JP2004336086A

JP2004336086A - 集積型薄膜太陽電池とその製造方法

Info

Publication number: JP2004336086A
Application number: JP2004252488A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Fukuoka; 裕介福岡
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】高エネルギーのレーザビームを用いずに裏面金属電極層のパターニングが可能でかつその裏面電極層の直接的保護層を備えた集積型薄膜太陽電池を提供する。
【解決手段】透明絶縁基板１上に順次に積層された透明電極層２、半導体光電変換層３、および裏面電極層４が複数のセルを形成するように分離溝２ａ，４ａによって分離されていて、それらの複数のセルは分離溝に平行な接続用溝３ａを介して互いに電気的に直列接続された集積型薄膜太陽電池の製造方法において、裏面電極層をレジスト層７で覆い、そのレジスト層にレーザスクライブ溝７ａを形成し、そのレーザスクライブ溝内で露出された裏面電極層にエッチングを施すことによって隣接するセル間における裏面電極分離溝を形成し、そのレジスト層が裏面電極層の絶縁保護層として残される。
【選択図】図１

Description

本発明は非晶質シリコン層等を利用した集積型薄膜太陽電池に関し、特に、その裏面電極層の保護とそこから外部へ電流を取出すための外部電極の接続に関するものである。

一般に、薄膜太陽電池は２種類に大別することができる。その第１の種類の薄膜太陽電池では、通常はガラス等の透明絶縁基板上に、厚さ約４００ｎｍ〜１．６μｍの透明電極層、厚さ約１００ｎｍ〜６００ｎｍの半導体光電変換層、および厚さ約１００ｎｍ〜１μｍの裏面金属電極層が順次に積層されている。透明電極層は、ＳｎＯ₂、ＩＴＯ、またはＺｎＯ等の酸化物導電物質を用いて形成され得る。光電変換層は、透明電極層側から順に積層された非晶質半導体のｐ層、ｉ層、およびｎ層を含んでいる。

他方、第２の種類の薄膜太陽電池では、通常は基板を兼ねる裏面金属電極上に、半導体光電変換層と透明電極層が順次に積層されている。この光電変換層は、裏面金属電極層側から順に積層された非晶質半導体のｎ層、ｉ層、およびｐ層を含んでいる。

これらの２種類の薄膜太陽電池のうちで、現在では、第１種類の薄膜太陽電池が主として用いられている。その１つの理由は、第１種類の太陽電池では透明絶縁基板が表面保護用のカバーガラスを兼ねることができるからである。また、ＳｎＯ₂等の透明導電材が良好な耐プラズマ性を有することが見出され、該透明電極層上に半導体光電変換層をプラズマＣＶＤ法によって容易に積層することが可能になったことも理由の１つである。

ところで、透明電極層に用いられる酸化物導電物質は、一般に金属に比べて電気抵抗率が大きい。したがって、薄膜太陽電池では、透明電極層の抵抗による電流ロスを低減するためと所望の高い出力電圧を得るために、集積型薄膜太陽電池として用いられるのが一般的である。

図７は、そのような従来の集積型薄膜太陽電池の一例を模式的な断面図で示している。なお、本願の各図においては、図面の明瞭化と簡略化のために寸法関係などは適宜に変更されて示されており、実際の寸法関係などを反映してはいない。

図７の太陽電池においては、透明絶縁基板１上に透明電極層２が形成される。透明電極層２はレーザスクライブによるパターニングによって形成された複数の透明電極分離溝２ａによって複数の細長い短冊状の透明電極に分離される。すなわち、透明電極分離溝２ａは図７の紙面に直交する方向に直線状に延びている。

透明電極層２を覆うように形成された半導体光電変換層３は、透明電極層２の場合と同様に、レーザスクライブで形成された複数の半導体層分割溝３ａによって複数の半導体光電変換領域に分割される。すなわち、半導体層分割溝３ａの各々は、対応する透明電極分離溝２ａに近接してそれに平行に延びている。同様に、半導体光電変換層３を覆うように形成された裏面電極層４も、レーザスクライブで形成された複数の裏面電極分離溝４ａによって複数の裏面電極に分離される。

こうして、相互に重複して積層した細長い短冊状の透明電極２、半導体光電変換領域３、および裏面電極４がそれぞれの細長い短冊状の太陽電池セルを形成している。ここで、裏面電極層４は半導体層分割溝３ａを埋めるように形成されるので、図７において任意の１つのセルの透明電極２は、そのセルの右側に隣接するセルの裏面電極４に接続されている。すなわち、半導体層分割溝３ａはセル間の接続用溝として利用され、基板１上のすべてのセルが電気的に直列接続されている。なお、非晶質の半導体光電変換層３は大きな抵抗率を有しているので、その極めて薄い厚さ方向のみに電流が流れ、半導体層の膜面に平行な方向の電流は無視することができる。

このような集積型薄膜太陽電池において、直列接続された複数のセル配列の両端部に設けられた細長い電流取出し部の領域内で外部電極５が接続される。すなわち、図７の紙面に直交する方向に延びる細長い帯状の外部電極５は裏面電極層４にはんだ付けされ、外部電極５にはリード線６が接続される。
特開平６−９７４８２号公報

図７に示されているような太陽電池においては、半導体光電変換層３内で吸収されることなく透過してきた光（特に長波長の光）を再度光電変換層３内に反射させるために、裏面電極層４は、一般に高い光反射性を有するＡｇやＡｌを用いて形成される。したがって、光反射性の高い裏面金属電極層４をレーザスクライブによってパターニングして裏面電極分離溝４ａを形成するとき、高エネルギーのレーザ光を必要とする。

また、そのように高エネルギーのレーザ光を用いて裏面電極層４をパターニングする場合、それに隣接する光電変換層３に熱的なダメージを与えるおそれもある。

さらに、図７に示されているような太陽電池では、その裏面はＥＶＡ等を介して防湿性シートをラミネートすることによって保護されるが、その前に裏面電極層４が、その酸化や傷などの損傷を防止するために、より直接的に保護されることも望まれる。

かかる従来技術における課題に鑑み、本発明は、高エネルギーのレーザビームを用いることなく裏面金属電極層のパターニングが可能で、かつその裏面電極層の直接的保護層を備えながら確実に外部へ電流を取出し得る集積型薄膜太陽電池を提供することを目的としている。

本発明の一つの態様によれば、透明絶縁基板上に順次に積層された透明電極層、半導体光電変換層、および裏面電極層が複数のセルを形成するように実質的に直線状で互いに平行な分離溝によって分離されていて、それらの複数のセルは前記分離溝に平行な接続用溝を介して互いに電気的に直列接続された集積型薄膜太陽電池の製造方法において、裏面電極層をレジスト層で覆い、そのレジスト層にレーザスクライブ溝を形成して裏面電極層を部分的に露出させ、レジスト層のレーザスクライブ溝内で露出された裏面電極層にエッチングを施すことによって隣接するセル間における裏面電極分離溝を形成し、裏面電極層の絶縁保護層としてレジスト層を残すことを含むことを特徴としている。

なお、その集積型薄膜太陽電池の製造方法において、レジスト層を部分的に除去して外部電極接続領域を形成し、太陽電池から電流を取出すための外部電極を外部電極接続領域において裏面電極層に接続することをさらに含むことができる。

本発明のもう一つの態様によれば、透明絶縁基板上に順次に積層された透明電極層、半導体光電変換層、および裏面電極層が複数のセルを形成するように実質的に直線状で互いに平行な分離溝によって分離されていて、それらの複数のセルは前記分離溝に平行な接続用溝を介して互いに電気的に直列接続された集積型薄膜太陽電池において、裏面電極層の上面は絶縁保護層によって覆われており、その絶縁保護層はレジスト層からなっていることを特徴としている。

なお、その集積型薄膜太陽電池において、レジスト層は部分的に除去されて外部電極接続領域が形成されていて、太陽電池から電流を取出すための外部電極が外部電極接続領域において裏面電極層に接続されていることが好ましい。

上記のような本発明によれば、高エネルギーのレーザビームを用いることなく裏面金属電極層のパターニングが可能で、かつその裏面電極金属層の直接的保護層を備えながら確実に外部へ電流を取出し得る集積型薄膜太陽電池を提供することができる。

以下において、本発明の実施の形態をより具体化したいくつかの実施例について図面を参照しつつ説明する。

図１においては、本発明の一実施例による集積型薄膜太陽電池が模式的な断面図で示されている。この太陽電池においては、まず６５０ｍｍ×９１０ｍｍの面積を有する厚さ４ｍｍのガラス基板１上にＳｎＯ₂の透明電極層２が８００ｎｍの厚さに形成された。透明電極分離溝２ａは、７ｍｍのピッチで１００μｍの幅を有するように、レーザスクライブによってパターニングされた。

透明電極層２上には、公知の３室分離型プラズマＣＶＤ装置を用いて、半導体光電変換層３が形成された。この実施例においては、光電変換層３は非晶質シリコン層からなり、透明電極層２側から順次に積層された厚さ約１０ｎｍのｐ型層、厚さ３００ｎｍのｉ型層、および厚さ約３０ｎｍのｎ型層を含んでいた。このような半導体層３上において、各透明電極分離溝２ａから１００μｍ離れた位置においてそれに平行で１００μｍの幅を有する半導体層分離溝３ａがレーザスクライブによって形成された。

半導体層３上には、裏面電極４として、厚さ約１０ｎｍのＺｎＯ層と厚さ５００ｎｍの銀層が、公知のＤＣスパッタリング装置を用いて形成された。このＺｎＯ層は必ずしも必要ではないが、銀層の光反射性を改善し、かつ銀原子が半導体光電変換層３内に拡散することを防止するために好ましいものである。

その後、裏面電極層４を覆う絶縁保護層７として、約１〜５μｍの範囲内の厚さのレジスト層がエアスプレーによって吹きつけ塗布された。このレジスト層７は、後のエッチング工程で剥離しない程度まで硬化する温度より高くかつ溶剤キシレンを用いて拭き取ることが困難になるほど硬化する温度より低い範囲内の温度で乾燥させられる。この実施例では、エッチング工程で剥離しない程度の硬化温度より３０℃以上高くかつキシレンで拭き取りが困難になる硬化温度より３０℃以上低い範囲の温度で乾燥硬化させられた。

こうして形成されたレジスト層７に対して、半導体層分割溝３ａから１００μｍだけ離れた位置でそれに平行に１００μｍの幅でレーザスクライブすることによって、細長いレジスト開口部７ａにおいて裏面電極層４の銀表面を露出させた。このとき、レジスト層７は、高い光反射率と高い融点を有する銀層と異なって、小さなエネルギーのレーザビームを用いて容易に除去することができる。したがって、レジスト層７をレーザビームによってパターニングするときに、光電変換層３が熱的な損傷を受けることがない。

このようにパターニングされたレジスト層７をマスクとして用いながら、塩化鉄系エッチング液中に基板１を浸漬し、レジスト層７の細長い開口部７ａにおいて裏面電極層４に含まれる銀層とＺｎＯ層がウェットエッチングによって除去され、これによって裏面電極分離溝４ａが形成された。

その後、直列接続された複数のセル配列の両端部に設けられた電流取出し領域において、外部電極接続領域８を形成するために、レジスト層７が溶剤を含浸させたテープ状部材によって部分的に拭き取られた。その状態が、図２において模式的に示されている。

図２は、集積型薄膜太陽電池の裏面を模式的に示す平面図である。すなわち、ガラス基板１上で裏面電極分離溝４ａによって互いに分離された複数の光電変換セル９が、レジスト層７によって覆われている。直列接続された複数のセル配列の両端部には、電流取出し領域１０が設けられている。これらの両端の電流取出し領域１０の各々において、４箇所の領域８においてレジスト層７が除去され、外部電極接続領域として用いられる。図２の例においては、幅５ｍｍの綿布テープに溶剤キシレンを含浸させ、そのテープをレジスト層７に押圧して拭き取ることによって電極接続領域８が形成された。

図５はこのような電極接続領域８を形成するために好ましく用いられた絶縁保護層拭き取り装置を示す模式的な立面図であり、図６は図５に対応する平面図である。これらの図において、太陽電池のガラス基板１はレジスト層７を上にして拭き取り装置の基台１０１上に配置される。この拭き取り装置は、拭き取りユニット１０２を有している。拭き取りユニット１０２は、テープ状部材１０５を送り出すための送出しロール１０６と巻取るための巻取ロール１０７を含んでいる。送出しロール１０６と巻取ロール１０７との間において、テープ状部材１０５に含浸する溶剤を供給するための溶剤供給手段が設けられている。この溶剤供給手段は、溶剤保持タンク１０８とそこからテープ部材１０５まで溶剤を導く供給パイプ１０９を含んでいる。溶剤供給パイプ１０９と巻取ロール１０７との間において、テープ状部材１０５を絶縁保護層７に対して押圧するための押圧ロール１１０が設けられている。この押圧ロール１１０はシリンダ１１１に接続されており、所望の圧力でテープ状部材１０５を絶縁保護層７に対して押圧することができる。拭き取りユニット１０２はそれを第１の方向に移動可能にさせる第１の移動手段１０３によって支持されている。そして、その第１の移動手段は第１の方向と交差する第２の方向の移動を可能にさせる第２の移動手段１０４によって支持されており、第２の移動手段は基台１０１から支持されている。

図２に示された実施例においては、テープ状部材１０５として幅５ｍｍの綿布テープが用いられ、有機溶剤としてはキシレンが用いられた。絶縁保護層７に対するテープ状部材１０５の押圧力は３ｋｇ／ｃｍ²に設定された。そして、図２における電流取出し領域１０の各々内における外部電極接続領域８の各々を幅５ｍｍで長さ２ｃｍに形成するために、押圧ローラ１１０が毎秒５ｃｍの速度で３往復だけ摩擦移動させられた。これによって、外部電極接続領域８において裏面電極層４の銀表面を露出させることができた。なお、押圧ローラ１１０の押圧力は１〜１０Ｋｇ／ｃｍ²の範囲内にあることが好ましい。これは、１Ｋｇ／ｃｍ²以下の押圧力では絶縁保護層７の拭き取りが不十分になりやすく、逆に１０Ｋｇ／ｃｍ²以上の押圧力では光電変換層に損傷を与えて短絡が生じやすくなるからである。

その後、電流取出し領域１０の各々において幅５ｍｍで長さ９００ｍｍの外部電極５を外部電極接続領域８を介して裏面電極層４へはんだ付けすることによって、太陽電池から電流を外部へ取出すことが可能にされた。

こうして作製された図１に示されているような集積型薄膜太陽電池においては、裏面電極層４のエッチングによるパターニングのために用いられたレジスト層７が外部電極５を接続するために全体的に除去されることなく、一部の限られた外部電極接続領域８のみにおいて除去されている。したがって、エッチングの後にそのまま残されたレジスト層７は裏面電極層４に対して直接的な絶縁保護層として働くことができる。

図２に示されているように１つの電流取出し領域１０内に４箇所の外部電極接続領域８を介して裏面電極層４にはんだ付けされた外部電極５との密着強度が、引っ張り試験によって調べられた。その結果、外部電極５と裏面電極層４との間において、その外部電極５は１０Ｎ以下の力では引き剥がすことができず、十分な接着強度を有していることが確認できた。また、外部電極５のはんだ付けまで終了した集積型薄膜太陽電池を８５℃の温度と８５％の湿度による高温高湿状態の下で１０００時間放置したが、外部電極５の剥離や裏面電極層４の酸化による変質などは認められなかった。他方、図１と図２に示されているような本発明による集積型薄膜太陽電池の出力特性は、図７に示された従来技術によるものに比べてほとんど差異がなかった。

図１に示されているような集積型薄膜太陽電池は、従来から行なわれているように、さらにＥＶＡ等を介して防湿性シートを付与することによってより確実に裏面が保護されることになる。そのような防湿性シートとしては、一般にＰＥＴ、Ａｌ、およびＰＥＴを積層したものが用いられる。

ところで、図２に示された例においては１つの電流取出し領域１０内において４つの小さな個別の外部電極接続領域８が形成されたが、図３に示されているように、１つの電流取出し領域１０内でその幅より狭い幅を有する一続きの外部電極接続領域８ａが形成されてもよいことはいうまでもない。また、図４に示されているように、１つの電流取出し領域１０全体において絶縁保護層７を除去して外部電極接続領域８ｂを形成してもよい。

なお、上述の裏面電極層４保護のための絶縁保護層７としては、種々の有機材料を用いることができる。また、その絶縁保護層７を拭き取り除去するための有機溶剤として、種々の溶剤を用いることもできる。さらに、上述の実施例では外部電極接続領域を形成するために有機溶剤を含浸したテープ部材１０５による拭き取りによって絶縁保護層７を部分的に除去する方法を説明したが、外部電極接続領域８，８ａ，８ｂの形成方法はこれに限られず、小さなエネルギーを有するレーザビームを用いることによって形成することもでき、または適切なブレードを用いて機械的に絶縁保護層７を部分的に除去して形成することも可能である。

以上のように、本発明によれば、高エネルギーのレーザビームを用いることなく裏面金属電極層のパターニングが可能で、かつその裏面電極金属層の直接的保護層を備えながら確実に外部へ電流を取出し得る集積型薄膜太陽電池を提供することができる。

本発明の一実施例による集積型薄膜太陽電池を示す模式的な断面図である。図１の太陽電池に対応して外部電極接続領域が形成された状態を示す太陽電池の裏面図である。図２に示された外部電極接続領域の変形例を示す太陽電池の裏面図である。図２に示された外部電極接続領域のもう１つの変形例を示す太陽電池の裏面図である。外部電極接続領域を形成するための絶縁保護層除去装置を示す模式的な立面図である。図５の装置を示す上面図である。従来技術による集積型薄膜太陽電池を示す模式的な断面図である。

符号の説明

１ガラス基板、２透明電極層、２ａ透明電極分離溝、３半導体光電変換層、３ａ光電変換層分割溝、４裏面電極層、４ａ裏面電極分離溝、５外部電極、６リード線、７絶縁保護層、７ａ絶縁保護層の開口部、８，８ａ，８ｂ外部電極接続領域、９細長い光電変換セル、１０電流取出し領域、１０１基台、１０２拭き取りユニット、１０３第１方向の移動手段、１０４第２方向の移動手段、１０５テープ状部材、１０６テープ送出しロール、１０７テープ巻取ロール、１０８溶剤タンク、１０９溶剤供給パイプ、１１０押圧ローラ、１１１シリンダ。

Claims

透明絶縁基板上に順次に積層された透明電極層、半導体光電変換層、および裏面電極層が複数のセルを形成するように実質的に直線状で互いに平行な分離溝によって分離されていて、それらの複数のセルは前記分離溝に平行な接続用溝を介して互いに電気的に直列接続された集積型薄膜太陽電池の製造方法であって、
前記裏面電極層をレジスト層で覆い、
前記レジスト層にレーザスクライブ溝を形成して前記裏面電極層を部分的に露出させ、
前記レジスト層のレーザスクライブ溝内で露出された前記裏面電極層にエッチングを施して、隣接する前記セル間における裏面電極分離溝を形成し、
前記裏面電極層の絶縁保護層として前記レジスト層を残すことを含むことを特徴とする集積型薄膜太陽電池の製造方法。
前記レジスト層を部分的に除去して外部電極接続領域を形成し、前記太陽電池から電流を取出すための外部電極を前記外部電極接続領域において前記裏面電極層に接続することをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の集積型薄膜太陽電池の製造方法。
透明絶縁基板上に順次に積層された透明電極層、半導体光電変換層、および裏面電極層が複数のセルを形成するように実質的に直線状で互いに平行な分離溝によって分離されていて、それらの複数のセルは前記分離溝に平行な接続用溝を介して互いに電気的に直列接続された集積型薄膜太陽電池であって、
前記裏面電極層の上面は絶縁保護層によって覆われており、
前記絶縁保護層はレジスト層からなっていることを特徴とする集積型薄膜太陽電池。
前記レジスト層は部分的に除去されて外部電極接続領域が形成されており、前記太陽電池から電流を取出すための外部電極が前記外部電極接続領域において前記裏面電極層に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の集積型薄膜太陽電池。