KR20110031335A - 광전 변환 장치의 제조 방법 및 광전 변환 장치 - Google Patents

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KR20110031335A
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다쯔유끼 니시미야
가즈따까 우다
고오헤이 가와조에
도모요시 바바
다까시 이시데
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

중간 콘택트층 분리 홈을 통해 중간 콘택트층으로부터 전류가 누설되는 것을 가급적 방지한 광전 변환 장치의 제조 방법을 제공한다. 아몰퍼스 실리콘을 주성분으로 하는 톱층(91)을 제막하는 공정과, 톱층(91) 상에, 전기적 및 광학적으로 접속되는 중간 콘택트층(93)을 제막하는 공정과, 펄스 레이저를 조사하여, 중간 콘택트층(93)을 제거하는 동시에, 톱층(91)까지 도달하는 중간 콘택트층 분리 홈(14)을 형성하여 중간 콘택트층(93)을 분리하는 공정과, 중간 콘택트층(93) 상 및 중간 콘택트층 분리 홈(14) 내에, 전기적 및 광학적으로 접속되는 동시에, 미결정 실리콘을 주성분으로 하는 보톰층(92)을 제막하는 공정을 갖는다. 중간 콘택트층(93)을 분리하는 펄스 레이저로서, 펄스 폭이 10ps 이상 750ps 이하로 된 펄스 레이저를 사용한다.

Description

광전 변환 장치의 제조 방법 및 광전 변환 장치 {PHOTOELECTRIC CONVERSION DEVICE MANUFACTURING METHOD AND PHOTOELECTRIC CONVERSION DEVICE}
본 발명은, 예를 들어 박막 태양 전지로 된 광전 변환 장치의 제조 방법 및 광전 변환 장치에 관한 것으로, 특히, 펄스 레이저에 의해 중간 콘택트층이 분리되는 공정을 갖는 광전 변환 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
종래부터 박막 태양 전지의 광전 변환 효율을 향상시키기 위해, 복수의 광전 변환층을 적층한 구조가 알려져 있다. 예를 들어, 아몰퍼스 실리콘층과 미결정 실리콘층을 적층한 탠덤형 태양 전지가 알려져 있다. 이 탠덤형 태양 전지는 광투과성 기판 상에, 투명 전극, 아몰퍼스 실리콘층, 미결정 실리콘층 및 이면 전극을 순차적으로 적층함으로써 형성된다. 그리고, 아몰퍼스 실리콘층과 미결정 실리콘층 사이에, 전기적 및 광학적으로 접속된 중간 콘택트층을 설치하여, 입사광의 일부를 반사시켜 더욱 광전 변환 효율 향상을 도모하는 기술이 알려져 있다.
이와 같은 탠덤형 태양 전지에서는, 복수의 광전 변환 셀을 직렬 접속함으로써 원하는 전압을 얻는 고전압화를 도모하고 있다. 복수의 광전 변환 셀을 직렬 접속할 때에는, 아몰퍼스 실리콘층, 중간 콘택트층 및 미결정 실리콘층을 관통하는 접속 홈을 형성하여, 이 접속 홈 내에 이면 전극을 충전함으로써, 이면 전극과 투명 전극을 접속한다.
한편, 중간 콘택트층은 도전성을 갖고 있으므로, 이면 전극이 충전된 접속 홈과 전기적으로 접속되면, 아몰퍼스 실리콘층이나 미결정 실리콘층에서 발생한 전류가 중간 콘택트층을 통해 접속 홈으로 누설되어 버린다.
따라서, 레이저 가공에 의해 중간 콘택트층을 분리함으로써, 중간 콘택트층으로부터 접속 홈으로의 전류의 누설을 방지하는 기술이 제안되어 있다(특허 문헌 1 및 2 참조).
일본 특허 출원 공개 제2002-261308호 공보 일본 특허 출원 공개 제2006-313872호 공보
그러나, 레이저 가공에 의해 중간 콘택트층을 분리한 경우라도, 이하의 이유에 의해, 여전히 중간 콘택트층으로부터 전류가 누설될 우려가 있다.
중간 콘택트층을 분리할 때에 레이저를 중간 콘택트층 및 아몰퍼스 실리콘층에 조사하면, 레이저의 열 에너지를 아몰퍼스 실리콘층이 흡수하여, 이 아몰퍼스 실리콘층이 용융되고, 중간 콘택트층을 수반하여 비산되어, 중간 콘택트층 분리 홈이 형성된다. 이 중간 콘택트층 분리 홈을 형성할 때에, 중간 콘택트층 분리 홈을 형성하는 벽부(저벽 포함함)에서는, 용융된 아몰퍼스 실리콘층이 재결정화된다. 이 재결정화된 영역은 당초의 아몰퍼스 실리콘으로부터 변질되어 있으므로, 저저항화된다고 생각된다. 이와 같이 저저항화된 재결정 영역은 전류의 새로운 누설 경로로 되어, 전지 성능의 저하를 초래해 버린다.
본 발명자들이 예의 검토한 바, 이와 같은 원인의 하나는 레이저 가공 시에 나노초 오더의 펄스 폭을 갖는 펄스 레이저를 사용하고 있는 데 있다고 판단하였다. 왜냐하면, 나노초 오더의 펄스 폭에서는, 비교적 시간 간격이 길기 때문에, 중간 콘택트층 분리 홈을 형성하는 벽부로의 열 확산이 행해져, 당해 벽부에 과잉의 재결정화 영역이 형성되어 버리기 때문이다.
본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 중간 콘택트층 분리 홈을 통해 중간 콘택트층으로부터 전류가 누설되는 것을 가급적 방지한 광전 변환 장치의 제조 방법 및 광전 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 광전 변환 장치의 제조 방법 및 광전 변환 장치는 이하의 수단을 채용한다.
즉, 본 발명의 일 형태에 관한 광전 변환 장치의 제조 방법은, 실리콘을 주성분으로 하는 제1 광전 변환층을 제막하는 제1 광전 변환층 제막 공정과, 상기 제1 광전 변환층 상에, 상기 제1 광전 변환층에 대해 전기적 및 광학적으로 접속되는 중간 콘택트층을 제막하는 중간 콘택트층 제막 공정과, 레이저를 조사하여, 상기 중간 콘택트층을 제거하는 동시에, 상기 제1 광전 변환층까지 도달하는 중간 콘택트층 분리 홈을 형성하여 상기 중간 콘택트층을 분리하는 중간 콘택트층 분리 공정과, 상기 중간 콘택트층 상 및 상기 중간 콘택트층 분리 홈 내에, 상기 중간 콘택트층에 대해 전기적 및 광학적으로 접속되는 동시에, 실리콘을 주성분으로 하는 제2 광전 변환층을 제막하는 제2 광전 변환층 제막 공정을 갖는 광전 변환 장치의 제조 방법에 있어서, 상기 중간 콘택트층 분리 공정은 펄스 폭이 10ps 이상 750ps 이하로 된 펄스 레이저에 의해 행해진다.
레이저를 조사함으로써 부여되는 열 에너지에 의해, 중간 콘택트층 및 제1 광전 변환층이 용융, 비산되어 레이저의 조사 부분에 홈이 형성된다. 이에 의해, 중간 콘택트층을 분리하는 중간 콘택트층 분리 홈이 형성된다.
상기 형태에서는 중간 콘택트층을 분리할 때에 사용하는 펄스 레이저의 펄스 폭을 10ps 이상 750ps 이하로 하여, 나노초로 된 종래의 펄스 폭에 비해 대폭으로 짧게 하고, 제1 광전 변환층에 부여되는 열 에너지의 시간 간격을 극히 짧게 했다. 이에 의해, 제1 광전 변환층은 나노초의 펄스 폭의 레이저에 비해 극히 짧은 시간 간격으로 용융 비산되므로, 중간 콘택트층 분리 홈을 형성하는 벽부에 대해 과잉으로 열이 빼앗기는 경우가 없다. 따라서, 중간 콘택트층 분리 홈을 형성하는 벽부에서 실리콘이 재결정화되는 영역을 가급적 작게 할 수 있다. 이와 같이, 실리콘이 재결정화되어 저저항화된 영역을 작게 할 수 있으므로, 중간 콘택트층 분리 홈을 통해 누출되는 전류를 감소시킬 수 있다.
제1 광전 변환층으로서는, 적합하게는 아몰퍼스 실리콘층이 사용되고, 제2 광전 변환층으로서는, 미결정 실리콘층이 사용된다. 중간 콘택트층으로서는, GZO(Ga 도프 ZnO)가 적절하게 사용된다.
본 발명의 일 형태에 관한 광전 변환 장치의 제조 방법에서는, 상기 중간 콘택트층 분리 홈은 상기 제1 광전 변환층의 중도 위치에서 종단되어 있다.
중간 콘택트층 분리 홈을 제1 광전 변환층의 중도 위치에서 종단시키는 것으로 하고, 제1 광전 변환층에 접속하는 전극(또는 다른 중간 콘택트층)까지 도달시키지 않는 것으로 하였다. 이에 의해, 분리 홈을 형성하는 벽부에 재결정화 영역이 형성되어 있어도, 이 재결정화 영역이 전극(또는 중간층)에 물리적으로 접속되는 경우가 없으므로, 중간 콘택트층과 전극이 전기적으로 접속되는 경우는 없다.
중간 콘택트층 분리 홈의 종단부 위치는 제1 광전 변환층에 접속하는 전극(또는 다른 중간 콘택트층)에 재결정화 영역이 접촉하지 않는 위치로 되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 형태에 관한 광전 변환 장치의 제조 방법에서는, 상기 중간 콘택트층 분리 공정은 복수의 분리 구멍을 부분적으로 겹쳐서 일련의 상기 중간 콘택트층 분리 홈을 형성하는 공정을 포함하고, 이웃하는 상기 분리 구멍의 겹침 폭이 상기 분리 구멍의 직경의 0％ 이상 5％ 이하로 되어 있다.
10ps 이상 750ps 이하의 펄스 폭으로 된 펄스 레이저로 되어 있으므로, 극히 짧은 시간 간격으로 열 에너지를 제1 광전 변환층에 부여할 수 있다. 즉, 나노초의 펄스 폭으로 된 종래의 펄스 레이저에 비해, 투입된 열 에너지가 제1 광 에너지에 흡수되어 확산되는 열 확산을 작게 억제할 수 있으므로, 중간 콘택트층 분리 홈을 형성하는 벽부 근방까지 충분한 열 에너지를 투입하여 홈 가공에 낭비 없이 에너지를 사용할 수 있고, 분리 구멍의 주연 근방까지 원하는 깊이로 형성된 분리 구멍을 형성할 수 있다. 따라서, 이웃하는 분리 구멍의 겹침 폭을 분리 구멍 직경의 0％ 이상 5％ 이하까지 작게 할 수 있고, 나아가서는 가공 속도의 증대를 도모할 수 있다.
여기서, 이웃하는 분리 구멍의 겹침 폭이 0％라고 함은, 이웃하는 분리 구멍이 접하고 있는 것을 의미한다.
본 발명의 일 형태에 관한 광전 변환 장치는 실리콘을 주성분으로 하는 제1 광전 변환층과, 상기 제1 광전 변환층에 대해 전기적 및 광학적으로 접속된 중간 콘택트층과, 상기 중간 콘택트층에 대해 전기적 및 광학적으로 접속되는 동시에, 실리콘을 주성분으로 하는 제2 광전 변환층을 구비하고, 상기 중간 콘택트층을 분리하도록 상기 중간 콘택트층을 관통하는 동시에 상기 제1 광전 변환층까지 도달하는 중간 콘택트층 분리 홈이 형성된 광전 변환 장치에 있어서, 상기 중간 콘택트층 분리 홈은 복수의 분리 구멍을 겹쳐서 형성된 일련의 홈으로 되어 있고, 이웃하는 상기 분리 구멍의 겹침 폭이 상기 분리 구멍의 직경의 0％ 이상 5％ 이하로 되어 있다.
이웃하는 분리 구멍의 겹침 폭이 분리 구멍 직경의 0％ 이상 5％ 이하까지 작게 되어 있으므로, 가공 속도의 증대를 도모할 수 있다.
여기서, 이웃하는 분리 구멍의 겹침 폭이 0％라고 함은, 이웃하는 분리 구멍이 접하고 있는 것을 의미한다.
본 발명에 따르면, 중간 콘택트층 분리 홈을 가공할 때에 펄스 폭이 10ps 이상 750ps 이하로 된 펄스 레이저를 사용하는 것으로 하였으므로, 중간 콘택트층 분리 홈을 형성하는 벽부 근방에 발생하는 실리콘의 재결정화 영역을 가급적 한정할 수 있고, 중간 분리 홈을 통해 누출되는 전류를 억제할 수 있다. 이에 의해, 광전 변환 장치의 효율 향상이 실현된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 탠덤형 태양 전지를 도시한 종단면도이다.
도 2는 중간 콘택트층 분리 공정에 있어서 중간 콘택트층 분리 홈을 형성한 상태를 도시한 종단면도이다.
도 3은 피코초 펄스 레이저의 에너지 밀도와 가공 깊이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 피코초 펄스 레이저를 사용한 경우이며, 분리 구멍의 겹침 상태를 도시한 평면도이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 피코초 펄스 레이저를 사용한 경우이며, 피코초 펄스 레이저의 홈 가공에 사용된 에너지 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 비교예에 관한 나노초 펄스 레이저를 사용한 경우이며, 분리 구멍의 겹침 상태를 도시한 평면도이다.
도 5b는 본 발명의 비교예에 관한 나노초 펄스 레이저를 사용한 경우이며, 나노초 펄스 레이저의 홈 가공에 사용된 에너지 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 실시 형태에 관한 제조 방법에 의해 제조된 태양 전지 모듈과, 비교예로서 나노초 펄스 레이저를 사용하여 제조된 태양 전지 모듈의 효율을 비교한 그래프이다.
이하에, 본 발명에 관한 실시 형태에 대해, 도면을 참조하여 설명한다.
도 1에는 탠덤형으로 된 실리콘계 박막 태양 전지(광전 변환 장치)의 종단면이 도시되어 있다.
태양 전지(10)는 글래스 기판(투광성 기판)(1)과, 투명 전극층(2)과, 톱층(제1 광전 변환층)(91)과, 중간 콘택트층(93)과, 보톰층(제2 광전 변환층)(92)과, 이면 전극층(4)을 구비하고 있다. 본 실시 형태에 있어서, 톱층(91)은 비정질 실리콘계 반도체를 주로 갖는 광전 변환층이고, 보톰층(92)은 결정질 실리콘계 반도체를 주로 갖는 광전 변환층이다.
여기서, 「실리콘계」라 함은, 실리콘(Si)이나 실리콘 카바이드(SiC)나 실리콘 게르마늄(SiGe)을 포함하는 총칭이다. 또한, 「결정질 실리콘계」라 함은, 아몰퍼스 실리콘계, 즉 비정질 실리콘계 이외의 실리콘계를 의미하는 것으로, 미결정 실리콘이나 다결정 실리콘계도 포함된다.
상기 구성의 본 실시 형태의 태양 전지(10)는 이하와 같이 제조된다.
글래스 기판(1)으로서는, 1㎡ 이상의 면적을 갖는 소다 플로트 글래스가 사용된다. 구체적으로는, 1.4m×1.1m의 크기로 되고, 판 두께가 3.5 내지 4.5㎜인 것이 사용된다. 글래스 기판(1)의 단부면은 열응력이나 충격 등에 의한 파손 방지를 위해, 코너 모따기 가공이나 R 모따기 가공이 실시되어 있는 것이 바람직하다.
투명 전극층(2)으로서는, 예를 들어 산화 주석막(SnO2)을 주성분으로 하는 투명 전극막이 적절하게 사용된다. 이 투명 전극막은 약 500㎚ 내지 800㎚의 막 두께로 되고, 열 CVD 장치에 의해 약 500℃에서 제막 처리함으로써 얻어진다. 이 제막 처리 시에, 투명 전극막의 표면에는 적당한 요철이 있는 텍스처가 형성된다. 투명 전극층(2)으로서, 투명 전극막과 기판(1) 사이에 알칼리 배리어막(도시하지 않음)을 개재시켜도 좋다. 알칼리 배리어막은, 예를 들어 50㎚ 내지 150㎚의 막 두께로 된 산화 실리콘 막(SiO2)으로 되고, 열 CVD 장치에 의해 약 500℃에서 제막 처리함으로써 얻어진다.
그 후, 글래스 기판(1)을 X-Y 테이블에 설치하고, YAG 레이저의 제1 고조파(1064㎚)를, 투명 전극층(2)의 막면측(도면에 있어서 상방측)으로부터 조사한다. 가공 속도에 대해 적절해지도록 레이저 파워를 조정하여, 투명 전극층(2)을 발전 셀(5)의 직렬 접속 방향에 대해 수직인 방향(도면에 있어서 종이면 수직 방향)으로, 글래스 기판(1)과 레이저 광을 상대 이동시켜, 투명 전극 분리 홈(12)을 형성한다. 이에 의해, 투명 전극층(2)이 폭 약 6㎜ 내지 15㎜의 소정 폭으로 된 스트립 형상으로 레이저 에칭된다.
다음에, 플라즈마 CVD 장치에 의해, 감압 분위기를 30 내지 1000㎩로 하고, 기판 온도를 약 200℃로 한 조건으로, 아몰퍼스 실리콘 박막으로 이루어지는 p층막/i층막/n층막을 순차적으로 제막하여 톱층(91)을 형성한다(제1 광전 변환층 제막 공정). 톱층(91)은 SiH4 가스와 H2 가스를 주원료로 한 프로세스 가스에 의해, 투명 전극층(2) 상에 제막된다. 태양광이 입사하는 측[글래스 기판(1)측]으로부터 p층, i층, n층이 이 순서로 적층된다.
톱층(91)은, 본 실시 형태에서는 아몰퍼스 p층으로서 B 도프한 아몰퍼스 SiC를 주로 한 막 두께 10㎚ 내지 30㎚, 아몰퍼스 i층으로서 아몰퍼스 Si를 주로 한 막 두께 200㎚ 내지 350㎚, 아몰퍼스 n층으로서 아몰퍼스 Si에 미결정 Si를 함유하는 p도프한 Si층을 주로 한 막 두께 30㎚ 내지 50㎚로 구성되어 있다. p층막과 i층막 사이에는 계면 특성의 향상을 위해 버퍼층을 설치해도 좋다.
다음에, 중간 콘택트층(93)으로서 GZO(Ga 도프 ZnO)막을 톱층(91) 상에 제막한다(중간 콘택트층 제막 공정). GZO(Ga 도프 ZnO)막은 20㎚ 내지 100㎚의 막 두께로 되어, 스퍼터링 장치에 의해 제막된다. 중간 콘택트층(93)에 의해, 톱층(91)과 보톰층(92) 사이에 있어서의 접촉성을 개선하는 동시에 전류 정합성을 얻을 수 있다. 중간 콘택트층(93)은 반반사막으로 되어 있어, 글래스 기판(1)으로부터 입사된 광의 일부를 반사시킴으로써 톱층(91)에 있어서의 광전 변환 효율의 향상을 실현하고 있다.
다음에, 글래스 기판(1)을 X-Y 테이블에 설치하여, 10ps 내지 750ps의 펄스 폭을 갖는 펄스 레이저(이하, 「피코초 펄스 레이저」라고 함)를, 투명 전극층(2)의 막면측(도면에 있어서 상방측)으로부터 조사한다. 이 피코초 펄스 레이저에 의해, 투명 전극 분리 홈(12)과 접속 홈(16) 사이에 중간 콘택트층 분리 홈(14)을 형성한다(중간 콘택트층 분리 공정). 중간 콘택트층 분리 홈(14)은, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 톱층(91)의 아몰퍼스 i층(91i)에서 종단되어 있다. 이 중간 콘택트층 분리 공정에 대해서는, 이후에 상세하게 서술한다.
다음에, 중간 콘택트층(93) 상 및 중간 콘택트층 분리 홈(14) 내에, 플라즈마 CVD 장치에 의해, 감압 분위기를 3000㎩ 이하, 기판 온도를 약 200℃, 플라즈마 발생 주파수를 40㎒ 내지 100㎒로 한 조건으로, 미결정 실리콘 박막으로 이루어지는 미결정 p층막/미결정 i층막/미결정 n층막을 순차적으로 제막하여 보톰층(92)을 형성한다(제2 광전 변환층 제막 공정).
보톰층(92)은, 본 실시 형태에서는 미결정 p층으로서 B 도프한 미결정 SiC를 주로 한 막 두께 10㎚ 내지 50㎚, 미결정 i층으로서 미결정 Si를 주로 한 막 두께 1.2㎛ 내지 3.0㎛, 미결정 n층으로서 p 도프한 미결정 Si를 주로 한 막 두께 20㎚ 내지 50㎚로 구성되어 있다.
미결정 실리콘 박막, 특히 미결정 i층막을 플라즈마 CVD법으로 형성하는 데 있어서, 플라즈마 방전 전극과 글래스 기판(1)의 표면의 거리(d)는 3㎜ 내지 10㎜로 하는 것이 바람직하다. 3㎜보다 작은 경우, 대형 기판에 대응하는 제막실 내의 각 구성 기기 정밀도로부터 거리(d)를 일정하게 유지하는 것이 어려워지는 동시에, 지나치게 가까워 방전이 불안정해질 우려가 있다. 10㎜보다 큰 경우, 충분한 제막 속도(1㎚/s 이상)를 얻기 어려워지는 동시에, 플라즈마의 균일성이 저하되어 이온 충격에 의해 막질이 저하된다.
다음에, 글래스 기판(1)을 X-Y 테이블에 설치하여, 레이저 다이오드 여기 YAG 레이저의 제2 고조파(532㎚)를, 도면의 화살표로 나타낸 바와 같이, 보톰층(92)의 막면측(도면에 있어서 상방측)으로부터 조사한다. 펄스 발진 : 10 내지 20㎑로 하여 가공 속도에 적절해지도록 레이저 파워를 조정하여, 투명 전극 분리 홈(12)으로부터 측방으로 약 50 내지 350㎛ 이격한 위치에, 접속 홈(16)을 형성한다. 레이저는 글래스 기판(1)측으로부터 조사해도 좋고, 이 경우에는 톱층(91)에서 흡수된 에너지에 의해 발생하는 높은 증기압을 이용하여 중간 콘택트층(93) 및 보톰층(92)을 에칭할 수 있으므로, 더욱 안정된 레이저 에칭 가공을 행하는 것이 가능해진다. 레이저 에칭의 위치는 전공정에서의 에칭 라인과 교차하지 않도록 위치 결정 공차를 고려하여 선정한다.
다음에, 이면 전극층(4)으로서, Ag막/Ti막을 스퍼터링 장치에 의해 감압 분위기, 약 150 내지 200℃에서 순차적으로 제막한다. 이면 전극층(4)은, 본 실시 형태에서는 Ag막을 약 150 내지 500㎚의 막 두께로 하고, 이것을 보호하는 것으로서 방식 효과가 높은 Ti막을 10 내지 20㎚의 막 두께로 이 순서대로 적층한다. 혹은 약 25㎚ 내지 100㎚의 막 두께를 갖는 Ag막과, 약 15㎚ 내지 500㎚의 막 두께를 갖는 Al막의 적층 구조로 해도 좋다. n층과 이면 전극층(4)의 접촉 저항 저감과 광반사 향상을 목적으로 하여, 보톰층(92)과 이면 전극층(4) 사이에 GZO(Ga 도프 ZnO)막을 막 두께 50 내지 100㎚로, 스퍼터링 장치에 의해 제막해도 좋다.
다음에, 글래스 기판(1)을 X-Y 테이블에 설치하여, 레이저 다이오드 여기 YAG 레이저의 제2 고조파(532㎚)를, 글래스 기판(1)측(도면에 있어서 하방측)으로부터 조사한다. 레이저 광이 톱층(91) 및 보톰층(92)에서 흡수되고, 이때 발생하는 높은 가스 증기압을 이용하여 이면 전극층(4)이 폭열하여 제거된다. 레이저의 펄스 발진 주파수를 1 내지 10㎑로 하여 가공 속도가 적절해지도록 레이저 파워를 조정하여, 투명 전극 분리 홈(12)으로부터 측방으로 약 250 내지 400㎛ 이격된 위치에, 셀 분할 홈(18)을 형성하도록 레이저 에칭한다.
상기 공정 후, 이면 전극(4)을 덮도록, EVA(에틸렌 아세트산 비닐 공중합체) 등의 접착 충전재 시트를 통해 방수 효과가 높은 백시트를 부착하는 공정 등을 거쳐서 태양 전지가 제조된다.
이하에, 상술한 중간 콘택트층 분리 공정에 대해 상세하게 서술한다.
당해 공정에 사용되는 레이저는 10ps 내지 750ps의 펄스 폭을 갖는 피코초 펄스 레이저이다. 구체적으로는 펄스 폭 13ps, 발진 주파수 10㎑, 빔 스폿 직경 124㎛로 된 피코초 펄스 레이저가 적절하게 사용된다. 피코초 펄스 레이저로서는, 대표적인 것으로서, Nd : YVO4 레이저, 티탄ㆍ사파이어 레이저, 파이버 레이저 등을 들 수 있다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 중간 콘택트층 분리 홈(14)의 종단부 위치(저부)는 톱층(91)의 i층(91i) 내에 위치하고 있다. 즉, 중간 콘택트층 분리 홈(14)의 종단부 위치는 톱층(91)의 n층(91n) 및 p층(91p) 내에 위치하고 있지 않다. 이에 의해, 만일, 중간 콘택트층 분리 홈(14)을 형성하는 벽부(저부를 포함함)에 아몰퍼스 실리콘의 재결정화 영역이 형성되었다고 해도, 이 재결정화 영역에 n층(91n)이나 p층(91p)의 불순물이 확산되는 것이 방지되어, 불순물에 의한 재결정화 영역의 저저항화를 회피할 수 있다. 재결정화 영역은 투과형 전자 현미경 등으로 확인할 수 있다.
본 발명자들이 예의 검토한 결과, 피코초 펄스 레이저에서는, 본 실시 형태에서 사용되는 실리콘계 재료(보다 구체적으로는 아몰퍼스 실리콘)에 대해, 빔 에너지 밀도와 가공 깊이에 대해, 소정의 관계가 있는 것을 발견하였다. 이 관계가 도 3에 도시되어 있다. 가공 깊이를 y(㎚), 빔 에너지 밀도를 x(J/c㎡)로 하면,
Figure pct00001
이라고 하는 2차식으로 나타내어지는 관계가 있다.
중간 콘택트층(93)이 70㎚ 두께, 톱층(91)이 250㎚ 두께인 것을 고려하면, 중간 콘택트층(93)을 관통하고 톱층(91)을 관통하지 않는 범위로서, 100 내지 300㎚ 정도의 범위가 적합하다. 이 범위의 가공 깊이는 상기 수학식 1에서 고정밀도로 근사된다.
중간 콘택트층 분리 홈(14)은, 도 4a에 도시되어 있는 바와 같이, 레이저 빔 스폿 직경(예를 들어, 124㎛) 정도의 직경(D1)을 갖는 분리 구멍(14a)이 부분적으로 겹쳐짐으로써 일렬 형성되어 있다. 도 4a에 있어서, 좌우 방향이 중간 분리 홈(14)의 연장 방향으로 된다.
이웃하는 분리 구멍(14a)의 겹침 폭(B1)은 분리 구멍(14a)의 직경(D1)의 0％ 이상 5％ 이하로 되어 있다. 1회의 레이저 조사에 의해 가공할 수 있는 폭은 L1(D1－2*B1)에 비례하므로, 겹침 폭(B1)은 작을수록 가공 속도가 향상되게 된다. 이에 대해, 본 발명자들이 검토한 바, 종래의 나노초 오더의 펄스 폭의 레이저(이하, 「나노초 펄스 레이저」라고 함)에서는, 겹침 폭(B2)(도 5a 참조)은 분리 구멍(14a)의 직경의 10 내지 20％로 되어 있었다.
피코초 레이저를 사용하면 겹침 폭(B1)이 작아지는 이유는 이하와 같다.
본 실시 형태의 피코초 펄스 레이저의 경우를 도시한 도 4b와, 나노초 펄스 레이저의 경우를 도시한 도 5b를 비교하여 설명한다. 각 도면에 있어서, 횡축은 레이저의 광축을 중심으로 한 위치를 나타내고, 종축은 홈 가공에 사용된 에너지 밀도를 나타낸다.
도 4b 및 도 5b 모두, 펄스 레이저에서는 레이저 광축을 중심으로 한 가우스 분포 형상의 에너지 밀도를 갖고 있으므로, 레이저로부터 투입되어 홈 가공에 사용된 에너지 밀도도 가우스 분포 형상으로 된다. 그러나, 도 5b에 도시한 바와 같이, 나노초 펄스 레이저에서는 펄스 폭이 피코초 펄스 레이저에 비해 길기 때문에, 투입된 에너지가 톱층(91)의 아몰퍼스 실리콘에 흡수되어 확산되는 열 확산의 양이 많아진다. 따라서, 홈 가공에 사용되는 에너지 밀도는 레이저 광축 중심으로부터 이격됨에 따라서 크게 감소한다. 따라서, 원하는 깊이(dp)를 홈 가공하기 위해 필요한 에너지 밀도를 만족시키는 영역은 L2(＝D2－2*B2)에 그친다.
이에 비해, 피코초 펄스 레이저는 비교적 펄스 폭이 짧기 때문에, 레이저로부터 에너지가 투입되는 시간이 단시간에 행해지므로, 에너지가 단시간에 집중적으로 투입되므로 아몰퍼스 실리콘은 즉시 용융 비산된다. 따라서, 벽부의 아몰퍼스 실리콘에 흡수되어 확산되는 열 확산의 양을 작게 억제할 수 있다. 따라서, 홈 가공에 사용되는 에너지 밀도는 레이저 광축 중심으로부터 이격해도 그다지 감소하지 않는다. 이상으로부터, 원하는 깊이(dp)를 홈 가공하기 위해 필요한 에너지 밀도를 만족시키는 영역은 L1(＝D1－2*B1>L2)로 되고, 나노초 펄스 레이저를 사용한 가공 폭(L2)보다도 큰 가공 폭(L1)을 실현할 수 있다.
상술한 본 실시 형태에 따르면, 이하의 작용 효과를 발휘한다.
중간 콘택트층(93)을 분리할 때에 사용하는 펄스 레이저의 펄스 폭을 10ps 이상 750ps 이하로 하고, 나노초로 된 종래의 펄스 폭에 비해 대폭으로 짧게 하여, 톱층(91)에 부여되는 열 에너지의 시간 간격을 극히 짧게 하였다. 이에 의해, 톱층(91)의 아몰퍼스 실리콘은 나노초의 펄스 폭의 레이저에 비해 극히 짧은 시간 간격으로 용융 비산되므로, 중간 콘택트층 분리 홈(14)을 형성하는 벽부에 대해 과잉의 열을 빼앗기는 경우가 없다. 따라서, 중간 콘택트층 분리 홈(14)을 형성하는 벽부에서 실리콘이 재결정화되는 영역을 가급적 작게 할 수 있다. 이와 같이, 실리콘이 재결정화되어 저저항화된 영역을 작게 할 수 있으므로, 중간 콘택트층 분리 홈을 통해 누출되는 전류를 감소시킬 수 있다.
중간 콘택트층 분리 홈(14)을 톱층(91)의 중도 위치에서 종단시키는 것으로 하여, 톱층(91)에 접속하는 투명 전극층(2)까지 도달시키지 않는 것으로 하였다. 이에 의해, 중간 콘택트층 분리 홈(14)을 형성하는 벽부에 재결정화 영역이 형성되어 있어도, 이 재결정화 영역이 투명 전극층(2)에 물리적으로 접속되는 경우가 없으므로, 중간 콘택트층(93)과 투명 전극층(2)이 전기적으로 접속되는 경우는 없다.
10ps 이상 750ps 이하의 펄스 폭으로 된 펄스 레이저로 되어 있으므로, 극히 짧은 시간 간격으로 열 에너지를 톱층(91)에 부여할 수 있다. 즉, 나노초의 펄스 폭으로 된 종래의 펄스 레이저에 비해, 투입된 열 에너지가 톱층(91)의 아몰퍼스 실리콘에 흡수되어 확산되는 열 확산을 작게 억제할 수 있으므로, 분리 구멍(14a)(도 4a 참조)의 주연 근방까지 충분한 열 에너지를 투입할 수 있어, 분리 구멍(14a)의 주연 근방까지 원하는 깊이로 형성된 분리 구멍(14a)을 형성할 수 있다. 따라서, 이웃하는 분리 구멍(14a)의 겹침 폭을 분리 구멍 직경의 0％ 이상 5％ 이하까지 작게 할 수 있고, 나아가서는 가공 속도의 증대를 도모할 수 있다.
도 6에는 펄스 폭 13ps의 피코초 펄스 레이저를 사용한 본 실시 형태에 관한 제조 방법에 의해 제조된 태양 전지 모듈의 효율과, 비교예로서, 펄스 폭 15ns의 피코초 펄스 레이저 대신에, 나노초 펄스 레이저를 사용하여 제조된 태양 전지 모듈의 효율이 도시되어 있다. 도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 출력 130 내지 135W의 태양 전지 모듈에 대해, 나노초 펄스 레이저를 사용한 비교예의 효율을 1.0으로 하여 규격화한 경우, 피코초 펄스 레이저를 사용한 본 실시 형태에서는 효율이 1.02배로 향상(2％ 향상)되었다.
본 실시 형태에 있어서 도 1에 도시한 태양 전지는, 제1 셀층(91) 및 제2 셀층(92)으로 이루어지는 발전층이 2개 적층된 탠덤 구조로 되어 있지만, 본 발명은 탠덤 구조로 한정되는 것은 아니고, 중간 콘택트층 분리 홈을 레이저 가공할 때에 실리콘계 재료가 재결정화되는 경우에 널리 적용할 수 있는 것으로, 예를 들어 발전층이 3개 적층되고, 각 발전층 사이에 중간 콘택트층이 설치된 트리플 구조에 대해서도 사용할 수 있다.
1 : 글래스 기판
2 : 투명 전극층
4 : 이면 전극층
5 : 발전 셀
10 : 태양 전지(광전 변환 장치)
14 : 중간 콘택트층 분리 홈
14a : 분리 구멍
91 : 톱층(제1 광전 변환층)
92 : 보톰층(제2 광전 변환층)
93 : 중간 콘택트층

Claims (4)

  1. 실리콘을 주성분으로 하는 제1 광전 변환층을 제막하는 제1 광전 변환층 제막 공정과,
    상기 제1 광전 변환층 상에, 상기 제1 광전 변환층에 대해 전기적 및 광학적으로 접속되는 중간 콘택트층을 제막하는 중간 콘택트층 제막 공정과,
    레이저를 조사하여, 상기 중간 콘택트층을 제거하는 동시에, 상기 제1 광전 변환층까지 도달하는 중간 콘택트층 분리 홈을 형성하여 상기 중간 콘택트층을 분리하는 중간 콘택트층 분리 공정과,
    상기 중간 콘택트층 상 및 상기 중간 콘택트층 분리 홈 내에, 상기 중간 콘택트층에 대해 전기적 및 광학적으로 접속되는 동시에, 실리콘을 주성분으로 하는 제2 광전 변환층을 제막하는 제2 광전 변환층 제막 공정을 갖는 광전 변환 장치의 제조 방법에 있어서,
    상기 중간 콘택트층 분리 공정은 펄스 폭이 10ps 이상 750ps 이하로 된 펄스 레이저에 의해 행해지는, 광전 변환 장치의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중간 콘택트층 분리 홈은 상기 제1 광전 변환층의 중도 위치에서 종단되어 있는, 광전 변환 장치의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 중간 콘택트층 분리 공정은 복수의 분리 구멍을 부분적으로 겹쳐서 일련의 상기 중간 콘택트층 분리 홈을 형성하는 공정을 포함하고,
    이웃하는 상기 분리 구멍의 겹침 폭이 상기 분리 구멍의 직경의 0％ 이상 5％ 이하로 되어 있는, 광전 변환 장치의 제조 방법.
  4. 실리콘을 주성분으로 하는 제1 광전 변환층과,
    상기 제1 광전 변환층에 대해 전기적 및 광학적으로 접속된 중간 콘택트층과,
    상기 중간 콘택트층에 대해 전기적 및 광학적으로 접속되는 동시에, 실리콘을 주성분으로 하는 제2 광전 변환층을 구비하고,
    상기 중간 콘택트층을 분리하도록 상기 중간 콘택트층을 관통하는 동시에 상기 제1 광전 변환층까지 도달하는 중간 콘택트층 분리 홈이 형성된 광전 변환 장치에 있어서,
    상기 중간 콘택트층 분리 홈은 복수의 분리 구멍을 겹쳐서 형성된 일렬의 홈으로 되어 있고,
    이웃하는 상기 분리 구멍의 겹침 폭이 상기 분리 구멍의 직경의 0％ 이상 5％ 이하로 되어 있는, 광전 변환 장치.
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