WO2007086521A1 - 太陽電池およびその製造方法 - Google Patents

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WO2007086521A1 PCT/JP2007/051302 JP2007051302W WO2007086521A1 WO 2007086521 A1 WO2007086521 A1 WO 2007086521A1 JP 2007051302 W JP2007051302 W JP 2007051302W WO 2007086521 A1 WO2007086521 A1 WO 2007086521A1
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absorption layer
solar cell
contact electrode
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Satoshi Aoki
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Honda Motor Co., Ltd.
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a chalcopyrite solar cell that is a compound-based solar cell and a method for manufacturing the same, and in particular, a point using a substrate with irregularities on the surface and unit cells of the solar cell are connected in series.
  • the present invention relates to a solar cell having a feature in a contact electrode portion and a manufacturing method thereof.
  • Solar cells that receive light and convert it into electrical energy are classified into a Balta system and a thin film system depending on the thickness of the semiconductor.
  • thin-film solar cells have several semiconductor layers! ⁇ Several; solar cells with thickness less than or equal to zm, classified into Si thin film type and compound thin film type.
  • compound thin film systems such as II-VI group compounds and chalcopyrite systems.
  • chalcopyrite solar cells belonging to the chalcopyrite system are also known as CIGS (Cu (InGa) Se) thin film solar cells, CIGS solar cells, or I III VI group materials, depending on the materials used. It is called.
  • a chalcopyrite solar cell is a solar cell formed using a chalcopyrite compound as a light-absorbing layer, and has high efficiency, no light degradation (aging), excellent radiation resistance, and light absorption. It has features such as a wide wavelength range and a high light absorption coefficient, and is currently being studied for mass production.
  • Fig. 1 shows a cross-sectional structure of a general chalcopyrite solar cell.
  • a chalcopyrite solar cell has a lower electrode layer (Mo electrode layer) formed on a glass substrate (substrate) and a light absorption layer (CIGS) containing copper'indium.gallium.selenium. Light absorption layer), a high-resistance buffer layer thin film formed of InS, ZnS, CdS, etc. on the light absorption layer thin film, and an upper electrode thin film (TCO) formed of ZnOAl, etc.
  • an alkali control layer mainly composed of SiO or the like is used to control the amount of alkali metal component (Na) leached into the light absorption layer.
  • FIG. 2 shows a process for manufacturing a chalcopyrite solar cell.
  • a Mo (molybdenum) electrode serving as a lower electrode is formed on a glass substrate such as soda lime glass by sputtering.
  • the Mo electrode is divided by removing it by laser irradiation or the like (first scribe).
  • the shore IJ waste is washed with water or the like, and copper (Cu), indium (In) and gallium (Ga) are deposited by sputtering or the like to form a precursor.
  • This precursor is put into a furnace and annealed in an atmosphere of H Se gas, so that a chalcopyrite light absorption is achieved.
  • This annealing process is usually referred to as gas phase selenization or simply selenization.
  • an n-type buffer layer such as CdS, ZnO, or InS is laminated on the light absorption layer.
  • the buffer layer is generally formed by a method such as sputtering or CBD (Chemical 'Bath' Deposition).
  • CBD Chemical 'Bath' Deposition
  • the buffer layer and the precursor are removed by laser irradiation, metal needles, or the like (second scribe).
  • Figure 3 shows the scribing with a metal needle.
  • a transparent electrode (TCO: Transparent Conducting Oxides) film such as ZnOAl is formed by sputtering or the like as the upper electrode.
  • TCO transparent Conducting Oxides
  • the upper electrode (TCO), buffer layer, and precursor are divided by laser irradiation, metal needles, etc. (third scribe: element separation), so that the CIGS thin film solar cell Complete
  • the solar cell obtained here is called a cell in which each unit cell is monolithically connected in series.
  • a single cell or a plurality of cells are packaged to form a module.
  • a cell is configured by connecting a plurality of unit cells in series by each scribing process.
  • the cell voltage can be set arbitrarily by changing the number of series cells (number of unit cells). The design can be changed to It becomes ability.
  • Patent Document 1 discloses a technique in which a light-absorbing layer and a buffer layer are scraped off by moving a metal needle (needle) having a tapered tip at a predetermined pressure. ing.
  • the light absorption layer is removed by irradiating the light absorption layer with a laser (Nd: YAG laser) oscillated by exciting a Nd: YAG crystal with a continuous discharge lamp such as an arc lamp.
  • a laser Nd: YAG laser
  • a glass substrate (texture substrate) having a concave and convex surface is used, electrodes are formed on the glass substrate, and silicon semiconductors are sequentially formed.
  • a technology has been developed to improve the conversion efficiency by the light confinement effect by creating a solar cell by stacking layers.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-115356
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 11 312815
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 2-164077
  • the conventional texture substrate disclosed in Patent Document 3 has a power that cannot be applied to a power rucopyrite type solar cell that is a compound solar cell. The reason is that if the substrate is concave and convex, the second scribe cannot be performed and a monolithic series-stage connection structure cannot be adopted.
  • Fig. 4 (a) is a photo when a glass substrate with a smooth surface is used
  • (b) is This is a photograph when a textured substrate with an uneven surface is used.
  • FIG. 4 (b) when a second scribe is performed when a texture substrate is used, a scribe residue is clearly generated. This is because the diameter of the metal needle (two dollars) used for the mecha-cal scribing is wider than the unevenness of the texture substrate.
  • the texture substrate used in the experiment in Fig. 4 has a concavo-convex period (horizontal distance from the maximum height to the minimum height) of 5.9 ⁇ m, whereas the needle tip diameter is about 35 ⁇ m. m and the tip of the needle has a diameter about 6 times larger.
  • the light absorbing layer that has not been removed by one dollar remains between the transparent electrode and the lower electrode after the transparent electrode (TCO) is deposited.
  • the light absorption layer has a resistivity of about 10 4 ⁇ cm, while the resistivity of molybdenum constituting the lower electrode is 5.4 X 10 _6 Q cm. If the part exists as a residue, the resistance value increases, and the light energy conversion efficiency (power generation efficiency) decreases.
  • the intensity of the laser beam to remove only the light absorption layer where the thickness of the light absorption layer and the incident angle of the laser are not uniform.
  • the laser beam to be irradiated is strong, after the light absorption layer is removed, one more laser beam is irradiated, resulting in damage to the lower electrode (Mo electrode).
  • the laser light is weak! If the light absorption layer cannot be completely removed, it remains as a high resistance layer as described above, so the upper transparent electrode (TCO) and the lower Mo electrode There is a problem that the contact resistance with is extremely bad.
  • a solar cell according to the present invention includes a substrate having irregularities on a main surface, and a plurality of lower electrodes formed on the main surface side of the substrate and formed by dividing a conductive layer, A chalconeite-type light absorption layer formed on the plurality of lower electrodes and divided into a plurality of parts, a plurality of upper electrodes that are transparent conductive layers formed on the light absorption layer, and the lower electrode layer And a contact electrode portion having a conductivity higher than that of the light absorption layer in which a part of the light absorption layer is modified so that unit cells composed of the light absorption layer and the upper electrode are connected in series.
  • the basic configuration of the solar cell according to the present invention is configured by laminating the lower electrode, the light absorption layer, and the upper electrode on the substrate, and these layers constitute the solar cell according to the present invention.
  • the solar cell of the present invention also includes an indispensable constituent element that includes a nofer layer, an alkali passivation film, an antireflection film, and the like as required between the respective layers.
  • the contact electrode portion is modified from a P-type semiconductor by functioning as a CuZln ratio force light absorption layer higher than the CuZln ratio ratio of the light absorption layer, and functions as an electrode. Further, when the lower electrode also has a molybdenum (Mo) force, it is modified to an alloy containing molybdenum.
  • Mo molybdenum
  • the method for manufacturing a solar cell according to the present invention includes a lower electrode forming step of forming a lower electrode layer on a main surface side of a substrate having an uneven surface, and the lower electrode layer is formed into a plurality of lower electrodes.
  • the buffer layer forming step is provided after the light absorbing layer forming step, the laser beam is irradiated from above the buffer layer.
  • the portion for connecting the unit cells as in the conventional case is thin. Therefore, resistance does not increase. Even if a textured substrate with an uneven surface is used as the substrate, the second scribe is not performed, so the lower electrode (Mo electrode) is damaged or a part of the light absorption layer cannot be removed and remains. And there is also a disadvantage.
  • the electrode layer formed on the substrate is not peeled, and the light receiving area is further increased, so that the photoelectric conversion efficiency is improved.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional chalcopyrite solar cell
  • FIG.2 Diagram showing a series of manufacturing processes for conventional chalcopyrite solar cells
  • FIG.3 Diagram showing scribing with a metal needle
  • FIG. 4 Photographs taken from the top surface of the substrate after mecha-calc scribing, (a) is a photograph using a glass substrate with a smooth surface, and (b) is a texture with uneven surfaces. Photo of using a board
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the main part of a chalcopyrite solar cell according to the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing a method for manufacturing a chalcopyrite solar cell of the present invention
  • FIG. 8 (a) is a graph showing the result of component analysis of the light absorption layer without the laser contact formation process, and (b) is a graph showing the component analysis result of the laser contact part after the laser contact formation process.
  • FIG. 9 (a) is a graph showing the difference in carrier concentration in the light absorption layer depending on the CuZln ratio, and (b) is a graph showing the change in resistivity depending on the first uZln ratio.
  • FIG. 10 SEM photograph of the surface of the solar cell where the contact electrode was formed by the laser contact formation process of the present invention.
  • FIG. 5 shows a chalconeite solar cell according to the present invention.
  • Figure 5 shows a solar cell
  • a chalcopyrite solar cell comprises a lower electrode layer 2 (Mo electrode layer) formed on a substrate 1 (texture substrate) such as glass having an uneven surface, and copper 'indium' gallium.
  • a light absorption layer 3 (CIGS light absorption layer) containing mu-selenium, a high resistance nofer layer thin film 4 formed of InS, ZnS, CdS, etc. on the light absorption layer 3, and ZnOAl, etc.
  • a unit cell (unit cell) is formed from the upper electrode layer 5 (transparent electrode layer: TCO), and the upper electrode layer 5 and the lower electrode layer 2 are formed for the purpose of connecting a plurality of unit cells in series.
  • a contact electrode portion 6 is formed to connect the two.
  • the contact electrode portion 6 is configured such that the Cu / In ratio is larger than the CuZln ratio of the light absorption layer 3, in other words, the In is configured to be less, and the light that is a p-type semiconductor Show p + (plus) type or conductor characteristics for absorbing layer 3! /
  • the glass substrate as a material for the texture substrate has a resistance to heat of about 650 ° C, and it is only required to have resistance from the vapor phase selenization process.
  • it may be a substrate including My power, polyimide, ceramic, stainless steel or carbon with an insulating covering, or the like.
  • the texture substrate is provided with irregularities on the surface by a physical cutting process such as sandblasting or a chemical treatment process such as hydrofluoric acid on a substrate (glass) as a material.
  • a physical cutting process such as sandblasting or a chemical treatment process such as hydrofluoric acid on a substrate (glass) as a material.
  • the average height difference is 2 .: m and the average horizontal distance from the maximum height to the minimum height is 5.9 m.
  • the adhesion between the substrate and molybdenum as the lower electrode is improved, and the contact area between the lower electrode and the light absorption layer is increased, resulting in a decrease in electrical resistance.
  • the optical confinement effect can be obtained.
  • the optical confinement effect is to increase the optical energy that stays at the pn junction for a long time (that is, confine light) by increasing the optical path length, and consequently promote more photoelectric conversion. .
  • FIG. 6 shows a method for manufacturing a chalcopyrite solar cell of the present invention.
  • a Mo (molybdenum) electrode to be a lower electrode is formed on the texture substrate by sputtering or the like.
  • titanium or tungsten can be used for the lower electrode.
  • the lower electrode (molybdenum Mo electrode) is divided by laser irradiation or the like. (First scribe)
  • the laser is preferably an excimer laser with a wavelength of 256 nm or the third harmonic of a YAG laser with a wavelength of 355 nm.
  • Cu copper
  • In indium
  • Ga gallium
  • This precursor is put into the furnace, and the temperature is about 400 ° C to 600 ° C in the atmosphere of H Se gas.
  • the light absorption layer thin film is obtained by annealing. This annealing process is usually called gas phase selenization or simply selenium.
  • a buffer layer which is an n-type semiconductor such as CdS, ZnO, or InS, is stacked on the light absorption layer.
  • the buffer layer is generally formed by a dry process such as sputtering or a wet process such as CBD (Chemical 'Bath Deposition).
  • the nota layer can be omitted by improving the transparent electrode described later.
  • the light absorption layer is modified to form a contact electrode portion.
  • the laser is also applied to the buffer layer.
  • the buffer layer itself is formed to be extremely thin compared to the light absorption layer, and no influence due to the presence or absence of the buffer layer is observed in the experiments of the present inventors.
  • a transparent electrode (TCO) such as ZnOAl to be an upper electrode is formed by sputtering or the like on the notch layer and the contact electrode. Finally, the TCO, the noffer layer and the precursor are removed and divided by laser irradiation or metal needles. (Scribe for device isolation).
  • FIG. 7 shows SEM photographs of the light absorption layer and the surface of the contact electrode after laser irradiation. As shown in Fig. 7, contact power is applied to the light-absorbing layer grown in the form of particles. It can be seen that the pole is melted and recrystallized by the energy of the laser.
  • FIG. 8 is used to verify the contact electrode formed according to the present invention in comparison with the light absorption layer before laser irradiation.
  • Fig. 8 (a) shows the component analysis results of the light absorption layer without the laser contact formation process, and (b) shows the component analysis results of the laser contact part with the laser contact formation process.
  • EPMA Electro Probe Micro-Analysis
  • EP MA detects constituent elements by analyzing the spectrum of characteristic X-rays generated by irradiating a substance with an accelerated electron beam and exciting the electron beam. Furthermore, the ratio (concentration) of each constituent element is determined. To analyze.
  • FIG. 8 shows that indium (In) is significantly reduced in the contact electrode with respect to the light absorption layer.
  • Mo molybdenum
  • the surface temperature of the light absorption layer rises to about 6,000 ° C.
  • the temperature is lower on the inside (lower) side of the light absorption layer, but the light absorption layer used in the examples is 1 ⁇ m, and it can be said that the temperature inside the light absorption layer is considerably high.
  • the melting point of indium is 156 ° C
  • the boiling point is 2,000 ° C
  • the melting point of copper is 1,084 ° C and the boiling point is 2,595 ° C.
  • indium has reached its boiling point deeper in the light absorption layer than copper.
  • the melting point of molybdenum is 2,610 ° C, it is assumed that some molybdenum force existing in the lower electrode melts and is taken into the light absorption layer side.
  • Figure 9 shows the change in characteristics due to the CuZln ratio.
  • Fig. 9 (a) shows the difference in carrier concentration in the light absorption layer depending on the CuZln ratio
  • Fig. 9 (b) shows the change in resistivity depending on the CuZln ratio. Yes.
  • Molybdenum is a metal element belonging to Group 6 of the periodic table and has a specific resistance of 5.4 X 10 _6 Q cm. When the light absorption layer melts and recrystallizes in the form of molybdenum, the resistivity decreases.
  • the contact electrode force (plus) type or metal changes to lower resistance than the light absorption layer.
  • Figure 10 shows a SEM photo of the surface of the solar cell after TCO lamination.
  • the light absorption layer remains on the texture substrate, so it was difficult to remove the light absorption layer without damaging the Mo electrode.
  • a monolithic series connection structure is created by the contact electrode portion in which the light absorption layer is modified.
  • a defect occurs in the transparent electrode.
  • FIG. 11 shows a cross-sectional SEM photograph of the contact electrode portion and the light absorption layer in order to clarify that the contact electrode portion has no significant change compared to the thickness of the light absorption layer.
  • the contact electrode shown in Fig. 11 was irradiated 5 times with a laser with a frequency of 20 kHz, an output of 467 mW, and a pulse width of 35 ns. The number of times was set to 5 in order to observe the decrease in the thickness of the contact electrode due to laser irradiation. As shown in FIG. 11, even if the laser is irradiated five times, the film thickness of the contact electrode part is likely to remain considerably.
  • the light absorption layer was modified by adopting a contact electrode portion forming step of irradiating a laser instead of the second scribe when using a substrate material having irregularities on the surface.
  • a contact electrode part can be obtained.
  • the internal resistance in series connection can be reduced, and a chalcopyrite solar cell with high photoelectric conversion efficiency can be obtained.

Abstract

　表面に凹凸が形成されたテクチャ基板１上に形成された下部電極層２（Ｍｏ電極層）と、銅・インジウム・ガリウム・セレンを含む光吸収層３（ＣＩＧＳ光吸収層）と、光吸収層３の上に、ＩｎＳ、ＺｎＳ、ＣｄＳ等で形成される高抵抗のバッファ層薄膜４と、ＺｎＯＡｌ等で形成される上部電極層５（ＴＣＯ）とから１つの単位となるセル１０（単位セル）が形成され、さらに、複数の単位セル１０を直列接続する目的で、上部電極層５と下部電極層２とを接続するコンタクト電極部６が形成される。このコンタクト電極部６は、後述するように、光吸収層３のＣｕ／Ｉｎ比率よりも、Ｃｕ／Ｉｎ比率が大きく、言い換えると、Ｉｎが少なく構成されており、ｐ型半導体である光吸収層３に対してｐ＋（プラス）型もしくは導電体の特性を示している。

Description

明 細 書
太陽電池およびその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、化合物系の太陽電池であるカルコパイライト型の太陽電池とその製造方 法に関し、特に表面に凹凸を備えた基板を用いた点と、太陽電池の単位セルを直列 接続するコンタクト電極部に特徴を有する太陽電池とその製造方法に関する。
背景技術
[0002] 光を受光し電気工ネルギ一に変換する太陽電池は、半導体の厚さによりバルタ系と 薄膜系とに分類されている。このうち薄膜系の太陽電池は、半導体層が数 ！〜 数; z m以下の厚さを持つ太陽電池であり、 Si薄膜系と化合物薄膜系に分類されてい る。そして化合物薄膜系には、 II— VI族化合物系、カルコパイライト系等の種類があ り、これまでいくつ力製品化されてきた。この中で、カルコパイライト系に属するカルコ パイライト型の太陽電池は、使用されている物質から、別名 CIGS (Cu(InGa) Se)系 薄膜太陽電池、 CIGS太陽電池或 、は I III VI族系と称されて 、る。
[0003] カルコパイライト型太陽電池は、カルコパイライトイ匕合物を光吸収層として形成され た太陽電池であり、高効率、光劣化 (経年変化)がない、耐放射線特性に優れ、光吸 収波長領域が広ぐ光吸収係数が高い等の特徴を有し、現在量産に向けた研究が 行われている。
[0004] 一般的なカルコパイライト型太陽電池の断面構造を図 1に示す。図 1に示すように、 カルコパイライト型太陽電池は、ガラス基板 (サブストレート)上に形成された下部電 極層（Mo電極層）と、銅'インジウム.ガリウム.セレンを含む光吸収層（CIGS光吸収 層）と、光吸収層薄膜の上に InS、 ZnS、 CdS等で形成される高抵抗のバッファ層薄 膜と、 ZnOAl等で形成される上部電極薄膜 (TCO)とから構成されている。尚、基板 にソーダライムガラスを用いた場合には、基板内部力ゝらのアルカリ金属成分 (Na)の 光吸収層への浸出量を制御するために SiO等を主成分とするアルカリ制御層を設
2
ける場合もある。
[0005] 上記カルコパイライト型太陽電池に太陽光等の光が照射されると、光吸収層内で電 子（一）と正孔（ + )の対が発生し、電子（一）と正孔（ + )は p型半導体と n型半導体と の接合面で、電子（-)が n型半導体へ正孔（+ )が p型半導体に集まり、その結果、 n 型半導体と p型半導体との間に起電力が発生する。この状態で電極に導線を接続す ることにより、電流を外部に取り出すことができる。
[0006] 図 2に、カルコパイライト型太陽電池を製造する工程を示す。初めに、ソーダライム ガラス等のガラス基板に下部電極となる Mo (モリブデン)電極をスパッタリングによつ て成膜する。次に図 2 (a)に示すように、 Mo電極をレーザー照射等によって除去する ことで分割する（第 1のスクライブ)。
[0007] 第 1のスクライブの後、肖 IJり屑を水等で洗浄し、銅 (Cu)、インジウム (In)及びガリゥ ム（Ga)をスパッタリング等で付着させ、プリカーサを形成する。このプリカーサを炉に 投入し、 H Seガスの雰囲気中でァニールすることにより、カルコパイライト型の光吸
2
収層薄膜が形成される。このァニール工程は、通常気相セレン化もしくは単にセレン 化と称されている。
[0008] 次に、 CdS、 ZnOや InS等の n型バッファ層を光吸収層上に積層する。バッファ層 は、一般的なプロセスとしては、スパッタリングや CBD (ケミカル'バス'デポジション） 等の方法によって形成される。次に図 2 (b)に示すように、レーザー照射や金属針等 によりバッファ層及びプリカーサを除去することで分割する（第 2のスクライブ)。図 3に は金属針によるスクライブの様子を示して 、る。
[0009] その後図 2 (c)〖こ示すように、上部電極として ZnOAl等の透明電極 (TCO :Transpa rent Conducting Oxides)膜をスパッタリング等で形成する。最後に図 2 (d)に示すよ うに、レーザー照射や金属針等により上部電極 (TCO)、バッファ層及びプリカーサを 分割する（第 3のスクライブ:素子分離)ことにより、 CIGS系薄膜太陽電池が完成する
[0010] ここで得られる太陽電池は各単位セルがモノリシックに直列接続されたセルと称せ られるものであるが、実際に使用する際には、単一または複数のセルをパッケージン グし、モジュール (パネル）として加工する。セルは、各スクライブ工程により、複数の 単位セルが直列接続することで構成されており、薄膜型太陽電池では、この直列段 数 (単位セルの数)を変更することにより、セルの電圧を任意に設計変更することが可 能となる。
[0011] 前記第 2のスクライブに関する先行技術としては、特許文献 1および特許文献 2が 挙げられる。特許文献 1には図 3に示すように、先端がテーパー状になった金属針（ ニードル)を所定の圧力で押し付けながら移動させることで、光吸収層とバッファ層を 搔き取る技術が開示されている。
[0012] また、特許文献 2にはアークランプ等の連続放電ランプによって Nd:YAG結晶を 励起して発振したレーザー (Nd:YAGレーザー）を光吸収層に照射することにより光 吸収層を除去し分割する技術が開示されている。
[0013] これまで述べたように、従来のカルコパイライト型太陽電池では、その基板材料には 表面が平坦なガラス基板が用いられてきた。
特許文献 3に開示されるように、シリコン薄膜系の太陽電池においては、表面に凹 凸が形成されたガラス基板 (テクスチャ基板)を用い、このガラス基板上に電極を形成 し、さらに順次シリコン半導体を積層して太陽電池を作成することで、光閉じ込め効 果により変換効率の向上を行う技術が開発されてきた。
[0014] 特許文献 1 :特開 2004— 115356号公報
特許文献 2：特開平 11 312815号公報
特許文献 3：特開平 2 - 164077号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0015] 特許文献 3に開示される従来のテクスチャ基板は、化合物系の太陽電池である力 ルコパイライト型太陽電池には適用することができな力つた。その理由は、基板に凹 凸があると、第 2のスクライブを実施することができず、モノリシックな直列段数接続構 造を採ることができな 、からである。
[0016] 例えば、第 2のスクライブを行う技術のうち、機械的に切削するメカ-カルスクライブ では、太陽電池セルの直列抵抗が増加してしまう。
図 4のメカ-カルスクライブを行った後の基板上面力 撮影した写真に基づいてより 詳細に説明すると、図 4 (a)は表面が平滑なガラス基板を用いた場合の写真、（b)は 表面に凹凸のあるテクスチャ基板を用 、た場合の写真である。 [0017] 図 4 (b)に示すように、テクスチャ基板を用いた場合に第 2のスクライブを行うと明ら 力にスクライブの残渣が生じている。これは、メカ-カルスクライブに用いる金属針 (二 一ドル)の直径が、テクスチャ基板の凹凸の間隔よりも広いことから生じている。即ち、 図 4の実験に用いたテクスチャ基板の凹凸の周期（最大高から最低高に至る横方向 の距離）が 5. 9 μ mであるのに対し、ニードルの先端部の直径は約 35 μ mと、ニード ルの先端部の方が約 6倍の直径を有して 、る。
[0018] このように-一ドルによって除去されな力つた光吸収層は、透明電極 (TCO)の積 層後、透明電極と下部電極との間に残ることになる。光吸収層はその抵抗率が 104 Ω cm程度もあり、一方下部電極を構成するモリブデンの抵抗率 5. 4 X 10_6 Q cmに対 して十分に抵抗率が高ぐ光吸収層の一部が残渣として存在すると抵抗値を上昇さ せ、光エネルギーの変換効率 (発電効率)を下げることになる。
[0019] また、特許文献 2に示すようなレーザー光を用いるスクライブでは、ガラス基板の凹 凸に倣わせたレーザー光の強弱の調整が難 、。
即ち、テクスチャ基板の持つ凹凸のために、光吸収層の厚さやレーザーの入射角 度が均一ではなぐ光吸収層のみを除去するレーザー光の強さに調整することが極 めて難しい。つまり、照射するレーザー光が強いと光吸収層を除去後にさらにレーザ 一光が照射されることになり結果的に下部電極 (Mo電極)を破損してしまう。また、レ 一ザ一光が弱!、場合、光吸収層が除去しきれず残ってしま!/、前述のように高抵抗な 層となるため、上部の透明電極 (TCO)と下部の Mo電極とのコンタクト抵抗が極端に 悪ィ匕するという問題がある。
[0020] このように、従来のテクスチャ基板に第 2のスクライブを適用するには大きな不利が あり、カルコパイライト型太陽電池にモノリシックな直列接続構造を形成することは困 難であった。
課題を解決するための手段
[0021] 上記の課題を解決するため本発明に係る太陽電池は、主面に凹凸を備えた基板と 、前記基板の主面側に形成され導電層を分割してなる複数の下部電極と、前記複数 の下部電極上に形成され複数に分割されたカルコノイライト型の光吸収層と、前記 光吸収層上に形成された透明な導電層である複数の上部電極と、前記下部電極層 と光吸収層と上部電極にて構成される単位セルを直列接続すべく前記光吸収層の 一部が改質された光吸収層よりも導電性の高いコンタクト電極部とを有する。
[0022] 本発明に係る太陽電池の基本構成は、上記したように基板上に下部電極、光吸収 層および上部電極を積層して構成されるが、これら各層は本発明に係る太陽電池を 構成する必須の構成要素であり、各層間に必要に応じて、ノ ッファ層、アルカリパッ シベーシヨン膜、反射防止膜などが介在したものも本発明の太陽電池に含まれる。
[0023] 前記コンタクト電極部は改質によってその CuZln比率力 光吸収層の CuZln比 率よりも高くなることで、 P型半導体から変質し、電極として機能する。また、下部電極 がモリブデン (Mo)力もなる場合には、モリブデンが含まれた合金に改質されている。
[0024] また本発明に係る太陽電池の製造方法は、主面に凹凸を備えた基板の主面側に 下部電極層を形成する下部電極形成工程と、前記下部電極層を複数の下部電極に 分割する第 1のスクライブ工程と、前記複数の下部電極上にカルコパイライト型の光 吸収層を形成する光吸収層形成工程と、前記光吸収層の一部にレーザー光を照射 して当該一部の導電率が高くなるように改質するコンタクト電極部形成工程と、 前記 光吸収層とコンタクト電極部の上に上部電極となる透明導電層を形成する透明導電 層形成工程と、前記透明導電層を複数の上部電極に分割する第 2のスクライブ工程 とを備える。
[0025] 尚、光吸収層形成工程の後にバッファ層形成工程を設ける場合には、ノ ッファ層の 上からレーザー光を照射する。
発明の効果
[0026] 本発明によれば、光吸収層の一部をスクライブすることなく光吸収層自体を改質さ せてコンタクト電極部としているため、従来のように単位セルを接続する部分が薄くな つて抵抗が大きくなることがない。また、基板として表面に凹凸のあるテクスチャ基板 を用いても第 2のスクライブを行わな 、ため、下部電極 (Mo電極)を破損したり光吸 収層の一部が除去しきれずに残ってしまうと 、う不利もな 、。
[0027] また、基板としてテクスチャ基板を用いることで、基板上に形成する電極層が剥離し に《なり、更に受光面積が大きくなるため光電変換効率が向上する。
図面の簡単な説明 [0028] [図 1]従来のカルコパイライト型太陽電池の構造を示す断面図
[図 2]従来のカルコパイライト型太陽電池の一連の製造工程を示す図
[図 3]金属針によるスクライブの様子を示す図
[図 4]メカ-カルスクライブを行った後の基板上面カゝら撮影した写真で、 (a)は表面が 平滑なガラス基板を用いた場合の写真、（b)は表面に凹凸のあるテクスチャ基板を用 いた場合の写真
[図 5]本発明に係るカルコパイライト型の太陽電池の要部断面図
[図 6]本発明のカルコパイライト型太陽電池の製造方法を示す図
[図 7]光吸収層と、レーザーを照射した後のコンタクト電極の表面を撮影した SEM写 真
[図 8] (a)はレーザーコンタクト形成工程を実施しない光吸収層の成分分析結果を示 すグラフ、（b)はレーザーコンタクト形成工程をおこなったレーザーコンタクト部の成 分分析結果を示すグラフ
[図 9] (a)は CuZln比率による光吸収層のキャリア濃度の違いを示すグラフ、 (b)はじ uZln比率による抵抗率の変化を示すグラフ
[図 10]本発明のレーザーコンタクト形成工程によりコンタクト電極部を形成した太陽電 池表面の SEM写真
[図 11]コンタクト電極部と光吸収層の断面 SEM写真
符号の説明
[0029] 1 基板
2 下部電極層
3 光吸収層
4 バッファ層薄膜
5 上部電極層
6コンタクト電極部
発明を実施するための最良の形態
[0030] 本発明によるカルコノイライト型の太陽電池を図 5に示す。ここで、図 5は太陽電池
(セル)の要部断面図である。 [0031] 本発明によるカルコパイライト型太陽電池は、表面に凹凸を設けたガラス等の基板 1 (テクスチャ基板)上に形成された下部電極層 2 (Mo電極層）と、銅'インジウム 'ガリ ゥム ·セレンを含む光吸収層 3 (CIGS光吸収層）と、光吸収層 3の上に、 InS、 ZnS、 CdS等で形成される高抵抗のノ ッファ層薄膜 4と、 ZnOAl等で形成される上部電極 層 5 (透明電極層： TCO)とから 1つの単位となるセル（単位セル）が形成され、さらに 、複数の単位セルを直列接続する目的で、上部電極層 5と下部電極層 2とを接続す るコンタクト電極部 6が形成される。
[0032] このコンタクト電極部 6は、後述するように、光吸収層 3の CuZln比率よりも、 Cu/I n比率が大きぐ言い換えると、 Inが少なく構成されており、 p型半導体である光吸収 層 3に対して p + (プラス)型もしくは導電体の特性を示して！/、る。
[0033] 尚、本実施例ではテクスチャ基板の材料としてガラスを示した力 650°C程度の熱 に対する耐性を有し、気相セレン化の工程からの耐性を有すればよいため、特にガ ラスには限定されず、例えば、マイ力を含む基板やポリイミド、セラミック、絶縁性の被 覆を施したステンレスやカーボンなどであってもよ 、。
[0034] テクスチャ基板は、材料となる基板 (ガラス）にサンドブラスト等の物理的な切削工程 やフッ酸等の化学処理工程によって表面に凹凸が設けられる。本実施例においては 、凹凸の大きさについて、高低差の平均を 2.： m、最大高から最低高に至る横方 向の距離の平均が 5. 9 mのものを使用した。
[0035] このようなテクスチャ基板を使用することで、基板と下部電極となるモリブデンとの密 着性が向上し、更に、下部電極と光吸収層との接触面積が広くなるため電気抵抗が 減少する。また光力 Sバッファ層に入射して pn接合部に到達する際に光路長を長くとる ことができるため光閉じ込め効果についても効果を得ることが可能となる。尚、光閉じ 込め効果とは、光路長を長くとることによって、 pn接合部に長い時間とどまる光エネ ルギーを増やし (即ち、光を閉じ込め）、結果的により多くの光電変換を促すものであ る。
[0036] 次に、本発明のカルコパイライト型太陽電池の製造方法を図 6示す。まず、テクスチ ャ基板に下部電極となる Mo (モリブデン)電極をスパッタリング等によって成膜する。 下部電極にはモリブデンの他にチタンやタングステンを使用することができる。 [0037] 次に、下部電極 (モリブデン Mo電極)をレーザー照射等によって分割する。（第 1の スクライブ）
レーザーには、波長が 256nmであるエキシマレーザーや、 355nmである YAGレ 一ザ一の第 3高調波などが望ましい。また、レーザーの加工幅としては、 80〜： LOOn m程度確保することが望ましぐこれにより、隣り合う Mo電極間の絶縁を確保すること が可能となる。
[0038] 第 1のスクライブ後に、銅 (Cu)、インジウム (In)、ガリウム（Ga)をスパッタリングや蒸 着等で付着させ、プリカーサと呼ばれる層を形成する。
このプリカーサを炉に投入し、 H Seガスの雰囲気中で 400°Cから 600°C程度の温度
2
でァニールすることにより、光吸収層薄膜を得る。このァニールの工程は、通常、気 相セレン化もしくは、単に、セレンィ匕と呼ばれる。
[0039] なお、光吸収層を形成する工程には、 Cu、 In、 Ga、 Seを蒸着にて形成したあとァ ニールをおこなう方法など、いくつかの技術が開発されている。本実施例においては 、気相セレンィ匕を用いて説明したが、本発明は、光吸収層を形成する工程は限定さ れない。
[0040] 次に、 CdS、 ZnOや InS等の n型の半導体であるバッファ層を光吸収層上に積層す る。バッファ層は、一般的なプロセスとしては、スパッタリング等のドライプロセスや CB D (ケミカル 'バス ·デポジション）等のウエットプロセスによって形成される。
尚、ノ ッファ層は後に述べる透明電極の改良により、省略することも可能である。
[0041] 次に、レーザーを照射することにより、光吸収層の改質を行いコンタクト電極部を形 成する。なお、レーザーは、バッファ層にも照射される力 バッファ層自体が光吸収層 に比べて極めて薄く形成されており本発明者らの実験によってもバッファ層の有無に よる影響はみられない。
[0042] その後、ノ ッファ層とコンタクト電極の上部に、上部電極となる ZnOAl等の透明電 極 (TCO)をスパッタリング等で形成する。最後に、レーザー照射や金属針等により T CO、ノ ッファ層並びにプリカーサを除去 ·分割を行う。（素子分離のスクライブ)。
[0043] 図 7に、光吸収層と、レーザーを照射した後のコンタクト電極の表面を撮影した SE M写真を示す。図 7に示したように、粒子状に成長した光吸収層に対し、コンタクト電 極は、レーザーのエネルギーにより表面が溶解し再結晶化していることがわかる。
[0044] さらに詳しく分析するために、図 8を用いて、本発明で形成されたコンタクト電極に ついて、レーザー照射前の光吸収層と比較しながら検証する。
図 8の（a)に、レーザーコンタクト形成工程を実施しない光吸収層の成分分析結果 を、（b)にレーザーコンタクト形成工程をおこなったレーザーコンタクト部の成分分析 結果を示す。なお、分析には EPMA(Electron Probe Micro- Analysis)を用いた。 EP MAは、加速した電子線を物質に照射し、電子線を励起することにより生じる特性 X 線のスペクトルを分析することにより構成元素を検出し、さらに、それぞれの構成元素 の比率 (濃度)を分析するものである。
[0045] 図 8から、光吸収層に対し、コンタクト電極では著しくインジウム (In)が減少して 、る ことがわかる。この減少幅を、 EPMA装置にて正確にカウントしてみたところ、 1Z3. 61であった。同様に、銅（Cu)に注目してその減少幅をカウントしてみたところ、 1/2 . 37であった。このように、レーザーを照射することによって、 Inが著しく減少し、比率 では、 Cuに対して、 Inがより大きく減少していることがわかる。
[0046] その他の特徴として、光吸収層ではほとんど検出されなかったモリブデン (Mo)が 検出されるようになったことである。この変化の理由について考察する。発明者による シミュレーションによると、例えば、波長が 355nmのレーザー光を 0. ljZcm2で照射 した際には、光吸収層の表面温度は 6, 000°C程度に上昇する。もちろん、光吸収層 の内部（下部)側では温度が低くなるが、実施例に用いた光吸収層は 1 μ mであり、 光吸収層の内部でも、かなりの高温になっていると言える。ここで、インジウムの融点 は 156°C、沸点は 2, 000°C、さらに、銅の融点は 1, 084°C、沸点は 2, 595°Cである 。このため、銅にくらべ、インジウムの方が、光吸収層のより深いところまで沸点に達し ていると推察される。また、モリブデンの融点は 2, 610°Cであるため、下部電極に存 在するある程度のモリブデン力 溶融して光吸収層側に取り込まれていると推察され る。
[0047] まず、銅とインジウムの比率の変化による特性の変化について考える。
図 9に、 CuZln比率による特性の変化を示す。図 9 (a)は、 CuZln比率による光吸 収層のキャリア濃度の違いを、図 9 (b)は、 CuZln比率による抵抗率の変化を示して いる。
[0048] 図 9 (a)に示すように、光吸収層として用いるためには、その CuZln比率を 0. 95〜 0. 98程度に制御することが必要とされている。図 8に示したように、レーザーを照射 するコンタクト電極部形成工程を経たコンタクト電極では、計測された銅とインジウム の量から、 CuZln比率が 1よりも大きな値に変化している。したがって、コンタクト電 極としては、 p+ (プラス)型、または、金属に変化しているものと考えられる。ここで、 図 9 (b)に着目すると、 CuZln比率が 1よりも大きな値になるにしたがって、急激に抵 抗率が低くなつていることがわかる。具体的には、 CuZln比率が 0. 95-0. 98のと きには抵抗率が 104 Ω cm程度であるのに対し、 CuZln比率が 1. 1に変化した場合 には 0. 1 Ω cm程度に急激に減少する。
[0049] 次に、溶融して光吸収層側に取り込まれたモリブデンについて考察する。
モリブデンは、周期表の 6族に属する金属元素であり、比抵抗が 5. 4 X 10_6 Q cmの 特性を示す。光吸収層が溶融し、モリブデンを取り込む形で再結晶化することで、抵 抗率が減少することになる。
以上の 2つの理由から、コンタクト電極力 (プラス)型または金属に変質し、光吸 収層よりも低抵抗化して ヽると考えられる。
[0050] 次に、コンタクト電極部への透明電極層の積層について説明する。
図 10に TCO積層後の太陽電池表面を撮影した SEM写真を示す。従来のスクライブ では、テクスチャ基板上に光吸収層が残ってしまうため、 Mo電極を傷つけることなく 光吸収層を削除することは困難であった。し力しながら、本発明にあっては図 10に示 すように、光吸収層が改質されたコンタクト電極部によってモノリシックな直列接続構 造が作成されている。また、光吸収層の膜厚に相当する段差が存在しないため、透 明電極に欠陥が生じて 、な 、。
[0051] コンタクト電極部が光吸収層厚に比べ、大きな変化がないことを明らかにするため、 図 11にコンタクト電極部と光吸収層の断面 SEM写真を示す。図 11に示すコンタクト 電極部は、周波数 20kHz、出力を 467mW、パルス幅 35nsのレーザーを 5回照射し た。回数を 5回としたのは、レーザー照射によるコンタクト電極部の膜厚の減少をみる ためである。 図 11に示したように、レーザーを 5回照射したとしてもコンタクト電極部の膜厚はか なり残存して ヽることがゎカゝる。
産業上の利用可能性
[0052] このように、表面に凹凸を有する基板材料を際に、第 2のスクライブの代わりにレー ザ一を照射するコンタクト電極部形成工程を採用することにより、光吸収層を改質し たコンタクト電極部を得ることができる。これにより、直列接続の内部抵抗を軽減する ことが可能になり、光電変換効率が高いカルコパイライト型の太陽電池を得ることがで きる。
[0053] 本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲 を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明ら かである。
本出願は、 2006年 1月 30日出願の日本特許出願 (特願 2006-019969)に基くもので あり、その内容はここに参照として取り込まれる。

Claims

請求の範囲
[1] 主面に凹凸を備えた基板と、
前記基板の主面側に形成され導電層を分割してなる複数の下部電極と、 前記複数の下部電極上に形成され複数に分割されたカルコパイライト型の光吸収層 と、
前記光吸収層上に形成された透明な導電層である複数の上部電極と、
前記下部電極層と光吸収層と上部電極にて構成される単位セルを直列接続すべく 前記光吸収層の一部が改質された光吸収層よりも導電性の高いコンタクト電極部とを 有することを特徴とする太陽電池。
[2] 請求項 1に記載の太陽電池において、前記コンタクト電極部は、その CuZln比率が
、光吸収層の CuZln比率よりも高 、ことを特徴とする太陽電池。
[3] 請求項 1に記載の太陽電池において、前記コンタクト電極部は、モリブデンが含まれ た合金であることを特徴とする太陽電池。
[4] 請求項 1に記載の太陽電池において、前記光吸収層と上部電極との間にはバッファ 層が形成されていることを特徴とする太陽電池。
[5] 主面に凹凸を備えた基板の主面側に下部電極層を形成する下部電極形成工程と、 前記下部電極層を複数の下部電極に分割する第 1のスクライブ工程と、 前記複数の下部電極上にカルコパイライト型の光吸収層を形成する光吸収層形成 工程と、
前記光吸収層の一部にレーザー光を照射して当該一部の導電率が高くなるように 改質するコンタクト電極部形成工程と、
前記光吸収層とコンタクト電極部の上に上部電極となる透明導電層を形成する透 明導電層形成工程と、
前記透明導電層を複数の上部電極に分割する第 2のスクライブ工程とを備えること を特徴とする太陽電池の製造方法。
[6] 請求項 5に記載の太陽電池の製造方法において、前記光吸収層形成工程の後にバ ッファ層形成工程を設け、前記コンタクト電極部形成工程は、ノッファ層の上カもレ 一ザ一光を照射することを特徴とする太陽電池の製造方法。
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