JP4248351B2 - 光起電力装置及の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、集積型の光起電力装置の製造方法に関する。

複数の光電変換素子を一枚の基板上に形成し、これら複数の光電変換素子を基板上で直列に接続してなる所謂、集積型の光起電力装置が知られている。これら光起電力装置としては、現在、順タイプのものと逆タイプのものとが実用化されている。順タイプのものは、ガラス基板等の絶縁性及び透光性を有する基板上に、透光性導電膜とｐｉｎ接合を含む非晶質シリコン、微結晶シリコン等の薄膜半導体膜からなる光電変換層と裏面電極膜とを積層してなる多数の光電変換素子を有し、隣合う光電変換素子間で一方の光電変換素子の透光性導電膜と他方の光電変換素子の裏面電極膜とを電気的に接続して、これらの多数の光電変換素子を直列的に集積化している。各光電変換素子において、基板、透光性導電膜を順次介して光が入射すると、薄膜半導体膜内で光起電力が発生し、それぞれの光電変換素子で発生した光起電力は裏面電極膜を介して直列的に相加されて外部に取り出される。

一方、逆タイプの光起電力装置は、ステンレス板等の金属板に絶縁膜を形成したもの、或いはプラスチック板等の絶縁性表面を有する基板上に、裏面電極膜とｎｉｐ接合を含む非晶質シリコン、微結晶シリコン等の薄膜半導体膜からなる光電変換層と透光性導電膜とを積層してなる多数の光電変換素子を有し、隣合う光電変換素子間で一方の光電変換素子の透光性導電膜と他方の光電変換素子の裏面電極膜とを電気的に接続して、これらの多数の光電変換素子を直列的に集積化している。各光電変換素子において、透光性導電膜を介して光が入射すると、薄膜半導体膜内で光起電力が発生し、それぞれの光電変換素子で発生した光起電力は裏面電極膜を介して直列的に相加されて外部に取り出される。

集積型の光起電力装置の製造方法については、従来、一般にレーザ加工等のエネルギー照射による手法が用いられている。この手法は、熱的ダメージを防ぐために、素子側からではなくガラス基板側からエネルギー照射を行うなど、基板としてガラスなどの透明絶縁性基板に依存するところが大きく、金属性基板上にこのような集積型を形成する場合には、光電変換素子の分割と合わせて、光電変換素子と金属性基板との間の電気絶縁性の確保のために、メタルマスクによって電極層、半導体光電変換層を部分的に形成していく方法が用いられていた。

上記した逆タイプの構造の集積型光起電力装置の製造方法として、膜の除去対象の領域に高圧の液体を噴射し、所望のパターンで膜をパターニングする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−２６４２７号、図３

しかしながら、メタルマスクによる形成では、発電に寄与しない無効領域が大きく、またメタルマスクの接触による特性の低下など問題が多く、金属性基板上に集積型の光起電力装置を効率よく形成する有効な技術が無かった。

また、特許文献１に記載した方法においては、高圧の液体噴射による加工の際に、パターニングする膜の膜厚等により、加工精度が影響され、パターニングの加工が困難であるという難点があった。

この発明は、上記した従来の問題点に鑑みなされたものにして、パターニング加工が容易な逆タイプ構造の集積型の光起電力装置の製造方法を提供することをその課題とする。

この発明の光起電力装置の製造方法は、 第１の絶縁層を表面に有する基板上に、第１の電極層と、薄膜半導体からなる光電変換層と、第２の電極層と、からなる複数の光電変換素子を形成し、これら複数の光電変換素子を基板上で直列に接続してなる光起電力装置の製造方法であって、少なくとも隣接する光電変換素子を分割する領域を除いて、前記第１の絶縁層上に前記光電変換層より厚い膜厚の第１の導電層を配置する工程と、前記第１の導電層を含む基板表面のほぼ全域に第１の電極層と、薄膜半導体からなる光電変換層と、第２の電極層と、からなる積層膜を順次形成する工程と、前記第１の導電層を配置した領域と配置していない領域との境界領域を含んで、前記積層膜に前記第２の電極層側から膜除去加工を施し、前記積層膜を除去して前記第１の絶縁層の表面を露出させることにより複数の光電変換素子に分割するとともに、前記第１の導電層の表面を露出させる工程と、膜除去加工を施した領域で、少なくとも前記第１の導電層の一部の表面を除く領域に、第２の絶縁層を配置する工程と、前記第２の絶縁層の上を含んで、前記第１の導電層の表面領域から第２の絶縁層を挟んで隣接する光電変換素子の第２の電極層上に延在する第２の導電層を形成する工程と、を備えることを特徴とする。

前記膜除去加工は、液体もしくは粉末状固体もしくはこれらの混合体を吹き付けて行うことができる。

以上説明したように、この発明によれば、通常のレーザ加工に比べて熱的影響がないが薄膜の高精度選択加工ができないウォータージェットやブラスト加工などの機械的な加工方法においても、細かい制御を必要とせずに集積型のパターニング加工を行うことができる。また、途中まで除去された下地の絶縁層は第２の絶縁層にて、機械的、電気的に補強でき、金属基板との絶縁性も確保できる。

また、薄膜系では比較的膜厚が大きな微結晶セルでも下地の第１の導電層よりも薄くなるので、導電層との選択的な加工が行える。更に、セル間の発電層は全て除去するため、導電率の高い微結晶シリコン等の発電層を用いても発電層を通じてのセル間リークによる特性の低下を抑制できる。

更に、裏面電極、発電層、表面電極が連続形成でき、セル特性の向上とプロセスの省力化が図れる。

以下に、この発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１乃至図４は、この発明の第１の実施形態の光起電力装置を示し、図１は作成プロセスを示す模式的断面図、図２は薄膜半導体部分を拡大して示す模式的断面図、図３は作成プロセスの中間工程後における平面図及び断面図、図４は最終工程後の平面図及び断面図である。

まず、ＳＵＳ等の金属基板１の第１の主面上全面にポリイミド等の第１の絶縁層２を１０μｍ以上の膜厚で形成する（図１（ａ）参照）。

この第１の絶縁層２上に、Ａｇ粉末等の導電性粒子を含む導電性ペーストをスクリーン印刷等の手法で塗布した後、焼成を行い、厚さ１０μｍ以上の膜厚で第１の導電層３を形成する。ことのき、後で光電変換素子を分割するための領域は除いて形成する（図１（ｂ）参照）。この第１の導線層３の膜厚は、後述する薄膜半導体を含む発電層の厚み以上の膜厚に形成すればよい。

次に、第１の導電層３の表面及び第１の絶縁層２を含んで全面に、図２の断面図に示すように、Ａｇ等の金属もしくはＡｇ等の金属とＩＴＯやＺｎＯ等の金属酸化物との積層体からなる第１の電極層（裏面電極）４１、微結晶シリコン（Ｓｉ）層、アモルファスシリコン（Ｓｉ）層の単層もしくは積層からなる薄膜半導体からなる光電変換層（発電層）４２、ＩＴＯやＺｎＯ等の金属酸化物からなる第２の電極層（表面電極）４３とからなる層４を、合計厚さ０．５μｍ〜４μｍの範囲でこの順で形成する（図１（ｃ）参照）。光電変換層４２を例えば、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）をプラズマＣＶＤ法により、第１の電極層４１側から、膜厚５０ｎｍ程度のｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ、膜厚２μｍ程度の真性（ｉ型）μｃ−Ｓｉ：Ｈ、膜厚１５ｎｍ程度のｐ型μｃ−Ｓｉ：Ｈを順次積層形成する。各層の成膜条件を表１に示す。

次に、図１（ｂ）で第１の導電層３を形成しなかった領域に対して、第２の電極層４２側から高圧の液体をノズル７より噴射する所謂ウォータージェット加工を施す。このウォータジェット加工は、圧力１０ＭＰａ、ノズル径０．１５ｍｍ、流量０．４４／ｍｉｎ、加工速度０．５ｍｍ／ｍｉｎで行う。このウォータージェット加工により、第２の電極層、半導体光電変換層、第１の電極層からなる積層膜４および第１の導電層３の表面と第１の絶縁層２の表面を除去する。図１乃至図４において、除去した加工領域を符号７０で示す。この際、第１の導電層３と第１の絶縁層２は厚さを１０μｍ以上とすることで、加工領域のすべては除去されず、基板１側に面した部分が残される（図１（ｄ）、図３（ａ）、（ｂ））。上記した第１の絶縁層２及び第１の導電層３の厚みは、このウォータージェット加工後に、第１の絶縁層２の途中まで除去された状態になるように、それぞれの厚みを選択すればよい。尚、図３において、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。

このように、薄膜系では比較的膜厚が大きな微結晶セルでも下地の第１の導電層よりも薄くなるので、導電層との選択的な加工が行える。更に、第１の絶縁層２の途中まで除去することで、セル間の発電層は全て除去され、導電率の高い微結晶シリコン等の発電層を用いても発電層を通じてのセル間リークによる特性の低下が抑制できる。

次に、図１（ｅ）、図４に示すように、上記のウォータージェット加工にて一部が除去された第１の絶縁層２の領域を含んで、加工領域７０の片側の第１の導電層３の表面を覆い、対向する側の第１の導電層３表面を露出させるように、第２の絶縁層５を形成する。この第２の絶縁層５は、絶縁性物質であれば、材料、厚さ、形成方法は何でもよい。この第２の絶縁層５にて露出した片側セルの端面を保護すると同時に第１の絶縁層２の除去領域が補修されることになる。

続いて、この第２の絶縁層５上と、露出している第１の導電層３表面と、隣接する光電変換素子の第２の電極層（４３）上に延在する第２の導電層６を形成する。この第２の導電層６は、隣接する光電変換素子の間の接続と集電極を兼ねている。第２の導電層６は、Ａｇ粉末等の導電性粒子を含む導電性ペーストをスクリーン印刷等の手法で塗布した後、焼成を行い形成される。尚、図４において、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。

以上のプロセスにより、光電変換素子は、熱的なダメージを受けることなく良好に分割されるとともに、隣接する光電変換素子間の良好な電気的直列接続が行われる。また、光電変換素子の分割時に一部が除去された第１の絶縁層２の領域に関しては、第２の絶縁層５で補修され、基板１と光電変換素子との絶縁性も確保される。さらに、各光電変換素子の第１の電極層（４１）の下には厚さ１０μｍ以上の第１の導電層３があり、第１の電極層（４１）が薄くとも十分な電気導電性を確保できる。

図５乃至図７は、この発明の第２の実施形態の光起電力装置を示し、図５は作成プロセスを示す模式的断面図、図６は作成プロセスの中間工程後における平面図及び断面図、図７は最終工程後の平面図及び断面図である。尚、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるために、第１の実施形態と異なる部分を説明する。

金属基板１の第１の主面上全面にポリイミド等の第１の絶縁層２を１０μｍ以上の膜厚で形成した後（図５（ａ））、第１の実施形態においては、第１の導電層を形成する際に、後で光電変換素子を分割するための領域は除いて全面に形成したが、この第２の実施形態においては、後で光電変換素子を分割するための領域の一側辺に沿って光電変換層より膜厚が厚く且つ線状に第１の導電層３０を形成する（図５（ｂ）参照）。

次に、第１の導電層３０の表面及び第１の絶縁層２を含んで全面に、第１の電極層、薄膜半導体からなる光電変換層、第２の電極層とからなる層４を、合計厚さ０．５μｍ〜４μｍの範囲でこの順で形成する（図５（ｃ）参照）。

続いて、第１の導電層３０の一側辺を含む領域に対して、積層膜４の第２の電極層側からノズル７から高圧の液体を噴射してウォータージェット加工を施し、第２の電極層、薄膜半導体からなる光電変換層、第１の電極層からなる積層膜４および第１の導電層３０の表面と第１の絶縁層２の表面を除去する（図５（ｄ）、図６参照）。尚、図６において、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。

次に、上記のウォータージェット加工にて一部が除去された第１の絶縁層の領域３０を含んで、加工領域７０ａの第１の導電層３０の無い側の加工面を覆い、第１の導電層３０表面を露出させるように、第２の絶縁層５を形成し、この第２の絶縁層５上と、露出している第１の導電層３０表面と、隣接する光電変換素子の第２の電極層上に延在する第２の導電層（６接続兼集電極）を形成する（図５（ｅ）、図７参照）。

上記の第２の実施形態においては、光電変換素子の分割と電気的直列接続が、第１の実施形態に比べて少量の第１の導電層３０にて、第１の実施形態と同レベルで確保される。尚、図７において、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。

図８及び図９は、この発明の第３の実施形態を示す平面図及び断面図である。尚、第１、第２の実施形態と同一部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるために、第２の実施形態と異なる部分を説明する。

第２の実施形態においては、第１の導電層を形成する際に、後で光電変換素子を分割するための領域の一側辺に沿って線状に第１の導電層を形成したが、この第３の実施形態においては、第１の導電層を形成する際に、後で光電変換素子を分割するための領域の一側辺に沿って点状に第１の導電層３０ａを形成する（図８（ａ）、（ｂ）参照）。尚、図８において、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。

また、第２の絶縁層５ａに関しては、第３の実施形態においては、第１の導電層３０ａと隣接する光電変換素子の第２の電極層上に延在する第２の導電層（接続兼集電極）６を形成する際に、第２の導電層６がウォータージェット加工領域７０上に形成される領域を少なくとも含んで形成される（図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ））。尚、図９において、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。

上記の第３の実施形態においては、光電変換素子の分割と電気的直列接続が第２の実施形態に比べて更に少量の第１の導電層３０ａにて、第１および第２の実施形態と同レベルで確保される。

図１０及び図１１は、この発明の第４の実施形態を示す平面図及び断面図である。尚、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるために、第１の実施形態と異なる部分を説明する。

第１の実施形態においては、第１の導電層を形成する際に、後で光電変換素子を分割するための領域は除いてほぼ全面に形成したが、この第４の実施形態においては、後で第２の導電層（接続兼集電極）６を形成する領域とほぼ共通の領域に限定して第１の導電層３１を形成する（図１０（ａ）、（ｂ））。尚、図１０において、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。

また、第２の絶縁層５１に関しても、後で第２の導電層（接続兼集電極）を形成する領域とほぼ共通の領域に限定して第１の導電層を形成する（図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ））。尚、図１１において、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。

上記の第４の実施形態においては、光電変換素子の分割と電気的直列接続が、第１の実施形態に比べて少量の第１の導電層にて、第１の実施形態と同レベルで確保されると同時に、各光電変換素子の第１の電極層の下に設けた第１の導電層が集電効果を有するため、第１の電極層が薄くとも十分な電気導電性を確保できる。

また、上記の実施形態においては、膜除去加工として、ウォータージェット加工を用いたが、熱的ダメージを与えない手法であれば、ドライアイスブラストやサンドブラストなどの粉末状固体の吹き付けによる加工を用いることもできる。

この発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の作成プロセスを示す模式的断面図である。 この発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の薄膜半導体部分を拡大して示す模式的断面図である。 この発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の作成プロセスの中間工程後の平面図及び断面図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。 この発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の最終工程後の平面図及び断面図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 この発明の第２の実施形態に係る光電変換装置の作成プロセスを示す模式的断面図である。 この発明の第２の実施形態に係る光電変換装置の作成プロセスの中間工程後の平面図及び断面図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。 この発明の第２の実施形態に係る光電変換装置の最終工程後の平面図及び断面図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 この発明の第３の実施形態に係る光電変換装置の作成プロセスの中間工程後の平面図及び断面図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。 この発明の第３の実施形態に係る光電変換装置の最終工程後の平面図及び断面図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 この発明の第４の実施形態に係る光電変換装置の作成プロセスの中間工程後の平面図及び断面図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。 この発明の第４の実施形態に係る光電変換装置の最終工程後の平面図及び断面図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

符号の説明

１ 金属基板
２ 第１の絶縁層
３ 第１の導電層
４ 光電変換層を含む積層膜
５ 第２の絶縁層
６ 第２の導電層

Claims (2)

1. 第１の絶縁層を表面に有する基板上に、第１の電極層と、薄膜半導体からなる光電変換層と、第２の電極層と、からなる複数の光電変換素子を形成し、これら複数の光電変換素子を基板上で直列に接続してなる光起電力装置の製造方法であって、
   少なくとも隣接する光電変換素子を分割する領域を除いて、前記第１の絶縁層上に前記光電変換層より厚い膜厚の第１の導電層を配置する工程と、
   前記第１の導電層を含む基板表面のほぼ全域に第１の電極層と、薄膜半導体からなる光電変換層と、第２の電極層と、からなる積層膜を順次形成する工程と、
   前記第１の導電層を配置した領域と配置していない領域との境界領域を含んで、前記積層膜に前記第２の電極層側から膜除去加工を施し、前記積層膜を除去して前記第１の絶縁層の表面を露出させることにより複数の光電変換素子に分割するとともに、前記第１の導電層の表面を露出させる工程と、
   膜除去加工を施した領域で、少なくとも前記第１の導電層の一部の表面を除く領域に、第２の絶縁層を配置する工程と、
   前記第２の絶縁層の上を含んで、前記第１の導電層の表面領域から第２の絶縁層を挟んで隣接する光電変換素子の第２の電極層上に延在する第２の導電層を形成する工程と、
   を備えることを特徴とする光起電力装置の製造方法。
2. 前記膜除去加工が、液体もしくは粉末状固体もしくはこれらの混合体を吹き付けて行う除去加工であることを特徴とする請求項１に記載の光起電力装置の製造方法。

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