JP2015038969A - 薄膜太陽電池モジュールの製造方法、薄膜太陽電池モジュールおよび薄膜太陽電池モジュールの製造ライン - Google Patents

薄膜太陽電池モジュールの製造方法、薄膜太陽電池モジュールおよび薄膜太陽電池モジュールの製造ライン Download PDF

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Abstract

【課題】製造方法を簡素かつより効果的とした薄膜太陽電池モジュールの製造方法を提供する【解決手段】少なくとも１つの電極２、１つの光活性層配列３、さらなる電極４からなる層を基板１に形成する工程と、複数のセグメント５，７を形成するために、形成された前記層を構造化する工程とを備え、前記構造化を行う前に少なくとも１つの電極２、光活性層配列３、さらなる電極４が形成され、形成された前記層の構造化は、少なくとも１つの電極２、光活性層配列３およびさらなる電極４を分断する分離線４２を形成する工程と、さらなる電極４を電気的に分離するために、さらなる電極４と光活性層配列３とを分断するさらなる分離線４０を形成する工程と、分離線４２によるさらなる電極４の分断を電気的に再度閉じるために、分離線４２の領域内で、導電性ペーストのストランド４４または導電性の粘着ストリップ４３をさらなる電極４に形成する工程とを備える。【選択図】図４Ｂ

Description

本発明は、共通の基板に複数の薄膜太陽電池モジュールが電気的に直列接続される薄膜太陽電池モジュールの製造方法に関する。さらに、付随する薄膜太陽電池モジュールと製造工程の処理に適する製造ラインに関する。
薄膜太陽電池モジュールは、光起電力セルモジュールとも言われ、マイクロメートル範囲の厚みの光活性層を備える。光活性層に用いられる半導体材料は、非晶質または微細結晶である。電池を含む非晶質または微細結晶の半導体材料からなる層の組合せが可能であり、いわゆる二層電池（タンデム電池）や三層電池（トリプル電池）と言われる。可能な半導体材料として、Ｓｉ、ＧｅおよびＣｄＴｅやＣｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ２（短縮してＣＩＳやＣＩＧＳと書く）のようなＳｉとＧｅの複合した半導体がある。単結晶や巨視的な厚さの多結晶半導体層に作成される太陽電池モジュールより変換効率が低いにもかかわらず、薄膜太陽電池モジュールは、その作成に用いる材料の純度のグレードが低くてすみ、また、経済的や技術的な理由で、太陽電池モジュールの代替手段として用いられる。
高い抵抗損失を発生させることになる太陽電池の電極内で横方向に放電することなしに、表面積あたりの経済効果の高いモジュールを使用できるように、通常、薄膜太陽電池モジュールは複数のセグメントに分割される。この分割された形状のセグメントは、数ミリから数センチの幅で、一端が揃うようにして、ほぼ平行に並ぶ。連続した基板上の細い分離線によって、太陽電池の薄層構造の個々の層に形成されたセグメントは分断される。分離線は、一つには隣接した層が互いに電気的に絶縁するように通り、もう一つには後につけられた層が、接触線に沿って、裏に隠れた層に電気的に接続できるという事実である。個々のセグメントの連続的な接続を、適切な分離線の配置により、このような方法で達成できる。
分離線の形成についての先行技術によると、層を形成した後に、その都度、分離線を形成する。通常、層の形成は真空条件下で行い、分離線の構成は空間的に隔てられた大気条件下で行うので、先行技術による製造工程では、複雑な製造工程の段取りを必要とする。さらに、真空状態の出し入れを伴う頻繁な装填と取り出しは、太陽電池層の間に汚染物質を組み込む危険がある。構造を形成する処理の間に取り除かれて、層に付着する物質は、そのような汚染物質になりうる。
従って、この発明が示すのは、薄膜太陽電池モジュールの製造方法を簡素かつより効果的とすることを課題とする。この発明の他の課題として、このような製造方法により製造された薄膜太陽電池モジュールを規定することと、そのような薄膜太陽電池モジュールを製造する製造ラインを作ることを課題とする。
これらの課題は独立した請求項の特徴によって解決される。有利な形態と発展は、従属した請求項の目的である。
この発明の第１の観点によると、共通の基板に配置され、電気的に直列に接続する複数のセグメントを含む薄膜太陽電池モジュールの製造方法であって、基板に少なくとも１つの電極と、１つの光活性層配列を形成する工程と、および／または、複数のセグメントを形成するためにつける、および／または、つけられる層の構造化工程とを含む製造方法により、課題は解決される。構造化工程が行われる前に、少なくとも１つの電極と、１つの光活性層配列がつけられる。
従って初めに、層を堆積する少なくとも２つの処理のグループが、分割のための構造化工程が行われる前に実行される。比較できる条件下（例えば、真空条件下と大気条件下）で各々で実行される処理工程の組合せは、工程管理を容易にし、薄膜太陽電池モジュールの場合において層と層の間の汚染物質の混入を減らすのに適している。
有利な処理の形態では、既につけられた層の構造化は、レーザー光の手段、および／または機械による切り込み、および／または選択性エッチングの方法で分離線を形成することによって行われる。特に好ましいのは、レーザー光で直接、１つ以上の層を局所的に取り除き、あるいは、少なくとも１つの層の物理的性質、特に導電性を変化させるように、１つ以上の層が局所的に加熱される。
他の有利な処理の形態では、既につけられた層の構造化は、レーザー放射を通して接触線を形成することによって行われる。特に好ましくは、レーザー放射は、１つの層の上に置かれた異なる材料の層を局所的に加熱して、もとの材料の物理的性質と異なった性質にし、特に導電性を形成するように当てられる。
他の有利な処理の形態では、電気的に絶縁する材料の絶縁線は、１つの分離線の範囲に形成される。特に好ましくは、絶縁線はインクジェットプリント処理でつけられる。
他の有利な処理の形態によると、共に形成される層の構造化工程は、可溶性材料の被覆線の助けを用いて後から行われる。特に好ましくは、被覆線はインクジェットプリント処理でつけられる。
本発明の第１の観点による前述の有利な形態は、一方が他方の上につけられる少なくとも２つの層を有する中でも、（１つの）層の構造化を処理するのに適した構造化手段を定める。ゆえにそれらは、本願に係る方法の理想的な構造化の手段である。
本発明の第２の観点によると、電気的に直列に接続する複数のセグメントを含む薄膜太陽電池モジュールが、請求項の方法で製造されることにより、課題は解決される。
本発明の第３の観点によると、電気的に直列に接続する複数のセグメントを含む薄膜太陽電池モジュールであって、絶縁材料の絶縁線が分離線の領域につけられ、分離線がセグメントの構成のために薄膜太陽電池モジュールの第１の電極を分断し、第２の電極で覆われる、薄膜太陽電池モジュールによって、課題は解決される。好ましくは絶縁線は、絶縁性ポリマーを含む。
本発明の第４の観点によると、電気的に直列に接続する複数のセグメントを含む薄膜太陽電池モジュールであって、基板の方に向かう導電性酸化物の電極が分離線で電気的に分断され、電極は分離線の領域の中では局部的に分離線の外側と異なる物理的性質を有する、薄膜太陽電池モジュールにより、課題は解決する。
好ましくは、分離線の領域にある局部的に異なる物理的性質は、分離線の領域にある電極の再結晶化後のドーピングの変化、または分離線の範囲の電極に隣接する光活性層配列から酸化物の要素が形成されることによって、得られる。特に好ましくは、光活性層配列はＳｉを含み、分離線はＳｉ酸化物を含む。
本発明の第５の観点によると、電気的に直列に接続する複数のセグメントを含む薄膜太陽電池モジュールであって、第１電極と、光活性層配列と、第２電極と、を備え、セグメントを直列に接続するのための第２電極から第１電極に電気的な接続が経由する接触線を備え、接触線は、光活性層配列の領域において、光活性層配列と第２電極を導電する、導電性材料組成および／または導電性の合金の要素を含む、薄膜太陽電池モジュールによって、課題は解決する。好ましくは、光活性層配列はＳｉを含み、接触線は珪素化合物を含む。
本発明の第６の観点によると、電気的に直列に接続する複数のセグメントを含む薄膜太陽電池モジュールであって、セグメントの構成のために薄膜太陽電池モジュールの第１電極を分断し、第２電極への電気的接続を回復するために第２電極を分断する分離線の領域において、導電性粘着ストリップまたは導電性ペーストのストランドがつけられる、薄膜太陽電池モジュールによって、課題は解決する。
第２ないし第６の観点の薄膜太陽電池モジュールにおいて、異なる層（電極と光活性層配列）は、少なくとも２つの層が既につけられた後に、直列接続が形成されるように構造化される。この層をつける処理工程の組合せの結果、薄膜太陽電池モジュールにおいて、例えば頻繁な装填と取り出しの工程による汚染物質はより少なくなる。それは層の品質の向上をもたらし、結果として電池の効果が高くなる。さらに、これらの薄膜太陽電池モジュールの形態において、層の構造化の処理工程は組み合わされうる。それは、互いに関連する異なる層における構造化工程をよりよい位置づけに導く。この結果、直列接続の小さい接続領域をもたらし、従って電池部分の表面効率が高くなる。
本発明の第７の観点によると、課題は、ガラス基板に薄膜太陽電池モジュールを製造するための製造ラインであって、第１の真空ロックと、少なくとも２つのコーティング場と、第２の真空ロックとを有し、ガラス基板は、第１の真空ロックを経由してコーティング設備に装填されたのち、第２の真空ロックを経由して取り出される前に、連続する真空条件下で最小の２つのコーティング場を通ることが可能なように設計されたコーティング設備を含む、製造ラインによって、課題は解決される。製造ラインは、第１の観点に従って、関連する利点によりプロセスの実施を可能にする。
以下、実施形態の例によって５つの図を用いてさらに詳細に本発明を説明する。
先行技術における薄膜太陽電池モジュールの層の構造を示す構成図である。 本発明の実施の形態に係る薄膜太陽電池モジュールの製造工程の一部を示す断面図である。（ａ）ないし（ｄ）についてであり、それ以降の工程は図２Ｂへ記載する。 本発明の実施の形態に係る薄膜太陽電池モジュールの製造工程の一部を示す断面図である。（ｅ）ないし（ｈ）についてであり、図２Ａの工程の続きである。 本発明の実施の形態に係る薄膜太陽電池モジュールの製造工程の一部を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る薄膜太陽電池モジュールの製造工程の一部を示す断面図である。（ａ）ないし（ｄ）についてであり、それ以降の工程は図４Ｂへ記載する。 本発明の実施の形態に係る薄膜太陽電池モジュールの製造工程の一部を示す断面図である。（ｅ）および（ｆ）についてであり、図４Ａの工程の続きである。 本発明の実施の形態に係る薄膜太陽電池モジュールの製造装置を示す概略図である。
図１は、先行技術における太陽電池モジュールの層の構造を示す構成図である。基板１に、第一電極２、光活性層配列３および第二電極（背面電極）４がつけられる。第一電極２、光活性層配列３および第二電極４は、分離線１０、１１および１２により横方向に遮られる。この３つの分離線１０、１１および１２は、順に、別の場所に分けて配置され、分離線１０より左側を第一セグメント５に区切り、分離線１２より右側を第２セグメント７に区切り、そして、分離線１０と分離線１２の間に接触区域６を設ける。
通常は、薄膜太陽電池モジュールの第一電極２と第二電極４および光活性層配列３は真空工程に適用される。真空工程が適しているのは、例えば、プラズマスパッタリングや電子ビーム蒸着などのＰＶＤ過程（物理気相成長）やＣＶＤ過程（化学気相成長）、さらにＬＰＣＶＤ（低圧ＣＶＤ）やＰＥＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）などがある。
グループ第四類に属する非晶質または微細結晶の半導体、例えば、ａ−Ｓｉ、ａ−ＳｉＧｅ、μＣ−Ｓｉや複合した半導体、例えばＣｄＴｅやＣｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ２（短縮してＣＩＳやＣＩＧＳと書く）は、半導体材料の光活性層配列３を活性化させることができる。光活性層配列３は上記と異なる層の組合せでもよい。さらに、導電性酸化物および／または導電性半導体層からなる部分的に反射する層（中間反射板）は光活性層配列３として存在することがある。
光活性層配列３は、分類すると、少なくとも１つのｐ型とｎドープ型の半導体層を持っており、すなわちダイオード接続のことである。薄膜太陽電池モジュールの基板がシリコンの場合、たいていは、ある延展された不純物を含まない真性の層（ｉ層）によって、ｐ型の層とｎドープ型の層に分けられる。吸収スペクトルの異なる多数の積み重ねたｐｉｎ層に利用する波長スペクトルは、上部の層に供給されることが好ましい。Ｓｉ二層（タンデム）電池は、ａ−Ｓｉのｐｉｎ層の積み重ねと、μＣ−Ｓｉのｐｉｎ層の積み重ねと、が好まれる。Ｓｉ三層（トリプル）電池は、さらにａ−Ｓｉ（Ｇｅ）のｐｉｎ層の積み重ねが加わる。このアプリケーションでは明らかに示していることで、光活性層配列３はｐｉｎ層やｎｉｐ層（ダイオード接続）に限定されていないが、これら二層（タンデム）電池や三層（トリプル）電池のような多種多様な構成を含む。
例によって、ｐドープ型の層は、光の方向へ向けられる。製造工程に関しては、光活性層配列３の配列の異なるドープ層が形成される配列に従って、いわゆるｐｉｎ電池とｎｉｐ電池の間に差ができる。ｐｉｎ電池の場合、（成長した）基板１は透明であり、末端モジュールにはまた太陽の方に向けられるキャリア基板が形成される。このためには典型的には（シート上の）ガラスが用いられる。ｎｉｐ電池の場合、ガラスか（金属）フィルムが成長基板として用いられる。作動中に太陽光を通過するキャリア基板は、製造工程を終えるまでモジュールに重ねられない。ｎｉｐ層の積み重ねは、成長基板に結合したままである。
提示する実施形態の全ての例はｐｉｎ電池の場合を示す。例は一部であり、この限りではない。本明細書の範囲で述べる全ての製造工程は、ｐｉｎ電池およびｎｉｐ電池どちらにも適用可能である。
図１に示すｐｉｎ電池の例では、太陽の方向を向いており、前面電極とも呼ばれる第一電極２は、通常、例えば、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）で形成される。太陽と逆の方向を向いており、背面電極とも呼ばれる第二電極４は、同様にＴＣＯ層もしくは、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｏなどの金属で形成され、また、ＴＣＯと金属の組合せの層で形成される。
上述した本明細書に述べる製造工程を、ｎｉｐ電池に拡張するのであれば、第一電極２と第二電極４は、正反対に対応して機能することに注意すべきである。最初に形成される第一電極２は、ｎｉｐ電池の場合、金属層から構成されて、作動中に太陽の方から引き離される背面電極になりうる。それに応じて、最後に形成される第二電極４は、透明に形成されて太陽に向けられる前面電極を構成する。
図１に示す先行技術の薄膜太陽電池モジュールの製造方法によれば、まず、ガラスなどの基板１の上に例えばＴＣＯからなる前面電極２が付けられる。そして、前面電極２に、適した波長、例えば１０６４ｎｍのレーザー光放射か、溝作成装置か、選択されたエッチングのいずれかにより、分離線１０が作成される。この分離線１０は、（図では、紙面に垂直に）モジュールの幅いっぱいに伸びる。レーザー光は、基板１を通って、また層の側から当てられる。分離線１０は、前面電極２の厚みである５ないし１０００μｍの深さ全体にわたって、典型的には１０ないし５０μｍの幅で、前面電極２を分離する。前面電極２の構成が完了した後に、光活性層配列３は形成され、生成した分離線１１により構造化される。光電変換の材料がシリコンであれば、光活性層配列３にある分離線１１は、通常、５３２ｎｍの波長のレーザー放射により生成される。最後に、背面電極４が形成される。背面電極４は、分離線１１の領域にある前面電極２と直接に接触する。分離線１２は、第二セグメント７の背面電極４から第一セグメント５の背面電極４を電気的に分離するために生成される。従来、５３２ｎｍの波長のように光活性層配列３では吸収されるが、前面電極２に吸収されない波長は、基板１を通してレーザー光を当てるのに適している。５３２ｎｍの波長はまた、分離線１２の範囲にある光活性層配列３を気化させ、金属製の背面電極４を溶解して除去、または同様に気化させる。図１において流れの向きを象徴する矢印により明らかなように、層の形成と構造化の交互の工程は、２つのセグメント５と７を直列接続に導く。
プロセス技術の観点からみると、問題は、真空条件下で行われる層の堆積の工程が、分離線１０、１１、１２を構成するために、大気（空気環境下や保護されたガス環境下）条件下で行われる層の構造化の工程と交互に起こり、完全に異なる工程場所で行われることである。処理の運営における費用の上昇の他に、頻繁に必要である装填と取り出しの操作により層の間へ汚染物質が置かれる危険を伴う。
さらに、接触区域６は太陽電池の利益を減少させる、不活性な領域なので、薄層太陽電池では、接触区域６をできるだけ狭く形成することが望まれる。層を形成するために基板を他の工程室へ送る間に行われる、層の分離構造化の工程は、分離線１０、１１、１２が互いに位置の正確さを欠くことになる。各々の分離線１０、１１、１２の位置は、結果として、不可避の位置決め誤差がセグメントの直列接続を正しく行うのに害を及ぼさない幅となることを優先して選ばれる。
図２Ａおよび図２Ｂに、本発明の実施の形態１に係る薄膜太陽電池モジュールの製造方法について具体的に示す。
図２Ａ（ａ）に示すように、第一電極２と光活性層配列３は基板１に形成される。例えば基板１はシートガラスであり、第一電極２はＴＣＯからなる前面電極であり、光活性層配列３は、ｐドープ型の層、真性の層と多結晶のｎドープ型の層、または微結晶のシリコンである。基板１を真空ロックから取り除くことなく、前面電極２と光活性層配列３は連続して真空ロックでコーティング処理が施される。また、前面電極２としてＴＣＯ層を基板１にすでに形成された状態であっても可能である。この場合、真空工程は、光活性層配列３だけに適用されることがある。
真空ロックから基板１を取り除いた後の最初の構造化工程は、分離線２０の形成のために光活性層配列３は１００μｍより大きく代表的な大きさは１５０μｍの幅の溝で分断される。これは層の側面からか基板１を通して、５３２ｎｍの波長のレーザー放射により行われる。その結果、図２Ａ（ｂ）に示すような層構造となる。
それから、分離線２０で区分けした領域で、代表的には１０ないし４０μｍの幅の溝で、追加して分離線２１を形成する（図２Ａ（ｃ）参照）。１０４６ｎｍまたは３５５ｎｍの波長のレーザー放射が分離線２１を形成するのに適している。分離線２１は、分離線２０に関して中心に位置させず、むしろ分離線２０の左側の範囲にオフセットするのが有利である。その結果、分離線２０と分離線２１の左端はそれぞれが２０ないし３０μｍの幅を開けて置かれる。分離線２０のように分離線２１は、層の側から、または基板１側から、直接レーザー放射を用いて生成できる。
分離線２０と分離線２１を形成するのに必要なレーザー放射は、基板１の上を移動する１つのプロセスヘッドから供給されることが好ましい。その結果、２つの分離線２０と２１の位置は相互に可能な限り正確に、分離線の全長にわたって一定に位置することが、保証される。
そして、図２Ａ（ｄ）に示すように、絶縁線２２は、電気的に孤立するストランドのように、分離線２１に沿って形成される。都合のよいことに、絶縁線２２は分離線２１を満たし、分離線２０の両側におよそ約２０ないし３０μｍの幅で突き出る。その結果、分離線２０の左側は孤立して不動態化する。しかし、分離線２０内の前面電極２の充分な領域、典型的には２０ないし５０μｍの幅、は絶縁線２２に覆われないことが重要である。絶縁線２２の代表的な高さは５ないし５０μｍである。
インクジェット印刷の工程は、絶縁線２２を形成するのに特に適している。形成したのち硬化する電気的に絶縁する重合体は、絶縁材料として用いた後に、硬くなる。
絶縁線２２の高さと幅の比率は、絶縁に用いる材料をつける技術と材料の流れ特性の両方により規定される。好ましくは、エッジと基板に垂直な断面のない表面が形成される。その結果、後に形成される背面電極４によって絶縁線２２は容易に覆い隠される。図２Ａ（ｄ）では、例えば、かなり高く丸みをおびた輪郭が示され、代案として、絶縁線２２の平坦な輪郭は点線で示される。
さらに、光活性層配列３の上の分離線２０の右側の領域に、可溶性の塗料の保護線２３は、基板１の全幅にわたって同様に形成される（図２Ｂ（ｅ）参照）。再び、インクジェット印刷の工程がこれのために提案される。できるだけ箱状に形成された形が、保護線２３にとって有利である。図２Ｂ（ｅ）に理想的な形を示す。保護線２３の幅は通常５０μｍで、分離線２０の右端までの距離は２０から５０μｍである。保護線２３の高さは重要ではないが、背面電極４の厚みより大きくなるように形成される。背面電極４はまだ形成されていない。絶縁線２２と保護線２３の双方を、層の側から同じプロセスヘッドで形成するのが有利である。また、全ての構造化工程は、したがって分離線２０と２１の形成ならびに絶縁線２２および保護線２３の積層のためのレーザー光の照射は、一つのプロセスヘッドで層の側から操作することが考えられる。このようにして、個々の構造の互いの相対的な位置づけが可能な限り確実に行われる。絶縁線２２と保護線２３がレーザーによる構造化の後に形成されるとしたら、この第２のプロセスヘッドは、光学的検知システムに結合されることが可能であり、それによって分離線２０または分離線２１が検出された位置からトラッキングされる。
そののち、図２Ｂ（ｆ）に示すように、背面電極４が例えばＺｎＯ層で形成され、続いて例えばＡｇおよび／またはＡｌ層が真空蒸着かスプレーコーティングで形成される。一方の絶縁線２２と他方の保護線２３である異なる輪郭によっては、絶縁線２２は連続した層で被われるが、あって背面電極４を覆い隠すものであり、保護線２３は背面電極４で全く被われないか不完全にしか被われない。
可溶性のニスの被覆線２３は、適切な溶剤で取り除かれ、分離線２４は背面電極４に残ったままとなる。この拡張で保護線２３の形成は、まだ形成されていない層（この場合は背面電極）の構造化処理である。
薄膜太陽電池モジュールにおけるこの処理の結果を図２Ｂ（ｇ）に示す。分割の結果、左側の第一セグメント５と、右側の第二セグメント７と、それらの間にある接触区域６と、が図示されている。さらに、流れの向きを象徴する矢印によって、第一セグメント５から第二セグメント７への直列接続が行われることが図示される。
背面電極４によって覆われ、そして完全に背面電極４によって封止される絶縁線３３により、薄膜太陽電池モジュールは特徴づけられる。前述の構造化された要素の典型的な寸法と大きさは接触領域の幅に結びつくが、接触領域の幅は２００μｍより少ないので、その結果、薄膜太陽電池モジュールの効率的な利用となる。
図２Ｂ（ｈ）は、薄膜太陽電池モジュールの代替となる実施形態を示す。この実施形態では、分離線２０は図２Ａ（ｂ）に関連する完全な幅の広さを示すものではない。むしろ、分離線２５は幅狭く形成され、分離線２１は中央に位置し、分離線２６は追加して形成される。この光活性層配列３を分断する２つの分離線は、完全に小さい幅で取り除くことができ、相当する低いレーザー力を要求されるので、技術工程を有利にするという見方がある。
図２Ａおよび図２Ｂに示すこの工程に有利なことは、２つの層または層配列（図２Ａ（ａ）参照）が、最初の構造化の工程の前に形成が行われることである。異なる工程場所の移動や層の形成のために不可避な真空ロックへの装填と取り出しの操作の回数は、少なく抑えられる。さらに、全ての構造化工程は、一つの処理ステーションで連続してまとめて行われる。その結果、もはや各構造化工程の前に基板１を再配置する必要がない。選択的には、全ての構造化工程を１つのプロセスヘッドを用いてある程度同時に実行することさえできる。構造化のスループットを向上するために、さらに、これら多くのプロセスヘッドは平行して、かつ次々に、異なるセグメントの間で接触領域の処理に使用できる。これらのプロセスヘッドは、別々のレーザーとして用意されるか、分離したレーザーとして供給される。あるいはビームスプリッターにより異なるプロセスヘッドにその光が送られる共通のレーザーから供給され得る。
図２Ａおよび図２Ｂの類似した方法であって、本願に係るプロセスの実施の形態を図３に示す。図２Ａおよび図２Ｂに関して述べた可能な材料は、本実施の形態に拡張できる。
図３ａに示すように、この場合、最初の構造化工程が次に行われる前に、前面電極２と光活性層配列３と背面電極４は基板１に積層される。図３ｂに示すように、最初の構造化工程として、分離線３０は、光活性層配列３と背面電極４に導入される。図１の分離線１２で説明したように、分離線３０は、適切な波長、例えば５３２ｎｍの波長のレーザー光放射により行われる。
そして図３ｃに示すように分離線３１は作られる。適切な波長、例えば２００ｎｍから１０μｍの範囲のレーザー光を層の側から放射することによって、背面電極４と光活性層３の層が、気化されることなく、局部的に溶融される。このようにして基板の側からレーザー光を当てることが可能である。このとき波長は、例えば、３００ｎｍから２μｍが適している。
珪素化合物、例えば金属と同程度の導電性を有するＡｇＡｌＳｉ、または、ＳｉとＡｇのような高い導電性を有する共晶混合物、のいずれかが、溶融中に拡散プロセスによって生ずる。この理由としては、この場所で背面電極４から前面電極２へ電流が流れるからである。接触線３１の領域に、前面電極へのオーム性の接触があることが好ましい。接触線３１の形成の工程は、実施の形態の例の材料系に限られない。光活性層３と背面電極４から局部的に溶けて形成された成分の混合物はまた、他の系統で導電性複合体または合金を生じるために用いられる。
それから、分離線３１の左側に、前面電極２を分断するように分離線３２が形成される。分離線３２を形成するために、前面電極に吸収される波長、例えば１０６４ｎｍのレーザー光が、基板１から導入される。レーザーパワーと処理時間は、前面電極２が局部的に熱せられ再結晶過程に励起されるが、物理的に材料が除去されないように選択される。図２Ａおよび図２Ｂに関連して述べた分離線２０および２１、または本実施の形態の例に挙げた分離線３０と比較すると、分離線３２では、材料は従って除去されないが、むしろ属性が変化し、特に伝導率が変化する。溝は形成されない。上部に置かれた層の前面電極２、光活性層３および背面電極４は影響されないか、または無視できる程度にしか影響されない。このとき、パルスレーザー放射を利用することは有効である。これによって、導入される熱の全量が周りへ消散する前に、前面電極２を短時間で局部的に加熱することができる。このようにして、周りを暖めることなく、局部的に高い温度レベルが短時間で達成される。パルスの持続時間はマイクロ秒以下で、特にナノ秒からピコ秒の範囲の時間がここでは適している。これによって引き起こされる分離線３２の領域にある前面電極２のＴＣＯ材料のマイクロ構造の変化は、この領域における導電性の明らかな減少をもたらす。その理由は、ドーパントはＴＣＯ層の導電性にとって本質的な要素であり、再結晶化の過程の結果として結晶に組み込まれないからである。導電率の低下につながる２つめの可能なメカニズムは、前面電極２の材料と光活性層配列３に重なる材料を混ぜる。前面電極２のＴＣＯ材料の酸素は、光活性層配列３のシリコンとともに、電気的に絶縁した酸化シリコン（ＳｉＯやＳｉＯ２）を形成する。この操作はシリコン酸化物の高いエンタルピーにより決定的な影響を受ける。ここで、前面電極２の上にある光活性層配列３も熱せられるように、レーザー放射のパラメータ（波長、パワー、持続時間）を選択することが有利である。また、同時に２つの波長のレーザー放射を用いることが考えられる。すなわち、一方はむしろ前面電極２に吸収され、他方はむしろ光活性層配列３に吸収されるようにする。しかしながら、今度もまた材料が取り除かれることはない。電流は第一セグメント５から接触領域６を通って第二セグメント７まで正しい方向に流れ、反対方向に作用しないために、背面電極４は変化すべきでない。
ドーパントの分離、もしくはシリコン酸化物の形成の、どちらの場合も、前面電極２は電気的に分断されるか、その導電性が充分に減少する。この分離線３２の形成の工程は、実施の形態の例の材料系に限られない。例えば、ＣＩ（Ｇ）Ｓを主成分にした光活性層配列３の場合は酸化銅、カドミウムを含む光活性層配列３の場合は酸化カドミウムで分離線３２が形成される。そして、これらは前面電極２を電気的に分断するか、または分離線３２の領域で導電性を充分に減少させる。
結果は図３ｄに示される。図３ｄではまた、第一セグメント５、第二セグメント７および間にある接触領域６の領域が示され、第一セグメント５と第二セグメント７の直列接続における電流の流れは矢印で象徴される。結果として薄膜太陽電池モジュールは、背面電極４におけるシリコンを含む接触線３１により特徴づけられるか、前面電極１における再結晶化もしくは酸化シリコンを含む分離線３２により特徴づけられる。
また、最初の実施形態の例のように、ここでも全ての構造化工程が一緒にまとめられることは有利である。さらに、少なくとも２つの構造化手段、すなわち層の側から行う分離線３０および接触線３１の作成は、１つのプロセスヘッドで実現できる。残る構造化手段、分離線３２の作成は、薄膜太陽電池モジュールの同じ位置の基板の側から、第１のプロセスヘッドに平行に案内される第２のプロセスヘッドで実施できる。構造化手段の群が実行される前に、全ての層が生成されることはとりわけ有利である。そのうえ、構造化のスループットを向上するために、複数のプロセスヘッドを平行して使用することができる。
処理の代替的な実施の形態として、既にＴＣＯ層が前面電極２として備わり、分離線３２が伝統的な技術により形成された基板１から始めることが考えられる。この場合、光活性層配列３と背面電極４は、予め構造化された前面電極２に形成される。したがって全ての構造化手段がもはや一緒に結合されないとしても、この工程は従来技術に対して利点を提供する。その場合、各層の生成に構造化手段が続く。
図４Ａおよび図４Ｂは、薄膜太陽電池モジュールを製造するプロセスの、他の２つの実施形態の例を示す。
図３に示す実施形態の例として、まず前面接点２、光活性層配列３、背面接点４が基板１に形成される（図４Ａ（ａ）参照）。それから背面電極４と光活性層配列３に、分離線４０が作られる（図４Ａ（ｂ）参照）。そして背面電極４と、分離線４０から横に間隔をおいた光活性層配列３の間に、接触線４１が形成される。この処理工程までに、図３に関連して説明された処理と全く同じように処理が実行される。その理由は、詳細にはそこに与えられた説明を参照されたい。
次に、図４Ａ（ｄ）に表されるように、分離線４２が作られる。分離線４２は、基板以外の全部の層構造、したがって、前面電極２、光活性層配列３および背面電極４を分断する。好ましくは、分離線４２は、基板を通して、適した波長（１０６４ｎｍや３５５ｎｍ）のレーザー光の放射で実施される。代わりに、高い放射エネルギーを用いて背面側から実施できる。全ての層が同時に除去されるのと、または、同じ波長もしくは異なる波長のレーザー光が交互の工程で放射に用いられて、数段階の工程で層が除去される、の両方が考えられる。例えば、第１の工程では、分離線４０の形成において、光活性層配列３と背面電極４が除去され、第２の工程では分離線１０（図１参照）または分離線２０（図２Ａおよび図２Ｂ参照）が形成されて、前面電極２が除去される。
最終的に、分離線４２による背面電極４の望まれない分断を電気的に再度閉じるために、導電性粘着ストリップ４３が分離線４２につけられる。導電性粘着ストリップ４３は、例えば、導電性ポリマーからなる。それをつける際に、粘着ストリップ４２が分離線４０に横たわらないように注意しなければならない。その目的は、第一セグメント５と第二セグメント７に隣り合う背面電極４の正確な電気的分離のためである。分離線４０と分離線４２の間隔は約１００μｍである。しかしながら、そのような位置決めで導電性粘着ストリップ４３をおくことは技術的に実行可能である。導電性粘着ストリップ４３を薄膜太陽電池モジュールの全幅にわたってつける必要はない。幅を覆って拡がる導電性粘着ストリップ４３のセグメントが電流ブリッジになれば充分である。
この製造工程から結果として生じる薄膜太陽電池モジュールは、図４Ｂ（ｅ）に描かれる。今度もまた、隣り合う第一セグメント５と第二セグメント７およびその間の接触区域６が登場し、セグメントの直列接続の電流の流れが矢印で象徴される。
分離線４２に分離された背面電極４を接続するための代替の方法が、図４Ｂ（ｆ）に示される。粘着ストリップ４３の代わりに、導電性ペーストの導電性ストランド４４がつけられる。ペーストが分離線４２に入り込まないか、無視できる程度にしか入り込まないように、ペーストの粘度が選択される。硬化する導電性ポリマーである導電性ペーストをつけるのは、インクジェット印刷技術により行われる。たとえ連続する形態がよりよい電気的接続であり、また分離線４２の保護シールとして有利であるとしても、導電性粘着ストリップの場合のように、導電性ストランド４４は、モジュールの幅いっぱいに連続する必要はない。
これらの２つの代替工程から結果として生じる薄膜太陽電池モジュールは、シリコンを含む接触線４１と、背面電極４につけられた導電性粘着ストランド４３または粘着性ストランド４４によって特徴づけられる。
図５は、本実施の形態に係る薄膜太陽電池モジュールの製造工程を実行するために適切な機械としての製造ラインを示す。
製造ラインは、ガラス基板５１の受け入れのための第一搬送システム５０を有する。この第一搬送システム５０は、洗浄場所５２から第一真空ロック５３を経由して接続されるコーティング設備５４へ導かれる。コーティング設備５４は、第二搬送システム５５、第一ＰＶＤ／（ＬＰ）ＣＶＤコーティング場５６、複数のＰＥＣＶＤコーティング場５７および第二ＰＶＤ／（ＬＰ）ＣＶＤコーティング場５８を備える。第二ＰＶＤ／（ＬＰ）ＣＶＤコーティング場５８と接続して第二真空ロック５９があり、そこから第三搬送システム６０が出ている。この第三搬送システム６０は、幾つかの可動なプロセスヘッド６２を有する構造化装置６１に導く。第三搬送システム６０にのって組立装置６１を通過した後に、完成された薄膜太陽電池モジュール６３は製造ラインから離れる。
提示される製造ラインでの薄膜太陽電池モジュールの製造における起点は、第一搬送システム５０によって渡されるガラス基板５１である。好ましくは、製造ラインは、従来の幅３．２１ｍの平らなガラスシートを収容して処理できるように設計される。場合によっては、製造ラインは板ガラス製造ラインに直接結合できることが好ましい。洗浄場所５２での洗浄後のガラス基板５１は、大気に接触することなしに第一真空ロック５３へ直に渡される。その理由の１つは、微塵から保護し、クリーンルーム環境を省くことができるからである。
その後の第一ＰＶＤ／（ＬＰ）ＣＶＤコーティング場５６で電極が形成される。ＣＶＤ（化学気相成長法）コーティングは、低圧過程（ＬＰＣＶＤ：低圧ＣＶＤ）で行われうる。さらに（ドライ）エッチング装置を第一ＰＶＤ／（ＬＰ）ＣＶＤコーティング場５６と統合することができる。好ましくは、第一ＰＶＤ／（ＬＰ）ＣＶＤコーティング場５６を同じラインの工程として連続して作動する。
その後、異なるＰＥＣＶＤコーティング場５７で光活性層配列が形成される。これらＰＥＣＶＤコーティング場５７は、備え付けのコーティング場として設計されるのが好ましい。代替的には、これらの場所の中の１つの備え付けの処理で電極が形成されてもよい。その場合、第一ＰＶＤ／（ＬＰ）ＣＶＤコーティング場５６を省略できる。さらに、例えば、ガラス製造者における製造工程でのコーティングによって、ガラス基板５１が予め前面電極を備えることもあり得る。その場合もまた、第一ＰＶＤ／（ＬＰ）ＣＶＤコーティング場５６を省略できる。もし前面電極がＰＶＤコーティング工程で製造されるなら、接続される（ドライ）エッチング工程は前面電極に必要な表面粗し加工に使用できる。対応する工程の場は、第一ＰＶＤ／（ＬＰ）ＣＶＤコーティング場５６に統合されるか、ＰＥＣＶＤコーティング場５７の１つである。コーティング場５６、５７および５８の配置のため、コーティング設備５４の真空の中の第二搬送システム５５として安価な直線ローラ駆動が利用できる。
シリコン直列電池を製造するために、水素終端のアモルファスのｐ−、ｉ−およびｎ−ドープａ−Ｓｉ：Ｈ層、および／または、マイクロ結晶構造のｐ−、ｉ−およびｎ−ドープＳｉ層、および／または、ａ−Ｓｉ（Ｇｅ）：Ｈ基材の他の吸収層が、ＰＥＣＶＤコーティング場５７で続いて形成される。さらに、製造ラインは、真空状態を崩すことなく、ＰＥＣＶＤコーティング場５７の後に第二ＰＶＤ／（ＬＰ）ＣＶＤコーティング場５８へガラス基板を通過させ、例えばスパッタリング工程などで背面電極の金属層を形成する。好ましくは、第二ＰＶＤ／（ＬＰ）ＣＶＤコーティング場５８は連続コーティング工程のために直線的に配置され、ＣＶＤコーティングの場合の低圧条件下で操作できる。また、異なる金属、例えばＡｇやＡｌやＭｏなどを堆積するために、複数の第二ＰＶＤ／（ＬＰ）ＣＶＤコーティング場５８を配置することが考えられる。
それからガラス基板５１は第二真空ロック５９を経由して真空から取り出され、第三搬送システム６０で、製造ラインの構造化装置６１へと運ばれる。
同様に、示された製造ラインは、複合半導体（ＣｄＴｅ、ＣＩＳ）を基礎とした薄膜太陽電池モジュールの製造にも使用される。
図２Ａおよび図２Ｂないし図４Ａおよび図４Ｂに関して述べられた工程は、層を形成する処理工程と、構造化すなわち分離、絶縁、被覆および配線接続を構成する処理工程をまとめるグループ化が可能であることによって特徴付けられる。それは、コーティング設備５４における層の堆積に必要な処理ステーションの結合と、構造化装置６１における構造化に必要な構造化装置の結合に反映される。レーザー、レーザー透過光学系、インクジェットプリントヘッドおよび粘着ストリップをつける装置が構造化装置として用いられる。ここで、関連する処理工程に必要な構造化の装置をできるだけ多く１つのプロセスヘッド６２に統合することが有利である。これは例えば、相互に精密に位置決めされるべき、異なる分離線を形成する異なる波長のレーザーにあてはまる。この結合については、プロセスヘッドの有利な形態に関して図２Ａおよび図２Ｂないし図４Ａおよび図４Ｂで述べたことにも向けられる。スループットの向上のために、ガラス基板５１の異なる平行な領域が処理可能である、複数の等しいプロセスヘッド６２が対象として考えられる。
例えば図２Ａおよび図２Ｂに合わせて説明された薄膜太陽電池モジュールを製造するために、基板が構造化装置６１から取り除かれた後に、もし背面電極４の形成がまだ必要であれば、ＰＶＤ／（ＬＰ）ＣＶＤコーティング場５８をコーティング設備５４に統合する代わりに、任意に分けて構成することができる。このＰＥＣＶＤコーティング場５７とＰＶＤ／（ＬＰ）ＣＶＤコーティング場５６を組み合わせてコーティング設備５４に組み入れることは、これには影響されない。
こうして完成した薄膜太陽電池モジュール６３が得られる。続いては、カプセル化、端の切り落とし、追加接続など、の周辺の製造工程のみ、薄膜太陽電池モジュール６３の最終準備のために必要である。これらの工程は、製造ラインの外で独立して、または、製造ラインと統合して行うことができる。
（付記１）
電気的に直列接続され共通の基板（１）に配置された複数のセグメント（５，７）を含む薄膜太陽電池モジュールの製造方法であって、
少なくとも１つの電極（２）と、１つの光活性層配列（３）と、更なる電極（４）であって前記光活性層配列が前記電極と前記更なる電極との間に配置される、更なる電極と、を形成するために前記基板に層を形成する工程と、
前記複数のセグメントを構造化するために、形成された前記層を構造化する工程と、を備え、
前記構造化する工程が実行される前に、最小限１つの前記電極と１つの前記光活性層配列と前記更なる電極とが形成され、
既に形成された前記層についての前記層を構造化する工程は、
前記複数のセグメントを直列に接続するための前記更なる電極と前記電極との電気的接続において経由する接触線（４１）を作成する工程と、
前記電極、前記光活性層配列及び前記更なる電極を分断する分離線（４２）を作成する工程と、
前記接触線を作成する工程の後に前記更なる電極の前記電気的接続を回復するために、前記分離線の領域内の前記更なる電極に導電性ペーストのストランド（４４）又は導電性の粘着ストリップ（４３）を形成する工程と、を備える、
ことを特徴とする薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
（付記２）
前記電極（２）は、少なくとも１つの透明な導電性酸化物の層および／または金属の層で形成されることを特徴とする付記１に記載の薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
（付記３）
前記光活性層配列（３）は、少なくとも１つの個々の層が、非結晶か微細結晶のＳｉおよび／または非結晶か微細結晶のＳｉＧｅおよび／または複合半導体で形成されていて、複合半導体は特にＣｄＴｅかＣＩＳかＣＩＧＳであることを特徴とする付記１または２に記載の薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
（付記４）
前記光活性層配列（３）は、非結晶Ｓｉであるｐドープ型の層と真性の層とｎドープ型の層、および／または、微細結晶Ｓｉであるｐドープ型の層と真性の層とｎドープ型の層、および／または、非結晶Ｓｉ（Ｇｅ）であるｐドープ型の層と真性の層とｎドープ型の層で形成されることを特徴とする付記３に記載の薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
（付記５）
前記層を形成する工程は、ＰＶＤ過程、特にスパッタリング工程、および／または、ＣＶＤ過程、特にＰＥＣＶＤ過程、を介して実行されることを特徴とする付記１ないし４のいずれか１つに記載の薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
（付記６）
前記基板（１）はガラスであることを特徴とする付記１ないし５のいずれか１つに記載の薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
１ 基板
２ 第一電極（前面電極）
３ 光活性層配列
４ 第二電極（背面電極）
５ 第一セグメント
６ 接触区域
７ 第二セグメント
１０、１１、１２ 分離線
２０、２１ 分離線
２２ 絶縁線
２３ 被覆線
２４、２５、２６ 分離線
３０ 分離線
３１ 接触線
３２ 分離線
４０ 分離線
４１ 接触線
４２ 分離線
４３ 導電性粘着ストリップ
４４ 導電性ストランド
５０ 第一搬送システム
５１ ガラス基板
５２ 洗浄部
５３ 第一真空ロック
５４ コーティング設備
５５ 第二搬送システム
５６ 第一ＰＶＤ／（ＬＰ）ＣＶＤコーティング場
５７ ＰＥＣＶＤコーティング場
５８ 第二ＰＶＤ／（ＬＰ）ＣＶＤコーティング場
５９ 第二真空ロック
６０ 第三搬送システム
６１ 構造化装置
６２ プロセスヘッド
６３ 薄層太陽電池モジュール

Claims (12)

  1. 電気的に直列接続され共通の基板（１）に配置された複数のセグメント（５，７）を含む薄膜太陽電池モジュールの製造方法であって、
    少なくとも１つの電極（２）、１つの光活性層配列（３）およびさらなる電極（４）を形成するために、前記光活性層配列（３）が前記電極（２）と前記さらなる電極（４）との間に配置されるように、前記基板（１）に層を形成する工程と、
    複数のセグメント（５，７）を形成するために、形成された前記層を構造化する工程と、を備え、
    前記構造化を行う前に前記少なくとも１つの電極（２）、前記光活性層配列（３）および前記さらなる電極（４）が形成され、
    形成された前記層の構造化は、
    前記少なくとも１つの電極（２）、前記光活性層配列（３）および前記さらなる電極（４）を分断する分離線（４２）を形成する工程と、
    前記さらなる電極（４）を電気的に分離するために、前記さらなる電極（４）と前記光活性層配列（３）とを分断するさらなる分離線（４０）を形成する工程と、
    前記分離線（４２）による前記さらなる電極（４）の分断を電気的に再度閉じるために、前記分離線（４２）の領域内で、導電性ペーストのストランド（４４）または導電性の粘着ストリップ（４３）を前記さらなる電極（４）に形成する工程と、を備える、
    ことを特徴とする薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
  2. レーザー放射および／または機械的切り込み溝および／または選択的エッチングにより、前記分離線（４０，４２）を形成する工程を備える請求項１に記載の薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
  3. １つ以上の前記層を局部的に取り除くために、レーザー光があてられることを特徴とする請求項２に記載の薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
  4. 絶縁線（２２）が、前記分離線（４０，４２）の１つの内に、電気的絶縁材料で作られることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
  5. 前記絶縁線（２２）はインクジェット印刷工程で形成されることを特徴とする請求項４に記載の薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
  6. 前記導電性ペースト（４４）はインクジェット印刷工程で形成されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
  7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の製造方法で製造された電気的に直列接続された複数のセグメント（５，７）を備える薄膜太陽電池モジュール。
  8. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の製造方法による薄膜太陽電池モジュールの製造ライン。
  9. 前記薄膜太陽電池モジュールの複数の前記層を構造化することができる複数の異なる構造化機械を備える可動なプロセスヘッド（６２）を含む構造化装置（６１）を備えることを特徴とする請求項８に記載の薄膜太陽電池モジュールの製造ライン。
  10. 前記プロセスヘッド（６２）は、少なくとも２つの異なる波長のレーザ放射を同時に利用可能に構成されることを特徴とする請求項９に記載の薄膜太陽電池モジュールの製造ライン。
  11. 前記プロセスヘッド（６２）は、レーザー放射を利用できて、かつ、インクジェット印刷装置を備えることを特徴とする請求項９または１０に記載の薄膜太陽電池モジュールの製造ライン。
  12. 前記プロセスヘッド（６２）は、前記導電性ペースト（４４）を形成することを特徴とする請求項９または１０に記載の薄膜太陽電池モジュールの製造ライン。
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