(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池用前面電極であって、
前記前面電極が、平行に配置された複数のグリッド電極と、及び前記グリッド電極を横切る少なくとも一個の集電電極とを含んでなるパターンが半導体基材上に形成される構造に構築されてなり、
前記グリッド電極に導入された電流が、前記集電電極に移動し、前記集電電極で集められ、並びに
各グリッド電極の幅が、前記集電電極からの距離に対して逆比例で不連続的に増加してなり、
前記パターンが、各グリッド電極の前記幅が150μm以下である第一パターン部分と、及び、各グリッド電極の前記幅が前記第一パターン部分における各グリッド電極の前記幅より小さい第二パターン部分とを備えてなり、
前記第二パターン部分が、全てのグリッド電極が互いに接合される構造に構築されてなる、太陽電池用前面電極。
【請求項２】
前記グリッド電極が、前記集電電極に対して直角である、請求項１に記載の太陽電池用前面電極。
【請求項３】
前記集電電極に隣接する一端における各グリッド電極の前記幅が、前記集電電極から離れた他端における各グリッド電極の前記幅より、50〜500％大きくなるように、各グリッド電極の前記幅が増加する、請求項１に記載の太陽電池用前面電極。
【請求項４】
デンドライト電極が、前記第一パターン部分の前記グリッド電極と前記第二パターン部分の前記グリッド電極との間に配置され、
前記第一パターン部分の前記グリッド電極と前記第二パターン部分の前記グリッド電極とを相互接続する、請求項１に記載の太陽電池用前面電極。
【請求項５】
各デンドライト電極の幅が、前記第二パターン部分の各グリッド電極の幅の1〜2倍である、請求項４に記載の太陽電池用前面電極。
【請求項６】
前記第一パターン部分の各グリッド電極の前記幅が、各デンドライト電極の前記幅より大きい範囲内で、前記第二パターン部分の各グリッド電極の前記幅の1.1〜15倍である、請求項４に記載の太陽電池用前面電極。
【請求項７】
前記第二パターン部分の各グリッド電極の前記幅が10〜60μmであり、
前記第一パターン部分の各グリッド電極の前記幅が、前記第二パターン部分の各グリッド電極の前記幅より大きい範囲内で、50〜150μmであり、
各デンドライト電極の前記幅が、前記第二パターン部分の各グリッド電極の前記幅と等しいか、または前記第二パターン部分の各グリッド電極の前記幅より大きい範囲内で、10〜60μmである、請求項４に記載の太陽電池用前面電極。
【請求項８】
前記第二パターン部分の各グリッド電極の長さが、各グリッド電極の全長の10〜70％であり、
前記第一パターン部分の各グリッド電極の長さが、各グリッド電極の全長の30〜90％であり、
各デンドライト電極の長さが、各グリッド電極の全長の0〜10％である、請求項４に記載の太陽電池用前面電極。
【請求項９】
前記半導体基材が、結晶性シリコンから形成されたｎ−型半導体層を含んでなる、請求項１に記載の太陽電池用前面電極。
【請求項１０】
前記半導体基材の抵抗が50Ω以上である、請求項１に記載の太陽電池用前面電極。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか一項に記載の前面電極を備えてなる太陽電池であって、前記太陽電池の電極損失が1.3mW/cm２である、太陽電池。
【請求項１２】
請求項１に記載の太陽電池用前面電極の製造方法であって、
平行に配置された複数のグリッド電極と、及び前記グリッド電極を横切る集電電極を備えてなるパターンを半導体基材上に形成する際、
前記方法が、
(a)前記グリッド電極の幅が100μm以下になるように、グラビア印刷方法またはオフセット印刷方法を使用して半導体基材上にペーストを印刷すること、及び
(b)前記ペーストを加熱及び/または加圧し、前記ペーストを硬化させることを含んでなる、製造方法。
【請求項１３】
前記オフセット印刷方法が、
前記前面電極のパターンに対応する予め決められたパターンに形成された溝を有する印刷基材を調製すること、
前記印刷基材に形成された前記溝を電極形成用ペーストで満たすこと、
前記印刷基材上で印刷ロールを回転させ、前記溝中に配置された前記ペーストを前記印刷ロールに転写すること、及び
前記印刷ロールを半導体基材上で回転させ、前記ペーストを前記印刷ロールから前記半導体基材に転写することを含んでなる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記グラビア印刷方法が、
前記前面電極のパターンに対応する予め決められたパターンに形成された溝を有するブランケットシリンダーを調製すること、
前記ブランケットシリンダーに形成された前記溝を電極形成用ペーストで満たすこと、及び
前記ブランケットシリンダーを半導体基材上で回転させ、前記ペーストを前記ブランケットシリンダーから前記半導体基材に転写することを含んでなる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記ペーストが銀(Ａｇ)粉末を含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力損失を最少に抑えた太陽電池用前面電極及びそれを包含する太陽電池に関し、より詳しくは、太陽電池用前面電極であって、該前面電極が、平行に配置された複数のグリッド電極及び該グリッド電極を横切る少なくとも一個の集電電極を包含するパターンが半導体基材上に形成される構造に構築されており、該グリッド電極に導入された電流が、該集電電極に移動し、該集電電極で集められ、各グリッド電極の幅が該集電電極に向かって増加する、太陽電池用前面電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題及び更新不可能なエネルギー供給源の枯渇に対する関心が高まるにつれて、豊富なエネルギー源を利用し、汚染に関連する問題が無く、エネルギー効率が高い代替エネルギー供給源として、太陽電池が注目されている。
【０００３】
太陽電池は、太陽熱を使用してタービンを回転させるのに必要な蒸気エネルギーを発生する太陽熱電池、及び半導体の特性を利用して光子を電気エネルギーに変換する光起電力太陽電池に分類することができる。特に、光を吸収し、電子及び正孔を発生し、それによって光エネルギーを電気エネルギーに変換する光起電力太陽電池に多くの研究が集中している。
【０００４】
図1は、そのような光起電力太陽電池(以下、簡単に「太陽電池」と呼ぶ)の構造を典型的に例示する図である。図1に関して、太陽電池は、第一伝導型半導体層22、及び第一伝導型半導体層22の上に形成された、第一伝導型半導体層22の伝導型と反対の第二伝導型半導体層23を包含する。第一伝導型半導体層22と第二伝導型半導体層23との間の界面には、ｐ／ｎ接合部が達成される。後面電極21は、第一伝導型半導体層22の少なくとも一部と接触して配置され、前面電極11は、第二伝導型半導体層23の少なくとも一部と接触して配置される。状況に応じて、光の反射を妨害する反射防止被膜24を第二伝導型半導体層23の上部に形成することができる。
【０００５】
第一伝導型半導体層22としては、通常、ｐ−型シリコン基材が使用され、第二伝導型半導体層23としては、通常、ｎ−型エミッタ層が使用される。また、前面電極11は、通常、銀(Ａｇ)パターンを使用してエミッタ層23の上に形成され、後面電極21は、通常、アルミニウム(Ａｌ)層を使用して第一伝導型半導体層22の底部に形成される。前面電極11及び後面電極21は、一般的に、スクリーン印刷法を使用して形成される。前面電極は、一般的に、幅が大きい2個の集電電極(「母線」とも呼ばれる)及び約150μmの小さな幅を有するグリッド電極(「フィンガー」とも呼ばれる)を包含する。
【０００６】
上記の構造を有する太陽電池では、太陽光が前面電極11上に入射すると、自由電子が発生する。これらの電子は、ｐ／ｎ接合原理により、ｎ−型半導体層23に移動する。電子のそのような運動が電流を発生する。
【０００７】
光エネルギーを電気エネルギーに直接変換する太陽電池の性能は、太陽電池から出る電気エネルギー出力と太陽電池上への太陽エネルギー入射の比により表される。この比は、太陽電池の性能指数を示し、一般的に「エネルギー変換効率」、または単に「変換効率」と呼ばれる。理論的に、変換効率は、太陽電池を構成する材料により制限され、太陽光エネルギーのスペクトル及び太陽電池の感度スペクトルの適合により制御される。例えば、単結晶シリコン太陽電池の変換効率は約30〜35％であり、非晶質シリコン太陽電池の変換効率は約25％であり、化合物半導体太陽電池の変換効率は約20〜40％である。しかし、現在の実験室レベルでは、太陽電池の変換効率は約25％である。
【０００８】
損失には、表面から反射する光による損失、表面または電極界面におけるキャリヤーの再結合により引き起こされる損失、太陽電池中のキャリヤーの再結合により引き起こされる損失、及び太陽電池の内部抵抗により引き起こされる損失が挙げられる。
【０００９】
電極により引き起こされる電力損失には、ｎ−型半導体層における光電流の運動により引き起こされる抵抗損失、ｎ−型半導体層とグリッド電極との間の接触抵抗により引き起こされる損失、グリッド電極中を流れる光電流により引き起こされる抵抗損失、及びグリッド電極により覆われる面積により引き起こされる損失が挙げられる。
【００１０】
従って、そのような電極により引き起こされる電力損失を最少に抑え、光吸収を最大限にし、それによって、高い効率を発揮する太陽電池を与える技術が強く求められている。
【発明の開示】
【技術的問題】
【００１１】
従って、本発明は、上記の問題及び他の未解決の技術的問題を解決するためになされたものである。
【００１２】
特に、本発明の目的は、グリッド電極の幅を調節し、電極により引き起こされる電力損失を最少に抑え、光吸収を最大限にする、太陽電池用前面電極を提供することである。
【００１３】
太陽電池用前面電極に対する様々な研究及び実験の結果、本発明者らは、グリッド電極の集電電極側における幅が比較的大きくなるように前面電極を構築した場合に、本発明の前面電極の電極損失が、従来の前面電極の電極損失よりも遙かに少なくなることを見出した。本発明は、これらの知見に基づいて完成された。
【技術的解決策】
【００１４】
本発明の一態様により、上記の、及び他の目的は、太陽電池用前面電極であって、該前面電極が、平行に配置された複数のグリッド電極及び該グリッド電極を横切る少なくとも一個の集電電極を包含するパターンが半導体基材上に形成される構造に構築されており、該グリッド電極に導入された電流が、該集電電極に移動し、該集電電極で集められ、各グリッド電極の幅が該集電電極に向かって増加する、太陽電池用前面電極を提供することにより、達成される。
【００１５】
図5に示すように、従来のグリッド電極は、約120〜150μmの非常に大きく、一様な幅を有するので、グリッド電極により覆われる区域(陰の部分)の面積は大きく、高い電極損失をもたらす。本発明者らは、グリッド電極の損失と、グリッド電極及び集電電極のサイズとの関係を考慮し、グリッド電極により引き起こされる損失を最少に抑えることができる構造を開発した。
【００１６】
前に説明したように、電極損失には、□電流がｎ−型半導体層中を流れる時に引き起こされる損失(損失Ｉ)、□電流がｎ−型半導体層からグリッド電極に流れる時に引き起こされる損失(損失II)、□電流がグリッド電極中を流れる時に引き起こされる損失(損失III)、及び□グリッド電極により覆われる面積により引き起こされる損失(損失IV)が挙げられる。損失は、図2に関して、下記のように計算される。
【数１】
0005497043.tif 000002
【００１７】
(上記式中、ｂは、グリッド電極の間隔を示し、ｎは、グリッド電極の数を示し、ρｃは、グリッド電極とｎ−型半導体層との間の接触比抵抗を示し、Ｌａは、前面電極の長さを示し、ｔａは、グリッド電極の厚さ(高さ)を示し、Ｗａは、グリッド電極の幅を示す。)
【００１８】
上記の式から、グリッド電極の数(ｎ)、グリッド電極の幅(Ｗａ)及び前面電極の長さ(Ｌａ)の合計が最少に抑えられる対(ｎ、Ｌａ、Ｗａ)があることが分かる。
【００１９】
すなわち、グリッド電極の幅が増加するにつれて、陰の面積が増加する結果、損失IV(以下、状況に応じて、「陰損失」とも呼ぶ)が増加し、従って、光吸収が低下する。反対に、グリッド電極の幅が過度に小さい場合、電極抵抗が増加する結果、損失IIIが増加する。
【００２０】
一方、グリッド電極の中を流れる電流の量は、グリッド電極の長さに基づいて累積様式で増加するので、グリッド電極の幅は小さい方が有利であろう。しかし、グリッド電極の長さが予め決められた長さと等しいか、またはそれより大きい場合、抵抗を考慮して、グリッド電極の幅は小さいのが好ましい。
【００２１】
従って、本発明により、グリッド電極の幅が、電流の量が増加する集電電極に向かって増加する構造に、グリッド電極を構築する。また、グリッド電極は、単位面積あたりの効率を考慮して、集電電極に対して直角になるのが好ましい。
【００２２】
各グリッド電極の幅は、集電電極に隣接する一端における各グリッド電極の幅が、集電電極から離れた他端における各グリッド電極の幅より、好ましくは50〜500％、より好ましくは200〜500％大きくなるように、増加させることができる。
【００２３】
各グリッド電極の幅は、集電電極に向かって様々に増加させることができる。一例として、各グリッド電極の幅は、集電電極からの距離に対して逆比例で連続的に増加させることができる。
【００２４】
各グリッド電極の幅は、例えば一次関数の形状を有する直線的構造で、または二次関数の形状を有する湾曲した構造で、連続的に増加させることができる。
【００２５】
別の例として、各グリッド電極の幅は、集電電極からの距離に対して逆比例で、不連続的に増加させることができる。
【００２６】
各グリッド電極の幅は、例えば階段型構造で、または水盤(basin)型構造で、不連続的に増加させることができる。
【００２７】
好ましい例では、パターンは、各グリッド電極の幅が150μm以下である第一パターン部分、及び各グリッド電極の幅が、第一パターン部分における各グリッド電極の幅より小さい第二パターン部分を包含することができる。
【００２８】
前面電極が、各グリッド電極の幅が比較的大きい第一パターン部分、及び各グリッド電極の幅が上記のように比較的小さい第二パターン部分を有するそのような組合せ型構造を有するように構築される場合、グリッド電極の長さに基づいて累積的に増加する電流の量を効果的に処理し、それによって、電流抵抗の増加による損失を最少に抑えることができる。
【００２９】
この目的には、第一パターン部分を、電流の量が増加する集電電極に位置するグリッド電極に、第一パターン部分が予め決められた長さを有するように、形成するのが好ましい。また、グリッド電極は、単位面積あたりの効率を考慮して、集電電極に対して直角になるのが好ましい。好ましくは、集電電極の幅は約1.5〜3mmであり、2個の集電電極を備え、集電電極同士が互いに予め決められた間隔を置いて配置されるようにする。
【００３０】
好ましい例では、第二パターン部分を、2個以上のグリッド電極が互いに接合される構造に構築することができる。その結果、第二パターン部分の比較的小さな幅を有するグリッド電極が、第二パターン部分のグリッド電極が互いに接合した状態で、第一パターン部分のグリッド電極に接続され、従って、第一パターン部分と第二パターン部分との間を電流が移動する際に引き起こされる電力損失を無視できるレベルに下げることができる。
【００３１】
グリッド電極が第二パターン部分で互いに接合する構造は、第一パターン部分のグリッド電極と第二パターン部分のグリッド電極との間に末端接続が達成されるデンドライト構造でよい。以下、第一パターン部分のグリッド電極と第二パターン部分のグリッド電極とを相互接続する電極をデンドライト電極と呼ぶ。
【００３２】
第一パターン部分及び第二パターン部分におけるグリッド電極の幅は、グリッド電極による陰損失を最少に抑えながら、電流累積による抵抗の増加が最少に抑えられるように、調節するのが好ましい。
【００３３】
第二パターン部分は、電流が導入される部分であり、従って、電流累積は低い。従って、陰損失を最少に抑えるには、グリッド電極が比較的小さな幅を有するのが好ましい。しかし、グリッド電極の幅が過度に小さい場合、グリッド電極を形成することが困難になり、さらに、抵抗が増加する。
【００３４】
また、第一パターン部分は、電流が集電電極(状況に応じて、電流導入部分としても機能する)に排出される部分である。従って、電流累積による抵抗を最少に抑えるには、グリッド電極が比較的大きな幅を有するのが好ましい。しかし、グリッド電極の幅が過度に大きい場合、陰損失が引き起こされ、材料が無駄になる。
【００３５】
従って、上記のことを考慮して、各デンドライト電極の幅は、第二パターン部分の各グリッド電極の幅の1〜2倍、好ましくは1〜1.5倍でよい。
【００３６】
また、第一パターン部分の各グリッド電極の幅は、各デンドライト電極の幅より大きい範囲内で、第二パターン部分の各グリッド電極の幅の1.1〜15倍、好ましくは3〜5倍でよい。
【００３７】
好ましい例では、第二パターン部分の各グリッド電極の幅は、10〜60μm、好ましくは10〜40μmでよく、第一パターン部分の各グリッド電極の幅は、第二パターン部分の各グリッド電極の幅より大きい範囲内で、50〜150μm、好ましくは60〜100μmでよい。
【００３８】
デンドライト電極が形成される場合、各デンドライト電極の幅は、第二パターン部分の各グリッド電極の幅と等しいか、または第二パターン部分の各グリッド電極の幅より大きい範囲内で、10〜60μm、好ましくは10〜50μmでよい。
【００３９】
一方、グリッド電極の間隔が大きい場合、ｎ−型半導体層からグリッド電極への電流の移動距離が増加する結果、電流損失が増加する。他方、グリッド電極の間隔が過度に小さい場合、陰損失が増加する。
【００４０】
第二部分における各グリッド電極の幅は、従来グリッド電極のそれぞれの幅よりも小さいので、従来技術では約2.5〜3mmであるグリッド電極の間隔が減少しても、陰損失は増加しない。さらに、電流の移動距離が減少し、それによって、効率がさらに改良される。他方、第一パターン部分のグリッド電極は、第二パターン部分のグリッド電極よりも大きな幅を有するので、陰損失を最少に抑えるためには、グリッド電極の第一パターン部分における間隔がグリッド電極の第二パターン部分における間隔よりあまり小さくならないように、グリッド電極の第一パターン部分における間隔を設定することが好ましい。例えば、第一パターン部分のグリッド電極の間隔は、第二パターン部分のグリッド電極の間隔の0.7〜6倍、好ましくは1〜3倍でよい。
【００４１】
好ましい例では、第二パターン部分のグリッド電極の間隔は0.5〜2mmでよく、第一パターン部分のグリッド電極の間隔は、第二パターン部分のグリッド電極の間隔と等しいか、または第二パターン部分のグリッド電極の間隔より大きい範囲内で、1.5〜3mmでよい。
【００４２】
デンドライト電極は、グリッド電極の縦方向に対して30〜70度の角度で傾斜しているのが好ましい。
【００４３】
また、第二パターン部分の長さがグリッド電極全長の70％より大きいか、または第一パターン部分の長さがグリッド電極の全長の30％未満である場合、電流抵抗が過度に増加する。他方、第二パターン部分の長さがグリッド電極全長の10％未満であるか、または第一パターン部分の長さがグリッド電極全長の90％より大きい場合、陰損失が増加する。
【００４４】
従って、第二パターン部分の各グリッド電極の長さは、各グリッド電極の全長の10〜70％であるのが好ましい。また、第一パターン部分の各グリッド電極の長さは、各グリッド電極の全長の30〜90％であるのが好ましい。各デンドライト電極の長さが大きい場合、各グリッド電極の長さが過度に増加する。従って、各デンドライト電極の長さは、各グリッド電極の全長の0〜10％であるのが好ましい。
【００４５】
半導体基材は、結晶性シリコンから形成されたｎ−型半導体層を包含することができる。状況に応じて、様々な種類の層を半導体基材に加えることができる。例えば、反射防止被膜を、Ｎ＋半導体層のドーピング剤層の上に施すことができる。反射防止被膜としては、窒化ケイ素または酸化ケイ素を使用することができる。
【００４６】
また、光電流の表面再結合速度を下げるには、ｎ−型半導体層の抵抗を増加させるのが好ましい。ｎ−型半導体層の抵抗は、50Ω以上、好ましくは100Ω以上でよい。
【００４７】
本発明の別の態様により、上記の前面電極を包含する太陽電池を提供する。
【００４８】
本発明の太陽電池では、グリッド電極の構造を最適化する結果、太陽電池の電極損失が1.3mW/cm２以下になる。従って、本発明の太陽電池には、変換効率が非常に高いという利点がある。
【００４９】
太陽電池は、バルク型材料から形成することができる。好ましくは、太陽電池は、効率を考慮して結晶性シリコンから形成する。太陽電池の構造及び製造方法は、本発明が関与するこの分野で良く知られているので、ここでは詳細に説明しない。
【００５０】
本発明の別の態様により、太陽電池用前面電極の製造方法を提供する。従来の前面電極は、スクリーン印刷方法を使用して製造される。スクリーン印刷方法では、スクリーンマスクの間にインクを押し出して前面電極を印刷する。スクリーン印刷方法の精度は約100μmであり、従って、スクリーン印刷方法を使用して100μm未満のパターンを達成することは不可能であり、電極損失が高くなる。また、インクをスクイージングにより押し出すので、スクリーン印刷方法は、連続製法には適していない。
【００５１】
そのような問題を解決するために、平行に配置された複数のグリッド電極及びグリッド電極を横切る集電電極を包含するパターンを半導体基材上に形成する際、本発明の製造方法は、グリッド電極の幅が100μm以下になるように、グラビア印刷方法またはオフセット印刷方法を使用して半導体基材上にペーストを印刷すること、及び(b)該ペーストを加熱及び/または加圧し、該ペーストを硬化させることを包含する。
【００５２】
上記のようにグラビア印刷方法またはオフセット印刷方法を使用して前面電極を形成すると、容易にマイクロメートル尺度のパターンを形成し、連続製法でパターンを形成し、それによって、処理効率を大きく改良することができる。
【００５３】
具体的な例として、オフセット印刷方法は、(i)該前面電極のパターンに対応する予め決められたパターンに形成された溝を有する印刷基材を調製すること、(ii)該印刷基材に形成された該溝を電極形成用ペーストで満たすこと、(iii)該印刷基材上で印刷ロールを回転させ、該溝中に配置された該ペーストを該印刷ロールに転写すること、及び(iv)該印刷ロールを半導体基材上で回転させ、該ペーストを該印刷ロールから該半導体基材に転写することを包含することができる。
【００５４】
オフセット印刷方法のパターン形成精度は、約10〜20μmであり、オフセット印刷方法を使用して形成されたパターンの厚さは数μmに過ぎない。従って、オフセット印刷方法には、1マイクロメートル未満のサイズを有するパターンを形成するという利点がある。また、オフセット印刷方法では、印刷ロールを使用してペーストが基材に転写される。従って、基材の面積が大きくても、基材の面積に対応するサイズを有する印刷ロールを使用して単一転写工程でパターンを形成することができる。
【００５５】
別の例として、グラビア印刷方法は、(i)該前面電極のパターンに対応する予め決められたパターンに形成された溝を有するブランケットシリンダーを調製すること、(ii)該ブランケットシリンダーに形成された該溝を電極形成用ペーストで満たすこと、及び(iii)該ブランケットシリンダーを半導体基材上で回転させ、該ペーストを該ブランケットシリンダーから該半導体基材に転写することを包含することができる。
【００５６】
グラビア印刷方法を使用して1マイクロメートル未満のサイズを有するパターンを印刷することもできる。従って、グラビア印刷方法には、マイクロメートル尺度のパターンを適切に形成し、同時に、オフセット印刷方法と同じ様式で大きな面積のパターンを形成できるという利点がある。
【００５７】
本発明の前面電極を製造する方法では、ペーストが、前面電極を構成するグリッド電極及び集電電極の形成に使用する材料を含む。好ましくは、ペーストは銀(Ａｇ)粉末を含む。
【００５８】
一方、ペーストの硬化工程は、ペーストを温度150〜200℃で予備乾燥させること、結合剤を温度400〜5200℃で除去すること、及びペーストを温度750〜850℃で焼結させることを包含することができる。ペーストの硬化に必要な合計時間は5〜10分間でよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
本発明の上記の、及び他の目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照しながら記載する下記の詳細な説明により、より深く理解される。
【図１】図1は、従来の太陽電池を例示する部分的透視図である。
【図２】図2は、太陽電池用前面電極を例示する典型的な図である。
【図３】図3は、本発明の一実施態様による第二型前面電極を例示する部分的平面図である。
【図４】図4は、本発明の別の実施態様による第二型前面電極を例示する部分的平面図である。
【図５】図5は、従来の前面電極を例示する部分的平面図である。
【図６】図6は、本発明の一実施態様により、オフセット印刷方法を使用してパターンを形成する工程を例示する典型的な図である。
【図７】図7は、図3の前面電極を有する太陽電池を例示する部分的透視図である。
【図８】図8は、図3の前面電極を有する太陽電池の平面図である。
【図９】図9は、本発明の実験例による電力損失を例示するグラフである。
【図１０】図10は、本発明の実験例による電力損失を例示するグラフである。
【符号の説明】
【００６０】
＜図面の主要参照番号の説明＞
11、110  グリッド電極          12、120  集電電極
21、201  後面電極              22、202  ｐ−型半導体層
23、203  ｎ−型半導体層        24、204  反射防止被膜
【最良の様式】
【００６１】
ここで、添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施態様を詳細に説明する。しかし、本発明の範囲は、例示する実施態様に限定されるものではない。
【００６２】
図3及び4は、本発明の実施態様による第前面電極を典型的に例示する部分的平面図である。
【００６３】
これらの図に関して、各グリッド電極110は、集電電極120に隣接する第一パターン部分Ａ、集電電極120から離れた第二パターン部分Ｂ、及び第一パターン部分Ａと第二パターン部分Ｂとの間に配置されたデンドライト電極Ｃを包含する。第一パターン部分Ａ。第一パターン部分Ａでは、それぞれ比較的大きな幅を有するグリッド電極が大きな間隔で配置されている。他方、第二パターン部分Ｂでは、それぞれ比較的小さな幅を有するグリッド電極が小さな間隔で配置されている。
【００６４】
上記の構造で、導入される電流の量は、第二パターン部分Ｂにより最大になるのに対し、電流抵抗及び陰損失が第一パターン部分Ａにより最大になる。
【００６５】
図3に示す前面電極では、第二パターン部分の各2個のグリッド電極が各デンドライト電極Ｃを介して互いに接合されている。図4に示す前面電極では、第二パターン部分の全てのグリッド電極が対応するデンドライト電極Ｃを介して互いに接合されている。図4の前面電極に関して、第一パターン部分におけるグリッド電極は比較的小さな間隔で配置されている。従って、陰損失を考慮して、グリッド電極の幅は、図3の第一パターン部分におけるグリッド電極より小さな幅を有する。
【００６６】
図6は、本発明の一実施態様により、オフセット印刷方法を使用して前面電極を製造する工程を例示する典型的な図である。
【００６７】
図6に関して、第一に、半導体基材に形成すべき前面電極のパターンに対応する形状を有する溝301を印刷基材300に形成する。この時、溝301を形成する方法には、特に制限は無い。例えば、溝301は、良く知られている方法、例えば写真平版印刷、を使用して形成することができる。続いて、溝301の内側に電極形成用ペースト310を満たす。この目的には、ペースト310を印刷基材300の表面に塗布し、ドクターブレード330を、ドクターブレード330が印刷基材300に接触している状態で、移動させる。ドクターブレード330の移動と共に、溝301の内側がペースト310で満たされる。他方、残りのペースト310は、ドクターブレード330により印刷基材300から除去することができる。
【００６８】
続いて、印刷基材300の溝301中に配置されたペースト310は、印刷基材300と接触しながら回転している印刷ロール340の表面に転写される。印刷ロール340は、半導体基材204のパターンが形成される幅と同じ幅を有することができる。また、印刷ロール340は、半導体基材204の長さと等しい周囲を有することができる。従って、印刷ロール340を一回回転させることにより、印刷基材300の溝301中に配置された全てのペースト310が印刷ロール340の周囲表面に転写される。
【００６９】
続いて、印刷ロール340が半導体基材204の表面と接触している状態で、印刷ロール340を回転させる。その結果、ペースト310が印刷ロール340から半導体基材204に転写される。続いて、半導体基材204に転写されたペーストを硬化させ、パターンを形成する。
【００７０】
上記のようにオフセット印刷方法を使用して前面電極をパターン形成すると、マイクロメートル尺度のパターンを容易に形成することができる。さらに、印刷基材300及び印刷ロール340を、半導体基材204のサイズに対応するように製造する。従って、一回の転写工程でパターンを形成することができ、それによって、処理効率が大きく改良される。
【００７１】
図7は、図3の前面電極を有する太陽電池を典型的に例示する部分的透視図である。
【００７２】
図7に関して、太陽電池は、ｐ−型半導体層202、及びｐ−型半導体層202の上に形成された、ｐ−型半導体層202の伝導型と反対のｎ−型半導体層203を包含する。ｐ／ｎ接合部は、ｐ−型半導体層202とｎ−型半導体層203との間の界面に達成される。後面電極201は、ｐ−型半導体層202の底部に形成される。光の反射を妨害するためのハニカム構造を有する反射防止被膜204が、ｎ−型半導体層203の上に形成されている。グリッド電極及び集電電極120を包含する前面電極110は、前面電極がｎ−型半導体層203の少なくとも一部と接触した状態で、反射防止被膜204の上に形成される。
【００７３】
通常、ｐ−型半導体層202としてはｐ−型シリコン基材が使用され、ｎ−型半導体層203としてはリン(Ｐ)ドーピングされたｎ−型エミッタ層が使用される。また、前面電極110は、通常、銀(Ａｇ)パターンから形成され、ｐ−型半導体層202の底部に配置される後面電極210は、通常、アルミニウム(Ａｌ)層から形成される。
【００７４】
前面電極は、大きな幅を有する集電電極120に直角に接続されたグリッド電極、各グリッド電極の幅は150μm以下である、を包含する第一パターン部分110Ａと、第一パターン部分Ａのグリッド電極より小さな幅を有するグリッド電極を包含する第二パターン部分110Ｂと、及び第一パターン部分110Ａのグリッド電極と第二パターン部分110Ｂのグリッド電極相互接続するデンドライト電極110Ｃとを包含する。
【００７５】
上記の構造で、ｎ−型半導体層203から第二パターン部分Ｂに導入され、グリッド電極110の中を流れる電流の抵抗増加は、第一パターン部分Ａにより最少に抑えられる。さらに、第一パターン部分110Ａにおけるグリッド電極の間隔は大きく、第二パターン部分110Ｂにおけるグリッド電極の間隔は小さく構築され、それによって、電力損失を最少に抑えている。
【００７６】
図8は、本発明の太陽電池の前面電極を典型的に例示する平面図である。
【００７７】
図8に関して、前面電極は、グリッド電極が集電電極120に対して直角になるように、グリッド電極が2個の集電電極120の間に配置される構造に構築されている。比較的大きな幅を有する第一パターン部分110Ａは、第一パターン部分110Ａが集電電極120に対して直角になるように、各集電電極120に接続されている。また、第二パターン部分110Ｂは、各第一パターン部分110Ａに接続されている。第一パターン部分110Ａ及び第二パターン部分110Ｂは、2個の集電電極120の間に限定される中央部分で互いに接続されている。
【００７８】
以下に、下記の例を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。これらの例は、本発明を例示するためにのみ記載するのであり、本発明の範囲及び精神を制限するものではない。
【００７９】
[例1]
リン(Ｐ)を結晶性ｐ−型シリコン基材上に拡散させ、抵抗50オームを有するｎ層を形成し、反射防止窒化ケイ素(ＳｉＮｘ)層をｎ層の前に堆積させた。アルミニウム(Ａｌ)ペーストを、基材の、上記のようなｐ−ｎ接合部を有する後面上にスクリーン印刷し、硬化させて後面電極層を形成し、電極を、ｎ層の前面で図3に示す形状に、銀(Ａｇ)ペーストを使用してオフセット印刷方法により、形成した。具体的には、長さ2.6cmの第一パターン部分Ａのグリッド電極、及び長さ1cmの第二パターン部分Bのグリッド電極を形成した。第一パターン部分Ａのグリッド電極は、幅90μm及び間隔1mmで形成した。デンドライト電極Ｃは、長さ0.05cmに形成した。上記のようにして形成した電極を使用し、ｎ層で抵抗50オームを有する太陽電池を製造した。
【００８０】
[例2]
例1と同じ方法を使用し、ｎ層で抵抗100オームを有する太陽電池を製造したが、但し、第一パターン部分のグリッド電極の長さを2.4cmに形成し、第二パターン部分のグリッド電極の長さを1.2cmに形成し、第一パターン部分のグリッド電極の幅を20μm、間隔0.83mmに形成し、デンドライト電極Cの長さを0.05cmに形成した。
【００８１】
[比較例1]
グリッド電極を、図5に示す形状に、幅120μm、間隔2.5mmで形成し、それによって、ｎ層で抵抗50オームを有する太陽電池を製造した。
【００８２】
[比較例2]
グリッド電極を、図5に示す形状に、幅20μm、間隔1mmで形成し、それによって、ｎ層で抵抗50オームを有する太陽電池を製造した。
【００８３】
[比較例3]
グリッド電極を、図5に示す形状に、幅120μm、間隔2.5mmで形成し、それによって、ｎ層で抵抗100オームを有する太陽電池を製造した。
【００８４】
[比較例4]
グリッド電極を、図5に示す形状に、幅20μm、間隔1mmで形成し、それによって、ｎ層で抵抗100オームを有する太陽電池を製造した。
【００８５】
【表１】
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【００８６】
[実験例1]
例1及び2及び比較例1〜4により製造した太陽電池の電力損失を計算した。結果を図9及び10及び夏期の表2に示す。
【００８７】
【表２】
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【００８８】
表2で、ｎ−型損失(損失Ｉ)は、電流がｎ−型半導体層の中を流れた時に引き起こされ、接触損失(損失II)は、電流がｎ−型半導体層からグリッド電極に流れた時に引き起こされ、フィンガー損失(損失III)は、電流がグリッド電極の中を流れた時に引き起こされ、陰損失(損失IV)は、グリッド電極により覆われた面積により引き起こされる。
【００８９】
また、表2で、例と比較例との間の損失差は、エミッタの同じ抵抗(ｎ層の同じ抵抗)に基づいている。すなわち、例1は、エミッタ抵抗50オームを有する比較例1及び2と比較され、例2は、エミッタ抵抗50オームを有する比較例3及び4と比較されている。
【００９０】
先ず、図9及び表2に関して、本発明の前面電極を有する例1における太陽電池の電力損失は、比較例1及び2における太陽電池の電力損失より遙かに小さいことが分かる。
【００９１】
具体的には、比較例2のバッテリーに関して、グリッド電極が過度に薄く、小さな間隔で配置されているので、グリッド電極の中を流れる電流の抵抗が増加する結果、損失IIIが非常に大きいのに対し、例1のバッテリーでは損失IIIが大きく低減していることが分かる。また、比較例1のバッテリーに関して、グリッド電極の幅が大きく、間隔が大きいので、陰損失が非常に大きいのに対し、例1のバッテリーでは陰損失が大きく低減していることも分かる。
【００９２】
例1のバッテリーの電力損失は、比較例1のバッテリーの電力損失より0.21％低く、比較例2のバッテリーの電力損失より0.79％低い。
【００９３】
また、図10及び表2に関して、抵抗が100オームであるｎ−型半導体層を形成した場合、本発明によるバッテリーの電力損失は、比較例(比較例3)の電力損失より遙かに少ない(0.41％少ない)ことが分かる。従って、電流の表面再結合速度を下げるために高抵抗ｎ−型半導体層を使用する場合でも、本発明の前面電極を使用するのが好ましいことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
上記の説明から明らかなように、本発明の太陽電池用前面電極は、グリッド電極の幅が集電電極に向かって増加し、それによって、陰損失を最少に抑えながら、抵抗の増加を最少に抑え、従って、電力損失を軽減する構造に構築されている。従って、高い効率を発揮する太陽電池を製造することができる。
【００９５】
本発明の好ましい実施態様を例示のために開示したが、当業者には明らかなように、請求項に記載する本発明の範囲及び精神から離れることなく、様々な修正、追加、及び置き換えが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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