JP2012009689A - カルコパイライト型太陽電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カルコパイライト型太陽電池を構成する各層を同一波長のレーザー光線によって分割することを可能とし、各単位セルを直列に接続したカルコパイライト型太陽電池を製造する方法を提供する。
【解決手段】透明絶縁基板に積層された金属電極層を単位セル金属電極に分割する金属電極層分割工程と、単位セル金属電極に積層されたカルコパイライト型半導体層およびバッファー層を単位セルカルコパイライト型半導体層および複数の単位セルバッファー層に分割するカルコパイライト型半導体層およびバッファー層分割工程と、単位セルバッファー層に積層された透明電極層を単位セル透明電極に分割する透明電極層分割工程は、グリーン光領域の同一波長を有しパルス幅が５０ps以下のパルスレーザー光線を各層に対応した出力にそれぞれ調整して照射することにより、金属電極層とカルコパイライト型半導体層およびバッファー層と透明電極層を単位セルに分割する。
【選択図】図８

Description

本発明は、太陽エネルギーを電力に変換する太陽電池、更に詳しくはカルコパイライト型太陽電池の製造方法に関する。

カルコパイライト型太陽電池は、ガラス板または透明高分子フィルム等の透明絶縁基板と、該透明絶縁基板に積層された金属電極層と、該金属電極層に積層されるp型半導体層となるカルコパイライト型半導体層と、該カルコパイライト型半導体層に積層されるバッファー層と、該バッファー層に積層されるn型半導体層を兼ねる透明電極層とから構成されている。

上述したカルコパイライト型太陽電池は、効率よく電力を取り出すために図１０に示すように複数の単位セルに分割し、それぞれの単位セルを直列に接続して構成されている。即ち、図１０に示すようにガラス板または透明高分子フィルム等の透明絶縁基板２の表面にモリブデン（Mo）等の金属膜からなる単位セル金属電極３１，３２，３３・・・を短冊状に形成し、該単位セル金属電極３１，３２，３３・・・の表面にCIGS等からなる単位セルカルコパイライト型半導体層４１，４２，４３・・・を形成し、該単位セルカルコパイライト型半導体層４１，４２，４３・・・の表面に硫化亜鉛(ZnS)等からなる単位セルバッファー層５１，５２，５３・・・を形成し、該単位セルバッファー層５１，５２，５３・・・の表面に酸化亜鉛(ZnO)等の透明導電材料からなる単位セル透明電極６１，６２，６３・・・を形成してカルコパイライト型太陽電池を構成する。このように構成されたカルコパイライト型太陽電池は、単位セル金属電極３１，３２，３３・・・に僅かに跨るように形成され、単位セル透明電極６１，６２，６３・・・が隣接する単位セル金属電極３１，３２，３３・・・に僅かに跨るように単位セルカルコパイライト型半導体層４１，４２，４３・・・および単位セルバッファー層５１，５２，５３・・・の一方の側面を覆い単位セル金属電極３１，３２，３３・・・に連結するように形成することにより、各単位セルカルコパイライト型太陽電池２０-１，２０-２，２０-３・・・は直列に接続された構造となる。（例えば、特許文献１参照。）

特開２００７−２０１３０２号公報

上述した各単位セルを直列に接続したカルコパイライト型太陽電池を構成するには、各層を全面に被覆した後に、その都度レーザースクライビング法により各層に分割溝を形成する。しかるに、各層の特性に合わせて波長の異なるレーザー光線を照射することによりレーザースクライビングしており、生産性が悪いという問題がある。即ち、レーザー光線を発振するレーザー光線発振器は所定の波長に特定されており、波長が異なるレーザー光線によってレーザー加工を行う場合には、レーザー光線発振器を交換するか別のレーザー加工装置によって実施しなければならない。

本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術課題は、カルコパイライト型太陽電池を構成する各層を同一波長のレーザー光線によって分割することを可能とし、各単位セルを直列に接続したカルコパイライト型太陽電池を製造する方法を提供することにある。

上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、透明絶縁基板と、該透明絶縁基板に積層された金属電極層と、該金属電極層に積層されるp型半導体層となるカルコパイライト型半導体層と、該カルコパイライト型半導体層に積層されるバッファー層と、該バッファー層に積層されるn型半導体層を兼ねる透明電極層とから構成されるカルコパイライト型太陽電池の製造方法であって、
該透明絶縁基板に該金属電極層を積層する金属電極層積層工程と、
該透明絶縁基板に積層された該金属電極層を、複数の単位セル金属電極に分割する金属電極層分割工程と、
該複数の単位セル金属電極に該カルコパイライト型半導体層を積層するカルコパイライト型半導体層積層工程と、
該カルコパイライト型半導体層に該バッファー層を積層するバッファー層積層工程と、
該カルコパイライト型半導体層および該バッファー層を、隣接する単位セル金属電極に僅かに跨るように複数の単位セルカルコパイライト型半導体層および複数の単位セルバッファー層に分割するカルコパイライト型半導体層およびバッファー層分割工程と、
該複数の単位セルバッファー層に該透明電極層を積層する透明電極層積層工程と、
該複数の単位セルバッファー層に積層された該透明電極層を、隣接する該単位セル金属電極に僅かに跨るように該単位セルカルコパイライト型半導体層および単位セルバッファー層の一方の側面を覆い該単位セル金属電極に連結するように該透明電極層の一部を残し該単位セルカルコパイライト型半導体層および単位セルバッファー層の他方の側面には該透明電極層を残さないように複数の単位セル透明電極に分割する透明電極層分割工程と、を含み、
該金属電極層分割工程と該カルコパイライト型半導体層およびバッファー層分割工程と該透明電極層分割工程は、グリーン光領域の同一波長を有しパルス幅が５０ps以下のパルスレーザー光線を各層に対応した出力にそれぞれ調整して照射することにより、該金属電極層と該カルコパイライト型半導体層およびバッファー層と該透明電極層を単位セルに分割する、
ことを特徴とするカルコパイライト型太陽電池の製造方法が提供される。

上記パルスレーザー光線の波長は、５１５nmまたは５３２nmに設定されている。
また、上記金属電極層分割工程において照射するパルスレーザー光線の１パルス当たりの出力は１０〜２５μJに設定され、上記カルコパイライト型半導体層およびバッファー層分割工程において照射するパルスレーザー光線の１パルス当たりの出力は５〜６μJに設定され、上記透明電極層分割工程において照射するパルスレーザー光線の１パルス当たりの出力は５〜６μJに設定されている。

本発明によるカルコパイライト型太陽電池の製造方法においては、金属電極層分割工程とカルコパイライト型半導体層およびバッファー層分割工程と透明電極層分割工程は、グリーン光領域の同一波長を有しパルス幅が５０ps以下のパルスレーザー光線を各層に対応した出力にそれぞれ調整して照射することにより、金属電極層とカルコパイライト型半導体層およびバッファー層と透明電極層を単位セルに分割するので、同一波長を有するパルスレーザー光線によって各層の分割が可能となり、生産性を向上することができる。

カルコパイライト型太陽電池を構成する基板としての透明絶縁基板の斜視図。 本発明によるカルコパイライト型太陽電池の製造方法における金属電極層積層工程の説明図。 本発明によるカルコパイライト型太陽電池の製造方法における金属電極層分割工程の説明図。 本発明によるカルコパイライト型太陽電池の製造方法におけるカルコパイライト型半導体層積層工程の説明図。 本発明によるカルコパイライト型太陽電池の製造方法におけるバッファー層積層工程の説明図。 本発明によるカルコパイライト型太陽電池の製造方法におけるカルコパイライト型半導体層およびバッファー層分割工程の説明図。 本発明によるカルコパイライト型太陽電池の製造方法における透明電極層積層工程の説明図。 本発明によるカルコパイライト型太陽電池の製造方法における透明電極層分割工程の説明図。 本発明によるカルコパイライト型太陽電池の製造方法によって製造されたカルコパイライト型太陽電池の断面図。 カルコパイライト型太陽電池の要部を拡大して示す断面図。

以下、本発明によるカルコパイライト型太陽電池の製造方法の好適な実施形態について、添付図面を参照して更に詳細に説明する。
図１には、カルコパイライト型太陽電池を構成する基板としての透明絶縁基板の斜視図が示されている。図１に示す透明絶縁基板２は、ガラス板または透明高分子フィルムからなり、矩形状に形成されている。

上記透明絶縁基板２を用いてカルコパイライト型太陽電池を構成するには、先ず透明絶縁基板２に金属電極層を積層する金属電極層積層工程を実施する。即ち、図２に示すように透明絶縁基板２の表面にモリブデン（Mo）等の金属薄膜からなる金属電極層３を形成する。この金属電極層３は、１μmの厚みで形成する。

上述した金属電極層積層工程を実施したならば、透明絶縁基板２に積層された金属電極層３を、単位セルに分割する金属電極層分割工程を実施する。この金属電極層分割工程はレーザースクライブ法によって実施する。即ち、図３に示すように透明絶縁基板２に積層された金属電極層３にレーザー光線照射手段１０からパルスレーザー光線LBを照射し、金属電極層３を短冊状の複数の単位セル金属電極３１，３２，３３，３４に分割する。この金属電極層分割工程においてレーザー光線照射手段１０から照射するレーザー光線LBは、グリーン光領域の波長（図示の実施形態においては５１５nmまたは５３２nm）のパルスレーザー光線を用いて実施する。グリーン光領域の波長（図示の実施形態においては５３２nm）のパルスレーザー光線は、パルス幅を５０ps（５０ps〜１ps）以下に設定し、１パルス当たりの出力を１５〜２５μJに設定することが望ましい。なお、本発明者等の実験によると、グリーン光領域の波長（図示の実施形態においては５１５nmまたは５３２nm）のパルスレーザー光線を用いる場合には、パルス幅を５０psより大きくすると金属電極層３にクラックが発生するとともに透明絶縁基板２の表面が溶融することが判った。

次に、複数の単位セル金属電極３１，３２，３３，３４にp型半導体層となるカルコパイライト型半導体層を積層するカルコパイライト型半導体層積層工程を実施する、即ち、図４に示すように複数単位セル金属電極３１，３２，３３，３４の表面に銅(Cu)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、セレン(Se)等の化合物からなるカルコパイライト型半導体層４を形成する。このカルコパイライト型半導体層４は、１μmの厚みで形成する。このとき、カルコパイライト型半導体層４は、単位セル金属電極３１，３２，３３，３４の各電極間の隙間にも充填して形成される。

上述したように複数の単位セル金属電極３１，３２，３３，３４にカルコパイライト型半導体層４を積層するカルコパイライト型半導体層積層工程を実施したならば、カルコパイライト型半導体層４にバッファー層を積層するバッファー層積層工程を実施する。即ち、図５に示すようにカルコパイライト型半導体層４の表面に硫化亜鉛(ZnS)からなるバッファー層５を形成する。

上述したカルコパイライト型半導体層積層工程およびバッファー層積層工程を実施したならば、カルコパイライト型半導体層４およびバッファー層５を、隣接する単位セル金属電極に僅かに跨るように複数の単位セルカルコパイライト型半導体層および単位セルバッファー層に分割するカルコパイライト型半導体層およびバッファー層分割工程を実施する。即ち、図６に示すようにカルコパイライト型半導体層４およびバッファー層５にレーザー光線照射手段１０からパルスレーザー光線LBを照射し、カルコパイライト型半導体層４およびバッファー層５を隣接する単位セル金属電極３２，３３，３４（図６において右側に隣接する単位セル金属電極）に僅かに跨るように短冊状の複数の単位セルカルコパイライト型半導体層４１，４２，４３，４４および複数の単位セルバッファー層５１，５２，５３，５４に分割する。このカルコパイライト型半導体層およびバッファー層分割工程においてレーザー光線照射手段１０から照射するレーザー光線LBは、グリーン光領域の波長（図示の実施形態においては５１５nmまたは５３２nm）のパルスレーザー光線を用いて実施する。グリーン光領域の波長（図示の実施形態においては５１５nmまたは５３２nm）のパルスレーザー光線は、パルス幅を５０ps（５０ps〜１ps）以下に設定し、１パルス当たりの出力を５〜６μJに設定することが望ましい。本発明者等の実験によると、上述した設定範囲のパルスレーザー光線によりカルコパイライト型半導体層およびバッファー層分割工程を実施したところ、カルコパイライト型半導体層４およびバッファー層５にクラックが発生することはなかった。

次に、複数の単位セルバッファー層５１，５２，５３，５４に透明電極層を積層する透明電極層積層工程を実施する。即ち、図７に示すように複数の単位セルバッファー層５１，５２，５３，５４の表面に酸化亜鉛(ZnO)薄膜からなる透明電極層６を形成する。この透明電極層６は、１μmの厚みで形成する。このとき、透明電極層６は、単位セルカルコパイライト型半導体層４１，４２，４３，４４および複数の単位セルバッファー層５１，５２，５３，５４の各単位セル間の隙間にも充填して形成される。

上述した透明電極層積層工程を実施したならば、複数の単位セルバッファー層５１，５２，５３，５４に積層された透明電極層６を、隣接する単位セル金属電極に僅かに跨るように単位セルカルコパイライト型半導体層および単位セルバッファー層の一方の側面を覆い単位セル金属電極に連結するように透明電極層の一部を残し単位セルカルコパイライト型半導体層および単位セルバッファー層の他方の側面には透明電極層を残さないように複数の単位セル透明電極に分割する透明電極層分割工程を実施する。即ち、図８に示すように金属電極層６にレーザー光線照射手段１０からパルスレーザー光線LBを照射し、透明電極層６を短冊状の複数の単位セル透明電極６１，６２，６３，６４に分割する。この透明電極層分割工程においては、複数の単位セルバッファー層５１，５２，５３，５４に積層された透明電極層６を、隣接する単位セル金属電極３２，３３，３４（図８において右側に隣接する単位セル金属電極）に僅かに跨るように単位セルカルコパイライト型半導体層４１，４２，４３，４４および複数の単位セルバッファー層５１，５２，５３，５４の一方の側面（図８において右側の側面）を覆い単位セル金属電極３２，３３，３４に連結するように透明電極層の一部を残し単位セルカルコパイライト型半導体層４１，４２，４３，４４および複数の単位セルバッファー層５１，５２，５３，５４の他方の側面（図８において左側の側面）には透明電極層を残さないように複数の単位セル透明電極６１，６２，６３，６４に分割する。この透明電極層分割工程においてレーザー光線照射手段１０から照射するレーザー光線LBは、グリーン光領域の波長（図示の実施形態においては５１５nmまたは５３２nm）のパルスレーザー光線を用いて実施する。グリーン光領域の波長（図示の実施形態においては５１５nmまたは５３２nm）のパルスレーザー光線は、パルス幅を５０ps以下（５０ps〜１ps）に設定し、１パルス当たりの出力を５〜６μJに設定することが望ましい。本発明者等の実験によると、上述した設定範囲のパルスレーザー光線により透明電極層分割工程を実施したところ、透明電極層６にクラックが発生することはなかった。
上述した各加工工程を実施することにより、透明絶縁基板２上には、図９に示すように各単位セルカルコパイライト型太陽電池２０-１，２０-２，２０-３，２０-４が直列に接続された状態で構成される。

以上のように上述した実施形態におけるカルコパイライト型太陽電池の製造方法においては、金属電極層分割工程とカルコパイライト型半導体層およびバッファー層分割工程と透明電極層分割工程は、グリーン光領域の同一波長を有しパルス幅が５０ps以下のパルスレーザー光線を各層に対応した出力にそれぞれ調整して照射することにより、金属電極層とカルコパイライト型半導体層およびバッファー層と透明電極層を単位セルに分割するので、同一波長を有するパルスレーザー光線によって各層の分割が可能となり、生産性を向上することができる。

２：透明絶縁基板
３：金属電極層
３１，３２，３３，３４：単位セル金属電極
４：カルコパイライト型半導体層
４１，４２，４３，４４：単位セルカルコパイライト型半導体層
５：バッファー層
５１，５２，５３，５４：単位セルバッファー層
６：透明電極層
６１，６２，６３，６４：単位セル透明電極

Claims (3)

1. 透明絶縁基板と、該透明絶縁基板に積層された金属電極層と、該金属電極層に積層されるp型半導体層となるカルコパイライト型半導体層と、該カルコパイライト型半導体層に積層されるバッファー層と、該バッファー層に積層されるn型半導体層を兼ねる透明電極層とから構成されるカルコパイライト型太陽電池の製造方法であって、
   該透明絶縁基板に該金属電極層を積層する金属電極層積層工程と、
   該透明絶縁基板に積層された該金属電極層を、複数の単位セル金属電極に分割する金属電極層分割工程と、
   該複数の単位セル金属電極に該カルコパイライト型半導体層を積層するカルコパイライト型半導体層積層工程と、
   該カルコパイライト型半導体層に該バッファー層を積層するバッファー層積層工程と、
   該カルコパイライト型半導体層および該バッファー層を、隣接する単位セル金属電極に僅かに跨るように複数の単位セルカルコパイライト型半導体層および複数の単位セルバッファー層に分割するカルコパイライト型半導体層およびバッファー層分割工程と、
   該複数の単位セルバッファー層に該透明電極層を積層する透明電極層積層工程と、
   該複数の単位セルバッファー層に積層された該透明電極層を、隣接する該単位セル金属電極に僅かに跨るように該単位セルカルコパイライト型半導体層および単位セルバッファー層の一方の側面を覆い該単位セル金属電極に連結するように該透明電極層の一部を残し該単位セルカルコパイライト型半導体層および単位セルバッファー層の他方の側面には該透明電極層を残さないように複数の単位セル透明電極に分割する透明電極層分割工程と、を含み、
   該金属電極層分割工程と該カルコパイライト型半導体層およびバッファー層分割工程と該透明電極層分割工程は、グリーン光領域の同一波長を有しパルス幅が５０ps以下のパルスレーザー光線を各層に対応した出力にそれぞれ調整して照射することにより、該金属電極層と該カルコパイライト型半導体層およびバッファー層と該透明電極層を単位セルに分割する、
   ことを特徴とするカルコパイライト型太陽電池の製造方法。
2. 該パルスレーザー光線の波長は、５１５nmまたは５３２nmに設定されている、請求項１記載のカルコパイライト型太陽電池の製造方法。
3. 該金属電極層分割工程において照射するパルスレーザー光線の１パルス当たりの出力は１０〜２５μJに設定され、該カルコパイライト型半導体層およびバッファー層分割工程において照射するパルスレーザー光線の１パルス当たりの出力は５〜６μJに設定され、該透明電極層分割工程において照射するパルスレーザー光線の１パルス当たりの出力は５〜６μJに設定されている請求項１または２記載のカルコパイライト型太陽電池の製造方法。

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