特許 7539253 太陽電池セル、太陽電池モジュール及び太陽電池セル製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-15

(45)【発行日】2024-08-23

(54)【発明の名称】太陽電池セル、太陽電池モジュール及び太陽電池セル製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/05 20140101AFI20240816BHJP

   H01L 31/0248 20060101ALI20240816BHJP

   H01L 31/043 20140101ALI20240816BHJP

【ＦＩ】

H01L31/04 570

H01L31/04 300

H01L31/04 510

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020082066

(22)【出願日】2020-05-07

(65)【公開番号】P2021177511

(43)【公開日】2021-11-11

【審査請求日】2023-03-29

(73)【特許権者】

【識別番号】000000941

【氏名又は名称】株式会社カネカ

(74)【代理人】

【識別番号】100131705

【弁理士】

【氏名又は名称】新山 雄一

(74)【代理人】

【識別番号】100145713

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 竜太

(72)【発明者】

【氏名】口山 崇

【審査官】桂城 厚

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６２－０４２４６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／１５２０２０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平１０－２４２４９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－１１２００８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－０４５８５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０７０２５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１５１７６６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０３８４００２４（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３１／００－３１／０７８

Ｈ０１Ｌ ３１／１８－３１／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の太陽電池セルと、隣接し合う２つの前記太陽電池セルを接続する導電性接着剤と、を備え
前記太陽電池セルは、
半導体基板と、
前記半導体基板の第１主面に積層される第１半導体層と、
前記半導体基板の第２主面に積層され、前記第１半導体層と導電型が異なる第２半導体層と、
をそれぞれ備え、
前記半導体基板の対向する一対の端面は、前記第１主面及び前記第２主面に対する角度が９０±１５°の範囲内である内側隣接面と、前記内側隣接面よりも外側に位置し、前記第１主面及び前記第２主面に対する角度が９０±１５°の範囲内である外側隣接面と、前記内側隣接面と前記外側隣接面とを接続し、前記第１主面及び前記第２主面に対する角度が０±１５°の範囲内である中間面と、を有し、平面視で前記第１主面の端縁を前記第２主面の端縁に対して一定方向且つ一定距離だけオフセットする２段の階段状であり、
前記内側隣接面及び前記中間面は、前記第１半導体層又は前記第２半導体層に覆われ、
前記外側隣接面は、前記半導体基板を露出し、隣接する前記太陽電池セルの前記外側隣接面に対向し、
前記導電性接着剤は、隣接し合う２つの前記太陽電池セルの対向し合う前記内側隣接面と前記外側隣接面の間に配置される、太陽電池モジュール。

【請求項2】

前記第１半導体層を覆う第１透明電極層及び前記第２半導体層を覆う第２透明電極をさらに備える、請求項１に記載の太陽電池モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、太陽電池セル、太陽電池モジュール及び太陽電池セル製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

複数の太陽電池セルを一列に並べて配置し、電気的に直列に接続した太陽電池ストリングを用いて太陽電池モジュールが製造されている。このような太陽電池ストリングにおいて、隣接する太陽電池セル間は、導電性の部材（インターコネクタ）によって接続されることが多い。表裏（受光面及び反対側の面）に極性が異なる電極が設けられた両面電極型の太陽電池セルの場合、１つの太陽電池セルの表面側の電極と隣接する太陽電池セルの裏面側の電極とを接続する必要がある。この場合、太陽電池セルの間にインターコネクタを通すための隙間を設ける必要があり、光電変換に寄与する実効面積が制限されるとともに、太陽電池セルの隙間が目立つことで美観が損なわれる。

【0003】

太陽電池ストリングの実効面積を大きくする構成として、例えば特許文献１に記載されるように、太陽電池セルの端部を重ねて表側に重ねられる太陽電池セルの裏面側の電極と裏側に重ねられる太陽電池セルの表面側の電極とを直接接続する、シングリング構造と呼ばれる構成が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開第２０１５／１５２０２０号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

シングリング構造では、太陽電池セルの間に隙間は形成されないが、太陽電池セル間に段差が生じるため、依然として個々の太陽電池セルが認識されやすい。また、シングリング構造では、太陽電池セルが重なり合う部分に応力が集中しやすいため、太陽電池セルの破損や太陽電池セル間の分離が生じるリスクが大きくなる。このため、本発明は、太陽電池セル間の隙間や段差を小さくできる太陽電池セル、太陽電池モジュール及びそれらを構成できる太陽電池セル製造方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様に係る太陽電池セルは、半導体基板を備え、前記半導体基板の対向する一対の端面は、平面視で前記半導体基板の第１主面の端縁を前記半導体基板の第２主面の端縁に対して一定方向且つ一定距離だけオフセットするよう傾斜する。

【0007】

本発明の一態様に係る太陽電池セルにおいて、前記一対の端面は、前記第１主面及び前記第２主面に略垂直な内側隣接面と、前記内側隣接面よりも外側に位置し、前記第１主面及び前記第２主面に略垂直な外側隣接面と、前記内側隣接面と前記外側隣接面とを接続し、前記第１主面及び前記第２主面に略平行な中間面と、を有する２段の階段状であってもよい。

【0008】

本発明の一態様に係る太陽電池セルは、前記第１主面に積層される第１半導体層と、前記第２主面に積層され、前記第１半導体層と導電型が異なる第２半導体層と、をさらに備え、前記内側隣接面及び前記中間面は、前記第１半導体層又は前記第２半導体層に覆われ、前記外側隣接面は、前記半導体基板を露出してもよい。

【0009】

本発明の一態様に係る太陽電池セルは、前記第１半導体層を覆う第１透明電極層及び前記第２半導体層を覆う第２透明電極をさらに備えてもよい。

【0010】

本発明の一態様に係る太陽電池モジュールは、上述の太陽電池セルを複数備え、前記太陽電池セルの前記内側隣接面は、隣接する前記太陽電池セルの前記外側隣接面に対向する。

【0011】

本発明の一態様に係る太陽電池モジュールは、隣接し合う２つの太陽電池セルの対向し合う前記端面の間に配置される導電性接着剤をさらに備えてもよい。

【0012】

本発明の一態様に係る太陽電池セル製造方法は、半導体ウエハの第１主面に第１溝を形成する工程と、前記半導体ウエハの第２主面に前記第１溝と平面位置をずらして前記第１溝と平行な第２溝を形成する工程と、前記半導体ウエハの前記第１主面及び前記第１溝の内面を覆うよう第１半導体材料を積層する工程と、前記半導体ウエハの前記第２主面及び前記第２溝の内面を覆うよう、前記第１半導体材料と導電型が異なる第２半導体材料を積層する工程と、前記半導体ウエハの前記第１溝と前記第２溝とに跨る領域を除去する工程と、を備える。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、太陽電池セル間の隙間や段差を小さくできる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の一実施形態に係る太陽電池セルを示す模式断面図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る太陽電池セル製造方法の手順を示すフローチャートである。

【図3】図２の太陽電池セル製造方法の一工程を示す模式断面図である。

【図4】図２の太陽電池セル製造方法の図３の次の工程を示す模式断面図である。

【図5】図２の太陽電池セル製造方法の図４の次の工程を示す模式断面図である。

【図6】図２の太陽電池セル製造方法の図５の次の工程を示す模式断面図である。

【図7】図２の太陽電池セル製造方法の図６の次の工程を示す模式断面図である。

【図8】図２の太陽電池セル製造方法の図７の次の工程を示す模式断面図である。

【図9】図１の太陽電池セルを有する太陽電池モジュールの模式断面図である。

【図10】本発明の図１とは異なる実施形態に係る太陽電池セルを示す模式断面図である。

【図11】図１０の太陽電池セルを有する太陽電池モジュールの模式断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、添付の図面を参照して本発明の各実施形態について説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。また、簡略化のために、部材の図示、符号等を省略する場合もあるが、かかる場合、他の図面を参照するものとする。

【0016】

図１に、本発明の一実施形態に係る太陽電池セル１０を示す。太陽電池セル１０は、半導体基板１１と、半導体基板１１の表側の第１主面（受光面）Ｓ１に積層される第１半導体層１２と、半導体基板１１の裏側の第２主面（裏面）Ｓ２に積層され、第１半導体層と導電型が異なる第２半導体層１３と、第１半導体層１２を覆う第１透明電極１４と、第２半導体層１３の第２主面に積層される第２透明電極１５と、を備える。

【0017】

半導体基板１１の対向する一対の端面（第１端面Ａ３及び第２端面Ａ４）は、平面視で第１主面Ａ１の端縁を第２主面Ａ２の端縁に対して一定方向且つ一定距離だけオフセットするよう、全体として傾斜する。本実施形態において、この一対の端面Ａ３，Ｓ４は、２段の階段状に形成されている。具体的には、半導体基板１１の第１端面Ａ３は、第１主面Ａ１及び第２主面Ａ２に略垂直な第１内側隣接面Ａ３１と、第１内側隣接面Ａ３１よりも外側に位置し、第１主面Ａ１及び第２主面Ａ２に略垂直な第１外側隣接面Ａ３２と、第１内側隣接面Ａ３１と第１外側隣接面Ａ３２とを接続し、第１主面Ａ１及び第２主面Ａ２に略平行な第１中間面Ａ３３と、を有する。第２端面Ａ４は、第１主面Ａ１及び第２主面Ａ２に略垂直な第２内側隣接面Ａ４１と、第２内側隣接面Ａ４１よりも外側に位置し、第１主面Ａ１及び第２主面Ａ２に略垂直な第２外側隣接面Ａ４２と、第２内側隣接面Ａ４１と第２外側隣接面Ａ４２とを接続し、第１主面Ａ１及び第２主面Ａ２に略平行な第２中間面Ａ４３と、を有する。なお、「オフセット」とは、実質的に形状及び向きを変えずに位置のみを異ならせることを意味する。「略垂直」及び「略平行」とは、正確な「垂直」及び「平行」に対して±１５°の範囲内であることを意味する。

【0018】

第１内側隣接面Ａ３１及び第１中間面Ａ３３は、第１半導体層１２及び第１透明電極１４に覆われ、第２内側隣接面Ａ３１及び第１中間面Ａ３３は、第２半導体層１３及び第２透明電極１５に覆われる。一方、第１外側隣接面Ａ３２及び第２外側隣接面Ａ４２は、他の構成要素には被覆されておらず、半導体基板１１を露出する。

【0019】

半導体基板１１は、受光面側からの入射光を吸収して光キャリア（電子及び正孔）を生成する光電変換基板として機能する。半導体基板１１は、単結晶シリコン又は多結晶シリコン等の結晶シリコン材料で形成される。半導体基板１１は、例えば結晶シリコン材料にｎ型ドーパントがドープされたｎ型の半導体基板である。ｎ型ドーパントとしては、例えばリン（Ｐ）が挙げられる。半導体基板１１の材料として結晶シリコンが用いられることにより、暗電流が比較的に小さく、入射光の強度が低い場合であっても比較的高出力（照度によらず安定した出力）が得られる。

【0020】

第１半導体層１２及び第２半導体層１３は、半導体基板１１の内部で発生したキャリアを誘引して互いに異なる極性の電荷を収集する。第１半導体層１２及び第２半導体層１３は、所望の導電型を付与するドーパントをドープしたアモルファスシリコンによって形成することができる。ｐ型のドーパントとしては、例えばホウ素（Ｂ）が挙げられ、ｎ型ドーパントとしては、例えばリン（Ｐ）が挙げられる。

【0021】

第１透明電極１４及び第２透明電極１５は、第１半導体層１２及び第２半導体層１３が収集した電荷を取り出して外部に出力する導体である。第１透明電極１４及び第２透明電極１５は、同じ材料から形成することができる。第１透明電極１４及び第２透明電極１５を形成する材料としては、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を挙げることができる。

【0022】

本実施形態の太陽電池セル１０は、本発明に係る太陽電池セル製造方法の一実施形態により製造することができる。本実施形態の太陽電池セル製造方法は、図２に示すように、ステップの第１溝形成工程と、ステップの第２溝形成工程と、ステップＳ３の第１半導体材料積層工程と、ステップＳ４の第２半導体材料積層工程と、ステップＳ５の透明電極材料積層工程と、ステップＳ６の半導体ウエハ部分除去工程と、を備える。

【0023】

ステップの第１溝形成工程では、図３に示すように、半導体基板１１を切り出すことができる大判の半導体ウエハＷの第１主面に、第１溝Ｇ１を形成する。第１溝Ｇ１は、方形断面を有し、一方の側壁が第１内側隣接面Ａ３１を構成し、底壁が第１中間面Ａ３３を構成する。第１溝Ｇ１は、例えばレーザの照射、切削、エッチング等によって形成することができる。

【0024】

第１溝Ｇ１の深さとしては、半導体ウエハＷの厚みの略１／２が好ましく、第１半導体層１２及び第１透明電極１４を積層しても半導体ウエハＷの厚みの１／２以下となるよう、半導体ウエハＷの厚みの１／２よりも僅かに大きいことがより好ましい。

【0025】

ステップの第２溝形成工程では、図４に示すように、半導体ウエハＷの第２主面に、第１溝Ｇ１と平面位置をずらして第１溝Ｇ１と平行な第２溝Ｇ２を形成する。第２溝Ｇ２は、方形断面を有し、一方の側壁が第２内側隣接面Ａ４１を構成し、底壁が第２中間面Ａ４３を構成する。第２溝Ｇ２は、第１溝Ｇ１と同様の方法で形成することができる。第２溝Ｇ２の深さとしては、第１溝Ｇ１の深さと同様とすることができる。

【0026】

ステップＳ３の第１半導体材料積層工程では、図５に示すように、半導体ウエハＷの第１主面及び第１溝Ｇ１の内面を覆うよう、第１半導体層１２を形成する第１半導体材料Ｍ１を積層する。第１半導体材料Ｍ１の積層は、例えばＣＶＤ等の成膜技術によって行うことができる。

【0027】

ステップＳ４の第２半導体材料積層工程では、図６に示すように、半導体ウエハＷの第２主面及び第２溝Ｇ２の内面を覆うよう、第２半導体層１３を形成する材料、つまり第１半導体材料Ｍ１と導電型が異なる第２半導体材料Ｍ２を積層する。第２半導体材料Ｍ２の積層は、第１半導体材料Ｍ１の積層と同様の成膜技術によって行うことができる。

【0028】

ステップＳ５の透明電極材料積層工程では、図７に示すように、第１半導体材料Ｍ１の層及び第２半導体材料Ｍ２の層にそれぞれ第１透明電極１４及び第２透明電極１５を形成する透明電極材料Ｍ３を積層する。透明電極材料Ｍ３の積層は、例えばＣＶＤやＰＶＤ等の成膜技術によって行うことができる。

【0029】

ステップＳ６の半導体ウエハ部分除去工程では、図８に示すように、半導体ウエハＷの第１溝Ｇ１と第２溝Ｇ２とに跨る領域を除去する。これによって、複数の太陽電池セル１０が得られる。半導体ウエハＷの部分的な除去は、例えばレーザの照射、ミリング、エッチング等によって行うことができる。

【0030】

図９は、本発明の一実施形態に係る太陽電池モジュール１００を示す。太陽電池モジュール１００は、複数の太陽電池セル１０を有する太陽電池ストリング１１０と、太陽電池ストリング１１０の表面側（受光面側）を覆う表面保護材１２０と、太陽電池ストリング１１０の裏面側を覆う裏面保護材１３０と、表面保護材１２０と裏面保護材１３０との間に充填され、太陽電池ストリング１１０を覆う封止材１４０と、を備える。

【0031】

太陽電池ストリング１１０は、複数の太陽電池セル１０を一列に並べ、電気的に直列に接続することによって形成される。隣接し合う２つの太陽電池セル１０は、対向し合う第１端面と第２端面との間に配置される例えば銀ペースト等の導電性接着剤２０によって、それぞれ接着されている。本実施形態では、導電性接着剤２０は、対向し合う第１内側隣接面ＡＡ３１と第２外側隣接面Ａ４２との間に主に配置され、第２外側隣接面Ａ４２側の太陽電池セル１０の第１半導体層１２及び第１透明電極１４とは接触しないように配置される。これにより、第１内側隣接面Ａ３１側の太陽電池セル１０の第１半導体層１２及び第１透明電極１４と、第２外側隣接面Ａ４２側の太陽電池セル１０の第２半導体層１３及び第２透明電極１５とが接続される。

【0032】

表面保護材１２０は、封止材１４０を介して、太陽電池ストリング１１０、すなわち太陽電池セル１０の表面を覆うことにより、太陽電池セル１０を保護する。表面保護材１２０は、板状又はシート状の材料から形成することができ、透光性及び対候性に優れることが好ましい。具体的には、表面保護材１２０の材質としては、例えばアクリル樹脂若しくはポリカーボネート樹脂等の透明樹脂、ガラスなどを挙げることができる。また、表面保護材１２０の表面は、光の反射を抑制するために、凹凸状に加工されたり、反射防止コーティング層で被覆されてもよい。

【0033】

裏面保護材１３０は、封止材１４０を介して、太陽電池ストリング１１０の裏面を覆うことにより、太陽電池セル１０を保護する。裏面保護材１３０は、表面保護材１２０同様に、板状又はシート状の材料から形成することができ、遮水性に優れることが好ましい。具体的には、裏面保護材１３０としては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、オレフィン系樹脂、含フッ素樹脂、シリコーン樹脂等の樹脂フィルム、このような樹脂フィルムとアルミニウム箔等の金属箔との積層体などが好適に用いられる。

【0034】

封止材１４０は、太陽電池ストリング１１０、すなわち太陽電池セル１０を封止して保護するもので、特に太陽電池セル１０に水分が接触することを防止する。このため、封止材１４０は、太陽電池セル１０の受光側の面と表面保護材１２０との間、太陽電池セル１０の裏側の面と裏面保護材１３０との間に介在する。

【0035】

封止材１４０は、太陽電池ストリング１１０と表面保護材１２０及び裏面保護材１３０とを接着すると共に、太陽電池ストリング１１０の周囲の隙間をなくすことで、太陽電池セル１０を保護する。このため、封止材１４０としては、例えば、エチレン／酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、エチレン／α－オレフィン共重合体、エチレン／酢酸ビニル／トリアリルイソシアヌレート（ＥＶＡＴ）、ポリビニルブチラート（ＰＶＢ）、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、又は、シリコーン樹脂等の透光性を有する熱可塑性樹脂が好適に用いられる。

【0036】

太陽電池モジュールは、表面保護材１２０、封止材１４０を形成する熱可塑性樹脂製の第１のシート、太陽電池ストリング１１０、封止材１４０を形成する熱可塑性樹脂製の第２のシート及び裏面保護材１３０をこの順番に積層し、この積層体を熱プレスすることによって第１のシートと第２のシートとを溶融一体化させることで製造することができる。

【0037】

以上のように、第１主面Ａ１の端縁を第２主面Ａ２の端縁に対してオフセットした太陽電池セル１０は、隙間を空けずに配列して接続できるため、太陽電池ストリング１１０ひいては太陽電池モジュール１００において光電変換に寄与する実効面積を大きくすることができる。また、太陽電池セル１０は、段差を設けずに接続することができるので、太陽電池モジュール１００における応力集中による破損のリスクが小さい。また、太陽電池セル１０を段差を設けずに接続した太陽電池ストリング１１０は、太陽電池セル１０間の継ぎ目が目立ちにくく、美観に優れる。

【0038】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、種々の変更及び変形が可能である。

【0039】

本発明に係る太陽電池セルにおいて、半導体基板の第１主面と第２主面の端縁をオフセットする一対の端面は、全体として傾斜していればよく、上述の実施形態のような階段状のものに限られず、傾斜した平面状又は曲面状であってもよい。

【0040】

本発明に係る太陽電池セルは、上述の実施形態のような両面電極型の太陽電池セルに限定されず、例えば裏面電極型太陽電池セル、ＰＥＲＣ（Passivated Emitter and Rear Cell）等であってもよい。

【0041】

上述の実施形態に係る太陽電池セルにおいて、透明電極は省略することができる。特に、ｎ型の半導体層は比較的導電性に優れるため、その上に積層される透明電極を省略しても内部抵抗が増大しにくく、太陽電池セルの面積が小さい場合にはｐ型の透明電極を省略しても抵抗増加は小さい。

【0042】

また、本発明に係る太陽電池セルは、例えば図１０に示す太陽電池セル１０Ｒのように、中間面Ａ３３，Ａ４４を除いて積層される透明電極１４Ｒ，１５Ｒを備えてもよい。この場合、フォトリソグラフィ技術等を用いて透明電極１４Ｒ，１５Ｒをパターニングすることができる。具体的には、透明電極材料積層工程で第１溝及び第２溝の底面部分にマスクを配置して透明電極材料を選択的に積層してもよく、第１半導体材料及び第２半導体材料の全面に透明電極材料を積層した後、マスクを配置して第１溝１及び第２溝の底面部分の透明電極材料を選択的に除去してもよい。半導体ウエハ部分除去工程をレーザを用いて行う場合、透明電極材料が積層されていない側からレーザを照射することでレーザの影響による性能低下を抑制することができる。

【0043】

上述の実施形態に係る太陽電池モジュールでは、太陽電池セルを電気的に直列に接続しているが、太陽電池セルを電気的に並列に接続してもよい。本発明に係る太陽電池セルを並列に接続する場合、第１半導体層及び第２半導体層のうち半導体基板と導電型が等しい方を互いに接続するとよい。具体的には、例えば図１１に示す太陽電池モジュール１００Ｒのように、図１０の太陽電池セル１０Ｒを用い、半導体基板と導電型が等しい半導体層が積層されている内側隣接面とこれに対向する外側隣接面との間に導電性接着剤２０Ｒを配置することで、半導体基板と導電型が等しい半導体層同士を電気的に接続し、これにより本発明に係る太陽電池セルを並列に接続した太陽電池ストリング１１０Ｒを形成することができる。

【0044】

また、本発明に係る太陽電池モジュールにおいて、隣接し合う２つの太陽電池セルを接続する導電性接着剤は、主に対向し合う中間面の間に配置されてもよい。

【符号の説明】

【0045】

１０ 太陽電池セル
１１ 半導体基板
１２ 第１半導体層
１３ 第２半導体層
１４ 第１透明電極
１５ 第２透明電極
２０ 導電性接着剤
１００ 太陽電池モジュール
１１０ 太陽電池ストリング
１２０ 表面保護材
１３０ 裏面保護材
１４０ 封止材
Ａ１ 第１主面
Ａ２ 第２主面
Ａ３ 第１端面
Ａ４ 第２端面
Ａ３１ 第１内側隣接面
Ａ３２ 第１外側隣接面
Ａ３３ 第１中間面
Ａ４１ 第２内側隣接面
Ａ４２ 第２外側隣接面
Ａ４３ 第２中間面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】