JP2000114555A - 薄膜太陽電池の製造方法 - Google Patents

薄膜太陽電池の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 SnO2からなる透明導電膜をレーザーパタ
ーニングすることが一般的であったが、近年ZnOが透
明電極として用いられ始めており、これのパターンニン
グが必要となっている。しかしZnOを用いる場合、従
来と同様にレーザーパターニングすると分離したパター
ン間で数百キロオームという不十分な分離抵抗しか得ら
れないという問題点があった。 【解決手段】 薄膜太陽電池を形成する基板1上に、透
明導電膜2としてZnOを形成し、それをレーザースク
ライブによるパターニング加工をしてスクライブライン
5を形成し、その後に酢酸等による化学的なエッチング
を行う。また、化学的なエッチングを行う際に、透明電
極表面に微細な凹凸を同時に形成される。これにより、
分離抵抗が10メガオーム以上となりテスター等では測
定不能なレベルまで完璧に分離することが可能となる。
その後、アモルファスSi層3、裏面電極4を形成し
て、薄膜太陽電池が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜太陽電池の製
造方法に関し、より詳細には、ZnOからなる透明電極
の分離抵抗の低減に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に薄膜太陽電池は、ガラス等の透光
性絶縁基板上にSnO2やITO、ZnO等の透明導電
膜が形成され、その上に非晶質半導体のp層、i層、n
層がこの順に積層されて光電変換活性層が形成され、そ
の上に金属薄膜裏面電極が積層されてなる構造と、金属
基板電極の上に非晶質半導体のn層、i層、p層がこの
順に積層されて光電変換活性層が形成され、その上に透
明導電膜が積層されてなる構造とがある。
【0003】これらのうち、p-i-n層の順に積層する方
法は、透光性絶縁基板が太陽電池表面カバーガラスを兼
ねることができること、又、SnO2等の耐プラズマ性
透明導電膜が開発されて、この上に非晶質半導体の光電
変換活性層をプラズマCVD法で積層することが可能と
なったこと、等から多用されるようになり、現在の主流
となっている。
【0004】この薄膜太陽電池の透明導電膜としては、
SnO2が一般的であるがZnOも用いられるようにな
ってきており、太陽電池内部で光を有効に利用するた
め、これらの表面を凹凸化する技術も、特開平6−20
4527号公報などに示された方法で可能となってきて
いる。
【0005】また、大面積化を行うためには、レーザー
を用いて集積化を行い、直列接続するのが一般的な方法
である。この構造は、ガラス基板等の透光性絶縁基板上
に透明導電膜を短冊状に形成し、その上に非晶質半導体
層、次いで裏面電極を順に積層する。そして、1つの透
明溝電膜、非晶質半導体層、裏面電極からなる単位太陽
電池の透明導電膜が隣接する単位太陽電池の裏面電極と
接触する構造となるように、両電極および非晶質半導体
層のパターンを形成する。
【0006】ZnO膜のパターニング法として、フォト
リソグラフィ法を用い、酸性水溶液を用いてエッチング
する方法もあるが、大面積化および低コスト化が困難で
一般的ではない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】これまではSnO2
レーザーパターニングすることが一般的であったが、近
年ZnOが透明電極として用いられ始めており、これの
パターンニングが必要となっている。しかしZnOを用
いる場合、従来と同様にレーザーパターニングすると分
離したパターン間で数百キロオームという不十分な分離
抵抗しか得られないという問題点があった。
【0008】これはガラス基板を用いず、パターンニン
グも行わない特開平6−204527号公報では発生し
なかった問題点である。また、薄膜太陽電池の変換効率
向上のためには、透明電極であるZnOに微細な凹凸を
形成することが必要であるが、凹凸を形成するために酢
酸、塩酸等の酸により表面をエツチングした後にレーザ
ーパターンニングを行うと、やはり分離したパターン間
で数百キロオームの分離抵抗しか得られないという問題
点があった。
【0009】さらにこのようにパターニングされた透明
電極の間に十分な分離抵抗(通常は数メガオーム以上、
望ましくは10メガオーム以上)がなければ、集積化さ
れた薄膜太陽電池の変換効率はパターン間のリーク電流
のために低下してしまうという問題点があった。
【0010】本発明は、上記の問題点を解決するために
なされたものであり、薄膜太陽電池に必要な透明電極の
分離抵抗を得る製造方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の薄膜太陽電池の
製造方法は、薄膜太陽電池を形成する基板上に、透明導
電膜としてZnOを形成し、それをレーザー、放電加工
等の熱的な加工によるパターニング加工をする工程にお
いて、その工程の後に化学的なエッチングを行う。ま
た、化学的なエッチングを行う際に、透明電極表面に微
細な凹凸を同時に形成する。さらに、エッチング液とし
て酢酸、塩酸等の酸あるいは水酸化ナトリウム、水酸化
カリウム等のアルカリを用いる。
【0012】本発明においては、レーザー、放電加工等
の熱的な加工によるパターンニング加工時に、ZnOが
昇華する際にパターンニング間に再付着し、これがパタ
ーン間の分離抵抗を数百キロオームにしてしまうと考え
られる。
【0013】それでは従来のSnO2を透明電極として
用いた場合になぜ同様の問題が発生しなかったかという
疑問が生じる。これはSnO2自身の比抵抗がZnOよ
りも1桁以上大きいことに起因すると考えられる。
【0014】即ちSnO2では数メガオーム以上の分離
抵抗が得られても、ZnOでは数百キロオームの分離抵
抗になってしまうからである。ZnOの場合酢酸、塩酸
等の酸により簡単にエッチングできるため、レーザー等
によりパターニングした後、エッチングすることによ
り、再付着したZnOあるいはZnOの残渣を除去する
ことができ、分離抵抗を10メガオーム以上のテスター
等では測定不能なレベルまで完璧に分離することが可能
となる。
【0015】さらに、透明導電膜の分離を行う時に、Z
nOの表面形状を同時に凹凸化すると、薄膜太陽電池の
変換効率が向上する。
【0016】これまで凹凸化したSnO2膜をレーザー
パターニングするのが一般的であったが、ZnOの場合
には表面を凹凸化するためには、2ミクロン程度の厚さ
に膜を形成するか、600〜800nm程度膜を形成し
た後にエッチングすることにより適正な凹凸化を行うこ
とができる。
【0017】しかし、凹凸化した後レーザーパターニン
グしたのでは十分な分離抵抗が得られないため、レーザ
ーパターニング後にエッチングすることが必要である。
その時にテクスチャーエッチングと同時にパターニング
の分離を行うことが可能である。テクスチャーエッチン
グとパターニングの分離が同時に可能であることは、テ
クスチャーエッチングに要する時間がパターンニングの
分離に必要な時間よりも長いからである。
【0018】テクスチャーエッチングでエッチングを行
う膜厚は部分的にではあるが100〜200nm程度で
あるのに対し、パターニングの分離に必要なエッチング
を行う膜厚は数mm程度である。この関係があるためテ
クスチャーエッチングと同時にパターンニングの分離が
可能となるのである。
【0019】テクスチャーエッチングに一般的に用いら
れる酢酸、あるいは、塩酸といった酸を用いることによ
り、テクスチャーエッチングと同時にパターニングをさ
れた透明電極間の分離を行うことが可能である。ZnO
自身は、両性酸化物であるため、アルカリ系のものでも
エッチングが可能であるが、Na、Kといった元素は透
明導電膜に形成する半導体膜に悪影響を及ぼす可能性が
大きいため、あまり望ましくない。エッチングを行うた
めには0.5%程度の酢酸を用いれば数分で可能であ
る。
【0020】このような処理により、10メガオーム以
上の分離抵抗を有するパターンニングされた透明溝電膜
上に薄膜太陽電池を形成することができ、良好な特性を
待つ太陽電池を得ることが可能である。もちろん透明導
電膜のパターンニング間の分離抵抗が数百キロオームで
あっても薄膜太陽電池の変換効率が0になるということ
はないが、隣り合った電極間で電流がリークしてしまう
ため、大幅な曲線因子の低下につながる。完全に隣り合
ったパターンが分離されていることが理想的であるが、
本発明の製造方法を用いて形成した太陽電池であれば、
テスター等の測定機では測定不可能なレベルまで分離が
可能である。この点では従来のSnO2のパターニング
における分離抵抗の値(1〜10メガオーム)以上が得
られており、変換効率向上に本発明が寄与することは言
うまでもない。
【0021】
【発明の実施の形態】以下、図1の断面図を参照し、本
発明の実施の形態を説明する。まず、透光性絶縁基板1
としてガラス基板を用いる。ここではガラスを用いてい
るが、絶縁性基板あるいは表面が絶縁物で覆われていれ
ばよい。この上に透明導電膜2を600〜800nm程
度の膜厚で形成する。
【0022】この透明導電膜2はその材料としてZnO
を用いる。ZnO膜はGaあるいはAl等を不純物とし
て添加された導電性が高く、透過率も高いものが望まし
い。ZnO膜の形成は様々な方法で可能だが、本実施の
形態においてはスパッタリング法を用いて形成した。こ
の時の成膜条件は基板温度150℃、アルゴン圧力6m
Torr、投入パワー密度2.5mW/cm2で形成し
た。このようにして形成したZnO膜を400℃で1時
間、大気中でアニールを行った。これは後に行うテクス
チャーエッチングプロセスの際に、全体に均一なエッチ
ングができるように結晶の配向性を整えるためである。
【0023】この後、透明導電膜2のパターニングを行
う。この透明導電膜2は短冊状の形状にそれぞれが分離
されて第一の開溝(スクライブライン5)が形成されて
いる。短冊の幅はZnOの面抵抗による抵抗ロスを考慮
すれば1cm以内が望ましい。通常このような短冊状に
パターニングするためにはレーザースクライブが用いら
れる。その後、基板を純水で洗浄し、エッチング液を洗
い流した。この後、分離抵抗を測定すると、10メガオ
ーム以上であった。
【0024】透明導電膜2上には、a−Si:Hp層、
a−Si:Hi層、a−Si:Hn層が順次積層されて
なるアモルファス層3を有する構造となっている。a−
Si:H層4は、a−SiGe:Hi層やa−SiC:
Hi層のような合金層でもよい。i層の膜厚は100n
mから600nm程度、n層の膜厚は数十nmである。
a−Si:Hp層の上に形成されたa−Si:Hi層、
a−Si:Hn層は第一の関溝と半分程度が重なるよう
に第二の関溝が形成されている。また、第二の関溝の形
成は第一の関溝5と同様、パターニングするためにレー
ザースクライブが用いられる。
【0025】次に裏面電極4を形成する。裏面電極4は
反射率の比較的高い金属であるAlやAgを用いてい
る。膜厚としては数百nmから数μm程度である。簡単
の為に裏面電極4を金属電極のみとしているが、裏面で
の反射光を有効に利用するために、透明導電膜をアモル
ファス層3の上に形成してもよい。次にレーザースクラ
イブにより第三の関溝を形成する。第三の関溝は第二の
関溝より100μm程度離れた場所に40μm程度の幅
で形成する。
【0026】本発明により作製した単層の薄膜太陽電池
(基板サイズ:650×455mm)の特性は、AM1.5
(100mW/cm2)においてIsc:0.527A、Voc:65.8
V、F.F.:0.73、Pmax:25.3Wであった。
【0027】尚、本実施の形態は光電変換層が単層であ
るが、タンデム構造のように積層されたものでも良い。
【0028】
【発明の効果】本発明の薄膜太陽電池の製造方法は、薄
膜太陽電池を形成する基板上に、透明導電膜としてZn
Oを形成し、それをレーザー、放電加工等の熱的なパタ
ーンニング加工の後に化学的なエッチングを行い、その
際に、透明電極表面に微細な凹凸を同時に形成するプロ
セスによりなる。また、このような製造方法によりパタ
ーニングされた透明導電膜間の分離抵抗が10メガオー
ム以上となるため、変換効率の高い薄膜太陽電池の形成
が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1の薄膜太陽電池の概略構
造の断面図である。
【図2】一般的なZnO膜のパターンニング工程のフロ
ーチヤートである。
【図3】本発明のZnO膜のパターニング工程のフロー
チャートである。
【符号の説明】
1:透光性絶縁基板 2:透明導電膜 3:アモルファスSi層 4:裏面電極 5:スクラブライン

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 薄膜太陽電池を形成する基板上に、Zn
    Oからなる透明導電膜を形成し、該透明導電膜に熱的な
    加工によるパターンニング加工を行い、その後に化学的
    なエッチングを行うことを特徴とする薄膜太陽電池の製
    造方法。
  2. 【請求項2】 請求項1において、上記化学的なエッチ
    ングを行う際に、上記透明導電膜表面に微細な凹凸を同
    時に形成することを特徴とする薄膜太陽電池の製造方
    法。
  3. 【請求項3】 請求項2において、上記透明導電膜を6
    00乃至800nmの膜厚に形成することを特徴とする
    薄膜太陽電池の製造方法。
  4. 【請求項4】 請求項1において、上記化学的なエッチ
    ングを行う際に、エッチング液として酸あるいはアルカ
    リを用いてエッチングすることを特徴とする薄膜太陽電
    池の製造方法。
  5. 【請求項5】 請求項4において、上記エッチング液と
    して、酢酸又は塩酸を用いることを特徴とする薄膜太陽
    電池の製造方法。
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