JP5241758B2

JP5241758B2 - 太陽電池用ペースト材及び太陽電池の製造方法

Info

Publication number: JP5241758B2
Application number: JP2010049987A
Authority: JP
Inventors: 光小林; 昌男高橋
Original assignee: Osaka University NUC
Current assignee: University of Osaka NUC
Priority date: 2005-02-21
Filing date: 2010-03-08
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2025-05-12
Also published as: JP2010123999A

Description

本発明は、シリコン（Ｓｉ）太陽電池、詳しくは、ｐｎ接合を有するＳｉ太陽電池の電極やｐ^＋層の形成技術に関するものである。

Ｓｉ太陽電池は、通常、ｐ型Ｓｉ基板の一方の主面（表面）側にｎ^＋層および他方の主面（裏面）側にｐ^＋層を設けて、ｎ^＋／ｐ／ｐ^＋接合を形成した上で、上記ｎ^＋層上に透光性の受光面電極を配置し、上記ｐ^＋層上に対向電極を配置した構造である。

そして、上記ｎ^＋層上の受光面電極は、銀（Ａｇ）ペーストを櫛歯状に印刷により塗付した後、乾燥させ、その後アニールをして形成し、また、上記ｐ^＋層上の対向電極には、例えばＡｌ粉末が７０重量％、ガラスフリットが１重量％、有機結合剤が３重量％および有機溶剤が２６重量％からなるアルミニウムペーストを塗布した後、乾燥させ、その後アニールをして形成される。

近年、上記アルミニウムペーストの改良型として、Ａｌ粉末と、このＡｌ粉末１００重量部に対して０．５〜５０重量部のＳｉと、有機溶剤と、必要に応じて添加される有機結合剤とから成る太陽電池用ペースト材が提案され、これによると、アルミニウムペーストのアニール後に、Ａｌ層とＳｉ基板との熱膨張率の違いから、Ｓｉ基板が反るという現象が少なくなり、カセット収納や次工程での製造プロセスにおいて、自動搬送機のハンドリングミスなどを生じることや、素子の割れや欠けを発生して製造歩留まりを低下させることが少なくなったとする。（特許文献１）

特開２００１−３１３４０２号公報

ところが、Ａｌ層とＳｉ基板との熱膨張率（Ａｌ；２３．２５×１０^−６ｄｅｇ^−１、Ｓｉ；２．５×１０^−６ｄｅｇ^−１）の違いは、上記の通り約１桁に及ぶ大差である。つまり、単にＡｌ粉末とＳｉ粉末とを混合したペーストを用いるだけでは、実際にはＳｉ基板の反りを解消するにはアルミニウムペースト中のＡｌ粉末に対するＳｉ粉末の配合割合を相当高く設定しなければならないのである。そして、Ｓｉ粉末の配合割合が高くなれば、塗布したペーストのアニール後には、逆に電極材料における導電性の低下を招くことになるため、太陽電池の特性が悪化してしまう。具体的には、Ｓｉ基板のそりを解消するためには、Ｓｉ粉末の配合割合を１０重量％乃至５０重量％程度にする必要があることが予測されるところである。尚、先に述べた特許文献１における実施例では、Ｓｉ粉末の配合割合が１０重量％未満の場合の具体的なデータは開示されていない。また、Ｓｉの配合割合だけでなく、その混合方法についても最適化しなければ、電極層においてＳｉが偏在してしまうことになって変換効率が向上しないことになる。

本発明の目的は、電極層に含まれるＳｉの配合割合を実質的に低くするとともに、Ｓｉの均一に分散させた電極を形成することにより、Ｓｉ太陽電池の顕著な性能向上を実現することにある。

上記目的を達成すべく、鋭意研究を重ねた結果、発明者らは、Ｓｉ粉末の配合割合が多すぎる場合のみならず、該割合が低すぎても太陽電池としてのエネルギー変換効率に悪影響があることを見出した。即ち、母材とするＡｌ粉末中のＳｉの割合が低すぎれば、電極形成時にＳｉ基板側から裏面金属電極側に対してＳｉ原子が拡散するため、Ｓｉ基板側の裏面電極との界面領域に欠陥を多く発生させ、それが変換効率の悪化を招くこととなることが明らかとなった。さらに、発明者らは、Ｓｉ粉末の配合割合のみならず、ＡｌとＳｉを混合する手段についても研究を進めた結果、単純にＡｌ粉末とＳｉ粉末をバインダー等と混ぜ合わせて電極を形成するよりも、先にＡｌとＳｉの合金を作製しておき、その合金を粉砕して形成した粉末とバインダー等と混合したペースト材を用いて電極を形成するほうが、ＳｉがＡｌ母材に均一に含まれた電極を形成することができ、結果として変換効率に寄与することを知見し、この発明を完成した。

すなわち、本発明に係る太陽電池は、受光面電極と対向電極との間に、ｐ型シリコン（Ｓｉ）層の一方の表面上にｎ^＋層を設け、かつ該シリコン（Ｓｉ）層の他方の表面上にｐ^＋層を設けた構造を有し、該ｐ^＋層表面に配置された電極は、Ａｌ−Ｓｉ合金の粒状焼結体を含むことを特徴とする。ここで、該ｐ^＋層がＡｌ−Ｓｉ合金層を介して前記粒状焼結体に接していることがエネルギー変換効率上好ましい。これは、ｐ^＋層がＡｌ−Ｓｉ合金層を介してＡｌ−Ｓｉ合金の粒状焼結体に接することにより、ｐ^＋層表面のＳｉが電極中へ拡散しにくくなる点で有利だからである。尚、ここで粒状とは、粒が１個１個に分かれて合金中に存在している場合はもとより、複数の粒が合金中で結合又は凝集して一体となって存在している場合も含むものとする。

本発明に係る太陽電池用ペースト材は、シリコン（Ｓｉ）基板の一方の表面側にｐ^＋層または電極を形成する際に用いるペースト材において、主成分として、アルミニウム（Ａｌ）に対するシリコン（Ｓｉ）の重量比が５％以上５０％以下であるＡｌ−Ｓｉ合金の粉末を含むことを特徴とする。この材質の粉末を用いることにより、ペースト材全体としての融点の低下をもたらし、結果としてＡｌ―Ｓｉ合金の均一性を高めることができる。また、最終的なペースト材における、アルミニウム（Ａｌ）に対するシリコン（Ｓｉ）の重量比は、１％以上１０％以下が好ましい。１％未満であれば、アルミニウム（Ａｌ）に対するシリコン（Ｓｉ）の固溶限界値から大きく下回り、特に、太陽電池の製造工程におけるアニール処理の際に、ｐ^＋層や電極層に対するＳｉ基板側からのＳｉ原子の拡散が促進されてしまい、太陽電池のエネルギー変換効率が悪化する。他方、１０％を越えると、電極の抵抗が高くなるため、太陽電池特性、特に、曲線因子（Ｆ．Ｆ．）を悪化させることとなり、太陽電池のエネルギー変換効率が低下してしまう。これらの弊害をより少なくする意味で、最終的なペースト材における、アルミニウム（Ａｌ）に対するシリコン（Ｓｉ）の重量比は、１．５％以上３％以下が好ましい。また、該ペースト材の粘度調整が容易になるため、該残余成分中には、ガラスフリット、有機結合剤及び有機溶剤等を含むことが好ましい。更に、該ペースト材は、Ａｌ−Ｓｉ合金の粉末を５０重量％以上含むことが好ましい。これは、５０重量％未満では、粉末間の結合が不十分となり、最終成形物の電気抵抗が大きくなるという問題が生じるためである。

本発明に係る太陽電池の製造方法は、シリコン（Ｓｉ）基板の表面にｐ^＋層または電極を形成する工程において、Ａｌ−Ｓｉ合金の粉末含有ペースト材を塗布した後、乾燥させ、その後アニールして前記ｐ^＋層または電極を形成する工程を含むことを特徴とする。尚、該Ａｌ−Ｓｉ合金は、アルミニウム（Ａｌ）に対するシリコン（Ｓｉ）の重量比を１％以上１０％以下とすることが好ましい。これは、少ないＳｉ含有量でＳｉのｐ^＋層表面から裏面金属電極へのＳｉ拡散を抑え、ｐ^＋層表面の欠陥発生を無くして最終製造物である太陽電池のエネルギー変換効率をより向上させることができるからである。

本発明のいずれの発明によっても、単にＡｌ粉末とＳｉ粉末とを混合したペースト材を用いた場合に比べて、Ａｌ−Ｓｉ合金粉末を含むペースト材を用いて作製した太陽電池の方が、Ｓｉ基板から電極であるＡｌ母材への拡散を最小限にすることが可能となり、その結果としてＳｉ基板における最表面層の欠陥の発生を効果的に抑制することができ、変換効率が上がるという効果が見られた。勿論、Ｓｉを含有しない場合に比べても、太陽電池のエネルギー変換効率を、一段と高めることができる。

実施例のＳｉ太陽電池の断面構造図実施例のＳｉ太陽電池の起電力（電流―電圧）特性図（ａ）はアニール処理温度と変換効率（丸印）との関係及びアニール処理温度と曲線因子（三角印）との関係を示すグラフであり、（ｂ）はアニール処理温度と開放電圧（丸印）との関係及びアニール処理温度と短絡電流密度（三角印）との関係を示すグラフである。

以下、本発明の具体的な実施形態を、添付する図面に基づいて詳しく説明する。

図１は、本発明の実施例におけるＳｉ太陽電池の断面構造図である。このＳｉ太陽電池を形成するために、まず、比抵抗がおよそ１０Ωｃｍの（１００）面ｐ型シリコン基板１を用いて、その表面側にはリン（Ｐ）含有コート層の形成および９００℃の熱処理でｎ^＋層２を形成した。次に、この基板１の裏面に、アルミニウム（Ａｌ）単体と、シリコン含有アルミニウム合金（以下、Ａｌ−Ｓｉ合金という。）の粉末を主成分に用いたアルミニウム合金ペースト（以下、Ａｌ−Ｓｉ合金ペーストという。）をスクリーン印刷法によって塗布し、１５０℃で１０分間の乾燥処理の後、７００℃で１分間のアニール処理を行って、対向電極３を形成した。このとき、基板１の裏面にはＡｌ−Ｓｉ合金ペースト中のＡｌの拡散導入によりｐ^＋層４が形成される。次に、上記ｎ^＋層２上には、銀（Ａｇ）ペーストをくし歯状にスクリーン印刷法で塗布成した後、乾燥１５０℃で１０分間、さらに、アニール５５０℃で１乃至１０分間の各加熱処理で受光面電極５を形成した。尚、上記工程を経て製造した対向電極３は、Ａｌに対するＳｉの重量比が固溶限界値以上、即ち１．６０％であって５０％以下の粒状焼結体を含んでいた。対向電極全体に含まれるＡｌに対するＳｉの重量比は、１％以上１０％以下であった。

ここで、上記Ａｌ−Ｓｉ合金ペーストは、Ａｌに対する重量比が５％以上５０％以下のＡｌ−Ｓｉ合金を粉砕して作製した粉末を用いることが、ペースト材のＡｌとＳｉの重量比調整をより容易にする意味で好ましい。また、最終的なペースト材における、アルミニウム（Ａｌ）に対するシリコン（Ｓｉ）の重量比は、１％以上１０％以下が好ましい。これは、Ｓｉ基板からＡｌを母材とする電極層への拡散を効果的に抑制することができるためである。この最終的なペースト材における重量比については、固溶最大限に近い、重量比１．５％以上３％以下のＡｌ−Ｓｉ合金ペーストを用いることが上記効果を更に発揮させることができるためにより好ましい。特に、この重量比の下限値は、固溶限界値である１．５９が最も好ましい。最終的なペースト材における重量比を予め調整したペースト材を用いて形成したＡｌ−Ｓｉ合金であれば、Ａｌ中でＳｉが最大固溶でかつ均一分布しているのでＡｌ中のＳｉ分布が均一である。従って、ペースト材の加熱処理過程（例えば、電極形成のアニール処理など）で、ＳｉがＡｌ中に固溶する量は無視できる程度に小さくなる。

尚、比較のため、主成分がＳｉを含まない、Ａｌ粉末のみのアルミニウムペースト材を用いたＳｉ太陽電池も製作した。

図２は、上記実施例の工程に基づいて製造したＳｉ太陽電池の起電力（電流―電圧）特性図である。但し、一部の工程を変更している。具体的には、特性曲線（ａ）はペースト中にＳｉを含まずＡｌ粉末のみで対向電極を形成したもの、特性曲線（ｃ）はペースト中に２重量％のＡｌ−Ｓｉ合金の粉末を混ぜたものを用いて対向電極を形成したものの場合である。尚、特性曲線（ｂ）は２重量％のＳｉ含有Ａｌ−Ｓｉ合金粉末を混ぜたペーストで対向電極を形成する際に６００℃の処理を４分間実施した場合のものである。

図２の特性曲線（ａ），（ｃ）の対比から、ペースト中に２重量％のＳｉ含有Ａｌ−Ｓｉ合金の粉末を有するアルミニウム合金ペーストにより対向電極を形成したものは、電流密度が高くかつ出力特性に優れ、この実施例によっても変換効率が１３．４％になり、Ｓｉを含まない場合の１２．０％より、増加率として１０％以上向上した。これは、７００℃程度の処理においてもＳｉのＡｌ中へ均一に拡散されているからである。この結果、Ａｌ−Ｓｉ合金の粉末を混ぜたペースト材を用いたことで、裏面シリコン基板に欠陥が生じることを防止する、いわゆる欠陥抑制作用のあることが明らかとなった。また、１重量％未満のＡｌ−Ｓｉ合金粉末により対向電極を形成した場合は、図２における（ａ）とほぼ同様の結果となり、Ａｌ−Ｓｉ合金粉末を用いた効果が有意なものとして確認できなかった。尚、特性曲線（ｂ）に見られるように、アニール処理が過剰になると、Ａｌの酸化が進み、出力特性の曲線因子（Ｆ．Ｆ．；ＦｉｌｌＦａｃｔｏｒ）の低下が著しくなることが分かった。

図３は、この実施例の太陽電池に関して、変換効率（η）、曲線因子（Ｆ．Ｆ．）、開放電圧（Ｖｏｃ）および短絡電流密度（Ｊｓｃ）の諸特性をそのアニール処理温度の依存性により示す。これらの特性から、Ａｌ中にＳｉを混在させたＡｌ−Ｓｉ合金粉末を用いることで、より高い変換効率が得られるように、アニール条件を調整できることも分かる。具体的には、アニール条件としては、処理時間を１分間としたときに、６５０℃以上７５０℃以下で処理することが適当であった。

以上に、本発明を、実施例のＳｉ太陽電池およびその製造方法により詳細に述べたが、本発明は、単結晶Ｓｉ太陽電池に限らず、同様の構成を持った多結晶Ｓｉ太陽電池にも適用可能である。また、本実施例では、図１に示すように、受光面電極がｎ^＋層表面に配置され、対向電極がｐ^＋層表面に配置されているが、この構成に限らず、受光面電極がｐ^＋層表面に配置され、対向電極がｎ^＋層表面に配置されていても本発明の実質的な効果が生じる。

本発明は、単結晶および多結晶のＳｉ太陽電池に利用することを初めとして、本技術のＡｌ−Ｓｉ合金粉末含有ペーストをＳｉ半導体装置の電極構成体に用いる各種の半導体装置に利用して、その特性改善に寄与することができる。

１ｐ型シリコン基板
２ｎ^＋層
３対向電極
４ｐ^＋層
５受光面電極

Claims

シリコン（Ｓｉ）基板の一方の表面側にｐ＋層または電極を形成する際に用いるペースト材料において、
主成分として、アルミニウム（Ａｌ）と、アルミニウム（Ａｌ）に対するシリコン（Ｓｉ）の重量比が５％以上５０％以下であるＡｌ−Ｓｉ合金の粉末とを含み、
残余成分として有機溶剤を含み、かつ
前記ペースト材料における前記アルミニウム（Ａｌ）に対する前記シリコン（Ｓｉ）の重量比が１．５％以上３％以下である
太陽電池用ペースト材。
前記ペースト材料における前記アルミニウム（Ａｌ）に対する前記シリコン（Ｓｉ）の重量比が１．５９％である
請求項１に記載の太陽電池用ペースト材。
前記ペースト材料における前記残余成分中に、有機結合剤を含む
請求項１に記載の太陽電池用ペースト材。
前記ペースト材料は、前記Ａｌ−Ｓｉ合金の粉末を５０重量％以上含む
請求項１に記載の太陽電池用ペースト材。
太陽電池の製造方法におけるシリコン（Ｓｉ）基板の表面にｐ＋層または電極を形成する工程において、
Ａｌ−Ｓｉ合金の粉末含有ペースト材料を塗布した後、乾燥させ、その後アニールして前記ｐ＋層または電極を形成する工程を含み、かつ
前記ペースト材料におけるアルミニウム（Ａｌ）に対するシリコン（Ｓｉ）の重量比が１．５％以上３％以下である
太陽電池の製造方法。
前記Ａｌ−Ｓｉ合金の粉末は、アルミニウム（Ａｌ）に対するシリコン（Ｓｉ）の重量比が５％以上５０％以下である
請求項５に記載の太陽電池の製造方法。
前記ペースト材料における前記アルミニウム（Ａｌ）に対する前記シリコン（Ｓｉ）の重量比が１．５９％である
請求項５に記載の太陽電池の製造方法。
前記ペースト材料における前記残余成分中に、有機結合剤を含む
請求項５に記載の太陽電池の製造方法。
前記ペースト材料は、前記Ａｌ−Ｓｉ合金の粉末を５０重量％以上含む
請求項５に記載の太陽電池の製造方法。