JP2012256686A - 太陽電池および太陽電池が搭載された板 - Google Patents

Abstract

【課題】連続した鉄板またはガラスに形成した薄膜太陽電池はシリコン基板を使わないので、安価に製造できる。しかし、太陽電池セルを分離するとき接合面の端面が切断面に現れて、信頼性の特性を劣化させる。
【解決手段】連続した鉄板の基板またはガラスの基板の上に形成した太陽電池の構造に関する発明である。基板を含めて半導体ｐｎ接合を切断するとき、接合面が外に現れない構造にする。そのために、接合の端面を絶縁膜と接触させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、廉価に高性能かつ長期間維持可能な太陽電池製造技術に関し、特に、長期間に亘って性能劣化しない太陽電池に係る。

結晶シリコンのｐ型とｎ型の接合を作製した結晶シリコン太陽電池がある。これは安定であり発電効率も２０％を上回るものがある。

結晶シリコン太陽電池の仲間として、ポリシリコン太陽電池がある。これは単結晶シリコンでなく、製造が容易な多結晶のシリコンを使う。発電効率は１４〜１７％のものが現在得られている。

現在、結晶シリコン基板も多結晶シリコン基板も１５．６ｃｍ四角で３００円程度で購入可能である。結晶シリコンと多結晶シリコン太陽電池セルの発電効率の差があるので、相当した差が価格にあるが、６００円前後で取り引きされている。

従ってセルの価格のおおよそ半分がシリコン基板の値段である。基板を安価な材料で置き換えることが出来れば、当該セルの価格を下げられる。

安い基板、例えば、鉄板の上に多結晶を成長させると安価な太陽電池の基板になる。鉄板であれば、シリコン基板より大幅に安価であり、投機対象材料になれない。

また、基板がガラスであっても良い。ガラスも投機対象材料になれない。ガラスは但し、使用温度の上限が無アルカリガラスの場合７００℃、アルカリガラスの場合４００℃である。

太陽電池を安価に作製する方法として金属板にシリコン太陽電池を作製する発明が開示されている。（特許文献１参照）。これには、表面にＨＳＧというシリコン表面が鏡面でない膜を付けて光の吸収を改良する考えが示されている。

一方、凹凸をつけた金属基板の上にポリシリコンをＣＶＤで成長させる発明が開示されている（特許文献２参照）。

この発明は凹凸をつけた金属基板の上に加熱したシランガスを吹き付けてシリコンの結晶を成長させる発明である。凹凸は金属基板を屈曲させて、表面に錐構造を作製している。この錐構造はテクスチャリングの処理に相当していて、光の反射率を低め、進入した光の光路長を長くして、光の実質的吸収量を増やす発明である。

基板上に安価にポリシリコン膜を成長させる装置の発明がある（特許文献３参照）。シリコン蒸気からシリコン微粒子を生成させそれを減圧にした部屋に導きながら加速して基板に衝突させるとシリコン微粒子ができる。

この発明では連続した金属板への装置構造は開示してないが、基板を高温に加熱しなくてもポリシリコン成長を可能にさせる方法を開示した。基板が低温に保たれているので、基板がガラス板であっても良い。
この機構を用いて連続して金属板やガラス基板の上にシリコン多結晶を成長させると、金属板の上の太陽電池を連続製造することが可能である。

特開２００９−１１７７８３号公報 特開２０１０−１９２４７９号公報 特開２０１０−１４１０３０号公報

連続した金属板や大型ガラス基板上に半導体ｐｎ接合と透明導電膜を成長させると太陽電池の基本的なダイオードの標準構造ができる。これを、切断して太陽電池セルを作るとき、切断面（端面）にもこの構造が現れる。このｐｎ接合の端面は空気と触れていると、電流のリークパスとなり、また水分や汚れの浸入場所となり、ダイオード特性は維持できなくなり太陽電池を劣化させる。これが連続製造したｐｎ接合デバイスを切断したときの課題である。切断よるものでない場合でもｐｎ接合端面の大気露出は課題である。ｐｎ接合の端面を露出させないセル構造とセル切断方法が必要である。

本発明は、請求項１に記載のように、接合を形成する半導体膜と、絶縁膜、金属膜の材料を組み合わせた積層膜を基板面に形成してあって、当該接合の端面が当該絶縁膜に接触させてあることを特徴とする太陽電池である。

また、請求項２に係る発明は、前記絶縁膜の上で切断されて、切断された端面に前記絶縁膜が現れてあることを特徴とする請求項１記載の太陽電池である。

請求項３に係る発明は、前記基板に形成する半導体膜はゲルマニューム、シリコンを含む元素半導体膜、またはカーボン、ガリューム、カドミューム、亜鉛、銅、インジューム、チタン、イオウ、セレンいずれか、または複数を含む化合物半導体膜であることを特徴とする請求項１、２記載の太陽電池である。

請求項４に係る発明は、前記基板が金属板であって、タングステン、鉄、ニッケル、クロム、亜鉛、錫、チタン、アルミニューム、の元素を含む金属板かまたはこれらの積層構造の金属板であることを特徴とする請求項１〜３記載の太陽電池である。

請求項５に係る発明は前記半導体膜、前記絶縁膜、前記金属膜の少なくとも一つの膜は、塗布材料を島状パタンまたはリング状パタンで前記金属板の上に転写して、これを焼成した転写パタン膜であることを特徴とする請求項１〜４記載の太陽電池である。

請求項６に係る発明は前記転写パタン膜がシリコン、亜鉛、錫、インジューム、酸素、窒素、炭素、アルミニューム、銀の元素の少なくともいずれかを含む転写パタン膜であることを特徴とする請求項１〜５記載の太陽電池である。

請求項７に係る発明は前記金属板の厚みが０．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６記載の太陽電池である。

そして、請求項８に係る発明は前記太陽電池を複数枚並べた板である。

連続した金属板や大型のガラス板に薄膜半導体、例えばシリコン薄膜を積層した太陽電池を作製するとき、半導体の積層構造は金属板の切断面で不連続となり接合面の端面が切断面に露出する。

よって、請求項１、２、３に係る発明によれば、半導体の接合面の端面が外部に露出されないので、この領域で切断しても信頼性を劣化させない。即ち、安価に堅牢な金属板、例えば鉄板の上に地球上で最も豊富なシリコンの太陽電池の作製が可能である。また大型のガラス基板の上に太陽電池の作製が可能である。

請求項４から６に係る発明によれば、さまざまの材料を用いた鉄板上の太陽電池製造が可能となる。

また、請求項７と８に係る発明によれば、軽量で堅牢な鉄板上の太陽電池が可能となり適用場所を拡大できる。太陽電池の現状コストの１／３を占める据付工事費が、これにより安価になる。

さらに、これは堅牢であるため、屋根だけでなく外壁にも使用できる。また連続して金属板のロールから製造することを可能となるので、太陽電池の普及の障害である製造コストの障害が除かれ、自然エネルギーを利用したエネルギー利用を促進させる。

図1は、特開２００９−１１７７８３号公報に開示された従来の金属板上の太陽電池。 図２は、連続した鉄板太陽電池の断面模式図。 図３は、切断可能な領域を形成した連続鉄板太陽電池の断面模式図。 図４は、切断可能な領域を示す連続鉄板太陽電池の平面図。 図５は、切断可能な領域を形成した連続鉄板太陽電池の断面模式図。 図６は、塗布膜の転写方法の模式図。 図７は、分離のためのリング状塗布絶縁膜が分離されて配置された例。 図８は、切断可能な領域を形成したガラス基板太陽電池の断面模式図。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。ここで、まず課題を解決する方法の概要を含めて、再び図面を用いて詳説する。

図２に金属基板の上に作製した太陽電池（金属板太陽電池）の基本構造例の断面模式図を示す。

現在、鉄板やアルミニュームの缶に用いる金属薄板が安価に入手できる。缶に用いる金属板の厚さは０．２ｍｍ以下であり、最も標準的には０．１ｍｍの薄板が流通している。

需要によってはタングステン、ニッケル、クロム、亜鉛、錫、チタンの元素を含む金属板も使用可能である。この厚さの金属板は屈曲が容易でプレス機構で突起を作ること、孔をあけることが容易であり、加工しやすい。

半導体膜の層は、第１の導電型の半導体層２０１と第２の導電型の半導体層２０２があり、その上に透明導電膜２０３、反射防止膜層２０４がある。真性の半導体を挿入することがあるが、簡単のために真性の半導体層と電極層はこの図では示していない。

半導体の薄膜としてシリコンが一般的であり、アモルファスや結晶を用いることが可能である。塗布して、それを焼成してシリコン結晶のｐｎ接合をつくることも可能となっている。

課題は金属基板の切断面２０５にあり、連続した金属板太陽電池を切断してセルを作るとき、その接合面の端面が露出することであった。

基板を切断しないとき、例えば大型ガラス基板の上に半導体接合のセルを多数分離して作るときも、その接合端面を大気露出させることは避けなければならない。

図３にその解決方法の模式図を示す。金属板２００の上に第１導電型半導体層２０１を成長させる。説明を簡単にするためここでも真性層（ｉ型層）は示していない。その上に、リング状塗布絶縁膜３０２を転写してつける。その上に第２導電型半導体層２０２をつける。その上に透明導電膜２０３、反射防止膜層２０４をつける。

第１の導電型の半導体層２０１と第２の導電型の半導体層２０２の接合面の端３０１はリング状塗布絶縁膜３０２に接触している。

これを切断可能面３０５で切断する。図４に切断する場所をリング状塗布絶縁膜３０２の平面図を参照して示す。切断面には接合面の端３０１は現れない。このようにして構造課題は解決した。

接合を形成する第１、第２の導電型半導体層は具体的にはシリコンまたはゲルマニューム半導体膜であっても良い。またカーボン、ガリューム、カドミューム、亜鉛、銅、インジューム、チタン、イオウ、セレンいずれかを含む化合物半導体膜であっても良い。

当該絶縁膜３０２としては、転写可能なシリコン酸化膜を主成分とするスピンオンガラスを選べる。このほか転写可能な、例えば、窒素や炭素を含む塗布材料を選べる。

透明導電膜２０３は亜鉛や錫、インジューム、アルミニューム、酸素を含むＺｎＯ膜の塗布材料を選べる。
反射防止膜２０４はシリコンや炭素、窒素、酸素を含む転写可能な塗布材料を選べる。またそれは、ＣＶＤで成長させるＣＶＤ膜であっても良い。

次に、具体的に実施例を詳説する。

実施例１を図５に示す。図５は基板として連続鉄板を用いた太陽電池の断面模式図である。

鉄板５００の上に１Ｘ１０^１７／ｃｍ^３以上に高濃度にボロンドープしたｐ型シリコン結晶層５０１を大気から機密分離して常圧ＣＶＤ法で形成する。ボロンのドーピングガスはジボランである。ボロンは鉄と結合を作るので、ボロンドープは鉄の拡散を阻止する。鉄が当該層５０１に拡散しないように、チタンやチタンナイトライド、タングステン膜をつけた鉄板を用いても良い。

モノシランは６００℃以上で熱分解するので、ここでは鉄板の温度は７００℃以上を選ぶ。ＣＶＤの原料ガスとしてはモノシランを、キャリアーガスとして水素が選べる。モノシランの代わりに高次のシランやシクロペンタシランなどの液体シランも選べる。

大気に出さずに連続して、ｎ型シリコン結晶層を成長させる。ｎ型ドーピングにはホスフィン（ＰＨ３）をドーピングガスとして用いた。ｎ型ドーピング濃度はｐ型のそれより低くした。加熱した基板部分だけボロンとリンを相互拡散させｐ型化させるためである。この層は後の熱分離のための加熱工程で分離されたｎ型シリコン結晶層５０２、５０３に分かれる。

次にリング状塗布シリコン酸化膜５０４を形成する。シリコン酸化膜としては塗布材料であるスピンオンガラス（ＳＯＧ）を用いる。ＳＯＧは５００℃以上の加熱でよく焼成してシリコン酸化膜となる。

図６に当該塗布材料を形成する方法を示す。基板５００は、ここでは金属板である。転写するパタンの金型６０１の先に、塗布材料吸収材６０２があり（例えばスポンジである）、それに転写する塗布材料６０３を付着させてある。これを金属板５００に押し付けると塗布材料の転写ができる。

この場合、当該パタンはリング状であり、塗布材料はＳＯＧである。この方法でリング状塗布シリコン酸化膜５０４を形成する。次に透明導電膜を形成する。

図６に示した方法で島状塗布透明導電膜５０５、５０６を形成する。透明導電膜は塗布材料のＺｎＯである。この場合、前記パタンは島状である。次に反射防止膜２０４を成長させる。

反射防止膜はモノシランとアンモニアからＣＶＤの方法で成長させる方法がある。シリコンと炭素、酸素、窒素を含む塗布膜でも良い。塗布膜としては、加熱で硬化する市販材料がある（韓国のＡＰＭ社製の商品名ミラスピン）。ここではこれを連続塗布して３５０℃で加熱して用いた。

次にリング状塗布シリコン酸化膜５０４を加熱切断面５０９に沿って、レーザーで鉄板５００を加熱する。８００℃〜９００℃で加熱すると、ボロンが熱拡散し、拡散分離領域５０７が形成される。この結果、ｎ型シリコン結晶層は分離されて分離ｎ型シリコン結晶層５０２、５０３に分かれる。

接合面の端５０８が形成されてリング状塗布シリコン酸化膜５０４に接触する。リング状塗布シリコン酸化膜５０４の酸素はシリコンを酸化するのでシリコン酸化膜が界面に形成されて、接合面の端５０８は安定な酸化シリコンの薄い膜で覆われる。

加熱切断面５０９を出力を上げたレーザーで加熱切断すると、切断が完成する。以上は切断面５０９でセルが分離される例である。セルを分離して形成して鉄板とセルを分離することも可能である。

図７は分離リング状塗布絶縁膜が分離されて配置された例である。セル７００は分離リング状塗布絶縁膜７０２で分離され、分離リング状塗布絶縁膜７０２上の切断面７０１でレーザー分離される。

分離は機械的な金型切断やシャー切断でも良い。またそれらが加熱された刃物であっても良い。

以上説明した切断領域構造にはセル内部の転写可能な塗布材料である電極は示されてない。電極材料としては銀を主成分とする転写可能な塗布材料を用いる。

実施例２はガラス基板の太陽電池である。図８に切断可能領域を形成したガラス基板の太陽電池の断面模式図を示す。図６に示す方法でガラス基板８００に塗布材料の透明導電膜のパタン８０１を転写する。基板はガラス基板８００であり、塗布材料はアルミニュームをドープしたＺｎＯである。これを６００℃でアニールして抵抗を下げる。このパタンは魚の骨のように枝を持つ。

この上に、ｐ型シリコンの膜８０２を大気から機密分離して常圧ＣＶＤ法で、６５０℃の温度でモノシランから成長させる。１Ｘ１０^１７／ｃｍ^３以上に高濃度にボロンドープした。ボロンのドーピングガスはジボランである。

モノシランの代わりに高次のシランやシクロペンタシランなどの液体シランも選べる。

大気に出さずに連続して、ｎ型シリコン膜８０３を成長させる。ｎ型ドーピングにはホスフィン（ＰＨ３）をドーピングガスとして用いた。ｎ型ドーピング濃度はｐ型のそれより低くした。後にレーザーアニールで加熱して切断するとき、または小さなセルに分離するとき、加熱した部分だけボロンとリンを相互拡散させｐ型化させるためである。ｎ型膜８０３はこのｐ型膜により囲われて、その接合面の端面はこのあとの工程で転写する絶縁膜で終端される。

次にリング状塗布絶縁膜８０４，８０５を図６に示した方法で転写する。ここでは塗布絶縁膜はスピンオンガラス（ＳＯＧ）である。ＳＯＧは５００℃以上の加熱でよく焼成してシリコン酸化膜となる。ここでは７００℃を用いた。

この方法でリング状塗布絶縁膜８０４，８０５を形成した。絶縁膜８０４と８０５の間にリング状の隙間があり、この部分に塗布電極１（８０６）の材料が転写される。

図６に示した方法で透明導電膜８０７を形成する。透明導電膜は塗布材料のＺｎＯである。この場合、パタンは島状である。次に図６に示した方法で塗布絶縁膜８０８を転写する。この場合、塗布絶縁膜８０８はＳｉ，Ｃ、Ｏ，Ｎを含む有機材料の反射防止膜である（韓国ＡＰＭ社製ミラスピン）。焼成は３５０℃である。

塗布絶縁膜の転写パタンは塗布電極１（８０６）と塗布電極２（８０９）が接触すべきところには窓抜きしてあるパタンの設計とした。

次にリング状塗布絶縁膜８０４と８０５に沿ってレーザー光をあててアニールして、アニール領域をｐ型に変換する。ｎ型シリコン膜８０３とｐ型シリコン膜８０２の接合はリング状塗布絶縁膜８０５の下に終端していて外部に露出しない。ｎ型のシリコン膜はｐ型シリコン膜の海の中に浮いているダーオード構造となる。

塗布電極を図６に示した方法で転写する。塗布電極の材料は銀ペーストである。当該アニール領域であるリング状塗布絶縁膜８０４と８０５間の窓抜きリング状領域には塗布電極１（８０６）が電気接続する。この接続はｐ型シリコン膜８０２と接触する接続である。

塗布電極２（８０９）は透明導電膜８０７と接続するので、ｎ型シリコン膜との電気接続である。

このようにして、ガラス基板の片側にプラスとマイナスの電極が形成されたガラス基板太陽電池が形成された。

次にリング状塗布絶縁膜８０４の上でガラス基板をレーザーで切断する。切断面８１０はリング状塗布絶縁膜８０４の上にある。

以上で切断が完成した。

この実施例の構造では塗布絶縁膜が反射防止膜であるので電極側からも光が入ることが可能である構造が提供された。従って、図８に示した太陽電池は片面コンタクトの両面受光の太陽電池である。

本発明は、長期間に亘って高性能に稼動できる太陽電池を安価に製造する技術として好適である。

８ ｎ型ＨＳＧシリコン層
９ ｐ型シリコン層
１０ アルミ電極層
１１ 金属製基盤
２００ 金属板
２０１ 第１導電型半導体
２０２ 第２導電型半導体
２０３ 透明導電膜
２０４ 反射防止膜
２０５ 切断面
２０６ 接合面
３０１ 接合面の端
３０２ リング状塗布絶縁膜
３０３ 切断可能面
４０１，４０２ 切断面
５００ 基板
５０１ Ｐ型シリコン結晶層
５０２，５０３ 分離ｎ型シリコン結晶層
５０４ リング状塗布シリコン酸化膜
５０５，５０６ 島状塗布透明導電膜
５０７ 拡散分離領域
５０８ 接合面の端
５０９ 加熱切断面
６０１ 転写するパタンの金型
６０２ 塗布材料吸収材
６０３ 転写する塗布材料
７００ セル
７０１ 切断面
７０２ 分離リング状塗布絶縁膜
８００ ガラス基板
８０１ 透明導電膜のパタン
８０２ ｐ型シリコン膜
８０３ ｎ型シリコン膜
８０４ リング状塗布絶縁膜
８０５ リング状塗布絶縁膜
８０６ 塗布電極１
８０７ 透明導電膜
８０８ 塗布絶縁膜
８０９ 塗布電極２
８１０ 切断面

Claims (8)

1. 接合を形成する半導体膜と、絶縁膜、金属膜の材料を組み合わせた積層膜を基板面に形成してあって、当該接合の端面が当該絶縁膜に接触させてあることを特徴とする太陽電池。
2. 前記絶縁膜の上で切断されて、切断された端面に前記絶縁膜が現れてあることを特徴とする請求項１記載の太陽電池。
3. 前記基板に形成する半導体膜はゲルマニューム、シリコンを含む元素半導体膜、またはカーボン、ガリューム、カドミューム、亜鉛、銅、インジューム、チタン、イオウ、セレンいずれか、または複数を含む化合物半導体膜であることを特徴とする請求項１、２記載の太陽電池。
4. 前記基板が金属板であって、タングステン、鉄、ニッケル、クロム、亜鉛、錫、チタン、アルミニューム、の元素を含む金属板かまたはこれらの積層構造の金属板であることを特徴とする請求項１〜３記載の太陽電池。
5. 前記半導体膜、前記絶縁膜、前記金属膜の少なくとも一つの膜は、塗布材料を島状パタンまたはリング状パタンで前記金属板の上に転写して、これを焼成した転写パタン膜であることを特徴とする請求項１〜４記載の太陽電池。
6. 前記転写パタン膜がシリコン、亜鉛、錫、酸素、窒素、インジューム、炭素、アルミニューム、銀の元素の少なくともいずれかを含む転写パタン膜であることを特徴とする請求項１〜５記載の太陽電池。
7. 前記金属板の厚みが０．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６記載の太陽電池。
8. 前記太陽電池を複数枚並べた板。