JP2007311578A - 集積型薄膜太陽電池およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】第１電極層と第２電極層との接続部の付着強度を向上し、接触抵抗を低減することができる集積型薄膜太陽電池およびその製造方法を提供する。
【解決手段】第１電極層１１と第２電極層１３との接続部において、第１電極層１１の表面粗さを他の部分より大きくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光エネルギーを直接電気に変換する光発電技術において、光吸収層として例えばカルコパイライト型化合物半導体薄膜を用いた化合物半導体薄膜太陽電池モジュールにより構成された集積型薄膜太陽電池およびその製造方法に関するものである。

従来の集積型薄膜太陽電池の一例（例えば、特許文献１を参照）としては、光吸収層として、Ｉ族、ＩＩＩ族、ＶＩ族元素からなるカルコパイライト型化合物半導体であって、具体的にはＣｕＩｎＳｅ_２、Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ_２、ＣｕＩｎＳ_２などを、薄膜化して用いたカルコパイライト型化合物半導体薄膜太陽電池があった。

以上のような従来の集積型薄膜太陽電池について、その一例を図面を参照して以下に説明する。
図５は従来の集積型薄膜太陽電池の製造方法を示すフロー図である。

図５（ａ）において、ガラスなどの基板１０上にＭｏを含む金属からなる第１電極層１１をスパッタリング法や蒸着法によって形成した後、第１電極層１１をストライプ状に溝加工して第１分割溝１１ａを形成していた。第１分割溝１１ａの加工方法としては、気体をレーザスポットに吹き付けながら連続発振のレーザを照射するレーザパターニングが用いられる。分割された第１電極層１１は、第１分割溝１１ａによって、それぞれ電気的に絶縁されている。

その後、図５（ｂ）に示すように、第１電極層１１上にｐｎ接合やｐｉｎ接合を含む半導体層１２を形成する。半導体層１２には、例えば、Ｉ族、ＩＩＩ族、ＶＩ族元素を含む化合物半導体膜と、ＩＩ族、ＶＩ族元素を含み前記化合物半導体膜に積層された化合物膜を含む半導体層を用いていた。上記化合物半導体膜としては、例えば、カルコパイライト構造のｐ型化合物半導体であるＣｕＩｎＳｅ_２膜や、これにＧａを固溶したＣｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ_２膜や、これらのＳｅの一部をＳに置き換えたものなどがある。これらは蒸着法やスパッタリング法などによって形成される。また、上記化合物半導体膜としては、例えば、ｎ型の特性を示すＣｄＳやＺｎＯ系化合物などがある。これらは化学浴析出法やスパッタリング法などにより形成される。

その後、図５（ｃ）に示すように、半導体層１２の一部を、第１電極層１１が露出するようにストライプ状に除去して第２分割溝１２ａを形成していた。第２分割溝１２ａの加工には、メカニカルスクライブ法などが用いられる。

さらには図５（ｄ）に示すように、半導体層１２上にＺｎＯやＩＴＯなどの透光性金属酸化膜からなる第２電極層１３を製膜して、第２分割溝１２ａを介して、第１電極層１１と第２電極層１３を電気的に接続していた。

その後、図５（ｅ）に示すように、第２電極層１３ならびに半導体層１２をメカニカルスクライブ法によりストライプ状に除去加工して第３分割溝１３ａを形成し、太陽電池ユニットセル１４を直列接続した集積型薄膜太陽電池を製造していた。

なお、太陽電池ユニットセル１４における光電変換による発電領域１５は、前記第１電極層１１、半導体層１２、第２電極層１３が順次積層された範囲に限定され、第１分割溝から第３分割溝までの範囲は直列集積化構造を形成するための非発電領域１６となる。
特開２００１−３２００７１号公報（第６頁、図１）

しかしながら、上記のような従来の構成では、第２電極層がＺｎＯやＩＴＯなどの透光性金属酸化膜などで構成されるため、半導体層上での第２電極層の付着強度よりも、Ｍｏを含む金属などで構成される第１電極層上での第２電極層の付着強度の方が弱くなり、そのために、第１電極層上の第２電極層が剥離しやすいという問題点を有していた。

また、第１電極層と第２電極層との付着強度を確保し、かつ第１電極層と第２電極層との接触抵抗を低減するためには、これらの接続部である第２分割溝の幅寸法を一定幅以上に幅広く設定する必要があるが、その部分の増大により非発電領域が増加し、集積型薄膜太陽電池の出力電流が低下するという問題点を有していた。

本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、第１電極層と第２電極層の付着強度を向上して、第１電極層からの第２電極層の剥離を抑制することができるとともに、非発電領域の面積を縮小化して全体の出力電流を向上することができる集積型薄膜太陽電池およびその製造方法を提供する。

上記の課題を解決するために、本発明の集積型薄膜太陽電池およびその製造方法では、第１電極層において、第２分割溝を介して第２電極層と接続する部分の表面粗さを、その他の部分の表面粗さよりも大きくしたことを特徴とする。

以上により、第１電極層における第２電極層との接続部分の表面粗さが増大したことによるアンカー効果によって、第２分割溝で接続される第１電極層と第２電極層の付着強度が向上するとともに、実効的な接触面積が増加するため第２分割溝の幅を小さくすることができ、第１分割溝から第３分割溝までの非発電領域の面積が小さくなるため、集積型薄膜太陽電池の出力電流を向上することができる。

以上のように本発明によれば、第１電極層における第２電極層との接続部分の表面粗さが増大したことによるアンカー効果によって、第２分割溝で接続される第１電極層と第２電極層の付着強度が向上するとともに、実効的な接触面積が増加するため第２分割溝の幅を小さくすることができ、第１分割溝から第３分割溝までの非発電領域の面積が小さくなるため、集積型薄膜太陽電池の出力電流を向上することができる。

また、第２分割溝で接続される第１電極層と第２電極層との付着強度が向上することにより、第１電極層と第２電極層との間の接続抵抗を低減することができ、発電量に対する内部ロスを低減して出力効率を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態を示す集積型薄膜太陽電池およびその製造方法について、図面を参照しながら具体的に説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１の集積型薄膜太陽電池およびその製造方法を説明する。

図１は本実施の形態１におけるカルコパイライト化合物半導体膜を用いた集積型薄膜太陽電池の製造方法の概略図である。なお、図５と同じ構成要素については同一符号を用い説明を省略する。

図１（ａ）において、絶縁性を有する基板１０上に第１電極層１１を形成する。基板１０にはガラスやポリイミドなどの耐熱性の高い樹脂フィルムやガラスなどの絶縁物で表面を被覆したステンレスなどの金属基板が用いられる。カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜太陽電池の場合は、積層した薄膜の上面から光を入射して発電するサブストレート形太陽電池が主流であって、第１電極層１１には光を透過しないＭｏなどの金属膜が用いられる。第１電極層１１はスパッタリング法や蒸着法により製膜する。

図１（ｂ）において、２〜１０ｍｍ程度の均等な間隔で平行に直線状に第１電極層１１を溝加工して第１分割溝１１ａを形成する。溝加工にはレーザパターニングを用いる。その際に加工屑が飛散する方向を制御して、後に第２分割溝１２ａを形成する方に多く加工屑を飛散させる。

第１分割溝１１ａの形成プロセスについて、図２を用いてさらに詳細に説明する。
図２（ａ）において、基板１０上に形成した第１電極層１１上に集光したレーザ光２１を照射する。レーザには、ＹＡＧやＹＡＧの高調波のレーザを使用する。レーザ光照射部分が溶融、蒸発し第１電極層１１が加工される。この際、加工屑２２ａが加工部周辺に飛散する。

図２（ｂ）に示すように、レーザ加工後には分割した第１電極層１１端部にバリ２３が生じ、その周辺には加工屑２２ａが飛散している。
さらに図２（ｃ）において、第１電極層１１の第１分割溝１１ａの端部に、バリ２３の位置とレーザ光２１の中心位置をずらして２回目のレーザ照射を実施する。第１電極層１１の膜厚が大きいほどレーザ照射による加工屑の飛散量は多く、加工屑の大きさが大きい。バリの部分は局所的に膜厚が大きくなっているため、１回目のレーザ照射に比べて、２回目のレーザ照射の方が加工屑の飛散量が多くなり、加工屑の大きさが大きくなる。レーザ光２１の中心とバリ２３の位置をずらせているため、図示したように図の右方向に大きな加工屑２２ｂが大量に飛散する。

このように位置をずらしてレーザ光２１を２回照射することにより、図２（ｄ）に示したように第１分割溝１１ａの一方に選択的に加工屑を多く飛散させることができる。加工屑は溶融状態で飛散し、再び第１電極層１１上に着地するまでに徐々に冷却される。従って、粒径が小さい加工屑は第１電極層１１に着地したときには固まっていて、後の洗浄工程で容易に除去できるが、粒径が大きい加工屑はまだ半溶融状態であって、第１電極層１１上に固着する。

この後に、スクラブ洗浄や超音波洗浄などにより第１電極層１１表面を洗浄すると、図１（ｂ）に示したように、第１分割溝１１ａの一方の第１電極層１１上に選択的に表面粗さを大きくした表面粗化部分２２を形成することができる。

図３に図１（ｂ）を基板１０上面から観察した加工例の顕微鏡写真を示す。図３に示すように、第１電極層１１を直線状に分割した第１分割溝１１ａの右側に加工屑が飛散し固着した表面粗化部分２２を形成することができる。第１分割溝１１ａの左側の表面粗さは２０ｎｍ以下であることに対して、右側の表面粗さは約１００ｎｍになっている。

次に図１（ｃ）において、第１電極層１１ならびに第１分割溝１１ａによって露出した基板１０上に半導体層１２を形成する。半導体層１２には、例えば、Ｉ族、ＩＩＩ族、ＶＩ族元素を含む化合物半導体膜１２１と、ＩＩ族、ＶＩ族元素を含み前記化合物半導体膜１２１に積層された化合物膜１２２を含む半導体層が用いられる。

次に図１（ｄ）において、半導体層１２を加工して第２分割溝１２ａを形成する。第２分割溝１２ａは、第１電極層１１の表面を粗化した部分２２の上に、第１分割溝１１ａと平行に形成される。第２分割溝１２ａは、第２分割溝１２ａと同等の幅を有する工具を用いてメカニカルスクライブ法により、半導体層１２を機械的に除去して形成される。これにより、第２分割溝１２ａに第１電極層１１の表面粗さが大きい表面粗化部分２２が露出する。

次に図１（ｅ）において、半導体層１２ならびに第２分割溝１２ａによって露出した第１電極層１１上に第２電極層１３を形成する。第２電極層１３はＩＴＯやＺｎＯなどの金属酸化膜を用いた透明導電層である。これにより第１電極層１１と第２電極層１３が第２分割溝１２ａを介して電気的に接続される。このとき、第１電極層１１の表面粗さが大きいため、第２電極層１３との付着強度が向上するとともに接触面積が増加するため、前記第２分割溝１２ａの幅は従来例と比較して小さくてよい。

次に図１（ｆ）において、第２電極層１３ならびに半導体層１２を加工して第３分割溝１３ａを形成する。第３分割溝１３ａは第２分割溝１２ａと平行に形成される。第３分割溝１３ａは、第３分割溝１３ａと同等の幅を有する工具を用いてメカニカルスクライブ法により、第２電極層１３と半導体層１２を機械的に除去して形成される。太陽電池ユニットセル１４は、第３分割溝１３ａによって分割された領域であって、複数の太陽電池ユニットセル１４が１枚の基板１０上で直列接続されることにより、集積化している。

第２分割溝１２ａの幅が小さいため、第１分割溝１１ａから第３分割溝１３ａまでの非発電領域１６が減少する。このため、太陽電池ユニットセル１４における発電領域１５の面積が拡大し、太陽電池ユニットセル１４としての発電効率が向上する。

仮に、第１分割溝１１ａの左側の第１電極層１１の表面粗さが大きい場合には、第１電極層１１上の突起を起点にして、半導体層１２に亀裂が発生することがある。半導体層１２に亀裂が発生すると、その上に形成される第２電極層１３と第１電極層１１がその亀裂を介して短絡してしまう場合がある。短絡が発生すると、発電領域１５で発生した電流が短絡箇所で消失し、発電量が減少するため、第１電極層１１の表面粗さを粗化する部分は第２分割溝１２ａを形成する側に限られる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の集積型薄膜太陽電池およびその製造方法を説明する。

図４は本実施の形態２のカルコパイライト化合物半導体膜を用いた集積型薄膜太陽電池の製造方法における第１分割溝１１ａ形成工程の概略図である。図４において、図１〜３および図５と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

実施の形態１で説明したように、図１（ａ）に示すように基板１０上に第１電極層１１を形成しておく。図４（ａ）において、複数の第１分割溝１１ａをそれぞれ均等な間隔で平行にレーザパターニングにより形成する。レーザは、ＹＡＧレーザあるいはＹＡＧの高調波を用いたレーザを用い、レーザ光３１ａを集光して、基板１０上に形成された第１電極層１１を加工する。

次に図４（ｂ）に示すように、第１分割溝１１ａの横の、後で第２分割溝１２ａが形成される箇所３２の第１電極層１１上に、レーザ光３１ｂを照射して第１電極層１１の表面粗さを粗くする。このとき、レーザ光３１ｂのパワーは、第１分割溝１１ａを形成するときに用いたレーザパワーの１／２以下で、第１電極層１１が完全に除去されない範囲のパワーに設定する。これらにより、第１分割溝１１ａの形成と、第１分割溝１１ａ近傍の第１電極層１１の表面粗化を実施する。

以降の工程は、図１（ｃ）〜（ｆ）に示したように、半導体層１２の製膜、第２分割溝１２ａの加工、第２電極層１３の製膜、第３分割溝１３ａの加工を、順次実施して本発明の集積型薄膜太陽電池を製造する。

なお、以上述べた実施の形態については、本発明の適用範囲のうち、太陽電池の種類、積層膜の構成などの一部を例示したに過ぎない。本発明の適用にあたり、ここで例示した以外にもさまざまな組み合わせが考えられることは言うまでもない。

本発明の集積型薄膜太陽電池およびその製造方法は、第１電極層と第２電極層との接続部の付着強度を向上し、接触抵抗を低減することができるもので、例えば集積型薄膜太陽電池等による太陽光発電技術に適用できる。

本発明の実施の形態１の集積型薄膜太陽電池の製造方法の説明図 同実施の形態１の集積型薄膜太陽電池の製造方法における第１分割溝形成方法に関する説明図 同実施の形態１の集積型薄膜太陽電池における第１分割溝形成部の説明図 本発明の実施の形態２の集積型薄膜太陽電池の製造方法における第１分割溝形成方法に関する説明図 従来の集積型薄膜太陽電池の製造方法の説明図

符号の説明

１０ 基板
１１ 第１電極層
１１ａ 第１分割溝
１２ 半導体層
１２ａ 第２分割溝
１３ 第２電極層
１３ａ 第３分割溝
１４ 太陽電池ユニットセル
１５ 発電領域
１６ 非発電領域
２１、３１ａ、３１ｂ レーザ光
２２、３２ 第１電極層上の表面粗化部分
２２ａ、２２ｂ 加工屑
２３ 第１電極層のバリ

Claims (8)

1. 絶縁性を有する基板の上層に、
   第１分割溝により分割された第１電極層と、
   第１分割溝の隣に平行に配置された第２分割溝により分割された半導体層と、
   第２分割溝の隣に平行に配置された第３分割溝により分割された第２電極層とが順に、
   前記基板の表面に垂直な方向に略均等な膜厚で積層された複数の太陽電池ユニットを具備し、
   一方の太陽電池ユニットの前記第２電極層と他方の太陽電池ユニットの前記第１電極層とが前記第２分割溝を介して接続されて、隣接する太陽電池ユニットが直列に集積され、
   前記第１電極層において前記第２分割溝を介して前記第２電極層と接続される部分の表面粗さが、前記第１電極層の他の部分の表面粗さと比較して大きい
   ことを特徴とする集積型薄膜太陽電池。
2. 請求項１記載の集積型薄膜太陽電池であって、
   前記第１電極層の表面粗さが最大高さで０．１マイクロメートル以下であり、
   前記第１電極層において前記第２分割溝を介して前記第２電極層と接続する部分の表面荒さがその２倍以上である
   ことを特徴とする集積型薄膜太陽電池。
3. 請求項１記載の集積型薄膜太陽電池であって、
   前記第１電極層に前記第１分割溝をレーザ加工で形成するときに、前記第１電極層において前記第２分割溝を介して前記第２電極層と接続する側に選択的に、前記レーザ加工による加工屑を多く飛散させて表面を粗化させた
   ことを特徴とする集積型薄膜太陽電池。
4. 請求項１記載の集積型薄膜太陽電池であって、
   前記第１電極層において前記第２分割溝を介して前記第２電極層と接続する部分に機械的あるいは熱的に損傷を与えて表面を粗化させた
   ことを特徴とする集積型薄膜太陽電池。
5. 絶縁性を有する基板の上層に、
   第１分割溝により分割された第１電極層と、
   第１分割溝の隣に平行に配置された第２分割溝により分割された半導体層と、
   第２分割溝の隣に平行に配置された第３分割溝により分割された第２電極層とが順に、
   前記基板の表面に垂直な方向に略均等な膜厚で積層された複数の太陽電池ユニットを具備し、
   一方の太陽電池ユニットの前記第２電極層と他方の太陽電池ユニットの前記第１電極層とが前記第２分割溝を介して接続されて、隣接する太陽電池ユニットが直列に集積され集積型薄膜太陽電池の製造方法であって、
   前記基板の表面に前記第１電極層を形成する工程と、
   前記第１電極層に対してレーザ加工により、複数の直線状の前記第１分割溝を、それらのいずれか一方の前記第１電極層に前記レーザ加工による加工屑を多く飛散させて前記第１電極層の表面粗さを局所的に粗化するように、それぞれ平行に形成する工程と、
   前記第１電極層上ならびに前記第１分割溝により露出した前記基板上に略均一に前記半導体層を形成する工程と、
   前記第１電極層の表面粗化した部分の前記半導体層を加工して前記第１分割溝に隣接して平行に前記第２分割溝を形成する工程と、
   前記半導体層上および前記第２分割溝により露出した前記第１電極層上に略均一に前記第２電極層を形成する工程と、
   前記第２分割溝に隣接して平行に前記第２電極層と前記半導体層を加工して前記第３分割溝を形成する工程とからなる
   ことを特徴とする集積型薄膜太陽電池の製造方法。
6. 絶縁性を有する基板の上層に、
   第１分割溝により分割された第１電極層と、
   第１分割溝の隣に平行に配置された第２分割溝により分割された半導体層と、
   第２分割溝の隣に平行に配置された第３分割溝により分割された第２電極層とが順に、
   前記基板の表面に垂直な方向に略均等な膜厚で積層された複数の太陽電池ユニットを具備し、
   一方の太陽電池ユニットの前記第２電極層と他方の太陽電池ユニットの前記第１電極層とが前記第２分割溝を介して接続されて、隣接する太陽電池ユニットが直列に集積され集積型薄膜太陽電池の製造方法であって、
   前記基板の表面に前記第１電極層を形成する工程と、
   前記第１電極層にレーザ加工により複数の直線状の前記第１分割溝をそれぞれ平行に形成する工程と、
   前記第１分割溝のいずれか一方の前記第１電極層の表面を局所的に粗化する工程と、
   前記第１電極層上ならびに前記第１分割溝により露出した前記基板上に略均一に前記半導体層を形成する工程と、
   前記第１電極層の表面粗化した部分の前記半導体層を加工して前記第１分割溝に隣接して平行に前記第２分割溝を形成する工程と、
   前記半導体層上および前記第２分割溝により露出した前記第１電極層上に略均一に前記第２電極層を形成する工程と、
   前記第２分割溝に隣接して平行に前記第２電極層と前記半導体層を加工して前記第３分割溝を形成する工程とからなる
   ことを特徴とする集積型薄膜太陽電池の製造方法。
7. 請求項６記載の集積型薄膜太陽電池の製造方法であって、
   前記第１分割溝のいずれか一方の前記第１電極層の表面を粗化する工程において、
   前記第１電極層のレーザ加工に要するパワーの１／２のパワーでレーザを照射して前記第１電極層の表面を局所的に粗化する
   ことを特徴とする集積型薄膜太陽電池の製造方法。
8. 請求項６記載の集積型薄膜太陽電池の製造方法であって、
   前記第１分割溝のいずれか一方の前記第１電極層の表面を粗化する工程において、
   前記第１電極層の表面を機械的に損傷させて前記第１電極層の表面を局所的に粗化する
   ことを特徴とする集積型薄膜太陽電池の製造方法。

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