JP6050661B2 - 光発電装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明はヘテロ接合太陽電池に適用し、金属（例えば、銀）ペーストの使用量がより少なく、更に直列抵抗降下による電力損失を解消し、受光面積を拡大して発電効率の向上を図る光発電装置の製造方法に関する。

現在、地球温暖化対策として世界全体で大幅なＣＯ₂排出量削減が唱えられ、ＣＯ₂等のガスを発生しないクリーンなエネルギー源として光発電装置が注目されている。その中で、発電効率の高いヘテロ接合の光発電装置が広く用いられている。なお、この光発電装置は、複数の光発電素子１１を有し、光発電素子１１は、図４に示すように、ｎ型単結晶シリコン基板（ｃ−Ｓｉ）１２の一面（上面）に、真性アモルファスシリコン層（ｉ層）１３を介してｐ型非晶質シリコン系薄膜層１４を、ｎ型単結晶シリコン基板（ｃ−Ｓｉ）１２の他面（下面）に真性アモルファスシリコン層（ｉ層）１５を介してｎ型非晶質シリコン系薄膜層１６を備え、ｐ型非晶質シリコン系薄膜層１４の上及びｎ型非晶質シリコン系薄膜層１６の下にそれぞれ透明導電酸化物（Transparent Conductive Oxide）１８、１９を有している。

図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、透明導電酸化物１８、１９の表面には、発生した電力を集めるためのフィンガー電極２１とこのフィンガー電極２１に接続されるバスバー電極２２とからなる集電部材が設けられている（特許文献１、２参照）。そして、このフィンガー電極２１（通常の幅が５０〜１００μｍ、高さが５０μｍ以下）とバスバー電極２２（通常の幅が０．５〜２ｍｍ、高さはフィンガー電極２１と同じ）はスクリーン印刷によって同時に形成される。なお、複数の光発電素子１１はインターコネクター２５を介して直列に接続され、全体の光発電装置の発電電圧を高めている。

特開２００５−３１７８８６号公報 特開２０１２−５４４４２号公報

しかしながら、フインガー電極２１とバスバー電極２２はそれぞれ導電性接着剤である銀ペーストによって構成されており、銀ペーストは同一断面積では通常の金属導体（例えば、銅）等より電気抵抗が大きい。一方、銀ペーストは非透光性であるので、フィンガー電極２１やバスバー電極２２の幅を増加すると、遮光率が増加し発電効率が下がる。

そこで、スクリーン印刷を複数回重ねることによって断面積を確保していたが、高さの高い集電部材を形成するためには多量の銀ペーストが必要となり、原料高となるという問題があった。
更に、スクリーン印刷は印刷精度が悪く、重ね印刷を行うと徐々に幅が広くなり、フィンガー電極２１が必要以上の幅で形成され、遮光率が増加するという問題があった。
また、隣り合う光発電素子１１を連結するために、バスバー電極２２に沿ってバスバー電極２２とは別にインターコネクター２５を設ける必要があった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、比較的安価に製造できる光発電装置の製造方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係る光発電装置の製造方法は、表裏に透明導電酸化物が形成され、光照射によって電力を発生する光発電素子と、該光発電素子の表裏に設けられた集電部材とを有する光発電装置の製造方法において、
前記光発電装置はヘテロ接合太陽電池であって、
表側の前記集電部材は、表側の前記透明導電酸化物上に平行に設けた、厚みｔが１〜５μｍ、幅ｗが４０〜２００μｍであるフィンガー電極と、該フィンガー電極に直交して接合され、直径ｄが８０〜４００μｍで、ピッチｐ１が前記直径ｄの１５倍以上かつ１５ｍｍ以下で、遮光率が５〜１０％の範囲で配置され、銅又は銅合金からなって周囲が低融点金属でコーティングされた断面円形の複数本の金属導体線とを備え、該金属導体線を一方向に更に延長して直列接続する前記光発電素子の裏側の前記集電部材に接合し、前記フィンガー電極をグラビアオフセット印刷によって形成した。

フィンガー電極の形成にグラビアオフセット印刷を用いるので、スクリーン印刷では難しい薄い膜を印刷することが可能となる。
なお、フィンガー電極の厚みは１μｍ以上であることが好ましく、フィンガー電極の厚みｔが１μｍより小さくなると実施が困難となり、更には電気抵抗が増す。また、フィンガー電極の厚みが増加すると、金属ペースト（例えば、銀ペースト）の使用量が増加し材料費が向上する。なお、フィンガー電極の幅ｗは、４０〜２００μｍ（より好ましくは、１００〜２００μｍ）となっている。
また、金属導体線は銅（合金を含む）を用いる。

ここで、金属導体線の直径ｄが８０μｍより小さい場合は電気抵抗が大きくなり、金属導体線の直径ｄが４００μｍを超えることも可能であるが、必要以上に電気抵抗が小さくなり、遮光率も大きくなる。なお、金属導体線（例えば、銅線）の表面に異種金属のめっきをしたものであってもよい

第２の発明に係る光発電装置の製造方法は、第１の発明に係る光発電装置の製造方法において、前記フィンガー電極のピッチｐは前記幅ｗの１０〜２０倍の範囲にある。
第３の発明に係る光発電装置の製造方法は、第１、第２の発明に係る光発電装置の製造方法において、前記金属導体線と前記フィンガー電極との接合には低融点金属（例えば、半田）が使用されている。この場合の低融点金属は金属導体線にコーティング処理によって形成され、厚みは金属導体線の直径の０．０５〜０．２倍程度がよい。

第１〜第３の発明に係る光発電装置の製造方法において、従来のバスバー電極の本数として多数の金属導体線を用いることで、抵抗の減少を図ることができ、より効率の高い光発電装置を提供できる。

本発明に係る光発電装置の製造方法においては、グラビアオフセット印刷を用いてフィンガー電極を形成しているので、フィンガー電極の幅を実質一定にして厚みを正確に薄くでき、しかも、バスバー電極を無くして金属導体線としたので導電性接着材（例えば、銀ペースト）の使用量が減少し、より安価に光発電装置を製造することが可能となった。

また、金属導体線が一方向に更に延長して隣にある光発電素子の裏側にある集電部材に接合しているので、従来のようなインターコネクターが不要となり、光発電装置の組み立て及び製造がより容易となった。

本発明の一実施の形態に係る製造方法を適用した光発電装置の平面図である。 同側面図である。 図１におけるＡ−Ａ’断面図である。 従来例に係る光発電装置に用いる光発電素子の模式図である。 （Ａ）、（Ｂ）は同光発電装置の平面図、側面図である。

続いて、添付した図面を参照しながら、本発明を具体化した実施の形態について説明する。なお、従来例に係る光発電装置の構成要素と同一の構成要素については同一の番号を付する。
図１、図２、図３に示すように、本発明の一実施の形態に係る製造方法を適用した光発電装置１０は、直列に接続される光発電素子１１を有している。この光発電素子１１は図４に示す構造と同一で、中央にｎ型単結晶シリコン基板（ｃ−Ｓｉ）１２をその上下に真正アモルファスシリコン層１３、１５を、更にその外側にそれぞれｐ型非晶質シリコン系薄膜層１４とｎ型非晶質シリコン系薄膜層１６を有し、上下面にはそれぞれ透明導電酸化物１８、１９を有している。

この光発電素子１１の表面に光（例えば、太陽光）を当てた場合、表裏の透明導電酸化物１８、１９の間に電位差を生じて電力が発生するが、一つの光発電素子１１の起電力は、約０．７Ｖと小さいので、複数の光発電素子１１を直列に接続し、所定の電圧を得るようにしている。これらの構成については、周知であるので、詳しい説明を省略する。

光発電素子１１の表裏には、透明導電酸化物１８、１９を有し、図１、図２に示すように、透明導電酸化物１８、１９の表面には、それぞれ平行に等間隔で配置された複数のフィンガー電極２７とその上に被さる複数本の金属導体線２８とを有している。この実施の形態においては、細線からなる複数のフィンガー電極２７とこのフィンガー電極２７に直交して配置された複数の金属導体線２８によって、光発電素子１１の表側に形成される透明導電酸化物１８に電気的に接合される表側の集電部材を、光発電素子１１の裏側に形成される透明導電酸化物１９に電気的に接合される裏側の集電部材をそれぞれ構成している。なお、裏側の集電部材は表側と異なるものであってもよい。

ここで、図２に示すように、フィンガー電極２７は金属ペーストの一例である銀ペーストを印刷して形成され、その厚み（高さ）ｔは１μｍ以上５μｍ以下、幅ｗは４０〜２００μｍ（より好ましくは、１００〜２００μｍ、更に５０〜１５０μｍ）となって、フィンガー電極２７のピッチｐは幅ｗの１０〜２０倍程度となっている。フィンガー電極２７は光を遮り、ｗ／ｐ×１００（図１、図２参照）が遮光率（％）の関数となるので、遮光率は１０％以下とするのが好ましい。

なお、フィンガー電極２７の断面積を小さくすると、銀ペーストの使用量は厚みに比例して減少し、より銀ペーストの使用量の少ない安価な光発電装置を提供できるが、極端に薄くすると、曲線因子（ＦＦ）が下がるのでこの曲線因子が下がり過ぎないようにフィンガー電極２７の幅ｗと厚みｔを決めるのがよい。

この場合、フィンガー電極２７の厚みｔを薄くするには、グラビアオフセット印刷（グラビア印刷）の技術を使う。フィンガー電極２７の厚みｔを薄くすることにより、光発電装置１０を製造する場合の銀ペーストの量を減らすことができる。

図３に示すように、光発電素子１１の表側（及び裏側）に小ピッチで設けられた複数のフィンガー電極２７の上には、複数の金属導体線２８が平行に配置されている。この金属導体線２８の直径ｄは８０〜４００μｍで、ピッチｐ１が１５ｄ以上１５ｍｍ以下（例えば、金属導体線２８のピッチが４ｍｍ）で配線されている。

ここで、金属導体線２８のピッチが大きくなると、フィンガー電極２７の集電領域が長くなって、抵抗損の影響を受け、金属導体線２８のピッチが小さくなると遮光率が増加するので、両者のバランスを考えて、遮光率５〜１０％の間で設計するのが好ましい。なお、金属導体線２８とフィンガー電極２７とは低融点金属（例えば、半田）３０で接合されている。

なお、低融点金属３０は図３に示すように、予め金属導体線２８の周囲に所定厚みでコーティングされ、約２００℃の加熱によって低融点金属３０を溶融させて、フィンガー電極２７に接合する。

光発電素子１１の表側の金属導体線２８は一方向に更に延長されて、隣接する光発電素子１１の裏側の金属導体線２８に接合されている。なお、「接合されている」とは、別々の金属導体線が接続されている場合の他、一本の金属導体線によって光発電素子の表側及び隣接する光発電素子の裏側の金属導体線が形成されている場合を含む。

この実施の形態においては、従来のように集電部材（即ち、バスバー電極）に導電性接着剤を用いておらず、金属導体線を用いているので、折り曲げることが可能となり、インターコネクター等が不要となり、より簡単に製造できる。

前述のように、フィンガー電極２７のみを考慮した遮光率は、（ｗ／ｐ）×１００（％）となる。そして、金属導体線２８の直径をｄ、金属導体線２８のピッチをｐ１とすると、フィンガー電極２７及び金属導体線２８を考慮した遮光率は、略｛１００（ｗ／ｐ）＋１００（ｄ／ｐ１）｝％となるので、これらの合計の遮光率を１０％以下にするのが好ましい。
なお、金属導体線２８の断面は円形であったが、断面矩形、特に断面縦長の長方形の金属導体線を用いることによって、電気抵抗を維持したままで、遮光率を下げることができる。

本発明の作用、効果を確認するために行った実施例を表１に示す。Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７はフィンガー電極の高さが、それぞれ０．１μｍ、０．３μｍ、０．５μｍ、１μｍ、３μｍ、５μｍ、１０μｍの場合を示す。フィンガー電極の高さが１μｍ未満の場合は、効率（η）も下がり、グラビアオフセット印刷でも１μｍ未満の一定厚みにすることが難しくなり、本発明では１μｍ以上を選択した。
一方、フィンガー電極の厚みを更に厚くすると、銀の使用量が増えるので、製造コストが増加する。

本発明は前記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲でその構成を変更することもできる。例えば、前記実施の形態においては、金属導体線として銅線を用いているが、アルミ線、ニッケル線等を使用できる。更に、金属導体線の表面にはめっきを施すこともできる。また、フィンガー電極の製造に導電性接着剤として銀ペーストを用いているが、他の導電性接着剤も使用可能である。

１０：光発電装置、１１：光発電素子、１２：ｎ型単結晶シリコン基板、１３：真正アモルファスシリコン層、１４：ｐ型非晶質シリコン系薄膜層、１５：真正アモルファスシリコン層、１６：ｎ型非晶質シリコン系薄膜層、１８、１９：透明導電酸化物、２１：フィンガー電極、２２：バスバー電極、２５：インターコネクター、２７：フィンガー電極、２８：金属導体線、３０：低融点金属

Claims (3)

1. 表裏に透明導電酸化物が形成され、光照射によって電力を発生する光発電素子と、該光発電素子の表裏に設けられた集電部材とを有する光発電装置の製造方法において、
   前記光発電装置はヘテロ接合太陽電池であって、
   表側の前記集電部材は、表側の前記透明導電酸化物上に平行に設けた、厚みｔが１〜５μｍ、幅ｗが４０〜２００μｍであるフィンガー電極と、該フィンガー電極に直交して接合され、直径ｄが８０〜４００μｍで、ピッチｐ１が前記直径ｄの１５倍以上かつ１５ｍｍ以下で、遮光率が５〜１０％の範囲で配置され、銅又は銅合金からなって周囲が低融点金属でコーティングされた断面円形の複数本の金属導体線とを備え、該金属導体線を一方向に更に延長して直列接続する前記光発電素子の裏側の前記集電部材に接合し、前記フィンガー電極をグラビアオフセット印刷によって形成したことを特徴とする光発電装置の製造方法。
2. 請求項１記載の光発電装置の製造方法において、前記フィンガー電極のピッチｐは前記幅ｗの１０〜２０倍の範囲にあることを特徴とする光発電装置の製造方法。
3. 請求項１又は２記載の光発電装置の製造方法において、前記金属導体線と前記フィンガー電極との接合には前記低融点金属が使用されていることを特徴とする光発電装置の製造方法。

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