JP3815875B2

JP3815875B2 - 集積型薄膜光電変換装置の製造方法

Info

Publication number: JP3815875B2
Application number: JP35515397A
Authority: JP
Inventors: 克彦林
Original assignee: Kaneka Corp
Current assignee: Kaneka Corp
Priority date: 1997-12-24
Filing date: 1997-12-24
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: JPH11186573A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は集積型薄膜光電変換装置の製造方法に関し、特に、高い光電変換効率と高い信頼性を有する集積型薄膜光電変換装置を歩留りよく製造し得る方法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×０．８ｍを超える大面積の基板が用いられ、高い出力電圧を生じ得る装置にされる。
【０００４】
さらに、屋外用太陽電池の性能としては、耐風圧やフロントカバーの衝撃強度などの機械的特性とともに、耐電圧性能などの電気的特性が一定以上であることも要求される。たとえば、結晶系太陽電池モジュールについては、ＪＩＳ−Ｃ８９１８において電気的性能の中に絶縁に関する記述があり、その試験方法などが記載されている。それによれば、太陽電池モジュールの正負出力端子を互いに短絡し、それらの端子とフレームまたは接地端子との間に、高圧発生電源によってそのモジュールの最大電圧の２倍プラス１０００Ｖの直流電圧を印加しても絶縁破壊などの異常が発生しないことが要求されている。これは、太陽電池モジュールの発電領域とフレームとの間で、何らかの方法で電気的に絶縁する必要があることを意味している。
【０００５】
図５は、集積型薄膜太陽電池の一例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、図面の明瞭化と簡略化のために寸法関係は適宜に変更されていて実際の寸法関係を反映しておらず、他方、同一の参照符号は同一部分を表わしている。
【０００６】
図５の集積型薄膜太陽電池１においては、透明絶縁基板２上に透明電極層３、非晶質シリコンなどからなる半導体光電変換層５、および裏面電極層７が順次積層されており、パターニングによって半導体層５に設けられた接続用開口溝６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。透明電極層３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得る。また、裏面電極層７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得る。なお、裏面電極層７は、透明導電膜と金属膜の積層体として形成されてもよい。
【０００７】
図５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１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２上にＳｎＯ₂、ＺｎＯ、ＩＴＯ等の透明導電膜が透明電極層３として堆積され、その透明電極層３を複数の光電変換セルに対応する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透明電極分離溝４が形成される。すなわち、これらの透明電極分離溝４は、図５の紙面に直交する方向に直線状に延びている。
【０００８】
そして、複数の領域に分離された透明電極層３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５が堆積される。この半導体層５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６がレーザスクライブ法によって形成される。これらの接続用溝６も、図５の紙面に垂直な方向に直線状に延びている。
【０００９】
続いて、これらの接続用溝６を埋めかつ半導体層５を覆うように、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒ等の金属膜の単層または複層が裏面電極層７として堆積される。透明電極層３の場合と同様に、裏面電極層７を複数の光電変換セルに対応する複数の領域に分離するように、裏面電極分離溝８がレーザスクライブ法によって形成される。これらの裏面電極分離溝８も図５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電極層に至る深さを有している。このようにして、図５に示されているような集積型薄膜太陽電池が形成される。
【００１０】
一般に、図５に示されているような集積型薄膜太陽電池の製造においては、光入射側の透明電極３やその反対側の裏面金属電極７を形成するときに、絶縁基板２の端面や下面に透明導電材料や金属材料が回り込んで付着する。このため、集積化される個々の光電変換セルが基板上で互いに分離していても、基板端面や基板下面に付着した透明導電材料や金属材料を介して互いに導通し、その集積型薄膜太陽電池の出力特性が低下させられる。
【００１１】
この問題を改善するために、図６の平面図とその図６中の一点鎖線Ｘ−Ｘに沿った断面図である図７に示されているように、集積型薄膜太陽電池の裏面金属電極７および裏面電極分離溝８を含むセル集積領域とその周縁にそった周縁領域１０とを互いに電気的に分離する絶縁ラインとしての周縁分離溝９が、透明基板２側からレーザビームを入射させるレーザスクライブ法によって形成される。すなわち、周縁分離溝９を形成することによって、基板端面や基板下面に付着した透明導電材料や金属材料による光電変換セル相互間の短絡を防止し、集積型薄膜太陽電池の出力特性、絶縁特性、および耐電圧特性を改善することを目的としている。レーザスクライブ法によって形成される周縁分離溝９は、一般に約５０μｍの幅を有し、このスクライブラインによってセル集積領域と周縁領域１０とが電気的に分離される。なお、図６においては図面の明瞭化のために１２段の直列接続されたセルが例示されているが、実際にはさらに多くの段数のセルが形成され得る。
【００１２】
最後に、正負両電極をそれらの絶縁性を考慮しつつ取出し、集積化された薄膜太陽電池の裏面全体を覆うようにエポキシ樹脂等の適当なパッシベーション層１１が塗布形成され、さらにアルミフレームや端子ボックス等を取付けることによって大面積の集積型薄膜光電変換装置が完成する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図７で示されているような従来のレーザスクライブ法で形成された周縁分離溝９を有する集積型薄膜光電変換装置においては、良好な光電変換効率やセル集積領域と周縁領域との間の十分な絶縁性が得られないという問題があった。
【００１４】
このような問題の原因について本発明者が詳細に検討した結果、図７に示されているように透明基板２側からレーザビームを入射させて透明電極層３、半導体層５、および裏面電極層７を貫通する周縁分離溝９を同時に形成する方法では、その周縁分離溝９が十分な絶縁帯として機能していないことが判明した。たとえば、周縁分離溝９が形成されるときに透明電極層３から昇華した透明導電性物質が周縁分離溝９の内壁に付着し、これが透明電極層３と裏面電極層７との間で漏れ電流を生じさせて光電変換効率を低下させていることがわかった。
【００１５】
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い光電変換効率と外部に対する良好な絶縁性を有する信頼性の高い集積型薄膜光電変換装置を歩留りよく製造し得る方法を提供することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、透明絶縁基板上に順次積層された透明電極層、半導体光電変換層、および裏面電極層を含む積層体を備え、この積層体は周縁分離溝によって光電変換セル集積領域と周縁領域とに分離されており、その集積領域は複数の光電変換セルを形成するように分割されかつそれらの複数のセルが電気的に直列接続されている集積型薄膜光電変換装置の製造方法は、透明絶縁基板上に透明電極層、半導体光電変換層、および裏面電極層を順次形成し、透明電極層をセル集積領域と周縁領域とに分離するために、透明基板側からレーザビームを入射させるレーザスクライブ法によって、透明電極層、光電変換層、および裏面電極層を貫通して透明電極層周縁分離溝を形成し、光電変換層と裏面電極層をセル集積領域と周縁分離領域とに分離するために、透明基板側からレーザビームを入射させるレーザスクライブ法によって、光電変換層周縁分離溝と裏面電極層周縁分離溝を形成し、そして、光電変換層周縁分離溝と裏面電極層周縁分離溝の少なくともセル集積領域側の内壁は、透明電極層周縁分離溝のセル集積領域側の内壁より後退させられることを特徴としている。
【００１８】
以上のように、本発明の集積型薄膜光電変換装置の製造方法においては、透明電極層周縁分離溝、光電変換層周縁分離溝および裏面電極層周縁分離溝が同時に形成されることなく、光電変換層周縁分離溝と裏面電極層周縁分離溝は透明電極層周縁分離溝を形成するためのレーザ加工工程と異なるその後のレーザ加工工程によって形成されるので、透明電極層から昇華した透明導電物質が光電変換層周縁分離溝の内壁と裏面電極層周縁分離溝の内壁に付着して透明電極層と裏面電極層との間に漏れ電流を生じるという問題を解消することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明に関連する幾つかの参考例とともに本発明の幾つかの実施例を説明することにより、本発明をより具体的に説明する。
【００２０】
（参考例１）
図１、図５および図６を参照しつつ、本発明に関連する参考例１による集積型薄膜光電変換装置の製造方法を説明する。まず、ガラス基板２上に、ＳｎＯ₂、ＺｎＯ、またはＩＴＯ等の透明電極層３が形成された。この透明電極層３は、レーザビームを走査してスクライブライン４を形成することによって、複数の短冊状の領域に分割された。また、透明電極層周縁分離溝９ａ１が、約２００μｍの幅で形成された。なお、透明電極層３においては１回のレーザビームの走査によって約５０μｍの幅の溝が形成され得るので、２００μｍ幅の透明電極層周縁分離溝９ａ１は、レーザビームを複数回走査させることによって形成された。また、このときのレーザビームは透明基板側と透明電極層側のいずれから入射させてもよいが、その焦点は透明電極層に合わせられる。
【００２１】
次に、半導体光電変換層５として、プラズマＣＶＤ法によって基板側からｐ型、ｉ型、およびｎ型の順に積層されたｐｉｎ構造を有する水素化非晶質シリコン層５が堆積された。この半導体層はあくまでも一例であり、この他に、たとえばｎｉｐ構造を有する半導体層でもよく、また複数の光電変換ユニット層が積層されたタンデム構造の半導体層が形成されてもよい。半導体層の主要材料としても、水素化非晶質シリコンだけでなく、非晶質、多結晶、または微結晶あるいはこれらの組合せでもよく、シリコン材料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、３−５族化合物、２−６族化合物、３−４−５族化合物、さらにはこれらの組合せを用いることもできる。
【００２２】
このような半導体層５にレーザビームを照射して、接続用開口溝６が形成された。
【００２３】
半導体層５上には、裏面電極層７が堆積された。この裏面電極層７の材料としては、ＺｎＯの他にＳｎＯ₂やＩＴＯ等の透明導電材料、またはＡｌ、Ａｇ、Ｃｒ等の金属材料を用いることができ、さらには透明導電材料と金属材料の積層体を用いてもよい。
【００２４】
この裏面電極層７と半導体層５には、レーザスクライブ法によって裏面電極分離溝８が形成された。これにより、複数の光電変換セルが直列接続されたことになる。
【００２５】
その後、セル集積領域と周縁領域との間において半導体層５と裏面電極層７のための周縁分離溝９ｂ１が、透明基板２側からレーザビームを照射することによって形成された。半導体層５と裏面電極層７をレーザスクライブするとき、半導体材料が昇華して裏面電極層は半導体層から昇華したガスによって機械的に吹き飛ばされる。このようなレーザスクライブにおいて半導体層５と裏面電極層６はレーザビームの１回の走査において約８０μｍの幅の溝が形成されるので、約１００μｍの幅を有する裏面電極層周縁分離溝９ｂ１が複数回のレーザビーム走査によって形成された。
【００２６】
最後に、集積化された光電変換装置の裏面全体を覆うように、エポキシ樹脂等の適当なパッシベーション層１１が塗布形成された。
【００２７】
図７に示されているような従来の方法で周縁分離溝９が形成されたことを除けば上述の参考例１と同様に形成された従来の集積型薄膜光電変換装置においてはその光電変換効率が８．０％であり、セル集積領域と周縁領域との間に１０００Ｖの電圧を印加したときの抵抗は１ＭΩであったのに対して、上述の参考例１では光電変換効率が９．０％であり、セル集積領域と周縁領域との間で１０００Ｖの印加時において抵抗が１０００ＭΩであった。
【００２８】
（実施例１）
図２は、実施例１による集積型薄膜光電変換装置における周縁分離溝の形成方法を図解している。この実施例１においては、参考例１の場合と同様にガラス基板２上に透明電極層３を形成し、透明電極層周縁分離溝９ａ２としては約１００μｍの幅の溝がレーザスクライブ法によって形成された。
【００２９】
その後、参考例１の場合と同様に半導体層５および裏面電極層７が堆積され、これらの層のための周縁分離溝９ｂ２が、ガラス基板側からレーザビームを照射することによって約２００μｍの幅に形成された。このとき、半導体層５は透明電極層３に比べてレーザビームに対して大きな吸収率を有するので、周縁分離溝９ａ２を形成するときより小さなエネルギ密度のレーザビームを用いて、透明電極層３に損傷を与えることなく半導体層５と裏面電極層７のための周縁分離溝９ｂ２を形成することができる。
【００３０】
このように形成された実施例１による集積型薄膜光電変換装置においてはその光電変換効率が８．９％であり、セル集積領域と周縁領域との間に１０００Ｖを印加したときの抵抗は１０００ＭΩであった。
【００３１】
なお、図２の実施例では、上述のように半導体層５が形成される前に透明電極層周縁分離溝９ａ２が形成されてもよいが、半導体層５と裏面電極層７が形成された後に透明電極層周縁分離溝９ａ２が形成されてもよい。その場合、透明電極層周縁分離溝９ａ２はその透明電極層３のみならず半導体層５と裏面電極層７をも貫通するように形成され、その後にさらに半導体層５と裏面電極層７のための周縁分離溝９ｂ２が、透明電極層周縁分離溝９ａ２の幅より大きな幅で形成される。したがって、半導体層５と裏面電極層７のための周縁分離溝９ｂ２が形成された後にその溝の内壁に透明電極層３から昇華した透明導電物質が付着しているということはあり得ない。
【００３２】
（参考例２）
図３は、参考例２による集積型薄膜光電変換装置における周縁分離溝の形成方法を図解している。参考例２においても、実施例１の場合と同様にガラス基板２上に透明電極層３が形成された後に透明電極層周縁分離溝９ａ３がレーザスクライブ法で約１００μｍの幅に形成される。
【００３３】
その後、半導体層５と裏面電極層７が形成された後に、ガラス基板側からレーザビームを照射することによって、半導体層５と裏面電極層７のための周縁分離溝９ｂ３が約１００μｍの幅に形成される。このとき、両方の溝９ａ３と９ｂ３が基板２上で占める位置が、それらの幅の少なくとも一部が相互に重複する関係にあればよい。
【００３４】
このような参考例２による集積型薄膜光電変換装置においては、その光電変換効率が９．０％であり、セル集積領域と周縁領域との間に１０００Ｖを印加したときの抵抗は５００ＭΩであった。
【００３５】
（実施例２）
図４は、実施例２による集積型薄膜光電変換装置における周縁分離溝の形成方法を図解している。この実施例２においても、参考例２の場合と同様にガラス基板上に透明導電層３が形成された後に透明導電層周縁分離溝９ａ４がレーザスクライブ法によって約１００μｍの幅に形成された。
【００３６】
その後、半導体層５と裏面電極層７を形成した後に、透明基板側からレーザビームを照射することによって、半導体層５と裏面電極層７のための周縁分離溝９ｂ４が１５０μｍの幅に形成された。
【００３７】
このような実施例２による集積型薄膜光電変換装置における変換効率とその周縁分離溝の絶縁特性は参考例２の場合とほぼ同様であった。
【００３８】
なお、図４の実施例では、半導体層５と裏面電極層７が形成された後に透明電極層周縁分離溝９ａ４が形成されてもよい。その場合、透明電極層周縁分離溝９ａ４はその透明電極層３のみならず半導体層５と裏面電極層７をも貫通して形成される。その後、半導体層５と裏面電極層７のための周縁分離溝９ｂ４は少なくともその溝のセル集積領域側の内壁が透明電極層周縁分離溝９ａ４のセル集積領域側の内壁より後退させられるように形成される。したがって、半導体層５と裏面電極層７のための周縁分離溝９ｂ４が形成された後には、少なくともそのセル集積領域側の内壁が透明電極層３から昇華した透明導電物質で汚染されていることはあり得ない。したがって、透明電極層３と裏面電極層７との間に漏れ電流を生じることがなく、高い光電変換効率が得られる。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように、本発明に従う集積型薄膜光電変換装置の製造方法によれば、高い光電変換効率と高い信頼を有する大面積の集積型薄膜光電変換装置を歩留りよく提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関連する参考例１による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断面図である。
【図２】本発明の実施例１による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断面図である。
【図３】本発明に関連する参考例２による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断面図である。
【図４】本発明の実施例２による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断面図である。
【図５】集積型薄膜光電変換装置の一部の構造を示す模式的な断面図である。
【図６】集積型薄膜光電変換装置の一例を示す模式的な平面図である。
【図７】先行技術による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断面図である。
【符号の説明】
１：集積型薄膜光電変換装置
２：透明絶縁基板
３：透明電極層
４：透明電極分離溝
５：半導体光電変換層
６：接続用開口溝
７：裏面電極層
８：裏面電極分離溝
９：周縁分離溝
９ａ１，９ａ２，９ａ３，９ａ４：透明電極層周縁分離溝
９ｂ１，９ｂ２，９ｂ３，９ｂ４：半導体層と裏面電極層のための周縁分離溝
１０周縁領域
１１パッシベーション層

Claims

透明絶縁基板上に順次積層された透明電極層、半導体光電変換層、および裏面電極層を含む積層体を備え、前記積層体は周縁分離溝によって光電変換セル集積領域と周縁領域とに分離されており、前記セル集積領域は複数の光電変換セルを形成するように分割されかつそれらの複数のセルが電気的に直列接続されている集積型薄膜光電変換装置の製造方法であって、
前記透明絶縁基板上に前記透明電極層、前記光電変換層、および前記裏面電極層を順次形成し、
前記透明電極層を前記セル集積領域と前記周縁領域とに分離するために、前記透明基板側からレーザビームを入射させるレーザスクライブ法によって、前記透明電極層、前記光電変換層、および前記裏面電極層を貫通して透明電極層周縁分離溝を形成し、
前記光電変換層と前記裏面電極層を前記セル集積領域と前記周縁領域とに分離するために、前記透明基板側からレーザビームを入射させるレーザスクライブ法によって、光電変換層周縁分離溝と裏面電極層周縁分離溝を形成し、
前記光電変換層周縁分離溝と前記裏面電極層周縁分離溝の少なくとも前記セル集積領域側の内壁は、前記透明電極層周縁分離溝の前記セル集積領域側の内壁より後退させられることを特徴とする集積型薄膜光電変換装置の製造方法。
前記光電変換装層周縁分離溝と前記裏面電極層周縁分離溝の幅の内側に前記透明電極層周縁分離溝の幅が含まれていることを特徴とする請求項１に記載の集積型薄膜光電変換装置の製造方法。