JP2011199142A - 薄膜太陽電池の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スクライブ位置の誤差に起因する非発電領域を削減し、発電効率が向上したカルコパイライト型薄膜太陽電池の製造方法を提供する。
【解決手段】基板の上面への裏面電極層成膜工程と、裏面電極層をスクライブして複数に分割する工程、複数の裏面電極上への光吸収層成膜工程と、光吸収層をスクライブして複数に分割する工程と、複数の光吸収層上への透明電極層成膜工程と、透明電極層をスクライブして複数に分割する工程とを備えた薄膜太陽電池の製造方法において、裏面電極層を分割する複数の分割スクライブ溝に直交する直交スクライブ溝をガラス基板の端部に形成し、分割スクライブ溝と直交スクライブ溝との交点を撮像手段で検出し、交点の座標を元に光吸収層および透明電極層のスクライブの位置決めを行い、交点の検出のための観察は、基板において下面から行う。
【選択図】図１１

Description

本願発明は、光吸収層がカルコパイライト系化合物からなるカルコパイライト型薄膜太陽電池などの薄膜太陽電池の製造方法に係り、特に、薄膜太陽電池のうち非発電領域の占める割合を削減し、発電効率を向上させる方法に関する。

太陽電池は、シリコンなどの単結晶型太陽電池、多結晶型太陽電池、薄膜太陽電池などの種類に大別され、これらのうち薄膜型のものは、同出力の他の太陽電池と比較して原料の使用量が少なく、また、製造プロセスが簡易かつ低エネルギーで済むという利点から、商品化開発が進められている。

薄膜型太陽電池の一種であるカルコパイライト型薄膜太陽電池は、カルコパイライト系化合物（例えばＣｕ（Ｉｎ_１−ｘＧａ_ｘ）Ｓｅ_２、以下ＣＩＧＳと略称する）からなるＣＩＧＳ層をｐ型の光吸収層として有し、基本的な構造として、基板、裏面電極層、ｐ型光吸収層、ｎ型バッファ層、透明電極層からなり、光を照射することによって裏面電極層と透明電極層から電気を取り出すことができる。

このようなＣＩＧＳ層を光吸収層として備えた一般的なカルコパイライト型薄膜太陽電池（単電池）の層構造を図１に示す。この電池は、（ａ）のソーダライムガラス（ＳＬＧ）基板上１０に、正極として機能する（ｂ）のＭｏ裏面電極層１１がスパッタリング等により形成されている。Ｍｏ裏面電極層１１上には、必要に応じてＮａ源としてのＮａディップ層を形成し、そのＮａディップ層を介するかまたはＭｏ裏面電極層１１上に直接的に、（ｃ）のＣｕ−Ｉｎ−Ｇａからなる光吸収層プリカーサ１２が成膜され、（ｄ）続いてセレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）雰囲気中熱処理することにより光吸収層プリカーサにＳｅを拡散させる処理を行いＣＩＧＳからなるｐ型光吸収層１３´が形成される。（ｅ）さらに、光吸収層１３´の上に化学析出法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｂａｔｈ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法、以下、ＣＢＤと略称する）によって例えばＣｄＳやＺｎＳ、ＩｎＳからなるバッファ層１３´´が形成されて（ｐ型光吸収層１３´およびバッファ層１３´´をまとめて以下、光吸収層１３とする）、その上に（ｆ）のＺｎＯやＺｎＡｌＯ等からなる透明電極層１４が形成されている。

図１に示す単電池は、所望の電圧を得るために直列に接続される必要があるため、通常、図２に示すように、単電池が直列に接続された構造となるように各層が形成される。すなわち、まず（ａ）ガラス基板１０上に裏面電極層１１が形成され、（ｂ）裏面電極層１１がスクライブ等の手段により複数の領域に分割され、続いて（ｃ）その上に光吸収層１３が形成され、（ｄ）光吸収層１３が複数の領域に分割され、最後に（ｅ）その上に透明電極層１４が形成され、（ｆ）透明電極層１４が複数の領域に分割される。

このような形成方法によれば、図４に示すように、分割された裏面電極層１１ａを正極とし、分割された透明電極層１４ａを負極として、その間に分割された光吸収層１３ａを保持した単電池が複数形成され、透明電極層１４ａのＴ字状下端部１５が隣接する単電池の裏面電極層１１ａに接続される形で、これら単電池が直列接続された構造が得られる。

従来、このように裏面電極層、光吸収層および透明電極層を複数に分割する際は、先端に刃部を有するスクライブ等の手段によって各層を切削して行っているが、そのスクライブ間隔は予め決められた所定の間隔にて機械的に行われるため、分割位置の誤差が不可避であった。

すなわち、図６に示すように、符号２０、２１および２２で示す３箇所でスクライブが行われ、これらは互いに隣接していることが好ましいが、そのスクライブ間隔を厳密に制御することは困難であるため、符号ＣおよびＥで示す領域が残存するようスクライブ間隔が設定される。このように残存した領域ＣおよびＥに存在する光吸収層は周囲を取り囲む透明電極層が裏面電極層と接触しているため電位差が０であり、発電に寄与しない。そのため、スクライブ部であるために不可避的に発電に寄与しない領域Ｂ、ＤおよびＦに加えて、領域ＣおよびＥの部分も発電に寄与せず、太陽電池全体として発電を行うのは領域Ａのみとなってしまい、発電効率が低下するという問題があった。

例えば、発電セル長（領域ＡＦ）が約５ｍｍで、スクライブ部（領域Ｂ、ＤおよびＦ）の幅が約５０μｍ程度で、領域ＣおよびＥがそれぞれ約１００μｍである場合、非発電領域は面積比で７％を占める。また、発電に寄与しない光吸収層が存在するために、原料の利用率も低下するという問題もある。

このような問題に対して、裏面電極層をスクライブして複数に分割した後、光吸収層を形成して光吸収層を複数に分割するにあたり、撮像手段によって基板の端部を検出し、予め設定した端部から光吸収層のスクライブ位置までの距離を移動させることにより、この検出された端部を基準とすることで光吸収層のスクライブ位置を補正する技術が知られている。

しかしながら、撮像手段によるガラス基板端部の検出は、端部に形成された基板自体のミクロの凹凸や、積層された各層の端部や表面の状態によって誤検出が生じる場合があった。

また、他の技術としては、裏面電極層をスクライブして複数に分割した後、光吸収層を形成して光吸収層を複数に分割するにあたり、裏面電極層の複数の分割スクライブ溝に直交する直交スクライブ溝を基板端部近傍に形成し、分割スクライブ溝と直交スクライブ溝との交点を撮像手段によって検出し、この交点の座標によって光吸収層のスクライブ位置を補正する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２８３０２３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、交点の検出を基板において積層が行われる上面側において、すなわち光吸収層を介して行なう。そのため、特許文献１の段落００３３にも記載されているように、光吸収層の表面の状態によっては検出が正確ではないという問題があった。さらに、光吸収層の上に透明電極層を形成した後に交点の検出を行う際は、誤差が拡大する虞がある。

本願発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、裏面電極層にスクライブ溝を設けて、続いてこの上に光吸収層および透明電極層を形成してスクライブ溝を設けるにあたり、裏面電極層のスクライブ溝の座標の検出を正確に行なうことにより、誤差を抑制して裏面電極層の溝と、光吸収層および透明電極層の溝との間の非発電領域を削減し、太陽電池の発電効率を向上させることができる薄膜太陽電池の製造方法を提供することを目的としている。

本願発明は、ガラス基板上の上面に裏面電極層を成膜する工程と、裏面電極層をスクライブして複数の裏面電極層に分割する工程と、複数の裏面電極上に光吸収層を成膜する工程と、光吸収層をスクライブして複数の光吸収層に分割する工程と、複数の光吸収層上に透明電極層を成膜する工程と、透明電極層をスクライブして複数の透明電極層に分割する工程とを備えた薄膜太陽電池の製造方法において、裏面電極層を複数に分割する複数の分割スクライブ溝に直交する直交スクライブ溝をガラス基板の端部に形成し、分割スクライブ溝と直交スクライブ溝との交点を撮像手段で検出し、交点の座標を元に光吸収層および透明電極層のスクライブの位置決めを行い、交点の検出のための観察は、ガラス基板において積層が行われる上面と反対の下面から行うことを特徴としている。

本願発明においては、撮像手段は、上面側に設置され、撮像手段は、下面側にて観察された交点の検出を、反射鏡を介して上面側にて行なうことを好ましい態様としている。

また、本願発明は、ガラス基板上の上面側に裏面電極層を形成する裏面電極層成膜手段と、裏面電極層上に光吸収層を形成する光吸収層成膜手段と、光吸収層上に透明電極層を形成する透明電極層成膜手段と、裏面電極層、光吸収層、および透明電極層のそれぞれを複数に分割する複数の分割スクライブ溝と、裏面電極層の分割スクライブ溝に直交する直交スクライブ溝とを形成するスクライブ手段とを備えた薄膜太陽電池の製造装置において、スクライブ手段には、裏面電極層の分割スクライブ溝と直交スクライブ溝との交点を検出する撮像手段が一体に設けられ、交点を基板の下面側にて観察した像を上面側に導く反射鏡を備えたことを特徴としている。

本願発明によれば、裏面電極層の分割スクライブ溝と直交スクライブ溝との交点を基板の下面側から観察し、この交点の像を反射鏡を介して上面側に導いて、スクライブ手段と一体化された撮像手段によって検出して、この交点座標の検出結果に基づいてスクライブ手段（撮像手段）の位置決めを行ない、続いて光吸収層の分割および透明電極層の分割を行なうので、スクライブ手段が移動して光吸収層および透明電極層のスクライブを行うにあたり、上面側から検出を行う場合と比較してスクライブ位置に誤差が生じることが抑制され、これら溝どうしの間の非発電領域を削減することができるという効果を奏する。

カルコパイライト型薄膜太陽電池の製造工程を示す模式断面図である。 従来のカルコパイライト型薄膜太陽電池の製造工程を示す模式図である。 本願発明のカルコパイライト型薄膜太陽電池の製造工程を示す模式図である。 従来のカルコパイライト型薄膜太陽電池を示す模式断面図である。 本願発明のカルコパイライト型薄膜太陽電池を示す模式断面図である。 従来のカルコパイライト型薄膜太陽電池における非発電領域を示す模式断面図である。 本願発明のカルコパイライト型薄膜太陽電池における非発電領域を示す模式断面図である。 従来の裏面電極層の分割スクライブ溝を示す模式図である。 （ａ）は従来のカルコパイライト型薄膜太陽電池の製造装置の一例を示す模式図であり、（ｂ）はその撮像手段による検出画像である。 本願発明の裏面電極層の分割スクライブ溝および直交スクライブ溝を示す模式図である。 （ａ）は本願発明のカルコパイライト型薄膜太陽電池の製造装置の一例を示す模式図であり、（ｂ）はその撮像手段による検出画像である。

以下、本願発明の実施形態について更に詳細に説明する。
本願発明の実施形態
図３は、本願発明のカルコパイライト型薄膜太陽電池の製造工程を示す模式図である。まず、ＳＬＧ等の基板１０上に、正極として機能するＭｏ等からなる裏面電極層１１が金属Ｍｏターゲット等を用いてスパッタリング法により成膜される（図３（ａ））。そして、その上に形成される光吸収層の性能向上を目的としてＮａを拡散させるため、必要に応じてＮａ源としての図示しないＮａディップ層が形成される場合がある。

そのＮａディップ層が設けられた裏面電極層または裏面電極層単体は、先端にスクライブ刃を有するか、あるいはレーザにより切削を行うスクライブ手段３０によってスクライブされ、分割溝２０によって複数に分割されたＭｏ裏面電極層１１ａが形成される（図３（ｂ））。

ここで、次の光吸収層１３を成膜してこれを分割する工程に先立って、その分割を行う際の位置決めに用いられる補正用のマークを検出させるスクライブの形成工程に入る。図１０は、そのような補正用のマークを検出させるためのスクライブの模式図である。基板１０の一端部（図ではＢ端）近傍には、裏面電極層１１を複数に分割するスクライブ溝２０に直交する直交スクライブ溝２３がスクライブ手段３０によって形成される。

次に、図３（ｃ）の光吸収層の成膜工程に入る。Ｍｏ裏面電極層１１ａ上に、金属ＩｎターゲットおよびＣｕ−Ｇａ合金ターゲットを用いたスパッタリング法によりＩｎ層とＧｕ−Ｇａ層からなる光吸収層プリカーサ（図示せず）が形成される。続いてＨ_２Ｓｅ雰囲気下で例えば５００℃以上の加熱処理を行い、光吸収層プリカーサにＳｅを拡散させ、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅからなるｐ型光吸収層１３´が成膜される（図３（ｃ））。さらに、このｐ型光吸収層１３´の上には、例えばＣＢＤ法によりＣｄＳ，ＺｎＳあるいはＩｎＳ等のバッファ層１３´´が形成され、光吸収層１３となる。

次に、ＳＬＧ基板１０は、図示しない作業ステージ上に載置され、前述した補正用マークの検出が行なわれる。図１１は、この工程を示すもので、図１１（ａ）に示すように、スクライブ手段３０と一体に設けられた同軸ＬＥＤ５１によって光が照射され、反射鏡５２を介して基板下面の観察が行われる。このとき、スクライブ手段３０と一体に設けられた撮像手段５０によって、その映像が撮影される。図１１（ｂ）は、この撮影映像４１を示す。撮影映像４１に裏面電極層１１の分割スクライブ溝２０と直交スクライブ溝２３が観察されると、その交点が検出され、マーク４５として座標が設定される。

マーク４５によって裏面電極層１１の分割スクライブ溝２０のＸ座標が検出されているので、このマーク４５のＸ座標から所定の距離までスクライブ手段３０を移動させ、その位置で、光吸収層１３はスクライブ手段３０によって切削され、分割スクライブ溝２１によって複数に分割された光吸収層１３ａを形成される（図３（ｄ））。なお、所定の距離とは、マーク４５によってＸ座標が検出された分割スクライブ溝２０と、分割スクライブ溝２１との間に非スクライブ領域が残存しないようにこれら溝を隣接させるような移動距離であり、目的のスクライブ溝の幅によって適宜設定されるものである。

続いて、光吸収層１３ａ上に、ＺｎＯターゲットまたはＺｎＡｌＯ合金ターゲットを用いたスパッタリング法によりＺｎＯまたはＺｎＡｌＯ等からなる負極である透明電極層１４が成膜される（図３（ｅ））。

前述したように、マーク４５によって裏面電極層１１の分割スクライブ溝２０のＸ座標が検出されているので、このマーク４５のＸ座標から所定の距離までスクライブ手段３０を移動させ、その位置で、透明電極層１４はスクライブ手段３０によって切削され、分割スクライブ溝２２によって複数に分割された透明電極層１４ａが形成される（図３（ｆ））。なお、所定の距離とは、分割スクライブ溝２１と分割スクライブ溝２２との間に非スクライブ領域が残存しないようにこれら溝を隣接させるような移動距離であり、目的のスクライブ溝の幅によって適宜設定されるものである。

透明電極層１４のスクライブが完了した後は、基板１０の端部近傍に形成された直交スクライブ溝２３部分を必要に応じて切断して、最終製品とされる。以上のようにして、図５に示す本願発明のカルコパイライト型薄膜太陽電池が得られる。

なお、透明電極層１４を分割するにあたり、再度、図１１に示すように基板の下面側から分割スクライブ溝２０と直交スクライブ溝２３の交点の検出を行ってもよい。このようにすることで、誤差の発生をより確実に抑制することができる。特に、光吸収層と透明電極層の２層が形成された後は、上面側からの検出がより困難になっているので、下面側から検出を行う本願発明の効果が発揮される。

従来の位置合わせ方法に対する本願発明の優位性
ここで、従来のスクライブ手段の位置合わせについて説明する。図８に示すように、裏面電極層１１は、単に分割スクライブ溝２０によってのみ分割されている。そして、光吸収層１３の分割に先立ってスクライブ手段３０の位置合わせを行う際には、図９（ａ）に示すように、基板の端部をカメラ５０によって観察する。この撮影映像４０は、基板の端部が拡大されたものであり、端部と認識された部分に沿って複数のマークが設定され、この２点を結ぶ直線が基板端部と認識される。したがって、例えば端部に凹凸がある場合は、マーク４２および４３のように、実際の端部方向とは異なる斜め方向に端部が検出されてしまい、これが誤差の原因となっていた。また、基板上に形成された裏面電極層１１や光吸収層１３の表面性状によっては、例えばその濃淡が顕著な部分にマーク４４として検出されてしまう場合もあった。

さらに、本発明同様に直交スクライブ溝と分割スクライブ溝の交点を検出する方式である特許文献１に記載の方法によっては、撮影および検出を各層が形成された上面側から行うため、形成された光吸収層の表面性状によっては検出に誤差が生じる場合があった。また、透明電極層を形成した後に交点の検出を行う際は、積層される厚さが増大しているため、認識性が悪く、誤差もより大きくなる虞がある。一方、本発明によれば、基板の裏面から直交スクライブ溝と分割スクライブ溝の交点を検出しているので、積層される光吸収層や透明電極層の表面性状に左右されず、ＳＬＧ基板１０を通してのみ交点の検出が行えるので、検出誤差を確実に抑制することができる。

本願発明の効果
従来の製造方法によって得られる太陽電池の単電池部分を拡大した模式図を図６に、本願発明によって得られる太陽電池の単電池部分を拡大した模式図を図７にそれぞれ示す。従来の太陽電池では、スクライブ領域Ｂ、ＤおよびＦに加え、分割溝２０と２１との間、分割溝２１と２２との間に、スクライブ位置の誤差に起因して領域ＣおよびＥが形成されてしまっており、上述の通りこの領域は発電に寄与せずに全体として発電効率を低下させる原因となっていたが、本願発明の太陽電池では、上記誤差を補正してスクライブを行なうことができるため、スクライブ領域Ｂ、ＤおよびＦが全て隣接して、非発電領域である領域ＣおよびＥが形成されず、全体として発電効率が向上している。

また、本願発明では、スクライブ手段と撮像手段が一体化されて設けられているので、撮像手段とスクライブ刃が近接した位置となり、スクライブ位置の補正での誤差を小さくすることができるという効果を奏する。

高発電効率を有するカルコパイライト型薄膜太陽電池の製造に有望である。

１０…基板、
１１…裏面電極層、
１１ａ…分割された裏面電極層、
１２…光吸収層プリカーサ、
１３…光吸収層、
１３´…ｐ型光吸収層、
１３´´…バッファ層、
１３ａ…分割された光吸収層、
１４…透明電極層、
１４ａ…分割された透明電極層、
１５…裏面電極−透明電極接点、
２０…裏面電極層分割スクライブ溝、
２１…光吸収層分割スクライブ溝、
２２…透明電極層分割スクライブ溝、
２３…直交スクライブ溝、
３０…スクライブ手段、
４０、４１…検出画像、
４２〜４５…マーク、
５０…撮像手段、
５１…同軸ＬＥＤ、
５２…反射鏡、
Ａ…発電領域、
Ｂ、Ｄ、Ｆ…スクライブ領域、
Ｃ、Ｅ…非発電領域。

Claims (3)

1. ガラス基板上の上面に裏面電極層を成膜する工程と、
   前記裏面電極層をスクライブして複数の裏面電極層に分割する工程と、
   前記複数の裏面電極上に光吸収層を成膜する工程と、
   前記光吸収層をスクライブして複数の光吸収層に分割する工程と、
   前記複数の光吸収層上に透明電極層を成膜する工程と、
   前記透明電極層をスクライブして複数の透明電極層に分割する工程とを備えた薄膜太陽電池の製造方法において、
   前記裏面電極層を複数に分割する複数の分割スクライブ溝に直交する直交スクライブ溝を前記ガラス基板の端部に形成し、
   前記分割スクライブ溝と前記直交スクライブ溝との交点を撮像手段で検出し、
   前記交点の座標を元に光吸収層および透明電極層のスクライブの位置決めを行い、
   前記交点の検出のための観察は、前記ガラス基板において積層が行われる上面と反対の下面から行うことを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
2. 前記撮像手段は、前記上面側に設置され、
   前記撮像手段は、前記下面側にて観察された交点の検出を、反射鏡を介して上面側にて行なう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. ガラス基板上の上面側に裏面電極層を形成する裏面電極層成膜手段と、
   前記裏面電極層上に光吸収層を形成する光吸収層成膜手段と、
   前記光吸収層上に透明電極層を形成する透明電極層成膜手段と、
   前記裏面電極層、前記光吸収層、および前記透明電極層のそれぞれを複数に分割する複数の分割スクライブ溝と、前記裏面電極層の分割スクライブ溝に直交する直交スクライブ溝とを形成するスクライブ手段とを備えた薄膜太陽電池の製造装置において、
   前記スクライブ手段には、前記裏面電極層の分割スクライブ溝と前記直交スクライブ溝との交点を検出する撮像手段が一体に設けられ、
   前記交点を前記基板の下面側にて観察した像を上面側に導く反射鏡を備えたことを特徴とする薄膜太陽電池の製造装置。
   
   
   
   

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