JP4242323B2 - 太陽電池素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池素子およびその製造方法に関し、より詳しくは、太陽電池素子に影が生じた場合に発生する逆バイアス電圧から太陽電池素子を保護するバイパス機能を有する太陽電池素子およびその製造方法に関する。

複数の太陽電池素子を、直列，並列に組合せて所定の出力電圧および出力電流を得る太陽電池モジュールは、その一部の太陽電池素子に影が生じた場合、影の生じていない他のセルが発生する電圧が逆方向に印加される。この逆方向に印加された逆バイアス電圧により、影を生じた太陽電池素子の逆耐電圧を超えると、この太陽電池素子にブレークダウンを生じ、多量の電流が流れるので、この太陽電池素子の短絡破壊に至る可能性がある。この結果太陽電池モジュール全体の出力特性が低下する。

宇宙用太陽電池モジュールの場合では、衛星の姿勢制御中に、衛星本体の一部あるいはアンテナ等構造物の影が、太陽電池モジュールの一部の太陽電池素子上に生ずることがあり得る。地上用の場合では、たとえば、隣接した建築物の影または飛来した鳥類が付着させた糞などの影が、太陽電池モジュールの一部の太陽電池素子上に生ずることがあり得る。

これらの対策として、太陽電池素子として、バイパス機能を持たせたラップアラウンド構造を有するものや太陽電池素子の受光面の一部にバイパス用拡散層を設けた構造を有するものが検討され、太陽電池素子の一定単位に太陽電池素子保護用のダイオードを接続する構造が検討されてきた（たとえば、特許文献１参照）。

しかし、かかる構造を構成するためには、太陽電池素子および太陽電池モジュールの製造工程は複雑になり、製造コストが増大するという問題があった。
特開平０９−８３００２号公報

上記問題を解決するため、本発明は、バイパス機能が簡易に付加された太陽電池素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、太陽電池素子基板の受光面側に形成された第１の導電型層と、太陽電池素子基板の裏面側に形成された第２の導電型用電極と、第１の導電型層および第２の導電型用電極に接触するように形成されたバイパス電極を有する太陽電池素子である。

本発明にかかる太陽電池素子においては、バイパス電極の厚さが１０ｎｍ以上であること、バイパス電極の材料はバイパス電極が第１の導電型層に対してショットキー接合となる材料であること、太陽電池素子の構造がコンベンショナル構造またはＢＳＲ構造であること、宇宙用機器に用いられることが好ましい。

また、本発明は、太陽電池素子基板の受光面側に第１の導電型層を形成する工程と、太陽電池素子基板の裏面側に第２の導電型用電極を形成する工程と、第１の導電型層および第２の導電型用電極に接触するバイパス電極を太陽電池素子基板の少なくとも１つの側面の少なくとも一部に形成するバイパス電極形成工程とを含む太陽電池素子の製造方法である。ここで、第２の導電型用電極を形成する工程と、バイパス電極形成工程を同時に行なうことが好ましい。

また、本発明は、太陽電池素子基板の受光面側に第１の導電型層を形成する工程と太陽電池素子基板の裏面側に第２の導電型用電極を形成する工程と、上記太陽電池素子基板を積み重ねる工程と、第１の導電型層および第２の導電型用電極に接触するバイパス電極を太陽電池素子基板の少なくとも１つの側面の少なくとも一部に形成するバイパス電極形成工程とを含む太陽電池素子の製造方法である。

本発明にかかる太陽電池素子の製造方法においては、パイパス電極の形成を蒸着法により行なうこと、太陽電池素子基板の側面を受光面に対して直角以外の角度を有するように形成すること、太陽電池素子基板の側面に形成されるバイパス電極の形成辺の長さによりバイパス電流量を制御すること、バイパス電極形成工程において、太陽電池素子基板の少なくとも１つの側面の少なくとも一部をマスキングすることにより、バイパス電極形成領域またはバイパス電流量を制御することが好ましい。

上記のように、本発明によれば、バイパス機能が簡易に付加された太陽電池素子およびその製造方法を提供することができる。

（実施形態１）
本発明にかかる太陽電池素子の好適な一実施形態は、図１を参照して、太陽電池素子基板１の受光面側に第１の導電型層２が形成され、第１の導電型層２上には第１の導電型用電極３および反射防止膜６が形成されている。また、太陽電池素子基板１の裏面側に第２の導電型用電極４が形成されている。ここで、裏面とは、受光面（表面）とは反対側の面をいう。さらに、太陽電池素子基板の少なくとも１つの側面１０の少なくとも一部に、第１の導電型層２および第２の導電型用電極４に接触するようにバイパス電極５が形成されている。

第１の導電型層および第２の導電型用電極に接触するバイパス電極を形成することによって、影となった部分の太陽電池素子に逆バイアス電圧が印加された場合に、第１の導電型層および第２の導電型用電極の間にバイパス電流が流れるため、印加された逆バイアス電圧を解消することができる。

ここで、太陽電子素子基板１としては、特に制限はなく、シリコンの他、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＣｄＳ、ＣｄＴｅなどのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体などを用いることができる。電気特性および化学安定性に優れている点から、シリコンが好ましく用いられる。シリコンとしては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシルコンいずれをも用いることができる。

本願明細書において、第１の導電型とは、シリコンなどの半導体においてｐ型またはｎ型いずれかの導電型をいう。また、第２の導電型とは、シリコンなどの半導体において、第１の導電型以外の導電型をいう。すなわち、第１の導電型がｐ型である場合は第２の導電型はｎ型を意味し、第１の導電型がｎ型である場合は第２の導電型はｐ型を意味する。また、第１の導電型を有する半導体層に接する電極を第１の導電型用電極といい、第２の導電型を有する半導体層に接する電極を第２の導電型用電極という。太陽電池素子基板としてシリコン基板を用いる場合は、第１の導電型層としてｎ型導電性を示すｎ^＋拡散層が形成される場合が多い。また、このとき、第１の導電型用電極としてｎ型用電極、第２の導電型用電極としてｐ型用電極が形成される。

本実施形態において、バイパス電極の厚さは１０ｎｍ以上であることが好ましい。バイパス電極の厚さが１０ｎｍ未満であると電気的接触が不十分となる可能性がある。

本実施形態において、バイパス電極の材料は、バイパス電極が上記第１の導電型層に対してショットキー接合となるような材料であることが好ましい。良好な電気的接触を確保し、印加された逆バイアス電圧を迅速に解消するために十分なバイパス電流を得ることができる。ここで、バイパス電極が第１の導電型層に対してショットキー接合となる材料とは、たとえば、アルミニウム、チタニウム、パラジウム、銀、金などが挙げられる。

本実施形態において、太陽電池素子の構造は、コンベンショナル構造またはＢＳＲ構造をとることができる。ここで、コンベンショナル構造とは、図１を参照して、反射防止膜６および第１の導電型用電極３であるｎ型用電極／第１の導電型層２であるｎ^＋拡散層／太陽電池素子基板１であるシリコン基板／第２の導電型用電極であるｐ型用電極からなる構造をいい、太陽電池素子として最も代表的な構造である。また、ＢＳＲ（Back Surface Reflector）構造とは、上記コンベンショナル構造において太陽電池素子の裏面に光反射膜が形成されている構造のものをいう。たとえば、太陽電池素子基板１と第２の導電型用電極との間に光反射膜が形成されているもの（図示せず）などが該当する。また、第２の導電型用電極として光反射性の高いアルミニウム、金などを用いることによりコンベンショナル構造においてＢＳＲ構造を得ることができる。

本実施形態の太陽電池素子は、宇宙用機器に用いることができる。宇宙用機器とは、人工衛星、有人宇宙飛行船などを含む宇宙用機器全般をいう。宇宙用機器に用いられる太陽電池素子は、宇宙空間での放射線劣化を極力低減するために、厚さを２００μｍ以下とすることが好ましい。

（実施形態２）
本発明にかかる太陽電池素子の製造方法の好適な一実施形態は、図２を参照して、図２（ａ）に示す薄型化エッチング工程において、太陽電池素子基板１であるシリコン基板を所望の厚さまでエッチングした。

次に、図２（ｂ）に示すｎ^＋拡散層形成工程において、太陽電池素子基板１であるシリコン基板の受光面側に第１の導電型層２であるｎ^＋拡散層を形成した。具体的には、裏面をマスキングしてリンを拡散するか、または両面にリンを拡散して受光面をマスキングしてエッチングを行なうことにより行なった。

次に、図２（ｃ）に示すｎ型用電極形成工程において、上記第１の導電型層２上に第１の導電型用電極であるｎ型用電極を形成した。ｎ型用電極の形成方法には、特に制限はないが、均一な厚さの電極が得られる点から、蒸着法が好ましく用いられる。ここで、ｎ型用電極としては、導電性の点から、銀などが好ましく用いられる。具体的には、フォトレジスト（図示せず）を上記第１の導電型層２であるｎ^＋拡散層表面に塗布、フォトエッチングによりフォトレジストに形成する電極のパターン形状の開口部（図示せず）を設けた後、蒸着法により第１の導電型用電極であるｎ型用電極として、銀電極を形成した。

本願明細書において、蒸着法とは、減圧雰囲気下で蒸発源から蒸着原料を蒸発させて試料表面に蒸着層を形成させる方法をいい、蒸着源として通電加熱型のもの、電子銃を用いるもの、ホローカソード放電を用いるもの、レーザアブレーションを用いるものなど種々のものを含む。

次に、図２（ｄ）に示すダイシング工程において、上記の太陽電池素子基板を所定の大きさに切り出した。

次に、図２（ｅ）に示すｐ型用電極形成工程において、太陽電池素子基板１であるシリコン基板の裏側に第２の導電型用電極４であるｐ型用電極を形成した。ｐ型用電極の形成方法には、特に制限はないが、均一な厚さの電極が得られる点から、蒸着法が好ましく用いられる。ここで、ｐ型用電極としては、導電性の点から、銀などが好ましく用いられる。本実施形態においては、ｐ型用電極として銀電極を形成した。

次に、図２（ｆ）に示すバイパス電極形成工程において、バイパス電極を形成した。
バイパス電極の形成方法には、特に制限はないが、均一な厚さの電極が得られる点から、蒸着法が好ましく用いられる。ここで、バイパス電極としては、バイパス電極が第１の導電型層に対してショットキー接合することが好ましい点から、アルミニウム、チタニウム、パラジウム、銀、金などが用いられる。具体的には、たとえば、太陽電池素子基板の４つの側面において３つの側面をマスキングして、残りの１つの側面１０上に、蒸着法により、バイパス電極として銀電極を形成した。ここで、パイパス電極は、第１の導電型層および第２の導電型用電極と接触するように形成した。

上記のように、第２の導電型用電極とバイパス電極は別々に順次形成することも可能であるが、同じ材質を用いる場合などは同時に形成する方が効率的である。

次に、図２（ｇ）に示す反射防止膜形成工程において、第１の導電型層２であるｎ^＋拡散層および第１の導電型用電極３であるｎ型用電極としての銀電極の上に、反射防止膜６を形成して、太陽電池素子を得た。ここで、反射防止膜６としては、たとえば蒸着法により、ＴｉＯ₂膜を形成した。

本実施形態においては、図２（ｄ）に示すように、太陽電池素子基板の側面が受光面に対して直角となるように太陽電池素子を切り出しているが、太陽電池素子基板の側面が受光面に対して直角以外の角度をなすように太陽電池素子を切り出すことも、バイパス電極の形成が容易となる観点から、好ましい実施形態である。ここで、太陽電池素子基板の側面が受光面に対して直角以外の角度をなすような太陽電池素子の切り出し方には、特に制限はないが、たとえば、太陽電池素子の受光面の面積を裏面の面積よりも大きくなるように切り出すことは、太陽電池素子の受光量を大きくし、発電効率を高く維持できる点からより好ましい。

本実施形態においては、図１を参照して、バイパス電極の形成辺の長さＬによりバイパス電流を制御することができる。すなわち、バイパス電極の形成辺の長さＬが大きくなるほど大きなバイパス電流を流すことができる。

本実施形態においては、太陽電池素子基板の少なくとも１つの側面の少なくとも一部をマスキングすることにより、バイパス電極形成領域またはバイパス電流量を制御することができる。たとえば、図１のように、太陽電池素子基板の１つの側面１０の一部分領域（側面におけるバイパス電極形成領域１０ａ）のみにバイパス電極を形成する場合には、上記１側面の他の部分領域（側面におけるバイパス電極非形成領域１０ｂ）、他の側面１１，１２，１３をマスキングして、蒸着を行なうとよい。

（実施形態３）
本発明にかかる太陽電池素子の製造方法の好適な別の実施形態を、図２における図２（ａ）〜（ｅ）および図３を参照して説明する。本実施形態は、太陽電池素子基板に第１の導電型層および第２の導電型用電極を形成した後、太陽電池素子基板を積み重ねて、太陽電池素子基板の側面に第１の導電型層および第２の導電型用電極に接触するバイパス電極を形成する点に特徴がある。太陽電池素子基板を積み重ねて蒸着を行なうことにより、より効率的にバイパス電極を形成することができる。

図２（ａ）〜（ｅ）を参照して、実施形態２と同様にして、薄型化エッチング工程、ｎ^＋拡散層形成工程、ｎ型用電極形成工程、ダイシング工程およびｐ型用電極形成工程を行ない、受光面側に第１の導電型層と裏面側に第２の導電型用電極が形成された太陽電池素子基板を得た。

次に、図３（ａ）に示す基板積み重ね工程において、２以上の上記太陽電池素子基板を積み上げた。次に、図３（ｂ）に示すバイパス電極形成工程において、バイパス電極を形成した。具体的には、太陽電池素子基板の１つの側面１０を蒸着源に向けて、蒸着法により、バイパス電極としてたとえば銀電極を形成した。ここで、パイパス電極は、第１の導電型層および第２の導電型用電極と接触するように形成した。

次に、図３（ｃ）に示す反射防止膜形成工程において、積み重ねていた太陽電池素子基板を１つずつならべた後、第１の導電型層２であるｎ^＋拡散層および第１の導電型用電極３であるｎ型用電極としての銀電極の上に反射防止膜６を形成して、太陽電池素子を得た。ここで、反射防止膜６としては、たとえば蒸着法によりＴｉＯ₂膜を形成した。

（実施形態４）
本発明にかかる太陽電池素子の製造方法の好適なまた別の実施形態を、図２における図２（ａ）〜（ｃ）および図４を参照して説明する。本実施形態は、２回のダイシング工程を有している点、また１回目のダイシング工程において、太陽電池素子基板の受光面の面積を裏面の面積より大きくなるように切り出す点、ｐ型用電極形成工程とバイパス電極形成工程を同時に行なう点に特徴を有する。

図２（ａ）〜（ｃ）を参照して、実施形態１と同様にして、薄型化エッチング工程、ｎ^＋拡散層形成工程およびｎ型用電極形成工程を行ない、受光面側に第１の導電型層が形成された太陽電池素子基板を得た。

次に、図４（ａ）に示す１回目のダイシング工程において、太陽電池素子基板を太陽電池素子基板の受光面の面積を裏面の面積より大きくなるように切り出すことで、バイパス電極を形成しやすくすることができる。

次に、図４（ｂ）に示すｐ型用電極およびバイパス電極同時形成工程において、第２の導電型用電極４であるｐ型用電極と、バイパス電極とを同時に形成した。ｐ型用電極およびバイパス電極の形成方法には、特に制限はないが、均一な厚さの電極が得られる点から、蒸着法が好ましく用いられる。具体的には、太陽電池素子基板の４つの側面において相対する２つの側面をマスキングして、残りの２つの側面１０，１２上に、蒸着法により、バイパス電極として銀電極を形成した。本実施形態においては、ｐ型用電極およびバイパス電極として銀電極を形成した。ここで、パイパス電極は、第１の導電型層および第２の導電型用電極と接触するように形成した。ｐ型用電極形成工程とバイパス電極形成工程を同時に行ない工程の効率化を図ることができる。

次に、図４（ｃ）に示す反射防止膜形成工程において、第１の導電型層２であるｎ^＋拡散層および第１の導電型用電極３であるｎ型用電極としての銀電極の上に、反射防止膜６を形成した。具体的には、蒸着法により、ＴｉＯ₂膜を形成した。

次に、図４（ｄ）に示す２回目のダイシング工程により、上記太陽電池素子基板を所定の大きさに切り出して太陽電池素子を得た。

（実施例１）
図１を参照して、図２（ａ）に示すように、太陽電池素子基板１であるシリコン基板を厚さ２００μｍまでエッチングした。次いで、図２（ｂ）に示すように、太陽電池基板１の裏面をマスキングしてリンを拡散することにより、太陽電池素子基板１であるシリコン基板の受光面側に第１の導電型層２として厚さ１μｍのｎ^＋拡散層を形成した。次いで、図２（ｃ）に示すように、上記第１の導電型層２上に第１の導電型用電極３であるｎ型用電極として厚さ５μｍの銀電極を蒸着法により形成した。次いで、図２（ｄ）に示すように、上記太陽電池素子基板を７０ｍｍ×７０ｍｍの大きさに切り出した。次いで、図２（ｅ）に示すように、太陽電池素子基板１であるシリコン基板の裏面側に第２の導電型用電極４であるｐ型用電極として厚さ５μｍの銀電極を蒸着法により形成した。次いで、図２（ｆ）に示すように、太陽電池素子基板の側面に第１の導電型層２および第２の導電型用電極４に接触するバイパス電極５として厚さ１０ｎｍの銀電極を蒸着法により形成した。次いで、図２（ｇ）に示すように、第１の導電型層２であるｎ^＋拡散層および第１の導電型用電極３であるｎ型用電極としての銀電極の上に反射防止膜６として厚さ１μｍのＴｉＯ₂膜を蒸着法により形成して、太陽電池素子を得た。この太陽電池素子を直列に１０個、並列に１０個あわせて１００個配列した太陽電池を構成した。この太陽電池において１個の太陽電池素子の受光面をマスキングして影の部分を形成したとき太陽電池に、ＡＭ（Air Mass；通過空気量）０、１３５．３ｍＷ／ｃｍの太陽光照射下における電池特性（開放電圧、短絡電流、最大出力およびバイパス電流）を測定した。開放電圧は５９０ｍＶ、短絡電流は４０．３ｍＡ／ｃｍ²、最大出力は１８．５ｍＷ／ｃｍ²、バイパス電流は６２．２ｍＡ／ｃｍ²であった。結果を表１に示した。

（比較例１）
バイパス電極を形成しなかった以外は、実施例１と同様にして、太陽電子素子を作製し太陽電池を構成した。この太陽電池について、実施例１と同様にして電池特性を測定した。開放電圧は５９０ｍＶ、短絡電流は４０．３ｍＡ／ｃｍ²、最大出力は１８．５ｍＷ／ｃｍ²、バイパス電流は１．６ｍＡ／ｃｍ²であった。結果を表１に示した。

表１から明らかなように、バイパス電極を設けなかった比較例１の太陽電池素子にはバイパス電流がほとんど流れなかったのに対し、バイパス電極を設けた実施例１の太陽電池素子にはバイパス電流が流れ、影となった太陽電池素子に印加された逆バイアス電圧が解消されていることがわかった。また、太陽電池素子にバイパス電極を設けても、開放電圧、短絡電流および最大出力などの太陽電池特性は維持されていた。

なお、今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

上記のように、本発明によれば、逆バイアス電圧の解消を目的として、バイパス機能が簡易に付加された太陽電池素子およびその製造方法に広く利用することができる。

本発明にかかる太陽電池素子の好適な一実施形態を示す概略図である。ここで、（ａ）は上面概略図を、（ｂ）は（ａ）におけるＩＢ−ＩＢ方向の断面概略図を、（ｃ）は下面概略図を示す。 本発明にかかる太陽電池素子の製造方法の好適な一実施形態を示す断面概略図である。ここで、（ａ）は薄型化エッチング工程を、（ｂ）はｎ^＋拡散層形成工程を、（ｃ）はｎ型用電極形成工程を、（ｄ）はダイシング工程を、（ｅ）はｐ型用電極形成工程を、（ｆ）はバイパス電極形成工程を、（ｇ）は反射防止膜形成工程を示す。 本発明にかかる太陽電池素子の製造方法の好適な別の実施形態を示す断面概略図である。ここで、（ａ）は基板積み重ね工程を、（ｂ）はバイパス電極形成工程を、（ｃ）は反射防止膜形成工程を示す。 本発明にかかる太陽電池素子の製造方法の好適なまた別の実施形態を示す断面概略図である。ここで、（ａ）は１回目のダイシング工程を、（ｂ）はｐ型用電極およびバイパス電極同時形成工程を、（ｃ）は反射防止膜形成工程を、（ｄ）は２回目のダイシング工程を示す。

符号の説明

１ 太陽電池素子基板、２ 第１の導電型層、３ 第１の導電型用電極、４ 第２の導電型用電極、５ バイパス電極、６ 反射防止膜、１０，１１，１２，１３ 側面、１０ａ 側面におけるバイパス電極形成領域、１０ｂ 側面におけるバイパス電極非形成領域。

Claims (12)

1. 太陽電池素子基板の受光面側に形成された第１の導電型層と、前記太陽電池素子基板の裏面側に形成された第２の導電型用電極と、前記第１の導電型層および前記第２の導電型用電極に接触するように形成されたバイパス電極を有する太陽電池素子。
2. 前記バイパス電極の厚さが１０ｎｍ以上である請求項１に記載の太陽電池素子。
3. 前記バイパス電極の材料は、前記バイパス電極が前記第１の導電型層に対してショットキー接合となる材料である請求項１または請求項２に記載の太陽電池素子。
4. 前記太陽電池素子の構造がコンベンショナル構造またはＢＳＲ構造である請求項１〜請求項３のいずれかに記載の太陽電池素子。
5. 前記太陽電池素子が宇宙用機器に用いられる請求項１〜請求項４のいずれかに記載の太陽電池素子。
6. 太陽電池素子基板の受光面側に第１の導電型層を形成する工程と、前記太陽電池素子基板の裏面側に第２の導電型用電極を形成する工程と、前記第１の導電型層および前記第２の導電型用電極に接触するバイパス電極を前記太陽電池素子基板の少なくとも１つの側面の少なくとも一部に形成するバイパス電極形成工程とを含む太陽電池素子の製造方法。
7. 前記第２の導電型用電極を形成する工程と、前記バイパス電極形成工程を同時に行なう請求項６に記載の太陽電池の製造方法。
8. 太陽電池素子基板の受光面側に第１の導電型層を形成する工程と、前記太陽電池素子基板の裏面側に第２の導電型用電極を形成する工程と、前記太陽電池素子基板を積み重ねる工程と、前記第１の導電型層および前記第２の導電型用電極に接触するバイパス電極を前記太陽電池素子基板の少なくとも１つの側面の少なくとも一部に形成するバイパス電極形成工程とを含む太陽電池素子の製造方法。
9. 前記パイパス電極の形成を蒸着法により行なう請求項６〜８のいずれかに記載の太陽電池素子の製造方法。
10. 前記太陽電池素子基板の側面が、受光面に対して直角以外の角度を有するように形成する請求項６〜請求項９のいずれかに記載の太陽電池素子の製造方法。
11. 前記太陽電池素子基板の側面に形成されるバイパス電極の形成辺の長さによりバイパス電流量を制御することを特徴とする請求項６〜請求項１０のいずれかに記載の太陽電池素子の製造方法。
12. 前記バイパス電極形成工程において、前記太陽電池素子基板の少なくとも１つの側面の少なくとも一部をマスキングすることにより、バイパス電極形成領域またはバイパス電流量を制御することを特徴とする請求項６〜請求項１１のいずれかに記載の太陽電池素子の製造方法。

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