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JP6665166B2 - 太陽電池モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、太陽電池モジュールおよびその製造方法に関する。
一般的な太陽電池は両面電極型であり、受光面および裏面の両方に電極を備える。一方、電極による遮光損のない太陽電池として、裏面接合型太陽電池が開発されている(例えば特許文献1)。裏面接合型太陽電池は、裏面にのみ電極を有するため、受光面の金属電極による遮光損がなく、高い変換効率が期待される。
裏面接合型太陽電池は、半導体基板の裏面側にp型半導体層およびn型半導体層を有する。図7は、裏面側にp型半導体層とn型半導体層とが櫛型に設けられた裏面接合型太陽電池を示している。この太陽電池800では、y方向に延在するp型半導体層821およびn型半導体層822が、x方向に沿って交互に設けられている。y方向の一端ではn型半導体層がx方向に延在するように設けられ、y方向の他端ではp型半導体層がx方向に延在するように設けられている。これにより、p型半導体層形成領域とn型半導体層形成領域とは互いに噛み合う櫛歯状に設けられている。このような構造とすることにより、受光面側からの入射光により半導体基板内で誘起された光キャリアを、効率的にそれぞれの導電型半導体層で回収できる。
n型半導体層上およびp型半導体層上には、回収されたキャリアを外部に取り出すための電極が設けられている。y方向に延在する電極841,842はフィンガー電極と称される。x方向に延在する電極846,847はバスバー電極と称され、複数のフィンガー電極の端部を接続している。半導体層およびその上の電極が櫛型に設けられた裏面接合型太陽電池は、図7に破線で示すように、バスバー電極846,847に配線部材851,852を接続し、配線部材を介して、1つの太陽電池のp型半導体層上の電極と、隣接する太陽電池のn型半導体層上の電極とを接続することにより、直列接続され、モジュール化が行われる。
このような櫛型構造の電極は、フィンガー電極の端部からバスバー電極までの距離K(キャリア回収距離)が、半導体基板の1辺の長さLyに略等しいため、直列抵抗に起因するキャリア回収ロスが大きい。基板のサイズの増大に伴ってキャリア回収距離が大きくなるため、ロスが増大する傾向がある。
直列抵抗は、フィンガー電極の断面積を大きくすることにより低減可能である。しかし、隣接する電極を離間させるためには、x方向における電極の幅を半導体層の幅より小さくする必要がある。半導体層の幅を大きくすると、半導体基板で生成した光キャリアの移動距離が大きくなるため、キャリア再結合によるロスが増大する。また、電極の高さを大きくすると、電極と半導体層との界面での応力が大きくなり、セルの反りや電極剥がれ等が生じる。そのため、フィンガー電極の断面積増大による直列抵抗の低減には限界がある。
特許文献2等では、配線シートを使用して、フィンガー電極間の接続、および隣接するセル間の接続を行う方法が検討されている。例えば、図8に示す太陽電池900は、y方向に延在するフィンガー電極941,942のみを有し、フィンガー電極同士を連結するバスバー電極を備えていない。配線シート950は、基材960のセルとの対向面に、セルのフィンガー電極941,942と略同形状のフィンガー電極部分951,952およびフィンガー電極同士を接続するバスバー電極部分956,957を有する。モジュール化の際には、図9に示すように、セル900上に配線シート950を配置して、セルのフィンガー電極と配線シートのフィンガー電極とを接続する。これにより、配線シートのバスバー部分を介して、全てのフィンガー電極のキャリアを回収できる。また、配線シート950のフィンガー電極951,952の高さを大きくすることにより、セル900のフィンガー電極941,942の高さを増加させることなく、直列抵抗を低減できる。
特開2009−200267号公報 特開2010−092981号公報
配線シートを用いてフィンガー電極の接続を行う場合、配線シートとセルとの正確な位置合わせが必要である。フィンガー電極はx方向の幅が小さいため、配線シートがx方向に位置ズレした場合や、配線シートの配置角度が正確でない場合は、配線シートのフィンガー電極を介して、n型半導体層上に設けられたn側フィンガー電極とp型半導体層上に設けられたp側フィンガー電極との短絡が生じ、セル性能が大きく低下する。
特許文献2では、セルまたは配線シートのフィンガー電極に、位置決めのための凹部または凸部を設けることにより、セルと配線シートとの位置ズレを防止できることが記載されているが、高い位置合わせ精度を要することに変わりはない。また、位置決め用の凹部または凸部を設けるためのマージンを要するため、セルの電極幅が小さくなり、キャリア回収効率が低下する等の問題がある。
上記に鑑み、本発明は、太陽電池の電極と配線部材との接続時の位置合わせが容易であり、かつ、電極の直列抵抗に起因するキャリア回収ロスが低減された裏面接合型太陽電池の提供を目的とする。
本発明の太陽電池は、半導体基板と、半導体基板の裏面に設けられた第一導電型層および第二導電型層と、第一導電型層上に設けられた第一電極と、第二導電型層上に設けられた第二電極とを備える。本発明の太陽電池は裏面接合型であり、半導体基板の受光面には電極が設けられていない。
第一電極と前記第二電極とは離間しており、第一電極は、間に配置された第二電極によって隔てられている複数の領域を有する。第一電極の複数の領域のそれぞれは、非接続電極部と、配線接続用電極部とを有する。配線接続用電極部は、非接続電極部よりも電極高さが大きい。第一電極の複数の領域のうち、隣接する2つの領域において、一方の領域の配線接続用電極部の頂点と、他方の領域の配線接続用電極部の頂点とを結んだ仮想線は、2つの領域の間に配置された第二電極と交わらない。
第二電極が、間に配置された第一電極によって隔てられている複数の領域を有する場合、第二電極の複数の領域のそれぞれが、非接続電極部よりも電極高さの大きい配線接続用電極部を有していてもよい。第二電極の隣接する2つの領域における配線接続用電極部の頂点同士を結んだ仮想線は、2つの領域の間に配置された第一電極と交わらないことが好ましい。
第一電極および/または第二電極の複数の領域のそれぞれが、複数の配線接続用電極部を有する場合は、隣接する2つの領域間の最近接の配線接続用電極部の頂点同士を結んだ仮想線が、2つの領域の間に配置された電極と交わらなければよい。隣接する2つの領域の配線接続用電極部の頂点を結んだ仮想線と、2つの領域の間に配置された電極の頂点との、高さ方向における距離は、1μm以上が好ましい。
一実施形態において、第一電極および第二電極は平行に延在し、延在方向と直交する方向に沿って交互に配置されている。この形態では、第一電極の複数の領域のそれぞれに設けられた配線接続用電極部が、電極の延在方向と直交する方向に並んで存在することが好ましい。第二電極の複数の領域のそれぞれに配線接続用電極部が設けられている場合、第二電極の配線接続用電極部も電極の延在方向と直交する方向に並んで存在することが好ましい。
また、本発明は上記太陽電池の試験方法に関する。本発明の試験方法では、太陽電池の配線接続用電極部に測定プローブを着脱可能に接触させた状態で、太陽電池に電流を流すことにより、I−V測定が実施される。
さらに、本発明は上記太陽電池の電極と配線部材とが電気的に接続された太陽電池モジュールに関する。配線部材は、電極高さの大きい領域、すなわち配線接続用電極部に接続されていることが好ましい。上記のI−V測定の結果に基づいて、太陽電池(セル)が良品であるか不良品であるかの判定を行い、良品と判定されたセルのみを配線部材と接続することにより、太陽電池モジュールの歩留まりを向上できる。
太陽電池の配線接続用電極部に配線部材を接続することにより、第一電極と第二電極との短絡を生じさせることなく、複数の第一電極および複数の第二電極のそれぞれを電気的に接続できる。配線接続用電極部に配線部材を接続する場合、位置ズレや角度ズレの許容量が大きいため、太陽電池のモジュール化が容易となり、歩留まり向上にも寄与する。また、光生成キャリアが電極中を移動する距離が小さくなるため、電極の直列抵抗に起因するキャリア回収ロスを低減し、太陽電池の変換特性(特に曲線因子)を向上できる。
本発明の一実施形態にかかる裏面接合型太陽電池の概略斜視図である。 図1の太陽電池を裏面(電極形成面)側から見た平面図である。 図1のA1−A2線における断面図である。 図1のB1−B2線における断面図である。 電極高さについて説明するための断面図である。 一実施形態の太陽電池の平面図である。 第一電極と第二電極の配線接続電極部が、一方向で重複して存在する様子を表す平面図である。 従来技術の太陽電池および太陽電池モジュールの平面図である。 配線シートにより電極を接続する太陽電池および配線シートの平面図である。 図8の太陽電池と配線シートとを接続した様子を表す平面図である。 太陽電池モジュールの製造工程の一例のフローチャートである。 I−V測定に用いられるプローブの概略斜視図である。 一実施形態の太陽電池の平面図である。 一実施形態の太陽電池の平面図である。 一実施形態の太陽電池の平面図である。 図14のA3−A4線における断面図である。 図14のB3−B4線における断面図である。 一実施形態の太陽電池の平面図である。 電極および配線接続電極部の形状について説明するための平面図である。
図1は、本発明の一実施形態にかかる裏面接合型太陽電池の概略斜視図である。図2は、図1の上側(太陽電池の裏面側)の平面図である。図3Aは、図1のA1−A2線における断面図であり、図3Bは、図1のB1−B2線における断面図である。図2,図3Aおよび図3Bでは、太陽電池の電極上に配線部材51,52を接続した状態を破線で示している。
太陽電池100は、半導体基板10の裏面(図1の上側の面)に、第一導電型層21および第二導電型層22を備える。第一導電型層21上には第一電極41が設けられ、第二導電型層22上には第二電極42が設けられている。第一電極41と第二電極42とは離間しており、絶縁されている。
半導体基板10としては、結晶シリコン等の結晶半導体基板が用いられる。結晶シリコン基板は、単結晶シリコンおよび多結晶シリコンのいずれでもよい。半導体基板の導電型は、n型およびp型のいずれでもよい。半導体基板10は、光閉じ込めの観点から、受光面側にテクスチャ(凹凸構造)が設けられていることが好ましい。半導体基板の裏面にもテクスチャが設けられていてもよい。
第一導電型層21と第二導電型層22は異なる導電型を有する半導体層であり、一方がp型半導体層、他方がn型半導体層である。裏面接合型太陽電池は、受光面側から光を入射させ、半導体基板内で生成した光キャリアを裏面で回収する。そのため、p型半導体層およびn型半導体層の両方が半導体基板の裏面に設けられ、その上に電極が設けられている。半導体基板10の受光面には電極が設けられていない。
第一導電型層21および第二導電型層22は、第一方向(y方向)に延在する帯状に設けられている。第一導電型層と第二導電型層は、第一方向と直交する第二方向(x方向)に沿って交互に配置されている。第一導電型層の幅Lおよび第二導電型層の幅Lは特に限定されないが、それぞれ、50〜3000μmの範囲が好ましい。なお、導電型層および電極の幅とは、特に断りがない限り、延在方向と直交する方向、すなわち、図2のx方向における幅を指す。
第一導電型層21と第二導電型層22とは接合していないことが好ましい。第一導電型層と第二導電型層との接合を防止するために、両者の間には絶縁層(不図示)が設けられていてもよい。
第一導電型層21および第二導電型層22は、例えば、CVDにより製膜される非晶質シリコンや結晶質シリコン等のシリコン系薄膜である。導電型層は、熱拡散やレーザードーピング等により、シリコン基板の表面に設けられたドーピング層でもよい。第一導電型層と第二導電型層とを所定形状にパターニングする方法は特に限定されず、マスクを用いてシリコン系薄膜を形成する方法や、レジスト等により表面を被覆した状態でエッチング液やエッチングペーストを用いてレジスト開口下の半導体層等を除去する方法等が挙げられる。
第一導電型層21上にはy方向に延在する第一電極41が設けられ、第二導電型層22上にはy方向に延在する第二電極42が設けられている。第一電極41と第二電極42は離間しており、x方向に沿って交互に配置されている。
第一電極41の幅Eは第一導電型層21の幅Lより小さく、第二電極42の幅Eは第二導電型層22の幅Lよりも小さいことが好ましい。なお、第一導電型層21と第二導電型層22との境界部分に絶縁層やその他の層が設けられている場合は、第一電極と第二電極とが離間している限りにおいて、電極の幅は半導体層の幅より大きくてもよい。半導体層で回収されたキャリアを効率よく取り出すためには、電極の幅はできる限り大きいことが好ましい。そのため、第一電極41の幅Eは、第一導電型層21の幅Lの0.5倍よりも大きいことが好ましく、0.7倍よりも大きいことが好ましい。同様に、第二電極42の幅Eは、第二導電型層22の幅Lの0.5倍よりも大きいことが好ましく、0.7倍よりも大きいことが好ましい。
第一電極41および第二電極42は金属層を有する。金属層は多層構造でもよい。電極を構成する金属層は、印刷やめっき等の公知の方法により形成でき、Agペーストのスクリーン印刷により形成されたAg電極や、電解めっきにより形成された銅めっき電極等が好ましく用いられる。第一電極および第二電極は、金属層に加えて透明電極層を有していてもよい。透明電極層としては、例えば、酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛、酸化チタンやその複合酸化物等の透明導電性金属酸化物からなる薄膜が用いられる。中でも、酸化インジウムを主成分とするインジウム系複合酸化物が好ましい。
第一電極41と第二電極42とは、x方向に沿って交互に配置されているため、第一電極41および第二電極42は、それぞれ複数の領域を有する。すなわち、第一電極41は、間に配置された第二電極42によって隔てられた複数の領域(複数のフィンガー電極)41a〜41eを有する。第二電極42は、間に配置された第一電極41によって隔てられた複数の領域(複数のフィンガー電極)42a〜42dを有する(図2参照)。例えば、第一フィンガー電極41aと41bとの間には、第二フィンガー電極42aが配置されているため、第一フィンガー電極41aおよび41bは、間に配置された第二フィンガー電極42aによって隔てられた2つの領域とみなせる。同様に、第二フィンガー電極42aと42bとの間には、第一フィンガー電極41bが配置されているため、第二フィンガー電極42aおよび42bは、間に配置された第一フィンガー電極41bによって隔てられた2つの領域とみなせる。
図2に示す形態では、5本の第一フィンガー電極41a〜41eが離間して設けられているが、複数の第一フィンガー電極は、バスバー電極により接続されていてもよい。また、複数の第二フィンガー電極も、バスバー電極により接続されていてもよい(図12参照)。
第一フィンガー電極41a〜41eのそれぞれは、非接続電極部410と配線接続用電極部411とを有する。配線接続用電極部411は、非接続電極部410よりも電極高さが大きい。第二フィンガー電極42a〜42dのそれぞれは、非接続電極部420と、非接続電極部よりも電極高さの大きい配線接続用電極部421とを有する。配線接続用電極部411,421の電極高さHは、非接続電極部410、420の電極高さHよりも1μm以上大きいことが好ましい。H−Hは、1〜150μmが好ましく、5〜80μmがより好ましい。
周囲に比べて電極高さが大きい配線接続用電極部を設ける方法は特に限定されない。例えば、高さが一様な電極を形成した後、所定領域に印刷やめっきを行うことにより、電極高さの大きい配線接続用電極部を形成できる。配線接続用電極部の嵩高部分(図1のハッチング部分)の材料は、電極の他の領域の材料と同一でもよく、異なっていてもよい。
フィンガー電極に高低差を設けることにより、配線部材によるフィンガー電極の電気接続が容易となる。なお、電極高さは、基板面と電極の頂点との距離である。半導体層形成のためのエッチング等により、部分的に基板の厚みが小さくなっている領域が存在する場合は、基板面に平行な基準面を定め、当該基準面から電極の頂点までの距離を電極高さと定義すればよい。
フィンガー電極全体の高さを大きくすれば、電極の断面積が増大するため直列抵抗を低減できる。しかし、電極高さを大きくすると、半導体層と電極との界面の応力が大きくなり、電極剥がれが生じる場合がある。裏面接合型太陽電池は電極が片面にしか設けられていないため、電極高さが大きくなると、基板表裏の応力が不均衡となり、セルの反り等の変形が生じ易く、セルの破損につながる。また、電極界面の応力に起因してセルが変形すると、モジュール化の際に、位置ズレや短絡等の不具合を生じる場合がある。そのため、非接続電極部の電極高さHは、100μm以下が好ましく、60μm以下がより好ましく、30μm以下がさらに好ましい。
後に詳述するように、本発明の太陽電池では、配線接続用電極部に配線部材を接続することにより、フィンガー電極のキャリア回収距離を小さくできる。これによりフィンガー電極の直列抵抗を低減できるため、電極高さを過度に大きくする必要がない。なお、フィンガー電極全体の高さを大きくする場合と異なり、局所的に電極高さの大きい領域(配線接続用電極部411,421)が存在しても、電極高さの小さい領域(非接続電極部410,420)により電極界面での応力が緩和される。そのため、電極剥がれやセルの変形・破損等が生じ難い。
第一フィンガー電極41a〜41eのそれぞれにおいて、配線接続用電極部411は同一のy座標領域に設けられている。第二フィンガー電極42a〜42dのそれぞれにおいて、配線接続用電極部421は同一のy座標領域に設けられている。このように、配線接続用電極部が直線状に並んでいれば、フィンガー電極の配線接続用電極部411に第一配線部材51を接続し、第二フィンガー電極の配線接続用電極部421に第二配線部材52を接続することにより、太陽電池をモジュール化できる。複数のフィンガー電極の配線接続用電極部は、フィンガー電極の延在方向と直交する方向に直線状に並んでいることが好ましい。配線部材の幅は特に限定されないが、0.3mm以上程度が好ましい。
第一フィンガー電極の配線接続用電極部411が設けられたy座標領域には、第二フィンガー電極42a〜42dの非接続電極部420が存在する。第二フィンガー電極の非接続電極部420は、第一フィンガー電極の配線接続用電極部411よりも電極高さが小さい。そのため、図3Aに示すように、第一電極の配線接続用電極部411が設けられたy座標領域内で、x方向に延在するように第一配線部材51を配置すれば、第一フィンガー電極41a〜41eの配線接続用電極部411の頂点を結ぶように配線部材が設けられる。したがって、第一配線部材51は、第二フィンガー電極42a〜42dの非接続電極部420には接触せず、複数の第一フィンガー電極41a〜41eを、第一配線部材51により選択的に電気接続できる。
第二フィンガー電極の配線接続用電極部421が設けられたy座標領域には、第一フィンガー電極41a〜41eの非接続電極部410が存在する。非接続電極部は配線接続用電極部よりも電極高さが小さい。そのため、図3Bに示すように、第二フィンガー電極42a〜42dの配線接続用電極部421の頂点を結ぶように第二配線部材52を配置すれば、複数の第二フィンガー電極42a〜42dを選択的に電気接続できる。
第一配線部材51と第二フィンガー電極とを接触させないためには、第一フィンガー電極の配線接続用電極部411における電極高さが、第二フィンガー電極の非接続電極部における電極高さよりも大きければよい。配線接続用電極部における電極高さは均一であることが好ましいが、プロセス上のばらつきが生じる場合がある。電極高さが均一でない場合でも、図4に示すように、隣接する2つの第一フィンガー電極(1つの第二フィンガー電極に隣接する2つの第一フィンガー電極)41fおよび41gの配線接続用電極部の頂点を結んだ仮想線が、第一フィンガー電極の間に配置された第二フィンガー電極42fと交わらなければよい。すなわち、隣接する第一フィンガー電極の頂点同士を直線で結んだとき、結んだ直線の高さが、その間に存在する第二フィンガー電極の高さよりも高ければよい。2つの第一フィンガー電極41f,41gの頂点を結んだ仮想線と、間に配置された第二フィンガー電極42fの頂点との、高さ方向の距離Dは、1μm以上が好ましく、5μm以上がより好ましい。
同様に、第二配線部材52と第一フィンガー電極とを接触させないためには、隣接する2つの第二フィンガー電極の配線接続用電極部の頂点を結んだ仮想線が、第二フィンガー電極の間に配置された第一フィンガー電極41と交わらなければよい。2つの第二フィンガー電極の頂点を結んだ仮想線と、間に配置された第一フィンガー電極の頂点との、高さ方向の距離は、1μm以上が好ましく、5μm以上がより好ましい。
このように、フィンガー電極に、相対的に電極高さの小さい非接続電極部と、非接続電極部よりも電極高さの大きい配線接続用電極部とを設け、複数のフィンガー電極の配線接続用電極部を配線部材で接続すれば、半導体層で回収されたキャリアが配線部材に到達するまでにフィンガー電極を移動する距離(キャリア回収距離)が短くなる。例えば、図2では、第一フィンガー電極41のキャリア回収距離の最大値(最も遠いところから配線部材で回収されるキャリアの移動距離)はKであり、第二フィンガー電極42のキャリア回収距離の最大値はKである。フィンガー電極41,42の延在方向(y方向)における配線接続用電極部411,421の位置により、キャリア回収距離を調整できる。例えば、フィンガー電極の延在方向の中心付近に配線接続用電極部が存在する場合、キャリア回収距離はフィンガー電極長さの約半分となる。
電極の抵抗Rは、電極材料の体積抵抗率ρ、キャリア回収距離K、電極の断面積Sを用いて、R=ρK/Sで表される。キャリア回収距離が半分になると、抵抗も半分となる。そのため、フィンガー電極の延在方向の中心付近に配線接続用電極部を設け、キャリア回収距離の最大値を小さくすることにより、電極の抵抗に起因する電気的ロスを低減し、太陽電池の変換特性(特に曲線因子)を向上できる。
図2では、1つのフィンガー電極に1つの配線接続用電極部が設けられた形態を示したが、1つのフィンガー電極に複数の配線接続用電極部が設けられていてもよい。例えば、図5に示す太陽電池200は、第一フィンガー電極241a〜241eのそれぞれが、y方向の2箇所に配線接続用電極部411aおよび411bを有し、第二フィンガー電極242a〜242dのそれぞれが、y方向の2箇所に配線接続用電極部421aおよび421bを有する。このように、フィンガー電極の延在方向に複数の配線絶族用電極部を設けることにより、フィンガー電極のキャリア回収距離をさらに小さくして、電極の抵抗に起因する電気的ロスを低減できる
1つの第一フィンガー電極241に複数の配線接続用電極部411a,411bが設けられている場合、隣接する2つのフィンガー電極の最近接の配線接続用電極部の頂点を結んだ仮想線が、第一フィンガー電極の間に配置された第二フィンガー電極と交わらなければよい。例えば、2本の第一フィンガー電極241aと241bとを第一配線部材251aにより接続する場合、同一のy座標領域に設けられた配線接続用電極部411a同士が最近接の配線接続用電極部となる。これらの頂点を結んだ仮想線が、第二フィンガー電極242aと交わらなければよい。1つの第二フィンガー電極242に複数の配線接続用電極部421a,421bが設けられている場合、隣接する2つのフィンガー電極の最近接の配線接続用電極部の頂点を結んだ仮想線が、第二フィンガー電極の間に配置された第一フィンガー電極と交わらなければよい。
1つのフィンガー電極に複数の配線接続用電極部が設けられている場合、フィンガー電極のキャリア回収距離の短縮による電気的ロスの低減に加えて、配線材と配線接続用電極部とのミスコンタクトに起因するロスを低減できる利点がある。前述のように、配線接続用電極部における電極高さは均一であることが好ましいが、プロセス上のバラツキ等により、特定のフィンガー電極の配線接続用電極部と配線材とが適切に接続できない場合も生じると考えられる。このような場合、1つのフィンガー電極の配線部材との接続箇所が1箇所のみの場合は、配線部材とのミスコンタクトが生じたフィンガー電極のキャリアはセルの外部に取り出すことができないため、完全なロスとなる。
一方、1つのフィンガー電極に複数の配線接続用電極部が設けられ、それぞれの配線接続用電極部が配線部材と接続される場合、1箇所の配線接続用電極部で配線部材とのミスコンタクトが生じたとしても、他の配線接続用電極部が配線部材と接続されていれば、当該接続部分からキャリアを外部に取り出すことができる。この場合、配線材とのミスコンタクトに起因してキャリア回収距離が長くなるが、完全なキャリア回収ロスが生じることを回避できる。そのため、ミスコンタクトに起因する大幅な電気的ロスを回避できる。
フィンガー電極の延在方向に設けられる配線接続用電極部の数が多い場合や、配線接続用電極部の長さY,Yが大きい場合は、図6のQ2−Q2線に示すように、隣接する2つの第一フィンガー電極の配線接続用電極部411の間に、第二フィンガー電極の配線接続用電極部421が存在する場合がある。このような場合でも、Q1−Q1線に示すように、隣接する2つの第一フィンガー電極の配線接続用電極部411の間に、第二フィンガー電極の非接続電極部420が存在すればよい。このような場合、非接続電極部420の長さAが、配線部材の幅よりも大きければよい。なお、配線部材による第一フィンガー電極と第二フィンガー電極との短絡を確実に防止するためには、配線部材の延在方向(x方向)において、第一フィンガー電極の配線接続用電極部411と第二フィンガー電極の配線接続用電極部421とが重複していないことが好ましい。
配線部材と電極との接続方法は、フィンガー電極の配線接続用電極部同士を接続できれば特に制限はない。図2に示すように、y方向に延在した第一電極と第二電極とがx方向に沿って交互に配置されている場合、それぞれの第一フィンガー電極の配線接続用電極部を同一のy座標領域に設け、x方向に延在するように第一配線部材51を配置して、配線部材と配線接続用電極部と接続すれば、隣接する太陽電池の接続も容易であるため好ましい。
第一方向(y方向)に延在する第一フィンガー電極と第二フィンガー電極とが、第一方向と直交する第二方向(x方向)に交互に配置されている場合、配線部材の延在方向は、第二方向と平行であることが好ましい。具体的には、配線部材の延在方向と第二方向とのなす角は、5°以下が好ましく、3°以下がより好ましく、1°以下がさらに好ましい。
配線部材の延在方向と第二方向とのなす角は、理想的には0°である。一方、配線部材の配置角度を、高精度で常に一定とすることは容易ではなく、工程の複雑化や歩留まり低下の原因となる場合がある。フィンガー電極の配線接続用電極部と配線部材とを接続する場合は、配線シートを用いてフィンガー電極を接続する場合に比べて、位置合わせが容易であり、配線部材の配置角度の許容範囲も大きいとの利点がある。
セルのフィンガー電極を配線シートにより電気的に接続する場合、電極長さをY,電極幅方向(x方向)の位置ズレの許容量をXとすると、許容される角度ズレ範囲はtan−1(X/Y)である。例えば、6インチ基板(1辺の長さ約156mm)に設けられた長さ150mmのフィンガー電極に、位置ズレ許容量X=±0.5mmの範囲で配線シートを貼り合わせる場合の角度ズレの許容範囲は0.38°(±0.19°)であり、極めて高い精度が要求される。前述のように、フィンガー電極の幅は半導体層の幅により制限される。フィンガー電極の幅を大きくするために半導体層の幅を大きくすると、半導体基板内での光キャリアの移動距離増大に伴い、キャリア再結合によるロスが増大する。そのため、変換特性を維持しつつ配線シートの位置ズレの許容量を大きくすることは困難である。
一方、複数のフィンガー電極の配線接続用電極部411に配線部材51を接続する場合、第一フィンガー電極の延在方向(y方向)における配線接続用電極部411の長さをY、配線部材51の接続方向(x方向)における半導体基板の長さをLとすると、許容される角度ズレ範囲は±tan−1(Y/L)である。配線接続用電極部の長さYは、電極幅のような制限がないため、Yを大きくすることにより、変換特性を維持しつつ、配線部材の配置角度のズレの許容範囲を大きくできる。例えば、L=156mmの6インチ基板を用いる場合、配線接続用電極部の長さYが8mmであれば、許容される位置ズレ範囲は±2.9°となる。
このように、本発明の太陽電池は、キャリア回収距離を小さくすることにより、電極の抵抗に起因する電気的ロスを低減できる。また、電極に配線部材を接続する際の位置合わせ(配置角度)の許容範囲が広いため、モジュールの生産工程を簡素化でき、歩留まりを向上できる。
図8に示す太陽電池900のように、バスバー電極を有さず複数のフィンガー電極が離間して設けられている太陽電池は、配線シート950との位置合わせが困難であることに加えて、配線シートと貼り合わせる前のセル単体での性能の測定も困難である。バスバー電極を有していない裏面接合型太陽電池の特性を測定するためには、それぞれのフィンガー電極を電気的に接続する必要があるが、前述のように、フィンガー電極の電気的な接続には、配線シートとの位置合わせを精度高く行う必要がある。配線シートを用いずに、それぞれのフィンガー電極にプローブを接触させることにより性能を測定することも可能であるが、この場合も高い位置合わせ精度が求められる。
裏面接合型太陽電池は高性能である一方で、高コストの太陽電池でもある。そのため、セルの作製からモジュール化までの製造工程において、セルの性能を随時把握し、性能の変動があった場合、直ちに製造ラインにフィードバックをかけて不良品の発生を最小限にとどめる必要がある。複数のセルを接続してモジュールを作製するまでの間、良・不良の判定ができないことは、歩留まりおよび製造コストの面で大きな問題となり得る。
これに対して、本発明の太陽電池は、フィンガー電極とプローブとの接続が容易であるため、複数のフィンガー電極を連結するバスバー電極を有していない場合でも、製造工程におけるセルのI−V特性の測定を容易に行い得る。図10は、本発明の太陽電池モジュールの製造工程の一例を示すフローチャートである。
まず、セル(太陽電池)の作製が行われる。以下では、ヘテロ接合型結晶シリコン太陽電池を例にとって、セルの作製について説明する。なお、本発明の太陽電池は、ヘテロ接合太陽電池に限定されるものではない。
半導体基板としては、導電型単結晶シリコン基板が用いられる。導電型単結晶シリコン基板はn型でもp型でもよいが、結晶基板内のキャリア寿命の長さから、n型単結晶シリコン基板を用いることが好ましい。シリコン基板の厚みは、50〜200μmが好ましく、60〜180μmがより好ましく、70〜180μmがさらに好ましい。この範囲の厚みの基板を用いることにより、材料コストを低減できる。厚みの小さい基板を用いて、金属電極の厚みを大きくすると、セルに反りが生じやすくなる傾向がある。前述のように、本発明では電極の厚みを過度に大きくしなくとも、電極の抵抗を低減できるため、基板の厚みが小さい場合でもセルの反りを抑制できる。
シリコン基板の受光面側には、パッシベーション層と反射防止膜とが順に形成されることが好ましい。パッシベーション層は、基板の表面欠陥を終端し、キャリア再結合を抑制する作用を有し、真性シリコン層が好ましく用いられる。反射防止膜としては、屈折率1.5〜2.3程度の透光性薄膜が好ましく、その材料としてSiO、SiN、SiON等が用いられる。反射防止膜の形成方法は特に限定されないが、精密な膜厚制御が可能であることから、CVD(Chemical Vapor Deposition)法が好ましい。
シリコン基板の裏面に形成される導電型層としては、シリコン系薄膜が好ましく、中でも、非晶質のp型シリコン薄膜およびn型シリコン薄膜が好ましい。ドーパント不純物としては、n型シリコンにはP(リン)、p型シリコンにはB(ホウ素)が好ましく用いられる。シリコン基板と導電型シリコン系薄膜との間には、真性シリコン薄膜が設けられることが好ましい。シリコン基板の表面に真性シリコン薄膜を設けることにより、シリコン基板の表面欠陥が終端され、ライフタイムが向上するために、太陽電池の出力を向上できる。
導電型シリコン系薄膜の製膜方法は特に限定されないが、CVD法が好ましい。CVDの材料ガスとしては、SiHガスが好ましく、ドーパント添加ガスとしては、水素希釈されたBやPHが好ましく用いられる。光透過率を向上させるために酸素や炭素等の不純物を微量添加してもよい。例えば、COやCH等のガスをCVD製膜の際に導入することにより、シリコン系薄膜に酸素や炭素を導入できる。p型シリコン系薄膜とn型シリコン系薄膜との境界部分に絶縁層を設ける場合、酸化シリコン等の絶縁層をCVD法により製膜すれば、工程を簡素化させ、プロセスコスト低減および歩留まり向上に寄与し得る。
ヘテロ接合太陽電池では、導電型半導体層と金属電極との間に透明電極層が設けられる。前述のように、透明電極層の材料としては、インジウム系複合酸化物等の導電性酸化物が好ましい。透明電極層は、スパッタ法やCVD法等により製膜できる。透明電極層も、p型半導体層およびn型半導体層と同様にパターニングされる。
透明電極層上に、金属電極が設けられる。前述のように、金属電極は、非接続電極部と、非接続電極部よりも電極高さの大きい配線接続用電極部とを有する。金属電極の詳細については、前述の通りであるため、ここでの記載は省略する。
このようにしてセルを作成後、I−V測定が実施される。I−V測定は、離間した複数の第一電極の配線接続用電極部に、図11に示すような着脱可能な測定プローブ80を接触させ、太陽電池に電流を流すことにより実施できる。電極の延在方向と直交する方向にプローブを配置して、複数の電極の配線接続用電極部にプローブをコンタクトさせることにより、離間した電極間を電気的に接続できる。配線接続用電極部の長さは、電極の幅に比べて十分に大きいため、プローブの位置合わせが容易である。また、プローブの形状を適宜変更することにより、種々の電極パターンに対応させることも可能である。製造工程においても、図11に示すようなプローブバーを用いることにより、速やかにセルのI−V測定が可能である。
セルのI−V測定の結果に基づいて、良品であるか不良品であるかの判定を行う。不良品と判定されたセルは、廃棄すればよい。あるいは不良が軽微で修復可能である場合は、リペアを実施して、再びI−V測定を実施して良品であるか否かの判定を行ってもよい。また、不良品のセルが発生した場合は、その原因を特定し、製造工程にフィードバックを行い、さらなる不良品の発生を防止することが好ましい。良品と判定されたセルのみがモジュール化工程に供されることが好ましい。モジュール化においては、良品と判定されたセルに配線部材が接続される。その後、必要に応じてI−V測定等の検査を実施した後、封止が行われる。
本発明の太陽電池はI−V測定が容易であるため、セルを作成後、モジュール化の前にI−V測定を実施し、良品のみを用いてモジュール化を行い得る。そのため、不良品の発生を低減し、生産コストを低減できる。
以上、第一フィンガー電極と第二フィンガー電極とが交互に配置された形態について説明したが、本発明の太陽電池は、上記の形態に限定されるものではなく、他の形態にも適用できる。
例えば、第一電極と第二電極とが離間していれば、図12に示す太陽電池500のように、複数のフィンガー電極が、バスバー電極546,547により接続されていてもよい。太陽電池500では、第一フィンガー電極の配線接続用電極部411が配線部材551に接続され、第二フィンガー電極の配線接続用電極部421が配線部材552に接続されている。x方向に延在し、第一フィンガー電極を連結するバスバー電極546が配線部材556に接続され、第二フィンガー電極を連結するバスバー電極547が配線部材557に接続されていてもよい。バスバー電極部分の電極高さは、非接続電極部410,420の電極高さと同等でもよく、非接続電極部より大きくてもよい。
非接続電極部よりも電極高さの大きい配線接続用電極部は、第一電極および第二電極の両方に設けられている必要はなく、第一電極のみが配線接続用電極部を有していてもよい。また、第一電極と第二電極とは交互に配置されている必要はなく、例えば図13に示す太陽電池600のように、第二電極642が設けられた領域の中に、第一電極641が島状に配置されていてもよい。
太陽電池600においては、第一導電型層621が第二導電型層622の中に離間した島状に配置されており、第一導電型層621上および第二導電型層622上のそれぞれに、第一電極641および第二電極642が形成されている。太陽電池600では、第二電極が面内の多くの箇所で接続されている。そのため、第二電極に配線接続用電極部が設けられていない場合でも、図13に示すように、第一電極と接触せず第二電極のみを接続するように、第二配線部材652,653,654を配置できる。
島状に離間して配置された複数の第一電極641のそれぞれは、配線接続用電極部411を有する。一方向(x方向)に並んで配置された複数の第一電極の配線接続用電極部が、第一配線部材658,659と接続される。配線部材を介した他の太陽電池との接続を容易とする観点から、複数の島状の第一電極は、その延在方向(y方向)と直交する方向(x方向)に並んで設けられていることが好ましい。
第一電極および第二電極の延在方向は、基板の辺と平行または直交方向でなくてもよい。また、第一電極および第二電極は直線状に延在している必要はなく、図14に示すように屈曲部を有していてもよい。
図14に示す太陽電池700は、基板のy方向の中央部の領域Y30において、フィンガー電極が斜め方向に延在している。領域Y10およびY20では、フィンガー電極がy方向に延在している。そのため、第一フィンガー電極741a〜741d、および第二フィンガー電極742a〜742dは、平面視した際に屈曲形状を有している。
領域Y10のx方向の一端には、第一フィンガー電極741kが設けられており、領域Y20のx方向の他端には、第二フィンガー電極742kが設けられている。第一フィンガー電極741a〜741dおよび741kは、領域Y10に、電極高さの大きい配線接続用電極部411を有する。第二フィンガー電極742a〜742dおよび742kは、領域Y20に、電極高さの大きい配線接続用電極部421を有する。領域Y10および領域Y20では、フィンガー電極の延在方向(y方向)に直交する方向(x方向)に沿って第一フィンガー電極と第二フィンガー電極とが交互に配置されている。
領域Y10では、x方向の両端に第一フィンガー電極が配置されている。領域Y10に設けられた第一フィンガー電極の配線接続用電極部411に第一配線部材751を接続後、封止等のために押圧を行うと、A3−A4断面図(図15A)に示すように、セルの端部(隣接するセルとの隙間およびその近傍)において、配線部材751が半導体基板10側に屈曲するように変形する場合がある。このように配線部材が屈曲した場合でも、領域Y10では、x方向の両端に第一フィンガー電極741aおよび741kが存在するため、配線部材751と半導体基板10との接触を防止できる。また、仮に配線部材と基板との接触が生じた場合でも、端部に設けられている第一導電型層721は、第一フィンガー電極741aおよび741kの下に設けられている半導体層と同一であるため、リークが生じ難い。
領域Y20では、x方向の両端に第二フィンガー電極が配置されている。領域Y20に設けられた第二フィンガー電極の配線接続用電極部421に第二配線部材752を接続後、B3−B4断面図(図15B)に示すように、配線部材752が半導体基板10側に屈曲するように変形した場合でも、領域Y20では、x方向の両端に第二フィンガー電極742kおよび742dが存在する。そのため、配線部材751と半導体基板10との接触を防止できる。また、仮に配線部材と基板との接触が生じた場合でも、端部に設けられている第二導電型層722は、第二フィンガー電極742kおよび742dの下に設けられている半導体層と同一であるため、リークが生じ難い。
このように、第一フィンガー電極と第二フィンガー電極とが交互に並んでいる方向(x方向)に沿って、両端に第一電極が存在する領域Y10と、両端に第二電極が存在する領域Y20とが存在すれば、配線部材に起因するリークを防止できるため、変換特性の高いモジュールが得られる。
一方向に沿って第一電極と第二電極とが交互に並び、両端に第一電極が存在する領域が複数存在してもよい。また、一方向に沿って第一電極と第二電極とが交互に並び、両端に第二電極が存在する領域が複数存在してもよい。例えば、図16に示す太陽電池701のように、平面視において複数の屈曲部を有するフィンガー電極を設けることにより、x方向の両端に第一電極が存在する領域、およびx方向の両端に第二電極が存在する領域を複数存在させることができる。
なお、図14および図16、ならびにその他の各図において、半導体基板の周縁には、第一導電型層および第二導電型層が設けられていないが、これらの半導体層は、基板の周縁に設けられていてもよい。基板の周縁にも半導体層を設けることにより、有効発電面積を拡大できるため、変換効率を向上できる。また、図14および図16に示すように、一方向に沿って両端に第一電極が存在する領域と両端に第二電極が存在する領域が存在し、両端に存在する電極に配線接続用電極部が設けられている場合、基板の周縁に設けられた半導体層と配線部材とが接触してもリークが生じないため、変換効率の高いモジュールが得られる。
上記の様に、第一電極および第二電極の形状や配置は、種々に設定できる。また、第一電極および第二電極の配線接続用電極部の形状も、任意に設定し得る。図17に示すように、配線接続用電極部401の幅は、電極幅よりも小さくてもよい。また、配線接続用電極部の形状は特に限定されず、配線接続用電極部406のような楕円形状や、屈曲形状等でもよい。配線接続用電極部は単一の構造物である必要はなく、接続用電極部402のように、間隙を有する構造でもよい。接続用電極部の電極幅方向に間隙を設けることにより、材料使用量を低減できるため、太陽電池の製造コスト低減に寄与し得る。また、電極441のように、1つの半導体層上で、電極が複数に分割されていてもよい。電極が幅方向に分割されている場合、幅方向の中央付近で分割されることが好ましい。分割幅(電極が設けられていない溝部分の幅)は電極全体の幅等に応じて適宜に設定可能であり特に限定されないが、分割幅が広すぎると電極面積減少による直列抵抗増加無視できなくなる場合がある。そのため、分割幅は、0.5μm〜5μm程度がよい。
10 半導体基板
21,22 導電型半導体層
41,42 電極
410,420 非接続電極部
411,421 配線接続用電極部
51,52 配線部材
100 太陽電池

Claims (11)

  1. 受光面および裏面を有する半導体基板と、前記半導体基板の裏面に設けられた第一導電型層および第二導電型層と、前記第一導電型層上に設けられた第一電極と、前記第二導電型層上に設けられた第二電極とを備え、前記半導体基板の受光面には電極が設けられていない太陽電池;前記太陽電池の前記第一電極に接続された第一配線部材;および前記太陽電池の前記第二電極に接続された第二配線部材、を備える太陽電池モジュールであって、
    前記太陽電池において、
    前記第一電極と前記第二電極は、平行に延在し、第一方向に沿って交互に配置され、互いに離間しており、
    前記半導体基板の裏面には、前記第一方向に沿って半導体基板の両端に位置する電極がいずれも第一電極である第一領域、および前記第一方向に沿って半導体基板の両端に位置する電極がいずれも第二電極である第二領域が、それぞれ少なくとも1つ存在し、
    複数の前記第一電極のそれぞれは、非接続電極部と、前記非接続電極部よりも電極高さの大きい第一配線接続用電極部とを有し、前記第一配線接続用電極部は前記第一領域に設けられており、
    複数の前記第二電極のそれぞれは、非接続電極部と、前記非接続電極部よりも電極高さの大きい第二配線接続用電極部とを有し、前記第二配線接続用電極部は前記第二領域に設けられており、
    前記第一領域において、複数の前記第一電極のうち最も近接する2つの第一電極の第一配線接続用電極部は、該2つの第一電極の間に配置された第二電極の非接続電極部よりも電極高さが高く、一方の第一電極第一配線接続用電極部の頂点と、他方の第一電極第一配線接続用電極部の頂点とを結んだ仮想線が、2つの第一電極の間に配置された第二電極と交わらず、
    前記第二領域において、複数の前記第二電極のうち最も近接する2つの第二電極の第二配線接続用電極部は、該2つの第二電極の間に配置された第一電極の非接続電極部よりも電極高さが高く、一方の第二電極の第二配線接続用電極部の頂点と、他方の第二電極の第二配線接続用電極部の頂点とを結んだ仮想線が、2つの第二電極の間に配置された第一電極と交わらず、
    前記第一領域において、第一配線部材が前記第一方向に沿って延在するように配置されており、前記第一配線部材が、複数の前記第一電極のそれぞれの第一配線接続用電極部に接続されており、
    前記第二領域において、第二配線部材が前記第一方向に沿って延在するように配置されており、前記第二配線部材が、複数の前記第二電極のそれぞれの第二配線接続用電極部に接続されている、太陽電池モジュール
  2. 前記複数の第一電極および前記複数の第二電極のそれぞれは、平面視屈曲形状を有し、前記第一方向と直交する第二方向に沿って延在する部分と、前記第二方向と非平行に延在する部分とを有する、請求項1に記載の太陽電池モジュール。
  3. 前記第一領域において、複数の前記第一電極のうち最も近接する2つの第一電極の第一配線接続用電極部の頂点を結んだ仮想線と、2つの第一電極の間に配置された第二電極の頂点との、高さ方向における距離が1μm以上である、請求項1または2に記載の太陽電池モジュール。
  4. 前記第二領域において、複数の前記第二電極のうち最も近接する2つの第二電極の第二配線接続用電極部の頂点を結んだ仮想線と、2つの第二電極の間に配置された第一電極の頂点との、高さ方向における距離が1μm以上である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール。
  5. 前記第一電極は、前記第一配線接続用電極部において電極高さの大きい嵩高部分の材料が、前記第一電極の他の部分の材料と同一である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール。
  6. 前記第二電極は、前記第二配線接続用電極部において電極高さの大きい嵩高部分の材料が、前記第二電極の他の部分の材料と同一である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール。
  7. 前記第一配線接続用電極部の電極延在方向に沿った長さが、当該第一配線接続用電極部に接続されている第一配線部材の幅よりも大きい、請求項1〜6のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール。
  8. 前記第二配線接続用電極部の電極延在方向に沿った長さが、当該第二配線接続用電極部に接続されている第二配線部材の幅よりも大きい、請求項1〜7のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール。
  9. 前記半導体基板の裏面には、前記第一領域および前記第二領域が複数存在し、前記第一方向と直交する第二方向に沿って前記第一領域と前記第二領域が交互に配置されており、
    複数の前記第一電極のそれぞれは、複数の前記第一領域のそれぞれに前記第一配線接続用電極部を有し、
    複数の前記第一領域のそれぞれにおいて、複数の前記第一電極のそれぞれの第一配線接続用電極部に、前記第一方向に沿って延在するように配置された第一配線部材が電気的に接続されており、
    複数の前記第二電極のそれぞれは、複数の前記第二領域のそれぞれに前記第二配線接続用電極部を有し、
    複数の前記第二領域のそれぞれにおいて、複数の前記第二電極のそれぞれの第二配線接続用電極部に、前記第一方向に沿って延在するように配置された第二配線部材が電気的に接続されている、請求項1〜8のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール
  10. 請求項1〜のいずれか1項に記載の太陽電池モジュールを製造する方法であって、
    前記第一配線部材および前記第二配線部材を接続する前の前記太陽電池のI−V測定を実施するステップ;
    前記太陽電池の複数の前記第一電極のそれぞれの前記第一配線接続用電極部に、前記第一配線部材を接続するステップ;および
    前記太陽電池の複数の前記第二電極のそれぞれの前記第二配線接続用電極部に、前記第二配線部材を接続するステップ、を有し、
    前記I−V測定において、複数の前記第一電極のそれぞれに設けられた前記第一配線接続用電極部、および第二電極の複数の領域のそれぞれに設けられた前記第二配線接続用電極部に、測定プローブを着脱可能に接触させた状態で、前記太陽電池に電流を流してI−V測定を実施する、
    太陽電池モジュールの製造方法。
  11. 前記I−V測定の結果に基づいて、太陽電池が良品であるか否かを判定するステップをさらに有し、良品と判定された太陽電池のみを、配線部材を接続するステップに供する、請求項10に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
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