JP4786010B2

JP4786010B2 - 集積型ハイブリッド薄膜太陽電池の製造方法

Info

Publication number: JP4786010B2
Application number: JP2000082385A
Authority: JP
Inventors: 昭彦中島; 年信中田
Original assignee: Kaneka Corp
Current assignee: Kaneka Corp
Priority date: 2000-03-23
Filing date: 2000-03-23
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2020-03-23
Also published as: JP2001274446A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は集積型薄膜太陽電池の製造方法に関し、特に、高い光電変換効率を有する集積型ハイブリッド薄膜太陽電池の製造方法の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体薄膜太陽電池は、一般に、少なくとも表面が絶縁性の基板上に順次積層された第１電極、１以上の半導体光電変換ユニット、および第２電極を含んでいる。そして、１つの光電変換ユニットは、ｐ型層とｎ型層でサンドイッチされたｉ型層を含んでいる。光電変換ユニットの厚さの大部分を占めるｉ型層は実質的に真性の半導体層であって、光電変換作用は主としてこのｉ型層内で生じる。
【０００３】
したがって、光電変換ユニットは、それに含まれるｐ型とｎ型の導電型層が非晶質か結晶質かにかかわらず、ｉ型の光電変換層が非晶質のものは非晶質ユニットと称され、ｉ型層が結晶質のものは結晶質ユニットと称される。なお、本願明細書内で、「結晶質」の用語は、薄膜太陽電池の技術分野で一般に用いられているように、部分的に非晶質状態を含むものをも意味するものとする。
【０００４】
他方、ｐ型やｎ型の導電型層は光電変換ユニット内に拡散電位を生じさせる役割を果たし、その拡散電位の大きさによって薄膜太陽電池の重要な特性の１つである開放端電圧の値も左右される。しかし、これらの導電型層は光電変換に直接寄与しない不活性な層であり、導電型層にドープされた不純物によって吸収される光は発電に寄与しない損失となる。したがって、導電型層は、必要な拡散電位を生じさせることを前提として、できるだけ薄くすることが望まれる。
【０００５】
ここで、結晶質ｉ型層は非晶質ｉ型層に比べて長波長の光まで吸収することができ、結晶質薄膜光電変換ユニットは非晶質薄膜光電変換ユニットに比べて長波長の光をも光電変換に利用し得るという利点を有している。
【０００６】
しかし、非晶質薄膜光電変換ユニットに含まれる非晶質ｉ型光電変換層の厚さは一般に約０．２５μｍ以下でも十分であるのに対して、結晶質シリコンの光吸収係数を考えれば、結晶質薄膜光電変換ユニットが単独で用いられる場合には、それに含まれる結晶質ｉ型光電変換層は一般に約２．５μｍ以上の厚さが望まれる。すなわち、結晶質薄膜光電変換ユニットに含まれる結晶質ｉ型光電変換層は、非晶質薄膜光電変換ユニットに含まれる非晶質ｉ型光電変換層の約１０倍程度以上の厚さが望まれる。
【０００７】
また、薄膜太陽電池の変換効率を向上させる方法として、２以上の光電変換ユニットを積層してタンデム型にする方法がある。この方法においては、薄膜太陽電池の光入射側に大きなエネルギバンドギャップを有する光電変換層を含む前方ユニットを配置し、その後ろに順に小さなバンドギャップを有する（たとえばＳｉ−Ｇｅ合金などの）光電変換層を含む後方ユニットを配置することにより、入射光の広い波長範囲にわたって光電変換を可能にし、これによって装置全体としての変換効率の向上が図られる。
【０００８】
このようなタンデム型薄膜太陽電池の中でも、１以上の非晶質光電変換ユニットと１以上の結晶質光電変換ユニットを積層したものはハイブリッド薄膜太陽電池と称される。たとえば、ｉ型非晶質シリコンが光電変換し得る光の波長は長波長側において８００ｎｍ程度までであるが、ｉ型結晶質シリコンはそれより長い約１１００ｎｍ程度の波長の光までを光電変換することができる。
【０００９】
ところで、薄膜太陽電池の製造においては、ＣＶＤ法やスパッタリングなどによる薄膜の堆積ステップとレーザスクライブ法などによるパターニングステップの適宜の繰返しや組合せを含む製造プロセスによって所望の構造が形成される。すなわち、通常は１枚の絶縁基板上に複数の光電変換セルが電気的に直列接続された集積型構造が採用され、屋外用途のための電力用太陽電池では、たとえば４５ｃｍ×９０ｃｍのような大面積の基板も用いられ、高い出力電圧を生じ得る装置にされる。
【００１０】
図３は、集積型薄膜太陽電池の典型的な一例の構造を模式的な断面図で示している。なおこの図において、厚さや長さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表わしてはいない。特に、半導体層などの種々の層の厚さは誇張されて示されているが、それらの実際の厚さは数μｍ以下の非常に薄いものである。この図３の集積型薄膜太陽電池においては、透明絶縁基板１上に透明電極層２、シリコンなどからなる半導体光電変換ユニット層３、および裏面電極層４が順次積層されており、パターニングによって半導体層３を貫通して設けられた接続用開口溝３ａを介して、互いに左右に隣接し合う光電変換セルが電気的に直列接続されている。
【００１１】
透明電極層２としては、一般に酸化スズ、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化亜鉛などの透明導電性酸化物（ＴＣＯ）の膜またはこれらの積層が用いられ得る。また、裏面電極層４としては、良好な導電性と光反射性を備えたＡｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒなどの金属またはこれらの積層が用いられ得る。なお、裏面電極層４は、ＴＣＯ膜と金属膜の積層として形成されてもよい。
【００１２】
図３に示されているような構造を有する集積型薄膜太陽電池は、一般に次のような方法によって作製される。まず、ガラス基板１上にＴＣＯ膜が透明電極層２として堆積され、その透明電極層２を複数の短冊状の光電変換セルに対応する複数の領域に分離するために、ガラス基板側から単一のレーザビームを照射するレーザスクライブ法によって透明電極分離溝２ａが形成される。すなわち、これらの透明電極分離溝２ａは、図３の紙面に直交する方向に直線状に延びている。
【００１３】
そして、複数の領域に分離された透明電極層２を覆うように、プラズマＣＶＤ法を用いて、ｐｉｎ接合を含むシリコン系半導体光電変換ユニット層３が堆積される。この半導体層３には、左右に隣接する光電変換セルを電気的に直列接続するための接続用開口溝３ａがレーザスクライブによって形成される。これらの接続用溝３ａも、図３の紙面に直交する方向に直線状に延びている。
【００１４】
続いて、これらの接続用溝３ａを埋めかつ半導体層３を覆うように、金属膜の単層または複層が裏面電極層４として堆積される。透明電極層２の場合と同様に、裏面電極層４を複数の光電変換セルに対応する複数の領域に分離するように、裏面電極分離溝４ａがレーザスクライブによって形成される。このとき、光反射性の金属膜に直接レーザビームエネルギを吸収させて裏面電極層４をスクライブするのは困難なので、ガラス基板側から半導体層３にビームエネルギを吸収させて、この半導体層の所定領域とともにその上の裏面電極層４の所定領域をその吸収熱で吹飛ばすことによって、裏面電極分離溝４ａが形成される。これらの裏面電極分離溝４ａも図３の紙面に直交する方向に直線状に延びており、透明電極層２に至る深さを有している。このようにして、図３に示されているような集積型薄膜太陽電池が形成される得る。
【００１５】
ところで、このような集積型薄膜太陽電池においては、透明基板１上の透明電極層２を分離する透明電極分離溝２ａはその透明電極層２上に堆積される半導体層３で埋められていて、その半導体層３を介して基板１に平行な方向に不要な接触をしている。また、複数のセルを接続するための接続用溝３ａ内に形成される導電体は光電変換ユニット層３内のｐ型、ｉ型およびｎ型のすべての半導体層の側面と接触している。しかし、薄膜太陽電池における光電変換ユニット層３の厚みは非常に薄く、特に非晶質シリコン系光電変換ユニット層ではその非晶質シリコン層自体の抵抗が高いので、上述のような不要な接触部分を経由して電流が流れることはほとんどなく、ほぼ完全に光電変換ユニット層３の厚み方向に電流が流れるので、上述のような不要な接触は集積型薄膜太陽電池の性能に悪影響を及ぼすことはほとんどない。
【００１６】
すなわち、図３に示されているような集積型薄膜太陽電池において、有効発電領域は透明電極２と裏面電極４とが重複している活性領域Ａであり、接続領域Ｂは発電にほとんど寄与しない。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようにレーザスクライブを用いて形成された集積型薄膜太陽電池においては、その薄膜太陽電池が１または２以上の非晶質光電変換ユニット層のみを含む場合には受光面積あたりの変換効率は集積化によてほとんど低下することがないが、１以上の非晶質光電変換ユニットと１以上の結晶質光電変換ユニット層とを含むハイブリッド薄膜太陽電池の場合には集積化に起因して受光面積あたりの変換効率が低下するという事実がある。
【００１８】
このことは、前述のように結晶質光電変換ユニットが非晶質ユニットに比べて遥かに大きな厚さに形成されるとともに、結晶質シリコンは非晶質シリコンに比べてレーザ吸収効率が低いので、裏面電極分離溝４ａを形成するために高エネルギ密度のレーザビームを照射しなければならないことと関係していると考えられる。
【００１９】
このような従来技術における状況に鑑み、本発明は、集積型ハイブリッド薄膜太陽電池において、その集積化に伴う受光面積あたりの変換効率の低下を最小限にすることを目的としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、透明絶縁基板上に順に積層された透明電極層、１以上の非晶質光電変換ユニットと１以上の結晶質光電変換ユニットとを含む半導体層、および裏面電極層が複数のハイブリッド光電変換セルを形成するように分離溝によって分離されていて、かつそれらのセルが電気的に直列接続された集積型ハイブリッド薄膜太陽電池の製造方法は、透明基板側から第１のレーザビームを照射して半導体層の所定領域とともに裏面電極層の所定領域を除去することによって、裏面電極層を複数の裏面電極に分離するための裏面電極分離溝を形成し、第１レーザビームで形成された裏面電極分離溝の所定側の側壁における第１レーザビームによる熱影響部を第２レーザビームの照射によって除去し、この第２レーザビームは第１レーザビームに比べて小さなパワーを有していることを特徴としている。
【００２１】
なお、第１レーザビームは０．２Ｗより大きくて０．５Ｗ以下の範囲内のパワーを有し、第２レーザビームは０．０５Ｗ以上で０．２Ｗより小さな範囲内のパワーを有していることが好ましい。また、半導体層に対して、第２レーザビームのデフォーカス量は第１レーザビームに比べて同一以下であることが好ましい。
【００２２】
さらに、第１と第２のレーザビームは、マルチビームとして同時に照射されることが好ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下のいくつかの実験例に基づいて、本発明の効果を発揮し得る実施の形態を明らかにする。
【００２４】
（実験例１）
実験例１では、図１の模式的な断面図で示されているような集積型ハイブリッド薄膜太陽電池が作製された。
【００２５】
図１に示されているような集積型ハイブリッド薄膜太陽電池の作製においては、まず、３０ｃｍ×４０ｃｍの面積と４ｍｍの厚さを有するガラス基板１の上に、１００ｎｍの厚さと１０Ω／□のシート抵抗値を有するＴＣＯ電極層２が形成された。このＴＣＯ電極層２を複数の光電変換セルに対応する複数の領域に分離するために、ガラス基板側から単一のレーザビームを照射してＴＣＯ電極分離溝２ａが形成された。
【００２６】
そして、複数領域に分離されたＴＣＯ電極層２を覆うように、プラズマＣＶＤ法を用いて半導体層３Ｈが堆積された。この半導体層３Ｈは、順に積層された非晶質シリコン系光電変換ユニット層と結晶質シリコン系光電変換ユニット層を含んでいた。そして、非晶質ユニット層は０．３μｍの厚さを有し、順に積層されたｐ型層、非晶質ｉ型光電変換層、およびｎ型層を含んでいた。他方、結晶質ユニットは２．５μｍの厚さを有し、順に積層されたｐ型層、結晶質ｉ型光電変換層、およびｎ型層を含んでいた。この半導体層３に単一のレーザビームを透明基板側から照射することによって、左右に隣接する光電変換セルを電気的に直列接続するための接続用開口溝３ａが形成された。
【００２７】
その後、これらの接続用溝３ａを埋めかつ半導体層３Ｈを覆うように、裏面電極層４が堆積された。裏面電極層４は、順に積層されたＴＣＯ層と銀層を含んでいた。このＴＣＯ層は、銀層の光反射率を高く維持するとともに、銀原子が半導体層３Ｈ内に拡散することを防止するように作用し得るものである。
【００２８】
裏面電極層４を複数の光電変換セルに対応する複数領域に分離するために、ガラス基板側から単一のレーザビームＬ１を照射して、裏面電極分離溝４ａが形成された。このときのレーザスクライブ条件としては、ＹＡＧレーザのＳＨＧ（第２高調波）が用いられ、レーザパワーが０．４Ｗ、レーザパルス周波数が３ｋＨｚ、対物レンズの焦点距離がｆ＝３５ｍｍ、そしてデフォーカス量が３．０ｍｍであった。ここで、デフォーカス量が３．０ｍｍとは、レーザビームの焦点位置が半導体層３Ｈを超えて３．０ｎｍ先に設定されていることを意味する。そして、もちろんデフォーカス量の絶対値が小さいほどビームの照射面積が小さくなってエネルギ密度が大きくなる。理論的には、ビーム幅はデフォーカス距離に比例し、エネルギ密度はデフォーカス距離の二乗に反比例する。ただし、レーザビームは、一般にその横断面においてガウス分布に近いエネルギ密度分布を有している。
【００２９】
こうして、１つのセルが３８ｃｍ²の面積を有し、そのようなセルが２８段直列接続された集積型ハイブリッド薄膜太陽電池が作製された。
【００３０】
上述のようなレーザスクライブを利用して集積化された実験例１の集積型ハイブリッド薄膜太陽電池について、ソーラシミュレータを用いてＡＭ１．５のスペクトル分布と１００ｍＷ／ｃｍ²のエネルギ密度を有する擬似太陽光を照射して光電変換特性を測定したところ、集積化される前に比べて曲線因子ＦＦ（Fill Factor）が−５％だけ低下していた。なお、この曲線因子は直接的に光電変換効率に関係する因子であり、他の条件が同じならばＦＦの大きなほど変換効率も大きくなる。また、光電変換特性の比較の指標として曲線因子を用いるのは、光電変換効率を求める時に必要とされるような受光面積の正確な決定を要しないからである。
【００３１】
ここで、本発明者は、裏面電極分離溝４ａの側壁を厚さ５０μｍ程度までエッチング除去すれば曲線因子が十分に改善されることを見出した。このことは、図１に示されているように活性領域Ａが裏面電極分離溝４ａに面する端面の厚さ約５０μｍの範囲内の領域ＡｂがレーザビームＬ１による熱影響部としてリーク電流を生じさせていると考えられる。
【００３２】
（実験例２）
実験例２では、裏面電極分離溝４ａのレーザスクライブ条件の一部が変えられたことを除いて、他の条件は実験例１の場合と同様の条件で集積型ハイブリッド薄膜太陽電池が作製された。
【００３３】
すなわち、実験例２においては、裏面電極分離溝４ａの形成において単一のレーザビームＬ１によるスクライブが行なわれたが、このレーザビームＬ１のパワーは０．２Ｗに低減され、デフォーカス量も２．５ｍｍに小さくされた。このようなレーザスクライブで形成された裏面電極分離溝４ａの幅は約５０μｍであり、実験例１の場合に比べて約１／２の幅に減少していた。
【００３４】
この実験例２による集積型ハイブリッド薄膜太陽電池に対して実験例１の場合と同じ条件で擬似太陽光を照射したところ、実験例１の場合の集積化による曲線因子ＦＦの低下量ΔＦＦ＝−５％に比べて、この実験例２ではΔＦＦ＝−３％に改善されていた。この改善の理由としては、レーザビームＬ１のデフォーカス量を小さくしかつレーザパワーも小さくしたので、熱影響部Ａｂの厚さが小さくなって、その熱影響部によるリーク電流が低減したためであると考えられる。
【００３５】
しかし、裏面電極分離溝４ａを単一のレーザビームで形成する場合に、そのビームのデフォーカス量とパワーを低減させ得る量の許容量は小さい。なぜならば、そのレーザビームのデフォーカス量とパワーの低減に伴って裏面電極分離溝４ａの幅が小さくなり、裏面電極分離溝４ａ上において裏面電極層４が部分的に残存して短絡を生じやすくなり、すなわち左右に隣接するセル間でリーク電流を生じやすくなるからである。
【００３６】
（実験例３）
実験例３においても、裏面電極分離溝４ａのレーザスクライブ条件が変えられたことを除いて、他の条件は実験例１の場合と同様の条件の下で集積型ハイブリッド薄膜太陽電池が作製された。
【００３７】
すなわち、実験例３においては、第１のレーザビームＬ１によって裏面電極分離溝４ａを形成した後に、その側壁の熱影響領域Ａｂが第２のレーザビームＬ２によって除去された。このとき、第１のレーザビームＬ１のパワーは０．３Ｗでデフォーカス量が２．５ｍｍに設定され、第２のレーザビームＬ２のパワーは０．１Ｗでデフォーカス量は１．５ｍｍに設定された。
【００３８】
この実験例３による集積型ハイブリッド薄膜太陽電池に対しても実験例１の場合と同じ条件で擬似太陽光を照射したところ、集積化による曲線因子ＦＦの低下量ΔＦＦについては、実験例１のΔＦＦ＝−５％および実験例２のΔＦＦ＝−３％に比べて、この実験例３ではΔＦＦ＝−１％にさらに改善されていた。この理由としては、実験例２に比べて、実験例３では第１レーザビームＬ１のパワーが増大されていたが、その第１レーザビームによる熱影響部Ａｂがより小さなパワーの第２レーザビームＬ２によって除去されたので、その熱影響領域によるリーク電流がさらに低減したためであると考えられる。
【００３９】
このように、２つのレーザビームＬ１とＬ２を利用して裏面電極分離溝４ａを形成する場合、第１レーザビームのパワーは０．２Ｗより大きくて０．５Ｗ以下の範囲内にあることが好ましい。なぜならば、第１レーザビームＬ１のパワーが０．２Ｗより小さければ、隣接するセル間の分離が不十分になってセル間に短絡電流が生じるからである。逆に、第１レーザビームのパワーが０．５Ｗより大きくなれば、ＴＣＯ電極層２にダメージを生じ、ＴＣＯ電極層２のシリーズ抵抗の増大などによって光電変換効率が低下する。他方、裏面電極分離溝４ａの側壁における熱影響領域Ａｂを除去する目的で用いられる第２レーザビームのパワーは、０．０５Ｗ以上で０．２Ｗより小さな範囲内にあることが好ましい。なぜならば、この第２レーザビームのパワーが低下するに従って集積化に伴うΔＦＦは−３％から０％まで改善されるが、レーザパワーが０．０５Ｗより小さくなれば熱影響領域Ａｂを除去することができなくなるからである。
【００４０】
なお、上述の実験例３では、裏面電極分離溝４ａを形成するために第１レーザビームＬ１を用いた後にその側壁の熱影響領域Ａｂを除去するために第２レーザビームＬ２が用いられたが、これらの２つのレーザビームがマルチビームとして同時に照射されてもよいことは言うまでもない。
【００４１】
図２は、図１に示された第１レーザビームＬ１と第２レーザビームＬ２を同時に照射することができるマルチレーザビームスクライブ装置を模式的なブロック図で示している。すなわち、このマルチレーザビームスクライブ装置においては、レーザ発振器１１から射出されたレーザビームはビームエキスパンダ１２によってビーム径が拡張された後に、ビームスプリッタ１３によって左側の主ビームと右側の副ビームとの２つのビームに分割される。それらの主ビームと副ビームのそれぞれの強度と断面形状がアッテネータ１４ａ，１４ｂ、スリット１５ａ，１５ｂ、およびレンズ１６ａ，１６ｂによって調整され、最後にビーム混成器１８によって第１レーザビームＬ１と第２レーザビームＬ２がスクライブ点に集光される。そのとき、主ビームと副ビームとの相対的な位置関係は、副ビームをビームシフタ１７によって変位させることによって制御される。
【００４２】
このようなマルチレーザビームスクライバを用いれば、１回のビームスキャンによって、裏面電極分離溝４ａを形成すると同時にその側壁の熱影響領域Ａｂを除去することができる。
【００４３】
なお、上述のようなマルチレーザビームスクライブ法は種々の厚さの非晶質光電変換ユニットと結晶質光電変換ユニットとを含む集積型ハイブリッド薄膜太陽電池に好ましく適用することができる。たとえば、０．１〜０．３μｍの範囲内の厚さを有する非晶質光電変換ユニット層と１〜３μｍの範囲内の厚さを有する結晶質光電変換ユニット層とを含むハイブリッド型薄膜太陽電池の集積化に本発明の方法が好ましく適用され得る。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、集積型ハイブリッド薄膜太陽電池において、その集積化に伴う受光面積あたりの変換効率の低下を最小限にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による集積型ハイブリッド薄膜太陽電池の製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図２】本発明の集積型ハイブリッド薄膜太陽電池の製造方法において好ましく用いられ得るマルチレーザビームスクライバを示す模式的なブロック図である。
【図３】従来の集積型薄膜太陽電池の製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【符号の説明】
１透明絶縁基板、２ＴＣＯ電極層、２ａＴＣＯ電極分離溝、３，３Ｈ半導体層、３ａ接続用開口溝、４裏面電極層、４ａ裏面電極分離溝、Ａ発電有効領域、Ｂ発電不能領域、Ａｂ熱影響領域、Ｌ１第１レーザビーム、Ｌ２第２レーザビーム。

Claims

透明絶縁基板上に順に積層された透明電極層、１以上の非晶質光電変換ユニット層と１以上の結晶質光電変換ユニット層とを含む半導体層、および裏面電極層が複数のハイブリッド光電変換セルを形成するように分離溝によって分離されていて、かつそれらのセルが電気的に直列接続された集積型ハイブリッド薄膜太陽電池の製造方法であって、
前記透明基板側からパルスレーザである第１のレーザビームを照射して前記半導体層の所定領域とともに前記裏面電極層の所定領域を除去することによって、前記裏面電極層を複数の裏面電極に分離するための裏面電極分離溝を形成し、
前記第１レーザビームで形成された前記裏面電極分離溝の所定側の側壁に、第１レーザビームに比べて小さなパワーおよび小さな照射面積を有するパルスレーザである第２レーザビームを照射することを特徴とする集積型ハイブリッド薄膜太陽電池の製造方法。
前記第１レーザビームは０．２Ｗより大きくて０．５Ｗ以下の範囲内のパワーを有し、前記第２レーザビームは０．０５Ｗ以上で０．２Ｗより小さな範囲内のパワーを有することを特徴とする請求項１に記載の集積型ハイブリッド薄膜太陽電池の製造方法。
前記半導体層に対して、前記第２レーザビームのデフォーカス量は前記第１レーザビームに比べて同一以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の集積型ハイブリッド薄膜太陽電池の製造方法。
前記第１と第２のレーザビームはマルチビームとして同時に照射されることを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の集積型ハイブリッド薄膜太陽電池の製造方法。