JP2014192262A - 太陽電池セルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
変換効率の高い太陽電池セルを生産性良く製造すること。
【解決手段】
第１主面にｐ型半導体層、第２主面にｎ型半導体層を有する半導体ウェハの各主面にＡｇ−Ａｌペーストをそれぞれ印刷し、これらのＡｇ−Ａｌペーストを同時に焼成して、第１主面にｐ型半導体層コンタクト電極、第２主面にｎ型半導体層コンタクト電極を形成する、太陽電池セルの製造方法であって、ｎ型半導体層用のＡｇ−ＡｌペーストにおけるＡｌ粉末の重量比率を、ｐ型半導体層用のＡｇ−ＡｌペーストにおけるＡｌ粉末の重量比率よりも高くする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池セル、特に両面受光型の太陽電池セルの製造方法に関する。

両面受光型の太陽電池セルは、片面受光型の太陽電池セルに比べて受光量を増やすことができ、高い変換効率を有することから、次世代型の太陽電池セルの１つとして有望視されている。

両面受光型の太陽電池セルは、たとえば特許文献１や特許文献２に開示された構造を有する。この太陽電池セルでは、一方主面にｐ型半導体層、他方主面にｎ型半導体層を有した半導体ウェハが利用されており、半導体ウェハの一方主面、他方主面には、ｐ型半導体層へのコンタクト電極、ｎ型半導体層へのコンタクト電極がそれぞれ形成されている。これらのコンタクト電極は、Ａｇを主成分とする導電性ペーストを焼成することによって形成されている。

ｐ型半導体層コンタクト電極およびｎ型半導体層コンタクト電極に用いられる導電性ペーストとしては、焼成時の各ペーストの挙動（焼成収縮挙動や反応プロファイル）が比較的一致しやすいことから、また、生産性の観点から、通常、同一の導電性ペーストが用いられる。

特開２００９−５９８３３号公報 特開２０１２−５４４５７号公報

しかしながら、ｐ型半導体層用とｎ型半導体層用に同一のＡｇ系導電性ペースト、特にＡｇ−Ａｌペーストを用いると、ｎ型半導体層とｎ型半導体層コンタクト電極との接触抵抗が、ｐ型半導体層とｐ型半導体層コンタクト電極との接触抵抗よりも高くなってしまう傾向がある。すなわち、同一の導電性ペーストを用いた場合、太陽電池セルの変換効率を十分に高めることが難しい。

本発明は上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、変換効率の高い太陽電池セルを生産性良く得ることが可能な、太陽電池セルの製造方法を提供することにある。

すなわち、本発明の太陽電池セルの製造方法は、第１主面にｐ型半導体層、第２主面にｎ型半導体層を有する半導体ウェハを用意し、前記半導体ウェハの前記第１主面に、導電性金属としてＡｇ粉末およびＡｌ粉末を含有するｐ型半導体層用Ａｇ−Ａｌペーストを印刷し、前記第２主面に、導電性金属としてＡｇ粉末およびＡｌ粉末を含有するｎ型半導体層用Ａｇ−Ａｌペーストを印刷し、前記ｐ型半導体層用Ａｇ−Ａｌペーストと前記ｎ型半導体層用Ａｇ−Ａｌペーストを同時に焼成して、前記第１主面にｐ型半導体層コンタクト電極、前記第２主面にｎ型半導体層コンタクト電極を形成する、太陽電池セルの製造方法において、前記ｎ型半導体層用Ａｇ−Ａｌペーストにおける前記Ａｌ粉末の重量比率を、前記ｐ型半導体層用Ａｇ−Ａｌペーストにおける前記Ａｌ粉末の重量比率よりも高くする、ことを特徴とする。

本発明によれば、特に、ｐ型半導体層用の導電性ペーストおよびｎ型半導体層用の導電性ペーストの両者をＡｇ−Ａｌペーストとし、かつ、ｎ型半導体層用Ａｇ−ＡｌペーストにおけるＡｌ粉末の重量比率を、ｐ型半導体層用Ａｇ−ＡｌペーストにおけるＡｌ粉末の重量比率よりも高くすることにより、生産性良く、変換効率の高い太陽電池セルを得ることができる。

本実施形態の太陽電池セルの表面側の平面図（Ａ）、裏面側の平面図（Ｂ）、一部断面図（Ｃ）である。 本実施形態の太陽電池セルの製造方法を説明するための一部断面図である。

以下、本発明を実施形態に基づき説明する、
図１に示すように、本実施形態の太陽電池セルは、両面受光型の太陽電池セルであって、ｎ型単結晶シリコンウェハを半導体基板として利用したものである。このシリコンウェハの第１主面（表面）側にはｐ型半導体層、第２主面（裏面）側にはｎ型半導体層がそれぞれ形成されている。図示していないが、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層の表面には微小な凹凸（テクスチャ構造）を有している。

シリコンウェハの両主面、つまりｐ型半導体層の表面およびｎ型半導体層の表面には、窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）膜がそれぞれコーティングされている。この窒化ケイ素膜は、太陽光の反射を低減させるための反射防止膜、ならびに、シリコンウェハの安定化（不活性化）を図るためのパッシベーション膜として機能する。反射防止膜およびパッシベーション膜としては、窒化ケイ素膜の他、酸化ケイ素膜等が利用されることもある。

さらに、シリコンウェハの両主面には、グリッド状にパターニングされたコンタクト電極がそれぞれ形成されている。これらのコンタクト電極は、Ａｇ（銀）を主導電性成分とし、Ａｌ（アルミニウム）を副導電性成分とした導体パターンである。これらのコンタクト電極は、複数のフィンガー電極および複数のフィンガー電極を接続する複数のバスバー電極によってそれぞれ構成されている。このバスバー電極の線幅はフィンガー電極の線幅よりも太い。また、第１主面のコンタクト電極のパターン形状と第２主面のコンタクト電極のパターン形状は、ほぼ同じである。第１主面のコンタクト電極は、ｐ型半導体層にオーミックコンタクトしており、ｐ型半導体層コンタクト電極として機能する。第２主面のコンタクト電極は、ｎ型半導体層にオーミックコンタクトしており、ｎ型半導体層コンタクト電極として機能する。

この太陽電池セルは、次のように製造される。

まず、半導体基板の表面にエッチング処理やブラスト処理を施して、微小な凹凸（テクスチャ構造）を形成し（図示省略）、その後、図２（Ａ）に示すように、半導体基板の第１主面にｐ型半導体層、第２主面にｎ型半導体層を形成する。この半導体基板は、たとえばｎ型の単結晶シリコンウェハであり、一方主面に、ホウ素のドープによりｐ型半導体層を形成し、他方主面にリンのドープによりｎ型半導体層を形成する。

次いで、図２（Ｂ）に示すように、ＰＶＤ法やＣＶＤ法によって、反射防止膜やパッシベーション膜として機能する窒化ケイ素膜を形成する。次いで、図２（Ｃ）に示すように、このシリコンウェハの第１主面にｐ型半導体層用Ａｇ−Ａｌペーストをスクリーン印刷等によってパターニングし、同様に、第２主面にｎ型半導体層用Ａｇ−Ａｌペーストをスクリーン印刷等によってパターニングする。その後、パターニングされたｐ型半導体層用Ａｇ−Ａｌペーストとｎ型半導体層用Ａｇ−Ａｌペーストとを、同時に、７００〜８００℃で焼成する。すると、図１（Ｃ）に示すように、Ａｇ−Ａｌペーストが焼結（金属化）するとともに、窒化ケイ素膜をファイアースルーして、ｐ型半導体層コンタクト電極、ｎ型半導体層コンタクト電極がそれぞれ形成される。

本実施形態では、ｎ型半導体層用およびｐ型半導体層用の導電性ペーストとしてＡｇ−Ａｌペーストを用い、かつ、ｎ型半導体層用Ａｇ−ＡｌペーストにおけるＡｌ粉末の重量比率を、ｐ型半導体層用Ａｇ−ＡｌペーストにおけるＡｌ粉末の重量比率よりも高くしている。このように、ｐ型半導体層用の導電性ペーストおよびｎ型半導体層用の導電性ペーストの両者をＡｇ−Ａｌペーストとし、かつ、ｎ型半導体層用Ａｇ−ＡｌペーストにおけるＡｌ粉末の重量比率を、ｐ型半導体層用Ａｇ−ＡｌペーストにおけるＡｌ粉末の重量比率よりも高くすることにより、焼成時の各ペーストの挙動（焼成収縮挙動や反応プロファイル）を大きく異ならせることなく、ｎ型半導体層とｎ型半導体層コンタクト電極との接触抵抗（コンタクト抵抗）を下げることができ、ゆえに、変換効率の高い太陽電池セルを生産性良く製造することができる。

具体的には、ｎ型半導体層用Ａｇ−ＡｌペーストにおけるＡｌ粉末の重量比率をＡ、ｐ型半導体層用Ａｇ−ＡｌペーストにおけるＡｌ粉末の重量比率をＢとしたとき、Ａ／Ｂを１．２以上、１０．０以下とすることが好ましい。言い換えると、ｎ型半導体層用Ａｇ−ＡｌペーストにおけるＡｌ粉末の重量比率を、ｐ型半導体層用Ａｇ−ＡｌペーストにおけるＡｌ粉末の重量比率の１．２倍以上、１０．０倍以下にすることが好ましい。Ａ／Ｂが１．２未満であると、ｎ型半導体層とｎ型半導体層コンタクト電極との接触抵抗を十分に低下させることが難しくなる傾向にある。他方、Ａ／Ｂが１０．０を超えると、各ペーストの焼成収縮挙動や反応プロファイルが大きく異なってしまい、各半導体層における接触抵抗の差が大きくなって、結果、十分な変換効率を得ることが難しくなる傾向にある。Ａ／Ｂは１．２以上、５．０以下がさらに好ましい。

なお、ｎ型半導体層用Ａｇ−ＡｌペーストにおけるＡｌ粉末およびｐ型半導体層用Ａｇ−ＡｌペーストにおけるＡｌ粉末を、同じ粒度分布を持つＡｌ粉末としてもよい。つまり、各半導体層用の導電性ペーストにおいて、Ａｌ粉末として同一品種のＡｌ粉末を利用することができ、その配合量だけを変えればよい。

各導電性ペーストは、主たる導電性粉末としてＡｇ粉末を用いる。大気中で焼成した場合においても良好な導電性を示すため、Ａｇ単体であることが好ましいが、ＰｔやＰｄを含む合金粉末であってもよい。また、Ａｇ粉末は、球状であってもよく、鱗片状（フレーク状）であってもよい。その形状については特に限定されない。また、複数種の形状のＡｇ粉末を併用してもよい。Ａｇ粉末の平均粒径（＝マイクロトラックのＤ５０；以下同様）は、０．１μｍ以上、１０．０μｍ以下が好ましい。Ａｇ粉末の平均粒径が０．１μｍ未満であると、焼成時のＡｇ粉の粒成長の割合が大きくなり、焼成前に多数存在したＡｇとＳｉの接触点が著しく減少するため、ＡｇとＳｉとの間の電気的なコンタクト抵抗が大きくなってしまいやすい。他方、平均粒径が１０．０μｍを超えると、Ａｇ粉とＳｉ基板の接触点がもともと少ないため、やはりＡｇとＳｉとの間のコンタクト抵抗が大きくなってしまいやすい。さらに、導電性粉末のその他物性である、タップ密度、比表面積、有機物量（Ｉｇｌｏｓｓ：強熱減量；粉末中に含まれる揮発性原料（主に有機物）の量）等は、特に限定されるものではない。

副導電性粉末であるＡｌ粉末は、焼成過程で溶融し、Ｓｉと反応し、合金を形成することで電極とＳｉ間のコンタクトに寄与する。Ａｌ粉末もその形状、粒径、その他物性は限定されないが、平均粒径は０．５μｍ以上、１５μｍ以下が望ましい。Ａｌ粉末の平均粒径が０．５μｍ未満であると、Ａｌ粉末の表面に形成される酸化被膜（Ａｌ２Ｏ３膜）の比率が多くなるため、焼成時に形成される溶融Ａｌ量が少なくなる。すると、ＡｌとＳｉの反応物（Ａｌ−Ｓｉ合金）の量が減少して、電極とシリコンウェハとの間のコンタクト抵抗が低下しにくくなる。他方、Ａｌ粉末の平均粒径が１５μｍを超えると、溶融Ａｌ量が多くなりすぎ、Ｓｉと過剰に反応し、結果、ウェハ内のｐｎ接合部を破壊し、開放電圧Ｖｏｃの劣化を招く可能性がある。

各導電性ペーストにおいて導電性粉末の量（Ａｇ粉末およびＡｌ粉末を含む）は特に限定されないが、ペースト全量に対して７０重量％以上、９５重量％以下であることが好ましい。７０重量％未満では、コンタクト電極の膜厚が薄くなり、ライン抵抗の増大を招く傾向にある。一方、９５重量％を超えると、固形分が多くなりすぎてペースト化が困難となる傾向にある。各導電性ペーストにおけるＡｌ粉末の含有量は、０．１重量％以上、１０．０重量％以下とすることが好ましい。Ａｌ粉末の含有量が０．１重量％未満であると、十分なコンタクト抵抗を得らなない傾向にあり、１０．０重量％を超えると、ｐｎ接合部を破壊し、開放電圧Ｖｏｃの劣化を招く可能性がある。

この導電性ペーストは、ガラスフリットを含有していることが好ましい。ガラスフリットの組成は特に限定されず、太陽電池用導電性ペーストとして一般的なホウケイ酸鉛系ガラス、ホウ亜鉛系鉛系ガラスなどの鉛含有ガラスや、ビスマス系無鉛ガラス等を単独、併用してもよい。また、その他の成分は特に限定されないが、必要に応じて、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐ、Ｖ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｙ、Ｄｙ、Ｌａ等の酸化物、水酸化物、過酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩、硝酸塩、リン酸塩、硫酸塩、あるいはフッ化物を添加することも可能である。これらの添加物をガラスフリットに含めることにより、コンタクト電極の化学的耐久性の向上やガラスの熱物性の調整が可能となる。ペースト中に含まれるガラス量も特に限定されないが、１重量％以上、１０重量％以下が好ましい。１重量％未満では、電極とＳｉ間の接合性が不十分になりやすく、１０重量％を超えると、焼成後の電極表面にガラスが多く存在するため、はんだ付け不良が発生しやすくなる。ガラスフリットは、ｐ型半導体層用ペースト、ｎ型半導体層用ペーストに同じもの（組成や粒径が同じもの）を用いることが好ましい。

この導電性ペーストには、Ａｇ粉末、Ａｌ粉末、ガラスフリット以外の無機添加物が含まれていてもよい。その無機添加物の種類や添加量も特に限定されるものではなく、添加形態も、酸化物、水酸化物、過酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩、硝酸塩、リン酸塩、硫酸塩、フッ化物、有機金属化合物等、適宜選択することができる。

この導電性ペーストには、有機ビヒクルが含まれていてもよい。有機ビヒクルを構成する樹脂および溶剤の他、ペーストのレオロジーをコントロールするための有機添加剤が添加されていてもよい。この有機ビヒクルも、ｐ型半導体層用ペースト、ｎ型半導体層用ペーストに同じもの（組成や配合比が同じもの）を用いることが好ましい。

なお、本実施形態では、ｎ型の単結晶シリコンウェハを半導体基板とした太陽電池セルの製造方法について説明したが、半導体基板はｐ型の単結晶シリコンウェハであってもよい。また、単結晶シリコンウェハの代わりに、多結晶シリコンウェハを用いてもよい。半導体基板はシリコンウェハが一般的であるが、たとえばＧａＡｓのような化合物半導体のウェハを利用してもよい。また、両面受光型の太陽電池セルの製造方法に限定されるものではなく、半導体ウェハの両主面にコンタクト電極を持つ片面受光型の太陽電池セルの製造方法にも適用可能である。

平均粒径１μｍのＡｇ粉末、平均粒径５μｍのＡｌ粉末、平均粒径２μｍのホウケイ酸鉛系ガラスフリット、エチルセルロースをテキサノールに溶解させた有機ビヒクルを表１に示す割合となるように配合し、プラネタリーミキサーで混合した後に、３本ロールミルで分散混錬し、複数種の導電性ペーストを作製した。

アルカリ溶液にてエッチング処理することにより、テクスチャ構造を形成したｎ型単結晶シリコン基板の一方主面の一部にＢ（ホウ素）を拡散させてｐ型半導体層（ｐ＋層）を形成し、他方主面の一部にＰ（リン）を拡散させてｎ型半導体層（ｎ＋層）を形成した。その後、その上に窒化ケイ素膜（ＳｉＮｘ）を形成して、結晶Ｓｉ太陽電池の試験片（５０×５０□）を準備した。

次いで、表１に示した導電性ペーストを、表２に示す組合せで、試験片の表裏にスクリーン印刷し、乾燥させた後、Despatch Industries, Inc製ベルト炉CDF7210を用いてピーク温度７５０℃で焼成を行った。次に、英弘精機株式会社製ソーラーシュミレーターSS-50XILを用いて、２５℃、ＡＭ１．５の条件下で、得られた太陽電池セルの変換効率を測定した。

表２に示すように、比較例１と実施例１〜６、更に比較例２と実施例７〜９、更に比較例４と実施例１０を見比べると、ｐ型半導体層用の導電性ペースト（ｐ層用ペースト）およびｎ型半導体層用の導電性ペースト（ｎ層用ペースト）の両者をＡｇ−Ａｌペーストとし、かつ、ｎ型半導体層用Ａｇ−ＡｌペーストにおけるＡｌ粉末の重量比率を、ｐ型半導体層用Ａｇ−ＡｌペーストにおけるＡｌ粉末の重量比率よりも高くすることにより、高い変換効率を有する太陽電池セルを得ることができた。また、ｎ型半導体層用Ａｇ−ＡｌペーストにおけるＡｌ粉末の重量比率は、ｐ型半導体層用Ａｇ−ＡｌペーストにおけるＡｌ粉末の重量比率の１．２〜１０．０倍が好ましいことが分かった。一方、比較例２と比較例３（ｎ層用ペースト中のＡｌ比率がｐ層用ペーストより少ない）を比較すると、変換効率が低下していることが分かった。

本発明は太陽電池セルの製造方法、特に両面受光型の太陽電池セルの製造方法として有用である。

Claims (4)

1. 第１主面にｐ型半導体層、第２主面にｎ型半導体層を有する半導体ウェハを用意し、
   前記半導体ウェハの前記第１主面に、導電性金属としてＡｇ粉末およびＡｌ粉末を含有するｐ型半導体層用Ａｇ−Ａｌペーストを印刷し、前記第２主面に、導電性金属としてＡｇ粉末およびＡｌ粉末を含有するｎ型半導体層用Ａｇ−Ａｌペーストを印刷し、
   前記ｐ型半導体層用Ａｇ−Ａｌペーストと前記ｎ型半導体層用Ａｇ−Ａｌペーストを同時に焼成して、前記第１主面にｐ型半導体層コンタクト電極、前記第２主面にｎ型半導体層コンタクト電極を形成する、
   太陽電池セルの製造方法であって、
   前記ｎ型半導体層用Ａｇ−Ａｌペーストにおける前記Ａｌ粉末の重量比率を、前記ｐ型半導体層用Ａｇ−Ａｌペーストにおける前記Ａｌ粉末の重量比率よりも高くする、ことを特徴とする太陽電池セルの製造方法。
2. 前記ｎ型半導体層用Ａｇ−Ａｌペーストにおける前記Ａｌ粉末の重量比率をＡ、前記ｐ型半導体層用Ａｇ−Ａｌペーストにおける前記Ａｌ粉末の重量比率をＢとしたとき、Ａ／Ｂを１．２以上、１０．０以下とする、請求項１に記載の太陽電池セルの製造方法。
3. 前記ｎ型半導体層用Ａｇ−Ａｌペーストにおける前記Ａｌ粉末および前記ｐ型半導体層用Ａｇ−Ａｌペーストにおける前記Ａｌ粉末の含有量を、０．１重量％以上、１０．０重量％以下とする、請求項２に記載の太陽電池セルの製造方法。
4. 両面受光型の太陽電池セルである、請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池セルの製造方法。