JP2001267618A - 集積型薄膜光電変換装置の製造方法 - Google Patents
集積型薄膜光電変換装置の製造方法Info
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Abstract
きるハイブリッド型の集積型薄膜光電変換装置の製造方
法を提供する。 【解決手段】 ハイブリッド型の集積型薄膜光電変換装
置101の製造方法では、裏面電極115を分離するた
めの分離溝118の形成において、波長が670nm以
上900nm以下の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
114の所定領域と同時に裏面電極115の所定領域を
吹き飛ばすことによって裏面電極115を分離する分離
溝118を形成することを特徴とする。
Description
変換装置の製造方法に関し、特に、非晶質シリコン系光
電変換ユニット層と、結晶質シリコン系光電変換ユニッ
ト層とにより構成される、いわゆるハイブリッド型の集
積型薄膜光電変換装置の製造方法に関するものである。
る薄膜光電材料として、比較的安価なコストで製造でき
る非晶質(アモルファス)シリコンからなる薄膜光電材
料と、多結晶シリコンからなる薄膜光電材料が知られて
いる。非晶質シリコンからなる薄膜光電材料は、波長が
350〜800nmの比較的短波長の光を吸収する。多
結晶シリコンからなる薄膜光電材料は、波長が700〜
1100nmの比較的長波長の光を吸収する。非晶質シ
リコンからなる薄膜光電材料と多結晶シリコンからなる
薄膜光電材料とを積層して、長波長の光と短波長の光を
両方吸収することにより、高い変換効率を実現できる、
いわゆるハイブリッド型の集積型薄膜光電変換装置が開
発されている。
換装置の製造方法について、以下説明する。図3および
図4は、従来のハイブリッド型の集積型薄膜光電変換装
置の製造方法を説明するための断面図である。図3を参
照して、集積型薄膜光電変換装置を製造する場合には、
まず、ガラス基板111上に透明導電層112を熱CV
D法やスパッタリング法などにより形成する。透明導電
層の材料としては、酸化錫、ITO(インジウム錫酸化
物)、酸化亜鉛などのTCO(透明導電性酸化物)が利
用され得る。透明導電層112にレーザを照射すること
により、分離溝112aを形成する。
により、p型の不純物がドープされたp型シリコン層1
13p、不純物がドープされていない真性半導体からな
る光電変換層としてのi型非晶質シリコン層113i、
およびn型の不純物がドープされたn型シリコン層11
3nを順次形成し、これらが非晶質シリコン系光電変換
ユニット層113を構成する。
VD法により、p型の不純物がドープされたp型シリコ
ン層114p、不純物がドープされていない真性半導体
からなる光電変換層としてのi型多結晶シリコン層11
4i、n型の不純物がドープされたn型シリコン層11
4nを順次形成し、これらが結晶質シリコン系光電変換
ユニット層114を構成する。
厚さの大部分をi型層が占めている。よって、一般に、
p型とn型の導電型層が非晶質か結晶質かにかかわらず
i型層が非晶質のものは非晶質ユニット層と称され、i
型層が結晶質のものは結晶質ユニット層と称される。そ
して、一般に、結晶質ユニット層は、吸収係数が大きく
違うため、非晶質ユニット層に比べて数倍から10倍程
度の厚さにすることが必要とされる。なお、n型シリコ
ン層114nの表面を大気中で保護するために、n型シ
リコン層114nに連続して大気に取り出すことなく酸
化亜鉛からなる酸化物層116が形成される。
1および透明導電層112を介して矢印131で示すよ
うに非晶質シリコン系光電変換ユニット層113と結晶
質シリコン系光電変換ユニット層114とにYAG(イ
ットリウム−アルミニウム−ガーネット)の第2高調波
のレーザ(波長532nm)を照射する。このとき、結
晶質シリコン系光電変換ユニット層114は波長532
nmのレーザ光をあまり吸収することができず、レーザ
光は専ら非晶質シリコン系光電変換ユニット層113に
吸収されて発熱する。そして、非晶質シリコン系光電変
換ユニット層113が高温となって吹き飛ぶのに伴っ
て、その上の結晶質シリコン系光電変換ユニット層11
4と酸化物層116も同時に吹き飛び、接続溝117が
形成される(工程A)。
かつ酸化物層116の表面を覆うように裏面電極115
をスパッタリングや蒸着などにより形成する。裏面電極
115の材料としては、Ag、Al、Au、Cu、P
t、Ti、Crなどの種々の金属を利用することがで
き、TCO層と金属層の積層として構成される場合もあ
る。次に、矢印121で示すように、ガラス基板111
および透明導電層112を介して非晶質シリコン系光電
変換ユニット層113および結晶質シリコン系光電変換
ユニット層114にYAGの第2高調波レーザを照射す
る。この際にも、専ら非晶質シリコン系光電変換ユニッ
ト層113がレーザ光を吸収して高温となって吹き飛ぶ
のに伴い、その上の結晶質シリコン系光電変換ユニット
層114、酸化物層116、および裏面電極115も同
時に吹き飛び、分離溝118が形成される。これによ
り、集積型薄膜光電変換装置101が得られる。なお、
一般には、分離溝118を埋めかつ裏面電極115を保
護するために、保護樹脂層がさらに付与される。
で生じる問題点について以下に説明する。図5は、非晶
質シリコンと多結晶シリコンについて、光の波長と規格
化された吸収効率との関係を示すグラフである。吸収効
率とは、入射した光のうち、どれだけの光を吸収するか
を示す割合である。図5中点線は非晶質シリコンの吸収
効率を示し、実線は多結晶シリコンの吸収効率を示す。
図5より、非晶質シリコンでは、光の波長が500nm
付近で吸収効率が最大となり、その波長から外れるに従
って吸収効率は低下する。これに対して、多結晶シリコ
ンでは、光の波長が700nm付近で吸収効率が最大と
なり、この波長から外れるに従って吸収効率が低下す
る。
では、レーザとして、波長が532nmのYAGの第2
高調波レーザを用いている。この波長は非晶質シリコン
の吸収効率が最も高い波長であるが、多結晶シリコンに
対しては吸収効率が低い波長である。そのため、図3お
よび図4で示す工程Aおよび工程BでYAGの第2高調
波レーザを照射した場合、レーザ光のエネルギは専ら非
晶質ユニット層113のみによって吸収されて発熱す
る。したがって、薄い非晶質ユニット層113のみの発
熱によってその上のはるかに厚い結晶質ユニット層11
4などをも同時に吹き飛ばすことは容易ではない。特
に、非晶質ユニット層113から金属層を含む裏面電極
115までを同時に吹き飛ばして分離溝118を形成す
ることは容易ではない。
十分であれば、分離溝118の形成が不完全となって、
隣接するセル間で短絡を生じやすくなる。他方、不完全
な分離溝118の形成になることを避けるためにレーザ
パワーを上げ過ぎれば、透明導電層112がダメージを
受け、集積型薄膜光電変換装置の直列抵抗の増大などを
生じ、その光電変換特性の低下を生じやすくなる。
は、正常な接続用溝117や分離溝118を形成するた
めの適正なレーザ照射条件が極めて狭い範囲に限定され
て高度に制御されなければならず、良好なスクライブを
簡便に実施することが困難であるという問題がある。
を解決するためになされたものであり、良好なスクライ
ブを簡便に実施することができる集積型薄膜光電変換装
置の製造方法を提供することである。
従った集積型薄膜光電変換装置の製造方法は、透明絶縁
基板上に順に積層された透明電極層、非晶質シリコン系
光電変換ユニット層、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光電変換装置の製造方法で
ある。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、波長が670n
m以上900nm以下の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することを特徴と
するものである。
00nm以下のスクライブ用レーザビームを照射すると
ともに、波長が350nm以上650nm以下のスクラ
イブ用レーザビームをも照射することによって裏面電極
分離溝を形成することを特徴とする。
電変換装置の製造方法は、透明絶縁基板上に順に積層さ
れた透明電極層、非晶質シリコン系光電変換ユニット
層、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
集積型薄膜光電変換装置の製造方法である。接続用溝の
形成において、波長が350nm以上650nm以下の
スクライブ用レーザビームと波長が670nm以上90
0nm以下のスクライブ用レーザビームを照射して非晶
質シリコン系光電変換ユニット層の所定領域および結晶
質シリコン系光電変換ユニット層の所定領域を吹き飛ば
すことによって接続用溝を形成することを特徴とする。
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、波長が670nm以上900nm以下のスクラ
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するこ
とを特徴とする。
べて、プロセスウインドウが広く、工程が安定するとい
う効果がある。また、必要最小限のレーザパワーで加工
できるため、モジュールへのダメージが小さくなり、出
力が向上するという効果がある。
例について図面を参照して説明する。
に従った集積型薄膜光電変換装置の製造方法を説明する
ために示す断面図である。図1を参照して、透明絶縁基
板としてのガラス基板111上に酸化錫からなる厚さ約
700nmの透明導電層112を熱CVD法により形成
する。透明導電層112の一部分にレーザを照射するこ
とにより分離溝112aを形成する。
によって、p型の不純物がドープされたp型シリコン層
113pと、不純物がドープされていない真性半導体か
らなる光電変換層としてのi型非晶質シリコン層113
iと、n型の不純物がドープされたn型シリコン層11
3nとを順次形成して、厚さ約0.3μmの非晶質シリ
コン系光電変換ユニット層113を構成する。
3上に、プラズマCVD法により、n型シリコン層11
4nと、不純物がドープされていない真性半導体からな
る光電変換層としてのi型多結晶シリコン層114i
と、p型の不純物がドープされたp型シリコン層114
pとを順次形成して、厚さ約2.0μmの結晶質シリコ
ン系光電変換ユニット層114を構成する。結晶質シリ
コン系光電変換ユニット層114上にスパッタリングに
より酸化亜鉛からなる厚さ約50nmの酸化物層116
を形成する。
ン系光電変換ユニット層113および結晶質シリコン系
光電変換ユニット層114の一部分に、矢印31で示す
ようにレーザを照射する。このスクライブ用のレーザビ
ーム照射工程においては、波長が350nm以上650
nm以下のレーザと波長が670nm以上900nm以
下のレーザの両方を照射することが好ましい。
ーザとして、YAGの第2高調波レーザを用いることが
できる。レーザの波長を350nm以上としたのは、レ
ーザの波長が350nm未満では、非晶質シリコンがレ
ーザを吸収せず非晶質シリコンを十分に加熱することが
できないからである。また、レーザの波長を650nm
以下としたのは、レーザの波長が650nmを超える
と、非晶質シリコンでのレーザの吸収が少なくなり、非
晶質シリコンを十分に加熱することができないからであ
る。
ーザとして、ルビーレーザ(波長694nm)、アレキ
サンドライトレーザ(波長700〜830nm)および
半導体レーザとしてのGaAlAsレーザを用いること
ができる。レーザの波長を670nm以上としたのは、
レーザの波長が670nmより短いと、多結晶シリコン
でのレーザの吸収が急激に減少し多結晶シリコンを加熱
できなくなるからである。また、レーザの波長を900
nm以下としたのは、レーザの波長が900nmを超え
ると多結晶シリコンでのレーザの吸収が少なくなり、多
結晶シリコンを十分に加熱できないからである。
照射された非晶質シリコン系光電変換ユニット層113
と結晶質シリコン系光電変換ユニット層114は、その
両方の部分が高温となって吹き飛ぶ。このとき同時に、
結晶質シリコン系光電変換ユニット層114上の酸化物
層116も吹き飛ぶ。これにより、非晶質シリコン系光
電変換ユニット層113、結晶質シリコン系光電変換ユ
ニット層114、および酸化物層116を貫通して透明
導電層112に達する接続溝117が形成される(工程
A)。
つ酸化物層116を覆うように、厚さ約30nmの酸化
亜鉛と厚さ約300nmの銀との積層からなる裏面電極
115を形成する。この裏面電極115をセルごとに分
離する溝118を形成するために、矢印21で示すよう
に、非晶質シリコン系光電変換ユニット層113および
結晶質シリコン系光電変換ユニット層114にレーザを
照射する。このスクライブ用レーザビーム照射工程で
は、波長が670nm以上900nm以下のレーザを照
射することができる。その例として、上述のルビーレー
ザ、アレキサンドライトレーザ、GaAlAsレーザを
用いることができる。さらに、分離溝118の底部を透
明導電層112まで掘り下げることが望まれる場合に
は、波長が670nm以上900nm以下のレーザとと
もに、波長が350nm以上650nm以下の短波長の
レーザを照射してもよい。このレーザとして、上述のY
AGの第2高調波レーザを用いることができる。
変換ユニット層113および結晶質シリコン系光電変換
ユニット層114の部分が高温となって吹き飛ぶと同時
にその上に位置する酸化物層116および裏面電極11
5の一部分も吹き飛ぶ。これにより、非晶質シリコン系
光電変換ユニット層113、結晶質シリコン系光電変換
ユニット層114、酸化物層116および裏面電極11
5を貫通し、透明導電層112に達する分離溝118が
形成される。なお、分離溝118を形成する際には、最
小限裏面電極115が分離されればよい。
順に積層された透明導電層112、非晶質シリコン系光
電変換ユニット113、結晶質シリコン系光電変換ユニ
ット114、酸化物層116および裏面電極115が、
複数の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118によって分離
されていて、かつそれら複数のセルは分離溝118に平
行な複数の接続用溝117を介して互いに電気的に直列
接続されたハイブリッド型の集積型薄膜光電変換装置1
01が得られる。なお、分離溝118を埋めかつ裏面電
極115を保護するために、保護樹脂層が付与されても
よいことはいうまでもない。
以下の3種類のレーザ加工方法1,2および3を用意し
た。
0.5Wで周波数が5kHzのものを用いた。スポット
直径を70μm、スクライブ速度を100mm/秒と
し、1回のビーム走査でスクライブを行う。
レーザ加工方法3と同様の条件で加工した後に波長が5
32nmのYAGの第2高調波レーザを用いレーザ加工
方法1と同様の条件で加工を行う。
10mWで周波数が1kHzのレーザ4本を同期発振さ
せる。4本のレーザビームを一点に集中させる。集中し
た部分のスポットの直径は20μmであり、スクライブ
速度は10mm/秒である。このレーザビームでは、ス
ポットの直径が小さいために、互いに部分的に重なる6
本の走査線を描くようにスクライブを行う。また、隣り
合う走査線の間の距離は10μmとする。
ち、図1で示す接続溝117を形成する工程Aではレー
ザ加工方法1および2のいずれかを用いた。また、分離
溝118を形成する工程Bでは、上述のレーザ加工方法
1〜3のいずれかを用いた。これらの方法により、平面
積が1cm×10cmのセルを10段直列接続(全平面
積10cm×10cm)されたハイブリッド型の集積型
薄膜光電変換装置サンプル1〜6をそれぞれ10個ずつ
製造し、それらの平均変換効率をAM1.5、100m
W/cm2、および25℃の条件のソーラシミュレータ
で求めた。その結果を表1に示す。
波長が532nmのYAGの第2高調波レーザを用いた
従来品であり、平均変換効率は低い。これに対して、本
発明品であるサンプル2〜6については、いずれも従来
品より高い変換効率を有している。特に、工程Aにおい
て短波長のレーザと長波長のレーザとを照射し、工程B
において長波長のレーザを使用したサンプル6が特に高
い平均変換効率を有していることがわかる。
換効率の高い薄膜光電変換装置を得ることができること
がわかる。さらに、工程Bで長波長のレーザを使用する
ことにより高い平均変換効率を達成することができるこ
とがわかる。
いた工程Aにおいて、波長が700nmのレーザの3回
目の走査時に波長が532nmのレーザを同時に照射し
た。これにより平均変換効率が0.1%上昇することも
判明した。
したが、ここで示した実施の形態はさまざまに変形する
ことが可能である。まず、レーザの種類としては、上述
のレーザだけでなく、He−Neレーザ(波長632.
8nm)、Kr+レーザ(波長647nm)、または従
来用いられているレーザを使用することができる。さら
に、レーザの周波数やレーザの出力は必要に応じて適宜
変えることができる。
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。
簡便に実施することができるハイブリッド型の集積型薄
膜光電変換装置の製造方法を提供することができる。
型の集積型薄膜光電変換装置の製造方法の第1工程を示
す断面図である。
型の集積型薄膜光電変換装置の製造方法の第2工程を示
す断面図である。
装置の製造方法の第1工程を示す断面図である。
装置の製造方法の第2工程を示す断面図である。
光の波長と規格化された吸収効率との関係を示すグラフ
である。
11 ガラス基板、113 非晶質シリコン系光電変換
ユニット層、114 結晶質シリコン系光電変換ユニッ
ト層、115 裏面電極、116 酸化物層、117,
118 溝。
Claims (4)
- 【請求項1】 透明絶縁基板上に順に積層された透明電
極層、非晶質シリコン系光電変換ユニット層、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
薄膜光電変換装置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、 波長が670nm以上900nm以下のスクライブ用レ
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
を形成することを特徴とする、集積型薄膜光電変換装置
の製造方法。 - 【請求項2】 前記波長が670nm以上900nm以
下のスクライブ用レーザビームを照射するとともに、波
長が350nm以上650nm以下のスクライブ用レー
ザビームをも照射することによって前記裏面電極分離溝
を形成することを特徴とする、請求項1に記載の集積型
薄膜光電変換装置の製造方法。 - 【請求項3】 透明絶縁基板上に順に積層された透明電
極層、非晶質シリコン系光電変換ユニット層、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
薄膜光電変換装置の製造方法であって、 前記接続用溝の形成において、 波長が350nm以上650nm以下のスクライブ用レ
ーザビームと波長が670nm以上900nm以下のス
クライブ用レーザビームとを照射して前記非晶質シリコ
ン系光電変換ユニット層の所定領域および前記結晶質シ
リコン系光電変換ユニット層の所定領域を吹き飛ばすこ
とによって前記接続用溝を形成することを特徴とする、
集積型薄膜光電変換装置の製造方法。 - 【請求項4】 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、 波長が670nm以上900nm以下のスクライブ用レ
ーザビームを照射し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す
ることを特徴とする、請求項3に記載の集積型薄膜光電
変換装置の製造方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000076022A JP2001267618A (ja) | 2000-03-17 | 2000-03-17 | 集積型薄膜光電変換装置の製造方法 |
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JP2000076022A JP2001267618A (ja) | 2000-03-17 | 2000-03-17 | 集積型薄膜光電変換装置の製造方法 |
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