(57)【要約】【課題】この発明は、熱プロセスによる反りの発生を抑制し、工程内での割れの発生を抑えて、セル発電効率のよい太陽電池を製造する方法を得る。【解決手段】アルミニウムペーストを半導体基板の裏面全面に塗布形成する工程（ステップＳ４）と、該アルミニウムペーストが塗布形成された半導体基板を焼成し、該半導体基板の裏面全面に裏面電界層を形成する工程（ステップＳ６）と、焼成されたアルミニウムペースト層を除去する工程（ステップＳ７）と、低温焼成用金属ペーストを該裏面電界層上の全面に塗布形成し、その後焼成して裏面電極を形成する工程（ステップ８）と、銅線を該裏面電極に直接半田付けする工程（ステップＳ９）とを備えている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも内部にｐｎ接合をもつ半導体基板と、該半導体基板の集光面に形成された集光面電極と、該半導体基板の裏面に形成された裏面電界層と、該裏面電界層上に形成された裏面電極と、該集光面電極および該裏面電極から引き出された銅線とを備えた太陽電池の製造方法において、
アルミニウムペーストを上記半導体基板の裏面全面に塗布形成する工程と、
上記アルミニウムペーストが塗布形成された上記半導体基板を焼成し、該半導体基板の裏面全面に上記裏面電界層を形成する工程と、
焼成されたアルミニウムペースト層を除去する工程と、
低温焼成用金属ペーストを上記裏面電界層上の全面に塗布形成し、その後焼成して上記裏面電極を形成する工程と、
上記銅線を上記裏面電極に直接半田付けする工程とを備えていることを特徴とする太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、熱プロセスによる返りが小さく、セル発電効率がよい太陽電池を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の太陽電池の製造方法では、まず多結晶シリコン基板（ｐ型）の表面にｎ型層を形成してｐｎ接合を形成し、そしてシリコン基板の裏面にアルミニウムペーストを印刷乾燥して所定の開口部を有するアルミニウムペースト電極を形成し、ついでアルミニウムペースト電極の開口部に銀ペースト（又は銀アルミニウムペースト）を印刷乾燥して銀ペースト電極（又は銀アルミニウムペースト電極）を形成し、さらにシリコン基板の表面に銀ペーストを印刷乾燥して銀ペースト電極を形成する。ついで、近赤外炉を用い、乾燥空気中でシリコン基板を７００℃〜７５０℃で数十秒〜数分間加熱して、全電極を一括して焼成する。この焼成工程により、シリコン基板の裏面側に形成されている銀ペースト電極（又は銀アルミニウムペースト電極）とアルミニウムペースト電極とが電気的に接続されるとともに、シリコン基板の裏面にアルミニウムの拡散による裏面電界層（以下、ＢＳＦ（Ｂａｃｋ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｆｉｅｌｄ）層とする）が形成される。そして、複数のシリコン基板の表面側（受光面）の銀ペースト電極と、裏面側の銀ペースト電極（又は銀アルミニウムペースト電極）とを、半田および銅線を用いて直列・並列接続する。その後、結線が施されたシリコン基板を強化ガラスに例えばエチレン・ビニル・アセテートなどの樹脂を用いて封止し、太陽電池モジュールを製造している。（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−３３５２６７号公報（図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の太陽電池の製造方法では、アルミニウムの拡散によりＢＳＦ層を形成する際の焼成温度は、半導体基板材料とアルミニウムとの共晶温度（シリコンとアルミニウムの場合には５７７℃）以上にする必要があるので、極めて高温となる。そこで、焼成後、室温まで冷却されたときに、半導体基板材料と焼結形成された金属膜との線膨張係数の差（アルミニウム：２３ｐｐｍ／Ｋ、シリコン：４ｐｐｍ／Ｋ）に起因して大きな反りが生じてしまう。この反りが、工程内でのハンドリングや搬送時に、さらには他の熱プロセス時に割れやクラック発生の原因となり、工程内歩留まりを低下させることになる。この半導体基板のクラックが例え微小なものであっても、発電効率の低下につながる。
また、半導体基板の裏面に銀アルミニウムペーストを用いた場合には、銀アルミニウムペースト電極の真下に形成されるアルミニウム拡散層は低濃度のものであり、銀ペーストを用いた場合には、銀ペースト電極の真下にはアルミニウム拡散層は形成されない。そこで、太陽電池セル全体としての効率が低下することになる。
【０００５】
この発明は、上記の課題を解消するためになされたもので、熱プロセスによる反りの発生を抑制し、工程内での割れの発生を抑えて、セル発電効率のよい太陽電池を製造する方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る太陽電池の製造方法は、少なくとも内部にｐｎ接合をもつ半導体基板と、該半導体基板の集光面に形成された集光面電極と、該半導体基板の裏面に形成された裏面電界層と、該裏面電界層上に形成された裏面電極と、該集光面電極および該裏面電極から引き出された銅線とを備えた太陽電池の製造方法において、アルミニウムペーストを上記半導体基板の裏面全面に塗布形成する工程と、上記アルミニウムペーストが塗布形成された上記半導体基板を焼成し、該半導体基板の裏面全面に上記裏面電界層を形成する工程と、焼成されたアルミニウムペースト層を除去する工程と、低温焼成用金属ペーストを上記裏面電界層上の全面に塗布形成し、その後焼成して上記裏面電極を形成する工程と、上記銅線を上記裏面電極に直接半田付けする工程とを備えているものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
図１はこの発明の実施の形態に係る太陽電池の製造方法を説明するフローチャート、図２はこの発明の実施の形態に係る太陽電池の製造方法を説明する工程断面図である。
【０００８】
まず、ステップＳ１において、半導体基板１として、例えば引き上げ法により製造される単結晶シリコン基板、或いは鋳造法により製造される多結晶シリコン基板を洗浄する（図２の（ａ））。この洗浄工程では、水酸化カリウムや水酸化ナトリウム等のアルカリ水溶液、或いは弗酸と硝酸との混合溶液を用い、半導体基板１の表面をおよそ１０〜２０μｍ程度エッチングし、基板製造過程で基板表面に発生するダメージや汚染を取り除く。さらに、必要に応じて、塩酸と過酸化水素との混合溶液で洗浄し、基板表面に付着した鉄等の重金属類を除去する。
【０００９】
ついで、ステップＳ２において、半導体基板１がｐ型であれば、ｐｎ接合を形成するためにｎ型拡散層２を形成する。このｎ型拡散層形成工程では、例えばオシキ塩化リン（ＰＯＣｌ３）を用い、リンを熱的に拡散させて導電型を反転させたｎ型拡散層２を半導体基板１の全面に形成する（図２の（ｂ））。
そして、ステップＳ３において、半導体基板１の表面（集光面）のみを覆うようにレジストを形成し、露出するｎ型拡散層２をエッチング除去した後、有機溶剤等を用いてレジストを除去して、ｎ型拡散層２が表面全面に形成された半導体基板１を得る（図２の（ｃ））。
【００１０】
ついで、ステップＳ４において、スクリーン印刷法（或いはロールコーター方式）を用いて、ガラスを含むアルミニウムペーストを半導体基板１の裏面（受光面に相対する面）の全面に印刷・乾燥し、半導体基板１の裏面全面にアルミニウムペースト層３ａを形成する（図２の（ｄ））。
ついで、ステップＳ５において、スクリーン印刷法（或いはロールコーター方式）を用いて、銀ペーストを半導体基板１の表面に印刷・乾燥し、銀ペースト層４ａを形成する（図２の（ｅ））。
【００１１】
そして、ステップＳ６において、半導体基板１の表裏に形成されているアルミニウムペースト層３ａおよび銀ペースト層４ａを一括して焼成する。この焼成工程により、アルミニウムペースト層３ａ中のアルミニウムが不純物として半導体基板１中に拡散し、高濃度の不純物を含んだｐ＋型拡散層５（裏面電界層：ＢＳＦ層）が半導体基板１の裏面全面に形成され、銀ペースト層４ａは焼成されて銀ペースト電極４（集光面電極）となる（図２の（ｆ））。
この焼成工程では、ｐ＋型拡散層５を形成するために、焼成温度は少なくとも半導体基板材料とアルミニウムとの共晶温度（シリコンとアルミニウムとの場合５７７℃）以上にする必要があり、高温となる。そのため、アルミニウムペースト層３ａおよび銀ペースト層４ａの焼成後、半導体基板１が室温まで冷却されたとき、半導体基板１と焼結されたアルミニウムペースト層３との線膨張係数の差（アルミニウム：２３ｐｐｍ／Ｋ、シリコン：４ｐｐｍ／Ｋ）に起因する内部応力が発生し、半導体基板１に反りが生じる。この反りは、工程内でのハンドリングや搬送時に、さらには他の熱プロセス時に割れやクラック発生の原因となり、工程内歩留まりを低下させることになる。さらに、半導体基板１のクラックが例え微小なものであっても、発電効率の低下につながる。
【００１２】
ついで、ステップＳ７において、焼結されたアルミニウムペースト層３を除去する。このアルミニウムペースト層除去工程では、半導体基板１の裏面のみを露出するようにレジストを形成し、弗酸を主成分とするエッチャントを用いて湿式エッチング、あるいはＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法等によるドライエッチングを施すことにより、半導体基板１の裏面に形成されているアルミニウムペースト層３を除去している。
この焼結されたアルミニウムペースト層３は、反応残部であり、シリコン・アルミニウム合金層、アルミニウム酸化膜、アルミニウムペースト残渣膜（樹脂、ガラス等）等を含んでいるので、上述の反りを発生させている要因となる。そこで、ステップＳ７で得られるアルミニウムペースト層３が除去された半導体基板１の反りは低減される（図２の（ｇ））。
なお、アルミニウムペースト層３は、後工程における銅線８を半田付けする際に、半田７との接合強度が悪く、裏面電極６には不適である。
【００１３】
次いで、ステップＳ８において、半導体基板１の裏面全面に低温焼成用の金属ペーストを塗布・乾燥し、その後焼成して、裏面電極６を形成する（図２（ｈ））。
低温焼成用の金属ペーストは、その焼成温度が低いほど望ましいが、後工程で銅線８の半田付けを行うことから、半田付け温度で軟化、溶融しないものを選択する必要がある。そして、半田７としてＳｎ−Ｐｂ系半田（半田付け温度：１９０℃前後）を用いる場合、金属ペーストとしては、例えばデュポン社製の型式８３６８（熱硬化性コーティング銀、焼成温度：２００℃以上）を用いることができる。
このように作製された裏面電極６は、半導体基板１の裏面のどの位置とも電気的コンタクトがとれており、ここに銅線８を直接接続することで、太陽電池の電気エネルギーを取り出すことができる。
【００１４】
ついで、ステップＳ９において、複数の半導体基板１の銀ペースト電極４および裏面電極６を半田７および銅線８を用いて直列・並列接続する（図２の（ｉ））。この際、半田の種類は、裏面電極の金属材料によって適宜選択することになる。例えば、裏面電極６に銀を用いた場合には、Ｓｎ−Ｐｂ系、Ｓｎ−Ｃｕ系の半田を用いることができ、裏面電極６にアルミニウムを用いた場合には、Ｓｎ−Ｚｎ系の半田を用いることができる。
最後に、直列・並列接続された複数の半導体基板１を強化ガラスに例えばエチレン・ビニル・アセテート等の樹脂で封止することで、太陽電池モジュールが作製される。
【００１５】
ここで、半導体基板１として３００μｍの厚みを持つ１５ｃｍ四方の正方形の多結晶シリコン基板を用いて実験した結果について示す。
ステップＳ１〜Ｓ５により、銀ペースト層４ａおよびアルミニウムペースト層３ａを多結晶シリコン基板上に形成した。ついで、近赤外炉を用い、乾燥空気中で多結晶シリコン基板を７００℃〜７５０℃で数十秒〜数分間加熱した後、室温まで冷却した（ステップＳ６）。そして、銀ペースト電極４およびアルミニウムペースト層３が形成された多結晶シリコン基板の反りを測定したところ、平均１．０ｍｍの反りが発生していた。
ついで、弗酸を主成分とするエッチャントに多結晶シリコン基板を浸漬し、多結晶シリコン基板の裏面に形成されている焼結されたアルミニウムペースト層３を除去した（ステップＳ７）。そして、多結晶シリコン基板の反りを測定したところ、反りが約０．４ｍｍまで低減していた。
ついで、型式８３６８の銀ペースト（デュポン社製、熱硬化性コーティング銀、焼成温度：２００℃以上）を多結晶シリコン基板の裏面全面に塗布し、２００℃で焼成して、多結晶シリコン基板の裏面全面に裏面電極６を形成した（ステップ８）。そして、この多結晶シリコン基板の反りを測定したところ、反りの増加は０．１〜０．２ｍｍ程度であった。
その後、Ｓｎ−Ｐｂ系半田および銅線を用い、複数の多結晶シリコン基板の銀ペースト電極４と裏面電極６とを直列・並列に接続して太陽電池モジュールを作製した。
【００１６】
そして、このように太陽電池モジュールを作製したところ、基板の反りに起因する工程内での基板の割れ率が、従来の製造方法に対して、約１／５に低減できる結果が得られた。
また、このように作製した太陽電池モジュールは、従来の製造方法で作製した太陽電池モジュールに対して、平均約１％の発電効率の上昇が確認できた。
【００１７】
つぎに、裏面電極６の材料の焼成温度について説明する。
ウエハ反りの機能限界、即ち工程内で割れるものと割れないものとが半々（割れ率５０％）となるような反り量は、計算機の応力解析の知見から約５ｍｍであることが分かっている。ここで、タグチメソッド（品質工学）における損失関数の考え方を導入すると、損失コストは品質特性値（ここでは、反り量）の比の二乗に比例すると考える。そこで、Ｔ０を反りの工程内規格値とすると、次式が成立する。
（５．０／Ｔ０）２＝（Ａ０／Ａ）
ただし、Ａ０は、工程内規格からＮＧとなった場合の損失コストであり、ここでは、太陽電池セルを廃棄した場合に損失である。また、Ａは、モジュール組立後に不良を発生させた場合の損失コストであり、ここでは、太陽電池モジュールを廃棄した場合の損失コストである。
そして、Ａ０／Ａの値を５０とすると、上式から、反りの工程内規格値であるＴ０は０．７１ｍｍとなる。
一方、３００μｍ厚のウエハにおける焼成温度と反りとの関係は、実験から、図３に示す結果が得られている。
そこで、裏面電極６の材料となる金属ペーストの焼成温度は、反りの工程内規格値（０．７１ｍｍ）に相当する焼成温度、即ち約４００℃以下にすることが望ましい。
【００１８】
そして、裏面電極６の材料となる金属ペーストは、半導体基板１の反りの要因となる内部応力を低減させることから、その焼結温度を低くすることが望ましい。しかしながら、後工程における半田付け工程（ステップ９）において、裏面電極６が軟化、溶融しないようにする必要がある。そこで、金属ペーストの焼結温度は、後工程における半田付け温度より高い温度とする必要がある。例えば、半田７としてＳｎ−Ｐｂ系半田（半田付け温度：１９０℃前後）を用いる場合には、裏面電極６の材料となる金属ペーストの焼成温度は、２００℃以上にすることが望ましい。
従って、裏面電極６の材料には、焼成温度が約２００℃〜約４００℃の低温焼成用金属ペーストを用いることが望ましい。
【００１９】
このように、ガラスを含むアルミニウムペーストを半導体基板１の裏面全面に形成した後、焼成して半導体基板１の裏面にＢＳＦ層を形成しているので、ＢＳＦ層が半導体基板１の裏面全面に形成され、発電効率が向上される。
また、ＢＳＦ層形成工程の後、焼結されたアルミニウムペースト層３を除去しているので、反りを生じさせる内部応力の要因となるアルミニウムペースト層３、特に高温焼成によって生じた半導体−アルミニウムの合金層が除去され、半導体基板１の反りを低減できる。そして、低温焼成用金属ペーストをＢＳＦ層上に形成した後、焼成して裏面電極６を形成しているので、裏面電極６を形成することにより発生する反りを最小限にすることができる。従って、半導体基板１に発生する反りが緩和され、工程内でのハンドリングや搬送時、さらには他の熱プロセス時に割れやクラックの発生が抑制され、工程内歩留まりを高めることができる。さらに、発電効率の低下につながる半導体基板１の微小クラックの発生、発展を抑制することができる。
【００２０】
また、半導体基板１の表面および裏面に形成された銀ペースト層４ａおよびアルミニウムペースト層３ａを一括して焼成しているので、工程の簡素化が図られる。
また、銅線８を裏面電極６に直接半田付けしているので、従来技術のように半導体基板の裏面側に新たな電極を設ける必要がない。従って、従来技術で発生していた銀などで形成された裏面電極部の真下の領域に拡散層が形成されないことに起因する発電効率の低下がなく、発電効率を向上させることができる。
【００２１】
なお、上記実施の形態では、集光面電極の形成工程とＢＳＦ層の形成工程とを同一の焼成工程で行うものとして説明しているが、集光面電極の形成工程とＢＳＦ層の形成工程とそれぞれ異なる焼成工程で行うようにしてもよい。この場合、両工程を焼成温度の高い順に実施することが望ましい。
【００２２】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように、アルミニウムペーストを半導体基板の裏面全面に塗布形成する工程と、該アルミニウムペーストが塗布形成された半導体基板を焼成し、該半導体基板の裏面全面に裏面電界層を形成する工程と、焼成されたアルミニウムペースト層を除去する工程と、低温焼成用金属ペーストを該裏面電界層上の全面に塗布形成し、その後焼成して裏面電極を形成する工程と、銅線を該裏面電極に直接半田付けする工程とを備えているので、熱プロセスによる反りの発生を抑制し、工程内での割れの発生を抑えて、セル発電効率のよい太陽電池を製造する方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態に係る太陽電池の製造方法を説明するフローチャートである。
【図２】この発明の実施の形態に係る太陽電池の製造方法を説明する工程断面図である。
【図３】焼成温度と反りとの関係を示す図である。
【符号の説明】
１  半導体基板、２  ｎ型拡散層、３  焼結されたアルミニウムペースト層、３ａ  アルミニウムペースト層、４  銀ペースト電極（集光面電極）、４ａ  銀ペースト層、５  ｐ＋型拡散層（ＢＳＦ層）、６  裏面電極、７  半田、８  銅線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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