JP3762013B2 - 集積型薄膜光電変換装置の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は集積型薄膜光電変換装置の製造方法に関し、特に、その光電変換装置が光起電力を生じ得る状態になった後における水洗工程に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
太陽光のエネルギを直接電気エネルギに変換する光電変換装置である太陽電池の実用化は近年本格的に進められており、単結晶シリコンや多結晶シリコン等を利用した結晶系太陽電池は屋外の電力用太陽電池として既に実用化されている。他方、非結晶シリコン系の薄膜太陽電池は、その製造のための原材料が少なくて済みかつ大面積の集積型太陽電池が絶縁基板上に直接作製可能なことから、低コストの太陽電池として注目されている。しかし、非結晶系薄膜太陽電池は屋外用としては未だ開発段階にあり、既に普及している電卓などの民生機器の電源用途における実績をもとにして、屋外用途に発展させるために研究開発が進められている。
【０００３】
薄膜太陽電池の製造においては、ＣＶＤ法やスパッタリング法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。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０．４ｍ×０．４ｍを超える大面積の基板が用いられる。
【０００４】
図５は、このような集積型薄膜太陽電池の構造を模式的な断面図で示している。なお、本願の各図において、図面の明瞭化のために寸法関係は適宜に変更されていて実際の寸法関係を反映しておらず、他方、同一の参照符号は同一部分を表わしている。図５の集積型薄膜太陽電池１においては、絶縁基板２上に第１電極層３，アモルファスシリコンなどからなる半導体光電変換層５，および第２電極層７が順次積層されており、パターニングによって半導体層５に設けられた接続用開口溝６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に接続されている。第１電極層３としては、一般に酸化錫（ＳｎＯ₂ ），酸化亜鉛（ＺｎＯ），酸化インジウム錫（ＩＴＯ）等の透明導電膜が用いられ、また、第２電極層７としては銀（Ａｇ），アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ）等の金属膜が用いられる。
【０００５】
図５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１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２上にＳｎＯ₂ ，ＺｎＯ，ＩＴＯ等の透明導電膜が第１電極層３として堆積され、その第１電極層３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ために、レーザスクライブ法によって下部電極分離溝４が形成される。すなわち、これらの下部電極分離溝４は、図５の紙面に直交する方向に直線状に延びている。そして、複数の領域に分離された第１電極層３を覆うように、プラズマＣＶＤ法を用いて、ｐｉｎ接合を含む非晶質シリコンの半導体光電変換層５が堆積される。この半導体層５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６がレーザスクライブ法によって形成される。これらの接続用開口溝６も、図５の紙面に垂直な方向に直線状に延びている。続いて、これらの接続用溝６を埋めかつ半導体層５を覆うように、Ａｇ，Ａｌ，Ｃｒ等の金属膜の単層または複層が第２電極層７として堆積される。第１電極層３の場合と同様に、第２電極層７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、上部電極分離溝８がレーザスクライブ法によって形成される。これらの上部電極分離溝８も図５の紙面に直交する方向に直線状に延びており、かつ好ましくは第１電極層５に至る深さを有している。このようにして、図５に示されているような集積型薄膜太陽電池が完成する。
【０００６】
一般に、図５に示されているような集積型薄膜太陽電池の製造においては、光入射側の透明電極３やその反対側の裏面金属電極７を形成するときに、絶縁基板２の端面や下面に透明導電材料や金属材料がまわり込んで付着する。このため、集積化される個々の光電変換セルが基板上面で互いに分離されていても、基板端面や基板下面に付着した透明導電材料や金属材料を介して互いに導通し、その集積型薄膜太陽電池の出力特性が低下させられる。
【０００７】
この問題を改善するために、図６の平面図に示されているように、集積型薄膜太陽電池の裏面金属電極７および上部分離溝８を含むセル集積領域とその周縁に沿った周縁領域１０とを互いに電気的に分離する絶縁ラインとしての周縁分離溝９がフォトリソグラフィ法等によって作製される。すなわち、周縁分離溝９を形成することによって、基板端面や基板下面に付着した透明導電材料や金属材料による光電変換セル相互間の短絡が防止され、集積型太陽電池の出力特性，絶縁特性，および耐電圧特性が改善される。フォトリソグラフィ法によって形成される周縁分離溝は、一般に０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内の幅を有し、このスクライブラインによってセル集積領域と周縁領域１０とが電気的に分離される。なお、図６においては図面の明瞭化のために１２段の直列接続されたセルが例示されているが、実際にはさらに多くの段数のセルが形成され得る。
【０００８】
このような周縁分離溝９が形成された後に、集積型太陽電池の裏面金属電極７上を封止する前に、その集積型太陽電池を清浄にすることを目的として水洗浄が行なわれる。このような水洗浄の間に、その集積型太陽電池は製造工程室内の光を受けて発電し、起電力を発生する。ここで、実用向けの集積型太陽電池はたとえば６３段のセル集積段数を有し、その１段当りに約０．８５Ｖの開放電圧を有している。すなわち、このような集積型太陽電池の正極側と負極側では、電位差が約５３Ｖにもなる。
【０００９】
このように正負両極間で約５３Ｖの電位差がある状態で、図７に示されているように、洗浄工程において絶縁ライン９ａの一部を覆うように水滴１１がいずれかのセルに付着すれば、周縁領域１０はその水滴１１の付着した段のセルと短絡し、その段のセルの電位に等しくなる（なお、図７において、図面の明瞭化のために周縁分離溝９ａはその幅が拡大されて示されている）。その結果、水滴１１より正極側の段のセルと周縁領域１０との間では、セルが周縁領域１０に対して高電位になる。他方、水滴１１より負極側の段のセルと周縁領域１０との間では、セルに対して周縁領域１０の方が高電位になる。
【００１０】
続いて、このような電位差がある状態で図８に示されているように別の新たな水滴１２，１３が絶縁ライン９ａを覆うように付着すれば、それらの水滴１２，１３中には電位差が存在するので、周縁領域１０とセルとの間で低電位側から高電位側に向かってたとえば銀の金属電極層から銀のマイグレーションが発生し、樹枝状の銀結晶１４，１５が成長する。このような銀のマイグレーションが起こる速度は、水滴のようなイオンパスが形成された場合には、電界強度が数百Ｖ／ｍｍであれば、その成長速度が０．１ｍｍ／秒に近い大きな値となる。このようにして、洗浄工程において金属電極層から金属マイグレーションが発生し、セル集積領域と周縁領域１０との間に絶縁不良が生じる。
【００１１】
実際の水洗工程では集積型太陽電池１がコンベアで洗浄チャンバ内へ搬送されるので、水洗が開始される際には、前方からの水の飛沫が集積型太陽電池セル上に付着する。そして、そのような飛沫による水滴が、図８を参照して説明されたように、周縁分離溝９ａ内で金属イオンマイグレーションを生じさせる。しかも、このマイグレーションによる樹枝状金属結晶の成長速度が十分に速いので、集積型太陽電池全体を水が覆ってすべてのセルが同電位になる前に、セルと周縁部１０との間の電位差に起因して、金属マイグレーションによる金属樹枝状晶の短絡通路が形成されてしまう。すなわち、金属電極層からのイオンマイグレーションによってセル集積領域と周縁領域とが導通させられ、集積型太陽電池の出力特性，絶縁特性，および耐電圧特性が低下させられる原因となっている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような先行技術の課題に鑑み、本発明は、集積型薄膜光電変換装置の周縁分離溝中にイオンマイグレーションによる短絡を生じさせることのない洗浄工程を可能にし、それによって、出力特性，絶縁特性，および耐電圧特性の優れた集積型薄膜光電変換装置の製造方法を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの態様による集積型薄膜光電変換装置の製造方法は、絶縁性基板上に順次積層された第１電極層，半導体光電変換層，および第２電極層を含む積層体を備え、第１と第２の電極層の少なくとも一方は金属層を含み、積層体は周縁分離溝によって光電変換セル集積領域と周縁領域とに分離されており、セル集積領域は複数の光電変換セルを形成するように分割されかつそれらの複数のセルの少なくとも一部は電気的に直列接続されている集積型薄膜光電変換装置の製造方法であって、その光電変換装置の水洗工程においては直列接続された複数のセルのうちの正極および負極のセルまたはそれらに近いセルと周縁領域との間は周縁分離溝によって完全には分離されずに電気的にショートさせられており、その水洗工程の完了後に正極と負極のセルまたはそれらに近いセルと周縁領域との間にも完全な周縁分離溝を形成することによってその電気的ショートを除去することを特徴としている。
【００１４】
本発明のもう１つの態様による集積型薄膜光電変換装置の製造方法は、その光電変換装置の水洗工程において、直列接続された複数のセルのうちの正極および負極のセルまたはそれらに近いセルと周縁領域との間は導電体によって電気的にショートさせられており、その水洗工程の完了後にその電気的にショートさせる導電体を除去することを特徴としている。
【００１５】
本発明のさらに他の態様による集積型薄膜光電変換装置の製造方法は、その光電変換装置の水洗工程において、光から遮蔽された水洗チャンバ内で水洗が行なわれることを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明の種々の実施の形態に対応した種々の実施例を説明する。
【００１８】
（実施例１）
まず、図５の場合と同様に、基板２上に透明電極層３，半導体光電変換層５，および裏面金属電極層７が形成された。このとき、基板２として、９１０ｍｍ×４５５ｍｍの面積と４ｍｍの厚さを有するガラス基板が用いられた。ガラス基板２上には、熱ＣＶＤ法によって透明導電膜層３が形成された。そして、波長０．５３μｍのＹＡＧレーザの第２高調波を上方から照射してスクライブライン４を形成することによって、透明導電膜層３は複数の短冊状の領域に分割された。
【００１９】
次に、透明電極層３を覆うように、２００℃の基板温度と０．５〜１．０Ｔｏｒｒの反応圧力の下に、モノシラン，メタンおよびジボランを含む第１の混合ガス、モノシランおよび水素を含む第２の混合ガス、さらにモノシラン，水素およびホスフィンを含む第３の混合ガスをこの順序で容量結合型グロー放電分解装置内で分解することにより、ｐ型，ｉ型およびｎ型の非晶質半導体層が積層された。このｐｉｎ半導体層５には、ガラス基板２を介して、透明電極３にダメージを与えないように前述のレーザ光を照射することによって接続用溝６が形成された。
【００２０】
これに続いて、金属層７として、スパッタリング法によって３００ｎｍ厚さの銀層が形成された。この銀層７と半導体光電変換層５には、フォトリソグラフィ法を用いて、上部電極分離溝８が形成された。これによって、基板２上で複数の光電変換セルが直列接続された集積型非晶質シリコン太陽電池が形成された。
【００２１】
その後、図１に示されているように、セル集積領域と周縁領域１０とを分離するために、周縁分離溝９，９ａがフォトリソグラフィ法によって形成された。ただし、正極端側のセルおよび負極端側セルと周縁領域１０とが同電位になるように、周縁分離溝９ａは部分的に途切れている。すなわち、正極端側および負極端側のセルは、周縁分離溝９ａが途切れた微小領域１０ａによって周縁領域１０と連続している。
【００２２】
この結果、セル集積領域と周縁領域１０とが電気的に接続されており、２つの短絡領域１０ａの間にある各段のセルと周縁領域１０とが同電位になる。この後に、集積型太陽電池の両端には正極と負極の出力取出し電極が設けられた。これらの取出し電極として、半田めっきされた銅箔が用いられ、ガラス基板との接着は超音波半田付け法によって行なわれた。
【００２３】
このように、微小短絡領域１０ａを残した状態で、裏面金属電極７の表面を清浄にする目的で水洗浄が行なわれた。水洗浄後に乾燥を行ない、周縁領域１０とセル集積領域の正負極とを導通させていた微小短絡領域１０ａを新たにフォトリソグラフィまたはレーザを用いてカットし、その後にこの集積型薄膜太陽電池の出力特性および絶縁特性が測定された。
【００２４】
以上の実施例１の水洗工程を含む方法を用いて２８枚の集積型薄膜太陽電池のサンプルが作製された。他方、比較例として、図１に示されているような微小な短絡領域１０ａが残されていないことを除けば実施例１と同じ条件で水洗工程を経て製造されたサンプル５４枚が作製さた。これらの実施例１と比較例による集積型薄膜太陽電池において出力特性と絶縁特性を比較したところ、出力特性に関しては大きな相違は見られなかった。しかしながら、絶縁特性に関しては、実施例１によるサンプルではセル集積領域と周縁領域との間で１ＭΩ以上の抵抗を有していて絶縁不良は見られなかったが、比較例によるサンプルでは５４枚中の４３枚が１ＭΩ未満の低い抵抗を有し、絶縁不良が見られた。また、その絶縁不良が見られた比較例のサンプルのいずれにおいても、マイグレーションによる銀結晶のパスができたことによる絶縁不良であった。
【００２５】
（実施例２）
実施例２における集積型薄膜太陽電池も、基本的には実施例１の場合と同様に作製された。ただし実施例２における集積型太陽電池では、実施例１における場合のように残存させられた微小短絡領域１０ａを含んでおらず、周縁分離溝９はセル集積領域を周縁領域１０から完全に分離している。他方、この実施例２においては、正極側セルおよび負極側セルと周縁領域とが同一電位になるように、図２に示されているようなリード線１０ｂが半田付けされた。この状態で実施例１の場合と同様に水洗工程を行なって乾燥させた後に、これらのリード線１０ｂを取外し、積層型薄膜太陽電池の出力特性および絶縁特性が測定された。このような実施例２による水洗工程を経た５０枚の集積型薄膜太陽電池について調べた結果、出力特性に関しては前述の比較例のものと大きな相違は見られなかったが、実施例２によるいずれの太陽電池もセル集積領域と周縁領域との間で１ＭΩ以上の十分な抵抗を有しており、絶縁不良は見出されなかった。
【００２６】
（実施例３）
図３は、実施例３による集積型薄膜太陽電池の水洗工程を説明するための模式的な断面図である。
【００２７】
この実施例３による水洗工程は、実施例１の図１に示された状態の太陽電池や実施例２の図２に示された状態の太陽電池のみならず、先行技術の図６に示された状態の太陽電池の水洗のためにも好ましく用いられ得る。
【００２８】
図３に示された水洗装置２０Ａは、複数の水洗チャンバ２１を含んでいる。それらの複数の水洗チャンバ２１に続いて乾燥チャンバ２２が設けられている。乾燥チャンバ２２は、たとえば矢印２２ａで表されているような温風乾燥機を設けることができる。集積型薄膜太陽電池１はコンベア２３によって搬送され、複数の水洗チャンバ２１を通過した後に乾燥チャンバ２２において乾燥させられる。水洗チャンバ２１内においては、上方からの水洗スプレー（図示せず）を設けてもよく、さらにそれに加えて下方からの水洗スプレー（図示せず）を設けてもよい。また、コンベア２３はメッシュ状または梯子状のものを用いてもよい。各水洗チャンバ２１や乾燥チャンバ２２の境界には、好ましくは、たとえば短冊状に切断されたゴムまたはポリマーのシートからなるカーテン２４が設けられてもよい。
【００２９】
これらの水洗チャンバ２１や乾燥チャンバ２２は、光を遮断する光遮蔽ガード２５によって包囲されている。したがって、図３に示されているような水洗装置において集積型薄膜太陽電池を水洗すれば、その水洗工程中に太陽電池が光起電力を生じることがないので、周縁分離溝９のいずれかの位置に部分的に水滴が付着したとしても、セル集積領域と周縁領域との間に電位差が生じていないのでイオンマイグレーションによる短絡を生じることがない。
【００３０】
この実施例３に関して、基本的に実施例１の場合と同様の製造条件で図６に示されているような集積型太陽電池が１６枚作製された。これら１６枚の太陽電池について図３に示されているような水洗工程を行なった後に絶縁特性を測定したが、イオンマイグレーションの発生による絶縁不良を生じたものは１枚も存在しなかった。
【００３１】
（実施例４）
図４は、実施例４による水洗工程に用いられる水洗装置を示す模式的な断面図である。図４の水洗装置２０Ｂは図３のものに類似しているが、光遮蔽ガード２５が設けられていない。その代わりに、最初の水洗チャンバ２１の前段に付加的な噴水ノズル２６が設けられている。
【００３２】
この実施例４の図４による水洗工程においては、実施例３の図３における場合と同様に、図６に示されているような先行技術による集積型薄膜太陽電池の水洗にも好ましく用いられ得る。
【００３３】
図４に示されているような水洗方法においては、集積型太陽電池１が最初の水洗チャンバ２１内に搬送される前段において、その太陽電池１が噴水ノズル２６の直下に搬送されたことを光センサ等（図示せず）によって検知し、その瞬間に噴水ノズル２６から水を噴射させ、周縁分離溝９の全領域が瞬間的に同時に濡らされることになる。すなわち、集積型太陽電池１が光を受けて起電力を発生している状態であっても、周縁分離溝９の全領域が同一瞬時に濡らされるので、セル集積領域と周縁領域１０との全体が瞬時に同電位となる。その結果、濡れた周縁分離溝９内において電位差が存在しないので、イオンマイグレーションが生じることがなく、セル集積領域と周縁領域とが金属の樹枝状晶によって短絡されることがない。
【００３４】
基本的に実施例１の場合と同様の製造条件で図６に示されているような１４枚の集積型太陽電池を製造し、図４に示されているような水洗工程を施したが、イオンマイグレーションの発生による絶縁不良を生じた集積型太陽電池は１枚も見出されなかった。
【００３５】
なお、以上の実施例においては透明絶縁基板上に透明電極，半導体光電変換層および金属電極が順次積層された集積型光電変換装置について説明されたが、たとえば絶縁被膜を有するステンレス基板上に金属電極、半導体光電変換層および透明電極が順次積層された集積型光電変換装置にも本発明の製造方法が適用し得ることはいうまでもない。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、周縁分離溝を有する集積型薄膜太陽電池の水洗工程において金属イオンマイグレーションによる絶縁不良を防止することができ、電流リークのない集積型薄膜太陽電池を製造し得る方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による水洗工程における集積型薄膜太陽電池の状態を示す模式的な平面図である。
【図２】本発明の第２実施例による水洗工程における集積型薄膜太陽電池の状態を示す模式的な平面図である。
【図３】本発明の第３実施例による水洗工程に用いられ得る水洗装置の一例を示す模式的な断面図である。
【図４】本発明の第４実施例による水洗工程に用いられ得る水洗装置を示す模式的な断面図である。
【図５】集積型薄膜光電変換装置の構造を示す模式的な断面図である。
【図６】先行技術による集積型薄膜太陽電池を示す模式的な平面図である。
【図７】先行技術による集積型薄膜太陽電池の周縁分離溝上に局所的な水滴が付着した状態を示す模式的な平面図である。
【図８】先行技術による集積型薄膜太陽電池の周縁分離溝内に金属樹枝状晶が成長した状態を示す模式的な平面図てある。
【符号の説明】
１ 集積型薄膜太陽電池
２ 透明絶縁基板
３ 透明電極
４ 下部電極分離溝
５ 半導体光電変換層
６ 接続用開口溝
７ 裏面金属電極
８ 上部電極分離溝
９，９ａ 周縁分離溝
１０ 周縁領域
１０ａ 残された微小短絡領域
１１，１２，１３ 水滴
１４，１５ 金属樹枝状晶
２０Ａ，２０Ｂ 水洗装置
２１ 水洗チャンバ
２２ 乾燥チャンバ
２２ａ 温風ドライヤ
２３ コンベア
２４ ゴムまたはポリマーの短冊状カーテン
２５ 光遮蔽ガード
２６ 噴水ノズル

Claims (3)

1. 絶縁性基板上に順次積層された第１電極層，半導体光電変換層，および第２電極層を含む積層体を備え、前記第１と第２の電極層の少なくとも一方は金属層を含み、前記積層体は周縁分離溝によって光電変換セル集積領域と周縁領域とに分離されており、前記セル集積領域は複数の光電変換セルを形成するように分割されかつそれらの複数のセルの少なくとも一部は電気的に直列接続されている集積型薄膜光電変換装置の製造方法であって、
   前記光電変換装置の水洗工程においては前記直列接続された複数のセルのうちの正極と負極のセルまたはそれらに近いセルと前記周縁領域との間は前記周縁分離溝によって完全には分離されずに電気的にショートさせられており、
   前記水洗工程の完了後に前記正極と負極のセルまたはそれらに近いセルと前記周縁領域との間にも完全な分離溝を形成することによって前記電気的ショートを除去することを特徴とする集積型薄膜光電変換装置の製造方法。
2. 絶縁性基板上に順次積層された第１電極層，半導体光電変換層，および第２電極層を含む積層体を備え、前記第１と第２の電極層の少なくとも一方は金属層を含み、前記積層体は周縁分離溝によって光電変換セル集積領域と周縁領域とに分離されており、前記セル集積領域は複数の光電変換セルを形成するように分割されかつそれらの複数のセルの少なくとも一部は電気的に直列接続されている集積型薄膜光電変換装置の製造方法であって、
   前記光電変換装置の水洗工程においては前記直列接続された複数のセルのうちの正極と負極のセルまたはそれらに近いセルと前記周縁領域との間は導電体によって電気的にショートさせられており、
   前記水洗工程の完了後に前記ショートさせる導電体を除去することを特徴とする集積型薄膜光電変換装置の製造方法。
3. 絶縁性基板上に順次積層された第１電極層，半導体光電変換層，および第２電極層を含む積層体を備え、前記第１と第２の電極層の少なくとも一方は金属層を含み、前記積層体は周縁分離溝によって光電変換セル集積領域と周縁領域とに分離されており、前記セル集積領域は複数の光電変換セルを形成するように分割されかつそれらの複数のセルの少なくとも一部は電気的に直列接続されている集積型薄膜光電変換装置の製造方法であって、
   前記光電変換装置の水洗工程においては光から遮蔽された水洗チャンバ内で水洗が行なわれることを特徴とする集積型薄膜光電変換装置の製造方法。

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