JP2009177186A - 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ことである。
【構成】光起電モジュール（１）を製造するため、前側電極層（３）、半導体層（４）、および後ろ側電極層（５）が、赤外放射を発するレーザ（１４）によって、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る。半導体層（４）および後ろ側電極層（５）のパターン加工の際に、レーザ（１４）の出力が、前側電極層（３）を傷めることがないように小さくされる。好ましくは、前側電極層（３）のパターン加工および後ろ側電極層（５）のパターン加工に使用されるレーザ（１４）は、半導体層（４）のパターン加工にも使用される。
【選択図】 図２ｆ
【構成】光起電モジュール（１）を製造するため、前側電極層（３）、半導体層（４）、および後ろ側電極層（５）が、赤外放射を発するレーザ（１４）によって、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る。半導体層（４）および後ろ側電極層（５）のパターン加工の際に、レーザ（１４）の出力が、前側電極層（３）を傷めることがないように小さくされる。好ましくは、前側電極層（３）のパターン加工および後ろ側電極層（５）のパターン加工に使用されるレーザ（１４）は、半導体層（４）のパターン加工にも使用される。
【選択図】 図２ｆ
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）半導体レーザまたはイットリウム・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、５３２ｎｍの波長を有する２倍の周波数のＮｄ：ＹＶＯ４またはＮｄ：ＹＡＧレーザでのレーザ・プロセスを使用しても行われる。
半導体層にレーザによって分割線が形成されると、下方に位置する前側電極層が露出される。続いて後ろ側電極層が蒸着されることで、後ろ側電極層が前側電極層に接し、光起電モジュールのセルの直列接続が生じる。
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、通常は最も高い導入コストを必要とする。また、レーザ機械も、重要なコスト因子である。
半導体層コーティング機械の能力およびレーザ機械の能力は、通常は異なっている。通常は、光起電モジュールの工業生産においては、最も高価な機械である半導体コーティング機械が、１００パーセントの率で利用される。
半導体コーティング機械が、例えば１年に最大で２１０，０００モジュールのコーティングを実行できるが、１０６４ｎｍまたは５３２ｎｍの波長を有するそれぞれのレーザ機械が、例えば１年に最大でもわずかに９０，０００モジュールとして設計されている場合、前側電極および後ろ側電極のための上述の波長およびプロセスについて、２台のレーザ機械の１８０，０００という能力では充分でないため、結果として全部で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となる。
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。
後ろ側電極層を、下方に位置する半導体層（例えば、シリコン層）と一緒に、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て透明な前側電極層によって吸収される赤外放射を発する場合でも、レーザによって除去できることを突き止めた。
前側電極層によるレーザ放射の吸収は、レーザ放射による前側電極層の加熱という結果を有し、上方に位置する半導体層を熱によって除去して分割線による半導体層のパターン加工を実行できるようにするだけでなく、半導体層が後ろ側電極層で覆われている場合に、半導体層を後ろ側電極層と一緒に熱によって除去して分割線による後ろ側電極層のパターン加工も可能にする。このプロセスは、ビーム拡大器および絞り、あるいはレーザビームにトップハット形状を与える例えば屈折または回折光学系などの光ビーム変換システムをさらに必要とするかもしれない。
これは、後ろ側電極層のパターン加工の際に、半導体層に追加の分割線の形成を生じさせる。しかしながら、この半導体層の追加の分割線は、光起電モジュールの出力に実際のところ影響しない。
しかしながら、半導体層および下方に位置する半導体層のパターン加工にレーザが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、後ろ側電極層を下方に位置する半導体層と一緒にパターン加工するためには、相対的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、前側電極層をパターン加工すること、および後ろ側電極層を下方に位置する半導体層と一緒にパターン加工することの両方に使用できるようにするため、光起電モジュールの工業生産において使用されるレーザ機械の数を削減できる。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２１０，０００モジュールという最大能力を有する場合に、１年に９０，０００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。
ここで、従来技術によれば波長５３２ｎｍで行われている半導体層のレーザによるパターン加工も、Ｎｄ：ＹＶＯ４またはＮｄ：ＹＡＧ半導体レーザによって波長１０６４ｎｍで実行され、そのようなレーザがやはり１年に９０，０００モジュールという最大能力を有している場合、レーザ機械を従来技術に比べて２台節約することができる。すなわち、７台のレーザ機械が、前側電極層、半導体層、および後ろ側電極層をパターン加工するために必要である。従来技術によれば、この例では９台の機械が必要になると考えられる。
同様に、本発明によれば、レーザ・パターン加工プロセスの冗長性が、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、後ろ側電極（半導体層へも拡張できる）のためのレーザ・パターン加工機が、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、あるいは半導体層のパターン加工のプロセスも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、好ましくは少なくとも０．５％、とくには少なくとも２％を吸収すること、および半導体層を下方に位置させている後ろ側電極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、例えばガラス板などの透明な基板上に例えば化学蒸着によって前もって適用された前側電極層をパターン加工するために、分割線が、好ましくは最大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、半導体層が例えば化学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で構成でき、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も可能である。半導体層は、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を含むことができ、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を含むことも可能である。
後ろ側電極層は、好ましくは、例えばアルミニウム、銅、銀、などで構成される金属層である。スパッタ法によって適用可能である。また、この金属層と半導体層との間に、例えば酸化インジウムまたはアルミニウムでドープされた酸化亜鉛などのドープされた半導体で構成され、金属原子がモジュールの金属層から半導体層へと拡散することがないようにする中間層を、随意によりやはりスパッタ法によって適用することが可能である。
本発明に従って使用されるレーザは、赤外放射を発し、すなわち少なくとも８００ｎｍ、好ましくは１０００ｎｍ以上の波長の放射を発し、とくには近赤外範囲で放射を行う半導体レーザが使用される。半導体レーザは、ファイバ・レーザまたはディスク・レーザであってもよい。
半導体レーザは、好ましくはＮｄ：ＹＶＯ４レーザであり、すなわちホスト結晶としてイットリウム・バナデートを有している。代わりに、ホスト結晶が、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）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。レーザのドーピングに、エルビウム、イッテルビウム、または別の元素を使用することも可能である。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）またはネオジム・ドープのＹＡＧレーザ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）がとくに好ましい。
半導体層のパターン加工のために、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、半導体層に分割線を形成すべき場所に合焦させることができる。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、下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る。
後ろ側電極層のパターン加工のために、レーザビームの焦点が、透明な基板を介して機能層へと、後ろ側電極層に分割線を形成すべき場所に合わせられる。これにより、後ろ側電極層に、一体化された直列接続のために必要な光起電モジュールのセルの電気的絶縁を達成する例えば１０〜１００μｍの幅を有する分割線を形成することが可能である。副作用として、必ずしもではないが、このプロセスの際に半導体薄膜層も完全または部分的に除去される。
後ろ側電極層のパターン加工は、後ろ側電極層に鋭い縁を有する分割線を得るために、好ましくはパルス・モードで行われ、すなわちとくにはＱスイッチ・モードで行われる。ここでは、パルス・モードが、例えば「トップハット」形のビーム形状を形成してレーザビームの中央のみを有効にするために、レーザビームのビーム拡大器および絞りとの組み合わせにおいて実行される。例えばビーム拡大のための光学装置および絞り、あるいは光ビーム変換システム（例えば、屈折または回折光学系）などといった光学装置は、好ましくはレーザビームの外へと旋回または他のやり方で動かされるように構成される。
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、後ろ側電極層を上方に位置させている半導体薄膜層へと、熱伝導によって伝えられる。
後ろ側電極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（例えば、ガラス板）を介して前側電極層へと結び付けられたときに、半導体層が後ろ側電極層と一緒に焼き払われ、すなわち熱機械的に除去される。
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、電流の流れの方向Ｆに垂直に延びる個々の帯状セルＣ１、Ｃ２、・・・、Ｃｎ、Ｃｎ＋１を、直列に接続して備えている。この目的のために、前側電極層３が分割線６によって、半導体層４が分割線７によって、後ろ側電極層５が分割線８によって、中断、すなわちパターン加工されている。
本明細書において上述され、さらに図２ｅおよび２ｆを参照して再び後述されるとおり、後ろ側電極層５に分割線８を形成する際に、分割線８と同一平面上のさらなる分割線９が半導体層４に生じる。しかしながら、分割線９は、モジュール１の機能および効用に無関係である。
したがって、図１によれば、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、或るセルＣ１、Ｃｎの負極を隣のセルＣ２、Ｃｎ＋１の正極に接続している。
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、Ｃｎ＋１の接点１１、１２によって集められる。接点１１、１２を備えるモジュール１の背面には、プラスチックまたは他の電気絶縁材料で製作される背面保護物（図示されていない）が設けられる。
図２ｆが、隣り合う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〜２ｆ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から出発して、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をパターン加工するために、例えば１０６４ｎｍの波長を有するＮｄ：ＹＶＯ４またはＮｄ：ＹＡＧレーザなど、赤外放射を発するレーザ１４のレーザビーム１３の焦点を合わせることによって形成される。これは、前側電極層３がこの波長のレーザ放射を吸収することで、融解または気化することによって生じる。
図２ａにおいては、レーザビーム１３が、ガラス基板３を介して前側電極層３へと向けられている。しかしながら、前側電極層３のパターン加工を、反対側から、すなわち前側電極層３へと直接向けられたレーザビームで行うことも可能である。
このように形成されてパターン加工された図２ｂによる前側電極層３に、例えばシリコンで構成される半導体薄膜層４が、例えば化学蒸着によって堆積させられる。
図２ｃに示されているように、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１４が、半導体層４をパターン加工するために使用される。このレーザが、図２ｃに半導体層４の上方に配置されたレーザ１４によって示されているように半導体層側から、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、半導体層４をパターン加工すべく分割線７を形成すべき領域において、２つの層３および４へと向けられ、すなわち合焦される。
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１４のレーザ放射１３の吸収が存在し、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が焼失、またはいずれにせよ除去されて、分割線７が形成され、分割線７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の損傷を理想的に避けるため、レーザ１４の出力は、このプロセスの際に相応に小さくされる。
次いで、パターン加工済みの前側電極層３およびパターン加工済みの半導体薄膜層４で覆われた図２ｄによるガラス基板２に、例えば金属で構成される後ろ側電極層５が、例えばスパッタ法によって成膜される。
後ろ側電極層５をパターン加工するために、例えば１０６４ｎｍの波長を有するＮｄ：ＹＶＯ４またはＮｄ：ＹＡＧレーザなど、同じＩＲ放射を発するレーザ１４が、随意による揺動光学装置１５（例えば、拡大器、絞り、屈折／回折光学系）とともに、図２ｅに従って使用され、このレーザが、後ろ側電極層５をパターン加工すべく分割線８を形成すべき領域において、ガラス基板２を介して層３、４、５へと向けられ、すなわち合焦される。
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１４のレーザ放射１３の吸収が存在し、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が焼失、またはいずれにせよ除去されて、分割線７が形成され、分割線７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の損傷を避けるため、レーザ１４の出力は、このプロセスの際に相応に小さくされる。
後ろ側電極層５が、この波長の一部分しか吸収せず、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、半導体層４の下方の前側電極層３によるレーザ１４のレーザ放射１３の吸収が存在し、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および半導体層４の上方の後ろ側電極層５が、この領域において焼失、またはいずれにせよ除去されて、後ろ側電極層５の分割線８および分割線８と同一面である半導体層４のさらなる分割線９が形成される。前側電極層３の損傷を避けるため、レーザ１４の出力は、このプロセスの際に相応に小さくされる。
このように、本発明の方法によれば、半導体層４に追加の分割線９が生じる。しかしながら、これらの分割線が、光起電モジュール１の機能および出力を知覚できるほどに損なうことはない。
１ 光起電モジュール
２ 基板
２ ガラス基板（前側電極層）
４ 半導体薄膜層
５ 後ろ側電極層
６ 分割線
７ 分割線
８ 分割線
９ 分割線
１１ 接点
１３ レーザビーム
１４ レーザ
１５ 揺動光学装置
２ 基板
２ ガラス基板（前側電極層）
４ 半導体薄膜層
５ 後ろ側電極層
６ 分割線
７ 分割線
８ 分割線
９ 分割線
１１ 接点
１３ レーザビーム
１４ レーザ
１５ 揺動光学装置
Claims (10)
- 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）が機能層として透明な基板（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３つの機能層（３、４、５）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（１４）が前側電極層（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（１４）が、前記後ろ側電極層（５）のパターン加工にも使用され、前記レーザ（１４）の出力が、前記後ろ側電極層（５）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。 - 前記前側電極層（３）のパターン加工および前記後ろ側電極層（５）のパターン加工に使用される前記レーザ（１４）が、前記半導体層（４）のパターン加工にも使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記パターン加工が、光音響スイッチまたはＱスイッチ（ＱＳモード）によってパルス状にされたレーザ（１４）と、レーザビーム（１３）にビーム拡大器、絞り、ならびに／あるいは屈折または回折光学系を有している光学装置（１５）とによって実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記光学装置（１５）が、「トップハット」形のビーム形状の獲得を可能にすることを特徴とする請求項３に記載の方法。
- 前記光学装置（１５）が、前記レーザビーム（１３）の外へと動かされるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の方法。
- 前記レーザ（１４）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１〜５のいずれか一項に記載の方法。
- 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１〜６のいずれか一項に記載の方法。
- イットリウム・アルミニウム・ガーネット半導体レーザまたはイットリウム・バナデート半導体レーザが使用されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
- 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７または８に記載の方法。
- 前記後ろ側電極層（５）をパターン加工するために、前記レーザビーム（１３）が、前記透明な基板（２）を介して３つの機能層（３、４、５）へと向けられることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
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