JP2022088827A - 太陽電池セル、太陽電池モジュール及び太陽電池セル製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光電変換効率が高い太陽電池モジュールを形成できる太陽電池セルを提供すること。【解決手段】本発明の一態様に係る太陽電池セル１は、半導体基板１０と、前記半導体基板１０の周縁部の受光面側に線状又は帯状に形成され、前記半導体基板１０の中央部よりも明度が大きい反射部５１，５２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池セル、太陽電池モジュール及び太陽電池セル製造方法に関する。

複数の太陽電池セルを並べた状態で封止した太陽電池モジュールが広く利用されている。複数の太陽電池セルを互いの端部を重ね合わせるようにして配置することで、光電変換に寄与する太陽電池セルの有効領域の合計面積を大きくしたいわゆるシングリング構造を採用する太陽電池モジュールも知られている。また、太陽電池セルの中には、光電変換に寄与する実効領域を大きくするために、電力を取り出すための電極構造を裏面側（受光面と反対側）にのみ形成した裏面電極型の太陽電池セルが存在する。このような裏面電極型の太陽電池セルを上述のシングリング構造で配置した太陽電池モジュールは、実効領域の面積率が大きくなるため、見かけ上の光電変換効率を大きくすることができる。

太陽電池モジュールにおいて、太陽電池セル同士を正確に接続できなければ、太陽電池セルから適切に電力を取り出すことができず、見かけ上の光電変換効率が低下する。比較的光電変換効率に優れる裏面電極型の太陽電池セルは、受光面側から見ると全面が黒色であるため、複数の太陽電池セルを配置する際に、太陽電池セル同士がどの程度重なり合っているかを正確に把握できない場合がある。このような原因により太陽電池セルの位置決めに誤差が生じると、太陽電池セル間の接続を確実に行うことができず、太陽電池モジュールの光電変換効率が予定よりも低くなるおそれがある。

太陽電池モジュールの製造において、太陽電池セルを正確に接続する技術として、特許文献１には、太陽電池セルの表面に色が異なるフィルムを貼着し、この接着フィルムの貼着位置が正しいかどうかを、画像処理技術を用いて個々に確認し、接着フィルムを目印にして太陽電池セルにタブ線を接続する技術が開示されている。

特許第５８１６４６６号公報

特許文献１に記載の技術では、接着フィルムに位置を確認する工程が必要となるため、太陽電池モジュールの製造が煩雑となる。また、特許文献１に記載の技術では、接着フィルムの位置決め誤差と接着フィルムに対するタブ線の位置決め誤差とが重なるため、位置決め誤差を十分に小さくできないおそれがある。

そこで、本発明は、光電変換効率が高い太陽電池モジュールを形成できる太陽電池セル及びその製造方法、並びに光電変換効率が高い太陽電池モジュールを提供することを課題とする。

本発明の一態様に係る太陽電池セルは、半導体基板と、前記半導体基板の周縁部の受光面側に線状又は帯状に形成され、前記半導体基板の中央部よりも明度が大きい反射部と、を備える。

本発明の一態様に係る太陽電池セルにおいて、前記反射部は、端縁に向かって明度が増大してもよい。

本発明の一態様に係る太陽電池セルにおいて、前記反射部は、光を散乱する複数の微粒子によって形成されてもよい。

本発明の一態様に係る太陽電池セルにおいて、前記反射部は、対向する端縁の一方に沿って形成される第１反射部と、他方に沿って形成され、前記第１反射部よりも幅が小さい第２反射部と、を含んでもよい。

本発明の一態様に係る太陽電池セルにおいて、前記半導体基板の裏面側に部分的に積層され、前記半導体基板と導電型が同じ第１半導体層と、前記半導体基板の裏面側に前記第１半導体層と略相補的に積層され、前記半導体基板と導電型が異なる第２半導体層と、前記半導体基板の裏面側にのみ形成される電極構造と、をさらに備え、前記第１半導体層は、前記第２反射部が形成される側の端縁に沿って延在する領域を有してもよい。

本発明の一態様に係る太陽電池モジュールは、前記太陽電池セルを複数備え、前記太陽電池セルの前記反射部が他の前記太陽電池セルの裏面側に重なるよう配置される。

本発明の一態様に係る太陽電池セル製造方法は、半導体ウエハに複数の太陽電池セルの構造を並んで形成する工程と、前記半導体ウエハの表面側にレーザを照射することにより前記半導体ウエハを割断する工程と、を備え、前記レーザを照射する際に、前記半導体ウエハの表面に割断予定線に交差する方向に気体を吹き付ける。

本発明によれば、光電変換効率が高い太陽電池モジュールを形成できる太陽電池セル及びその製造方法、並びに光電変換効率が高い太陽電池モジュールを提供できる。

本発明の一実施形態に係る太陽電池セルの受光面側を示す平面図である。 図１の太陽電池セルのＡ－Ａ線断面図である。 図１の太陽電池セルの製造におけるレーザスクライビングを示す模式図である。 図１の太陽電池セルを備える太陽電池モジュールの断面図である。 試作した太陽電池セルの外部量子効率の測定結果を示すグラフである。

以下、添付の図面を参照して本発明の各実施形態について説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。また、簡略化のために、部材の図示、符号等を省略する場合もあるが、かかる場合、他の図面を参照するものとする。

＜太陽電池セル＞
先ず、本発明の一実施形態に係る太陽電池セル１について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る太陽電池セル１の受光面側を示す平面図である。図２は、太陽電池セル１の断面図である。

太陽電池セル１は、方形状の半導体基板１０と、前記半導体基板の裏面側に部分的に積層され、半導体基板１０と導電型が同じ第１半導体層２０と、半導体基板１０の裏面側に第１半導体層２０と略相補的に積層され、半導体基板１０と導電型が異なる第２半導体層３０と、半導体基板１０の裏面側にのみ形成される電極構造４０と、半導体基板１０の周縁部の受光面側に線状又は帯状に形成された半導体基板１０の中央部よりも明度が大きい反射部（対向する一対の端縁の一方に端縁に沿って形成され、相対的に幅が大きい帯状の第１反射部５１、及び他方の端縁に沿って形成され、第１反射部５１よりも幅が小さい第２反射部５２）と、を備える。

半導体基板１０は、単結晶シリコン又は多結晶シリコン等の結晶シリコン材料で形成される。半導体基板１０は、例えば結晶シリコン材料にｎ型ドーパントがドープされたｎ型の半導体基板とすることができる。ｎ型ドーパントとしては、例えばリン（Ｐ）が挙げられる。半導体基板１０は、受光面側からの入射光を吸収して光キャリア（電子及び正孔）を生成する光電変換基板として機能する。半導体基板１０の材料として結晶シリコンが用いられることにより、暗電流が比較的に小さく、入射光の強度が低い場合であっても比較的高出力（照度によらず安定した出力）が得られる。

第１半導体層２０は、例として、半導体基板１０の裏面に等間隔に配置される帯状の複数の第１主領域２１と、第２反射部５２が形成される側の端縁に沿って延在し、複数の第１主領域２１を接続する第１接続領域２２と、を有する。第２半導体層３０は、半導体基板１０の裏面に第１主領域２１と交互に配置される帯状の複数の第２主領域３１と、第１反射部５１が形成される側の端縁に沿って延在し、複数の第２主領域３１を接続する第２接続領域３２と、を有する。第１半導体層２０及び第２半導体層３０は、半導体基板１０内に発生したキャリアのうち、互いに異なる極性のキャリアを誘引して電荷を収集する。

電極構造４０は、第１半導体層２０の裏面に積層され、第１半導体層２０から電荷を取り出す第１電極４１と、第２半導体層３０の裏面に第１電極４１から隔離されて積層され、第２半導体層３０から電荷を取り出す第２電極４２と、を有する。第１電極４１は、第１主領域２１にそれぞれ積層される複数の第１フィンガー部４３と、第１接続領域２２に積層され、複数の第１フィンガー部４３の一端を接続する第１バスバー部４４と、を有する。第２電極４２は、第２主領域３１にそれぞれ積層される複数の第２フィンガー部４５と、第２接続領域３２に積層され、複数の第２フィンガー部４５の一端を接続する第２バスバー部４６と、を有する。太陽電池セル１は、第１バスバー部４４と第２バスバー部４６との間に電力を出力する。

本実施系形態において、第１反射部５１は、長方形状の半導体基板１０の長辺の一方に沿って形成され、第２反射部５２は、半導体基板１０の長辺の他方に沿って形成されている。本実施系形態の太陽電池セル１において、半導体基板１０の一対の短辺には反射部が形成されていない。

反射部５１，５２は、太陽電池セル１の背景が半導体基板１０と同色である場合にも太陽電池セル１の輪郭の少なくとも一部分を容易に認識可能とする。また、第１反射部５１は、複数の太陽電池セル１を重ねて配置した場合に、光源側に配置した太陽電池セル１を透過した光を反射して、光源側の太陽電池セル１の内部に戻す。これにより、光源側の太陽電池セル１の外見的な光電変換効率が向上する。

反射部５１，５２は、例えば光を散乱する複数の微粒子によって形成することができる。具体的には、反射部５１，５２は、半導体基板１０をウエハから切り出す際のレーザスクライビングにおいて生成される半導体基板１０の形成材料の酸化物（典型的にはＳｉＯ_２）を半導体基板１０の表面に付着させることによって形成することができる。このため、反射部５１，５２が形成される端部において、半導体基板１０の表面側の材料が部分的に除去されていてもよい。また、反射部５１，５２は、例えばレーザを平行な複数の線状に照射する等の方法により、複数の線状に材料を積層して形成してもよい。

反射部５１，５２は、それぞれ端縁に向かって明度が増大することが好ましい。これにより、太陽電池セル１の輪郭をより明確にできるとともに、反射部５１，５２の形成が比較的容易となる。

反射部５１，５２幅方向の明度の最大値の長手方向の平均値（平均ピーク明度）の下限としては、５．０が好ましく、７．０がより好ましい。一方、平均ピーク明度の上限としては特に限定されず、明度の定義上の最大値である１０．０である。なお、「明度」は、ＪＩＳ－Ｚ８７２１（１９９３）に規定される値であり、１０μｍ四方の微小領域ごとに測定されるものとする。

第１反射部５１の明度が平均ピーク明度の１／２以上である領域の平均幅の下限としては、５００μｍが好ましく、１０００μｍがより好ましい。一方、第１反射部５１の明度が平均ピーク明度の１／２以上である領域の平均幅の上限としては、５０００μｍが好ましく、３０００μｍがより好ましい。第１反射部５１の明度が平均ピーク明度の１／２以上である領域の平均幅を前記下限以上とすることによって、光源側に重ねられる他の太陽電池セル１の光電変換効率を確実に向上することができる。第１反射部５１の明度が平均ピーク明度の１／２以上である領域の平均幅を前記上限以下とすることによって、自身に入射する光が減少することによる光電変換効率の低下を抑制することができる。

第２反射部５２の明度が平均ピーク明度の１／２以上である領域の平均幅の下限としては、３０μｍが好ましく、５０μｍがより好ましい。一方、第２反射部５２の明度が平均ピーク明度の１／２以上である領域の平均幅の上限としては、５００μｍが好ましく、３００μｍがより好ましい。第２反射部５２の明度が平均ピーク明度の１／２以上である領域の平均幅を前記下限以上とすることによって、太陽電池セル１の外縁を容易に判別可能とできる。また、第２反射部５２の明度が平均ピーク明度の１／２以上である領域の平均幅を前記上限以下とすることによって、自身に入射する光が減少することによる光電変換効率の低下を抑制することができる。

＜太陽電池セル製造方法＞
続いて、本発明の一実施形態に係る太陽電池セル製造方法について説明する。上述の太陽電池セル１は、本発明に係る太陽電池セル製造方法によって製造することができる。太陽電池セル１の製造方法の一実施形態は、半導体ウエハＷ複数の反射部５１，５２以外の太陽電池セル１の構造（第１半導体層２０、第２半導体層３０及び電極構造４０等）を並んで形成する工程と、図３に示すように、半導体ウエハＷの表面側にレーザを照射することにより半導体ウエハＷを割断（レーザスクライビング）する工程と、を備える。

太陽電池セル１の構造は、例えば各種の成膜技術、エッチング技術等を用いる公知の方法により形成することができる。半導体ウエハＷにおいて、複数の太陽電池セル１は、同じ向きに配向して形成されることが好ましい。これにより、隣接し合う２つの太陽電池セル１の境界線は、一方の太陽電池セル１の第１反射部５１が形成される端縁と、他方の太陽電池セル１の第２反射部５２が形成される端縁とを画定する。

半導体ウエハＷの割断は、割断予定線（隣接し合う２つの太陽電池セル１の境界線）沿って、レーザヘッドＬから半導体ウエハＷの表面にレーザを照射することにより溝（スクライブライン）Ｓを形成し、そして、形成された溝が山の頂点となるよう半導体ウエハＷに曲げ応力を作用させることで行われる。レーザを照射して半導体ウエハＷに割断のためのスクライブラインＳを形成するとき、半導体ウエハＷの材料の酸化物（典型的には酸化ケイ素）の微粒子が、半導体ウエハＷの表面のレーザを照射したスポットの周囲に飛散して付着する。このような微粒子は、光を散乱するため、他の部分よりも白色に近く、明度が大きい反射部５１，５２を形成する。

レーザを照射する際に、例えばエアノズルＮを用いて空気等の気体を半導体ウエハＷの表面に、割断予定線に交差する方向に吹き付けることにより、半導体ウエハＷの材料の酸化物の飛散をスクライブラインＳの一方側に偏重させることができる。したがって、第２反射部５２を形成する太陽電池セル１の側から第１反射部５１を形成する太陽電池セル１に向かって気体を吹き付けることで、レーザスクライビングによって、幅が大きい第１反射部５１と幅が小さい第２反射部５２とを同時に形成することができる。なお、半導体ウエハＷの裏面にレーザを照射して割断すれば、半導体ウエハＷの表面には酸化物が付着しないので、反射部が形成されない。

＜太陽電池モジュール＞
さらに、本発明の一実施形態に係る太陽電池モジュール１００について説明する。図４は、太陽電池モジュール１００の断面図である。太陽電池モジュール１００は、太陽電池セル１を複数備える。

太陽電池モジュール１００は、それぞれ一定数の太陽電池セル１を一列に接続して形成され、並列して配置される複数のストリング１１０と、複数のストリング１１０の表面側に配置される表面保護部材１２０と、複数のストリング１１０の裏面側に配置される裏面保護部材１３０と、表面保護部材１２０と裏面保護部材１３０との間の空間に充填される封止材１４０と、を備える。

ストリング１１０は、太陽電池セル１の第１反射部５１が他の太陽電池セル１の裏面側に重なるよう配置し、太陽電池セル１の集電極間をインターコネクタ１１１によって接続することで形成される。

ストリング１１０を形成する際、先に配置した太陽電池セル１の第１反射部５１の上に次の太陽電池セル１の第２反射部５２側の端部を重ねて配置する。このとき、第１反射部５１及び第２反射部５２があることで、先に配置した太陽電池セル１の位置及び次の太陽電池セル１の位置を正確に把握することができる。これによって、２つの太陽電池セル１間の配置誤差を極小化できるので、太陽電池セル１間の配置誤差に起因する性能低下が防止される。

また、ストリング１１０において、重ね合わされた太陽電池セル１の半導体基板１０同士が電気的に接続されると短絡が生じて出力が低下する。しかしながら、太陽電池セル１は、表側の太陽電池セル１と当接する領域に絶縁性を有する第１反射部５１を有するため、この部分に半導体基板１０と同じ導電型を有する第１半導体層２０の第１接続領域２２及び第１バスバー部４４を直接積層しても短絡が生じない。

表面保護部材１２０は、封止材１４０を介して、太陽電池セル１の表面を覆うことにより、太陽電池セル１を保護する。表面保護部材１２０は、板状又はシート状の材料から形成することができ、透光性及び対候性に優れることが好ましい。具体的には、表面保護部材１２０の材質としては、例えばアクリル樹脂若しくはポリカーボネート樹脂等の透明樹脂、ガラスなどを挙げることができる。また、表面保護部材１２０の表面は、光の反射を抑制するために、凹凸状に加工されたり、反射防止コーティング層で被覆されてもよい。

裏面保護部材１３０は、封止材１４０を介して、太陽電池セル１の裏面を覆って保護する。裏面保護部材１３０は、表面保護部材１２０と同様に、板状又はシート状の材料から形成することができ、遮水性に優れることが好ましい。具体的には、裏面保護部材１３０としては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン（ＰＥ）、オレフィン系樹脂、含フッ素樹脂、シリコーン樹脂等の樹脂フィルムと、アルミニウム箔等の金属箔との積層体が好適に用いられる。

封止材１４０は、太陽電池セル１、表面保護部材１２０及び裏面保護部材１３０を接着すると共に、太陽電池セル１の周囲の隙間をなくすことで、太陽電池セル１を保護する。特に、封止材１４０は、太陽電池セル１に水分が接触することを防止する。このため、封止材１４０としては、例えば、エチレン／酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、エチレン／α－オレフィン共重合体、エチレン／酢酸ビニル／トリアリルイソシアヌレート（ＥＶＡＴ）、ポリビニルブチラート（ＰＶＢ）、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、又は、シリコーン樹脂等の透光性を有する熱可塑性樹脂が好適に用いられる。

封止材１４０は、ストリング１１０と、表面保護部材１２０との間及び裏面保護部材１３０との間にシート状の材料を配置し、この２枚のシート状の材料を熱プレスによって流動化させて、平面視でストリング１１０の周囲において一体化させることにより形成することができる。

以上のように、太陽電池モジュール１００は、ストリング１１０における太陽電池セル１同士の配置誤差が小さいことによりストリング１１０の性能低下が防止されるため、総じて光電変換効率が高い。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、種々の変更及び変形が可能である。

本発明に係る太陽電池セルは、半導体基板の少なくとも一辺の一部に反射部を備えていればよい。太陽電池セルの形状が一定であれば、半導体基板の一辺の位置及び向きを確認できれば、他の辺の位置及び向きも特定できる。また、本発明に係る太陽電池セルは、他のセルと重ねられない端縁にも幅が小さい反射部を備えてもよい。これにより、太陽電池セルの輪郭をより簡単に認識することができる。

本発明に係る太陽電池セルにおいて、反射部は、例えば塗料の塗布等によって形成してもよい。

本発明に係る太陽電池セルは、上述の実施形態で説明したもの以外の構成要素、例えば、パッシベーション層、反射防止膜、絶縁層等を備えてもよい。また、本発明に係る太陽電池セルは、長方形状のものに限られず、例えば他の太陽電池セルの表面側に重ねられる側の角部を面取りしたような形状であってもよい。

また、本発明に係る太陽電池セルにおいて、第１半導体層、第２半導体層及び電極構造の形状は上述の櫛型のものに限定されない。例として、第１半導体層及び第２半導体層が交互に配置される複数の帯状部のみから形成され、電極構造が帯状部にそれぞれ積層されるフィンガー部とフィンガー部の裏面側に積層して配置されるバスバー部とから形成されてもよい。この場合、第１半導体層の帯状部が第２反射部が形成される側の端縁に沿って延在することが好ましい。

以下に、実施例に基づき本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明はこれらの実施例のみに限定されない。

太陽電池セルの実施例として、半導体ウエハの表面にレーザを照射して割断することにより半導体基板の受光面側に反射部を有する太陽電池を試作し、太陽電池セルの比較例として、半導体ウエハの裏面にレーザを照射して割断することにより反射部を有しない太陽電池を試作した。実施例及び比較例の太陽電池セルをそれぞれ端部を重ねて配置し、波長ごとの外部量子効率（ＥＱＥ）を測定した。

実施例及び比較例の太陽電池セルの外部量子効率の測定結果を図７に示す。図示するように、反射部を形成することによって、波長９００ｎｍから１２００ｎｍの測定範囲の略全域において効率が向上した。この結果から、太陽電池モジュールの出力電流に換算すると、反射部を設けることによって約０．１５％の出力向上が見込まれる。

１ 太陽電池セル
１０ 半導体基板
２０ 第１半導体層
２１ 第１主領域
２２ 第１接続領域
３０ 第２半導体層
３１ 第２主領域
３２ 第２接続領域
４０ 電極構造
４１ 第１電極
４２ 第２電極
４３ 第１フィンガー部
４４ 第１バスバー部
４５ 第２フィンガー部
４６ 第２バスバー部
５１ 第１反射部
５２ 第２反射部
１００ 太陽電池モジュール
１１０ ストリング
１１１ インターコネクタ
１２０ 面保護部材
１３０ 裏面保護部材
１４０ 封止材
Ｗ 半導体ウエハ
Ｓ スクライブライン
Ｌ レーザヘッド
Ｎ エアノズル

Claims (7)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の周縁部の受光面側に線状又は帯状に形成され、前記半導体基板の中央部よりも明度が大きい反射部と、
   を備える、太陽電池セル。
2. 前記反射部は、端縁に向かって明度が増大する、請求項１に記載の太陽電池セル。
3. 前記反射部は、光を散乱する複数の微粒子によって形成される、請求項１又は２に記載の太陽電池セル。
4. 前記反射部は、対向する端縁の一方に沿って形成される第１反射部と、他方に沿って形成され、前記第１反射部よりも幅が小さい第２反射部と、を含む、請求項１から３のいずれかに記載の太陽電池セル。
5. 前記半導体基板の裏面側に部分的に積層され、前記半導体基板と導電型が同じ第１半導体層と、
   前記半導体基板の裏面側に前記第１半導体層と略相補的に積層され、前記半導体基板と導電型が異なる第２半導体層と、
   前記半導体基板の裏面側にのみ形成される電極構造と、
   をさらに備え、
   前記第１半導体層は、前記第２反射部が形成される側の端縁に沿って延在する領域を有する、請求項４に記載の太陽電池セル。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の太陽電池セルを複数備え、前記太陽電池セルの前記反射部が他の前記太陽電池セルの裏面側に重なるよう配置される、太陽電池モジュール。
7. 半導体ウエハに複数の太陽電池セルの構造を並んで形成する工程と、
   前記半導体ウエハの表面側にレーザを照射することにより前記半導体ウエハを割断する工程と、
   を備え、
   前記レーザを照射する際に、前記半導体ウエハの表面に割断予定線に交差する方向に気体を吹き付ける、太陽電池セル製造方法。

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