JP4185332B2 - Solar cell and solar cell module using the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池セル及びそれを用いた太陽電池モジュールに関し、特に薄型化し得る電極構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
通常、単結晶シリコンや多結晶シリコン基板を用いてpn接合を有する太陽電池セル100は、図9に示すように、p型シリコン基板101に対し、受光面側に化学的に凹凸形状を加工した後、熱拡散法でn型層102を形成し、一方裏面側にはアルミニウム元素拡散などによりp+高濃度層103を形成したものが公知である(例えば、特許文献1参照)。なお、n型層102の表面には反射防止膜104の形成も行われる。受光面側の受光面電極105は、導電性ペーストの印刷方法により行われる。この際、受光面電極105の形状としては、細線部分(以下、グリッド電極105aと称す)と太線部分(以下、メイングリッド電極105bと称す)を組合せたパターンを用いて、受光面のシリコン表面をできるだけ広くする工夫がされている。一方、裏面側電極106では、アルミニウムを主成分とする材料を略全面にわたり印刷、焼成することで形成する。このようにして作製した複数個の太陽電池セル100から太陽電池モジュールを製作する際は、一の太陽電池セルの受光面側のメイングリッド電極と、隣接する他の太陽電池セルの裏面側電極とを、銅リボンなどの配線材をはんだで電気的に接続し、このようにセルを10直列以上に結線した状態で、ガラス板片面側に透明樹脂を介して接着すると共に、防湿フィルムやモジュールの電極端子などが設けられる。
【0003】
上記従来構造の太陽電池セル及びそれを用いた太陽電池モジュールは、近年の一層の低コスト製造指向から、シリコン基板自体の形状は例えば15cm角と大きくなり、太陽光による発電時のセル当たりの電流も8A(アンペア)程度の大電流を取出す状況にある。大電流を収集する幅2〜3mmのメイングリッド上には、銅配線材を重ねることで電流損失を極力防ぐ工夫がされている。基板大面積化と同時に、シリコン材料削減の必要性から、シリコン基板の脆弱性にもかかわらず、基板厚さとしては0.3mm程度に薄型化されてきている。
【0004】
また、シリコン基板を用いない集積タイプの太陽電池モジュールとして、メイングリッドに代えて、直列接続用部材を貼り付けるものがある(例えば、特許文献2参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開2002−222973号公報
【特許文献2】
特開平10−51018号公報(第4頁、図1、図2)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者(例えば、特許文献1)では、更なるコスト低減のために、セル厚さを更に薄くしようとすれば、モジュールを構成する工程を中心に、セル自体の破損率が急速に高まり、薄型基板導入による低コスト化には限界を来していた。
このセル割れの原因を調べた所、シリコン基板の受光面側の電極部分で、特に電流収集部分であるメイングリッド電極や外部への電流取出し個所に、熱膨張係数がシリコンと異なる金属を厚く形成する必要から生じており、更にはこの取出し部分にセル直列配線のための、銅リボン接続によってもシリコン基板への過大な機械応力を与えている。他方、裏面のほぼ全面に形成されている電極に関しては、粉末アルミニウムを主成分とするペースト材料が印刷、焼成されると、シリコンと合金化して電極層となっているが、シリコン全体に反りが生じる。これはシリコン基板に応力を生じさせていることの証左と言える。このような状態で、セルの直列結線やガラス板への貼付けなどのモジュール化の際に、更に機械応力が加わることからセル破損が生じている。
また、後者(例えば、特許文献2)では、高効率で薄型シリコン太陽電池のモジュール構成の適用には困難がある。
【0007】
本発明の主要な目的の一つは、半導体基板の薄型大面積化による割れを大幅に低減し、より一層低コスト化を図り得る太陽電池セル及びそれを用いた太陽電池モジュールを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
かくして本発明によれば、光電変換機能を有する半導体基板と、この半導体基板の受光面側に設けられる受光面電極部と、半導体基板の裏面側に設けられる裏面電極部とを備えた太陽電池セルであって、少なくとも受光面電極部が、線状又は分岐線状の複数の受光面分離電極からなり、前記複数の受光面分離電極は、それぞれ分離して配置されると共に、電流を外部に取り出すための電極としてそれぞれ機能する太陽電池セルが提供される。
つまり、本発明の太陽電池セルは、その受光面側の受光面電極部が、複数に分離され、それによって、半導体基板に対し受光面電極部による機械応力を分散でき、半導体基板が薄くなっても機械的に耐えられるようにするものであり、具体的に言えば、従来の太陽電池セル(図9参照)における受光面側の電極のメイングリッド電極(太線電極部分)が省略又は分離縮小された電極構造に形成されているわけである。
【0009】
ここで、本発明において、複数の半導体層が積層されてなる光電変換機能を有する半導体基板は、主としてシリコン基板を使用して公知技術により形成することができるが、シリコン基板以外にも、シリコンゲルマニウム基板、ガリウム砒素基板等の化合物半導体基板などの公知材料を使用することもできる。例えば、基本的な構造としては、光入射側からn、p、あるいは光入射側からp、nでも可能である。更には、光入射側をnでなく高濃度化したn+に、あるいは光入射側をpでなく高濃度化したp+とすることもできる。これらの受光面側の半導体層(以下、受光面側接合層と称することがある)は従来から用いられる熱拡散法、イオンインプランテーション法により形成できる。また、受光面側接合層の表面には反射防止膜を形成してもよい。一方、光入射と反対側の裏面には、BSF層や、裏面反射層(back surface reflector)を形成したり、表面再結合を防止するための酸化膜形成、窒化膜形成を行ってもよい。なお、反射防止膜や裏面反射膜としては、各種酸化膜などを用いることができる。
【0010】
本発明において、受光面電極部の各受光面分離電極は、例えばAg粉末を主成分とする導電性ペーストを印刷、焼成する印刷法や、Ag及び/又はAlの蒸着法などにより形成することができる。また、受光面分離電極は、一定幅の直線として相互に平行に所定ピッチで形成された電極パターン形状を代表的に挙げることができるが、隣接する複数本(例えば2本又は3本)の受光面分離電極の電流取出し側端部を繋げて複数本で1組とし、全体として複数組の分岐線状の受光面分離電極を配置した電極パターンとすることもできる。更に、受光面分離電極を曲線とすること、受光面分離電極相互を平行に配置しないこと、受光面分離電極の線幅に変化をつけること、受光面分離電極の厚みに変化をつけること、受光面分離電極を基板に埋め込むこと等も細部設計により可能である。
【0011】
また、本発明において、裏面側の裏面電極部は、(1)全面電極からなるもの、あるいは(2)受光面電極部と同じく、線状又は分岐線状の複数の裏面分離電極からなるものとすることができる。上記(1)の場合、粉末アルミニウムを主成分とするペースト材料をシリコン基板の裏面全面に印刷、焼成することにより全面電極を形成することができる。上記(2)の場合は、受光面電極部と同じく印刷法、蒸着法により各裏面分離電極を形成することができる。なお、1枚の太陽電池セルにおいて、裏面電極部の電極パターンは、表面電極部の電極パターンと同じでもよく、あるいは異なるものであってもよい。
【0012】
本発明によれば、受光面となる片方表面の電極(受光面電極部)を分離形成することによって、太陽電池セル同士を電気的に直列に接続して太陽電池モジュールを製作する過程において、一の太陽電池セルの受光面電極部の各受光面分離電極と、隣接する他の太陽電池セルの裏面電極部とを電気的に接続する際の受光面側の応力集中を回避することができ、太陽電池セルの割れを低減することができる。なお、裏面電極部が上記(1)の全面電極であると裏面電界(buck surface field)効果、つまり裏面電極部側の高濃度化した半導体層(例えばp+部分)によりセル内部に電解を作ることで発生キャリアの収集効果を改善して、高いセル光電変換効率も得られる。また、上記(2)のように、受光面電極部と同様に裏面電極部も複数の分岐線状の裏面分離電極から構成することによって、受光面側では応力集中回避など同様の効果を奏した上で、表裏電極に起因する半導体基板への機械応力を大幅に低減することができ、それによって100μm以下の薄い半導体基板で大面積(例えば150×150mm)の太陽電池セルを製作することが可能となる。
【0013】
本発明において、受光面電極部の各受光面分離電極のピッチあるいは裏面電極部の各裏面分離電極のピッチは、0.5〜5mmに設定されるのがよく、好ましくは上記ピッチが1〜3mmである。このように構成すれば、100μm以下の薄い大面積基板を用いながら、セル光電変換効率の高い高性能な太陽電池セルを製作することが技術的に容易となる。特に、ピッチを1〜3mmとすると光電変換効率が著しく高い太陽電池セルを得ることができる。なお、各受光面分離電極および各裏面分離電極のピッチが0.5mm未満であると、電極面積が広くなって光入射面積が減少するため、光電変換効率が激減する。また、各受光面分離電極および各裏面分離電極のピッチが5mmを超えると、受光面側接合層内を電流が移動して電極に到達する際、抵抗成分が大きくなり過ぎ、セル内部の抵抗発熱で消耗され、光電変換効率が急激に低下する。
【0014】
本発明において、受光面電極部の各受光面分離電極が相互に平行に所定ピッチで形成され、かつ裏面電極部の各裏面分離電極が相互に平行に所定ピッチで形成された場合、各受光面分離電極のピッチと各裏面分離電極のピッチとの比率が、1:3〜3:1に設定されるのがよく、好ましくはその比率が略同一である。このように構成することによって、太陽電池モジュールの製作の際に、セル当たりの接続本数(接続用金属線の本数)を抑えながら、各セルにおける受光面電極部及び裏面電極部の各分離電極の負担電流調整が可能であり、高い光電変換効率を得ることができる。特に、上記比率を略同一(略1:1)とすることにより、高い光電変換効率に加え、モジュール内を直列接続構成する際に、隣り合うセル間の電気的接続を応力緩和可能な形状、曲率を持たせながら最短距離で、かつ各受光面分離電極と各裏面分離電極とをそれぞれ1対1で結線(配線)することができるので、結線作業が容易であり、かつ受光面結線故障率も著しく低下する。なお、受光面分離電極ピッチに対して裏面分離電極ピッチが3倍を超えると、受光面分離電極数の増加に伴う電気的接続個所の増加によって受光面結線故障率が急激に増加する。逆に裏面分離電極ピッチに対して受光面分離電極ピッチが3倍を超えると、満足のいく光電変換効率が得られない。
【0015】
また、本発明における太陽電池セルは、半導体基板の受光面側のシート抵抗値が80〜250Ω/□で、かつ受光面電極部の各分離電極のピッチが1〜2mmに設定されたものとしてもよい。このように構成することによって、高い短絡電流密度を得ることができる。特に、上記シート抵抗値が150〜200Ω/□で、かつ受光面電極部の各受光面分離電極のピッチが1〜1.5mmに設定すれば、著しく高い短絡電流密度を得ることができて好ましい。なお、上記シート抵抗値が80〜250Ω/□の範囲を逸脱しても、上記ピッチが1〜2mmの範囲を逸脱しても、満足のいく高い短絡電流密度を得ることができない。
【0016】
本発明は、別の観点によれば、上述した構成の太陽電池セルの複数個を電気的に直列に接続してなり、その接続が、一の太陽電池セルの受光面電極部の各受光面分離電極と、隣接する他の太陽電池セルの裏面電極部との間でなされてなる太陽電池モジュールが提供される。このモジュール化に際しては、セルの直列結線時やガラス板への貼付け時に加わる機械的応力を回避し、セル割れが低減される。
更に、受光面電極部と同様に、裏面電極部も線状又は分岐線状の複数の裏面分離電極から構成し、隣接する太陽電池セル同士の受光面電極部の各受光面分離電極と、裏面電極部の各裏面分離電極とを電気的に接続することで、セル割れがより一層低減し、100μm以下の薄い半導体基板で大面積(例えば150×150mm)の太陽電池セルを低コストにて得ることができる。
【0017】
また、本発明の太陽電池モジュールにおいては、受光面電極部側の電気的接続個所が、5〜1000個所に設定されたものとするのがよく、好ましくは上記電気的接続個所が10〜50個所である。このように構成することによって、例えばセル1個につき100個所の電気的接続個所を有する場合では、1個所当たりの取り出し電流値は(図9で説明した)従来の8Aから80mAとなり、接続点の最大高さは従来の0.9mmから0.15mm以下まで削減でき、接続用の配線の最大幅は従来の2.5mmから0.1mm以下まで削減できる。これによって、電流取り出し部分付近の半導体基板へ集中する応力を1/1000以下程度にまで低減することが可能となり、モジュール化でのセル割れを確実に低減することができる。特に、上記電気的接続個所を10〜50個所とすることにより、セル割れを低減した上で、結線時間の短縮化を図ることができる。なお、上記接続個所が5個所未満であると、電極盛上がり厚さが大きくなって従来と同等の基板厚さにしかならず、接続個所が1000個所を超えると、1個所当たりの結線速度が100ms(ミリ秒)としてもセル1個当たりに1分以上の時間を要し、コスト面からはメリットはなくなる。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳説する。なお、本発明は実施の形態に限定されるものではない。
【0019】
[実施の形態1]
図1は本発明の実施の形態1に係る太陽電池セルの斜視図であり、図2は同実施の形態における太陽電池セルを用いた太陽電池モジュールの概略構成図であり、図3は同実施の形態における太陽電池モジュールの要部拡大断面図であり、図4は同実施の形態における太陽電池モジュールの要部拡大断面図であって、隣接する太陽電池セル同士を銅線にて電気的に接続した状態を示している。
【0020】
この実施の形態1の太陽電池セル10は、光電変換機能を有する半導体基板11と、この半導体基板11の受光面側に設けられる受光面電極部12と、半導体基板11の裏面側に設けられる裏面電極部13と、半導体基板11の受光面に形成された反射防止膜14とを備えている。
【0021】
矩形板状の半導体基板11は、p型シリコン基板11aの受光面側にn+拡散層11bを有すると共に、p型シリコン基板11aの裏面側にp+層11cを有している。
受光面電極部12は、複数本(この場合10本)に分離した線状の受光面分離電極12aからなり、各受光面分離電極12aは相互に平行に等ピッチP12aで配置されている。
裏面電極部13は、受光面電極部12と同様に、複数本(この場合10本)に分離した線状の裏面分離電極13aからなり、各裏面分離電極13aは相互に平行に等ピッチP13aで配置されている。
この実施の形態1では、受光面電極部12の各受光面分離電極12a及び裏面電極部13の各裏面分離電極13aが、同一方向にかつ同一ピッチP12a=P13a(例えば2mm)で形成された場合を例示している。
【0022】
図2はこの太陽電池セル10を8個用いて製作した太陽電池モジュールMを示し、この場合、4個の太陽電池セル10を直列結線したセル列15を2組並列させている。各セル列15、15は一端側が導電部材8にて電気的に接続され、導電部材8とは反対側の他端側において、一方のセル列15は負極端子6が、他方のセル列15は正極端子7がそれぞれ電気的に接続されている。
【0023】
図3と図4に示すように、モジュール化に際しては、一の太陽電池セル10の受光面電極部12の各受光面分離電極12aの端部と、隣接する他の太陽電池セル10の裏面電極部13の各裏面分離電極13aの端部に、銅線1がはんだ付けされ、各セル10が電気的に直列に接続されている。つまり、受光面分離電極12aと裏面分離電極13aとが1対1で相互に接続している。したがって、この実施の形態1では、受光面電極部12側の電気的接続個所Sは10個所であり、裏面電極部13側の電気的接続個所Sも同じく10個所である。このセル列15、15が、強化ガラス2と防湿フィルム5との間にEVAシート3、4を介して設置されることにより、太陽電池モジュールMが製作される。なお、太陽電池セル及び太陽電池モジュールの製造工程については後述の実施例で詳述する。
【0024】
本発明の実施の形態1によれば、受光面電極部及び裏面電極部を複数に分離し、それによって、半導体基板に対し受光面電極部による機械応力を分散できる電極構造としているので、半導体基板が薄くなってもモジュール化でのセル割れが大幅に低減し、100μm以下の薄い半導体基板で大面積(例えば150×150mm)の太陽電池セルを得ることができる。また、受光面電極部の各受光面分離電極のピッチと裏面電極部の各裏面分離電極のピッチとの比率を1:1とすることにより、高い光電変換効率が得られると共に、モジュール内を直列接続構成する際に、隣り合うセル間の電気的接続を応力緩和可能な形状、曲率を持たせながら最短距離で、かつ各受光面分離電極と各裏面分離電極とをそれぞれ1対1で結線することができ、結線作業が容易であり、かつ受光面結線故障率も著しく低下する。
【0025】
[実施の形態2]
図5に示すように、本発明の実施の形態2は、太陽電池セル20の受光面電極部22の各受光面分離電極22aのピッチP22aと、裏面電極部23の各裏面分離電極23aのピッチP23aとの比率を、3:1に変更したものである。この場合、受光面分離電極22aの本数は5本で、裏面分離電極23aの本数は15本である。その他の構成は実施の形態1と同様である。そして、モジュール化の際には、一の太陽電池セル20の受光面分離電極22a1本に、隣接する他の太陽電池セル20の3本の裏面分離電極23aを、3本の銅線1にて結線している。したがって、この場合、受光面電極部22側の電気的接続個所Sは5個所であり、裏面電極部23側の電気的接続個所Sは15個所である。なお、図5において、右側の太陽電池セル20の受光面電極部は図示省略している。
【0026】
本発明の実施の形態2によれば、受光面分離電極ピッチP22aと裏面分離電極ピッチP23aとの比率を3:1とすることにより、受光面電極部22の1本の受光面分離電極22aから裏面電極部23の3本の裏面分離電極23aに結線することができ、このようにセル当たりの受光面電極部22側の電気的接続個所を抑えながら、各セルにおいて、表面電極部22と裏面電極部23での各分離電極22a、23aの負担電流調整を行うことができ、それによって最大限の光電変換効率を得ることができる。
【0027】
[実施の形態3]
図6に示すように、本発明の実施の形態3は、太陽電池セル30の受光面電極部32は、線状の受光面分離電極32aが所定ピッチで平行に18本設けられたものであって、線状の受光面分離電極32aが3本1組となって1つの分岐線状の受光面分離電極が形成されている。つまり、この太陽電池セル30は、モジュール化における電気的接続個所を隣接する3本の受光面分離電極32aで共通化するものであり、そのために外側2本の受光面分離電極32aの電流取出し側の端部が湾曲して真ん中の受光面分離電極32aの端部に一体的に繋がっている。この場合、3本1組の受光面分離電極32aが6組設けられているので、受光面電極部32における電気的接続個所は6個所となる。なお、図示省略するが、裏面電極部は受光面電極部と同じ電極パターンでも、異なる電極パターンでもよく、あるいは全面電極でもよい。
【0028】
本発明の実施の形態3によれば、受光面電極部32の隣接する複数本の受光面分離電極32aの電流取出し側端部を予め一体的に接続した電極パターンとすることで、セル当たりの受光面電極部32側の電気的接続個所を少なく抑えることができ、実施の形態1に比して結線本数を低減することができる。
【0029】
[実施の形態4]
図7に示すように、本発明の実施の形態4は、太陽電池セル40の受光面電極部42の受光面分離電極42aが所定ピッチで平行に20本設けられたものであって、受光面分離電極42aが4本1組となって1つの分岐線状の受光面分離電極が形成されている。つまり、モジュール化における電気的接続個所が、隣接する4本の受光面分離電極42aで共通化されており、そのために隣接する一対の受光面分離電極42aの端部が相互に湾曲して繋がり、さらに2本1組となった二対の受光面分離電極42aが湾曲した電極接続部42bによって繋がっている。この場合、4本1組の受光面分離電極42aが5組設けられているので、受光面電極部42における電気的接続個所は5個所となる。なお、図示省略するが、裏面電極部は受光面電極部と同じ電極パターンでも、異なる電極パターンでもよく、あるいは全面電極でもよい。
この実施の形態4によれば、上記実施の形態3と同様の効果を奏する。
【0030】
[他の実施の形態]
上記実施の形態では、太陽電池セルの受光面電極部と裏面電極部の各分離電極が、一定幅の直線状でかつ平行に形成された電極パターンであったが、これら以外にも、図8(a)に示すように分離電極52aを波線状とした電極パターンや、同図(b)のように分離電極62aを平行に配置しない電極パターンとしてもよい。また、同図(c)に示すように、曲げピッチの異なる略U字状の分離電極72aを組み合わせた電極パターンとしたり、同図(d)(e)のように分離電極82a、92aを平行な線、その平行な線に直角な線、斜めの線を組み合わせた電極パターンとしてもよい。この図8(a)〜(e)では受光面電極部のみを示したが、裏面電極部も受光面電極部と同じ電極パターンでも、異なる電極パターンでもよく、あるいは全面電極でもよい。なお、図8(c)(d)(e)の電極パターンでは、右側の端部が受光面電極部の電気的接続個所となる。また、図示省略するが、分離電極の線幅に変化をつけたり、厚みに変化をつけたり、線の途中に突起を設けたり、あるいは、分離電極を基板に埋め込むようにしてもよい。
本発明によれば、図8(a)〜(e)に示した実施の形態のように、各分離電極の形状、線幅、厚さ、配置、電極パターン形状等において設計自由度が広いという利点がある。
【0031】
[実施例1]
図1〜図4で説明した上記実施の形態1のセル構造の太陽電池セル10及びこの太陽電池セル10を用いた太陽電池モジュールMを、下記の製造手順により製作した。
【0032】
先ず、外形18×8cm、厚さ0.24mm、比抵抗2Ω/□のp型シリコン基板11aを、容積比1:3のフッ酸(50%)・硝酸混合溶液中で、スライス時の破砕表面層除去を1分間行う。次に、その片面にBSGフィルムをスピンコートして後、900℃の熱処理炉中30分間でP+層11c形成のボロン拡散を行う。P+層11cのシート抵抗値は37Ω/□で接合深さは0.4μmであった。この面に耐酸テープを貼り、上記フッ酸硝酸溶液中で他面のP+層を除去する。テープを有機溶剤で除去、清浄化した後、P+層11c表面に半導体用SiO2コート剤を塗布乾燥する。500℃の加熱で緻密化処理後、POCl3を含む雰囲気の860℃の電気炉中で25分間のりん拡散を行う。HF系溶液中でPSG(りんガラス)層などを除去して、接合深さ約0.3μm、表面濃度1019cm-2以上の受光面側n+拡散層11bを得た。このn+拡散層11bのシート抵抗値は120Ω/□であった。次に、このn+拡散層11b表面にプラズマCVD装置を用いてSi3N4を反射防止膜14として形成した。厚みは約800Åである。なおガス種としてシラン及びアンモニアを用いた。次の電極形成では、最初に裏面にAg粉末とAl粉末を含むペーストを印刷、乾燥した。近赤外線炉中で焼成することによって裏面電極13aを形成した。次いで、受光面側電極形成として、n+拡散層11b上のSi3N4反射防止膜14の上から、電極ピッチ1.5mmのパターンでスクリーン印刷した。受光面側の電極材料としては、太陽電池用のAgを主成分とするペースト材料を用いた。近赤外線炉を利用しながら約650℃の温度で焼成することによって受光面電極部12の各分離電極12aを形成して発明の太陽電池セル10を完成した。なお、この実施例1では、受光面電極部12の分離電極12aの本数及び裏面電極部13の分離電極13aの本数は、それぞれ52本とした。
【0033】
照射強度100mW/cm2の疑似太陽光下で、製作した太陽電池セル10の電流電圧特性を測定したところ、短絡電流密度は34.7mA/cm2、開放電圧は0.6V、曲線因子は0.72、セル光電変換効率は15.0%であった。この際、疑似太陽光源としてはキセノンランプとフィルターを用いた。また、照射強度の測定には校正されたサーモパイルを用いた。また、短絡電流密度の測定にはデジタル可変電圧電源を用いて、疑似太陽光下で、太陽電池を動作させて計測した。また、セル光電変換効率は、セル面積に対する入射エネルギーに対する変換エネルギーの比率を算出することで得られた。
【0034】
次に、図2に示すように、このように作製した太陽電池セル10を8枚を並べた状態で、図4に示すように、受光面の受光面分離電極12aの各端部に対し、それぞれ直径80μm長さ10mmの銅線1をはんだ付けした。更に、銅線1の他の端部を隣の太陽電池セル10裏面の裏面分離電極13aにそれぞれはんだ付けした。隣り合うセル間では、銅線1の結線は52個所で行った。次に、ラミネーター装置内で、強化ガラス2、EVA(エチレンビニルアセテート)シート3、複数枚の太陽電池セル10が直列結線されたセル列15、EVAシート4、防湿フィルム5の順に載置した後、空気を排気、加熱、封着の手順で、太陽電池モジュールMを完成した。この太陽電池モジュールMには負極端子6、正極端子7が取付けられている。なお、2列に並んだセル列15、15は導電部材8を介して電気的に直列接続されている。
【0035】
また、下記のような比較例1、2、3を製作した。
[比較例1]
比較例1は、基板厚さを0.24mmから0.35mmに変更してセル化を行った。その他条件は全て実施例1と同一とした。比較例1は、セル光電変換効率として15.2%を得た。その後、この太陽電池セルにてモジュール化を行った。
[比較例2]
比較例2は、従来セル構造(図9参照)を基板厚さ0.24mmの12×12cm角多結晶シリコン基板に適用してセル及びモジュールを試作した。従来構造とは、受光面電極が、図9に示すような、グリッド電極とメイングリッド電極から構成され、裏面電極はアルミニウムペーストを裏面側に印刷焼成したものである。その他の条件は実施例1と同じである。比較例2は、セル光電変換効率が13.8%であった。その後、この太陽電池セルにてモジュール化を行った。
[比較例3]
比較例3は、基板厚さを0.24mmから0.35mmに変更してセル化を行った。その他条件は全て比較例2と同一とした。比較例3は、セル光電変換効率として14.1%を得た。その後、この太陽電池セルにてモジュール化を行った。
なお、比較例1〜3は、実施例1の場合と同一条件でセル光電変換効率の測定が行われた。
【0036】
上記実施例1、比較例1、比較例2、比較例3の良品率及びモジュールの良品率を求め、それらの状況を表1にまとめた。
【0037】
【表1】
【0038】
表1において、セル化後の良品率とは、同一条件で100セルを作製した時の歩留まりである。セル化後の良品率については、実施例1及び比較例1〜3での特段の有為差はない。これら良品セルを用いて、実施例1及び比較例1〜3についてそれぞれ10台の太陽電池モジュールを作製した後、各モジュール全体に照射強度100mW/cm2で疑似太陽光を照射した状態で負極端子、正極端子(図2参照)を用いてモジュールの発電効率を測定した。表1において、モジュールの良品率とは、モジュールに封入したセルの特性に対応したモジュール特性が得られた率である。
【0039】
実施例1と比較例1は、本発明のセル構造を用いた。また、比較例2と比較例3は従来セル構造を用いた。基板厚さについては、実施例1と比較例2では薄い基板、比較例1と比較例3では厚い基板でセル化されている。セル化後の良品率については、概ね90%以上が得られたものの、直列結線して、モジュール化された時の良品率は20〜100%と明確な差のあることが明らかになった。つまり、従来セル構造で薄型基板を用いて従来法結線(セル当たり2個所の幅2mmの銅結線)の時には、モジュール化により殆どのセルが破損したと言える(比較例2)。しかし実施例1(本発明)のセル構造を薄型基板にしても、モジュール歩留まりは90%と高く、比較例3の従来セル、モジュールにほぼ近い値となった。
【0040】
次に、実施の形態1のセル構造の太陽電池セルであって、その受光面電極部における電気的接続個所の数が異なるものを製作し、各太陽電池セルについての電極盛上がり厚さを測定し、その結果を表2に示した。なお、この電極盛上がり厚さとは、図4に示すように、シリコン基板(半導体基板11)の表面から分離電極の接続上部までの厚さTである。
【0041】
【表2】
【0042】
表2より、接続個所が5個所以上であれば電極盛上がり厚さが490μm以下に減少していることが分かる。なお、接続個所が4個所では電極盛上がり厚さが従来と同じ程度で、基板厚さは低減できず従来と同等の基板厚さにしかならず、他方、接続個所が1000個所を越えると盛上がり厚さを減少できるが、結線に要する時間が膨大になることから製造効率が低下しメリットがない。
【0043】
次に、実施の形態1のセル構造の太陽電池セル、すなわち受光面電極部の各受光面分離電極のピッチと裏面電極部の各裏面分離電極のピッチとが1:1であり、かつその受光面側接合層(n+層)のシート抵抗率が100Ω/□であって、上記ピッチが異なる複数の太陽電池セルを製作し、照射強度100mW/cm2で疑似太陽光を照射した状態で各太陽電池セルについてセル光電変換効率を測定し、その結果を表3に示した。なお、シート抵抗値の測定は、一般の半導体分野で用いられる4探針測定器を用いて行った。
【0044】
【表3】
【0045】
表3より、受光面電極部の各受光面分離電極のピッチが2mmのときでセル光電変換効率が20%と最も高く、次いでピッチ1mm、3mm、4mm、0.5mm、5mmの順で光電変換効率が18〜14%と高い値を示すことが分かる。なお、ピッチが0.5mm未満では、受光面電極部の総面積が大きくなり過ぎてその分光入射面積が減少し、セル光電変換効率が激減し、ピッチが5mmを越えると、受光面側接合層内を電流が移動して電極に到達する際、抵抗成分が大きくなり過ぎ、セル内部の抵抗発熱で消耗され、光電変換効率が激減する。
【0046】
次に、実施の形態1の電極パターンの太陽電池セルであって、受光面電極部の各受光面分離電極のピッチに対する裏面電極部の各裏面分離電極のピッチの比率が異なる複数の太陽電池セルを製作し、各太陽電池セルについて受光面結線故障率を測定すると共に、照射強度100mW/cm2で疑似太陽光を照射した状態でセル光電変換効率を測定し、その結果を表4に示した。
【0047】
【表4】
【0048】
表4より、上記比率が1:1の場合に受光面結線故障率が0.2%と最も低く、かつセル光電変換効率も15%と高く、比率1:1を中心に比率1:3〜3:1の範囲では受光面結線故障率が0.2〜1.4%と低く、かつセル光電変換効率が15〜13%と高いことが分かる。なお、比率1:3〜3:1の範囲外において、受光面分離電極ピッチに対する裏面分離電極ピッチが大きいと、受光面電極部の受光面分離電極数の増加に伴う電気的接続個所の増加により受光面結線故障率が激増し、受光面分離電極ピッチに対する裏面分離電極ピッチが小さいと、セル光電変換効率が低下して満足のいく数値が得られない。
【0049】
次に、実施の形態1の電極パターンの太陽電池セルであって、受光面接合層のシート抵抗値が異なり、かつ受光面電極部の各受光面分離電極のピッチが異なる複数の太陽電池セルを製作し、照射強度100mW/cm2で疑似太陽光を照射した状態で各太陽電池セルについて短絡電流密度(mA/cm2)を測定し、その結果を表5に示した。
【0050】
【表5】
【0051】
表5より、上記シート抵抗値が200Ω/□で、かつ受光面分離電極ピッチが1mmの場合に短絡電流密度が37mA/cm2と最も高く、シート抵抗値が80〜250Ω/□で、かつ受光面分離電極ピッチが1〜2mmの範囲では短絡電流密度が37〜32mA/cm2と高いことが分かる。なお、シート抵抗値が80〜250Ω/□の範囲を逸脱しても、受光面分離電極ピッチが1〜2mmの範囲を逸脱しても、短絡電流密度が低下して満足のいく数値を得ることができない。
【0052】
【発明の効果】
本発明によれば、受光面となる片方表面の電極(受光面電極部)を分離形成することによって、太陽電池セル同士を電気的に直列に接続して太陽電池モジュールを製作する過程において、一の太陽電池セルの受光面電極部の各受光面分離電極と、隣接する他の太陽電池セルの裏面電極部(全面電極)とを電気的に接続する際の受光面側の応力集中を回避することができ、太陽電池セルの割れを低減することができると共に、裏面電極部の全面電極による裏面電界(buck surface field)効果も得ることができ、高いセル光電変換効率が得られる。
さらに、受光面電極部と同様に、裏面電極部も複数本の裏面分離電極から構成することによって、受光面側では応力集中回避など同様の効果を奏した上で、表裏電極に起因する半導体基板への機械応力を大幅に低減することができ、それによって100μm以下の薄い半導体基板で大面積の太陽電池セルを製作することが可能となる。
したがって、本発明によれば、半導体基板の薄型大面積化による割れを大幅に低減し、より一層低コスト化を図り得る太陽電池セル及びそれを用いた太陽電池モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1に係る太陽電池セルの斜視図である。
【図2】 同実施の形態における太陽電池セルを用いた太陽電池モジュールの概略構成図である。
【図3】 同実施の形態における太陽電池モジュールの要部拡大断面図である。
【図4】 同実施の形態における太陽電池モジュールの要部拡大断面図であって、隣接する太陽電池セル同士を銅線にて電気的に接続した状態を示す。
【図5】 本発明の実施の形態2に係る太陽電池セルの電極パターン及びセル同士の結線状態を示す説明図である。
【図6】 本発明の実施の形態3に係る太陽電池セルの平面図である。
【図7】 本発明の実施の形態4に係る太陽電池セルの平面図である。
【図8】 本発明の他の実施の形態に係る太陽電池セルの平面図である。
【図9】 従来の太陽電池セルの斜視図である。
【符号の説明】
11 半導体基板
12、22、32、42 受光面電極部
13、23 裏面電極部
10、20、30、40 太陽電池セル
12a、22a、32a、42a 受光面分離電極
13a、23a 裏面分離電極
P12a、P22a 所定ピッチ
P13a、P23a 所定ピッチ
11b 受光面側半導体層
S 電気的接続個所[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solar battery cell and a solar battery module using the same, and particularly to an electrode structure that can be made thinner.
[0002]
[Prior art]
Usually, a
[0003]
In the conventional solar cell and the solar cell module using the conventional solar cell, the shape of the silicon substrate itself is increased to, for example, 15 cm square from the recent trend toward lower cost production, and the current per cell at the time of power generation by sunlight Is in the state of taking out a large current of about 8 A (ampere). On the main grid having a width of 2 to 3 mm for collecting a large current, a device for preventing a current loss as much as possible by stacking copper wiring materials is devised. At the same time as increasing the area of the substrate, the thickness of the substrate has been reduced to about 0.3 mm despite the fragility of the silicon substrate due to the need to reduce the silicon material.
[0004]
In addition, as an integrated type solar cell module that does not use a silicon substrate, there is one that affixes a member for series connection instead of a main grid (see, for example, Patent Document 2).
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2002-222773 A
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-51018 (page 4, FIGS. 1 and 2)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the former (for example, Patent Document 1), if the cell thickness is further reduced in order to further reduce the cost, the failure rate of the cell itself is rapidly increased mainly in the process of configuring the module. The cost reduction by introducing a thin substrate has reached its limit.
When the cause of this cell crack was investigated, a thick metal with a different thermal expansion coefficient from that of silicon was formed at the electrode part on the light-receiving surface side of the silicon substrate, particularly at the main grid electrode, which is the current collection part, and the current extraction part. Moreover, excessive mechanical stress is applied to the silicon substrate by the copper ribbon connection for the cell series wiring in this extraction portion. On the other hand, for the electrode formed on almost the entire back surface, when a paste material mainly composed of powdered aluminum is printed and fired, it is alloyed with silicon to form an electrode layer, but the entire silicon is warped. Arise. This can be said to be proof that stress is generated in the silicon substrate. In such a state, a cell breakage occurs because further mechanical stress is applied during modularization such as serial connection of cells or attachment to a glass plate.
Moreover, in the latter (for example, patent document 2), there exists a difficulty in application of the module structure of a highly efficient and thin silicon solar cell.
[0007]
One of the main objects of the present invention is to provide a solar cell and a solar cell module using the solar cell that can greatly reduce cracks due to a thin and large area of a semiconductor substrate and further reduce the cost. is there.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
Thus, according to the present invention,Semiconductor substrate having photoelectric conversion functionAnd this semiconductorsubstrateA light receiving surface electrode provided on the light receiving surface side of the semiconductor, and a semiconductorsubstrateA back surface electrode part provided on the back side of the solar cell, at least the light receiving surface electrode part,It consists of a plurality of linear or branched light receiving surface separation electrodes, and the plurality of light receiving surface separation electrodes are arranged separately and function as electrodes for taking out current to the outside.A solar cell is provided.
In other words, the solar battery cell of the present invention has a light receiving surface electrode portion on the light receiving surface side separated into a plurality of parts, whereby a semiconductorsubstrateThe mechanical stress due to the light-receiving surface electrode can be dispersed against the semiconductorsubstrateSpecifically, the main grid electrode (thick line electrode portion) of the light receiving surface side electrode in the conventional solar cell (see FIG. 9) is omitted. Alternatively, it is formed in an electrode structure that is separated and reduced.
[0009]
Here, in the present invention, a semiconductor having a photoelectric conversion function in which a plurality of semiconductor layers are stacked.substrateCan be formed by a known technique mainly using a silicon substrate, but in addition to the silicon substrate, a known material such as a compound semiconductor substrate such as a silicon germanium substrate or a gallium arsenide substrate can also be used. For example, as a basic structure, n and p from the light incident side, or p and n from the light incident side are possible. Furthermore, the light incident side may be n + with a high concentration instead of n, or the light incident side may be a p + with high concentration instead of p. These light-receiving surface-side semiconductor layers (hereinafter sometimes referred to as light-receiving surface-side bonding layers) can be formed by a conventionally used thermal diffusion method or ion implantation method. Further, an antireflection film may be formed on the surface of the light receiving surface side bonding layer. On the other hand, a BSF layer or a back surface reflector (back surface reflector) may be formed on the back surface opposite to the light incident side, or an oxide film or a nitride film may be formed to prevent surface recombination. Various oxide films can be used as the antireflection film and the back surface reflection film.
[0010]
In the present invention, each of the light receiving surface electrode portionsPhotosensitive surfaceThe separation electrode can be formed by, for example, a printing method of printing and baking a conductive paste containing Ag powder as a main component, an Ag and / or Al vapor deposition method, or the like. Also,Photosensitive surfaceThe separation electrode can typically be exemplified by electrode pattern shapes formed at a predetermined pitch parallel to each other as straight lines having a constant width, but a plurality of adjacent (for example, two or three) electrodes can be cited.Photosensitive surfaceConnect the current extraction side ends of the separation electrodes to make one set with multiple pieces, and multiple sets as a wholeBranched light receiving surfaceIt can also be set as the electrode pattern which has arrange | positioned the separation electrode. Furthermore,Photosensitive surfaceMaking the separation electrode a curve,Photosensitive surfaceDo not place the separation electrodes in parallel.Photosensitive surfaceChanging the line width of the separation electrode,Photosensitive surfaceChanging the thickness of the separation electrode,Photosensitive surfaceIt is possible to embed the separation electrode in the substrate by detailed design.
[0011]
In the present invention, the back electrode portion on the back side is(1)Consisting of full surface electrodes, or(2)As with the light receiving surface electrode,Multiple backs of linear or branched linesIt can consist of a separation electrode. the above(1)In this case, the entire surface electrode can be formed by printing and baking a paste material mainly composed of powdered aluminum on the entire back surface of the silicon substrate. the above(2)In the case ofBack sideA separation electrode can be formed. In one solar battery cell, the electrode pattern of the back electrode part may be the same as or different from the electrode pattern of the front electrode part.
[0012]
According to the present invention, in the process of manufacturing a solar cell module by electrically connecting solar cells in series by separately forming an electrode (light-receiving surface electrode portion) on one surface serving as a light-receiving surface, Each of the light receiving surface electrode part of the solar battery cellPhotosensitive surfaceStress concentration on the light receiving surface side when electrically connecting the separation electrode and the back electrode portion of another adjacent solar battery cell can be avoided, and cracking of the solar battery cell can be reduced. The back electrode part is the above(1)In the case of a full surface electrode, the back surface field effect, that is, the effect of collecting the generated carriers by making electrolysis inside the cell by the highly concentrated semiconductor layer (for example, p + portion) on the back electrode side is improved. Thus, high cell photoelectric conversion efficiency can also be obtained. Also, above(2)Like the light receiving surface electrode part, the back electrode part isMultiple branched line backBy using separate electrodes, the light-receiving surface has the same effects as stress concentration avoidance, and the semiconductors originated from the front and back electrodessubstrateIt is possible to significantly reduce the mechanical stress on the solar cell, thereby making it possible to manufacture a large area (for example, 150 × 150 mm) solar cell with a thin semiconductor substrate of 100 μm or less.
[0013]
In the present invention, each of the light receiving surface electrode portionsPhotosensitive surfaceSeparation electrode pitch or back electrode partBack sideThe pitch of the separation electrodes is preferably set to 0.5 to 5 mm, and preferably the pitch is 1 to 3 mm. If comprised in this way, it will become technically easy to manufacture a high-performance solar cell with high cell photoelectric conversion efficiency while using a thin large-area substrate of 100 μm or less. In particular, when the pitch is 1 to 3 mm, a solar battery cell with extremely high photoelectric conversion efficiency can be obtained. In addition,Each light receiving surface separation electrode and each back surface separation electrodeIf the pitch is less than 0.5 mm, the electrode area is increased and the light incident area is reduced, so that the photoelectric conversion efficiency is drastically reduced. Also,Each light receiving surface separation electrode and each back surface separation electrodeWhen the pitch of 5 mm exceeds 5 mm, when the current moves through the light-receiving surface side bonding layer to reach the electrode, the resistance component becomes too large and is consumed by the resistance heat generation inside the cell, and the photoelectric conversion efficiency is drastically reduced. .
[0014]
In the present invention, each of the light receiving surface electrode portionsPhotosensitive surfaceThe separation electrodes are formed in parallel with each other at a predetermined pitch, and each of the back electrode portionsBack sideWhen the separation electrodes are formed at a predetermined pitch parallel to each other,Photosensitive surfaceSeparation electrode pitch andEach backThe ratio with the pitch of the separation electrodes is preferably set to 1: 3 to 3: 1, and preferably the ratio is substantially the same. By configuring in this way, when manufacturing the solar cell module, while suppressing the number of connections per cell (number of metal wires for connection), each of the separation electrodes of the light receiving surface electrode portion and the back surface electrode portion in each cell. The burden current can be adjusted, and high photoelectric conversion efficiency can be obtained. In particular, by making the above ratios substantially the same (approximately 1: 1), in addition to high photoelectric conversion efficiency, when the inside of the module is connected in series, the electrical connection between adjacent cells can be stress-relieved, The shortest distance with curvature, andEach light receiving surface separation electrode and each back surface separation electrodeCan be connected (wired) in a one-to-one relationship, making the connection work easy and significantly reducing the light-receiving surface connection failure rate. In addition,Photosensitive surfaceFor separation electrode pitchBack sideWhen the separation electrode pitch exceeds 3 times,Photosensitive surfaceAs the number of separation electrodes increases, the number of electrical connection points increases and the light receiving surface connection failure rate increases rapidly. vice versaBack sideFor separation electrode pitchPhotosensitive surfaceIf the separation electrode pitch exceeds three times, satisfactory photoelectric conversion efficiency cannot be obtained.
[0015]
Moreover, the solar battery cell in the present invention is a semiconductor.substrateLight receiving surfaceSideThe sheet resistance value may be 80 to 250 Ω / □, and the pitch of each separation electrode of the light receiving surface electrode portion may be set to 1 to 2 mm. By comprising in this way, a high short circuit current density can be obtained. In particular, the sheet resistance value is 150 to 200Ω / □, and each of the light receiving surface electrode portionsPhotosensitive surfaceIf the pitch of the separation electrodes is set to 1 to 1.5 mm, a remarkably high short-circuit current density can be obtained, which is preferable. Even if the sheet resistance value deviates from the range of 80 to 250 Ω / □ or the pitch deviates from the range of 1 to 2 mm, a satisfactory high short-circuit current density cannot be obtained.
[0016]
According to another aspect of the present invention, a plurality of solar cells having the above-described configuration are electrically connected in series, and the connection is made for each of the light receiving surface electrode portions of one solar cell.Photosensitive surfaceThere is provided a solar battery module formed between the separation electrode and the back electrode part of another adjacent solar battery cell. In this modularization, mechanical stress applied when the cells are connected in series or pasted to a glass plate is avoided, and cell cracking is reduced.
Furthermore, as with the light receiving surface electrode portion, the back surface electrode portion is alsoMultiple backs of linear or branched linesConsists of separation electrodes, each of the light-receiving surface electrode parts between adjacent solar cellsPhotosensitive surfaceEach of separation electrode and back electrode partBack separation electrodeAre electrically connected to each other, so that the cell cracking is further reduced, and a solar cell having a large area (for example, 150 × 150 mm) can be obtained at a low cost with a thin semiconductor substrate of 100 μm or less.
[0017]
In the solar cell module of the present invention, the number of electrical connection locations on the light-receiving surface electrode portion side is preferably set to 5 to 1000 locations, and preferably 10 to 50 electrical connection locations. It is. By configuring in this way, for example, in the case of having 100 electrical connection points per cell, the extraction current value per location is 8 mA to 80 mA (explained in FIG. 9), and the connection point The maximum height can be reduced from the conventional 0.9 mm to 0.15 mm or less, and the maximum width of the connection wiring can be reduced from the conventional 2.5 mm to 0.1 mm or less. As a result, the semiconductor substrate near the current extraction partTo boardIt is possible to reduce the concentrated stress to about 1/1000 or less, and it is possible to reliably reduce cell cracks in modularization. In particular, by setting the number of electrical connection points to 10 to 50, it is possible to shorten the connection time while reducing cell cracking. If the number of connection points is less than five, the electrode build-up thickness becomes large and the substrate thickness is equal to the conventional one. If the number of connection points exceeds 1,000, the connection speed per point is 100 ms (mm (Second) takes 1 minute or more per cell, and there is no merit in terms of cost.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiment.
[0019]
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a perspective view of a solar battery cell according to Embodiment 1 of the present invention, FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a solar battery module using the solar battery cell in the same embodiment, and FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the main part of the solar cell module in the embodiment, FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the main part of the solar cell module in the embodiment, and the adjacent solar cells are electrically connected with copper wires The connected state is shown.
[0020]
The
[0021]
Rectangular plate semiconductorsubstrate11 has an n +
The light receiving
Similar to the light receiving
In the first embodiment, each of the light-receiving surface electrode portions 12Photosensitive surfaceEach of
[0022]
FIG. 2 shows a solar cell module M manufactured using eight of these
[0023]
As shown in FIG. 3 and FIG. 4, when modularizing, each of the light receiving
[0024]
According to the first embodiment of the present invention, the light receiving surface electrode portion and the back surface electrode portion are separated into a plurality of parts, thereby providing a semiconductor.substrateIn contrast, it has an electrode structure that can disperse mechanical stress due to the light-receiving surface electrode.substrateEven if the thickness is reduced, cell cracking due to modularization is greatly reduced, and a large area (for example, 150 × 150 mm) solar cell can be obtained with a thin semiconductor substrate of 100 μm or less. In addition, each of the light receiving surface electrode sectionPhotosensitive surfaceSeparation electrode pitch and back electrode partBack sideBy making the ratio with the pitch of the separation electrode 1: 1, a high photoelectric conversion efficiency is obtained, and when the inside of the module is connected in series, the electrical connection between adjacent cells can be stress-relieved, The shortest distance with curvature, andEach light receiving surface separation electrode and each back surface separation electrodeCan be connected on a one-to-one basis, the connection work is easy, and the light receiving surface connection failure rate is significantly reduced.
[0025]
[Embodiment 2]
As shown in FIG. 5, the second embodiment of the present invention includes each of the light receiving
[0026]
According to the second embodiment of the present invention, the light receiving surface separation electrode pitch P22aAnd backside separation electrode pitch P23aIs set to 3: 1 so that one of the light receiving surface electrode portions 22Photosensitive surfaceThree electrodes from the
[0027]
[Embodiment 3]
As shown in FIG. 6, the light receiving
[0028]
According to
[0029]
[Embodiment 4]
As shown in FIG. 7, the fourth embodiment of the present invention has a light receiving
According to the fourth embodiment, the same effect as in the third embodiment is obtained.
[0030]
[Other embodiments]
In the above-described embodiment, the separation electrodes of the light-receiving surface electrode portion and the back electrode portion of the solar battery cell are electrode patterns formed in a straight line with a constant width and in parallel. An electrode pattern in which the
According to the present invention, as in the embodiment shown in FIGS. 8A to 8E, the design flexibility is wide in the shape, line width, thickness, arrangement, electrode pattern shape, etc. of each separation electrode. There are advantages.
[0031]
[Example 1]
The
[0032]
First, a p-
[0033]
Irradiation intensity 100mW / cm2When the current-voltage characteristics of the manufactured
[0034]
Next, as shown in FIG. 2, in a state where eight
[0035]
Further, Comparative Examples 1, 2, and 3 as described below were produced.
[Comparative Example 1]
In Comparative Example 1, the cell thickness was changed from 0.24 mm to 0.35 mm. All other conditions were the same as in Example 1. In Comparative Example 1, 15.2% was obtained as the cell photoelectric conversion efficiency. Then, modularization was performed with this solar battery cell.
[Comparative Example 2]
In Comparative Example 2, a cell and a module were manufactured by applying the conventional cell structure (see FIG. 9) to a 12 × 12 cm square polycrystalline silicon substrate having a substrate thickness of 0.24 mm. In the conventional structure, the light receiving surface electrode is composed of a grid electrode and a main grid electrode as shown in FIG. 9, and the back electrode is obtained by printing and baking aluminum paste on the back surface side. Other conditions are the same as those in the first embodiment. In Comparative Example 2, the cell photoelectric conversion efficiency was 13.8%. Then, modularization was performed with this solar battery cell.
[Comparative Example 3]
In Comparative Example 3, the substrate thickness was changed from 0.24 mm to 0.35 mm to perform cell formation. All other conditions were the same as in Comparative Example 2. In Comparative Example 3, 14.1% was obtained as the cell photoelectric conversion efficiency. Then, modularization was performed with this solar battery cell.
In Comparative Examples 1 to 3, the cell photoelectric conversion efficiency was measured under the same conditions as in Example 1.
[0036]
The non-defective product rate and the non-defective product rate of Example 1, Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Comparative Example 3 were determined, and the situation was summarized in Table 1.
[0037]
[Table 1]
[0038]
In Table 1, the yield rate after cell formation is the yield when 100 cells are manufactured under the same conditions. There is no significant difference between Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 regarding the yield rate after cell formation. Using these non-defective cells, 10 solar cell modules were prepared for Example 1 and Comparative Examples 1 to 3, respectively, and then the irradiation intensity was 100 mW / cm for each module.2The power generation efficiency of the module was measured using a negative electrode terminal and a positive electrode terminal (see FIG. 2) in a state in which simulated sunlight was irradiated. In Table 1, the module non-defective rate is the rate at which module characteristics corresponding to the characteristics of the cells enclosed in the module were obtained.
[0039]
In Example 1 and Comparative Example 1, the cell structure of the present invention was used. Further, Comparative Example 2 and Comparative Example 3 used a conventional cell structure. As for the substrate thickness, cells are formed in a thin substrate in Example 1 and Comparative Example 2, and in a thick substrate in Comparative Example 1 and Comparative Example 3. About 90% or more of the non-defective product rate after the cell formation was obtained, but it became clear that the non-defective product rate when it was connected in series and modularized had a clear difference of 20 to 100%. That is, it can be said that most cells were damaged by the modularization when the conventional cell connection (two copper connections with a width of 2 mm per cell) using a thin substrate with a conventional cell structure (Comparative Example 2). However, even if the cell structure of Example 1 (the present invention) is made a thin substrate, the module yield is as high as 90%, which is almost the same as the conventional cell and module of Comparative Example 3.
[0040]
Next, a solar cell having the cell structure of the first embodiment, which has a different number of electrically connected portions in the light-receiving surface electrode portion, is manufactured, and an electrode rising thickness for each solar cell is measured. The results are shown in Table 2. In addition, as shown in FIG. 4, this electrode rising thickness is a silicon substrate (semiconductorsubstrate11) the thickness T from the surface to the connection upper part of the separation electrode.
[0041]
[Table 2]
[0042]
From Table 2, it can be seen that if the number of connection points is 5 or more, the electrode build-up thickness is reduced to 490 μm or less. In addition, when the number of connection points is four, the thickness of the raised electrode is about the same as the conventional one, and the substrate thickness cannot be reduced, and it is only the same as the conventional thickness. Although it can be reduced, since the time required for connection becomes enormous, the production efficiency is lowered and there is no merit.
[0043]
Next, each solar cell having the cell structure of the first embodiment, that is, each of the light receiving surface electrode portionsPhotosensitive surfaceSeparation electrode pitch and back electrode partBack sideA plurality of solar cells having a separation electrode pitch of 1: 1 and a sheet resistivity of the light-receiving surface side bonding layer (n + layer) of 100Ω / □ and different pitches are manufactured and irradiated. Strength 100mW / cm2The cell photoelectric conversion efficiency was measured for each solar battery cell in the state of irradiating pseudo sunlight with, and the results are shown in Table 3. The sheet resistance value was measured using a four-probe measuring instrument used in the general semiconductor field.
[0044]
[Table 3]
[0045]
From Table 3, each of the light receiving surface electrode partsPhotosensitive surfaceWhen the separation electrode pitch is 2 mm, the cell photoelectric conversion efficiency is as high as 20%, and then the photoelectric conversion efficiency is as high as 18 to 14% in the order of pitch 1 mm, 3 mm, 4 mm, 0.5 mm, and 5 mm. I understand. If the pitch is less than 0.5 mm,Photosensitive surfaceWhen the total area of the electrode becomes too large, the spectral incident area decreases, the cell photoelectric conversion efficiency decreases drastically, and when the pitch exceeds 5 mm, the current moves through the light-receiving surface side bonding layer and reaches the electrode. The resistance component becomes too large and is consumed by the resistance heat generation inside the cell, and the photoelectric conversion efficiency is drastically reduced.
[0046]
Next, it is a photovoltaic cell of the electrode pattern of Embodiment 1, and each of the light-receiving surface electrode partPhotosensitive surfaceEach of the back electrode part with respect to the pitch of the separation electrodeBack sideA plurality of solar cells having different separation electrode pitch ratios are manufactured, and the light receiving surface connection failure rate is measured for each solar cell, and the irradiation intensity is 100 mW / cm.2The cell photoelectric conversion efficiency was measured in the state of irradiating pseudo sunlight with Table 4 and the results are shown in Table 4.
[0047]
[Table 4]
[0048]
From Table 4, when the ratio is 1: 1, the light receiving surface connection failure rate is the lowest as 0.2% and the cell photoelectric conversion efficiency is as high as 15%. In the range of 3: 1, it can be seen that the light receiving surface connection failure rate is as low as 0.2 to 1.4% and the cell photoelectric conversion efficiency is as high as 15 to 13%. If the back surface separation electrode pitch with respect to the light receiving surface separation electrode pitch is large outside the range of the ratio of 1: 3 to 3: 1,Photosensitive surfaceIncreasing the number of separation electrodes increases the number of electrical connection points, and the failure rate of the light receiving surface connection increases dramatically.If the back surface separation electrode pitch with respect to the light receiving surface separation electrode pitch is small, the cell photoelectric conversion efficiency decreases and a satisfactory value I can't get it.
[0049]
Next, in the solar cell of the electrode pattern of the first embodiment, the sheet resistance value of the light receiving surface bonding layer is different, and each of the light receiving surface electrode portionsPhotosensitive surfaceA plurality of solar cells having different separation electrode pitches were manufactured, and the irradiation intensity was 100 mW / cm.2The short circuit current density (mA / cm) for each solar cell in the state irradiated with simulated sunlight at2) And the results are shown in Table 5.
[0050]
[Table 5]
[0051]
From Table 5, the short-circuit current density is 37 mA / cm when the sheet resistance is 200Ω / □ and the light receiving surface separation electrode pitch is 1 mm.2In the range where the sheet resistance value is 80 to 250 Ω / □ and the light receiving surface separation electrode pitch is 1 to 2 mm, the short circuit current density is 37 to 32 mA / cm.2I understand that it is expensive. In addition, even if the sheet resistance value deviates from the range of 80 to 250 Ω / □ or the light receiving surface separation electrode pitch deviates from the range of 1 to 2 mm, the short-circuit current density is reduced to obtain a satisfactory value. I can't.
[0052]
【The invention's effect】
According to the present invention, in the process of manufacturing a solar cell module by electrically connecting solar cells in series by separately forming an electrode (light-receiving surface electrode portion) on one surface serving as a light-receiving surface, Each of the light receiving surface electrode part of the solar battery cellPhotosensitive surfaceIt is possible to avoid stress concentration on the light receiving surface side when electrically connecting the separation electrode and the back electrode portion (full surface electrode) of another adjacent solar battery cell, and to reduce the cracking of the solar battery cell In addition, a back surface electric field (buck surface field) effect due to the entire surface electrode of the back electrode portion can be obtained, and high cell photoelectric conversion efficiency can be obtained.
Furthermore, as with the light receiving surface electrode portion, the back surface electrode portion also has a plurality of pieces.Back sideBy using separate electrodes, the light-receiving surface has the same effects as stress concentration avoidance, and the semiconductors originated from the front and back electrodessubstrateIt is possible to significantly reduce the mechanical stress on the semiconductor device, thereby making it possible to manufacture a large area solar cell with a thin semiconductor substrate of 100 μm or less.
Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a solar battery cell and a solar battery module using the solar battery which can greatly reduce the cracks due to the reduction in thickness and area of the semiconductor substrate and further reduce the cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a solar battery cell according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a solar cell module using solar cells in the same embodiment.
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a main part of the solar cell module in the same embodiment.
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a main part of the solar cell module according to the embodiment, showing a state in which adjacent solar cells are electrically connected with a copper wire.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an electrode pattern of a solar battery cell and a connection state between cells according to
FIG. 6 is a plan view of a solar battery cell according to
FIG. 7 is a plan view of a solar battery cell according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a plan view of a solar battery cell according to another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a perspective view of a conventional solar battery cell.
[Explanation of symbols]
11 Semiconductorsubstrate
12, 22, 32, 42 Light-receiving surface electrode section
13, 23 Back electrode part
10, 20, 30, 40 Solar cell
12a, 22a, 32a, 42aPhotosensitive surfaceSeparation electrode
13a, 23aBack sideSeparation electrode
P12a, P22a Predetermined pitch
P13a, P23a Predetermined pitch
11b Light-receiving surface side semiconductor layer
S Electrical connection location
Claims (11)
前記複数の受光面分離電極は、それぞれ分離して配置されると共に、電流を外部に取り出すための電極としてそれぞれ機能することを特徴とする太陽電池セル。A semiconductor substrate having a photoelectric conversion function, a light-receiving surface electrode portion provided on the light-receiving surface side of the semiconductor substrate, a solar cell and a back electrode portion provided on a rear surface side of the semiconductor substrate, at least the light receiving surface The electrode portion is composed of a plurality of light receiving surface separation electrodes that are linear or branched,
The plurality of light receiving surface separation electrodes are separately disposed and function as electrodes for taking out current to the outside .
前記複数の裏面分離電極は、それぞれ分離して配置されると共に、電流を外部に取り出すための電極としてそれぞれ機能する請求項1に記載の太陽電池セル。The back surface electrode portion is composed of a plurality of back surface separation electrodes that are linear or branched,
2. The solar cell according to claim 1, wherein the plurality of back surface separation electrodes are disposed separately and function as electrodes for taking out current to the outside .
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