説明

太陽電池電極形成用導電性ペーストおよび太陽電池素子

【課題】 導電性ペーストを用いて太陽電池電極を形成するに当たり、工程の複雑化または煩雑化を招くことなく、太陽電池電極のアスペクト比を大きくすることができるとともに、ライン抵抗および比抵抗も優れたものとする。
【解決手段】 本発明に係る太陽電池電極形成用導電性ペーストは、ライン幅が80μm以下の太陽電池電極を形成するために用いられ、(A)銀粉末、(B)ガラスフリット、(C)有機バインダ、および(D)有機溶剤から少なくとも構成されている。(A)銀粉末としては、(A−1)アトマイズ銀粉および(A−2)湿式還元銀粉の混合粉が用いられ、その混合割合が、アトマイズ銀粉/湿式還元銀粉=70/30〜99/1の範囲内である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、太陽電池電極形成用導電性ペーストと、これを用いて製造される太陽電池素子と関し、特に、太陽電池電極のうちのフィンガー電極のアスペクト比をより向上させることができる太陽電池電極形成用導電性ペーストと、これを用いて形成される太陽電池電極を備える太陽電池素子とに関する。
【背景技術】
【0002】
太陽電池素子が備える集電電極(太陽電池電極)は、通常、反射防止膜が形成された側の面に形成されており、一般的には、櫛歯状に形成されたフィンガー電極と、フィンガー電極に接続されるバスバー電極とから構成されている。フィンガー電極は、光電効果により生じた電流を太陽電池素子の本体であるシリコンウエハから取り出すために多数設けられ、バスバー電極は、フィンガー電極で取り出された電流を集約するために、通常、2〜4本程度設けられている。
【0003】
これら太陽電池電極を形成する一般的な手法では、導電性ペーストが用いられている。導電性ペーストは、銀粉末等の導電性粉末と、ガラスフリットと、樹脂バインダと、必要に応じて他の添加剤とを含む構成であり、この導電性ペーストを、反射防止膜の表面に所定パターンでスクリーン印刷し、得られた所定パターンの塗膜を700〜900℃程度の温度で焼成する。これにより、所定パターンの太陽電池電極が形成される。
【0004】
ここで、太陽電池電極のうち、特にフィンガー電極の形状は、太陽電池素子の性能に大きな影響を与える。具体的には、フィンガー電極を細線化(微細化)すれば、同じ本数であっても太陽電池素子の受光面積を増加させることができるので、太陽電池素子の変換効率を改善することが可能となる。ただし、一般的な導電性ペーストを用いてスクリーン印刷によりフィンガー電極の細線化を図ろうとすると、フィンガー電極の断面積も小さくなって電気抵抗が高くなったり、フィンガー電極に断線が生じやすくなったりするおそれがある。
【0005】
そこで、微細化されたフィンガー電極の厚みを大きくすることで、太陽電池素子の性能の改善を図ることが知られている。フィンガー電極の幅が同じであっても厚み(表面からの高さ)が大きければ、当該フィンガー電極の電気抵抗を下げることが可能となるので、生じた電流を効率的に取り出すことができる。ここで、フィンガー電極の厚みは、その高さ(厚み)を幅で除算した値である、アスペクト比で評価することができる。同じ幅であってもフィンガー電極の厚みが大きくなればアスペクト比も大きくなる。
【0006】
アスペクト比を大きくするためには、例えば、特許文献1に開示されるように、導電性ペーストの粘度を調整する技術が提案されている。この導電性ペーストは、E型粘度計において3°コーンを使用し、温度25℃、回転数0.5rpmで測定した粘度が200〜500Pa・sの範囲内に調整されているとともに、チクソ指数(0.5rpmで測定した粘度/2.5rpmで測定した粘度)が1.5〜4.5の範囲内に調整されている。
【0007】
また、例えば、特許文献2には、スクリーン印刷法により導電性ペーストを2回以上塗布して電極を形成する技術(ダブルプリント法)が提案されている。特に特許文献2では、第一導電性ペーストを、横断面形状が2つの凸部と当該凸部の間に凹部を有するように基板上に塗布して第一層目の電極を焼成し、前記凹部上に第二導電性ペーストを塗布して第二層目の電極を焼成する手法を用いている。
【0008】
ところで、導電性ペーストを用いて太陽電池電極を形成する場合には、焼成時の収縮が太陽電池素子の性能に影響を及ぼすことも知られている。具体的には、スクリーン印刷により形成された塗膜が焼成時に収縮することで、シリコンウエハとフィンガー電極との間の接触抵抗が増大したりフィンガー電極に亀裂が生じたりするおそれがあり、これにより太陽電池の面内均一性の低下、変換効率の低下等が生じ得る。
【0009】
そこで、例えば、特許文献3には、導電性粉末として結晶子径の異なる2種類の銀粉末を用いた太陽電池電極用導電性ペーストが開示されている。具体的には、接触抵抗の増大等を抑制するために、好ましくはアトマイズ法により作成され結晶子径が58nm以上である第一銀粉末と、当該第一銀粉末とは結晶子径が異なる第二銀粉末とが併用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】特開2007−019106号公報
【特許文献2】特開2010−010245号公報
【特許文献3】特開2007−194581号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
しかしながら、特許文献1に開示される技術では、導電性ペーストの粘性の調整によりアスペクト比の増加を図っているため、太陽電池電極アスペクト比をある程度大きくすることができるものの、太陽電池電極のライン抵抗または比抵抗を有効に低減することが困難であるため、太陽電池素子の特性をより一層向上することができない。
【0012】
また、特許文献2に開示される技術は、スクリーン印刷と焼成とを2回繰り返すことにより、アスペクト比を大きくすることが可能となっているものの、製造工程が煩雑化することになる。具体的には、スクリーン印刷工程および焼成工程がそれぞれ1回ずつ増えることになる。しかも、2回目のスクリーン印刷においては、1回目のスクリーン印刷で形成された第一層目の電極に高い精度で位置合わせする必要が生じるため、実質的には、さらに「位置合わせ工程」が増えることになる。
【0013】
また、特許文献3に開示される技術は、結晶子径の異なる2種類の銀粉末を用いることで、焼成時の塗膜の修飾を抑制しているが、アスペクト比を大きくすることについては特に言及されていない。実施例においてもアスペクト比は約0.20であることから、結晶子径を特定してもアスペクト比を大きくすることにはつながらない。さらに、用いる2種類の銀粉末の結晶子径を測定して所定範囲内のものを選択する必要があるので、製造過程の煩雑化を招くおそれもある。
【0014】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、導電性ペーストを用いて太陽電池電極を形成するに当たり、工程の複雑化または煩雑化を招くことなく、太陽電池電極のアスペクト比を大きくすることができるとともに、ライン抵抗および比抵抗も優れたものとすることが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0015】
本発明に係る太陽電池電極形成用導電性ペーストは、前記の課題を解決するために、ライン幅が80μm以下の太陽電池電極を形成するために用いられ、(A)銀粉末、(B)ガラスフリット、(C)有機バインダ、および(D)有機溶剤から少なくとも構成され、さらに(A)銀粉末として、(A−1)アトマイズ銀粉および(A−2)湿式還元銀粉の混合粉が用いられ、その混合割合が、重量比でアトマイズ銀粉/湿式還元銀粉=70/30〜99/1の範囲内である構成を有している。
【0016】
前記太陽電池電極形成用導電性ペーストにおいては、前記(A−1)アトマイズ銀粉の平均粒径が1.0〜10.0μmの範囲内であり、前記(A−2)湿式還元銀粉の平均粒径が0.5〜4.0μmの範囲内であってもよい。
【0017】
また、本発明には、前記構成の太陽電池電極形成用導電性ペーストを用いて形成される太陽電池電極を備えている太陽電池素子も含まれる。当該太陽電池素子においては、前記太陽電池電極がフィンガー電極である構成であってもよい。
【発明の効果】
【0018】
以上のように、本発明では、太陽電池電極のアスペクト比を大きくすることができるとともに、ライン抵抗および比抵抗も優れたものとすることが可能な導電性ペーストを提供することができる、という効果を奏する。
【発明を実施するための形態】
【0019】
本発明に係る太陽電池電極形成用導電性ペーストは、ライン幅が80μm以下の太陽電池電極を形成するために用いられ、(A)銀粉末、(B)ガラスフリット、(C)有機バインダ、および(D)有機溶剤から少なくとも構成されている。そして(A)銀粉末としては、(A−1)アトマイズ銀粉および(A−2)湿式還元銀粉の混合粉が用いられ、その混合割合は、アトマイズ銀粉/湿式還元銀粉=70/30〜99/1の範囲内となっている。以下、本発明の好ましい実施の形態を具体的に説明する。なお、以下の説明では、本発明に係る太陽電池電極形成用導電性ペーストを、単に導電性ペーストと略記する。
【0020】
[(A)銀粉末]
本発明に係る導電性ペーストに用いられる(A)銀粉末は、アトマイズ法により製造された(A−1)アトマイズ銀粉と、湿式還元法により製造された(A−2)湿式還元銀粉の2種類が併用される。つまり、本発明に係る導電性ペーストは、導電性成分として、(A−1)アトマイズ銀粉および(A−2)湿式還元銀粉の混合粉を含有している。
【0021】
まず、(A−1)アトマイズ銀粉を製造するためのアトマイズ法は、金属の溶湯を噴霧して急冷することにより微細な粉末を製造する方法であり、諸条件の異なる様々な手法が知られている。本発明では、公知のどのような手法のアトマイズ法であっても好適に用いることができるが、代表的には、次に説明する水アトマイズ法、ガスアトマイズ法、および真空アトマイズ法等を挙げることができる。
【0022】
まず、水アトマイズ法は、溶融金属の流れに、射出圧力15MPa程度の高圧水を噴射する方法で、平均粒径約10μmの微細な金属粉を得ることができる。得られる粉末の形状は一般に不定形であることが多い。冷却速度は、約103 〜105 K/秒である。なお、射出圧力が20MPaを超える高圧水ジェットを噴射すると、数μm程度の微粉を得ることも可能である。
【0023】
次に、ガスアトマイズ法は、水アトマイズ法における高圧水の代わりにN2 ガス、Arガス等の不活性ガスを噴霧することにより金属粉を得る方法である。この方法では得られる金属粉の酸化を抑制することができ、相対的な純度を高めることができる。また、略球状の金属粉を得ることもできる。なお、不活性ガスを噴霧する方式としては、自然落下式および拘束式を挙げることができる。
【0024】
次に、真空アトマイズ法は、H2 を十分吸蔵させた溶融金属を真空中に噴出させる方法で、溶融金属が差圧によって真空中に噴出することによって球状の金属粉を得ることができる。また、純度はガスアトマイズ法により得られる金属粉と同程度とすることができる。
【0025】
さらに、その他のアトマイズ法として、「溶融金属流を相対するロール間のキャビテーションによって粉化し、水中にクエンチする双ロールアトマイズ法」、「溶融金属流を回転体との衝突によって粉化し、水中にクエンチする衝撃アトマイズ法」、「回転している水の中に溶融金属流を注入し、急冷凝固粉を得る回転水アトマイズ法」等も採用することもできる。
【0026】
このようなアトマイズ法により得られる(A−1)アトマイズ銀粉の平均粒径(一次粒子径)は特に限定されないが、通常、1.0〜10.0μmの範囲内であることが好ましく、7.5〜2.5μmの範囲内であることがより好ましい。(A−1)アトマイズ銀粉の平均粒径がこの範囲内であれば、(A−2)湿式還元銀粉と組み合わせて後述する混合割合で用いることにより、スクリーン印刷によって形成される微細な塗膜の厚みを大きくし、得られる太陽電池電極のアスペクト比を大きくすることができるとともに、当該太陽電池電極のライン抵抗および比抵抗をより小さくすることができる。本明細書における平均粒径とは、レーザー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(D50)をいうものとする。
【0027】
次に、(A−2)湿式還元銀粉を製造するための湿式還元法は、銀塩含有水溶液にアルカリまたは錯化剤を加えて、酸化銀含有スラリーまたは銀錯塩含有水溶液を生成し、その後に、還元剤を加えることにより銀粉を還元析出させる方法である。銀塩含有水溶液としては、例えば硝酸銀水溶液を好適に用いることができ、アルカリとしては、水酸化ナトリウムを好適に用いることができ、錯化剤としては、例えばアンモニア水を好適に用いることができ、還元剤としては、例えばホルマリン、ヒドラジン等を挙げることができる。
【0028】
硝酸銀水溶液に水酸化ナトリウムを添加すれば、酸化銀粒子が生成するので、その後に還元剤を添加すれば酸化銀粒子が還元されて、銀粒子(銀粉末)が得られる。また、硝酸銀水溶液にアンモニア水を添加すれば、銀アンミン錯体が形成するので、その後に還元剤を添加すれば銀アンミン錯体が還元されて、銀粉末が得られる。また、得られた銀粉末は溶液中に銀粉末が分散した状態となっているので、公知の固液分離手法により固体分としての銀粉末と溶液とを分離すればよい。
【0029】
また、分離後の銀粉末に対しては、必要に応じて後処理を行ってもよい。この後処理としては、洗浄処理、乾燥処理、解砕処理、分級処理等を挙げることができる。具体的には、分離された銀粉末には溶液が付着しているので、適当な洗浄剤を選択して溶液を除去し、その後に銀粉末を乾燥して水分を除去し、銀粉末が塊状に凝集していれば解砕し、さらに篩等により解砕後の銀粉末を分級すればよい。これにより所望の粒度分布を有する(A−2)湿式還元銀粉を得ることができる。
【0030】
なお、例えば、溶液の付着が無視できるのであれば洗浄処理は行わなくてもよいし、自然乾燥等で溶液または水分を除去できるのであれば乾燥処理は行わなくてもよいし、銀粉末が凝集していなければ解砕処理は行わなくてもよいし、粒度分布が好適な範囲内にあれば分級処理は行わなくてもよい。
【0031】
このような湿式還元法により得られる(A−2)湿式還元銀粉の平均粒径(一次粒子径)は特に限定されないが、通常、0.5〜4.0μmの範囲内であることが好ましく、3.0〜0.8μmの範囲内であることがより好ましい。(A−2)湿式還元銀粉の平均粒径がこの範囲内であれば、(A−1)アトマイズ銀粉と組み合わせて後述する混合割合で用いることにより、スクリーン印刷によって形成される微細な塗膜の厚みを大きくし、得られる太陽電池電極のアスペクト比を大きくすることができるとともに、当該太陽電池電極のライン抵抗および比抵抗をより小さくすることができる。
【0032】
本発明に係る導電性ペーストにおいては、(A)銀粉末として、前述した(A−1)アトマイズ銀粉および(A−2)湿式還元銀粉の混合粉を用いればよいが、その混合割合は、重量比でアトマイズ銀粉/湿式還元銀粉=70/30〜99/1の範囲内であればよい。(A−1)アトマイズ銀粉および(A−2)湿式還元銀粉の混合割合がこの範囲内であれば、得られる太陽電池電極のアスペクト比を大きくすることができるとともに、そのライン抵抗および比抵抗をより小さくすることができる。
【0033】
つまり、(A−1)アトマイズ銀粉を多く(A−2)湿式還元銀粉を少なくするようにこれらを混合することで、(A−1)アトマイズ銀粉の粒子間に(A−2)湿式還元銀粉が良好に介在し、その結果、(A)銀粉末全体として形状安定性が発揮されるとともに、導電性が向上するものと推測される。特に、(A−1)アトマイズ銀粉および(A−2)湿式還元銀粉を前記の範囲内で混合すれば、スクリーン印刷を行った後に形成される塗膜の厚みを増すことが可能となり、焼成後の太陽電池電極のアスペクト比を大きくできるとともに、ライン抵抗および比抵抗をより小さくすることが可能となる。
【0034】
一方、いずれか一方の銀粉末のみを用いた場合には、得られる太陽電池電極において、アスペクト比の改善と導電性能の改善とを両立することが困難となる。例えば、後述する実施例および比較例で示すように、(A)銀粉末として(A−1)アトマイズ銀粉のみを用いれば、アスペクト比を大きくしてライン抵抗を小さくすることはできるが、比抵抗が大きくなってしまう。つまり、(A−1)アトマイズ銀粉のみを導電性成分として含む導電性ペーストでは、得られる太陽電池電極の厚みを大きくできても、これに応じて導電性を向上できるわけではない。また、(A)銀粉末として(A−2)湿式還元銀粉のみを用いれば、得られる太陽電池電極の比抵抗をある程度小さくできても、アスペクト比およびライン抵抗を十分に改善できない。
【0035】
本発明に係る導電性ペーストにおける(A)銀粉末の配合量は特に限定されないが、通常、導電性ペースト全体に対して65〜95重量%の範囲内であればよい。65重量%未満であれば、(A)銀粉末の配合量が少な過ぎて得られる太陽電池電極の導電性能が低下する(ライン抵抗、比抵抗等の抵抗値が大きくなる)傾向にある。一方、95重量%を超えると導電性ペーストの印刷性が低下するおそれがあり、また、太陽電池素子の本体であるシリコンウエハ表面、特に反射防止膜に対する接着強度が低下するおそれがある。
【0036】
[(B)ガラスフリット]
本発明に係る導電性ペーストに用いられる(B)ガラスフリットは、スクリーン印刷して形成された導電性ペーストの塗膜を焼成したときに、反射防止膜を侵食してシリコンウエハに対して適切に接着できるような軟化点を有するものであれば、公知のどのようなガラスフリットであっても好適に用いることができる。
【0037】
一般に、太陽電池電極を形成する場合には、導電性ペーストの塗膜を750〜950℃の範囲内の温度で焼成するため、(B)ガラスフリットとしては、軟化点が300〜550℃の範囲内にあるものを好適に用いることができる。焼成温度が前記の範囲内である場合に軟化点が300℃未満であれば、焼成の早期から軟化が生じて溶融流動するため、焼成が進んでも反射防止層を十分に侵食しないおそれがある。一方、軟化点が550℃よりも高いと、焼成時に十分な溶融流動が生じず、それゆえ十分な接着強度が得られないおそれがある。
【0038】
具体的な(B)ガラスフリットとしては、例えば、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系ガラス等を挙げることができるが、特に限定されない。
【0039】
また、(B)ガラスフリットの具体的な形状も特に限定されず、球状粉末であってもよいし、各粒子の形状が揃っていない不定形状の粉末であってもよい。また、(B)ガラスフリットの平均粒径も特に限定されず、太陽電池電極の分野で公知の範囲の平均粒径であればよい。
【0040】
また、(B)ガラスフリットの配合量は特に限定されないが、通常、導電性ペースト全体に対して0.1〜10重量%の範囲内であればよい。0.1重量%未満では、焼成後シリコンウエハに対する接着強度が不十分となるおそれがあり、10重量%を超えると、焼成後の太陽電池電極にガラスの浮きが生じたり、半田付け不良が生じたりするおそれがある。
【0041】
[(C)有機バインダ]
本発明に係る導電性ペーストに用いられる(C)有機バインダ(あるいは有機ビヒクル)は、太陽電池電極の分野で導電性ペーストのバインダとして公知の有機系高分子化合物(有機系樹脂)を好適に用いることができる。
【0042】
具体的には、例えば、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;ポリプロピレン系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、スチレン系樹脂、酢酸ビニル系樹脂、ポリブテン系樹脂等のポリオレフィン系あるいはビニル系樹脂;アルキド樹脂等のポリエステル系樹脂;ロジン系樹脂、テルペン系樹脂等の天然素材系樹脂;アクリル樹脂、アクリル酸エステル系樹脂等のアクリル系樹脂;ユリア系樹脂、メラミン系樹脂等のアミノ樹脂;キシレン系樹脂、ジシクロペンタジエン系樹脂、フェノール系樹脂等の環状構造の架橋結合型の熱硬化性樹脂;クマロンインデン系樹脂;ポリエーテル系樹脂;ポリウレタン系樹脂;ポリイソブチレン系樹脂;等を挙げることができる。これら有機系樹脂は単独で用いてもよいし、2種類以上を適宜組み合わせて用いてもよい。
【0043】
また、(C)有機バインダの配合量は特に限定されないが、通常、導電性ペースト全体に対して0.1〜30重量%の範囲内であればよい。0.1重量%未満では、導電性ペーストの塗膜に十分な接着強度を与えることができないおそれがあり、30重量%を超えると、導電性ペーストの粘度が過剰に上昇するため印刷性が低下するおそれがある。
【0044】
[(D)有機溶剤および(E)その他の成分]
本発明に係る導電性ペーストに用いられる(D)有機溶剤は、太陽電池電極の分野で導電性ペーストの溶剤として公知の有機溶剤を好適に用いることができる。
【0045】
具体的には、例えば、ヘキサン等の飽和炭化水素類;トルエン等の芳香族系炭化水素類;エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、ブチルセロソルブアセテート等のグリコールエーテル(セロソルブ)類;ジエチレングリコールジエチルエーテル、ブチルカルビトール(ジエチレングリコールモノブチルエーテル)等のグリコールエーテル類;ブチルカルビトールアセテート等のグリコールエーテル類の酢酸エステル;ジアセトンアルコール、ターピネオール、ベンジルアルコール等のアルコール類;シクロヘキサノン、メチルエチルケトン等のケトン類;DBE、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、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオールジイソブチレートなどのエステル類;等を挙げることができる。これら有機溶剤は1種類のみを用いてもよいし、2種類以上を適宜組み合わせて用いてもよい。
【0046】
また、(D)有機溶剤の配合量は特に限定されないが、通常、導電性ペースト全体に対して1〜40重量%の範囲内であればよい。1重量%未満であれば有機溶剤の絶対量が少なすぎてペースト化することが困難になるおそれがある。また、溶剤が40重量%を超えると、他の成分の種類や組成にもよるが、スクリーン印刷に好適な流動性を得ることができず、導電性ペーストの印刷性が低下するおそれがある。
【0047】
また、本発明に係る導電性ペーストは、前述した(A)銀粉末、(B)ガラスフリット、(C)有機バインダ、および(D)有機溶剤以外に、(E)その他の成分を含んでいてもよい。具体的には、例えば、分散剤、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、粘度調整剤等を挙げることができる。これら(E)その他の成分の配合量は特に限定されず、本発明に係る導電性ペーストの作用効果を妨げない範囲内であればよい。
【0048】
前述した(E)その他の成分のうち特に分散剤は、必要に応じて適度に配合することで、得られる太陽電池電極の導電性能を向上させることが可能である。具体的な分散剤としては、例えば、ステアリン酸、パルミチン酸、ミリスチン酸、オレイン酸、ラウリン酸等の脂肪酸類を挙げることができるが、これら脂肪酸に限定されず、一般的に分散剤として用いられている化合物等であれば公知のものを好適に用いることができる。
【0049】
また、分散剤の配合量は特に限定されないが、通常、導電性ペースト全体に対して0.05〜10重量%の範囲内であればよい。0.05重量%未満であれば、分散剤の添加(配合)による導電性ペーストの分散効果が十分に発揮されないおそれがある。一方、10重量%を超えると、添加量から期待される分散効果が得られないことに加え、(C)有機バインダ以外の有機化合物成分が多くなることから、太陽電池電極の導電性能に影響を及ぼすおそれがある。
【0050】
[導電性ペーストの製造および使用]
本発明に係る導電性ペーストの製造方法は特に限定されず、導電性ペーストの分野で公知の方法を好適に用いることができる。代表的な一例としては、前述した各成分を所定の配合割合で配合し、公知の混練装置を用いてペースト化する方法が挙げられる。混練装置としては、例えば、3本ロールミル等を挙げることができる。また、必要に応じて、導電性ペーストの粘度をスクリーン印刷に好適な範囲内に適宜調整することができる。粘土の調整方法の具体的な手法は特に限定されず、例えば(C)有機バインダまたは(D)有機溶剤の配合量の調整等を挙げることができる。
【0051】
また、本発明に係る導電性ペーストの具体的な使用方法は特に限定されず、太陽電池素子の製造に際して太陽電池電極の形成に用いられればよい。一般的には、導電性ペーストを基材であるシリコンウエハ(半導体基板)上に所定パターンで塗布または印刷するステップ(パターン形成ステップ)と、シリコンウエハ上の所定パターンの塗膜を焼成するステップ(焼成ステップ)とを含む方法であればよい。焼成した後の塗膜がシリコンウエハ上に形成された太陽電池電極となる。
【0052】
前記シリコンウエハの表面には、通常、反射防止膜が形成されている。この反射防止膜に関しては後述する。また、パターン形成ステップでは、所定パターンの塗膜を形成する公知の方法(印刷方法または塗布方法)を用いることができるが、特に好ましくは、前述したように、メッシュスクリーンを用いたスクリーン印刷を挙げることができる。また、焼成ステップにおいても焼成方法または焼成温度は特に限定されない。例えば、焼成方法としては、複数の加熱ゾーンに区分されている公知の高速焼成炉を用いた方法が挙げられ、加熱温度は、ピーク温度が750〜950℃の範囲内であればよい。また、パターン形成ステップおよび加熱硬化ステップ以外の公知のステップを行ってもよいことはいうまでもない。
【0053】
[太陽電池電極および太陽電池素子]
本発明に係る導電性ペーストは、太陽電池電極の形成、特にフィンガー電極の形成に好適に用いることができる。フィンガー電極の幅は一般的に約80〜100μmの範囲内であるが、本発明においては80μm以下の細線、さらには60μm以下の細線を好適に形成することができる。本発明に係る導電性ペーストでは、このような細線のフィンガー電極であっても、工程の複雑化または煩雑化を招くことなく、アスペクト比を大きくすることができ、かつ、電気抵抗(ライン抵抗および比抵抗)を低くすることができる。
【0054】
本発明に係る導電性ペーストを用いた太陽電池電極の形成について、太陽電池素子の代表的な製造方法とともに具体的に説明する。
【0055】
太陽電池素子の本体であるシリコンウエハは、単結晶または多結晶シリコン等で構成され、ボロン(B)、リン(P)等のドーパントを含有している。その厚みは約200μm以下であればよい。このシリコンウエハは、その表面を清浄化するために、NaOHまたはKOHのアルカリ水溶液、あるいはフッ酸やフッ硝酸等の無機酸により微量エッチングされる。その後、必要に応じて、光入射面となるシリコンウエハの表面(受光面)側に、公知のエッチング処理により、光反射率低減機能を有する凹凸面(粗面)を形成すればよい。
【0056】
次に、シリコンウエハの受光面に、公知の手法により拡散層を形成する。シリコンウエハのドーパントがボロンであれば、当該シリコンウエハはp型であるので、拡散層はリンをドーピングして拡散させることで、n型の拡散層を形成することができる。この場合、p型のシリコンウエハとn型の拡散層の間にpn接合部が形成される。
【0057】
次に、拡散層の上に反射防止膜を形成する。反射防止膜の具体的な構成は特に限定されないが、例えば、SiNx 、TiO2 、SiO2 、MgO、ITO、SnO2 、ZnO等の材質を用いることができる。また、反射防止膜の厚みは、適当な入射光に対して無反射条件を再現できるように適宜選択することができる。例えば、シリコンウエハに対しては、屈折率は1.8〜2.3程度、厚さは500〜1000Å程度にすればよい。また、反射防止膜は、CVD法、蒸着法またはスパッタ法等の公知の手法により形成することができる。
【0058】
次に、必要に応じて公知のBSF(Back Surface Field)層等を形成した上で、シリコンウエハの表面および裏面にそれぞれ太陽電池電極を形成する。表面側には、バスバー電極およびフィンガー電極で構成される表面電極を形成し、裏面側には、バスバー電極および集電電極で構成される裏面電極を形成する。これら電極のうち、表面電極の形成に本発明に係る導電性ペーストを用いる。具体的には、シリコンウエハの表面(受光面)側に、スクリーン印刷により本発明に係る導電性ペーストの所定パターンの塗膜を形成し(パターン形成ステップ)、当該塗膜をピーク温度が700〜950℃の範囲内となるように数十秒〜数十分間焼成する(焼成ステップ)ことにより、表面電極(太陽電池電極)を形成することができる。
【0059】
なお、裏面電極の形成に用いられる導電性ペーストは、例えば、バスバー電極形成用であれば、導電性成分として銀粉末およびアルミニウム粉末を用いる以外は、本発明に係る導電性ペーストと同様に、ガラスフリット、有機バインダ、有機溶剤とを含有するものが用いられる。また、集電電極形成用であれば、導電性成分としてアルミニウム粉末のみを用いる以外は、本発明に係る導電性ペーストと同様に、ガラスフリット、有機バインダ、有機溶剤とを含有するものが用いられる。そして、これら導電性ペーストを用いて略前面にスクリーン印刷により所定パターンの塗膜を形成し、これを焼成すればよい。
【0060】
また、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の導電性ペーストを塗布し乾燥した後に同時に焼成すれば、製造工程を減らすことができる。このとき、各導電性ペーストを塗布する順序は特に限定されない。また、各電極となる塗膜をそれぞれスクリーン印刷で形成した後には、次の塗膜を形成するまでの間(あるいは焼成ステップに移行するまでの間)、所定時間の乾燥処理および室温での自然冷却処理を行ってもよい。
【0061】
このようにして製造された太陽電池素子を用いて、太陽電池モジュールが製造される。具体的には、例えば、まず、隣接している太陽電池素子の表面電極と裏面電極とを配線で接続する。次に、表側充填材および裏側充填材(いずれも透明の熱可塑性樹脂等で構成される)により太陽電池素子を挟持する。次に、表側充填材の上側にガラスからなる透明部材を配し、裏側充填材の下側に裏面保護材(例えば、ポリエチレンテレフタレート製のシートにポリフッ化ビニルのフィルムを積層したもの)を配する。そして、得られる積層体を真空炉で脱気した後、加熱および押圧することにより一体化する。これにより太陽電池モジュールが製造される。
【0062】
このようにして製造された太陽電池モジュールが、3つ以上の太陽電池素子が直列接続されている構成であれば、最初の太陽電池素子の電極の一端と最後の太陽電池素子の電極の一端とを出力取出部である端子ボックスに出力取出配線によって接続する構成を好ましく採用することができる。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、アルミニウム等で構成される枠体で周囲を保護することが好ましい。
【実施例】
【0063】
本発明について、実施例および比較例に基づいてより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。当業者は本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更、修正、および改変を行うことができる。なお、以下の実施例および比較例における各種材料または組成物の調整、あるいは、物性等の測定または評価は次に示すようにして行った。
【0064】
(測定または評価方法)
[電気特性の評価]
下記実施例または比較例の導電性ペーストを用いて形成したフィンガー電極の電気特性は、共進電機(株)製のI−Vテスター(商品名:KST−15Ce−1s)と、(株)ワコム電創製のソーラーシュミレーター(商品名:WXS−156S−10,AM1.5G)とを用いた。データの取り込みは自作のプログラムにより行った。得られたI−V曲線からフィルファクター(FF)および変換効率を算出して電気特性の代表特性とした。
【0065】
[フィンガー電極の断面積およびアスペクト比]
下記実施例または比較例の導電性ペーストを用いて形成したフィンガー電極の形状を、オリンパス(株)製のレーザー顕微鏡(商品名:LEXT OLS4000)を用いて測定し、断面積およびアスペクト比(高さ/幅)を算出した。
【0066】
[フィンガー電極のライン抵抗および比抵抗]
下記実施例または比較例の導電性ペーストを用いて形成したフィンガー電極のライン抵抗は、四探針法により測定した。また、比抵抗は、前記ライン抵抗および断面積(フィンガー電極の形状)から算出した。
【0067】
(使用した材料または組成物)
[使用した(A)銀粉末]
下記実施例または比較例の導電性ペーストでは、(A)銀粉末のうち(A−1)アトマイズ銀粉として下記表1に示す銀粉I〜IIIを、(A−2)湿式還元銀粉として下記表1に示す銀粉IV〜VIを、それぞれ適宜組み合わせるか、あるいは単独で用いた。
【0068】
【表1】


[使用したシリコンウエハ]
下記実施例または比較例では、得られた導電性ペーストを用いてシリコンウエハ上にフィンガー電極を形成しているが、このシリコンウエハとしては、太陽電池グレードの純度を有する結晶系シリコンウエハ(直径6インチ、厚み約200μm)を用いた。なお、このシリコンウエハの表面には、予めSiNx の反射防止膜が形成されている。
【0069】
[バスバー電極形成用の銀−アルミニウム系導電性ペースト]
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 −ZnO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。
【0070】
[集電電極等形成用のアルミニウム系導電性ペースト]
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層および裏面集電電極形成用の導電性ペーストを得た。
【0071】
(実施例1)
(A−1)アトマイズ銀粉として表1に示す銀粉IIを選択するとともに(A−2)湿式還元銀粉として銀粉Vを選択し、(A)銀粉末として、銀粉II/銀粉V=80/20の重量比で混合した混合粉を用いた。また、(B)ガラスフリットとして軟化点が約430℃のBi系ガラス粉末(軟化点が約430℃、B23 が1ないし10重量%、BaOが1ないし10重量%、Bi23 が70ないし80重量%、Sb23 が1重量%以下)を、(C)有機バインダとしてエチルセルロースを、(D)有機溶剤として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を用いるとともに、(E)その他の成分である分散剤としてステアリン酸を用いた。
【0072】
そして、(A)銀粉末を86重量部、(B)ガラスフリットを2重量部、(C)有機バインダを1重量部、(D)有機溶剤を導電性ペーストの粘度が300Pa・sになるように添加、並びに、分散剤を0.5重量部となるように配合して混合し、3本ロールミルにより混練し、本実施例1の導電性ペーストを製造した。
【0073】
次に、前述したシリコンウエハの裏面に、前述した銀−アルミニウム系の導電性ペーストを用いてバスバー電極となる塗膜をスクリーン印刷により形成し、その後、前述したアルミニウム系の導電性ペーストを用いて、BSF層および集電電極となる塗膜をスクリーン印刷により形成し、さらに、得られた実施例1の導電性ペーストを用いて、表面の太陽電池電極(フィンガー電極およびバスバー電極)となる塗膜をスクリーン印刷により形成した。
【0074】
なお、各塗膜を形成する間、150℃で5分間の乾燥処理と、その後の室温への自然冷却処理とを行った。また、スクリーン印刷の条件は、#325スクリーンメッシュを用いて、乳剤厚(導電性ペーストの厚み)を25μmとした。また、フィンガー電極となる塗膜の幅を80μm、バスバー電極となる塗膜の幅を2mmとした。
【0075】
その後、表面および裏面の両面に塗膜が形成されたシリコンウエハを、ピーク温度が800℃で4つの加熱ゾーンを有する高速焼成炉(BTU international Inc.製、商品名:PV309)で焼成した。なお、高速焼成炉の温度データは、Datapaq Ltd.製の温度ロガーで確認することができ、シリコンウエハの実温度の最高値を焼成温度として評価した。
【0076】
焼成後に得られた評価用ウエハ(太陽電池素子)について、前述した通り電気特性を評価するとともに、フィンガー電極のアスペクト比および導電性能(ライン抵抗および比抵抗)を測定した。その結果を表2に示す。なお、表2の評価結果では、上段の数値は実際の測定値(または評価値)であるが、下段の括弧内の数値は、後述する比較例1を基準(100%)としたときの相対値である。
【0077】
(実施例2)
表2に示すように、(A−1)アトマイズ銀粉として銀粉IIおよび銀粉IIIを選択するとともに、(A−2)湿式還元銀粉として銀粉Vを選択し、(A)銀粉末として(銀粉II+銀粉III)/銀粉V=(70+20)/10の重量比で混合した混合粉を用いた以外は、前記実施例1と同様にして、本実施例2の導電性ペーストを製造した。さらに、前記実施例1と同様にして評価用ウエハ(太陽電池素子)を製造し、その電気特性を評価するとともに、フィンガー電極のアスペクト比および導電性能(ライン抵抗および比抵抗)を測定した。その結果を表2に示す。
【0078】
(比較例1)
表2に示すように、(A)銀粉末として、(A−2)湿式還元銀粉である銀粉Vのみを用いた(アトマイズ銀粉/湿式還元銀粉=0/100)以外は、前記実施例1と同様にして、本比較例1の導電性ペーストを製造した。さらに、前記実施例1と同様にして評価用ウエハ(太陽電池素子)を製造し、その電気特性を評価するとともに、フィンガー電極のアスペクト比および導電性能(ライン抵抗および比抵抗)を測定した。その結果を表2に示す。
【0079】
【表2】


(実施例3)
表3に示すように、(A−1)アトマイズ銀粉として銀粉Iを選択するとともに、(A−2)湿式還元銀粉として銀粉IVを選択し、(A)銀粉末として銀粉I/銀粉IV=70/30の重量比で混合した混合粉を用いた以外は、前記実施例1と同様にして、本実施例3の導電性ペーストを製造した。さらに、シリコンウエハの表面に形成するフィンガー電極の幅を60μmとした以外は前記実施例1と同様にして評価用ウエハ(太陽電池素子)を製造し、その電気特性を評価するとともに、フィンガー電極のアスペクト比および導電性能(ライン抵抗および比抵抗)を測定した。その結果を表3に示す。なお、表3の評価結果(実施例3〜7)では、上段の数値は実際の測定値(または評価値)であるが、下段の括弧内の数値は、後述する比較例2(表4参照)を基準(100%)としたときの相対値である。
【0080】
(実施例4)
表3に示すように、(A−1)アトマイズ銀粉として銀粉IIを選択するとともに、(A−2)湿式還元銀粉として銀粉Vを選択し、(A)銀粉末として銀粉II/銀粉V=80/20の重量比で混合した混合粉を用いた以外は、前記実施例3と同様にして、本実施例3の導電性ペーストを製造した。さらに、前記実施例3と同様にして評価用ウエハ(太陽電池素子)を製造し、その電気特性を評価するとともに、フィンガー電極のアスペクト比および導電性能(ライン抵抗および比抵抗)を測定した。その結果を表3に示す。
【0081】
(実施例5)
表3に示すように、(A)銀粉末として銀粉II/銀粉V=90/10の重量比で混合した混合粉を用いた以外は、前記実施例4と同様にして、本実施例5の導電性ペーストを製造した。さらに、前記実施例3と同様にして評価用ウエハ(太陽電池素子)を製造し、その電気特性を評価するとともに、フィンガー電極のアスペクト比および導電性能(ライン抵抗および比抵抗)を測定した。その結果を表3に示す。
【0082】
(実施例6)
表3に示すように、(A)銀粉末として銀粉II/銀粉V=95/5の重量比で混合した混合粉を用いた以外は、前記実施例4と同様にして、本実施例6の導電性ペーストを製造した。さらに、前記実施例3と同様にして評価用ウエハ(太陽電池素子)を製造し、その電気特性を評価するとともに、フィンガー電極のアスペクト比および導電性能(ライン抵抗および比抵抗)を測定した。その結果を表3に示す。
【0083】
(実施例7)
表3に示すように、(A−1)アトマイズ銀粉として銀粉IIIを選択するとともに、(A−2)湿式還元銀粉として銀粉VIを選択し、(A)銀粉末として銀粉III/銀粉VI=75/25の重量比で混合した混合粉を用いた以外は、前記実施例3と同様にして、本実施例7の導電性ペーストを製造した。さらに、前記実施例3と同様にして評価用ウエハ(太陽電池素子)を製造し、その電気特性を評価するとともに、フィンガー電極のアスペクト比および導電性能(ライン抵抗および比抵抗)を測定した。その結果を表3に示す。
【0084】
【表3】


(実施例8)
表4に示すように、(A−1)アトマイズ銀粉として銀粉IIおよび銀粉IIIを選択するとともに、(A−2)湿式還元銀粉として銀粉Vを選択し、(A)銀粉末として(銀粉II+銀粉III)/銀粉V=(70+20)/10の重量比で混合した混合粉を用いた以外は、前記実施例3と同様にして、本実施例8の導電性ペーストを製造した。さらに、前記実施例3と同様にして評価用ウエハ(太陽電池素子)を製造し、その電気特性を評価するとともに、フィンガー電極のアスペクト比および導電性能(ライン抵抗および比抵抗)を測定した。その結果を表4に示す。なお、表4の評価結果においても、下段の括弧内の数値は、後述する比較例2を基準(100%)としたときの相対値である。
【0085】
(実施例9)
表4に示すように、(A)銀粉末として(銀粉II+銀粉III)/銀粉V=(80+18)/2の重量比で混合した混合粉を用いた以外は、前記実施例8と同様にして、本実施例9の導電性ペーストを製造した。さらに、前記実施例3と同様にして評価用ウエハ(太陽電池素子)を製造し、その電気特性を評価するとともに、フィンガー電極のアスペクト比および導電性能(ライン抵抗および比抵抗)を測定した。その結果を表4に示す。
【0086】
(比較例2)
表4に示すように、(A)銀粉末として、(A−2)湿式還元銀粉である銀粉Vのみを用いた(アトマイズ銀粉/湿式還元銀粉=0/100)以外は、前記実施例3と同様にして、本比較例2の導電性ペーストを製造した。さらに、前記実施例3と同様にして評価用ウエハ(太陽電池素子)を製造し、その電気特性を評価するとともに、フィンガー電極のアスペクト比および導電性能(ライン抵抗および比抵抗)を測定した。その結果を表4に示す。
【0087】
(比較例3)
表4に示すように、(A)銀粉末として、(A−1)アトマイズ銀粉である銀粉IIのみを用いた(アトマイズ銀粉/湿式還元銀粉=100/0)以外は、前記実施例3と同様にして、本比較例3の導電性ペーストを製造した。さらに、前記実施例3と同様にして評価用ウエハ(太陽電池素子)を製造し、その電気特性を評価するとともに、フィンガー電極のアスペクト比および導電性能(ライン抵抗および比抵抗)を測定した。その結果を表4に示す。
【0088】
(比較例4)
表4に示すように、(A−1)アトマイズ銀粉として銀粉IIを選択するとともに、(A−2)湿式還元銀粉として銀粉VIを選択し、(A)銀粉末として銀粉II/銀粉VI=50/50の重量比で混合した混合粉を用いた以外は、前記実施例3と同様にして、本比較例4の導電性ペーストを製造した。さらに、前記実施例3と同様にして評価用ウエハ(太陽電池素子)を製造し、その電気特性を評価するとともに、フィンガー電極のアスペクト比および導電性能(ライン抵抗および比抵抗)を測定した。その結果を表4に示す。
【0089】
【表4】


前記実施例1〜9および比較例1〜4の評価結果を対比すれば明らかなように、(A)銀粉末として、(A−1)アトマイズ銀粉および(A−2)湿式還元銀粉の混合粉を、アトマイズ銀粉/湿式還元銀粉=70/30〜99/1の範囲内の重量比で混合して用いれば、形成されるフィンガー電極のアスペクト比を大きくできるとともに、ライン抵抗および比抵抗を有意に低減させることができる。それゆえ、工程の複雑化または煩雑化を招くことなく、太陽電池電極のアスペクト比を大きくすることができるとともに、ライン抵抗および比抵抗も優れたものとすることが可能となる。
【0090】
なお、本発明は前記実施の形態または実施例等の記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲内で種々の変更が可能であり、異なる実施の形態、実施例や複数の変形例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施の形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【0091】
本発明に係る導電性ペーストは、太陽電池電極の形成に好適に用いることができる。したがって、本発明は、太陽電池に関する分野に広く好適に用いることができる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ライン幅が80μm以下の太陽電池電極を形成するために用いられ、
(A)銀粉末、(B)ガラスフリット、(C)有機バインダ、および(D)有機溶剤から少なくとも構成され、
さらに(A)銀粉末として、(A−1)アトマイズ銀粉および(A−2)湿式還元銀粉の混合粉が用いられ、
その混合割合が、重量比でアトマイズ銀粉/湿式還元銀粉=70/30〜99/1の範囲内であることを特徴とする、
太陽電池電極形成用導電性ペースト。
【請求項2】
前記(A−1)アトマイズ銀粉の平均粒径が1.0〜10.0μmの範囲内であり、
前記(A−2)湿式還元銀粉の平均粒径が0.5〜4.0μmの範囲内であることを特徴とする、
請求項1に記載の太陽電池電極形成用導電性ペースト。
【請求項3】
請求項1または2に記載の太陽電池電極形成用導電性ペーストを用いて形成される太陽電池電極を備えていることを特徴とする、
太陽電池素子。
【請求項4】
前記太陽電池電極がフィンガー電極であることを特徴とする、
請求項4に記載の太陽電池素子。