JP3755048B2

JP3755048B2 - Integrated thin film tandem solar cell and manufacturing method thereof

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Publication number: JP3755048B2
Application number: JP28173095A
Authority: JP
Inventors: 克彦林; 淳竹中; 正隆近藤; 英雄山岸
Original assignee: Kaneka Corp
Current assignee: Kaneka Corp
Priority date: 1995-10-30
Filing date: 1995-10-30
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2015-10-30
Also published as: JPH09129906A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に複数の単位素子を接続形成する集積化薄膜タンデム太陽電池とその製造方法に関するものであり、特に、ＦＦ値および短絡電流値が向上し、性能及び信頼性の高い集積化薄膜タンデム太陽電池とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
太陽光のエネルギーを直接電気エネルギーに変換す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の結晶系太陽電池は、屋外の電力用太陽電池として既に実用化されている。これに対して、非結晶シリコンの薄膜太陽電池は、原材料が少なくてすむために低コスト太陽電池として注目されているが、総じてまだ開発段階にあり、既に普及している電卓等の民生機器の電源用途での実績をもとに、屋外用途へと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、従来の薄膜デバイスの製造と同様に、ＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いた薄膜の堆積とパターニングを繰り返し、所望の構造となるようにその製造プロセスを構築する。通常は１枚の基板上に複数の単位素子が直並列に接続された集積化構造が採用される。そして屋外用途のための電力用太陽電池では、その基板サイズは例えば４００×８００（ｍｍ）を越える大面積となる。
【０００４】
図２は、このような従来の集積化薄膜タンデム太陽電池の構造を表す断面図である。本図に示すように、従来の集積化薄膜タンデム太陽電池においては、第一電極層５、アモルファスシリコンと導電体等よりなる第一スタックセル８、同様の構成の第二スタックセル９および第二電極層１３が基板３上に順次積層され、第一スタックセル８および第二スタックセル９に設けられた接続溝７を介して第一電極層５と第二電極層１３とが接続され、第一電極層５が、互いに隣接し合う単位素子１５間の第一電極層５と連続していることにより、各単位素子１５が直列に接続されている。
【０００５】
第一電極層５としては、通常、酸化錫（ＳｎＯ_２）、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、第二電極層１３としては、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）等の金属膜が用いられる。
【０００６】
このような従来の集積化薄膜タンデム太陽電池は、おおよそ次のような方法によって作製される。以下、図２に基づいて説明する。
【０００７】
ガラス基板３上に、ＳｎＯ_２、ＺｎＯ、ＩＴＯ等の透明導電膜を第一電極層５として堆積し、集積化のために第一電極層５を発電領域に対応させてレーザースクライブで溶断して分離する（分離溝１７）。そしてレーザースクライブにおける溶断残渣を除去するための洗浄を行い、プラズマＣＶＤ法によりｐ−ｉ−ｎ接合構造を有する第一スタックセルの半導体層８１を、スパッタリング法により第一スタックセルの導電体層８２を、プラズマＣＶＤ法によりｐ−ｉ−ｎ接合構造を有する第二スタックセルの半導体層９１を、スパッタリング法により第二スタックセルの導電体層９２を、順次全面にわたって堆積する。
【０００８】
ここで、各スタックセル８、９の導電体層８２、９２は省略可能であるが、その場合、第一スタックセル８と第二スタックセル９との界面で、各スタックセルの構成と逆向きのｎ−ｐ接合が形成され、この部分の逆方向のダイオード特性のために、太陽電池特性のうち、ＦＦ値および開放電圧が低下する場合があるので、通常この界面では導電性の高いｎ−ｐ界面が使用される。また、第一スタックセル上に導電体層を設けることにより、第一スタックセル堆積後、真空チャンバーから取出して大気中に保持したり、洗浄処理を行ったりしても特性の低下が起こらず、プロセスの低コスト化が達成できる。
【０００９】
続いて、第一電極層５と同様にして、レーザースクライブ法によって第一スタックセル８および第二スタックセル９の溶断を行って接続溝７を形成した後、溶断残渣を除去するための洗浄を行う。さらに第二電極層１３としてＡｌ、Ａｇ、Ｃｒ等の金属膜を単膜または複層に堆積し、第一電極層５と同様にして、レーザースクライブ法により溶断し、集積化された大面積タンデム太陽電池を完成する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来の集積化薄膜太陽電池では、その出力特性のうち曲線因子（ＦＦ値）が低いという現象が見られる。ここで、一般に集積化薄膜太陽電池の製造においては、特性の向上のために各電極層５、１３の膜厚や第一スタックセル８および第二スタックセル９の膜質等、個別プロセス条件の最適化が図られる。ここで、基板３が大面積になると、個別プロセス条件最適化のための実験も煩雑となるので、通常は先行実験として簡易プロセスで小面積の薄膜太陽電池を作製してその特性を評価し、これによって得られる個別プロセスの最適条件を、大面積の薄膜太陽電池の製造工程にフィードバックする方法がとられる。
【００１１】
しかし、先行実験で良好な結果が得られても、その最適条件を大面積の製造工程にフィードバックすると、ほとんどの場合において先行実験どおりの良好な結果が得られず、太陽電池特性のうちＦＦ値および短絡電流が低下する。従って大面積の集積化薄膜タンデム太陽電池においては、上述したＦＦ値の改善が、変換効率の向上のために必要不可欠な急務となっている。
【００１２】
このような現状のもと、本発明者らはこのＦＦ値の低下原因について、子細に検討した。その結果、第一スタックセル８と第二スタックセル９との界面の連続性と、レーザースクライブ後の洗浄時における第一スタックセルおよび第二スタックセルの剥離（ピンホールの発生）とがその原因であることが判明した。
【００１３】
これを図を用いてさらに詳しく説明する。図３は、前述の先行実験に用いられる小面積薄膜太陽電池の構造を表す断面図である。この小面積薄膜太陽電池は、基板３上にＳｎＯ_２、ＺｎＯ、ＩＴＯ等の第一電極層５と、非晶質シリコン等の第一スタックセル８および第二スタックセル９と、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｒ等の第二電極層１３とを順次積層し、最後に第二電極層１３と第二スタックセル９および第一スタックセル８の周囲をパターニングして得られ、第一電極層５の露出部５ａと第二電極層１３に測定用プローブを当てて特性を測定する。
【００１４】
この小面積薄膜タンデム太陽電池は、第一スタックセル８と第二スタックセル９との界面の導電性が高い部分が、第一電極層５および第二電極層１３と電気的に短絡することはなく、また、第一電極層５、第一スタックセル８、第二スタックセル９および第二電極層１３が連続して形成され、その間にレーザースクライブ等による溶断や、洗浄処理が施されない。
【００１５】
これに対して、従来の集積化薄膜タンデム太陽電池では、第一スタックセル８と第二スタックセル９との界面の導電性が高い部分と、第一電極層５および第二電極層１３とをつなぐコンタクト部分つまり接続溝７に充填された電極構成物質とが接触する部分８９が存在する。また第一電極層５を溶断したときに発生した微細な粉（溶断残渣）が、分離溝１７近傍の第一電極層５上に付着すると、第一スタックセル８および第二スタックセル９堆積後の洗浄時に、付着物の存在箇所にピンホールが生じ、その結果、第二電極層１３堆積時に、第一電極層５と第二電極層１３との間で予期せぬ短絡が発生するという問題がある。
【００１６】
このように従来の集積化薄膜タンデム太陽電池では、小面積薄膜太陽電池でのＦＦ値を理想的に再現する高い性能の実現は不可能であった。
【００１７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、ＦＦ値の向上した高性能の集積化薄膜タンデム太陽電池と、その製造方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、上記の課題を解決するために、基板上に第一電極層、第一スタックセル、第二スタックセルおよび第二電極層からなる単位素子が複数個形成され、前記第一電極層がこの第一電極層の上面から前記基板の上面に至る分離溝を有し、前記第二電極層が、前記第二スタックセルおよび前記第一スタックセル中を経て前記第一電極層の上面に至る接続溝を介して前記第一電極層に接続され、前記第一電極層が隣接する単位素子の第一電極層と連続していることにより、前記複数の単位素子が直列に接続されている集積化薄膜タンデム太陽電池において、前記第一スタックセルが、前記第一電極層の分離溝中において、この第一スタックセルの上面から前記基板の上面に至る第一スタックセル分離溝によって分離された構造を有する。
【００１９】
また、請求項２の発明は、基板上に第一電極層、第一スタックセル、第二スタックセルおよび第二電極層からなる単位素子が複数個直列に接続形成された集積化薄膜タンデム太陽電池の製造方法において、基板上に、発電領域の境界となるべき箇所で分離溝によって分離された第一電極層を形成し、前記分離溝を含む第一電極層上に第一スタックセルを形成し、前記第一スタックセルを前記分離溝中において分離して、前記第一スタックセルの上面から前記基板に至る第一スタックセル分離溝を形成し、前記第一スタックセル分離溝を含む第一スタックセル上に第二スタックセルを形成し、前記第一電極層上に形成された前記第一スタックセルおよび第二スタックセルを分離して、前記第二スタックセルの上面から前記第一電極層に至る接続溝を形成し、前記接続溝を含む前記第二スタックセル上に第二電極層を形成し、単位素子相互の境界となるべき箇所で、少なくとも前記第二電極層は分離して、前記第一電極層は分離しないことを特徴とする。
【００２０】
なお、本明細書においては、積層体の基板側を下と呼び、積層が行われる側を上と呼ぶ。また、本来は面としての連続性を有する層を、溝（分離溝）によって分断された構造にすることを「分離する」という。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る集積化薄膜タンデム太陽電池１の構造を表す断面図である。
【００２２】
本図に示すように、集積化薄膜タンデム太陽電池１は、ガラス基板３上に第一電極層５、第一スタックセル８、第二スタックセル９および第二電極層１３が基板３側からこの順で設けられてなる単位素子１５がガラス基板３上で第一電極層５を介して複数個直列に接続されたものである。従来のものと同様に、第一電極層５はその上面からガラス基板３の上面に至る分離溝１７によって分離され、第二電極層１３は、第二スタックセル９の上面から第一スタックセル８中を経て、第一電極層５の上面に至る接続溝７を介して第一電極層５に接続されている。すなわち、接続溝７には第二電極層１３を構成する物質が充填され、その下端部が第一電極層５に接している。この分離溝１７と接続溝７とをそれぞれ含む領域が、第二電極層１３の上面から第一電極層５の上面に至る上部分離溝１９によって隣接する同様の領域と区切られて、各単位素子１５が形成されている。
【００２３】
ここで第一スタックセル８が、分離溝１７中において、第一スタックセル８の上面からガラス基板３の上面に至る第一スタックセル分離溝１７７によって分離されている点が本発明に係る集積化薄膜タンデム太陽電池１の特徴である。第一スタックセル分離溝１７７には、第二スタックセル９を構成する半導体が充填されている。
【００２４】
なお、上記の例においては、各スタックセル８、９が、それぞれ第一電極側から半導体層８１、９１と導電体層８２、９２とを積層したものとなっているが、導電体層８２、９２は必須ではない。また、この導電体層としては、透明導電膜材料が好適に用いられるがこれも必須ではない。
【００２５】
また、積層体を単位素子１５に区切る上部分離溝１９は、第二電極層１３および二つのスタックセル８、９を分離しているが、これも必須要件ではなく、少なくとも第二電極層１３が分離されていればよい。
【００２６】
上記の構成よりなる集積化薄膜タンデム太陽電池１においては、第一スタックセル８と第二スタックセル９との間の導電性の高い領域が、第一スタックセル分離溝１７７に充填されて層状となった第二スタックセル９の半導体によって限られた活性領域内に存在し、接続溝７に充填された第２電極層構成物質と接触していないので、従来の集積化薄膜タンデム太陽電池より高いＦＦ値が得られる。
【００２７】
次に本発明の集積化薄膜タンデム太陽電池の製造方法の例を図１に基づいて説明する。
【００２８】
製造例１
ガラス基板３上にＳｎＯ_２、ＺｎＯ、ＩＴＯ等の透明導電膜を堆積して第一電極層５を形成し、集積化のために複数の発電領域に対応させて、この第一電極層５をレーザースクライブ法によって溶断して、分離溝１７を形成する。これにより、例えばガラス基板３の一方向に沿って、短冊状の発電領域が形成される。ここで大面積の集積化薄膜太陽電池の場合には、一例として９１０×４５５×４（ｍｍ）のヘイズ基板が用いられ、第一電極層５の表面抵抗は１０Ω程度に設定される。
【００２９】
レーザースクライブによって発生した溶断残渣を除去するために水洗等の洗浄を行い、次に、この複数の発電領域に対応して形成された第一電極層５上全面にわたって、プラズマＣＶＤ法等により第一スタックセル８の半導体層８１を堆積する。この第一スタックセル８の半導体層８１には、例えばｐ−ｉ−ｎ構造を有する水素化アモルファスシリコン層が用いられる。
【００３０】
この水素化アモルファスシリコン層は、例えば次の方法により形成される。先ず上記基板を１０^-5Ｔｏｒｒ以下の高真空チャンバーに入れ、１４０〜２００℃の基板温度下で、成膜ガスとしてシラン（ＳｉＨ_４）、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）、メタン（ＣＨ_４）、水素（Ｈ_２）をチャンバーに導入し、反応圧を約１．０Ｔｏｒｒとして、ＲＦ放電によって、ｐ型水素化アモルファスシリコンカーバイドを５０〜２００オングストロームの膜厚に堆積する。次に成膜ガスとしてシランガス及び水素（Ｈ_２）をチャンバーに導入し、反応圧を０．５〜１．０ＴｏｒｒとしてＲＦ放電によって、ｉ型水素化アモルファスシリコンを７００オングストローム程度の膜厚に堆積する。さらに成膜ガスとしてシラン、フォスフィン（ＰＨ_３）、水素（Ｈ_２）をチャンバーに導入し、反応圧を約１．０Ｔｏｒｒとして、ＲＦ放電によって、ｎ型微結晶シリコンを１００〜２００オングストローム程度の膜厚に堆積する。
【００３１】
ここで示した第一スタックセル８の半導体層８１の堆積条件はあくまで一例であり、例えば第一電極層５側からｎ−ｉ−ｐ構造としてもよく、それ自体をタンデム構造としてもよい。第一スタックセル８の半導体層８１の主たる材料は、水素化アモルファスに限定されず、アモルファス、多結晶または微結晶、およびこれらの組み合せのいずれでもよく、シリコン以外にもシリコンカーバイド、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、ＩＩ−ＶＩ族化合物、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物等が用いられ、さらにこれらを組み合せたものでもよい。
【００３２】
続いて、この第一スタックセル８の半導体層８１上に、スパッタリング法により第一スタックセル８の導電体層８２を堆積する。具体例としては、第一スタックセルの半導体層８１を堆積した基板をスパッタチャンバーに入れ、１×１０^-6Ｔｏｒｒ以上の高真空に排気し、スパッタガスとしてアルゴンガス（Ａｒ）を導入して１〜５ｍＴｏｒｒの圧力のもとで、ＲＦ放電によって酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）をドーピングしたＺｎＯを８００〜１０００オングストロームの膜厚に堆積する。ここで第一スタックセル８の導電体層８２の材料としては、ＺｎＯの他にＳｎＯ_２やＩＴＯ等の透明導電材料が用いられ、あるいはＡｌ、Ａｇ、Ｃｒ等の金属でもよく、さらにはこれらの積層体でもよい。上述したように、第一スタックセル８の導電体層８２は省略することもできる。
【００３３】
続いて、すでに形成されている第一電極層５の分離溝１７の中央で、レーザースクライブ法によって第一スタックセル８を溶断し、第一スタックセル分離溝１７７を形成する。そしてレーザースクライブ時に発生した溶断残渣を除去するために水洗等の洗浄を行う。
【００３４】
続いて第一スタックセル８上全体に、プラズマＣＶＤ法により第二スタックセル９の半導体層９１を堆積する。この第二スタックセル９の半導体層９１には、例えば、ｐ−ｉ−ｎ構造の水素化アモルファスシリコン層が用いられる。この水素化アモルファスシリコン層を形成するには、先ず上記基板を１０^-5Ｔｏｒｒ以下の高真空チャンバーに入れ、１４０〜２００℃の基板温度下で、成膜ガスとしてシラン（ＳｉＨ_４）、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）、メタン（ＣＨ_４）、水素（Ｈ_２）をチャンバーに導入し、反応圧を約１．０ＴｏｒｒとしてＲＦ放電によって、ｐ型水素化アモルファスシリコンカーバイドを５０〜２００オングストロームの膜厚に堆積する。次に成膜ガスとしてシランガスのみをチャンバーに導入し、反応圧を０．２〜０．７ＴｏｒｒとしてＲＦ放電によって、ｉ型水素化アモルファスシリコンを３０００オングストローム程度の膜厚に堆積する。さらに成膜ガスとしてシラン、フォスフィン（ＰＨ_３）、水素（Ｈ_２）をチャンバーに導入し、反応圧を約１．０ＴｏｒｒとしてＲＦ放電によって、ｎ型微結晶シリコンを１００〜２００オングストローム程度の膜厚に堆積する。
【００３５】
ここで示した第二スタックセル９の半導体層９１の堆積条件はあくまで一例であり、例えば第一電極層側からｎ−ｉ−ｐ構造でもよく、それ自体がタンデム構造でもよい。第二スタックセル９の半導体層９１の主たる材料は、水素化アモルファスシリコンに限定されず、アモルファス、多結晶または微結晶、およびこれらの組み合せのいずれでもよく、シリコン以外にシリコンカーバイド、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、ＩＩ−ＶＩ族化合物、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物等も用いられ、さらにこれらを組み合せてもよい。
【００３６】
この第二スタックセル９の半導体層９１上に、スパッタリング法により第二スタックセルの導電体層９２を堆積する。具体例としては、第二スタックセル９の半導体層９１を堆積した基板をスパッタチャンバーに入れ、１×１０^-6Ｔｏｒｒ以上の高真空に排気し、スパッタガスとしてアルゴンガス（Ａｒ）を導入して１〜５ｍＴｏｒｒの圧力のもとで、ＲＦ放電によって酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）をドーピングしたＺｎＯを８００〜１０００オングストロームの膜厚に堆積する。ここで第二スタックセル９の導電体層９２の材料は、ＺｎＯの他にＳｎＯ_２やＩＴＯ等の透明導電材料や、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｒ等の金属でもよく、さらにはこれらの積層体でもよい。上述したように、この第二スタックセル９の導電体層９２は省略することもできる。
【００３７】
続いて、すでに形成されている第一電極層５の分離溝１７の近傍で、第一スタックセル８および第二スタックセル９をレーザースクライブ法によって溶断し、第二スタックセル９の上面から第一スタックセル８中を経て第一電極層５の上面に至る接続溝７を形成する。そしてレーザースクライブ時に発生した溶断残渣を除去するために洗浄を行う。
【００３８】
次に、上述と同様のスパッタリング法や真空蒸着法によって、第二電極層１３としてＡｌ、Ａｇ、Ｃｒ等の金属を全面に堆積する。
【００３９】
続いて、接続溝７に対して第一電極層５および第一スタックセル８の分離溝１７とは反対側の、接続溝７の近傍で、第二電極層１３、第二スタックセル９、および第一スタックセル８をレーザースクライブ法によって溶断して上部分離溝１９を形成する。これによって、ガラス基板３上に第一電極層５と第二電極層１３および２本の分離溝１９とによって囲まれる領域からなる単位素子１５が、第一電極層５を介して複数個直列に接続形成された集積化薄膜タンデム太陽電池が得られる。なお、すでに述べたように、上部分離溝１９の形成には各スタックセル８、９を分離しなくてもよく、少なくとも第二電極層１３を分離すればよい。
【００４０】
最後に、レーザースクライブによって発生した溶断残渣を除去するために洗浄を行い、必要に応じてエポキシ樹脂等の適当なパッシベーション層を塗布形成しておく。
【００４１】
上記した本発明の製造方法によれば、電極層５上の分離溝１７内で第一スタックセル８を溶断し、第一スタックセル分離溝１７の形成を行っているので、第一スタックセル８と第二スタックセル９との間の導電性の高い領域が、接続溝７において第２電極層と接触せず、高いＦＦ値を有する集積化薄膜タンデム太陽電池が得られる。また、第一電極層５の溶断残渣の付着によるピンホールのほとんどは、第一スタックセル８を形成するためのスクライブ後の洗浄時に発生するので、その上に第二スタックセル９が形成されることにより第一電極層５と第二電極層１３との短絡が防止され、この点でも従来の集積化薄膜タンデム太陽電池より高いＦＦ値が得られる。
【００４２】
製造例２
前述の製造例１と同様の手順で、第二スタックセル９の半導体層９１の堆積までを行う。この第二スタックセル９の半導体層９１上に、スパッタリング法により第二スタックセル９の導電体層９２を堆積する。具体的には、第二スタックセル９の半導体層９１を堆積した基板をスパッタチャンバーに入れ、１×１０^-6Ｔｏｒｒ以上の高真空に排気し、スパッタガスとしてアルゴンガス（Ａｒ）を導入して１〜５ｍＴｏｒｒの圧力のもとで、ＲＦ放電によって酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）をドーピングしたＺｎＯを約５００オングストロームの膜厚に堆積する。ここで第二スタックセル９の導電体層９２の材料としては、ＺｎＯの他にＳｎＯ_２やＩＴＯ等の透明導電材料でもよく、さらにはこれらの積層体でもよい。また、この第二スタックセル９の導電体層９２は省略することもできる。
【００４３】
続いて、レーザースクライブ法によって第一スタックセル８および第二スタックセル９を同時に溶断し、すでに形成されている第一電極層５および第一スタックセル８の分離溝１７に隣接した接続溝７を形成する。そしてレーザースクライブ時に発生した溶断残渣を除去するために洗浄を行った後、多層膜からなる第二電極層１３を全面に形成する。すなわち、上述と同様のスパッタリング法や真空蒸着法を用いて、ＺｎＯ、ＳｎＯ_２、ＩＴＯ等の透明導電体層とＡｌ、Ａｇ、Ｃｒ等の金属層とを順次堆積する。具体例としては、第二スタックセルの導電体層を堆積した基板をスパッタチャンバーに入れ、１×１０^-6Ｔｏｒｒ以上の高真空に排気し、スパッタガスとしてアルゴンガス（Ａｒ）を導入して１〜５ｍＴｏｒｒの圧力のもとで、ＲＦ放電によってＡｌ_２Ｏ_３をドーピングしたＺｎＯを約５００オングストロームの膜厚に堆積する。次に、この基板をスパッタチャンバー内において、１×１０^-6Ｔｏｒｒ以上の高真空に排気し、スパッタガスとしてアルゴンガスＡｒを導入して１〜５ｍＴｏｒｒの圧力のもとで、ＲＦ放電によって金属層としてＡｇを約３０００オングストロームの膜厚に堆積する。ここでＺｎＯとＡｇは真空を破らずに連続的に堆積することが望ましいが、一旦真空を破り、別のチャンバーや装置で堆積してもよい。また、金属層は例えばＡｇとＡｌの積層体等の多層構造でもよく、膜厚については材料にもよるが、１０００オングストローム以上あればよい。また、ＲＦスパッタに代えて、ＤＣスパッタを用いてもよい。
【００４４】
次に製造例１と同様にして、接続溝７に対して第一電極層５の分離溝１７とは反対側の領域の接続溝７の近傍で、少なくとも第二電極層１３を複数の発電領域に対応させてレーザースクライブ法によって溶断して上部分離溝１９を形成する。これによって、ガラス基板３上に第一電極層５、第二電極層１３、および２本の上部分離溝１９によって囲まれる領域からなる単位素子１５が複数個直列に接続形成される。
【００４５】
最後に、レーザースクライブ法によって発生した溶断残渣を除去するために洗浄を行い、必要に応じてエポキシ樹脂等の適当なパッシベーション層を塗布形成しておく。
【００４６】
上記において、半導体層の上に堆積されるＺｎＯの膜厚は、６００〜１２００オングストローム、好ましくは８００〜１０００オングストロームの範囲に設定するとよい。これは、ガラス基板３側から入射した光を第二電極層１３側で効率よく反射させて、「光の閉じ込め効果」を得るためである。従って、第二電極層１３を金属のみで形成した製造例１では、第二スタックセル９の導電体層９２としてＺｎＯを８００〜１０００オングストロームの膜厚に堆積し、第二電極層１３を透明導電体層と金属層との２層構造とした製造例２では、第二スタックセル９の導電体層９２としてのＺｎＯと、第二電極層１３としてのＺｎＯを、例えば、それぞれ５００オングストロームずつ堆積して合計１０００オングストロームとすればよい。
【００４７】
以上で詳細に説明した本発明の集積化薄膜タンデム太陽電池は、従来品の問題点を解決して、大幅な性能の向上を実現するものである。すなわち、従来品では第一スタックセル８と第二スタックセル間９の間の導電性の高い領域が、第一電極層５と第二電極層１３とをつなぎ、電極層を構成する物質が充填された接続溝７と接触しており、第二スタックセル９の出力が充分取り出せないという問題や、第一電極層５の分離溝１７近傍でのスタックセルの膜剥離（ピンホール発生）により、第一電極層と第二電極層とが容易に短絡してしまうという問題があったが、本発明はこれらの問題を解決し、ＦＦ値と変換効率の大幅な向上を実現した。例えば、ＡＭ１．５の擬似太陽光下でのＦＦ値と変換効率を比較すると、従来品ではＦＦ値が０．６１〜０．６８、変換効率が７．３〜９．０％であったのに対して、発明品ではＦＦ値が０．６８〜０．７１、変換効率が８．８〜１０．４％となり、大幅な改善効果が得られたことが確認された。
【００４８】
【実施例】
以下、本発明の詳細を具体的実施例に基づいて説明する。
【００４９】
実施例１
９１０×４５５ｍｍ、厚さ４ｍｍの青板ガラス基板３上の片面全体に、第一電極層５としてＳｎＯ_２を、ヘイズ率１５％、表面抵抗１０オームになるように８０００オングストロームの膜厚に堆積した。この第一電極層５を複数の発電領域に対応させてレーザースクライブ法によって溶断して分離溝１７を形成した。これにより、基板３の一方向に沿って、複数の短冊状の発電領域が形成された。
【００５０】
溶断残渣を除去するために洗浄を行い、続いて、この第一電極層５上にわたって、第一スタックセル層８の半導体層８１としてｐ−ｉ−ｎ構造の水素化アモルファスシリコン層をプラズマＣＶＤ法により形成した。すなわち、まず１０^-5Ｔｏｒｒ以下の高真空チャンバー中、１６０℃の基板温度下で、成膜ガスとしてＳｉＨ_４、Ｂ_２Ｈ_６、ＣＨ_４及びＨ_２を用い、反応圧を１．０Ｔｏｒｒとして、ＲＦ放電によってｐ型水素化アモルファスシリコンカーバイドを５０オングストロームの膜厚に堆積した。次に成膜ガスとしてＳｉＨ_４及びＨ_２を用い、反応圧を１．０Ｔｏｒｒとして、ＲＦ放電によってｉ型水素化アモルファスシリコンを７００オングストロームの膜厚に堆積した。さらに成膜ガスとしてＳｉＨ_４、ＰＨ_３及びＨ_２を用い、反応圧を１．０Ｔｏｒｒとして、ＲＦ放電によってｎ型微結晶シリコンを２００オングストロームの膜厚に堆積した。
【００５１】
続いて、この半導体層８１上に、第一スタックセル８の導電体層８２をスパッタリング法により堆積した。すなわち、１×１０^-6Ｔｏｒｒ以上の高真空に排気したスパッタチャンバー中、スパッタガスとしてＡｒを用い、３ｍＴｏｒｒの圧力のもとで、ＲＦ放電によって、Ａｌ_２Ｏ_３をドーピングしたＺｎＯを８００オングストロームの膜厚に堆積した。
【００５２】
次に、すでに形成されている第一電極層５の分離溝１７の中央で、レーザースクライブ法によって第一スタックセル８を溶断して第一スタックセル分離溝１７７を形成し、溶断残渣を除去するために洗浄を行った。
【００５３】
この第一スタックセル８上にわたって、第二スタックセル９の半導体層９１としてｐ−ｉ−ｎ構造の水素化アモルファスシリコン層をプラズマＣＶＤ法により堆積した。すなわち、まず１０^-5Ｔｏｒｒ以下の高真空チャンバー中、１６０℃の基板温度下で、成膜ガスとしてＳｉＨ_４、Ｂ_２Ｈ_６、ＣＨ_４及びＨ_２を用い、反応圧を１．０Ｔｏｒｒとして、ＲＦ放電によってｐ型水素化アモルファスシリコンカーバイドを５０オングストロームの膜厚に堆積した。次に成膜ガスとしてＳｉＨ_４を用い、反応圧を０．３Ｔｏｒｒとして、ＲＦ放電によってｉ型水素化アモルファスシリコンを３０００オングストロームの膜厚に堆積した。さらに成膜ガスとしてＳｉＨ_４、ＰＨ_３及びＨ_２を用い、反応圧を１．０Ｔｏｒｒとして、ＲＦ放電によってｎ型微結晶シリコンを２００オングストロームの膜厚に堆積した。
【００５４】
この半導体層９１上に、第二スタックセル９の導電体層９２をスパッタリング法により堆積した。すなわち、１×１０^-6Ｔｏｒｒ以上の高真空に排気したスパッタチャンバー中、スパッタガスとしてＡｒを用い、３ｍＴｏｒｒの圧力のもとで、ＲＦ放電によって、Ａｌ_２Ｏ_３をドーピングしたＺｎＯを８００オングストロームの膜厚に堆積した。
【００５５】
続いて、すでに形成されている第一電極層５の分離溝１７の近傍で、第一スタックセル８および第二スタックセル９をレーザースクライブ法によって溶断し、第二スタックセル９の上面から第一電極層５の上面に至る接続溝７を形成し、溶断残渣を除去するために洗浄を行った。
【００５６】
次に、上記と同様のスパッタリング法によって、第二電極層１３としてＡｇを２５００オングストロームの膜厚に堆積した。
【００５７】
続いて、接続溝７に対して第一電極層５および第一スタックセル８の分離溝１７とは反対側の、接続溝７の近傍で、第二電極層１３、第二スタックセル９、および第一スタックセル８をレーザースクライブ法によって溶断して上部分離溝１９を形成し、第二電極層１３を複数の発電領域に対応させて分割した。これにより、単位素子１５が第一電極層５を介して直列に接続されて複数個形成された集積化薄膜タンデム太陽電池が得られた。
【００５８】
最後に、溶断残渣を除去するための洗浄を行い、エポキシ樹脂によりパッシベーション層を塗布形成した。
【００５９】
この集積化薄膜タンデム太陽電池の、ＡＭ１．５の擬似太陽光下でのＦＦ値と変換効率は、ＦＦ値が０．６８、変換効率が８．８であり、第一スタックセル分離溝１７７を形成する以外は上記と同様にして製造した従来技術による集積化薄膜タンデム太陽電池のＦＦ値０．６１、変換効率７．３％と比較して、大幅な向上が見られた。
【００６０】
実施例２
上記実施例１と同様の手順で、第二スタックセル９の半導体層９１の堆積までを行った。この半導体層９１上に、第二スタックセル９の導電体層９２をスパッタリング法により堆積した。すなわち、１×１０^-6Ｔｏｒｒ以上の高真空に排気したスパッタチャンバー中、スパッタガスとしてＡｒを用い、３ｍＴｏｒｒの圧力のもとで、ＲＦ放電によってＡｌ_２Ｏ_３をドーピングしたＺｎＯを５００オングストロームの膜厚に堆積した。
【００６１】
続いて、実施例１と同様にして、第一スタックセル８および第二スタックセル９をレーザースクライブ法によって同時に溶断して接続溝７を形成した。そして溶断残渣を除去するために洗浄を行った後、第二電極層１３として、全面にＺｎＯ層と金属層よりなる多層膜を全面に形成した。すなわち、１×１０^-6Ｔｏｒｒ以上の高真空に排気したスパッタチャンバー中、スパッタガスとしてＡｒを用い、３ｍＴｏｒｒの圧力のもとで、ＲＦ放電によって、Ａｌ_２Ｏ_３をドーピングしたＺｎＯを５００オングストロームの膜厚に堆積した。次に、スパッタリング条件をこれと同じにして、上記金属層としてＡｇを２５００オングストロームの膜厚に堆積した。
【００６２】
次に実施例１と同様にして、上部分離溝１９を形成し、ガラス基板３上に単位素子１５が複数個直列に接続形成された集積化薄膜タンデム太陽電池を得た。
【００６３】
最後に、溶断残渣を除去するために洗浄を行い、エポキシ樹脂によりパッシベーション層を塗布形成した。
【００６４】
この集積化薄膜タンデム太陽電池の、ＡＭ１．５の擬似太陽光下でのＦＦ値と変換効率は、ＦＦ値が０．６８、変換効率が８．８％であり、第一スタックセル分離溝１７７を形成する以外は上記と同様にして製造した従来技術による集積化薄膜タンデム太陽電池のＦＦ値０．６１、変換効率７．３％と比較して、大幅な向上が見られた。
【００６５】
【発明の効果】
上述したように本願発明によれば、以下のような優れた効果が得られる。
【００６６】
請求項１の集積化薄膜タンデム太陽電池は、第一スタックセルと第二スタックセルとの間の導電性の高い領域が、第一スタックセル分離溝に充填されて層状となった第二スタックセルの半導体によって限られた活性領域内に存在し、接続溝において電極層と接触していないので、ＦＦ値が従来の集積化薄膜タンデム太陽電池に比べて大幅に改善され、変換効率の向上が実現される。
【００６７】
また、請求項２の製造方法によれば、ＦＦ値が従来のものに比べて大幅に改善された上記請求項１の集積化薄膜タンデム太陽電池が得られる。さらに、第二スタックセルの形成前に、第一電極層上の分離溝内で第一スタックセルを溶断して、第一スタックセル分離溝を形成するので、第一電極層の溶断残渣の付着による第一スタックセルおよび第二スタックセルの剥離（ピンホール発生）に起因する第一電極層と第二電極層との短絡を防止することができ、これによってもＦＦ値が従来の集積化薄膜タンデム太陽電池に比べて改善され、変換効率の向上が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の集積化薄膜タンデム太陽電池の構造を表す断面図である。
【図２】従来の集積化薄膜タンデム太陽電池の構造を表す断面図である。
【図３】集積化薄膜タンデム太陽電池の製造プロセス条件の検討に用いられる小面積薄膜太陽電池の構造を表す断面図である。
【符号の説明】
１集積化薄膜タンデム太陽電池
３ガラス基板
５第一電極層
７接続溝
８第一スタックセル
８１第一スタックセル８の半導体層
８２第一スタックセル８の導電体層
９第二スタックセル
９１第二スタックセル９の半導体層
９２第二スタックセル９の導電体層
１３第二電極層
１５単位素子
１７分離溝
１７７第一スタックセル分離溝
１９上部分離溝[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an integrated thin film tandem solar cell in which a plurality of unit elements are formed on a substrate and a method for manufacturing the same, and in particular, an FF value and a short circuit current value are improved, and integration with high performance and reliability is performed. The present invention relates to a thin film tandem solar cell and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In recent years, solar cells that directly convert solar energy into electrical energy have been put into practical use. Crystalline solar cells such as single crystal silicon and polycrystalline silicon have already been used as outdoor power solar cells. It has been put into practical use. On the other hand, amorphous silicon thin-film solar cells are attracting attention as low-cost solar cells because they require less raw materials, but they are still in the development stage and are already widely used as power sources for consumer devices such as calculators. Research and development is underway to develop applications for outdoor use based on the results of use.
[0003]
In the manufacture of a thin film solar cell, as in the manufacture of a conventional thin film device, deposition and patterning of a thin film using a CVD method, a sputtering method, etc. are repeated, and the manufacturing process is constructed so as to obtain a desired structure. Usually, an integrated structure in which a plurality of unit elements are connected in series and parallel on a single substrate is employed. And in the solar cell for electric power for outdoor use, the board | substrate size becomes a large area exceeding 400 * 800 (mm), for example.
[0004]
FIG. 2 is a sectional view showing the structure of such a conventional integrated thin film tandem solar cell. As shown in the figure, in the conventional integrated thin film tandem solar cell, the first electrode layer 5, the first stack cell 8 made of amorphous silicon and a conductor, the second stack cell 9 and the second stack cell having the same configuration are used. The electrode layer 13 is sequentially laminated on the substrate 3, and the first electrode layer 5 and the second electrode layer 13 are connected via the connection grooves 7 provided in the first stack cell 8 and the second stack cell 9. Since one electrode layer 5 is continuous with the first electrode layer 5 between the unit elements 15 adjacent to each other, the unit elements 15 are connected in series.
[0005]
The first electrode layer 5 is usually tin oxide (SnO₂), Zinc oxide (ZnO), indium tin oxide (ITO) or the like transparent conductive film is used, and the second electrode layer 13 is a metal such as aluminum (Al), silver (Ag), or chromium (Cr). A membrane is used.
[0006]
Such a conventional integrated thin film tandem solar cell is manufactured by the following method. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.
[0007]
On the glass substrate 3, SnO₂A transparent conductive film such as ZnO or ITO is deposited as the first electrode layer 5, and for integration, the first electrode layer 5 is melted and separated by laser scribing corresponding to the power generation region (separation groove 17). Then, cleaning for removing the fusing residue in laser scribing is performed, the semiconductor layer 81 of the first stack cell having a p-i-n junction structure is formed by plasma CVD, and the conductor layer 82 of the first stack cell is formed by sputtering. Then, the semiconductor layer 91 of the second stack cell having a pin junction structure is deposited by plasma CVD, and the conductor layer 92 of the second stack cell is sequentially deposited over the entire surface by sputtering.
[0008]
Here, the conductor layers 82 and 92 of each stack cell 8 and 9 can be omitted, but in that case, at the interface between the first stack cell 8 and the second stack cell 9, the direction is opposite to the configuration of each stack cell. N-p junction is formed, and the FF value and the open-circuit voltage of the solar cell characteristics may decrease due to the reverse diode characteristics of this portion. A p-interface is used. In addition, by providing a conductor layer on the first stack cell, after deposition of the first stack cell, it is removed from the vacuum chamber and held in the atmosphere, or even if a cleaning process is performed, the characteristics do not deteriorate, Process cost reduction can be achieved.
[0009]
Subsequently, similarly to the first electrode layer 5, the first stack cell 8 and the second stack cell 9 are blown by the laser scribing method to form the connection groove 7, and then cleaning for removing the blowout residue is performed. Do. Furthermore, a metal film such as Al, Ag, Cr or the like is deposited as a second electrode layer 13 in a single film or a plurality of layers, and is melted and integrated by a laser scribing method in the same manner as the first electrode layer 5. Complete the solar cell.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional integrated thin film solar cell described above, a phenomenon that the fill factor (FF value) is low among the output characteristics is observed. Here, in general, in the manufacture of integrated thin film solar cells, individual process conditions such as the film thicknesses of the electrode layers 5 and 13 and the film quality of the first stack cell 8 and the second stack cell 9 are optimized for improving the characteristics. Is achieved. Here, since the experiment for optimizing the individual process conditions becomes complicated when the substrate 3 has a large area, a small-area thin-film solar cell is usually manufactured by a simple process as a prior experiment, and its characteristics are evaluated. A method is adopted in which the optimum conditions of the individual processes obtained thereby are fed back to the manufacturing process of a large-area thin-film solar cell.
[0011]
However, even if a good result is obtained in the previous experiment, if the optimum condition is fed back to the manufacturing process of a large area, the good result as in the previous experiment cannot be obtained in most cases, and the FF value among the solar cell characteristics is not obtained. And the short circuit current decreases. Therefore, in the integrated thin film tandem solar cell having a large area, the improvement of the FF value described above is an urgent necessity in order to improve the conversion efficiency.
[0012]
Under such circumstances, the present inventors have studied in detail the cause of the decrease in the FF value. As a result, the continuity of the interface between the first stack cell 8 and the second stack cell 9 and the peeling (generation of pinholes) of the first stack cell and the second stack cell during cleaning after laser scribing are the causes. It turned out to be.
[0013]
This will be described in more detail with reference to the drawings. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of a small area thin film solar cell used in the preceding experiment. This small area thin film solar cell is made of SnO on a substrate 3.₂The first electrode layer 5 such as ZnO and ITO, the first stack cell 8 and the second stack cell 9 such as amorphous silicon, and the second electrode layer 13 such as Al, Ag, and Cr are sequentially laminated, Finally, the second electrode layer 13, the second stack cell 9, and the periphery of the first stack cell 8 are obtained by patterning, and a measurement probe is applied to the exposed portion 5a of the first electrode layer 5 and the second electrode layer 13. Measure characteristics.
[0014]
In this small area thin film tandem solar cell, a portion with high conductivity at the interface between the first stack cell 8 and the second stack cell 9 is electrically short-circuited with the first electrode layer 5 and the second electrode layer 13. In addition, the first electrode layer 5, the first stack cell 8, the second stack cell 9, and the second electrode layer 13 are continuously formed, and no fusing by a laser scribe or the like or a cleaning process is performed between them.
[0015]
On the other hand, in the conventional integrated thin film tandem solar cell, the portion having high conductivity at the interface between the first stack cell 8 and the second stack cell 9, the first electrode layer 5 and the second electrode layer 13 are provided. There is a contact portion 89 to be connected, that is, a portion 89 in contact with the electrode constituent material filled in the connection groove 7. Further, if fine powder (melting residue) generated when the first electrode layer 5 is melted adheres to the first electrode layer 5 in the vicinity of the separation groove 17, the first stack cell 8 and the second stack cell 9 are deposited. In the cleaning process, pinholes are generated at the locations where the deposits exist, and as a result, an unexpected short circuit occurs between the first electrode layer 5 and the second electrode layer 13 when the second electrode layer 13 is deposited. There is.
[0016]
Thus, in the conventional integrated thin film tandem solar cell, it has been impossible to realize high performance that ideally reproduces the FF value in the small area thin film solar cell.
[0017]
The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a high-performance integrated thin film tandem solar cell with an improved FF value and a method for manufacturing the same.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, a plurality of unit elements each including a first electrode layer, a first stack cell, a second stack cell, and a second electrode layer are formed on a substrate. One electrode layer has a separation groove from the upper surface of the first electrode layer to the upper surface of the substrate, and the second electrode layer passes through the second stack cell and the first stack cell, and the first electrode layer The plurality of unit elements are connected in series by being connected to the first electrode layer through a connection groove that reaches the upper surface of the first electrode layer, and the first electrode layer is continuous with the first electrode layer of the adjacent unit element. In the integrated thin film tandem solar cell, the first stack cell is separated by a first stack cell separation groove extending from the upper surface of the first stack cell to the upper surface of the substrate in the separation groove of the first electrode layer. Has an isolated structure .
[0019]
According to a second aspect of the present invention, there is provided an integrated thin film tandem solar cell in which a plurality of unit elements comprising a first electrode layer, a first stack cell, a second stack cell and a second electrode layer are connected in series on a substrate. In the manufacturing method, a first electrode layer separated by a separation groove is formed on a substrate at a location to be a boundary of a power generation region, and a first stack cell is formed on the first electrode layer including the separation groove. Separating the first stack cell in the separation groove to form a first stack cell separation groove extending from the upper surface of the first stack cell to the substrate, the first stack including the first stack cell separation groove Forming a second stack cell on the cell, separating the first stack cell and the second stack cell formed on the first electrode layer, from the upper surface of the second stack cell to the first electrode layer Connection Forming a second electrode layer on the second stack cell including the connection groove, and separating the first electrode at least at the second electrode layer at a position to be a boundary between unit elements. The layers are not separated.
[0020]
In the present specification, the substrate side of the laminate is referred to as “down” and the side on which the lamination is performed is referred to as “up”. Further, “separating” means that a layer having originally continuity as a surface is divided by a groove (separation groove).
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of an integrated thin film tandem solar cell 1 according to the present invention.
[0022]
As shown in the figure, the integrated thin film tandem solar cell 1 includes a first electrode layer 5, a first stack cell 8, a second stack cell 9, and a second electrode layer 13 on a glass substrate 3 from the substrate 3 side. A plurality of unit elements 15 provided in this order are connected in series via the first electrode layer 5 on the glass substrate 3. Similar to the conventional one, the first electrode layer 5 is separated by a separation groove 17 extending from its upper surface to the upper surface of the glass substrate 3, and the second electrode layer 13 is separated from the upper surface of the second stack cell 9 by the first stack cell 8. It is connected to the first electrode layer 5 through a connection groove 7 that reaches the upper surface of the first electrode layer 5 through the inside. That is, the connection groove 7 is filled with a substance constituting the second electrode layer 13, and the lower end thereof is in contact with the first electrode layer 5. Each region including the separation groove 17 and the connection groove 7 is separated from the adjacent similar region by the upper separation groove 19 extending from the upper surface of the second electrode layer 13 to the upper surface of the first electrode layer 5. 15 is formed.
[0023]
Here, the integration according to the present invention is that the first stack cell 8 is separated in the separation groove 17 by the first stack cell separation groove 177 extending from the upper surface of the first stack cell 8 to the upper surface of the glass substrate 3. This is a feature of the thin film tandem solar cell 1. The first stack cell separation groove 177 is filled with a semiconductor constituting the second stack cell 9.
[0024]
In the above example, each of the stack cells 8 and 9 is formed by laminating the semiconductor layers 81 and 91 and the conductor layers 82 and 92 from the first electrode side. 92 is not essential. Moreover, as this conductor layer, a transparent conductive film material is preferably used, but this is not essential.
[0025]
The upper separation groove 19 that divides the laminate into unit elements 15 separates the second electrode layer 13 and the two stack cells 8 and 9, but this is not an essential requirement. It only needs to be separated.
[0026]
In the integrated thin film tandem solar cell 1 having the above-described configuration, a region having high conductivity between the first stack cell 8 and the second stack cell 9 is filled in the first stack cell separation groove 177 and is layered. It is present in the active region limited by the semiconductor of the second stack cell 9 and is not in contact with the second electrode layer constituent material filled in the connection groove 7, so it is higher than the conventional integrated thin film tandem solar cell An FF value is obtained.
[0027]
Next, an example of the manufacturing method of the integrated thin film tandem solar cell of the present invention will be described with reference to FIG.
[0028]
Production Example 1
SnO on the glass substrate 3₂The first electrode layer 5 is formed by depositing a transparent conductive film such as ZnO or ITO, and the first electrode layer 5 is melted by a laser scribing method so as to correspond to a plurality of power generation regions for integration. Then, the separation groove 17 is formed. Thereby, for example, a strip-shaped power generation region is formed along one direction of the glass substrate 3. Here, in the case of an integrated thin film solar cell having a large area, a haze substrate of 910 × 455 × 4 (mm) is used as an example, and the surface resistance of the first electrode layer 5 is set to about 10Ω.
[0029]
In order to remove the fusing residue generated by the laser scribing, washing such as water washing is performed, and then the entire surface of the first electrode layer 5 formed corresponding to the plurality of power generation areas is first plasma CVD method or the like. A semiconductor layer 81 of the stack cell 8 is deposited. For example, a hydrogenated amorphous silicon layer having a pin structure is used for the semiconductor layer 81 of the first stack cell 8.
[0030]
This hydrogenated amorphous silicon layer is formed, for example, by the following method. First, the substrate is 10^-FiveIn a high vacuum chamber of Torr or lower, under a substrate temperature of 140 to 200 ° C., silane (SiH as a film forming gas)₄), Diborane (B₂H₆), Methane (CH₄), Hydrogen (H₂) Is introduced into the chamber, the reaction pressure is about 1.0 Torr, and p-type hydrogenated amorphous silicon carbide is deposited to a thickness of 50 to 200 Å by RF discharge. Next, silane gas and hydrogen (H₂) Is introduced into the chamber, and an i-type hydrogenated amorphous silicon is deposited to a thickness of about 700 Å by RF discharge at a reaction pressure of 0.5 to 1.0 Torr. Furthermore, silane, phosphine (PH₃), Hydrogen (H₂) Is introduced into the chamber, the reaction pressure is about 1.0 Torr, and n-type microcrystalline silicon is deposited to a thickness of about 100 to 200 Å by RF discharge.
[0031]
The deposition conditions of the semiconductor layer 81 of the first stack cell 8 shown here are merely examples, and for example, the n-i-p structure may be used from the first electrode layer 5 side, or the tandem structure itself may be used. The main material of the semiconductor layer 81 of the first stack cell 8 is not limited to hydrogenated amorphous, and may be any of amorphous, polycrystalline or microcrystalline, and a combination thereof. Besides silicon, silicon carbide, silicon germanium, germanium. , III-V group compounds, II-VI group compounds, I-III-VI group compounds and the like may be used, and these may be further combined.
[0032]
Subsequently, a conductor layer 82 of the first stack cell 8 is deposited on the semiconductor layer 81 of the first stack cell 8 by a sputtering method. As a specific example, the substrate on which the semiconductor layer 81 of the first stack cell is deposited is placed in a sputter chamber, and 1 × 10^-6It is evacuated to a high vacuum of Torr or higher, Argon gas (Ar) is introduced as a sputtering gas, and aluminum oxide (Al₂O₃) -Doped ZnO is deposited to a thickness of 800 to 1000 angstroms. Here, the material of the conductor layer 82 of the first stack cell 8 is SnO in addition to ZnO.₂A transparent conductive material such as ITO or ITO may be used, or a metal such as Al, Ag, or Cr may be used, or a laminate thereof. As described above, the conductor layer 82 of the first stack cell 8 can be omitted.
[0033]
Subsequently, the first stack cell 8 is melted by a laser scribing method at the center of the separation groove 17 of the first electrode layer 5 that has already been formed to form the first stack cell separation groove 177. Then, washing such as water washing is performed to remove the fusing residue generated during laser scribing.
[0034]
Subsequently, the semiconductor layer 91 of the second stack cell 9 is deposited on the entire first stack cell 8 by plasma CVD. For example, a hydrogenated amorphous silicon layer having a pin structure is used for the semiconductor layer 91 of the second stack cell 9. In order to form this hydrogenated amorphous silicon layer, first, the substrate is^-FiveIn a high vacuum chamber of Torr or lower, under a substrate temperature of 140 to 200 ° C., silane (SiH as a film forming gas)₄), Diborane (B₂H₆), Methane (CH₄), Hydrogen (H₂) Is introduced into the chamber, and a p-type hydrogenated amorphous silicon carbide is deposited to a thickness of 50 to 200 Å by RF discharge at a reaction pressure of about 1.0 Torr. Next, only silane gas is introduced into the chamber as a film forming gas, and an i-type hydrogenated amorphous silicon is deposited to a thickness of about 3000 angstrom by RF discharge with a reaction pressure of 0.2 to 0.7 Torr. Furthermore, silane, phosphine (PH₃), Hydrogen (H₂) Is introduced into the chamber, and n-type microcrystalline silicon is deposited to a thickness of about 100 to 200 angstrom by RF discharge at a reaction pressure of about 1.0 Torr.
[0035]
The deposition conditions of the semiconductor layer 91 of the second stack cell 9 shown here are merely examples. For example, an nip structure may be used from the first electrode layer side, or a tandem structure itself. The main material of the semiconductor layer 91 of the second stack cell 9 is not limited to hydrogenated amorphous silicon, and may be amorphous, polycrystalline, or microcrystalline, or a combination thereof. Besides silicon, silicon carbide, silicon germanium, germanium. , III-V group compounds, II-VI group compounds, I-III-VI group compounds and the like may be used, and these may be further combined.
[0036]
On the semiconductor layer 91 of the second stack cell 9, a conductor layer 92 of the second stack cell is deposited by sputtering. As a specific example, the substrate on which the semiconductor layer 91 of the second stack cell 9 is deposited is placed in a sputter chamber, and 1 × 10^-6It is evacuated to a high vacuum of Torr or higher, Argon gas (Ar) is introduced as a sputtering gas, and aluminum oxide (Al is discharged by RF discharge under a pressure of 1 to 5 mTorr.₂O₃) -Doped ZnO is deposited to a thickness of 800 to 1000 angstroms. Here, the material of the conductor layer 92 of the second stack cell 9 is SnO in addition to ZnO.₂Or a transparent conductive material such as ITO, or a metal such as Al, Ag, or Cr, or a laminate of these. As described above, the conductor layer 92 of the second stack cell 9 can be omitted.
[0037]
Subsequently, the first stack cell 8 and the second stack cell 9 are fused by the laser scribing method in the vicinity of the separation groove 17 of the first electrode layer 5 that has already been formed, and the first stack cell 9 is first cut from the upper surface of the second stack cell 9. A connection groove 7 reaching the upper surface of the first electrode layer 5 through the stack cell 8 is formed. Then, cleaning is performed to remove the fusing residue generated during laser scribing.
[0038]
Next, a metal such as Al, Ag, or Cr is deposited on the entire surface as the second electrode layer 13 by the same sputtering method or vacuum deposition method as described above.
[0039]
Subsequently, in the vicinity of the connection groove 7 on the side opposite to the separation groove 17 of the first electrode layer 5 and the first stack cell 8 with respect to the connection groove 7, the second electrode layer 13, the second stack cell 9, and The upper stacking groove 19 is formed by fusing the first stack cell 8 by a laser scribing method. As a result, a plurality of unit elements 15 each having a region surrounded by the first electrode layer 5, the second electrode layer 13, and the two separation grooves 19 on the glass substrate 3 are arranged in series via the first electrode layer 5. An integrated thin film tandem solar cell with connection formed is obtained. As already described, the formation of the upper separation groove 19 does not require separation of the stack cells 8 and 9, and it is sufficient to separate at least the second electrode layer 13.
[0040]
Finally, washing is performed to remove the fusing residue generated by laser scribing, and an appropriate passivation layer such as an epoxy resin is applied and formed as necessary.
[0041]
According to the manufacturing method of the present invention described above, the first stack cell 8 is melted in the separation groove 17 on the electrode layer 5 and the first stack cell separation groove 17 is formed. A highly conductive region between the first and second stack cells 9 does not contact the second electrode layer in the connection groove 7, and an integrated thin film tandem solar cell having a high FF value is obtained. Further, most of the pinholes due to the adhesion of the fusing residue of the first electrode layer 5 are generated at the time of cleaning after scribing to form the first stack cell 8, so that the second stack cell 9 is formed thereon. As a result, short circuit between the first electrode layer 5 and the second electrode layer 13 is prevented, and in this respect as well, a higher FF value than that of the conventional integrated thin film tandem solar cell can be obtained.
[0042]
Production Example 2
The processes up to the deposition of the semiconductor layer 91 of the second stack cell 9 are performed in the same procedure as in the above-described Production Example 1. A conductor layer 92 of the second stack cell 9 is deposited on the semiconductor layer 91 of the second stack cell 9 by sputtering. Specifically, the substrate on which the semiconductor layer 91 of the second stack cell 9 is deposited is placed in a sputtering chamber, and 1 × 10^-6It is evacuated to a high vacuum of Torr or higher, Argon gas (Ar) is introduced as a sputtering gas, and aluminum oxide (Al is discharged by RF discharge under a pressure of 1 to 5 mTorr.₂O₃) Doped ZnO to a thickness of about 500 Å. Here, the material of the conductor layer 92 of the second stack cell 9 is SnO in addition to ZnO.₂Or a transparent conductive material such as ITO, or a laminate of these. Further, the conductor layer 92 of the second stack cell 9 can be omitted.
[0043]
Subsequently, the first stack cell 8 and the second stack cell 9 are simultaneously melted by a laser scribing method, and the connection groove 7 adjacent to the first electrode layer 5 and the separation groove 17 of the first stack cell 8 already formed is formed. Form. Then, after cleaning is performed to remove the fusing residue generated during laser scribing, a second electrode layer 13 made of a multilayer film is formed on the entire surface. That is, ZnO, SnO using the sputtering method and the vacuum evaporation method similar to the above.₂A transparent conductor layer such as ITO and a metal layer such as Al, Ag, and Cr are sequentially deposited. As a specific example, the substrate on which the conductor layer of the second stack cell is deposited is put in a sputter chamber, and 1 × 10^-6Evacuate to a high vacuum above Torr, introduce argon gas (Ar) as sputtering gas, and under pressure of 1-5 mTorr, RF discharge causes Al₂O₃ZnO doped with a thickness of about 500 Å is deposited. Next, the substrate is placed in a sputter chamber at 1 × 10^-6A high vacuum of Torr or higher is evacuated, Ar gas Ar is introduced as a sputtering gas, and Ag is deposited as a metal layer to a thickness of about 3000 angstroms by RF discharge under a pressure of 1 to 5 mTorr. Here, ZnO and Ag are desirably deposited continuously without breaking the vacuum. However, the vacuum may be broken once and deposited in another chamber or apparatus. Further, the metal layer may have a multilayer structure such as a laminated body of Ag and Al, and the film thickness may be 1000 angstroms or more although it depends on the material. Further, DC sputtering may be used instead of RF sputtering.
[0044]
Next, in the same manner as in Production Example 1, at least the second electrode layer 13 is formed in a plurality of power generation regions in the vicinity of the connection groove 7 in the region opposite to the separation groove 17 of the first electrode layer 5 with respect to the connection groove 7. The upper separation groove 19 is formed by fusing by a laser scribing method. As a result, a plurality of unit elements 15 each having a region surrounded by the first electrode layer 5, the second electrode layer 13, and the two upper separation grooves 19 are connected and formed on the glass substrate 3.
[0045]
Finally, washing is performed to remove the fusing residue generated by the laser scribing method, and an appropriate passivation layer such as an epoxy resin is applied and formed as necessary.
[0046]
In the above, the film thickness of ZnO deposited on the semiconductor layer is set to a range of 600 to 1200 angstroms, preferably 800 to 1000 angstroms. This is because light incident from the glass substrate 3 side is efficiently reflected on the second electrode layer 13 side to obtain a “light confinement effect”. Therefore, in Production Example 1 in which the second electrode layer 13 is formed of only metal, ZnO is deposited as a conductor layer 92 of the second stack cell 9 to a film thickness of 800 to 1000 angstroms, and the second electrode layer 13 is transparently conductive. In Production Example 2 having a two-layer structure of a body layer and a metal layer, ZnO as the conductor layer 92 of the second stack cell 9 and ZnO as the second electrode layer 13 are deposited, for example, by 500 Å each. The total is 1000 angstroms.
[0047]
The integrated thin film tandem solar cell of the present invention described in detail above solves the problems of conventional products and realizes a significant performance improvement. That is, in the conventional product, a region having high conductivity between the first stack cell 8 and the second stack cell 9 connects the first electrode layer 5 and the second electrode layer 13 and is filled with a substance constituting the electrode layer. Due to the problem that the output of the second stack cell 9 cannot be sufficiently taken out due to contact with the connection groove 7 and the separation of the stack cell in the vicinity of the separation groove 17 of the first electrode layer 5 (generation of pinholes). Although there was a problem that the first electrode layer and the second electrode layer were easily short-circuited, the present invention solved these problems and realized a significant improvement in the FF value and the conversion efficiency. For example, when comparing the conversion efficiency with the FF value under simulated sunlight of AM1.5, the conventional product had an FF value of 0.61 to 0.68 and a conversion efficiency of 7.3 to 9.0%. On the other hand, it was confirmed that the FF value was 0.68 to 0.71 and the conversion efficiency was 8.8 to 10.4% in the inventive product, and a significant improvement effect was obtained.
[0048]
【Example】
Hereinafter, the details of the present invention will be described based on specific examples.
[0049]
Example 1
SnO as the first electrode layer 5 is formed on one surface of the blue glass substrate 3 having a size of 910 × 455 mm and a thickness of 4 mm.₂Was deposited to a film thickness of 8000 Å so that the haze ratio was 15% and the surface resistance was 10 ohms. The first electrode layer 5 was melted by a laser scribing method so as to correspond to a plurality of power generation regions, so that a separation groove 17 was formed. Thereby, a plurality of strip-shaped power generation regions were formed along one direction of the substrate 3.
[0050]
Cleaning is performed to remove the fusing residue, and then a hydrogenated amorphous silicon layer having a pin structure is formed as a semiconductor layer 81 of the first stack cell layer 8 on the first electrode layer 5 by plasma CVD. Formed by. That is, first 10^-FiveSiH as a deposition gas at a substrate temperature of 160 ° C. in a high vacuum chamber below Torr.₄, B₂H₆, CH₄And H₂And p-type hydrogenated amorphous silicon carbide was deposited to a thickness of 50 Å by RF discharge at a reaction pressure of 1.0 Torr. Next, SiH as the deposition gas₄And H₂The reaction pressure was 1.0 Torr, and i-type hydrogenated amorphous silicon was deposited to a thickness of 700 Å by RF discharge. Furthermore, SiH as the film forming gas₄, PH₃And H₂And a reaction pressure of 1.0 Torr, n-type microcrystalline silicon was deposited to a thickness of 200 Å by RF discharge.
[0051]
Subsequently, a conductor layer 82 of the first stack cell 8 was deposited on the semiconductor layer 81 by a sputtering method. That is, 1 × 10^-6In a sputtering chamber evacuated to a high vacuum of Torr or higher, Ar is used as a sputtering gas, and RF discharge is performed under a pressure of 3 mTorr.₂O₃ZnO doped with a thickness of 800 Å was deposited.
[0052]
Next, in the center of the separation groove 17 of the first electrode layer 5 that has already been formed, the first stack cell 8 is melted by a laser scribing method to form the first stack cell separation groove 177, and the melting residue is removed. Cleaning was performed for this purpose.
[0053]
A hydrogenated amorphous silicon layer having a pin structure was deposited as a semiconductor layer 91 of the second stack cell 9 over the first stack cell 8 by a plasma CVD method. That is, first 10^-FiveSiH as a deposition gas at a substrate temperature of 160 ° C. in a high vacuum chamber below Torr.₄, B₂H₆, CH₄And H₂And p-type hydrogenated amorphous silicon carbide was deposited to a thickness of 50 Å by RF discharge at a reaction pressure of 1.0 Torr. Next, SiH as the deposition gas₄The reaction pressure was 0.3 Torr, and i-type hydrogenated amorphous silicon was deposited to a thickness of 3000 angstrom by RF discharge. Furthermore, SiH as the film forming gas₄, PH₃And H₂And a reaction pressure of 1.0 Torr, n-type microcrystalline silicon was deposited to a thickness of 200 Å by RF discharge.
[0054]
On this semiconductor layer 91, the conductor layer 92 of the second stack cell 9 was deposited by sputtering. That is, 1 × 10^-6In a sputtering chamber evacuated to a high vacuum of Torr or higher, Ar is used as a sputtering gas, and RF discharge is performed under a pressure of 3 mTorr.₂O₃ZnO doped with a thickness of 800 Å was deposited.
[0055]
Subsequently, the first stack cell 8 and the second stack cell 9 are fused by the laser scribing method in the vicinity of the separation groove 17 of the first electrode layer 5 that has already been formed, and the first stack cell 9 is first cut from the upper surface of the second stack cell 9. A connection groove 7 reaching the upper surface of the electrode layer 5 was formed, and cleaning was performed to remove the fusing residue.
[0056]
Next, Ag was deposited to a thickness of 2500 angstroms as the second electrode layer 13 by the sputtering method similar to the above.
[0057]
Subsequently, in the vicinity of the connection groove 7 on the side opposite to the separation groove 17 of the first electrode layer 5 and the first stack cell 8 with respect to the connection groove 7, the second electrode layer 13, the second stack cell 9, and The first stack cell 8 was melted by a laser scribing method to form an upper separation groove 19 and the second electrode layer 13 was divided corresponding to a plurality of power generation regions. As a result, an integrated thin film tandem solar cell in which a plurality of unit elements 15 were connected in series via the first electrode layer 5 was obtained.
[0058]
Finally, washing for removing the fusing residue was performed, and a passivation layer was formed by applying an epoxy resin.
[0059]
This integrated thin-film tandem solar cell has an FF value and conversion efficiency under simulated sunlight of AM1.5, with an FF value of 0.68 and a conversion efficiency of 8.8. A significant improvement was seen in comparison with the FF value of 0.61 and the conversion efficiency of 7.3% of the conventional integrated thin film tandem solar cell manufactured in the same manner as described above except that it was formed.
[0060]
Example 2
The process up to the deposition of the semiconductor layer 91 of the second stack cell 9 was performed in the same procedure as in Example 1. On this semiconductor layer 91, the conductor layer 92 of the second stack cell 9 was deposited by sputtering. That is, 1 × 10^-6In a sputtering chamber evacuated to a high vacuum of Torr or higher, Ar was used as a sputtering gas, and Al was discharged by RF discharge under a pressure of 3 mTorr.₂O₃ZnO doped with a thickness of 500 Å was deposited.
[0061]
Subsequently, in the same manner as in Example 1, the first stack cell 8 and the second stack cell 9 were simultaneously melted by a laser scribing method to form the connection groove 7. After cleaning to remove the fusing residue, a multilayer film composed of a ZnO layer and a metal layer was formed on the entire surface as the second electrode layer 13. That is, 1 × 10^-6In a sputtering chamber evacuated to a high vacuum of Torr or higher, Ar is used as a sputtering gas, and RF discharge is performed under a pressure of 3 mTorr.₂O₃ZnO doped with a thickness of 500 Å was deposited. Next, under the same sputtering conditions, Ag was deposited to a thickness of 2500 Å as the metal layer.
[0062]
Next, in the same manner as in Example 1, an upper separation groove 19 was formed, and an integrated thin film tandem solar cell in which a plurality of unit elements 15 were connected in series on the glass substrate 3 was obtained.
[0063]
Finally, washing was performed to remove the fusing residue, and a passivation layer was formed by applying an epoxy resin.
[0064]
The FF value and conversion efficiency of this integrated thin film tandem solar cell under simulated sunlight of AM1.5 have an FF value of 0.68 and a conversion efficiency of 8.8%. A significant improvement was seen in comparison with an FF value of 0.61 and a conversion efficiency of 7.3% of a conventional integrated thin film tandem solar cell manufactured in the same manner as described above except that the above was formed.
[0065]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the following excellent effects can be obtained.
[0066]
2. The integrated thin film tandem solar cell according to claim 1, wherein a region having high conductivity between the first stack cell and the second stack cell is filled in the first stack cell separation groove to form a layer. Because it exists in the active region limited by the semiconductor of the semiconductor and does not contact the electrode layer in the connection groove, the FF value is greatly improved compared to the conventional integrated thin film tandem solar cell, and the conversion efficiency is improved. Is done.
[0067]
Moreover, according to the manufacturing method of Claim 2, the integrated thin film tandem solar cell of the said Claim 1 by which FF value was improved significantly compared with the conventional one is obtained. Furthermore, before the second stack cell is formed, the first stack cell is melted in the separation groove on the first electrode layer to form the first stack cell separation groove. Can prevent the first electrode layer and the second electrode layer from being short-circuited due to the separation (pinhole generation) of the first stack cell and the second stack cell due to the FF value. Compared to a tandem solar cell, the conversion efficiency is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of an integrated thin film tandem solar cell of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional integrated thin film tandem solar cell.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of a small area thin film solar cell used for studying the manufacturing process conditions of an integrated thin film tandem solar cell.
[Explanation of symbols]
1 Integrated thin film tandem solar cells
3 Glass substrate
5 First electrode layer
7 Connection groove
8 First stack cell
81 Semiconductor layer of first stack cell 8
82 Conductor layer of first stack cell 8
9 Second stack cell
91 Semiconductor layer of second stack cell 9
92 Conductor layer of second stack cell 9
13 Second electrode layer
15 Unit element
17 Separation groove
177 First stack cell separation groove
19 Upper separation groove

Claims

基板上に第一電極層、第一スタックセル、第二スタックセルおよび第二電極層からなる単位素子が複数個形成され、前記第一電極層がこの第一電極層の上面から前記基板の上面に至る分離溝を有し、前記第二電極層が、前記第二スタックセルおよび前記第一スタックセル中を経て前記第一電極層の上面に至る接続溝を介して前記第一電極層に接続され、前記第一電極層が隣接する単位素子の第一電極層と連続していることにより、前記複数の単位素子が直列に接続されている集積化薄膜タンデム太陽電池であって、
前記第一スタックセルが、前記第一電極層の分離溝中において、この第一スタックセルの上面から前記基板の上面に至る第一スタックセル分離溝によって分離されていることを特徴とする集積化薄膜タンデム太陽電池。A plurality of unit elements each including a first electrode layer, a first stack cell, a second stack cell, and a second electrode layer are formed on a substrate, and the first electrode layer extends from the upper surface of the first electrode layer to the upper surface of the substrate. The second electrode layer is connected to the first electrode layer via a connection groove that reaches the upper surface of the first electrode layer through the second stack cell and the first stack cell. The integrated thin film tandem solar cell in which the plurality of unit elements are connected in series by the first electrode layer being continuous with the first electrode layer of the adjacent unit elements,
The first stack cell is separated in the separation groove of the first electrode layer by a first stack cell separation groove extending from the upper surface of the first stack cell to the upper surface of the substrate. Thin film tandem solar cell.

基板上に第一電極層、第一スタックセル、第二スタックセルおよび第二電極層からなる単位素子が複数個直列に接続形成された集積化薄膜タンデム太陽電池の製造方法であって、
基板上に、発電領域の境界となるべき箇所で分離溝によって分離された第一電極層を形成し、
前記分離溝を含む第一電極層上に第一スタックセルを形成し、
前記第一スタックセルを前記分離溝中において分離して、前記第一スタックセルの上面から前記基板に至る第一スタックセル分離溝を形成し、
前記第一スタックセル分離溝を含む第一スタックセル上に第二スタックセルを形成し、
前記第一電極層上に形成された前記第一スタックセルおよび第二スタックセルを分離して、前記第二スタックセルの上面から前記第一電極層に至る接続溝を形成し、
前記接続溝を含む前記第二スタックセル上に第二電極層を形成し、
単位素子相互の境界となるべき箇所で、少なくとも前記第二電極層は分離して、前記第一電極層は分離しない
ことを特徴とする集積化薄膜タンデム太陽電池の製造方法。A method for producing an integrated thin film tandem solar cell in which a plurality of unit elements composed of a first electrode layer, a first stack cell, a second stack cell, and a second electrode layer are connected in series on a substrate,
On the substrate, a first electrode layer separated by a separation groove is formed at a position to be a boundary of the power generation region,
Forming a first stack cell on the first electrode layer including the separation groove;
Separating the first stack cell in the separation groove to form a first stack cell separation groove extending from the upper surface of the first stack cell to the substrate;
Forming a second stack cell on the first stack cell including the first stack cell separation groove;
Separating the first stack cell and the second stack cell formed on the first electrode layer, forming a connection groove from the upper surface of the second stack cell to the first electrode layer;
Forming a second electrode layer on the second stack cell including the connection groove;
A method of manufacturing an integrated thin film tandem solar cell, wherein at least the second electrode layer is separated and the first electrode layer is not separated at a position to be a boundary between unit elements.