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公開番号2021064800
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210422
出願番号2020215125
出願日20201224
発明の名称太陽電池素子
出願人京セラ株式会社
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H01L 31/0216 20140101AFI20210326BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】太陽電池素子におけるパッシベーション層の品質を向上させる。
【解決手段】太陽電池素子10は、半導体基板1と、パッシベーション層9と、保護層11と、を備えている。半導体基板は、表面にp型半導体領域2を有する。パッシベーション層は、p型半導体領域の上に位置し、酸化アルミニウムを含んでいる。保護層は、パッシベーション層の上に位置し、酸化シリコンを含んでいる。保護層は、炭素と酸素との二重結合、炭素と炭素との二重結合および炭素と窒素との二重結合から選択される1種以上の二重結合を含んでいる。
【選択図】図8
特許請求の範囲【請求項1】
表面にp型半導体領域を有する半導体基板と、
前記p型半導体領域の上に位置している、酸化アルミニウムを含んでいるパッシベーション層と、
該パッシベーション層の上に位置している、酸化シリコンを含んでいる保護層と、を備え、
前記保護層は、炭素と酸素との二重結合、炭素と炭素との二重結合および炭素と窒素との二重結合から選択される1種以上の二重結合を含んでいる、太陽電池素子。
続きを表示(約 250 文字)【請求項2】
請求項1に記載の太陽電池素子であって、
前記保護層は、Si−OH結合を含んでいる、太陽電池素子。
【請求項3】
請求項1または請求項2に記載の太陽電池素子であって、
前記保護層と前記パッシベーション層との間に、前記保護層よりも緻密な酸化シリコン層をさらに備えている、太陽電池素子。
【請求項4】
請求項1から請求項3の何れか1つの請求項に記載の太陽電池素子であって、
前記保護層は、ベンゾキノンを含んでいる、太陽電池素子。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本開示は、太陽電池素子に関する。
続きを表示(約 8,200 文字)【背景技術】
【0002】
太陽電池素子の裏面側において、半導体基板の表面上に、パッシベーション層が形成され、該パッシベーション層の上に該パッシベーション層を保護する誘電体層が設けられた、PERC(passivated emitter and rear cell)型太陽電池素子が提案されている(例えば、特許文献1など参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2012−253356号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
太陽電池素子については、パッシベーション層の品質を向上させる点で改善の余地がある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
太陽電池素子が開示される。
【0006】
一態様では、太陽電池素子は、半導体基板と、パッシベーション層と、保護層と、を備えている。前記半導体基板は、表面にp型半導体領域を有する。前記パッシベーション層は、前記p型半導体領域の上に位置しており、酸化アルミニウムを含んでいる。前記保護層は、前記パッシベーション層の上に位置しており、酸化シリコンを含んでいる。前記保護層は、炭素と酸素との二重結合、炭素と炭素との二重結合および炭素と窒素との二重結合から選択される1種以上の二重結合を含んでいる。
【発明の効果】
【0007】
例えば、太陽電池素子におけるパッシベーション層の品質が向上し得る。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1は、一実施形態に係る絶縁性ペーストに含まれるシロキサン樹脂の終端部におけるフェニル基からベンゾキノンが生成する過程で生じる中間体の分子構造の一例を示す図である。
図2は、一実施形態に係る絶縁性ペーストに含まれるシロキサン樹脂の終端部におけるフェニル基からベンゾキノンが生成する過程で生じる中間体の分子構造の一例を示す図である。
図3は、ベンゾキノンの分子構造を示す図である。
図4は、ベンゾキノンにおける炭素の二重結合のπ結合と酸素分子との反応によって生じる分子構造の一部分の一例を示す図である。
図5は、一実施形態に係る絶縁性ペーストの製造方法の一例を示すフローチャートである。
図6は、一実施形態に係る太陽電池素子の第1面側の外観を示す平面図である。
図7は、一実施形態に係る太陽電池素子の第2面側の外観を示す平面図である。
図8は、図6および図7のVIII-VIII線に沿った太陽電池素子の断面を示す断面図である。
図9は、一実施形態に係る太陽電池素子を製造する途中の状態を例示する端面図である。
図10は、一実施形態に係る太陽電池素子を製造する途中の状態を例示する端面図である。
図11は、一実施形態に係る太陽電池素子を製造する途中の状態を例示する端面図である。
図12は、一実施形態に係る太陽電池素子を製造する途中の状態を例示する端面図である。
図13は、一実施形態に係る太陽電池素子を製造する途中の状態を例示する端面図である。
図14は、一実施形態に係る太陽電池素子を製造する途中の状態を例示する端面図である。
図15は、第1実施例および第3参考例に係る太陽電池素子を対象としたピール試験において、太陽電池素子の裏面のうちのテープを貼付した領域を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
太陽電池素子については、パッシベーション層の品質を向上させる点で改善の余地がある。例えば、パッシベーション層の上に該パッシベーション層を保護する層(保護層ともいう)を設けた太陽電池素子が知られている。保護層は、プラズマCVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition: PECVD)法を用いて、パッシベーション層の上に形成することができる。
【0010】
ところが、パッシベーション層の上にPECVD法を用いて保護層を形成する際に、例えば、プラズマ化された原料ガスなどによって、パッシベーション層の品質が低下するおそれがある。また、保護層の経時劣化に伴って、保護層によるパッシベーション層の保護性能が低下し、パッシベーション層の品質が経時劣化するおそれがある。
【0011】
そこで、本願発明者は、太陽電池素子におけるパッシベーション層の品質を向上させる技術を創出した。
【0012】
これについて、以下、一実施形態を図面に基づいて説明する。図面においては同様な構成および機能を有する部分に同じ符号が付されており、下記説明では重複説明が省略される。また、図面は模式的に示されたものである。図6から図15には、右手系のXYZ座標系が付されている。このXYZ座標系では、後述する太陽電池素子10の受光面としての第1面10aにおける出力取出電極6aの長手方向が+Y方向とされ、この出力取出電極6aにおける短手方向が+X方向とされ、後述する太陽電池素子10の第1面10aの法線方向が+Z方向とされている。また、図8および図14では電極の一部を省略している。
【0013】
<1.絶縁性ペースト>
絶縁性ペーストは、例えば、太陽電池素子においてパッシベーション層を保護する保護層を形成するための原料として使用することができるものである。一実施形態の絶縁性ペーストは、例えば、シロキサン樹脂と、有機溶剤と、を含む。ここで、このシロキサン樹脂は、フェニル基と、一般式C


2n+1
(ただし、nは自然数)で表されるアルキル基と、を有する。また、絶縁性ペーストは、例えば、複数のフィラー、を含む。そして、一実施形態の絶縁性ペーストでは、シロキサン樹脂において、アルキル基の数がフェニル基の数よりも多い。絶縁性ペースト中に複数のフィラーが含まれることによって、絶縁性ペーストの粘度の調整が容易となる。
【0014】
シロキサン樹脂は、Si−O−Si結合(シロキサン結合ともいう)を有するシロキサン化合物である。シロキサン樹脂は、例えば、アルコキシシランまたはシラザンなどを加水分解させて縮合重合させることで得られる低分子量(分子量が1万以下)の樹脂である。また、シロキサン樹脂は、シロキサン結合に加えて、例えば、Si−R結合、Si−OR結合およびSi−OH結合のうちの少なくとも1つの結合を有していてもよい。上記結合における「R」には、メチル基(−CH

)またはエチル基(−C



)などのアルキル基、およびフェニル基(−C



)が含まれる。また、例えば、シロキサン樹脂は分子量が1万以下であるので、分子量が5万以上のシリコーンオイルとは明確に区別できる。また、例えば、シロキサン樹脂は、酸素とアルキル基との結合および酸素とフェニル基との結合などを有する点でもシリコーンオイルとは異なる。
【0015】
ここで、シロキサン樹脂がSi−OR結合およびSi−OH結合の少なくとも一方の結合を有していれば、シロキサン樹脂の反応性が高くなる。この場合、絶縁性ペーストを用いて形成される保護層と、太陽電池素子において保護層に接している他の部分と、の間で強い結合力が期待できる。例えば、シロキサン樹脂がSi−OH結合を有する場合には、OH基から水素原子が外れて、シロキサン樹脂がシリコンおよびアルミニウムなどと結合しやすくなる。または、シリコンおよびアルミニウムなどの表面のOH基とシロキサン樹脂のSi−OH結合とが反応して、水分子を放出し、シロキサン樹脂がシリコンおよびアルミニウムなどと結合しやすくなる。また、例えば、シロキサン樹脂がSi−OR結合を有する場合には、後述する絶縁性ペーストの製造工程で使用あるいは発生する水および触媒などが保護層中に残留していれば、これらの水および触媒などによってSi−OR結合が加水分解を生じてOH基が生じやすい。このため、シロキサン樹脂が、上述したSi−OH結合を有する場合と同様に、シリコンおよびアルミニウムなどと結合しやすくなる。このように、シロキサン樹脂の結合力が高まれば、絶縁性ペーストを用いて形成される保護層と、この保護層と隣接する他の部分(隣接部分ともいう)との間で密着性が向上する。保護層と隣接する他の部分としては、例えば、この保護層が形成される下地の基板(例えば、シリコン基板)、他の異なる絶縁層などの下地、および保護層上に形成される金属層などが考えられる。
【0016】
例えば、シロキサン樹脂を構成する1つのSi原子に対して3つまたは4つのSi−O結合が存在していれば、保護層と隣接部分との密着性が向上する。このため、絶縁性ペーストを製造する際には、例えば、シロキサン樹脂の前駆体として、1つのSi原子に対して3つまたは4つのSi−OR結合が存在している材料が用いられる。これにより、シロキサン樹脂の前駆体を加水分解させて縮合重合させることで得られるシロキサン樹脂において、Si−OR結合およびSi−OH結合の少なくとも一方の結合の数が増加し、保護層と隣接部分との間における強い結合力が実現される。すなわち、保護層と隣接部分との間における高い密着性が実現される。また、シロキサン樹脂は、加水分解するSi−H結合およびSi−N結合を有する官能性化合物を縮合重合することで得られる樹脂である場合には、加水分解されていないSi−H結合およびSi−N結合などを有していてもよい。
【0017】
また、ここで、例えば、シロキサン樹脂が、アルキル基に加えて、フェニル基も含んでいれば、絶縁性ペーストを用いて形成される保護層と、後述する焼成工程で保護層上に形成される電極と、の間において、密着性が向上し得る。これにより、電極の剥離が生じにくくなる。その結果、太陽電池素子の長期の信頼性が向上し得る。
【0018】
また、ここで、例えば、シロキサン樹脂において、アルキル基の数がフェニル基の数よりも多ければ、後述する太陽電池素子の製造方法における焼成工程において保護層上に形成される電極において、突起が発生しにくくなる。この突起は、例えば、焼成工程において電極を構成するアルミニウムの融点近傍において、フェニル基が熱分解などを生じることで発生し得る。ここで、例えば、電極に突起が存在していなければ、複数の太陽電池素子を重ねて運搬しても、第1の太陽電池素子の受光面と第2の太陽電池素子の裏面側の電極の突起とが接触する不具合が発生しにくい。その結果、例えば、太陽電池素子の受光面側において集電用の電極(集電電極ともいう)の削れによる断線が生じにくく、太陽電池素子におけるマイクロクラックの発生および割れが発生しにくくなる。したがって、例えば、太陽電池素子の受光面側における集電効率が低下しにくく、太陽電池素子の出力特性が低下しにくい。
【0019】
また、ここで、例えば、シロキサン樹脂が、アルキル基に加えて、フェニル基も含んでいれば、後述する焼成工程において、保護層は、炭素と酸素との二重結合(C=O)および炭素と炭素(C=C)との二重結合などの元素の二重結合を含むものとなり得る。例えば、保護層は、常温で黄色い固体のp−ベンゾキノンを含むものとなり得る。ここでは、例えば、シロキサン樹脂のシリコン(Si)がフェニル基によって終端化されている部分(Si−C



)と、水(H

O)および酸素(O

)と、が後述する太陽電池素子の製造方法における焼成工程において高温で反応すれば、ベンゾキノンが生成し得る。このとき、例えば、フェニル基から、図1または図2で示されるような分子構造を有する中間体を経て、図3で示されるようなベンゾキノンが生成し得る。図1および図2の二点鎖線で囲まれた部分において、Cおよびその上に付した黒丸は炭素ラジカルを示す。ここで、保護層は、ベンゾキノンの存在により、フェニル基に含まれていた炭素の二重結合(C=C)に加えて、炭素と酸素との二重結合(C=O)も含む。このため、保護層は、絶縁性ペーストの状態よりも多くの二重結合を含む。その結果、保護層における二重結合の存在によって得られる次のような効果がより顕著となり得る。
【0020】
上記の二重結合には、例えば、σ結合およびπ結合の双方が含まれる。π結合は、紫外光から青色光の波長域の光を吸収することができる。σ結合は、π結合よりも結合力が高く、π結合よりも短い波長域(約200nm以下の波長域)の紫外光を吸収することができる。このため、上記の二重結合を含む保護層は、σ結合のみを有する単結合を含む保護層よりも、太陽光に含まれる約250nmから400nmの波長域における紫外光を吸収することができる。よって、例えば、上記の二重結合を含む保護層の存在によって、パッシベーション層に対する紫外光の照射が低減される。その結果、例えば、パッシベーション層の紫外光の照射による劣化が低減され得る。
【0021】
また、上記の二重結合に含まれるπ結合は、σ結合と比較して反応を生じやすい傾向を有する。このため、上記の二重結合を含む保護層は、酸、水分および酸素と反応しやすい。ここでは、例えば、保護層に炭素の二重結合(C=C)が含まれていれば、π結合が反応することで、X−C−C−Y結合を生成する反応を生じ得る。X,Yは、水素(H)、塩素(Cl)または酸素(O)などを示す。具体的には、例えば、保護層に炭素の二重結合(C=C)が含まれていれば、炭素の二重結合(C=C)は、π結合と塩酸(HCl)との反応によって、H−C−C−Clの結合に変化し得る。また、例えば、保護層に炭素の二重結合(C=C)が含まれていれば、炭素の二重結合(C=C)は、π結合と水(H

O)との反応によって、H−C−C−OHの結合に変化し得る。また、例えば、保護層に炭素の二重結合(C=C)が含まれていれば、炭素の二重結合(C=C)は、π結合と酸素(O

)との反応によって、図4で示されるような2(−COC−)の結合に変化し得る。ここで、例えば、保護層に炭素と酸素との二重結合(C=O)が含まれている場合も、保護層に炭素と窒素との二重結合(C=N)が含まれている場合も、保護層に炭素の二重結合(C=C)が含まれている場合と同様な反応を生じ得る。したがって、例えば、上記の二重結合を含む保護層の存在によって、太陽電池素子において侵入あるいは封止材などで発生する酸、水分および酸素がパッシベーション層まで到達しにくい。その結果、例えば、パッシベーション層の劣化が低減され得る。
【0022】
また、例えば、シロキサン樹脂が置換基としてフェニル基を含んでいれば、シロキサン樹脂が置換基としてフェニル基を含まずにアルキル基を含む場合と比較して絶縁性ペーストの塗布によって形成される保護層が乾燥されやすい。このため、保護層を形成する際に、絶縁性ペーストをより短時間またはより低温で乾燥することができる。
【0023】
また、例えば、アルキル基がメチル基を含む場合には、シロキサン樹脂の前駆体の加水分解によって生成された副生成物に含まれるメタノールは揮発しやすい。このため、副生成物が絶縁性ペースト中に残存しにくい。これにより、スクリーン印刷法によって絶縁性ペーストを印刷する場合には、スクリーン製版の乳剤が副生成物によって溶解する不具合が生じにくく、スクリーン製版のパターンの寸法が変動しにくい。その結果、保護層の寸法精度が高まり得る。
【0024】
また、例えば、絶縁性ペースト(100質量%)中に7質量%から92質量%のシロキサン樹脂が含まれる場合には、この絶縁性ペーストを下地に塗布して乾燥させることで形成される保護層は緻密なものとなる。これにより、保護層をバリア性の高い膜にすることができる。また、絶縁性ペースト(100質量%)中に7質量%から92質量%のシロキサン樹脂が含まれる場合には、絶縁性ペーストはゲル化しにくい。このため、絶縁性ペーストの粘度が増加しすぎない。ここで、例えば、絶縁性ペースト(100質量%)中に40質量%から90質量%のシロキサン樹脂が含まれていれば、保護層の緻密さ、および絶縁性ペーストのゲル化しにくさを容易に実現することができる。
【0025】
また、例えば、アルキル基がさらにプロピル基を含む場合には、シロキサン樹脂が有機溶剤に溶けやすい。このため、シロキサン樹脂とフィラーとが層分離しにくい。これにより、絶縁性ペーストの粘度が安定しやすい。
【0026】
シロキサン樹脂におけるアルキル基の数とフェニル基の数との関係は、例えば、アルキル基の数が100に対してフェニル基の数が5から40となる関係であればよい。これにより、後述する太陽電池素子の製造方法における焼成工程において、上述したフェニル基の熱分解などによって生じる電極の突起が発生しにくくなる。
【0027】
また、絶縁性ペーストには、例えば、Si−O結合またはSi−N結合を有する、縮合重合していない加水分解性の添加剤がさらに含まれてもよい。このような添加剤は、例えば、下記一般式1で表される。
【0028】
(R1)
4−a−b
Si(OH)

(OR2)

・・・ 一般式1。
【0029】
一般式1中のR1およびR2は、例えば、メチル基(−CH

)またはエチル基(−CH

CH

)などのアルキル基あるいはフェニル基(−C



)などの置換基を表す。また、aおよびbは0から4のいずれかの整数で表され、a+bは、1から4のいずれかの整数で表される。a+bは、例えば、3または4であってもよい。R1およびR2は、同一の置換基であっても異なる置換基であってもよい。
【0030】
ここで、例えば、絶縁性ペーストでは、Si−O結合またはSi−N結合を有する、縮合重合していない加水分解性の添加剤を含有している場合には、添加剤を含有していない場合と比較して、シロキサン樹脂におけるSi−OR結合またはSi−OH結合の比率が増加する。これは、例えば、シロキサン樹脂において、Si−OR結合の加水分解、およびSi−OH結合がシロキサン結合と水とに変化する縮合重合が進行しにくいためである。シロキサン樹脂におけるSi−OR結合またはSi−OH結合の比率が増加すれば、保護層と該保護層の隣接部分との間における高い密着性が実現されやすい。また、絶縁性ペーストは保管中でも縮合重合が徐々に生じて増粘してゲル化する傾向を示す。しかし、一実施形態に係る絶縁性ペーストでは、上述した添加剤を含有することで、加水分解した添加剤と、縮合重合した分子量の大きなシロキサン樹脂と、の間における縮合重合反応を発現させることができる。このため、分子量の大きなシロキサン樹脂同士による縮合重合反応が阻害されて絶縁性ペーストがゲル化しにくくなり、絶縁性ペーストの粘度が増加しすぎない。
(【0031】以降は省略されています)

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