JP2012064723A - 光電変換装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】裏面電極層での表面プラズモン吸収の発生を抑えた、変換効率の高い光電変換装置の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】基板１上に、第１透明電極層２と、光電変換層３と、第２透明電極層５と、金属膜からなる裏面電極層４と、が順に積層される光電変換装置１００の製造方法であって、水蒸気分圧を０．６％以下に制御した製膜室内で、スパッタリング法により第２透明電極層５を形成する光電変換装置１００の製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光電変換装置の製造方法に関し、特に、太陽電池の製造方法に関するものである。
光を受光して電力に変換する光電変換装置として、例えば発電層（光電変換層）に薄膜シリコン系の膜を積層させた薄膜系太陽電池が知られている。薄膜系太陽電池は、一般に、基板上に、透明電極層（第１透明電極層）、シリコン系半導体層（光電変換層）、裏面電極層を順次積層して構成される。
透明電極層は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）などの金属酸化物が主成分とされる。
裏面電極層は、ＡｇやＡｌなどの金属膜からなる。Ａｇは、Ａｌよりも光反射特性が良好とされている。平滑なガラス基板にＡｇ膜を積層した場合、理想的な高反射率（Ｒ＝約９８％）を得ることができる。
薄膜系太陽電池の分野では、電池性能を高めるために、開放電圧や短絡電流を向上させる様々な工夫がなされてきた。
例えば、異なる吸収波長を有する光電変換層を積層させたタンデム型太陽電池が提案されている。光電変換層をタンデム型とすることで、入射光を有効に吸収でき、短絡電流及び開放電圧を増加させることができる。
例えば、上部光電変換層と下部光電変換層との間に、膜厚を最適化した透明導電膜構造（中間反射層）を設けるなど、各層界面に新たな材料層を挿入することで電池性能を向上させる方法が提案されている。
また、光電変換層の光透過側の構造（裏面構造）を改良する方法も提案されている。例えば、特許文献１に、光電変換層と裏面電極層との間に透明電極層を設けた光電変換装置が記載されている。透明電極層を介することで、半導体膜と金属膜との合金化を防止することができる。それによって、金属膜が高い反射率を維持できるため、光電変換効率の低下を抑制することができる。例えば、特許文献２に、光電変換層と裏面電極層との間に、低屈折率の透光性緩衝層を設けた光電変換装置が記載されている。特許文献２では、裏面電極層（背面電極）はＡｇ膜とされる。
特公昭６０−４１８７８号公報（特許請求の範囲） 特許第３３４２２５７号公報（請求項１、段落［００２０］）
特許文献１や特許文献２で提案された光電変換装置のように、層構成に着目した裏面構造の改良策では、金属膜における光吸収損失を充分に低下させることができない。
裏面構造として、光電変換層の上部に裏面側の透明電極層と裏面電極層（金属膜）とが順次積層されている場合、金属膜の基板側表面の形状は、金属膜と接触する裏面側透明電極層の表面の形状に倣う。すなわち、裏面側透明電極層の表面に微小な凹凸が存在すると、金属膜はその微小凹凸に倣って形成される。金属膜の表面に微小凹凸が存在することによって、金属膜表面において表面プラズモン共鳴による光吸収が発生する（以後、表面プラズモン吸収と記載）。表面プラズモン吸収が発生すると、基板側から入射し光電変換層を透過して裏面電極層に到達した光が、金属膜と裏面側透明電極層との界面で吸収されるため、光電変換層への反射光が減少する。この結果、光電変換層で吸収される光量が減少し、発電電流が低下する（すなわち、変換効率が低下する）。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、裏面電極層での表面プラズモン吸収の発生を抑えた、変換効率の高い光電変換装置の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、基板上に、第１透明電極層と、光電変換層と、第２透明電極層と、金属膜からなる裏面電極層と、が順に積層される光電変換装置の製造方法であって、水蒸気分圧を０．６％以下に制御した製膜室内で、第２透明電極層を形成する光電変換装置の製造方法を提供する。
本願発明者らは、鋭意研究の結果、裏面構造の表面形状を適正化することによって発電電流を増大させることができることを見出した。
第２透明電極層を、製膜する際、第２透明電極層の酸素欠損を補って透明性を確保するために、製膜室内に酸素を導入する。しかしながら、酸素を導入することで、第２透明電極層の抵抗が大きくなり、表面平滑性も損なわれるという問題が生じる。
上記発明によれば、製膜室内の水蒸気分圧を０．６％以下に制御することで、第２透明電極層のシリーズ抵抗の増大を防止できるとともに、表面の平滑性を向上させることができる。第２透明電極層の抵抗の増大を防止すると、光電変換装置としたときに形状因子の低減を防止できる。また、第２透明電極層の表面の平滑性を向上させると、金属膜表面における表面プラズモン共鳴による光吸収を低減されるため、光電変換装置としたときに短絡電流を増加させることができる。従って、そのような光電変換装置では、変換効率が向上する。
上記発明の一態様において、前記製膜室内の水蒸気分圧を低下させた後、前記製膜室内の水蒸気分圧が０．６％以下となるよう前記製膜室内に水蒸気を導入することが好ましい。
真空装置では、一般的に、製膜室内の水分は極力少ない方が好ましいとされている。これに反して、本願発明者らは、製膜室内の水蒸気分圧を許容範囲内に制御する方法の一つとして、製膜室内に水蒸気を導入することを提案する。
製膜室内を真空引きした状態で製膜を実施する。そのため、製膜過程において、製膜室内の水蒸気分圧が変化してしまう。上記一態様によれば、製膜室内の水蒸気分圧を一旦許容範囲以下とした後に、所望の分圧となるように水蒸気を導入するため、製膜条件を安定化させることができる。それによって、第２透明電極層の品質を安定化させることができる。
上記発明の一態様において、前記裏面電極層を４０℃以上１１０℃以下で製膜した後、１６０℃以上２２０℃以下でアニール処理する工程を備えることが好ましい。
上記一態様によれば、金属膜の製膜温度を４０℃以上１１０℃以下、好ましくは６０℃以上１００℃以下とすることで、第２透明電極層と裏面電極層との界面の平滑性の悪化を抑制することができる。更に、そのようにして積層した裏面電極層を１６０℃以上２２０℃以下、好ましくは１８０℃以上２１０℃以下でアニール処理すると、シリーズ抵抗値のバラつきを低減させ、第２透明電極層と裏面電極層との間の電気的接合性を向上させることができる。
また、本発明は、基板上に、第１透明電極層と、光電変換層と、第２透明電極層と、金属膜からなる裏面電極層と、が順に積層される光電変換装置の製造方法であって、４０℃以上１１０℃以下で製膜した前記裏面電極層を、１６０℃以上２２０℃以下でアニール処理する光電変換装置の製造方法を提供する。
上記発明によれば、金属膜の製膜温度は、４０℃以上１１０℃以下、好ましくは６０℃以上１００℃以下とされ、アニール処理の温度は、１６０℃以上２２０℃以下、好ましくは１８０℃以上２１０℃以下とされる。そうすることによって、第２透明電極層と裏面電極層との界面の平滑性の悪化を防止するとともに、シリーズ抵抗値のバラつきを小さくすることができるため、光電変換装置の変換効率を安定的に向上させることができる。
本発明によれば、水蒸気分圧を制御しながら第２透明電極層を形成させることで、透明性、表面平滑性、低抵抗性を兼ね備えた層とすることができる。また、裏面電極層を低温で製膜した後に、適切な条件でアニール処理することで、第２透明電極層と裏面電極層との界面の平滑性の悪化を防止し、且つ、シリーズ抵抗のバラつきを小さくすることができる。従って、表面プラズモン吸収の発生し難い、高効率の光電変換装置を製造することができる。
本発明の光電変換装置の製造方法により製造される光電変換装置の構成を表す概略図である。 本発明の光電変換装置の製造方法を用いて太陽電池パネルを製造する一実施形態を説明する概略図である。 本発明の光電変換装置の製造方法を用いて太陽電池パネルを製造する一実施形態を説明する概略図である。 本発明の光電変換装置の製造方法を用いて太陽電池パネルを製造する一実施形態を説明する概略図である。 本発明の光電変換装置の製造方法を用いて太陽電池パネルを製造する一実施形態を説明する概略図である。 本発明の光電変換装置の製造方法を用いて太陽電池パネルを製造する一実施形態を説明する概略図である。 実施例１及び参考例１の表面積増加率を示す図である。 水蒸気分圧と短絡電流との関係を示す図である。 水蒸気分圧と開放電圧との関係を示す図である。 水蒸気分圧と形状因子との関係を示す図である。 水蒸気分圧と変換効率との関係を示す図である。 水蒸気分圧とシリーズ抵抗との関係を示す図である。 図８の縦軸を拡大した図である。 図１０の縦軸を拡大した図である。 図１１の縦軸を拡大した図である。 図１２の縦軸を拡大した図である。 実施例３の反射率を示す図である。 アニール温度と短絡電流との関係を示す図である。 アニール温度と開放電圧との関係を示す図である。 アニール温度と形状因子との関係を示す図である。 アニール温度と変換効率との関係を示す図である。 アニール温度とシリーズ抵抗との関係を示す図である。
図１は、本発明の光電変換装置の製造方法により製造される光電変換装置の構成を示す概略図である。光電変換装置１００は、タンデム型シリコン系太陽電池であり、基板１、第１透明電極層２、太陽電池光電変換層３としての第１セル層９１（非晶質シリコン系）及び第２セル層９２（結晶質シリコン系）、中間コンタクト層９３、第２透明電極層５、及び裏面電極層４を備える。なお、ここで、シリコン系とはシリコン（Ｓｉ）やシリコンカーバイト（ＳｉＣ）やシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）を含む総称である。また、結晶質シリコン系とは、非晶質シリコン系以外のシリコン系を意味するものであり、微結晶シリコンや多結晶シリコンも含まれる。
＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る光電変換装置の製造方法を、太陽電池パネルを製造する工程を例に挙げて説明する。図２から図６は、本実施形態の太陽電池パネルの製造方法を示す概略図である。
（１）図２（ａ）
基板１として、面積が１ｍ２を越える大型のソーダフロートガラス基板（例えば１．４ｍ×１．１ｍ×板厚：３．０ｍｍ〜６．０ｍｍ）を使用する。基板端面は熱応力や衝撃などによる破損防止にコーナー面取りやＲ面取り加工されていることが望ましい。
（２）図２（ｂ）
第１透明電極層２として、酸化錫（ＳｎＯ２）を主成分とする膜厚約５００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の透明導電膜を、熱ＣＶＤ装置にて約５００℃で製膜する。この際、透明電極膜の表面には、適当な凹凸のあるテクスチャーが形成される。第１透明電極層２として、透明電極膜に加えて、基板１と透明電極膜との間にアルカリバリア膜（図示されず）を形成しても良い。アルカリバリア膜は、酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）を５０ｎｍ〜１５０ｎｍ、熱ＣＶＤ装置にて約５００℃で製膜処理する。
（３）図２（ｃ）
その後、基板１をＸ−Ｙテーブルに設置して、ＹＡＧレーザーの第１高調波（１０６４ｎｍ）を、図の矢印に示すように、透明電極膜の膜面側から照射する。加工速度に適切となるようにレーザーパワーを調整して、透明電極膜を発電セル７の直列接続方向に対して垂直な方向へ、基板１とレーザー光を相対移動して、溝１０を形成するように幅約６ｍｍから１５ｍｍの所定幅の短冊状にレーザーエッチングする。
（４）図２（ｄ）
第１セル層９１として、非晶質シリコン薄膜からなるｐ層、ｉ層及びｎ層を、プラズマＣＶＤ装置により製膜する。ＳｉＨ４ガス及びＨ２ガスを主原料にして、減圧雰囲気：３０Ｐａ以上１０００Ｐａ以下、基板温度：約２００℃にて、第１透明電極層２上に太陽光の入射する側から非晶質シリコンｐ層３１、非晶質シリコンｉ層３２、非晶質シリコンｎ層３３の順で製膜する。非晶質シリコンｐ層３１は非晶質のＢドープシリコンを主とし、膜厚１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。非晶質シリコンｉ層３２は、膜厚２００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下である。非晶質シリコンｎ層３３は、非晶質シリコンに微結晶シリコンを含有するＰドープシリコンを主とし、膜厚３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。非晶質シリコンｐ層３１と非晶質シリコンｉ層３２の間には、界面特性の向上のためにバッファー層を設けても良い。
次に、第１セル層９１の上に、プラズマＣＶＤ装置により、減圧雰囲気：３０００Ｐａ以下、基板温度：約２００℃、プラズマ発生周波数：４０ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下にて、第２セル層９２としての結晶質シリコンｐ層４１、結晶質シリコンｉ層４２、及び、結晶質シリコンｎ層４３を順次製膜する。結晶質シリコンｐ層４１はＢドープした微結晶シリコンを主とし、膜厚１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。結晶質シリコンｉ層４２は微結晶シリコンを主とし、膜厚は１．２μｍ以上３．０μｍ以下である。結晶質シリコンｎ層４３はＰドープした微結晶シリコンを主とし、膜厚２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。なお、結晶質シリコンｎ層は、非晶質シリコンｎ層に置換しても良い。
微結晶シリコンを主とするｉ層膜をプラズマＣＶＤ法で形成するにあたり、プラズマ放電電極と基板１の表面との距離ｄは、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下にすることが好ましい。３ｍｍより小さい場合、大型基板に対応する製膜室内の各構成機器精度から距離ｄを一定に保つことが難しくなるとともに、近過ぎて放電が不安定になる恐れがある。１０ｍｍより大きい場合、十分な製膜速度（１ｎｍ／ｓ以上）を得難くなるとともに、プラズマの均一性が低下しイオン衝撃により膜質が低下する。
第１セル層９１と第２セル層９２の間に、接触性を改善するとともに電流整合性を取るために半反射膜となる中間コンタクト層９３を設ける。中間コンタクト層９３として、膜厚：２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＧａまたはＡｌがドープされたＺｎＯ膜を、ターゲット：ＧａドープＺｎＯ焼結体またはＡｌドープＺｎＯ焼結体を用いてスパッタリング装置により製膜する。また、中間コンタクト層９３を設けない場合もある。
（５）図２（ｅ）
基板１をＸ−Ｙテーブルに設置して、レーザーダイオード励起ＹＡＧレーザーの第２高調波（５３２ｎｍ）を、図の矢印に示すように、光電変換層３の膜面側から照射する。パルス発振：１０ｋＨｚから２０ｋＨｚとして、加工速度に適切となるようにレーザーパワーを調整して、第１透明電極層２のレーザーエッチングラインの約１００μｍから１５０μｍの横側を、溝１１を形成するようにレーザーエッチングする。またこのレーザーは基板１側から照射しても良く、この場合は光電変換層３で吸収されたエネルギーで発生する高い蒸気圧を利用して光電変換層３をエッチングできるので、更に安定したレーザーエッチング加工を行うことが可能となる。レーザーエッチングラインの位置は前工程でのエッチングラインと交差しないように位置決め公差を考慮して選定する。
（６）図３（ａ）
第２セル層９２の結晶質シリコンｎ層４３上に、第２透明電極層５及び裏面電極層４を順に形成する。なお、図３は、主として溝の形成方法を説明するための図であるため、裏面電極層４と同時に溝が形成される第２透明電極層５の記載は省略した。
第２透明電極層５として、ＧＺＯ膜をスパッタリング装置により製膜する。製膜条件は、ターゲット：ＧａドープＺｎＯ焼結体、減圧雰囲気：０．６７Ｐａ、放電ガス：アルゴン、膜厚：５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、製膜温度：２０℃以上９０℃以下、好ましくは２０℃以上６０℃以下とされる。
第２透明電極層５の製膜は製膜室内で行われる。製膜中、製膜室内の水蒸気分圧を０．６％以下に制御する。制御方法としては、例えば、製膜開始前に、製膜室内を真空引きして水蒸気分圧を０．６％以下とした後、水蒸気分圧が０．６％を超えないように分圧計を用いて製膜室内の水蒸気分圧を監視する。例えば、製膜開始前に、製膜室内を真空引きして水蒸気分圧を所定値以下とし、その後、所望の水蒸気分圧（０．６％以下の任意の値）となるように放電ガスとして水蒸気を製膜室内に導入する。
なお、水蒸気分圧の制御方法は、上記の方法に限定されるものではなく、製膜中の製膜室内の水蒸気分圧を０．６％以下に維持できる方法であれば良い。
裏面電極層４として、スパッタリング装置により、放電ガス：アルゴン、製膜温度：約１５０℃にてＡｇ膜を製膜する。あるいは、裏面電極層４として、Ａｇ膜：２００〜５００ｎｍ、これを保護するものとして防食効果の高いＴｉ膜：１０〜２０ｎｍを順に積層して、Ａｇ膜／Ｔｉ膜の積層膜を形成しても良い。この場合は、基板側にＡｇ膜が設置される層構成とする。
（７）図３（ｂ）
基板１をＸ−Ｙテーブルに設置して、レーザーダイオード励起ＹＡＧレーザーの第２高調波（５３２ｎｍ）を、図の矢印に示すように、基板１側から照射する。レーザー光が光電変換層３で吸収され、このとき発生する高いガス蒸気圧を利用して裏面電極層４が爆裂して除去される。パルス発振：１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下として加工速度に適切となるようにレーザーパワーを調整して、第１透明電極層２のレーザーエッチングラインの２５０μｍから４００μｍの横側を、溝１２を形成するようにレーザーエッチングする。
（８）図３（ｃ）と図４（ａ）
発電領域を区分して、基板端周辺の膜端部をレーザーエッチングし、直列接続部分で短絡することを防止する。基板１をＸ−Ｙテーブルに設置して、レーザーダイオード励起ＹＡＧレーザーの第２高調波（５３２ｎｍ）を、基板１側から照射する。レーザー光が第１透明電極層２と光電変換層３で吸収され、このとき発生する高いガス蒸気圧を利用して裏面電極層４が爆裂して、裏面電極層４／光電変換層３／第１透明電極層２が除去される。パルス発振：１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下として加工速度に適切となるようにレーザーパワーを調整して、基板１の端部から５ｍｍから２０ｍｍの位置を、図３（ｃ）に示すように、Ｘ方向絶縁溝１５を形成するようにレーザーエッチングする。なお、図３（ｃ）では、光電変換層３が直列に接続された方向に切断したＸ方向断面図となっているため、本来であれば絶縁溝１５位置には裏面電極層４／光電変換層３／第１透明電極層２の膜研磨除去をした周囲膜除去領域１４に相当する領域がある状態（図４（ａ）参照）が表れるべきであるが、基板１の端部への加工の説明の便宜上、この位置にＹ方向断面を表して形成された絶縁溝をＸ方向絶縁溝１５として説明する。このとき、Ｙ方向絶縁溝は後工程で基板１周囲膜除去領域の膜面研磨除去処理を行うので、設ける必要がない。
絶縁溝１５は基板１の端より５ｍｍから１５ｍｍの位置にてエッチングを終了させることにより、太陽電池パネル端部からの太陽電池モジュール６内部への外部からの水分浸入の抑制に、有効な効果を呈するので好ましい。
尚、以上までの工程におけるレーザー光はＹＡＧレーザーとしているが、ＹＶＯ４レーザーやファイバーレーザーなどが同様に使用できるものがある。
（９）図４（ａ：太陽電池膜面側から見た図、ｂ：受光面の基板側から見た図）
後工程のＥＶＡ等を介したバックシート２４との健全な接着・シール面を確保するために、基板１周辺（周囲膜除去領域１４）の積層膜は、段差があるとともに剥離し易いため、この膜を除去して周囲膜除去領域１４を形成する。基板１の端から５〜２０ｍｍで基板１の全周囲にわたり膜を除去するにあたり、Ｘ方向は前述の図３（ｃ）工程で設けた絶縁溝１５よりも基板端側において、Ｙ方向は基板端側部付近の溝１０よりも基板端側において、裏面電極層４／光電変換層３／第１透明電極層２を、砥石研磨やブラスト研磨などを用いて除去を行う。
研磨屑や砥粒は基板１を洗浄処理して除去する。
（１０）図５（ａ）（ｂ）
直列に並んだ一方端の発電セル７の裏面電極層４と、他方端部の発電セル７に接続した集電用セルの裏面電極層４ととから銅箔を用いて集電して太陽電池パネル裏側の端子箱２３の部分から電力が取出せるように処理する。集電用銅箔は各部との短絡を防止するために銅箔幅より広い絶縁シートを配置する。
集電用銅箔などが所定位置に配置された後に、太陽電池モジュール６の全体を覆い、基板１からはみ出さないようにＥＶＡ（エチレン酢酸ビニル共重合体）等による接着充填材シートを配置する。
接着充填材シートの上に、防水効果の高いバックシート２４を設置する。バックシート２４は本実施形態では防水防湿効果が高いようにＰＥＴシート／Ａｌ箔／ＰＥＴシートの３層構造よりなる。
バックシート２４の端子箱２３の取付け部分には、開口貫通窓を設けて集電用銅箔を取出す。この開口貫通窓部分では、バックシート２４と裏面電極層４の間に絶縁材を複数層で設置して外部からの水分などの侵入を抑制する。
バックシート２４までを所定位置に配置したものを、ラミネータ装置により減圧雰囲気で内部の脱気を行い約１５０〜１６０℃でプレスしながら、接着充填材シート（ＥＶＡ）を架橋させて密着させ、密封処理をする。
なお、接着充填材シートはＥＶＡに限定されるものではなく、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）など類似の機能を保有する接着充填材を利用することが可能である。この場合は、圧着する手順、温度や時間など条件を適正化して処理を行う。
（１１）図５（ａ）
太陽電池モジュール６の裏側に端子箱２３を接着剤で取付ける。
（１２）図５（ｂ）
銅箔と端子箱２３の出力ケーブルとをハンダ等で接続し、端子箱２３の内部を封止剤（ポッティング剤）で充填して密閉する。これで太陽電池パネル５０が完成する。
（１３）図５（ｃ）
図５（ｂ）までの工程で形成された太陽電池パネル５０について発電検査ならびに、所定の性能試験を行う。発電検査は、ＡＭ１．５、全天日射基準太陽光（１０００Ｗ／ｍ２）のソーラシミュレータを用いて行う。なお、発電検査は、太陽電池パネル５０が完全に完成した後に行ってもよいし、アルミフレーム枠の取り付け前に行ってもよい。
（１４）図５（ｄ）
発電検査（図５（ｃ））に前後して、外観検査をはじめ所定の性能検査を行う。
（１５）図６
太陽電池モジュール６に強度を付加するとともに取付け座となるアルミフレーム枠を、太陽電池モジュール６の周囲に取り付ける。太陽電池モジュール６とアルミフレーム枠１０３Ｌ，１０３Ｓとの間にはゴム製のガスケット等を介して、弾力性を保持しながら確実に保持することが好ましい。
これで、太陽電池パネル５０が完成する。
（平滑性、透明性及びシート抵抗）
実施例１
ガラス基板上にＤＣスパッタリング装置を用いて０．５重量％ＧａドープＺｎＯ膜（ＧＺＯ膜）を製膜した。製膜前に、製膜室内を２．５時間真空引きしたのち、水蒸気タンクからバリアブルリークバルブの開度を調節することにより、製膜室内の水蒸気分圧を０．３％とした。その後、ターゲット：ＧａドープＺｎＯ焼結体、放電ガス：アルゴン及び水蒸気（０．２体積％）、膜厚：１００ｎｍ、製膜温度：６０℃で製膜した。
参考例１
放電ガスとして、水蒸気に替えて酸素（０．５体積％）を導入し、膜厚：５０ｎｍ、７０ｎｍ、１００ｎｍのＧＺＯ膜をガラス基板上に製膜した。上記以外の条件は、実施例１と同様とした。
実施例１及び参考例１について、表面形状を、ＡＦＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製、ＮａｎｏＳｃｏｐｅ Ｄ−３１００）を使用し、視野角：２μｍ×２μｍ、解像度：５１２ピクセル、Ｚレンジ：１００ｎｍ／ｄｉｖまたは５００ｎｍ／ｄｉｖ、タッピングモードにて、同一試料の任意２視野を観察した。得られたＡＦＭ画像から表面積増加率の平均値を求めた。
図７に、実施例１及び参考例１の表面積増加率を示す。同図において、縦軸は表面積増加分ΔＳ、横軸はＧＺＯ膜厚である。図７によれば、実施例１は参考例１よりも表面積が増加しなかった。上記結果から、放電ガスとして酸素を添加せずに、水蒸気を添加することにより、ＧＺＯ膜の表面平滑性が改善されることが確認された。
また、実施例１及び参考例１について、透過率及び反射率を、分光光度計を用いて測定した。４００ｎｍ〜１３００ｎｍの波長領域において、実施例１の光透過率と光反射率の和は、参考例１と同等の値を示した。
また、実施例１及び参考例１について、ＧＺＯ膜のシート抵抗を４端子抵抗測定器にて測定した。実施例１のＧＺＯ膜のシート抵抗は、参考例１よりも下がる傾向を示した。
（太陽電池性能）
実施例２
ガラス基板１（１４０ｃｍ×１１０ｃｍ×板厚４ｍｍ）を用い、上記実施形態に従ってタンデム型太陽電池セルを作製した。
透明電極層２：酸化錫膜、平均膜厚７００ｎｍ
非晶質シリコンｐ層：平均膜厚２０ｎｍ
非晶質シリコンｉ層：平均膜厚３００ｎｍ
非晶質シリコンｎ層：平均膜厚４０ｎｍ
中間コンタクト層９３：ＧＺＯ膜／平均膜厚５０ｎｍ
結晶質シリコンｐ層：平均膜厚３０ｎｍ
結晶質シリコンｉ層：平均膜厚２０００ｎｍ
結晶質シリコンｎ層：平均膜厚３０ｎｍ
第２透明電極層５：ＧＺＯ膜／平均膜厚１００ｎｍ
裏面電極層４：Ａｇ膜／平均膜厚３００ｎｍ
第２透明電極層５は、ＤＣスパッタリング装置を用い、ターゲット：ＧａドープＺｎＯ焼結体、減圧雰囲気：０．６７Ｐａ、放電ガス：アルゴン及び水蒸気、製膜温度：６０℃、で製膜した。製膜中の製膜室内の水蒸気分圧は０．１％〜０．９％となるよう、製膜室内の水蒸気分圧を測定して、適宜、適当量の水蒸気を導入した。
裏面電極層４は、ＤＣスパッタリング装置により、減圧雰囲気：０．６７Ｐａ、ターゲット：Ａｇ、放電ガス：アルゴン、製膜温度：約１３５℃にて製膜した。
参考例２
第２透明電極層５の製膜条件が異なる以外は、実施例２と同様にタンデム型太陽電池セルを作製した。
第２透明電極層５の製膜では、製膜前の製膜室内の水蒸気分圧を０．１〜０．３％とした後に、放電ガスとして水蒸気の替わりに、酸素（０．５体積％）を導入した。
参考例３
第２透明電極層５の製膜条件が異なる以外は、実施例２と同様にタンデム型太陽電池セルを作製した。
第２透明電極層５の製膜では、製膜前に製膜室内を２４時間真空引きして、製膜室内の水蒸気分圧を０．１％以下とした後に、放電ガスとして水蒸気の替わりに、酸素（１体積％）を導入した。
実施例２、参考例２及び参考例３について、短絡電流（Ｊｓｃ）、開放電圧（Ｖｏｃ）、形状因子（ＦＦ）、変換効率（Ｅｆｆ）、シリーズ抵抗（Ｒｓ）を測定した。
上記測定結果を、図８〜図１２に示す。図８において、横軸が水蒸気分圧、縦軸がＪｓｃである。図９において、横軸が水蒸気分圧、縦軸がＶｏｃである。図１０において、横軸が水蒸気分圧、縦軸がＦＦである。図１１において、横軸が水蒸気分圧、縦軸がＥｆｆである。図１２において、横軸が水蒸気分圧、縦軸がＲｓである。
実施例２、参考例２及び参考例３の短絡電流及び形状因子は、水蒸気分圧が０．６％を超えると大きく低下する傾向を示した。開放電圧では、水蒸気分圧に依存した顕著な変化はみられなかった。実施例２、参考例２及び参考例３の変換効率も水蒸気分圧が０．６％を超えると低下した。
また、実施例２、参考例２及び参考例３のシリーズ抵抗は、水蒸気分圧が０．６％を超えると増大する傾向を示した。
上記結果から、製膜室内の水蒸気分圧は０．６％以下が好ましいことがわかった。
図１３〜図１６に、図８及び図１０〜図１２の縦軸を拡大したグラフを示す。図１３によれば、０．６％以下の範囲で、水蒸気分圧を増加させると短絡電流が増加する傾向がみられた。また、実施例２、参考例２及び参考例３において、導入する酸素量が少ないほど、短絡電流が増加する傾向となった。特に、水蒸気分圧を０．５％に制御して作製した実施例２では、参考例３と比べて１．０４倍増加した。これは、短絡電流の改善としては大きな値である。
図１４によれば、０．６％以下の範囲で、水蒸気分圧を増加させることで、形状因子は低下する傾向を示した。一方、変換効率は増加した（図１５）。これは、短絡電流値が大きく改善されたことによると考えられる。
図１６によれば、０．６％以下の範囲では、水蒸気分圧を増加させても、シリーズ抵抗の増大を防止できることが示された。
上記結果から、本実施形態に従って製膜することで、透明性を有し、表面形状の平滑性が高く、低抵抗の第２透明電極層となることが確認された。
＜第２実施形態＞
第２透明電極層５及び裏面電極層４の形成条件が異なる以外は、第１実施形態と同様とする。
第２透明電極層５として、ＧＺＯ膜をスパッタリング装置により製膜する。製膜条件は、ターゲット：ＧａドープＺｎＯ焼結体、減圧雰囲気：０．６７Ｐａ、放電ガス：アルゴン、酸素（０．５体積％）、膜厚：５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、製膜温度：６０℃以下とされる。
裏面電極層４として、スパッタリング装置により、放電ガス：アルゴン、製膜温度：４０℃以上１１０℃以下、好ましくは６０℃以上１００℃以下にて、膜厚：２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下のＡｇ膜を製膜する。あるいは、裏面電極層４として、Ａｇ膜：２００〜５００ｎｍ、これを保護するものとして防食効果の高いＴｉ膜：１０〜２０ｎｍを順に積層して、Ａｇ膜／Ｔｉ膜の積層膜を形成しても良い。この場合は、基板側にＡｇ膜が設置される層構成とする。
Ａｇ膜を製膜後、窒素雰囲気にて温度：１６０℃〜２２０℃、処理時間：０．５時間〜２時間のアニール処理を行う。
（光学反射特性）
実施例３
ガラス基板上に、ＤＣスパッタリング装置を用いて０．５重量％ＧａドープＺｎＯ膜（ＧＺＯ膜）を製膜した。製膜条件は、ターゲット：ＧａドープＺｎＯ焼結体、製膜温度：６０℃、減圧雰囲気：０．６７Ｐａ、放電ガス：アルゴン及び酸素（０．５体積％）とした。製膜前に製膜室内を真空引きし、製膜室内の水蒸気分圧を０．２％とした。
ＧＺＯ膜の上に、裏面電極層４をＤＣスパッタリング装置により、減圧雰囲気：０．６７Ｐａ、ターゲット：Ａｇ、放電ガス：アルゴン、製膜温度：１００℃にて製膜した。製膜後、窒素雰囲気で４５分間、温度：１６０℃、１８０℃、２００℃、または２２０℃にてアニール処理した。
参考例４
裏面電極層４の製膜温度が異なる以外は、実施例３と同様に作製した。製膜温度は、１３５℃とした。
実施例３及び参考例４について、波長３００ｎｍ〜１５００ｎｍにおける反射率を測定した。実施例３と参考例４とは、ほぼ同等の反射率を示した。図１７に、実施例３の反射率を示す。図１７によれば、実施例３では、アニール処理温度が高いほど反射率が向上する傾向がみられた。
（太陽電池性能）
実施例４
ガラス基板１（１４０ｃｍ×１１０ｃｍ×板厚４ｍｍ）を用い、上記実施形態に従ってタンデム型太陽電池セルを作製した。
透明電極層２：酸化錫膜、平均膜厚７００ｎｍ
非晶質シリコンｐ層：平均膜厚２０ｎｍ
非晶質シリコンｉ層：平均膜厚３００ｎｍ
非晶質シリコンｎ層：平均膜厚４０ｎｍ
中間コンタクト層９３：ＧＺＯ膜／平均膜厚５０ｎｍ
結晶質シリコンｐ層：平均膜厚３０ｎｍ
結晶質シリコンｉ層：平均膜厚２０００ｎｍ
結晶質シリコンｎ層：平均膜厚３０ｎｍ
第２透明電極層５：ＧＺＯ膜／平均膜厚１００ｎｍ
裏面電極層４：Ａｇ膜／平均膜厚３００ｎｍ
第２透明電極層５は、ＤＣスパッタリング装置を用い、ターゲット：ＧａドープＺｎＯ焼結体、減圧雰囲気：０．６７Ｐａ、放電ガス：アルゴン及び酸素（０．５体積％）、製膜温度：６０℃で製膜した。製膜前に製膜室内を真空引きし、製膜室内の水蒸気分圧を０．２％とした。
裏面電極層４は、ＤＣスパッタリング装置により、減圧雰囲気：０．６７Ｐａ、ターゲット：Ａｇ、放電ガス：アルゴン、製膜温度：１００℃にて製膜した。製膜後、窒素雰囲気で４５分間、温度：１６０℃、１８０℃、２００℃、または２２０℃にてアニール処理した。
参考例５
裏面電極層の製膜温度が異なる以外は、実施例３と同様にタンデム型太陽電池セルを作製した。製膜温度は、１３５℃とした。
実施例４及び参考例５について、短絡電流（Ｊｓｃ）、開放電圧（Ｖｏｃ）、形状因子（ＦＦ）、変換効率（Ｅｆｆ）、シリーズ抵抗（Ｒｓ）を測定した。
上記測定結果を、図１８〜図２２に示す。図１８において、横軸がアニール温度、縦軸がＪｓｃである。図１９において、横軸がアニール温度、縦軸がＶｏｃである。図２０において、横軸がアニール温度、縦軸がＦＦである。図２１において、横軸がアニール温度、縦軸がＥｆｆである。図２２において、横軸がアニール温度、縦軸がＲｓである。
参考例５と比較して、短絡電流は、アニール温度によらず実施例４の方が高くなった。開放電圧及び形状因子は、参考例５ではアニール温度によらず一定となったが、実施例４ではアニール温度２００℃で極大を示した。また、実施例４の変換効率は、アニール温度２００℃で極大となった。アニール温度２００℃で作製した実施例４の変換効率は、同アニール温度で作製した参考例５と比較して、１．０６倍と高い値となった。
実施例４のシリーズ抵抗は、アニール温度２００℃で極小を示した。また、実施例４は、参考例５と比較してシリーズ抵抗のバラつきが小さかった。
＜第３実施形態＞
裏面電極層４の形成条件が異なる以外は、第１実施形態と同様とする。
本実施形態では、裏面電極層４として、スパッタリング装置により、放電ガス：アルゴン、製膜温度：４０℃以上１１０℃以下、好ましくは６０℃以上１００℃以下にて、膜厚：２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下のＡｇ膜を製膜する。あるいは、裏面電極層４として、Ａｇ膜：２００〜５００ｎｍ、これを保護するものとして防食効果の高いＴｉ膜：１０〜２０ｎｍを順に積層して、Ａｇ膜／Ｔｉ膜の積層膜を形成しても良い。この場合は、基板側にＡｇ膜が設置される層構成とする。
Ａｇ膜を製膜後、窒素雰囲気にて温度：１６０℃〜２２０℃、処理時間：０．５時間〜２時間のアニール処理を行う。
本実施形態によれば、適正温度でＡｇ膜を製膜することにより、Ａｇ粒子の粗大化を防止できるため、第２透明電極層５の表面形状にならった表面を有するＡｇ膜とすることができる。それによって、第２透明電極層５と、裏面電極層４との界面の平滑性の悪化を防止することができる。
また、適正温度で製膜されたＡｇ膜を適正温度でアニール処理することで、シリーズ抵抗のバラつきを低減させることができる。これによって、変換効率を安定的に向上させることができる。
第１実施形態〜第３実施形態では、太陽電池として、タンデム型太陽電池について説明したが、本発明は、この例に限定されるものではない。例えば、微結晶シリコンをはじめとする結晶質シリコン太陽電池、シリコンゲルマニウム太陽電池、シングル型太陽電池、また、トリプル型太陽電池などの他の種類の薄膜太陽電池にも同様に適用可能である。
第１実施形態〜第３実施形態に係る太陽電池における第２透明電極層５の裏面電極層４側表面の形状は、例えば、薬品を用いた化学的除去や剥離によって裏面電極層４を除去して第２透明電極層５を露出させ、ＡＦＭまたはＦＥＳＥＭを用いて観察することによって、確認することができる。
１ 基板
２ 第１透明電極層
３ 光電変換層
４ 裏面電極層
５ 第２透明電極層
６ 太陽電池モジュール
７ 発電セル
３１ 非晶質シリコンｐ層
３２ 非晶質シリコンｉ層
３３ 非晶質シリコンｎ層
４１ 結晶質シリコンｐ層
４２ 結晶質シリコンｉ層
４３ 結晶質シリコンｎ層
９１ 第１セル層
９２ 第２セル層
９３ 中間コンタクト層
１００ 光電変換装置

Claims (4)

  1. 基板上に、第１透明電極層と、光電変換層と、第２透明電極層と、金属膜からなる裏面電極層と、が順に積層される光電変換装置の製造方法であって、
    水蒸気分圧を０．６％以下に制御した製膜室内で、第２透明電極層を形成する光電変換装置の製造方法。
  2. 前記製膜室内の水蒸気分圧を低下させた後、前記製膜室内の水蒸気分圧が０．６％以下となるよう前記製膜室内に水蒸気を導入する請求項１に記載の光電変換装置の製造方法。
  3. 前記裏面電極層を、４０℃以上１１０℃以下で製膜した後、１６０℃以上２２０℃以下でアニール処理する請求項１または請求項２に記載の光電変換装置の製造方法。
  4. 基板上に、第１透明電極層と、光電変換層と、第２透明電極層と、金属膜からなる裏面電極層と、が順に積層される光電変換装置の製造方法であって、
    前記裏面電極層を、４０℃以上１１０℃以下で製膜した後、１６０℃以上２２０℃以下でアニール処理する光電変換装置の製造方法。
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