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