JP4203247B2

JP4203247B2 - 太陽電池素子の形成方法

Info

Publication number: JP4203247B2
Application number: JP2002078194A
Authority: JP
Inventors: 健司伏谷; 宏明高橋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2022-03-20
Also published as: JP2003282898A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池素子の形成方法に関し、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の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のシリコン太陽電池を図４に示す。図４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、図５に示すように、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７が形成されるが、この合金層７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８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の形成方法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に係る太陽電池の形成方法では、半導体基板の裏面に、形成された帯状の出力取出部と該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、前記集電部が前記出力取出部の周縁部に重なるように形成する太陽電池素子の形成方法において、前記半導体基板の裏面に前記出力取出部を形成するための出力取出部形成用ペーストを塗布する工程と、前記集電部を形成するための集電部形成用ペーストを前記出力取出部形成用ペーストと一部重なるように塗布する工程と、これらのペーストを焼成する工程とを有し、前記出力取出部の重なり部分におけるガラスフリット含有量を前記出力取出部のそれ以外の領域のガラスフリット含有量よりも少なくしたことを特徴とする。
【０００９】
上記太陽電池素子の形成方法では、前記出力取出部が銀を主成分とし、かつ前記集電部がアルミニウムを主成分とすることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３に係る太陽電池素子の形成方法では、前記出力取出部の重なり部分を実質的にガラスフリットを含有しない銀ペーストを用いて形成するとともに、前記出力取出部のそれ以外の領域をガラスフリットを含有する銀ペーストを用いて形成するようにしたことを特徴とする。
【００１１】
【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４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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
この出力取出部５と集電部６との重なり部分においては、重なり部分における出力取出部５ａのガラスフリット含有量をこの出力取出部５のそれ以外の領域５ｂのガラスフリット含有量よりも少なくする。例えば集電部６と出力取出部５の重なり部分以外の領域５ｂには１重量％以下でガラスフリットを含有する銀ペーストを塗布し、集電部６と出力取出部５と重なり部分５ａにはフリットレスの銀ペーストを塗布する。しかし、焼成することによって拡散が生じるため、完成品ではこの領域５ａにも若干ガラスフリットを含有することになるが、他の領域５ｂよりも多くはならない。したがって、集電部６と出力取出部５の重なり部分５ａはそれ以外の領域５ｂよりもガラスフリットの含有量が少なくなる。
【００２１】
このように構成すると、焼成によって形成される合金層７と半導体基板１の界面の接着力が低下して一部が剥離するため、半導体基板１に発生する応力集中が軽減され、裏面電極５、６の重なり部分を起点とする半導体基板１の割れの発生率を低下させることができる。また、出力取出部５と集電部６が重なる部分以外の出力取出部５ｂはガラスフリットを多く含有しているため、出力取出部５ｂと半導体基板１の間に十分な接着強度があり、出力取出部５の剥離を防止できる。
【００２２】
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。
【００２３】
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３（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３（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３（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。
【００２４】
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）に示したパターンのようにガラスフリットを含む銀ペースト（５ｂ）を印刷して乾燥して、さらにその周囲にガラスフリットを実質的に含まない銀ペースト（５ａ）を印刷して乾燥させる。その後、ガラスフリットを実質的に含まない銀ペースト（５ａ）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３（ｄ）に示すような太陽電池素子を得ることができる。なお、ガラスフリットを含む銀ペースト（５ｂ）とガラスフリットを含まない銀ペースト（５ａ）のプリント順は逆でもよい。焼成によって銀電極５のガラスフリットを含まない部分５ａに、アルミニウムペースト（６）や銀電極５をガラスフリットを含む部分（５ｂ）からガラスフリットが若干拡散されるが、元々ガラスフリットを含んでいた部分に比べるとその量は少なくなる。
【００２５】
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７が形成される。Ａｇ／Ａｌ合金層７はガラスフリット含有量が比較的少ない部分５ａに形成されるため、Ａｇ／Ａｌ合金層７と半導体基板１の接着強度は弱く、これら界面に働く応力は比較的小さくなる。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。
【００２６】
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。
【００２７】
【実施例】
次に、本発明の実施例を示す。図３（ａ）に示すように半導体基板１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３（ｂ）に示すように、熱拡散法でオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ₃）を拡散源として深さ０．５μｍのＮ型拡散層２を形成した。
【００２８】
次に、表面にプラズマＣＶＤ法で窒化シリコンから成る反射防止膜３を８００Åの厚さで形成した後、拡散層２を分離した。
【００２９】
次に、一部のセルに、図３（ｄ）に示す構造で裏面にガラスフリットを含まない銀ペースト（５ａ、５ｂ）を印刷・焼成した。また、残りのセルに、図１（ｅ）に示す構造で裏面にガラスフリットを含まない銀ペースト（５ａ）、ガラスフリットを含む銀ペースト（５ｂ）、アルミニウムペースト（６）をスクリーン印刷した。また、表面にも銀ペースト（４）をスクリーン印刷して焼成することで電極４、５、６を形成した。このとき、図１（ｂ）に示すように、銀から成る出力取出用部５（５ａ、５ｂ）とアルミニウムから成る集電部６との重なり部とその周辺の約０．５ｍｍの領域に合金層７が形成された。
【００３０】
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に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焼成後工程における出力取出部５と集電部６との重なり部を起点とする割れと剥離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に示した。
【００３１】
【表１】

【００３２】
表１に示す通り、本発明の方法を用いた場合は、従来に比べて焼成後に発生する出力取出部５と集電部６との重なり部を起点とする割れを軽減することができた。また、出力取出部５と集電部６との重なり部のみガラスフリットを含まないペーストを用いた場合は、割れが低減すると共に、出力取出部５の剥離もなかった。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】
以上のように、本発明に係る太陽電池素子の形成方法によれば、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、出力取出部の重なり部分におけるガラスフリット含有量をこの出力取出部のそれ以外の領域のガラスフリット含有量よりも少なくしたことから、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焼成前後の裏面電極構造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裏面電極パターンを説明するための図である。
【図３】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４】従来の太陽電池素子を示す図である。
【図５】従来の太陽電池素子の裏面電極部分を拡大して示す図である。
【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、５ａ・・・出力取出部の集電部との重なり部

Claims

半導体基板の裏面に、形成された帯状の出力取出部と該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、前記集電部が前記出力取出部の周縁部に重なるように形成する太陽電池素子の形成方法において、前記半導体基板の裏面に前記出力取出部を形成するための出力取出部形成用ペーストを塗布する工程と、前記集電部を形成するための集電部形成用ペーストを前記出力取出部形成用ペーストと一部重なるように塗布する工程と、これらのペーストを焼成する工程とを有し、前記出力取出部の重なり部分におけるガラスフリット含有量を前記出力取出部のそれ以外の領域のガラスフリット含有量よりも少なくしたことを特徴とする太陽電池素子の形成方法。
前記出力取出部が銀を主成分とし、かつ前記集電部がアルミニウムを主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池素子の形成方法。
前記出力取出部の重なり部分を実質的にガラスフリットを含有しない銀ペーストを用いて形成するとともに、前記出力取出部のそれ以外の領域をガラスフリットを含有する銀ペーストを用いて形成するようにした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の形成方法。