JP2008270743A5 - - Google Patents
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Description
本発明は、太陽電池モジュールに関する。
現在主流となっている結晶型シリコン太陽電池の発電効率を高効率化する構成として、太陽電池素子の受光面側に形成された電極の面積を減らして受光面積を大きくする構成が検討されている。図9は、スルーホール型太陽電池モジュールの構成を示す図である。
スルーホール型太陽電池モジュールとは、受光面側から裏面側への貫通電極を設けることで、太陽電池素子の受光面側に存在していた電極をなくす、もしくは電極による占有面積を減らすことによって太陽電池素子の受光面積を向上させ、高効率化を図るというものである。たとえば、第1導電型の結晶基板表面上に順次第1導電型の化合物半導体層、第2導電型の化合物半導体層を順次積層し、スルーホールを介して受光面側電極を裏面側に回すという構造が開示されている(たとえば、特許文献1参照)。
また、スルーホールの裏面側周辺に逆導電型層を広げた構造を有する太陽電池素子も示されている(たとえば、特許文献2参照)。図9(a)は、その構造を示す断面図、図9(b)は一主面(受光面)側から見た平面図、図9(c)は他主面(裏面)側から見た平面図を示したものである。なお、図9(a)は、図9(b)、(c)における矢印X方向の断面を示したものである。
この太陽電池素子の製造方法としては、まず第1導電型(たとえばP型)を示す半導体基板1にドリルなどにより多数の貫通孔3を設けた後、貫通孔3の内壁を含む半導体基板1の両面に第2導電型(たとえばN型)の逆導電型層2(第1逆導電型層2a、第2逆導電型層2b、第3逆導電型層2c)を形成する。このとき裏面側には第3逆導電型層2cを形成しない領域が必要となる。その後、裏面側の第3逆導電型層2c上および貫通孔3内に第1電極4(貫通孔内電極4b、裏面側電極4c)を形成し、第3逆導電型層2cを形成していない領域に第2電極5を形成し、受光面側電極4aを貫通孔内電極4bと接続することで太陽電池素子が完成する。
また、太陽電池素子は、そのままでは屋外での過酷な環境下での使用に耐えることはできないことから、一般的に太陽電池素子の受光面側に設けるガラス等の透明で耐候性のある受光面側部材と、太陽電池素子の裏面側に設けるポリエチレンテレフタレート(PET)や金属箔をポリフッ化ビニル樹脂(PVF)で挟みこんだフィルム等の防湿性、電気絶縁性に優れた裏面側部材との間に、ポリビニルブチラール、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)等の封止性樹脂を介して太陽電池素子を挟持してラミネートし、太陽電池モジュールとして使用される。
特開昭63−211773号公報
特表2002−500825号公報
太陽電池モジュールは、屋外で長期間使用されるために高度な耐湿性が要求されるが、10年以上におよぶ屋外曝露では被覆材の光劣化、熱劣化によって、各部材間での剥離が顕在化する場合があり、部材間の剥離は剥離部分への水分の浸入によって、太陽電池素子あるいは素子に付随する金属部材からなる電極や接続タブの腐食や、封止性樹脂の黄変を招き、太陽電池特性の低下につながる。電極が酸化したり、EVAが水と反応して酸が発生し、電極の腐食、特に電極と半導体層との界面の腐食により集電効率が悪化する。
ガラス等の受光面側部材に比べ、樹脂等からなる裏面側部材から水分は浸入しやすいことから、特性に対して大きな影響を与える受光面側の電極の腐食や受光面側の封止性樹脂の黄変は一般的に起こりにくいと考えられるが、上記のようなスルーホール型太陽電池モジュールの場合、裏面側から浸入した水分が貫通孔3を通して受光面側電極や封止樹脂に対して影響を与えてしまう。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、簡易な構成でかつ長期間の屋外曝露、特に高温高湿環境下での太陽電池特性の劣化を最小限にする太陽電池モジュールを提供することである。
本発明は、受光面と裏面とを含み、前記受光面と前記裏面との間を貫通する貫通孔を有する半導体基板と、前記半導体基板の前記貫通孔内に設けられており、前記貫通孔の断面積が前記半導体基板の前記裏面側の開口において最小である貫通電極と、を有する太陽電池素子と、前記太陽電池素子の受光面側を封止する第1の樹脂と、前記太陽電池素子の裏面側を封止する第2の樹脂と、を有する。ここで裏面開口部における「断面積が最小である」とは、貫通孔の厚み方向における他のいずれの部位における断面積よりも、裏面開口部の断面積が小さい(同一を含まない)ことを意味する。
本発明の太陽電池モジュールは、半導体基板の裏面側の開口における面積が最小である貫通電極を有する太陽電池素子と、太陽電池素子の受光面側を封止する第1の樹脂と、太陽電池素子の裏面側を封止する第2の樹脂と、を有する。
これにより、太陽電池モジュール内部に裏面側から浸入してきた水分が貫通孔を通して受光面側に浸入することを低減できるので、受光面側での電極の腐食や受光面側の封止性樹脂の黄変の発生を低減でき、高温高湿環境下での太陽電池特性の劣化を低減できる。
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。
[太陽電池素子]
図1は、本発明の実施の一形態である太陽電池モジュールを構成する太陽電池素子10の構成を示す断面図である。
[太陽電池素子]
図1は、本発明の実施の一形態である太陽電池モジュールを構成する太陽電池素子10の構成を示す断面図である。
第1の導電型を示す半導体基板1として、P型のシリコン基板を使用する場合を例にとり説明する。なお、N型のシリコン基板を用いても良いのは言うまでもなく、その場合には電極の極性を逆にすればよい。
P型シリコン基板1は、一主面(以下では「受光面」という)と他主面(以下では「裏面」という)との間を貫通する貫通孔3を有する。図1において、貫通孔3はシリコン基板1の厚み方向に貫通している。従来における貫通孔3は、受光面側と裏面側の開口が同じ円形状を有する円柱状であったり、受光面積を確保する観点から特許文献2に記載されているように、受光面側開口部の断面積が最小となるように形成される。
これに対し、本実施形態の太陽電池素子10において、貫通孔3は、裏面開口部における断面積が最小となるように形成されている。これにより裏面側からの水分の浸入を低減できる。
半導体基板1の受光面および裏面には、リンなどを拡散させることによってN型の第1逆導電型層2a、第3逆導電型層2cが形成されている。また、貫通孔3の内壁には、リンなどを拡散させることによってN型の第2逆導電型層2bが形成されている。第1逆導電型層2a、第2逆導電型層2b、第3逆導電型層2cをまとめて逆導電型層2と呼ぶ。
次に、第1電極4は、貫通孔3内を充填するように形成され、逆導電型層2と接続される電極であり、受光面側電極4a、貫通孔内電極4bおよび裏面側電極4cで構成される。第1電極4は、銀、銅などを主成分とした材料によって形成される。なお、「貫通電極」は、本実施形態においては、貫通孔内電極4bに相当する。
本実施の形態において、貫通孔3内に形成された第1電極4は、裏面における断面積が
最小になるように形成されることになる。
最小になるように形成されることになる。
ここで、第1電極4は、受光面上に廻り込むように存在することが好ましく、これによってより多くの集電を行うことが可能となる。
なお、貫通孔3の空間容積、言い換えると第1電極4の体積は、従来の貫通電極の抵抗値と変わらないように形成するために、従来の貫通電極の体積と略同じ体積となるように形成される。
図2は、太陽電池素子10を受光面側からみた平面図である。たとえば、図2(a)に示されるように、受光面側電極4aを複数のライン状電極により構成することが好ましく、各ライン状電極は、貫通孔内電極4bの少なくとも1つと電気的に接続される。これにより、半導体基板1中で生成されたキャリア(電子、正孔)を効率よく集電することができ、貫通孔内電極4bを通して、裏面側電極4cから取り出すことができる。なお、取り出し電極は、本実施形態においては、裏面側電極4cがこれに相当する。
ここで、裏面側電極4cは貫通孔3を塞ぐような位置に形成されることが好ましく、これによって、より効果的に貫通孔3への水分の浸入を防ぐことができる。
また、図2(b)に示すように、受光面側電極4aは、少なくとも貫通孔内電極4b上に形成されたポイント状(島状)電極であってもよく、このようにポイント状にすることによって、半導体基板1に吸収される受光量を多くすることができる。
また、半導体基板1の裏面上に形成される裏面側電極4cは、第3逆導電型層2c上に設けられる。
図1において、高濃度ドープ層6は、半導体基板1の裏面であって、貫通孔3近傍以外の略全面に、ボロンやアルミニウムを高濃度に拡散してなるものであり、半導体基板1の裏面と、後述の第2電極5との間に位置するように形成される。ここで、高濃度とは、半導体基板1における第1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。
この高濃度ドープ層6は、半導体基板1の裏面全領域の70%以上90%以下の面積を覆うように形成されることが好ましい。70%以上とすることで、太陽電池素子の出力特性を効果的に向上させることができ、90%以下とすることで、外部取出電極である裏面側電極4cの面積を確保して抵抗損失を低減することが可能となる。
第2電極5は、半導体基板1の裏面上に位置し、且つ、第1電極4と極性を異にするものである。この第2電極5は、アルミニウムや銀を主成分とする材料によって構成された集電電極5bと、該集電電極5bと接続され銀などを主成分とする出力取出電極5aとで構成される。
なお、集電電極5bは、上述の高濃度ドープ層6上に形成することが好ましく、これによって半導体基板1中で生成されたキャリアを効率よく集電することができる。また、集電電極5bは、半導体基板1内で吸収されなかった光を再び半導体基板1内へ反射させて光電流を増加させる役割も有する。さらに、アルミニウムを主成分として用いることで、集電電極5bを形成する際に、高濃度ドープ層6を同時に形成することができる。
以下、本発明の実施形態に係る太陽電池モジュールについて図面を参照して説明する。
図3は、本発明の実施形態に係る太陽電池モジュール20の構成を示す図であり、図3(a)は断面図、図3(b)は、受光面側からみた平面図である。
図3は、本発明の実施形態に係る太陽電池モジュール20の構成を示す図であり、図3(a)は断面図、図3(b)は、受光面側からみた平面図である。
本実施形態の太陽電池モジュール20は、複数の太陽電池素子10の受光面側を封止する第1の樹脂14と裏面側を封止する第2の樹脂15とを有する。図3において、第1の樹脂14には受光面側部材12が設けられており、第2の樹脂15には裏面側部材13が設けられている。
このような太陽電池モジュール20は、ガラス等からなる受光面側部材12の上に、透明のポリビニルブチラール、エチレンビニルアセテート共重合体(EVA)等からなる封止性樹脂14と、配線部材11によって接続された複数の太陽電池素子10と、EVA等からなる封止性樹脂15と、ポリエチレンテレフタレート(PET)や金属箔をポリフッ化ビニル樹脂(PVF)で挟みこんだフィルム等の裏面側部材13と、を順次積層して、ラミネータ装置の中で脱気・加熱して押圧することによって一体化させ、太陽電池モジュール20を得る。
配線部材11としては、通常、厚さ0.1〜0.2mm程度、幅2mm程度の直線形状の銅箔の全面を半田材料によって被覆したものを所定の長さに切断したものが好適に用いられる。これをホットエアーや半田鏝等を用いて太陽電池素子10の電極上に半田付けして使用される。
図3に示されるように、本実施形態の太陽電池モジュール20においては、配線部材11は、複数の太陽電池素子10の裏面に設けられた複数の電極と接続される。このため、配線部材11を折り曲げて受光面側に配置する必要もなく、配線部材11と電極との剥離を低減できる。
なお、上述の太陽電池モジュール20の外周には、ブチルゴムなどからなる弾性絶縁部材を介してアルミニウムなどの枠体18をはめ込むことができる。さらに、直列接続された複数の太陽電池素子10のうち、最端部の太陽電池素子10の各電極の一端は、出力取出配線16によって出力取出部である端子ボックス17に接続される。
以上のような構成を有する太陽電池モジュール20は、半導体基板1を貫通し、裏面開口部における断面積が最小である貫通孔3を有する太陽電池素子10を用いることにより、太陽電池モジュール20の裏面側部材13からモジュール内に浸入してきた水分が貫通孔3を通って受光面側に浸入しにくい。
これにより、受光面側に形成されている受光面側電極4aの腐食を低減でき、受光面側電極4aと第1逆導電型層2aとのオーミックコンタクト性を良好な状態に維持することができるので、高温高湿環境下での太陽電池特性の劣化を低減できる。
受光面側電極4aは、半導体基板1と充分なコンタクトをとることにより、太陽電池素子10に光が入射し、吸収・光電変換され生成された光生成キャリア(電子キャリアまたは正孔キャリア)を効率よく収集することができる。そのため、受光面側電極4aは、第1逆導電型層2aとのオーミックコンタクト性を考慮した設計をする必要がある。
特に、第1逆導電型層2a上に反射防止膜7を形成した後、反射防止膜7に直接、導電性ペーストを塗布し焼成することにより受光面側電極4aと第1逆導電型層2aとのコンタクトをとる場合には、受光面側電極4aにファイヤースルーに寄与するガラスフリットを使用する必要がある。したがって、受光面側電極4aには、耐湿性の高いガラスフリットを含有した導電性ペーストを使用することができない等の問題があり、必ずしもオーミックコンタクト性と耐湿性の両方を持ち合わせた電極を形成できるとは限らない。
これに対し、貫通孔内電極4bと裏面側電極4cとは、第2逆導電型層2b、第3逆導電型層2cとのオーミックコンタクト性を考慮しなくてもよいため、耐湿性の高いガラスフリットを用いて電極形成を行うことが好ましい。
また、図4の断面図に示されるように、他の実施形態である太陽電池素子11では、第3逆導電型層2cを無くし、半導体基板1の裏面に、絶縁材料層8を形成しても構わない。裏面側電極4cを、絶縁材料層8を介して半導体基板1上に形成することにより、半導体基板1と裏面側電極4cとが直接接触しないため、リークの発生を低減できる。しかも、絶縁材料層8として酸化膜や窒化膜を用いる場合には、パッシベーション効果によって半導体基板1の裏面の表面再結合速度を低減させて太陽電池素子の出力特性を向上させることが可能になる。
さらに、これらの絶縁材料層8に水素を含有させればパッシベーション効果をより向上させることが可能になる。水素含有の絶縁材料層8としては、たとえば、他の導電型を示す水素化アモルファスシリコン膜を用いても構わない。また、半導体基板と他の導電型を示す水素化アモルファスシリコン膜との間にノンドープ型(i型)の水素化アモルファスシリコン膜を設けても構わない。
なお、半導体基板1の受光面は、幅と高さが2μm以下であり、アスペクト比が0.1〜2の微細な突起が多数形成されたテクスチャ構造とすることが好ましい。こうすることによって、受光面における反射率が低減し、太陽光が半導体基板1内へ多く吸収されるため、太陽電池素子10の特性を向上させることができる。
また、受光面のシート抵抗が60〜300Ω/□(sq.)であることが好ましく、この範囲とすることで受光面での表面再結合の増大及び表面抵抗の増大を抑えることができる。特に、上記のようにテクスチャ構造の微細突起と組み合わせることによって、太陽電池モジュールを形成したときの短絡電流を大幅に増大させることができる。なお、受光面のシート抵抗の値は、四探針法により測定することができ、半導体素子の表面に一直線上に並んだ4本の金属針を加圧しながら接触させ、外側の2本の針に電流を流したときに、内側の2本の針の間に発生した電圧を測定し、この電圧と流した電流からオームの法則によって抵抗値が求められる。
[太陽電池素子の製造方法]
太陽電池素子10の製造方法について、図5の工程図を用いて説明する。
<半導体基板の準備工程>
まず、第1導電型を示す半導体基板1として、P型のシリコン基板を準備する(図5(a))。
[太陽電池素子の製造方法]
太陽電池素子10の製造方法について、図5の工程図を用いて説明する。
<半導体基板の準備工程>
まず、第1導電型を示す半導体基板1として、P型のシリコン基板を準備する(図5(a))。
シリコン基板は、単結晶シリコン基板であれば、FZやCZ法などの製法で作製された単結晶シリコンインゴットから切り出すことで得られる。
また、多結晶シリコン基板であれば、キャスト法や鋳型内凝固法などの製法で作製された多結晶シリコンインゴットから切り出すことで得られる。また、リボン法等の引き上げ法で得られた板状シリコンを用いる場合は、この板状シリコンを所定の大きさにカットし、必要に応じて表面研磨処理等を施すことで所望のシリコン基板を得ることができる。
シリコン基板の導電型の制御は、上記各シリコンインゴットの製造工程において、ドーパント元素そのもの、またはドーパント元素がシリコン中に適量含まれたドーパント材を、適量、シリコン融液中に溶かすことで実現できる。
以下では、B(ボロン)あるいはGa(ガリウム)が、1×1015〜1×1017a
toms/cm3程度の濃度でドープされたP型結晶シリコン基板を用いた場合について説明する。ここで、Gaを用いれば、基板中のO(酸素)とBとが関係して生じる光劣化現象を回避できるので高効率化に好適である。また、シリコン基板の厚みは、300μm以下にすることが好ましく、より好ましくは250μm以下、さらに好ましくは150μm以下にすればよい。また、P(リン)等をドープしたN型結晶シリコン基板を用いることもできる。
toms/cm3程度の濃度でドープされたP型結晶シリコン基板を用いた場合について説明する。ここで、Gaを用いれば、基板中のO(酸素)とBとが関係して生じる光劣化現象を回避できるので高効率化に好適である。また、シリコン基板の厚みは、300μm以下にすることが好ましく、より好ましくは250μm以下、さらに好ましくは150μm以下にすればよい。また、P(リン)等をドープしたN型結晶シリコン基板を用いることもできる。
なお、基板の切り出し(スライス)に伴う基板表層部の機械的ダメージ層や汚染層を除去するために、切り出した基板の受光面側および裏面側の表層部分をNaOHやKOH、あるいはフッ酸と硝酸の混合液などでそれぞれ10〜20μm程度エッチングし、その後、純水などで洗浄する。
<貫通孔の形成工程>
次に、半導体基板1を厚み方向に貫通する貫通孔3を形成する(図5(b))。
<貫通孔の形成工程>
次に、半導体基板1を厚み方向に貫通する貫通孔3を形成する(図5(b))。
貫通孔3は、機械的ドリル、ウォータージェットまたはレーザー装置等を用いて、半導体基板1の受光面側から裏面側に向けて形成することにより、裏面開口部における断面積を最小とすることが可能となる。なお、貫通孔3は、受光面全体にわたって一定のピッチで複数形成されることが好ましい。また、貫通孔3の円形状開口部の直径は、50μm以上300μm以下であることが好ましい。具体的には、受光面開口部における断面積S1に対する裏面開口部における断面積S2の割合(S2/S1)が、0.5≦(S2/S1)≦0.9となるように形成することが好ましく、より好ましくは、0.6≦(S2/S1)≦0.8である。
(S2/S1)を0.5よりも小さくすると裏面側での第1電極4の抵抗値が大きくなり、0.9よりも大きくすると、水分の浸入を十分に防ぐことができない。
また、貫通孔3にダメージ層がある場合には、エッチングすることが好ましく、たとえば、フッ酸と硝酸を2:7で混合した溶液にてミラーエッチングを行ってもよい。
<受光面のテクスチャ構造形成工程>
次に、半導体基板1の受光面側に、光反射率の低減を効果的に行うための微細な突起(凸部)をもつテクスチャ構造1aを形成する(図5(c))。
<受光面のテクスチャ構造形成工程>
次に、半導体基板1の受光面側に、光反射率の低減を効果的に行うための微細な突起(凸部)をもつテクスチャ構造1aを形成する(図5(c))。
テクスチャ構造1aの形成方法としては、NaOHやKOHなどによるアルカリ液によるウェットエッチング法や、Siをエッチングする性質を有するエッチングガスを用いるドライエッチング法を用いることができる。
前者は、先に述べた基板表層部のダメージ層を除去するプロセスに連続して行うこともできるので、特に裏面側をエッチング防止材でマスクしない限り、裏面側にもテクスチャ構造が形成されるため好ましい。
後者は、基本的に、処理した面(受光面側)にだけ微細なテクスチャ構造1aが形成される。ドライエッチング法には様々な手法があるが、特にRIE法(Reactive Ion Etching法)を用いると、広い波長域に渡って極めて低い光反射率に抑えられる微細なテクスチャ構造1aを、広範囲に渡って短時間で形成することができるので、高効率化に極めて有効である。また、RIE法を用いると、結晶の面方位に大きく影響されないでテクスチャ構造1aを形成できる特徴があるので、結晶シリコン基板として多結晶シリコン基板を用いた場合でも、多結晶シリコン基板内の各結晶粒の面方位に依存しないで、基板全域に渡って低反射率を有する微細テクスチャ構造を一様に形成することができる。
また、貫通孔3の受光面開口部における断面積が比較的大きいことから、貫通孔3内部、特に受光面側に微細なテクスチャ構造が形成され易くなるため、アンカー効果によってその部分に設けられた電極の強度を向上させることができる。
<逆導電型層の形成工程>
次に、受光面上に第1逆導電型層2aを形成し、貫通孔3の内壁に逆導電型を成す第2逆導電型層2bを形成し、裏面上に第3逆導電型層2cを形成する(図5(d))。
<逆導電型層の形成工程>
次に、受光面上に第1逆導電型層2aを形成し、貫通孔3の内壁に逆導電型を成す第2逆導電型層2bを形成し、裏面上に第3逆導電型層2cを形成する(図5(d))。
逆導電型2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)を用いることが好ましく、シート抵抗が60〜300Ω/□程度のN+型とする。これによって上述のP型バルク領域との間にPN接合部が形成される。
逆導電型層2は、ペースト状態にしたP2O5を半導体基板1の表面に塗布して熱拡散させる塗布熱拡散法、ガス状態にしたPOCl3(オキシ塩化リン)を拡散源とした気相熱拡散法、および、P+イオンを直接拡散させるイオン打ち込み法などによって形成されるが、気相拡散法を用いれば半導体基板1の両面および貫通孔内壁に、同時に逆導電型層2を形成することができるため好ましい。
第1逆導電型層2aは、表面から0.2〜0.5μm程度の深さに形成されることが好ましい。なお、第2逆導電型層2bは、貫通孔3内部に形成されるため、第1逆導電型層2aに比べて、ドーパント濃度が低く、厚みが薄くなりやすい。
また、処理対象領域以外にも拡散領域が形成されるような条件下では、その部分に予め絶縁材料層を形成することにより、部分的に拡散を低減でき、また、絶縁材料層を形成しない場合には、処理対象領域以外に形成された部分を後からエッチングして除去してもよい。
なお、後述するように、裏面の高濃度ドープ層6をアルミニウムペーストによって形成する場合は、P型ドープ剤であるアルミニウムを充分な濃度で充分な深さまで拡散させることができるので、既に拡散してあった浅い逆導電型層の影響は無視することができ、この高濃度ドープ層6形成位置に存在する逆導電型層は特に除去する必要がない。
逆導電型層2の形成方法は、上記の方法に限定されるものではなく、たとえば薄膜技術を用いて、水素化アモルファスシリコン膜や、微結晶シリコン膜を含む結晶質シリコン膜などを形成してもよい。ここで水素化アモルファスシリコン膜を用いて逆導電型層2を形成する場合は、その厚さは50nm以下、好ましくは20nm以下とし、結晶質シリコン膜を用いて形成する場合は、その厚さを500nm以下、好ましくは200nm以下とする。さらに、半導体基板1と逆導電型層2との間に、i型シリコン領域を厚さ20nm以下で形成してもよい。
<反射防止膜の形成工程>
次に、第1逆導電型層2aの上に、反射防止膜7を形成する(図5(e))。
<反射防止膜の形成工程>
次に、第1逆導電型層2aの上に、反射防止膜7を形成する(図5(e))。
反射防止膜7の材料としては、SiNx膜(Si3N4ストイキオメトリを中心にして組成比(x)には幅がある)、TiO2膜、SiO2膜、MgO膜、ITO膜、SnO2膜やZnO膜などを用いることができる。その屈折率および厚みは、材料によって適宜選択されて適当な入射光に対して無反射条件を実現できるようにすればよく、たとえば半導体基板1がシリコン基板である場合、屈折率は1.8〜2.3程度、厚みは500〜1200Å程度にすればよい。
反射防止膜7の形成方法としては、PECVD法(プラズマ化学気相成長法)、蒸着法やスパッタ法などを用いることができる。
なお、反射防止膜7は、受光面側電極4aを形成するために所定のパターンでパターニングしておいてもよい。パターニング法としては、レジストなどのマスクを用いたエッチング法(ウェットあるいはドライ)や、反射防止膜7形成時にマスクを予め形成しておき、反射防止膜7形成後にマスクを除去する方法、を用いることができる。
なお、反射防止膜7の上に受光面側電極4aの導電性ペーストを直接塗布し焼き付けることによって受光面側電極4aと第1逆導電型層2aとを電気的に接触させる、いわゆるファイヤースルー法を用いる場合は、上記パターニングの必要はない。
また、受光面側電極4aを形成した後に反射防止膜7を形成してもよく、こうすることによって、パターニングする必要がなく、またファイヤースルー法を用いる必要もないため、受光面側電極4aの形成条件を広くすることができ、たとえば、800℃程度の高温焼成をする必要もない。
<裏面への高濃度ドープ層形成工程>
次に、半導体基板1の裏面には、第1導電型半導体の不純物が高濃度に拡散された高濃度ドープ層6を形成する(図5(f))。
<裏面への高濃度ドープ層形成工程>
次に、半導体基板1の裏面には、第1導電型半導体の不純物が高濃度に拡散された高濃度ドープ層6を形成する(図5(f))。
この高濃度ドープ層6は、半導体基板1よりも第1導電型不純物のドーピング割合が多い層を意味し、半導体基板1の裏面近くでのキャリア再結合による効率低下を低減するために内部電界を形成するものである。
不純物元素としてはB(ボロン)やAl(アルミニウム)を用いることができ、不純物元素濃度を1×1018〜5×1021atoms/cm3程度の高濃度として、P+型とすることにより、後述する集電電極5bとの間にオーミックコンタクトを得ることができる。
高濃度ドープ層6は、BBr3(三臭化ボロン)を拡散源とした熱拡散法を用いて温度800〜1100℃程度で形成することができる。なお、当該工程を行うに際して、既に形成されている逆導電型層2に酸化膜などの拡散バリアを形成しておくことが望ましい。
また、不純物元素としてアルミニウムを用いる場合は、アルミニウム粉末と有機ビヒクル等からなるアルミニウムペーストを印刷法で塗布した後、温度700〜850℃程度で熱処理(焼成)してアルミニウムを半導体基板1に向けて拡散する方法を用いることができる。この方法の場合、ペーストの印刷面だけに所望の拡散領域を形成することができ、かつ、焼成されたアルミニウムは、除去せずにそのまま集電電極5bとして利用することができる。
また、上記の各方法に限定されず、たとえば薄膜技術を用いて水素化アモルファスシリコン膜や微結晶Si相を含む結晶質シリコン膜などを形成しても良い。特にpn接合部を、薄膜技術を用いて形成した場合は、高濃度ドープ層6の形成も薄膜技術を用いて行う。このとき膜厚は10〜200nm程度とする。さらに、半導体基板1と高濃度ドープ層6との間にi型シリコン領域を厚さ20nm以下で形成すると特性向上に有効である。
<第1電極および第2電極の形成方法>
次に、半導体基板1に、受光面側電極4aと貫通孔内電極4bを形成する(図5(g))。
<第1電極および第2電極の形成方法>
次に、半導体基板1に、受光面側電極4aと貫通孔内電極4bを形成する(図5(g))。
これらの電極は、半導体基板1の受光面に塗布法を用いて導電性ペーストを塗布すればよく、たとえば銀、銅、金、白金等からなる導電性ペーストが一般的に用いられるが、生産面、特性面の両方から銀ペーストを用いることが好ましい。
そして、本実施の形態の太陽電池素子10の製造方法においては、金属粉末と、有機ビヒクルと、ガラスフリットとを含有する導電性ペーストを図2に示したような所定の電極形状となるよう受光面に塗布し、また、貫通孔3内にも導電性ペーストを充填する。
貫通孔3は、受光面開口部における断面積よりも裏面開口部における断面積が小さくなるように形成されているので、たとえば、受光面側から導電性ペーストを印刷、充填することが可能で、こうすることにより、受光面側が印刷ステージと接触する回数を減らすことができるため、印刷ステージとの接触によるテクスチャ構造へのダメージを軽減することができる。
受光面に塗布する導電性ペーストと貫通孔内に充填する導電性ペーストとは同じであっても異なっても構わないが、受光面に塗布する導電性ペーストは、第1逆導電型層2aとのコンタクト性を重視したペーストを用い、貫通孔内に充填する導電性ペーストは耐湿性を重視したペーストを用いた方が好ましい。塗布する順番は、受光面側が先であっても後であっても構わない。そして、最高温度500〜850℃で数十秒〜数十分程度焼成することにより受光面側電極4aと貫通孔内電極4bとが形成される。
なお、塗布後、所定の温度で溶剤を蒸散させて乾燥させたほうが好ましい。また、受光面および貫通孔内にペーストを塗布した後、生産性の観点から受光面上のペーストと貫通孔内のペーストとを同時に焼成することが好ましいが、それぞれを最適な焼成条件で別々に焼成を行っても構わない。
特に、反射防止膜7を形成した後、反射防止膜7に直接、導電性ペーストを塗布し、貫通孔3内に導電性ペーストを充填した後に焼成を行うことが好ましい。上記方法によって、ファイヤースルーおよび受光面側電極4aと貫通孔内電極4bとが同時焼成されるため、生産性を向上することができる。
受光面側電極4aに用いる導電性ペーストとしては、主成分を銀粉末とし、たとえば、銀100重量部に対して有機ビヒクルを10〜30重量部、ガラスフリットを0.1〜10重量部添加したものからなり、貫通孔内電極4bに用いる導電性ペーストとしては、銀100重量部に対して有機ビヒクルを10〜30重量部添加したものからなる。
また、金属粉末は球状、フレーク状、不定形状等の粉末を用いることができ、貫通孔内電極4bに用いる導電性ペーストにおいては、特に球状の粉末を用いることで焼成した際の電極の収縮を抑えることができるので好ましい。
また、有機ビヒクルとしては、メチルセルロース、エチルセルロース、ニトロセルロースなどのセルロース系樹脂およびメチルメタクレートなどのアクリル樹脂およびブチラール樹脂等から選択される少なくとも1種類の樹脂をブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、ブチルセロソルブ、ブチルセロソルブアセテート、ターピネオール、水素添加ターピネオール、水素添加ターピネオールアセテート、メチルエチルケトン、イソボニルアセテート、ノピルアセテート等の有機溶剤に溶解させたものを用いることができる。
ガラスフリットとしては、PbO−SiO2−B2O3系やBi2O3−PbO−SiO2−B2O3系、また鉛レスのZnO−SiO2−B2O3系等を用いることができる。
第1逆導電型層2aとのコンタクト性を重視した受光面側電極4aの形成に用いられる
ペーストには、ガラスフリットとして、PbO−SiO2−B2O3系ガラスフリットを含有することが好ましい。また、耐湿性を重視した貫通孔内電極4bに用いられるペーストには、ガラスフリットとして、鉛レスのBi2O3−SiO2−B2O3系ガラスフリットを含有することが好ましい。
ペーストには、ガラスフリットとして、PbO−SiO2−B2O3系ガラスフリットを含有することが好ましい。また、耐湿性を重視した貫通孔内電極4bに用いられるペーストには、ガラスフリットとして、鉛レスのBi2O3−SiO2−B2O3系ガラスフリットを含有することが好ましい。
塗布および充填方法は、スクリーン印刷法、ロールコーター方式及びディスペンサー方式など種々の手法を用いることができる。
なお、貫通孔内電極4bは、ペーストを用いた印刷、充填法によって形成することが好ましいが、受光面側電極4aは、これに限らず、貫通孔内電極4bの充填後に、たとえばCVD法、蒸着法などによって、形成してもよい。
次に、半導体基板1の裏面上に、第2電極5の集電電極5bを形成する(図5(h))。
上述と同様の塗布法を用いて、半導体基板1の裏面に導電性ペーストを塗布すればよく、たとえばアルミニウムまたは銀等からなる金属粉末、有機ビヒクルおよびガラスフリットを、金属粉末100重量部に対してそれぞれ10〜30重量部、0.1〜10重量部を添加してペースト状にしてなる導電性ペーストを用いる。
図6は、半導体素子10を裏面側からみた平面図である。図に示すような所定のストライプ状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5bを形成する。なお、前述したように、アルミニウムペーストを用いる場合は、高濃度ドープ層6と集電電極5bとを同時に形成することができ、特に半導体基板1の裏面全領域の70%以上90%以下の面積を覆うように形成されることが好ましい。
次に、半導体基板1の裏面に、第1電極4の裏面側電極4cと第2電極5の出力取出電極5aとを形成する(図5(i))。
上述と同様の塗布法を用いて、半導体基板1の裏面に導電性ペーストを塗布すれば良く、たとえば、図6に示すような所定のストライプ状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裏面側電極4cと出力取出電極5aとを形成する。
なお、裏面側電極4cと出力取出電極5aとを別々に形成したり、別の導電性ペーストを用いて形成しても構わない。さらに、受光面側電極4aと同様の導電性ペーストであってもよいし、銀の粒径、形状、有機ビヒクルの成分、ガラスフリットの成分、銀または有機ビヒクルまたはガラスフリットの含有量のいずれかが異なる導電性ペーストを用いても構わない。
なお、集電電極5bを形成する場合には、出力取出電極5aの一部が集電電極5bの一部と重なるように構成されることが好ましい。
以上のようにして、本実施の形態の太陽電池素子10が完成する。
[太陽電池モジュールの製造方法]
次に、上述したような太陽電池素子10を用いた太陽電池モジュール20を形成する製造工程について説明する。
[太陽電池モジュールの製造方法]
次に、上述したような太陽電池素子10を用いた太陽電池モジュール20を形成する製造工程について説明する。
ガラス等からなる受光面側部材12の上に、透明のポリビニルブチラール、エチレンビ
ニルアセテート共重合体(EVA)などからなる封止性樹脂14と、配線部材11によって隣接太陽電池素子の第1電極4と第2電極5とが交互に接続された複数の太陽電池素子10と、EVAなどからなる封止性樹脂15と、たとえばポリエチレンテレフタレート(PET)や金属箔をポリフッ化ビニル樹脂(PVF)で挟みこんだフィルム等の裏面側部材13とを順次積層して、ラミネータの中で脱気、加熱して押圧することによって一体化させる。
ニルアセテート共重合体(EVA)などからなる封止性樹脂14と、配線部材11によって隣接太陽電池素子の第1電極4と第2電極5とが交互に接続された複数の太陽電池素子10と、EVAなどからなる封止性樹脂15と、たとえばポリエチレンテレフタレート(PET)や金属箔をポリフッ化ビニル樹脂(PVF)で挟みこんだフィルム等の裏面側部材13とを順次積層して、ラミネータの中で脱気、加熱して押圧することによって一体化させる。
なお、これらの太陽電池素子10同士を接続する配線部材11としては、通常、厚さ0.1〜0.2mm程度、幅2mm程度の銅箔の全面を半田材料によって被覆したものを、所定の長さに切断し、太陽電池素子10の電極上に半田付けして用いる。また、環境問題を考慮して半田材料は無鉛半田を用いることが望ましい。また、導電性接着剤を用いて電極と配線部材11とを接続してもよい。
本発明の太陽電池モジュール20に使用される太陽電池素子10は、裏面側に第1電極4と第2電極5とを設けているため、製造工程中では、太陽電池素子10の受光面側を下方に向けて載置し、上方から配線部材11を接触させて、ホットエアーや半田鏝を用いて電極と接続すればよく、配線部材11を接続するために、太陽電池素子10の表裏を反転させる等の作業を必要としないため、生産性を向上することができる。
次に、直列接続された複数の素子の最初の素子と最後の素子の電極の一端を、出力取出部である端子ボックス17に、出力取出配線16を介して接続する。また図3(b)に示したように、必要に応じてアルミニウムなどの枠18をブチルゴムなどからなる弾性絶縁部材を介して半導体素子10の周囲に嵌め込む。以上によって、太陽電池モジュール20を完成させる。
なお、必要に応じて、半田ディップ処理によって裏面側に形成された第1電極4、第2電極5に半田領域を形成してもよい。
また、上記説明においては、第3逆導電型層2cを形成しているが、これに限らず、図4に示したように、裏面側に絶縁材料層8を形成しても構わない。
具体的には、シリコン酸化膜(SiO2膜)、チタン酸化膜(TiO2)やシリコン窒化膜(SiNx)などを、スパッタ法、蒸着法或いはCVD法などを用いて、厚さ10nm〜50μm程度で絶縁材料層8を形成する。また、酸素雰囲気または大気雰囲気の熱酸化炉内で半導体基板1に熱処理を施したり、酸化膜材料をスピンコート法、スプレー法やスクリーン印刷法等の塗布法を用いて塗布・焼成することによって、絶縁材料層8を形成しても構わない。なお、絶縁材料層8は単層膜であってもよいし、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の二層構造等からなる複数層であってもよい。
また、プラズマCVD法を用いて形成したシリコン窒化膜は、水素(H2)を含んでおり、成膜中および成膜後の加熱により、半導体基板1内に水素(H2)を拡散させる。こうすることで、半導体基板1中に存在するダングリングボンド(未結合手)に水素(H2)を結合させ、キャリアがダングリングボンドに捕まる確率を低減することができるので、パッシベーション効果を付与することができる。よって、裏面の略全面にシリコン窒化膜を形成することにより、高効率な太陽電池素子10を形成することが可能となる。
また、裏面の略全面に絶縁材料層8を形成することで、逆導電型層(拡散層)の形成に際して、半導体基板1の裏面側に逆導電型層が形成されるのを低減できる。特に、CVD法や塗布法等を用いれば、絶縁材料層8のみを半導体基板1の裏面側表面のみに形成することができるため好ましい。
また、絶縁材料層8の上に第1電極4(裏面側電極4c)を形成したとき、焼成温度としては500〜700℃程度の低温で焼成することにより、絶縁材料層8の厚みが薄い場合においてファイヤースルーによる第1電極4の成分が絶縁材料層を突き抜け、第1電極4が半導体基板1と接触しリークするといった問題を低減できる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの修正および変更を加えることが出来る。
たとえば、第1電極4(受光面側電極4a、貫通孔内電極4bおよび裏面側電極4c)、第2電極5(出力取出電極5aおよび集電電極5b)の各種電極における塗布・焼成は、上述の実施形態で述べた順序で形成する必要はなく、これに代えて、たとえば、各電極となる導電性ペーストをそれぞれ塗布した後に一括焼成を行ってすべての電極を形成したり、あるいは、集電電極5b、出力取出電極5a、裏面側電極4cおよび貫通孔内電極4bを塗布・焼成して形成した後に、受光面側電極4aを塗布・焼成して形成してもよく、適宜、組み合わせて電極を形成すればよい。
また、裏面側電極4cの電極形状は、図6に示したようなストライプ状(帯状)に限定されるものではなく、これに代えて、たとえば、他の実施形態である太陽電池素子12では、図7(a)に示されるように、裏面側電極4cが、貫通孔内電極4b上に形成されるポイント状(島状)に形成されてもよい。この場合には、図7(b)に示されるように、ポイント状の各裏面側電極4c間には絶縁材料層8が形成されることが好ましく、パッシベーション効果を得て太陽電池素子の出力特性を向上させることができる。また、ポイント状の各裏面側電極4c間に高濃度ドープ層6を形成しても構わない。
さらに、絶縁材料層8を形成した後に水素添加処理を行っても構わない。水素添加処理により、シリコン基板の粒界に水素を拡散させて、基板の粒界においてパッシベーションを発揮させることができる。水素添加処理としては、水素雰囲気内においてプラズマ処理すればよい。また、水素雰囲気中にヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスを混合してもよい。水素プラズマを発生させるための電源の周波数は、ラジオ周波数(RF)やマイクロ波を使用すればよい。
また、他の実施形態として太陽電池素子13は、図8に示されるように、高濃度ドープ層6を第3逆導電型層2cの近傍まで設けた後に、ガラスペーストを高濃度ドープ層6と第3逆導電型層2cとの境界部分に塗布・焼成してpn分離を行ってもよい。また、そのままガラスから成る絶縁材料層8を残して、その上に第1電極4を形成してもよい
1 半導体基板
1a テクスチャ構造
2 逆導電型層(拡散層)
2a 第1逆導電型層
2b 第2逆導電型層
2c 第3逆導電型層
3 貫通孔
4 第1電極
4a 受光面側電極
4b 貫通孔内電極
4c 裏面側電極
5 第2電極
5a 出力取出電極
5b 集電電極
6 高濃度ドープ層
7 反射防止膜
8 絶縁材料層
10,11,12,13 太陽電池素子
20 太陽電池モジュール
1a テクスチャ構造
2 逆導電型層(拡散層)
2a 第1逆導電型層
2b 第2逆導電型層
2c 第3逆導電型層
3 貫通孔
4 第1電極
4a 受光面側電極
4b 貫通孔内電極
4c 裏面側電極
5 第2電極
5a 出力取出電極
5b 集電電極
6 高濃度ドープ層
7 反射防止膜
8 絶縁材料層
10,11,12,13 太陽電池素子
20 太陽電池モジュール
Claims (4)
- 受光面と裏面とを含み、前記受光面と前記裏面との間を貫通する貫通孔を有する半導体基板と、前記半導体基板の前記貫通孔内に設けられており、前記貫通孔の断面積が前記半導体基板の前記裏面側の開口において最小である貫通電極と、を有する太陽電池素子と、前記太陽電池素子の受光面を封止する第1の樹脂と、
前記太陽電池素子の裏面を封止する第2の樹脂と、を有する太陽電池モジュール。 - 前記貫通孔の受光面開口部における断面積S1に対する、裏面開口部における断面積S2の割合(S2/S1)は、0.5≦(S2/S1)≦0.9であることを特徴とする請求項1記載の太陽電池モジュール。
- 前記太陽電池素子の前記裏面側に、前記貫通電極に電気的に接続され、前記太陽電池素子によって発生した電力を取り出す取り出し電極を有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の太陽電池モジュール。
- 前記貫通電極と電気的に接続されており、前記太陽電池素子の前記裏面側に形成された裏面電極を有し、前記取り出し電極が、前記裏面電極と部分的に接続されていることを特徴とする請求項3に記載の太陽電池モジュール。
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