DE69132358T2

DE69132358T2 - Solarzelle

Info

Publication number: DE69132358T2
Application number: DE69132358T
Authority: DE
Inventors: Soichiro Kawakami
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-05-07
Filing date: 1991-05-07
Publication date: 2000-12-28
Anticipated expiration: 2011-05-08
Also published as: DE69132358D1; EP0481094A1; EP0481094B1; US5328519A; ATE195390T1; EP0481094A4; WO1991017572A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle, die eine Vielzahl auf einem leitfähigen Substrat integrierter photovoltaischer Elemente umfasst.
In den letzten Jahren wurde eine Erwärmung der Erde aufgrund des sogenannten Treibhauseffekts wegen eines Anstiegs des atmosphärischen CO&sub2; vorhergesagt. Deshalb gibt es vermehrt die Forderung nach einer Energieerzeugungseinrichtung, die reine Energie bereitstellen kann, ohne eine CO&sub2;-Bildung zu verursachen. Also wurde in Erwägung gezogen, dass eine Kernenergieerzeugung vorteilhaft ist, weil sie keine CO&sub2;-Bildung verursacht. Jedoch wurden bis jetzt die für eine Kernenergieerzeugung möglichen Probleme bezüglich dem Austreten von Krankheiten verursachenden radioaktiven Materialien aus dem Kernenergieerzeugungssystem, der Behandlung von radioaktiven Abfällen und dergleichen noch nicht vollständig beseitigt. Deshalb kann die Kernenergieerzeugung keine ausreichend sichere Energiequelle zur Lieferung reiner Energie sein. Aus diesem Grund fokussierte sich kürzlich das öffentliche Interesse auf eine Energieerzeugung mittels einer Solarzelle, weil sie sicher ist und reine Energie ohne solche vorstehend erwähnten Probleme liefert. Von Solarzellen erwartet man, dass sie sicher und leicht zu handhaben sind.
Also wurden für Solarzellen schon zahlreiche Vorschläge gemacht. Aus diesen vorgeschlagenen Solarzellen wurden amorphe Silicium- oder Kupfer/Indiumselenid-Solarzellen herausgestellt und an diesen wurden verschiedene Studien durchgeführt, weil sie leicht großflächig gestaltet sein können und weil sie mit relativ geringen Herstellungskosten bereitgestellt werden können.
Im allgemeinen ist es für Solarzellen erforderlich, dass sie eine ausgezeichnete Wetterbeständigkeit, Schlagfestigkeit und Flexibilität aufweisen. Um diesen Anforderungen zu genügen, wird häufig als das Substrat ein metallisches (leitfähiges) Substrat verwendet.
Um eine gewünschte elektromotorische Kraft von einer Solarzelle zu erhalten, wird im allgemeinen eine Vielzahl photovoltaischer Elemente bereitgestellt, die jeweils eine auf einem aus Edelstahl, usw. hergestellten leitfähigen Substrat aufgebrachte photovoltaische Schicht umfassen, und solche photovoltaischen Elemente werden mittels einer Verkabelung miteinander verbunden.
Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm eines bekannten Solarzellenmoduls, das eine Vielzahl photovoltaischer Elemente umfasst, die seriell miteinander mittels Verkabelungsmaterialien verkabelt sind. In Fig. 4 steht das Bezugszeichen 400 für ein leitfähiges Substrät, das Bezugszeichen 401 für eine untere Elektrode, das Bezugszeichen 402-für eine Halbleiterschicht (photovoltaische Schicht), das Bezugszeichen 403 für eine obere Elektrode, das Bezugszeichen 404 für eine Sammelelektrode und das Bezugszeichen 405 für ein Verkabelungsmaterial, um benachbarte photovoltaische Elemente elektrisch miteinander zu verbinden.
Die japanischen Patentveröffentlichungen JP-A-55 107 276 und JP-A-58 048 973 schlagen ein Verfahren zum Integrieren einer Vielzahl von Solarzellelementen auf einem gemeinsamen isolierenden Substrat mit Hilfe von Maskenbedampfung oder dergleichen vor. Als eine Modifikation dieses Verfahrens ist ein Verfahren bekannt, in dem eine Isolierschicht auf die Oberfläche eines leitfähigen Substrats aufgetragen wird, die Metallelektrodenmuster nacheinander mit Hilfe von Maskenbedampfung oder dergleichen gebildet werden und die Metallelektrode mit der transparenten Elektrode bezüglich der benachbarten, auf dem gleichen Substrat angeordneten photovoltaischen Elemente (Subzellen) verbunden wird.
Fig. 5 ist ein schematisches Diagramm eines bekannten Solarzellenmoduls, das eine Vielzahl photovoltaischer Elemente umfasst, die auf einem gemeinsamen Substrat mit Hilfe von Maskenbedampfung integriert sind.
Fig. 5(a) ist eine Aufsicht dieses Solarzellenmoduls und
Fig. 5(b) ist eine schematische Querschnittsansicht, die entlang der Linie A-B des in Fig. 5(a) gezeigten Solarzellenmoduls genommen wurde.
In Fig. 5 steht das Bezugszeichen 500 für ein leitfähiges Substrat, das Bezugszeichen 501 für eine Isolierschicht, das Bezugszeichen 502 für eine untere Elektrode, das Bezugszeichen 503 für eine Halbleiterschicht (photovoltaische Schicht) und das Bezugszeichen 504 für eine transparente Elektrode als eine obere Elektrode.
Für das Verfahren des Verbindens einer Vielzahl photovoltaischer Elemente mit Hilfe der seriellen Verkabelung treten die Probleme auf, dass Zeit für die Verknüpfungsschritte benötigt wird und dass ein erhaltenes Produkt unvermeidlich teuer wird.
Wie vorstehend beschrieben wurde, ist ein Solarzellenmodul bekannt, das durch das Integrieren einer Vielzahl photovoltaischer Elemente gebildet wird, die jeweils auf einem isolierenden Substrat angeordnet sind. In diesem Fall wurde ein Verfahren zum Erreichen der Integration der photovoltaischen Elemente durch die Verwendung eines Laserstrahls vorgeschlagen.
Wenn jedoch die Laserstrahlbehandlung zum Integrieren von einer Vielzahl photovoltaischer Elemente verwendet wird, die jeweils mit einem leitfähigen Substrat wie einem Metall versehen sind, wird der Laserstrahl auf die leitfähige Elektrode (z. B. eine Metallelektrode) gestrahlt, die auf der auf dem leitfähigen Substrat angeordneten Isolierschicht gebildet ist, um dadurch die leitfähige Elektrode mit einem Muster zu versehen. In diesem Fall werden die Bereiche des leitfähigen Substrats, die unter den durch das Mustern zu entfernenden Bereichen der Metallelektrode liegen, oft derart miteinander verbunden, dass Kurzschlüsse zwischen der Metallelektrode und dem leitfähigen Substrat verursacht werden. Aus diesem Grund wird die Verknüpfung einer Vielzahl photovoltaischer Elemente (Subzellen) über eine serielle Verknüpfung auf einem gemeinsam leitfähigen Substrat zusätzlich erschwert.
Wenn die obere Elektrode und die untere Elektrode mit Hilfe eines Laserstrahls elektrisch verknüpft werden, werden ebenso häufig Kurzschlüsse zwischen dem leitfähigen Substrat, der oberen Elektrode und der unteren Elektrode verursacht.
So treten zahlreiche Problemen auf, die es zu lösen gilt, wenn eine Laserstrahlbehandlung für die Herstellung einer Solarzelle unter Verwendung eines leitfähigen Substrats eingesetzt wird.
Als eine Einrichtung zur Verhinderung des Auftretens der voranstehend erwähnten Kurzschlüsse in Bezug auf das leitfähige Substrat in der Laserstrahlbehandlung, wird ein Verfahren in Betracht gezogen, in dem die Isolierschicht so verdickt ist, dass sie einen Laserstrahl daran hindert, auf dem leitfähigen Substrat aufzutreffen. Jedoch ist es äußerst schwer, eine dicke Schicht auf einer großflächigen Oberfläche eines flexiblen Substrats in einem gleichförmigen und flachen Zustand zu bilden, ohne dass ein Ablösen der Schicht verursacht wird. Und es ist aufgrund der für eine Solarzelle erforderlichen Flexibilität nicht ratsam, eine dicke ein starres anorganisches Material umfassende Schicht auf der gesamten Oberfläche aufzutragen. Wenn zusätzlich die gesamte Oberfläche mit einer solchen dicken Schicht beschichtet ist, gibt es das Problem, dass leicht Sprünge auftreten können, und Kurzschlüsse unvermeidlich zwischen der Metallelektrode und dem leitfähigen Substrat verursacht werden, wenn solche Sprünge auftreten.
Angesichts des vorstehenden gibt es keine entscheidende Einrichtung, durch welche die vorstehenden Probleme des Stands der Technik effektiv gelöst werden können. Solche Probleme sind mit der Erwartung, dass sie in Zukunft gelöst werden, übrig geblieben.
Das Dokument JP-A-60 117 684 offenbart ein Herstellungsverfahren einer Solarzelle aus amorphen Silicium, wobei eine Maske verwendet wird, von deren Schichten mindestens eine mit einer Polymerschicht beschichtet ist, um den in einem Maskenverfahren erzeugten Fehler zu verringern und um Kurzschlüsse zwischen dem Substrat und den Elektroden zu verhindern.
Überdies offenbart das Dokument EP-A-0 103 168 eine Solarzelle gemäß der Präambel des Anspruchs 1.
Jedoch werden in Verbindung mit einer solchen Anordnung nach dem Stand der Technik oft Kurzschlüsse zwischen dem leitfähigen Substrat, der oberen Elektrode und der unteren Elektrode verursacht, wenn benachbarte photovoltaische Elemente miteinander durch das Verbinden der transparenten oberen Elektrode einer Zelle mit der unteren Elektrode einer benachbarten Zelle mittels eines Laserstrahls verbunden werden. Diese Kurzschlüsse zwischen der ersten Elektrodenschicht und dem leitfähigen Substrat resultieren in einer geringen Zuverlässigkeit der auf eine solche herkömmliche Weise hergestellten Solarzelle.
Deswegen ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Solarzelle und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Solarzelle bereitzustellen, welche die vorstehend erwähnten Nachteile nicht aufweist und deshalb in hohem Maße zuverlässig ist.
Aufgabe der Erfindung ist vor allem, die vorstehenden Probleme in den bekannten Solarzellen auszuschalten, die eine Vielzahl photovoltaischer Elemente (Subzellen) auf einem leitfähigen Substrat umfassen, und eine Solarzelle bereitzustellen, die den Anforderungen in Bezug auf die Wetterbeständigkeit, Stoßfestigkeit und Flexibilität genügt, welche eine gewünschte elektromotorische Kraft und Energieleistung bereitstellt, welche es ermöglicht, die Form wahlweise zu gestalten, und welche in Massenproduktion hergestellt werden kann.
Die Erfindung wurde durch die Erfinder als ein Ergebnis einer umfangreichen Untersuchung zum Lösen der Aufgabe erreicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Solarzelle gelöst, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, und durch ein Herstellungsverfahren einer Solarzelle, wie es in Anspruch 11 dargestellt ist. Vorteilhafte, zusätzliche Entwicklungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
In der erfindungsgemäß so aufgebauten Solarzelle wird überschüssige Energie des Laserstrahls, der bei der Verknüpfung einer Vielzahl photovoltaischer Elemente (Subzellen) zur Erlangung eines Solarzellenmoduls verwendet wird, durch die zweite Isolierschicht absorbiert, wenn die zweite Isolierschicht zwischen der ersten Isolierschicht und der ersten Elektrodenschicht auf dem leitfähigen Substrat angeordnet ist. Aus diesem Grund wird die erste Elektrodenschicht an der Verbindung zu dem leitfähigen Substrat gehindert, während sie durch die erste Isolierschicht durchgeführt wird, und als ein Ergebnis wird die erste Elektrodenschicht daran gehindert, mit dem leitfähigen Substrat kurzgeschlossen zu sein.
Die Solarzelle der Erfindung zeichnet sich durch Wetterbeständigkeit, Stoßfestigkeit und Flexibilität aus und stellt dauerhaft eine Energieerzeugungseinheit über einen langen Zeitraum, selbst unter schwierigen Umweltbedingungen, ohne Kurzschlüsse zu verursachen bereit, weil sie auf einem leitfähigen Substrat wie einem Metall oder dergleichen angeordnet ist.
Im Folgenden wird die Erfindung detaillierter unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erklärt.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel des erfindungsgemäßen Solarzellenaufbaus darstellt.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Diagramm, das die Herstellungsschritte der in Fig. 1 gezeigten Solarzelle durch das Integrieren einer Vielzahl photovoltaischer Elemente darstellt.
In den Fig. 1 und 2 bedeuten das Bezugszeichen 100 ein leitfähiges Substrat, das Bezugszeichen 101 eine erste Isolierschicht, das Bezugszeichen 102 eine zweite Isolierschicht, das Bezugszeichen 103 eine leitfähige Elektrode, die zum Beispiel ein Metall umfasst, das Bezugszeichen 104 eine Halbleiterschicht, das Bezugszeichen 105 eine transparente Elektrode, das Bezugszeichen 106 einen Bereich, der die zweite Isolierschicht 102 und die leitfähige Elektrode 103 einschließt und der durch die Bestrahlung mit einem Laserstrahl entfernt wird, das Bezugszeichen 107 einen entfernten Bereich der transparenten Elektrode 105, das Bezugszeichen 108 eine Sammelelektrode, das Bezugszeichen 109 einen elektrisch miteinander verknüpften Bereich inmitten der leitfähigen Elektrode 103, der Halbleiterschicht 104 und der transparenten Elektrode 105, der durch die Bestrahlung mit einem Laserstrahl gebildet wird, und Bezugszeichen 110 und 111 stehen beide für einen Laserstrahl.
Das Herstellungsverfahren für die in Fig. 1 gezeigte Solarzelle, die durch das Integrieren einer Vielzahl photovoltaischer Elemente auf einem leitfähigen Substrat erhalten wird, wird nun erklärt.
Zuerst wird eine erste Isolierschicht 101 auf einem leitfähigen -Substrat 100 gebildet, anschließend wird darauf eine zweite Isolierschicht 102 gebildet und eine Elektrodenschicht 103 wird gebildet. (Fig. 2(1))
Ein Teil der Elektrodenschicht 103 wird durch das Bestrahlen mit einem Laserstrahl 110 entfernt, um dadubch die Elektrodenschicht 103 zu teilen. Darauf folgend wird eine Halbleiterschicht 104 gebildet und es wird eine transparente Elektrodenschicht 105 gebildet. Danach wird ein Teil der transparenten Elektrodenschicht 105 entfernt, um einen Trennbereich 107 zu schaffen, durch den ein photovol taisches Element in eine Vielzahl photovoltaischer Elemente (Subzellen) geteilt ist. Anschließend wird eine Sammelelektrode 108 gebildet. (Fig. 2(2))
Um die benachbarten photovoltaischen Elemente (Subzellen) in Serie miteinander zu verbinden, wird mit einem Laserstrahl 111 bestrahlt, um die Sammelelektrodenschicht 108, die transparente Elektrodenschicht 105 und die Elektrodenschicht 103 miteinander zu verbinden. So wird eine Solarzelle erhalten, welche eine Vielzahl integrierter photovoltaischer Elemente umfasst. (Fig. 2(3))
Das Material, aus dem die erste Isolierschicht 101 zusammengesetzt ist, können die dargestellten anorganischen Materialien wie Siliciumoxid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, etc. sein. Die erste Isolierschicht ist wünschenswerterweise aus einem solchen Material zusammengesetzt, das keine organischen Komponenten enthält, mit denen leicht Verunreinigungen eingebracht werden und die leicht negative Auswirkungen auf die Halbleiterschicht und/oder Elektrodenschicht schaffen, die nach der Bildung der ersten Isolierschicht gebildet werden sollen.
Als ein Verfahren zur Bildung der ersten Isolierschicht kann ein herkömmliches Schichtausbildungsverfahren erläutert werden, das zur Bildung einer großen Fläche und einer einheitlichen Schicht fähig ist, wie ein Sputterverfahren, ein CVD-Verfahren (chemische Dampfphasen-Beschichtung, chemical vapor deposition), etc.
Die Dicke der ersten Isolierschicht liegt wünschenswerterweise im Bereich von 300 nm (3000 Å) bis 2 um unter Berücksichtigung der Funktion, das Auftreten von Kurzschlüssen zwischen dem leitfähigen Substrat und der Metallelektrode zu verhindern, der Flexibilität der Solarzelle, der Produktivität der Solarzelle und dergleichen.
Es ist wichtig, dass das Material, aus dem die zweite Isolierschicht der Erfindung zusammengesetzt ist, derart ist, dass es bei den anschließenden Schritten der Bildung der Halbleiterschicht und der transparenten Elektrodenschicht weder deformiert noch zerstört wird. Zusätzlich ist es wünschenswert, dass es eine Wärmebeständigkeitstemperatur von mehr als 150ºC besitzt.
Als das Material, das diesen Anforderungen genügt, können folgende dargestellt werden: Harzmaterialien aus Polyimid, Polyphenylensulfid, Polyphenylenoxid, Polyamidimid, Polyesterimid, Polybenzimidazol, Silikon, Epoxidharz, etc., und Sintermaterialien wie Glaspaste. Diese Materialien können mit Hilfe eines Farbstoffes so gefärbt sein, dass sie effektiv den zur Herstellung der Solarzelle der Erfindung verwendeten Laserstrahl absorbieren. Als solche Farbstoffe können in diesem Fall folgende Pigmente erläutert werden: amorpher Ruß, Al&sub2;O&sub3;, Kupferoxid, Mangandioxid, Cobaltoxid, Chromoxid, (Cr, Fe)203-Mischkristall vom α-Al&sub2;O&sub3;-Typ, Spinelmischkristall des (Co, Ni) O (Cr, Fe)&sub2;O&sub3;-Systems, CoO·nAl&sub2;O&sub3;- Spinel, (Co, Zn)O-nAl&sub2;O&sub3;-Spinel, 2 (Co, Zn)O·SiO&sub2;-Mischkristall vom Uremit-Typ, etc.
Wenn die zweite Isolierschicht gebildet wird, ist es erforderlich, die zweite Isolierschicht so zu bilden, dass sie mit einer Funktion versehen wird, die das Auftreten von Kurzschlüssen aufgrund der Bestrahlung mit dem zur Herstellung der Solarzelle der Erfindung verwendeten Laserstrahl verhindert. Aus diesem Grund wird die zweite Isolierschicht wünschenswerterweise in einer Dicke von 10 bis 50 um durch ein geeigneten Verfahren gebildet, das es ermöglicht, die zweite Isolierschicht präzise an einer vorbestimmten Position zu bilden. Genauer gesagt, kann als ein Verfahren zur Bildung der zweiten Isolierschicht mittels eines anorganischen Materials ein Verfahren, in dem eine Lösung eines Metallalkoholats, einer Silanolverbindung oder eines Metallalkylats aufgetragen wird und das Resultat einer Wärmebehandlung unterworfen wird, und ein Beschichtungsverfahren, in dem eine Paste durch Dispergierung von feinen Partikeln des verwendeten anorganischen Materials in einem Harz erhalten wird, erläutert werden. Ähnlich zu dem Fall, in dem ein Harzmaterial verwendet wird, kann ein Verfahren erläutert werden, in dem eine pastenartige Harzlösung in einem vorbestimmten Muster mittels einer Siebdruckeinrichtung oder eines Spenders aufgetragen wird, das Resultat einer Wärmebehandlung unterworfen wird und von einer Trocknung gefolgt wird.
Für die Dicke der zweiten Isolierschicht ist es erforderlich, eine solche Dicke aufzuweisen, dass überschüssige Energie des Laserstrahls effektiv durch die zweite Isolierschicht absorbiert wird, um dadurch die erste Isolierschicht und das unter der zweiten Isolierschicht angeordnete leitfähige Substrat zu schützen. Genauer gesagt ist es wünschenswert, dass sie in einem Bereich von 10 bis 50 um liegt. Die Elektrodenschicht kann genau genommen durch ein Bedampfungsverfahren mittels Widerstandserhitzung, ein Bedampfungsverfahren mittels Elektronenstrahl, ein Sputterverfahren, ein CVD-Verfahren oder ein Fremdatom- Diffusionsverfahren gebildet werden.
Um die Solarzelle der Erfindung durch Integrierung einer Vielzahl photovoltaischer Elemente (Subzellen) herzustellen, wird eine geeignete Laserbearbeitungsvorrichtung verwendet. Repräsentative Beispiele der Lichtquelle der Laserbearbeitungsvorrichtung sind ein Nd : YAG-Laser und ein Excimerlaser. Die eine solche Laserlichtquelle einzusetzende Laserbehandlungsvorrichtung wird mit einem Oszillator, einer optischen Einheit und einem Autofokusmechanismus ausgestattet.
Nachstehend wird die Erfindung detaillierter unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt.

Beispiel 1

Eine Erklärung wird anhand eines Beispiels der Solarzelle, die eine Vielzahl auf einem leitfähigen Substrat integrierter photovoltaischer Elemente aus amorphem Silicium umfasst, unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 durchgeführt.
Die Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel der erfindungsgemäßen Solarzelle darstellt. In diesem Beispiel wurde eine Edelstahlschicht als das leitfähige Substrat 100, Siliciumnitrid als die erste Isolierschicht 101, Polyimidharz als die zweite Isolierschicht 102, Aluminium als die Elektrodenschicht 103, eine Schicht mit pin-Übergang aus amorphen Silicium als die Halbleiterschicht 104, In&sub2;O&sub3;-SnO&sub2; (ITO) als die transparente Elektrodenschicht 105 und Silberpaste als die Sammelelektrode verwendet. Weiterhin wurde in diesem Beispiel ein YAG-Laser für die Laserbehandlung verwendet.
Nachfolgend werden die Herstellungsschritte der vorangehenden Solarzelle unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. Zuerst wurde ein 0,15 mm dickes Edelstahlsubstrat 100 mit einer Grundfläche als das leitfähige Substrat gut gereinigt. Auf der Oberfläche dieses Substrats wurde ein 2 um dicke Siliciumnitridschicht als die erste Isolierschicht 101 durch ein Plasma-CVD-Verfahren unter Verwendung von SiH&sub4;-Gas und NH&sub3;-Gas aufgetragen. Danach wurde ein Polyimidharz verwendet, um die zweite Isolierschicht 102 zu bilden. Genauer gesagt wurde die Bildung der zweiten Isolierschicht 102 folgendermaßen durchgeführt. Das heißt, das lichtempfindliche Harz wurde auf eine Metallnetzplatte aufgetragen und das Resultat einer Musterbelichtung und einer Entwicklung unterworfen. Unlösliche Anteile wurden entfernt, um eine Druckplatte zu erhalten. Dann wurde unter Verwendung der erhaltenen Druckplatte Polyimid PIX-3500 (Markenname), das von Hitachi Chemical Co., Ltd. hergestellt wurde, als Polyimidharz mittels Siebdruck in einer vorbestimmten, gemusterten Form aufgetragen, was von einer Wärmebehandlung bei 90ºC für eine Stunde und bei 350ºC für 30 Minuten gefolgt wurde, um dadurch das Polyimidharz zu härten, wodurch eine 15 um dicke zweite Isolierschicht gebildet wurde.
Danach wurde Aluminium durch ein Sputterverfahren bedampft, um eine 500 nm (5000 Å) dicke Al-Schicht als die Elektrodenschicht 103 zu bilden. Mit einem YAG-Laser wurde ein Teil der Aluminiumelektrodenschicht 103 (siehe Fig. 2(1)) bestrahlt, um die Elektrodenschicht 103 in viele Teile zu teilen. In diesem Fall wurde als YAG-Laser ein Güteschaltungs-Impulslaser mit einer Frequenz von 4 KHz verwendet, wobei die mittlere Laserenergie auf 0,4 W und die Abtastgeschwindigkeit auf 100 mm/sec eingestellt wurde.
Das Edelstahlsubstrat mit der ersten Isolierschicht, der zweiten Isolierschicht und der darauf gebildeten Elektrodenschicht 103 wurde auf eine kapazitiv gekoppelte Schichtausbildungsvorrichtung mit einer Glühentladung übertragen, wobei eine Halbleiterschicht mit pin-Übergang 104 aus amorphem Silicium durch ein Glühentladungszersetzungsverfahren unter den in Tabelle 1 gezeigten Bedingungen gebildet wurde. Tabelle 1
Dann wurde auf der Halbleiterschicht 104 ein 80 nm (800 Å) dicker ITO-Schicht als die transparente Elektrodenschicht durch ein Bedampfungsverfahren mit Widerstandsbeheizung gebildet.
Danach wurde ein Teil der transparenten Elektrodenschicht 105 mittels Siebdruck mit einem Ätzmittel entfernt, welches ein pastenähnliches Material umfasste, das durch das Mischen von FeCl2, HCl, Ethylenglykol und Stärke auf der transparenten Elektrodenschicht 105 erhalten wurde, um dadurch einen Trennbereich zu bilden, durch den eine Zelle in eine Vielzahl von Subzellen unterteilt wurde. Auf der transparenten Elektrodenschicht 105 wurde eine Silberpaste (Markenname: Nr. 5007, hergestellt von Du Pont Company) mit einer Dicke von 20 um mittels Siebdruck aufgetragen, um dadurch die Sammelelektrode 108 zu bilden. (siehe Fig. 2(2)) Um die photovoltaischen Elemente (Subzellen) in Serie zu verbinden, wurde mit einem YAG-Laser die Sammelelektrode 108 bestrahlt, um dadurch die Sammelelektrode 108, die transparente Elektrodenschicht 105 (die ITO umfasst), die Halbleiterschicht 104 und die Metallelektrodenschicht 103 zu verschmelzen, um eine elektrische Verbindung zwischen der Sammelelektrode 108, der transparenten Elektrodenschicht 105 (die lTO umfasst) und der Metallelektrodenschicht 103 zu erreichen, wodurch eine Solarzelle aus amorphem Silicium integriert wurde, die eine Vielzahl photovoltaischer Elemente (Subzellen) umfasste. In diesem Fall wurde als YAG-Laser der gleiche verwendet, wie er zur Teilung der Metallelektrodenschicht 103 verwendet wurde, wobei die mittlere Laserenergie auf 0,9 W eingestellt wurde. In diesem Beispiel wurde die Sammelelektrode gebildet. Aber dies kann ausgelassen werden, wenn die Breite einer jeden Subzelle schmal ist, d. h. die Breite der transparenten Elektrodenschicht schmal ist und der Widerstandswert der transparenten Elektrodenschicht vernachlässigt werden kann. Zusätzlich war in diesem Beispiel die Halbleiterschicht mit pin-Übergang 104 aus einer Einzelschicht aus amorphem Silicium aufgebaut, aber sie kann aus einer Vielschichtenstruktur sein, die z. B. pin/pin, pin/pin/pin, oder dergleichen umfasst, wobei amorphes Siliciumcarbid oder amorphes Silicium/Germanium verwendet werden kann.
Für die resultierende Solarzelle, die zwei in Serie integrierte, photovoltaische Elemente mit pin-Übergang (Subzellen) umfasst, wurde ihre Strom-Spannungs-Charakteristik (I-V) unter Bestrahlung mit AM-1-Licht (100 mW/cm²) beobachtet. Die erhaltenen Ergebnisse sind gemeinsam durch die Linie a in Fig. 3 gezeigt. Aus der I-V-Charakteristik ist ersichtlich, dass die Leerlaufspannung (open circuit voltage, V00) 1, 7 V beträgt. Dies kennzeichnet die Vor, die bereitgestellt wird, wenn zwei Subzellen in Serie integriert sind. Deshalb ist ersichtlich, dass kein Kurzschluss zu dem Zeitpunkt, als solche Subzellen integriert waren, aufgetreten war.
Zusätzlich wurde die in diesem Beispiel erhaltenen Solarzellen- unter Verwendung eines Solarsimulators mit einem dem AM-I-Licht angenäherten Spektrum ausgewertet. Als ein Ergebnis, zeigt sie einen ausgezeichneten photoelektrischen Umsatzwirkungsgrad von 8,2%.

Beispiel 2

Die Verfahrensschritte aus Beispiel 1 wurden wiederholt, außer dass Silikonharz bei der Bildung der zweiten Isolierschicht 102 verwendet wurde, um dadurch eine Solarzelle des gleichen Aufbaus, wie von der aus Beispiel 1, zu erhalten.
Insbesondere wurde die Bildung der zweiten Isolierschicht durch die Auftragung eines wärmebeständigen Silikonharzes (Markenname: TSE 326, hergestellt von Toshiba Silicone Company) mit einer Dicke von 30 um durch einen Farbstoffspender durchgeführt, gefolgt von einer Hitzebehandlung bei 150ºC für eine Stunde.
Für die resultierende Solarzelle, welche zwei photovoltaische Elemente (Subzellen) umfasste, die wie in Beispiel 1 in Serie integriert waren, wurde die Strom-Spannungs- Charakteristik auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 beobachtet. Als ein Ergebnis ist ersichtlich, dass die Solarzelle auch in diesem Beispiel keine Kurzschlüsse aufweist.
Es wurde gefunden, dass die unter Verwendung des Silikonharzes zur Bildung ihrer zweiten Isolierschicht erhaltene Solarzelle in diesem Beispiel sich in der Biegefestigkeit auszeichnet und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.

Beispiel 3

Die Verfahrensschritte aus Beispiel 1 wurden wiederholt, außer dass Siliciumoxid unter Verwendung einer Silanolverbindung als das Ausgangsmaterial in der Bildung der zweiten Isolierschicht 102 gebildet wurde, um dadurch eine Solarzelle mit dem gleichen Aufbau, wie von der aus Beispiel 1, zu erhalten.
Insbesondere wurde die Bildung der zweiten Isolierschicht folgendermaßen durchgeführt. Das heißt, ein Material, welches durch das Beimengen von 3 Gew.-% eines (Co,Ni)O(Cr,Fe)&sub2;O&sub3;- Spinelmischkristalls zu einer Silanolverbindung (Markenname: OCD Typ-785R, hergestellt von Tokyo Ohka Kabushiki Kaisha) erhalten wurde, wurde mittels eines Tintenspenders aufgetragen, gefolgt von einer Wärmebehandlung bei 150ºC für 30 Minuten, bei 300ºC für 30 Minuten und bei 420ºC für 30 Minuten, um dadurch eine 10 jun dicke Siliciumoxidschicht zu bilden.
Für die resultierende Solarzelle, welche zwei photovoltaische Elemente (Subzellen) umfasste, die wie in Beispiel 1 in Serie integriert waren, wurde die Strom-Spannungs- Charakteristik auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 beobachtet. Als ein Ergebnis ist ersichtlich, dass auch in diesem Beispiel die Solarzelle keine Kurzschlüsse aufweist. Da die zweite Isolierschicht aus Siliciumoxid aufgebaut war, das aus der Silanolverbindung erhalten wurde, war in diesem Beispiel zusätzlich die in dem Bildungsschritt der Schicht aus amorphen Silicium freigesetzte Gasmenge niedrig und aus diesem Grund war die resultierende Schicht aus amorphen Silicium von hoher Qualität. Und die resultierende Solarzelle wies einen verbesserten photoelektrischen Umsatzwirkungsgrad auf.

Beispiel 4

Die Verfahrensschritte aus Beispiel 1 wurden wiederholt, außer dass die zweite Isolierschicht 102 unter Verwendung eines Epoxidharzes, in dem Glaskügelchen dispergiert waren, gebildet wurde, um dadurch eine Solarzelle mit dem gleichen Aufbau, wie von der aus Beispiel 1, zu erhalten.
Insbesondere wurde die Bildung der zweiten Isolierschicht folgendermaßen durchgeführt. Das heißt, eine durch das Beimengen von 5 Gew.-% Glaskügelchen mit einem Durchmesser von 7 um zu einem mit Epoxidharz gemischten Harz (Markenname: 2068 K, hergestellt von Three Bond Company) erhaltene Paste wurde mit einer Dicke von 15 um siebgedruckt, gefolgt von einer Wärmebehandlung bei 150ºC für 30 Minuten, um dadurch eine Isolierschicht zu bilden.
Für die resultierende Solarzelle, die zwei photovoltaische Elemente (Subzellen) umfasste, die wie in Beispiel 1 in Serie integriert waren, wurde die Strom-Spannungs-Charakteristik auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 beobachtet. Als ein Ergebnis ist ersichtlich, dass die Solarzelle auch in diesem Beispiel keinen Kurzschluss aufweist.
Zusätzlich wurde in diesem Beispiel die zweite Isolierschicht unter Verwendung des Epoxidharzes gebildet, in dem Glaskügelchen dispergiert waren. Aus diesem Grund kann die Solarzelle, die eine Vielzahl auf einem leitfähigen Substrat gebildeter, photovoltaischer Elemente umfasst, mit verringerten Herstellungskosten bereitgestellt werden.

Beispiel 5

Es wurde eine 0,2 mm dicke Aluminiumfolie als das leitfähige Substrat 100 verwendet. Auf diesem Substrat wurde zuerst eine Siliciumoxidschicht als die erste Isolierschicht 101 durch ein Plasma-CVD-Verfahren unter Verwendung von Tetraethoxysilan und O&sub2;-Gas gebildet.
Nachfolgend wurde eine Glaspaste PLS-2401 (Markenname, hergestellt durch Nippon Denki Glass Company, Zusammensetzung: PbO-B&sub2;O&sub3;-SiO&sub2;) auf die erste Isolierschicht 101 in einer vorbestimmten, gemusterten Form mittels Siebdruck aufgetragen, gefolgt von einer Trocknung bei 150ºC für 10 Minuten und einer Unterwerfung eines Sintervorgangs bei 550ºC für 10 Minuten, um dadurch eine zweite Isolierschicht 102 zu bilden.
Dann wurde eine 500 nm (5000 Å) dicke Mo-Schicht als die Metallelektrode 103 durch ein Bedampfungsverfahren mit einem Elektronenstrahl gebildet. Mit einem YAG-Laser 110 wurde ein Teil der Metallelektrode, unter der die zweite Isolierschicht 102 angeordnet war, bestrahlt, um die Metallelektrode 103 in viele Teile zu teilen. (siehe Fig. 2(1)) Es wurden anschließend eine 200 nm (2000 Å) dicke Cu-Schicht beziehungsweise eine 400 nm (4000 Å) dicke In-Schicht durch ein Beda~pfungsverfahren mit einem Elektronenstrahl gebildet. Das Resultat wurde mit H&sub2;Se-Dampf behandelt, gefolgt voneiner Hitzebehandlung bei 400ºC in einer Stickstoffatmosphäre. Danach wurde eine 50 nm (500 Å) dicke CdS-Schicht durch ein Sputterverfahren abgeschieden. So wurde eine Halbleiterschicht 104 gebildet. Eine 70 nm (700 Å) dicke ZnO-Schicht wurde dann als die transparente Elektrodenschicht 105 durch ein Sputterverfahren gebildet. Die restlichen Schritte folgen dem Beispiel 1. So wurde eine Kupfer/Indiumselenid-Solarzelle erhalten, die eine Vielzahl photovoltaischer Elemente (Subzellen) umfasst, welche integriert sind.
Für die resultierende Solarzelle, die zwei in Serie integrierte photovoltaische Elemente (Subzellen) rumfasste, wurde die Strom-Spannungs-Charakteristik auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 beobachtet. Als ein Ergebnis betrug der Wert der Leerlaufspannung (Voc) 1,0 V. Dies kennzeichnet die Vor, die in dem Fall bereitgestellt wird, in dem zwei Subzellen in Serie integriert sind. So ist ersichtlich, dass zu dem Zeitpunkt, bei dem diese Subzellen integriert waren, kein Kurzschluss auftrat.
Es ist selbstverständlich, dass die Erfindung nicht durch das vorstehende Beispiel beschränkt ist. Zum Beispiel kann die in Fig. 1 gezeigte Halbleiterschicht 104 jeden anderen Verbindungshalbleiter oder Halbleiter mit pn-Übergang aus polykristallinem Silicium als den CuInSe&sub2;/CdS umfassen. Wenn der Halbleiter mit pn-Übergang aus polykristallinem Silicium verwendet wird, kann eine mit einem Fremdatom in einer hohen Konzentration dotierte Schicht als die transparente Elektrode dienen, und es ist möglich, die transparente Elektrode 105 wegzulassen.

Vergleichsbeispiel 1

Die Verfahrensschritte aus Beispiel 1 wurden wiederholt, außer dass keine zweite Isolierschicht gebildet wurde, um dadurch eine Solarzelle aus amorphem Silicium zu erhalten.
Für die resultierende Solarzelle, die zwei in Serie integrierte photovoltaische Elemente mit pin-Übergang (Subzellen) umfasst, wurde die Strom-Spannungs-Charakteristik (I-V) unter der Bestrahlung mit AM-1-Licht (100 mW/cm²) beobachtet. Die Ergebnisse wurden gemeinsam durch die Linie b in Fig. 3 gezeigt. Aus der I-V-Charakteristik ist ersichtlich, dass die Leerlaufspannung (Vor) der in diesem Vergleichsbeispiel erhaltenen Solarzelle merklich unterschiedlich zu dem Wert 1,7 V ist, der für den Fall der Bereitstellung der Integrierung von zwei Solarzellenelementen in Serie erwartet wurde. So ist ersichtlich, dass zu dem Zeitpunkt, bei dem diese Elemente integriert waren, Kurzschlüsse auftraten.
Zusätzlich wurde die in diesem Vergleichsbeispiel erhaltene Solarzelle unter Verwendung des gleichen Solarsimulators bewertet, wie er in Beispiel 1 verwendet wurde. Als ein Ergebnis weist sie einen photoelektrischen Umsatzwirkungsgrad von 3, 3% auf, der merklich geringer als der in Beispiel 1 erhaltene ist.

Vergleichsbeispiel 2

Die Verfahrensschritte aus Beispiel 5 wurden wiederholt, außer dass keine zweite Isolierschicht gebildet wurde, um dadurch eine Kupfer/Indiumselenid-Solarzelle zu erhalten. Für die resultierende Solarzelle, die zwei in Serie integrierte photovoltaische Elemente (Subzellen) umfasste, wurde die Strom-Spannungs-Charakteristik (I-V) auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 beobachtet. Aus der I-V-Charakteristik wurde gefunden, dass die Leerlaufspannung (Vor) der in diesem Vergleichsbeispiel erhaltenen Solarzelle 0,5 V betrug. So ist ersichtlich, dass die Leerlaufspannung (Vor) merklich geringer als diejenige ist, die erhalten wurde,
- wenn kein Kurzschluss existierte. Und es ist ersichtlich, dass die Kurzschlüsse zu dem Zeitpunkt auftraten, bei dem diese Elemente integriert waren.
Wie aus den Ergebnissen in den vorangehenden Beispielen und Vergleichsbeispielen ersichtlich ist, ist es verständlich, dass in der erfindungsgemäßen Solarzelle, die mit der zweiten Isolierschicht zwischen der ersten Isolierschicht und der Metallelektrode bereitgestellt ist, eine Vielzahl photovoltaischer Elemente wünschenswerterweise auf einem gemeinsamen leitfähigen Substrat ohne dem Auftreten von Kurzschlüssen zwischen der Metallelektrodenschicht und dem leitfähigen Substrat integriert werden können, wenn überschüssige Energie des zur Herstellung der Solarzelle verwendeten Laserstrahls effektiv durch die zweite Isolierschicht absorbiert wird.
Aus diesem Grund kann die erfindungsgemäße Solarzelle so gestaltet sein, dass sie eine gewünschte elektromotorische Kraft und eine gewünschte Energiekapazität bereitstellen kann.
Zudem, wenn die erfindungsgemäße Solarzelle mit der aus einem ausgewählten, speziellen Material zusammengesetzten ersten Isolierschicht und der aus einem ausgewählten, speziellen Material zusammengesetzten zweiten Isolierschicht bereitgestellt ist, zeichnet sie sich durch Wetterbeständigkeit, Schlagfestigkeit und Flexibilität aus, und sie stellt über einen langen Zeitraum stabil eine Energieerzeugungsvorrichtung, selbst unter schweren Umweltbedingungen, bereit.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Beispiels der erfindungsgemäßen Solarzelle.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Diagramm, das die typischen Herstellungsschritte der erfindungsgemäßen Solarzellen aufzeigt.
Fig. 3 zeigt einen Graph, der die I-V-Charakteristiken aufzeigt, die unter Lichtbestrahlung in Bezug auf jede der Solarzellen bezüglich dem Bereitstellen zweier in Serie integrierter photovoltaischer Elemente, erhalten wird. Die Fig. 4 und 5 sind schematische Diagramme bezüglich der bekannten Solarzelle, in der ein leitfähiges Substrat verwendet wird.

Claims

1. Solarzelle, die eine Vielzahl photovoltaischer Elemente umfasst, die auf einem gemeinsamen leitfähigen Substrat (100) seriell elektrisch miteinander verbunden sind, wobei

jedes der photovoltaischen Elemente eine erste Isolierschicht (101), eine leitfähige Elektrodenschicht (103), eine Halbleiterschicht (104) und eine transparente Elektrodenschicht (105) umfasst, die in dieser Reihenfolge auf dem gemeinsamen leitfähigen Substrat (100) laminiert sind, und

jedes Paar benachbarter photovoltaischer Elemente durch ein elektrisches Verbinden der leitfähigen Elektrodenschicht (103) eines benachbarten photovoltaischen Elements mit der transparenten Elektrodenschicht (105) des anderen benachbarten photovoltaischen Elements seriell elektrisch miteinander verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

eine zweite Isolierschicht (102) mit einer Hitzebeständigkeitstemperatur von mehr als 150ºC und einer Dicke von 10 bis 50 um in einer vorbestimmten, gemusterten Form auf der ersten Isolierschicht (101) und tnterhalb der leitfähigen Elektrodenschicht (103) angeordnet ist, wobei die leitfähige Elektrodenschicht (103) und die zweite Isolierschicht (102) durch das Entfernen eines Teils (106) von diesen in zwei Bereiche unterteilt sind;

der entfernte Teil (106) zwischen den zwei Bereichen mit den entsprechenden Teilen der Halbleiterschicht (104) und der transparenten Elektrodenschicht (105) aufgefüllt ist;

ein elektrisch verbundener Bereich (109) unter der leitfähigen Elektrodenschicht (103), der Halbleiterschicht (104) und der transparenten Elektrodenschicht (105) die serielle elektrische Verbindung zwischen benachbarten photovoltaischen Elementen sicherstellt, und die zweite Isolierschicht (102) in einer dem elektrisch verbundenen Bereich (109) entsprechenden Region angeordnet ist.

2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Isolierschicht (101) eine Dicke von 300 nm bis 2 um aufweist.

3. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Isolierschicht (101) aus einem anorganischen Material zusammengesetzt ist.

4. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Isolierschicht (102) aus einem Harz zusammengesetzt ist.

5. Solarzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Isolierschicht (102) aus einem Polyimidharz zusammengesetzt ist.

6. Solarzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Isolierschicht (102) aus einem Siliconharz zusammengesetzt ist.

7. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Isolierschicht (102) aus Siliciumoxid, das aus einer Silanolverbindung erhalten wird, zusammengesetzt ist.

8. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Isolierschicht (102) aus einem Epoxidharz, in das Glaskügelchen dispergiert sind, zusammengesetzt ist.

9. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Isolierschicht (102) aus einem Glas, das aus einer Glaspaste erhalten wird, zusammengesetzt ist.

10. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Isolierschicht (102) ein anorganisches Pigment, amorphen Ruß oder Aluminiumoxid, die einen Laserstrahl absorbieren können, enthält.

11. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, die eine Vielzahl photovoltaischer Elemente umfasst, die auf einem gemeinsamen leitfähigen Substrat (100) seriell elektrisch miteinander verbunden sind, welches die folgenden Schritte umfasst:

Bilden einer ersten Isolierschicht (101), einer zweiten Isolierschicht (102) in einer vorbestimmten, gemusterten Form und einer leitfähigen Elektrodenschicht (103) in dieser Reihenfolge auf dem leitfähigen Substrat (100), wobei die zweite Isolierschicht (102) eine Hitzebeständigkeitstemperatur von mehr als 150ºC und eine Dicke von 10 bis 50 um aufweist;

Entfernen eines Bereichs (106) der zweiten Isolierschicht (102) und der leitfähigen Elektrodenschicht (103) durch Bestrahlung mit einem Laserstrahl;

Bilden einer Halbleiterschicht (104) und einer transparenten Elektrodenschicht (105) auf der leitfähigen Elektrodenschicht (103) und in dem entfernten Bereich (106);

Entfernen eines Bereichs (107) der transparenten Elektrodenschicht (105), um die Vielzahl photovoltaischer Elemente zu bilden; und

serielles elektrisches Verbinden eines jeden Paares benachbarter photovoltaischer Elemente durch das elektrische Verbinden mittels Bestrahlung mit einem Laserstrahl der leitfähigen Elektrodenschicht (103) des einen benachbarten photovoltaischen Elements mit der transparenten Elektrodenschicht (105) des anderen benachbarten photovoltaischen Elements durch die Halbleiterschicht (104) hindurch in einer Region (109), die dem Teil der nach dem Entfernen verbleibenden zweiten Isolierschicht (102) entspricht.

12. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich eine Sammelelektrode (108) umfasst, die auf der transparenten Elektrodenschicht (105) in einer Region angeordnet ist, die dem entfernten Teil (106) und den beiden Bereichen der leitfähigen Elektrodenschicht (103) und der zweiten Isolierschicht (102) entspricht.