JP2003309274A - 太陽電池 - Google Patents
太陽電池Info
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Abstract
性能を維持しつつ電極の銀ペーストの使用量を低減する
ことができ、太陽電池の製造コストを低減することがで
きる。 【解決手段】 受光した光エネルギーを光起電力に変換
する太陽電池において、受光面側の光起電力を収集して
出力するとともに、受光面側の表面に形成された銀から
なるバス電極12の一部に、銀を使用しない空き部分を
設けて太陽電池を構成することにより、セルの各特性を
悪化させることなく、セルの性能を維持しつつ電極の銀
ペーストの使用量を低減することができ、太陽電池の製
造コストを低減することができる。
Description
例えば高効率の太陽電池の製造技術に関し、多結晶シリ
コン太陽電池の製造原価低減に有効な技術である。
コン太陽電池の表面、裏面側の概略図であり、図7
(A)はそのシリコン太陽電池の表面側の概略図、図7
(B)はそのシリコン太陽電池の裏面側の概略図であ
る。図8は図7(A)に示すA1−A2線におけるシリ
コン太陽電池の断面図、図9、10は図8に示すシリコ
ン太陽電池の主な製造工程を示す断面構造図である。
ン基板であり、102はp型シリコン基板101上部に
形成されたテクスチャーであり、103はp型シリコン
基板101とテクスチャー102間に形成されたn層で
ある。104はテクスチャー102上に形成された反射
防止膜であり、110はn層103と接続されるように
形成された焼結後の表銀グリッド電極であり、111は
反射防止膜104上に形成されたスクリーン印刷後の表
銀グリッド電極用ペーストである。
成された表銀バス電極である。120はp型シリコン基
板101裏面側に形成された焼結後の裏アルミ電極であ
り、121はp型シリコン基板101裏面に形成された
スクリーン印刷後の裏アルミ電極用ペーストである。1
22はp型シリコン基板101と裏アルミ電極120間
に形成されたp+層であり、130はp+層122と接
続されるように形成された焼結後の裏銀バス電極であ
り、140は表銀グリッド電極110表面に形成された
ハンダである。
型シリコン基板101上に太陽光をできるだけ多く発電
に寄与させるべく、通常、入射される光の反射を抑制さ
せるために、反射防止膜104を設けている。更に、太
陽電池の表側には、シリコン基板101中で発電された
電気を局所的に集電するための表銀グリッド電極110
と、表銀グリッド電極110で集電された電気を取り出
すための表銀バス電極112とが配置されている。
リッド電極110と表銀バス電極112は、太陽電池の
表側に入射される太陽光を遮ってしまうため、太陽電池
の表側に可能な限り小さく配置することが、太陽電池に
おける発電効率の向上の観点で望ましい。
射させることを考慮すると、例えば、図7(A)のよう
な櫛型のグリッド電極110とバス電極112を、太陽
電池の表面に配置して構成するのが一般的である。ま
た、グリッド電極110とバス電極112の電極材料と
しては、例えば、銀を主成分として構成する場合がコス
ト及び性能の観点で一般的である。
側で発生した電気が抵抗によるロスで低減してしまうこ
とを抑制するために、裏アルミ電極120を広範囲に設
け、裏アルミ電極120で発電された電気を集電させる
ために裏銀バス電極130を更に配置して構成してい
る。
rface Field)効果による発電能力を改善するために、
一般にアルミ材料を使用する場合が多い。裏銀バス電極
130は、裏アルミ電極120で発電された電気を引き
出すための電気引き出し導線として機能させる場合、半
田付き銅線を利用するのが一般的であるが、ここでは、
裏アルミ電極120との接着加工性が良好な裏バス電極
として、例えば、銀電極を用いて構成している。
基板を使用して単純なpn接合で太陽光を発電させ、数
百μm厚程度のp型シリコン基板101にリン(P)等
のV族元素による拡散等を行うことにより、数百nm厚
程度のn層103を形成する。 ここでは、 p型シリコ
ン基板101は単結晶、多結晶のいずれであってもよい
が、以下の説明では(100)面方位の単結晶基板を例
示して説明する。
cm程度のp型シリコン101基板表面に、n層103
と基板101側の光を閉じ込める凹凸構造のテクスチャ
ー102を設け、そのテクスチャー102上に反射防止
膜104を配置する。基板101裏側には裏アルミ電極
120を配置し、 BSF(Back Surface Field)効
果を期待してp+層122を設けてp+層122中の電
子が消滅しないように、バンド構造の電界でp+層12
2の電子濃度を高めるように構成する。
基板101を通過する長波長光を反射させて発電に再利
用するBSR(Back Surface Reflection)効果も期
待している。但し、裏アルミ電極120は、シリコン基
板101の反りが顕著になる傾向があり、これに伴い基
板101の割れを誘発する。このため、裏アルミ電極1
20は、基板101の割れを考慮して、熱処理でP+層
22を形成した後に除去する場合も多い。
ついて説明する。シリコン基板101裏面に裏アルミ電
極120用のアルミニウム(Al)膜を形成すると、シ
リコン基板101中のSiとAl膜中のAlによるAl
−Si合金化反応が生じる。その後、577℃程度の再
凝固を行ってAl膜を焼結して裏アルミ電極120を形
成する。この熱処理により、熱膨張係数の異なるシリコ
ン基板101と裏アルミ電極120間で熱膨張差を生じ
て、裏アルミ電極120側で凹となるようにシリコン基
板101が反る。
について、図9、10を用いて説明する。この図9、1
0は、低コスト化を考慮して製造工程数が少ない太陽電
池の製造プロセスを例示したものである。ここでは、表
銀グリッド電極110、表銀バス電極112は反射防止
膜104上に銀ペーストをスクリーン印刷法で付着乾燥
させ、さらに、裏アルミ電極120、裏銀バス電極13
0もスクリーン印刷法で付着乾燥させる。
することにより、各電極110、112、120、13
0を形成する。この焼成により、表銀電極110、11
2は反射防止膜104を貫通してn層103の中で留ま
る。また、裏アルミ電極120とシリコン基板101
は、この焼成により溶融かつ再凝固することにより、裏
アルミ電極120とシリコン基板101間にp+層12
2を形成する。以下に、この太陽電池の製造方法を具体
的に説明する。
101を用い、鋳造インゴットからスライスした際に発
生するシリコン基板101表面のダメージ層を、例えば
数〜20wt%苛性ソーダや炭酸苛性ソーダで10〜20
μm厚程度除去した後、同様のアルカリ低濃度液にIP
A(イソプロピルアルコール)を添加した溶液でシリコ
ン基板101表面の異方性エッチングを行ない、シリコ
ン(111)面が出るようにテクスチャー102をシリ
コン基板101表面に形成する(図9(B))。
3)、窒素、酸素の混合ガス雰囲気で800〜900℃
/数十分程度の熱処理を行うことにより、シリコン基板
101表面全面に一様にn層103を形成する。この
時、シリコン基板101表面に形成されたn層103に
おけるシート抵抗の範囲は、30〜80Ω/□程度と太
陽電池として良好な電気特性が得られる。
103を保護するために、その受光面部分のn層103
を覆うように、高分子レジストペーストをスクリーン印
刷法で付着して乾燥させる。この時、受光面部分のn層
103を覆うようにレジストマスクが選択的に形成され
るとともに、受光面部分以外の部分のn層103が露出
される。
レジストマスクを用い、シリコン基板101裏面等の所
望以外(受光面部分以外)のシリコン基板101表面に形
成されたn層103を、例えば、20wt%水酸化カリウ
ム溶液中へ数分間浸漬を施して選択的に除去した後、マ
スクとして使用したレジストを有機溶剤で除去する(図
9(C))。これにより、受光面部分のn層103が残
り、受光面部分以外のn層103が除去されてシリコン
基板101が露出される。
や酸化チタン膜などからなる反射防止膜104を、残さ
れた受光面部分のn層103表面に一様な厚みで形成す
る(図10(A))。例えば、反射防止膜104をシリコ
ン窒化膜で形成する場合は、プラズマCVD法でSiH
4ガス及びNH3ガスを原材料にして300℃以上、減
圧下でシリコン酸化膜を成膜形成する。
反射防止膜104の屈折率は、2〜2.2程度であり、
最適な反射防止膜104の厚さとしては、70〜90n
m程度である。そして、このようにして形成されるシリ
コン窒化膜からなる反射防止膜104は、絶縁体として
機能するため、この絶縁体の反射防止膜104上に表面
電極を単に形成しただけでは、太陽電池として動作させ
ることができない。そこで、以下に述べるような配線接
続等の工程を行う。
銀バス電極112形成用の銀ペーストをスクリーン印刷
法で反射防止膜104上に付着して乾燥させる。これに
より、反射防止膜104上に表銀グリッド電極用ペース
ト111及び表銀バス電極用ペーストが選択的に形成さ
れる。図10(B)では、表銀グリッド電極用ペースト
111が反射防止膜104上に形成されていることを示
している。なお、表銀バス電極用ペーストは、断面箇所
の都合上、図10(B)に図示されていない。
極130を形成する場合も同様に、スクリーン印刷法で
裏アルミ電極120形成用のアルミペーストと裏銀バス
電極130形成用の銀ペーストを、シリコン基板101
裏面に各々付着して乾燥させる。これにより、シリコン
基板101裏面に裏アルミ電極形成用ペースト121と
裏銀バス電極形成用ペーストが選択的に形成される。
ト121がシリコン基板101裏面に形成されているこ
とを示している。なお、裏銀バス電極用ペーストは、断
面箇所の都合上、図10(B)に図示されていない。ス
クリーン印刷では、通常、メッシュ数200〜400番
手のメッシュを用いる。通常、乾燥前のペースト厚み
は、十〜数十μm厚程度であるが、このペースト厚み
は、乾燥や焼成などで数割減少する。
スト111、表銀バス電極用ペースト、裏アルミ電極用
ペースト121及び裏銀バス電極用ペーストを含む表裏
電極用ペーストを、同時に600℃〜900℃程度で数
分間程度、焼成する。この焼成により、シリコン基板1
01の表側では、表銀グリッド電極用ペースト111と
表銀バス電極用ペーストを含む表銀ペースト中に含まれ
ているガラス材料によって、反射防止膜104が溶融し
ている間に、銀ペースト中の銀材料がシリコン基板10
1上部のn層103中のシリコンと接触して再凝固す
る。
ーストが焼成されて、表銀グリッド電極110、表銀バ
ス電極112、裏アルミ電極120及び裏銀バス電極1
30が形成される。図10(C)では、表銀グリッド電
極110と裏アルミ電極120が形成されていることを
示しており、表銀バス電極112と裏銀バス電極130
は、断面箇所の都合上、図10(C)に図示されていな
い。
電極110/表銀バス電極112による表銀電極とシリ
コンのn層103の導通が確保される。このようなプロ
セスは、ファイヤースルー法と呼ばれている。また、こ
の焼成工程により、裏アルミ電極用ペースト121もシ
リコン基板101中のシリコンと反応して、裏アルミ電
極120が形成されるとともに、シリコン基板101と
裏アルミ電極120間にp+層122が形成される。
は、反射防止膜104が数十nm厚程度で形成され、n
層103が数百nm厚程度でしか形成されないことであ
る。焼成中に銀ペースト中のガラスが反射防止膜104
のみならず、n層103中のシリコンとも反応するのが
一般的であり、ガラス及び銀電極110、112をn層
103内で留めるように焼成温度、時間を制御しなけれ
ばならない。
0、112直下及びその近傍だけ予め除去しておく製造
方法や、反射防止膜104を後で形成する製造方法で
も、同様に焼成時の制御性は重要である。焼成温度が低
い、若しくは焼成時間が短い場合は、n層103中のシ
リコンと銀電極110、112の接触が不十分で接触抵
抗が高くなる不具合が発生する。
が長い場合は、n層103をガラス成分や銀電極11
0、112が突き抜けて、太陽電池における電気的特性
の劣化を招き易い。また、表銀電極110、112直下
が一様にn層103中のシリコンと導通がとれていない
と、太陽電池における初期の電気的特性が劣化する。
してモジュール化しても、長期間の使用中に封止樹脂を
透過した水分が太陽電池まで到達して、表銀電極11
0、112とシリコン界面を、酸化等の反応で劣化させ
てしまい、太陽電池の寿命を短くすることがあった。
10、112の耐湿性向上を図るために、200〜25
0℃程度の鉛・スズ共晶ハンダ溶融槽に上記太陽電池を
浸漬処理して、図8に示すように、表銀電極110、1
12上にハンダ140で被覆処理を行っている。これに
より、表銀電極110、112における耐湿性の向上を
図ることができる。
構造を示す斜視図、図12は図11に示すB1−B2線
における太陽電池モジュールの断面構造図である。図1
1、12において、151は太陽電池であり、152は
太陽電池151の裏側に配置されるPVF(ポリビニル
フルオライド)樹脂などが良く用いられる耐湿性バック
シートであり、153は太陽電池151を相互接続する
ための銅が主成分の太陽電池相互接続タブ配線である。
タブ配線であり、155は太陽電池モジュールのプラス
取り出し電極であり、156は太陽電池モジュールのマ
イナス取り出し電極である。157は太陽電池151の
表側に配置される強化カバーガラスであり、158は太
陽電池151を保護するように耐湿性バックシート15
2と強化カバーガラス157間に配置される太陽電池密
封材(EVA:Ethylene-Vinyl-Acetateなど)である。
極、裏面側がプラス電極となって構成されるので、図1
1では、横方向に隣接する太陽電池151の上下を銅が
主成分のタブ配線153で相互接続を行なう。同様に、
横方向に連なる太陽電池アレイも横タブ線154で電気
的に接続し、最終的にプラス取り出し電極155、マイ
ナス取り出し電極156で電気を取り出せるように構成
する。
が要求されるため、図11、12に示すように、太陽電
池アレイは、最表面に太陽光を透過させながら、雨等の
侵入を防ぎ、落下物等の衝撃を吸収する機能を備えた強
化カバーガラス157で覆うように構成する。
シート152を設ける。太陽電池151と強化カバーガ
ラス157やバックシート152の間隙は、密封材15
8で充填されている。密封材158は一般的には、EV
A(Ethylene-Vinyl-Acetate)などという光透過性が高
い熱硬化型樹脂が用いられる。EVA剤は、作業性の良
いシート状のものが好ましい。
作製工程について説明する。まず、太陽電池151に相
互接続タブ線153を接続して、横方向の太陽電池アレ
イを作製する。次に、太陽電池アレイに横タブ配線15
4とプラス、マイナス取り出し電極155、156を接
続する。
EVA等のシートで挿み、更に、太陽電池151の上下
に配置された強化カバーガラス157とバックシート1
52で挿み込んで、脱泡と同時に加熱を行うと、図12
に示すような間隙のない構造の太陽電池モジュールを得
ることができる。
シリコン太陽電池では、太陽電池の電気特性の低下や図
11のタブ配線153のピール強度(接着強度)が太陽電
池セルの反り量の悪化を招かない程度以上の、必要量以
上の銀ペーストを表裏面電極に使用していた。このよう
に、太陽電池の各特性を悪化させないように必要以上の
銀ペーストを使用していたため、太陽電池セルの製造コ
ストが嵩むという問題があった。
せることなく、セルの性能を維持しつつ電極の銀ペース
トの使用量を低減することができ、太陽電池の製造コス
トを低減することができる太陽電池を提供することを目
的とする。
は、受光した光エネルギーを光起電力に変換する太陽電
池において、受光面側の光起電力を収集して出力すると
ともに、受光面側の表面に形成された銀からなるバス電
極の一部に、銀を使用しない空き部分を設けたものであ
る。
ルギーを光起電力に変換する太陽電池において、光起電
力を収集して出力する受光面側の表面に対して反対側の
裏面上に形成された銀からなるバス電極の一部に、銀を
使用しない空き部分を設けたものである。
ルギーを光起電力に変換する太陽電池において、光起電
力を収集して出力する受光面側の表面とこの表面に対し
て反対側の裏面上に形成された銀からなるバス電極の一
部に、銀を使用しない空き部分を設けたものである。
態を、図面を参照して説明する。 実施の形態1.図1は実施の形態1における太陽電池の
表電極配置を示す上面図、図2は実施の形態1における
表銀バス電極部を拡大した詳細図、図3は実施の形態1
における太陽電池の裏電極配置を示す上面図、図4は実
施の形態1における裏銀バス電極部を拡大した詳細図で
ある。図1〜4において、10は表銀グリッド電極、1
2は表銀バス電極、30は裏銀バス電極である。バス電
極12、30は、受光した光エネルギーを光起電力に変
換する太陽電池の受光面側の光起電力を収集して出力す
る機能を有する。
は、全面に銀を配するのではなく銀を配さない千鳥格子
状に円形抜きパターンをバス電極12、30に配したこ
とが、表裏電極全面に銀電極を配した従来のものと比較
して大きく異なる点である。バス電極12、30には、
電極に使用している銀において、銀を配さない千鳥格子
状に円形抜きパターンを部分的に配することにより、全
面ではなく一部に銀を使用しない空き部分が形成され
る。
銀電極30はスクリーン印刷で形成されるが、バス電極
12、30上の抜きパターンの形状を調整することによ
り、必要とされる銀ペースト量を制御することができ
る。これにより、バス電極12、30に使用される銀ペ
ーストの使用量を低減することができる。
極の組み合わせについて説明する。図5中従来例Aは表
銀、裏銀電極(全面に銀電極を配した)ともに従来の形状
の太陽電池セルであり、図5中本発明Bは表銀が図1、
2の抜きパターン形状で裏銀(全面に銀電極を配した)が
従来の形状の太陽電池セルであり、図5中本発明Cは表
銀が図1、2の抜きパターン形状、裏銀が図3、4の抜
きパターン形状の太陽電池セルであり、それぞれの太陽
電池セルについて、それぞれの電気特性、ピール強度、
セル反り量を調べたものである。
用量低減率を示している。銀面積低減率の計算値の方
は、パターンの全面積と抜きパターンの面積から求めた
ものである。実測値は、セルの表面、裏面に使用した銀
ペーストの重量を従来パターンと抜きパターンそれぞれ
についてはかり、その差から求めたものである。銀ペー
ストの使用量低減の信頼性は、実測値の方が計算値より
も高い。図6から判るように、表面も裏面も実測値から
略同等な銀ペーストの低減率が得られた。
これは太陽電池の正極と負極との間に何も接続しない状
態での電圧である。図5中でJscとは短絡電流密度のこ
とであり、太陽光を入射した状態で太陽電池の正負両極
を導線で接続し、短絡したときの電流をその太陽電池の
面積で割った値である。
り、ある負荷に対して供給し得る最大電力の開放電圧(V
oc)と短絡電流密度(Jsc)の積の比で表される。図5中で
Effは変換効率のことであり、前述した開放電圧(Voc)と
短絡電流密度(Jsc)と曲線因子(FF)を乗じて得られ、最
終的な太陽電池セルの性能を表す値である。
銀、裏銀電極ともに従来の形状の場合であり、本発明B
は表銀が抜きパターン形状で裏銀が従来の場合であり、
本発明Cは表銀、裏銀ともにが抜きパターン形状の場合
である。従来例A、本発明B、Cのいずれの場合も、開
放電圧Voc、短絡電流Jsc、曲線因子FF、変換効率Effの
各特性は大差なく、表裏電極の銀ペースト使用量低減の
可能性が見出せることが判った。
電極パターンの太陽電池セルについて、そのピール強度
を測定した。その結果は、裏銀ペーストの使用量を今回
の割合で低減すると、若干ピール強度が低下するが、モ
ジュール化したときに問題になるレベルではない。基板
内8点についてセル反り量も測定したが、反り量につい
ても、表裏銀ペーストの使用量を今回の割合で低減して
も、反り量の悪化を招くことはなかった。
を今回実験した割合で低減しても、上記各特性が悪化す
ることはなく、太陽電池セルの製造コストを低減するこ
とが可能である。なお、上記実施の形態では、銀を配さ
ない抜きパターンを表銀のみに設ける場合と、表銀、裏
銀の両面に抜きパターンを設ける場合を本発明の資料と
して示したが、抜きパターンを裏銀のみに設ける場合で
あっても、表銀のみの場合と同様、セルの各特性を悪化
させることなく、セルの性能を維持しつつ電極の銀ペー
ストの使用量を低減することができ、太陽電池の製造コ
ストを低減することができる。
た光エネルギーを光起電力に変換する太陽電池におい
て、受光面側の光起電力を収集して出力するとともに、
受光面側の表面に形成された銀からなるバス電極の一部
に、銀を使用しない空き部分を設けて構成することによ
り、セルの各特性を悪化させることなく、セルの性能を
維持しつつ電極の銀ペーストの使用量を低減することが
でき、太陽電池の製造コストを低減することができる。
光エネルギーを光起電力に変換する太陽電池において、
光起電力を収集して出力する受光面側の表面に対して反
対側の裏面上に形成された銀からなるバス電極の一部
に、銀を使用しない空き部分を設けて構成することによ
り、セルの各特性を悪化させることなく、セルの性能を
維持しつつ電極の銀ペーストの使用量を低減することが
でき、太陽電池の製造コストを低減することができる。
光エネルギーを光起電力に変換する太陽電池において、
光起電力を収集して出力する受光面側の表面とこの表面
に対して反対側の裏面上に形成された銀からなるバス電
極の一部に、銀を使用しない空き部分を設けて構成する
ことにより、セルの性能を維持しつつ電極の銀ペースト
の使用量を低減することができ、太陽電池の製造コスト
を低減することができる。また、表面、裏面の両面に形
成されたバス電極の一部に、銀を使用しない空き部分を
設けて構成したため、上記表面のみ、裏面のみに形成し
た場合よりも、電極の銀ペーストの使用量を低減するこ
とができ、太陽電池の製造コストを低減することができ
る。
を示す上面図である。
極部を拡大した詳細図である。
を示す上面図である。
極部を拡大した詳細図である。
ピール強度、セル反り量を示す図である。
に形成した場合におけるセル表裏銀の低減率を示す図で
ある。
池の表面、裏面側の概略図である。
コン太陽電池の断面図である。
を示す断面構造図である。
程を示す断面構造図である。
す斜視図である。
池モジュールの断面構造図である。
裏銀バス電極。
Claims (3)
- 【請求項1】 受光した光エネルギーを光起電力に変換
する太陽電池において、受光面側の光起電力を収集して
出力するとともに、受光面側の表面に形成された銀から
なるバス電極の一部に、銀を使用しない空き部分を設け
たことを特徴とする太陽電池。 - 【請求項2】 受光した光エネルギーを光起電力に変換
する太陽電池において、光起電力を収集して出力する受
光面側の表面に対して反対側の裏面上に形成された銀か
らなるバス電極の一部に、銀を使用しない空き部分を設
けたことを特徴とする太陽電池。 - 【請求項3】 受光した光エネルギーを光起電力に変換
する太陽電池において、光起電力を収集して出力する受
光面側の表面とこの表面に対して反対側の裏面上に形成
された銀からなるバス電極の一部に、銀を使用しない空
き部分を設けたことを特徴とする太陽電池。
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---|---|---|---|
JP2002111734A JP4144241B2 (ja) | 2002-04-15 | 2002-04-15 | 太陽電池 |
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JP2002111734A JP4144241B2 (ja) | 2002-04-15 | 2002-04-15 | 太陽電池 |
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