JP2000323732A - 薄膜太陽電池とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ４００℃以上で半導体層が形成可能な耐熱性
を備え，かつ電気絶縁性能の高い金属等の導電性基材を
用いた薄膜太陽電池とその製造方法を提供する。 【解決手段】 導電性基材31に接続孔78を形成し、基材
主面と接続孔内周面に耐熱性高分子樹脂の電気絶縁層32
を形成し、この電気絶縁性基板表面及び接続孔内周面に
薄膜太陽電池の第１電極層74を形成し、さらに基板の裏
面及び接続孔内周面に第３電極層73を形成することによ
り、接続孔を介して第１電極層と第３電極層とを電気的
に接続する。その後、集電孔77を形成し、第１電極層が
形成された基板表面側および集電孔内周面に、光電変換
層75，透明電極層76を順次形成する。その後、前記第３
電極層が形成された基板裏面側および透明電極層が形成
された集電孔内周面に第４接続電極79を形成することに
より、集電孔77を介して透明電極層76と第４接続電極層
79とを電気的に接続する。

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、導電性基材を用
いた直列接続型の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。同一基板上に形成され
た複数の太陽電池素子が、直列接続されてなる太陽電池
（光電変換装置）の代表例は、薄膜太陽電池である。

【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４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３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２（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３に示すような直列接続
構造を形成する。

【００１９】なお、図２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４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、下記のような問題があった。
従来の薄膜太陽電池は、基板にプラスチックを用いてい
るため、膜形成温度としては高分子基板の耐熱温度で制
限を受け、４００℃程度が限界であった。しかし、薄膜
太陽電池の高性能化を図るうえでは、薄膜半導体層の形
成温度を上昇させる、そのためには４００℃以上の高温
に耐えうる基板の適用が必要となる。

【００２１】そこで、フレキシブルな金属フィルムを基
板として使用することが考えられるが、短絡を防止する
電気絶縁上の観点から、導電性基板を電気絶縁性被膜に
より被覆する必要がある。

【００２２】かかる構成を採用したものとして、特許第
２７８６６００号公報および特開昭６１−２０２４７７
号公報に記載されたものが公知である。前者は、導電性
金属基材自体を、前記第１電極層と兼用する構成とし、
基材の片面にのみ電気絶縁層を形成して、電気的な短絡
を防止する構成を実現したものである。しかしながら、
この構成を適用しても、光電変換部および接続電極層を
基板の表裏にそれぞれ形成して、光電変換部および接続
電極層を互いに位置をずらして単位部分に分離し、電気
的直列接続用の接続孔および集電孔を介して，前記互い
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
接続してなる本発明の対象とする直列接続型の薄膜太陽
電池を、電気絶縁上問題なく構成することはできない。

【００２３】また、後者は、アルミニウム基材に陽極酸
化被膜を形成して電気絶縁性の基板を得るように構成し
たもので、基材の主面以外に、基材に予め加工済の外部
のリード線接続用の孔２ヵ所にも陽極酸化被膜を形成す
るようにしたものである。

【００２４】この場合には、基材の金属材料がアルミニ
ウムに限定される問題がある。また、本発明の対象とす
る薄膜太陽電池においては、直径０．５〜２ｍｍの比較
的小さい接続孔および集電孔が、ポンチなどの機械的加
工や，レーザー加工により多数設けられる。この孔の絶
縁は、基材の金属材料をアルミニウムにしたとしても、
以下の理由により、陽極酸化被膜によって十分信頼性の
ある絶縁被膜層を得ることができない。

【００２５】前述のように、レーザー加工により開けた
多数の孔は、一方向からエネルギを与える関係から孔形
状がすり鉢状となり、また、ポンチなどの機械的加工に
より開けた孔は、孔断面に段違いができ易く、孔内周面
に凸凹が形成され、十分信頼性のある電気絶縁被膜層を
得ることができない。そのために、十分な電気絶縁層が
できない領域で基材表面が露出し、基材と電極が短絡す
る問題があった。さらに集電孔のように、絶縁被膜層を
有する基板に孔を開けたときには、孔の内周面に基材表
面が露出するだけでなく、基材表面の孔周辺の絶縁層が
剥がれたりすることにより基材表面が露出し、基材と電
極が短絡する問題があった。

【００２６】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、４００℃以
上の高温で薄膜半導体層が形成可能な耐熱性を有し、か
つ電気絶縁性能の向上を図った金属等の導電性基材を用
いた薄膜太陽電池とその製造方法を提供することにあ
る。

【００２７】

【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、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
基板は、金属等の導電性基材の表面に耐熱性高分子樹脂
により電気絶縁層を形成したものとし、さらに前記接続
孔または／接続孔および集電孔の前記導電性基材に設け
た孔の内面にも，前記耐熱性高分子樹脂により電気絶縁
層を形成したものとする（請求項１）。

【００２８】上記薄膜太陽電池を製造する方法として
は、請求項２に記載の発明のように、少なくとも以下の
工程を含むこととする。

【００２９】金属等の導電性基材に接続孔を形成し、
前記基材の少なくとも主面及び接続孔の内周面に耐熱性
高分子樹脂の電気絶縁層を形成して、電気絶縁性基板を
作成する工程。

【００３０】前記電気絶縁性基板の表面及び接続孔の
内周面の少なくとも基板の表面側に薄膜太陽電池の第１
電極層を形成し、さらに基板の裏面及び接続孔の内周面
の少なくとも基板の裏面側に第３電極層を形成すること
により、前記接続孔を介して前記第１電極層と第３電極
層とを電気的に接続する工程。

【００３１】前記第１電極層と基板と第３電極層とを
貫通する集電孔を形成し、前記第１電極層が形成された
基板の表面側および集電孔の内周面に，光電変換層，透
明電極層を順次形成する工程。

【００３２】前記第３電極層が形成された基板の裏面
側および光電変換層，透明電極層が形成された集電孔内
周面に第４接続電極を形成することにより、集電孔を介
して透明電極層と第４接続電極層とを電気的に接続する
工程。

【００３３】上記により、導電性基材および接続孔の内
面が、比較的厚肉の耐熱性高分子樹脂の電気絶縁層によ
り覆われるので、信頼性の高い電気絶縁を確保しかつ、
耐熱性の向上を図ることができる。

【００３４】また、上記の製造方法によれば、集電孔
は、半導体層である光電変換層により一応絶縁は確保で
きるものの、前述のように、孔形状がすり鉢状となった
り、また、孔断面に段違いができ孔内周面に凸凹が形成
された場合には、十分信頼性のある半導体による電気絶
縁被膜層を得ることができない。

【００３５】そこで、請求項３の発明のように、の工
程に、集電孔を形成した後、光電変換層，透明電極層を
順次形成する前に、集電孔の内周面に耐熱性高分子樹脂
の電気絶縁層を形成する工程を追加することがより好ま
しい。

【００３６】さらに、薄膜太陽電池の基材は、ＳＵＳ材
またはＡｌ材とし、電気絶縁層の耐熱性高分子樹脂は、
ポリイミド樹脂とする（請求項４）のが好適である。

【００３７】

【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。

【００３８】図１は、請求項３の発明に関わる薄膜太陽
電池の製造手順について、図２に対応して示した図であ
る。図１において、図２と同一部材または部分について
は、同一の記号を付して説明を省略する。図１と図２の
基本的相違は、図１においては、導電性基材３１の基材
面と接続孔７８内周面部に電気絶縁層３２を被覆する工
程ｂ２を有する点と、集電孔７７部位に電気絶縁層４２
を被覆する工程ｄ２を有する点と、さらに上記工程に伴
い、工程ｂ２および工程ｄ２以下の工程において、基材
３１が、それぞれ、電気絶縁層３２および電気絶縁層４
２を備えて、図２における電気絶縁性の基板７１に相当
するものとなっている点である。

【００３９】電気絶縁層３２および電気絶縁層４２を構
成する材料としては、ポリイミド樹脂やアラミド系の樹
脂を用いることができ、耐熱性および製造上の観点か
ら、ポリイミド樹脂が最も好適である。絶縁層の形成方
法としては、スクリーンコーティングやディップコーテ
ィングの方法が適用できる。基材としては、ＳＵＳ（ス
テンレススティール）やＡｌ（アルミニウム）のシート
が好適である。

【００４０】なお、上記実施例において、請求項２の発
明のように、電気絶縁層４２の形成を省略することがで
きる。この場合には、半導体層である光電変換層７５
が、電気絶縁層４２の機能を果たす。また、工程ｂ２に
おいて、電気絶縁層３２の形成は、基材の側面への形成
を省略することができる。さらに、電気絶縁層４２の集
電孔７７部位への形成は、集電孔の内周面に限らず、孔
開け加工によって、孔の両端部が損傷を受けた場合の孔
周辺部位にも形成を行うことが、電気絶縁の信頼性向上
の観点から望ましい。

【００４１】

【発明の効果】この発明によれば前述のように、薄膜太
陽電池の基材に、ＳＵＳやＡｌ等の導電性基材を用い、
その表面にポリイミドなどの耐熱性高分子樹脂により電
気絶縁層を形成したものとなし、さらに前記接続孔また
は／接続孔および集電孔の前記導電性基材に設けた孔の
内面にも，前記耐熱性高分子樹脂により電気絶縁層を形
成することにより、４００℃以上の高温で薄膜半導体層
が形成可能な耐熱性を備えかつ電気絶縁性能の向上を図
った金属等の導電性基材を用いた薄膜太陽電池とその製
造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に関わる薄膜太陽電池の製造工
程を概念的に示す図である。

【図２】薄膜太陽電池の従来の製造工程を概念的に示す
図である。

【図３】薄膜太陽電池の斜視図を示す図である。

【図４】薄膜太陽電池の従来の構成および製造方法の一
例を詳細に示す図である。

【符号の説明】

３１：基材、３２，４２：電気絶縁層、７３：第３電極
層、７４：第１電極層、７５：光電変換層、７６：透明
電極層、７７：集電孔、７８：接続孔、７９：第４電極
層。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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、前記基板は、
   金属等の導電性基材の表面に耐熱性高分子樹脂により電
   気絶縁層を形成したものとし、さらに前記接続孔または
   ／接続孔および集電孔の前記導電性基材に設けた孔の内
   面にも，前記耐熱性高分子樹脂により電気絶縁層を形成
   したことを特徴とする薄膜太陽電池。
2. 【請求項２】 少なくとも以下の工程を含むことを特徴
   とする金属等の導電性基材を有する薄膜太陽電池の製造
   方法。 金属等の導電性基材に接続孔を形成し、前記基材の少
   なくとも主面及び接続孔の内周面に耐熱性高分子樹脂の
   電気絶縁層を形成して、電気絶縁性基板を作成する工
   程。 前記電気絶縁性基板の表面及び接続孔の内周面の少な
   くとも基板の表面側に薄膜太陽電池の第１電極層を形成
   し、さらに基板の裏面及び接続孔の内周面の少なくとも
   基板の裏面側に第３電極層を形成することにより、前記
   接続孔を介して前記第１電極層と第３電極層とを電気的
   に接続する工程。 前記第１電極層と基板と第３電極層とを貫通する集電
   孔を形成し、前記第１電極層が形成された基板の表面側
   および集電孔の内周面に，光電変換層，透明電極層を順
   次形成する工程。 前記第３電極層が形成された基板の裏面側および光電
   変換層，透明電極層が形成された集電孔内周面に第４接
   続電極を形成することにより、集電孔を介して透明電極
   層と第４接続電極層とを電気的に接続する工程。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の製造方法において、
   の工程に、集電孔を形成した後、光電変換層，透明電極
   層を順次形成する前に、集電孔の内周面に耐熱性高分子
   樹脂の電気絶縁層を形成する工程を追加することを特徴
   とする金属等の導電性基材を有する薄膜太陽電池の製造
   方法。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載のも
   のまたは製造方法において、薄膜太陽電池の基材は、Ｓ
   ＵＳ材またはＡｌ材とし、電気絶縁層の耐熱性高分子樹
   脂は、ポリイミド樹脂であることを特徴とする薄膜太陽
   電池またはその製造方法。