JP4153669B2 - 集積型光起電力装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜半導体を用いた集積型光起電力装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、非晶質シリコン(以下、a−Siという。)系半導体を光活性層に用いた光起電力装置がいろいろな用途に使用されている。これは1枚の基板上に多数の光電変換素子をカスケード接続することにより、高電圧を取出せるようにした集積型a−Si光起電力装置に開発を負うところが大きい。
【0003】
一般的なa−Siを用いた集積型光起電力装置について、図5に従い説明する。ガラスからなる透光性基板1の上に、酸化錫(SnO2)からなる透明電極2、内部にpin接合を有する光活性層となる非晶質半導体層3、裏面電極層4をこの順序で積層して形成される。上記非晶質半導体層3は、pinのシングル接合のものや、pin接合を複数段積層した所謂タンデム構造のものがある。タンデム構造は、例えば、内部にpin接続を有するフロントのa−Si膜とボトムのa−SiGeとを積層して構成される。このタンデム構造の非晶質半導体層3は、例えば、a−SiCからなるフロントp型非晶質半導体層31とa−Siからなるフロントi型非晶質半導体層32と微結晶シリコンからなるフロントn型非晶質半導体層33、a−SiCからなるボトムp型非晶質半導体層34とa−SiGeからなるボトムi型非晶質半導体層35と微結晶シリコンからなるボトムn型非晶質半導体層36とで構成されている。
【0004】
そして、集積型a−Si光起電力装置は、全体として1枚の基板から高い電圧を取出せるように多数の光電変換素子をカスケード接続している。集積型構造を形成するためには、ガラス基板上の透明電極、a−Si膜、裏面電極層を分離する必要がある。各々の膜を分離する方法としては、主にレーザを用いたレーザパターニング法が用いられている(例えば、特公平4−64473号公報参照)。
【0005】
このレーザパターニング法につき簡単に説明する。まず、ガラスなどの絶縁性透光性基板1上にITO、SnO2等の透明電極2を形成し、レーザビームの照射により透明電極2を任意の段数に短冊状に分割する。そして、この分割された透明電極2上に内部にpin接合を有するa−Si膜からなる非晶質半導体層3を堆積する。その後、透明電極2の分割ラインに沿って、この分割ラインと重ならないようにしてレーザビームを照射し、非晶質半導体層3を分割する。続いて、非晶質半導体層3上に金属膜42を主体とした裏面電極層4を形成するが、この時金属元素の非晶質半導体層3への拡散を防止するとともに、n型a−Si膜と金属間の接合特性を良好にするため界面にITO,ZnO等の透明導電膜41aを挿入している。
【0006】
このような裏面電極層4の形成により、透明電極2と裏面電極層4とを接続した後、透明電極2及び非晶質半導体層3の分割ラインに沿って、両分割ラインと重ならないようにして、レーザビームを照射して裏面電極層4を除去し、隣接するセル(光電変換素子:集積型構造における一段)間を分離する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような集積型光起電力装置を形成する際、裏面電極層4の分離プロセスにおいて、セル(集積型構造における一段)の透明電極―裏面電極層が短絡してしまうことがある。その原因を図6に従い説明する。
【0008】
図6は図5に示す破線Aで囲った隣接間隔部の拡大図である。図6に示すように、裏面電極層4をレーザで除去する際に、同時に非晶質半導体層3も除去され、この時レーザ加工の熱影響により金属膜42端部に生じる溶融だれ7や、n型a−Siと金属間の透明導電膜41aの飛散、非晶質半導体層3の部分的な微結晶化(低抵抗化)8等によるパスが生じるためである。
【0009】
この発明は、上述した裏面電極層のレーザ加工に対する従来の問題点を改善し、広い範囲のレーザ照射条件下で、加工が可能な集積型光起電力装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この発明は、透光性基板上に、透明電極、光活性層となる半導体層及び裏面電極層をこの順序で形成した集積型光起電力装置であって、前記裏面電極層は前記半導体層に近い側から透明導電膜と金属膜とが積層され、かつその透明導電膜は、アルミニウム及びナトリウムがドープされたZnO膜からなることを特徴とする。
【0011】
裏面電極層における透明導電膜中へのNaのドープにより、透明導電膜の結晶性が増大し、熱伝導性も向上する。その結果、裏面電極層加工部における局所的な熱の滞留が減少するため、金属膜端部の溶融だれやn型a−Si/金属間の透明導電膜の飛散が防止でき、機械的なレーザ加工性が向上する。さらに下地の非晶質半導体層の加工部(裏面電極層と同時に除去される)の熱による微結晶化(低抵抗化)も防止できる。
【0012】
以上のことから、セルの透明電極と裏面電極層を短絡させるパスが低減し、集積型光起電力装置の出力特性、及び歩留を改善できる。
【0014】
また、前記裏面電極層の透明導電膜中のNaのドープ量は1at.%以上8at.%以下にすると良い。
【0015】
また、この発明は、透光性基板上に、透明電極、光活性層となる半導体層及び裏面電極層をこの順序で形成し、レーザパターニングにより各々の膜を分離する集積型光起電力装置の製造方法であって、前記光起電力層となる半導体層上にアルミニウム及びナトリウムがドープされたZnO膜からなる透明導電膜を形成し、この透明導電膜上に金属膜を積層して裏面電極層を形成した後、レーザパターニングにより裏面電極層及び半導体層を分離することを特徴とする。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態に係る集積型光起電力装置とその製造方法につき図1ないし図4に従い説明する。図1は、この発明の実施の形態に係る集積型光起電力装置を示す概略断面図であって、2つの光電変換素子を電気的に直列接続する隣接間隔部を中心に示している。そして、図2は、図1に示す破線Aで囲った隣接間隔部の拡大図である。また、図3は、この発明の特徴とする裏面電極層を形成するためのスパッタ装置の一例を示す概略断面図である。
【0017】
この発明の実施の形態は、非晶質半導体層として、a−Siとa−SiGeを多層化したいわゆるタンデム構造の集積型光起電力装置に適用したものである。図1において、ガラスからなる絶縁性透光性基板1上に膜厚0.2〜1μm、この実施の形態では、約1μmの膜厚のSnO2からなる透明電極2を熱CVD法などにより形成する。その後、例えば、例えば、レーザビームの照射により透明電極2を任意の段数に短冊状に分割する。
【0018】
そして、透明電極2上に内部にpin接続を有するフロントのa−Si膜とボトムのa−SiGeとを積層したトータル膜厚が0.2〜0.4μm程度の非晶質半導体層3を堆積する。この実施の形態においては、トータル膜厚が約0.3μmの光活性層となる非晶質半導体層3をプラズマCVD法により形成した。この非晶質半導体層3は、a−SiCからなる膜厚200Åのフロントp型非晶質半導体層31とa−Siからなる膜厚1300〜1800Åのフロントi型非晶質半導体層32と微結晶シリコンからなる膜厚300Åのフロントn型非晶質半導体層33、a−SiCからなる膜厚200Åのボトムp型非晶質半導体層34とa−SiGeからなる膜厚1000〜1500Åのボトムi型非晶質半導体層35と微結晶シリコンからなる膜厚300Åのボトムn型非晶質半導体層36とで構成されている。
【0019】
その後、透明電極2の分割ラインに沿って、この分割ラインと重ならないようにしてレーザビームを照射し、非晶質半導体層3を分割する。なお、このレーザパターニングの際、非晶質半導体層3の分離が十分でなくても、透明電極2の一部が露出していれば、次の工程で形成される裏面電極層4との電気的接続が行えるので、問題にならない。
【0020】
続いて、非晶質半導体層3上に裏面電極層4を形成する。裏面電極4は、図3に示すスパッタ装置によりITO、SnO2、ZnOから選択される膜厚1000Åの透明導電膜41と、Au、Ag、Al、Cu、Ti、W、Niなどの常温(300K)の電気抵抗率が50.0μΩ・cm以下の材料から選択される膜厚3000Åの金属膜42を積層して形成され、このとき前述した非晶質半導体層3のレーザ分離部において透明導電膜2と裏面電極層4とが接続される。
【0021】
ここで、裏面電極層4として透明導電膜/金属膜の上にさらに透明導電膜などを積層させた3層以上の構造を用いても良い。この実施の形態では、図3に示すスパッタ装置において、第1カソード22にAlとNaをともに2wt%ドープしたZnOターゲットを、また第2カソード23にAgターゲットを用いて、非晶質半導体を形成後、分離した仕掛け品10をスパッタ装置21内を通すことで、2層構造の裏面電極層4を形成した。
【0022】
その後、透明電極2及び非晶質半導体層3の分割ラインに沿って、裏面電極層4の加工部分にレーザビームを照射して隣接するセル間を分離する。
【0023】
この発明の集積型光起電力装置における裏面電極層のパターニングの評価を行うため、40cm×30cmサイズ、37段の集積型a−Si/a−SiGeタンデム構造の光起電力装置を作製し、それぞれの各段の低照度Voc測定(1000ルクス蛍光灯下にて測定)を行った。その結果を図4に示す。図中黒で塗り潰した四角形が本発明の集積型光起電力装置、黒丸がナトリウム(Na)、シリコン(Si)をドープしていない以外は本発明と同じ構造の従来の集積型光起電力装置である。また、図4においては、+側が1、−側が37である。
【0024】
図4より、本発明のものでは、低照度Vocが出ていない(ほとんどゼロ)段がなく、全体的にも高い値が得られている。これは、n型a−Si36と金属膜42間の透明導電膜41中へのNaのドープにより透明導電膜の結晶性が増大し、レーザ加工の熱影響が原因で生じる金属膜端部の溶融だれ、n型a−Si/金属膜42間の透明導電膜41の飛散が防止でき、機械的な加工性が向上したことに加えて、a−Si膜の部分的な微結晶化などによるパスが削減できたためである。
【0025】
なお、Naのドープにより透明導電膜の結晶性が向上することは、例えば、エッチングレートを比較すると分かる。例えば、Naを5at%ドープするとともにAlドープしたZnO膜と、AlのみドープしたZnO膜を用意し、濃度0.25%の塩酸をエッチング液としたときのそれぞれのエッチングレート測定した。
【0026】
Naを5at%ドープするとともにAlドープしたZnO膜は、30Å/秒であるのに対して、AlのみドープしたZnO膜は、90Å/秒であり、Naを5at%ドープするとともにAlドープしたZnO膜の方がエッチングレートが1/3である。このことは、Naを5at%ドープした方が結晶性が向上していることを示している。なお、Siを5at%ドープするとともにAlドープしたZnO膜のエッチングレートも30Å/秒程度である。
【0027】
また、この実施の形態では、n型a−Si/金属間の透明導電膜中へのドープする不純物としてNaを用いたが、代わりにSiをドープしても透明導電膜の結晶性が向上し、同様の効果が得られることを確認しており、またNaドープ量は1at%以上8at%以下、一方Siドープ量は1at%以上10at%以下の時に最大の効果が得られる。即ち、NaまたはSiのドープ量が1%未満になると、エッチングレートが顕著に低下し、結晶性の向上があまり認められず、また、Naのドープ量が8at%を越え、Siのドープ量が10at%を越えると、下地のn型a−Si層との接合特性が低下すると考えられるからである。
【0028】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、確実に裏面電極層を分離することができ、集積型光起電力装置の出力特性及び歩留りを改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態に係る集積型光起電力装置を示す概略断面図であって、2つの光電変換素子を電気的に直列接続する隣接間隔部を中心に示すものである。
【図2】図1に示す破線Aで囲った隣接間隔部の拡大図である。
【図3】裏面電極層を形成するためのスパッタリング装置の断面図である。
【図4】集積型光起電力装置(37段)における各段の低照度Voc測定結果を示す特性図である。
【図5】従来の集積型光起電力装置を示す概略断面図であって、2つの光電変換素子を電気的に直列接続する隣接間隔部を中心に示すものである。
【図6】図5に示す破線Aで囲った隣接間隔部の拡大図である。
【符号の説明】
1 基板
2 透明導電膜
3 非晶質半導体層
4 裏面電極層
41 透明導電膜
42 金属膜
Claims (3)
- 透光性基板上に、透明電極、光活性層となる半導体層及び裏面電極層をこの順序で形成した集積型光起電力装置であって、前記裏面電極層は前記半導体層に近い側から透明導電膜と金属膜とが積層され、かつその透明導電膜は、アルミニウム及びナトリウムがドープされたZnO膜からなることを特徴とする集積型光起電力装置。
- 前記裏面電極層の透明導電膜中のナトリウムのドープ量は1at.%以上8at.%以下であることを特徴とする請求項1に記載の集積型光起電力装置。
- 透光性基板上に、透明電極、光活性層となる半導体層及び裏面電極層をこの順序で形成し、レーザパターニングにより各々の膜を分離する集積型光起電力装置の製造方法であって、前記光起電力層となる半導体層上にアルミニウム及びナトリウムがドープされたZnO膜からなる透明導電膜を形成し、この透明導電膜上に金属膜を積層して裏面電極層を形成した後、レーザパターニングにより裏面電極層及び半導体層を分離することを特徴とする集積型光起電力装置の製造方法。
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