JP6995996B2 - 付加的な導電線を有する薄膜デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、新たな薄膜デバイス、およびそのような薄膜デバイスを製造する方法に関する。特に、本発明は、第１の電極、光活性層、および第２の電極を備える薄膜デバイスであって、付加的な導電線が、デバイスの活性領域内に形成され、かつ光活性層内に含められて、第１の電極に電気的に接続されている、薄膜デバイスに関する。

薄膜太陽電池のような薄膜デバイスは、通常、第１の電極、少なくとも１枚の光活性層、および第２の電極を備える。薄膜太陽電池デバイスは、電極層と光活性層との間に、１枚以上のバッファ層を備えてよい。薄膜太陽電池において、日光と向き合う電極は、通常、透明材料で製造されており、光活性層中への日光の通過を可能にする。薄膜太陽電池の第１の電極および第２の電極は、生じた電荷キャリアを放出する接触電極として機能する。薄膜太陽電池内で生じた電流全体が、透明導電性材料によって運ばれる。透明導電性酸化物（ＴＣＯ）が、ほとんどの場合、薄膜デバイス（薄膜太陽電池、タッチスクリーン、または液晶ディスプレイ等）において透明導電性電極として用いられる。一般的に使用されるＴＣＯは、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）およびフッ素酸化スズ（ＦＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、または他のあらゆるドープされた、もしくはドープされていない二元酸化物もしくは三元酸化物であり、これらは、８～１７Ω／□のオーダーのシート抵抗、および可視範囲で８２％超の平均透過率を示す。

透明電極材料のシート抵抗が高いと、薄膜太陽電池またはモジュールの効率が損なわれる。これは、低い充填率によって表される。ロスを減らして、透明電極材料の導電率を増強するために、様々な技術が開発されてきた。

ＴＣＯ導電率を増大させる１つの方法は、サンドイッチ層としてＴＣＯ層間に金属線を組み込む（ＴＣＯ／金属／ＴＣＯ）ものである［１］。しかしながら、そのような微細パターン構造は、薄膜モジュール製造において実現させるのが困難である。さらに、当該構造は、電池製造の連続する高温プロセス工程に耐えられないであろう。

米国特許出願公開第２０１４／００９０６８５Ａ１号明細書は、絶縁基板と透明導電性酸化物電極間への導電性メッシュの組込みを介した、透明導電性酸化物でコーティングしたガラス基板の導電率の向上による、色素増感太陽電池モジュールの製造プロセスを記載している。導電性メッシュは、裸のガラス基板中に引かれた溝内に挿入されてから、透明導電性酸化物でコーティングされてもよいし、ガラス基板上に直接プリントされてもよい。

複数の薄膜太陽電池の、薄膜モジュールへの接続が、薄膜モジュールの電気出力パラメータを調整するのに用いられる。個々の薄膜電池の直列接続によって、より高い電圧が達成され得る一方、並列接続では、薄膜モジュールのより高い電流レベルに至る。

通常、第１の電極、光活性層、および第２の電極として機能する層は、全ての薄膜電池および個々の電池について、連続層として形成され、そして個々の電池の直列または並列の接続が、構成プロセスによって形成される。複数の薄膜電池の直列接続が、通常、薄膜モジュール製造プロセスにおいて一体化された３ステージ構成プロセスによってなされる。

３ステージ構成プロセスは、レーザースクライビングプロセス、機械スクライビングプロセス、および／もしくは化学エッチング、またはそれらの組合せによって実行されてもよく、薄膜電池毎に３本の平行した線がスクライブされる。これらの３本のスクライブ線は、各薄膜電池の領域を、「活性領域」（電荷キャリアの生成が起こる）および「デッド領域」またはスクライビング領域（電荷キャリア生成が起こらず、かつ３本のスクライブ線が位置決めされる）に分割する。

例えば、最新の技術に従えば、レーザースクライビングプロセスは、３本の異なるレーザースクライブ線（「Ｐ１」、「Ｐ２」、および「Ｐ３」スクライブと呼ぶ）を形成して、薄膜モジュール内で個々の薄膜電池をモノリシック的に直列で相互接続することを含む。３本のスクライブ線は、薄膜モジュール内の電流フローの方向に対して垂直に、かつ互いに平行して（典型的な幅は、それぞれ約３０～５０μｍである）延びて、薄膜モジュールが構成される各薄膜電池内に１４０～３００μｍ幅のスクライビング領域（「デッド領域」）を生じさせる。第１のスクライブ線（「Ｐ１」スクライブと呼ぶ）は、少なくとも第１の電極の層に侵入して、個々の薄膜電池の第１の電極を区切る。第１の電極は、透明導電性材料から製造される。光活性層を通る第２のスクライブ線（「Ｐ２」スクライブと呼ぶ）は、導電性材料での充填後、隣接する薄膜電池に電気的に直列接続する接触線を形成する。結局、第１の薄膜電池の第１の電極は、第２の隣接する薄膜電池の第２の電極に、電気的に接続される。少なくとも第２の電極を通る第３のスクライブ線（「Ｐ３」スクライブと呼ぶ）は、個々の薄膜電池の第２の電極を区切る。各薄膜電池の幅は、１セットの３本のスクライブ線の幅（スクライビング領域または「デッド領域」と呼ぶ）の、そして薄膜電池の「活性領域」の幅の合計によって定義される。ゆえに、幅は、直列に接続された異なる電池が連続して配置され、そして電流が薄膜モジュール内を流れる方向に沿った、薄膜電池の延びと定義される。個々の薄膜電池の長さは、薄膜電池の幅に対して垂直に延びる。

薄膜太陽電池によって生じる電圧は、薄膜太陽電池内で用いられる光活性材料によって決まり、そして、光活性材料を変えることによって変わり得る。薄膜太陽電池によって生じる電流は、薄膜太陽電池の「活性領域」によって、特に「活性領域」の幅によって決まる。

モジュール出力電圧は、モジュール内の活性ソーラー電池の数によって、そしてストリング接続のモード、例えばストリングの直列接続または並列接続、およびそれらの組合せによって決まることとなる。ストリングは、直列接続される複数の電池を含んでもよい。

第１の電極の高いシート抵抗が、抵抗ロスの原因となって、個々の薄膜太陽電池の使用可能な幅を制限する。しかしながら、薄膜太陽電池の幅が狭いと、直列の電池数の増大に起因して、モジュール出力電圧がより高くなり、モジュール出力電流が引き下げられる。そのような高電圧モジュールは、ソーラーパーク構築に不所望である。というのも、直列でのモジュール接続数を制限することとなるからである。さらに、３本のスクライブ線のいくつかのセットが、電池幅を狭めるのに、かつ個々の薄膜太陽電池を接続するのに必要とされるので、薄膜モジュールの総「活性領域」が縮小される。

不都合にも、薄膜モジュールの出力パラメータは、自由に調整可能でない。

本発明の目的は、透明電極材料の高いシート抵抗に由来する不利点を少なくする、新たな薄膜デバイス、およびそのような薄膜デバイスを製造する方法を提供することである。

この目的は、付加的な導電線を含むことによる、請求項１に記載の薄膜デバイスによって、そして請求項１２に記載の方法によって達成され、有利な実施形態が、下位の従属請求項において開示される。

新たな薄膜デバイスは、少なくとも１つの薄膜電池を備え、薄膜電池は、第１の電極、光活性層、および第２の電極を備え、光活性層は、第１の電極と第２の電極との間に配置され、少なくとも１本の付加的な導電線が、薄膜電池の「活性領域」内に配置され、かつ光活性層内に含められ、そして第１の電極と電気的に接続され、かつ第２の電極から電気的に絶縁されている。薄膜電池の「活性領域」は、（上面図における）横方向の領域であり、そこで光電変換が起こる。薄膜デバイスが太陽電池であるならば、電荷キャリアの生成は、その領域で起こる。

「電気的に接続された」は、電流フローを可能にする直接的な物理的接触があることを意味する。「電気的に絶縁された」は、直接的な物理的接触がなく、薄膜デバイスに通常存在する標準的な電気条件下の電流フローが妨げられることを意味する。

薄膜デバイスは、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、他のあらゆるＣｄＴｅアブソーバ誘導体（ドーパントまたは合金（ＣｄＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ：Ｓｅその他）としてのＣｄＴｅ内の適切な元素が挙げられる）、セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）、薄膜ケイ素、ケステライト、ペロブスカイト、導電性有機ポリマー、小有機分子、またはそれらの組合せ等の、用いられる光活性層のタイプから独立した、薄膜太陽電池であってよい。個々の薄膜太陽電池は、複数の薄膜太陽電池を含む薄膜太陽モジュール内で直列かつ／または並列に接続される。

薄膜デバイスは、多接合薄膜太陽電池であってもよい。多接合薄膜太陽電池は、互いの最上部に積み重ねられた２つ以上の薄膜太陽電池または光活性層を備える。更なる実施形態において、光活性層は、あらゆる半導体材料で構成されてもよく、これは、入射日光を電気エネルギーに変換するので、薄膜太陽電池での使用に適している。光活性材料は、薄膜ケイ素（非晶質、水素化非晶質、微結晶性、または結晶性のケイ素が挙げられる）、ＩＩＩ－Ｖ族半導体（ヒ化ガリウム等）、ＩＩ－ＶＩ族半導体（テルル化カドミウム等）、Ｉ－ＩＩＩ－ＶＩ族半導体（セレン化銅インジウムガリウム等）、ケステライト、ペロブスカイト、有機半導体、またはそれらの組合せであってよい。また、光活性層は、様々な光活性材料の層スタックであってもよい。

また、薄膜デバイスは、発光デバイス、例えば、発光ダイオード、または複数の発光デバイスを備えるディスプレイであってもよい。

第１の電極および第２の電極は、同じ電気導電性材料で構成されても、異なる電気導電性材料で構成されてもよい。電気導電性材料は、あらゆる電気導電性材料（金属、金属合金、導電性酸化物、またはそれらの組合せ等）であってよい。一実施形態において、第１の電極の電気導電率は、第２の電極の電気導電率よりも小さい。また、電極層は、導電層、半導性バッファ層、適切な元素拡散バリア層、および／または高抵抗バッファ層を備える層スタックであってもよい。更なる実施形態において、第１の電極は、透明導電性材料から製造される。好ましくは、透明導電性材料は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）を含み、そして当業者に知られているあらゆる透明導電性酸化物であってよく、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、または他のあらゆるドープされた、もしくはドープされていない二元酸化物もしくは三元酸化物であってよい。

更なる実施形態において、第２の電極は、金属または金属合金、例えば、モリブデン、ニッケル、またはクロムから製造される。

更なる実施形態において、本発明に従う薄膜デバイスは、複数の薄膜電池を備え、これらは、接触線によって、第１の電池の第１の電極を第２の電池の第２の電極に電気的に接続することによって、薄膜モジュールに直列で接続される。

薄膜電池が隣接する、例示的な薄膜電池を示す略断面図である。 図２Ａは本発明に従う例示的な薄膜デバイスを示す略上面図である。図２Ｂは図２Ａの付加的な導電線の詳細な部分を示す概略図である。図２Ｃは薄膜電池内の付加的な導電線の考えられる様々な配置を示す概略図である。 本発明に従う方法の実施形態を示す概略図であり、追加の工程Ｓ７０、Ｓ８０、Ｓ９０、Ｓ１００、およびＳ１１０は、薄膜デバイスを、本発明に従う付加的な導電線と共にスーパーストレート配置で製造する製造プロセスに含まれる。

本発明に従えば、薄膜電池の「活性領域」内に少なくとも１本の付加的な導電線を含むことによって、透明導電性材料のシート抵抗に起因する薄膜太陽電池の充填率の抵抗ロスおよび対応するロスが、薄膜電池幅を狭めることなく引き下げられる。個々の薄膜電池の「活性領域」は、「活性領域」内に少なくとも１本の付加的な導電線を有さず、かつ個々の薄膜電池の幅が同じである薄膜モジュールと比較して、僅かに狭められる。薄膜電池の「デッド領域」は、付加的な導電線に起因して、付加的な導電線の幅だけ僅かに増大し、かつ短い回路電流のロスが生じる。しかしながら、そして有利には、充填率の増大が観察可能である。なぜなら、生じた電荷キャリアが、少なくとも１本の付加的な導電線によって収集されて、第１の電極に移されるからである。この効果は、「デッド領域」の増大を過剰補償する。

さらに、個々の薄膜電池の「活性領域」内に少なくとも１本の付加的な導電線を配置することによって、個々の薄膜電池の幅は増大され得るので、薄膜電池の、そして薄膜モジュールの総「デッド領域」は、狭められ得る。有利には、薄膜モジュールの総「デッド領域」は、付加的な導電線のないデッド領域の２％～７０％、好ましくは付加的な導電線のないデッド領域の５０％にまで引き下げられる。

有利には、薄膜電池の「活性領域」内に少なくとも１本の付加的な導電線を含むことで、薄膜電池のサイズを、モジュールのユーザーによって所望される薄膜モジュールの電気出力パラメータに調整することが可能となる。

少なくとも１本の付加的な導電線は、生じた電荷キャリアを収集して、第１の電極の抵抗ロスを引き下げるのに適したあらゆる形で、「活性領域」内に配置されてよい。

一実施形態において、少なくとも１本の付加的な導電線は、好ましくは薄膜電池の「活性領域」の中央に、３本のスクライブ線の１セットに平行して配置される。

更なる実施形態において、少なくとも１本の付加的な導電線は、長さが、構成スクライブの長さの１～１００％、好ましくは構成スクライブの長さの少なくとも５０％である。特別な実施形態において、少なくとも１本の付加的な導電線は、構成スクライブと同じ長さを有する。

更なる実施形態において、少なくとも１本の付加的な導電線は、真っ直ぐな線または湾曲した線である。

更なる実施形態において、複数の付加的な導電線が、薄膜電池の「活性領域」内に含まれる。

更なる実施形態において、２本の付加的な導電線が、薄膜電池の「活性領域」内に配置され、第１の付加的な導電線は、３本のスクライブ線に平行して配置され、第２の付加的な導電線は、３本のスクライブ線に対して垂直に配置されるので、第１の付加的な導電線および第２の付加的な導電線は、互いと交差する。

更なる実施形態において、第１の付加的な導電線は、薄膜太陽電池の「活性領域」の中央に配置され、当該中央は、薄膜太陽電池の幅に対して定義される。

更なる実施形態において、第２の付加的な導電線は、例えば、第１のスクライブ線（「Ｐ１」スクライブ）によって中断されるので、付加的な導電線と、隣接する薄膜電池間の電気接触は、形成されない。

２本の付加的な導電線は、同じ幅を有してもよい。更なる実施形態において、第２の導電線の幅は、第１の導電線の幅よりも大きい。付加的な導電線の横方向への延びは、付加的な導電線の幅および長さであり、導電線の幅は、付加的な導電線の横方向への延びのうちの小さい方である。更なる実施形態において、少なくとも１本の付加的な導電線の少なくとも末端部分は、第２のスクライブ線を導電性材料で充填することによって形成される接触線に可能な限り近くなるように、配置される。導電線と接触線との距離は、５０μｍ～１ｍｍの範囲内にあってもよい。好ましくは、直接的な電気接触が、付加的な導電線と接触線との間で形成される。

更なる実施形態において、少なくとも１本の付加的な導電線は、１０μｍ～１０ｃｍの幅、好ましくは５０～５００μｍの幅、とりわけ好ましくは５０～１００μｍの幅を有し、付加的な導電線の幅は、薄膜太陽電池の幅、そして薄膜太陽電池の「活性領域」に対する割合が妥当である。さらに、付加的な導電線の総面積は、薄膜太陽電池の「活性領域」の総面積未満である。

更なる実施形態において、導電線は、光活性層内の高さが、光活性層の高さの１～９９％である。好ましくは、光活性層内の導電線の高さは、光活性層の高さの５０％超である。高さは、第１の電極および第２の電極を接続する方向に沿う、導電線または光活性層の延びである。

更なる実施形態において、少なくとも１本の付加的な導電線は、光活性層内の「活性領域」内でレーザー、機械的、化学的、または物理的エッチングプロセスによって生じ得る溝内に埋め込まれる。好ましくは、溝は、レーザープロセスによって生じる。溝は、第１の電極に隣接しており、そして第１の電極の表面から、少なくとも１枚の光活性層中に延びる。第１の電極が、電気導電率が異なる層を含むならば、溝は、好ましくは、電気導電率が最も高い層に隣接する、すなわち、光活性層と、電気導電率が最も高い層との間にある他の層が、溝によって侵入される。しかしながら、溝は、例えば、高抵抗バッファ層であってもよい当該他の層に侵入しないこともあり得る。この場合、溝内の付加的な導電線から、電気導電率が最も高い層への電流フローは、トンネリングまたは他の導電機構によって実現される。

更なる実施形態において、溝は、少なくとも１本の付加的な導電線を形成するように、導電性材料で少なくとも部分的に充填される。導電性材料は、第１の電極として用いられる導電性材料の電気導電率よりも電気導電率が高いあらゆる材料であってよく、好ましくは、カーボン、銀、もしくは銅のような金属、金属合金、他のあらゆる有機導電性ポリマー、または他のあらゆる無機導電性ポリマー材料である。更なる実施形態において、導電線を形成するために溝を充填する導電性材料は、第２の電極を形成する材料と同一である。

更なる実施形態において、溝は、光活性層内で１～９９％の高さまで、導電性材料で充填される。好ましくは、溝は、光活性層内で少なくとも５０％の高さまで、最も好ましくは光活性層内で７０～８０％の高さまで、導電性材料で充填される。

更なる実施形態において、少なくとも１本の付加的な導電線を形成するために溝中に充填される導電性材料は、第１の電極に隣接する。好ましくは、導電線および第１の電極は、導電線によって収集される電荷キャリアの第１の電極への移動を可能にするように、直接的な電気接触を形成する。更なる実施形態において、溝は追加的に、絶縁材料で充填される。絶縁材料は、電気導電率が低くて、付加的な導電線と第２の電極との間の電流フローを妨げる材料であれば特に限定されず、好ましくは、有機または無機非導電性ポリマーまたはそれらの組合せである。

更なる実施形態において、溝は、光活性層内の高さの１００％に達するように、絶縁材料で充填される。このことは、溝が、光活性層全体に侵入して、第１の電極から第２の電極に達し、先に記載したように、導電性材料で、そして絶縁材料で、絶縁材料が、導電性材料と第２の電極との間に配置されるように、充填されることを意味する。結局、第２の電極は、導電線から電気的に絶縁される。溝は、第２の電極中に延びる溝の部分に絶縁材料が配置されていれば、第２の電極中に延びてもよい。

本発明はまた、本発明に従う薄膜デバイスを製造する方法を提供する。当該方法は、
第１の電極を形成する工程ａと、
第２の電極を形成する工程ｂと、
第１の電極と第２の電極との間に光活性層を形成する工程ｃと、
少なくとも１枚の光活性層内に導電線を形成する工程ｄと
を含み、導電線は、第１の電極と電気的に相互接続され、かつ第２の電極から電気的に絶縁されている。

更なる実施形態において、工程ｄは、
光活性層内で溝を形成する工程ｘと、
溝を導電性材料で、導電性材料が第１の電極と電気的に接続されるように、少なくとも部分的に充填する工程ｘｘと
を含む。

更なる実施形態において、溝は、工程ｘｘにおいて導電性材料で部分的にのみ充填されており、当該方法はさらに、溝を絶縁材料で、導電性材料を第２の電極から電気的に絶縁するように充填する工程ｘｘｘを含む。

「部分的に充填する」は、光活性層内の溝の高さ全体の一部のみが、導電性材料で充填されることを意味する。横方向への延びにおいて、好ましくは、溝の幅全体が、導電性材料が光活性層に直接的に隣接するように、導電性材料で充填される。

更なる実施形態において、本発明に従う薄膜デバイスは、第１の電極を基板上に形成する工程（工程ａ）と、第１の電極上に光活性層を形成する工程（工程ｃ）と、光活性層内に溝を形成する工程（工程ｘ）と、溝を導電性材料で、導電性材料が第１の電極と電気的に相互接続されるように部分的に充填する工程（工程ｘｘ）と、導電性材料を第２の電極から電気的に絶縁する絶縁材料で残りの溝を充填する工程（工程ｘｘｘ）と、最後に、光活性層上に、そして絶縁材料上に第２の電極を形成する工程（工程ｂ）とによって、適切な基板上に製造される。このプロセスシーケンスは、スーパーストレート配置と呼ばれる。

別の実施形態において、本発明に従う薄膜デバイスは、第２の電極を基板上に形成する工程（工程ｂ）と、第２の電極上に光活性層を形成する工程（工程ｃ）と、光活性層内に溝を形成する工程（工程ｘ）と、溝を導電性材料で、導電性材料が第１の電極と電気的に接続されるように充填する工程（工程ｘｘ）と、最後に、光活性層上に、そして導電性材料上に第１の電極を形成する工程（工程ａ）とによって、適切な基板上に製造される。このプロセスシーケンスは、サブストレート配置と呼ばれる。光活性層内の溝が第２の電極に達するならば、最初に、溝は、導電性材料を第２の電極から電気的に絶縁するように、絶縁材料で部分的に充填され（工程ｘｘｘ）、その後、残りの溝は、導電性材料で充填される（工程ｘｘ）。

薄膜デバイスに適した基板は、当業者に知られているあらゆるものであってよく、例えば、ガラス基板またはホイル基板（金属またはプラスチックの箔またはシート等）である。

サブストレート配置において薄膜デバイスを製造する基板として用いられる金属箔またはシートを提供するには、工程ｂ、すなわち第２の電極を形成する工程を置換してもよい。

第１の電極および第２の電極、ならびに光活性層は、当業者に知られている種々のコーティング技術によって、例えば物理蒸着（ＰＶＤ）プロセス（スパッタリングまたは蒸発プロセス等）および／または化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスによって、基板表面の全体にわたって沈着されてもよい。

一実施形態において、導電性材料および／または絶縁材料での溝の充填は、プリンティングプロセス、好ましくはスクリーンまたはインクジェットプリンティングプロセスによって実行される。しかしながら、他の知られている技術が用いられてもよい。

更なる実施形態において、絶縁材料での溝の充填は、光活性層および溝を、フォトレジスト材料でコーティングして、フォトレジスト材料を露光かつ現像する工程と、溝以外の領域からフォトレジスト材料を除去する工程とを含むフォトレジストプロセスで実行されてもよい。そのようにして製造された薄膜デバイスは、少なくとも１本の付加的な導電線を備え、これは、第１の電極と電気的に接続され、かつ第２の電極から電気的に絶縁されるので、生じた電荷キャリアの収集、および電荷キャリアの、第１の電極への移動により、第１の電極のシート抵抗に起因する制限を克服することが可能となる。

更なる実施形態において、薄膜デバイスは、第１の薄膜電池および第２の薄膜電池を備え、第１の薄膜電池および第２の薄膜電池の第１の電極、光活性層、および第２の電極はそれぞれ、連続層として形成される。この場合、薄膜デバイスを製造する方法は、
個々の薄膜電池の第１の電極の区切りのための、少なくとも第１の電極の層を通る第１の線をスクライブする工程ｉと、
光活性層を通る第１の線に平行する第２の線をスクライブして、以下の工程の１つにおいて、薄膜デバイス内で、第２の薄膜電池の第２の電極との、第１の薄膜電池の第１の電極の相互接続用の接触線を生じさせる工程ｉｉと、
個々の薄膜電池の第２の電極の区切りのための、少なくとも第２の電極の層を通る第１の線および第２の線に平行する第３の線をスクライブする工程ｉｉｉと、
第１のスクライブ線を絶縁材料で充填する工程ｉｖと、
第２のスクライブ線を、導電性材料で充填して、個々の薄膜電池の電気的直列接続のための接触線を形成する工程ｖと
をさらに含む。

更なる実施形態において、第１、第２、および第３の線は、レーザー、機械的、または化学的エッチングプロセスによってスクライブされ、当該スクライブは、薄膜デバイスの製造プロセスに組み込まれる。好ましくは、第１、第２、および第３の線は、レーザープロセスによってスクライブされる。

更なる実施形態において、第１および第２のスクライブ線は、レーザープロセスによってスクライブされ、そして第３の線は、機械的なスクライビングプロセスによってスクライブされる。有利には、第３の線のスクライビングは、機械的なスクライビングプロセスによる。

一実施形態において、第１の線の、絶縁材料での充填は、プリンティングプロセス、好ましくはインクジェットまたはスクリーンプリンティングプロセスによって実行される。

工程ｘ、ｘｘ、およびｘｘｘ、ならびに工程ｉおよびｉｉは、考えられるあらゆる順序で実行されてもよい。

有利には、薄膜デバイス製造ラインの効率を向上させるために、追加の工程ｉｉおよび工程ｘは、互いの後にあらゆる順序で、すなわち、工程ｉｉが工程ｘに続いて、または工程ｘが工程ｉｉに続いて実行され、これらの工程の最初の１つは、工程ｃの後に続く。好ましくは、工程ｉｉおよび工程ｘは、互いの後に直接続く。ゆえに、光活性層内の第２の線および溝は、薄膜デバイス製造ライン内の同じスクライビングツールによって、一製造工程でスクライブされてもよい。

更なる実施形態において、追加の工程ｉは、工程ｘｘの後に続く。有利には、工程ｉは、付加的な導電線の中断を自動的に生じさせ、当該付加的な導電線は、３つのスクライブ線に平行せずに延びて、これらを横切るので、薄膜デバイスのシャントを妨げる。

更なる実施形態において、工程ｘｘｘおよび追加の工程ｉｖ、すなわち溝および第１の線を絶縁材料で充填する工程は、薄膜デバイス製造ライン内の同じプリンティングツールによって、一製造工程で実行される。

更なる実施形態において、工程ｂは、第２の線の、第２の電極の材料での充填を自動的に生じさせ、これは、追加の工程ｖであり、双方の工程は、別個の製造工程が必要とされないような、個々の薄膜電池の電気的直列接続用の接触線を形成する一製造工程によって実行される。その後、追加の工程ｉｉｉが実行される。

更なる実施形態において、第２の線の、導電性材料での充填は、プリンティングプロセスによって実行される。

有利には、先に記載されるやり方での薄膜デバイス製造プロセスの実現は、製造コストを下げる：薄膜デバイス製造ラインにおいて、２つのレーザースクライビングツールしか必須でない：１つは、一製造工程において、第２の線、および付加的な導電線用の溝をスクライブするレーザースクライビングツール、そしてもう１つは、第１の線をスクライブするレーザースクライビングツール。一方、第３の線は、好ましくは、機械的なプロセスによってスクライブされる。

さらに、有利には、薄膜太陽電池の「活性領域」内に付加的な導電線を含むことによって、個々の薄膜電池の幅を変えることによって充填率が向上した薄膜モジュールを製造することが可能になることで、薄膜モジュール設計の自由が増大する。薄膜モジュールの電気出力パラメータは、薄膜電池サイズの変化によって、広範囲に調整することができる。開回路電圧（Ｖｏｃ）出力がカスタマイズされた薄膜モジュールを、薄膜太陽電池の充填率のいかなるロスもなく製造することができる。さらに、薄膜モジュールの充填率を、提供する本発明の着想によって有利に増強することができる。

例示的な実施形態
本発明に従う薄膜デバイス、および薄膜デバイスを製造する方法を、以下の例示的な実施形態において説明する。図は、示す実施形態に対する制限を意味することは意図されない。

図１は、薄膜電池１００を完全に、そして２つの隣接する薄膜電池１００ａ、１００ｂを部分的に示す断面図である。薄膜電池は、第１の電極１０１、少なくとも１枚の光活性層１０２、および第２の電極１０３を備える。複数の薄膜電池１００、１００ａ、１００ｂを物理的に区切って、薄膜モジュールに電気的に接続するための３本のスクライブ線１０５、１０６、１０７が目に見えており、薄膜電池１００の「活性領域」１０８および「デッド領域」またはスクライビング領域１０９を定義している。また、目に見えるのは、光活性層内の溝１０４であり、これは、導電性材料で充填されて、薄膜電池１００の「活性領域」内に付加的な導電線１０４ａを形成する。導電線１０４ａは、第１の電極１０１との直接接触を形成する。また、溝は、絶縁材料１０４ｂで充填されて、導電線を第２の電極１０３から電気的に絶縁している。第１のスクライブ線１０５が、第１の電極１０１を、個々の薄膜電池１００、１００ａ、１００ｂに区切っており、そして絶縁材料１０５ａで充填されている。少なくとも１枚の光活性層を通る第２のスクライブ線１０６が生じ、これは、導電材料１０６ａで充填されて、接触線１０６ｂを形成する。接触線１０６ｂは、薄膜電池１００ａを薄膜電池１００と直列で接続しており、このことは、薄膜電池１００ａの第２の電極１０３が、薄膜電池１００の第１の電極１０１に電気的に接続されていることを意味する。第３のスクライブ線１０７が、第２の電極１０３を、個々の薄膜電池１００、１００ａ、１００ｂに区切っている。第３のスクライブ線１０７は、図１に示すように、第２の電極１０３および光活性層１０２に侵入することによって、第１の電極１０１に達してもよいし、第２の電極１０３にのみ侵入してもよい。

図２Ａ～図２Ｃは、例示的な薄膜デバイスを示す上面図である。図２Ａは、３本のスクライブ線のいくつかのセット２０１によって分割された複数の個々の薄膜電池２０３を含み、そして付加的な導電線２０２、２０２ａを有する、例示的な薄膜モジュール２００を示す上面図である。第１の付加的な導電線２０２が、各薄膜電池２０３内で、３本のスクライブ線のセット２０１に平行して配置される。第２の付加的な導電線２０２ａが、３本のスクライブ線のセット２０１に対して垂直に配置される。

図２Ｂは、図２Ａの注目部分の詳細を示し、３本のスクライブ線の１セット２０１が、第１のスクライブ線２０１ａ、第２のスクライブ線２０１ｂ、および第３のスクライブ線２０１ｃに分割されている。３本のスクライブ線２０１ａ～２０１ｃに対して垂直な第２の付加的な導電線２０２ａは、第１のスクライブ線２０１ａによって、一薄膜電池２０３の付加的な導電線２０２、２０２ａと、隣接する薄膜電池との間で電気接触が形成されないように、中断されている。結局、付加的な導電線２００および２０２ａは、これらが配置される薄膜電池２０３内のみの電荷の収集および移動に寄与する。導電線２０２ａは、２０１ｂとの電気接触を形成する。

図２Ｃは、薄膜電池２０３内の付加的な導電線２０２、２０２ａの様々な例示的配置を示す。図２Ｃの下部は、第１の付加的な導電線２０２が、薄膜電池２０３内でジグザグパターンを形成する配置を示す。図２Ｃの中央部は、薄膜電池２０３内の第１の付加的な導電線２０２が、３本のスクライブ線のセット２０１に平行な線、および当該平行線と交差するいくつかのより短い線を含む配置を示す。図２Ｃの上部は、第１の付加的な導電線２０２が、湾曲した線、および、３本のスクライブ線のセット２０１に対して垂直である、交差する付加的な短い線を含む配置を示す。

説明から離れて、付加的な導電線は、薄膜モジュールの多くの異なる設計パターンおよび長さを有してよい。さらに、単一の薄膜太陽電池の活性領域内の付加的な導電線の配置および数は、より高い収率を達成するためのシミュレーション結果に従って選択されてよい。付加的な導電線の数の増大は、薄膜太陽電池の充填率の増大を介して、薄膜モジュール効率を増大させることとなる。

図３は、本発明に従う薄膜デバイスを製造する方法の実施形態を示しており、薄膜デバイスは、スーパーストレート配置で製造される。当該方法は、適切な基板上に第１の電極を形成する工程Ｓ１０と、第１の電極上に光活性層を形成する工程Ｓ２０と、薄膜電池の「活性領域」内で光活性層内に溝を形成する工程Ｓ３０と、溝を導電性材料で部分的に充填して、付加的な導電線を形成する工程Ｓ４０と、残りの溝を絶縁材料で充填する工程Ｓ５０と、光活性層、および溝内の絶縁材料上に第２の電極を形成する工程Ｓ６０とを含む。当該方法はさらに、追加の工程Ｓ７０～Ｓ１１０を含んでもよい。Ｓ７０は、薄膜モジュールへの個々の薄膜電池の直列接続用の接触線を生じさせるための第２の線をスクライブする工程であり、Ｓ２０とＳ３０との間で、またはＳ３０とＳ４０の間で、溝および第２のスクライブ線を形成する工程が、同じスクライビングツールで一製造工程において実行され得るように、実行されてもよい。Ｓ８０は、第１の電極を個々の薄膜電池に区切るための第１の線をスクライブする工程であり、Ｓ４０の後に続く。これは、自動的に、薄膜電池の「デッド領域」と交差するあらゆる付加的な導電線の中断の原因となる。Ｓ９０は、第１のスクライブ線を絶縁材料で充填する工程であり、同じプリンティングツールによってＳ５０と一緒に一製造工程で実行される。Ｓ１００は、第２のスクライブ線を導電材料で充填する工程であり、第２の電極が大面積沈着プロセスによって形成されるならば、Ｓ６０によって自動的に実行される。この場合、双方の工程は、一製造工程によって実行され、そして第２の線、すなわち接触線内の導電材料、および第２の電極の材料は、同じである。Ｓ１１０は、第２の電極を、個々の薄膜電池に区切るための第３の線のスクライビング工程であり、Ｓ６０の後に実行される。

本発明の実現のために、先に記載するように、記載した実施形態および特許請求の範囲の特徴を組み合わせることが有利である。しかしながら、前述の説明に記載する本発明の実施形態は、実例として与えられた例であり、本発明はこれに全く限定されない。あらゆる修飾、変形、および等価の配置、ならびに実施形態の組合せが、本発明の範囲内に含まれるとみなされるべきである。

引用文献：
［１］ Ｇｕｉｌｌｅｎ Ｃ．ｅｔ ａｌ「ＴＣＯ／ｍｅｔａｌ／ＴＣＯ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ」、Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ ５２０（２０１１）１－１７

符号の説明
１００ 薄膜電池
１００ａ 隣接する薄膜電池
１００ｂ 隣接する薄膜電池
１０１ 第１の電極
１０２ 少なくとも１枚の光活性層
１０３ 第２の電極
１０４ 少なくとも１枚の光活性層内の溝
１０４ａ 付加的な導電線
１０４ｂ 溝を充填するための絶縁材料
１０５ 第１のスクライブ線
１０５ａ 第１のスクライブ線を充填するための絶縁材料
１０６ 第２のスクライブ線
１０６ａ 第２のスクライブ線を充填するための導電性材料
１０６ｂ 隣接する薄膜電池の直列接続のための接触線
１０７ 第３のスクライブ線
１０８ 薄膜電池の「活性領域」
１０９ 薄膜電池の「デッド領域」／スクライビング領域
２００ 薄膜モジュール
２０１ ３本のスクライブ線のセット
２０１ａ 第１のスクライブ線
２０１ｂ 第２のスクライブ線
２０１ｃ 第３のスクライブ線
２０２ 第１の付加的な導電線
２０２ａ 第２の付加的な導電線
２０３ 特定の幅の薄膜電池

Claims (7)

1. 第１の電極、第２の電極、及び前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置される光活性層を備える薄膜電池を少なくとも１つ備える薄膜デバイスであって、
   前記薄膜電池の活性領域内において、前記光活性層内に含まれると共に前記第１の電極に隣接する溝が形成され、
   前記溝は前記光活性層内において前記光活性層の高さの１～９９％まで導電性材料で充填され、且つ前記光活性層内の高さの１００％になるまでさらに絶縁材料で充填されたことにより、前記第１の電極と電気的に接続されると共に前記第２の電極から電気的に絶縁されている少なくとも１本の付加的な導電線が前記溝内に埋め込まれて前記活性領域内に配置されると共に前記光活性層内に含まれていることを特徴とする薄膜デバイス。
2. 前記第１の電極は、透明導電性材料から製造される、請求項１に記載の薄膜デバイス。
3. 前記少なくとも１本の付加的な導電線は、幅が１０μｍ～１０ｃｍである、請求項１または２に記載の薄膜デバイス。
4. 前記少なくとも１本の付加的な導電線の前記光活性層における高さが、前記光活性層の高さの７０～８０％である、請求項１～３のいずれか一項に記載の薄膜デバイス。
5. 前記絶縁材料は前記導電性材料と前記第２の電極との間に配置され、前記導電性材料は前記第１の電極に隣接する、請求項４に記載の薄膜デバイス。
6. 前記薄膜デバイスは、直列に接続された複数の薄膜電池を備え、第１の電池の前記第１の電極は、接触線によって、第２の電池の前記第２の電極に電気的に相互接続され、少なくとも１本の導電線が、前記接触線に電気的に相互接続されている、請求項１～５のいずれか一項に記載の薄膜デバイス。
7. 第１の電極、第２の電極、及び前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置される光活性層を備える薄膜電池を少なくとも１つ備える薄膜デバイスを形成する方法であって、
   前記第１の電極を形成する工程ａと、
   前記第２の電極を形成する工程ｂと、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に前記光活性層を形成する工程ｃと、
   前記薄膜電池の活性領域内において前記第１の電極に隣接する溝を前記光活性層内に形成し、前記溝を前記光活性層の高さの１～９９％まで導電性材料で充填すると共に前記光活性層内の高さの１００％になるまでさらに絶縁材料で充填することにより、前記光活性層内において前記溝内に埋め込まれて前記活性領域内に配置された導電線を形成する工程ｄとを含み、
   前記導電線は、前記第１の電極と電気的に相互接続され、かつ前記第２の電極から電気的に絶縁されている、方法。

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