JP4091310B2 - シリコン薄膜太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜太陽電池などに用いられるシリコン薄膜の製膜方法、およびシリコン薄膜太陽電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
薄膜太陽電池モジュールは、透明基板上に積層された透明電極層、光電変換半導体層、ならびに裏面電極層からなるストリング状の複数段の太陽電池セルを直列に接続した構造を有する。上記の光電変換半導体層はアモルファスシリコンで形成するのが最も安価であるが、光電変換効率が低いという問題がある。光電変換効率を向上させるためには、例えばpin型アモルファスシリコンとpin型ポリシリコン(多結晶シリコン)とを積層したハイブリッド型またはpin型ポリシリコンのみを用いたポリシリコン型のものが有利である。また、薄膜太陽電池モジュールの生産効率を上げるために大面積の基板が用いられるようになってきている。
【0003】
上述したように大面積の透明基板上に形成された透明電極層上に光電変換半導体層を製膜するには、縦型インライン式プラズマCVD装置を用いるのが効率的である。図1(a)および(b)を参照して縦型インライン式プラズマCVD装置における光電変換半導体層の製膜方法について説明する。図1(a)に示すように、枠体をなす基板ホルダー1は裏面側に基板2よりわずかに大きい凹部が形成されるように構成されている。この基板ホルダー1を平置きにし、裏面側から基板ホルダー1の凹部に、透明導電膜を表面側にして基板2を嵌め込む。図1(b)に示すように、基板ホルダー1の裏面からバックプレート3を押し当て、基板ホルダー1の固定治具1aとバックプレート3の固定治具3aとの間でピンをスライドさせて固定し、基板2を保持する。この状態で基板2を保持した基板ホルダー1を直立させ、縦型インライン式プラズマCVD装置の内部で電極4の位置まで移動させ、プラズマCVDにより光電変換半導体層を製膜する。なお、大面積の基板を保持するときの機械的強度の観点から、基板ホルダー1にはSUSなどの導電材料が用いられている。
【0004】
図2に、従来の方法による光電変換半導体層の製膜時における基板ホルダーと基板との接触部を拡大して示す。図2に示されるように、透明基板21上に透明導電膜22が形成されており、透明導電膜22の周縁部と基板ホルダー1の内周部が接触した状態になっている。
【0005】
ところで、図2の状態でプラズマCVDによりアモルファスシリコンを製膜する場合には問題は生じなかったが、ポリシリコンを製膜する場合には薄膜に異常分布や欠陥が生じ、最悪の場合には基板割れが発生することがわかってきた。これは以下のような原因によることが判明した。
【0006】
アモルファスシリコンは吸収係数が比較的高いため膜厚が薄くてもよいが、吸収係数が低いポリシリコンは膜厚を厚くする必要がある。厚いポリシリコン層の製膜時間を短縮して生産効率を向上するには、基板に大電力を投入して製膜速度を速くしなければならない。具体的には、ポリシリコン層を製膜する際には基板上での電力密度を100mW/cm2以上にしている。この電力密度は、アモルファスシリコン層を製膜する際の電力密度の4〜6倍以上である。そして、図2に示したように基板ホルダー1と基板21表面の透明導電膜22とを接触させて電力密度100mW/cm2以上という条件でプラズマCVDを実施すると、透明導電膜の黒ずんだ変色、傷、えぐれなどの欠陥、基板割れなどが発生する。これらの不良は投入電力が大きくなるほど顕著になる。このような不良はプラズマCVDの際に透明導電膜22にチャージが蓄積され、基板ホルダー1の先端と透明導電膜22との間で異常放電(スパーク)が起こるために発生すると考えられる。
【0007】
この問題に対しては、基板ホルダー1を透明導電膜22に完全に密着させることができれば、透明導電膜22表面に蓄積したチャージを基板ホルダー1を通して逃がすことができるはずであるが、現実には基板21の反りなどのために基板ホルダー1と透明導電膜22とを完全に密着させることはできない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、縦型プラズマCVD装置を用いて大面積の基板上に高い電力密度でシリコン薄膜を製膜する際に、シリコン薄膜の均一性を高めるとともに基板割れを防止して安定生産を実現できる方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明のシリコン薄膜太陽電池の製造方法は、縦型インライン式プラズマCVD装置を用い、表面に導電膜が形成された面積1200cm2以上の基板を基板ホルダーに保持して電極と対向させ、100mW/cm2以上の電力密度でポリシリコン薄膜を製膜するにあたり、前記基板表面に形成された導電膜に前記基板ホルダーの内周から0.1〜30mm離れるように、かつ前記基板の4つの外周辺の各々に沿って前記基板外周辺から3mm〜40mm内側の範囲にそれぞれ少なくとも1本ずつ、レーザースクライブにより周縁部とセル集積領域を分離する分離溝を形成することを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の方法では、基板ホルダーと基板表面の導電膜とを電気的に絶縁しているので、1200cm2以上の大面積の基板上に100mW/cm2以上という高い電力密度でシリコン薄膜を製膜する際に、基板ホルダーと基板表面の導電膜との間の異常放電を防止できる。したがって、シリコン薄膜の均一性を高め、かつ基板割れを防止できる。
【0012】
本発明では、基板ホルダーと基板とを絶縁することで、両者の接触部での異常放電の発生を抑える。異常放電は、導電膜上に帯電した電荷が基板ホルダーへ逃げようとする際に、相当量の電荷量が蓄積されている場合に発生すると考えられる。帯電した電荷は基板と基板ホルダーとの接触部から逃げようとするため、本発明における基板ホルダーの構造上、基板ホルダーに一度に逃げる電荷量は「基板面積/基板周囲長」に依存する。この値は基板サイズに二乗で依存するため、大面積ほど異常放電が起き易くなる。以上のことから、大面積・大電力の場合、本発明の方法が不可欠になる。
【0013】
本発明において、基板ホルダーと基板表面の導電膜とを電気的に絶縁するための具体的な方法について図面を参照して説明する。
【0014】
例えば、図3に示すように、基板21表面に形成された透明導電膜22に、基板ホルダー21の内周から0.1〜30mmの距離dだけ離れるように分離溝24を形成することにより、基板ホルダー1と透明導電膜22とを電気的に絶縁する方法が挙げられる。基板ホルダー21の内周から分離溝24までの距離dは、1〜30mmであることがより好ましい。距離dが0.1mm未満では異常放電を防止することが困難になるうえ、基板の位置ずれにより所望の距離dを確保することも困難になる。距離dが30mmを超えると基板上での太陽電池セルの利用効率が低下する。また、絶縁の信頼性を向上させるため、もしくは更なる大電力を投入する場合、距離dが1〜30mmである範囲内に、0.5mm〜2mmの間隔を空けて2〜3本の分離溝を形成することが好ましい。分離溝が3本以下であれば、透明導電膜のレーザースクライブを実施するタクトタイムが比較的短く、生産上現実的である。
【0015】
また、基板ホルダーと基板の重なり部の幅は、基板を支える上で3mm以上であることが好ましい。一方、この幅をあまり大きくとると半導体層の実効面積が減少するため、この幅は10mm以下であることが好ましい。よって実際に基板の透明電極に分離溝を形成する際には、基板外周辺から内側に向かって3mm〜40mm内側の範囲に分離溝を形成することが好ましい。また、透明電極に、前記基板の4つの外周辺の各々に沿って、それぞれ少なくとも1本ずつ分離溝を形成することが好ましい。
【0016】
図4を参照して分離溝24について説明する。図4に示されるように、ストリング状の太陽電池セルを形成するために、基板21表面の透明導電膜22には、光電変換半導体層を製膜する前にレーザースクライバーを用いてジグザク状にスクライブライン23が形成される。さらに、太陽電池セルの集積方向(図中、矢印で表示)に平行な2つの辺の近傍において、スクライブライン23がつながっている部分より内側に、レーザースクライブにより分離溝24を設けることにより、透明導電膜22を周縁部とセル集積領域に分離する。このように分離溝24を設ければ、太陽電池セルの集積方向の前方および後方では、透明導電膜22は本来のスクライブライン23によって周縁部とセル集積領域に分離される。この状態で、光電変換半導体層を製膜する。
【0017】
なお、特開平11−186573号公報には、透明電極層に周縁分離溝を形成した後、光電変換半導体層を製膜することが記載されている。しかし、この方法は、最終形態の製品においてセル集積領域と周縁部との間で十分な絶縁を確保することを目的としている。この公報には、本発明のように縦型プラズマCVD装置を用いて大面積の基板上に高い電力密度でシリコン薄膜を製膜する際に異常放電を防止するという目的は示されていない。
【0018】
また、図5に示すように、基板21の周縁部で透明導電膜22を除去し、透明導電膜22が除去された基板21周縁部に基板ホルダー1を接触させて基板1を保持することにより、基板ホルダー1と透明導電膜22とを電気的に絶縁する方法を用いてもよい。
【0019】
なお、特開2000−225547号公報には、基板の外周部から所定幅の透明導電膜を機械的に除去する方法が記載されている。しかし、この方法は、セル集積領域と周縁部との間で十分な絶縁分離部の加工を短時間で行うことを目的としている。この公報にも、本発明のように縦型プラズマCVD装置を用いて大面積の基板上に高い電力密度でシリコン薄膜を製膜する際に異常放電を防止するという目的は示されていない。
【0020】
また、図6に示すように、基板21表面の透明導電膜22と基板ホルダー1との間に絶縁物を設けることにより、基板ホルダー1と透明導電膜22とを電気的に絶縁する方法を用いてもよい。絶縁物としてはデガスの少ないポリイミドテープなどの絶縁テープ25を用いてもよいし、基板ホルダー1の表面に例えば100μm程度のアルマイトの溶射などを施すことにより形成された絶縁物被覆を用いてもよい。
【0021】
なお、特開昭56−40282号公報には、基板表面に形成された酸化物透明電極と基板ホルダーとの間に絶縁性スペーサーを設けて基板を保持し、プラズマCVDによりアモルファスシリコンを製膜する方法が記載されている。しかし、この方法は、酸化物透明電極が基板ホルダーに接触してアース電位となり、還元性雰囲気下で還元されて金属化して透明性を失うことを防止することを目的としている。この公報にも、本発明のように縦型プラズマCVD装置を用いて大面積の基板上に高い電力密度でシリコン薄膜を製膜する際に異常放電を防止するという目的は示されていない。
【0022】
さらに、本発明においては、図7に示すように、基板21表面に形成された透明導電膜22に基板ホルダー21の内周から0.1〜30mm離れるように分離溝24を形成するとともに、基板21表面の透明導電膜22と基板ホルダー1との間に絶縁テープ25を設けることにより、基板ホルダー1と透明導電膜22とを電気的に絶縁する方法を用いてもよい。同様に、図8に示すように基板21表面に形成された透明導電膜22に基板ホルダー21の内周から0.1〜30mm離れるように分離溝24を形成するとともに、基板ホルダー1の基板との接触部に絶縁物被覆26を設けることにより、基板ホルダー1と透明導電膜22とを電気的に絶縁する方法を用いてもよい。
【0023】
図7および図8に示す方法は、基板ホルダー1と透明導電膜22とを電気的に絶縁するためには最も効果的な方法であり、基板21表面での電力密度が非常に高い場合でも、基板ホルダー1の先端と透明導電膜22との間の異常放電を有効に防止できる。
【0024】
【実施例】
実施例1
表面に透明導電膜が形成された910mm×910mmの寸法を有するガラス基板を用意した。図3および図4に示すように、このガラス基板21の表面に形成された透明導電膜22に、基板ホルダー1への設置時に基板ホルダー1の内周から3mm離れるように、レーザースクライブにより幅約100μmの分離溝24を形成した。
【0025】
図9に示すように、上記のようにして形成された分離溝24をまたいで約8mmの間隔を空けて透明導電膜22にメガテスターの探針28を接触させ、250Vの電圧を印可した場合、0.5MΩ以上の絶縁を得ることが出来た。
【0026】
図1に示すように、縦型インライン式プラズマCVD装置の基板ホルダー1に上記寸法の1枚のガラス基板21を保持した。このとき、ガラス基板21の位置ずれを見込むと、基板ホルダー1の内周から分離溝24までの距離は3±2mmの範囲となる。ガラス基板21を保持した基板ホルダー1を、115cm×118cmの電極4が設置されている位置に移動させて、反応ガスとして水素とシランを導入し、3kWの電力を投入してポリシリコンを製膜した。この条件では、基板表面での電力密度は約221mW/cm2である。その結果、製膜されたポリシリコンには異常放電に起因する膜の欠陥は認められず、基板割れも生じなかった。
【0027】
次に、5kWの電力(電力密度約368mW/cm2)又は8kWの電力(電力密度約590mW/cm2)を投入した以外は上記と全く同様の条件でポリシリコンを製膜した。これらの場合にも、製膜されたポリシリコンには異常放電に起因する膜の欠陥は認められず、基板割れも生じなかった。
【0028】
また、レーザースクライブによる分離溝24の幅を約40μmまたは約200μmとした場合にも、異常放電は発生しなかった。
【0029】
比較例1
ガラス基板21の表面に形成された透明導電膜22に分離溝24を設けなかった以外は実施例1と同様の条件でポリシリコンを製膜した。この場合、投入電力3kWでも5kWでも製膜されたポリシリコンに異常放電に起因する膜の欠陥が認められ、基板割れが生じることもあった。
【0030】
実施例2
表面に透明導電膜が形成された910mm×455mmの寸法を有するガラス基板を用意し、実施例1と同様に基板ホルダー1への設置時に基板ホルダー1の内周から3mm離れるように、レーザースクライブにより幅約100μmの分離溝24を形成した。
【0031】
縦型インライン式プラズマCVD装置の基板ホルダー1に上記寸法の2枚のガラス基板21を保持した。この場合、2枚のガラス基板21の中間にも基板ホルダー1が配置される。それ以外は実施例1と同様に投入電力3kWまたは5kWの条件でポリシリコンを製膜した。その結果、いずれの条件でも製膜されたポリシリコンには異常放電に起因する膜の欠陥は認められず、基板割れも生じなかった。
【0032】
実施例3
表面に透明導電膜が形成された400mm×300mmの寸法を有するガラス基板を用意し、実施例1と同様に基板ホルダー1への設置時に基板ホルダー1の内周から3mm離れるように、レーザースクライブにより幅約100μmの分離溝24を形成した。それ以外は実施例1と同様に投入電力3kWまたは5kWの条件でポリシリコンを製膜した。その結果、いずれの条件でも製膜されたポリシリコンには異常放電に起因する膜の欠陥は認められず、基板割れも生じなかった。
【0033】
実施例4
表面に透明導電膜が形成された910mm×910mmの寸法を有するガラス基板を用意し、分離溝24を設ける代わりに、図5に示すように基板21の端から5mm以上の位置まで透明導電膜22を研磨して除去した。それ以外は実施例1と同様に投入電力3kWまたは5kWの条件でポリシリコンを製膜した。その結果、いずれの条件でも製膜されたポリシリコンには異常放電に起因する膜の欠陥は認められず、基板割れも生じなかった。
【0034】
実施例5
表面に透明導電膜が形成された910mm×910mmの寸法を有するガラス基板を用意し、分離溝24を設ける代わりに、図6に示すように基板21表面の透明導電膜22と基板ホルダー1との間にポリイミドからなる絶縁テープ25を設けた。それ以外は実施例1と同様に投入電力3kWまたは5kWの条件でポリシリコンを製膜した。その結果、いずれの条件でも製膜されたポリシリコンには異常放電に起因する膜の欠陥は認められず、基板割れも生じなかった。
【0035】
実施例6
表面に透明導電膜が形成された910mm×910mmの寸法を有するガラス基板を用意し、図8に示すように透明導電膜22に分離溝24を設けるとともに、基板ホルダー1のガラス基板接触部にアルマイト溶射100μmからなる絶縁物被覆26を設けた。それ以外は実施例1と同様に投入電力3kWまたは5kWまたは8kW(電力密度約590mW/cm2)の条件でポリシリコンを製膜した。その結果、製膜されたポリシリコンには異常放電に起因する膜の欠陥は認められず、基板割れも生じなかった。
【0036】
実施例7
表面に透明導電膜が形成された910mm×910mmの寸法を有するガラス基板を用意し、図7に示すように透明導電膜22に分離溝24を設けるとともに、基板21表面の透明導電膜22と基板ホルダー1との間にポリイミドからなる絶縁テープ25を設けた。また、投入電力8kW(電力密度約590mW/cm2)の条件でポリシリコンを製膜した。その結果、製膜されたポリシリコンには異常放電に起因する膜の欠陥は認められず、基板割れも生じなかった。
【0037】
実施例8
表面に透明導電膜が形成された910mm×910mmの寸法を有するガラス基板を用意した。図10に示すように、このガラス基板21の表面に形成された透明導電膜22に、基板ホルダー1への設置時に基板ホルダー1の内周から約1mm離れるように、レーザースクライブにより幅約100μmの第1の分離溝24を形成し、更に第1の分離溝24から内側に向かって約0.7mm離れるようにレーザースクライブにより幅約100μmの第2の分離溝28を形成した。
【0038】
実施例1と同様に、上記のようにして形成された第1および第2の分離溝24、28をまたいで約8mmの間隔を空けて透明導電膜22にメガテスターの探針を接触させ、250Vの電圧を印可した場合、0.5MΩ以上の絶縁を得ることが出来た。
【0039】
実施例1と同様に投入電力3kWまたは5kWの条件でポリシリコンを製膜した。その結果、いずれの条件でも製膜されたポリシリコンには異常放電に起因する膜の欠陥は認められず、基板割れも生じなかった。更に8kWの条件でポリシリコンを製膜しても、製膜されたポリシリコンには異常放電に起因する膜の欠陥は認めらなかった。
【0040】
また、第1の分離溝24と第2の分離溝28との間隔を、約0.5mmまたは約2mmにしたときにも同様に、メガテスターを用いて250Vの電圧を印可した場合、0.5MΩ以上の絶縁を得ることができた。そして、上記と同様に、3kW、5kWまたは8kWの条件でポリシリコンを製膜しても、製膜されたポリシリコンには異常放電に起因する膜の欠陥は認められなかった。
【0041】
また、レーザースクライブによる分離溝24、28の幅を約40μmまたは約200μmとした場合にも、異常放電は発生しなかった。
【0042】
実施例9
表面に透明導電膜が形成された910mm×910mmの寸法を有するガラス基板を用意した。図11に示すように、このガラス基板21の表面に形成された透明導電膜22に、基板ホルダー1への設置時に基板ホルダー1の内周から約1mm離れるように、レーザースクライブにより幅約100μmの第1の分離溝24を形成し、更に第1の分離溝24から内側に向かって約0.7mm離れるようにレーザースクライブにより幅約100μmの第2の分離溝28を形成し、更に分離溝28から内側に向かって約0.7mm離れるようにレーザースクライブにより幅約100μmの第3の分離溝29を形成した。
【0043】
実施例1と同様に、上記のようにして形成された第1〜第3の分離溝24、28、29をまたいで約8mmの間隔を空けて透明導電膜22にメガテスターの探針を接触させ、250Vの電圧を印可した場合、0.5MΩ以上の絶縁を得ることが出来た。
【0044】
実施例1と同様に投入電力3kWまたは5kWの条件でポリシリコンを製膜した。その結果、いずれの条件でも製膜されたポリシリコンには異常放電に起因する膜の欠陥は認められず、基板割れも生じなかった。更に8kWの条件でポリシリコンを製膜しても、製膜されたポリシリコンには異常放電に起因する膜の欠陥は認めらなかった。
【0045】
また、第1〜第3の分離溝24、28、29の相互間の間隔を、約0.5mmまたは約2mmにしたときにも同様に、メガテスターを用いて250Vの電圧を印可した場合、0.5MΩ以上の絶縁を得ることができた。そして、上記と同様に、3kW、5kWまたは8kWの条件でポリシリコンを製膜しても、製膜されたポリシリコンには異常放電に起因する膜の欠陥は認められなかった。
【0046】
また、レーザースクライブによる分離溝24、28、29の幅を約40μmまたは約200μmとした場合にも、同様に、0.5MΩ以上の絶縁を得ることができた。そして、上記と同様に、3kW、5kWまたは8kWの条件でポリシリコンを製膜しても、製膜されたポリシリコンには異常放電に起因する膜の欠陥は認められなかった。
【0047】
なお、図10および図11を参照して、基板の外側から内側へ向かって順次複数の分離溝を形成する例を示したが、複数の分離溝を基板の内側から外側へ向かって順次形成するようにしてもよい。
【0048】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明の方法を用いれば、縦型プラズマCVD装置を用いて大面積の基板上に高い電力密度でシリコン薄膜を製膜する際に、シリコン薄膜の均一性を高めるとともに基板割れを防止して安定生産を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】基板ホルダーへの基板の設置状態を示す平面図および断面図。
【図2】従来の方法における基板ホルダーと基板との接触状態を示す断面図。
【図3】本発明の一実施形態に係る方法における基板ホルダーと基板との接触状態を示す断面図。
【図4】図3における分離溝を示す平面図。
【図5】本発明の他の実施形態に係る方法における基板ホルダーと基板との接触状態を示す断面図。
【図6】本発明の他の実施形態に係る方法における基板ホルダーと基板との接触状態を示す断面図。
【図7】本発明の他の実施形態に係る方法における基板ホルダーと基板との接触状態を示す断面図。
【図8】本発明の他の実施形態に係る方法における基板ホルダーと基板との接触状態を示す断面図。
【図9】本発明における絶縁性測定の方法を示す模式図。
【図10】本発明の他の実施形態に係る方法における基板ホルダーと基板との接触状態を示す断面図。
【図11】本発明の他の実施形態に係る方法における基板ホルダーと基板との接触状態を示す断面図。
【符号の説明】
1:基板ホルダー
2:基板
3:バックプレート
4:電極
21:透明基板
22:透明導電膜
23:スクライブライン
24:分離溝
25:絶縁テープ
26:絶縁物被覆
27:メガテスターの探針
28:第2の分離溝
29:第3の分離溝
Claims (5)
- 縦型インライン式プラズマCVD装置を用い、表面に導電膜が形成された面積1200cm2以上の基板を基板ホルダーに保持して電極と対向させ、100mW/cm2以上の電力密度でポリシリコン薄膜を製膜するにあたり、前記基板表面に形成された導電膜に前記基板ホルダーの内周から0.1〜30mm離れるように、かつ前記基板の4つの外周辺の各々に沿って前記基板外周辺から3mm〜40mm内側の範囲にそれぞれ少なくとも1本ずつ、レーザースクライブにより周縁部とセル集積領域を分離する分離溝を形成することを特徴とするシリコン薄膜太陽電池の製造方法。
- 前記基板の周縁部で導電膜を除去し、導電膜が除去された基板周縁部に基板ホルダーを接触させて基板を保持することを特徴とする請求項1記載のシリコン薄膜太陽電池の製造方法。
- 前記基板表面の導電膜と前記基板ホルダーとの間に絶縁物を設けることを特徴とする請求項1記載のシリコン薄膜太陽電池の製造方法。
- 前記基板表面に形成された導電膜に前記基板ホルダーの内周から0.1〜30mm離れるように第1の分離溝を形成し、前記基板ホルダーの内周からの距離が30mm以内の範囲に、前記第1の分離溝の端から0.5mm〜2mmの間隔を空けて第2の分離溝を形成することを特徴とする請求項1記載のシリコン薄膜太陽電池の製造方法。
- 前記基板表面に形成された導電膜に前記基板ホルダーの内周から0.1〜30mm離れるように第1の分離溝を形成し、前記基板ホルダーの内周からの距離が30mm以内の範囲に、前記第1の分離溝の端から0.5mm〜2mmの間隔を空けて第2の分離溝を形成し、更に前記基板ホルダーの内周からの距離が30mm以内の範囲に、前記第2の分離溝の端から0.5mm〜2mmの間隔を空けて第3の分離溝を形成することを特徴とする請求項1記載のシリコン薄膜太陽電池の製造方法。
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