JP2006185979A - 薄膜太陽電池モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 薄膜太陽電池モジュールを絶縁性を確保して効率よく製造する。
【解決手段】金属基板１上に下部導電層２と半導体層３と上部透明導電層４とを順次形成した薄膜太陽電池セル５を複数個直列接続した薄膜太陽電池モジュールを、薄膜太陽電池セル５ごとに金属基板１を分離し、互いに隣接する一方の薄膜太陽電池セル５の上部透明導電層４を他方の薄膜太陽電池セル５の下部導電層２と金属基板１の少なくとも一方に接続した構造とする。これによれば、従来のように基板表面に絶縁層を設けることなく絶縁性を確保することができ、当然ながら絶縁層のクラックの問題を回避することができる。基板材料が金属であるため、成膜時の高温でも基板の変形や溶融などの損傷が起こらない。よって、生産性、品質を向上させることができる。下部導電層２は必ずしも形成しなくともよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、薄膜太陽電池モジュールおよびその製造方法に関するものである。

従来の薄膜太陽電池に、太陽電池ユニットセル（以下、太陽電池セルという）を直列接続した構造の薄膜太陽電池モジュールがある。たとえば特許文献１に示された薄膜太陽電池モジュールでは、図８に示すように、絶縁性基板１上に、下部電極層２とｐｎ接合を有した半導体接合層３ａと窓層３ｂと上部電極層４とをこの順に積層して薄膜太陽電池が形成されている。各層２，３ａ，３ｂ，４は溝部Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３で分断されていて、これら溝部Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３で分割された複数の太陽電池セル５が構成されている。隣接する太陽電池セル５どうしは、溝部Ｌ２内に形成された上部電極層４が下部電極層２と接触することで直列接続されている。直列接続部以外では各薄膜太陽電池セル５を電気的に分離する必要があるため、上記した絶縁性基板１が使用されている。

この薄膜太陽電池モジュールは、単一基板上で薄膜形成および薄膜の溝加工を繰り返すことにより製造される。図９を参照しながら説明する。
まず、ガラス板などの絶縁性基板１上にＭｏ膜などの金属膜を形成して下部電極層２とし（図９（ａ））、この下部電極層２をレーザスクライブ法による溝部Ｌ１で短冊状に分割する（図９（ｂ））。次に、下部電極層２を覆うようにＣｕＩｎＳｅ_２薄膜などのｐ型半導体層とＣｄＳ薄膜などのｎ型半導体層とを成膜して半導体接合層３ａとし、この半導体接合層３ａの上にＺｎＯ層などを形成して窓層３ｂとする（図９（ｃ））。これら半導体接合層３ａと窓層３ｂとからなる半導体膜を溝部Ｌ２で短冊状に分割し（図９（ｄ））、その上にＩＴＯ薄膜などの透明導電膜を形成して上部電極層４とし（図９（ｅ））、この上部電極層４をパターニングして溝部Ｌ３で短冊状に分割する（図９（ｆ））。
特開平１１−２２４９５６号公報（第４−５頁、図１、図２）

薄膜太陽電池は、数マイクロメートルの膜厚で発電できるため薄型、軽量化が可能であり、こうした目的で基板の厚みを薄型化するにあたって、薄肉化したガラス基板、樹脂フィルム、絶縁層を表面に形成した金属基板などが用いられてきた。

しかし、ｐ型半導体層として用いられるＣｕＩｎＳｅ_２薄膜などは成膜時に基板温度を６００℃程度まで昇温させる必要があるため、薄肉化したガラス基板を用いると大きく変形し、樹脂フィルム基板を用いると溶融し、絶縁層を表面に形成した金属基板を用いると金属基板との熱膨張率差によって絶縁層にクラックが発生する、という問題があった。

また薄膜太陽電池モジュールは、上述したように単一基板上で薄膜形成と溝加工とを繰り返すことで製造しているのであるが、基板１枚ずつ処理しているのが現状であり、生産性が低いという問題があった。金属基板などの導電性基板を走行させて走行路で順次に処理を施す、いわゆるロール・トゥ・ロール方式の適用が考えられるが、上記したように基板表面に絶縁層を形成して用いなければならず、生産性が低くなるという問題があった。

本発明は上記問題を解決するもので、薄膜太陽電池モジュール並びに薄膜太陽電池セルを絶縁性を確保して効率よく製造することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の薄膜太陽電池モジュールは、金属基板上に少なくとも半導体層と上部透明導電層とを順次形成した薄膜太陽電池セルを複数個直列接続した薄膜太陽電池モジュールにおいて、前記薄膜太陽電池セルごとに金属基板を分離し、互いに隣接する一方の薄膜太陽電池セルの上部透明導電層を他方の薄膜太陽電池セルの金属基板に接続したことを特徴とする。

金属基板上に下部導電層を形成し、互いに隣接する一方の薄膜太陽電池セルの上部透明導電層を他方の薄膜太陽電池セルの金属基板に直接にあるいは下部導電層を介して接続してもよい。半導体層がカルコパイライト構造の半導体層を含む場合に特に有利な構造である。

本発明の薄膜太陽電池モジュールの製造方法は、薄膜太陽電池セルを複数個直列接続した薄膜太陽電池モジュールの製造方法であって、貫通溝を並列に形成した金属基板上に半導体層を形成する工程と、前記貫通溝の片側の半導体層を除去してコンタクト溝を形成する工程と、前記半導体層上およびコンタクト溝内に上部透明導電層を形成する工程と、前記貫通溝の片側の上部透明導電層を前記貫通溝から所定間隔をおいて分断する分離溝を形成する工程と、前記分離溝によって互いに分離され、前記コンタクト溝内に形成された上部透明導電層の前記金属基板への導通によって直列接続された複数個の薄膜太陽電池セルを、前記金属基板を含めて透光性樹脂で被覆する工程と、前記透光性樹脂で被覆された樹脂封止体を前記貫通溝の配列方向に沿って前記貫通溝内の端部を通るように切断して、前記金属基板を薄膜太陽電池セルごとに分割する工程とを含むことを特徴とする。

貫通溝を基板長手方向に沿って所定間隔ごとに形成した帯状の金属基板を用いるのが好都合である。金属基板上に半導体層に先立って下部導電層を形成してもよい。

本発明の薄膜太陽電池モジュールは、薄膜太陽電池セル毎に金属基板を分割することで絶縁性を確保するものであり、基板表面に絶縁層を設ける従来のもので発生していた絶縁層のクラックの問題を回避することができる。

本発明の薄膜太陽電池モジュールの製造方法は、金属基板を用いるため、半導体層を成膜する際の高温、たとえばカルコパイライト構造の半導体層を成膜する際の高温によっても、基板の変形や溶融などの損傷は起こらず、絶縁層を設ける必要もないため、生産性、品質を向上させることができる。帯状の金属基板を用いる場合は、薄膜形成などの処理で、いわゆるロール・トゥ・ロール方式の適用が可能であり、基板を一枚ずつ処理する枚様方式と比較して生産性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１（ａ）は本発明の第１の薄膜太陽電池モジュールの構造を示す上面図、図１（ｂ）は同薄膜太陽電池モジュールの断面図である。

図１（ａ）（ｂ）において、ステンレス基板などの金属基板１上に、Ｍｏ膜などの金属膜からなる下部導電層２と、ｐｎ接合を有する半導体接合層とＺｎＯ膜などの窓層とからなる半導体層３と、ＩＴＯ膜などの上部透明導電層４とを積層して、薄膜太陽電池が形成されている。この薄膜太陽電池には、金属基板１および下部導電層２を基板長手方向に沿って所定間隔ごとに分断する貫通溝Ｐ１と、上部透明導電層４および半導体層３を分断する分離溝Ｐ２が設けられていて、貫通溝Ｐ１，分離溝Ｐ２で分割された複数の薄膜太陽電池セル５が形成されている。分離溝Ｐ２内に形成された上部電極層４は下部電極層２と接触していて、隣接する薄膜太陽電池セル５どうし直列接続した薄膜太陽電池モジュールが構成されている。薄膜太陽電池モジュール全体を保護するために、上下面（ここでは側面も）を被覆するラミネート層６が設けられている。

上記薄膜太陽電池モジュールの製造方法を、図２に示した製造工程断面図、および図３に示したフローチャートを参照しながら説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、帯状の金属基板１に、当該金属基板１を基板長手方向に沿って所定間隔ごとに分断する貫通溝Ｐ１をプレス加工、レーザ加工、エッチングなどの手法によって形成する。所定間隔とは所望の薄膜太陽電池セルの幅に相当する間隔である。たとえば金属基板１が厚み０.１ｍｍ、幅（短辺方向寸法）１００ｍｍであれば、貫通溝Ｐ１は、基板短辺方向の寸法が９０ｍｍ程度で、基板長手方向の寸法が１００ｕｍ以下のものを、３〜６ｍｍ程度の間隔で形成する（図３のステップＳ１０）。
次に、図２（ｂ）に示すように、金属基板１の表面に、Ｍｏ膜などの金属薄膜をスパッタリング法により成膜して下部導電層２とする。このとき、貫通溝Ｐ１には下部導電層２は形成せず、貫通溝Ｐ１と同一寸法の貫通溝Ｐ１´を設ける（ステップＳ１１）。
次に、図２（ｃ）に示すように、金属基板１の裏面にバックアッププレート７を取り付け、バックアッププレート７によって支持された金属基板１の下部導電層２上に半導体層３を形成し（半導体層３は金属基板１の貫通溝Ｐ１部に相応するバックアッププレート７上も被覆する）（ステップＳ１２）、図２（ｄ）に示すように、貫通溝Ｐ１に隣接する位置の半導体層３を除去加工して、貫通溝Ｐ１の片側に貫通溝Ｐ１と平行なコンタクト溝Ｐ３を形成する（ステップＳ１３）。

半導体層３はｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなるｐｎ接合を有する半導体接合層と、ＺｎＯなどの窓層とから構成されている。ｐ型半導体層には、カルコパイライト構造のＩ−III−ＶＩｂ族半導体、例えばＣｕＩｎＳｅ_２の薄膜などが用いられる。ＣｕＩｎＳｅ_２薄膜は、蒸着法やスパッタリング法などにより成膜される。成膜時には基板温度を６００℃程度の高温にする必要があるが、金属基板１を用いているためガラス基板を使用する従来法と比較して基板の変形を抑制することができ、さらに基板温度を高温化することも可能であり、ＣｕＩｎＳｅ_２膜の結晶性を向上することができる。ｎ型半導体層にはＣｄＳまたはＺｎＯやＺｎＳなどのII−ＶＩ族化合物が用いられる。ｎ型半導体層の形成には化学析出法などが用いられる。

コンタクト溝Ｐ３は、メカニカルパターニングにより、下部導電層２が露出するまで半導体層３を除去加工して形成される。メカニカルパターニングは、コンタクト溝Ｐ３の幅とほぼ同等幅の工具を用いて膜を機械的に除去加工する方法である。コンタクト溝Ｐ３はたとえば、貫通溝Ｐ１に対して１００ｕｍ以下の間隔で、幅１００ｕｍ以下で形成される。

次に、図２（ｅ）に示すように、半導体層３上およびコンタクト溝Ｐ３内に上部透明導電層４を形成し（ステップＳ１４）、その後にコンタクト溝Ｐ３と隣接する位置（貫通溝Ｐ１に背反する側）の上部透明導電層４と半導体層３を所定幅だけ除去加工して、コンタクト溝Ｐ３と平行なセル分離溝Ｐ２を形成する（ステップＳ１５）。

上部透明導電層４は、透光性と導電性が求められるため、ＩＴＯ膜などがスパッタリング法により形成される。形成された上部透明導電層４はコンタクト溝Ｐ３で下部導電層２と電気的に接続する。

セル分離溝Ｐ２は、メカニカルパターニングにより、下部導電層２が露出するまで半導体層３と上部透明導電層４を除去加工して形成される。この場合、下部導電層２がＭｏ膜であり、半導体層３がＣｕＩｎＳｅ_２／ＣｄＳ／ＺｎＯ積層膜であり、上部透明導電層４がＩＴＯ膜であるという膜構成で、Ｍｏ膜とＣｕＩｎＳｅ_２膜との界面の付着強度が最も弱いため、半導体層３と上部透明導電層４とを選択的に除去加工できる。ただしセル分離溝Ｐ２は、上部透明導電層４のみ除去加工するだけでも同等の効果が発揮される。

次に、図２（ｆ）に示すように、バックアッププレート７を取り外す。
この工程までで、金属基板１が貫通溝Ｐ１により区切られた領域ごとに、下部導電層２と半導体層３と上部透明導電層４との積層構造からなる薄膜太陽電池セル５（図１参照）が形成されている。各薄膜太陽電池セル５は、上部透明導電層４がセル分離溝Ｐ２で分離され、隣接する一方の薄膜太陽電池セル５の上部透明導電層４が他方の薄膜太陽電池セル５の下部導電層２とコンタクト溝Ｐ３の位置で電気的に接続された状態となっている。バックアッププレート７を取り外す前に、あるいは取り外した後で、上部透明導電層４の上にさらにＭｇＦなどの反射防止層を形成してもよい。

次に、図２（ｇ）に示すように、金属基板１およびその上の各層の全体を透光性樹脂のラミネート層６で覆う。これにより機械的強度が上がり、湿度などの環境の影響から保護される。ラミネート層６は、金属基板１の裏面側にテドラフィルムなどのバックフィルムを配置したうえで、金属基板１の表面側を覆うＥＶＡ（Ethylene-Vinyl Acetate copolymer）などの封止樹脂を塗布することによって形成される（ステップＳ１６）。
最後に、ラミネート層６で覆われた樹脂封止体の基板長手方向に沿う端部を貫通溝Ｐ１内まで切断線８で切断することにより、金属基板１を薄膜太陽電池セルごとに分割して、図２（ｈ）に示すような薄膜太陽電池モジュールの完成品を得る（ステップＳ１７）。

かかる薄膜太陽電池モジュールは、半導体層３で発電した電気エネルギを下部電極（下部導電層２と金属基板１とで構成される）と上部透明導電層４とから取り出す構造の薄膜太陽電池セル５を直列接続したものである。

金属基板１は最終的に貫通溝Ｐ１で分割されるため絶縁層は不要であり、ＣｕＩｎＳｅ_２のようなｐ型半導体層を形成する際の成膜温度を高温化しても基板が損傷されることはない。したがって、従来の絶縁性金属基板に比べて絶縁層を形成する工程を省略できるとともに、金属基板１自体が導電層として機能するため下部導電層２の膜厚を薄くすることができ、材料使用量、工程数の削減が可能となり、低コスト化が実現できる。

また金属基板１は、たとえば下部導電層２を形成するステップＳ１１において、ロール状に巻き取った状態から送り出しながら薄膜形成などの処理を施して再度巻き取る、いわゆるロール・トゥ・ロール方式を適用することも可能である。これによれば、薄膜形成などの処理を連続的に行えるため、基板を一枚ずつ処理する枚様方式と比較して生産性を向上させることができる。
（実施の形態２）
図４は本発明の第２の薄膜太陽電池モジュールの構造を示す一部拡大断面図である。

この実施の形態２の薄膜太陽電池モジュールが上記した実施の形態１の薄膜太陽電池モジュールと相違するのは、下部導電層が形成されず、上部透明導電層４が直接に金属基板１に接続している点である。実施の形態１で説明した方法から、下部導電層２を形成する工程（ステップＳ１１）を省略するだけで、同様にして製造可能である。
（実施の形態３）
図５は本発明の第３の薄膜太陽電池モジュールの構造を示す一部拡大断面図である。

この実施の形態３の薄膜太陽電池モジュールが上記した実施の形態１の薄膜太陽電池モジュールと相違するのは、貫通溝Ｐ１の片側に下部導電層２が形成されず、上部透明導電層４が直接に金属基板１に接続している点である。実施の形態１における帯状の金属基板１に貫通溝Ｐ１を形成する工程（図２（ａ）、ステップＳ１０）の後に、図６（ａ）に示すように貫通溝Ｐ１の片側の金属基板１上にレジスト２ａを塗布する工程を加え、さらに、下部導電層２を形成する工程（（図２（ｂ）、ステップＳ１１）の後に、図６（ｂ）に示すように、レジスト２ａを溶解可能な溶液を用いてレジスト２ａとその上の下部導電層２を除去する工程を加えることにより、同様にして製造可能である。

これら実施の形態２、３の構造は、上部透明導電層４との密着性あるいは接触抵抗が下部導電層よりも金属基板１の方が良好な場合に適用される。
（実施の形態４）
本発明の薄膜太陽電池モジュールからセルに分割する方法を図７を用いて説明する。上記した実施の形態１と同様の材料、形成方法を用いる部分については詳しい説明を省略する。

まず、図７（ａ）に示すように、帯状の金属基板１に、当該金属基板１を基板長手方向に沿って所定間隔ごとに分断する貫通溝Ｐ１を形成する。
次に、図７（ｂ）に示すように、金属基板１上に下部導電層２と半導体層３と上部透明導電層４とを形成する。このとき各層は貫通溝Ｐ１内には形成しない。上部透明導電層４の上にさらにＭｇＦなどの反射防止層を形成してもよい。

次に、図７（ｃ）に示すように、金属基板１およびその上の各層の全体を透光性樹脂のラミネート層６で覆う。これにより機械的強度が上がり、湿度などの環境の影響から保護される。

最後に、図７（ｄ）に示すように、ラミネート層６で覆われた樹脂封止体の基板長手方向に沿う端部を貫通溝Ｐ１内まで切断線８で切断するとともに、貫通溝Ｐ１内で基板幅方向に沿って切断することにより、図７（ｅ）に示すように、個々の薄膜太陽電池セル５に分割する。

かかる方法で形成される薄膜太陽電池セル５は、金属基板１上に平坦な下部導電層２と半導体層３と上部透明導電層４とを備えた構造となり、半導体層３で発電した電気エネルギを下部電極（下部導電層２と金属基板１とで構成される）と上部透明導電層４とから取り出すことができる。

この薄膜太陽電池セルの製造方法においても、ロール・トゥ・ロール方式を適用することは可能であり、それにより基板を一枚ずつ処理する枚様方式と比較して生産性を向上させることができる。ロール・トゥ・ロール方式において、貫通溝Ｐ１がない帯状基板を用いると、薄膜太陽電池セル５ごとに分割する時にその切断部で基板変形や膜剥離が発生するが、貫通溝Ｐ１が存在することで膜や基板のダメージを極めて小さくできる。

本発明は金属基板を用いた薄膜太陽電池モジュールの製造に有用である。

本発明の第１の薄膜太陽電池モジュールの構造を示す（ａ）上面図および（ｂ）断面図 図１の薄膜太陽電池モジュールの製造方法を説明する上面図 図１の薄膜太陽電池モジュールの製造方法を説明するフローチャート 本発明の第２の薄膜太陽電池モジュールの構造を示す一部拡大断面図 本発明の第３の薄膜太陽電池モジュールの構造を示す一部拡大断面図 図５の薄膜太陽電池モジュールの製造方法を説明する上面図 薄膜太陽電池セルの製造方法を説明する上面図および断面図 従来の薄膜太陽電池の構造を示す断面図 従来の薄膜太陽電池の製造方法を示す工程断面図

符号の説明

１ 金属基板
２ 下部導電層
３ 半導体層
４ 上部透明導電層
５ 薄膜太陽電池セル
６ ラミネート層
Ｐ１ 貫通溝
Ｐ１´貫通溝
Ｐ２ セル分離溝
Ｐ３ コンタクト溝

Claims (5)

1. 金属基板上に半導体層と上部透明導電層とを順次形成した薄膜太陽電池セルを複数個直列接続した薄膜太陽電池モジュールにおいて、前記薄膜太陽電池セルごとに金属基板を分離し、互いに隣接する一方の薄膜太陽電池セルの上部透明導電層を他方の薄膜太陽電池セルの金属基板に接続した薄膜太陽電池モジュール。
2. 金属基板上に下部導電層を有し、互いに隣接する一方の薄膜太陽電池セルの上部透明導電層を他方の薄膜太陽電池セルの金属基板に直接にあるいは下部導電層を介して接続した
   請求項１記載の薄膜太陽電池モジュール。
3. 半導体層がカルコパイライト構造の半導体層を含んだ請求項１記載の薄膜太陽電池モジュール。
4. 薄膜太陽電池セルを複数個直列接続した薄膜太陽電池モジュールの製造方法であって、
   貫通溝を並列に形成した金属基板上に半導体層を形成する工程と、
   前記貫通溝の片側の半導体層を除去してコンタクト溝を形成する工程と、
   前記半導体層上およびコンタクト溝内に上部透明導電層を形成する工程と、
   前記貫通溝の片側の上部透明導電層を前記貫通溝から所定間隔をおいて分断する分離溝を形成する工程と、
   前記分離溝によって互いに分離され、前記コンタクト溝内に形成された上部透明導電層の前記金属基板への導通によって直列接続された複数個の薄膜太陽電池セルを、前記金属基板を含めて透光性樹脂で被覆する工程と、
   前記透光性樹脂で被覆された樹脂封止体を前記貫通溝の配列方向に沿って前記貫通溝内の端部を通るように切断して、前記金属基板を薄膜太陽電池セルごとに分割する工程と
   を含んだ薄膜太陽電池モジュールの製造方法。
5. 貫通溝を基板長手方向に沿って所定間隔ごとに形成した帯状の金属基板を用いる請求項４記載の薄膜太陽電池モジュールの製造方法。

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