JP2004330271A

JP2004330271A - 透光性薄膜太陽電池の作製方法

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Publication number: JP2004330271A
Application number: JP2003131889A
Authority: JP
Inventors: Toshinobu Nakada; 年信中田; Hideo Yamagishi; 英雄山岸
Original assignee: Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】良好な外観を有する透光性薄膜太陽電池を低コストで効率よく作製し得る方法を提供する。
【解決手段】透光性薄膜太陽電池の作製方法において、透光用溝または穴をレーザスクライブで形成する際に、２焦点レンズ（２４）を含むレーザ出力ヘッド（５０）を用いて互いに隣接する２列の透光用溝または穴を同時に形成することを特徴としている。その２焦点レンズは、それら２焦点軸間の中央軸の周りに回転可能であることが好ましく、それら２焦点軸の間隔が０．５〜２．０ｍｍの範囲内で調整可能であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は透光性薄膜太陽電池の作製方法に関し、特に、良好な外観を有する透光性薄膜太陽電池を低コストで効率よく作製し得る方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、炭酸ガス排出による地球温暖化防止の観点から、クリーンエネルギ源として、半導体太陽電池の利用の拡大が期待されている。半導体太陽電池の中でも、半導体結晶ウエハを利用する結晶系太陽電池に比べて、気相堆積による半導体薄膜を利用する薄膜系太陽電池は低コストで大面積に作製され得るので、特にその利用の拡大が期待されている。
【０００３】
従来では、建築物用の大型の薄膜太陽電池は、ビルの屋上や家屋の屋根上に設置されるのが一般的である。しかし、最近では、日照空間の利用効率の改善の観点から、ビルの屋上や家屋の屋根上のみならず建築物の壁面上に薄膜太陽電池が設置されている。また、建築物の窓自体や採光屋根自体さらに商店街のアーケードの屋根自体などにも薄膜太陽電池を利用することが試みられている。ここで、建築物の採光屋根自体や窓自体またはアーケードの屋根自体などに薄膜太陽電池を利用する場合には、建築物内部やアーケードの照明光として、薄膜太陽電池が部分的に太陽光を透過する必要がある。
【０００４】
太陽光の一部を透過し得る薄膜太陽電池の一例は、例えば特許文献１の特開平５−２５１７２３号公報において開示されている。
【０００５】
図１５と図１６において、透光性薄膜太陽電池の一例が模式的に図解されている。図１５は透光性薄膜太陽電池の背面を表す模式的平面図であり、図１６は図１５中の点線Ａに沿って切り出した部分の模式的斜視図である。図１５の透光性薄膜太陽電池１では、発電領域４において太陽光が部分的に透過し得る。
【０００６】
図１５と図１６に図解された薄膜太陽電池１においては、ガラスなどの透明絶縁基板６上に透明電極層７、半導体光電変換層８、および裏面金属電極層９がスパッタやＣＶＤ（化学気相堆積）などを利用して順次積層されている。ガラス基板６としては、近年では約１ｍ平方の大きさのものまで用いられている。透明電極層７としてはＺｎＯ、ＳｎＯ_２、ＩＴＯ（インジュウム錫酸化物）などが用いられ、金属電極層９としてはＡｇ、Ａｌなどが主に用いられている。各層７、８、９の堆積とエッチングまたはレーザスクライブなどによるパターニングとを繰り返して複数の短冊状光電変換セルが形成されており、それらの短冊状セルは短軸方向に電気的に直列接続された集積構造にされている。なお、図１６中のセル間分離溝９ａの間隔に対応する短冊状セルの短軸方向の幅は、通常は約１０ｍｍである。
【０００７】
すなわち、隣接するセル間において裏面電極層９はセル間分離溝９ａによって分離されているが、一つのセルの透明電極７は隣のセルの裏面電極９に接続されている。このような場合、発電領域内において、セル間分離溝９ａによって１％未満の透光性は存在している。また、各層７、８、９は、周縁分離溝２によって、発電領域４と非発電領域５とに分離されている。このような周縁分離溝２は、各層７、８、９の周縁端部における透明電極７と裏面電極９との短絡欠陥などを分離するために設けられる。直列接続された複数セル中の両端のセル上には、バスバー（母線）電極３が設けられ、全セルからの出力電流はこれらのバスバー電極３から取り出される。
【０００８】
透光性薄膜太陽電池１において、発電領域４が部分的に太陽光を透過し得るのは、図１６に示されているように、通常は約１ｍｍ間隔で複数の光透過用溝１０が形成されているからである。すなわち、半導体層８と金属電極層９が光透過用溝１０によって除去されている。ただし、光透過用溝１０はセル間分離溝９ａに交差して形成されており、セル間分離溝９ａの両側のセルは互の電気的直列接続が維持されている。なお、光透過用溝の代わりに、光透過用穴が形成されてもよいことは言うまでもない。
【０００９】
図１７と図１８において、図１６に示されているような透光性薄膜太陽電池の透光用溝１０の形成方法が模式的に図解されている。図１７は従来のレーザスクライブ装置を示すブロック図であり、図１８はレーザビームの走査パターンを表す模式的平面図である。
【００１０】
図１７のレーザスクライブ装置において、レーザ発振器１１から射出されたレーザビーム１８はビームエクスパンダ１２によってビーム径が拡張されたビーム１８ａになる。そのビーム１８ａはミラー１３ａによって方向が変えられた後に、ハーフミラー１４によって２つのビーム１９ａ、１９ｂに分岐される。ハーフミラー１４を透過したビーム１９ａは、レーザ出力ヘッド５０ａに含まれる単焦点レンズ１５ａによって、薄膜太陽電池１７上に焦点合わせされて照射される。ハーフミラー１４によって反射されたビーム１９ｂは、そのミラー１４からビーム中心間隔２２だけ隔てられたミラー１３ｂによって方向が変えられた後に、同様にレーザ出力ヘッド５０ｂに含まれる単焦点レンズ１５ｂによって薄膜太陽電池１７上に焦点合わせされて照射される。薄膜太陽電池１７はＸＹステージ１６上に載置されており、そのＸＹ平面内で自由に移動させられ得る。なお、ビーム中心間隔２２は調節可能であるが、レーザ出力ヘッド５０ａ、５０ｂの大きさの関係などから、１５ｍｍ程度以下にすることはできない。
【００１１】
図１８に示されているように、図１７中の２つの分岐ビーム１９ａ、１９ｂは、まず薄膜太陽電池１７の左側で、ビーム中心間隔２２だけ離れた２つのビーム走査開始点２１ａ、２１ｂに照射される。そして、それらのビームに対して薄膜太陽電池１７を相対的に移動させることによって、ビームが右方向に走査させられる。ビームの走査が薄膜太陽電池１７の右側に達すれば、ビームの照射位置は透光用溝中心間隔に対応するシフト量２３だけ相対的に下方へ移動させられる。その後に、ビームが左方向に移動させられ、ビームの走査が薄膜太陽電池１７の左側に達すれば、再びビームの照射位置が下方にシフト量２３だけ相対的に移動させられる。このようなビームの走査とシフトを繰り返すことによって、ビーム走査領域２０ａ、２０ｂ内の破線と実線の直線で表されているような光透過用溝１０ａ、１０ｂが形成される。
【００１２】
【特許文献１】
特開平５−２５１７２３号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
薄膜太陽電池のスクライブにおいては、単一のレーザ出力ヘッドを有するレーザスクライブ装置を用いて１本ずつスクライブすることが通常一般的である。他方、図１７のレーザスクライブ装置においては、スクライブ効率を倍増させようとして、２つのレーザ出力ヘッド５０ａ、５０ｂが設けられている。確かに、図１７と図１８に図解されているように、２つの分岐ビーム１９ａ、１９ｂを用いて同時に２本の透光用溝１０ａ、１０ｂをスクライブすることによって、透光用溝の形成効率を高めることができる。
【００１４】
しかし、図１７のレーザスクライブ装置は多くの光学部品を必要とし、複雑な構造を有していて高価である。また、２つのビームのそれぞれの条件調整やビーム中心間距離２２の調整が煩雑であり、期待するほどには生産性が改善されない。さらには、２つのビーム１９ａ、１９ｂ間で互いに光路が異なっているので、それらのビームにおけるパワーや断面形状が必ずしも同一ではなく、走査領域２０ａと２０ｂ（図１８参照）において形成された透光用溝１０ａと１０ｂの外観が同一になりにくい。走査領域２０ａと２０ｂにおける透光用溝１０ａと１０ｂの外観が互いに異なれば、透光性薄膜太陽電池としての商品価値が意匠的観点から低下する。
【００１５】
このような先行技術における状況に鑑み、本発明は、良好な外観を有する透光性薄膜太陽電池を低コストで効率よく作製し得る方法を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、透光性薄膜太陽電池の作製方法において、透光用溝または穴をレーザスクライブで形成する際に、２焦点レンズを含むレーザ出力ヘッドを用いて互いに隣接する２列の透光用溝または穴を同時に形成することを特徴としている。
【００１７】
なお、その２焦点レンズは、それら２焦点軸間の中心軸の周りに回転可能であることが好ましい。また、２焦点レンズは、それら２焦点軸の間隔が０．５〜２．０ｍｍの範囲内で調整可能であることが好ましい。
【００１８】
透光用溝または穴をレーザスクライブで形成するために、２焦点レンズを含むレーザ出力ヘッドの複数が同時に用いられてもよい。また、レーザスクライブに用いられる光源として、ＹＡＧレーザを用いることが好ましく、特にその第２高調波を用いることが好ましい。
【００１９】
透光性薄膜太陽電池は透明絶縁基板上に順に積層された透明電極層、半導体光電変換層、および裏面金属電極層を含み、半導体層と金属電極層を貫通する透光用溝または穴が２焦点レンズを含むレーザ出力ヘッドを利用したレーザスクライブによって好ましく形成され得る。
【００２０】
【発明の実施の形態】
透光性薄膜太陽電池の一般的な製造工程の例として、レーザ加工装置による透光用溝または穴の加工後に、
（１）洗浄を実施、
（２）洗浄に加えてアニールを実施、
（３）洗浄工程としのブラシ洗浄に加えてアニールを実施
のいずれかを行うことによって、その太陽電池の高い出力性能を得ることができる。そのような高い出力特性の確保のために、アニール処理（例えば１５０℃で２０分以上）は必須の工程である。そして、ブラシ洗浄工程とアニール処理を併用することが、透光性薄膜太陽電池の製造にもっとも好ましい。
【００２１】
また、透光性薄膜太陽電池においては多数の透光用溝または穴を発電領域中に設けるので、セルに欠陥が生じて電流リークが生じやすい傾向にある。したがって、その非晶質半導体光電変換層が通常の膜厚よりも厚い３３０ｎｍ程度の場合に、いわゆるステブラーロンスキー効果による光劣化後の出力特性が最大になる。すなわち、透光性薄膜太陽電池の場合には、非晶質半導体光電変換層が３００〜３５０ｎｍの厚さ範囲内にあることが好ましい。
【００２２】
図１のブロック図は、本発明の一実施形態において好ましく用いられ得るレーザスクライブ装置を模式的に図解している。この装置において、レーザ発振器１１から射出されたレーザビーム１８はビームエクスパンダ１２によってビーム径が拡大されたビーム１８ａになる。ビーム１８ａは、ミラー１３によって方向が変えられた後に、レーザ出力ヘッド５０に含まれる２焦点レンズ２４によって２つのビーム２５ａ、２５ｂに分割されて薄膜太陽電池上に照射される。このとき、２つのビームの中心間隔は２焦点レンズ２４に含まれる２つの焦点軸の間隔３３に対応している。薄膜太陽電池１７はＸＹステージ１６上に載置されており、そのＸＹ平面内で自由に移動させられ得る。
【００２３】
図２に示されているように、図１中の２つの分割ビーム２５ａ、２５ｂは、まず薄膜太陽電池１７の左側で透光用溝中心間隔に対応するビーム走査線間隔２８だけ離れた２つのビーム走査開始点２７ａ、２７ｂに照射される。そして、それらのビームに対して薄膜太陽電池１７を相対的に移動させることによって、ビームが右方向に走査させられる。ビームの走査が薄膜太陽電池１７の右側に達すれば、ビームの照射位置が下方にシフト量（透光用溝中心間隔の２倍）２９だけ相対的に移動させられる。その後に、ビームが左方向に移動させられて、ビームの走査が薄膜太陽電池１７の左側に達すれば、再びビームの照射位置が下方にシフト量２９だけ相対的に移動させられる。このようなビームの走査とシフトを繰り返すことによって、ビーム走査領域２６内の破線と実践の直線で表されているような光透過用溝１０ａ、１０ｂが形成される。
【００２４】
図３は、図１中のレーザ出力ヘッド５０に含まれる２焦点レンズの一例を模式的な平面図で図解している。この２焦点レンズ２４は概略半円状の第１レンズ領域３０ａと第２レンズ領域３０ｂを含んでおり、それらの領域は間隔３３だけ隔てられた第１焦点軸５１ａと第２焦点軸５１ｂを含んでいる。図１中のミラー１３で反射されたビーム１８ａの中心軸は、２つの焦点軸間の中央軸Ｃに一致させられる。そして、薄膜太陽電池１７は図３中の矢印３２で表された方向に移動させられる。すなわち、図４に図解されているように、図２中のビーム走査線間隔２８は図３中の焦点軸間隔３３に対応している。図４において、第１と第２のビームスポット３４ａ、３４ｂは、薄膜太陽電池に対して矢印３２の方向へ相対的に走査させられる。
【００２５】
図５は、レーザ出力ヘッド５０に含まれる２焦点レンズの他の例を模式的な平面図で図解している。図３に比べて図５の２焦点レンズに特徴的なことは、第１と第２のレンズ領域３０ａ、３０ｂが、それらの焦点軸５１ａ、５１ｂ間の中央軸Ｃの周りに任意角度だけ回転させられ得ることである。そして、薄膜太陽電池１７は図３中の矢印３２で表された方向に移動させられる。すなわち、図６に図解されているように、中央軸Ｃの周りに任意角度だけ２焦点レンズ２４を回転させることによって、図２中のビーム走査線間隔２８は図３中の焦点軸間隔３３以下の範囲内で自由に設定することができる。
【００２６】
図７は、図５の２焦点レンズを用いたレーザスクライブを図解する模式的な平面図である。すなわち、図５の２焦点レンズを用いる場合には、図６から予想されるように、スクライブ開始点２７とスクライブ終了点３６とにおいて２つのビームスポットの位置が薄膜太陽電池１７の外辺に平行にならない。このことは、透光性薄膜太陽電池の意匠的外観の観点からあまり好ましくない。また、バスバー電極３（図１５参照）を形成すべき位置には透光用溝１０を形成する必要がないが、その境界が明確には確定されないことになる。
【００２７】
図８は、図５の回転可能な２焦点レンズを含むレーザ出力ヘッドの一例を模式的な平面図で図解している。このレーザ出力ヘッド３７において、２焦点レンズ２４は固定治具３８によって回転部３９に固定されている。これによって、２焦点レンズ２４は、焦点軸５１ａ、５１ｂ間の中央軸Ｃの周りで任意の角度で回転され得る。
【００２８】
図９と図１０は、レーザ出力ヘッド５０に含まれる２焦点レンズのさらに他の例を模式的な平面図で図解している。図５に比べて、図９と図１０に示された２焦点レンズに特徴的なことは、図９に示されているように第１と第２のレンズ領域３０ａ、３０ｂが相対的に剪断変位することができ、さらに図１０に示されているようにそのような剪断変位した後に焦点軸５１ａ、５１ｂ間の中央軸Ｃの周りに任意の角度で回転し得ることである。
【００２９】
図９において理解されるように、第１と第２のレンズ領域３０ａ、３０ｂが相対的に剪断移動することによって、焦点軸間隔３３が拡大し得る。しかし、２焦点レンズ２４に対してその剪断変位の方向に平行に薄膜太陽電池を相対移動させても、図１１に示されているようにレーザ走査線間隔２８は変化しない。しかし、図１０において理解されるように、剪断変位させた２焦点レンズ２４を焦点軸５１ａ、５１ｂ間の中央軸Ｃの周りに回転させて、それら焦点軸５１ａ、５１ｂ間を結ぶ線分方向をレーザ走査方向３２に直交するさせることによって、図１２に示されているように拡大された焦点軸間隔３３をレーザ走査線間隔２８にすることができる。
【００３０】
なお、焦点軸間隔３３を拡大する方法として、図１３に示されているように、焦点軸５１ａ、５１ｂ間を結ぶ線分方向に沿って第１と第２のレンズ領域３０ａ、３０ｂを引き離す方法も考えられる。しかし、このような方法で焦点軸間隔３３を拡大しようとすれば、第１と第２のレンズ領域３０ａ、３０ｂ間にできる隙間を通過するレーザビームが無駄になるとともに、薄膜太陽電池上にノイズとして漏れる恐れもある。したがって、図１３に示されているような２焦点レンズは実用的でないと考えられる。
【００３１】
図１４は、図９と図１０に示された２焦点レンズを含むレーザ出力ヘッド３７の一例を模式的な平面図で図解している。このレーザ出力ヘッド３７において、２焦点レンズ２４は、剪断部４０に固定されている。その剪断部４０は固定治具３８の直線状辺に沿って摺動できる。そして、固定治具３８は、回転部３９に係合されている。
【００３２】
なお、以上の実施形態においては２焦点レンズを含む単一のレーザ出力ヘッドを用いるレーザスクライブが説明されたが、望まれる場合には、２焦点レンズを含む複数のレーザ出力ヘッドが図１７の場合に類似して用いられてもよいことは言うまでもない。
【００３３】
以上のように作製され得る透光性薄膜太陽電池において、全体として明暗を緩やかに設けて、任意の遮光性と意匠性を付与することができる。また、連続的に視覚されうる不連続透光用溝（間隔の狭い一連の穴）をセル間分離溝に交差するように設けることによって、出力低下を最小限にしつつ外観に優れる透光性薄膜太陽電池を得ることができる。
【００３４】
さらに、透光性薄膜太陽電池の構成部材として、意匠性のあるガラスおよび意匠性のある封止材を用いることによって、容易に美観に優れる透光性薄膜太陽電池を得ることができる。意匠性のあるガラスとしては、（１）着色ガラス、（２）表面ブラストガラス、（３）表面にフィルムや塗料などを付着させたガラスなどを用いることができる。意匠性のある封止材としては、（１）着色樹脂、（２）絵やロゴを含む樹脂層やフィルムを用いることができる。
【００３５】
本発明の製法で得られる透光性薄膜太陽電池の用途としては、投影表現用スクリーンとして用いることができる。この場合、本発明の製法に係る透光性薄膜太陽電池は、解像度と輝度のバランス、発電性能、および生産性に優れている。透光用溝の幅は１０μｍ〜５００μｍであることが好ましく、その溝数は３００本以上であって開口率が５％〜５０％であることが好ましい。約１ｍ平方の透光性薄膜太陽電池においては、透光用溝の間隔は０．５ｍｍ〜２ｍｍであることが好ましい。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、良好な外観を有する透光性薄膜太陽電池を低コストで効率よく作製しうる方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の透光性薄膜太陽電池の製法に利用され得るレーザスクライブ装置を示すブロック図である。
【図２】本発明の透光性薄膜太陽電池の製法におけるレーザビーム走査を示す模式的平面図である。
【図３】図１のレーザスクライブ装置に含まれる２焦点レンズの模式的平面図である。
【図４】図３の２焦点レンズによる２つのレーザビームスポットを示す模式的平面図である。
【図５】２つの焦点軸間の中央軸の周りに回転可能な２焦点レンズを示す模式的平面図である。
【図６】図５の２焦点レンズによる２つのレーザビームスポットを示す模式的平面図である。
【図７】図６のレーザビームスポットによる走査を示す模式的平面図である。
【図８】図５の２焦点レンズを含むレーザ出力ヘッドを示す模式的平面図である。
【図９】相対的に剪断変位可能な２つのレンズ領域を含む２焦点レンズを示す模式的平面図である。
【図１０】相対的に剪断変位可能な２つのレンズ領域を含みかつ２つの焦点軸間の中央軸の周りに回転可能な２焦点レンズを示す模式的平面図である。
【図１１】図９の２焦点レンズによる２つのレーザビームスポットを示す模式的平面図である。
【図１２】図１０の２焦点レンズによる２つのレーザビームスポットを示す模式的平面図である。
【図１３】２つの焦点軸を結ぶ線分の中央でその線分方向に分離可能な２つのレンズ領域を含む２焦点レンズを示す模式的平面図である。
【図１４】図１０の２焦点レンズを含むレーザ出力ヘッドを示す模式的平面図である。
【図１５】透光性薄膜太陽電池の背面側を示す模式的平面図である。
【図１６】図１５中の点線Ａに沿って切り出した部分の模式的斜視図である。
【図１７】２つのレーザ出力ヘッドを含む従来のレーザスクライブ装置を示すブロック図である。
【図１８】図１７のレーザスクライブ装置を用いたレーザビーム走査を示す模式的平面図である。
【符号の説明】
１透光性薄膜太陽電池、２周縁分離溝、３バスバー電極、４透光性発電領域、５非発電領域、６透明絶縁基板、７透明電極層、８半導体光電変換層、９裏面金属電極、１０、１０ａ、１０ｂ透光用溝、１１レーザ発振器、１２レーザエクスパンダ、１３、１３ａ、１３ｂミラー、１４ハーフミラー、１５ａ、１５ｂ単焦点レンズ、１６ＸＹステージ、１７薄膜太陽電池、１８、１８ａ、１９ａ、１９ｂレーザビーム、２０ａ、２０ｂレーザビーム走査領域、２１ａ、２１ｂレーザビーム走査開始点、２２レーザビーム間隔、２３レーザビーム走査線のシフト量、２４２焦点レンズ、２５ａ、２５ｂ２焦点レンズで分割された２つのレーザビーム、２６レーザビーム走査領域、２７、２７ａ、２７ｂレーザビーム走査開始点、２８レーザビーム走査線間隔、２９レーザビーム走査線のシフト量、３０ａ、３０ｂレンズ領域、３２レーザビーム走査方向、３３焦点軸間隔、３４ａ、３４ｂレーザビームスポット、３６レーザビーム走査終了点、３７２焦点レンズを含むレーザ出力ヘッド、３８固定治具、３９回転部、４０剪断移動部、５０レーザ出力ヘッド、５１ａ、５１ｂ焦点軸。

Claims

透光性薄膜太陽電池の作製方法であって、透光用溝または穴をレーザスクライブで形成する際に、２焦点レンズを含むレーザ出力ヘッドを用いて互いに隣接する２列の透光用溝または穴を同時に形成することを特徴とする透光性薄膜太陽電池の作製方法。
前記２焦点レンズは、それら２焦点軸間の中央軸の周りに回転可能であることを特徴とする請求項１に記載の作製方法。
前記２焦点レンズは、それら２焦点軸の間隔が０．５〜２．０ｍｍの範囲内で調整可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の作製方法。
前記２焦点レンズを含むレーザ出力ヘッドの複数が同時に用いられることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の作製方法。
前記レーザスクライブに用いられる光源はＹＡＧレーザであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の作製方法。
前記レーザスクライブに用いられる光源はＹＡＧレーザの第２高調波であることを特徴とする請求項５に記載の作製方法。
前記透光性薄膜太陽電池は透明絶縁基板上に順に積層された透明電極層、半導体光電変換層、および裏面金属電極層を含み、前記半導体層と前記金属電極層を貫通する前記透光用溝または穴が前記レーザスクライブによって形成されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の作製方法。