JP2009170924A - 光起電モジュールの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】光起電モジュールの工業生産におけるコストを大幅に削減する。
【解決手段】光起電モジュールを製造するために、前側電極層３、半導体層４、および後ろ側電極層５が、直列接続されたセル（Ｃ１、Ｃ２、・・・、Ｃｎ、Ｃｎ＋１）を形成するように分割線８によってパターン加工される。前側電極層および半導体層のパターン加工が、赤外放射を発するレーザによって行われる。半導体層のパターン加工の際に、レーザの出力が、前側電極層を傷めることがないように小さくされる。
【選択図】図２ｅ
【解決手段】光起電モジュールを製造するために、前側電極層３、半導体層４、および後ろ側電極層５が、直列接続されたセル（Ｃ１、Ｃ２、・・・、Ｃｎ、Ｃｎ＋１）を形成するように分割線８によってパターン加工される。前側電極層および半導体層のパターン加工が、赤外放射を発するレーザによって行われる。半導体層のパターン加工の際に、レーザの出力が、前側電極層を傷めることがないように小さくされる。
【選択図】図２ｅ
Description
本発明は、請求項１の冒頭部分に記載の光起電モジュールの製造方法に関する。
光起電モジュールの製造においては、例えばガラス板などの透明な電気絶縁基板の大きな面積を覆うように、３つの機能層、すなわち透明な前側電極層、半導体薄膜層、および後ろ側電極層が堆積させられる。
これらの一枚岩の層から直列に接続されたセルを形成するために、各層が、例えばレーザによる分割線、機械的な方法、または化学的な手段によってパターンへと加工される。
例えば透明な導電性金属酸化物（例えば、酸化すず）で構成されている前側電極層をパターンへと加工するために、レーザ技術を使用することが通例である。使用されるレーザは、典型的には、１０６４ｎｍの波長の赤外放射を発するネオジムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）またはネオジムをドープしたイットリウム・バナデート（Ｎｄ：ＹＶＯ４）半導体レーザである。この波長において、透明な酸化すず前側電極層は、数パーセントの光吸収を有している。
半導体層（例えば、シリコン薄膜）のパターン加工も、典型的にはレーザ技術によって行われる。使用されるレーザは、２倍の周波数のＮｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＶＯ４半導体レーザであり、したがって可視の範囲の５３２ｎｍの波長のレーザ光を発する。
この波長において、シリコン薄膜は、透明な前側電極層と比べて高い光吸収を有している。これにより、前側電極層を傷めることなく半導体層を選択的に除去することができる。
後ろ側電極層のパターン加工は、粘着ペーストを半導体層へと、後ろ側電極層に分割線を設けるべき領域に塗布し、その後にこの領域の後ろ側電極層を除去すべく粘着ペーストを剥離する「リフトオフ」技法など、機械的な方法を使用して行われるが、レーザ・プロセスを使用しても行われる。
半導体薄膜層のパターン加工において、分割線が、５３２ｎｍの波長を有するレーザによって半導体層に形成され、下方に位置する前側電極層が露出される。次いで後ろ側電極層の堆積が行われるとき、後ろ側電極層が半導体層の分割線を介して前側電極層に接することで、光起電モジュールのセルが直列に接続される。
光起電モジュールの製造には、複数の高価な機械が必要である。半導体コーティングのための機械が、最も高い導入コストを必要とする。また、前側電極層のパターン加工のための赤外放射を発するレーザを備える機械、および半導体層のパターン加工のための可視の照射を発するレーザを備えるさらなる機械も、重要なコスト因子である。
半導体コーティングの機械の能力および２つのレーザ機械の能力は、通常は異なっている。通常は、最も高価な機械としての半導体コーティングの機械について、１００パーセントの利用を達成することが望ましい。
半導体コーティングの機械が、例えば１年に最大で２００，０００モジュールのコーティングを実行できる場合、前側電極層および半導体層のパターン加工のためのそれぞれのレーザ機械は、どちらの場合も例えば１年に８０，０００モジュールにしか使用することができず、結果として、１年につき１６０，０００モジュールという１組のレーザ機械の能力では不充分であるため、全部で６つの高価につくレーザ機械を調達しなければならない。このようにして、レーザ機械の数が、光起電モジュールの工業生産において相当なコストの問題につながる。
したがって、本発明の目的は、光起電モジュールの工業生産におけるコストを大幅に削減することにある。
これが、本発明によれば、前側電極層のパターン加工に使用されるレーザを、半導体層のパターン加工にも使用することによって達成される。
そのために、半導体層（例えば、シリコン層）を、たとえレーザが半導体層によって吸収されるのではなく、透明な前側電極層によって吸収される放射を発する場合でも、レーザによって除去できることが明らかになった。
前側電極層によるレーザ放射の吸収が、前側電極層が高温になることによって上方に位置する半導体層が熱によって除去され、したがって半導体層に分割線が形成されるという結果を有している。
しかしながら、レーザが半導体層をパターン加工するために使用される場合には、前側電極層を理想的には傷めることがないように、すなわち損傷または他のかたちで損なうことがないように、レーザの出力が小さくされることが重要である。これは、前側電極層が、半導体層よりも熱的に安定であるために可能である。しかしながら、例えば層の特性のばらつきを相殺可能にするため、前側電極層を選択的に傷め、あるいは何らかのかたちで変質させるように、レーザの出力を高めてもよい。
これは、レーザが前側電極層をパターン加工するためにおそらくは最大出力、あるいは少なくとも高出力で使用される一方で、半導体層のパターン加工においては、半導体層が除去されるが熱的により安定である前側電極層は残るように、より低いレーザ出力に調節されることを意味する。
本発明は、１つの同じレーザ機械を前側電極層のパターン加工および半導体層のパターン加工の両方に使用することを可能にするため、光起電モジュールの工業生産においてレーザ機械の数の削減を可能にする。これは、冒頭で述べた例によれば、半導体コーティングの機械が１年に２００，０００モジュールという最大能力を有する場合に、本発明によれば、１年に８０，０００モジュールという最大能力をそれぞれ有する５台のレーザを使用すれば充分であり、従来技術に比べてレーザ機械を１台節約できることを意味する。
同様に、本発明によるレーザ・パターン加工プロセスの冗長性は、生産におけるきわめて高い柔軟性および全体としての設備利用性を保証する。１つのレーザ・パターン加工機（例えば、前側電極層用）の保守または故障の場合に、冗長性ゆえに、半導体薄膜層のパターン加工のためのレーザ機械が、前側電極層のパターン加工のプロセスを実行することができる。
前側電極層を、例えば酸化すず（ＳｎＯ２）などの導電性の金属酸化物、とくにはフッ素をドープした酸化すず、あるいは他の材料で構成することができる。透明であること、導電性であること、レーザの発する赤外放射の少なくとも一部、好ましくは０．５％、とくには少なくとも２％を吸収すること、および半導体層よりも熱的に安定であること、だけが必須である。
このように、本発明の方法によれば、分割線が、最初に、例えばガラス板などの透明な基板上に堆積させられた前側電極層に、前側電極層をパターン加工すべく高出力のレーザによって形成される。次いで、パターン加工済みの前側電極層へと、半導体層が例えば蒸着によって適用される。
半導体層を、例えば非晶質、ナノ結晶、マイクロ結晶、または多結晶シリコンなどのシリコン、あるいは例えばテルル化カドミウムなどといった他の半導体で構成することができる。
使用されるレーザは、好ましくは赤外放射を発する半導体レーザであり、すなわち少なくとも８００ｎｍ、とくには１０００ｎｍ以上の波長を有するレーザである。とくには近赤外範囲で放射を行う半導体レーザは、ファイバ・レーザまたはディスク・レーザであってよい。
半導体レーザは、好ましくはＹＡＧレーザであり、すなわちホスト結晶としてイットリウム・アルミニウム・ガーネットを有している。代わりに、ホスト結晶が、イットリウム・バナデート（ＹＶＯ４）であってもよい。ドーピングについては、ネオジムを使用することが好ましく、すなわち１０６４ｎｍの波長を有する半導体レーザを使用することが好ましい。ドーピングに、エルビウム、イッテルビウム、または別の希土類金属を使用することも可能である。ネオジム・ドープのＹＡＧレーザ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）またはネオジム・ドープのイットリウム・バナデート・レーザ（Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ）が好ましい。
半導体層をパターン加工するために、レーザビームを透明な基板を介して前側電極層および半導体層へと導くことができる。これに代え、半導体層のパターン加工を、レーザビームが反対側から、すなわち直接的に半導体層へと導かれるように実行することも可能である。
これにより、半導体層に、上方に位置する前側電極層を露出させる例えば１０〜１００μｍの幅の分割線を形成することが可能である。次いで、半導体層が、例えばスパッタ法によって後ろ側電極層によって覆われ、次いで後ろ側電極層が、例えば「リフトオフ」技法またはレーザ・プロセスによってパターン加工される。これにより、機能層、すなわち前側電極層、半導体層、および後ろ側電極層から、直列接続されたセルが形成される。これは、或るセルの後ろ側電極層が、隣のセルの前側電極層に、半導体層の分割線を介して接することを意味する。
半導体薄膜層のパターン加工は、レーザの連続モード（ＣＷモード）で行うことができ、あるいは例えばＱスイッチによるパルス・モード（Ｑスイッチ・モード）で行うことができる。
本発明によれば、レーザのエネルギが、前側電極層によって吸収され、熱伝導によって半導体薄膜層へと伝えられる。
半導体層に分割線を形成するために、レーザビームが透明な基板を介して前側電極層および半導体層へと結び付けられる場合、半導体層はおそらくは焼き払われ、いずれにせよ熱機械的に除去される。融解残留物が、半導体層の分割線を形成している溝の縁に確認されるかもしれない。分割線は、レーザの動作モード（ＣＷまたはＱＳモード）に応じて、波状または鋭い境界の縁を有する。レーザビームが直接的に半導体層へと合わせられる場合も、分割線はやはり熱機械的に形成される。
レーザの出力が半導体薄膜層を除去するが理想的には前側電極層を傷めることはないように弱められる場合に、半導体層が、例えば前側電極層に交差する分割線が存在する場合に、下方に前側電極層が存在していない場所においては除去されないことが本発明の方法の特徴である。このことは、前側電極層によるレーザ放射の吸収が、上方に位置する半導体層の除去を引き起こしていることのさらなる証拠であると考えられる。しかしながら、例えば層の特性のばらつきを相殺可能にするために、レーザの出力を、半導体層のパターン加工の後で、半導体層の分割線の特性に影響を及ぼすことなく前側電極層を選択的に傷めるように高めることが可能である。
以下で、添付の図面を参照して、本発明をあくまでも例としてさらに詳しく説明する。図面は、長手方向の断面を概略的に示している。
図１によれば、光起電モジュール１が、例えばガラス板などの透明な基板２を有しており、基板２上に、３つの機能層、すなわち透明な前側電極層３、半導体薄膜層４、および後ろ側電極層５が、重ねて堆積させられている。
モジュール１は、直列に接続された個々の帯状セルＣ１、Ｃ２、・・・、Ｃｎ、Ｃｎ＋１を備えている。この目的のために、前側電極層３、半導体層４、および後ろ側電極層５は、モジュール１の電流の流れの方向Ｆに垂直に延びる分割線６、７、および８によって中断されている。
したがって、或るセルＣ１、・・・、Ｃｎの後ろ側電極層５が、半導体層４の分割線７を介して隣のセルＣ２、・・・、Ｃｎ＋１の前側電極層３に接触している。光起電モジュールによって生成された電流が、最も外側のセルＣ１およびＣｎ＋１の接点９、１０によって集められる。
図２ｅが、２つのセルの直列接続を、図１によるセルＣ１およびＣ２の例によって示している。図２ａ〜２ｄによれば、直列接続されたセルＣ１およびＣ２は、以下のように製造される。
前側電極層３で覆われたガラス基板２にもとづき、分割線６が、例えば酸化すずで構成されている前側電極層３に、例えば１０６４ｎｍの波長を有するＮｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＶＯ４レーザなど、赤外放射を発するレーザ１３のレーザビーム１２の焦点を合わせることによって形成される。ここで、レーザ１３は、この波長のレーザ放射を吸収する前側電極層３が分割線６の領域において融解および／または気化するように、高出力に調節される。
図２ａにおいては、レーザビーム１２が、直接的に前側電極層３へと向けられている。しかしながら、パターン加工を反対側から、すなわちガラス基板２を介してレーザビームによって実行することも可能である。
次いで、図２ｂによるパターン加工済みの前側電極層３に、例えばシリコンで構成される半導体層４が、例えば化学気相成長法によって堆積させられる。
図２ｃによれば、例えば１０６４ｎｍの波長を有するＮｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＶＯ４レーザなど、同じ赤外放射を発するレーザ１３が、半導体層４をパターン加工するために使用される。図２ｃに半導体層４の上方に配置されたレーザ１３によって示されているように、あるいは図２ｃにガラス基板２の下方に配置されたレーザ１３によって示されているようにガラス基板２を介して、レーザビーム１２を、半導体層４をパターン加工するために分割線７を形成すべき領域において、２つの層３および４へと向けることができる。
半導体層４は、この波長の放射をまったく吸収せず、あるいはきわめて少ししか吸収しないが、下方に位置する前側電極層３によるレーザ１３のレーザ放射１２の吸収が圧倒的に存在し、したがって前側電極層３が高温になる。その結果、より熱的に不安定である半導体層４が除去されて、分割線７が形成され、この領域において前側電極層３が露出される。前側電極層３を傷めることがないよう、レーザ１３の出力は、このプロセスの際には相応に小さくされる。しかしながら、例えば層の特性のばらつきを相殺可能にすべく前側電極層３を選択的に傷めるように、レーザの出力を高めてもよい。すなわち、レーザの出力を、半導体層４の分割溝、すなわち分割線７（後ろ側電極との接触面）の特性を損なうことなく、レーザの出力を選択的に増加させることによって前側電極層が傷められるように、増加させることが可能である。
次いで、パターン加工済みの半導体層４（図２ｄ）が、例えばスパッタ法によって後ろ側電極層５で覆われ、次いで後ろ側電極層５が、分割線８を形成すべく例えば「リフトオフ」法によってパターン加工される（図２ｅ）。
１ 光起電モジュール
２ ガラス基板
３ 前側電極層
４ 半導体薄膜層
５ 側電極層
６ 分割線
７ 分割線
８ 分割線
９ 接点
１２ レーザビーム
１３ レーザ
Ｃ１ 帯状セル
Ｃ２ セル
２ ガラス基板
３ 前側電極層
４ 半導体薄膜層
５ 側電極層
６ 分割線
７ 分割線
８ 分割線
９ 接点
１２ レーザビーム
１３ レーザ
Ｃ１ 帯状セル
Ｃ２ セル
Claims (7)
- 直列接続されたセル（Ｃ１、Ｃ２、・・・、Ｃｎ、Ｃｎ＋１）を形成するように分割線（６、７、８）によってパターン加工された透明な前側電極層（３）、半導体層（４）、および後ろ側電極層（５）が透明な基板（２）上に堆積させられている光起電モジュール（１）を製造するため、前記前側電極層（３）および前記半導体層（４）についてレーザ・パターン加工を実行し、赤外放射を発するレーザ（１３）が前記前側電極層（３）のレーザ・パターン加工に使用される方法であって、
前記前側電極層（３）のパターン加工に使用された前記レーザ（１３）が、前記半導体層（４）のパターン加工にも使用され、前記レーザ（１３）の出力が、前記半導体層（４）のパターン加工の際に、前記前側電極層（３）を傷めることがないように小さくされることを特徴とする方法。 - 前記レーザ（１３）が、前記前側電極層（３）の光吸収が少なくとも０．５％である波長を有していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- １０６４ｎｍの波長を有するネオジム・ドープの半導体レーザが使用されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
- イットリウム・アルミニウム・ガーネット・レーザまたはイットリウム・バナデート・レーザが使用されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
- ネオジム・ドープのイットリウム・アルミニウム・ガーネット・レーザまたはネオジム・ドープのイットリウム・バナデート・レーザが使用されることを特徴とする請求項３または４に記載の方法。
- 前記半導体層（４）をパターン加工するために、レーザビーム（１２）が、前記透明な基板（２）を介して前記前側電極層および前記半導体層（３、４）へと向けられ、あるいは直接に前記半導体層（４）へと向けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
- 前記半導体層（４）のパターン加工の後で、前記レーザ（１３）の出力が、前記半導体層（４）内の分割線（７）の特性に影響を及ぼすことなく前記前側電極層（３）を選択的に変化させるために高められることを特徴とする請求項１に記載の方法。
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