JP4509219B1 - 導電性スポットを有する層を含んでいる光起電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光起電モジュール中のホットスポットの形成を防ぐ方法が提供される。
【解決手段】複数のセルを含んでおり、各セルが基板、透明導電体層、光起電層、および背面電極層を有し、該光起電層が少なくとも１のｐ−ｉ−ｎまたはｎ−ｉ−ｐシリコン層を含んでいる光起電（ＰＶ）モジュールにおいて、当該シリコン層が１ｃｍ^２当たり１０〜１０００個の再結晶化シリコンの導電性スポットを含んでおり、各導電性スポットが独立に１０〜２５００μｍ^２の表面を有することを特徴とする上記の光起電モジュール。該ＰＶモジュールは、ｐ−ｉ−ｎまたはｎ−ｉ−ｐシリコン層が局所的に加熱され、それによって当該シリコンがこれらのスポットにおいて転移され、その後該シリコンがこれらのスポットにおいて転移された状態において放置固化する方法によって得られることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のセルを含んでおり、各セルが基板、透明導電体層、光起電層、および背面電極層を有する光起電（ＰＶ）モジュールにおいて、該光起電層が少なくとも１のｐ−ｉ−ｎまたはｎ−ｉ−ｐシリコン層を含んでいる上記の光起電モジュール、ならびに当該光起電モジュールをつくる方法に関する。

直列接続された多くのセルから成るＰＶモジュールが部分的に遮光されると、光照射されたセルは遮光されたセル上に強い負（逆）電圧を生じさせることがある。これは特に、遮光されたセルが高い並列抵抗を有するときにそうである。遮光されたセルでは電流が発生しないので、モジュール電流はほとんど零であり、その結果遮光されたセルは光照射されたセルの開放電圧にさらされる。大規模な系では、このような電圧は非常に高いことがあり、その結果絶縁破壊電圧を容易に越えてしまう。遮光されたセル中に強い局所発熱が起きることがあり得て（ホットスポット）、これは遮光されたセルの局所損傷をもたらすことがある。最悪の場合には、これらのホットスポットは火災を引き起こすことがある。

ホットスポットを防ぐ最も普通の対処法は、特許文献１および２に記載されたように、一方向に比較的低い電圧で導電を開始しかつ他方向には絶縁するバイパスダイオードの施与である。しかし、バイパスダイオードの施与は高価である。特に比較的低い絶縁破壊電圧（典型的には＜８Ｖ）を有する薄膜ＰＶモジュールでは、バイパスダイオードによって保護されることができるセルの数は大きくない、すなわち薄膜ａ−Ｓｉの場合約１０未満である。

薄膜ＰＶモジュールの場合、モノリシックバイパスダイオードは、直列接続のための非常に複雑な工程という犠牲のもとにつくられることができる。

他の方法は、特許文献３に記載されたように、いわゆるＰＶシャントの適用である。この方法によると、直列接続されたセルから成るいくつかのモジュールが並列に接続される。１のモジュールが部分的に遮光されたときに、遮光されたセル上の逆電圧が、十分に光照射されたモジュールの電圧とともに減少される。しかし、直列および並列接続の組み合わせは、系の電圧を減少しかつ系の電流を増加するので、系の設計の自由度が制限される。

特許文献４には、部分的に遮光されたＰＶモジュールの電流電圧特性を適合化させる方法が記載されている。この方法によると、電流が増加し始めるまで、セルはバイアスされた交流電圧の増加にさらされる。適合化処理の後ではセルは非線形導電を示し、これは遮光されたセルが光照射されたセルの短絡電流を比較的低い電圧で導電することを許す。しかし、この方法は、ＰＶセル中にたまたまある、非線形導電を導入することができるスポットの存在に依存する。その上、すべてのセルとの直接接触が必要である。

特許文献５は、電子マイクロパターニングされたデバイス、特に太陽電池を製作する方法において、電極のうちの少なくとも１にパターンが設けられる方法を記載している。この参考文献では、遮光の問題は対処されていない。

非特許文献１は、ガラス基板上に多結晶シリコン薄膜を成長させる２段階手法を記載している。遮光の問題は対処されていない。

非特許文献２は、ホットスポット試験を実施する方法を記載している。ホットスポットの形成の防止については検討されていない。

米国特許第５，２２３，０４４号明細書 国際公開第２００５／１０１５１１号パンフレット 米国特許出願公開第２００３／０１５９７２８号明細書 欧州特許第１０７９４４１号明細書 米国特許第５，８１０，９４５号明細書

Ｄ．Ｔｏｅｔら、「Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ ｆｉｌｍｓ」、１９７７年、２９６巻、ｐ．４９〜５２ Ｊ．ＷｏｈｌｇｅｍｕｔｈおよびＷ．Ｈｅｒｒｍａｎｎ、「結晶シリコンモジュールのホットスポット試験」、太陽光発電専門家会議（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）、米国、ニュージャージー州、ピスカタウェイ、２００５年１月３〜７日、「ＩＥＥＥ」、米国、２００５年１月３日、ｐ．１０６２〜１０６３

したがって、ホットスポットを防ぐための、上述の不利点のいずれをも示さない対処法を提供することが本発明の目的であり、該方法は容易かつ安価な様式で適用されることができる。

明確に規定された同一の非線形導電性スポットを精密に規定された位置に導入することによって、薄膜ＰＶセルの電流電圧特性を適合化することによって、この目的が達成されることができることが今発見された。この目的を達成するために、本発明は、複数のセルを含んでおり、各セルが基板、透明導電体層、光起電層、および背面電極層を有し、該光起電層が少なくとも１のｐ−ｉ−ｎまたはｎ−ｉ−ｐシリコン層を含んでいる光起電（ＰＶ）モジュールにおいて、当該シリコン層が１ｃｍ^２当たり１０〜１０００個の再結晶化シリコンの導電性スポットを含んでおり、各導電性スポットが独立に１０〜２５００μｍ^２の表面積を有することを特徴とする上記の光起電モジュールに関する。

この方法は、ほとんどのＰＶセルが、両側に電極層を有する活性半導体層から成る事実に基づいている。光が該活性層に到達することができるように、これらの電極層のうちの少なくとも１は透明である。

本発明に従うと、ＰＶセルの活性層は局所的に加熱され、その結果該層は別の相に少なくとも部分的に転移する。転移された物質はＰＶ特性を失うが、熱の量を注意深く配量することによって半導体特性は保たれることができる。その結果、転移されたスポットは、２の電極層間の非線形導電路の役割を果たし、これは低電圧において比較的低い導電率および高電圧において比較的高い導電率を有する。もっと詳しくいうと、１Ｖの電圧におけるスポットの導電率は０．２ｍＡ／ｃｍ^２未満であり、他方、８Ｖの電圧における導電率は１０ｍＡ／ｃｍ^２超である。

本明細書では、転移された物質はときには再結晶化シリコンと表示され、その形成工程はときには融解およびそれに続く再結晶化と表示される。しかし、この記載は決して本発明の本質を限定するものとみなされてはならない。本発明の核心は導電性スポットの存在、および熱処理を手段とするその形成にあることは明らかであろう。それはシリコンの結晶形態に、または融解もしくは再結晶化が行われるか否かに存在するのではない。

局所発熱を最小限に抑えるために、このような非線形導電性スポットの多くは、スポット当たりの電流が小さくなるようにつくられなければならない。

非線形導電性スポットを通る電流は、奇数級数展開を用いて式（１）のように記述される。

式（１）中、J_{導電性スポット}（Ｖ）は、電圧Ｖにおいて導電性スポットを通る単位表面当たりの電流［Ａ／ｃｍ^２］であり、Ｖは２の電極間の電圧［Ｖ］であり、また１／Ｒ_ｎは級数展開のｎ次係数である。Ｒ_ｎの次元は［Ｖ^ｎ・ｃｍ^２／Ａ］である。

電圧Ｖ＝０の直接の周囲部分はほとんどＲ_１によって決定される、その隣接部分は同じようにＲ_３によって決定される、等々である。ＰＶセルのＪＶ曲線の主要部分の記述のためには、係数Ｒ_１およびＲ_３で十分である。Ｒ_１はできる限り高くなければならない。何故ならば、線形導電は低電圧においても損失を引き起こすからである。Ｒ_３は、絶縁破壊電圧未満の電圧において最大限可能な電流が伝導されるように選択されなければならない。

非線形導電性スポットの導入をしないと、２８セルを有するモジュールの場合、モジュールが短絡されたときに、遮光されたセル上の逆電圧は−１９Ｖという高さになることがある（Ｒ_１＝１０，０００、Ｒ_３＝１０，０００，０００）。セルの数が多くなるほど、遮光されたセル上の逆電圧は増加する。この大きい電圧は絶縁破壊電圧をはるかに超えている。非線形導電性スポットがあると（Ｒ_１＝２，５００、Ｒ_３＝１０，０００）、遮光されたセル上の電圧は−５Ｖまでに制限され、これは絶縁破壊電圧未満である。Ｒ_１は、Ｒ_３の導入に関連した減少を示す。通常の条件（遮光なし）下におけるＪＶ曲線は、非線形導電性スポットによってほとんど影響を受けない。セルの数が増加しても、モジュールが短絡されたときに、遮光されたセル上の逆電圧は約−５Ｖに留まる。

非線形導電性スポットがモジュールのすべてのセルに施与され、ｐ−ｉ−ｎまたはｎ−ｉ−ｐシリコン層が１ｃｍ^２当たり１０〜１０００個の再結晶化シリコンの導電性スポットを含んでおり、各導電性スポットが独立に１０〜２５００μｍ^２の表面を有すると、直列接続されたセルの数にかかわらず、遮光は損傷を引き起こさない。多数の均一に分配された導電性スポットが導入されるので、遮光されたセル内に消散されるエネルギーもＰＶセルの全体にわたって均一に分配される。単一のスポットの過熱が回避される。通常の条件下のモジュール性能は、非線形導電性スポットによってほとんど影響を受けない。

図１は、８セルモジュールの電圧に対する単一セルの電圧を示すグラフである（数値データは表２に示されている。）。 図２は、８セルモジュールの電圧に対する該モジュールの電流を表す、該モジュールのＪＶ曲線を示すグラフである（数値データは表２に示されている。）。

好まれる実施態様では、ＰＶモジュールは１ｃｍ^２当たり２０〜５００個の導電性スポット、より好ましくは１ｃｍ^２当たり３０〜３００個の導電性スポット、さらにより好ましくは１ｃｍ^２当たり８０〜１２０個の導電性スポットを含んでいるシリコン層を有する。他の好まれる実施態様では、ＰＶモジュールは、その中で導電性スポットが３０〜３００μｍ^２、好ましくは５０〜１５０μｍ^２、より好ましくは６０〜１２０μｍ^２の表面積を有するところのシリコン層を有する。

スポットは、通常の操作条件下における電流生成に寄与しないので、導電性スポットの全表面積は相対的に小さいことが好まれる。より詳しくは、導電性スポットの表面積と太陽電池の電流発生部分の表面積との比は、好ましくは０．０１：１未満、より好ましくは０．００１：１未満である。好まれる最小値として、０．００００１：１の比が挙げられることができる。

上記のＰＶモジュールをつくる方法を提供することが、本発明の他の目的である。非線形導電性スポットはいくつかの様式で得られることができる。１の様式は、長い電極に直接接触しているセル上に増加する交流電圧を印加することによって非線形スポットを得ることである。しかし、この様式によっては、該スポットはランダムに分配され、従ってスポットの特性がＰＶセルの活性層の局所の偶然の条件に左右される。

規定された位置においてＰＶセルの活性層に規定された量のエネルギーを届けることによって、明確に規定されたスポットが得られる。好まれる方法に従うと、ｐ−ｉ−ｎまたはｎ−ｉ−ｐシリコン層は、１ｃｍ^２当たり１０〜１０００個のスポットにおいて局所的に加熱され、各スポットが独立に１０〜２５００μｍ^２の表面積を有し、それによって当該シリコンがこれらのスポットにおいて少なくとも部分的に他の相に転移される。たとえば、これはパルスレーザーの集束ビームを用いて実施されることができ、この集束ビームの波長は集束ビームがＰＶセルの活性層中に吸収されるようなものである。アモルファスＳｉのＰＶセルでは、周波数倍増されたＱスイッチＮｄ−ＹＡＧ、Ｎｄ−ＹＦＬまたはＮｄ−ＹＶ０４のレーザーが使用されることができる（λ＝５３２ｎｍ）。このようなレーザーのパルス持続時間は短く、典型的には５０ｎｓ（ナノ秒）未満、より典型的には約１５ｎｓであり、その結果、直接照射されたスポットは熱伝導による損失なくすべてのエネルギーを吸収する。パルスエネルギーは狭い範囲内で一定であり、かつ合焦点におけるビームウェストの直径は式（２）に従う小さいものであることができる。

式（２）中、ｄはビームウェストの直径であり、
λはレーザー光の波長であり、
Ｆは集束レンズの焦点距離であり、および
Ｄは集束レンズに入る前の平行レーザービームの直径である。

Ｄ＝５ｍｍ、Ｆ＝１００ｍｍおよびλ＝５３２ｎｍでは、ｄ＝１３μｍとなる。ビームウェストにおいてレーザービームはガウス分布強度プロフィールを有し、その結果、該レーザーを用いてつくられる非線形スポットのサイズはこれよりもなお一層小さい。

本発明は、以下の本発明の特定の実施態様の非限定的記載によってさらに例示される。

小さいサイズのモジュール（１ｘ７．５ｃｍ^２の８個のセル）およびこれより大きいモジュール（１ｘ３０ｃｍ^２の２８個のセル）が、ＮＤ−ＹＶ０４パルスレーザーで処理された。セルごとに一列の非線形導電性スポット（２のスポット間の間隔は５０μｍ）がつくられた。

レーザー処理はセルの非線形導電性を導入し、これは式（１）のＲ_ｎの値によって特性付けられることができる。Ｒ_ｎを決定する方法が以下に記載される。単一のセルのＪＶ曲線は、周知のダイオード方程式（Ｓ．Ｒ．Ｗｅｎｈａｍら、「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ」、ＩＳＢＮ ０ ８６７５８ ９０９ ４、ｐ．３３）で記述されることができ、この方程式は光誘起電流および非線形直列抵抗を表す項によって拡張される。すなわち、
（式（３））

式（３）中、Ｊは電流密度［Ａ／ｍ^２］であり、
Ｊ_０は暗電流密度［Ａ／ｍ^２］であり、
Ｊ_Ｌは光誘起電流密度［Ａ／ｍ^２］であり、
ｑは単位電荷量であり、
ｋはボルツマン定数であり、
ｎはダイオード理想因子であり、
Ｔは温度［Ｋ］であり、および
Ｖはセル当たりの電圧である。

十分に光照射されたモジュールのＪＶ曲線は、通常のセルのＲ_ｎの様々な値に対してわずかに影響を受けるだけである。セルのうちの１が遮光されると、ＪＶ曲線は大きく変化する。遮光されたセルの光誘起電流は（ほとんど）零である。光照射されたセルは、遮光されたセル上に逆電圧を印加し、これは外部電源によって変化する。遮光されたセルは、モジュールの光照射されたセルへの一種の負荷抵抗として働く。光照射されたセルの理論的ＪＶ曲線は、セルが強く短絡されない限りＲ_ｎに対して敏感でない。逆に、遮光されたセルのＪＶ曲線はＲ_ｎに強く依存し、また１の遮光されたセルを有するモジュールのＪＶ曲線もそうである。

最初に、十分に光照射されたモジュールのＪＶ曲線が測定される。Ｒ_ｎを含む平均のセルパラメータがその曲線から決定される。次に、１のセルを遮光しながら、モジュールのＪＶ曲線が記録される。遮光されたセルのＲ_ｎの値が曲線当てはめ法によって得られる。遮光されたセルの光誘起電流Ｊ_{Ｌ、遮光されたセル}＝０であり、遮光されたセルのＲ_ｎのみが適正な曲線当てはめを得るために適合化されなければならない。曲線当てはめ法から得られたＲ_１およびＲ_３の平均値ならびに遮光されたセルのＲ_１およびＲ_３の値が表１に記載されている。

Ｒ_１の平均値の減少は現実のものであるが、Ｒ_３の平均値のそれは多かれ少なかれ任意的である。何故ならば、十分に光照射されたモジュールの計算された曲線はＲ_３の値によってほとんど影響を受けないからである。遮光されたセルのＲ_１およびＲ_３の減少は、許容される精度をもって決定される。Ｒ_５は、Ｒ_５の値が十分に大きく選択される限り、ＪＶ曲線の関連する部分を当てはめるのに重要な役割を演じない。

個々のセルのＲ_１およびＲ_３の値は、レーザー処理工程の品質の特性を示すために使用されることができる。適正に作用するセルを表す値の範囲が、双方のパラメータについて規定されることができる。すなわち、Ｒ_１＞１０００、特にＲ_１＞２０００、および１０００＜Ｒ_３＜５００００、特に１００００＜Ｒ_３＜５００００である（これらの値は変えられることができる。）。

表２は、８個のセルのモジュールのＪＶ曲線を示す。第一の列はモジュール電圧を示す。第二および第三の列は、（遮光しない場合の）モジュール電圧に対する、モジュール電流および１のセル上の電圧をそれぞれ示す。第四および第五の列は、（１のセルが遮光された場合の）モジュール電圧に対する、モジュール電流、および遮光された基準となるセル上の電圧をそれぞれ示す。第六および第七の列は、（１のセルが遮光された場合の）モジュール電圧に対する、モジュール電流、および遮光された、導電性スポットを有するセル上の電圧をそれぞれ示す。

遮光された、導電性スポットを有するセル上の逆電圧は制限され、他方、遮光された基準となるセル上の電圧はモジュール電圧とともにほとんど直線的に増加することが明らかである。

Claims (6)

1. 複数のセルを含んでおり、各セルが基板、透明導電体層、光起電層、および背面電極層を有し、該光起電層が少なくとも１のｐ−ｉ−ｎまたはｎ−ｉ−ｐシリコン層を含んでいる光起電（ＰＶ）モジュールにおいて、当該シリコン層が１ｃｍ^２当たり１０〜１０００個の再結晶化シリコンの導電性スポットを含んでおり、各導電性スポットが独立に１０〜２５００μｍ^２の表面積を有することを特徴とする上記の光起電モジュール。
2. シリコン層が、１ｃｍ^２当たり２０〜５００個の導電性スポット、好ましくは１ｃｍ^２当たり３０〜３００個の導電性スポット、より好ましくは１ｃｍ^２当たり８０〜１２０個の導電性スポットを含んでいる、請求項１に従うＰＶモジュール。
3. 導電性スポットが、３０〜３００μｍ^２、好ましくは５０〜１５０μｍ^２、より好ましくは６０〜１２０μｍ^２の表面積を有する、請求項１または２に従うＰＶモジュール。
4. ｐ−ｉ−ｎまたはｎ−ｉ−ｐシリコン層が、１ｃｍ^２当たり１０〜１０００個のスポットにおいて局所的に加熱され、各スポットが独立に１０〜２５００μｍ^２の表面積を有し、それによって該ｐ−ｉ−ｎまたはｎ−ｉ−ｐシリコンがこれらのスポットにおいて転移されて導電性スポットを形成する、請求項１〜３のいずれか１項に従うＰＶモジュールをつくる方法。
5. 加熱が、パルスレーザーによって実施される、請求項４に従う方法。
6. 加熱が、５２０〜５５０ｎｍの波長λおよび５０ｎｓ（ナノ秒）未満のパルス持続時間を有する、周波数倍増されたＮｄ−ＹＡＧ、Ｎｄ−ＹＬＦ、またはＮｄ−Ｖ０４のレーザーによって実施される、請求項５に従う方法。

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