JP2006324590A - 裏面電極型太陽電池とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い性能を有する裏面電極型太陽電池を簡便かつ低コストで提供する。
【解決手段】 半導体基板の裏面上にｐ（正）とｎ（負）の電極が形成される裏面電極型太陽電池の製造方法は、ｐ（正）とｎ（負）のフィンガー電極パターン（５５）のそれぞれに対応する概略長方形形状の複数の開口部（３１、３２）を有するメタルマスク（３０）を位置合せして半導体基板（１０）の裏面に相対して配置する工程と、メタルマスクの開口部を介して半導体基板の裏面上に電極金属膜を蒸着またはスパッタリング（４０）によって形成する工程と、それらの工程によって形成されたｐ（正）とｎ（負）の電極を有する基板の複数をインターコネクタを介して相互に直列接続する工程を含むことを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高い性能と信頼性を有する裏面電極型太陽電池を低コストで提供する技術に関する。

太陽光エネルギを直接的に電気エネルギに変換する太陽電池は、近年では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使ったもののように様々な種類もあるが、現在において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。現在において最も多く生産されて販売されている太陽電池では、太陽光を受ける受光面にｎ（負）電極が設けられ、裏面にはｐ（正）電極が設けられている。受光面側に設けられたｎ（負）電極は電流の取り出しのために必要不可欠であるが、その電極下の基板には太陽光が入射しないので、その領域では発電を生じない。したがって、ｎ（負）電極面積が大きければ、光電変換効率が低下する。このような受光面側の電極による光損失は、シャドウロスと呼ばれている。

受光面側に電極が設けられていない裏面電極型太陽電池では、受光面電極によるシャドウロスがなく、入射する太陽光の１００％を太陽電池内に取り込むことができるので、原理的に高い光の利用効率の実現が可能である。特許文献１の米国特許第４，９２７，７７０号公報では、集光型に適した裏面ポイントコンタクト型の太陽電池が開示されている。この特許文献１の太陽電池の構造が、図５（ａ）の模式的断面図において図解されている。

図５（ａ）の太陽電池では、シリコン基板１０の裏面側において、複数のｐ拡散層１２と複数のｎ拡散層１３とが交互に設けられている（図５（ａ）においては、一対のｐ拡散層１２とｎ拡散層１３のみが示されている）。基板１０の両主面上にはパッシベーション層１１が形成されており、これによって電荷キャリアの表面再結合が抑制されている。裏面側に設けられたコンタクトホール１６、１７を介してｐ拡散層１２にはｐ（正）電極１４が接続され、ｎ拡散層１７にはｎ（負）電極１５が接続されており、これらの電極１４、１５から電流が取り出される。受光面上にあるパッシベーション層１１は、反射防止膜としての働きも兼ねている。図５（ａ）からわかるように、ｐ（正）電極１４と（負）電極１５の両方が基板１０の裏面側に形成されており、基板１０の表面（受光面）側には光を遮るものがないので、入射する太陽光の１００％を基板１０内に取り込むことができる。

図５（ａ）の太陽電池は、以下のようなプロセスによって作製される。まず、シリコン基板１０の両主面上に酸化膜を形成してその上に窒化膜を堆積することによって、パッシベーション層１１を形成する。次に、フォトリソグラフィ技術によってｎコンタクトホール１７を開け、ｎ型のドーパントを含むガラス層をＣＶＤ（化学気相堆積）によって堆積させる。そして、そのガラス層がｐ拡散層１６に相当する領域において除去された後に、ｐコンタクトホール１６をフォトリソグラフィ技術によって形成し、ｐ型のドーパントを含むガラス層を堆積させる。それらのガラス層が堆積された基板１０を９００℃で加熱すれば、ｐ拡散層１２とｎ拡散層１３が形成される。その後、拡散源となったガラス層の全てを除去し、Ｈ₂中において９００℃以上の高温でシリコン基板１０を熱処理して、Ｓｉ−ＳｉＯ₂間の界面を水素化処理する。そして、蒸着またはスパッタなどによって金属層を堆積し、フォトリソグラフィ技術によってその金属層をパターニングして、ｐ（正）電極１４およびｎ（負）電極１５を形成する。

集光型の裏面電極型太陽電池では、太陽光を数十〜数百倍の強度に集光するので、非常に大きな光電流が発生する。そこで、裏面電極は配線抵抗による損失を最小限にするために２層金属構造にされることが多く、特許文献１の裏面電極型太陽電池においてもそのような構造が採用されている。２層金属構造の形成においては、まずｐとｎの各拡散層と接続するように拡散層のパターンに合わせて微細なパターニングを施した１層目の金属層を形成し、そしてｐ（正）電極とｎ（負）電極とが短絡しないように絶縁層を形成して、１層目の金属層上に外部回路の接続をするための２層目の金属層が形成される。このような２層金属構造を採用することによって、電極金属の配線抵抗による損失を最小限にすることができる。しかし、この２層金属構造のデメリットは、その形成工程が複雑なことである。

他方、集光型でない場合は、発生する光電流がそれほど大きくないので、配線抵抗による損失も比較的少ない。その場合は、複雑な工程を要する２層金属構造を採用する必要性は少なく、１層だけで電極層を形成した方がコスト的に有利である。そのような場合の電極パターンの例が、図５（ｂ）の模式的平面図に示されている。この図５（ｂ）において、ｐとｎの拡散層パターンに対応したｐとｎのフィンガー電極２１、２３が交互に配置され、それぞれがｐとｎのバスバー電極２２、２４に接続されており、概略的に櫛歯状のｐ電極とｎ電極がかみ合ったような電極パターンとなっている。

ところで、太陽電池はその一枚だけで得られる電力が小さいので、複数の太陽電池を相互に接続して使うことが普通である。一般に、一枚の太陽電池をセルと呼び、セルの数枚〜数十枚を接続したものをモジュールと呼ぶ。複数のセルを並列に接続すればモジュール全体の電流が大きくなって配線抵抗による損失が大きくなるので、複数のセルを直列に接続するのが普通である。図５（ｃ）の模式的平面図において、裏面電極型太陽電池セルを直列接続した例が示されている。ｐバスバー電極２２とｎバスバー電極２４がインターコネクタ２０を介して接続されており、これによってセル同士が相互に直列に接続されている。インターコネクタは太陽電池セル同士を接続するための導電材であり、銅などの低抵抗金属箔にハンダメッキなどを施して形成されている。そのようなインターコネクタとバスバー電極とをハンダ付けすることによって、セル間で物理的かつ電気的な接続が行われる。

ｎ（負）電極用の金属層としては、たとえばチタン、パラジウム、および銀（Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｇ）の各層をこの順に積層したものが用いられることが多い。チタンはｎ⁺型Ｓｉ層との密着性が高く、また接触抵抗が低い上に金属元素がｎ⁺型Ｓｉ層を突き抜けるスパイク現象が生じない金属として知られている。また、銀は、はんだ付け特性が良好な金属として知られている。パラジウムはチタンおよび銀の双方との密着性が良好であり、一種の接着剤として機能する。チタン、パラジウム、および銀の組み合わせと同様の機能を有していてｎ（負）電極１８として使用可能な金属の組み合わせとしては、他にチタン、ニッケル、およびパラジウム（Ｔｉ／Ｎｉ／Ｐｄ）の組み合わせ、またはチタン、ニッケル、および金（Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ）の組み合わせなどが考えられる。

他方、ｐ（正）電極には、アルミニウムが使用される場合が多い。しかし、アルミニウムははんだ付けができないので、一般にアルミニウム上にニッケルメッキを施した上に金メッキが施される。また、アルミニウム上にチタン、パラジウム、および銀の各層をこの順に積層することによって、結晶シリコン基板１０との密着性を確保するとともにアルミニウムとの接触抵抗も低下させることもよく行われる。しかし、チタンに関しては、適当なエッチング液が知られていない。したがって、結晶シリコン基板１０の所定位置にチタン層を形成するためには、一般にリフトオフ法が使用される。

図６（ａ）〜（ｅ）において、パターン化された金属電極を形成するリフトオフ法の一例が模式的断面図で図解されている。この方法では、図６（ａ）において、基板１０の裏側のパターン面５１の全面にレジスト５２を均一にコーティングする。次に、図６（ｂ）において、パターン面５１に対面してマスクを正確にセットして金属電極形成箇所５４のみを露光すれば、その露光によってレジスト５２が台形状に重合する。そして、図６（ｃ）において、非露光部分を除いてレジストのエッチング除去を行えば、電極形成箇所５４が露出されて、電極非形成箇所５３がレジスト５２で覆われたままになる。さらに、図６（ｄ）において、パターン面５１の全面上に金属を蒸着またはスパッタリングし、電極形成箇所５４とレジスト５２の上に金属膜５５、５６が形成される。最後に、図６（ｅ）において、レジスト溶解用薬液をパターン面５１上に散布して、レジスト５２が溶解除去される。その結果、レジスト５２の支持がなくなった金属蒸着膜５６は、パターン面５１から浮き上がった状態になって脱離する。すなわち、図６（ｅ）においては、電極非形成箇所５３上の金属膜５６が脱離して、電極形成箇所５４上に金属膜５５が電極として形成されている状態が示されている。
米国特許第４，９２７，７７０号

上述のように、リフトオフ法はプロセスが複雑であるので生産性が極めて低く、それによる大量生産はほとんど不可能である。また、リフトオフ法はレジストなどの高価な材料を多量に使う必要があるので、材料コストも高くて当然にプロセスコストも高く、一般の地上用太陽電池の作製には適していない。

そこで、本発明は、高い性能と信頼性を有する裏面電極型太陽電池を簡便かつ低コストで提供することを目的としている。

本発明によれば、半導体基板の裏面上にｐ（正）とｎ（負）の電極が形成される裏面電極型太陽電池の製造方法は、ｐ（正）とｎ（負）のフィンガー電極パターンのそれぞれに対応する概略長方形形状の複数の開口部を有するメタルマスクを位置合せして半導体基板の裏面に相対して配置する工程と、メタルマスクの開口部を介して半導体基板の裏面上に電極金属膜を蒸着またはスパッタリングによって形成する工程と、それらの工程によって形成されたｐ（正）とｎ（負）の電極を有する基板の複数をインターコネクタを介して相互に直列接続する工程を含むことを特徴としている。

なお、メタルマスクの断面形状において、半導体基板側の辺がその対辺よりも短い概略台形になっていることが好ましい。メタルマスクの開口部の形状は、電極がインターコネクタに接続される部分に相当する部分が幅広にされた概略Ｔ字型形状となっていることも好ましい。

また、メタルマスクとして、ｐ（正）電極パターンに対応する開口部を有するメタルマスクと、ｎ（負）電極パターンに対応する開口部を有するメタルマスクの２種類を用いて、ｐ（正）電極とｎ（負）電極とで成分および構成の異なる金属膜を形成することが好ましい。たとえば、ｎ（負）電極として、チタン、パラジウム、および銀（Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｇ）の各層をこの順に積層することができる。ｎ（負）電極として、チタン、ニッケル、およびパラジウム（Ｔｉ／Ｎｉ／Ｐｄ）の各層をこの順に積層してもよい。さらに、ｎ（負）電極として、チタン、ニッケル、および金（Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ）の各層をこの順に積層してもよい。

他方、ｐ（正）電極としては、アルミニウムを堆積した上にニッケルメッキと金メッキを順次施すことが好ましい。ｐ（正）電極として、アルミニウム、チタン、パラジウム、および銀（Ａｌ／Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｇ）の各層をこの順に積層してもよい。

以上のような製造方法を用いて作製された裏面電極型太陽電池は、高い光電変換効率を有し得る。

以上のような本発明によれば、高い光電変換効率を有しかつ信頼性の高い裏面電極型太陽電池を簡便かつ低コストで製造することができる。

前述のように、リフトオフ法による電極形成ではプロセスが複雑でコスト高となる上に生産性が極めて低くて大量生産がほとんど不可能であるので、より簡単な電極形成法が求められる。簡便な蒸着またはスパッタリングによる金属膜のパターニング方法として、メタルマスクを使う方法がある。これは、所望のパターンの形の開口部を設けたメタルマスクを基板面上に配置してから、蒸着またはスパッタリングで金属膜を形成する方法である。この方法によれば、金属膜はメタルマスク開口部にのみ形成されるので、金属膜の形成とパターニングを一括して同時に行うことができる。すなわち、この方法は非常にシンプルな方法なので、リフトオフ法に比べて生産性が格段に高くて大量生産を可能にし、またパターニング用レジストなどの消耗材料も要しないので、コストも安く抑えることができる。

メタルマスクを用いる方法の欠点は、複雑なパターンの形成には不向きであって、形成できるパターンが制限されるという点である。たとえば、図５（ｂ）の電極パターンをメタルマスクを用いて形成するためには、電極に対応する開口部を有するメタルマスクを作製する必要がある。すなわち、図５（ｂ）中の細い屈曲した白い帯状部分に相当するメタルマスクを作製しなければならないが、そのような形状のメタルマスクはそれ自身の構造を支えることができない。したがって、裏面電極型太陽電池の電極形成は、従来ではメタルマスクを用いて行うことができなかった。本発明ではこの問題を解決し、メタルマスクを用いることによって裏面電極型太陽電池の電極形成を行う方法を提供する。

図１と図２において、本発明の実施例１が図解されている。図１（ａ）の模式的平面図は、実施例１の製造方法に使用し得るメタルマスクの一例を示している。この図に示されているように、ｐ（正）とｎ（負）のフィンガー電極パターンにそれぞれに対応する概略長方形形状の複数の開口部３１、３２を有するメタルマスク３０を用意する。次に、図１（ｂ）に示されているように、このメタルマスク３０を半導体基板１０の裏面に相対して配置する。このとき、図示されているような枠３３内に基板１０とメタルマスク３０のそれぞれをはめ込むようにすれば、それらを簡単に位置合せして配置することができる。その位置合せされた状態において、蒸着またはスパッタリングされた金属原子４０によって電極金属膜を形成する。図１（ｃ）の模式的断面図において、電極金属膜５５を形成する様子が拡大して示されている。この図において、電極非形成領域５３上にはメタルマスク３０が存在し、その上に電極非形成領域の金属膜５６が堆積されている。蒸着またはスパッタリングを終了した後にメタルマスク３０を取り除けば、図１（ｄ）に示されているように、電極形成領域にのみ金属膜５５が堆積された基板１０を得ることができる。

図２（ａ）の模式的平面図は、本実施例１において蒸着またはスパッタリングを終了した段階における太陽電池セルの裏面の様子を示している。この段階では、個々のｐ（正）とｎ（負）のフィンガー電極１４、１５がバスバー電極に接続されていないので、それらのフィンガー電極から電流を集めて取り出すことができない。そこで、図２（ｂ）に示されているように、太陽電池セルをモジュール化するための次の工程において、インターコネクタ２０を介して複数の太陽電池セル間を相互に直列接続すると同時に、一枚の太陽電池セル内の複数のｐ（正）またはｎ（負）のフィンガー電極１４または１５を相互接続する。すなわち、インターコネクタ２０がセル間を接続する役割を担うと同時に、一枚の太陽電池セル内の電流を集電するバスバー電極としての役割も果たすのである。本実施例１の製造方法を採用することによって、リフトオフ法によらずに裏面電極が形成でき、高効率の裏面電極型太陽電池を低コストで大量に生産できるようになる。

図３の模式的断面図において、本発明の実施例２が図解されている。この図は、蒸着またはスパッタリングを行う際に用いられるメタルマスクの一部の断面を示している。図３（ａ）に示されているように、メタルマスク３０の断面形状において半導体基板側の辺がその対辺よりも長い台形になっていれば、メタルマスク３０の側面にも金属膜が形成されて、電極非形成領域の金属膜５６と電極形成領域の金属膜５５とがつながった状態になってしまう。これでは、半導体基板からメタルマスク３０を取り除いたときに、電極形成領域の金属膜５５まで剥離してしまう可能性が生じる。

したがって、メタルマスク３０の断面形状は、図３（ｂ）に示されているように、少なくとも長方形または正方形である必要がある。しかし、図３（ｂ）の場合でも、蒸着またはスパッタリングされた金属原子４０が基板に対して垂直ではなくて斜め方向から堆積されれば、メタルマスク３０の側面にも金属膜層が形成されて図３（ａ）の場合と同様の不具合が生じる可能性がある。

そこで、図３（ｃ）に示されているように、メタルマスク３０の断面形状は、半導体基板側の辺がその対辺よりも短い台形であることが好ましい。これであれば、メタルマスク３０の側面に金属膜が形成されることはなく、電極の形成とパターニングを同時かつ確実に行えるようになり、製品歩留りを向上させることができる。

図４の模式的平面図において、本発明の実施例３が図解されている。図５（ｃ）におけるようにインターコネクタ２０とバスバー電極２２、２４とを接続する場合に比べて、図２（ｂ）に示された実施例１の場合には、インターコネクタとｐ（正）およびｎ（負）の電極１４、１５との接触面積が大幅に減少することになり、接触抵抗の増大と接続信頼性の低下を招く可能性がある。

そこで、本実施例３では、図４（ａ）に示されているように、メタルマスク開口部３１、３２の形状はインターコネクタが接続される部分を幅広にしたＴ字型形状にされる。このメタルマスク３０を使って作製した太陽電池セルにおいては、図４（ｂ）、（ｃ）に示されているように、インターコネクタ２０が電極１４、１５に接続される部分の面積が大きくなる。これによって、接触抵抗を低減するとともに接続信頼性を向上させることができ、実施例１に比べてもさらに性能と信頼性が高い太陽電池モジュールを作製することができる。

なお、以上の実施例ではｐ（正）とｎ（負）の電極を一括して形成する方法を示しているが、ｐ（正）電極とｎ（負）電極のそれぞれに最適な金属元素を使うことによって、接触抵抗を低減させ得るとともに、接着強度を向上させることができる。たとえば、ｐ（正）電極を形成する場合にはｐ（正）電極パターンに対応する開口部を有するメタルマスクを用いてｐ（正）電極用金属膜を蒸着またはスパッタリングで形成し、ｎ（負）電極を形成する場合にはｎ（負）電極パターンに対応する開口部を有するメタルマスクを用いてｎ（負）電極用金属膜を蒸着またはスパッタリングで形成する。このように、ｐ（正）電極とｎ（負）電極とにおいて互いに成分や構成の異なる金属膜を形成することによって、性能と信頼性が高い太陽電池モジュールを作製することができる。

ｎ（負）電極としては、チタン、パラジウム、および銀（Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｇ）の各層をこの順に積層したもの、チタン、ニッケル、およびパラジウム（Ｔｉ／Ｎｉ／Ｐｄ）の各層をこの順に積層したもの、またはチタン、ニッケル、および金（Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ）の各層をこの順に積層したものが適している。ｎ（負）電極としてこれらの成分と構成の金属膜を形成することによって、その電極の接触抵抗を下げると共に接着強度を上げることができ、性能と信頼性が高い太陽電池を作製することができる。

同様に、ｐ（正）電極としては、アルミニウムを堆積した上にニッケルメッキと金メッキを順次施したもの、またはアルミニウム、チタン、パラジウム、および銀（Ａｌ／Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｇ）の各層をこの順に積層したものが適している。ｐ（正）電極としてこれらの成分と構成の金属膜を形成することによって、その電極の接触抵抗を下げると共に接着強度を上げることができ、性能と信頼性が高い太陽電池を作製することができる。

以上のように、本発明によれば、高い性能と信頼性を有する裏面電極型太陽電池を簡便かつ低コストで提供することができる。

本発明の一実施例による裏面電極型太陽電池製造方法を図解する模式図である。 図１の方法によって形成された裏面電極型太陽電池の裏面側を示す模式的平面図である。 本発明の他の実施例において用いられるメタルマスクを示す模式的断面図である。 本発明のさらに他の実施例による裏面電極型太陽電池の裏面側を示す模式的平面図である。 公知の裏面電極型太陽電池を図解する模式図である。 リフトオフ法の工程を図解する模式的断面図である。

符号の説明

１０ シリコン基板、１１ パッシベーション層、１２ ｐ拡散層、１３ ｎ拡散層、１４ ｐ（正）電極、１５ ｎ（負）電極、１６ ｐ領域コンタクトホール、１７ ｎ領域コンタクトホール、２０ インターコネクタ、２１ ｐフィンガー電極、２２ ｐバスバー電極、２３ ｎフィンガー電極、２４ ｎバスバー電極、３０ メタルマスク、３１ ｐ（正）電極用窓、３２ ｎ（負）電極用窓、３３ 枠、４０ 蒸着またはスパッタリングされた金属原子、５１ パターン面、５２ レジスト、５３ 電極非形成領域、５４ 電極形成領域、５５ 電極形成領域の金属膜、５６ 電極非形成領域の金属膜層。

Claims (10)

1. 半導体基板の裏面上にｐ（正）とｎ（負）の電極が形成される裏面電極型太陽電池の製造方法であって、
   ｐ（正）とｎ（負）のフィンガー電極パターンのそれぞれに対応する概略長方形形状の複数の開口部を有するメタルマスクを位置合せして前記半導体基板の裏面に相対して配置する工程と、
   前記メタルマスクの開口部を介して前記半導体基板の裏面上に電極金属膜を蒸着またはスパッタリングによって形成する工程と、
   上記工程によって形成されたｐ（正）とｎ（負）の電極を有する前記基板の複数をインターコネクタを介して相互に直列接続する工程を含むことを特徴とする裏面電極型太陽電池の製造方法。
2. 前記メタルマスクの断面形状において、前記半導体基板側の辺がその対辺よりも短い概略台形になっていることを特徴とする請求項１に記載の裏面電極型太陽電池の製造方法。
3. 前記メタルマスクの開口部の形状は、前記電極が前記インターコネクタに接続される部分に相当する部分が幅広にされた概略Ｔ字型形状となっていることを特徴とする請求項１または２に記載の裏面電極型太陽電池の製造方法。
4. 前記メタルマスクとして、ｐ（正）電極パターンに対応する開口部を有するメタルマスクと、ｎ（負）電極パターンに対応する開口部を有するメタルマスクの２種類を用いて、前記ｐ（正）電極と前記ｎ（負）電極とで成分および構成の異なる金属膜を形成することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の裏面電極型太陽電池の製造方法。
5. 前記ｎ（負）電極として、チタン、パラジウム、および銀（Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｇ）の各層をこの順に積層することを特徴とする請求項４に記載の裏面電極型太陽電池の製造方法。
6. 前記ｎ（負）電極として、チタン、ニッケル、およびパラジウム（Ｔｉ／Ｎｉ／Ｐｄ）の各層をこの順に積層することを特徴とする請求項４に記載の裏面電極型太陽電池の製造方法。
7. 前記ｎ（負）電極として、チタン、ニッケル、および金（Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ）の各層をこの順に積層することを特徴とする請求項４に記載の裏面電極型太陽電池の製造方法。
8. 前記ｐ（正）電極として、アルミニウムを堆積した上にニッケルメッキと金メッキを順次施すことを特徴とする請求項４から７のいずれかに記載の裏面電極型太陽電池の製造方法。
9. 前記ｐ（正）電極として、アルミニウム、チタン、パラジウム、および銀（Ａｌ／Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｇ）の各層をこの順に積層することを特徴とする請求項４から７のいずれかに記載の裏面電極型太陽電池の製造方法。
10. 請求項１から９のいずれかの裏面電極型太陽電池の製造方法を用いて作製されていることを特徴とする裏面電極型太陽電池。

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