JP2004056024A

JP2004056024A - 薄膜太陽電池およびその製造方法

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Publication number: JP2004056024A
Application number: JP2002214655A
Authority: JP
Inventors: Yukio Takeda; 武田　幸雄; Shinji Fujikake; 藤掛　伸二
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】フレキシブルフィルム基板への膜応力によるフィルムの湾曲を軽減し、製造方法工程において取扱の容易な薄膜太陽電池およびその製造方法を提供する。
【解決手段】フレキシブルフィルム基板１ａの一方の面に非単結晶半導体薄膜で構成される光電変換素子（１ｂ，１ｄ，１ｅ）を形成する薄膜太陽電池の製造方法において、前記フレキシブルフィルム基板の他方の面に非単結晶半導体薄膜１ｇを製膜した後、前記光電変換素子を形成する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フレキシブルフィルム基板を用いた薄膜太陽電池およびの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、アモルファスシリコンゲルマニウム（ａ−ＳｉＧｅ）、微結晶シリコン、あるいは微結晶シリコンゲルマニウムを光電変換層の主材料とし、ポリイミド、ポリアミド等のフレキシブルなプラスチックからなる長尺の基板を用いるフレキシブル太陽電池は、軽量であり、またロール状に巻き上げる製造プロセスの適用が可能なため、ロールツーロール法やステッピングロール法のような大量生産が可能な製造方法を使用できるメリットを有している。デバイス構造としては、ｐｉｎ　構造のａ−Ｓｉシングルセル、ａ−Ｓｉのｐｉｎ　接合を２　段重ねたａ−Ｓｉ／ａ−Ｓｉ　タンデムセル、長波長光感度向上を狙ってボトムセルにａ−ＳｉＧｅセルを適用したａ−Ｓｉ／ａ−ＳｉＧｅ　タンデムセル等が考えられ、それぞれの場合について光電変換層のトータル膜厚は０．３　〜０．６　μｍ　である。また、ａ−Ｓｉ太陽電池よりも長波長感度に優れた太陽電池として微結晶シリコンあるいは微結晶シリコンゲルマニウムをｉ　層に用いた太陽電池も考えられる。これらの太陽電池は光電変換層が間接遷移型であるため、ａ−Ｓｉに比べてｉ　層を厚くするする必要があるが、テクスチャー電極を適用して光閉じ込めを行えば、微結晶シリコンセルで２　〜４　μｍ　、微結晶シリコンゲルマニウムセルで０．５　〜１　μｍ　の膜厚で十分か光吸収が可能となる。この種の太陽電池はａ−Ｓｉ太陽電池と異なり光劣化がないという利点を持ち、さらにａ−Ｓｉセルとタンデム化を行えばさらなる高効率化が可能となる。
【０００３】
このような、フレキシブルフィルム基板を用いる例として、構成部材がフレキシブルフィルム基板の片側の面のみにしか無い場合と両面にある場合がある。
前者の最も単純な例を次に示す。図３は従来の基板片面にのみ構成部材のある薄膜太陽電池を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＸＸ断面図である。フレキシブルなプラスチック基板１ａの一方の面（表面とする）には第１電極１ｂ、光電変換層１ｄおよび透明な第２電極１ｅが順に積層されて１　つのセルが形成されている。そして、第２電極１ｅの端部は隣接するセルの第１電極１ｂの端部に重ねられ複数のセルが直列接続されている。
【０００４】
後者の場合は、ＳＣＡＦ（Ｓｅｒｉｅｓ−Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｔｈｒｏｕｇｈ　Ａｐｅｒｔｕｒｅｓ　ｆｏｒｍｅｄ　ｏｎ　Ｆｉｌｍ）と称される構造の薄膜太陽電池である。図４は従来のＳＣＡＦ構造の薄膜太陽電池を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＸＸ断面図である。フレキシブルなプラスチック基板１ａの一方の面（表面とする）には第１電極層１ｂ、光電変換層１ｄおよび透明電極層である第３電極層１ｅが積層されており、分離線１ｉにより複数の単位太陽電池に分離されている。裏面には第２電極層１ｃおよび第４電極層１ｆが積層されており、分離線１ｊにより分離され各単位太陽電池に対応する裏面電極とされている。基板には直列孔ｈ１および集電孔ｈ２が開けられていて、集電孔ｈ２の内壁面では第３電極層１ｅと第４電極層１ｆが重なり導通し、直列孔ｈ１内壁面では第１電極層１ｂと第２電極層１ｃが重なり導通し、直列孔ｈ１での導通により隣接する単位太陽電池の直列接続がなされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなフレキシブルフィルム基板を用いた薄膜太陽電池では、フレキシブルであるがゆえに製膜した電極層および光電変換層の膜応力によってフィルムが湾曲して皺の原因となったり、折れ曲がってロールに巻き上げられる問題があった。
【０００６】
一般に高効率を実現するような光電変換層ほど膜応力が高くなる傾向があり、結晶シリコンウエハー上に製膜して評価したａ−Ｓｉ膜および微結晶シリコン膜の応力は、それぞれ、３００　〜６００ＭＰａ、５００　〜１０００Ｍｐａ　の圧縮応力となる。この結果、樹脂封止をしない状態でフィルムを完全にフリーにした状態では光電変換層側を面を外にして筒状に湾曲した状態となり、その曲率半径はａ−Ｓｉの光電変換層では１．５　〜３ｃｍ　、微結晶シリコンの光電変換層ではで０．５　〜１ｃｍ　となる。特に、微結晶シリコン光電変換層ではモジュール化のためのハンドリングが極めて難しく、量産プロセスへの対応は困難であった。
【０００７】
このような光電変換層の応力による基板の湾曲を防止するために、例えば、薄膜形成後の基板のカールをあらかじめ基板を反対に反らせておくこと（特開平６−２８００２６）、あるいは、同一の材料からなる引張および圧縮の薄膜を積層して応力緩和すること（特開平７−１０２３６８）、等が提案されている。
しかし、これらは次のような問題点をもっている。
【０００８】
前者では、フィルム基板上に微結晶シリコン太陽電池を製膜する場合、基板の一方の面に圧縮応力１　×１０^５Ｎ／ｃｍ^２　程度の膜を１　〜数μｍ　程度製膜する必要がある。厚さ５０μｍ　のポリイミド基板に製膜したところ、曲率半径は１　ｃｍ程度と極めて小さくなった。これを避けるためには、基板にあらかじめ曲率半径１　ｃｍ程度の反りをつける必要があが、これは非常に困難である。また、製膜途中で３００　℃程度の熱プロセスが入るため、熱変形等により基板の反りは変化し安定した効果を得ることは困難である。
【０００９】
後者では、プラズマＣＶＤ　により大きな引張応力の膜を得るのは困難である。スパッタなど他の製膜方法を用いる必要があり、装置コストが高くなるという問題がある。また、微結晶シリコン太陽電池の膜応力はデバイス性能と相関があり、デバイスとして良好な膜は通常、強い圧縮応力をもつ。したがって、引張応力の膜をデバイスの中に挿入すると特性を大幅に低下させる。
【００１０】
本発明の目的は、フレキシブルフィルム基板への膜応力によるフィルムの湾曲を軽減し、製造方法工程において取扱の容易な薄膜太陽電池およびその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、フレキシブルフィルム基板の一方の面に非単結晶半導体薄膜で構成される光電変換素子が形成された薄膜太陽電池において、前記フレキシブルフィルム基板の他の面にも非単結晶半導体薄膜が製膜されていることとする。
【００１２】
フレキシブルフィルム基板の一方の面に非単結晶半導体薄膜で構成される光電変換素子を形成する薄膜太陽電池の製造方法において、前記フレキシブルフィルム基板の他方の面に非単結晶半導体薄膜を製膜した後、前記光電変換素子を形成することとする。
前記フレキシブルフィルム基板の他方の面の非単結晶半導体薄膜は水素化アモルファスシリコン、水素化アモルファスゲルマニウム、水素化アモルファスシリコンゲルマニウム、微結晶シリコン、または微結晶シリコンゲルマニウムのうちの少なくとも１からなると良い。
【００１３】
前記光電変換素子の相互接続に要する貫通孔が開けられたフレキシブルフィルム基板の一方の面に非単結晶半導体薄膜で構成される光電変換素子を形成する薄膜太陽電池の製造方法において、前記光電変換素子を構成する非単結晶半導体薄膜の製膜時に同時にフレキシブルフィルム基板の他方の面にも非単結晶半導体薄膜を製膜することとする。
【００１４】
前記フレキシブルフィルム基板の一方の面に光電変換素子を構成する非単結晶半導体薄膜の製膜時にはフレキシブルフィルム基板の他方の面とヒータとの間には間隙が設定されていると良い。
本発明によれば、基板の非単結晶薄膜からなる光電変換層の形成された面と反対面（裏面）にも形成された非単結晶薄膜は、光電変換層とは逆方向の応力を有するため、基板の反りあるいは湾曲を打ち消すように作用し、フレキシブルフィルム基板の巻き取り時の皺の発生は抑えられると期待できる。
【００１５】
また、通常のプラスチックフィルム太陽電池では背面が露出しており、プラスチックは吸水性やガス透過性があるため、背面から水蒸気が容易に浸入し薄膜の剥離やそれに伴うデバイス性能低下を引き起こすが、本発明によれば、裏面全面が微結晶シリコン膜で被覆されことになり、微結晶シリコン膜の有する非常に高いガスバリアー性能のため、耐候性が改善され、信頼性が向上すると期待できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、実施例に従い本発明を詳細に説明する。
実施例１
ここでは、ポリイミドフィルム基板の片面のみに、微結晶シリコンを用いた光電変換素子他構成部材を有する薄膜太陽電池とその製造方法ついて説明する。
【００１７】
図１は本発明に係る基板片面にのみ構成部材のある薄膜太陽電池を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＸＸ断面図である。
ロール状の厚さ５０μｍ　のポリイミドフィルム基板１ａをロールツーロール方式あるいはステッピングロール方式の製膜装置に搬入し、最初に、プラズマＣＶＤ　製膜室でフィルム基板の光電変換層等を積層する面の反対面に微結晶シリコンからなる膜厚０．５　〜３　μｍ　の非単結晶半導体薄膜１ｇを製膜した。
【００１８】
そして、スパッタリングあるいは蒸着によりＡｇ等の第１電極層１ｂを製膜し、その後、プラズマＣＶＤ　製膜室で、光電変換層１ｄとして、微結晶シリコンからなる膜厚０．０１〜０．０３μｍ　のｎ　層、２　〜３　μｍ　のｉ　層、０．００５　〜０．０２μｍ　のｐ　層を順次製膜した。
最後に、スパッタリングあるいは真空蒸着により透明な第２電極層１ｅとして、ＩＴＯ　あるいはＺｎＯ　を製膜して、薄膜太陽電池を完成した。
【００１９】
ここで、微結晶シリコンの非単結晶薄膜の厚さと薄膜太陽電池に力を懸けずにフリーにした状態での曲率半径の関係について述べる。ポリイミド基板上にｉ　層膜厚２　μｍ　の微結晶シリコンの光電変換層を用いた場合、非単結晶薄膜のないセルの曲率半径は０．６ｃｍ　であった。これに対し、光電変換層のｉ　層と同一条件で０．５　μｍ　および１　μｍ　の非単結晶薄膜を製膜したところ曲率半径はそれぞれ１．１ｃｍ　、１．４ｃｍ　となった。さらに、２　μｍ　の非単結晶薄膜を形成した結果、基板の反りはほとんどなくなり、配線作業やラミネート等のモジュール化作業が非常に容易に行えるようになった。すなわち、非単結晶薄膜は応力対向層として作用してることになる。以下この層を応力対抗層という。
【００２０】
一方、ｉ　層と同程度の応力対抗層を形成することは製造速度の半減や装置のコストアップという問題を引き起こす可能性があるが、これを避けるには応力対抗層の製膜速度をｉ　層製膜速度よりも大きくすることが有効である。応力対抗層の役割は単純な応力対抗であるため、太陽電池のｉ　層のように欠陥密度等の膜質を考慮する必要がない。従って、ｉ　層の数倍から１０倍程度の高速製膜条件を適用することによって、製造に要する時間の増加を少なくできることが判った。
【００２１】
また、このような高速製膜は基板を僅かながら変形させるので、光電変換層が損傷しないように、このような高速製膜を光電変換層製膜の前に行っておくことは重要である。
実施例２
ここでは、基板の表面と裏面に太陽電池の構成層を有するＳＣＡＦ構造の太陽電池を作製した。ＳＣＡＦ構造は、フィルム基板１ａに開けられた貫通孔ｈ１、ｈ２を介して表面の電極１ｂ、１ｅと裏面の電極１ｃとを接続し、導通させることを特徴とする。図２本発明に係るＳＣＡＦ構造の薄膜太陽電池を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＸＸ断面図である。光電変換層１ｄの製膜時に、この貫通孔を通じて反応ガスをフィルム基板の裏側にも誘導して、表面と裏面とに同時に光電変換層１ｄを形成した。
【００２２】
ここではステッピングロール装置でＳＣＡＦ構造太陽電池に製膜した場合につき述べる。
本発明の実施例では、貫通孔ｈ１、ｈ２の直径は０．５ｍｍ　以上２ｍｍ　以下、セル全面に対する貫通孔面積の基板に対する面積比率は２％以上、好ましくは５％以上である。可動式のヒータで反応室を閉じ、実施例１　と同様の方法で微結晶シリコン層を製膜した。通常、フィルム基板とヒータは接触させるが、ヒータとフィルム基板との間にギャップをもたせることでフィルムの裏面に反応性のガスが回り込み膜が付着することができる。
【００２３】
例えば、このギャップを２　ｍｍに設定すると、表面の１０〜２０％　程度の膜厚の膜が付着できることが判った。例えば、ｉ　層として２　μｍ　の微結晶シリコンの光電変換層の薄膜太陽電池を製膜したところ、フリー状態で曲率半径は１．６　ｃｍとなった。比較のための貫通孔無しのフィルム基板上に製膜した薄膜太陽電池ではその曲率半径は０．６　ｃｍであり、反り（湾曲）が改善されていることが判った。
【００２４】
なお、本発明の製造方法ではフリー状態での反りを生じさせないほどの十分な抑止効果を得ることは困難であるが、それらの層の応力が拮抗することによって、フィルム基板の反りあるいは湾曲は従来の薄膜太陽電池に較べ少なくなり、以降の工程における皺の発生は少なくなり、歩留りは向上した。
また、膜厚０．３　〜０．５　μｍ　の膜が全面を覆うため、耐候性の向上効果は得られた。
【００２５】
さらに、この製造方法によれば、光電変換層の製膜工程は１　回でよく、装置上は製膜室を増設する必要はなく、また、製膜工程の増加は生じない。
以上の実施例では、微結晶シリコンの光電変換層を例として挙げたが、光電変換層の層構成に応じて、裏面の非単結晶半導体薄膜としては、水素化アモルファスシリコン、水素化アモルファスゲルマニウム、水素化アモルファスシリコンゲルマニウム、または微結晶シリコンゲルマニウムを用いることができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、フレキシブルフィルム基板の一方の面に非単結晶半導体薄膜で構成される光電変換素子が形成された薄膜太陽電池において、基板の他の面にも非単結晶半導体薄膜を製膜したため、裏面にも形成された非単結晶薄膜は、光電変換層とは逆方向の応力を有するため、基板の反りあるいは湾曲を打ち消すように作用し、フレキシブルフィルム基板の巻き取り時の皺の発生は抑えられる。
【００２７】
また、裏面にも形成された非単結晶薄膜の非常に高いガスバリアー性能のため、耐候性が改善され、信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る基板片面にのみ構成部材のある薄膜太陽電池を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＸＸ断面図である。
【図２】本発明に係るＳＣＡＦ構造の薄膜太陽電池を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＸＸ断面図である。
【図３】従来の基板片面にのみ構成部材のある薄膜太陽電池を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＸＸ断面図である。
【図４】従来のＳＣＡＦ構造の薄膜太陽電池を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＸＸ断面図である。
【符号の説明】
１ａ　　フレキシブル基板
１ｂ　　　第１電極層
１ｃ　　第２電極層
１ｄ　　光電変換層
１ｅ　　第３電極層
１ｆ　　第４電極層
１ｇ　　非単結晶薄膜
１ｉ　　分離線
１ｊ　　分離線
ｈ１
ｈ２

Claims

フレキシブルフィルム基板の一方の面に非単結晶半導体薄膜で構成される光電変換素子が形成された薄膜太陽電池において、前記フレキシブルフィルム基板の他の面にも非単結晶半導体薄膜が製膜されていることを特徴とする薄膜太陽電池。
フレキシブルフィルム基板の一方の面に非単結晶半導体薄膜で構成される光電変換素子を形成する薄膜太陽電池の製造方法において、前記フレキシブルフィルム基板の他方の面に非単結晶半導体薄膜を製膜した後、前記光電変換素子を形成することを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
前記フレキシブルフィルム基板の他方の面の非単結晶半導体薄膜は水素化アモルファスシリコン、水素化アモルファスゲルマニウム、水素化アモルファスシリコンゲルマニウム、微結晶シリコン、または微結晶シリコンゲルマニウムのうちの少なくとも１からなることを特徴とする請求項２に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
前記光電変換素子の相互接続に要する貫通孔が開けられたフレキシブルフィルム基板の一方の面に非単結晶半導体薄膜で構成される光電変換素子を形成する薄膜太陽電池の製造方法において、前記光電変換素子を構成する非単結晶半導体薄膜の製膜時に同時にフレキシブルフィルム基板の他方の面にも非単結晶半導体薄膜を製膜することを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
前記フレキシブルフィルム基板の一方の面に光電変換素子を構成する非単結晶半導体薄膜の製膜時にはフレキシブルフィルム基板の他方の面とヒータとの間には間隙が設定されていることを特徴とする請求項４に記載の薄膜太陽電池の製造方法。