JP2009277766A - 太陽電池パネルおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長辺方向、短辺方向いずれの方向においても基板の反りを低減し、応力の残留を無くし、長期にわたるヒートサイクルによっても、半導体薄膜光電変換層の剥離が生じることなく長期信頼性に優れた太陽電池パネルを提供する。
【解決手段】集積型薄膜太陽電池パネル１０は、基板１上に順次積層された表面電極層（第１電極層）２、半導体薄膜光電変換層３、および裏面電極層（第２電極層）４を有し、表面電極層２は直線状で互いに平行な複数の表面電極分離溝２ａにより複数個に分割され、半導体薄膜光電変換層３および裏面電極層４は格子状の裏面電極分離溝４ａ，４ｂにより複数個に分割されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、太陽電池に関するもので、特に基板上に順次積層された第１電極層、半導体薄膜光電変換層、および第２電極層を有する太陽電池パネルおよびその製造方法に関するものである。

薄膜太陽電池パネルは、例えば、基板上に、表面電極層、半導体薄膜光電変換層および裏面電極層が順次重ねて形成され、さらに基板上の半導体薄膜光電変換層が互いに平行な複数の分離溝によって分割されて太陽電池セルとされることにより作製される。このような構成の太陽電池パネルにおいては、膜厚の厚い半導体薄膜光電変換層を有する場合、成膜条件によって基板との間に残留応力が発生することがある。この残留応力は基板に反りを生じさせることがあり、製造時の歩留りが悪くなるばかりか、長期にわたるヒートサイクルによっては、半導体薄膜光電変換層の剥離が生じるという問題があった。

そこで、従来、通常であれば基板の長辺方向と平行な方向に半導体薄膜発電層を分割して複数の太陽電池セルを構成するところを、基板の短辺方向と平行方向に半導体薄膜発電層を分離して複数の太陽電池セルを構成することで、基板の反りを抑制する提案がされている。この方法によれば、製造時の歩留りを改善して、さらに信頼性に優れた薄膜太陽電池とすることができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−４４４５４号公報

しかしながら、このような従来技術においても、短辺方向には反りが発生し、その結果、半導体薄膜光電変換層の剥がれにより、長期信頼性が悪化するという問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、長辺、短辺方向いずれの方向においても基板の反りを低減し、膜厚の厚い半導体薄膜光電変換層を有する場合であっても、応力の残留を無くすことができ、長期にわたるヒートサイクルによっても、半導体薄膜光電変換層の剥離が生じることなく長期信頼性に優れたものとすることができる太陽電池パネルおよびその製造方法を提供することを目的としている。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る太陽電池パネルは、基板上に順次積層された第１電極層、半導体薄膜光電変換層、および第２電極層を有する太陽電池パネルにおいて、第１電極層は直線状で互いに平行な複数の分離溝により複数個に分割され、半導体薄膜光電変換層および第２電極層は格子状の分離溝により複数個に分割されていることを特徴とする。

また、本発明に係る太陽電池パネルの製造方法は、基板上に順次積層された第１電極層、半導体薄膜光電変換層、および第２電極層を有する薄膜太陽電池パネルの製造方法において、第１電極層、半導体薄膜光電変換層、および第２電極層の各層をそれぞれ形成する工程を含み、半導体薄膜光電変換層を成膜する工程の後に、３５０℃以上の温度で加熱するアニール工程を有し、アニール工程の後で且つ第２電極層形成工程の後に、レーザにより格子状の分離溝を形刻して半導体薄膜光電変換層および第２電極層を複数個に分割する工程を有することを特徴とする。

この発明の太陽電池パネルによれば、半導体薄膜光電変換層を格子状に分割したことにより、長辺、短辺方向いずれにおいても基板の反りを抑制することができる。このため、膜厚の厚い半導体薄膜光電変換層を有する場合であっても、応力の残留を無くすことができ、製造時の歩留りを改善するとともに、長期にわたるヒートサイクルによっても、半導体薄膜光電変換層の剥離が生じることなく長期信頼性に優れた太陽電池パネルとすることができるという効果を奏する。

また、この発明の太陽電池パネルの製造方法によれば、アニール工程の追加により素子の電気的特性を向上させることができる。また、アニール工程の追加により更に半導体光電変換層の応力が増大するが、このような場合においても、半導体光電変換層が格子状に分割されているので基板の反りの発生や破損を防ぐことができ、長期信頼性に優れた太陽電池パネルとすることができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる太陽電池パネルおよびその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態の集積型薄膜太陽電池パネルの構成を概略的に示す平面図である。図２は本発明の実施の形態の集積型薄膜太陽電池パネルの構成を概略的に示す一部破断斜視図である。本実施の形態の集積型薄膜太陽電池パネル１０においては、基板１上に表面電極層（第１電極層）２と、半導体薄膜光電変換層３と、裏面電極層（第２電極層）４とがこの順で順次積層されている。

基板１としてガラスや透明樹脂などの透光性絶縁基板が用いられる場合、通常、表面電極層２として透光性酸化物導電材料が用いられ、裏面電極層４として金属材料が用いられる。表面電極層２に用いられる透光性酸化物導電材料としては、ＳｎＯ₂、ＩＴＯ、ＺｎＯから選択された少なくとも１つ以上からなる材料が適用される。また裏面電極層４に用いられる金属材料としては、たとえばＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔから選択された少なくとも１つ以上の金属またはこれらの合金からなる層が用いられ得る。

なお、これらの表面電極層２および裏面電極層４の透光性酸化物導電材料や金属材料としての具体的材料は特に限定されるものではなく、周知の材料から適宜に選択して用いることができる。

半導体薄膜光電変換層３は、非晶質もしくは結晶シリコンを含む材料であって、たとえば多結晶、微結晶などの結晶質シリコン、水素化結晶質シリコン、非晶質もしくは結晶質シリコンカーバイド、非晶質もしくは結晶質シリコンナイトライドの他、ゲルマニウム、Ｓｎ、Ａｌ、Ｈｆ、などを含む非晶質もしくは結晶シリコン合金も用いられ得る。また、これらの各種半導体材料にｐ型またはｎ型のドーパント元素を添加することによって荷電子制御を行なった材料も用いられ得る。さらに、半導体薄膜光電変換層３の半導体接合のタイプとしては、ｐｉｎ型、ｎｉｐ型など、あるいはこれらのタイプを適当に組合せて積層したタンデム型が用いられ得る。この半導体薄膜光電変換層３は、たとえばＳｉＨ₄（モノシラン）やＧｅＨ₄（ゲルマン）などの半導体原料ガスを使用したプラズマＣＶＤ法などで形成される。

表面電極層２はパネルの短辺方向に延びる互いに平行で直線状の複数の表面電極分離溝２ａによって複数個に分割されている。また、半導体薄膜光電変換層３および裏面電極層４はパネルの短辺方向に延びる互いに平行で直線状に延びる複数の裏面電極分離溝４ａ、および長辺方向に延びる互いに平行で直線状に延びる複数の裏面電極分離溝４ｂによって複数個に分割されている。つまり、半導体薄膜光電変換層３および裏面電極層４は、裏面電極分離溝４ａおよび裏面電極分離溝４ｂにより、格子状に分割されている。

このようにして、１つの基板１上において、分割された複数の半導体薄膜光電変換層３に対応する複数の太陽電池セル５が形成されている。これらの太陽電池セル５の任意のセルの表面電極層２は、接続用開口溝３ａを介して隣接するセルの裏面電極層４に電気的に接続されている。また、短辺方向は表面電極層２により接続されている。これにより、基板１上で、複数の太陽電池セル５が短辺方向は電気的に並列に、長辺方向は電気的に直列に接続されて集積化されている。

半導体薄膜光電変換層３は、一般に半導体原料ガスを用いて成膜される。そして、成膜される際、成膜条件によってこの半導体薄膜光電変換層３中に膜応力が残存する。また、このような半導体原料ガスを用いた成膜法に限らず、基板熱処理により半導体薄膜光電変換層３の組成や構造などが変化する場合においても膜中に応力が発生して残存する。このような連続膜の層が基板に形成されていると基板が反るなどの変形が生じ、状態によっては基板１と半導体薄膜光電変換層３との間に破損や剥離を生じる場合がある。

本実施の形態では、半導体薄膜光電変換層３は、基板の短辺、長辺いずれの方向にも複数の太陽電池セル５に分割されている。半導体薄膜光電変換層３が連続して基板に形成されていると、その連続方向に応力が蓄積されていくが、本実施の形態のように半導体薄膜光電変換層３が分割されることにより分割部で応力が緩和される。

図３乃至図５は太陽電池パネルの反る様子を示す短辺方向の側面図であり、反りに関連した部材（基板１、半導体薄膜光電変換層３）のみを示している。図３は本発明の実施の形態の集積型薄膜太陽電池パネルが半導体薄膜光電変換層３の分割の効果により反らない様子を模式的に示した断面図である。図４は半導体薄膜光電変換層３を短辺方向に分割しない従来の太陽電池パネルの基板１の反りを模式的に示した断面図である。図５は同じく半導体薄膜光電変換層３を短辺方向に分割しない従来の太陽電池パネルのもので、図４のものと反対の向きに反った様子を模式的に示した断面図である。

図４および図５に示すように、半導体薄膜光電変換層３を短辺方向に分割しないと、成膜条件によって基板１との間に残留応力が残存することがあり、この残留応力の影響により太陽電池パネルは図４に示す方向或いは図５に示す方向に反ってしまう。複数の層の中でも、半導体薄膜光電変換層３が最も大きい応力を発生する。本実施の形態に沿って、半導体薄膜光電変換層３を短辺方向に分割すると、この残留応力の影響を緩和することができる。

図３に示す半導体薄膜光電変換層３を短辺方向に分割した場合の反り量Ｗ１は、図４および図５に示す、半導体薄膜光電変換層３を短辺方向に分割しない場合の反り量Ｗ２に比べて極めて小さい。このため、長期にわたるヒートサイクルにさらされても、半導体薄膜光電変換層３の剥離が生じることはなく、集積型薄膜太陽電池パネル１０の信頼性が向上する。

本実施の形態においては、上記のように、最も応力の大きい半導体薄膜光電変換層３が格子状に分割されるので基板の反りを効果的に抑制する効果がある。なお、本実施の形態では表面電極層２は直線状で互いに平行な複数の分離溝（表面電極分離溝２ａ）によって分割され、半導体薄膜光電変換層３および裏面電極層４は、格子状の分離溝（裏面電極分離溝４ａ，４ｂ）よって分割される構成としたが、さらに表面電極層２も格子状に分割する構成としてもよい。この場合、たとえば、格子に細分化された長辺方向の太陽電池セルどうしを裏面電極層を用いて直列に接続し、さらにこの直列に接続した太陽電池セルを基板の両端部で並列に接続するようにしてもよい。
次に、実施例について説明する。

ｐｉｎ型シリコン太陽電池パネルを以下のようにして作製した。まず寸法４００×３００ｍｍ、厚み３ｍｍ、線膨張係数８．５×１０^-6Ｋ^-1の青板ガラス基板の上に、表面電極層としてＳｎＯ₂膜をＣＶＤ法で形成し、次いでＹＡＧレーザを用いて基板短辺に平行にレーザスキャンし、ＳｎＯ₂のスクライブによって分割を行なった。スクライブ時の単位セル幅は１０ｍｍとした。

次に、基板をシリコン成膜用チャンバに移動し、半導体光電変換層を積層した。ｐ型アモルファスシリコン層を厚さ３０ｎｍ、ノンドープアモルファスシリコン層を５００ｎｍ、ｎ型アモルファスシリコン層を３０ｎｍ、ｐ型微結晶シリコン層を厚さ３０ｎｍ、ノンドープ微結晶シリコン層を２．０μｍ、ｎ型微結晶シリコン層を３０ｎｍ、それぞれプラズマＣＶＤ法により成膜してアモルファスと微結晶をそれぞれｐｉｎ接合で構成してこれらを積層しタンデム型とした。このときの成膜温度を２５０℃とした。

この後、このｐｉｎ接合構成部をなす各半導体光電変換層をＹＡＧレーザを用いて基板短辺に平行にレーザスキャンし、スクライブによる分割を行なった。

さらに、裏面電極としてＺｎＯ膜を１００ｎｍ、Ａｇ膜を３００ｎｍをスパッタ法により形成した。最後に、再びＹＡＧレーザを用いて基板の短辺および長辺の両方向においてレーザスキャンして、スクライブにより、半導体光電変換層および裏面電極を格子状に分割した。さらに、裏面にＥＶＡ（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ−Ｖｉｎｙｌ Ａｃｅｔａｔｅ Ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）およびフッ素系樹脂シートをラミネートし、太陽電池パネルとした。パネル完成の後に１０サンプルを用いて１００℃と４０℃との間のヒートサイクル試験（２００サイクル）を行なったところ、出力特性の低下や膜の剥離などを抑制する効果を確認することができた。

本実施例においては、実施例１において記載のとおり、裏面電極としてＺｎＯ膜を１００ｎｍ、Ａｇ膜を３００ｎｍスパッタ法により形成し、その後、ＹＡＧレーザを用いて半導体光電変換層および裏面電極のスクライブによる分離を、基板の短辺および長辺の両方向においても行なう際、半導体光電変換層の分割の幅を、いずれの方向においても５ｃｍ以下であるようにした。パネル完成後に１０サンプルを用いてヒートサイクル試験（１００℃→−４０℃、２００サイクル）を行なった。本実施例によれば、格子状の分離溝によって分割された半導体薄膜光電変換層のひとつの分割部の１辺を５ｃｍ以下とすることで、５ｃｍ以上の場合にみられた出力特性の低下や膜の剥離などの外観上の変化を抑制することができた。

本実施例においては、実施例１において記載のとおり半導体光電変換層を成膜した後、以下のアニール工程を追加する。半導体光電変換層の膜質向上のため、Ｎ₂もしくはＨ₂雰囲気で３５０℃とするアニールを１０分間行う。次の、半導体光電変換層をＹＡＧレーザによる分割工程以降は、実施例１と同じ手順にて太陽電池パネルの作成を行う。このアニール工程の追加により更に半導体光電変換層の応力が増大して、格子状に分割されていない場合は基板の反りがより増大するが、本実施例では、実施例１と同様に半導体光電変換層が格子状に分割されているので基板のそりの発生や破損を防ぐことができる。

実施例１のように半導体薄膜光電変換層が格子状に分割されていれば交差する２方向での応力を緩和する効果があるが、本実施例においては、分割される半導体薄膜光電変換層のパターン形状をたとえば上面視で、正方形または正方形に近い形状とする。すなわち、格子状の分離溝によって分割された半導体薄膜光電変換層のひとつの分割部の形状を偏平正四角柱または偏平正四角柱に近い形状とする。このような形状とすると、分割された半導体薄膜光電変換層中に残留する応力が２方向でほぼ同じとなる。これにより膜が基板に及ぼす応力が、２方向でおおよそ等方的となり、同じセル面積で比べた場合、基板が一方向側に片寄って変形することをさらに防止する効果がある。また、同様に同じセル面積で比べて、上記のように等方的な場合、異方的な場合と比べて、応力がより抑制されるため、変換効率の劣化が少なく、相対的に変換効率の向上につながる。

以上のように、この発明は薄膜太陽電池パネルに適用されて有用なものであり、特にレーザ加工により分割された複数の太陽電池セルを有する薄膜太陽電池パネルに適用されて最適なものである。

本発明の実施の形態の集積型薄膜太陽電池パネルの構成を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態の集積型薄膜太陽電池パネルの構成を概略的に示す一部破断斜視図である。 本発明の実施の形態の集積型薄膜太陽電池パネルが半導体薄膜光電変換層の分割の効果により反らない様子を模式的に示した断面図である。 半導体薄膜光電変換層を短辺方向に分割しない従来の太陽電池パネルの基板の反りを模式的に示した断面図である。 半導体薄膜光電変換層を短辺方向に分割しない従来の太陽電池パネルのもので、図４のものと反対の向きに反った様子を模式的に示した断面図である。

符号の説明

１ 基板
２ 表面電極層（第１電極層）
３ 半導体薄膜光電変換層
４ 裏面電極層（第２電極層）
５ 太陽電池セル
２ａ 表面電極分離溝（平行な分離溝）
３ａ 接続用開口溝
４ａ，４ｂ 裏面電極分離溝（格子状の分離溝）
１０ 集積型薄膜太陽電池パネル

Claims (3)

1. 基板上に順次積層された第１電極層、半導体薄膜光電変換層、および第２電極層を有する太陽電池パネルにおいて、
   前記第１電極層は直線状で互いに平行な複数の分離溝により複数個に分割され、前記半導体薄膜光電変換層および前記第２電極層は格子状の分離溝により複数個に分割されていることを特徴とする太陽電池パネル。
2. 前記格子状の分離溝によって分割された前記半導体薄膜光電変換層のひとつの分割部の形状が偏平な正四角柱である
   ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池パネル。
3. 基板上に順次積層された第１電極層、半導体薄膜光電変換層、および第２電極層を有する太陽電池パネルの製造方法において、
   前記第１電極層、前記半導体薄膜光電変換層、および前記第２電極層の各層をそれぞれ形成する工程を含み、
   前記半導体薄膜光電変換層を成膜する工程の後に、３５０℃以上の温度で加熱するアニール工程を有し、
   前記アニール工程の後で且つ前記第２電極層形成工程の後に、レーザにより格子状の分離溝を形刻して前記半導体薄膜光電変換層および前記第２電極層を複数個に分割する工程を有する
   ことを特徴とする太陽電池パネルの製造方法。

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