JP2005123391A

JP2005123391A - 太陽電池及びその製造方法

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Publication number: JP2005123391A
Application number: JP2003356531A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Shimakawa; 伸一島川; Takayuki Negami; 卓之根上
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-10-16
Filing date: 2003-10-16
Publication date: 2005-05-12

Abstract

【課題】絶縁膜が不要でステンレス等の金属製フレキシブル基板を用いることが可能な薄膜太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】直列接続された２以上のユニットセルを導電性基板上(10)に形成する集積型薄膜太陽電池であって、前記基板上に第１の電極膜(11)とｐｎ接合を含む半導体膜(12)及び第２の電極膜(13)を順次積層され、さらに第２の電極膜側を樹脂材(14)とガラス板(15)によって封止した構造であり、前記半導体膜(12)がストライプ状の溝(12a)に分割され、さらに半導体膜が分割された溝(12a)と平行でかつどちらか一方側に第２の電極膜がストライプ状の溝(13a)で分割され、半導体膜が分割された溝(12a)と平行でかつ第２の電極膜を分割したストライプ溝(13a)とは対極に基板側から基板と裏面電極が分割された溝(11a)で、太陽電池モジュールを構成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜太陽電池及びその製造方法に関する。

従来から、Ｉｂ族元素、IIIｂ族元素及びVIｂ族元素からなる化合物半導体薄膜（カルコパイライト構造半導体薄膜）であるＣｕＩｎＳｅ₂（ＣＩＳ）、またはこれにＧａを固溶したＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ₂（ＣＩＧＳ）、あるいはＣｕＩｎＳ₂を光吸収層に用いた薄膜太陽電池モジュールの構造及び製造方法について、報告がなされている（例えば、下記非特許文献１参照）。このようなＣＩＳ系太陽電池では、基板上に複数のユニットセルを直列接続した集積型構造が一般的である。

ＣＩＳ系太陽電池の従来の製造方法について、図３（ａ）〜（ｅ）を参照しながら一例を説明する。まず、図３（ａ）に示すように、ガラスなどの絶縁性基板１上に第１の電極膜２をスパッタリング法によって形成した後、連続発振しているレーザビームを照射することによって、第１の電極膜２の一部をストライプ状に除去し、短冊状に分割された第１の電極膜２を形成する。その後、図３（ｂ）に示すように、第１の電極膜２上に、ｐ型Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ₂薄膜とｎ型ＣｄＳ薄膜とが積層された半導体膜３を形成する。次に、図３（ｃ）に示すように、メカニカルスクライブ法によって半導体膜３を短冊状に分割する。その後、図３（ｄ）に示すように、第２の電極膜４として透明な導電膜を形成する。最後に、図３（ｅ）に示すように、メカニカルスクライブ法によって、第２の電極膜４を短冊状に分割し、太陽電池を得ることができる。図３（ｅ）に示す太陽電池において、各ユニットセル５における第２の電極膜４は、隣接するユニットセルの第１の電極膜２と接続しており、各ユニットセル５は互いに直列接続していることになる。なお、図３（ｃ）や図３（ｅ）に示す工程において、上述したメカニカルスクライブ法でなく、レーザビームを用いることによって各膜を短冊状に分割することもできる。さらに製品用太陽電池とする場合はガラス基板との間にエチレン酢酸ビニル共重合樹脂（ＥＶＡ）からなる樹脂封止材を用いて、封止して太陽電池モジュールとする。

このような集積型の薄膜太陽電池では、基板として、ステンレス基板などの可撓性を有する基板を用いることによって汎用性を高くすることができる。また、可撓性を有する基板を用いた場合には、ロール状に巻かれた基板を引き出してその上に太陽電池を連続的に形成することができるため、製造上有利な点が多い。
第１３回、ユーロピアンフォトヴォルテックソーラーカンファレンス(13TH EUROPEAN PHOTOVOLTAIC SOLAR CONFERENCE)1995 P.1451-1455

しかし、ステンレス等の金属製フレキシブル基板などの透明でない基板を用いた場合には、集積型太陽電池を構成するために表面に絶縁性を付与することが必要である。金属製基板に絶縁膜を形成した上で、集積型太陽電池を構成するわけであるが、この絶縁膜にピンホールなどがあり絶縁性が不十分であると、第１の電極膜と金属基板と導通が発生し、直列接続での構成ができなくなる。

また、金属製基板上に形成された絶縁膜と第１の電極膜との密着性が不十分な場合は絶縁性が確保された場合でも、半導体膜を形成する場合の高温に耐えきれず、熱応力によって第１の電極膜が剥離することがある。

本発明は、前記従来の問題を解決するため、絶縁膜が不要でステンレス等の金属製フレキシブル基板を用いることが可能な集積型薄膜太陽電池及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、直列接続された２以上のユニットセルを導電性基板上に形成する集積型薄膜太陽電池であって、
前記基板上に第１の電極膜とｐｎ接合を含む半導体膜及び第２の電極膜が順次積層され、
前記第２の電極膜側を樹脂材とガラス板によって封止され、
前記半導体膜がストライプ状の溝に分割され、
前記半導体膜が分割された溝と平行で、かつ少なくとも一方側に前記第２の電極膜がストライプ状の溝に分割され、
前記半導体膜が分割された溝と平行で、前記第２の電極膜を分割したストライプ溝とは対向にかつ隣接して、基板側から基板と裏面電極が分割されていることを特徴とする。

本発明の集積型薄膜太陽電池の製造方法は、直列接続された２以上のユニットセルを導電性基板上に形成する集積型薄膜太陽電池の製造方法であって、
前記基板上に第１の電極膜を形成し、ｐｎ接合を含む半導体膜を形成したのち、
前記半導体膜を短冊状に分割し、前記半導体膜上及び前記半導体膜が除去されて露出した前記第１の電極膜上に第２の電極膜を形成して短冊状に分割し、
前記第２の電極膜側に樹脂材とガラス板によって封止した後、基板側から半導体膜を分割した溝と平行かつ隣側にストライプ状に基板と裏面電極の分割を行うこと特徴とする。

本発明の太陽電池及び製造方法によれば、絶縁層が不要で製造の際の工程数を減らした低コスト太陽電池モジュールを提供することが可能である。

本発明の集積型薄膜太陽電池において、基板は、例えば厚さ３０μｍ〜２ｍｍ程度のステンレスや樹脂等を使用できる。

また、第１の電極膜は、例えば厚さ２００ｎｍ〜２μｍ程度のモリブデンやアルミ等を使用できる。
第２の電極膜は、それぞれ例えば厚さ５０ｎｍ〜１μｍ程度のＺｎＯ膜、ＺｎＯ：Ａｌ膜、ＩＴＯ膜等を使用できる。

また、第２の電極膜側を封止する樹脂材料としては、エチレン酢酸ビニル共重合樹脂（ＥＶＡ）（使用できる材料）等を使用できる。

前記半導体膜に形成するストライプ状の溝は、幅１０〜５００μｍ、深さ１〜３μｍの範囲が好ましい。

また、前記第２の電極膜のストライプ状溝は、幅１０〜５００μｍ、深さ１〜３μｍの範囲が好ましい。

また、分割された半導体膜の大きさは、横２ｍｍ〜７ｍｍの範囲が好ましい。

上記集積型太陽電池では、前記基板と裏面電極を、基板裏面側から分割した場合に半導体膜が一部除去されていてもよい。半導体膜を一部除去することにより、並列抵抗が高くなり漏れ電流が低減可能になる。

上記集積型太陽電池では、半導体膜がＩｂ族元素とIIIｂ族元素とVIｂ族元素とを含む化合物半導体層を含んでいることが好ましい。

上記集積型太陽電池では前記第１の電極膜が、モリブデンを含んでいることが好ましい。これにより、Ｉｂ族元素とIIIｂ族元素とVIｂ族元素とを含む化合物半導体層とオーミックが良く、線膨張係数の点からも剥離など心配がない。

上記集積型太陽電池では、前記基板と裏面電極を、基板裏面側から分割する際に、エッチングによって分割を行ってもよい。

上記集積型太陽電池では、基板と裏面電極を、基板裏面側から分割する際に、円盤形状のダイヤモンドブレードを回転させ、加工点に水を掛けながら分割を行ってもよい。
さらに、ダイヤモンドブレードの回転数を検知し、回転に対する抵抗力が変わった時点で分割加工を停止することが好ましい。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態において、同一の部分については同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態における太陽電池の断面図であり、図２（ａ）〜（ｄ）は工程図である。図１と図２を用いて概要を説明する。導電性基板１０上に第１の電極膜１１として例えばＭｏ膜をスパッタリング法によって形成する。このときの膜厚は０．３〜２．０μｍである。基板１０がステンレスからなる場合、この基板１０の厚さは、たとえば２０μｍ〜２００μｍの範囲内である。

次に、第１の電極膜１１上にｐｎ接合を含む半導体膜１２を形成する。半導体膜１２は、ｐ形の半導体層とｎ形の半導体層とを含む。ｐ形の半導体としては、たとえば、カルコパイライト構造半導体を用いることができ、具体的には、Ｉｂ族元素とIIIｂ族元素とVIｂ族元素とを含む半導体を用いることができる。より具体的には、ＣｕＩｎＳｅ₂（ＣＩＳ）、またはこれにＧａを固溶したＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ₂（ＣＩＧＳ）、あるいはこれらのＳｅの一部を硫黄で置き換えた半導体を用いることができる。これらは、蒸着法またはスパッタリング法によって形成できる。また、ｎ形の半導体としては、たとえば、ＣｄＳ、ＺｎＯ、Ｚｎ（Ｏ，ＯＨ）、Ｚｎ（Ｏ，Ｓ）、Ｚｎ（Ｏ，ＯＨ，Ｓ）、ＺｎＭｇＯ等の少なくともII族元素とVIｂ族元素とを含む化合物を用いることができる。これらは、化学浴析出法やスパッタリング法、蒸着法で形成できる。

半導体膜１２の一部をストライプ状に除去して溝１２ａを形成することによって、半導体膜１２を短冊状に分割する。（図２（ａ）参照）溝１２ａは、溝１３ａによって第１の電極膜１２の一部が露出するような位置に形成される。半導体膜１２の一部の除去は、メカニカルスクライブ法やレーザスクライブ法で行うことができる。

半導体膜１２上及び半導体膜１２が除去された露出した第１の電極膜１１上に第２の電極膜１３を形成する。第２の電極膜１３は溝１２ａの部分にも形成され、この溝１２ａの部分を通じて第１の電極膜１１と第２の電極膜１３とが電気的に接続される。

さらに、第２の電極膜１３の一部をストライプ状に除去して溝１３ａを形成することによって、第２の電極膜１３を短冊状に分割する（図２（ｂ）参照）。この工程では、第２の電極膜１３とともに半導体膜１２の一部を除去してもよい。第２の電極膜１３には、ＺｎＯ膜、ＺｎＯ：Ａｌ膜、ＩＴＯ膜などの透明導電膜を用いることができ、スパッタリング法やＣＶＤ法などによって形成できる。

これら、一連の工程はロール・トゥ・ロール方式で連続形成可能であり、ロール方式で形成した場合は生産性・均一性が向上する。

これらデバイス素子ができあがった上、カバーガラスとの間に樹脂を挟み込んだ形で封止を行い、太陽電池モジュールの形態にする（図２（ｃ）参照）。このときに用いる樹脂としては例えば、エチレン酢酸ビニル共重合樹脂（ＥＶＡ）などを用いることができる。またカバーガラスとしては、ほう珪酸ガラスなどを用いることができる。

最後に基板裏面から半導体膜１２を分割した溝１２ａに平行かつ隣り合わせで、溝１３ａと対極側に基板１０と第１の電極膜１１を分割し、分割溝１１ａにした（図２（ｄ）参照）。分割の方法としては、例えばグラインダーのように、円盤形状のダイヤモンドブレードを回転させ、加工点に水を掛けながら分割を行ってもよい。また同時に半導体膜１２の一部を除去してもかまわない（図１（ｃ）参照）。半導体膜１２の一部を除去したほうが、半導体膜１２と通じての漏れ電流が軽減される効果もある。なおダイヤモンドブレードを回転させながら、その回転数を検知しておくと、金属基板と裏面電極のＭｏ膜を分割ができ、半導体膜例えばＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ₂（ＣＩＧＳ）にダイヤモンドブレードが達したときに硬度が変わるため、回転数に変化がおき、そこで加工を停止することで、半導体膜１２の一部を除去した形状で製作できる。また基板裏面からの分割は、エッチング等の化学的な方法でも可能である。その場合も反応時間を制御して半導体膜１２の一部を除去するところで加工を止めることが望ましい。

なお最終的には、この後に図１（ｂ）に示すように裏面側も封止樹脂又はガラスで封止して、太陽電池モジュールとして設置する方が望ましい。

このようにして、直列接続された２以上のユニットセルを導電性基板上１０に形成する際、基板１０上に第１の電極膜１１とｐｎ接合を含む半導体膜１２及び第２の電極膜１３を順次積層され、さらに第２の電極膜側を樹脂材１４とガラス板１５によって封止し、半導体膜１２がストライプ状の溝１２ａに分割され、さらに半導体膜が分割された溝１２ａと平行でかつどちらか一方側に第２の電極膜がストライプ状の溝１３ａで分割され、半導体膜が分割された溝１２ａと平行でかつ第２の電極膜を分割したストライプ溝１３ａとは対極に基板側から基板と裏面電極が分割された溝１１ａにより太陽電池モジュールを製造した。

半導体膜に形成したストライプ状の溝は、幅５０μｍ、深さ２μｍであった。第２の電極膜のストライプ状の溝は、幅４０μｍ、深さ２μｍであった。また、分割された半導体膜の大きさは、横２〜７ｍｍであった。

ステンレス薄板等でロール方式による形成を行った場合にモジュール化する際には絶縁層が必要であるが、本発明の太陽電池モジュールでは絶縁層が不要になる。また、第１の電極の分割を導電性基板の分割と同時に行うことが可能である。

本発明の太陽電池モジュールは大量生産に適して低コスト化が可能である。特にロール方式で大量に生産し、任意の大きさで切り出すことにより、目的にあった電圧の太陽電池モジュールを製作可能である。住宅用として様々な大きさの屋根にも設置可能な太陽電池を低コストで提供できる。

（ａ）〜（ｃ）は、本発明の集積型薄膜太陽電池の構造について一例を示す断面図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の集積型薄膜太陽電池の製造方法についての工程の一例を示す工程断面図である。（ａ）〜（ｅ）は、従来の集積型薄膜太陽電池の製造方法について一例を示す断面図である。

符号の説明

10 導電性基板
11 第１の電極膜
12 半導体膜
13 第２の電極膜
14 封止用樹脂
15 カバーガラス
11a,12a,13a 溝

Claims

直列接続された２以上のユニットセルを導電性基板上に形成する集積型薄膜太陽電池であって、
前記基板上に第１の電極膜とｐｎ接合を含む半導体膜及び第２の電極膜が順次積層され、
前記第２の電極膜側を樹脂材とガラス板によって封止され、
前記半導体膜がストライプ状の溝に分割され、
前記半導体膜が分割された溝と平行で、かつ少なくとも一方側に前記第２の電極膜がストライプ状の溝に分割され、
前記半導体膜が分割された溝と平行で、前記第２の電極膜を分割したストライプ溝とは対向にかつ隣接して、基板側から基板と裏面電極が分割されていることを特徴とする集積型薄膜太陽電池。
前記基板と裏面電極を、基板裏面側から分割した場合に半導体膜が一部除去されている請求項１に記載の集積型薄膜太陽電池。
前記半導体膜がＩｂ族元素とIIIｂ族元素とVIｂ族元素とを含む化合物半導体層を含んでいる請求項１に記載の集積型薄膜太陽電池。
前記第１の電極膜が、モリブデンを含む請求項１に記載の集積型薄膜太陽電池。
直列接続された２以上のユニットセルを導電性基板上に形成する集積型薄膜太陽電池の製造方法であって、
前記基板上に第１の電極膜を形成し、ｐｎ接合を含む半導体膜を形成したのち、
前記半導体膜を短冊状に分割し、前記半導体膜上及び前記半導体膜が除去されて露出した前記第１の電極膜上に第２の電極膜を形成して短冊状に分割し、
前記第２の電極膜側に樹脂材とガラス板によって封止した後、基板側から半導体膜を分割した溝と平行かつ隣側にストライプ状に基板と裏面電極の分割を行うこと特徴とする集積型薄膜太陽電池の製造方法。
前記基板と裏面電極を、基板裏面側から分割する際に、エッチングによって分割する請求項５に記載の集積型薄膜太陽電池の製造方法。
前記基板と裏面電極を基板裏面側から分割する際に、円盤形状のダイヤモンドブレードを回転させ、分割する請求項５に記載の集積型薄膜太陽電池の製造方法。
前記基板と裏面電極を基板裏面側から分割する場合は、円盤形状のダイヤモンドブレードを回転させ、分割を行う際に、ダイヤモンドブレードの回転数を検知し、回転に対する抵抗力が変わった時点で分割加工を停止する請求項７に記載の集積型薄膜太陽電池の製造方法。