JP2010272869A - 光起電モジュールの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】裏面電極層の分割を確実に行うことを可能にした光起電モジュールの製造方法を提供する。
【解決手段】光起電モジュールは、透明基板１、透明表面電極層２、微結晶または微結晶／アモルファスシリコンの半導体層３、および裏面電極層４を含み、これらの層は、構造化されて、分割線５、分割線６、分割線７によって電気的に分割され、電気的に直列接続されるセル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）を形成する。レーザ光は、少なくとも裏面電極層４において、分割線領域に対して角度αで延びる接続領域によって相互接続されて連続した分割線７を形成する分割線領域を形成する。
【選択図】図２
【解決手段】光起電モジュールは、透明基板１、透明表面電極層２、微結晶または微結晶／アモルファスシリコンの半導体層３、および裏面電極層４を含み、これらの層は、構造化されて、分割線５、分割線６、分割線７によって電気的に分割され、電気的に直列接続されるセル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）を形成する。レーザ光は、少なくとも裏面電極層４において、分割線領域に対して角度αで延びる接続領域によって相互接続されて連続した分割線７を形成する分割線領域を形成する。
【選択図】図２
Description
本発明は、特許請求項１の前提部に記載の光起電モジュールの製造方法に関する。
アモルファス、微結晶、または微結晶／アモルファスシリコンの半導体層を含む光起電モジュールの製造において、光起電活性層を形成する透明表面電極層、半導体層、および裏面電極層でガラスパネル基板の主面を被膜することが一般的に行われている。
一体式構造の層はレーザ光を用いて構造化され、例えば、分割線によって電気絶縁される個々の細長い形状のセルが形成され、次いで、これらのセルが直列接続されて、所望の電圧（１２Ｖ等）を提供するモジュールが得られる。
構造化のため、レーザ素子が、典型的には、ＸＹ座標テーブル、分割軸システム（split-axis system）、またはポータルもしくはガントリシステム等の構造化システムに含まれる。
例えば、分割軸システムは、Ｘ軸に沿って並べて配置された１つまたは複数の可動集光系にレーザ光を伝搬し、レーザ光を機能層に集光する手段を含む。被膜基板は、分割線が延びる第２すなわちＹ軸の方向に、集光系の下を通って移動する。プロセスにおいて、分割線は、単一の一定動作で、光起電活性層の長さに沿って延びる連続した線として形成される。あるいは、分割線は領域ごとに連結されてもよく、すなわち、連続した分割線は、連続的に延びる個々の領域から与えられてもよい。
単一の動作で連続した分割線を形成することに比べて、領域から連結された分割線の連続的な構造化は、モジュールあたりの製造コストを大きく減少させる。
分割線の連続的な構造化は、アモルファスシリコン半導体層を有するモジュールに適していることが分かっている。しかし、微結晶または微結晶／アモルファスシリコン半導体層を用いたモジュールにおいて、裏面電極層の分割線の連続的な構造化は、光起電モジュールの短絡等の誤作動を引き起こすことがある。
本発明の目的は、製造コストを可能な限り低く抑えながらも、申し分なく機能する微結晶または微結晶／アモルファスシリコン半導体層を用いた光起電モジュールを提供することにある。
本発明によると、本目的は、請求項１に記載の方法によって達成される。本発明の有利なさらなる展開が従属項に記載される。
本発明によると、連続的に連結される分割線が、少なくとも裏面電極層に形成される。分割線の個々の領域は、２軸ガルバノメータを有するレーザスキャナを用いて製造され得る。
上述の分割線の連続的な構造化により、その製造コストの削減が可能となる。しかし、比較的薄いアモルファスシリコン半導体層に比べて、微結晶または微結晶／アモルファスシリコン半導体層は、その何倍も大きい厚さを有する場合がある。レーザ光が裏面電極層を走査する際、裏面電極層の下にある肉厚の微結晶または微結晶／アモルファスシリコン層が加熱され、裏面電極層が半導体層とともに激しく折れて分離した線領域を形成する温度にまで温度が上昇する場合がある。
図１に示すように、第１および第２の分割線領域１８および１８’の重複した端部Ｅ１８およびＥ１８’は、それぞれ、一列に延びるのではなく、互いにずれた状態にある。第２の分割線領域１８’の端部１８’の部分Ｆにおいて、裏面接触層が完全には剥離し得ないことが分かっている。その代わり、部分Ｆにおいて裏面接触層材が、半導体材とともに上向きに透明表面電極層から離れるように屈曲することがあり、これによって、部分Ｆにおいて、モジュールの誤作動、特に短絡を引き起こし得る導電性の金属片が生じる。
このような金属片が生じることを防ぐため、本発明は、分割線に対して傾いて延び、その領域を相互接続する接続領域をレーザ光を用いて形成する。当該接続領域は、分割線に対して、１０〜９０°、特に３０〜９０°の角度で延びることが好ましい。
接続領域は、裏面電極層において相互接続される２つの分割線領域のうちの少なくとも１つの端部によって形成され得る。あるいは、接続領域は、接続されることになる２つの分割線領域間に延びる分離した領域によって形成され得る。
本発明の方法により、微結晶または微結晶／アモルファスシリコンの半導体層上に蒸着される裏面電極層の構造化が行われる。アモルファスシリコンに比べて、微結晶または微結晶／アモルファスシリコンの半導体層は、より高い効率をもたらす。
微結晶シリコンは、μｍ範囲の粒径を有するシリコン結晶を含む。一方、微結晶／アモルファスシリコンは、モジュールの光に対向する側に形成されるアモルファスシリコンの１つの部分層、および微結晶シリコンを含む別の部分層の２層構造を形成する。
モジュールの微結晶または微結晶／アモルファスシリコン半導体層の厚さは、好ましくは少なくとも０．６μｍ、より好ましくは少なくとも１μｍである。厚さは、例えば、２μｍまたは３μｍまでにもなり得る。
透明表面電極層は、酸化スズ、酸化亜鉛、または他の適切な材料等の導電性金属酸化物からなり得る。裏面電極層は、好ましくは、アルミニウムまたは銀等の金属から形成される。基板は、ガラスパネルまたは他の電気絶縁性透明材料であり得る。
レーザ構造化プロセスは、分割軸システム、ガントリシステム、またはＸＹ座標テーブルを用いて行われ得る。
分割軸システムにおいて、少なくとも１つのレーザ光が、集光系を有しＸ方向に沿って移動可能である１つまたは複数のレーザヘッドに伝搬される。レーザヘッドは、裏面電極層にレーザ光を集光するように動作する。光起電モジュールは、第２すなわちＹ方向にレーザヘッドの下を通って移動する。Ｙ方向は、裏面電極層を構造化する分割線が延びる方向であり、通常、Ｙ方向はＸ方向に直交する。
ガントリシステムにおいて、光起電モジュールは、静止した状態にある。その代わり、１つまたは複数のレーザヘッドが、ポータルに搭載され、それに沿ってＸ方向に移動可能であり、ポータルは、Ｙ方向に移動可能である。ＸＹ座標テーブルにおいて、テーブルに固定されたモジュールが、１つまたは複数のレーザヘッドの下を通ってＸ方向およびＹ方向に移動する。
各レーザヘッドがそれぞれのレーザ源を持つことは必要ではない。その代わり、レーザ源からのレーザ光は、部分光に分割され得、このような各部分光は、ヘッドの集光系を用いて裏面電極層に集光を行うレーザヘッドに伝搬される。
光起電活性層は、天候および他の環境的影響から保護するために封止される。この目的のために、接着フィルムを介して適切に活性層上に積層されるガラスパネル等の裏面膜が用いられる。裏面膜を接着フィルムによって基板に直接接続することを可能にするため、モジュールの縁辺部において、光起電活性層が除去されている。
また、レーザ光を用いて実行され得る縁辺部のこのような除去に加えて、光起電活性層は、非導電性の分割線によってモジュールの縁辺部からさらに電気絶縁される。
好ましくは、裏面電極層における絶縁分割線も、レーザ光を用いて連続的に製造される。言い換えると、裏面電極層において、連続した絶縁分割線を形成するように接続領域によって相互接続される絶縁分割線領域を形成するのにレーザ光が用いられる。接続領域は、絶縁分割線領域に対して、１０〜９０°、特に３０〜９０°の角度で延びることが好ましい。接続領域は、裏面電極層において接続されることになる２つの絶縁分割線領域のうちの少なくとも１つの端部、または、絶縁分割線領域の端部間に延びる分離した領域によって形成され得る。
絶縁分割線は、通常長方形のモジュールの光起電活性層を囲む。言い換えると、モジュールの対向する辺にある２つの絶縁分割線は、Ｙ方向に延び、構造化分割線に平行であり、モジュールの対向する辺にある他の２つの絶縁分割線は、Ｘ方向に延びる。
裏面電極層においてＹ方向に延びる絶縁分割線は、構造化分割線と同様に、例えば、その端部の接続領域または分離した接続領域によって相互接続される絶縁分割線領域から形成され得る。
一方、裏面電極層を構造化するＹ方向に延びる分割線は、裏面電極層においてＸ方向に延びる絶縁分割線を形成する絶縁分割線領域に対して用いられ得る。
裏面電極層の構造化に、可視域に放射されるレーザ、例えば、ネオジムドープの固体レーザ、特に、５３２ｎｍの第二高調波を放射す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イットリウムアルミニウムガーネットレーザ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）を用いることが好ましい。
裏面電極層の構造化は、好ましくは、Ｑスイッチ動作等のパルスレーザ動作で行われ、レーザは、好ましくは、ＣＷ励起およびＱスイッチ式である。プロセスにおいて、レーザスポットは、相互に重複する関係を有するように配置され得る。レーザ光と基板表面との間の相対速度は、少なくとも１０００ｍｍ／ｓであるのがよく、レーザ光のエネルギー密度は、少なくとも１００ｍＪ／ｃｍ２であるのがよい。
また、裏面電極層のレーザ構造化は、例えば、ネオジムドープの固体レーザの３５５ｎｍの第三高調波、または１０６４ｎｍの基本調波を用いて実行され得る。
例えば、１０６４ｎｍのレーザ放射は、透明基板を通って表面電極層上に方向付けられ得、その結果、積層された微結晶または微結晶／アモルファスシリコン半導体層が裏面電極層とともに熱で除去されることによって、裏面電極層を構造化する温度にまで加熱が行われることになる。裏面電極層の構造化において、この加熱により半導体層にさらなる分割線が形成されることになるが、これらが光起電モジュールの性能に影響することはない。
裏面電極層の構造化のため、レーザ光は、直接裏面電極層上に方向付けられてもよい。しかし、裏面電極層の構造化は、反対側からの、すなわち、透明基板を通るレーザ光を用いても可能である。
表面電極層および微結晶または微結晶／アモルファスシリコン半導体層による基板の被膜は、真空蒸着によって実行され得、裏面電極層による半導体層の被膜は、例えば、スパッタによって実行され得る。
本発明によると、「分割線」という語は、絶縁線だけではなく回路構成および配線をも指す。
以下に、添付の図面に示す実施形態例を参照して、本発明をより詳細に説明する。
図２に示すように、ガラスパネル等の透明基板１は、透明表面電極層２、微結晶または微結晶／アモルファスシリコンの光起電半導体層３、および裏面電極層４を有し、これらは、分割線５、６、および７をそれぞれ含み、直列接続した細長い形状のセルＣ１、Ｃ２、…を形成する。
モジュールの縁辺部１０において、層２、３、および４が除去されている。接着フィルム１１が、ガラスパネル等の裏面膜１２を、基板１の層２、３、および４がある側に積層するのに用いられる。このように、基板１は、その縁辺部１０で、接着フィルム１１を介して裏面膜１２に直接強固に接続されるため、層２〜４が定位置で封止される。層２、３、および４を縁辺部１０からさらに絶縁するため、絶縁分割線１３が、層２および３ならびに裏面電極層４に形成される。
構造化分割線５、６、および７ならびに絶縁分割線１３は、レーザ光１４を用いて製造される。
図３に示すように、分割線５、６、７、および１３を形成するアセンブリは、被膜基板１が固定具１６を用いて定位置に固定される投入部１５を含む。被膜基板１は、投入部１５からＹ方向に、分割線１８（図４）が裏面電極層４に形成される処理部２２へ、次いで、排出部２１へと移動する。
処理部２２は、レーザ光１４を裏面電極層４に集光させる集光系（例えば、ｆθオブジェクティブを有するガルバノスキャンヘッド）をそれぞれが有する複数のレーザヘッド８を含む。レーザヘッド８は、ポータルを形成するように構成された保持部２３に搭載され、基板１上に構造化しようとする裏面電極層４にわたってＸ方向に分散している。プロセスにおいて、全てのレーザヘッド８が、その下にあるゾーン１７に、各ゾーン１７の全長Ｌに沿って延びる分割線領域１８（図４）を同時に形成する。個々のゾーン１７は、Ｘ方向に端部同士が接続されている。このように、裏面電極層４は、その全幅にわたって、ゾーン１７の長さに相当する長さＬを有する平行な分割線領域１８を有する。次工程において、基板１は、ゾーン１７の長さＬ以下に相当する距離だけＹ方向に移動する。その後、各レーザヘッド８は、ゾーン１７’に、基板１の全幅にわたって延びる平行な分割線領域１８’の別の列を形成することになる。本プロセスは、分割線領域１８および１８’が、裏面電極層４に、基板１の全長に沿ってＹ方向に延びる分割線７を形成するまで繰り返される。
レーザヘッドが、ガルバノスキャナを有さない固定光学系を具備する場合、Ｘ軸の１回の動作ごとに単一の分割線領域が、各ゾーン１７に形成される。このように形成された分割線領域が連結されて連続した分割線を形成する。これは、レーザヘッドをＸ方向またはＹ方向に連続的にずらすことによって行われる。
図４に示すように、隣接するゾーン１７および１７’の分割線領域１８および１８’を正確に位置合わせすることは、実施上の理由により可能ではない。裏面電極層４に分割線７のレーザ切り込みを入れるプロセスにおいて、図１を参照して説明したように、光起電モジュールの誤作動を引き起こし得る金属片が裏面電極層の材料から生じることになる。
このため、図５および図６に示すように、このような金属片が生じることを防ぎながら、互いにずれた分割線領域１８および１８’を相互接続するように、裏面電極層４に、分割線領域１８および１８’に対して角度αで延びる接続領域１９および２０の切り込みを入れることにレーザヘッド８が用いられている。
図５に示すように、接続領域１９は、分割線領域１８’上のフック状の端部Ｅ１８’によって形成され、分割線領域１８’の端部Ｅ１８’上の接続領域１９は、分割線領域１８の端部Ｅ１８との角度αが約８０°となる状態で交差する。
図６によると、接続領域２０は、分割線領域１８および１８’の端部Ｅ１８およびＥ１８’に直交する分離した領域によって形成される。
裏面電極層４における分割線領域１８および１８’、ひいては分割線７の幅Ｂは、例えば、５０〜１５０μｍであり得る。その結果、相互接続されることになる分割線領域１８および１８’は、分割線領域１８および１８’の幅Ｂの少なくとも２倍よりも大きい距離で、相互にずれていてもよい。図６の分離接続領域２０は、分割線領域１８および１８’と同一の幅を有する。
また、レーザヘッド８は、光起電活性層２、３、および４を囲む絶縁分割線１３および１３’を形成するのにも用いられる（図２および図３）。
Ｙ方向に延びる２つの絶縁分割線１３は、レーザヘッド８を用いて連続的に、かつ、構造化分割線７と同様に、図５および図６に示すように相互接続され得る構造化分割線領域１８および１８’から形成される。
図３によると、Ｘ方向に延びる絶縁分割線１３’は、基板１が静止した状態で保持されている間に、レーザヘッド８をＸ方向に保持部２３に沿って移動させることにより形成される。
図７は、構造化分割線領域１８のうちの１つによって相互接続される裏面電極層４における２つの絶縁分割線領域１９および１９’の端部Ｅ１９およびＥ１９’を示す。
１ 透明基板
２ 透明表面電極層（光起電活性層）
３ 光起電半導体層
４ 裏面電極層
５ 構造化分割線
７ 構造化分割線
８ レーザヘッド
１０ 縁辺部
１１ 接着フィルム
１２ 裏面膜
１３ 絶縁分割線
１４ レーザ光
１５ 投入部
１６ 固定具
１７ ゾーン
１８ 分割線領域
１９ 絶縁分割線領域
２０ 分離接続領域
２１ 排出部
２２ 処理部
２３ 保持部
２ 透明表面電極層（光起電活性層）
３ 光起電半導体層
４ 裏面電極層
５ 構造化分割線
７ 構造化分割線
８ レーザヘッド
１０ 縁辺部
１１ 接着フィルム
１２ 裏面膜
１３ 絶縁分割線
１４ レーザ光
１５ 投入部
１６ 固定具
１７ ゾーン
１８ 分割線領域
１９ 絶縁分割線領域
２０ 分離接続領域
２１ 排出部
２２ 処理部
２３ 保持部
Claims (10)
- 透明基板（１）および光起電活性層を含み、前記光起電活性層が、透明表面電極層（２）、シリコン半導体層（３）、および裏面電極層（４）を含み、前記層が構造化されて、分割線（５、６、７）によって相互に電気絶縁され直列接続される個々のセル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）を形成し、少なくとも前記裏面電極層（４）の構造化が、レーザ光（１４）を用いて行われる光起電モジュールの製造方法であって、
シリコン半導体層（３）が、微結晶または微結晶／アモルファスシリコンを含み、
レーザ光（１４）が、少なくとも前記裏面電極層（４）において、分割線領域（１８、１８’）および前記分割線領域（１８、１８’）に対して角度（α）で延びる接続領域（１９、２０）を形成するのに用いられ、
前記接続領域が、前記分割線領域（１８、１８’）を接続して、連続した分割線（７）を形成する方法。 - 前記接続領域（１９、２０）が、前記分割線領域（１８、１８’）に対して１０〜９０°の角度（α）で延びる、請求項１に記載の方法。
- 前記接続領域（１９）が、前記裏面電極層（４）において接続されることになる前記２つの分割線領域（１８、１８’）のうちの少なくとも１つの端部（Ｅ１８’）によって形成される、請求項１または２に記載の方法。
- 前記接続領域（２０）が、前記分割線領域（１８、１８’）の端部（Ｅ１８、Ｅ１８’）間に延びる分離した領域によって形成される、請求項１または２に記載の方法。
- 前記レーザ光（１４）を用いて少なくとも前記裏面電極層（４）において絶縁分割線（１３、１３’）を形成することにより、前記モジュールの縁辺部（１０）から前記光起電活性層（２、３、４）を電気絶縁し、
絶縁分割線領域（１９、１９’）に対して傾いて延びる前記裏面電極層（４）における接続領域によって相互接続されて連続した絶縁分割線（１３、１３’）を形成する絶縁分割線領域（１９、１９’）を、前記レーザ光（１４）を用いて形成する、請求項１に記載の方法。 - 前記絶縁分割線領域（１９、１９’）を接続して連続した絶縁分割線（１３）を形成する前記接続領域が、前記相互接続される２つの分割線領域のうちの少なくとも１つの端部（図５）、または前記裏面電極層（４）を構造化するのに用いられる分割線領域（１８）によって形成される、請求項５に記載の方法。
- 前記微結晶または微結晶／アモルファスシリコン半導体層（３）の厚さが、０．６〜３μｍである、請求項１に記載の方法。
- 前記裏面電極層（４）のレーザによる構造化に、パルスレーザが用いられる、請求項１に記載の方法。
- 前記裏面電極層（４）のレーザによる構造化に、可視域に放射されるレーザ（１４）が用いられる、請求項１に記載の方法。
- 前記レーザ（１４）として、波長が５３２ｎｍのレーザ光を放射する周波数二倍化ネオジムドープの固体レーザが用いられる、請求項９に記載の方法。
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