JP4401158B2

JP4401158B2 - 太陽電池の製造方法

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Publication number: JP4401158B2
Application number: JP2003418105A
Authority: JP
Inventors: 聡田中; 正臣日置; 圭祐大平; 智弘町田; 義和河越
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2023-12-16
Also published as: US20050126626A1; JP2005183457A; US7829784B2

Description

本発明は、太陽電池およびその製造方法に関し、特に太陽電池セルの裏面の少なくとも一部にアルミニウム電極が形成された太陽電池およびその製造方法に関する。

太陽電池の裏面電極として太陽電池セルの裏面の大部分にはアルミニウム電極などが形成されている。上記アルミニウム電極の形成は、一般的には太陽電池セルの裏面の少なくとも一部にアルミニウムを含有するアルミニウムペーストを塗布・乾燥した後、焼成することにより行なわれる。アルミニウムペーストを焼成してアルミニウム電極を形成する際に、アルミニウムペーストの焼結収縮によりアルミニウム電極の面を凹とした反りが発生し、その後の太陽電池加工工程において太陽電池の割れや欠けの原因となっていた。

上記太陽電池の反りを低減するため、アルミニウムペーストの塗布量を減らすことが検討されている（たとえば、特許文献１参照）。しかし、かかる方法では、アルミニウムペースト塗布量の低減にともないＢＳＦ（Back Surface Field）効果が減少するため充分な電気特性が得られないという欠点があった。また、上記特許文献１においては、ＢＳＦ効果の減少を抑制するためアルミニウムペースト自体の組成の検討も行なわれているが、ＢＳＦ効果の減少を回避することは困難であり、添加剤によるコスト高、焼成面外観の悪化などの問題もあった。

そこで、電気特性、信頼性および外観を損ねることなく太陽電池の反りを低減することが切望されている。
特開２０００−９０７３４号公報

上記の状況に鑑み、本発明は、電気特性、信頼性および外観を損ねることなく太陽電池の反りを低減する太陽電池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、太陽電池セルの裏面の少なくとも一部にアルミニウムペーストを塗布、乾燥、焼成してアルミニウム電極を形成するアルミニウム電極形成工程と、アルミニウム電極形成工程の後に、アルミニウム電極が形成された太陽電池セルを−３０℃以上１０℃以下の雰囲気温度で５秒間以上冷却する冷却工程とを少なくとも有し、アルミニウム電極形成工程において太陽電池セルに発生した反りを冷却工程において大きくすることにより太陽電池セルに復元力を蓄え、冷却工程の終了により太陽電池セルに蓄えられた復元力が開放されることにより、太陽電池セルの反りが低減することを特徴とする太陽電池の製造方法である。

本発明にかかる太陽電池の製造方法において、上記冷却工程の後に、前記アルミニウム電極が形成された太陽電池セルを２０℃以上の雰囲気に置く工程をさらに含むことが好ましい。また、上記冷却工程を乾燥雰囲気中で行なうことができる。また、上記冷却工程を上記アルミニウム電極形成工程の直後に行なうことが好ましい。

また、本発明は、太陽電池セルの厚さが３００μｍ以下、かつアルミニウム電極のアルミニウム焼結層の厚さが３０μｍ以上の太陽電池であって、太陽電池セルの一辺の長さに対する太陽電池セルの反り量の百分率である太陽電池セル反り率が２．５％以下であることを特徴とする太陽電池である。

上記のように、本発明によれば、電気特性、信頼性および外観を損ねることなく太陽電池の反りを低減する太陽電池およびその製造方法を提供することができる。

本発明にかかる太陽電池の一の製造方法は、図１を参照して、太陽電池セル１４の裏面の少なくとも一部にアルミニウムペーストを塗布、乾燥、焼成してアルミニウム電極５を形成するアルミニウム電極形成工程と、アルミニウム電極形成工程の後に、アルミニウム電極５が形成された太陽電池セル１４を１０℃以下の雰囲気温度で冷却する冷却工程とを少なくとも有する。かかる冷却工程を設けることによって、太陽電池の反りを低減することができる。ここで、太陽電池セルの裏面とは、太陽電池セルの受光面と反対側の面をいう。

太陽電池の典型的な製造方法を、図１および図２を参照して説明する。まず、ｐ型シリコン基板１に対してエッチングを行なう。これが基板エッチング工程である。そして、エッチングを行ったｐ型シリコン基板１に対して、受光面となる片面側にｎ型拡散層２を形成するｎ型拡散層形成工程を行ない、その上に表面反射率を低減させるための反射防止膜３を形成する反射防止膜形成工程を行なう。

次に、アルミニウムペーストをｐ型シリコン基板１の裏面の少なくとも一部通常はほぼ全面（後の工程で、裏面の銀電極を形成させる部分を除く）に塗布し、乾燥させた後、高温で酸化性雰囲気中で焼成してアルミニウム電極５を形成する。このとき、アルミニウムとシリコンの共晶点である５７７℃以上で焼成を行なうと、アルミニウム焼結層５Ａとともに、アルミニウム焼結層５Ａとｐ型シリコン基板１との間にアルミニウム−シリコン合金層５Ｂおよびｐ^＋シリコン層４を形成する。この場合は、アルミニウム焼結層５Ａおよびアルミニウム−シリコン合金層５Ｂによってアルミニウム電極５が構成される。これが裏面アルミペースト塗布・乾燥・焼成工程すなわちアルミニウム電極形成工程である。ここで、アルミニウムペーストの塗布方法は、特に制限はないが、薄く均一に塗布できる観点から、スクリーン印刷法によってアルミニウムペーストを印刷することが好ましい。

次に、反射防止膜３の受光面の一部とｐ型シリコン基板１の裏面の一部に銀ペーストをパターン状に塗布し、酸化性雰囲気中高温で焼成して銀電極６，７を形成する。これが銀電極形成工程である。より具体的には、裏面と受光面の銀電極を別々に形成する工程と同時に形成する工程がある。前者の工程においては、図示はしないが、裏面に銀ペーストを塗布した後乾燥させる裏面銀ペースト塗布・乾燥工程を行ない、焼成させて銀電極７を形成し（裏面銀電極形成工程）、さらに、受光面に銀ペーストを塗布した後乾燥させる受光面側銀ペースト塗布・乾燥工程を行ない、焼成させて銀電極６を形成する（受光面銀電極形成工程）。後者の工程においては、図２に示すように、裏面および受光面にそれぞれ銀ペーストを塗布、乾燥させた後、この銀ペーストを同時に焼成させる同時焼成工程により受光面および裏面に銀電極を形成する（両面銀電極同時形成工程）。

ここで、銀ペーストの塗布方法は、特に制限はないが、薄く均一に塗布できる観点から、スクリーン印刷法によって銀ペーストを印刷することが好ましい。また、受光面側の反射防止膜３上に塗布・乾燥された銀ペーストは、焼成によって銀ペースト成分が反射防止膜３を透過してｎ型拡散層２まで到達するため、図１に示すように、受光面の銀電極６はｎ型拡散層２上に形成されることになる。

その後、アルミニウム電極および銀電極が形成された太陽電池セルを、フラックスへ常温で数１０秒間浸漬させた後、温風乾燥させ、約２００℃のはんだ浴に浸漬して、銀電極６，７に対してはんだ層８によるコーティングを行なう。このはんだコーティング形成工程により、太陽電池が得られる。

上記のような典型的な太陽電池の製造方法においては、太陽電池セルの裏面の大部分に塗布されたアルミニウムペーストを焼成してアルミニウム電極を形成する際に、アルミニウムペーストの焼結収縮により、太陽電池セルにアルミニウム電極の面を凹とする反りが発生する。本発明にかかる太陽電池の製造方法は、図２において破線の矢印で示すように、上記アルミニウム電極形成工程の後に、太陽電池セルを１０℃以下に冷却する冷却工程を設けることにより、上記太陽電池セルの反りを低減することを特徴とする。かかる冷却工程による反り量の低減は以下の理由によるものと考えられる。

図３を参照して、図３（ａ）に示すように、アルミニウム電極形成工程においてアルミニウムペーストの焼結収縮により、太陽電池セル１４にアルミニウム電極５の面を凹とする反りが発生する。ここで、このときの反り量Ｓ１は、太陽電池セル１４の一辺における接線を含む面から反対側の一辺の右端（右対角）までの距離と定義する。このとき、太陽電池セルは、収縮したアルミニウム電極によって曲げられ、復元力が蓄えられている状態である。次に、図３（ｂ）に示すように、太陽電池セルを冷却すると、アルミニウム電極を構成するアルミニウムの線膨張係数（たとえば、−５０℃〜５０℃で１８．０×１０^-6℃^-1〜２３．８×１０^-6℃^-1）は、太陽電池セルを構成するシリコンの線膨張係数（たとえば、−５０℃〜５０℃で１．０×１０^-6℃^-1〜２．４×１０^-6℃^-1）に比べて大きいことから、アルミニウム電極はさらに収縮するため、このときの反り量Ｓ２は上記反り量Ｓ１よりも大きくなり、太陽電池セルにはさらに大きな復元力が蓄えられる。次に、図３（ｃ）に示すように、冷却工程の終了により、太陽電池セルの温度が冷却工程前の温度に回復することにより、シリコンに比べて熱膨張係数の大きいアルミニウム電極は太陽電池セルよりも膨張するとともに、太陽電池セルに蓄えられた復元力が開放されるため、アルミニウム電極形成工程後で冷却工程前の太陽電池セルの反り量Ｓ１よりも小さい反り量（Ｓ３）にまで太陽電池セル１４の反りが低減する。ここで、上記冷却温度が低い程太陽電池セルが曲げられ復元力が蓄えられる観点から、冷却温度は低いほど好ましく、０℃以下がより好ましく、−１７℃以下がさらに好ましい。

本発明にかかる太陽電池の製造方法において、上記冷却工程の後に、アルミニウム電極が形成された太陽電池セルを２０℃以上の雰囲気に置く工程をさらに含むことが好ましい。すなわち、上記冷却工程の終了後は、太陽電池セルは２０℃以上の雰囲気に置かれることが好ましい。冷却工程における冷却温度と冷却工程後の雰囲気温度との差が大きいほど、アルミニウム電極の膨張量および太陽電池セルの復元力が大きくなり、太陽電池セルの反り量が小さくなる。上記観点から、冷却工程における冷却温度と冷却工程後の雰囲気温度との差は、１０℃以上が好ましく、２０℃以上がより好ましく、３７℃以上がさらに好ましい。

本発明にかかる太陽電池の製造方法において、上記冷却工程を乾燥雰囲気中で行なうことが好ましい。太陽電池セルなどの結露を防止する必要がある。ここで、乾燥雰囲気とは、冷却工程およびその後の工程において太陽電池に結露が生じない程度の乾燥雰囲気をいい、たとえば冷却工程の冷却温度を−１７℃とする場合には、乾燥空気（露点が−４０℃以下）雰囲気中をいう。

本発明にかかる太陽電池の製造方法において、上記冷却工程における冷却時間は、５秒間以上であることが好ましい。５秒間未満であると太陽電池セルの反り量の低減効果が著しく小さくなる。かかる観点から、冷却時間は、２５秒間以上がより好ましく、１分間以上がさらに好ましく、５分間以上が最も好ましい。

本発明にかかる太陽電池の製造方法において、上記冷却工程は、アルミニウム電極形成工程の後であれば、特に限定はされず、図２において裏面アルミニウムペースト塗布、乾燥、焼成工程（アルミニウム電極形成工程）の後、同時焼成工程（銀電極形成工程）の後、はんだコーティング形成工程の後のいずれにおいても可能である。しかし、アルミニウム電極形成工程が太陽電池セルに反りを生じさせる最初の工程であること、またかかるアルミニウム電極形成工程に続く工程として、太陽電極基板の反りの小さいことが求められる銀ペーストのスクリーン印刷工程が控えていることから、上記冷却工程はアルミニウム電極形成工程の直後に行なうことが好ましい。また、上記冷却工程は１回に限らず、アルミニウム電極形成工程の後において２回以上行なうことも可能である。

本発明にかかる太陽電池の製造方法の冷却工程における冷却方法には、特に制限はなく冷凍庫、冷蔵庫またはエアークーラなどによる非接触式の冷却方法、ペルチェ方式平板への接触または液体冷媒への浸漬などによる接触式の冷却方式、いずれの方式を用いることが可能である。

本発明は、図１を参照して、太陽電池セル１４の厚さが３００μｍ以下、かつアルミニウム電極５のアルミニウム焼結層５Ａの厚さが３０μｍ以上の太陽電池であって、太陽電池セルの一辺の長さに対する太陽電池セル１４の反り量の百分率である太陽電池セル反り率が２．５％以下である太陽電池である。太陽電池セルが３００μｍ以下の場合に太陽電池セルの剛性が小さくその反りが問題となる。また、太陽電池セルの反り率が２．５％以下であれば、銀ペーストのスクリーン印刷に支障が生じない。さらに、銀ペーストの塗布厚さをより均一にする観点から、太陽電池セルの反り率は、２．０％以下が好ましく、１．５％以下がより好ましく、１．０％以下がさらに好ましい。

（実施例１）
アルカリエッチングされた１５５ｍｍ角型で厚さ２００μｍのｐ型シリコン基板１の片側表面にリン（Ｐ）を９００℃で熱拡散させることにより厚さ約０．４μｍのｎ型拡散層２（面抵抗：５０Ω／□）を形成し、その上に反射防止膜３としてプラズマＣＶＤ法により厚さ６０ｎｍのシリコン窒化膜を形成した。裏面には市販のアルミニウムペースト（村田製作所製ＡＬＰ−１３１２）をスクリーン印刷法にて１．９ｇ印刷し、１５０℃で乾燥した後、空気中７００℃で焼成しアルミニウム電極を形成した。この印刷量は電気特性維持のために必要なペースト量である。このときアルミニウム焼結層の厚さは約３５μｍであった。この太陽電池セルの反り量を測定したのち、乾燥空気（露点が−４０℃以下）雰囲気の冷凍庫中−３０℃で２５秒間冷却した後、乾燥空気（露点が−４０℃以下）雰囲気の２５℃の室内に取出し２分間以上放置して、再び反り量を測定した。

反り量の測定は図４を参照して、図４（ａ）のように反りが生じた太陽電池セルの凸部を下にして、図４（ｂ）のように反りが生じた太陽電池セルの一辺の両端部と中央部とを３本の指で押さえながら水平面から右対角までの高さＳをレーザ変位計によって測定した。次に、反時計回りに太陽電池セルを回して、隣の一辺の両端部と中央部とを３本の指で押さえながら水平面から右対角までの高さを測定した。これを繰り返して、太陽電池セルの４つの角部における反り量を測定した。
反り量は太陽電池セル１枚あたり４つの角部を測定した平均値とした。冷却前の反り量Ｓ１および冷却後の反り量Ｓ３から下式（１）を用いて反り量減少率（％）を算出した。反り量減少率０％は冷却後の反り量が冷却前の反り量と同じことを示し、反り量減少率１００％とは冷却後の反り量が０であることを示す。結果を表１にまとめた。

反り量減少率（％）＝１００×（Ｓ１−Ｓ３）／Ｓ１（１）
また、太陽電池セルの一辺の長さに対する太陽電池セルの反り量の百分率である太陽電池セル反り率は、下式（２）によって算出した。

太陽電池セル反り率（％）＝１００×Ｓ３／（太陽電池セル一辺の長さ）（２）
（実施例２〜実施例５）
冷却工程において、冷却温度を表１に示す温度とした他は実施例１と同様にして太陽電池セルの反り量を測定し、上式（１）を用いて反り量減少率を算出した。結果を表１にまとめた。

表１から明らかなように、太陽電池の製造工程においてアルミニウム電極形成工程後に冷却工程を設けることにより太陽電池セルの反り量を減少させることができた。冷却温度が低いほど反り量の減少効果が大きかった。冷却時間が２５秒間においても、冷却温度が５℃で反り量減少率は２０％となり、冷却温度が０℃で反り量減少率は３３％となり、冷却温度が−１０℃で反り量減少率は４８％となり、冷却温度が−２０℃で反り量減少率は６８％となった。

また、冷却工程、冷却工程後の２５℃での放置を露点が−４０℃以下の乾燥空気雰囲気で行なったので、太陽電池には結露が全く発生せず、その後の取扱いが容易であった。

上記反り量の測定後、通常の工程に従って太陽電池を完成し、冷却工程を行なっていない太陽電池との特性比較を行ったが有意差は見られなかった。さらに信頼性確認のために太陽電池の温湿度サイクル試験を行ったが従来品との有意差は見られず信頼性で問題のないことが明らかとなった。

（実施例６）
アルカリエッチングされた１５５ｍｍ角型で厚さ２８０μｍのｐ型シリコン基板１の片側表面にリン（Ｐ）を９００℃で熱拡散させることにより厚さ約０．４μｍのｎ型拡散層２（面抵抗：５０Ω／□）を形成し、その上に反射防止膜３としてプラズマＣＶＤ法により厚さ６０ｎｍのシリコン窒化膜を形成した。裏面には市販のアルミニウムペースト（村田製作所製ＡＬＰ−１３１２）をスクリーン印刷法にて１．９ｇ印刷し、１５０℃で乾燥した後、空気中７００℃で焼成しアルミニウム電極を形成した。この印刷量は電気特性維持のために必要なペースト量である。このときアルミニウム焼結層の厚さは約３５μｍであった。この太陽電池セルの反り量（Ｓ１）を測定した後、乾燥空気（露点が−４０℃以下）雰囲気の冷凍庫中−１７℃で２５秒間、１分間、５分間、２０分間または８０分間冷却した後、乾燥空気（露点が−４０℃以下）雰囲気の２５℃の室内に取出し２分間以上放置して、再び反り量（Ｓ３）を測定した。冷却前の反り量（Ｓ１）および冷却後の反り量（Ｓ３）から上式（１）により反り量減少率を算出した。

（比較例１）
実施例６と同様にしてアルミニウム電極を形成した太陽電池セルを作成し、この太陽電池セルの反り量（Ｓ４）を測定した。この太陽電池セルを冷却することなくそのまま乾燥空気（露点が−４０℃以下）雰囲気の２５℃の室内で２０分間または８０分間放置した後、反り量（Ｓ５）を再び測定した。Ｓ４を上式（１）のＳ１に代入し、Ｓ５を上式（１）のＳ３に代入することにより、室内放置（非冷却）の場合の反り量減少率を算出した。

（比較例２）
実施例６と同様にしてアルミニウム電極を形成した太陽電池セルを作成し、この太陽電池セルの反り量（Ｓ４）を測定した。この太陽電池セルを１２０℃のオーブン中で２０分間または８０分間加熱した後、乾燥空気（露点が−４０℃以下）雰囲気の２５℃の室内に取出し２分間以上放置して、再び反り量（Ｓ６）を測定した。Ｓ４を上式（１）のＳ１に代入し、Ｓ６を上式（１）のＳ３に代入することにより、加熱の場合の反り量減少率を算出した。

上記実施例６、比較例１および比較例２における反り量減少率の変化を、図５にまとめた。ここで、図５の横軸は冷却、室内放置または加熱のそれぞれの時間（分間）を示し、縦軸は反り量の減少率（％）を示す。

図５から明らかなように、室内放置、加熱の場合には太陽電池セルの反り量の減少効果はほとんど認められなかったが、冷却の場合は冷却時間が短くても太陽電池セルの反り量の減少効果が認められた。図５から、冷却時間が５秒間程度でも太陽電池セルの反り量の減少効果が認められ、冷却時間が２５秒間以上で太陽電池セルの反り量の十分な減少効果が得られる。

（実施例７）
アルカリエッチングされた１５５ｍｍ角型で厚さ２８０μｍのｐ型シリコン基板１の片側表面にリン（Ｐ）を９００℃で熱拡散させることにより厚さ約０．４μｍのｎ型拡散層２（面抵抗：５０Ω／□）を形成し、その上に反射防止膜３としてプラズマＣＶＤ法により厚さ６０ｎｍのシリコン窒化膜を形成した。裏面には市販のアルミニウムペースト（村田製作所製ＡＬＰ−１３１２）をスクリーン印刷法にて１．９ｇ印刷し、１５０℃で乾燥した後、空気中７００℃で焼成しアルミニウム電極を形成した。この印刷量は電気特性維持のために必要なペースト量である。このときアルミニウム焼結層の厚さは約３５μｍであった。この太陽電池セルの反り量（Ｓ１）を測定した後、乾燥空気（露点が−４０℃以下）雰囲気の冷凍庫中−１７℃で２５秒間冷却した後、乾燥空気（露点が−４０℃以下）雰囲気の２５℃の室内に取出し２分間以上放置して、再び反り量（Ｓ３）を測定した。冷却前の反り量（Ｓ１）および冷却後の反り量（Ｓ３）から上式（１）により反り量減少率を算出した。結果を表２にまとめた。

（実施例８）
冷却工程において乾燥空気（露点が−４０℃以下）雰囲気の冷凍庫エアークーラ中７℃〜１０℃で冷却した以外は、実施例７と同様にして太陽電池セルの反り量減少率を算出した。結果を表２にまとめた。

（実施例９）
１５５ｍｍ角型で厚さ２００μｍのｐ型シリコン基板を用いて太陽電池セルを作成し、冷却工程において乾燥空気（露点が−４０℃以下）雰囲気下で−１５℃のペルチェ方式平板を用いて冷却した以外は、実施例７と同様にして太陽電池セルの反り量減少率を算出した。結果を表２にまとめた。

表２から明らかなように、冷凍庫またはエアークーラなどによる非接触式の冷却方法、ペルチェ方式平板への接触などによる接触式の冷却方法、いずれの冷却方法を用いても太陽電池セルの反り量を低減できた。

また、表１および表２から明らかなように、太陽電池セルの厚さが３００μｍ以下、かつアルミニウム電極５のアルミニウム焼結層の厚さが３０μｍ以上の太陽電池であって、太陽電池セル反り率が２．５％以下である反りの小さい太陽電池を作成できた。

なお、本実施例においてはアルミニウム電極形成工程の直後にのみ冷却工程を行っているが、冷却工程はアルミニウム電極形成工程の後であれば直後でなくとも有効であり、かつ複数回取り入れても効果があることはいうまでもない。

また、本発明においては、太陽電池の従来の製造工程においてアルミニウム電極形成工程後に、冷却工程を追加することにより太陽電池セルの反り量を低減するものであり、従来の材料、設備を全てそのまま適用できる利点もある。

上記のように、本発明は、太陽電池セルの反り量の小さい太陽電池およびその製造方法に広く利用することができる。

本発明にかかる一の太陽電池を示す概略断面図である。本発明にかかる一の太陽電池の製造方法を説明する工程図である。太陽電池セルの反り量の低減を説明する概念図である。ここで、（ａ）はアルミニウム電極形成工程直後の反り量を示し、（ｂ）は冷却工程直後の反り量を示し、（ｃ）は室内放置後の反り量を示す。太陽電池セルの反り量の測定方法を説明する概念図である。太陽電池セルの反り量減少率の変化を示す図である。

符号の説明

１ｐ型シリコン基板、２ｎ型拡散層、３反射防止膜、４ｐ^＋型シリコン層、５アルミニウム電極、５Ａアルミニウム焼結層、５Ｂアルミニウム−シリコン合金層、６，７銀電極、８はんだ層、１４太陽電池セル。

Claims

太陽電池セルの裏面の少なくとも一部にアルミニウムペーストを塗布、乾燥、焼成してアルミニウム電極を形成するアルミニウム電極形成工程と、前記アルミニウム電極形成工程の後に、前記アルミニウム電極が形成された太陽電池セルを−３０℃以上１０℃以下の雰囲気温度で５秒間以上冷却する冷却工程とを少なくとも有し、
前記アルミニウム電極形成工程において前記太陽電池セルに発生した反りを前記冷却工程において大きくすることにより、前記太陽電池セルに復元力を蓄え、
前記冷却工程の終了により、前記太陽電池セルに蓄えられた復元力が開放されることにより、前記太陽電池セルの反りが低減することを特徴とする太陽電池の製造方法。
前記冷却工程の後に、前記アルミニウム電極が形成された太陽電池セルを２０℃以上の雰囲気に置く工程をさらに含む請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
前記冷却工程を乾燥雰囲気中で行なうことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の太陽電池の製造方法。
前記冷却工程を前記アルミニウム電極形成工程の直後に行なうことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。