JPH065776B2 - 光電変換装置の作製方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の技術分野〕 本発明は、光照射により光起電力を発生しうる接合を少
なくとも１つ有するアモルファス半導体を含む非単結晶
半導体を絶縁基板上に設けられた光電変換素子を複数個
電気的に直列接続した、高い電圧の発生の可能な光電変
換半導体装置の作製方法に関する。

〔従来の技術及びその問題点〕

従来、光電変換装置、即ち同一基板上に複数の素子を配
置し、それを集積化、アレー化または複合化した装置は
その実施例が多く知られている。

例えば、非単結晶半導体、特にアモルファスシリコンを
含む非単結晶を主成分としたPIN接合により、光起電力
を光照射により発生させるが、このような接合を有する
半導体の上下に電極を直列に接続するため、一つのセル
の下側電極と隣のセルの上側電極との電気的連結を活性
領域の外側でさせていたが、各セル間は互いに電気的に
アイソレイトされていることを必要な条件としていた。

第１図には、従来構造の代表的な例を示している。

第１図（Ａ）は、光電変換装置１を透光性のガラス基板
２を下側にした背面より見た平面図である。図におい
て、光照射により光起電を発生する活性領域１４と、非
活性領域１５とを有する。

第１図（Ａ）のＡ−Ａ′、Ｂ−Ｂ′の縦断面図を対応さ
せて第１図（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように前記活性領域
１４において、各セル１１、１３において、ガラス基板
２上の第１の電極を構成する透光性導電膜３は各セル間
で互いに分離されている。また、半導体４は各セル間に
おいて互いに連結されている。また、前記非活性領域１
５において、セル１３の上側電極５は、セル１１の下側
電極と連結部６、７でのコンタクト１８で連結し、これ
を繰り返し５つのセルを外部電極８と９の間にて直列接
続させている。

しかし、前記従来構造の光電変換装置は一見半導体４が
１枚であるため製造歩留が高いように見える。しかし実
際には、第１の導電膜のパターニング用の第１のマス
ク、非活性領域形成にための第２のマスク、第２の導電
膜のパターニング用の第３のマスクの３種類のマスクを
用いるが、これらのマスクにおいて、第１のマスクと第
３のマスクとがセルファライン方式でないため、マスク
ずれを起こしやすい。このずれ（金属マスクにおいては
0.3〜１mmのずれは極当然である）により、セルの有効
面積が１０〜２０％も実質的に減少してしまうことが判
明した。

さらにマスクを用いるため、第１図（Ｂ）に示すように
前記活性領域１４での電極間の開溝であるアイソレイシ
ョン領域２２は、0.2〜１mm、例えば0.5mmを有するた
め、セル幅を10mmとする時、２mmずれるとすると、セル
幅１１は８mmとなり、アイソレイション幅２２は2.5mm
となってしまい、２０％も有効面積が減少してしまう。
またセルの外枠３０の占める面積も５〜７％もある。こ
のため、上下の電極の組み合わせをセルフレジストレイ
ション化することがその効率向上のために強く求められ
ていた。

また前記従来構造の光電変換装置においては、ガラス基
板２に非活性領域１５が設けられ、この非活性領域１５
は基板全体における２０〜３０％も占めてしまう。この
ためプロセス上の効率が低くなり、ひいては製造コスト
の低下を図ることができない。

このため、非活性領域１５が存在しない光電変換装置を
作ることが極めて重要であった。

さらに、基板がガラス基板であるため、機械的ストレス
により破損しやすい。

以上説明したようなマスク合わせによる光電変換装置の
作製による光電変換装置の欠点を改善するために、レー
ザスクライブ方式による光電変換装置の作製方法を用い
て作製された光電変換装置が提案されている（例えば、
特開昭５７−１２５６８号公報等）。

前記レーザスクライブ法による光電変換装置の概要を説
明すると、 （１）ガラスからなる透明基板上にレーザエネルギによ
り透明電極郡に罫欠いて複数個の透明電極条を形成す
る。

（２）前記透明基板および前記透明電極条上に半導体材
料の能動領域を形成する。

（３）前記能動領域を前記最初の罫書きに隣接してそれ
に平行にレーザで罫書いて前記透明電極を実質的に傷つ
けないようにその能動領域の細条群を形成する。

（４）前記能動領域の細条群を背面電極と直列に接続す
る。

このようにして作製された光電変換装置は前記マスク合
わせ法により作製された光電変換装置の問題点を解決す
ることが可能となった。

しかしながら、前記能動領域を前記最初の罫書きに隣接
してそれに平行にレーザで罫書いて前記透明電極を実質
的に傷つけないようにその能動領域の細条群を形成し
て、前記能動領域の細条群を背面電極と直列に接続する
際、前記能動領域を形成する材料は、面抵抗が低いため
に、能動領域を直列に接続する前に、能動領域の端縁を
誘電材料で絶縁する必要がある。

また、基板としてガラスを用いているため、機械的スト
レスにより破損しやすい。

〔発明が解決すべき課題〕

本発明は、前記問題点に鑑み、機械的ストレスに強く、
前記能動領域に特別の絶縁材料を別個に設けることな
く、能動領域を直列に接続する連結部を備えた光電変換
半導体装置の作製方法を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明光電変換装置の作製方法は、可曲性を有する金属
基板上に絶縁性薄膜を形成した絶縁表面を有する基板の
該絶縁表面上に形成された第１の導電膜に直線状に第１
の開溝をレーザスクライブ法により形成して複数の第１
の電極を形成する工程と、該第１の電極および該電極間
の前記第１の開溝上に光照射により光起電力を発させる
非単結晶半導体を形成する工程と、該非単結晶半導体に
対し前記直線状の第１の開溝に平行にレーザスクライブ
法により前記非単結晶半導体の前記第１の開溝と直交す
る端部に至らない内部に前記第１の電極の一部を露呈さ
せる開溝または開孔を形成する工程と、該開溝内または
開孔内および前記非単結晶半導体上に酸化物導電物から
なる第２の導電膜を形成して連結部を構成せしめた後該
第２の導電膜に前記第１の開溝に平行にレーザスクライ
ブ法により第２の開溝を形成することにより複数の第２
の電極を形成して集積化する工程とを有することを特徴
とする。

〔実施例〕

第２図は、本発明光電変換装置及びその製造工程を示し
ている。

第２図において、厚さ100μｍのステンレス薄膜２′上
に有機樹脂薄膜、例えば、ポリイミド樹脂膜２″を１〜
１０μｍの厚さに形成し、これをして絶縁表面を有する
基板２（例えば、厚さ１００μｍ、長さ６０cm、幅２０
cm）として用いる。この有機樹脂薄膜２″上に電子ビー
ム蒸着法またはマグネトスパッタ法にて耐熱性を有し、
かつ昇華性を有する金属であるクロムを厚さ2000Åまた
は反射性金属であるアルミニューム1000Åとその上にス
パッタ法にてSnOを1100Åの厚さに形成させ、複合の導
電性薄膜を用いる。この場合のシート抵抗は3.5Ω／□
を有していた。

第２図の場合は、４つのセルを直列接続させた例で示し
ている。すなわち、本発明光電変換装置の実施例は、活
性領域１４を同一基板に100〜200ケ同時に有するより大
きい20cm×60cmの基板を用いた。

各セルでは、第１の導電膜３を基板２全面に形成し、こ
の導電膜３を所定の形状にレーザ、例えば1.06μまたは
0.53μの波長のＹＡＧレーザでレーザスクライブをマイ
クロコンピュータにより記憶され制御されたパターンに
従って直線状の第１の開溝１６を形成した。

さらにセルの外側でのリークを除去せるため、分離用開
溝２６及び２６′を形成させた。そしてセル領域１１、
１３及び外部接続用電極部８及び９を形成させた。

即ち、ここにYAGレーザ（発光波長0.53μ、焦点距離50m
m、光径20μ）を照射した。その条件として、繰り返し
周波数６kHz、平均出力0.2ｗ、走査速度３０cm／分とし
た。

前記レーザスクライビングにより形成された第１の開溝
１６は、幅が約２５μ、長さが２０cm、深さが有機樹脂
薄膜２″上それぞれの第１の電極３を完全に切断分離し
て形成した。

前記第１のセル１１および第２のセル１３を構成する幅
は１０mmとした。

この時、電子顕微鏡にて調べた範囲では、有機樹脂薄膜
２″の表面には何らの損傷も、部分的な劣化も見られな
かった。このレーザ光は１６００℃以上の温度を有する
と推察されるが、連続使用上限温度が１８０℃程度の低
い耐熱性しか有しない前記有機樹脂薄膜２″に何ら損傷
を与えなかった。

即ち、前記有機樹脂薄膜２″上の導電性薄膜に対し、選
択的に第１の開溝１６を作成することができることがわ
かった。その上、２つのプローブ間には１ＭΩ以上の抵
抗（幅は１cmとする）を得ることができた。

第３図はレーザ光の繰り返し周波数を可変にしたもの
で、開溝が形成される場合の電気抵抗を示している。

第３図において、走査速度３０cm／分、平均出力０．２
Ｗ、光径２５μのＹＡＧレーザ（波長０．５３μ）を用
いた。周波数は１０KHzより下げてゆくと、曲線４５は
７kHz以下で不連続に１ＭΩ以上４５′となって電気的
にアイソレイションを行うことができるようになったこ
とが判明した。

しかし、この周波数が４kHz以下ではこの導電性薄膜
２′に加えて下地の有機樹脂薄膜２″をもその中心部
（ガウス分布のエネルギ密度の最も高い領域）で損傷し
た。

第４図は第３図の特性を得るための走査速度が一定速度
で行われる必要性を調べたものである。

即ち、第２図（Ａ）の第１の開溝１６により２点４６、
４７に対しその上方から下方へと長い距離を一定速度で
走査させる必要性を示している。

さらに一定速度の例は走査速度４０cm／分の時、３０〜
５０cm／分（±２５％）程度以内の速度の幅まで開溝の
形成が可能であった。即ち基板の位置４９（幅２０cm）
での４６、４７が第２図（Ａ）に示されている。即ち走
査速度が一定の走査中に最適速度の±２０％以内である
ことが重要である。

次に、第２図（Ｂ−１）に示すように、光照射により光
起電力を発生する水素または弗素が添加された非単結晶
半導体４を前記第１の電極３、前記第１の開溝１６の全
ての上面に均質の膜厚に形成させる。

前記半導体４は、例えばS_ixC_1-x（０＜ｘ＜１一般には
ｘ＝0.7〜0.8）のＰ型を約150Åの厚さに、さらに水素
またはハロゲン元素が添加された珪素を主成分とするＩ
型の半導体を0.4〜0.8μの厚さに、さらにＮ型の微結晶
化した珪素またはＮ型のSi_xC_1-x（０＜ｘ＜１ｘ〜0.9）
を主成分とする半導体のPIN接合構造とした。これを、
Ｐ（Si_xC_1-xx＝0.7〜0.8）−Ｉ（Si）−Ｎ（μＣＳｉ）
−P(Si_xC_1-xx＝0.7〜0.8）−Ｉ（Si_xGe_1-xx＝0.６〜0.
8）−Ｎ（微結晶化SiまたはSi_xC_1-x０＜ｘ＜１）といっ
たPINPIN構造のタンデム構造としても良い。

さらに開孔１５をレーザ光により形成させ、第２図
（Ｂ）におけるＢ−Ｂ′、Ｃ−Ｃ′の縦断面図を第２図
（Ｂ−１）、（Ｂ−２）に対応して示している。

前記開孔１５は前記有機樹脂薄膜２″の表面には損傷を
与えずに第１の電極３の側面１７を露出させた。

この時、導電性薄膜の上端部を０〜５μの幅で露出させ
た結果、導電性薄膜の側面および上面が連結部のコンタ
クトを構成した。またレーザの出力を少なくすると、レ
ーザ光の0.53μの波長は珪素の高い吸収係数のため、珪
素のみを除去することができる。この場合は上面のコン
タクトとすることができる。

この開孔１５の形成条件は、前記第１の開溝１６を形成
する条件とレーザ光パルスを不連続に１５の位置のみに
加える以外は同一であり、第１の開溝１６を基準として
平行に走査して形成し、第３図及び第４図の特性を用い
ることができた。

次に第２図（Ｃ）のパターンを形成させた。第２図
（Ｃ）のＤ−Ｄ′、Ｅ−Ｅ′、Ｇ−Ｇ′に対応した縦断
面図を第２図（Ｃ−２）、（Ｃ−３）、（Ｃ−１）に示
している。

半導体４上に第２の電極５、２５、２５′を電子ビーム
蒸着法によりITOを400〜1000Å例えば700Åの厚さに形
成させた。

すると、開孔１５において、前記第１の電極３の側面ま
たは上面１７に対し、ITOの導電性酸化物がコンタクト
し、オーム接触させることができた。

このコンタクトは、前記第１の電極３構成する導電性薄
膜３が酸化して絶縁膜を作りやすい。アルミニュームの
みでは、コンタクト部で長期使用においてアルミナが形
成され、その接触抵抗が30Ω以上となり好ましくなかっ
た。このためアルミニュームを用いる場合には必ずその
上面に酸化物である酸化スズまたはITOが必要である。
かかるため、第２の電極５、２５、２５′を構成するIT
Oを酸化物としてコンタクトを構成すると、長期使用に
対し接触抵抗は３Ω以下で変化がなく、好ましかった。
さらに他の構造としては、第１の電極を耐熱性のクロ
ム、ステンレスなどの酸化物絶縁物を作らない金属を用
いた。特に、レーザ加工にはクロムが接触抵抗が少な
く、かつレーザ加工性にすぐれ、好ましかった。

第２の電極５、２５、２５′がITOのみからなるとき
は、レーザ光が透過するので、第２の開溝２０はITOと
その下の半導体４とを実質的にレーザスクライブで形成
できる。第２図（Ｃ）に示すようにレーザスクライブに
より第２の開溝２０を形成したが、このレーザスクライ
ブは、YAGレーザ（波長0.53μ）をテレビモニタにて前
記第１の開溝１６をモニタしつつ、それより50〜200μ
第２のセル１３側に入った位置にて第２の開溝２０を形
成した。レーザ光の平均出力0.1〜0.3Ｗとし、ビーム径
10〜30μφ、ビーム走査速度0.1〜１ｍ／分、一般的に
は0.3ｍ／分として行った。

前記第２の開溝２０の形成には、半導体の光照射係数が
極めて大きい。0.6μ以下の波長即ち0.53μのＱスイッ
チがかけられたレーザ光が特に優れていた。

かくすると、Si（水素またはハロゲン元素が添加された
0.5μ以上の厚さを有する半導体）が本来昇華性であ
り、かつ0.53μの波長の吸収係数が大きいため、レーザ
光より速やかに昇温し、半導体とその上のITOとを同時
に気化して除去させることができた。

かくして、連結部１２において、セル１３の第１の電極
２３′と、セル１１の第２の電極２５とが酸化物コンタ
クト１８により前記開孔１５を介してオーム接触してい
る。特に連結部１２におけるコンタクト部１７は、前記
開孔１５のレーザスクライブ法による形成時に作られた
前記第１の電極２３、２３′の側面または上面と０〜５
μの幅の第１の電極２５、２５′の上端面とで達成さ
れ、いわゆるサイドコンタクト構造を有している。即
ち、２つのセルはわずか10〜70μφの第２の開孔１５の
サイドコンタクトで十分であり、この部分に第２の電極
５、２５、２５′を構成する材料を密接させて電気的に
直列接続させている。

第２図（Ｃ−１）、（Ｃ−２）の縦断面図より明らかな
ごとく、半導体４上には第２の電極５、２５、２５′が
形成されているにすぎない。

そして、前記第２の開溝２０は、その下の半導体４を除
去して形成され、さらに第１の電極２３をえぐることな
く、各素子の第２の電極間を電気的にアイソレイトさせ
ることができた。

さらに第２図（Ｃ）において、これらの上面に透光性有
機樹脂２８を２Ｐプロセス（特に昇温させることなく紫
外光により硬化する液体を用いて透光性絶縁膜を張りつ
けるプロセス）によりコーティングして完成する。

本発明の前記プロセにより、１cm×５cmの光電変換装置
を金属薄膜上の絶縁表面を有する有機樹脂薄膜上に１つ
作るのではなく、２０cm×２０cmまたは２０cm×４０cm
の大きさの基板上に一度に多数の光電変換装置をつくる
ことが可能となった。

そして最後にこれらを第２図（Ｃ−３）に示すように、
境界７０で裁断法により切断し、それぞれの光電変換装
置とした。このためには、従来の光電変換装置にように
活性領域と非活性領域とを作るのではなく、全て実質的
に活性領域１４とし、且つレーザ光によるレーザスクラ
イブ法で開溝を端から端まで作り、そのためにレーザ光
の走査速度を大きな有機樹脂薄膜上で常に一定にさせて
おく必要がある。走査速度が一定でなくレーザスクライ
ブの遅い部分では有機樹脂薄膜に損傷がおきてしまうか
らである。

第２図Ｃでの開溝２０、２７、２７′が端から端まで直
線状の走査がなされているのは、量産性を考えた時重要
である。特に、レーザ光の走査のし始め、し終わりの走
査速度の変化している領域では照射部におけるエネルギ
密度が大きくなってしまう。このため、直線的なレーザ
スクライブによる開溝形成は極めて重要なプロセスであ
る。これらの開溝は入射光側から全く見られないため商
品価値を妨げない。

また、第２図Ｃおいて、明らかなように、セルの有効面
積は連結部１２の１０〜３００μ幅の極めて僅かな部分
を除いて他の全てが有効であり、実効面積は９２％以上
を得ることができ、従来例の８０％に比べ本発明構造は
格段に優れたものであった。

さらにこの変換効率は、蛍光灯（300Lx）下で6.3％を有
し、解放電圧1.9Ｖを得ることができた。

第２図において開孔１５は、１つのみを半導体内部の特
に中央付近に存在させたが、この開孔は、複数個、例え
ば２〜４個を破線的にまたは長円構造をさせＹ方向に第
１の開溝１６と第２の開溝２０の間に作製しても、ま
た、櫛目状に半導体４の内部に第１の開溝１６に沿って
形成させても良い。

以上の説明は、本発明実施例の第２図のパターンには限
定されない。セルの数、大きさはその設計仕様によって
定まられるものである。また半導体はプラズアマＣＶＤ
法、減圧ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法または光プラズマＣＶＤ
法をもちいて形成しても良い。

また、非単結晶シリコンを主成分とするＰＩＮ接合、ヘ
テロ接合、タンデム接合のみに限らず多くの構造への応
用が可能である。

前記実施例においては、有機樹脂薄膜２″上に集積化さ
せた構造を示したが、金属薄膜上に窒化珪素、酸化珪素
または酸化クロム等の絶縁膜を300〜3000Åの厚さにバ
リア層として形成し、または基体自体が絶縁表面（非透
光性でもよい）であってその上に第１の電極用の導電性
薄膜を形成してもよいことはいうまでもない。

〔発明の効果〕

（１）本発明光電変換装置の作製方法は、可曲性を有す
る金属薄膜上に絶縁性薄膜、例えば絶縁性有機樹脂薄膜
を設けた絶縁表面を有する基板を使用したから、機械的
ストレスにより破損しにくく、耐機械破損防止、低価格
化に適した光電変換装置を実現できる。

（２）絶縁表面を有する大面積基板に同時に多数の光電
変換装置を作り、これを分割して各基板上に１つの光電
変換装置を作る方式を採用することが可能となる。この
ため、従来の1/3〜1/5の価格での製造が可能とである。

（３）第１の開溝、開孔、第２の開溝とがコンピュータ
制御されたレーザスクライブ法によるセルフレジストレ
イション方式で形成できるため、セルの有効面積が大き
く、かつマスクレス工程であるため、製造歩留が高い。

（４）各セル間分離の第１、第２の開溝のレーザスクラ
イブラインの幅が１０〜７０μと極めて小さく、かつ開
孔も１０〜５０μφと極めて小さく、また第１の開溝は
光照射面からは全く見えない。その結果肉眼によりバイ
ブリッド化されていることを確認され得ず、高賦課価値
商品を与えることができる。

（５）コネクタが金属のような場合は、マイグレイトし
てリークが発生しやすいが、本発明は、コネクタを構成
する導体に導電性酸化物を用いて第１の電極と第２の電
極とを接続したので、連結部においてリークの少ない高
信頼性を有する光電変換装置が得られる。

（６）本発明は、前記コネクタを構成する導電性酸化物
は、一方の光電変換素子の第２の電極と同一酸化物によ
り設けたから、第２の電極及びコネクタを１工程で形成
できる構成を採っているので、従来アルミニューム等の
コネクタを別工程で形成する必要もなくまたマイグレイ
ションの防止もでき、極めて高い最終歩留を達成でき
る。

という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の光電変換装置の縦断面図である。 第２図は、本発明の光電変換装置の平面図および縦断面
図を製造工程に従って示した図である。 第３図は、本発明のステンレス基板上の有機樹脂上の導
電性薄膜をレーザスクライブした時のレーザスクライブ
による電気抵抗の変化を示す図である。 第４図は、本発明の走査速度を一定とした時の様子を示
す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】可曲性を有する金属基板上に絶縁性薄膜を
   形成した絶縁表面を有する基板の該絶縁表面上に形成さ
   れた第１の導電膜に直線状に第１の開溝をレーザスクラ
   イブ法により形成して複数の第１の電極を形成する工程
   と、該第１の電極および該電極間の前記第１の開溝上に
   光照射により光起電力を発させる非単結晶半導体を形成
   する工程と、該非単結晶半導体に対し前記直線状の第１
   の開溝に平行にレーザスクライブ法により前記非単結晶
   半導体の前記第１の開溝と直交する端部に至らない内部
   に前記第１の電極の一部を露呈させる開溝または開孔を
   形成する工程と、該開溝内または開孔内および前記非単
   結晶半導体上に導電性酸化物からなる第２の導電膜を形
   成して連結部を構成せしめた後該第２の導電膜に前記第
   １の開溝に平行にレーザスクライブ法により第２の開溝
   を形成することにより複数の第２の電極を形成して集積
   化する工程とを有することを特徴とする光電変換装置の
   作製方法。