WO2013046386A1 - 太陽電池、太陽電池モジュール及び太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
集電極24が形成された太陽電池100であって、集電極24は、銅を含む主導電層24aと、主導電層24aの少なくとも一部を被うオーバーコート層24bと、を備える構成とする。
Description
本発明は、太陽電池、太陽電池モジュール及び太陽電池の製造方法に関する。
近年、太陽光を電気エネルギーに変換することができる太陽電池が石油代替エネルギー源として使用されている。太陽電池には、単結晶型太陽電池、多結晶型太陽電池、アモルファス型太陽電池等、又はこれらを組み合わせたものが挙げられる。
太陽電池では、発電された電力を外部に取り出すために、その表面及び裏面にフィンガー部やバスバー部等の集電極が設けられる。近年、導電性の高さ、加工の容易性及び材料の価格を考慮して、特許文献1に記載のように、めっきにより形成した集電極が採用される場合がある。めっきにより集電極を形成する場合、従来ニッケル(Ni)、銅(Cu)、クロム(Cr)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)及び銀(Ag)等の材料が用いられる。中でも、コスト及び抵抗率の関係から、銅を用いることが好ましい。
太陽電池は、受光面側の封止体と裏面側の封止体との間の充填層中に封止された太陽電池モジュールの形態で使用されることが多い。通常屋外で使用される太陽電池モジュールには、出力特性だけでなく信頼性も要求される。
本発明の1つの態様は、受光面及び裏面の少なくとも一方に集電極が形成された太陽電池であって、集電極は、銅を含む主導電層と、主導電層の上面側を被うオーバーコート層又は下面側を被うアンダーコート層の少なくとも一方と、を備える、太陽電池である。
また、本発明の別の態様は、受光面及び裏面の少なくとも一方の面上に、開口を有するコーティング層を形成する第1の工程と、開口内に露出する一方の面上を金属でめっきし、コーティング層より膜厚が小さい集電極を形成する第2の工程と、コーティング層と集電極とを充填層で被う第3の工程と、を備え、第2の工程は、銅を含む主導電層を形成する工程と、主導電層の上面側を被うオーバーコート層又は下面側を被うアンダーコート層の少なくとも一方を形成する工程と、を含む、太陽電池の製造方法である。
本発明によれば、太陽電池モジュールの信頼性を高めることができる。
<第1の実施の形態>
第1の実施の形態における太陽電池100は、図1の断面図に示すように、基板10、i型非晶質層12i、p型非晶質層12p、透明導電層14、i型非晶質層16i、n型非晶質層16n、透明導電層18、コーティング層20,22、及び集電極24,26を含んで構成される。i型非晶質層12i、p型非晶質層12p、i型非晶質層16i及びn型非晶質層16nは、結晶粒を含んでいてもよい。また、太陽電池モジュール300は、太陽電池100、充填層28,30及び封止体32,34を含んで構成される。
第1の実施の形態における太陽電池100は、図1の断面図に示すように、基板10、i型非晶質層12i、p型非晶質層12p、透明導電層14、i型非晶質層16i、n型非晶質層16n、透明導電層18、コーティング層20,22、及び集電極24,26を含んで構成される。i型非晶質層12i、p型非晶質層12p、i型非晶質層16i及びn型非晶質層16nは、結晶粒を含んでいてもよい。また、太陽電池モジュール300は、太陽電池100、充填層28,30及び封止体32,34を含んで構成される。
以下、太陽電池100の製造方法を示しつつ、太陽電池100の構造を説明する。
基板10は、結晶系の半導体材料からなるウエハ状の板である。基板10は、n型又はp型の導電型の結晶性半導体からなる基板とすることができる。基板10は、例えば、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板、砒化ガリウム基板(GaAs)、インジウム燐基板(InP)等を適用することができる。基板10は、入射された光を吸収することで、光電変換効果により電子及び正孔のキャリア対を発生させる。以下では、基板10としてn型の単結晶シリコンからなる基板を用いた例を説明する。
基板10には、まず洗浄等の前処理が施される。この前処理において、基板10の少なくとも受光面にテクスチャ構造と呼ばれる凹凸構造が形成される。
i型非晶質層12iは、基板10の一主面上に積層される、例えば、真性のアモルファスシリコン半導体層である。i型非晶質層12iは、水素を含んでいてもよい。p型非晶質層12pは、i型非晶質層12iに積層される。例えば、p型非晶質層12pは、p型のアモルファスシリコン半導体層である。p型非晶質層12pは、水素を含んでいてもよい。
i型非晶質層12iは、p型非晶質層12pと基板10との間の接合特性を改善するために、p型非晶質層12pと基板10との間に挿入されている。このため、i型非晶質層12iの膜厚は、実質的に発電に寄与しない程度の厚み、例えば0.1nm以上25nm以下、好ましくは5nm以上10nm以下の厚みにされている。
i型非晶質層12i及びp型非晶質層12pは、プラズマ化学気相成長法等のCVD法、或いはスパッタリング法等の成膜方法により形成することができる。
i型非晶質層16iは、基板10の他主面上に積層される、例えば真性のアモルファスシリコン半導体層である。i型非晶質層16iは、水素を含んでいてもよい。n型非晶質層16nは、i型非晶質層16i上に積層される。例えば、n型非晶質層16nは、n型のアモルファスシリコン半導体層である。n型非晶質層16nは、水素を含んでいてもよい。
i型非晶質層16iは、n型非晶質層16nと基板10との間の接合特性を改善するために、n型非晶質層16nと基板10との間に挿入されている。このため、i型非晶質層16iの膜厚は、i型非晶質層12iと同様に、実質的に発電に寄与しない程度の厚み、例えば0.1nm以上25nm以下、好ましくは5nm以上10nm以下の厚みにされている。
i型非晶質層16i及びn型非晶質層16nは、CVD法、スパッタリング法等の成膜方法により形成することができる。
透明導電層14は、p型非晶質層12p上に形成され、透明導電層18は、n型非晶質層16n上に形成される。透明導電層14,18は、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化錫、または酸化チタンなどの金属酸化物を少なくとも一つを含んで構成され、これらの金属酸化物に、錫、亜鉛、タングステン、アンチモン、チタン、セリウム、ガリウムなどのドーパントがドープされていてもよい。透明導電層14,18は、蒸着法、CVD法、スパッタリング法等の薄膜形成方法により形成することができる。透明導電層14,18の膜厚は、透明導電層14,18の屈折率により適宜調整され得る。
コーティング層20は、透明導電層14上に積層され、コーティング層22は、透明導電層18上に積層される。コーティング層20,22は、後述するように集電極24,26を電解メッキにより形成するために、絶縁性を有することが好ましいが、特にこれに限るものではない。コーティング層20,22は、加工性を考慮して光硬化性の樹脂とすることが好適である。例えば、エポキシ系やアクリレート系、オレフィン系の紫外線硬化性樹脂とする。
コーティング層20,22は、スピンコート法、スプレー法或いは印刷法等を用いて透明導電層14,18上に形成することができる。コーティング層20,22の膜厚は、樹脂材料を用いて形成する場合には、樹脂材料の粘度、或いは形成条件により調整することができる。例えば、スピンコート法を用いる場合、スピンコートの回転速度、回転数等の条件により調整することができる。コーティング層20,22は、図2の平面図に示すように、後述する集電極24,26の形状に合わせた開口部A(図1参照)を有するパターンに形成される。コーティング層20,22として光硬化性樹脂を用いることにより、フォトリソグラフィ技術を適用してコーティング層20,22をパターニングすることができる。開口部Aは、コーティング層20,22の下層である透明導電層14,18の一部が露出するように形成される。
集電極24は、透明導電層14上の導電層であり、集電極26は、透明導電層18上の導電層である。集電極24,26は、太陽電池100で発生する電力をまんべんなく集電できるように、複数のフィンガー部及び複数のフィンガー部を接続するバスバー部を含む櫛形の構成とすることが好適である。
以下、集電極24を例に説明する。集電極24は、図3の拡大断面図に示すように、主導電層24a及びオーバーコート層24bの多層構造である。主導電層24aは、導電性の高さ、加工の容易性及び材料の価格を考慮して銅を主成分とする金属層である。オーバーコート層24bは、主導電層24aのオーバーコーティング層であり、後述する充填層28との間に配置される。オーバーコート層24bは、ニッケル(Ni)、錫(Sn)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、パラジウム(Pd)の少なくとも1つを含む金属層である。オーバーコート層24bは、主導電層24aが充填層28に直接触れないように主導電層24aの少なくとも一部を被えばよいが、主導電層24aの全体を被うことがより好ましい。
主導電層24aの膜厚は、集電極24の幅、必要な導電性に応じて決定すればよいが、例えば数10μm程度とすることが好適である。また、オーバーコート層24bの膜厚は、オーバーコート層24bを構成する材料内の銅の拡散特性に応じて0.2μm以上10μm以下とすることが好適である。例えば、ニッケルは銅に対する拡散係数が小さいのでオーバーコート層24bをニッケルで構成した場合にはその膜厚は0.2μm以上とすればよく、錫で構成した場合にはその膜厚は5μm以上とすることが好適である。
集電極24は、コーティング層20の開口部Aに埋設される。集電極24の膜厚は、図3に示すようにコーティング層20の膜厚より薄くしてもよいし、図4に示すようにコーティング層20の膜厚より厚くしてもよい。集電極24の膜厚をコーティング層20の膜厚より薄くすることによって、開口部Aに、集電極24の上面とコーティング層20の側面とによって構成される凹みを設ける。そして、充填層28が開口部Aの凹みに入り込む。このため使用時に充填層28の熱膨張が生じても、コーティング層20の開口部Aの側面において充填層28の熱膨張が抑制される。この結果、コーティング層20と充填層28との密着性が高まり、コーティング層20と充填層28の剥離が抑制される。
また、集電極24と充填層28との接触面積が小さくなり、後述するように太陽電池モジュール300の信頼性を高めることができる。一方、集電極24の膜厚をコーティング層20の膜厚より厚くすることによって、集電極24の幅を狭くしても集電極24として必要な導電性を得ることができ、受光の有効面積を増加させることができる等の利点がある。
集電極24の形成方法は特に限定されないが、電解めっき法で形成することが好ましい。開口部Aを有する絶縁性のコーティング層20を形成後、透明導電層14に電圧を印加して、電解めっきにより集電極24を成膜する。まず、主導電層24aを形成後、主導電層24a上にオーバーコート層24bを形成する。主導電層24a及びオーバーコート層24bの膜厚は、それぞれ電解めっきの際の印加電圧、電流値及び製膜時間等の条件により調整することができる。
コーティング層20及び集電極24の膜厚は、電子顕微鏡を用いた断面観察によって確認することができる。例えば、断面SEMや断面TEMを用いてコーティング層20及び集電極24の膜厚の関係を同定することができる。
太陽電池100は封止体32により封止される。コーティング層20及び集電極24上には充填層28が配され、加熱下において封止体32を押し付けることによって封止される。充填層28は、エチレン・ビニル・アセテート(EVA)やポリ・ビニル・ブチラート(PVB)等の樹脂とすることが好適である。太陽電池100の表面(受光面)側の封止体は、透光性を有するガラス板や樹脂シートとすることが好適である。また、太陽電池100の裏面側の封止体は、透光性を有するガラス板や樹脂シート以外に、金属箔をサンドイッチしてなる樹脂フィルム等の遮光性の部材も用いることができる。尚、図示はしないが、太陽電池モジュール300は、配線材によって電気的に接続された複数の太陽電池100を含む。配線材は、一般に集電極のバスバー部に接続される。
このように、主導電層24aを被うオーバーコート層24bにより、主導電層24aに含まれる銅の充填層28への拡散が抑制され、充填層28の変色や劣化を防止することができる。或いは、オーバーコート層24bにより、主導電層24aに含まれる銅の酸化が抑制され、主導電層24aの変色や劣化を防止することができる。これらの結果、太陽電池モジュール300の信頼性を高めることができる。
尚、以上では、コーティング層20、集電極24、充填層28及び封止体32について説明したが、反対面のコーティング層22、集電極26、充填層30及び封止体34についても同様に構成することができる。ただし、いずれか一方の少なくとも一部において上記構成とすればある程度の効果は得られる。
<第2の実施の形態>
第2の実施の形態における太陽電池200は、図5の断面図に示すように、基板10、i型非晶質層12i、p型非晶質層12p、透明導電層14、i型非晶質層16i、n型非晶質層16n、透明導電層18、コーティング層20,22及び集電極36,38を含んで構成される。また、太陽電池モジュール400は、太陽電池200、充填層28,30及び封止体32,34を含んで構成される。
第2の実施の形態における太陽電池200は、図5の断面図に示すように、基板10、i型非晶質層12i、p型非晶質層12p、透明導電層14、i型非晶質層16i、n型非晶質層16n、透明導電層18、コーティング層20,22及び集電極36,38を含んで構成される。また、太陽電池モジュール400は、太陽電池200、充填層28,30及び封止体32,34を含んで構成される。
太陽電池200は、集電極36,38が異なる構成であること以外は第1の実施の形態における太陽電池100と同様の構成を有する。そこで、以下では集電極36,38について説明し、他の構成については説明を省略する。
以下、集電極36を例に説明する。集電極36は、図6の拡大断面図に示すように、アンダーコート層36a及び主導電層36bの多層構造である。集電極36は、コーティング層20の開口部Bに埋設される。アンダーコート層36aは、主導電層36bのアンダーコーティング層であり、主導電層36bが透明導電層14に直接触れないように、透明導電層14と主導電層36bとの間に設けられる。主導電層36bは、アンダーコート層36a上に設けられる。アンダーコート層36aは、ニッケル、錫、チタン、タンタ、タングステン、パラジウムの少なくとも1つを含む金属層とする。主導電層36bは、銅(Cu)を主成分とする金属層とする。アンダーコート層36aの膜厚は、アンダーコート層36aを構成する材料に応じて0.2μm以上10μm以下とすることが好適である。例えば、ニッケルは銅に対する拡散係数が小さいのでオーバーコート層24bをニッケルで構成した場合にはその膜厚は0.2μm以上とすればよく、錫で構成した場合にはその膜厚は5μm以上とすることが好適である。主導電層36bの膜厚は、数10μm程度とすることが好適である。また、集電極36の膜厚は、図6に示すようにコーティング層20の膜厚より薄くしてもよいし、図7に示すようにコーティング層20の膜厚より厚くしてもよい。
集電極36は、電解めっき法で形成することが好ましい。開口部Bを有する絶縁性のコーティング層20を形成後、透明導電層14に電圧を印加して、電解めっきによりアンダーコート層36aを成膜する。その後、アンダーコート層36a上に主導電層36bを形成する。アンダーコート層36a及び主導電層36bの膜厚は、それぞれ電解めっきの際の印加電圧、電流値及び製膜時間等の条件により調整することができる。
このように、光電変換領域である半導体と主導電層36bの間にアンダーコート層36aを設けることによって、主導電層36bに含まれる銅の半導体への拡散が抑制され、発電特性の低下を抑制することができる。この結果、太陽電池モジュール400の信頼性を向上させることができる。以上では、集電極36について説明したが、反対面の集電極38についても同様に構成することができる。ただし、いずれか一方の少なくとも一部において上記構成とすればある程度の効果は得られる。
なお、第1の実施の形態における構成と第2の実施の形態における構成とを組み合わせてもよい。すなわち、集電極をアンダーコート層、主導電層及びオーバーコート層の積層構造としてもよい。また、オーバーコート層またはアンダーコート層を複数の材料の積層構造としてもよい。
また、オーバーコート層又はアンダーコート層は、エポキシ系等の樹脂としてもよい。この場合、スクリーン印刷法やインクジェット法等を用いて樹脂を塗布することによりオーバーコート層又はアンダーコート層を形成することができる。また、オーバーコート層又はアンダーコート層に樹脂を使用した場合、主導電層と他の導電部材とを電気的に接続するためにオーバーコート層又はアンダーコート層に開口部を設けることが必要になる場合がある。
また、本発明の適用範囲は結晶系太陽電池に限定されるものではなく、集電極を有する太陽電池であれば薄膜型太陽電池等の他のタイプの太陽電池にも同様に適用可能である。
10 基板、12i i型非晶質層、12p p型非晶質層、14 透明導電層、16i i型非晶質層、16n n型非晶質層、18 透明導電層、20,22 コーティング層、24,26 集電極、24a 主導電層、24b オーバーコート層、28,30 充填層、32,34 封止体、36,38 集電極、36a アンダーコート層、36b 主導電層、100,200 太陽電池、300,400 太陽電池モジュール。
Claims (6)
- 受光面及び裏面の少なくとも一方に集電極が形成された太陽電池であって、
前記集電極は、銅を含む主導電層と、前記主導電層の上面側を被うオーバーコート層又は下面側を被うアンダーコート層の少なくとも一方と、を備える、太陽電池。 - 請求項1に記載の太陽電池であって、
前記オーバーコート層又はアンダーコート層は、ニッケル、錫、チタン、タンタル、タングステン、パラジウムの少なくとも1つを含む金属層である。 - 請求項1に記載の太陽電池であって、
前記オーバーコート層又はアンダーコート層は、樹脂層であることを特徴とする太陽電池。 - 請求項1~3のいずれか1項に記載の太陽電池であって、
前記集電極は、絶縁性のコーティング層間に形成され、
前記集電極の膜厚は、前記コーティング層の膜厚よりも小さい。 - 請求項1~4のいずれか1項に記載の太陽電池を備える太陽電池モジュールであって、
前記集電極の上面側を被う樹脂の充填層を備える。 - 受光面及び裏面の少なくとも一方の面上に、開口を有するコーティング層を形成する第1の工程と、
前記開口内に露出する前記一方の面上を金属でめっきし、前記コーティング層より膜厚が小さい集電極を形成する第2の工程と、
前記コーティング層と前記集電極とを充填層で被う第3の工程と、
を備え、
前記第2の工程は、銅を含む主導電層を形成する工程と、前記主導電層の上面側を被うオーバーコート層又は下面側を被うアンダーコート層の少なくとも一方を形成する工程と、を含む、太陽電池の製造方法。
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