から集電する複数の細線電極と、細線電極から電流を集電する集電電極と、の２種類に分類される。細線電極は、一般的にグリッド電極とも呼ばれ、集電電極はバスバー電極とも呼ばれる。
集電電極は、細線電極からの電流の集電以外にも、太陽電池モジュールを構成する際に隣接する太陽電池セル同士を電気的に接続するためのタブ線と呼ばれる導線をはんだ付けするための役割も果たしている。導線は、一般的に銅（Ｃｕ）からなり、厚さが数百μｍのものが用いられる。銅の導電率は１．７μΩｃｍである。また、銀の導電率は１．６μΩｃｍであり、銅の導電率と近い値となっている。しかしながら、銀の価格は、銅の価格の１００倍程度であり、銀は銅に比べて非常に高価な材料である。
太陽電池セルは、最終的に１０枚から６０枚程度の複数枚の太陽電池セルがタブ線で電気的に接続されてモジュール化される。このため、最終的な太陽電池モジュールの集電電極としては、太陽電池セルの集電電極と、太陽電池セルの集電電極同士を接続するタブ線と、の合計が相当することになる。導電率と材料コストとの観点からは、集電電極の銀の使用量を可能な限り抑えつつ、銅の導線の厚さを厚くすることで、太陽電池モジュールの集電電極の抵抗損失を制御することが、太陽電池モジュールのコスト低減につながる。
一方で、はんだ付けでタブ線に接続される金属面、すなわち被接続面としての集電電極の役割を考慮した場合、はんだ付けによる集電電極とタブ線との接着強度が重要となる。はんだ付けによる接着強度と、集電電極の厚さと、には相関がある。接着強度の観点からは、集電電極の厚さは厚い方が有利であり、一般的には１０μｍ程度とされる。
太陽電池セルのコストの低減の観点からは、太陽電池セルの面方向における、集電電極の面積を低減することが考えられる。しかしながら、集電電極の面積を減らした場合には、はんだ付けされる接着面積の減少分に比例して、接着強度が低下するという問題がある。
また、近年では、太陽電池セルの製造工数を削減すると共に、銀ペーストといった電極材料の使用量を削減して製造コストの低コスト化を図るために、集電電極を設けない形態の太陽電池セルも検討されている。特許文献１には、バスバー電極を設けることなく、導電性接着フィルムを介してフィンガー電極と交差するように直接タブ線を接着させるバスバーレス構造の太陽電池セルについて示されている。
しかしながら、上記特許文献１に示されるようなバスバー電極を備えない電極構造では、太陽電池セルの受光面側電極とタブ線との接着強度、すなわちフィンガー電極とタブ線との接着強度において、実用レベルの所望の接着強度が得られない、という問題があった。ここで、所望の接着強度を得るためにタブ線の構造を工夫することも考えられる。しかしながら、この場合には、太陽電池セルのフィンガー電極にタブ線をはんだ付けする装置を含む、太陽電池モジュールの製造装置の変更を伴うため、多大な設備投資が必要になる。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、太陽電池セル同士を電気的に接続するタブ線と電極との接着強度を確保しつつ電極材料の使用量を低減可能な太陽電池セルを得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる太陽電池セルは、ｐｎ接合を有する半導体基板の一面上に、半導体基板の面方向における第１方向に延在するとともに半導体基板の面方向において第１方向と交差する第２方向において平行に配列された複数の細線電極を備える。複数の細線電極は、第１方向における同じ位置に、細線電極の幅が細線電極における他の領域よりも幅広とされて、細線電極と他の太陽電池セルとを電気的に接続するタブ線を接続するための領域であるタブ線接続部を備える。
本発明にかかる太陽電池セルは、太陽電池セル同士を電気的に接続するタブ線との接着強度を確保しつつ電極材料の使用量を低減可能である、という効果を奏する。
以下に、本発明の実施の形態にかかる太陽電池セルおよび太陽電池セルの製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セル１を受光面側から見た上面図である。図２は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セル１を受光面と反対側を向く裏面側から見た下面図である。図３は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セル１の断面構造を説明するための要部断面図である。図３は、図１の線分ＩＩＩ－ＩＩＩにおける要部断面図である。
図１は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セル１を受光面側から見た上面図である。図２は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セル１を受光面と反対側を向く裏面側から見た下面図である。図３は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セル１の断面構造を説明するための要部断面図である。図３は、図１の線分ＩＩＩ－ＩＩＩにおける要部断面図である。
本実施の形態１にかかる太陽電池セル１においては、ｐ型多結晶シリコンからなる半導体基板２の受光面側にリン拡散によってｎ型不純物拡散層３が形成されて、ｐｎ接合を有する半導体基板１１が形成されているとともに、ｎ型不純物拡散層３上に窒化シリコン（ＳｉＮ）膜からなる反射防止膜４が形成されている。なお、半導体基板２としてはｐ型多結晶のシリコン基板に限定されず、ｐ型単結晶のシリコン基板、ｎ型の多結晶のシリコン基板、ｎ型の単結晶シリコン基板といった基板を用いてもよい。また、半導体基板２としてはシリコン基板に限定されず、一般的に結晶太陽電池に使用される半導体基板を使用可能である。
また、半導体基板１１の受光面側の表面、すなわちｎ型不純物拡散層３の受光面側の表面には、テクスチャー構造として図示しない微小凹凸が形成されている。微小凹凸は、受光面において外部からの光を吸収する面積を増加し、受光面における反射率を抑え、光を閉じ込める構造となっている。
また、半導体基板１１の受光面側には、銀を主体として構成された複数の長尺細長の細線電極５が平行に並べて設けられている。細線電極５は、２０μｍ以上、且つ１００μｍ以下程度の範囲の幅を有するとともに既定の間隔で平行に７０本以上、且つ３００本以下程度の範囲の本数が配置される。細線電極５は、底面部においてｎ型不純物拡散層３に電気的に接続している。太陽電池セル１においては、細線電極５によって第１電極である受光面側電極が構成されている。受光面側電極の詳細については、後述する。
一方、半導体基板１１における受光面と反対側を向く裏面には、外縁領域の一部を除いた全体にわたってアルミニウム材料からなる裏面アルミニウム電極７が設けられ、また銀を主体としてなる裏面バス電極８が設けられている。そして、太陽電池セル１においては、裏面アルミニウム電極７と裏面バス電極８とによって、第２電極である裏面側電極９が構成されている。
また、半導体基板１１の裏面側の表層部であって裏面アルミニウム電極７の直下の領域には、高濃度不純物を含んだＢＳＦ（Back Surface Field）であるｐ＋層１０が形成されている。ｐ＋層１０は、ＢＳＦ効果を得るために設けられ、ｐ型層である半導体基板２中の電子が消滅しないようにバンド構造の電界で半導体基板２中の電子濃度を高めるようにする。
このように構成された太陽電池セル１では、太陽光が太陽電池セル１の受光面側から半導体基板１１に照射されると、ホールと電子が生成する。生成した電子は、ｐｎ接合部、すなわち半導体基板２とｎ型不純物拡散層３との接合面の電界によって、ｎ型不純物拡散層３に向かって移動する。生成したホールは、ｐｎ接合部、すなわち半導体基板２とｎ型不純物拡散層３との接合面の電界によって、半導体基板２に向かって移動する。これにより、ｎ型不純物拡散層３に電子が過剰となり、半導体基板２にホールが過剰となる結果、光起電力が発生する。光起電力はｐｎ接合を順方向にバイアスする向きに生じ、ｎ型不純物拡散層３に接続した受光面側電極がマイナス極となり、半導体基板２に接続した裏面側電極９がプラス極となって、図示しない外部回路に電流が流れる。
つぎに、実施の形態１にかかる太陽電池セル１の特徴である受光面側電極の詳細について説明する。シリコン太陽電池セルの受光面側電極の電極材料には、一般に銀ペーストが用いられ、例えば、鉛ボロンガラスが添加されている。このガラスはフリット状のもので、例えば、鉛（Ｐｂ）が５ｗｔ％から３０ｗｔ％、ボロン（Ｂ）が５ｗｔ％から１０ｗｔ％、シリコン（Ｓｉ）が５ｗｔ％から１５ｗｔ％、酸素（Ｏ）が３０ｗｔ％から６０ｗｔ％の組成から成り、さらに、亜鉛(Ｚｎ)およびカドミウム（Ｃｄ）などが数ｗｔ％程度混合される場合もある。このような鉛ボロンガラスは、例えば、８００℃程度の温度の加熱で溶解し、シリコンを侵食する性質を有している。また一般に、結晶系シリコン太陽電池セルの製造方法においては、ガラスフリットの特性を利用して、シリコン基板と銀ペーストとの電気的接触を得る方法が用いられている。太陽電池セル１においても、受光面側電極の電極材料には、銀ペーストが用いられている。
図４は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セル１の細線電極５を拡大して示す要部拡大図である。図５は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セル１の細線電極５にタブ線２１が接続された状態を受光面側から見た上面図である。
本実施の形態１にかかる太陽電池セル１の受光面側電極においては、一般的にバスバー電極と呼ばれる、細線電極５から電流を集電するとともにタブ線２１がはんだ付けされる集電電極が設けられていない。これにより、バスバー電極が設けられる場合よりも、バスバー電極の形成に用いられる銀の使用量を削減することができる。
一方で、太陽電池セル１の受光面側電極においては、タブ線接続部６が、細線電極５に設けられている。タブ線接続部６は、複数の太陽電池セル１を用いて太陽電池モジュールを構成する際に、太陽電池セル１同士を電気的に接続するための導電であるタブ線２１をはんだ付けするための接続部である。タブ線接続部６は、細線電極５において一部の幅が幅広に設けられた領域である。すなわち、太陽電池セル１の受光面側の面内において、タブ線接続部６が形成された領域では、タブ線接続部６は、細線電極５における他の領域よりも、太陽電池セル１の受光面側の面内における単位面積当たりの電極の面積が広い。すなわち、タブ線接続部６が形成された領域では、細線電極５における他の領域よりも、電極の配置面積が広い。これにより、太陽電池セル１では、タブ線接続部６を備えない細線電極５に単にタブ線２１を直接はんだ付けする場合と比較して、タブ線２１と受光面側電極がはんだ付けされる面積を広く確保することができる。したがって、受光面側電極にタブ線２１がはんだ付けされた際に、受光面側電極とタブ線２１との間で、タブ線２１はがれの生じない実用レベルの接合強度を得ることができる。
図１に示すように複数の細線電極５は、太陽電池セル１の面内において長手方向を第１方向に沿った方向として、第２方向に並列配置されている。太陽電池セル１は、半導体基板２の面内方向において、一対の辺である第１の辺２ａおよび第２の辺２ｂと、他の一対の辺である第３の辺２ｃおよび第４の辺２ｄとにより構成される正方形状を有する。正方形状の１辺の長さは、たとえば１５６ｍｍである。
ここで、第１方向は、太陽電池セル１の一対の辺である第１の辺２ａおよび第２の辺２ｂと平行な方向であり、図１におけるＹ方向に対応する。第２方向は、太陽電池セル１の他の一対の辺である第３の辺２ｃおよび第４の辺２ｄと平行な方向であり、図１におけるＸ方向に対応する。したがって、第２方向は、半導体基板２の面内方向において、第１方向に直交する方向である。
タブ線接続部６は、太陽電池セル１の面内において、長手方向が第１方向に沿った方向とされた長方形を有する。各細線電極５においては、タブ線接続部６として、第１タブ線接続部６１、第２タブ線接続部６２、第３タブ線接続部６３および第４タブ線接続部６４の４つのタブ線接続部６が、第１方向において、すなわち細線電極５の長手方向において左側から等間隔で設けられている。
タブ線２１は、図５に示すように長手方向を第２方向、すなわち図５におけるＸ方向に沿った方向とされてタブ線接続部６にはんだ付けされる。このため、複数の細線電極５において、第１方向における第１タブ線接続部６１の配置位置は、図１に示すように同じ位置とされている。同様に、複数の細線電極５において、第１方向における第２タブ線接続部６２の配置位置は同じ位置とされ、第１方向における第３タブ線接続部６３の配置位置は同じ位置とされ、第１方向における第４タブ線接続部６４の配置位置は同じ位置とされている。
すなわち、複数の細線電極５における第１タブ線接続部６１は、配列方向が第２方向に沿った方向とされて、第２方向に沿って配置されている。同様に、複数の細線電極５における第２タブ線接続部６２は第２方向に沿って配置され、複数の細線電極５における第３タブ線接続部６３は第２方向に沿って配置され、複数の細線電極５における第４タブ線接続部６４は第２方向に沿って配置されている。そして、複数の細線電極５において、第１方向におけるタブ線接続部６の配置位置は、裏面側電極９の裏面バス電極８に対応した位置とされている。
図４に示すように、タブ線接続部６において、細線電極５の長手方向と直交する方向におけるタブ線接続部６の幅であるタブ線接続部の幅Ｘ２は、細線電極の幅Ｘ１よりも広い幅とされている。細線電極５の長手方向は、第１方向に対応している。細線電極５の長手方向と直交する方向は、第２方向に対応している。タブ線接続部６において、細線電極５の長手方向におけるタブ線接続部６の幅であるタブ線接続部の幅Ｙ１は、受光面積を低減しないためにタブ線２１の幅と等しいことが好ましい。ただし、タブ線接続部６へのタブ線２１の接続時の位置ずれを考慮する場合には、タブ線接続部の幅Ｙ１は、タブ線２１の幅よりも広くされてもよい。なお、図５においては、タブ線接続部６とタブ線２１との位置関係の理解のため、タブ線接続部の幅Ｙ１がタブ線２１の幅よりも広くされた場合について示している。
また、はんだ付けによるタブ線接続部６とタブ線２１との接合強度を強くするためには、タブ線接続部６とタブ線２１との接合面積、すなわちタブ線接続部６とタブ線２１とのはんだ付け面積を広くすることが好ましい。たとえばタブ線接続部の幅Ｘ２は、細線電極の幅Ｘ１の２倍以上の寸法であることが好ましい。一方、タブ線接続部の幅Ｘ２が広くなると、太陽電池セル１の面内における受光面側電極の面積が増えて銀の使用量が増える。このため、タブ線接続部の幅Ｘ２は、隣り合う細線電極の間の間隔Ｘ３以下であることが好ましい。すなわち、タブ線接続部の幅Ｘ２は、第２方向における細線電極５のピッチの半分以下であることが好ましい。
本実施の形態１では、後述するようにタブ線接続部６を含む細線電極５の高さを、バスバー電極を備える場合のバスバー電極の高さよりも高く形成することができ、たとえば１５μｍ程度とすることが可能である。一方、一般的なバスバー電極の高さは１０μｍ程度であるので、タブ線接続部６の高さはバスバー電極よりも高くなる。このため、高さの観点からは、タブ線接続部６の単位面積あたりの銀の使用量は増加する。そこで、たとえばタブ線接続部の幅Ｘ２の幅を第２方向における細線電極５のピッチの半分以下にしておけば、タブ線接続部６の面積を考慮しても、一般的なバスバー電極の高さからのタブ線接続部６の高さの増加による銀の使用量の増分を、バス電極を形成しないことによる受光面側電極の面積の低減分による銀の使用量の低減によって相殺し、さらに銀の使用量の低減できる。
そして、はんだ付けによるタブ線接続部６とタブ線２１との接合においてタブ線２１の剥離が生じない実用レベルの接合強度の確保と、受光面側電極における銀の使用量の低減と、の観点から、タブ線接続部の幅Ｘ２は、タブ接続部６以外の細線電極５の幅以上であり、且つ第２方向における細線電極５のピッチの半分以下の範囲が好ましい。なお、タブ線接続部６を含む細線電極５は、スクリーン印刷によって形成されるため、部位によって多少の幅の変動が生じる。したがって、タブ線接続部の幅Ｘ２は、平均値においてタブ接続部６以外の細線電極５の幅以上であり、且つ第２方向における細線電極５のピッチの半分以下の範囲とすることが好ましい。タブ線接続部の幅Ｘ２がタブ接続部６以外の細線電極５の幅未満である場合には、タブ線接続部６とタブ線２１との実用レベルの接合強度が確保できないおそれがある。タブ線接続部の幅Ｘ２が第２方向における細線電極５のピッチの半分より大である場合には、受光面側電極における銀の使用量の低減効果が低くなる。
つぎに、太陽電池セル１の製造方法の一例について図６を参照して説明する。図６は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セル１の製造工程の手順を説明するフローチャートである。なお、ここで説明する工程は、シリコン基板を用いた一般的な太陽電池セルの製造工程と同様であるため、一般的な製造工程部分は特に図示しない。
まず、半導体基板２として例えばｐ型多結晶シリコン基板を用意し、ｐ型多結晶シリコン基板をフッ化水素および純水で洗浄する。その後、ステップＳ１０において、ｐ型多結晶シリコン基板の表面に微小凹凸を形成して表面にテクスチャー構造を形成する。テクスチャー形成としては、例えばフッ化水素酸および硝酸を主とした混酸溶液にｐ型多結晶シリコン基板が浸漬され、スライス時の形状を反映した凹凸構造がｐ型多結晶シリコン基板の表面に形成される。
また、半導体基板２として単結晶シリコン基板が用いられる場合には、単結晶シリコン基板がアルカリ溶液に浸漬され、異方性エッチングによってランダムピラミッドが形成されることで微小凹凸が形成される。なお、微小凹凸の形成方法は問わない。
つぎに、ステップＳ２０において、半導体基板２にｐｎ接合が形成される。ｐｎ接合の形成は、表面にテクスチャー構造が形成されたｐ型多結晶シリコン基板に対して、熱拡散によってオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）を拡散させる拡散工程を実施することによって行われる。拡散工程では、ｐ型多結晶シリコン基板を例えばオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）ガス中で気相拡散法によって高温でリンを熱拡散させて、ｐ型多結晶シリコン基板の表面層にリン（Ｐ）が拡散したｎ型不純物拡散層３を形成することで、ｐｎ接合が形成される。例えばｐ型多結晶シリコン基板を８００℃から９００℃の温度で１分から１０分間加熱することで、ｎ型不純物拡散層３が形成される。ｎ型不純物拡散層３は、ｐ型多結晶シリコン基板の表面の全面に形成される。なお、ｎ型不純物拡散層３は、固相拡散によって形成されてもよく、ｎ型不純物拡散層３の形成方法は問わない。
ここで、ｎ型不純物拡散層３の形成直後のｐ型多結晶シリコン基板の表面には、リンの気相拡散時に形成されたリンの酸化物を主成分とするリンガラス（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｒａｓｓ：ＰＳＧ）層が形成されている。このため、ｐ型多結晶シリコン基板の表面のリンガラス層が、フッ酸溶液といった薬液を用いて除去される。
つぎに、ステップＳ３０において、ｐ型電極である裏面側電極９とｎ型電極である受光面側電極とを電気的に絶縁するｐｎ分離が行われて、半導体基板１１が得られる。ｐｎ分離は、ｎ型不純物拡散層３が形成されたｐ型多結晶シリコン基板の裏面のみをフッ化水素酸および硝酸を主とした混酸溶液に浸して、ｐ型多結晶シリコン基板の裏面に形成されたｎ型不純物拡散層３を除去することで行うことができる。これにより、第１導電型層であるｐ型多結晶シリコンからなる半導体基板２と、半導体基板２の受光面側に形成された第２導電型層であるｎ型不純物拡散層３と、によりｐｎ接合が構成された半導体基板１１が得られる。また、ｐｎ分離は、レーザ照射によってｐ型多結晶シリコン基板の外周部に形成されたｎ型不純物拡散層３をカットして除去することによって行われてもよい。
つぎに、ステップＳ４０において、ｎ型不純物拡散層３が形成されたｐ型多結晶シリコン基板の受光面側に、表面保護および光電変換効率改善のために、反射防止膜４としてたとえばプラズマ化学気相成長（Ｐｌａｓｍａ－Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＥＣＶＤ）法によって窒化シリコン（ＳｉＮ）が形成される。
つぎに、ステップＳ５０において、スクリーン印刷によってｐ型多結晶シリコン基板に裏面側電極を印刷し、乾燥させる。すなわち、ｐ型多結晶シリコン基板の裏面側にスクリーン印刷によって、裏面アルミニウム電極７の形状に電極材料ペーストであるアルミニウムペーストを塗布し、さらに裏面バス電極８の形状に電極材料ペーストである銀ペーストを塗布し、乾燥させる。
つぎに、ステップＳ６０において、スクリーン印刷によってｐ型多結晶シリコン基板に受光面側電極を印刷し、乾燥させる。すなわち、ｐ型多結晶シリコン基板の受光面側の反射防止膜４上に、受光面電極の形状に対応した開口部が形成された印刷マスクを用いて、図７に示すように、電極材料ペーストである銀ペースト３１をスクリーン印刷によって受光面電極の形状に塗布した後、銀ペースト３１を乾燥させる。図７は、本発明の実施の形態１にかかる受光面側電極形成用の銀ペースト３１がｐ型多結晶シリコン基板に印刷された状態を示す上面図である。
このとき、細線電極５の高さが同じであり一般的なバスバー電極を備えた太陽電池セルと比較した場合、一般的なバスバー電極と比較して高さが高いタブ線接続部６が形成される。図８は、本発明の実施の形態１にかかる受光面電極のスクリーン印刷を説明する模式断面図である。図９は、本発明の実施の形態１にかかる受光面電極のスクリーン印刷に使用される印刷マスク４１における開口部４４を拡大して示す要部拡大図である。
受光面電極の印刷に使用される印刷マスク４１、すなわち細線電極５およびタブ線接続部６の印刷に使用される印刷マスク４１は、図８に示すように、１０μｍから１００μｍ程度の線径を有する金属線を編んで形成されたメッシュ４２と呼ばれる部品に乳剤４３と呼ばれる有機成分の膜を形成し、印刷領域に対応する部分の乳剤４３を除去して開口部４４が形成されたものである。銀ペースト３１を印刷する際には、印刷マスク４１上に銀ペースト３１が塗布され、スキージ４５と呼ばれるゴムからなる板部品を印刷マスク４１上を既定の方向に移動させて銀ペースト３１の開口部４４から印刷マスク４１の下方に押し出すことによって電極が印刷される。
ここで、受光面電極には、細線電極５とタブ線接続部６とが含まれるが、細線電極５の幅は２０μｍ以上、且つ１００μｍ以下程度の範囲であり、幅が狭い。図９に示すように、開口部４４において細線電極５に対応する開口部である第１開口部４６は、印刷される細線電極５の幅に対応して、細線電極の幅Ｘ１と同じ寸法または広い程度に形成される。このため、第１開口部４６は、細線電極の幅Ｘ１に対応する開口幅である開口幅Ｘ１ａが狭く、銀ペースト３１を細線電極５の形状に安定して印刷することが難しい。
そこで、印刷マスク４１上におけるスキージ４５の移動方向が、印刷される細線電極５の長手方向と同じ方向、すなわち開口部４４の長手方向と同じ方向とされる。これにより、印刷マスク４１上においてスキージ４５を移動させた場合に、開口部４４の長手方向と、印刷マスクの上面４１ａとスキージ４５との接触面の長手方向と、が直交する。すなわち、開口部４４の長手方向と、スキージ４５の下端部の長手方向と、が直交する。そして、スキージ４５の下端部は、スキージ４５の下端部の長手方向において隣り合う開口部４４の間に位置する印刷マスクの上面４１ａによって保持される。このため、スキージ４５が開口部４４に落ち込むことがなく、銀ペースト３１を所望の厚みで印刷することができる。
一方、タブ線接続部の幅Ｘ２は、タブ接続部６以外の細線電極５の幅以上であり、且つ第２方向における細線電極５のピッチの半分以下程度の範囲とされる。そして、開口部４４においてタブ線接続部６に対応する開口部である第２開口部４７は、タブ線接続部の幅Ｘ２に対応して、タブ線接続部の幅Ｘ２と同じ寸法または広い程度に形成される。このため、第２開口部４７におけるタブ線接続部の幅Ｘ２に対応する開口幅である開口幅Ｘ２ａは、開口幅Ｘ１ａよりも広い。しかしながら、開口幅Ｘ２ａは、一般的なバスバー電極の幅と比較すると大幅に狭い。一般的なバスバー電極の幅は、１ｍｍ以上、且つ２ｍｍ以下程度の範囲である。
印刷マスク４１上におけるスキージ４５の移動方向を開口部４４の長手方向と同じ方向として銀ペースト３１の印刷を行う際には、スキージ４５の下端部は、第２開口部４７の領域においても、スキージ４５の下端部の長手方向において隣り合う開口部４４の間に位置する印刷マスクの上面４１ａによって保持される。このため、スキージ４５が第２開口部４７に落ち込むことがなく、銀ペースト３１を第１開口部４６と同じ所望の厚みで印刷することができる。
なお、太陽電池セルがバスバー電極を備える場合、一般的にバスバー電極の幅は１ｍｍ以上、２ｍｍ以下程度とされ、細線電極の幅よりも大幅に広い。また、バスバー電極は、グリッド電極、すなわち細線電極と直交する方向に形成される。そして、スキージの移動方向を細線電極の長手方向と同じ方向にするため、印刷マスクにおいてバスバー電極に対応する開口部の長手方向と、スキージの下端部の長手方向と、が平行となる。このため、印刷マスク上においてスキージを移動させた場合に、バスバー電極に対応する開口部にスキージの一部が落ち込み、開口部から印刷面に印刷された電極材料ペーストにおける、バスバー電極の幅方向における中央領域の厚さが大幅に薄くなる。
当然ながら、開口幅の設計値、電極材料ペーストの種類および印刷条件によって印刷状況が異なるが、上記の理由で、太陽電池セル１では、細線電極５の高さが同じであり一般的なバスバー電極を備えた太陽電池セルと比較した場合、一般的なバスバー電極と比較して高さが高いタブ線接続部６を形成することができる。すなわち、一般的なバスバー電極と比較して厚さが厚いタブ線接続部６を形成することができる。
その後、ステップＳ７０において、ｐ型多結晶シリコン基板に印刷されたペーストを焼成することで、受光面側電極としての細線電極５およびタブ線接続部６と、裏面側電極９としての裏面アルミニウム電極７および裏面バス電極８と、が得られる。この焼成工程では、受光面側電極は、絶縁膜である反射防止膜４をファイヤースルーしてｎ型不純物拡散層３と導通を取る。また、ｐ型多結晶シリコン基板の裏面側に形成されていたｎ型不純物拡散層３のうち裏面アルミニウム電極７の直下の領域は、アルミニウムの拡散によりｐ＋層１０に変わる。
以上のような工程を実施することにより、図１から図３に示す本実施の形態１にかかる太陽電池セル１が作製される。なお、電極材料であるペーストの半導体基板１１への配置の順番を、受光面側と裏面側とで入れ替えてもよい。
上述した太陽電池セル１は、受光面側電極にタブ線接続部６を備えることによって、タブ線２１が受光面側電極にはんだ付けされる。ここで、タブ線接続部の幅Ｘ２が細線電極の幅Ｘ１よりも広い幅とされているため、タブ線接続部６を備えない細線電極５に単にタブ線２１を直接はんだ付けする場合と比較して、タブ線２１と受光面側電極がはんだ付けされる面積を広く確保することができ、タブ線２１と受光面側電極との間で、タブ線２１の剥離の生じない実用レベルの接合強度を得ることができる。そして、タブ線接続部６の形状を長方形とすることによって、はんだ付けによるタブ線２１との接合面積を広く確保することができる。
また、太陽電池セル１は、バスバー電極を備えないため、バスバー電極を形成するための製造工数を削減すると共に、バスバー電極を形成するための銀ペーストの使用量を削減することができる。太陽電池セル１は、タブ線接続部６を備えていない太陽電池セルに比べて、細線電極５においてタブ線接続部６の幅の、細線電極５における他の領域の幅からの増加分は、電極材料である銀の使用量が増加する。しかしながら、バスバー電極を備えていないことによる銀の使用量の低減分が非常に大きい。このため、太陽電池セル１は、バスバー電極を備える場合と比較して、受光面側電極における銀の使用量を大幅に低減することができる。
すなわち、太陽電池セル１は、細線電極５の幅を広げて面積を広げた部分のみを、タブ線２１がはんだ付けされるタブ線の接続部として使用する。これにより、太陽電池セル１は、バスバー電極を備える場合に比べて、タブ線２１がはんだ付けされる領域の面積を大幅に低減して、受光面側電極における銀の使用量を大きく低減しながら、受光面側電極にタブ線２１をはんだ付けして、太陽電池モジュールにおいて支障のない実用レベルで、タブ線２１の接着強度を確保することができる。
例えば、タブ線接続部６を含む細線電極５を印刷する印刷マスク４１における、細線電極の幅Ｘ１に対応する開口幅Ｘ１ａを２０μｍ以上、且つ５０μｍ以下の範囲として、タブ線接続部の幅Ｘ２に対応する開口幅Ｘ２ａのみを１００μｍ以上、且つ７００μｍ以下程度の範囲とする。この場合には、タブ線接続部６を含む細線電極５の電極高さを１５μｍ程度とすることが可能である。
また、細線電極５の幅を、例えば細線電極５の幅に対応する印刷マスク４１の開口幅を２０μｍ以上、且つ５０μｍ以下の範囲から、５０μｍ以上、且つ１００μｍ以下の範囲に変更した場合でも、１５μｍ程度の厚さおよび１５μｍ以上の厚さに、タブ線接続部６を含む細線電極５を形成することが可能である。
このように、タブ線接続部６を含む細線電極５を印刷する印刷マスク４１においてタブ線接続部の幅Ｘ２に対応する開口幅Ｘ２ａのみを７００μｍ程度とした場合でも、タブ線接続部６を含む細線電極５の高さを、バスバー電極を備える場合のバスバー電極の高さよりも高く形成することができる。このため、太陽電池セル１においては、バスバー電極を備える場合に比べて、タブ線２１と受光面側電極との接触面積は減るものの、タブ線２１と接続される領域の単位面積当たりの接着強度を、タブ線２１と接続されるタブ線接続部６が厚くなることで補償することが可能となる。
つぎに、タブ線接続部６の形状の他の例について説明する。図１０は、本発明の実施の形態１にかかる他の太陽電池セル５１を受光面側から見た上面図である。図１１は、本発明の実施の形態１にかかる他の太陽電池セル５１の細線電極５を拡大して示す要部拡大図である。図１２は、本発明の実施の形態１にかかる他の太陽電池セル５１の細線電極５にタブ線２１が接続された状態を受光面側から見た上面図である。図１０および図１１に示すように、他の太陽電池セル５１は、他の太陽電池セル５１の面内方向におけるタブ線接続部６の形状が菱型とされている。他の太陽電池セル５１は、タブ線接続部６を備えるため、太陽電池セル１と同様の効果を有する。また、他の太陽電池セル５１は、タブ線接続部６の形状を菱型とすることによって、タブ線２１が細線電極５の長手方向にずれた場合にタブ線２１とタブ線接続部６との接続領域をより広く確保できるという効果が得られる。
図１３は、本発明の実施の形態１にかかる他の太陽電池セル５２を受光面側から見た上面図である。図１４は、本発明の実施の形態１にかかる他の太陽電池セル５２の細線電極５を拡大して示す要部拡大図である。図１５は、本発明の実施の形態１にかかる他の太陽電池セル５２の細線電極５にタブ線２１が接続された状態を受光面側から見た上面図である。図１３および図１４に示すように、他の太陽電池セル５２は、他の太陽電池セル５２の面内方向におけるタブ線接続部６の形状が三角形とされている。他の太陽電池セル５２は、タブ線接続部６を備えるため、太陽電池セル１と同様の効果を有する。また、他の太陽電池セル５２は、タブ線接続部６の形状を三角形とすることによって、タブ線接続部６の電極パターンが非対称となり、太陽電池セル１の向きを容易に認識できるという効果が得られる。
上述したように、太陽電池セル１においては、太陽電池セル１の受光面側における受光面側電極による被覆率を、バスバー電極が存在する領域の半分以下の被覆率とすることが可能であり、受光面側電極における銀の使用量を低減することができる。
例えば、バスバー電極が存在せず、隣り合う細線電極５と細線電極５との間隔が１．５ｍｍであり、タブ線接続部６が長方形の場合を仮定する。この場合のバスバー電極とタブ線接続部６との電極体積の比較を行う。タブ線２１の幅は１．０ｍｍと仮定する。一般的な太陽電池セルの場合、バスバー電極の高さを１０μｍと仮定すると、第２方向における細線電極５間のバスバー電極の体積は、幅×長さ×高さ＝１．０ｍｍ×１．５ｍｍ×１０μｍ＝０．０１５ｍｍ３となる。
つぎに、本実施の形態１にかかる太陽電池セル１の受光面側電極のパターンで、タブ線接続部６の体積を計算する。タブ線接続部６の電極幅を第２方向における細線電極５のピッチの１／２以下となるように７００μｍとし、高さは２０μｍと仮定する。この場合、幅×長さ×高さ＝１．０ｍｍ×７００μｍ×２０μｍ＝０．０１４ｍｍ３となる。細線電極５の高さが２倍になったと仮定しても、タブ線接続部６の幅を第２方向における細線電極５のピッチの半分以下にしておけば、受光面側電極に使用される銀の使用量の削減効果が期待できる。
一方で、接着強度に関しても、太陽電池セル１では細線電極５において幅が広くなっているタブ線接続部６部分でタブ線２１にはんだ付けによって接着できるため、例えばタブ線接続部６を幅２００μｍの長方形とした場合でも、太陽電池モジュールにおいて支障のない実用レベルで、タブ線２１との接着強度を確保することができる。ただし、接着強度は当然ながら、電極ペースト材料、導線の材料、はんだ付け条件に依存する。
したがって、本実施の形態１にかかる太陽電池セル１は、太陽電池セル１同士を電気的に接続するタブ線２１と受光面側電極との接着強度を確保しつつ電極材料の使用量を低減可能である、という効果を奏する。
実施の形態２．
図１６は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池セル５３を受光面側から見た上面図である。図１７は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池セル５３の細線電極５を拡大して示す要部拡大図である。本実施の形態２にかかる太陽電池セル５３は、第２方向に延在し、複数の細線電極５において第１方向における同じ位置に配置された複数のタブ線接続部６を電気的に接続する集電電極７１を備える点が、実施の形態１にかかる太陽電池セル１と異なる。したがって、太陽電池セル５３は、太陽電池セル５３の面内方向におけるタブ線接続部６の形状が長方形状とされている。
図１６は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池セル５３を受光面側から見た上面図である。図１７は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池セル５３の細線電極５を拡大して示す要部拡大図である。本実施の形態２にかかる太陽電池セル５３は、第２方向に延在し、複数の細線電極５において第１方向における同じ位置に配置された複数のタブ線接続部６を電気的に接続する集電電極７１を備える点が、実施の形態１にかかる太陽電池セル１と異なる。したがって、太陽電池セル５３は、太陽電池セル５３の面内方向におけるタブ線接続部６の形状が長方形状とされている。
太陽電池セル５３の受光面側電極にタブ線２１が接続される場合には、タブ線接続部６と集電電極７１とがタブ線２１にはんだ付けされる。ここで、本実施の形態２にかかる太陽電池セル５３では、一般的に１ｍｍ以上、且つ２ｍｍ以下程度の範囲である集電電極の幅が１００μｍに大幅に細線化されている。一方で、実施の形態１にかかる太陽電池セル１と同様に、タブ線２１とはんだ付けされるタブ線接続部６を細線電極５に設けて、タブ線接続部６を備えない細線電極５に単にタブ線２１を直接はんだ付けする場合と比較して、タブ線２１と受光面側電極とがはんだ付けされる面積を広く確保している。これにより、太陽電池セル５３では、実施の形態１にかかる太陽電池セル１と同様の効果が得られる。
また、太陽電池セル５３における集電電極７１は、細線電極５から電流を集電する機能を有するが、主な機能は細線電極５同士を電気的に接続することである。太陽電池セル５３は、第２方向に沿って配列された複数のタブ線接続部６同士を電気的に接続することで、細線電極５同士を電気的に接続している。集電電極７１は、ステップＳ６０およびステップＳ７０において細線電極５と同時に形成される。
太陽電池セルの出力特性を評価する際には、集電電極に評価機器を接続する必要が生じる場合がある。例えば１００μｍ幅の集電電極７１を形成することで、受光面側電極における銀の使用量を低減すると共に、太陽電池セルの出力特性を適切に測定することが可能となる。
図１８は、本発明の実施の形態２にかかる他の太陽電池セル５４を受光面側から見た上面図である。図１９は、本発明の実施の形態２にかかる他の太陽電池セル５４の細線電極５を拡大して示す要部拡大図である。本実施の形態２にかかる他の太陽電池セル５４は、集電電極７１を備える点が、実施の形態１にかかる他の太陽電池セル５１と異なる。したがって、他の太陽電池セル５４は、他の太陽電池セル５４の面内方向におけるタブ線接続部６の形状が菱型とされている。
他の太陽電池セル５４の受光面側電極にタブ線２１が接続される場合には、タブ線接続部６と集電電極７１とがタブ線２１にはんだ付けされる。ここで、本実施の形態２にかかる他の太陽電池セル５４では、一般的に１ｍｍ以上、且つ２ｍｍ以下程度の範囲である集電電極の幅が１００μｍに大幅に細線化されている。一方で、他の太陽電池セル５４では、実施の形態１にかかる他の太陽電池セル５１と同様に、タブ線２１とはんだ付けされるタブ線接続部６を細線電極５に設けて、タブ線接続部６を備えない細線電極５に単にタブ線２１を直接はんだ付けする場合と比較して、タブ線２１と受光面側電極とがはんだ付けされる面積を広く確保している。これにより、太陽電池セル５３では、実施の形態１にかかる他の太陽電池セル５１と同様の効果が得られる。そして、例えば１００μｍ幅の集電電極７１を形成することで、受光面側電極における銀の使用量を低減すると共に、太陽電池セルの出力特性を適切に測定することが可能となる。
図２０は、本発明の実施の形態２にかかる他の太陽電池セル５５を受光面側から見た上面図である。図２１は、本発明の実施の形態２にかかる他の太陽電池セル５５の細線電極５を拡大して示す要部拡大図である。本実施の形態２にかかる他の太陽電池セル５５は、集電電極７１を備える点が、実施の形態１にかかる他の太陽電池セル５２と異なる。したがって、他の太陽電池セル５５は、他の太陽電池セル５５の面内方向におけるタブ線接続部６の形状が三角形とされている。
他の太陽電池セル５５の受光面側電極にタブ線２１が接続される場合には、タブ線接続部６と集電電極７１とがタブ線２１にはんだ付けされる。ここで、本実施の形態２にかかる他の太陽電池セル５５では、一般的に１ｍｍ以上、且つ２ｍｍ以下程度の範囲である集電電極の幅が１００μｍに大幅に細線化されている。一方で、他の太陽電池セル５５では、実施の形態１にかかる他の太陽電池セル５２と同様に、タブ線２１とはんだ付けされるタブ線接続部６を細線電極５に設けて、タブ線接続部６を備えない細線電極５に単にタブ線２１を直接はんだ付けする場合と比較して、タブ線２１と受光面側電極とがはんだ付けされる面積を広く確保している。これにより、太陽電池セル５３では、実施の形態１にかかる他の太陽電池セル５２と同様の効果が得られる。そして、例えば１００μｍ幅の集電電極７１を形成することで、受光面側電極における銀の使用量を低減すると共に、太陽電池セルの出力特性を適切に測定することが可能となる。
また、上述した集電電極７１の幅は、３０μｍ以上、且つ３００μｍ以下の範囲であることが好ましい。集電電極７１の幅が３０μｍ未満の場合は、スクリーン印刷による形成が難しく、集電電極７１の断線が発生するという問題がある。集電電極７１の幅が３００μｍより大である場合は、集電電極７１における電極使用量が多くなり受光面側電極における銀の使用量の削減効果が小さくなる。なお、集電電極７１は、スクリーン印刷によって形成されるため、部位によって多少の幅の変動が生じる。したがって、集電電極７１の幅は、平均値において３０μｍ以上、且つ３００μｍ以下の範囲とすることが好ましい。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
１，５３ 太陽電池セル、２ 半導体基板、２ａ 第１の辺、２ｂ 第２の辺、２ｃ 第３の辺、２ｄ 第４の辺、３ ｎ型不純物拡散層、４ 反射防止膜、５ 細線電極、６ タブ線接続部、７ 裏面アルミニウム電極、８ 裏面バス電極、９ 裏面側電極、１０ ｐ＋層、１１ 半導体基板、２１ タブ線、３１ 銀ペースト、４１ 印刷マスク、４１ａ 印刷マスクの上面、４２ メッシュ、４３ 乳剤、４４ 開口部、４５ スキージ、４６ 第１開口部、４７ 第２開口部、５１，５２，５４，５５ 他の太陽電池セル、６１ 第１タブ線接続部、６２ 第２タブ線接続部、６３ 第３タブ線接続部、６４ 第４タブ線接続部、７１ 集電電極、Ｘ１ 細線電極の幅、Ｘ１ａ，Ｘ２ａ 開口幅、Ｘ２ タブ線接続部の幅、Ｘ３ 隣り合う細線電極の間の間隔、Ｙ１ タブ線接続部の幅。
Claims (16)
- ｐｎ接合を有する半導体基板の一面上に、前記半導体基板の面方向における第１方向に延在するとともに前記半導体基板の面方向において前記第１方向と交差する第２方向において平行に配列された複数の細線電極を備え、
前記複数の細線電極は、前記第１方向における同じ位置に、前記細線電極の幅が前記細線電極における他の領域よりも幅広とされて、前記細線電極と他の太陽電池セルとを電気的に接続するタブ線を接続するための領域であるタブ線接続部を備えること、
を特徴とする太陽電池セル。 - 前記タブ線接続部は、前記太陽電池セルの面内において、前記細線電極における他の領域よりも単位面積当たりの面積が広いこと、
を特徴とする請求項１に記載の太陽電池セル。 - 前記タブ線接続部は、前記第２方向における幅の平均が前記タブ接続部以外の前記細線電極の幅以上であり、且つ第２方向における前記細線電極のピッチの半分以下の範囲であること、
を特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池セル。 - 前記太陽電池セルの面内における前記タブ線接続部の形状が長方形であること、
を特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の太陽電池セル。 - 前記太陽電池セルの面内における前記タブ線接続部の形状が三角形であること、
を特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の太陽電池セル。 - 前記太陽電池セルの面内における前記タブ線接続部の形状が菱形であること、
を特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の太陽電池セル。 - 前記第２方向に延在し、前記複数の細線電極において前記第１方向における同じ位置に配置された複数の前記タブ線接続部を電気的に接続する集電電極を有すること、
を特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の太陽電池セル。 - 前記集電電極は、前記第２方向における幅が３０μｍ以上、且つ３００μｍ以下の範囲であること、
を特徴とする請求項７に記載の太陽電池セル。 - 第１導電型の半導体基板の一面側に第２導電型の不純物拡散層を形成する第１工程と、
前記半導体基板の面方向における第１方向に延在するとともに前記半導体基板の面方向において前記第１方向と交差する第２方向において平行に配置されて、前記不純物拡散層に電気的に接続する複数の細線電極を前記半導体基板の一面側に形成する第２工程と、
を含み、
前記第２工程では、前記複数の細線電極における前記第１方向における同じ位置に、前記細線電極の幅が幅広とされて、前記細線電極と他の太陽電池セルとを電気的に接続するタブ線を接続するための領域であるタブ線接続部を形成すること、
を特徴とする太陽電池セルの製造方法。 - 前記タブ線接続部は、前記太陽電池セルの面内において、前記細線電極における他の領域よりも単位面積当たりの面積が広いこと、
を特徴とする請求項９に記載の太陽電池セルの製造方法。 - 前記タブ線接続部は、前記第２方向における幅の平均が前記タブ接続部以外の前記細線電極の幅以上であり、且つ第２方向における前記細線電極のピッチの半分以下の範囲であること、
を特徴とする請求項９または１０に記載の太陽電池セルの製造方法。 - 前記太陽電池セルの面内における前記タブ線接続部の形状が長方形であること、
を特徴とする請求項９から１１のいずれか１つに記載の太陽電池セルの製造方法。 - 前記太陽電池セルの面内における前記タブ線接続部の形状が三角形であること、
を特徴とする請求項９から１１のいずれか１つに記載の太陽電池セルの製造方法。 - 前記太陽電池セルの面内における前記タブ線接続部の形状が菱形であること、
を特徴とする請求項９から１１のいずれか１つに記載の太陽電池セルの製造方法。 - 前記第２工程では、前記第２方向に延在し、前記複数の細線電極において前記第１方向における同じ位置に配置された複数の前記タブ線接続部を電気的に接続する集電電極を形成すること、
を特徴とする請求項９から１４のいずれか１つに記載の太陽電池セルの製造方法。 - 前記集電電極は、前記第２方向における幅の平均が３０μｍ以上、且つ３００μｍ以下の範囲であること、
を特徴とする請求項１５に記載の太陽電池セルの製造方法。
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| PCT/JP2017/017870 WO2018207312A1 (ja) | 2017-05-11 | 2017-05-11 | 太陽電池セルおよび太陽電池セルの製造方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022143352A1 (zh) * | 2020-12-30 | 2022-07-07 | 通威太阳能（成都）有限公司 | 太阳能电池及其正面电极和制作方法 |
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2017
- 2017-05-11 WO PCT/JP2017/017870 patent/WO2018207312A1/ja active Application Filing
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