JP2000223727A

JP2000223727A - 薄膜太陽電池とその製造方法

Info

Publication number: JP2000223727A
Application number: JP11019306A
Authority: JP
Inventors: 敏夫 ▲浜▼; Toshio Hama
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1999-01-28
Filing date: 1999-01-28
Publication date: 2000-08-11

Abstract

(57)【要約】【課題】薄膜太陽電池を窓などに貼り付けて使用した
場合に、窓からの外界透視機能を失うことなく、かつ、
薄膜自体の強度が搬送上，加工上、実用的に問題となら
ない光透過型の薄膜太陽電池とその製造方法を提供す
る。【解決手段】電気的接続用の接続孔１８および集電孔
１７以外に，光透過用の孔１９を複数個設けるものと
し、接続孔１８，集電孔１７および光透過用の孔１９の
総面積の、基板１１の面積に対する割合が２０〜３０％
であるものとする。前記光透過用の孔は、機械的打ち抜
き加工や、ＹＡＧレーザまたはエキシマレーザのマルチ
ビーム加工により形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、可撓性基板を用
いた光透過型の薄膜太陽電池の構成およびその製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、環境保護の立場から、クリーンな
エネルギーの研究開発が進められている。中でも、太陽
電池はその資源（太陽光）が無限であること、無公害で
あることから注目を集めている。

【０００３】薄膜太陽電池は、薄型で軽量、製造コスト
の安さ、大面積化が容易であることなどから、今後の太
陽電池の主流となると考えられ、電力供給用以外に、建
物の屋根や窓などにとりつけて利用される業務用，一般
住宅用にも需要が広がってきている。窓用には一般に、
光透過型の薄膜太陽電池が用いられる。

【０００４】従来の薄膜太陽電池はガラス基板を用いて
いたが、軽量化、施工性、量産性においてプラスチック
フィルムおよび金属フィルムを用いたフレキシブルタイ
プの太陽電池の研究開発がすすめられている。このフレ
キシブル性を生かし、ロールツーロール方式の製造方法
により大量生産が可能となった。

【０００５】上記の薄膜太陽電池は、フレキシブルな電
気絶縁性フィルム基板上に第１電極（以下、下電極とも
いう）、薄膜半導体層からなる光電変換層および第２電
極（以下、透明電極ともいう）が積層されてなる光電変
換素子（またはセル）が複数形成されている。ある光電
変換素子の第１電極と隣接する光電変換素子の第２電極
を電気的に接続することを繰り返すことにより、最初の
光電変換素子の第１電極と最後の光電変換素子の第２電
極とに必要な電圧を出力させることができる。例えば、
インバータにより交流化し商用電力源として交流１００
Ｖを得るためには、薄膜太陽電池の出力電圧は１００Ｖ
以上が望ましく、実際には数１０個以上の素子が直列接
続される。

【０００６】このような光電変換素子とその直列接続
は、電極層と光電変換層の成膜と各層のパターニングお
よびそれらの組み合わせ手順により形成される。少数の
光電変換素子を直列接続した薄膜太陽電池により従来技
術を説明する（特願平９−３７２０７号参照）。

【０００７】図８は、上記特許出願明細書に記載された
薄膜太陽電池の一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は
（ａ）における線ＡＢＣＤおよびＢＱＣに沿っての断面
図であり、（ｃ）は（ａ）におけるＥＥ断面図を示す。

【０００８】電気絶縁性でフレキシブルな樹脂からなる
長尺のフィルム基板上に、順次、第１電極層、光電変換
層、第２電極層が積層され、フィルム基板の反対側（裏
面）には第３電極層、第４電極層が積層され、裏面電極
が形成されている。光電変換層は例えばアモルファスシ
リコンのpin接合である。フィルム基板用材料として
は、ポリイミドのフィルムが用いられている。

【０００９】製造工程の概要につき以下に説明する。

【００１０】先ず、フィルム基板にパンチを用いて、接
続孔ｈ１を開け、基板の片側（表側とする）に第１電極
層として、スパッタにより銀を成膜し、これと反対の面
（裏側とする）には、第３電極層として、同じく銀電極
を成膜する。接続孔ｈ１の内壁で第１電極層と第３電極
層とは重なり、導通する。

【００１１】成膜後、表側では、第１電極層を所定の形
状にレーザ加工して、下電極ｌ１〜ｌ６をパターニング
する。下電極ｌ１〜ｌ６の隣接部は一本の分離線ｇ２
を、二列の直列接続の光電変換素子間および周縁導電部
ｆとの分離のためには二本の分離線ｇ２を形成し、下電
極ｌ１〜ｌ６は分離線により囲まれるようにする。再度
パンチを用いて、集電孔ｈ２を開けた後、表側に、光電
変換層ｐとしてa-Si層をプラズマＣＶＤにより成膜す
る。マスクを用いて幅Ｗ２の成膜とし、レーザ加工によ
り二列素子の間だけに第１電極層と同じ分離線を形成す
る。

【００１２】さらに第２電極層として表側に透明電極層
（ＩＴＯ層）を成膜する。但し、二つの素子列の間とこ
れに平行な基板の両側端部にはマスクを掛け接続孔ｈ１
には成膜しないようにし、素子部のみに成膜する。次い
で裏面全面に第４電極層として銀電極を成膜する。第４
電極の成膜により、集電孔ｈ２の内壁で第２電極と第４
電極とが重なり、導通する。表側では、レーザ加工によ
り下電極と同じパターンの分離線を入れ、個別の第２電
極ｕ１〜ｕ６を形成し、裏側では第３電極と第４電極と
を同時にレーザ加工し、接続電極ｅ１２〜ｅ５６、およ
び電力取り出し電極ｏ１，ｏ２を個別化し、基板の周縁
部では表側の分離線ｇ３と重なるように分離線ｇ２を形
成し、隣接電極間には一本の分離線を形成する。

【００１３】全ての薄膜太陽電池素子を一括して囲う周
縁、および二列の直列接続太陽電池素子の隣接する境界
には（周縁導電部ｆの内側）分離線ｇ３がある。分離線
ｇ３の中にはどの層も無い。裏側では、全ての電極を一
括して囲う周縁、および二列の直列接続電極の隣接する
境界には（周縁導電部ｆの内側）分離線ｇ２がある。分
離線ｇ２の中にはどの層も無い。

【００１４】こうして、電力取り出し電極ｏ１−集電孔
ｈ２−上電極ｕ１、光電変換層、下電極ｌ１−接続孔ｈ
１−接続電極ｅ１２−上電極ｕ２、光電変換層、下電極
ｌ２−接続電極ｅ２３−・・・−上電極ｕ６、光電変換
層、下電極ｌ６−接続孔ｈ１−電力取出し電極ｏ２の順
の光電変換素子の直列接続が完成する。

【００１５】なお、第３電極層と第４電極層は電気的に
は同一の電位であるので、以下の説明においては説明の
便宜上、併せて一層の接続電極層として扱うこともあ
る。

【００１６】さらに続いて、前述の薄膜太陽電池の構造
と製造方法に関し、この発明の説明の便宜上、この発明
に関係の深い部分に限定かつ簡略化して、以下に述べ
る。

【００１７】図６は、プラスチックフィルムを基板とし
た可撓性薄膜太陽電池の斜視図を示す。基板６１の表面
に形成した単位光電変換素子６２および基板６１の裏面
に形成した接続電極層６３はそれぞれ複数の単位ユニッ
トに完全に分離され、それぞれの分離位置をずらして形
成されている。このため、素子６２のアモルファス半導
体部分である光電変換層６５で発生した電流は、まず透
明電極層６６に集められ、次に該透明電極層領域に形成
された集電孔６７（ｈ２）を介して背面の接続電極層６
３に通じ、さらに該接続電極層領域で素子の透明電極層
領域の外側に形成された直列接続用の接続孔６８（ｈ
１）を介して上記素子と隣り合う素子の透明電極層領域
の外側に延びている下電極層６４に達し、両素子の直列
接続が行われている。

【００１８】上記薄膜太陽電池の簡略化した製造工程を
図７（a）から（g）に示す。プラスチックフィルム７１
を基板として（工程（a））、これに接続孔７８を形成
し（工程（b））、基板の両面に第１電極層（下電極）
７４および第３電極層（接続電極の一部）７３を形成
（工程（c））した後、接続孔７８と所定の距離離れた
位置に集電孔７７を形成する（工程（d））。次に、第
１電極層７４の上に、光電変換層となる半導体層７５お
よび第２電極層である透明電極層７６を順次形成すると
ともに（工程（e））および工程（f））、第３電極層７
３の上に第４電極層（接続電極層）７９を形成する（工
程（g））。この後、レーザビームを用いて、基板７１
の両側の薄膜を分離加工して図６に示すような直列接続
構造を形成する。

【００１９】なお、図７においては、集電孔ｈ２内にお
ける透明電極層７６と第４電極層７９との接続をそれぞ
れの層を重ねて２層で図示しているが、前記図８におい
ては、電気的に一層として扱い、１層で図示している。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
薄膜太陽電池においては、発電の有効面積を十分に確保
する観点から、直径０．５〜２ｍｍの集電孔および接続
孔を用いた場合の孔の総面積の基板面積に対する割合を
約３％程度としている。これらの孔により、光はある程
度透過するが、この薄膜太陽電池を窓などに貼り付けて
使用した場合、太陽電池を通して外界をみることはでき
ず、窓の基本機能の一部である外界透視機能が失われる
という問題があった。

【００２１】また一方、接続孔、集電孔を単純に増やす
と薄膜基材自体の強度が低下し、搬送上あるいは直列接
続構造形成の精度確保の点で問題が生じる。

【００２２】この発明は、上記のような問題点を解消す
るためになされたもので、本発明の課題は、薄膜太陽電
池を窓などに貼り付けて使用した場合に、窓からの外界
透視機能を失うことなく、かつ、薄膜自体の強度が実用
上問題とならない薄膜太陽電池とその製造方法を提供す
ることにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
め、請求項１の発明は、電気絶縁性可撓性基板の表面に
金属電極である下電極層，光電変換層，透明電極層を順
次積層してなる光電変換部と、前記基板の裏面に形成し
た接続電極層とを備え、前記光電変換部および接続電極
層は互いに位置をずらして単位部分に分離してなり、前
記透明電極層形成領域外に形成した電気的直列接続用の
接続孔および前記透明電極層形成領域内に形成した集電
孔を介して，前記表面上の互いに分離された隣合う単位
光電変換部分を電気的に直列に接続してなる薄膜太陽電
池において、前記接続孔および集電孔以外に，前記基板
と光電変換部と接続電極部とを貫通する光透過用の孔を
複数個設けるものとする。ここで、前記接続孔，集電孔
および光透過用の孔の総面積の基板面積に対する割合が
２０〜３０％であるものとする（請求項２）。

【００２４】上記により、窓からの外界透視機能と薄膜
自体の実用上十分な強度を確保した薄膜太陽電池を得る
ことができる。

【００２５】また、上記のものにおいて、接続孔および
集電孔の内少なくとも集電孔は、その孔の径と配設ピッ
チとを光透過用の孔と整合させて，光透過用の孔の配設
パターンの一部をなすように設けてなるものとする（請
求項３）。これにより、美観的に優れたものが得られ
る。

【００２６】さらに、薄膜太陽電池の少なくともいずれ
か一方の面に、透明の絶縁膜を被覆するものとすること
（請求項４）により、薄膜の強度を向上することができ
る。

【００２７】請求項５の発明は、前記薄膜太陽電池の製
造方法に関し、電気絶縁性可撓性基板の表面に金属電極
である下電極層，光電変換層，透明電極層を順次積層し
て光電変換部を形成し、前記基板の裏面に接続電極層を
形成し、前記光電変換部および接続電極層は互いに位置
をずらして単位部分に分離加工し、前記下電極層形成前
に前記透明電極層形成領域外に形成する電気的直列接続
用の接続孔および前記下電極層形成後に前記透明電極層
形成領域内に形成する集電孔を介して，前記表面上の互
いに分離された隣合う単位光電変換部分を電気的に直列
に接続するようにした薄膜太陽電池の製造方法におい
て、前記分離加工後に，前記基板と光電変換部と接続電
極部とを貫通する光透過用の孔を複数個形成することと
する。

【００２８】前記光透過用の孔は、機械的打ち抜き加工
にる方法（請求項６）や、ＹＡＧレーザまたはエキシマ
レーザのマルチビーム加工による方法（請求項７）によ
り形成できる。

【００２９】

【発明の実施の形態】図面に基づき、本発明の実施の形
態について以下に述べる。

【００３０】図１は本発明の実施例に関し、薄膜太陽電
池を表面からみた図を概念的に示した図である。網かけ
をした円で示す孔１７および１８は、それぞれ集電孔お
よび接続孔を示し、白抜きの円で示す孔１９は、光透過
用の孔を示す。集電孔１７は、光透過用の孔１９の孔パ
ターンと同様のパターンとしている。この実施例におい
ては、集電孔１７，接続孔１８および光透過用の孔１９
の総面積の基板１１の面積に対する割合は２８％であ
る。

【００３１】図２は、上記薄膜太陽電池の製造工程の実
施例を図７と同様にして示す図である。基板２１として
は膜厚３０〜５０μｍのポリイミドを用いた（（ａ）工
程）。プラスチックフィルム基板としては、アラミド、
ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート），ＰＥＳ（ポリエ
ーテルサルフォン），ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレ
ート）などを用いてもよい。コアに巻かれたプラスチッ
ク基板２１にはロールツーロール方式パンチ装置により
複数の直径０．５〜２ｍｍの接続孔２８を形成する
（（ｂ）工程）。

【００３２】次に、このプラスチック基板をロールツー
ロール方式電極形成装置に装着し、一面に第１電極層２
４およびその反対面に第３電極層２３を数百nm厚で形成
する（（ｃ）工程）。電極材料にはＡｇを用いたが，Ａ
ｌなどの金属材料、ＩＴＯ，ＺｎＯなどの透明導電膜、
およびその複合膜などを用いてもよい。次に、ロールツ
ーロール方式パンチ装置により接続孔２８と所定の距離
離れた位置に直径０．５〜２ｍｍの集電孔２７を形成す
る（（ｄ）工程）。上記のように、接続孔２８、第１電
極層２４および第３電極層２３、集電孔２７が形成され
たプラスチック基板をステッピングロール方式薄膜形成
装置に装着し、第１電極層２４の上に、半導体光電変換
膜２５、透明導電膜２６を順次積層して太陽電池部分２
２を形成する（（ｅ），（ｆ）工程）。このとき、接続
孔２８には膜が形成されないようにする。

【００３３】さらに、ステッピングロール方式薄膜形成
装置内にて連続して半導体光電変換膜２５、透明導電膜
２６を順次積層した面とは反対の面に第４電極層２９を
最終的に形成する（（ｇ）工程）。次に、ＹＡＧレーザ
により、所定のパターンで太陽電池部分２２およびその
反対面の第３電極層２３および第４電極層２９の分離加
工を行う。このとき、太陽電池部分２２を分離する位置
と裏面の電極層２３，２９を分離する位置をずらすこと
により、集電用孔および直列接続孔を介して一面上で互
いに絶縁分離された単位太陽電池が直列に接続される。

【００３４】接続孔および集電孔の基板面積に対する割
合は約３％でありかつ孔の分布が所定の位置であるた
め、光透過性は低い。そこで、前述のようにプラスチッ
ク基板上に直列接続された太陽電池構造を形成した後、
機械的打ち抜き方式を用いてプラスチック基板２１を貫
通する直径１ｍｍ〜２ｍｍの光透過用の孔２９を、基板
面積に対し他の孔も含めた総孔面積が２０％〜３０％と
なるように形成した。この貫通孔２９は単に第２電極層
２６，光電変換層２５，第１電極層２４，基板２１，第
３電極層２３および第４電極層２９を貫通するものであ
り、この工程以前に形成した電気的接続に影響するもの
ではない。

【００３５】ところで、外界透視機能につき種々検討し
た結果、薄膜太陽電池を通して反対側が見えるために
は、開口部面積は少なくとも２０％以上が必要であっ
た。一方、太陽電池の電気的接続を行うための孔開けの
精度確保の面からは、開口部面積の割合は３５％が限度
であった。

【００３６】また、薄膜太陽電池の強度向上の観点か
ら、一つのロールから基材を巻きだして機械的打ち抜き
法により貫通孔を形成後、他のロールより巻きだしたＥ
ＶＡ（エチレン−酢酸ビニル共重合体）を太陽電池素子
表面側に重ねロールラミネート法により溶融固着した。
ＥＶＡは、透明であって光透過機能を損なうことはな
い。これをロールに巻き取ることにより、基材の機械的
強度を向上し、かつ、次工程での取り扱いにも問題はな
かった。

【００３７】さらに、視覚上での違和感がないように、
かつ意匠的に美観を確保するために、電気的接続に用い
る孔パターンは全体的には透過用孔パターンに包含され
るものとした。接続孔および集電孔の内少なくとも集電
孔は、その孔の径と配設ピッチとを光透過用の孔と整合
させて，光透過用の孔の配設パターンの一部をなすよう
に設けることが望ましい。

【００３８】図３は透明電極領域での孔開けパターンの
一部を概念的に示す図で、電気的接続に用いる孔の開口
面積率が３％の場合である。電気的接続に用いる孔パタ
ーン３１は全体的には光透過用の孔パターン３２に包含
されている。

【００３９】図４は、電気的接続に用いる孔の開口面積
を約６％とした場合のパターンを、図５は、開口面積を
約９％とした場合のパターンを示す。

【００４０】次に、レーザビームによる薄膜分離加工後
の貫通孔形成にマルチビーム化したＹＡＧレーザ及びエ
キシマレーザを用いた実施例について、以下に述べる。
波長１．０６μｍのＹＡＧレーザについては、ビーム出
力２．５ｍＪ／パルス以上で、１０００〜２０００パル
ス、波長０．５３μｍのＹＡＧレーザについては、ビー
ム出力０．４ｍＪ／パルス以上で、１０００〜２０００
パルスで良好な加工状態が得られた。ＫｒＦエキシマレ
ーザ（波長０．２４８μｍ）では、ビーム出力１６５ｍ
Ｊ／パルス以上で、１８０〜４００パルスで良好な加工
状態が得られた。

【００４１】

【発明の効果】この発明によれば前述のように、光透過
型薄膜太陽電池において、電気的接続孔および集電孔以
外に，光透過用の孔を複数個設けるものとし、接続孔，
集電孔および光透過用の孔の総面積の基板面積に対する
割合が２０〜３０％であるものとしたので、薄膜太陽電
池を窓などに貼り付けて使用した場合に、窓からの外界
透視機能を失うことなく、かつ、薄膜自体の強度が実用
上問題とならない薄膜太陽電池を提供することができ
る。

【００４２】また、接続孔および集電孔の内少なくとも
集電孔は、その孔の径と配設ピッチとを光透過用の孔と
整合させて，光透過用の孔の配設パターンの一部をなす
ように設けてなるものとすることにより、美観的に優れ
たものが得られ、さらに、薄膜太陽電池の少なくともい
ずれか一方の面に、透明の絶縁膜を被覆するものとする
ことにより、薄膜の強度を向上することができる。

【００４３】さらに、前記光透過用の孔は、機械的打ち
抜き加工や、ＹＡＧレーザまたはエキシマレーザのマル
チビーム加工により容易かつ高品質に形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に関し、薄膜太陽電池の表面を
概念的に示した図である。

【図２】本発明の製造工程の一例を示す図である。

【図３】図３は透明電極領域での孔開けパターンの一部
を概念的に示す図で、開口面積率３％の場合を示す図で
ある。

【図４】図３と同様の図で、開口面積率６％の場合を示
す図である。

【図５】図３と同様の図で、開口面積率９％の場合を示
す図である。

【図６】薄膜太陽電池の斜視図を示す図である。

【図７】薄膜太陽電池の従来の製造工程の一例を示す図
である。

【図８】薄膜太陽電池の従来の構成および製造方法の一
例を、図７より詳細に示す図である。

【符号の説明】

１１、６１：基板、１４，６４：下電極層、１６，６
６：透明電極層、１７，２７，３１，４１，５１，６
７，ｈ２：集電孔、１８，２８，６８，ｈ１：接続孔、
１９，３０，３２，４２，５２：光透過用の孔、６２：
光電変換素子、６３：接続電極層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気絶縁性可撓性基板の表面に金属電極
である下電極層，光電変換層，透明電極層を順次積層し
てなる光電変換部と、前記基板の裏面に形成した接続電
極層とを備え、前記光電変換部および接続電極層は互い
に位置をずらして単位部分に分離してなり、前記透明電
極層形成領域外に形成した電気的直列接続用の接続孔お
よび前記透明電極層形成領域内に形成した集電孔を介し
て，前記表面上の互いに分離された隣合う単位光電変換
部分を電気的に直列に接続してなる薄膜太陽電池におい
て、前記接続孔および集電孔以外に，前記基板と光電変
換部と接続電極部とを貫通する光透過用の孔を複数個設
けたことを特徴とする薄膜太陽電池。
【請求項２】請求項１記載のものにおいて、接続孔，
集電孔および光透過用の孔の総面積の基板面積に対する
割合が２０〜３０％であることを特徴とする薄膜太陽電
池。
【請求項３】請求項１または２に記載のものにおい
て、接続孔および集電孔の内少なくとも集電孔は、その
孔の径と配設ピッチとを光透過用の孔と整合させて，光
透過用の孔の配設パターンの一部をなすように設けてな
ることを特徴とする薄膜太陽電池。
【請求項４】請求項１ないし３に記載のいずれかのも
のにおいて、薄膜太陽電池の少なくともいずれか一方の
面に、透明の絶縁膜を被覆したことを特徴とする薄膜太
陽電池。
【請求項５】電気絶縁性可撓性基板の表面に金属電極
である下電極層，光電変換層，透明電極層を順次積層し
て光電変換部を形成し、前記基板の裏面に接続電極層を
形成し、前記光電変換部および接続電極層は互いに位置
をずらして単位部分に分離加工し、前記下電極層形成前
に前記透明電極層形成領域外に形成する電気的直列接続
用の接続孔および前記下電極層形成後に前記透明電極層
形成領域内に形成する集電孔を介して，前記表面上の互
いに分離された隣合う単位光電変換部分を電気的に直列
に接続するようにした薄膜太陽電池の製造方法におい
て、前記分離加工後に，前記基板と光電変換部と接続電
極部とを貫通する光透過用の孔を複数個形成することを
特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項６】請求項５記載の製造方法において、光透
過用の孔は、機械的打ち抜き加工により形成することを
特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項７】請求項５記載の製造方法において、光透
過用の孔は、ＹＡＧレーザまたはエキシマレーザのマル
チビーム加工により形成することを特徴とする薄膜太陽
電池の製造方法。