説明

太陽電池素子の受光面電極形成用導電性ペースト及び太陽電池素子並びにその太陽電池素子の製造方法

【課題】太陽電池の変換効率を向上するとともに、シリコン基板やハンダとの接着強度の高い太陽電池素子の受光面電極形成用導電性ペーストを提供すること。
【解決手段】
半導体基板の受光面側に多層構造の受光面電極を形成するために使用される、導電性粒子と、有機バインダと、溶剤と、ガラスフリットとを含有する導電性ペーストである。多層構造の受光面電極の中で半導体基板に直接接合される下部電極層形成用導電性ペースト中の無機成分に対する導電性粒子を除く無機物の割合をX%とし、多層構造の受光面電極の中で上記下部電極層上に配置される上部電極層形成用導電性ペースト中の無機成分に対する導電性粒子を除く無機物の割合をY%とした場合、X>Yである。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、太陽電池素子の受光面電極形成用導電性ペースト及びその導電性ペーストを用いて形成された受光面電極を有する太陽電池素子並びにその太陽電池素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
一般的な太陽電池素子は、図7に示すように、半導体基板21、拡散層22、反射防止層23、裏面電極24および表面電極25を備えている。
【0003】
この太陽電池素子は、例えば、以下のように製造される。シリコンからなる半導体基板21の受光面側(表面側)に、不純物の拡散層22と、窒化シリコン、酸化シリコンまたは酸化チタンなどからなる絶縁性の反射防止層23とが順次形成される。ここで、半導体基板21は、例えば、ホウ素などの半導体不純物を1×1016〜1018原子/cm3程度含有することにより、比抵抗1.5Ωcm程度の一導電型(例えば、p型)を呈するようにしたものである。単結晶シリコンの場合は引き上げ法などによって形成され、多結晶シリコンの場合は鋳造法などによって形成される。多結晶シリコンは、大量生産が可能で製造コスト面で単結晶シリコンよりも有利である。半導体基板21は、例えば、引き上げ法や鋳造法によって形成されたインゴットを100ないし300μm程度の厚みにスライスすることにより得られる。
【0004】
拡散層22は、半導体基板21の受光面に、リンなどの不純物を拡散させることにより形成される、半導体基板21の逆の導電型(例えば、n型)を呈する領域である。この拡散層22は、例えば、半導体基板21を炉中に配置して、オキシ塩化リン(POCl3)などの中で加熱することによって形成される。
【0005】
反射防止層23は、反射防止機能と併せて太陽電池素子の保護のために拡散層22の受光面側に形成されるものである。反射防止層23が窒化シリコン膜の場合、例えば、シラン(SiH4)とアンモニア(NH3)の混合ガスをグロー放電分解でプラズマ化して堆積させるプラズマCVD法などで形成される。例えば、反射防止層23は半導体基板21との屈折率差などを考慮して、屈折率が1.8〜2.3程度になるようにされ、0.05μmないし1.0μm程度の厚みに形成される。
【0006】
半導体基板21の表面には表面電極25が形成され、裏面には裏面電極24が形成される。表面電極25は、導電性粒子と、有機バインダと、溶剤と、ガラスフリットと、必要に応じて添加される物質とを含む導電性ペーストを印刷し、乾燥し、焼成することにより形成される。裏面電極24も導電性ペーストを印刷し、乾燥し、焼成することにより形成されるが、表面電極25と同一の導電性ペーストを用いる必要はない。特に、表面電極25はファイヤースルーの役割を担っており、適切な組成と焼成条件の選択は太陽電池の特性を高める上で重要である。このファイヤースルーとは、焼成の際、導電性ペーストに含まれているガラスフリットが反射防止層23に作用して当該層を溶解除去し、その結果、表面電極25と拡散層22が接触し、表面電極25と拡散層22のオーミック接続を得ることをいう。表面電極25と拡散層22との間で安定なオーミック接続が得られないと、太陽電池の直列抵抗が高くなる。
【0007】
太陽電池の変換効率を向上させるためには、太陽電池素子の内部抵抗を低減させることが必要である。また、安定なオーミック接続を得ることは太陽電池の変換効率を向上させるために重要である。また、太陽電池製造工場での取扱時にシリコン基板から電極が剥がれたりすることがないように、太陽電池素子の電極形成用導電性ペーストは一定の接着強度を備えていることが必要である。また、太陽電池素子で発生した電力を取り出すために、表面電極にはその電力取出用配線が一般的にハンダ付けされるので、受光面電極には、ハンダとの優れた接着強度も必要とされる。
【0008】
例えば、特許文献1には、シリコン基板の主面上に形成され、鉛酸化物およびビスマス酸化物を含有するガラスフリットを含む第1の銀層と、第1の銀層上に形成され、第1の銀層のガラスフリットよりも鉛酸化物およびビスマス酸化物の含有割合が低いガラスフリットを含む第2の銀層とを備える、太陽電池電極が記載されている。
【0009】
特許文献2には、2層以上の多層構造を有する電極が形成された半導体基板であって、多層構造のうち、半導体基板に直接接合する第一電極層は、銀とガラスフリットとを含有し、添加物として、Ti、Bi、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Ni、Si、Al、Ge、Sn、Pb、Znの酸化物のうち少なくとも1種を含有するものであり、配線と接合される最表層の電極層は、少なくとも銀とガラスフリットとを含有し、上記添加物を含有しない半導体基板が記載されている。
【0010】
特許文献3には、銀とガラスフリットとを含有する2層以上の多層構造を有する電極が形成された半導体基板であって、半導体基板に直接接合する第一電極層と、第一電極層上に配置される1層以上の上部電極層とからなり、上部電極層は、銀の総含有割合が75重量%以上95重量%以下である導電性ペーストを焼成したものであり、上部電極層の銀の総含有量に対する平均粒径4μm以上8μm以下の銀粒子の含有割合が第一電極層中の含有割合より高いものである半導体基板が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【特許文献1】特開2009−193993号公報
【特許文献2】特開2008−42095号公報
【特許文献3】国際公開第2008/26415号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
特許文献1のように、導電性ペースト中のガラスフリットの配合を工夫することにより、シリコン基板やハンダとの接着強度を向上させることはできても、太陽電池素子の内部抵抗を低減させることは限定的であるため、変換効率の向上も限定的となる。
【0013】
特許文献2の半導体基板は、半導体基板に直接接合する第一電極層が金属酸化物を含有し、具体的な実施例では、第一電極層形成用としてZnOを5ないし20重量%含有する銀ペーストを使用している。このように、銀ペーストが多量の金属酸化物を含有する場合、シリコン基板やハンダとの接着強度を向上させることはできても、太陽電池素子の内部抵抗を低減させることはできないから、変換効率の向上は望めない。
【0014】
特許文献3には、上部電極層の銀の総含有量に対する平均粒径4μm以上8μm以下の銀粒子(大径の銀粒子)の含有割合が第一電極層中の含有割合より高いことで、ペーストの焼成時に銀粒子の収縮による断線が起こりにくくなるということが記載されている。しかしながら、半導体基板に直接接合する電極層形成用の導電性ペーストと上部電極層形成用の導電性ペーストにそれぞれ含まれる銀粒子の粒径を変えたとしても、上部電極層の銀粒子の粒径が大きくなって焼成が不十分となるため、太陽電池素子の内部抵抗を低減させることは限定的であり、変換効率の向上も限定的となる。
【0015】
本発明は従来の技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、太陽電池の変換効率を向上するとともに、シリコン基板やハンダとの接着強度の高い太陽電池素子の受光面電極形成用導電性ペースト及びその導電性ペーストを用いて形成された受光面電極を有する太陽電池素子並びにその太陽電池素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0016】
本発明者は上記課題を解決するために鋭意試験研究を重ねた結果、半導体基板の受光面側に形成される受光面電極が少なくとも2層を有する多層構造であって、当該多層構造が、半導体基板に直接接合される下部電極層と、この下部電極層上に配置される上部電極層からなり、下部電極層は主としてファイヤースルー性が優れ、上部電極層は内部抵抗が低いという特性を備えていることにより、太陽電池の変換効率を向上するとともに、シリコン基板やハンダとの接着強度の高い受光面電極を提供しうることを見出し、本発明の完成に至ったのである。
【0017】
すなわち、本発明は、半導体基板の受光面側に多層構造の受光面電極を形成するために使用される、導電性粒子と、有機バインダと、溶剤と、ガラスフリットとを含有する太陽電池素子の多層構造の受光面電極形成用導電性ペーストにおいて、多層構造の受光面電極の中で半導体基板に直接接合される下部電極層形成用導電性ペースト中の無機成分に対する導電性粒子を除く無機物の割合をX%とし、多層構造の受光面電極の中で上記下部電極層上に配置される上部電極層形成用導電性ペースト中の無機成分に対する導電性粒子を除く無機物の割合をY%とした場合、X>Yであることを特徴としている。
【0018】
本発明の太陽電池素子は、半導体基板の受光面側に拡散層を形成し、この拡散層上に反射防止層と受光面電極を有し、半導体基板の反受光面側に反受光面電極を有する太陽電池素子において、受光面電極は、反射防止層上に上記下部電極層形成用導電性ペーストを印刷し、この下部電極層形成用導電性ペースト上に上記上部電極層形成用導電性ペーストを印刷して焼成することにより形成され、反受光面電極は、反受光面側に反受光面電極形成用導電性ペーストを印刷して焼成することにより形成されたものであることを特徴としている。
【0019】
本発明の太陽電池素子の製造方法は、半導体基板の受光面側に拡散層を形成し、この拡散層上に反射防止層を形成し、この反射防止層上に上記下部電極層形成用導電性ペーストを印刷し、この下部電極層形成用導電性ペースト上に上記上部電極層形成用導電性ペーストを印刷し、半導体基板の反受光面側に反受光面電極形成用導電性ペーストを印刷し、さらに、反射防止層上に印刷された下部電極層形成用導電性ペーストと上部電極層形成用導電性ペーストを焼成することによって拡散層と導通させて受光面電極を形成し、反受光面電極形成用導電性ペーストを焼成することによって反受光面電極を形成することを特徴としている。
【発明の効果】
【0020】
本発明によれば、多層構造の受光面電極の中で半導体基板に直接接合される下部電極層形成用導電性ペースト中の無機成分に対する導電性粒子を除く無機物の割合をX%とし、多層構造の受光面電極の中で上記下部電極層上に配置される上部電極層形成用導電性ペースト中の無機成分に対する導電性粒子を除く無機物の割合をY%とした場合、X>Yであるから、焼成の際、下部電極層形成用導電性ペーストに多く含まれているガラスフリットを主とする導電性粒子を除く無機物が反射防止層に作用して当該層を溶解除去し、その結果、受光面電極と拡散層が接触し、受光面電極と拡散層の安定なオーミック接続が得られる。しかも、上部電極層形成用導電性ペースト中の無機成分に対する導電性粒子を除く無機物の割合が下部電極層形成用導電性ペースト中の無機成分に対する導電性粒子を除く無機物の割合より少ないという傾斜組成を有するので、内部抵抗を低減することができる。従って、太陽電池の変換効率を向上することができる。
【0021】
また、受光面電極を多層構造として厚みを増すことで、太陽電池素子の内部抵抗を低減させるとともに、接着強度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】図1は、太陽電池素子の一実施形態の断面図である。
【図2】図2(a)は、図1の太陽電池素子の受光面側の平面図、図2(b)は、図1の太陽電池素子の反受光面側の平面図である。
【図3】太陽電池モジュールの一例を示す断面図である。
【図4】図4(a)は、反射防止層上に下部電極層形成用導電性ペーストを印刷する方法を説明する図であり、図4(b)は、その平面図である。
【図5】図5(a)は、下部電極層形成用導電性ペースト上に上部電極層形成用導電性ペーストを印刷する方法を説明する図であり、図5(b)は、その平面図である。
【図6】図6は、受光面電極の接着強度の測定方法を説明する図である。
【図7】一般的な太陽電池素子の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
(1)導電性粒子
導電性粒子としては、銀粉、銅粉、金粉など電気の良導体を用いることができるが、コスト面および大気中での焼成でも酸化しにくいという点を考慮して、銀粉が好ましい。
【0024】
銀粉としては、太陽電池の電極形成等に用いられる導電性ペーストに配合しうるものであれば特に限定されるものではない。銀粉の形状は、鱗片状、球形状、フレーク状、不定形状またはこれらを混合したものでもよい。要するに、銀粉の形状は特定のものに限定されない。
【0025】
導電性粒子は、銀を70ないし100質量%含有するものが好ましい。反射防止層に印刷された導電性ペーストを焼成して拡散層と導通させる場合、約750ないし950℃で焼成されるが、銀の場合は還元性雰囲気としなくても、表面酸化によって導電性が低下するということがないからである。
【0026】
銀粉を太陽電池の電極形成に用いられる導電性ペーストに配合する場合の銀粉の配合量は導電性ペースト全体に対して65ないし95重量%であるのが好ましい。65重量%未満では銀粉の配合量が少なすぎて焼成して得られる受光面電極の抵抗が上昇するという不都合があり、95重量%を超えると印刷性が悪くなり、物理的な接着強度が不足するという不都合があるからである。
【0027】
銀粉の平均粒径は、導電性ペーストを焼結するときの焼結特性に影響を与えるので(粒径の大きい銀粉は粒径の小さい銀粉よりもゆっくりとした速度で焼結される)、0.1〜5.0μmが好ましい。0.1μm未満であると焼結速度が速すぎ、物理的な接着強度が不足するという不都合がある。5.0μmを超えると、焼結速度はやや緩慢になるが、ペースト中での分散性および印刷性が悪くなり、細いラインを印刷するのが困難になるという不都合がある。本明細書において、平均粒径とは、レーザ回折法により粒径を測定した場合において、小径側から累積50%の粒径をいう。
(2)ガラスフリット
本発明で使用可能なガラスフリットは、導電性ペーストが約750ないし950℃で焼成されたときに、反射防止層を浸食し、適切に半導体基板への接着が行われるように、300ないし550℃の軟化点を有するものが好ましい。軟化点が300℃より低いと、焼成が進んで本発明の効果を十分に得ることができないという不都合がある。一方、軟化点が550℃より高いと、焼成時に十分な溶融流動が起こらないため、十分な接着強度が得られないという不都合がある。例えば、ガラスフリットとしては、Bi系ガラス、Bi23−B23−ZnO系ガラス、Bi23−B23系ガラス、Bi23−B23−SiO2系ガラス、Ba系ガラス、BaO−B23−ZnO系ガラスなどを用いることができる。
【0028】
ガラスフリットの形状は限定されず、球状でも、不定形状でもよい。
【0029】
ガラスフリットの配合量は導電性ペースト全体に対して0.1ないし10重量%であるのが好ましい。0.1重量%未満では接着強度が不十分となる場合がある。10重量%を超えると、ガラスの浮きや後工程での半田付け不良が生じることがある。
【0030】
ガラスフリットに関するより詳しい性状としては、例えば、Bi系ガラスフリットとしては、Bi23 を主成分とし、B23とBaOを含み、軟化点が約430℃のものを挙げることができる。Ba系ガラスフリットとしては、BaOを主成分とし、B23 とZnOとCaOを含み、軟化点が約530℃のものを挙げることができる。
(3)有機バインダ
有機バインダとしては、限定されるものではないが、メチルセルロース、エチルセルロース等のセルロース誘導体、アクリル樹脂、アルキド樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ロジン系樹脂、テルペン系樹脂、フェノール系樹脂、脂肪族系石油樹脂、アクリル酸エステル系樹脂、キシレン系樹脂、クマロンインデン系樹脂、スチレン系樹脂、ジシクロペンタジエン系樹脂、ポリブテン系樹脂、ポリエーテル系樹脂、ユリア系樹脂、メラミン系樹脂、酢酸ビニル系樹脂、ポリイソブチル系樹脂等を用いることができる。
【0031】
有機バインダの配合量は導電性ペースト全体に対して0.1ないし30重量%であるのが好ましい。0.1重量%未満では、十分な接着強度を確保することができない。一方、30重量%を超えると、ペーストの粘度上昇により印刷性が低下する。
(4)溶剤
溶剤としては、限定されるものではないが、ヘキサン、トルエン、エチルセロソルブ、シクロヘキサノン、ブチルセロソルブ、ブチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジアセトンアルコール、ターピネオール、メチルエチルケトン、ベンジルアルコール等を挙げることができる。
【0032】
溶剤の配合量は導電性ペースト全体に対して1ないし40重量%であるのが好ましい。それらの範囲外であると、ペーストの印刷性が低下するからである。
(5)導電性粒子とガラスフリットとを除く無機物
本発明において、導電性粒子とガラスフリットとを除く無機物は、焼結抑制剤として作用するとともに、ガラスフリットに類似した作用をしてファイヤースルー性を向上させる。そのような作用をする無機物としては、低融点金属および低融点金属系化合物を挙げることができる。低融点金属とは、融点が500℃以下の金属をいい、例えば、亜鉛(融点419.6℃)、鉛(融点327.5℃)、スズ(融点231.97℃)、ビスマス(融点271.3℃)、テルル(融点449.5℃)、セレン(融点217℃)を挙げることができる。この中で比抵抗が0.436Ωcmの半導体であるテルルを好ましく用いることができる。さらに、低融点金属に代えて導電性ペーストの焼成温度以下の融点を有する物質、例えば、二酸化テルル(融点732.6℃)を用いることもできる。要するに、低融点金属に代えて、導電性ペーストの焼成温度以下の融点を有する物質(二酸化テルルのような低融点金属系化合物)を用いることができる。導電性ペーストが低融点金属または低融点金属系化合物を含む場合、その導電性ペーストを大気雰囲気で焼成すると、低融点金属または低融点金属系化合物が酸化されやすくなる。すなわち、導電性ペーストの焼成過程において酸化物被膜が自然と形成されるため、導電性粒子の過剰な焼結が抑制され、半導体基板の主成分である半金属元素Siと大差のない熱収縮挙動を示すことが期待できる。このようにして、半導体基板表面に本発明の導電性ペーストを印刷・乾燥後、焼成時におけるマイクロクラックの発生や接触抵抗の増大を招くことがないのである。さらに、上記したように、低融点金属および低融点金属系化合物はガラスフリットに類似した作用をするので、焼成時にガラスフリットとともに反射防止層を浸食して良好なファイヤースルー性を達成することができる。
【0033】
この低融点金属または低融点金属系化合物と同じような効果を奏するものとして、アルカリ土類金属せっけんを挙げることができる。具体的なアルカリ土類金属せっけんとしては、ステアリン酸Ca、ステアリン酸Mg、ステアリン酸Sr、グルコン酸Mgなどを挙げることができる。このアルカリ土類金属せっけんは表面活性が高く、導電性粒子を一種の保護コロイドの様に均一分散させると共に、大気中で焼成すると、導電性粒子の過剰な焼結を抑制する。その結果、半導体基板の主成分である半金属元素Siと大差のない熱収縮挙動を示すことが期待できる。
【0034】
以上のような効果を得るためには、導電性ペーストは、適正量の低融点金属、適正量の低融点金属系化合物および/又は適正量のアルカリ土類金属せっけんを含有することが好ましい。具体的には、導電性ペーストは、0.1ないし5重量%の低融点金属を含有することが好ましい。また、導電性ペーストは、0.1ないし5重量%のアルカリ土類金属せっけんを含有することが好ましい。また、導電性ペーストは、0.1ないし5重量%の低融点金属および0.1ないし5重量%のアルカリ土類金属せっけんを含有することが好ましい。また、導電性ペーストは、0.01ないし10重量%、より好ましくは、0.1ないし8重量%、より一層好ましくは0.1ないし4重量%の低融点金属系化合物を含有する。さらに、導電性ペーストは、0.1ないし5重量%のアルカリ土類金属せっけんおよび0.01ないし10重量%、より好ましくは、0.1ないし8重量%、より一層好ましくは0.1ないし4重量%の低融点金属系化合物を含有する。上記数値範囲の下限未満であると、導電性粒子の焼結抑制効果が得られず、上記数値範囲の上限を超えると、抵抗が増大してFF値が小さくなるからである。
【0035】
しかしながら、上記のように例示した低融点金属または低融点金属系化合物も、導電性粒子(例えば、銀粉、銅粉、金粉)に比べてやや導電性が劣ることは否めない。
【0036】
そこで、本発明は、半導体基板の受光面側に形成される受光面電極を多層構造とし、この多層構造の中で半導体基板に直接接合される層を下部電極層とし、下部電極層上に配置される層を上部電極層とし、上部電極層形成用導電性ペーストに含まれている導電性粒子を除く無機物の割合が下部電極層形成用導電性ペーストに含まれている導電性粒子を除く無機物の割合より少ないという傾斜組成を有するので、焼成の際、下部電極層形成用導電性ペーストに多く含まれているガラスフリットを主とする導電性粒子を除く無機物が反射防止層に作用して当該層を溶解除去し、受光面電極と拡散層の安定なオーミック接続が得られるとともに、上部電極層形成用導電性ペーストに含まれている導電性粒子を除く無機物の割合が下部電極層形成用導電性ペーストより少ないという傾斜組成を有するので、全体として内部抵抗を低減することができるのである。
(6)分散剤
ステアリン酸、パルミチン酸、ミリスチン酸、オレイン酸、ラウリン酸などの分散剤を導電性ペーストに配合することができる。なお、分散剤は一般的なものであれば、有機酸に限定されるものではない。これら分散剤の配合量は導電性ペースト全体に対して0.05ないし10重量%であるのが好ましい。0.05重量%未満であるとペーストの分散性が悪くなるという不都合があり、10重量%を超えると焼成によって得られる受光面電極の抵抗が上昇するという不都合がある。
(7)その他の添加剤
本発明においては、安定剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、シランカップリング剤、消泡剤、粘度調整剤などの各種添加剤を本発明の効果を妨げない範囲において導電性ペーストに配合することができる。
(8)太陽電池素子の製造方法
太陽電池素子の製造方法について詳しく説明する。
【0037】
図1は、太陽電池素子の一例の断面の構造を示す概略図である。図2(a)は図1の太陽電池素子の受光面側(表面)の平面図、図2(b)は図1の太陽電池素子の反受光面側(裏面)の平面図である。
【0038】
シリコン基板1は、単結晶または多結晶シリコンなどからなる。このシリコン基板1は、ボロンなどの一導電型半導体不純物を含有し、比抵抗は、例えば、1.0ないし2.0Ωcm程度である。単結晶シリコン基板の場合には引き上げ法などによって形成され、多結晶シリコン基板の場合には鋳造法などによって形成される。引き上げ法や鋳造などによって形成されたシリコンのインゴットを200μm以下、好ましくは150μm以下の厚みにスライスしてシリコン基板1とする。なお、以下の説明においてはp型シリコン基板を用いて説明を行うが、n型シリコン基板を用いてもかまわない。
【0039】
このシリコン基板1は、そのスライス面を清浄化するために、表面をNaOHやKOH、またはフッ酸やフッ硝酸等で微量エッチングされる。
【0040】
その後、光入射面となるシリコン基板表面(受光面)側に、ドライエッチングやウエットエッチングなどを用いて、光反射率低減機能を有する凹凸面(粗面)を形成することが好ましい。
【0041】
次に、n型拡散層2を形成する。n型化ドーピング元素としては、リンを用いるのが好ましく、シート抵抗が40ないし100Ω/□程度のn+型とする。これにより、p型シリコン基板1との間にpn接合部が形成される。
【0042】
n型拡散層2はシリコン基板の受光面に形成されるものであり、ペースト状態にしたP25を塗布して熱拡散させる塗布熱拡散法、ガス状態にしたPOCl3を拡散源とした気相熱拡散法、およびP+イオンを直接拡散させるイオン打ち込み法などによって形成される。このn型拡散層2は、0.3ないし0.5μm程度の深さに形成される。
【0043】
なお、拡散を予定しない部位にも拡散領域が形成された場合、後でエッチングによって除去すればよい。後記するように、裏面(反受光面)のBSF領域をアルミニウムペーストによって形成する場合は、p型ドープ剤であるアルミニウムを十分な濃度で十分な深さまで拡散させることができるので、浅いn型拡散層の影響は無視することができるので、裏面側に形成されたn型拡散層を特に除去する必要はない。
【0044】
n型拡散層2の形成方法は上記に限定されるものではなく、例えば、薄膜技術を用いて、水素化アモルファスシリコン膜や、微結晶シリコン膜を含む結晶質シリコン膜などを形成してもよい。さらに、p型シリコン基板1とn型拡散層2との間にi型シリコン領域(図示せず)を形成してもよい。
【0045】
次に、反射防止層3を形成する。反射防止層3の材料としては、SiNx膜(Si34を中心にして組成xには幅がある)、TiO2膜、SiO2膜、MgO膜、ITO膜、SnO2膜、ZnO膜などを用いることができる。その厚さは、適当な入射光に対して無反射条件を再現できるよう、半導体材料に対して適宜選択することができる。例えば、シリコン基板1に対しては、屈折率は1.8ないし2.3程度、厚みは500ないし1000Å程度にすればよい。
【0046】
反射防止層3の製法としては、CVD法、蒸着法またはスパッタ法などを用いることができる。
【0047】
次に、BSF(Back Surface Field)層4を形成することが好ましい。ここで、BSF層とは、シリコン基板1の裏面側に一導電型半導体不純物が高濃度に拡散されてなる領域をいい、キャリヤの再結合による変換効率の低下を防ぐ役割を果たすものである。不純物元素としては、ボロンやアルミニウムを用いることができ、不純物元素濃度を高濃度にしてp+型とすることによって後記する裏面電極6との間にオーミック接続を得ることができる。
【0048】
BSF層4の製法としては、BBr3を拡散源とした熱拡散法を用いて800ないし10000℃程度で形成することができる。熱拡散法を用いる場合は、すでに形成してあるn型拡散層2には酸化膜などの拡散バリアをあらかじめ形成しておくことが好ましい。他の製法として、アルミニウムを用いる場合、アルミニウム粉末および有機ビヒクルを含むアルミニウムペーストを塗布した後、600ないし850℃程度で焼成してアルミニウムをシリコン基板1に向けて拡散する方法を用いることができ、この方法によると塗布面への所望の拡散領域を形成できるとともに、裏面側の不要な拡散層の除去を必要としない。しかも、焼成されたアルミニウムはそのまま裏面電極の集電電極として利用することもできる。
【0049】
次に、図2(a)に示す2本のバスバー電極5aおよび多数のフィンガー電極5bからなる表面電極5と、図2(b)に示す2本のバスバー電極6aおよび集電電極6bからなる裏面電極6とを、シリコン基板1の表面側および裏面側に形成する。
【0050】
表面電極5は、シリコン基板1上に公知の塗布法を用いて本発明の太陽電池素子の受光面電極形成用導電性ペーストを塗布し、ピーク温度が700ないし950℃程度で数十秒ないし数十分間焼成することにより形成できる。
【0051】
裏面電極6は、図2(b)に示すように、銀粉末とアルミニウム粉末と有機バインダと溶剤とガラスフリットを含む銀−アルミニウムペーストを塗布・焼成して形成される2本のバスバー電極6aと、アルミニウム粉末と有機バインダと溶剤とガラスフリットを含むアルミニウムペーストをシリコン基板1の略全面に塗布・焼成して形成される集電電極6bとを、一部が重なるように構成する。
【0052】
なお、表面電極および裏面電極について、それぞれの電極形成用ペーストを塗布・乾燥した後、同時に焼成すれば、製造工程を減らすことができるので好ましい。各ペースト塗布の順序は特に限定されるものではない。
【0053】
導電性ペーストによる電極形成パターンは、太陽電池素子から効率よく集電するために、一般的に用いられているパターン、例えば、表面電極の場合であれば、図2(a)に示すように、櫛形パターンを採用することができる。
【0054】
表面バスバー電極5aと裏面バスバー電極6aの数量は上記実施形態においてはそれぞれ2本であるが、1本または3本以上とすることもできる。
(9)太陽電池モジュールの製造方法
上記のようにして製造した太陽電池素子を用いて太陽電池モジュールを製造する方法の一例について説明する。
【0055】
図3に示すように、配線11によって、隣接している太陽電池素子12の表面電極と裏面電極とを接続し、透明の熱可塑性樹脂などからなる表側充填材13と透明の熱可塑性樹脂などからなる裏側充填材14によって太陽電池素子12を挟み込み、さらに、表側充填材13の上側にガラスからなる透明部材15を配し、裏側充填材14の下側に機械特性に優れたポリエチレンテレフタレートなどのシートを耐候性に優れたポリフッ化ビニルのフィルムで覆った裏面保護材16を配し、これらの積層部材を適切な真空炉で脱気し、加熱・押圧して一体化することが好ましい。また、複数の太陽電池素子12が直列接続されている場合、複数の素子の中の最初の素子と最後の素子の電極の一端を出力取出部である端子ボックス17に出力取出配線18によって接続することが好ましい。さらに、太陽電池モジュールは、通常長期にわたって野外に放置されるため、アルミニウムなどからなる枠体によって周囲を保護することが好ましい。
【実施例】
【0056】
以下に本発明の実施例を説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲において適宜変更や修正が可能である。
(1)半導体ウエハの準備
厚さが200μmで、外形が6インチ×6インチの大きさで、比抵抗が1.5Ωcmの多結晶シリコンのp型シリコン基板の表面にn型拡散層が形成され、さらに、n型拡散層の上にSiNxの反射防止層が形成された半導体ウエハを準備した。
(2)導電性ペーストの調製
a.BSF層と裏面(反受光面)集電電極形成用の導電性ペースト
平均粒径が約3μmのアルミニウム粉末70重量部と、エチルセルロース(有機バインダ)1重量部と、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオール モノイソブチレート(溶剤)28重量部と、軟化点が約405℃のBi23−B23−ZnO系ガラスフリット1重量部とを3本ロールミルで混合することによりペースト状にして、BSF層と裏面集電電極形成用の導電性ペーストを得た。
b.裏面(反受光面)バスバー電極形成用の導電性ペースト
平均粒径が約1μmの銀粉末80重量部と、平均粒径が約3μmのアルミニウム粉末2.4重量部と、エチルセルロース(有機バインダ)1重量部と、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオール モノイソブチレート(溶剤)15重量部と、軟化点が約405℃のBi23−B23系ガラスフリット1.5重量部と、ステアリン酸0.1重量部とを3本ロールミルで混合することによりペースト状にして、裏面バスバー電極形成用の導電性ペーストを得た。
c.表面(受光面)バスバー電極と表面(受光面)フィンガー電極形成用の導電性ペースト
平均粒径が約0.5μmの湿式還元法により製造された球状銀粉末86重量部と、エチルセルロース1重量部(有機バインダ)と、ステアリン酸0.5重量部(分散剤)と、ステアリン酸マグネシウム1重量部に対して、以下の表1に示すように、軟化点が約530℃のBa系ガラスフリット(BaOを主成分とし、B23とZnOとCaOを含み、鉛を含有しないもの)と、TeO2と、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオール モノイソブチレート(溶剤)とを配合したものを3本ロールミルで混合することによりペースト状にし、さらに、後記するスクリーン印刷時のペーストの粘度が約400Pa・sとなるように、上記有機溶剤を適宜添加して調製した。このようにして、表面バスバー電極と表面フィンガー電極形成用の導電性ペーストA、B、C、D、Eを得た。上記ペーストの粘度は、ブルックフィールド社製のDV−III型粘度計を用い、コーンスピンドルCP−52(角度3.0°、半径1.2cm) により、25℃の循環水で保温したサンプルカップ内に導電性ペーストを保持して、回転数1rpmで測定した粘度(ずり速度2/秒に相当)である。
【0057】
【表1】

(3)導電性ペーストの印刷
上記(2)aのように調製した導電性ペーストを、(1)のように準備した半導体ウエハの裏面側の略全面にスクリーン印刷により塗布し、その導電性ペーストの上に、図2(b)の6aに示すような形状となるように(2)bのように調製した導電性ペーストをスクリーン印刷により塗布し、150℃で5分間乾燥を行った後、自然放冷により室温まで冷却した。
【0058】
次に、このようにして裏面側に導電性ペーストを塗布した半導体ウエハの表面側に、表1のような配合の導電性ペーストA、B、C、D、Eを後記するように印刷して、実施例1ないし4、参考例および比較例の半導体ウエハを得た。
【0059】
実施例1の半導体ウエハは、図4(a)に示すように、受光面側にn型拡散層と反射防止層を順次形成したシリコン基板7の表面(受光面)に表1の導電性ペーストA(下部電極層形成用導電性ペースト8a)をスクリーン印刷により塗布し、さらに、その下部電極層形成用導電性ペースト8aの上に、図5(a)に示すように、図4(b)に示すものと全く同じ形状となるように表1の導電性ペーストB(上部電極層形成用導電性ペースト8b)をスクリーン印刷により塗布し、150℃で5分間乾燥を行った後、自然放冷により室温まで冷却することにより得た。図4(b)において、9aは裏面(反受光面)バスバー電極、9bは裏面(反受光面)集電電極である。
【0060】
このようにして、図5(b)に示すように、2本の表面バスバー電極10aと、多数の表面フィンガー電極10bとを形成するための導電性ペーストによる素地が得られた。これら表面バスバー電極10aおよび表面フィンガー電極10bが受光面電極である。
【0061】
実施例2の半導体ウエハは、図4(a)に示すように、受光面側にn型拡散層と反射防止層を順次形成したシリコン基板7の表面(受光面)に表1の導電性ペーストA(下部電極層形成用導電性ペースト8a)をスクリーン印刷により塗布し、さらに、その下部電極層形成用導電性ペースト8aの上に、図5(a)に示すように、図4(b)に示すものと全く同じ形状となるように表1の導電性ペーストC(上部電極層形成用導電性ペースト8b)をスクリーン印刷により塗布し、150℃で5分間乾燥を行った後、自然放冷により室温まで冷却することにより得た。
【0062】
実施例3の半導体ウエハは、図4(a)に示すように、受光面側にn型拡散層と反射防止層を順次形成したシリコン基板7の表面(受光面)に表1の導電性ペーストA(下部電極層形成用導電性ペースト8a)をスクリーン印刷により塗布し、さらに、その下部電極層形成用導電性ペースト8aの上に、図5(a)に示すように、図4(b)に示すものと全く同じ形状となるように表1の導電性ペーストD(上部電極層形成用導電性ペースト8b)をスクリーン印刷により塗布し、150℃で5分間乾燥を行った後、自然放冷により室温まで冷却することにより得た。
【0063】
実施例4の半導体ウエハは、図4(a)に示すように、受光面側にn型拡散層と反射防止層を順次形成したシリコン基板7の表面(受光面)に表1の導電性ペーストA(下部電極層形成用導電性ペースト8a)をスクリーン印刷により塗布し、さらに、その下部電極層形成用導電性ペースト8aの上に、図5(a)に示すように、図4(b)に示すものと全く同じ形状となるように表1の導電性ペーストE(上部電極層形成用導電性ペースト8b)をスクリーン印刷により塗布し、150℃で5分間乾燥を行った後、自然放冷により室温まで冷却することにより得た。
【0064】
参考例の半導体ウエハは、図4(a)に示すように、受光面側にn型拡散層と反射防止層を順次形成したシリコン基板7の表面(受光面)に表1の導電性ペーストA(下部電極層形成用導電性ペースト8a)をスクリーン印刷により塗布し、さらに、その下部電極層形成用導電性ペースト8aの上に、図5(a)に示すように、図4(b)に示すものと全く同じ形状となるように表1の導電性ペーストA(上部電極層形成用導電性ペースト8b)をスクリーン印刷により塗布し、150℃で5分間乾燥を行った後、自然放冷により室温まで冷却することにより得た。
【0065】
また、比較例の半導体ウエハは、図4(a)に示すように、受光面側にn型拡散層と反射防止層を順次形成したシリコン基板7の表面(受光面)に表1の導電性ペーストA(下部電極層形成用導電性ペースト8a)をスクリーン印刷により塗布し、150℃で5分間乾燥を行った後、自然放冷により室温まで冷却することにより得た。
【0066】
なお、スクリーン印刷機としては一般的な低印圧の印刷機であるマイクロテック社製のMT−320を用い、フィンガー幅設計値が80μm、バスバー幅設計値は1.7mmとし、スクリーン版の影響をなくすため、導電性ペーストを重ねて塗布する際にもすべて同一のスクリーン版を使用した。
【0067】
上記実施例1ないし4の上部電極層は1層であるが、必要に応じて2層以上とすることができる。例えば、上部電極層を下部電極層に接する第一電極層と最表層の第二電極層との2層構造とした場合、第一電極層形成用導電性ペースト中の無機成分に対する導電性粒子を除く無機物の割合をA%とし、第一電極層上に配置される第二電極層形成用導電性ペースト中の無機成分に対する導電性粒子を除く無機物の割合をB%とした場合、A≧Bとすることができる。
(4)焼成
以上のように導電性ペーストを塗布した半導体ウエハを、BTU社製のモデルPV309で4ゾーンの加熱ゾーンがある高速焼成炉に挿入して、Datapaq社の温度ロガーで半導体ウエハ表面の最高温度を確認しながら、その表面最高温度を焼成温度として、820℃の焼成温度で上記高速焼成炉に挿入してから取り出すまでの時間を約1分間として焼成した。この焼成過程において、半導体ウエハの裏面側に塗布したアルミニウムが半導体ウエハ側に拡散することにより、図1の4に示すようなBSF層が形成されるのである。
(5)電気特性の評価
以上のようにして作製した太陽電池素子試験片の変換効率を求めた。具体的には、共進電機株式会社製の商品名「KST−15Ce−1s」のIVトレーサーと、株式会社ワコ
ム電創製の商品名「WXS−156S−10、AM1.5G」のソーラーシミュレーターとを用いて、100mW/cm2相当の入射光に対して得られる変換効率を求めた。以下の表2にその変換効率の数値を示す。
【0068】
【表2】

(6)受光面電極の接着強度の測定
また、以上のようにして作製した太陽電池素子試験片の受光面電極の接着強度を以下に説明するように測定した。図6に示すように、太陽電池素子試験片31の裏面とSUS製の支持基板32とを両面テープ33で貼着した。そして、図6において、太陽電池素子試験片31の1本の表面バスバー電極34にフラックスとしてタムラ化研社製の商品名「XA−100」の物質を綿棒で塗布した後、鉛を含有しない日立電線社製の品番「SSA−TPS」(組成がSn−Ag−Cuで、幅が2mmで、厚みが0.16mm)のタブ35を約350℃に加熱した半田コテにて取り付けた。このようにして接合したタブ35を引張試験機(図示せず)を用いて垂直方向(図6の矢示方向)に15mm/秒の速度で引き上げた場合に、バスバー電極34が太陽電池素子試験片31から剥がれるか又はタブ35がバスバー電極34から剥がれたときの強度を受光面電極の接着強度とした。この接着強度を表2に示す。
(7)考察
表2に示すように、多層構造の受光面電極の中で半導体基板に直接接合される下部電極層形成用導電性ペースト中の無機成分(銀粉とBa系ガラスとTeO2)に対する導電性粒子を除く無機物(Ba系ガラスとTeO2)の割合をX%とし、多層構造の受光面電極の中で上記下部電極層上に配置される上部電極層形成用導電性ペースト中の無機成分(銀粉とBa系ガラスとTeO2)に対する導電性粒子を除く無機物(Ba系ガラスとTeO2)の割合をY%とした場合、X>Yである実施例1ないし4は、参考例および比較例より変換効率と受光面電極の接着強度が高くなることが分かる。中でも、下部電極層形成用導電性ペーストとして導電性ペーストAを使用し、上部電極層形成用導電性ペーストとして導電性ペーストBを使用した実施例1の変換効率と接着強度が最も高い。すなわち、下部電極層形成用導電性ペーストとしては、ファイヤースルー性を確保するとともに接触抵抗の増大を避けるために、導電性粒子としての銀粉に適量のガラスフリットと適量の低融点金属系化合物を含有することが好ましく、上部電極層形成用導電性ペーストとしては、内部抵抗を低減するために、導電性粒子以外の無機物が少ない方が好ましいといえる。
【0069】
参考例のように、下部電極層形成用導電性ペーストと上部電極層形成用導電性ペーストを同じとすることで受光面電極を形成する成分組成が傾斜しない場合、同じ組成の導電性ペーストを二重印刷することで比較例に比べて受光面電極の厚みが増すので参考例は比較例より変換効率と受光面電極の接着強度は向上する。しかし、受光面電極を形成する成分組成が傾斜していない参考例の変換効率と受光面電極の接着強度は、受光面電極を形成する成分組成が傾斜している実施例1ないし4に比べて劣っていることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【0070】
本発明の導電性ペーストは、太陽電池素子の受光面電極形成用導電性ペーストとして好適である。
【符号の説明】
【0071】
1 シリコン基板
2 n型拡散層
3 反射防止層
4 BSF層
5 表面電極
5a 表面バスバー電極
5b 表面フィンガー電極
6 裏面電極
6a 裏面バスバー電極
6b 裏面集電電極
7 シリコン基板
8a 下部電極層形成用導電性ペースト
8b 上部電極層形成用導電性ペースト
9a 裏面バスバー電極
9b 裏面集電電極
10a 表面バスバー電極
10b 表面フィンガー電極
11 配線
12 太陽電池素子
13 表側充填材
14 裏側充填材
15 透明部材
16 裏面保護材
17 端子ボックス
18 出力取出配線
21 半導体基板
22 拡散層
23 反射防止層
24 裏面電極
25 表面電極
31 太陽電池素子試験片
32 支持基板
33 両面テープ
34 表面バスバー電極
35 タブ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体基板の受光面側に多層構造の受光面電極を形成するために使用される、導電性粒子と、有機バインダと、溶剤と、ガラスフリットとを含有する太陽電池素子の多層構造の受光面電極形成用導電性ペーストにおいて、多層構造の受光面電極の中で半導体基板に直接接合される下部電極層形成用導電性ペースト中の無機成分に対する導電性粒子を除く無機物の割合をX%とし、多層構造の受光面電極の中で上記下部電極層上に配置される上部電極層形成用導電性ペースト中の無機成分に対する導電性粒子を除く無機物の割合をY%とした場合、X>Yであることを特徴とする太陽電池素子の多層構造の受光面電極形成用導電性ペースト。
【請求項2】
半導体基板の受光面側に拡散層を形成し、この拡散層上に反射防止層と受光面電極を有し、半導体基板の反受光面側に反受光面電極を有する太陽電池素子において、受光面電極は、反射防止層上に請求項1記載の下部電極層形成用導電性ペーストを印刷し、この下部電極層形成用導電性ペースト上に請求項1記載の上部電極層形成用導電性ペーストを印刷して焼成することにより形成され、反受光面電極は、反受光面側に反受光面電極形成用導電性ペーストを印刷して焼成することにより形成されたものであることを特徴とする太陽電池素子。
【請求項3】
半導体基板の受光面側に拡散層を形成し、この拡散層上に反射防止層を形成し、この反射防止層上に請求項1記載の下部電極層形成用導電性ペーストを印刷し、この下部電極層形成用導電性ペースト上に請求項1記載の上部電極層形成用導電性ペーストを印刷し、半導体基板の反受光面側に反受光面電極用導電性ペーストを印刷し、さらに、反射防止層上に印刷された下部電極層形成用導電性ペーストと上部電極層形成用導電性ペーストを焼成することによって拡散層と導通させて受光面電極を形成し、反受光面電極用導電性ペーストを焼成することによって反受光面電極を形成することを特徴とする太陽電池素子の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2011−204872(P2011−204872A)
【公開日】平成23年10月13日(2011.10.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−70195(P2010−70195)
【出願日】平成22年3月25日(2010.3.25)
【出願人】(397059571)京都エレックス株式会社 (43)
【Fターム(参考)】