JP2007220931A

JP2007220931A - 薄膜化合物太陽電池およびその製造方法

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Publication number: JP2007220931A
Application number: JP2006040358A
Authority: JP
Inventors: Sunao Takahashi; 直高橋
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2026-02-17
Also published as: JP4762753B2

Abstract

【課題】再結合速度の増加による短絡電流の減少を防止する。
【解決手段】太陽電池層２３とコンタクト層２４とからなる多層半導体層２２の受光面側に、カバーフィルムとしてポリイミドフィルム３２を形成している。こうして、ｎ型電極２５の受光面側に、１５０℃‐３０Minの条件下での熱収縮率が２.０％以下である低熱収縮フィルムを形成することによって、フレキシブル性を持たせるために０.５μm以上且つ３０μm以下の厚さで形成されている多層半導体層２２に対して、ポリイミドフィルム３２からのストレスによる歪の影響が受け難くなる。そのために、上記歪による半導体内部の再結合速度増加によって、短絡電流の減少等の問題が発生するのを防止することができる。
【選択図】図２

Description

この発明は、薄膜化合物太陽電池およびその製造方法に関する。

薄膜化合物太陽電池に関する従来の技術として、例えば特開２００５‐１３６１９４号公報(特許文献１)に開示された軽量太陽電池モジュールがある。この特許文献１に開示された太陽電池モジュールを図１３に示す。図１３において、太陽電池セル１が透明接着剤層２によって封止され、さらに太陽電池セル１の受光面側に透明保護フィルム３を配置する一方、非受光面側には断熱材板４を配置している。ここで、透明保護フィルム３の組成としては、ポリ塩化ビニリデン,フッ素樹脂,アクリル樹脂およびそれらの共重合体から選択されている。

しかしながら、上記特許文献１に開示された軽量太陽電池モジュールにおいては、以下のような問題がある。すなわち、化合物半導体太陽電池において、フレキシブル性を確保するためには、カバーガラスをカバーフィルムに変更し、上記太陽電池セル１を含む化合物半導体の膜厚を３０μm以下にする必要がある。しかしながら、上記化合物半導体層の膜厚が３０μm以下の極薄膜の化合物半導体単結晶太陽電池セルにおいては、特許文献１におけるポリ塩化ビニリデンやフッ素樹脂やアクリル樹脂あるいはそれらの共重合体から成る透明保護フィルム３をカバーフィルムとして使用した場合には、太陽電池の光電変換特性が劣化してしまう。特に、高温に曝されると特性(例えば、短絡電流値)の劣化が顕著である。

その理由は、ポリ塩化ビニリデンをはじめとする熱収縮率が高いフィルム(ポリ塩化ビニリデンの熱収縮率(１５０℃‐３０Min)は２５％)は、１２０℃以上の高温に曝されると収縮することによってストレス(歪)を発生させ、このストレス(歪)が上記化合物半導体層の膜厚が３０μm以下である極薄膜の化合物半導体単結晶太陽電池セルに内包されることになり、このストレス(歪)が半導体内部の再結合速度を高め、その結果として短絡電流が減少すると考えられる。

また、上記特許文献１に開示された軽量太陽電池モジュールには、以下のような製造上の問題もある。受光面側にｎ型およびｐ型の２種類の電極が形成され、この電極に接続されるインターコネクタが形成されたフレキシブル薄膜化合物半導体太陽電池セルの例を考える。

図１４に、上記受光面側にｎ型およびｐ型の２種類の電極が形成され、この電極に接続されたインターコネクタが形成されたフレキシブル薄膜化合物半導体太陽電池セルの断面を示す。このフレキシブル薄膜化合物半導体太陽電池セルは、太陽電池層１１とこの太陽電池層１１の受光面側にｐ型電極を形成するためのコンタクト層１２との２つの半導体層を含んでいる。そして、ｎ型電極１３は太陽電池層１１上の受光面側に形成される一方、ｐ型電極１４はコンタクト層１２上の受光面側に形成されている。さらに、ｎ型電極１３に接続されたｎ型インターコネクタ１５と、ｐ型電極１４に接続されたｐ型インターコネクタ１６とが、形成されている。さらに、受光面側には、ポリ塩化ビニリデンフィルム１７が、シリコン樹脂１８によって接着されている。

上記構成において、特に、上記コンタクト層１２におけるｐ型電極１４と太陽電池層１１とによって挟まれた領域１９に、割れ等の問題が発生し易い。これは、元より領域１９はｐ型電極１４と太陽電池層１１とからのストレスを受けているのに加えて、ポリ塩化ビニリデンフィルム１７の熱収縮によって発生するストレスがシリコン樹脂１８を通して伝播し、その結果、割れること等によってストレスが開放されるのが原因であると考えられる。尚、２０は裏面電極である。
特開２００５‐１３６１９４号公報

そこで、この発明の課題は、再結合速度の増加による短絡電流の減少を防止できる薄膜化合物太陽電池およびその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の薄膜化合物太陽電池は、
ｐ型領域とｎ型領域とのｐｎ接合を有する太陽電池層を含む半導体層と、
受光面側に形成されると共に、上記太陽電池層のｎ型領域に接続されたｎ型電極および上記太陽電池層のｐ型領域に接続されたｐ型電極と、
上記ｎ型電極に接続されたｎ型インターコネクタおよび上記ｐ型電極に接続されたｐ型インターコネクタと、
上記太陽電池層,ｎ型電極,ｐ型電極,ｎ型インターコネクタおよびｐ型インターコネクタ上を含む受光面側に形成されると共に、１５０℃‐３０Minの条件下での熱収縮率が３.０％以下である低熱収縮率の透明樹脂と
を備えたことを特徴としている。

上記構成によれば、受光面側に、カバーフィルムとして、１５０℃‐３０Minの条件下における熱収縮率が３.０％以下である低熱収縮率の透明樹脂が形成されている。したがって、１２０℃程度の高温に曝された場合であっても上記透明樹脂の収縮は少なく、上記太陽電池層は上記透明樹脂のストレスによって歪を受けることがない。そのため、上記歪による上記太陽電池層内部の再結合速度増加によって、短絡電流の減少等の問題が発生するのを防止することができる。すなわち、光電変換特性に優れた薄膜化合物半導体太陽電池を得ることができるのである。

さらに、薄膜化合物半導体太陽電池においては、受光面側にｎ型電極とｐ型電極とが形成され、上記電極に接続するインターコネクタが形成されている場合には、製造途中で上記カバーフィルムの熱収縮が伝播して、ストレスに弱い箇所が割れるという問題が発生する。しかしながら、この発明においては、上記カバーフィルムとして低熱収縮率の透明樹脂が用いられている。したがって、製造途中に上記透明樹脂で発生して伝播する熱収縮が小さく、ストレスに弱い箇所が割れるという問題から回避される。すなわち、高い歩留で製造することが可能になる。

また、１実施の形態の薄膜化合物太陽電池では、
上記半導体層の厚さは、０.５μm以上且つ３０μm以下である。

この実施の形態によれば、上記太陽電池層を含む半導体層の厚さが３０μm以下であるので、フレキシブル性を損なうことがない。さらに、上記半導体層の厚さが０.５μm以上であるので、太陽電池として機能することができる。

また、１実施の形態の薄膜化合物太陽電池では、
上記低熱収縮率の透明樹脂は、ポリイミド樹脂,ポリエチレンナフタレート樹脂あるいはポリエチレンテレフタレート樹脂の何れかである。

この実施の形態によれば、上記低熱収縮率の透明樹脂として、ポリイミド樹脂,ポリエチレンナフタレート樹脂あるいはポリエチレンテレフタレート樹脂の何れかを用いているので、低熱収縮性を有するのみならず、耐熱性,耐候性,水蒸気等のガスバリア性に優れており、薄膜化合物太陽電池のカバーフィルム材料として適している。

さらに、上記ポリイミド樹脂を用いる場合には、シリコン樹脂を介さず形成することが可能であり、薄膜化合物半導体太陽電池をより薄く形成することができ、高いフレキシブル性を実現することが可能になる。また、上記ポリエチレンナフタレート樹脂あるいはポリエチレンテレフタレート樹脂を用いる場合には、上記ポリイミド樹脂に比して廉価であるため、コスト低減に寄与することができる。

また、１実施の形態の薄膜化合物太陽電池では、
上記低熱収縮率の透明樹脂は、シリコン樹脂とポリイミド樹脂との積層複合体、シリコン樹脂とポリエチレンナフタレート樹脂との積層複合体、あるいは、シリコン樹脂とポリエチレンテレフタレート樹脂との積層複合体の何れかである。

この実施の形態によれば、上記低熱収縮率の透明樹脂として、ポリイミド樹脂,ポリエチレンナフタレート樹脂あるいはポリエチレンテレフタレート樹脂の何れかとシリコン樹脂との積層複合体を用いているので、１００℃以下の低温度工程のみで上記透明樹脂を形成することができる。

さらに、上記ポリエチレンナフタレート樹脂あるいはポリエチレンテレフタレート樹脂を用いる場合には、高いヤング率を有しているため、シリコン樹脂を介した貼り合せの作業性が良く、歩留まりを高めることができる。

また、この発明の薄膜化合物太陽電池の製造方法は、
半導体基板上に、ｐ型領域とｎ型領域とのｐｎ接合を有する太陽電池層を含む半導体層を形成する工程と、
受光面側に、上記太陽電池層のｎ型領域に接続されたｎ型電極と上記太陽電池層のｐ型領域に接続されたｐ型電極とを形成する工程と、
上記ｎ型電極に接続されたｎ型インターコネクタと上記ｐ型電極に接続されたｐ型インターコネクタとを形成する工程と、
上記半導体層,ｎ型電極,ｐ型電極,ｎ型インターコネクタおよびｐ型インターコネクタ上を含む受光面側に、１５０℃‐３０Minの条件下での熱収縮率が３.０％以下である低熱収縮率の透明樹脂を形成する工程と、
上記半導体基板および上記半導体層の一部をエッチング除去して薄膜化する工程と、
上記受光面側とは反対側の面に裏面電極を形成する工程と
を備えたことを特徴としている。

上記構成によれば、受光面側に、カバーフィルムとして、１５０℃‐３０Minの条件下での熱収縮率が３.０％以下である低熱収縮率の透明樹脂が形成される。したがって、１２０℃程度の高温に曝された場合であっても上記透明樹脂の収縮は少なく、上記太陽電池層は上記透明樹脂のストレスによって歪を受けることがない。そのため、上記歪による上記太陽電池層内部の再結合速度増加によって、短絡電流の減少等の問題が発生するのを防止することができる。すなわち、光電変換特性に優れた薄膜化合物半導体太陽電池を得ることができるのである。

さらに、上記カバーフィルムとして低熱収縮率の透明樹脂が用いられている。したがって、製造途中に上記透明樹脂で発生して伝播する熱収縮が小さく、ストレスに弱い箇所が割れるという問題から回避される。すなわち、高い歩留で製造することが可能になる。

以上より明らかなように、この発明は、受光面側に、カバーフィルムとして、１５０℃‐３０Minの条件下において熱収縮率が３.０％以下である低熱収縮率の透明樹脂を形成するので、１２０℃程度の高温に曝された場合であっても上記透明樹脂の収縮を少なくし、上記太陽電池層が上記透明樹脂のストレスによって受ける歪を無くすことができる。したがって、上記歪による上記太陽電池層内部の再結合速度増加によって、短絡電流が減少する等の問題を防止することができる。

すなわち、この発明によれば、光電変換特性に優れた薄膜化合物半導体太陽電池を得ることができる。

さらに、上記カバーフィルムとして低熱収縮率の透明樹脂を用いている。したがって、製造途中に上記透明樹脂で発生して伝播する熱収縮を小さくし、ストレスに弱い箇所が割れるという問題を回避することができる。すなわち、この発明によれば、高い歩留で製造することができる。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。以下においては、太陽電池セルにおける太陽光を受光する受光面の側を受光面側とする一方、上記受光面とは反対側の非受光面の側を非受光面側とする。

この実施の形態における薄膜化合物太陽電池を構成しているフレキシブル薄膜化合物半導体太陽電池セルは、後に詳述する半導体層を有しており、この半導体層の膜厚は０.５μm以上且つ３０μm以下である。そして、このフレキシブル薄膜化合物半導体太陽電池セルは、受光面側にｎ型およびｐ型の２種類の電極が形成され、上記電極に接続するインターコネクタが形成されており、受光面には低熱収縮率フィルムが形成されている。

また、上記フレキシブル薄膜化合物半導体太陽電池セルの製造方法は、半導体基板にエピタキシャル層を形成する工程と、受光面側にｎ型およびｐ型の２種類の電極を形成する工程と、上記電極に夫々インターコネクタを形成する工程と、受光面側に低熱収縮率フィルムをシリコン樹脂で接着する工程と、非受光面側である上記半導体基板とエピタキシャル層の一部とをエッチング除去して薄膜化する工程と、非受光面側に電極を形成する工程とを含み、上記工程を順次行うことによって、上記フレキシブル薄膜化合物半導体太陽電池セルが製造される。

以下、上記フレキシブル薄膜化合物半導体太陽電池セル(以下、単に大陽電池セルという場合もある)の製造方法について、各工程毎に詳細に説明する。

（１）メサを形成する工程
上記半導体基板は、Ｓi,Ｇe等の元素半導体基板またはＧaＡs等の化合物半導体基板からなる。上記半導体基板は、好ましくは単結晶半導体基板である。その場合には、その上に容易にエピタキシャル層を形成することができるからである。

上記半導体基板上には、コンタクト層とｐｎ接合を有する太陽電池層とを含む多層の半導体層を形成する。上記半導体層は、必要であれば、ｐｎ接合を含む多層膜からなる化合物半導体層であっても構わない。上記半導体層はエピタキシャル成長させる。その場合、後に上記半導体基板の全てあるいはその上の上記半導体層の一部までを除去するために、歪の小さいエピタキシャル層が望ましい。また、上記半導体層は、ＭＢＥ(分子線エピタキシー)法やＭＯＣＶＤ(有機金属化学気相成長)法やＶＰＥ(気相成長)法等で形成することができる。

上記半導体層はｐｎ接合を有しており、太陽電池セルとして０.５μm以上の層厚が必要になる。また、太陽電池セルのフレキシブル性を確保する上で３０μm以下が望ましい。それ以上の膜厚を有する場合には、半導体自身のフレキシブル性が損なわれており、不適である。

メサは、通常のフォトリソグラフィ法により、必要な部分にのみマスクを形成し、不要部の太陽電池層を例えばエッチング工程によってエッチング除去し、コンタクト層を露出させて形成される。その場合のエッチングは、ドライエッチング法あるいはウェットエッチング法の何れでも構わないが、特定の層で実質上エッチングの進行が停止する選択エッチング法を用いるのが好ましい。

（２）主面電極Ａを形成する工程
太陽電池層上における受光面側に、例えば通常のフォトリソグラフィ法,蒸着法,リフトオフ法,シンター法等によって、主面電極Ａを形成する。尚、その際に、通常の電極形成工程が適用される。上記主面電極Ａは、例えば、銀(Ａg)等の導電材料で構成される。また、主面電極Ａの形状は、例えば櫛の形状を有する櫛形電極である。その他の形状としては、太陽電池セルとして機能できる全ての電極形状を採用することができる。

（３）主面電極Ｂを形成する工程
コンタクト層上における受光面側に、例えば通常のフォトリソグラフィ法,蒸着法,リフトオフ法,シンター法等によって主面電極Ｂを形成する。尚、その際に、通常の電極形成工程が適用される。上記主面電極Ｂは、例えば、銀(Ａg)等の導電材料で構成されると共に、太陽電池セルとして機能できる全ての電極形状を採用することができる。また、上記主面電極Ａを形成する工程と上記主面電極Ｂを形成する工程との順序が入れ替わっても一向に構わないし、上記主面電極Ａと主面電極Ｂとを同時に形成しても構わない。また、上記主面電極Ａは、ｎ型電極とｐ型電極との何れでも差し支えない。さらに、上記主面電極Ｂは、主面電極Ａの逆極であれば何れの極であっても構わない。

（４）太陽電池セルを切り出す工程
半導体基板全体から、必要な部分のみを１単位の太陽電池セルとして切り出す。その際に、通常のダイシング法あるいはスクライブ法によって１単位の太陽電池セルの外周部に切れ目を入れ、通常のエキスパンド法あるいはブレイク法によって太陽電池セルを切り出す。

（５）インターコネクタを接続する工程
１単位の太陽電池セルにおける受光面側に形成された上記主面電極Ａ上および主面電極Ｂ上に、インターコネクタを通常のスポット溶接法によって接続する。上記インターコネクタは、例えば銀(Ａg)等の導電材料からなり、その形状は太陽電池セルの外周部よりも外側に引き出すことが可能な形状であればどのような形状でも構わない。

（６）カバーフィルムを接着する工程
受光面側に上記主面電極Ａおよび主面電極Ｂの２種類の電極が形成され、上記各電極に接続するインターコネクタが形成された太陽電池セルの受光面に、低熱収縮率フィルムをシリコン樹脂で接着する。その場合の接着方法としては、例えば、２液混合型シリコン樹脂を用いる方法がある。すなわち、主剤と硬化剤とを混ぜて脱泡したものを低熱収縮率フィルムと太陽電池セルの受光面とに薄く塗布し、低熱収縮率フィルムと太陽電池セルとを貼り合せ、さらに脱泡する。そして、１００℃で１時間程度の熱処理を行い、シリコン樹脂を完全に硬化させて接着させる。

尚、上記低熱収縮率フィルムは、厚く重いものほど貼り合せ脱泡時の脱泡性が良いために、１０μm以上の厚さの低熱収縮フィルムを用いることが望ましい。但し、太陽電池セルのフレキシブル性を確保する上で、上記低熱収縮フィルムの厚さは１３０μm以下が望ましい。

（７）基板をエッチングする工程
通常のエッチング工程によって、上記半導体基板の全部あるいは上記半導体層の一部まで含めてエッチング除去して、上記コンタクト層を露出させる。その際のエッチングは、ドライエッチング法あるいはウェットエッチング法の何れでも構わない。しかしながら、上記コンタクト層で実質上エッチングの進行が停止する選択エッチング法を用いるのが好ましい。また、エッチング液によって、上記低熱収縮フィルム,インターコネクタおよびシリコン樹脂等が侵される場合には、耐薬品性の高い樹脂等で予め保護することが望ましい。

上記保護の方法としては、例えば、上記低熱収縮フィルム上に、予め支持基板を形成する方法がある。その場合における上記支持基板は、適当な硬度をもったものが好ましい。そして、スピンコート法によって、樹脂を上記低熱収縮フィルム,インターコネクタおよびシリコン樹脂等を被覆するように塗布し、この塗布された樹脂上に上記支持基板を接着させるのである。その場合、上記樹脂としては、例えばフェノール樹脂をイソプロピルアルコールやシクロヘキサン等の有機溶剤に溶解させたものが好ましい。

ところで、この基板をエッチングする工程においては、上記半導体基板を完全にエッチング除去するため、受光面側に形成された上記カバーフィルムの熱収縮によるストレスが上記太陽電池層およびコンタクト層に集中する。特に、上記コンタクト層のうち主面電極Ｂと太陽電池層とに挟まれた領域は、機械的な強度が他に領域に比べて低いため、割れ等の問題が発生し易い。そこで、このような問題を回避するために、上記太陽電池セルの受光面側に接着される上記カバーフィルムとしては、１５０℃‐３０Minの条件下での熱収縮率が３.０％以下である低熱収縮フィルムを用いることが望ましい。特に、１５０℃‐３０Minの条件下での熱収縮率が２.０％以下の低熱収縮フィルム望ましい。

（８）裏面電極を形成する工程
上記半導体基板の全部あるいは上記半導体層の一部まで含めてエッチング除去した後、通常のマスキング法によって不要部にマスクを形成し、蒸着法等によって裏面電極を形成する。その際に、通常の電極形成工程が適用される。尚、この通常の電極形成工程においては、樹脂がメサ側面まで被覆されているのでメサ側面に電極が形成されることがない。したがって、裏面電極がメサ側面部に接触することがなく、リーク電流等による太陽電池セルの特性を損なうことがないのである。

上記裏面電極は、例えば、銀(Ａg)等の導電材料で構成される。また、上記裏面電極の形状は、例えば全面電極である。その他の形状として、太陽電池セルとして機能できる全ての電極形状を採用することができる。

また、上記裏面電極の膜厚は、１μm以上であることが望ましい。これは、上記裏面電極を上記半導体層の支持体として機能させるには、１μm以上の膜厚が必要となるためである。さらに、上記裏面電極の膜厚は、８μm以下であることが望ましい。これは、上記裏面電極の膜厚が８μm以上になると、上記半導体層と裏面電極との熱線膨張係数の差異によって、大陽電池セルが湾曲するためである。

（９）その他
上記主面電極Ａ,Ｂを形成した後、太陽電池セルを切り出す工程の後あるいはインターコネクタを接続する工程の後に、さらに反射防止膜を形成する工程を設けても差し支えない。

フレキシブル薄膜化合物半導体太陽電池セルにおいては、フレキシブル性を確保する上で、上記半導体基板上に形成される多層の半導体層あるいはｐｎ接合を含む多層膜である化合物半導体層で成るｐｎ接合を含む半導体層の膜厚が、３０μm以下であることが必要である。しかしながら、上記半導体層の膜厚が薄いために、この半導体層の受光面側に形成された上記カバーフィルムのストレスによる歪の影響を受けやすくなる。すなわち、この歪による半導体内部の再結合速度増加によって、短絡電流の減少等の問題が発生しやすくなるのである。

この問題を回避するためには、上記半導体層の受光面側に形成する上記カバーフィルムとして、低熱収縮フィルムを採用する必要がある。つまり、上述したように、上記カバーフィルムとして、１５０℃‐３０Minの条件下での熱収縮率が３.０％以下である低熱収縮フィルムを用いることが必要であり、最適には上記熱収縮率が２.０％以下の低熱収縮フィルムを用いることが必要なのである。

上述した製造方法によって、割れ等が発生することなく、受光面側に上記カバーフィルムが形成されると共に、上記主面電極Ａおよび上記主面電極Ｂに接続された上記各インターコネクタが形成されたフレキシブル薄膜化合物半導体太陽電池セルが形成されるのである。

本実施の形態におけるフレキシブル薄膜化合物半導体太陽電池セルは、膜厚が０.５μm以上且つ３０μm以下の上記半導体層を有し、受光面側の上記カバーフィルムとして１５０℃‐３０Minの条件下での熱収縮率が３.０％以下の低熱収縮フィルムを使用しており、上記カバーフィルムの熱収縮によって発生するストレスが小さく、太陽電池セルに内包する歪を低減できる。したがって、１２０℃以上の高温に曝されても新たにストレス(歪)を発生させることがなく、あるいは、発生するストレス(歪)が小さいので短絡電流が減少することがなく、特性の劣化はみられない。

また、製造途中において、上記半導体層に割れや欠けが発生することがなく、太陽電池セルの低コスト化,軽量化およびフレキシブル化に寄与することができるのである。

(第１実施例)
図１は、本実施例の薄膜化合物太陽電池を構成しているフレキシブル薄膜化合物半導体太陽電池セル(以下、単に太陽電池セルと言う)における受光面側から見た平面図である。また、図２は、図１におけるＡ‐Ａ'矢視断面図である。

太陽電池セル２１は、半導体基板(図示せず)上にエピタキシャル成長されると共に、上記半導体基板をエッチング除去した後に残る多層半導体層２２を有し、多層半導体層２２は、ｐ型領域とｎ型領域とのｐｎ接合を含む太陽電池層２３と、ｐ型電極２６との電気的接続を得るためのコンタクト層２４とから構成されている。

そして、電気的な接続を得るために、上記太陽電池層２３上における上記受光面側には上記主面電極Ａとしてのｎ型電極２５が形成され、コンタクト層２４上における上記受光面側には上記主面電極Ｂとしてのｐ型電極２６が形成され、コンタクト層２４上における上記非受光面側には裏面電極２７が形成されている。ここで、ｎ型電極２５は、図１に示すように、櫛形電極である。これに対して、ｐ型電極２６は、図１に示すように、矩形の電極である。また、裏面電極２７は、太陽電池セル２１の前面に亘って形成された全面電極である。

以下、図３〜図６に従って、本実施例における太陽電池セルの製造方法について詳細に説明する。

図３に示すように、Ｇe基板２８上に、例えば有機金属気相成長法(ＭＯＣＶＤ)等によって、ＧaＡs層からなるバッファ層２９、膜厚２０μmのｐ型ＧaＩnＰ層からなるコンタクト層２４、太陽電池層２３が、エピタキシャル成長されている。また、太陽電池層２３は、基板側より、膜厚５μmのｐ型ＧaＡs層、膜厚３μmのｎ型ＧaＡs層、膜厚１μmのｐ型ＧaＩnＰ層、膜厚1μmのｎ型ＧaＩnＰ層から構成されている。この場合、太陽電池セルの場合には、多層半導体層２２の膜厚は、太陽電池として機能する０.５μm以上の総膜厚であればよい。

次に、図４に示すように、上記太陽電池層２３上における受光面側の必要な部分に、従来より知られているフォトリソグラフィ工程によってエッチングマスク(図示せず)を形成し、不必要な太陽電池層２３をウェットエッチング法を用いてエッチング除去し、メサ形状を形成する。ＧaＡs層のエッチング液としては、例えばクエン酸と過酸化水素水との混合水溶液を用いることができ、ＧaＩnＰ層のエッチング液としては、例えば塩酸と水との混合水溶液を用いることができる。

そして、上記メサ形状を成す太陽電池層２３の受光面上に、フォトリソグラフィ工程と蒸着工程とリフトオフ工程と熱処理工程とを組み合わせて、銀(Ａg)を主材料とするｎ型電極２５が形成される。引き続き、コンタクト層２４上における受光面側に、フォトリソグラフィ工程と蒸着工程とリフトオフ工程と熱処理工程とを組み合わせて、銀(Ａg)を主材料とするｐ型電極２６が形成される。さらに、外周部に、通常のダイシング法によってハーフダイスすることによって切れ目を入れ、通常のブレイク法によって１単位の太陽電池セルを切り出す。

次に、図５に示すように、通常のスポット溶接法によって、ｎ型電極２５上に銀(Ａg)を主成分とするｎ型インターコネクタ３０を溶接し、ｐ型電極２６上に銀(Ａg)を主成分とするｐ型インターコネクタ３１を溶接する。続いて、受光面側の全体に、スピンコート法を用いてポリイミド溶液を薄く塗布し、２００℃で１時間程度の熱処理を行ってポリイミド溶液の中の溶媒を揮発させることによって、太陽電池セルの受光面側に密着性良好な上記カバーフィルムとしてのポリイミドフィルム３２を形成する。尚、上記ポリイミド溶液として、日立電線製ホピアＨＯＰ‐４００を用いることにより、膜厚２５μmのポリイミドフィルム３２を得ることができた。また、通常のポリアミック酸溶液を熱イミド化することによっても同様のポリイミドフィルム３２を得ることができる。

以上のようにして、１単位の太陽電池セルが形成されるのである。

次に、図６に示すように、例えばサファイア支持基板３３上に、イソプロピルアルコールやシクロヘキサン等の有機溶剤に溶解したフェノール樹脂を塗布し、オーブンで１００℃で溶剤を軽く揮発させることによって、樹脂３４を形成する。さらに、図５に示す１単位の太陽電池セルを樹脂３４が形成されたサファイア支持基板３３に乗せ、１４０℃で加熱すると共に均一に圧力を加えることによって、樹脂３４を介して、１単位の太陽電池セルをサファイア支持基板３３と一体化させる。

そうした後、上記サファイア支持基板３３と一体化した１単位の太陽電池セルにおけるＧe基板２８を、フッ酸(ＨＦ)と過酸化水素水(Ｈ₂Ｏ₂)の混合水溶液に浸漬させることによってエッチング除去する。さらに、ＧaＡsバッファ層２９を、クエン酸と過酸化水素水との混合水溶液に浸漬させることによってエッチング除去する。このエッチング後の状態が、図６に示す状態である。

次に、蒸着工程によって、上記コンタクト層２４における主面とは反対側の面上に、銀(Ａg)を主材料とする裏面電極２７を形成する。この裏面電極２７の膜厚としては、裏面電極２７を多層半導体層２２の支持体として機能させるのに必要な１μm以上の膜厚が必要であり、且つ、半導体層の湾曲が少ない８μm以下であることが望ましい。

最後に、アセトンに浸漬することによって樹脂３４を溶解させてサファイア支持基板３３を除去し、従来知られている有機洗浄工程を経て、図１および図２に示すようなフレキシブル薄膜化合物半導体太陽電池セル２１が作成される。この太陽電池セル２１は、例えば、宇宙用太陽電池(人工衛星搭載用)に用いられる。

以上のごとく、本実施例においては、上記多層半導体層２２の受光面側にポリイミドフィルム３２を形成している。すなわち、ｎ型電極２５の受光面側に形成される上記カバーフィルムとして、１５０℃‐３０Minの条件下での熱収縮率が２.０％以下である低熱収縮フィルムを形成することができる。したがって、フレキシブル性を持たせるために０.５μm以上且つ３０μm以下の厚さで形成されている多層半導体層２２に対して、ポリイミドフィルム３２からのストレスによる歪の影響が受け難くなる。そのため、上記歪による半導体内部の再結合速度増加によって、短絡電流の減少等の問題が発生するのを防止することができるのである。

(第２実施例)
図７は、本実施例の薄膜化合物太陽電池を構成しているフレキシブル薄膜化合物半導体太陽電池セル(以下、単に太陽電池セルと言う)における受光面側から見た平面図である。また、図８は、図１におけるＢ‐Ｂ'矢視断面図である。

太陽電池セル４１は、半導体基板(図示せず)上にエピタキシャル成長されると共に、上記半導体基板をエッチング除去した後に残る多層半導体層４２を有し、多層半導体層４２は、ｐ型領域とｎ型領域とのｐｎ接合を含む太陽電池層４３と、ｐ型電極４６との電気的接続を得るためのコンタクト層４４とから構成されている。

そして、電気的な接続を得るために、上記太陽電池層４３上における上記受光面側には上記主面電極Ａとしてのｎ型電極４５が形成され、コンタクト層４４上における上記受光面側には上記主面電極Ｂとしてのｐ型電極４６が形成され、コンタクト層４４上における上記非受光面側には裏面電極４７が形成されている。ここで、ｎ型電極４５は、図７に示すように、櫛形電極である。これに対して、ｐ型電極４６は、図７に示すように、矩形の電極である。また、裏面電極４７は、太陽電池セル４１の前面に亘って形成された全面電極である。

以下、図９〜図１２に従って、本実施例における太陽電池セルの製造方法について詳細に説明する。

図９に示すように、ＧaＡs基板４８上に、例えば有機金属気相成長法(ＭＯＣＶＤ)等により、ＧaＡs層からなるバッファ層４９、膜厚０.１μmのｐ型ＧaＩnＰ層からなるコンタクト層４４、太陽電池層４３が、エピタキシャル成長されている。また、太陽電池層４３は、基板側より、膜厚１.５μmのｐ型ＧaＡs層、膜厚０.５μmのｎ型ＧaＡs層から構成されている。この場合、太陽電池セルの場合には、多層半導体層４２の膜厚は太陽電池として機能する０.５μm以上の総膜厚であればよい。

次に、図１０に示すように、上記太陽電池層４３上における受光面側の必要な部分に、従来より知られているフォトリソグラフィ工程によってエッチングマスク(図示せず)を形成し、不必要な太陽電池層４３をウェットエッチング法を用いてエッチング除去し、メサ形状を形成する。ＧaＡs層のエッチング液としては、例えばクエン酸と過酸化水素水との混合水溶液を用いることができる。

そして、上記メサ形状を成す太陽電池層４３の受光面上に、フォトリソグラフィ工程と蒸着工程とリフトオフ工程と熱処理工程とを組み合わせて、銀(Ａg)を主材料とするｎ型電極４５が形成される。また、同時に、コンタクト層４４上における受光面側に、フォトリソグラフィ工程と蒸着工程とリフトオフ工程と熱処理工程とを組み合わせて、銀(Ａg)を主材料とするｐ型電極４６が形成される。さらに、外周部に、通常のダイシング法によってハーフダイスすることによって切れ目を入れ、通常のブレイク法によって１単位の太陽電池セルを切り出す。

次に、図１１に示すように、通常のスポット溶接法により、ｎ型電極４５上に銀(Ａg)を主成分とするｎ型インターコネクタ５０を溶接し、ｐ型電極４６上に銀(Ａg)を主成分とするｐ型インターコネクタ５１を溶接する。続いて、例えばダウコーニング社製９３‐５００に代表される２液混合型シリコン樹脂の主剤と硬化剤とを混ぜて脱泡したもの(シリコン樹脂５２)を、膜厚５０μmのポリエチレンナフタレート(ＰＥＮ)フィルム５３と上記太陽電池セルにおける受光面側の全体とに薄く塗布した後、ＰＥＮフィルム５３と太陽電池セルとを貼り合せ、さらに脱泡する。そして、１００℃で１時間程度の熱処理を行ってシリコン樹脂５２を完全に硬化させることによって、太陽電池セルの受光面側に、上記カバーフィルムとしてのシリコン樹脂５２とＰＥＮフィルム５３との積層複合体を形成する。ここで、上記貼り合せ脱泡時において、ＰＥＮフィルム５３は厚くて重いものほど脱泡性が良く、１０μm以上の厚さのフィルムが望ましい。尚、例えばＰＥＮフィルム５３として、帝人デュポン社製テオネックスフィルムを用いることができる。また、フィルム材料としては、ポリエチレンテレフタレート(ＰＥＴ)でも良く、１５０℃‐３０Minの条件下での熱収縮率が３.０％以下の材料が望ましく、最適には１５０℃‐３０Minの条件下での熱収縮率が２.０％以下の材料が望ましい。

次に、図１２に示すように、例えばサファイア支持基板５４上に、石油レジューム系樹脂を塗布して樹脂５５を形成する。さらに、図１１に示す１単位の太陽電池セルを樹脂５５が形成されたサファイア支持基板５４に乗せ、１５０℃で加熱すると共に均一に圧力を加えることによって、樹脂５５を介して、１単位の太陽電池セルをサファイア支持基板５４と一体化させる。

そうした後、上記サファイア支持基板５４と一体化した１単位の太陽電池セルにおけるＧaＡs基板４８を、アンモニア水(ＮＨ₄ＯＨ)と過酸化水素水(Ｈ₂Ｏ₂)との混合水溶液に浸漬させることによってエッチング除去する。さらに、ＧaＡsバッファ層４９を、クエン酸と過酸化水素水との混合水溶液に浸漬させることによってエッチング除去する。このエッチング後の状態が、図１２に示す状態である。

次に、蒸着工程によって、上記コンタクト層４４における主面とは反対側の面上に、銀(Ａg)を主材料とする裏面電極４７を形成する。この裏面電極４７の膜厚としては、上記裏面電極４７を半導体層の支持体として機能させるのに必要な１μm以上の膜厚が必要であり、且つ、半導体層の湾曲が少ない８μm以下であることが望ましい。

次に、トルエンに浸漬することによって樹脂５５を溶解させてサファイア支持基板５４を除去し、従来から知られている有機洗浄工程を経た後、最後に裏面フィルム５６(図８参照)をシリコン樹脂で貼り合わせて、図７および図８に示すようなフレキシブル薄膜化合物半導体太陽電池セル４１が作成される。この太陽電池セル４１は、例えば、宇宙用太陽電池(人工衛星搭載用)に用いられる。

以上のごとく、本実施例においては、上記多層半導体層４２の受光面側に、シリコン樹脂５２とＰＥＮフィルム５３との積層複合体を形成している。すなわち、ｎ型電極４５の受光面側に形成される上記カバーフィルムとして、１５０℃‐３０Minの条件下での熱収縮率が２.０％以下である低熱収縮フィルムを形成することができる。したがって、フレキシブル性を持たせるために０.５μm以上且つ３０μm以下の厚さで形成されている多層半導体層４２に対して、ＰＥＮフィルム５３からのストレスによる歪の影響が受け難くなる。そのため、上記歪による半導体内部の再結合速度増加によって、短絡電流の減少等の問題が発生するのを防止することができるのである。

尚、上記第１実施例においては、上記ｎ型電極２５の受光面側に形成されるカバーフィルムとして、ポリイミドフィルム３２を形成する場合を例示している。しかしながら、この発明においては、これに限定されるものではなく、シリコン樹脂とポリイミド樹脂との積層複合体を形成しても差し支えない。さらに、上記第２実施例においては、カバーフィルムとして、シリコン樹脂とＰＥＮ樹脂との積層複合体や、シリコン樹脂とＰＥＴ樹脂との積層複合体を形成する場合を例示している。しかしながら、この発明においては、これに限定されるものではなく、ＰＥＮ樹脂あるいはＰＥＴ樹脂の単独層を形成しても差し支えない。

また、上記各実施例においては、上記ｎ型電極２５,４５の形状を櫛形とし、ｐ型電極２６,４６の形状を矩形としているが、ｐ型電極２６,４６を櫛形とし、ｎ型電極２５,４５を矩形としても構わない。要は、太陽電池セルとして機能できる全ての電極形状を採用することができるのである。

この発明の薄膜化合物太陽電池を構成している太陽電池セルにおける受光面側から見た平面図である。図１におけるＡ‐Ａ'矢視断面図である。図１および図２に示す太陽電池セルの製造工程における縦断面図である。図３に続く製造工程における縦断面図である。図４に続く製造工程における縦断面図である。図５に続く製造工程における縦断面図である。図１とは異なる太陽電池セルにおける受光面側から見た平面図である。図７におけるＢ‐Ｂ'矢視断面図である。図７および図８に示す太陽電池セルの製造工程における縦断面図である。図９に続く製造工程における縦断面図である。図１０に続く製造工程における縦断面図である。図１１に続く製造工程における縦断面図である。従来の軽量太陽電池モジュールの縦断面図である。電極に接続されたインターコネクタを有する従来の太陽電池セルの縦断面図である。

符号の説明

２１,４１…太陽電池セル、
２２,４２…多層半導体層、
２３,４３…太陽電池層、
２４,４４…ｐ型ＧaＩnＰコンタクト層、
２５,４５…ｎ型電極、
２６,４６…ｐ型電極、
２７,４７…裏面電極、
２８…Ｇe基板、
２９,４９…ＧaＡsバッファ層、
３０,５０…ｎ型インターコネクタ、
３１,５１…ｐ型インターコネクタ、
３２…ポリイミドフィルム、
３３,５４…サファイア支持基板、
３４…フェノール樹脂、
４８…ＧaＡs基板、
５２…シリコン樹脂、
５３…ＰＥＮフィルム、
５５…石油レジューム系樹脂、
５６…裏面フィルム。

Claims

ｐ型領域とｎ型領域とのｐｎ接合を有する太陽電池層を含む半導体層と、
受光面側に形成されると共に、上記太陽電池層のｎ型領域に接続されたｎ型電極および上記太陽電池層のｐ型領域に接続されたｐ型電極と、
上記ｎ型電極に接続されたｎ型インターコネクタおよび上記ｐ型電極に接続されたｐ型インターコネクタと、
上記太陽電池層,ｎ型電極,ｐ型電極,ｎ型インターコネクタおよびｐ型インターコネクタ上を含む受光面側に形成されると共に、１５０℃‐３０Minの条件下での熱収縮率が３.０％以下である低熱収縮率の透明樹脂と
を備えたことを特徴とする薄膜化合物太陽電池。
請求項１に記載の薄膜化合物太陽電池において、
上記半導体層の厚さは、０.５μm以上且つ３０μm以下である
ことを特徴とする薄膜化合物太陽電池。
請求項１に記載の薄膜化合物太陽電池において、
上記低熱収縮率の透明樹脂は、ポリイミド樹脂,ポリエチレンナフタレート樹脂あるいはポリエチレンテレフタレート樹脂の何れかである
ことを特徴とする薄膜化合物太陽電池。
請求項１に記載の薄膜化合物太陽電池において、
上記低熱収縮率の透明樹脂は、シリコン樹脂とポリイミド樹脂との積層複合体、シリコン樹脂とポリエチレンナフタレート樹脂との積層複合体、あるいは、シリコン樹脂とポリエチレンテレフタレート樹脂との積層複合体の何れかである
ことを特徴とする薄膜化合物太陽電池。
半導体基板上に、ｐ型領域とｎ型領域とのｐｎ接合を有する太陽電池層を含む半導体層を形成する工程と、
受光面側に、上記太陽電池層のｎ型領域に接続されたｎ型電極と上記太陽電池層のｐ型領域に接続されたｐ型電極とを形成する工程と、
上記ｎ型電極に接続されたｎ型インターコネクタと上記ｐ型電極に接続されたｐ型インターコネクタとを形成する工程と、
上記半導体層,ｎ型電極,ｐ型電極,ｎ型インターコネクタおよびｐ型インターコネクタ上を含む受光面側に、１５０℃‐３０Minの条件下での熱収縮率が３.０％以下である低熱収縮率の透明樹脂を形成する工程と、
上記半導体基板および上記半導体層の一部をエッチング除去して薄膜化する工程と、
上記受光面側とは反対側の面に裏面電極を形成する工程と
を備えたことを特徴とする薄膜化合物太陽電池の製造方法。