JP3655027B2

JP3655027B2 - 集積型薄膜光電変換装置

Info

Publication number: JP3655027B2
Application number: JP29150596A
Authority: JP
Inventors: 克彦林; 正隆近藤
Original assignee: Kaneka Corp
Current assignee: Kaneka Corp
Priority date: 1996-11-01
Filing date: 1996-11-01
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2016-11-01
Also published as: JPH10135493A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜光電変換装置に関し、特に、比較的大きな面積の絶縁基板上に順次積層された第１電極層，半導体光電変換層および第２電極層が複数の光電変換セルを形成するように複数の分割線によって分割されていてかつそれらの複数のセルが電気的に直列接続された集積型薄膜光電変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
太陽光のエネルギを直接電気エネルギに変換する光電変換装置である太陽電池の実用化は近年本格的に進められており、単結晶シリコンや多結晶シリコン等を利用した結晶系太陽電池は屋外の電力用太陽電池として既に実用化されている。他方、非結晶シリコン系の薄膜太陽電池は、その製造のための原材料が少なくてすみかつ大面積の集積型太陽電池が絶縁基板上に直接作製可能なことから、低コストの太陽電池として注目されている。しかし、非結晶系薄膜太陽電池は屋外用としては未だ開発段階にあり、既に普及している電卓などの民生機器の電源用途における実績をもとにして、屋外用途に発展させるために研究開発が進められている。
【０００３】
薄膜太陽電池の製造においては、ＣＶＤ法やスパッタリング法などによる薄膜の堆積ステップとレーザスクライブ法などによるパターニングステップの適宜の繰返しや組合せを含む製造プロセスによって、所望の構造が形成される。通常は１枚の絶縁基板上に複数の光電変換セルが電気的に直列接続された集積型構造が採用され、屋外用途のための電力用太陽電池ではたとえば０．４ｍ×０．４ｍを超える大面積の基板が用いられる。
【０００４】
図２は、このような集積型薄膜太陽電池の構造を模式的な断面図で示している。なお、本願の各図において、図面の明瞭化のために、寸法関係は実際の寸法関係を反映してはいない。図２の集積型薄膜太陽電池においては、絶縁基板３上に第１電極層５，アモルファスシリコンなどからなる半導体光電変換層９および第２電極層１３が順次積層されており、パターニングによって半導体層９に設けられた接続用開口溝７を介して、互いに左右に隣接し合う光電変換セルが電気的に直列に接続されている。第１電極層５としては一般に酸化スズ（ＳｎＯ₂），酸化亜鉛（ＺｎＯ），酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の透明導電膜が用いられ、また、第２電極層１３としては銀（Ａｇ），アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ）等の金属膜が用いられる。
【０００５】
図２に示されているような構造を有する集積型薄膜太陽電池は、一般に次のような方法によって作製される。まず、ガラス基板３上にＳｎＯ₂，ＺｎＯ，ＩＴＯ等の透明導電膜が第１電極層５として堆積され、その第１電極層５を複数の光電変換領域に対応した複数の領域に分離するために、レーザスクライブ法によって分離溝１７が形成される。すなわち、これらの分離溝１７は、図２の紙面に直交する方向に直線状に延びている。そして、複数の領域に分離された第１電極層５を覆うように、プラズマＣＶＤ法を用いて、ｐｉｎ接合を含む非晶質シリコンの半導体光電変換層９が堆積される。この半導体層９には、左右に隣接する光電変換セルを電気的に直列接続するための接続用開口溝７がレーザスクライブ法によって形成される。これらの接続用開口溝７も、図２の紙面に垂直な方向に直線状に延びている。続いて、これらの接続用溝７を埋めかつ半導体層９を覆うように、Ａｇ，Ａｌ，Ｃｒ等の金属膜の単層または複層が第２電極層１３として堆積される。第１電極層５の場合と同様に、第２電極層１３を複数の光電変換セルに対応した複数の領域に分離するように、上部分離溝１９がレーザスクライブ法によって形成される。これらの上部分離溝１９も図２の紙面に直交する方向に直線状に延びており、かつ好ましくは第１電極層５に至る深さを有している。このようにして、図２に示されているような集積型薄膜太陽電池が完成する。
【０００６】
ところで、このような集積型薄膜太陽電池の従来の製造方法では、大面積の集積型太陽電池を作製するためには、大きな基板サイズに対応した大きな相対的移動範囲を有するレーザビームヘッドを備えたレーザスクライブ装置を必要とし、そのようなスクライブ装置の駆動系は非常に高価なものになる。また、スクライブ装置が唯一つのレーザビームヘッドを備えている場合、そのレーザビームヘッドの駆動総延長距離が長くなり、１枚の大きな基板を処理するのに長いタクトタイム（ヘッドを振り動かす時間）がかかるという問題がある。そこで、レーザビームヘッドの駆動総延長距離を短くするとともに、タクト時間を短くする試みとして、図３に示されているように、複数のレーザビームヘッドで同時に複数のスクライブを行なう方法が提案された。
【０００７】
なお、１つのレーザビームヘッドが１つのレーザ発振器を備えることも可能ではあるが、一般にはレーザビームヘッドの数とレーザ発振器の数とは必ずしも一致するものではない。例えば１つのレーザ発振器から射出されたレーザビームを少なくとも１つのハーフミラーで複数のビームに分割した後に、それらの分割されたビームをミラーや光ファイバを用いてレーザビームヘッドに供給することが可能である。
【０００８】
図３に示された集積型薄膜太陽電池の製造方法においては、３つのレーザビームヘッド３２１，３２２，３２３がスクライブ線に直交する方向に並列に並べられる。すなわち、レーザビームヘッド３２１，３２２，３２３は、それぞれ一点鎖線，二点鎖線および三点鎖線で表わされたスクライブ溝を形成する。なお、図３においては３つのレーザビームヘッドが示されているが、このヘッドの数は他の複数の数であってもよい。ところで、図３に示された製造方法では、たとえばレーザビームヘッド３２１の基板３に対する相対移動範囲３３１は１本のレーザビームヘッドを駆動させる場合と根本的に変わるものではなく、また、レーザビームヘッド間の間隔（すなわち、スクライブ溝の間隔）３５１が変更しづらいという問題がある。
【０００９】
集積型薄膜太陽電池において最大の光電変換効率を得るためには、各セルの出力電流値すなわち活性面積を等しくする必要があり、また、スクライブ溝の間隔は第１電極層５のシート抵抗の値が太陽電池特性のＦＦ（フィルタファクター）に大きな影響を与えないように設定する必要があり、スクライブ溝の間隔はある程度調節可能であることが望まれる。そこで、基板３に対するレーザビームヘッドの相対移動範囲を狭くし、かつスクライブ溝の間隔を容易に変更可能にするために、図４に示されているような集積型薄膜太陽電池の製造方法が提案された。
【００１０】
図４に示された製造方法においては、図２中における第１電極層５の分離溝１７または第２電極層１３の上部分離溝１９を形成する際に、１本のスクライブ線３７を形成するために、そのスクライブ線に沿って直列に配置された複数のレーザビームヘッド４２１，４２２，４２３が用いられる。これらのレーザビームヘッドは、各スクライブ線の全長をヘッドの個数で割った間隔４５１で配置され、１本のスクライブ線３７はそれぞれ一点鎖線，二点鎖線，および三点鎖線で表わされたスクライブ溝区分４７１，４７２，４７３を繋げることによって形成される。すなわち、たとえばレーザビームヘッド４２１の基板３に対する相対移動範囲は、図３の場合の移動範囲３３１に比べて縮小される。なお、これと同様の方法によって図２中の半導体層９に接続用開口溝７を形成してもよいことは言うまでもない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図４で示されているような従来の製造方法によって製造された集積型薄膜太陽電池は、図３に示された方法によって製造されたものに比べて歩留りが悪くなるという問題があった。
【００１２】
この歩留りの低下の原因について本発明者らが詳細に検討した結果、第１電極層または第２電極層のスクライブ線３７に含まれるスクライブ溝区分４７１，４７２，４７３の継ぎ目の連続性が不完全なことにより、分離の不十分なセルが確率的に発生することが歩留りの低下の原因であることを見出した。このように、従来の製造方法では、低コストで歩留りよく高性能かつ信頼性の高い集積型薄膜太陽電池を製造することが困難であった。
【００１３】
このような先行技術の課題に鑑み、本発明は、たとえば０．４ｍ×０．４ｍ以上の大きな面積を有していても高性能かつ高い信頼性を有する集積型薄膜太陽電池を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明による集積型薄膜光電変換装置は、絶縁基板上に順次積層された第１電極層，半導体光電変換層および第２電極層が複数の光電変換セルを形成するように実質的に直線状で互いに平行な複数の分割線によって分割されていてかつそれらの複数のセルが電気的に直列接続されており；第１電極層を分割する分割線と第２電極層を分割する分割線の少なくとも一方の分割線の各々は実質的に等しい長さを有する複数の分離溝区分を含み；それらの分離溝区分の各々は隣接する分離溝区分の端部と重複する長さの重複長さ端部を含み；隣接する２つの分離溝区分間において両方の分離溝区分の重複長さ端部が短い横断分離溝によって横断されていることを特徴としている。
【００１５】
このような本発明による集積型薄膜光電変換装置においては、隣接する２つの分離溝区分間において両方の分離溝区分の重複長さ端部が短い横断分離溝によって横断されているので、第１電極層または第２電極層の少なくとも一方がセルごとに確実に分割され、高性能で信頼性の高い集積型薄膜光電変換装置を提供することが可能になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の１つの実施の形態による集積型薄膜太陽電池の製造方法を模式的な平面図で図解している。以下において、図１のみならず図２をも参照しながら、本発明の１つの実施の形態による集積型薄膜光電変換装置をその製造方法とともに詳細に説明する。
【００１７】
まず、ガラス基板３上に、ＳｎＯ₂，ＺｎＯ，ＩＴＯ等の透明導電膜が第１電極層５として堆積される。この第１電極層５は、複数の光電変換セル領域に対応して複数の領域にレーザスクライブ法によって溶断され、約２０μｍの幅の分離溝１７が形成される。
【００１８】
この際、図１に示されているように、１本のスクライブ線３７を形成するために複数のレーザビームヘッド１２１，１２２，１２３が用いられる。図１において３つのレーザビームヘッドが示されているが、これらのレーザビームヘッドの個数は他の複数個であってもよいことは言うまでもない。これらのレーザビームヘッドは、１本のスクライブ線３７の長さをヘッドの個数で割った間隔１５１で配置され、レーザビームヘッド１２１，１２２，１２３はそれぞれ一点鎖線，二点鎖線および三点鎖線で表わされたスクライブ溝区分１７１，１７２，１７３を形成する。これらのスクライブ溝区分は、隣接するスクライブ溝区分と約１００μｍの長さで重複する重複長さ端部を有している。そして、隣接するスクライブ溝区分間において両方のスクライブ溝区分の重複長さ端部を横断する短い横断分離溝１９１，１９２が形成される。これらの横断分離溝は、たとえば約５００μｍの長さに形成される。その結果、隣接する２つのスクライブ溝区分間の重複長さ端部が図１に示されているように互いにわずかに隔てられて不連続に形成されたとしても、短い横断分離溝がそれらの重複長さ端部を連結し、隣接するスクライブ溝区分間で溝の連続性が確保されることになる。
【００１９】
大面積の集積型薄膜太陽電池を製造する場合、たとえば基板の一方向に沿って複数の短冊状に分割された光電変換セルが形成される。たとえば、９１０×４５５×４（ｍｍ）のヘイズ基板３が用いられ、第１電極層５の表面抵抗は１０Ω程度に設定される。そして、レーザスクライブによって発生した溶断残滓を除去するために洗浄を行ない、複数のセル領域に対応して形成された第１電極層５の複数の領域を覆うように、プラズマＣＶＤ法によってｐｉｎ接合を含みかつ水素化アモルファスシリコン層を含む半導体光電変換層９が堆積される。
【００２０】
この半導体層９の堆積においては、まず第１電極層５の複数の領域が形成された基板３が１０^-5Ｔｏｒｒより真空度の高い真空チャンバ内にセットされ、１４０℃〜２００℃の基板温度のもとで成膜ガスとしてシラン（ＳｉＨ₄），ジボラン（Ｂ₂Ｈ₆），およびメタン（ＣＨ₄）がチャンバ内に導入されて、約１．０Ｔｏｒｒの反応ガス圧のもとにＲＦ放電によってｐ型水素化アモルファスシリコンカーバイドが約５０〜２００Åの膜厚に堆積させられる。次に、成膜ガスとしてシランガスのみをチャンバに導入し、約０．２〜０．７Ｔｏｒｒの反応ガス圧のもとでＲＦ放電によってｉ型水素化アモルファスシリコンが約３０００Åの膜厚に堆積される。さらに、成膜ガスとしてシラン（ＳｉＨ₄），フォスイン（ＰＨ₃），および水素（Ｈ₂）をチャンバに導入し、約１．０Ｔｏｒｒの反応ガス圧のもとにＲＦ放電によってｎ型微結晶シリコンが約１００〜２００Åの膜厚に堆積される。
【００２１】
ここで説明された半導体層９の堆積条件はあくまでも一例であり、たとえば第１電極層５上にｎ層，ｉ層およびｐ層の順に積層されてもよく、また、半導体層９がいわゆるタンデム構造を有するように形成されてもよい。さらに、半導体層９の主要な材料として、水素化アモルファスシリコンのみならず、アモルファス，多結晶もしくは微結晶またはそれらの組合せであってもよく、さらに、シリコン以外にもシリコンカーバイド，シリコンゲルマニウム，ゲルマニウム，ＩＩＩ−Ｖ族化合物，ＩＩ−ＩＶ族化合物，もしくはＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物，またはこれらの組合せを用いることもできる。
【００２２】
次に、レーザスクライブ法によって、半導体層９を溶断し、既に形成されている第１電極層５の分割線１７に平行に近接していて約１００μｍの幅を有する直線状の接続用開口溝７が形成される。この際、１本の接続用開口溝７を形成するために、複数のレーザビームヘッド１２１，１２２，１２３が用いられ、それらのヘッドは各接続用開口溝７に沿ってその全長をヘッド数で割った間隔１５１で直列に配置される。このとき、複数の接続用開口溝区分を形成するスクライブ区間１７１，１７２，１７３はそれらの端部において隣接するスクライブ区間と約１００μｍの長さで重複する重複長さ端部を有している。そして、レーザスクライブによって発生した溶断残滓を除去するために洗浄が行なわれ、その後に半導体層９を覆うように、スパッタリング法によって第２電極層１３が堆積される。
【００２３】
具体的には、接続用開口溝７が形成された後に基板３をスパッタチャンバ内にセットし、そのチャンバは１０^-6Ｔｏｒｒより高度の真空に排気される。その後、チャンバ内にスパッタガスとしてアルゴンガス（Ａｒ）が導入され、１〜５ｍＴｏｒｒのガス圧のもとにＲＦ放電によって、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）がドーピングされたＺｎＯ層が８００〜１０００Åの厚さに堆積される。ここで、第２電極層１３の材料としては、ＺｎＯの他にＳｎＯ₂やＩＴＯ等の透明電極材料またはＡｌ，Ａｇ，Ｃｒ等の金属材料を用いてもよく、さらにはこれらの材料の積層体を用いてもよい。
【００２４】
その後、接続用開口溝７に関して分離溝１７の反対側において、その接続用開口溝７に平行に近接して上部分離溝１９が形成される。この上部分離溝１９は、第２電極層１３と少なくとも導電性のよいｎ型微結晶シリコン層とをレーザスクライブ法で除去することによって、約１００μｍの幅を有するように形成される。このとき、１本の上部分割溝１９を形成するために、複数のレーザビームヘッド１２１，１２２，１２３が用いられ、それらのヘッドは各上部分離溝１９の全長をヘッドの個数で割った間隔で直列に配置される。すなわち、１本のスクライブ線３７が複数のスクライブ溝区分１７１，１７２，１７３によって形成される。各スクライブ溝区分は、隣接するスクライブ溝区分間で重複する長さを有する重複長さ端部を有している。さらに、それらの隣接するスクライブ溝区分間の重複長さ端部を横断する横断溝１９１，１９２が約５００μｍの長さに形成される。
【００２５】
これによって、基板上に第１電極層５と第２電極層１３とによって挟まれた領域からなる光電変換セルの複数個が電気的に直列接続されて形成される。
【００２６】
最後に、レーザスクライブによって発生した溶断残滓を除去するための洗浄が行なわれ、必要に応じてエポキシ樹脂などの適当なパッシベーション層が第２電極層１３を覆うように塗布される。
【００２７】
以上のような本発明による図１の方法によって製造された集積型薄膜光電変換装置と図４に示されているような従来の方法によって製造された集積型薄膜光電変換装置に関して、ＡＭ１．５の擬似太陽光のもとで初期光電変換効率が９％以上を示す光電変換装置の歩留りを比較した。その結果、図４の方法による集積型薄膜光電変換装置の歩留りが５０％であったのに対して、本発明による図１の方法で製造された集積型薄膜光電変換装置の歩留りは９９％以上となり、大幅な改善効果が得られることが確認された。
【００２８】
以上のように、本発明によれば、少なくとも第１電極層と第２電極層の一方のスクライブ線におけるスクライブ溝区分間の継ぎ目において溝の連続性が確実に維持されるので、電極の分離が不十分であることによる集積型薄膜光電変換の歩留りの低下を生じることがない。すなわち、本発明によれば、たとえば０．４ｍ×０．４ｍ以上の大きな表面積を有するにもかかわらず高性能と高い信頼性を有する集積型薄膜光電変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による集積型薄膜光電変換装置の製造工程を説明するための模式的な平面図である。
【図２】集積型薄膜光電変換の構造を示す模式的な断面図である。
【図３】従来の集積型薄膜光電変換装置の製造方法を説明するための模式的な平面図である。
【図４】従来の集積型薄膜光電変換装置のもう１つの製造方法を説明するための模式的な平面図である。
【符号の説明】
３絶縁基板
５第１電極層
７接続用開口溝
９半導体光電変換層
１３第２電極層
１７分離溝
１９上部分離溝
３７１本のスクライブ線
１２１，１２２，１２３レーザビームヘッド
１５１レーザビームヘッドの間隔
１７１，１７２，１７３スクライブ溝区分
１９１，１９２スクライブ溝区分の重複長さ端部を横断する横断溝
３２１，３２２，３２３レーザビームヘッド
３３１基板に対するレーザビームヘッドの相対的移動範囲
３５１レーザビームヘッドの間隔
４２１，４２２，４２３レーザビームヘッド
４７１，４７２，４７３スクライブ溝区分
４３１基板に対するレーザビームヘッドの相対的移動範囲
４５１レーザビームヘッドの間隔

Claims

絶縁基板上に順次積層された第１電極層，半導体光電変換層および第２電極層が複数の光電変換セルを形成するように実質的に直線状で互いに平行な複数の分割線によって分割されていてかつそれらの複数のセルが電気的に直列接続された集積型薄膜光電変換装置において、
第１電極層を分割する分割線と第２電極層を分割する分割線の少なくとも一方の分割線の各々は複数の分離溝区分を含み、
それらの分離溝区分の各々は隣接する分離溝区分の端部と重複する長さの重複長さ端部を含み、
隣接する２つの分離溝区分間において両方の分離溝区分の重複長さ端部が短い横断分離溝によって横断されていることを特徴とする集積型薄膜光電変換装置。