(57)【要約】【課題】電極層を積層させてもバスバー電極が基板や配線との剥離が生じず、アスペクト比が向上され高効率でコストの低減された太陽電池を提供することを目的とする。【解決手段】少なくとも、ＰＮ接合が形成された半導体基板と、半導体基板の少なくとも片面上に櫛歯状に形成されたフィンガー電極と、フィンガー電極に接続するバスバー電極を具備する太陽電池であって、バスバー電極がその電極内に開口部があるパターンを有するものである太陽電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、ＰＮ接合が形成された半導体基板と、該半導体基板の少なくとも片面上に櫛歯状に形成されたフィンガー電極と、該フィンガー電極に接続するバスバー電極を具備する太陽電池であって、前記バスバー電極がその電極内に開口部があるパターンを有するものであることを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
前記バスバー電極の開口部の面積が、前記バスバー電極の形成領域の１０〜９０％の面積であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記バスバー電極の形状が、二重線状、梯子状、短冊状、格子状のいずれかであることによって前記開口部を有するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記バスバー電極が、スクリーン印刷法により形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記フィンガー電極が多層構造を有するものであり、少なくとも前記バスバー電極が前記フィンガー電極のいずれかの層と同一ペーストで形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記バスバー電極が、少なくとも前記半導体基板に直接接合する第一電極層を構成するものであることを特徴とする請求項５に記載の太陽電池。
【請求項７】
前記バスバー電極が、少なくとも配線と接合する最表層の電極層を構成するものであることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフィンガー電極とバスバー電極を具備する太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池には、一般的に、ＰＮ接合が形成された半導体基板の受光面上に、その半導体基板から電力を取り出すための櫛歯状のフィンガー電極と、そのフィンガー電極に接続して電力を取り出すバスバー電極とが、集電電極として形成される。
【０００３】
単結晶や多結晶シリコン基板を用いた量産用太陽電池の平面図と、電極部の拡大図を図４に示す。図４に示すように、太陽電池は受光面の集電電極として、半導体基板４２にフィンガー電極４１を多数有し、また、太陽電池セルを連結するための集電電極としてバスバー電極４０を数本有するのが一般的である。この電極の形成方法としては、蒸着法、スパッタ法などを利用してもよいが、コストの面から、Ａｇなどの金属微粒子を有機バインダーに混ぜた金属ペーストを、スクリーン版などを用いて印刷し、数百度で熱処理を行って基板と接着する方法が広く利用されている。
【０００４】
太陽電池に求められるのは、受光面の配線抵抗を小さくし、かつ、基板表面へできるだけ多くの光を吸収させることである。フィンガー電極の幅が細ければ、基板へ到達できる光の量が増すが、配線抵抗は増大してしまう。一方、配線抵抗を小さくするためにフィンガー電極の幅を太くすると、受光面積が減少し、結果的に性能は低下してしまう。よって、高効率の太陽電池に求められるのは、フィンガー電極の幅を細くして受光面積を確保しながら配線抵抗を小さくすること、具体的には、フィンガー電極の幅を維持しながら、高さを高くすること（アスペクト比の増加）である。
【０００５】
電極のアスペクト比を増加するための方法はいくつか提案がなされている（たとえば特許文献１、２、３、４）。
特許文献４に示される方法は印刷を積層していくのみであり、同一装置・同一製版で製造できるため有効である。しかしながら、電極を積層していくと、フィンガー電極と共にバスバー電極の高さも高くなり、熱処理の際にバスバー電極が基板や配線から剥離してしまうという問題があった。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１３４６５６号公報
【特許文献２】特開２００５−３４７６２８号公報
【特許文献３】特開２００６−５４３７４号公報
【特許文献４】特開２００８−４２０９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は上記の問題を解決するためになされたものであって、電極層を積層させてもバスバー電極の基板や配線との剥離が生じず、アスペクト比が向上され高効率でコストの低減された太陽電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は、少なくとも、ＰＮ接合が形成された半導体基板と、該半導体基板の少なくとも片面上に櫛歯状に形成されたフィンガー電極と、該フィンガー電極に接続するバスバー電極を具備する太陽電池であって、前記バスバー電極がその電極内に開口部があるパターンを有するものであることを特徴とする太陽電池を提供する（請求項１）。
【０００９】
このように、バスバー電極がその電極内に開口部があるパターンを有するものであれば、熱処理後のバスバー電極の収縮が抑制されるため、半導体基板や配線との熱収縮率の違いによる接合部でのバスバー電極の剥離を防止することができる。このため、フィンガー電極を積層させて、それに伴ってバスバー電極を積層させることにより剥離が生じやすくなる場合でも、本発明のバスバー電極であれば剥離を防止することができるため、セル連結の信頼性を保ちながらアスペクト比の向上を達成できる。また、開口部の分の電極ペーストを節約することができるため、コスト低減にも極めて有効である。このため、アスペクト比が向上された高効率で低コストの太陽電池となる。
【００１０】
このとき、前記バスバー電極の開口部の面積が、前記バスバー電極の形成領域の１０〜９０％の面積であることが好ましい（請求項２）。
このように、開口部の面積がバスバー電極の形成領域の１０〜９０％の面積であれば、剥離防止と電極ペーストの節約をより効果的に達成することができ、さらには半導体基板及び配線との十分な接合面積を保つことができるためセル連結の際の信頼性がより高くなる。
【００１１】
さらに、前記バスバー電極の形状が、二重線状、梯子状、短冊状、格子状のいずれかであることによって前記開口部を有するものであることが好ましい（請求項３）。
このように、バスバー電極の形状が上記のような形状であれば、熱処理後の収縮を抑制しながら、半導体基板及び配線との接合において部分的に弱い接合部分を無くし、セル連結の際の信頼性をより高くすることができる。
【００１２】
このとき、前記バスバー電極が、スクリーン印刷法により形成されたものであることが好ましい（請求項４）。
このように、スクリーン印刷法により形成すれば、多様な形状のバスバー電極を容易に形成することができ、また、フィンガー電極とも同時に形成することができるため生産性良く作製することができ、低コストの太陽電池にすることができる。
【００１３】
このとき、前記フィンガー電極が多層構造を有するものであり、少なくとも前記バスバー電極が前記フィンガー電極のいずれかの層と同一ペーストで形成されたものであることができる（請求項５）。
このように、フィンガー電極が多層構造を有する場合は、本発明のバスバー電極をフィンガー電極のいずれかの層と同一ペーストで形成することができ、フィンガー電極とバスバー電極の形成において同一のペーストが用いられることにより、本発明のバスバー電極とフィンガー電極との接続において、熱収縮率の違い等で生じる剥離を防止できる。
【００１４】
このとき、前記バスバー電極が、少なくとも前記半導体基板に直接接合する第一電極層を構成するものであることが好ましい（請求項６）。
このように、本発明のバスバー電極が、半導体基板に直接接合する第一電極層であれば、熱収縮率の異なる半導体基板との間の熱処理の際の剥離をより効果的に防止することができる。
【００１５】
このとき、前記バスバー電極が、少なくとも配線と接合する最表層の電極層を構成するものであることが好ましい（請求項７）。
このように、本発明のバスバー電極が、配線と接合する最表層の電極層であれば、熱収縮率の異なる配線との間の熱処理の際の剥離をより効果的に防止することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように本発明の太陽電池であれば、バスバー電極がその電極内に開口部があるパターンを有することにより、電極形成の焼成後や、配線との接合の際にバスバー電極の熱収縮が抑制されて、熱収縮率の異なる半導体基板や配線との接合部分における剥離が防止される。これにより、アスペクト比の向上のためにフィンガー電極を積層させる際にバスバー電極も積層させることで剥離が生じやすくなっても、本発明のバスバー電極であれば剥離は防止される。さらに、開口部には電極ペーストが不要であるためコストの低減にもなる。このため、アスペクト比が向上された高効率の太陽電池を、セル連結の際の信頼性高く、低コストで作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
熱処理の際に、バスバー電極が熱収縮率の異なる半導体基板や配線との接合部分において剥離する問題があり、特に、アスペクト比向上のためにフィンガー電極を積層させてそれに伴いバスバー電極も積層させた場合に、より剥離しやすくなる問題があった。
【００１８】
これに対して、フィンガー電極を積層させても、バスバー電極については第二電極層以降を形成しないで厚くせずに剥離を回避する方法も考えられるが、基板と接合する第一電極層と、配線と接合する電極層は異なる成分の電極ペーストを用いるため（特許文献４参照）、基板との接合性を重視した電極ペーストを用いる第一電極層に、直接配線を接合するとセルの連結の際の信頼性が低下する恐れがある。また、第一電極層のバスバー電極を形成しないでこの問題を回避しようとした場合、第二電極層目以降と基板の接着力が弱まるため、これもセルの連結の際の信頼性が低下する。
【００１９】
発明者らは、鋭意検討を行った結果、バスバー電極の電極内に開口部を設けることで、熱処理後の熱収縮を抑制することができ、熱収縮率の異なる半導体基板や配線との剥離を防止することができることを見出し、本発明を完成させた。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１は本発明の太陽電池の一例を示す平面図である。図２、３は本発明の太陽電池に形成されるバスバー電極の形状の例を示す拡大平面図である。
【００２１】
図１に示す本発明の太陽電池１４は、ＰＮ接合が形成された半導体基板１３と、半導体基板１３の少なくとも片面上に櫛歯状に形成されたフィンガー電極１１と、フィンガー電極１１に接続するバスバー電極１０を具備する太陽電池１４であって、バスバー電極１０がその電極内に開口部１２があるパターンを有する。
【００２２】
このように、電極内に開口部があるパターンを有するバスバー電極であれば、熱処理後の熱収縮が低減され、半導体基板や配線との接合部分における熱収縮率の違いによる剥離を防止できる。このため、アスペクト比向上のためにフィンガー電極を積層させて、これに伴いバスバー電極が厚くなり、熱収縮による剥離が生じやすい場合であっても剥離を防止できるため、セル特性のばらつきも小さくなる。また、開口部に形成する分の電極ペーストの節約にもなりコストの低減もできる。このため、アスペクト比の向上された高効率でセル連結時の信頼性の高い太陽電池が低コストで作製できる。
【００２３】
このバスバー電極１０の開口部１２の面積としては、バスバー電極１０の形成領域の１０〜９０％の面積であることが好ましい。
このように、開口部がバスバー電極の形成領域の１０〜９０％の面積であれば、半導体基板や配線との接合面積が十分であるためセル連結時の信頼性を損なうことなく、熱収縮の抑制と、電極ペーストの節約をより確実に行うことができる。なお、図１の場合では、バスバー電極１０の二重線の間の開口部１２の面積が、バスバー電極１０の形成領域である二重線内（二重線１２の面積＋開口部１０の面積）の面積の１０〜９０％の面積となることが好ましい。
【００２４】
また、バスバー電極の形状が、二重線状（図１、２）、梯子状（図３（ａ））、短冊状（図３（ｂ））、格子状（図３（ｃ））のいずれかであることによって開口部を有するものであることが好ましい。
バスバー電極が上記のような形状であれば、電極としての機能を十分に果たすとともに、熱収縮を効率的に抑制することができ、さらには半導体基板や配線との接合で部分的に弱い接合部分がないため、セル連結時の信頼性をより高くすることができる。
【００２５】
ここで、本発明の太陽電池の作製方法の一例を以下に述べる。ただし、本発明は以下の方法で作製された太陽電池に限られるものではない。
【００２６】
まず、高純度シリコンにホウ素あるいはガリウムのようなＩＩＩ族元素をドープし、比抵抗０．１〜５Ω・ｃｍとしたアズカット単結晶の面方位｛１００｝ｐ型シリコン基板を準備し、その表面のスライスダメージを、濃度５〜６０％の水酸化ナトリウムや水酸化カリウムのような高濃度のアルカリ、もしくは、ふっ酸と硝酸の混酸などを用いてエッチングする。単結晶シリコン基板は、ＣＺ法、ＦＺ法いずれの方法によって作製されてもよい。
【００２７】
引き続き、基板表面にテクスチャと呼ばれる微小な凹凸形成を行う。テクスチャは太陽電池の反射率を低下させるための有効な方法である。テクスチャは、加熱した水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウムなどのアルカリ溶液（濃度１〜１０％、温度６０〜１００℃）中に１０分から３０分程度浸漬することで容易に作製される。上記溶液中に、所定量の２−プロパノールを溶解させ、反応を促進させることが多い。
【００２８】
テクスチャ形成後、塩酸、硫酸、硝酸、ふっ酸等、もしくはこれらの混合液の酸性水溶液中で洗浄する。経済的及び効率的見地から、塩酸中での洗浄が好ましい。清浄度を向上するため、塩酸溶液中に、０．５〜５％の過酸化水素を混合させ、６０〜９０℃に加温して洗浄してもよい。
【００２９】
この基板上に、オキシ塩化リンを用いた気相拡散法によりエミッタ層を形成する。一般的なシリコン太陽電池は、ＰＮ接合を受光面にのみ形成する必要があり、これを達成するために基板同士を２枚重ね合わせた状態で拡散したり、拡散前に裏面にＳｉＯ２膜やＳｉＮｘ膜などを拡散マスクとして形成して、裏面にＰＮ接合ができないような工夫を施す必要がある。拡散後、表面にできたガラスをふっ酸などで除去する。
【００３０】
次に、受光面の反射防止膜形成を行う。製膜としては、プラズマＣＶＤ装置を用いＳｉＮｘ膜を約１００ｎｍ製膜する。反応ガスとして、モノシラン（ＳｉＨ４）およびアンモニア（ＮＨ３）を混合して用いることが多いが、ＮＨ３の代わりに窒素を用いることも可能であり、また、プロセス圧力の調整、反応ガスの希釈、さらには、基板に多結晶シリコンを用いた場合には基板のバルクパッシベーション効果を促進するため、反応ガスに水素を混合することもある。
【００３１】
次いで、裏面電極および受光面の電極をスクリーン印刷法で形成する。上記基板の裏面に、Ａｌ粉末を有機物バインダで混合したペーストをスクリーン印刷する。印刷後、５〜３０分間７００〜８００℃の温度で焼成して、裏面電極が形成される。
【００３２】
受光面電極もスクリーン印刷法を用いて電極層を形成する。スクリーン製版には本発明の開口部を設けたバスバー電極の形状（例えば図１に示される形状）を有する製版を用いる。Ａｇ粉末とガラスフリットを有機物バインダと混合したＡｇペーストをスクリーン印刷した後、熱処理によりＳｉＮｘ膜にＡｇ粉末を貫通させ（ファイアースルー）、電極とシリコンを導通させる。裏面電極および受光面電極の焼成は一度に行うことも可能である。
【００３３】
このように、スクリーン印刷により本発明のバスバー電極を形成すれば、フィンガー電極とも同時に形成することができ、また、所望の形状に容易に形成することができるため、生産性良く低コストで太陽電池を作製することができる。なお、電極形成はスクリーン印刷法による方が好ましいが、蒸着法、スパッタ法等で形成することも可能である。
【００３４】
このとき、フィンガー電極を多層構造を有するように形成し、少なくともフィンガー電極のいずれかの層と同一ペーストで本発明のバスバー電極を形成することができる。
このように、アスペクト比を向上させるためにフィンガー電極を積層させる際に、スクリーン印刷法等でいずれかの層と本発明のバスバー電極を同一ペーストで形成することができ、また、例えば第一電極層に従来の形状のバスバー電極（図４に示される形状）を形成して、その上に開口部があるパターンを有する本発明のバスバー電極を形成する等して、従来の形状のバスバー電極と組み合わせて積層させることもできる。バスバー電極を積層させて厚くなった場合でも本発明のバスバー電極を形成することで、剥離の防止されたセル特性のばらつきの小さい太陽電池にすることができる。また、フィンガー電極とバスバー電極を例えばスクリーン印刷により同一のペーストで形成することで、両者間での剥離を防止することができる。
【００３５】
また、このときバスバー電極が、少なくとも半導体基板と直接接合する第一電極層を構成するものであることが好ましい。
このように、熱収縮率の異なる半導体基板と直接接合する第一電極層を本発明のバスバー電極とすれば、より直接的に剥離を防止することができる。
【００３６】
また、このとき開口部があるパターンを有するバスバー電極が少なくとも配線と接合する最表層の電極層を構成するものであることが好ましい。
このように、配線と接合する最表層の電極層を本発明のバスバー電極とすれば、配線との熱収縮率の違いによる剥離をより効果的に防止することができる。
【００３７】
このように作製された太陽電池は、電極の剥離が防止されてセル特性のばらつきが小さい、アスペクト比が向上され高効率で低コストの太陽電池となる。
【実施例】
【００３８】
以下、本発明の実施例をあげてさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１、比較例）
本発明の有効性を確認するため、本発明のバスバー電極Ａ（図３（ａ）に示す）と、従来の一般的に用いられるバスバー電極Ｂ（図４に示す）で太陽電池を作製し、バスバー剥離の発生頻度を調査した。
【００３９】
まず、拡散厚さ２５０μｍ、比抵抗１Ω・ｃｍの、ホウ素ドープ｛１００｝ｐ型アズカットシリコン基板６０枚に対し、熱濃水酸化カリウム水溶液によりダメージ層を除去後、水酸化カリウム／２−プロパノール水溶液中に浸漬しテクスチャ形成を行い、引き続き塩酸／過酸化水素混合溶液中で洗浄を行った。次に、オキシ塩化リン雰囲気下、８７０℃で裏面同士を重ねた状態で熱処理し、エミッタ層を形成した。拡散後、ふっ酸にてガラスを除去し、洗浄、乾燥させた。
以上の処理の後、プラズマＣＶＤ装置を用いてＳｉＮｘ膜を受光面反射防止膜として全試料に対し形成した。
【００４０】
次に、裏面電極としてＡｌペーストを裏面全面にスクリーン印刷し乾燥した。次いで、受光面の第一電極層としてＡｇペーストを、バスバー電極Ｂの製版を使用し全試料に印刷して乾燥した。この後、３０枚はバスバー電極Ｂの製版を用いてＡｇペーストを第二電極層として印刷し乾燥した（第一電極層、第二電極層ともに従来の形状のバスバー電極）。
また、残り３０枚に対してはバスバー電極Ａの製版を用いてスクリーン印刷後乾燥した（第一電極層は従来の形状のバスバー電極で、第二電極層は本発明の形状のバスバー電極）。
【００４１】
上記のように作製した二層構造のバスバー電極を形成した基板をそれぞれ３０枚ずつ７８０℃の空気雰囲気下で焼成したところ、バスバー電極Ｂを二層形成したもの（第一電極層、第二電極層ともに従来の形状のバスバー電極）では３０枚中２２枚でバスバー電極の剥離が確認された。このため、剥離が生じたセルの特性は著しく低下した。
一方、バスバー電極Ｂ上にバスバー電極Ａを形成したもの（第一電極層は従来の形状のバスバー電極で、第二電極層は本発明の形状のバスバー電極）は３０枚中１枚も剥離が確認されず、セル特性も極めて安定してばらつきが小さかった。
【００４２】
（実施例２）
実施例１と同様に、ただし、本発明のバスバー電極Ａを受光面に１層のみスクリーン印刷して乾燥させた基板３０枚を７８０℃の空気雰囲気下で焼成した。
この場合でも、３０枚中１枚も剥離が確認されず、セル特性も極めて安定してばらつきが小さかった。
【００４３】
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態の一例を示す太陽電池の平面図である。
【図２】本発明の実施形態における二重線状のバスバー電極の一例を示す平面拡大図である。
【図３】本発明の実施形態におけるバスバー電極の一例を示す平面拡大図である（（ａ）梯子状、（ｂ）短冊状、（ｃ）格子状）。
【図４】従来の太陽電池を示す平面図（Ａ）と、その拡大図（Ｂ）である。
【符号の説明】
【００４５】
１０、４０…バスバー電極、  １１、４１…フィンガー電極、
１２…開口部、  １３、４２…半導体基板、  １４…太陽電池。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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