JP2000252508A - 集積化光電変換装置 - Google Patents

集積化光電変換装置

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JP2000252508A
JP2000252508A JP11053133A JP5313399A JP2000252508A JP 2000252508 A JP2000252508 A JP 2000252508A JP 11053133 A JP11053133 A JP 11053133A JP 5313399 A JP5313399 A JP 5313399A JP 2000252508 A JP2000252508 A JP 2000252508A
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photoelectric conversion
electrode layer
cells
layer
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Akihiko Nakajima
昭彦 中島
Toshinobu Nakada
年信 中田
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Original Assignee
Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡易な方法により精度よく製造され得るとと
もに、高性能である、結晶質シリコンを光電変換層に用
いた集積化光電変換装置およびその製造方法を提供する
こと。 【解決手段】 基板と、この基板上に形成された第1の
電極層と、この第1の電極層上に形成された膜厚0.5
〜20μmの結晶質半導体層を含む薄膜光電変換ユニッ
トと、この薄膜光電変換ユニット上に形成された第2の
電極層とを具備する積層構造からなり、この積層構造
は、第2の電極層から基板に達する第1の分離溝により
複数のセルに分離され、それぞれのセルは、第2の電極
層および薄膜光電変換ユニットの一部に設けられた第2
の分離溝により素子部と第1の電極取り出し部とに分離
され、この第1の電極取り出し部には、第1の電極と電
気的に接続された取り出し電極が設けられ、この取り出
し電極を、隣接するセルの素子部の第2の電極層に電気
的に接続することにより、複数のセルが直列に接続さ
れ、集積化されてなることを特徴とする

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、集積化光電変換装
置およびその製造方法に係り、特に、光電変換層として
結晶質シリコン系薄膜を用いた集積化光電変換装置およ
びその製造方法に関する。なお、本明細書において、
「結晶質」なる語は、「多結晶」および「微細結晶」の
双方を含むものとし、いずれも部分的に非晶質を含むも
のを意味するものとする。
【0002】
【従来の技術】薄膜光電変換装置の代表的なものとし
て、光電変換層として非晶質シリコン薄膜を用いる非晶
質シリコン系太陽電池がある。非晶質シリコン薄膜は、
一般に200℃程度の低い成膜温度で、プラズマCVD
法により成膜することが出来るため、ガラス、ステンレ
ス、有機フィルム等の安価な基板を用いることが可能で
ある。そのため、非晶質シリコン系太陽電池は、低コス
トな太陽電池として期待されている。
【0003】しかし、非晶質シリコン系太陽電池には、
Stebler Wronskey効果と呼ばれる現象
が生じ、長期間の光照射により光電変換特性が低下する
という問題がある。また、その有効感度波長領域は、8
00nm程度までである。従って、非晶質シリコン系太
陽電池には、その信頼性や高性能化に限界があり、基板
選択の自由度や低コストプロセスを利用し得るという利
点が十分には生かされていない。
【0004】これに対し、近年、多結晶シリコンや微結
晶シリコンのような結晶質シリコンの薄膜を用いた結晶
質薄膜系太陽電池の開発が盛んに行われるようになって
いる。しかし、結晶質薄膜系太陽電池にも、問題があ
る。即ち、多結晶シリコンや微結晶シリコンを光電変換
層として用いる場合には、その吸収係数を考慮すると、
太陽光を十分に吸収するためには、数μmから数十μm
mもの膜厚が必要となることである。この膜厚は、非晶
質シリコン薄膜からなる光電変換層の10倍から100
倍も厚いことになる。
【0005】このような光電変換層の厚い膜厚のため、
結晶質薄膜系太陽電池は、その製造に際し、従来の非晶
質シリコン系太陽電池の製造プロセスをそのまま適用す
ることが出来ない。このことは、特に集積化に際し、大
きな問題となる。
【0006】例えば、従来の非晶質シリコン系太陽電池
の集積構造として、特開昭62―219674号公報に
開示されているものがある。この構造では、図3に示す
ように、基板21上に順次、第1の電極層22、非晶質
シリコンからなる光感受性層23および第2の電極層2
4を積層した後、それらの層の同一個所に幅の異なる
(上方の層ほど幅が広くなる)除去領域を設けて複数の
セル25,26に分離し、第1の電極層22の除去領域
を埋めるように光感受性層23および第2の電極層24
の縁部領域に絶縁材料27を形成し、この絶縁材料27
上に導電性ペースト28を形成して、セル26の第1の
電極層22とセル25の第2の電極層24を接続してい
る。
【0007】しかし、このような集積構造では、積層体
のそれぞれの層の同一の個所に、層ごとにそれぞれ幅の
異なる除去領域を形成し、そこでセル間の分離とセル間
の接続を行うものであるため、各薄膜の微細な寸法制御
が必要あり、このような構造をそのまま、非晶質シリコ
ンよりも膜厚のはるかに厚い、結晶質シリコンを光電変
換層に用いた光電変換装置の集積化に適用することは極
めて困難である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
事情の下になされ、簡易な方法により精度よく製造され
得るとともに、高性能である、結晶質シリコンを光電変
換層に用いた集積化光電変換装置およびその製造方法を
提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、従来困難
であった、結晶質シリコンを光電変換層に用いた光電変
換装置の集積化につき、検討を重ねた結果、薄膜のスク
ライブ技術と電極形成技術とを適切に組合せることによ
り、簡易な方法で精度よく集積化が可能であることを見
出し、本発明をなすに至った。
【0010】即ち、本発明は、基板と、この基板上に形
成された第1の電極層と、この第1の電極層上に形成さ
れた膜厚0.5〜20μmの結晶質半導体層を含む薄膜
光電変換ユニットと、この薄膜光電変換ユニット上に形
成された第2の電極層とを具備する積層構造からなり、
この積層構造は、前記第2の電極層から前記基板に達す
る第1の分離溝により複数のセルに分離され、それぞれ
のセルは、第2の電極層および薄膜光電変換ユニットの
一部に設けられた第2の分離溝により素子部と第1の電
極取り出し部とに分離され、この第1の電極取り出し部
には、前記第1の電極と電気的に接続された取り出し電
極が設けられ、この取り出し電極を、隣接するセルの素
子部の第2の電極層に電気的に接続することにより、複
数のセルが直列に接続され、集積化されてなることを特
徴とする集積化光電変換装置を提供する。
【0011】また、本発明は、基板上に、第1の電極
層、結晶質半導体層を含む薄膜光電変換ユニット、およ
び第2の電極層を順次形成する工程、前記第2の電極層
および薄膜光電変換ユニットの一部に第2の分離溝を形
成して、素子部と第1の電極取り出し部とに分離し、前
記第1の電極取り出し部に接続孔を形成する工程、前記
接続孔に取り出し電極を形成する工程、前記前記第1の
電極取り出し部に、前記第2の電極層から前記基板に達
する第1の分離溝を形成し、複数のセルに分離する工
程、および前記取り出し電極を、隣接するセルの素子部
の第2の電極層に電気的に接続することにより、複数の
セルを直列に接続する工程を具備することを特徴とする
集積化光電変換装置の製造方法を提供する。
【0012】更に、本発明は、基板上に、第1の電極
層、結晶質半導体層を含む薄膜光電変換ユニット、およ
び第2の電極層を順次形成する工程、前記第1の電極
層、結晶質半導体層を含む薄膜光電変換ユニット、およ
び第2の電極層に第1の分離溝を形成して、複数のセル
に分離し、この複数に分離された個々のセルの前記第2
の電極層および薄膜光電変換ユニットの一部に第2の分
離溝を形成して、個々のセルを素子部と第1の電極取り
出し部とに分離し、かつ前記第1の電極取り出し部に接
続孔を形成する工程、前記接続孔に取り出し電極を形成
する工程、および前記取り出し電極を、隣接するセルの
素子部の第2の電極層に電気的に接続することにより、
複数のセルを直列に接続する工程を具備することを特徴
とする集積化光電変換装置の製造方法を提供する。
【0013】なお、以上の本発明の集積化光電変換装置
およびその製造方法において、第2の電極を透明電極と
し、この透明電極上に収集電極を形成し、取り出し電極
を、隣接するセルの前記収集電極に、金属線により電気
的に接続することが可能である。
【0014】以上のように、本発明では、第1の分離溝
により積層構造を複数のセルに分離し、それぞれのセル
を、第2の分離溝により素子部と第1の電極取り出し部
とに分離し、この第1の電極取り出し部に取り出し電極
を設けるとともに、この取り出し電極を、隣接するセル
の素子部の第2の電極層に電気的に接続している。この
ような構造は、薄膜のスクライブ技術と電極形成技術と
を適切に組合せることにより達成され、それによって、
従来困難であった結晶質シリコンを光電変換層に用いた
光電変換装置の集積化を、簡易な方法で精度よく行うこ
とが可能となった。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図1を参照して説明する。図1は、複数の光電変換
セルが集積化された、本発明の一実施形態に係る集積化
光電変換装置を模式的に示す断面図である。図1に示す
光電変換装置において、複数の光電変換セル2a,2
b,2c,2dが、基板1上に形成されている。それぞ
れの光電変換セル2a,2b,2c,2dは、第1の分
離溝3a,3b,3cにより絶縁分離されている。
【0016】基板1上に形成されている光電変換セル2
a,2b,2c,2dは、それぞれ基板1上に順次成膜
された裏面電極4、光電変換ユニット5、前面電極6、
およびグリッド電極7により構成されている。また、そ
れぞれの光電変換セル2a,2b,2c,2dは、前面
電極層および光電変換ユニットの一部に設けられた第2
の分離溝8により素子部と裏面電極取り出し部とに分離
され、素子部の前面電極層6の上にはグリッド電極7が
形成され、裏面電極取り出し部には、裏面電極と電気的
に接続された取り出し電極9が設けられている。
【0017】以上のように構成される複数の光電変換セ
ル2a,2b,2c,2dは、取り出し電極9を、隣接
する光電変換セルの素子部のグリッド電極7にワイヤ1
0a,10b,10cによって電気的に接続することに
より、直接に接続され、集積化されている。なお、この
ように集積化された光電変換装置において、光電変換さ
れるべき光は、前面電極6の側から照射される。
【0018】次に、以上説明した集積化光電変換装置の
製造プロセスについて、具体的に説明する。
【0019】まず、基板1としては、ステンレス等の金
属、有機フィルム、または低融点の安価なガラス等から
なる基板を用いることが出来る。この基板1上に形成さ
れている裏面電極4は、金属薄膜、または金属薄膜と透
明導電性酸化膜との組合せを含み、たとえば蒸着法、ス
パッタ法、CVD法等によって形成される。
【0020】金属薄膜としては、Ti、Cr、Al、A
g、Au、CuおよびPtから選択された少なくとも1
以上の金属またはこれらの合金からなる層を用いること
が出来る。また、透明導電性酸化膜としては、ITO、
SiOおよびZnOから選択された少なくとも1以上
の酸化物の層を用いることが出来る。
【0021】次いで、裏面電極4上に、第1導電型半導
体層、光電変換層、および第2導電型半導体層が順次、
例えばプラズマCVD法により成膜され、光電変換ユニ
ット膜5が形成される。第1導電型半導体層としては、
たとえばリン若しくは窒素がドープされたn型シリコン
系薄膜、またはボロンがドープされたp型シリコン系薄
膜などを用いることが出来る。材料としては、非晶質シ
リコンまたは非晶質シリコンカーバイドや非晶質シリコ
ンゲルマニウム等の合金材料の他に、多結晶もしくは部
分的に非晶質を含む微結晶のシリコンまたはその合金材
料を用いることもできる。なお、必要ならば、このよう
な第1導電型半導体層にパルスレーザ光を照射すること
により、その結晶化分率や不純物原子によるキャリア濃
度を制御することもできる。
【0022】第1導電型半導体層上に形成される光電変
換層としては、結晶質シリコン系薄膜が堆積される。こ
の結晶質シリコン系光電変換層としては、ノンドープi
型多結晶シリコン薄膜や体積結晶化分率が80%以上の
i型微結晶シリコン膜、または微量の不純物を含む弱p
型もしくは弱n型で光電変換機能を十分に備えているシ
リコン系薄膜材料を用いることが出来る。しかし、この
光電変換属はこれらに限定されず、シリコンカーバイド
やシリコンゲルマニウム等の合金材料を用いて形成して
もよい。光電変換層の厚さは0.5〜20μmの範囲内
にあり、これは結晶質シリコン系薄膜光電変換層として
必要かつ十分な膜厚である。
【0023】結晶質光電変換層上には、第1導電型半導
体層とは逆タイプの第2導電型半導体層としてのシリコ
ン系薄膜が堆積される。この第2導電型半導体層として
は、たとえばボロン若しくはアルミニウムがドープされ
たp型シリコン系薄膜、またはリンがドープされたn型
シリコン系薄膜などが用いられ得る。材料としては、非
晶質シリコンまたは非晶質シリコンカーバイドや非晶質
シリコンゲルマニウム等の合金材料の他に、多結晶もし
くは部分的に非晶質を含む微結晶のシリコンまたはその
合金材料を用いることもできる。
【0024】次に、光電変換ユニット5上に、ITO、
SiOおよびZnOから選択された少なくとも1層を
含む透明導電性酸化膜6を、スパッタリング法または蒸
着法により、前面電極として形成する。このようにし
て、図2(a)に示す構造が得られる。
【0025】その後、図2(b)に示すように、YAG
レーザにより、透明導電性酸化膜6、および光電変換ユ
ニットの第2導電型半導体層をスクライブし、第2の分
離溝8を形成して、素子部と裏面電極取り出し部とに分
離するとともに、裏面電極取り出し部に接続孔11を形
成する。
【0026】そして、図2(c)に示すように、素子部
の透明導電性酸化膜6上にグリッド電極7を、接続孔1
1に取り出し電極9をそれぞれ形成する。なお、取り出
し電極9は、第2の分離溝8と同様の深さに形成された
接続孔11に金属を埋め込み、熱処理により金属を下方
に拡散させることにより形成することが出来る。或い
は、接続孔11を裏面電極に達するように深く形成し
て、そこにスクリーン印刷等により金属を埋め込んでも
よい。
【0027】なお、接続孔11を裏面電極に達するよう
に深く形成する場合には、後述する工程で形成される第
1の分離溝3A,3b,3c、第2の分離溝8、および
接続孔11からなる深さの異なる溝又は孔を一括して形
成する、即ち一括スクライブにより形成することが可能
である。それによって、工程数の減少を図ることが可能
である。なお、スクライブの深さは、レーザのパワーを
制御することにより適宜変えることが可能である。
【0028】グリッド電極7としては、Al、Ag、A
u、CuおよびPtから選択された小なくとも1以上の
金属またはこれらの合金の層を含む櫛型状の金属電極を
用いることが出来る。
【0029】また、取り出し電極9としては、Al、A
g、Au、CuおよびPtから選択された小なくとも1
以上の金属またはこれらの合金の層を用いることが出来
る。なお、取り出し電極9を金属の拡散により形成する
場合には、シリコン中を拡散し易い銀等を用いることが
好ましい。
【0030】その後、図2(d)に示すように、レーザ
スクライブ或はメカニカルスクライブにより、取り出し
電極9の外側に第1の分離溝3a,3b,3c,3dを
形成して、光電変換セル2a,2b,2c,2d間を分
離する。
【0031】そして、最後に、図2(e)に示すよう
に、取り出し電極9と、隣接する光電変換セルのグリッ
ド電極7とを、金属ワイヤ10a,10b,10cによ
り接続することにより、複数の光電変換セル2a,2
b,2c,2dが直列に接続された集積化光電変換セル
が得られる。金属ワイヤ10としては、金、アルミニウ
ム等を用いることが出来る。
【0032】
【実施例】以下、本発明の具体的実施例について説明す
る。以下のようにして、36個の光電変換セルからな
り、6個ごとに直列に接続した集積化光電変換装置を作
製した。まず、5インチ角のガラス基板1上に、スパッ
タリングにより、銀薄膜(膜厚:0.5μm)とZnO
薄膜(膜厚:0.08μm)、からなる裏面電極4を形
成した。
【0033】次いで、原料ガスとしてシランガス(Si
)とホスフィンガス(PH)とを用いたプラズマ
CVD法により、裏面電極4上に、リンがドープ(濃
度:1021cm―3)されたn型非晶質シリコン層
(膜厚:50オングストローム)を形成した。そして、
このn型非晶質シリコン層上に、原料ガスとしてシラン
ガス(SiH)を用いたプラズマCVD法により、ノ
ンドープの多結晶シリコン薄膜(膜厚:2.5μm)を
形成した。更に、原料ガスとしてシランガス(Si
)とジボランガス(B)とを用いたプラズマ
CVD法により、多結晶シリコン薄膜上に、ボロンがド
ープ(濃度:1021cm―3)されたp型非晶質シリ
コン薄膜(膜厚:100オングストローム)を形成し、
光電変換ユニット5を形成した。
【0034】次に、光電変換ユニット5上に、ITO膜
6(膜厚:0.08μm)を、スパッタリングにより形
成した。このようにして、図2(a)に示す構造を得
た。その後、図2(b)に示すように、YAGレーザに
より、ITO膜6およびp型非晶質シリコン薄膜をスク
ライブし、幅100μm、深さ0.3μmの第2の分離溝
8を形成して、素子部と裏面電極取り出し部とに分離す
るとともに、裏面電極取り出し部に接続孔11を形成し
た。このときのYAGレーザの照射条件は、パワー10
J/cm、ショット数3であった。
【0035】次に、全面に膜厚0.3μmの銀薄膜をス
パッタリングにより堆積した後、これをパターニングし
て、素子部のITO膜6上にグリッド電極7を形成する
とともに、接続孔11に銀層を被着させた。そして、こ
の状態で150℃で熱処理を行った。その結果、接続孔
11に被着された銀は、ノンドープの多結晶シリコン薄
膜およびn型非晶質シリコン層中を下方に拡散して裏面
電極4に到達し、図2(c)に示すように、取り出し電
極9が形成された。
【0036】その後、図2(d)に示すように、 YA
Gレーザにより、取り出し電極9の外側に、幅100μ
m、深さ2.5μmの第1の分離溝3a,3b,3c,3
dを形成して、光電変換セル2a,2b,2c,2d間
を分離し、36個の単位光電変換セルを形成した。この
ときのYAGレーザの照射条件は、パワー3×10
/cm、ショット数3であった。
【0037】そして、最後に、図2(e)に示すよう
に、6個の単位光電変換セルごとに、取り出し電極9
と、隣接する光電変換セルのグリッド電極7とを金ワイ
ヤ10a,10b,10cにより直列に接続することに
より、集積化光電変換セルを得た。
【0038】各単位セルの変換効率を2端子測定により
測定したところ、7.1%であった。また、集積後の光
電変換セルの変換効率を2端子測定により測定したとこ
ろ、7.55%であった。更に、VocおよびJsc
測定したところ、 Vocの低下およびJscの顕著な
低下は認められなかった。また、本実施例に係る集積化
光電変換セルにLEDを接続したところ、LEDの点灯
を確認することが出来た。
【0039】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よると、第1の分離溝により積層構造が複数のセルに分
離され、それぞれのセルが、第2の分離溝により素子部
と第1の電極取り出し部とに分離され、この第1の電極
取り出し部に、取り出し電極を設けるとともに、この取
り出し電極を、隣接するセルの素子部の第2の電極層に
電気的に接続しているため、従来困難であった、結晶質
シリコンを光電変換層に用いた光電変換装置の集積化
を、簡易な方法で精度よく行うことが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る集積化光電変換装置
を示す断面図。
【図2】本発明の一実施形態に係る集積化光電変換装置
の製造プロセスを工程順に示す断面図。
【図3】従来の非晶質シリコン層を光電変換層として用
いた集積化光電変換装置を示す断面図。
【符号の説明】
1…基板 2a,2b,2c,2d…光電変換セル 3a,3b,3c…第1の分離溝 4…裏面電極 5…光電変換ユニット 6…前面電極 7…グリッド電極 8…第2の分離溝 9…取り出し電極 10a,10b,10c…ワイヤ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板と、この基板上に形成された第1の電
    極層と、この第1の電極層上に形成された膜厚0.5〜
    20μmの結晶質半導体層を含む薄膜光電変換ユニット
    と、この薄膜光電変換ユニット上に形成された第2の電
    極層とを具備する積層構造からなり、この積層構造は、
    前記第2の電極層から前記基板に達する第1の分離溝に
    より複数のセルに分離され、それぞれのセルは、第2の
    電極層および薄膜光電変換ユニットの一部に設けられた
    第2の分離溝により素子部と第1の電極取り出し部とに
    分離され、この第1の電極取り出し部には、前記第1の
    電極と電気的に接続された取り出し電極が設けられ、こ
    の取り出し電極を、隣接するセルの素子部の第2の電極
    層に電気的に接続することにより、複数のセルが直列に
    接続され、集積化されてなることを特徴とする集積化光
    電変換装置。
  2. 【請求項2】前記取り出し電極は、前記第1の電極取り
    出し部に設けられた接続孔に埋め込まれた導電体からな
    ることを特徴とする請求項1に記載の集積化光電変換装
    置。
  3. 【請求項3】前記第2の電極は透明電極であり、この透
    明電極上に収集電極が形成され、前記取り出し電極は、
    隣接するセルの前記収集電極に、金属線により電気的に
    接続されていることを特徴とする請求項1に記載の集積
    化光電変換装置。
  4. 【請求項4】基板上に、第1の電極層、結晶質半導体層
    を含む薄膜光電変換ユニット、および第2の電極層を順
    次形成する工程、 前記第2の電極層および薄膜光電変換ユニットの一部に
    第2の分離溝を形成して、素子部と第1の電極取り出し
    部とに分離し、前記第1の電極取り出し部に接続孔を形
    成する工程、 前記接続孔に取り出し電極を形成する工程、 前記前記第1の電極取り出し部に、前記第2の電極層か
    ら前記基板に達する第1の分離溝を形成し、複数のセル
    に分離する工程、および前記取り出し電極を、隣接する
    セルの素子部の第2の電極層に電気的に接続することに
    より、複数のセルを直列に接続する工程を具備すること
    を特徴とする集積化光電変換装置の製造方法。
  5. 【請求項5】基板上に、第1の電極層、結晶質半導体層
    を含む薄膜光電変換ユニット、および第2の電極層を順
    次形成する工程、 前記第1の電極層、結晶質半導体層を含む薄膜光電変換
    ユニット、および第2の電極層に第1の分離溝を形成し
    て、複数のセルに分離し、この複数に分離された個々の
    セルの前記第2の電極層および薄膜光電変換ユニットの
    一部に第2の分離溝を形成して、個々のセルを素子部と
    第1の電極取り出し部とに分離し、かつ前記第1の電極
    取り出し部に接続孔を形成する工程、 前記接続孔に取り出し電極を形成する工程、および前記
    取り出し電極を、隣接するセルの素子部の第2の電極層
    に電気的に接続することにより、複数のセルを直列に接
    続する工程を具備することを特徴とする集積化光電変換
    装置の製造方法。
  6. 【請求項6】前記第2の電極は透明電極であり、この透
    明電極上に収集電極が形成され、前記取り出し電極は、
    隣接するセルの前記収集電極に、金属線により電気的に
    接続されることを特徴とする請求項4または5に記載の
    集積化光電変換装置の製造方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8425272B2 (en) * 2004-07-27 2013-04-23 Cambridge Display Technology Limited Laminated interconnects for organic opto-electronic device modules and method
KR101612805B1 (ko) * 2010-08-10 2016-04-15 엘지전자 주식회사 박막형 태양전지 모듈 및 그의 제조방법

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