JP2006019768A

JP2006019768A - 太陽電池素子

Info

Publication number: JP2006019768A
Application number: JP2005283039A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Takahashi; 宏明高橋; Kenji Fukui; 健次福井; Katsuhiko Shirasawa; 勝彦白澤; Tatsumi Maeda; 辰巳前田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-09-28
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2006-01-19

Abstract

【課題】太陽電池素子の出力特性を維持しつつ、アルミニウムとシリコンの熱収縮率の違いによって焼成後に発生する基板の反りによる後工程でのセル割れを簡易な方法で再現性よく抑制する。
【解決手段】半導体接合部を有する半導体基板１の表面側に表面電極６を有するとともに、裏面側にアルミニウム電極５からなる裏面電極を有する太陽電池素子であって、上記アルミニウム電極５中に多数のセラミック粒子１１を含有させる。
【選択図】図２

Description

本発明は太陽電池素子に関し、特に半導体接合部を有する半導体基板の裏面側にアルミニウム電極を設けた太陽電池素子に関する。

従来の太陽電池素子の裏面電極は、低コスト化の観点から、ＰＮ接合が形成された半導体基板に金属ペーストをスクリーン印刷法で塗布して酸化性雰囲気中で焼成して形成していた。また、更なる低コスト化の要請から、半導体基板の裏面側の一領域に銀ペーストを塗布して乾燥した後に、その領域の周縁部に一部が重なるようにアルミニウムペーストを塗布して乾燥して同時に焼成する同時焼成法（１段階焼成）も用いられていた（特許文献１参照）。

従来の太陽電池素子の製造方法を図４および図５に従って説明する。Ｐ型シリコン基板１の表面側に、Ｐを含む拡散ソースを用いて熱拡散法でＮ型拡散層２を形成するとともに、窒化シリコン膜からなる反射防止膜３を形成する。また、半導体基板１の裏面側の端部に溝（不図示）を形成して拡散層２の表面側と裏面側を物理的に分離する。次いで、図５に示すように、半導体基板１の裏面側にスクリーン印刷法で銀電極４となる銀ペーストを塗布して乾燥し、その周縁部に一部が重なるように裏面側の大部分にアルミニウム電極５となるアルミニウムペーストを塗布して乾燥した後に同時に焼成することによって裏面電極４、５を形成する。このときには、半導体基板１の表面側には表面電極６として銀ペーストが櫛歯状にパターニングされているので、表面電極６も裏面電極４、５と同時焼成して形成できる。最後に、銀電極４と表面電極６に半田（不図示）を被覆して一連のセル化が終了する。

半導体基板１の裏面側のアルミニウム電極５を形成する際に半導体基板１の裏面側にアルミニウムの拡散が起こってＰ+層からなるＢＳＦ層７が形成され、セルの電流−電圧特性が向上して高変換効率化が達成される。

このようにして製造された太陽電池素子１０では、複数のセル同士を配線材（不図示）を用いて直列に接続して電圧を昇圧させて使用するのが一般的である。

このセル同士の接続には半田が必要となるために電極に半田コーティングするが、アルミニウム電極５には半田付けが困難であるので、半田濡れ性の良好な銀電極４を形成して、これに配線材を半田付けしている。

ところが、従来の太陽電池素子１０ではアルミニウム電極５を半導体基板１の裏面側の略全面に焼き付ける際にアルミニウム電極５とシリコンからなる半導体基板１の熱収縮率の違いによって応力が発生して半導体基板１が反り、半導体基板１の割れの原因になるという問題があった。

このような問題を回避するために、裏面電極４、５の表面をブラスト法や反応性イオンエッチング法などで厚み方向に一部エッチングすることによってアルミニウム電極５による応力を低減させる方法も提案されている（特許文献２参照）。これらの方法によれば、アルミニウム電極５の表面の応力が低減できるため、太陽電池素子１０の反りを緩和して割れを抑制することができる。

しかし、これらの方法によれば、エッチングの厚みが少なすぎれば応力を充分に低減できない反面、エッチングの厚みが厚すぎるとアルミニウム電極５の導電抵抗が向上して電極としての機能を果たさなくなってしまうという問題が発生することから、エッチングの厚みのコントロールが非常に難しいという問題があった。

また、ブラスト法によれば、アルミニウム電極５の表面をエッチングする際に銀電極４も同時にエッチングされてしまい、銀電極４の導電抵抗が上昇して太陽電池素子１０の出力特性が低下してしまうという問題が発生する。

そこで、エッチングする厚みを見越して銀電極４を必要な厚みよりも厚く形成しておく必要があるが、銀はもともと高価な材料であり、必要以上に使用すると太陽電池素子１０のコストアップを招くという問題がある。

この問題を防ぐために、まずアルミニウム電極５のみを形成してエッチングした後に銀電極４を形成するという方法もあるが、裏面電極４、５を形成するために必ず２回以上の焼成工程が必要になり、工程の増加によるコストの上昇を招く。また、高温プロセスの増加によって太陽電池素子１０の出力特性が低下する場合がある。
特開平５−３２６９９０号公報特開２００２−３５３４７９号公報

一方、反応性イオンエッチング法でアルミニウム電極の表面をエッチングすれば、ガスの種類や条件を選択することによって物質毎のエッチング量の制御が可能となるため、エッチングの必要のない銀電極４の表面はエッチング量を減らし、反りの原因になるアルミニウム電極５の表面はエッチング量を増やすという制御が可能になるが、反応性イオンエッチングは装置自体も高価なうえにランニングコストも高い。また、真空装置であるため基板１枚あたりの処理時間も長く、生産性の観点から不向きであるという問題がある。さらに、その表面が粗面化されることから、後工程で太陽電池素子１０の搬送を行うための真空吸着ができなかったり、後工程での割れの原因になったりするという問題があった。

本発明はこのような従来の問題に鑑みてなされたものであり、太陽電池素子の出力特性を維持しつつ、アルミニウムとシリコンの熱収縮率の違いによって焼成後に発生する基板の反りによる後工程でのセル割れを簡易な方法で再現性よく抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る太陽電池素子においては、半導体接合部を有する半導体基板の表面側に表面電極を有するとともに、裏面側にアルミニウム電極からなる裏面電極を有する太陽電池素子において、前記アルミニウム電極中に多数のセラミック粒子を含有させたことを特徴とする。

上記太陽電池素子では、前記セラミック粒子の平均粒径が０．０４〜５μｍであることが望ましい。

また、上記太陽電池素子では、前記セラミック粒子が前記アルミニウム電極中に３〜４０体積％存在することが望ましい。

また、上記太陽電池素子では、前記セラミック粒子がＡｌもしくはＳｉの酸化物であることが望ましい。

また、上記太陽電池素子では、前記セラミック粒子が中空状粒子であってもよい。

請求項１に係る太陽電池素子によれば、半導体接合部を有する半導体基板の裏面側のアルミニウム電極中に多数のセラミック粒子を分散させたことから、従来問題であったアルミニウムと半導体基板の熱収縮率の違いによる半導体基板の反りの発生を抑制することができ、それに起因する太陽電池素子の割れを防ぐことができる。

以下、本発明の実施形態を図１を用いて詳細に説明する。半導体基板１はＰ型単結晶シリコンまたはＰ型多結晶シリコンなどから成る。この半導体基板１の表面側にシート抵抗が３０〜３００Ω／□程度のＮ型不純物の拡散層２を設ける。

この拡散層２はＰ型半導体基板１をＮ型不純物が飛散した雰囲気中で熱処理などして形成する。また、半導体基板１の表面側には窒化シリコン膜などから成る反射防止膜３を設ける。この反射防止膜３は例えばプラズマＣＶＤ法などで形成される。さらに、半導体基板１の表面側には銀などを主成分とする表面電極６が設けられるととともに、裏面側にはアルミニウム電極５と配線材（不図示）を接続するための銀電極４とが設けられる。

本発明においては、図２に示すように、アルミニウム電極５中に多数の気孔部９を設ける。このようにアルミニウム電極５中に多数の気孔部９を設けると、アルミニウム電極５のヤング率が小さくなり、従来問題であったアルミニウムと半導体基板１の熱収縮率の違いによる半導体基板１の反りの発生を抑制することができ、それに起因する太陽電池素子１０の割れを防ぐことができる。

この気孔部９は、その平均最大径が０．０４〜５μｍにするのが望ましい。この気孔部９の平均最大径が０．０４μｍ以下であると添加した粉体の凝集の原因となり、５μｍ以上であるとスクリーン印刷を行う際に目詰まりの原因となって望ましくない。なお、この気孔部９の平均最大径はＳＥＭ観察により測定できる。

この気孔部９は、アルミニウム電極中に３〜５０体積％存在することが望ましい。この気孔部９がアルミニウム電極５中に３体積％以下しか存在しないときは、反りが充分に抑制できず本発明の目的を果たすことができない。５０体積％以上存在するときは、アルミニウム電極５内の抵抗が高くなり電極としての機能を充分に果たさなくなるため、太陽電池素子１０の出力特性の低下につながるため不適である。この気孔部９は２０〜３６体積％が好適である。なお、アルミニウム電極５中の気孔部９の体積割合はＳＥＭ観察により測定できる。

この気孔部９は半導体基板１の反りの抑制および出力特性の確保の観点からアルミニウム電極５中に均一に形成されていることが望ましいが、特に大面積や厚みの薄い、大きな反りを発生させやすい半導体基板１を使用した場合は反りの抑止効果をさらに高めるため半導体基板１側に密集して形成されていてもよいし、更に高い特性を必要とする場合はBSF効果を高めるため表面側に密集して形成されていてもよい。

アルミニウム電極５中に気孔部９を形成するには、例えばアルミニウム粉末、有機溶剤、バインダーなどからなるアルミニウムペースト中にカーボン粒子などの気孔形成剤を分散させて酸化雰囲気中の７００〜９００℃程度の温度で焼成すればよい。このようにアルミニウムペースト中にカーボン粒子などの気孔形成剤を分散させて酸化雰囲気中で焼成すると、アルミニウムペースト中のカーボン粒子は６００℃程度の温度から二酸化炭素となりはじめて空洞になることから、アルミニウム電極５中に気孔部９が形成されることになる。そのため、６００〜７００℃程度の温度領域では、その温度を一定時間維持するか、徐々に昇温することが必要であり、また空洞が潰れないようにアルミニウムの溶融温度以下の温度で焼成することが必要である。

このような気孔部９をアルミニウム電極５中の全体にわたって均一に形成するには、アルミニムペースト中にカーボン粒子などの気孔形成剤を均一に分散させることが必要である。アルミニウムペースト中に気孔形成剤を均一に分散させるためには、充分に攪拌すればよい。また、気孔形成剤の比重がアルミニウムと大きく異なると均一に分散させにくいことから、気孔形成剤としてはできるだけアルミニウムの比重に近似したものがよい。そのような点でもカーボンはアルミニウム電極５の気孔形成剤として有効に用いることができる。

以上詳細に説明したような太陽電池素子によれば、半導体接合部を有する半導体基板の裏面側のアルミニウム電極中に多数の気孔部を設けたことから、従来問題であったアルミニウムと半導体基板の熱収縮率の違いによる半導体基板の反りの発生を抑制することができ、それに起因する太陽電池素子の割れを防ぐことができる。

図３は本発明に係る太陽電池素子のアルミニウム電極部分を拡大して示す図である。この太陽電池素子も上述した太陽電池素子と略同じであるが、この発明では、アルミニウム電極中にＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２のセラミック粒子１１を分散させている。このようにアルミニウム電極中に多数のセラミック粒子１１を分散させても、アルミニウムの熱収縮防止剤となり、従来問題であったアルミニウムと半導体基板１の熱収縮率の違いによる半導体基板１の反りの発生を抑制することができ、それに起因する太陽電池素子１０の割れを防ぐことができる。

このセラミック粒子１１は、平均粒径が０．０４〜５μｍであることが望ましい。このセラミック粒子１１の平均粒径が０．０４μｍ以下であると凝集の原因となり、５μｍ以上であるとスクリーン印刷を行う際に目詰まりの原因となって望ましくない。

このセラミック粒子１１は、アルミニウム電極５中に３〜５０体積％分散させることが望ましい。セラミック粒子１０がアルミニウム電極中に３体積％以下しか存在しないときは、反りが充分に抑制できず本発明の目的を果たすことができない。５０体積％以上存在するときは、アルミニウム電極５内の抵抗が高くなり電極としての機能を充分に果たさなくなるため、太陽電池素子１０の出力特性の低下につながるため不適である。ＳｉＯ_２の場合、１０〜３０体積％が好適であり、Ａｌ_２Ｏ_３の場合、５〜１５体積％が最適である。なお、アルミニウム電極５中のセラミック粒子１１の体積割合はＳＥＭ観察により測定できる。

このセラミック粒子１１は半導体基板１の反りの抑制および出力特性の確保の観点からアルミニウム電極５中に均一に形成されていることが望ましいが、特に大面積や厚みの薄い、大きな反りを発生させやすい半導体基板１を使用した場合は反りの抑止効果をさらに高めるため半導体基板１側に密集して形成されていてもよいし、更に高い特性を必要とする場合はＢＳＦ効果を高めるため表面側に密集して形成されていてもよい。

アルミニウム電極５中にセラミック粒子１１を分散させるには、例えばアルミニウム粉末、有機溶剤、バインダーなどからなるアルミニウムペースト中にＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２などのセラミック粒子１１を分散させて７００〜９００℃程度の温度で焼成すればよい。

このようなＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２などのセラミック粒子１１をアルミニウム電極５中の全体にわたって均一に存在させるためには、アルミニムペースト中にセラミック粒子１１を均一に分散させることが必要である。アルミニウムペースト中にセラミック粒子１１を均一に分散させるためには、充分に攪拌すればよい。また、セラミック粒子１１の比重がアルミニウムと大きく異なると均一に分散させにくいことから、セラミック粒子１１としてはできるだけアルミニウムに比重が近似したものがよい。そのような点でもＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２などはアルミニウム電極５に分散させるセラミック粒子１１として有効に用いることができる。

また、上記セラミック粒子１１は中空状のセラミック粒子であってもよい。中空状のセラミック粒子の場合、添加重量が小さくても体積をかせぐことができる。

以上、詳細に説明したような太陽電池素子によれば、半導体接合部を有する半導体基板の裏面側のアルミニウム電極中に多数のセラミック粒子を分散させたことから、従来問題であったアルミニウムと半導体基板の熱収縮率の違いによる半導体基板の反りの発生を抑制することができ、それに起因する太陽電池素子の割れを防ぐことができる。

アルミニウム電極の電極材料として、アルミニウム粉末、バインダー、有機溶剤、ガラスフリットからなるアルミニウムペーストにカーボン粉末をアルミニウムペーストの全重量比に対し１４％含有させたアルミニウムペーストを１４．５ｃｍ×１４．５ｃｍの面積で１６００ｍｇ塗布し、７６０℃で焼成して気孔部を形成した１５ｃｍ×１５ｃｍ×０．３５ｍｍの太陽電池素子（焼き上がりの気孔部は２８体積％）の反りと出力特性（Ｐｍ）と、アルミニウムペーストにそれぞれＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３をアルミニウムペーストの全重量比に対し１４％含有させた本発明によるアルミニウムペーストをそれぞれ１４．５ｃｍ×１４．５ｃｍの面積で１６００ｍｇ塗布し、７６０℃で焼成することによって得られた１５ｃｍ×１５ｃｍ×０．３５ｍｍの太陽電池素子の反りと出力特性（Ｐｍ）とを表１に示す（焼き上がりのＳｉＯ_２は２０体積％、Ａｌ_２Ｏ_３は１０体積％）。また、上述のような気孔部を形成せず、またセラミック粒子も分散させない従来のアルミニウム電極を有する１４．５ｃｍ×１４．５ｃｍの太陽電池素子の反りと出力特性（Ｐｍ）も表１に示す

表１に示すように従来の方法によって得られた太陽電池素子の反りが１．０２ｍｍであったのに対し、本発明によって得られた太陽電池素子の反りは０．６９〜０．７３ｍｍに低減した。また、太陽電池素子の出力特性は従来の太陽電池が３．３６９Ｗであったのに対し、本発明による太陽電池素子は３．３７２〜３．３８５Ｗとほぼ同等の特性であった。

本発明に係る太陽電池素子を示す図である。本発明に係る太陽電池素子においてアルミニウム電極に気孔部を形成した例を示す図である。本発明に係る太陽電池素子においてアルミニウム電極にセラミック粒子を分散させた例を示す図である。従来の太陽電池素子を示す図である。従来の太陽電池素子の裏面電極を示す図である。

符号の説明

１：半導体基板、２：拡散層、３：反射防止膜、４：裏面側銀電極、５：アルミニウム電極、６：表面電極、７：裏面側半田層、８：表面側半田層、１０：太陽電池素子

Claims

半導体接合部を有する半導体基板の表面側に表面電極を有するとともに、裏面側にアルミニウム電極からなる裏面電極を有する太陽電池素子において、
前記アルミニウム電極中に多数のセラミック粒子を含有させたことを特徴とする太陽電池素子。
前記セラミック粒子の平均粒径が０．０４〜５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池素子。
前記セラミック粒子が前記アルミニウム電極中に３〜４０体積％存在することを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池素子。
前記セラミック粒子がＡｌもしくはＳｉの酸化物であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の太陽電池素子。
前記セラミック粒子が中空状粒子であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の太陽電池素子。
前記セラミック粒子の比重は、アルミニウムの比重と近似することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の太陽電池素子。
前記セラミック粒子は、前記アルミニウム電極中に分散して存在することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の太陽電池素子。
前記セラミック粒子は、前記アルミニウム電極表面側よりも前記半導体基板側に多く存在することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の太陽電池素子。
前記セラミック粒子は、前記半導体基板側よりも前記アルミニウム電極表面側に多く存在することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の太陽電池素子。
半導体接合部を有する半導体基板の表面側に表面電極を有するとともに、裏面側にアルミニウム電極からなる裏面電極を有する太陽電池素子の製造方法において、
前記半導体基板の裏面側に、多数のセラミック粒子を含有させたアルミニウムペーストを塗布する工程と、
塗布された前記アルミニウムペーストを焼成する工程と、を備えた太陽電池素子の製造方法。
アルミニウム粉末、バインダー、有機溶剤、ガラスフリット及びセラミック粒子を含有して成る太陽電池素子電極形成用アルミニウムペースト。
前記セラミック粒子の平均粒径が０．０４〜５μｍであることを特徴とする請求項１１に記載の太陽電池素子電極形成用アルミニウムペースト。
前記セラミック粒子がＡｌもしくはＳｉの酸化物であることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の太陽電池素子電極形成用アルミニウムペースト。
前記セラミック粒子が中空状粒子であることを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれかに記載の太陽電池素子電極形成用アルミニウムペースト。
前記セラミック粒子の比重は、アルミニウムの比重と近似することを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれかに記載の太陽電池素子電極形成用アルミニウムペースト。