JP2008081794A - アルミニウム合金および薄膜系太陽電池基板 - Google Patents

Abstract

【課題】高温強度に優れた薄膜系太陽電池基板を提供する。
【解決手段】薄膜系太陽電池（１）において、基板（２）を構成するアルミニウム合金は、Ｓｉ：０．２５〜０．３５質量％、Ｆｅ：０．０５〜０．３質量％、Ｃｕ：０．３〜０．５質量％、Ｍｎ：１．２〜１．８質量％、Ｓｃ：０．０５〜０．４質量％、Ｚｒ：０．０５〜０．２質量％を含有し、残部がＡｌおよび不純物からなる。前記合金においてさらにＶ：０．０５〜０．２質量％を含有する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、高温強度に優れたアルミニウム合金、およびこのアルミニウム合金からなる太陽電池基板に関する。

太陽電池は、単結晶Ｓｉ太陽電池、多結晶Ｓｉ太陽電池、薄膜系太陽電池の３種に大別される。Ｓｉウエハーを基板とする単結晶Ｓｉ太陽電池および多結晶Ｓｉ太陽電池に対し、薄膜系太陽電池は、ガラス基板、金属基板、樹脂基板といった多様な基板を用い、これらの基板上に薄膜の光吸収層を形成したものである。前記光吸収層としては、アモルファスＳｉやナノ結晶ＳｉのＳｉ系薄膜、ＣｄＳ／ＣｄＴｅ、ＣＩＳ（Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｅ）、ＣＩＧＳ（Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ）等の化合物系薄膜が用いられる。また、可撓性を有する基板を用いることにより、基板をロールに巻き取りながら絶縁層や薄膜を形成するロール・ツー・ロール方式でフレキシブルな太陽電池セルを連続生産することが可能である。

薄膜系太陽電池の優れた特徴であるフレキシブル性を活かすためには、樹脂基板や金属基板が適し、特に金属基板としてステンレス基板やジュラルミン等のアルミニウム合金基板を用いることが提案されている（特許文献１、２、３参照）。
特開２００４−７９８５８号公報 特開２００４−１７９３２８号公報 特開２００５−３４７５６６号公報

光吸収層として上記化合物系薄膜を形成するには、基板上に化合物を配置し、化合物の種類に応じて３５０〜５５０℃で焼結する。例えば、連続生産においてＣＩＧＳ層を形成するには、３５０〜５５０℃、４〜２０ｍ／分のライン速度で焼結することが好ましく、この温度に耐える基板材料が望ましい。

しかし、ステンレス基板では上記温度範囲で焼結した場合、絶縁層にピンホールが発生するという問題がある。また、ジュラルミン基板では高温強度が不足して形状保持が困難であるため、焼結温度を下げる必要がある。高温強度の高いアルミニウム合金としては、ＦｅやＭｎを添加した合金が知られているが、本用途にはなお強度が不足している。

本発明は、上述した背景技術に鑑み、高温強度に優れたアルミニウム合金、薄膜系太陽電池基板、薄膜系太陽電池および薄膜系太陽電池の製造方法の提供を目的とする。

即ち、本発明のアルミニウム合金は下記［１］〜［５］に記載の構成を有し、薄膜系太陽電池基板、薄膜系太陽電池および薄膜系太陽電池の製造方法は下記［６］〜［９］に記載の構成を有する。

［１］ Ｓｉ：０．２５〜０．３５質量％、Ｆｅ：０．０５〜０．３質量％、Ｃｕ：０．３〜０．５質量％、Ｍｎ：１．２〜１．８質量％、Ｓｃ：０．０５〜０．４質量％、Ｚｒ：０．０５〜０．２質量％を含有し、残部がＡｌおよび不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金。

［２］ さらにＶ：０．０５〜０．２質量％を含有する前項１に記載のアルミニウム合金。

［３］ Ｓｃ濃度が０．０７〜０．１５質量％である前項１または２に記載のアルミニウム合金。

［４］ Ｚｒ濃度が０．０７〜０．１質量％である前項１〜３のいずれか１項に記載のアルミニウム合金。

［５］ Ｖ濃度が０．０７〜０．１質量％である前項２〜４のいずれか１項に記載のアルミニウム合金。

［６］ 基板材料が前項１〜５のいずれかに記載されたアルミニウム合金からなることを特徴とする薄膜系太陽電池基板。

［７］ 基板の厚さが２０〜２００μｍである前項６に記載の薄膜系太陽電池基板。

［８］ 前項６または７に記載の薄膜系太陽電池基板上に、絶縁層および裏面電極層を介して光吸収層が形成されてなることを特徴とする薄膜系太陽電池。

［９］ 前記光吸収層は、ＣｄＳ／ＣｄＴｅ、ＣＩＳ、ＣＩＧＳのうちのいずれかの化合物からなる前項８に記載の薄膜系太陽電池。

［１０］ 巻き出しロールに前項６または７に記載の薄膜系太陽電池基板が巻かれ、前記薄膜系太陽電池基板を巻き出しロールから巻き取りロールに巻き取る間に、絶縁層、裏面電極層、光吸収層の形成を行う工程を含むことを特徴とする薄膜系太陽電池の製造方法。

［１］に記載の発明にかかるアルミニウム合金によれば、高温領域において高い強度および耐軟化性が得られる。

［２］［３］［４］［５］に記載の各発明にかかるアルミニウム合金によれば、特に高い強度および耐軟化性が得られる。

［６］に記載の発明にかかる薄膜系太陽電池基板は、基板材料が上記アルミニウム合金からなり、高温領域において高い強度および耐軟化性を有するものであるから、光吸収層を構成する化合物の焼結時に基板の強度が大幅に低下したり軟化することがない。ひいては、フレキシブルな薄膜系太陽電池をロール・ツー・ロール方式で効率良く生産することができる。

［７］に記載の各発明にかかる薄膜系太陽電池基板は特にフレキシブルである。

［８］［９］に記載の各発明にかかる薄膜系太陽電池は、薄膜系であることを活かしたフレキシブルな太陽電池である。

［１０］に記載の発明にかかる薄膜系太陽電池の製造方法によれば、ロール・ツー・ロール方式で効率良く薄膜系太陽電池を製造することができる。

本発明のアルミニウム合金において、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｓｃ、Ｚｒの６元素は必須添加元素であり、さらに任意にＶが添加される。また、残部はＡｌおよび不純物である。

以下に、各元素の添加意義および濃度の限定理由について詳述する。

Ｓｉは、鋳造時に鋳造性を向上させるために添加する元素であり、その濃度を０．２〜０．４５質量％とする。０．２質量％未満では前記効果が乏しい。一方、０．４５質量％を超えても材料特性を低下させることはないものの、コスト高となり経済性の点で不利である。特に好ましいＳｉ濃度は０．２５〜０．３５質量％である。

Ｆｅは、結晶粒を微細化して高温領域における強度および耐軟化性の向上に寄与する元素であり、その濃度を０．０５〜０．３質量％とする。０．０５質量％未満では前記効果が乏しく、０．３質量％を超えるとＡｌ−Ｍｎ−Ｆｅ系の粗大晶出物を形成するため、やはり強度向上効果が乏しくなる。特に好ましいＦｅ濃度は０．１〜０．２質量％である。

Ｃｕは、固溶強化作用により高温領域における強度および耐軟化性の向上に寄与する元素であり、その濃度を０．３〜０．５質量％とする。０．３質量％未満では前記効果に乏しく、０．５質量％を超えると耐食性が低下するために好ましくない。特に好ましいＣｕ濃度は０．４〜０．５質量％である。

Ｍｎは、アルミニウムならびにアルミニウム中に含有されるＳｉ、Ｆｅと微細な金属間化合物を形成することにより再結晶温度を高め、ひいては高温領域における強度および耐軟化性の向上に寄与する元素であり、その濃度を１．２〜１．８質量％とする。１．２質量％未満では前記効果に乏しく、１．８質量％超えると耐食性が低下するおそれがある。特に好ましいＭｎ濃度は１．４〜１．６質量％である。

Ｓｃは、単独で再結晶抑制効果により高温領域における強度および耐軟化性を向上させる効果がある。さらに、固溶ＳｃおよびＬ１₂構造を持つＡｌ₃Ｓｃが形成されることにより、これらが強化相となって高温領域における強度および耐軟化性を向上させる効果がある。Ｓｃ濃度は、０．０５質量％未満では前記効果が乏しく、０．４質量％を超えると加工性が低下するおそれがあるため、０．０５〜０．４質量％とする。特に好ましいＳｃ濃度は０．０７〜０．１５質量％である。

Ｚｒは、Ａｌ₃ＳｃのＳｃと置換することができる元素であり、Ａｌ₃ＺｒはＡｌ₃Ｓｃと同様に強化相となって高温領域における耐軟化性を向上させる効果がある。０．０５質量％未満では前記効果に乏しく、０．２質量％を超えると粗大な晶出物の形成により強度向上効果が小さくなるため、０、０５〜０．２質量％とする。特に好ましいＺｒ濃度は０．０７〜０．１質量％である。

Ｖは、再結晶温度を高め、ひいては高温領域における強度および耐軟化性の向上に寄与する元素であり、その濃度を０．０５〜０．２質量％とする。０．０５質量％未満では前記効果に乏しく、０．２質量％を超えると加工性に悪影響を及ぼす。特に好ましいＶ濃度は０．０７〜０．１質量％である。

以上のように、本発明のアルミニウム合金は高温強度に優れたものであるから、高温領域において高い強度が要求される種々の部材の材料として用いることができ、特に薄膜系太陽電池基板の材料として推奨できる。

本発明のアルミニウム合金は、常法により、材料の溶解、スラブやビレットの鋳塊鋳造、面削、均熱処理が施され、さらに押出や圧延等によって所望の厚さの薄膜系太陽電池基板に成形される。これらの工程における熱処理、時効処理、洗浄等も常法により適宜行われる。基板の厚さは限定されないが、フレキシブルな薄膜系太陽電池の製作に適した厚さは２０〜２００μｍであり、特に１０〜１００μｍが好ましい。

薄膜系太陽電池の製作はロール・ツー・ロール方式で行うことができる。即ち、所定厚さに成形されてロールに巻かれた基板は、巻き出しロールから巻き取りロールに巻き取られる間に後述する各層の形成が順次行われ、あるいは巻き取り毎に各層の形成が行われる。

図１は薄膜系太陽電池（１）の基本的な構成の一例を示す断面図であり、基板（２）上に絶縁層（３）を介して裏面電極層（４）が積層され、さらに光吸収層（５）、バッファー層（６）、透明電極層（７）が順次積層され、透明電極層（７）および裏面電極層（４）に取り出し電極（８）（９）が積層されている。さらに、透明電極層（７）の露出部分は反射防止膜（１０）で被覆されている。

前記光吸収層（５）においては、発電効率を高めるために、効率良く光を吸収し、そこで励起されたエレクトロン・ホールペアを再結合させずにどれだけ外部に取せるかが重要であり、光吸収係数が大きいものほど発電効率が高くなる。かかる光吸収層（５）として、アモルファスＳｉやナノ結晶ＳｉのＳｉ系薄膜、または各種化合物からなる薄膜が用いられる。化合物の種類は限定されず、ＣｄＳ／ＣｄＴｅ、ＣＩＳ（Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｅ）、ＣＩＧＳ（Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ）、ＳｉＧｅ、ＣｄＳｅ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＰ等を例示できる。これらの化合物からなる薄膜は、焼結、化学析出、スパッタ、近接昇華法、多元蒸着法、セレン化法等によって形成される。本発明の基板は高温領域においても高い強度および耐軟化性を有するものであるから、高温で成膜する化合物を光吸収層とする薄膜系太陽電池に適している。具体的には、ＣｄＳ／ＣｄＴｅ、ＣＩＳ、ＣＩＧＳを光吸収層とする薄膜系太陽電池に適している。

ＣｄＳ／ＣｄＴｅからなる薄膜は、基板（絶縁層を有する基板）上にＣｄＳ膜、ＣｄＴｅ膜を順次形成した積層薄膜であるが、ＣｄＳ膜の厚さにより２種類に分けられ、(a)２０μｍ程度のもの、(b)０．１μｍ以下で基板との間に透明導電膜が形成されているものがある。(a)の構造では、基板上にＣｄＳペースト、ＣｄＴｅペーストを順次塗布して６００℃以下で焼結する。(b)の構造では、化学析出またはスパッタ等によりＣｄＳ膜を形成し、近接昇華法によりＣｄＴｅ膜を形成する。

また、ＣＩＳまたはＣＩＧＳ薄膜は化合物半導体を用いるものであり、長期間の使用に対して安定性が高いという特徴がある。これらの化合物薄膜の膜厚は例えば０．１〜４μｍであり、化合物ペーストを塗布して３５０〜５５０℃で焼結することにより形成される。

また、図１に例示した薄膜系太陽電池（１）において、絶縁層（３）、裏面電極層（４）、バッファー層（６）、透明電極層（７）、取り出し電極（８）（９）の材料や厚さは何ら限定されない。例えば、ＣＩＳまたはＣＩＧＳを用いた薄膜系太陽電池において、各層は以下の材料と厚さを例示できる。絶縁層（３）の材料はアルカリ金属を含む絶縁材料で厚さは０．１〜１０μｍ、裏面電極層（４）の材料はＭｏで厚さは０．１〜１μｍ、バッファー層（６）の材料はＺｎＯ／ＣｄＳで合計厚さは０．４〜４μｍ、透明電極層（７）の材料はＡｌをドープしたＺｎＯやＩＴＯ（インジウム・スズ酸化物）で厚さが０．１〜０．３μｍ、取り出し電極（８）（９）の材料はＡｌ／Ｎｉ等である。勿論、本発明の薄膜系太陽電池は、層構成や各層の材料および厚さが上記例に限定されるものではない。

なお、本発明の薄膜系太陽電池基板は、光吸収層が化合物の場合に限定して用いられるものではなく、アモルファスＳｉやナノ結晶ＳｉのＳｉ系薄膜にも用いることができる。Ｓｉ系薄膜の成膜方法としては、液相成長法、ＺＭＲ法（帯域溶融再結晶化法）、ＳＰＣ法（固相結晶法）、ＣＶＤ法（化学的気相堆積法）を例示できる。

上述したように、本発明のアルミニウム合金は高温領域において高い強度および耐軟化性を有するものであるから、光吸収層を構成する化合物の焼結時に基板の強度が大幅に低下したり軟化することがない。ひいては、フレキシブルな薄膜系太陽電池をロール・ツー・ロール方式で効率良く生産することができる。

表１に示す組成のアルミニウム合金からなる直径７６．２ｍｍ（３インチ）の押出ビレットを鋳造し、ビレット温度：５３０℃、ダイス温度４５０℃、コンテナ温度：４５０℃、ラム速度：４ｍｍ／ｓ、押出比：５０．６の条件で、厚さ３ｍｍ×幅３０ｍｍのフラットバーを押し出した。押し出したフラットバーは均質化処理をすることなく放冷した。

前記フラットバーから機械加工によりＪＩＳ Ｚ２２０１に規定される１３Ｂ号試験片を作製し、３５０℃、４００℃、４５０℃、５００℃、５５０℃、６００℃の各温度における引張強さ、耐力、伸びを測定した。これらの結果を表２Ａ〜２Ｃに示す。

表２Ａ〜２Ｃの結果より、本発明のアルミニウム合金は高温強度が高く、化合物の焼結温度域である３５０〜５５０℃においても高い強度および耐軟化性を有するものであった。また、６００℃においても比較例より高い強度および耐軟化性を有するものであった。

本発明のアルミニウム合金で製作した薄膜系太陽電池基板は高温領域において高い強度および耐軟化性を有するものであるから、光吸収層として化合物を用いる薄膜系太陽電池をロール・ツー・ロール方式で効率良く生産することができる。

薄膜系太陽電池の一例を示す断面図である。

符号の説明

１…薄膜系太陽電池
２…基板
３…絶縁層
４…裏面電極層
５…化合物（光吸収層）

Claims (10)

1. Ｓｉ：０．２５〜０．３５質量％、Ｆｅ：０．０５〜０．３質量％、Ｃｕ：０．３〜０．５質量％、Ｍｎ：１．２〜１．８質量％、Ｓｃ：０．０５〜０．４質量％、Ｚｒ：０．０５〜０．２質量％を含有し、残部がＡｌおよび不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金。
2. さらにＶ：０．０５〜０．２質量％を含有する請求項１に記載のアルミニウム合金。
3. Ｓｃ濃度が０．０７〜０．１５質量％である請求項１または２に記載のアルミニウム合金。
4. Ｚｒ濃度が０．０７〜０．１質量％である請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミニウム合金。
5. Ｖ濃度が０．０７〜０．１質量％である請求項２〜４のいずれか１項に記載のアルミニウム合金。
6. 基板材料が請求項１〜５のいずれかに記載されたアルミニウム合金からなることを特徴とする薄膜系太陽電池基板。
7. 基板の厚さが２０〜２００μｍである請求項６に記載の薄膜系太陽電池基板。
8. 請求項６または７に記載の薄膜系太陽電池基板上に、絶縁層および裏面電極層を介して光吸収層が形成されてなることを特徴とする薄膜系太陽電池。
9. 前記光吸収層は、ＣｄＳ／ＣｄＴｅ、ＣＩＳ、ＣＩＧＳのうちのいずれかの化合物からなる請求項８に記載の薄膜系太陽電池。
10. 巻き出しロールに請求項６または７に記載の薄膜系太陽電池基板が巻かれ、前記薄膜系太陽電池基板を巻き出しロールから巻き取りロールに巻き取る間に、絶縁層、裏面電極層、光吸収層の形成を行う工程を含むことを特徴とする薄膜系太陽電池の製造方法。

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