JP2001267613A

JP2001267613A - 集積型薄膜太陽電池とその製造方法

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Publication number: JP2001267613A
Application number: JP2000075663A
Authority: JP
Inventors: Toshinobu Nakada; 年信中田; Akihiko Nakajima; 昭彦中島
Original assignee: Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2001-09-28

Abstract

(57)【要約】【課題】少なくとも一の結晶質光電変換ユニット層を
含む集積型薄膜太陽電池において、その集積化に伴う受
光面積当りの変換効率の低下を最小限にする。【解決手段】透明絶縁基板１上に積層された透明電極
層２、少なくとも一の結晶質シリコン系光電変換ユニッ
ト層３、および裏面電極層４が複数の光電変換セルを形
成するように分離溝２ａ，４ａによって分離されてい
て、それらのセルが直列接続された集積型薄膜太陽電池
であって、裏面電極層４を複数の裏面電極に分離するた
めの裏面電極分離溝４ａは透明基板側からスクライブ用
レーザビームを照射して光電変換ユニット層３の所定領
域と同時に裏面電極層４の所定領域を吹き飛ばすことに
よって形成されたものであり、裏面電極分離溝４ａの領
域内で露出された透明電極層２の金属学顕微鏡による観
察において、透明電極層２の熱損傷を表わす変色または
剥離を生じている面積割合が２％以上で１０％未満の範
囲内にある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は集積型薄膜太陽電池
の性能改善に関し、特に、少なくとも一の結晶質シリコ
ン系光電変換ユニット層を含む集積型薄膜太陽電池の性
能改善に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体薄膜太陽電池は、一般に、少なく
とも表面が絶縁性の基板上に順次積層された第１電極、
１以上の半導体光電変換ユニット、および第２電極を含
んでいる。そして、１つの光電変換ユニットは、ｐ型層
とｎ型層でサンドイッチされたｉ型層を含んでいる。光
電変換ユニットの厚さの大部分を占めるｉ型層は実質的
に真性の半導体層であって、光電変換作用は主としてこ
のｉ型層内で生じる。

【０００３】したがって、光電変換ユニットは、それに
含まれるｐ型とｎ型の導電型層が非晶質か結晶質かにか
かわらず、ｉ型の光電変換層が非晶質のものは非晶質ユ
ニットと称され、ｉ型層が結晶質のものは結晶質ユニッ
トと称される。なお、本願明細書内で、「結晶質」の用
語は、薄膜太陽電池の技術分野で一般に用いられている
ように、部分的に非晶質状態を含むものをも意味するも
のとする。

【０００４】他方、ｐ型やｎ型の導電型層は光電変換ユ
ニット内に拡散電位を生じさせる役割を果たし、その拡
散電位の大きさによって薄膜太陽電池の重要な特性の１
つである開放端電圧の値も左右される。しかし、これら
の導電型層は光電変換に直接寄与しない不活性な層であ
り、導電型層にドープされた不純物によって吸収される
光は発電に寄与しない損失となる。したがって、導電型
層は、必要な拡散電位を生じさせることを前提として、
できるだけ薄くすることが望まれる。

【０００５】ここで、結晶質ｉ型層は非晶質ｉ型層に比
べて長波長の光まで吸収することができ、結晶質薄膜光
電変換ユニットは非晶質薄膜光電変換ユニットに比べて
長波長の光をも光電変換に利用し得るという利点を有し
ている。

【０００６】しかし、非晶質薄膜光電変換ユニットに含
まれる非晶質ｉ型光電変換層の厚さは一般に約０．２５
μｍ以下でも十分であるのに対して、結晶質シリコンの
光吸収係数を考えれば、結晶質薄膜光電変換ユニットが
単独で用いられる場合にはそれに含まれる結晶質ｉ型光
電変換層は一般に約２．５μｍ以上の厚さが望まれる。
すなわち、結晶質薄膜光電変換ユニットに含まれる結晶
質ｉ型光電変換層は、非晶質薄膜光電変換ユニットに含
まれる非晶質ｉ型光電変換層の約１０倍程度以上の厚さ
が望まれる。

【０００７】そこで、特開平１１−１４５４９９は、従
来１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）以下の圧力下で行なわれて
いたプラズマＣＶＤによる結晶質ｉ型光電変換層の堆積
を４００Ｐａ（３Ｔｏｒｒ）以上の高い圧力下でシラン
系ガスに対する水素ガスの流量比を５０倍以上に大きく
した状態で行なうことによって、高品質の結晶質ｉ型光
電変換層が高速度で堆積され得ることを開示している。

【０００８】ところで、薄膜太陽電池の製造において
は、ＣＶＤ法やスパッタリングなどによる薄膜の堆積ス
テップとレーザスクライブ法などによるパターニングス
テップの適宜の繰返しや組合せを含む製造プロセスによ
って所望の構造が形成される。すなわち、通常は１枚の
絶縁基板上に複数の光電変換セルが電気的に直列接続さ
れた集積型構造が採用され、屋外用途のための電力用太
陽電池では、たとえば４５ｃｍ×９０ｃｍのような大面
積の基板が用いられ、高い出力電圧を生じ得る装置にさ
れる。

【０００９】図１は、集積型薄膜太陽電池の典型的な一
例の構造を模式的な断面図で示している。なおこの図に
おいて、厚さや長さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡
略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を
表わしてはいない。特に、半導体層などの種々の層の厚
さは誇張されて示されているが、それらの実際の厚さは
いずれも数μｍ以下の非常に薄いものである。この図１
の集積型薄膜太陽電池においては、透明絶縁基板１上に
透明電極層２、シリコンなどからなる半導体光電変換ユ
ニット層３、および裏面電極層４が順次積層されてお
り、パターニングによって半導体層３を貫通して設けら
れた接続用開口溝３ａを介して、互いに左右に隣接し合
う光電変換セルが電気的に直列接続されている。

【００１０】透明電極層２としては、一般に酸化錫、イ
ンジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、酸化亜鉛などの透明導電
性酸化物（ＴＣＯ）の膜またはこれらの積層が用いられ
得る。また、裏面電極層４としては、良好な導電性と光
反射性を備えたＡｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒなどの金属また
はこれらの積層が用いられ得る。なお、裏面電極層４
は、ＴＣＯ膜と金属膜の積層として形成されてもよい。

【００１１】図１に示されているような構造を有する集
積型薄膜太陽電池は、一般に次のような方法によって作
製される。まず、ガラス基板１上にＴＣＯ膜が透明電極
層２として堆積され、その透明電極層２を複数の短冊状
の光電変換セルに対応する複数の領域に分離するため
に、レーザビームを照射するレーザスクライブ法によっ
て透明電極分離溝２ａが形成される。すなわち、これら
の透明電極分離溝２ａは、図１の紙面に直交する方向に
直線状に延びている。

【００１２】そして、複数の領域に分離された透明電極
層２を覆うように、プラズマＣＶＤ法を用いて、ｐｉｎ
接合を含むシリコン系半導体光電変換ユニット層３が堆
積される。この半導体層３には、左右に隣接する光電変
換セルを電気的に直列接続するための接続用開口溝３ａ
がレーザスクライブによって形成される。これらの接続
用溝３ａも、図１の紙面に直交する方向に直線状に延び
ている。

【００１３】続いて、これらの接続用溝３ａを埋めかつ
半導体層３を覆うように、金属膜の単層または複層が裏
面電極層４として堆積される。透明電極層２の場合と同
様に、裏面電極層４を複数の光電変換セルに対応する複
数の領域に分離するように、裏面電極分離溝４ａがレー
ザスクライブによって形成される。このとき、光反射性
の金属膜に直接レーザビームエネルギーを吸収させて裏
面電極層４をスクライブするのは困難なので、ガラス基
板側から半導体層３にビームエネルギーを吸収させて、
この半導体層３の所定領域とともにその上の裏面電極層
４の所定領域をその吸収熱で吹き飛ばすことによって、
裏面電極分離溝４ａが形成される。これらの裏面電極分
離溝４ａも図１の紙面に直交する方向に直線状に延びて
おり、透明電極層２に至る深さを有している。このよう
にして、図１に示されているような集積型薄膜太陽電池
が形成され得る。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述のようにレーザス
クライブを用いて形成された集積型薄膜太陽電池におい
ては、その薄膜太陽電池が１または２以上の非晶質光電
変換ユニットのみを含む場合には受光面積当りの変換効
率は集積化によってほとんど低下することがないが、少
なくとも一以上の結晶質光電変換ユニットを含む場合に
は集積化に起因して受光面積当りの変換効率が低下する
という事実がある。

【００１５】このことは、前述のように結晶質光電変換
ユニットが非晶質ユニットに比べてはるかに大きな厚さ
に形成されるとともに、結晶質シリコンは非晶質シリコ
ンに比べてレーザ吸収効率が低いので、裏面電極分離溝
４ａを形成するために高エネルギー密度のレーザビーム
照射をしなければならないことと関係していると考えら
れる。

【００１６】このような従来技術における状況に鑑み、
本発明は、少なくとも一の結晶質光電変換ユニット層を
含む集積型薄膜太陽電池において、その集積化に伴う受
光面積当りの変換効率の低下を最小限にすることを目的
としている。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、透明絶
縁基板上に順に積層された透明電極層、少なくとも一の
結晶質シリコン系光電変換ユニット層、および裏面電極
層が複数の光電変換セルを形成するように分離溝におい
て分離されていて、かつそれらのセルが互いに電気的に
直列接続された集積型薄膜太陽電池において、裏面電極
層を複数の裏面電極に分離するための裏面電極分離溝は
透明基板側からスクライブ用レーザビームを照射するこ
とによって結晶質シリコン系光電変換ユニット層の所定
領域と同時に裏面電極層の所定領域を吹き飛ばすことに
よって形成されたものであり、裏面電極分離溝の領域内
で露出された透明電極層の金属顕微鏡による観察におい
て、その透明電極層の熱損傷を表わす変色または剥離を
生じている面積割合が２％以上で１０％未満の範囲内に
あることを特徴としている。

【００１８】このような集積型薄膜太陽電池は、裏面電
極分離溝が形成された後にその溝の領域内に露出される
透明電極層の金属顕微鏡による観察においてその透明電
極層の熱損傷を表わす変色または剥離を生じている面積
割合が２％以上で１０％未満の範囲内になるように、レ
ーザビームの出力、パルス周波数、スクライブ速度、お
よびデフォーカス距離の任意のパラメータを調節するこ
とによって設定されたレーザスクライブ条件を利用して
形成することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態のより具体的
な例として、以下において、本発明のいくつかの実施例
がいくつかの比較例とともに図１を参照しつつ説明され
る。

【００２０】（実施例１）本発明の実施例１として、図
１に概略的に示されているような形態を有する集積型結
晶質薄膜太陽電池が作製された。まず、４００ｍｍ×３
００ｍｍの面積と４ｍｍの厚さを有するガラス基板１上
に、透明電極層２として、熱ＣＶＤ法による厚さ約８０
０ｎｍの酸化錫膜が形成された。この透明電極層２に対
して、スクライブ用ＹＡＧレーザのＳＨＣ（第２高調
波）ビームを照射することによって、透明電極分離溝２
ａが形成された。

【００２１】次に、基板１がプラズマＣＶＤ成膜装置内
に移され、厚さ約０．２５μｍの非晶質シリコン光電変
換ユニット層と厚さ約２μｍの結晶質シリコン光電変換
ユニット層とを含む半導体層３が堆積された。この半導
体層３も、ＹＡＧＳＨＧビームを用いてレーザスクライ
ブされ、それによって接続用溝３ａが形成された。

【００２２】なお、薄膜太陽電池が単一の結晶質シリコ
ン光電変換ユニット層のみを含む場合には、その厚さは
前述のように結晶質シリコンの光吸収係数の関係から
２．５μｍ以上であることが好ましい。しかし、本実施
例のように非晶質ユニットと結晶質ユニットが積層され
たハイブリッド型薄膜太陽電池では、非晶質ユニットと
結晶質ユニットが生じ得る出力電流のバランスや、厚い
結晶質ユニットを堆積するための時間とコスト、さらに
は適切なレーザスクライブを行なうための観点などか
ら、結晶質ユニットの厚さは１〜３μｍの範囲内に設定
されることが好ましい。

【００２３】半導体層３上には、裏面電極層４として、
厚さ約８０ｎｍの酸化亜鉛膜と厚さ約３００ｎｍの銀膜
がこの順でスパッタ法によって堆積された。こうして形
成された裏面電極層４は、ガラス基板側から照射される
ＹＡＧＳＨＧビームによってレーザスクライブされ、そ
れによって裏面電極分離溝４ａが形成された。

【００２４】このときのレーザスクライブ条件として
は、照射光学系に焦点距離ｆ＝３５ｍｍの対物レンズが
用いられ、レーザ出力が０．４Ｗ、レーザパルス周波数
が３ｋＨｚ、スクライブ速度が１５０ｍｍ／ｓ、デフォ
ーカス距離が３．０ｍｍであった。ここで、デフォーカ
ス距離が３．０ｍｍとは、レーザビームの焦点位置が半
導体層３を越えて３．０ｍｍ先に設定されていることを
意味する。そして、もちろんデフォーカス距離の絶対値
が小さいほどビームの照射面積が小さくなってエネルギ
ー密度が大きくなる。理論的には、ビーム幅はデフォー
カス距離に比例し、エネルギ密度はデフォーカス距離の
２乗に反比例する。

【００２５】このようなレーザスクライブ条件の下で形
成された裏面電極分離溝４ａの領域内で露出された透明
電極層２について、任意に選択された５本の溝４ａの各
々内の任意に選択された５箇所（合計で５×５＝２５箇
所）を金属顕微鏡で観察したところ、その透明電極層２
の熱損傷を表わす変色または剥離を生じている面積割合
は５％であった。また、裏面電極分離溝４ａの幅内にお
いて、裏面電極層４に含まれる銀膜が突出して残存して
いるような部分は観察されなかった。

【００２６】なお、金属顕微鏡は、対物レンズを通して
光を物体に照射し、その物体によって反射された光をそ
の対物レンズから採り入れて観察するものである。した
がって、裏面電極分離溝４ａの底部に露出された透明電
極層２を金属顕微鏡で観察した場合、正常な領域は良好
な光透過性を有しているので暗黒色または暗褐色に見え
る。他方、レーザスクライブによって熱損傷を受けた領
域は、透光性が低下して光反射を生じ、白色ないし灰色
に見える。また、透明電極層２が剥離した領域は変色領
域の中心部に現われ、その領域には下地の透明なガラス
基板１が存在するだけなので暗黒色に見える。

【００２７】上述のようなレーザスクライブを利用して
形成された実施例１の集積型薄膜太陽電池について、ソ
ーラシミュレータを用いてＡＭ１．５のスペクトル分布
と１００ｍＷ／ｃｍ²のエネルギー密度を有する擬似太
陽光を照射して光電変換特性を測定したところ、曲線因
子ＦＦが７０．５％で変換効率Ｅｆｆが１０．５％であ
り、十分な光電変換特性が得られた。

【００２８】（実施例２）裏面電極分離溝４ａを形成す
るときのレーザスクライブにおけるデフォーカス距離が
３．５ｍｍに拡大されたことのみが実施例１の場合と異
なる製造条件の下で、実施例２の集積型薄膜太陽電池が
作製された。

【００２９】この実施例２の集積型薄膜太陽電池の作製
過程において、裏面電極分離溝４ａ内で露出された透明
電極層２を金属顕微鏡で観察したところ、その透明電極
層２の熱損傷の面積割合は２％であった。また、裏面電
極分離溝４ａの幅内において、裏面電極層４に含まれる
銀膜が突出して残存している部分が少し観察された。

【００３０】このような実施例２の集積型薄膜太陽電池
について実施例１の場合と同様の条件で擬似太陽光を照
射して光電変換特性を測定したところ、曲線因子ＦＦが
７０．０％で変換効率Ｅｆｆが１０．３％であった。

【００３１】（実施例３）裏面電極分離溝４ａを形成す
るときのレーザスクライブにおけるレーザ出力が０．２
０Ｗに低減されかつデフォーカス距離も２．５ｍｍに縮
小されたことのみが実施例１の場合と異なる製造条件の
下で、実施例３の集積型薄膜太陽電池が作製された。

【００３２】この実施例３の集積型薄膜太陽電池の製造
過程において裏面電極分離溝４ａ内で露出された透明電
極層２を金属顕微鏡で観察したところ、その透明電極層
２の熱損傷の面積割合は７％であった。また、裏面電極
分離溝４ａの幅内において、裏面電極層４に含まれる銀
膜が突出して残存しているような部分は観察されなかっ
た。

【００３３】このような実施例３の集積型薄膜太陽電池
について、実施例１の場合と同様の条件で擬似太陽光を
照射して光電変換特性を測定したところ、曲線因子ＦＦ
が７０．３％で変換効率Ｅｆｆが１０．４％であった。

【００３４】（実施例４）裏面電極分離溝４ａを形成す
るときのレーザスクライブ条件として、レーザ出力が
０．１２Ｗ、パルス周波数が１ｋＨｚ、スクライブ速度
が５０ｍｍ／ｓ、デフォーカス距離が２．０ｍｍに設定
されたことのみが実施例１の場合と異なる製造条件の下
で、実施例４の集積型薄膜太陽電池が作製された。

【００３５】この実施例４の集積型薄膜太陽電池の製造
過程において裏面電極分離溝４ａ内で露出された透明電
極層２を金属顕微鏡で観察したところ、その透明電極層
２の熱損傷の面積割合は４％であった。また、裏面電極
分離溝４ａの幅内において、裏面電極層４に含まれる銀
膜が突出して残存しているような部分は観察されなかっ
た。

【００３６】このような実施例４の集積型薄膜太陽電池
について、実施例１の場合と同様の条件で擬似太陽光を
照射して光電変換特性を測定したところ、曲線因子ＦＦ
が６７．２％で変換効率Ｅｆｆが１０．７％であった。

【００３７】（比較例１）裏面電極分離溝４ａを形成す
るときのレーザスクライブにおけるデフォーカス距離が
２．５ｍｍに縮小されたことのみが実施例１の場合と異
なる製造条件の下で、比較例１の集積型薄膜太陽電池が
作製された。

【００３８】この比較例１の集積型薄膜太陽電池の製造
過程において裏面電極分離溝４ａ内で露出された透明電
極層２を金属顕微鏡で観察したところ、その透明電極層
２の熱損傷の面積割合は５６％であった。また、裏面電
極分離溝４ａの幅内において、裏面電極層４に含まれる
銀膜が突出して残存しているような部分は観察されなか
った。

【００３９】このような比較例１の集積型薄膜太陽電池
について、実施例１の場合と同様の条件で擬似太陽光を
照射して光電変換特性を測定したところ、曲線因子ＦＦ
が６２．０％で変換効率Ｅｆｆが９．２％であり、光電
変換特性が明らかに低下していた。

【００４０】（比較例２）裏面電極分離溝４ａを形成す
るときのレーザスクライブにおけるデフォーカス距離が
４．０ｍｍに拡大されたことのみが実施例１の場合と異
なる製造条件の下で、比較例２の集積型薄膜太陽電池が
作製された。

【００４１】この比較例２の集積型薄膜太陽電池の製造
過程において、裏面電極分離溝４ａ内で露出された透明
電極層２を金属顕微鏡で観察したところ、その透明電極
層２の熱損傷の面積割合は０％であった。他方、裏面電
極分離溝４ａの幅内において、裏面電極層４に含まれる
銀膜が突出して残存している部分が多く観察された。

【００４２】このような比較例２の集積型薄膜太陽電池
について、実施例１の場合と同様の条件で擬似太陽光を
照射して光電変換特性を測定したところ、セル間の漏れ
電流が大きくて、曲線因子ＦＦや変換効率Ｅｆｆについ
ての意義ある測定値が得られなかった。

【００４３】以上のような実施例１〜４および比較例１
〜２における裏面電極分離溝形成用レーザスクライブ条
件に依存する透明電極層の損傷面積割合と光電変換特性
との関係が表１に要約されて示されている。

【００４４】

【表１】

【００４５】表１から明らかなように、結晶質光電変換
ユニット層を含む集積型薄膜太陽電池において改善され
た変換特性を得るためには、裏面電極分離溝４ａの領域
内に露出される透明電極層２の損傷面積割合が２％以上
で１０％未満であることが好ましいことがわかる。そし
て、そのような裏面電極分離溝４ａ内における透明電極
層２の損傷面積割合を実現するレーザスクライブ条件
は、レーザ出力、パルス周波数、スクライブ速度、およ
びデフォーカス距離の任意のパラメータを適宜に調節す
ることによって得られることがわかる。

【００４６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、少なく
とも一の結晶質光電変換ユニット層を含む集積型薄膜太
陽電池において、その集積化に伴う受光面積当りの変換
効率の低下を最小限にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】集積型薄膜太陽電池の典型的な一例の構造を
示す模式的な断面図である。

【符号の説明】

１透明絶縁基板、２透明電極層、２ａ透明電極分
離溝、３半導体層、３ａ接続用開口溝、４裏面電
極層、４ａ裏面電極分離溝。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明絶縁基板上に順に積層された透明電
極層、少なくとも一の結晶質シリコン系光電変換ユニッ
ト層、および裏面電極層が複数の光電変換セルを形成す
るように分離溝において分離されていて、かつそれらの
セルが互いに電気的に直列接続された集積型薄膜太陽電
池であって、前記裏面電極層を複数の裏面電極に分離するための裏面
電極分離溝が前記透明基板側からスクライブ用レーザビ
ームを照射することによって前記結晶質シリコン系光電
変換ユニット層の所定領域と同時に前記裏面電極層の所
定領域を吹き飛ばすことによって形成されたものであ
り、前記裏面電極分離溝の領域内で露出された前記透明電極
層の金属顕微鏡による観察において、その透明電極層の
熱損傷を表わす変色または剥離を生じている面積割合が
２％以上で１０％未満の範囲内にあることを特徴とする
集積型薄膜太陽電池。
【請求項２】請求項１に記載された集積型薄膜太陽電
池における前記裏面電極分離溝を形成するためのレーザ
スクライブ条件を設定する方法であって、このレーザスクライブ条件は、前記裏面電極分離溝が形
成された後にその溝の領域内に露出される前記透明電極
層の金属顕微鏡による観察において、その透明電極層の
熱損傷を表わす変色または剥離を生じている面積割合が
２％以上で１０％未満の範囲内になるように、レーザビ
ームの出力、パルス周波数、スクライブ速度、およびデ
フォーカス距離の任意のパラメータを調節することによ
って設定されることを特徴とするレーザスクライブ条件
の設定方法。
【請求項３】請求項２に記載された方法によって設定
されたレーザスクライブ条件の下で前記裏面電極分離溝
を形成することを特徴とする集積型薄膜太陽電池の製造
方法。