JP2012510722A - 可変厚さを有する透明導電性電極を備える太陽電池モジュール、及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 太陽電池モジュールの複雑さを著しく増加することなく、単純な製造方法を適用することにより太陽電池モジュールの効率を著しく改善すること。
【解決手段】 発明は直列の少なくとも二つの太陽電池（７、７’）を備える太陽電池モジュール（１）に関し、それぞれの矩形電池（７、７’）はそれぞれ第１の薄膜裏面電極（５、５’）と、前記裏面電極（５）と薄膜（４）で出来た透明導電性（ＴＣ）電極の間にある少なくとも二つの活性材料（３）を有する光起電力積層とを備え、前記ＴＣ電極（４、４’）は前記光起電力積層（３、３’）により発生した電流（１０、１０’）を収集及び伝達でき、前記二つの太陽電池（７、７’）は、前記第１の電池（７）の前記ＴＣ電極（４）と前記第２の電池（７’）の前記裏面電極（５’）の間にある電気接触ストリップ（６）により直列に電気接続される。発明によれば、前記電池（７）の前記ＴＣ電極（４）の局部的厚さ（ｅ）は前記電気接触ストリップ（６）までの距離の関数として変化する。発明はまた透明導電（ＴＣ）膜を堆積及びエッチングして単一モジュール（１）用の複数の電池（７、７’、７”・・・）を同時に製造する方法に関する。
【選択図】 図１
【解決手段】 発明は直列の少なくとも二つの太陽電池（７、７’）を備える太陽電池モジュール（１）に関し、それぞれの矩形電池（７、７’）はそれぞれ第１の薄膜裏面電極（５、５’）と、前記裏面電極（５）と薄膜（４）で出来た透明導電性（ＴＣ）電極の間にある少なくとも二つの活性材料（３）を有する光起電力積層とを備え、前記ＴＣ電極（４、４’）は前記光起電力積層（３、３’）により発生した電流（１０、１０’）を収集及び伝達でき、前記二つの太陽電池（７、７’）は、前記第１の電池（７）の前記ＴＣ電極（４）と前記第２の電池（７’）の前記裏面電極（５’）の間にある電気接触ストリップ（６）により直列に電気接続される。発明によれば、前記電池（７）の前記ＴＣ電極（４）の局部的厚さ（ｅ）は前記電気接触ストリップ（６）までの距離の関数として変化する。発明はまた透明導電（ＴＣ）膜を堆積及びエッチングして単一モジュール（１）用の複数の電池（７、７’、７”・・・）を同時に製造する方法に関する。
【選択図】 図１
Description
本発明は太陽電池の技術分野、より詳細にはこれらの太陽電池の必須要素である透明電極の分野に関する。
太陽電池への関心は、それらのエネルギー効率の改良により増大している。そのような太陽電池は、光エネルギー、例えば太陽エネルギーを吸収し、それを活性層間の電気化学的電位差から生じる電流に変換する活性材料の光起電力積層の使用に基づく。光起電力積層はバルク材料（結晶シリコン又は多結晶シリコンウエハ）内に、あるいは基板上に薄膜として堆積された材料により形成できる。電位差は材料のドーピング又は異なる材料の使用により生じる。太陽電池はまた、このように発生した電流を集め、それを電池の端まで横方向に搬送するために光起電力積層の両側に電極を備える。太陽電池モジュールはいくつかの太陽電池を直列及び／又は並列に接続することにより形成される。
金属電極は一般的に可視光に対して不透明である。しかしながら、透明かつ導電性で、光起電力積層の光放射にさらされる表面上に配置できる電極が開発されてきた。バルク材料の電池に対し、照明光源に対向するドープされた層（以下この層は「エミッタ」と呼ばれる）はほぼミリメートル程度の距離にわたり電荷キャリヤを横方向に搬送するのに十分な程度に導電性であることができる（例えば、それがドープされたバルク材料で出来ていれば）。その場合、電池の端までの残りの経路にわたり電流を搬送するために金属網状格子が使用される。薄膜に対し、ドープされた活性層がこの搬送を効率的に行う程度に導電性ではなく、透明かつ導電性の別の電極材料が必要であることが多い。これらの透明電極に使用される材料は詳細には金属酸化物（ＴＣＯ、透明導電性酸化物の略）であり、これらは、例えばフッ素でドープされた酸化錫（ＳｎＯ２：Ｆ）又はアルミでドープされた酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ａｌ）のような別の元素でドープされた典型的には金属酸化物である。もう一つの一般に使用されるＴＣＯは酸化インジウム錫（ＩＴＯ）であり、これは高導電性であり、表面粗さが小さく、従ってそれはフラットパネルディスプレーにとって興味深い。この小さい表面粗さは、入射光が電池に入射する前に支持基板を通過する「スーパーストレート」型太陽電池にとってＩＴＯをより興味のないものにする。実際、活性層と表面電極間の界面での表面粗さは光起電力材料内部の入射光子の散乱を改善し、従ってその吸収を改善することが望まれる。気相前駆体から堆積された活性薄膜は基板の形態に一致するように堆積される。従って、望まれる粗さは基板又はＴＣＯから生じなければならない。この状況における滑らかなＴＣＯの使用は基板がすでにテクスチャリングされた場合にのみ実用的である。一方、フッ素でドープされた酸化錫（ＳｎＯ２：Ｆ）はテクスチャリングされた堆積を生じる。アルミでドープされた酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ａｌ）は低圧化学気相蒸着（ＬＰＣＶＤ）により堆積されたときに粗く、スパッタリング堆積されたときに滑らかであるが、その粗さはエクスサイチューの化学プロセスにより増すことができる。
薄膜の積層により得られた太陽電池に対し、二つの型の構造が存在する。第１の型、「スーパーストレート」型の構造によれば、透明基板は太陽電池に対する窓として働く。この場合、透明電極は透明基板（例えばガラスシート）の上に透明導電性酸化物（ＴＣＯ）の薄膜として堆積される。光起電力積層と裏面電極は次いで既知の堆積方法に従って相次いで堆積される。第２の型、「サブストレート」型の構造によれば、金属電極が基板の上に堆積され（必ずしも透明ではない）、次いで光起電力材料の薄膜が上に堆積され、最後に透明電極が光起電力積層の上に堆積される。このように形成された電池は次いで封入される。
バルクの光起電力材料に基づく太陽電池において、この材料は基板として働き、金属電極が材料の裏面の上に堆積され、表面上のエミッタ（ドーパントの熱拡散又はイオン注入により作られる）はキャリヤの横方向搬送に関与する。外部電極までのキャリヤ用導電回路を完成するために金属グリッドが堆積される。ＨＩＴ（Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ
ｗｉｔｈ Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ Ｔｈｉｎ Ｌａｙｅｒ）電池は特殊な場合となる。なぜなら、それらはバルク材料を使用するが、ドープされた層が気相前駆体から堆積され、十分には導電性でないからである。従って、この型の電池は基板の上に堆積された薄膜に基づく電池の場合のように、キャリヤの横方向搬送のためのＴＣＯ膜を必要とする。さらに、バルクシリコン電池は反射防止膜としてＴＣＯ膜を使用することもできる。
ｗｉｔｈ Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ Ｔｈｉｎ Ｌａｙｅｒ）電池は特殊な場合となる。なぜなら、それらはバルク材料を使用するが、ドープされた層が気相前駆体から堆積され、十分には導電性でないからである。従って、この型の電池は基板の上に堆積された薄膜に基づく電池の場合のように、キャリヤの横方向搬送のためのＴＣＯ膜を必要とする。さらに、バルクシリコン電池は反射防止膜としてＴＣＯ膜を使用することもできる。
使用される電池の型が何であれ、太陽電池に入射するために、光は以下の二つの機能を満たさねばならない窓を通過する。すなわち、それは最大光束が通過できるように出来るだけ透明でなければならず、それは光電流が集められたときに抵抗損失を最小にするためにできるだけ導電性でなければならない。しかしながら、透明電極は金属電極のものよりより劣った電気特性をもつ。
透明電極による電流収集を増すために、単独で、あるいは金属グリッドと組み合わせて使用される透明導電性酸化物（ＴＣＯ）の薄膜を備える窓を使用する装置もある。そのような金属グリッドの使用は例えば特許文献１に述べられる。電流が最終的に抽出される接続部に近い電池領域において、グリッドのフィンガーが占める表面積は増加し、フィンガーはそこでは互いに接近し、かつ／あるいはより広い。グリッドのフィンガーが占める表面積はより重要になり、従って電池のより大きい表面積がフィンガーにより遮蔽されるが、横方向導電率の得られた増加は電池効率にとって明らかに有利である。
薄膜電池に対し、金属グリッドのないＴＣＯ膜のみを使用することが一般的である。一般に使用されるＴＣＯ材料とその厚さは例えば、ＳｎＯ２：Ｆ（８００ｎｍ）、ＺｎＯ：Ａｌ（６００ｎｍ）及びＩＴＯ（２００ｎｍ）である。ＺｎＯ：Ａｌは好ましくは太陽電池薄膜が水素リッチ条件でＴＣＯ膜の上に堆積される用途に使用される。なぜなら、このＴＣＯ膜は単独で堆積中にプラズマ内に生成される水素原子による還元に耐性があるからである。しかしながら、ＺｎＯ：Ａｌ層における吸収は、非特許文献１により述べられるように、ドーピング率の増加と共に長波長において増加し、従って、低吸収と低抵抗の制約は、材料特性自身の段階において相反する。この制約は、より厚い層がより大きい横方向導電性をもち、またより大きい吸収をもつという事実と関連する明白な制約に付加される。従って、太陽電池又は太陽電池モジュールの構造におけるこれら二つの特性間に妥協を見つけねばならない。
これらの欠点を避けようとする特定の構造が開発されてきた。特許文献２はＴＣＯ膜に電流収集金属グリッドを含めることを述べている。特許文献３は台形接触領域を用いて電極グリッドに電気接続された導電膜を備える太陽電池を述べている。
より詳細には、結晶シリコンウエハに基づく電池に対し、特許文献４は不変の厚さをもつが、金属グリッドの下にない領域が、金属グリッドの下に位置する領域より小さい光吸収係数をもつように、ＩＴＯの領域がグリッドの下に位置するかどうかに従って、酸素濃度が二つの値の間で変化するＩＴＯ膜の上に堆積された収集金属グリッドを備える太陽電池を述べている。この場合、エミッタはバルクで結晶の材料で出来ており、従って、横方向伝導に寄与する程度に導電性である。
太陽電池モジュールの製造におけるもう一つの決定的要素は電池間の相互接続部である。単一の電池は、その電極を介して電池内の二つのドープされた材料のフェルミ準位間の分離に近い電圧（〜１Ｖ以下）を、その表面積に比例する電流（１０〜３０ｍＡ／ｃｍ２）、従って比較的大きい電流（例えば直径２０ｃｍの電池に対して１０Ａ）を伴って供給する。そのような実施形態における電力は実際的観点から十分でなく、従ってより高い電圧を得るために、電池はモジュールを作るために直列に相互接続される。結晶シリコンウエハに基づくモノリシック電池に対し、各電池はウエハ全体からなる。その場合、太陽電池モジュールを形成するために直列接続は個々の電池それぞれから来る導体を一緒に接続することにより行われる。薄膜太陽電池モジュール（アモルファスシリコン、微結晶シリコン、アモルファス又は微結晶のシリコンとゲルマニウムの合金、カドミウム系合金、又は銅、インジウム、ガリウム及び硫黄合金で出来た吸収材料層を使用するもののような）に対し、電池間の相互接続部はマスキング、堆積及び／又はエッチングステップを通じて作られる。
多くの公表文献が種々の材料を用いたリフトオフ、露光又は充填（特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８）等の技術やレーザエッチングステップ（特許文献９、特許文献１０、特許文献１１）を用いる最適化された実施方法を述べている。他の文献は、電池が並列に接続されるモジュールを述べている（特許文献１２、特許文献１３、特許文献１４、特許文献１５）。
Berginski他、SPIE Photonics 2006
市販される薄膜太陽電池及び太陽電池モジュールは一般的に、その厚さ、透明度及び導電率が電池の表面積にわたり均一である高品質の透明導電性酸化物の膜を使用する。しかしながら、これらの電池の光起電力効率は最適ではない。相互接続部と、これらの相互接続部間の距離は、相互接続部内に電流が発生しないということを考慮に入れるように最適化される。この観点から、相互接続部間の距離は最大にされねばならない。一方、相互接続部間の大きい距離はＴＣＯ膜によるより大きい直列抵抗を生じる。均一なＴＣＯ膜の使用は従って相互接続部間の最適距離に対する唯一の解をもたらす。
本発明は均一なＴＣＯ膜の前提の枠外にある。それとは反対に、発明によれば、このＴＣＯ膜内の位置の関数として変化する最適ＴＣＯ特性が使用される。より詳細には、発明は直列の少なくとも二つの太陽電池を備える太陽電池モジュールに関し、それぞれの電池は形状が矩形であり、それぞれ薄膜裏面電極と、前記裏面電極と第２の薄膜透明導電性（ＴＣ）電極との間にある少なくとも二つの光起電力活性材料の積層とを備え、前記ＴＣ電極は前記光起電力積層により発生した電流を収集及び伝達でき、前記二つの太陽電池は、前記二つの電池に隣接するへりに沿って伸びて前記第１の電池の前記ＴＣ電極と前記第２の電池の前記裏面電極の間にある電気接触ストリップにより直列に電気接続される。発明によれば、前記電池の前記薄膜透明電極の局部的厚さは前記電気接触ストリップまでの距離の関数として変化する。
好都合には、薄膜透明電極の光電子特性は前記電気接触ストリップまでの距離の関数として変化する。
第１の実施形態によれば、電池の薄膜透明電極の局部的厚さ及び／又は光電子特性は前記薄膜透明電極の平面内の一方向に沿って接触ストリップから直線的に減少する。
第２の実施形態によれば、電池の薄膜透明電極の局部的厚さ及び／又は光電子特性は前記薄膜透明電極の平面内の一方向に沿って接触ストリップから非直線的に減少する。
好都合には、第１の電極は金属電極である。好都合には、ＴＣ電極の材料はフッ素でドープされた酸化錫（ＳｎＯ２：Ｆ）、アルミでドープされた酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ａｌ）、又は金属酸化物合金、例えば酸化インジウム錫（ＩＴＯ）の中から選択された透明導電性酸化物である。
ある実施形態によれば、発明の太陽電池モジュールは同じ基板の上に堆積された同一太陽電池列を備え、活性材料の光起電力積層はアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）（ドープされた又は真性の）を備える。
本発明はまた、幅ＬのＮ個の矩形太陽電池列を備える太陽電池モジュールを製造する種々の方法に関する。
第１の堆積方法によれば、太陽電池モジュールのＮ個の電池列の可変厚さの透明導電性薄膜は幅ＬのＮ個の鋸歯を備える半透明マスクを介してＴＣ材料の陰極スパッタリングにより基板の上に堆積され、それはスパッタリング中に鋸歯方向にマスクと基板の間に相対的並進を適用しながら行われる。
第２の堆積方法によれば、可変厚さの透明導電性薄膜は幅ＬのＮ個のスロット列と幅ＬのＮ個の遮蔽領域を備える二つのマスクを介してＴＣ材料の陰極スパッタリングにより堆積され、前記二つのマスクは二つの反対方向に逐次並進運動可能である。
もう一つの製造方法によれば、可変厚さの導電性薄膜は幅ＬのＮ個の鋸歯を備えるマスクを介して気体前駆体の熱分解（又は化学気相蒸着）により基板の上に堆積され、それは熱分解中に鋸歯方向に前記マスクと前記基板の間に相対的並進を適用しながら行われる。
もう一つの製造方法によれば、方法は透明導電性薄膜を均一に堆積するステップと、Ｎ個のエッチングタンクを備える容器の上縁に前記均一膜を当てることにより前記ＴＣ薄膜をウェットエッチングするステップとを含み、各タンクに対し、透明導電材料をエッチングできる液体を注入する手段及び排出する手段と、各タンク間にある遮液手段とを備える。この方法によれば、タンクの上縁は前記タンク内の液体の水平面に対して傾斜した平面を形成し、それにより、タンクを満たして徐々に排出することにより透明導電膜を不均一にエッチングすることができる。
なおもう一つの製造方法によれば、方法は透明導電性薄膜を均一に堆積するステップと、導電性薄膜をエッチングできる液体を注入及び排出する共通の手段と、各タンクから空気を放出する手段とを備えるＮ個のエッチングタンクを備える容器の上縁に前記均一膜を当てることにより前記薄膜をウェットエッチングするステップとを含む。この方法によれば、タンクの上縁は前記タンク内の液体の水平面に対して傾斜した平面を形成し、それにより、前記タンクから空気を徐々に放出することにより透明導電膜を不均一にエッチングできる。
なおもう一つの製造方法によれば、方法は透明導電性薄膜を堆積するステップと、前記導電性薄膜を、前記透明導電性薄膜により吸収される少なくとも一つの波長を含むレーザビームのような強力光ビームにさらすステップとを含む。
なおもう一つの製造方法によれば、方法は透明導電性薄膜に隣接するさらなる層を堆積するステップと、前記隣接層を、前記隣接層により吸収される少なくとも一つの波長を含むレーザビームのような強力光ビームにさらして前記隣接層により吸収されたエネルギーを前記透明導電性薄膜に伝達するステップとを含む。
この説明は非限定的例として与えられ、以下の添付図面を参照すれば、発明がどのように実施できるかをよりよく理解することを可能にするであろう。
本発明は直列の太陽電池を備える太陽電池モジュールに関し、それぞれの電池は薄膜の透明導電性（ＴＣ）電極を備える。発明はまた、そのような太陽電池モジュールのＴＣ膜を製造する種々の方法に関する。
本発明は第１に太陽電池モジュール用透明導電（ＴＣ）膜に関する。
単一の電池を備えるモジュールにおいて、導電ＴＣ膜は窓としても電極としても働く。直列に接続されたいくつかの電池を備える太陽電池モジュールにおいて、ＴＣ膜は次の電池の裏面電極上の接点に電気接続される。
表面接点材料は好ましくは透明導電性酸化物（ＴＣＯ）ではなく透明導電（ＴＣ）材料であるとして示される。なぜなら、それが酸化物であることは発明に本質的ではないからである。酸化物ではないＴＣ膜（例えば非常に薄い金属膜）も発明の特徴を活用するであろう。
図１Ａは本発明によるいくつかの太陽電池７、７’・・・を備える太陽電池モジュール１の断面図を示し、図１Ｂはこのモジュール１を上面図で模式的に示す。太陽電池７及び７’は、例においては同じ基板２の上に堆積され、互いに直列に電気接続されるとして示される。太陽電池７は基板２の上に堆積されたＴＣ材料の膜４と、ＴＣ膜４の上に堆積された光起電力材料の積層３と、金属電極５とを備える。電池は、電池７のＴＣ電極４と次の電池７’の金属裏面電極５’との間の電気接触ストリップ６により形成される相互接続部により互いに接続される。基板２はＸＹＺ座標系のＸＹ平面に位置する平坦基板である。図１Ｂは接触ストリップ６を透明で示し、そのようなストリップ６は電池７の全長Ｌ’にわたり伸びている。
図１Ａの太陽電池のＴＣ膜４はその表面積にわたり不均一な厚さを有する。より正確には、ＴＣ膜の厚さｅは相互接続部６において最大となり、この相互接続部までの距離ｄｘの関数として減少する。
ＴＣ膜４のこの構造は膜４の光学及び電気特性間の妥協を得ることを可能にする。実際、ＴＣ膜４の特性は図１Ａに模式的に示されるように、モジュール内の相互接続部に対する位置により変化する。相互接続部の近傍では、太陽電池モジュールにより発生して電池内の透明導電性電極により収集される（矢印で示される）電流（１０）は互いに加算され、ＴＣ膜の比較的大きい厚さはその導電率を増加する（又はその膜抵抗ＲＳを減少する）ことを可能にする。反対に、相互接続部から離れると、膜４の厚さが小さくなることにより流れる電流が少なくなり、その透明度が改善され、これは集光を最大化することを可能にする。この二重効果は図２に模式的に示される。図２はＴＣ膜の断面図を示し、その光学（吸収率α）及び電気（ＲＳ）特性は太陽電池の幅Ｌにわたり変化する。この図では、膜４の光電子特性は位置により変化する。透明導電性電極膜４の局部的厚さ及び／又は光電子特性の変化は導電率と透明度間の妥協を最適化することを可能にする。
本発明はまた、太陽電池モジュールのＴＣ膜の種々の実施形態に関し、モジュールの各電池のＴＣ膜は直列に接続された電池間の相互接続部の電気接触領域に対して不均一な厚さ及び／又は光電子特性を有する。
図３Ａ及び３ＢはＴＣ膜４の厚さのこの不均一の二つの実施形態を断面図で模式的に示す。第１の実施形態（図３Ａ）によれば、膜４の厚さ変化は各電池の相互接続点に対する膜厚の連続変化である。第１の実施形態において、ページ面に垂直な方向の厚さ変化は何ら利益をもたらさないが、存在するかもしれない。この第１の実施形態は図３Ｃに模式的に図解されるように、ＴＣ材料特性の連続変化に対応する。
第２の実施形態（図３Ｂ）によれば、膜４の厚さ変化は一定厚さの段差の徐々の又は不連続な変化である。この第２の実施形態において、ページ面に垂直な方向の厚さ変化は何ら利益を提供しないが、存在するかもしれない。この第２の実施形態は図３Ｄに模式的に図解されるように、ＴＣ材料特性の不連続変化に対応する。
ＴＣ膜の厚さ変化の他のプロファイルは太陽電池モジュールの特性を最適化するために好都合に使用できる。
本発明はまた、不均一厚さの太陽電池モジュールのＴＣ膜を製造する種々の方法に関する。述べられる方法はその本来の物理特性ではなく太陽電池ＴＣ膜の局部的厚さを修正することを目的とする。述べられる技術は例えばレーザエッチングにより電極を電気的に分離するさらなるステップの使用を排除しない。
太陽電池モジュールのＴＣ膜を製造する方法の第１のカテゴリは堆積方法に関する。
一般に使用される堆積技術はターゲット材料１１の基板２へのスパッタリングである。結晶又は多結晶シリコンウエハに基づく電池の場合、このウエハはＴＣ電極堆積用基板として働く。基板構成の薄膜電池の場合、ＴＣ膜は活性層の上に堆積され、活性層は基板の上に予め堆積される。
所望の厚さプロファイルを有するＴＣ膜を直接得ることを可能にする種々のスパッタリング法が提案される。
堆積中に基板２が移動可能な第１の連続スパッタリング法において、マスク８が使用され、その側面図が図４Ａに示される。マスクは太陽電池の幅Ｌに相当する二つの歯間の間隔を有する鋸歯形状を有する（図４Ｂ）。各歯の側面は、二つの電池間の分離を明確に定めるように平坦である。マスクは薄い金属で出来ていてもよく、歯の端部は自立していても（上面図、図４Ｂ）、サイドバー８’により支持されても（図４Ｅ）よく、これはマスクの剛性と寸法による。スパッタリング中に基板はＸ方向に並進移動可能であるので、表面は徐々に露出され、膜４は露出面の上にのみ堆積され、一方向に変化する厚さプロファイルが得られる。図４Ｃは三つの位置（ａ、ｂ及びｃ）、すなわち、工程の三つの瞬間に堆積された材料のプロファイル（ａ’、ｂ’及びｃ’）の断面図を示す。マスク８に対する基板の相対移動は好ましくは連続であり、従ってＴＣ膜４の厚さ変化は一方向にのみ存在する。連続移動により、マスクのパターンは堆積される膜の厚さとして再現され、直角三角形からなるパターンは厚さの直線変化を生じ（図３Ａ）、曲線からなるパターンは非直線変化を生じ、不連続パターンは、例えば図３Ｂに示されるように、不連続な厚さプロファイルを生じる。この方法は、マスクが並進移動可能な実施形態にも使用できる。
堆積中に基板が固定される第２の静止スパッタリング法において、図５Ｂに示されるような二つの相補マスク９及び９’を使用するもう一つのマスキング技術が提案される。各マスク９、９’は、その幅が太陽電池の幅Ｌに相当する開口と、同一の幅Ｌのマスキング領域とを備える。マスク９及び９’の表面は太陽電池モジュールの表面を覆う。マスク９及び９’は最初にマスク９及び９’の開口が互いに一致するように置かれる。ＴＣＯ膜４のスパッタリング中に、マスク９及び９’の開口が最早互いに重ならなくなるまで、第１のマスク９が一方向に移動される（シーケンス５Ｃ〜５Ｄ）。次いで、マスク９及び９’の開口が再び互いに一致するまで、第２のマスク９’が反対方向に移動される（シーケンス５Ｅ〜５Ｆ）。この方法はマスク９及び９’の移動方向に従って可変厚さのＴＣ膜４を作ることを可能にする。この方法において、マスクの変位速度は最終的に得られる膜の厚さプロファイルを定め、一定速度は直線プロファイルを生じ、可変速度は非直線プロファイルを生じ、停止は厚さ不連続性を有するプロファイルを生じる。
製造方法の第２のカテゴリは堆積後にＴＣ材料をエッチングする方法に関する。
いくつかのＴＣ膜をエッチング及びテクスチャリングする一般に使用される技術は水相化学処理である。例えば、ＨＣｌの希釈溶液（０．５％）の使用はＺｎＯを約６０Å／ｓのエッチング速度でエッチングする。水性混合物１８への露出時間はエッチング時間を定める。しかしながら、エッチングは溶液に露出された全表面にわたり概ね均一である。発明は同時にいくつかの太陽電池７を製造する、異なるエッチング容器を使用する二つのウェットエッチング法を提案し、そこでは、ＴＣ膜４は上に述べられたように電気接触領域又はストリップ６に対する可変厚さプロファイルを有する。
第１のエッチング容器１２が図６に模式的に示される。容器１２はタンク１３、１３’、１３”の列を備え、その数は太陽電池モジュールの電池の数に相当する。各タンク１３、１３’、１３”の上縁１４はタンクの水平底に対して傾斜した矩形を形成する。タンクの矩形開口は電池の表面に対応し、密封される。タンク１３、１３’、１３”は、あるタンクの上縁が次のタンクの下縁に対応するように互いに接続される（図７Ａ）。タンクの底は互いにずらされる（図７Ａ）。各タンクは、少なくとも二つの流体接続部、すなわち、タンクの底にある注入接続部１５及び排出接続部１６と、タンクの最上部にできるだけ近い排気接続部１７を有している。
図６の容器１２を使用する第１のウェットエッチング法は図７Ａ〜7Ｄに図解される。均一な厚さのＴＣ膜４が堆積された基板２が、基板の全周と各タンクの間に密封接触するように容器１２上に置かれる（図７Ａ〜図７Ｂ）。次いでタンク１３、１３’、１３”は同時に、徐々に水溶液１８で満たされる（図７Ｃ）。溶液１８が各タンクの下部に長い時間接触しているので、膜４のエッチングは各タンクの上部と反対にこの水準においてより重要である。これは各タンクから排気口１７を介して一定量の空気を排出することにより得ることができる。タンクが満たされる速度は水溶液に露出される表面の異なる点での相対エッチングを定め（図７Ｃ）、ＴＣのプロファイルを制御するのに使用できる。次いでタンクは同時に排出されて（図７Ｄ）、このように作られたテクスチャリング及びエッチングされた基板の取り外しが行えるようにする。タンク１３、１３’、１３”を同時に満たして排出することにより同じ基板２上のモジュールの各電池に対する同一のエッチングプロファイルを得ることが可能になる。
エッチング容器１２’の第２の構造が図８に示され、互いに接続されたタンク１３、１３’、１３”の列をやはり備える。タンクの縁１４を定める矩形周囲はタンクの底に対してやはり傾斜している。容器１２’は注入流体接続部１５を一つだけと排出接続部１６を一つだけ有し、各タンク１３、１３’、１３”は、各タンクの最上部にできるだけ近い排気入出口接続部１７を有する。
第１の部分に述べられたようなプロファイルを得るために、図８の容器１２’を使用する第２のウェットエッチング法が図９Ａ〜９Ｅに図解される。基板２と最初は均一な厚さのＴＣ膜４とを備える太陽電池モジュール１が、基板の周囲及び各タンク間で接合及び密封されるように容器１２’の縁１４上に置かれる。相互接続されたタンク１３、１３’、１３”は、注入接続部１５を介して水溶液１８により同時に満たされ（図９Ｂ）、しかしながら、各タンク内に閉じ込められた空気１９により満杯は防止され、これによりこのステップ中の膜４の表面の如何なる無制御エッチングをも防止する。閉じ込められた空気１９は同時かつ徐々に全てのタンクから排出され（図９Ｃ〜９Ｄ）、これは次いでエッチング溶液１８がＴＣ膜と接触してその表面をエッチングすることを可能にする。エッチング後、溶液は「排出管」を介して排出される（図９Ｄ）。従って、タンクが満たされて排出される速度は太陽電池モジュールの各電池のＴＣ膜の表面において局部的にエッチングされる材料の相対量を定め、従って、ＴＣの最終プロファイルを制御するのに使用できる。タンクを同時に満たして排出することにより同じ太陽電池モジュールの全ての電池に対する同一のエッチングプロファイルを得ることが可能になる。
発明による太陽電池透明導電性電極の構造はＴＣ膜４の電気接触領域または点６までの距離ｄｘの関数として変化する厚さ及び／又は光電子特性を有するＴＣ膜４を備える。この接触領域６は、ＴＣＯ膜４と、電池から電流を抽出する外部電極との間の接続部であっても、第１の電池７のＴＣＯ膜と、太陽電池モジュール１内の１番目の電池７と直列の第２の電池７’の金属電極との間の相互接続部であってもよい。厚さ及び／又は光電子特性の変化は、電流密度が低いＴＣＯ膜の光透明度を改善するように、また電流密度が高いＴＣＯ膜の導電特性を改善するように選ばれて太陽電池モジュールの総合効率を最適化する。
もう一つの製造方法によれば、可変光電子特性の透明導電性薄膜は、均一な光電子特性の透明導電性薄膜をＴＣ材料により吸収され易い波長を含むレーザビームに露出することにあるレーザアニーリング法により得ることができる。従って、ＴＣ膜の一定の領域の選択的露出は、露出時間及び／又はレーザビームの局部強度の関数として変化する光電子特性を有するＴＣ膜を得ることを可能にする。
この製造方法の代替実施形態によれば、方法は透明導電性薄膜に隣接する付加層を堆積するステップを含む。ここで使用される「隣接層」は透明導電性薄膜内に（サンドイッチに）堆積された層でも、透明導電性薄膜４と基板２の間に堆積された層か、あるいは透明導電性薄膜４と活性材料３の光起電力積層との間に堆積された層である。この代替実施形態によれば、隣接層により吸収される少なくとも一つの波長を含む強力レーザビームにこの隣接層を露出することにより隣接層により吸収されたエネルギーを前記透明導電膜に伝達して可変光電子特性を有するＴＣ膜を作ることが可能になる。
発明による太陽電池モジュールは種々の堆積及び／又はエッチング製造方法に従って作られてもよい。詳細には、発明は、同じモジュールのいくつかの電池を同時に製造することを可能にする透明導電（ＴＣ）膜の堆積方法と堆積後のエッチング方法を提案する。堆積方法は不均一な厚さの構造を生成するマスキングステップを含み、全てのタイプのＴＣＯに適している。エッチング方法は化学エッチングのステップを含み、特に太陽電池に応用するためのテクスチャリングを生成するエッチングステップも必要とするＴＣＯ（例えばマグネトロンスパッタリングによるＺｎＯ：Ａｌ）に適している。
本願に述べられた方法は比較的単純ではあるが、必ずしも発明による太陽電池モジュールの製造を可能にする唯一の方法ではない。
発明は太陽電池モジュールの複雑さを著しく増加することなく、単純な製造方法を適用することによりこれらのモジュールの効率を著しく改善することを可能にする。
発明による太陽電池モジュールの電池は均一なＴＣＯ膜を使用せず、それとは反対に、膜の位置と電池間の相互接続部までの距離の関数として変化するＴＣＯ膜の最適特性を使用する。
１ 太陽電池モジュール
２ 基板
３ 光起電力材料の積層
４ ＴＣ膜
５ 金属電極
６ 電気接触ストリップ
７ 電池
８ マスク
９ 相補マスク
１０ 電流
１１ ターゲット材料
１２ 容器
１３ タンク
１４ タンクの上縁
１５ 注入接続部
１６ 排出接続部
１７ 排気接続部
１８ エッチング溶液
１９ 閉じ込められた空気
２ 基板
３ 光起電力材料の積層
４ ＴＣ膜
５ 金属電極
６ 電気接触ストリップ
７ 電池
８ マスク
９ 相補マスク
１０ 電流
１１ ターゲット材料
１２ 容器
１３ タンク
１４ タンクの上縁
１５ 注入接続部
１６ 排出接続部
１７ 排気接続部
１８ エッチング溶液
１９ 閉じ込められた空気
Claims (13)
- 直列の少なくとも二つの太陽電池（７、７’）を備える太陽電池モジュール（１）において、それぞれの電池（７、７’）は形状が矩形であり、それぞれ
薄膜裏面電極（５、５’）と、
前記裏面電極（５、５’）と薄膜透明導電性（ＴＣ）電極（４、４’）との間にある少なくとも二つの光起電力活性材料の積層（３、３’）とを備え、
前記ＴＣ電極（４、４’）は前記光起電力積層（３、３’）により発生した電流（１０、１０’）を収集及び伝達でき、
前記二つの太陽電池（７、７’）は、前記二つの電池（７、７’）に隣接するへりに沿って伸びて前記第１の電池（７）の前記ＴＣ電極（４）と前記第２の電池（７’）の前記裏面電極（５’）の間にある電気接触ストリップ（６）により直列に電気接続されている
太陽電池モジュール（１）であって、
前記電池（７）の前記薄膜透明電極（４）の局部的厚さ（ｅ）は前記電気接触ストリップ（６）までの距離の関数として変化する
ことを特徴とする太陽電池モジュール（１）。 - 前記薄膜透明電極（４）の光電子特性は前記電気接触ストリップ（６）までの距離の関数として変化することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール（１）。
- 電池（７）の前記薄膜透明電極（４）の局部的厚さ（ｅ）及び／又は光電子特性は前記薄膜透明電極（４）の平面内の一方向（Ｘ）に沿って前記接触ストリップ（６）から直線的に減少することを特徴とする請求項１又は２の一つに記載の太陽電池モジュール（１）。
- 電池（７）の前記薄膜透明電極（４）の局部的厚さ（ｅ）及び／又は光電子特性は前記薄膜透明電極（４）の平面内の一方向（Ｘ）に沿って前記接触ストリップ（６）から非直線的に減少することを特徴とする請求項１又は２の一つに記載の太陽電池モジュール（１）。
- 前記ＴＣ電極（４）の材料はフッ素でドープされた酸化錫（ＳｎＯ２：Ｆ）、アルミでドープされた酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ａｌ）、又は金属酸化物合金（ＩＴＯ）から選択された透明導電性酸化物であることを特徴とする請求項１ないし４の一つに記載の太陽電池モジュール（１）。
- 同じ基板（２）の上に堆積された同一太陽電池（７、７’、７”・・・）列を備え、前記活性材料の光起電力積層（３、３’、３”・・・）はドープされた又は真性のアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）を備えることを特徴とする請求項１ないし５の一つに記載の太陽電池モジュール（１）。
- 可変厚さの前記透明導電性薄膜（４、４’、４”・・・）は幅ＬのＮ個の鋸歯を備えるマスク（８）を介してＴＣ材料の陰極スパッタリングにより基板の上に堆積され、それは前記スパッタリング中に鋸歯方向（Ｘ）に前記マスクと前記基板の間に相対的並進を適用しながら行われる
ことを特徴とする、幅ＬのＮ個の矩形太陽電池（７、７’、７”・・・）列を備える請求項１ないし６の一つに記載の太陽電池モジュール（１）を製造する方法。 - 可変厚さの前記透明導電性薄膜（４、４’、４”・・・）は幅ＬのＮ個のスロット列と幅ＬのＮ個の遮蔽領域を備える二つのマスク（９、９’）を介してＴＣ材料の陰極スパッタリングにより堆積され、前記マスク（９、９’）は二つの反対方向に逐次並進運動可能である
ことを特徴とする、幅ＬのＮ個の太陽電池（７、７’、７”・・・）列を備える請求項１ないし６の一つに記載の太陽電池モジュール（１）を製造する方法。 - 可変厚さの前記透明導電性薄膜（４、４’、４”・・・）は幅ＬのＮ個の鋸歯を備えるマスク（８）を介して気体前駆体の熱分解により基板（２）の上に堆積され、それは前記熱分解中に鋸歯方向（Ｘ）に前記マスクと前記基板の間に相対的並進を適用しながら行われる
ことを特徴とする、幅ＬのＮ個の矩形太陽電池（７、７’、７”・・・）列を備える請求項１ないし６の一つに記載の太陽電池モジュール（１）を製造する方法。 - 透明導電性（ＴＣ）薄膜を均一に堆積するステップと、Ｎ個のエッチングタンク（１３、１３’、１３”、１３’”）を備える容器（１２）の上縁（１４）に前記均一膜を当てることにより前記ＴＣ薄膜をウェットエッチングするステップとを含み、
各タンクに対し、前記透明導電材料をエッチングできる液体（１８）を満たす手段（１５）および排出する手段（１６）と、各タンク間にある遮液手段とを備え、
前記上縁（１４）は前記タンク（１３、１３’、１３”、１３’”）内の液体の水平面に対して傾斜した平面を形成し、それにより、前記タンクを満たして徐々に排出することにより前記透明導電膜（４）を不均一にエッチングすることができる
ことを特徴とする請求項１ないし６の一つに記載の太陽電池モジュール（１）を製造する方法。 - 透明導電性薄膜を均一に堆積するステップと、前記導電性材料をエッチングできる液体（１８）を満たして（１５）排出する（１６）共通の手段と、各タンクから空気を放出する手段（１７）とを備えるＮ個のエッチングタンク（１３、１３’、１３”、１３’”）を備える容器（１２’）の上縁（１４）に前記均一膜を当てることにより前記薄膜をウェットエッチングするステップとを含み、
前記上縁（１４）は前記タンク（１３、１３’、１３”、１３’”）内の前記液体（１８）の水平面に対して傾斜した平面を形成し、それにより、前記タンクから空気を徐々に放出する（１７）ことにより前記透明導電膜（４）を不均一にエッチングすることができる
ことを特徴とする請求項１ないし６の一つに記載の太陽電池モジュール（１）を製造する方法。 - 透明導電性薄膜を堆積するステップと、前記導電性薄膜を、前記透明導電性薄膜により吸収される少なくとも一つの波長を含むレーザビームのような強力光ビームにさらすステップとを含む
ことを特徴とする請求項１ないし６の一つに記載の太陽電池モジュール（１）を製造する方法。 - 前記透明導電性薄膜に隣接するさらなる層を堆積するステップと、前記隣接層を、前記隣接層により吸収される少なくとも一つの波長を含むレーザビームのような強力光ビームにさらして前記隣接層により吸収されたエネルギーを前記透明導電性薄膜（４）に伝達するステップとを含む
ことを特徴とする請求項１ないし６の一つに記載の太陽電池モジュール（１）を製造する方法。
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