JP2013009016A - 集積型薄膜素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造歩留りおよびスループットの向上が可能な集積型薄膜素子の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板の一表面に多孔質半導体層を形成する工程と、前記多孔質半導体層上に半導体層を形成し、前記半導体層に複数の薄膜素子を形成する工程と、前記複数の薄膜素子を、前記多孔質半導体層を利用して前記半導体基板から剥離する工程と、剥離された前記複数の薄膜素子の裏面側に接着層を介して裏面保護フィルムを接着させる工程と、前記半導体層のレーザエッチングにより、前記複数の薄膜素子の間にエッチング溝を形成する工程と、前記エッチング溝を利用した前記半導体層の劈開により素子分離溝を形成すると共に、前記複数の薄膜素子を前記劈開の前後を通じて前記裏面保護フィルム上の同一の位置に保持する工程とを含む集積型薄膜素子の製造方法。
【選択図】図１１

Description

本発明は、太陽電池素子などの薄膜素子を支持基板に集積化してなる集積型薄膜素子およびその製造方法に関し、特に、集積型薄膜単結晶シリコン太陽電池の製造に好適な集積型薄膜素子およびその製造方法に関する。

従来より、プラスチックフィルムのような可撓性を有する支持基板上に薄膜単結晶シリコン太陽電池素子を製造するための好適な方法として、以下のような方法が知られている（例えば特開平８−２１３６４５号公報，特開平１０−１３５５００号公報）。まず、単結晶シリコン基板上に分離層として多孔質シリコン層を形成する。そして、この多孔質シリコン層上に太陽電池素子となる薄膜単結晶シリコンよりなる半導体層を成長させ、その後、この半導体層上に接着剤を用いて薄いプラスチックフィルムを接着させる。次いで、例えばプラスチックフィルムとシリコン基板との間に引張り応力をかけることにより、多孔質シリコン層を分離層として太陽電池素子をシリコン基板から剥離する。こうして、柔軟なプラスチックフィルムに転写された太陽電池素子を得ることができる。

太陽電池は通常、数個あるいは数十個の太陽電池素子を直列に接続した集積型太陽電池の形で使用される。上記のようなプラスチックフィルムに転写された太陽電池素子を備えた集積型太陽電池は、例えば、以下のような方法で製造することができる。まず、多孔質シリコン層上に形成された半導体層内にｐｎ接合を形成する。その後、レーザエッチング、例えばレーザアブレージョン（laser ablazion）により半導体層をエッチングして分割し、各太陽電池素子（セル）を分離する。分離された各太陽電池素子は、電極を介して互いに電気的に接続される。その後、上述のようにプラスチックフィルムを接着し、太陽電池素子をシリコン基板から剥離してプラスチックフィルムに転写する。

特開平８−２１３６４５号公報 特開平１０−１３５５００号公報

しかしながら、この方法においては、レーザアブレージョンにより半導体層をエッチングする際に、エッチングが多孔質シリコン層まで進むと太陽電池素子がシリコン基板から剥離してしまう虞がある。

そこで、太陽電池素子をプラスチックフィルムに転写した後にレーザアブレーションを行うことが考えられる。この場合、レーザアブレージョンは、太陽電池素子のプラスチックフィルムに覆われた表面側から行ってもよいし、プラスチックフィルムに覆われていない裏面側から行ってもよいが、前者の場合にはプラスチックフィルムと薄膜太陽電池とをレーザアブレージョンする必要があり、太陽電池素子の分離に長い時間を要するという問題がある。一方、後者の場合には、分離すべき位置が裏面からは不鮮明なので、正確な分離が困難であり、セル分離に要する面積が増加するという問題があった。

また、集積型太陽電池においては、その一部が陰になった場合、その部分に大きな逆バイアスが印加されて集積型太陽電池が損傷する虞がある。さらに、素子の分離が確実に行われていない場合には変換効率が低く、室内光などの低エネルギーの光入射では使用できないという問題も有していた。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、製造工程における歩留りおよびスループットを向上させることができる集積型薄膜素子およびその製造方法を提供することにある。

本発明の第２の目的は、集積型太陽電池に適用した場合において、セルの分離を完全にし、変換効率を高めることができる集積型薄膜素子およびその製造方法を提供することにある。

本発明の第３の目的は、集積型太陽電池に適用した場合において、太陽電池の一部が陰になっても逆バイアスの印加による太陽電池の損傷を防止することができる集積型薄膜素子およびその製造方法を提供することにある。

本発明による集積型薄膜素子は、半導体層に形成されるとともに少なくとも一方向に配列された複数の薄膜素子と、複数の薄膜素子を電気的に分離するために、半導体層の劈開性を利用して形成された素子分離溝とを有するものである。

本発明による集積型薄膜素子の製造方法は、半導体層に形成されるとともに少なくとも一方向に配列された複数の薄膜素子を有する集積型薄膜素子を製造するためのものであって、複数の薄膜素子を電気的に分離するための素子分離溝を、半導体層の劈開性を利用して形成するものである。

本発明による集積型薄膜素子の製造方法は、具体的には、半導体基板の一面を多孔質化することにより多孔質半導体層を形成する工程と、この多孔質半導体層上に半導体層を形成し、半導体層に複数の薄膜素子を形成する工程と、複数の薄膜素子を、多孔質層を利用して半導体基板から剥離する工程と、剥離された複数の薄膜素子の裏面側に接着層を介して裏面保護フィルムを接着させる工程と、半導体層のレーザエッチングにより、複数の薄膜素子の間にエッチング溝を形成する工程と、エッチング溝を利用した半導体層の劈開により、複数の薄膜素子を電気的に分離するための素子分離溝を形成する工程とを含むものである。

本発明による他の集積型薄膜素子の製造方法は、半導体基板の一面を多孔質化することにより多孔質半導体層を形成する工程と、この多孔質半導体層上に半導体層を形成し、半導体層に複数の薄膜素子を形成する工程と、半導体層のレーザエッチングにより、複数の薄膜素子の間にエッチング溝を形成する工程と、エッチング溝を利用した半導体層の劈開により、複数の薄膜素子を電気的に分離するための素子分離溝を形成する工程と、複数の薄膜素子を、多孔質層を利用して半導体基板から剥離する工程と、剥離された複数の薄膜素子の裏面側に接着層を介して裏面保護フィルムを接着させる工程とを含むものである。

本発明による集積型薄膜素子では、隣接する薄膜素子を電気的に分離するために、半導体層の劈開性を利用して形成された素子分離溝を設けるようにしたので、素子分離溝を容易に精度良く形成することができる。したがって、集積型太陽電池などの集積型薄膜素子の製造工程における歩留りおよびスループットを向上させることができる。

本発明による集積型薄膜素子の製造方法では、レーザエッチングによるエッチング溝を利用した半導体層の劈開により複数の薄膜素子を電気的に分離するための素子分離溝が形成される。

以上説明したように請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の集積型薄膜素子、または、請求項９ないし請求項２９のいずれか１項に記載の集積型薄膜素子の製造方法によれば、半導体層に設けられた複数の薄膜素子を電気的に分離するために、半導体層の劈開性を利用して素子分離溝を設けるようにしたので、素子分離溝を容易に精度良く形成することができる。したがって、集積型薄膜素子の製造における歩留りおよびスループットを著しく向上させることが可能となる。

特に、請求項７記載の集積型薄膜素子によれば、素子分離溝に耐熱性絶縁体を充填することにより絶縁層を設けるようにしたので、素子間の分離が完全に行われる。したがって、集積型太陽電池に適用した場合、変換効率が向上し、室内光のような低エネルギーの光入射でも使用可能となる。

また、特に、請求項８記載の集積型薄膜素子によれば、素子分離溝に、太陽電池素子の分離を妨げない程度の導電性を有する物質を充填することによりバイパス抵抗層を設けるようにしたので、集積型太陽電池の損傷を防ぐためのバイパス抵抗を簡単な工程で形成することができる。

加えて、特に、請求項１５または２５記載の集積型薄膜素子の製造方法によれば、複数の薄膜素子を半導体基板から剥離する際に、第１の温度範囲内の温度で粘着性を有するが加熱により第２の温度で接着力が実質的に零となる粘着シートを用いるようにしたので、裏面保護フィルムを第２の温度で太陽電池素子の裏面側に接着させると同時に粘着シートを剥離し、その後、半導体層のみをレーザエッチングすることができる。したがって、エッチング溝を短時間で精度よく形成することができ、これにより製造の歩留りが向上する。また、裏面保護フィルムや表面保護フィルムとして柔軟性を有するフィルムや薄いフィルムを用いることができ、集積型太陽電池の軽量化、柔軟性向上が実現できる。

本発明の第１の実施の形態に係る集積型太陽電池の構成の一例を説明するための断面図である。 図１に示した集積型太陽電池の製造方法の一例を説明するための断面図である。 図２に続く製造工程を表す断面図である。 図３に続く製造工程を表す断面図である。 図４に続く製造工程を表す断面図である。 図５に続く製造工程を表す断面図である。 図６に続く製造工程を表す断面図である。 図７に続く製造工程を表す断面図である。 図８に続く製造工程を表す断面図である。 図９に続く製造工程を表す断面図である。 図１０に続く製造工程を表す断面図である。 図１１に続く製造工程を表す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る集積型太陽電池の製造方法の一例を説明するための断面図である。 図１３に続く製造工程を表す断面図である。 図１４に続く製造工程を表す断面図である。 図１５に続く製造工程を表す断面図である。 図１６に続く製造工程を表す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る集積型太陽電池の構成の一例を説明するための断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る集積型太陽電池の構成の一例を説明するための断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る集積型薄膜素子の構成の一例を表すものである。図１に示した集積型薄膜素子は、具体的には、薄膜単結晶シリコン太陽電池素子を多数集積してなる集積型太陽電池である。

この集積型太陽電池は、半導体層１１に形成された複数の太陽電池素子１０が少なくとも一方向に配列されることにより構成されている。各太陽電池素子１０は、素子分離溝１７によって隣接する太陽電池素子１０と電気的に分離されている。素子分離溝１７は、後述するように、半導体層１１の劈開性を利用して形成されたものであり、具体的にはレーザエッチング、好ましくはレーザアブレーションと、シリコン劈開とにより形成されるものである。隣接する太陽電池素子１０同士はコンタクト電極１８により電気的に接続されている。

これらの太陽電池素子１０の表面側は、例えば透明で柔軟性を有する薄いプラスチックフィルムからなる連続した共通の表面保護フィルム３１で覆われている。この表面保護フィルム３１は、柔軟性を有する透明のプラスチック材料、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ），フッ素樹脂あるいはポリカーボネートにより形成されている。

太陽電池素子１０の裏面側には、例えば柔軟性を有する薄いプラスチックフィルムからなる連続した共通の裏面保護フィルム２１が配設されている。この裏面保護フィルム２１の一面には、連続した共通の反射板２３が形成されている。反射板２３は、スパッタリングまたは蒸着法などにより形成され、例えばアルミニウム（Ａｌ）または銀（Ａｇ）から構成されている。反射板２３は、各太陽電池素子１０を透過してきた光、特に透過しやすい長波長の光を反射し、太陽電池素子１０への入射光量を増加させるようになっている。

裏面保護フィルム２１と太陽電池素子１０とは接着層２２により接着されている。また、表面保護フィルム３１と太陽電池素子１０とは接着層３２により接着されている。これら接着層２２，３２は、エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）、紫外線硬化樹脂あるいはフロロプラスチック（ＴＨＶ）などによりそれぞれ構成されている。

太陽電池素子１０は、例えば厚さ１〜５０μｍ程度の半導体層１１に形成されている。半導体層１１は、例えば、ホウ素（Ｂ）などのｐ型不純物を１×１０¹⁵〜１×１０¹⁸atoms ／ｃｍ³ 含む厚さ１〜４９μｍのｐ型単結晶シリコン層である。半導体層１１の表面保護フィルム３１の側には、例えば、厚さが０．０５〜１μｍ程度であり、リン（Ｐ）などのｎ型不純物を高濃度（１×１０¹⁹atoms ／ｃｍ³ 程度）に含むｎ型層１２が設けられており、これによりｐｎ接合が形成されている。

半導体層１１の表面側には反射防止膜１３が設けられている。反射防止膜１３は、例えば、厚さ６０ｎｍ程度の酸化チタン（ＴｉＯ２ ）により構成されており、半導体層１１の表面（特にｎ型層１２の表面）において光が反射されることを防止するようになっている。反射防止膜１３には、ｎ型層１２に対応して開口が形成されている。ｎ型層１２にはこの開口を介して例えば銀（Ａｇ）よりなる陰極１４が電気的に接続されている。また、反射防止膜１３には、半導体層１１に対応して開口が形成されている。半導体層１１にはこの開口を介して例えばアルミニウムからなる陽極１５が電気的に接続されている。

各太陽電池素子１０の陰極１４と隣接する太陽電池素子１０の陽極１５とは、コンタクト電極１８により電気的に接続されている。コンタクト電極１８は、例えば低温銀ペーストまたは半田により形成されている。また、両端に配置された太陽電池素子１０のコンタクト電極１８には、それぞれ引き出し電極３３が接続され、これら引き出し電極３３によって複数の太陽電池素子１０から生じた起電力が取り出されるようになっている。引き出し電極３３は、例えば銅（Ｃｕ）線により形成されている。

この集積型太陽電池では、光が照射されると、一部の光が表面保護フィルム３１を透過して太陽電池素子１０に入り、吸収される。また、太陽電池素子１０を透過した光の一部は、反射板２３において反射し、再び太陽電池素子１０に入り、吸収される。光が吸収されたｎ型層１２およびｐ型半導体層１１では、電子−正孔対が発生する。半導体層１１において発生した電子は電界に引かれてｎ型層１２に入り、ｎ型層１２において発生した正孔は電界に引かれて半導体層１１に入る。これにより、入射光量に比例する電流が発生し、引き出し電極３３から取り出される。

次に、図２ないし図１２および先の図１を参照して、この集積型太陽電池の製造方法について説明する。

まず、図２に示したように、複数の太陽電池素子１０を形成するための半導体基板として、例えばシリコン基板４１を用意する。シリコン基板４１としては、例えば、ホウ素などのｐ型不純物を添加した０．０１〜０．０２Ω・ｃｍ程度の比抵抗を有する単結晶シリコンを用いる。次いで、図３に示したように、シリコン基板４１の一表面に、例えば陽極化成法により、多孔質半導体層として、例えば多孔質シリコン層４２を形成する。

なお、この陽極化成法は、シリコン基板４１を陽極としてフッ化水素酸溶液中で通電を行う方法であり、例えば伊東等による「表面技術Vol.46.No.5.p8〜13,1995 [多孔質シリコンの陽極化成] 」に示された２重セル法により行うことができる。この方法では、２つの電解溶液槽の間に多孔質シリコン層４２を形成すべきシリコン基板４１を配置し、両方の電解溶液槽には直流電源と接続された白金電極を設置する。そして、両電解溶液槽に電解溶液を入れ、シリコン基板４１を陽極、白金電極を陰極として直流電圧を印加する。これによりシリコン基板４１の一方の面が浸食されて多孔質化する。

ここでは、例えば、電解溶液（陽極化成溶液）として例えばＨＦ（フッ化水素） :Ｃ２ Ｈ５ ＯＨ（エタノール）＝１：１の電解溶液を用い、例えば０．５〜３ｍＡ／ｃｍ² 程度の電流密度で８分間、第１段階の陽極化成を行うことにより多孔率が小さな第１の多孔質層を形成する。続いて、例えば３〜２０ｍＡ／ｃｍ² の電流密度で８分間、第２段階の陽極化成を行うことにより多孔率が中程度の第２の多孔質層を形成する。更に、例えば４０〜３００ｍＡ／ｃｍ² の電流密度で数秒間、第３段階の陽極化成を行うことにより多孔率が大きな第３の多孔質層を形成する。ちなみに、この第３の多孔質層は、後述する分離層４２Ａ（図４）の元となるものである。これにより、合わせて約８μｍの厚さを有する多孔質シリコン層４２が形成される。

なお、シリコン基板４１としては、陽極化成法により多孔質シリコン層４２を形成する観点からは、ｐ型の単結晶シリコン基板を用いることが望ましいが、条件設定によってはｎ型の単結晶シリコン基板を用いるようにしてもよい。

続いて、多孔質シリコン層４２の上に太陽電池素子１０を形成する。すなわち、まず、例えば１１００℃の温度で３０分間水素アニールを行い、多孔質シリコン層４２の表面に存在する穴を塞ぐ。そののち、図４に示したように、例えば、多孔質シリコン層４２上に、ＳｉＨ４ またはＳｉＣｌ４ 等のガスを用いてｐ型単結晶シリコンからなる半導体層１１を数μｍ〜数十μｍの厚みにエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長させる際の成長温度は、ＳｉＨ４ を用いた場合には例えば１０７０℃とし、ＳｉＣｌ４ を用いた場合には例えば１１４０℃とする。

このように水素アニールとエピタキシャル成長とを行っている間に、多孔質シリコン層４２中のシリコン原子が移動し再配列される結果、多孔質シリコン層４２中の多孔率が大きかった部分が更に大きく変化し、引っ張り強度が最も弱い層すなわち分離層４２Ａが形成される。但し、この分離層４２Ａは、多孔質シリコン層４２の上に太陽電池素子１０を形成している間において、半導体層１１が部分的にあるいは全面的にシリコン基板４１から剥がれない程度の引っ張り強度は十分有している。

次いで、図５に示したように、例えばイオン注入により半導体層１１にリンなどのｎ型不純物を高濃度に導入し、厚さ０．０２〜１μｍ程度のｎ型層１２を形成し、これによりｐｎ接合を形成する。

続いて、図６に示したように、半導体層１１上に例えばスパッタリングにより酸化チタンよりなる反射防止膜１３を形成し、この反射防止膜１３を選択的に除去して開口を形成する。そののち、反射防止膜１３に形成された開口に、例えばスクリーン印刷により、銀（Ａｇ）ペーストよりなる陰極１４およびアルミニウム（Ａｌ）ペーストよりなる陽極１５をそれぞれ形成する。なお、アルミニウムペーストには半田が付かないので、陽極１５上には、図示しないが、半田付け用の銀ペーストを印刷することが好ましい。

このようにして太陽電池素子１０を形成したのち、図７に示したように、太陽電池素子１０の表面側に、粘着シート５１を接着させる。この粘着シート５１は、基材と、この基材の表面に形成された粘着層とによって構成されており、室温からある温度（第１の温度）では粘着性を有するが、温度が高くなり特定の温度（第２の温度）になると粘着性がなくなるものである。基材は、例えば、ＰＥＴ（Polyethylene Terephthalate；ポリエチレンテレフタレート）のようなプラスチックからなるフィルム、ステンレス鋼（ＳＵＳ）のような金属薄膜、または繊維からなる不織布である。粘着層には、粘着剤と、加熱により発泡する発泡剤とが含まれている。

粘着シート５１としては、室温からある温度まで、具体的には約２０℃〜約８０℃の範囲内の温度では十分な粘着力を有すると共に、加熱により特定の温度、例えば約９０℃，１２０℃，１５０℃あるいは１７０℃に達すると、粘着層中の発泡剤が発泡してその表面に凹凸が生じ、これにより接着面積が低下して接着力が実質的に零になることで、引張応力を加えなくとも太陽電池素子１０から剥離できるものが好適である。このような粘着シートとして、例えば、日東電工株式会社製の「リバアルファ」または「リバクリーン」を用いることができる。

粘着シート５１の接着の後に、図８（Ａ），（Ｂ）に示したように、太陽電池素子１０を、分離層４２Ａにおいてシリコン基板４１から剥離する。この剥離の際には、例えば、シリコン基板４１と粘着シート５１との間に引張応力を生じさせる。その後、太陽電池素子１０の裏面側に残っている多孔質シリコン層４２Ｂをエッチングなどにより除去する。

なお、図８（Ｂ）に示した太陽電池素子１０を剥離した後のシリコン基板４１については、表面側に残存している多孔質シリコン層４２Ｃを通常の研磨方法、電解研磨あるいはシリコンエッチングにより除去すれば、次回の太陽電池素子の作製工程において再利用することが可能になる。

次いで、図９（Ｂ）に示したように、反射板２３付き裏面保護フィルム２１を用意する。裏面保護フィルム２１は例えばプラスチックフィルムから構成されており、その一方の表面には、アルミニウムのスパッタリングにより反射板２３が形成されている。この裏面保護フィルム２１を、太陽電池素子１０の裏面側にエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）などの接着層２２を介して約１３０℃で接着させる。このとき、粘着シート５１として約９０℃あるいは約１２０℃で接着力が実質的に零になるものを用いれば、図９（Ａ）に示すように、約１３０℃で裏面保護フィルム２１を接着させると同時に、粘着シート５１を引張り応力なしで太陽電池素子１０の表面側から剥離させることができ、工程数を減少させることができる。

その後、各太陽電池素子（セル）１０を分離するため、図１０に示すように、レーザエッチングにより、半導体層１１を数μｍ〜数十μｍエッチングし、素子（セル）分離用のエッチング溝１６を形成する。このレーザエッチングは、レーザアブレーションにより行うことが好ましい。さらに、レーザアブレーションはエキシマレーザにより行うことが好ましい。

エッチング溝１６は、少なくとも半導体層１１内に形成されていることが好ましい。すなわち、エッチング溝１６は、図１０のように半導体層１１内のみに形成されていてもよいし、あるいは、半導体層１１を貫通して接着層２２内にも形成されていてもよい。しかしながら、反射板２３付き裏面保護フィルム２１をレーザエッチングしてしまうと、プラスチックフィルムからなる裏面保護フィルム２１が飛び散る場合がある。したがって、エッチング溝１６は、反射板２３付き裏面保護フィルム２１がエッチングされないように、半導体層１１内、または半導体層１１および接着層２２内に形成されることが好ましい。

続いて、図１１に示すように、図示しない劈開装置のローラに太陽電池素子１０を巻きつけて、太陽電池素子１０の表面側が凸になるように曲げる。これにより、エッチング溝１６がトリガーとなって単結晶シリコンからなる半導体層１１が劈開して素子分離溝１７が形成される。素子分離溝１７は、その平面形状において、太陽電池素子１０の配列方向に直交する方向に延びている。このとき、半導体層１１の劈開を高歩留りで行うためには、図１０に示す工程におけるレーザエッチングを＜１００＞方向または＜１１０＞方向で行い、素子分離溝１７を＜１００＞方向または＜１１０＞方向で形成することが好ましい。

このようにして太陽電池素子１０の分離を完了した後、図１２に示すように、素子分離溝１７に架橋するように、例えば低温銀ペーストまたは半田を用いてコンタクト電極１８を形成し、これにより各太陽電池素子１０の陽極１５と隣接する太陽電池素子１０の陰極１４とを電気的に接続する。

最後に、引き出し電極３３を作製したのち、透明プラスチックフィルムからなる表面保護フィルム３１を、太陽電池素子１０の表面側にエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）などの接着層３２を介して接着させる。これにより図１に示した集積型太陽電池が完成する。

本実施の形態においては、半導体層１１に形成された複数の太陽電池素子１０を電気的に分離するための素子分離溝１７を、半導体層１１の劈開性を利用して形成するようにしたので、素子分離溝１７を容易に精度良く形成することができる。これにより、集積型太陽電池の製造工程における歩留りおよびスループットを著しく向上させることができる。

また、本実施の形態においては、太陽電池素子１０の表面側が凸になるように曲げ、エッチング溝１６に沿って半導体層１１を劈開することにより素子分離溝１７を形成するようにしたので、簡単な工程で正確に素子分離溝１７を形成することができる。このように、シリコンの劈開を利用することにより、レーザエッチングによる半導体層１１に対するダメージを最小限に抑えることができると共に、エッチングによるダメージ部分の除去工程が不要となる。

特に、レーザエッチングを＜１００＞方向または＜１１０＞方向で行うことにより、半導体層１１の劈開を効率良く行うことができ、集積型太陽電池の歩留りおよびスループットの更なる向上が可能となる。

また、本実施の形態においては、従来のように太陽電池素子をシリコン基板から剥離する際に、プラスチックフィルムを接着させるのではなく、約２０℃〜約８０℃の範囲内の温度で粘着力を有するが加熱により特定の温度で接着力が実質的に零になる粘着シート５１を用いるようにしたので、剥離した後、裏面保護フィルムを太陽電池素子１０の裏面側に接着させる際に粘着シート５１を簡単に剥離することができる。したがって、工程数の削減は勿論、以下のような優れた効果が得られる。

まず、レーザエッチングによるエッチング溝１６の形成の際に、太陽電池素子１０の表面側は、従来と異なりプラスチックフィルムに覆われていないので、半導体層１１のみをレーザエッチングすればよい。したがって、エッチング溝１６を短時間で精度良く形成することができる。更にまた、太陽電池素子１０の裏面側には反射板２３付き裏面保護フィルム２１が接着されているので、エッチング溝１６を形成しても太陽電池素子１０は脱落することなく裏面保護フィルム２１上に整列配置した状態を保つことができる。

加えて、裏面保護フィルム２１や表面保護フィルム３１を剥離に用いる必要がないので、剥離の際の引張り応力を考慮せずに、柔軟性を有するフィルムや薄いフィルムを使用することが可能となる。したがって、集積型太陽電池の軽量化、柔軟性向上を実現でき、例えば、携帯電話などのモバイル製品に適用でき、集積型太陽電池の用途が拡大される。

また、粘着シート５１を採用したことにより、本実施の形態に係る集積型太陽電池は、複数の太陽電池素子１０が、柔軟性を有する薄いプラスチックフィルムからなる裏面保護フィルム２１と表面保護フィルム３１との間に挟まれた単純な構成となり、別途支持基板を設ける必要がなくなる。したがって、薄型かつ軽量で柔軟性に富む集積型太陽電池を作製することが可能となるとともに、コスト低減も期待できる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態に係る集積型薄膜素子について説明する。本実施の形態に係る集積型薄膜素子もまた、具体的には、薄膜単結晶シリコン太陽電池素子を多数集積してなる集積型太陽電池である。この集積型太陽電池は、図１に示した第１の実施の形態に係る集積型太陽電池と製造方法のみにおいて異なり、その他は、第１の実施の形態と同一の構成、作用および効果を有している。よって、同一の構成要素には同一の符号を付し、ここではその詳細な説明を省略する。

本実施の形態に係る集積型太陽電池の製造方法は、以下の点で第１の実施の形態に係る集積型太陽電池の場合と異なっている。すなわち、第１の実施の形態においては、太陽電池素子１０を作製し、この太陽電池素子１０をシリコン基板４１から剥離し、その後レーザエッチングおよびシリコン劈開により素子分離溝１７を形成する。これに対して、本実施の形態においては、第１の実施の形態と同様にして太陽電池素子１０を作製し、次に素子分離溝１７を形成し、その後太陽電池素子１０をシリコン基板から剥離する。したがって、太陽電池素子１０の作製工程については、第１の実施の形態の図２ないし図６に示した工程と同一であるので、その詳細な説明を省略する。

図１３ないし図１７は、本実施の形態に係る集積型太陽電池の製造方法において、太陽電池素子の作製（図２〜図６参照）に続く各工程を説明するための断面図である。

まず、図２ないし図６に示したようにして太陽電池素子１０を作製する。次に、図１３に示すように、各太陽電池素子（セル）１０を分離するため、第１の実施の形態と同様のレーザエッチングにより、半導体層１１を数μｍ〜数十μｍエッチングし、素子（セル）分離用のエッチング溝１６を形成する。

エッチング溝１６は、少なくとも半導体層１１内に形成されていることが好ましい。すなわち、エッチング溝１６は、図１３のように半導体層１１内のみに形成されていてもよいし、あるいは、半導体層１１を貫通して多孔質シリコン層４２内にも形成されていてもよい。

続いて、図１４に示すように、図示しない劈開装置のローラに太陽電池素子１０を巻きつけて、太陽電池素子１０の表面側が凸になるように曲げる。これにより、エッチング溝１６がトリガーとなって単結晶シリコンからなる半導体層１１が劈開して素子分離溝１７が形成される。このとき、半導体層１１の劈開を高歩留りで行うためには、図１３に示す工程におけるレーザエッチングを＜１００＞方向または＜１１０＞方向で行うことが好ましい。

素子分離溝１７を形成した後、図１５に示したように、太陽電池素子１０の表面側に、第１の実施の形態と同様の粘着シート５１を２０℃〜８０℃の範囲内の温度で接着させる。

粘着シート５１の接着の後に、図１６（Ａ），（Ｂ）に示したように、第１の実施の形態と同様にして、太陽電池素子１０を、分離層４２Ａにおいてシリコン基板４１から剥離する。この剥離の後、第１の実施の形態と同様に、多孔質シリコン層４２Ｂ，４２Ｃをエッチングなどにより除去し、シリコン基板４１を次回の太陽電池素子の作製工程において再利用する。

本実施の形態では、太陽電池素子１０をシリコン基板４１から剥離する段階で、既に各太陽電池素子１０は素子分離溝１７によって分離されている。しかしながら、一方で、太陽電池素子１０は粘着シート５１に接着されているので、太陽電池素子１０をシリコン基板４１から剥離しても太陽電池素子１０は脱落せずに整列配置された状態を保つことができる。

なお、図１３に示したエッチング溝１６が半導体層１１を貫通して多孔質シリコン層４２内にも達していたとしても、太陽電池素子１０は粘着シート５１に接着されているので、太陽電池素子１０をシリコン基板４１から剥離しても太陽電池素子１０は脱落せずに整列配置された状態を保つことができる。

次いで、図１７（Ａ），（Ｂ）に示したように、第１の実施の形態と同様にして、反射板２３付き裏面保護フィルム２１を、太陽電池素子１０の裏面側にエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）などの接着層２２を介して約１３０℃で接着させる一方、これと同時に粘着シート５１を太陽電池素子１０の表面側から剥離させる。

続いて、第１の実施の形態において図１２に示した工程と同様にして、コンタクト電極１８を形成し、各太陽電池素子１０の陽極１５と隣接する太陽電池素子１０の陰極１４とを電気的に接続する。最後に、引き出し電極３３を作製したのち、透明プラスチックフィルムからなる表面保護フィルム３１を、太陽電池素子１０の表面側にエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）などの接着層３２を介して接着させる。これにより本実施の形態に係る集積型太陽電池が完成する。

本実施の形態に係る集積型太陽電池の製造方法によれば、第１の実施の形態による上述の優れた効果をすべて得ることができる。加えて、本実施の形態においては、太陽電池素子１０がシリコン基板４１から剥離される前にレーザエッチングを行うようにしたので、エッチング溝１６が半導体層１１を貫通してしまった場合においても、第１の実施の形態のようにレーザエッチングにより裏面保護フィルム２１が飛散したり、裏面保護フィルム２１や反射板２３を損傷したりする虞がなく、歩留り向上が期待できる。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態に係る集積型薄膜素子について図１８を参照して説明する。本実施の形態に係る集積型薄膜素子もまた、具体的には、薄膜単結晶シリコン太陽電池素子を多数集積してなる集積型太陽電池である。図１８に示した集積型太陽電池は、素子分離溝１７に耐熱性絶縁体を充填することにより形成された絶縁層６１を備えている。その他は、第１の実施の形態と同一の構成、作用および効果を有している。よって、同一の構成要素には同一の符号を付し、ここではその詳細な説明を省略する。

この絶縁層６１を構成する耐熱性絶縁体としては、例えばテトラフルオロエチレンまたはポリイミド樹脂等を用いることができる。

第３の実施の形態に係る集積型太陽電池の製造方法の一例としては、上述の第１の実施の形態による製造方法において、図１１に示した劈開工程により素子分離溝１７を形成した後、図１２に示したコンタクト電極１８の作製工程の前に、更に、素子分離溝１７に耐熱性絶縁体を充填することにより絶縁層６１を形成する工程を行う。また、別の例として、第２の実施の形態による製造方法において、図１７に示したように素子分離溝１７により既に分離された太陽電池素子１０の裏面側に反射板２３付き裏面保護フィルム２１を接着した後、更に、素子分離溝１７に耐熱性絶縁体を充填することにより絶縁層６１を形成する工程を行ってもよい。その他は、上述の第１または第２の実施の形態に係る製造方法と同一であるので、その詳細な説明は省略する。

本実施の形態に係る集積型太陽電池によれば、第１または第２の実施の形態による上述の優れた効果に加えて、以下の効果が実現できる。すなわち、本実施の形態の集積型太陽電池は、素子分離溝１７に耐熱性絶縁体を充填することにより形成された絶縁層６１を有するので、太陽電池素子１０の分離が確実になる。したがって、変換効率が向上し、室内光等の低エネルギーの光入射でも使用できるようになる。

（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態に係る集積型薄膜素子について図１９を参照して説明する。本実施の形態に係る集積型薄膜素子もまた、具体的には、薄膜単結晶シリコン太陽電池素子を多数集積してなる集積型太陽電池である。図１９に示した集積型太陽電池は、素子分離溝１７に太陽電池素子１０の分離を妨げない程度の導電性を有する物質を充填することにより形成されたバイパス抵抗層７１を備えている。その他は、第１の実施の形態と同一の構成、作用および効果を有している。よって、同一の構成要素には同一の符号を付し、ここではその詳細な説明を省略する。

このバイパス抵抗層７１は、例えば、上記耐熱性絶縁体に例えば銀，銅，ニッケル（Ｎｉ），アルミニウム等の微粒子を混入させることにより形成することができる。バイパス抵抗層７１の抵抗値は、集積型太陽電池の変換効率に影響を及ぼさない範囲で小さくすることが好ましい。このバイパス抵抗層７１は、上記実施の形態と同様に素子分離層として機能するとともに、太陽電池の一部（太陽電池素子１０）が陰になった場合において、バイパス抵抗として機能するものである。一般に集積型太陽電池においては、このような場合に太陽電池の損傷を防ぐために、別途バイパスダイオードやバイパス抵抗が各太陽電池素子１０に並列に接続されている。本実施の形態においては、素子分離溝１７に太陽電池素子１０の分離を妨げない程度の導電性を有する物質を充填することによりバイパス抵抗層７１を設け、このバイパス抵抗層７１を、太陽電池素子１０が陰になった場合のバイパス抵抗として機能させるようにしたので、別途バイパスダイオードやバイパス抵抗を設ける必要がなくなる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、エキシマレーザを用いたレーザアブレーションによりエッチング溝１６を形成する場合について説明したが、ＣＯ２ ガスレーザ，ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet ）レーザなどの他のレーザビームを用いることも可能であり、また、レーザアブレーション以外にも例えばスパッタエッチング技術やイオンビームエッチング技術等も採用することができることは勿論である。あるいは、カッター等で切断することによりエッチング溝１６に相当する溝を形成することも可能である。また、半導体層１１をプラズマＣＶＭ（Chemical Vaporization Machining ）法により選択的に除去してエッチング溝１６を形成するようにしてもよい。なお、このプラズマＣＶＭ法は、ハロゲン等の化学的活性度の大きな原子を高圧力雰囲気中（１atm ）で空間的に局在した高周波（例えば150MHz) プラズマ内で励起し、高密度の中性ラジカルを生成することにより、被加工物（ここでは太陽電池素子）と反応させ、揮発性物質に変えることによって除去を行う加工法であり、加工雰囲気を高圧力とすることにより、高速加工を実現することができる。この方法においても、太陽電池素子形成時に半導体層１１がシリコン基板４１から剥離するおそれがない。

また、上記各実施の形態では、図２ないし図４の工程において、単結晶シリコン基板上に半導体層１１を成長させるようにしたが、非晶質シリコンや多結晶シリコンよりなる基板上に半導体層を成長させてもよい。

更に、上記各実施の形態では、太陽電池素子１０の裏面側に、反射板２３付き裏面保護フィルム２１を備えた集積型太陽電池について説明したが、反射板２３のないプラスチックフィルムを用いるようにしてもよい。この場合には、透明プラスチックフィルムを用いると、太陽電池素子１０の裏面側からの光入射による発電も期待できるので好ましい。また、太陽電池素子１０の裏面側にアルミニウムや銀などの金属薄膜を接着させる構成とするようにしてもよい。但し、金属薄膜を接着させる際に、各太陽電池素子１０間を短絡させないように、絶縁性材料よりなる接着剤を使用する必要がある。

また、上記実施の形態では、裏面保護フィルム２１の表面が平坦である場合について説明したが、裏面保護フィルム２１の表面（すなわち反射板２３の表面）は、例えば波形形状の凹凸面を有するようにしてもよい。さらに、凹凸が不揃いなランダムな形状とすることにより、透過光を太陽電池素子に向けて乱反射させるようにしてもよい。

更に、上記実施の形態では、薄膜素子として太陽電池素子１０を例にして説明したが、本発明は、その他の受光素子あるいは発光素子、液晶表示素子、集積回路素子など他の薄膜素子を備える場合についても広く適用される。

１０…太陽電池素子、１１…半導体層、１２…ｎ型層、１３…反射防止膜、１４…陰極、１５…陽極、１６…エッチング溝、１７…素子分離溝、１８…コンタクト電極、２１…裏面保護フィルム、２２，３２…接着層、２３…反射板、３１…表面保護フィルム、３３…引き出し電極、４１…シリコン基板、４２…多孔質シリコン層、４２Ａ…分離層、５１…粘着シート、６１…絶縁層、７１…バイパス抵抗層

本発明は、太陽電池素子などの薄膜素子を支持基板に集積化してなる集積型薄膜素子の製造方法に関し、特に、集積型薄膜単結晶シリコン太陽電池の製造に好適な集積型薄膜素子の製造方法に関する。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、製造工程における歩留りおよびスループットを向上させることができる集積型薄膜素子の製造方法を提供することにある。

本発明の第２の目的は、集積型太陽電池に適用した場合において、セルの分離を完全にし、変換効率を高めることができる集積型薄膜素子の製造方法を提供することにある。

本発明の第３の目的は、集積型太陽電池に適用した場合において、太陽電池の一部が陰になっても逆バイアスの印加による太陽電池の損傷を防止することができる集積型薄膜素子の製造方法を提供することにある。

本発明による第１の集積型薄膜素子の製造方法は、半導体基板の一表面に多孔質半導体層を形成する工程と、この多孔質半導体層上に半導体層を形成し、半導体層に複数の薄膜素子を形成する工程と、複数の薄膜素子を、多孔質半導体層を利用して半導体基板から剥離する工程と、剥離された複数の薄膜素子の裏面側に接着層を介して裏面保護フィルムを接着させる工程と、半導体層のレーザエッチングにより、複数の薄膜素子の間にエッチング溝を形成する工程と、エッチング溝を利用した半導体層の劈開により素子分離溝を形成すると共に、複数の薄膜素子を劈開の前後を通じて裏面保護フィルム上の同一の位置に保持する工程とを含むものである。

本発明による第２の集積型薄膜素子の製造方法は、半導体基板の一表面に多孔質半導体層を形成する工程と、この多孔質半導体層上に半導体層を形成し、半導体層に複数の薄膜素子を形成する工程と、半導体層のレーザエッチングにより、複数の薄膜素子の間にエッチング溝を形成する工程と、エッチング溝を利用した半導体層の劈開により素子分離溝を形成すると共に、複数の薄膜素子を劈開の前後を通じて半導体基板上の同一の位置に保持する工程と、複数の薄膜素子を、多孔質半導体層を利用して半導体基板から剥離する工程と、剥離された複数の薄膜素子の裏面側に接着層を介して裏面保護フィルムを接着させる工程とを含むものである。

本発明による第１または第２の集積型薄膜素子の製造方法では、隣接する薄膜素子を電気的に分離するために、半導体層の劈開性を利用して形成された素子分離溝を設けるようにしたので、素子分離溝を容易に精度良く形成することができる。したがって、集積型太陽電池などの集積型薄膜素子の製造工程における歩留りおよびスループットを向上させることができる。

本発明による第１または第２の集積型薄膜素子の製造方法では、レーザエッチングによるエッチング溝を利用した半導体層の劈開により複数の薄膜素子を電気的に分離するための素子分離溝が形成される。複数の薄膜素子は、劈開の前後を通じて裏面保護フィルム上または半導体基板上の同一の位置に保持される。

以上説明したように本開示の第１または第２の集積型薄膜素子の製造方法によれば、半導体層に設けられた複数の薄膜素子を電気的に分離するために、半導体層の劈開性を利用して素子分離溝を設けるようにしたので、素子分離溝を容易に精度良く形成することができる。したがって、集積型薄膜素子の製造における歩留りおよびスループットを著しく向上させることが可能となる。

特に、素子分離溝に耐熱性絶縁体を充填することにより絶縁層を設けるようにすれば、素子間の分離が完全に行われる。したがって、集積型太陽電池に適用した場合、変換効率が向上し、室内光のような低エネルギーの光入射でも使用可能となる。

また、特に、素子分離溝に、太陽電池素子の分離を妨げない程度の導電性を有する物質を充填することによりバイパス抵抗層を設けるようにすれば、集積型太陽電池の損傷を防ぐためのバイパス抵抗を簡単な工程で形成することができる。

加えて、特に、複数の薄膜素子を半導体基板から剥離する際に、第１の温度範囲内の温度で粘着性を有するが加熱により第２の温度で接着力が実質的に零となる粘着シートを用いるようにしたので、裏面保護フィルムを第２の温度で太陽電池素子の裏面側に接着させると同時に粘着シートを剥離し、その後、半導体層のみをレーザエッチングすることができる。したがって、エッチング溝を短時間で精度よく形成することができ、これにより製造の歩留りが向上する。また、裏面保護フィルムや表面保護フィルムとして柔軟性を有するフィルムや薄いフィルムを用いることができ、集積型太陽電池の軽量化、柔軟性向上が実現できる。

Claims (16)

1. 半導体基板の一表面に多孔質半導体層を形成する工程と、
   前記多孔質半導体層上に半導体層を形成し、前記半導体層に複数の薄膜素子を形成する工程と、
   前記複数の薄膜素子を、前記多孔質半導体層を利用して前記半導体基板から剥離する工程と、
   剥離された前記複数の薄膜素子の裏面側に接着層を介して裏面保護フィルムを接着させる工程と、
   前記半導体層のレーザエッチングにより、前記複数の薄膜素子の間にエッチング溝を形成する工程と、
   前記エッチング溝を利用した前記半導体層の劈開により素子分離溝を形成すると共に、前記複数の薄膜素子を前記劈開の前後を通じて前記裏面保護フィルム上の同一の位置に保持する工程と
   を含む集積型薄膜素子の製造方法。
2. 前記エッチング溝を形成する工程において、前記複数の薄膜素子の裏面側を前記裏面保護フィルムに保持させた状態で、前記半導体層を前記複数の薄膜素子の表面側からレーザエッチングし、
   前記素子分離溝を形成する工程において、前記複数の薄膜素子の表面側が凸になるように前記裏面保護フィルムを曲げることにより前記半導体層の劈開を行う
   請求項１記載の集積型薄膜素子の製造方法。
3. 前記エッチング溝を少なくとも前記半導体層内に形成する
   請求項１または２記載の集積型薄膜素子の製造方法。
4. 前記半導体層のレーザエッチングを＜１００＞方向または＜１１０＞方向で行う
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載の集積型薄膜素子の製造方法。
5. 前記半導体層はシリコンである
   請求項４記載の集積型薄膜素子の製造方法。
6. 前記複数の薄膜素子を前記半導体基板から剥離する工程において、第１の温度範囲内の温度で粘着性を有するが加熱により第１の温度より高温の第２の温度で接着力が実質的に零になる粘着シートを前記複数の薄膜素子の表面側に接着し、この粘着シートと前記半導体基板との間に引張り応力を生じさせることにより前記複数の薄膜素子を前記半導体基板から剥離し、
   前記裏面保護フィルムを接着させる工程において、前記第２の温度に加熱し前記粘着シートの接着力を実質的に零とすることにより前記複数の薄膜素子の表面側から前記粘着シートを剥離する
   請求項１ないし５のいずれか１項に記載の集積型薄膜素子の製造方法。
7. 前記薄膜素子として、前記半導体層の表面に一対の陽極と陰極とを有する太陽電池素子を形成する
   請求項１ないし６のいずれか１項に記載の集積型薄膜素子の製造方法。
8. 前記素子分離溝を形成する工程の後に、更に、
   前記太陽電池素子の陽極と隣接する太陽電池素子の陰極とを電気的に接続するために、前記素子分離溝に架橋するように、低温銀ペーストまたは半田からなるコンタクト電極を形成する工程と、
   前記太陽電池素子の表面側に接着層を介して表面保護フィルムを設ける工程と
   を含む請求項７記載の集積型薄膜素子の製造方法。
9. 半導体基板の一表面に多孔質半導体層を形成する工程と、
   前記多孔質半導体層上に半導体層を形成し、前記半導体層に複数の薄膜素子を形成する工程と、
   前記半導体層のレーザエッチングにより、前記複数の薄膜素子の間にエッチング溝を形成する工程と、
   前記エッチング溝を利用した前記半導体層の劈開により素子分離溝を形成すると共に、前記複数の薄膜素子を前記劈開の前後を通じて前記半導体基板上の同一の位置に保持する工程と、
   前記複数の薄膜素子を、前記多孔質半導体層を利用して前記半導体基板から剥離する工程と、
   剥離された前記複数の薄膜素子の裏面側に接着層を介して裏面保護フィルムを接着させる工程と
   を含む集積型薄膜素子の製造方法。
10. 前記エッチング溝を形成する工程において、前記複数の薄膜素子の裏面側を前記半導体基板に保持させた状態で、前記半導体層を前記複数の薄膜素子の表面側からレーザエッチングし、
    前記素子分離溝を形成する工程において、前記複数の薄膜素子の表面側が凸になるように前記半導体基板を曲げることにより前記半導体層の劈開を行う
    請求項９記載の集積型薄膜素子の製造方法。
11. 前記エッチング溝を少なくとも前記半導体層内に形成する
    請求項９または１０記載の集積型薄膜素子の製造方法。
12. 前記半導体層のレーザエッチングを＜１００＞方向または＜１１０＞方向で行う
    請求項９ないし１１のいずれか１項に記載の集積型薄膜素子の製造方法。
13. 前記半導体層はシリコンである
    請求項１２記載の集積型薄膜素子の製造方法。
14. 前記複数の薄膜素子を前記半導体基板から剥離する工程において、第１の温度範囲内の温度で粘着性を有するが加熱により第１の温度より高温の第２の温度で接着力が実質的に零になる粘着シートを前記複数の薄膜素子の表面側に接着し、この粘着シートと前記半導体基板との間に引張り応力を生じさせることにより前記複数の薄膜素子を前記半導体基板から剥離し、
    前記裏面保護フィルムを接着させる工程において、第２の温度に加熱し前記粘着シートの接着力を実質的に零とすることにより前記複数の薄膜素子の表面側から前記粘着シートを剥離する
    請求項９ないし１３のいずれか１項に記載の集積型薄膜素子の製造方法。
15. 前記薄膜素子として、前記半導体層の表面に一対の陽極と陰極とを有する太陽電池素子を形成する
    請求項９ないし１４のいずれか１項に記載の集積型薄膜素子の製造方法。
16. 前記裏面保護フィルムを接着させる工程の後に、更に、
    前記太陽電池素子の陽極と隣接する太陽電池素子の陰極とを電気的に接続するために、前記素子分離溝に架橋するように、低温銀ペーストまたは半田からなるコンタクト電極を形成する工程と、
    前記太陽電池素子の表面側に接着層を介して表面保護フィルムを設ける工程と
    を含む請求項１５記載の集積型薄膜素子の製造方法。

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