JP5201659B2

JP5201659B2 - 太陽電池セル用バイパスダイオードの製造方法

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Publication number: JP5201659B2
Application number: JP2007334407A
Authority: JP
Inventors: 啓二島田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2027-12-26
Also published as: JP2009158697A

Description

本発明は、太陽電池セル用バイパスダイオードの製造方法に関し、特に、人工衛星や宇宙ステーション等に搭載される太陽電池セル用バイパスダイオードの製造方法に関するものである。

人工衛星や宇宙ステーション等の電源には、太陽電池セルが使用されている。この太陽電池セルは、軽量であることが望ましく、０．１ｍｍ程度の厚みの単結晶シリコン太陽電池セルや、近年では厚さ０．０５ｍｍ以下の化合物系太陽電地セル等も使用されている。この太陽電池セル複数毎を直並列に接続し太陽電池モジュールが構成される。太陽電池モジュールは複数の太陽電池セルが直並列に接続され構成されているが、この直列に接続された太陽電池セルが部分的に影になった場合、その影になっている太陽電池セルには逆方向に電圧がかかり太陽電池モジュールの出力が低下してしまう。また、化合物系の太陽電池セルの場合は逆方向の耐圧が低く逆方向に電圧がかかった際にセルが故障する恐れがあり、これを防ぐためには各太陽電池に並列にバイパスダイオードを接続する必要がある。

図１５に従来のバイパスダイオードの一例を示す。図１５（ａ）は従来のバイパスダイオードの平面図、図１５（ｂ）は同従来のバイパスダイオードの側断面図である。バイパスダイオード１００は、従来から、たとえば単結晶シリコン基板１０１の片方の面にシリコン基板１０１の導電型と反対の導電型となる不純物を拡散し拡散層１０２を形成することでｐｎ接合を形成し、シリコン基板１０１の両面にそれぞれｐ電極１０３およびｎ電極１０４を形成して製造される。特許文献１に記載のバイパスダイオードは、このようなシリコン基板の両面にそれぞれｐ電極およびｎ電極を形成した構成となっている。太陽電池モジュールを軽量化するためには、太陽電池セルやバイパスダイオード、配線材料等の構成部品を軽量化するとともに、これらの部品を基板に接着するための接着剤の使用量を低減することも重要である。

化合物系の太陽電池セルはセル間の接続を容易に行なえるように、太陽電池セルの両極の電極を受光面側に配置した物が開発されている。この様な太陽電池セルと従来のバイパスダイオードとを接続する場合には図１６に示すような構成となる。図１６は、従来の太陽電池セル用バイパスダイオードと太陽電池セルの接続例を示す平面図である。図１６において、太陽電池セル１０５間の接続はインターコネクタ１０６により片側の面のみで行なうことができるが、バイパスダイオード１０７と太陽電池セル１０５とを接続する際には、片側の溶接Ｘを行なったあと、反転させてもう片側（裏側）の溶接Ｙを行なうものであった。
特開平６−５３３７７号公報

従来のバイパスダイオード１０７と太陽電池セル１０５とを接続する際には、片側の溶接Ｘを行なったあと、反転させてもう片側（裏側）の溶接Ｙを行なうものであったが、この作業は非常に手間がかかると共に、太陽電池セル１０５やバイパスダイオード１０７をハンドリングする際に割れが発生する問題があった。また、ダイオードの裏面側のインターコネクタの厚みにより、基板に貼り付ける接着剤の量が増大し太陽電池モジュール質量が増大してしまう問題があった。さらに、化合物系の太陽電池セルは非常に薄い物が開発されているが、バイパスダイオードを薄くすることは非常に困難であった。これはバイパスダイオードの構造上プロセスの最初の段階でシリコン基板を薄くする必要があるため、例えば０．０５ｍｍ以下の厚みのダイオードを作製しても製造途中で割れが多発し、歩留まりが非常に悪くなるためである。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、太陽電池セルとバイパスダイオードとの接続のハンドリング作業が少なく、薄くて軽量な太陽電池セル用バイパスダイオードおよび太陽電池セル用バイパスダイオードの製造方法を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するための本発明の太陽電池セル用バイパスダイオードは、半導体基板の主表面に形成されたｐｎ接合ダイオードと、半導体基板の上記主表面上に形成されたｐｎ接合ダイオードのｐ電極およびｎ電極とを備える。

本発明の一実施形態においては、上記主表面が形成されている面の反対側の面上に裏面電極が形成されており、また、上記主表面の反対側の面に拡散層が形成され、拡散層上に裏面電極が形成されている構成や、ｐｎ接合ダイオードのｐ電極およびｎ電極の形状が、それぞれくし型であり、両電極が交互に配置されている。

本発明の太陽電池セル用バイパスダイオードの製造方法は、半導体基板の主表面上に拡散層を形成し、主表面上にｐｎ接合ダイオードのｐ電極およびｎ電極を形成する工程と、上記主表面から切断溝を形成する工程と、上記主表面に支持基盤を貼り付ける工程と、上記主表面とは反対側の面から、半導体基板の一部を除去し薄板化する工程とを備える。

本発明によれば、ｐｎ接合ダイオードが形成された半導体基板の同一の主面上にダイオードのｐ電極およびｎ電極が形成された構成を有するので、バイパスダイオードの裏面側の溶接工程が不要となり、太陽電池セルとバイパスダイオードの接続が容易で、インターコネクタを基板に貼り付ける際の接着剤の使用量増加を抑えることができ、太陽電池モジュールの質量を低減することができる。また厚みが薄いバイパスダイオードを製造工程での歩留まり低下を招くことなく形成することが可能となる。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１を以下に説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態１のバイパスダイオードの平面図、図１（ｂ）は同バイパスダイオードの側断面図である。図２は本発明の実施の形態１のバイパスダイオードと太陽電池セルとの接続例を示す平面図である。図１においては、ｐｎ接合ダイオード１ａが形成された単結晶シリコン基板等の半導体基板１の同一主面上に、ダイオードのｐ電極２およびｎ電極３が形成され、太陽電池セル用のバイパスダイオード４が構成されている。単結晶シリコン基板等の半導体基板１においては、片方の面の一部分にシリコン基板の導電型と反対の導電型となる不純物を拡散し拡散層１ｂを形成することでｐｎ接合ダイオード１ａが形成されている。

このような構成の太陽電池セル用のバイパスダイオード４を用いると、図２において、互いに隣接する太陽電池セル５間の接続は、インターコネクタ６により片側の面のみで行なうことができ、さらにバイパスダイオード４と太陽電池セル５のｐ電極５ａとｎ電極５ｂとを接続する際にも、インターコネクタ７を用いて同じ片側の面において溶接Ｘのみで行なうことができる。

次に、図３から図８を用いて、本発明の実施の形態１のバイパスダイオードの製造工程を説明する。図３から図８はそれぞれ実施の形態１のバイパスダイオードの各製造工程における模式的断面図である。まず、シリコン結晶のインゴッドをスライスして得られた半導体基板１となるシリコン基板１０は、スライスの際にその表面近傍にダメージ層が存在する。そこで、酸性またはアルカリ性の溶液を用いてダメージ層をエッチングすると共にシリコン基板1０を所望の厚さまでエッチングする。ここで、シリコン基板１０はｎ型でもｐ型でもよく、シリコン基板１０の大きさや厚さは制限されない。また、ここでは便宜上ｎ型のシリコン基板１０を用いて以下の説明を行なうが、ｐ型のシリコン基板１０を使用する場合は以下に出てくるｐ＋層はｎ＋層、ｎ＋層はｐ＋層となる。ただし、拡散条件等は異なるものとなる。

次に、図３に示すように、シリコン基板１０を１０００℃〜１２００℃に加熱された石英炉内に投入し酸素や水蒸気によりシリコン基板1０上に酸化膜１１を形成する。次に、図４に示すように、ｐ＋層を形成するためシリコン基板1０上に形成された酸化膜１１を所望の形状１２だけ除去する。次に、図５に示すように、シリコン基板１０を８００℃〜１１００℃程度に加熱された石英炉内に投入しホウ素を含むガスを流しｐ＋層１３を形成する。次に、図６に示すように、シリコン基板1０を９００℃〜１２００℃に加熱された石英炉内に投入し酸素や水蒸気によりシリコン基板１０上に酸化膜１４を形成するとともに、ドライブインを行なう。この時石英炉の温度は拡散時の温度より高いことが望ましい。次に、シリコン基板１０の表面のｐ＋層１３およびシリコン基板1０との電気的接続を行なうために、図７に示すように、シリコン基板１０上の酸化膜１４を所望のパターン形状１５に除去する。

次に、図８に示すように、シリコン基板1０表面上にｐ電極２、ｎ電極３を形成する。ここで、ｐ電極２およびｎ電極３の電極材料としては、銀またはアルミニウムなどの高導電材料が用いられることが好ましい。また、ｐ電極２およびｎ電極３の形成手段としては、たとえば高真空中における電子ビーム加熱による電極材料の蒸着、電極材料を含むペーストのスクリーン印刷または電極材料のメッキなどの手段を用いることができる。さらに、シリコン基板１０とｐ電極２およびｎ電極３との良好なオーミック接触を得るために、シリコン基板１０への電極材料の付着後に４００℃〜５００℃の熱処理が行なわれることが好ましい。次にダイシングソーを用いシリコン基板1０を切断しバイパスダイオード４が完成する。シリコン基板1０を切断する手段としてはレーザー等を用いても良い。

次に、本発明の実施の形態１のバイパスダイオードの変形例を図９を用いて説明する。図９は本発明の実施の形態１の変形例のバイパスダイオードの断面図である。本発明の実施の形態１のバイパスダイオードと同一の構成については同一の番号を付し説明を略する。図９においては、ｎ電極３の下部に位置するシリコン基板１０上にｎ＋層１６を設けることにより、ｎ電極３とシリコン基板１０とのオーミック接触を向上させている。このｎ＋層１６の形成条件としては７００〜９００℃程度に加熱された石英炉内に投入しリンを含むガスを流しｎ＋層１６の拡散層を形成する。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について説明する。図１０は本発明の実施の形態２のバイパスダイオードの平面図である。本実施の形態２のバイパスダイオード２０においてはダイオードの両電極であるｐ電極２１およびｎ電極２２の形状が、それぞれくし型に半導体基板１上に形成されており、両電極２１,２２が交互に配置されている。両電極２１,２２を交互に配置することにより順方向特性の良いバイパスダイオード２０を作製することができる。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について説明する。図１１は本発明の実施の形態３のバイパスダイオードの断面図である。本発明の実施の形態１におけるバイパスダイオードの場合、半導体基板１の厚みを薄くすると半導体基板１による直列抵抗成分が増加するために、順方向特性が大きくなる傾向がある。本実施の形態３におけるバイパスダイオード３０はこの点を改善したものである。本発明の実施の形態１のバイパスダイオードと同一の構成については同一の番号を付し説明を略する。図１１においては、半導体基板１となるシリコン基板1０の裏面側に裏面電極３１を設けている。シリコン基板1０の裏面側に裏面電極３１を設けることでシリコン基板１０の直列抵抗増加分をこの裏面電極３１により減少させることが可能となる。

裏面電極３１の電極形成条件としては表面側の電極２,３と同じく銀またはアルミニウムなどの高導電材料が用いられることが好ましい。また、裏面電極３１の形成手段としては、たとえば高真空中における電子ビーム加熱による電極材料の蒸着、電極材料を含むペーストのスクリーン印刷または電極材料のメッキなどの手段を用いることができる。さらに、シリコン基板１０と裏面電極３１との良好なオーミック接触を得るために、シリコン基板１０への電極材料の付着後に４００℃〜５００℃の熱処理が行なわれることが好ましい。この熱処理は表面側の電極形成後に裏面側の裏面電極３１を形成した後に同時に行なうことが可能である。

次に、本発明の実施の形態３のバイパスダイオード３０の変形例について、図１２を用いて説明する。図１２は本発明の実施の形態３の変形例のバイパスダイオード４０の断面図である。本発明の実施の形態３のバイパスダイオード３０と同一の構成については同一の番号を付して、その説明を省略する。図１２においては、ｎ電極３の下部に位置するシリコン基板１０上にｎ＋層１６を設けるとともに、シリコン基板1０の裏面側にｎ＋層４１を設けることにより、裏面電極３１とシリコン基板1０のオーミック接触を向上させている。このｎ＋層４１は表面側のｎ＋層１６形成時に裏面側の酸化膜１４を除去することにより同時に形成することが可能である。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４として、本発明の太陽電池セル用バイパスダイオードの製造方法の一実施形態を、図１３を用いて説明する。図１３は本発明の実施の形態４のバイパスダイオード５０の断面図である。図１４は実施の形態４のバイパスダイオード５０の製造工程の説明図である。本実施の形態により、より薄いバイパスダイオードを作製する製造方法について説明する。本発明の実施の形態１のバイパスダイオードと同一の構成については同一の番号を付し説明を略する。本実施の形態４においては、シリコン基板１０表面側にｐ電極２及びｎ電極３を形成した後に、ダイシングソーを用いシリコン基板1０に切断溝５１を形成する。この時切断溝５１は所望するバイパスダイオード５０のチップの厚さより深くかつシリコン基板１０の厚みよりは浅くする。

次に図１４に示す様にシリコン基板１０を支持基盤５２に接着剤５３を用いて貼り付ける。次に支持基盤５２の反対側である裏面側よりウェーハグラインダーを用い所望の厚さまでシリコン基板１０を研磨しシリコン基板１０の薄型化を行う。その後、支持基盤５２よりバイパスダイオード５０を構成するダイオードチップを分離することによりバイパスダイオード５０のチップが完成する。また、ウェーハグラインダーによる研磨の代わりに薬液によるエッチングでシリコン基板１０の薄型化を行なっても良い。このように薄型化を製造工程の終盤に行なうことにより、厚さ０．０５ｍｍ以下のバイパスダイオード５０を製造工程での歩留まりの低下が無く作製することが可能となる。

以上のとおり、本発明の各実施の形態におけるバイパスダイオードは、半導体基板の片側の面に電極を形成することにより、ダイオードの裏面側のインターコネクタの影響による接着剤の使用量増加を抑えることができ、太陽電池モジュールの質量を低減することができる。また、従来例と比べ太陽電池セルとバイパスダイオードとの接続が容易になると共に、インターコネクタによる凹凸を無くすことで基板に貼り付ける際の接着剤を減らすことが可能となる。半導体基板の片側に設置された両拡散層及び両電極を交互に配置することにより、より順方向特性の良いバイパスダイオードを作製することができる。また、半導体基板の両極とは反対側の基板面に裏面電極を配置することにより、順方向特性の良いバイパスダイオードを作製することが可能となる。また本発明の各実施の形態における製造方法においては薄いダイオードの作製を容易にするものである。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

（ａ）本発明の実施の形態１のバイパスダイオードの平面図、（ｂ）同バイパスダイオードの側断面図である。本発明の実施の形態１のバイパスダイオードと太陽電池セルとの接続例を示す平面図である。同実施の形態１のバイパスダイオードの製造工程における模式的断面図である。同実施の形態１のバイパスダイオードの製造工程における模式的断面図である。同実施の形態１のバイパスダイオードの製造工程における模式的断面図である。同実施の形態１のバイパスダイオードの製造工程における模式的断面図である。同実施の形態１のバイパスダイオードの製造工程における模式的断面図である。同実施の形態１のバイパスダイオードの製造工程における模式的断面図である。本発明の実施の形態１の変形例のバイパスダイオードの断面図である。本発明の実施の形態２のバイパスダイオードの平面図である。本発明の実施の形態３のバイパスダイオードの断面図である。本発明の実施の形態３の変形例のバイパスダイオードの断面図である。本発明の実施の形態４のバイパスダイオードの断面図である。同実施の形態４のバイパスダイオードの製造工程の説明図である。（ａ）従来のバイパスダイオードの平面図、（ｂ）同従来のバイパスダイオードの側断面図である。従来の太陽電池セル用バイパスダイオードと太陽電池セルの接続例を示す平面図である。

符号の説明

１半導体基板１、１ａｐｎ接合ダイオード、１ｂ拡散層、２ｐ電極、３ｎ電極、４,２０,３０,４０,５０バイパスダイオード、５太陽電池セル、１０シリコン基板、１１酸化膜、１３ｐ＋層、１６ｎ＋層、５１切断溝、５２支持基盤。

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板の主表面に形成されたｐｎ接合ダイオードと、
前記半導体基板の前記主表面上に形成された、前記ｐｎ接合ダイオードのｐ電極およびｎ電極とを備える、太陽電池セル用バイパスダイオードの製造方法であって、
前記半導体基板の主表面上に拡散層を形成し、前記主表面上に前記ｐｎ接合ダイオードの前記ｐ電極およびｎ電極を形成する工程と、
前記ｐｎ接合ダイオードの前記ｐ電極およびｎ電極が形成されている前記主表面から切断溝を形成する工程と、
前記ｐｎ接合ダイオードの前記主表面に支持基盤を貼り付ける工程と、
前記ｐｎ接合ダイオードの前記主表面とは反対側の面から、前記半導体基板の一部を除去し薄板化する工程とを備える、太陽電池セル用バイパスダイオードの製造方法。
前記ｐｎ接合ダイオードの前記ｐ電極およびｎ電極が形成されている前記主表面とは反対側の面上に、裏面電極を形成する工程をさらに備える、請求項１に記載の太陽電池セル用バイパスダイオードの製造方法。
前記ｐｎ接合ダイオードの前記ｐ電極およびｎ電極が形成されている前記主表面とは反対側の面に拡散層を形成し、前記拡散層上に裏面電極を形成する工程をさらに備える、請求項１に記載の太陽電池セル用バイパスダイオードの製造方法。
前記ｐｎ接合ダイオードの前記ｐ電極およびｎ電極の形状を、それぞれくし型に形成し、前記ｐ電極およびｎ電極を交互に配置する、請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池セル用バイパスダイオードの製造方法。