JP4146656B2

JP4146656B2 - 太陽電池素子

Info

Publication number: JP4146656B2
Application number: JP2002078195A
Authority: JP
Inventors: 宏明高橋; 健次福井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2022-03-20
Also published as: JP2003282899A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池素子に関し、特に裏面電極を帯状の出力取出部と集電部とで構成した太陽電池素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のシリコン太陽電池を図３に示す。図３に示すように、Ｐ型半導体基板１の表面近傍全面に一定の深さまでＮ型不純物を拡散させてＮ型を呈する拡散層２を形成するとともに、この拡散層２の表面に反射防止膜３を形成したものである。また、表面側には表面電極４が形成され、裏面側には出力取出部５と集電部６から成る裏面電極５、６が形成されている。
【０００３】
この裏面電極５、６の形成方法については、特開平５−３２６９９０号公報、あるいは特表平６−５０９９１０号公報に開示されているように、半導体基板１の裏面の一領域に銀ペースト（５）を塗布して乾燥した後、その領域の周辺部の一部に重なるようにアルミニウムペースト（６）を塗布して乾燥して同時に焼成する方法、すなわち同時焼成法（一段階焼成）が用いられている。この従来の太陽電池素子では、裏面電極の出力取出部５は１０μｍ程度の厚みに形成され、集電部６は５０μｍ程度の厚みに形成され、重なり部は６０μｍ程度の総厚に形成される。
【０００４】
このようにして製造された太陽電池素子では、複数の素子同士を配線材を用いて直列に接続して電圧を昇圧して使用するのが一般的である。この素子間の接続にははんだが必要となるため、表面電極４と裏面電極５、６にはんだコーティングを行っている。このとき裏面電極の出力取出部５にはんだ濡れ性が良好な素材を用いてこれに配線材（不図示）をはんだ付けしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のような裏面電極５、６の構造では、出力取出部５と集電部６を同時焼成するときに、集電部６の成分が出力取出部５の一部に拡散して合金層（不図示）が形成されるが、この合金層は焼結による収縮率が大きいため、これと接合する半導体基板１との界面で引張り応力が発生し、半導体基板１の一部に応力集中が起こる。そのため、焼成後の工程で出力取出部５と集電部６の重なり部を起点とするセル割れが多発するという問題があった。
【０００６】
上記のような問題を回避するために、裏面電極の出力取出部５の焼成後の厚みを２μｍ以上６μｍ以下にすると有効であることが分かっている。しかし、裏面電極５、６の出力取出部５の全体の厚みを薄くすると、出力取出部５と半導体基板１の接着強度が低下するため、はんだコーティングやモジュール作成の際に出力取出部５ａが剥離しやすくなるという問題があった。
【０００７】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、出力取出部と集電部を一部重ねてスクリーン印刷して焼成して電極を形成すると、出力取出部と集電部との重なり部分を起点とするセル割れが発生するという従来の問題点を解消した太陽電池素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る太陽電池素子では、半導体基板の一主面側と他の主面側に異なる導電領域を形成して、一主面側に表面電極を形成するとともに、他の主面側に帯状の出力取出部とこの出力取出部が形成された領域以外の略全面に形成された集電部とで構成される裏面電極を設けた太陽電池素子において、前記出力取出部の周縁部と前記集電部とが重なるように設けるとともに、この出力取出部近傍の前記半導体基板の周縁部に、セル割れ防止層を前記集電部と重ならないように設けたことを特徴とする。
【０００９】
上記太陽電池素子では、前記セル割れ防止層は、前記出力取出部の長手方向の延長線と交差する方向に形成されていることが望ましい。
【００１０】
また、上記太陽電池素子では、前記出力取出部とセル割れ防止層とが銀を主成分として構成されるとともに、前記集電部がアルミニウムを主成分として構成されることが望ましい。
【００１１】
また、上記太陽電池素子では、前記出力取出部の周縁部上に前記集電部が重なるように形成されていることが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の太陽電池素子も基本構造は図３に示す従来の太陽電池素子の構造と同じである。すなわち、一導電型例えばＰ型の半導体基板１の表面近傍全面に一定の深さまで逆導電型例えばＮ型不純物を拡散させて逆導電型例えばＮ型を呈する拡散層２を形成するとともに、この拡散層２の表面に反射防止膜３を形成したものである。また、表面側には表面電極４が形成され、裏面側には出力取出部５と集電部６から成る裏面電極５、６が形成されている。
【００１３】
半導体基板１は単結晶もしくは多結晶のシリコン基板などで構成される。この半導体基板１はｐ型、ｎ型いずれでもよい。単結晶シリコンの場合は引き上げ法などで形成され、多結晶シリコンの場合は鋳造法などで形成される。多結晶シリコンは、大量生産が可能で製造コスト面で単結晶シリコンよりもきわめて有利である。引き上げ法や鋳造法で形成されたシリコンブロックを１０ｃｍ×１０ｃｍもしくは１５ｃｍ×１５ｃｍ程度の大きさに切断してインゴットとし、３００μｍ程度の厚みにスライスして半導体基板１とする。
【００１４】
半導体基板１の表面側には、逆導電型半導体不純物が拡散された拡散層２が形成されている。この逆導電型半導体不純物が拡散された拡散層２は、半導体基板１内に半導体接合部を形成するために設けるものであり、例えばｎ型の不純物を拡散させる場合、ＰＯＣｌ₃を用いた気相拡散法、Ｐ₂Ｏ₅を用いた塗布拡散法、およびＰ⁺イオンを電界で基板１に直接導入するイオン打ち込み法などで形成される。この逆導電型半導体不純物を含有する拡散層２は０．３〜０．５μｍ程度の深さに形成される。
【００１５】
また、半導体基板１の表面側には、反射防止膜３が形成されている。この反射防止膜３は、半導体基板１の表面で光が反射するのを防止して、半導体基板１内に光を有効に取り込むために設ける。この反射防止膜３は半導体基板１との屈折率差等を考慮して屈折率が２程度の材料で構成され、厚み５００〜２０００Å程度の窒化シリコン膜や酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜などで構成される。
【００１６】
半導体基板１の裏面側には、一導電型半導体不純物が高濃度に拡散されたＢＳＦ層（不図示）を形成することが望ましい。この一導電型半導体不純物が高濃度に拡散されたＢＳＦ層は、半導体基板１の裏面近くでキャリアの再結合による効率の低下を防ぐために、半導体基板１の裏面側に内部電界を形成するものである。
【００１７】
つまり、半導体基板１の裏面近くで発生したキャリアがこの電界で加速される結果、電力が有効に取り出されることとなり、特に長波長の光感度が増大すると共に、高温における太陽電池特性の低下を軽減できる。このように一導電型半導体不純物が高濃度に拡散されたＢＳＦ層が形成された半導体基板１の裏面側のシート抵抗は１５Ω／□程度になる。
【００１８】
半導体基板１の表面側および裏面側には、表面電極４および裏面電極５、６が形成されている。この表面電極４および裏面電極５、６は主にＡｇ紛、バインダー、ガラスフリットなどからなるＡｇペーストをスクリーン印刷して焼成し、その上にはんだ層を形成する。表面電極４は、例えば幅２００μｍ程度に、またピッチ３ｍｍ程度に形成される多数のフィンガー電極（不図示）と、この多数のフィンガー電極を相互に接続する２本のバスバー電極で構成される。この表面電極４は厚み１０〜３０μｍ程度に形成される。
【００１９】
裏面電極は、例えば半導体基板１の略全長にわたって例えば幅１０ｍｍ程度に形成された帯状の出力取出部５とこの出力取出部５以外の略全面にわたって形成された集電部６とで構成される。この出力取出部５は焼成後の厚みで１０μｍ程度、集電部６は焼成後の厚みで５０μｍ程度に形成される。
【００２０】
本発明の太陽電池素子では、図１よび図２に示すように、帯状の出力取出部５とこの出力取出部５が形成された領域以外の略全面に形成された集電部６とから成る裏面電極５、６を、この集電部６が出力取出部５の周縁部に重なるように設けている。また、この出力取出部５近傍の半導体基板１の周縁部に、セル割れ防止層７を設けている。このセル割れ防止層７は、出力取出部５の長手方向の延長線と交差する方向に形成されている。すなわち、出力取出部５に連続して出力取出部５とＴ字状をなすように形成したり、出力取出部５とは非連続に出力取出部５とＴ字状をなすように形成したり、基板１の周縁部の全周にわたって形成する。
【００２１】
このようなセル割れ防止層７を設けると、出力取出部５と集電部６を一部重ねてスクリーン印刷して焼成しても、基板１の周縁部がセル割れ防止層７で機械的に補強されていることから、後工程において出力取出部５と集電部６との重なり部分を起点とするセル割れが発生することを防止できる。
【００２２】
このセル割れ防止層は、銀などから成り、出力取出部５と同時にパターニングされて同時に焼き付けられる。
【００２３】
また、出力取出部５にはんだ塗れ性のよい銀を用いることで配線材のはんだ付けを容易にすると共に、集電部６にアルミニウムを用いることで、焼成時に半導体裏面にＰ⁺層を形成してキャリア再結合を防ぎ、セル特性を向上させることができる。
【００２４】
次に、本発明に係る太陽電池素子の形成方法を説明する。
まず、図２（ａ）のように一導電型例えばＰ型半導体基板を準備する。
そして、図２（ｂ）に示すように半導体基板１を逆導電型例えばＮ型不純物雰囲気中で熱処理などして、半導体基板１の表面近傍全面に一定の深さまでＮ型不純物を拡散させてＮ型を呈する拡散層２を形成する。
次に、図２（ｃ）に示すように、半導体基板１の表面にプラズマＣＶＤ法などで反射防止膜３を形成する。
【００２５】
次に、拡散層２を分離した後、表面電極４を印刷して乾燥させる。
その後に、図１（ａ）に示した出力取出部５とセル割れ防止層７のパターンにガラスフリットを含む銀ペーストを印刷して乾燥させ、さらにその一部と重なるようにアルミニウムペースト（６）をスクリーン印刷して焼成することにより、図２（ｄ）に示すような太陽電池素子を得ることができる。
なお、セル割れ防止層７とアルミニウムペースト（６）は重ならないように形成してもよい。
【００２６】
その後、半導体基板１をベルト炉等の焼成炉において焼成することによって、表面電極４および裏面電極５、６が同時に形成される。
このとき、アルミニウムから成る集電部６からアルミニウムが銀から成る出力取出部５に拡散してＡｇ／Ａｌ合金層が形成される。
その後、各電極４、５、６が形成された半導体基板１をはんだ槽に浸漬して表面電極４と裏面電極の出力取出部５にはんだコーティング層（不図示）を形成する。
【００２７】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく本発明の範囲内で上記実施形態に多くの修正および変更を加えうることはもちろんである。例えばアルミニウムペーストに代わる金属ペーストとして、ガリウム、インジウムをベースとした金属ペーストを使用することも可能である。また銀ペーストに代わる金属ペーストとして銅、金、白金をベースとした金属ペーストを使用することも可能である。また、図１の裏面電極パターンは例であって、この形状に制限されるものではない。
【００２８】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示す。
図２（ａ）に示すように半導体基板として１５ｃｍ角で厚さ０．３ｍｍ、比抵抗１．５Ω・ｃｍのＰ型シリコン基板を準備した。
そして図２（ｂ）に示すように熱拡散法でオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ_３）を拡散源として、深さ０．５μｍのＮ型拡散層を形成した。
【００２９】
次に、表面にプラズマＣＶＤ法で窒化シリコンの反射防止膜を８００Åの厚さで形成した後、拡散層を分離した。
【００３０】
次に、図１（ａ）〜（ｃ）に示す構造で裏面に出力取出電極部５とセル割れ防止層７をＡｇを主体とした金属ペーストでスクリーン印刷し、この出力取出電極部５の一部を覆うように集電電極６をアルミニウムペーストでスクリーン印刷した。また、表面にも銀ペーストをスクリーン印刷して焼成することで電極を形成した。このとき、銀から成る出力取出部５とアルミニウムから成る集電部６の重なりは０．５ｍｍで形成された。その後、２００℃のはんだ浴槽に上記基板１を浸漬して引き上げることで、表面電極４と裏面電極の出力取出部５およびセル割れ防止層７をはんだ被覆して太陽電池素子を作成した。また、その太陽電池素子を用いて太陽電池モジュールを作成した。この太陽電池素子の電極焼成後の全後工程におけるセル割れの発生率および光電変換効率を従来の方法と比較して表１に示す。
【００３１】
【表１】

【００３２】
表１に示すとおり、本発明の構造を用いた場合は、従来に比べて焼成後に発生するセル割れを軽減することができた。また、これらの太陽電池素子の光電変換効率は従来の方法を用いた場合とほぼ同等であった。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る太陽電池素子によれば、裏面電極の集電部を出力取出部の周縁部に重なるように設けるとともに、この出力取出部近傍の半導体基板の周縁部にセル割れ防止層を設けたことから、この重なり部分を起点とする太陽電池素子の割れを防止できるとともに、裏面電極と半導体基板との間に十分な接着強度が強固となって裏面電極の剥離を防止することもできる。また、太陽電池素子の光電変換効率を損なうこともない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る太陽電池素子の裏面電極パターンを説明するための図である。
【図２】本発明に係る太陽電池素子の形成方法の工程を説明するための図である。
【図３】従来の太陽電池素子を示す図である。
【符号の説明】
１・・・半導体基板、２・・・ｎ型拡散層、２ａ・・・接合分離部、３・・・反射防止膜、４・・・表面電極、５・・・出力取出部、６・・・集電部、７・・・セル割れ防止層

Claims

半導体基板の一主面側と他の主面側に異なる導電領域を形成して、一主面側に表面電極を形成するとともに、他の主面側に帯状の出力取出部とこの出力取出部が形成された領域以外の略全面に形成された集電部とで構成される裏面電極を設けた太陽電池素子において、前記出力取出部の周縁部と前記集電部とが重なるように設けるとともに、この出力取出部近傍の前記半導体基板の周縁部に、セル割れ防止層を前記集電部と重ならないように設けたことを特徴とする太陽電池素子。
前記セル割れ防止層は、前記出力取出部の長手方向の延長線と交差する方向に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池素子。
前記出力取出部とセル割れ防止層とが銀を主成分として構成されるとともに、前記集電部がアルミニウムを主成分として構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池素子。
前記出力取出部の周縁部上に前記集電部が重なるように形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の太陽電池素子。