JP4993870B2 - 光起電力素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、単結晶シリコン基板などの半導体基板を用いた光起電力素子に関するものである。

単結晶シリコン基板などの結晶系半導体基板を用いた光起電力素子は、光電変換効率が高く、既に太陽光発電システムとして広く一般に実用化されている。

光起電力素子においては、素子内部において光電変換より発生した電流を取り出すため、表面にＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などの透明性導電材料からなる透明電極を形成し、その上に電流を外部に取り出すための集電極が形成されるのが一般的である。集電極としては、素子の表面の一端から他端に延びるように形成され、かつ所定間隔を空けて多数形成されるフィンガー電極と呼ばれる電極と、フィンガー電極と一体的に形成され、フィンガー電極で集めた電流をさらに集めるためのバスバー電極とが一般に形成されている。

光起電力素子を複数並べて太陽電池モジュールを作製する場合、通常隣接する光起電力素子の間において、一方の素子のバスバー電極と他方の素子の裏面電極とを銅箔などでハンダ付けして、複数の光起電力素子を直列に接続させている。

しかしながら、このようなハンダ付け作業の際、バスバー電極などの集電極の素子表面に対する密着強度が弱く、バスバー電極などの集電極が素子表面から剥離してしまう場合があった。

非特許文献１においては、集電極の厚みを厚くして低抵抗化を図るため、集電極を素子内部に埋め込む構造が提案されている。しかしながら、この文献においては、本発明のような集電極を埋め込む凹部内壁面のテクスチャ構造の形成については開示されていない。
"The Saturm Cell from BP Solar" , PHOTON INTERNATIONAL, p48,MAY,2003

本発明の目的は、集電極の密着強度を高めることができる光起電力素子及びその製造方法を提供することにある。

本発明の光起電力素子は、単結晶シリコン基板を用い、該基板の少なくとも一方の表面上に集電極が形成された光起電力素子であり、集電極が形成される基板表面の領域の内側の領域にのみ、凹部が形成されており、該凹部の内壁面を含み前記基板の表面にテクスチャ構造の凹凸が形成されており、該凹部上に前記集電極の少なくとも一部が前記基板表面の凹部以外の領域上に跨って形成されていることを特徴としている。

本発明においては、内壁面にテクスチャ構造の凹凸が形成された凹部が基板表面に形成されており、好ましくは該凹部を埋めるように、該凹部上に集電極が形成されている。従って、集電極は凹部内において、内壁面の凹凸と係合しており、高い密着強度で基板表面に密着している。このため、銅箔等をハンダ付けする作業においても、集電極が従来のように容易に剥離することを防止できる。

本発明において内壁面に形成されるテクスチャ構造の凹凸は、例えば、半導体基板の表面に、エッチングによりテクスチャ構造の凹凸を形成する際に同時に形成することができる。すなわち、基板表面に凹部を形成しておくことにより、基板表面をエッチングすると同時に、凹部の内壁面をエッチングし、凹部の内壁面にテクスチャ構造の凹凸を形成することができる。

本発明において、凹部の深さは、テクスチャのサイズ等によって適宜設定されるものであるが、２〜５０μｍ程度が好ましい。また、凹部のサイズ（幅）は、集電極の幅以下であれば特に限定されるものではないが、一般には５μｍ以上の幅を有することが好ましい。

本発明において、凹部上に形成される集電極は、フィンガー電極であってもよいし、バスバー電極であってもよいし、これらの両方であってもよいが、銅箔等をハンダ付けにより取り付ける際に剥離の問題が生じるのは、一般にバスバー電極であるので、本発明において凹部の上に形成する集電極はバスバー電極であることが好ましい。

また、本発明において、集電極に対して複数の凹部が形成される場合には、複数の凹部を集電極の平面形状に沿って配置されるように形成しておくことが好ましい。

本発明の製造方法は、上記本発明の光起電力素子を製造することができる方法であり、集電極が形成される基板表面の領域の内側の領域にのみ、凹部を形成する工程と、凹部が形成された基板をエッチングすることにより、基板表面及び凹部の内壁面にテクスチャ構造の凹凸を形成する工程と、エッチング処理後の基板に半導体接合を形成して、光電変換機能を付与する工程と、凹部上に、集電極の少なくとも一部を基板表面の凹部以外の領域上に跨って形成する工程とを備えることを特徴としている。

本発明の製造方法において、集電極は該凹部を含む領域に形成されていてもよい。

本発明の製造方法において、基板表面に凹部を形成する方法としては、例えば、レーザー加工、ダイシング加工、フォトレジスト等のマスクを使用したエッチング加工などが挙げられる。凹部を形成するためのエッチング加工としては、例えば、フッ硝酸処理、ドライエッチング等が挙げられる。加工の容易さの観点からは、レーザー加工が好ましく用いられる。

本発明の製造方法においては、凹部を形成した基板をエッチングすることにより、基板の表面及び凹部の内壁面にテクスチャ構造の凹凸を形成する。テクスチャ構造の凹凸を形成するためのエッチングとしては、結晶系半導体基板の場合、従来より一般に結晶系半導体基板において採用されているウェットエッチング方法を用いることができる。例えば、従来よりＬｉＯＨまたはＫＯＨなどのアルカリ性化合物の水溶液を用いてウェットエッチングがなされている。また、これらのアルカリ性水溶液に、イソプロピルアルコールなどを添加したものをエッチング液として用いてもよい。また、このようなケミカル以外のエッチング方法としては、反応性イオンエッチング（ドライエッチング）などを用いてテクスチャ構造の凹凸を形成してもよい。

本発明の製造方法においては、エッチング処理後の基板に半導体接合を形成して、光電変換機能を付与する。例えば、ｎ型もしくはｐ型の結晶系半導体基板の上に、直接ｐ型もしくはｎ型の非晶質シリコン層を形成するか、あるいは真性のｉ型非晶質シリコン層を介してｐ型もしくはｎ型の非晶質シリコン層を形成することにより、半導体接合を形成する。また、ｎ型もしくはｐ型の結晶系半導体基板の表面にｐ型もしくはｎ型のドーパントをドープすることによりｐｎ接合を形成してもよい。

上記のように、半導体接合を形成した後、通常はその表面に透明電極を形成する。透明電極としては、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）などの透明導電性薄膜をスパッタリング法などにより形成する。

上記のようにして光電変換機能を付与した後、基板の凹部を含む領域の上に、凹部の内部を埋めるように集電極を形成する。集電極の形成の方法は、特に限定されるものではないが、スクリーン印刷、オフセット印刷法などの印刷法やスパッタリング法、蒸着法、めっき法などが挙げられる。簡易な方法としては、スクリーン印刷法などの印刷法が好ましく用いられる。印刷法により集電極を形成する場合には、銀ペーストなどの導電ペーストを印刷する。

本発明によれば、基板に対する密着強度の高い集電極が形成される。従って、銅箔等をハンダ付けする際にも剥離しにくい集電極とすることができる。

以下、本発明を具体的な実施例により説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態の光起電力素子の集電極近傍を示す断面図である。図１に示すように、結晶系半導体基板としての単結晶シリコンウエハ１の主面１ａには、凹部２が形成されており、凹部２の内壁面２ａには、テクスチャ構造の凹凸が形成されている。主面１ａ及び凹部２の内壁面２ａの上には、非晶質シリコン層４が形成されている。単結晶シリコンウエハ１はｎ型の単結晶シリコンウエハであり、この上にｉ型非晶質シリコン膜及びｐ型非晶質シリコン膜を積層することにより、非晶質シリコン層４が形成されている。非晶質シリコン層４の上には、上記テクスチャ構造の凹凸に対応する凹凸を有するＩＴＯなどからなる透明電極５が形成されている。凹部２の透明電極５の上には、バスバー電極としての集電極３が形成されている。集電極３は、凹部２よりも広い幅で形成されており、凹部２の内部を埋めるように形成されている。

図１に示すように、凹部２の内部において、集電極３は凹部２の内壁面２ａの凹凸と係合しており、このため、集電極３が凹部２から抜けにくい構造となっている。従って、集電極３は、基板１の主面１ａに対して高い密着強度で形成されている。

図２は、基板１に凹部２を形成した後、エッチング処理する前の状態を断面図である。図２に示すように、基板１の主面１ａに、レーザー加工等により凹部２を形成する。このように凹部２を形成した基板１を、ウェットエッチングなどにより異方性エッチングすることにより、その主面１ａにテクスチャ構造の凹凸を形成することができるとともに、凹部２の内壁面２ａにもテクスチャ構造の凹凸を形成することができる。このようにして主面１ａ及び凹部２の内壁面２ａにテクスチャ構造の凹凸を形成した基板を用いて、従来と同様に光起電力素子を作製し、凹部２の上に、集電極を形成することにより、図１に示すような光起電力素子を得ることができる。

図３は、本発明に従う一実施形態の光起電力素子を示す平面図である。図３に示すように、光起電力素子１０の主面１ａ上には、横方向に延びるフィンガー電極としての集電極６と、集電極６に対して略直交する方向に延びるバスバー電極としての集電極３が形成されている。集電極３は、主面１ａ上に形成されたライン状の溝である凹部２の上に形成されている。溝２は、集電極３の延びる方向に平行に延びるように形成されている。

図４は、本発明に従う他の実施形態の光起電力素子を示す平面図である。本実施形態の光起電力素子１０においては、凹部２が、集電極３と略直交する方向の溝として形成されている。従って、凹部２は、フィンガー電極である集電極６の延びる方向と平行な方向に形成されている。凹部２は、集電極３が延びる方向に複数並列に並んで形成されており、このように複数並んで形成された溝状凹部２の上に集電極３が形成されている。

図５は、本発明に従うさらに他の実施形態の光起電力素子を示す平面図である。本実施形態の光起電力素子１０においては、凹部２が、スポット状の丸い穴として形成されている。このようなスポット状の凹部２は、集電極３が延びる方向に多数並んで形成されている。このように並んで形成された多数のスポット状の凹部２の上に集電極３が形成されている。

以下、ｎ型単結晶シリコンウエハを用いて、図３に示す光起電力素子を製造する実施例について説明する。

ｎ型単結晶シリコンウエハの主面に、レーザー加工により図３に示す溝状の凹部２を形成した。深さ３０μｍ、幅５０μｍのライン状の溝として凹部２を形成した。このような凹部２は、図３に示すように、集電極３を形成する２箇所にそれぞれ形成した。

次に、エッチング液として、２重量％ＮａＯＨ系水溶液を用いて、凹部２を形成した単結晶シリコンウエハをエッチングした。このエッチングにより、単結晶シリコンウエハの主面及び凹部２の内壁面にピラミッド状のテクスチャ構造の凹凸が形成された。

次に、エッチング処理を行った単結晶シリコンウエハを水洗した後、２重量％ＨＦ水溶液で、単結晶シリコンウエハの表面の酸化膜を除去し、次いで超純水で水洗した。

以上のようにして得られたエッチング処理後の単結晶シリコンウエハの上に、プラズマＣＶＤ装置を用いて非晶質シリコン薄膜を以下のようにして形成した。

シリコンウエハの主面の上にｉ型非晶質シリコン薄膜（厚み５ｎｍ）を圧力８０Ｐａ、ＲＦ出力３０Ｗで形成した。さらに、この上にｐ型非晶質シリコン薄膜（厚み５ｎｍ）を圧力８０Ｐａ、ＲＦ出力３０Ｗで連続して形成した。さらに、この上に、スパッタリング法により透明電極として、ＩＴＯ膜を１００ｎｍの厚みとなるように形成した。

次に、図３に示すように、フィンガー電極としての集電極６と、バスバー電極としての集電極３を、銀ペーストをスクリーン印刷することにより、形成した。集電極３は、凹部２の上に形成した。集電極３の幅は、１．５ｍｍとした。

比較として、凹部２を形成していない基板を用いてエッチング処理する以外は、上記実施例と同様にして光起電力素子を作製した。これを比較例１の光起電力素子とする。

また、比較として、エッチング処理後の基板に対して、集電極とほぼ同じ幅で深さ３０μｍの溝を形成し、この基板を用いて光起電力素子を作製し、凹部の上に集電極を作製する以外は、上記実施例と同様にして光起電力素子を作製した。これを比較例２の光起電力素子とする。

図６は、比較例１の光起電力素子の集電極３近傍を示す断面図であり、図７は、比較例２の光起電力素子の集電極近傍を示す断面図である。

本発明に従う実施例の光起電力素子においては、図１に示すように、凹部２内において、内壁面２ａの凹凸と集電極３とが係合しており、集電極３が容易に抜けにくい構造となっている。従って、本発明に従う実施例の光起電力素子における集電極の密着強度は、比較例１及び比較例２における集電極の密着強度よりも高くなっていることがわかる。

上記実施例においては、基板の主面に凹部を形成し、該凹部の上に集電極を形成した実施例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、主面と反対側の裏面に集電極を形成する光起電力素子の場合には、裏面に同様に凹部を形成し、該凹部の上に集電極を形成してもよい。

また、上記実施例においては、凹部の上に形成する集電極として、バスバー電極を形成したが、本発明において凹部の上に形成する電極は、バスバー電極に限定されるものではなく、例えば、フィンガー電極であってもよい。

本発明に従う一実施形態の光起電力素子の集電極近傍を示す断面図。 図１に示す実施形態の光起電力素子を作製するのに用いたエッチング処理前の凹部を形成した基板を示す断面図。 本発明に従う一実施形態の光起電力素子を示す平面図。 本発明に従う他の実施形態の光起電力素子を示す平面図。 本発明に従うさらに他の実施形態の光起電力素子を示す平面図。 比較例１の光起電力素子の集電極近傍を示す断面図。 比較例２の光起電力素子の集電極近傍を示す断面図。

符号の説明

１…単結晶シリコンウエハ（結晶系半導体基板）
１ａ…単結晶シリコンウエハの主面
２…凹部
２ａ…凹部の内壁面
３…集電極（バスバー電極）
４…非晶質シリコン層
５…透明電極
６…集電極（フィンガー電極）
１０…光起電力素子

Claims (5)

1. 単結晶シリコン基板の主面に半導体接合を形成し、該基板の少なくとも前記主面に集電極が形成された光起電力素子であって、
   前記主面であって前記基板の内側の領域にのみ凹部が形成されており、該凹部の内壁面を含む前記主面にテクスチャ構造の凹凸が形成されており、前記集電極は前記凹部よりも広い幅であって前記凹部の内部を埋めるように形成されており、該凹部上に前記集電極の少なくとも一部が前記主面の前記凹部以外の領域上に跨って形成されていることを特徴とする光起電力素子。
2. 前記集電極がバスバー電極であることを特徴とする請求項１に記載の光起電力素子。
3. 単結晶シリコン基板を用い、該基板の少なくとも主面に集電極が形成された光起電力素子を製造する方法であって、
   前記主面であって前記基板の内側の領域にのみ、凹部を形成する工程と、
   前記凹部が形成された前記基板をエッチングすることにより、前記主面及び前記凹部の内壁面にテクスチャ構造の凹凸を形成する工程と、
   前記エッチング処理後の前記基板の前記主面に半導体接合を形成して、光電変換機能を付与する工程と、
   前記凹部上に、前記集電極が前記凹部よりも広い幅であって前記凹部の内部を埋めるように、少なくとも一部を前記主面の前記凹部以外の領域上に跨って前記集電極を形成する工程とを備えることを特徴とする光起電力素子の製造方法。
4. 前記凹部をレーザー加工により形成することを特徴とする請求項３に記載の光起電力素子の製造方法。
5. 導電ペーストを印刷することにより、前記集電極を形成することを特徴とする請求項３または４に記載の光起電力の製造方法。

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