JP5596852B2

JP5596852B2 - 太陽電池およびその製造方法、太陽電池モジュール

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Publication number: JP5596852B2
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Inventors: 陽一郎西本
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Description

本発明は、太陽電池およびその製造方法、太陽電池モジュールに関し、特に、スルーホール（貫通穴）を介して受光面電極を裏面側に引き出して配置した構造の太陽電池およびその製造方法、太陽電池モジュールに関する。

従来、結晶系シリコン（Ｓｉ）太陽電池の構造は、ｐｎ接合を形成した光電変換部の上に成膜された反射防止膜と、光電変換部の受光面側に形成された櫛型の表面電極と、光電変換部の裏面の全面に形成された裏面電極と、を用いた構造が一般的である。照射光は受光面側において表面電極により遮られるため、表面電極で覆われた領域は発電に寄与しない。すなわち、いわゆるシャドーロスが生じる。このようなシャドーロスの割合は、１０％弱である。

電極面積を減らす事でシャドーロスを減らす事は可能である。しかし、電極の断面積が減少することにより電極の抵抗は増えるため、表面電極の抵抗損失が増加する。抵抗損失の増加は曲線因子（ＦＦ）の低下を招くため、単純に電極面積を減らしただけでは変換効率を上げる事はできない。電極面積を減らすのであれば、その分、電極を厚くする、電極材質そのものの抵抗率を下げる、などの抵抗損失を低減する方策が必要となる。

このように相反した要求を解決する一つの方法として、スルーホール（貫通穴）を介して表面電極（もしくは拡散層）を裏面に配置した構造の太陽電池が検討されており、ＭＷＴ(Metal Wrap Through)セル（拡散層の場合はＥＷＴ（Emitter Wrap Through）セル）と呼ばれる（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

上述した従来の構造の太陽電池では、表面電極の電極面積を減らすと抵抗損失が増えるという問題があったが、このような構造の太陽電池ではバス電極（ＥＷＴセルでは表面電極の全て）を電極面積の制約の緩い裏面に配置してシャドーロスを減らすと共に、電極面積を増やす事で直列抵抗を下げるといった手法が可能となる。このようなスルーホールを利用した太陽電池では、受光面側で収集された電流はスルーホールを通る。このため、スルーホールの数とスルーホール内での抵抗とが太陽電池の特性に影響を与える。

例えば、受光面の面積が面積Ｓである太陽電池において、スルーホールが１つ開いている場合とスルーホールが４つの開いている場合とについて考えてみる。光電流密度をＪ、スルーホールの抵抗をＲとすると、スルーホールが１つ開いている場合でのスルーホールの抵抗損失Ｐloss１は下記の数式（１）で表される。一方、スルーホールが４つ開いている場合でのスルーホールの抵抗損失Ｐloss４は下記の数式（２）で表される。そして、数式（１）および数式（２）から分かるように、スルーホールの数が多いほど、抵抗損失を減らすことができる。

また、スルーホールの抵抗は、スルーホールの径に依存している。受光面側で収集された電流は、ＭＷＴセルの場合はスルーホールに充填された金属を、ＥＷＴセルの場合はスルーホールの側面の拡散層を流れる。そして、半径がｒ、高さがｄの円柱の体積Ｖは、下記の数式（３）で表される。また、半径がｒ、高さがｄの円柱の側面積Ａは、下記の数式（４）で表される。したがって、スルーホールの径が大きいほど、スルーホールの抵抗を小さくする事ができる。すなわち、ＭＷＴセル、ＥＷＴセルの高光電変換効率化にはスルーホールの径が大きく、且つ、スルーホールの数が多い方が好ましいと言える。

つぎに、ＭＷＴセルの製造プロセスについて説明する。なお、ＥＷＴセルとＭＷＴセルとでは電極の位置が違うだけで、プロセスに大きな差は無い。ここではｐ型のシリコン基板（以下、基板と呼ぶ）の使用を仮定しているが、拡散材料を適切なものに変更すれば、ｎ型のシリコン基板を適用しても同様のセルが作製できる。

まず、レーザーによりｐ型のＳｉ基板（以下、基板と呼ぶ場合がある）にスルーホールを形成する。つぎに、基板の表面にテクスチャーと呼ばれる微小凹凸を形成する。テクスチャーにより太陽電池の表面反射率は低減し、高い変換効率を得ることができる。

つぎに、基板をオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ_３）ガス雰囲気中で加熱することにより、基板の表面にｎ型不純物拡散層を形成して半導体ｐｎ接合を形成する。つぎに、基板の受光面側に反射防止膜としてプラズマＣＶＤ（plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition：ＰＥＣＶＤ）法により例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜（ＰＥＣＶＤ−ＳｉＮ膜）を形成する。

ここではｎ型不純物拡散層の形成にオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ_３）を用いた気相拡散を行い、反射防止膜としてＰＥＣＶＤによる窒化シリコン（ＳｉＮ）膜（ＰＥＣＶＤ−ＳｉＮ膜）を使用しているが、ＳＯＤ（Spin on Dopant）を用いてｎ型不純物拡散層を形成しても構わない。また、使用する基板が単結晶Ｓｉ基板であれば、反射防止膜としてシリコン熱酸化膜（ＳｉＯ_２）を使用する選択肢もある。また、ＳＯＤ（Spin on Dopant）としてリン（Ｐ）ドープの二酸化チタン（ＴｉＯ_２）を用いれば、ｎ型不純物拡散層の形成と同時に反射防止膜を形成するというプロセスも可能である。

その後、スルーホール内を含む基板の表裏面に電極の印刷・焼成を行い、レーザーによるアイソレーションを経て、ＭＷＴセルが完成する。

このように拡散層および反射防止膜の形成方法によって幾つかのプロセスが考えられるが、スルーホールの拡散層、反射防止膜の有無は電極形成に大きな影響を与えるので、注意が必要である。一般に、太陽電池の表面電極の形成には、導電性ペーストを印刷・焼成することで導電性ペースト反射防止膜を食い破り、その下の拡散層とコンタクトを取る、いわゆるファイヤースルー（fire-through）という手法が取られている。

例えばスルーホールに拡散層のみが存在する場合は、スルーホールの充填にファイヤースルー用のペーストを用いると、焼成の際にペーストがスルーホール内部の拡散層を破壊してリークパスを形成するため良好な特性が得られない、という問題が起こる。このため、非特許文献１では、裏面ｎ型電極と表面ｎ型電極とでは用いるペーストを変える必要があることが記述されている。また、特許文献３では、ヘテロ接合であるｐｎ接合を形成した後にスルーホールを形成しているが、スルーホール内に導電性材料を充填する前に、スルーホールの側面に絶縁膜を形成するという対策を採っている。

特開平０４−２２３３７８号公報特開平０２−０５１２８２号公報特開２００８−２９４０８０号公報特開２００９−８８４０６号公報

A. van der Heide, D. Gribenski, J. Szlufcik, Photovoltech, "INDUSTRIAL FABRICATION OF MULTI CRYSTALLINE MWT CELL WITH INTERCONNECTION FLEXIBILITY OF 16.5% EFFICIENCY" 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 21-25 September 2009, Hamburg, Germany, p942-p945

以上のプロセスを踏まえて前述の「スルーホールの径が大きく、且つ、数多くのスルーホールを開ける」という方針を考えると、この方針は実用性に乏しいことがわかる。何故ならば、スルーホールの形成はレーザーを用いた枚葉処理であり、スルーホールの数が多くなるほど生産性は落ちるからである。したがって、小さいスルーホールを数多く開けるよりも、数は少ないものの大きなスルーホールを開ける方が実用的であると言えるが、ここでもまた問題が生じる。

ＭＷＴセルの場合は、導電性ペーストをスルーホールに充填することによって表面電極を裏面側に配置するが、充填したペーストをスルーホール内に保持し、そのまま硬化させる、または焼成しなくてはならない。しかしながら、導電性ペーストの粘度が高すぎる場合には、裏面から印刷した導電性ペーストと表面から印刷した導電性ペーストとがスルーホール内で接触し難くなる。また、導電性ペーストの粘度が低すぎる場合には、スルーホール内に導電性ペーストを保持できないため、スルーホールの抵抗が増加する。更に、導電性ペーストの粘度が低い場合においては、印刷ステージを汚す可能性が高くなり、生産性にも悪影響を与える。

このような問題を解決するために、特許文献４では、スルーホールに導電性ペーストを充填する際、基板の裏面に配置した支持体によりスルーホールの裏面を覆い、印刷、乾燥させる事でスルーホール内にペーストを保持させる。特許文献４の方法によれば、スルーホール内に導電性ペーストを保持でき、スルーホールでの抵抗損失を減らすことが可能である。しかしながら、導電性ペーストの抵抗率は同種の金属よりも抵抗率が１桁以上も大きく、このため、スルーホール全体に導電性ペーストが充填されたとしても、十分に抵抗を下げる事ができず光電変換効率が低下する、という問題がある。

なお、ＥＷＴセルの場合にはスルーホール内の導電に拡散層を利用するのでこのような問題は生じない。しかし、拡散層の抵抗率と導電性ペーストの抵抗率とを比べると、後者の方が圧倒的に小さいため、ＭＷＴセルの方が高い変換効率が得られると考えられており、現時点ではＭＷＴセルの検討の方が盛んである。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光電変換効率に優れ、且つ生産性の高い太陽電池およびその製造方法、太陽電池モジュールを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる太陽電池は、貫通孔が形成された第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板の一面側に設けられた第２導電型の不純物拡散層と、前記半導体基板の一面側において前記不純物拡散層と電気的に接続して設けられた受光面電極と、前記貫通孔を介して前記半導体基板の他面側に引き出されて前記受光面電極に電気的に接続して設けられた引き出し電極と、前記半導体基板の他面側において前記半導体基板と電気的に接続するとともに前記引き出し電極と電気的に分離された裏面電極と、を備え、一対の雄型部材および雌型部材からなる金属部材を前記貫通孔を介して接続して前記雄型部材と前記雌型部材とにより前記半導体基板を挟むことにより前記金属部材と前記半導体基板とが固定されること、を特徴とする。

本発明によれば、光電変換効率に優れ、且つ生産性の高い太陽電池が得られる、という効果を奏する。

図１−１は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルを受光面から見た平面図である。図１−２は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルを受光面と反対側の面（裏面）から見た平面図である。図１−３は、図１−１の線分Ａ−Ａにおける要部断面図である。図２−１は、本発明の実施の形態１にかかる引き出し電極を構成する金属プラグの外観を示す斜視図である。図２−２は、本発明の実施の形態１にかかる引き出し電極を構成する他の金属プラグの外観を示す斜視図である。図３−１は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの製造方法を示す要部断面図である。図３−２は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの製造方法を示す要部断面図である。図３−３は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの製造方法を示す要部断面図である。図３−４は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの製造方法を示す要部断面図である。図３−５は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの製造方法を示す要部断面図である。図３−６は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの製造方法を示す要部断面図である。図３−７は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの製造方法を示す要部断面図である。図４は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの製造方法を示すフローチャートである。図５は、ストレスリリース部を備えた金属プラグの平面図である。図６は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの相互接続方法の一例を模式的に示す断面図である。図７は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セルの相互接続方法の他の例を模式的に示す断面図である。図８−１は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池セルの製造方法を示す要部断面図である。図８−２は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池セルの製造方法を示す要部断面図である。図８−３は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池セルの製造方法を示す要部断面図である。図８−４は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池セルの製造方法を示す要部断面図である。図８−５は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池セルの製造方法を示す要部断面図である。図８−６は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池セルの製造方法を示す要部断面図である。図８−７は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池セルの製造方法を示す要部断面図である。図８−８は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池セルの製造方法を示す要部断面図である。図９は、本発明の実施の形態２にかかる太陽電池セルの製造方法を示すフローチャートである。図１０−１は、従来のＭＷＴセルを裏面から見た平面図である。図１０−２は、図１０−１の線分Ｂ−Ｂにおける要部断面図であり、突起部の存在しない領域の要部断面図である。図１１−１は、本発明の実施の形態３にかかる太陽電池セルを裏面から見た平面図である。図１１−２は、図１１−１の線分Ｃ−Ｃにおける要部断面図であり、突起部の存在しない領域の要部断面図である。図１２は、従来の一般的な太陽電池セルの構成を模式的に示す斜視図である。図１３は、本発明の実施の形態４にかかる金属プラグの形態を示す断面図である。図１４は、本発明の実施の形態４にかかる金属プラグとシリコン基板１０との配置関係を示す要部断面図である。

以下に、本発明にかかる太陽電池およびその製造方法、太陽電池モジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。また、平面図であっても、図面を見易くするためにハッチングを付す場合がある。

実施の形態１．
図１−１は、本発明の実施の形態１にかかる太陽電池セル１を受光面から見た平面図である。図１−２は、太陽電池セルを受光面と反対側の面（裏面）から見た平面図である。図１−３は、図１−１の線分Ａ−Ａにおける要部断面図である。実施の形態１にかかる太陽電池セル１は、スルーホール（貫通穴）を介して表面電極を裏面に引き出して配置した構造を有するＭＷＴセルである。

太陽電池セル１は、複数のスルーホール（貫通孔）Ｈが設けられたシリコン基板１０の受光面上に反射防止膜１４と受光面電極２１とを有する。シリコン基板１０は、ｐ型のシリコン基板１１と、シリコン基板１０の受光面側の表面に設けられてｎ型の不純物が拡散されたｎ型不純物拡散層１２と、シリコン基板１０の裏面側の表面に設けられて高濃度不純物を含んだｐ＋層（Back Surface Field：ＢＳＦ層）１３とを有する。ｎ型不純物拡散層１２は、その一部がスルーホールＨの内面およびシリコン基板１０の裏面におけるスルーホールの周囲の領域まで回り込んで形成されている。

受光面電極２１は、シリコン基板１０の受光面側においてｎ型不純物拡散層１２に電気的に接続する表面ｎ電極であり、いわゆるグリッド電極である。反射防止膜１４は、受光面電極２１がファイヤースルーを用いて形成されているため、シリコン基板１０の受光面側において受光面電極２１の下部には殆ど存在せず、受光面電極２１の下部以外の領域に存在する。図１−３では、シリコン基板１０との位置関係を示すために参考に図示している。

シリコン基板１０のスルーホールＨには、裏面ｎ電極である引き出し電極２２が埋設されている。引き出し電極２２は、受光面電極２１に電気的に接続しており、スルーホールＨを介してシリコン基板１０の裏面側に引き出されている。なお、図１−１では、反射防止膜１４を透過させて引き出し電極２２を示している。

図２−１は、引き出し電極２２を構成する金属部材である金属プラグの外観を示す斜視図である。すなわち、引き出し電極２２は、スルーホールＨの内部に単体金属からなる金属プラグが充填されて構成されている。金属プラグは、平坦部２２１の一面上に円柱状の複数の突起部２２２が設けられて構成されている。突起部２２２は、シリコン基板１０の面内において図１−１の線分Ａ−Ａと直交する方向において隣接するスルーホールＨ同士の間隔と同じ所定の間隔で平坦部２２１の一面上に設けられている。そして、突起部２２２がスルーホールＨに充填され、平坦部２２１の一面側がシリコン基板１０の裏面（ｎ型不純物拡散層１２）に当接して配置されている。

ここで、単体金属とは不導電性の不純物を含有しない金属であり、合金も含む。また、金属プラグは、突起部の上面２２２ａが受光面電極２１と電気的に接続するため、半田や受光面電極２１の電極材料ペーストとの接合性が良好な材料が好ましい。そして、単体金属は、引き出し電極が銀（Ａｇ）、ガラスなどを含む電極材料ペーストから形成される場合よりも引き出し電極２２の抵抗率を低減するために、抵抗率が低い材料が好ましい。このような材料としては、例えば銅（Ｃｕ）を主体とする銅系材料、銀（Ａｇ）を主体とする銀系材料、ニッケル（Ｎｉ）を主体とするニッケル系材料などが挙げられる。その中でも、銅系材料は安価であり、金属プラグの材料として好ましい。

金属プラグの表面は、平坦部２２１の他面の一部に設けられた接続領域２２１ａおよび突起部の上面２２２ａを除いた全面が絶縁膜（図示せず）で被覆されている。すなわち、突起部の上面２２２ａおよび接続領域２２１ａは、絶縁膜が被覆されていない。接続領域２２１ａは、太陽電池セルなどの外部部材と引き出し電極２２との電気的相互接続をするための領域である。接続領域２２１ａには、半田や導電性接着剤を介して導電性のタブ等が接続される。なお、接続領域２２１ａの位置は、外部部材との電気的相互接続の方法により柔軟に対応するものであって、設置場所を限定するものではない。また、絶縁膜は、少なくとも平坦部２２１におけるシリコン基板１０の裏面側との当接面を被覆していればよい。

図２−１に示した金属プラグでは、平坦部２２１の一面上に複数の突起部２２２が形成され、金属プラグの長手方向における平坦部２２１の端部側の他面中央部に接続領域２２１ａが設けられている。これは、金属プラグの一形態であり、金属プラグは例えば図２−２に示すように平坦部２２１の一面上に一つの突起部２２２が形成された形態とされてもよい。図２−２は、引き出し電極２２を構成する他の金属プラグの外観を示す斜視図である。図２−２に示すような金属プラグの場合は、各スルーホールＨに充填された各金属プラグの接続領域２２１ａ同士が半田や導電性接着剤を介して導電性のタブが電気的に相互接続される。

シリコン基板１０の裏面上には、シリコン基板１０のうちｐ型の導電型を有するＢＳＦ層１３に電気的に接続する裏面ｐ電極２４と、裏面ｐ電極２４の表面上の所定領域に設けられた接続用裏面ｐ電極２５とを備えている。裏面ｐ電極２４は、アルミニウムを主体とする電極材料ペーストを印刷・焼成して形成されたアルミニウム電極である。接続用裏面ｐ電極２５は、銀を主体とする電極材料ペーストを印刷・焼成して形成された銀電極である。裏面ｐ電極２４と接続用裏面ｐ電極２５とによりｐ電極２３が構成される。また、裏面ｐ電極２４と引き出し電極２２とは、シリコン基板１０の裏面に回り込んだｎ型不純物拡散層１２の表面からシリコン基板１１の内部まで達するｐｎ分離溝５１により電気的に分離されている。

なお、図１−１においては理解の容易のため受光面電極２１が５本設けられた例を示しているが、実際にはより多くの本数の受光面電極２１が設けられる。また、図１−１においては各受光面電極２１に対して２つの引き出し電極２２が設けられているが、受光面電極２１の本数と引き出し電極２２の数との対応は、受光面電極２１の本数等により柔軟に対応するものであって、設置数を限定するものではない。すなわち、例えば１０本の受光面電極２１に対して引き出し電極２２が１つ設けられる等の形態としてもよい。

つぎに、実施の形態１にかかる太陽電池セル１の製造方法について図３−１〜図３−７、図４を参照して説明する。図３−１〜図３−７は、実施の形態１にかかる太陽電池セル１の製造方法を示す要部断面図である。図４は、実施の形態１にかかる太陽電池セル１の製造方法を示すフローチャートである。なお、ここではｐ型のシリコン基板の使用を仮定しているが、拡散材料を適切なものに変更すれば、ｎ型のシリコン基板を適用しても同様の太陽電池セルが作製できる。

まず、ｐ型のシリコン基板１１（以下、基板１１と呼ぶ場合がある）の所定の位置に、円筒状のスルーホールＨを形成する（図３−１、ステップＳ１０）。なお、スルーホールＨの形成方法は特に限定されず、例えばレーザーを用いて形成することが可能である。また、スルーホールＨの形状も特に限定されない。レーザーを用いてスルーホールＨを形成する場合は、径の小さいスルーホールＨを数多く開けるよりも、数は少ないものの径の大きなスルーホールＨを開ける方が生産性の観点から有利である。

つぎに、基板１１の表面にテクスチャーと呼ばれる微小凹凸を形成し、またスルーホールＨの周辺部のダメージ層を除去する（ステップＳ２０）。テクスチャーにより太陽電池の表面反射率は低減し、高い光電変換効率を得ることができる。一般に結晶系シリコン太陽電池のテクスチャーの形成にはウェットエッチングが用いられる。ウェットエッチングによるテクスチャーの形成時に、基板スライス時のダメージが除去されるとともに、スルーホールＨの形成時にレーザーにより導入されたスルーホールＨの周辺部のダメージ層も除去される。ドライエッチングによってテクスチャーを形成する場合でもテクスチャーの形成前にアルカリによるスライスダメージの除去工程があり、そこでスルーホールの周辺部のダメージ層は除去される。

つぎに、基板１１をオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ_３）ガス雰囲気中で加熱することにより、基板１１の表面にリン（Ｐ）が拡散したｎ型不純物拡散層１２（以下、拡散層１２と呼ぶ場合がある）を形成して半導体ｐｎ接合を形成する。そして、拡散層１２の形成直後の表面には拡散処理中に表面に堆積したガラス質（燐珪酸ガラス、ＰＳＧ：Phospho-Silicate Glass）層が形成されている。このため、基板１１をフッ酸水溶液等に浸漬してＰＳＧ層をエッチング除去する（図３−２、ステップＳ３０）。なお、ＳＯＤを用いて拡散層１２を形成しても構わない。

つぎに、基板１１の受光面側に反射防止膜１４として例えばプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）法により窒化シリコン（ＳｉＮ）膜（ＰＥＣＶＤ−ＳｉＮ膜）を形成する（図３−３、ステップＳ４０）。なお、基板１１が単結晶Ｓｉ基板であれば、反射防止膜１４としてシリコン熱酸化膜（ＳｉＯ_２）を使用する選択肢もある。また、ＳＯＤとしてリン（Ｐ）がドープされた二酸化チタン（ＴｉＯ_２）を用いれば、拡散層１２の形成と同時に反射防止膜１４を形成するというプロセスも可能である。

つぎに、ｐ電極２３を印刷する。例えばスクリーン印刷によって、基板１１の裏面側にｐ電極２３として裏面ｐ電極２４の形状に電極材料ペーストであるアルミニウムペースト２４ａを塗布し、さらに接続用裏面ｐ電極２５の形状に電極材料ペーストである銀ペーストを塗布し、乾燥させる（図３−４、ステップＳ５０）。なお、図中ではアルミニウムペースト２４ａのみを示している。

つぎに、突起部２２２がスルーホールＨに収まるように、引き出し電極２２となる金属プラグを基板１１の裏面側から挿入・設置する（図３−５、ステップＳ６０）。つぎに、例えばスクリーン印刷によって、基板１１の受光面側に表面ｎ電極である受光面電極２１の形状に電極材料ペーストである銀ペースト２１ａを塗布し、乾燥させる（図３−６、ステップＳ７０）。銀ペースト２１ａは、スルーホールＨ内の金属プラグに接触するようにスルーホールＨの上部を埋めて塗布される。

ここで、スルーホールＨは金属プラグによって塞がれているため、印刷時に銀ペースト２１ａがスルーホールＨから漏れて印刷ステージを汚すことがない。また、金属プラグに設けられた平坦部２２１が、従来は印刷により形成されていた裏面ｎ電極に相当するため、これまで必要であった裏面ｎ電極の印刷工程を省略することができる。

つぎに、基板１１の表面および裏面の電極ペーストを例えば６００℃〜９００℃程度の温度で同時に焼成することで、基板１１の表側では銀ペースト２１ａ中に含まれているガラス材料で反射防止膜１４が溶融している間に銀材料がシリコンと接触し再凝固する。これにより、受光面電極２１が得られ、受光面電極２１と基板１１のシリコンとの導通が確保される。また、スルーホールＨ内では、銀ペースト２１ａ中に含まれている銀材料が金属プラグと接触し再凝固する。これにより、受光面電極２１は、引き出し電極２２と電気的・機械的に接続される（ステップＳ８０）。

このように導電性ペーストにより受光面電極２１と金属プラグとの電気的接続を得るので、金属プラグの突起部２２２の上面は粗面化されていた方が、導電性ペーストの突起部２２２への接続が良くなる。平坦部２２１に複数の突起部２２２が形成された金属プラグを使用した場合、焼成時に基板１１と金属プラグとの熱膨張係数の差により平坦部２２１（隣接する突起部２２２間）に熱応力が加わり、金属プラグがたわむことが考えられる。そこで、図５に示すように平坦部２２１（隣接する突起部２２２間）にストレスリリース部２２３、すなわち平坦部２２１（隣接する突起部２２２間）に働く応力を緩和する応力緩和構造を設けることで金属プラグのたわみを解消できる。図５は、ストレスリリース部２２３を備えた金属プラグの平面図である。

また、アルミニウムペースト２４ａも基板１１のシリコンと反応して裏面ｐ電極２４が得られ、かつ裏面ｐ電極２４の直下にＢＳＦ層１３が形成される。これにより、ｐ型のシリコン基板１１と、ｎ型不純物拡散層１２と、ＢＳＦ層１３とを有するシリコン基板１０が得られる。また、銀ペースト２１ａの銀材料がアルミニウムと接触し再凝固して接続用裏面ｐ電極２５が得られる（図３−７）。なお、図中では受光面電極２１、引き出し電極２２および裏面ｐ電極２４のみを示している。

つぎに、レーザーによるアイソレーションを行う（図３−７、ステップＳ９０）。すなわち、シリコン基板１０の裏面に回り込んだ拡散層１２の表面からシリコン基板１１の内部まで達するｐｎ分離溝５１をレーザーにより形成し、裏面ｐ電極２４と引き出し電極２２とを電気的に分離する。以上の工程を経て、実施の形態１にかかる太陽電池セル１が完成する。

その後、複数の太陽電池セル１が電気的に直列（または並列）に相互接続されて太陽電池モジュールが作製される。図６は、太陽電池セル１の相互接続方法の一例を模式的に示す断面図である。図６では、シリコン基板１０の面内において図１−１の線分Ａ−Ａと直交する方向における断面を示している。図６に示すように引き出し電極２２において突起部の上面２２２ａおよび接続領域２２１ａを除いた全面が絶縁膜２２４で被覆され、半田ペースト３１と導電性のタブ３２などの新たな部材により太陽電池セル１同士の相互接続を行う場合は、金属プラグの接続領域２２１ａが平坦部２２１の他面（突起部２２２が設置されていない側の面）にある方が作業性が良い。また、裏面ｐ電極２４は、シリコン基板１０の裏面においてスルーホールＨを除くほぼ全面に形成できる。この場合はシリコン基板１０の裏面に接している電極は裏面ｐ電極２４のみであり、ＢＳＦ層の面積を広く確保することができる。このため、シリコン基板１０で発生したキャリアの再結合に起因した開放電圧の低下を招き難く、高い開放電圧が得られる、という利点もある。この形態ではｐｎ分離溝は不要である。

図７は、太陽電池セル１の相互接続方法の他の例を模式的に示す断面図である。図７では、シリコン基板１０の面内において図１−１の線分Ａ−Ａと直交する方向における断面を示している。図７に示すように金属プラグの平坦部２２１を太陽電池セル１の外側に延長して相互接続を行う場合は、接続領域２２１ａが平坦部２２１の一面（突起部２２２が設置されている側の面）にある方が作業性が良い。また、裏面ｐ電極２４は、シリコン基板１０の裏面においてスルーホールＨを除くほぼ全面に形成できる。この場合はシリコン基板１０の裏面に接している電極は裏面ｐ電極２４のみであり、ＢＳＦ層の面積を広く確保することができる。このため、シリコン基板１０で発生したキャリアの再結合に起因した開放電圧の低下を招き難く、高い開放電圧が得られる、という利点もある。この形態ではｐｎ分離溝は不要である。

なお、金属プラグにおける接続領域２２１ａの配置位置は、相互接続の方法によって適宜柔軟に対応すればよい。また、半田ペースト３１の代わりに導電性接着剤を使用することもできる。また、図６および図７においては引き出し電極２２の接続方法に注目して示しており、太陽電池セル１の一部の部材を省略して図示している。

上述した実施の形態１においては、単体金属からなる金属プラグをスルーホールＨに配置し、この金属プラグを介して受光面電極２１を引き出して基板１１の裏面に設置する。一般に導電性ペーストは金属粒子、有機成分、ガラスフリット等で構成されているため、その抵抗率は単体金属と比較して１桁以上大きい。そこで、従来、導電性ペーストを充填して形成されていたスルーホールＨ内の電極を、単体金属により構成することにより、スルーホールＨでの抵抗損失が低減することができ、光電変換効率の高い太陽電池セルが実現できる。

また、実施の形態１においては、金属プラグをスルーホールＨに配置するため、受光面電極２１の形成時にスルーホールＨ全体に導電性ペーストを充填する必要がない。これにより、導電性ペーストの印刷が容易になる。更に金属プラグがスルーホールＨに配置された状態で導電性ペーストの印刷が行われるため、印刷の際に印刷ステージを汚すことが無く、生産性を向上させることができる。

したがって、実施の形態１によれば、引き出し電極２２の抵抗が低く光電変換効率に優れ、且つ生産性の高い太陽電池セルが得られる。

なお、上記においては、金属プラグは受光面電極２１の形成に用いる導電性ペーストの接着力でのみで保持されおり、突起部２２２の径によっては、金属プラグの自重を支えきれないという問題が生じる可能性がある。この場合は、ストレスリリース部２２３を除く平坦部２２１の一部に接着剤を塗布し、金属プラグをシリコン基板１０に固定することで対処可能である。

実施の形態２．
実施の形態１では導電性ペーストにより受光面電極２１と金属プラグとの電気的接続を得ているが、半田ペーストの印刷およびリフローを用いてもこれらの電気的接続を得ることができる。以下、実施の形態２にかかる太陽電池セルの製造方法について図８−１〜図８−８、図９を参照して説明する。図８−１〜図８−８は、実施の形態２にかかる太陽電池セルの製造方法を示す要部断面図である。図９は、実施の形態２にかかる太陽電池セルの製造方法を示すフローチャートである。なお、図８−１〜図８−８において、図３−１〜図３−７と同様の部材については同じ符号を付している。

実施の形態２にかかる太陽電池セルの製造方法において、図８−１〜図８−４およびステップＳ１０〜ステップＳ５０に示したアルミニウムペースト２４ａの塗布までのプロセスは、図３−１〜図３−４および図４に示したプロセスと同じである。ただし、シリコン基板１０の裏面においてスルーホールＨを除くほぼ全面に裏面ｐ電極２４となるアルミニウムペースト２４ａを塗布する。なお、ここでは、接続用裏面ｐ電極２５の形成の説明は省略する。

アルミニウムペースト２４ａの塗布後、例えばスクリーン印刷によって、基板１１の受光面側に表面ｎ電極である受光面電極２１の形状に電極材料ペーストである銀ペースト２１ａを塗布し、乾燥させる（図８−５、ステップＳ１１０）。このとき、銀ペースト２１ａは、基板１１の受光面側におけるスルーホールＨの周囲の領域を除いて塗布される。

つぎに、基板１１の表面および裏面の電極ペーストを同時に焼成する（図８−６、ステップＳ１２０）。これにより、基板１１の表側では銀ペースト２１ａ中に含まれているガラス材料で反射防止膜１４が溶融している間に銀材料がシリコンと接触し再凝固する。これにより、受光面電極２１が得られ、受光面電極２１と基板１１のシリコンとの導通が確保される。この段階では、受光面電極２１はスルーホールＨの位置において分割されている。

また、アルミニウムペースト２４ａも基板１１のシリコンと反応して裏面ｐ電極２４が得られ、かつ裏面ｐ電極２４の直下にＢＳＦ層１３が形成される。これにより、ｐ型のシリコン基板１１と、ｎ型不純物拡散層１２と、ＢＳＦ層１３とを有するシリコン基板１０が得られる。なお、裏面ｐ電極２４は、シリコン基板１０の裏面においてスルーホールＨの周囲の領域を除くほぼ全面に形成される。

つぎに、レーザーによるアイソレーションを行う（図８−６、ステップＳ１３０）。すなわち、シリコン基板１０の裏面に回り込んだ拡散層１２の表面からシリコン基板１１の内部まで達するｐｎ分離溝５１をレーザーにより形成し、裏面ｐ電極２４と、後に形成される引き出し電極２２とを電気的に分離する。

つぎに、突起部２２２がスルーホールＨに収まるように、引き出し電極２２となる金属プラグを基板１１の裏面側から挿入・設置する（図８−７、ステップＳ１４０）。つぎに、基板１１の表面におけるスルーホールＨおよびその周辺（受光面電極２１の形成されていない領域）に半田ペーストを印刷し（ステップＳ１５０）、リフローを行うことにより、受光面電極２１を半田３３により金属プラグに電気的・機械的に接続する（図８−８、ステップＳ１６０）。以上の工程を経て、実施の形態２にかかる太陽電池セルが完成する。

上述した実施の形態２においても、スルーホールＨ内の電極を単体金属により構成することにより、実施の形態１の場合と同様に引き出し電極２２の抵抗が低く光電変換効率に優れた太陽電池セルが得られる。

また、受光面電極２１の形成時にスルーホールＨに導電性ペーストを充填する必要がない。これにより、導電性ペーストの印刷が容易になる。更に印刷の際に導電性ペーストで印刷ステージを汚すことが無く、生産性を向上させることができる。

実施の形態３．
図１０−１は、従来のＭＷＴセルを裏面から見た平面図である。図１０−２は、図１０−１の線分Ｂ−Ｂにおける要部断面図であり、スルーホールＨの存在しない領域の要部断面図である。図１１−１は、実施の形態３にかかる太陽電池セルを裏面から見た平面図である。図１１−２は、図１１−１の線分Ｃ−Ｃにおける要部断面図であり、スルーホールＨの存在しない領域の要部断面図である。実施の形態３にかかる太陽電池セルでは、引き出し電極２２である金属プラグの平坦部２２１は絶縁膜２２４で被覆されている。なお、図１１−１においては、引き出し電極２２の平坦部２２１および絶縁膜２２４を透過して見ている。

従来のＭＷＴセルでは、図１０−１および図１０−２に示すように、電極間の短絡が生じないように裏面ｎ電極１２２を形成する領域には裏面ｐ電極２４が形成されていてはいけなかった。

一方、図１１−１および図１１−２に示すような実施の形態３にかかる太陽電池セルでは、従来のＭＷＴセルの裏面ｎ電極１２２に相当する引き出し電極２２である金属プラグの平坦部２２１は絶縁膜２２４で被覆されている。このため、図１１−１および図１１−２に示すように、裏面ｐ電極２４上に金属プラグの平坦部２２１が配置されても支障は無く、電極間の短絡が生じない。この場合、アイソレーションはシリコン基板１０の裏面側のスルーホールＨの周辺部のみに行えばよい。すなわち、図１１−１に示すように、ｐｎ分離溝５１は、シリコン基板１０の裏面側のスルーホールＨの周辺部のみに形成される。

また、図１０−１および図１０−２に示すような従来のＭＷＴセルの電極構造では、シリコン基板１０の裏面に裏面ｎ電極と裏面ｐ電極との両方が接していたため裏面ｐ電極２４の形成されていない領域の直下にはＢＳＦ層が形成されず、ＢＳＦ層がシリコン基板１０の裏面の全面には形成されない。このため、シリコン基板１０で発生したキャリアがそれぞれの電極に到達するまでに再結合してしまう確率が高く、概して図１２に示すような一般的な太陽電池セルよりも開放電圧が低いという問題があった。

図１２は、従来の一般的な太陽電池セルの構成を模式的に示す斜視図である。図１２に示す太陽電池セル１００は、ｐ型のシリコン基板１０１と、ｐ型のシリコン基板１０１の受光面側の表面に設けられてｎ型の不純物が拡散されたｎ型不純物拡散層１０２とによりｐｎ接合を形成した光電変換部を有する。また、太陽電池セル１００は、ｎ型不純物拡散層１０２上に反射防止膜１０３と櫛形の受光面電極１０４とを有する。受光面電極１０４は、バス電極１０５とグリッド電極１０６とにより構成される。また、ｐ型のシリコン基板１０１の裏面の全面に裏面電極１０７を有し、裏面電極１０７覆われたｐ型のシリコン基板１０１の裏面側の表面にはＢＳＦ層１０８が設けられている。

一方、実施の形態３にかかる太陽電池セルでは、シリコン基板１０の裏面に接しているのは裏面ｐ電極２４のみであり、ＢＳＦ層の面積を広く確保することができる。このため、シリコン基板１０で発生したキャリアの再結合に起因した開放電圧の低下を招き難く、高い開放電圧が得られる、という利点もある。

また、図１−１〜図１−３に示した実施の形態１にかかる太陽電池セルでは、図１０−１および図１０−２の場合と同様に引き出し電極２２の周囲に裏面ｐ電極２４の形成されていない領域がライン状に存在する。そして、シリコン基板１０に裏面において、裏面ｐ電極２４の形成されていない領域の直下にはＢＳＦ層１３が形成されず、この領域での再結合の影響が懸念される。このため、キャリアの再結合に起因した開放電圧の低下を抑制する効果は、実施の形態１にかかる太陽電池セルよりも実施の形態３にかかる太陽電池セルの方が高い。

上述した実施の形態３においても、スルーホールＨ内の電極を単体金属により構成することにより、実施の形態１の場合と同様に引き出し電極２２の抵抗が低く光電変換効率に優れた太陽電池セルが得られる。

また、実施の形態３にかかる太陽電池セルでは、ＢＳＦ層の面積を広く確保することができ、高い開放電圧が得られる。

実施の形態４．
実施の形態１〜実施の形態３では金属プラグが一つの導体で形成されていたが、金属プラグは２つの部材で構成してもよい。図１３は、実施の形態４にかかる金属プラグの形態を示す断面図である。図１３に示す金属プラグは、一対の雄型部材４１および雌型部材４２からなる。雄型部材４１は、実施の形態１〜実施の形態３の金属プラグと同様の構成を有し、平坦部４１１と突起部４１２を有する。雄型部材４１は、少なくとも平坦部４４１におけるシリコン基板１０の裏面側との当接面が絶縁膜により被覆されている。雌型部材４２は、羽根部４２１と円筒形の突起部４２２を有する。突起部４２２の外径は、スルーホールＨの径と略同等とされる。突起部４２２の内径は、突起部４１２の外径と略同等とされる。

そして、図１４に示すように雌型部材４２の羽根部４２１と雄型部材４１の平坦部４１１とによりシリコン基板１０を挟んで金属プラグとシリコン基板１０とを固定し、シリコン基板１０から金属プラグが抜けにくくすることができる。図１４は、実施の形態４にかかる金属プラグとシリコン基板１０との配置関係を示す要部断面図である。なお、図１４においては金属プラグの接続方法に注目して示しており、太陽電池セル１の一部の部材を省略して図示している。

このような金属プラグを用いる場合は、実施の形態２における図８−７のプロセスにおいて雌型部材４２を受光面側からスルーホールＨに挿入する。そして、基板１１の表面におけるスルーホールＨおよびその周辺（受光面電極２１の形成されていない領域）に半田ペーストを印刷し、リフローを行うことにより、受光面電極２１を半田により雌型部材４２に電気的・機械的に接続する。

つぎに、雄型部材４１を受光面側からスルーホールＨに挿入し、雄型部材４１と雌型部材４２とを電気的・機械的に接続する。なお、平坦部４１１の一部に接着剤を塗布し、金属プラグを基板１１に固定してもよい。

上述した実施の形態４においても、スルーホールＨ内の電極を単体金属により構成することにより、実施の形態１の場合と同様に引き出し電極２２の抵抗が低く光電変換効率に優れた太陽電池セルが得られる。

以上のように、本発明にかかる太陽電池は、光電変換効率に優れ、且つ生産性の高いＭＷＴ型の太陽電池の実現に有用である。

１太陽電池セル
１０シリコン基板
１１シリコン基板（基板）
１２ｎ型不純物拡散層（拡散層）
１３ｐ＋層（ＢＳＦ層）
１４反射防止膜
２１受光面電極
２１ａ銀ペースト
２２引き出し電極
２３ｐ電極
２４裏面ｐ電極
２４ａアルミニウムペースト
２５接続用裏面ｐ電極
３１半田ペースト
３２タブ
３３半田
４１雄型部材
４２雌型部材
５１ｐｎ分離溝
１００太陽電池セル
１０１シリコン基板
１０２ｎ型不純物拡散層
１０３反射防止膜
１０４受光面電極
１０５バス電極
１０６グリッド電極
１０７裏面電極
１０８ＢＳＦ層
１２２裏面ｎ電極
２２１平坦部
２２１ａ接続領域
２２２ａ突起部の上面
２２２突起部
２２３ストレスリリース部
２２４絶縁膜
４１１平坦部
４１２突起部
４２１羽根部
４２２突起部

Claims

貫通孔が形成された第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の一面側に設けられた第２導電型の不純物拡散層と、
前記半導体基板の一面側において前記不純物拡散層と電気的に接続して設けられた受光面電極と、
前記貫通孔を介して前記半導体基板の他面側に引き出されて前記受光面電極に電気的に接続して設けられた引き出し電極と、
前記半導体基板の他面側において前記半導体基板と電気的に接続するとともに前記引き出し電極と電気的に分離された裏面電極と、
を備え、
一対の雄型部材および雌型部材からなる金属部材を前記貫通孔を介して接続して前記雄型部材と前記雌型部材とにより前記半導体基板を挟むことにより前記金属部材と前記半導体基板とが固定されること、
を特徴とする太陽電池。
前記金属部材は、平坦部の一面上に少なくとも一つの突起部が設けられて構成され、
前記突起部が前記貫通孔に充填され、前記平坦部の一面側が前記半導体基板の他面側に当接して配置されること、
を特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
前記引き出し電極は、前記貫通孔の内部に単体金属からなる前記金属部材が充填されて構成され、導電性材料を介して前記受光面電極に電気的に接続されること、
を特徴とする請求項２に記載の太陽電池。
前記金属部材は、少なくとも前記平坦部における前記半導体基板の他面側との当接面が絶縁膜で被覆されていること、
を特徴とする請求項３に記載の太陽電池。
前記金属部材は、前記突起部の上面および前記平坦部の他面の一部を除いた全面が絶縁膜で被覆されていること、
を特徴とする請求項４に記載の太陽電池。
前記裏面電極が前記半導体基板の他面側の全面に形成されていること、
を特徴とする請求項５に記載の太陽電池。
前記裏面電極が前記貫通孔の周辺部を除いた前記半導体基板の他面側の全面に形成され、
前記引き出し電極と裏面電極とを電気的に分離する分離溝を前記周辺部に備えること、
を特徴とする請求項４に記載の太陽電池。
前記金属部材は、前記突起部の上面が粗面化されていること、
を特徴とする請求項３〜７のいずれか１つに記載の太陽電池。
前記平坦部の一面側が接着剤により前記半導体基板の他面側に固定されること、
を特徴とする請求項３〜７のいずれか１つに記載の太陽電池。
前記単体金属が、銅を主体とする銅系金属であること、
を特徴とする請求項３〜９のいずれか１つに記載の太陽電池。
第１導電型の半導体基板に貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
前記半導体基板の一面側に第２導電型の不純物拡散層を形成する不純物拡散層形成工程と、
前記半導体基板の一面側において前記不純物拡散層と電気的に接続する受光面電極を形成する受光面電極形成工程と、
前記貫通孔を介して前記半導体基板の他面側に引き出された引き出し電極を形成する引き出し電極形成工程と、
前記受光面電極と前記引き出し電極とを導電性材料を介して電気的に接続する接続工程と、
前記半導体基板の他面側において前記半導体基板と電気的に接続する裏面電極を形成する裏面電極形成工程と、
を含み、
前記引き出し電極形成工程では、平坦部の一面上に所定の間隔をおいて複数個の突起部が形成され前記突起部間に働く応力を緩和する応力緩和構造を有する金属部材の前記突起部が前記貫通孔に充填され、前記平坦部の一面側が前記半導体基板の他面側に当接して配置されること、
を特徴とする太陽電池の製造方法。
第１導電型の半導体基板に貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
前記半導体基板の一面側に第２導電型の不純物拡散層を形成する不純物拡散層形成工程と、
前記半導体基板の一面側において前記不純物拡散層と電気的に接続する受光面電極を形成する受光面電極形成工程と、
前記貫通孔を介して前記半導体基板の他面側に引き出された引き出し電極を形成する引き出し電極形成工程と、
前記受光面電極と前記引き出し電極とを導電性材料を介して電気的に接続する接続工程と、
前記半導体基板の他面側において前記半導体基板と電気的に接続する裏面電極を形成する裏面電極形成工程と、
を含み、
前記引き出し電極形成工程では、一対の雄型部材および雌型部材からなる金属部材を前記貫通孔を介して接続して前記雄型部材と前記雌型部材とにより前記半導体基板を挟むことにより前記金属部材と前記半導体基板とが固定されること、
を特徴とする太陽電池の製造方法。
前記金属部材は、平坦部の一面上に少なくとも一つの突起部が設けられて構成され、
前記突起部が前記貫通孔に充填され、前記平坦部の一面側が前記半導体基板の他面側に当接して配置されること、
を特徴とする請求項１２に記載の太陽電池の製造方法。
前記引き出し電極は、前記貫通孔の内部に単体金属からなる前記金属部材が充填されて構成され、導電性材料を介して前記受光面電極に電気的に接続されること、
を特徴とする請求項１１または１３に記載の太陽電池の製造方法。
前記金属部材は、少なくとも前記平坦部における前記半導体基板の他面側との当接面が絶縁膜で被覆されていること、
を特徴とする請求項１４に記載の太陽電池の製造方法。
前記金属部材は、前記突起部の上面および前記平坦部の他面の一部を除いた全面が絶縁膜で被覆されていること、
を特徴とする請求項１５に記載の太陽電池の製造方法。
前記裏面電極を前記半導体基板の他面側の全面に形成すること、
を特徴とする請求項１６に記載の太陽電池の製造方法。
前記裏面電極を前記貫通孔の周辺部を除いた前記半導体基板の他面側の全面に形成し、
前記引き出し電極と裏面電極とを電気的に分離する分離溝を前記周辺部に形成すること、
を特徴とする請求項１５に記載の太陽電池の製造方法。
前記金属部材は、前記突起部の上面が粗面化されていること、
を特徴とする請求項１４〜１８のいずれか１つに記載の太陽電池の製造方法。
前記平坦部の一面側を接着剤により前記半導体基板の他面側に固定すること、
を特徴とする請求項１４〜１８のいずれか１つに記載の太陽電池の製造方法。
前記単体金属が、銅を主体とする銅系金属であること、
を特徴とする請求項１４〜２０のいずれか１つに記載の太陽電池の製造方法。
請求項１〜１０のいずれか１つに記載の構造を有する太陽電池セルの少なくとも２つ以上が電気的に直列または並列に接続されてなること、
を特徴とする太陽電池モジュール。