JP5379845B2 - 薄膜太陽電池モジュール - Google Patents

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本発明は、単位セル内で薄膜シリコン系光電変換ユニットと化合物半導体系光電変換ユニットとが電気的に接合され、単位セルが直列に接続されることで集積化された薄膜太陽電池モジュールに関するものである。
近年、光電変換装置の低コスト化、高効率化を両立するために使用原材料が少なくてすむ薄膜太陽電池が注目され、開発が精力的に行われている。現在、従来の非晶質シリコン薄膜太陽電池に加えて結晶質シリコン薄膜太陽電池も開発され、これらを積層したハイブリッド太陽電池と称される積層型薄膜太陽電池も実用化されている。また、化合物半導体を用いた化合物半導体系太陽電池の研究も進んでおり、薄膜シリコン系よりも高効率な製品が実用化されている。
薄膜シリコン系太陽電池はＣＶＤ等の大面積化が容易な手法で作成可能であり、原料が豊富な為、量産コストにおいて非常に優れていることが特徴である。また、化合物半導体系太陽電池は量産コストでは薄膜シリコンに劣るものの、電子の直接遷移によって光を吸収できるため、比較的高効率化が容易である。
薄膜シリコン系の材料に関して、非晶質シリコンはバンドギャップが１．８５〜１．７ｅＶである。一方、非晶質シリコンと結晶シリコンの混相である結晶質シリコンのバンドギャップは結晶分率にもよるが、通常１．４〜１．２ｅＶである。これらの薄膜シリコンは、水素や炭素、酸素、窒素、ゲルマニウムといった元素と合金化させることでバンドギャップを調整することができる。また、ホウ素やリンといったシリコンとは価電子数の異なる材料を不純物としてドープすることでＰ型シリコンやＮ型シリコンが得られる。
なお、本明細書において、用語「結晶質」は、多結晶及び微結晶を包含し、部分的に非晶質を含むものをも意味するものとする。また、用語「シリコン系」は、シリコン単体以外に、水素や炭素、酸素、窒素、ゲルマニウムといった元素と合金化されたシリコンを包含する。
薄膜シリコン系太陽電池では通常、Ｐ層とＮ層の間に実質的に真正なＩ層を挟んだＰＩＮ構造により光電変換ユニットが形成される。Ｉ層は光吸収層であるため、Ｉ層を構成する材料のバンドギャップによって光電変換できる光の波長と光起電力が決定される。バンドギャップ以上のエネルギーが吸収された場合、余剰分のエネルギーは熱や光となってしまう為、電力として回収することはできない。
また、バンドギャップ以下のエネルギーが吸収される可能性は極めて低く、仮にバンドギャップ以下のエネルギーが吸収された場合においても、電子が伝導帯へ励起されないので、この場合もエネルギーが熱や光になってしまい、電力として回収することができない。そのため、バンドギャップの異なる複数の光電変換ユニットを重ねて、バンドギャップ相当の光エネルギーをそれぞれの光電変換ユニットで効率よく電力に変換する、いわゆる多接合化が今後の薄膜太陽電池の高効率化には必須である。
薄膜シリコン系光電変換ユニットとの多接合化が期待されるものとして、化合物半導体系光電変換ユニットが挙げられる。化合物半導体には様々な種類があるが、ＩＩＩ族元素とＶ族元素からなる化合物、ＩＩ族元素とＩＶ族元素からなる化合物、さらにＩＩ−ＶＩ族の変形であるＩ−ＩＩＩ−ＶＩ2族などのカルコパイライト系化合物の３つに分類される。中でもカルコパイライト系化合物を用いた太陽電池であるＣｕＩｎＳｅ2（以降ＣＩＳ）やＣｕＩｎＴｅ（以降ＣＩＴ）は大きな吸収係数を持ち、１μｍ以下の膜厚でも十分な光吸収を示す。
カルコパイライト系化合物のバンドギャップは１．０ｅＶより狭く、励起された電子が低い伝導帯の底に遷移するので、太陽光の可視光成分のエネルギーを効率良く電力に変換できず、単体では太陽電池には向かない。そのため、太陽電池への適用に際しては、組成をＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ2やＣｕＩｎ（Ｓ，Ｓｅ）２のように変えて化合物半導体のバンドギャップを広くすることが行われている。しかしながら、広バンドギャップ化には限界があり、組成を変更したとしても化合物半導体系光電変換ユニット単体では太陽電池に適しているとはいえない。そのため、化合物半導体を用いて実用性の高い太陽電池を作製するためには、化合物半導体系光電変換ユニットと、その他のユニットとの多接合化が重要であるといえる。
特許文献１では、単結晶Ｓｉ基板上へのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル成長を行う高効率太陽電池の作成法を提供しているが、ＧａＡｓ系光電変換ユニットはＡｓを多く消費するため環境への悪影響が懸念される。また、Ｓｉ単結晶平面へ化合物半導体層をエピタキシャル成長させなければならない為、大面積モジュールの作成方法としては現実的でない。
通常のカルコパイライト系化合物半導体太陽電池の構造としては、Ｎ側に酸化亜鉛／ＣｄＳが窓層として用いられる。そのため、カルコパイライト系化合物半導体太陽電池においては、Ｎ側から光を入射させることが高効率化のための条件の一つといえる。一方、非晶質シリコン系光電変換ユニットを備える太陽電池の高効率化条件として、非晶質シリコン系光電変換ユニットのＰ側から光が入射し、且つ多接合化によっても非晶質シリコン系光電変換ユニットの電流が律速せず、非晶質シリコン系光電変換ユニットの光劣化による性能悪化が小さいことが挙げられる。
このような、コストの低い薄膜シリコン系光電変換ユニットと、長波長側感度が高いナローバンドギャップ材料であるカルコパイライト系化合物半導体光電変換ユニットとを積層し、多接合化することによって、薄膜光電変換装置の高効率化が可能になると期待される。しかしながら、高効率化のためには、非晶質シリコン系光電変換ユニットはＰ層側、カルコパイライト系化合物半導体光電変換ユニットはＮ層側から光を入射することが好ましく、両者を単純に積層して多接合化しても、その長所を十分に活かすことはできない。さらに、非晶質シリコン系光電変換ユニットの電流を律速させないように、これらの２つの光電変換ユニットの電流密度をマッチングさせることは困難である。そのため、非晶質シリコン系光電変換ユニットとカルコパイライト系化合物半導体光電変換ユニットを積層・多接合化し、モジュール化した例はこれまでに無い。
特開平５−３３３２号公報
本発明は、従来多接合化が困難であった薄膜シリコン系光電変換ユニットと化合物半導体系光電変換ユニットを電気的に接続し、さらに単位セルを直列接続することで集積化した高効率かつ低コストの薄膜太陽電池モジュールを提供することを目的としている。
本発明の薄膜太陽電池モジュールは、光入射側から見て、少なくとも透明電極２、第１の光電変換ユニット３、中間透明電極層４、第２の光電変換ユニット５、第３の光電変換ユニット６、および金属電極７をこの順に有する。第１から第３の光電変換ユニットが電気的に接続されることで単位セルが形成され、複数の単位セルが直列に接続されることで集積化されている。第１の光電変換ユニット３は非晶質シリコン系光電変換ユニットであり、前記第３の光電変換ユニット６は化合物半導体系光電変換ユニットである。各単位セル内において、第２の光電変換ユニット５と第３の光電変換ユニット６とが直列に接続されることで直列素子１０が形成され、直列素子１０が、透明電極２および中間透明電極層４を介して第１の光電変換ユニット３と並列接続されている。
図１および図２に示す本発明の第１の実施形態においては、光入射側の透明絶縁基板１上に、透明電極２、第１の光電変換ユニット３としての非晶質シリコン系光電変換ユニット、中間透明電極層４、第２の光電変換ユニット５、第３の光電変換ユニット６としての化合物半導体系光電変換ユニット、および金属電極７が、この順に形成されている。
本発明の第１の実施形態にかかる光電変換装置の製造おいては、化合物半導体系光電変換ユニット６を製膜する際に、製膜が行われている表面側から光を照射することにより、非晶質シリコン系光電変換ユニット３の温度が上がらないようにすることが好ましい。
図３および図４に示す本発明の第２の実施形態においては、光入射側とは逆側の絶縁基板１上に、金属電極７、第３の光電変換ユニット６としての化合物半導体系光電変換ユニット、第２の光電変換ユニット５、中間透明電極層４、第１の光電変換ユニット３としての非晶質シリコン系光電変換ユニット、および透明電極２が、この順に形成されている。
本発明において、各単位セル内の光電変換ユニットの電気的接続および複数の単位セルの集積は、下記構成により行われることが好ましい。
各単位セル内の透明電極２と隣接する単位セル内の透明電極２とが、透明電極分離溝Ａによって分離されている。
各単位セル内の透明電極２と隣接する単位セル内の中間透明電極層４とが、第１種接続溝Ｂによって短絡されている。
各単位セル内の中間透明電極層４と同一単位セル内の金属電極７とが、中間電極分離溝Ｃによって絶縁されている。
各単位セル内の透明電極２と同一単位セル内の金属電極７とが、第２種接続溝Ｄによって短絡されている。
各単位セル内の金属電極７と隣接する単位セル内の金属電極７とが、金属電極分離溝Ｅによって分離されている。
本発明の好ましい形態においては、図２および図４に示すように、各単位セル内の直列素子１０および中間透明電極層４の側面に、絶縁膜８が形成されていることが好ましい。また、高効率化の観点から、第１の光電変換ユニットである非晶質シリコン系光電変換ユニットは光入射側にＰ層を有し、第２の光電変換ユニット、および第３の光電変換ユニットである化合物半導体系光電変換ユニットは光入射側にＮ層を有することが好ましい。
本発明において、第３の光電変換ユニット６は、光吸収層６１のバンドギャップが１．１ｅＶ以下であることが好ましく、光吸収層がカルコパイライト系化合物半導体からなることが好ましい。また、第２の光電変換ユニット５は結晶質シリコン系光電変換ユニットであることが好ましい。
中間透明電極層４の第１の光電変換ユニット３と接する界面は、酸化亜鉛を主成分とすることが好ましい。
本発明の薄膜太陽電池モジュールは、各単位セル内において、化合物半導体系光電変換ユニットと、第２の光電変換ユニットとの直列素子が形成され、当該直列素子と非晶質光電変換ユニットとは並列接続されている。そのため、非晶質シリコン系光電変換ユニットの電流が多接合化により律速することが防止できる。また、非晶質シリコン系光電変換ユニットをＰ側から光が入射する構成としつつ、化合物半導体系光電変換ユニットをＮ側から光が入射する構成とできるために、各光電変換ユニットにおける光電変換効率が最適化された設計を採用することが可能である。
さらに、第２の光電変換ユニット５として、結晶質シリコン系光電変換ユニットのように、化合物半導体系光電変換ユニットの出力電圧と非晶質シリコン系光電変換ユニットの出力電圧との差に近い出力電圧を有する光電変換ユニットを用いることで、単位セル内において、電流のみならず、電圧のマッチングも可能となる。そのため、本発明によれば、非晶質シリコン系光電変換ユニットおよび化合物半導体系光電変換ユニットのそれぞれの長所を失うことなく、多接合化が可能であり、光劣化の少ない薄膜太陽電池を低コストで提供することができる。
本発明の第１の実施形態の一態様（実施例１）に係る断面図である。 本発明の第１の実施形態の一態様（実施例２）に係る断面図である。 本発明の第２の実施形態の一態様（実施例３）に係る断面図である。 本発明の第２の実施形態の一態様（実施例４）に係る断面図である。
以下に、本発明の実施の形態としての薄膜太陽電池モジュールを、図面を参照しつつ説明する。
図１および図２は、本発明の第１の実施形態にかかる薄膜太陽電池モジュールの例を模式的に示す断面図である。第１の実施形態は、光入射側の透明絶縁基板１の上に透明電極２、第１の光電変換ユニット３、中間透明電極層４、第２の光電変換ユニット５、第３の光電変換ユニット６、および金属電極７がこの順に形成された、いわゆるスーパーストレート型の薄膜太陽電池である。
透明絶縁基板１としては、ガラス、透明樹脂等からなる板状部材やシート状部材が用いられる。透明電極２は導電性金属酸化物であることが好ましく、具体的にはＳｎＯ2、ＺｎＯ、Ｉｎ2Ｏ3等を好ましい例として挙げることができる。透明電極２はＣＶＤ、スパッタ、蒸着等の方法を用いて形成されることが好ましい。
透明電極２は、入射光の散乱を増大させる効果を有することが望ましい。具体的には、透明電極表面に微細な凹凸を有することにより、入射光の散乱を増大させる効果を有することが望ましい。また、透明電極２上に非晶質シリコン系光電変換ユニット３が製膜される際に、透明電極が一定量の水素プラズマに曝されると、透明電極を構成する金属酸化物が還元され、透過率及び抵抗率が著しく悪化する場合がある。水素プラズマに曝された場合の金属酸化物の還元を抑制する観点からは、透明電極２の非晶質シリコン系光電変換ユニット３と接する界面の主成分を酸化亜鉛とすることが好ましい。例えば、透明電極２が還元されやすい金属酸化物である場合には、耐還元性を持つＺｎＯで透明電極２の表面を覆うことが好ましい。
透明電極２には、透明電極を単位セルに分離するための透明電極分離溝Ａ１が形成される。分離溝Ａ１の形成にはレーザーを用いることが好ましく、透明絶縁基板１側から波長が９００ｎｍ以上のＩＲレーザーを入射することが好ましい。また、透明電極２の製膜時にマスクを付けて製膜することで、分離溝Ａ１を形成しても良い。透明電極分離溝Ａ１は、非晶質シリコン系光電変換ユニット３を構成する材料により充填される。
透明電極２の上には第１の光電変換ユニットである非晶質シリコン系光電変換ユニット３が形成される。高効率化の観点からは、非晶質シリコン系光電変換ユニット３は、光入射側（透明絶縁基板１側）から、Ｐ層、Ｉ層、Ｎ層の順に形成されることが好ましく、例えば、非晶質Ｐ型シリコンカーバイド層、実質的に真正な非晶質シリコン光電変換層、Ｎ型シリコン系界面層から構成される。非晶質シリコン系光電変換ユニット３の形成には高周波プラズマＣＶＤ法が適している。
非晶質シリコン系光電変換ユニット３の各層の形成条件としては、基板温度１００〜３００℃、圧力３０〜１５００Ｐａ、高周波パワー密度０．０１〜０．５Ｗ／ｃｍ2が好ましく用いられる。光電変換ユニット形成に使用する原料ガスとしては、ＳｉＨ4、Ｓｉ2Ｈ6等のシリコン含有ガスまたは、それらのガスとＨ2を混合したものが用いられる。光電変換ユニットにおけるＰ層またはＮ層を形成するためのドーパントガスとしては、Ｂ2Ｈ6またはＰＨ3等が好ましく用いられる。非晶質シリコン系光電変換ユニット３のバンドギャップは積極的にＨ2を導入することで広げることができる。
非晶質シリコン系光電変換ユニット３には、その上に製膜される中間透明電極層４と透明電極２とを短絡させる為の第１種接続溝Ｂ１が形成される。第１種接続溝Ｂ１の形成には、レーザーを用いてもよく、非晶質シリコン系光電変換ユニットの製膜時にマスクを付けて製膜しても良い。生産性の観点からはレーザーを用いることが好ましく、透明電極２へのダメージを避けるために、波長５００〜７００ｎｍのレーザーを用いることが好ましい。第１種接続溝Ｂ１は、中間透明電極層４を構成する導電性物質により充填され、透明電極２と中間透明電極層４とが短絡される。
非晶質シリコン系光電変換ユニット３の第１種接続溝Ｂ１側の側面に、中間透明電極層４等の導電性物質が付着すると、側面からの電流のリークにより、光電変換ユニットとしてのダイオード特性が悪化する場合がある。このような側面リークを防ぐためには、側面に導電性の低い物質からなる膜（不図示）を形成することが好ましい。例えば、酸素雰囲気中でレーザーを照射して非晶質シリコン系光電変換ユニット３を切断して第１種接続溝Ｂ１を形成すれば、切断された側面が酸化されるため、切断側面が酸化シリコン膜を構成し、側面からのリーク電流を防ぐ作用が得られる。
非晶質シリコン系光電変換ユニット３の上に中間透明電極層４が形成される。中間透明電極層を構成する材料としては、透明電極２と同様に導電性金属酸化物が望ましい。非晶質シリコン系光電変換ユニット３が光入射側にＰ層を有する場合、中間透明電極層４は非晶質シリコン系光電変換ユニット３のＮ層及び第２の光電変換ユニット５のＮ層が接することになる。そのため、少なくとも中間透明電極層の第１の光電変換ユニット３と接する界面および第２の光電変換ユニットと接する界面は、Ｎ層と電気的にコンタクトできる層であることが必要である。
また、第２の光電変換ユニット５の製膜条件によっては、中間透明電極層４が一定量以上の水素プラズマに曝されて、中間透明電極層４を構成する金属酸化物が還元され、透過率及び抵抗率が著しく悪化する場合がある。水素プラズマに曝された場合の金属酸化物の還元を抑制する観点からは、中間透明電極層４の第２の光電変換ユニット５と接する界面の主成分を酸化亜鉛とすることが好ましい。例えば、透明電極２が還元されやすい金属酸化物である場合には、耐還元性を持つＺｎＯで中間透明電極層４の表面を覆うことが好ましい。また、中間透明電極層４の非晶質シリコン系光電変換ユニット３との界面も電気的コンタクトの観点から、同様の処理を行うことが好ましい。
中間透明電極層４が裏面金属電極７と短絡するのを防ぐ為に、各単位セルの中間透明電極層４の接続溝Ｂ１と反対側の側面には、中間電極分離溝Ｃ１１が形成されることが好ましい。中間電極分離溝Ｃ１１の形成は、レーザーを用いてもよく、中間透明電極層４の製膜時にマスクを付けて製膜しても良い。レーザーを用いる場合は、裏面側（透明絶縁基板１とは逆側）から、波長が９００ｎｍ以上のＩＲレーザーを入射することが好ましい。中間電極分離溝Ｃ１１が、第２の光電変換ユニット５を構成する材料により充填され、中間透明電極層４の側面が覆われ、中間透明電極層と金属電極７との短絡が防止される。また、中間電極分離溝Ｃ１１を形成することで、光電変換ユニット側面での短絡によるリーク電流の発生も防止できる。側面での短絡によるリーク電流防止についての詳細は、図２の実施例に関する説明にて後述する。
中間透明電極層４の上に第２の光電変換ユニット５が形成される。非晶質シリコン系光電変換ユニット３が光入射側にＰ層を有する場合、第２の光電変換ユニット５は光入射側にＮ層を有している。第２の光電変換ユニット５の出力電圧Ｖ２は、非晶質シリコン系光電変換ユニット３の出力電圧Ｖ１より小さく、化合物半導体系光電変換ユニット６の出力電圧Ｖ３より大きいことが好ましい。また、第２の光電変換ユニット５の出力電圧Ｖ２は、非晶質シリコン系光電変換ユニット３の出力電圧Ｖ１と化合物半導体系光電変換ユニット６との出力電圧Ｖ３の差（Ｖ１−Ｖ３）に近いことが好ましい。具体的には、｛Ｖ１−（Ｖ２＋Ｖ３）｝の絶対値が０．３Ｖ以下であることが好ましく、０．２Ｖ以下であることがより好ましい。第２の光電変換ユニット５の出力電圧Ｖ２を前記範囲とすることで、各光電変換セル内の並列接続素子の電圧が最適化され、高い出力を有する光電変換装置が得られる。
このような光電変換ユニットとしては、ｉ層が結晶質シリコンである結晶質シリコン系光電変換ユニットや、ｉ層が非晶質水素化シリコンゲルマニウムである非晶質シリコンゲルマニウム光電変換ユニット等が挙げられる。化合物半導体系光電変換ユニット６がカルコパイライト系化合物半導体光電変換ユニットである場合、第２の光電変換ユニット５としては、結晶質シリコン系光電変換ユニットを好ましいものとして挙げることができる。結晶質シリコン系光電変換ユニットは通常、Ｎ型結晶質シリコン層、実質的に真正な結晶質シリコン系光電変換層、Ｐ型結晶質シリコン層で構成される。結晶質シリコン系光電変換層とＮ型結晶質シリコン層の間にＮ型非晶質シリコン系界面層が挿入されていれば、さらに好ましい。結晶質シリコン系光電変換ユニット５の形成には高周波プラズマＣＶＤ法が適している。
結晶質シリコン系光電変換ユニットの各層の形成条件としては、基板温度１００〜３００℃、圧力３０〜３０００Ｐａ、高周波パワー密度０．１〜０．５Ｗ／ｃｍ2が好ましく用いられる。光電変換ユニット形成に使用する原料ガスとしては、ＳｉＨ4、Ｓｉ2Ｈ6等のシリコン含有ガスまたは、それらのガスとＨ2を混合したものが用いられる。光電変換ユニットにおけるＰ層またはＮ層を形成するためのドーパントガスとしては、Ｂ2Ｈ6またはＰＨ3等が好ましく用いられる。
第２の光電変換ユニット５上には、第３の光電変換ユニットとして化合物半導体系光電変換ユニット６が製膜される。第２の光電変換ユニット５と第３の光電変換ユニット６とは直列接続され、直列素子１０を形成する。化合物半導体系光電変換ユニット６としては、光吸収層６１のバンドギャップが１．１ｅＶ以下のものが好ましく用いられる。中でもカルコパイライト系化合物半導体光電変換ユニットが好ましく、光吸収層６１としてＣＩＳ層を有する０．９ｅＶ〜１．１ｅＶ程度のバンドギャップの光電変換ユニットが特に好ましい。
ＣＩＳ層は、三源蒸着法により、基板温度が〜５００℃となるように温度をコントロールして製膜されることが望ましい。化合物半導体系光電変換ユニット６の形成時に基板温度を〜２００℃まで上げると、非晶質シリコン系光電変換ユニット３のダイオード特性が極端に悪化する場合がある。そのため、化合物半導体の形成時に、製膜面側から光を照射し、光の輻射熱によって製膜表面を加熱して、製膜表面を高温にすることが好ましい。照射する光はキセノン光源を用いたパルス光が好ましく、非晶質シリコン系光電変換ユニット３の温度が上がらないようにすることが好ましい。
化合物半導体系光電変換ユニット６の形成において、光吸収層６１形成前に、光入射側に窓層６２が形成されることが好ましい。一般に、ＣＩＳ等のカルコパイライト型半導体からなる光吸収層６１は、Ｐ型の導電型特性を有するため、窓層６２はＮ型の導電型特性を有することが好ましい。窓層６２としては、酸化亜鉛層、ＣｄＳ層を用いることが好ましい。窓層６２が酸化亜鉛等の導電性物質からなる場合は、図１および図２に示すように、窓層６２と裏面金属電極７とが短絡するのを防ぐ為に、各単位セルの窓層の中間電極分離溝Ｃ１１側の側面に窓層分離溝Ｃ２１が形成されることが好ましい。窓層分離溝Ｃ２１は窓層６２形成時にマスクを用いて形成されることが好ましい。窓層分離溝Ｃ２１が、化合物半導体系光電変換ユニット６を構成する材料により充填され、窓層６２と金属電極７とが絶縁される。また、窓層分離溝Ｃ２１を形成することで、光電変換ユニット側面での短絡によるリーク電流の発生も防止できる。側面での短絡によるリーク電流防止についての詳細は、図２の実施例に関する説明にて後述する。
図１に示す実施例においては、化合物半導体系光電変換ユニット６の形成後に裏面金属電極７と透明電極２を短絡させる為の第２種接続溝Ｄ１が形成される。一方、図２に示す実施例においては、第２種接続溝Ｄ１の形成前に、絶縁膜８を形成するための分離溝Ｃ３１およびＣ４１が形成される。図２に示す実施形態においては、第２の光電変換ユニット５および第３の光電変換ユニット６からなる直列素子１０と第１の光電変換ユニット３との短絡を防止する為に、非晶質シリコン系光電変換ユニット３から化合物半導体系光電変換ユニット６までの側面に絶縁膜８が設けられている。
光電変換ユニットの側面に絶縁膜８を製膜する場合、分離溝Ｃ３１およびＣ４１は、第１の光電変換ユニット３から第３の光電変換ユニット６までを除去することで形成される。なお、図２は接続溝Ｄ１、金属電極７および分離溝Ｅ１を形成した後の光電変換装置を表しているため、分離溝Ｃ３１および分離溝Ｃ４１はそれぞれが１本の溝として図示されているが、１つの単位セルの分離溝Ｃ３１と、隣接する単位セルの分離溝Ｃ４１とは、１本の溝として形成することができる。分離溝Ｃ３１、Ｃ４１の形成には透明電極２へのダメージを避けるために、波長５００〜７００ｎｍのレーザーを透明絶縁基板１側から照射することが好ましい。
次に、分離溝Ｃ３１およびＣ４１を充填するように、絶縁膜８が製膜される。絶縁膜８を形成する物質としては、導電率が１×１０−４Ｓ／ｃｍ以下のものが好適に用いられ、例えば、シリコンナイトライド、シリコンオキサイド等の絶縁物質が好適に用いられる。中でも、絶縁性、製膜性および耐久性の観点から、シリコンナイトライドが特に好ましい。
シリコンナイトライド絶縁膜の形成条件としては、基板温度１００〜３００℃、圧力３０〜１５００Ｐａ、高周波パワー密度０．０１〜０．３Ｗ／ｃｍ2が好ましく用いられる。シリコンナイトライドの形成に使用する原料ガスとしては、ＳｉＨ4とＮＨ3及びＨ2が好ましい。
なお、前記した第２種接続溝Ｄ１の形成前に分離溝Ｃ３１およびＣ４１を形成してシリコンナイトライド等の絶縁膜を製膜する方法以外に、第２種接続溝Ｄ１および金属電極分離溝Ｅ１を形成する際に、酸素雰囲気中で各光電変換ユニットを切断することで切断面を酸化して、導電率を低下させる方法によっても、絶縁膜８を形成することもできる。
非晶質シリコン系光電変換ユニット３から化合物半導体系光電変換ユニット６までを除去することで、第２種接続溝Ｄ１が形成される。図１に示す実施形態において、接続溝Ｄ１は、レーザーにより形成することが好ましい。レーザーによる接続溝Ｄの１形成は、透明絶縁基板１側から波長５００〜７００ｎｍのレーザーを入射し、非晶質シリコン系光電変換ユニット３をアブレーションさせることで、非晶質シリコン系光電変換ユニット３から化合物半導体系光電変換ユニット６までを除去することが好ましい。
また、図２に示すように、分離溝Ｃ３１およびＣ４１が形成され、分離溝内に絶縁膜８が製膜されている場合には、光電変換ユニットの側面に絶縁膜８が残るように、第２種接続溝Ｄ１が形成される。この場合も、接続溝Ｄ１は、図１に示す実施形態と同様に、レーザーにより形成することが好ましい。
化合物半導体系光電変換ユニット６上に裏面電極としての金属電極７が製膜される。裏面金属電極としてはＭｏを製膜することが好ましい。蒸着手段は電子線蒸着、スパッタ蒸着などが挙げられる。第２種接続溝Ｄ１が、裏面金属電極７を構成する導電性物質により充填され、透明電極２と裏面金属電極７とが短絡される。
最後に、金属電極７を単位セルに分離する為の金属電極分離溝Ｅ１が形成される。金属電極分離溝Ｅ１は裏面金属電極７の製膜時にマスクを用いることによっても形成できるが、
裏面金属電極７を製膜後に、レーザーにより形成することが好ましい。レーザーによる分離溝Ｅ１の形成は、透明絶縁基板１側からＹＡＧ第２高調波レーザーを入射し、非晶質シリコン系光電変換ユニット３をアブレーションさせることで、非晶質シリコン系光電変換ユニット３から裏面金属電極７までを除去することが好ましい。
このように、各層および分離溝、接続溝が形成されることで、集積型光電変換装置が得られる。各単位セル内において、第２の光電変換ユニット５と第３の光電変換ユニット６とが直列に接続されて直列素子１０が形成されている。当該直列素子１０は、中間透明電極層４と透明電極２および金属電極７とを介して、第１の光電変換ユニット３と並列接続される。また、各単位セルの透明電極２と隣接する単位セルの中間透明電極層４とが短絡されることで、隣接する複数の単位セルが直列に接続される。
なお、図２においては、分離溝Ｃ３１、Ｃ４１内に絶縁膜８が形成され、さらに中間電極分離溝Ｃ１１および窓層分離溝Ｃ２１が形成されているが、中間透明電極層４および窓層６２の側面が絶縁膜８で覆われている場合は、分離溝Ｃ１１およびＣ２１を形成してもよいし、分離溝Ｃ１１およびＣ２１の形成を省略してもよい。分離溝Ｃ１１およびＣ２１が形成されない場合、分離溝Ｃ４１が中間電極分離溝および窓層分離溝の役割を果たし、分離溝Ｃ４１内の絶縁膜８が、中間透明電極層４および窓層６２と金属電極７とを絶縁する。一方、レーザー照射により溝Ｃ４１が形成される場合は、分離溝Ｃ１１およびＣ２１が形成されることが好ましい。分離溝Ｃ１１およびＣ２１が形成されない場合、分離溝Ｃ４１が形成される際に、中間透明電極層４および窓層６２の分離溝Ｃ４１側の側面には導電性物質が露出している。そのため、分離溝Ｃ４１を形成するために側面にレーザーが照射されると、レーザーによって溶融した中間透明電極層４および窓層６２の導電性物質が第２の光電変換ユニット５や第３の光電変換ユニット６の光吸収層６１の側面に付着して短絡するために、リーク電流を生じる場合がある。これに対して、予め分離溝Ｃ１１およびＣ２１が形成されていれば、中間透明電極層４および窓層６２の側面が半導体層によって覆われているために、光電変換ユニット側面に導電性物質が付着することがなく、リーク電流の発生を防止できる。
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図３および図４は、本発明の第２の実施形態にかかる薄膜太陽電池モジュールの例を模式的に示す断面図である。第２の実施形態は、光入射側とは逆側の絶縁基板１上に、金属電極７、第３の光電変換ユニット６、第２の光電変換ユニット５、中間透明電極層４、第１の光電変換ユニット３、および透明電極２がこの順に形成された、いわゆるサブストレート型の薄膜太陽電池である。
絶縁基板１としては、ガラス、透明樹脂等から成る板状部材やシート状部材等が用いられる。化合物半導体系光電変換ユニット６としてカルコパイライト系化合物半導体光電変換ユニットを用いた場合、絶縁基板１から金属電極７を介してＩa族元素が拡散されることで、カルコパイライト系化合物半導体の結晶化が促進されることが知られている。よって、ソーダライムガラスといったＮａ等のＩa族元素を含有する材料からなるものが絶縁基板１として好ましい。
絶縁基板１上に金属電極７が形成される。金属電極７としてはＭｏが好ましい。金属電極の製膜手段は電子線蒸着、スパッタ蒸着などが挙げられる。
金属電極７には、金属電極を単位セルに分離するための金属電極分離溝Ｅ２が形成される。分離溝Ｅ２の形成には波長が９００ｎｍ以上のＩＲレーザーを用いることが好ましく、絶縁基板１がガラスや透明樹脂等の透明絶縁基板である場合には、絶縁基板１側からレーザーを入射することが好ましい。また、金属電極７の製膜時にマスクを付けて製膜することで、分離溝Ｅ２を形成してもよい。
金属電極７上には、第３の光電変換ユニットとして化合物半導体系光電変換ユニット６が製膜される。化合物半導体系光電変換ユニット６としては、光吸収層６１のバンドギャップが１．１ｅＶ以下のものが好ましく用いられる。中でもカルコパイライト系化合物半導体光電変換ユニットが好ましく、光吸収層６１としてＣＩＳ層を有する０．９ｅＶ〜１．１ｅＶ程度のバンドギャップの光電変換ユニットが特に好ましい。光吸収層であるＣＩＳ層は、三源蒸着法により、基板温度が〜５００℃となるように温度をコントロールして製膜されることが望ましい。
化合物半導体系光電変換ユニット６は光入射側に、窓層６２が形成されることが好ましい。一般に、ＣＩＳ等のカルコパイライト型半導体からなる光吸収層６１は、Ｐ型の導電型特性を有するため、窓層６２はＮ型の導電型特性を有することが好ましい。窓層６２としては、酸化亜鉛層、ＣｄＳ層を用いることが好ましい。ＣｄＳ層は例えば、溶液析出法、セレン化法により形成される。酸化亜鉛層は例えば、スパッタ法、熱ＣＶＤ法などにより形成される。
窓層６２が酸化亜鉛等の導電性物質からなる場合は、図３および図４に示すように、窓層６２の両側面に窓層分離溝Ｃ２２およびＣ２３が形成されることが好ましい。窓層分離溝Ｃ２２およびＣ２３は、第２の光電変換ユニット６を構成する材料」により充填される。分離溝Ｃ２２およびＣ２３が形成されない場合、分離溝Ｃ３２およびＣ４２が形成される際に中間透明電極層４および窓層６２の分離溝Ｃ４１側の側面には導電性物質が露出している。そのため、分離溝Ｃ４１を形成するために側面にレーザーが照射されると、レーザーによって溶融した窓層６２の導電性物質が第２の光電変換ユニット５の側面に付着して短絡するために、リーク電流を生じる場合がある。これに対して、予め分離溝Ｃ２２およびＣ２３が形成されていれば、窓層６２の側面が半導体層によって覆われているために、光電変換ユニット５の側面に導電性物質が付着することがなく、リーク電流の発生を防止できる。
化合物半導体系光電変換ユニット６の上に第２の光電変換ユニット５が形成される。化合物半導体系光電変換ユニット６が光入射側にＮ型の窓層６２を有する場合、第２の光電変換ユニット５は光入射側にＮ層を有している。第２の光電変換ユニット５の出力電圧Ｖ２は、非晶質シリコン系光電変換ユニット３の出力電圧Ｖ１より小さく、化合物半導体系光電変換ユニット６の出力電圧Ｖ３より大きいことが好ましい。また、第２の光電変換ユニット５の出力電圧Ｖ２は、非晶質シリコン系光電変換ユニット３の出力電圧Ｖ１と化合物半導体系光電変換ユニット６との出力電圧Ｖ３の差（Ｖ３−Ｖ１）に近いことが好ましく、具体的には、｛Ｖ１−（Ｖ２＋Ｖ３）｝の絶対値が０．３Ｖ以下であることが好ましく、０．２Ｖ以下であることがより好ましい。第２の光電変換ユニット５の出力電圧Ｖ２を前記範囲とすることで、各光電変換セル内の並列接続素子の電圧が最適化され、高い出力を有する光電変換装置が得られる。
このような光電変換ユニットとしては、ｉ層が結晶質シリコンである結晶質シリコン系光電変換ユニットや、ｉ層が非晶質水素化シリコンゲルマニウムである非晶質シリコンゲルマニウム光電変換ユニット等が挙げられる。化合物半導体系光電変換ユニット６がカルコパイライト系化合物半導体光電変換ユニットである場合、第２の光電変換ユニット５としては、結晶質シリコン系光電変換ユニットを好ましいものとして挙げることができる。結晶質シリコン系光電変換ユニットは通常、Ｐ型結晶質シリコン層、実質的に真正な結晶質シリコン光電変換層、Ｎ型結晶質シリコン層で構成される。結晶質シリコン系光電変換層とＮ型結晶質シリコン層の間にＮ型非晶質シリコン系界面層が挿入されていれば、さらに好ましい。結晶質シリコン系光電変換ユニット５の形成には高周波プラズマＣＶＤ法が適している。
結晶質シリコン系光電変換ユニットの各層の形成条件としては、基板温度１００〜３００℃、圧力３０〜３０００Ｐａ、高周波パワー密度０．１〜０．５Ｗ／ｃｍ2が好ましく用いられる。光電変換ユニット形成に使用する原料ガスとしては、ＳｉＨ4、Ｓｉ2Ｈ6等のシリコン含有ガスまたは、それらのガスとＨ2を混合したものが用いられる。光電変換ユニットにおけるＰ層またはＮ層を形成するためのドーパントガスとしては、Ｂ2Ｈ6またはＰＨ3等が好ましく用いられる。
第２の光電変換ユニット５上に中間透明電極層４が製膜される。中間透明電極層は導電性金属酸化物からなることが好ましく、具体的にはＳｎＯ2、ＺｎＯ、Ｉｎ2Ｏ3等を好ましい例として挙げることができる。中間透明電極層４はＣＶＤ、スパッタ、蒸着等の方法を用いて形成されることが好ましい。第２の光電変換ユニット５が光入射側にＮ層を有する場合、中間透明電極層４には第２の光電変換ユニット５のＮ層及び非晶質シリコン系光電変換ユニット３のＮ層が接することになる。そのため、少なくとも中間透明電極層４の第１の光電変換ユニット３と接する界面および中間透明電極層４の第２の光電変換ユニットと接する界面は、Ｎ層と電気的にコンタクトできる層であることが必要である。
また、非晶質シリコン系光電変換ユニット３の製膜条件によっては、中間透明電極層４が一定量以上の水素プラズマに曝されて、中間透明電極層４を構成する金属酸化物が還元され透過率及び抵抗率が著しく悪化する場合がある。水素プラズマに曝された場合の金属酸化物の還元を抑制する観点からは、耐還元性を持つＺｎＯで中間透明電極層４の表面を覆い、中間透明電極層４の非晶質シリコン系光電変換ユニット３と接する界面の主成分を酸化亜鉛とすることが好ましい。また、中間透明電極層４の第２の光電変換ユニット５との界面も電気的コンタクトの観点から、同様の処理を行うことが好ましい。
中間透明電極層４と透明電極２とが短絡するのを防ぐ為に、各単位セルの中間透明電極層４の両側面に中間電極分離溝Ｃ３２、Ｃ４２が形成される。中間電極分離溝Ｃ３２、Ｃ４２は、第３の光電変換ユニット６から中間透明電極層４までを除去して形成されることが好ましい。このようにすることで、光電変換ユニット６から中間透明電極層４まで延在する分離溝Ｃ３２、Ｃ４２がその後に形成される非晶質シリコン系光電変換ユニット３で充填される。そのため、中間透明電極層４と透明電極２との短絡が防止されることに加えて、光電変換ユニット５，６が直列接続された直列素子１０と第１の光電変換ユニット３とが透明電極２を介して短絡することも防止される。
なお、図３および図４は、第１の光電変換ユニット３、透明電極２および接続溝Ｂ２、Ｄ２を形成した後の光電変換装置を表しているため、分離溝Ｃ３２および分離溝Ｃ４２はそれぞれが１本の溝として図示されているが、１つの単位セルの分離溝Ｃ３２と隣接する単位セルの分離溝Ｃ４２とは、１本の溝として形成することができる。分離溝Ｃ３２、Ｃ４２の形成にはレーザーを用いることが好ましい。レーザーを用いて分離溝Ｃ３２、Ｃ４２を形成する場合、絶縁基板１とは反対側から波長が９００ｎｍ以上のＩＲレーザーを入射することが好ましい。
分離溝Ｃ３２は金属電極分離溝Ｅ２と連結されるように形成されることが好ましい。分離溝Ｃ３２と金属電極分離溝Ｅとが連結していることで、金属電極分離溝Ｅ２は、非晶質シリコン系光電変換ユニット３を形成する物質（図３の形態）、または絶縁膜８を形成する物質（図４の形態）で充填されるため、各単位セルの透明電極２と、隣接する単位セルの金属電極７との短絡を防止できる。
図３に示す実施形態においては、中間透明電極層および中間電極分離溝を形成した後に第１の光電変換ユニット３が製膜されるが、図４に示す実施形態のように、第１の光電変換ユニット３の製膜前に、中間電極分離溝Ｃ３２およびＣ４２を絶縁物質で充填して、中間透明電極層および第２の光電変換ユニット５と第３の光電変換ユニット６とが直列接続された直列素子１０の側面に絶縁膜８を形成してもよい。
絶縁膜８を形成する物質としては、導電率が１×１０−４Ｓ／ｃｍ以下のものが好適に用いられ、例えば、シリコンナイトライド、シリコンオキサイド等の絶縁物質が好適に用いられる。中でも、絶縁性、製膜性および耐久性の観点から、シリコンナイトライドが特に好ましい。
シリコンナイトライドの形成条件としては、基板温度１００〜３００℃、圧力３０〜１５００Ｐａ、高周波パワー密度０．０１〜０．３Ｗ／ｃｍ2が好ましく用いられる。シリコンナイトライドの形成に使用する原料ガスとしては、ＳｉＨ4とＮＨ3及びＨ2が好ましい。
中間透明電極層４上には第１の光電変換ユニットである非晶質シリコン系光電変換ユニット３が形成される。高効率化の観点から、非晶質シリコン系光電変換ユニット３は、中間透明電極層４側（光入射側と逆側）からＮ層、Ｉ層、Ｐ層の順に形成されることが好ましく、例えば、非晶質Ｐ型シリコンカーバイド層、実質的に真正な非晶質シリコン光電変換層、Ｎ型シリコン系界面層から構成される。非晶質シリコン系光電変換ユニットの各層の形成には高周波プラズマＣＶＤ法が適している。
非晶質シリコン系光電変換ユニット３の各層の形成条件としては、基板温度１００〜３００℃、圧力３０〜１５００Ｐａ、高周波パワー密度０．０１〜０．５Ｗ／ｃｍ2が好ましく用いられる。光電変換ユニット形成に使用する原料ガスとしては、ＳｉＨ4、Ｓｉ2Ｈ6等のシリコン含有ガスまたは、それらのガスとＨ2を混合したものが用いられる。光電変換ユニットにおけるＰ層またはＮ層を形成するためのドーパントガスとしては、Ｂ2Ｈ6またはＰＨ3等が好ましく用いられる。非晶質シリコン系光電変換ユニット３のバンドギャップは積極的にＨ2を導入することで広げることができる。
非晶質シリコン系光電変換ユニット３の上には透明電極２が製膜される。透明電極は導電性金属酸化物であることが好ましく、具体的にはＳｎＯ2、ＺｎＯ、Ｉｎ2Ｏ3等を好ましい例として挙げることができる。透明電極２はＣＶＤ、スパッタ、蒸着等の方法を用いて形成されることが好ましい。透明電極２は、入射光の散乱を増大させる効果を有することが望ましい。具体的には、透明電極表面に微細な凹凸を有することにより、入射光の散乱を増大させる効果を有することが望ましい。
非晶質シリコン系光電変換ユニット３を製膜後に、各単位セル内の透明電極２と隣接する単位セル内の中間透明電極層４とを短絡するための第１種接続溝Ｂ２、および各単位セル内の透明電極２と同一単位セル内の金属電極７とを短絡するための第２種接続溝Ｄ２が形成される。第１種接続溝Ｂ２および第２種接続溝Ｄ２は、透明電極２を構成する導電性物質により充填され、透明電極２と裏面金属電極７および中間透明電極層４とが短絡される。
第１種接続溝Ｂ２は、各単位セルと隣接する単位セルとの境界部における分離溝Ｃ３２（図３，４においては、分離溝Ｃ３２の左側）に隣接する部分の非晶質シリコン系光電変換ユニット３を除去することで形成される。第２種接続溝Ｄ２は、絶縁基板１とは反対側からレーザーを入射して非晶質シリコン系光電変換ユニット３を除去して形成されることが好ましい。絶縁基板１と反対側からレーザーを入射した場合、中間透明電極層４によってレーザー光が反射されるため、非晶質シリコン系光電変換ユニット３のみが除去される。レーザーとしては、波長が９００ｎｍ以上のＩＲレーザーが好ましい。
第２種接続溝Ｄ２は、各単位セルと隣接する単位セルとの境界部における分離溝Ｃ３２と分離溝Ｃ４２との間の、非晶質シリコン系光電変換ユニット３から化合物半導体系光電変換ユニット６までの側壁部分を除去することで形成される。第２種接続溝Ｄ２は、絶縁基板１とは反対側からレーザーを入射して単位セルの境界部に充填された非晶質シリコン系光電変換ユニット３を形成する物質、または絶縁膜８を形成する物質を除去して形成されることが好ましい。レーザーとしては、波長５００〜７００ｎｍのレーザーを用いることが好ましい。
非晶質シリコン系光電変換ユニット３上に透明電極２が製膜される。透明電極２は導電性金属酸化物であることが好ましく、具体的にはＳｎＯ2、ＺｎＯ、Ｉｎ2Ｏ3等を好ましい例として挙げることができる。透明電極２はＣＶＤ、スパッタ、蒸着等の方法を用いて形成されることが好ましい。
最後に、透明電極を単位セルに分離する為の透明電極分離溝Ａ２が形成される。透明電極分離溝は、透明電極側から波長が９００ｎｍ以上のＩＲレーザーを入射しても良く、透明電極２の製膜時にマスクを付けて製膜しても良い。各単位セルと隣接する単位セルとの境界部において、各分離溝および接続溝は、透明電極分離溝Ａ２、第１種接続溝Ｂ２、中間電極分離溝Ｃ３２（および金属電極分離溝Ｅ２、第２種接続溝Ｄ２、中間電極分離溝Ｃ４２の順に並ぶように形成される。
このように、各層および分離溝、接続溝が形成されることで、集積型光電変換装置が得られる。各単位セル内において、第２の光電変換ユニット５と第３の光電変換ユニット６とが直列に接続されて直列素子１０が形成されている。当該直列素子１０は、中間透明電極層４と透明電極２および金属電極７とを介して、第１の光電変換ユニット３と並列接続される。また、各単位セルの透明電極２と隣接する単位セルの中間透明電極層４とが短絡されることで、隣接する複数の単位セルが直列に接続される。
以下に、本発明の第１の実施形態による薄膜太陽電池モジュールの実施例を、図面を参照しながら説明する。
（実施例１）
図１は、実施例１にて作製した薄膜太陽電池モジュールを模式的に示す断面図である。
まず、１．１ｍｍ厚の白板ガラスから成る透明絶縁基板１の一主面上に、ＳｎＯ2からなり、その表面に微細な凹凸構造を有する透明電極２を熱ＣＶＤ法により形成した。次に透明絶縁基板１側からＹＡＧ第１高調波レーザーを照射し、分離溝Ａ１を形成した。
次に、非晶質シリコン光電変換ユニット３を形成するために、透明電極２が形成された透明絶縁基板１を高周波プラズマＣＶＤ装置内に導入した。所定の温度に加熱した後、非晶質ｐ型シリコンカーバイド層、実質的に真性な非晶質シリコン光電変換層、及びｎ型シリコン層を順次積層した。次に大気中で非晶質シリコン光電変換ユニット３へＹＡＧ第２高調波レーザーを照射し、接続溝Ｂ１を形成した。
中間透明電極層４を製膜するために非晶質シリコン光電変換ユニット３までが製膜された透明絶縁基板１をスパッタ装置へ導入し、所定の温度に加熱した後に、酸化亜鉛層をスパッタ法にて非晶質シリコン光電変換ユニット３上に製膜した。このとき、１００μｍの細線をマスクとして酸化亜鉛を製膜することで分離溝Ｃ１１を有する中間透明電極層４を得た。
中間透明電極層４上に第２の光電変換ユニット５として結晶質シリコン光電変換ユニットを製膜するために、中間透明電極層４が形成された透明絶縁基板１を高周波プラズマＣＶＤ装置内に導入し、所定の温度に加熱した後、ｐ型シリコン層、実質的に真性な結晶質シリコン光電変換層、及びｎ型シリコン層を順次積層した。
その後、化合物半導体系光電変換ユニット６の窓層６２として酸化亜鉛層、ＣｄＳ層を形成し、窓層上に光吸収層６１としてＣＩＳ層を製膜した。酸化亜鉛を熱ＣＶＤ法によって製膜した後、裏面側からＹＡＧ第１高調波レーザーを照射し、分離溝Ｃ２１を形成した。この酸化亜鉛膜上にＣｄＳ膜を溶液析出法により堆積した。ＣｄＳ上にＣＩＳ膜を３元蒸着法により形成した。ＣＩＳ層の製膜に際しては、製膜面側（基板１とは反対側）の斜め方向からキセノン光源を用いたパルス光を照射して製膜表面を加熱しながら、ＣＩＳの堆積をおこなった。なお、ガラス基板上に同様の条件でＣＩＳ層を製膜し、その透過スペクトルからＴａｕｃプロットにより求めたＣＩＳ層のバンドギャップは１．０ｅＶであった。
その後、透明絶縁基板１側からＹＡＧ第２高調波レーザーを照射し、非晶質シリコン光電変換ユニット３から化合物半導体系光電変換ユニット６までを除去することで接続溝Ｄ１を形成した。
最後に、裏面金属電極７としてＭｏ層を３０００Å製膜し、透明絶縁基板１側からＹＡＧ第２高調波レーザーを照射し、非晶質シリコン光電変換ユニット３から裏面金属電極７までを除去することで分離溝Ｅ１を形成した。
単位セル３列の両端に位置するセルからプラス極とマイナス極を取り出し、３列接続の薄膜太陽電池モジュールを得た。
（実施例２）
図２は、実施例２にて作製した薄膜太陽電池モジュールを模式的に示す断面図である。実施例２においてはセルの分離工程が実施例１と異なっている。実施例１と同様に化合物半導体系光電変換ユニット６までを製膜した後に、透明絶縁基板１側からＹＡＧ第２高調波レーザーを照射し、非晶質シリコン光電変換ユニット３から化合物半導体系光電変換ユニット６までを除去することで、分離溝Ｃ３１及び分離溝Ｃ４１を形成した。
次に、単位セルの境界領域である、接続溝Ｂ１から分離溝Ｃ１１までの領域に非晶質シリコンナイトライドを製膜した。以降は実施例１と同様に接続溝Ｄ１を形成し、裏面金属電極７を製膜後、分離溝Ｅ１を形成した。
実施例１および実施例２で作製したハイブリッド薄膜太陽電池モジュールに、スペクトル分布ＡＭ１．５、エネルギー密度１００ｍＷ／ｃｍ2の擬似太陽光を、測定雰囲気及び太陽電池の温度が２５±１℃の下で照射し、電圧及び電流を測定することで、薄膜太陽電池の出力特性を測定した。開放端電圧（Ｖｏｃ）、短絡電流（Ｉｓｃ）、曲線因子（ＦＦ）および光電変換効率（Ｅｆｆ）の測定結果を表１に示す。
次に、本発明の第２の実施形態による薄膜太陽電池モジュールの実施例を、図面を参照しながら説明する。
（実施例３）
図３は、実施例３にて作製した薄膜太陽電池モジュールを模式的に示す断面図である。まず、２ｍｍ厚のソーダライムガラスから成る絶縁基板１の一主面上に、分離溝Ｅ２を有するＭｏ金属電極７を、１００μｍの細線マスクを用いて電子線蒸着法により形成した。
その後、化合物半導体系光電変換ユニット６の光吸収層６１としてＣＩＳ層、窓層６２としてＣｄＳ層、および酸化亜鉛層を製膜した。基板温度５００℃においてＣＩＳ膜を３元蒸着法により形成した。ＣＩＳ層上にＣｄＳ膜を溶液析出法により堆積し、最後に酸化亜鉛をスパッタ法によって製膜した。酸化亜鉛は１００μｍの細線マスクを用いて製膜することで、分離溝Ｃ２２およびＣ２３を形成した。なお、ガラス基板上に同様の条件でＣＩＳ層を製膜し、その透過スペクトルからＴａｕｃプロットにより求めたＣＩＳ層のバンドギャップは１．０ｅＶであった。
化合物半導体系光電変換ユニット６上に第２の光電変換ユニット５として結晶質シリコン光電変換ユニットを製膜した。化合物半導体系光電変換ユニット６までが形成された絶縁基板１を高周波プラズマＣＶＤ装置内に導入し、所定の温度に加熱した後、ｎ型シリコン層、実質的に真性な結晶質シリコン光電変換層、及びｐ型シリコン層を順次積層した。
中間透明電極層４を製膜するために結晶質シリコン光電変換ユニット５までが製膜された絶縁基板１をスパッタ装置へ導入した。所定の温度に加熱した後に、酸化亜鉛層をスパッタ法にて結晶質シリコン光電変換ユニット５上に製膜した。次に光入射側からＹＡＧ第２高調波レーザーを入射し、中間透明電極層４、結晶質シリコン光電変換ユニット５、および化合物半導体系光電変換ユニット６を除去し、分離溝Ｃ３２およびＣ４２を形成した。
中間透明電極層４上に非晶質シリコン光電変換ユニット３を製膜するために、中間透明電極層４までが形成された絶縁基板１を高周波プラズマＣＶＤ装置内に導入した。所定の温度に加熱した後、ｎ型シリコン層、ｎ型非晶質シリコン層、実質的に真性な非晶質シリコン光電変換層、及びｐ型シリコンカーバイト層を順次積層した。
非晶質シリコン光電変換ユニット３製膜後に透明電極２と金属電極７を短絡させるための接続溝Ｄ２を、光入射側からＹＡＧ第２高調波レーザーを入射することで形成した。また、隣り合う単位セルの透明電極２と中間透明電極層４を短絡させるための接続溝Ｂ２を、光入射側からＹＡＧ第２高調波レーザーを入射することで形成した。
最後に透明電極２としてＩＴＯをスパッタ法により製膜することで、透明電極２と中間透明電極層４とを、透明電極２と金属電極７とをそれぞれ短絡させた。また、透明電極２の製膜時に１００μｍの細線マスクを用いることで、分離溝Ａ２を形成した。製膜後、１５０℃にてアニール処理を１時間行った。
単位セル３列の両端に位置するセルからプラス極とマイナス極を取り出し、３列接続の薄膜太陽電池モジュールを得た。
（実施例４）
図４は、実施例４にて作製した薄膜太陽電池モジュールを模式的に示す断面図である。実施例４においてはセルの分離工程が実施例３と異なっている。実施例３と同様に分離溝Ｃ３２およびＣ４２までを形成した後に、図４中の単位セルの境界領域である、分離溝Ｃ３２からＣ４２までの領域に絶縁膜８として非晶質シリコンナイトライドを製膜した後、全面に非晶質シリコン光電変換ユニット３を製膜した。
以降は実施例３と同様に接続溝Ｂ２及び接続溝Ｄ２を形成し、分離溝Ａ２を有する透明電極２を製膜した。
実施例３および実施例４で作製した薄膜太陽電池モジュールに、スペクトル分布ＡＭ１．５、エネルギー密度１００ｍＷ／ｃｍ2の擬似太陽光を、測定雰囲気及び太陽電池の温度が２５±１℃の下で照射し、電圧及び電流を測定することで、薄膜太陽電池の出力特性を測定した。開放端電圧（Ｖｏｃ）、短絡電流（Ｉｓｃ）、曲線因子（ＦＦ）および光電変換効率（Ｅｆｆ）の測定結果を表２に示す。
以上、実施例に示したように、本発明の薄膜太陽電池モジュールは、単位セル内において電流および電圧の両者がマッチングするように各光電変換ユニットが電気的に接続されているため、多接合化後も各光電変換ユニットの長所が発揮され、高い光電変換効率（Ｅｆｆ）が得られている。特に、各単位セルの側面に絶縁膜が形成された実施例２、４においては、サイドリークの低減により、実施例１、３に比して曲線因子（ＦＦ）が大幅に向上していることがわかる。
１ （透明）絶縁基板
２ 透明電極
３、５、６ 光電変換ユニット
４ 中間透明電極層
６１ 光吸収層
６２ 窓層
７ （裏面）金属電極
Ａ、Ｃ、Ｅ 分離溝
Ｂ、Ｄ 接続溝

Claims (10)

  1. 光入射側から見て、少なくとも透明電極（２）、第１の光電変換ユニット（３）、中間透明電極層（４）、第２の光電変換ユニット（５）、第３の光電変換ユニット（６）、および金属電極（７）をこの順に有し、
    前記第１から第３の光電変換ユニットが電気的に接続されることで単位セルが形成され、複数の単位セルが直列に接続されることで集積化されている薄膜太陽電池モジュールであって、
    前記第１の光電変換ユニット（３）は非晶質シリコン系光電変換ユニットであり、前記第３の光電変換ユニット（６）は化合物半導体系光電変換ユニットであり、
    各単位セル内において、第２の光電変換ユニット（５）と第３の光電変換ユニット（６）とが直列に接続されることで直列素子（１０）が形成され、
    前記直列素子（１０）が、前記透明電極（２）および前記中間透明電極層（４）を介して第１の光電変換ユニット（３）と並列に接続されていることを特徴とする薄膜太陽電池モジュール。
  2. 各単位セル内の透明電極（２）と隣接する単位セル内の透明電極（２）とが、透明電極分離溝（Ａ）によって分離され、
    各単位セル内の透明電極（２）と隣接する単位セル内の中間透明電極（４）とが、第１種接続溝（Ｂ）によって短絡され、
    各単位セル内の中間透明電極（４）と同一単位セル内の金属電極（７）とが、中間電極分離溝（Ｃ）によって絶縁され、
    各単位セル内の透明電極（２）と同一単位セル内の金属電極（７）とが、第２種接続溝（Ｄ）によって短絡され、
    各単位セル内の金属電極（７）と隣接する単位セル内の金属電極（７）とが、金属電極分離溝（Ｅ）によって分離されることで、
    各単位セル内の光電変換ユニットの電気的接続および複数の単位セルの集積がおこなわれる、請求項１に記載の薄膜太陽電池モジュール。
  3. 各単位セルにおいて、前記直列素子（１０）および前記中間透明電極層（４）の側面に絶縁膜（８）が形成されている、請求項２に記載の薄膜太陽電池モジュール。
  4. 第１の光電変換ユニットである非晶質シリコン系光電変換ユニットは光入射側にＰ層を有し、第２の光電変換ユニットおよび第３の光電変換ユニットである化合物半導体系光電変換ユニットは光入射側にＮ層を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の薄膜太陽電池モジュール。
  5. 光入射側から見て、透明絶縁基板（１）上に、透明電極（２）、第１の光電変換ユニット（３）、中間透明電極層（４）、第２の光電変換ユニット（５）、第３の光電変換ユニット（６）、および金属電極（７）をこの順に有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の薄膜太陽電池モジュール。
  6. 光入射側とは逆側から見て、絶縁基板（１）上に、金属電極（７）、第３の光電変換ユニット（６）、第２の光電変換ユニット（５）、中間透明電極層（４）、第１の光電変換ユニット（３）、および透明電極（２）をこの順に有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の薄膜太陽電池モジュール。
  7. 前記第３の光電変換ユニットの光吸収層のバンドギャップが１．１ｅＶ以下であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の薄膜太陽電池モジュール。
  8. 前記第３の光電変換ユニットがカルコパイライト系化合物半導体からなることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の薄膜太陽電池モジュール。
  9. 前記第２の光電変換ユニットが結晶質シリコン系光電変換ユニットであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の薄膜太陽電池モジュール。
  10. 請求項５に記載の薄膜太陽電池モジュールを製造する方法であって、前記第３の光電変換ユニットである化合物半導体系光電変換ユニットを製膜する際に、製膜が行われている表面側から光を照射することを特徴とする、薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
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