(57)【要約】  テクスチャを有する太陽電池であって、テクスチャ上に形成され、導電性の粒状物に加えてフレークを含む電極を備え、フレークＦの最長軸径ｄの平均値は、テクスチャの頂点間の距離の平均値より大きい太陽電池とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テクスチャが設けられた光電変換部と、
前記光電変換部上に形成され、導電性の粒状物に加えてフレークを含む電極と、を備え、
前記フレークの長軸径の平均値は、前記テクスチャの頂点間の距離の平均値より大きい太陽電池。
【請求項２】
前記フレークの平均面積は、テクスチャの頂点を結んだ矩形の平均面積より大きい請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記フレークは、前記電極中に約２５重量％以上含まれている請求項１に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記導電性の粒状物の前記フレークに対する比率は、テクスチャ頂点より上側の領域よりも、頂点間の谷間の領域の方が高くなる請求項１に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記光電変換部は、
前記テクスチャが設けられた結晶系半導体基板と、
当該結晶系半導体基板上に形成された非晶質半導体層と、
を備える請求項１に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記光電変換部は、更に
受光面側に前記非晶質半導体層上に形成された透明導電層と、
を備える請求項５に記載の太陽電池。
【請求項７】
前記光電変換部は、更に
裏面側に前記非晶質半導体層上に形成された金属膜層と、
を備える請求項５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、太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池における発電効率を高めるために、太陽電池の受光面に数μｍから数十μｍの凹凸を有するテクスチャを設ける技術が知られている。テクスチャを設けることによって、外部から受光面に入射する光の反射を低減できると共に、太陽電池内部への光閉じ込めの効果を高めることができる（特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−９３１９４号公報
【特許文献２】特開２０１１−５１５８７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
テクスチャが設けられた基板又は基板上に形成された薄膜上に電極を形成する場合、基板又は基板上に形成された薄膜と電極との接触抵抗又は電極自体の抵抗をできるだけ低減することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、テクスチャが設けられた光電変換部と、光電変換部上に形成され、導電性の粒状物に加えてフレークを含む電極と、を備え、フレークの長軸径の平均値は、テクスチャの頂点間の距離の平均値より大きい、太陽電池である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る太陽電池によれば、太陽電池の発電部と電極との接触抵抗を低減し、太陽電池の発電効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施の形態における太陽電池の構造を示す平面図である。
【図２】本発明の実施の形態における太陽電池の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるテクスチャ及びフレークの関係を説明する図である。
【図４】従来におけるテクスチャ及びフレークの関係を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態における集電極の構造を示す走査電子顕微鏡の観察図である。
【図６】本発明の実施の形態におけるテクスチャの構造を示す走査電子顕微鏡の観察写真である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明するが、本発明はこれに限定されない。また、実施形態において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された構成要素の寸法比率などは、現物と異なる場合がある。具体的な寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
【０００９】
本実施の形態における太陽電池は、図１及び図２に示すように、光電変換部１０２及び集電極１０４を含んで構成される。図２は、図１のラインＡ−Ａに沿った断面図である。また、「受光面」とは光電変換部１０２の外部から光が主に入射する主面を示し、「裏面」とは受光面と反対側の主面を示す。例えば、光電変換部１０２に入射する太陽光のうち５０％超過〜１００％が受光面側から入射する。
【００１０】
光電変換部１０２は、ｐｎ或いはｐｉｎ接合等の半導体接合を有しており、例えば、単結晶シリコン又は多結晶シリコン等の結晶系半導体材料から構成されている。光電変換部１０２は、ｎ型結晶系シリコンの基板１０の受光面側にｉ型非晶質シリコン層１２及びｐ型非晶質シリコン層１４及び透明導電層１６を積層し、裏面側にｉ型非晶質シリコン層１８、ｎ型非晶質シリコン層２０及び導電層２２を積層して構成することができる。このような構成を含む太陽電池は、ヘテロ接合型太陽電池と呼ばれるものであり、結晶系シリコンとｐ型非晶質シリコン層で形成されるｐｎ接合の間に真性（ｉ型）の非晶質シリコン層を介挿することによって変換効率を飛躍的に向上させたものである。なお、裏面側の導電層２２は透明であってもよく、また、透明でなくてもよい。また、光電変換部１０２は、シリコンには限られず、半導体材料であればよい。
【００１１】
各層を積層する前に、基板１０の両面にテクスチャ１０ａ，１０ｂを形成しておくことが好適である。テクスチャ１０ａ，１０ｂは、表面反射を抑制して光電変換部１０２の光吸収量を増大させる表面凹凸構造である。
【００１２】
例えば、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等のアルカリ水溶液を用いて基板１０の（１００）面を異方性エッチングすることにより形成できる。（１００）面を有する基板１０をアルカリ溶液に浸漬すると、（１１１）面に沿って異方性エッチングされ、基板１０の表面に略四角錐状の凸状部が多数形成される。例えば、エッチング液に含まれるアルカリ水溶液の濃度は、１．０重量％〜７．５重量％であることが好ましい。
【００１３】
また、これらのアルカリ水溶液にアルコール系物質を混合させた溶液を用いることも好適である。アルコール系物質としては、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、シクロヘキサンジオール、オクタノール等が例示できる。このような混合溶液を用いることにより、異方性エッチング中に生じる小片や反応生成物の基板１０への再付着を抑制することができる。アルコール系物資は、１重量％〜１０重量％程度含有させることが好ましい。
【００１４】
単結晶又は多結晶の基板上にテクスチャを形成する別の方法として、基板１０上に銀等の金属粒子を分散させ、フッ化水素酸と過酸化水素水との混合溶液でエッチングしてもよい。
【００１５】
テクスチャ１０ａ，１０ｂのサイズはエッチングに用いる溶液の組成比・濃度、エッチングに掛ける時間、エッチング時の温度の条件により調整することができる。ここで、テクスチャ１０ａ，１０ｂのサイズとは、図３に示すように、テクスチャ１０ａ，１０ｂの互いに隣接する頂点の間隔Ｌで表すものとする。走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）による基板１０の表面の平面観察写真において、各テクスチャを正方形として近似したときの面積を測定し、数１００個のテクスチャについての面積の平均値の平方根をテクスチャ１０ａ，１０ｂの平均サイズとする。
【００１６】
ｉ型非晶質シリコン層１２、ｐ型非晶質シリコン層１４、ｉ型非晶質シリコン層１８及びｎ型非晶質シリコン層２０は、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｓｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、Ｃａｔ−ＣＶＤ（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタリング法等により形成することができる。ＰＥＣＶＤは、ＲＦプラズマＣＶＤ法、周波数の高いＶＨＦプラズマＣＶＤ法、さらにはマイクロ波プラズマＣＶＤ法などいずれの手法を用いてもよい。
【００１７】
ＣＶＤによるｉ型非晶質シリコン層１２，１８の成膜には、例えば、シラン（ＳｉＨ４）を水素（Ｈ２）で希釈した原料ガスを使用する。ｐ型非晶質シリコン層１４の場合は、シランにジボラン（Ｂ２Ｈ６）を添加し、水素（Ｈ２）で希釈した原料ガスを使用することができる。ｎ型非晶質シリコン層２０の場合は、シランにホスフィン（ＰＨ３）を添加し、水素（Ｈ２）で希釈した原料ガスを使用することができる。
【００１８】
例えば、基板１０の受光面側に約５ｎｍの厚みを有するｉ型非晶質シリコン層１２を形成し、さらに約５ｎｍの厚みを有するｐ型非晶質シリコン層１４を形成する。また、基板１０の裏面側に約５ｎｍの厚みを有するｉ型非晶質シリコン層１８を形成し、さらに約２０ｎｍの厚みを有するｎ型非晶質シリコン層２０を形成する。なお、各層は十分に薄いので、各層の形状は基板１０のテクスチャ１０ａ、１０ｂの形状を反映している。具体的には、ｉ型非晶質シリコン層１２、ｐ型非晶質シリコン層１４は、基板１０のテクスチャ１０ａの形状を反映している。ｉ型非晶質シリコン層１８、ｎ型非晶質シリコン層２０は、基板１０のテクスチャ１０ｂの形状を反映している。以下、これらの層に形成されたテクスチャも、テクスチャ１０ａ、１０ｂという。
【００１９】
透明導電層１６は、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化錫、または酸化チタンなどの金属酸化物を少なくとも一つを含んで構成される。これらの金属酸化物に、錫、亜鉛、タングステン、アンチモン、チタン、セリウム、ガリウムなどのドーパントがドープされていてもよい。導電層２２は、透明導電層１６と同じ構成でもよく、異なる構成であってもよい。導電層２２として、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｎｉなどの反射率の高い材料から構成された金属膜またはこれらの合金から構成された金属膜を用いてもよい。また、導電層２２は、透明導電膜と金属膜の積層構造であってもよい。これにより、受光面から入射した光が金属膜で反射し、発電効率を高めることができる。透明導電層１６、導電層２２は、蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法等の成膜方法により形成することができる。
【００２０】
光電変換部１０２の受光面及び裏面には、発電された電力を外部に取り出すための集電極１０４が設けられる。集電極１０４は、フィンガー２４を含む。フィンガー２４は、光電変換部１０２で生成されたキャリアの収集用の電極である。フィンガー２４は、光電変換部１０２からできるだけ均等にキャリアを収集するために、例えば１００μｍ程度の幅を有する線形状とされ、２ｍｍおきに配置される。さらに、集電極１０４には、フィンガー２４を接続するバスバー２６を設けてもよい。バスバー２６は、複数のフィンガー２４で収集されたキャリアの集電用電極である。バスバー２６は、例えば１ｍｍの幅を有する線形状とされる。バスバー２６は、太陽電池１００同士を接続して太陽電池モジュールを形成するための接続部材が配置される方向に沿ってフィンガー２４と交差するように配置される。フィンガー２４及びバスバー２６の本数や面積は、太陽電池１００の面積や抵抗を考慮して適宜に設定される。なお、集電極１０４は、バスバー２６を設けない構成としてもよい。
【００２１】
なお、太陽電池１００の受光面側に設けられる集電極１０４の設置面積は、裏面側に設けられる集電極１０４の設置面積よりも小さくすることが好ましい。すなわち、太陽電池１００の受光面側では、入射光を遮る面積をできるだけ小さくすることによって遮光ロスを低減することができる。一方、裏面側では入射光を考慮する必要がなく、フィンガー２４、バスバー２６の代りに太陽電池１００の裏面全面を覆うように集電極を設けてもよい。
【００２２】
集電極１０４は、導電性ペーストを用いて形成することができる。導電性ペーストは、導電性フィラー、バインダ、溶剤等の添加剤を含有するものとすることができる。
【００２３】
導電性フィラーは、集電極の電気伝導性を得ることを目的に混入される。導電性フィラーには、例えば、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属粒子や、カーボンや、これらの混合物等の導電性の粒状物が用いられる。これらのうち、銀粒子を用いることがより好適である。フィラーとなる銀粒子は、サイズの異なるものを混合したり、表面に凹凸形状を設けたものを混合したりしてもよい。
【００２４】
さらに、本実施の形態では、導電性ペーストに導電性粒子のフレークも混合する。フレークとは、粒子の最も長軸の径（長軸径）が２μｍ以上の導電性材料の粉末粒子のことをいう。フレークは、例えば、粒状の導電性粒子を転動ミル、遊星ミル、塔式ミル、媒体攪拌ミル等の粉砕メディアとしてボールを用いた粉砕機を使用して加工することにより得ることができる。フレークは、例えば、銀を含む材料とするとよい。
【００２５】
バインダは、接着を主目的として混合される。信頼性を維持するためには、バインダは、耐湿性や耐熱性に優れていることが要求される。バインダは、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂等から選ばれる少なくとも一種、あるいは、これらの樹脂の混合、共重合などを適用すればよい。溶剤は、ブチルカルビトールアセテート（ＢＣＡ）等とすればよい。添加剤としては、溶剤の他に、レオロジー調整剤、可塑剤、分散剤、消泡剤等を含んでもよい。
【００２６】
フィンガー２４とバスバー２６は、このような導電性ペーストをスクリーン印刷、オフセット印刷等の手法により透明導電層１６及び導電層２２に所望のパターンで塗布し、加熱して硬化させることによって形成することができる。このとき、導電性フィラー及びフレークの特性や加熱温度を調整することによって、多数の導電性フィラー及びフレークが相互に溶着したネットワーク構造を持たせてもよい。フィンガー２４とバスバー２６の導電性フィラー及びフレークがネットワーク構造を有する場合、顕微鏡観察の観察範囲においてフィンガー２４とバスバー２６の導電性フィラー及びフレークの半分以上が溶着して互いに繋がり合った構造を確認することができる。太陽電池１００に非晶質半導体層を含む場合には、各非晶質半導体層への熱ダメージが小さい温度範囲（２００℃以下）で硬化、もしくは、ネットワーク構造を形成する導電性ペーストを用いることが好ましい。
【００２７】
本実施の形態では、図３の断面模式図に示すように、集電極１０４に含まれるフレークＦは、その最長軸径ｄの平均値がテクスチャ１０ａ，１０ｂの頂点間の距離Ｌの平均値よりも大きくなるように構成されている。これにより、テクスチャ１０ａ、１０ｂの隣接する複数の頂点を跨ぐように配置されるフレークＦが多く存在する。このとき、フレークＦは、跨いでいるテクスチャ１０ａ、１０ｂの各頂点と接触している。また、テクスチャ１０ａ、１０ｂの隣接する頂点間に斜め方向に配置されるフレークＦもある程度の割合生じる。なお、フレークＦとテクスチャ１０ａ、１０ｂとの接触とは、必ずしも直接接触している必要はなく、導電性フィラーを介して接触していてもよい。
【００２８】
ここで、従来の構造について、図４を参照して説明する。なお、図４は、テクスチャのサイズが図３のテクスチャ１０ａ、１０ｂのサイズと同一になるように縮小した図である。図３および図４において、実際のフレークＦおよび導電性フィラーのサイズは同一である。従来構造では、フレークの最長軸径ｄの平均値がテクスチャの頂点間の距離の平均値よりも小さい。この場合、フレークは、あるテクスチャの頂点に接触した場合、隣接するテクスチャの頂点には届かない。したがって、フレークは、あるテクスチャの頂点のみに接触する。
【００２９】
本実施の形態では、テクスチャ１０ａ、１０ｂの隣接する複数の頂点を跨ぐようにフレークＦを配置することにより、集電極１０４と透明導電層１６との接触抵抗、及び集電極１０４と導電層２２との接触抵抗を低減することができる。これは、フレークＦは内部に導電材料の粒界を持たないので、フレークＦによって接続されたテクスチャ１０ａ，１０ｂの頂点間の抵抗が小さくなるためである。
【００３０】
また、フレークＦがテクスチャ１０ａ、１０ｂの隣接する頂点間に斜め方向に配置された場合も、フレークＦとテクスチャ１０ａ、１０ｂの表面との接触部分が増加するため、同様の効果を奏する。
【００３１】
さらに、集電極１０４に含まれるフレークＦの平均面積がテクスチャ１０ａ，１０ｂの頂点を結んだ矩形の平均面積よりも大きい条件を満たすことがより好適である。これにより、集電極１０４と透明導電層１６との接触抵抗、及び集電極１０４と導電層２２との接触抵抗をさらに低減することができる。
【００３２】
また、フレークＦは、集電極１０４中に約２５重量％以上含まれていることが好ましい。これにより、フレークＦとテクスチャ１０ａ、１０ｂとが接触する可能性が高くなるとともに、フレークＦ同士が互いに接触しあう可能性も高くなる。フレークＦ同士が互いに接触しあうと、図３の矢印で示すように、光電変換部１０２から収集されたキャリアが移動する流路が形成される。また、フレークＦとテクスチャ１０ａ、１０ｂとの接触部分が多くなることにより、多くの接触部分からキャリアを収集することができる。上述したように、フレークＦは内部に導電材料の粒界を持たないので、導電性フィラー間をキャリアが移動する場合と比較して、低抵抗でフレークＦ内をキャリアが移動することができる。したがって、集電極１０４自体の抵抗を低下させることができる。また、集電極１０４における導電性フィラーのフレークＦに対する比率は、テクスチャ頂点より上側の領域よりも、頂点間の谷間の領域の方が高くなることが好ましい。これにより、頂点間の谷間の領域において、導電性フィラーが互いに接触しあう。その結果、隣接するテクスチャ間およびテクスチャとフレークＦ間において、光電変換部１０２から収集されたキャリアが移動する流路が形成される。これにより、集電極１０４と透明導電層１６との接触抵抗、及び集電極１０４と導電層２２との接触抵抗をさらに低減することができる。
【００３３】
以下、フレークＦの最長軸径ｄの平均値および平均面積の算出方法について説明する。集電極１０４のＳＥＭ表面観察写真では、図５に示すように、粒状の導電性フィラー内に平板状のフレークＦが観察される。フレークＦの最長軸径ｄの平均値は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）による集電極１０４の表面観察写真から算出することができる。例えば、既存の画像処理技術によってＳＥＭ表面観察写真から粒子の長軸径が２μｍ以上の導電性材料の粉末粒子を選択し、その長軸径（選択された領域の最大径）の平均値を求めることができる。また、集電極１０４に含まれるフレークＦの平均面積も同様に走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）による集電極１０４の表面観察写真から算出することができる。既存の画像処理技術によってＳＥＭ表面観察写真から粒子の長軸径が２μｍ以上の導電性材料の粉末粒子であるフレークＦの平均面積を求めることができる。
【００３４】
以下、テクスチャ１０ａ，１０ｂの頂点を結んだ矩形の平均面積の算出方法について説明する。基板１０の受光面又は裏面のＳＥＭ表面観察写真では、図６に示すように、四角錐状のテクスチャ１０ａ，１０ｂの上面が矩形状に観察される。テクスチャ１０ａ，１０ｂの頂点を結んだ矩形の平均面積も、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）による基板１０の受光面又は裏面の表面観察写真から算出することができる。そこで、ＳＥＭ表面観察写真における隣接し合う４つのテクスチャ１０ａ，１０ｂの頂点を結んだ矩形の平均面積を求めることができる。なお、基板１０上に形成されるｉ型非晶質シリコン層１２、ｐ型非晶質シリコン層１４及び透明導電層１６並びにｉ型非晶質シリコン層１８、ｎ型非晶質シリコン層２０及び導電層２２の膜厚は十分に薄いので、これらの層が形成された受光面又は裏面のＳＥＭ表面観察写真においても同様にテクスチャ１０ａ，１０ｂの頂点を結んだ矩形の平均面積を算出することができる。
【００３５】
なお、本発明の適用範囲は、本実施の形態における太陽電池に限定されるものではなく、受光面又は裏面にテクスチャを有する太陽電池であればよい。例えば、結晶型や薄膜型の太陽電池に適用することができる。
【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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【国際調査報告】
2014083803.tif 000009
2014083803.tif 000010
2014083803.tif 000011
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