JP2010282998A - 太陽電池、太陽電池の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】変換効率の高い太陽電池を提供する。
【解決手段】基板と、前記基板上に形成された第１電極層と、前記第１電極層上に形成された半導体層と、前記半導体層上に形成された第２電極層と、を有し、前記半導体層の一部には、前記第１電極層から前記第２電極層に至る溝部が設けられ、前記溝部には、導電性を有するコンタクト層が形成された。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池、太陽電池の製造方法に関する。
太陽電池は、光エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、使用される半導体によって様々な種類の構成が提案されている。近年では、製造工程が簡単で、高い変換効率が期待できるＣＩＧＳ型の太陽電池が注目されている。ＣＩＧＳ型の太陽電池は、例えば、基板上に形成された第１電極膜と、第１電極膜上に形成された化合物半導体（銅−インジウム−ガリウム−セレン化合物）層を含む薄膜と、当該薄膜上に形成された第２電極膜と、で構成されている。そして、薄膜の一部が除去された溝内に第２電極膜が形成されており、第１電極膜と第２電極膜とが電気的に接続されている。（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３１９６８６号公報
ところで、上記薄膜（化合物半導体層）の溝は、レーザー光照射や金属針等を用いて、薄膜の一部を除去することによって形成される。この際、上記溝内に薄膜の残渣が付着してしまうと、薄膜の残渣自体の抵抗が高いため、溝内に第２電極膜を形成して、第１電極膜と第２電極膜とを接続した際、第１電極膜と接続第２電極膜の間の電気的抵抗が高くなってしまうという、課題があった。
本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［適用例１］本適用例にかかる太陽電池は、基板と、前記基板上に形成された第１電極層と、前記第１電極層上に形成された半導体層と、前記半導体層上に形成された第２電極層と、を有し、前記半導体層の一部には、前記第１電極層から前記第２電極層に至る溝部が設けられ、前記溝部には、導電性を有するコンタクト層が形成されたことを特徴とする。
この構成によれば、第１電極層と第２電極層は、半導体層の溝部に形成されたコンタクト層によって電気的に接続される。従って、容易に第１電極層と第２電極層との電気的接続性を確保することができる。
［適用例２］上記適用例にかかる太陽電池の前記コンタクト層は、前記第１電極層及び前記第２電極層よりも、電気抵抗率が低い材料で形成されたことを特徴とする。
この構成によれば、コンタクト層は、第１電極層及び第２電極層よりも、電気抵抗率が低くなるので、第１電極層と第２電極層との間における電気的抵抗を下げることができる。
［適用例３］上記適用例にかかる太陽電池の前記コンタクト層は、銅を主成分とする材料で形成されたことを特徴とする。
この構成によれば、コンタクト層は、比抵抗が小さい材料で形成されるので、第１電極層と第２電極層との間を低抵抗化させることができる。
［適用例４］上記適用例にかかる太陽電池の前記半導体層は、銅、インジウム、ガリウム、セレンを含む化合物半導体層を有し、前記コンタクト層は加熱処理により形成されることを特徴とする。
この構成によれば、半導体層は、銅、インジウム、ガリウム、セレンを含む化合物半導体（ＣＩＧＳ）層を有し、コンタクト層は、銅を主成分とする材料である。ここで、例えば、レーザー光照射や金属針等を用いて、化合物半導体層の一部を除去して溝部を形成すると、溝部内に化合物半導体層の残渣が付着してしまうことが考えられる。そこで、溝部内に銅を主成分とする材料を用い、加熱処理によってコンタクト層を形成することにより、加熱処理中に、残渣物を銅のコンタクト層に拡散させることができる。これにより、第１電極層と第２電極層との間における電気的抵抗を下げることができる。特に、第１電極層とコンタクト層との界面抵抗を下げることができる。
［適用例５］上記適用例にかかる太陽電池の前記コンタクト層は、前記半導体層の前記第２電極層方向の面と同一の高さとなるように、前記溝部に形成されたことを特徴とする。
この構成によれば、コンタクト層と半導体層との面が一の均一な面となる。すなわち、半導体層とコンタクト層の面には、段差等がない状態となる。従って、コンタクト層と第２電極層は、一平坦面で接続されるので、接続性を向上させることができる。
［適用例６］本適用例にかかる太陽電池の製造方法は、基板上に第１電極層を形成する第１電極層形成工程と、前記第１電極層上に半導体層を形成する半導体層形成工程と、前記半導体層の一部を厚み方向に除去し、前記第１電極層に至る溝部を形成する溝部形成工程と、前記溝部に導電性を有するコンタクト層を形成するコンタクト層形成工程と、前記半導体層および前記コンタクト層上に第２電極層を形成する第２電極層形成工程と、を含むことを特徴とする。
この構成によれば、第１電極層と第２電極層は、半導体層の溝部内に形成されたコンタクト層によって電気的に接続される。従って、容易に第１電極層と第２電極層との電気的接続性を確保することができる。
太陽電池の構成を示す断面図。 太陽電池の製造方法を示す工程図。 太陽電池の製造方法を示す工程図。 変形例にかかる太陽電池の構成を示す断面図。
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。なお、各図面における各部材は、各図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材ごとに縮小を異ならせて図示している。
（太陽電池の構成）
まず、太陽電池の構成について説明する。なお、本実施形態では、ＣＩＧＳ型の太陽電池の構成について説明する。図１は、本実施形態にかかる太陽電池の構成を示す断面図である。
図１に示すように、太陽電池１は、基板１０と、基板１０上に形成された下地層１１と、下地層１１上に形成された第１電極層１２と、第１電極層１２上に形成された半導体層１３と、半導体層１３上に形成された第２電極層１４と、第１電極層１２と第２電極層１４とを電気的に接続するコンタクト層１７からなるセル４０の集合体で構成されている。
隣接するセル４０間は、第３分割溝３３によって分割されている。また、第１電極層１２は、第１分割溝３１によってセル４０単位で分割され、隣接するセル４０間を跨ぐように形成されている。そして、半導体層１３の一部に設けられた溝部としての第２分割溝３２内にコンタクト層１７が形成されており、第１電極層１２と第２電極層１４とが、コンタクト層１７を介して接続される。そして、各セル４０の第２電極層１４が、隣接する他のセル４０の第１電極層１２と接続されることによって、各セル４０が直列接続されている。このように、直列接続されたセル４０の数を適宜設定することにより、太陽電池１における所望の電圧を任意に設計変更することが可能となる。
基板１０は、少なくとも第１電極層１２側の表面が絶縁性を有した基板である。具体的には、例えば、ガラス（青板ガラス等）基板、ステンレス基板、ポリイミド基板、雲母基板等を用いることができる。
下地層１１は、基板１０上に形成された絶縁性を有する層であり、例えば、ＳｉＯ2（酸化珪素）を主成分とする絶縁層やフッ化鉄層を設けることができる。当該下地層１１は、絶縁性を有するとともに、基板１０と基板１０上に形成された第１電極層１２との密着性を確保する機能、および、基板が青板ガラスの場合は、ガラス基板１０から第１電極層１２へのＮａ拡散を防止する機能を併せ持つ。なお、基板１０自体に上記特性を有している場合には、下地層１１を省略することもできる。
第１電極層１２は、下地層１１上に形成された導電性を有する層であり、例えば、モリブデン（Ｍｏ）を用いることができる。
半導体層１３は、第１半導体層１３ａと第２半導体層１３ｂとで構成されている。第１半導体層１３ａは、第１電極層１２上に形成され、銅（Ｃｕ）・インジウム（Ｉｎ）・ガリウム（Ｇａ）・セレン（Ｓｅ）を含むｐ型半導体層（ＣＩＧＳ半導体層）である。
第２半導体層１３ｂは、第１半導体層１３ａ上に形成され、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化インジウム（ＩｎＳ）等のｎ型半導体層である。
第２電極層１４は、第２半導体層１３ｂ上に形成された透明性を有する電極層であり、例えば、ＡＺＯ（Ａｌドープ酸化亜鉛）等の透明電極体（ＴＣＯ：Transparent Conducting Oxides）等である。
コンタクト層１７は、導電性を有する層であり、第１電極層１２及び第２電極層１４よりも電気低効率が低い材料で形成されている。具体的には、銅（Ｃｕ）や銅を主成分とする材料が用いられる。なお、その他、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅−マンガン化合物等を用いることもできる。このように、電気抵抗率が低い材料を用いることにより、第１電極層１２と第２電極層１４との抵抗を下げることができる。また、本実施形態では、半導体層１３に第２分割溝３２が形成されており、当該第２分割溝３２内にコンタクト層１７が形成されている。さらに、コンタクト層１７は、半導体層１３の面と同一の高さとなるように形成される事がより望ましい。換言すれば、半導体層１３の上面とコンタクト層１７の上面が一の平坦面を形成し、当該平坦面上に第２電極層１４が形成されることが望ましい。
上記のように構成されたＣＩＧＳ型の太陽電池１に、太陽光等の光が入射されると、半導体層１３内で電子（−）と正孔（＋）の対が発生し、電子（−）と正孔（＋）は、ｐ型半導体（第１半導体層１３ａ）とｎ型半導体（第２半導体層１３ｂ）との接合面で、電子（−）がｎ型半導体に集まり、正孔（＋）がｐ型半導体に集まる。その結果、ｎ型半導体とｐ型半導体との間に起電力が発生する。この状態で、第１電極層１２と第２電極層１４に外部導電線を接続することにより、電流を外部に取り出すことができる。
（太陽電池の製造方法）
次に、太陽電池の製造方法について説明する。なお、本実施形態では、ＣＩＧＳ型の太陽電池の製造方法について説明する。図２及び図３は、本実施形態にかかる太陽電池の製造方法を示す工程図である。
図２（ａ）の下地層形成工程では、ステンレスの基板１０の一方面に下地層１１を形成する。フッ化鉄からなる下地層１１は、熱処理によって、ステンレスの基板１０とフッ素含有ガスを反応させることにより形成することができる。本下地層１１は、絶縁性を確保するとともに、第１電極層１２と基板１０間の密着力を高める効果を併せ持つ。なお、基板１０自体に上記下地層効果を有している場合には、下地層形成工程を省略することができる。
図２（ｂ）の第１電極層形成工程では、下地層１１上に第１電極層１２を形成する。具体的には、スパッタ法によって第１電極層１２となるモリブデン（Ｍｏ）層を形成する。
図２（ｃ）の第１分割工程では、第１電極層１２の一部をレーザー光照射等によって除去し、第１電極層１２を厚み方向に分割する。レーザー光照射等によって第１電極層１２が除去された部分には、第１分割溝３１が形成される。
図２（ｄ）の第１半導体層形成工程では、まず、第１電極層１２上および第１分割溝３１内に、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）およびガリウム（Ｇａ）をスパッタ法等で付着させ、プリカーサーを形成する。そして、当該プリカーサーをセレン化水素雰囲気で加熱（セレン化）して、第１半導体層１３ａとなるｐ型の半導体層（ＣＩＧＳ）を形成する。
図２（ｅ）の第２半導体層形成工程では、第１半導体層１３ａ上にＣｄＳ、ＺｎＯやＩｎＳ等により第２半導体層１３ｂとなるｎ型の半導体層を形成する。第２半導体層１３ｂは、スパッタ法等によって形成することができる。
図３（ｆ）の溝部形成工程（第２分割工程）では、レーザー光照射や金属針等により、半導体層１３の一部を除去し、半導体層１３を厚み方向に分割する。レーザー光照射等によって半導体層１３が除去された部分には、溝部としての第２分割溝３２が形成される。
図３（ｇ）のコンタクト層形成工程では、第２分割溝３２内にコンタクト層１７を形成する。コンタクト層１７の形成には、第１電極層１２及び第２電極層１４よりも電気抵抗率が低い材料を用いる。具体的には、銅を主成分とする材料を用いる。そして、印刷法やインクジェット法等によって、第２分割溝３２内に銅を主成分とする材料を塗布し、窒素、もしくは、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下、もしくは水素、蟻酸等の還元能をもつ成分を前記不活性ガスと混合した還元性ガス雰囲気下での熱処理等によって焼成する。これにより、コンタクト層１７を形成することができる。また、コンタクト層１７は、半導体層１３の第２電極層１４方向の底面と同一の高さ面となるように形成することが望ましい。半導体層１３の第２電極層１４の底面を同一の高さとした場合、半導体層１３とコンタクト層１７の面には、段差等の無い平坦面となる。
図３（ｈ）の第２電極層形成工程では、半導体層１３及びコンタクト層１７上に第２電極層１４を形成する。例えば、第２電極層となるＡＺＯ（ＡＬドープ酸化亜鉛）等の透明電極（ＴＣＯ）をスパッタ法等で形成する。
図３（ｉ）の第３分割工程では、レーザー光照射や金属針等により、第２電極層１４、半導体層１３の一部を除去し、第２電極層１４および半導体層１３を厚み方向に分割する。レーザー光照射等によって第２電極層１４および半導体層１３が除去された部分には、第３分割溝３３が形成され、一のセル４０が形成される。
上記の工程を経ることより、複数のセル４０が直列接続されたＣＩＧＳ型の太陽電池１が形成される。
従って、上記の実施形態によれば、以下に示す効果がある。
（１）溝部としての第２分割溝３２にコンタクト層１７を形成し、当該コンタクト層１７を介して第１電極層１２と第２電極層１４とを接続した。コンタクト層は、電気的効率の低い銅を主成分とする材料を用いた。これにより、第１電極層１２と第２電極層１４との間の抵抗を低減することができる。
（２）コンタクト層１７は、半導体層１３と同一面となるように形成した。これにより、コンタクト層１７と第２電極層１４との接続面に段差等がないので、接続性を向上させることができる。
（３）溝部形成（第２分割形成）工程の後に、コンタクト層１７となる銅を第２分割溝３２に塗布し、熱処理によってコンタクト層１７を形成した。これにより、溝部形成（第２分割形成）工程において、第１半導体層１３ａ（ＣＩＧＳ）の残渣が第２分割溝３２に付着していたとしても、熱処理によって、残渣分が銅に拡散するため、第１電極層１２とコンタクト層１７の接続界面における界面抵抗を低減させることができる。
なお、上記の実施形態に限定されるものではなく、以下のような変形例が挙げられる。
（変形例１）上記実施形態では、半導体層１３の面と均一になるように、かつ、第２分割溝３２の内部全体にコンタクト層１７を形成したが、これに限定されない。例えば、図４（ａ）に示すように、半導体層１３の面よりも、コンタクト層１７の面が低くなるように形成してもよいし、同図（ｂ）に示すように、半導体層１３の面よりも、コンタクト層１７の面が高くなるように形成してもよい。さらには、同図（ｃ）に示すように、第２分割溝３２の内部の一部にコンタクト層１７を設けてもよい。このようにしても、第１電極層１２と第２電極層１４との間の抵抗を低くすることができる。
（変形例２）上記実施形態では、第２電極層１４側から光を受光する片面受光のＣＩＧＳ型太陽電池１の構成等について説明したが、第２電極層１４側からに加え、基板１０側からも受光可能な両面受光のＣＩＧＳ型太陽電池１であってもよい。なお、この場合、基板１０は、透明性を有する基板を用いる。例えば、ガラス基板、ＰＥＴ、有機系透明基板等である。また、第１電極層１２は、透明性を有する電極層とし、例えば、ＡＺＯ（ＡＬドープ酸化亜鉛）等の透明電極（ＴＣＯ：Transparent Conducting Oxides）層とする。透明性を有する基板１０を用い、かつ、第１電極層１２に透明電極を用いることにより、基板１０側からの入射した光は、第１電極層１２を透過して半導体層１３に到達し、光電変換に寄与する事が可能となる。上記両面受光のＣＩＧＳ型太陽電池１でも、コンタクト層１７を介して第１電極層１２と第２電極層１４とを電気的に接続することで、電極間の直列抵抗を低減することができる。
（変形例３）上記実施形態では、コンタクト層１７をＣＩＧＳ型の太陽電池に適用して説明したが、これに限定されない。例えば、薄膜シリコン型の太陽電池における電極接続構造に適用してもよい。このようにしても、電極間の直列抵抗を低減させることができる。
１…太陽電池、１０…基板、１１…下地層、１２…第１電極層、１３…半導体層、１３ａ…第１半導体層、１３ｂ…第２半導体層、１４…第２電極層、１７…コンタクト層、３１…第１分割溝、３２…溝部としての第２分割溝、３３…第３分割溝、４０…セル。

Claims (6)

  1. 基板と、
    前記基板上に形成された第１電極層と、
    前記第１電極層上に形成された半導体層と、
    前記半導体層上に形成された第２電極層と、を有し、
    前記半導体層の一部には、前記第１電極層から前記第２電極層に至る溝部が設けられ、前記溝部には、導電性を有するコンタクト層が形成されたことを特徴とする太陽電池。
  2. 請求項１に記載の太陽電池において、
    前記コンタクト層は、前記第１電極層及び前記第２電極層よりも、電気抵抗率が低い材料で形成されたことを特徴とする太陽電池。
  3. 請求項２に記載の太陽電池において、
    前記コンタクト層は、銅を主成分とする材料で形成されたことを特徴とする太陽電池。
  4. 請求項３に記載の太陽電池において、
    前記半導体層は、銅、インジウム、ガリウム、セレンを含む化合物半導体層を有し、前記コンタクト層は加熱処理により形成されることを特徴とする太陽電池。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の太陽電池において、
    前記コンタクト層は、前記半導体層の前記第２電極層方向の面と同一の高さとなるように、前記溝部に形成されたことを特徴とする太陽電池。
  6. 基板上に第１電極層を形成する第１電極層形成工程と、
    前記第１電極層上に半導体層を形成する半導体層形成工程と、
    前記半導体層の一部を厚み方向に除去し、前記第１電極層に至る溝部を形成する溝部形成工程と、
    前記溝部に導電性を有するコンタクト層を形成するコンタクト層形成工程と、
    前記半導体層および前記コンタクト層上に第２電極層を形成する第２電極層形成工程と、を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。
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