JP4078137B2

JP4078137B2 - How to set the laser beam pulse width

Info

Publication number: JP4078137B2
Application number: JP2002195562A
Authority: JP
Inventors: 雅博黒田; 和孝宇田; 康弘山内; 聡司小鍛冶
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-07-04
Filing date: 2002-07-04
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2022-07-04
Also published as: JP2004039891A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜太陽電池の製造方法及び装置に関し、特に集光させたレーザ光による細いビームを照射して溝を形成するレーザスクライブ法で薄膜太陽電池の製造を行う場合に適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来技術に係る薄膜太陽電池の基本構造を示す構造図である。同図において、１はガラス等で形成した透明基板、２ａ，２ｂ，２ｃ…は分離形成された酸化錫等で形成した透明電極膜、３ａ，３ｂ，３ｃ…は各透明電極膜２ａ，２ｂ，２ｃ…上に分離形成された珪素等の半導体膜、４ａ，４ｂ，４ｃ…は各半導体膜３ａ，３ｂ，３ｃ…上に形成され且つ図中右隣の透明電極膜２ｂ，２ｃ…に部分的に重畳された金属膜からなる裏面電極膜である。かかる透明電極膜２ａ，２ｂ，２ｃ…乃至裏面電極膜４ａ，４ｂ，４ｃ…等の各積層体により隣接するもの同士が直列に接続された光電変換セル５ａ，５ｂ，５ｃ…を構成している。各半導体膜３ａ，３ｂ，３ｃ…は、その内部に平行なＰＩＮ接合を含み、透明基板１及び透明電極２ａ，２ｂ，２ｃを順次介する光の入射により光起電力を発生する。この結果、各半導体膜３ａ，３ｂ，３ｃ…内で発生した光起電力は、裏面電極膜４ａ，４ｂ，４ｃ…を介して隣接するもの同士が直列的に接続されて相加され、当該薄膜太陽電池の出力電圧を規定する。
【０００３】
かかる構成の薄膜太陽電池の製造には、通常細密加工性に優れているレーザ加工技術が用いられているが、このレーザ加工による薄膜太陽電池の製造行程を図を参照しながら説明しておく。
【０００４】
第１の工程の様子を示す図６において、１０は透明基板、１１は透明電極膜である。同図に示す工程では、厚さ１ｍｍ〜４ｍｍ、面積１０ｃｍ²〜１５０ｃｍ²程度の透明基板１０の全上面に、厚さ２０００Å〜７０００Åの酸化錫ＳｎＯ₂からなる透明電極膜１１を被着する。
【０００５】
第２の工程の様子を示す図７において、１１ａ，１１ｂ，１１ｃは分離された各透明電極膜、１１ｄは隣接間隔部である溝、Ｌ１は溝１１ｄの溝幅、ＬＢはレーザビームである。同図に示す工程では、レーザビームＬＢに照射により隣接間隔部である溝１１ｄを形成し、個別の各透明電極膜１１ａ，１１ｂ，１１ｃを分離、形成する。ここで使用するレーザの波長は通常１．０６μｍのＮｄ：ＹＡＧレーザを好適に使用することができ、隣接間隔部１１ｄの溝幅Ｌ１は約５０μｍ程度に設定される。
【０００６】
第３の工程の様子を示す図８において、１２は半導体膜である。同図に示す工程では、各透明電極膜１１ａ，１１ｂ，１１ｃの表面を含んで基板１０上全面に光電変換に有効に寄与する厚さ３０００Å〜５０００Åの半導体膜１２を被着する。
【０００７】
第４の工程の様子を示す図９において、１２ｄは隣接間隔部である溝、Ｌ２は溝１２ｄの溝幅、１２ａ，１２ｂ，１２ｃは分離・形成された半導体膜である。同図に示す工程では、透明基板１０の膜面と反対側から（図中の矢印方向から）レーザビームＬＢを照射して溝１２ｄを形成することにより個別の各半導体膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃを分離・形成する。ここで、溝１２ｄの溝幅Ｌ２は約８０μｍ程度に設定される。また、使用するレーザは、波長０．５３μｍのパルスＮｄ：ＹＡＧレーザが、通常用いられる。この波長では、各透明電極膜１１ａ，１１ｂ，１１ｃの光吸収率は小さく、殆どが透過するため、レーザ光のエネルギの大部分は各半導体膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃで吸収される。したがって各半導体膜のみを選択して除去することができる。
【０００８】
第５の工程の様子を示す図１０において、１３は裏面電極膜である。同図に示す工程では、裏面電極膜１３を、各半導体膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃ及び各透明電極膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃの各露出部分を含んで基板１０の全上面で３０００Å〜５０００Å程度の厚さに被着する。ここで、裏面電極膜１３は、通商アルミニウム又は銀で形成する。
【０００９】
第６の工程の様子を示す図１１において、１３ａ，１３ｂ，１３ｃは分離された個別の裏面電極膜、１３ｄは隣接間隔部である溝、Ｌ３は溝１３ｄの溝幅、１４ａ，１４ｂ，１４ｃは分離、形成した各光電変換セルである。同図に示す工程では、レーザビームＬＢの照射により各半導体膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃの一部及び裏面電極膜１３ａ，１３ｂ，１３ｃの一部を除去して溝１３ｄを形成することにより、個別の裏面電極膜１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…を形成する。ここで使用するレーザは、図９に示す第４の工程と同様に、通常、波長０．５３μｍのパルスＮｄ：ＹＡＧレーザを使用する。また、当該工程でも、レーザビームＬＢを、透明基板１０の膜面と反対側から（図中の矢印方向から）照射している。したがって、この場合のレーザ光は、各透明電極膜１１ａ，１１ｂ，１１ｃを透過して半導体層１２に到達し、同層にて吸収される。吸収されたエネルギにより半導体層１２は蒸発するが、そのガス圧力で裏面電極膜１３ａ，１３ｂ，１３ｃの一部を除去して溝１３ｄを形成する。かくして、各光電変換領域１４ａ，１４ｂ，１４ｃ…が電気的に直列接続される。
【００１０】
当該第６の工程において、溝１３ｄの溝幅Ｌ３は細いほど好ましい。当該薄膜太陽電池の発電のための有効面積を減少させないためである。このため、通常は約４０〜８０μｍに設定される。
【００１１】
第６の工程により溝１３ｄを形成した後、裏面電極膜１３ａ，１３ｂ，１３ｃの表面に保護膜を形成して製品とする。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、薄膜太陽電池の製造工程の最終工程においては、レーザビームＬＢの照射により各半導体膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃの一部及び裏面電極膜１３ａ，１３ｂ，１３ｃの一部を同時に除去して溝１３ｄを形成しているが、この溝１３ｄの形成に伴い、溝１３ｄの開口部にバリを発生することがある。図１２はこのバリを説明するための図であり、同図中、１０は透明基板、１１は透明電極膜、１２は半導体層、１３は裏面電極膜である。同図は、レーザビームＬＢの照射により溝１３ｄを形成した結果、溝１３ｄの開口端部に外側にめくれたバリ１３ｅが発生した状態を示している。
【００１３】
かかるバリ１３ｅが発生した場合、裏面電極１３の表面に形成する保護膜によりこのバリ１３ｅが当該薄膜太陽電池の内側に押さえ込まれて反対側の透明電極１１に接触する場合が発生する。バリ１３ｅは裏面電極１３と同材質の導電体であるため、透明電極１１に接触した場合には、これら透明電極１１及び裏面電極１３間を短絡してしまう。したがって、半導体層１２で発生した起電力の一部が無駄に消費され、当該薄膜太陽電池の性能劣化の原因となる。したがって、裏面電極１３における前記バリ１３ｅの発生は可及的に除去しなければならない。
【００１４】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、隣接セルとの間で裏面電極に所定の溝を形成する際の、この溝の開口部におけるバリの発生を除去し得る薄膜太陽電池の製造方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は次の知見を基礎とするものである。すなわち、図１２に示す工程において発生するバリ１３ｅは、半導体膜１２が薄い場合（例えば３０００Å以下）又は裏面電極膜１３が厚い場合（例えば３０００Å以上）に発生し易くなる。これは次の様な理由に依るものと考えられる。すなわち、溝１３ｄは、レーザビームＬＢを、透明基板１０側から照射してこのレーザビームＬＢを半導体膜１２に吸収させ、これに伴い半導体膜１２を蒸発させて体積を膨張させ、このときの圧力で裏面電極膜１３を吹き飛ばすことにより形成していると考えられる。したがって、半導体膜１２が薄い場合には、その分蒸発する半導体膜１２の量も少なくなり、十分な体積膨張（爆発力）が得られず、また裏面電極膜１３が厚い場合には、その分除去対象部分の強度が大きく、これを除去するためのエネルギーも大きなものが必要になるからである。
【００１６】
ここで、バリ１３ｅの発生を抑制するための手段として、レーザビームＬＢのレーザ密度を高くすること、レーザビームＬＢの強度分布（レーザプロファイル）を均一にすることが考えられる。しかし、レーザ密度が大きくなるとこのレーザビームＬＢの照射により透明電極１１の熱的変質を招来するという新たな問題を生起する。したがって、かかる制限により適正なレーザ密度が決まり、これを変更するのは一般に得策ではない。一方、レーザプロファイルは一般にその周辺部のエネルギー密度が小さく、中央部程大きくなる（ガウス分布となっている）ため、周辺部のエネルギー密度を向上させるべく、その均一化を図ることができれば、これも有効なバリ１３ｅ発生防止手段となり得る。しかし、レーザプロファイルはレーザ発振器の特性により一義的に定まり、一般に人為的に調整し得る要素とはなり得ない。したがって、レーザプロファイルの均一化によるバリ発生抑制手段も有効な対策とはなり得ない。
【００１７】
そこで、本発明者等は照射するレーザビームＬＢのパルス幅に注目した。すなわち、バリ１３ｅの発生による影響を透明電極１１と裏面電極膜１３との間の絶縁抵抗を介して評価することに思い至った。すなわち、パルス幅を短くすると半導体膜１２を蒸発させて体積を膨張させ、このときの圧力で裏面電極膜１３を吹き飛ばすことが効率的に行われる。その理由は、光が半導体膜１２で吸収されて熱に変わった後、半導体膜１２の局部温度を上昇させ蒸発に至る迄の間に、周囲への熱伝導も同時に起きる。この周囲への熱伝導は半導体膜１２の局部的な温度上昇には寄与せず、無駄なエネルギであると同時に、透明電極１１の熱的変質を引き起こす。パルス幅が短くなると、同じパルスエネルギであっても単位時間当たりのエネルギが増大するので、周囲への熱伝導が起きる前に半導体膜１２の局部的温度上昇が大きくなる。したがって、パルス幅を短くすると膨張力が大きくなるので、バリ１３ｅが発生しにくくなる。そこで、レーザビームＬＢのパルス幅を変えて溝１３ｄを形成し、このようにして形成した各薄膜太陽電池における透明電極１１と裏面電極膜１３間の絶縁抵抗を測定した。
【００１８】
この測定結果を図１及び図２に示す。両図はレーザビームＬＢのパルス幅（ｎｓ）に対する電極面積０．５（ｃｍ²)当たりの絶縁抵抗特性を示すグラフである。図１に示す場合の試料は、その半導体膜１２の膜厚が３０００Å近傍で、裏面電極膜１３の膜厚が２９００Å近傍である。図２に示す場合の試料は、その半導体膜１２の膜厚が２３００Å近傍で、裏面電極膜１３の膜厚が３５００Å近傍である。
【００１９】
この結果、前記絶縁抵抗の値は、レーザビームＬＢのパルス幅と密接な関係があり、このレーザビームＬＢのパルス幅が小さくなるに従い高くなる傾向があることが判明した。これは、レーザビームＬＢのパルス幅が小さくなるに従いバリ１３ｅの発生が抑制されていることを意味するものと考えられる。そして、図１の場合、薄膜太陽電池として十分な性能を発揮し得る、絶縁抵抗が５（ｋΩ）以上を得るためには、パルス幅が５０（ｎｓ）以下であれば良く、また図２の場合にはパルス幅が３０（ｎｓ）以下であれば良いことが分かる。
【００２０】
ここで、半導体膜１２の膜厚は、発電効率の観点から、通常２０００Å〜４０００Åの範囲で形成され、裏面電極膜１３の膜厚はレーザビームＬＢの反射効率の観点から、通常３０００Å〜２０００Åの範囲で形成される。したがって、このような通常の膜厚範囲で半導体膜１２の膜厚が比較的厚い場合、又は裏面電極膜１３の膜厚が比較的薄い場合には、パルス幅を５０（ｎｓ）以下とすれば良いが、半導体膜１２の膜厚が比較薄い場合、又は裏面電極膜１３の膜厚が比較的厚い場合にはパルス幅を３０（ｎｓ）以下とする必要がある。何れにしてもパルス幅を３０（ｎｓ）以下とすれば十分である。
【００２１】
なお、バリ１３ｅの発生は、レーザビームＬＢを、透明基板１０側から照射して溝１３ｄを形成する場合に固有の現象である。すなわち、裏面電極１３側からレーザビームＬＢを照射して溝１３ｄを形成する場合には発生しない。
【００２２】
上述の如き知見に基づく本発明の構成は、次の点を特徴とする。
【００２３】
１）透明基板上に透明電極膜、半導体膜及び裏面電極膜をこの順序で積層し、前記透明基板側よりレーザビームをパルス状に断続的に照射しながら、前記透明基板と前記レーザビームとを相対的に移動させるとともに、前記レーザビームにより前記半導体膜及び前記裏面電極膜を同時に除去し、隣接するセルを隔離するための溝を形成して、単位セルを複数個直列に接続した薄膜太陽電池を形成する薄膜太陽電池の製造方法における、レーザビームのパルス幅の設定方法であって、
前記レーザビームを同じパルスエネルギで、パルス幅を変えて溝を形成し、各パルス幅に対して、溝形成後の前記透明電極膜と前記裏面電極膜との絶縁抵抗の特性を示すグラフを求め、パルス幅が短くなるに伴い前記絶縁抵抗が急激に増加し始めるパルス幅を、同じパルスエネルギでバリの発生を抑制するように溝を形成するためのレーザビームのパルス幅の上限とすること。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２８】
図１は本発明の実施の形態に係る薄膜太陽電池の製造装置であるレーザ加工機を概念的に示す説明図である。同図に示すように、レーザ発振器８１から出射したパルスレーザ光であるレーザビーム８３は、ミラー８２で反射させた後、レンズ８４で集光させてＸＹステージ８６上の基板（製造過程の薄膜太陽電池）８５に照射するようになっている。ここで、ＸＹステージ８６上の基板８５はレーザビーム８３に対してＸＹ平面（水平面）上を移動することにより溝１３ｄ（図１２参照。）等の必要な加工が施される。また、レーザ発振器８１は、制御部８７の制御によりその出力パルスの幅、繰り返し周期等が制御される。
【００２９】
レーザビーム８３による上記溝加工は、図４に示すように、レーザ加工機から出射したレーザビーム８３を断面円形のビームとして基板８５に照射するとともに、レーザビーム８３に対する基板８５の相対移動により隣接するビーム８８の一部（２０％程度）が重畳されるようにしてビーム８８を連続させることにより所定の溝１３ｄ（図１２参照）等を形成する。このときの溝加工速度は、
レーザビーム径×０．８×レーザのパルス繰り返し周波数
で与えられる。
【００３０】
また、レーザ発振器８１から出射するパルスレーザ光のパルス幅は５０（ｎｓ）以下、さらに好ましくは３０（ｎｓ）以下とする。このパルス幅の調整は制御部８７の制御により行う。
【００３１】
かかるレーザ加工機は、薄膜太陽電池の製造工程のうち、図９に示す第６の工程で使用する。すなわち、図４乃至図８に示す工程を経た後、図９に示す工程で溝１３ｄを形成する際、レーザ発振器８１から出射するパルスレーザ光のパルス幅を５０（ｎｓ）以下、さらに好ましくは３０（ｎｓ）以下として図８に示す半導体膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃ及び裏面電極膜１３の一部を除去し、図９に示す溝１３ｄを形成する。
【００３２】
【発明の効果】
以上実施の形態とともに具体的に説明した通り、〔請求項１〕に記載する発明は、透明基板上に透明電極膜、半導体膜及び裏面電極膜をこの順序で積層し、前記透明基板側よりレーザビームをパルス状に断続的に照射しながら、前記透明基板と前記レーザビームとを相対的に移動させるとともに、前記レーザビームにより前記半導体膜及び前記裏面電極膜を同時に除去し、隣接するセルを隔離するための溝を形成して、単位セルを複数個直列に接続した薄膜太陽電池を形成する薄膜太陽電池の製造方法における、レーザビームのパルス幅の設定方法であって、前記レーザビームを同じパルスエネルギで、パルス幅を変えて溝を形成し、各パルス幅に対して、溝形成後の前記透明電極膜と前記裏面電極膜との絶縁抵抗の特性を示すグラフを求め、パルス幅が短くなるに伴い前記絶縁抵抗が急激に増加し始めるパルス幅を、同じパルスエネルギでバリの発生を抑制するように溝を形成するためのレーザビームのパルス幅の上限とするので、
図１、図２に示すように、電極面積０．５（ｃｍ²）当たりの絶縁抵抗が５（ｋΩ）となり、薄膜太陽電池としての良好な性能を確保し得る。これは、裏面電極膜に対する溝加工の際のバリの発生を抑制し得たためと考えられ、結果としてバリの発生を抑制し、良好な発電効率を確保した薄膜太陽電池を得ることができる。
【００３３】
又、図１に示すように、電極面積０．５（ｃｍ²）当たりの絶縁抵抗が５（ｋΩ）となり、薄膜太陽電池としての良好な性能を確保し得る。これは、特に半導体膜が比較的厚い場合、又は裏面電極膜が比較的薄い場合において裏面電極膜に対する溝加工の際のバリの発生を抑制し得たためと考えられ、結果としてバリの発生を抑制し、良好な発電効率を確保した薄膜太陽電池を得ることができる。又、図２に示すように、電極面積０．５（ｃｍ²）当たりの絶縁抵抗が５（ｋΩ）となり、薄膜太陽電池としての良好な性能を確保し得る。これは、特に半導体膜が比較的薄い場合、又は裏面電極膜が比較的厚い場合において裏面電極膜に対する溝加工の際のバリの発生を抑制し得たためと考えられ、結果としてバリの発生を抑制し、良好な発電効率を確保した薄膜太陽電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る薄膜太陽電池の製造方法の実施の形態を実現するに当たり測定したレーザパルス幅と薄膜太陽電池の両電極間の絶縁抵抗との関係を示すグラフ（半導体膜が厚く、裏面電極膜が薄い場合。）である。
【図２】本発明に係る薄膜太陽電池の製造方法の実施の形態を実現するに当たり測定したレーザパルス幅と薄膜太陽電池の両電極間の絶縁抵抗との関係を示すグラフ（半導体膜が薄く、裏面電極膜が厚い場合。）である。
【図３】本発明の実施の形態に係る薄膜太陽電池の製造装置であるレーザ加工機を概念的に示す説明図である。
【図４】図３に示すレーザ加工機による溝加工の様子を概念的に示す説明図である。
【図５】薄膜太陽電池の一般的な構造を示す構造図である。
【図６】図３に示す薄膜太陽電池の第１の製造工程の様子を示す説明図である。
【図７】図３に示す薄膜太陽電池の第２の製造工程の様子を示す説明図である。
【図８】図３に示す薄膜太陽電池の第３の製造工程の様子を示す説明図である。
【図９】図３に示す薄膜太陽電池の第４の製造工程の様子を示す説明図である。
【図１０】図３に示す薄膜太陽電池の第５の製造工程の様子を示す説明図である。
【図１１】図３に示す薄膜太陽電池の第６の製造工程の様子を示す説明図である。
【図１２】薄膜太陽電池の製造に当たり、従来問題となっていた裏面電極におけるバリの状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１０透明基板
１１透明電極
１２半導体膜
１３裏面電極膜
１３ｄ溝
１３ｅバリ
８１レーザ発振器
８３レーザビーム
８５基板
８６ＸＹステージ
８７制御部
８８レーザビーム
ＬＢレーザビーム[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for manufacturing a thin-film solar cell, and is particularly useful when applied to the manufacture of a thin-film solar cell by a laser scribing method in which a groove is formed by irradiating a narrow beam with focused laser light. It is.
[0002]
[Prior art]
FIG. 5 is a structural diagram showing the basic structure of a thin film solar cell according to the prior art. In the figure, 1 is a transparent substrate formed of glass or the like, 2a, 2b, 2c... Is a transparent electrode film formed of separately formed tin oxide or the like, 3a, 3b, 3c. The semiconductor films 4a, 4b, 4c,... Formed separately on the semiconductor film 2c are partially formed on the respective semiconductor films 3a, 3b, 3c, and the transparent electrode films 2b, 2c,. It is a back surface electrode film which consists of a metal film superimposed on. These transparent electrode films 2a, 2b, 2c... To back electrode films 4a, 4b, 4c... Constitute adjacent photoelectric elements 5a, 5b, 5c. . Each of the semiconductor films 3a, 3b, 3c,... Includes a PIN junction parallel to the inside thereof, and generates a photovoltaic force by the incidence of light sequentially through the transparent substrate 1 and the transparent electrodes 2a, 2b, 2c. As a result, the photovoltaic power generated in each of the semiconductor films 3a, 3b, 3c... Is added by connecting the adjacent ones in series via the back electrode films 4a, 4b, 4c. Specifies the output voltage of the solar cell.
[0003]
For manufacturing a thin film solar cell having such a configuration, a laser processing technique that is usually excellent in fine workability is used. The manufacturing process of a thin film solar cell by this laser processing will be described with reference to the drawings.
[0004]
In FIG. 6 showing the state of the first step, 10 is a transparent substrate, and 11 is a transparent electrode film. In the step shown in the figure, the thickness of 1 mm to 4 mm, the total top surface area of 10cm ^² ~150cm ² about the transparent substrate 10, depositing a transparent electrode film 11 made of tin oxide SnO ₂ having a thickness of 2000A～7000A.
[0005]
In FIG. 7 showing the state of the second step, 11a, 11b and 11c are separated transparent electrode films, 11d is a groove which is an adjacent interval portion, L1 is the groove width of the groove 11d, and LB is a laser beam. In the process shown in the figure, a groove 11d as an adjacent interval is formed by irradiating the laser beam LB, and the individual transparent electrode films 11a, 11b, and 11c are separated and formed. The wavelength of the laser used here is preferably a 1.06 μm Nd: YAG laser, and the groove width L1 of the adjacent spacing portion 11d is set to about 50 μm.
[0006]
In FIG. 8 showing the state of the third step, reference numeral 12 denotes a semiconductor film. In the process shown in the figure, a semiconductor film 12 having a thickness of 3000 to 5000 mm that effectively contributes to photoelectric conversion is deposited on the entire surface of the substrate 10 including the surfaces of the transparent electrode films 11a, 11b, and 11c.
[0007]
In FIG. 9 showing the state of the fourth step, 12d is a groove which is an adjacent interval portion, L2 is the groove width of the groove 12d, and 12a, 12b and 12c are separated and formed semiconductor films. In the process shown in the figure, the individual semiconductor films 12a, 12b, and 12c are formed by irradiating the laser beam LB from the opposite side of the film surface of the transparent substrate 10 (from the direction of the arrow in the figure) to form the grooves 12d. Separate and form. Here, the groove width L2 of the groove 12d is set to about 80 μm. As the laser used, a pulse Nd: YAG laser having a wavelength of 0.53 μm is usually used. At this wavelength, the transparent electrode films 11a, 11b, and 11c have a small light absorption rate, and most of the light is transmitted. Therefore, most of the energy of the laser light is absorbed by the semiconductor films 12a, 12b, and 12c. Therefore, only each semiconductor film can be selected and removed.
[0008]
In FIG. 10 showing the state of the fifth step, 13 is a back electrode film. In the process shown in the figure, the back electrode film 13 has a thickness of about 3000 to 5000 mm on the entire upper surface of the substrate 10 including the exposed portions of the semiconductor films 12a, 12b, and 12c and the transparent electrode films 12a, 12b, and 12c. Adhere to. Here, the back electrode film 13 is formed of trade aluminum or silver.
[0009]
In FIG. 11 showing the state of the sixth step, 13a, 13b and 13c are separated individual back electrode films, 13d is a groove which is an adjacent interval portion, L3 is a groove width of the groove 13d, and 14a, 14b and 14c are Each photoelectric conversion cell is separated and formed. In the process shown in the figure, by irradiation with the laser beam LB, a part of each of the semiconductor films 12a, 12b, 12c and a part of the back electrode films 13a, 13b, 13c are removed to form the grooves 13d. Back electrode films 13a, 13b, 13c... Are formed. The laser used here is normally a pulsed Nd: YAG laser having a wavelength of 0.53 μm, as in the fourth step shown in FIG. Also in this process, the laser beam LB is irradiated from the side opposite to the film surface of the transparent substrate 10 (from the arrow direction in the figure). Accordingly, the laser light in this case passes through the transparent electrode films 11a, 11b, and 11c, reaches the semiconductor layer 12, and is absorbed by the same layer. Although the semiconductor layer 12 evaporates due to the absorbed energy, a part of the back electrode films 13a, 13b, and 13c is removed by the gas pressure to form the groove 13d. Thus, the photoelectric conversion regions 14a, 14b, 14c... Are electrically connected in series.
[0010]
In the sixth step, the groove width L3 of the groove 13d is preferably as narrow as possible. This is because the effective area for power generation of the thin film solar cell is not reduced. For this reason, it is usually set to about 40 to 80 μm.
[0011]
After forming the groove 13d by the sixth step, a protective film is formed on the surface of the back electrode films 13a, 13b, and 13c to obtain a product.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the final step of the manufacturing process of the thin film solar cell, a part of each of the semiconductor films 12a, 12b, and 12c and a part of the back electrode films 13a, 13b, and 13c are simultaneously removed by irradiation with the laser beam LB. Although the groove 13d is formed, burrs may be generated at the opening of the groove 13d as the groove 13d is formed. FIG. 12 is a diagram for explaining this burr, in which 10 is a transparent substrate, 11 is a transparent electrode film, 12 is a semiconductor layer, and 13 is a back electrode film. This figure shows a state in which a burr 13e turned outward is generated at the opening end of the groove 13d as a result of forming the groove 13d by irradiation with the laser beam LB.
[0013]
When such a burr 13e is generated, there is a case where the burr 13e is pressed inside the thin film solar cell by the protective film formed on the surface of the back electrode 13 and comes into contact with the transparent electrode 11 on the opposite side. Since the burr 13 e is a conductor made of the same material as the back electrode 13, when the burr 13 e comes into contact with the transparent electrode 11, the transparent electrode 11 and the back electrode 13 are short-circuited. Therefore, a part of the electromotive force generated in the semiconductor layer 12 is consumed wastefully, causing the performance deterioration of the thin film solar cell. Therefore, the generation of the burr 13e in the back electrode 13 must be removed as much as possible.
[0014]
In view of the above-described problems of the prior art, the present invention provides a method for manufacturing a thin-film solar cell that can eliminate the occurrence of burrs at the opening of a groove when a predetermined groove is formed on a back electrode between adjacent cells. And an apparatus.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The present invention that achieves the above object is based on the following knowledge. That is, the burr 13e generated in the process shown in FIG. 12 is likely to occur when the semiconductor film 12 is thin (for example, 3000 mm or less) or when the back electrode film 13 is thick (for example, 3000 mm or more). This is thought to be due to the following reasons. That is, the groove 13d irradiates the laser beam LB from the transparent substrate 10 side and absorbs the laser beam LB in the semiconductor film 12, and evaporates the semiconductor film 12 and expands the volume accordingly. It is considered that the back electrode film 13 is formed by blowing away. Therefore, when the semiconductor film 12 is thin, the amount of the semiconductor film 12 to be evaporated is reduced accordingly, so that sufficient volume expansion (explosive force) cannot be obtained, and when the back electrode film 13 is thick, that amount. This is because the strength of the portion to be removed is high, and a large amount of energy is required to remove it.
[0016]
Here, as means for suppressing the generation of the burr 13e, it is conceivable to increase the laser density of the laser beam LB and to make the intensity distribution (laser profile) of the laser beam LB uniform. However, when the laser density is increased, a new problem arises in that the laser beam LB is irradiated to cause thermal deterioration of the transparent electrode 11. Therefore, such limitations determine the proper laser density and it is generally not a good idea to change it. On the other hand, the laser profile generally has a small energy density in the peripheral part and a larger central part (has a Gaussian distribution). Therefore, if the laser profile can be made uniform in order to improve the energy density in the peripheral part, Can also be an effective means for preventing the occurrence of burrs 13e. However, the laser profile is uniquely determined by the characteristics of the laser oscillator and cannot generally be an element that can be artificially adjusted. Therefore, the burr generation suppression means by making the laser profile uniform cannot be an effective measure.
[0017]
Therefore, the present inventors paid attention to the pulse width of the laser beam LB to be irradiated. That is, it has been thought that the influence due to the generation of the burr 13e is evaluated through the insulation resistance between the transparent electrode 11 and the back electrode film 13. That is, when the pulse width is shortened, the semiconductor film 12 is evaporated to expand the volume, and the back electrode film 13 is efficiently blown off with the pressure at this time. The reason is that, after the light is absorbed by the semiconductor film 12 and converted into heat, the heat conduction to the surroundings simultaneously occurs from the time when the local temperature of the semiconductor film 12 is raised to the evaporation. The heat conduction to the surroundings does not contribute to the local temperature rise of the semiconductor film 12, and is a wasteful energy, and at the same time causes the thermal deterioration of the transparent electrode 11. When the pulse width is shortened, the energy per unit time increases even with the same pulse energy, so that the local temperature rise of the semiconductor film 12 increases before heat conduction to the surroundings occurs. Therefore, if the pulse width is shortened, the expansion force becomes large, so that the burr 13e is hardly generated. Therefore, the groove 13d was formed by changing the pulse width of the laser beam LB, and the insulation resistance between the transparent electrode 11 and the back electrode film 13 in each thin film solar cell thus formed was measured.
[0018]
The measurement results are shown in FIGS. Both figures are graphs showing the insulation resistance characteristic per electrode area 0.5 (cm ² ) with respect to the pulse width (ns) of the laser beam LB. In the sample shown in FIG. 1, the thickness of the semiconductor film 12 is about 3000 mm, and the thickness of the back electrode film 13 is about 2900 mm. In the sample shown in FIG. 2, the thickness of the semiconductor film 12 is about 2300 mm, and the thickness of the back electrode film 13 is about 3500 mm.
[0019]
As a result, it has been found that the value of the insulation resistance is closely related to the pulse width of the laser beam LB, and tends to increase as the pulse width of the laser beam LB decreases. This is considered to mean that the generation of the burr 13e is suppressed as the pulse width of the laser beam LB becomes smaller. In the case of FIG. 1, in order to obtain an insulation resistance of 5 (kΩ) or more that can exhibit sufficient performance as a thin film solar cell, the pulse width may be 50 (ns) or less. In this case, it can be seen that the pulse width may be 30 (ns) or less.
[0020]
Here, the film thickness of the semiconductor film 12 is usually in the range of 2000 to 4000 mm from the viewpoint of power generation efficiency, and the film thickness of the back electrode film 13 is usually 3000 to 2000 mm from the viewpoint of the reflection efficiency of the laser beam LB. Formed in range. Therefore, when the film thickness of the semiconductor film 12 is relatively large in such a normal film thickness range, or when the film thickness of the back electrode film 13 is relatively thin, the pulse width is set to 50 (ns) or less. Although it is good, when the thickness of the semiconductor film 12 is comparatively thin, or when the thickness of the back electrode film 13 is relatively large, the pulse width needs to be 30 (ns) or less. In any case, it is sufficient to set the pulse width to 30 (ns) or less.
[0021]
The generation of the burr 13e is an inherent phenomenon when the groove 13d is formed by irradiating the laser beam LB from the transparent substrate 10 side. That is, it does not occur when the groove 13d is formed by irradiating the laser beam LB from the back electrode 13 side.
[0022]
The configuration of the present invention based on the knowledge as described above is characterized by the following points.
[0023]
1) A transparent electrode film, a semiconductor film, and a back electrode film are laminated in this order on a transparent substrate, and the transparent substrate and the laser beam are applied while intermittently irradiating a laser beam in a pulse form from the transparent substrate side. with relatively moving the laser beam of the semiconductor film and at the same time removing the back electrode film by, forming a groove for isolating adjacent cells, thin film solar cells connected unit cells in series a plurality A method for setting a pulse width of a laser beam in a method of manufacturing a thin film solar cell for forming
Grooves are formed by changing the pulse width of the laser beam with the same pulse energy, and a graph showing the characteristics of the insulation resistance between the transparent electrode film and the back electrode film after the groove formation is obtained for each pulse width. The pulse width at which the insulation resistance starts to increase rapidly as the pulse width becomes shorter is set as the upper limit of the pulse width of the laser beam for forming the groove so as to suppress the generation of burrs with the same pulse energy .
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0028]
FIG. 1 is an explanatory view conceptually showing a laser processing machine which is a thin-film solar cell manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, a laser beam 83 which is a pulsed laser beam emitted from a laser oscillator 81 is reflected by a mirror 82 and then condensed by a lens 84 to form a substrate on an XY stage 86 (a thin film solar cell in the manufacturing process). Batteries) 85 are irradiated. Here, the substrate 85 on the XY stage 86 is moved on the XY plane (horizontal plane) with respect to the laser beam 83 to perform necessary processing such as the groove 13d (see FIG. 12). Further, the laser oscillator 81 has its output pulse width, repetition period, and the like controlled by the control unit 87.
[0029]
As shown in FIG. 4, the groove processing by the laser beam 83 is performed by irradiating the substrate 85 with the laser beam 83 emitted from the laser processing machine as a beam having a circular cross section, and adjacent to the laser beam 83 by relative movement of the substrate 85. A predetermined groove 13d (see FIG. 12) and the like are formed by continuing the beam 88 so that a part (about 20%) of the beam 88 is superimposed. The groove processing speed at this time is
Laser beam diameter × 0.8 × laser pulse repetition frequency.
[0030]
The pulse width of the pulse laser beam emitted from the laser oscillator 81 is 50 (ns) or less, more preferably 30 (ns) or less. The adjustment of the pulse width is performed under the control of the control unit 87.
[0031]
Such a laser beam machine is used in the sixth step shown in FIG. 9 among the steps for manufacturing a thin-film solar cell. That is, after the steps shown in FIGS. 4 to 8, after forming the groove 13d in the step shown in FIG. 9, the pulse width of the pulse laser beam emitted from the laser oscillator 81 is 50 (ns) or less, more preferably 30. (Ns) In the following, the semiconductor films 12a, 12b, 12c and a part of the back electrode film 13 shown in FIG. 8 are removed to form a groove 13d shown in FIG.
[0032]
【The invention's effect】
As specifically described with the above embodiments, the invention described in [Claim 1] is that a transparent electrode film, a semiconductor film, and a back electrode film are laminated in this order on a transparent substrate, and a laser is emitted from the transparent substrate side. While irradiating the beam intermittently in pulses, the transparent substrate and the laser beam are moved relative to each other, and the semiconductor film and the back electrode film are simultaneously removed by the laser beam to isolate adjacent cells. A method of setting a pulse width of a laser beam in a method of manufacturing a thin film solar cell in which a plurality of unit cells are connected in series by forming a groove for performing the same pulse Grooves are formed by changing the pulse width with energy, and a graph showing the insulation resistance characteristics of the transparent electrode film and the back electrode film after the groove formation is obtained for each pulse width. A pulse width pulse width starts to the insulation resistance is abruptly increased due to shorter, since the upper limit of the laser beam pulse width for forming a groove so as to suppress the occurrence of burrs at the same pulse energy,
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the insulation resistance per electrode area 0.5 (cm ² ) is 5 (kΩ), and good performance as a thin film solar cell can be ensured. This is considered to be because the generation | occurrence | production of the burr | flash at the time of the groove | channel processing with respect to a back surface electrode film was able to be suppressed, and as a result, the generation | occurrence | production of a burr | flash could be suppressed and the thin film solar cell which ensured favorable power generation efficiency can be obtained.
[0033]
Further, as shown in FIG. 1, the insulation resistance per electrode area 0.5 (cm ² ) is 5 (kΩ), and good performance as a thin film solar cell can be ensured. This is thought to be because the generation of burrs during groove processing on the back electrode film could be suppressed, especially when the semiconductor film was relatively thick or when the back electrode film was relatively thin. And the thin film solar cell which ensured favorable electric power generation efficiency can be obtained. Moreover, as shown in FIG. 2, the insulation resistance per electrode area 0.5 (cm ² ) is 5 (kΩ), and good performance as a thin film solar cell can be ensured. This is thought to be because the generation of burrs during groove processing on the back electrode film could be suppressed, especially when the semiconductor film was relatively thin or the back electrode film was relatively thick. And the thin film solar cell which ensured favorable electric power generation efficiency can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing a relationship between a laser pulse width measured in realizing an embodiment of a method for manufacturing a thin film solar cell according to the present invention and an insulation resistance between both electrodes of the thin film solar cell (thickness of a semiconductor film; When the back electrode film is thin.).
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the laser pulse width measured in realizing the embodiment of the method for manufacturing a thin film solar cell according to the present invention and the insulation resistance between both electrodes of the thin film solar cell (the semiconductor film is thin, When the back electrode film is thick.).
FIG. 3 is an explanatory view conceptually showing a laser processing machine which is a thin-film solar cell manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is an explanatory diagram conceptually showing a state of groove processing by the laser processing machine shown in FIG. 3; FIG.
FIG. 5 is a structural diagram showing a general structure of a thin film solar cell.
6 is an explanatory view showing a state of a first manufacturing process of the thin-film solar battery shown in FIG. 3. FIG.
7 is an explanatory view showing a state of a second manufacturing process of the thin-film solar cell shown in FIG. 3. FIG.
8 is an explanatory diagram showing a third manufacturing process of the thin-film solar cell shown in FIG. 3. FIG.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a fourth manufacturing process of the thin-film solar battery shown in FIG.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a fifth manufacturing process of the thin-film solar cell shown in FIG.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a sixth manufacturing process of the thin-film solar cell shown in FIG.
FIG. 12 is an explanatory diagram showing the state of burrs in the back electrode, which has been a problem in the conventional production of thin film solar cells.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Transparent substrate 11 Transparent electrode 12 Semiconductor film 13 Back surface electrode film 13d Groove 13e Burr 81 Laser oscillator 83 Laser beam 85 Substrate 86 XY stage 87 Control part 88 Laser beam LB Laser beam

Claims

A transparent electrode film, a semiconductor film and a back electrode film are laminated in this order on a transparent substrate, and the transparent substrate and the laser beam are relatively relative to each other while intermittently irradiating the laser beam in pulses from the transparent substrate side. It is moved to the laser beam the semiconductor film and removing the back electrode layer simultaneously by, forming a groove for isolating adjacent cells, forming a thin film solar cell was connected to unit cells in series a plurality A method for setting a pulse width of a laser beam in a method for manufacturing a thin film solar cell ,
Grooves are formed by changing the pulse width of the laser beam with the same pulse energy, and a graph showing the characteristics of the insulation resistance between the transparent electrode film and the back electrode film after the groove formation is obtained for each pulse width. The pulse width at which the insulation resistance starts to increase rapidly as the pulse width becomes shorter is set as the upper limit of the pulse width of the laser beam for forming the groove so as to suppress the generation of burrs with the same pulse energy. A method for setting a pulse width of a characteristic laser beam .