JP2002033495A

JP2002033495A - 光起電力装置の製造方法

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Publication number: JP2002033495A
Application number: JP2000213130A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kuroda; 雅博黒田; Kazutaka Uda; 和孝宇田; Yasuhiro Yamauchi; 康弘山内; Yoshiaki Takeuchi; 良昭竹内
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-07-13
Filing date: 2000-07-13
Publication date: 2002-01-31
Anticipated expiration: 2020-07-13
Also published as: JP3676202B2

Abstract

(57)【要約】【課題】単位モジュールが基板上で直列に接続された
光起電力装置の製造方法において、加工速度を速め、実
質的な集積度の向上を図る。【解決手段】透明基板上に導電性透明電極膜、非晶質
半導体膜、金属電極膜の積層膜を有し、モジュール単位
に基板上で分離され且つ該分離されたモジュールが基板
上で直列に接続された光起電力装置の製造方法におい
て、透明電極側より、電極膜若しくは半導体膜の分離溝
形成方向中心線に長径軸が略一致した楕円状パターンの
レーザービームをパルス状に照射しつつ該電極膜若しく
は半導体膜の分離溝形成方向へ相対的に移動して金属電
極膜の分離溝を形成することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術の分野】本発明は光照射により起電
力を発生する複数の光電変換素子を基板上で電気的に接
続させた光起電力装置の製造方法に関し、特に裏面電極
膜を各光伝変換素子毎にパターニングする方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図３は現に実用化されている光起電力装
置の基本的構造である。１はガラスなどの透明基板、２
ａ、２ｂ、２ｃ…は分離形成された酸化錫などの透明電
極膜、３ａ、３ｂ、３ｃ…は各透明電極膜上に分離形成
された珪素などの非晶質半導体膜、４ａ、４ｂ、４ｃ…
は各非晶質半導体膜上に形成され且つ各右隣の透明電極
膜２ｂ、２ｃに部分的に重畳された金属膜である裏面電
極膜で、かかる透明電極膜２ａ、２ｂ、２ｃ…乃至裏面
電極膜４ａ、４ｂ、４ｃ…の各積層体により光電変換領
域５ａ、５ｂ、５ｃ…が構成されている。各非晶質半導
体膜３ａ、３ｂ、３ｃ…は、その内部に平行なＰＩＮ接
合を含み、透明基板１および透明電極２ａ、２ｂ、２ｃ
を順次介して光入射があると光起電力を生じる。各非晶
質半導体膜３ａ、３ｂ、３ｃ…内で発生した光起電力は
裏面電極膜４ａ、４ｂ、４ｃ…によりる接続により直列
的に相加される。

【０００３】通常かかる構成の太陽電池のモジュール化
にあっては細密加工性に優れているレーザー加工技術が
用いられている。それによる製造工程を図を参照しなが
ら簡単に説明する。図４で１０は透明基板、１１は透明
電極膜である。当該図４に示す工程では、厚さ１ｍｍ〜
４ｍｍ、面積１０ｃｍ〜１５０ｃｍ程度の透明な基板上
全面に、厚さ２０００Å〜７０００Åの酸化錫ＳｎＯ_２
からなる透明電極膜１１が被着される。

【０００４】図５は次いで行う工程で１１ａ、１１ｂ、
１１ｃは分離された各透明電極膜、１１’は隣接間隔部
（分離溝）、Ｌ１は分離溝幅寸法、ＬＢはレーザービー
ムである。当該工程で、隣接間隔部１１’がレーザービ
ームＬＢに照射により除去されて、個別の各透明電極膜
１１ａ、１１ｂ、１１ｃが分離、形成される。使用され
るレーザーの波長は通常１．０６μｍのＮｄ：ＹＡＧレ
ーザーであり、隣接間隔部１１’の溝幅Ｌ１は約５０μ
ｍに設定される。

【０００５】図６は次の工程であって、１２は非晶質半
導体膜である。当該工程では、各透明電極膜１１ａ、１
１ｂ、１１ｃの表面を含んで基板１０上全面に光電変換
に有効に寄与する厚さ３０００Å〜５０００Åの非晶質
半導体膜１２が被着される。

【０００６】図７はさらに次の工程を示し、１２‘は隣
接間隔部、Ｌ２は溝幅、１２ａ、１２ｂ、１２ｃは分離
・形成された非晶質半導体膜である。当該工程では隣接
間隔部１２’が矢印で示す如き基板１０の膜面と反対側
からレーザビームＬＢの照射により除去されて、個別の
各非晶質半導体膜１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、が分離・形
成される。隣接間隔部１２’の溝幅L２は約８０μｍに
設定される。使用されるレーザは通常波長０.５３μｍ
のパルスＮｄ:ＹＡＧレーザである。この波長では、各
透明電極膜１１ａ、１１ｂ、１１ｃの吸収率は小さく殆
どが透過するため、レーザのエネルギの大部分は各非晶
質半導体膜１２ａ、１２ｂ、１２ｃにて吸収される。従
って、各非晶質半導体膜のみを選択して除去できる。

【０００７】図８はその次の工程を示し、１３は裏面電
極膜である。ここでは各非晶質半導体膜１２ａ、１２
ｂ、１２ｃ及び各透明電極膜１２ａ、１２ｂ、１２ｃの
各露出部分を含んで基板１０上全面に３０００Å〜５０
００Å程度のアルミニウム又は銀の裏面電極膜１３が被
着される。

【０００８】図９は最終工程で、１３ａ、１３ｂ、１３
ｃは分離された個別の裏面電極膜、１３’は隣接間隔部
（分離溝）、Ｌ３は隣接間隔部の分離幅、１４ａ、１４
ｂ、１４ｃは分離、形成された各光電変換領域である。
隣接間隔部１３’がレーザビームＬＢの照射により除去
されて、個別の裏面電極膜１３ａ、１３ｂ、１ｃ…が形
成される。使用されるレーザは図７の工程と同様に通常
波長０.５３μｍのパルスＮｄ：ＹＡＧレーザである。
この過程では図７の工程と同様にレーザビーム非晶質半
導体膜１２加工時の照射方向と同じく基板の膜面側と反
対側から照射され、各透明電極膜１１ａ、１１ｂ、１１
ｃを透過し、非晶質半導体層１２に到達し、同層にて吸
収される。吸収されたエネルギにより非晶質半導体層１
２は蒸発するが、そのガス圧力で裏面電極のＡｌ膜を除
去する。隣接間隔部１３’の溝幅L３は細いほど電池の
有効面積が減少しないため好ましいが、通常約４０〜８
０μｍに設定される。その結果、各光電変換領域１４
ａ、１４ｂ、１４ｃ…が電気的に直列接続される。な
お、各光電変換領域１４ａ、１４ｂ、１４ｃの間隔は前
述したように通常７〜１０ｍｍである。以上の工程を経
て太陽電池が製造される。

【０００９】レーザによる上記溝加工は通常、図１０の
ようにレーザ装置より出射されたビームをレンズで集光
し、丸いビームを基板に照射する。同図において、８１
はレーザー発振器、８２はミラー、８３はレーザービー
ム、８４はレンズ、８５基板、８６はＸＹステージ、８
７はレーザービームパターンである。同図下は基板の平
面図であり、図のように溝が連続するように丸ビーム８
７の一部（２０％程度）を重ねながら加工する。従って、
溝を加工する速度はレーザビーム径×０.８×レーザのパルス繰り返し周波
数になる。

【００１０】一方、最近は太陽電池製造コストを低下さ
せるため、１枚当たりの電池面積の大面積化（１００ｃ
ｍすなわち１ｍ^２程度）が顕著である。面積が増大する
と加工速度が重要となる。例えば上記の溝間隔を７ｍｍ
とすると面積１００ｃｍでは溝の総延長距離は約１５０
ｍとなり、これを加工時間３分以内で処理するためには
加工速度は毎秒１０００ｍｍ以上が必要になる。大量生
産には加工時間を３分以内とすることが要求される。

【００１１】レーザの繰返し周波数は上記Ｎｄ:ＹＡＧ
レーザで１０ｋＨｚ程度が安定な発振を得るにあったっ
て限度であり、これで加工速度毎秒１０００ｍｍを達成
するには上記式よりビーム径が１２５μｍ以上必要であ
る。ところが、溝幅は上記のように狭いほど良いため、
ビーム径が１２５μｍと大きくなると溝幅も同じ大きさ
になり、電池の有効面積が減少するため、結果として光
電変換効率が低下する。

【００１２】また、裏面電極加工に必要なエネルギ閾値
は通常０.４Ｊ/ｃｍ^２以上が必要なためビーム径が大き
くなると、その面積に比例してレーザの出力も大きくす
る必要が有り、例えばビーム径６０μｍから１２５μｍ
と大きくなると約４.３倍必要となり、設備コストが上
昇していた。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述したよう
な従来技術の難点に鑑みてなされたものであって、透明
基板上に導電性透明電極膜、非晶質半導体膜、金属電極
膜の積層膜を有し、モジュール単位に基板上で分離され
且つ該分離されたモジュールが基板上で直列に接続され
た光起電力装置の製造方法において、レーザービームに
よる加工にあたって、レーザーの出力を高めることなく
加工の速度を速める方法の提供を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は透明基板上に導
電性透明電極膜、非晶質半導体膜、金属電極膜の積層膜
を有し、モジュール単位に基板上で分離され且つ該分離
されたモジュールが基板上で直列に接続された光起電力
装置の製造方法において、透明電極側より、電極膜若し
くは半導体膜の分離溝形成方向中心線に長径軸が略一致
した楕円状パターンのレーザービームをパルス状に照射
しつつ該電極膜若しくは半導体膜の分離溝形成方向へ相
対的に移動して、分離溝を形成することを特徴とする。

【００１５】レーザービームのパルス当たりのエネルギ
を一定とすれば、加工面における照射エネルギ密度はビ
ームパターンの描く面積に逆比例する。照射エネルギ密
度は加工深さなど加工条件で決まってくるので、自ずと
面積も決まってくる。即ち同一面積の真円と楕円と比較
すれば分離溝形成方向のビーム投影パターンの長さは楕
円の方がより長い。即ち、ビームパルス当たりの加工長
さのカバー範囲が長いので、それだけビームの相対的移
動速度を早くすることが出来るのである。

【００１６】簡単な幾何学的計算から、同一面積の円の
直径の長さと楕円の長軸の長さを比較すると、楕円の長
単軸の比をｋ（＞１）としたとき、楕円の長軸の方がｋ
^１／ ^２（ｋの平方根）倍になる。即ち同一波長、同一出
力、同一パルス周波数のレーザービームを使用し、分離
溝形成方向のビームパターンの重なり率を同一にした場
合、本発明の方法では加工速度がｋ^１／２倍と高速にな
る。しかも溝幅は真円のときの（１／ｋ）^１／２と細く
なり集積度が上がり、総合光電変換率の向上にもつなが
る。

【００１７】このようなビームパターンにする方法の一
例としては、レーザー装置から出たビームをシリンドリ
カル凹レンズで楕円状に発散させ、長軸と短軸が設定値
（例えば１〜５）となった位置にシリンドリカル凸レン
ズをおいて平行ビームとすればよい。

【００１８】更に本発明は前記レーザービームの楕円状
パターンの長径／短径の比が１より大きく６を超えない
ことも特徴とする。好ましくは１より大きく略５以下が
好ましい。これは、短軸と長軸の比が大きくなると、面
積は不変でも周長が長くなり、ビーム周辺部でのレーザ
ーエネルギ密度が低下するため、溝両端に第１１図に示
すようなバリが発生しやすくなるからである。このバリ
は変形などして他の電極膜などと接触・短絡し光電変換
効率を著しく低下させることになる。こういった観点か
らこの長径／短径の比は好ましくは１より大きく略５以
下が好ましい。

【００１９】更に本発明は分離溝形成方向にレーザービ
ームを相対的に移動する速度を、前記パルス周期との関
係において前記ビームパターンの楕円が進行方向前後で
長径の１０〜３０％が重なるようにしたことも特徴とす
る。

【００２０】本発明はパルスビームパターンの楕円を長
手方向に並べて行くわけだが、楕円の頭尾部分は溝に対
して占める面積が少ない。従って確実に溝を形成させる
にはパターンを１０〜３０％が重なるように進めて行く
必要がある。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を例示
的に図面を参照しながら詳しく説明する。ただしこの実
施の形態に記載される構成部品の種類、形状、その相対
は位置などは特に特定的な記載ない限りはこの発明の範
囲をそれのみに限定する趣旨にあらず、単なる説明例に
過ぎない。

【００２２】図２は本発明の方法に用いたレーザービー
ム分離溝加工装置である。図において、２１はＹＡＧレ
ーザー発振器、２２はレーザービーム、２３はシリンド
リカル凸レンズ、２４はシリンドリカル凹レンズ、２５
はミラー、２６は対物レンズ、２７は基板、２８はＸＹ
ステージである。

【００２３】図２において、レーザ発振器を出たビーム
２２はシリンドリカル凹レンズ２３で１方向のみが拡大
されるが、それと直角方向は拡大されないため、結果と
してビーム形状は楕円となる。楕円形状ビームの長軸と
短軸の比が適当（１〜５）となった位置にシリンドリカ
ル凸レンズ２４を置くとその比が一定となった状態で平
行ビームとなるので、対物レンズ２６で集光し、短軸長
さで加工溝幅６０μｍ程度になるよう、また長軸が加
工方向と一致し、かつその長さが１２５μｍ程度（短軸
の約２倍）になるよう、図９同様、非晶質半導体層上に
集光する。非晶質半導体層１２に到達した楕円形状レー
ザビームはその形状で非晶質半導体層１２を蒸発・除去
し、そのガス圧力で裏面電極のＡｌ膜を除去する。

【００２４】その状況の平面図を図１に示す。同図にお
いて１０１は本発明の楕円状ビームパターン、矢印はビ
ームの進む方向である。同図に示すようにビーム形状が
楕円のため、上記楕円と同一面積の直径８６μｍの丸ビ
ームに比べて、パルス一発当たりの加工長さが約１.５
倍である。レーザに繰返し周波数１０ｋＨｚのＮｄ:Ｙ
ＡＧレーザを使用すると、前記ビーム重なり分を２０％
とすると、１パルス当たりの加工長さは１００μｍであ
るので、加工速度は毎秒１０００ｍｍとなる。

【００２５】このため、本方法では溝幅は小さく保ちな
がら、加工速度毎秒１０００ｍｍを達成し、かつレーザ
出力は従来と同等である。つまり、電池の光電変換効率
を低下させることなく、かつレーザのコストを上げるこ
となく、量産に必要な加工速度を達成した。

【００２６】なお、短軸と長軸の比は５程度以下でなけ
ればならない。短軸と長軸の比が大きくなると、面積は
不変でも周長が長くなり、ビーム周辺部でのレーザエネ
ルギ密度が低下するため、溝両端に図１１に示すような
バリが発生しやすくなるためである。同図は基板の加工
溝に直角な断面図であり、このバリが残ると下地の透明
電極膜と接触・短絡するため結果として光電変換効率が
著しく低下する。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したごとく、本発明により従来
技術の難点を克服し、透明基板上に導電性透明電極膜、
非晶質半導体膜、金属電極膜の積層膜を有し、モジュー
ル単位に基板上で分離され且つ該分離されたモジュール
が基板上で直列に接続された光起電力装置の製造方法に
おいて、レーザービームによる加工にあたって、レーザ
ーの出力を高めることなく加工の速度を速め、且つ実質
的な発電モジュールの集積度の向上を図ることができ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のビームパターン略図

【図２】本発明のレーザービーム分離溝加工装置の概
念図

【図３】既存の光起電力装置の基本構造を示す略図

【図４】図３の光起電力装置を製造する第１の工程を
説明する略図

【図５】図３の光起電力装置を製造する第２の工程を
説明する略図

【図６】図３の光起電力装置を製造する第３の工程を
説明する略図

【図７】図３の光起電力装置を製造する第４の工程を
説明する略図

【図８】図３の光起電力装置を製造する第５の工程を
説明する略図

【図９】図３の光起電力装置を製造する第６の工程を
説明する略図

【図１０】従来のレーザービーム分離溝加工装置の概
念図とビームパターン略図

【図１１】レーザービームにより金属電極膜に分離溝
を形成したとき発生するバリの状況を説明した略図

【符号の説明】

１透明基板２ａ、２ｂ、２ｃ分離、形成された透明電
極膜３ａ、３ｂ、３ｃ分離、形成された非晶質
半導体膜４ａ、４ｂ、４ｃ分離、形成された裏面電
極膜５ａ、５ｂ、５ｃ分離、形成された光電変
換領域１０透明基板１１透明電極膜１１ａ、１１ｂ、１１ｃ分離、形成された透明電
極膜１１’ 隣接間隔部（分離溝）１２非晶質半導体膜１２ａ、１２ｂ、１２ｃ分離、形成された非晶質
半導体膜１２’ 隣接間隔部（分離溝）１３裏面電極膜１３ａ、１３ｂ、１３ｃ分離、形成された裏面電
極膜１３’ 隣接間隔部（分離溝）１４ａ、１４ｂ、１４ｃ分離、形成された光電変
換領域８１レーザー発振器８２ミラー８３レーザービーム８４レンズ８５基板８６ＸＹステージ８７レーザービームパターン２１ＹＡＧレーザー発振器２２レーザービーム２３シリンドリカル凹レンズ２４シリンドリカル凸レンズ２５ミラー２６レンズ２７基板２８ＸＹステージ１０１楕円状のレーザービーム
パターン１１１ガラス板１１２透明電極１１３非晶質半導体１１４裏面電極１１５発生したバリＬＢレーザービームＬ１、Ｌ２、Ｌ３溝幅

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山内康弘長崎市飽の浦町１丁目１番１号三菱重工業株式会社長崎造船所内 (72)発明者竹内良昭長崎市深堀町五丁目717番地１号三菱重工業株式会社長崎研究所内Ｆターム(参考） 4E068 AD01 CA03 CA09 CA15 CB01 CE04 5F051 AA05 EA02 EA09 EA10 EA11 EA16 GA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明基板上に導電性透明電極膜、非晶質
半導体膜、金属電極膜の積層膜を有し、モジュール単位
に基板上で分離され且つ該分離されたモジュールが基板
上で直列に接続された光起電力装置の製造方法におい
て、前記透明基板を通して前記透明電極側より、該電極
膜若しくは前記非結晶半導体膜の分離溝形成方向中心線
に長径軸が略一致した楕円状パターンのレーザービーム
をパルス状に照射しつつ該長径軸方向へ相対的に移動し
て分離溝を形成することを特徴とする光起電力装置の製
造方法。
【請求項２】前記レーザービームの楕円状パターンの
長径／短径の比が１より大きく６を超えないことを特徴
とする請求項１記載の光起電力装置の製造方法。
【請求項３】分離溝形成方向にレーザービームを相対
的に移動する速度を、前記パルス周期との関係において
前記ビームパターンの楕円が進行方向前後で長径の１０
〜３０％が重なるようにしたことを特徴とする請求項１
乃至３いずれかの項記載の光起電力装置の製造方法。