JP2005101383A - 集積型光起電力装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 この発明は、集電極による無効面積を最小限に留める集積型光起電力装置を提供する。
【解決手段】 絶縁層２を有する基板１上に光電変換領域ごとに分離された第１の電極３１、光電変換層４４、第２の電極５４がこの順序で形成され、集電のために隣接素子間を電気的に分離する分離開溝６１と非平行に第２の電極５４上に設けられたフィン８と、フィン８と連接し分離開溝６１に平行に設けられ、フィン８に比べて太い幅のバスバー９と、バスバーと連接し光電変換領域外で、隣接素子の第１の電極３１と接続する接続電極と、を備え。複数の光電変換素子を直列接続する。そして、隣接素子間を電気的に分離する分離開溝６１は、第２の電極５４から光電変換層４４を貫いて第１の電極３１に到達し電気的に分離し、分離開溝６１内に電気的絶縁部材７１が設けられる。バスバー９は、電気的絶縁部材７１上に重畳し、分離開溝６１の幅内に納まるように設けられている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、微結晶シリコン、非晶質シリコンなどの薄膜半導体を光電変換層に用いた直列接続型の集積型光起電力装置及びその製造方法に関する。

非晶質半導体、微結晶半導体などの半導体薄膜は、気相成長法で形成できるために、大面積化が容易であり、太陽電池などの光起電力装置の光電変換層として用いられている。このような薄膜半導体を光電変換層に用いた光起電力装置は、光起電力素子を直列に電気的に接続することにより取出し電圧を設定している。この直列接続を行うには、光起電力装置を構成する各層を分離加工して複数の単位光電変換素子にする必要がある。従来は、この分離加工をするのに、まず下地の第１電極層の幅を広く除去分離し、その後に、非晶質半導体層または微結晶半導体層および第２電極層を形成し、第１電極層の前記の幅広く除去分離した部分の真上で非晶質半導体層および第２電極層を第１電極層の除去分離よりも幅が狭いレーザ光を用いて、分離加工して第１電極層と第２電極層の短絡を防いでいた。これら集積構造としては、光電変換領域内で電気的分離部と直列接続部は平行して設ける構造と、光電変換領域外で直列接続を行う構造のものが知られている。

ところで、特許文献１に開示されているように、主として、基板と対向する面に設けられた第２の電極が受光面電極である場合、受光面電極の高い電気抵抗率を補償するための集電構造が必要である。

この種の集電構造は、一般的に、比較的細い幅を有するフィンと、これらのフィンを連結する比較的太い幅のバスバーから構成されている。
特開平７−２６３７２６号公報

上記した集電構造では、集電構造の下は遮光されるため、特に太い幅を必要とするバスバーによる無効面積が大きいという問題があった。

また、光電変換領域内に隣接素子同士の電気的分離と直列接続部を有する構造の場合、電気的分離部と直列接続部は平行して設けられ、これらの形成を短絡なく行うためには、分離部、接続部の形成と前後して、電気的絶縁部材の形成が必要であり、工程が複雑であると共に、無効面積も増大するという問題があり、光電変換領域外で直列接続を行う構造と面積効率の面で同等以下である。

この発明は、上記した従来の問題点を解決するためになされたものにして、集電極による無効面積を最小限に留める集積型光起電力装置を提供することをその課題とする。

この発明の集積型光起電力装置は、絶縁表面を有する基板上に光電変換領域ごとに分離された第１の電極、薄膜半導体からなる光電変換層、第２の電極が、この順序で形成され、集電のために隣接素子間を電気的に分離する分離開溝と非平行に前記第２の電極上に設けられた比較的細い幅の導電部材からなるフィンと、前記フィンと連接し隣接素子間を電気的に分離する分離開溝に平行に設けられ、前記フィンに比べて太い幅の導電部材からなるバスバーと、前記バスバーと連接し光電変換領域外で、隣接素子に向けて延長せしめた部分を有する接続用電極と、を備え、複数の光電変換素子を直列接続した集積型光起電力装置において、隣接素子間を電気的に分離する分離開溝は、前記第２の電極から光電変換層を貫いて第１の電極に到達し、第１電極を電気的に分離し、前記分離開溝内、或いは分離開溝内と第２の電極の一部を覆って、電気的絶縁部材が設けられ、前記電気的絶縁部材上に重畳し、分離開溝の幅内に納まるようにバスバーが設けられていることを特徴とする。

また、この発明の集積型光起電力装置の製造方法は、絶縁表面を有する基板の全面上に第１の電極を形成し、この第１の電極の全面上に薄膜半導体からなる光電変換層を形成し、この光電変換層上に少なくとも一辺が前記第１の電極の内側になるように透光性の第２の電極を形成した後、前記第２の電極側から前記第２の電極、光電変換層、第１の電極を除去して隣接素子間を電気的に分離する分離開溝を形成し、この分離開溝内、或いは分離開溝内と第２の電極の一部を覆って、電気的絶縁部材を設けた後、前記第２の電極上に前記分離開溝と非平行な比較的細い幅の導電部材からなるフィンと、前記フィンと連接し前記分離開溝に平行で且つ前記電気的絶縁部材上に重畳し分離開溝の幅内に納まる前記フィンに比べて太い幅の導電部材からなるバスバーとからなる集電極を形成すると共に、前記バスバーと連接し光電変換領域外で、隣接素子に向けて延長せしめた部分を有する接続用電極とを形成し、複数の光電変換素子を直列接続したことを特徴とする。

前記分離開溝をエネルギービームの照射により形成した後、ドライエッチングを行い、分離開溝内の残留物、及び分離開溝壁の加工損傷領域を除去すると共に、直列接続部に相当する光電変換素子外の光電変換層を除去し、第１の電極を露出させた後、集電極を形成することを特徴とする請求項２に記載の集積型光起電力装置の製造方法。

この発明は、隣接素子間の電気的分離を担う分離開溝内に電気的絶縁部材を充填し、この電気的絶縁部材に重畳して、集電極の一部であるバスバーを形成することにより、集電極による無効面積を最小限に留めることができる。

以下、この発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。図１は、この発明の第１の実施形態にかかる集積型光起電力装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線断面図である。

基板１上に絶縁層２が設けられ、この絶縁層２上に銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）やアルミニウム（Ａｌ）の上にチタン（Ｔｉ）を積層した第１の電極３１が設けられている。

この第１の電極３１上に、内部にｎｉｐ接合を有する微結晶シリコン或いは、非晶質シリコンなどの薄膜半導体からなる光電変換層４４をプラズマＣＶＤ法により積層形成する。この光電変換層４４に第２の電極となる透光性電極５４として酸化インジウム錫（ＩＴＯ）が設けられている。

第１の電極３１、光電変換層４４及び透光性電極５４は、ウォータジェット加工などにより形成された分離開溝６１により光電変換領域ごとに分離されている。この隣接素子間の電気的分離を担う分離開溝６１内には、電気的絶縁部材７１が充填される。集電のために隣接素子間を電気的に分離する分離開溝６１と非平行に比較的細い幅の導電部材で形成された多数のフィン８が透光性電極５４上に形成される。このフィン８に連接され、分離開溝６１に平行でフィン８に比べて太い幅の導電部材からなるバスバー９が電気的絶縁部材７１上に重畳して分離開溝６１の幅内に納まるように設けられる。このバスバー９は光電変換領域外で、Ｌ字状に隣接素子に向けて延長せしめた部分９ａを有する。この部分９ａが隣接素子の第１の電極３１と接続され、複数の素子が直列に接続される。

この発明の集積型の光起電力装置は、図１に示すように、隣接素子間の電気的分離を担う分離開溝６１内に電気的絶縁部材７１を充填し、さらにこの電気的絶縁部材７１に重畳して、集電極の一部であるバスバー９を形成している。このように、集電極を形成することで、集電極による無効面積を最小限に留めることができる。

図２は、この発明の第１の実施形態の集積型光起電力装置を製造工程別に示す模式的断面図である。以下、この実施形態を図２の工程図を参照して、更に詳細に説明する。

絶縁表面を有する基板１として、１００ｍｍ×１００ｍｍ×０．１５ｍｍ（ｔ）のステンレス基板に、０．０１ｍｍの膜厚のポリイミドを絶縁層２として、被着させた基板を用いる。この基板１の絶縁層２上に銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）やアルミニウム（Ａｌ）の上にチタン（Ｔｉ）を積層した第１の電極３１をスパッタ法により形成する。続いて、ｎｉｐ接合を有する微結晶シリコン或いは、非晶質シリコンなどの薄膜半導体からなる光電変換層４４をプラズマＣＶＤ法により積層形成し、さらに、透光性電極５４として、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）をスパッタ法により形成する（図１（ａ）参照）。光電変換層４４を、例えば、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）で形成する場合は、プラズマＣＶＤ法により、第１の電極層３１側から、膜厚５０ｎｍ程度のｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ、膜厚２μｍ程度の真性（ｉ型）μｃ−Ｓｉ：Ｈ、膜厚１５ｎｍ程度のｐ型μｃ−Ｓｉ：Ｈを順次積層形成する。各層の成膜条件を表１に示す。

尚、この実施形態においては、光電変換領域外で、隣接素子間を直列に接続するタイプの集積型光起電力装置であるので、第１の電極３１は、光電変換領域外まで延出されて形成している

次に、第２の電極層５４側から隣接素子間を分離するために、高圧の液体をノズルより噴射する所謂ウォータージェット（ＷＪ）加工を施す。ウォータージェットの加工条件は、圧力：１０Ｍｐａ、ノズル径：０．１５ｍｍ、流量：０．４４リットル／ｍｉｎ、加工速度：０．５ｍ／ｍｉｎ、噴射距離：４０ｍｍである。このウォータジェット加工により、約０．５ｍｍ幅の分離開溝６１を形成する（図２（ｂ）参照）。この分離開溝６１は、第２の電極層５４から光電変換層４４を貫いて第１の電極３１に到達し、更に、絶縁層２の一部まで除去し、第１の電極３１を電気的に分離している。ウォータージェットによる分離開溝６１の形成では、導電性基板１上に絶縁層２を被着させた基板を用いた際には、被着された絶縁層２をも除去されてしまう。しかし、この発明では、次の工程で、分離開溝６１内には電気的絶縁部材が充填されるため、問題とならない。また、このウォータジェットによる加工は、第２の電極層５４を形成した後、第２の電極層５４側から行うことにより、ウォータジェットの水圧による開溝幅の拡大が最小に抑えられる。

続いて、分離開溝６１にポリイミド等の電気的絶縁部材７１を充填する。この充填は、充填時に粘性を有する絶縁材料をディスペンサー６５より押し出し、分離開溝６１内に充填した後、オーブンで焼結させる（図２（ｃ）参照）。この電気的絶縁部材７１は分離開溝６１内、或いは分離開溝６１内と第２の電極層５４の一部を覆って形成される。この方法は、絶縁材料をディスペンサーより押し出し、分離開溝６１内に被着せしめており、スクリーン印刷等におけるマスクに相当するものがなく、これによる機械的損傷、或いは第１の電極層（ＩＴＯ膜）５４にピンホールを生じることがない。

その後、隣接素子間を電気的に分離する分離開溝６１と非平行に設けられた比較的細幅のフィン８と、隣接素子間を電気的に分離する分離開溝６１に平行に設けられ、フィン８に比べて太幅のバスバー９と、これを光電変換領域外で、Ｌ字状に隣接素子に向けて延長せしめた部分を有する接続用電極９ａとを、Ａｇ粉末等の導電性粒子を含む導電性ペーストをディスペンサー９５から押し出して塗布する。光電変換領域外における隣接素子との直列接続は、フィン８、バスバー９とＬ字状の延長部分９ａから成る集電極を被着後、高温焼成前の導電材料が粘性を有する時点で、集電極上よりエネルギービームを照射し、集電極の延長部分９ａと、隣接素子の第１の電極３１とを電気的に接続し、その後、高温で焼成して形成する（図１、図２（ｄ）参照）。

この実施形態においては、この電気的絶縁部材７１に重畳して、集電極の一部であるバスバー９を形成する。このように、電気的絶縁部材に重畳して、集電極の一部であるバスバー９を形成することにより、集電極による無効面積を最小限に留めることができる。

この第１の実施形態のように、ウォータージェットを用いることは、下記の点で極めて有効である。
（１）熱的損傷が発生せず、これによる透光性電極と第１の電極との短絡、或いは電流漏洩が発生しない。
（２）成膜と交互して、パターニング工程を行う必要がなく、第１の電極と光電変換層と透光性電極を連続して形成することが出来、製造工程が極めて簡易である。
（３）エネルギービームを用いて分離開溝を形成する際には、光電変換層への熱的損傷による低抵抗領域の発生を考慮し、図３に示すような、分離開溝を２段構造に形成する必要があるが、ウォータージェットでは、この必要がなく、有効面積の減少を最小限に抑えることが出来る。

その反面、ウォータージェットによる開溝の形成では、導電性基板上に絶縁層を被着させた基板を用いた際には、被着された絶縁層をも除去されてしまう。しかし、この発明によれば、分離開溝内には絶縁部材が充填されるため、問題とならない。

このウォータージェットを用いず、エネルギービームを用いて分離開溝６１を形成する第２の実施形態を図３及び図４に示す。図３は、この発明の第２の実施形態にかかる集積型光起電力装置を示す断面図、図４は、この発明の第２の実施形態の集積型光起電力装置を製造工程別に示す模式的断面図である。尚、上記した第１の実施形態と同一部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるために、ここではその説明を割愛する。

この第２の実施形態では、光電変換層４４への熱的損傷による低抵抗領域の発生を考慮し、図３に示すような、分離開溝を２段構造に形成する、即ち、第１の電極３１を分離する開溝部６２は、幅広く開溝し、この開溝部６２内に納まるように、分離開溝６１が形成されている。そして、この分離開溝６１内に電気的絶縁部材７１を充填している。

この第２の実施形態につき、図４を参照して更に説明する。先ず、第１の実施形態と同じく基板１の絶縁層２上に全面を覆って被着されたＡｇ等からなる第１の電極３１を形成し（図４（ａ）参照）、この第１の電極３１に対し、Ｑ−スイッチ付Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（波長：１０６４ｎｍ）を用いて、約０．５ｍｍ幅のスクライブ加工を行い分離開溝６２を形成する（図４（ｂ）参照）。

次に、内部にｎｉｐ接合を有する微結晶シリコン、非晶質シリコン等の薄膜半導体からなる光電変換層４４をプラズマＣＶＤ法により積層し、さらに、透光性電極５４として、ＩＴＯ膜をスパッタにより形成する（図４（ｃ）参照）。

続いて、前記の開溝６２内に納まるように細く絞った同ＹＡＧレーザを照射し、光電変換層４４とＩＴＯ膜５４を約０．１ｍｍ幅でスクライブ加工し、分離開溝６１を形成し、複数の光電変換素子に分離する（図４（ｄ）参照）。

このように、分離開溝を２段構造とすることにより、レーザ加工時の熱的損傷が光電変換層４４に生じても、電流リークが発生することなく分離部を形成することが出来る。

分離開溝６１形成後、前述の第１の実施形態と同様に、前記分離開溝６１内に電気的絶縁部材７１をディスペンサーを用いて充填する。この方法は、絶縁材料をノズルより押し出し、分離開溝６１内に被着せしめており、スクリーン印刷等におけるマスクに相当するものがなく、これによる機械的損傷、或いはＩＴＯ膜５４にピンホールを生じることがない。

この電気的絶縁部材７１を被着後、オーブン内において充分焼結し、同様にディスペンサーを用いて、フィン８、バスバー９、Ｌ字状の延長部分から成る集電極を被着し、オーブンで焼後、Ｌ字状の延長部分上より、Ｑ−スイッチ付Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（波長：１０６４ｎｍ）を照射し、集電極と光電変換層と隣接素子の第１の電極との溶融物を介した直列接続部を形成し、第３図に示す集積型光起電力装置が形成される。

この直列接続部の形成において、レーザ溶融部の信頼性向上、及び電気的抵抗の低減のためには、集電極と第１の電極の混合が重要である。このためには、ディスペンサーによる導電性ペーストを塗布後、まだ粘性を有している時点で、レーザ照射を行うことが望ましい。これにより、焼成後のレーザ溶融に比べ、混合が促進された結果、直列接続部の電気的抵抗を小さくすることが出来る。

エネルギービームを用いて分離開溝６１を形成する第３の実施形態を図５及び図６に示す。図５は、この発明の第３の実施形態の集積型光起電力装置を製造工程別に示す模式的断面図、図６は、この発明の第３の実施形態にかかる集積型光起電力装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線断面図である。である。尚、上記した第１、第２の実施形態と同一部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるために、ここではその説明を割愛する。

図５（ａ）乃至図５（ｄ）に示す工程は、第２の実施形態と同じである。この第３の実施形態は、分離開溝６１をレーザビームにより形成した後、ＣＦ₄、或いはＣＦ₄とＯ₂の混合ガスによるドライエッチングを行い、分離開溝６１内の残留物及び分離開溝壁の加工損傷領域を除去すると共に、直列接続部に相当する光電変換素子外の光電変換層４４を除去する（図５（ｅ）参照）。特に、レーザビームを用いて分離開溝を形成した際には、加工部に熱的損傷領域が発生するため、これをドライエッチングにより除去することにより、電流リークを低減することが出来る。

また、直列接続部に相当する光電変換素子外の光電変換層が除去されるため、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、第１の電極３１の露出面の一部と、これと連なる光電変換領域の一部を覆って、電気的絶縁部材７１を被着させ、同電気的絶縁部材７１上を覆って、バスパー９などの集電極を形成すればよい。この方法によれば、直列接続部９ａには、光電変換層の溶融物が介在せず、より低抵抗の直列接続部を得ることが可能である。

尚、上記実施形態においては、光電変換層４４として内部にｎｉｐ接合を有する微結晶シリコン又は非晶質シリコンを用いたが、他の薄膜半導体を用いても良い。例えば、多結晶シリコン、Ｃｄｓ，ＣｕＩｎＳｅ₂などの薄膜半導体を光電変換層４４として用いることもできる。

この発明の第１の実施形態にかかる集積型光起電力装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線断面図である。 この発明の第１の実施形態の集積型光起電力装置を製造工程別に示す模式的断面図である。 この発明の第２の実施形態にかかる集積型光起電力装置を示す断面図である。 この発明の第２の実施形態の集積型光起電力装置を製造工程別に示す模式的断面図である。 この発明の第３の実施形態の集積型光起電力装置を製造工程別に示す模式的断面図である。 この発明の第３の実施形態にかかる集積型光起電力装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線断面図である

符号の説明

１ 基板
２ 絶縁層
８ フィン
９ バスバー
３１ 第１の電極
４４ 光電変換層
５４ 透光性電極（第２の電極）
６１ 分離開溝
７１ 電気的絶縁部材

Claims (3)

1. 絶縁表面を有する基板上に光電変換領域ごとに分離された第１の電極、薄膜半導体からなる光電変換層、第２の電極が、この順序で形成され、集電のために隣接素子間を電気的に分離する分離開溝と非平行に前記第２の電極上に設けられた比較的細い幅の導電部材からなるフィンと、前記フィンと連接し隣接素子間を電気的に分離する分離開溝に平行に設けられ、前記フィンに比べて太い幅の導電部材からなるバスバーと、前記バスバーと連接し光電変換領域外で、隣接素子に向けて延長せしめた部分を有する接続用電極と、を備え、複数の光電変換素子を直列接続した集積型光起電力装置において、隣接素子間を電気的に分離する分離開溝は、前記第２の電極から光電変換層を貫いて第１の電極に到達し、第１電極を電気的に分離し、前記分離開溝内、或いは分離開溝内と第２の電極の一部を覆って、電気的絶縁部材が設けられ、前記電気的絶縁部材上に重畳し、分離開溝の幅内に納まるようにバスバーが設けられていることを特徴とする集積型光起電力装置。
2. 絶縁表面を有する基板の全面上に第１の電極を形成し、この第１の電極の全面上に薄膜半導体からなる光電変換層を形成し、この光電変換層上に少なくとも一辺が前記第１の電極の内側になるように透光性の第２の電極を形成した後、前記第２の電極側から前記第２の電極、光電変換層、第１の電極を除去して隣接素子間を電気的に分離する分離開溝を形成し、この分離開溝内、或いは分離開溝内と第２の電極の一部を覆って、電気的絶縁部材を設けた後、前記第２の電極上に前記分離開溝と非平行な比較的細い幅の導電部材からなるフィンと、前記フィンと連接し前記分離開溝に平行で且つ前記電気的絶縁部材上に重畳し分離開溝の幅内に納まる前記フィンに比べて太い幅の導電部材からなるバスバーとからなる集電極を形成すると共に、前記バスバーと連接し光電変換領域外で、隣接素子に向けて延長せしめた部分を有する接続用電極とを形成し、複数の光電変換素子を直列接続したことを特徴とする集積型光起電力装置の製造方法。
3. 前記分離開溝をエネルギービームの照射により形成した後、ドライエッチングを行い、分離開溝内の残留物、及び分離開溝壁の加工損傷領域を除去すると共に、直列接続部に相当する光電変換素子外の光電変換層を除去し、第１の電極を露出させた後、集電極を形成することを特徴とする請求項２に記載の集積型光起電力装置の製造方法。
   

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