JP2011003895A - 薄膜太陽電池およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】反射率が高く、層システムの接合が良好な薄膜太陽電池およびその製造方法の提供。
【解決手段】薄膜太陽電池は、透明表面電極層、光起電活性層システム、透明導電性バリア層４、ならびに金属接合層６およびＡｇ含有反射体層８を含む裏面層システム５が配置される透明基板を有する。前記金属接合層６および前記Ａｇ含有反射体層８の成分のみを含む組成を有する遷移層７が、前記金属接合層６と前記Ａｇ含有反射体層８との間に存在している。
【選択図】図２

Description

本発明は、主請求項の前提部に係る薄膜太陽電池および薄膜太陽電池の製造方法に関する。
薄膜太陽電池は、一般的に、透明表面電極層、１つまたは複数の半導体層で一般的に構成される光起電活性層システム、透明導電性バリア層、および反射体層としても機能し、光起電活性層システムを最初に通過する際に吸収されなかった入射放射を半導体層に戻すよう反射する役割を有する金属の裏面電極層を含む層構造が蒸着される透明基板を含む。薄膜太陽電池は、領域ごとに直列接続されることが多く、これは例えば、層システムに分割線を導入し、表面電極および裏面電極を領域ごとに電気接続することによって行うことが可能である。次いで、例えば、埋め込みフィルムおよび仕上げのガラス板を用いて、薄膜太陽電池を接触させて封入することにより、最終的に光起電モジュールが得られる。
光起電活性層システムに隣接する薄膜太陽電池の裏面層構造は、一般的に、高透明性および導電性を有する酸化バリア層、ならびに薄膜太陽電池の裏面接点としても機能する金属反射体層を含む。湿気等の環境の影響から反射体を保護する、または半田付け性を向上させるさらなる層を加えてもよい。酸化バリア層は、とりわけ拡散バリアとして機能し、太陽電池効率の大きな低下に繋がり得る、裏面電極層からの金属原子のシリコン層への拡散または移動を防ぐ。
金属反射体層として、可視スペクトル領域（ＶＩＳ）および近赤外スペクトル領域（ＮＩＲ）において高反射の金属フィルムを用いることが多い。ここで、波長が約１１００ｎｍまでのＮＩＲにおける反射が特に重要である。というのも、半導体層の吸収作用のため、約７００ｎｍよりも低い波長を有する放射は、その大部分が半導体層を最初に通過する際に吸収される一方で、特に装置が光起電力として利用可能な上記波長の放射は、反射体に到達するためである。反射体材料として、Ａｌ金属が比較的適しているが、近赤外領域におけるより高い反射性のため、原則としてＡｇおよびＡｕの方が適している。金属反射体層の厚さは、一般的に、１００〜５００ｎｍである。Ａｕは、一般的に、コスト上の理由で反射体層としては用いられない。Ａｌ層はコストがより低いが、特に関係のあるＮＩＲにおいて、Ａｌは中程度の反射率しか有さない。
Ａｇは高い反射率を有し合理的なコストで得られるが、Ａｌ層と比較して、Ａｇ層は、一般的に、酸化バリア層への接合に劣る。反射体層の接合不良は、光起電モジュールの長期信頼性の危険に繋がる。特に、湿気が入り込んできた場合、反射体層が中間層から剥離し、光起電モジュール機能の不良に繋がり得る。同様に、接点コネクタに半田付けすることによる裏面電極の接触後に層が剥離したり、あるいは、直列接続のために分割線を導入する際に金属片が生じ、この金属片が、直列接続された領域間に短絡を生じさせたりする可能性がある。したがって、Ａｇ反射体を透明導電性バリア層上に直接使用することは推奨されない。
したがって、従来技術によると、銀含有反射体層の接合を向上させるため、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、またはＭｏ等の金属の薄い接合層が、Ａｇ層と透明導電性バリア層との間にさらに用いられる。しかし、特に酸化バリア層と接合層との間および接合層と反射体層との間に境界面が新たに生成され、また、吸収が行われることにもなるため、この接合層は、一般的に、反射体の反射率を大きく悪化させる。金属接合層によって生じる反射体の反射率の低下は、太陽スペクトルにわたって、平均して約２〜５％である。
したがって、本発明の目的は、Ａｇ反射体のために特にＮＩＲにおいて反射性が非常に良好なだけでなく、層システムの接合が十分に高い、薄膜太陽電池用のＡｇ反射体を用いた裏面層システム、および、薄膜太陽電池の製造方法を提供することにある。
上記目的は特許請求の範囲の独立項により達成され、好適な実施形態は従属項により示される。
主請求項は、透明表面電極層、光起電活性層システム、透明導電性バリア層、ならびに、裏面電極および反射体として機能し、金属接合層およびＡｇ含有反射体層を含む裏面層システムが配置される透明基板を有する薄膜太陽電池に関する。
本発明のため、薄膜太陽電池という語は、一般的に光起電活性層システムの層厚が約１０μｍ以下であり、一般的に光起電活性層システムの製造が有利に入手可能な基板上で直接行われるためウェハを必要としない種々の形態の太陽電池を包含する。電池は、例えば、アモルファスおよび／または微結晶半導体材で構成される単数または複数のスタック電池（例えば、タンデムまたは三重接合スタック電池）であり得る。光学的エネルギーが電気エネルギーへと変換される光起電活性層システムは、半導体材料Ｓｉに基づき得るが、ＣｄＴｅまたはＣｕ（Ｉｎ,Ｇａ）（Ｓ,Ｓｅ）２等の他のシステムにも基づき得る。薄膜太陽電池は、例えば、接触および裏面封入のためのさらなる素子をさらに含み得る。
透明基板は、例えば、ポリカーボネートで構成されるプラスチック基板であり得るが、耐熱性および耐薬品性がより高いために、ガラス基板であることが好ましい。透明という語は、基板の場合でも表面および裏面電極の場合でも、ＶＩＳおよび波長が約１１００ｎｍまでのＮＩＲにおける放射に関し、典型的な太陽スペクトルに基づいて、このスペクトル領域の少なくとも５０％において入射放射の大部分が透過することを意味する。透明基板は、種々の材厚を有し、フィルムまたはプレートの形状であり得る。また、透明基板は、入射放射の方向に屈折を生じさせる微細構造を有する表面または微細構造を有する透明膜を有し得る。方向を屈折させることで、吸収材を通る入射放射の光路が増加し得るため、太陽電池の効率が増加し得る。この微細構造層は、例えば、酸窒化ケイ素、ＳｎＯ２、またはＺｎＯ層であり得、酸窒化ケイ素は、式ｘＳｉＯ２：（１−ｘ）ＳｉＯ３Ｎ４（式中、ｘ＝０…１）で表すことが可能である。微細構造は、好ましくは、透明基板の光が入射する側とは反対側に位置し、例えば、基板と透明表面電極との間に配置される。
また、透明基板は、入射放射の反射を減少させるために、光が入射する側に１つまたは複数の層で構成される反射防止膜を有し得る。また、特に湿気等の環境の影響への抵抗を増加させるためのさらなる層が存在してもよい。
隣接する透明表面電極層は、例えば、ＳｎＯ２、ＩＴＯ、またはＺｎＯで構成されるＴＣＯ層を含み得、ＺｎＯは、好ましくは、Ａｌ、Ｇａ、またはＢでドープされ得、ＳｎＯ２および／またはＩＴＯは、好ましくは、Ｆでドープされ得る。
また、境界面における反射損失を減少させるため、反射防止層が、層システム内、例えば、透明基板と透明表面電極層との間または透明表面電極層と半導体層システムとの間に存在し得る。
透明表面電極層には、一般的に、光起電活性層システム、ならびに裏面電極および反射体の機能を本質的に有する裏面層システムが続く。特に裏面接触の際や後続の動作の際、特に酸化に対して反射体を保護するために、しばしば、保護層が実際の反射体の裏側にさらに存在する。
主請求項の前提部に係る本発明の薄膜太陽電池は、金属接合層およびＡｇ含有反射体層の成分のみを含む組成を有する遷移層が、金属接合層とＡｇ含有反射体層との間に存在することを特徴とする。金属接合層とＡｇ含有反射体層との間が明確に区画された境界面を有する層システムと比較して、層が遷移なしに互いに入り込むことがなく、明確な境界面の潜在的な弱点が避けられるため、この遷移層により、Ａｇ含有反射体層の接合の向上が可能となる。
金属接合層は、好ましくは、金属Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔａ、Ａｌ、Ｓｎ、およびこれらの金属の合金、ならびにステンレス鋼のうちの１つを含む。これらの金属は、同様の電子配置を有する周期表の遷移族からの３ｄ元素（Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎ）、４ｄ元素（Ｍｏ、Ｚｒ、Ｎｂ）、および５ｄ元素（Ｗ、Ｔａ）、ならびにＡｌおよびＳｎである。主たる構成要素Ｆｅおよび多くの場合Ｃｒ、Ｎｉを有するステンレス鋼は、同様に、主として３ｄ元素からなる。これらの金属およびステンレス鋼は、酸化物層を形成する強い傾向があり、したがって、一般的に、透明導電性バリア層への接合がよく、同時に、遷移層との組み合わせで、Ａｇ含有反射体層への接合がよい。
金属接合層は、好ましくは、Ｃｕを含む。上述の金属のうち、Ｃｕは、層システムの接合の向上に良好な結果を示し、特に関係のある近赤外領域（ＮＩＲ）における反射率が高いため非常に良好な光学性を示す。したがって、Ｃｕ層は、反射体構造の反射率を僅かにしか損なわない。
金属接合層の厚さは、好ましくは、１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲にある。層厚がこれよりも小さい場合、層接合を向上させる機能が限定的にしか働かない。層厚がこれよりも大きい場合、反射損失が増加する。最終的に、５０ｎｍを大きく超える層厚では、より低い反射率でも、入射放射がＡｇ含有反射体層に到達しないので、金属接合層も反射体の機能を有することになる。よって、高反射のＡｇ含有反射体層の利点が発揮できなくなる。したがって、金属接合層の厚さは、良好な接合性および良好な光学性が同時に得られる２ｎｍ〜２０ｎｍの範囲にあることが特に好ましい。
Ａｇ含有反射体層は、Ａｇを含む。Ａｇ含有合金、好ましくは純粋なＡｇからなってもよい。ＶＩＳおよびＩＲの両方においてＡｇが示す良好な反射作用が重要である。純粋なＡｇ層を用いることが好ましい。
Ａｇ含有反射体層の厚さは、好ましくは、５０ｎｍ〜５００ｎｍである。約１５０ｎｍよりも下の層厚範囲では、層厚が増加すると、可視放射およびＮＩＲ（近赤外）におけるＡｇ含有反射体層の反射率が大きく増加する。２００ｎｍ周辺の層厚範囲では、反射率は僅かにしか増加しない。層厚が大きく増加しても反射は非常に僅かにしか増加しないため、経済的ではない。
遷移層は、好ましくは、当該層に垂直に変化する層組成を有し、隣接層への遷移における遷移層の組成が、これらの層の組成にそれぞれ近づく。よって、遷移層は、金属接合層とＡｇ含有反射体層との間に、特に緩やかな遷移をもたらす効果がある。
本発明に係る遷移層の厚さは、０．１ｎｍ〜２０ｎｍ、好ましくは、０．５ｎｍ〜１０ｎｍ、特に好ましくは、２ｎｍ〜１０ｎｍの範囲にある。遷移層は、金属接合層とＡｇ含有反射体層との間に、緩やかな遷移をもたらす効果がある。
好ましくは、透明導電性バリア層は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）を含み、その層厚は、１０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲にある。導電性バリア層は、とりわけ、金属イオンが光起電活性層システムに拡散することを防ぐ機能を有する。しかし、この層は、反射体として適した層のほとんどは光起電活性層システムの半導体材への接合が劣るため、接合層としても機能する。確実なバリア作用のため、ＴＣＯ層の厚さは、最低でも約１０ｎｍは必要である。しかし、ＴＣＯ材の厚さが増加すると、ＴＣＯ層における放射光の吸収および電流伝導の損失が増加するため、層厚は大きくなりすぎてはならない。ＴＣＯ層は、干渉層としても作用する。関係のある太陽スペクトルに対する最適の全透過率は、層厚が約８０ｎｍの場合に得られる。導電性バリア層は、好ましくは、酸化物ＳｎＯ２、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、またはＺｎＯを含む。導電性バリア層はドープされてもよく、ＺｎＯは、好ましくは、Ａｌ、Ｇａ、またはＢでドープされ、ＳｎＯ２および／またはＩＴＯは、好ましくは、Ｆでドープされてもよい。
好適な実施形態において、Ａｇ含有反射体層は、遷移層とは反対の面に、保護層を有する。この保護層は、例えば、ＮｉＶ合金で構成される層であり得る。この層は、まず、半田付けによる接触工程の際、次いで、反射体の光学性に悪影響を与え得る酸化に対して金属反射体を保護する。
同様に、本発明は、これに限らないが、とりわけ、上記の特徴を有する薄膜太陽電池の製造に用いることが可能な薄膜太陽電池の製造方法を提供する。したがって、本発明の薄膜太陽電池およびその好適な実施形態に記載の薄膜太陽電池の構成要素は、当該方法の記載に用いられる用語にも当てはまる。これは、とりわけ、透明基板、透明導電性表面電極層、光起電活性層システム、および透明導電性バリア層に当てはまる。
裏面層システムの蒸着までの薄膜太陽電池の製造は、従来技術に従って行うことが可能である。一般に、透明導電性表面電極層は、最初に透明基板上に蒸着される。この付加は、例えば、真空スパッタリング工程において行うことが可能である。次いで、異なるドーピングがなされた複数の半導体層から一般的になる光起電活性層システムが付加される。薄膜シリコン太陽電池に用いられる膜形成工程は、一般的に、ＰＥＣＶＤ（プラズマ化学気相成長法）工程であり、ＣｄＴｅ型半導体層も物理的スパッタリング工程を用いて蒸着可能である。次いで、透明導電性バリア層が、一般的に蒸着される。また、裏面層システムの蒸着前の製造方法は、反射防止層、接合層、または微細構造層を付加するための膜形成工程、および裏面層システムを付加することにより最終的に直列接続される複数の領域に薄膜太陽電池を分割する構造化工程等のさらなる工程を含み得る。
これらの工程は、一般的に、以下でプレコート基板と称され、少なくとも透明基板、透明表面電極層、光起電活性層システム、および透明導電性バリア層を含む中間体を生成する。プレコート基板は、一般的に、面積が約０．１〜６ｍ２で、平坦な表面および上記の層システムを有する比較的大きなガラス板の形状をとる。金属接合層、遷移層、およびＡｇ含有反射体層の基板上への形成は、被膜しようとする基板の表面が膜形成中に好ましくは位置する共通の膜形成面を有するように相互に関連して構成される２つの膜形成工程Ｐ１およびＰ２を用いて行われる。膜形成面という語は、領域の法線方向におけるゼロ次元の数学的平面を意味すると解釈されるべきではない。むしろ、膜形成面は、プレコート基板の表面が膜形成工程中に位置するおよその高さである。移送装置の機械的誤差やプレコート基板の平面からの僅かな逸脱がある場合、一般的に、プレコート基板の表面が完全に平面にはならなくなる。
本発明の製造方法において、金属接合層は、膜形成期間Ｔ１において膜形成面内の平面膜形成領域Ｂ１で行われる膜形成工程Ｐ１中にプレコート基板上に蒸着され、Ａｇ含有反射体層は、膜形成期間Ｔ２において膜形成面内の平面膜形成領域Ｂ２で行われる第２の膜形成工程Ｐ２中に蒸着される。本発明の製造方法は、膜形成期間Ｔ１およびＴ２が、少なくとも部分的に時間が重複し、膜形成工程の膜形成領域Ｂ１およびＢ２が、領域Ｂ３において少なくとも部分的に重複することを特徴とする。２つの膜形成工程Ｐ１およびＰ２は、プレコート基板の表面が膜形成中に本質的に位置する共通の膜形成面を有するように構成される。この膜形成面において、層がそれぞれの膜形成工程によって蒸着される、平面かつ同じ高さの膜形成領域Ｂ１またはＢ２は、膜形成工程ごとに指定してもよい。被膜速度は、一般的に、これらの膜形成領域内で一定にはならなくなる。一般に、被膜速度は、端部において低下する。２つの膜形成領域の重複部は、２つの膜形成工程によって同時にまたは時間をずらして被膜され得る領域Ｂ３として機能する。
本発明の方法の好適な実施形態において、遷移層は、金属接合層とＡｇ含有反射体層との間に形成される。本発明によると、遷移層は、膜形成領域間の重複および膜形成期間間の時間の重複により形成される。つまり、遷移層は、特にそれ自体の膜形成工程が割り当てられているわけではなく、領域Ｂ３における膜形成工程Ｐ１およびＰ２に付随して製造される。遷移層を製造する別個の膜形成工程も可能であるが、コストが大きく上昇することになるため、好適な実施形態ではない。
本発明の方法は、薄膜太陽電池に関して記載した好適な特徴を有する遷移層の製造に適しており、これらの特徴も同様に当該方法に関して特許請求される。これらは、遷移層の厚さおよび組成、ならびに、特に、遷移層が、好ましくは、当該層に垂直に変化する組成を有し、隣接層への遷移における遷移層の組成がこれらの層の組成にそれぞれ近づくという局面を含む。
本発明の方法の好適な実施形態において、プレコート基板は、その表面が膜形成工程の膜形成領域Ｂ１およびＢ２、ならびに２つの領域Ｂ１およびＢ２が重複する領域Ｂ３を通過するように移送方向に、好ましくは一定の速度で移送される。膜形成工程は、好ましくは、膜形成領域Ｂ１およびＢ２が膜形成面内で移送方向にずれて構成され、重複領域Ｂ３が、膜形成領域Ｂ１の面積の１〜６０％に相当する面積を有するように構成される。速度を一定にすることで、最適の効率で定常状態における工程を実現することが可能になる。
本発明の方法のより好適な実施形態において、膜形成工程Ｐ１およびＰ２は、プレコート基板の膜形成中に一定して行われ、工程全体は、本質的に定常状態にある。工程の定常状態における動作は、膜形成工程の蒸着速度を経時的に変化させて膜形成工程Ｐ１およびＰ２を連続的に行うことに比べて、数々の利点を有する。膜形成工程の一定の動作において、例えば、スパッタリングターゲットの温度が一定である平衡状態が得られると、一定のアブレーション速度が得られる。したがって、工程の定常状態における動作は、工程によって生じる膜形成動作の中断が生じないため、工程全体の安定性および操作性、薄膜太陽電池の品質、ならびに、特に処理能力に好影響を与える。プレコート基板は、通常、有限の長さの板の形状を有するため、工程全体は、厳密には、定常状態ではなく周期的な特徴を有する。しかし、この不連続性は、工程全体の動作においては何ら役割を果たさないため、この意味における本工程は、本質的に定常状態であると考えられる。
本発明の方法の好適な実施形態において、膜形成面内に存在する膜形成領域Ｂ１およびＢ２のそれぞれは、細長い円形の形状を有し、移送方向に直交するこれらの膜形成領域Ｂ１およびＢ２の寸法は、移送方向に直交するプレコート基板の寸法に本質的に相当する。膜形成領域Ｂ１およびＢ２は、移送方向に直交するプレコート基板の寸法よりも僅かに大きくてもよく、このことは、被膜しようとする基板の中央から端部まで均一に一定の層厚を得る際の助けとなりうる。多くの膜形成工程において、被膜速度は膜形成領域全体にわたって一定ではなく、膜形成領域の端に近づくにつれて低下するため、膜形成領域は、一般的に、対応するデザインである必要がある。
本発明の方法の好適な実施形態において、領域Ｂ３も、同様に、細長い円形の形状を有し、移送方向に直交する領域Ｂ３の寸法は、移送方向に直交するプレコート基板の寸法に本質的に相当する。
本発明の方法の好適な実施形態において、膜形成工程Ｐ１およびＰ２は、真空化が可能な処理室で行われる。真空膜形成工程は、金属層の蒸着に特に適しており、特に、低酸素雰囲気を用いることで、酸化が避けられる。
本発明の方法の好適な実施形態において、膜形成工程Ｐ１およびＰ２の一方または両方が、ＰＶＤ（物理気相成長法）工程、好ましくは、マグネトロンスパッタリングである。この膜形成工程により、不純物が少なく厚さが均一な広面積の膜が、特によく製造される。長軸周りに回転する管状カソードが、好ましくは、スパッタリングターゲットとして用いられる。平面のターゲットに比べて、特に、被膜の端部領域における不均一な層厚等の干渉効果は、この場合大きく減少させることが可能である。
本発明の方法の好適な実施形態において、希ガスまたは希ガス混合物が、スパッタガスとして用いられる。
本発明の方法のさらなる可能な実施形態において、膜形成領域Ｂ１およびＢ２が、本質的に対応し、本発明の裏面層システムが、膜形成期間Ｔ１およびＴ２の重複した時間で時間をずらして膜形成工程Ｐ１およびＰ２を行うことにより製造可能である。この場合、プレコート基板は、好ましくは、膜形成領域に関するいかなる動きも受けず、すなわち、定位置に固定される。しかし、製造方法の本実施形態は、工程が定常状態ではなく、最適の処理能力が得られないため、好ましくない。
以下の図１〜３に、本発明の薄膜太陽電池および本発明の製造方法を示す。
図１は、従来技術に係る薄膜太陽電池の層システムを模式的に示す。 図２は、本発明に係る薄膜太陽電池の裏面層システムを隣接層とともに模式的に示す。 図３は、製造方法の定常状態における実施形態を同時に行われる膜形成工程Ｐ１およびＰ２ならびにプレコート基板の動きとともに模式的に示す。
図中、層厚は、実際の大きさで示されていない。また、本発明の記載に直接重要ではないために図示されないさらなる層が、構造中に存在してもよい。同様に、図３において、光起電活性層システム（３）およびプレコート基板（１０）のサブ構造の詳細な記載は省略されている。
図１は、従来技術に係る薄膜太陽電池の構造を模式的に示す。透明導電性表面電極層（２）、光起電活性層システム（３）、透明導電性バリア層（４）、従来技術によると金属反射体層（例えば裏面電極としても機能するＡｌ層）のみを一般的に含む裏面層システム（５）、および保護層（９）が、透明基板（１）上に配置されている。
図２は、本発明に係る薄膜太陽電池の裏面層システム（５）の構造を隣接層とともに模式的に示す。裏面層システム（５）は、金属接合層（６）、遷移層（７）、Ａｇ含有反射体層（８）、および保護層（９）を含む。
図３は、本発明の薄膜太陽電池、すなわち本発明に係る裏面層システムの製造方法の定常状態における好適な実施形態を、同時に行われる膜形成工程Ｐ１およびＰ２とともに模式的に示す。透明導電性表面電極層（２）、光起電活性層システム（３）、および透明導電性バリア層（４）を既に含むプレコート基板は、好ましくは真空室において、かつ好ましくは一定の速度で膜形成領域Ｂ１（１１）、Ｂ３（１３）、および膜形成領域Ｂ２（１２）を通過する。したがって、プレコート基板上の各位置は、まず、金属接合層（６）、次いで遷移層（７）、Ａｇ含有反射体層（８）で被膜される。
本発明の有利な特性を、以下の例を用いて説明する。
透明基板： 基板ガラス
透明表面電極層： ＦドープＳｎＯ２
ＰＶ活性層システム： タイプａ−Ｓｉ、ピン−ピン構造
透明導電性バリア層： ＺｎＯ、８０ｎｍ
金属接合層： Ｃｕ、層厚約７ｎｍ
遷移層： Ｃｕ−Ａｇ、層厚約０．５ｎｍ
Ａｇ含有反射体層： Ａｇ、層厚１９０ｎｍ
保護層： ＮｉＶ、層厚約７５ｎｍ
この層システムを製造するために、ピン−ピン構造を有する光起電活性ａ−Ｓｉ（アモルファスＳｉ）層システムを、透明表面電極層を既に有する透明基板ガラス上に、ＰＥＣＶＤを用いて蒸着し、次いで、透明導電性バリア層として機能する約８０ｎｍ厚のＺｎＯ層を蒸着した。本発明に係る裏面層システムの蒸着は、膜形成工程中にプレコート基板が一定の速度でローラ上を移送される真空処理室内で、１×１０−４ｍｂａｒ〜１×１０−３ｍｂａｒの圧力範囲で行った。移送路に沿って、各々が管状スパッタリングターゲット（管状カソード）を有する２つのマグネトロンスパッタリング工程の膜形成領域に、プレコート基板を通過させた。長軸が互いに平行かつ移送方向に直交するように並べられた２つのスパッタリング工程の管状カソードを、２つの膜形成領域間で空間が重複するように、膜形成面からの距離が約８０ｍｍかつ相互の間隔が約１９０ｎｍとなるように配置した。スパッタリングターゲットのアブレーション速度ひいては被膜速度の尺度となる管状スパッタリングターゲット上エネルギー密度は、Ｃｕ層を形成する第１のスパッタリング工程では約１Ｗ／ｃｍ２、Ａｇ層を形成する第２のスパッタリング工程では約１０Ｗ／ｃｍ２とし、Ｃｕ層およびＡｇ層の厚さを異ならせた。第１のスパッタリング工程においてＣｕ層を約７ｎｍの厚さに蒸着し、第２のスパッタリング工程においてＡｇ層を約１９０ｎｍの厚さに蒸着し、Ｃｕ層とＡｇ層の間に遷移層を形成した。また、Ａｇ層に、約７５ｎｍ厚のＮｉＶ層を形成した。
本発明に係る特性を説明するため、上述の製造方法に類似するものの、遷移層を形成しないようにＣｕ層およびＡｇ層を別々に蒸着する方法により、比較用の薄膜太陽電池を製造した。このため、第１の工程においてプレコート基板にＣｕ層のみを蒸着し、次いで、時間の重複なしに第２の工程においてＡｇ層を蒸着した。
接合強度を判定するために、幅が約５ｍｍの金属テープを保護層に半田付けし、これら金属テープを介して層構造に垂直に引張力を加えた。帯状の層システムの一部とともに金属テープが基板から剥がれるまで、引張力を緩やかに増加させた。ここで、層が剥がれ始める限界の引張力を判定した。経験上、この試験における引張力は、少なくとも約４Ｎであるのがよい。本発明に従って製造された薄膜太陽電池の場合、少なくとも４Ｎである満足のいく引張力が９４．２％で得られた。遷移層のない比較例の場合、少なくとも４Ｎである満足のいく引張力は９２．５％のみでしか得られなかった。
本発明に係る裏面層システムの反射性を、反射分光計を用いて判定した。裏面層システムの光学的影響をできるだけ正確に判定できるようにするため、裏面接点（ＺｎＯ、Ｃｕ、Ｃｕ−Ａｇ中間層、Ａｇ、ＮｉＶ）を、ガラス基板上、または、裏面反射体をシリコン上によりよく光学的に合致させるため３０ｎｍ厚のアモルファスシリコン層が蒸着されたガラス基板に蒸着した特別な試験片を製造した。
以下の光学的測定結果が示された。まず、Ａｇ層よりも先に別個に蒸着した厚さが約６ｎｍのＣｕ層に関しては、Ｃｕ接合層を有するＡｇ反射体のスペクトル反射率は、Ｃｕ接合層のない反射体に比して、ごく僅かに低下するにとどまった。Ｃｕは、６００ｎｍよりも低い、および１１００ｎｍを超える無関係のスペクトル領域においてのみ、１％を超える大きな反射率低下をもたらしたが、約７００ｎｍ〜１１００ｎｍの関係のあるスペクトル領域においては、１％を超える大きな反射率低下は見られなかった。
また、次のような光学的測定結果が示された。遷移層を有する本発明に係る反射体のスペクトル反射率は、７００ｎｍ〜１１００ｎｍのスペクトル領域において、遷移層のない反射体（Ｃｕ−遷移層−Ａｇ）のスペクトル反射率と大きく異なることはなかった。
したがって、本発明に係る反射体のスペクトル反射率は、関係のあるスペクトル領域において測定精度（＜１％）内で、接合に問題があるため用いることができなかった遷移層のない純粋なＡｇ反射体のスペクトル反射率に相当する。
まとめとして、７００ｎｍ〜１１００ｎｍのスペクトル領域において、本発明の薄膜太陽電池は、Ａｇ含有反射体の反射率が高く、同時に、層システム全体（特にＡｇ反射体）の接合性が良好であるという利点を有するといえる。非常に薄い金属接合層、および金属層とＡｇ含有反射体層との間の遷移層（Ａｇ含有反射体層および金属接合層の同時に行われる膜形成工程において蒸着され、したがって、その製造にさらなる工程を必要としない）を用いて、特に有利な方法により、良好な接合性が実現される。
金属接合層としては、関係のあるスペクトル領域において反射性が良好なため、特にＣｕが目立って適していることがわかっている。本発明に係る裏面層システムは、優れた反射性および非常に良好な接合性を有する。
１ 透明基板
２ 透明表面電極層
３ 光起電活性層システム
４ 透明導電性バリア層
５ 裏面層システム
６ 金属接合層
７ 遷移層
８ Ａｇ含有反射体層
９ 保護層
１０ プレコート基板
１１ 膜形成領域Ｂ１
１２ 膜形成領域Ｂ２
１３ 領域Ｂ３

Claims (29)

  1. 透明表面電極層（２）、光起電活性層システム（３）、透明導電性バリア層（４）、ならびに金属接合層（６）およびＡｇ含有反射体層（８）を含む裏面層システム（５）が配置される透明基板（１）を有する薄膜太陽電池であって、
    前記金属接合層（６）および前記Ａｇ含有反射体層（８）の成分のみを含む組成を有する遷移層（７）が、前記金属接合層（６）と前記Ａｇ含有反射体層（８）との間に存在する薄膜太陽電池。
  2. 前記金属接合層（６）が、金属Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔａ、Ａｌ、Ｓｎ、およびこれらの金属の合金、ならびにステンレス鋼のうちの１つを含む、請求項１に記載の薄膜太陽電池。
  3. 前記金属接合層（６）が、本質的にＣｕからなる、請求項１又は２に記載の薄膜太陽電池。
  4. 前記金属接合層（６）の厚さが、１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲にある、請求項１〜３のいずれか一項に記載の薄膜太陽電池。
  5. 前記Ａｇ含有反射体層（８）が、Ａｇを含む、または、Ａｇ含有合金からなる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の薄膜太陽電池。
  6. 前記Ａｇ含有反射体層（８）の厚さが、５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲にある、請求項１〜５のいずれか一項に記載の薄膜太陽電池。
  7. 前記遷移層（７）が、当該層に垂直に変化する組成を有し、
    前記隣接層（６）および（８）への遷移における前記遷移層（７）の組成が、これらの層の組成にそれぞれ近づく、請求項１〜６のいずれか一項に記載の薄膜太陽電池。
  8. 前記遷移層の厚さが、０．１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲にある、請求項１〜７のいずれか一項に記載の薄膜太陽電池。
  9. 前記透明導電性バリア層（４）が、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）を含み、その厚さが１０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲にある、請求項１〜８のいずれか一項に記載の薄膜太陽電池。
  10. 前記透明導電性バリア層（４）が、ＳｎＯ２、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、またはＺｎＯを含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の薄膜太陽電池。
  11. 前記透明導電性バリア層（４）がドープされ、ＺｎＯが、Ａｌ、Ｇａ、またはＢでドープされ、ＳｎＯ２および／またはＩＴＯが、Ｆでドープされる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の薄膜太陽電池。
  12. 前記Ａｇ含有反射体層（８）が、前記遷移層（７）とは反対の面に、保護層（９）を有する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の薄膜太陽電池。
  13. 金属接合層（６）が、膜形成期間Ｔ１において膜形成面内の平面膜形成領域Ｂ１（１１）で行われる膜形成工程Ｐ１中に、少なくとも１つの透明基板（１）、透明表面電極層（２）、光起電活性層システム（３）、および透明導電性バリア層（４）を含むプレコート基板（１０）上に蒸着され、
    Ａｇ含有反射体層（８）が、膜形成期間Ｔ２において前記膜形成面内の平面膜形成領域Ｂ２（１２）で行われる第２の膜形成工程Ｐ２中に蒸着される、薄膜太陽電池の製造方法であって、
    前記膜形成期間Ｔ１およびＴ２が、少なくとも部分的に時間が重複し、
    前記膜形成工程の前記膜形成領域Ｂ１（１１）およびＢ２（１２）が、前記膜形成面内の領域Ｂ３（１３）において、少なくとも部分的に重複する方法。
  14. 遷移層（７）が、前記金属接合層（６）と前記Ａｇ含有反射体層（８）との間に形成される、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記金属接合層（６）が、金属Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔａ、Ａｌ、Ｓｎ、およびこれらの金属の合金、ならびにステンレス鋼のうちの１つを含む、請求項１３又は１４に記載の方法。
  16. 前記金属接合層（６）が、本質的にＣｕからなる、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の方法。
  17. 前記金属接合層（６）の厚さが、１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲にある、請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の方法。
  18. 前記Ａｇ含有反射体層（８）が、Ａｇを含む、または、Ａｇ含有合金からなる、請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の方法。
  19. 前記Ａｇ含有反射体層（８）の厚さが、５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲にある、請求項１３〜１８のいずれか一項に記載の方法。
  20. 前記遷移層（７）が、当該層に垂直に変化する組成を有し、
    前記隣接層（６）および（８）への遷移における前記遷移層（７）の組成が、これらの層の組成にそれぞれ近づく、請求項１４又は請求項１３〜１９のいずれか一項に記載の方法。
  21. 前記遷移層の厚さが、０．１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲にある、請求項１４又は請求項１３〜２０のいずれか一項に記載の方法。
  22. 前記プレコート基板（１０）が、その表面が前記膜形成工程の前記膜形成領域Ｂ１（１１）およびＢ２（１２）、ならびに前記２つの領域Ｂ１（１１）およびＢ２（１２）が重複する前記領域Ｂ３（１３）を通過するように移送方向に移送される、請求項１３〜２１のいずれか一項に記載の方法。
  23. 前記膜形成工程Ｐ１およびＰ２が、前記プレコート基板（１０）の膜形成中に一定して行われ、
    前記工程全体が、本質的に定常状態にある、請求項１３〜２２のいずれか一項に記載の方法。
  24. 前記膜形成面に位置する前記膜形成領域Ｂ１（１１）およびＢ２（１２）のそれぞれが、細長い円形の形状を有し、
    移送方向に直交するこれらの膜形成領域Ｂ１（１１）およびＢ２（１２）の寸法が、前記移送方向に直交する前記プレコート基板（１０）の寸法に本質的に相当する、請求項１３〜２３のいずれか一項に記載の方法。
  25. 前記領域Ｂ３（１３）も、同様に、細長い円形の形状を有し、
    移送方向に直交する当該領域Ｂ３（１３）の寸法が、前記移送方向に直交する前記プレコート基板（１０）の寸法に本質的に相当する、請求項１３〜２４のいずれか一項に記載の方法。
  26. 前記膜形成工程Ｐ１およびＰ２が、真空化が可能な処理室で行われる、請求項１３〜２５のいずれか一項に記載の方法。
  27. 前記膜形成工程（Ｐ１およびＰ２）の一方または両方が、ＰＶＤ（物理気相成長法）工程である、請求項１３〜２６のいずれか一項に記載の方法。
  28. 希ガスまたは希ガス混合物が、スパッタガスとして用いられる、請求項１３〜２７のいずれか一項に記載の方法。
  29. 前記膜形成領域Ｂ１（１１）およびＢ２（１２）が、本質的に対応し、
    前記金属接合層（６）、前記中間層（７）、および前記Ａｇ含有反射体層（８）が、時間的に連続する前記膜形成工程Ｐ１およびＰ２によって重複した時間で製造される、請求項１４又は請求項１３〜２８のいずれか一項に記載の方法。
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