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TW201445753A - 太陽電池單元與其製造方法以及太陽電池模組 - Google Patents

太陽電池單元與其製造方法以及太陽電池模組 Download PDF

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TW201445753A
TW201445753A TW102139025A TW102139025A TW201445753A TW 201445753 A TW201445753 A TW 201445753A TW 102139025 A TW102139025 A TW 102139025A TW 102139025 A TW102139025 A TW 102139025A TW 201445753 A TW201445753 A TW 201445753A
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Abstract

一太陽電池單元，包括第1導電型的半導體基板，在受光面側的一面側，具有擴散第2導電型的不純物元素的不純物擴散層；受光面側電極，由柵極電極與導通至上述柵極電極且比上述柵極電極寬度寬的匯流排電極構成，在上述一面側形成並電氣連接上述不純物擴散層；以及背面側電極，在上述半導體基板的上述一面側的相反側的背面形成，並電氣連接至上述不純物擴散層；上述受光面側電極，包括第1金屬電極層，係直接接合上述半導體基板的一面側的金屬膏材電極層；以及第2金屬電極層，不同於上述第1金屬電極層的同時，由具有與上述第1金屬電極層大略相等的電阻率的金屬材料構成，係覆蓋在上述第1金屬電極層上形成的電鍍電極層；上述柵極電極的剖面面積在300μm2以上，而上述柵極電極的電極寬度在60μm以下。

Description

太陽電池單元與其製造方法以及太陽電池模組
本發明係關於太陽電池單元與其製造方法以及太陽電池模組。
目前地球上使用的電力用太陽電池主流，係使用矽基板的大(bulk)型矽太陽電池。於是，關於矽太陽電池的量產水準中的製造流程，實施極力簡化，應力求降低製造成本，進行各種研究。
習知的大型矽太陽電池單元(以下，有時稱作太陽電池單元)，一般根據以下的方法製作。首先，例如準備p型矽基板作為第1導電型基板。於是，矽基板中從鑄造晶錠切割之際產生的矽表面損傷層，以例如數至20重量%的氫氧化鈉、氫氧化鉀的鹼溶液除去10μm~20μm的厚度。
其次，除去損傷層的表面上製作稱為結構化(texture)的表面凹凸構造。太陽電池單元的正面側(受光面側)中，通常，為了抑制光反射儘量取入多量的太陽光至p型矽基板上，形成如此的結構化。結構化的製作方法，例如有稱作鹼結構化法的方法。鹼結構化法，以數重量%的氫氧化鈉、氫氧化鉀之類的低鹼濃度液中添加IPA(異丙醇)等促進非等向性蝕刻的添加劑之溶液，進行非等向性蝕刻，形成結構化以出現矽 (111)面。
接著，作為擴散處理，p型矽基板在三氯氧磷(POCl3)、氮氣、氧氣的混合氣體空氣中以例如800℃~900℃處理數十分鐘，表面全面同樣形成n型不純物擴散層作為第2導電型的不純物層。不特別設法的情況下，在p型矽基板的全面形成n型不純物擴散層。矽表面上同樣形成的n型不純物擴散層的薄膜電阻係數十歐姆/單位面積，假設n型不純物擴散層的深度為0.3μm~0.5μm左右。
在此，由於在矽表面上同樣形成n型不純物擴散層，正面與背面間係電氣連接的狀態。為了切斷此電氣連接，例如以乾蝕刻蝕刻p型矽基板的端面區域。又，其他的方法，也有以雷射進行p型矽基板的端面分離。之後，浸泡p型矽基板在氫氟酸(Hydrofluoric Acid)水溶液中，在擴散處理中蝕刻除去表面上堆積的玻璃質(PSG)。
其次，作為以防止反射為目的的絕緣膜(反射防止膜)，氧化矽膜、氮化矽膜、氧化鈦膜等的絕緣膜在n型不純物擴散層的表面上以同樣的厚度形成。形成氮化矽膜作為反射防止膜的情況，係用電漿CVD法以矽烷(Silane)氣體及氨(NH3)氣體為原材料，在300℃以上，以減壓下的條件形成膜。反射防止膜的折射率為2.0~2.2左右，最適當的膜厚為70nm~90nm左右。又，應注意如此形成的反射防止膜係絕緣體，在其上只形成受光面側電極，不作用為太陽電池。
其次，成為受光面側電極的銀膏材在反射防止膜上以網版(screen)印刷法塗佈成柵極(Grid)電極及匯流排(bus) 電極的形狀，並乾燥。在此，受光面側電極用的銀膏材在以防止反射為目的的絕緣膜上形成。
其次，成為背面鋁電極的背面鋁電極膏材，以及成為背面銀匯流排電極的背面銀膏材在基板的背面以網印法分別塗佈成背面鋁電極的形狀以及背面銀匯流排電極的形狀，並乾燥。
其次，根據數秒間的峰值溫度成為700℃~900℃的數分鐘到十數分鐘之間之燒成縱剖面，同時燒成矽基板的正背面上塗佈的電極膏材。因此，在矽基板的正面側形成柵極電極以及匯流排電極作為受光面側電極，而在矽基板的背面側形成背面鋁電極以及背面銀匯流排電極作為背面側電極。在此，矽基板的受光面側以銀膏材中包含的玻璃材料在反射防止膜融解期間銀材料與矽接觸，再凝固。因此，確保受光面側電極與矽基板(n型不純物擴散層)間的導通。如此的製程稱作過火(fire through)。用作電極的金屬膏材，使用主成分的金屬粉與玻璃粉末分散至有機媒介物得到的厚膜膏材組成物。金屬膏材內包含的玻璃粉與矽面反應粘著，藉此保持電極的機械強度。
又，燒成中鋁從背面鋁電極膏材作為不純物擴散至矽基板的背面側，鋁作為不純物在背面鋁電極的正下方形成比矽基板包含更高濃度的p+層(BSF(背面電場))。藉由實施如此的步驟，形成大型矽太陽電池單元。
作為如此的太陽電池單元中低成本化的組合，一直以來繼續檢討嘗試降低太陽電池的構材料料成本。太陽電池單元的構成材料中最高價的構成材料係矽基板。於是，對於矽 基板，一直以來繼續薄化的努力。矽基板的厚度在太陽電池的量產開始的當初以350μm厚左右為主要厚度，目前生產160μm厚左右的矽基板。
又，往低成本化的目標，涉及構成太陽電池的全部材料。太陽電池單元的構成材料中，次於矽基板，高價的材料係銀電極，開始檢討銀電極的代替品。
例如非專利文件1中，顯示用作反射防止膜的氮化矽膜中形成梳狀電極的部分以雷射除去，設置開口部後，對於上述開口部，依鎳、銅、銀的順序進行電鍍。即，非專利文件1中，揭示具有可以使用銅代替銀的可能性。
另一方面，非專利文件2中，顯示根據習知的網印形成銀膏材電極後，再度電鍍銀，揭示電鍍作為電極形成方法的一手法是有效的。
又，取代非專利文件2中指示的銀的電鍍，根據網印法的印刷、燒成的Ag(銀)膏材電極上，更提出依鎳、銅、銀的順序電鍍力求低成本化的方法，例如從Besi公司的子公司的荷蘭(尼德蘭(Netherlands))的Meco公司開始販賣設備(例如，參照非專利文件3)。
[先行技術文件] [非專利文件]
[非專利文件1]L. Tous,等人”Large area copper plated silicon solar cell exceeding 19.5% efficiency(超過19.5效率的大區域鍍銅矽太陽電池)”, 3rd Workshop on Metallozation for Crystalline Silicon Solar cell 25-26 October 2011, Chaleroi, Belgium(晶狀矽太陽電池的金屬化第3次研討會，2011年10月25-26日，比利時)
[非專利文件2]E.Wefringhaus等人”ELECTROLESS SILVER PLATING OF SCREEN PRINTED GRIFD FINGERS AS A TOOL FOR ENHANCEMENT OF SOLAR EFFICIENCY(網印GRIFD指狀物的無銀電鍍作為加強太陽效率的工具)”第22次歐洲光生伏打太陽能會議，2007年9月3-7日，米蘭義大利
[非專利文件3][平成25年4月4日檢索]、網路(internet)(網址：http：//www.besi.com/products-and-technology/plating/solar-plating-equipment/meco-cpl-more-power-out-of-your-cell-at-a-lower-cost-38)
不過，非專利文件1的情況，例如氮化矽膜以雷射除去之際加工的再現性或均一性作為課題。以雷射加工氮化矽膜之中，考慮雷射的動力高時n型不純物擴散層產生熱損傷的可能性，而雷射的動力低時氮化矽膜的加工不能充分進行的可能性。
又，非專利文件1的情況，除了上述雷射加工的工業安定性課題之外，以雷射掃描晶圓的厚度變動、結構化表面的矽構造凹凸、梳形形狀之際也有機械變動的課題。因此，非專利文件1的方法，沒有廣泛傳佈。又，太陽電池中，可靠性要求耐溼性、耐溫周期性能。不過，根據非專利文件1形成 的電極構造，考慮傳佈至市場時，不能說是充分確證可靠性的構造。
另一方面，非專利文件2中，以習知的網印進行Ag電極的細線化後，更藉由電鍍生長Ag電極，活用電鍍實現比只有習知的網印的電極構造更細線化。於是，非專利文件2中，電鍍前的電極寬度為60μm~85μm，抑制電鍍後的電極寬度至未滿100μm。於是，由於只有習知的網印形成的電極寬度為120μm，形成電極的細線化，提高光電轉換效率。不過，以100μm左右的電極寬度，在力求更高的光電轉換效率方面，電極的細線化不充分。
又，非專利文件3中，由於最初以網印形成的Ag膏材電極寬度至少為50μm左右以上，電鍍後的電極寬度還是未滿100μm左右。不過，以100μm左右的電極寬度，在力求更高的光電轉換效率方面，電極的細線化不充分。
如上述，關於受光面側電極的形成方法，產生各種技巧，太陽電池的高光電轉換效率化、低成本化發展起來。即，藉由使用電鍍的技術，進行起代替材料的使用、高光電轉換效率化(細線化)的嘗試。不過，如上述，以低成本為目標的非專利文件1的方法，有製造中再現性、可靠性的課題。又，以高光電轉換效率化為目標的非專利文件2及非專利文件3的方法，在習知的網印的延長上，細線化不充分。
本發明，有鑑於上述而形成，以得到低成本化與高光電轉換效率化優異的太陽電池單元與其製造方法以及太陽電池模組為目的。
為了解決上述課題，達成目的，根據本發明的太陽電池單元，包括第1導電型的半導體基板，在受光面側的一面側，具有擴散第2導電型的不純物元素的不純物擴散層；受光面側電極，由柵極電極與導通至上述柵極電極且比上述柵極電極寬度寬的匯流排電極構成，在上述一面側形成並電氣連接上述不純物擴散層；以及背面側電極，在上述半導體基板的上述一面側的相反側的背面形成，並電氣連接至上述不純物擴散層；上述受光面側電極，包括第1金屬電極層，係直接接合上述半導體基板的一面側的金屬膏材電極層；以及第2金屬電極層，不同於上述第1金屬電極層的同時，由具有與上述第1金屬電極層大略相等的電阻率的金屬材料構成，係覆蓋在上述第1金屬電極層上形成的電鍍電極層；上述柵極電極的剖面面積在300μm2以上，而上述柵極電極的電極寬度在60μm以下。
根據本發明，以得到低成本化與高光電轉換效率化優異的太陽電池單元為目的。
1‧‧‧太陽電池單元
2‧‧‧半導體基板
3‧‧‧n型不純物擴散層
3a‧‧‧微小凹凸
4‧‧‧反射防止膜
5‧‧‧正面銀柵極電極
6‧‧‧正面銀匯流排電極
7‧‧‧背面鋁電極
7a‧‧‧鋁膏材
8‧‧‧背面銀電極
9‧‧‧p+層(BSF(背面電場))
11‧‧‧半導體基板
11a‧‧‧p型多晶矽基板
12‧‧‧受光面側電極
13‧‧‧背面側電極
21‧‧‧銀膏材電極層
21a‧‧‧銀膏材
22‧‧‧鍍鎳電極層
23‧‧‧鍍銅電極層
24‧‧‧鍍錫電極層
[第1-1圖]係用以說明本發明第一實施例的太陽電池單元構成的圖，並從受光面側見到的太陽電池單元的上面圖；[第1-2圖]係用以說明本發明第一實施例的太陽電池單元構成的圖，並從受光面的相反側(背面側)見到的太陽電池單元的下面圖； [第1-3圖]係用以說明本發明第一實施例的太陽電池單元構成的圖，係太陽電池單元的主要部分剖面圖；[第1-4圖]係用以說明本發明第一實施例的太陽電池單元構成的圖，係放大第1-3圖中受光面側電極的正面銀柵極電極近旁的主要部分剖面圖；[第2-1圖]係用以說明本發明第一實施例的太陽電池單元製造步驟的剖面圖；[第2-2圖]係用以說明本發明第一實施例的太陽電池單元製造步驟的剖面圖；[第2-3圖]係用以說明本發明第一實施例的太陽電池單元製造步驟的剖面圖；[第2-4圖]係用以說明本發明第一實施例的太陽電池單元製造步驟的剖面圖；[第2-5圖]係用以說明本發明第一實施例的太陽電池單元製造步驟的剖面圖；[第2-6圖]係用以說明本發明第一實施例的太陽電池單元製造步驟的剖面圖；[第2-7圖]係用以說明本發明第一實施例的太陽電池單元製造步驟的剖面圖；[第2-8圖]係用以說明本發明第一實施例的太陽電池單元製造步驟的剖面圖；[第2-9圖]係用以說明本發明第一實施例的太陽電池單元製造步驟的剖面圖；[第3圖]係用以說明本發明第一實施例的太陽電池單元 製造步驟的流程圖；[第4圖]係顯示正面銀柵極電極的剖面面積與曲線因子(FF)之間的關係特性圖；[第5圖]係顯示正面銀柵極電極的剖面面積約500μm2的太陽池單元中正面銀柵極電極寬度與曲線因子(FF)之間的關係特性圖；[第6圖]係顯示由於形成方法不同而產生的正面銀柵極電極的剖面面積與正面銀柵極電極寬度之間的關係特性圖；[第7圖]係顯示正面銀匯流排電極的條數與太陽電池模組的短路電流密度(Jsc)之間的關係特性圖；[第8圖]係顯示正面銀匯流排電極的條數與太陽電池模組的曲線因子(FF)之間的關係特性圖；[第9圖]係顯示正面銀匯流排電極的條數與太陽電池模組的最大輸出Pmax之間的關係特性圖；以及[第10圖]係正面銀匯流排電極的條數為4條時從受光面側所見的太陽電池單元的上面圖。
以下，根據圖面，詳細說明本發明的太陽電池及其製造方法、太陽電池模組的實施例。又，本發明不限定於以下的記述，在不脫離本發明主旨的範圍內，可以適當變更。又，以下所示的圖面中，為了容易理解，各構件的比例尺有時與實際不同，各圖面間也相同。
[第一實施例]
第1-1~1-4圖係用以說明本發明第一實施例的太 陽電池單元1構成的圖，第1-1圖係從受光面側見到的太陽電池單元1的上面圖，第1-2圖係從受光面的相反側(背面側)見到的太陽電池單元1的下面圖，第1-3圖係太陽電池單元1的主要部分剖面圖。第1-3圖係第1-1圖的A-A方向中的主要部分剖面圖。第1-4圖係放大顯示第1-3圖中受光面側電極的正面銀柵極電極近旁的主要部分剖面圖。
根據本實施例的太陽電池單元1中，p型多晶矽構成的半導體基板2的受光面側以磷擴散形成0.3μm~0.5μm左右的n型不純物擴散層3，而形成具有pn接合的半導體基板11。又，n型不純物擴散層3上形成氮化矽膜(SiN膜)構成的反射防止膜4。又，半導體基板2不限定於p型多晶的矽基板，也可以使用p型單晶的矽基板、n型多晶的矽基板、n型單晶矽基板。
又，半導體基板11(n型不純物擴散層3)的受光面側的表面，形成微小凹凸3a作為結構化構造。微小凹凸3a，在受光面增加吸收來自外部的光之面積，抑制受光面中的反射率，成為關住光的構造。
反射防止膜4，例如由氮化矽膜(SiN膜)構成，在半導體基板11的受光面側的面(受光面)以例如70nm~90nm左右的膜厚形成，防止受光面中的入射光反射。
又，在半導體基板11的受光面側，設置排列複數長形的細長正面銀柵極電極5，與此正面銀柵極電極5導通的正面銀匯流排電極6設置為與上述正面銀柵極電極5大致直交，分別在底部電氣連接至n型不純物擴散層3。正面銀柵極 電極5及正面銀匯流排電極6以銀材料構成。於是，以正面銀柵極電極5及正面銀匯流排電極6構成第1電極的受光面側電極12。配置於受光面側的受光面側電極12，為了效率良好收集發電的電流，形成梳形形狀。正面銀柵極電極5，具有例如未滿60μm的寬度，形成數十條。另一方面，正面銀匯流排電極6擔任與受光面側電極12互相連接的任務，具有例如1mm(毫米)~2mm的寬度，以2條~4條構成。
受光面側電極12的正面銀柵極電極5由以下構成：銀膏材電極層21，係直接接合半導體基板11(n型不純物擴散層3)的受光面側的表面之金屬膏材電極；鍍鎳電極層22，覆蓋在銀膏材電極層21上以電鍍形成；鍍銅電極層23，覆蓋在鍍鎳電極層22上，以電鍍形成；以及鍍錫電極層24，覆蓋在鍍銅電極層23上，以電鍍形成。又，受光面側電極12的正面銀匯流排電極6也具有與正面銀柵極電極5相同的構成。
另一方面，在半導體基板11的背面(與受光面相反側的面)，遍及全體設置鋁材料構成的背面鋁電極7，還有與正面銀匯流排電極6大致往同一方向延伸，設置銀材料構成的條(bar)狀背面銀電極8作為取出電極。於是，背面鋁電極7與背面銀電極8構成第2電極的背面側電極13。又，背面銀電極8的形狀也可以是點狀等。
又，在半導體基板11的背面(與受光面相反側的面)側的表層部，在背面鋁電極7的下部，以燒成形成鋁與矽的合金層(未圖示)，其下以鋁擴散形成包含高濃度不純物的p+層(BSF(背面電場))9。p+層(BSF)9係為了得到BSF效果而設置， 為了不消滅p型層(半導體基板2)中的電子，提高帶(band)構造的電場中p型層(半導體基板2)的電子濃度，有助於提高太陽電池單元1的能量轉換效率。
如此構成的太陽電池單元1中，太陽光從太陽電池單元1的受光面側照射至半導體基板11的pn接合面(半導體基板2與n型不純物擴散層3間的接合面)時，產生電洞與電子。由於pn接合部的電場，產生的電子往n型不純物擴散層3移動，電洞往p+層(BSF)9移動。因此，成為n型不純物擴散層3中電子過剩，而p+層9中電洞過剩的結果，發生光起電力。此光起電力往順方向偏壓pn接合的方向產生，連接至n型不純物擴散層3的受光面側電極12成為負極，連接至p+層9的背面側電極13成為正極，電流流入未圖示的外部電路。
其次，關於如此的第一實施例的太陽電池單元1的製造方法的一範例，參照第2-1~2-9圖說明。第2-1~2-9圖係用以說明本發明第一實施例的太陽電池單元1的製造步驟的剖面圖。第3圖係用以說明本發明第一實施例的太陽電池單元1的製造步驟的流程圖。
首先，半導體基板，例如準備用於針對民生用太陽電池最多的p型多晶矽基板11a(以下，稱作p型多晶矽基板11a)。p型多晶矽基板11a，由於冷卻固化融解的矽而完成的晶錠以鋼線鋸(wire saw)切割製造，表面上留下切割時的損傷。於是，藉由浸泡p型多晶矽基板11a在酸或加熱的鹼溶液中，例如氫氧化鈉水溶液，蝕刻表面例如10μm厚左右，除去切下 矽基板時發生並存在於p型多晶矽基板11a的表面附近的損傷區域(步驟S10，第2-1圖)。
又，除去損傷的同時，或是接著除去損傷，浸泡p型多晶矽基板11a在鹼溶液中，執行非等向性蝕刻以露出矽的(111)面，在p型多晶矽基板11a的受光面側表面形成10μm左右的微小凹凸3a作為結構化構造(步驟S20，第2-2圖)。在p型多晶矽基板11a的受光面側設置如此的結構化構造，藉此在太陽電池單元1的正面側產生光的多重反射，入射至太陽電池單元1的光可以有效地吸收至半導體基板11的內部，實效地降低反射率，可以提高轉換效率。以鹼溶液執行損傷層的除去以及結構化構造的形成，調整鹼溶液的濃度鹼溶液至依照各個目的的濃度，有時是連續處理的情況。
又，由於本發明係關於電極形成的發明，有關結構化構造的形成方法、形狀，不特別限制。例如，使用含有異丙醇的鹼水溶液、主要使用氫氟酸、硝酸的混合液構成的酸蝕刻方法，在p型多晶矽基板11a的表面上形成設置部分開口的光罩(mask)材，經由上述光罩材以蝕刻在p型多晶矽基板11a的表面上得到峰巢狀構造、倒角錐構造的方法，或是使用反應性氣體蝕刻(RIE：反應性離子蝕刻)的手法等，使用任一手法都可以。
其次，投入此p型多晶矽基板11a至熱氧化爐，例如在n型不純物的磷(P)的空氣下加熱。根據此步驟在p型多晶矽基板11a的表面上熱擴散磷(P)，形成與p型多晶矽基板11a的導電型反轉的n型不純物擴散層3而形成半導體pn接 合。因此，由第1導電型的p型多晶矽基板構成的半導體基板2、以及在上述半導體基板2的受光面側形成的第2導電型層的n型不純物擴散層3，得到構成pn接合的半導體基板11(步驟S30，第2-3圖)。
又，不特別設法的情況下，n型不純物擴散層3在p型多晶矽基板11a的全面形成。又，假設此n型不純物擴散層3的薄膜電阻例如數十歐姆/單位面積，n型不純物擴散層的深度例如為0.3~0.5μm左右。
在此，緊接著n型不純物擴散層3形成之後的表面上，由於擴散處理中形成表面上堆疊的玻璃質(磷矽玻璃(PSG：Phospho-Silicate Glass)，使用氫氟酸溶液等除去上述磷玻璃層。
又，圖中省略記載，但n型不純物擴散層3在p型多晶矽基板11a的全面形成。於是，為了除去在p型多晶矽基板11a的背面等形成的n型不純物擴散層3的影響，例如使用混合氫氟酸與硝酸的硝酸溶液，只在成為p型多晶矽基板11a的受光面側的一面留下n型不純物擴散層3，除去此外的區域的n型不純物擴散層3。
其次，在形成n型不純物擴散層3的p型多晶矽基板11a(半導體基板11)的受光側全面，為了改善光電轉換效率，以例如70nm~90nm左右的膜厚形成氮化矽膜(SiN膜)作為反射防止膜4(步驟S40，第2-4圖)。反射防止膜4的形成，例如使用電漿CVD法，利用矽烷與氨的混合氣體，形成氮化矽膜作為反射防止膜4。
其次，形成電極。首先，半導體基板11的背面側，含鋁的電極材料膏材的鋁膏材7a以網印塗佈成背面鋁電極7的形狀，又，包含銀的電極材料膏材的銀膏材(未圖示)以網印塗佈成背面銀電極8的形狀，並乾燥(步驟S50，第2-5圖)。
其次，半導體基板11的受光面側以凹版印刷(photogravure)，塗佈包含鋁的電極材料膏材的銀膏材21a，並乾燥(步驟S60，第2-5圖)。又，圖中，只顯示銀膏材21a中正面銀柵極電極5形成用的銀膏材部分。在此，銀膏材21a以凹版印刷只塗佈一層。即，在此，為了儘可能抑制銀的使用至最低限制，以異線化優異的凹版印刷塗佈銀膏材21a。於是，銀膏材21a的塗佈形狀，比最終的電極形狀，係寬度、高度都小的尺寸。
其次，例如根據數秒間的峰值溫度成為700℃~900℃的數分鐘到十數分鐘之間之燒成縱剖面，同時嬈成半導體基板11的受光面側及背面側的電極膏材(步驟S70，第2-6圖)。結果，半導體基板11的背面側，燒成鋁膏材7a及銀膏材，形成背面鋁電極7與背面銀電極8。又，燒成中，從鋁膏材7a擴散鋁作為不純物至半導體基板11的背面側，包含比半導體基板2高濃度的鋁作為不純物的P+層9在背面鋁電極7的正下方形成。
另一方面，在半導體基板11的正面側，銀膏材21a在燒成中融解．貫通反射防止膜4，成為可以取得與n型不純物擴散層3電氣接觸的銀膏材電極層21。如此的製程稱作”過火(Fire Through)”。用作電極的金屬膏材，使用分散主成分的 金屬粉與玻璃粉末至有機媒介物而得到的厚膜膏材組成物。藉由金屬膏材內包含的玻璃粉與矽面(半導體基板11的受光面側的表面)反應黏著，保持n型不純物擴散層3與正面銀柵極電極間的電氣接觸以及機械的接合強度。
在此形成的銀膏材電極層21中的正面銀柵極電極5的部分，相較於只以習知的網印形成的正面銀柵極電極，寬度窄且高度低地形成。在此，例如網印產生的正面銀柵極電極的寬度下限(細線化的下限)在一般的正面電極膏材中50μm左右，高度最大20μm左右。網印中，有金屬網目(mesh)的痕跡，長度方向傾向以固定間隔重複凹凸，此情況下，表現凸部分的高度。相對地，第一實施例中因為利用凹版印刷，銀膏材電極層21中表面銀柵極電極5的部分例如形成寬度20μm，高度5μm。
其次，銀膏材電極層21上以電鍍法進行鍍鎳。因此，覆蓋銀膏材電極層21上形成鍍鎳電極層22(步驟S80，第2-7圖)。其次，鍍鎳電極層22上以電鍍法進行鍍銅。因此，覆蓋鍍鎳電極層22，形成鍍銅電極層23(步驟S90，第2-8圖)。其次，鍍銅電極層23上以電鍍法進成鍍Sn(錫)。因此，覆蓋鍍銅電極層23上形成鍍錫電極層24，形成受光面側電極12即正面銀柵極電極5及正面銀匯流排電極6(步驟S100，第2-9圖)。
鍍銅電極層23係銀膏材電極的代替電極。鍍銅電極層23例如以5μm~20μm的膜厚形成。鍍鎳電極層22由不同於銀膏材電極層21及鍍銅電極層23的金屬材料構成，力求 強化銀膏材電極層21與鍍銅電極層23之間的附著強度，擔任電氣導通，還有達到用以防止銅的擴散等的保護膜的作用。鍍鎳電極層22及鍍錫電極層24分別以2μm~3μm的膜厚形成。
電鍍係對銀膏材電極層21或下層的金屬層等向形成。因此，如第1-4圖所示，半導體基板11的面方向中在銀膏材電極層21的側面側形成的鍍銅電極層23的寬度與銀膏材電極層21上的鍍銅電極層23的厚度(膜厚)相同，顯示為鍍銅電極層的寬度(膜厚)c。於是，採用銀膏材電極層的寬度a、銀膏材電極層的厚度b時，正面銀柵極電極5的寬度概略為a+c×2，正面銀柵極電極5的厚度為b+c。銀膏材電極層的厚度b假設為銀膏材電極層21中的底部與結構化凹凸部的高度方向的中位部燒成後形成的上面之厚度。
又，半導體基板11的面方向中在銀膏材電極層21的側面形成的鍍鎳電極層22的寬度與銀膏材電極層21上的鍍鎳電極層22的厚度(膜厚)相同，顯示為鍍鎳電極層22的厚度(膜厚)d。又，半導體基板11的面方向中在鍍銅電極層23的側面形成的鍍錫電極層24的寬度與鍍銅電極層23上的鍍錫電極層24的厚度(膜厚)相同，顯示為鍍錫電極層的寬度e。在此情況下，正面銀柵極電極5的嚴密寬度成為a+d×2+c×2+e×2，正面銀柵極電極5的嚴密寬度為b+d+c+e。
在此，鍍銅電極層23的體積最好假設為銀膏材電極層21的體積的例如3倍以上。由於假設鍍銅電極層23的體積為銀膏材電極層21的體積的例如3倍以上，銀膏材電極層21的體積(剖面面積)即使小的情況下，因為抑制曲線因子(FF) 的下降(光電轉換效率的下降)，確保必需的剖面面積，變得容易確保導電性。
又，脫離第一實施例的主旨，雖未圖示，但因為串聯連接太陽電池單元1而構成太陽電池模組，背面形成的背面銀電極8的表面上，對銀膏材電極層21的電鍍處理時，相同厚度的鍍鎳膜、鍍銅膜、鍍錫膜也以此順序形成層壓的層壓膜。
藉由實施以上的步驟，完成第1-1~1-4圖所示的第一實施例的太陽電池單元1。
在此，說明關於用作上述第一實施例中正面銀柵極電極5的細線化的手法之技術。一直以來，使用銀膏材嘗試正面銀柵極電極的細線化，其中之一係平版(offset)印刷(也稱作上述凹版印刷)。平版印刷中，使用銀膏材，可以實現未滿50μm寬的寬度的正面銀柵極電極。不過，平版印刷中，在印刷原理上增加厚度是困難的，而努力增加厚度。例如，第2011-178006號公開公報中，指示平版印刷中以多重印刷增加厚度。不過，現實中，多層化在設備上是困難的，未達到量產化。
其次，敘述有關作為用以實現第一實施例中太陽電池單元1的低成本化及高光電轉換效率化的電極之設計概念。本實施例中鍍銅膜係代替銀膏材電極。銀膏材電極的電阻率係1.62微歐姆公分(μΩcm)(20℃)，鍍銅膜的電阻率係1.69微歐姆公分(μΩcm)(20℃)，兩者大致相等。因此，使用鍍銅膜的時正面銀柵極電極5的寬度、剖面面積的設計與銀膏材電極 時相同。因此，使用銀膏材電極導出正面銀柵極電極的寬度、剖面面積的關係，可以直接應用於第一實施例中正面銀柵極電極5的細線化手法。
第4圖係顯示正面銀柵極電極的剖面面積與曲線因子(FF)之間的關係特性圖。即，第4圖顯示曲線因子(FF)對正面銀柵極電極的剖面面積的依存性。在此，藉由變更正面銀柵極電極的寬度與高度，變更正面銀柵極電極的剖面面積，製作複數的太陽電池單元，並測量各太陽電池單元的曲線因子(FF)。正面銀柵極電極係利用網印產生的銀膏材塗佈形成的正面銀柵極電極(銀膏材電極)。又，各太陽電池單元中，正面銀柵極電極的剖面面積以外的條件視為相同。
根據第4圖可明白，隨著正面銀柵極電極的剖面面積減少，曲線因子(FF)下降。這是因為正面銀柵極電極的剖面面積減少時，正面銀柵極電極的電阻增加。於是，根據檢討第4圖的結果，了解正面銀柵極電極的剖面面積從500μm2下降到到300μm2以下，250μm2為止時，曲線因子(FF)產生0.01以上，相對比1%以上的下降，又，下降至200μm2時，曲線因子(FF)再產生0.01以上的下降。因此，根據實用性的觀點，正面銀柵極電極的剖面面積最好在300μm2以上，500μm2以上更好。
第5圖係顯示正面銀柵極電極的剖面面積約500μm2米的太陽池單元中正面銀柵極電極寬度與曲線因子(FF)之間的關係特性圖。即，第5圖顯示曲線因子(FF)對正面銀柵極電極的依存性。在此，為了使正面銀柵極電極的剖面面積成 為大略500μm2，變更正面銀柵極電極的寬度與高度而製作複數的太陽電池單元，並測量各太陽電池單元的曲線因子(FF)。正面銀柵極電極係利用網印產生的銀膏材的塗佈形成的正面銀柵極電極(銀膏材電極)。又，各太陽電池單元中，正面銀柵極電極的寬度及高度以外的條件視為相同。
根據第5圖可明白，隨著正面銀柵極電極的寬度減少，曲線因子(FF)下降。這是因為正面銀柵極電極的寬度減少時，正面銀柵極電極與矽基板間的接觸面積變少。於是，根據檢討第5圖的結果，了解正面銀柵極電極的剖面面積為500μm2左右的話，正面銀柵極電極的寬度從100μm細線化至50μm時，曲線因子(FF)的下降為0.0075左右，相對比未滿1%的下降。
正面銀柵極電極的條數統一時，愈力求正面銀柵極電極的細線化，受光面積愈增加，提高短路電流密度(Jsc)，但曲線因子(FF)下降。曲線因子(FF)下降的程度係如同上述的關係，為了力求正面銀柵極電極的細線化產生的高光電轉換效率，考慮到正面銀柵極電極的剖面面積的同時，必須設定電極寬度。
第6圖係顯示由於形成方法不同而產生的正面銀柵極電極的剖面面積與正面銀電極寬度之間的關係特性圖。第6圖中，關於正面銀柵極電極以網印形成銀膏材電極時(比較例1)，以凹版印刷只形成一層的銀膏材電極時(比較例2)，依照上述的第一實施例的方法，以凹版印刷不僅形成一層的銀膏材電極，還形成Ni/Cu/Sn(鎳/銅/錫)電鍍膜時(實施例)，製作複數 的太陽電池單元，調查對於既定的正面銀柵極電極的剖面面積之正面銀柵極電極的細線化可能範圍。關於實施例，顯示使用寬度20μm、厚度5μm的電極層作為銀電極(銀膏材電極層21)之範例。第6圖中，顯示電鍍後的電極寬度、剖面面積。關於比較例2，根據凹版印刷產生的銀膏材電極的厚度為5μm。
最有可能正面銀柵極電極細線化的是凹版印刷(比較例2)。但是，以1層形成正面銀柵極電極時，剖面面積變小。為了容易以1層增加正面銀柵極電極的剖面面積，必須放大寬度。因此，例如，即使考慮稍小的300μm2左右的剖面面積的情況下，也變得難以實現未滿60μm的電極寬度。又，網印(比較例1)的情況係即使剖面面積小也在完成的電極寬度中實現50μm，在考慮現狀的量產的黏度規格的銀膏材中變得困難。
相對地，關於組合凹版印刷與電鍍的第一實施例的方法(實施例)的情況中，未滿60μm的寬度，更詳細係未滿5oμm左右的寬度之正面銀柵極電極中，可以實現300μm2以上到750μm2左右的剖面面積。因此，根據第一實施例的太陽電池單元1中，從來不能實現之電極的細線化與確保電極的剖面面積都可以實現。
如上述，只形成一層的話，可以細線化，但剖面面積不能增大的凹版印刷，形成成為正面銀柵極電極的基礎的銀膏材電極，藉由在上述銀膏材電極上以電鍍形成比銀便宜的銅，為了抑制曲線因子(FF)的下降(光電轉換效率的下降)，確保必需的剖面面積之後，可以廉價以其他的電極形成技術實現細線化。
又，即使在銀膏材電極上鍍銀，如第6圖所示，比起單獨使用其他的電極形成技術的情況，本方式也是有利的。因此，高光電轉換效率化的觀點中，可以應用在凹版印刷產生的銀膏材電極上的鍍銀。
又，根據第一實施例的方法形成的正面銀柵極電極5，藉由金屬膏材(銀膏材21a)內包含的玻璃粉與矽面(半導體基板11的受光面側的表面)反應黏著，保持n型不純物擴散層3與正面銀柵極電極5之間的電氣接觸及機械接合強度。因此，根據第一實施例的方法形成的正面銀柵極電極5關於可靠性也具有與以網印形成的銀膏材電極同樣的性能。
以上係關於根據第一實施例的太陽電池的製造方法中正面銀柵極電極的低成本及高光電轉換效率化(細線化)之理論。不過，進行正面銀柵極電極的細線化時，正面銀柵極電極與矽基板之間的接觸面積減少，如第5圖所示，曲線因子(FF)下降。於是，檢討關於相抵起因於此正面銀柵極電極細線化的曲線因子(FF)下降部分。在此，以改善曲線因子(FF)為目的，增加受光面側電極的正面銀匯流排電極的條數，檢討太陽電池單元中正面銀匯流排電極的條數依存性。
第7圖係顯示正面銀匯流排電極的數量與太陽電池模組的短路電流密度(Jsc)之間的關係特性圖。第8圖係顯示正面銀匯流排電極的條數與太陽電池模組的曲線因子(FF)之間的關係特性圖。第9圖係顯示正面銀匯流排電極的條數與太陽電池模組的最大輸出Pmax(W)之間的關係特性圖。太陽電池模組，係使用156毫米方形的p型單結晶矽基板，依照第一 實施例的太陽電池單元的製造方法製作的太陽電池單元，串聯連接50枚而構成。假設正面銀匯流排電極的寬度為1.5毫米的單一寬度。正面銀匯流排電極的條數假設為2條、3條、4條的3條件。
短路電流密度(Jsc)，如第7圖所示，隨著正面銀匯流排電極的條數增加，無變化地減少。另一方面，曲線因子(FF)如第8圖所示，隨著正面銀匯流排電極的條數增加而增加。最大輸出Pmax，當開放電壓不改變時，成為短路電流密度(Jsc)與曲線因子(FF)間積的關係。本例中，如第9圖所示，了解正面銀匯流排電極的條數為4條匯流排時得到最高輸出。第10圖係正面銀匯流排電極的數量為4條時，從受光面側所見的太陽電池單元的上面圖。
又，正面銀匯流排電極的寬度最好設在1.5mm(毫米)以下。正面銀匯流排電極的寬度比1.5mm大時，正面銀匯流排電極的電阻變小的同時，從柵極電極集電變得容易，但受光面積的降低變大。又，互相連接時焊接至匯流排電極形成的凸出電極的機械強度必須是組裝步驟中的處理(handling)等不剝離程度的強度，為了保持上述的機械強度，正面銀匯流排電極的寬度下限為0.5mm左右。
上述中，敘述起受光面側電極12的低成本化(代替材料：使用Cu)與高光電轉換效率化(細線化)並存的電極構成，但可以說最終正面銀匯流排電極的條數也必須成為檢討對象。於是，第一實施例中，為了實現正面銀柵極電極的寬度未滿50μm的細線化及低成本化，以凹版印刷形成例如20μm寬 的銀膏材電極後，電鍍銅等是最有效的，為了使其效果最大，再增加電極寬度在1.5mm以下的正面銀匯流排電極的條數，比起2條匯流排，顯示3條匯流排還有4條匯流排更好。
如上述，第一實施例中，以凹版印刷形成正面銀柵極電極為基礎的銀膏材電極，藉由在上述銀膏材電極上電鍍形成比鎳、銀廉價的銅、錫，為了抑制曲線因子(FF)下降(光電轉換效率的下降)，確保必需的剖面面積而確保電極的導電性之後，可以比網印等的其他電極形成技術實現更細線化。
又，第一實施例中，作為高價的構成材料的銀之代替材料，使用廉價的金屬材料的鍍銅膜，藉此可以實現太陽電池單元的低成本化。
又，第一實施例中，正面銀柵極電極5與金屬膏材(銀膏材21a)內包含的玻璃粉與矽面(半導體基板11的受光面側的表面)反應粘著，藉此確保n型不純物擴散層3與正面銀柵極電極5間的電氣接觸以及機械接合強度。於是，正面銀柵極電極5關於可靠性也具有與網印形成的銀膏材電極相同的性能。
又，上述中，雖然說明正面銀柵極電極，但關於正面銀匯流排電極也得到相同的效果
於是，根據第一實施例，得到實現低成本與高光電轉換效率化與高可靠性的太陽電池單元。
[第二實施例]
第二實施例中說明關使用配料機的情況。第二實施例，在以第一實施例說明的方法中，取代凹版印刷使用配料 機塗佈銀膏材21a，力求正面銀柵極電極5的細線化。此情況下，基本上以配料機的噴嘴(nozzle)的徑控制7銀膏材21a的印刷寬度，而可以控制正面銀柵極電極5的寬度。但是，使用習知的銀膏材增加用以得到必需的剖面面積的吐出量時，因為銀膏材黏度低，產生銀膏材的擴大，不能形成高長寬比的電極。
於是，授予UV硬化功能的銀膏材，顯示於例如日本第2012-216827號公開公報。上述文件的發明者，在上述文件中，藉由使用附UV硬化功能的銀膏材於配料機，顯示可以形成1~3為止的高長寬比的電極。但是，附UV硬化功能的銀膏材，由於授予UV硬化功能而變高價，且由於並非大量生產流通，成為更高價的電極材料。於是，根據附UV硬化功能的銀膏材的單獨效果，為了得到高長寬比的電極，費用變高。
不過，上述第一實施例中顯示的太陽電池單元的製造方法中，銀膏材電極層21只需要最低程度的厚度。應用不授予UV硬化功能的一般銀膏材於配料機的情況下，實現20μm寬度時，厚度為5μm左右，與凹版印刷形成一層的一般銀膏材成為同樣的形狀。於是，根據第一實施例的太陽電池單元的製造方法中，取代凹版印刷使用配料機塗佈銀膏材21a，藉由形成銀膏材電極層21，可以得到與第一實施例的情況相同的效果。
又，形成複數具有上述實施例中說明的構成之太陽電池單元，藉由鄰接的太陽電池單元之間電氣串聯或並聯連接，具有良好的關住光的效果，可以實現可靠性、光電轉換效率優異的太陽電池模組。在此情況下，例如只要電氣連接鄰接 的太陽電池單元的一方的受光面側電極12與另一方的背面側電極13即可。
[產業上的利用可能性]
如上述，根據本發明的太陽電池單元，有助於實現低成本化與高光電轉換效率化並存的太陽電池單元。
3‧‧‧n型不純物擴散層
4‧‧‧反射防止膜
21‧‧‧銀膏材電極層
22‧‧‧鍍鎳電極層
23‧‧‧鍍銅電極層
24‧‧‧鍍錫電極層
a‧‧‧銀膏材電極層的寬度
b‧‧‧銀膏材電極層的厚度
c‧‧‧鍍銅電極層的寬度(膜厚)
d‧‧‧鍍鎳電極層的厚度(膜厚)
e‧‧‧鍍錫電極層的寬度

Claims (15)

  1. 一種太陽電池單元，包括：第1導電型的半導體基板，在受光面側的一面側，具有擴散第2導電型的不純物元素的不純物擴散層；受光面側電極，由柵極電極與導通至上述柵極電極且比上述柵極電極寬度寬的匯流排電極構成，在上述一面側形成並電氣連接上述不純物擴散層；以及背面側電極，在上述半導體基板的上述一面側的相反側的背面形成，並電氣連接至上述不純物擴散層；其特徵在於：上述受光面側電極包括：第1金屬電極層，係直接接合上述半導體基板的一面側的金屬膏材電極層；以及第2金屬電極層，不同於上述第1金屬電極層的同時，由具有與上述第1金屬電極層大略相等的電阻率的金屬材料構成，係覆蓋在上述第1金屬電極層上形成的電鍍電極層；其中，上述柵極電極的剖面面積在300μm2以上，而上述柵極電極的電極寬度在60μm以下。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的太陽電池單元，其中，上述第1金屬電極層係銀膏材電極層；以及上述第2金屬電極層係鍍銅電極層。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的太陽電池單元，其中，上述第2金屬電極層的體積係上述第1金屬電極層的3倍以上。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的太陽電池單 元，其中，上述第1金屬電極層與上述第2金屬電極層間有第3金屬電極層，係不同於上述第1金屬電極層以及上述第2金屬電極層的同時，提高上述第1金屬電極層與上述第2金屬電極層之間附著強度強化之金屬材料構成的電鍍電極層；以及在上述第2金屬電極層上有第4金屬電極層，係不同於上述第2金屬電極層的同時，由保護上述第2金屬電極層的金屬材料構成的電鍍電極層。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的太陽電池單元，其中，上述第3金屬電極層係鍍鎳層；以及上述第4金屬電極層係鍍錫層。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的太陽電池單元，其中，上述匯流排電極的電極寬度在1.5mm(毫米)以下；以及上述匯流排電極的條數在3條以上。
  7. 一種太陽電池單元的製造方法，包括下列步驟：第1步驟，在成為第1導電型的半導體基板的受光面側的一面側擴散第2導電型的不純物元素，在上述半導體基板的一面側形成不純物擴散層；第2步驟，在上述半導體基板的一面側形成電氣連接至上述不純物擴散層的受光面側電極，；以及第3步驟，在上述半導體基板的另一面側形成電氣連接至上述半導體基板的另一面側的背面側電極；其特徵在於：上述第2步驟中上述受光面側電極的形成，包括： 第1金屬電極層形成步驟，藉由在上述半導體基板的一面側以平版印刷或配料機塗佈金屬膏材、燒成，形成直接接合上述半導體基板的一面側的金屬膏材電極層之第1金屬電極層；以及第2金屬電極層電鍍形成步驟，覆蓋在上述第1金屬電極層的表面上，以電鍍形成第2金屬電極層，不同於上述第1金屬電極層的同時，係由具有與上述第1金屬電極層大略相等的電阻率的金屬材料構成的電極層。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的太陽電池單元的製造方法，其中，上述第1金屬電極層係銀膏材電極層；以及上述第2金屬電極層係鍍銅電極層。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的太陽電池單元的製造方法，其中，上述第2金屬電極層的體積係上述第1金屬電極層的3倍以上。
  10. 如申請專利範圍第7至9項中任一項所述的太陽電池單元的製造方法，其中，上述第2步驟包括下列步驟：第3金屬電極層形成步驟，上述第1金屬電極層與上述第2金屬電極層間以電鍍形成第3金屬電極層，係不同於上述第1金屬電極層以及上述第2金屬電極層的同時，提高上述第1金屬電極層與上述第2金屬電極層之間附著強度強化之金屬材料構成的電鍍電極層；以及第4金屬電極層形成步驟，係不同於上述第2金屬電極層的同時，由保護上述第2金屬電極層的金屬材料構成的電鍍電極層之第4金屬電極層，在上述第2金屬電極層上以 電鍍形成。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的太陽電池單元的製造方法，其中，上述第3金屬電極層係鍍鎳層；以及上述第4金屬電極層係鍍錫層。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的太陽電池單元的製造方法，其中，上述受光面側電極由柵極電極以及導通至上述柵極電極且比上述上述柵極電極寬度寬的匯流排電極構成；以及上述第1金屬電極層、上述第2金屬電極層、上述第3金屬電極層以及上述第4金屬電極層形成後的上述柵極電極的剖面面積在300μm2以上，而上述柵極電極的電極寬度在60μm以下。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的太陽電池單元的製造方法，其中，上述第1金屬電極層、上述第2金屬電極層、上述第3金屬電極層以及上述第4金屬電極層形成後的上述匯流排電極的電極寬度在1.5mm(毫米)以下；以及上述匯流排電極的條數在3條以上。
  14. 如申請專利範圍第7項所述的太陽電池單元的製造方法，包括下列步驟：反射防止膜形成步驟，在上述第1步驟與上述第2步驟之間，上述不純物擴散層上的全面形成絕緣膜構成的反射防止膜；其中，上述第2步驟中，藉由在上述反射防止膜上塗佈、燒成上述金屬膏材，以過火(fire through)法形成上述第1金 屬電極層。
  15. 一種太陽電池模組，以至少2個以上申請專利範圍第1至6項中任一項所述的太陽電池單元電氣串聯或並聯連接形成。
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