JP2001308362A - 集積型ハイブリッド薄膜太陽電池の製造方法 - Google Patents
集積型ハイブリッド薄膜太陽電池の製造方法Info
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Abstract
変換効率を維持しつつ、その集積化を容易にするととも
に生産歩留まりを改善する。 【解決手段】 透明絶縁基板101上で順に積層された
透明電極層102、非晶質半導体光電変換ユニット層1
10、結晶質半導体光電変換ユニット層120、および
裏面電極層130が複数のハイブリッド光電変換セルを
形成するように複数の分離溝105,107によって分
離されていて、かつそれらの複数のセルが接続用溝10
6を介して互いに電気的に直列接続された集積型ハイブ
リッド薄膜太陽電池の製造方法において、結晶質光電変
換ユニット層120は1〜1.5μmの範囲内の厚さに
堆積され、裏面電極層130はレーザスクライブによっ
て複数のセルに対応した複数の裏面電極に分離され、レ
ーザスクライブによる残滓を除去するための洗浄が行な
われることを特徴としている。
Description
薄膜太陽電池に関し、特に、その高い光電変換効率を維
持しつつ集積化を容易にするとともに生産歩留まりを改
善する技術に関するものである。
とも表面が絶縁性の基板上に順に積層された第1電極、
1以上の半導体薄膜光電変換ユニット、および第2電極
を含んでいる。そして、1つの光電変換ユニットはp型
層とn型層でサンドイッチされたi型層を含んでいる。
i型層は実質的に真性の半導体層であって、光電変換作
用は主としてこのi型層内で生じる。したがって、i型
光電変換層は、光吸収の観点のみからすれば厚い方が好
ましい。他方、p型やn型の導電型層は光電変換ユニッ
ト内に拡散電位を生じさせる役割を果たし、この拡散電
位の大きさによって光電変換装置の重要な特性の1つで
ある開放端電圧の値が左右される。しかし、これらの導
電型層は光電変換に直接寄与しない不活性な層であり、
導電型層にドープされた不純物によって吸収される光は
発電に寄与しない損失となる。したがって、p型とn型
の導電型層は、十分な拡散電位を生じさせる範囲内であ
れば、できるだけ小さな厚さを有することが好ましい。
は、それに含まれるp型とn型の導電型層が非晶質か結
晶質かに関わらず、その主要部を占めるi型の光電変換
層が非晶質のものは非晶質ユニットと称され、i型層が
結晶質のものは結晶質ユニットと称される。
させる方法として、2以上の光電変換ユニットを積層し
てタンデム型にする方法がある。この方法においては、
薄膜太陽電池の光入射側に大きなエネルギバンドギャッ
プを有する光電変換層を含む前方ユニットを配置し、そ
の後ろに順に小さなバンドギャップを有する(たとえば
SiGe合金などの)光電変換層を含む後方ユニットを
配置することにより、入射光の広い波長範囲にわたって
光電変換を可能にし、これによって太陽電池全体として
の変換効率の向上が図られる。このようなタンデム型薄
膜太陽電池の中でも、非晶質光電変換ユニットと結晶質
光電変換ユニットを積層したものはハイブリッド薄膜太
陽電池と称される。
し得る光の波長は長波長側において800nm程度まで
であるが、i型結晶質シリコンはそれより長い約110
0nm程度の波長の光までを光電変換することができ
る。ここで、光吸収係数の大きな非晶質シリコン光電変
換層は光吸収のためには300nm未満の厚さでも十分
であるが、光吸収係数の小さな結晶質シリコン光電変換
層は長波長の光をも十分に吸収するためには3μm以上
の厚さを有することが好ましい。また、結晶質シリコン
光電変換層は比較的小さな電気抵抗率を有しているの
で、3μm以上の厚さにされても問題はないが、非晶質
シリコン光電変換層は比較的大きな抵抗率を有している
ので、光吸収に必要な厚さを超えて厚くすることは好ま
しくない。
薄膜太陽電池では、それに含まれる結晶質光電変換層の
厚さが一般に3μm以上にされるとともに、非晶質光電
変換層の厚さが300nm以下にされることが多い。す
なわち、従来のハイブリッド薄膜太陽電池では、結晶質
光電変換層の厚さは非晶質光電変換層の厚さの約10倍
程度にされている。
で高出力を生じ得る大面積の薄膜太陽電池を作製する場
合、大きな基板上に形成された薄膜太陽電池を複数個直
列接続して用いるのではなく、歩留まりを良くするため
に、大きな基板上に形成された薄膜太陽電池を複数のセ
ルに分割し、それらのセルを直列接続して集積化するの
が一般的である。特に、ガラス基板側から光を入射させ
るpin型薄膜太陽電池においては、ガラス基板上の透
明導電性酸化物(TCO)電極層の抵抗によるロスを低
減するために、レーザスクライブ法でその透明電極層を
所定幅の短冊状に加工し、その短冊状の長手方向に直交
する方向に各セルを直列接続して集積化するのが一般的
である。
陽電池の典型的な一例の裏面が模式的な平面図で示され
ている。図2は、図1中において楕円2Aで囲まれた領
域の拡大された断面構造を模式的に示している。そし
て、図3は、図2中において楕円3Aで囲まれた領域の
より詳細な積層構造をさらに拡大した模式的な断面図で
示している。
ブリッド薄膜太陽電池の製造においては、矩形の光電変
換領域を形成するために十分な大きさを有する透明絶縁
基板101として、一般にガラス基板が用いられる。ガ
ラス基板101上には透明電極層102として、たとえ
ば厚さ700nmのSnO2層が熱CVD法で形成され
る。透明電極層102は、レーザスクライブで幅約10
0μmの透明電極分離溝105を形成することによっ
て、約10mmの幅Wを有する短冊状透明電極に分離さ
れる。スクライブ後の残滓は水または有機溶剤を用いた
超音波洗浄で除去される。なお、洗浄方法としては、粘
着剤や噴射ガスなどを用いて残滓を除去する方法も可能
である。
2上には、非晶質光電変換ユニット層110と結晶質光
電変換ユニット層120が、この順にプラズマCVD法
で積層される。非晶質光電変換ユニット層110に含ま
れるi型非晶質光電変換層112として、厚さ約300
nmのノンドープ非晶質シリコン層が堆積される。結晶
質光電変換ユニット層120に含まれるi型結晶質光電
変換層122としては、厚さ約3.0μmのノンドープ
結晶質シリコン層が堆積される。他方、非晶質光電変換
ユニット層110と結晶質光電変換ユニット層120に
それぞれ含まれるp型層としてはp型シリコンカーバイ
ド層111とp型微結晶シリコン層121が形成され、
n型導電層113と123としてはいずれもn型シリコ
ン層が形成される。なお、n型シリコン層123上に
は、その表面を大気から保護するために、TCO層13
1に含まれる部分的層として厚さ約50nmのZnO層
がスパッタリング法で形成される。
ト層110と結晶質光電変換ユニット層120は、透明
電極層102の場合と同様にレーザスクライブによって
形成された半導体層分割溝106によって、複数の短冊
状の半導体領域に分割される。なお、この半導体層分割
溝106は互いに隣接するセル間で透明電極102と裏
面電極130を電気的に接続するために利用されるもの
なので、部分的にスクライブの残滓が残っていても問題
とならず、超音波洗浄は省略されてもよい。
と120上には、裏面電極層130として、前述のTC
O層131に含まれる厚さ約50nmのZnO部分層に
加えて厚さ約30nmのZnO部分層と厚さ約300n
mのAg層132がスパッタリング法で形成される。こ
のとき、半導体層分割溝106は接続用溝として働き、
裏面電極130はその接続用溝106を介して短冊状透
明電極102へ電気的に接続される。
0の場合と同様のレーザスクライブによってパターニン
グされ、半導体層110および120とともに裏面電極
層130を局所的に吹き飛ばすことによって複数の裏面
電極分離溝107が形成された後に超音波洗浄される。
これによって複数の短冊状ハイブリッド光電変換セルが
形成され、それらのセルは接続用溝106を介して互い
に電気的に直列接続されていることになる。最後に、薄
膜太陽電池の裏面側は封止樹脂(図示せず)が付与され
て保護される。
イブリッド薄膜太陽電池において、光電変換領域の少な
くとも一辺の長さLが20cm以上に大きくなった場合
に、裏面電極分離溝107をレーザスクライブで形成し
た後に超音波洗浄したときに、多数の領域で径が約0.
5mm以上のアイランド状の膜の剥がれが生じやすくな
ることを本発明者は見出した。このような膜の剥がれに
おいては、薄膜太陽電池の面積が大きくなるに従ってそ
れらのアイランドの密度が増大するとともに、各アイラ
ンドの径も増大する傾向にある。また、洗浄方法として
噴射ガスや粘着剤を利用した場合でも、薄膜太陽電池の
面積が大きくなるに従って膜の剥がれの面積密度が増大
する傾向は同様である。そして、このような膜の剥がれ
は、当然に薄膜太陽電池の性能低下の原因となる。
法において本発明者が見出したこのような課題に鑑み、
本発明は、集積型ハイブリッド薄膜太陽電池の高い光電
変換効率を維持しつつ、その集積化を容易にするととも
に生産歩留まりを改善し得る技術を提供することを目的
としている。
縁基板上で順に積層された透明電極層、非晶質半導体光
電変換ユニット層、結晶質半導体光電変換ユニット層、
および裏面電極層が複数のハイブリッド光電変換セルを
形成するように複数の分離溝によって分離されていて、
かつそれらの複数のセルが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ハイブリッド薄膜太陽電池の
製造方法においては、結晶質光電変換ユニット層が1〜
1.5μmの範囲内の厚さに堆積され、裏面電極層はレ
ーザスクライブによって複数のセルに対応した複数の裏
面電極に分離され、そのレーザスクライブによる残滓を
除去するための洗浄が行なわれることを特徴としてい
る。
積の割合は10%以下であることが望まれる。
いた超音波洗浄が好ましく利用され得る。
も一辺が20cm以上である大面積の集積型ハイブリッ
ド薄膜太陽電池において膜剥がれを防止する効果を顕著
に発揮することができる。
は、裏面電極層をレーザスクライブして洗浄した後の3
日以内にその裏面側が樹脂封止されることが好ましい。
説明された集積型ハイブリッド薄膜太陽電池の製造方法
における問題点の原因を推定するために、以下のような
実験1〜3を行なった。
ーザスクライブで裏面電極分離溝107を形成した後
に、超音波洗浄を多数回繰返して、意図的に基板101
上で膜剥がれ領域を生じさせた。そして、膜剥がれ領域
において、ガラス基板101を通して光を照射し、その
領域の光透過率における光波長依存性を測定した。
ラス基板101上に透明電極層102と非晶質光電変換
ユニット層110までを堆積した。そして、実験1の場
合と同様にガラス基板101を通して光を照射し、透過
率を測定した。
ラス基板101上に透明電極層102、非晶質光電変換
ユニット層110、および結晶質光電変換ユニット層1
20までを堆積した。そして、実験1および2と同様に
ガラス基板101を通して光を照射し、透過率を測定し
た。
結果が示されている。すなわち、図4のグラフにおいて
横軸は照射光の波長(nm)を表わし、縦軸は透過率
(%)を表わしている。また、グラフ中で●印を伴った
細い実線の曲線は実験1の結果を示し、破線の曲線は実
験2の結果を示し、そして太い実線の曲線は実験3の結
果を示している。
における透過率の波長依存性は、実験3よりもむしろ実
験2の結果に非常に近似したものとなっている。このこ
とは、裏面電極分離溝107をレーザスクライブした後
の超音波洗浄によって生じた膜剥がれ領域において、裏
面電極130と結晶質光電変換ユニット層120とが剥
がれ落ちているが、非晶質光電変換ユニット層110は
残存していることを意味している。すなわち、基板10
1上における超音波洗浄による膜剥がれは、非晶質光電
変換ユニット層110と結晶質光電変換ユニット層12
0との間の界面近傍で生じやすいことがわかる。このこ
との原因としては、本発明者の理解では以下のような理
由が考えられる。
コン薄膜を堆積した場合、その薄膜中には残留歪みが存
在する。その場合に、非晶質シリコン層内では元々原子
の配列がランダムなので、残留歪みが緩和しやすい傾向
にある。他方、結晶質シリコン層内では原子が規則的に
配列されているので、残留歪みが緩和しにくい傾向にあ
る。さらに、結晶質光電変換ユニット層120は非晶質
光電変換ユニット層110に比べてはるかに大きな厚さ
を有しているので、これら両層の界面近傍には大きな残
留応力が存在しやすくなる傾向にある。したがって、こ
のような状況下において、超音波洗浄時の振動のように
外的な機械的力が付加された場合に、その外力と残留応
力とが重畳して結晶質光電変換ユニット層120と非晶
質光電変換ユニット層110との界面近傍で剥離が生じ
やすいものと考えられる。このような剥離は、超音波洗
浄の外力に限られることなく、噴射ガスや粘着剤を用い
た洗浄時の外力によっても同様に生じやすくなると考え
られる。
び分析に基づいて、以下のような種々の比較例および実
施例による集積型ハイブリッド薄膜太陽電池を作製し
た。
ブリッド薄膜太陽電池と同様な製法と条件の下で、比較
例としての太陽電池が作製された。ただし、ガラス基板
101としては、910cm×45.5cmの面積を有
する大きなガラス基板が用いられた。また、非晶質光電
変換ユニット層110の厚さは300nmにされ、結晶
質光電変換ユニット層の厚さは1.6μmにされた。さ
らに、裏面電極分離溝107をレーザスクライブした後
に超音波洗浄したところ、基板上の膜剥がれ領域は面積
比で約50%にも達していた。なお、集積化された後の
直列接続されたセルの段数は48段であった。
について、超音波洗浄後にまもなく照射光103として
ソーラシミュレータを用いてAM1.5のスペクトル分
布で100mW/cm2のエネルギ密度の擬似太陽光を
照射したところ、その光電変換効率は7.0%にすぎな
かった。
が、比較例と同様にして作製された。ただし、非晶質光
電変換ユニット層110の厚さは270nmにされ、結
晶質光電変換ユニット層120の厚さは1.5μmにさ
れた。この実施例1において裏面電極分離溝107をレ
ーザスクライブした後に超音波洗浄したところ、基板上
の膜剥がれ領域の面積比は約9%であった。
池について比較例の場合と同一の条件で擬似太陽光を照
射したところ、その光電変換効率は12.0%であり、
比較例に比べて著しく改善されていた。
が、比較例と同様にして作製された。ただし、非晶質光
電変換ユニット層110の厚さは240nmにされ、結
晶質光電変換ユニット層120の厚さは1.4μmにさ
れた。この実施例2において裏面電極分離溝107をレ
ーザスクライブした後に超音波洗浄したところ、基板上
の膜剥がれ領域の面積比は約3%であった。
池について比較例の場合と同一の条件で擬似太陽光を照
射したところ、その光電変換効率は11.1%であっ
た。
池が、比較例と同様にして作製された。ただし、非晶質
光電変換ユニット層110の厚さは210nmにされ、
結晶質光電変換ユニット層120の厚さは1.3μmに
された。この実施例3において裏面電極分離溝107を
レーザスクライブした後に超音波洗浄したところ、基板
上の膜剥がれ領域は生じなかった。
池について比較例の場合と同一の条件で擬似太陽光を照
射したところ、その光電変換効率は10.3%であっ
た。
池が、比較例と同様にして作製された。ただし、非晶質
光電変換ユニット層110の厚さは180nmにされ、
結晶質光電変換ユニット層120の厚さは1.2μmに
された。この実施例4において裏面電極分離溝107を
レーザスクライブした後に超音波洗浄したところ、基板
上の膜剥がれ領域は生じなかった。
ついて比較例の場合と同一の条件で擬似太陽光を照射し
たところ、その光電変換効率は9.6%であった。
池が、比較例と同様にして作製された。ただし、非晶質
光電変換ユニット層110の厚さは150nmにされ、
結晶質光電変換ユニット層120の厚さは1.1μmに
された。この実施例5において裏面電極分離溝107を
レーザスクライブした後に超音波洗浄したところ、基板
上に膜剥がれ領域は生じなかった。
池について比較例の場合と同一の条件で擬似太陽光を照
射したところ、その光電変換効率は9.0%であり、依
然として比較例に比べて明らかに改善されていた。
るように、結晶質光電変換ユニット層120の厚さが
1.3μm以下の場合に基板上で膜剥がれ領域が生じな
いことがわかる。
れるように、基板上で膜剥がれ領域が生じない場合にお
いて、結晶質光電変換ユニット層120の厚さが薄くな
るに従って光電変換効率が少しずつ低下している。これ
は、結晶質光電変換ユニット層120の厚さが薄くなる
に従ってその結晶質光電変換ユニット層内における光吸
収量が低減するためであると考えられる。なお、比較例
および種々の実施例において結晶質光電変換ユニット層
120の厚さの変化に伴って非晶質光電変換ユニット層
110の厚さも変化させられているのは、結晶質光電変
換ユニット層120と非晶質光電変換ユニット層110
との間の出力電流バランスを最適化するためである。
おいて部分的に膜剥がれが生じているが、それらの光電
変換効率は実施例3〜5よりも高くなっている。これ
は、基板上において多少の膜剥がれ領域が生じても、そ
れによる変換効率の低下よりも結晶質光電変換ユニット
層120の膜厚の増大に伴う光吸収量の増加による変換
効率の増大の効果が優っているからであると考えられ
る。しかし、比較例におけるように、膜剥がれ領域の面
積比が50%にも達すれば、いかに結晶質光電変換ユニ
ット層120の膜厚増大による光吸収量の増大効果があ
るとしても、総合としての変換効率が顕著に低下するこ
とがわかる。
陽電池の裏面を大気中で露出したまま放置すれば、膜剥
がれ領域の境界部における残留応力の集中によって膜剥
がれ領域が拡大することがわかった。他方、薄膜太陽電
池の裏面を超音波洗浄した後の3日以内にEVA(エチ
レン酢酸ビニル共重合体)などの封止樹脂によってその
裏面を保護した場合には、その後の光電変換特性の経時
的な低下が見られず、外観が損なわれることもないこと
がわかった。
ハイブリッド薄膜太陽電池の高い光電変換効率を維持し
つつ、その集積化を容易にするとともに生産歩留まりを
改善することができる。
一例の裏面を示す模式的な平面図である。
層構造を拡大して示す模式的な断面図である。
な積層構造をさらに拡大して示す模式的な断面図であ
る。
の関係を示すグラフである。
域、101 透明絶縁基板、102 透明電極層、10
3 入射光、105 透明電極分離溝、106半導体層
分割溝、107 裏面電極分離溝、110 非晶質光電
変換ユニット層、120 結晶質光電変換ユニット層、
130 裏面電極層、111 p型導電層、112 i
型非晶質光電変換層、113 n型導電層、121 p
型導電層、122 i型結晶質光電変換層、123 n
型導電層、131 透明導電性酸化物層、132 金属
層。
Claims (5)
- 【請求項1】 透明絶縁基板上に順に積層された透明電
極層、非晶質半導体光電変換ユニット層、結晶質半導体
光電変換ユニット層、および裏面電極層が複数のハイブ
リッド光電変換セルを形成するように複数の分離溝によ
って分離されていて、かつそれらの複数のセルが接続用
溝を介して互いに電気的に直列接続された集積型ハイブ
リッド薄膜太陽電池の製造方法であって、 前記結晶質光電変換ユニット層は1〜1.5μmの範囲
内の厚さに堆積され、 前記裏面電極層はレーザスクライブによって前記複数の
セルに対応した複数の裏面電極に分離され、 前記レーザスクライブによる残滓を除去するための洗浄
が行なわれることを特徴とする集積型ハイブリッド薄膜
太陽電池の製造方法。 - 【請求項2】 前記洗浄によって前記基板上で薄膜が剥
がれる面積の割合が10%以下であることを特徴とする
請求項1に記載の集積型ハイブリッド薄膜太陽電池の製
造方法。 - 【請求項3】 前記洗浄として、水または有機溶剤を用
いた超音波洗浄が利用されることを特徴とする請求項1
または2に記載の集積型ハイブリッド薄膜太陽電池の製
造方法。 - 【請求項4】 前記基板は少なくとも一辺が20cm以
上の大きさを有していることを特徴とする請求項1から
3のいずれかの項に記載の集積型ハイブリッド薄膜太陽
電池の製造方法。 - 【請求項5】 前記薄膜太陽電池の裏面電極側は前記洗
浄後の3日以内に樹脂封止されることを特徴とする請求
項1から4のいずれかの項に記載の集積型ハイブリッド
薄膜太陽電池の製造方法。
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