(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス、有機媒体、およびアルミニウム含有材料を含み、
前記ガラスが、Ｂｉ２Ｏ３およびＴｌ２Ｏ３を含む、太陽電池の裏面電界層形成用アルミニウムペースト。
【請求項２】
前記ガラスが、Ａｌ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＰｂＯ、ＺｎＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、ＭｇＯ、Ｇａ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、ＺｒＯ２、ＡｇＯ、Ｓｃ２Ｏ５、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＣａＯ、Ｐｄ、Ｐｔ、およびＲｈからなる群から選択される１以上をさらに含む、請求項１に記載のアルミニウムペースト。
【請求項３】
前記ガラスが、少なくとも２種の主組成を有する、請求項１に記載のアルミニウムペースト。
【請求項４】
前記主組成が、ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３；ＳｉＯ２−ＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＺｒＯ２；Ｂｉ２Ｏ３−ＺｎＯ−ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３；ＳｉＯ２−ＳｒＯ−Ｂｉ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３；ＳｉＯ２−ＰｂＯ−ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２；ＳｉＯ２−ＰｂＯ−ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３；ＳｉＯ２−Ｂｉ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｔｌ−ＺｎＯ；ＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２；Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＺｎＯ−Ｖ２Ｏ５；Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＺｎＯ；Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３；Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｖ２Ｏ５；Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｋ２Ｏ；Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−Ｌｉ２Ｏ−Ｎａ２Ｏ−Ｎｂ２Ｏ５；ＰｂＯ−ＳｉＯ２−ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３；ＰｂＯ−ＳｉＯ２−ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｔａ２Ｏ５；ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＨｆＯ２−Ｉｎ２Ｏ３−Ｇａ２Ｏ３；ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｔａ２Ｏ５−ＺｒＯ２；ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−Ｓｂ２Ｏ５；ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＺｒＯ２；ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｐ２Ｏ５−ＺｒＯ２；ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＺｒＯ２−Ｓｂ２Ｏ５；ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＨｆＯ２；ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ｇａ２Ｏ３；ＳｉＯ２−ＺｒＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯ−ＭｇＯ−ＴｉＯ２−Ｎａ２Ｏ−ＬｉＯ２−Ｂｉ２Ｏ３およびこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項３に記載のアルミニウムペースト。
【請求項５】
前記アルミニウム含有材料が、９０〜９９．９９％の純度を有するアルミニウム粉末を前記アルミニウムペーストの総質量に対して６０〜８０質量％含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載のアルミニウムペースト。
【請求項６】
前記アルミニウム粉末の平均粒度が、１〜２０μｍであり、前記アルミニウム粉末の形状が、球形、球形様、粒状、クラブ状、針状、ピラー状、薄片状、スポンジ状、尖形、錐体状、多孔体状、多角形、シート状、バー状、枝状、繊維状、不定形、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項１〜５のいずれか１項に記載のアルミニウムペースト。
【請求項７】
前記アルミニウムペーストが、さらに添加剤を含み、前記添加剤が、炭素原子数１０〜２４の飽和脂肪酸または不飽和脂肪酸を含み、前記炭素原子数１０〜２４の飽和脂肪酸または不飽和脂肪酸の含量が前記アルミニウムペーストの総質量に対して５質量％未満である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のアルミニウムペースト。
【請求項８】
前記有機媒体の含量が、前記アルミニウムペーストの総質量に対して２０〜３５質量％であり、前記有機媒体は、６０〜８９質量％のエーテル系溶媒；１０〜２０質量％のセルロース樹脂；および１〜５質量％のレベリング剤、レオロジー剤またはチキソトロープ剤を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載のアルミニウムペースト。
【請求項９】
ｐ−ｎドープされた構造が形成されてなる基板、および前記基板の背面に設置される裏面電界層を有する太陽電池であって、前記裏面電界層が、請求項１〜８のいずれか１項に記載のアルミニウムペーストを前記基板の背面に塗布して作製される、太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に関し、特にシリコンウエハの背面に均一なアルミニウム−シリコン合金層を形成して、薄膜太陽電池による構造応力を低減することにより、シリコン基板への応力によるゆがみ現象を改善する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、工業が非常に発達したことに伴い、化石エネルギーが速い速度で枯渇し、徐々に環境汚染が悪化している。ゆえに、エネルギーの需要や環境上の理由により、世界中に国々が代替エネルギーの開発に力を注いでいる。太陽エネルギーは、今日人類によって利用できる最も多量に存在する資源であり、輸送コストがかからず、クリーンであり、地球に熱付加を多大にかけることはないという利点がある。上記利点により、現在、太陽エネルギーは、発展の可能性が最も高いクリーンで再生可能なエネルギーの一つである。
【０００３】
太陽電池は、光起電力効果を利用して太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する半導体部材である；太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換するのに、基本的にはいずれの半導体ダイオードを使用してもよい。太陽電池によって得られる電気エネルギーは、以下の２つの要因に基づく；光導電効果及び内部電場。したがって、太陽電池用の材料を選択する際には、材料の光導電効果やどのようにして内部電場を生じさせるかを考える必要がある。
【０００４】
太陽電池の性能は、光と電気との変換効率によって主に決定される。変換効率に影響を与える要因としては、太陽光の強度及び温度；材料の抵抗や基板の質や欠陥密度；ｐ−ｎ接合の濃度及び深さ；光に対する表面反射率；金属電極の線幅、線高さ及び接触抵抗が挙げられる。ゆえに、変換効率の高い太陽電池を製造するためには、上記した影響を与える要因を綿密に制御することが必要である。
【０００５】
今日、太陽電池を製造する上で、変換効率及び製造コストが主な考慮点である。今日市販される太陽電池製品のうち、シリコンで作製される太陽電池が最も大きな市場シェアを有する。結晶構造で分類すると、単結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太陽電池及び非晶質シリコン太陽電池に分類される。変換効率の点では、単結晶シリコン太陽電池が、最も効率よく、約２４％の変換効率であるのに対し、多結晶シリコン太陽電池が約１９％で、非晶質シリコン太陽電池がおよそ１１％である。光−電気変換基板としてＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体ＧａＡｓ等の他の化合物半導体を使用することによって、変換効率を２６％以上に上げることができる。
【０００６】
エネルギー変換効率を上げかつシリコンウエハの厚さを薄くする方法を見出すことは、太陽電池技術の発展の別の主要な焦点である。ウエハの厚みの問題では、例えば、レーザファイアードコンタクツ（Ｌａｓｅｒ−ｆｉｒｅｄ  Ｃｏｎｔａｃｔｓ）（ＬＦＣ）法を用いることにより、電池の厚みを３７μｍ未満に低減し、変換効率レベルを２０％にまで上昇できる。ここでの工程としては、概略的には下記のとおりである：蒸発プロセスを用いてアルミニウム層を作製し、太陽電池の背面に不動態化層を形成し、さらにレーザー光線でアルミニウム層を貫通して導電的に接触させる。電気エネルギーの損失という従来の問題は、ＬＦＣ技術によって解決され、加えて、アルミニウム電極を保持するために、シリコン基板の背面の不動態化層内にホールを形成するのに従来使用された、高価なリソグラフィーやエッチング技術が不要である。
【０００７】
また、他の技術としては、従来のスクリーン印刷法が改良された方法を調節したものがある。すなわち、ゆがみの少ないアルミニウムペースト（電池ウエハの背面に被覆する）および網目数の多い網版を用いて、ウエハ損傷率を低減し；さらにＬＦＣ法を施して変換効率を向上する方法がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ＬＦＣ法のコストは比較的高く、現状での技術の性能は依然として非常に低い。したがって、太陽電池の変換効率を上げ、太陽電池の薄膜化により起こるゆがみの現象を改善することが現在重要である。
【０００９】
したがって、本発明は、変換効率の高い太陽電池を作製できるアルミニウムペースト、およびこれを用いた太陽電池を提供することを目的とする。
【００１０】
また本発明は、シリコンウエハのゆがみを低減し；鉛を使用せずに高い変換効率を与える、薄型の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】
【００１１】
本発明は、ガラス、アルミニウム含有材料、および有機媒体を含み、前記ガラスが、Ｂｉ２Ｏ３およびＴｌ２Ｏ３を含む、太陽電池の裏面電界層形成用アルミニウムペーストを提供する。
【００１３】
また、前記ガラスは、Ａｌ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＰｂＯ、ＺｎＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、ＭｇＯ、Ｇａ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、ＺｒＯ２、ＡｇＯ、Ｓｃ２Ｏ５、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＣａＯ、Ｐｄ、Ｐｔ、及びＲｈから選択される１以上をさらに含むことが好ましい。
【００１４】
好ましくは、前記ガラスは、少なくとも２種の主組成を有する。好ましくは、前記主組成は、ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３；ＳｉＯ２−ＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＺｒＯ２；Ｂｉ２Ｏ３−ＺｎＯ−ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３；ＳｉＯ２−ＳｒＯ−Ｂｉ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３；ＳｉＯ２−ＰｂＯ−ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２；ＳｉＯ２−ＰｂＯ−ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３；ＳｉＯ２−Ｂｉ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｔｌ−ＺｎＯ；ＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２；Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＺｎＯ−Ｖ２Ｏ５；Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＺｎＯ；Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３；Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｖ２Ｏ５；Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｋ２Ｏ；Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−Ｌｉ２Ｏ−Ｎａ２Ｏ−Ｎｂ２Ｏ５；ＰｂＯ−ＳｉＯ２−ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３；ＰｂＯ−ＳｉＯ２−ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｔａ２Ｏ５；ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＨｆＯ２−Ｉｎ２Ｏ３−Ｇａ２Ｏ３；ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｔａ２Ｏ５−ＺｒＯ２；ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−Ｓｂ２Ｏ５；ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＺｒＯ２；ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｐ２Ｏ５−ＺｒＯ２；ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＺｒＯ２−Ｓｂ２Ｏ５；ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＨｆＯ２；ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ｇａ２Ｏ３；ＳｉＯ２−ＺｒＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯ−ＭｇＯ−ＴｉＯ２−Ｎａ２Ｏ−ＬｉＯ２−Ｂｉ２Ｏ３およびこれらの組み合わせからなる群より選択される１以上である。
【００１５】
この際、前記ガラスおよび前記アルミニウム含有材料の含量は、好ましくは、前記アルミニウムペーストの総質量に対して６０〜８０質量％であり、アルミニウム含有材料の純度は約９０〜９９．９９％である。
【００１６】
好ましくは添加剤として、前記アルミニウムペーストの総質量に対して５質量％未満の炭素原子数１０〜２４の飽和脂肪酸または不飽和脂肪酸を含む。有機媒体の含量は、好ましくは前記アルミニウムペーストの総質量に対して２０〜３５質量％である。前記有機媒体は、好ましくは、６０〜８９質量％のエーテル系有機溶媒、１０〜２０質量％のセルロース樹脂および１〜５質量％のレベリング剤、レオロジー剤またはチキソトロープ剤を含む。エーテル系有機溶媒は、ジエチレングリコールモノブチルエーテルでありうる。セルロース樹脂は、エチルセルロースであってもよい。レベリング剤、レオロジー剤またはチキソトロープ剤は、好ましくは、水素化ヒマシ油である。
【００１７】
また、本発明は、ｐ−ｎドープされた構造が形成されてなる基板、および前記基板の背面に設置される裏面電界層を有する太陽電池であって、前記裏面層が、上記アルミニウムペーストを前記基板の背面に塗布して作製される、太陽電池を提供するものである。
【００１８】
また、本発明は、ガラスの混合物、有機媒体、アルミニウム含有材料、および添加剤を含む接着材料であって、前記ガラスの混合物の主成分が、Ａｌ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ５、Ｂ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＰｂＯ、Ｔｌ２Ｏ３およびＺｎＯからなる群から選択される１以上を含む、接着材料を提供する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、太陽電池の変換効率を上げ、太陽電池のゆがみの問題を低減する、裏面電界層が形成されうる。本発明は、特定の割合のアルミニウム含有材料、ガラス及び有機媒体を含むアルミニウムペーストをウエハの裏面に塗布した膜の裏面電界（ＢＳＦ）効果構造を用いるものであり、この技術により、太陽電池の変換効率が向上し、剛性を促進してゆがみの問題を解決することができ、これにより、ウエハの損傷率を効果的に下げ、太陽電池の性能を向上できる。さらに、本発明では、特定の配合比のアルミニウムペーストを塗布すればよいだけであるため、製造プロセス中のウエハの損傷率が低下するのみでなく、製造コストを低減でき、かつ変換効率を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明は、下記説明に加えて広範な他の実施形態で実施することが可能であり、本発明の範囲は、下記に制限されるものではなく、特許請求の範囲に記載されるものである。さらに、図面は原寸に比例して示されていない。本発明の説明や理解をより明瞭にするために、関連部材によっては寸法が拡大されており、また、重要でない部分については図示されていない。
【００２１】
図１〜６は、本発明の好ましい実施形態を説明するのに使用されるのみであり、本発明を限定するものではない。小型の薄膜シリコンウエハ太陽電池の構造において、薄膜シリコンウエハが変形あるいはゆがむのを防止することを目的として、本発明では、シリコンウエハの背面にアルミニウムペーストを配置して裏面電界層を形成することにより構造上に応力を変化させる。ここで、背面（裏面）は、光が入射する側と反対側の面である。これにより太陽電池全体の構造を強化し、太陽電池の変換効率を上げ、変形やゆがみに対する構造の保持能を向上することができる。さらに、上記アルミニウムペーストを太陽電池ウエハの背面に配置して薄膜を形成し裏面電界層を作製すると、この裏面電界層は効果的に変換効率を向上し、変形を防止することができる。
【００２２】
上記アルミニウムペーストは、ガラス、アルミニウム含有材料、有機媒体、および添加剤を含む。
【００２３】
例えば、これらの材料の種類や混合量を調整して変形の度合いを改善し、太陽電池の変換効率を上げることができる。
【００２４】
本発明のアルミニウムペーストを用いた太陽電池は、例えば、個々の太陽電池を作製するためのシリコンウエハなどの基板を有する。前記基板は、好ましくは、ｐ−ｎドープ構造が形成されてなる、即ち、ｎドープされた領域およびｐドープされた領域がシリコンウエハ内に形成される。
【００２５】
このシリコンウエハの背面に、アルミニウム−シリコン合金層が形成され、薄膜太陽電池の構造応力を改善するのに使用される。このアルミニウム−シリコン合金層は、アルミニウム含有材料、ガラス、有機媒体、および添加剤を含む本発明のアルミニウムペーストを使用して作製される。このアルミニウム−シリコン合金層により、構造応力を低減して、基板が変形するのを防止できる。ここで、前記ガラスは、複数のガラス組成を使用することが好ましい。
【００２６】
上記アルミニウムペーストは、好ましくは、９０〜９９．９９％の純度の粉末のアルミニウム含有材料を含む。アルミニウム含有材料とガラスとを含む固形分の含有量は、前記アルミニウムペーストの総質量に対して、好ましくは６０〜８０質量％である。前記アルミニウム含有材料の形状は特に限定されず、例えば、球形、球形様、粒状、クラブ状、針状、ピラー状、薄片状、スポンジ状、尖形、錐体状、多孔体状、多角形、シート状、バー状、枝状、繊維状、不定形、または上記形状のいずれかの組み合わせである。好ましくは球形である。平均粒度は、好ましくは、１〜２０μｍである。アルミニウム含有材料の形状が球形でない場合、粒度は最端部を結ぶ最長距離の大きさを採用する。
【００２７】
前記アルミニウムペーストは、好ましくは、前記アルミニウムペーストの総質量に対して、好ましくは２０〜３５質量％の有機媒体を含む。
【００２８】
ここで、有機媒体は、好ましくは、６０〜８９質量％のエーテル系溶媒、１０〜２０質量％のセルロース樹脂および１〜５質量％のレベリング剤、レオロジー剤またはチキソトロープ剤を含む。
【００２９】
エーテル系有機溶媒としては、特に制限されないが、例えば、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテルが挙げられる。ジエチレングリコールモノブチルエーテルが特に好ましい。
【００３０】
セルロース樹脂は、例えば、エチルセルロース、メチルセルロース、メチルエチルセルロースであってもよい。エチルセルロースが特に好ましい。
【００３１】
レベリング剤、レオロジー剤またはチキソトロープ剤としては、例えば、水素化ヒマシ油が用いられうる。
【００３２】
前記アルミニウムペーストは、好ましくは、前記アルミニウムペーストの総質量に対して、５質量％未満の添加剤を含む。前記添加剤としては、例えば、炭素原子数１０〜２４の飽和脂肪酸または不飽和脂肪酸が用いられうる。前記炭素原子数１０〜２４の飽和脂肪酸としては、ステアリン酸が好ましく、前記炭素原子数１０〜２４の不飽和脂肪酸としては、オレイン酸が好ましい。
【００３３】
前記ガラスは、好ましくは、アルミニウム含有材料とガラスとを合わせた固形分量に対して、好ましくは、５質量％未満の含量で用いる。ガラスの組成は、特に限定されないが、好ましくは、主成分がＡｌ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＰｂＯ、Ｔｌ２Ｏ３およびＺｎＯからなる群から選択される１以上である。
【００３４】
好ましくは、前記アルミニウムペーストは、所望の特性によって、少なくとも２以上のガラスを、（再結晶化および非再結晶化を目的として加熱およびドープ）混合して作製される。上記ガラスとしては、例えば、Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＺｎＯ−Ｖ２Ｏ５，Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＺｎＯ，Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３，Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｖ２Ｏ５，Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｋ２Ｏ，Ｂｉ２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−Ｌｉ２Ｏ−Ｎａ２Ｏ−Ｎｂ２Ｏ５，ＰｂＯ−ＳｉＯ２−ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３，ＰｂＯ−ＳｉＯ２−ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｔａ２Ｏ５，ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＨｆＯ２−Ｉｎ２Ｏ３−Ｇａ２Ｏ３，ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｔａ２Ｏ５−ＺｒＯ２，ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−Ｓｂ２Ｏ５，ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＺｒＯ２，ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｐ２Ｏ５−ＺｒＯ２，ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＺｒＯ２−Ｓｂ２Ｏ５，ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＨｆＯ２，ＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ｇａ２Ｏ３，ＳｉＯ２−ＺｒＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯ−ＭｇＯ−ＴｉＯ２−Ｎａ２Ｏ−ＬｉＯ２−Ｂｉ２Ｏ３が挙げられるが、これらに限定されない。
【００３５】
本発明で用いられうる好ましいガラスの組成、密度、軟化点を下記表１に示す。
【００３６】
【表１】
0005160381.tif 000002
【００３７】
本発明の好ましい実施形態においては、前記ガラスは、Ｆｅ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、ＭｇＯ、Ｇａ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、ＺｒＯ２、ＡｇＯ、Ｓｃ２Ｏ５、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＣａＯ、Ｐｄ、Ｐｔ、及びＲｈの少なくとも１つをさらに含むことが好ましい。
【００３８】
特に好ましくは、下記表２に示すような、第１ガラス組成Ａ、および第２ガラス組成Ｂを含む。上記組成のアルミニウムペーストを用いると、裏面電界層が強化され、これにより変換効率が上昇しうる。
【００３９】
【表２】
0005160381.tif 000003
【００４０】
本発明のアルミニウムペーストを用いて裏面電界層を形成すると、太陽電池基板のゆがみが低減され、太陽エネルギー変換効率を上げる。本発明は、異なるガラス組成を混合し、さらに添加剤を加えて室温条件下での膨脹率を変えることにより、アルミニウムペーストの膨脹率をシリコン基板の膨脹率に近づける、熱膨脹率の変更方法を用いるものである。
【００４１】
本発明はまた、ｐ−ｎドープされた構造が形成されてなる基板、および前記基板の背面に設置される裏面電界層を有する太陽電池であって、前記裏面電界層が、上述のアルミニウムペーストを塗布して作製される、太陽電池を提供する。
【００４２】
本発明の太陽電池に用いられうる基板は、特に限定されず、当該分野で公知のシリコン半導体基板を使用することができる。具体的には、結晶構造が単結晶、多結晶、またはアモルファスのシリコン半導体基板が用いられうる。好ましくは、単結晶シリコンウエハが用いられる。
【００４３】
ｐ-型半導体の単結晶ウエハの場合、単結晶ウエハ側の抵抗は、好ましくは、約１．２Ωｃｍである。ウエハのサイズは実際の用途によって異なる。好ましい実施形態においては、ウエハのサイズが５インチである場合には、そのサイドは１２５ｍｍである；サイズが６インチである場合には、そのサイドは１５０ｍｍまたは１５６ｍｍである。シリコンウエハの厚みは、好ましくは８０〜２４０μｍである。
【００４４】
本発明の太陽電池は、例えば、下記の製造工程によって製造されるが、下記の製造工程は焦点の損失を防止するための工程の説明であり、本発明を限定するものではない。また、本発明で記載されるアルミニウムペーストは下記構造または方法に限定されるものではなく、本発明の実施形態として使用されるのみであると、当業者には解されるべきである。
【００４５】
好ましい実施形態においては、所定のウエハは、厚みがおよそ１８０〜２１０μｍの、４インチの単結晶シリコンウエハ（１０ｃｍ×１０ｃｍ）である；一般的な太陽電池の通常の製造工程は：（１）テキスチャ構造の形成；（２）リン拡散；（３）ウエハのエッジ研磨および酸化層の除去；（４）プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）；（５）スクリーン印刷、ここで、スクリーン印刷は、前面銀ペースト、裏面銀ペーストおよび裏面アルミニウムペーストを含む；（６）乾燥および焼結；（７）下記に記載されるような、Ｉ−Ｖ電気的特性測定。しかしながら、本発明の混乱を防止するために、高出力マイクロ波（ＨＰＭ）クリーニング、焼き戻しおよびＨ２焼結等の、本発明にあまり関連しない工程は、省略した。
【００４６】
（１）テキスチャ構造の形成：入射日光の反射を低減するためにテキスチャ構造を有する反射防止被覆層を作製する。この反射防止（被覆）層が存在しない場合には、入射光のおよそ３０％が反射により失われ、これは太陽電池にとっては重大である。入射光が最初の反射により戻る割合（％）を低減するために、様々なサイズのピラミッド型のテキスチャを太陽電池の照射表面に形成し、この際、ピラミッドのサイズはおよそ数ミクロンである。
【００４７】
（２）リン拡散：通常、ｎ−タイプの拡散層の深さはたった約０．５μｍであるため、ｐ−ｎダイオードは実際にはこのピラミッド型のテキスチャの表面に形成される。通常、ＰＯＣｌ３を使用し、高温拡散炉で拡散するために酸素及び窒素を添加する；製造されたリン原子は高温拡散を介してシリコン格子中に入り、ｎ−タイプのドーピングを形成する。ｐ−ｎダイオードを形成するために、ｎ−タイプのリン拡散をｐ−タイプのシリコンウエハで行なう拡散方法が一般的に使用される。
【００４８】
（３）ウエハのエッジ研磨および酸化層の除去：シリコンウエハの表面では、ＳｉＯ２自然酸化膜層が成長する。そこで、フッ化水素酸（ＨＦ）が、表面上のシリカ層の一般的な除去に使用される。このプロセス後、ｐ−タイプのウエハに、ｎ−タイプのドーパントの層を被覆し、その後、エッジエッチングプロセスによりｎ−タイプの層のエッジを除去する、あるいはレーザー切断を用いて焼結後の漏れ電流を絶縁して、ｐ−ｎダイオードの構造を形成する。エッジ絶縁プロセスが完全に行なわれない場合には、太陽電池のシャント抵抗（Ｒｓｈ）が低くなり、太陽電池の変換効率が低減するであろう。
【００４９】
（４）プラズマ化学気相成長：結晶性シリコン太陽電池は、一般的にプラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）法を用いて、窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）の層を太陽電池ウエハに被覆して、入射光の反射を効果的に低減し、不動態化の機能を付与し、傷つきにくく、耐湿性があり、さらに太陽電池を保護できるように、反射防止被覆（ＡＲＣ）を形成する。
【００５０】
（５）スクリーン印刷：スクリーンプリンタを用いて、太陽電池ウエハの前面及び裏面に、それぞれ、前面銀ペースト、裏面銀ペーストおよび裏面アルミニウムペーストを塗り付け、高温プロセッシングにより金属接触接点を形成する。銀電極の必要特性としては下記がある：低い直列抵抗；低い金属被覆率；および良好な接着性を有する反射防止層。前面銀ペースト金属フィンガーの薄膜化により、太陽電池の照射面積が拡張し、入射光の強度が増加し、キャリアが効果的に収集でき、光起電力効果により生じる電流の密度が上がり、さらに太陽電池の光−電気変換効率が上昇する。
【００５１】
現在、ほとんどの太陽電池が裏面電界（ＢＳＦ）構造を有し、この構造の顕著な特徴としては、裏面電界（ＢＳＦ）構造が裏面（非照射面）上にアルミニウム導電性ペーストの層を作製し、高温プロセス下でアルミニウムをｐ−タイプの半導体中に拡散させて、ｐ＋層を形成することである。この方法により、回路の回路電圧（ＶＯＣ）値を増加し、裏面電界（ＢＳＦ）効果を形成して、太陽電池の変換効率を上げるであろう。
【００５２】
アルミニウム金属の熱膨張率とシリコン基板の熱膨脹率とは異なるため、太陽電池の厚みを薄くすると、太陽電池のゆがみが大きくなり、さらに太陽電池モジュール製造プロセスのウエハ損傷率が上昇し、プロセスの統合がより難しくなる。現在、ゆがみを低く制御することは、一般的に、組成を調節することによりなされており、主に、アルミニウムペーストに添加されるガラスの熱膨脹率の制御によるため、ガラス添加剤の選択が密接に関係している。
【００５３】
裏面銀ペーストは、２つの太陽電池パネル間の導電ラインとして作用し、この際、高い導電能により太陽電池で生じる電流を直列的に接続することができる。ｐ＋層は、適当なアルミニウム拡散によって形成されてもよく、裏面電界（ＢＳＦ）効果は太陽電池の回路電圧を増加するため、裏面電界（ＢＳＦ）構造の厚みや均一性は、回路電圧や変換効率に関係がある。通常、裏面アルミニウムペースト層は、最適な回路電圧性能を得、ゆえに太陽電池の変換効率を上げるために、十分な厚みがあり、かつピーク焼結時間及びピーク焼結温度を組み合わせて操作する必要がある。
【００５４】
（６）乾燥および焼結：乾燥温度は２００〜３００℃であり、乾燥時間は２０秒未満である。乾燥は、前面銀ペースト、裏面銀及びアルミニウムペーストの有機媒体が蒸発したら、終了する。焼結は、一般的に、ＩＲ（赤外線）ベルト炉を用いてなされ、この際、焼結時間は２〜３分であり、焼結時のピーク焼結温度は６００〜１０００℃である。焼結は、前面銀ペースト、裏面銀及びアルミニウムペーストの拡散剤及び有機媒体が酸化、蒸発し、裏面電界（ＢＳＦ）層が形成したら、終了する。
【００５５】
（７）Ｉ−Ｖ電気的特性測定：最後に、太陽電池の電圧−電流曲線（Ｉ−Ｖ曲線）、ならびに太陽電池の短絡回路電流、回路電圧及び変換効率などの他の特性を試験する。
【００５６】
本発明は、シリコンウエハの背面に特定のアルミニウムペーストを配置・形成して、構造応力を変化させ、全体の太陽電池構造を強化し、太陽電池の変換効率を改善し、さらに応力またはひずみに対する構造の保持能を向上するものであることを強調する。
【実施例】
【００５７】
本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の範囲が以下の実施例に示す形態のみに制限されるわけではない。
【００５８】
（実施例１）
ｐ型の単結晶シリコンウエハ１０ｃｍ×１０ｃｍを準備した。前記単結晶シリコンウエハを洗浄し、その光入射側の表面に、エッチングでピラミッド柄のテキスチャを形成し、反射防止層を作製した。ＰＯＣｌ３を拡散源としてＰの拡散を行って、ｐ型のシリコン半導体基板の光入射側の表面にｎ型のドーピングを行った。
【００５９】
次いで、フッ化水素酸（ＨＦ）を用いて、表面の自然酸化膜を除去した。その後、ｎ−タイプのドーパントの層を被覆し、ｎ−タイプの層のエッジを除去してｐ−ｎダイオードを形成した。
【００６０】
得られた表面にプラズマ化学気相法を用いて窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）の層を被覆して、反射防止被覆を形成し、太陽電池ウエハとした。
【００６１】
次いで、アルミニウムペースト組成物を準備した。
【００６２】
アルミニウム含有材料（＞９５質量％）、上記表１の第１ガラス組成Ａ（＜５質量％）を混合し、固形分とした。ジエチレングリコール者ブチルエーテル８５質量％、エチルセルロース１３質量％、水素化ヒマシ油２質量％を混合して、有機媒体を調製した。この固形分３０質量％に対して、有機媒体７０質量％を混合して、アルミニウムペーストとした。
【００６３】
上記で作製した太陽電池ウエハの前面及び裏面に、それぞれ、電極用として、前面銀ペースト、裏面銀ペーストをスクリーン印刷法で塗布した。さらに裏面に前記アルミニウムペーストをスクリーン印刷法で塗布した。これを乾燥し、９６５℃で高温処理し、太陽電池を作製した。
【００６４】
（実施例２）
アルミニウムペーストの調製において、表１の第１ガラス組成Ａに代えて、第２のガラス組成Ｂを用いたことを除いては、実施例１と同様にして太陽電池を作製した。
【００６５】
（実施例３）
アルミニウムペーストの調製に用いるガラスを、第一のガラス組成Ａ及び第二のガラス組成Ｂの混合物（質量比Ａ／Ｂ＝９）としたことを除いては、実施例１と同様にして太陽電池を作製した。
【００６６】
（実施例４）
アルミニウムペーストの調製に用いるガラスを、第一のガラス組成Ａ及び第二のガラス組成Ｂの混合物（質量比Ａ／Ｂ＝３）としたことを除いては、実施例１と同様にして太陽電池を作製した。
【００６７】
（実施例５）
アルミニウムペーストの調製に用いるガラスを、第一のガラス組成Ａ及び第二のガラス組成Ｂの混合物（質量比Ａ／Ｂ＝１．５）としたことを除いては、実施例１と同様にして太陽電池を作製した。
【００６８】
（実施例６）
アルミニウムペーストの調製に用いるガラスを、第一のガラス組成Ａ及び第二のガラス組成Ｂの混合物（質量比Ａ／Ｂ＝１）としたことを除いては、実施例１と同様にして太陽電池を作製した。
【００６９】
実施例５−１、実施例７〜１０の条件は下記表の通りである。
【００７０】
実施例１〜１０、およびコントロールの太陽電池の電圧−電流曲線（Ｉ−Ｖ曲線）を測定し、変換効率を測定した。また、ゆがみを求めた。結果を下記表３にまとめる。
【００７１】
【表３−１】
0005160381.tif 000004
【００７２】
【表３−２】
0005160381.tif 000005
【００７３】
ゆがみδは、下記式によって算出される。ｔａはシリコン材料の厚みであり、ｔｂはアルミニウムペーストの厚みであり、Ｔｆはアルミニウムの逆転温度であり、Ｔは室温であり、αａはシリコンの膨張係数であり、αｂはアルミニウムの膨張係数であり、Ｅａはシリコンの弾性係数であり、Ｅｂはアルミニウムの弾性係数であり、およびｄはセルの長さである。
【００７４】
【数１】
0005160381.tif 000006
【００７５】
加えて、アルミニウムの逆転温度は５７７℃であり、環境の温度（室温）は２５℃であり、シリコンの膨張係数は３．５ｐｐｍ／Ｋであり、アルミニウムの膨張係数は２３ｐｐｍ／Ｋであり、シリコンの弾性係数はおよそ１１０ＧＰａであり、およびアルミニウムの弾性係数はおよそ７０ＧＰａである。
【００７６】
原則、ゆがみに影響を与える因子は、アルミニウムペーストの厚みおよびシリコン基板の厚みに関連するもののみである。さらに、アルミニウムペーストは５％未満のガラスにドープされるのみであり、全面積（１０ｃｍ×１０ｃｍ）内のガラスの分布はおよそ０．４μｍである。
【００７７】
実施例１、実施例２では、ゆがみは０．２５〜０．３５ｍｍ及び０．２０〜０．２５ｍｍであった。
【００７８】
実施例３〜６のデータから、コントロール群の変換効率は１４．１３％に到達できることが分かる。これに対して、実験群のドーピング率が１．５である場合には、１４．０７％の最良の変換効率が達成できる。
【００７９】
実施例５−１は、実施例５に示されるものと同様の有機媒体を用いた例を示す。ここで、およそ９５％アルミニウム粉末を使用し、第一のガラス組成Ａ及び第二のガラス組成Ｂのドーピング率は約１．５である。実験データから、９０５℃の焼結温度では、コントロール群の変換効率は１３．９７％であるものの、実験群ではより高い１４．１３％が達成できたことが示される。しかしながら、温度を変更すると、実施例５の電池の回路電圧は、コントロール群より低くなるであろう。
【００８０】
実施例７〜１０は、固形分を調節し、２タイプのガラス（第一のガラス組成Ａ及び第二のガラス組成Ｂ）でドープし、およそ１％未満のオレイン酸を添加した例を示す。９２５℃の焼結温度では、変換効率は１３．４１％であり、ゆがみが０．２０〜０．２５ｍｍである（実施例７）；一方、コントロール群Ｎｏ．１２の変換効率は１３．１４％であり、ゆがみが０．６０〜０．７５ｍｍである。焼結温度が９０５℃である場合には、本発明の変換効率は１３．４８％である、ゆがみが０．２５〜０．３５ｍｍである（実施例８）；一方、コントロール群Ｎｏ．１３の変換効率は１３．２１％であり、ゆがみが０．６０〜０．７５ｍｍである。
【００８１】
上記実施例の電池の電気特性は、コントロール群のものより高く、ゆがみがより低い。材料の固形分を調節しかつ２種のガラスを特定の割合で混合することにより、高い変換効率及び低いゆがみ特性が達成しうる。
【００８２】
上記から、本発明によると、太陽エネルギーの変換効率を上げかつゆがみを低減できることは明らかである。
【００８３】
図１は、実施例９の裏面アルミニウム層の集束イオンビーム（ＦＩＢ）分析結果を示すものである。図１において、実施例９の集束イオンビーム（ＦＩＢ）分析図の囲みの領域Ａから、焼結して合金を形成すると、アルミニウムはまずシリコン最表面に平滑に配置された後、拡散メカニズムによりシリコン基板の内層に拡散して、これによりアルミニウム−シリコン合金層を形成することが分かる。この層の形成は、ガラスの組成、アルミニウム、添加剤のサイズおよび形状のこの層は３つのパラメーターによって変化する。アルミニウムのサイズ及び形状を決定することによって、アルミニウム−シリコン合金層の形成が向上できる。アルミニウム及びシリコンの接触面積が大きくなると、シリコンと接触するアルミニウムは、焼結プロセス中にシリコン層に拡散する割合が増加して、これによりアルミニウム−シリコン合金層の厚みが増す。これにより、アルミニウムの形状が円形から楕円形に変化し、この楕円形のアルミニウムによりシリコンとの接触面積が大きくなり、より厚みのあるアルミニウム−シリコン合金層が形成される。より厚みのあるアルミニウム−シリコン合金層が形成されるほど、太陽電池の変換効率が向上しうる。
【００８４】
図２は、コントロール群の裏面アルミニウム層の集束イオンビーム（ＦＩＢ）分析結果を示すものである。コントロール群の構造はより良いアルミニウム−シリコン合金層を有するものの、変換効率は実施例９より低い。これは、ホール輸送のプロセスによる可能性がある。ホールはまずシリコン層からアルミニウム−シリコン合金層に移動した後、アルミニウムペースト面に移動する。このプロセス中、アルミニウムの緻密度が重要な要因である。図２から、単位面積では、アルミニウムの分布がより分散しており、ギャップがより大きく、さらにアルミニウム同士の接触面積が実施例９より小さいため、ホールの輸送のための余分な経路がより少なく、ゆえに抵抗がより高く、効率がより低くなってしまうことが、容易に考察される。アルミニウムの緻密度を向上するために、様々な粒度のアルミニウムを混合してもよい。ここで、より小さな粒度のアルミニウムを用いてより大きなアルミニウムによる空隙をうめると、緻密度が上がり、これにより抵抗が下がるという目標を達成して、非常に効率のよい太陽電池が得られる。
【００８５】
図３は、実施例９及びコントロール群の二次イオン質量（ＳＩＭＳ）分析結果を示す。より高い変換効率および最も低いゆがみが本発明によって得られることが、この断面分析から明らかである。下記が分布曲線から考察される：
（１）実施例９、およびコントロール群のいずれの場合にも、アルミニウムの強度は、表面から深さが約１００ｎｍでは、大きな傾きで減少するが、１００ｎｍ以降は傾きが小さい。これは表面から〜１００ｎｍの表面層ではアルミニウムが残存していることが考えられる。深さが１００ｎｍを超えると傾きが小さくなり、このことからアルミニウムの一部がシリコンウエハ中に拡散していることが示される。実験結果は、下記拡散式で表すことができる：
【００８６】
【数２】
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【００８７】
（αは、物質要素であり、βは、拡散係数であり、ｓは、拡散深さであり、Ｎｏは、単位面積あたりの原子数であり、およびＮは、単位面積あたりの拡散数である）。
【００８８】
（２）アルミニウムは３７５０ｎｍの深さ以降で拡散するので、シグナルが若干振動するが、これからこの深さ内ではアルミニウムの拡散濃度分布が均一でないことが示される。
【００８９】
（３）シグナルは、３５００ｎｍの深さ以降は平坦になる。
【００９０】
（４）上記（１）のフィッティングから、実施例９のアルミニウムの分布は１１．５μｍの深さ以降０であるが、コントロール群のアルミニウムは１０μｍの深さ以降０である。これから実施例９のアルミニウム−シリコン合金層はコントロール群のアルミニウム−シリコン合金層より厚いことが示される。したがって、実施例９の裏面電界（ＢＳＦ）層はより厚く、また、回路電圧はより高い。
【００９１】
図４〜６は、それぞれ、実施例５、実施例７および８、実施例９で用いたアルミニウムペーストを塗布し、熱処理温度（焼成温度）を変化させた場合の短絡回路電流（ｓｈｏｒｔ  ｃｉｒｃｕｉｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）Ｉ、回路電圧（ｏｐｅｎ  ｃｉｒｃｕｉｔ  ｖｏｌｔａｇｅ）ＶＯＣ、曲線因子（ｆｉｌｌ  ｆａｃｔｏｒ）ＦＦ、変換効率（ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）ηを示す図である。これらは、下記式によって算出される。
【００９２】
【数３】
0005160381.tif 000008
【００９３】
上記式中、Ｉ０は逆飽和電流であり、ＩＬは光発生電流であり、Ｖｍｐは最大出力電圧であり、Ｉｍｐは最大出力電流であり、ＩＳＣは短絡回路電流であり、Ｐｉｎは入射光強度であり、ｑは素電荷であり、ｋはボルツマン定数である。
【００９４】
温度分布から、実施例７及び８の電池の電気特性は、コントロール群のものより高く、ゆがみがより低い。材料の固形分を調節しかつ２種のガラスを特定の割合で混合することにより、高い変換効率及び低いゆがみ特性が達成しうる。
【００９５】
上記から、本発明によると、太陽エネルギーの変換効率を上げかつゆがみを低減できることは明らかである。
【００９６】
本発明の好ましい実施形態を説明してきたが、本発明は説明されてきた好ましい実施形態に限定されるものではないと、当業者には解されるであろう。むしろ、添付の特許請求の範囲に規定されるような、様々な変更や修飾が本発明の概念や範囲に含まれうる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の一実施形態に係る太陽電池の収束イオンビーム（ＦＩＢ）分析結果を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に包含されるコントロール群の背面に位置するアルミニウム層の収束イオンビーム（ＦＩＢ）分析結果を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る太陽電池の二次イオン質量（ＳＩＭＳ）分析結果を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る太陽電池の実験パラメーター（例えば、温度に対する短絡回路電流、温度に対する除去率、温度に対する開路電圧、および温度に対する変換効率）を示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る太陽電池の実験パラメーター（例えば、温度に対する短絡回路電流、温度に対する除去率、温度に対する開路電圧、および温度に対する変換効率）を示す図である。
【図６】本発明のさらに他の実施形態に係る太陽電池の実験パラメーター（例えば、温度に対する短絡回路電流、温度に対する除去率、温度に対する開路電圧、および温度に対する変換効率）を示す図である。
【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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