(57)【要約】【課題】太陽電池素子の出力特性を維持しつつ、アルミニウムとシリコンの熱収縮率の違いによって焼成後に発生する基板の反りによる後工程でのセル割れを簡易な方法で再現性よく抑制する。【解決手段】半導体接合部を有する半導体基板１の一主面側に受光面電極６を形成するとともに、他の主面側に銀電極４とアルミニウム電極５とを形成する太陽電池素子の製造方法であって、上記アルミニウム電極５をペーストを焼き付けて形成した後にその表面を超音波エッチングして、波長６００〜１０００ｎｍの光に対する反射率が３０％以上になるようにすることにより、従来よりも簡易な方法で再現性よく太陽電池素子の反りを緩和して割れを抑制する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体接合部を有する半導体基板の一主面側に受光面電極を形成するとともに、他の主面側にアルミニウム電極と銀電極とから成る裏面電極を形成した太陽電池素子において、前記アルミニウム電極の波長６００〜１０００ｎｍの光に対する反射率が３０％以上であることを特徴とする太陽電池素子。
【請求項２】
半導体接合部を有する半導体基板の一主面側に受光面電極を形成するとともに、他の主面側に銀電極とアルミニウム電極とを形成する太陽電池素子の製造方法において、前記アルミニウム電極をペーストを焼き付けて形成した後にその表面を超音波エッチングすることを特徴とする太陽電池素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池素子およびその製造方法に関し、特にアルミニウム電極と銀電極とから成る裏面電極を有する太陽電池素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来の太陽電池素子の裏面電極は、低コスト化の観点から、ＰＮ接合が形成された半導体基板に金属ペーストをスクリーン印刷法で塗布して酸化性雰囲気中で焼成して形成していた。また、更なる低コスト化の要請から、半導体基板の他の主面側の一領域に銀ペーストを塗布して乾燥した後に、その領域の周縁部に一部が重なるようにアルミニウムペーストを塗布して乾燥して同時に焼成する同時焼成法（１段階焼成）も用いられていた（特許文献１参照）。
【０００３】
従来の太陽電池素子の製造方法を図４および図５に従って説明する。Ｐ型シリコン基板１の一主面側に、Ｐを含む拡散ソースを用いて熱拡散法でＮ型拡散層２を形成するとともに、窒化シリコン膜からなる反射防止膜３を形成する。また、半導体基板１の他の主面側の端部に溝（不図示）を形成して拡散層２の一主面側と他の主面側を物理的に分離する。次いで、図５に示すように、半導体基板１の他の主面側にスクリーン印刷法で銀電極４となる銀ペーストを塗布して乾燥し、その周縁部に一部重なるように他の主面側の大部分にアルミニウム電極５となるアルミニウムペーストを塗布して乾燥した後に同時に焼成することによって裏面電極４、５を形成する。このときには、半導体基板１の一主面側には受光面電極６として銀ペーストが櫛歯状にパターニングされているので、受光面電極６も裏面電極４、５と同時焼成して形成することができる。最後に、銀電極４と受光面電極６に半田（不図示）を被覆して一連のセル化が終了する。
【０００４】
半導体基板１の他の主面側のアルミニウム電極５を形成する際に半導体基板１の他の主面側にアルミニウムの拡散が起こってＰ＋層からなるＢＳＦ層７が形成され、セルの電流−電圧特性が向上して高変換効率化が達成される。
【０００５】
このようにして製造された太陽電池素子１０では、複数のセル同士を配線材（不図示）を用いて直列に接続して電圧を昇圧させて使用するのが一般的である。
このセル同士の接続には半田が必要となるために電極に半田コーティングするが、アルミニウム電極５には半田付けが困難であるので、半田濡れ性の良好な銀電極４を形成して、これに配線材を半田付けしている。
【０００６】
ところで、従来の太陽電池素子１０ではアルミニウム電極５を半導体基板１の他の主面側の略全面に焼き付ける際にアルミニウム電極５とシリコンからなる半導体基板１の熱収縮率の違いによって応力が発生して半導体基板１が反り、半導体基板１の割れの原因になるという問題があった。
【０００７】
このような問題を回避するために、裏面電極４、５の表面をブラスト法や反応性イオンエッチング法などで厚み方向に一部エッチングすることによってアルミニウム電極５による応力を低減させる方法も提案されている（特許文献２参照）。これらの方法によれば、アルミニウム電極５の表面の応力が低減できるため、太陽電池素子１０の反りを緩和して割れを抑制することができる。
【０００８】
しかし、これらの方法によれば、エッチングの厚みが少なすぎれば応力を充分に低減できない反面、エッチングの厚みが厚すぎるとアルミニウム電極５の導電抵抗が向上して電極としての機能を果たさなくなってしまうという問題が発生することから、エッチングの厚みのコントロールが非常に難しいという問題があった。
【０００９】
また、ブラスト法によれば、アルミニウム電極５の表面をエッチングする際に銀電極４も同時にエッチングされてしまい、銀電極４の導電抵抗が上昇して太陽電池素子１０の出力特性が低下してしまうという問題が発生する。
【００１０】
そこで、エッチングする厚みを見越して銀電極４を必要な厚みよりも厚く形成しておく必要があるが、銀はもともと高価な材料であり、必要以上に使用すると太陽電池素子１０のコストアップを招くという問題がある。
【００１１】
この問題を防ぐために、まずアルミニウム電極５のみを形成してエッチングした後に銀電極４を形成するという方法もあるが、裏面電極４、５を形成するために必ず２回以上の焼成工程が必要になり、工程の増加によるコストの上昇を招く。また、高温プロセスの増加によって太陽電池素子１０の出力特性が低下する場合がある。
【００１２】
一方、反応性イオンエッチング法でアルミニウム電極の表面をエッチングすれば、ガスの種類や条件を選択することによって物質毎のエッチング量の制御が可能となるため、エッチングの必要のない銀電極４の表面はエッチング量を減らし、反りの原因になるアルミニウム電極５の表面はエッチング量を増やすという制御が可能になるが、反応性イオンエッチングは装置自体も高価なうえにランニングコストも高い。また、真空装置であるため基板１枚あたりの処理時間も長く、生産性の観点から不向きであるという問題がある。さらに、その表面が粗面化されることから、後工程で太陽電池素子１０の搬送を行うための真空吸着ができなかったり、後工程での割れの原因になったりするという問題があった。
【００１３】
さらに、半導体基板１の他の主面側にアルミニウムペーストを塗布して焼成することによってＢＳＦ層７を形成した後に塩酸処理を行い、その後銀電極４を形成するという方法もある（例えば特許文献３参照）。この方法によれば塩酸処理によって基板表面のアルミニウムが除去されるので半導体基板１の反りは防げるものの、低導電抵抗という電極としての役割を果たすアルミニウムは残らないためアルミニウム電極は存在せず、銀電極４のみもしくは再度塗布して焼成したアルミニウムによるアルミニウム電極５と銀電極４とからなる裏面電極となっていた。
【００１４】
本発明はこのような従来の問題に鑑みてなされたものであり、太陽電池素子の出力特性を維持しつつ、アルミニウムとシリコンの熱収縮率の違いによって焼成後に発生する基板の反りによる後工程でのセル割れを簡易な方法で再現性よく抑制することを目的とする。
【００１５】
【特許文献１】
特開平５−３２６９９０号公報
【特許文献２】
特開２００２−３５３４７９号公報
【特許文献３】
特許第２９９９８６７号公報
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る太陽電池素子によれば、半導体接合部を有する半導体基板の一主面側に受光面電極を形成するとともに、他の主面側にアルミニウム電極と銀電極とから成る裏面電極を形成した太陽電池素子において、前記アルミニウム電極の波長６００〜１０００ｎｍの光に対する反射率が３０％以上であることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項２に係る太陽電池素子の製造方法によれば、半導体接合部を有する半導体基板の一主面側に受光面電極を形成するとともに、他の主面側に銀電極とアルミニウム電極とを形成する太陽電池素子の製造方法において、前記アルミニウム電極を、ペーストを焼き付けて形成した後にその表面を超音波エッチングすることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。
本発明の太陽電池素子も基本的な構成は従来の太陽電池素子と略同じである。
すなわち、図１に示すように、一導電型を呈する半導体基板１の一主面側に逆導電型半導体不純物拡散領域２を設けて半導体接合部を形成して窒化シリコン膜などからなる反射防止膜３と銀などからなる受光面電極６を形成するとともに、他の主面側にアルミニウム電極５と銀電極４とから成る裏面電極を形成したものである。
【００１９】
本発明では、アルミニウム電極５の波長６００〜１０００ｎｍの光に対する反射率を３０％以上にする。すなわち、太陽電池素子１０のアルミニウム電極５をアルミニウムペーストを塗布して酸素を含む雰囲気中で焼成すると、図６に示すように、雰囲気に曝される表面のアルミニウム中のアルミニウム粒子は溶融温度に達する前にその表面が酸化されるためアルミニウム粒子同士が焼結しにくい状態となる。よってアルミニウム電極５の全体の厚みの９８％〜９９％のところはアルミニウムの低密度領域９となってしまう。一方、半導体基板１側のアルミニウムは雰囲気に曝されていないため、表面側よりもアルミニウム同士が焼結しやすい状況にあると同時に、アルミニウムの溶融温度よりもアルミニウムとシリコンの共晶温度が低いため、特にシリコンとの界面にアルミニウムの高密度領域８が形成される。
【００２０】
本発明では、図２に示すように、アルミニウム電極５の低密度領域９を除去して高密度領域８を露出させる。この低密度領域９と高密度領域８の相違は反射率という数値で定量的に表現できることを本発明者等は知見した。
【００２１】
すなわち、低密度領域９を除去しないアルミニウム電極５と低密度領域９を除去して高密度領域８を露出させたアルミニウム電極５の反射率の相違を図３に示す。図３中、丸印は低密度領域９を除去しない従来の太陽電池素子１０のアルミニウム電極５の反射率を示し、四角印は低密度領域９を除去した本発明の太陽電池素子１０のアルミニウム電極５の反射率を示す。
【００２２】
低密度領域９はホーン型超音波洗浄装置を用いて除去する。被処理基板のアルミ電極面を上にしてベルトコンベアに設置されたトレイに置き、トレイごと水中に沈め、超音波ホーン下部を通過させて連続的にエッチング処理を行う。超音波発振器の超音波の周波数は３０ｋＨｚ程度以下のものでよい。
【００２３】
アルミニウム電極５の低密度領域９が露出していた従来の太陽電池素子１０では、その表面の波長６００〜１０００ｎｍの光に対する反射率が３０％以下であったのが、本発明のように、低密度領域９を除去して高密度領域８を露出させたアルミニウム電極５は波長６００〜１０００ｎｍの光に対する反射率が３０％以上になる。
【００２４】
反射率を問題にする波長域はいずれの波長域でもよいが、図３に示すように、アルミニウム電極５の波長６００〜１０００ｎｍの光に対する反射率は比較的安定しており、低密度領域９が存在する場合と除去した場合とを比較しやすく正確に比較できることから、本発明では波長６００〜１０００ｎｍの光に対する反射率を問題にする。
【００２５】
また、図３に示すように、アルミニウム電極５の低密度領域９が存在する場合と除去した場合とでは、その反射率は歴然と相違し、低密度領域９が存在する場合は３０％以上にはなりにくく、また低密度領域９を除去した場合は３０％以下になりにくいことから、３０％を境にアルミニウム電極５の低密度領域９が存在する場合と除去した場合とを適切に表現できる。これらの反射率は分光反射率測定機によって測定する。
【００２６】
アルミニウム電極５の波長６００〜１０００ｎｍの光に対する反射率が３０％以上の本発明の太陽電池素子１０では、アルミニウム電極５の低密度領域９を除去して厚みを薄くするため、表面の応力が低減でき、太陽電池素子１０の反りを緩和できる。よって、アルミニウムと半導体基板１との熱収縮率の相違に起因する半導体基板１の割れを抑制することができる。また、導電抵抗の低い高密度領域８は残るため、アルミニウム電極５の電極としての機能が損なわれることはない。さらに、アルミニウム電極５と半導体基板１との表面が平坦化されるため、後工程で太陽電池素子１０の搬送を行うための真空吸着ができないという従来の問題が発生することもない。
【００２７】
次に、本発明に係る太陽電池素子の製造方法を説明する。
Ｐ型半導体基板１をＮ型不純物が飛散した雰囲気中で熱処理などして、半導体基板１の一主面側近傍の全面に一定の深さまでＮ型不純物を拡散させてシート抵抗が３０〜３００Ω／□のＮ型を呈する拡散層２を形成する。半導体基板１の一主面側にプラズマＣＶＤ法などで窒化シリコン膜などから成る反射防止膜３を形成する。半導体基板１の一主面側の拡散層２と他の主面側の拡散層２を分離する。
【００２８】
次に、半導体基板１の一主面側に受光面電極６となる銀ペーストをスクリーン印刷するとともに、他の主面側にはアルミニウム電極５となるアルミニウムペーストと銀電極４となる銀ペーストをスクリーン印刷して焼成することにより、図１に示すように、半導体基板１の一主面側に銀を主成分とする受光面電極６が形成され、他の主面側に裏面電極４、５を有する太陽電池素子１０を得ることができる。
【００２９】
アルミニウムペーストはアルミニウムと有機ビヒクルとガラスフリットをアルミニウム１００重量部に対してそれぞれ１０〜３０重量部、０．１〜５重量部を添加してぺースト状にしたものである。有機ビヒクルは粉末状のものをペースト状にするために用いられる樹脂であり、例えばセルロース系やアクリル系のものがある。これらは４００℃程度で分解して揮散する。
【００３０】
銀ペーストは銀と有機ビヒクルとガラスフリットを銀１００重量部に対してそれぞれ１０〜３０重量部、０．１〜５重量部を添加してぺースト状にしたものである。有機ビヒクルは粉末状のものをペースト状にするために用いられる樹脂であり、例えばセルロース系やアクリル系のものがある。これらは４００℃程度で分解して揮散する。また、ガラスフリットは焼き付けた電極に強度を持たすために用いられる。ガラスフリットは、鉛、ホウ素、珪素等の酸化物を含み、３００〜６００℃程度の種々の軟化点をもつものがあるが、焼成後に一部は電極中に残り、一部はシリコンと溶着するために電極とシリコン基板との間を接着する機能を持つ。
【００３１】
低密度領域９はホーン型超音波洗浄装置を用いて除去する。被処理基板のアルミ電極面を上にしてベルトコンベアに設置されたトレイに置き、トレイごと水中に沈め、超音波ホーン下部を通過させて連続的にエッチング処理を行う。超音波発振器の超音波の周波数は３０ｋＨｚ程度以下のものでよい。時間は１０〜３０秒程度でよい。
【００３２】
この方法はアルミニウムの粗密つまりアルミニウム粒子の結合状態の差を利用したエッチング方法であるので、従来のようにエッチングの厚みが厚すぎたり薄すぎたりするという問題が発生することはなく、再現性よく太陽電池素子１０を製造することが可能になる。
【００３３】
また、銀はアルミニウムよりも強固に結合しているために、アルミニウムの表面の低密度領域９のみがエッチングされ、銀電極４がエッチングされることはない。そのため、アルミニウム電極５の表面をエッチングする際に従来のように銀電極４がエッチングされることを考慮に入れる必要なく、工程が制限されることはない。
【００３４】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多くの修正および変更を加えうることはもちろんである。例えばアルミニウムペーストと銀ペーストを塗布する順番を逆にすることも可能である。
つまり集電電極５となるアルミニウムを主成分とするペーストを塗布した後、その一部と重なるように出力取出電極４となる銀を主成分とするペーストを塗布して焼成する。そのあと超音波を印加しても同様の効果が得られる。また、裏面電極４、５のアルミニウムと銀の同時焼成もこれに制限されるものではない。また、超音波を印加するのは他の主面側に塗布したアルミニウムペーストを焼成した後であればよく、たとえば銀電極４上に半田を被覆した後であっても構わない。
また、先に示した裏面電極パターンはその一例であって、この形状に制限されるものではない。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係わる太陽電池素子によれば、半導体基板の他の主面側に形成するアルミニウム電極の波長６００〜１０００ｎｍの光に対する反射率を３０％以上にしたことから、アルミニウム電極の応力が低減でき、太陽電池素子の反りを緩和して割れを抑制することができる。また、太陽電池素子の他の主面側が平坦化されるので、後工程で太陽電池素子の搬送を行うための真空吸着ができないという従来の問題を解消できる。
【００３６】
また、本発明に係わる太陽電池素子の製造方法によれば、半導体基板の他の主面側にペーストを焼き付けてアルミニウム電極を形成した後にその表面を超音波エッチングすることから、アルミニウム電極の応力が低減でき、太陽電池素子の反りを緩和して割れを抑制することができる。また、アルミニウムの粗密つまりアルミニウム粒子の結合状態の差を利用したエッチング方法であるので、従来のようにエッチングの厚みが厚すぎたり薄すぎたりするという問題を発生することはなく、従来よりも簡易な方法で再現性よくアルミニウム電極の表面をエッチングすることが可能になる。また、銀はアルミニウムよりも強固に結合しているために、アルミニウム電極の表面の低密度領域のみがエッチングされ、銀電極がエッチングされることはない。もって、銀電極は必要な厚みだけ形成すればよく、高コスト化も抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る太陽電池素子を示す図である。
【図２】本発明に係る太陽電池素子のアルミニウム電極部分を拡大して示す図である。
【図３】本発明に係る太陽電池素子と従来の太陽電池素子のアルミニウム電極の反射率を示す図である。
【図４】従来の太陽電池素子を示す図である。
【図５】従来の太陽電池素子の裏面電極の構造を示す図である。
【図６】従来の太陽電池素子のアルミニウム電極部分を拡大して示す図である。
【符号の説明】
１・・・・・・半導体基板、２・・・・・・ｎ型拡散層、３・・・・・・反射防止膜、４・・・・・・・裏面銀電極、５・・・・・・・裏面アルミニウム電極、６・・・・・受光面電極、７・・・・・ＢＳＦ層、８・・・・・・高密度領域、９・・・・・・低密度領域、１０・・・・・・太陽電池素子
【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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