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JP2008235604A - 太陽電池の製造方法及びその太陽電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】短時間で分割溝が形成され、かつ、特性が向上した太陽電池及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明によれば、光電変換部の厚み方向において半導体基板に達する分割溝を形成する工程と、分割溝に沿って光電変換部を割断する工程とを備え、分割溝は、光電変換部の外周よりも内側において連続して形成される。
【選択図】図５

Description

本発明は、分割溝に沿って割断される太陽電池の製造方法及びその太陽電池に関する。
太陽電池は、クリーンで無尽蔵に供給される太陽光を直接電気に変換する。従って、太陽電池は、新しいエネルギー源として期待されている。
太陽電池１枚当りの出力は数Ｗ程度である。従って、家屋やビル等の電源として太陽電池を用いる場合には、複数の太陽電池が電気的に直列又は並列に接続された太陽電池モジュールが用いられる。太陽電池は、円形半導体基板を加工した多角形状半導体基板を用いて半導体接合を形成することにより作製される。
太陽電池モジュールの受光面積を大きくし、かつ、円形半導体基板の利用効率を向上させるために、円形太陽電池の外周上に頂点を有する正六角形に円形太陽電池を加工することが知られている（例えば、特許文献１）。この場合、レーザ光を照射することにより円形太陽電池の外周上に頂点を有する正六角形の分割溝を形成した後に、分割溝に沿って割断する方法が採用されている。
ここで、分割溝は、円形太陽電池が備える半導体接合を破壊しないように、所定の深さで一様に形成されることが望ましい。従って、図１に示すように、円形太陽電池１１を加工して正六角形太陽電池１２を作製する際には、分割溝１３を所定の深さで一様に形成するために、円形太陽電池１１の外側においてレーザ光の方向転換が行われる。
特開平９−１４８６０１号公報
しかしながら、このような分割溝１３の形成方法では、レーザ光の方向転換を全ての頂点Ａにおいて行う必要があるため、分割溝形成工程に時間を要するという問題があった。
また、円形半導体基板の外周には結晶欠陥が多く存在する傾向があるため、円形半導体基板の外周（頂点Ａ付近）を用いて形成される正六角形太陽電池１２では、良好な太陽電池特性を得ることができないおそれがあった。
さらに、頂点Ａ付近には、レーザ光が２度照射されるため、頂点Ａ付近の側面における半導体接合が破壊され、正六角形太陽電池１２の特性低下を招くおそれがあった。
そこで、本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであり、短時間で分割溝を形成し、かつ、太陽電池特性を向上させた太陽電池の製造方法及びその太陽電池を提供することを目的とする。
本発明の第１の特徴に係る太陽電池の製造方法は、半導体基板を含む光電変換部を形成する工程と、前記光電変換部上に集電電極を形成する工程と、前記光電変換部の厚み方向において前記半導体基板に達する分割溝を形成する工程と、前記分割溝に沿って前記光電変換部を割断する工程とを備え、前記分割溝は、前記光電変換部の外周よりも内側において連続して形成されることを要旨とする。
本発明の第１の特徴に係る太陽電池の製造方法によれば、分割溝は連続して形成されるため、レーザ光が２度照射される部分が少なく、半導体接合が破壊されるおそれが少なくなる。
また、分割溝は、光電変換部の外周よりも内側に形成されるため、太陽電池は、半導体基板の結晶欠陥が少ない部分を用いて光電変換部を作製することができる。従って、太陽電池は、良好な特性を得ることができる。
さらに、光電変換部上に集電電極を形成した後に、分割溝の形成及び光電変換部の割断を行うので、良好な生産性を得ることができる。
本発明の第１の特徴に係る太陽電池の製造方法において、前記分割溝は、頂点を有することなく形成されていることが好ましい。
これによれば、太陽電池の外周において頂点を形成するためのレーザ光の方向転換を行う必要がない。従って、分割溝形成工程の時間を短縮することができ、太陽電池の生産性を向上することができる。
本発明の第１の特徴に係る太陽電池の製造方法において、分割溝は、直線溝と曲線溝とから構成されており、前記曲線溝と前記光電変換部の外周との最短距離は、前記直線溝と前記光電変換部の外周との最短距離よりも小さいことが好ましい。
本発明の第２の特徴に係る太陽電池は、半導体基板を含む光電変換部と、前記光電変換部上に形成された集電電極とを備え、前記光電変換部のすべての側面は、前記半導体基板が分割された加工面を含むことを要旨とする。
本発明によれば、短時間で分割溝を形成し、かつ、太陽電池特性を向上させた太陽電池の製造方法及びその太陽電池を提供することができる。
次に、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
〈太陽電池モジュールの構成〉
図２及び図３を用いて本実施形態に係る太陽電池モジュール１００の構成について説明する。図２は、本実施形態に係る太陽電池モジュール１００の断面図である。図３は、本実施形態に係る太陽電池１０１の拡大断面図である。なお、図３においては、下方面を太陽電池１０１の受光面として示している。
太陽電池モジュール１００は、図２に示すように、太陽電池１０１、配線材１０２、封止材１０３、受光面側保護材１０４及び裏面側保護材１０５を備える。
太陽電池１０１は、図３に示すように、光電変換部１０、受光面側集電電極６及び裏面側集電電極７を備える。
光電変換部１０は、受光によりキャリアを生成する。キャリアとは、光が光電変換部１０に吸収されることにより生成される一対の正孔と電子をいう。本実施形態に係る光電変換部１０は、半導体ｐｉｎ接合を基本構造として有する。具体的には、光電変換部１０は、ｎ型単結晶シリコン基板１、ｉ型非晶質シリコン層２ｉ、ｐ型非晶質シリコン層２ｐ、透明導電膜３、ｉ型非晶質シリコン層４ｉ、ｎ型非晶質シリコン層４ｎ及び透明導電膜５を備える。ｎ型単結晶シリコン基板１の受光面（下方面）側には、ｉ型非晶質シリコン層２ｉと、ｐ型非晶質シリコン層２ｐと、透明導電膜３とが順次積層されている。また、ｎ型単結晶シリコン基板１の裏面（上方面）側では、ｉ型非晶質シリコン層４ｉと、ｎ型非晶質シリコン層４ｎと、透明導電膜５とが順次積層されている。
ここで、本実施形態に係る光電変換部１０のすべての側面において、ｎ型単結晶シリコン基板１は、レーザによって形成された分割溝に沿って折り曲げることにより割断された割断面を含んでいる。即ち、光電変換部１０のすべての側面において、ｎ型単結晶シリコン基板１は分割されている。光電変換部１０の側面のうちレーザによって分割溝が形成された部分の形態は、融解した後に凝固した態様を示す。
受光面側集電電極６及び裏面側集電電極７は、光電変換部１０が受光により生成する光生成キャリアを収集する。受光面側集電電極６は、透明導電膜３の受光面上に、櫛形状に形成されている。裏面側集電電極７は、透明導電膜５の裏面上に、櫛形状に形成されている。また、受光面側集電電極６及び裏面側集電電極７は、銀やアルミ、銅、ニッケル、錫、金等、もしくはこれらの合金等の導電性材料を含んだもので形成することができる。
以上のような構成の太陽電池１０１を備える太陽電池モジュール１００は、ＨＩＴ型太陽電池モジュールと呼ばれる。太陽電池１０１は、配線材１０２によって互いに電気的に接続されている。
封止材１０３は、配線材１０２によって互いに電気的に接続された複数の太陽電池１０１を封止している。封止材１０３は、ＥＶＡ（エチレン・ビニル・アセチレート）やＰＶＢ（ポリ・ビニル・ブチラール）などの樹脂材料を用いて形成することができる。
受光面側保護材１０４は、太陽電池１０１が吸収できる波長の光の大半を透過させる部材を用いて構成される。受光面側保護材１０４として、ガラスやプラスチック等を用いることができる。
裏面側保護材１０５は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）等の樹脂フィルム、アルミナ等の金属酸化物の蒸着膜が形成された樹脂フィルム、アルミ箔等の金属フィルム、もしくは、これらを積層したフィルムで構成することができる。
〈太陽電池モジュール１００の製造方法〉
本実施形態に係る太陽電池モジュール１００の製造方法について説明する。
まず、インゴット状ｎ型単結晶シリコンを薄く切断した円形のｎ型単結晶シリコン基板１を準備し、その表面をアルカリ水溶液で異方性エッチング加工することにより微細な凹凸を形成する。また、ｎ型単結晶シリコン基板１の表面を洗浄して、不純物を除去する。
次に、ＲＦプラズマＣＶＤ法等の気相成長法を用いて、ｎ型単結晶シリコン基板１の受光面上に、ｉ型非晶質シリコン層２ｉ、ｐ型非晶質シリコン層２ｐを順次積層する。同様に、ｎ型単結晶シリコン基板１の裏面上に、ｉ型非晶質シリコン層４ｉ、ｎ型非晶質シリコン層４ｎを順次積層する。
次に、マグネトロンスパッタ法を用いて、ｐ型非晶質シリコン層２ｐの受光面上に、ＩＴＯ膜（透明導電膜３）を形成する。同様に、ｎ型非晶質シリコン層４ｎの裏面上に、ＩＴＯ膜（透明導電膜５）を形成する。以上により、円形のｎ型単結晶シリコン基板１を用いたｐｉｎ接合を有する円形の光電変換部１０が形成される。
次に、スクリーン印刷法、オフセット印刷法等の印刷法を用いて、エポキシ系熱硬化型の銀ペーストを、ＩＴＯ膜（透明導電膜３）の受光面に櫛形状に形成する。これにより、光電変換部１０の受光面に、受光面側集電電極６が形成される。同様に、エポキシ系熱硬化型の銀ペーストを、ＩＴＯ膜（透明導電膜３）の裏面に櫛形状に形成する。これにより、光電変換部１０の裏面に、裏面側集電電極７が形成される。図４は、光電変換部１０の裏面に形成された裏面側集電電極７を示している。なお、受光面側集電電極６は、光電変換部１０の受光面において、裏面側集電電極７と略対称的に形成されている（不図示）。
次に、銀ペーストを所定条件で加熱して溶剤を揮発させた後、さらに加熱して本乾燥する。以上により、円形の太陽電池１０１が製造される。
次に、裏面側集電電極７が形成された櫛形状のパターンに応じて、光電変換部１０の裏面側にＹＡＧレーザ装置を用いて分割溝を形成し、分割溝に沿って光電変換部１０を割断する。本実施形態では、分割溝に沿って光電変換部１０を割断することにより、太陽電池１０１を４分割する。なお、分割溝形成工程は、本発明の特徴的部分に係るため後に詳述する。
次に、一の太陽電池１０１の受光面に形成された受光面側集電電極６と、隣接する他の太陽電池１０１の裏面に形成された裏面側集電電極７とを、タブ（配線材１０２）により電気的に接続する。
次に、ガラス基板（受光面側保護材１０４）上に、ＥＶＡシート（封止材１０３）、タブにより接続された複数の太陽電池１０１、ＥＶＡシート（封止材１０３）及びＰＥＴフィルム（裏面側保護材１０５）を順次積層して積層体とする。
次に、積層体を、真空雰囲気において加熱圧着することにより仮圧着した後、所定条件で加熱することによりＥＶＡを完全に架橋させる。
以上により、太陽電池モジュール１００が製造される。なお、太陽電池モジュール１００には、端子ボックスやＡｌフレーム等を取り付けることができる。
〈分割溝形成工程について〉
次に、図面を用いて、本発明の特徴的部分に係る分割溝形成工程について説明する。図５（ａ）は、円形の太陽電池１０１（光電変換部１０）の裏面に照射されるレーザ光の軌跡を示している。図５（ｂ）は、円形の太陽電池１０１（光電変換部１０）の裏面に形成された分割溝８を示している。
まず、図５（ａ）に示すように、レーザ光を点Ａから点Ｃまで連続して照射することにより、分割溝８を形成する。具体的には、レーザ光を、加速時定数１０〜５０ｍｍ／秒で点Ａから点Ｂ方向へ加速しながら移動させ、点Ｂに至るまでに移動速度３００ｍｍ／秒に到達させる。続いて、移動速度３００ｍｍ／秒を凡そ維持しながら、太陽電池１０１の外周よりも内側においてレーザ光を一周させ、再び点Ｂに到達させる。この場合、レーザ光の直線的な移動と曲線的な移動とを交互に繰り返し行うことによりレーザ光の方向転換を行う。以上により、太陽電池１０１の外周よりも内側に、直線溝と曲線溝とから構成される分割溝８ａが形成される。
次に、レーザ光を点Ｂから太陽電池１０１の外側に一旦移動させた後、太陽電池１０１の中心点を通過するように、移動速度３００ｍｍ／秒を凡そ維持しながら移動させる。これにより、太陽電池１０１を２分割する分割溝８ｂが形成される。続いて、レーザ光を太陽電池１０１の外側において外周の１／４を移動させた後、太陽電池１０１の中心点を再び通過するように移動させる。これにより、太陽電池１０１を２分割する分割溝８ｃが形成される。
以上の分割溝形成工程におけるレーザ光の移動は、太陽電池１０１が固定されたＸＹテーブルを動かすことにより、或いは、レーザ光発振装置を動かすことにより行うことができる。また、レーザ光発振装置としてＹＡＧレーザなどを用いることができる。ＹＡＧレーザのレーザ光照射条件は、第２高調波の波長が４００ｎｍ以上、周波数１ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ、光径２０〜２００μｍ、出力１〜２５Ｗに設定して行うことができる。このようなレーザ光照射条件を用いることにより、レーザ光の光径と略同等の幅を有する分割溝８が形成される。
その後、分割溝８ａに沿って太陽電池１０１を折り曲げることにより、分割溝８ａに沿って太陽電池１０１を割断する。これにより、図６（ａ）に示すように、太陽電池１０１の外周より内側に形成された分割溝８ａの外側部分が除去される。
次に、太陽電池１０１を、分割溝８ｂ及び８ｃに沿って折り曲げることにより、分割溝８ｂ及び８ｃに沿って太陽電池１０１を割断する。この場合、太陽電池１０１を折り曲げる順序に限定はなく、例えば、分割溝８ｂに沿って割断することにより太陽電池１０１を２分割した後に、それぞれを分割溝８ｃに沿って割断することにより、図６（ｂ）に示すように、太陽電池１０１を４分割することができる。
〈分割溝８について〉
図５（ｂ）に示すように、分割溝８ａは、太陽電池１０１の外周よりも内側において、頂点を有することなく連続して形成されている。従って、分割溝８ａは、直線状に形成された直線溝と曲線状に形成された曲線溝とが交互に連結された構成を有する。なお、本実施形態において「頂点」とは、２つの直線が交わる点をいう。
また、曲線溝と太陽電池１０１の外周との最短距離は、直線溝と太陽電池１０１との最短距離よりも小さい。即ち、曲線溝は、分割溝８ａの最外部を形成している。換言すれば、曲線溝は、分割溝８ａの外側に向かって凸形状を有している。
図７（ａ）は、図５（ｂ）におけるα部分の拡大断面図である。図７（ａ）に示すように、分割溝８は、光電変換部１０の厚みＴ（１４０μｍ〜１９０μｍ）に対して、裏面側からの深さｄ（６０μｍ〜８０μｍ）を有する。分割溝８の深さｄは、光電変換部１０の厚み方向においてｎ型単結晶シリコン基板１に達する大きさであればよい。また、分割溝８の深さｄは、ｐ型非晶質シリコン層２ｐにまで達しないことが好ましい。
図７（ｂ）は、図５（ｂ）におけるα部分の拡大図である。分割溝８ａは、２つの直線溝８ｍの間を１つの曲線溝８ｎによって連結されるように形成されている。曲線溝８ｎの曲率半径ｒに限定はなく、レーザ光の移動速度が凡そ維持される範囲に設定することができる。
〈作用及び効果〉
本実施形態に係る太陽電池の製造方法によれば、光電変換部１０の厚み方向においてｎ型単結晶シリコン基板１に達する分割溝８ａを形成する工程と、分割溝８ａに沿って太陽電池１０１（光電変換部１０）を割断する工程とを備え、分割溝８ａは、太陽電池１０１（光電変換部１０）の外周よりも内側において連続して形成される。
このように、分割溝８ａは連続して形成されるため、レーザ光が２度照射される部分が少ないため、半導体接合が破壊されるおそれが少なくなる。また、分割溝８ａは、光電変換部１０の外周よりも内側に形成されるため、太陽電池１０１は、ｎ型単結晶シリコン基板１の結晶欠陥が少ない部分を用いて光電変換部１０を作製することができる。従って、太陽電池１０１は、良好な特性を得ることができる。さらに、光電変換部１０上に集電電極（受光面側集電電極６、裏面側集電電極７）を形成した後に、分割溝８ａの形成及び光電変換部１０の割断を行うので、良好な生産性を得ることができる。
また、本実施形態に係る太陽電池の製造方法によれば、分割溝８ａは、頂点を有することなく形成されている。
従って、太陽電池１０１の外周において頂点を形成するためのレーザ光の方向転換を行う必要がない。その結果、分割溝形成工程の時間を短縮することができ、太陽電池１０１の生産性を向上することができる。
また、分割溝８ａは、直線溝８ｍと曲線溝８ｎとから構成され、曲線溝８ｎと太陽電池１０１の外周との最短距離は、直線溝８ｍと太陽電池１０１の外周との最短距離よりも小さいことが好ましい。
このように、分割溝８ａの最外部を曲線溝８ｎによって構成することにより、分割溝８ａに沿って除去される領域の面積を小さくすることができる。従って、ｎ型単結晶シリコン基板１の利用効率の向上を図ることができる。
以上より、本実施形態に係る太陽電池の製造方法によれば、短時間で分割溝を形成し、かつ、太陽電池特性を向上させることができる。
〈その他の実施形態〉
本発明は上記の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
例えば、上記の実施形態では、ｎ型単結晶シリコン基板１を用いたが、ｐ型単結晶シリコン基板を用いることができる。この場合には、ｐ型単結晶シリコン基板の受光面側にｉ型非晶質シリコン層と、ｎ型非晶質シリコン層とを順次積層し、ｐ型単結晶シリコン基板の裏面側にｉ型非晶質シリコン層と、ｐ型非晶質シリコン層とを順次積層すればよい。
また、ｎ型単結晶シリコン基板の受光面側に、ｉ型非晶質シリコン層とｎ型非晶質シリコン層とを順次積層し、ｎ型単結晶シリコン基板の裏面側に、ｉ型非晶質シリコン層とｐ型非晶質シリコン層とを順次積層してもよい。
また、上記の実施形態では、ｎ型単結晶シリコン基板１を用いたが、多結晶シリコン基板や化合物半導体基板などの一般的な半導体基板を用いることができる。
また、上記の実施形態では、光電変換部１０が、ｎ型単結晶シリコン基板１を用いた半導体ｐｉｎ接合を有する場合について説明したが、光電変換部１０は、半導体基板を用いた半導体ｐｎ接合を有していてもよい。この場合、ｎ型又はｐ型の結晶系半導体基板の表面に、ｐ型又はｎ型のドーパントをドープすることによりｐｎ接合を形成することができる。
また、上記の実施形態では、ｎ型単結晶シリコン基板１を用いた太陽電池１０１の製造方法について説明したが、太陽電池以外の半導体基板にも適用することができる。
また、上記の実施形態では、受光面側集電電極６及び裏面側集電電極７を櫛形状に形成したが、これらの形成パターンは任意に設計することができる。
また、上記の実施形態では、円形の太陽電池１０１を割断することにより４分割したが、割断後の太陽電池１０１の形状に限定はない。従って、分割溝８の形成パターンについても、上記の実施形態において説明したものには限られない。例えば、曲線部を極率の異なる複数の曲線で形成してもよい。
従来の分割溝形成工程を説明するための図である。 実施形態に係る太陽電池を備える太陽電池モジュールの断面図である。 実施形態に係る太陽電池の断面図である。 実施形態に係る太陽電池の平面図である。 実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である（その１）。 実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である（その２）。 図５におけるα部分の拡大図である。
符号の説明
１…ｎ型単結晶シリコン基板、２ｉ…ｉ型非晶質シリコン層、２ｐ…ｐ型非晶質シリコン層、３…透明導電膜、４ｉ…ｉ型非晶質シリコン層、４ｎ…ｎ型非晶質シリコン層、５…透明導電膜、６…受光面側集電電極、７…裏面側集電電極、８…分割溝、８ａ…分割溝、８ｂ…分割溝、８ｃ…分割溝、８ｍ…直線溝、８ｎ…曲線溝、１０…光電変換部、１１…円形太陽電池、１２…正六角形太陽電池、１３…分割溝、１００…太陽電池モジュール、１０１…太陽電池、１０２…配線材、１０３…封止材、１０４…受光面側保護材、１０５…裏面側保護材、

Claims (4)

  1. 半導体基板を含む光電変換部を形成する工程と、
    前記光電変換部上に集電電極を形成する工程と、
    前記光電変換部の厚み方向において前記半導体基板に達する分割溝を形成する工程と、
    前記分割溝に沿って前記光電変換部を割断する工程とを備え、
    前記分割溝は、前記光電変換部の外周よりも内側において連続して形成される
    ことを特徴とする太陽電池の製造方法。
  2. 前記分割溝は、頂点を有することなく形成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
  3. 前記分割溝は、直線溝と曲線溝とから構成されており、
    前記曲線溝と前記光電変換部の外周との最短距離は、前記直線溝と前記光電変換部の外周との最短距離よりも小さい
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池の製造方法。
  4. 半導体基板を含む光電変換部と、
    前記光電変換部上に形成された集電電極とを備え、
    前記光電変換部のすべての側面は、前記半導体基板が分割された加工面を含む
    ことを特徴とする太陽電池。
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