JP2009064855A

JP2009064855A - 薄膜太陽電池およびその製造方法

Info

Publication number: JP2009064855A
Application number: JP2007229728A
Authority: JP
Inventors: Yuko Taguchi; 遊子田口; Hitoshi Ueda; 仁上田; Hiroshi Koshina; 浩史越名
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2007-09-05
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2009-03-26

Abstract

【課題】
簡易かつ安価に薄膜太陽電池を製造する。
【解決手段】
透明絶縁基板１０に、少なくとも透明電極層１１、半導体層１３および裏面電極層１５をその順に形成してなる薄膜太陽電池１であって、透明絶縁基板１０の周縁にある透明電極層１１から裏面電極層１５までが除去され、かつその除去された領域１８よりも透明絶縁基板１０の内側であってセル列を横切って裏面電極層１５から半導体層１３までをスリット状に除去したスクライブ線１７を有する薄膜太陽電池１とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、薄膜太陽電池およびその製造方法に関する。

太陽電池は、太陽光のエネルギーを直接、電気エネルギーに変換する発電装置であり、ＣＯ_２の発生が少ないクリーンな発電装置として実用化されている。太陽電池は、厚さの観点で大別すると、バルク系と薄膜系に分けることが出来る。近年、薄膜太陽電池は、使用する材料が少なくコストを抑えることが出来るため、注目を集めている。

図９に従来から知られている薄膜太陽電池の代表的な構成を模式的に示す。サブモジュール１００は、透明絶縁基板１０１上に複数のセルを有する。セルは、透明絶縁基板１０１上に、透明電極層１０２、半導体層１０３および裏面電極層１０４の順に積層した構造を有する。図９に示すように、透明電極層１０２は複数のパターン１０５で分離されており、その上に半導体層１０３が成膜されている。半導体層１０３も複数のパターン１０６で分離されている。さらに裏面電極層１０４が積層され、半導体層１０３、裏面電極層１０４は、複数のパターン１０７で分離されている。この集積型構造により、図９の紙面左右方向に複数のセルが直列接続されたセル列を形成している。

このような構造を持つ薄膜太陽電池は、化学的気相成長法（Chemical Vapor Deposition :CVD）および／または物理的気相成長法（Physical Vapor Deposition :PVD）等を利用して各層１０２，１０３，１０４を順に堆積させて製造される。半導体層１０３の厚さは後述の通り数百ｎｍ程度であり、バルク系Ｓｉ太陽電池のＳｉウエハの厚さ（２００μｍ程度）と比較すると、原料のＳｉが少量ですむ、という利点がある。

薄膜太陽電池は太陽電池の発電部分とフレームの絶縁をとるために、例えば特許文献１に開示される方法が行われている。特許文献１に開示される技術は、透明絶縁基板の周辺部における透明電極層、半導体層および裏面電極層を研磨等の機械的除去手段により除去すると共に、除去した領域より内側にレーザ加工等の手段により透明電極層、半導体層および裏面電極層を除去するものである。このような加工を施すことによって、研磨等の手段により除去した領域の研磨が不十分でも確実に絶縁できる。

特開２０００−１５０９４４（要約書、図１、図２等）

しかし、特許文献１に開示される技術には次のような課題がある。透明電極層１０２、半導体層１０３および裏面電極層１０４の光の吸収率は異なり、それぞれレーザ加工に適した波長は異なる。このため、全ての層を同じ波長のレーザで加工することは難しい。そのため、半導体層１０３、裏面電極層１０４をグリーンレーザ、透明電極層１０２を赤外光レーザと、レーザを切り替えるために、独立したレーザ加工工程が必要になり製造コストが高くなる。

本発明は、かかる問題を解決すること、すなわち、簡易かつ安価に薄膜太陽電池を製造することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、透明絶縁基板に、少なくとも透明電極層、半導体層および裏面電極層をその順に形成してなる薄膜太陽電池であって、透明絶縁基板の周縁にある透明電極層から裏面電極層までが除去され、かつその除去された領域よりも透明絶縁基板の内側であってセル列を横切って裏面電極層から半導体層までをスリット状に除去したスクライブ線を有することを特徴とする薄膜太陽電池としている。このような構成の薄膜太陽電池は、スクライブ線の形成時にレーザ光の波長を変える必要がなく、タクトの短縮と製造コストの低減を図ることが出来る。

また、本発明は、透明絶縁基板に、少なくとも透明電極層、半導体層および裏面電極層をその順に形成してなる薄膜太陽電池の製造方法であって、透明電極層、半導体層および裏面電極層の形成後に、透明絶縁基板の縁より内側であってセル列を横切って裏面電極層から半導体層までをスリット状に除去したスクライブ線を形成するスクライブ工程と、そのスクライブ線よりも外側であって、透明絶縁基板の周縁にある透明電極層から裏面電極層までを除去する除去工程とを含む薄膜太陽電池の製造方法としている。このような製造方法の採用により、上述の薄膜太陽電池の作用・効果を得ることが出来る。

本発明によれば、簡易かつ安価に薄膜太陽電池を製造することができる。

以下に、本発明に係る薄膜太陽電池、一例としてアモルファスシリコン型太陽電池の形態について説明する。

（１．薄膜太陽電池の構成）
薄膜太陽電池の構成について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る薄膜太陽電池１の斜視図（図１（Ａ））および薄膜太陽電池１を、その端面から、最も広い面に対して平行に切ったときの断面を矢印Ａ方向から見た図（図（Ｂ））である。ここで、「裏側」とは、太陽光を受光する側と反対側をいう。また、「幅方向」とは、図１（Ｂ）に示す断面図における短辺方向を、「長さ方向」とは、図１（Ｂ）に示す断面図における長辺方向を、それぞれいう。以後、特に言及しない限り、上記文言の定義は、同様の意味である。

薄膜太陽電池１は、ガラス基板（透明絶縁基板の一例）１０に、透明電極層１１、半導体層および金属製の裏面電極層１５を、その順に積層した構造を有している。当該複数の層の内、ガラス基板１０から最も離れた位置に積層される裏面電極層１５は、半導体層と共に、長さ方向に沿って形成される複数本のパターニング線１６によって、幅方向に分離されている。また、裏面電極層１５と半導体層は、パターニング線１６の長さ方向両端において、パターニング線１６とほぼ直交する２本のスリット状のスクライブ線１７によって分離されている。分離された複数の裏面電極層１５の内、幅方向両端にある裏面電極層１５には、当該各裏面電極層１５の長さ方向に沿って、各バス電極１９が形成されている。

図２は、薄膜太陽電池１を、図１においてＢ−Ｂ線で切断したときの左側断面図である。Ｂ−Ｂ線により切断したときの右側の構造については、左側と同様の構造であることから、その図示を省略する。また、見やすさを考慮して、一部の断面のみをハッチングで示すこととし、図２以降の図面においても同様とする。

図２に示すように、ガラス基板１０の裏面（図２では紙面上方向）には、複数のパターニング線１２によって分離された複数の透明電極層１１が形成されている。透明電極層１１上には、さらに、半導体層１３が積層されている。半導体層１３は、シリコンの薄膜であり、透明電極層１１側から、ｐ層（ｐ型アモルファスシリコン）、ｉ層（ノンドープアモルファスシリコン）、ｎ層（ｎ型アモルファスシリコン）の順に積層した膜である。

積層方向においてパターニング線１２と重ならないように形成されると共にパターニング線１２と平行に伸びるパターニング線１４が、半導体層１３を分離している。半導体層１３の上には、裏面電極層１５が積層されている。積層方向においてパターニング線１２，１４と重ならないように形成されると共にパターニング線１２と平行に伸びるパターニング線１６が、裏面電極層１５および半導体層１３を分離している。パターニング線１２，１４，１６により、複数のセルが直列に接線されて形成される。複数のセルは、長さ方向に複数ならんだセル列を形成する。

ガラス基板１０の周縁領域１８には、機械的除去処理が施されている。その処理の結果、図２に示すように、ガラス基板１０の周縁領域１８において、ガラス基板１０上に積層されている透明電極層１１、半導体層１３および裏面電極層１５は削りとられている。

図２において、最も左端に存在する裏面電極層１５にはバス電極１９が接続されている。バス電極１９は、半田２１により裏面電極層１５および半導体層１３を通して透明電極層１１に電気的に接続されている。また、バス電極１９と裏面電極層１５および半導体層１３を通した透明電極層１１の接続は、導電性のペースト等を用いても良い。バス電極１９には、取り出し電極２０が半田２１により接続されている。取り出し電極２０により、電気を外部に送ることができる。さらに、取り出し電極２０の端部を除き、ガラス基板１０上の積層体は、封止材２２により封止されている。

図３は、薄膜太陽電池１を、図１においてＣ−Ｃ線で切断したときの左側断面図である。Ｃ−Ｃ線により切断したときの右側の構造については、左側と同様の構造であることから、その図示を省略する。

図３に示すように、透明電極層１１の端部であって、周縁領域１８よりも内側には、半導体層１３および裏面電極層１５のみを分離するスクライブ線１７が形成されている。スクライブ線１７は、セル列に対して直角に、複数のセル列を横切って形成される。スクライブ線１７は、透明電極層１１を分離していない。

（２．薄膜太陽電池の製造方法）
次に、薄膜太陽電池１の製造方法について、図面を参照しながら説明する。

図４〜図８は、本実施の形態に係る薄膜太陽電池１の製造工程を示す概略図である。図４、図５、図８は、図１（Ｂ）のＢ−Ｂ線で切った断面図の一部であり、図６は、図１（Ｂ）のＣ−Ｃ線で切った断面図の一部であり、図７は、図６に示す段階の薄膜太陽電池１の平面図である。図４、図５、図６および図８において、断面に向かって右側の構造については、左側と同様の構造であることから、その図示を省略する。

（Ａ）透明電極層付ガラス基板の準備工程
図４（Ａ）に示すように、３〜５ｍｍ厚のガラス基板１０に、厚さ６００〜９００ｎｍの透明電極層１１を成膜して、透明電極層付ガラス基板を準備する。市場に供給されている太陽電池用に透明電極層を形成した透明電極層付ガラス基板を購入しても良い。

（Ｂ）第１パターニング工程
次に、透明電極層付ガラス基板に、ＱスイッチＹＡＧレーザ（波長：１０６４ｎｍ、パルス周波数：１０ｋ〜５０ｋＨｚ、出力：数〜十数Ｗ）をガラス基板１０側から照射して、図４（Ｂ）に示すようなパターニング線１２を形成する。パターニング線１２は幅３０〜１００μｍであり、透明電極層１１に対してセル列の直列接続方向にほぼ直交する方向（図４（Ｂ）では、紙面の表裏方向）に複数本形成される。このパターニング線１２により、透明電極層１１は幅方向に向かって５〜１０ｍｍ幅に分離される。

（Ｃ）半導体層の成膜工程
図４（Ｃ）に示すように、（Ｂ）第１パターニング工程に続いて、透明電極層１１の上に、半導体層１３を成膜する。半導体層１３は、前述のように、透明電極層１１側から順に、ｐ層、ｉ層、ｎ層のＰＩＮ接合を有する層であり、例えば、プラズマＣＶＤにより成膜される。好適には、次のような条件にて、上記の３層を成膜する。

温度約２００℃、約１００Ｐａの減圧下において、水素、モノシラン（ＳｉＨ_４）およびジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）を流入し、膜厚１０〜４０ｎｍのｐ層を成膜する。シリコン中にボロンをドープすることによりｐ型アモルファスシリコンを形成することができる。次に、温度約２００℃、約７０Ｐａの減圧下において水素およびモノシランを流入し、膜厚２００〜４００ｎｍのノンドープアモルファスシリコンから成るｉ層を成膜する。次に、温度約２００℃、約１００Ｐａの減圧下において、水素、モノシランおよびホスフィン（ＰＨ_３）を流入し、膜厚２０〜７０ｎｍのｎ型アモルファスシリコンから成るｎ層を成膜する。シリコン中にリンをドープすることによりｎ型アモルファスシリコンを形成することができる。

（Ｄ）第２パターニング工程
半導体層１３を形成したガラス基板１０にＱスイッチＹＡＧレーザ（波長：５３２ｎｍ、パルス周波数：１０ｋ〜５０ｋＨｚ、出力：数Ｗ）を照射して、図４（Ｄ）に示すような半導体層１３を分離するためのパターニング線１４を形成する。パターニング線１４は、幅３０〜１２０μｍであり、半導体層１３に対して、セル列の直列接続方向にほぼ直交する方向（図４（Ｄ）では、紙面の表裏方向）に複数本形成される。パターニング線１４は、透明電極層１１のパターンから好適には約５０μｍ離れた位置に形成される。

（Ｅ）裏面電極層の形成工程
裏面電極層１５は銀の薄膜層であり、例えば、マグネトロンスパッタリングに代表されるＰＶＤ法により成膜される。具体的には、銀ターゲットを用いて、温度約１００〜２００℃、約０．１〜１Ｐａの減圧下にて、膜厚２００〜３００ｎｍの銀の裏面電極層１５を成膜する。なお、裏面電極層１５の成膜に先立ち、半導体層１３の上に、膜厚約１０〜１００ｎｍの透明導電膜を成膜しても良い。

（Ｆ）第３パターニング工程
裏面電極層１５を形成したガラス基板１０に、ＱスイッチＹＡＧレーザ（波長：５３２ｎｍ、パルス周波数：１０ｋ〜５０ｋＨｚ、出力：数Ｗ）を照射して、半導体層１３と裏面電極層１５のパターニング線１６を形成する。パターニング線１６は線幅３０〜１２０μｍであり、パターニング線１６は、半導体層１３のパターンから好適には約５０μｍ離れた位置に形成される。

（Ｇ）スクライブ工程
次に、パターニング線１６を形成した後のガラス基板１０を９０度回転させパターニング線１６にほぼ直交するように、スクライブ線１７を形成する。スクライブ線１７は、ガラス基板１０の両端からそれぞれ約６〜１３ｍｍ内側に、図６（Ａ）に示すように、半導体層１３，１３’および裏面電極層１５，１５’のみを分離するように形成される。スクライブ線１７は、線幅３０〜１２０μｍであり、パターニング線１６の形成と同様、ＱスイッチＹＡＧレーザ光（波長：５３２ｎｍ、パルス周波数：１０ｋ〜５０ｋＨｚ、出力：数Ｗ）をガラス基板１０側から照射して形成される。

（Ｈ）除去工程
図６（Ｂ）および図７に示すように、スクライブ線１７の形成後、スクライブ線１７より数ｍｍ程度外方向に離れた位置からガラス基板１０の縁までの周縁領域（ガラス基板１０の縁から約３〜１０ｍｍの領域）１８の透明電極層１１、半導体層１３，１３’および裏面電極層１５，１５’を、機械的な除去手段により除去する。図７では、周縁領域１８を斜線で示している。この工程は、スクライブ線１７より内側の発電領域と周縁領域１８の確実な絶縁性を確保する目的で行われる。このような除去工程を行うと、上記周縁領域１８とスクライブ線１７に挟まれた部分では、透明電極層１１上に少なくとも半導体層１３’が島状に残される。ここで、機械的な除去手段とは、ブラスト、研磨（砥石、バフ等を用いた研磨）を含むあらゆる機械的な手段を意味するが、好適には、ガラスビーズ、炭化シリコン等を用いたブラストを用いる。

上記のような除去工程を行うと、裏面電極層１５’と半導体層１３’の膜端面に損傷が生じその影響を受けて、透明電極層１１と裏面電極層１５’とが短絡する危険性がある。このような状況を防止するために、スクライブ線１７を形成すると、短絡の影響がスクライブ線１７より内側のモジュールに及ぶことなく正常に機能する。

また、半導体層１３，１３’と裏面電極層１５，１５’のみを分離し透明電極層１１を分離していないスクライブ線１７を形成することは、次のようなメリットを有する。透明電極層１１、半導体層１３，１３’および裏面電極層１５，１５’では、それぞれ、光の吸収率が異なり加工に適した波長も異なる。そのため、レーザを利用して透明電極層１１、半導体層１３，１３’および裏面電極層１５，１５’を全て分離するためには、半導体層１３，１３’と裏面電極層１５，１５’を分離するために可視光のレーザを用いて加工した後に、透明電極層１１を分離するために赤外光領域のレーザを用いて加工する必要がある。すなわち、２段階のレーザ加工が必要になる。これに対して、半導体層１３，１３’および裏面電極層１５，１５’のみを分離するスクライブ線１７を形成する場合には、可視光のレーザを用いて加工するだけで良い。この結果、タクトの短縮および製造コストの低減を図ることができる。

（Ｉ）電極形成工程
次に、図８（Ａ）に示すように、ガラス基板１０の幅方向の両端の裏面電極層１５の上部に、光電変換によって発生した電流を外部に取り出すためのバス電極１９を、半田２１にて固定する。半田２１は、バス電極１９を、裏面電極層１５、半導体層１３を通じて透明電極層１１まで電気的に接続させる機能を有する。また、バス電極１９には、半田２１を介して、取り出し電極２０が接続される。

（Ｊ）封止工程
次に、図８（Ｂ）に示すように、ガラス基板１０上の各層１１，１３，１５および各バス電極１９，２０を、絶縁性の封止材（例えば、絶縁性の高い樹脂）２２により封止する。好適には、エチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）等の封止材２２と、３層構造から成る防水性の高いバックシート（不図示）とを、加温しながら加圧して、封止を行う。その後、ジャンクションボックスとフレームを取り付けて薄膜太陽電池が完成する。

（３．その他の実施の形態）
以上、本発明に係る薄膜太陽電池およびその製造方法の好適な実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されることなく、種々変形を施した形態にて実施可能である。

例えば、幅方向に形成されたスクライブ線１７に加えて、長さ方向にもスクライブ線１７を形成するようにしても良い。また、本発明の薄膜太陽電池を、アモルファスシリコン太陽電池と微結晶シリコン太陽電池とを各一層以上積層したタンデム型太陽電池としても良い。さらに、スクライブ工程と除去工程とを逆順に行っても良い。また、透明絶縁基板として耐熱性の高い透明樹脂を、透明電極層としてＩＴＯ等を、それぞれ用いても良い。さらに、透明電極層１１をレーザで除去するパターニング工程（図４（Ｂ））において、周縁領域１８の透明電極層１１の一部をレーザで除去しても良い。これにより、後の除去工程（図６（Ｂ））で密着性の高い透明電極層１１の除去が容易になる。

本発明は、太陽光発電の分野に利用可能である。

本発明の実施の形態に係る薄膜太陽電池の斜視図（図１（Ａ））および薄膜太陽電池を、その端面から最も広い面に平行に切ったときの断面を矢印Ａ方向から見た図（図（Ｂ））である。図１に示す薄膜太陽電池を、図１中のＢ−Ｂ線で切断したときの左側断面図である。図１に示す薄膜太陽電池を、図１中のＣ−Ｃ線で切断したときの左側断面図である。図１に示す薄膜太陽電池の製造工程を示す概略図であり、（Ａ）〜（Ｄ）の順で製造工程が進む様子を示す図である。図４に引き続き、図１に示す薄膜太陽電池の製造工程を示す概略図であり、（Ａ）、（Ｂ）の順で製造工程が進む様子を示す図である。図５に引き続き、図１に示す薄膜太陽電池の製造工程を示す概略図であり、（Ａ）、（Ｂ）の順で製造工程が進む様子を示す図である。図６に示す段階の薄膜太陽電池の平面図である。図６に引き続き、図１に示す薄膜太陽電池の製造工程を示す概略図であり、（Ａ）、（Ｂ）の順で製造工程が進む様子を示す図である。従来技術を説明するための図である。

符号の説明

１薄膜太陽電池
１０ガラス基板（透明絶縁基板）
１１透明電極層（透明電極層）
１３半導体層
１５裏面電極層
１７スクライブ線
１８周縁領域

Claims

透明絶縁基板に、少なくとも透明電極層、半導体層および裏面電極層をその順に形成してなる薄膜太陽電池であって、
上記透明絶縁基板の周縁にある上記透明電極層から上記裏面電極層までが除去され、
かつその除去された領域よりも上記透明絶縁基板の内側であってセル列を横切って上記裏面電極層から上記半導体層までをスリット状に除去したスクライブ線を有することを特徴とする薄膜太陽電池。
透明絶縁基板に、少なくとも透明電極層、半導体層および裏面電極層をその順に形成してなる薄膜太陽電池の製造方法であって、
上記透明電極層、上記半導体層および上記裏面電極層の形成後に、上記透明絶縁基板の縁より内側であってセル列を横切って上記裏面電極層から上記半導体層までをスリット状に除去したスクライブ線を形成するスクライブ工程と、
上記スクライブ線よりも外側であって、上記透明絶縁基板の周縁にある上記透明電極層から上記裏面電極層までを除去する除去工程と、
を含むことを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。