专利名称：制作太阳能电池的方法及由此制作的太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有pn结的太阳能电池，且更加特别地，涉及达到高的光电转换效率的太阳能电池。
背景技术：
近来，直接转化太阳能为电能的太阳能电池日益被期待用于下一代能源，尤其从全球环境问题的角度看。在多种类型的太阳能电池中，诸如采用化合物半导体或有机材料的太阳能电池，采用硅晶体的太阳能电池目前被主要使用。
为提高太阳能电池的光电转换效率，通常提出一种电极结构，其中用于受光面电极的面积被缩小且串联电阻被抑制(suppressed)。例如，日本专利特开第62-156881号公开一种太阳能电池，在图5中示出。该太阳能电池由以下方式制造。包括主电极51和栅格电极52的受光面电极图形通过丝网印刷形成于位于硅衬底53上的防反射膜54上后，在约700℃下进行热处理。相应地，用于形成栅格电极的银浆渗透防反射膜54，且栅格电极与主电极连接。这样的太阳能电池获得与硅衬底53的优异电学接触。
另一方面，在常规太阳能电池中，受光面电极图形与受光面积之比高达约10％。相应地，对发电起作用的受光面积减少，且主电极51和栅格电极52处的表面复合速率大，导致太阳能电池较差的电学特性，尤其是低的开路电压。尽管有可能通过将电极面积与受光面积之比减小约5％以增加对发电起作用的受光面积，以及减少表面复合速率以增加开路电压，但是串联电阻不利地增加。于是，太阳能电池的曲线因子(fill factor)变小，且所获得的电力减少。
发明内容
本发明的一个目标是解决上述技术问题，且提供一种达到高的光电转换效率的太阳能电池。
为达到这个目标，按照本发明，制作具有栅格电极和用于向外输出来自栅格电极的电力的主电极的太阳能电池的方法包括步骤通过烧结金属浆料材料，形成小宽度的栅格电极于具有pn结的衬底的受光面上；和形成棒状主电极以电连接栅格电极。
优选地，栅格电极由丝印方法、喷墨方法或分散方法形成，丝印方法中，包括小宽度开口的板状体或通过电沉积或粘接形成的、具有包括小宽度开口的厚膜的纱被用作丝网。在丝印方法中，期望地，丝网中沿其纵向方向相邻的开口之间的距离小于棒状主电极的宽度，且纵向方向相邻的栅格电极通过棒状主电极的形成而相互连接。
在形成栅格电极的步骤，优选地，用于定位(registration)栅格电极和主电极的定位标记形成于衬底上，且定位标记设置于形成主电极的位置处。此外，合适地，栅格电极和主电极依照在形成栅格电极的步骤中形成于衬底上的定位标记和提供于用于形成主电极的丝网上的定位标记而定位，且在形成栅格电极的步骤中形成于衬底上的定位标记被CCD照相机识别(recognized)。这里，定位标记优选地具有圆或椭圆形状。
在丝印方法中，期望地，印刷刮板在丝网开口的纵向方向被驱动。此外，在形成主电极步骤中，纱可用作丝网。在丝印方法中使用的刮板具有尖端部用于刮掉浆料和本体部以支撑尖端部。适应地，尖端部由柔软的、薄板状体组成，本体部由刚性的、厚板状体组成。另一方面，当具有小宽度开口的板状体用作丝网时，丝网优选地具有至少一个连结部在开口中，且连结部在衬底侧有凹槽。
在形成栅格电极步骤中，优选地，由达到与n+层优异欧姆接触的金属材料组成的涂料被使用，且在形成主电极步骤中，由达到优异焊接浸润性和与衬底接触性质的金属材料组成的浆料被使用。这里，形成栅格电极步骤中所用浆料的粘度可能不同于形成主电极步骤中所用浆料的粘度。
按照本发明的太阳能电池按照下列方法被制作，所用方法包括下列步骤通过烧结金属浆料材料，形成小宽度栅格电极于具有pn结的衬底的受光面上；和形成与栅格电极电连接的棒状主电极。
按照本发明，具有小宽度的栅格电极可形成大的厚度。因此，具有对发电起作用的大受光面积和栅格电极中的小串联电阻的太阳能电池可被制作，从而，获得提高的光电转换效率。
图1A到1I显示按照本发明的制造方法中的步骤；图2是平面图，显示形成本发明中栅格电极的浆料层的图形；图3是平面图，显示形成本发明中主电极的浆料层的图形；图4是平面图，显示按照本发明的太阳能电池中的电极图形；图5是平面图，显示常规太阳能电池中的电极图形；图6A是平面图，显示用于形成本发明中栅格电极的丝网；图6B是关于丝网中开口的放大平面图；图6C是沿着图6B中VIC-VIC线的截面图；图6D是沿着图6B中VID-VID线的截面图；图6E是平面图，显示具有均匀宽度、无断线的栅格电极；图7A是用于形成本发明中栅格电极的刮板的正视图；图7B是沿着图7A中VIIB-VIIB线的截面图；图7C和7D是栅格电极的截面图；图8是平面图，显示用于形成本发明中主电极的丝网。
具体实施例方式
按照本发明、制作太阳能电池的方法包括步骤通过烧结金属浆料材料，在具有pn结的衬底的受光面上形成小宽度栅格电极；和形成与栅格电极电连接的棒状主电极。通过在各自合适的条件下分别形成栅格电极和主电极，具有小宽度的栅格电极和棒状主电极的高性能太阳能电池可被制作。
在形成栅格电极的步骤，优选地，包括小宽度开口的板状体、或具有由电沉积或粘接形成的包括小宽度开口的厚膜的纱布被用作丝网。这样的丝网是合适的，因为太阳能电池中的微细栅格电极图形可以形成，也即，小宽度的栅格电极可形成至较大厚度。相应地，由于电极阴影的光损失被显著减少，且同时，电极面积被制作得更小。因而，电极处的表面复合速率与常规太阳能电池相比被降低，由此获得较大的开路电压。此外，由于具有较小宽度的栅格电极可形成至较大厚度，栅格电极中的串联电阻可被降低且曲线因子被有效提高。太阳能电池中的光电转换效率从而被大幅度地改善。
尽管依赖于用于印刷的浆料的物理性质，为了形成小宽度的栅格图形，通常，形成栅格电极步骤中所用的丝网具有小宽度的开口，优选地开口不大于0.15毫米，且更优选地不大于0.12毫米。此外，为避免栅格电极断线，开口具有优选不小于0.07毫米的宽度，且更优选地不小于0.10毫米。例如，通过激光和类似方法形成的、具有小宽度开口的不锈钢薄板可用作这样的丝网。在形成棒状主电极的步骤中，当尺寸精度不是太苛刻时，一般纱的丝网可被采用作为丝网。然而，当进行高精度印刷时，优选使用通过电沉积或粘接形成的、具有包含小宽度开口的厚膜的纱作为丝网。
当具有采用激光等方法在不锈钢薄板上形成的小宽度开口的丝网被使用时，如果开口具有非常大的长度，开口可能在印刷中扩大，这导致栅格较大的宽度。相应地，在这样的情况下，丝网的开口中优选地具有至少一个连结部，且连结部具有凹槽在衬底一侧。因为连结部有凹槽在衬底一侧，浆料被导入凹槽中。因此，印刷的栅格电极没有分开，由此获得小宽度的连续形状。为了使连结部起到抑制开口变宽的作用和留下空间用于印刷期间容纳浆料于凹槽中，连结部的凹槽优选具有与丝网厚度的一半近乎可比的深度。
图6B显示一例，其中图6A所示用于形成栅格电极的丝网中形成的开口66中具有一连结部66a，且连结部66a具有凹槽于衬底一侧。图6B是这样的开口的放大平面示意图。图6C是沿着图6B中VIC-VIC线的截面图。在图6C中，开口具有一连结部66a，位于衬底相反侧的开口中(在图6C的左边)。图6D是沿着图6B中VID-VID线的截面图。在图6D中，凹槽66c被提供于衬底一侧(图6D的下部)。因为丝网在开口中有连结部66a，印刷过程中开口展宽和栅格电极的较大宽度可以避免，与开口的较大宽度无关。此外，浆料通过丝网被印刷，浆料被导入开口中的凹槽66c内。因此，具有均匀宽度、无断线的栅格电极可以形成，如图6E所示。
采用喷墨方法或分散方法形成栅格电极时，允许浆料的微细、精密和快速涂布，且在批量生产和较低成本方面是优选的。喷墨方法指一种方法从喷嘴微粒化和喷射浆料从而在衬底上涂布浆料。喷墨方法包括采用压电振子振动时产生的压力雾化浆料的静电喷墨方法；和泡沫喷射法，其中微细浆料粒子被喷嘴中提供的加热器瞬间加热并基于蒸发被喷射来涂布在衬底上，这两种方法在本发明的制作方法中都可用。另一方面，分散方法指通过用于描画的细管来吐出浆料的方法，其中多个细管被等间隔地排列，且多个栅格电极可同时形成。依赖于形成栅格电极的方法、浆料性质等，通常，栅格电极具有优选从0.12毫米到0.15毫米的宽度，且更加优选地，宽度从0.10毫米到0.12毫米，以减少受光面上被占据的电极面积，以增加转换效率，和以防止小宽度电极的断线。
图2举例说明了作为栅格电极的浆料层26的图形。在图2中，浆料层26形成于在硅衬底21上的防反射膜23上。图3举例说明作为主电极的浆料层37的图形。在图3中，浆料层37形成于在硅衬底31上的防反射膜33上。在图2和图3的例子中，用作主电极的浆料层的图形通过垂直于用作栅格电极的浆料层的两条线而实现。这里，在纵向方向相邻的栅格电极之间的距离被制成小于主电极的宽度。相应地，纵向方向相邻的栅格电极通过形成棒状主电极在电气上相互连接。这可以通过下列方式实现，例如，在形成栅格电极步骤中，使在纵向方向相邻的丝网中开口之间的距离小于棒状主电极的宽度。图4显示电连接状态。在图4中，形成于位于硅衬底41上的防反射膜43上的栅格电极46电连接到主电极47。
优选地，在形成栅格电极步骤中，定位标记形成于衬底上，以利于栅格电极和主电极的定位，以及允许它们精确定位。此外，定位标记优选地形成于主电极将要形成的位置处，因为在形成主电极后，这样的标记在衬底中不再能被看见。图6A举例说明用于形成栅格电极的丝网。这样的丝网提供于丝网框61内，且具有用于形成定位标记的孔69。图8举例说明用于形成主电极的丝网。图8中所示的丝网提供于丝网框81内，且具有用于形成主电极的开口87和用于形成定位标记的孔80。定位标记通过图6A中所示的孔69随同栅格电极的形成一起形成于衬底上。定位标记被CCD相机等识别。接着，丝网根据图8中所示的定位标记(孔80)移动，如此栅格电极和主电极被高精度地定位。定位标记优选地具有圆或椭圆形状。这是因为这样的形状不易于受到诸如印刷过程中细小污点的影响，或者甚至如果可能产生细污点，如此形状的定位标记易于被CCD相机认出。
图7A举例说明本发明的丝网方法中用于形成栅格电极的印刷刮板。此外，图7B显示沿着图7A中VIIB-VIIB线的截面图。当印刷刮板72具有用于刮掉浆料的尖端部72b(其是柔软性和薄的板状体)和支撑尖端部72b的本体部72a(其是刚性和厚的板状体)时，小宽度的图形可被精确形成。图7C显示采用常规印刷刮板形成的栅格电极的截面图，图7D显示采用本发明的刮板形成的栅格电极的截面图。如图7C所示，正如在常规样品中，当常用的、由氨基甲酸酯构成的刮板被使用时，栅格电极的截面展示出中间凹陷的形状。另一方面，当本发明中的刮板被使用时，栅格电极的截面展示出矩形形状，从而获得厚的电极且其截面积大。因此，甚至当栅格电极具有小的宽度时，串联电阻可受到抑制。
当采用丝印方法时，优选地，印刷刮板的驱动方向与图6A中所示的丝网的开口的纵向方向一致，使得小宽度的、无断线的栅格电极易于形成。这里，印刷刮板的驱动方向和丝网的开口的纵向方向一致不仅指方向完全一致，还指它实质上一致。这是因为当实质上的一致达到时，小宽度、无断裂的栅格电极易于有效地形成。尽管依赖于浆料的粘度或刮板的压力，通常地，实质上一致包括这样的情况，其中印刷刮板的驱动方向与丝网中开口的纵向方向的差异在±10°范围之内。
由经过烧结贯通抗反射膜来与硅衬底中的n+层形成优异欧姆接触的金属材料构成的浆料优选地作为形成栅格电极的步骤中所用浆料。例如，用于所谓烧穿的银浆料，适宜使用掺入0.05到0.3重量百分比数量的磷或磷基化合物得到的银浆料。另一方面，在形成主电极步骤中，优选使用由与衬底具有优异焊接浸润性和接触性能的金属材料组成的浆料。例如，优选使用与衬底具有优异焊接浸润性和粘接性且不含有磷或磷基化合物的银浆。含有大量磷或磷基化合物的银浆通常具有优异的烧穿性能，然而，其与衬底的焊接浸润性差和粘附性差。此外，甚至当具有相同组分的浆料分别用于形成栅格电极和主电极时，使用具有彼此不同粘度的浆料。这样做，印刷可以以适合于各自电极的方式以提高的精度进行。
如上所述，本发明的实施例已举例讨论，显示所谓的常规类型太阳能电池。除了这样的太阳能电池外，例如，BSF型的太阳能电池和具有电极表面呈织纹状的太阳能电池也可按照本发明制作。
按照本发明的太阳能电池的特征在于由上面所述的方法制作。在形成太阳能电池的表面电极中，栅格电极被制作成具有较小宽度和较大厚度，同时主电极用于连接纵向方向相邻的栅格电极。在此方式中，电极面积可被减少而不增加表面电极的串联电阻。因此，按照本发明、在太阳能电池中可以实现转换效率的显著提高。
实施例一按照本发明的太阳能电池在图1A到1I所示的步骤中被制作。首先，p型硅衬底11的表面用高温氢氧化钠水溶液处理，以去除表面损伤层(图1A)。接着，n+层(高浓度n层)12通过气相扩散POCl3形成于p型硅衬底11的整个表面上，如图1B所示。其后，n+层12的表面用氢氟酸清洗，且由氮化硅组成的防反射膜13通过等离子体CVD(化学气相沉积)形成于受光面侧，如图1C所示。接着，如图1D所示，抗墨水层14通过印刷形成于防反射膜13上。其后，用氟硝酸通过化学刻蚀分离结，且抗墨水层14通过溶剂去除(图1E)。抗墨水层被去除后，由几个百分比的铝混入银中而获得的银浆被印刷到与硅衬底11的受光面相反的背面上，如此以形成银浆料层15作为背面电极，如图1F所示，随后烘干。
其后，采用丝印方法，银浆料被印刷到硅衬底11的受光面上以形成银浆料层16，作为图1G中所示的小宽度的栅格电极。同时，关于主电极的定位标记(未显示)形成于主电极要形成的位置，随后烘干。接着，如图1H所示，以与形成银浆料层16相似的丝印方式，形成用作棒状主电极的银浆料层17的图形，随后烘干。在700摄氏度温度下烧结后，栅格电极与主电极电连接。受光面电极和背面电极如图11所示形成，且焊料层18通过浸焊形成于受光面电极和背面电极上，并分别连接到导线10。最后，获得具有图4所示的电极图形的太阳能电池。因为所获得的太阳能电池具有小宽度和大厚度的栅格电极，占据受光面的受光面电极的面积小。而且，其串联电阻也小，且转换效率为17％。
形成栅格电极的银浆料通过将0.1重量百分比的磷掺入银中而得到。在700摄氏度的温度烧结后，银浆渗透防反射膜，从而实现与n+层的优异电连接。另一方面，形成主电极的银浆料由不含磷或磷基化合物的浆料组成，例如银粉、玻璃粉、和树脂或溶剂的混合物，且该浆料的焊接浸润性以及与衬底的接触性能良好。
如图6A所示，沿着形成于丝网中的开口66的纵向方向驱动印刷刮板，印刷作为栅格电极的银浆。由此，形成的银浆料层具有均匀宽度而无断线。烘干后，作为栅格电极和以条纹状形成的银浆料层26以及关于主电极的定位标记29被形成在衬底21上，如图2所示。至于用于印刷的丝网，使用通过激光在薄不锈钢板中形成小宽度开口的板状体。这里，开口的宽度为0.09毫米，且形成条纹状的银浆料层的宽度为0.11毫米。图7A是用于印刷的刮板的正视图，且图7B显示其截面。这里使用的刮板72由不锈钢组成，其中本体部72a由刚性、厚的板状材组成，尖端部72b由柔韧、薄的板状体组成。因此，形成的电极具有方形截面，如图7D所示，其面积明显地大于图7C中所示使用由氨基甲酸酯制成的常规刮板获得的电极面积。
用作主电极的银浆料层的图形由垂直于作为小宽度栅格电极的银浆料层的两条直线实现。这里，由于纵向方向相邻的栅格电极之间的距离被制成窄于主电极的宽度，当形成主电极时主电极与栅格电极电连接。在形成作为主电极的银浆料层中，在与形成栅格电极时一起形成于衬底上的定位标记被CCD相机首先认出后，丝网被移动且按照用于形成主电极的丝网上提供的定位标记定位。由此，栅格电极和主电极进行高精度定位。
尽管本发明进行了详细描述和举例说明，可以清楚地理解的是，以上所述仅仅是举例和示范性的，并非用来限制本发明，本发明的精神和范围仅由附加权利要求书的项目所限定。
权利要求
1.制作具有栅格电极(46)和用于从所述栅格电极(46)向外输出电力的主电极(47)的太阳能电池的方法，包括步骤通过烧结金属浆料材料，在具有pn结的衬底的受光面上形成小宽度栅格电极(46)；和形成与所述栅格电极(46)电连接的棒状主电极(47)。
2.按照权利要求1的制作太阳能电池的方法，其中所述栅格电极(46)由下列任何一种方法形成丝印方法，其中将包括小宽度开口的板状体或通过电沉积或粘接形成的具有包括小宽度开口的厚膜的纱用作丝网，喷墨方法，和分散方法。
3.按照权利要求2的制作太阳能电池的方法，其中在所述丝网中沿纵向方向相邻的开口之间的距离小于所述棒状主电极(47)的宽度。
4.按照权利要求2的制作太阳能电池的方法，其中沿纵向方向相邻的所述栅格电极(46)通过形成所述棒状主电极(47)而相互连接。
5.按照权利要求2的制作太阳能电池的方法，其中，在形成所述栅格电极(46)的所述步骤中，用于定位所述栅格电极(46)和所述主电极(47)的定位标记形成于衬底上。
6.按照权利要求5的制作太阳能电池的方法，其中所述定位标记设置于形成所述主电极(47)的位置处。
7.按照权利要求5的制作太阳能电池的方法，其中所述栅格电极(46)和所述主电极(47)按照在形成所述栅格电极(46)的所述步骤中形成于衬底上的所述定位标记和设置在用于形成所述主电极(47)的丝网上的所述定位标记来定位，且在形成所述栅格电极(46)的所述步骤中形成于衬底上的所述定位标记由CCD相机识别。
8.按照权利要求7的制作太阳能电池的方法，其中所述定位标记具有圆或椭圆的形状。
9.按照权利要求2的制作太阳能电池的方法，其中在所述丝印方法中，印刷刮板的驱动方向与丝网中开口的纵向方向一致。
10.按照权利要求2的制作太阳能电池的方法，其中在形成所述主电极(47)的所述步骤中，纱用作丝网。
11.按照权利要求2的制作太阳能电池的方法，其中在所述丝印方法中，使用了具有用于刮掉浆料的尖端部和支撑所述尖端部的本体部的印刷刮板，所述尖端部由柔软且薄的板状体组成，且所述本体部由刚性且厚的板状体构成。
12.按照权利要求2的制作太阳能电池的方法，其中所述丝网是具有小宽度开口的板状体，且具有至少一个连结部在所述开口中，且所述连结部在衬底侧具有凹槽。
13.按照权利要求1的制作太阳能电池的方法，其中在形成所述栅格电极(46)的所述步骤中，使用了由与n+层实现优异欧姆接触的金属材料构成的浆料，且在形成所述主电极(47)的所述步骤中，使用了由获得良好的焊接浸润性和与衬底接触性能良好的金属材料构成的浆料。
14.按照权利要求1的制作太阳能电池的方法，其中在形成所述栅格电极(46)的所述步骤中使用的浆料的粘度不同于在形成所述主电极(47)的所述步骤中使用的浆料的粘度。
15.一种按照下列方法制作的太阳能电池，该方法包括步骤通过烧结金属浆料材料，形成小宽度的栅格电极(46)于具有pn结的衬底的受光面上；以及形成与所述栅格电极(46)电连接的棒状主电极(47)。
全文摘要
提供一种制作太阳能电池的方法及由此制作的太阳能电池，获得高的光电转换效率。制作具有栅格电极(46)和用于从栅格电极(46)向外输出电力的主电极(47)的太阳能电池的方法包括步骤通过烧结金属浆料材料，形成小宽度栅格电极(46)于具有pn结的衬底的受光面上；和形成棒状主电极(47)电连接到栅格电极(46)。
文档编号H01L31/18GK1606175SQ20041008336
公开日2005年4月13日 申请日期2004年9月30日 优先权日2003年10月8日
发明者浅井正人 申请人:夏普株式会社