JP3625081B2

JP3625081B2 - 太陽電池の製造方法

Info

Publication number: JP3625081B2
Application number: JP29143894A
Authority: JP
Inventors: 東彦狩野
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1994-11-25
Filing date: 1994-11-25
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2020-03-02
Also published as: JPH08148447A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、導電性ペーストの焼結膜からなる電極を備える太陽電池の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ｐ型Ｓｉ半導体基板上に電極が形成された構成の電子部品としては、図２及び図３で簡略化して示すような太陽電池が知られており、この太陽電池は、厚みが５００μｍ程度とされたｐ型Ｓｉ半導体基板１を具備し、かつ、ｐ型Ｓｉ半導体基板１の一方面には深さ０．３〜０．５μｍ程度のｎ型不純物層２が形成されたものとなっている。そして、ｐ型Ｓｉ半導体基板１の一方面（受光面）上には、ｎ型不純物層２から負（マイナス）電位を取り出すためのグリッド電極３と、光電変換効率を高めるための反射防止膜４とがそれぞれ形成されている。
【０００３】
また、この際におけるｐ型Ｓｉ半導体基板１の他方面上には正（プラス）電位を取り出すための裏面電極５が形成されており、この裏面電極５はアルミニウム（Ａｌ）電極膜５ａ及び銀（Ａｇ）電極膜５ｂからなる二層構造を有している。なお、図２中の符号６は外部接続用端子部であり、この外部接続用端子部６はグリッド電極３同士を接続したうえで設けられている。
【０００４】
さらに、このような太陽電池は、以下のような手順に従って作製されるのが一般的となっている。すなわち、まず、ｐ型Ｓｉ半導体基板１の一方面に対するｎ型不純物の拡散によってｎ型不純物層２を形成し、かつ、ＳｉＯ_２やＴｉＯ_２などからなる反射防止膜４を形成することによって受光面を構成した後、導電性ペーストを塗布したうえで焼き付けることによってグリッド電極３を形成する。そして、ｐ型Ｓｉ半導体基板１の他方面上にＡｌペーストを塗布し、かつ、６６０℃（Ａｌの融点）以上の温度で焼き付けることによってＡｌ電極膜５ａを形成すると同時に、ＢＳＦ（ｂａｃｋｓｕｒｆａｃｅｆｉｅｌｄ）といわれるＡｌ−Ｓｉ合金層（図示していない）をｐ型Ｓｉ半導体基板１の表面内部に形成してオーミックコンタクトを得る。
【０００５】
引き続き、ＡｇペーストをＡｌ電極膜５ａ上に塗布したうえ、このＡｇペーストを６００〜６５０℃の温度で焼き付けることにより、半田付け性を得るためのＡｇ電極膜５ｂを形成する。その後、リフロー半田付けによってグリッド電極３上に外部接続用端子部６を形成すると、図２及び図３で示した構成の太陽電池が作製されたことになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来構成の太陽電池においては、裏面電極５を構成するＡｌ電極膜５ａの膜厚が薄いと、ｐ型Ｓｉ半導体基板１に対するＡｌの拡散が不十分となり、電気的特性（フィルファクタ）が満足されなくなるから、Ａｌ電極膜５ａの膜厚を２０〜５０μｍ程度と設定することが行われている。しかしながら、Ａｌ電極膜５ａの膜厚が厚い場合には、このＡｌ電極膜５ａ上に形成されて裏面電極５を構成するＡｇ電極膜５ｂに対して引っ張り方向の外力が作用した際、Ａｌ電極膜５ａが層内剥離を起こすため、引っ張り強度が弱くなって実装上の不都合を生じてしまう。なお、この際における太陽電池が実用的に具備しているべき特性レベルは、フィルファクタが０．７以上であり、半田付け性が良好で引っ張り強度が１０Ｎ（ニュートン）以上であることとされているのが一般的である。
【０００７】
そこで、このような不都合を回避する一つの対策として、オーミックコンタクトを得るために形成済みのＡｌ電極５ａをｐ型Ｓｉ半導体基板１から引き剥がすことによってＡｌ−Ｓｉ合金層を露出させた後、このＡｌ−Ｓｉ合金層上にＡｇ電極５ｂを一層のみ直接的に形成することが行われている。しかし、この対策を採用した場合には、形成済みとなったＡｌ電極５ａをわざわざ引き剥がす必要があるため、大変な手間を要してしまうことになる。
【０００８】
また、Ａｌペーストを塗布して乾燥させた後、Ａｇペーストを重ね塗りしたうえで同時焼き付けする対策も試みられている。ところが、Ａｌ−Ｓｉ間での良好なオーミックコンタクトを得るためには、Ａｇ−Ａｌ共晶点（５６６℃）よりも高いＡｌ−Ｓｉ共晶点（５７７℃）以上の温度で焼き付ける必要があり、Ａｌ−Ｓｉ共晶点以上での焼き付けを行った場合には、Ａｇ−Ａｌの金属間化合物化反応が著しく、Ａｇ−Ａｌ合金が形成されてしまう結果、半田付け性を得ることが不可能となってしまう。
【０００９】
本発明は、これらの不都合に鑑みて創案されたものであって、良好なオーミックコンタクト及び半田付け性を確保しつつ、引っ張り強度の向上を図ることができる導電性ペーストを用いて形成された電極を備える太陽電池の提供を目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる太陽電池の製造方法は、配合比率が８５〜９８．５ｗｔ％の範囲内にある銀粉末と、０．５〜１０ｗｔ％の範囲内、かつ、平均粒径が５〜２０μｍの範囲内にあるアルミニウム粉末と、ホウケイ酸鉛系ガラスフリット、ホウケイ酸ビスマス系ガラスフリット、またはホウケイ酸亜鉛系ガラスフリットのいずれか１つからなり、かつ、１〜１０ｗｔ％の範囲内にあるガラスフリットと、有機質ビヒクルと、を混練し、導電性ペーストを得る工程と、前記導電性ペーストをｐ型シリコン半導体基板上に塗付、および乾燥後に焼き付けて、電極を形成する工程と、を有することを特徴とするものである。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００１３】
本実施例にかかる導電性ペーストは、ペースト全体に対する配合比率が６０〜９０ｗｔ％の範囲内にある固形分と、１０〜４０ｗｔ％の範囲内にある有機質ビヒクルとからなり、ｐ型Ｓｉ半導体基板上に電極を形成する際、つまり図１で断面構造を示す太陽電池の裏面電極５を形成する際などに用いられるものである。そして、この導電性ペーストにおける固形分は、固形分全体に対する配合比率が８５〜９８．５ｗｔ％の範囲内にあるＡｇ粉末と、０．５〜１０ｗｔ％の範囲内にあるＡｌ粉末と、１〜１０ｗｔ％の範囲内にあるガラスフリットとを含んで構成されたものとなっている。
【００１４】
また、この際におけるＡｌ粉末の平均粒径は、５〜２０μｍの範囲内とされている。すなわち、ここで、Ａｌ粉末の平均粒径を上記範囲内としたのは、Ａｌ−Ｓｉ間の反応が生じる６５０〜７５０℃の温度下においてもＡｇ−Ａｌ間の反応を抑制するためであり、オーミックコンタクトと半田付け性とのバランスはＡｌ粉末の平均粒径を１０〜１５μｍの範囲内とした場合が最良となる。
【００１５】
さらにまた、本実施例の太陽電池は、従来例にかかる太陽電池の裏面電極５がＡｌ電極膜５ａ及びＡｇ電極膜５ｂからなる二層構造であったのに対し、本実施例にかかる導電性ペーストを用いて形成された一層構造の裏面電極５を備えたことを特徴とするものである。
【００１６】
本実施例においては、まず、粒径が０．５μｍの球状Ａｇ粉及び粒径が２μｍの塊状Ａｇ粉を重量比３：７の割合で混合してなるＡｇ粉末と、軟化点が５１０℃程度のホウケイ酸鉛系ガラスフリットと、球状のＡｌ粉末とをそれぞれ固形分として用意し、かつ、エチルセルロースをターピネオールに溶解してなる有機質ビヒクルに対して固形分を加えた後、Ａｌ粉末が偏平に潰れないように留意しながら周知のセラミックロールを使用して十分に混練することにより、表１で示すような成分組成とされた各種の導電性ペーストを作製する。なお、この表１中の試料２，３，４，７，８，１１，１２，１４それぞれは本発明の範囲内となる導電性ペーストであり、試料１，５，６，９，１０，１３，１５の各々は本発明の範囲外となる導電性ペーストである。
【００１７】
【表１】

【００１８】
ところで、この際におけるＡｇ粉は、粒径が０．１〜２０μｍとなった球状、塊状、偏平状いずれの単独物もしくは混合物であればよく、粒径は０．５〜１０μｍの範囲内であることが望ましい。そして、Ａｌ粉末としては、表面酸化が少ないことから、粒径が５〜２０μｍとなったアトマイズ粉などのような球状物が好ましい。また、ガラスフリットとしては、６５０〜７５０℃の温度で焼き付けた際にＳｉ半導体基板と良好な接着性を示すものがよく、ホウケイ酸鉛系やホウケイ酸ビスマス系、ホウケイ酸亜鉛系などのいずれであってもよい。さらに、有機質ビヒクルは、焼き付け後に灰分が残留しないエチルセルロースやニトロセルロースなどのような繊維素系樹脂やアルキッド樹脂、アクリル樹脂などのうちから選択された１種または２種以上をターピネオールやセルソルブなどの有機溶剤でもって溶解したものである。
【００１９】
つぎに、表１で示した各種の導電性ペーストからなる一層構造の裏面電極５が形成された構成の太陽電池を作製するが、この際における作製手順は以下の通りである。
【００２０】
すなわち、まず、ｐ型Ｓｉ半導体基板１の一方面側に所定深さのｎ型不純物層２を形成することによってｐｎ接合を有するＳｉ半導体基板１を用意したうえ、グリッド電極３を形成すべき領域部分を除くｎ型不純物層２の表面上に反射防止膜４を形成する。引き続き、ｐ型Ｓｉ半導体基板１の他方面上には試料１〜１５それぞれの導電性ペーストをスクリーン印刷技術の採用によって全面的に塗布して乾燥させ、また、ｎ型不純物層２の表面上にはグリッド電極３となる所定の導電性ペーストを塗布して乾燥させたうえ、最高温度が７００℃と設定された近赤外線炉を使用して導電性ペーストの各々を焼き付けることにより、グリッド電極３と、一層構造の裏面電極５とをそれぞれ形成する。
【００２１】
ところで、この際における裏面電極５がｐ型Ｓｉ半導体基板１の他方面上に対して全面的に形成されたものである必然性はなく、例えば、蜘蛛の巣状やハニカム（蜂の巣）状などとして形成されたものであってもよい。その後、リフロー半田付けによってグリッド電極３上に外部接続用端子部６を形成すると、図１及び図２で示す構成の太陽電池が作製されたことになる。
【００２２】
さらに、以上の手順に従って作製された太陽電池、すなわち、表１で示した各種の導電性ペーストを用いてなる裏面電極５がそれぞれ形成された太陽電池の具備する特性レベルをフィルファクタ及び半田付け性、引っ張り強度について調査してみたところ、表２で示すような調査結果が得られた。なお、ここでの半田付け性は、マイルド活性ロジンフラックスを使用し、２２０℃の温度に維持された２％Ａｇ入り共晶半田中に太陽電池を浸漬したうえで目視判定した結果である。また、引っ張り強度は、一辺長さが２ｍｍとされた正方形状パッドを裏面電極５に対して半田付け接続したうえ、正方形状パッドに接続された直径０．６ｍｍのリード線を太陽電池の表面とは直交する垂直方向に沿って２０ｍｍ／ｍｉｎの速度で引っ張った際に破壊が生じた外力の値（Ｎ）である。
【００２３】
【表２】

【００２４】
そして、表２で示した特性の調査結果からは、本発明の範囲内である試料２，３，４，７，８，１１，１２，１４いずれの導電性ペーストを用いて形成された裏面電極５によっても、太陽電池が実用的に具備しているべきフィルファクタ及び引っ張り強度、つまり０．７以上のフィルファクタと１０Ｎ以上の引っ張り強度とが十分に得られており、また、優秀もしくは良好な半田付け性も得られることが分かる。これに対し、本発明の範囲外である試料１，９いずれかの導電性ペーストを用いた場合のフィルファクタは０．７以下と低下し、試料５，６，１３それぞれの導電性ペーストを用いた場合には半田付け性が得られなくなり、さらにまた、試料１０，１５いずれかの導電性ペーストを用いた場合は引っ張り強度が大きく低下することが明らかとなっている。
【００２５】
すなわち、この調査結果によれば、Ａｌ粉末の配合比率が０．５ｗｔ％未満ではフィルファクタが低下し、かつ、その配合比率が１０ｗｔ％を越えると半田付け性が極端に低下することが起こる一方、Ａｌ粉末の粒径が５μｍ未満である場合にはＡｇとの反応が活発となって半田付け性が低下し、また、粒径が２０μｍを越えているとＳｉ半導体基板との反応性も低下してオーミックコンタクト不良となることが分かる。そして、ガラスフリットの配合比率が１ｗｔ％未満では引っ張り強度が大きく低下することになり、また、１０ｗｔ％を越えていると半田付け性の低下が生じることも明らかである。
【００２６】
さらにまた、以上説明した本実施例においては、軟化点が５１０℃のホウケイ酸鉛系ガラスフリットを用いるとしていたが、これに代え、軟化点が４９０℃のホウケイ酸ビスマス系ガラスフリットもしくは軟化点が５４０℃のホウケイ酸亜鉛系ガラスフリットを含んで調製された導電性ペーストからなる裏面電極５を形成したうえでの調査を行ってみたところ、いずれの場合においても試料８同等の調査結果となることが確認されている。ところで、本実施例における固形分、つまりＡｇ粉末及びＡｌ粉末、ガラスフリットのペースト全体に対する配合比率を６０〜９０ｗｔ％の範囲内としたのは、以下のような理由に基づいている。すなわち、ペースト全体に対する固形分の配合比率が６０ｗｔ％未満では膜厚が薄くなり過ぎてしまう結果、実装時の半田による裏面電極５の半田食われが発生して引っ張り強度の低下が生じ、また、９０ｗｔ％を越える場合にはスクリーン印刷に適したペースト粘度が得られにくいためである。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかる太陽電池によれば、良好なオーミックコンタクト及び半田付け性を確保しつつ、引っ張り強度の向上を図ることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例にかかる太陽電池の断面構造を拡大して示す断面図である。
【図２】本実施例及び従来例にかかる太陽電池の平面構造を示す平面図である。
【図３】従来例にかかる太陽電池の断面構造を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
１ｐ型Ｓｉ半導体基板
５裏面電極（電極）

Claims

配合比率が８５〜９８．５ｗｔ％の範囲内にある銀粉末と、０．５〜１０ｗｔ％の範囲内、かつ、平均粒径が５〜２０μｍの範囲内にあるアルミニウム粉末と、ホウケイ酸鉛系ガラスフリット、ホウケイ酸ビスマス系ガラスフリット、またはホウケイ酸亜鉛系ガラスフリットのいずれか１つからなり、かつ、１〜１０ｗｔ％の範囲内にあるガラスフリットと、有機質ビヒクルと、を混練し、導電性ペーストを得る工程と、
前記導電性ペーストをｐ型シリコン半導体基板上に塗付、および乾燥後に焼き付けて、電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする太陽電池の製造方法。