JP3760361B2 - 太陽電池用導電性組成物 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池用導電性組成物に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より電子部品の厚膜電極用の導電性組成物(以下、導電ペーストとする。)として、導電粉末とガラスフリットを有機ビヒクルに分散させたものが用いられてきた。この種の導電ペーストを、セラミック基板あるいはセラミック部品等に印刷または塗布し、その後、乾燥、焼成して有機成分を除去し、導電粒子を焼結させて導電性被膜を形成する。
【0003】
近年、省エネルギー化、低コスト化を目的に、厚膜電極の焼成においてもその低温化が求められているが、この場合、大気中で低温焼成できる材料としては、固有抵抗が低く比較的安価なAg粉末を用いた導電ペースト(以下、Agペーストとする。)がよく用いられてきた。しかしながら、Ag粒子がネッキングし粒子成長するためには焼成時にある程度の熱量を必要とするため、特に700℃以下の低温で焼成する場合などでは焼結不足となり、所望の導電性や膜強度が得られないことがあった。
【0004】
一方、半導体素子、例えばSi太陽電池の電極形成用としても、Ag粉末、ガラスフリットおよび有機ビヒクルから構成されるAgペーストがよく用いられている。Si太陽電池の代表的な例を図6に示す。n+/p/p+接合を形成したSiウェハ23の受光面に、反射防止膜21(TiO2)とAg電極25を形成し、Siウェハ23の裏面にAl電極27を形成した構造である。受光面側Agペーストは反射防止膜21の上からスクリーン印刷され、近赤外線炉で焼成される。この時、Ag電極25が反射防止膜21やSiウェハ23表面のSiO2などの絶縁被膜を貫通せず、かつ、SiとオーミックコンタクトしないとSiに対する接触抵抗が増大する。その結果、太陽電池V−I特性の曲線因子であるフィルファクタ(以下、FFとする。)が劣化してしまう。比較的高温でAgペーストを焼き付けると接触抵抗が低下しFFを向上できるが、この場合、Agやガラス成分など電極からの拡散成分がSiウェハのpn接合を破壊し、電圧特性が劣化してしまう不具合が発生していた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
Ag電極の焼結性を向上させる手段としては、一般的にPbやBiをAgペースト中に添加することが知られている。しかし、これらの添加元素は自らガラス化することでAgの焼結促進に作用するため、その効果が得られる焼成温度は約700℃以上と高い。また、導電成分であるAg粉末を微粒子化して焼結開始温度を下げる試みもなされているが、この場合はコスト高となり実用的ではない。
【0006】
本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、粒子成長や緻密化といった厚膜電極の焼結作用を促進できるとともに、低温焼成化が可能な太陽電池用導電性組成物を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために太陽電池用導電性組成物を完成するに至った。本願発明の太陽電池用導電性組成物は、Ag粉末と、V 2 O 5 、AgVO 3 、Ag 4 V 2 O 7 およびCuV 2 O 6 からなる群から選ばれる少なくとも1種のV化合物と、有機ビヒクルと、からなることに特徴がある。
【0008】
Agペースト中に添加されたVあるいはそれらの化合物は、Agペーストの焼成時において、400℃前後の低温領域から導電成分であるAg粒子と固相反応を起こし、Ag粒子表面に複合酸化物の層を生成する(Vの場合はAg4V2O 7 )。この反応層を介してAgの拡散が起こるため、低温領域からAgのネッキングと粒子成長が開始する。さらに昇温するとAg電極中に生成した複合酸化物相が融解し、生じた融液がAg粒子の液相焼結を助長して、Ag電極の焼結が促進される。
【0009】
また、Si太陽電池用受光面側AgペーストでVあるいはそれらの化合物を添加した場合、Siに対してオーミックコンタクトできるようになる理由は次のように考えられる。すなわち、電極焼成時に生成した、Agと添加元素間の複合酸化物相の融液が、Siウェハ表面の反射防止膜やSiO2の絶縁被膜を融解することで絶縁被膜中のAgの拡散を容易にし、Siウェハに対する接触抵抗を下げることによる効果である。VとAgとの固相反応が低温から開始すること、および反応によって生じた複合酸化物が低融点であることから、従来のものよりもその効果は大きく、かつ添加量も少量で済む。その結果、電極の導電性やハンダ付性を損ねることなく、Si太陽電池特性FFを確保することが可能となる。
【0010】
本願発明の太陽電池用導電性組成物は、Ag粉末と、V 2 O 5 、AgVO 3 、Ag 4 V 2 O 7 およびCuV 2 O 6 からなる群から選ばれる少なくとも1種のV化合物と、ガラスフリットと、有機ビヒクルと、からなることに特徴がある。このように、必要に応じてガラスフリットを添加してもよい。
また、本願発明の太陽電池用導電性組成物において、前記V化合物は、AgVO 3 およびAg 4 V 2 O 7 からなる群から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする。
【0011】
本願発明の導電性組成物においては、前記V化合物の添加量は、前記Ag粉末100重量部に対して0.2〜16重量部の範囲内であることが好ましい。
【0012】
すなわち、添加量が0.2重量部未満の場合には、添加効果に乏しいため好ましくない。一方、添加量が16重量部を超える場合には、添加量が過剰で固有抵抗が上昇してしまうため好ましくない。なお、さらに好ましくは接合部の半田付け性の確保のためにも、添加量がAg粉末100重量部に対して0.2〜3.0重量部の範囲内である。
【0013】
本願発明の導電性組成物においては、前記V化合物の添加量は、前記導電性組成物100wt%のうち0.1〜10wt%の範囲内であることが好ましい。
【0014】
すなわち、添加量が0.1wt%未満の場合には、添加効果に乏しいため好ましくない。一方、添加量が10wt%を超える場合には、添加量が過剰で固有抵抗が上昇してしまうため好ましくない。なお、さらに好ましくは接合部の半田付け性の確保のためにも、添加量が0.1〜2.0wt%の範囲内である。
【0015】
【発明の実施の形態】
本願発明で用いられるV化合物においては、その形状、粒径、添加量等は必ずしも限定されるものではない。
【0016】
なお、Vの化合物とは、V2O 5 などの酸化物、AgVO3、CuV2O6などの複合酸化物、その他有機金属として含有するものなど、その形態は限定されるものではない。ただし、Si太陽電池の受光面側のAg電極に用いる場合には、Agペースト中のガラスフリットに、V金属もしくはその化合物を固溶させて添加することが好ましい。
【0017】
本願発明で用いられる有機溶剤も特に限定されるものではなく、α−テルピネオールなど導電ペーストに用いられる一般的なものが使用可能である。
【0018】
本願発明で用いられるガラスフリットの含有量は必ずしも限定されるものではなく、その組成も限定されるものではないが、PbO−B2O3−SiO2系ガラスやBi2O3−B2O3−SiO2系ガラス、ZnO−B2O3−SiO2系ガラスなどが代表的である。
【0019】
次に、本発明を実施例に基づき、さらに具体的に説明するが、本発明はかかる実施例のみに限定されるものではない。
【0020】
【実施例】
(実施例1)平均粒径1μmのAg粉末と、軟化点350℃のPbO−B2O3−SiO2系ガラスフリットと、α−テルピネオール溶剤にセルロース樹脂を溶解して作製した有機ビヒクルと、金属酸化物(V2O 5 )を表1に示す比率で調合し、3本ロールミルで混練して導電ペーストを準備した。金属酸化物は平均粒径1〜3μmのものを用いた。なお、試料No.1と試料No.10は上記金属酸化物を含まない比較例である。
【0021】
【表1】
【0022】
得られたAgペーストをアルミナ基板上にライン幅400μm、ライン長さ200mmのパターンでスクリーン印刷し、150℃で5分間乾燥した後、近赤外線ベルト炉を用いて550℃で5分間焼成し(ピーク保持時間1分間)、焼き付けたAg電極を形成した。次にライン両端間の電気抵抗と電極厚みを測定して、各Ag電極の固有抵抗ρを求めた。更にAg電極の焼成面をSEMで観察し、Ag結晶粒子の平均粒径を測長し求めた。結果を表1に併せて示す。
【0023】
表1の結果から明らかなように、試料No.3〜No.6、およびNo.11においてAg粒子の焼結成長が著しく、かつ固有抵抗が低下していることがわかる。なお、試料No.2ではV2O5の添加量が少なく充分な添加効果が得られていない。逆に試料N0.7では添加量が過剰なために、固有抵抗が上昇する結果となった。
【0024】
試料No.1とNo.4の焼結面SEM写真を図1と図2に示す。V2O 5 を添加したAg電極の焼結面はAgのみの場合に比べてネッキングと粒子成長が著しく進行していることがわかる。なお、本発明にかかるAgペーストで形成したAg電極の膜強度が、Agのみの電極に比べて上昇することをテープ剥離試験によって確認しているが、これはSEM写真にみられるような焼結構造に起因するものと考えられる。
【0025】
さらに試料No.1とNo.4のAgペーストについて、焼成温度を400℃から850℃まで変化させた時のAg粒子径の変化を、上記と同様の方法で求めた。結果を図3に示す。本発明によりAg電極の焼結を低温領域から促進できることが、この結果からも明らかである。
【0026】
(実施例2)平均粒径1μmのAg粉末と、軟化点350℃のPbO−B2O3−SiO2系ガラスフリットと、α−テルピネオ−ル溶剤にセルロース樹脂を溶解して作製した有機ビヒクルと、添加物(V2O5、AgVO3、Vレジネート)を表2に示す比率で調合し、3本ロールミルで混練して導電ペーストを準備した。金属酸化物は平均粒径1〜3μmのものを使用し、Vレジネートには金属含有量が5wt%のものを用いた。なお、試料No.1は上記添加物を含まない比較例であり、試料No.2はP化合物としてAg3PO4を添加した比較例である。
【0027】
【表2】
【0028】
得られたAgペーストを図4に示すような電極間隔の異なるパターンを用いて、予め0.1μmの反射防止膜11(TiO2)がコーティングされたSiウエハ13の受光面側(n+側)にスクリーン印刷した。試料を150℃で5分間乾燥した後、近赤外線ベルト炉にて750℃で5分間焼成し(ピーク保持時間1分間)、焼き付けたAg電極15を形成した。次に、間隔の異なる対向電極間の電気抵抗を数点測定し、電極間距離を0に外挿した時の抵抗値を算出、この値をSiに対する接触抵抗値Rcとした。
【0029】
次に、直径4インチ(10.16cm)のpn接合型Siウエハ13の裏面側(p側)にAl電極ペーストを全面に塗布する一方、0.1μmの反射防止膜11(TiO2)をコーティングした受光面側(n+側)に上記Agペーストをライン幅200μm、ライン間隔5mmで格子状にスクリーン印刷した。そして150℃で5分間乾燥した後、近赤外線ベルト炉で750℃5分間焼成し、焼き付けたAg電極15を形成することにより、図5のSi太陽電池セル17を得た。得られた各Si太陽電池セルについて、FFならびに格子状電極の半田付け性を調べた。結果を接触抵抗値Rcと併せて表2に示す。なお、半田付け性の結果において、○は半田濡れ面積が電極面積の75%以上、△は半田濡れ面積が電極面積の50〜75%、×は半田濡れ面積が電極面積の50%以下を示す。
【0030】
表2の結果から明らかなように、試料No.3〜No.7、No.10〜No.13で、接触抵抗が1Ω以下に低減でき、その結果FFが0.7以上と従来のペーストに比べて著しく向上している。また、本発明にかかるAgペーストで形成したAg電極は従来のP化合物を添加したAg電極に比べて半田付け性が向上しており、Si太陽電池特性と半田付け性の両立が可能となった。
【0031】
【発明の効果】
本発明の太陽電池用導電性組成物を用いれば、Ag電極の焼結性を著しく促進させることができる。特に700℃以下の低温焼成における電極の導電性や膜強度を向上させることができ、よって低温焼成化による低コスト化や、基板素子の処理温度に上限制約がある場合(ガラス基板、Niメッキを施したサーミスタ素子など)の電極形成に寄与することが可能である。
【0032】
よって、Si太陽電池の受光面側Ag電極に適用した場合、半田付け性を損なうことなくオーミック電極を形成することができ、Si太陽電池特性FFを従来の0.5程度から実用範囲である0.7以上に向上させることができる。また、電極焼成後に安定したFFが得られるため、従来特性を回復させるために行われていた酸処理などの後工程を省略することができ、Si太陽電池のコストダウンにも寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 試料No.1の焼結面のSEMの写真である。
【図2】 試料No.4の焼結面のSEMの写真である。
【図3】 焼成温度とAgの平均粒子径との関係を示すグラフである。
【図4】 測定サンプルを示す平面図である。
【図5】 Si太陽電池セルを示す平面図である。
【図6】 Si太陽電池を示す説明図である。
Claims (7)
- Ag粉末と、
V 2 O 5 、AgVO 3 、Ag 4 V 2 O 7 およびCuV 2 O 6 からなる群から選ばれる少なくとも1種のV化合物と、
有機ビヒクルと、
からなることを特徴とする太陽電池用導電性組成物。 - Ag粉末と、
V 2 O 5 、AgVO 3 、Ag 4 V 2 O 7 およびCuV 2 O 6 からなる群から選ばれる少なくとも1種のV化合物と、
ガラスフリットと、
有機ビヒクルと、
からなることを特徴とする太陽電池用導電性組成物。 - 前記V化合物は、AgVO 3 およびAg 4 V 2 O 7 からなる群から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする、請求項2に記載の太陽電池用導電性組成物。
- 前記V化合物の添加量が、前記Ag粉末100重量部に対して0.2〜16重量部の範囲内であることを特徴とする、請求項1から請求項3のいずれかに記載の太陽電池用導電性組成物。
- 前記V化合物の添加量が、前記太陽電池用導電性組成物100wt%のうち0.1〜10wt%の範囲内であることを特徴とする、請求項1から請求項3のいずれかに記載の太陽電池用導電性組成物。
- 前記V化合物の添加量が、前記Ag粉末100重量部に対して0.2〜3.0重量部の範囲内であることを特徴とする、請求項1から請求項3のいずれかに記載の太陽電池用導電性組成物。
- 前記V化合物の添加量が、前記太陽電池用導電性組成物100wt%のうち0.1〜2.0wt%含有することを特徴とする、請求項1から請求項3のいずれかに記載の太陽電池用導電性組成物。
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