JPWO2008149835A1 - 集積型薄膜太陽電池の製造方法 - Google Patents
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Abstract
Description
本発明の実施例1として、集積型薄膜太陽電池を作製した。この実施例1の集積型薄膜太陽電池に関しても、図4から図6を参照することができる。まず、透明絶縁基板11を得るために、4mm×360mm×465mmのガラス基体111上にSiO2微粒子1121を含む透光性下地層112を形成した。透光性下地層112を形成する際に用いた塗布液としては、平均粒径100nmの球状シリカの分散液、水、およびエチルセロソルブの混合液にテトラエトキシシランを加え、そして塩酸を添加してテトラエトキシシランを加水分解させ、さらに希釈液としてジアセトンアルコールとプロピレングリコールが加えられた。塗布液全体に対する球状シリカの割合は、6質量%であった。塗布液を印刷機にてガラス基体上に塗布した後に90℃で30分乾燥し、その後に450℃で5分加熱することによって、微細な表面凹凸を有する透明絶縁基板11を得た(図6参照)。
本発明の実施例2においても、実施例1に類似の集積型薄膜太陽電池が作製された。すなわち、実施例2の集積型薄膜太陽電池は、裏面電極層分離溝904を構成する各ピットの平面形状を変更したことのみにおいて、実施例1と異なっていた。
比較例1においても、実施例1に類似の集積型薄膜太陽電池が作製された。すなわち、比較例1の集積型薄膜太陽電池は、裏面電極層分離溝904を構成する各ピットの平面形状を変更したことのみにおいて、実施例1と異なっていた。
比較例2においても、実施例1に類似の集積型薄膜太陽電池が作製された。すなわち、比較例2の集積型薄膜太陽電池は、裏面電極層分離溝904を構成するピットの平面形状を変更したことのみにおいて、実施例1と異なっていた。
比較例3においては、実施例2に類似の集積型薄膜太陽電池が作製された。すなわち、比較例3の集積型薄膜太陽電池は、透光性下地層112がないこと、透明電極層としてZnO層に代えてSnO2層を用いたこと、および裏面電極層分離溝形成時のレーザビームのエネルギ密度を0.8J/cm2に変更したことの3点のみにおいて、実施例2と異なっていた。薄膜太陽電池用基板1としてはSnO2電極層12が熱CVD法で形成された市販品を用い、そのヘイズ率は13.2%であり、SnO2電極層のシート抵抗は12.5Ω/□であった。なお、本比較例3における裏面電極層分離溝904を構成する各ピットの平面形状は、実施例2の場合と同じであり、すなわち溝幅方向の最大長W=90μmで溝長手方向の最大長L=50μmであってW/L=1.80であった。
比較例4においては、比較例3に類似の集積型薄膜太陽電池が作製された。すなわち、比較例4の集積型薄膜太陽電池は、裏面電極層分離溝904を構成する各ピットの平面形状を変更したことのみにおいて、比較例3と異なっていた。本比較例4における各ピットの平面形状は、比較例2の場合と同であり、すなわち溝幅方向の最大長W=50μmで長手方向の最大長L=80μmであってW/L=0.63であった。
本発明のさらなる実施例3においても、実施例1に類似の集積型薄膜太陽電池が作製された。すなわち、実施例3の集積型薄膜太陽電池は、裏面電極層分離溝904を構成する各ピットの平面形状を変更したことのみにおいて、実施例1と異なっていた。本実施例3における各ピットの平面形状は溝長手方向に短軸を有する横長楕円形であって、溝幅方向の最大長W=110μmで溝長手方向の最大長L=35μmに設定された。すなわち、W/L=3.14であり、各ピットの面積は3.0×10-9m2であった。隣接するピットが溝長手方向に重なる最大長さdはLの20%にされ、レーザビームのエネルギ密度は0.7J/cm2に設定された。
本発明のさらなる実施例4においても、実施例1に類似の集積型薄膜太陽電池が作製された。すなわち、実施例4の集積型薄膜太陽電池は、裏面電極層分離溝904を構成する各ピットの平面形状を変更したことのみにおいて、実施例1と異なっていた。本実施例4におけるピットの平面形状は溝長手方向に短軸を有する横長楕円形であって、溝幅方向の最大長W=170μmで溝長手方向の最大長L=25μmに設定された。すなわち、W/L=6.80であり、各ピットの面積は3.5×10-9m2であった。隣接するピットが溝長手方向に重なる最大長さdはLの20%にされ、レーザビームのエネルギ密度は0.7J/cm2に設定された。
図11は、上述の実施例1〜4および比較例1〜4に関して、裏面電極分離溝を構成する各ピットにおけるW/Lに対する集積型薄膜太陽電池のEff(%)の関係を示すグラフである。上述の実施例と比較例から分かるように、このグラフにおいては、各ピットの面積が3.0〜3.5×10-9cm2の範囲内でほぼ一定に維持され、他方でW/Lは種々に変化させられている。
本発明の実施例5においては、実施例2に類似の集積型薄膜太陽電池が作製された。すなわち、実施例5の集積型薄膜太陽電池は、裏面電極層分離溝904に加えて、半導体層分離溝905を構成する各ピットにもW/L>1の条件を適用したことのみにおいて、実施例2と異なっていた。より具体的には、本実施例5において、半導体層分離溝905を構成する各ピットの平面形状は図1に示すように溝長手方向に短軸を有する横長楕円形であって、溝幅方向の最大長W=90μmで溝長手方向の最大長L=50μmに設定された。すなわち、W/L=1.80であり、各ピットの面積は3.5×10-9m2であった。隣接するピットが溝長手方向に重なる最大長さdはLの20%にされ、レーザビームのエネルギ密度は0.7J/cm2に設定された。
本発明の実施例6においては、実施例5に類似の集積型薄膜太陽電池が作製された。すなわち、実施例5の集積型薄膜太陽電池は、裏面電極層分離溝904および半導体層分離溝905に加えて、透明電極層分離溝903を構成する各ピットにもW/L>1の条件を適用したことのみにおいて、実施例5と異なっていた。より具体的には、本実施例6において、透明電極層分離溝903を構成する各ピットの平面形状は図1に示すように溝長手方向に短軸を有する横長楕円形であって、溝幅方向の最大長W=90μmで溝長手方向の最大長L=50μmに設定された。すなわち、W/L=1.80であり、各ピットの面積は3.5×10-9m2であった。隣接するピットが溝長手方向に重なる最大長さdはLの20%にされ、レーザビームのエネルギ密度は13J/cm2に設定された。
実施例7においては、隣り合うピットが溝長手方向に重なる最大長さdと各ピットの溝長手方向の最大長さLとの比d/Lが溝幅に及ぼす影響に関して、計算によって検討された。その計算において、図11で最も高いEffを有する実施例2のピットに関するW=90μm、L=50μm、およびW/L=1.80の条件が仮定された。
ここで、媒介変数θを用いれば、y座標は次式(2)で表され得る。
式(1)と(2)は等しいので、次式(3)が得られる。
この式(3)から、次式(4)が得られる。
他方、隣接する楕円の交点のx座標は正負2つあって、次式(5)で表され得る。
式(3)、(4)、および(5)から、Vは次式(6)で表され得る。
=Wcosθ
=Wcos(arcsin{(L−d)/d}) 式(6)
図12は、d/Lに対するVの関係を表すグラフである。このグラフから分かるように、d/Lの増加にともなって、Vは増加して徐々に飽和する傾向を示す。図8から図10に示した顕微鏡写真におけるバリやピット抜けの大きさから、Vは最低でも30μmは必要と考えられる。図12のグラフにおいて、Vを30μmにするためには、d/Lを6%以上にする必要があることが分かる。
実施例8においては、隣り合うピットが溝長手方向に重なる最大長さdとピットの溝長手方向の最大長さLとの比d/LがZnO透明電極層に与える影響に関して、計算によって検討された。その計算において、ピットの重なり長さの合計Σdと分離溝の全長Yとの比Σd/Yを計算により求めた。レーザビームスの走査が1パルスごとに進む距離は(L−d)なので、分離溝1本あたりのパルス数をnとすれば、次式(7)と(8)が得られる。
Σd=d×n 式(8)
したがって、式(7)と(8)から、次式(9)が得られる。
図13は、d/L(%)に対するΣd/Y(%)の関係を表すグラフである。このグラフにおいて、d/Lの増大に伴って、Σd/Yは傾きを増大しながら増加している。隣接するピットが重なる部分においては、レーザビームが2回照射されるので、ZnO透明電極層に与えるダメージが大きいと考えられる。このようなダメージを軽減するために、ピットが重なる部分は分離溝全長の半分以下にすることが望まれ、すなわちΣd/Yは50%以下であることが望まれる。そして、図13のグラフから、Σd/Yを50%以下にするためには、d/Lを33%以下にする必要があることが分かる。
実施例9においても、実施例1に類似の集積型薄膜太陽電池が作製された。すなわち、シリコン複合層からなる中間透過反射層6の膜厚を70nmとし、結晶質光電変換ユニット3の真性結晶質シリコン層32の膜厚を2.9μmとし、そして裏面電極層分離溝の製造方法と構造を変更したことの3点のみにおいて実施例1と異なっていた。
実施例10においても、実施例9に類似の集積型薄膜太陽電池が作製された。すなわち、裏面電極層分離溝を第1レーザビームのみで形成したことのみにおいて、実施例9と異なっていた。本実施例10における裏面電極層分離溝9040は、溝幅方向最大長70μmで溝長手方向最大長50μmの楕円形ピット9041が所定ピッチで連なることによって形成され、その極大幅は70μmであった。この実施例10において作製された集積型薄膜太陽電池において逆バイアス処理を行なったところ、2つのセルが不合格であると判定された。
実施例11においても、実施例9に類似の集積型薄膜太陽電池が作製された。すなわち、本実施例11は、実施例9に比べて、第1レーザビームと第2レーザビームが複数の裏面電極層分離溝の全てにおいて照射されたれたことにおいてのみにおいて異なっていた。本実施例11において、第1レーザビームを用いて裏面電極層分離溝が形成された集積型薄膜太陽電池に逆バイアス処理を行なったところ、3つのセルが不合格であると判定された。
実施例12においても、実施例9に類似の集積型薄膜太陽電池が作製された。具体的には、本実施例12は、実施例9に比べて、第1レーザビームと第2レーザビームが複数の裏面電極層分離溝の全てにおいて照射されたれたことと、第1レーザビームのエネルギ密度が0.9J/cm2に増大されたことのみにおいて異なっていた。すなわち、本実施例12では、第1レーザビームのエネルギ密度を高くすることによって、それが裏面電極層分離溝における電流リークに及ぼす影響が調べられた。そして、本実施例12においても、実施例9の場合と同様に蛍光灯の光の照射下で各セルの出力電圧(Vfl)が測定された。
比較例5においても、実施例9に類似の集積型薄膜太陽電池が作製された。より具体的には、比較例5は、実施例9に比べて、下地層112が省略され、透明電極層12がSnO2で形成され、そしてp型層21が厚さ15nmのp型非晶質シリコンカーバイド層のみで形成されたことのみにおいて異なっていた(図6参照)。
実施例13においては、実施例10に類似の集積型薄膜太陽電池が作製された。より具体的には、本実施例13は、実施例10に比べて、裏面電極層分離溝を形成する際の第1レーザビームの楕円状照射領域Mの長軸長が70μmから90μmに変更され、かつ樹脂封止が省略されたことのみにおいて異なっていた。そして、裏面電極層分離溝は、短軸長が50μmで長軸長が90μmの横長の楕円形ピットが連なって形成され、その溝の極大幅は90μmであった。
本発明の実施例14では、実施例13の集積型薄膜太陽電池中で不合格だった4つのセルに接する裏面電極層分離溝のみにおいて、さらに第2レーザビームが付加的に照射された。
本発明の実施例15においては、実施例9に類似した複数の集積型薄膜太陽電池を作製して、裏面電極層分離溝の幅方向の極大長Woと第1種ピット列の幅方向の極大長Wmとの比Wo/Wmの望ましい条件が調べられた。より具体的には、本実施例15では、実施例9に類似の集積型薄膜太陽電池の複数を作製し、実施例9の場合と同様の方法でVflを測定することによって、リーク電流が大きくてVflが0.6V未満のセルが選定された。それらの選定された光電変換セルに接する裏面電極層分離溝に関して、Wo/Wmが種々の値になるように照射領域Nを調整して第2レーザビームを付加的に照射し、その後にVflの増加率ΔVfl=100×(Vfl2−Vfl1)/Vfl1[%]が測定された。
本発明の実施例16では、実施例9に類似した複数の集積型薄膜太陽電池を作製し、裏面電極層分離溝の形成の際における第1レーザビームのエネルギ密度E1と第2レーザビームのエネルギ密度E2との比E2/E1[%]の望ましい条件が調べられた。より具体的には、本実施例16は、実施例15に比べて、Wo/Wmを1.6に固定した状態でE2/E1を種々に変化させてΔVflを測定したことのみにおいて異なっていた。
本発明の実施例17では、実施例9に類似の複数の集積型薄膜太陽電池を作製し、裏面電極層分離溝の単位長さあたりにおける第1レーザビームの照射回数(パルス数)P1と第2レーザビームの照射回数P2との比P2/P1の望ましい条件が調べられた。より具体的には、本実施例17は、実施例15に比べて、Wo/Wmを1.6に固定した状態でP2/P1を種々に変化させてΔVflを測定したことのみにおいて異なっていた。P2/P1を変化させるためには、裏面電極層に対する第2レーザビームの相対的走査速度を変化させた。より具体的には、第1レーザビームに比べて、第2レーザビームの走査速度を種々に減少させた。
本発明の実施例18においても、実施例9に類似の集積型薄膜太陽電池が作製された。より具体的には、本実施例18は、実施例9に比べて、実施例15〜17で求められた望ましい条件としてWo/Wm=1.6、E2/E1=60%、およびP2/P1=1.33に設定されたことのみにおいて異なっていた。
実施例19においても、実施例9に類似の集積型薄膜太陽電池が作製された。より具体的には、本実施例19は、実施例9に比べて、第1レーザビームの照射領域Mに対して第2レーザビームの照射領域Nが重ならないように、照射領域Nの中心がその最近接の半導体層分離溝から遠ざかる方向へ照射領域Mの中心から約80μmだけ変位させられたことのみにおいて異なっていた。すなわち、本実施例19では、第1種ピット列と第2種ピット列との間に10μm以上の隙間が生じた。
図11は、上述の実施例1〜4および比較例1〜4に関して、裏面電極分離溝を構成する各ピットにおけるW/Lに対する集積型薄膜太陽電池のEff(%)の関係を示すグラフである。上述の実施例と比較例から分かるように、このグラフにおいては、各ピットの面積が3.0〜3.5×10−9 m 2の範囲内でほぼ一定に維持され、他方でW/Lは種々に変化させられている。
本発明の実施例6においては、実施例5に類似の集積型薄膜太陽電池が作製された。すなわち、実施例6の集積型薄膜太陽電池は、裏面電極層分離溝904および半導体層分離溝905に加えて、透明電極層分離溝903を構成する各ピットにもW/L>1の条件を適用したことのみにおいて、実施例5と異なっていた。より具体的には、本実施例6において、透明電極層分離溝903を構成する各ピットの平面形状は図1に示すように溝長手方向に短軸を有する横長楕円形であって、溝幅方向の最大長W=90μmで溝長手方向の最大長L=50μmに設定された。すなわち、W/L=1.80であり、各ピットの面積は3.5×10-9m2であった。隣接するピットが溝長手方向に重なる最大長さdはLの20%にされ、レーザビームのエネルギ密度は13J/cm2に設定された。
Claims (17)
- 透明絶縁基板(11)上に順次積層された透明電極層(12)、1以上光電変換ユニット(2、3)を含む半導体層(20)、および裏面電極層(4)が、複数の光電変換セルを形成するように直線状で互いに平行な複数本の透明電極層分離溝(903)、半導体層分離溝(905)、および裏面電極層分離溝(9040)によってそれぞれ分割され、かつそれらの複数の光電変換セルが前記半導体層分離溝を介して互いに電気的に直列接続されている集積型薄膜太陽電池であって、
前記透明電極層分離溝、前記半導体層分離溝、および前記裏面電極層分離溝の少なくとも一部は所定ピッチで形成された実質的に同形状のピット(9031、9051、9043、9045)のつながりによって構成されており、各前記ピットにおいて前記溝の幅方向の最大長Wが前記溝の長手方向の最大長Lより大きく、
前記透明電極層は、前記裏面電極層を切断し得る最小エネルギ密度の3倍以上のエネルギ密度を有するレーザビームで裏面電極層分離溝に含まれるピットを形成した場合に、そのピット内において裏面電極側から白色光を照射して光学顕微鏡で観察され得る暗色の変色部が形成される透明導電材料で形成されていることを特徴とする集積型薄膜太陽電池。 - 前記透明電極層が酸化亜鉛で形成されていることを特徴とする請求の範囲1に記載の集積型薄膜太陽電池。
- W/Lが1.25以上7.2以下の範囲内にあることを特徴とする請求の範囲1または2に記載の集積型薄膜太陽電池。
- 隣り合う前記ピットが前記溝の長手方向に重なる最大長dは、Lの6%以上33%以下の範囲内にあることを特徴とする請求の範囲1から3のいずれかに記載の集積型薄膜太陽電池。
- 各前記ピットの平面形状が楕円状であることを特徴とする請求の範囲1から4のいずれかに記載の集積型薄膜太陽電池。
- 各前記ピットの平面積が3×10-10m2以上4×10-8m2以下の範囲内にあることを特徴とする請求の範囲1から5のいずれかに記載の集積型薄膜太陽電池。
- 前記ピット内の暗色の変色部はその周囲部に比べて凸状になっていることを特徴とする請求の範囲1から6のいずれかに記載の集積型薄膜太陽電池。
- 請求の範囲1から7のいずれかの集積型薄膜太陽電池を製造するための方法であって、各前記ピットはレーザビームのパルス照射によって形成されることを特徴とする集積型薄膜太陽電池の製造方法。
- 前記酸化亜鉛の透明電極層が低圧CVD法で形成されることを特徴とする請求の範囲8に記載の集積型薄膜太陽電池の製造方法。
- 前記裏面電極層分離溝に含まれる前記ピットを形成するためのレーザビームのエネルギ密度は、前記裏面電極層を切断し得る最小エネルギ密度の1.1倍以上2倍以下の範囲内にあることを特徴とする請求の範囲8または9に記載の集積型薄膜太陽電池の製造方法。
- 請求の範囲1から7のいずれかの集積型薄膜太陽電池を製造するための方法であって、
前記複数本の裏面電極層分離溝を形成すべき全領域に第1レーザビームを照射する工程と、
前記裏面電極層分離溝の全本数から選択された部分的本数の各溝の少なくとも一部へ付加的に第2レーザビームを照射する工程とを含み、
前記第1レーザビームの照射領域Mに対して前記第2レーザビームの照射領域Nが部分的に重なるように、前記照射領域Nの中心がその最近接の半導体層分離溝から遠ざかる方向へ前記照射領域Mの中心から変位させられていることを特徴とする集積型薄膜太陽電池の製造方法。 - 前記裏面電極層分離溝において、前記第1レーザビームの照射のみで形成された部分の溝幅の極大値に対して、付加的に前記第2レーザビームをも照射されて形成された部分の溝幅の極大値の比が、1.15以上1.8以下の範囲内にあることを特徴とする請求の範囲11に記載の集積型薄膜太陽電池の製造方法。
- 前記第1レーザビームに比べて前記第2レーザビームのエネルギ密度が低いことを特徴とする請求の範囲11または12に記載の集積型薄膜太陽電池の製造方法。
- 前記第1と第2のレーザビームはパルス状に照射され、前記裏面電極層分離溝の単位長さに関して前記第2レーザビームの照射パルス数が前記第1レーザビームに比べて多いことを特徴とする請求の範囲11から13のいずれかに記載の集積型薄膜太陽電池の製造方法。
- 請求の範囲1から7のいずれかに記載の集積型薄膜太陽電池であって、
前記複数本の裏面電極層分離溝のうちで部分的本数の各溝の少なくとも一部は第1ピッチで連なっている実質的に同形状の第1種ピットの列と第2ピッチで連なっている実質的に同形状の第2種ピットの列とによって構成されており、
前記第1種ピット列と前記第2種ピット列は溝幅方向において部分的に重なっており、
前記第1種ピット列の溝幅方向の極大長Wmに比べて前記第2種ピット列の溝幅方向の極大長Wnが小さく、
前記第2種ピット列の中心線はその最近接の半導体層分離溝から遠ざかる方向へ前記第1種ピット列の中心線から変位させられていることを特徴とする集積型薄膜太陽電池。 - 前記第1種ピット列と前記第2種ピット列との両方で構成される溝幅の極大長Woと前記第1種ピット列の溝幅方向の極大長Wmとの比Wo/Wmが1.15以上1.8以下であることを特徴とする請求の範囲15に記載の集積型薄膜太陽電池。
- 前記第1種ピット列の前記第1ピッチに比べて前記第2種ピット列の前記第2ピッチが短いことを特徴とする請求の範囲15または16に記載の集積型薄膜太陽電池。
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