JP5073103B2 - 太陽電池素子及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は太陽電池素子及びその製造方法に関する。
近年、エネルギー問題や環境問題の深刻化に伴い、光エネルギーを直接電気エネルギーに変換する太陽電池素子を用いた太陽光発電が注目を集めている。また市場では、より高効率で安価な太陽電池素子が望まれている。このため光電流を増加させるために、受光面電極の一部又は全部を非受光面（裏面）に配置した、バックコンタクト太陽電池素子が提案されている。
このようなバックコンタクト太陽電池素子としては、例えば、シリコンなどの半導体基板の複数の所定箇所に貫通孔を形成し、この貫通孔に導電性部材を充填して受光面側電極と裏面側電極を接続させる貫通孔型バックコンタクト太陽電池が挙げられる。
このような貫通孔型バックコンタクト太陽電池における貫通孔の形成は、例えば、ＹＡＧレーザーやエッチングによる方法が提案されている（特許文献１及び２参照）。
また例えば、貫通孔型バックコンタクト太陽電池の貫通孔が、主面に対し傾斜していることに関して記載されている（特許文献３及び４参照）。
特開平５−８２８１１号公報 特開平６−１８１３２３号公報 特開２００９−７６５１２号公報 特開平４−１０７８８１号公報
ところで、太陽電池素子は、一般的に他の太陽電池素子から多重反射してきた入射光に起因して太陽電池素子の周縁部は中央部に比べて、単位面積当たりで発生する電流が大きくなる傾向にある。
そのため、特許文献１〜４のような貫通孔型バックコンタクト太陽電池においても、一般的な太陽電池モジュールと同様に、太陽電池素子１の周縁部側の電極ほど、電流が極端に集中してしまい、他の電極には電流が流れづらくなるため、太陽電池素子全体としては、直列抵抗が上昇する傾向にある
上記に鑑みて本発明の太陽電池素子は、受光面である第１面と、該第１面の裏面である第２面と、前記第１面から前記第２面にかけて形成された複数の貫通孔とを有する半導体基板を備える太陽電池素子であって、前記複数の貫通孔の開口部の面積は、前記半導体基板の中央部から周縁部に位置するほど大きくなっているものである。
また、本発明の太陽電池モジュールは、前記太陽電池素子を用いたものである。
また、太陽電池素子の製造方法は、半導体基板に対して特定位置から角度を変えてレーザーを照射して複数の貫通孔を形成する工程を含むものである。
上記に鑑みて本発明は、素子の外側になるほど貫通孔の孔が大きくなるようにして実質的に各貫通孔間での抵抗差を低減する。すなわち、中央部と周縁部の各電極における電流密度を等しくでき、太陽電池素子の直列抵抗成分を下げることができ、光電変換効率を向上させることが可能となる。
本発明の太陽電池素子全体を示すための平面図であり、（ａ）は本発明に係る太陽電池素子の第２面（非受光面）の一実施形態を示す平面図、（ｂ）は対応する第１面（受光面）に形成された電極形状の一実施形態を示す平面図である。 図１に示した太陽電池素子の部分拡大断面図であり、（ａ）は図１のＸ−Ｘ方向の部分拡大断面図、（ｂ）は図１のＹ−Ｙ方向の部分拡大断面図である。 半導体基板に貫通孔を形成する製法を示すためのものであり、（ａ）は図１のＸ’−Ｘ’方向の断面図、（ｂ）は図１のＹ’−Ｙ’方向の断面図、（ｃ）は図１（ｂ）の部分拡大図である。 本発明の太陽電池素子における電流密度を説明するための断面模式図である。 半導体基板に貫通孔を形成するレーザー装置の構成を示すための模式図である。 太陽電池モジュールにおける多重反射を説明する断面模式図である。
≪太陽電池素子≫
本発明に係る太陽電池素子１について、図１と、図１に示す太陽電池素子１の部分拡大断面図である図２を用いて説明する。
本発明の太陽電池素子１は、太陽光を受光する第１面１ｂと、その裏側に位置する第２面１ａとを有し、第１面１ｂと第２面１ａとを貫通する複数の貫通孔８を有する半導体基板５から成る。またこの貫通孔８の内部には導電性充填材が充填され、貫通孔電極２ｂが形成されている。
半導体基板５の第１面１ｂ上に形成された受光面電極２ａは、図１（ｂ）に示すように、複数本の直線状細線の電極がほぼ等間隔に設けられ、さらに各々１本の受光面電極２ａ上には貫通孔電極２ｂが３個程度接続されている。
一本の受光面電極２ａ上に複数の貫通孔電極２ｂを備えれば、一つあたりの貫通孔電極２ｂにおける電流密度を小さくし、太陽電池素子１全体での抵抗を低減できる。
この第１面１ｂの電極に対応して第２面１ａに形成された電極の形状は、図１（ａ）に示すように、まず貫通孔電極２ｂの直下に、これと電気的に接続された矩形状の第１電極２が複数個、一直線上にほぼ一定間隔で配置され、第１電極２の一つには、貫通孔電極２ｂが一つ又は複数個、接続されている。
さらに第１電極２とは別の極性を持った第２電極３が設けられ、この第２電極３は集電電極３ａと出力電極３ｂから成る。すなわち、上記の直線状に配置された第１電極２とその周辺部以外の部分に、集電電極３ａが配置され、この集電電極３ａ上に出力電極３ｂが形成される。この出力電極３ｂは各々集電電極３ａからの出力を取り出すための電極である。
半導体基板５は一導電型を有し、この半導体基板５の第１面１ｂおよび第２面１ａには、図２（ａ）、（ｂ）に示すように半導体基板５の導電型と異なる逆導電型半導体層６（第１逆導電型層６ａ、第三逆導電型層６ｃ）を有する。
また半導体基板５の電極用貫通孔８の内面には、第二逆導電型層６ｂが設けられている。
一導電型を示す半導体基板５としてＰ型のシリコン基板を使用する場合、このような逆導電型層６はＮ型となり、例えばリンなどのＮ型不純物を半導体基板５の表面と電極用貫通孔８の内面に拡散して形成される。
また図２（ａ）、（ｂ）において、集電電極３ａの電極材料として、特にアルミニウムが用いられた場合、これを塗布、焼成して集電電極３ａを形成する際に、高濃度ドープ層１０を同時に形成することができ、これにより、半導体基板５中で生成されたキャリアが効率よく集電される。ここで、高濃度とは半導体基板１における一導電型不純物の濃度よりも不純物濃度が大きいことを意味する。
この様に本発明に係る太陽電池素子１では、その第１面１ｂに受光面電極２ａ及び電極用貫通孔８内部に貫通孔電極２ｂが設けられ、その第２面１ａ上においては、逆導電型半導体層６上に第１電極２が設けられ、また逆導電型半導体層６の非形成部には第２電極３として集電電極３ａと出力電極３ｂが設けられる。
また半導体基板５の一導電型（例えばＰ型）と逆導電型層（例えばＮ型）を電気的に分離（ＰＮ分離）するため、図１（ａ）に示すように、第１電極２を取り囲むようにその周辺部に分離溝９ａが設けられ、さらに半導体基板５の第２面１ａの周縁部に分離溝９ｂが設けられる。
以下、本発明の太陽電池素子の一実施形態について詳細に説明する。
本発明の太陽電池素子の一実施形態は、受光面である第１面と、該第１面の裏面である第２面と、第１面から第２面にかけて形成された複数の貫通孔とを有する半導体基板を備える太陽電池素子であって、複数の貫通孔の開口部の面積は、半導体基板の中央部から周縁部に位置するほど大きくなっているものである。
これにより、太陽電池素子１の外側になるほど貫通孔８の孔径が大きくなるようにして、実質的に各貫通孔８間での抵抗差を低減することができる。よって、図６のような多重反射光により、太陽電池素子１の外側になるほど図４のように電流３２の密度が大きくなるのに対して、外側ほど貫通孔８の孔径が大きくなるので、図３のように中央部５ａと周縁部５ｂの各電極における電流密度を等しくでき、太陽電池素子１全体での直列抵抗成分を下げることができ、光電変換効率を向上させることが可能となる。
ここで太陽電池素子１の貫通孔８は、内部に導電性充填材が充填され貫通孔電極２ｂが形成されているものではあるが、便宜上、貫通孔８として表現する。また、貫通孔８における第１面１ｂと第２面１ａの開口部の面積が同じであれば、第１面１ｂと第２面１ａとの導通が安定する点で好ましい。さらに、貫通孔８は、第１面１ｂと第２面１ａとに平行な断面積が同じであれば、貫通孔８が途中で狭くなって抵抗が高くなることがない点で好ましい。
さらに本発明の太陽電池素子の一実施形態は、複数の貫通孔の中心線と第１面とのなす角度は、半導体基板の中央部側から周縁部側に位置するほど小さくなっている。
さらに本発明の太陽電池素子の一実施形態は、複数の貫通孔の中心線の延長線は、それぞれ、第１面側で交わる交差点に向かって集中している。
さらに本発明の太陽電池素子の一実施形態は、半導体基板の第１面は四角形状であって、交差点は、半導体基板の対角線の交点を通る半導体基板の垂線上にある。
例えば、図３に示すように複数の貫通孔８の傾きは、この貫通孔８が半導体基板５の中央部５ａから周縁部５ｂに位置するほど大きくなっていることがわかる。さらに、電極用貫通孔８の中心線１２が、この半導体基板５の第１面１ｂ側の空間にある1点１１に集中して交差していることがわかる。さらに、第１面１ｂ側の一点１１と半導体基板５の対角線の交点１１ａとの線分が、半導体基板５の垂線となっていることがわかる。
そして、この貫通孔８が半導体基板５の中央部５ａから周縁部５ｂに位置するほど、第１面側１ｂから第２面側１ａにかけて、貫通孔８の長さを長くすることができる。
これによって、太陽電池素子１の周縁部５ｂからの水分などの浸入により貫通孔８全体が侵食されることを周縁部８側ほど低減できるようにしている。あるいは図示しないが、貫通孔８は上記と逆方向に傾いていても本願と同様の効果を得ることができる。
さらに、本発明の太陽電池素子の一実施形態は、複数の貫通孔は、中央部に位置して開口部の形状が円形状の第１貫通孔と、第１貫通孔より周縁部側に位置し、開口部の形状が楕円形状である第２貫通孔とを有している。
例えば図３（ｃ）に示されるように、中央部５ａ側に位置して第１貫通孔８ａと、第１貫通孔より周縁部５ｂ側に位置して第２貫通孔８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅがある。
これにより、電極用貫通孔８が楕円形状であることで開口面積が増え、集電効果が高くなる。
さらに、本発明の太陽電池素子の一実施形態は、第２貫通孔は、第１貫通孔を中心として放射状に広がって位置している。
これにより、太陽電池素子１の周縁部５ｂからの水分などの浸入に対して開口部の楕円形状の長手方向全体が侵食されることを周縁部８側ほど低減することができる。
さらに、本発明の太陽電池素子の一実施形態は、半導体基板は一導電型を有し、貫通孔の内側側面には逆導電型半導体層が形成されていることが好ましい。
この貫通孔８の内壁に逆導電型層６ｂが形成されたことにより、この部分のリーク電流を抑えることが可能となる。
さらに、本発明の太陽電池素子の一実施形態は、貫通孔の内側側面は、第１面および第２面よりも表面粗さが大きくなっている。
この粗面化により導電性充填材との接触面積を増加させることができ、両者の接着強度を向上せせることが可能となる。またこのエッチングにより上述のシリコンインゴットから切り出し時に生じたダメージ層をも除去することができるとともに、第１面１ｂも粗面化することできるので、太陽電池素子１に入射した光の反射を抑えることができ、その光電変換効率を更に向上させることができる。
≪太陽電池素子の製造方法≫
次に、本発明に係る太陽電池素子の製造方法について説明する。
＜半導体基板の準備工程＞
まず、一導電型を示す半導体基板５として、例えばボロンなどがドープされたＰ型のシリコン基板を準備する。このシリコン基板は、シリコンインゴットから切り出された単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板からなるシリコン基板を用いればよく、シリコン基板の大きさは例えば一辺１４０〜１８０ｍｍ程度の正方形又は矩形で、その厚みは１５０μｍ〜３００μｍ程度にすればよい。
＜電極用貫通孔の形成工程＞
次に、半導体基板５の第１面１ｂと第２面１ａとの間に電極用貫通孔８を形成する。
本発明の太陽電池素子の製造方法によれば、半導体基板に対して特定位置から角度を変えてレーザーを照射して複数の貫通孔を形成する工程を含む。
この電極用貫通孔８は、機械的ドリル、ウォータージェット或いはレーザー装置等を用いて、例えば半導体基板５の第１面１ｂ側から第２面１ａ側に向けて形成される。特に電極用貫通孔８形成時又は形成後のマイクロクラックの発生防止のために、レーザーなどが好適に用いられる。
図５は本発明に係る電極用貫通孔８を効率よく形成するレーザー装置の概略を示したものである。本発明に係るレーザー装置は、情報処理部１７とレーザー発振部２０とレーザー制御部１９とミラー２１とミラー制御部１８と載置台２２とを有している。ここで特定位置とは図３の１１に相当する。
レーザー発振部２０は、半導体基板５よりその一部を溶融除去するレーザーを発振する機能を有する。このようなレーザーとしては、例えばエキシマレーザー、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザーまたはＹＶＯ４（イットリウム・バナデイト）レーザー等を使用することができる。
レーザー制御部１９は、レーザーの出力等を制御するものであり、例えば、レーザー制御部１９は、レーザーの出力等を制御・調整・安定化するものであり、例えばレーザー発振部２０に電力を供給する電源回路、レーザー発振部２０の温度を検出・制御する温度センサー・温度調節回路・冷却水路・冷却水タンク、レーザー発振部２０および光学系に埃を含まない空気を供給するフィルタ・送風機、レーザーの照射によって蒸散された半導体基板５のヒュームを除去する排気ダクト、ヒュームをダクトに流入させるためのエアブロー装置、レーザー光が外部に漏れないようにするための遮蔽ユニット、ビームの出力を所定の時間間隔でモニタする焦電センサー等から構成され得る。
ミラー２１は、レーザー発振部２０より発振されたレーザーの方向（角度）を調整する機能を有し、例えば、ガルバノミラーが好適に用いられる。
ミラー制御部１８は、予め入力された情報（プログラム）に基づき、ミラー２１の角度等を制御する機能を有する。すなわちミラー制御部１８は、半導体基板５の所定の位置にレーザーを照射するように、ミラー２１の角度等を制御するものである。
またミラー２１と半導体基板５の間にレーザーを集光し焦点合わせるためのするための、凸レンズやフラットフィールドレンズ、Ｆθレンズ等を配置しても良い。
載置台２２は、載置面でもって半導体基板５を支持する機能を有している。また、載置台２２には、載置面の中央部付近に、載置面から載置面の裏面まで貫通する貫通孔８を設け、載置台１９の裏面側から真空ポンプ等を用いて半導体基板５を固定してもよい。また、載置台２２には、シーケンサー等により制御されたサーボモーター等の可動機構を取り付け、例えば、ＸＹの２軸方向に自在に動くようにすれば、レーザー照射位置、半導体基板５の取り出し位置等半導体基板５を自在に搬送可能となり、電極用貫通孔８の形成工程を効率良く行うことができる。
情報処理部１７は、シーケンサーなどが用いられ、これにより半導体基板５を載置した載置台２２やミラー２１、レーザー発振部２０の情報を処理し、電極用貫通孔８の形成の開始や完了の命令をレーザー発振部２０やミラー制御部１８に送るものである。
このようなレーザー装置により、規則的に傾斜している電極用貫通孔８を効率良く確実の形成することが可能となる。
さらに本発明の太陽電池素子の製造方法によれば、特定位置を、半導体基板の第１面側の上方とする。
さらには、本発明の太陽電池素子の製造方法によれば、半導体基板の第１面が四角形状であるとき、特定位置を、半導体基板の第１面の対角線の交点の上方とする。
これにより、レーザーの出力を調節することなく複数の貫通孔８の開口部の面積が、半導体基板５の中央部５ａ側から周縁部５ｂ側に位置するほど大きくなるようにすることができる点で好ましい。
また、複数の貫通孔８が、第１面１ｂ側から第２面１ａ側にかけて、半導体基板５の中央部５ａ側から周縁部５ｂ側に向かって傾き、かつ、複数の貫通孔８の傾きが、貫通孔８が半導体基板５の中央部５ａ側から周縁部５ｂ側に位置するほど大きくなるようにすることができる点で好ましい。
＜表面エッチング＞
電極用貫通孔８を設けた半導体基板５を、１０〜３０％程度、６０〜９０℃の水酸化ナトリウム水溶液で５〜２０μｍ程度エッチングする。
これにより電極用貫通孔８内部の内側側面もエッチングされ、その表面が粗面化される。
＜逆導電型層の形成工程＞
次に、半導体基板５の表面に逆導電型層６を形成する。逆導電型層６を形成するためのＮ型化ドーピング元素としてはＰ（リン）を用い、シート抵抗が６０〜３００Ω／□程度のＮ＋型とすることでＰＮ接合部が形成される。さらにこの逆導電型層６に例えば気相拡散法が用いられた場合、半導体基板５の両面および電極用貫通孔８の内壁に、同時に逆導電型層６を形成することができる。
＜反射防止膜の形成工程＞
次に、第１逆導電型層６ａの上に、反射防止膜７を形成することが好ましい。反射防止膜７の材料としては、窒化珪素膜や酸化チタン膜などを用いることができる。反射防止膜７の形成方法としては、ＰＥＣＶＤ法、蒸着法やスパッタ法などを用いることができる。
＜受光面電極と貫通孔電極の形成工程＞
次に、半導体基板５に、受光面電極２ａと貫通孔電極２ｂを形成する。これらの電極は、半導体基板５の第１面１ｂにスクリーン印刷法などの塗布法を用いて導電性ペーストを塗布すればよく、例えば銀等からなる導電性ペーストを、最高温度５００〜８５０℃で数十秒〜数十分程度焼成することにより形成される。
＜第２面電極の形成工程＞
次に、半導体基板５の第２面１ａ上に、集電電極３ａを形成する。例えばスクリーン印刷法を用いて、半導体基板５の第２面１ａ上に導電性ペーストを塗布すればよく、例えばアルミニウム等からなる導電性ペーストを、集電電極３ａとなるような所定の電極形状に塗布し、最高温度５００〜８５０℃で数十秒〜数十分程度焼成することにより集電電極３ａを形成する。またこれにより一導電型半導体不純物が高濃度に拡散された高濃度ドープ層１０を形成することも可能となる。次に、半導体基板５の第２面１ａ上に第１電極２と出力電極３ｂと第３電極４とを形成する。
上述の塗布法を用いて、半導体基板５の第２面１ａに導電性ペーストを塗布すれば良く、例えば銀等からなる導電性ペーストを、例えば、図１（ａ）の電極形状となるようにスクリーン印刷法を用いて塗布し、最高温度５００〜８５０℃で数十秒〜数十分程度焼成することにより第１電極２と出力電極３ｂと第３電極４とを形成する。
＜ＰＮ分離工程＞
ＰＮ分離は、第２面１ａの周縁部のみに酸化珪素やアルミナなどの粉末を高圧で吹きつけて第２面１ａの周縁部の逆導電型層を削り取るブラスト加工法や、第２面１ａの周辺端部に分離溝９ｂを形成するレーザー加工法で可能である。
次に第１電極２周縁部分のＰＮ分離を行う場合は、第１電極２、集電電極３ａ、第３電極４以外の部分に、ＹＡＧレーザー（波長１０６４ｎｍ）やＳＨ（ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｅｎｅｒａｔｉｏｎ）―ＹＡＧレーザー（波長５３２ｎｍ）などを用いてレーザー光を照射し、矩形状に分離溝９ａを形成することで行う。
１：太陽電池素子
１ａ：第２面（裏面、非受光面）
１ｂ：第１面（表面、受光面）
２：第１電極
２ａ：受光面電極
２ｂ：貫通孔電極
３：第２電極
３ａ：集電電極
３ｂ：出力電極
４：第３電極
５：半導体基板
５ａ：中央部
５ｂ：周縁部
６：逆導電型（半導体）層
６ａ；第１逆導電型層
６ｂ：第二逆導電型層
６ｃ；第三逆導電型層
７：反射防止膜
８：（電極用）貫通孔
８ａ：第１貫通孔
８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ：第２貫通孔
９：分割溝
９ａ：周縁部の分離溝
９ｂ：外周端部の分離溝
１０：高濃度ドープ層
１１：１点（特定位置）
１１ａ：（対角線の）交点
１２：中心線（延長線）
１７：情報処理部
１８：ミラー制御部
１９：レーザー制御部
２０：レーザー発振部
２１：ミラー
２２：載置台
２３：作業ステージ
２４：ステップモーター
３０：入射光
３１：多重反射光
３２：電流
３３：バックシート
Ｌ：光路

Claims (12)

  1. 受光面である第１面と、該第１面の裏面である第２面と、前記第１面から前記第２面にかけて形成された複数の貫通孔とを有する半導体基板を備える太陽電池素子であって、
    前記複数の貫通孔の開口部の面積は、前記半導体基板の中央部から周縁部に位置するほど大きくなっている太陽電池素子。
  2. 前記複数の貫通孔の中心線と前記第１面とのなす角度は、前記半導体基板の中央部から周縁部に位置するほど小さくなっている請求項１に記載の太陽電池素子。
  3. 前記複数の貫通孔の中心線の延長線は、それぞれ前記第１面側で交わる交差点に向かって集中している請求項１または２に記載の太陽電池素子。
  4. 前記半導体基板の前記第１面は四角形状であって、
    前記交差点は、前記半導体基板の対角線の交点を通る前記半導体基板の垂線上にある請求項３に記載の太陽電池素子。
  5. 前記複数の貫通孔は、前記中央部に位置して前記開口部の形状が円形状の第１貫通孔と、前記第１貫通孔よりも周縁部側に位置して前記開口部の形状が楕円形状である第２貫通孔とを有している請求項１から４のいずれかに記載の太陽電池素子。
  6. 前記第２貫通孔は、前記第１貫通孔を中心として放射状に広がって位置している請求項５に記載の太陽電池素子。
  7. 前記半導体基板は一導電型を有し、前記貫通孔の内側側面には逆導電型半導体層が形成されている請求項１から６のいずれかに記載の太陽電池素子。
  8. 前記貫通孔の内側側面は、前記第１面および前記第２面よりも表面粗さが大きくなっている請求項１から７のいずれかに記載の太陽電池素子。
  9. 請求項１から８のいずれかに記載の太陽電池素子を用いた太陽電池モジュール。
  10. 請求項１から８のいずれかに記載の太陽電池素子の製造方法であって、前記半導体基板に対して特定位置から角度を変えてレーザーを照射して前記複数の貫通孔を形成する工程を含む太陽電池素子の製造方法。
  11. 前記特定位置を、前記半導体基板の前記第１面側の上方とする請求項１０に記載の太陽電池素子の製造方法。
  12. 前記半導体基板の前記第１面が四角形状であるとき、
    前記特定位置を、前記半導体基板の前記第１面の対角線の交点の上方とする請求項１０または１１に記載の太陽電池素子の製造方法。
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