JP5168428B2 - 薄膜太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、サブストレート構造の薄膜シリコン太陽電池の製造方法に関する。
同一の基板上に形成された複数の光電変換素子が直列接続されている太陽電池（光電変換装置）の代表例である薄膜太陽電池は、薄型で軽量、製造コストの安さ、大面積化が容易であることなどから、今後の太陽電池の主流となると考えられ、電力供給用以外に、建物の屋根や窓などに取り付けて利用される業務用、一般住宅用にも需要が広がってきている。
前記薄膜太陽電池、つまりアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）や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を主材料にした薄膜シリコン系太陽電池は、すでに量産段階にあり、同時に、さらなる低コスト化に向けた開発が活発に進められている。
前記薄膜太陽電池、つまりアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）や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を主材料にした薄膜シリコン系太陽電池は、すでに量産段階にあり、同時に、さらなる低コスト化に向けた開発が活発に進められている。
薄膜シリコン太陽電池の基板の材料としては、ガラス、プラスチックフィルム、ステンレスホイル等が用いられている。この中で絶縁物であるガラスあるいはプラスチックフィルムを用いると、基板上に集積化された直列接続構造を作り込むことが可能になり、任意の高電圧を実現することができるというメリットがある。
集積型太陽電池の一例として、金属電極加工前後のガラス基板太陽電池の構造を図７に示す。図７（ａ）は金属電極加工前の状態を示し、図７（ｂ）は金属電極加工後の状態を示している。
ガラス基板１０１の上に透明電極１０２、光電変換層１０３、金属電極１０４が順次形成されている。
また、各層の形成後にレーザー光１００によるレーザーパターニングにより短冊状に分離され、直列接続が完成することになる。
ここで、かかるレーザーパターニングに最も一般的に用いられるレーザーは、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザーであり、透明電極１０２の加工には基本波の１０６４ｎｍ、光電変換層１０３と金属電極１０４の分離には第２高周波の５３２ｎｍが用いられる。
ガラス基板１０１の上に透明電極１０２、光電変換層１０３、金属電極１０４が順次形成されている。
また、各層の形成後にレーザー光１００によるレーザーパターニングにより短冊状に分離され、直列接続が完成することになる。
ここで、かかるレーザーパターニングに最も一般的に用いられるレーザーは、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザーであり、透明電極１０２の加工には基本波の１０６４ｎｍ、光電変換層１０３と金属電極１０４の分離には第２高周波の５３２ｎｍが用いられる。
なお、透明電極１０２と光電変換層１０３の分離は、ガラス基板１０１側と透明電極１０２面側のどちらから行っても良いが、最終工程である金属電極１０４の加工はガラス基板１０１側から行われる。ガラス基板１０１側からレーザー光１００による照射を行うと、光吸収は光電変換層１０３の比較的入射側近傍で生じ、上層部を吹き飛ばすことで除去する加工が可能になる。
また、光電変換層と金属電極を同時に吹き飛ばす加工方法は、微結晶シリコンとのタンデムセルのような数ミクロンオーダーの厚膜セルでは困難となる。その対策として、微結晶シリコンが感度を持つ波長帯の光をガラス面側からから照射して、予め微結晶層をある程度除去し、その後ＹＡＧレーザーの第二高調波でａ−Ｓｉを除去する方法が特許文献１に記載されている。
この中で開示されている微結晶シリコン除去のレーザー波長は６７０〜９００ｎｍであり、レーザーとしてはルビーレーザー、アレキサンドライトレーザー、ＧａＡｌＡｓレーザー等が挙げられている。
この中で開示されている微結晶シリコン除去のレーザー波長は６７０〜９００ｎｍであり、レーザーとしてはルビーレーザー、アレキサンドライトレーザー、ＧａＡｌＡｓレーザー等が挙げられている。
一方、屋根や外壁への取り付けの自由度を高めるための可撓性や軽量化を実現するという点で、ガラス基板よりもプラスチックフィルムが好ましく、その中でも耐熱性に優れたアラミド、ポリイミド等が特に好ましい。
ただし、これらの材料は不透光性であるため、基板上に金属電極、光電変換層、透明電極の順に積層するいわゆるサブストレート構造が採用される。サブストレート型の直列接続構造を採用した薄肉太陽電池の例としては、非特許文献１に記載されている。
ただし、これらの材料は不透光性であるため、基板上に金属電極、光電変換層、透明電極の順に積層するいわゆるサブストレート構造が採用される。サブストレート型の直列接続構造を採用した薄肉太陽電池の例としては、非特許文献１に記載されている。
図８は、非特許文献１に開示された従来の太陽電池の構造を示す模式図であり、図９（ａ）は、図８の１０ａ−１０ａ線に沿った断面図であり、図９（ｂ）は、図８の１０ｂ−１０ｂ線に沿った断面図である。
図８に示す太陽電池はフィルム基板３０１に穴を開け、スルーホールコンタクトで直列接続を形成する構造であり、ＳＣＡＦ（Ｓｅｒｉｅｓ−Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ Ａｐｅｒｔｕｒｅｓ ｏｎ Ｆｉｌｍ）と呼ばれる。
図８に示す太陽電池はフィルム基板３０１に穴を開け、スルーホールコンタクトで直列接続を形成する構造であり、ＳＣＡＦ（Ｓｅｒｉｅｓ−Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ Ａｐｅｒｔｕｒｅｓ ｏｎ Ｆｉｌｍ）と呼ばれる。
この構造では、図８に示すように、フィルム基板３０１の一方の面に、金属電極３０２、光電変換層としてのａ−Ｓｉ系膜３０３、及び透明電極３０４がこの順で積層されている。フィルム基板３０１の他方の面には、背面電極３０５が形成されている。このフィルム基板３０１を挟んだ両面に形成された層は、レーザーによってそれぞれ一括加工で完全に分離されている。
ここで、前記フィルム基板３０１の両面において完全に分離されて形成された金属電極３０２及び背面電極３０５を直列接続するために、集電ホール３０６及び直列接続ホール３０７が形成されている（図９（ａ）及び図９（ｂ）参照）。
図９（ａ）に示すように、集電ホール３０６形成には、フィルム基板３０１の両面に金属電極３０２を成膜した後に、貫通孔を開けて、露出したフィルム基板３０１の端面に、ａ−Ｓｉ系膜３０３、透明電極３０４及び背面電極３０５が順次成膜され、透明電極３０４と背面電極３０５とが接続されている。一方、図９（ｂ）に示すように、直列接続ホール３０７の形成には、フィルム基板３０１に貫通孔を開けた後に金属電極３０２を成膜し、ａ−Ｓｉ系膜３０３、背面電極３０５を順次成膜するので、フィルム基板３０１のａ−Ｓｉ系膜３０３形成側の金属電極３０２と、背面電極３０５とが接続されている。
図９（ａ）に示すように、集電ホール３０６形成には、フィルム基板３０１の両面に金属電極３０２を成膜した後に、貫通孔を開けて、露出したフィルム基板３０１の端面に、ａ−Ｓｉ系膜３０３、透明電極３０４及び背面電極３０５が順次成膜され、透明電極３０４と背面電極３０５とが接続されている。一方、図９（ｂ）に示すように、直列接続ホール３０７の形成には、フィルム基板３０１に貫通孔を開けた後に金属電極３０２を成膜し、ａ−Ｓｉ系膜３０３、背面電極３０５を順次成膜するので、フィルム基板３０１のａ−Ｓｉ系膜３０３形成側の金属電極３０２と、背面電極３０５とが接続されている。
なお、参考までに、特許文献２の［０１１６］には、同文献と同一の符号で説明すると、「裏面電極分割ライン２９は、例えば、ＹＡＧレーザーの第二高調波を用いて裏面電極１１及び第１〜第３光電変換層５，７，９をスクライブすることによって形成できる。」ということが記載されている。
また、特許文献３の［００３８］には、同文献と同一の符号で説明すると、「ＳｎＯ２からなる平面に微細な凹凸構造を有する透明電極層１１２が熱ＣＶＤ法により形成された。次に、ＹＡＧＩＲパルスレーザーを用いて基板の短辺に平行にレーザースキャンすることにより、ＳｎＯ２膜１１２を複数の帯状パターンへと分割する幅４０μｍの溝１１７を形成した。」ということが記載されている。
また、特許文献３の［００３８］には、同文献と同一の符号で説明すると、「ＳｎＯ２からなる平面に微細な凹凸構造を有する透明電極層１１２が熱ＣＶＤ法により形成された。次に、ＹＡＧＩＲパルスレーザーを用いて基板の短辺に平行にレーザースキャンすることにより、ＳｎＯ２膜１１２を複数の帯状パターンへと分割する幅４０μｍの溝１１７を形成した。」ということが記載されている。
しかしながら、金属反射基板の上にｎ、ｉ、ｐ層の順で成膜するサブストレート型の集積型太陽電池のレーザー加工は、図７に示されるようなスーパーストレート型太陽電池と比べて、非常に困難であった。
これは、図７をサブストレート型に置き換えた通常の集積型構造及びＳＣＡＦセルの双方ともに共通であり、特に、サブストレート型においては、透明電極加工後の端面の絶縁性を確保するのが困難であった。
これは、図７をサブストレート型に置き換えた通常の集積型構造及びＳＣＡＦセルの双方ともに共通であり、特に、サブストレート型においては、透明電極加工後の端面の絶縁性を確保するのが困難であった。
まず、スーパーストレート型太陽電池の加工原理について述べ、サブストレート型で行ったときの難しさについて説明する。
図１０にスーパーストレート型のａ−Ｓｉ太陽電池の加工メカニズムを示す。
図１０（ａ）はシミユレーションによる光吸収量プロファイル、図１０（ｂ）は加工断面模式図を示している。
通常、ａ−Ｓｉ系膜１０３をレーザー加工すると、加工端面において溶融結晶化領域１０３ａが生じる。スーパーストレート型太陽電池でも同様と考えられるが、光吸収量は、図１０（ａ）のように、指数関数的に減衰するプロファイルであるため、結晶化領域１０３ａは、光入射側（下層側）で発生し、吹き飛ばされることにより除去された領域（上層側）は、結晶化していないと考えられる。
この結果、結晶化領域１０３ａが生じていない上層側の端面において、透明電極１０２と金属電極１０４との間の絶縁が維持されると考えられる。
図１０にスーパーストレート型のａ−Ｓｉ太陽電池の加工メカニズムを示す。
図１０（ａ）はシミユレーションによる光吸収量プロファイル、図１０（ｂ）は加工断面模式図を示している。
通常、ａ−Ｓｉ系膜１０３をレーザー加工すると、加工端面において溶融結晶化領域１０３ａが生じる。スーパーストレート型太陽電池でも同様と考えられるが、光吸収量は、図１０（ａ）のように、指数関数的に減衰するプロファイルであるため、結晶化領域１０３ａは、光入射側（下層側）で発生し、吹き飛ばされることにより除去された領域（上層側）は、結晶化していないと考えられる。
この結果、結晶化領域１０３ａが生じていない上層側の端面において、透明電極１０２と金属電極１０４との間の絶縁が維持されると考えられる。
これに対し、サブストレート型太陽電池で透明電極側から加工する場合、上層よりも下層の光吸収量が小さいため、吹き飛ばし加工を行うことができない。すなわち、全体で光吸収させて除去する形になり、端面全体が結晶化して絶縁が維持できなくなる。
ＳＣＡＦ構造太陽電池の場合、セル面の三層を一括分離加工すると端面全体の結晶化が発生し、同時に金属電極との溶融合金化も発生するため、端面の絶縁を確保するのは困難になる。
この対策として、金属電極を幅広レーザー加工し、光電変換層と透明電極を成膜した後に、幅狭レーザーする方法が提案されているが、
（１）工程が一つ増える、
（２）２回目のレーザー加工で位置合わせが必要になる、
といった問題がある。
特にプラスチックフィルム基板を用いた太陽電池の場合、加熱工程時のフィルム基板の熱変形があるため、前記（２）の位置合わせは困難になる。
ＳＣＡＦ構造太陽電池の場合、セル面の三層を一括分離加工すると端面全体の結晶化が発生し、同時に金属電極との溶融合金化も発生するため、端面の絶縁を確保するのは困難になる。
この対策として、金属電極を幅広レーザー加工し、光電変換層と透明電極を成膜した後に、幅狭レーザーする方法が提案されているが、
（１）工程が一つ増える、
（２）２回目のレーザー加工で位置合わせが必要になる、
といった問題がある。
特にプラスチックフィルム基板を用いた太陽電池の場合、加熱工程時のフィルム基板の熱変形があるため、前記（２）の位置合わせは困難になる。
本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、かかる課題を解決するもので、透明電極側からのレーザー照射で、光電変換層の下層に選択的に光を吸収させ、吹き飛ばすことによって加工を行うことが可能な薄膜太陽電池の製造方法を提供することにある。
従来においては、薄膜太陽電池の高効率化を目的にａ−Ｓｉセルとａ−ＳｉＧｅセル、あるいは微結晶セルを組み合わせた多接合セルが提案されている。この種のサブストレート構造の薄膜シリコン太陽電池は、光電変換層をトップセルに比べてボトムセルのｉ層のバンドギャップ（Ｂａｎｄ ｇａｐ）が小さくなるように構成されている。
本発明は、かかる課題を解決するものであり、上述した従来技術におけるバンドギャップの違いを利用して、下層であるボトムセルで光吸収を行わせる方法を提案するものである。
本発明は、かかる課題を解決するものであり、上述した従来技術におけるバンドギャップの違いを利用して、下層であるボトムセルで光吸収を行わせる方法を提案するものである。
すなわち、本発明の一つは、サブストレート型太陽電池の製造方法であり、非単結晶シリコンを主材料とするｎ、ｉ、ｐ接合を厚さ方向に２個以上組み合わせた光電変換層を有するサブストレート型太陽電池で、基板上に金属電極、前記光電変換層、透明電極を順次積層してなる薄膜太陽電池の製造方法であって、前記透明電極側の前記光電変換層であるトップセルと、前記トップセルより前記金属電極側の一層以上のセルを有し、少なくとも、前記２個以上の前記光電変換層と前記透明電極を、前記透明電極側から前記トップセル以外の前記セルに対して選択的に感度を有する波長のレーザーを用いて同時に除去する工程を含んでいる。
具体的には、前記透明電極側の前記光電変換層であるトップセルと、前記金属電極側のボトムセルを有するタンデム積層体であって、２個の前記光電変換層と前記透明電極を、前記透明電極側から前記ボトムセルに対して選択的に感度を有する波長のレーザーを用いて同時に除去する工程を含んでいる。
前記光電変換層は、ボトムセルのｉ層のバンドギャップがトップセルのｉ層よりも小さい。
そして、前記トップセルのｉ層がアモルファスシリコンであり、前記光電変換層のボトムセルのｉ層がアモルファスシリコンゲルマニウム、微結晶シリコン、微結晶シリコンゲルマニウムのいずれかである。
そして、前記トップセルのｉ層がアモルファスシリコンであり、前記光電変換層のボトムセルのｉ層がアモルファスシリコンゲルマニウム、微結晶シリコン、微結晶シリコンゲルマニウムのいずれかである。
また、前記透明電極側の前記光電変換層であるトップセルと、前記金属電極側のボトムセルと、中間のミドルセルを有するトリプル積層体であって、３個の前記光電変換層と前記透明電極を、前記透明電極側から前記ミドルセルまたは前記ボトムセルの少なくともいずれかに対して選択的に感度を有する波長のレーザーを用いて同時に除去する工程を含んでいる。
前記レーザーの波長が６００〜９００ｎｍの範囲、好ましくは６３０〜８１０ｎｍの範囲にある。
使用する前記レーザーは、アレキサンドライトレーザー、ルビーレーザー、チタンサファイアレーザー、ヘリウムネオンレーザー、クリプトンイオンレーザー、ＡＩＧａＡｓ、からなる半導体レーザーのいずれかである。
使用する前記レーザーは、アレキサンドライトレーザー、ルビーレーザー、チタンサファイアレーザー、ヘリウムネオンレーザー、クリプトンイオンレーザー、ＡＩＧａＡｓ、からなる半導体レーザーのいずれかである。
また、２ステップ分離方法として、レーザーパワーを調節して、光電変換層と透明電極の２層を上述のように除去する第１ステップと、続いて第２ステップで金属電極を除去する加工は、従来のように金属電極を幅広レーザー加工し、光電変換層と透明電極を成膜した後に、幅狭レーザー加工する方法で２回加工する方法に比べると、格段に加工容易であり、かつ加工時間も短い。
また、従来の２ステップ分離方法では、前記２回加工での、１回目のレーザー加工と２回目のレーザー加工の間に、成膜による熱工程があったが、本発明による前記２ステップ分離方法では、第１ステップと第２ステップの間に成膜による熱工程を通らないので、フィルム基板の熱変形が無いという点である。そして、従来は２回目の加工ラインを非平行、あるいは非直線的に複雑に制御する必要があったが、前記熱変形がないため、平行且つ直線的な加工で十分である。
さらに、フィルム基板を１つのステージに固定したままで、２回の加工が可能であるので、フィルムの位置合せも不要になる。以上により、フィルムの位置合せの時間も不要になり、工程が短縮化される。
よって、本発明によれば、サブストレート構造太陽電池の透明電極加工に起因したリーク電流の発生を抑制でき、これにより、サブストレート構造では困難であったオールレーザープロセスによる集積型太陽電池の生産が可能となる。
また、従来の２ステップ分離方法では、前記２回加工での、１回目のレーザー加工と２回目のレーザー加工の間に、成膜による熱工程があったが、本発明による前記２ステップ分離方法では、第１ステップと第２ステップの間に成膜による熱工程を通らないので、フィルム基板の熱変形が無いという点である。そして、従来は２回目の加工ラインを非平行、あるいは非直線的に複雑に制御する必要があったが、前記熱変形がないため、平行且つ直線的な加工で十分である。
さらに、フィルム基板を１つのステージに固定したままで、２回の加工が可能であるので、フィルムの位置合せも不要になる。以上により、フィルムの位置合せの時間も不要になり、工程が短縮化される。
よって、本発明によれば、サブストレート構造太陽電池の透明電極加工に起因したリーク電流の発生を抑制でき、これにより、サブストレート構造では困難であったオールレーザープロセスによる集積型太陽電池の生産が可能となる。
また、本発明において、ボトムセルで光を選択吸収させるには、ａ−Ｓｉ加工に用いられるＹＡＧレーザーの第二高調波よりも波長の長い６００〜９００ｎｍ、さらに望ましくは６３０〜８１０ｎｍのレーザー光を用いることが有効である。
６００ｎｍよりも波長が短いと、ａ−Ｓｉセルでの光吸収が大きくなり選択性を維持できない。また、９００ｎｍよりも波長が長いとボトムセルｉ層の光吸収係数が小さくなり、加工が困難になる。さらには、波長が長くなるほど熱加工の要素が大きくなるため、端面結晶化が発生し易くなる。
６００ｎｍよりも波長が短いと、ａ−Ｓｉセルでの光吸収が大きくなり選択性を維持できない。また、９００ｎｍよりも波長が長いとボトムセルｉ層の光吸収係数が小さくなり、加工が困難になる。さらには、波長が長くなるほど熱加工の要素が大きくなるため、端面結晶化が発生し易くなる。
以上説明したように、本発明は、サブストレート型での問題として、透明電極の下のトップセルにレーザー光を吸収させて加工を行うと、トップセルが結晶化してリーク原因になるので、トップセル以外のボトムセルやミドルセルでレーザー光を吸収させて、トップセルも一緒に吹き飛ばすように加工することに特徴を有している。したがって、本発明に係る薄膜太陽電池の製造方法によれば、サブストレート構造太陽電池の透明電極加工に起因したボトムセル部分の結晶化を抑制することが可能となり、ユニット平均リーク電流の発生を抑制できる。これにより、サブストレート構造では困難であったオールレーザープロセスによる集積型太陽電池の生産が可能になる。
以下、本発明に係る薄膜太陽電池及びその製造方法について、その実施形態に基づき図面を参照しながら詳細に説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る薄膜太陽電池のセル構成を示す模式的な断面図である。この第１実施形態の薄膜太陽電池は、絶縁性のフィルム基板上に、少なくとも金属電極、光電変換層、及び透明電極を順次形成してなり、その製造方法とともに説明する。
具体的には、本発明の第１実施形態のサブストレート型太陽電池は、図１に示すように、フィルム基板１を挟んで一方の面には金属電極３、光電変換層６、及び透明電極７が形成され、他方の面には第１背面電極４及び第２背面電極８が形成されている。また、セル面及び背面の成膜層は、それぞれ、セル面側加工ライン９及び背面側加工ライン１０で短冊状に分離されている。
透明電極７に流れ込んだ電流は、集電ホール５を通して背面電極８に集められ、各ユニットセルの直列接続は、直列接続ホール２によって行われるように構成されている。
図１は、本発明の第１実施形態に係る薄膜太陽電池のセル構成を示す模式的な断面図である。この第１実施形態の薄膜太陽電池は、絶縁性のフィルム基板上に、少なくとも金属電極、光電変換層、及び透明電極を順次形成してなり、その製造方法とともに説明する。
具体的には、本発明の第１実施形態のサブストレート型太陽電池は、図１に示すように、フィルム基板１を挟んで一方の面には金属電極３、光電変換層６、及び透明電極７が形成され、他方の面には第１背面電極４及び第２背面電極８が形成されている。また、セル面及び背面の成膜層は、それぞれ、セル面側加工ライン９及び背面側加工ライン１０で短冊状に分離されている。
透明電極７に流れ込んだ電流は、集電ホール５を通して背面電極８に集められ、各ユニットセルの直列接続は、直列接続ホール２によって行われるように構成されている。
本発明の第１実施形態の薄膜太陽電池を作製する装置としては、ＣＶＤ室、スパッタ室からなるステッピングロール装置が用いられている。ＣＶＤ室の電極サイズは１２０００ｃｍ２であり、１ｍ幅のフィルム基板上に、１成膜領域当たり１７２０ｃｍ２の薄膜太陽電池を６枚作製することができる。
各部屋は、フィルム基板１を挟んで完全に封止することが可能であり、成膜と搬送を交互に繰り返すステッピングロール成膜法によりセルを作製することができる。
各部屋は、フィルム基板１を挟んで完全に封止することが可能であり、成膜と搬送を交互に繰り返すステッピングロール成膜法によりセルを作製することができる。
以下に、サブストレート型薄膜太陽電池の作製装置を用いて行った太陽電池の製造方法について、図２を参照して説明する。
［第１電極の形成］
まず、図２（ａ）〜（ｂ）に示すように、フィルム基板１に直列接続ホール２を両面まで貫通して、形成する。
次いで、図２（ｃ）に示すように、フィルム基板１の両面に、金属電極３（一方の面）及び第１背面電極４（他方の面）を形成する。その後、図２（ｄ）に示すように、直列接続ホール２と所定の距離（ｙ）離れた位置に集電ホール５を形成する。
まず、図２（ａ）〜（ｂ）に示すように、フィルム基板１に直列接続ホール２を両面まで貫通して、形成する。
次いで、図２（ｃ）に示すように、フィルム基板１の両面に、金属電極３（一方の面）及び第１背面電極４（他方の面）を形成する。その後、図２（ｄ）に示すように、直列接続ホール２と所定の距離（ｙ）離れた位置に集電ホール５を形成する。
［ステッピングロール成膜］
フィルム基板１上に金属電極３及び第１背面電極４と、直列接続ホール２及び集電ホール５とが形成されたロール状の当該フィルム基板１をステッピングロール装置に装着し、成膜を行う。
まず、図２（ｅ）に示すように、プラズマＣＶＤ方法により、光電変換層６を成膜する。
このプラズマＣＶＤ方法の概略を説明すると、プラズマＣＶＤ室内には、高周波側電極（カソード電極）と接地側電極（アノード電極）とが設置され、原料ガスが流量を調整されて成膜ガス供給パイプから接地側電極に供給されて、接地側電極の表面からシャワー状に供給される。そして、プラズマＣＶＤ室の真空槽内の圧力が任意の圧力に設定されて、高周波電力供給ケーブルを介して高周波電源に接続された高周波側電極から高周波電力が印加されると、高周波側電極と接地側電極との間にプラズマが発生し、フィルム基板１上に光電変換層６を成膜する。
フィルム基板１上に金属電極３及び第１背面電極４と、直列接続ホール２及び集電ホール５とが形成されたロール状の当該フィルム基板１をステッピングロール装置に装着し、成膜を行う。
まず、図２（ｅ）に示すように、プラズマＣＶＤ方法により、光電変換層６を成膜する。
このプラズマＣＶＤ方法の概略を説明すると、プラズマＣＶＤ室内には、高周波側電極（カソード電極）と接地側電極（アノード電極）とが設置され、原料ガスが流量を調整されて成膜ガス供給パイプから接地側電極に供給されて、接地側電極の表面からシャワー状に供給される。そして、プラズマＣＶＤ室の真空槽内の圧力が任意の圧力に設定されて、高周波電力供給ケーブルを介して高周波電源に接続された高周波側電極から高周波電力が印加されると、高周波側電極と接地側電極との間にプラズマが発生し、フィルム基板１上に光電変換層６を成膜する。
このようにして試作したデバイス構造は、ａ−Ｓｉ／ａ−ＳｉＧｅタンデムセルである。ボトムｉ層及びトップｉ層について、膜厚はそれぞれ１２０ｎｍ及び２００ｎｍ、光学ギャップはそれぞれ１．５ｅＶ及び１．８ｅＶである。前記ａ−ＳｉＧｅ層の中のＧｅ組成は約３０％である。
続いて、図２（ｆ）に示すように、スパッタリング室で透明電極７を成膜する。その際、図１に示すように、直列接続ホール２の上に膜が付着しないように、ライン状のマスクを用いた。その後、図２（ｇ）に示すように、第１背面電極４の外側に第２背面電極８を成膜する。
［レーザー加工］
続いて、ロール状に巻回された加工後のフィルム基板１をレーザー加工装置に装着し、図１に示すセル面側加工ライン９及び背面側加工ライン１０をレーザーパターニングにより形成する。
ここで、セル面側加工ライン９の加工に、本発明を適用した効果を調べるため、下記の表１に示す３種類の方法、つまり本発明の実施例、従来例である比較例１及び比較例２の３種類の方法で加工した。
続いて、ロール状に巻回された加工後のフィルム基板１をレーザー加工装置に装着し、図１に示すセル面側加工ライン９及び背面側加工ライン１０をレーザーパターニングにより形成する。
ここで、セル面側加工ライン９の加工に、本発明を適用した効果を調べるため、下記の表１に示す３種類の方法、つまり本発明の実施例、従来例である比較例１及び比較例２の３種類の方法で加工した。
比較例１は、光電変換層６と透明電極７と金属電極３の３層を一括分離加工する方法で、実施例と比較例２は、２ステップで分離する方法をとっている。
実施例と比較例２の２ステップ分離加工方法は、レーザーパワーを調節して、図１の光電変換層６と透明電極７の２層を第１ステップで除去し、続いて第２ステップで金属電極３を除去するものである。
表１より、実施例において、第１ステップのレーザー種類はアレキサンドライトレーザー(波長７５５ｎｍ)であり、第２ステップのレーザー種類はＹＡＧレーザーの第二高調波(波長５３２ｎｍ)である。
また、実施例は、金属電極３と、光電変換層６のボトムセルとトップセルと、透明電極７を順次成膜した後に、第１ステップとして透明電極７からレーザー光を照射して、ボトムセルにレーザー光を吸収させることでのレーザーアブレーション加工で、トップセルと透明電極７も一緒に吹き飛ばし除去加工を行い、その直後に第２ステップで金属電極３のレーザー加工を行う。
比較例２は、金属電極３成膜した後に、第１ステップによる金属電極の幅広レーザー加工し、次いで光電変換層６と透明電極７を成膜した後に、第２ステップによる幅狭レーザーで光電変換層６と透明電極７のレーザー加工を行う。
実施例と比較例２の２ステップ分離加工方法は、レーザーパワーを調節して、図１の光電変換層６と透明電極７の２層を第１ステップで除去し、続いて第２ステップで金属電極３を除去するものである。
表１より、実施例において、第１ステップのレーザー種類はアレキサンドライトレーザー(波長７５５ｎｍ)であり、第２ステップのレーザー種類はＹＡＧレーザーの第二高調波(波長５３２ｎｍ)である。
また、実施例は、金属電極３と、光電変換層６のボトムセルとトップセルと、透明電極７を順次成膜した後に、第１ステップとして透明電極７からレーザー光を照射して、ボトムセルにレーザー光を吸収させることでのレーザーアブレーション加工で、トップセルと透明電極７も一緒に吹き飛ばし除去加工を行い、その直後に第２ステップで金属電極３のレーザー加工を行う。
比較例２は、金属電極３成膜した後に、第１ステップによる金属電極の幅広レーザー加工し、次いで光電変換層６と透明電極７を成膜した後に、第２ステップによる幅狭レーザーで光電変換層６と透明電極７のレーザー加工を行う。
なお、実施例による２ステップ分離加工方法は、比較例１の一括分離加工に比べて手間は増えるが、トップセルの端面の結晶化が抑えられ、透明電極７と金属電極３との絶縁が確保されて、リークが小さく効率の高い薄膜太陽電池が得られる。また、同じ２ステップ分離加工方法である実施例と比較例２では、従来の比較例２にように金属電極を幅広レーザー加工し、光電変換層と透明電極を成膜した後に、幅狭レーザー加工する方法で２回加工する方法に比べると、格段に加工が容易であり、かつ加工時間も短い。
その理由のひとつは、２回加工での、１回目のレーザー加工と２回目のレーザー加工の間に、成膜による熱工程があったが、本発明による前記２ステップ分離方法では、第１ステップと第２ステップの間に成膜による熱工程を通らないので、フィルム基板１の熱変形が無いという点である。そして、従来は２回目の加工ラインを非平行、あるいは非直線的に複雑に制御する必要があったが、熱変形が無いため、平行かつ直線的な加工で十分である。さらに、フィルム基板１を１つのステージに固定したままで、２回の加工が可能であるので、フィルム基板１の位置合せも不要になる。
これにより、フィルム基板１の位置合せの時間も不要になり、工程が短縮化されることになる。
その理由のひとつは、２回加工での、１回目のレーザー加工と２回目のレーザー加工の間に、成膜による熱工程があったが、本発明による前記２ステップ分離方法では、第１ステップと第２ステップの間に成膜による熱工程を通らないので、フィルム基板１の熱変形が無いという点である。そして、従来は２回目の加工ラインを非平行、あるいは非直線的に複雑に制御する必要があったが、熱変形が無いため、平行かつ直線的な加工で十分である。さらに、フィルム基板１を１つのステージに固定したままで、２回の加工が可能であるので、フィルム基板１の位置合せも不要になる。
これにより、フィルム基板１の位置合せの時間も不要になり、工程が短縮化されることになる。
［試作によるセル特性比較］
下記の表２は、試作した３種のセル（直列数６８、セル面積１７２０ｃｍ２、アパーチャー面積１５１０ｃｍ２）で、本発明の実施例、比較例１、比較例２の代表的なセル特性の比較を示している。
下記の表２は、試作した３種のセル（直列数６８、セル面積１７２０ｃｍ２、アパーチャー面積１５１０ｃｍ２）で、本発明の実施例、比較例１、比較例２の代表的なセル特性の比較を示している。
表２に示す実験結果から、３層一括分離加工する方法の比較例１の出力が最も小さく、２ステップ分離加工方法の比較例２、実施例の順に出力が向上していることが分かる。
また、本発明の実施例では、出力は大きいが、ユニット平均リーク電流が出力向上に対して低く抑えられているため、ユニット平均リーク電流が最も低い。したがって、本発明の実施例では、意図した通りの効果を奏し、加工端部の結晶化が抑えられて、ユニット平均リーク電流を低く保持できる。
なお、比較例１の特性が比較例２に比べてユニット平均リーク電流が高い原因は、レーザー光の高パワー加工により加工端部の結晶化の度合いが大きくなることと、電極との合金化が増加することの２つの現象によるものと考えられる。
なお、比較例１の特性が比較例２に比べてユニット平均リーク電流が高い原因は、レーザー光の高パワー加工により加工端部の結晶化の度合いが大きくなることと、電極との合金化が増加することの２つの現象によるものと考えられる。
［レーザー光に対する光吸収量について］
試作、実験に用いたａ−Ｓｉ／ａ―ＳｉＧｅタンデムセルの分光感度特性を図３に示す。図３において、４９０ｎｍ付近にピークのある短波長側の吸収特性は、トップセルの特性であり、７００ｎｍ付近にピークのある長波長側の吸収特性は、ボトムセルの特性である。
図３より、本発明の実施例の第１ステップで適用したレーザーが、表１のアレキサンドライトレーザー(波長７５５ｎｍ)であれば、ボトムセルで選択吸収されるものと考えられる。
これをより明確化するために、シミュレーションによって、レーザー光に対する光吸収量の深さプロファイルを行った。その結果を図４に示す。
試作、実験に用いたａ−Ｓｉ／ａ―ＳｉＧｅタンデムセルの分光感度特性を図３に示す。図３において、４９０ｎｍ付近にピークのある短波長側の吸収特性は、トップセルの特性であり、７００ｎｍ付近にピークのある長波長側の吸収特性は、ボトムセルの特性である。
図３より、本発明の実施例の第１ステップで適用したレーザーが、表１のアレキサンドライトレーザー(波長７５５ｎｍ)であれば、ボトムセルで選択吸収されるものと考えられる。
これをより明確化するために、シミュレーションによって、レーザー光に対する光吸収量の深さプロファイルを行った。その結果を図４に示す。
レーザー及びレーザー光の波長は、図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、ＹＡＧレーザーの第二高調波で５３２ｎｍ、クリプトンイオンレーザーで６４７ｎｍ、ルビーレーザーで６９４ｎｍ、アレキサンドライトレーザーで７５５ｎｍ、ＡｌＧａＡｓ半導体レーザーで８００ｎｍを想定している。
また、図４の縦軸は、入射レーザー光を１としたときの１ｎｍ当たりの光吸収量を示している。なお、図４において、Ａはトップセル、Ｂはボトムセルを示している。
また、図４の縦軸は、入射レーザー光を１としたときの１ｎｍ当たりの光吸収量を示している。なお、図４において、Ａはトップセル、Ｂはボトムセルを示している。
この結果から、ＹＡＧレーザーの第二高調波に相当する５３２ｎｍの場合は、図４（ａ）に示すように、横軸のａ−Ｓｉ入射面からの深さに対する縦軸の光吸収量の割合は、トップセルＡの方がボトムセルＢよりも大きい。また、当該光吸収量の変化割合は、ａ−Ｓｉ入射面からの深さ（横軸）に対して、指数関数的に減衰するプロファイルをとっていることが分かる。
一方、クリプトンイオンレーザーで６４７ｎｍの場合は、図４（ｂ）に示すように、横軸のａ−Ｓｉ入射面からの深さに対する縦軸の光吸収量の割合は、ボトムセルＢの方がトップセルＡよりも大きくなり、さらに該光吸収量の変化割合は、ａ−Ｓｉ入射面からの深さ（横軸）に対して、ほぼ一定となる。
一方、クリプトンイオンレーザーで６４７ｎｍの場合は、図４（ｂ）に示すように、横軸のａ−Ｓｉ入射面からの深さに対する縦軸の光吸収量の割合は、ボトムセルＢの方がトップセルＡよりも大きくなり、さらに該光吸収量の変化割合は、ａ−Ｓｉ入射面からの深さ（横軸）に対して、ほぼ一定となる。
すなわち、レーザー光の波長が長くなるに伴ってボトムセルＢの方がトップセルAよりも光吸収量が大きくなり、かつ光吸収量の変化割合は、指数関数的な減衰が弱まってほぼ一定となることが分かった。図４（ｃ）のアレキサンドライトレーザーで７５５ｎｍ、図４（ｄ）のＡｌＧａＡｓ半導体レーザーで８００ｎｍのようになる。したがって、ボトムセルＢの選択光吸収量を常時増加でき、ボトムセルＢの選択光吸収に対して有利に働くことが分かった。
図５は、平均光吸収量比率（ボトムセル／トップセル）と波長との関係、つまりボトムセルとトップセルについて、それぞれの平均光吸収量を導出してその比率を縦軸にとったものである。
この結果から、縦軸の平均光吸収量比率は波長５６０ｎｍ以上で１よりも大きくなっていることが分かる。別途に行ったレーザー光の強度と結晶化との関係を調査した結果から判断すると、平均光吸収量比率２以上であれば、選択光吸収加工は可能であり、平均光吸収量比率５であれば、さらに好ましいと考えられる。
したがって、平均光吸収量比率の観点から、レーザー光の波長は６００ｎｍ以上であり、好ましくは６３０ｎｍ以上が妥当と考えられる。
この結果から、縦軸の平均光吸収量比率は波長５６０ｎｍ以上で１よりも大きくなっていることが分かる。別途に行ったレーザー光の強度と結晶化との関係を調査した結果から判断すると、平均光吸収量比率２以上であれば、選択光吸収加工は可能であり、平均光吸収量比率５であれば、さらに好ましいと考えられる。
したがって、平均光吸収量比率の観点から、レーザー光の波長は６００ｎｍ以上であり、好ましくは６３０ｎｍ以上が妥当と考えられる。
一方、レーザー光の波長の上限を決める要素は、ボトムセルの光吸収量の絶対値である。試作したａ−Ｓｉ／ａ―ＳｉＧｅタンデムセルの分光感度特性を示す図３のグラフから分かるとおり、波長９００ｎｍ以上では感度が無いので、かかる９００ｎｍ以上の波長では加工を行うことができない。今回のａ−Ｓｉ／ａ―ＳｉＧｅタンデムセルの場合では、波長の上限は８１０ｎｍ程度と考えられる。
なお、ａ―ＳｉＧｅタンデムセルのＧｅ組成を大きくして、バンドギャップを狭くすれば、吸収端は波長の長い側にシフトするので、ａ―ＳｉＧｅタンデムセルで、Ｇｅ組成４０〜５０％のトリプルセルを加工する場合は、波長の上限は９００ｎｍ程度になると考えられる。ボトムセルを微結晶シリコンにする場合も、加工の波長の上限は９００ｎｍ程度になると考えられる。
なお、ａ―ＳｉＧｅタンデムセルのＧｅ組成を大きくして、バンドギャップを狭くすれば、吸収端は波長の長い側にシフトするので、ａ―ＳｉＧｅタンデムセルで、Ｇｅ組成４０〜５０％のトリプルセルを加工する場合は、波長の上限は９００ｎｍ程度になると考えられる。ボトムセルを微結晶シリコンにする場合も、加工の波長の上限は９００ｎｍ程度になると考えられる。
また、波長により加工性を問題にする場合、波長が９００ｎｍよりも大きくなると、熱加工の要素が大きくなり結晶化し易くなるので、熱加工の影響を受けないようにするには、波長が９００ｎｍを超えないようにする必要がある。
したがって、レーザー光の波長は９００ｎｍ以下、好ましくは８１０ｎｍ以下が妥当と考えられる。
したがって、レーザー光の波長は９００ｎｍ以下、好ましくは８１０ｎｍ以下が妥当と考えられる。
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態においては、直列接続ホール２、集電ホール５等のホールを使用せずに直列接続するサブストレート構造の薄膜太陽電池の製造方法に関するものである。図６は本発明の第２実施形態における薄膜太陽電池の構造を示し、（ａ）は金属電極加工前の状態の断面図、（ｂ）は金属電極加工後の状態の断面図であり、透明電極７の加工前後の模式図である。
本発明の第２実施形態においては、直列接続ホール２、集電ホール５等のホールを使用せずに直列接続するサブストレート構造の薄膜太陽電池の製造方法に関するものである。図６は本発明の第２実施形態における薄膜太陽電池の構造を示し、（ａ）は金属電極加工前の状態の断面図、（ｂ）は金属電極加工後の状態の断面図であり、透明電極７の加工前後の模式図である。
図６（ａ）に示す状態では、フィルム基板１の上に金属電極３、光電変換層６をそれぞれ成膜、レーザーパターニングにより形成している。そして、これら層の上部に透明電極７を形成している。
ここで、本実施形態の光電変換層６は、ａ―ＳｉＧｅのボトムセル６ａとａ−Ｓｉのトップセル６ｂのタンデム構造になっており、透明電極７の下部が光電変換層６の短冊状の切断部を介して金属電極３に達するように形成されている。
ここで、本実施形態の光電変換層６は、ａ―ＳｉＧｅのボトムセル６ａとａ−Ｓｉのトップセル６ｂのタンデム構造になっており、透明電極７の下部が光電変換層６の短冊状の切断部を介して金属電極３に達するように形成されている。
この状態で、図６（ｂ）に示すように、透明電極７の上方から波長６００〜９００ｎｍ、さらに望ましくは、６３０〜８１０ｎｍのレーザー光を照射する。
これにより、ボトムセル６ａでの選択吸収を実現でき、レーザー光で吹き飛ばすことによって、トップセル６ｂと透明電極７を同時に除去することが可能となる。
これにより、ボトムセル６ａでの選択吸収を実現でき、レーザー光で吹き飛ばすことによって、トップセル６ｂと透明電極７を同時に除去することが可能となる。
このように本発明の第２実施形態によれば、トップセル６ｂの端面の結晶化が抑えられるため、この部分で透明電極７と金属電極３との絶縁が確保される。したがって、リークが小さく、効率の高い薄膜太陽電池が得られる。
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変更及び変形が可能である。
例えば、本発明は、透明電極７側のトップセル６ｂと金属電極３側のボトムセル６ａを有するタンデム積層体のみならず、トップセル６ｂとボトムセル６ａとの中間にミドルセルを有するトリプル積層体にも適用することが可能である。
例えば、本発明は、透明電極７側のトップセル６ｂと金属電極３側のボトムセル６ａを有するタンデム積層体のみならず、トップセル６ｂとボトムセル６ａとの中間にミドルセルを有するトリプル積層体にも適用することが可能である。
１ フィルム基板
２ 直列接続ホール
３ 金属電極
４ 第１背面電極
５ 集電ホール
６ 光電変換層
６ａ ボトムセル
６ｂ トップセル
７ 透明電極
８ 第２背面電極
９ セル面側加工ライン
１０ 背面側加工ライン
２ 直列接続ホール
３ 金属電極
４ 第１背面電極
５ 集電ホール
６ 光電変換層
６ａ ボトムセル
６ｂ トップセル
７ 透明電極
８ 第２背面電極
９ セル面側加工ライン
１０ 背面側加工ライン
Claims (7)
- 非単結晶シリコンを主材料とするｎ、ｉ、ｐ接合を厚さ方向に２個以上組み合わせた光電変換層を有するサブストレート型太陽電池で、基板上に金属電極、前記光電変換層、透明電極を順次積層してなる薄膜太陽電池の製造方法であって、
前記透明電極側の前記光電変換層であるトップセルと、前記トップセルより前記金属電極側の一層以上のセルを有し、
少なくとも、前記２個以上の前記光電変換層と前記透明電極を、前記透明電極側から前記トップセル以外の前記セルに対して選択的に感度を有する波長のレーザーを用いて同時に除去する工程を含んでいることを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。 - 前記透明電極側の前記光電変換層であるトップセルと、前記金属電極側のボトムセルを有するタンデム積層体であって、
２個の前記光電変換層と前記透明電極を、前記透明電極側から前記ボトムセルに対して選択的に感度を有する波長のレーザーを用いて同時に除去する工程を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の薄膜太陽電池の製造方法。 - 前記光電変換層は、ボトムセルのｉ層のバンドギャップがトップセルのｉ層よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
- 前記光電変換層のトップセルのｉ層がアモルファスシリコンであり、前記光電変換層のボトムセルのｉ層がアモルファスシリコンゲルマニウム、微結晶シリコン、微結晶シリコンゲルマニウムのいずれかであることを特徴とする請求項２または３に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
- 前記透明電極側の前記光電変換層であるトップセルと、前記金属電極側のボトムセルと、中間のミドルセルを有するトリプル積層体であって、
３個の前記光電変換層と前記透明電極を、前記透明電極側から前記ミドルセルまたは前記ボトムセルの少なくともいずれかに対して選択的に感度を有する波長のレーザーを用いて同時に除去する工程を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の薄膜太陽電池の製造方法。 - 前記レーザーの波長が６００〜９００ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の薄膜太陽電池の製造方法。
- 使用する前記レーザーが、アレキサンドライトレーザー、ルビーレーザー、チタンサファイアレーザー、ヘリウムネオンレーザー、クリプトンイオンレーザー、ＡＩＧａＡｓ、からなる半導体レーザーのいずれかであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の薄膜太陽電池の製造方法。
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