JP4646532B2 - 薄膜のパターニング方法およびパターニング装置、ならびに薄膜太陽電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、薄膜のパターニング方法およびパターニング装置、ならびに薄膜のパターニング方法を利用した薄膜太陽電池の製造方法に関する。

一般に薄膜太陽電池は、ガラスなどの絶縁透光性基板上にＳｎＯ₂（酸化スズ）やＩＴＯ（酸化インジウム）などの透明導電膜が形成され、その上に非晶質半導体のｐ層、ｉ層、ｎ層がこの順に積層されて光電変換層が形成され、その上に金属薄膜裏面電極が積層されてなる構造と、金属基板電極の上に非晶質半導体のｎ層、ｉ層、ｐ層がこの順に積層されて光電変換層が形成されその上に透明導電膜が積層されてなる構造とがある。これらのうちｐ−ｉ−ｎ層の順に積層する方法は、絶縁透光性基板が太陽電池表面カバーガラスを兼ねることができること、また、ＳｎＯ₂などの耐プラズマ性透明導電層が開発されて、この上に非晶質半導体光電変換層をプラズマＣＶＤ法で積層することが可能となったこと等から多用されるようになり現在の主流となっている。

この薄膜太陽電池の裏面電極層としては、Ａｇ、Ａｌなど反射率の高い材料が使用され、また光電変換層と裏面電極の間に透明電極を挟むことで太陽電池の変換効率を向上させる方法も併せて用いられる。この際、透明電極にはＺｎＯ、ＩＴＯなどが使用される。

また大面積化を行うためには、レーザを用いて集積化を行い、直列接続するのが一般的な方法である。この構造はガラス基板などの透過性絶縁基板上にＳｎＯ₂やＩＴＯ、ＺｎＯなどの透明導電膜を形成し、レーザ加工により短冊状に分離し、その後超音波洗浄などの洗浄を行う。その上に光電変換層を形成し、レーザ加工により短冊状に分離する。次いでＺｎＯ／Ａｇなどの裏面電極層を形成し、レーザ加工を行い、その後超音波洗浄を行う。その後、裏面電極をＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）などの接着材料を用いて、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムなどのフィルムを用いて裏面を封止する。

これまで、薄膜太陽電池の光電変換層としては、非晶質のアモルファスシリコンのみで形成された膜厚０．２〜０．５μｍのものが主流であった。しかし近年、効率を向上させるために光電変換層に微結晶シリコンなどの結晶シリコン薄膜を利用するようになった。この結晶シリコン薄膜は光吸収係数が小さいため２〜３μｍの膜厚を必要とする。そのため、膜の応力が大きくなり、ガラス基板の撓み量も大きくなり、レーザ加工において、加工の安定性に問題が生じる。さらにガラス基板として大きなものを用いると、撓み量が大きくなる傾向にある。このような問題を解決するために、特許文献１では下方から反り矯正部材である非駆動式基板支持材３２で、基板を保持する方法が提案されている（図１３）。しかし、このような方法で加工を行うと、用途に応じた所望する電圧を得るために、集積ピッチを変更する必要があり、そのたびに非駆動式基板支持材３２の位置をずらす必要があり手間がかかる。

また、図７には、発電領域内において、レーザ加工により膜の一部が除去され、光透過用開口部９が設けられた薄膜太陽電池（以下、「シースルー型薄膜太陽電池」と呼称する）の平面図を示す。このシースルー型薄膜太陽電池は、図７のＡ−Ａ’断面構造が図８に示す構造を有する太陽電池と、図９に示す構造を有する太陽電池とに分別できる。このシースルー型薄膜太陽電池は、意匠性に優れているという観点から、商品化が近年活発に行われている。このようなシースルー型薄膜太陽電池においては、所望する開口率にもよるが、開口部のピッチＷ２が０．５ｍｍ〜３ｍｍ程度と通常の集積ピッチＷ３の６ｍｍ〜１２ｍｍと比較してかなり狭いために、なおさらに反り矯正部材の位置を固定するのが困難となる。

また、このようなシースルー型薄膜太陽電池は、３層合わせガラスで使用される場合が多いが、太陽電池用基板１の膜厚を軽量化のため薄くする必要があり、そのため基板１の反り量は大きくなる。さらに、シースルー型太陽電池は意匠性に優れている必要があり、反りが大きいと開口部９の幅Ｗ１に斑ができやすく、加工後に例えば図１２に示すような斑が見えて見栄えが悪くなる。したがって、反り矯正部材の本数を増加させる必要があり、なおさら位置合わせが困難となる。
特開２００２−２８０５７８号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、レーザ加工性を簡便に安定させ歩留まりに優れたパターニング方法、およびそれを利用した薄膜太陽電池の製造方法、ならびに薄膜パターニングのためのパターニング装置を提供することである。

本発明の薄膜のパターニング方法は、薄膜が形成された基板にレーザ光を照射して薄膜をパターニングする方法であって、基板の薄膜が形成されていない側に当接する複数の保持部材にて基板を保持し、保持部材が当接している領域に相当する領域に光が照射された際に、直線状に並ぶ複数の保持部材の前記基板に当接する先端部が基板面に沿って移動することを特徴とする。

本発明において、光照射の際に移動していた保持部材の先端部が、光が照射されなくなった際に、元の位置に戻ることが好ましい。

また、本発明は、少なくとも絶縁透光性基板、表面電極、光電変換層、裏面電極からなり、前記絶縁基板上で複数の発電領域に分断され、直列接続されてなり、前記発電領域内に少なくとも前記光電変換層および裏面電極を部分的に除去した光透過用開口部を設けた集積型薄膜太陽電池を製造する方法であって、前記光透過用開口部を、上述した本発明の薄膜のパターニング方法にて形成することを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法をも提供する。

本発明はさらに、表面側に薄膜が形成された基板にレーザ光を照射して薄膜をパターニングするのに用いられるパターニング装置であって、薄膜をパターニングするためのレーザ光を照射する光照射手段と、基板の薄膜が形成されていない側に当接して基板を保持する複数の保持部材であって、基板に当接するその先端部が基板面に沿って移動する保持部材と、保持部材で保持された基板に対して光照射手段によりレーザ光を照射して薄膜をパターニングする際に、直線状に並ぶ複数の保持部材の先端部が移動するように制御する制御部とを少なくとも備えるパターニング装置も提供する。

本発明によれば、従来と比較して格段に精度よくレーザ加工を行うことができる。特に、本発明を利用してシースルー型の薄膜太陽電池の光透過用開口部を形成すると、斑が形成されることなく優れた外観を有する薄膜太陽電池を提供することが可能である。

図１は、本発明の薄膜のパターニング方法の好ましい一例を模式的に示す正面図であり、図２は図１に示す構成物の上面図である。本実施形態の薄膜のパターニング方法は、薄膜が形成された基板表面側に光を照射して薄膜をパターニングする方法であって、基板の薄膜が形成されていない裏面側に当接する複数の保持部材２１にて基板１００を保持してなり、保持部材２１が当接している領域に相当する基板表面側の薄膜上の領域に光が照射された際に、保持部材２１の前記基板１００に当接する先端部が下方または基板面に沿って移動可能であることを特徴とする。図１には、基板１００の保持部材２１が当接している領域に相当する基板表面側の薄膜上の領域に光が照射された際に、保持部材２１の先端部が下方に移動可能であるように実現された例のパターニング方法を示している。このような本実施形態の薄膜のパターニング方法によれば、従来と比較して格段に精度よくレーザ加工を行うことができ、結果としてレーザ加工性を簡便に安定させ歩留まりに優れた薄膜のパターニング方法を提供することができる。

本実施形態は、薄膜が形成された基板表面側にレーザ光を照射して、薄膜のパターニングを行うことを前提とする。薄膜としては、レーザ光によってレーザスクライブ可能なものであればよく、基板上に単層形成されていても複数層形成されていてもよい。薄膜の形成材料としては、たとえば、従来公知のアモルファスシリコン、微結晶シリコン、酸化錫（ＳｎＯ₂）および酸化インジウム（ＩＴＯ）などの透明電極、アルミニウムおよび銀などの金属薄膜などから選ばれる１種以上が挙げられる。本実施形態の薄膜のパターニング方法において、薄膜は、基板表面側の少なくとも一部に形成されていればよく、基板表面側の全面にわたって形成されている必要はない。

本実施形態における基板は、その一面に薄膜を形成可能なものであれば特に制限されるものではないが、一般に太陽電池に用いられる、透光性および絶縁性を有する基板（絶縁透光性基板）を好適に用いることができる。絶縁透光性基板としては、ガラス、石英、透明性を有するプラスチックなどを材質として用いた基板が挙げられる。また、基板の形状および大きさにも特に制限はないが、本実施形態のパターニング方法においては、断面方形状の基板であって、たとえば、板厚が１．１ｍｍの青板ソーダガラスを使用した場合、撓みが生じやすい比較的面積の大きな４５０ｍｍ×６５０ｍｍ程度の大きさのものであれば特に顕著な効果を発揮し得るため、好ましい。

本実施形態のパターニング方法において用いられるレーザ光としては、パターニングする薄膜の種類に応じて適宜選択すればよく、特に制限されるものではない。一般に太陽電池の製造方法において用いられるレーザ光、たとえばＹＡＧレーザやＹＶＯ₄レーザの基本波、第２高調波および第３高調波を使用したレーザやエキシマレーザなどが、本実施形態のパターニング方法においても好適に使用できるレーザ光として例示できる。また、レーザ射出口と照射面との距離、照射面におけるレーザの径およびレーザ照射時間などは、パターニングの形状などに応じて適宜選択すればよい。

本実施形態の薄膜のパターニング方法においては、保持部材２１は、基板の薄膜が形成されていない裏面側に当接するようにして基板を保持するならば、その配置には特に制限はない。かかる保持部材の配置は、基板の撓み量を決める基板サイズ、基板の板厚および光電変換層の膜厚などを基にして、適宜選択することができ、保持部材によって特定の部位に不所望な荷重が付加されないよう概ね均一に分散された状態でそれぞれ基板を保持するように配置されているのが好ましい。図１および図２に示す例においては、たとえば、断面方形状の基板の厚み方向に垂直な互いに垂直に交わる二辺に沿ったそれぞれの方向（図２中、第一幅方向Ｘ、第二幅方向Ｙ）それぞれについて、互いに同程度の間隔をあけて正方行列状に保持部材２１が配置されてなる例を示している。具体的には、第一幅方向Ｘに関しては、保持部材２１同士の中心間距離がＷ６、第一幅方向Ｘに関し一番端に位置する保持部材２１の中心から端辺までの距離がＷ５となるように配置され、第二幅方向Ｙに関しては、保持部材２１同士の中心間距離がＷＢ、第二幅方向Ｙに関し一番端に位置する保持部材２１の中心から端辺までの距離がＷＡとなるように配置されてなる。ここで、基板の大きさ、基板の厚みおよび使用するレーザの加工深度などにより、各間隔は適宜選択する必要がある。各間隔の選定が適切でなければ、加工斑が生じ、外観に問題が生じたり、特性の低下に繋がる虞があるためである。

保持部材２１は、基板の薄膜が形成されていない裏面側に当接するようにして基板を保持し、保持部材が当接している領域に相当する基板表面側の薄膜上の領域に光が照射された際に、保持部材の前記基板に当接する先端部が下方または基板面に沿って移動可能であるように実現される。また、本実施形態のパターニング方法において、保持部材２１は、前記基板表面側の薄膜上の領域にレーザ光が照射されなくなった際には、先端部が元の位置に戻るように形成されてなるのが好ましい。これにより、安定かつ簡便に薄膜のパターニングを実現することができるからである。

図１には、保持部材２１が、周辺部保持部材２３ａと、その内部に格納された駆動保持部材２３ｂとを備え、駆動保持部材２３ｂが上下方向に駆動されるように構成されてなることによって、上述したように保持部材の基板裏面側に当接する先端部が下方に移動可能であるように実現された例を示す。周辺部保持部材２３ａは、たとえば筒状物（シリンダ）で実現され、その開口から駆動保持部材２３ｂが挿入され、基板を保持する際に上下方向に駆動されるように構成される。かかる構成によって保持部材を実現することで、高さ方向（上下方向）への調整が簡便で、しかも、容易に上下方向の駆動を実現できるというような利点がある。

本実施形態の薄膜のパターニング方法においては、複数の保持部材のうち、特定の保持部材の先端部が下方に移動した際に、他の保持部材の先端部が、前記特定の保持部材の先端部と同じ移動量で上方に移動することが好ましい。たとえば、図３に示すように保持部材２０間の間隔Ｗ３が、レーザ照射の際に保維部材の先端部が下方に移動することによって基板１００の撓み加工に影響を与えるほど大きい場合、図４に示すように、基板１００が下がった高さＷ７分、その他の保持部材で補えるように、隣の保持部材の先端部が上方に移動し、レーザ加工面での平面度を維持する構成であってもよい。この場合、各保持部材の先端部はモータで駆動させる構造などが適応できる。

図５は、本発明の薄膜のパターニング方法の好ましい他の例を模式的に示す正面図である。上述した図１〜図４においては、保持部材が当接している領域に相当する基板表面側の薄膜上の領域に光が照射された際に、保持部材の前記基板の裏面側に当接する先端部が下方に移動可能であるように実現された例を示したが、保持部材は、先端部が基板面に沿って移動可能であるように実現されてもよい。図５には、周辺部保持部材２３ａと、当該周辺部保持部材から略水平方向に突出した駆動部保持部材２３ｂが中途で屈曲してその先端部が基板に当接するようにして基板を保持し得るように構成された例を示す。かかる場合、保持部材が当接している領域に相当する基板表面側の薄膜上の領域に光が照射されると、先端部が基板面に沿って移動することができ、これにより従来と比較して格段に精度よくレーザ加工を行うことができる。したがってかかる構成によっても、結果としてレーザ加工性を簡便に安定させ歩留まりに優れた薄膜のパターニング方法を提供することができる。

図６は、本発明の薄膜のパターニング装置の好ましい一例を示す模式図である。本実施形態は、表面側に薄膜が形成された基板にレーザ光を照射して薄膜をパターニングするのに用いられるパターニング装置であって、薄膜をパターニングするためのレーザ光を照射する光照射手段と、基板の薄膜が形成されていない裏面側に当接して基板を保持する複数の保持部材であって、基板に当接するその先端部が下方（好ましくは、上下方向）または基板面に沿って移動可能である保持部材とを少なくとも備えるパターニング装置も提供する。

図６には、たとえば、上述したように保持部材２１が、周辺保持部材２３ａと、その内部に格納された駆動保持部材２３ｂとを備え、駆動保持部材２３ｂが上下方向に駆動されるように構成されてなる例を示している。図６に示す例において、パターニング装置は、各保持部材に連結された電磁弁を備え、この電磁弁にエアを導入、排出することによって、電磁弁と保持部材２１とを連結するエア配管２２を介して、駆動保持部材２３ｂの上下方向の駆動が行われるように構成される。保持部材２１の配置は、上述したように任意に決定することができるが、対応する基板の品種ごとに保持部材の配置を予め決定した電磁弁を含めたステージを作製しておき、ステージにセットできるようにしておくことで、基板の品種の交換の作業性が向上されるという利点がある。

駆動保持部材２３ｂは、当接する基板の材質に応じて、先端部の形成材料を適宜選択する。たとえば、後述するようにレジスト層に当接して基板を保持する場合、先端部が磨耗しにくい材料にて形成されてなるのが好ましく、また、剥き出しになった銀電極などに当接して基板を保持する場合、先端部が電極を傷つけにくい材料であって、面状に支持するよりも点状に支持するような形状に形成されてなるのが好ましい。当該先端部は、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロアルコキシ、エチレンテトラフルオロエチレンなどから選ばれるいずれかの樹脂材料にて形成されてなるのが好ましい。樹脂材料で形成されることにより、裏面側への傷が付きにくいという利点があるためである。樹脂材料は、裏面電極の材質に合わせて適宜選択することが好ましい。レジスト層で裏面側がコートされている場合には、駆動保持部材２３ｂは、基板に当接するその先端部が、ウレタンゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴム、シリコンゴムなどのシート状の部材などで被覆されたものであってもよい。この場合は、駆動保持部材２３ｂ自体は、金属材料など樹脂以外の材料にて形成されていてもよい。

本実施形態のパターニング装置においては、その保持部材の先端部の移動を自動で行い得るように制御されるように実現されていてもよい。図６に示す例では、上記電磁弁を介し各保持部材の駆動保持部材の上下駆動を制御し得、かつ、光照射手段（図示せず）を介して薄膜へのレーザ照射を制御し得る制御部をさらに備える。制御部により光照射手段に指令を送るタイミングは、加工ピッチなどを考慮して適宜決定する必要がある。たとえば、図２に示したように保持部材を配置した場合において、第二幅方向Ｙに関してのみ加工を行う場合には、第一幅方向Ｘのみの座標で指示を送るように設定する。すなわち、第一幅方向Ｘに関する座標（Ｘ座標）の１から１１までにおいてＸが同じ位置にある駆動保持部材は同じ動作をするように設定し、光照射手段によるレーザ光照射領域のＸ座標が±５ｍｍ以内にあるとき、駆動保持部材が下方に移動するように設定することができる。具体的には、図２においてＸ座標が５（Ｘ＝３７７．５）である６個の駆動保持部材は、光照射手段によるレーザ光照射領域がＸ＝３７２．５から３８２．５にある場合は、駆動保持部材が下方に移動し、それ以外のときは、駆動保持部材が上方に移動することによって、基板を保持することとなる。また、各々の駆動保持部材に独立性をもたし、Ｘ，Ｙの座標で独立的に制御するようにしても勿論よい。たとえば、光照射手段によるレーザ光照射領域が駆動保持部材の周辺の１０ｍｍ以内にある場合、駆動保持部材が下方に移動するように設定を行った場合、図２においてＸが３でＹがＣにある駆動保持部材に関して座標が（Ｘ，Ｙ）＝（２２７．５，２４０）であり、（Ｘ，Ｙ）＝（２１７．５，２３０）、（２１７．５，２５０）、（２３７．５，２５０）、（２３７．５，２３０）の４点で囲まれた正方形内に光照射手段によるレーザ光照射領域が位置すれば、駆動保持部材が下方に移動するように指示するようにしてもよい。

本発明は、また、上述した本発明の薄膜のパターニング方法を利用して、薄膜太陽電池を製造する方法をも提供する。すなわち、本発明の薄膜太陽電池の製造方法は、少なくとも絶縁透光性基板、表面電極、光電変換層、裏面電極からなり、前記絶縁基板上で複数の発電領域に分断され、直列接続されてなり、前記発電領域内に少なくとも前記光電変換層および裏面電極層を部分的に除去した光透過用開口部を設けた集積型薄膜太陽電池を製造する方法であって、前記光透過用開口部を、上述した本発明の薄膜のパターニング方法にて形成することを特徴とする、薄膜太陽電池の製造方法である。かかる本発明の薄膜太陽電池の製造方法によれば、光透過用開口部に図１２または図１４に示したような斑が形成されることなく優れた外観を有する薄膜太陽電池を提供することが可能である。なお、光透過用開口部に斑が形成されていないことは、ソーラーシミュレーターを照射した状態で薄膜太陽電池の開口部を観察することで確認することができる。

本実施形態の薄膜太陽電池の製造方法は、光透過用開口部を上記実施形態の薄膜のパターニング方法を形成する以外は、従来と同様の製造工程によって行われる。すなわち、従来と同様に、（１）表面電極形成工程、（２）表面電極パターニング工程、（３）光電変換層形成工程、（４）光電変換層パターニング工程、（５）裏面電極形成工程、（６）裏面電極パターニング工程を経た後、本実施形態の特徴である（７）開口部形成工程を経て、薄膜太陽電池を製造する。以下、本実施形態の薄膜太陽電池の各工程について、順に詳述する。

（１）表面電極形成工程
まず、絶縁透光性基板上に表面電極を形成する。絶縁透光性基板としては、上述したようなガラス、石英、透明性を有するプラスチックなどを材質として用いた基板が挙げられる。この絶縁透光性基板上に形成する表面電極は、導電性および透光性を有していれば、特に限定されず、一般に太陽電池に用いられる表面電極を使用することができる。表面電極としては、透明性および導電性を有する材質からなる膜状の電極（本明細書において、「透明導電膜」と呼称する）が好ましい。ただし、表面電極は、全ての部位が透光性を有する必要はなく、少なくとも一部の部位が透光性を有し、太陽光発電に必要とされる量の光を透過することのできる透明性を有していれば使用可能である。すなわち、金属などの透光性を有さない材質を用いた電極であっても、たとえば構造が格子状であれば透光性を有するため、本実施形態に用いる表面電極として使用可能である。

表面電極の具体例としては、酸化スズや酸化亜鉛やＩＴＯなどを材質として用いた透明導電膜が挙げられる。ここで、酸化スズには、ＳｎＯ₂だけでなく、Ｓ_mＯ_n（ここで、ｍおよびｎは正の整数）で表わされる各種組成の酸化スズが含まれるものとする。また、酸化亜鉛には、ＺｎＯだけでなく、Ｚｎ_m'Ｏ_n'（ここで、ｍ’およびｎ’は正の整数）で表わされる各種組成の酸化亜鉛が含まれるものとする。また、ＩＴＯとは、Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅの略称であり、インジウムスズ酸化物を意味する。ここで、ＩＴＯとＳｎＯ₂とも透光性の点では特に差異は少ないが、一般的に比抵抗の低さではＩＴＯが優れており、化学的な安定性ではＳｎＯ₂が優れていると考えられている。また、ＺｎＯはＩＴＯに比べて材料コストが低いという利点がある。さらに、ＳｎＯ₂はａ−Ｓｉ膜形成時にプラズマによる表面の還元が問題となる場合があるのに対してＺｎＯは耐プラズマ性が高い。またＺｎＯは長波長光の透過率も高いという利点もある。また、表面電極がＺｎＯを含む材質からなる透明導電膜からなる場合には、透明導電膜の低抵抗化のためにＡｌ、Ｇａなどの不純物をドープしてもよい。これらのうちでは、より低抵抗化する性質に優れたＧａをドープすることが好ましい。

表面電極形成工程は、表面電極が金属電極であるか透明導電膜であるかで工程が異なる。表面電極が金属電極である場合には、表面電極形成工程として、物理的製法を用いることができる。物理的製法としては、特に限定されるものではないが、たとえば、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法などが挙げられる。そして、これらの製造方法のうちでは、品質などの面から、スパッタリング法を用いることが好ましい。また、表面電極が透明導電膜である場合には、表面電極形成工程として、化学的製法または物理的製法を用いることができる。化学的製法としては、特に限定されるものではないが、たとえば、スプレー法、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法などが挙げられる。一般に、化学的製法は、塩化物や有機金属化合物の熱分解、酸化反応によって基板上に酸化膜を形成する方法で、プロセスコストが安いという利点を持つ。また、物理的製法としては、たとえば、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法などが挙げられる。一般に、物理的製法は、化学的製法に比べ基板温度が低く、良質の膜形成が可能であるが、成膜速度が遅く、装置費用が高くなるなどの傾向を有する。

（２）表面電極パターニング工程
次に、上記（１）の工程で形成した表面電極をパターニングして、表面電極分離ラインを形成する。パターニングの手法は特に限定されず、正確にパターニングが可能な手法であれば、一般に金属電極あるいは透明導電膜のパターニングに用いられる手法を好適に使用可能である。たとえば、樹脂マスクや金属マスクなどを用いたエッチングによって表面電極のパターニングを行なってもよい。しかし、このような方法では、積層構造の形成に多くのプロセスを必要とし、しかも取扱い得る基板の寸法に制約があり、太陽電池の基板内の発電領域の有効面積が小さくなりやすく、ウェットプロセスのため光電変換層中にピンホールが発生しやすく、曲面基板ではパターニングが難しいなどの問題点がある。

そのため、表面電極パターニング工程では、レーザの照射による加熱を利用したパターニング（レーザパターニング）を行なうことが好ましい。このようなレーザパターニングを行なうことにより、積層構造の形成に要する工程の減少を図ることができ、大面積の基板上に太陽電池を製造することができ、曲面状などの任意の形状の基板上に太陽電池の製造が可能であり、薄膜太陽電池の基板内の発電領域の有効面積が増大でき、連続一貫生産および自動化生産に適するという利点がある。ここで、レーザパターニングに用いるレーザとしては、特に限定されるものではなく、一般に太陽電池の製造方法において用いられるレーザを用いることができ、たとえばＹＡＧレーザの基本波が例示される。なお、表面電極パターニング工程の後、後述する光電変換層形成工程を行なう前に、基板および表面電極を純水にて超音波洗浄することが好ましい。

（３）光電変換層形成工程
続いて、上記（２）の工程でパターニングを施した表面電極上に、光電変換層を形成する。光電変換層は、半導体膜を積層した構造を有し、光電変換性を有していれば、特に限定されない。かかる光電変換層の材質としては、半導体であれば、一般に太陽電池の光電変換層に用いられる材質を用いることができるが、具体例としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＧａＡｓ、ＳｉＳｎなどの半導体を使用することができる。これらのうちでは、シリコン系の半導体であるＳｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣなどを用いることが好ましい。また、光電変換層は、上記半導体膜が複数積層された構造を有していてもよい。上記複数積層される場合、各半導体膜の材料および構造は、互いに同じであっても異なっていてもよい。

光電変換層の材質である半導体は、微結晶または多結晶型などの結晶半導体であってもよく、アモルファス型などの非晶質半導体であってもよい。ここで、非晶質半導体および多結晶型半導体としては、局在準位の原因となるダングリングボンドを水素で終端した化学構造を有する、水素化された半導体を用いることが好ましい。

さらに、光電変換層の半導体膜は、ｐ型、ｉ型、ｎ型の三層構造を有するのが好ましい。ｐ型およびｎ型の半導体は、当分野にて従来より広く行われているように、所定の不純物をドープすることにより形成することができる。また、三層構造は、光入射面側から順にｐ層とｉ層とｎ層とが積層したｐ−ｉ−ｎ型の構造であることが好ましい。

光電変換層は、半導体膜の剥離を防止し得る観点から、絶縁透光性基板側から順に、アモルファスシリコン膜および微結晶シリコン膜が積層されて形成されたものであるのが好ましい。具体的には、絶縁透光性基板側から、表面電極を介して、水素化アモルファスシリコン系半導体（ａ−Ｓｉ：Ｈ）のｐ−ｉ−ｎ型の三層構造で形成された上部光電変換層（上部セル）と、水素化微結晶シリコン系半導体（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）のｐ−ｉ−ｎ型の三層構造で形成された下部光電変換層（下部セル）とが積層されてなる、いわゆるタンデム構造で実現されるのが好ましい。

光電変換層は、従来公知の適宜の手法にて形成することができ、その形成方法は特に制限されるものではない。たとえば、化学的製法または物理的製法にて光電変換層を形成することができる。

光電変換層形成工程における化学的製法としては、たとえば、スプレー法、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法などが挙げられる。一般に、半導体の化学的製法は、シランガスなどの原料ガスの熱分解、プラズマ反応などによって基板上に半導体膜を形成する方法で、プロセスコストが安いという利点を持つ。

また光電変換層形成工程における物理的製法としては、たとえば、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法などが挙げられる。一般に、物理的製法は、化学的製法に比べ基板温度が低く、良質の膜形成が可能であるが、成膜速度が遅く、装置費用が高くなるなどの傾向を有する。これらの製造方法のうちでは、品質などの面から、プラズマＣＶＤ法を用いることが好ましい。

上記手法により、ｐ型、ｉ型、ｎ型の三層構造を有する半導体膜を含む光電変換層を好適に形成することができる。また、複数の半導体膜を積層する場合（たとえば、水素化アモルファスシリコン系半導体（ａ−Ｓｉ：Ｈ）のｐ−ｉ−ｎ型の三層構造で形成された上部セルと、水素化微結晶シリコン系半導体（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）のｐ−ｉ−ｎ型の三層構造で形成された下部セルとを積層する場合など）には、上記化学的製法および／または物理的製法を繰り返し行えばよい。

（４）光電変換層のパターニング工程
次に、上記（３）の工程で形成した光電変換層をパターニングして、光電変換層分離ラインを形成する。パターニングの手法は特に限定されず、正確にパターニングが可能な手法であれば、一般に光電変換層および透明導電膜のパターニングに用いられる手法を好適に使用可能である。たとえば、樹脂マスクや金属マスクなどを用いたエッチングによるパターニングを行なってもよい。しかし、このような方法では、積層構造の形成に多くのプロセスを必要とし、しかも取扱い得る基板の寸法に制約があり、薄膜太陽電池の基板内の発電領域の有効面積が小さくなりやすく、ウェットプロセスのため光電変換層中にピンホールが発生しやすく、曲面基板ではパターニングが難しいなどの問題点がある。

そのため、光電変換層のパターニング工程においては、レーザの照射による加熱を利用したパターニング（レーザパターニング）を行なうことが好ましい。このようなレーザパターニングを行なうことにより、積層構造の形成に要する工程の減少を図ることができ、大面積の基板上に薄膜太陽電池を製造することができ、曲面状などの任意の形状の基板上に太陽電池の製造が可能であり、薄膜太陽電池の基板内の発電領域の有効面積が増大でき、連続一貫生産および自動化生産に適するという利点が得られる。

ここで、光電変換層パターニング工程において、レーザパターニングに用いるレーザとしては、表面電極が透明導電膜からなる場合には、透明導電膜に損傷を与えることを避けるために、透明導電膜の透過性に優れた可視光領域のレーザを用いることが好ましい。それゆえ、たとえば、ＹＡＧレーザの第二高調波やＹＡＧレーザの第三高調波を用いるのが好ましい。なお、光電変換層のパターニング工程においては、コンタクトライン形成のための開溝を形成しておくのが好ましい。

（５）裏面電極形成工程
続いて、裏面電極を形成する。裏面電極は、光電変換層の光入射面の反対側（本明細書において、「裏面側」とも呼称する）に形成される。裏面電極は、導電性に加えて光散乱性または光反射性を有するならば、特に制限されるものではない。裏面金属電極の具体例としては、光反射性に優れたＡｇやＡｌやＣｒなどを材質として用いた金属膜が挙げられるが、中でも特に反射率が高いことから、Ａｇで形成された金属膜が好ましい。

また裏面電極は、上記裏面金属電極のみからなるものであってもよいが、光の散乱を促して高い発電効率を得るためには、上記裏面金属電極に裏面透明電極を積層したものであることが好ましい。裏面透明電極の具体例としては、酸化スズや酸化亜鉛やＩＴＯなどを材質として用いた透明導電膜が挙げられる。ここで、酸化スズには、ＳｎＯ₂だけでなく、Ｓｎ_mＯ_n（ここで、ｍおよびｎは正の整数）で表わされる各種組成の酸化スズが含まれるものとする。また、酸化亜鉛には、ＺｎＯだけでなく、Ｚｎ_m'Ｏ_n'（ここで、ｍ’およびｎ’は正の整数）で表わされる各種組成の酸化亜鉛が含まれるものとする。また、ＩＴＯとは、Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅの略称であり、インジウムスズ酸化物を意味する。ここで、ＩＴＯとＳｎＯ₂とも透光性の点では特に差異は少ないが、一般的に比抵抗の低さではＩＴＯが優れており、化学的な安定性ではＳｎＯ₂が優れていると考えられている。また、ＺｎＯはＩＴＯに比べて材料コストが低いという利点がある。

裏面電極を形成するに際しては、コンタクトライン形成のための開溝を導電物質にて充填し、コンタクトラインを形成するのが好ましい。かかる導電物質は、導電性を有するものであれば特に制限はなく、一般的に太陽電池に用いられる導電物質を用いることができる。なお、裏面電極が裏面金属電極および裏面透明電極からなる場合には、製造工程の簡略化の観点からは、上記の導電物質は裏面透明電極と同じ材質からなる導電物質を用いることが好ましい。コンタクトラインの形成を行なうことにより、コンタクトラインの開溝内は導電物質によって完全に充填され、表面電極と裏面電極とが完全に電気的に接続した状態となることが望まれる。

裏面電極における裏面金属電極の形成方法に特に制限はないが、物理的製法にて形成するのが好ましい。物理的製法としては、たとえば、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法などが挙げられる。そして、これらの製造方法のうちでは、品質などの面から、マグネトロンスパッタリング法を用いることが好ましい。

また、裏面金属電極に加えて裏面透明電極も形成する場合、裏面透明電極は、化学的製法または物理的製法により形成することができる。ここで、化学的製法としては、たとえば、スプレー法、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法などが挙げられる。一般に、化学的製法は、塩化物や有機金属化合物の熱分解、酸化反応によって基板上に酸化膜を形成する方法で、プロセスコストが安いという利点を持つ。一方、物理的製法としては、たとえば、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法などが挙げられる。一般に、物理的製法は、化学的製法に比べ基板温度が低く、良質の膜形成が可能であるが、成膜速度が遅く、装置費用が高くなるなどの傾向を有する。これらの製造方法のうちでは、品質などの面から、スパッタリング法を用いることが好ましい。かかる場合、まず、コンタクトラインも兼ねてまず裏面透明電極を形成し、その後裏面金属電極を形成することが好ましい。

裏面電極形成後、レジストとなる樹脂層を電極層の上に数μｍから数十μｍの厚さで塗布し、乾燥させる。樹脂層の塗布には、スプレー方式、スピンコーターなどを使用することができ、塗布後乾燥炉などで乾燥させる。

（６）裏面電極パターニング工程
続いて、上記（５）の工程で形成した裏面電極をパターニングして、裏面電極分離ラインを形成する。かかる工程に用いるパターニングの手法は特に制限されるものではなく、正確にパターニングが可能な手法であれば、一般に金属電極あるいは透明導電膜のパターニングに用いられる手法を好適に使用可能である。たとえば、樹脂マスクや金属マスクなどを用いたエッチングによるパターニングを行なってもよい。しかし、このような方法では、薄膜積層構造の形成に多くのプロセスを必要とし、しかも取扱い得る基板の寸法に制約があり、薄膜太陽電池の基板内の発電領域の有効面積が小さくなりやすく、ウェットプロセスのため光電変換層中にピンホールが発生しやすく、曲面基板ではパターニングが難しいなどの問題点がある。

そのため、裏面電極パターニング工程においては、レーザの照射による加熱を利用したパターニング（レーザパターニング）を行なうことが好ましい。このようなレーザパターニングを行なうことにより、積層構造の形成に要する工程の減少を図ることができ、大面積の基板上に薄膜太陽電池を製造することができ、曲面状などの任意の形状の基板上に薄膜太陽電池の製造が可能であり、薄膜太陽電池の基板内の発電領域の有効面積が増大でき、連続一貫生産および自動化生産に適するという利点が得られる。

裏面電極パターニング工程において、レーザパターニングに用いるレーザとしては、たとえばＹＡＧレーザの第二高調波を用いる。レーザ射出口と照射面との距離およびレーザ照射時間などは、パターニングの形状などに応じて適宜選択されることが好ましい。かかる裏面電極層のパターニングによって、裏面電極は短冊状に分離され、分離ラインが形成される。

（７）開口部形成工程
そして、上記パターニング加工後の裏面電極を、ガラス面よりたとえばＹＡＧレーザの基本波をレーザ照射することで光透過用開口部を形成する。レーザ加工条件は、透明導電膜にダメージを与えない条件を選択するのが好ましい。この際、上述したように、基板の薄膜が形成されていない側に当接する複数の保持部材にて基板を保持してなり、保持部材が当接している領域に相当する薄膜上の領域に光が照射された際に、保持部材の前記基板に当接する先端部が下方または基板面に沿って移動可能であるようにして、光透過用開口部の形成を行う。かかる光透過用開口部の形成は、上述した薄膜のパターニング装置を用いて行うのが好ましい。

次にレーザ加工による残滓を除去するためにエッチングにより残滓の除去を行う。エッチング液は裏面電極のエッチング液となり得る溶液を使用する。たとえば、裏面電極の形成にＺｎＯとＡｇを使用した場合、ＺｎＯは酸系のエッチング液、Ａｇは塩化鉄系のエッチング液を使用する。エッチング後はエッチング液が残留しないように水で洗浄を行い乾燥させる。さらに、裏面電極側を接着層、透明封止材料にて封止することで、シースルー型の太陽電池モジュールを形成することができる。裏面電極側の封止の形成は、従来公知の方法にしたがって行えばよく、特には制限されるものではない。

こうして、図７〜図１０に示したようなシースルー型の薄膜太陽電池を好適に製造することができる。図８に示す構造のシースルー型太陽電池は、発電領域内において、レーザ加工により一部の光電変換層３および裏面電極４が除去され、光透過用開口部９が形成され、表面電極２が露出した構造を備える。一方、図９に示す構造のシースルー型太陽電池は、発電領域内において、レーザ加工により一部の表面電極２、光電変換層３および裏面電極４が除去され、光透過用開口部９が設けられ、絶縁透光性基板１面が露出した構造を備える。本実施形態の製造方法にて得られた薄膜太陽電池は、上記いずれの構造を採るものであっても、少なくとも絶縁透光性基板１、表面電極２、光電変換層３、裏面電極４からなり、前記絶縁基板上で複数の発電領域に分断され、直列接続されてなり、前記発電領域内に少なくとも前記光電変換層および裏面電極層を部分的に除去した光透過用開口部９を設けてなる構造を基本的に有する。ここで、薄膜太陽電池において、このような複数の発電領域が直列接続されている構造（本明細書において、「直列積層構造」とも呼称する）を実現するためには、隣接する発電領域間で、表面電極同士、光電変換層同士、裏面電極同士がそれぞれ完全に分離されている必要がある。また、薄膜電池が集積構造を実現するためには、隣接する発電領域間で、表面電極と裏面電極が順に接続されている必要がある。それ故、本実施形態における薄膜太陽電池は、表面電極を分離するための開溝（表面電極分離ライン５）、光電変換層を分離するための開溝（光電変換層分離ライン６）、および裏面電極を分離するための開溝（裏面電極分離ライン７）を有する必要がある。ここで、開溝の内部は、空隙である場合に限られず、半導体や電極などが膜状で存在あるいは充填されている場合もあり得るが、そのような場合にも、本明細書においては、開溝と呼称することとする。また、直列積層構造を実現するためには、表面電極と裏面電極を電気的に接続するための部材（コンタクトライン）を有する必要もある。

以下、さらに具体的に説明するが、これらの実施例により本発明が限定されるものではない。

＜実施例１＞
絶縁透光性基板１として厚さ１．５ｍｍ程度のガラス基板を使用し、ガラス基板（基板サイズ（Ｘ，Ｙ）＝９２５ｍｍ×５６０ｍｍ）に、表面電極２として、熱ＣＶＤ法でＳｎＯ_２（酸化錫）からなる透明導電膜を成膜した。

次に、ＹＡＧレーザの基本波（１０６４ｎｍ）を用いて表面電極２のパターニングを行った。レーザ光をガラス面より入射させることにより、表面電極２は短冊状に分離され、分離ライン５が形成され、この後、絶縁透光性基板１を純水で超音波洗浄し、その後、光電変換層３を形成した。光電変換層３は、ａ−Ｓｉ：Ｈｐ層、ａ−Ｓｉ：Ｈｉ層、ａ−Ｓｉ：Ｈｎ層からなり、合計の厚みＷ１は０．３０μｍ程度とした。

次に、ＹＡＧレーザの第二高調波を用いて、光電変換層３をレーザを用いてパターニングを行った。レーザ光をガラス面から入射させることにより、光電変換層３を短冊状に分離し、表面電極２と裏面電極４とを電気的に接続するためのコンタクトライン６を形成した。

次に、マグネトロンスパッタ法により、裏面電極４の一部である電極層のＺｎＯ（酸化亜鉛）／Ａｇを成膜した。この際、ＺｎＯの厚みは、１００ｎｍとし、裏面電極の膜は３００ｎｍとした。次に、レジストとなる樹脂層を電極層の上に数μから数十μｍの厚さで塗布し乾燥させる。塗布には、スプレー法などを使用し、塗布後乾燥炉などで乾燥させる。

次に、裏面電極４をレーザ光を用いてパターニングを行った。レーザ光をガラス面から入射させることにより、裏面電極４を短冊状に分離し、分離ライン７を形成した。この際、レーザによる表面電極２へのダメージを避けるため、レーザには、表面電極２の透過性のよいＹＡＧレーザの第二高調波を使用した。

次に、光を透過させるために、幅Ｗ１が１２０μｍで、ピッチＷ２が０．６ｍｍである光透過用開口部９を作製するために、ＹＡＧレーザの基本波を用いて表面電極２、光電変換層３、裏面電極４のパターニングを集積方向に対して垂直方向に行った。この際、シースルー型薄膜太陽電池を図６に示したような周辺部保持部材２３ａおよび駆動保持部材２３ｂで構成される保持部材２１を備えたパターニング装置で加工を行った。保持部材２１の配置は、Ｗ５＝７５ｍｍ、Ｗ６＝７７．５ｍｍ、ＷＡ＝ＷＢ＝８０ｍｍとした。

本実施例は、Ｙ方向の加工のみであるため、Ｘ方向のみの座標で指示がいくように設定した。つまりＸ座標の１から１１までにおいてＸが同じ位置にある駆動保持部材は同じ動作をするように設定した。光照射手段のＸ座標が±５ｍｍ以内にあるとき、駆動保持部材が下方に移動するように設定した。たとえば、図２においてＸが５（Ｘ＝３７７．５）である６個の駆動保持部材は、光照射手段によりレーザ光照射領域がＸ＝３７２．５から３８２．５にある場合は、駆動保持部材が下方に移動し、それ以外のときは、駆動保持部材が上方に移動し、基板を保持することとなる。

次にレーザ加工による残滓を除去するためにエッチングにより残滓の除去を行った。裏面電極の形成材料のうちＺｎＯは酸系のエッチング液を使用し、Ａｇは塩化鉄系のエッチング液を使用した。エッチング後は、エッチング液が残留しないように水で洗浄を行い乾燥させた。

その後、ソーラーシミュレーターを照射した状態で、シースルー型薄膜太陽電池の開口部を観察したが、斑もなく均一に光透過用開口部が形成されていた。

＜比較例１＞
開口部を形成する方法以外は実施例１と同様にして、シースルー型薄膜太陽電池を作製した。本比較例においては、図１１に示すように、太陽電池をレーザステージの周辺部のクランプユニットの一部である周辺部保持部材３０のみで支えた状態で、開口部を作製した。得られた薄膜太陽電池について、ソーラーシュミレーターを照射した状態で、開口部を観察すると、図１２に示したような斑が発生し外観上に問題が生じた。

＜比較例２＞
開口部を形成する方法以外は実施例１と同様にして、シースルー型薄膜太陽電池を作製した。本比較例においては、図１３に示すように基板を駆動しない非駆動式基板支持材３２でＸ方向４点、Ｙ方向４点で支えて開口部９を作製した。図１３では簡略化のため、太陽電池は略水平に描いてあるが、実際には非駆動式基板支持部材３２の間で太陽電池は撓んでいる。まず、非駆動基板支持部材３２を０．６ｍｍピッチの間に精度よく揃えるのが煩雑な作業性を要した。また、何度もレーザ照射部が非駆動式基板支持部材３２にあたらないように調整する必要が生じた。得られた薄膜太陽電池について、ソーラーシュミレーターを照射した状態で、開口部を観察すると、図１４に示したような斑が発生し外観上に問題が生じた。

以上のように、実施例１は、比較例１、２と比較して、飛躍的に斑の低減があり、作業性も向上された。また本実施例では、別の工程と同一のレーザ装置と併用する場合でも、所望するピッチに併せて、命令を出す座標を変えるだけで安定したレーザ加工を得ることができ、手間がかからずにできるメリットもある。

本発明の薄膜のパターニング方法の好ましい一例を模式的に示す正面図である。 図１に示す構成物の上面図である。 本実施形態の薄膜のパターニング方法を説明するための図である。 本実施形態の薄膜のパターニング方法を説明するための図である。 本発明の薄膜のパターニング方法の好ましい他の例を模式的に示す正面図である。 本発明のパターニング装置の好ましい一例を模式的に示す図である。 シースルー型薄膜太陽電池の平面図である。 図７の切断面線Ａ−Ａ’からみた一例を示す断面図である。 図７の切断面線Ａ−Ａ’からみた他の例を示す断面図である。 図７の切断面線Ｂ−Ｂ’からみた断面図である。 比較例１で用いたレーザ加工での基板保持の様子を表す図である。 比較例１で発生した加工斑の様子を表した図である。 比較例２で用いたレーザ加工での基板保持の様子を表す図である。 比較例２で発生した加工斑の様子を表した図である。

１ 絶縁透光性基板、２ 表面電極、３ 光電変換層、４ 裏面電極、９ 光透過用開口部、２１ 保持部材、２３ａ 周辺部保持部材、２３ｂ 駆動保持部材。

Claims (6)

1. 薄膜が形成された基板にレーザ光を照射して薄膜をパターニングする方法であって、基板の薄膜が形成されていない側に当接する複数の保持部材にて基板を保持し、保持部材が当接している領域に相当する領域に光が照射された際に、直線状に並ぶ複数の保持部材の前記基板に当接する先端部が基板面に沿って移動することを特徴とする薄膜のパターニング方法。
2. 光照射の際に移動していた保持部材の先端部が、光が照射されなくなった際に、元の位置に戻ることを特徴とする請求項１に記載の薄膜のパターニング方法。
3. 少なくとも絶縁透光性基板、表面電極、光電変換層、裏面電極からなり、前記絶縁基板上で複数の発電領域に分断され、直列接続されてなり、前記発電領域内に少なくとも前記光電変換層および裏面電極を部分的に除去した光透過用開口部を設けた集積型薄膜太陽電池を製造する方法であって、前記光透過用開口部を請求項１または２に記載のパターニング方法にて形成すること特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
4. 前記光電変換層が微結晶シリコンで形成されたものである、請求項３に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
5. 前記開口部のピッチが０．５ｍｍ〜３ｍｍである、請求項３または４に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
6. 薄膜が形成された基板にレーザ光を照射して薄膜をパターニングするのに用いられるパターニング装置であって、
   薄膜をパターニングするためのレーザ光を照射する光照射手段と、
   基板の薄膜が形成されていない側に当接して基板を保持する複数の保持部材であって、基板に当接するその先端部が基板面に沿って移動する保持部材と、
   保持部材で保持された基板に対して光照射手段によりレーザ光を照射して薄膜をパターニングする際に、直線状に並ぶ複数の保持部材の先端部が移動するように制御する制御部とを少なくとも備える、パターニング装置。

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