JP2007266488A - 太陽電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の厚さが薄くても、基板の反りの発生を抑えるとともに有効な厚さのＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）層の形成できる太陽電池の製造方法を得る。
【解決手段】太陽電池の基板の受光面と反対側の表面に起点層を形成する工程と、起点層の表面に電極となる主構成層を形成する工程と、起点層と基板の表面とで合金層を形成させるとともに主構成層の一部を合金層と基板とに拡散させる熱処理工程とを含むものである。
【選択図】図３

Description

この発明は、多結晶シリコンなどの基板を用いた太陽電池における、ＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）層を備えた太陽電池の製造方法に関するものである。

太陽電池においては、光の入射によって発生したキャリアを効率よく捕獲するために、太陽電池の裏面（受光面に対して反対側の基板面）にＢＳＦ層が形成されている。すなわち、太陽電池の基板の裏面には、発生したキャリアがその表面で再結合によって消失することを防ぐために、表面近傍に逆電界領域が形成されており、この逆電界領域で裏面に移動してきたキャリアを追い返す機能が付与されている。この逆電界領域がＢＳＦ層と呼ばれるもので、このようなＢＳＦ層（逆電界領域）の形成のためには、裏面電極の作製時に、ｐ型の太陽電池の基板に対してｐ＋型の導電型を有する領域が同時に形成されるような方法が取られている。このＢＳＦ層の形成を含めた裏面電極の作製方法としては、多結晶シリコン型の太陽電池の場合には、多結晶シリコン基板の裏面にアルミニウムペーストをスクリーン印刷により形成し、焼成時にアルミニウムペーストから基板内部へのアルミニウムの拡散によってｐ＋型の導電層（ＢＳＦ層）の形成と、アルミニウムによる裏面電極の作製とを同時に行う方法が低コストな作製方法として用いられている。また、他のＢＳＦ層の形成を含めた裏面電極の作製方法として、ｐ型のシリコン基板上にｐ＋型の微結晶シリコンを形成し、この上にアルミニウムを蒸着することによって裏面電極を作製する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２１４８８２号公報（４頁、図１、図２）

従来のスクリーン印刷による裏面電極の作製方法では、粒径が約５μｍのアルミニウム粒子を主成分としたスクリーン印刷ペーストを基板の裏面に印刷し、これを焼成して裏面電極が形成されている。焼成過程中に印刷ペースト中のアルミニウム粒子は、シリコン基板の境界面でシリコン基板と低融点の合金層を形成し、この合金層を介して、基板中にアルミニウムが拡散して、ｐ＋導電層、すなわちＢＳＦ層が形成されている。

しかしながら、従来のスクリーン印刷を用いた裏面電極の製造方法では、焼成工程中に印刷ペーストの収縮によって応力が発生する。この応力によって、多結晶シリコン基板に反りが発生する。太陽電池においては、低コスト化のために多結晶シリコン基板の厚さを極力薄くすることが試みられており、基板が薄くなるにしたがって印刷ペーストの収縮によって発生する応力のためにさらに顕著な反りが発生し、最悪の場合は基板の割れも発生する。このため、薄い多結晶シリコン基板用いた場合、生産歩留まりの低下がさらに顕著になるという問題があった。

また、発生応力による反りを抑制するためにアルミニウムを蒸着して裏面電極を形成する従来の方法では、基板の反りが発生しない程度の膜厚で裏面電極を形成することはできるが、裏面電極が薄いために、基板と電極との境界で形成される合金層が酸化などの影響で不均一となって必要な厚さのＢＳＦ層が形成されず、キャリアを追い返す効果が十分に発揮できないという問題があった。

この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたもので、基板の厚さが薄くても、基板の反りの発生を抑えることができるとともに、有効な厚さのＢＳＦ層を形成できる太陽電池用の裏面電極の製造方法を得ることを目的としている。

この発明に係る太陽電池の製造方法は、基板の受光面と反対側の表面に起点層を形成する工程と、起点層の表面に電極となる主構成層を形成する工程と、起点層と基板の表面とで合金層を形成する熱処理工程とを含むものである。

この発明に係る太陽電池の製造方法においては、熱処理によって基板と電極となる主構成層との間に、合金層の起点となる起点層を形成することにより、均一な合金層を形成することができる。そのため、主構成層の厚さが薄くとも、必要な厚さのＢＳＦ層を形成することができるので、基板の反りの発生を抑えることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における、太陽電池の製造方法を示す工程図である。図１において、多結晶シリコンの基板１の主面１ａは、太陽光などの光が入射する受光面であり、裏面１ｂに電極が形成される。多結晶シリコン基板１の厚さは約２５０μｍである。裏面１ｂの表面に起点層２となる膜厚約１００ｎｍのアルミニウム膜を物理蒸着法で形成する。物理蒸着法として、例えば抵抗加熱蒸着法を用いることができる。次に、このアルミニウム膜の起点層２の上に、図２に示すように、アルミニウムの粒子を含有した印刷ペーストを用いて、スクリーン印刷法により膜厚約２０μｍの主構成層３を形成する。アルミニウムの粒子の平均粒径は約５μｍである。起点層２の形成面積は、主構成層４の形成面積より大きいように構成する。さらに、この基板を大気中にて８００℃で３０分の熱処理を行う。この熱処理中に起点層２のアルミニウムが基板１の表面（裏面１ｂ）と反応溶融して、図３に示すように合金層４が形成されるとともに、主構成層３に含まれるアルミニウムが合金層４と基板１とに拡散していき、基板１の内部にＢＳＦ層５が形成される。ＢＳＦ層５は、アルミニウムが基板材料であるシリコンに拡散されて形成されたアルミニウムを含有したシリコン層である。主構成層３の外側の主要部分は電極６となる。

このように構成された太陽電池の製造方法によると、起点層２は基板の表面と面状に連続して接触している連続膜であるので、熱処理中に形成される合金層４が基板１の表面全体に渡って均一に形成されるとともに、主構成層３から拡散してきたアルミニウムが均一にかつ速やかに基板１内部に拡散していくので、主構成層３が基板の反りを発生させない比較的薄い膜厚（約２０μｍ）であても、ＢＳＦ層５が４〜５μｍの深さまで均一に形成される。ＢＳＦ層５の厚さが４〜５μｍあれば、裏面に移動してきたキャリアを追い返す効果は十分に発揮できる。したがって、基板の反りが発生せずに、必要とする膜厚のＢＳＦ層５を形成すことができる。また、起点層２の形成面積は、主構成層４の形成面積より大きいように構成されているので、電極６の基板１側には電極６のすべての面に渡ってＢＳＦ層５が形成されている。

比較のために、太陽電池の裏面電極をスクリーン印刷のみで作製した比較例を説明する。図４は、比較例の製造方法を示す工程図である。図４において、基板１の裏面１ｂに、電極６となるアルミニウムの粒子を含有した印刷ペーストを直接印刷する。このとき、印刷膜厚は、本実施の形態と同じように基板の反りが発生しない、約２０μｍとする。この基板を大気中にて８００℃で３０秒の熱処理を行う。

このような工程で作製された太陽電池においては、熱処理中に電極６中のアルミニウムの粒子が基板１の表面（裏面１ｂ）と反応溶融して、図５に示すように合金層４が形成されるとともに、アルミニウムが合金層４と基板１とに拡散していき、ＢＳＦ層５が形成される。このとき、アルミニウムの粒子の中心粒径が約５μｍであり印刷膜厚が約２０μｍと薄いので、アルミニウムの微粒子が完全に基板１の表面を覆い尽くしていないため、合金層４が一様に形成されず、部分的に点在するような状態になる。その結果、ＢＳＦ層５も膜厚分布の大きい不均一なものとなりその平均膜厚も約３μｍとなり、裏面に移動してきたキャリアを追い返す効果が十分に発揮されない。

また、比較例においては、合金層４が点在するような状態で形成されているので、電極６と基板１との密着力も不均一となり、電極６の一部が剥離する場合もある。一方、本実施の形態のように、起点層を基板の裏面に渡って均一に形成しておれば、電極と基板との密着力も均一になるので、電極の剥離も起こらない。

なお、比較例において、印刷膜厚を２０μｍ以上にすると、図５に示すような合金層の不均一な状態はある程度改善されるが、熱処理中の印刷膜の収縮が大きくなり、応力が大きくなって厚さ約２５０μｍ以下の基板では基板の反りが顕著になる。したがって、スクリーン印刷のみで電極を作製する方法では、基板の反りを抑えて必要となる均一な膜厚のＢＳＦ層を形成することはできない。

ＢＳＦ層を形成する元素を十分に基板に拡散させるためには、主構成層の材料と基板とで熱処理中に合金層を形成することが有効であるが、この合金層が電極の全面に渡って均質に形成されることが重要である。そのためには、基板面上に、合金層の発生の起点となる領域を、なるべく多く均質に形成する必要がある。さらに、起点となる領域上に、拡散元素を供給する領域となる主構成層の形成が必要である。比較例において、主構成層を直接基板の表面に印刷した場合、上述のように主構成層と基板の表面との単位面積当たりの接触面積が小さくなる。本実施の形態においては、起点層と基板の表面との単位面積当たりの接触面積が、主構成層と起点層の表面との単位面積当たりの接触面積より大きいので、電極の全面に渡って均一な合金層を形成することができる。

基板としては、多結晶シリコンのほかに、単結晶シリコン、ガリウムヒ素などの材料を用いることができる。起点層の材質としては、これらの基板材料と容易に合金層を形成できる材料であればよい。例えば起点層の材料としては、本実施の形態に用いたアルミニウムのほかに、アルミニウム合金、Ａｌ−Ｓｉ合金が有効である。共晶合金のように分相化しても実用上問題はない。Ａｌ−Ｓｉ合金の場合には、上述のような基板材料すべてにおいて有効である。

なお、本実施の形態においては、起点層を物理蒸着法で形成したが、化学蒸着法、スパッタ法などの連続膜が形成できる他の成膜方法を用いることもできる。また、起点層の厚さは、熱処理中に合金層の形成の起点となればよいため、最低限の厚さであればよい。１０ｎｍ以上の厚さであれば、合金層の形成の起点となる。それ以上の厚さでもとくに問題はないが、実際には主構成層よりも厚いことは起点層としての利用の目的からは効果が失われることとなる。蒸着法などの連続的な膜形成の場合には、プロセス的なコスト、時間などの点で起点層を厚くするメリットは少ない。

実施の形態２．
実施の形態１では起点層の材料としてアルミニウム膜を蒸着したが、実施の形態２においては、アルミニウムとシリコンの共晶組成であるＡｌ−Ｓｉ合金膜を起点層として蒸着したものである。Ａｌ−Ｓｉ合金膜のＡｌの占める比率は１２．６ｗｔ％であり、膜厚は約５０ｎｍである。Ａｌ−Ｓｉ合金膜の融点は、５７７℃であり、ＡｌおよびＳｉのそれぞれの融点である６６０℃および１４１４℃より低い。次に、このＡｌ−Ｓｉ合金膜の起点層の上に、実施の形態１と同様に、アルミニウムの微粒子を含有した印刷ペーストを用いて、スクリーン印刷法により膜厚約１５μｍの主構成層を形成する。さらに、この基板を大気中にて８００℃で３０分の熱処理を行う。

このように構成された太陽電池の作製方法においては、起点層がＡｌ基板のシリコンよりも低融点のＡｌ−Ｓｉ合金膜で構成されているので、シリコンの含有率の多い合金層の融点がシリコン基板の融点よりも低くなり、主構成層から拡散してきたアルミニウムが実施の形態１よりもさらに均一にかつ速やかに合金層および基板内部に拡散していくので、主構成層が実施の形態１よりも薄い膜厚（約１５μｍ）であても、ＢＳＦ層が約５μｍの深さまで均一に形成される。

実施の形態３．
実施の形態２では、起点層となるＡｌ−Ｓｉ合金膜を物理蒸着法で形成したが、実施の形態３においては、Ａｌ−Ｓｉ合金膜をスクリーン印刷法で形成したものである。実施の形態１と同様な多結晶シリコン基板の表面に、Ａｌ−Ｓｉ合金の微粒子を含んだ印刷ペーストを厚さ８μｍで印刷する。Ａｌ−Ｓｉ合金の微粒子の中心粒径は約２μｍであり、その組成は、Ａｌが２０ｗｔ％である。印刷膜を８０℃で３０分間乾燥し、実施の形態１と同様に、この印刷膜の上にアルミニウムの微粒子を含有した印刷ペーストを用いて、スクリーン印刷法により膜厚約２０μｍの主構成層を形成する。アルミニウムの微粒子の平均粒径は約８μｍである。この基板を大気中にて８００℃で３０秒の熱処理を行う。この熱処理中に起点層のＡｌ−Ｓｉ合金の微粒子が基板の表面と反応溶融して合金層が形成されるとともに、主構成層に含まれるアルミニウムが合金層と基板とに拡散していき、基板の内部に深さ４〜５μｍのＢＳＦ層が形成される。主構成層の外側の主要部分は電極となる。

このように構成された太陽電池の作製方法においては、主構成層に用いたアルミニウムの微粒子よりも起点層に用いたＡｌ−Ｓｉ合金の微粒子の方が粒径は小さいので、アルミニウムの微粒子を直接基板に印刷するよりもＡｌ−Ｓｉ合金の微粒子と基板との接触点が多い。つまり、起点層と基板の表面との単位面積当たりの接触面積が、主構成層と前記起点層の表面との単位面積当たりの接触面積より大きくなる。そのため、起点層と基板との界面に形成される合金層が、実施の形態１で説明した比較例よりも均一に形成される。アルミニウムの粒子を中心粒径が約２μｍまで細粒化して用いることも考えられるが、アルミニウムの粒子を細粒化することは、アルミニウム微粒子の急激な酸化による発熱などを抑制するために取扱いが非常に難しくなる。Ａｌ−Ｓｉ合金は、アルミニウムよりも酸化されにくいため、微粒子化が可能であり、本実施の形態においては、比較的取扱いが簡単なＡｌ−Ｓｉ合金の微粒子を起点層に用いているので、基板表面全体に渡って均一な合金層が形成できるとともに、主構成層から拡散してきたアルミニウムが均一にかつ速やかに基板内部に拡散していくので、主構成層が基板の反りを発生させない比較的薄い膜厚（約２０μｍ）であても、ＢＳＦ層が約５μｍの深さまで均一に形成される。

なお、本実施の形態では、起点層および主構成層を形成する方法としてスクリーン印刷法を用いたが、例えばスピンコート法、ディプ法、噴霧法など、微粒子で構成された材料を基板表面に均一な膜を形成する他の方法を用いることもできる。

この発明の実施の形態１による太陽電池の製造方法を示す工程図である。 この発明の実施の形態１による太陽電池の製造方法を示す工程図である。 この発明の実施の形態１による太陽電池の製造方法を示す工程図である。 この発明の実施の形態１における比較例の製造方法を示す工程図である。 この発明の実施の形態１における比較例の製造方法を示す工程図である。

符号の説明

１ 基板
１ａ 主面
１ｂ 裏面
２ 起点層
３ 主構成層
４ 合金層
５ ＢＳＦ層
６ 電極

Claims (8)

1. 基板の受光面と反対側の表面に起点層を形成する工程と、
   前記起点層の表面に電極となる主構成層を形成する工程と、
   前記起点層と前記基板の表面とで合金層を形成する熱処理工程と
   を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。
2. 起点層と基板の表面との単位面積当たりの接触面積が、主構成層と前記起点層の表面との単位面積当たりの接触面積より大きいことを特徴とする請求項１記載の太陽電池の製造方法。
3. 起点層は、連続膜であることを特徴とする請求項１記載の太陽電池の製造方法。
4. 起点層を構成する材料は、前記起点層と基板の表面とで形成された合金層の融点が前記基板の融点よりも低くなる材料であることを特徴とする請求項１記載の太陽電池の製造方法。
5. 起点層を構成する材料の融点は、主構成層を構成する材料の融点以下であることを特徴とする請求項１記載の太陽電池の製造方法。
6. 基板は、多結晶シリコン、単結晶シリコンおよびガリウム砒素の少なくといずれかを含むことを特徴とする請求項１記載の太陽電池の製造方法。
   起点層および主構成層を構成する材料は、シリコン、またはアルミニウムの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１記載の太陽電池の製造方法。
7. 起点層の厚さは、主構成層の厚さ以下であることを特徴とする請求項１記載の太陽電池の製造方法。
8. 起点層を形成する工程は、物理蒸着法あるいは印刷法であることを特徴とする請求項１記載の太陽電池の製造方法。

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