WO2006103882A1

WO2006103882A1 - ペースト組成物、電極およびそれを備えた太陽電池素子

Info

Publication number: WO2006103882A1
Application number: PCT/JP2006/304304
Authority: WO
Inventors: Ken Kikuchi; Jun Nakahara; Takashi Watsuji; Gaochao Lai; Kazuhiko Yokoe
Original assignee: Toyo Aluminum KK
Current assignee: Toyo Aluminum KK
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2007-09-29
Also published as: CN101151681B; JP2006278071A; EP1873790A4; EP1873790B1; EP1873790A1; TW200644266A; TWI401808B; CN101151681A; US20080135097A1

Abstract

　シリコン半導体基板（１）を薄くした場合でも、電極（８）の機械的強度と密着性を低下させることがなく、所望のＢＳＦ効果を十分達成することができ、かつ焼成後のシリコン半導体基板（１）の変形（反り）を抑制することが可能なペースト組成物、その組成物を用いて形成された電極（８）、および、その電極（８）を備えた太陽電池素子を提供する。ペースト組成物は、シリコン半導体基板（１）の上に電極を形成するためのペースト組成物であって、アルミニウム粉末と、有機質ビヒクルと、有機質ビヒクルに不溶解性または難溶解性のウィスカーとを含み、ウイスカーがアルミニウム粉末および有機質ビヒクルと予め混合されている。太陽電池素子は、上述の特徴を有するペースト組成物をシリコン半導体基板（１）の上に塗布した後、焼成することにより形成した電極（８）を備える。

Description

明細書

ペースト組成物、電極およびそれを備えた太陽電池素子

技術分野

[0001] この発明は、一般的にはペースト組成物、電極およびそれを備えた太陽電池素子に関し、特定的には、結晶系シリコン太陽電池を構成するシリコン半導体基板の上に電極を形成する際に用いられるペースト組成物、電極およびそれを備えた太陽電池素子に関するものである。背景技術

[0002] シリコン半導体基板の上に電極が形成された電子部品として太陽電池が知られている。

[0003] 図 1は、太陽電池素子の一般的な断面構造を模式的に示す図である。

[0004] 図 1に示すように、太陽電池素子は、厚みが 200〜300 /ζ πιの p型シリコン半導体基板 1を用いて構成される。シリコン半導体基板 1の受光面側には、厚みが 0. 3〜0 . 6 /z mの η型不純物層 2と、その上に反射防止膜 3とグリッド電極 4が形成されている

[0005] また、 ρ型シリコン半導体基板 1の裏面側には、裏面電極層 5が形成されている。裏面電極層 5は、アルミニウム粉末、ガラスフリットおよび有機質ビヒクルカもなるペースト組成物をスクリーン印刷等によって塗布し、乾燥した後、 660°C (アルミニウムの融点）以上の温度にて焼成することによって形成されている。この焼成の際にアルミ-ゥムが p型シリコン半導体基板 1の内部に拡散することにより、裏面電極層 5と p型シリコン半導体基板 1との間に A1 - Si合金層 6が形成されると同時に、アルミニウム原子の拡散による不純物層として P+層 7が形成される。この p+層 7の存在により、電子の再結合を防止し、生成キャリアの収集効率を向上させる BSF (Back Surface Field)効果が得られる。電極 8は、裏面電極層 5と Al— Si合金層 6とから構成される。

[0006] なお、裏面電極層 5と Al— Si合金層 6を酸等により除去し、 p+層 7を残して BSF効果を確保して、新たに銀ペースト等により電極層を形成した太陽電池も実用化されている。 [0007] ところで、最近では太陽電池のコストダウンを図るためにシリコン半導体基板を薄くすることが検討されている。しかし、シリコン半導体基板が薄くなれば、シリコンとアルミニゥムとの熱膨張係数の差に起因してペーストの焼成後に裏面電極層が形成された裏面側が凹状になるようにシリコン半導体基板が変形し、反りが発生する。このため、太陽電池の製造工程で割れ等が発生し、その結果、太陽電池の製造歩留まりが低下するという問題があった。

[0008] この問題を解決するために、ペースト組成物の塗布量を減らし、裏面電極層を薄くする方法がある。しかしながら、ペースト組成物の塗布量を減らすと、シリコン半導体基板の表面から内部に拡散するアルミニウムの量が不十分となる。その結果、所望の BSF効果を達成することができないため、太陽電池の特性が低下するという問題が生じる。

[0009] そこで、所望の太陽電池の特性を確保するとともにシリコン半導体基板の反りを低減させることが可能な導電性ペーストの組成力たとえば、特開 2000— 90734号公報 (特許文献 1)に開示されている。この導電性ペーストは、アルミニウム粉末、ガラスフリット、有機質ビヒクルに加えて、さらにアルミニウム含有有機化合物を含有する。

[0010] し力しながら、上記の先行技術では、シリコン半導体基板に生じる反り量を小さくするためには裏面電極層を薄くすることが必要である。裏面電極層が薄くなると、 BSF 効果が低下する恐れがある。

[0011] また、特開 2004— 134775号公報 (特許文献 2)には従来のペースト組成に有機化合物粒子および炭素粒子のうち少なくとも 1種を添加して、焼成時のアルミニウム電極の収縮を抑止することによりシリコン半導体基板の反りを低減する方法が提示されている。この方法によれば、添加された有機化合物粒子または炭素粒子は、ぺースト中では固体粒子状態で存在し、焼成時に燃焼して消失することにより、電極内に微細な空孔を多数形成することによって基板の反りが抑えられる。

[0012] し力しながら、これらの空孔の形成は、アルミニウム電極の機械的強度と密着性を低下させてしまう。所望の BSF効果を十分得るために電極の機械的強度と密着性が低下することがなぐシリコン半導体基板の反り量を低減するための方法とペーストの組成は開発されて、な、状況である。特許文献 1：特開 2000— 90734号公報

特許文献 2：特開 2004— 134775号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0013] そこで、この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、シリコン半導体基板を薄くした場合でも、電極の機械的強度と密着性を低下させることがなぐ所望の BS F効果を十分達成することができ、かつ焼成後のシリコン半導体基板の変形 (反り）を抑制することが可能なペースト組成物、その組成物を用いて形成された電極、および、その組成物を用いて形成された電極を備えた太陽電池素子を提供することである。課題を解決するための手段

[0014] 本発明者らは、従来技術の問題点を解決するために鋭意研究を重ねた結果、特定の組成を有するペースト組成物を使用することにより、上記の目的を達成できることを見出した。この知見に基づいて、本発明に従ったペースト組成物は、次のような特徴を備えている。

[0015] この発明に従ったペースト組成物は、シリコン半導体基板の上に電極を形成するためのペースト組成物であって、アルミニウム粉末と、有機質ビヒクルと、この有機質ビヒクルに不溶解性または難溶解性のゥイスカーとを含み、このウイスカーがアルミニウム粉末および有機質ビヒクルと予め混合されて！ヽる。

[0016] 好ましくは、この発明のペースト組成物は、ガラスフリットをさらに含む。

[0017] また、好ましくは、この発明のペースト組成物は、ゥイスカーを 0. 2質量％以上 15.

0質量％以下含む。

[0018] さらに好ましくは、この発明のペースト組成物は、アルミニウム粉末を 60質量％以上

80質量％以下、有機質ビヒクルを 20質量％以上 40質量％以下、ゥイスカーを 0. 2 質量％以上 15. 0質量％以下含む。

[0019] ガラスフリットを含む場合、好ましくは、この発明のペースト組成物は、アルミニウム粉末を 60質量％以上 80質量％以下、有機質ビヒクルを 20質量％以上 40質量％以下、ゥイスカーを 0. 2量％以上 15. 0質量％以下、ガラスフリットを 7. 0質量％以下含む。 [0020] この発明のペースト糸且成物において、ウイスカ一は、金属、無機物および有機物からなる群より選ばれた少なくとも 1種力もなるのが好ま、。

[0021] さらに、この発明のペースト糸且成物において、ウイスカ一は、直径が 15 μ m以下、ァスぺタト比が 2以上であるのが好まし、。

[0022] この発明に従った電極は、上述のいずれかの特徴を有するペースト組成物をシリコン半導体基板の上に塗布した後、焼成することにより形成される。

[0023] この発明に従った太陽電池素子は、上述のいずれかの特徴を有するペースト糸且成物をシリコン半導体基板の上に塗布した後、焼成することにより形成した電極を備える。

発明の効果

[0024] 以上のように、この発明によれば、ゥイスカーを含むペースト組成物を塗布したシリコン半導体基板を焼成することにより、シリコン半導体基板を薄くした場合でも、塗布量を減らさないで、生成キャリアの収集効率を向上させる所望の BSF効果、およびァルミニゥム電極の機械的強度と密着性を維持するとともに、焼成後のシリコン半導体基板の変形を低減させることができる。

図面の簡単な説明

[0025] [図 1]一つの実施の形態として本発明が適用される太陽電池素子の一般的な断面構造を模式的に示す図である。

[図 2]実施例と比較例においてアルミニウム電極層を形成した焼成後の p型シリコン半導体基板の反り量を測定する方法を模式的に示す図である。

符号の説明

[0026] l :p型シリコン半導体基板、 2 :n型不純物層、 3 :反射防止膜、 4 :グリッド電極、 5 : 裏面電極層、 6 :A1— Si合金層、 7 :p+層、 8 :電極。

発明を実施するための最良の形態

[0027] 本発明のペースト組成物は、アルミニウム粉末、有機質ビヒクルにカ卩えて、さらに、ゥイスカーを含有することを特徴としている。このようなゥイスカーをペースト組成物に含ませることにより、ペーストを塗布し、焼成した後のシリコン半導体基板の変形を抑制することができる。

[0028] 従来、焼成後のシリコン半導体基板の変形を抑制するためには、ペーストに所定の粉末粒子を添加するか、ペーストの塗布膜厚を薄くすること以外に実質的に有効な手段はな力つた。粉末粒子の添カ卩は基板変形の抑制に一定の効果がある力電極の機械的強度と密着性が低下してしまう問題が生じる。一方、ペーストの塗布膜厚を薄くすると、基板の変形量は減る力シリコン半導体基板の表面より内部へのアルミ -ゥムの拡散量が不十分となり、所望の BSF効果を得ることができないので、太陽電池の特性が低下する。

[0029] しかし、本発明では、ペーストの塗布膜厚を薄くしなくても、焼成後のシリコン半導体基板の変形を抑制することができるので、所望の BSF効果を得ることができる。上記のウイスカーがアルミニウム粉末および有機質ビヒクルと予め混合されてペーストに含められていることにより、焼成後のシリコン半導体基板の変形を抑制することができる理由は明らかではないが、ペーストの焼成時に形成されたアルミニウム焼結層が焼成後の冷却時に収縮する量が、ゥイスカーの存在により抑制されるためと考えられる。また、アルミニウム粉末中にウイスカーが分散することにより、アルミニウム電極の機械的強度と密着性の低下を防ぐことができる。

[0030] 本発明のペースト組成物に含められるゥイスカーとしては、有機質ビヒクルに溶解せず、また焼成中にも熱分解さえしなければ、たとえば、金属、無機物および有機物からなる群より選ばれた少なくとも 1種力なるものを使用すればよいが、これらの化合物に限定されるものではない。

[0031] 本発明のペースト組成物に含められるゥイスカーの含有量は、 0. 2質量％以上 15 . 0質量％以下であることが好ましい。ゥイスカーの含有量が 0. 2質量％未満では、焼成後のシリコン半導体基板の変形を抑制するほどの十分な添加効果を得ることができない。一方、ゥイスカーの含有量が 15. 0質量％を超えると、ペーストの焼結性が阻害され、裏面電極層の電気抵抗が増大するという弊害が生じる恐れがある。裏面電極層の電気抵抗が増大すると、電極間のオーム抵抗が増加し、太陽光の照射で生じたエネルギーを有効に取り出すことができず、エネルギー変換効率の低下を招く [0032] 本発明のペースト組成物に含められるゥイスカーの直径は、 15 m以下であるのが好ましい。ゥイスカーの直径が 15 mを超えると、ペーストの焼成時に形成されるァルミ-ゥム焼結層中に分散するゥイスカーの数が少なくなるため、焼成後のシリコン半導体基板の変形を抑制するほどの十分な添加効果を得ることができない。

[0033] また、本発明のペースト組成物に含められるアルミニウム粉末の含有量は、 60質量 %以上 80質量％以下であることが好まし、。アルミニウム粉末の含有量が 60質量％未満では、焼成後の裏面電極層の表面抵抗が高くなり、太陽電池のエネルギー変換効率の低下を招く恐れがある。アルミニウム粉末の含有量が 80質量％を超えると、スクリーン印刷等におけるペーストの塗布性が低下する。

[0034] 本発明のペースト組成物に含められる有機質ビヒクルとしては、ェチルセルロース、アクリル榭脂、アルキッド榭脂等をグリコールエーテル系、タービネオール系などの溶剤に溶解したものが使用される。有機質ビヒクルの含有量は、 20質量％以上 40質量 %以下であることが好ましい。有機質ビヒクルの含有量が 20質量％未満になると、または 40質量％を超えると、ペーストの印刷性が低下する。

[0035] さらに、本発明のペースト組成物はガラスフリットを含んでもよい。ガラスフリットの含有量は、 7. 0質量％以下であるのが好ましい。ガラスフリットは、シリコン半導体基板の変形、 BSF効果およびエネルギー変換効率には直接関与しないが、焼成後の裏面電極とシリコン半導体基板との密着性を向上させるために添加されるものである。ガラスフリットの含有量が 7. 0質量％を超えると、ガラスの偏祈が生じる恐れがある。

[0036] 本発明のペースト組成物に含められるガラスフリットとしては、 SiO - Bi O—PbO系

2 2 3 の他に、 B O—SiO— Bi O系、 B O—SiO— ZnO系、 B O—SiO—PbO系等

2 3 2 2 3 2 3 2 2 3 2

が挙げられる。

実施例

[0037] 以下、本発明の一つの実施例について説明する。

[0038] まず、アルミニウム粉末を 60〜80質量⁰ /₀、ガラスフリットを 0〜7. 0質量⁰ /₀、有機質ビヒクルを 20〜40質量⁰ /₀の範囲内で含むとともに、表 1に示す特性を備えたウイスカ一または粉末を表 2に示す割合で含む各種のペースト組成物を作製した。

[0039] 具体的には、ェチルセルロースをグリコールエーテル系有機溶剤に溶解した有機質ビヒクルに、アルミニウム粉末と B O— SiO—PbO系のガラスフリットをカ卩え、さら

2 3 2

に表 1に示す各種のゥイスカーを表 2に示す添カ卩量でカ卩えて、周知の混合機にて混合することにより、ペースト組成物（実施例 1〜5)を作製した。また、上記と同様の方法で、表 1に示す各種の粉末を表 2に示す添加量で加えて混合することにより、ぺースト組成物（比較例 2〜3)を作製した。なお、表 1に示すウイスカーも粉末も添加しな V、ペースト組成物（比較例 1)を作製した。表 2の「添加物種類」の欄にぉ、て（）内の記号は、 Wがゥイスカーを示し、 Pが粉末を示す。

[0040] ここで、アルミニウム粉末は、シリコン半導体基板との反応性の確保、塗布性、および塗布膜の均一性の点から、平均粒径が 2〜20 /ζ πιの球形、または球形に近い形状を有する粒子からなる粉末を用いた。

[0041] 上記の各種のペースト組成物を、厚みが 200 μ m、大きさが 155mm X 155mmの p型シリコン半導体基板に、 250メッシュのスクリーン印刷板を用いて塗布'印刷し、乾燥させた。塗布量は、焼成後の電極の厚みが 25〜30 mになるように設定した。

[0042] ペーストが印刷された p型シリコン半導体基板を乾燥した後、赤外線焼成炉にて、空気雰囲気で 400°CZ分の加熱速度で加熱し、 720°Cの温度で 30秒間保持する条件で焼成した。焼成後、冷却することにより、図 1に示すように p型シリコン半導体基板 1に裏面電極層 5を形成した構造を得た。

[0043] 電極間のオーム抵抗に影響を及ぼす裏面電極層の表面抵抗を 4探針式表面抵抗測定器で測定した。

[0044] その後、裏面電極層を形成した p型シリコン半導体基板を塩酸水溶液に浸漬することによって、裏面電極層 5と Al— Si合金層 6を溶解除去し、 p+層 7が形成された p型シリコン半導体基板の表面抵抗を上記の表面抵抗測定器で測定した。

[0045] p+層 7の表面抵抗と BSF効果との間には相関関係があり、その表面抵抗が小さいほど、 BSF効果が高いとされている。ここで、目標とする表面抵抗の値は、裏面電極層では 24. Οπι Ω Ζ口以下、 Ρ+層では 22. 0 Ω Ζ口以下である。

[0046] 焼成後のシリコン半導体基板の変形量は、焼成、冷却後に、図 2に示すように、裏面電極層を上にして基板の四隅の一端を押さえて、その対角に位置する一端の浮き上がり量 (基板の厚みを含む) Xを測定することによって評価した。なお、 Xの目標値は 2. Omm以下である。

[0047] シリコン半導体基板に形成されたアルミニウム電極の機械的強度と密着性は、アルミニゥム電極にセロハンテープを粘着させて力も剥がすことにより、アルミニウム電極の剥離の有無で評価した。

[0048] 以上のようにして測定された裏面電極層の表面抵抗、 p+層の表面抵抗、焼成後のシリコン (Si)基板の変形量、および裏面 (アルミニウム）電極の剥離性を表 2に示す。

[0049] [表 1]

[0050] [表 2]

〇：剥離せず X ：剥離表 2に示す結果から、従来のペースト組成物（比較例： L)では焼成後のシリコン基板の変形量が 2. Ommを大きく超えたのに対して、アルミニウム粉末と有機質ビヒクルに、ゥイスカーを 0. 2質量％以上添加した本発明のペースト組成物（実施例 i〜₅)を用いると、焼成後のシリコン基板の変形量を 2. Omm以下にまで低減させることができることがわ力ゝる。

[0052] また、粉末粒子を添加したペースト組成物（比較例 2〜3)では、シリコン基板の変形量の抑制にはある程度効果が見られたが、アルミニウム電極の機械的強度と密着性が低下した。ゥイスカーを添加した本発明のペースト組成物（実施例 1〜5)では、ァルミ-ゥム電極の機械的強度と密着性の低下が認められな力つた。

[0053] 以上に開示された実施の形態や実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態や実施例ではなぐ特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。

産業上の利用可能性

[0054] この発明のゥイスカーを含むペースト組成物を塗布したシリコン半導体基板を焼成することにより、シリコン半導体基板を薄くした場合でも、塗布量を減らさないで、焼成後のシリコン半導体基板の変形を低減させることができ、その組成物を用いて形成されたアルミニウム電極は機械的強度と密着性を維持することができるとともに、その組成物を用いて電極を形成した太陽電池素子にぉ、て、生成キャリアの収集効率を向上させる所望の BSF効果を維持することができる。

Claims

請求の範囲

[1] シリコン半導体基板（1)の上に電極 (8)を形成するためのペースト組成物であって、アルミニウム粉末と、有機質ビヒクルと、この有機質ビヒクルに不溶解性または難溶解性のウイスカーとを含み、このウイスカ一は前記アルミニウム粉末および前記有機質ビヒクルと予め混合されている、ペースト組成物。

[2] ガラスフリットをさらに含む、請求項 1に記載のペースト組成物。

[3] 前記ウイスカーを 0. 2質量％以上 15. 0質量％以下含む、請求項 1に記載のぺースト組成物。

[4] 前記アルミニウム粉末を 60質量％以上 80質量％以下、前記有機質ビヒクルを 20 質量％以上 40質量％以下、前記ウイスカーを 0. 2質量％以上 15. 0質量％以下含む、請求項 1に記載のペースト組成物。

[5] 前記アルミニウム粉末を 60質量％以上 80質量％以下、前記有機質ビヒクルを 20 質量％以上 40質量％以下、前記ウイスカーを 0. 2量％以上 15. 0質量％以下、前記ガラスフリットを 7. 0質量％以下含む、請求項 2に記載のペースト組成物。

[6] 前記ウイスカ一は、金属、無機物および有機物力もなる群より選ばれた少なくとも 1 種力もなる、請求項 1に記載のペースト組成物。

[7] 前記ウイスカ一は、直径が 15 m以下、アスペクト比が 2以上である、請求項 1に記載のペースト組成物。

[8] アルミニウム粉末と、有機質ビヒクルと、この有機質ビヒクルに不溶解性または難溶解性のウイスカーとを含み、このウイスカ一は前記アルミニウム粉末および前記有機質ビヒクルと予め混合されて、るペースト組成物をシリコン半導体基板（1)の上に塗布した後、焼成することにより形成した電極 (8)。

[9] アルミニウム粉末と、有機質ビヒクルと、この有機質ビヒクルに不溶解性または難溶解性のウイスカーとを含み、このウイスカ一は前記アルミニウム粉末および前記有機質ビヒクルと予め混合されてヽるペースト組成物をシリコン半導体基板（1)の上に塗布した後、焼成することにより形成した電極 (8)を備えた、太陽電池素子。