JP2013115119A - 化合物太陽電池セルおよびその製法ならびにそれを用いた化合物太陽電池モジュールおよびその製法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い変換効率を有する低コストの化合物太陽電池セルおよびその製法、ならびにこれを複数組み合わせてなる化合物太陽モジュールおよびその製法を提供する。
【解決手段】導電性を有する長尺基材１の一方の面に、裏面電極層２と、ＣＩＧＳ光吸収層３と、酸化物半導体からなるバッファ層４と、導電性酸化物からなる表面電極層５とを形成し、上記長尺基材１の他方の面の長手方向に沿う両側縁部に、導電性を有する金属層パターン６を形成するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、化合物太陽電池セルおよびその製法ならびにそれを用いた化合物太陽電池モジュールおよびその製法に関するものである。

アモルファスシリコン太陽電池や化合物太陽電池に代表される薄膜型太陽電池は、従来から汎用されている結晶型シリコン太陽電池と比較すると、材料コストや製造コストの大幅な削減が可能であるだけでなく、優れた太陽光変換効率（以下「変換効率」とする）を有する。このため、近年、これらの研究開発が急速に進められている。なかでも、化合物太陽電池はシリコンを用いずに製造できるため、特に注目されている。

このような化合物太陽電池としては、III−V族化合物太陽電池、ＣｄＴｅ太陽電池、ＣＩＧＳ太陽電池等がある。以下、光吸収層が銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、セレン（Ｓｅ）合金からなるＣＩＧＳ太陽電池を例にあげて説明する。なお、ＣＩＧＳ太陽電池は、優れた太陽光変換効率を有し、非真空プロセスでも製造できるという特徴を有している。

図５は、ＣＩＧＳ太陽電池セルの一般的な構造を示している。すなわち、このＣＩＧＳ太陽電池セルは、ソーダ石灰ガラス（ＳＬＧ）やステンレス（ＳＵＳ）等の耐熱性を有する基材１上に、モリブデン（Ｍｏ）等からなる裏面電極層２と、ＣＩＧＳ光吸収層（化合物半導体層）３と、ｎ型のバッファ層４と、表面電極層５とを備えた多層積層構造で構成されている。

このようなＣＩＧＳ太陽電池セルは、例えば、以下に示す工程を経由して製造することができる。すなわち、まず、洗浄等の前処理を行った基材１上に、所定のスパッタ装置を用い、スパッタリングにより裏面電極層２を形成する。そして、この裏面電極層２の上に、ＣＩＧＳ光吸収層３を形成する。なお、ＣＩＧＳ光吸収層３の形成には、セレン化法、非真空プロセス（ナノ粒子）法、真空蒸着法と呼ばれる複数の形成方法が存在しており、これらを適宜に選択し、真空下・非真空下において実施する。つぎに、裏面電極層２およびＣＩＧＳ光吸収層３が形成された基材１を溶液成長槽に移し、スパッタ法もしくは浸漬浴堆積法（ＣＢＤ法）等を用いて、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化インジウム（ＩｎＳ）等からなる層を成膜し、ｎ型のバッファ層４を形成する。そして、最後にスパッタ法を用いてインジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）、アルミニウム・亜鉛酸化物（ＡＺＯ）、インジウム・亜鉛酸化物（ＩＺＯ）等からなる表面電極層５を形成することにより、ＣＩＧＳ太陽電池セルが完成される。

ここで、上記ＣＩＧＳ光吸収層３の形成方法のうち、真空蒸着法は、Ｃｕ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｅをそれぞれ別の蒸着源にて加熱し、蒸着により成膜する手法であり、各元素の吐出量を制御しながら成膜するため、各元素を厚み方向に最適な組成とすることができる。このため、真空蒸着法により成膜したＣＩＧＳ光吸収層３を有するＣＩＧＳ太陽電池は、高い変換効率を示すことが知られている。

しかしながら、上記真空蒸着法では、基材１として大面積のものを用いると、蒸着による成膜が不均一となり、得られるＣＩＧＳ光吸収層３において、各元素の組成むら等に起因する電気的特性の低下が起こり、その歩留まりが低下するという問題が生じる。このため、基材１として、大面積ではなく、長さ方向に延びる長尺状のものを用い、これにＣＩＧＳ光吸収層３を成膜して、低コストかつ高品質なＣＩＧＳ太陽電池セルを製造し、複数のＣＩＧＳ太陽電池セルを組み合わせて電気的に接続することで、大面積のＣＩＧＳ太陽電池モジュールを製造することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

また、生産性向上を目的として、このような長尺状の基材１を用い、基材１の巻き取りと巻き出し機能を具備する連続装置（図３参照）においてＣＩＧＳ光吸収層３の成膜等を行うロールトゥロールプロセスの研究開発も進められている（同特許文献１参照）。

特開２０１１−１７６１４８号公報

しかし、このような連続装置を用いるロールトゥロールプロセスでは、図３に示すように、基材１の搬送工程の途中に存在するアイドリングロール７に基材１が接触するため、基材１に傷が生じる、基材１に堆積物が付着する、という問題が発生する。基材１に傷が生じたり、堆積物が付着したり等すると、表面電極層５まで形成された基材１を巻き取りロール８で巻き取る際に、傷や堆積物等のある基材１が、上記表面電極層５に重ねられて巻き取られるため、上記表面電極層５に擦り傷等が発生し、得られるＣＩＧＳ太陽電池セルに欠陥（非発電領域）が生じるという問題が少なからず発生している。

本発明は、上記の課題に鑑み、ＣＩＧＳ太陽電池セルに代表される化合物太陽電池セルを、ロールトゥロールプロセスによって製造する際、層形成された基材１の巻き取り時に、基材１と表面電極層５との接触が抑制されるとともに、上記化合物太陽電池セルを複数組み合わせて化合物太陽電池モジュールを得る際に、各化合物太陽電池セルの電気的接続を効率よく行うことのできる化合物太陽電池セルおよびその製法ならびに化合物太陽電池セルを複数組み合わせてなる化合物太陽電池モジュールおよびその製法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、導電性を有する長尺基材の一方の面に、裏面電極層と、化合物半導体層と、酸化物半導体からなるバッファ層と、導電性酸化物からなる表面電極層とが形成され、上記長尺基材の他方の面の長手方向に沿う両側縁部に、導電性を有する金属層パターンが形成されている化合物太陽電池セルを第１の要旨とする。

また、本発明は、第１の要旨の化合物太陽電池セルの製法であって、下記の（ａ）〜（ｆ）の工程を経由し、少なくとも（ｄ）〜（ｆ）の工程が連続して行われる化合物太陽電池セルの製法を第２の要旨とする。
（ａ）導電性を有する長尺基材を準備する工程。
（ｂ）上記長尺基材の一方の面の長手方向に沿う両側縁部に金属層パターンを形成する工程。
（ｃ）金属層パターンが形成された上記長尺基材の他方の面に裏面電極層を形成する工程。
（ｄ）上記裏面電極層の上に化合物半導体層を形成する工程。
（ｅ）上記化合物半導体層の上に酸化物半導体からなるバッファ層を形成する工程。
（ｆ）上記バッファ層の上に導電性酸化物からなる表面電極層を形成する工程。

さらに、本発明は、第１の要旨の化合物太陽電池セルを複数組み合わせてなる化合物太陽電池モジュールであって、各化合物太陽電池セルがその金属層パターンと他の化合物太陽電池セルの表面電極層とを電気的に接続した状態で組み合わせられている化合物太陽電池モジュールを第３の要旨とする。

そして、本発明は、第３の要旨の化合物太陽電池モジュールの製法であって、第１の要旨の化合物太陽電池セルを複数準備し、それらに形成された金属層パターンの表面に、半田からなる接続部をそれぞれ形成し、各化合物太陽電池セルの上記接続部と他の化合物太陽電池セルの表面電極層とを互いに重ね合わせて加熱することにより、複数の化合物太陽電池セルを、半田を介して電気的に接続する化合物太陽電池モジュールの製法を第４の要旨とする。

本発明の化合物太陽電池セルは、導電性を有する長尺基材の一方の面に、裏面電極層、化合物半導体層、バッファ層、表面電極層とが形成され、他方の面の、基材の長手方向に沿う両側縁部に、導電性を有する金属層パターンが形成されている。このため、化合物太陽電池セルを複数組み合わせてなる化合物太陽電池モジュールを製造する際の、各化合物太陽電池セル同士の電気的な接続を、この金属層パターンと他の化合物太陽電池セルの表面電極層とを接合させて容易に行うことができる。

なかでも、上記導電性を有する長尺基材が、鉄、鉄系合金、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）からなる群から選ばれた少なくとも一つからなる場合は、長尺基材が高い導電率を有するため、発電効率をより高くできるとともに、化合物太陽電池の強度を一定に保つことができ、その耐久性を高めることができる。

そして、上記金属層パターンが、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、Ｃｕ、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）からなる群から選ばれた少なくとも一つを含有する場合は、基材に対する密着性が高まるとともに、それ自身が高い導電率を有するため、化合物太陽電池セルを複数組み合わせてなる化合物太陽電池モジュールを製造する際の、各化合物太陽電池セル同士の電気的な接続を、優位に行うことができる。

また、上記金属層パターンが、真空蒸着、スパッタ法、めっき法、エアロゾルデポジション法からなる群から選ばれた少なくとも一つにより形成されたものである場合は、基材に対する密着性が高くなっており、とりわけ、これらの組み合わせにより複数層に形成された場合は、基材に対する密着性がより高まる。

そして、上記金属層パターンが、目的とするパターンと逆のパターンを有するレジストを形成し、その上から金属層を形成したのちに、レジスト上に形成された金属層をレジストごと除去して形成されたものである場合は、不必要な部位に金属層が形成されず、より精度の高いパターンを形成できる。

さらに、上記化合物半導体層が、少なくともI族、III族、VI族の元素を含むカルコパイライト結晶構造を有する場合は、より変換効率が向上するとともに、材料の組成を変更するだけで、バンドギャップを容易に制御できる。

そして、前記の（ａ）〜（ｆ）の工程を経由し、少なくとも（ｄ）〜（ｆ）の工程が連続して行われる化合物太陽電池セルの製法によると、初めに基材の一方の面の所定部位に金属パターンを形成するため、この金属パターンが、巻き取り時に、巻き取られた基材と表面電極層との間において、いわばスペーサとなり、表面電極層の上に基材が直接重ね合わせられることがない。よって、表面電極層に、基材との擦り合わせによる傷等が発生せず、得られる化合物太陽電池セルに非発電領域が生じない。

なかでも、さらに、下記（ｇ）の工程を有する化合物太陽電池セルの製法によると、表面電極層と長尺基材との接触による短絡（ショート）を生じさせることなく、ユーザーのニーズに合わせて任意のサイズの化合物太陽電池セルを得ることができる。
（ｇ）表面電極層が形成された長尺基材を、表面電極層と長尺基材とを接触させることなく、長手方向に所定間隔で切断し、所定寸法の化合物太陽電池セルとする工程。

また、上記化合物太陽電池セルを複数組み合わせてなる化合物太陽電池モジュールであって、各化合物太陽電池セルがその金属層パターンと他の化合物太陽電池セルの表面電極層とを電気的に接続した状態で組み合わせられている場合には、上記化合物太陽電池セルの金属層パターンが、化合物太陽電池モジュール形成時の接続部位になっているため、低コストとなり、しかも、上記化合物太陽電池セルの変換効率が高いため、一層変換効率が高くなる。

そして、上記化合物太陽電池モジュールの製法であって、上記化合物太陽電池セルを複数準備し、それらに形成された金属層パターンの表面に、半田からなる接続部をそれぞれ形成し、各化合物太陽電池セルの上記接続部と他の化合物太陽電池セルの表面電極層とを互いに重ね合わせて加熱することにより、複数の化合物太陽電池セルを、半田を介して電気的に接続する化合物太陽電池モジュールの製法によると、化合物太陽電池セルの金属層パターンを電気的な接続部位として用いることができ、プロセス的に優位であるとともに、これらの電気的な接続部位を半田で固定するため、より耐久性に優れた化合物太陽電池モジュールを製造することができる。

本実施の形態におけるＣＩＧＳ太陽電池セルの断面図である。 （Ａ），（Ｂ）はともに上記ＣＩＧＳ太陽電池セルにおける基材の両端縁部を示す平面図である。 上記ＣＩＧＳ太陽電池セルの製造装置の概略構成を示す図である。 （Ａ）は本実施の形態におけるＣＩＧＳ太陽電池モジュールの平面図であり、（Ｂ）はそのＳ−Ｓ断面図である。 一般的なＣＩＧＳ太陽電池セルの断面図である。

つぎに、本発明を実施するための形態について説明する。

図１は、本発明の一実施例であるＣＩＧＳ太陽電池セルの断面図である。このＣＩＧＳ太陽電池セルは、長尺状（幅１５ｍｍ、長さ１０００ｍ）のＳＵＳ（厚み５０μｍ、ＳＵＳ４３０）からなる基材１の一方の面（図１において上面）に、Ｍｏからなる裏面電極層２と、ＣＩＧＳ光吸収層３と、ｎ型のバッファ層４と、表面電極層５とを備え、上記基材１のもう一方の面（図１において下面）の、基材１の長手方向に沿う両側縁部に、Ｃｕからなる金属層パターン６を備えたものである。以下に、このＣＩＧＳ太陽電池セルを、詳細に説明する。なお、図１において、厚み、大きさ、外観等は模式的に示したものであり、実際のものとは異なっている（以下の図においても同じ）。

上記基材１は、基材１を介したモジュール形成を容易とするため、導電性を有する材料からなり、とりわけ１０〜１００μΩｃｍの範囲の比抵抗を有する良導電性の金属を用いることが好ましい。このような良導電性金属としては、例えば、上記ＳＵＳの他、各種合金、Ｔｉ、Ａｌ等があげられる。さらに、上記基材１は、化合物半導体層を形成する際の熱履歴に耐えうる必要がある。また、ロールトゥロールプロセスで成膜が可能な可撓性とヤング率、靭性、更に引っ張りにより破断しにくい等の特性を有することも必要とされ、これらを考慮して適宜選択される。そして、その厚みは、上記１５μｍの他、任意の厚みを選択することが可能であるが、ロールトゥロールプロセスに適用させるための可撓性の点から、１０〜１００μｍの範囲であることが好ましい。

上記基材１の一方の面に形成される金属層パターン６は、本発明における最大の特徴である。この金属層パターン６は、上記基材１のＣＩＧＳ光吸収層３等の形成面と異なる面の、その長手方向に沿う両側縁部に、それぞれ幅１ｍｍ、厚み１０μｍでその全長に渡って形成されている（図２（Ａ）参照）。そして、この金属層パターン６は、単層ではなく複層で形成してもよい。複層にすると、基材１側に形成された第１の層をいわば接着層とすることができ、基材１と金属層パターン６とをより強固に密着させることができる。なお、上記金属層パターン６は、基材１の表裏両面のうち、表面粗さが粗い方の面に形成することが、密着性の点で好ましい。基材１の表裏両面が同一の表面粗さである場合は、いずれか一方の任意の面に形成することができる。

また、上記金属層パターン６の幅は、上記１ｍｍの他、基材１の幅より狭い任意の幅とすることができる。なかでも、上記金属層パターン６の幅を１〜５ｍｍの範囲とすることが好ましい。幅が狭すぎると、スペーサとしての役割を充分に発揮できず、巻き取りロール８において巻き取る際に、基材１と接触して、表面電極層５に傷等が入るおそれがあり、逆に広すぎると、表面電極層５が基材１と接触することはなくなるものの、金属層パターン６自体が表面電極層５と広い面積において接触し、表面電極層５に傷等が入るおそれがあるからである。そして、上記金属層パターン６の厚みは、上記１０μｍに限らず、任意の厚みとすることができる。とりわけ、上記金属層パターン６の厚みを０．５〜５００μｍの範囲とすることが好ましく、より好ましくは５〜１００μｍの範囲である。厚みが薄すぎると、スペーサとしての役割を充分に発揮できず、巻き取り時に、基材１と接触し、表面電極層５に傷等が入るおそれがあり、逆に、厚すぎると、基材１からの剥離が生じやすくなるおそれがあるためである。

さらに、上記金属層パターン６は、複数のＣＩＧＳ太陽電池セルを組み合わせたモジュールを形成する際、金属層パターン６を介した電気的な接続を容易とするため、導電性の高い材料からなることが好ましく、導電率６×１０^-6Ω・ｃｍ以下の金属材料からなることがさらに好ましい。このような金属材料としては、上記Ｃｕの他に、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇがあげられ、これらを単独でもしくは２種類以上を組み合わせて用いることができる。

このような金属層パターン６は、真空蒸着、スパッタ法、メッキ法、エアロゾルデポジション法等により形成することができる。金属層パターン６を複層とする場合には、これらの方法を組み合わせて形成してもよい。また、そのパターンの形成は、真空蒸着、スパッタ法、メッキ法、エアロゾルデポジション法等を行う際に、レジストを用いて形成することができる。あるいは、これらの方法に代えて、基材１の所定個所に導電性を有するテープを貼りつけることによっても形成することができる。

なお、本発明において、基材１の長手方向に沿う両側縁部とは、基材１の長手方向に沿って延びる両側縁部分をいい、図２（Ａ）に示すように、基材１の長手方向に沿う両端部を含む場合だけでなく、図２（Ｂ）に示すように、両端部からやや内側に入った部分に延びる場合をも含むことを意味する。

一方、上記裏面電極層２（図１に戻る）は、上記金属層パターン６が形成された上記基材１の他方の面に、スパッタ法により形成されたものであり、Ｍｏの他に、タングステン、Ｃｒ、Ｔｉ等が単層もしくは複層に形成される。また、その厚みは、１０〜１０００μｍの範囲にあることが好ましい。

そして、その上に設けられたＣＩＧＳ光吸収層（化合物半導体層）３は、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅの４元素を含む化合物半導体からなり、その厚みは２．０μｍに形成されている。しかし、これに限らず任意の厚みとすることができ、なかでもその厚みが、１．０〜３．０μｍの範囲にあることが好ましく、１．５〜２．５μｍの範囲にあることがより好ましい。厚みが薄すぎると、光吸収層として用いた際の光吸収量が少なくなり、セルの性能が低下する傾向がみられ、逆に、厚すぎると、層の形成にかかる時間が増加し、生産性に劣る傾向がみられるためである。

また、上記ＣＩＧＳ光吸収層３における、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａの組成比は、Ｃｕ／（Ｇａ＋Ｉｎ）≒０．８５（モル比）、Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）≒０．３（モル比）となっている。しかし、これに限らず任意の組成比とすることができ、なかでも上記ＣＩＧＳ光吸収層３の組成比が、０．７＜Ｃｕ／（Ｇａ＋Ｉｎ）＜０．９５（モル比）、の式を満たすようになっていると、上記ＣＩＧＳ光吸収層３内にＣｕ_(2-x)Ｓｅが過剰に取り込まれることをより阻止でき、しかも層全体としてわずかにＣｕ不足にできる点で好ましい。また、同属元素であるＧａとＩｎとの比は、０．１０＜Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）＜０．４０（モル比）の範囲にあることが好ましい。

さらに、上記ＣＩＧＳ光吸収層３の上に設けられるバッファ層４は、ＤＣスパッタ法により、厚み１００μｍのＺｎＯにより形成されている。このバッファ層４は、上記ＣＩＧＳ光吸収層３とｐｎ接合できるよう、高抵抗のｎ型半導体であることが好ましく、単層の他、複数の層を積層したものであってもよい。バッファ層４として、複数の層を用いると、上記ＣＩＧＳ光吸収層３とのｐｎ接合をより良好にできる。このようなバッファ層４は、上記ＺｎＯの他、ＣｄＳ、ＺｎＭｇＯ、Ｚｎ（Ｏ，Ｓ）等を用いることができる。また、その厚みは、上記１００μｍの他に、任意の厚みに形成することができ、とりわけ５０〜２００ｎｍの範囲にあることが好ましい。

また、バッファ層４の上に設けられた表面電極層５は、スパッタ法により、厚み２００ｎｍのＩＴＯにより形成されている。この表面電極層５は、高透過率を有する材料により形成されることが好ましく、上記ＩＴＯの他、ＩＺＯ、酸化亜鉛アルミニウム（Ａｌ：ＺｎＯ）等を用いて形成することができる。また、その厚みは、上記２００ｎｍに限らず、任意の厚みに形成することができ、とりわけ５０〜３００ｎｍの範囲にあることが好ましい。そして、この表面電極層５の光透過率が、８０％を超えるものであることがさらに好ましい。

この構成によれば、ＣＩＧＳ太陽電池セルの基材１がＳＵＳからなるため、変換効率がより高くなるとともに、強度を一定に保つことができ、その耐久性が高められている。そして、上記金属層パターン６がスパッタ法により形成されているため、基材１に対する密着性が高められている。また、上記金属層パターン６がレジストを用いて形成されたものであるため、不必要な部位に金属層が形成されずより精度の高いパターンになっている。さらに、化合物半導体層として、ＣＩＧＳ光吸収層３を形成しているため、少なくともI族、III族、VI族の元素を含むカルコパイライト結晶構造を有しており、より変換効率が高められているとともに、材料の組成を変更するだけで、バンドギャップを容易に制御できる。

このようなＣＩＧＳ太陽電池セルは、例えば、図３に示す連続装置を用いて、ロールトゥロールプロセスにより製造することができる。図３において、７はアイドリングロール、８は巻き取りロール、９は巻き出しロール、１０は裏面電極層成膜室、１１は化合物半導体層成膜室、１２はバッファ層成膜室、１３は表面電極層成膜室である。

まず、前記のとおり、（ａ）導電性を有する長尺状の基材１を準備し、（ｂ）上記長尺状の基材１の一方の面の長手方向に沿う両側縁部に金属層パターン６を形成する（図２（Ａ）参照）。この金属層パターン６が形成された長尺状の基材１を、巻き出しロール９にセットし、以下の各工程を経由させ、巻き取りロール８まで連続的に送り出すことで、ＣＩＧＳ太陽電池セルを製造することができる。なお、各工程は、圧力差を緩和するための差動排気機構によって連結されており、異なる圧力の工程間においても基材１を連続的に移動させることができるようになっている。以下に、上記各工程を順に説明する。

（ｃ）裏面電極層形成工程
裏面電極層形成工程は、裏面電極層成膜室１０において、上記巻き出しロール９から供給された金属層パターン６が形成された長尺状の基材１の他方の面（図３では下面）に、スパッタリングにより裏面電極層２を形成する工程である。上記裏面電極層成膜室１０には、裏面電極層形成用の材料を保持する第１スパッタリング装置１４と、長尺状の基材１との距離を一定に維持するためのガイドロール等の基材位置安定手段（図示せず）とが配置されている。

（ｄ）ＣＩＧＳ光吸収層形成工程
ＣＩＧＳ光吸収層（化合物半導体層）形成工程は、化合物半導体層成膜室１１において、先の工程で形成された裏面電極層２の上に、真空蒸着により複数の材料を順次積層し、ＣＩＧＳ光吸収層３を形成する工程である。上記化合物半導体層成膜室１１には、ＣＩＧＳ光吸収層３形成用の複数の蒸着源（１５，１６，１７，１８）と、長尺状の基材１の走行位置を案内するガイドロール等の基材位置安定手段（図示せず）とが配置されており、基材１がその蒸着対象面を上記蒸着源（１５，１６，１７，１８）に対向させた状態（図３では下向き）で、所定の距離を保った状態で走行できるように構成されている。

上記ＣＩＧＳ光吸収層３を形成するための蒸着は、基材１の温度を５５０℃以上に保った状態で行われる。蒸着源（１５，１６，１７，１８）により基材１が過度に加熱される場合には、上記基材位置安定手段に基材冷却機能を持たせるようにしてもよい。そして、各蒸着源（１５，１６，１７，１８）から吐出された材料は、基材１へ供給されてＣＩＧＳ光吸収層３が形成される。例えば、別々に設置されたＣｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅの蒸着源（１５，１６，１７，１８）を、それぞれ１１５０℃、９５０℃、１０００℃、２００℃に加熱することで上記ＣＩＧＳ光吸収層３を形成することができる。これにより、ＣＩＧＳ光吸収層３がカルコパイライト結晶構造を有するようになる。この他にも、複数の蒸着源をユニットとして配置する３段階法やバイレイヤー法といった成膜法を用いることもできる。

（ｅ）バッファ層形成工程
バッファ層形成工程は、バッファ層成膜室１２において、上記で形成されたＣＩＧＳ光吸収層３の上に、前記裏面電極層形成工程で用いたのと同様のスパッタリングにより酸化物半導体からなるバッファ層４を形成する工程である。上記バッファ層成膜室１２には、バッファ層形成用の材料を保持する第２スパッタリング装置１９と、基材１に対する距離を一定に維持するためのガイドロール等の基材位置安定手段（図示せず）が配置されている。

（ｆ）表面電極層形成工程
表面電極層形成工程は、表面電極層成膜室１３において、上記で形成されたバッファ層４の上に、上記バッファ層形成工程で用いたのと同様のスパッタリングにより導電性酸化物からなる表面電極層を５を形成する工程である。上記表面電極層成膜室１３には、表面電極層形成用の材料を保持する第３スパッタリング装置２０と、基材１に対する距離を一定に維持するためのガイドロール等の基材位置安定手段（図示せず）が配置されている。

上記表面電極層５まで形成された長尺状の基材１は、巻き取りロール８に巻き回すことにより回収する。このような上記各工程を経由することにより、幅１５ｍｍ（基材幅）、長さ１０００ｍの長尺状のＣＩＧＳ太陽電池セルを得ることができる。

なお、この長尺状のＣＩＧＳ太陽電池セルは、（ｇ）表面電極層５と長尺状の基材１とを接触させることなく、長手方向に所定間隔で切断し、所定寸法のＣＩＧＳ太陽電池セルとして用いることができる。

上記ＣＩＧＳ太陽電池セルの切断は、例えば、レーザー等の熱的手段や、カッター等の物理的手段を用いて行うことができる。なお、その切断長さは、通常、１ｃｍ〜１０ｍ、好ましくは２ｃｍ〜２ｍ（基材長手方向）であるが、ＣＩＧＳ太陽電池モジュールのハウジングサイズにより適宜に変更される。

このＣＩＧＳ太陽電池の製法によれば、はじめに、基材１の一方の面の所定部位に金属層パターン６を形成するため、この金属層パターン６がいわばスペーサとなり、巻き取りロール８において、表面電極層５の上に基材１が重ね合わせられることがない。よって、巻き取り時に、表面電極層５に基材１が擦り合わせられることによる傷が発生せず、得られるＣＩＧＳ太陽電池セルに非発電領域が生じないため、良好な変換効率を有する。また、長尺状のＣＩＧＳ太陽電池を、表面電極層と長尺基材とを接触させることなく所定間隔で切断し、所定寸法の化合物太陽電池セルとしているため、ユーザーのニーズに合わせた使い勝手のよいサイズのＣＩＧＳ化合物太陽電池セルとすることができる。

つぎに、本発明の化合物太陽電池モジュールについて、上記ＣＩＧＳ太陽電池セルを用いたＣＩＧＳ太陽電池モジュールを例にあげて説明する。図４（Ａ）は、上記ＣＩＧＳ太陽電池セルＣが複数個（この例では３個）、電気的に接続されたＣＩＧＳ太陽電池モジュールＭの平面図であり、図４（Ｂ）は、このＣＩＧＳ太陽電池モジュールＭのＳ−Ｓ断面図である。なお、図４（Ａ），（Ｂ）において、ＣＩＧＳ太陽電池セルＣを構成する基材１、裏面電極層２、ＣＩＧＳ光吸収層３、バッファ層４、表面電極層５は省略し、金属層パターン６のみを示している。また、２１はフレーム、２２は裏面支持材、２３は表面保護材、２４は封止樹脂を示しており、上記フレーム２１、裏面支持材２２、表面保護材２３により、ＣＩＧＳ太陽電池モジュールＭのハウジング（ケース）が形成されている。

上記ＣＩＧＳ太陽電池モジュールＭをより詳しく説明すると、３個の上記ＣＩＧＳ太陽電池セルＣが、長手方向に揃えられ、図４（Ｂ）に示すように、その幅方向をハウジングの裏面支持材２２に対して所定の角度傾けた状態で、それぞれの一部（長手方向に沿う両側縁部）が互いに重なり合うように収容されている。そして、これらのＣＩＧＳ太陽電池セルＣの片側の金属層パターン６の表面に、半田からなる接続部（図示せず）が形成され、この金属層パターン６が半田を介して他のＣＩＧＳ太陽電池セルＣの表面電極層５（図１参照）と電気的に接続され、ＣＩＧＳ太陽電池セルＣ同士が電気的に接続されている。

また、上記ＣＩＧＳ太陽電池モジュールＭのハウジング内には、各ＣＩＧＳ太陽電池セルＣで発生する電力（電流）を外部に取り出すための端子盤等（図示せず）が配設されるとともに、ハウジングの外部には、他のＣＩＧＳ太陽電池モジュールＭ等と電気的に接続するための外部端子（図示せず）等が取り付けられている。

この構成によれば、ＣＩＧＳ太陽電池セル同士の電気的な接続を、この金属層パターン６と他のＣＩＧＳ太陽電池セルの表面電極層５とを接合させるだけで、簡単に行うことができる。また、上記ＣＩＧＳ太陽電池セルＣの金属層パターン６が、ＣＩＧＳ太陽電池セルＣ同士の接続部位になっているため、この他に電気的な接続部位を設けることが不要で低コストとすることができる。しかも、上記ＣＩＧＳ太陽電池セルＣ自身の変換効率が高いことも相俟って、一層変換効率が高められている。そして、上記ＣＩＧＳ太陽電池セルＣ同士の電気的接続が、半田を介して行われているため、ＣＩＧＳ太陽電池セルＣ同士の接続がより強固となり、ＣＩＧＳ太陽電池モジュールＭの耐久性の向上が図られている。また、ハウジングの内の隙間に充填された封止樹脂２４によって、上記ＣＩＧＳ太陽電池セルＣが湿気や汚れ、紫外線、物理的な衝撃等から保護され、より一層ＣＩＧＳ太陽電池モジュールＭの長寿命化が図られている。

上記ＣＩＧＳ太陽電池モジュールＭは、例えば、以下に示すようにして製造することができる。まず、図４（Ａ）に示すように、複数個（この例では３個）の上記ＣＩＧＳ太陽電池セルＣを長手方向に揃え、図４（Ｂ）に示すように、その幅方向をハウジングの裏面支持材２２に対して所定の角度傾けた状態で、それぞれの一部（長手方向に沿う両側縁部）が互いに重なり合うように収容する。つぎに、ＣＩＧＳ太陽電池セルＣの長手方向に沿う両側縁部に形成された金属層パターン６のうち、一方の側縁部の金属層パターン６の表面に、半田からなる接続部を形成し、この接続部と、他のＣＩＧＳ太陽電池セルＣの表面電極層５（図１参照）とを互いに重ね合わせた状態で加熱することにより、この金属層パターン６が半田を介して他のＣＩＧＳ太陽電池セルＣの表面電極層５と電気的に接続され、これらの金属層パターン６および半田を介してＣＩＧＳ太陽電池セルＣ同士が電気的に接続される。そして、上記ハウジング内を、透明な封止樹脂２４によって封止する。これによって、ＣＩＧＳ太陽電池モジュールＭを得ることができる。

このＣＩＧＳ太陽電池モジュールＭの製法によれば、ＣＩＧＳ太陽電池セルＣの金属層パターン６を電気的な接続部位として用いることができるため、プロセス的に優位である。また、その電気的な接続部位を半田で固定するため、より耐久性に優れたＣＩＧＳ太陽電池モジュールＭを製造することができる。さらに、上記ＣＩＧＳ太陽電池セルＣ自身が高変換効率を有するため、低コストで高変換効率を有するＣＩＧＳ太陽電池モジュールＭを製造することができる。

上記ＣＩＧＳ太陽電池セルＣ同士の電気的な接続は、半田を用いなくても容易に行うことができるが、半田を用いると、その接続状態をより強固に保つことができるため好適である。また、半田に代えて、導電性を有するテープ材，接着剤を用いても同様の効果を奏する。さらに、金属層パターン６と表面電極層５との電気抵抗を減少させることを目的として、上記金属層パターン６と同一材料からなる金属層パターンを、上記表面電極層５の表面に設けてもよい。

また、上記ＣＩＧＳ太陽電池モジュールＭの大きさは、用途に応じて適宜設定され、例えば、その幅は１０ｃｍ〜１ｍ、長さは５０ｃｍ〜２ｍ程度であり、上記フレーム２１は、太陽電池の用途や使用環境によっては省略，変更されることがある。

上記フレーム２１を構成する材料としては、例えば、金属や樹脂等を用いることができる。上記裏面支持材２２としては、金属板、樹脂板、フッ素樹脂フィルム、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム等を好適に使用することができる。また、表面保護材２３および封止樹脂２４は、透明あるいは半透明であることが必須であり、上記表面保護材２３の好適な例としては、強化白板ガラス等があげられ、上記封止樹脂２４の好適な例としては、エチレン酢酸ビニル共重合樹脂（ＥＶＡ）等があげられる。

つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。ただし、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

〔実施例１〕
（金属層パターンの形成）
幅１５ｍｍ、厚み５０μｍのＳＵＳ（ＳＵＳ４３０：ＪＦＥスチール社製）基材の表面に、厚み３０ｎｍのＣｒ層および１００ｎｍのＣｕ層をスパッタリングにより形成した。ついで、このＣｕ層の上にドライフィルムをラミネートし、露光および現像を行うことにより、上記基材の長手方向に沿う両側縁部以外の大部分が残るパターン（目的とする金属層パターンと逆のパターン）のレジストを作製した。そして、その上から硫酸銅めっき液を用いて、厚み１０μｍの銅めっきからなる金属層を作製し、最後にレジストの上に形成されたこの金属層ごとメッキレジストを剥離することで、上記基材の長手方向に沿う両側縁部に幅１ｍｍで基材の全長にわたる金属層パターンを形成した。

つづいて、上記金属層パターンが形成された長尺状基材の他方の面に、裏面電極層、ＣＩＧＳ光吸収層、バッファ層、表面電極層をこの順で連続して形成し、最後に所定寸法（長さ１００ｍｍ）に切断して目的のＣＩＧＳ太陽電池セルを得た。なお、これらの層の形成は、上述のとおり、ロールトゥロールプロセスにより、真空一貫で行い、その工程（形成過程）中に一度も装置から出さずに行った。また、これら一連の工程は、加工速度（ラインスピード）１ｍ／分で実施した。各工程の詳細は以下のとおりである。

（ｃ）裏面電極層の形成
上記金属層パターンが形成された長尺状基材の他方の面に、０．８Ｐａに減圧された裏面電極層成膜室１０においてスパッタリングにより、まず、厚み３００ｎｍのＣｒ層を形成し、ついで同じく厚み３００ｎｍのＭｏ層を連続的に形成した。

（ｄ）ＣＩＧＳ光吸収層の形成
上記裏面電極層の上に、室内圧力１×１０^-3Ｐａ、室内温度５５０℃に設定された化合物半導体層成膜室１１において、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅを蒸着源とし、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅのモル構成比が、Ｃｕ／（Ｇａ＋Ｉｎ）≒０．８５、Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）≒０．３になるように、厚み２．２μｍのＣＩＧＳ光吸収層を形成した。

（ｅ）バッファ層の形成
上記ＣＩＧＳ光吸収層の上に、室内圧力０．２Ｐａに設定されたバッファ層成膜室１２において、Ｚｎ（Ｏ，Ｓ）（ＺｎＯ ８０ｗｔ％、ＺｎＳ ２０ｗｔ％）を材料として、スパッタリングにより、厚み１００ｎｍのバッファ層を形成した。

（ｆ）表面電極層の形成
上記バッファ層の上に、室内圧力０．４Ｐａに設定された表面電極層成膜室１３において、ＩＴＯを材料として、スパッタリングにより、厚み２００ｎｍの表面電極層を形成した。

〔比較例１〕
実施例１の金属層パターンに代えて、基材の長手方向に沿う片側縁部にのみ金属層を形成する金属層パターンを形成した他は、実施例１と同様にして、比較例１のＣＩＧＳ太陽電池セルを得た。

〔比較例２〕
実施例１の金属層パターンを一切形成しない他は、実施例１と同様にして、比較例２のＣＩＧＳ太陽電池セルを得た。

＜変換効率＞
上記実施例１品、比較例１および２品のＣＩＧＳ太陽電池セルをそれぞれ２０個準備し、ソーラーシミュレーター（セルテスター、山下電装社製、ＹＳＳ−１５０）を用いて、擬似太陽光（ＡＭ１．５）を１００ｍｍ角以上の照射面積になるように調整して照射し、それぞれの変換効率を測定した。

上記の変換効率の測定の結果、実施例１品の平均変換効率は１２．３％であり、歩留まり（変換効率１１％を超える化合物太陽電池セルの製造率）は９５％であった。一方、比較例１品の歩留まりは８０％であり、比較例２品の歩留まりは５０％であった。これは、比較例１および２品には、基材１のＣＩＧＳ光吸収層等が形成されていない面に、細かいすり傷が形成されており、巻き取りロールに巻き取られる際に、この細かいすり傷が入った基材の面が、表面電極形成層の上に重ねて巻かれることにより、表面電極形成層にまで細かいすり傷が形成され、これにより、欠陥部（非発電領域）が生じたためであると考えられる。

〔ＣＩＧＳ太陽電池モジュールの製造〕
つぎに、上記実施例１品および比較例１，２品のＣＩＧＳ太陽電池セルをそれぞれ７個接続して、１００ｍｍ角のＣＩＧＳ太陽電池モジュールを製造し、得られたＣＩＧＳ太陽電池モジュールについて、それぞれ変換効率を測定した。なお、ＣＩＧＳ太陽電池モジュールの製造は、以下の通りに行った。まず、上記実施例１品および比較例１，２品のＣＩＧＳ太陽電池セルのそれぞれの表面電極層表面の長手方向に沿う両端縁部に、真空蒸着法により、Ｃｒ層およびＣｕ層（それぞれ幅１ｍｍ、厚み１００ｎｍ）をこの順で形成した。つぎに、表面電極層が形成されている面の反対面において、金属層パターンの表面（あるいは、金属層パターンが形成されていない個所については、基材の側縁部）に、半田による接続部を形成した。そして、上記実施例１品および比較例１，２品のＣＩＧＳ太陽電池セルをそれぞれ、重なり幅が１ｍｍとなるよう長手方向に揃えて配置し、一方のＣＩＧＳ太陽電池セルの表面電極層表面のＣｕ層と、他方のＣＩＧＳ太陽電池セルの接続部とを当接させ、その状態で接続部を２３０℃で３０秒間加熱して、ＣＩＧＳ太陽電池セル同士の電気的接続を行った。すなわち、上記実施例１品のＣＩＧＳ太陽電池セル同士の電気的な接続は、前記の実施の形態に示したとおり、金属層パターンおよび半田を介して接続した。また、比較例１品および比較例２品については、金属層パターンが形成されている個所については金属層パターンおよび半田を介して接続し、金属層パターンが形成されていない個所では、半田を介して接続した。

＜変換効率＞
上記実施例１品および比較例１，２品からなるＣＩＧＳ太陽電池モジュールを、それぞれ２０個準備し、ソーラーシミュレーター（セルテスター、山下電装社製、ＹＳＳ−１５０）を用いて、擬似太陽光（ＡＭ１．５）を１００ｍｍ角以上の照射面積になるように調整して照射し、それぞれの変換効率を測定した。

上記の変換効率の測定の結果、実施例１品からなるＣＩＧＳ太陽電池モジュールの平均変換効率は１１．２％であり、歩留まり（変換効率１１％を超える化合物太陽電池モジュールの製造率）は９５％であった。一方、比較例１品からなるＣＩＧＳ太陽電池モジュールの平均変換効率は８．７％であり、歩留まりは８０％であった。また、比較例２品からなるＣＩＧＳ太陽電池モジュールの平均変換効率は５．４％であり、歩留まりは５０％であった。この結果は、ＣＩＧＳ太陽電池セルの平均変換効率および歩留まりの測定結果と大差ないものであり、ＣＩＧＳ太陽電池モジュールは、ＣＩＧＳ太陽電池セルの性能に依存していることが示された。

本発明の化合物太陽電池セルおよびその製法によれば、高品質の化合物太陽電池セルを短時間で効率よく製造することができる。これにより、化合物太陽電池セルの単位面積当たりのコストを低減することができる。また、これを用いた化合物太陽電池モジュールおよびその製法によれば、プロセス的に優位で、より耐久性に優れた化合物太陽電池モジュールを短時間で効率よく製造することができる。

１ 基材
２ 裏面電極層
３ ＣＩＧＳ光吸収層
４ バッファ層
５ 表面電極層
６ 金属層パターン

Claims (10)

1. 導電性を有する長尺基材の一方の面に、裏面電極層と、化合物半導体層と、酸化物半導体からなるバッファ層と、導電性酸化物からなる表面電極層とが形成され、上記長尺基材の他方の面の長手方向に沿う両側縁部に、導電性を有する金属層パターンが形成されていることを特徴とする化合物太陽電池セル。
2. 上記導電性を有する長尺基材が、鉄、鉄系合金、アルミニウム、チタンからなる群から選ばれた少なくとも一つからなる請求項１記載の化合物太陽電池セル。
3. 上記金属層パターンが、ニッケル、クロム、銅、金、銀からなる群から選ばれた少なくとも一つを含有する請求項１または２記載の化合物太陽電池セル。
4. 上記金属層パターンが、真空蒸着、スパッタ法、めっき法、エアロゾルデポジション法からなる群から選ばれた少なくとも一つにより形成されたものである請求項１〜３のいずれか一項に記載の化合物太陽電池セル。
5. 上記金属層パターンが、目的とするパターンと逆のパターンを有するレジストを形成し、その上から金属層を形成したのちに、レジスト上に形成された金属層をレジストごと除去して形成されたものである請求項１〜４のいずれか一項に記載の化合物太陽電池セル。
6. 上記化合物半導体層が、少なくともI族、III族、VI族の元素を含むカルコパイライト結晶構造を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載の化合物太陽電池セル。
7. 請求項１に記載の化合物太陽電池セルの製法であって、下記の（ａ）〜（ｆ）の工程を経由し、少なくとも（ｄ）〜（ｆ）の工程が連続して行われることを特徴とする化合物太陽電池セルの製法。
   （ａ）導電性を有する長尺基材を準備する工程。
   （ｂ）上記長尺基材の一方の面の長手方向に沿う両側縁部に金属層パターンを形成する工程。
   （ｃ）金属層パターンが形成された上記長尺基材の他方の面に裏面電極層を形成する工程。
   （ｄ）上記裏面電極層の上に化合物半導体層を形成する工程。
   （ｅ）上記化合物半導体層の上に酸化物半導体からなるバッファ層を形成する工程。
   （ｆ）上記バッファ層の上に導電性酸化物からなる表面電極層を形成する工程。
8. さらに、下記（ｇ）の工程を有する請求項７記載の化合物太陽電池セルの製法。
   （ｇ）表面電極層が形成された長尺基材を、表面電極層と長尺基材とを接触させることなく、長手方向に所定間隔で切断し、所定寸法の化合物太陽電池セルとする工程。
9. 請求項１記載の化合物太陽電池セルを複数組み合わせてなる化合物太陽電池モジュールであって、各化合物太陽電池セルがその金属層パターンと他の化合物太陽電池セルの表面電極層とを電気的に接続した状態で組み合わせられていることを特徴とする化合物太陽電池モジュール。
10. 請求項９記載の化合物太陽電池モジュールの製法であって、請求項１記載の化合物太陽電池セルを複数準備し、それらに形成された金属層パターンの表面に、半田からなる接続部をそれぞれ形成し、各化合物太陽電池セルの上記接続部と他の化合物太陽電池セルの表面電極層とを互いに重ね合わせて加熱することにより、複数の化合物太陽電池セルを、半田を介して電気的に接続することを特徴とする化合物太陽電池モジュールの製法。

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