JP2011040501A - 光電変換装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】欠陥による発電効率の低下を抑制した光電変換装置を提供する。
【解決手段】透明電極１２、光電変換ユニット１４、裏面電極１６を順に積層し、光電変換セルが直列に接続された構造を形成する第１の工程Ｓ３０〜Ｓ３８と、光電変換セルの特性を測定する第２の工程Ｓ４０と、測定結果に応じて、透明電極１２、光電変換ユニット１４、裏面電極１６を直列接続方向に沿って除去し、直列に接続された光電変換セルを複数の領域に分割する第３の工程Ｓ４２，Ｓ４４と、によって作成された光電変換装置とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、光電変換装置及びその製造方法に関する。

多結晶、微結晶またはアモルファスシリコンを用いた光電変換装置が知られている。特に、微結晶またはアモルファスシリコンの薄膜を積層した構造を有する光電変換装置は、資源消費の観点、コストの低下の観点および効率化の観点から注目されている。

図９に、光電変換装置１００の基本構成の断面模式図を示す。光電変換装置１００は、一般的に、ガラス等の透明基板１０上に透明電極１２、光電変換ユニット１４及び裏面電極１６を積層した構造を有し、透明基板１０から光を入射させることによって電力を発生させる。このような光電変換装置を直列に集積するための製造方法及びパターニング装置が開示されている（例えば、特許文献１）。

図１０（ａ）〜図１０（ｆ）に、従来の光電変換装置１００の製造工程を示す。図１０（ａ）〜図１０（ｆ）では、光電変換装置１００の製造工程の各ステップにおける平面図及び断面図を模式的に示している。断面図は、平面図におけるラインＡ−Ａに沿った断面図とラインＢ−Ｂに沿った断面図を示している。

ステップＳ１０では、図１０（ａ）に示すように、レーザ加工により透明基板１０上に形成された透明電極１２を分割するスリットＳ１、及びスリットＳ１に直交する方向にスリットＳ２を形成する。ステップＳ１２では、図１０（ｂ）に示すように、透明電極１２を被うように光電変換ユニット１４を成膜する。光電変換ユニット１４としては、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）光電変換ユニット、微結晶（μｃ−Ｓｉ）光電変換ユニット又はそれらのタンデム構造が挙げられる。ステップＳ１４では、図１０（ｃ）に示すように、レーザ加工によりスリットＳ１の近傍であって重ならない位置にスリットＳ１の方向に沿って光電変換ユニット１４を分割するスリットＳ３を形成する。ステップＳ１６では、図１０（ｄ）に示すように、光電変換ユニット１４を被うように裏面電極１６を形成する。ステップＳ１８では、図１０（ｅ）に示すように、レーザ加工によりスリットＳ３の近傍であってスリットＳ３に対して、スリットＳ１と反対側でスリットＳ３と重ならない位置にスリットＳ１，Ｓ３の方向に沿って光電変換ユニット１４及び裏面電極１６を分割するスリットＳ４を形成する。これにより、スリットＳ２の方向に沿って複数の光電変換セルが直列に接続された構造が得られる。ステップＳ２０では、図１０（ｆ）に示すように、レーザ加工によりスリットＳ２内に形成された光電変換ユニット１４及び裏面電極１６を分割するスリットＳ５を形成する。これにより、スリットＳ１の方向に沿って隣接する光電変換セル間が電気的に分離され、直列に接続された複数の光電変換セルからなる光電変換セル群が複数並設された構造が得られる。そして、これら光電変換セル群は最終的に並列に接続され、光電変換装置１００を構成する。

特開２００１−３２００７１号公報

ところで、図１１に示すように、光電変換装置では透明電極１０と裏面電極１６とを短絡させる欠陥が面内に形成されてしまうことが多い。なお、図１１では、欠陥を黒丸印で表現している。

従来の光電変換装置では、図１１に示すように、スリットＳ２及びＳ５を等間隔に形成することによって、直列接続された光電変換セルの群が複数並列に並べられた構造としている。光電変換セルに欠陥が存在する場合、その欠陥を含む光電変換セル（図中、ハッチングで示す）の領域での発電電力が得られなくなるので、光電変換セルの群を等間隔に並列に分割した場合、その間隔分の光電変換セル分の発電が無駄になり、光電変換装置全体としての発電効率が低下する原因となっている。

本発明は、欠陥による発電効率の低下を抑制した光電変換装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の１つの態様は、第１の電極、発電層、第２の電極を順に積層し、複数の光電変換素子を直列に接続する第１の工程と、前記光電変換素子の特性を測定する第２の工程と、前記測定結果に応じて、前記第１の電極、前記発電層、前記第２の電極を前記光電変換素子の直列接続方向に沿って除去し、前記直列に接続された複数の光電変換素子を複数の領域に分割する第３の工程と、を含む、光電変換装置の製造方法である。

本発明の別の態様は、第１の電極、発電層、第２の電極が順に積層された複数の光電変換素子を直列に接続した光電変換装置であって、前記第１の電極、前記発電層、前記第２の電極が前記光電変換素子の直列接続方向に沿って除去されることによって、前記直列に接続された複数の光電変換素子が異なる面積を有する複数の領域に分割されている、光電変換装置である。

ここで、前記第３の工程は、前記直列に接続された複数の光電変換素子を面積の異なる複数の領域に分割する工程であることが好適である。

また、前記第２の工程は、前記光電変換素子の欠陥の位置を検出する工程であり、前記第３の工程は、前記欠陥の位置に応じて、前記欠陥を他の領域と電気的に分離するように前記直列に接続された複数の光電変換素子を複数の領域に分割する工程であることが好適である。

また、前記第２の工程は、前記光電変換素子の電気特性を測定する工程であり、前記第３の工程は、前記電気特性の測定結果に応じて、前記直列に接続された複数の光電変換素子を複数の領域に分割する工程であることが好適である。

また、前記第３の工程は、前記発電層及び前記第２の電極を第１の幅だけ除去する工程と、前記発電層及び前記第２の電極が除去された領域に重なる領域において、前記第１の電極を前記第１の幅以下の第２の幅だけ除去する工程と、を含むことが好適である。

また、前記第３の工程は、前記第１の電極、前記発電層及び前記第２の電極を第２の幅だけ除去する工程と、前記第１の電極、前記発電層及び前記第２の電極が除去された領域に重なる領域において、前記発電層及び前記第２の電極を前記第２の幅以上の第１の幅だけ除去する工程と、を含むことが好適である。

本発明によれば、欠陥による発電効率の低下を抑制した光電変換装置を提供することができる。

本発明の実施の形態における光電変換装置の製造工程を示す平面図及び断面図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の製造工程を示す平面図及び断面図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の製造工程を示す平面図及び断面図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の製造工程を示す平面図及び断面図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の製造工程を示す平面図及び断面図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の製造工程を示す平面図及び断面図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の製造工程を示す平面図及び断面図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の製造工程を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における欠陥の位置の検出結果を示す図である。 本発明の実施の形態における欠陥の位置の検出結果を示す図である。 本発明の実施の形態におけるスリットＳ２及びＳ５の形成を説明する図である。 本発明の実施の形態におけるスリットＳ２及びＳ５の形成を説明する図である。 本発明の実施の形態におけるスリットＳ２及びＳ５の形成を説明する図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の製造工程を示すフローチャートである。 光電変換装置の基本構成を示す図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の製造工程を示す平面図及び断面図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の製造工程を示す平面図及び断面図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の製造工程を示す平面図及び断面図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の製造工程を示す平面図及び断面図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の製造工程を示す平面図及び断面図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の製造工程を示す平面図及び断面図である。 従来の光電変換装置の構成を示す図である。

図１（ａ）〜図１（ｇ）及び図２に、本実施の形態における光電変換装置２００の製造工程を示す。図１（ａ）〜図１（ｇ）は、光電変換装置２００の製造工程の各ステップにおける平面図及び断面図を模式的に示している。図２は、光電変換装置２００の製造工程のフローチャートを示している。なお、図１（ａ）〜図１（ｇ）における断面図は、平面図におけるラインＣ−Ｃに沿った断面図とラインＤ−Ｄに沿った断面図を示している。

ステップＳ３０では、図１（ａ）に示すように、レーザ加工により透明基板１０上に形成された透明電極１２を分割するスリットＳ１（図中、左右方向）を形成する。透明基板１０は、光電変換装置において光電変換に利用される波長の光を透過する材料とし、例えば、ガラス、プラスチック等を用いる。透明電極１２は、酸化錫（ＳｎＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等に錫（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、フッ素（Ｆ）、アルミニウム（Ａｌ）等をドープした透明導電性酸化物（ＴＣＯ）を用いることができる。

スリットＳ１を形成するためのレーザ装置は、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザを用いることが好適である。レーザ装置から出射されるレーザビームのパワーを調整して透明電極１２側から照射し、連続してスリットＳ１の方向に走査することによってスリットＳ１を形成することができる。なお、スリットＳ１を形成するためのレーザは、透明基板１０側から照射してもよい。

また、光電変換セルを直列に多数集積するために多数のスリットＳ１を形成する必要があるので、スリットＳ１に直交する方向にレーザビーム出射口を等間隔に複数配置したマルチ出射型のレーザ装置を用いることが好適である。例えば、２〜５ヶ所のレーザビーム出射口を配置したレーザ装置を用いることが好適である。これにより、光電変換セルを直列に多数集積するために多数のスリットＳ１を高速に形成することができる。

ステップＳ３２では、図１（ｂ）に示すように、透明電極１２及びスリットＳ１を被うように光電変換ユニット１４を成膜する。光電変換ユニット１４は、特に限定されるものではないが、例えば、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）光電変換ユニット、微結晶（μｃ−Ｓｉ）光電変換ユニット又はそれらのタンデム構造が挙げられる。光電変換ユニット１４は、プラズマＣＶＤ等を用いて形成することができる。

ステップＳ３４では、図１（ｃ）に示すように、レーザ加工により光電変換ユニット１４を分割するスリットＳ３を形成する。スリットＳ３は、スリットＳ１の近傍であってスリットＳ１に重ならない位置にスリットＳ１の方向に沿って透明電極１２の表面まで形成する。

スリットＳ３を形成するためのレーザ装置は、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザ（２倍波）を用いることが好適である。レーザ装置から出射されるレーザビームのパワーを調整して透明基板１０側から照射し、スリットＳ３の方向に走査することによってスリットＳ３を形成することができる。

ステップＳ３６では、図１（ｄ）に示すように、光電変換ユニット１４及びスリットＳ３を被うように裏面電極１６を形成する。裏面電極１６は、反射性金属とすることが好適である。また、反射性金属と透明導電性酸化物（ＴＣＯ）との積層構造とすることも好適である。金属電極としては、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等が使用できる。また、透明導電性酸化膜（ＴＣＯ）としては、酸化錫（ＳｎＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等が使用できる。

ステップＳ３８では、図１（ｅ）に示すように、レーザ加工により光電変換ユニット１４及び裏面電極１６を分割するスリットＳ４を形成する。スリットＳ４は、スリットＳ３の近傍であってスリットＳ３に対して、スリットＳ１と反対側でスリットＳ３と重ならない位置にスリットＳ１，Ｓ３の方向に沿って光電変換ユニット１４及び裏面電極１６を分割するように透明電極１２の表面まで形成する。これにより、スリットＳ２の方向に沿って複数の光電変換セルが直列に接続された構造が得られる。

スリットＳ４を形成するためのレーザ装置は、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザ（２倍波）を用いることが好適である。レーザ装置から出射されるレーザビームのパワーを調整して透明基板１０側から照射し、スリットＳ４の方向に走査することによってスリットＳ４を形成することができる。

ステップＳ４０では、透明基板１０上に形成された光電変換セルに含まれる欠陥を検出する。ここで、本実施の形態における欠陥の検出とは、直接的又は間接的を問わず透明基板１０上に形成された光電変換セルの特性を低下させる原因の面内位置を特定できるものを意味する。

例えば、特許第３０９８９５０号公報に開示されている欠陥の検出方法を適用することが好適である。この検出方法は、光電変換セルに逆バイアスを印加した状態において、光電変換セルから出射される赤外線をＣＣＤやＣＭＯＳ等の光電変換デバイスで検知し、基準値と検出された赤外線の強度とを比較することによって光電変換装置に含まれる欠陥の面内位置を特定する。この方法を用いた場合、図３の平面図に示すように、光電変換装置の面内における欠陥（図中、黒丸で示す）の座標（絶対位置）を特定することができる。

また、電気的な特性を測定することによって間接的に欠陥の発生位置を特定してもよい。例えば、スリットＳ１に沿って直列に接続された光電変換セルの群毎に単位面積当りの発電特性（開放電圧、短絡電流、フィルファクタ、発電効率等）を測定し、基準となる発電特性よりも低い測定結果が得られた場合にその直列接続された光電変換セルの群内に欠陥を含むセルが含まれているものと判定する。このような測定を適用する場合、あらかじめ以下のステップＳ４２及びＳ４４と同様の方法にて、ある程度の間隔で光電変換セルを並列に分割しておいてもよい。この場合、図４の平面図に示すように、欠陥（図中、黒丸で示す）が存在する光電変換セルを含む直列接続の列（図中、ハッチングで示す）を特定することができるが、その列内における欠陥の絶対位置は特定できない。

ステップＳ４２では、図１（ｆ）に示すように、レーザ加工により光電変換ユニット１４及び裏面電極１６を分割するスリットＳ５（図中、上下方向）を形成する。すなわち、光電変換ユニット１４及び裏面電極１６を直列に接続された光電変換セルの群を並列に分割するようにスリットＳ１と交差する方向に透明電極１２の表面まで形成する。

波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザ（２倍波）を用いて、レーザ装置から出射されるレーザビームのパワーを調整して透明基板１０側から透明電極１２と光電変換ユニット１４との界面に焦点されるように照射し、所望の方向に走査することによってスリットＳ５を形成することができる。

ステップＳ４４では、図１（ｇ）に示すように、レーザ加工により透明基板１０上に形成された透明電極１２を分割するスリットＳ２を形成する。スリットＳ２は、スリットＳ５に重畳するように形成する。スリットＳ５及びＳ２により、スリットＳ１の方向に隣接する光電変換セル間が電気的に分離される。

本実施の形態では、図５の拡大断面図に示すように、スリットＳ２の全幅Ｌ２はスリットＳ５の全幅Ｌ１以下となるように、レーザ光の幅及び照射位置を調整してスリットＳ２を形成する。

スリットＳ２を形成するためのレーザ装置は、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザを用いることが好適である。レーザ装置から出射されるレーザビームのパワーを調整して透明電極１２側から透明電極１２の表面に焦点されるように照射し、スリットＳ２を形成することができる。なお、スリットＳ２を形成するためのレーザは、透明基板１０側から照射してもよい。

ここで、スリットＳ２及びＳ５は、ステップＳ４０にて特定された欠陥の位置に応じた位置に形成する。すなわち、ステップＳ４０にて特定された欠陥を含む光電変換セルを他の領域の光電変換セルと分離するようにスリットＳ２及びＳ５を形成する。

例えば、上記赤外線を用いる方法のように光電変換装置の面内における欠陥の絶対位置を特定できる場合、図６の平面図に示すように、スリットＳ２及びＳ５に挟まれた幅Ｄ１の光電変換セルがその欠陥を含むようにスリットＳ２及びＳ５を形成する。幅Ｄ１は、欠陥によって影響を受ける領域の大きさに応じた幅とし、できるだけ狭くすることが好適である。また、欠陥の位置に重なるようにスリットＳ２及びＳ５を形成してもよい。

一方、上記電気的測定方法のように光電変換装置の面内における欠陥の絶対位置を特定できない場合、図７の平面図に示すように、欠陥が存在する光電変換セルの列を真ん中で２分割する処理を繰り返すようにスリットＳ２及びＳ５を形成する。例えば、図７では、ラインｘ１で光電変換装置を２分割した後、ステップＳ４０にて基準となる発電特性と測定結果とを比較して、欠陥が存在する列を求めて、それらの列をラインｘ２でさらに２分割する。さらに、ラインｘ２でさらに２分割した後、ステップＳ４０にて基準となる発電特性と測定結果とを比較して、欠陥が多く存在する列を求めて、それらの列をラインｘ３でさらに２分割する。このように、ステップＳ４０〜Ｓ４４の処理を順次繰り返すことによって、欠陥が存在する光電変換セルの直列接続の列の幅を徐々に狭めることができる。これによって、分割されたいずれかの列に欠陥が含まれることになり、欠陥が存在しない若しくは欠陥が少ない光電変換セルからなる列と欠陥が多く存在する光電変換セルを含む列とが電気的に分離される。なお、上記実施例では、基準となる発電特性と測定結果とを比較して欠陥が存在する列を求めたが、略同じ幅を有し、同数の光電変換セルが直列接続された略同じ面積の列の発電特性の測定結果を比較し、欠陥が存在する列を求めてもよい。

なお、ステップＳ４４の後に、光電変換装置２００の外周部分を除去する工程等を設けてもよい。また、ステップＳ４０の後に、光電変換装置２００の表面を保護するためのバックシートや樹脂層を形成する工程を設けてもよい。バックシートや樹脂層は、光電変換装置２００の保護層として機能する。

また、図８のフローチャートに示すように、ステップＳ４２とＳ４４との順番を逆に行ってもよい。この場合、レーザ加工により透明基板１０上に形成された透明電極１２を分割するスリットＳ２を形成した後、そのスリットＳ２に重畳する位置にレーザ加工により光電変換ユニット１４及び裏面電極１６を分割するスリットＳ５を形成する。

上記のように、スリットＳ１，Ｓ３及びＳ４は、隣接する光電変換セル群を直列に接続するために設けられ、スリットＳ２及びＳ５は、直列に接続された光電変換セル群を並設するために設けられる。これにより、スリットＳ１の方向に沿って隣接する光電変換セル間が電気的に分離され、直列に接続された複数の光電変換セルからなる光電変換セル群が複数並設された構造が得られる。そして、これら光電変換セル群は最終的に並列に接続され、光電変換装置２００が構成される。

特に、本実施の形態では、欠陥が存在する光電変換セルを含む直列接続の列の幅を欠陥が存在しない光電変換セルからなる直列接続の列の幅よりも狭くなるように光電変換セルが並列に分割されるので、欠陥による影響を受ける範囲（図６，図７中、ハッチングで示す）を従来よりも狭い範囲に限定することができ、光電変換装置２００の発電効率を向上させることができる。

１０ 透明基板、１２ 透明電極、１４ 光電変換ユニット、１６ 裏面電極、１００，２００ 光電変換装置。

Claims (7)

1. 第１の電極、発電層、第２の電極を順に積層し、複数の光電変換素子を直列に接続する第１の工程と、
   前記光電変換素子の特性を測定する第２の工程と、
   前記測定結果に応じて、前記第１の電極、前記発電層、前記第２の電極を前記光電変換素子の直列接続方向に沿って除去し、前記直列に接続された複数の光電変換素子を複数の領域に分割する第３の工程と、
   を含むことを特徴とする光電変換装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の光電変換装置の製造方法であって、
   前記第３の工程は、前記直列に接続された複数の光電変換素子を面積の異なる複数の領域に分割する工程であることを特徴とする光電変換装置の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の光電変換装置の製造方法であって、
   前記第２の工程は、前記光電変換素子の欠陥の位置を測定する工程であり、
   前記第３の工程は、前記欠陥の位置に応じて、前記欠陥を他の領域と電気的に分離するように前記直列に接続された複数の光電変換素子を複数の領域に分割する工程であることを特徴とする光電変換装置の製造方法。
4. 請求項１又は２に記載の光電変換装置の製造方法であって、
   前記第２の工程は、前記光電変換素子の電気特性を測定する工程であり、
   前記第３の工程は、前記電気特性の測定結果に応じて、前記直列に接続された複数の光電変換素子を複数の領域に分割する工程であることを特徴とする光電変換装置の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の光電変換装置の製造方法であって、
   前記第３の工程は、
   前記発電層及び前記第２の電極を第１の幅だけ除去する工程と、
   前記発電層及び前記第２の電極が除去された領域に重なる領域において、前記第１の電極を前記第１の幅以下の第２の幅だけ除去する工程と、
   を含むことを特徴とする光電変換装置の製造方法。
6. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の光電変換装置の製造方法であって、
   前記第３の工程は、
   前記第１の電極、前記発電層及び前記第２の電極を第２の幅だけ除去する工程と、
   前記第１の電極、前記発電層及び前記第２の電極が除去された領域に重なる領域において、前記発電層及び前記第２の電極を前記第２の幅以上の第１の幅だけ除去する工程と、
   を含むことを特徴とする光電変換装置の製造方法。
7. 第１の電極、発電層、第２の電極が順に積層された複数の光電変換素子を直列に接続した光電変換装置であって、
   前記第１の電極、前記発電層、前記第２の電極が前記光電変換素子の直列接続方向に沿って除去されることによって、前記直列に接続された複数の光電変換素子が異なる面積を有する複数の領域に分割されていることを特徴とする光電変換装置。

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