JP2001135844A

JP2001135844A - 集積型薄膜太陽電池の製造方法

Info

Publication number: JP2001135844A
Application number: JP31680899A
Authority: JP
Inventors: Toru Sawada; 徹澤田; Toshinobu Nakada; 年信中田
Original assignee: Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1999-11-08
Filing date: 1999-11-08
Publication date: 2001-05-18

Abstract

(57)【要約】【課題】結晶質光電変換ユニット層を含む薄膜太陽電
池において、有効面積当りの変換効率の低下を招くこと
なく集積化を可能にする。【解決手段】透明絶縁基板１１上に積層された透明電
極層１２、結晶質シリコン系光電変換ユニット層１４、
および裏面電極層１６が複数の光電変換セルを形成する
ように複数の分離溝１３、１７によって分離されてい
て、それら複数セルが複数の接続用溝１５を介して電気
的に直列接続された集積型薄膜太陽電池の製造方法にお
いて、透明基板１１側からスクライブ用レーザビームを
照射して結晶質シリコン系光電変換ユニット層１４の所
定領域と同時に裏面電極層１６の所定領域を吹き飛ばす
ことによって裏面電極分離溝１７を形成し、その後に、
裏面電極分離溝１７内で露出された結晶質シリコン光電
変換ユニット層のうちでレーザビームによる熱影響部を
シリコン可溶液でエッチング除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は集積型薄膜太陽電池
の製造方法に関し、特に、高い光電変換効率を有する結
晶質シリコン系光電変換ユニット層を含む集積型薄膜太
陽電池の製造方法に関するものである。

【０００２】なお、本願明細書において「多結晶」と
「微結晶」と「結晶質」の用語は、薄膜系太陽電池の技
術分野に一般に用いられているように、部分的に非晶質
状態を含むものをも意味するものとする。

【０００３】

【従来の技術】半導体光電変換装置の代表例である太陽
電池としては、単結晶半導体ウェハを利用する単結晶系
太陽電池と半導体薄膜を利用する薄膜系太陽電池とがあ
る。そして、薄膜系太陽電池は、単結晶系太陽電池に比
べて、大面積化が容易でありかつ低コストで製造し得る
という利点を有している。

【０００４】図２は、薄膜系太陽電池の典型的な一例を
模式的な断面図で示している。なお、本願の各図におい
て、図示されている層の厚さなどの寸法関係は図面の明
瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸
法関係を反映してはいない。

【０００５】図２に示されているような薄膜系太陽電池
においては、絶縁基板１上に、第１電極層２、ｐ型また
はｎ型の１導電型層３、実質的にｉ型の光電変換層４、
ｎ型またはｐ型の逆導電型層５、および第２電極層６が
順に積層されている。すなわち、一般に薄膜系太陽電池
においては、光電変換ユニット１０はｐ型層３または５
とｎ型層５または３との間に挟まれたｉ型層４を含んで
いる。比較的大きな厚さを有するｉ型層４が主として光
電変換作用を生じ、ｉ型層４よりはるかに薄いｐ型層３
または５とｎ型層５または３は電界を生じるように作用
する。そして、ｐ型層、ｉ型層およびｎ型層を含む薄膜
光電変換ユニット１０に関して、ｐ型層とｎ型層が結晶
質か非晶質かにかかわらず、光電変換層たるｉ型層４が
結晶質のものを結晶質ユニットと称し、ｉ型層が非晶質
のものを非晶質ユニットと称する。

【０００６】ここで、結晶質ｉ型層は非晶質ｉ型層に比
べて長波長の光まで吸収することができ、結晶質薄膜光
電変換ユニットは非晶質薄膜光電ユニットに比べて長波
長の光をも光電変換に利用し得るという利点を有してい
る。

【０００７】しかし、非晶質薄膜光電変換ユニットに含
まれる非晶質ｉ型光電変換層の厚さは一般に約０．３μ
ｍ以下でも十分であるのに対して、結晶質シリコンの光
吸収係数を考えれば、結晶質薄膜光電変換ユニットに含
まれる結晶質ｉ型光電変換層は一般に約３μｍ以上の厚
さが必要とされる。すなわち、結晶質薄膜光電変換ユニ
ットに含まれる結晶質ｉ型光電変換層は、非晶質薄膜光
電変換ユニットに含まれる非晶質ｉ型光電変換層の約１
０倍以上の厚さが必要とされる。

【０００８】そこで、特開平１１−１４５４９９は、従
来１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）以下の圧力下で行なわれて
いたプラズマＣＶＤによる結晶質ｉ型光電変換層の堆積
を４００Ｐａ（３Ｔｏｒｒ）以上の高い圧力下でシラン
系ガスに対する水素ガスの流量比を５０倍以上に大きく
した状態で行なうことによって、高品質の結晶質ｉ型光
電変換層が約１μｍ／ｈｒ以上の高速度で堆積され得る
ことを開示している。

【０００９】ところで、薄膜太陽電池の製造において
は、ＣＶＤ法やスパッタリングなどによる薄膜の堆積ス
テップとレーザスクライブ法などによるパターニングス
テップの適宜の繰返しや組合せを含む製造プロセスによ
って、所望の構造が形成される。すなわち、通常は１枚
の絶縁基板上に複数の光電変換セルが電気的に直列接続
された集積型構造が採用され、屋外用途のための電力用
太陽電池では、たとえば０．４ｍ×０．８ｍを超えるよ
うな大面積の基板が用いられ、高い出力電圧を生じ得る
装置にされる。

【００１０】図１は、集積型薄膜太陽電池の典型的一例
の構造を模式的な断面図で示している。この集積型薄膜
太陽電池においては、透明絶縁基板１１上に透明電極層
１２、シリコンなどからなる半導体光電変換層１４、お
よび裏面電極層１６が順次積層されており、パターニン
グによって半導体層１４に設けられた接続用開口溝１５
を介して互いに左右に隣接し合う光電変換セルが電気的
に直列接続されている。透明電極層１２としては、一般
にＳｎＯ₂、ＺｎＯ、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）な
どの透明導電性酸化物（ＴＣＯ）の膜またはこれらの積
層が用いられ得る。また、裏面電極層１６としては、Ａ
ｇ、Ａｌ、Ｃｒなどの金属膜が用いられ得る。なお、裏
面電極層１６は、ＴＣＯ膜と金属膜の積層として形成さ
れてもよい。

【００１１】図１に示されているような構造を有する集
積型薄膜太陽電池は、一般に次のような方法によって作
製される。まず、ガラス基板１１上にＴＣＯ膜が透明電
極層１２として堆積され、その透明電極層１２を複数の
短冊状の光電変換セルに対応する複数の領域に分離する
ために、レーザスクライブ法によって透明電極分離溝１
３が形成される。すなわち、これらの透明電極分離溝１
３は、図１の紙面に直交する方向に直線状に延びてい
る。

【００１２】そして、複数の領域に分離された透明電極
層１２を覆うように、プラズマＣＶＤを用いて、ｐｉｎ
接合を含むシリコン系半導体光電変換ユニット層１４が
堆積される。この半導体層１４には左右に隣接する光電
変換セルを電気的に直列接続するための接続用開口溝１
５がレーザスクライブ法によって形成される。これらの
接続用溝１５も、図１の紙面に垂直な方向に直線状に延
びている。

【００１３】続いて、これらの接続用溝１５を埋めかつ
半導体層１４を覆うように、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒなどの金
属膜の単層または複層が裏面電極層１６として堆積され
る。透明電極層１２の場合と同様に、裏面電極層１６を
複数の光電変換セルに対応する複数の領域に分離するよ
うに、裏面電極分離溝１７がレーザスクライブ法によっ
て形成される。これらの裏面電極分離溝１７も図１の紙
面に直交する方向に直線状に延びており、かつ好ましく
は第１電極層１２に至る深さを有している。このように
して、図１に示されているような集積型薄膜太陽電池が
形成される。

【００１４】ところで、このような集積型薄膜太陽電池
においては、透明基板１１上の透明電極層１２を分離す
る透明電極分離溝１３はその透明電極層１２上に堆積さ
れる半導体層１４で埋められていて、その半導体層１４
を介して基板１１に平行な方向に不要な接触をしてい
る。また、複数のセルを接続するための接続用溝１５内
に形成される導電体は光電変換ユニット層１４内のｐ
型、ｉ型およびｎ型のすべての半導体層の側面と接触し
ている。しかし、薄膜太陽電池における光電変換ユニッ
ト層１４の厚みは非常に薄く、特に非晶質シリコン系光
電変換ユニット層ではその非晶質シリコン層自体の抵抗
が高いので、上述のような不要な接触部分を経由して電
流が流れることはほとんどなく、ほぼ完全に光電変換ユ
ニット層の厚み方向に電流が流れるので、上述のような
不要な接触は光電変換ユニットの性能に悪影響を及ぼす
ことはほとんどない。

【００１５】すなわち、図１に示されているような集積
型薄膜太陽電池において、有効発電領域は透明電極１２
と裏面電極１６とが重複している領域Ａであり、領域Ｂ
は発電にはほとんど寄与しない。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上述のようにレーザス
クライブを用いて形成された集積型薄膜太陽電池におい
ては、その薄膜太陽電池に含まれる光電変換ユニット層
１４が非晶質ユニットの場合には有効面積当りの変換効
率は集積化によってほとんど低下することがないが、光
電変換ユニット層１４が結晶質ユニットの場合には集積
化に起因して有効面積当りの変換効率が低下するという
事実がある。

【００１７】このような事実に鑑み、本発明は、結晶質
光電変換ユニット層を含む薄膜太陽電池であっても有効
面積当りの変換効率の低下を招くことなく集積化し得る
方法を提供することを目的としている。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、透明絶
縁基板上に順に積層された透明電極層、少なくとも１の
結晶質シリコン系光電変換ユニット層、および裏面電極
層が複数の細長い短冊状の光電変換セルを形成するよう
に実質的に直線状で互いに平行な複数の分離溝によって
分離されていて、かつそれら複数のセルはそれらの分離
溝に平行な複数の接続用溝を介して互いに電気的に直列
接続された集積型薄膜太陽電池の製造方法において、裏
面電極層を複数の短冊状の裏面電極に分離するための裏
面電極分離溝の形成において、透明基板側からスクライ
ブ用レーザビームを照射することによって結晶質シリコ
ン系光電変換ユニット層の所定領域と同時に裏面電極層
の所定領域を吹き飛ばすことによって裏面電極分離溝を
形成し、その後に、裏面電極分離溝内で露出された結晶
質シリコン系光電変換ユニット層のうちでレーザビーム
による熱影響部をシリコン可溶液でエッチング除去する
ことを特徴としている。

【００１９】そのシリコン可溶液によるエッチングに
は、超音波が印加されることが好ましい。また、シリコ
ン可溶液としては、アルカリ溶液が好ましく用いられ得
る。そのようなアルカリ溶液としては、ＮａＯＨ、ＫＯ
Ｈ、Ｎａ₂ＣＯ₃、Ｋ₂ＣＯ₃、およびＮＨ₄ＯＨから選択
された１つを含む溶液が用いられ得る。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態のより具体的
な例として、以下において、本発明の実施例が比較例と
ともに図１を参照しつつ説明される。

【００２１】（実施例１）本発明の実施例として、図１
に概略的に示されているような形態を有する集積型結晶
質薄膜太陽電池が作製された。まず、ガラス基板１１上
に、透明電極層１２として、熱ＣＶＤ法による厚さ約６
００ｎｍのＳｎＯ₂膜とスパッタ法による厚さ約１０ｎ
ｍのＺｎＯ膜が形成された。この透明電極層１２に対し
て、ガラス基板１１側からレーザスクライブ用のＹＡＧ
レーザビームを焦点合わせして照射することによって、
透明電極分離溝１３が形成された。

【００２２】次に、基板１１がプラズマＣＶＤ成膜用チ
ャンバ内に移され、厚さ６ｎｍのｐ型微結晶シリコン
層、厚さ２．３μｍのノンドープ多結晶シリコン層、お
よび厚さ約１０ｎｍのｎ型微結晶シリコン層を堆積する
ことによって、結晶質半導体光電変換ユニット層１４が
形成された。このときのプラズマＣＶＤによる成膜温度
は、２５０℃であった。この半導体層１４も、透明電極
層１２の場合と同様にＹＡＧレーザを用いてレーザスク
ライブされ、それによって接続用溝１５が形成された。

【００２３】その後、裏面電極層１６として、厚さ約９
０ｎｍのＺｎＯ膜、厚さ約３００ｎｍのＡｇ膜、および
厚さ約６ｎｍのＴｉ膜がスパッタ法によって堆積され
た。こうして形成された裏面電極層１６は、半導体層１
４の場合と同様にレーザスクライブされ、それによって
裏面電極分離溝１７が形成された。

【００２４】これに続いて、裏面電極分離溝１７内で露
出されたシリコン層１４の表面層は、所定深さまでエッ
チング除去された。このエッチングにおいて、３０℃で
１．５ｗｔ％のＮａＯＨ水溶液と超音波振動子が用いら
れ、エッチング時間は５分間であった。そして、そのエ
ッチング処理された薄膜太陽電池は、脱イオン水でリン
ス処理された後にオーブンで乾燥させられた。

【００２５】このようにして、約３０ｃｍ×４０ｃｍの
受光面内で短冊状のセルの２８段が直列接続された太陽
電池モジュールが３０枚作製された。これら３０枚の集
積型薄膜太陽電池モジュールに対してＡＭ１．５の光を
２５℃において１ｋＷ／ｍ²のエネルギ密度で照射した
ときの平均光電変換特性としては、開放端電圧が１３．
４Ｖ、短絡電流が０．７９８Ａ、極性因子が０．７２
２、そして有効面積当りの実効変換効率が７．２８％で
あった。

【００２６】（比較例）裏面電極分離溝１７の形成にお
いてレーザスクライブ後にＮａＯＨ水溶液によるエッチ
ングを行なうことなく脱イオン水を用いた超音波洗浄処
理のみを行なったこと以外は実施例１の場合と同様の方
法と条件で、比較例としての集積型薄膜太陽電池が３０
枚作製された。

【００２７】これらの比較例としての集積型薄膜太陽電
池に対して実施例の場合と同じ条件で光照射したときの
平均光電変換特性において、開放端電圧が１３．０Ｖ、
短絡電流が０．７７５Ａ、極性因子が０．６９、そして
実効変換効率が６．５６％であった。

【００２８】上述の実施例と比較例との比較から明らか
なように、裏面電極分離溝１７が形成された後にＮａＯ
Ｈ水溶液によるエッチング処理が施された実施例による
集積型薄膜太陽電池においては、そのようなエッチング
処理が施されなかった比較例による集積型薄膜太陽電池
に比べて、種々の光電変換特性のすべてにおいて改善さ
れていることが明らかである。

【００２９】ところで、前述のようにレーザスクライブ
を用いて形成された集積型薄膜太陽電池においては、そ
の薄膜太陽電池に含まれる光電変換ユニット層が非晶質
ユニットの場合には有効面積当りの変換効率が集積化に
よってほとんど低下することがないのに対して、光電変
換ユニット層が結晶質ユニットの場合には集積化に起因
して有効面積当りの変換効率の低下が見られるという事
実があった。しかし、この事実の理由は、現時点におい
て必ずしも明らかではない。また、上述のように比較例
による集積型結晶質薄膜太陽電池に比べて実施例による
集積型結晶質薄膜太陽電池における光電変換特性が何ゆ
えに改善されたかの理由も、現時点においては必ずしも
明らかではない。しかし、本発明者の理解によれば、一
応は以下のような理由を考えることができる。

【００３０】まず、集積型非晶質薄膜太陽電池と集積型
結晶質薄膜太陽電池との間の相違に関しては、裏面電極
分離溝１７を形成するときに結晶質薄膜太陽電池におい
ては非晶質薄膜太陽電池に比べて大きなエネルギ密度を
有するレーザビームを使用しなければならないという事
実がある。これは、結晶質シリコン層に比べて非晶質シ
リコン層の方がレーザビームに対して高い吸収係数を有
しており、さらに結晶質光電変換ユニット層に比べて非
晶質光電変換層の方がはるかに薄いので、そのような非
晶質光電変換層とともに裏面電極層を吹き飛ばすために
は比較的小さなエネルギ密度のレーザビームで十分だか
らである。

【００３１】このように、結晶質薄膜太陽電池において
は裏面電極分離溝を形成するために大きなエネルギ密度
のレーザビームを使用しなければならないので、そのレ
ーザビームによって形成された裏面電極分離溝１７内に
露出された半導体層１４の表面にｐ型層やｎ型層から昇
華したドーパント原子やＴＣＯ電極１２の表面から部分
的に昇華したＴＣＯ材料が付着すると考えられる。そし
て、裏面電極分離溝１７内で露出された半導体層表面に
付着したそれらのドーパント原子やＴＣＯ材料が裏面電
極１６とＴＣＯ電極１２との間でリーク電流を生じると
考えられる。

【００３２】さらには、結晶質半導体層１４が高エネル
ギ密度のレーザビームによって加熱された場合に裏面電
極分離溝１７近傍でｐ型やｎ型のドーパント原子が結晶
粒界に沿って素早く拡散することが考えられ、そのよう
な結晶粒界に沿って拡散したドーパント原子を介してリ
ーク電流が生じることも考えられる。

【００３３】以上のような理由によって、非晶質薄膜太
陽電池における裏面電極分離溝の形成ではその裏面電極
分離溝の内壁およびその近傍を介するリーク電流を生じ
ることがないのに対して、大きなエネルギ密度を有する
レーザビームを用いて裏面電極分離溝１７が形成される
結晶質薄膜太陽電池においては、その裏面電極分離溝の
内壁およびその近傍におけるリーク電流のために光電変
換特性が低下するものと考えられる。

【００３４】したがって、上述の実施例におけるように
ＮａＯＨ水溶液で裏面電極分離溝１７の内壁をその表面
から所定厚さまでエッチング除去した場合にそのような
リーク電流の発生を防止することができ、その結果とし
て集積型結晶質薄膜太陽電池の光電変換特性が改善され
たものと考えられる。

【００３５】なお、上述の実施例では１．５ｗｔ％のＮ
ａＯＨ水溶液がエッチャントとして用いられたが、Ｎａ
ＯＨの濃度としては１〜５ｗｔ％の範囲内のものを用い
ることが可能である。また、エッチャントの温度は常温
から７０℃程度の範囲内で他の条件に応じた最適の温度
を選択することができるが、その温度は±３℃の範囲内
で精度よく制御されることが望ましい。さらに、エッチ
ング時間としては、１〜５分程度の範囲内で、他の条件
に応じて適切なエッチング時間を選択することができ
る。さらにまた、上述の実施例はＮａＯＨの水溶液がエ
ッチャントとして利用されたが、ＫＯＨ、Ｎａ₂ＣＯ₃、
Ｋ₂ＣＯ₃、ＮＨ₄ＯＨなどのアルカリ性水溶液をもエッ
チャントとして用いることができる。さらにまた、上述
の実施例では単一の結晶質光電変換ユニット層を含む薄
膜太陽電池については説明されたが、本発明の方法は非
晶質光電変換ユニット層がさらに積層されたハイブリッ
ド型薄膜太陽電池にも適用し得ることはいうまでもな
い。

【００３６】

【発明の効果】以上の次第で、本発明によれば、結晶質
光電変換ユニット層を含む薄膜太陽電池であっても、有
効面積当りの変換効率の低下を招くことなく集積化し得
る方法を提供することができる。また、本発明における
ようなエッチングを利用すれば、裏面電極分離溝の形成
のために用いられるレーザビームの強度が多少強すぎる
場合でも変換効率の低下を防ぎ得るのみならず、レーザ
ビームの強度が多少弱すぎたり焦点深さがずれた場合で
もレーザビームでダメージを受けている領域はエッチン
グ除去されやすいので、そのエッチングによって分離溝
を完成させることもできる。すなわち、本発明によれ
ば、スクライブ用レーザビームの強度範囲や焦点深さ範
囲の許容度が大きくなることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】集積型薄膜太陽電池の集積構造を示す模式的
な断面図である。

【図２】薄膜太陽電池の基本的な積層構造を示す模式
的な断面図である。

【符号の説明】

１絶縁基板、２第１電極層、３１導電型層、４
実質的に真正の光電変換層、５逆導電型層、６裏面
電極層、１０薄膜光電変換ユニット層、１１透明絶縁
基板、１２透明電極層、１３透明電極分離溝、１４
薄膜光電変換ユニット層、１５接続用開口溝、１６
裏面電極層、１７裏面電極分離溝、Ａ有効発電領
域、Ｂ発電不能領域。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年１１月１９日（１９９９．１１．
１９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２５】このようにして、約３０ｃｍ×４０ｃｍの
受光面内で短冊状のセルの２８段が直列接続された太陽
電池モジュールが３０枚作製された。これら３０枚の集
積型薄膜太陽電池モジュールに対してＡＭ１．５の光を
２５℃において１ｋＷ／ｍ²のエネルギ密度で照射した
ときの平均光電変換特性としては、開放端電圧が１３．
４Ｖ、短絡電流が０．７９８Ａ、曲線因子が０．７２
２、そして有効面積当りの実効変換効率が７．２８％で
あった。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２７】これらの比較例としての集積型薄膜太陽電
池に対して実施例の場合と同じ条件で光照射したときの
平均光電変換特性において、開放端電圧が１３．０Ｖ、
短絡電流が０．７７５Ａ、曲線因子が０．６９、そして
実効変換効率が６．５６％であった。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明絶縁基板上に順に積層された透明電
極層、少なくとも１の結晶質シリコン系光電変換ユニッ
ト層、および裏面電極層が複数の細長い短冊状の光電変
換セルを形成するように実質的に直線状で互いに平行な
複数の分離溝によって分離されていて、かつそれら複数
のセルは前記分離溝に平行な複数の接続用溝を介して互
いに電気的に直列接続された集積型薄膜太陽電池の製造
方法であって、前記裏面電極層を複数の短冊状の裏面電極に分離するた
めの裏面電極分離溝の形成において、前記透明基板側からスクライブ用レーザビームを照射す
ることによって前記結晶質シリコン系光電変換ユニット
層の所定領域と同時に前記裏面電極層の所定領域を吹き
飛ばすことによって前記裏面電極分離溝を形成し、その後に、前記裏面電極分離溝内で露出された前記結晶
質シリコン系光電変換ユニット層のうちで前記レーザビ
ームによる熱影響部をシリコン可溶液でエッチング除去
することを特徴とする集積型薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項２】前記シリコン可溶液による前記エッチン
グには超音波が印加されることを特徴とする請求項１に
記載の集積型薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項３】前記シリコン可溶液はアルカリ溶液であ
ることを特徴とする請求項１または２に記載の集積型薄
膜太陽電池の製造方法。
【請求項４】前記アルカリ溶液はＮａＯＨ、ＫＯＨ、
Ｎａ₂ＣＯ₃、Ｋ₂ＣＯ₃、およびＮＨ₄ＯＨから選択され
た１つを含む溶液であることを特徴とする請求項３に記
載の集積型薄膜太陽電池の製造方法。