WO2013046386A1 - 太陽電池、太陽電池モジュール及び太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
集電極２４が形成された太陽電池１００であって、集電極２４は、銅を含む主導電層２４ａと、主導電層２４ａの少なくとも一部を被うオーバーコート層２４ｂと、を備える構成とする。
Description
本発明は、太陽電池、太陽電池モジュール及び太陽電池の製造方法に関する。
近年、太陽光を電気エネルギーに変換することができる太陽電池が石油代替エネルギー源として使用されている。太陽電池には、単結晶型太陽電池、多結晶型太陽電池、アモルファス型太陽電池等、又はこれらを組み合わせたものが挙げられる。
太陽電池では、発電された電力を外部に取り出すために、その表面及び裏面にフィンガー部やバスバー部等の集電極が設けられる。近年、導電性の高さ、加工の容易性及び材料の価格を考慮して、特許文献１に記載のように、めっきにより形成した集電極が採用される場合がある。めっきにより集電極を形成する場合、従来ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）及び銀（Ａｇ）等の材料が用いられる。中でも、コスト及び抵抗率の関係から、銅を用いることが好ましい。
太陽電池は、受光面側の封止体と裏面側の封止体との間の充填層中に封止された太陽電池モジュールの形態で使用されることが多い。通常屋外で使用される太陽電池モジュールには、出力特性だけでなく信頼性も要求される。
本発明の１つの態様は、受光面及び裏面の少なくとも一方に集電極が形成された太陽電池であって、集電極は、銅を含む主導電層と、主導電層の上面側を被うオーバーコート層又は下面側を被うアンダーコート層の少なくとも一方と、を備える、太陽電池である。
また、本発明の別の態様は、受光面及び裏面の少なくとも一方の面上に、開口を有するコーティング層を形成する第１の工程と、開口内に露出する一方の面上を金属でめっきし、コーティング層より膜厚が小さい集電極を形成する第２の工程と、コーティング層と集電極とを充填層で被う第３の工程と、を備え、第２の工程は、銅を含む主導電層を形成する工程と、主導電層の上面側を被うオーバーコート層又は下面側を被うアンダーコート層の少なくとも一方を形成する工程と、を含む、太陽電池の製造方法である。
本発明によれば、太陽電池モジュールの信頼性を高めることができる。
＜第１の実施の形態＞
第１の実施の形態における太陽電池１００は、図１の断面図に示すように、基板１０、ｉ型非晶質層１２ｉ、ｐ型非晶質層１２ｐ、透明導電層１４、ｉ型非晶質層１６ｉ、ｎ型非晶質層１６ｎ、透明導電層１８、コーティング層２０，２２、及び集電極２４，２６を含んで構成される。ｉ型非晶質層１２ｉ、ｐ型非晶質層１２ｐ、ｉ型非晶質層１６ｉ及びｎ型非晶質層１６ｎは、結晶粒を含んでいてもよい。また、太陽電池モジュール３００は、太陽電池１００、充填層２８，３０及び封止体３２，３４を含んで構成される。
第１の実施の形態における太陽電池１００は、図１の断面図に示すように、基板１０、ｉ型非晶質層１２ｉ、ｐ型非晶質層１２ｐ、透明導電層１４、ｉ型非晶質層１６ｉ、ｎ型非晶質層１６ｎ、透明導電層１８、コーティング層２０，２２、及び集電極２４，２６を含んで構成される。ｉ型非晶質層１２ｉ、ｐ型非晶質層１２ｐ、ｉ型非晶質層１６ｉ及びｎ型非晶質層１６ｎは、結晶粒を含んでいてもよい。また、太陽電池モジュール３００は、太陽電池１００、充填層２８，３０及び封止体３２，３４を含んで構成される。
以下、太陽電池１００の製造方法を示しつつ、太陽電池１００の構造を説明する。
基板１０は、結晶系の半導体材料からなるウエハ状の板である。基板１０は、ｎ型又はｐ型の導電型の結晶性半導体からなる基板とすることができる。基板１０は、例えば、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板、砒化ガリウム基板（ＧａＡｓ）、インジウム燐基板（ＩｎＰ）等を適用することができる。基板１０は、入射された光を吸収することで、光電変換効果により電子及び正孔のキャリア対を発生させる。以下では、基板１０としてｎ型の単結晶シリコンからなる基板を用いた例を説明する。
基板１０には、まず洗浄等の前処理が施される。この前処理において、基板１０の少なくとも受光面にテクスチャ構造と呼ばれる凹凸構造が形成される。
ｉ型非晶質層１２ｉは、基板１０の一主面上に積層される、例えば、真性のアモルファスシリコン半導体層である。ｉ型非晶質層１２ｉは、水素を含んでいてもよい。ｐ型非晶質層１２ｐは、ｉ型非晶質層１２ｉに積層される。例えば、ｐ型非晶質層１２ｐは、ｐ型のアモルファスシリコン半導体層である。ｐ型非晶質層１２ｐは、水素を含んでいてもよい。
i型非晶質層１２iは、ｐ型非晶質層１２ｐと基板１０との間の接合特性を改善するために、ｐ型非晶質層１２ｐと基板１０との間に挿入されている。このため、ｉ型非晶質層１２ｉの膜厚は、実質的に発電に寄与しない程度の厚み、例えば０．１ｎｍ以上２５ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みにされている。
ｉ型非晶質層１２ｉ及びｐ型非晶質層１２ｐは、プラズマ化学気相成長法等のＣＶＤ法、或いはスパッタリング法等の成膜方法により形成することができる。
ｉ型非晶質層１６ｉは、基板１０の他主面上に積層される、例えば真性のアモルファスシリコン半導体層である。ｉ型非晶質層１６ｉは、水素を含んでいてもよい。ｎ型非晶質層１６ｎは、ｉ型非晶質層１６ｉ上に積層される。例えば、ｎ型非晶質層１６ｎは、ｎ型のアモルファスシリコン半導体層である。ｎ型非晶質層１６ｎは、水素を含んでいてもよい。
i型非晶質層１６ｉは、ｎ型非晶質層１６ｎと基板１０との間の接合特性を改善するために、ｎ型非晶質層１６ｎと基板１０との間に挿入されている。このため、ｉ型非晶質層１６ｉの膜厚は、ｉ型非晶質層１２ｉと同様に、実質的に発電に寄与しない程度の厚み、例えば０．１ｎｍ以上２５ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みにされている。
ｉ型非晶質層１６ｉ及びｎ型非晶質層１６ｎは、ＣＶＤ法、スパッタリング法等の成膜方法により形成することができる。
透明導電層１４は、ｐ型非晶質層１２ｐ上に形成され、透明導電層１８は、ｎ型非晶質層１６ｎ上に形成される。透明導電層１４，１８は、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化錫、または酸化チタンなどの金属酸化物を少なくとも一つを含んで構成され、これらの金属酸化物に、錫、亜鉛、タングステン、アンチモン、チタン、セリウム、ガリウムなどのドーパントがドープされていてもよい。透明導電層１４，１８は、蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法等の薄膜形成方法により形成することができる。透明導電層１４，１８の膜厚は、透明導電層１４，１８の屈折率により適宜調整され得る。
コーティング層２０は、透明導電層１４上に積層され、コーティング層２２は、透明導電層１８上に積層される。コーティング層２０，２２は、後述するように集電極２４，２６を電解メッキにより形成するために、絶縁性を有することが好ましいが、特にこれに限るものではない。コーティング層２０，２２は、加工性を考慮して光硬化性の樹脂とすることが好適である。例えば、エポキシ系やアクリレート系、オレフィン系の紫外線硬化性樹脂とする。
コーティング層２０，２２は、スピンコート法、スプレー法或いは印刷法等を用いて透明導電層１４，１８上に形成することができる。コーティング層２０，２２の膜厚は、樹脂材料を用いて形成する場合には、樹脂材料の粘度、或いは形成条件により調整することができる。例えば、スピンコート法を用いる場合、スピンコートの回転速度、回転数等の条件により調整することができる。コーティング層２０，２２は、図２の平面図に示すように、後述する集電極２４，２６の形状に合わせた開口部Ａ（図１参照）を有するパターンに形成される。コーティング層２０，２２として光硬化性樹脂を用いることにより、フォトリソグラフィ技術を適用してコーティング層２０，２２をパターニングすることができる。開口部Ａは、コーティング層２０，２２の下層である透明導電層１４，１８の一部が露出するように形成される。
集電極２４は、透明導電層１４上の導電層であり、集電極２６は、透明導電層１８上の導電層である。集電極２４，２６は、太陽電池１００で発生する電力をまんべんなく集電できるように、複数のフィンガー部及び複数のフィンガー部を接続するバスバー部を含む櫛形の構成とすることが好適である。
以下、集電極２４を例に説明する。集電極２４は、図３の拡大断面図に示すように、主導電層２４ａ及びオーバーコート層２４ｂの多層構造である。主導電層２４ａは、導電性の高さ、加工の容易性及び材料の価格を考慮して銅を主成分とする金属層である。オーバーコート層２４ｂは、主導電層２４ａのオーバーコーティング層であり、後述する充填層２８との間に配置される。オーバーコート層２４ｂは、ニッケル（Ｎｉ）、錫（Ｓｎ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、パラジウム（Ｐｄ）の少なくとも１つを含む金属層である。オーバーコート層２４ｂは、主導電層２４ａが充填層２８に直接触れないように主導電層２４ａの少なくとも一部を被えばよいが、主導電層２４ａの全体を被うことがより好ましい。
主導電層２４ａの膜厚は、集電極２４の幅、必要な導電性に応じて決定すればよいが、例えば数１０μｍ程度とすることが好適である。また、オーバーコート層２４ｂの膜厚は、オーバーコート層２４ｂを構成する材料内の銅の拡散特性に応じて０．２μｍ以上１０μｍ以下とすることが好適である。例えば、ニッケルは銅に対する拡散係数が小さいのでオーバーコート層２４ｂをニッケルで構成した場合にはその膜厚は０．２μｍ以上とすればよく、錫で構成した場合にはその膜厚は５μｍ以上とすることが好適である。
集電極２４は、コーティング層２０の開口部Ａに埋設される。集電極２４の膜厚は、図３に示すようにコーティング層２０の膜厚より薄くしてもよいし、図４に示すようにコーティング層２０の膜厚より厚くしてもよい。集電極２４の膜厚をコーティング層２０の膜厚より薄くすることによって、開口部Ａに、集電極２４の上面とコーティング層２０の側面とによって構成される凹みを設ける。そして、充填層２８が開口部Ａの凹みに入り込む。このため使用時に充填層２８の熱膨張が生じても、コーティング層２０の開口部Ａの側面において充填層２８の熱膨張が抑制される。この結果、コーティング層２０と充填層２８との密着性が高まり、コーティング層２０と充填層２８の剥離が抑制される。
また、集電極２４と充填層２８との接触面積が小さくなり、後述するように太陽電池モジュール３００の信頼性を高めることができる。一方、集電極２４の膜厚をコーティング層２０の膜厚より厚くすることによって、集電極２４の幅を狭くしても集電極２４として必要な導電性を得ることができ、受光の有効面積を増加させることができる等の利点がある。
集電極２４の形成方法は特に限定されないが、電解めっき法で形成することが好ましい。開口部Ａを有する絶縁性のコーティング層２０を形成後、透明導電層１４に電圧を印加して、電解めっきにより集電極２４を成膜する。まず、主導電層２４ａを形成後、主導電層２４ａ上にオーバーコート層２４ｂを形成する。主導電層２４ａ及びオーバーコート層２４ｂの膜厚は、それぞれ電解めっきの際の印加電圧、電流値及び製膜時間等の条件により調整することができる。
コーティング層２０及び集電極２４の膜厚は、電子顕微鏡を用いた断面観察によって確認することができる。例えば、断面ＳＥＭや断面ＴＥＭを用いてコーティング層２０及び集電極２４の膜厚の関係を同定することができる。
太陽電池１００は封止体３２により封止される。コーティング層２０及び集電極２４上には充填層２８が配され、加熱下において封止体３２を押し付けることによって封止される。充填層２８は、エチレン・ビニル・アセテート（ＥＶＡ）やポリ・ビニル・ブチラート（ＰＶＢ）等の樹脂とすることが好適である。太陽電池１００の表面（受光面）側の封止体は、透光性を有するガラス板や樹脂シートとすることが好適である。また、太陽電池１００の裏面側の封止体は、透光性を有するガラス板や樹脂シート以外に、金属箔をサンドイッチしてなる樹脂フィルム等の遮光性の部材も用いることができる。尚、図示はしないが、太陽電池モジュール３００は、配線材によって電気的に接続された複数の太陽電池１００を含む。配線材は、一般に集電極のバスバー部に接続される。
このように、主導電層２４ａを被うオーバーコート層２４ｂにより、主導電層２４ａに含まれる銅の充填層２８への拡散が抑制され、充填層２８の変色や劣化を防止することができる。或いは、オーバーコート層２４ｂにより、主導電層２４ａに含まれる銅の酸化が抑制され、主導電層２４ａの変色や劣化を防止することができる。これらの結果、太陽電池モジュール３００の信頼性を高めることができる。
尚、以上では、コーティング層２０、集電極２４、充填層２８及び封止体３２について説明したが、反対面のコーティング層２２、集電極２６、充填層３０及び封止体３４についても同様に構成することができる。ただし、いずれか一方の少なくとも一部において上記構成とすればある程度の効果は得られる。
＜第２の実施の形態＞
第２の実施の形態における太陽電池２００は、図５の断面図に示すように、基板１０、ｉ型非晶質層１２ｉ、ｐ型非晶質層１２ｐ、透明導電層１４、ｉ型非晶質層１６ｉ、ｎ型非晶質層１６ｎ、透明導電層１８、コーティング層２０，２２及び集電極３６，３８を含んで構成される。また、太陽電池モジュール４００は、太陽電池２００、充填層２８，３０及び封止体３２，３４を含んで構成される。
第２の実施の形態における太陽電池２００は、図５の断面図に示すように、基板１０、ｉ型非晶質層１２ｉ、ｐ型非晶質層１２ｐ、透明導電層１４、ｉ型非晶質層１６ｉ、ｎ型非晶質層１６ｎ、透明導電層１８、コーティング層２０，２２及び集電極３６，３８を含んで構成される。また、太陽電池モジュール４００は、太陽電池２００、充填層２８，３０及び封止体３２，３４を含んで構成される。
太陽電池２００は、集電極３６，３８が異なる構成であること以外は第１の実施の形態における太陽電池１００と同様の構成を有する。そこで、以下では集電極３６，３８について説明し、他の構成については説明を省略する。
以下、集電極３６を例に説明する。集電極３６は、図６の拡大断面図に示すように、アンダーコート層３６ａ及び主導電層３６ｂの多層構造である。集電極３６は、コーティング層２０の開口部Ｂに埋設される。アンダーコート層３６ａは、主導電層３６ｂのアンダーコーティング層であり、主導電層３６ｂが透明導電層１４に直接触れないように、透明導電層１４と主導電層３６ｂとの間に設けられる。主導電層３６ｂは、アンダーコート層３６ａ上に設けられる。アンダーコート層３６ａは、ニッケル、錫、チタン、タンタ、タングステン、パラジウムの少なくとも１つを含む金属層とする。主導電層３６ｂは、銅（Ｃｕ）を主成分とする金属層とする。アンダーコート層３６ａの膜厚は、アンダーコート層３６ａを構成する材料に応じて０．２μｍ以上１０μｍ以下とすることが好適である。例えば、ニッケルは銅に対する拡散係数が小さいのでオーバーコート層２４ｂをニッケルで構成した場合にはその膜厚は０．２μｍ以上とすればよく、錫で構成した場合にはその膜厚は５μｍ以上とすることが好適である。主導電層３６ｂの膜厚は、数１０μｍ程度とすることが好適である。また、集電極３６の膜厚は、図６に示すようにコーティング層２０の膜厚より薄くしてもよいし、図７に示すようにコーティング層２０の膜厚より厚くしてもよい。
集電極３６は、電解めっき法で形成することが好ましい。開口部Ｂを有する絶縁性のコーティング層２０を形成後、透明導電層１４に電圧を印加して、電解めっきによりアンダーコート層３６ａを成膜する。その後、アンダーコート層３６ａ上に主導電層３６ｂを形成する。アンダーコート層３６ａ及び主導電層３６ｂの膜厚は、それぞれ電解めっきの際の印加電圧、電流値及び製膜時間等の条件により調整することができる。
このように、光電変換領域である半導体と主導電層３６ｂの間にアンダーコート層３６ａを設けることによって、主導電層３６ｂに含まれる銅の半導体への拡散が抑制され、発電特性の低下を抑制することができる。この結果、太陽電池モジュール４００の信頼性を向上させることができる。以上では、集電極３６について説明したが、反対面の集電極３８についても同様に構成することができる。ただし、いずれか一方の少なくとも一部において上記構成とすればある程度の効果は得られる。
なお、第１の実施の形態における構成と第２の実施の形態における構成とを組み合わせてもよい。すなわち、集電極をアンダーコート層、主導電層及びオーバーコート層の積層構造としてもよい。また、オーバーコート層またはアンダーコート層を複数の材料の積層構造としてもよい。
また、オーバーコート層又はアンダーコート層は、エポキシ系等の樹脂としてもよい。この場合、スクリーン印刷法やインクジェット法等を用いて樹脂を塗布することによりオーバーコート層又はアンダーコート層を形成することができる。また、オーバーコート層又はアンダーコート層に樹脂を使用した場合、主導電層と他の導電部材とを電気的に接続するためにオーバーコート層又はアンダーコート層に開口部を設けることが必要になる場合がある。
また、本発明の適用範囲は結晶系太陽電池に限定されるものではなく、集電極を有する太陽電池であれば薄膜型太陽電池等の他のタイプの太陽電池にも同様に適用可能である。
１０ 基板、１２ｉ ｉ型非晶質層、１２ｐ ｐ型非晶質層、１４ 透明導電層、１６ｉ ｉ型非晶質層、１６ｎ ｎ型非晶質層、１８ 透明導電層、２０，２２ コーティング層、２４，２６ 集電極、２４ａ 主導電層、２４ｂ オーバーコート層、２８，３０ 充填層、３２，３４ 封止体、３６，３８ 集電極、３６ａ アンダーコート層、３６ｂ 主導電層、１００，２００ 太陽電池、３００，４００ 太陽電池モジュール。
Claims (6)
- 受光面及び裏面の少なくとも一方に集電極が形成された太陽電池であって、
前記集電極は、銅を含む主導電層と、前記主導電層の上面側を被うオーバーコート層又は下面側を被うアンダーコート層の少なくとも一方と、を備える、太陽電池。 - 請求項１に記載の太陽電池であって、
前記オーバーコート層又はアンダーコート層は、ニッケル、錫、チタン、タンタル、タングステン、パラジウムの少なくとも１つを含む金属層である。 - 請求項１に記載の太陽電池であって、
前記オーバーコート層又はアンダーコート層は、樹脂層であることを特徴とする太陽電池。 - 請求項１～３のいずれか１項に記載の太陽電池であって、
前記集電極は、絶縁性のコーティング層間に形成され、
前記集電極の膜厚は、前記コーティング層の膜厚よりも小さい。 - 請求項１～４のいずれか１項に記載の太陽電池を備える太陽電池モジュールであって、
前記集電極の上面側を被う樹脂の充填層を備える。 - 受光面及び裏面の少なくとも一方の面上に、開口を有するコーティング層を形成する第１の工程と、
前記開口内に露出する前記一方の面上を金属でめっきし、前記コーティング層より膜厚が小さい集電極を形成する第２の工程と、
前記コーティング層と前記集電極とを充填層で被う第３の工程と、
を備え、
前記第２の工程は、銅を含む主導電層を形成する工程と、前記主導電層の上面側を被うオーバーコート層又は下面側を被うアンダーコート層の少なくとも一方を形成する工程と、を含む、太陽電池の製造方法。
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