JP5168428B2 - 薄膜太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、サブストレート構造の薄膜シリコン太陽電池の製造方法に関する。
同一の基板上に形成された複数の光電変換素子が直列接続されている太陽電池(光電変換装置)の代表例である薄膜太陽電池は、薄型で軽量、製造コストの安さ、大面積化が容易であることなどから、今後の太陽電池の主流となると考えられ、電力供給用以外に、建物の屋根や窓などに取り付けて利用される業務用、一般住宅用にも需要が広がってきている。
前記薄膜太陽電池、つまりアモルファスシリコン(a−Si)やアモルファスシリコンゲルマニウム(a―SiGe)あるいは微結晶シリコンを主材料にした薄膜シリコン系太陽電池は、すでに量産段階にあり、同時に、さらなる低コスト化に向けた開発が活発に進められている。
前記薄膜太陽電池、つまりアモルファスシリコン(a−Si)やアモルファスシリコンゲルマニウム(a―SiGe)あるいは微結晶シリコンを主材料にした薄膜シリコン系太陽電池は、すでに量産段階にあり、同時に、さらなる低コスト化に向けた開発が活発に進められている。
薄膜シリコン太陽電池の基板の材料としては、ガラス、プラスチックフィルム、ステンレスホイル等が用いられている。この中で絶縁物であるガラスあるいはプラスチックフィルムを用いると、基板上に集積化された直列接続構造を作り込むことが可能になり、任意の高電圧を実現することができるというメリットがある。
集積型太陽電池の一例として、金属電極加工前後のガラス基板太陽電池の構造を図7に示す。図7(a)は金属電極加工前の状態を示し、図7(b)は金属電極加工後の状態を示している。
ガラス基板101の上に透明電極102、光電変換層103、金属電極104が順次形成されている。
また、各層の形成後にレーザー光100によるレーザーパターニングにより短冊状に分離され、直列接続が完成することになる。
ここで、かかるレーザーパターニングに最も一般的に用いられるレーザーは、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)レーザーであり、透明電極102の加工には基本波の1064nm、光電変換層103と金属電極104の分離には第2高周波の532nmが用いられる。
ガラス基板101の上に透明電極102、光電変換層103、金属電極104が順次形成されている。
また、各層の形成後にレーザー光100によるレーザーパターニングにより短冊状に分離され、直列接続が完成することになる。
ここで、かかるレーザーパターニングに最も一般的に用いられるレーザーは、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)レーザーであり、透明電極102の加工には基本波の1064nm、光電変換層103と金属電極104の分離には第2高周波の532nmが用いられる。
なお、透明電極102と光電変換層103の分離は、ガラス基板101側と透明電極102面側のどちらから行っても良いが、最終工程である金属電極104の加工はガラス基板101側から行われる。ガラス基板101側からレーザー光100による照射を行うと、光吸収は光電変換層103の比較的入射側近傍で生じ、上層部を吹き飛ばすことで除去する加工が可能になる。
また、光電変換層と金属電極を同時に吹き飛ばす加工方法は、微結晶シリコンとのタンデムセルのような数ミクロンオーダーの厚膜セルでは困難となる。その対策として、微結晶シリコンが感度を持つ波長帯の光をガラス面側からから照射して、予め微結晶層をある程度除去し、その後YAGレーザーの第二高調波でa−Siを除去する方法が特許文献1に記載されている。
この中で開示されている微結晶シリコン除去のレーザー波長は670〜900nmであり、レーザーとしてはルビーレーザー、アレキサンドライトレーザー、GaAlAsレーザー等が挙げられている。
この中で開示されている微結晶シリコン除去のレーザー波長は670〜900nmであり、レーザーとしてはルビーレーザー、アレキサンドライトレーザー、GaAlAsレーザー等が挙げられている。
一方、屋根や外壁への取り付けの自由度を高めるための可撓性や軽量化を実現するという点で、ガラス基板よりもプラスチックフィルムが好ましく、その中でも耐熱性に優れたアラミド、ポリイミド等が特に好ましい。
ただし、これらの材料は不透光性であるため、基板上に金属電極、光電変換層、透明電極の順に積層するいわゆるサブストレート構造が採用される。サブストレート型の直列接続構造を採用した薄肉太陽電池の例としては、非特許文献1に記載されている。
ただし、これらの材料は不透光性であるため、基板上に金属電極、光電変換層、透明電極の順に積層するいわゆるサブストレート構造が採用される。サブストレート型の直列接続構造を採用した薄肉太陽電池の例としては、非特許文献1に記載されている。
図8は、非特許文献1に開示された従来の太陽電池の構造を示す模式図であり、図9(a)は、図8の10a−10a線に沿った断面図であり、図9(b)は、図8の10b−10b線に沿った断面図である。
図8に示す太陽電池はフィルム基板301に穴を開け、スルーホールコンタクトで直列接続を形成する構造であり、SCAF(Series−Connection through Apertures on Film)と呼ばれる。
図8に示す太陽電池はフィルム基板301に穴を開け、スルーホールコンタクトで直列接続を形成する構造であり、SCAF(Series−Connection through Apertures on Film)と呼ばれる。
この構造では、図8に示すように、フィルム基板301の一方の面に、金属電極302、光電変換層としてのa−Si系膜303、及び透明電極304がこの順で積層されている。フィルム基板301の他方の面には、背面電極305が形成されている。このフィルム基板301を挟んだ両面に形成された層は、レーザーによってそれぞれ一括加工で完全に分離されている。
ここで、前記フィルム基板301の両面において完全に分離されて形成された金属電極302及び背面電極305を直列接続するために、集電ホール306及び直列接続ホール307が形成されている(図9(a)及び図9(b)参照)。
図9(a)に示すように、集電ホール306形成には、フィルム基板301の両面に金属電極302を成膜した後に、貫通孔を開けて、露出したフィルム基板301の端面に、a−Si系膜303、透明電極304及び背面電極305が順次成膜され、透明電極304と背面電極305とが接続されている。一方、図9(b)に示すように、直列接続ホール307の形成には、フィルム基板301に貫通孔を開けた後に金属電極302を成膜し、a−Si系膜303、背面電極305を順次成膜するので、フィルム基板301のa−Si系膜303形成側の金属電極302と、背面電極305とが接続されている。
図9(a)に示すように、集電ホール306形成には、フィルム基板301の両面に金属電極302を成膜した後に、貫通孔を開けて、露出したフィルム基板301の端面に、a−Si系膜303、透明電極304及び背面電極305が順次成膜され、透明電極304と背面電極305とが接続されている。一方、図9(b)に示すように、直列接続ホール307の形成には、フィルム基板301に貫通孔を開けた後に金属電極302を成膜し、a−Si系膜303、背面電極305を順次成膜するので、フィルム基板301のa−Si系膜303形成側の金属電極302と、背面電極305とが接続されている。
なお、参考までに、特許文献2の[0116]には、同文献と同一の符号で説明すると、「裏面電極分割ライン29は、例えば、YAGレーザーの第二高調波を用いて裏面電極11及び第1〜第3光電変換層5,7,9をスクライブすることによって形成できる。」ということが記載されている。
また、特許文献3の[0038]には、同文献と同一の符号で説明すると、「SnO2からなる平面に微細な凹凸構造を有する透明電極層112が熱CVD法により形成された。次に、YAGIRパルスレーザーを用いて基板の短辺に平行にレーザースキャンすることにより、SnO2膜112を複数の帯状パターンへと分割する幅40μmの溝117を形成した。」ということが記載されている。
また、特許文献3の[0038]には、同文献と同一の符号で説明すると、「SnO2からなる平面に微細な凹凸構造を有する透明電極層112が熱CVD法により形成された。次に、YAGIRパルスレーザーを用いて基板の短辺に平行にレーザースキャンすることにより、SnO2膜112を複数の帯状パターンへと分割する幅40μmの溝117を形成した。」ということが記載されている。
しかしながら、金属反射基板の上にn、i、p層の順で成膜するサブストレート型の集積型太陽電池のレーザー加工は、図7に示されるようなスーパーストレート型太陽電池と比べて、非常に困難であった。
これは、図7をサブストレート型に置き換えた通常の集積型構造及びSCAFセルの双方ともに共通であり、特に、サブストレート型においては、透明電極加工後の端面の絶縁性を確保するのが困難であった。
これは、図7をサブストレート型に置き換えた通常の集積型構造及びSCAFセルの双方ともに共通であり、特に、サブストレート型においては、透明電極加工後の端面の絶縁性を確保するのが困難であった。
まず、スーパーストレート型太陽電池の加工原理について述べ、サブストレート型で行ったときの難しさについて説明する。
図10にスーパーストレート型のa−Si太陽電池の加工メカニズムを示す。
図10(a)はシミユレーションによる光吸収量プロファイル、図10(b)は加工断面模式図を示している。
通常、a−Si系膜103をレーザー加工すると、加工端面において溶融結晶化領域103aが生じる。スーパーストレート型太陽電池でも同様と考えられるが、光吸収量は、図10(a)のように、指数関数的に減衰するプロファイルであるため、結晶化領域103aは、光入射側(下層側)で発生し、吹き飛ばされることにより除去された領域(上層側)は、結晶化していないと考えられる。
この結果、結晶化領域103aが生じていない上層側の端面において、透明電極102と金属電極104との間の絶縁が維持されると考えられる。
図10にスーパーストレート型のa−Si太陽電池の加工メカニズムを示す。
図10(a)はシミユレーションによる光吸収量プロファイル、図10(b)は加工断面模式図を示している。
通常、a−Si系膜103をレーザー加工すると、加工端面において溶融結晶化領域103aが生じる。スーパーストレート型太陽電池でも同様と考えられるが、光吸収量は、図10(a)のように、指数関数的に減衰するプロファイルであるため、結晶化領域103aは、光入射側(下層側)で発生し、吹き飛ばされることにより除去された領域(上層側)は、結晶化していないと考えられる。
この結果、結晶化領域103aが生じていない上層側の端面において、透明電極102と金属電極104との間の絶縁が維持されると考えられる。
これに対し、サブストレート型太陽電池で透明電極側から加工する場合、上層よりも下層の光吸収量が小さいため、吹き飛ばし加工を行うことができない。すなわち、全体で光吸収させて除去する形になり、端面全体が結晶化して絶縁が維持できなくなる。
SCAF構造太陽電池の場合、セル面の三層を一括分離加工すると端面全体の結晶化が発生し、同時に金属電極との溶融合金化も発生するため、端面の絶縁を確保するのは困難になる。
この対策として、金属電極を幅広レーザー加工し、光電変換層と透明電極を成膜した後に、幅狭レーザーする方法が提案されているが、
(1)工程が一つ増える、
(2)2回目のレーザー加工で位置合わせが必要になる、
といった問題がある。
特にプラスチックフィルム基板を用いた太陽電池の場合、加熱工程時のフィルム基板の熱変形があるため、前記(2)の位置合わせは困難になる。
SCAF構造太陽電池の場合、セル面の三層を一括分離加工すると端面全体の結晶化が発生し、同時に金属電極との溶融合金化も発生するため、端面の絶縁を確保するのは困難になる。
この対策として、金属電極を幅広レーザー加工し、光電変換層と透明電極を成膜した後に、幅狭レーザーする方法が提案されているが、
(1)工程が一つ増える、
(2)2回目のレーザー加工で位置合わせが必要になる、
といった問題がある。
特にプラスチックフィルム基板を用いた太陽電池の場合、加熱工程時のフィルム基板の熱変形があるため、前記(2)の位置合わせは困難になる。
本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、かかる課題を解決するもので、透明電極側からのレーザー照射で、光電変換層の下層に選択的に光を吸収させ、吹き飛ばすことによって加工を行うことが可能な薄膜太陽電池の製造方法を提供することにある。
従来においては、薄膜太陽電池の高効率化を目的にa−Siセルとa−SiGeセル、あるいは微結晶セルを組み合わせた多接合セルが提案されている。この種のサブストレート構造の薄膜シリコン太陽電池は、光電変換層をトップセルに比べてボトムセルのi層のバンドギャップ(Band gap)が小さくなるように構成されている。
本発明は、かかる課題を解決するものであり、上述した従来技術におけるバンドギャップの違いを利用して、下層であるボトムセルで光吸収を行わせる方法を提案するものである。
本発明は、かかる課題を解決するものであり、上述した従来技術におけるバンドギャップの違いを利用して、下層であるボトムセルで光吸収を行わせる方法を提案するものである。
すなわち、本発明の一つは、サブストレート型太陽電池の製造方法であり、非単結晶シリコンを主材料とするn、i、p接合を厚さ方向に2個以上組み合わせた光電変換層を有するサブストレート型太陽電池で、基板上に金属電極、前記光電変換層、透明電極を順次積層してなる薄膜太陽電池の製造方法であって、前記透明電極側の前記光電変換層であるトップセルと、前記トップセルより前記金属電極側の一層以上のセルを有し、少なくとも、前記2個以上の前記光電変換層と前記透明電極を、前記透明電極側から前記トップセル以外の前記セルに対して選択的に感度を有する波長のレーザーを用いて同時に除去する工程を含んでいる。
具体的には、前記透明電極側の前記光電変換層であるトップセルと、前記金属電極側のボトムセルを有するタンデム積層体であって、2個の前記光電変換層と前記透明電極を、前記透明電極側から前記ボトムセルに対して選択的に感度を有する波長のレーザーを用いて同時に除去する工程を含んでいる。
前記光電変換層は、ボトムセルのi層のバンドギャップがトップセルのi層よりも小さい。
そして、前記トップセルのi層がアモルファスシリコンであり、前記光電変換層のボトムセルのi層がアモルファスシリコンゲルマニウム、微結晶シリコン、微結晶シリコンゲルマニウムのいずれかである。
そして、前記トップセルのi層がアモルファスシリコンであり、前記光電変換層のボトムセルのi層がアモルファスシリコンゲルマニウム、微結晶シリコン、微結晶シリコンゲルマニウムのいずれかである。
また、前記透明電極側の前記光電変換層であるトップセルと、前記金属電極側のボトムセルと、中間のミドルセルを有するトリプル積層体であって、3個の前記光電変換層と前記透明電極を、前記透明電極側から前記ミドルセルまたは前記ボトムセルの少なくともいずれかに対して選択的に感度を有する波長のレーザーを用いて同時に除去する工程を含んでいる。
前記レーザーの波長が600〜900nmの範囲、好ましくは630〜810nmの範囲にある。
使用する前記レーザーは、アレキサンドライトレーザー、ルビーレーザー、チタンサファイアレーザー、ヘリウムネオンレーザー、クリプトンイオンレーザー、AIGaAs、からなる半導体レーザーのいずれかである。
使用する前記レーザーは、アレキサンドライトレーザー、ルビーレーザー、チタンサファイアレーザー、ヘリウムネオンレーザー、クリプトンイオンレーザー、AIGaAs、からなる半導体レーザーのいずれかである。
また、2ステップ分離方法として、レーザーパワーを調節して、光電変換層と透明電極の2層を上述のように除去する第1ステップと、続いて第2ステップで金属電極を除去する加工は、従来のように金属電極を幅広レーザー加工し、光電変換層と透明電極を成膜した後に、幅狭レーザー加工する方法で2回加工する方法に比べると、格段に加工容易であり、かつ加工時間も短い。
また、従来の2ステップ分離方法では、前記2回加工での、1回目のレーザー加工と2回目のレーザー加工の間に、成膜による熱工程があったが、本発明による前記2ステップ分離方法では、第1ステップと第2ステップの間に成膜による熱工程を通らないので、フィルム基板の熱変形が無いという点である。そして、従来は2回目の加工ラインを非平行、あるいは非直線的に複雑に制御する必要があったが、前記熱変形がないため、平行且つ直線的な加工で十分である。
さらに、フィルム基板を1つのステージに固定したままで、2回の加工が可能であるので、フィルムの位置合せも不要になる。以上により、フィルムの位置合せの時間も不要になり、工程が短縮化される。
よって、本発明によれば、サブストレート構造太陽電池の透明電極加工に起因したリーク電流の発生を抑制でき、これにより、サブストレート構造では困難であったオールレーザープロセスによる集積型太陽電池の生産が可能となる。
また、従来の2ステップ分離方法では、前記2回加工での、1回目のレーザー加工と2回目のレーザー加工の間に、成膜による熱工程があったが、本発明による前記2ステップ分離方法では、第1ステップと第2ステップの間に成膜による熱工程を通らないので、フィルム基板の熱変形が無いという点である。そして、従来は2回目の加工ラインを非平行、あるいは非直線的に複雑に制御する必要があったが、前記熱変形がないため、平行且つ直線的な加工で十分である。
さらに、フィルム基板を1つのステージに固定したままで、2回の加工が可能であるので、フィルムの位置合せも不要になる。以上により、フィルムの位置合せの時間も不要になり、工程が短縮化される。
よって、本発明によれば、サブストレート構造太陽電池の透明電極加工に起因したリーク電流の発生を抑制でき、これにより、サブストレート構造では困難であったオールレーザープロセスによる集積型太陽電池の生産が可能となる。
また、本発明において、ボトムセルで光を選択吸収させるには、a−Si加工に用いられるYAGレーザーの第二高調波よりも波長の長い600〜900nm、さらに望ましくは630〜810nmのレーザー光を用いることが有効である。
600nmよりも波長が短いと、a−Siセルでの光吸収が大きくなり選択性を維持できない。また、900nmよりも波長が長いとボトムセルi層の光吸収係数が小さくなり、加工が困難になる。さらには、波長が長くなるほど熱加工の要素が大きくなるため、端面結晶化が発生し易くなる。
600nmよりも波長が短いと、a−Siセルでの光吸収が大きくなり選択性を維持できない。また、900nmよりも波長が長いとボトムセルi層の光吸収係数が小さくなり、加工が困難になる。さらには、波長が長くなるほど熱加工の要素が大きくなるため、端面結晶化が発生し易くなる。
以上説明したように、本発明は、サブストレート型での問題として、透明電極の下のトップセルにレーザー光を吸収させて加工を行うと、トップセルが結晶化してリーク原因になるので、トップセル以外のボトムセルやミドルセルでレーザー光を吸収させて、トップセルも一緒に吹き飛ばすように加工することに特徴を有している。したがって、本発明に係る薄膜太陽電池の製造方法によれば、サブストレート構造太陽電池の透明電極加工に起因したボトムセル部分の結晶化を抑制することが可能となり、ユニット平均リーク電流の発生を抑制できる。これにより、サブストレート構造では困難であったオールレーザープロセスによる集積型太陽電池の生産が可能になる。
以下、本発明に係る薄膜太陽電池及びその製造方法について、その実施形態に基づき図面を参照しながら詳細に説明する。
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係る薄膜太陽電池のセル構成を示す模式的な断面図である。この第1実施形態の薄膜太陽電池は、絶縁性のフィルム基板上に、少なくとも金属電極、光電変換層、及び透明電極を順次形成してなり、その製造方法とともに説明する。
具体的には、本発明の第1実施形態のサブストレート型太陽電池は、図1に示すように、フィルム基板1を挟んで一方の面には金属電極3、光電変換層6、及び透明電極7が形成され、他方の面には第1背面電極4及び第2背面電極8が形成されている。また、セル面及び背面の成膜層は、それぞれ、セル面側加工ライン9及び背面側加工ライン10で短冊状に分離されている。
透明電極7に流れ込んだ電流は、集電ホール5を通して背面電極8に集められ、各ユニットセルの直列接続は、直列接続ホール2によって行われるように構成されている。
図1は、本発明の第1実施形態に係る薄膜太陽電池のセル構成を示す模式的な断面図である。この第1実施形態の薄膜太陽電池は、絶縁性のフィルム基板上に、少なくとも金属電極、光電変換層、及び透明電極を順次形成してなり、その製造方法とともに説明する。
具体的には、本発明の第1実施形態のサブストレート型太陽電池は、図1に示すように、フィルム基板1を挟んで一方の面には金属電極3、光電変換層6、及び透明電極7が形成され、他方の面には第1背面電極4及び第2背面電極8が形成されている。また、セル面及び背面の成膜層は、それぞれ、セル面側加工ライン9及び背面側加工ライン10で短冊状に分離されている。
透明電極7に流れ込んだ電流は、集電ホール5を通して背面電極8に集められ、各ユニットセルの直列接続は、直列接続ホール2によって行われるように構成されている。
本発明の第1実施形態の薄膜太陽電池を作製する装置としては、CVD室、スパッタ室からなるステッピングロール装置が用いられている。CVD室の電極サイズは12000cm2であり、1m幅のフィルム基板上に、1成膜領域当たり1720cm2の薄膜太陽電池を6枚作製することができる。
各部屋は、フィルム基板1を挟んで完全に封止することが可能であり、成膜と搬送を交互に繰り返すステッピングロール成膜法によりセルを作製することができる。
各部屋は、フィルム基板1を挟んで完全に封止することが可能であり、成膜と搬送を交互に繰り返すステッピングロール成膜法によりセルを作製することができる。
以下に、サブストレート型薄膜太陽電池の作製装置を用いて行った太陽電池の製造方法について、図2を参照して説明する。
[第1電極の形成]
まず、図2(a)〜(b)に示すように、フィルム基板1に直列接続ホール2を両面まで貫通して、形成する。
次いで、図2(c)に示すように、フィルム基板1の両面に、金属電極3(一方の面)及び第1背面電極4(他方の面)を形成する。その後、図2(d)に示すように、直列接続ホール2と所定の距離(y)離れた位置に集電ホール5を形成する。
まず、図2(a)〜(b)に示すように、フィルム基板1に直列接続ホール2を両面まで貫通して、形成する。
次いで、図2(c)に示すように、フィルム基板1の両面に、金属電極3(一方の面)及び第1背面電極4(他方の面)を形成する。その後、図2(d)に示すように、直列接続ホール2と所定の距離(y)離れた位置に集電ホール5を形成する。
[ステッピングロール成膜]
フィルム基板1上に金属電極3及び第1背面電極4と、直列接続ホール2及び集電ホール5とが形成されたロール状の当該フィルム基板1をステッピングロール装置に装着し、成膜を行う。
まず、図2(e)に示すように、プラズマCVD方法により、光電変換層6を成膜する。
このプラズマCVD方法の概略を説明すると、プラズマCVD室内には、高周波側電極(カソード電極)と接地側電極(アノード電極)とが設置され、原料ガスが流量を調整されて成膜ガス供給パイプから接地側電極に供給されて、接地側電極の表面からシャワー状に供給される。そして、プラズマCVD室の真空槽内の圧力が任意の圧力に設定されて、高周波電力供給ケーブルを介して高周波電源に接続された高周波側電極から高周波電力が印加されると、高周波側電極と接地側電極との間にプラズマが発生し、フィルム基板1上に光電変換層6を成膜する。
フィルム基板1上に金属電極3及び第1背面電極4と、直列接続ホール2及び集電ホール5とが形成されたロール状の当該フィルム基板1をステッピングロール装置に装着し、成膜を行う。
まず、図2(e)に示すように、プラズマCVD方法により、光電変換層6を成膜する。
このプラズマCVD方法の概略を説明すると、プラズマCVD室内には、高周波側電極(カソード電極)と接地側電極(アノード電極)とが設置され、原料ガスが流量を調整されて成膜ガス供給パイプから接地側電極に供給されて、接地側電極の表面からシャワー状に供給される。そして、プラズマCVD室の真空槽内の圧力が任意の圧力に設定されて、高周波電力供給ケーブルを介して高周波電源に接続された高周波側電極から高周波電力が印加されると、高周波側電極と接地側電極との間にプラズマが発生し、フィルム基板1上に光電変換層6を成膜する。
このようにして試作したデバイス構造は、a−Si/a−SiGeタンデムセルである。ボトムi層及びトップi層について、膜厚はそれぞれ120nm及び200nm、光学ギャップはそれぞれ1.5eV及び1.8eVである。前記a−SiGe層の中のGe組成は約30%である。
続いて、図2(f)に示すように、スパッタリング室で透明電極7を成膜する。その際、図1に示すように、直列接続ホール2の上に膜が付着しないように、ライン状のマスクを用いた。その後、図2(g)に示すように、第1背面電極4の外側に第2背面電極8を成膜する。
[レーザー加工]
続いて、ロール状に巻回された加工後のフィルム基板1をレーザー加工装置に装着し、図1に示すセル面側加工ライン9及び背面側加工ライン10をレーザーパターニングにより形成する。
ここで、セル面側加工ライン9の加工に、本発明を適用した効果を調べるため、下記の表1に示す3種類の方法、つまり本発明の実施例、従来例である比較例1及び比較例2の3種類の方法で加工した。
続いて、ロール状に巻回された加工後のフィルム基板1をレーザー加工装置に装着し、図1に示すセル面側加工ライン9及び背面側加工ライン10をレーザーパターニングにより形成する。
ここで、セル面側加工ライン9の加工に、本発明を適用した効果を調べるため、下記の表1に示す3種類の方法、つまり本発明の実施例、従来例である比較例1及び比較例2の3種類の方法で加工した。
比較例1は、光電変換層6と透明電極7と金属電極3の3層を一括分離加工する方法で、実施例と比較例2は、2ステップで分離する方法をとっている。
実施例と比較例2の2ステップ分離加工方法は、レーザーパワーを調節して、図1の光電変換層6と透明電極7の2層を第1ステップで除去し、続いて第2ステップで金属電極3を除去するものである。
表1より、実施例において、第1ステップのレーザー種類はアレキサンドライトレーザー(波長755nm)であり、第2ステップのレーザー種類はYAGレーザーの第二高調波(波長532nm)である。
また、実施例は、金属電極3と、光電変換層6のボトムセルとトップセルと、透明電極7を順次成膜した後に、第1ステップとして透明電極7からレーザー光を照射して、ボトムセルにレーザー光を吸収させることでのレーザーアブレーション加工で、トップセルと透明電極7も一緒に吹き飛ばし除去加工を行い、その直後に第2ステップで金属電極3のレーザー加工を行う。
比較例2は、金属電極3成膜した後に、第1ステップによる金属電極の幅広レーザー加工し、次いで光電変換層6と透明電極7を成膜した後に、第2ステップによる幅狭レーザーで光電変換層6と透明電極7のレーザー加工を行う。
実施例と比較例2の2ステップ分離加工方法は、レーザーパワーを調節して、図1の光電変換層6と透明電極7の2層を第1ステップで除去し、続いて第2ステップで金属電極3を除去するものである。
表1より、実施例において、第1ステップのレーザー種類はアレキサンドライトレーザー(波長755nm)であり、第2ステップのレーザー種類はYAGレーザーの第二高調波(波長532nm)である。
また、実施例は、金属電極3と、光電変換層6のボトムセルとトップセルと、透明電極7を順次成膜した後に、第1ステップとして透明電極7からレーザー光を照射して、ボトムセルにレーザー光を吸収させることでのレーザーアブレーション加工で、トップセルと透明電極7も一緒に吹き飛ばし除去加工を行い、その直後に第2ステップで金属電極3のレーザー加工を行う。
比較例2は、金属電極3成膜した後に、第1ステップによる金属電極の幅広レーザー加工し、次いで光電変換層6と透明電極7を成膜した後に、第2ステップによる幅狭レーザーで光電変換層6と透明電極7のレーザー加工を行う。
なお、実施例による2ステップ分離加工方法は、比較例1の一括分離加工に比べて手間は増えるが、トップセルの端面の結晶化が抑えられ、透明電極7と金属電極3との絶縁が確保されて、リークが小さく効率の高い薄膜太陽電池が得られる。また、同じ2ステップ分離加工方法である実施例と比較例2では、従来の比較例2にように金属電極を幅広レーザー加工し、光電変換層と透明電極を成膜した後に、幅狭レーザー加工する方法で2回加工する方法に比べると、格段に加工が容易であり、かつ加工時間も短い。
その理由のひとつは、2回加工での、1回目のレーザー加工と2回目のレーザー加工の間に、成膜による熱工程があったが、本発明による前記2ステップ分離方法では、第1ステップと第2ステップの間に成膜による熱工程を通らないので、フィルム基板1の熱変形が無いという点である。そして、従来は2回目の加工ラインを非平行、あるいは非直線的に複雑に制御する必要があったが、熱変形が無いため、平行かつ直線的な加工で十分である。さらに、フィルム基板1を1つのステージに固定したままで、2回の加工が可能であるので、フィルム基板1の位置合せも不要になる。
これにより、フィルム基板1の位置合せの時間も不要になり、工程が短縮化されることになる。
その理由のひとつは、2回加工での、1回目のレーザー加工と2回目のレーザー加工の間に、成膜による熱工程があったが、本発明による前記2ステップ分離方法では、第1ステップと第2ステップの間に成膜による熱工程を通らないので、フィルム基板1の熱変形が無いという点である。そして、従来は2回目の加工ラインを非平行、あるいは非直線的に複雑に制御する必要があったが、熱変形が無いため、平行かつ直線的な加工で十分である。さらに、フィルム基板1を1つのステージに固定したままで、2回の加工が可能であるので、フィルム基板1の位置合せも不要になる。
これにより、フィルム基板1の位置合せの時間も不要になり、工程が短縮化されることになる。
[試作によるセル特性比較]
下記の表2は、試作した3種のセル(直列数68、セル面積1720cm2、アパーチャー面積1510cm2)で、本発明の実施例、比較例1、比較例2の代表的なセル特性の比較を示している。
下記の表2は、試作した3種のセル(直列数68、セル面積1720cm2、アパーチャー面積1510cm2)で、本発明の実施例、比較例1、比較例2の代表的なセル特性の比較を示している。
表2に示す実験結果から、3層一括分離加工する方法の比較例1の出力が最も小さく、2ステップ分離加工方法の比較例2、実施例の順に出力が向上していることが分かる。
また、本発明の実施例では、出力は大きいが、ユニット平均リーク電流が出力向上に対して低く抑えられているため、ユニット平均リーク電流が最も低い。したがって、本発明の実施例では、意図した通りの効果を奏し、加工端部の結晶化が抑えられて、ユニット平均リーク電流を低く保持できる。
なお、比較例1の特性が比較例2に比べてユニット平均リーク電流が高い原因は、レーザー光の高パワー加工により加工端部の結晶化の度合いが大きくなることと、電極との合金化が増加することの2つの現象によるものと考えられる。
なお、比較例1の特性が比較例2に比べてユニット平均リーク電流が高い原因は、レーザー光の高パワー加工により加工端部の結晶化の度合いが大きくなることと、電極との合金化が増加することの2つの現象によるものと考えられる。
[レーザー光に対する光吸収量について]
試作、実験に用いたa−Si/a―SiGeタンデムセルの分光感度特性を図3に示す。図3において、490nm付近にピークのある短波長側の吸収特性は、トップセルの特性であり、700nm付近にピークのある長波長側の吸収特性は、ボトムセルの特性である。
図3より、本発明の実施例の第1ステップで適用したレーザーが、表1のアレキサンドライトレーザー(波長755nm)であれば、ボトムセルで選択吸収されるものと考えられる。
これをより明確化するために、シミュレーションによって、レーザー光に対する光吸収量の深さプロファイルを行った。その結果を図4に示す。
試作、実験に用いたa−Si/a―SiGeタンデムセルの分光感度特性を図3に示す。図3において、490nm付近にピークのある短波長側の吸収特性は、トップセルの特性であり、700nm付近にピークのある長波長側の吸収特性は、ボトムセルの特性である。
図3より、本発明の実施例の第1ステップで適用したレーザーが、表1のアレキサンドライトレーザー(波長755nm)であれば、ボトムセルで選択吸収されるものと考えられる。
これをより明確化するために、シミュレーションによって、レーザー光に対する光吸収量の深さプロファイルを行った。その結果を図4に示す。
レーザー及びレーザー光の波長は、図4(a)〜(d)に示すように、YAGレーザーの第二高調波で532nm、クリプトンイオンレーザーで647nm、ルビーレーザーで694nm、アレキサンドライトレーザーで755nm、AlGaAs半導体レーザーで800nmを想定している。
また、図4の縦軸は、入射レーザー光を1としたときの1nm当たりの光吸収量を示している。なお、図4において、Aはトップセル、Bはボトムセルを示している。
また、図4の縦軸は、入射レーザー光を1としたときの1nm当たりの光吸収量を示している。なお、図4において、Aはトップセル、Bはボトムセルを示している。
この結果から、YAGレーザーの第二高調波に相当する532nmの場合は、図4(a)に示すように、横軸のa−Si入射面からの深さに対する縦軸の光吸収量の割合は、トップセルAの方がボトムセルBよりも大きい。また、当該光吸収量の変化割合は、a−Si入射面からの深さ(横軸)に対して、指数関数的に減衰するプロファイルをとっていることが分かる。
一方、クリプトンイオンレーザーで647nmの場合は、図4(b)に示すように、横軸のa−Si入射面からの深さに対する縦軸の光吸収量の割合は、ボトムセルBの方がトップセルAよりも大きくなり、さらに該光吸収量の変化割合は、a−Si入射面からの深さ(横軸)に対して、ほぼ一定となる。
一方、クリプトンイオンレーザーで647nmの場合は、図4(b)に示すように、横軸のa−Si入射面からの深さに対する縦軸の光吸収量の割合は、ボトムセルBの方がトップセルAよりも大きくなり、さらに該光吸収量の変化割合は、a−Si入射面からの深さ(横軸)に対して、ほぼ一定となる。
すなわち、レーザー光の波長が長くなるに伴ってボトムセルBの方がトップセルAよりも光吸収量が大きくなり、かつ光吸収量の変化割合は、指数関数的な減衰が弱まってほぼ一定となることが分かった。図4(c)のアレキサンドライトレーザーで755nm、図4(d)のAlGaAs半導体レーザーで800nmのようになる。したがって、ボトムセルBの選択光吸収量を常時増加でき、ボトムセルBの選択光吸収に対して有利に働くことが分かった。
図5は、平均光吸収量比率(ボトムセル/トップセル)と波長との関係、つまりボトムセルとトップセルについて、それぞれの平均光吸収量を導出してその比率を縦軸にとったものである。
この結果から、縦軸の平均光吸収量比率は波長560nm以上で1よりも大きくなっていることが分かる。別途に行ったレーザー光の強度と結晶化との関係を調査した結果から判断すると、平均光吸収量比率2以上であれば、選択光吸収加工は可能であり、平均光吸収量比率5であれば、さらに好ましいと考えられる。
したがって、平均光吸収量比率の観点から、レーザー光の波長は600nm以上であり、好ましくは630nm以上が妥当と考えられる。
この結果から、縦軸の平均光吸収量比率は波長560nm以上で1よりも大きくなっていることが分かる。別途に行ったレーザー光の強度と結晶化との関係を調査した結果から判断すると、平均光吸収量比率2以上であれば、選択光吸収加工は可能であり、平均光吸収量比率5であれば、さらに好ましいと考えられる。
したがって、平均光吸収量比率の観点から、レーザー光の波長は600nm以上であり、好ましくは630nm以上が妥当と考えられる。
一方、レーザー光の波長の上限を決める要素は、ボトムセルの光吸収量の絶対値である。試作したa−Si/a―SiGeタンデムセルの分光感度特性を示す図3のグラフから分かるとおり、波長900nm以上では感度が無いので、かかる900nm以上の波長では加工を行うことができない。今回のa−Si/a―SiGeタンデムセルの場合では、波長の上限は810nm程度と考えられる。
なお、a―SiGeタンデムセルのGe組成を大きくして、バンドギャップを狭くすれば、吸収端は波長の長い側にシフトするので、a―SiGeタンデムセルで、Ge組成40〜50%のトリプルセルを加工する場合は、波長の上限は900nm程度になると考えられる。ボトムセルを微結晶シリコンにする場合も、加工の波長の上限は900nm程度になると考えられる。
なお、a―SiGeタンデムセルのGe組成を大きくして、バンドギャップを狭くすれば、吸収端は波長の長い側にシフトするので、a―SiGeタンデムセルで、Ge組成40〜50%のトリプルセルを加工する場合は、波長の上限は900nm程度になると考えられる。ボトムセルを微結晶シリコンにする場合も、加工の波長の上限は900nm程度になると考えられる。
また、波長により加工性を問題にする場合、波長が900nmよりも大きくなると、熱加工の要素が大きくなり結晶化し易くなるので、熱加工の影響を受けないようにするには、波長が900nmを超えないようにする必要がある。
したがって、レーザー光の波長は900nm以下、好ましくは810nm以下が妥当と考えられる。
したがって、レーザー光の波長は900nm以下、好ましくは810nm以下が妥当と考えられる。
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態においては、直列接続ホール2、集電ホール5等のホールを使用せずに直列接続するサブストレート構造の薄膜太陽電池の製造方法に関するものである。図6は本発明の第2実施形態における薄膜太陽電池の構造を示し、(a)は金属電極加工前の状態の断面図、(b)は金属電極加工後の状態の断面図であり、透明電極7の加工前後の模式図である。
本発明の第2実施形態においては、直列接続ホール2、集電ホール5等のホールを使用せずに直列接続するサブストレート構造の薄膜太陽電池の製造方法に関するものである。図6は本発明の第2実施形態における薄膜太陽電池の構造を示し、(a)は金属電極加工前の状態の断面図、(b)は金属電極加工後の状態の断面図であり、透明電極7の加工前後の模式図である。
図6(a)に示す状態では、フィルム基板1の上に金属電極3、光電変換層6をそれぞれ成膜、レーザーパターニングにより形成している。そして、これら層の上部に透明電極7を形成している。
ここで、本実施形態の光電変換層6は、a―SiGeのボトムセル6aとa−Siのトップセル6bのタンデム構造になっており、透明電極7の下部が光電変換層6の短冊状の切断部を介して金属電極3に達するように形成されている。
ここで、本実施形態の光電変換層6は、a―SiGeのボトムセル6aとa−Siのトップセル6bのタンデム構造になっており、透明電極7の下部が光電変換層6の短冊状の切断部を介して金属電極3に達するように形成されている。
この状態で、図6(b)に示すように、透明電極7の上方から波長600〜900nm、さらに望ましくは、630〜810nmのレーザー光を照射する。
これにより、ボトムセル6aでの選択吸収を実現でき、レーザー光で吹き飛ばすことによって、トップセル6bと透明電極7を同時に除去することが可能となる。
これにより、ボトムセル6aでの選択吸収を実現でき、レーザー光で吹き飛ばすことによって、トップセル6bと透明電極7を同時に除去することが可能となる。
このように本発明の第2実施形態によれば、トップセル6bの端面の結晶化が抑えられるため、この部分で透明電極7と金属電極3との絶縁が確保される。したがって、リークが小さく、効率の高い薄膜太陽電池が得られる。
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変更及び変形が可能である。
例えば、本発明は、透明電極7側のトップセル6bと金属電極3側のボトムセル6aを有するタンデム積層体のみならず、トップセル6bとボトムセル6aとの中間にミドルセルを有するトリプル積層体にも適用することが可能である。
例えば、本発明は、透明電極7側のトップセル6bと金属電極3側のボトムセル6aを有するタンデム積層体のみならず、トップセル6bとボトムセル6aとの中間にミドルセルを有するトリプル積層体にも適用することが可能である。
1 フィルム基板
2 直列接続ホール
3 金属電極
4 第1背面電極
5 集電ホール
6 光電変換層
6a ボトムセル
6b トップセル
7 透明電極
8 第2背面電極
9 セル面側加工ライン
10 背面側加工ライン
2 直列接続ホール
3 金属電極
4 第1背面電極
5 集電ホール
6 光電変換層
6a ボトムセル
6b トップセル
7 透明電極
8 第2背面電極
9 セル面側加工ライン
10 背面側加工ライン
Claims (7)
- 非単結晶シリコンを主材料とするn、i、p接合を厚さ方向に2個以上組み合わせた光電変換層を有するサブストレート型太陽電池で、基板上に金属電極、前記光電変換層、透明電極を順次積層してなる薄膜太陽電池の製造方法であって、
前記透明電極側の前記光電変換層であるトップセルと、前記トップセルより前記金属電極側の一層以上のセルを有し、
少なくとも、前記2個以上の前記光電変換層と前記透明電極を、前記透明電極側から前記トップセル以外の前記セルに対して選択的に感度を有する波長のレーザーを用いて同時に除去する工程を含んでいることを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。 - 前記透明電極側の前記光電変換層であるトップセルと、前記金属電極側のボトムセルを有するタンデム積層体であって、
2個の前記光電変換層と前記透明電極を、前記透明電極側から前記ボトムセルに対して選択的に感度を有する波長のレーザーを用いて同時に除去する工程を含んでいることを特徴とする請求項1に記載の薄膜太陽電池の製造方法。 - 前記光電変換層は、ボトムセルのi層のバンドギャップがトップセルのi層よりも小さいことを特徴とする請求項2に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
- 前記光電変換層のトップセルのi層がアモルファスシリコンであり、前記光電変換層のボトムセルのi層がアモルファスシリコンゲルマニウム、微結晶シリコン、微結晶シリコンゲルマニウムのいずれかであることを特徴とする請求項2または3に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
- 前記透明電極側の前記光電変換層であるトップセルと、前記金属電極側のボトムセルと、中間のミドルセルを有するトリプル積層体であって、
3個の前記光電変換層と前記透明電極を、前記透明電極側から前記ミドルセルまたは前記ボトムセルの少なくともいずれかに対して選択的に感度を有する波長のレーザーを用いて同時に除去する工程を含んでいることを特徴とする請求項1に記載の薄膜太陽電池の製造方法。 - 前記レーザーの波長が600〜900nmの範囲にあることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の薄膜太陽電池の製造方法。
- 使用する前記レーザーが、アレキサンドライトレーザー、ルビーレーザー、チタンサファイアレーザー、ヘリウムネオンレーザー、クリプトンイオンレーザー、AIGaAs、からなる半導体レーザーのいずれかであることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の薄膜太陽電池の製造方法。
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