JP2011138951A - 薄膜太陽電池およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザスクライブ法による太陽電池セル分離時における残余物質に起因した出力特性の低下が抑制された高品質の薄膜太陽電池およびその製造方法を得ること。
【解決手段】透光性絶縁基板１０上に、第１電極層１２と光電変換層１３と第２電極層１４とがこの順で積層されてなり、透光性絶縁基板１０よりも上部の層１２、１３、１４が分離溝２０、２１、２２により短冊状に分割された複数の薄膜太陽電池セルが配設された薄膜太陽電池の製造方法であって、遮光性材料からなる線形状のマスク層１１を分離溝２０、２１、２２により分割される層よりも下層または同層に形成し、マスク層１１を含む領域に透光性絶縁基板１０側からレーザ光を照射し、透光性絶縁基板１０の面内方向における一部分がマスク層１１によってマスクされることにより成形されたレーザ光により透光性絶縁基板１０よりも上部の層に分離溝を形成する。
【選択図】図１−２

Description

本発明は、薄膜太陽電池およびその製造方法に関するものである。

太陽光発電システムは、２１世紀の地球環境を化石エネルギーの燃焼による二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスの増加から守るクリーンエネルギーとして期待されており、その生産量は世界中で爆発的に増加している。そして、現在の太陽電池の主流は、シリコンの塊をスライスした基板を太陽電池用基板として用いるバルク型太陽電池である。このため、世界中でシリコンウェハが不足するという事態が発生している。そこで、近年では、光電変換層（半導体層）が、シリコンウェハの供給量に律速されない薄膜からなる薄膜太陽電池の生産量が急速に伸びつつある。

薄膜太陽電池では光の入射する側の表面電極層には透明導電性酸化物材料が一般的に用いられる。しかしながら、薄膜太陽電池の面積が大きくなると、表面電極層での直列抵抗成分が増大し、これがジュール損失となり太陽電池の発電効率を低下させる。

そこで薄膜太陽電池では、複数の幅の狭い短冊状に分離された薄膜太陽電池セルを各々の長軸方向が一致するように配置し、隣接する太陽電池セルの表面電極と裏面電極とを接触させて直列接続し集積化する。これにより、全体として薄膜太陽電池モジュールとして動作させることで、表面電極層での直列抵抗成分の増大を低減し、太陽電池の発電効率の低下を抑制している。

薄膜太陽電池の集積化では、レーザ光を用いたレーザスクライブ法により、表面電極層、光電変換層、裏面金属電極層のそれぞれに分離溝を形成し、太陽電池セルの分離および直列接続を行うことが一般的である（たとえば、特許文献１参照）。

特開昭５９−２２０９７９号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、スクライブに用いられるレーザ光のエネルギー分布は一般的にはガウス分布に近い分布となり、レーザ光の周辺部ほどエネルギー強度が低くなる。このため、レーザ照射部におけるレーザ光の径方向の中心部では十分なエネルギー強度を持つためスクライブが可能であっても、レーザ照射部におけるレーザ光の径方向の周辺部ではスクライブに必要なスレッショルドエネルギーに達せずに除去できない半導体層が変性層となって残余し、この変性層がリーク等を引き起こしセル特性を低下させる原因となっていた。

これに対して、レーザ光源側にマスクを設けてエネルギー強度の低い周辺部をカットすることで、急峻なエネルギー分布を持つレーザ光を得ることも行われている。しかし、レーザ光源から薄膜太陽電池の分離溝までの距離があるため、レーザ光は分散し、そのエネルギー分布はなだらかになる、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザスクライブ法による太陽電池セル分離時における残余物質に起因した出力特性の低下が抑制された高品質の薄膜太陽電池およびその製造方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる薄膜太陽電池の製造方法は、透光性絶縁基板上に、透明導電膜からなる第１電極層と、半導体膜からなり光電変換を行う光電変換層と、光を反射する導電膜からなる第２電極層と、がこの順で積層されてなり、前記透光性絶縁基板よりも上部の層が分離溝により短冊状に分割された複数の薄膜太陽電池セルが配設されるとともに、隣接する前記薄膜太陽電池セル同士が電気的に直列接続された薄膜太陽電池の製造方法であって、遮光性材料からなる線形状のマスク層を前記分離溝により分割される層よりも下層または同層に形成し、前記マスク層を含む領域に前記透光性絶縁基板側からレーザ光を照射し、前記透光性絶縁基板の面内方向における一部分が前記マスク層によってマスクされることにより成形された前記レーザ光により前記透光性絶縁基板よりも上部の層に前記分離溝を形成すること、を特徴とする。

本発明によれば、薄膜太陽電池の製造におけるレーザスクライブ工程での残余物質に起因したセル特性の低下を抑制して、高品質の薄膜太陽電池を得ることができる、という効果を奏する。

図１−１は、本発明の実施の形態１にかかる薄膜太陽電池モジュールの概略構成を模式的に示す平面図である。 図１−２は、本発明の実施の形態１にかかる薄膜太陽電池モジュールを構成する薄膜太陽電池セルの短手向における断面構造を説明するための図である。 図２−１は、本発明の実施の形態１にかかる薄膜太陽電池モジュールの製造工程の一例を説明するための要部断面図である。 図２−２は、本発明の実施の形態１にかかる薄膜太陽電池モジュールの製造工程の一例を説明するための要部断面図である。 図２−３は、本発明の実施の形態１にかかる薄膜太陽電池モジュールの製造工程の一例を説明するための要部断面図である。 図２−４は、本発明の実施の形態１にかかる薄膜太陽電池モジュールの製造工程の一例を説明するための要部断面図である。 図２−５は、本発明の実施の形態１にかかる薄膜太陽電池モジュールの製造工程の一例を説明するための要部断面図である。 図２−６は、本発明の実施の形態１にかかる薄膜太陽電池モジュールの製造工程の一例を説明するための要部断面図である。 図２−７は、本発明の実施の形態１にかかる薄膜太陽電池モジュールの製造工程の一例を説明するための要部断面図である。 図３は、本発明の実施の形態１にかかるレーザスクライブ工程を説明するための詳細図であり、レーザ照射時における遮光マスクの周辺部を拡大して示す図である。 図４は、遮光マスクにより成形される以前のレーザ光のエネルギー分布を示す特性図であり、図３のＢ−Ｂ断面におけるエネルギー分布を示す特性図である。 図５は、遮光マスクによりマスクされた場合のレーザ光のエネルギー分布を示す特性図であり、図３のＣ−Ｃ断面におけるエネルギー分布を示す特性図である。 図６は、本発明の実施の形態２にかかる薄膜太陽電池モジュールの構成を説明するための要部断面図である。 図７−１は、本発明の実施の形態２にかかる薄膜太陽電池モジュールの製造工程の一例を説明するための要部断面図である。 図７−２は、本発明の実施の形態２にかかる薄膜太陽電池モジュールの製造工程の一例を説明するための要部断面図である。 図７−３は、本発明の実施の形態２にかかる薄膜太陽電池モジュールの製造工程の一例を説明するための要部断面図である。 図７−４は、本発明の実施の形態２にかかる薄膜太陽電池モジュールの製造工程の一例を説明するための要部断面図である。 図７−５は、本発明の実施の形態２にかかる薄膜太陽電池モジュールの製造工程の一例を説明するための要部断面図である。 図７−６は、本発明の実施の形態２にかかる薄膜太陽電池モジュールの製造工程の一例を説明するための要部断面図である。 図７−７は、本発明の実施の形態２にかかる薄膜太陽電池モジュールの製造工程の一例を説明するための要部断面図である。

以下に、本発明にかかる薄膜太陽電池およびその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。

実施の形態１．
図１−１は、本発明の実施の形態１にかかる薄膜太陽電池である薄膜太陽電池モジュール（以下、モジュールと呼ぶ）１の概略構成を模式的に示す平面図である。図１−２は、モジュール１を構成する薄膜太陽電池セル（以下、セルと呼ぶ場合がある）２の短手向における断面構造を説明するための図であり、図１−１の線分Ａ−Ａにおける要部断面図である。

図１−１および図１−２に示すように、本実施の形態にかかるモジュール１は、透光性絶縁基板１０上に形成された短冊状（矩形状）のセル２（図１−２においては、セル２−１、セル２−２、セル２−３を記載）を複数備え、これらのセル２が電気的に直列に接続された構造を有する。

セル２は、図１−２に示すように透光性絶縁基板１０、透光性絶縁基板１０上に形成された遮光マスク１１、透光性絶縁基板１０上および遮光マスク１１上に形成された第１電極層となる透明表面電極層１２、透明表面電極層１２上に形成された薄膜半導体層からなる光電変換層１３、光電変換層１３上に形成された第２電極層となる裏面金属電極層１４、が順次積層された構造を有する。また、透光性絶縁基板１０上には不純物の阻止層および光反射防止層として、必要に応じて酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化チタニウム（ＴｉＯ_２）、五酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）等の透明材料、あるいはこれらの積層膜から構成されるアンダーコート層が設けられてもよい。ここで、光入射側（透光性絶縁基板１０側）の面を表面といい、表面とは反対側（裏面金属電極層１４側）の面を裏面とする。

透光性絶縁基板１０上に形成された透明表面電極層１２には、透光性絶縁基板１０の短手方向（図１−１におけるＹ方向）と略平行な方向に延在するとともに透光性絶縁基板１０に達するストライプ状（線形状）の第１分離溝２０が形成されている。そして、この第１分離溝２０の部分に光電変換層１３が埋め込まれることで、透明表面電極層１２が隣接するセル２に跨るように分離されて形成されている。

また、透明表面電極層１２上に形成された光電変換層１３には、第１分離溝２０と異なる箇所において透光性絶縁基板１０の短手方向（図１−１におけるＹ方向）と略平行な方向に延在するとともに透明表面電極層１２に達するストライプ状（線形状）の第２分離溝２１が形成されている。

また、裏面金属電極層１４および光電変換層１３には、第１分離溝２０および第２分離溝２１とは異なる箇所で、透明表面電極層１２に達するストライプ状（線形状）の第３分離溝２２が形成されて、各セル２（例えば、セル２−１、セル２−２、セル２−３）が分離されている。そして、この第２分離溝２１の部分に裏面金属電極層１４が埋め込まれることで、裏面金属電極層１４が透明表面電極層１２に接続される。そして、透明表面電極層１２が隣接するセル２に跨っているため、隣り合う２つのセル２の一方の裏面金属電極層１４と他方の透明表面電極層１２とが電気的に接続されている。このように、セル２の透明表面電極層１２が、隣接するセル２の裏面金属電極層１４と接続することによって、隣接するセル２同士が電気的に直列接続している。これにより、例えば隣接するセル２−１、セル２−２、セル２−３の順で直列接続されている。

また、上述した透明表面電極層１２を分離する第１分離溝２０と、光電変換層１３を分離する第２分離溝２１と、光電変換層１３および裏面金属電極層１４を分離する第３分離溝２２との３本の分離溝から、短冊状（矩形状）のスクライブ部３（例えば、スクライブ部３−１、スクライブ部３−２）が構成されている。

このように、モジュール１は、短冊状（矩形状）のセル２が、同じく短冊状（矩形状）のスクライブ部３にはさまれた形でそれぞれの長手方向（延在方向）を一致させる形態で複数配置された構造を持つ。そして、このように配列されたセル２が直列に接続されることにより、全体としてモジュール１として機能する。なお、モジュール１においては、セル２の長手方向、セル２の延在方向および透光性絶縁基板１０の短手方向は同一方向であり、図１−１におけるＹ方向である。

透光性絶縁基板１０は、例えば高光透過率のガラス基板や、ポリイミドなどの透光性の有機フィルム材料などの透光性及び絶縁性を有する材料によって構成される。

遮光マスク１１は、第１分離溝２０と第２分離溝２１と第３分離溝２２とをレーザスクライブにより形成する際にレーザ光の遮光マスクとして機能する。遮光マスク１１は、スクライブ部３においてセル２の長手方向（延在方向）と略平行な方向に延在するストライプ状（線形状）に形成されている。また、遮光マスク１１は、隣接する遮光マスク１１同士の間隙上に第１分離溝２０、第２分離溝２１、第３分離溝２２が位置するように配置されている。詳細には、遮光マスク１１は、第１分離溝２０、第２分離溝２１および第３分離溝２２のすぐ横の領域における、透明表面電極層１２と透光性絶縁基板１０との間に配置されている。換言すると、遮光マスク１１は、分離溝２０、２１、２２により分割されている層よりも下層または同層において、分離溝２０、２１、２２および遮光マスク１１を透光性絶縁基板１０上に投影した場合に分離溝２０、２１、２２の長手方向と遮光マスク１１の長手方向とが略重なる位置に配置されている。

遮光マスク１１は、遮光性を有する材料、例えば光反射特性を有する材料により構成される。その中でも特に、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）等の金属材料や、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）等の白色顔料を主成分とする塗布材など、光反射率が高い材料が好ましく、さらに透光性絶縁基板１０との密着性に優れた材料であることがより好ましい。また、透光性絶縁基板１０と遮光マスク１１との間の密着性や濡れ性を改善するために、透光性絶縁基板１０の全面または透光性絶縁基板１０と遮光マスク１１との界面部のみに酸化シリコンや酸化チタン等の薄膜からなる敷設層を挿入してもよい。

また、実施の形態１にかかるモジュール１の構造では、遮光マスク１１は透明表面電極層１２に被覆されているため、遮光マスク１１の成分が光電変換層１３中に拡散することが防止されている。これにより、遮光マスク１１の成分の光電変換層１３中への拡散に起因したモジュール１の特性低下を防止することができる。

透明表面電極層１２は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム錫（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）などの透明導電性酸化物材料や、これらの透明導電性酸化物材料にアルミニウム（Ａｌ）やガリウム（Ｇａ）などの金属を添加した膜などの透光性を有する膜によって構成される。また、透明表面電極層１２は、ドーパントとしてアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、ホウ素（Ｂ）、イットリウム（Ｙ）、シリコン（Ｓｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、フッ素（Ｆ）、窒素（Ｎ）から選択した少なくとも１種類以上の元素を用いたＺｎＯ膜、ＩＴＯ膜、ＳｎＯ_２膜、またはこれらを積層して形成した透明導電膜であってもよく、光透過性を有している透明導電膜であればよい。また、透明表面電極層１２は、表面に凹凸が形成された表面テクスチャ構造を有することが好ましい。このテクスチャ構造は、入射した太陽光を散乱させ、光電変換層１３での光利用効率を高める機能を有する。

光電変換層１３は、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合を有し、入射する光により発電を行う薄膜半導体層が１層以上積層されて構成される。このような光電変換層１３としては、水素化アモルファスシリコン、水素化微結晶シリコン、水素化アモルファスシリコンゲルマニウム、水素化微結晶シリコンゲルマニウム、水素化アモルファス炭化シリコン、水素化微結晶炭化シリコン、水素化アモルファス酸化シリコン、水素化微結晶酸化シリコン、などを用いることができる。また、これらの薄膜半導体層の積層体を用いることができる。

光電変換層１３として複数の薄膜半導体層を積層する場合には、表面側からバンドギャップが大きい順番に積層していく必要がある。さらに異なる薄膜半導体層の層間には、酸化錫、酸化亜鉛、ＩＴＯなどの透明導電性酸化物材料や、これらの透明導電性酸化物材料にアルミニウムやガリウムといった金属を添加した材料や、ボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）などの不純物をドーピングして導電性を向上させた水素化微結晶シリコンや水素化微結晶炭化シリコンや水素化微結晶酸化シリコンなどのシリコン化合物、あるいは上記材料の積層体を中間層として挿入してもよい。

裏面金属電極層１４は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、ネオジウム（Ｎｄ）、クロム（Ｃｒ）等の高い導電性と光反射性とを併せ持つ金属材料、および金属材料の混合物を、単層あるいは積層して使用することができる。また、反射率を向上させるため、上記金属材料と光電変換層１３との層間に酸化錫、酸化亜鉛、ＩＴＯなどの透明導電性酸化物材料や、これらの透明導電性酸化物材料にアルミニウム（Ａｌ）やガリウム（Ｇａ）といった金属を添加した材料からなる透明導電層を挿入してもよい。

このような本実施の形態にかかるモジュール１の動作の概略について説明する。透光性絶縁基板１０の裏面（セル２が形成されていない方の面）から太陽光が入射すると、光電変換層１３で自由キャリアが生成され、電流が発生する。各セル２で発生した電流は透明表面電極層１２と裏面金属電極層１４とを介して隣接するセル２に流れ込み、モジュール１全体の発電電流を生成する。

次に、上記のように構成された本実施の形態にかかるモジュール１の製造方法について説明する。図２−１〜図２−７は、実施の形態１にかかるモジュール１の製造工程の一例を説明するための要部断面図である。図２−１〜図２−７は、図１−２の要部断面図に対応している。

まず、透光性絶縁基板１０を用意する。ここでは、透光性絶縁基板１０として例えば平板状の白板ガラスを用いる。透光性絶縁基板１０上には不純物の阻止層および光反射防止層として、必要に応じて酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化チタニウム（ＴｉＯ_２）、五酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）等の透明材料、あるいはこれらの積層膜から構成されるアンダーコート層が設けられてもよい。

用意した透光性絶縁基板１０上の所定の位置に、複数の遮光マスク１１をスクリーン印刷法やインクジェット法により形成する（図２−１）。ここで、遮光マスク１１は、第１分離溝２０、第２分離溝２１、第３分離溝２２が形成される領域が、隣接する遮光マスク１１同士の間隙領域となるように、且つ透光性絶縁基板１０の短手方向と略平行な方向に延在するように、複数の線形状に形成される。遮光マスク１１の配線幅および配線間の間隙は、例えばそれぞれ１０μｍから５０μｍ程度とする。なお、透光性絶縁基板１０とマスク電極１１との間の密着性や濡れ性を改善するために、透光性絶縁基板１０の全面または透光性絶縁基板１０と遮光マスク１１との界面部のみに酸化シリコンや酸化チタン等の薄膜からなる敷設層を挿入してもよい。

つぎに、透光性絶縁基板１０上および遮光マスク１１上に、透明表面電極層１２として例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜をスパッタリング法により形成する（図２−２）。また、透明表面電極層１２を構成する材料として、ＺｎＯ膜の他に酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）などの透明導電性酸化膜や、導電率向上のためにこれらの透明導電性酸化膜にアルミニウム（Ａｌ）などの金属を添加した膜を用いることができる。また、製膜方法として、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）などの他の製膜方法を用いてもよい。

透明表面電極層１２には、表面に小さな凹凸を形成して表面テクスチャ構造を形成することが好ましい。小さな凹凸は、例えば希塩酸で透明表面電極層１２の表面をエッチングして粗面化することにより形成することができる。また、プラズマエッチング方法により粗面化することにより形成することもできる。ただし、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の透明表面電極層１２をＣＶＤ法により形成した場合には自己組織的に透明表面電極層１２の表面に凹凸が形成されるため、希塩酸を用いたエッチング等による凹凸の形成は必要ない。また、透明表面電極層１２を少なくとも２層以上の積層構造とする場合は、積層される透明表面電極層１２の層間に遮光マスク１１を形成しても良い。

次に、透明表面電極層１２の一部を透光性絶縁基板１０の短手方向と略平行な方向のストライプ状に切断・除去して、透明表面電極層１２を短冊状にパターニングし、複数の透明表面電極層１２に分離する（図２−３）。透明表面電極層１２のパターニングは、レーザ光３０を用いたレーザスクライブ法により、透光性絶縁基板１０の短手方向と略平行な方向に延在して透光性絶縁基板１０に達するストライプ状（線形状）の第１分離溝２０を形成することで行う。

レーザ光３０の光源（図示せず）には、例えば波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザを用いる。出力を０．１Ｗから３Ｗの範囲で調整し、透光性絶縁基板１０の裏面（透明表面電極層１２が形成されていない方の面）からレーザ光３０をパルス状に照射しつつ、同時に透光性絶縁基板１０を透光性絶縁基板１０の短手方向と略平行な方向に移動させることで、該短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状（線形状）の第１分離溝２０を形成する。ここで、透光性絶縁基板１０の長手方向（図２−３におけるＸ方向）において、レーザスクライブを行うレーザ光３０の両端部は遮光マスク１１により成形される。また、透光性絶縁基板１０を移動させる代わりにミラー等の光学系を動作させてレーザ光３０を走査させることで、ストライプ状（線形状）の第１分離溝２０を形成してもよい。レーザスクライブの後、加工残渣やレーザによる変質層除去のため洗浄工程を用いてもよい。

次に、第１分離溝２０内および透明表面電極層１２上に、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合を有する１層または複数層の薄膜半導体層からなる光電変換層１３をＣＶＤ法により形成する（図２−４）。また、光電変換層１３として複数の薄膜半導体層を積層する場合は、異なる薄膜半導体層の層間にスパッタリングまたはＣＶＤ法により中間導電体層を形成してもよい。

次に、光電変換層１３の一部を透光性絶縁基板１０の短手方向と略平行な方向のストライプ状に切断・除去して、光電変換層１３を短冊状にパターニングし、複数の光電変換層１３に分離する（図２−５）。光電変換層１３のパターニングは、レーザ光３１を用いたレーザスクライブ法により、第１分離溝２０と異なる箇所に、透光性絶縁基板１０の短手方向と略平行な方向に延在して透明表面電極層１２に達するストライプ状（線形状）の第２分離溝２１を形成することで行う。

レーザ光３１の光源（図示せず）には、例えば波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザの２次高調波を用いた波長５３２ｎｍの光を用いる。出力を０．０５Ｗから１Ｗの範囲で調整し、透光性絶縁基板１０の裏面（透明表面電極層１２が形成されていない方の面）からレーザ光３１をパルス状に照射しつつ、同時に透光性絶縁基板１０を透光性絶縁基板１０の短手方向と略平行な方向に移動させることで、該短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状（線形状）の第２分離溝２１を形成する。ここで、透光性絶縁基板１０の長手方向（図２−５におけるＸ方向）において、レーザスクライブを行うレーザ光３１の両端部は遮光マスク１１により成形される。また、透光性絶縁基板１０を移動させる代わりにミラー等の光学系を動作させてレーザ光３１を走査させることで、ストライプ状（線形状）の第２分離溝２１を形成してもよい。レーザスクライブの後、加工残渣やレーザによる変質層除去のため洗浄工程を用いてもよい。

つぎに、第２分離溝２１内および光電変換層１３上に裏面金属電極層１４として例えば銀（Ａｇ）をスパッタリング法により製膜する（図２−６）。このとき、第２分離溝２１内が裏面金属電極層１４により埋め込まれる条件で裏面金属電極層１４を形成する。これにより、第２分離溝２１内に裏面金属電極層１４が形成されて、光電変換層１３上の裏面金属電極層１４と透明表面電極層１２との電気的な接続が確保される。ここで、光電変換層１３と裏面金属電極層１４との層間に、スパッタリング法やＣＶＤ法によって形成された透明導電層を挿入してもよい。

最後に、光電変換層１３および裏面金属電極層１４の一部を透光性絶縁基板１０の短手方向と略平行な方向のストライプ状に切断・除去して、光電変換層１３および裏面金属電極層１４を短冊状にパターニングし、分離する（図２−７）。光電変換層１３および裏面金属電極層１４のパターニングは、レーザ光３２を用いたレーザスクライブ法により、第１分離溝２０および第２分離溝２１と異なる箇所に、透光性絶縁基板１０の短手方向と略平行な方向に延在して透明表面電極層１２に達するストライプ状（線形状）の第３分離溝２２を形成することで行う。

レーザ光３２の光源（図示せず）には、例えば波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザの２次高調波を用いた波長５３２ｎｍの光を用いる。出力を０．０５Ｗから１Ｗの範囲で調整し、透光性絶縁基板１０の裏面（透明表面電極層１２が形成されていない方の面）からレーザ光３２をパルス状に照射しつつ、同時に透光性絶縁基板１０を透光性絶縁基板１０の短手方向と略平行な方向に移動させることで、該短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状（線形状）の第３分離溝２２を形成する。ここで、透光性絶縁基板１０の長手方向（図２−７におけるＸ方向）において、レーザスクライブを行うレーザ光３２の両端部は遮光マスク１１により成形される。また、透光性絶縁基板１０を移動させる代わりにミラー等の光学系を動作させてレーザ光３２を走査させることで、ストライプ状（線形状）の第３分離溝２２を形成してもよい。レーザスクライブの後、加工残渣やレーザによる変質層除去のため洗浄工程を用いてもよい。

以上により、図１−１および図１−２に示すようなセル２を有する本実施の形態にかかるモジュール１が完成する。

上記のレーザスクライブ工程、すなわち第１分離溝２０、第２分離溝２１および第３分離溝２２の形成工程では、レーザ照射部においては透光性絶縁基板１０の長手方向（Ｘ方向）におけるレーザ光３０の両端部は遮光マスク１１により成形される。すなわち、Ｘ方向においてレーザ光３０、３１、３２の径方向の両端部は遮光マスク１１により成形される。図３は、レーザスクライブ工程を説明するための詳細図であり、レーザ照射時における遮光マスク１１の周辺部を拡大して示す図である。なお、図３においては、透光性絶縁基板１０および遮光マスク１１の上層の図示は省略している。

図４は、遮光マスク１１により成形される以前のレーザ光３０、３１、３２のエネルギー分布を示す特性図であり、図３のＢ−Ｂ断面におけるエネルギー分布を示す特性図である。遮光マスク１１により成形される以前のレーザ光３０、３１、３２のエネルギー分布は、図４に示されるようにガウス分布に近い分布となり、周辺部ほどエネルギー強度が低くなる。このエネルギー分布のまま、レーザスクライブが行われると、レーザ照射部におけるレーザ光３０、３１、３２の径方向の中心部Ｄの近傍では十分なエネルギー強度を持つためスクライブが可能であっても、レーザ照射部におけるレーザ光３０、３１、３２の径方向の周辺部ではスクライブに必要なスレッショルドエネルギーに達せず、確実に加工対象を除去できない。特に、第３分離溝２２の形成工程では、確実に除去できなかった半導体層が変性層となって残余し、この変性層がリーク等のセル特性を低下させる原因となる。

そこで、本実施の形態では、遮光マスク１１を用いて、レーザ光３０、３１、３２のうち、エネルギー強度の低い周辺部をカットして、レーザ光３０、３１、３２のうちエネルギー強度の強い径方向の中心部Ｄの近傍のレーザ光のみを用いてレーザスクライブを行う。

図５は、遮光マスク１１によりマスクされた場合のレーザ光３０、３１、３２のエネルギー分布を示す特性図であり、図３のＣ−Ｃ断面におけるエネルギー分布を示す特性図である。遮光マスク１１によりレーザ光３０が成形される場合は、レーザ光３０、３１、３２は、透明表面電極層１２の下面位置で遮光マスク１１により成形されるため、レーザ光３０、３１、３２が分散してエネルギー分布がなだらかになることがない。そして、レーザ光３０、３１、３２のうち、Ｘ方向における周辺部のレーザ光は遮光マスク１１において反射してそれぞれ反射光３０Ｒ、３１Ｒ、３２Ｒとなる。このため、遮光マスク１１によりレーザ光３０が成形される場合のレーザ光３０のエネルギー分布は、図５に示されるように図４に示された分布においてエネルギー強度の低いＸ方向の周辺部がカットされた、急峻な勾配を有するエネルギー分布となる。

この場合は、十分なエネルギー強度を持つ、Ｘ方向の中心部Ｄおよびその近傍のレーザ光のみをレーザスクライブに使用するため、確実に加工対象を除去することができる。特に第３分離溝２２の形成工程では、確実に除去できなかった光電変換層１３の半導体層が変性層となって残余する（残余物質）ことを抑制することができ、該変性層に起因したリーク等の発生を抑制し、変性層に起因したセル特性の低下を抑制することができる。

すなわち、本実施の形態では、分離溝の直前でレーザ光をマスクすることができるため、極めて急峻なエネルギー分布を持つレーザ光によりスクライブを行うことができる。これにより、分離溝における変性層の形成を抑制することができ、リーク等によるセル特性の低下を低減することができる。

したがって、本実施の形態によれば、薄膜太陽電池モジュール１の製造におけるレーザスクライブ工程での残余物質に起因したセル特性の低下を抑制して、高品質の薄膜太陽電池を得ることができる、という効果を奏する。

また、分離溝の位置精度は遮光マスク１１の位置精度によって決まるため、遮光マスク１１を高い位置精度で形成することで、分離溝の幅およびピッチを狭くすることができ、発電に寄与しない無効領域を狭くすることができ、薄膜太陽電池の発電量の増大させることができる。

さらに、遮光マスク１１の裏面側には光が入射しない領域が形成される。光電変換層１３の半導体層は光が照射されない状態では光に照射された状態よりも導電率が低くなるため、遮光マスク１１の裏面側の光電変換層１３では横方向へのキャリアの移動を抑制することができ、薄膜太陽電池セル２の端部でのキャリアロスを低減し、セル特性の低下を抑制することができる。

なお、図２−３、図２−５、図２−７においては、理解の容易のため、遮光マスク１１によりマスクされずに裏面側に進むレーザ光を隣接する遮光マスク１１間の間隔よりも細い幅の矢印で記載しているが、実際には図３に示されるように隣接する遮光マスク１１間の間隔と同じ幅のレーザ光が裏面側に向かって進んでいく。

また、本実施の形態では全てのレーザスクライブ工程において遮光マスク１１によりレーザ光をマスクする場合について説明したが、レーザスクライブ工程のうち一部の工程のみに遮光マスク１１を用いてもよい。また、レーザ光の径方向（Ｘ方向）において、片側の周辺端のみを遮光マスク１１によりマスクしてもよい。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２にかかるモジュールの構成を説明するための要部断面図であり、実施の形態１における図１−２に対応する図である。なお、図６においては図１−２と同じ部材については、同じ符号を付すことで詳細な説明は省略する。

図６に示す実施の形態２にかかるモジュールは、図１−１および図１−２に示した実施の形態１にかかるモジュール１と基本的に同じ構成を有する。すなわち、実施の形態２にかかるモジュールは、透光性絶縁基板１０上に形成された短冊状（矩形状）のセル２（図６においては、セル２−１、セル２−２、セル２−３を記載）を複数備え、これらのセル２が電気的に直列に接続された構造を有する。

セル２は、図６に示すように透光性絶縁基板１０、透光性絶縁基板１０上に形成された第１電極層となる透明表面電極層１２、透明表面電極層１２上に形成された遮光マスク１１、透明表面電極層１２上および遮光マスク１１上に形成された薄膜半導体層からなる光電変換層１３、光電変換層１３上に形成された第２電極層となる裏面金属電極層１４、が順次積層された構造を有する。また、透光性絶縁基板１０上には不純物の阻止層および光反射防止層として、必要に応じて酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化チタニウム（ＴｉＯ_２）、五酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）等の透明材料、あるいはこれらの積層膜から構成されるアンダーコート層が設けられてもよい。ここで、光入射側（透光性絶縁基板１０側）の面を表面といい、表面とは反対側（裏面金属電極層１４側）の面を裏面とする。

以下では、実施の形態１にかかるモジュール１と異なる点について説明する。遮光マスク１１は、第２分離溝２１と第３分離溝２２とをレーザスクライブにより形成する際にレーザ光の遮光マスクとして機能する。遮光マスク１１は、スクライブ部３においてセル２の長手方向（延在方向）と略平行な方向に延在するストライプ状（線形状）に形成されている。また、遮光マスク１１は、隣接する遮光マスク１１同士の間隙上に第２分離溝２１、第３分離溝２２が位置するように配置されている。詳細には、遮光マスク１１は、第２分離溝２１および第３分離溝２２のすぐ横の領域における、光電変換層１３と透明表面電極層１２との間に配置されている。

遮光マスク１１は、実施の形態１の場合と同様に光反射特性を有する材料により構成される。その中でも特に、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）等の金属材料や、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）等の白色顔料を主成分とする塗布材など、光反射率が高い材料が好ましい。本実施の形態の構造では遮光マスク１１は透明表面電極層１２上に形成されるため、透光性絶縁基板１０上に遮光マスク１１を形成する場合に比べて密着性の点で有利であり、密着性や濡れ性を改善させるための敷設層は不要となる。

次に、上記のように構成された本実施の形態にかかるモジュールの製造方法について説明する。図７−１〜図７−７は、実施の形態２にかかるモジュールの製造工程の一例を説明するための要部断面図である。図７−１〜図７−７は、図６の要部断面図に対応している。

まず、透光性絶縁基板１０を用意する。ここでは、透光性絶縁基板１０として例えば平板状の白板ガラスを用いる。透光性絶縁基板１０上には不純物の阻止層および光反射防止層として、必要に応じて酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化チタニウム（ＴｉＯ_２）、五酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）等の透明材料、あるいはこれらの積層膜から構成されるアンダーコート層が設けられてもよい。

つぎに、透光性絶縁基板１０上に、透明表面電極層１２として例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜をスパッタリング法により形成する（図７−１）。また、透明表面電極層１２を構成する材料として、ＺｎＯ膜の他に酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）などの透明導電性酸化膜や、導電率向上のためにこれらの透明導電性酸化膜にアルミニウム（Ａｌ）などの金属を添加した膜を用いることができる。また、製膜方法として、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）などの他の製膜方法を用いてもよい。

次に、透明表面電極層１２の一部を透光性絶縁基板１０の短手方向と略平行な方向のストライプ状に切断・除去して、透明表面電極層１２を短冊状にパターニングし、複数の透明表面電極層１２に分離する（図７−２）。透明表面電極層１２のパターニングは、レーザ光３０を用いたレーザスクライブ法により、透光性絶縁基板１０の短手方向と略平行な方向に延在して透光性絶縁基板１０に達するストライプ状（線形状）の第１分離溝２０を形成することで行う。

レーザ光３０の光源（図示せず）には、例えば波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザを用いる。出力を０．１Ｗから３Ｗの範囲で調整し、透光性絶縁基板１０の裏面（透明表面電極層１２が形成されていない方の面）からレーザ光３０をパルス状に照射しつつ、同時に透光性絶縁基板１０を透光性絶縁基板１０の短手方向と略平行な方向に移動させることで、該短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状（線形状）の第１分離溝２０を形成する。レーザスクライブの後、加工残渣やレーザによる変質層除去のため洗浄工程を用いてもよい。

次に、透明表面電極層１２上の所定の位置に、複数の遮光マスク１１をスクリーン印刷法やインクジェット法により形成する（図７−３）。ここで、遮光マスク１１は、第２分離溝２１および第３分離溝２２が形成される領域が、隣接する遮光マスク１１同士の間隙領域となるように、且つ透光性絶縁基板１０の短手方向と略平行な方向に延在するように、複数の線形状に形成される。遮光マスク１１の配線幅および配線間の間隙は、例えばそれぞれ１０μｍから５０μｍ程度とする。

次に、第１分離溝２０内、遮光マスク１１上および透明表面電極層１２上に、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合を有する１層または複数層の薄膜半導体層からなる光電変換層１３をＣＶＤ法により形成する（図７−４）。また、光電変換層１３として複数の薄膜半導体層を積層する場合は、異なる薄膜半導体層の層間にスパッタリングまたはＣＶＤ法により中間導電体層を形成してもよい。

以降は、図７−５〜図７−７に示した工程、すなわち実施の形態２において図７−５〜図７−５を用いて説明した工程を実施することにより、図６に示すようなセル２を有する本実施の形態にかかるモジュールが完成する。

上述した実施の形態２においても遮光マスク１１を用いてレーザ光３１、３２のうち、エネルギー強度の低い周辺部をカットして、レーザ光３１、３２のうちエネルギー強度の強い径方向の中心部Ｄの近傍のレーザ光のみを用いてレーザスクライブを行う。すなわち、十分なエネルギー強度を持つ、Ｘ方向の中心部Ｄおよびその近傍のレーザ光のみをレーザスクライブに使用するため、確実に加工対象を除去することができる。特に第３分離溝２２の形成工程では、確実に除去できなかった光電変換層１３の半導体層が変性層となって残余する（残余物質）ことを抑制することができ、該変性層に起因したリーク等の発生を抑制し、変性層に起因したセル特性の低下を抑制することができる。

すなわち、本実施の形態では、分離溝の直前でレーザ光をマスクすることができるため、極めて急峻なエネルギー分布を持つレーザ光によりスクライブを行うことができる。これにより、分離溝における変性層の形成を抑制することができ、リーク等によるセル特性の低下を低減することができる。

したがって、本実施の形態によれば、薄膜太陽電池モジュールの製造におけるレーザスクライブ工程での残余物質に起因したセル特性の低下を抑制して、高品質の薄膜太陽電池を得ることができる、という効果を奏する。

また、分離溝の位置精度は遮光マスク１１の位置精度によって決まるため、遮光マスク１１を高い位置精度で形成することで、分離溝の幅およびピッチを狭くすることができ、発電に寄与しない無効領域を狭くすることができ、薄膜太陽電池の発電量の増大させることができる。

さらに、遮光マスク１１の裏面側には光が入射しない領域が形成される。光電変換層１３の半導体層は光が照射されない状態では光に照射された状態よりも導電率が低くなるため、遮光マスク１１の裏面側の光電変換層１３では横方向へのキャリアの移動を抑制することができ、薄膜太陽電池セル２の端部でのキャリアロスを低減し、セル特性の低下を抑制することができる。

以上のように、本発明にかかる薄膜太陽電池は、レーザスクライブ法による太陽電池セル分離時における残余物質に起因した出力特性の低下が抑制された高品質の薄膜太陽電池の実現に有用である。

１ 薄膜太陽電池モジュール
２、２−１、２−２、２−３ 薄膜太陽電池セル（セル）
３、３−１、３−２ スクライブ部
１０ 透光性絶縁基板
１１ 遮光マスク
１２ 透明表面電極層
１３ 光電変換層
１４ 裏面金属電極層
２０ 第１分離溝
２１ 第２分離溝
２２ 第３分離溝
３０、３１、３２ レーザ光
３０Ｒ、３１Ｒ、３２Ｒ 反射光

Claims (8)

1. 透光性絶縁基板上に、透明導電膜からなる第１電極層と、半導体膜からなり光電変換を行う光電変換層と、光を反射する導電膜からなる第２電極層と、がこの順で積層されてなり、前記透光性絶縁基板よりも上部の層が分離溝により短冊状に分割された複数の薄膜太陽電池セルが配設されるとともに、隣接する前記薄膜太陽電池セル同士が電気的に直列接続された薄膜太陽電池の製造方法であって、
   遮光性材料からなる線形状のマスク層を前記分離溝により分割される層よりも下層または同層に形成し、前記マスク層を含む領域に前記透光性絶縁基板側からレーザ光を照射し、前記透光性絶縁基板の面内方向における一部分が前記マスク層によってマスクされることにより成形された前記レーザ光により前記透光性絶縁基板よりも上部の層に前記分離溝を形成すること、
   を特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
2. 前記マスク層により前記レーザ光の径方向における片側をマスクして前記レーザ光を成形すること、
   を特徴とする請求項１に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
3. 前記マスク層により前記レーザ光の径方向における両側をマスクして前記レーザ光を成形すること、
   を特徴とする請求項１に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
4. 前記透光性絶縁基板上に前記マスク層を形成する工程と、
   前記透光性絶縁基板上および前記マスク層上に前記第１電極層を形成する工程と、
   前記成形された前記レーザ光により前記第１電極層に第１分離溝を形成して前記第１電極層を短冊状に分割する工程と、
   前記第１分離溝内および前記第１電極層上に前記光電変換層を形成する工程と、
   前記成形された前記レーザ光により前記光電変換層に第２分離溝を形成して前記光電変換層を短冊状に分割する工程と、
   前記第２分離溝内および前記光電変換層上に前記第２電極層を形成する工程と、
   前記成形された前記レーザ光により前記第２電極層に第３分離溝を形成して前記第２電極層を短冊状に分割する工程と、
   を特徴とする請求項１に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
5. 前記透光性絶縁基板上に、第１分離溝で分離された複数の前記第１電極層を形成する工程と、
   前記第１電極層上に前記マスク層を形成する工程と、
   前記第１電極層上および前記マスク層上に前記光電変換層を形成する工程と、
   前記成形された前記レーザ光により前記光電変換層に第２分離溝を形成して前記光電変換層を短冊状に分割する工程と、
   前記第２分離溝内および前記光電変換層上に前記第２電極層を形成する工程と、
   前記成形された前記レーザ光により前記第２電極層に第３分離溝を形成して前記第２電極層を短冊状に分割する工程と、
   を特徴とする請求項１に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
6. 透光性絶縁基板上に、透明導電膜からなる第１電極層と、半導体膜からなり光電変換を行う光電変換層と、光を反射する導電膜からなる第２電極層と、がこの順で積層されてなり、前記透光性絶縁基板上の層が分離溝により短冊状に分割された複数の薄膜太陽電池セルが配設されるとともに、隣接する前記薄膜太陽電池セル同士が電気的に直列接続された薄膜太陽電池であって、
   遮光性材料からなり前記分離溝の延在方向と同方向に延在する線形状のマスク層を、前記分離溝により分割されている層よりも下層または同層において、前記分離溝および前記マスク層を前記透光性絶縁基板上に投影した場合に前記分離溝の長手方向の端部と前記マスク層の長手方向の端部とが略重なる位置に備えること、
   を特徴とする薄膜太陽電池。
7. 前記マスク層を前記透光性絶縁基板上に備えること、
   を特徴とする請求項６に記載の薄膜太陽電池。
8. 前記マスク層を前記第１電極層上に備えること、
   を特徴とする請求項６に記載の薄膜太陽電池。

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