マルチピース太陽電池をより良く切断する方法は？

簡単な回答： フルセルを半分、3分の1、またはそれ以下の小片に切断すると、各ストリップが運ぶ電流が減り、リボンでの抵抗損失が低下するため、モジュール出力が向上します。ストリップが小さくなるほど利点は縮小し、機械的コストは増大します。主なアプローチは3つあります。レーザースクライビング後に機械的ブレーキングを行う方法は最速で熱負荷も最小ですが、ブレークエッジの品質はスクライブ深さに依存します。レーザーフルカットはビームのみでセルを分離し、低速でよりきれいなエッジが得られます。熱レーザー分離はレーザーと冷却ステップを組み合わせ、亀裂が制御された経路に沿って進展します。関連する寸法は、532 nmのレーザー波長から1 µm、20 µm、100 µm付近のフィーチャサイズに及び、ストリップ電圧は低く約0.55 Vであるため、利得は電圧ではなく抵抗から得られます。

PV モジュール製造 · Jerry、Ooitech 著

はじめに

TOPConp-n接合の「固有の電気的挙動」を研究するには、まず厄介な問題を解決しなければならない。従来の

より高いモジュール出力を追求して、エンジニアはしばしば1つの大きなセルを1/2、1/3、あるいはそれ以上に細かく「小さなセル」に分割し、モジュール内で直列・並列に再接続する。狙いは電流を下げて抵抗による電力損失を小さくすることだ。しかし、切断のたびにセルエッジに未パッシベーションの「傷」が残る。その傷はキャリアトラップとなり、開放電圧（Voc）とフィルファクター（FF）を損なう。サブセルが小さくなるほど、このエッジ再結合損失の影響は大きくなる。

現在の業界で最も一般的な方法である「レーザースクライビング＋機械的劈開」（L&C）は、切断部に深刻な熱損傷を残す。そして長年、この分野では1つのことが一致して認められてきた：p-n接合側をスクライビングすると最も損傷が大きいため、「p-n接合側がエッジ損失の主なボトルネックである」。その信念から、「p-n接合を保護するためにn-n+側からスクライビングする」という定番の手法が生まれた。

しかし、その広く受け入れられている「常識」は、本当にp-n接合の本質的な電気的挙動を反映しているのだろうか？ それとも、単にレーザー熱による人為的なものなのだろうか？

核心的発見：コンセンサスを覆す本質的な電気的挙動

蘇州大学FUNSOM研究所の研究チームは、Nano Energyに論文を発表し、「45°回転劈開」と呼ぶ新しい低ダメージ切断法を用いた。これはレーザー熱損傷を巧みに回避し、p-n接合エッジの真の本質的な電気的挙動を探るものである。その結論は業界を驚かせた：

低ダメージ切断では、p-n接合側のエッジキャリア収集効率は実際にn-n+側よりも高い。平たく言えば、p-n接合側からスクライビングする方が優れた産業戦略である。これは20年間受け入れられてきた慣行を根本から覆すものである。

セルエッジを傷つけずに開く方法

は再溶融・再凝固層を残し、さらにマイクロクラックやエッジに沿った多数の熱損傷を生じるため、それらすべてがp-n接合や表面再結合挙動の観察を妨げる。チームは別のアプローチをとり、シリコン結晶の異方性へき開性を利用して「45°回転へき開」法を提案した： レーザー切断 leaves a re-melted and re-solidified layer, plus microcracks and a pile of thermal damage along the edge, and all of that muddies any observation of the p-n junction and the surface recombination behavior. The team went a different way, using the anisotropic cleaving nature of silicon crystals to propose a "45° rotational cleaving" method:

ステップ1：ウェハを面内で45°回転させる。

ステップ2：ダイヤモンドスクライバーで(100)面上に浅い線を予備スクラッチする。

ステップ3：{110}面ファミリーに沿って劈開し、原子的に平坦で熱損傷のない断面を得る。

この方法で得られたエッジ断面は、その構造的および電気的完全性を保つ。マイクロメートル分解能の光起電圧イメージング技術と組み合わせることで、p-n接合を損なうことなく、エッジ付近の電気的挙動を点ごとに走査できる。

実験では532 nmレーザー（侵入深さ約1.3 µm）を使用し、50×対物レンズ下で約1 µmの空間分解能に達し、エッジから数十マイクロメートル以内の光起電圧減衰挙動を捉えるのに十分な明瞭さを得た。

実験的知見

図1. 切断がp-n接合の完全性に与える影響（a、b）、45°回転劈開法の模式図（c、d）、および3つの高効率セル構造の模式図（e-g）。

図1aは、p-n接合側でスクライブする従来のL&Cプロセスを示す。まずレーザーがセル表面に溝をアブレーションし（Laserマーク）、次に機械的力でセルを割る。図1bはL&C切断後のエッジのSEM断面である。断面が2つの領域に分かれているのがはっきりとわかる。上部は「レーザーアブレーション領域」で、明らかな再溶融・再凝固形態を示す。下部は「応力分離領域」で、機械的力によって引き裂かれ、多くの不規則なマイクロクラックと溶融池を残している。この熱損傷こそが、漏れ電流の急増とセル性能の低下を引き起こす原因である。

注目すべき点：レーザーがp-n接合側でスクライブすると、p-n接合自体が熱によって完全に破壊される。したがって、業界が常に目にしてきた「p-n接合側がエッジ損失のボトルネックである」という「現象」は、実際には熱損傷によるアーティファクトである。

図1cはここで提案する45°回転劈開法を示す：ウェハを面内軸周りに45°回転させ、(100)面にダイヤモンドスクライバーで傷をつけ、{110}劈開面に沿って引き裂く。図1dは劈開端のSEM画像で、スケールバーは20 µm。断面は極めて平坦かつ清浄で、溶融痕は全くなく、p-n接合の構造と電気的完全性を完全に保持している。これが「真の挙動」を研究する鍵である。

本研究は3つの主流なn型高効率セル技術、TOPCon、SHJ、TBCに注目する。これらは共通の特徴を持つ。n型c-Si基板上にp-n接合（ホモ接合またはヘテロ接合）とn-n+高低接合の両方を備えている。したがって、それらのエッジ挙動を研究することは、実際の産業生産に直接的な指針を与える。

図2. TOPCon、SHJ、TBCセルの表面側エッジ光起電力分析。

図2aは532 nmレーザーをセル表面側エッジから内側へ走査し、XY精密ステージと電気増幅器を用いて光起電力信号をリアルタイムで記録し、最終的に2D光起電力マップを構築する様子を示す。図2bはTOPCon、SHJ、TBC（左から右）の表面側光起電力画像である。明るい色はより高い光起電力を意味する。3つのセルすべてがエッジから約100 µm以内に明瞭な「勾配帯」を示し、エッジに近いほど光起電力が低い。これがエッジ再結合損失の直接的な証拠である。

3つを比較すると：TOPConは最も高い光起電力（0.40～0.55 V）を持ち、最も速く飽和する。TBCは最も低く（0.36～0.49 V）、最も遅く減衰する。つまりそのエッジ再結合が最悪である。この結果は「p-n接合がボトルネックである」という常識に反する。なぜなら表面側（受光面側）は通常まさにp-n接合が位置する場所だからである。

図2cは図2bの黒い破線に沿って抽出した光起電力プロファイルを正規化したものである。3つの曲線すべてが「エッジで低く、プラトーで高い」を示すが、飽和速度（エッジ再結合長を反映する）は明らかに異なる：

• TOPCon：最も短い減衰領域、約100 µm以内で飽和に近づき、最小のエッジ損失。

• SHJ：中間の減衰領域、約200 µmで飽和に近づく。

• TBC：最も遅い回復、完全飽和まで約500 µmに及ぶ、最悪のエッジ損失。

図2dは差異の背後にある物理を説明する。光生成された正孔は最終的に2つのことのうち1つを行う：電極に収集されるか、エッジへドリフトして再結合するかである。

TOPCon：エミッタが表面側にあり、正孔収集経路が超短い

表面はp+エミッタです。正孔は非常に薄いエミッタを通過するだけで表面電極に収集されるため、ほとんどの正孔は端に到達する「機会を得られません」。同時に、p+エミッタ / SiOx / n-ポリSiによって形成される強い電界は端でも有効に働き、キャリアを素早く分離します。これがTOPConが最小の端損失を持つ根本的な理由です。

SHJ：表面は電子を収集し、正孔は長い道のりを進む

SHJの表面はn-a-Si:Hで、電子を収集します。正孔は収集されるために裏面のp-a-Si:Hまでずっと拡散しなければならず、非常に長い経路となります。さらに、高導電性のTCO層が「高速道路」のように働き、多くの正孔を横方向に端へ運ぶため、端での再結合が顕著に増加します。

TBC：すべての電極が裏面にあり、完全な壊滅

TBCではすべての電極が裏面にあります。表面で生成されたキャリアは収集されるためにウェハ全体を横方向に移動しなければなりません。さらに悪いことに、表面のAl2O3パッシベーション層は多くの固定負電荷を帯びており、Si表面に正孔蓄積層を誘起し、「正孔伝導チャネル」を形成して正孔をさらに端へ押しやります。

簡単に言うと、表面側の光起電圧の挙動は主に「キャリア収集距離」と「横方向輸送チャネルが存在するかどうか」の2つで決まり、p-n接合自体の方向とは関係ありません。

図3. TOPCon、SHJ、TBCセルの裏面端光起電圧解析。

図3aは裏面端からのレーザー走査を模式的に示しています。図3bは対応する2D光起電圧マップです。図2bと比較すると、3つのセルすべてで裏面の光起電圧が表面より低くなっています（表面は通常、より優れた反射防止設計と高い光利用率を持つため）。図3cは興味深いことを明らかにしています。裏面端の「勝者」はTBCになります。SHJも裏面にp-n接合を持っていますが、その端光起電圧は実際にはTOPConより低く、これは「p-n接合の位置」が端損失を決める唯一の要因ではないことをさらに示しています。図3dは裏面の少数キャリア輸送メカニズムを模式的に示しています。裏面は特別です。裏面のn-ポリSiは高濃度の電子を保持し、正孔を抑制するが電子収集を促進する強い電界環境を形成します。

TOPCon裏面：正孔の「高速レーン」が抑制される

裏面n-poly-Siの高い電子濃度は正孔輸送を抑制する。正孔は収集される前に、n型c-Si基板全体を横断して表面p+エミッタに到達しなければならない。この「長距離輸送」により、裏面光起電力は一般に低くなるが、エッジに到達する正孔の数も減少する。

SHJ裏面：ヘテロ接合は強力だが、TCOは諸刃の剣

SHJのn型c-Si / p-a-Si:Hヘテロ接合は、TOPConよりも確かに強いキャリア分離を提供するが、そのTCOは横方向抵抗が低く、かなりの割合の正孔を依然としてエッジへ「短絡」させる。結果として、強い分離能力は小さなエッジ損失を意味しない。

TBC裏面：正孔HSCが裏面に直接あり、ホームコートのアドバンテージ

TBCの裏面HSCは光生成正孔に直接面している。キャリアは裏面で直ちに収集されるため、エッジへ流れる量ははるかに少なく、裏面光起電力は最も速く飽和する。

補足：裏面光起電力の挙動は表面とは「逆」の傾向を示す。TBCは表面では最悪だが裏面では最良であり、「どちらの面が光に面するか」が「どちらの面がp-n接合か」よりも重要であることを示している。

図4. TOPConおよびSHJセルの断面光起電力分布モデル。

図2と図3がエッジを「横から」見ているのに対し、図4はそれを「断面で」スライスしています。レーザーは断面を直接スキャンするため、p-n接合からn-n+までの電気的挙動全体を一度に把握できます。これは本研究で最も独創的な部分です。図4aはTOPConの断面光起電圧マップで、左から右へフロント側（p+エミッタ / p-n接合）とバック側（n-ポリSi / n-n+接合）を示しています。左側（p-n接合）は全体に明るく、右側（n-n+）は暗いことがわかります。図4bで抽出された曲線は非常に明確です。p-n接合側からn-n+側へ向かって光起電圧は単調に低下し、減衰領域全体は約100 µmです。この結果は「p-n接合がエッジ損失のボトルネックである」という従来の見方を完全に否定します。なぜなら、低損傷条件下ではp-n接合側がむしろ高光起電圧領域となるからです。図4cはその物理的理由を示しています。p-n接合側（p+エミッタ）では少数キャリア（正孔）は短い距離を移動するだけで収集されますが、n-n+側（n-ポリSi領域）では正孔はn型c-Si全体を横断してp+エミッタに到達しなければならず、長い経路で再結合確率が高いため、損失が大きくなります。図4d～fはSHJセルでも全く同じ傾向を示しています。裏面のp-n接合（p-a-Si:H / n-c-Si）から前面のn-n+接合（i/n-a-Si:H / n-c-Si）へ向かって、光起電圧は再び単調に低下します。この規則性が異なるセル構造にわたって成り立つことは、本研究の核心的な論拠の一つです。

これを定量的に記述するため、チームは一次元少数キャリア拡散モデルを導出しました。図4gはモデルの模式図で、曲線（オレンジ）がp-n接合側（正孔選択コンタクト、HSC）からESC側（電子選択コンタクト、ESC）に向かって単調に減衰することを示しています。図4hはさらにHSC側とESC側のキャリア挙動を比較しています。

• HSC側：少数キャリア（正孔）は短い距離で収集され、再結合確率が低い。

• ESC側：少数キャリアはHSCに到達するまで長距離を拡散しなければならず、その過程で激しく再結合する。

• p-n接合のキャリア分離機構は、高濃度ドープコンタクトとパッシベーションコンタクトという二重の利点を持ち、単純なハイロー接合（n-n+）よりも効率的です。

簡単な補足：断面光起電圧モデルは「p-n接合側の電気的性能がn-n+側を上回る」ことを定量的に確認し、エッジ損失を評価する新しい指標として「少数キャリア拡散長L」を提案しています。

図5. 産業用熱レーザー分離（TLS）法で作製したTOPConセルの断面光起電圧分析。

45°劈開法による結論が産業用切断にも当てはまるかどうかを確認するため、チームは「熱レーザー分離」（TLS）法を使用した（図5a）—まずレーザーがp-n接合側を前処理し（図中のPre-grooving）、次に冷却水が分離を支援する。TLSは今日認識されている低ダメージ切断技術の一つである。図5bはTLS切断後のTOPConの断面光起電圧画像である：左側（p-n接合）は右側（n-n+）よりも明らかに明るい。図5cの定量的な曲線は、p-n接合から裏面側にかけて、光起電圧が依然として単調に低下しており、45°劈開の結果と完全に一致することを示している。

重要な検証：産業用TLS法（p-n接合側から直接スライスする）を用いても、光起電圧は依然として「p-n接合が高く、n-n+が低い」傾向を示す。これは、低ダメージ切断下では「p-n接合」がまったくボトルネックではなく、むしろ利点がある場所であることを示している。TLS切断において「p-n接合側の性能がより良い」という従来の業界経験が、ついに実験と理論の両方で確認された。

図6. TBCおよびTHBCセルの断面光起電圧分析、ならびに低ダメージp-n接合切断戦略の模式図。

図6aと6bはTBCおよびTHBCセルの断面光起電圧画像である。TBCは最高の光起電圧0.39 Vを示し、THBCはやや低い（0.21 V）が、両方とも明確な「明るいp-n接合、暗いn-n+」の空間分布を示している。図6cと6dで抽出された曲線は図4と同じパターンに従う：p-n接合からn-n+に向かって単調に減少する。特に注目すべきは図6cの小さな挿入図である：各セル構造の光起電圧の「方向分布」は「左上に密、右下に疎」のパターンを示しており、p-n接合側の電気的優位性が構造とプロセスを問わず普遍的であることを意味している。図6eはバックコンタクトセルの特殊性を説明している：HSCは裏面の「近く」で正孔を収集し、ESCは裏面の「近く」で電子を収集する。p-n接合領域で生成された少数キャリア（正孔）はHSCに到達するまでに短い距離しか必要としないため、損失は小さい；n-n+領域の少数キャリアは長い道のりを移動しなければならないため、損失はより大きい。このパターンはTOPConとSHJに正確に一致する。これらすべての証拠に基づき、チームは図6fで全く新しい切断戦略を提案した：

業界への推奨

低損傷切断（TLSなど）では、p-n接合側からスライスするべきです。理由：p-n接合側はキャリア分離効率が高く、少数キャリアの輸送経路も短いためです。多少のプロセス変動があっても、良好な電気特性を維持します。この推奨は、20年来の「p-n接合に触れない」という業界慣行を覆すものです。

Ooitechの見解

正直なところ、これは見出しになるようなスペックではなく、現場レベルの習慣を静かに書き換えるタイプの発見です。n型ラインを運用する人にとっての要点は、レーザー切断レシピをセル自体のキャリア物理に合わせることであり、昔のルールだからという理由でスクライブをn-n+側に盲目的に配置しないことです。ここでの真の実現要因は低損傷分離（TLS方式）であり、太陽電池レーザー切断機でそのプロセスを詰めることが、モジュールメーカーが実際のVocとFFを稼ぐか失うかのまさに分かれ目です。当社はTOPCon、SHJ、BCフォーマットにわたってエッジ損傷を低く抑える切断・ストリング設備を製造しているため、この種の研究はそのまま生産に直結します。これらの工程が稼働ラインでどう見えるか知りたい方は、OoitechのYouTubeチャンネル（ www.youtube.com/ooitech はフォローする価値があります。