JP6019417B2 - 半導体基板の割断方法及び太陽電池の割断方法並びに太陽電池 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板を折り曲げることにより割断する半導体基板の割断方法及び太陽電池の割断方法並びに太陽電池に関する。

従来、太陽電池に用いられる半導体基板として、インゴット状単結晶シリコンを薄く切断した単結晶シリコン基板が用いられている。インゴット状単結晶シリコンは、チョクラルスキー法（ＣＺ法）や浮遊帯域融解法（ＦＺ法）により作製され、種子結晶と同じ結晶方位を有する。

単結晶シリコン基板を太陽電池の半導体基板として使用する場合には、太陽電池モジュールの受光面積を大きくするために、円板形の単結晶シリコン基板を多角形に分割して使用する（例えば、特許文献１）。具体的には、レーザーまたはダイシングソーなどにより単結晶シリコン基板に複数の分割溝を形成した後に、分割溝に沿って折り曲げることにより、単結晶シリコン基板を割断する方法が採用されている。

特開平９−１４８６０１号公報

ここで、シリコンはダイヤモンド結晶構造を有するため、例えば（１００）面を有する単結晶シリコン基板は、（０１１）面と（０−１−１）面との２つの劈開面を有する。単結晶シリコン基板は、劈開面と平行な面に沿って割れやすい性質を有する。従って、分割溝に沿って折り曲げることにより割断する場合、劈開面と平行に形成された分割溝を割断するために必要な力は、劈開面と平行に形成されていない分割溝を割断するために必要な力よりも小さい。即ち、一部の分割溝が劈開面と平行に形成されている場合には、全ての分割溝に均一な力をかけることができない。

このような不均一な力が単結晶シリコン基板にかかると、単結晶シリコン基板の一部に応力が集中し、単結晶シリコン基板に割れが生じるという問題があった。また、このような問題は、単結晶シリコン基板に限らず、ＧａＡｓなどの閃亜鉛鉱型構造を有するIII-Ｖ族化合物半導体基板においても同様であった。

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、半導体基板を割断する際に、全ての分割溝に均一な力を加える半導体基板の割断方法及び太陽電池の割断方法並びに太陽電池を提供することを目的とする。

本発明の第１の特徴に係る半導体基板の割断方法は、半導体基板上に、所定の深さを有する分割溝を形成する工程と、前記分割溝に沿って前記半導体基板を折り曲げることにより、前記分割溝に沿って前記半導体基板を割断する工程とを備え、前記分割溝は、前記半導体基板の劈開面と平行ではないことを要旨とする。

本発明の第１の特徴に係る半導体基板の割断方法によれば、半導体基板の劈開面と平行にならないように分割溝を形成し、分割溝に沿って半導体基板を折り曲げることにより、
分割溝に沿って半導体基板を割断する。従って、分割溝が半導体基板の劈開面と平行ではないため、半導体基板を割断する際に、全ての分割溝に均一な力を加えることができる。即ち、半導体基板を割断する際に、半導体基板の一部に応力が集中しない。その結果、半導体基板は割れを生じることなく割断されるため、半導体基板の分割工程における歩留まりを向上することができる。

本発明の第２の特徴に係る太陽電池の割断方法は、半導体基板を用いた半導体ｐｎ接合又は半導体ｐｉｎ接合を有する光電変換部を形成する工程と、前記光電変換部上に所定のパターンで集電電極を形成する工程と、前記光電変換部上に、所定の深さを有する分割溝を、前記所定のパターンに応じて形成する工程と、前記分割溝に沿って前記光電変換部を折り曲げることにより、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、前記半導体基板の劈開面と平行ではないことを要旨とする。

本発明の第３の特徴に係る太陽電池は、半導体基板を用いた半導体ｐｎ接合又は半導体ｐｉｎ接合を有する光電変換部と、前記光電変換部上に所定のパターンで形成された集電電極とを備え、前記光電変換部の側面は、折り曲げることにより割断された割断面を含んでおり、前記割断面は、前記半導体基板の劈開面と平行ではないことを要旨とする。

本発明によれば、半導体基板を割断する際に、全ての分割溝に均一な力を加える半導体基板の割断方法及び太陽電池の割断方法並びに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１及び図２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１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２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２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、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２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とを備える。

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の側面は、折り曲げることにより割断された割断面を含んでおり、割断面は、ｎ型単結晶シリコン基板１の劈開面と平行ではない。このような割断面は、本発明の特徴的部分に係るため、割断面を形成するための割断方法について後に詳述する。

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。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。

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ある。
〈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板形の（１００）面を有するｎ型単結晶シリコン基板１を準備する。ここで、ｎ型単結晶シリコン基板１は、図３に示すように、基準線αにより示されている第１劈開面（（０１１）面）と、基準線βにより示されている第２劈開面（（０−１−１）面）とを有する。また、基準線αと基準線βとは直交する。

次に、ｎ型単結晶シリコン基板１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、表面に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、円板形のｎ型単結晶シリコン基板１を用いたｐｉｎ接合を有する円板形の光電変換部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）の受光面上において、櫛形状に形成する。こ
れにより、光電変換部１０の受光面上に、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）の裏面上において、櫛形状に形成する。これにより、光電変換部１０の裏面上に、裏面側集電電極７が形成される。図３に示すように、裏面側集電電極７は、基準線α及び基準線βと平行ではないように形成されている。図３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の受光面上に、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、円板形の太陽電池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、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を割断することにより４分割する。なお、割断方法は、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の受光面上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の裏面上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を完全に硬化させる。

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。
〈太陽電池１０１の割断方法〉

次に、図面を用いて、太陽電池１０１の割断方法について詳細に説明する。図４は、太陽電池１０１の裏面に形成された分割溝８を示す。図５は、図４のＡ−Ａ部分拡大図である。図６は、図４のＢ−Ｂ断面の拡大図である。

まず、太陽電池１０１の裏面側から、ＹＡＧレーザー等を用いてレーザー光を照射することにより分割溝８を形成する。ＹＡＧレーザーの照射条件としては、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とすることができる。このような照射条件を用いることにより、レーザー光の光径と略同等の幅を有する分割溝８が形成される。

ここで、本実施形態に係る分割溝８は、図４に示すように、基準線α及び基準線βと平行にならないように形成されされている。即ち、分割溝８は、ｎ型単結晶シリコン基板１の第１劈開面（（０１１）面）及び第２劈開面（（０−１−１）面）と平行ではない。

具体的に、分割溝８ａは、図５に示すように、基準線αの平行線である基準線α´に対して角度γ（１５度）の傾きを有し、基準線βに対して角度δ（７５度）の傾きを有する。また、分割溝８ｂは、基準線α´に対して角度φ（１５度）の傾きを有し、基準線βに対して角度ε（７５度）の傾きを有する。このように、全ての分割溝８が、基準線α及び基準線βに対して傾きを有している。なお、基準線α及び基準線βに対する分割溝８の傾
きの大きさは、任意に設定することができる。また、分割溝８は、基準線α及び基準線βに対して任意の大きさの傾きを有していればよく、光電変換部１０上に形成された裏面側集電電極７のパターンに応じて任意の位置に形成することができる。

本実施形態に係る分割溝８は、図６に示すように、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、これに限らず任意に設定することができるが、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。

次に、分割溝８に沿って光電変換部１０を折り曲げることにより、分割溝８に沿って光電変換部１０を割断する。

具体的には、まず、図７に示すように、太陽電池１０１を載置台２０とプレス部材３０との間に固定して、割断刃４０を下方に移動させることにより、分割溝８（分割溝８ｄ及び８ｅを除く）に沿って光電変換部１０を割断する。即ち、光電変換部１０の外周部分を下方向に折り曲げることにより、光電変換部１０を割断する。なお、載置台２０、プレス部材３０及び割断刃４０は、図８（ａ）乃至（ｃ）に示すように、平面視において分割溝８（分割溝８ｄ及び８ｅを除く）と同形状・略同寸法である。以上により、太陽電池１０１は外周部分が割断され、図９に示すような多角形状に形成される。

続いて、光電変換部１０を、分割溝８ｄ及び８ｅに沿って折り曲げることにより、分割溝８ｄ及び８ｅに沿って光電変換部１０を割断する。分割溝８ｄ及び８ｅに沿った光電変換部１０の割断は、光電変換部１０を折り曲げることにより行われ、折り曲げる順序に限定はない。例えば、分割溝８ｄに沿って割断することにより光電変換部１０を２分割した後に、それぞれを分割溝８ｅに沿って割断する。その結果、太陽電池１０１は、図１０に示すように４分割される。

このように形成された太陽電池１０１をタブにより電気的に接続して太陽電池モジュール１００を製造する。

〈作用及び効果〉
本実施形態に係る太陽電池の割断方法によれば、ｎ型単結晶シリコン基板１の第１劈開面（（０１１）面）及び第２劈開面（（０−１−１）面）と平行にならないように分割溝８を形成する。また、分割溝８に沿って光電変換部１０を折り曲げることにより、分割溝８に沿って光電変換部１０を割断する。

このように、分割溝８がｎ型単結晶シリコン基板１の劈開面と平行ではないため、光電変換部１０を割断する際に、全ての分割溝８に均一な力を加えることができる。即ち、光電変換部１０を割断する際に、ｎ型単結晶シリコン基板１の一部に応力が集中することはない。

従って、ｎ型単結晶シリコン基板１に割れを生じることなく光電変換部１０を割断することができため、太陽電池１０１の分割工程における歩留まりを向上することができる。〈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、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、化合物半導体基板を用いることができる。例えば、ＧａＡｓ基板を用いる場合には、ＧａＡｓ基板の第１劈開面（（１１０）面）及び第２劈開面（（１−１０）面）と平行にならないように分割溝８を形成すればよい。

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の割断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、円板形の太陽電池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。

また、上記の実施形態では、割断装置を用いて円板形の太陽電池１０１の外周部分を一括して割断したが、必ずしも一括に割断しなくてもよく、例えば、平行に形成された分割溝同士を一組ずつ割断することができる。

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割断方法を説明するための図である（その１）。 図４のＡ−Ａ部分拡大図である。 図４のＢ−Ｂ拡大断面図である。 実施形態に係る太陽電池の割断に使用する割断装置を示す側面図である。 図７に示す割断装置の部品を示す図である。 実施形態に係る太陽電池の割断方法を説明するための図である（その２）。 実施形態に係る太陽電池の割断方法を説明するための図である（その３）。

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、８ｄ…分割溝、８ｅ…分割溝、１０…光電変換部、２０…載置台、３０…プレス部材、４０…割断刃、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、α…基準線、β…基準線、γ…角度、δ…角度、ε…角度、φ…角度

Claims (3)

1. 結晶半導体基板に半導体ｐｎ接合または半導体ｐｉｎ接合を有する光電変換部を形成する第１の工程と、
   前記第１の工程の後に、前記結晶半導体基板に所定の深さを有する分割溝を形成する第２の工程と、
   前記第２の工程の後に、前記分割溝に沿って前記結晶半導体基板を折り曲げることにより、前記分割溝に沿って前記結晶半導体基板を割断する第３の工程と、
   を備え、
   前記第３の工程は、前記結晶半導体基板を載置するための載置台と、プレス部材と、割断刃を備えた割断装置を用いて前記結晶半導体基板を割断する工程を含み、
   該工程は、前記結晶半導体基板を前記載置台と前記プレス部材との間に固定し、前記割断刃を移動させて前記結晶半導体基板の外周部を前記分割溝に沿って折り曲げて割断する工程であり、
   前記分割溝の外周形状は平面視で多角形状であって、かつ、全ての前記分割溝は前記結晶半導体基板の劈開面と平行ではなく、
   前記割断装置の前記載置台、前記プレス部材、前記割断刃は、平面視において前記分割溝と略同形状かつ略同寸法である、
   太陽電池の製造方法。
2. 請求項１に記載の太陽電池の製造方法であって、
   前記割断装置の前記載置台、前記プレス部材、前記割断刃は、平面視において前記分割溝の一部と略同形状かつ略同寸法である、
   太陽電池の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の太陽電池の製造方法であって、
   前記所定の深さの分割溝は、前記結晶半導体基板にレーザー光を照射することによって形成する、太陽電池の製造方法。

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