JP2784841B2 - 太陽電池用基板 - Google Patents

太陽電池用基板

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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は太陽電池用基板及びその製造方法に係り、入
射光を散乱せしめて活性層で吸収される光を有効に利用
することによって太陽電池の出力特性を安定に向上させ
た太陽電池用基板及びその製造方法に関する。
〔従来技術の説明〕
光反射性基板を用いた太陽電池において、その光反射
面を凹凸のある粗面として形成し、とりわけ吸収係数の
小さい長波長光の光路長を増大せしめること（このこと
を“光の閉じこめ効果”と呼び、本発明において“凹
凸”という言葉はこの効果を目的として意図的に形成さ
れた形状を指し、基板に付いた傷等の非意図的な形状は
除外する。）によりその出力特性を改善する方法は、例
えば、USP4,126,150号公報（出願人RCA）第７カラム３
行目〜８行目に示唆され、特開昭56−152276号公報（帝
人）においても述べられている。更に特開昭59−104185
号公報（エクソン・リサーチ・アンド・エンジニアリン
グ・カンパニー）において、粗面化基板の光学的効果が
詳述されている。
さらに、Journal of Applied Physics誌62巻７号3016
頁（Thomas C.Paulick,Oct.‘87）において、銀の凹凸
（Texture）を用いたアモルファスシリコン太陽電池の
光学反射特性が数学的に取り扱われている。
凹凸の粗さに関しては、特公昭62−30506号公報（帝
人）において述べられている。
凹凸の形成法としては、特開昭54−153588号公報（ナ
ショナル・パテント・ディベロップメント・コーポレー
ション）においてウェット・エッチングが、特開昭58−
159383号公報（エナジー・コンバージョン・デバイセ
ス）においてサンドブラスト法・ファセット形成法・共
蒸着法が、特開昭59−14682号公報（電解箔工業他）に
おいて直流電解エッチング又は化学エッチング法による
アルミニウム粗面化が、特開昭59−82778号公報（エナ
ジー・コンバージョン・デバイセス）においてスパッタ
エッチ法・サンドブラスト法が、前述の特開昭59−1041
85号公報においてリソグラフィ法・熱分解スプレーによ
る透明導体沈着法・イオンビーム同時沈着法・エッチン
グ法が、それぞれ開示されている。
このほか、本源的に凹凸を形成し易い材料を使うもの
として、特開昭58−180069号公報（工業技術院長）の有
機絶縁層とその上に設ける金属反射層、特開昭59−2131
74号公報（工業技術院長）のセラミック基板などがあ
る。
一方、反射性基板上にショットキー接合やPIN接合を
形成する場合、ピンホールなどによる歩留まりの低下を
防止するために、反射性基板上にサーメット層を配する
利点がSERI Report SAN−1286−８（Carlson st al.Oc
t.1978.EY−76−Ｃ−03−1286）に開示されている。
また反射性基板上に太陽電池を形成するに際して、傷
や突起に起因する短絡を防止するために、透明導電膜を
介在させるものが特開昭56−69875号公報（富士電機）
に開示されている。また同様のものが、特開昭58−3598
8号公報（太陽誘電）に開示されている。
更にこれらを併合した、凹凸表面を有する反射面上に
透明導電膜を設けるものが、前述の特開昭58−159383号
公報（エナジー・コンバージョン・デバイセス）に開示
されている。この公報に開示された透明導電膜は、凹凸
を有する反射性導電層を構成する物質が半導体層に拡散
することによって特性が悪化してしまうことを防止する
ものである。
また、前述の特開昭59−104185号公報（エクソン・リ
サーチ・アンド・エンジニアリング）において、透明導
電膜で挟まれた反射型太陽電池で、一方のTCOのいずれ
かの面を粗面として光学経路を延長し、長波長域での集
収効率を改善する技術が開示されている。
これらに加えて特開昭60−84888号公報（エナジー・
コンバージョン・デバイセス）においては、ピンホール
や突起による上下電極の短絡を防止するためのバリヤ層
を設けることが示されている。
ある波長の光が太陽電池に入射する場面を考えてみた
場合、入射する光の波長が十分に短く太陽電池の光学的
活性層（すなわち、光を吸収し光キャリアを生成し、内
部電界や拡散によってそれらキャリアを走行せしめる
層）で吸収されてしまう場合には、生成した光キャリア
をいかに効率よく電極まで輸送しうるかという課題が残
るのみであるのに対し、光の波長が長く光学活性層での
吸収が不十分の場合には、透過してしまう光をどのよう
に再利用するかという問題も残ってくる。
前述の先行技術はとりわけ拡散距離のとれないアモル
ファス・シリコンをベースにした太陽電池において（こ
の系では必然的に光学活性層を薄くせざるを得ないか
ら）、透過してくる長波長光を有効に利用して効率を改
善すべく提案されたものであり、見るべきものがあった
といって良いであろう。
しかしながら、これらの先行技術は、アモルファス・
シリコン太陽電池の反射性基板として最適化されたもの
としては、以下に示すいくつかの点において未だ不十分
であった。
アモルファス・シリコン太陽電池の光学活性層に一部
吸収され残りが透過し更に基板によって反射される波長
の光は、吸収係数が小さいほど、言い替えれば波長が長
いほど大きな散乱角度を持って反射することが光学活性
層で吸収される光量を増加させるためには好ましい。
しかしながら、これまでの技術において、光の閉じこ
め効果を強いものにして大きな電流を取り出そうとした
場合、自ずと前記基板表面の凹凸の度合を大きくするこ
とになるが、あまり凹凸の度合を強めると今度はその上
に形成された太陽電池の短絡を誘発し、太陽電池の出力
特性の悪化や歩留まりの低下をもたらす危険性がつきま
とっている。
更に、このような太陽電池基板を用いて製造された太
陽電池においては、製造工程中の短絡の発生によって歩
留まりが低下するのみでなく、実使用時において突然の
短絡発生を起こし使用不可状態に陥るという信頼性の問
題が残されていた。
この突然に発生する短絡の原因について本発明者が鋭
意研究したところ、表面に凹凸を有する基板上に直接半
導体層を形成している太陽電池においては、例えば振動
や折り曲げ等の機械的ストレス、温度変化のストレス等
が、潜在的に短絡を起こし易いと思われる該凹凸の凸部
において一種の疲労を蓄積させ、日射量の変化等をきっ
かけとして電流の過度の集中が起こり、該凹凸の凸部に
おいて短絡が発生するものと結論するに至った。
そこで、この短絡の影響を小さくし、実質上短絡によ
る歩留まりの低下を防止するために反射性基板と半導体
層の間に緩衝層を設ける場合であっても、なお以下に挙
げるような問題点が残されていた。
すなわち、これまでの技術においては、潜在的に短絡
を発生し易い前記凹凸の凸部のみでなく、該緩衝層が基
板全体に亘って均一な膜厚で設けられていたため、基板
の凹凸に起因する太陽電池の短絡を防ぎ得る程の膜厚に
該透明導電膜を形成した場合、該透明導電膜の持つ電気
抵抗が太陽電池の直列抵抗を増大させてしまい、結果と
して該太陽電池の特性とりわけ開放電圧、形状因子の悪
化を招き変換効率の低いものにしてしまっていた。
以上述べたように、太陽電池（とりわけアモルファス
・シリコンをベースにした太陽電池）が一体として好適
に作動する非透光性基板としては、 光学活性層で吸収されきれずに基板まで達した光を
効果的な角度で反射せしめること、 その基板の採用が開放電圧、形状因子の減少や短絡
による歩留まりの低下に結びつくことなく、好ましくは
逆に短絡防止に寄与すること、 簡便な方法で安価に製造できること、 が望まれる。
〔発明の目的〕
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであって、
光学活性層で吸収されきれずに基板まで達した光を効果
的な角度で反射せしめることにより、太陽電池の出力特
性とりわけ取り出される電流値を向上させ、結果として
出力特性の向上した太陽電池を実現させ得る太陽電池用
基板を提供することを目的とする。
また、本発明は、効果的な緩衝層を基板と半導体層の
間に介在させることにより、太陽電池の出力特性とりわ
け開放電圧、形状因子を向上させ、結果として出力特性
の向上した太陽電池を実現させ得る太陽電池用基板を提
供することをも目的とする。
また、本発明は、効果的な緩衝層を基板と半導体層の
間に介在させることにより、太陽電池の潜在的な短絡発
生を防ぎ、結果として信頼性の向上した太陽電池を実現
させ得る太陽電池用基板を提供することをも目的とす
る。
また、本発明は、緩衝層に効果的に分布を持たせるこ
とにより、太陽電池の直列抵抗の増加を防ぎ、結果とし
て出力特性の向上した太陽電池を実現させ得る太陽電池
用基板を提供することをも目的とする。
〔発明の構成・効果〕
前述の目的を達成するための本発明は、表面に凹凸を
有する太陽電池用基板であり、該凹凸が金属もしくは合
金で構成され、該凹凸の表面は、実質的に透光性及び導
電性を有する緩衝層で覆われており、該緩衝層が該凹凸
の凸部には厚く、凹部には薄く、その比が1.2以上とな
るように形成されており、該緩衝層はフッ化マグネシウ
ムベースの材料、インジウム、スズ、カドミウム、亜
鉛、アンチモン、シリコン、クロム、銀、銅、アルミニ
ウムの酸化物、窒化物及び炭化物あるいはこれらの混合
物の内から選ばれる材料で構成され、該凹凸の凸部の距
離が0.2μｍから2.0μｍの間にあることを特徴とする。
本発明において基板表面の凹凸における凸部の距離と
は、例えば凸部が畝状に連なっている場合にはある畝と
燐の畝の距離の平均値であり、また、凸部が円錐、角
錘、半球状に盛り上がっていて単独の頂上を有する場合
にはある頂上とその頂上に最も近い頂上との距離の平均
値である。
以下において、本発明を実現するための構成を図面を
用いて説明する。
第１図は本発明の改良された太陽電池用基板の構成を
表した概念的模式図である。本発明に適用可能な基体10
1の材料としては、モリブデン、タングステン、チタ
ン、コバルト、クロム、鉄、銅、タンタル、ニオブ、ジ
ルコニウム、アルミニウム金属またはそれらの合金での
板状体、フィルム体が挙げられる。なかでもステンレス
鋼、ニッケルクロム合金及びニッケル、タンタル、ニオ
ブ、ジルコニウム、チタン金属及び／または合金は、耐
蝕性の点から特に好ましい。また、これらの金属及び／
または合金を、ポリエステル、ポリエチレン、ポリカー
ボネート、セルローズアセテート、ポリプロピレン、ポ
リ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポ
リアミド等の合成樹脂のフィルムまたはシート、ガラ
ス、セラミック等の上に形成したものも使用可能であ
る。
該基体101上には実質的に可視光に対する反射性及び
導電性を有する層（以下、反射性導電層と呼ぶ）102が
設けられている。本発明に適用可能な反射性導電層102
の材料としては、銀、シリコン、アルミニウムまたはそ
れらの合金または鉄、銅、ニッケル、クロム、モリブデ
ンとの合金が適用可能である。なかでも銀、アルミニウ
ム、アルミシリコン合金が好適である。また、該反射性
導電層の厚みを大きくとることによって、前記基体101
を省く構造とすることも可能である。
前記基体101の上に表面に反射性導電層102を形成する
場合に好適に用いられる方法として、抵抗加熱蒸着法、
電子ビーム蒸着法、スパッタ法等が挙げられる。
前記反射性導電層102の表面には、凸部の距離が0.2μ
ｍから2.0μｍの間になるように凹凸が形成されてい
る。該凹凸を前記反射性導電層の形成と同時に行う場合
には、前記抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、スパッ
タ法等において用いられる装置では基体の温度が調節可
能であることが好ましい。
前記反射性導電層102の表面に前記凹凸を形成する手
段として、前記反射性導電層102を形成する際に基体の
温度を適宜調節することによって該反射性導電層を構成
する金属もしくは合金の結晶粒の大きさを所望のものに
する方法、レーザ光をはじめ各種エネルギービームによ
るスクライビング法、サンドブラスト法、化学エッチン
グ法、ドライエッチング法等が好適に用いられる。これ
らの内、前記反射性導電層102を形成する際に基体の温
度を調節することによって凹凸を得る方法では、該反射
性導電層102の形成と凹凸の形成が同時に行え、工程数
が少なくて済むので好ましい。また、レーザ光をはじめ
各種エネルギービームによるスクライビング法では、後
述するように該エネルギービームの強度分布を調節する
ことにより緩衝層103の形成が同時に行えるので好まし
い。
前記反射性導電層102の表面は、フッ化マグネシウム
ベースの材料、インジウム、スズ、カドミウム、亜鉛、
アンチモン、シリコン、クロム、銀、銅、アルミニウム
の酸化物、窒化物及び炭化物あるいはこれらの混合物の
うちから選択される材料で構成される緩衝層103によっ
て、凸部では厚く、凹部では薄く、その比が1.2以上と
なるように覆われている。
本発明の骨子である前記緩衝層103を、所望の膜厚分
布を持たせながら形成する方法としては、抵抗加熱蒸着
法、スパッタ法、電子ビーム加熱蒸着法、イオンプレー
ティング法、反応性イオンプレーティング法、クラスタ
イオンビーム法、CVD法、酸素等の雰囲気中でレーザ光
等のエネルギービームを照射することにより前記反射性
導電層の表面を酸化させる方法等が挙げられる。
以下において上述の方法の内、（１）酸素等の雰囲気
中でエネルギービームを照射することにより前記反射性
導電層の表面を酸化させる方法と、（２）スパッタ法の
一種であるプレーナ型DCマグネトロンスパッタ法を用い
た場合に好適に用いられる装置について図を用いて説明
するが、本発明はこれによって限定されるものではな
い。
（１） 酸素等の雰囲気中でエネルギービームを照射す
ることにより前記反射性導電層の表面を酸化させる方法 この説明においては便宜上レーザ光を用いた場合を例
として述べるが、レーザ光の代わりに電子ビームあるい
はイオンビームを用いても同様の効果が得られる。
前記凹凸を形成するためのレーザ光照射装置の条件と
しては、ビーム径が少なくとも３μｍ以下、好ましくは
２μｍ以下、より好ましくは１μｍ以下まで制御可能な
こと、少なくとも一次元の光軸走査が可能であることが
挙げられる。
また、前記凹凸を形成するためのレーザ光の波長と強
度は、所望の凹凸形状、ビームの径、前記反射性導電層
の材質、凹凸形成時の基板温度等の条件によって適宜選
択されるものであるが、波長が100nm〜２μｍであり、
強度が0.1W〜1kW（連続発振）あるいは1mJ〜10J（パル
ス）あることが望ましい。
前記レーザ光の光源としては、YAGレーザ、エキシマ
レーザ、化学レーザ、色素レーザ、炭酸ガスレーザ等が
用いられ得る。YAGレーザ、エキシマレーザ、炭酸ガス
レーザは高出力が得られるので好ましい。とりわけArF,
KrF等を用いたエキシマレーザは紫外部に発振波長を持
つのでビーム径をより小さくすることができ、前記凹凸
の凸部の距離を小さくしたいときにはより好ましい。
また、前記凹凸を形成するためのレーザ光を補助し、
前記緩衝層の形成を促進するために出力の大きな炭酸ガ
スレーザが好適に用いられ得る。
レーザ光のビームを走査する方法として、連続的に走
査する方法と、非連続的に、例えば一定の時間静止して
から所定距離だけ移動するというような動作を繰り返す
方法が挙げられる。前者の場合、前記凹凸の連なり方は
渦巻状になり、後者の場合、前記凹凸の連なり方は同心
円状になる。また、後者の場合、基板の表面のある一点
に対してパルス光が複数回照射されたのと同じことにな
り、より微妙な凹凸の形状を制御することが可能とな
る。
また、前記凹凸を形成する際に基体を回転させるため
のテーブルは、その角速度が任意に制御が可能であるこ
とが好ましく、望ましくは1000rpm以上、更に好ましく
は2000rpm以上の最高回転数を有するものが用いられ
る。
更に、基板を例えば赤外線ヒータ、プロジェクタラン
プ等を用いて加熱するなどの方法でレーザ光による前記
凹凸の形成を補助してもよい。この場合の赤外線ヒー
タ、プロジェクタランプには、好ましくは100W以上、更
に好ましくは300W以上のものが用いられる。
前記凹凸の形成と同時に凸部の表面を凹部の表面より
も厚く酸化させ、緩衝層を形成する方法として、次の方
法を挙げておくが、本発明の太陽電池用基板の表面を酸
化する方法はこれによって限定されるものではない。
前記凹凸を形成する際に照射するレーザ光等のエネル
ギービームをダブルビームとし、少なくとも酸素の存在
する雰囲気中で凹部となる溝を形成しつつ、二本のビー
ムの間の凸部が凹部に比べて高温になるようにビーム内
の強度分布を調整することによって凸部表面を凹部表面
に比べて厚く酸化するという方法である。この方法を実
現するための装置の一例の模式図を第３図に示し、簡単
に説明する。
前記反射性導電層を付加した基板301を図に示すよう
に、角速度の制御が可能な回転テーブル302の上に固定
し、これを所望の回転数で回転させる。次に、レーザ光
照射装置303からレーザ光を取り出し、これを間隔が0.1
μｍから10μｍのダブルビーム304として、照射位置305
を該基板の中心から周辺部に向かってあるいは周辺部か
ら中心に向かって一次元的に走査しながら照射する。照
射位置での接線方向の速度が概ね一定に保たれるように
回転を制御しながらレーザ光を走査する。その際に、酸
化ガス306をレーザビーム照射点付近に好ましくは1sccm
から10slmの流量で、更に好ましくは10sccmから1slmの
流量にて供給する。
更に、緩衝層の膜厚分布を所望のものにするために、
形成された凸部のみを更にトラッキングしながらレーザ
光照射等の手段を用いることにより酸化を促進すること
も可能である。この場合のトラッキング法にはダブルビ
ームと補助ビームとの位置関係を固定した機械的方法と
ともに、光学検知による方法も適用可能である。
また、これらの操作は、真空容器中にて減圧で行って
も良いし、大気中で行ってもよい。
（２） プレーナ型DCマグネトロンスパッタ法 第４図はプレーナ型DCマグネトロンスパッタ装置の構
成を表わす概念的模式図である。プレーナ型DCマグネト
ロンスパッタを用いることの利点は高速スパッタが小型
の装置で実現できるという点にあり、RF型、RFマグネト
ロン型でも実現可能である。
第４図中、401は真空容器であり、加熱板403が絶縁性
を有しかつ角度の調整が可能な駆動系402にて支持され
ている。該駆動系402は基体の中心を中心点として角度
が任意に変えられ、スパッタ中に角度が外部から調整で
きるようになっている。加熱板403にはヒーター406と熱
電対404が埋設され、温度コントローラー405によって所
定の温度に制御される。スパッタ中の前記基体408の温
度は他の条件によっていくぶん変わってくるが、基体40
8上に凹凸を有する反射性導電層及び凹凸を有する緩衝
層を形成する場合には該基体の温度は200℃乃至500℃
に、また、鏡面を有する反射性導電層及び鏡面を有する
緩衝層を形成する場合には室温乃至300℃に設定され
る。
熱均一体407は基体408に均一に熱を伝達するもので材
質としては、アルミ、金、銀、銅、ステンレス鋼等が用
いられ、好ましくは0.01mm乃至1mmの厚みのものが用い
られる。基体408は基体押え409にて支持される。基体40
8に対向してターゲット410が配されるが、該ターゲット
410はターゲット台412に設置され裏面にマグネット413
を持ちプラズマ空間425に磁場を形成できるようになっ
ている。スパッタ中加熱されるターゲットを冷却するた
めに冷却水導入パイプ414よりの冷却水をターゲットの
裏面に導入する。導入された水はターゲットを冷却した
後、冷却水排出パイプより排出される。ターゲット410
にはターゲット台412を介してスパッタ電源よりDC電圧
が印加される。該スパッタ電源から供給されるDC電流
は、好ましくは0.01A乃至1A、更に好ましくは0.1A乃至
0.5Aに設定される。スパッタガスはマスフローコントロ
ーラー420もしくは421を介してアルゴンガス及び酸素ガ
スが各々供給される。該アルゴンガスの流量としては、
好ましくは1sccm及び1slmに、該酸化ガスの流量として
は、好ましくは1sccm乃至1slmとされる。また、真空容
器401に取り付けられた真空計423にて内部圧力がモニタ
ーできる。真空容器401全体は不図示の排気系へ接続さ
れたメインバルブ424を介して真空状態とされる。スパ
ッタを開始する前のバックグラウンドの内部圧力は好ま
しくは10-4Torr以下、更に好ましくは10-5Torr以下とさ
れ、スパッタ中の内部圧力は、1mTorr以上1Torr以下と
される。
また、前記反射性導電層及び緩衝層をすでに有してい
る基板を、前記凹凸を有する反射性導電層及び緩衝層の
形成を行うときの基板温度程度あるいはそれ以上の高温
に保つことにより表面の凹凸の形成を促進することも可
能である。
本発明の太陽電池用基板104とは、前記基板101と前記
反射性導電層102及び緩衝層103から、また、前記反射性
導電層が前記基体をも兼ねる場合には前記反射性導電層
102と緩衝層103から構成されるものである。
第２図は、本発明による改良された太陽電池用基板を
用いたPIN型アモルファスシリコン太陽電池の一般的構
造を模式的に示した図である。
基板204上にはｎタイプドーピング層、ｉ層、ｐタイ
プドーピング層から成るPIN型太陽電池半導体層、透明
導電膜209、集電電極210がこの順序で形成されている。
前記透明導電膜209を通してPIN型太陽電池208に入射
した光は大部分がｉ層206で吸収され、発電に寄与する
光キャリアを発生させるが、とりわけ吸収係数の小さい
長波長の光は基板204まで達する。該長波長光が凹凸表
面にて乱反射することにより実質的な光路長が基板表面
が平滑面である場合に比べて増大し、入射した光を無駄
なく吸収することができる。
第５図は本発明の太陽電池用基板上に作製した太陽電
池の単位セルの構成を表した平面図である。基板501上
に、前記太陽電池素子502が形成されており、光入射側
からは前記透明導電膜503、集電電極504が見えている。
各々の単位セルの受光面積は1cm2である。
〔実験〕
以下、本発明者らが本発明を完成させるにあたり行っ
た実験について説明する。
実験例１ 基板101の母材として、表面に鏡面研磨を施したステ
ンレス板（SUS304製、面積50mm×50mm、厚さ0.5mm）を
用いた。
基体101の上面に第４図のプレーナ型DCマグネトロン
スパッタ装置を用いて前記反射性導電層102を次のよう
にして形成した。ターゲットとして純度99.99％の銀を
用い、スパッタガスとしてアルゴンを25sccm流し、スパ
ッタ圧力5mTorr、スパッタ電流0.15A、基体温度300℃に
て銀を約１μｍの厚みで堆積した。このときには駆動系
402は動作させず、基体408をターゲットに正対させて堆
積を行った。
上記の方法によって形成された反射性導電層102の表
面を電子顕微鏡にて観察したところ、全域にわたってほ
ぼ均一であり、凹部の底から凸部の頂上までの高さが0.
6〜0.7μｍ、凸部の平均距離が約1.0μｍであることが
確認された。
次に、この反射性導電層102を形成する際に用いたも
のと同じプレーナ型DCマグネトロンスパッタ装置を用い
て、該反射性導電層102上に前記緩衝層103を形成した。
ターゲットとして純度99.99％の酸化亜鉛を用い、ス
パッタガスとしてアルゴンと酸素をそれぞれ25sccm、0.
1sccm流し、スパッタ圧力5mTorr、スパッタ電流0.8A、
基体温度300℃、堆積速度毎分170オングストロームにて
緩衝層103として酸化亜鉛を約１μｍの厚みで堆積し
た。このとき、前記基体408を取り付けた加熱板403を保
持している駆動系402を動作させて基体408の中心におけ
る法線が円錐側面を形成するように加熱板403を20秒周
期にて運動させながら堆積を行った。
また、この際に前記基体408の中心における法線が側
面を形成する円錐の頂角の値が第１表に示すように０度
（すなわち駆動系402を動作させていない状態）から30
度となるように駆動系402を動作させながら８種類の基
板（ａ）〜（ｈ）を作製した。
上記の方法によって形成された緩衝層103の表面を電
子顕微鏡にて観察したところ、全域にわたってほぼ均一
であり、凹部の底から凸部の頂上までの高さが0.6〜0.7
μｍ、凸部の平均距離が1.0μｍであることが確認され
た。また、基板（ａ）〜（ｈ）の緩衝層103の膜厚を断
面の電子顕微鏡下の観察により測定したところ、凸部と
凹部における該緩衝層の平均膜厚の比は、前記基体408
の中心における法線が側面を形成する円錐の頂角の値に
よって異なり、やはり第１表に示すように１から２であ
ることが確認された。
このようにして作製した８種類の基板（ａ）〜（ｈ）
を用いて、第２図に示す層構成を持ち、第５図に示すよ
うに各々1cm2の面積を有するアモルファスシリコン太陽
電池を各々16セルづつ作製し、これらの太陽電池に対し
て、ソーラシミュレータ（山下電装製、AM1.5、100mW/c
m2、以下同じ）を用いて発電効率の測定を行い、その結
果を第６図に示す。なお、これらの測定結果は最大値に
よる規格化を施されている。
これらの結果から、前記凹凸の凸部における緩衝層の
膜厚と凹部における緩衝層の膜厚の比が1.2以上の場合
に太陽電池の出力特性が大きく向上することがわかっ
た。
実験例２ 基体101の母材として、表面に鏡面研磨を施したステ
ンレス板（SUS304製、面積50mm×50mm、厚さ0.5mm）を
用いた。
基体101の上面に第４図のプレーナ型DCマグネトロン
スパッタ装置を用いて前記反射性導電層102を次のよう
にして形成した。ターゲットとして純度99.99％の銀を
用い、スパッタガスとしてアルゴンを25sccm流し、スパ
ッタ圧力5mTorr、スパッタ電流0.15A、基体温度200℃に
て銀を約１μｍの厚みで堆積した。このときには駆動系
402は動作させず、基体408をターゲットに正対させて堆
積を行った。その結果、基体101の上面に銀が約１μｍ
の厚みで形成され、その表面は鏡面であった。
これに以下に述べる方法で渦巻状の凹凸構造を形成
し、反射性導電層102とした。
このようにして約１μｍの厚みで銀を蒸着したステン
レス板301に第３図に示す装置を用いて凹凸構造の形
成、及び該反射性導電層の表面を酸化させることによる
緩衝層の形成を行った。回転テーブル302を最初は約300
0rpmの回転数で回転させ、KrFガスを用いたエキシマレ
ーザ光照射装置（発振波長249nm、平均出力5W）303から
レーザ光を取り出し、これをビーム径が約1.3μｍ、間
隔が約1.0μｍのダブルビーム304として用い、70mm走査
した。また、酸素ガスを200sccmの流量でレーザビーム
照射点付近に供給した。
また、この際にレーザ光の走査速度を第２表に示すよ
うに５μm/secから200μm/secまで13通りに変えた基板
（ｉ）〜（ｕ）を作製した。
上記の方法によって形成された凹凸を電子顕微鏡にて
観察したところ、基板の全域にわたって均一であり、凹
部の底から凸部の頂上までの高さが0.6〜0.7μｍである
ことが確認された。また、基板（ｉ）〜（ｕ）表面の凸
部の距離は、前記レーザ光の走査速度によってやはり第
２表に示すように0.1μｍから４μｍまで変えられてい
た。また、これらの基板の緩衝層の膜厚を断面の電子顕
微鏡下の観察により測定したところ、凸部と凹部におけ
る該緩衝層の平均膜厚の比はすべて1.8であることが確
認された。
このようにして作製した13種類の基板（ｉ）〜（ｕ）
を用いて、第２図に示す層構成を持ち、第４図に示すよ
うに各々1cm2の面積を有するアモルファスシリコン太陽
電池を各々16セルづつ作製し、それらの太陽電池に対し
て発電効率の測定を行い、その結果を第７図に示す。な
お、これらの測定結果は最大値による規格化を施されて
いる。
これらの結果から、前記凸部の平均距離が0.2μｍか
ら2.0μｍの間にある基板を用いた場合、作製された太
陽電池の出力特性が大きく向上することがわかった。
〔実施例〕
以下、実施例にて本発明を詳述するが、本発明はこれ
によって限定されるものではない。
実施例１ 実験例２と同様の方法においてレーザ光の走査速度を
50μm/secとして凹凸の凸部の平均距離が１μｍである
太陽電池用基板及び、比較のため前記凹凸形成工程にお
いて酸素ガスの代わりにアルゴンガスを用いた点をのぞ
いて他の条件を等しくして作製した基板を用いて実験例
１と同様の太陽電池を作製し、実験例１と同様にして出
力特性を測定した。
その結果、本発明による太陽電池用基板を用いた太陽
電池の出力特性は比較例の太陽電池の出力特性に比べ
て、開放電圧の値で1.14倍、短絡電流の値で1.21倍、変
換効率の値で1.33倍であった。
実施例２ 基体101の母材として、表面に鏡面研磨を施したアル
ミニウム板（面積50mm×50mm、厚さ0.5mm）を用いた。
本実施例では、該基体が反射性導電層をも兼ねてお
り、単独で基板103を構成している。
第３図に示した装置を用いて前記凹凸構造を形成する
わけであるが、本実施例の場合レーザ光源にArガスレー
ザ（発振波長約500nm、平均出力10W）を用い、間隔が10
mm、径が1.2μｍの６本の平行なビームに分離し、基板
が１回転する間に１μｍの速度で10mm走査した。また、
各々のビームの強度を独立に制御できるように透過率が
可変であるフィルターを各々介している。
上記の点を除いて実施例１と同様にして、基板103の
表面に前記凹凸構造を形成した。
基板103の表面を電子顕微鏡で観察したところ、基板
全域にわたって均一であり、凸部の平均距離が1.5μ
ｍ、凹部の底から凸部の頂上までの高さが0.5〜0.8μｍ
であることが確認された。また、この基板の緩衝層の膜
厚を断面の電子顕微鏡下の観察により測定したところ、
凸部と凹部における該緩衝層の平均膜厚の比は2.2であ
ることが確認された。
このようにして作製した基板を用いて、実験例１と同
様にアモルファスシリコン太陽電池を作製し、出力特性
を測定した。
また、実施例１と同様に比較のため前記凹凸構造形成
工程において酸素ガスの代わりにアルゴンガスを用いた
点をのぞいて他の条件を等しくして作製した基板を用い
て同様の太陽電池を作製し、出力特性を測定した。
その結果、本発明による太陽電池用基板を用いた太陽
電池の出力特性は比較例の太陽電池の出力特性に比べ
て、開放電圧の値で1.2倍、短絡電流の値で1.05倍、変
換効率の値で1.23倍であった。
実施例３ 基体101の母材として、ポリエステルフィルム（ポリ
エチレンテレフタレート製、面積50mm×50mm、厚さ0.76
mm）を用いた。
基体101の上面にアルミニウムをアルゴンスパッタ法
により、表面が鏡面となる条件で約２μｍの厚みで蒸着
した。
前記、約２μｍの厚みでアルミニウムを蒸着したポリ
エステルフィルム303を角速度の制御が可能な回転テー
ブル302の上に固定し、これを約2000rpmの回転数で回転
させる。次に、酸素ガスを供給しながら、ArFガスを用
いたエキシマレーザ光照射装置（発振波長193nm、平均
出力5W）303からレーザ光304を、照射位置305を該基体
の中心から周辺部に向かって一次元的に70mm走査した。
この基板の表面を電子顕微鏡で観察したところ、基板
全域にわたって均一であり、凸部の平均距離が0.5μ
ｍ、凹部の底から凸部の頂上までの高さが0.1〜0.2μｍ
であることが確認された。また、この基板の緩衝層の膜
厚を断面の電子顕微鏡下の観察により測定したところ、
凸部と凹部における該緩衝層の平均膜厚の比は1.2であ
ることが確認された。
このようにして作製した基板を用いて、実験例１と同
様にアモルファスシリコン太陽電池を作製し、出力特性
を測定した。
また、実施例１と同様に比較のため前記凹凸構造形成
工程において酸素ガスの代わりにアルゴンガスを用いた
点をのぞいて他の条件を等しくして作製した基板を用い
て同様の太陽電池を作製し、出力特性を測定した。
その結果、本発明による太陽電池用基板を用いた太陽
電池の出力特性は前記比較例の太陽電池の出力特性に比
べて、開放電圧の値で1.05倍、短絡電流の値で1.22倍、
変換効率の値で1.27倍であった。
実施例４ 基体101の母材として、表面に鏡面研磨を施したステ
ンレス板（SUS304製、面積50mm×50mm、厚さ0.5mm）を
用いた。
基体101の上面に第４図のプレーナ型DCマグネトロン
スパッタ装置を用いて前記反射性導電層102を次のよう
にして形成した。ターゲットとして純度99.99％の銀を
用い、スパッタガスとしてアルゴンを25sccm流し、スパ
ッタ圧力5mTorr、スパッタ電流0.15A、基体温度300℃に
て銀を約１μｍの厚みで堆積した。このときには駆動系
402を動作させず、基体408をターゲットに正対させて堆
積を行った。
上記の方法によって形成された反射性導電層102の表
面を電子顕微鏡にて観察したところ、全域にわたってほ
ぼ均一であり、凹部の底から凸部の頂上までの高さが0.
6〜0.7μｍ、凸部の平均距離が約1.0μｍであることが
確認された。
次に、この反射性導電層102を形成する際に用いたも
のと同じプレーナ型DCマグネトロンスパッタ装置を用い
て、該反射性導電層102上に前記緩衝層103を形成した。
ターゲットとして純度99.99％の酸化亜鉛を用い、ス
パッタガスとしてアルゴンと酸素をそれぞれ25sccm、0.
1sccm流し、スパッタ圧力5mTorr、スパッタ電流0.8A、
基体温度300℃、堆積速度毎分170オングストロームにて
緩衝層103として酸化亜鉛を約１μｍの厚みで堆積し
た。このとき、前記基体408を取り付けた加熱板403を保
持している駆動系402を動作させて基体408の中心におけ
る法線が頂角35度の円錐側面を形成するように加熱板40
3を20秒周期にて運動させながら堆積を行った。
上記の方法によって形成された緩衝層103の表面を電
子顕微鏡にて観察したところ、全域にわたってほぼ均一
であり、凹部の底から凸部の頂上までの高さが0.7〜0.8
μｍ、凸部の平均距離が1.0μｍであることが確認され
た。
また、この基板の緩衝層103の膜厚を断面の電子顕微
鏡下の観察により測定したところ、凸部と凹部における
該緩衝層の平均膜厚の比は2.5であることが確認され
た。
このようにして作製した基板を用いて、実験例１と同
様にアモルファスシリコン太陽電池を作製し、出力特性
を測定した。
また、比較のため前記緩衝層103の形成工程において
駆動部402を動作させずに基体408をターゲットに正対さ
せたままで堆積を行った点をのぞいて他の条件を等しく
して作製した基板を用いて同様の太陽電池を作製し、出
力特性を測定した。
その結果、本発明による太陽電池用基板を用いた太陽
電池の出力特性は前記比較例の太陽電池の出力特性に比
べて、開放電圧の値で1.08倍、短絡電流の値で1.19倍、
変換効率の値で1.31倍であった。
実施例５ 基体101の母材として、ステンレス板（SUS304製、面
積50mm×100mm、厚さ0.08mm）を用いた。
基体101の上面に第４実施例と同様の方法で前記反射
性導電層102と前記緩衝層103の形成を行った。
緩衝層103の表面を電子顕微鏡にて観察したところ、
全域にわたってほぼ均一であり、凹部の底から凸部の頂
上までの高さが0.7〜0.8μｍ、凸部の平均距離が1.2μ
ｍであることが確認された。
また、この基板の緩衝層103の膜厚を断面の電子顕微
鏡下の観察により測定したところ、凸部と凹部における
該緩衝層の平均膜厚の比は2.4であることが確認され
た。
このようにして作製した基板を用いて、第２図に示す
層構成を持ち、第５図に示すように各々1cm2の面積を有
するアモルファスシリコン太陽電池を16セルづつ10ロッ
ト、計160セル作製し、各セルの集電電極に取り出し電
線を付設した後、これらの太陽電池の両面を４フッ化エ
チレン−６フッ化プロピレン共重合体（FEP）からなる
保護フィルムで真空封止し、これを用いて以下のような
耐久性検査を行った。
前記160セルの内、リークを起こしておらず、出力特
性のうち開放電圧、形状因子が最大値のセルにおける値
の90％以上を示すセルの割合（以下、この割合のことを
“生存率”と呼ぶ）を、初期の状態で調べたところ98％
であった。次に、この太陽電池を直径10mmのパイプに巻
き付けては裏返しにしてまた巻き付けるという機械的ス
トレスを1000回与えてから再び生存率を調べたところ、
95％であった。
比較のため前記緩衝層103の形成工程において駆動部4
02を動作させずに基体408をターゲットに正対させたま
まで堆積を行った点をのぞいて他の条件を等しくして作
製した基板を用いて同様の太陽電池を作製し、やはり生
存率を調べたところ、初期の値で91％、及び機械的スト
レスを1000回与えたところで76％にまで落ちていること
を見いだした。このことからも本発明の改良された太陽
電池用基板の優位性が確認された。
〔発明の効果の概要） 以上に述べたように、凸部の距離が0.2μｍから2.0μ
ｍの間にある凹凸を表面に有する太陽電池用基板におい
て、該凹凸の表面に、実質的に透光性及び導電性を有す
るフッ化マグネシウムベースの材料、インジウム、ス
ズ、カドミウム、亜鉛、アンチモン、シリコン、クロ
ム、銀、銅、アルミニウムの酸化物、窒化物及び炭化物
あるいはこれらの混合物の内から選ばれる材料で構成さ
れる緩衝層を、凹部において薄く、凸部において厚く、
その比が1.2以上となるように形成することを特徴とす
る本発明を用いることにより、以下の効果が得られた。
光学活性層で吸収されきれずに基板まで達した光を効
果的な角度で反射せしめることにより、太陽電池の出力
特性とりわけ取り出される電流値を向上させ、その結果
として、本発明の太陽電池用基板を用いた太陽電池の出
力特性を大きく向上させることが可能となった。
また、効果的な緩衝層を基板と半導体層の間に介在さ
せることにより、太陽電池の出力特性とりわけ開放電
圧、形状因子を向上させ、その結果として、本発明の太
陽電池用基板を用いた太陽電池の出力特性を大きく向上
させることが可能となった。
また、効果的な緩衝層を基板と半導体層の間に介在さ
せることにより、太陽電池の潜在的な短絡発生を防ぎ、
その結果として、本発明の太陽電池用基板を用いた太陽
電池の信頼性を大きく向上させることが可能となった。
また、緩衝層に効果的な分布を持たせることにより、
太陽電池の直列抵抗の増加を防ぎ、その結果として、本
発明の太陽電池用基板を用いた太陽電池の出力特性を大
きく向上させることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明による改良された太陽電池用基板の概
念的模式図である。 第２図は、本発明による改良された太陽電池用基板を用
いた太陽電池の構成を表わす概念的模式図である。 第３図は、本発明による改良された太陽電池用基板を作
製するために用いられ得るレーザ光による凹凸構造及び
緩衝層形成装置の構成を表わす概念的模式図である。 第４図は、本発明による改良された太陽電池用基板を作
製するために用いられ得るプレーナ型DCマグネトロンス
パッタ装置の構成を表わす概念的模式図である。 第５図は、本発明による改良された太陽電池用基板を用
いて作製した太陽電池の各単位セルの構成図である。 第６図は、実験例１において作製された太陽電池の規格
化された変換効率を示すグラフである。 第７図は、実験例２において作製された太陽電池の規格
化された変換効率を示すグラフである。 第１図において、101……基体、102……反射性導電層、
103……緩衝層、104……基板。 第２図において、201……基体、202……反射性導電層、
203……緩衝層、204……基板、205……ｎタイプドーピ
ング層、206……ｉ層、207……ｐタイプドーピング層、
208……PIN型太陽電池、209……透明導電膜、210……集
電電極。 第３図において、301……基板、302……回転テーブル、
303……レーザ光照射装置、304……レーザ光ビーム、30
5……レーザ光照射位置、306……酸素ガス。 第４図において、401……真空容器、402……駆動系、40
3……加熱板、404……熱電対、405……温度コントロー
ラー、406……ヒーター、407……熱均一体、408……基
体、409……基体押え、410……ターゲット、412……タ
ーゲット台、413……マグネット、414……冷却水導入パ
イプ、416……スパッタ電源、420,421……マスフローコ
ントローラー、423……真空計、424……メインバルブ。 第５図において、501……基板、502……単位太陽電池素
子、503……透明導電膜、504……集電電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒尾 浩三 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−201668（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−313874（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−59965（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 31/04

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】表面に凹凸を有する太陽電池用基板であ
    り、該凹凸は金属もしくは合金で構成され、該凹凸の表
    面は実質的に透光性及び導電性を有する緩衝層で覆われ
    ており、該緩衝層が、該凹凸の凹部において薄く、凸部
    において厚く形成されて成ることを特徴とする太陽電池
    用基板。
  2. 【請求項２】請求項（１）に記載の太陽電池用基板にお
    いて、前記凹凸の凹部における前記緩衝層の厚さに対す
    る前記凹凸の凸部における前記緩衝層の厚さの比が1.2
    以上であることを特徴とする太陽電池用基板。
  3. 【請求項３】請求項（１）に記載の太陽電池用基板にお
    いて、前記緩衝層は、フッ化マグネシウムベースの材
    料、インジウム、スズ、カドミウム、亜鉛、アンチモ
    ン、シリコン、クロム、銀、銅、アルミニウムの酸化
    物、窒化物及び炭化物あるいはこれらの混合物の内から
    選ばれる材料で構成されることを特徴とする太陽電池用
    基板。
  4. 【請求項４】請求項（１）に記載の太陽電池用基板にお
    いて、前記凹凸の凸部の距離が0.2μｍから2.0μｍの間
    にあることを特徴とする太陽電池用基板。
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