成果報告書詳細
管理番号20160000000133
タイトル平成24年度―平成26年度成果報告書 太陽エネルギー技術研究開発/太陽光発電システム次世代高性能技術の開発/銅ペースト量産化技術と試験・評価方法に関する研究開発
公開日2017/2/14
報告書年度2012 - 2014
委託先名ナミックス株式会社
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約 本事業は、2020年までに太陽光発電の導入規模を現状の20倍にする政府目標を実現するために、現在の結晶シリコン太陽電池モジュールの変換効率を維持し、大幅な製造プロセスの変更がなく低コスト化を実現できる太陽電池電極ペーストの開発とその量産技術開発が目的である。通常電極ペーストには銀電極が用いられるが、材料コストの観点から銅を用いたペースト開発を行った。ペーストは大別して800℃程度の温度で処理される焼成型と200℃程度で処理される熱硬化型に大別される。
 焼成型ペーストに関しては、N2処理により抵抗率の低減までは可能であったが、実際にセル化した場合、接触抵抗の低減よりも銅拡散によると思われる特性劣化が著しく、セルとして駆動できなかった。このため、焼成型銅配線の場合には銅電極直下に拡散防止層を形成するプロセスが必要であり、これではプロセスが煩雑になりコスト的に合致できない。このため、開発リソースを熱硬化型へ集中することとした。
 熱硬化型の場合には、温度域は200℃程度であり、且つ太陽電池基板とは反応しないため、銅拡散に対する懸念は焼成型よりも小さくなる。熱硬化型ペーストは導電粒子と加熱により重合反応を起こす樹脂にて構成される。使用する金属(銅)粉末の種類によって、得られる最低の抵抗率が大きく異なることが分かった。この内、抵抗率を低減しやすい粉末を使用し、硬化樹脂の組み合わせによって、抵抗率の低減の差異を見たところ、特定の樹脂の組み合わせによっても、得られる抵抗率は異なった。銅粉末と樹脂の組み合わせから、得られるもっとも低い抵抗率の場合の電極ペーストにおいても太陽電池用途には不十分であった(10-4 Ω cmオーダー)。そこで、抵抗率をさらに低減させるために、添加物の検討を行ったところ、単体での効果は少なく、複数添加物を混在させることによって劇的に低効率を低減させることが可能となった。これは、混在する添加物の影響によって、粒子間のネッキング(いわゆる焼結の初期段階の状態)が形成されているためと推測される。
 開発した銅ペーストを結晶シリコン太陽電池のバスバー部分に用いる、いわゆる複数回印刷方法によって試作セルを作製した。フィンガー部分には焼成型の銀ペーストを印刷し、最適温度で焼成。その後、バスバー部分に開発した銅ペーストを印刷し、200℃にて硬化した。このセルの効率は19.2 %であり、焼成型の銀ペーストのみで形成したセルと同等の効率を示した。また、ミニモジュールにおける信頼性試験としてダンプヒート試験を実施したが、銅バスバーでのセルにおいても3000 h後の効率低下は5%以下であり、長期信頼性として十分な性能を有していることを確認した。
英文要約Title : The research and development of mass-product technology and evaluation method for copper paste

 The aim of this project was developing the low cost paste for crystalline silicon solar cell’s metallization process. For new material development, the cell efficiency must be the same as conventional silver paste. Also, metallization process should not have major process change. In this project, copper was selected for electrical conducting material. The metallization paste is categorize into two parts, one is “firing-type” and other is “curing-type”. The firing-type paste processed around 800 °C in air and sintering the conducting material powder. In the case of curing-type paste, the process temperature is around 200 °C.
 The firing-type copper paste could be sinter about 800 °C in N2 atmosphere, and resistivity reached few μΩ cm. However, the significant degradation of IV performance was observed after metallization process and cell could not work properly. To avoid this performance degradation, the copper diffusion into silicon must be avoided. To prevent the copper diffusion, additional barrier layer formation process is required. This additional process can not be accepted by process cost issue. Therefore, the R&D focused on curing-type paste development.
 The process temperature of curing-type paste is around 200 °C and the paste is not react with silicon wafer (especially SiNx layer). Therefore, the copper diffusion issue might be not significant compared with firing-type. The curing-type paste basically consist of conductive material powder and the resin which polymerize by heating. For the first step, various kind of copper powder were tested to reveal the resistivity dependency. Also the combination of resins were examined. According to the formulation tests, specific copper powder and resin combination can achieve low resistivity after curing (the resistivity order was 10-4 Ω cm). To reduce the resistivity, effects of additives were considered. Single additive did not show effectiveness, but mix of additives showed significant effect for resistivity improvement.
 The developed copper paste was applied for crystalline silicon solar cell metallization process to verify the cell performance. The test cell was fabricated by multi printing process. The finger was printed by normal firing-type silver paste, and then fired at appropriate temperature. After finger metallization, bus bar was printed using developed copper paste. The curing process was 200 °C/30 min. The initial cell efficiency was 19.2 % (in house measurement), and this value was the same as conventional cell (finger and bas bar formed by firing silver paste). To proof the reliability, mini-module (1 cell) was assembled and dump-heat test (85 °C/85 %) was conducted. The copper bus bar mini-module showed less than 5 % efficiency loss even in the after 3000 h test. This result indicate that the curing-type copper bus bar cell has adequate performance for long-term operation.
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