JP2010177349A - 集積型光発電素子の製造方法及び集積型光発電素子の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】成膜された電極層が大気中に曝露されることを原因とする性能低下の問題を解決した集積型光発電素子の製造方法等を提供する。
【解決手段】基板１１と基板１１上に成膜された電極層とを有する集積型光発電素子の製造方法であって、光透過窓３０を備えた真空チャンバー（真空槽）１０の外部から光透過窓３０を通して照射されたレーザ光４１により、基板１１上に成膜された電極層の一部を除去し且つ分離するパターニング工程を、少なくとも有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、集積型光発電素子の製造方法等に関し、より詳しくは、薄膜系太陽電池に適用可能な集積型光発電素子の製造方法等に関する。

従来、薄膜型の太陽電池では、パターニングにより基板上に複数の太陽電池セルが分割形成され、これらを直列に接続した集積型構造を形成する製造方法が採用されている（特許文献１，２参照）。集積型構造を有する太陽電池モジュールは、太陽電池セルを複数個直列に接続することにより、所定の電圧が得られている。

特公昭５８−０２１８２７号公報 特公昭６２−００５３５３号公報

ところで、例えばＣＩＳ系等の薄膜系太陽電池は、通常、以下の手順により製造される。
図３は、従来のＣＩＳ薄膜系太陽電池の製造工程を説明する図である。初めに、真空槽内で、絶縁性の基板１上にスパッタリング法等により裏面電極層２を形成した後、レーザスクライブ法により、裏面電極層２を短冊状に形成する（図３（ａ））。次に、スパッタリング法等により裏面電極層２上に半導体層３を形成し、（図３（ｂ））、続いて、メカニカルスクライブ法により半導体層３の一部をストライプ状に除去し（図３（ｃ））、その後、透明電極層４を形成する（図３（ｄ））。最後に、透明電極層４を短冊状に分割し、分割溝５によって分割された複数のセルが直列に結合した集積型構造が形成される（図３（ｅ））。
この場合、例えば、真空槽内で基板１上に成膜された裏面電極層２をレーザスクライブ法により短冊状に加工する場合、製造工程の途中段階で、一旦、基板１を真空槽外に取り出し、レーザスクライブ処理が完了後に、再び基板１を真空槽内に戻し、さらに加工が続けられる。

しかし、製造工程の途中段階で、基板１を真空槽外に取り出すと、基板１の表面に大気によって塵や埃等が吸着される。このため、レーザスクライブ処理の完了後に基板１を再度真空槽内に戻しても、その吸着物がその後の加工に悪影響を及ぼすという問題がある。

本発明の目的は、成膜された電極層が大気中に曝露されることを原因とする性能低下の問題を解決した集積型光発電素子の製造方法等を提供することにある。

本発明によれば、基板と基板上に成膜された電極層とを有する集積型光発電素子の製造方法であって、光透過窓を備えた真空槽の外部から光透過窓を通して照射されたレーザ光により、基板上に成膜された電極層の一部を除去し且つ分離するパターニング工程を、少なくとも有することを特徴とする集積型光発電素子の製造方法が提供される。

ここで、本発明が適用される集積型光発電素子の製造方法では、パターニング工程は、透光性材料から構成された基板を通してレーザ光を電極層に照射することが好ましい。
また、パターニング工程において、レーザ光を電極層に照射することにより生じる加工屑を、気体流を用いて除去することが好ましい。

さらに、本発明が適用される集積型光発電素子の製造方法では、パターニング工程により分離された電極層上に半導体層を成膜する半導体層成膜工程と、半導体層上に透明電極層を成膜する透明電極層成膜工程とを、さらに有することが好ましい。
また、集積型光発電素子の半導体層は、ＩＢ族元素、ＩＩＩＢ族元素、ＶＩＢ族元素から選ばれるいずれか１種を含むことが好ましい。
さらに、半導体層は、カルコパイライト構造を有するＣｕ−Ｉｎ−Ｓｅ系半導体を含むことが好ましい。

次に、本発明によれば、基板と基板上に成膜された電極層とを有する集積型光発電素子の製造装置であって、真空チャンバーと、真空チャンバー内に設置され、集積型光発電素子の基板の表面に成膜される電極層の材料から構成されたターゲットと、ターゲットと対向して配置される基板を保持可能に構成された基板ホルダと、真空チャンバーに設けられた光透過窓と、真空チャンバー外に設けられ、光透過窓を通し、真空チャンバー内にレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、を有することを特徴とする集積型光発電素子の製造装置が提供される。

ここで、本発明が適用される集積型光発電素子の製造装置は、レーザ光を基板上の電極層に照射することにより生じる加工屑を、電極層から除去する加工屑除去手段を備えることが好ましい。
また、加工屑除去手段により基板上の電極層から除去された加工屑を回収する加工屑回収手段を備えることが好ましい。

本発明によれば、成膜された電極層が大気中に曝露されることを原因とする性能低下の問題を解決した集積型光発電素子が得られる。
本発明によれば、電極層が大気に暴露される機会が低減することにより、太陽電池の生産効率が向上する。

本実施の形態において使用する集積型光発電素子の製造装置の一例である。 パターニング工程を説明する図である。 従来のＣＩＳ薄膜系太陽電池の製造工程を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することが出来る。また、使用する図面は本実施の形態を説明するためのものであり、実際の大きさを表すものではない。

本発明が適用される集積型光発電素子の製造方法は、一般に薄膜系太陽電池として分類され、基板上に成膜された裏面電極層を有する太陽電池の製造方法に適用することができる。このような薄膜系太陽電池としては、例えば、水素化アモルファスシリコンを用いる薄膜シリコン型太陽電池、アモルファスと単結晶シリコンを組み合わせたＨＩＴ太陽電池、化合物半導体を用いる化合物太陽電池等が挙げられる。
さらに、化合物太陽電池としては、ＧａＡｓ系太陽電池、ＣＩＳ系（カルコパイライト系）太陽電池、Ｃｕ_２ＺｎＳｎＳ_４（ＣＺＴＳ）太陽電池、ＣｄＴｅ−ＣｄＳ系太陽電池等が挙げられる。

これらの中でも、ＣＩＳ系（カルコパイライト系）太陽電池は、光吸収層の材料として、シリコンの代わりに、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｅ、Ｓ等から成るカルコパイライト系と呼ばれるＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族化合物を用いる。代表的なものとしては、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）_２、ＣｕＩｎＳ_２等が挙げられ、それぞれＣＩＧＳ、ＣＩＧＳＳ、ＣＩＳと略称される。
ＣＩＳ系（カルコパイライト系）太陽電池は、製造法や材料の組み合わせが豊富であり、また多結晶であるため、大面積化や量産化に好適であり、フレキシブルな製品が得られやすい。
以下、本実施の形態が適用される集積型光発電素子の製造方法を、薄膜系太陽電池の一つであるＣＩＳ系（カルコパイライト系）太陽電池の製造方法に適用した例に基づき説明する。

（集積型光発電素子の製造装置）
図１は、本実施の形態において使用する集積型光発電素子の製造装置の一例である。
図１に示す製造装置Ｘ_０は、内部を真空状態に保持可能な真空チャンバー（真空槽）１０と、真空チャンバー１０の内部に、スパッタ法に用いる２個のターゲット２１，２２と、ターゲット２１，２２と対向して配置される基板１１を保持可能に構成された基板ホルダ１３と、基板ホルダ１３を取り付けた成膜トレー１２と、が配置されている。
真空チャンバー１０は、光透過性材料からなる光透過窓３０を備えている。さらに、真空チャンバー１０の外から光透過窓３０を通して、真空チャンバー１０内の基板１１上に成膜された電極層にレーザ光４１を照射するレーザ発信器（レーザ光照射手段）４０が設けられている。

ターゲット２１，２２と基板１１とは互いに平行になるように設置されている。ターゲット２１，２２は、それぞれ高周波電源Ｉに接続されたターゲット電極２１ａ，２２ａと一体的に接合されている。また、基板１１の電極を兼ねる成膜トレー１２は高周波電源ＩＩに接続されている。
また、基板ホルダ１３を取り付けた成膜トレー１２は、移動手段１４により矢印Ａの方向に移動可能となっている。真空チャンバー１０には、真空ポンプＶａに接続された排気口が設けられていると共に、アルゴンガス等の不活性ガスＡｒ（放電ガス）の導入口が設けられている。

光透過窓３０は、光透過性材料からなる光透過性板を用いて構成される。ここで、光透過性材料は、可視光の波長領域３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの範囲で透過率が８０％以上であることが好ましい。このような光透過性材料としては、例えば、石英ガラス、強化ガラス等のガラスが挙げられる。これらの中でも、透過する波長が広範囲な石英ガラス、強度に優れた強化ガラス等が好ましい。本実施の形態では、石英ガラスを使用している。光透過窓３０を構成する光透過性板の厚さは特に限定されないが、本実施の形態では、３ｍｍである。

図１に示すように、本実施の形態では、光透過窓３０は、真空チャンバー１０の下側に設けられている。後述するように、真空チャンバー１０外に設けたレーザ発信器４０からのレーザ光４１は、光透過窓３０を透過し、基板１１を通して基板１１上に成膜された電極層に照射する。

ターゲット２１は、基板１１上に成膜される電極層の材料から構成されている。電極層を構成する材料としては、金属が好ましく、例えば、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｕおよびＰｔから選択された少なくとも１つの金属またはこれらの合金が挙げられる。本実施の形態では、電極層は、厚さ０．３μｍ程度の金属薄膜として成膜され、後述するように、レーザスクライブにより分割される。

また、ターゲット２２は、電極層上にさらに成膜される半導体層の材料から構成されている。本実施の形態では、周期表ＩＢ族、ＩＩＩＢ族、ＶＩＢ族の元素を含むカルコパイライト型化合物半導体を使用している。カルコパイライト型化合物半導体としては、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）及びセレン（Ｓｅ）を含むカルコパイライト構造を有するＣｕ−Ｉｎ−Ｓｅ系半導体材料が好ましい。

レーザ発信器４０は、安定な単一周波数出力を発するレーザ光源を有することが好ましい。レーザ光源としては、アルゴンレーザ等のガスレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ等の固体レーザ、半導体レーザ等が挙げられる。本実施の形態では、発信波長１，０６４ｎｍのＮｄ−ＹＡＧレーザを使用している。

尚、本実施の形態では、真空チャンバー１０内に、ターゲット２１，２２以外に、集積型光発電素子の透明電極層の材料から構成されるターゲット（図示せず）を設けている。
透明電極層を構成する材料は特に限定されず、例えば、Ｉｎ_２Ｏ_３にＳｎをドーパントとして添加したＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）等の酸化インジウム系金属材料；ＳｎＯ_２等の酸化スズ系金属材料；ＺｎＯにＡｌをドーパントとして添加したＡＺＯ、ＺｎＯにＧａをドーパントとして添加したＧＺＯ、ＺｎＯにＩｎをドーパントとして添加したＩＺＯ等の酸化亜鉛系金属材料等が挙げられる。
本実施の形態では、ＩＴＯ、ＳｎＯ_２、ＺｎＯから選択された少なくとも１つを含む金属材料を用い、スパッタリングにより成膜することが好ましい。透明電極層の厚さは、本実施の形態では、約０．６μｍである。

さらに、本実施の形態では、半導体層と透明電極層との間に設けるバッファー層の材料から構成されるターゲット（図示せず）を設けている。この場合、バッファー層を構成する材料は特に限定されないが、本実施の形態では、ＩｎＳ_３、ＺｎＳ等の硫化物を用いることが好ましい。半導体層と透明電極層の間にバッファー層を設けることにより、半導体層と透明電極層との界面で発生する欠陥を抑制することができる。

（集積型光発電素子の製造方法）
次に、図１に示す集積型光発電素子の製造装置Ｘ_０を用いる集積型光発電素子の製造方法について説明する。
先ず、真空チャンバー１０の成膜トレー１２上に設けた基板ホルダ１３に集積型光発電素子の基板１１を取り付ける。基板１１は、光透過窓３０と同様に光透過性材料から構成され、本実施の形態では、ガラスを用いている。基板１１の大きさは特に限定されないが、本実施の形態では縦×横が１０ｃｍ×１０ｃｍであり、厚さは、０．５ｍｍである。
尚、本実施の形態では、成膜トレー１２及び成膜トレー１２に設けた基板ホルダ１３も、光透過性材料から構成されることが好ましい。

次に、真空チャンバー１０を真空状態（１×１０^−６［Ｐａ］〜１×１０^−３［Ｐａ］）に保持し、不活性ガスＡｒ（放電ガス）の導入口からアルゴンガスを真空チャンバー１０に導入する。続いて、ターゲット２１の表面をスパッタリングすることにより、ターゲット２１を構成する金属材料の薄膜を基板１１上に積層し、電極層を成膜する（電極層成膜工程）。
続いて、電極層を成膜した基板１１を移動手段１４により、矢印Ａの方向に、光透過窓３０が設けられている場所まで移動する。

次に、基板１１上に成膜された電極層に、真空チャンバー１０の外部から光透過窓３０を通してレーザ光４１を照射し、電極層の一部を除去し且つ分離する（パターニング工程）。
図２は、パターニング工程を説明する図である。図２（ａ）に示すように、本実施の形態では、レーザ発信器４０から発信されたレーザ光４１は、真空チャンバー１０の外部から光透過窓３０を透過し、光透過性材料から構成される基板１１を通して電極層１１ａに照射される。そして、レーザ光４１により電極層１１ａの一部を除去するレーザスクイライブ処理を行い、電極層１１ａを複数の分割溝によって分割する。この場合、成膜トレー１２及び基板ホルダ１３も、光透過性材料から構成されている。
尚、本実施の形態では、パターニング工程は、透光性材料から構成された基板１１を通してレーザ光４１を電極層１１ａに照射することにより行われるが、レーザ光４１は基板１１を透過させることなく電極層１１ａに照射することもできる。この場合は、基板１１は光透過性材料により構成する必要はない。

本実施の形態では、パターニング工程のレーザスクライブ処理において、レーザ光４１を電極層１１ａに照射することにより生じる加工屑を、気体流を用いて除去することが好ましい。
例えば、図２（ｂ）に示すように、レーザスクライブ処理により電極層１１ａから生じた加工屑１１ｂは、例えば、エアノズル５０（加工屑除去手段）等による気体流５１を基板１１の表面に吹き付けることにより電極層１１ａから除去される。
さらに、本実施の形態では、基板１１の表面から除去された加工屑１１ｂを、基板１１の表面近くに設けた加工屑回収手段６０により回収することが好ましい。加工屑回収手段６０を構成する材料は特に限定されないが、例えば、電極層１１ａの金属材料を吸着可能な、磁性体、電磁石等が挙げられる。加工屑１１ｂを回収することにより、基板１１の表面に電極層１１ａから生じた加工屑１１ｂが残留することによる集積型光発電素子の性能低下を防止することができる。

次に、レーザスクライブ処理によって電極層１１ａの一部を除去し且つ分離した基板１１を移動手段１４により、矢印Ａの方向に、ターゲット２２が設けられている場所まで移動する。そして、ターゲット２２の表面をスパッタリングすることにより、ターゲット２２を構成する半導体材料の薄膜を基板１１上に積層し半導体層（図示せず）を成膜する（半導体層成膜工程）。

その後、本実施の形態では、バッファー層の形成、メカニカルスクライブによる半導体層の分離処理の後、スパッタリングによる透明電極層（図示せず）の成膜（透明電極層成膜工程）、メカニカルスクライブによる透明電極層の分離工程を経て、基板１１上に複数のセルが分割形成され、これらを直列に接続した集積型光発電素子が得られる。尚、メカニカルスクライブは、例えば、金属刃、カッターナイフ、金属針又はニードル等を用いて半導体層と透明電極層の一部を短冊状に切り分ける。

上述したように、本実施の形態が適用される集積型光発電素子の製造方法は、従来から行われているＣＩＳ薄膜系太陽電池の製造工程と比べ、基板１１を真空チャンバー１０から取り出すことなくレーザスクライブを行うことができる。これにより、電極層１１ａが大気に暴露される機会が低減し、太陽電池の性能低下が防止される。

尚、以上の説明は、本発明の実施の形態を説明するための一例に過ぎず、本発明は本実施の形態に限定されるものではない。
本発明は複数の元素から構成される半導体層と、これを挟む２つの電極層を備える光発電素子や、このような構造を有する光発電素子の製造方法に応用することができる。例えば、Ｃｄ−Ｔｅ系に代表されるＩＩ−ＶＩ族半導体、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｅ系に代表されるＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族半導体、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｓｎ−Ｓ系化合物に代表されるＩ−ＩＩ−ＩＶ−ＶＩ族半導体、Ｓｉ−Ｇｅ系等の２種類以上の元素からなるＩＶ族半導体に適用することも可能である。

１，１１…基板、２…裏面電極層、３…半導体層、４…透明電極層、５…分割溝、１３…基板ホルダ、１１ａ…電極層、１１ｂ…加工屑、１２…成膜トレー、１４…移動手段、２１，２２…ターゲット、３０…光透過窓、４１…レーザ光、４０…レーザ発信器（レーザ光照射手段）５０…エアノズル（加工屑除去手段）、５１…気体流、６０…加工屑回収手段

Claims (9)

1. 基板と当該基板上に成膜された電極層とを有する集積型光発電素子の製造方法であって、
   光透過窓を備えた真空槽の外部から当該光透過窓を通して照射されたレーザ光により、基板上に成膜された電極層の一部を除去し且つ分離するパターニング工程を、少なくとも有する
   ことを特徴とする集積型光発電素子の製造方法。
2. 前記パターニング工程は、透光性材料から構成された前記基板を通して前記レーザ光を前記電極層に照射することを特徴とする請求項１に記載の集積型光発電素子の製造方法。
3. 前記パターニング工程において、前記レーザ光を前記電極層に照射することにより生じる加工屑を、気体流を用いて除去することを特徴とする請求項１又は２に記載の集積型光発電素子の製造方法。
4. 前記パターニング工程により分離された前記電極層上に半導体層を成膜する半導体層成膜工程と、当該半導体層上に透明電極層を成膜する透明電極層成膜工程とを、さらに有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の集積型光発電素子の製造方法。
5. 前記半導体層は、ＩＢ族元素、ＩＩＩＢ族元素、ＶＩＢ族元素から選ばれるいずれか１種を含むことを特徴とする請求項４に記載の集積型光発電素子の製造方法。
6. 前記半導体層は、カルコパイライト構造を有するＣｕ−Ｉｎ−Ｓｅ系半導体を含むことを特徴とする請求項４又は５に記載の集積型光発電素子の製造方法。
7. 基板と当該基板上に成膜された電極層とを有する集積型光発電素子の製造装置であって、
   真空チャンバーと、
   前記真空チャンバー内に設置され、集積型光発電素子の基板の表面に成膜される電極層の材料から構成されたターゲットと、
   前記ターゲットと対向して配置される前記基板を保持可能に構成された基板ホルダと、
   真空チャンバーに設けられた光透過窓と、
   真空チャンバー外に設けられ、前記光透過窓を通し、当該真空チャンバー内にレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、
   を有することを特徴とする集積型光発電素子の製造装置。
8. 前記レーザ光を前記基板上の前記電極層に照射することにより生じる加工屑を、当該電極層から除去する加工屑除去手段を備えることを特徴とする請求項７に記載の集積型光発電素子の製造装置。
9. 前記加工屑除去手段により前記基板上の前記電極層から除去された加工屑を回収する加工屑回収手段を備えることを特徴とする請求項８に記載の集積型光発電素子の製造装置。

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