JPH0391267A - 集積型多層アモルファス太陽電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光電変換効率が高く、しかも光安定性の高い
集積型多層アモルファス太陽電池の製造方法に関する。

［従来の技術］ アモルファスシリコンとその合金が低コスト薄膜太陽電
池の構成材料として注目されている。

しかし、これらの材料を用いた太陽電池を屋外で長時間
使用すると、光電変換効率がしだいに低下することが５
ｔａｅｂｌｅｒ−Ｗｒｏｎｓｋｉ効果として良く知られ
ている。この光劣化を軽減することが大電力アモルファ
ス太陽電池の実用化にとって最も重要な課題となってい
る。

さて、１つのｐ−１−ｎ接合を有するシングル接合アモ
ルファス太陽電池では、ｉ層を薄くすることが光劣化の
軽減にとって効果的であることが知られている。しかし
ながら、光活性層であるｉ層を薄くすることは、このｉ
層での光吸収量ひいては電池の発生電流を低下させ、光
電変換効率の低下を招くことになる。そこで、薄いｉ層
を含む複数のｐ−１−ｎ接合を積層形威し、各接合間を
オーミック接続したいわゆるタンデム型太陽電池の採用
が考えられる。

第６図は、２つのｐ−１−ｎ接合を有する従来の２段タ
ンデム型アモルファス太陽電池の断面模式図である。

まず、ガラス基板（２）上に透明電極層（４）が形成さ
れる。この透明電極層〈４〉の上にｐ型アモルファス半
導体層（１１）、ｉ型アモルファス半導体層（ｉ層）及
びｎ型アモルファス半導体層（１３）を順次成膜してｐ
−１−ｎ接合（１ｏ〉を形成する。

更にこの上にｐ層（２１）、ｉ層（２２）及びｎ層（２
３）を順次成膜して２段目のｐ−１−ｎ接合（２ｏ）を
形成する。両ｐ−１−ｎ接合（１０，２０）　ノ部分は
、例えばいずれもアモルファスシリコンで構成される。

２段目のｐ−１−ｎ接合（２０）の更に上に裏面外部電
極層（４０）が形成される。この裏面外部電極層（４０
〉は、通例不透明体で構成される。

両ｐ−１−ｎ接合（１０，２０）には、ガラス基板（２
）及び透明電極層（４）を順次通して光線が入射する。

入射側接合（１０）のｎ層（１３）と裏面側接合（２０
）のｐ層（２１）との間はオーミック接触であって、両
接合（１０，２０）が直列接続されている。

したがって、透明電極層（４〉と裏面外部電極層（４０
）との間に両接合（１０，２０）の光起電力の和が開放
電圧として現れる。

この２段タンデム型アモルファス太陽電池では、光電変
換効率の向上と光劣化の軽減との実現が可能である。す
なわち、この太陽電池では、各接合（１０，２（１）　
ｃ７）　ｉ層（１２，２２）　（７）膜厚の和を前記シ
ングル接合太陽電池の場合の１層最適膜厚である４００
〜７００ｎｍと同程度以上にして光電変換効率の向上を
はかることができる。この際、各ｉ層（１２，２２）の
膜厚をシングル接合の場合のｉ層より小さくすることが
でき、光劣化の軽減が実現可能である。なお、ｐ層（１
１，２１）及びｎ層（１３，２３）の膜厚は、シングル
接合の場合と同程度の１０〜５０ｎｍ程度である。

［発明が解決しようとする課題］ 以上に説明した従来のタンデム型アモルファス太陽電池
では、膜厚方向に形成された複数のｐ−１−ｎ接合が直
列接続されていたために次の問題があった。

すなわち、この太陽電池では、前記のように各接合の１
層膜厚の和を前記シングル接合太陽電池の場合の１層膜
厚と同程度以上にして光電変換効率の向上をはかってい
る。しかも、電流同一の直列条件で各接合の最適動作点
を決定する必要があり、各最適動作点に応じて各接合の
１層膜厚が決定される。ただし、アモルファスシリコン
は太陽光波長における吸収係数が太きい。以上のことか
ら、従来のタンデム型アモルファス太陽電池では入射側
ｉ層に比べて裏面側ｉ層の膜厚を大きくして各接合の電
流バランスをとる必要があり、裏面側ｉ層は、シングル
接合の場合のｉ層より薄くすることができるものの、か
なり厚くなる。したがって、やはり膜厚の大きい裏面側
ｉ層での光劣化によって電池全体の光電変換効率がしだ
いに低下する傾向かある。これを避けようとして接合数
を極端に増やせば、裏面側ｉ層の膜厚を小さくすること
かできるものの、光活性層でないｐ層やｎ層の数が増え
てこれらの層の光吸収ロスが増加するから、かえって光
電変換効率が低下する。

また、時間や季節の違いに基づく太陽光のスペクトル変
化によって各接合の電流バランスが崩れる場合があった
。電流バランスが崩れていずれかの接合が最適動作点か
らずれた状態では、電流が最も小さい接合で電池全体の
電流が制限され、場合によっては光電変換効率の大幅な
低下を招くことがあった。

そこで、膜厚方向の接合の直列接続に問題があったこと
に鑑み、同じ膜厚方向の複数のｐｉ−ｎ接合を互いに電
気的に並列接続することが考えられる。しかも、このよ
うにしてできた並列アモルファス太陽電池素子を膜面方
向に直列接続して集積化すれば、電池の開放電圧として
高い電圧が得られる。

本発明は、膜厚方向に形成されたｐ−１−ｎ接合を電気
的に並列接続した太陽電池素子を実現するとともに、こ
の素子を膜面方向に直列接続した集積型多層アモルファ
ス太陽電池を製造するための簡便な方法を提供すること
を目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る集積型多層アモルファス太陽電池の製造方
法は、絶縁基板上に複数の第１透明電極層を分離形成し
、この上に第１のｐ−ｉｎ接合を形成し、隣接する２つ
の第１透明電極層にまたがるように各第１透明電極層に
対応する複数の第２透明電極層を前記第１接合上に分離
形成し、この上に第１接合とは逆方向に第２のｐ−１−
ｎ接合を形成した後、第１透明電極層と第２透明電極層
とが重なるそれぞれの位置で前記第２接合、第２透明電
極層、第１接合及び第１透明電極層を部分的に除去し、
更にこの除去部分を覆うように各第１透明電極層に対応
する複数の外部電極層を分離形成することを特徴とする
。

［作　用］ まず、絶縁基板上に複数の第１透明電極層を分離形成し
た時点で各アモルファス太陽電池素子の膜面方向の位置
が決定される。

各第１透明電極層の間隙を含めてこの上全体に第１のｐ
−１−ｎ接合を形成する。

この上に、隣接する２つの第１透明電極層にまたがるよ
うに、各第１透明電極層に対応する複数の第２透明電極
層を分離形成する。

更にこの上に、第１接合とは逆方向の第２のｐ−１−ｎ
接合を形成する。つまり、第１接合をｐ層、ｉ層及びｎ
層の順で成膜する場合には、第２接合をｎ層、ｉ層及び
ｐ層の順で成膜する。

逆に第１接合をｎ層、ｉ層及びｐ層の順で成膜する場合
には、第２接合をｐ層、ｉ層及びｎ層の順で成膜する。

次に、第１透明電極層と第２透明電極層とが重なるそれ
ぞれの位置で第２接合、第２透明電極層、第１接合及び
第１透明電極層を部分的に除去した後、この除去部分を
覆うように各第１透明電極層に対応する複数の外部電極
層を分離形成する。これにより、各素子位置の膜厚方向
において外部電極層が第１透明電極層に接触すると同時
に、この外部電極層が隣接素子の第２透明電極層にも接
触する。

以上の製造工程が完了すると、絶縁基板上の各素子位置
に第１透明電極層、第１接合、第２透明電極層、逆方向
の第２接合及び外部電極層からなる電池素子が形成され
、しかも前記のように外部電極層と第１透明電極層とが
短絡している。したがって、第１及び第２の透明電極層
の間に２つのｐ−１−ｎ接合が並列接続されている。一
方、膜面方向では前記のように第１透明電極層に接触す
る外部電極層が隣接素子の第２透明電極層にも接触する
から、隣接太陽電池素子が外部電極層によって直列接続
されている。

以上のようにして製造された集積型多層アモルファス太
陽電池では、各電池素子において電気的に並列接続され
た２つの接合に第１及び第２透明電極層を通して光線が
入射する。これらの接合については、電圧同一の並列条
件で最適動作点を決定する。各接合電圧は、各接合を構
成するアモルファス材料の電気的な性質に主に依存する
のであって、直列の場合の接合電流に比較して入射光量
に対する依存性が小さい。このため、各電池素子では、
電流バランスを考慮する必要が全くないばかりでなく、
電圧マツチングを気遣う必要もない。したがって、光活
性層であるｉ層の膜厚を比較的自由に選ぶことができる
。つまり、従来のタンデム型アモルファス太陽電池に比
べて裏面側ｉ層の膜厚をかなり薄くすることができる。

このようにしてｉ層を薄くして電界を高めれば、このｉ
層内の電子や正孔の密度を低減でき、これらの捕獲、再
結合速度の低減が実現できるから、電池の光劣化を良く
軽減することができる。しかも、時間あるいは季節の違
いによる太陽光のスペクトル変化に基づく各接合の電流
バランスの崩れを考慮する必要もない。

　０ ［実施例コ 第１図〜第４図は、本発明の実施例に係る集積型多層ア
モルファス太陽電池の製造方法の工程を示す断面図であ
り、第５図は、この方法によって製造される集積型多層
アモルファス太陽電池の断面模式図である。

以下、これらの図を参照しながら本発明を更に詳細に説
明する。

第１図は、ガラス基板（２）上に分離形成した透明電極
層（４）の上にｐ−１−ｎ接合（１ｏ）を形成した状態
を示す断面図である。

ガラス基板（２）に代えて、透光性耐熱樹脂からなる絶
縁基板等を使用しても良い。

透明電極層（４）は、Ｉ　Ｔ　Ｏ％　Ｓ　ｎ　Ｏｓ　Ｚ
　ｎ層 ０等の透明な金属酸化物膜の使用が好ましい。

ＩＴＯ等の成膜時にマスクを使用すれば、膜面方向に間
隙（５）を設けた多数の透明電極層（４〉を整列形成す
ることができる。ガラス基板（２）上に一面にＩＴＯ膜
等を形成しておき、これをレーザースクライブや化学プ
ロセスによって部１ 膜除去することによって透明電極層（４）を分離形成し
ても良い。この透明電極層（４）の分離形成時点で、各
アモルファス太陽電池素子の膜面方向の位置が決定され
る。

ｐ−１−ｎ接合（ｌＯ）は、アモルファスシリコン半導
体等で構成することができる。この接合（ｌＯ）は、各
透明電極層（４）の間隙（５）を含めてこの上全体に形
成される。なお、この接合（１ｏ）の形成に際し、ｐ層
、ｉ層及びｎ層の順に製膜しても、逆にｎ層、ｉ層及び
ｐ層の順に成膜しても良い。原料ガスのグロー放電分解
、光分解、熱分解等の任意の形成プロセスを採用するこ
とができる。

第２図は、第１透明電極層（４〉と同様のプロセスによ
って更に第２透明電極層（１４）を分離形成した状態を
示す断面図である。

第２透明電極層（１４〉は、ＩＴＯｌＳ　ｎ　Ｏ２、Ｚ
ｎＯ等の透明な金属酸化物膜及びその複層膜、あるいは
、これらと透明金属薄膜との複層膜等を使用することが
できる。導電性物質のメッシ　２ ュあるいはストライプを組み合わせ使用して、この層の
透光性を維持しながら導電性を向上させても良い。

この第２透明電極層（１４）の分離形成は、隣接する２
つの第１透明電極層（４）にまたがるように、各第１透
明電極層（４）に対応して行なう。

つまり、各第２透明電極層（１４）の間隙〈１５〉が各
第１透明電極層（４）の間隙（５）に全く重ならないよ
うにする。

第３図は、第１接合〈ＩＯ〉と同様のプロセスによって
更に第２のｐ−１−ｎ接合（２０）を形成した後、符号
（２５）の位置において第２接合（２０）、第２透明電
極層（１４）、第１接合（１０）及び第１透明電極層（
４）を部分的に除去した状態を示す断面図である。

まず、各第２透明電極層（ｔ４）の間隙（１５〉を含め
て、この上全体に第２のｐ−１−ｎ接合（２０〉を形成
する。この第２接合（２０〉の成膜層は、第１接合（１
０）に対して逆とする。つまり、第１接合（ｌＯ）をｐ
層、ｉ層及びｎ層の順で成膜する場　３ 合には、第２接合（２０）をｎ層、ｉ層及びｐ層の順で
成膜する。逆に、第１接合（１０）をｎ層、ｉ層及びｐ
層の順で成膜する場合には、第２接合（２０）をｐ層、
ｉ層及びｎ層の順で成膜する。

次に、第１透明電極層（４）と第２透明電極層（１４）
とが重なるそれぞれの位置（２５）で第２接合（２０）
、第２透明電極層（１４〉、第１接合（１０）及び第１
透明電極層（４〉をレーザースクライブ等の方法によっ
て部分的に除去する。この一部層除去操作は、レーザー
に限らず通常のエツチングプロセスでも容易に行うこと
ができる。なお、膜除去部分（２５）が膜面方向（同図
紙面奥方向）に線状に伸びている必要はない。

第４図は、更に裏面外部電極層（４０〉を分離形成して
できた集積型多層アモルファス太陽電池の断面図である
。

それぞれの膜除去部分（２５）を含めて全体を覆うよう
に金属等の不透明薄膜を形成した後にこれをエツチング
等の方法で選択除去することにより、各第１透明電極層
（４）に対応する複数の　４ 外部電極層（４０）を形成する。つまり、第１透明電極
層（４）と外部電極層（４０）との間隙（５，４５）の
位置をほぼ一致させる。これにより、各素子位置の膜厚
方向において外部電極層（４０〉が第１透明電極層（４
〉に接触すると同時に、この外部電極層（４０）が隣接
素子の第２透明電極層（１４〉にも接触する。

以上の工程により、同図に示されるように２つの接合（
１０，２０）の膜厚方向の並列接続とその膜面方向の直
列接続とが完成する。すなわち、ガラス基板（２）上の
各素子位置に第１透明電極層（４）、第１接合（ｌＯ）
、第２透明電極層（１４）、逆方向の第２接合（２０〉
及び裏面外部電極層（４０〉からなる電池素子が形成さ
れ、しかも前記のように外部電極層（４０）と第１透明
電極層（４〉とが短絡している。したがって、第１及び
第２の透明電極層（４，１４）の間に、２つのｐ−１−
ｎ接合（１０，２０）が並列接続されている。一方、膜
面方向では前記のように第１透明電極層（４〉に接触す
る裏面外部電極層（４０）が隣接素子の第２透明５ 電極層（１４）にも接触するから、隣接太陽電池素子が
裏面外部電極層（４０）によって直列接続されている。

第５図は、この集積型多層アモルファス太陽電池の構造
をわかりやすく示した断面模式図である。

ガラス基板（２）上の各電池素子において、第１透明電
極層（４）上に例えばｐ型アモルファス半導体層（１１
）、ｉ型アモルファス半導体層（１２）及びｎ型アモル
ファス半導体層（１３）を順次成膜してｐ−１−ｎ接合
（１０）を形威しである点は第６図の２段タンデム型ア
モルファス太陽電池の場合と同様であるが、本実施例の
場合は、この接合（ｌＯ）の上に第２透明電極層（１４
）を形成した上で２段目のｐ−１−ｎ接合（２０）を形
成しである。ただし、２段目の接合（２０〉は、第６図
の場合とは違ってｎ層（２３〉、ｉ層（２２〉及びｐ層
（２１）の順で成膜される。２段目の接合（２０）の更
に上に裏面外部電極層（４０）が形成される点は、第６
図の場合と同様である。各電池素子の第１透明６ 電極層（４）と裏面外部電極層（４０〉との間及びこの
第１透明電極層（４〉と隣接素子の第２透明電極層（ｔ
４）との間は、電気的に接続されている。

各電池素子において、一方の第１接合（１０）には、ガ
ラス基板（２）及び透明電極層（４）を順次通して光線
が入射する。第２接合（２０〉には、第１接合（ｌＯ〉
及び第２透明電極層（１４）を順次通して光線が入射す
る。第１接合（１０）はｐ層（１１）が第１透明電極層
（４〉に接し、第２接合（２０〉はｐ層（２１）が裏面
外部電極層（４０〉に接する。しかも、第１透明電極層
（４）と裏面外部電極層（４０〉との間が電気的に接続
されている。一方、・第２透明電極層（１４）に接する
接合部分は、いずれもｎ層（１３，２３）である。した
がって、第１透明電極層（４〉を正極とし、第２透明電
極層（１４〉を負極とする２段並列太陽電池素子が形成
され、これらの透明電極層（４，１４）を通して両接合
（１０，２０）の光電流の和を取出すことができる。し
かも、隣接電池素子は膜面方向において直列接続されて
おり、電池全体として高い開放電圧が得られる。

７ 両接合（１０，２０）の最適動作点は電圧同一の並列条
件で決定される。これらの接合（１０，２０）の電圧は
、構成材料であるアモルファスシリコンの電気的な性質
に主に依存するのであって、直列の場合の接合電流に比
較して入射光量に対する依存性が小さい。このため、電
流バランスを考慮する必要が全くないばかりでなく、電
圧マツチングを気遣う必要もない。したがって、光活性
層であるｉ層（１２，２２）の膜厚を比較的自由に選ぶ
ことができる。例えば、従来のタンデム型の場合と違っ
て両ｉ層（１２，２２）を同じ膜厚にしても支障がなく
、各ｉ層（１２，２２）の膜厚を２００ｎｍ程度にする
ことができる。つまり、第６図に示す従来のタンデム型
太陽電池に比べて特に裏面側１層（２２〉をかなり薄く
することができ、電池の光劣化が大幅に軽減される。し
かも、時間あるいは季節の違いによる太陽光のスペクト
ル変化に基づく各接合（１０，２０）の電流バランスの
崩れを考慮する必要もない。

ただし、裏面側の第２接合（２０〉はｎ層（２３〉側８ から光が入射する。一般に、シングル接合太陽電池の場
合は光をｎ層側から入射した場合の方が、ｐ層側から入
射した場合よりも光劣化の程度が大きいといわれている
。しかしながら、本実施例に係る方法で製造される太陽
電池の場合、第２接合（２０）に到達する光は第１接合
（１０）による光吸収のために短波長成分をほとんど含
まず、ｉ層（２２）中で比較的均一に吸収される。この
結果、シングル接合太陽電池の場合とは違って光の入射
方向の影響は小さく、高い光安定性を有する太陽電池が
得られる。

なお、両接合（１０，２０）を構成するアモルファス半
導体材料は、アモルファスシリコンに限らず、ＳｉとＣ
若しくはこれらの水素化物、ハロゲン化物及びこれらの
材料とＧｅ、Ｃ等との合金等を使用することもできる。

［発明の効果］ 以上に説明したように、本発明に係る集積型多層アモル
ファス太陽電池の製造方法は、絶縁基板上に複数の第１
透明電極層を分離形成し、９ この上に第１のｐ−１−ｎ接合を形威し、隣接する２つ
の第１透明電極層にまたがるように各第１透明電極層に
対応する複数の第２透明電極層を前記第１接合上に分離
形成し、この上に第１接合とは逆方向に第２のｐ−１−
ｎ接合を形成した後、第１透明電極層と第２透明電極層
とが重なるそれぞれの位置で前記第２接合、第２透明電
極層、第１接合及び第１透明電極層を部分的に除去し、
更にこの除去部分を覆うように各第１透明電極層に対応
する複数の外部電極層を分離形成する各工程からなるか
ら、本発明によれば、膜厚方向に形成されたｐ−１−ｎ
接合を電気的に並列接続した太陽電池素子を実現すると
ともに、この素子を膜面方向に直列接続した集積型多層
アモルファス太陽電池を製造することができる。したが
って、従来のタンデム型アモルファス太陽電池に比べて
裏面側ｉ層の膜厚をかなり薄くすることができ、電池の
光劣化を良く軽減することができる。また、時間あるい
は季節の違いによる太陽光のスペクトル変化０ に基づく各接合の電流バランスの崩れを考慮する必要も
ない。つまり、本発明に係る方法によれば、従来のタン
デム型太陽電池以上に光安定性が高く、かつ開放電圧の
高い高効率アモルファス太陽電池を提供することができ
る。

しかも、両接合の同一型部分とおしを透明電極層で電気
的に内部接続することにより両接合の並列接続を実現し
ているから、両接合間を電気的に絶縁する複雑な製造工
程を必要としない。

また、外部電極層の形成過程で、膜厚方向における各電
池素子内の並列接続と膜面方向における電池素子とおし
の直列接続とを同時に実現することができるから、太陽
電池の製造工程を大幅に簡略化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は、本発明の実施例に係る集積型多層ア
モルファス太陽電池の製造方法の工程を示す図であって
、 第１図は、絶縁基板上に分離形成した第１透１ 切電極層の上に第１のｐ−１−ｎ接合を形成した状態を
示す断面図、 第２図は、更に第２透明電極層を分離形成した状態を示
す断面図、 第３図は、更に第２のｐ−１−ｎ接合を形成した後、第
２接合、第２透明電極層、第１接合及び第１透明電極層
を部分的に除去した状態を示す断面図、 第４図は、更に外部電極層を分離形成してできた集積型
多層アモルファス太陽電池の断面図、第５図は、前回の
集積型多層アモルファス太陽電池の断面模式図、 第６図は、従来の２段タンデム型アモルファス太陽電池
の断面模式図である。 符号の説明 ２・・・ガラス基板、４．１４・・・透明電極層、５．
１５．４５・・・間隙、１０．２０−　ｐ　−ｉ　−ｎ
接合、１１．２１−ｐ型アモルファス半導体層、１２．
２２・・・ｉ型アモルファス半導体層、１３．２３・・
・ｎ型アモルファス半導体層、２５・・・膜除去部分、
４０・・・裏面外部電極層。 ２

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、絶縁基板上に複数の第１透明電極層を分離形成し、
   この上に第１のｐ−ｉ−ｎ接合を形成し、隣接する２つ
   の第１透明電極層にまたがるように各第１透明電極層に
   対応する複数の第２透明電極層を前記第１接合上に分離
   形成し、この上に第１接合とは逆方向に第２のｐ−ｉ−
   ｎ接合を形成した後、第１透明電極層と第２透明電極層
   とが重なるそれぞれの位置で前記第２接合、第２透明電
   極層、第１接合及び第１透明電極層を部分的に除去し、
   更にこの除去部分を覆うように各第１透明電極層に対応
   する複数の外部電極層を分離形成することを特徴とする
   集積型多層アモルファス太陽電池の製造方法。