JP2630657B2 - 集積型多層アモルファス太陽電池の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光電変換効率が高く、しかも光安定性の高
い集積型多層アモルファス太陽電池の製造方法に関す
る。

［従来の技術］ アモルファスシリコンとその合金が低コスト薄膜太陽
電池の構成材料として注目されている。しかし、これら
の材料を用いた太陽電池を屋外で長時間使用すると、光
電変換効率がしだいに低下することがStaebler−Wronsk
i効果として良く知られている。この光劣化を軽減する
ことが大電力アモルファス太陽電池の実用化にとって最
も重要な課題となっている。

さて、１つのｐ−ｉ−ｎ接合を有するシングル接合ア
モルファス太陽電池では、ｉ層を薄くすことが光劣化の
軽減にとって効果的であることが知られている。しかし
ながら、光活性層であるｉ層を薄くすることは、このｉ
層での光吸収量ひいては電池の発生電流を低下させ、光
電変換効率の低下を招くことになる。そこで、薄いｉ層
を含む複数のｐ−ｉ−ｎ接合を積層形成し、各接合間を
オーミック接続したいわゆるタンデム型太陽電池の採用
が考えられる。

第６図は、２つのｐ−ｉ−ｎ接合を有する従来の２段
タンデム型アモルファス太陽電池の断面模式図である。

まず、ガラス基板（２）上に透明電極層（４）が形成
される。この透明電極層（４）の上にｐ型アモルファス
半導体層（11）、ｉ型アモルファス半導体層（12）及び
ｎ型アモルファス半導体層（13）を順次成膜してｐ−ｉ
−ｎ接合（10）を形成する。更にこの上にｐ層（21）、
ｉ層（22）及びｎ層（23）を順次成膜して２段目のｐ−
ｉ−ｎ接合（20）を形成する。両ｐ−ｉ−ｎ接合（10,2
0）の部分は、例えばいずれもアモルファスシリコンで
構成される。２段目のｐ−ｉ−ｎ接合（20）の更に上に
裏面外部電極層（40）が形成される。この裏面外部電極
層（40）は、通例不透明体で構成される。

両ｐ−ｉ−ｎ接合（10,20）には、ガラス基板（２）
及び透明電極層（４）を順次通して光線が入射する。入
射側接合（10）のｎ層（13）と裏面側接合（20）のｐ層
（21）との間はオーミック接触であって、両接合（10,2
0）が直列接続されている。したがって、透明電極層
（４）と裏面外部電極層（40）との間に両接合（10,2
0）の光起電力の和が開放電圧として現れる。

この２段タンデム型アモルファス太陽電池では、光電
変換効率の向上と光劣化の軽減との実現が可能である。
すなわち、この太陽電池では、各接合（10,20）のｉ層
（12,22）の膜厚の和を前記シングル接合太陽電池の場
合のｉ層最適膜厚である400〜700nmと同程度以上にして
光電変換効率の向上をはかることができる。この際、各
ｉ層（12,22）の膜厚をシングル接合の場合のｉ層より
小さくすることができ、光劣化の軽減が実現可能であ
る。なお、ｐ層（11,21）及びｎ層（13,23）の膜厚は、
シングル接合の場合と同程度の10〜50nm程度である。

［発明が解決しようとする課題］ 以上に説明した従来のタンデム型アモルファス太陽電
池では、膜厚方向に形成された複数のｐ−ｉ−ｎ接合が
直列接続されていたために次の問題があった。

すなわち、この太陽電池では、前記のように各接合の
ｉ層膜厚の和を前記シングル接合太陽電池の場合のｉ層
膜厚と同程度以上にして光電変換効率の向上をはかって
いる。しかも、電流同一の直列条件で各接合の最適動作
点を決定する必要があり、各最適動作点に応じて各接合
のｉ層膜厚が決定される。ただし、アモルファスシリコ
ンは太陽光波長における吸収係数が大きい。以上のこと
から、従来のタンデム型アモルファス太陽電池では入射
側ｉ層に比べて裏面側ｉ層の膜厚を大きくして各接合の
電流バランスをとる必要があり、裏面側ｉ層は、シング
ル接合の場合のｉ層より薄くすることができるものの、
かなり厚くなる。したがって、やはり膜厚の大きい裏面
側ｉ層での光劣化によって電池全体の光電変換効率がし
だいに低下する傾向がある。これを避けようとして接合
数を極端に増やせば、裏面側ｉ層の膜厚を小さくするこ
とができるものの、光活性層でないｐ層やｎ層の数が増
えてこれらの層の光吸収ロスが増加するから、かえって
光電変換効率が低下する。

また、時間や季節の違いに基づく太陽光のスペクトル
変化によって各接合の電流バランスが崩れる場合があっ
た。電流バランスが崩れていずれかの接合が最適動作点
からずれた状態では、電流が最も小さい接合で電池全体
の電流が制限され、場合によっては光電変換効率の大幅
な低下を招くことがあった。

そこで、膜厚方向の接合の直列接続に問題があったこ
とに鑑み、同じ膜厚方向の複数のｐ−ｉ−ｎ接合を互い
に電気的に並列接続することが考えられる。しかも、こ
のようにしてできた並列アモルファス太陽電池素子を膜
面方向に直列接続して集積化すれば、電池の開放電圧と
して高い電圧が得られる。

本発明は、膜厚方向に形成されたｐ−ｉ−ｎ接合を電
気的に並列接続した太陽電池素子を実現するとともに、
この素子を膜面方向に直列接続した集積型多層アモルフ
ァス太陽電池を製造するための簡単な方法を提供するこ
とを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る集積型多層アモルファス太陽電池の製造
方法は、絶縁基板上に複数の第１透明電極層を分離形成
する工程と、この上に第１のｐ−ｉ−ｎ接合を形成する
工程と、隣接する２つの第１透明電極層にまたがるよう
に各第１透明電極層に対応する複数の第２透明電極層を
前記第１接合上に分離形成する工程と、この上に第１接
合とは逆方向に第２のｐ−ｉ−ｎ接合を形成する工程
と、第１透明電極層と第２透明電極層とが重なるそれぞ
れの位置で前記第２接合、第２透明電極層、第１接合及
び第１透明電極層をレーザースクライブ法によって部分
的に除去する工程と、更にこの除去部分を覆うように各
第１透明電極層に対応する複数の外部電極層を分離形成
する工程とよりなり、これら工程により第１透明電極層
と第２透明電極層を通して前記両接合の光電流の和を取
出すことができる２段並列太陽電池を製造する。

［作用］ まず、絶縁基板上に複数の第１透明電極層を分離形成
した時点で各アモルファス太陽電池素子の膜面方向の位
置が決定される。

各第１透明電極層の間隙を含めてこの上全体に第１の
ｐ−ｉ−ｎ接合を形成する。

この上に、隣接する２つの第１透明電極層にまたがる
ように、各第１透明電極層に対応する複数の第２透明電
極層を分離形成する。

更にこの上に、第１接合とは逆方向の第２のｐ−ｉ−
ｎ接合を形成する。つまり、第１接合をｐ層、ｉ層及び
ｎ層の順で成膜する場合には、第２接合をｎ層、ｉ層及
びｐ層の順で成膜する。逆に第１接合をｎ層、ｉ層及び
ｐ層の順で成膜する場合には、第２接合をｐ層、ｉ層及
びｎ層の順で成膜する。

次に、第１透明電極層と第２透明電極層とが重なるそ
れぞれの位置で第２接合、第２透明電極層、第１接合及
び第１透明電極層をレーザースクライブ法によって部分
的に除去した後、この除去部分を覆うように各第１透明
電極層に対応する複数の外部電極層を分離形成する。こ
れにより、各素子位置の膜厚方向において外部電極層が
第１透明電極層に接触すると同時に、この外部電極層が
隣接素子の第２透明電極層にも接触する。

以上の製造工程が完了すると、絶縁基板上の各素子位
置に第１透明電極層、第１接合、第２透明電極層、逆方
向の第２接合及び外部電極層からなる電池素子が形成さ
れ、しかも前記のように外部電極層と第１透明電極層と
が短絡している。したがって、第１及び第２の透明電極
層の間に２つのｐ−ｉ−ｎ接合が並列接続されている。
一方、膜面方向では前記のように第１透明電極層に接触
する外部電極層が隣接素子の第２透明電極層にも接触す
るから、隣接太陽電池素子が外部電極層によって直列接
続されている。

以上のようにして製造された集積型多層アモルファス
太陽電池では、各電池素子において電気的に並列接続さ
れた２つの接合に第１及び第２透明電極層を通して光線
が入射する。これらの接合については、電圧同一の並列
条件で最適動作点を決定する。各接合電圧は、各接合を
構成するアモルファス材料の電気的な性質に主に依存す
るのであって、直列の場合の接合電流に比較して入射光
量に対する依存性が小さい。このため、各電池素子で
は、電流バランスを考慮する必要が全くないばかりでな
く、電圧マッチングを気遣う必要もない。したがって、
光活性層であるｉ層の膜厚を比較的自由に選ぶことがで
きる。つまり、従来のタンデム型アモルファス太陽電池
に比べて裏面側ｉ層の膜厚をかなり薄くすることができ
る。このようにしてｉ層を薄くして電界を高めれば、こ
のｉ層内の電子や正孔の密度を低減でき、これらの捕
獲、再結合速度の低減が実現できるから、電池の光劣化
を良く軽減することができる。しかも、時間あるいは季
節の違いによる太陽光のスペクトル変化に基づく各接合
の電流バランスの崩れを考慮する必要もない。

［実施例］ 第１図〜第４図は、本発明の実施例に係る集積型多層
アモルファス太陽電池の製造方法の工程を示す断面図で
あり、第５図は、この方法によって製造される集積型多
層アモルファス太陽電池の断面模式図である。

以下、これらの図を参照しながら本発明を更に詳細に
説明する。

第１図は、ガラス基板（２）上に分離形成した透明電
極層（４）の上にｐ−ｉ−ｎ接合（10）を形成した状態
を示す断面図である。

ガラス基板（２）に代えて、透光性耐熱樹脂からなる
絶縁基板等を使用しても良い。

透明電極層（４）は、ITO、SnO₂、ZnO等の透明な金属
酸化物膜の使用が好ましい。ITO等の成膜時にマスクを
使用すれば、膜面方向に間隙（５）を設けた多数の透明
電極層（４）を整列形成することができる。ガラス基板
（２）上に一面にITO膜等を形成しておき、これをレー
ザースクライブや化学プロセスによって部分除去するこ
とによって透明電極層（４）を分離形成しても良い。こ
の透明電極層（４）の分離形成時点で、各アモルファス
太陽電池素子の膜面方向の位置が決定される。

ｐ−ｉ−ｎ接合（10）は、アモルファスシリコン半導
体等で構成することができる。この接合（10）は、各透
明電極層（４）の間隙（５）を含めてこの上全体に形成
される。なお、この接合（10）の形成に際し、ｐ層、ｉ
層及びｎ層の順に製膜しても、逆にｎ層、ｉ層及びｐ層
の順に成膜しても良い。原料ガスのグロー放電分解、光
分解、熱分解等の任意の形成プロセスを採用することが
できる。

第２図は、第１透明電極層（４）と同様のプロセスに
よって更に第２透明電極層（14）を分離形成した状態を
示す断面図である。

第２透明電極層（14）は、ITO、SnO₂、ZnO等の透明な
金属酸化物膜及びその複層膜、あるいは、これらと透明
金属薄膜との複層膜等を使用することができる。導電性
物質のメッシュあるいはストライプを組み合わせ使用し
て、この層の透光性を維持しながら導電性を向上させて
も良い。

この第２透明電極層（14）の分離形成は、隣接する２
つの第１透明電極層（４）にまたがるように、各第１透
明電極層（４）に対応して行なう。つまり、各第２透明
電極層（14）の間隙（15）が各第１透明電極層（４）の
間隙（５）に全く重ならないようにする。

第３図は、第１接合（10）と同様のプロセスによって
更に第２のｐ−ｉ−ｎ接合（20）を形成した後、符号
（25）の位置において第２接合（20）、第２透明電極層
（14）、第１接合（10）及び第１透明電極層（４）を部
分的に除去した状態を示す断面図である。

まず、各第２透明電極層（14）の間隙（15）を含め
て、この上全体に第２のｐ−ｉ−ｎ接合（20）を形成す
る。この第２接合（20）の成膜順は、第１接合（10）に
対して逆とする。つまり、第１接合（10）をｐ層、ｉ層
及びｎ層の順で成膜する場合には、第２接合（20）をｎ
層、ｉ層及びｐ層の順で成膜する。逆に、第１接合（1
0）をｎ層、ｉ層及びｐ層の順で成膜する場合には、第
２接合（20）をｐ層、ｉ層及びｎ層の順で成膜する。

次に、第１透明電極層（４）と第２透明電極層（14）
とが重なるそれぞれの位置（25）で第２接合（20）、第
２透明電極層（14）、第１接合（10）及び第１透明電極
層（４）をレーザースクライブ法によって部分的に除去
する。なお、膜除去部分（25）が膜面方向（同図紙面奥
方向）に線状に伸びている必要はない。

第４図は、更に裏面外部電極層（40）を分離形成して
できた集積型多層アモルファス太陽電池の断面図であ
る。

それぞれの膜除去部分（25）を含めて全体を覆うよう
に金属等の不透明薄膜を形成した後にこれをエッチング
等の方法で選択除去することにより、各第１透明電極層
（４）に対応する複数の外部電極層（40）を形成する。
つまり、第１透明電極層（４）と外部電極層（40）との
間隙（5,45）の位置をほぼ一致させる。これにより、各
素子位置の膜厚方向において外部電極層（40）が第１透
明電極層（４）に接触すると同時に、この外部電極層
（40）が隣接素子の第２透明電極層（14）にも接触す
る。

以上の工程により、同図に示されるように２つの接合
（10,20）の膜厚方向の並列接続とその膜面方向の直列
接続とが完成する。すなわち、ガラス基板（２）状の各
素子位置に第１透明電極層（４）、第１接合（10）、第
２透明電極層（14）、逆方向の第２接合（20）及び裏面
外部電極層（40）からなる電池素子が形成され、しかも
前記のように外部電極層（40）と第１透明電極層（４）
とが短絡している。したがって、第１及び第２の透明電
極層（4,14）の間に、２つのｐ−ｉ−ｎ接合（10,20）
が並列接続されている。一方、膜面方向では前記のよう
に第１透明電極層（４）に接触する裏面外部電極層（4
0）が隣接素子の第２透明電極層（14）にも接触するか
ら、隣接太陽電池素子が裏面外部電極層（40）によって
直列接続されている。

第５図は、この集積型多層アモルファス太陽電池の構
造をわかりやすく示した断面模式図である。

ガラス基板（２）上の各電池素子において、第１透明
電極層（４）上に例えばｐ型アモルファス半導体層（1
1）、ｉ型アモルファス半導体層（12）及びｎ型アモル
ファス半導体層（13）を順次成膜してｐ−ｉ−ｎ接合
（10）を形成してある点は第６図の２段タンデム型アモ
ルファス太陽電池の場合と同様であるが、本実施例の場
合は、この接合（10）の上に第２透明電極層（14）を形
成した上で２段目のｐ−ｉ−ｎ接合（20）を形成してあ
る。ただし、２段目の接合（20）は、第６図の場合とは
違ってｎ層（23）、ｉ層（22）及びｐ層（21）の順で成
膜される。２段目の接合（20）の更に上に裏面外部電極
層（40）が形成される点は、第６図の場合と同様であ
る。各電池素子の第１透明電極層（４）と裏面外部電極
層（40）との間及びこの第１透明電極層（４）と隣接素
子の第２透明電極層（14）との間は、電気的に接続され
ている。

各電池素子において、一方の第１接合（10）には、ガ
ラス基板（２）及び透明電極層（４）を順次通して光線
が入射する。第２接合（20）には、第１接合（10）及び
第２透明電極層（14）を順次通して光線が入射する。第
１接合（10）はｐ層（11）が第１透明電極層（４）に接
し、第２接合（20）はｐ層（21）が裏面外部電極層（4
0）に接する。しかも、第１透明電極層（４）と裏面外
部電極層（40）との間が電気的に接続されている。一
方、第２透明電極層（14）に接する接合部分は、いずれ
もｎ層（13,23）である。したがって、第１透明電極層
（４）を正極とし、第２透明電極層（14）を負極とする
２段並列太陽電池素子が形成され、これらの透明電極層
（4,14）を通して両接合（10,20）の光電流の和を取出
すことができる。しかも、隣接電池素子は膜面方向にお
いて直列接続されており、電池全体として高い開放電圧
が得られる。

両接合（10,20）の最適動作点は電圧同一の並列条件
で決定される。これらの接合（10,20）の電圧は、構成
材料であるアモルファスシリコンの電気的な性質に主に
依存するのであって、直列の場合の接合電流に比較して
入射光量に対する依存性が小さい。このため、電流バラ
ンスを考慮する必要が全くなばかりでなく、電圧マッチ
ングを気遣う必要もない。したがって、光活性層である
ｉ層（12,22）の膜厚を比較的自由に選ぶことができ
る。例えば、従来のタンデム型の場合と違って両ｉ層
（12,22）を同じ膜厚にしても支障がなく、各ｉ層（12,
22）の膜厚を200nm程度にすることができる。つまり、
第６図に示す従来のタンデム型太陽電池に比べて特に裏
面側ｉ層（22）をかなり薄くすることができ、電池の光
劣化が大幅に軽減される。しかも、時間あるいは季節の
違いによる太陽光のスペクトル変化に基づく各接合（1
0,20）の電流バランスの崩れを考慮する必要もない。

ただし、裏面側の第２接合（20）はｎ層（23）側から
光が入射する。一般に、シングル接合太陽電池の場合は
光をｎ層側から入射した場合の方が、ｐ層側から入射し
た場合よりも光劣化の程度が大きいといわれている。し
かしながら、本実施例に係る方法で製造される太陽電池
の場合、第２接合（20）に到達する光は第１接合（10）
による光吸収のために短波長成分をほとんど含まず、ｉ
層（22）中で比較的均一に吸収される。この結果、シン
グル接合太陽電池の場合とは違って光の入射方向の影響
は小さく、高い光安定性を有する太陽電池が得られる。

なお、両接合（10,20）を構成するアモルファス半導
体材料は、アモルファスシリコンに限らず、SiとＣ若し
くはこれらの水素化物、ハロゲン化物及びこれらの材料
とGe、Ｃ等との合金等を使用することもできる。

［発明の効果］ 以上に説明したように、本発明に係る集積型多層アモ
ルファス太陽電池の製造方法は、膜厚方向に形成された
ｐ−ｉ−ｎ接合を電気的に並列接続した太陽電池素子を
実現するとともに、この素子を膜面方向に直列接続した
集積型多層アモルファス太陽電池を製造することができ
る。したがって、従来のタンデム型アモルファス太陽電
池に比べて裏面側ｉ層の膜厚をかなり薄くすることがで
き、電池の光劣化を良く軽減することができる。また、
時間あるいは季節の違いによる太陽光のスペクトル変化
に基づく各接合の電流バランスの崩れを考慮する必要も
ない。つまり、本発明に係る方法によれば、従来のタン
デム型太陽電池以上に光安定性が高く、かつ開放電圧の
高い高効率アモルファス太陽電池を提供することができ
る。

しかも、両接合の同一型部分どおしを透明電極層で電
気的に内部接続することにより両接合の並列接続を実現
しているから、両接合間を電気的に絶縁する複雑な製造
工程を必要としない。また、外部電極層の形成過程で、
膜厚方向における各電池素子内の並列接続と膜面方向に
おける電池素子どおしの直列接続とを同時に実現するこ
とができるから、太陽電池の製造工程を大幅に簡略化す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は、本発明の実施例に係る集積型多層ア
モルファス太陽電池の製造方法の工程を示す図であっ
て、 第１図は、絶縁基板上に分離形成した第１透明電極層の
上に第１のｐ−ｉ−ｎ接合を形成した状態を示す断面
図、 第２図は、更に第２透明電極層を分離形成した状態を示
す断面図、 第３図は、更に第２のｐ−ｉ−ｎ接合を形成した後、第
２接合、第２透明電極層、第１接合及び第１透明電極層
を部分的に除去した状態を示す断面図、 第４図は、更に外部電極層を分離形成してできた集積型
多層アモルファス太陽電池の断面図、 第５図は、前図の集積型多層アモルファス太陽電池の断
面模式図、 第６図は、従来の２段タンデム型アモルファス太陽電池
の断面模式図である。 符号の説明 ２…ガラス基板、4,14…透明電極層、5,15,45…間隙、1
0,20…ｐ−ｉ−ｎ接合、11,21…ｐ型アモルファス半導
体層、12,22…ｉ型アモルファス半導体層、13,23…ｎ型
アモルファス半導体層、25…膜除去部分、40…裏面外部
電極層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−228766（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−157483（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−122283（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−12568（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁基板上に複数の第１透明電極層を分離
   形成する工程と、 この上に第１のｐ−ｉ−ｎ接合を形成する工程と、 隣接する２つの第１透明電極層にまたがるように各第１
   透明電極層に対応する複数の第２透明電極層を前記第１
   接合上に分離形成する工程と、 この上に第１接合とは逆方向に第２のｐ−ｉ−ｎ接合を
   形成する工程と、 第１透明電極層と第２透明電極層とが重なるそれぞれの
   位置で前記第２接合、第２透明電極層、第１接合及び第
   １透明電極層をレーザースクライブ法によって部分的に
   除去する工程と、 更にこの除去部分を覆うように各第１透明電極層に対応
   する複数の外部電極層を分離形成する工程とよりなり、 これら工程により第１透明電極層と第２透明電極層を通
   して前記両接合の光電流の和を取出すことができる２段
   並列太陽電池を製造する ことを特徴とする集積型多層アモルファス太陽電池の製
   造方法。