JP2011091284A - 太陽電池および太陽電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池の反りを抑えることにより、製造ラインの処理能力を高くすることを実現する。
【解決手段】ｐｎ接合を有する半導体基板２と、半導体基板の裏面に形成されたアルミニウム電極６とを備えた太陽電池１において、アルミニウム電極のコーナ部の厚みが、他の箇所のアルミニウム電極の厚みよりも薄い太陽電池である。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池および太陽電池の製造方法に関する。

太陽光エネルギを直接電気エネルギに変換する太陽電池は、近年、特に地球環境問題の観点から、次世代のエネルギ源としての期待が急激に高まっている。太陽電池としては、化合物半導体または有機材料を用いたものなど様々な種類があるが、現在、主流となっているのは、シリコン結晶を用いたものである。

図８〜図１０は、従来の太陽電池を表す図である。図８は断面図であり、図９は受光面側、図１０は受光面の反対側である裏面側から見た図である。図８は、図９、図１０で示したｂ−ｂ′の断面である。

ｐ型シリコン基板１０２の受光面側にはｎ^＋層であるｎ型拡散層１０３を形成することによりｐｎ接合が形成され、ｐ型シリコン基板１０２の受光面には窒化シリコン膜等の反射防止膜１０４および受光面銀電極１１０がそれぞれ形成されている。受光面銀電極１１０は図９に示すようにバスバー電極１０５とフィンガ電極１０９とからなり、図８に現れているのは、バスバー電極１０５である。また、ｐ型シリコン基板１０２の受光面とは反対側の面である裏面側にはｐ^＋層であるＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）層１０６が形成されている。そして、ｐ型シリコン基板１０２の裏面にはアルミニウム電極１０７および裏面銀電極１０８がそれぞれ形成されている。なお、アルミニウム電極１０７は太陽電池の裏面の周囲の内側に形成される。また、太陽電池の変換効率を高めるためにｐ型シリコン基板１０２の受光面側に凹凸を形成する（図示せず）場合もある。なお、本明細書において、シリコン基板に対して、一方を受光面、その反対側を裏面と表現する。

ｐ型シリコン基板１０２の裏面側にアルミニウム電極１０７、裏面銀電極１０８を形成する方法としてはアルミニウムペースト、銀ペースト等の導電性ペーストを用いたスクリーン印刷法が知られている。

ここで、スクリーン印刷法について図１１を用いて説明する。所定のパターンが形成されたスクリーン２０１を用い、塗布したいペースト状の材料２０２をスキージ２０３で、フラットなステージ２０４上に保持された基板２０５に、所定のパターンを塗布する方法である。

ｐ型シリコン基板１０２の裏面にアルミニウムペーストを用いてアルミニウム電極１０７を形成する際、熱処理によりアルミニウムが溶融してシリコンと合金化し形成されたアルミニウム−シリコン合金層の下に、ｐ^＋層であるＢＳＦ層１０６も形成される。

受光面銀電極１１０は裏面銀電極１０８と同様に形成される。この際、反射防止膜１０４が先にｐ型シリコン基板１０２上に形成されている場合には受光面銀電極１１０が形成される部分の反射防止膜１０４をあらかじめ除去する必要がある。だが、熱処理により反射防止膜１０４を突きぬけるファイヤースルー型の銀ペースト用いた場合には、その必要はない。なお、反射防止膜１０４の形成は受光面銀電極１１０の形成後に行う場合もある。

一方、アルミニウムペーストによってアルミニウム電極１０７を裏面に形成する際、シリコンとアルミニウムとの熱膨張係数の差に起因して、ｐ型シリコン基板１０２の裏面が凹状に変形し反りが発生する。このため、太陽電池の製造工程で割れ等が発生し、その結果、太陽電池の製造歩留まりが低下するという問題があった。

特許文献１にはペースト組成物に無機化合物粉末を含ませたアルミニウムペーストを塗布することで、焼成した後のｐ型シリコン半導体基板の変形を抑制することができる内容が提案されている。

特開２００３−２２３８１３（平成１５年８月８日公開）

太陽光発電システムが急速に普及するにつれ太陽電池の製造コストの低減は必要不可欠となっている。太陽電池の製造コストの低減において、シリコン基板の薄型化は非常に有効な手段である。このことから、厚さ２００μｍ以下のシリコン基板を使用するようになってきている。特許文献１に示すアルミニウムペーストを用いた場合、従来用いられていた厚さ３００μｍのシリコン基板を用いた太陽電池においては基板の反りを押さえることができたものの、厚さ２００μｍのシリコン基板を用いた場合には、反りを十分に抑制することができなかった。

また、他に製造ラインの処理能力を高くすることも求められている。現状の製造ラインを使用して処理能力を高くするには、現状よりも溝を狭くしたキャリアの採用が考えられる。

しかし、シリコン基板の薄型化は、前述のようにシリコンとアルミニウムとの熱膨張係数の差に起因するシリコン基板の変形をさらに増すことになり、よりシリコン基板の反りが大きくなる。その結果、溝を狭くしたキャリアの採用が困難であった。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、太陽電池の反りを抑えることにある。

本発明は、ｐｎ接合を有する半導体基板と、半導体基板の裏面に形成されたアルミニウム電極とを備えた太陽電池において、アルミニウム電極のコーナ部の厚みが、他の箇所の厚みよりも薄い太陽電池である。

ここで、本発明の太陽電池において、アルミニウム電極の向かい合う２辺の外縁部の厚みが、他の２辺の外延部の厚みより薄いことが好ましい。

本発明は、ｐｎ接合を有する半導体基板の裏面に、スクリーン印刷法によりアルミニウムペーストを塗布する工程と、アルミニウムペーストが塗布された半導体基板を焼成する工程とを備えた太陽電池の製造方法において、スクリーン印刷法で用いられるスクリーンの、半導体基板のコーナ部に相当する紗厚が、他の箇所の紗厚よりも薄い太陽電池の製造方法である。

ここで、本発明の太陽電池の製造方法において、スクリーンの向かい合う２辺の外縁部の紗厚が、他の２辺の外延部の紗厚より薄いことが好ましい。

本発明によれば、太陽電池のアルミニウム電極を形成する際のアルミニウムペースト塗布量を、アルミニウム電極が形成されるすべてのコーナ部と、コーナ部以外の箇所とで変えること、すなわち、すべてのコーナ部のアルミニウムペースト塗布量を減らすことにより焼成後のｐ型多結晶シリコン基板の反り量を減らし、現状よりも溝を狭くしたキャリアを使用することが可能となる。

よって、製造ラインの処理能力を高くすることができる。

本発明の太陽電池の一例の模式的な断面構成図である。 本発明の太陽電池の一例の模式的な受光図である。 本発明の太陽電池の一例の模式的な裏面図である。 本発明の太陽電池の製造方法の一例のスクリーン版を図解する模式的な図である。 本発明の太陽電池の製造方法のさらに他の一例のスクリーン版を図解する模式的な図である。 本発明の太陽電池の製造方法のさらに他の一例のスクリーン版を図解する模式的な図である。 本発明の太陽電池の製造方法のさらに他の一例のスクリーン版を図解する模式的な図である。 従来技術の太陽電池の一例の模式的な断面構成図である。 従来技術の太陽電池の一例の模式的な受光面図である。 従来技術の太陽電池の一例の模式的な裏面図である。 太陽電池の製造方法の一例の製造工程の一部を図解する模式的な図である。

図１〜図３は、本発明の太陽電池を表す図である。図１は断面図であり、図２は受光面側、図３は裏面側から見た図である。図１は、図２、図３で示したａ−ａ′の断面である。

図１に示すように、厚み約１８０μｍ、幅、長さ共に１５６ｍｍのｐ型多結晶シリコン基板２の受光面側にはｎ^＋層であるｎ型拡散層３を形成することによりｐｎ接合が形成され、ｐ型多結晶シリコン基板２の受光面には反射防止膜４および受光面銀電極１０がそれぞれ形成されている。受光面銀電極１０は図２に示すようにバスバー電極７とフィンガ電極９とからなり、図１の断面に現れているのは、バスバー電極７である。また、ｐ型多結晶シリコン基板２の裏面側にはｐ^＋層であるＢＳＦ層５が形成されている。そして、ｐ型多結晶シリコン基板２の裏面にはアルミニウム電極６および裏面銀電極８がそれぞれ形成されている。なお、アルミニウム電極６は、太陽電池１の裏面の周囲の内側に、太陽電池１の形状に合わせて形成される。

以下に、太陽電池の製造方法の一例について示す。

ｐ型多結晶シリコン基板２の受光面となる面にリンを含む塗布液を塗布乾燥後、約９００℃で１０分間熱処理を行うことにより深さ約０．５μｍのｎ型拡散層３を形成する。ｐ型多結晶シリコン基板２表面に残った塗布乾燥後のガラス層を酸洗浄により除去した後、プラズマＣＶＤ法を用いてｐ型多結晶シリコン基板２の受光面側となる面に７０ｎｍ〜１００ｎｍの窒化シリコン膜を形成し、反射防止膜４とした。

次に、図３に示すように、太陽電池の裏面において、ｐ型多結晶シリコン基板２の１つの特定の端面１１を基準として、所定の位置に銀ペーストをスクリーン印刷法により、塗布、乾燥し、引き続いて、ｐ型多結晶シリコン基板２の端面１１を基準として、裏面の所定の位置にアルミニウムペーストをスクリーン印刷法により、塗布、乾燥する。さらに、図２に示すように受光面においても、ｐ型多結晶シリコン基板２の端面１１を基準として、所定の位置に銀ペーストをスクリーン印刷法により、塗布、乾燥する。その後、７００〜８００℃の温度で焼成して、深さ約１０μｍのＢＳＦ層５と厚さ数十μｍのアルミニウム電極６、受光面銀電極１０、及び裏面銀電極８を形成することにより、太陽電池１を作製した。

ここで、アルミニウム電極６を形成する際のアルミニウムペースト塗布量を、アルミニウム電極６が形成されるすべてのコーナ部と、コーナ部以外の箇所とを変えること、すなわち、すべてのコーナ部のアルミニウムペースト塗布量を減らすことにより、焼成後のｐ型多結晶シリコン基板２が反る量を減らし、現状よりも溝を狭くしたキャリアを使用することができた。よって、製造ラインの処理能力を高くすることができた。

また、この反りはソーラシミュレータによる特性評価においても、特性評価用のプローブが受光面のバスバー電極７を押さえた際、太陽電池１の裏面のアルミニウム電極６が測定ステージに全面接したので問題なかった。

その後、特性評価後の太陽電池１を受光面銀電極１０のパターンを揃えスタック状に重ね合わせた。重ね合わせる際に必要以上の嵩張りも生じなく太陽電池の割れの発生も抑制することができた。

次に、アルミニウム電極６が形成される各コーナ部に対して、アルミニウムペースト塗布量を変える方法について下記に示す。

本実施例では、スクリーン印刷法を使用したことから、塗布量はスクリーンを加工することで対応した。

アルミニウム電極形成工程のみを以下に示す。本実施例において、アルミニウム電極６を所望の厚さにしようとするとコーナ部で反りが発生する。そこで、反りの発生を抑えたいコーナ部においてアルミニウムペーストの塗布量を少なくする。なお、全体にわたって塗布量を少なくした場合は、太陽電池特性に寄与する程度のＢＳＦ層が形成されなくなり不都合が発生する。

また、他の工程は、上記発明を実施するための形態に示したとおりである。

図４に、スクリーン版の一例を示す。２１はスクリーン版であり、アルミニウム電極６が形成されるコーナ部に相当するスクリーンの領域に対して、プレス加工を施してコーナ部の紗厚を低減させることで、塗布量（印刷量）を低減させる。なお、図４に示した２２はスクリーン、２３はスクリーン版の枠であり、２４はスクリーンのプレス加工部である。また、点線は、ｐ型多結晶シリコン基板２の配置される位置である。

使用したアルミニウム電極用のスクリーンは、市販のＳＵＳ１２０メッシュ、線径８０μｍ、パターン形成のための乳剤厚８μｍの仕様で加工はプレス機を用いた。スクリーン版の枠（鋳物枠）をプレス機に固定し、直径５０ｍｍの平滑面を持つ金属冶具を所望のコーナ部においてプレスする。初期スクリーン紗厚約１６０μｍが約１２０μｍになるよう１箇所ずつプレスした。プレス時にはスクリーンの紗に傷がつかないよう高分子フィルムを貼付して行った。プレスした箇所の焼成後のアルミニウム層の厚みは約４０μｍであり、プレスしていない箇所の焼成後のアルミニウム層の厚みは約５０μｍであった。

下記内容を比較例として、太陽電池を作製し太陽電池の反りを測定した。

比較例１：コーナ部１箇所をプレスする。

比較例２：同辺のコーナ部２箇所をプレスする。

比較例３：対角のコーナ部２箇所をプレスする。

比較例４：コーナ部３箇所をプレスする。

比較例５：すべてのコーナ部をプレスしない。

比較例１、２、３、４は図４を参考に必要箇所をプレス加工したスクリーンを使用した。プレス加工位置は図４を参考にｐ型多結晶シリコン基板２の配置される右上をＡとして、時計回りにＢ、Ｃ、Ｄとする。なお、実施例１、比較例１、２、３、４のいずれも、プレス加工部２４において、太陽電池側に対応する幅Ｐは１５〜１８ｍｍであった。

太陽電池の反り量の結果を表１に示す。測定は平坦な机上に太陽電池が動かないように置き、各コーナ部の机面からの距離を金尺で測定した。

反り量の測定は３枚の太陽電池に対して行い、表１に示したのは、そのうちの１枚の結果である。

表１において示されるように、実施例１では、全てのコーナにおいて、反りが１．１ｍｍ以下に抑えられ、比較例２〜５では、反りが２．８ｍｍ以上になる箇所があった。このことから、製造ラインにおいて、反りで一番問題となるキャリアの使用の可否については、実施例１の太陽電池では、３ｍｍピッチ（現状は４ｍｍピッチ）の溝のものの使用が可能であった。

ここで、３．０ｍｍピッチのキャリアへの機械による挿入は、各太陽電池の反りが２．７ｍｍ以下でないと挿入できず、２．７ｍｍよりも大きく反るとキャリアの溝等に当たり割れが生じる。

また、実施例１では、測定した３枚の太陽電池の全てのコーナ部の反りが２．７ｍｍ以下に抑えられ、比較例２〜５では、反りが２．７ｍｍより大きくなるコーナ部があった。

さらに、電気特性については、実施例１はすべてのコーナ部をプレスしていない比較例５に対し、平均出力が±１％以内であり問題なかった。

よって、実施例１では太陽電池の反りを抑えることにより、現状よりも溝を狭くしたキャリアを使用することが可能となり、製造ラインの処理能力を高くすることができた。

アルミニウム電極形成工程に使用するスクリーンのみを以下に示す。他の工程については実施例１と同様である。

図５に、スクリーン版の一例を示す。２５はスクリーン版であり、アルミニウム電極６が形成されるコーナ部に相当するスクリーンの領域に対して、予め部分的にカレンダ加工を施した紗の箇所を一致させるようにした。なお、図５に示した２６はスクリーン、２７はスクリーン版の枠であり、２８はスクリーンのカレンダ加工部である。また、点線はｐ型多結晶シリコン基板２の配置される位置である。

カレンダ加工は、巻物状になっているスクリーンを引き出しながらローラー等に通しスクリーンの紗厚を低減させる加工であり、片サイド、または両サイドの一定幅が加工される。

図５のスクリーン枠２７に張り付けたスクリーン２６は、カレンダ加工により両サイドの一定幅のスクリーンの紗厚を低減させたものである。よって、スクリーン版２５を用いて太陽電池を作製した場合、アルミニウム電極の向かい合う２辺の外縁部のアルミニウム電極６の厚みが薄くなり、太陽電池の４つのコーナ部全てでアルミニウム電極が薄くなる。また、図５に示すように、ｐ型多結晶シリコン基板２の配置される右上をＡとして、時計回りにＢ、Ｃ、Ｄとする。なお、図５に示す幅Ｐは１５〜１８ｍｍであった。

太陽電池の反りの結果を表２に示す。測定は平坦な机上に太陽電池が動かないように置き、各コーナ部の机面からの距離を金尺で測定した。

反り量の測定は３枚の太陽電池に対して行い、表２に示したのは、そのうちの１枚の結果である。

表２に示すように、向かい合う２辺にカレンダ加工を施したスクリーンを用いた場合、各コーナの反りを２．６ｍｍ以下に抑えることができた。このことから、製造ラインにおいて、反りで一番問題となるキャリアの使用の可否については、現状使用している４．０ｍｍピッチよりも、溝が狭い３．０ｍｍピッチのものの使用が可能であった。ここで、３．０ｍｍピッチのキャリアの使用可能の判断は実施例１と同様である。また、実施例２では、測定した３枚の太陽電池の全てのコーナ部で反りを２．７ｍｍ以下に抑えることができた。

さらに、電気特性については、実施例２はすべてのコーナ部をプレスしていない比較例５に対し、平均出力が±１％以内であり問題なかった。

よって、太陽電池の反りを抑えることにより、現状よりも溝を狭くしたキャリアを使用することが可能となり、製造ラインの処理能力を高くすることができた。

これらの結果から、向かい合う２辺をカレンダ加工した場合でも、すべてのコーナ部を含むように、アルミニウムペーストを薄くすれば、反りを抑えられる。

図４、図５以外に、４つのコーナ全ての紗厚を薄くする形状として、たとえば、図６、図７に示すようなスクリーン版も考えられる。図６に示した３０はスクリーン、３１はスクリーン版の枠であり、３２はスクリーンの加工部である。図７に示した３４はスクリーン、３５はスクリーン版の枠であり、３６はスクリーンの加工部である。ここで、図６、図７に示す点線はいずれも、ｐ型多結晶シリコン基板２の配置される位置である。

今回の実施例では、乳剤付のスクリーンに対してプレス加工を行ったが、プレス加工後に乳剤形成を行ってもかまわない。

また、今回開示された実施の形態および実施例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。本発明の範囲は上記した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。

本発明に係る太陽電池、および太陽電池の製造方法は、太陽電池、および太陽電池の製造方法全般に広く適用することができる。

１ 太陽電池、２ ｐ型多結晶シリコン基板、３ ｎ型拡散層、４ 反射防止膜、５ ＢＳＦ層、６ アルミニウム電極、７ バスバー電極、８ 裏面銀電極、９ フィンガ電極、１０ 受光面銀電極、１１ 端面、２１ スクリーン版、２２ スクリーン、２３ スクリーン版の枠、２４ スクリーンのプレス加工部、２５ スクリーン版、２６ スクリーン、２７ スクリーン版の枠、２８ スクリーンのカレンダ加工部、２９ スクリーン版、３０ スクリーン、３１ スクリーン版の枠、３２ スクリーンの加工部、３３ スクリーン版、３４ スクリーン、３５ スクリーン版の枠、３６ スクリーンの加工部、１０１ 太陽電池、１０２ ｐ型シリコン基板、１０３ ｎ型拡散層、１０４ 反射防止膜、１０５ バスバー電極、１０６ ＢＳＦ層、１０７ アルミニウム電極、１０８ 裏面銀電極、１０９ フィンガ電極、１１０ 受光面銀電極、１１１ 端面、２０１ スクリーン、２０２ ペースト状の材料、２０３ スキージ、２０４ ステージ、２０５ 基板。

Claims (4)

1. ｐｎ接合を有する半導体基板と、
   前記半導体基板の裏面に形成されたアルミニウム電極とを備えた太陽電池において、
   前記アルミニウム電極のコーナ部の厚みが、他の箇所の前記アルミニウム電極の厚みよりも薄いことを特徴とする太陽電池。
2. 前記アルミニウム電極の向かい合う２辺の外縁部の厚みが、他の２辺の外延部の厚みより薄いことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
3. ｐｎ接合を有する半導体基板の裏面に、
   スクリーン印刷法によりアルミニウムペーストを塗布する工程と、
   前記アルミニウムペーストが塗布された前記半導体基板を焼成する工程とを備えた太陽電池の製造方法において、
   前記スクリーン印刷法で用いられるスクリーンの、前記半導体基板のコーナ部に相当する紗厚が、他の箇所の紗厚よりも薄いことを特徴とする太陽電池の製造方法。
4. 前記スクリーンの向かい合う２辺の外縁部の紗厚が、他の２辺の外延部の紗厚より薄いことを特徴とする請求項３に記載の太陽電池の製造方法。