JP4508285B2 - 薄膜太陽電池およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、電気絶縁性を有する可撓性基板の表面にユニットセルを複数個直列接続した薄膜太陽電池とその製造方法に関する。

原料ガスのグロー放電分解などにより形成されるアモルファスシリコンのようなアモルファス半導体膜は、気相成長であるため大面積化が容易で、低コスト太陽電池の光電変換膜として期待されている。こうした薄膜太陽電池は、太陽光の入射する側にＳｎＯ₂膜やＺｎＯ膜等の透明な電極を設けている。しかし、このような透明電極は、シート抵抗が大きいために、電流が透明電極を流れることによる電力ロスが大きくなる問題がある。
そのため従来は、前記太陽電池を複数の太陽電池（ユニットセル）に分割し、分割したユニットセルを隣接するユニットセルと電気的に接続する直列接続構造をとっていた。これに対し、特許文献１に記載された薄膜太陽電池では、反光入射側にある絶縁性基板に穴をあけ、この穴を利用して透明電極層を基板裏面の接続電極層と接続する構成とし、高シート抵抗の透明電極層を流れる電流の径路の距離を短縮し、これにより寸法の限定された単位太陽電池に分割することなく低電圧、大電流型にも構成できるようにした。これにより、ジュール損失が少なく、デッドスペースの部分を縮小して有効発電面積が増加した薄膜単位太陽電池を得ることができた。
さらに、単位太陽電池の一部に光電変換層の下の接続電極層の露出する領域を形成し、それと基板を貫通する導体に接続される分離された接続電極層を、隣接単位太陽電池の接続電極層と連結することにより、直列接続構造が容易に形成できる。このような構成の薄膜太陽電池は、ＳＣＡＦ（Series Connection through Apertures on Film ）型の薄膜太陽電池と呼ばれ、電極層と光電変換層の成膜と各層のパターニングおよびそれらの組み合わせ手順により形成される。上記薄膜太陽電池の構成および製造方法の一例は、本願出願人により出願された、例えば特許文献２に記載されている。

図３は、構造の理解の容易化のために、上記ＳＣＡＦ型の薄膜太陽電池の構成を簡略化して斜視図で示したものである。図３において、基板６１の表面に形成した単位光電変換素子６２および基板６１の裏面に形成した接続電極層６３は、それぞれ複数の単位ユニットに完全に分離され、それぞれの分離位置をずらして形成されている。このため、素子６２のアモルファス半導体部分である光電変換層６５で発生した電流は、まず透明電極層６６に集められ、次に該透明電極層領域に形成された集電孔６７を介して背面の接続電極層６３に通じ、さらに該接続電極層領域で素子の透明電極層領域の外側に形成された直列接続用の接続孔６８を介して上記素子と隣り合う素子の透明電極層領域の外側に延びている下電極層６４に達し、両素子の直列接続が行われている。
上記薄膜太陽電池の簡略化した製造工程を図４（a）から（g）に示す。プラスチックフィルム７１を基板として（工程（a））、これに接続孔７８を形成し（工程（b））、基板の両面に第１電極層（下電極）７４および第３電極層（接続電極の一部）７３を形成（工程（c））した後、接続孔７８と所定の距離離れた位置に集電孔７７を形成する（工程（d））。工程（c）と工程（d）との間に、第１電極層（下電極）７４を所定の形状にレーザ加工して、下電極をパターニングする工程があるが、ここではこの工程の図を省略している。

次に、第１電極層７４の上に、光電変換層となる半導体層７５および第２電極層である透明電極層７６を順次形成するとともに（工程（e）および工程（f））、第３電極層７３の上に第４電極層（接続電極層）７９を形成する（工程（g））。この後、レーザビームを用いて、基板７１の両側の薄膜を分離加工して図３に示すような直列接続構造を形成する。
なお、第３電極層と第４電極層は電気的には同一の電位であるので、説明の便宜上、併せて一層の接続電極層として扱われることもある。
さらに、前記ＳＣＡＦ型の薄膜太陽電池の構成とは異なるものとして、発電の有効面積率を高めることを目的とした構成が特許文献３に開示されている。即ち、特許文献３は、「貫通孔を通じて接続される下電極層（特許文献３では背後電極層と呼ぶ）と接続電極層を形成したのちに下電極層上に非晶質半導体層を形成する際、基板裏面の貫通孔周辺部まで非晶質半導体層の延長部が広がるようにし、この延長した非晶質半導体層によって、透明電極層が貫通孔内に形成されても接続電極層と短絡するのを防ぎ、これにより透明電極層の全面成膜を可能として、発電の有効面積率を高めた薄膜太陽電池」を開示する（詳細は、特許文献３参照）。

図２は、前記特許文献３に開示されたものとは若干異なるが、前記非晶質半導体層の延長部で絶縁する構成を採用し発電の有効面積率を高めた、従来の改良型ＳＣＡＦの薄膜太陽電池の構成の一例を示す。図２（ａ）は薄膜太陽電池の受光面側からみた平面図、図２（ｂ）は非受光面側からみた平面図、図２（ｃ）は図２（ａ）におけるａ−ａ断面図、図４（ｄ）は図２（ａ）におけるｂ−ｂ断面図である。
図２に示す薄膜太陽電池は、光電変換層と透明電極層とを光電変換部の側端まで延長して設けることにより、発電の有効面積率を高めた構成となっており、その作製は以下のようにして行なわれる。例えば、プラスチックフィルムからなる基板１に、接続孔７を開け、表面に金属よりなる下電極層２、裏面に金属よりなる接続電極層としての第３電極層３を形成したのち、集電孔８を開ける。従って、接続孔７の内壁には下電極層２と第３電極層３の延長部が形成されるが、集電孔８の内部にはこれらの電極層は形成されていない。
次に、下電極層２にレーザー加工を行い、ユニットセル間下電極加工ライン９ａおよびセル端部下電極加工ライン１０ａを形成する。つづいて、下電極層２上にｐｉｎ構造のアモルファスシリコン（a-Si）、アモルファスシリコンゲルマニウム（a-SiGe）あるいは微結晶シリコンからなる光電変換層４をプラズマＣＶＤにより形成する。この際、同時に基板裏面の集電孔８や接続孔７の内壁および外周部にも回り込んで光電変換層４が形成される。

つづいて、透明電極層５をスパッタリングにより形成する。ここで、基板裏面への前記回り込みは光電変換層４に比べて透明電極層５の方が少ないため、透明電極層５は接続孔７、集電孔８周辺で電極層と短絡されることはない。次に、接続孔７の周辺をライン状のマスクで覆った状態で接続電極層としての第４電極層６を形成する。これにより、集電孔８をとおして透明電極層５が第４電極層６に接続される。
次に、透明電極層５の上からユニットセル間下電極加工ライン９ａおよびセル端部下電極加工ライン１０ａよりも加工幅を細くして、これらのラインをトレースするようにユニットセル間透明電極加工ライン９ｂおよびセル端部透明電極加工ライン１０ｂを形成する。この際、前記透明電極加工ラインが下電極加工ラインをはみ出すと透明電極層５と下電極層２は表面が合金化した光電変換層４で電気的につながってしまいリークが発生するため、高精度の加工が要求される。最後に接続電極層にレーザー加工を行い、ユニットセル間接続電極加工ライン１１およびセル端部接続電極加工ライン１２を形成し直列接続構造が完成する。

特開平６−３４２９２４号公報 特開平１０−２３３５１７号公報 特開平８−１８６２７９号公報

ところで、上記図２に示す改良型のＳＣＡＦ構造の薄膜太陽電池においては、下記のような問題があった。
前述のように、列間および端部の透明電極層加工ラインは、下電極層をトレースしてはみ出さないように加工する必要があり、高い精度が要求される。さらに、下電極層加工と透明電極層加工の間に、製膜温度２００〜３００℃の高温の光電変換層および透明電極層製膜プロセスが入るため、基板の熱変形が生じる。通常、長方形に加工したラインは平行四辺形に歪むことになり、そのときの角度は０〜０．００１ｒａｄになる。例えば、１ｍ角の太陽電池を作製する場合、平行四辺形に歪むことによる位置ずれは最大１ｍｍであり、数μｍの下電極加工ライン幅よりも大きい。従って、こうした大面積の太陽電池を作製するには透明電極層加工時に角度補正を行う必要があり、制御が複雑になり装置コストが高くなり、かつ位置合わせの時間が長くなるためスループットが低下するという問題があった。
この発明の課題は、フィルム基板の熱歪に伴う透明電極層加工時に、上記のような図２のようにセル端部透明電極加工ライン１０ｂが、セル端部下電極加工ライン１０ａをはみ出すと透明電極層５と下電極層２は表面が合金化した光電変換層４で電気的につながってしまいリークが発生する問題点、即ち、前記基板の熱変形に伴う絶縁不良の問題を解消するためになされたものである。

前述の課題を解決するため、請求項１の発明によれば、セル端部透明電極加工ラインを設けずに、電気絶縁性を有する基板の表面に下電極層としての第１電極層，光電変換層，透明電極層（第２電極層）を順次積層してなる光電変換部と、前記基板の裏面に形成した接続電極層としての第３電極層および第４電極層とを備え、前記光電変換部および接続電極層を互いに位置をずらして単位部分にパターニングしてなり、前記光電変換層形成領域内に形成した接続孔ならびに集電孔を介して、前記表面上の互いにパターニングされて隣合う単位光電変換部分（ユニットセル）を電気的に直列に接続してなる薄膜太陽電池において、前記光電変換部の前記直列接続方向に沿った外側端部に、前記第１電極層を光電変換層により電気的に絶縁するためのパターニング用のセル端部下電極加工ラインを設け、かつ、前記光電変換層と透明電極層とは、前記セル端部下電極加工ラインの外側に光電変換部の側端まで延長して設けてなり、さらに、前記接続電極層は、前記側端から所定寸法幅の領域を、前記基板の裏面から除去してなるものとする（請求項１の発明）。
このことにより、前記フィルム基板の熱歪に伴う絶縁不良の問題を解消することができる。
このように、セル端部透明電極加工ラインを設けない場合、透明電極層と接続電極層はフィルム基板を介して近接するため、実使用時に電極のマイグレーションが発生して絶縁不良を引き起こす恐れがあるが、これを避けるため、上記のように、側端部から接続電極層を完全に除去する。なお、図２に示した例のように、接続電極層としての第４電極層が第３電極層よりも、充分小幅に形成される場合には、第３電極層のみを除去加工すればよい。

除去加工幅の実施態様としては請求項２の発明が好適である。即ち、請求項１に記載の薄膜太陽電池において、前記接続電極層の除去される領域の所定寸法幅は、少なくとも０．５ｍｍとする。
また、前記薄膜太陽電池の製造方法としては、下記請求項３ないし４の発明が好ましい。即ち、前記請求項１または２に記載の薄膜太陽電池の製造方法であって、前記セル端部下電極加工ラインは、レーザー加工により形成する（請求項３の発明）。さらに、前記請求項１ないし３のいずれか１項に記載の薄膜太陽電池の製造方法であって、前記接続電極層の除去される領域は、レーザー加工，超音波振動子による加工，サンドブラスト加工の内のいずれかの方法により形成する（請求項４の発明）。特に、超音波振動子あるいはサンドブラストによる加工によれば、幅広加工が容易に行えるため好ましい。

この発明によれば前述のように、前記ＳＣＡＦ型の薄膜太陽電池において、光電変換部の前記直列接続方向に沿った外側端部に、前記第１電極層を光電変換層により電気的に絶縁するためのパターニング用のセル端部下電極加工ラインを設け、かつ、前記光電変換層と透明電極層とは、前記セル端部下電極加工ラインの外側に光電変換部の側端まで延長して設けてなり、さらに、前記接続電極層は、前記側端から所定寸法幅の領域を、前記基板の裏面から除去してなるもの（請求項１の発明）とし、前記セル端部下電極加工ラインは、レーザー加工により形成し、また、前記接続電極層の除去される領域は、レーザー加工，超音波振動子による加工，サンドブラスト加工の内のいずれかの方法により形成することとした。従来は、基板の熱変形に伴う透明電極加工ラインのはみ出しによるリークが発生する問題があったが、この発明の場合には、セル端部透明電極加工ライン加工自体が不要であるので、この絶縁不良の問題を解消することができるとともに、装置コストが安くなり、かつ、スループットが向上する。さらに、フィルムヘの水分の進入が抑制される結果、対候性が向上する。以上により、低コストで信頼性の高い太陽電池を提供することが可能となる。
[図面の簡単な説明]

この発明の実施例に関わる薄膜太陽電池の構成図 従来の改良型ＳＣＡＦ構成に関わる薄膜太陽電池の構成図 ＳＣＡＦ型薄膜太陽電池の概略構成を示す斜視図 ＳＣＡＦ型薄膜太陽電池の製造工程の概略を示す図

図面に基づき、本発明の実施例について以下に述べる。
図１は、本発明の第１の実施例に関わる薄膜太陽電池の構成図であり、図１（ａ）は薄膜太陽電池の受光面側からみた平面図、図１（ｂ）は非受光面側からみた平面図、図１（ｃ）は図１（ａ）におけるａ−ａ断面図、図１（ｄ）は図１（ａ）におけるｂ−ｂ断面図である。
図１において、図２と同一機能部材には同一番号を付して示す。図１と図２との基本的相違点は、セル端部透明電極加工ライン１０ｂとセル端部接続電極加工ライン１２を設けずに、第３電極層３の一部領域（図１のｈ部）を完全に除去して、セル端部接続電極層除去領域１２aを設けるようにした点である。
次に、図１に示す太陽電池の作製手順について、一部図２の説明と重複するが、以下に述べる。ポリイミド、アラミド等の耐熱性プラスチックフィルムからなる基板１に、パンチによる加工で接続孔７を開け、表面に金属よりなる下電極層２、裏面に金属よりなる第３電極層３を形成したのち、集電孔８を開ける。従って、接続孔７の内壁には下電極２と第３電極層３の延長部が形成されているが、集電孔８の内部にはこれらの電極層は形成されていない。次に、下電極層２にレーザー加工を行い、ユニットセル間下電極加工ライン９ａおよびこれと直交あるいは任意の角度を保ってセル端部下電極加工ライン１０ａを形成する。

つづいて、基板１をステッピングロール方式の製膜装置に搬入し、光電変換層４、透明電極層５、第４電極層６を製膜する。その際、光電変換層４はｐｉｎ構造のアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、アモルファスシリコンゲルマニウム（ａ−ＳｉＧｅ）あるいは微結晶シリコンからなり、プラズマＣＶＤにより基板温度２００〜３００℃で形成される。また、透明電極層５としてはＩＴＯ，ＳｎＯ₂，ＺｎＯ等が、第４電極層６としてはＮｉ，Ｃｕ等が用いられ、それぞれスパッタリングあるいは蒸着により、それぞれ１５０〜２５０℃の温度で製膜される。この際、同時に、前述のように基板裏面にも回り込んだ光電変換層４が形成される。裏面への回り込みは光電変換層４に比べて透明電極層５の方が少ないため、透明電極層５は接続孔７、集電孔８周辺で電極層と短絡されることはない。また、第４電極層６は接続孔７の周辺をライン状のマスクで覆った状態で製膜される。これにより、集電孔８をとおして透明電極層５が第４電極層６に接続される。
次に、ユニットセル間下電極加工ライン９ａについて１本ごとに画像認識を行い、トレースするようにしてユニットセル間透明電極加工ライン９ｂを形成する。
透明電極層５と接続電極層としての第３電極層３は、フィルム基板１の厚さを介して近接するため、実使用時に電極のマイグレーションが発生して絶縁不良を引き起こす恐れがあり、これを避けるため、端部から少なくとも０．５ｍｍもしくはそれ以上の第３電極層３の一部領域（図１のｈ部）を完全に除去する。この除去方法としては、レーザー、超音波振動子あるいはサンドブラスト加工により、０．５ｍｍより大きい、例えば１ｍｍ以上の幅広加工を行い、最後にその加工ライン上を裁断すると良い。
この実施例によれば、セル面の端部付近の下電極加工ラインがａ−Ｓｉ系の膜で覆われるため、フィルム基板ヘの水分の進入をブロックすることによる対候性向上の効果もある。

１：基板、２：第１電極層（下電極層）、３：第３電極層、４：光電変換層、５：第２電極層（透明電極層）、６：第４電極層、７：接続孔、８：集電孔、９ａ：ユニットセル間下電極加工ライン、９ｂ：ユニットセル間透明電極加工ライン、１０ａ：セル端部下電極加工ライン、１０ｂ：セル端部透明電極加工ライン、１１：ユニットセル間接続電極加工ライン、１２：セル端部接続電極加工ライン、１２ａ：セル端部接続電極層除去領域。

Claims (4)

1. 電気絶縁性を有する基板の表面に下電極層としての第１電極層，光電変換層，透明電極層（第２電極層）を順次積層してなる光電変換部と、前記基板の裏面に形成した接続電極層としての第３電極層および第４電極層とを備え、前記光電変換部および接続電極層を互いに位置をずらして単位部分にパターニングしてなり、前記光電変換層形成領域内に形成した接続孔ならびに集電孔を介して、前記表面上の互いにパターニングされて隣合う単位光電変換部分（ユニットセル）を電気的に直列に接続してなる薄膜太陽電池において、
   前記光電変換部の前記直列接続方向に沿った外側端部に、前記第１電極層を光電変換層により電気的に絶縁するためのパターニング用のセル端部下電極加工ラインを設け、かつ、前記光電変換層と透明電極層とは、前記セル端部下電極加工ラインの外側に光電変換部の側端まで延長して設けてなり、さらに、前記接続電極層は、前記側端から所定寸法幅の領域を、前記基板の裏面から除去してなることを特徴とする薄膜太陽電池。
2. 請求項１に記載の薄膜太陽電池において、前記接続電極層の除去される領域の所定寸法幅は、少なくとも０．５ｍｍとすることを特徴とする薄膜太陽電池。
3. 請求項１または２に記載の薄膜太陽電池の製造方法であって、前記セル端部下電極加工ラインは、レーザー加工により形成することを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の薄膜太陽電池の製造方法であって、前記接続電極層の除去される領域は、レーザー加工，超音波振動子による加工，サンドブラスト加工の内のいずれかの方法により形成することを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。

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