JPWO2010067702A1 - Thin film solar cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
この発明の一実施の形態による薄膜太陽電池の製造方法は、基板上に、導電性材料からなる膜を形成し、各セル間を分離するようにパターニングして前記各セルの第1の電極層を形成し、前記第1の電極層を形成した前記基板上に、第1の光電変換層を形成し、前記第1の光電変換層を前記セルごとに分離する第1の幅の第1の溝を形成し、前記第1の光電変換層を形成した前記基板上に、第2の光電変換層を形成し、前記第2の光電変換層を、前記第1の溝の形成位置内で前記第1の幅よりも狭い第2の幅の第2の溝で分離し、前記第2の光電変換層上と、前記溝の側面および底面上と、に第2の電極層を形成する。In the method for manufacturing a thin-film solar cell according to an embodiment of the present invention, a film made of a conductive material is formed on a substrate, and the first electrode layer of each cell is patterned by separating the cells. A first photoelectric conversion layer is formed on the substrate on which the first electrode layer is formed, and the first photoelectric conversion layer is separated for each cell. A groove is formed, a second photoelectric conversion layer is formed on the substrate on which the first photoelectric conversion layer is formed, and the second photoelectric conversion layer is formed within the first groove formation position. Separated by a second groove having a second width smaller than the first width, a second electrode layer is formed on the second photoelectric conversion layer and on the side and bottom surfaces of the groove.
Description
この発明は、バンドギャップの異なる光電変換層を複数段含む積層構造を有する薄膜太陽電池およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a thin film solar cell having a laminated structure including a plurality of photoelectric conversion layers having different band gaps, and a method for manufacturing the same.
太陽光発電システムは21世紀の地球環境を化石エネルギの燃焼によるCO2ガスの増加から守るクリーンエネルギとして期待されており、その生産量は世界中で爆発的に増加している。このため、世界中でシリコンウェハが不足するという事態が発生している。そこで、近年では、シリコンウェハの供給量に律速されない光電変換層(半導体層)が薄膜からなる薄膜太陽電池の生産量が急速に伸びつつある。The solar power generation system is expected as clean energy that protects the global environment in the 21st century from the increase in CO 2 gas due to the burning of fossil energy, and its production volume is increasing explosively around the world. For this reason, the situation where the silicon wafer runs short all over the world has occurred. Therefore, in recent years, the production amount of thin-film solar cells in which a photoelectric conversion layer (semiconductor layer) that is not rate-controlled by the supply amount of silicon wafers is a thin film is increasing rapidly.
従来から薄膜太陽電池では、太陽光スペクトルを幅広く有効利用すべく、バンドギャップの異なる材料からなる複数の光電変換層を絶縁透光性基板上に積層したタンデム構造のものが提案されている(たとえば、特許文献1参照)。このタンデム構造の薄膜太陽電池は、透光性基板上に、透明導電性材料からなる表面電極層、p−i−n構造のアモルファスシリコン膜とp−i−n構造の微結晶シリコン膜との積層膜などからなる光電変換層、およびAgなどの裏面電極層が順に積層された複数のセルが、一方向に直列に接続された構造を有する。ここで、表面電極層は、第1の分離溝で隣接するセルの表面電極層と分離され、かつ隣接する一方の光電変換層と部分的に重畳されて形成される。また、光電変換層と裏面電極層は、第2の分離溝で隣接するセルの光電変換層と裏面電極層と分離され、かつ隣接する他方の表面電極層と部分的に重畳されて形成される。そして、裏面電極層は、光電変換層を貫通して形成された接続溝を介して、部分的に重畳する隣接する他方のセルの表面電極層と接続される。 Conventionally, thin-film solar cells have been proposed to have a tandem structure in which a plurality of photoelectric conversion layers made of materials having different band gaps are stacked on an insulating translucent substrate in order to effectively use the solar spectrum widely (for example, , See Patent Document 1). This tandem thin film solar cell includes a surface electrode layer made of a transparent conductive material on a translucent substrate, an amorphous silicon film having a pin structure, and a microcrystalline silicon film having a pin structure. A plurality of cells in which a photoelectric conversion layer made of a laminated film or the like and a back electrode layer such as Ag are sequentially laminated have a structure connected in series in one direction. Here, the surface electrode layer is formed to be separated from the surface electrode layer of the adjacent cell by the first separation groove and partially overlap with one of the adjacent photoelectric conversion layers. Further, the photoelectric conversion layer and the back electrode layer are separated from the photoelectric conversion layer and the back electrode layer of the adjacent cell by the second separation groove, and are partially overlapped with the other adjacent surface electrode layer. . And a back surface electrode layer is connected with the surface electrode layer of the other adjacent cell which overlaps partially through the connection groove | channel formed through the photoelectric converting layer.
上記したように、光電変換層の一部に微結晶材料を用いて、太陽電池として機能させるのに十分な電流を発生させるためには、一般的に数μmもの膜厚が要求される。たとえば、光電変換層の一部に微結晶シリコン膜を用いた場合では2μm程度の膜厚が必要であり、微結晶シリコンゲルマニウム膜を用いた場合では1μm程度の膜厚が必要となる。したがって、これらの微結晶材料を数層重ねたタンデム構造の薄膜太陽電池を形成すると、光電変換層の総膜厚は数μm以上となってしまう。 As described above, in order to generate a sufficient current to function as a solar cell using a microcrystalline material for a part of the photoelectric conversion layer, a film thickness of several μm is generally required. For example, when a microcrystalline silicon film is used as a part of the photoelectric conversion layer, a film thickness of about 2 μm is required, and when a microcrystalline silicon germanium film is used, a film thickness of about 1 μm is required. Therefore, when a thin film solar cell having a tandem structure in which several layers of these microcrystalline materials are stacked, the total film thickness of the photoelectric conversion layer becomes several μm or more.
また、薄膜太陽電池のモジュール化工程では、表面電極層(透明電極)の上に積層した光電変換層をレーザスクライビング法で短冊状の単位セルに分離した後、裏面電極層を形成し、隣接する単位セルの表面電極層と裏面電極層とを接続することにより、単位セルを直列接続した薄膜太陽電池モジュールを形成する。ここで、上記特許文献1に記載のタンデム構造の場合には、分離後の単位セルの端部では高さ数μmの段差側面に裏面電極層(銀薄膜)を形成することになる。裏面電極層はスパッタリング法で成膜されることが多く、この場合、段差側面においてカバレッジが不十分となることが懸念される。実際、セルの側面に十分な厚さの裏面電極層が形成されなかった場合には、モジュールの直列抵抗成分が増加し、発電効率が低下するという問題も発生している。
Moreover, in the modularization process of a thin film solar cell, after separating the photoelectric conversion layer laminated | stacked on the surface electrode layer (transparent electrode) into the strip-shaped unit cell by the laser scribing method, a back surface electrode layer is formed and it adjoins. By connecting the front electrode layer and the back electrode layer of the unit cell, a thin film solar cell module in which the unit cells are connected in series is formed. Here, in the case of the tandem structure described in
上記特許文献1に記載のタンデム構造の薄膜太陽電池の製造方法では、このような直列抵抗成分の増加を抑制すべく、裏面電極層の成膜時間を長くして、セル側面における裏面電極膜を厚膜とすることでカバレッジ不足を解消しようとしている。しかし、成膜時間を長くすることは生産スループットを低下させ、製造コスト上昇の原因となるという問題点があった。
In the method for manufacturing a thin film solar cell having a tandem structure described in
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、タンデム構造を有する薄膜太陽電池において、隣接するセル間に形成される分離溝の段差側面にカバレッジ不足が問題とならず、従来よりも薄い膜厚の裏面電極層を有する薄膜太陽電池およびその製造方法を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and in a thin film solar cell having a tandem structure, lack of coverage is not a problem on the step side surface of the separation groove formed between adjacent cells, and the film thickness is thinner than the conventional one. An object of the present invention is to obtain a thin film solar cell having a back electrode layer and a manufacturing method thereof.
上記目的を達成するため、この発明にかかる薄膜太陽電池の製造方法は、基板上に、導電性材料からなる膜を形成し、各セル間を分離するようにパターニングして前記各セルの第1の電極層を形成する第1の電極層形成工程と、前記第1の電極層を形成した前記基板上に、第1の光電変換層を形成する第1の光電変換層形成工程と、前記第1の光電変換層を前記セルごとに分離する第1の幅の第1の溝を形成する第1の溝形成工程と、前記第1の光電変換層を形成した前記基板上に、第2の光電変換層を形成する第2の光電変換層形成工程と、前記第2の光電変換層を、前記第1の溝の形成位置内で前記第1の幅よりも狭い第2の幅の第2の溝で分離する第2の溝形成工程と、前記第2の光電変換層上と、前記溝の側面および底面上と、に第2の電極層を形成する第2の電極層形成工程と、を含むことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a method of manufacturing a thin-film solar cell according to the present invention includes forming a film made of a conductive material on a substrate, and patterning the cells so as to separate the cells, so that the first of each cell is formed. A first electrode layer forming step of forming a first photoelectric conversion layer, a first photoelectric conversion layer forming step of forming a first photoelectric conversion layer on the substrate on which the first electrode layer is formed, and the first A first groove forming step for forming a first groove having a first width for separating one photoelectric conversion layer for each cell; and a second groove formed on the substrate on which the first photoelectric conversion layer is formed. A second photoelectric conversion layer forming step of forming a photoelectric conversion layer; and a second photoelectric conversion layer having a second width that is narrower than the first width within the formation position of the first groove. A second groove forming step for separating the first groove, the second photoelectric conversion layer, the side surface and the bottom surface of the groove, Characterized in that it comprises a second electrode layer forming step of forming an electrode layer.
この発明によれば、光電変換積層体の溝が形成される側の断面構造は、下層の光電変換層の隣接するセル側の側面を上層の光電変換層で覆うように形成されるので、溝の断面形状がなだらかな階段状または傾斜となる。これによって、スパッタリング法などの成膜法で裏面電極層を成膜する際に、薄膜でも溝内のセル側面上で良好なカバレッジが得られやすくなる。その結果、裏面電極層の形成に要する時間が従来よりも大幅に短縮され、生産スループットを向上させることができるという効果を有する。また、モジュール化後の直列抵抗成分を低減させることができ、裏面電極層でのジュール損失が低減できるので、薄膜太陽電池の発電効率の向上も見込まれるという効果を有する。 According to this invention, the cross-sectional structure on the side where the groove of the photoelectric conversion laminate is formed is formed so as to cover the side surface on the adjacent cell side of the lower photoelectric conversion layer with the upper photoelectric conversion layer. The cross-sectional shape is a gentle step or slope. Accordingly, when the back electrode layer is formed by a film forming method such as sputtering, it is easy to obtain good coverage on the cell side surface in the groove even in a thin film. As a result, the time required for forming the back electrode layer is significantly shortened compared to the conventional case, and the production throughput can be improved. Moreover, since the series resistance component after modularization can be reduced and the Joule loss in the back electrode layer can be reduced, the power generation efficiency of the thin-film solar cell is expected to be improved.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる薄膜太陽電池およびその製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態で用いられる薄膜太陽電池の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。 Embodiments of a thin-film solar cell and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to these embodiments. Moreover, the cross-sectional views of the thin film solar cell used in the following embodiments are schematic, and the relationship between the thickness and width of the layers, the ratio of the thicknesses of the layers, and the like are different from the actual ones.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による薄膜太陽電池の構造の一例を模式的に示す断面図である。この薄膜太陽電池1は、高光透過率のガラス基板やポリイミドなどの透光性の有機フィルム材料などの絶縁透光性基板2上に複数のセル10(10−1〜10−4)が所定の方向(図中では、左右方向)に直列に接続されている。それぞれのセル10は、表面電極層11(11−1〜11−4)、第1の光電変換層13、第2の光電変換層15、第3の光電変換層17、および裏面電極層19が順に積層された光電変換素子によって形成される。ここで、1つのセル10の第1〜第3の光電変換層13,15,17の積層体と、隣接するセル10の第1〜第3の光電変換層13,15,17の積層体との間には、分離溝21が形成されており、この分離溝21で囲まれる絶縁透光性基板2上の領域をセル形成領域Rというものとする。また、この薄膜太陽電池1において、光入射側(絶縁透光性基板2側)の面を表面といい、表面とは反対側の面を裏面という。
1 is a cross-sectional view schematically showing an example of the structure of a thin-film solar cell according to
表面電極層11は、酸化錫、酸化亜鉛、ITO(Indium Tin Oxide)などの透明導電性酸化物材料や、これらの透明導電性酸化物材料に金属を添加した材料などで構成される。表面電極層11は、セル10−1〜10−4ごとに分離溝20によって分離して形成されるが、その形成位置はセル形成領域Rの境界とは一致しておらず、自身が属するセル形成領域Rの一部と、隣接する(この図の例では、左側に隣接する)セル形成領域Rの一部にまたがって形成される。つまり、セル形成領域Rには、そのセル形成領域Rで機能する表面電極層11と、隣接するセル形成領域Rで機能する表面電極層11とが、分離溝20を挟んで形成されている。たとえば、セル10−2が形成されるセル形成領域Rでは、そのほぼ左半分の領域にはセル10−2の光電変換素子の一部を構成する表面電極層11−2が形成され、そのほぼ右半分の領域にはセル10−1の光電変換素子の一部を構成する表面電極層11−1が形成されている。
The
第1の光電変換層13は、p型半導体層131、i型半導体層132、n型半導体層133が順に積層されたp−i−n構造を有する半導体層によって構成される。また、第2の光電変換層15は、p型半導体層151、i型半導体層152、n型半導体層153が順に積層されたp−i−n構造を有し、第1の光電変換層13よりもバンドギャップの狭い半導体層によって構成される。さらに、第3の光電変換層17は、p型半導体層171、i型半導体層172、n型半導体層173が順に積層されたp−i−n構造を有し、第2の光電変換層15よりもバンドギャップの狭い半導体層によって構成される。以下では、第1の光電変換層13、第2の光電変換層15および第3の光電変換層17からなる積層体を、光電変換積層体12という。この光電変換積層体12は、セル形成領域R内に形成され、隣接するセル形成領域Rの光電変換積層体12とは分離溝22によって分離されている。
The first
ここで、第1、第2および第3の光電変換層13,15,17には、アモルファスシリコン、微結晶シリコン、アモルファスシリコンゲルマニウム、微結晶シリコンゲルマニウム、アモルファス炭化シリコン、微結晶炭化シリコン、アモルファスゲルマニウム、微結晶ゲルマニウムなどの半導体材料、これら半導体材料に酸素などを添加してバンドギャップを調整した材料、またはこれらの半導体材料の混合物などを用いることができる。ただし、用いられる半導体材料は絶縁透光性基板2側からバンドギャップが広い半導体材料を順番に積層していく必要がある。また、この例では、3層の光電変換層を積層した場合を説明しているが、積層される光電変換層は2層以上の多層であればよい。さらに、この例では、各光電変換層13,15,17は、絶縁透光性基板2側から、p型半導体層、i型半導体層およびn型半導体層が順に積層された構造を有するが、絶縁透光性基板2側から、n型半導体層、i型半導体層およびp型半導体層が順に積層された構造のものであってもよい。
Here, the first, second and third photoelectric conversion layers 13, 15, 17 include amorphous silicon, microcrystalline silicon, amorphous silicon germanium, microcrystalline silicon germanium, amorphous silicon carbide, microcrystalline silicon carbide, amorphous germanium. Alternatively, a semiconductor material such as microcrystalline germanium, a material in which oxygen or the like is added to the semiconductor material to adjust a band gap, or a mixture of these semiconductor materials can be used. However, it is necessary to sequentially stack semiconductor materials having a wide band gap from the insulating
裏面電極層19は、導電率が高くかつ反射率の高い材料が望ましく、Ag,Al,Au,Cu,Pt,Crなどから選ばれる少なくとも1つの導電性材料、または酸化錫、酸化亜鉛、ITOなどの透明導電性酸化物材料もしくはこれらの透明導電性酸化物材料に金属を添加した材料と、Ag,Al,Au,Cu,Pt,Crなどから選ばれる少なくとも1つの導電性材料との積層体によって形成される。この裏面電極層19は、光電変換積層体12で発電された光電流を収集するとともに、第3の光電変換層17で吸収され難い長波長の光を第3の光電変換層17側に反射させる機能も有する。
The
裏面電極層19は、光電変換積層体12のセル10−1〜10−4の配列方向の一方の側面の全面に、ほぼ同じ厚さで形成され、セル形成領域R間の分離溝21の底面で隣接するセル10から延びる表面電極層11と接続されている。分離溝21上では、セル形成領域R内で、表面電極層11と裏面電極層19とが電気的に接続しており、このままでは、表面電極層11と裏面電極層19とが短絡している状態にある。そこで、光電変換積層体12と裏面電極層19の積層体には、セル形成領域Rの所定の位置で、分離溝22を設けている。これによって、セル形成領域R内で自セルの表面電極層11と裏面電極層19との短絡を解消し、隣接するセルと直列に接続される構造となる。その結果、裏面電極層19は、分離溝22以外の光電変換積層体12のセルの配列方向の側面をコンフォーマルに被覆している。たとえば、セル10−2の裏面電極層19−2は、図中の右隣に隣接するセル10−1の表面電極層11−1とセル10−2,10−1間の分離溝21の底部で接続されている。
The
ここで、光電変換積層体12の分離溝21は、下部(絶縁透光性基板2側)よりも上部(裏面電極層19側)の方が対向する側面間の間隔が広くなるように、階段状またはなだらかな階段状に形成されている。このように分離溝21が階段状またはなだらかな階段状に形成されることによって、裏面電極層19は、分離溝21の側面を、その底部付近まで良好に被覆することができる。
Here, the
以上のような構成によって、たとえばセル10−2の裏面電極層19−2が隣接するセル10−1の表面電極層11−1と接続され、セル10−2の表面電極層11−2が隣接するセル10−3の裏面電極層19−3と接続され、これが繰り返されることによって、複数のセル10が直列に接続された薄膜太陽電池モジュールとなる。 With the above configuration, for example, the back electrode layer 19-2 of the cell 10-2 is connected to the front electrode layer 11-1 of the adjacent cell 10-1, and the front electrode layer 11-2 of the cell 10-2 is adjacent. By being connected to the back electrode layer 19-3 of the cell 10-3 to be repeated and this is repeated, a thin film solar cell module in which the plurality of cells 10 are connected in series is obtained.
ここで、このような構造の薄膜太陽電池1における動作の概略について説明する。絶縁透光性基板2の裏面(セル10が形成されていない方の面)から太陽光が入射すると、第1〜第3の光電変換層13,15,17のi型半導体層132,152,172で自由キャリアが生成される。生成された自由キャリアは、第1〜第3の光電変換層13,15,17のp型半導体層131,151,171とn型半導体層133,153,173によって形成される内蔵電界によって輸送され、電流が発生する。各セル10で発生した電流は、図中の電流経路I−1〜I−3に示されるように、分離溝21内の表面電極層11と裏面電極層19の接続部を通って、隣接するセル10へと流れ込み、薄膜太陽電池モジュール全体の発電電流を生成する。
Here, an outline of the operation in the thin film
たとえば、図1のセル10−3で発生した電流I−3は表面電極層11−3を通り、隣接するセル10−4の光電変換積層体12のセル10−3側の側面と上面に形成された裏面電極層19−4に流れる。また、この実施の形態1による薄膜太陽電池1では、光電変換積層体12の側面に形成されている裏面電極層19は、光電変換積層体12の上部から底部まで十分な膜厚を有しているので、この光電変換積層体12の側面における裏面電極層19の電気抵抗は低く、セル10−3で発生した電流を低損失でセル10−4まで流すことができる。これは、隣接するセル間の分離溝21の側面が階段状に形成される構造となっており、裏面電極層19をスパッタリング法などで形成する際に、光電変換積層体12の側面を裏面電極層19がコンフォーマルに被覆することができるからである。
For example, the current I-3 generated in the cell 10-3 of FIG. 1 passes through the surface electrode layer 11-3 and is formed on the side surface and the upper surface of the
つぎに、上記した構造を有する薄膜太陽電池1の製造方法について説明する。図2−1〜図2−10は、この発明の実施の形態1による薄膜太陽電池の製造方法の一例を模式的に示す断面図である。まず、絶縁透光性基板2上に酸化亜鉛、酸化錫、またはITOなどの透明導電性酸化物材料や、これらの透明導電性酸化物材料に金属を添加した材料からなる表面電極層11をスパッタ法などの成膜方法によって形成する(図2−1)。その後、レーザスクライビング法によって表面電極層11上の所定の位置にレーザ光201を照射して分離溝20を形成して表面電極層11を分離し、表面電極層11のパターニングを行う(図2−2)。なお、表面電極層11のパターニングは、フォトリソグラフィ法とエッチング法との組み合わせや、機械加工などを用いて行ってもよい。
Below, the manufacturing method of the thin film
ついで、表面電極層11を形成した絶縁透光性基板2上に、p型半導体層131、i型半導体層132およびn型半導体層133が順に形成された第1の光電変換層13を、CVD(Chemical Vapor Deposition:化学的気相成長法)法などの方法によって形成する(図2−3)。その後、レーザスクライビング法によって第1の光電変換層13の所定の位置にレーザ光201を照射して、第1の光電変換層13に分離溝211を形成する(図2−4)。この分離溝211は、セル形成領域Rの境界領域付近に形成され、第1の幅W1を有しているものとする。
Next, the first
ついで、第1の光電変換層13上に、p型半導体層151、i型半導体層152およびn型半導体層153が順に形成された第2の光電変換層15を、CVD法などの方法によって成膜する(図2−5)。ここでは、第2の光電変換層15は、第1の光電変換層13間に形成された分離溝211を埋めるように形成され、第1の光電変換層13の段差部の上部付近には段差が生じている。
Next, the second
その後、レーザスクライビング法によって第2の光電変換層15の所定の位置にレーザ光201を照射して、分離溝212を形成する(図2−6)。この分離溝212は、分離溝211の形成位置の範囲内に形成され、第1の幅W1よりも狭い第2の幅W2を有しているものとする。そのため、分離溝212形成後の断面の状態は、第2の光電変換層15は、第1の光電変換層13の段差部を被覆し、第1の光電変換層13の端部よりも張り出した状態となっている。また、分離溝212の断面の形状は、第1の光電変換層13に形成された段差を反映して、段差状を有している。
Thereafter, the
ついで、第2の光電変換層15上に、p型半導体層171、i型半導体層172およびn型半導体層173が順に形成された第3の光電変換層17を、CVD法などの方法によって成膜する(図2−7)。ここでは、第3の光電変換層17は、第2の光電変換層15間に形成された分離溝212を埋めるように形成され、第2の光電変換層15に形成された段差部の上部付近には段差(凹凸)が生じている。
Next, the third
その後、レーザスクライビング法によって第3の光電変換層17の所定の位置にレーザ光201を照射して、分離溝21を形成する(図2−8)。この分離溝21は、分離溝211,212の形成位置に対応して、そして分離溝212の形成位置の範囲内に形成され、第2の幅W2よりも狭い第3の幅W3を有しているものとする。そのため、分離溝21形成後の断面の状態は、第3の光電変換層17は、第2の光電変換層15の段差部(端部)を被覆し、第2の光電変換層15の端部よりも張り出した状態となっている。また、分離溝21の断面の形状は、第2の光電変換層15に形成された段差を反映して、段差状を有している。
Thereafter, a
なお、以上の図2−3〜図2−8において、第1、第2および第3の光電変換層13,15,17には、アモルファスシリコン、微結晶シリコン、アモルファスシリコンゲルマニウム、微結晶シリコンゲルマニウム、アモルファス炭化シリコン、微結晶炭化シリコン、アモルファスゲルマニウム、微結晶ゲルマニウムなどの半導体材料、これら半導体材料に酸素などを添加してバンドギャップを調整した材料、またはこれらの半導体材料の混合物などを用いることができる。ただし、第1の光電変換層13から第3の光電変換層17に向かうにつれてバンドギャップの狭い半導体材料が順番に積層されるように、材料の選択が行われる。
In FIGS. 2-3 to 2-8, the first, second, and third photoelectric conversion layers 13, 15, and 17 include amorphous silicon, microcrystalline silicon, amorphous silicon germanium, and microcrystalline silicon germanium. , Semiconductor materials such as amorphous silicon carbide, microcrystalline silicon carbide, amorphous germanium, and microcrystalline germanium, materials in which the band gap is adjusted by adding oxygen or the like to these semiconductor materials, or a mixture of these semiconductor materials may be used. it can. However, the materials are selected such that semiconductor materials having narrow band gaps are sequentially stacked from the first
ついで、反射率が高くかつ電気伝導率の高い導電性材料からなる裏面電極層19を、分離溝21で分離された光電変換積層体12上に形成する(図2−9)。裏面電極層19として、Ag,Al,Au,Cu,Pt,Crなどから選ばれる少なくとも1つの導電性材料、または酸化錫、酸化亜鉛、ITOなどの透明導電性酸化物材料もしくはこれらの透明導電性酸化物材料に金属を添加した材料と、Ag,Al,Au,Cu,Pt,Crなどから選ばれる少なくとも1つの導電性材料との積層体などを用いることができる。このとき、各セル10の光電変換積層体12間を区切る分離溝21の断面形状は、基板面に対して垂直ではなく、階段状を有しているので、分離溝21の側面および底面にはコンフォーマルに裏面電極層19が堆積する。これによって、表面電極層11と裏面電極層19とが電気的に接続される。ただし、この状態では、裏面電極層19は、絶縁透光性基板2上の全面に形成されているので、各セル10で表面電極層11と短絡した状態にある。
Next, a
最後に、レーザスクライビング法によって、絶縁透光性基板2の裏面側から光電変換積層体12と裏面電極層19の所定の位置にレーザ光201を照射して分離溝22を形成する(図2−10)。これによって、隣接するセル10間の裏面電極層19は電気的に絶縁され、自セルの表面電極層11と裏面電極層19とが短絡した状態も解消され、隣接するセル10同士が直列に接続される。以上の工程によって、図1に示されるような薄膜太陽電池1が完成する。
Finally,
この実施の形態1によれば、バンドギャップの異なる複数の光電変換層が積層されたセル10が直列に接続された薄膜太陽電池において、絶縁透光性基板2側から上層に形成されるほど下層の光電変換層の段差部を覆うように光電変換層を形成して、光電変換積層体12間の分離溝21を形成するようにしたので、裏面電極層19が分離溝21の側面および底面をコンフォーマルに被覆することができる。その結果、分離溝21の裏面電極層19において、電気抵抗の増大を抑制し、発電領域(セル10)で発生した電流を最大限に取り出すことが可能となり、発電効率を従来に比して増加させた薄膜太陽電池1を得ることができるという効果を有する。
According to the first embodiment, in a thin film solar cell in which cells 10 in which a plurality of photoelectric conversion layers having different band gaps are stacked are connected in series, the lower the layer is formed from the insulating
また、この実施の形態1による薄膜太陽電池1の構造では、分離溝21で裏面電極層19と接触する光電変換積層体12の側面は、最上層の光電変換層の側面のみに限られるため、光電変換積層体12を構成する全ての光電変換層の側面が裏面電極層19と接触する従来構造の薄膜太陽電池に比べて、セル側面からのリークによる電流損失を低減することができる。その結果、薄膜太陽電池1の発電効率を、従来構造の薄膜太陽電池に比して向上させることができるという効果も有する。
In the structure of the thin-film
さらに、隣接するセル形成領域R間の境界に階段状の分離溝21を設けた後に裏面電極層19を形成するようにしたので、分離溝21の側面および底面を裏面電極層19がコンフォーマルに被覆することができ、従来のように分離溝21の深さいっぱいになるまで裏面電極層19を形成する必要がなく、必要最低限の量の材料で裏面電極層19を形成することができる。その結果、裏面電極層19を形成するのに必要な材料の量と時間の両方を従来に比して低減することができ、生産スループットを向上させることができるという効果を有する。
Furthermore, since the
実施の形態2.
図3は、この発明の実施の形態2による薄膜太陽電池の構造の一例を模式的に示す断面図である。この薄膜太陽電池1Aは、実施の形態1の薄膜太陽電池1において、第1と第2の光電変換層13,15の間に第1の中間層14が挿入され、第2と第3の光電変換層15,17の間に第2の中間層16が挿入され、第3の光電変換層17と裏面電極層19との間に第3の中間層18が挿入される構造を有する。また、この実施の形態2では、第1〜第3の光電変換層13,15,17と第1〜第3の中間層14,16,18の積層体を、光電変換積層体12Aとしている。その他の構造は、実施の形態1と同じ構造を有しており、実施の形態1と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略している。
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an example of the structure of the thin-film solar cell according to
第1〜第3の中間層14,16,18は、それぞれ酸化亜鉛、ITOなどの透明導電性材料、または不純物をドーピングし導電性を向上させた酸化シリコンや窒化シリコンなどのシリコン系材料、あるいはこれら材料を2層以上積層した膜などによって構成される。これらの第1〜第3の中間層14,16,18は、光入射面側の光電変換層13,15,17からの入射した光の一部を、その光電変換層13,15,17側に反射させるとともに、残りの光を後方(裏面)側に透過させる。具体的には、各光電変換層側から入射した光のうち、その光電変換層で吸収可能な波長範囲の光をその光電変換層側に反射させ、その他の波長範囲の光を後方側に透過させる機能を有することが望ましい。なお、この例では、3層の光電変換層と3層の中間層を交互に積層した場合を説明しているが、積層される光電変換層と中間層は2層以上の多層であればよく、また中間層は光電変換層に対応して設けられる必要はない。
The first to third
つぎに、上記した構造を有する薄膜太陽電池1Aの製造方法について説明する。図4−1〜図4−9は、この発明の実施の形態2による薄膜太陽電池の製造方法の一例を模式的に示す断面図である。まず、実施の形態1と同様に、絶縁透光性基板2上に透明導電性酸化物材料からなる表面電極層11をスパッタ法などの成膜方法によって形成した後、レーザスクライビング法などの方法を用いて、所定の位置に分離溝20を形成して分離し、表面電極層11のパターニングを行う(図4−1)。なお、ここでは、レーザスクライビング法によって、表面電極層11にレーザ光201を照射して、分離溝20を形成する場合を示している。
Below, the manufacturing method of 1 A of thin film solar cells which have the above-mentioned structure is demonstrated. FIGS. 4-1 to 4-9 are cross-sectional views schematically showing an example of a method for manufacturing a thin-film solar battery according to
ついで、表面電極層11を形成した絶縁透光性基板2上に、p型半導体層131、i型半導体層132およびn型半導体層133が順に形成された第1の光電変換層13と、酸化シリコンや酸化亜鉛、ITOなどの透明導電性材料、または不純物をドーピングし導電性を向上させた酸化シリコンや窒化シリコンなどのシリコン系材料などからなる第1の中間層14とを、CVD法などの方法によって形成する(図4−2)。その後、第1の光電変換層13と第1の中間層14の積層体の所定の位置に、レーザスクライビング法でレーザ光201を照射することによって分離溝211を形成する(図4−3)。この分離溝211は、セル形成領域の境界領域付近に形成され、第1の幅W1を有しているものとする。
Next, the first
ついで、第1の中間層14上に、p型半導体層151、i型半導体層152およびn型半導体層153が順に形成された第2の光電変換層15と、酸化シリコンや酸化亜鉛、ITOなどの透明導電性材料、または不純物をドーピングし導電性を向上させた酸化シリコンや窒化シリコンなどのシリコン系材料などからなる第2の中間層16とを、CVD法などの方法によって成膜する(図4−4)。ここで、第2の光電変換層15は、第1の光電変換層13と第1の中間層14の積層体の間に形成された分離溝211を埋めるように形成され、また、第2の中間層16の表面の第1の光電変換層13の段差部の上部付近には段差が生じている。
Next, the second
その後、レーザスクライビング法によって第2の光電変換層15と第2の中間層16の積層体の所定の位置にレーザ光201を照射し、分離溝212を形成する(図4−5)。この分離溝212は、分離溝211の形成位置の範囲内に形成され、第1の幅W1よりも狭い第2の幅W2を有しているものとする。そのため、分離溝212形成後の断面の状態は、第2の光電変換層15は、第1の光電変換層13の段差部を被覆し、第1の光電変換層13の端部(側面)よりも張り出した状態となっている。また、分離溝212の断面の形状は、第1の光電変換層13の段差部を反映して、段差状を有している。
Thereafter, a
ついで、第2の中間層16上に、p型半導体層171、i型半導体層172およびn型半導体層173が順に形成された第3の光電変換層17と、酸化シリコンや酸化亜鉛、ITOなどの透明導電性材料、または不純物をドーピングし導電性を向上させた酸化シリコンや窒化シリコンなどのシリコン系材料などからなる第3の中間層18とを、CVD法などの方法によって成膜する(図4−6)。ここで、第3の光電変換層17は、第2の光電変換層15と第2の中間層16の積層体の間に形成された分離溝212を埋めるように形成され、第2の光電変換層15に形成された段差部の上部付近には段差が生じている。
Next, a third
その後、レーザスクライビング法によって第3の光電変換層17と第3の中間層18の積層体の所定の位置にレーザ光201を照射し、分離溝21を形成する(図4−7)。この分離溝21は、分離溝211,212の形成位置に対応し、分離溝212の形成位置の範囲内に形成され、第2の幅W2よりも狭い第3の幅W3を有しているものとする。そのため、分離溝21形成後の断面の状態は、第3の光電変換層17は、第2の光電変換層15の段差部(側面)を被覆し、第2の光電変換層15の端部(側面)よりも張り出した状態となっている。また、分離溝21の断面の形状は、第1と第2の光電変換層13,15の段差部を反映して段差状を有しているか、または第3の中間層18の上面から表面電極層11に向かって緩やかな傾斜を有している。
Thereafter, a
なお、以上の図4−2〜図4−7において、第1、第2および第3の各光電変換層には、アモルファスシリコン、微結晶シリコン、アモルファスシリコンゲルマニウム、微結晶シリコンゲルマニウム、アモルファス炭化シリコン、微結晶炭化シリコン、アモルファスゲルマニウム、微結晶ゲルマニウムなどの半導体材料、これら半導体材料に酸素などを添加してバンドギャップを調整した材料、またはこれらの半導体材料の混合物などを用いることができる。ただし、第1の光電変換層13から第3の光電変換層17に向かうにつれてバンドギャップの狭い半導体材料が順番に積層されるように、材料の選択が行われる。
In FIGS. 4-2 to 4-7, the first, second, and third photoelectric conversion layers include amorphous silicon, microcrystalline silicon, amorphous silicon germanium, microcrystalline silicon germanium, and amorphous silicon carbide. Alternatively, a semiconductor material such as microcrystalline silicon carbide, amorphous germanium, or microcrystalline germanium, a material in which a band gap is adjusted by adding oxygen or the like to these semiconductor materials, or a mixture of these semiconductor materials can be used. However, the materials are selected such that semiconductor materials having narrow band gaps are sequentially stacked from the first
ついで、反射率が高くかつ電気伝導率の高い導電性材料からなる裏面電極層19を、分離溝21で分離された光電変換積層体12A上に形成する(図4−8)。裏面電極層19としては、Ag,Al,Au,Cu,Pt,Crなどから選ばれる少なくとも1つの導電性材料、または酸化錫、酸化亜鉛、ITOなどの透明導電性酸化物材料もしくはこれらの透明導電性酸化物材料に金属を添加した材料と、Ag,Al,Au,Cu,Pt,Crなどから選ばれる少なくとも1つの導電性材料との積層体などを用いることができる。このとき、光電変換積層体12に形成された断面形状は、基板面に対して垂直ではなく、階段状または第3の中間層18の上面から表面電極層11に向かって緩やかな傾斜を有しているので、光電変換積層体12の側面および分離溝21の底面にはコンフォーマルに裏面電極層19が堆積する。これによって、表面電極層11と裏面電極層19とが電気的に接続される。ただし、この状態では、裏面電極層19は絶縁透光性基板2上の全面に形成されているので、各セルで表面電極層11と短絡した状態にある。
Next, a
最後に、レーザスクライビング法によって、絶縁透光性基板2の裏面側から光電変換積層体12A上の所定の位置にレーザ光201を照射して分離溝22を形成する(図4−9)。これによって、隣接するセル間の裏面電極層19は電気的に絶縁され、自セルの表面電極層11と裏面電極層19とが短絡した状態も解消され、隣接するセル同士が直列に接続される。以上の工程によって、図3に示されるような薄膜太陽電池1Aが完成する。
Finally, the
この実施の形態2によれば、各光電変換層の間と、光電変換層と裏面電極層との間に導電性の透明な中間層を挿入するようにしたので、光電変換積層体12A内における光の利用効率が向上し、薄膜太陽電池1Aの発電効率をさらに向上させることができるという効果を有する。 According to the second embodiment, the conductive transparent intermediate layer is inserted between the photoelectric conversion layers and between the photoelectric conversion layer and the back electrode layer. The light use efficiency is improved, and the power generation efficiency of the thin film solar cell 1A can be further improved.
なお、上記の実施の形態では、薄膜太陽電池として、基板として絶縁透光性基板2を用い、表面電極層11として透明導電性材料を用い、裏面電極層19として光電変換層13,15,17で光電変換される波長範囲の光を反射する導電性材料を用いる場合を示したが、これに限定されるものではない。たとえば、基板として透光性や透光性でない基板を用い、表面電極層11として光電変換層13,15,17で光電変換される波長範囲の光を反射する導電性材料を用い、裏面電極層19として透明導電性材料を用いる構造の薄膜太陽電池にも、上記した実施の形態を適用することができる。
In the above embodiment, as the thin film solar cell, the insulating
以上のように、この発明にかかる薄膜太陽電池の製造方法は、光電変換層が薄膜で形成される薄膜太陽電池に有用である。 As mentioned above, the manufacturing method of the thin film solar cell concerning this invention is useful for the thin film solar cell in which a photoelectric converting layer is formed with a thin film.
1,1A 薄膜太陽電池
2 絶縁透光性基板
10,10−1〜10−4 セル
11,11−1〜11−4 表面電極層
12,12A 光電変換積層体
13 第1の光電変換層
14 第1の中間層
15 第2の光電変換層
16 第2の中間層
17 第3の光電変換層
18 第3の中間層
19,19−2,19−3 裏面電極層
20,21,22,211,212 分離溝
131,151,171 p型半導体層
132,152,172 i型半導体層
133,153,173 n型半導体層
201 レーザ光DESCRIPTION OF
上記目的を達成するため、この発明にかかる薄膜太陽電池の製造方法は、基板上に、導電性材料からなる膜を形成し、各セル間を分離するようにパターニングして前記各セルの第1の電極層を形成する第1の電極層形成工程と、前記第1の電極層を形成した前記基板上に、第1の光電変換層を形成する第1の光電変換層形成工程と、前記第1の光電変換層を前記セルごとに分離する第1の幅の第1の溝をレーザスクライビング法により形成する第1の溝形成工程と、前記第1の光電変換層を形成した前記基板上に、第2の光電変換層を形成する第2の光電変換層形成工程と、前記第1の溝の形成位置内で前記第1の幅よりも狭い第2の幅で前記第2の光電変換層を分離する第2の溝をレーザスクライビング法により形成する第2の溝形成工程と、前記第2の光電変換層上と、前記溝の側面および底面上と、に第2の電極層を形成する第2の電極層形成工程と、を含むことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a method of manufacturing a thin-film solar cell according to the present invention includes forming a film made of a conductive material on a substrate, and patterning the cells so as to separate the cells, so A first electrode layer forming step of forming a first photoelectric conversion layer, a first photoelectric conversion layer forming step of forming a first photoelectric conversion layer on the substrate on which the first electrode layer is formed, and the first A first groove forming step of forming a first groove having a first width for separating one photoelectric conversion layer for each cell by a laser scribing method ; and on the substrate on which the first photoelectric conversion layer is formed. a second photoelectric conversion layer forming step of forming a second photoelectric conversion layer, before Symbol the second photoelectric conversion second width narrower than the first width within the first forming position of the groove second groove forming step of forming a second groove for separating the layers by laser scribing , With the second photoelectric conversion layer above, characterized in that it comprises a on the side and bottom of the trench, and a second electrode layer forming step of forming a second electrode layer, a.
Claims (10)
前記第1の電極層を形成した前記基板上に、第1の光電変換層を形成する第1の光電変換層形成工程と、
前記第1の光電変換層を前記セルごとに分離する第1の幅の第1の溝を形成する第1の溝形成工程と、
前記第1の光電変換層を形成した前記基板上に、第2の光電変換層を形成する第2の光電変換層形成工程と、
前記第2の光電変換層を、前記第1の溝の形成位置内で前記第1の幅よりも狭い第2の幅の第2の溝で分離する第2の溝形成工程と、
前記第2の光電変換層上と、前記溝の側面および底面上と、に第2の電極層を形成する第2の電極層形成工程と、
を含むことを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。A first electrode layer forming step of forming a film made of a conductive material on a substrate and patterning the cells so as to separate each cell to form a first electrode layer of each cell;
A first photoelectric conversion layer forming step of forming a first photoelectric conversion layer on the substrate on which the first electrode layer is formed;
A first groove forming step of forming a first groove having a first width for separating the first photoelectric conversion layer for each cell;
A second photoelectric conversion layer forming step of forming a second photoelectric conversion layer on the substrate on which the first photoelectric conversion layer is formed;
A second groove forming step of separating the second photoelectric conversion layer by a second groove having a second width narrower than the first width within the formation position of the first groove;
A second electrode layer forming step of forming a second electrode layer on the second photoelectric conversion layer and on a side surface and a bottom surface of the groove;
The manufacturing method of the thin film solar cell characterized by including.
前記第1の電極層は、透明導電性材料からなり、
前記第2の電極層は、前記光電変換層で光電変換される波長範囲の光を反射する導電性の材料からなることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の薄膜太陽電池の製造方法。The substrate is a translucent insulating substrate,
The first electrode layer is made of a transparent conductive material,
The thin film solar according to any one of claims 1 to 5, wherein the second electrode layer is made of a conductive material that reflects light in a wavelength range that is photoelectrically converted by the photoelectric conversion layer. Battery manufacturing method.
前記光電変換積層体の前記溝が形成される側の断面構造は、下層の光電変換層の前記隣接するセル側の側面を上層の前記光電変換層で覆うように形成されることを特徴とする薄膜太陽電池。A first electrode layer formed of a transparent conductive material on a substrate, a photoelectric conversion laminate including a plurality of photoelectric conversion layers having different band gaps in a direction perpendicular to the substrate surface, and a conductive material that reflects light A second electrode layer including the first electrode layer, and the second electrode layer of the cell is adjacent to the second electrode layer in a groove formed between the photoelectric conversion laminate of the adjacent cell. In the thin film solar cell in which a plurality of the cells are connected in series by being connected to the first electrode layer of the cell,
The cross-sectional structure on the side where the groove of the photoelectric conversion laminate is formed is formed so that the side surface on the adjacent cell side of the lower photoelectric conversion layer is covered with the upper photoelectric conversion layer. Thin film solar cell.
前記第1の電極層は、前記基板側に設けられることを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項に記載の薄膜太陽電池。The substrate is a translucent insulating substrate,
The thin film solar cell according to claim 7, wherein the first electrode layer is provided on the substrate side.
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