JP2005260107A - 光起電力装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】テラス部と接続電極との接触抵抗の増大に起因する出力特性の低下を抑制することが可能な光起電力装置の製造方法を提供する。
【解決手段】この光起電力装置の製造方法は、受光面電極層5にレーザビームを照射することにより受光面電極層5に開口部5cを形成することによって、開口部5cによって分離された受光面電極5aと受光面電極5bとを形成する工程と、背面電極層3にレーザビームを照射することにより背面電極層3に開口部3cを形成することによって、開口部3cによって分離された背面電極3aと背面電極3bとを形成する工程と、受光面電極5aおよび5bをマスクとして光電変換層4をエッチングすることにより、背面電極3bの上面の開口部5cに対応する領域を露出させてテラス部3dを形成する工程と、受光面電極5aと背面電極3bのテラス部3dとに接触する接続電極7を形成する工程とを備えている。
【選択図】図1

Description

本発明は、光起電力装置の製造方法に関し、特に、電極にレーザビームを照射することにより開口部を形成することによって開口部により分離された電極を形成する工程を含む光起電力装置の製造方法に関する。
従来、電極にレーザビームを照射することにより開口部を形成することによって開口部により分離された電極を形成する工程を含む光起電力装置の製造方法が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
図13は、上記特許文献1に開示された光起電力装置と同様の構成を有する従来の光起電力装置の構成を示した断面図である。図13を参照して、従来の一例による光起電力装置では、基板101の上面上に絶縁層102が形成されている。また、絶縁層102の上面上には、開口部103cによって分離された背面電極103aおよび103bが形成されている。また、背面電極103aおよび103bの上面上の所定領域には、それぞれ、光電変換層104aおよび104bが形成されている。この光電変換層104aおよび104bは、開口部103cに対応して設けられた開口部104cによって分離されている。また、背面電極103bには、背面電極103bの上面の開口部104cに対応する領域が露出されたテラス部103dが設けられている。
また、光電変換層104aおよび104bの上面上には、それぞれ、受光面電極105aおよび105bが設けられている。この受光面電極105aおよび105bは、開口部105cによって分離されている。また、開口部103cを埋め込むとともに、背面電極103bのテラス部103dの一部と、開口部104cの光電変換層104a側の側面と、開口部105cの受光面電極105a側の側面とを覆うように、絶縁層106が形成されている。また、絶縁層106を跨いで、受光面電極105aの上面と、背面電極103bのテラス部103dとに接触するように、接続電極107が形成されている。これにより、背面電極103bと受光面電極105aとが接続されている。
図14〜図17は、図13に示した従来の一例による光起電力装置の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図13〜図17を参照して、従来の一例による光起電力装置の製造プロセスについて説明する。
まず、図14に示すように、基板101の上面上に、絶縁層102、背面電極層103、光電変換層104および受光面電極層105を形成する。
次に、図15に示すように、受光面電極層105にレーザビームを照射することにより、開口部105cを形成する。これにより、開口部105cによって分離された受光面電極105aおよび105bが形成される。
次に、図16に示すように、開口部105cによって露出された光電変換層104の上面部分のうち、受光面電極105a近傍の領域にレーザビームを照射することにより、開口部104cを形成した後、連続して背面電極層103にレーザ光を照射することにより、開口部103cを形成する。これにより、開口部104cによって分離された光電変換層104aおよび104bが形成されるとともに、開口部103cによって分離された背面電極103aおよび103bが形成される。
次に、図17に示すように、光電変換層104bの開口部105cに対応する領域にレーザビームを照射することにより、背面電極103bの上面の開口部105cに対応する領域を露出させてテラス部103dを形成する。
最後に、図13に示したように、開口部103cを埋め込むとともに、テラス部103dの一部と、開口部104cの光電変換層104a側の側面と、開口部105cの受光面電極105a側の側面とを覆うように絶縁層106を形成する。その後、絶縁層106を跨いで、受光面電極105aの上面と、テラス部103dとに接触するように導電性ペーストを塗布する。そして、その導電性ペーストを乾燥させて硬化させることにより、接続電極107を形成する。このようにして、従来の一例による光起電力装置が作製される。
特許第2986875号公報
しかしながら、図13に示した従来の光起電力装置では、光電変換層104bにレーザビームを照射することにより背面電極103bの上面を露出させてテラス部103dを形成しているので、レーザビームの照射による加工屑がテラス部103dに付着したり、レーザビームの熱によりテラス部103dにクラックなどが生じる場合がある。この場合には、テラス部103dに接触するように形成される接続電極107とテラス部103dとの界面における接触抵抗が増大することにより、抵抗損失が増大するという不都合がある。その結果、光起電力装置の出力特性が低下するという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、テラス部と接続電極との接触抵抗の増大に起因する出力特性の低下を抑制することが可能な光起電力装置の製造方法を提供することである。
課題を解決するための手段および発明の効果
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による光起電力装置の製造方法は、基板上に下部電極、光電変換層および上部電極を順次形成する工程と、上部電極にレーザビームを照射することにより上部電極に第1開口部を形成することによって、第1開口部により分離された第1上部電極と第2上部電極とを形成する工程と、下部電極にレーザビームを照射することにより下部電極に第2開口部を形成することによって、第2開口部により分離された第1上部電極に対応する第1下部電極と第2上部電極に対応する第2下部電極とを形成する工程と、第1上部電極および第2上部電極をマスクとして光電変換層をエッチングすることにより、第1下部電極の上面の第1開口部に対応する領域を露出させてテラス部を形成する工程と、第2上部電極と第1下部電極のテラス部とに接触する導電性部材を形成する工程とを備えている。
この一の局面による光起電力装置の製造方法では、上記のように、光電変換層をエッチングすることにより第1下部電極の上面の第1開口部に対応する領域を露出させてテラス部を形成することによって、レーザビームを照射することにより第1下部電極にテラス部を形成する場合のようにテラス部に加工屑が付着したり、レーザの熱に起因するクラックなどが発生するのを抑制することができる。これにより、加工屑やクラックなどに起因して、テラス部に接触するように形成される接続電極とテラス部との界面における接触抵抗が増大するのを抑制することができる。このため、抵抗損失が増大するのを抑制することができるので、光起電力装置の出力特性が低下するのを抑制することができる。また、上部電極および下部電極の各々にレーザビームを照射することにより第1開口部および第2開口部を形成することによって、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程が必要なエッチング法により第1開口部および第2開口部を形成する場合に比べて、少ない工程数で第1開口部および第2開口を形成することができる。これにより、第1開口部、第2開口部およびテラス部を全てエッチング法により形成する場合のように大幅に工程数が増大するのを抑制することができる。
上記一の局面による光起電力装置の製造方法において、好ましくは、第1上部電極および第2上部電極を形成する工程は、複数の層を有するとともに、最表面にZnO層を有する第1上部電極および第2上部電極を形成する工程を含む。このように構成すれば、第1および第2上部電極をマスクとしてプラズマエッチングを行う場合に、第1および第2上部電極のZnO層の下側の層のプラズマ耐性が低い場合にも、最表面のZnO層はプラズマ耐性が高いので、第1および第2上部電極のZnO層の下側の層にプラズマダメージが与えられるのを抑制することができる。
この場合において、好ましくは、第1上部電極および第2上部電極を形成する工程は、ITO層からなる下層およびZnO層からなる上層の積層構造と、SnO層からなる下層およびZnO層からなる上層の積層構造とのいずれか一方を有する第1上部電極および第2上部電極を形成する工程を含む。このように構成すれば、光電変換層がZnO層とのオーミック接触をとるのが困難な微結晶シリコン層などからなる場合にも、微結晶シリコン層とのオーミック接触が良好なITO層またはSnO層を介してZnO層を微結晶シリコン層に接続すれば、第1および第2上部電極と光電変換層との間で良好なオーミック接触を得ることができる。また、ITO膜およびSnO層は、高い導電性を有するので、第1および第2上部電極をITO層およびZnO層の積層構造またはSnO層およびZnO層の積層構造を有するように構成したとしても、抵抗損失が大幅に増大するのを抑制することができる。
上記第1および第2上部電極がZnO層を含む構成において、好ましくは、第1上部電極の総膜厚および第2上部電極の総膜厚は、75nm以上105nm以下であり、ZnO層の膜厚は、65nm以上である。このように構成すれば、第1および第2上部電極をマスクとしてプラズマエッチングを行う場合に、容易に、プラズマダメージが第1および第2上部電極のZnO層の下側の層に与えられるのを抑制することができる。
上記一の局面による光起電力装置の製造方法において、好ましくは、光電変換層にレーザビームを照射することにより光電変換層に第3開口部を形成することによって、第1上部電極および第1下部電極に対応する第1光電変換層と、第2上部電極および第2下部電極に対応する第2光電変換層とを形成する工程をさらに備え、第1下部電極と第2下部電極とを形成する工程は、第1光電変換層および第2光電変換層の形成後、連続して下部電極にレーザビームを照射することにより下部電極に第2開口部を形成することによって、第1下部電極と第2下部電極とを形成する工程を含む。このように構成すれば、第2開口部と第3開口部とを1回のレーザビームの照射により連続的に形成することができるので、第3開口部を第2開口部とは別の形成プロセスにより形成する場合に比べて、第3開口部の形成プロセスを簡略化することができる。
上記一の局面による光起電力装置の製造方法において、好ましくは、第1下部電極と第2下部電極とを形成する工程は、光電変換層を形成する工程に先立って行われ、光電変換層をエッチングすることによりテラス部を形成する工程は、第1上部電極および第2上部電極をマスクとして光電変換層をエッチングすることにより、光電変換層に第3開口部を形成することによって、第1上部電極および第1下部電極に対応する第1光電変換層と、第2上部電極および第2下部電極に対応する第2光電変換層とを形成するとともに、前記テラス部を形成する工程を含む。このように構成すれば、1回のエッチング工程で、第3開口部およびテラス部を同時に形成することができるので、テラス部を第3開口部とは別の形成工程で形成する場合に比べて、テラス部の製造プロセスを簡略化することができる。また、第1下部電極と第2下部電極とを形成する工程を、光電変換層を形成する工程に先立って行うことによって、第1下部電極と第2下部電極とを分離するための第2開口部を形成する際に、下部電極のみにレーザビームを照射して第2開口部を形成すればよいので、1回のレーザビームを照射する工程で、光電変換層および下部電極の各々に第3開口部および第2開口部を形成する場合に比べて、小さいパワーのレーザビームを照射して第2開口部を形成することができる。これにより、1回のレーザビームを照射する工程で光電変換層および下部電極の各々に第3開口部および第2開口部を形成する場合に比べて、レーザビームから第1および第2下部電極と、基板とに与えられる熱を低減することができるので、レーザビームの熱により、第1および第2下部電極にクラックが発生したり、第1および第2下部電極が基板から剥離するのを抑制することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態による光起電力装置の構成を示した断面図である。図2は、図1に示した第1実施形態による光起電力装置の平面レイアウトと断面構造との対応関係を示した図である。まず、図1および図2を参照して、本発明の第1実施形態による光起電力装置の構成について説明する。
第1実施形態による光起電力装置では、図1に示すように、ステンレス(SUS)からなる基板1の上面上には、約30μm〜約40μmの膜厚を有するポリイミド樹脂からなる絶縁層2が形成されている。また、絶縁層2の上面上には、開口部3cによって分離された背面電極3aおよび3bが形成されている。なお、この背面電極3aおよび3bは、それぞれ、本発明の「第2下部電極」および「第1下部電極」の一例であり、開口部3cは、本発明の「第2開口部」の一例である。また、背面電極3aおよび3bは、約300nm〜約400nmの膜厚を有するとともに、銀(Ag)を主成分とする金属材料により形成されている。
また、背面電極3aおよび3bの上面上の所定領域には、それぞれ、約3μm〜約4μmの膜厚を有するpin型の微結晶シリコン半導体からなる光電変換層4aおよび4bが形成されている。この光電変換層4aおよび4bは、開口部3cに対応して設けられた開口部4cによって分離されている。なお、光電変換層4aおよび4bは、それぞれ、本発明の「第2光電変換層」および「第1光電変換層」の一例であり、開口部4cは、本発明の「第3開口部」の一例である。
ここで、第1実施形態では、背面電極3bの上面上の開口部3c近傍の領域には、光電変換層4bによって覆われていないテラス部3dが設けられている。また、光電変換層4aおよび4bの上面上には、それぞれ、約75nm〜約105nmの膜厚を有する受光面電極5aおよび5bが設けられている。この受光面電極5aおよび5bは、開口部5cによって分離されている。なお、受光面電極5aおよび5bは、それぞれ、本発明の「第2上部電極」および「第1上部電極」の一例であり、開口部5cは、本発明の「第1開口部」の一例である。また、受光面電極5aおよび5bは、最表面に形成された約65nm以上の膜厚を有するZnO層5dと、ZnO層5dと光電変換層4a(4b)との間に介在するITO(Indium Tin Oxide)層5eとによって構成されている。このITO層5eを介して、ZnO層5dが微結晶シリコン半導体からなる光電変換層4a(4b)に接続されることにより、受光面電極5aおよび5bと光電変換層4aおよび4bとの間で良好なオーミック接触が得られる。また、開口部3cを埋め込むとともに、テラス部3dの一部と、開口部4cの光電変換層4a側の側面と、開口部5cの受光面電極5a側の側面とを覆うように絶縁層6が形成されている。この絶縁層6は、エポキシ樹脂中にAlからなるフィラーを添加した絶縁性材料によって形成されている。
また、絶縁層6を跨いで、受光面電極5aの上面と、背面電極3bのテラス部3dとに接触するように、樹脂硬化型の導電性ペースト(銀(Ag)ペースト)からなる接続電極7が形成されている。これにより、背面電極3bと受光面電極5aとが接続されている。なお、接続電極7は、本発明の「導電性部材」の一例である。また、接続電極7は、受光面電極5aの上面に接触する受光面側電極部7aと、背面電極3bのテラス部3dに接触するテラス側電極部7bとを有している。受光面側電極部7aは、図2に示すように、互いに平行な方向に延びるように複数形成されており、光電変換層4aによって発電された電流を収集する機能を有している。また、テラス側電極部7bは、受光面側電極部7aの延びる方向に対して直交する方向に沿って延びるように形成されているとともに、複数の受光面側電極部7aに接続されている。また、テラス側電極部7bは、背面電極3bに接続する機能に加えて、受光面側電極部7aによって収集された電流を集合させる機能も有している。
また、背面電極3a、光電変換層4a、受光面電極5aおよび接続電極7によって1つの光起電力素子8aが構成されるとともに、背面電極3b、光電変換層4bおよび受光面電極5bおよび接続電極(図示せず)によって別の光起電力素子8bが構成されている。そして、上記のように、光起電力素子8aの接続電極7が、光起電力素子8bの背面電極3bと接続されることにより光起電力素子8aおよび8bが直列に接続されている。このように、複数の光起電力素子を直列に接続することによって、モジュール化された光起電力装置が形成されている。
図3〜図6は、図1に示した本発明の第1実施形態による光起電力モジュールの製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図1〜図6を参照して、本発明の第1実施形態による光起電力装置の製造プロセスについて説明する。
まず、図3に示すように、ステンレス(SUS)からなる基板1の上面に、ポリイミド樹脂を塗布することによって、約30μm〜約40μmの膜厚を有する絶縁層2を形成する。その後、スパッタ法によって、絶縁層2の上面上に約300μm〜約400μmの膜厚を有する銀(Ag)を主成分とする金属材料からなる背面電極層3を形成する。なお、この背面電極層3は、本発明の「下部電極」の一例である。そして、プラズマCVD法によって、背面電極層3上に、約3μm〜約4μmの膜厚を有するpin型の微結晶シリコン半導体からなる光電変換層4を形成する。
その後、第1実施形態では、スパッタ法を用いて、光電変換層4上にITO層5eと、約65nm以上の膜厚を有するZnO層5dとを順次積層することにより、約75nm〜約105nmの総膜厚を有する受光面電極層5を形成する。なお、この受光面電極層5は、本発明の「上部電極」の一例である。
次に、図4に示すように、受光面電極層5に約355nmの波長λを有するQ−スイッチ付きYAGレーザビームの第3高調波(発振周波数:10kHz)を照射することにより、開口部5cを形成する。これにより、開口部5cによって分離された受光面電極5aおよび5bが形成される。
次に、第1実施形態では、図5に示すように、開口部5cに対応する光電変換層4の受光面電極5a近傍の領域に約1064nmの大きい波長λを有するQ−スイッチ付きYAGレーザビーム(基本波)を照射することにより、開口部4cを形成した後、連続して背面電極層3に上記のYAGレーザビームを照射することにより、開口部3cを形成する。これにより、開口部4cによって分離された光電変換層4aおよび4bと、開口部3cによって分離された背面電極3aおよび3bとが同時に形成される。
次に、第1実施形態では、図6に示すように、受光面電極5aおよび5bをマスクとして、CF:O=約95%:約5%のガス組成からなるプラズマを用いて光電変換層4bをドライエッチングすることにより、背面電極3bの上面の開口部5cに対応する領域を露出させてテラス部3dを形成する。この際、金属材料からなる背面電極3bは、プラズマにより実質的にダメージを受けない。これにより、レーザビームの照射による加工屑の付着やクラックなどのないきれいなテラス部3dが形成される。なお、このプラズマを用いたドライエッチングによって、光電変換層4aの上面の開口部5cに対応する領域も露出される。また、マスクとして用いられる受光面電極5aおよび5bの最表面には、プラズマ耐性の高いZnO層5dが設けられているので、ZnO層5dの下側のITO層5eにプラズマによるダメージが与えられるのが抑制されている。
次に、図1に示すように、開口部3cを埋め込むとともに、テラス部3dの一部と、開口部4cの光電変換層4a側の側面と、開口部5cの受光面電極5a側の側面とを覆うように、エポキシ樹脂中にAlからなるフィラーを添加した絶縁性材料からなる絶縁性ペーストを印刷する。これにより、絶縁層6を形成する。
その後、第1実施形態では、スクリーン印刷法を用いて、受光面電極5aおよび絶縁層6の上面に接触するとともに、テラス部3dに接触するように、樹脂硬化型の導電性ペースト(銀(Ag)ペースト)を塗布する。そして、その導電性ペーストを乾燥させて硬化させることにより、接続電極7を形成する。この際、図2に示すように、受光面電極5aの上面に接触する接続電極7の受光面側電極部7aを互いに平行な方向に沿って延びるように複数形成する。また、テラス部3dに接触する接続電極7のテラス側電極部7bを受光面側電極部7aの延びる方向に対して直交する方向に沿って延びるように形成するとともに、受光面側電極7aに接続する。これにより、背面電極3a、光電変換層4a、受光面電極5aおよび接続電極7からなる光起電素子8aと、背面電極3b、光電変換層4b、受光面電極5bおよび接続電極(図示せず)からなる光起電素子8bとが直列に接続される。このようにして、図1に示したような本発明の一実施形態による光起電力装置が作製される。
第1実施形態では、上記のように、光電変換層4をドライエッチングすることにより背面電極3bの上面の開口部5cに対応する領域を露出させてテラス部3dを形成することによって、レーザビームを照射することにより背面電極3bにテラス部3dを形成する場合のようにテラス部3dに加工屑が付着したり、レーザビームの熱に起因するクラックなどが発生するのを抑制することができる。これにより、加工屑やクラックなどに起因して、テラス部3dに接触するように形成される接続電極7とテラス部3dとの界面における接触抵抗が増大するのを抑制することができる。このため、抵抗損失が増大するのを抑制することができるので、光起電力装置の出力特性が低下するのを抑制することができる。
また、第1実施形態では、最表面にZnO層5dを有する受光面電極5aおよび5bを形成することによって、受光面電極5aおよび5bをマスクとして光電変換層4にプラズマエッチングを行う場合に、ZnO層5dはプラズマ耐性が高いので、ZnO層の下側のITO層5eにプラズマによるダメージが与えられるのを抑制することができる。
また、第1実施形態では、光電変換層4にレーザビームを照射することにより光電変換層4に開口部4cを形成した後、連続して背面電極層3にレーザビームを照射することにより背面電極層3に開口部3cを形成することによって、開口部4cと開口部3cとを1回のレーザビームの照射により連続的に形成することができるので、開口部4cと開口部3cとを別々の工程で形成する場合に比べて、開口部4cおよび開口部3cを形成する際のプロセスを簡略化することができる。
次に、上記した第1実施形態の効果を確認するために行った実験(実施例)について説明する。まず、最表面にZnO層が形成された受光面電極をマスクとして光電変換層に対してプラズマエッチングを行う場合に、プラズマによる光起電力装置の出力特性の低下について評価するための実験を行った。具体的には、受光面電極を構成するZnO層とITO層との膜厚比と、受光面電極の総膜厚とを変化させて受光面電極を形成するとともに、その受光面電極をマスクとして、光電変換層に対してプラズマエッチングを行うことによって、実施例1−1〜1−3、2−1〜2−3、3−1〜3−3、4−1〜4−3および5−1〜5−3による光起電力装置を作製した。そして、その作製した各光起電力装置について出力特性試験を行った。
(実施例1−1)
この実施例1−1では、光電変換層の上面上に総膜厚が50nmになるように受光面電極を形成した。また、受光面電極を構成するZnO層とITO層との膜厚比(ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚)は、4.0になるように受光面電極を形成した。そして、この受光面電極をマスクとして、CF:O=95%:5%のガス組成からなるプラズマにより光電変換層をドライエッチングすることによって、背面電極の上面を露出させてテラス部を形成した。また、この実施例1−1では、4つの光起電力素子を接続電極により直列に接続してモジュール化した。これ以外は、上記第1実施形態の製造プロセスと同様のプロセスにより、実施例1−1による光起電力装置を作製した。
(実施例1−2)
この実施例1−2では、受光面電極を構成するZnO層とITO層との膜厚比(ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚)が9.0になるように受光面電極を形成した。これ以外は、上記実施例1−1と同様にして実施例1−2による光起電力装置を作製した。
(実施例1−3)
この実施例1−3では、受光面電極を構成するZnO層とITO層との膜厚比(ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚)が49.0になるように受光面電極を形成した。これ以外は、上記実施例1−1と同様にして実施例1−3による光起電力装置を作製した。
(実施例2−1)
この実施例2−1では、光電変換層の上面上に総膜厚が70nmになるように受光面電極を形成した。また、受光面電極を構成するZnO層とITO層との膜厚比(ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚)は、5.0になるように受光面電極を形成した。これ以外は、上記実施例1−1と同様にして実施例2−1による光起電力装置を作製した。
(実施例2−2)
この実施例2−2では、受光面電極を構成するZnO層とITO層との膜厚比(ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚)が30.0になるように受光面電極を形成した。これ以外は、上記実施例2−1と同様にして実施例2−2による光起電力装置を作製した。
(実施例2−3)
この実施例2−3では、受光面電極を構成するZnO層とITO層との膜厚比(ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚)が49.0になるように受光面電極を形成した。これ以外は、上記実施例2−1と同様にして実施例2−3による光起電力装置を作製した。
(実施例3−1)
この実施例3−1では、光電変換層の上面上に総膜厚が75nmになるように受光面電極を形成した。また、受光面電極を構成するZnO層とITO層との膜厚比(ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚)は、1.0になるように受光面電極を形成した。これ以外は、上記実施例1−1と同様にして実施例3−1による光起電力装置を作製した。
(実施例3−2)
この実施例3−2では、受光面電極を構成するZnO層とITO層との膜厚比(ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚)が6.5になるように受光面電極を形成した。これ以外は、上記実施例3−1と同様にして実施例3−2による光起電力装置を作製した。
(実施例3−3)
この実施例3−3では、受光面電極を構成するZnO層とITO層との膜厚比(ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚)が30.0になるように受光面電極を形成した。これ以外は、上記実施例3−1と同様にして実施例3−3による光起電力装置を作製した。
(実施例4−1)
この実施例4−1では、光電変換層の上面上に総膜厚が100nmになるように受光面電極を形成した。また、受光面電極を構成するZnO層とITO層との膜厚比(ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚)は、0.4になるように受光面電極を形成した。これ以外は、上記実施例1−1と同様にして実施例4−1による光起電力装置を作製した。
(実施例4−2)
この実施例4−2では、受光面電極を構成するZnO層とITO層との膜厚比(ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚)が2.3になるように受光面電極を形成した。これ以外は、上記実施例4−1と同様にして実施例4−2による光起電力装置を作製した。
(実施例4−3)
この実施例4−3では、受光面電極を構成するZnO層とITO層との膜厚比(ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚)が9.0になるように受光面電極を形成した。これ以外は、上記実施例4−1と同様にして実施例4−3による光起電力装置を作製した。
(実施例5−1)
この実施例5−1では、光電変換層の上面上に総膜厚が105nmになるように受光面電極を形成した。また、受光面電極を構成するZnO層とITO層との膜厚比(ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚)は、0.3になるように受光面電極を形成した。これ以外は、上記実施例1−1と同様にして実施例5−1による光起電力装置を作製した。
(実施例5−2)
この実施例5−2では、受光面電極を構成するZnO層とITO層との膜厚比(ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚)が2.0になるように受光面電極を形成した。これ以外は、上記実施例5−1と同様にして実施例5−2による光起電力装置を作製した。
(実施例5−3)
この実施例5−3では、受光面電極を構成するZnO層とITO層との膜厚比(ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚)が9.0になるように受光面電極を形成した。これ以外は、上記実施例5−1と同様にして実施例5−3による光起電力装置を作製した。
[出力特性試験]
次に、上記のようにして作製した実施例1−1〜1−3、2−1〜2−3、3−1〜3−3、4−1〜4−3および5−1〜5−3による光起電力装置について、出力特性試験を行った。この出力特性試験では、各光起電力装置の出力を測定するとともに、実施例3−2による光起電力装置(受光面電極の総膜厚:75nm、ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚:6.5)の出力で規格化することにより、各光起電力装置の規格化出力Pmaxを算出した。図7には、その算出した各光起電力装置の規格化出力Pmaxが示されている。なお、規格化出力Pmaxが0.9以上の場合には、良好な出力特性を保持していると判断する。
図7を参照して、実施例3−2および3−3(受光面電極の総膜厚:75nm、ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚:6.5〜30.0)では、規格化出力Pmaxが0.91以上(実施例3−2:1.0、実施例3−3:0.91)になることがわかる。また、実施例4−2および4−3(受光面電極の総膜厚:100nm、ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚=2.3〜9.0)では、規格化出力Pmaxが0.95以上(実施例4−2:0.97、実施例4−3:0.95)になることがわかる。また、実施例5−2および5−3(受光面電極の総膜厚:105nm、ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚=2.0〜9.0)では、規格化出力Pmaxが0.91以上(実施例5−2:0.92、実施例5−3:0.91)になることがわかる。上記の結果から、受光面電極の総膜厚が75nm〜105nmの場合において、ZnO層とITO層との膜厚比が2.0〜30.0の場合(実施例3−2、3−3、4−2、4−3、5−2および5−3)には、光起電力装置の規格化出力Pmaxが0.9以上になることがわかった。すなわち、この場合には、良好な出力特性を保持していることが判明した。
上記の結果は、以下の理由によると考えられる。すなわち、実施例3−2、3−2、4−2、4−3、5−2および5−3では、受光面電極を構成するZnO層とITO層との膜厚比が2.0〜30.0である。この場合には、ITO層に比べてプラズマ耐性の高いZnO層の膜厚が65nm以上(94.5nm以下)になる。これにより、ITO層に比べてプラズマ耐性の高いZnO層の膜厚が十分大きくなるので、ZnO層の表面に照射されるプラズマによる影響(プラズマによるダメージ)がZnO層を介してITO層に及ぶのを抑制することができる。このため、プラズマの影響(プラズマによるダメージ)により、ITO層中の酸素が還元されて減少するのに伴ってITO層のシート抵抗が増大するのを抑制することができる。その結果、抵抗損失が増大するのを抑制することができるので、良好な出力特性を保持することができたと考えられる。この結果から、良好な出力特性を得るためには、受光面電極の総膜厚は、75nm以上105nm以下であるとともに、受光面電極の最表面のZnO層の膜厚は、65nm以上であることが好ましいことが判明した。
また、図7から、実施例3−1(受光面電極の総膜厚:75nm、ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚=1.0)、実施例4−1(受光面電極の総膜厚:100nm、ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚=0.4)および実施例5−1(受光面電極の総膜厚:105nm、ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚=0.3)では、規格化出力Pmaxが0.85以下(実施例3−1:0.81、実施例4−1:0.85、実施例5−1:0.80)になることがわかる。上記の結果から、受光面電極の総膜厚が75nm〜105nmであっても、ZnO層とITO層との膜厚比が0.3〜1.0の場合(実施例3−1、4−1および5−1)には、光起電力装置の規格化出力Pmaxが0.9以上にならないことがわかった。すなわち、この場合には、良好な出力特性の低下を得ることができないことが判明した。
上記の結果は、以下の理由によると考えられる。すなわち、実施例3−1、4−1および5−1では、受光面電極を構成するZnO層とITO層との膜厚比が0.3〜1.0であり、この場合には、ITO層に比べてプラズマ耐性の高いZnO層の膜厚が37.5nm以下(24.2nm以上)になる。このように、プラズマ耐性の高いZnO層の膜厚が小さいので、プラズマによる影響がZnO層を介してITO層に及ぶことにより、ITO層のシート抵抗が増大したと考えられる。このため、抵抗損失が増大するので、良好な出力特性が得られなかったと考えられる。
また、図7から、実施例1−1〜1−3(受光面電極の総膜厚:50nm、ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚:4.0〜49.0)では、規格化出力Pmaxが0.70以下(実施例1−1:0.61、実施例1−2:0.65、実施例1−3:0.70)になることがわかる。また、実施例2−1〜2−3(受光面電極の総膜厚:70nm、ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚=5.0〜49.0)では、規格化出力Pmaxが0.81以下(実施例2−1:0.69、実施例2−2:0.81、実施例2−3:0.75)になることがわかる。上記の結果から、受光面電極の総膜厚が70nm以下の場合(実施例1−1〜1−3および2−1〜2−3)には、光起電力装置の規格化出力Pmaxが0.9以上にならないので、良好な出力特性が得られないことがわかった。
これは、以下の理由によると考えられる。すなわち、実施例1−1〜1−3では、ITO層の膜厚(実施例1−1:10nm、実施例1−2:5nm、実施例1−3:1nm)が小さいとともに、受光面電極のZnO層の膜厚(実施例1−1:40nm、実施例1−2:45nm、実施例1−3:49nm)が65nmよりも小さい。これにより、実施例1−1〜1−3では、ITO層の膜厚が小さいことに起因してITO層は大きなシート抵抗を有しているとともに、ZnO層が65nmよりも小さいことに起因してプラズマの影響によりITO層のシート抵抗が増大される。その結果、抵抗損失が増大するので、良好な出力特性が得られなかったと考えられる。
また、実施例2−1の場合も、ZnO層の膜厚が59.3nmであるとともに、ITO層の膜厚が11.7nmであるので、上記した実施例1−1〜1−3と同様の理由により、良好な出力特性が得られなかったと考えられる。また、実施例2−2および2−3では、ZnO層の膜厚(実施例2−2:67.7、実施例2−3:68.6)は65nmよりも若干大きくなる一方、ITO層の膜厚(実施例2−2:2.3nm、実施例2−3:1.4nm)は小さくなる。これにより、ZnO層によってプラズマによるITO層のシート抵抗の増大をある程度抑制できる一方、ITO層の元々のシート抵抗が大きいので、良好な出力特性が得られなかったと考えられる。
次に、上記の出力特性試験において、最も規格化出力Pmaxが大きかった実施例3−2による光起電力装置(受光面電極の総膜厚:75nm、ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚=6.5)について、プラズマによるエッチング時間を変化させて光起電力装置を作製するとともに、その作製した光起電力装置のフィルファクタ(F.F.)を測定した。ここで、フィルファクタ(F.F.)は、セル出力を開放電圧と短絡電流との積で除した値であり、このフィルファクタ(F.F.)の値が1に近づくほど、光起電力装置の出力特性が優れているといえる。また、セル出力とは、光起電力装置に負荷抵抗を接続したときに、負荷抵抗を変化させて最大の電力が得られる場合の電圧および電流の積である。また、開放電圧は、光起電力装置に光を当てた際に発生する電圧を、受光面電極と背面電極との間に電圧計を接続して測定した電圧であり、電流を流さない状態での出力電圧値である。また、短絡電流は、光起電力装置に光を当てた際に流れる電流を、光起電力装置の受光面電極と背面電極との間に電流計を接続して測定した電流であり、負荷がない場合の出力電流値である。なお、この測定では、各エッチング時間について4つの試料を作製して、フィルファクタ(F.F.)を測定した。また、基準試料として、プラズマによるエッチングを行うことなく作製した光起電力素子(セル)単体からなる光起電力装置についても、フィルファクタ(F.F.)を測定した。フィルファクタ(F.F.)が、基準試料のフィルファクタ(F.F.)の値よりも大きい場合には、良好な出力特性を有していると判断することができる。図8には、上記のように測定した各試料についての測定結果が示されている。
図8を参照して、エッチング時間が1.0分、2.0分および3.0分の全ての試料のフィルファクタ(F.F.)は、基準試料のフィルファクタ(F.F.=約0.6)よりも大きい値を示すことがわかる。すなわち、1.0分〜3.0分のエッチング時間によるプラズマエッチングを行った場合にも、実施例3−2による光起電力装置(受光面電極の総膜厚:75nm、ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚=6.5)では、良好な出力特性を保持できることが判明した。なお、光電変換層をプラズマエッチングする際に必要な時間は、1分程度であるため、実施例3−2による受光面電極(受光面電極の総膜厚:75nm、ZnO層の膜厚/ITO層の膜厚:6.5)をマスクとして用いた場合には、プラズマエッチングによって出力特性の低下はほとんど生じないことがわかった。
(第2実施形態)
図9〜図12は、本発明の第2実施形態による光起電力装置の製造プロセスを説明するための図面である。次に、図9〜図12を参照して、本発明の第2実施形態による光起電力装置の製造プロセスについて説明する。この第2実施形態による光起電力装置の製造プロセスでは、プラズマエッチングを用いて、光電変換層の分離と同時にテラス部を形成する場合について説明する。
第2実施形態による光起電力装置の製造プロセスでは、図9に示すように、ステンレス(SUS)からなる基板1上に、絶縁層2および背面電極層3(図3参照)を形成した後、約1064nmの波長を有するQ−スイッチ付きYAGレーザビーム(基本波)を照射することにより、開口部3cを形成する。これにより、開口部3cによって分離された背面電極3aおよび3bが形成される。この際、背面電極層3(図3参照)のみにレーザビームを照射して開口部3cを形成するので、開口部3cを形成する際に、上記第1実施形態で用いたYAGレーザビームよりも小さいパワーのレーザビームを照射する。
次に、図10に示すように、開口部3cを埋め込むとともに、背面電極3aおよび3b上を覆うように、光電変換層4を形成した後、光電変換層4上にITO層5eおよびZnO層5dを順次積層することにより、受光面電極層5を形成する。
次に、図11に示すように、受光面電極層5に約355nmの波長を有するQ−スイッチ付きYAGレーザ光の第3高調波(発振周波数:10kHz)を照射することにより、開口部5cを形成する。これにより、開口部5cによって分離された受光面電極5aおよび5bを形成する。
次に、第2実施形態では、図12に示すように、受光面電極5aおよび5bをマスクとして、CF:O=約95%:約5%のガス組成を有するプラズマを用いて光電変換層4をドライエッチングする。これにより、開口部5cに対応する開口部4cを形成することによって、光電変換層4aおよび4bを形成すると同時に、背面電極3bの上面の開口部5cに対応する領域を露出させてテラス部3dを形成する。
この後、上記第1実施形態と同様のプロセスにより、絶縁層6と、受光面側電極部7aおよびテラス側電極部7bを有する接続電極7とを形成することによって、第2実施形態による光起電力装置を作製する。なお、第2実施形態による光起電力装置の上記以外の製造プロセスは、上記第1実施形態による製造プロセスと同様である。
第2実施形態では、上記のように、光電変換層4をプラズマを用いてエッチングすることにより、光電変換層4に開口部4cを形成すると同時に、背面電極3bにテラス部3dを形成することによって、1回のエッチング工程で開口部4cおよびテラス部3dを同時に形成することができるので、テラス部3dを開口部4cとは別の工程で形成する場合に比べて、テラス部3dの製造プロセスを簡略化することができる。
また、第2実施形態では、背面電極3aおよび3bを形成する工程を、光電変換層4を形成する工程に先立って行うことによって、背面電極3aおよび3bを分離するための開口部3cを形成する際に、背面電極層3のみにレーザビームを照射して開口部3cを形成すればよいので、1回のレーザビームを照射する工程で光電変換層4および背面電極層3の各々に開口部4cおよび3cを形成する場合に比べて、小さいパワーのレーザビームを照射して開口部3cを形成することができる。これにより、1回のレーザビームを照射する工程で光電変換層4および背面電極層3の各々に開口部4cおよび3cを形成する場合に比べて、レーザビームから背面電極3aおよび3bと基板1とに与えられる熱を低減することができる。その結果、レーザビームの熱により、背面電極3aおよび3bにクラックが発生したり、背面電極3aおよび3bが基板1から剥離するのを抑制することができる。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記実施形態では、ITO層およびZnO層を積層して受光面電極を形成したが、本発明はこれに限らず、SnO層およびZnO層を積層して受光面電極を形成してもよい。この場合にも、ITO層およびZnO層を積層して受光面電極を形成した上記実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、SnO層を介してZnO層を微結晶シリコン半導体からなる光電変換層に接続することによって、受光面電極と光電変換層との間で良好なオーミック接触を得ることができる。
本発明の第1実施形態による光起電力装置の構成を示した断面図である。 図1に示した第1実施形態による光起電力装置の平面レイアウトと断面構造との対応関係を示した図である。 本発明の第1実施形態による光起電力装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第1実施形態による光起電力装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第1実施形態による光起電力装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第1実施形態による光起電力装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 受光面電極の構成と規格化出力Pmaxとの関係を示した相関図である。 光電変換層にプラズマエッチングを行った時間(エッチング時間)とF.F.(フィルファクタ)との関係を示した相関図である。 本発明の第2実施形態による光起電力装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第2実施形態による光起電力装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第2実施形態による光起電力装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第2実施形態による光起電力装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 従来の一例による光起電力装置の構成を示した断面図である。 従来の一例による光起電力装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 従来の一例による光起電力装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 従来の一例による光起電力装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 従来の一例による光起電力装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
符号の説明
1 基板
3 背面電極層(下部電極)
3a 背面電極(第2下部電極)
3b 背面電極(第1下部電極)
3c 開口部(第2開口部)
3d テラス部
4、4a、4b 光電変換層
5 受光面電極層(上部電極)
5a 受光面電極(第2上部電極)
5b 受光面電極(第1上部電極)
5c 開口部(第1開口部)
7 接続電極(導電性部材)

Claims (6)

  1. 基板上に下部電極、光電変換層および上部電極を順次形成する工程と、
    前記上部電極にレーザビームを照射することにより前記上部電極に第1開口部を形成することによって、前記第1開口部により分離された第1上部電極と第2上部電極とを形成する工程と、
    前記下部電極にレーザビームを照射することにより前記下部電極に第2開口部を形成することによって、前記第2開口部により分離された前記第1上部電極に対応する第1下部電極と前記第2上部電極に対応する第2下部電極とを形成する工程と、
    前記第1上部電極および前記第2上部電極をマスクとして前記光電変換層をエッチングすることにより、前記第1下部電極の上面の前記第1開口部に対応する領域を露出させてテラス部を形成する工程と、
    前記第2上部電極と前記第1下部電極のテラス部とに接触する導電性部材を形成する工程とを備えた、光起電力装置の製造方法。
  2. 前記第1上部電極および前記第2上部電極を形成する工程は、
    複数の層を有するとともに、最表面にZnO層を有する前記第1上部電極および前記第2上部電極を形成する工程を含む、請求項1に記載の光起電力装の製造方法。
  3. 前記第1上部電極および前記第2上部電極を形成する工程は、
    ITO層からなる下層および前記ZnO層からなる上層の積層構造と、SnO層からなる下層および前記ZnO層からなる上層の積層構造とのいずれか一方を有する前記第1上部電極および前記第2上部電極を形成する工程を含む、請求項2に記載の光起電力装置の製造方法。
  4. 前記第1上部電極の総膜厚および前記第2上部電極の総膜厚は、75nm以上105nm以下であり、
    前記ZnO層の膜厚は、65nm以上である、請求項2または3に記載の光起電力装置の製造方法。
  5. 前記光電変換層にレーザビームを照射することにより前記光電変換層に第3開口部を形成することによって、前記第1上部電極および前記第1下部電極に対応する第1光電変換層と、前記第2上部電極および前記第2下部電極に対応する第2光電変換層とを形成する工程をさらに備え、
    前記第1下部電極と前記第2下部電極とを形成する工程は、前記第1光電変換層および前記第2光電変換層の形成後、連続して前記下部電極にレーザビームを照射することにより前記下部電極に前記第2開口部を形成することによって、前記第1下部電極と前記第2下部電極とを形成する工程を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の光起電力装置の製造方法。
  6. 前記第1下部電極と第2下部電極とを形成する工程は、前記光電変換層を形成する工程に先立って行われ、
    前記光電変換層をエッチングすることによりテラス部を形成する工程は、前記第1上部電極および前記第2上部電極をマスクとして前記光電変換層をエッチングすることにより、前記光電変換層に第3開口部を形成することによって、前記第1上部電極および前記第1下部電極に対応する第1光電変換層と、前記第2上部電極および前記第2下部電極に対応する第2光電変換層とを形成するとともに、前記テラス部を形成する工程を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の光起電力装置の製造方法。
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