JP2011513990A - 太陽電池の製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、連続的なロールツーロールプロセスで光起電力素子を製造する方法及び装置を開示する。本発明に従う製造装置は、極めて新規であり、自明でなく、薄膜太陽電池の処理に優れた効率と利益を提供する。
【選択図】図２

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、その内容が参照により本願に組み込まれる２００８年３月４日に出願された米国仮出願６１／０６８，０２０の優先権を主張する。
石油価格の高騰により、費用効率的な再生可能エネルギーの開発の重要性が高まっている。世界中で太陽エネルギーを採取する費用効率的な太陽電池の開発に多大な努力が行われている。現在、太陽電池が伝統的なエネルギー源に対して費用効率的であるためには、太陽電池は＄１／ワットを十分下回るコストで製造される必要がある。
現在の太陽エネルギー技術は広くは結晶シリコンと薄膜技術に分類される。太陽電池の約９０％はシリコン−単結晶シリコン又は多結晶シリコンから製造される。結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）は、比較的劣った光吸収体であり、材料の相当の厚み（数百ミクロン）を必要とするものの、殆どの太陽電池で光吸収半導体として使用されてきた。にもかかわらず、これは、良好な効率（１３−１８％，理論最大値の１／２〜２／３）の安定な太陽モジュールがもたらされ、マイクロエレクトロニクス産業の知識ベースから発展した生産技術を使用するために、幸便であるとされている。シリコン太陽電池は、＄３．５／ワットの製造コストを伴い、非常に高価である。製造法は成熟し、コスト低減のための修正はできない。
第２世代の太陽電池技術は薄膜に基づく。主な薄膜技術は、アモルファスシリコン、セレン化銅インジウムガリウム、カドミウムテルリド（ＣｄＴｅ）である。二セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）の光吸収体から作られる薄膜太陽電池は、１０−１２％の高い変換効率を達成する。ＣＩＧＳ太陽電池の効率の最高記録（１９．９％ＮＲＥＬ）は、他の薄膜技術で達成される効率と比較してかけ離れて高い。これらの記録破りの小面積素子は、資本集約的で極めて高コストの真空蒸着技術を用いて製造されてきた。多くの会社（ホンダ、昭和シェル、ヴュルスソーラー、ナノソーラー、ミアソーレなど）はガラス基板及び可撓性基板上のＣＩＧＳ太陽電池を開発している。しかし、大面積の基板に均一な組成のＣＩＧＳ薄膜を作ることは極めて困難である。これは、部分的には、成長の化学的性質及びそれに続くＣＩＧＳを生成する反応の化学的性質の必要のためである。この制限は、工程歩留まりにも影響し、当該歩留まりは一般に非常に低い。これらの制限のために、蒸着技術の実施によっては、大型で低コストのＣＩＧＳ太陽電池の商業製品には成功していない。ＣｄＴｅはこのような制限は受けず、単一ステップの工程で形成し得る。
１６．５％の効率のＣｄＴｅ太陽電池は、米国立再生可能エネルギー研究所（ＮＲＥＬ）により実証された。ＣｄＴｅ太陽電池は、３ｍｍ厚のガラス基板にＣｄＴｅを成長し、第２の３ｍｍのカバーガラスで被包することで作成される場合がある。これは遅く高コストの製造プロセスである。更に、これらのＣｄＴｅ太陽電池は非常に重く、太陽電池産業の最も大きいマーケット部分である住居の屋根用途には使用できない。可撓性のＣｄＴｅ太陽電池の効率的な製造方法の必要性が存在する。
１実施形態では、ある長さの可撓性の箔を含む基板を提供するステップと、前記基板の一部に太陽電池を構成する一組の複数の層を形成するステップとを有し、前記複数の層の少なくとも１つが吸収体層を含み、前記吸収体層が少なくとも１つのＩＩ−ＶＩ族、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族、ＩＶ族化合物を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法が開示される。１実施形態では、前記一組の複数の層が、電極層、吸収体層、ウィンド層及びＴＣＯ層を含む。１実施形態では、前記基板が透明であり、代替的には、前記基板が金属製で不透明である。１実施形態では、加熱又は冷却の可能な少なくとも１のコーティングドラムを用いて、層を形成できる少なくとも１の成長源の近傍で前記ある長さ可撓性の箔は連続的に移動され得る。１実施形態では、基板は、層を形成できる少なくとも１の成長源の近傍でフリースパンの形態で連続的に移動する。ドラムとフリースパンの動きは組み合わされうる。前記ある長さの可撓性の箔は、第１面と、前記第１面の反対の第２面を有することができ、一組の複数の層を形成する前記ステップが、前記第１面及び前記第２面に少なくとも１の層を形成するステップを含む。１実施形態では、前記電極層、前記吸収体層、前記ウィンド層及び前記ＴＣＯ層が、層を形成できる少なくとも１の成長源の近傍で前記基板を移動させる間に実質的に同時に形成され得る。あるいは、他の実施形態では、層を形成できる少なくとも１の成長源の近傍で前記基板を連続的に移動させる間に、前記電極層は前記基板上に形成され、前記吸収体層は前記電極層の後で形成され、前記ウィンド層は前記吸収体層の後で形成され、前記ＴＣＯ層は前記吸収体層の後で形成される。ＣＩＧＳ及びそのＣＩＳ、ＣＩＧＳＥなどの類縁材料はＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族材料の例である。アモルファスシリコン、微結晶シリコン、マイクロフォラス（micromorphous）シリコン、結晶シリコンはＩＶ族材料の例である。本明細書には、ある長さの可撓性の箔を含む基板を供給するための供給チャンバーと、少なくとも１の供給源及び少なくとも１の供給源の近傍で前記ある長さの可撓性の箔を移送する手段をそれぞれ独立に有する第１、第２及び第３チャンバーと、成長源のそれぞれを制御する手段とを有することを特徴とする光起電力素子を製造する装置が開示される。加熱又は冷却することが可能な少なくとも１のコーティングドラムが有っても良い。代替的に又は追加的に、前記第１、第２及び第３のチャンバーの少なくとも１つは、少なくとも１の成長源の近傍でフリースパンの形態で前記ある長さの可撓性の箔を移送する手段を有する。更に、前記可撓性の箔は第１面と、反対の第２面とを有することができ、少なくとも１のチャンバーが、前記第１面及び／又は第２面に配置された少なくとも１の成長源を有する。本発明は、上記方法及び／又は装置により作成される光起電力素子を意図する。
有利なことに、本明細書の製法に従って成長した層は、太陽電池の性能や歩留まりを低下させ得る酸化や他の汚染問題に結びつく周辺環境に露出されない。本発明の他の利点は、フィルム形成チャンバーの内側が大気圧に晒されず、その結果、水蒸気による内壁濡れが減少することである。
図１は、可撓性の箔が供給ロールから巻取ロールにロールツーロールの態様で配置された本発明の１実施形態の概略側面図を示す。
図２は、本発明の製法を行う装置の概略側面図を示す。
図３は、フリースパンチャンバーを有する真空チャンバーを有する本発明の製法を行う装置の１実施形態の概略側面図を示す。
図４は、複数のフリースパンチャンバーを有する本発明の製法を行う装置の１実施形態の概略側面図を示す。
図５は、チャンバー内のパターニングシステムを有する本発明の１実施形態の概略側面図を示す。
図６は、温度制御のためにドラムを使用せずに箔を処理することが可能な本発明の１実施形態の概略側面図を示す。
本発明は、可撓性基板上に薄膜太陽電池を製造する方法を教示する。本発明は、裸の可撓性基板が供給され、完成した太陽電池素子が連続プロセスで実現される完全な素子の製法を開示する。
本発明者により考案された本発明を実施する最良の形態を含む本発明の幾つかの特定の実施形態について詳細に説明する。これらの特定の実施形態の例は添付図面に示されている。これらの特定の実施形態との関連で発明を説明するが、本発明を記載された実施形態に限定することが意図されないことが理解される。反対に、添付請求の範囲に規定される発明の精神及び範囲に含まれ得る代替、改変及び均等のものを包含することが意図されている。後述の記述には、本発明の完全な理解を与えるために多くの特定の詳細が説明される。本発明は、これらの特定の詳細の一部又は全部無しで実施し得る。本明細書及び添付請求の範囲において、「１つ」（「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」）などの単一形は、文脈がそうでないことを明示していない限り、複数物への参照を含む。異なるように定義されない限り、本明細書で使用される技術及び科学用語は本発明が属する技術分野の当業者に通常に理解されるものと同じ意味を有する。
「可撓性」により、曲げることができることを意味する。本発明では、広範な材料が箔として機能するように好適に可撓性である。好ましくは、箔又は基板材料は、有害な効果を伴わずにロール上に巻ける程度に十分に可撓性である。
「箔（fail）」により、シート、又は、織られた又は織られていないウェブ、及び／又は、積層体、又は、金属（例えば、Ａｌ，Ｍｏ，Ｃｕ）、合金（例えば、ステンレス鋼）、高分子（例えば、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリエチレンナフタレート、ポリエステル等）又はその混合物及び／又は積層体などの本発明に従う光起電力素子での使用に適する任意の物質を含む光起電力素子基板に適する他の構造を意味する。箔は不透明又は透明であり得る。箔は、本明細書に記載されるプロセスに適する任意の形状、厚み、幅又は長さを有し得る。箔は、他の任意の好適な物質と接合され、なおも、本発明に従う連続的な「長さ」を有する先端（leaders）又は「裂け目（breaks）」を有し得る。選択的に、箔は、１以上の材料の積層体を含むことができ、その１つは電気伝導物質を含み得る。箔は、多様な用途のために任意のプロセスで配置された任意数の穴を有し得る。好ましくは、可撓性の箔は、本発明のプロセスに従う光起電力素子の基板として機能する。可撓性の箔は、電極として機能することができ、又は、１層に電極材料を含む積層体から作られ得る。箔は、第１の面と対向する第２の面又は裏面を有し得る。可撓性の箔が本明細書の基板として使用される場合、箔は約２５ミクロン〜５００ミクロンであることが必要であり、好ましくは、殆どの環境で基板として機能するには約１５０ミクロンである。「ロールツーロール」により、プロセスにおいて可撓性の箔が供給され、そのプロセスが完成した可撓性太陽電池が巻かれる巻取ロールを有し、本発明との関連での使用に好ましい。本発明では、可撓性の箔はロールツーロールの構成における両方の方向に走行し得る。
「可撓性の箔に層を形成できる１連の成長源」により、可撓性の箔に成長し、さもなければ、層を形成し、又は、エッチングし、スクライブし、又は、別の方法で可撓性の箔に作用することができる少なくとも２つの「蒸着源」を意味する。
「層を形成する」により、層を成長し、層をエッチングし、層と反応し、層をスクライブし、又は、他の方法で層を生成し、層に付加し、又は、既に存在する層に作用することを意味する。
「層を成長する」は、ＰＶＤ、ＣＶＤ、蒸着及び昇華を含む、層を形成し、層に反応し、層をエッチングし、及び／又は、層をスクライブする単一又は複数のステップを含む。
本明細書の「成長源」は、これに限定されないが、物理又は化学気相成長装置により層を生成又は形成できる装置及び材料を広く意味する。また、本発明では、「成長源」は、１又は複数の層を形成又は改変するために光起電力素子の層を形成し、層と反応し、層をエッチングし、及び／又は、層をスクライブし、又は、層に作用又は化学反応を施すための装置及び材料を含む。
「フリースパン」により、ドラムを使用せずに箔を処理を行うことを意味する。本発明の１実施形態では、箔は、必要であれば同時に、複数の成長装置で箔の第１、第２の面が処理され得る。「フリースパン」は、それも１実施形態ではあるものの、本発明の全プロセスがドラムフリーであることに限定されず、少なくとも１のドラムを使用しない成長工程の使用を意図する。いくつかの実施形態では、フリースパンの形態において、チャンバー内でのドラムを用いたプロセスが存在しても良く、どのチャンバーにおいてもドラムが使用されなくても良い。当業界では、この目的のため、箔の誘導及びテンショニングのためであり得る多段ローラーが知られている。
本明細書における「真空チャンバー」は、当業界で知られた手段を介して圧力を制御する能力のあるチャンバーを含む。
本明細書における「光起電力素子」により、動作環境において適切なリード及び接続を有して、光を電気に変換できる最小数の層を有する多層構造を意味する。好ましくは、当該素子は、少なくとも次の層をこの順に有する：基板／電極層／吸収体層／ウィンド層／ＴＣＯ層。１実施形態では、光起電力素子はスーパーストレート構造を有し、当該素子は少なくとも次の層をこの順に有する：基板／ＴＣＯ／ウィンド層／吸収体層／電極層。スーパーストレート構造では、基板は透明又は不透明であり得る。好ましい実施形態では、基板は金属を含み、不透明である。どちらの構造でも、吸収体層と電極層の間にバリア界面層を有することが好ましい。上記素子は、素子を実用するためのリードや接続などの任意の更なる構造を有し得る。本発明の上記好ましい実施形態は、光起電力素子の層又は成長の順序を制限しない。「第１光起電力素子を含む一組の複数層を形成する」と言及されたときは、本発明は、どの一組の複数層の成長の順序も、基板上の層の順序も厳密に限定されない。
「一組の複数の層」により、適切に稼働状態に置かれたときに、ソーラー素子として動作できる、すなわち、光を電気に変換できるために必要な正しい組成の最小数の層を意味する。
本明細書において、「連続」の語は、基板としての役割を果たすある長さの走行する可撓性の箔が、一組の成長源を通過しながら、入力源（供給ロール）から巻取ロール又はプロセスを終了させるための他の手段に延びるプロセスで層（複数）を形成するための成長源を箔が通過する１つのプロセスで、ある長さの可撓性の箔上に少なくとも一組の複数の層を形成することを意味する。本発明では、「連続」は、一組の成長源の近傍での可撓性の箔の後方又は逆方向への走行を意味し得る。この実施形態は、再処理を含む多様な目的に有用である。
本明細書で使用される「可撓性の箔を移送する手段」は、任意の数又は形状又は構成又はシステム及びこれらの任意の組合せの多段ロールを含むフリースパンの形態、ロールツーシートシステム又はロールツーロールシステムを実現するための巻取及び供給ロールを含む。この語は、本明細書に説明するドラムも含む。任意のドラム、供給ロール、巻取ロール、多段ロールは、自由回転し、又は、機械的に駆動されて、システムコンピュータにより制御され得る。
「可撓性の箔上に複数の層を形成する手段」は、任意の又はすべての層を変化させ、形成し、反応させるための本明細書に記載されるような物理成長及び蒸着装置及び源、エッチング、スクライビング、パターニング、洗浄及び他のそのような工程及び装置を含む。
「各成長源を独立に制御する手段」は、これが必須でもなければ、これに限定もされないが、コンピュータ及び付属のソフトウェアを含む複数の成長工程を制御するための当業界における種々の技術を言う。
本発明の１実施形態では、光起電力素子は、基板層／電極層／吸収体層／ウィンド層／ＴＣＯ層を含み、ＴＣＯは透明酸化物導体を言う。電極層と吸収体層の間にはバリア界面層を含み、基板層／電極層／バリア界面層／吸収体層／ウィンド層／ＴＣＯ層の構造とすることが好ましい。１実施形態では、電極（導電体）は、典型的には金属（Ａｌ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｔｉ等）であるが、ＺｎＴｅなどの半導体でもあり得る。金属電極は、２００ｎｍ〜２０００ｎｍ、好ましくは約５００ｎｍの厚みを有する。界面（バリア）層材料は当業界で知られており、金属と直接には容易にオーム接触を形成しないＣｄＴｅ及び／又はＣＩＧＳなどの吸収帯材料との接触に利益を提供するＺｎＴｅ又は類似の材料などの任意の好適な材料であり得る。電極材料は典型的にはスパッタリングにより成長させる。平板又は回転式マグネトロンを使用し得る。界面層は同様の方法又は蒸着により成長させることができる。本発明の１実施形態では、これらの２つの層は、基板を温度制御されたドラム又はフリースパン上に置いて、単一のチャンバーで形成できる。これは、基板の取り扱い及び加熱に予期しない利益を提供する。
本発明の１実施形態では、電極及び界面層の成長の後で、可撓性の箔は他のチャンバーを通って走行する。チャンバー間の環境隔離の為に差動排気されたスリットを使用し得る。
１実施形態では、吸収体層は、スパッタリング又はこの目的に当業界で知られる近接空間昇華法（ＣＳＳ／close space sublimation）、気相輸送蒸着法（ＶＴＤ／vapor transport deposition）、閉空間蒸気輸送法（ＣＳＶＴ／close-space vapor transport）、又は化学蒸着法（ＣＶＤ）などの他の物理蒸着法（ＰＶＤ）により成長させることができる。吸収体層は、ＩＩ−ＶＩ族、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族、ＩＶ族化合物からなる郡から選ばれる化合物を含み得る。ＩＩ−ＶＩ族化合物は、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＭｇＴｅ等を含む。好ましいのはＩＩ−ＶＩ族化合物であり、特に好ましいのはＣｄＴｅである。
１実施形態では、吸収体層は、基板を典型的には４００℃以上に制御しながら成長させることができる。ＣｄＴｅ及びＣＩＧＳは好ましい吸収帯である。ＣＩＧＳは、０≦ｘ＜１としたときのＣｕＩｎｘＧａ１−ｘＳｅである。これに含まれるものには、ＣＩＳ、ＣＩＳｅ、ＣＩＧＳｅ、ＣＩＧＳＳｅを含むＣＩＧＳと一般に呼ばれる類縁材料が含まれる。ＣｄＴｅ吸収帯層の厚みは１ミクロン〜１０ミクロンであり、好ましくは約５ミクロンである。ＣＩＧＳ吸収帯の厚みは０．５ミクロン〜５ミクロンであり、好ましくは２ミクロンである。
吸収体層の成長の後、ウィンド層を類似のＰＶＤ法で成長させることができる。ウィンド層は、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＣｄＺｎＳ、ＺｎＳｅ及び／又はＩｎ２Ｓ３を含み得る。好ましい実施形態では、ＣｄＳがウィンド層材料であり、ＣＳＳ又はＶＴＤなどの当業界で知られた技術により成長させることができる。ＣｄＳウィンド層の厚みは約５０ｎｍから２００ｎｍであり、好ましくは約１００ｎｍである。ウィンド層成長に続いて、ＣｄＴｅ粒子成長について当業界で知られたＣｄＣｌ２処理など、工程後粒子成長が考えられる。これは、ＣｄＳ成長の前又は後のどちらでも良く、いくつかの実施形態では、吸収体と同じ成長チャンバーで行っても、又は、第３の隔離されたチャンバーで行われても良い。
１実施形態では、吸収体及びウィンド層成長及び吸収体工程後粒子成長のステップの後に、ＴＣＯをスパッタリングなどのＰＶＤ法で成長させることができる。この目的のために当業界で知られた通常のＴＣＯには、ＺｎＯ、ＺｎＯ：Ａｌ、ＩＴＯ、ＳｎＯ２、ＣｄＳｎＯ４が含まれる。ＩＴＯは１０％のＳｎを含むＩｎ２Ｏ３である。ＴＣＯの厚みは約２００ｎｍ〜２０００ｎｍであり、好ましくは約５００ｎｍである。
本発明は、所望の場合は追加的な層の成長も意図している。非限定的な例には太陽電池素子の性能向上のためのグリッド状パターンの頂部金属接点を含む。
完成すると、可撓性の太陽電池は巻取スプールに再度巻き付けることができる。この方法は、連続した可撓性の箔を維持するために前の可撓性の箔の末端に新しい可撓性の箔の先端が接合されるかどうかによって、半連続的又は連続的となる。１実施形態では、可撓性の箔は、最初にシステムに掛けられ、工程を走行し、その後、取り外される。これは、システムに可撓性の箔を掛けるために、可撓性の箔をスタートさせる毎にシステムを開くことを意味する。このようなシステムでは定期的なメインテナンスが必要であることから、システムの稼働時間や工程の処理量に打撃を与えないように可撓性の箔の長さをメインテナンスのスケジュールと同調させることができる。
本発明に従う光起電力素子は、５００メートルの長さであり得る基板の長さに渡って、良好な層結合を有するという予期しない利点を有する。更に、これらの層は、予期しないほどの一致した化学量論的な組成を示す。
１実施形態では、電池は、モノリシック集積のスキームでは、１つのモジュールにインサイチューで集積され得る。これは、システム内でのレーザー及び／又は機械的スクライビング具の使用を意図する。本発明は、スクライビング工程の場所はシステム内で可変であり得ることを意図している。１実施形態では、第１のスクライビングは、背面電極及びバリア界面層を成長させた後で、吸収体の成長の直前に配置され得る。他の実施形態では、本発明は、第２のスクライビングを高抵抗ＺｎＯ層の直後で、ＺｎＯ：Ａｌ又は低抵抗ＴＣＯ層成長の直前に配置することを意図する。１実施形態では、第３の最後のスクライビングは、低抵抗ＴＣＯの後に配置され得るが、これは、いくつかの実施形態では最後の層なので、製造システムの外部の隔離されたスタンドアローンのシステム、又は、切断／シーティング、接点付け、梱包などの後続の工程具と多分インラインのシステム上で行われ得る。
１実施形態では、Ｈ２又はフォーミングガスなどの還元雰囲気での処理又はアニールが考えられる。代替的には、本発明の工程では、Ｏ２含有、ＨＣｌ含有、一酸化窒素含有雰囲気などの酸化雰囲気での処理又はアニールもまた考えられる。
本発明の１実施形態では、製造システムは、基板の先端側非接触を実現する。好ましい実施形態では、すべての層がスパッタリング、蒸着、近接空間昇華法、閉空間蒸気輸送法、気相輸送蒸着法又はそのような他の方法を含むＰＶＤ法により成長され得る。
ここで図面を参照しつつ特定の実施形態を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明の１実施形態に従う一般概念図を示す。可撓性の箔１は、供給ロール２から巻取ロール３にロールツーロール状に配置される。供給ロール２と巻取ロール３の間は、従来からの蒸着、近接空間昇華、気相輸送、閉空間蒸気輸送及び化学蒸着を含む蒸着タイプの成長源４が配置される成長ゾーン又は材料源ゾーンである。この成長ゾーンでは、ＣｄＴｅなどの薄膜太陽電池の層が物理蒸着又は化学蒸着手段により通過する可撓性の箔上に連続的な態様で成長させられる。本発明では、必要なサイズ及び組成の層を適切に形成するのに適した任意の速度で源（複数）の近傍を移動する間に成長が生じることが考えられる。
代替的には、成長プロセスは、箔が一時的にチャンバー内で停止するステップを含んでも良く、この停止ステップは、特定の工程が箔上に作用するようにプログラムされる。可撓性の箔は、その特定のチャンバー内で成長又はスクライビング等の工程を遂行するのに適した任意の張力に維持され得る。速度は固定状態でなくても良く、工程に応じて変化し得る。本発明は、箔の供給及び巻取のためのロールツーロールに限定されないことが理解される。例えば、巻取ロールは、切断、積層装置等の他の手段で代替し得る。同様に、供給ロールは他の手段に代替し得る。
図２は、本発明の装置１８の他の実施形態を示す。この実施形態では、可撓性の箔１は、真空供給チャンバー１９でロールツーロールの態様で配置され、他の処理／成長チャンバー７，８，９から隔離されたチャンバー１９に配置された供給ロール５から巻取ロール６にチャンバーを通って移動する。各処理／成長チャンバー７，８，９は、冷却又は加熱によるドラム温度の制御による基板温度の制御が可能なように箔が掛けられたドラム１０，１１を有する。チャンバー７は、ＰＶＤ成長チャンバーであり得、１３ａ，１３ｂ及び／又は１３ｃのそれぞれが独立にスパッタリングカソード／ターゲットのセットを有し、可撓性の箔上に電極を、電極上にバリア界面層を成長するよう構成されている。本発明では、複数の薄い金属電極層を電極として成長し得ることが考えられる。
１実施形態では、本発明での使用に考えられるドラムは、冷却又は加熱ガス又は液体を通過させる２重壁ギャップ（不図示）を有するコーティングドラムである。必要な場合は、各チャンバーは、反応性スパッタリングガス又はＡｒなどの源材料をチャンバーに流す為のバルブなどの手段を有する。１実施形態では、チャンバー７，９の間に、箔のフリースパンモードでの追加の処理（これに限定されないが、加熱、冷却、成長、エッチング及び洗浄）のためのサブチャンバー８を使用し得る。フリースパンチャンバーは、箔の表と裏への成長、又は、１面を成長し、裏面をエッチング、スクライブ等するための成長チャンバーとして使用し得る。本発明に従うチャンバー環境は、必要であれば、特にチャンバーの隔離目的で差動排気を有する箔の周りの小領域１２、すなわち、スリットの使用により隔離され得る。各成長チャンバーは、相互汚染が生じないように、相互から有効的に隔離される。
図２は、３つの成長源を示すが、本発明はこれに限定されない。必要なら、１，２，３，４，５又はそれ以上のものが使用し得る。本発明における源の厳密な物理的な位置には限定されない。箔は、差動排気されるスリット１２を通ってチャンバー８に入る。吸収体層の成長は、ＣＳＳ、ＶＴＤ又は蒸着などのＰＶＤ源１４により行われ得る。本発明では、ＣｄＴｅ及びＣＩＧＳ薄膜の均一性、化学両論及びモルフォロジーの改善のために当業界で知られるセレン化処理が考えられる。図２に示すように、１４はチャンバーの外側であるが、本発明では、チャンバーが１４で示されるＰＶＤ源を含むことが考えられることが理解される。吸収体成長に続いて、ＣｄＳ及び典型的にはＣｄＣｌ２内での成長後粒子成長処理を行いうる。ＣｄＳ層は、ＣｄＴｅ上へのＣｄＣｌ２成長及びアニールによるＣｄＴｅ／ＣｄＳヘテロ接合の活性化及び再結晶化のために４５０℃でアニールされ得る。これらの２つの工程の順序は互換であり、図２では１５，１６で示されている。１実施形態では、プロセスの最終ステップは、スパッタリングなどのＰＶＤ法でチャンバー９内で成長し得るＴＣＯの形成である。図２は、これらの層の成長に使用されるカソード１７ａ，１７ｂ，１７ｃを示す。本発明が所望の成長ステップに応じてより多数又は少数のチャンバーを有し得ることが理解される。本発明では、例えば、チャンバー８（裏面成長源は示されていない）などの本発明の任意のフリースパンチャンバーで裏面成長を行うことが考えられる。
図２を参照して、本発明では、１実施形態において、Ａｌの電極を源１３ａを用いてＰＶＤでスパッタリングすることが考えられる。そして、ＺｎＴｅのバリア界面層が源１３ａを用いてＡｌ上に成長される。箔は、静止していても良く、成長を完遂するために適切なペースで移動していても良い。箔はスリット１２を通過し、次のステップでＣｄＴｅの吸収体層がバリア界面層上に成長される。実質的に同時に、チャンバー７内で、電極層とバリア界面層は、他の可撓性の箔上に成長されている。電極（Ａｌ）／バリア界面層（ＺｎＴｅ）／吸収体（ＣｄＴｅ）を成長させた可撓性の箔１の部分は、隣接する領域を分割し、及び連続的に接続するために、１５，１６の源／装置によりスクライビング、エッチング等され得る。例えば、ＣｄＳのマド層が成長され、公知の技術に従うビアを形成するためのＣｄＳ及びＣｄＴｅの第２のスクライビング、インク成長及び硬化によってスクライブされ得る。
所望であれば、公知のいくつかの技術により、成長表面の反射率及びＸ線蛍光を用いたインサイチューでの組成モニタリングに基づいて、層成長がモニタリングされ得る。
図３は、本発明の装置２５の他の実施形態を示す。本発明では、チャンバー１９の頂部及び底部のフリースパンチャンバー２３，８が考えられる。可撓性の箔１は、真空チャンバー１９、供給ロール５、巻取ロール６及び他の処理／成長チャンバー７，８，９にロールツーロールの態様で配置される。成長チャンバー７，９にはドラム１０，１１が示される。フリースパンチャンバー２３は、必要であれば可撓性の箔の前処理を可能にし、又は、電極の成長のチャンバーを可能にする。
図４は、本発明の装置３４の他の実施形態を示す。図４では、３つの下方フリースパンチャンバー３１，３２，３３が有る。本発明では、相互干渉無しで、連続的に処理すべきガス組成や圧力などの異なる環境の条件を必要とする追加的な処理が考えられる。フリースパンチャンバーの数は、技術的な要求に応じた設計上の選択であり、１，２，３又はそれ以上であり得る。各フリースパンチャンバーは、ガス、源材料、排気生成物の導入、排出などのための必要なバルブを有し得る。各チャンバーは、上記と同様の差動排気されるスリットにより隔離される。可撓性の箔１は、真空チャンバー１９、供給ロール５、巻取ロール６及び他の処理／成長チャンバー７，８，９にロールツーロールの態様で配置される。成長チャンバー７，９にはドラム１０，１１が示される。フリースパンチャンバー２３は、必要であれば可撓性の箔の前処理を可能にし、又は、電極の成長のチャンバーを可能にする。
図５は、本発明の装置５４の他の実施形態を示す。本発明では、チャンバーの中又は外側にパターニングシステムを配置し得ることが考えられる。図５は、チャンバーの中又は外側に配置されたパターニングシステム５０，５１，５２，５３を示す。所望の製品に応じて任意数のパターニングシステムを使用し得る。これらのパターニングシステムは、モノリシック集積などの太陽電池の内部接続設計に必要なスクライビングなどのパターニングを可能にし得る。可撓性の箔１は、真空チャンバー１９、供給ロール５、巻取ロール６及び他の処理／成長チャンバー７，８，９にロールツーロールの態様で配置される。成長チャンバー７，９にはドラム１０，１１が示される。フリースパンチャンバー２３は、必要であれば可撓性の箔の前処理を可能にし、又は、電極の成長のチャンバーを可能にする。
図６は、本発明の他の実施形態を示す。図６は、真空チャンバー６２内でロールツーロールの態様で配置され、他の処理／成長チャンバー６５，６６，６７から隔離されたチャンバー６２にともに配置される供給ロール６３から巻取ロール６４にチャンバー６２を通って移動することが可能な可撓性の箔６１を処理する処理装置６０を示す。１実施形態では、各チャンバー６５，６６，６７は、温度制御のためのドラムを使用せずに箔の処理を可能にするフリースパンであり得る。この実施形態では、箔は、ドラムを用いた構成よりもより高い温度を達成し得る。これは、ドラムは、ドラム内の媒体の沸点による温度、又は、最大のドラム耐熱温度などの熱制限に制限され得るからである。更に、フリースパンの形態は、張力によりドラムに結合していない箔に追加の自由度を提供し得る。チャンバー６５は、スパッタリングカソード／ターゲット６８ａ，６８ｂ，６８ｃが吸収体の成長の前に第１バリア及び導体層を成長し得るＰＶＤ成長チャンバーであり得る。吸収体成長は、ＣＳＳ、ＶＴＤ、蒸着などのＰＶＤ源により行うことができ、この図では６９で示されている。吸収体成長の後、プロセス及び装置は、ＣｄＳ及び典型的にはＣｄＣｌ２中での成長後粒子成長処理を行う。これらの２つのプロセスの順序は互換であり、７０，７２で示されている。１実施形態では、プロセスの最終ステップは、スパッタリングなどのＰＶＤ法によってチャンバー６７で成長され得るＴＣＯの形成である。カソード７１ａ，７１ｂ，７１ｃはこれらの層の成長に使用される。本発明では、フリースパンモードでは、スパッタリングカソード／ターゲット７３ａ，７３ｂ，７３ｃは、可撓性の箔の裏面に層を成長するために提供され得る。裏面での成長プロセス及び装置の更なる非限定的な例が７４ａ，７４ｂ，７４ｃで示されている。多段ロール７５ａ，７５ｂは可撓性の箔の誘導のために設計される。チャンバーを通って、成長源の周囲及び近傍で箔を移動させるために望ましい任意の構成又は形状の任意数のロールを使用し得る。
本明細書に記載した実施形態は、例示的で非網羅的な本発明により可能な層構造を示したものであることが理解される。本明細書で開示したものの中間的及び／又は追加的な層も考えられ、本発明の範囲に含まれる。太陽電池の最終用途がそのような構成を保証する場合は、被覆、封止及び他の構造層も考えることができる。
本明細書に開示したすべての特許及び公開は、すべての目的で、参照により本明細書に組み込まれる。
米国特許第６３７２５３８号公報

Claims (27)

  1. ある長さの可撓性の箔を含む基板を提供するステップと、
    前記基板の一部に太陽電池を含む一組の複数の層を形成するステップとを含み、
    前記複数の層の少なくとも１つが吸収体層を含み、
    前記吸収体層が少なくとも１つのＩＩ−ＶＩ族化合物を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。
  2. 前記一組の複数の層が、電極層、吸収体層、ウィンド層及びＴＣＯ層を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記基板が透明であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 前記基板が金属を含み、不透明であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. 層を形成できる少なくとも１の成長源の近傍で前記ある長さ可撓性の箔を連続的に移動させるステップを更に含み、
    前記箔が加熱又は冷却されることが可能な少なくとも１のコーティングドラムを用いて移送されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  6. 層を形成できる少なくとも１の成長源の近傍でフリースパンの形態で前記ある長さ可撓性の箔を連続的に移動させるステップを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  7. 前記ある長さの可撓性の箔が第１面と、前記第１面の反対の第２面を有し、
    一組の複数の層を形成する前記ステップが、前記第１面及び前記第２面に少なくとも１の層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
  8. 前記電極層、前記吸収体層、前記ウィンド層及び前記ＴＣＯ層が、層を形成できる少なくとも１の成長源の近傍で前記基板を移動させる間に実質的に同時に形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  9. 層を形成できる少なくとも１の成長源の近傍で前記基板を連続的に移動させる間に、
    前記電極層が前記基板上に形成され、
    前記吸収体層が前記電極層の後で形成され、
    前記ウィンド層が前記吸収体層の後で形成され、
    前記ＴＣＯ層が前記吸収体層の後で形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  10. 層を形成することが可能な少なくとも１の成長源の近傍で基板を連続的に移動させるステップを更に有し、
    前記箔が、加熱又は冷却されることが可能な少なくとも１のコーティングドラムを用いて移送されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
  11. 層を形成することが可能な少なくとも１の成長源の近傍でフリースパンの形態で前記基板を連続的に移動させることを特徴とする請求項９に記載の方法。
  12. アニール、ＣｄＣｌ２処理、セレン化、スクライビング、レーザーパターニング及び機械式パターニングからなる群より独立に選ばれる少なくとも１の工程を更に有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  13. 前記吸収体層がＣｄＴｅを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  14. 請求項１の方法で作成された光起電力素子。
  15. ある長さの可撓性の箔を含む基板を提供するステップと、
    層を形成することが可能な少なくとも１の成長源の近傍でフリースパンの形態で前記基板を移動させるステップと、
    前記基板の一部に光起電力素子を含む一組の複数の層を形成するステップとを有し、
    前記ある長さの可撓性の箔が、第１面と、前記第１面の反対の第２面とを有し、
    一組の複数の層を形成する前記ステップが、前記第１面及び前記第２面に少なくとも１の層を形成するステップを含むことを特徴とする光起電力素子の製造方法。
  16. 前記一組の複数の層が、電極層、吸収体層、ウィンド層及びＴＣＯ層を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  17. 前記吸収体層が、ＩＩ−ＶＩ族、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族、ＩＶ族化合物からなる群より選ばれる材料を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
  18. 前記吸収体層がＣｄＴｅを含むことを特徴とする請求項１７の方法。
  19. 前記吸収体層がＣＩＧＳを含むことを特徴とする請求項１７の方法。
  20. 前記吸収体層が、アモルファスシリコン、微結晶シリコン、マイクロフォラスシリコン、結晶シリコン、シリコンゲルマニウムからなる群より選ばれる材料を含むことを特徴とする請求項１７の方法。
  21. 前記基板が透明であることを特徴とする請求項１５の方法。
  22. 前記基板が金属を含み、不透明であることを特徴とする請求項１５の方法。
  23. アニール、ＣｄＣｌ２処理、セレン化、スクライビング、レーザーパターニング及び機械式パターニングからなる群より独立に選ばれる少なくとも１の工程を更に有することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  24. ある長さの可撓性の箔を含む基板を供給するための供給チャンバーと、
    少なくとも１の供給源及び少なくとも１の供給源の近傍で前記ある長さの可撓性の箔を移送する手段をそれぞれ独立に有する第１、第２及び第３チャンバーと、
    成長源のそれぞれを制御する手段とを有することを特徴とする光起電力素子を製造する装置。
  25. 加熱又は冷却されることが可能な少なくとも１のコーティングドラムを更に有することを特徴とする請求項２４の光起電力素子を製造する装置。
  26. 前記第１、第２及び第３チャンバーの少なくとも１つが、少なくとも１の成長源の近傍でフリースパンの形態で前記ある長さの可撓性の箔を移送する手段を有することを特徴とする請求項２４の光起電力素子を製造する装置。
  27. 前記可撓性の箔が第１面と、反対の第２面とを有し、
    少なくとも１のチャンバーが、第１面及び／又は第２面に配置された少なくとも１の成長源を有することを特徴とする請求項２６の光起電力素子を製造する装置。
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