JP2010502002A - 薄膜太陽モジュール - Google Patents

Abstract

薄膜太陽電池を相互接続する方法及び薄膜太陽電池モジュール。薄膜太陽電池モジュール及び薄膜太陽電池を相互接続する方法を説明する。本方法は、ダイオード構造体が複数の個別の太陽電池（２０６）に分割されるように、かつそれぞれの太陽電池の側壁の対（２０４）がダイオード構造体の上板側半導体層と同じドープ極性を有するように、上板（１０２）上の半導体薄膜ダイオード構造体（２０２）に１つ又はそれよりも多くの溝（２００）を形成する段階を含む。不連続絶縁層（３００）が、側壁の各対の一方の側壁が絶縁層により覆われ、同時に各対の他方の側壁及び各太陽電池の１つ又はそれよりも多くの表面接触領域が露出されたままであるようにダイオード構造体上に形成される。不連続導電層（４００）が、隣接した第１及び第２の太陽電池の各対に対して第１の太陽電池の露出側壁が、第２の太陽電池の表面接触領域に電気的に接続され、かつ第１の太陽電池の表面接触領域への電気接続から解放されたままであるように、ダイオード構造体上に形成される。
【選択図】図４

Description

本発明は、広義には、薄膜太陽電池を相互接続する方法及び薄膜太陽電池モジュールに関する。

支持異種上板（ガラスのような）上の薄膜太陽電池は、従来のウェーハベースの太陽電池と比較して必要なのは僅かな半導体材料だけで済むということにより、太陽光発電（ＰＶ）モジュールの製造コストを激減させる可能性がある。薄膜太陽電池は、更に、大面積基板（〜１ｍ²）上に製造することができ、製造工程が能率化され、かつ処理コストが更に低減されるという利点を有する。

太陽電池の出力電流は、デバイスサイズと共に増減するが、出力電圧はそうではなく、従って、大面積（〜１ｍ²）太陽電池では、電流が非常に高く、電圧は低い。抵抗損失は、電流の２乗に比例するので、大面積太陽電池は、抵抗損失が大きく（従って、エネルギ変換効率が低く）、大部分の用途に不適切である。この問題を解決する通常の方法は、各々が同じサイズを有する多くの（例えばｋ個の）小さなセルに大面積太陽電池を分割し、小さなセルを直列に電気的に相互接続することであり、従って、それぞれのセルの電圧は合算され、セルの電流は、大面積セルの電流の僅かｋ分の１である。

大部分の太陽電池は、ｐ−ｎ接合半導体ダイオードに基づいている。シリコンウェーハベースの太陽電池では、このダイオード構造は、通常、均一にドープしたｐ型ウェーハを用いて、かつウェーハの１つの表面に沿って薄いｎ⁺型層を形成する（例えば拡散により）ことによって実現される。薄膜太陽電池では、ダイオード構造は、通常、薄い半導体膜の堆積時に原位置で作り出される。得られるｐ−ｎ接合ダイオード構造は、シリコンウェーハ太陽電池の場合の数百ミクロンと比較して、典型的に厚み５ミクロン未満である。

太陽電池の直列相互接続は、１つのｐ−ｎ接合ダイオード（又は、セル）のｎ型側を次のセルのｐ型側に電気的に接続する等々（金属など適切な伝導媒体を通じて）を伴っている。電流は、第１のセルのｐ型側及び最終セルのｎ型側を負荷に接続することにより、一連のセルからその後抽出することができる。一連のセルの全ての個々のセルが同じサイズである場合、各セルにより生成される電流は、同じであり、一連のセル全体を通る電流に等しいことになる。各セルからの出力電圧は、一連のセルの他のセルの電圧に加えられることになり、従って、各々が電圧Ｖを有する一連のｋ個のセルがある場合、一連のセル全体の得られる出力電圧は、ｋｘＶ（抵抗損失を無視）になることになる。

シリコンウェーハから製造された太陽電池では、この直列相互接続は、ウェーハがモジュールに組み込まれているので、典型的にウェーハ単位で行われる。薄膜太陽電池では、上述のように、薄膜太陽電池が大面積基板上へ堆積することができるという利点を有するので、異なる手法が典型的に用いられる。

薄膜太陽電池をガラス上板上で相互接続する１つの典型的な方法は、酸化インジウムスズ又は酸化亜鉛のような透明導電酸化物（ＴＣＯ）の使用に基づくものである。これらのＴＣＯは、基本的に、有意な量の日光を吸収しない高バンドギャップ半導体であるが、それにも関わらず、それらが高濃度にドープされるという事実によって良好な導電体である。ＴＣＯは、満足な横方向導電率を示さない半導体（すなわち、ドープされた半導体層は、非常に高い電気シート抵抗を有する）から製造されるＰＶモジュールの重要な構成要素である。導電率不良の半導体（アモルファス又は微晶質シリコンのような）から製造されるＰＶモジュールは、通常、太陽電池上に前面に１つ、背面に１つの２つのＴＣＯ膜を使用する。隣接セルの相互接続は、個々のＴＣＯ層又は半導体層のレーザスクライビング及び連続堆積の組合せにより実現される。

半導体層が十分に良好な横方向導電性を有する場合、ＴＣＯの使用を回避すれることができ、代わりに、半導体は、グリッド又はストライプ状の金属接点により直接に接触させることができる。Ｂａｓｏｒｅ他による特許公開番号ＷＯ０３／０１９６７４Ａ１は、このような薄膜太陽電池の可能な相互接続手法を説明している。別の可能な手法は、Ｗｅｎｈａｍ他による米国特許第５、５９５、６０７号に説明されている。この手法は、側壁が特定の処理シーケンスで高濃度にドープされた溝と、金属による溝のその後の充填とに基づいている。

特許公開番号ＷＯ０３／０１９６７４Ａ１ 米国特許第５、５９５、６０７号

製造環境の関連では、十分に良好な横方向導電性を有する半導体層のための上述の相互接続手法は、相互接続を達成するのに有意な数の処理段階が必要である。従って、異種上板上で薄膜太陽電池を相互接続するためのこの問題への対処を模索する代替技術を提供する必要性が存在する。

本発明の第１の態様により、薄膜太陽電池を相互接続する方法を提供し、本方法は、ダイオード構造体が複数の個別の太陽電池に分割されるように、かつそれぞれの太陽電池の側壁の対がダイオード構造体の上板側半導体層と同じドープ極性を有するように、上板上の半導体薄膜ダイオード構造体に１つ又はそれよりも多くの溝を形成する段階と、側壁の各対の一方の側壁が絶縁層により覆われる一方で、各対の他方の側壁及び各太陽電池の１つ又はそれよりも多くの表面接触領域が露出されたままであるように、ダイオード構造体上に不連続絶縁層を形成する段階と、隣接した第１及び第２の太陽電池の各対に対して第１の太陽電池の露出側壁が、第２の太陽電池の表面接触領域に電気的に接続され、かつ第１の太陽電池の表面接触領域への電気接続から解放されたままであるように、ダイオード構造体上に不連続導電層を形成する段階とを含む。

溝は、レーザスクライビングにより形成することができる。

不連続絶縁層、導電層、又はその両方を形成する段階は、インクジェット印刷する段階を含むことができる。

不連続絶縁層、導電層、又はその両方を形成する段階は、スクリーン印刷する段階を含むことができる。

不連続絶縁層、導電層、又はその両方を形成する段階は、それぞれの層をそれぞれの層に対する材料の堆積中又は堆積後にパターン化する段階を含むことができる。

それぞれの層をそれぞれの層に対する材料の堆積後にパターン化する段階は、インクジェット印刷又はフォトリソグラフィを行う段階を含むことができる。

不連続絶縁層は、ポリマーを含むことができる。

不連続導電層は、金属ペーストを含むことができる。

ダイオード構造体は、多結晶シリコンを含むことができる。

本方法は、上板とダイオード構造体の間に反射防止コーティングを設ける段階を更に含むことができる。

本発明の第２の態様により、上板と、上板上に形成された半導体薄膜ダイオード構造体と、ダイオード構造体が複数の個別の太陽電池に分割されるように、かつそれぞれの太陽電池の側壁の対がダイオード構造体の上板側半導体層と同じドープ極性を有するようにダイオード構造体に形成された１つ又はそれよりも多くの溝と、側壁の各対の一方の側壁が絶縁層により覆われる一方で、各対の他方の側壁及び各太陽電池の１つ又はそれよりも多くの表面接触領域が露出されたままであるような、ダイオード構造体上の不連続絶縁層と、隣接した第１及び第２の太陽電池の各対に対して第１の太陽電池の露出側壁が、第２の太陽電池の表面接触領域に電気的に接続され、かつ第１の太陽電池の表面接触領域への電気接続から解放されたままであるような、ダイオード構造体上の不連続導電層とを含む薄膜太陽モジュールを提供する。

不連続絶縁層は、ポリマーを含むことができる。

不連続導電層は、金属ペーストを含むことができる。

ダイオード構造体は、多結晶シリコンを含むことができる。

モジュールは、上板とダイオード構造体の間の反射防止コーティングを更に含むことができる。

本発明の実施形態は、図面と共に単に一例としての以下の説明から当業者により深く理解され、かつ容易に明らかであろう。

非対称ドープ太陽電池構造体の概略断面図である。 薄膜太陽電池を相互接続する方法を示す概略断面図である。 薄膜太陽電池を相互接続する方法を示す概略断面図である。 薄膜太陽電池を相互接続する方法を示す概略断面図である。 太陽モジュールの概略平面図である。 薄膜太陽電池を相互接続する方法を示す流れ図である。

説明する実施形態では、十分に良好な横方向導電性を有するガラス（又は他の絶縁透明異種材料）上で薄膜太陽電池を相互接続する方法を提供する。特に、本方法は、１つのｐ−ｎ接合を有する太陽電池の関連で説明するが、適切な修正により本方法を多重接合太陽電池に適用することができることが当業者に認められるであろう。

太陽電池は、反対極性の２つの高濃度にドープされた層の間に挟まれた低濃度にドープされた（又は固有の）吸収領域から成る。太陽電池は、従って、型ｎ⁺πｐ⁺であり、πは、ｐ（正）、ｎ（負）、又は／ｉ（固有）型半導体材料の層を示している。本方法は、ｎ⁺πｐ⁺／ガラス構造体及びｐ⁺πｎ⁺／ガラス構造体の両方、又は可視スペクトルで大部分が透明である絶縁支持上板を有する同等の構造体に適用可能とすることができる。π層は、一般的に、厚み１０ミクロン未満であり、従って、ｐ⁺層及びｎ⁺層と比較して横方向導電性を無視することができる。透明上板は、太陽電池に対向する表面上に反射防止層を有することもできる。この反射防止層は、一般的に窒化珪素から作られる。

本方法は、半導体膜が局所的に溶融された時に（例えばレーザにより）、ドーパント種が、溶融半導体領域と、部分的に互いに補正し合うｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントとを通して拡散することになり、従って、溶融領域の最終ドープ極性が、ガラス側の高濃度にドープされた層と同じであることになるように、ガラス側の高濃度にドープされた層のドーパント用量が空気側の高濃度にドープされた層のドーパント用量よりも少なくとも数倍大きい非対称にドープされた太陽電池に適用することができる。

図１は、例示的な非対称ドープ太陽電池構造１００の概略断面図を示している。構造体１００は、図では構造体底部に描かれているが実は太陽と対向する面であるガラス支持上板１０２を含む。ガラス上板１０２は、例示的な実施形態では窒化珪素から作られた反射防止層又はコーティング１０３を有する。ガラス側の高濃度にドープされたｎ⁺層１０４は、厚み約５０〜２００ｎｍで形成される。約１〜１０ミクロンの厚みの低濃度にドープされたｐ層１０６及び約５０〜２００ｎｍの厚みの高濃度にドープされたｐ⁺層１０８で、ｐ⁺ｐｎ⁺／ガラス太陽電池構造体１００が完成する。半導体層１０４、１０６、及び１０８は、ガラスの上板１０２上への薄膜半導体材料堆積中に原位置でのドープ技術を用いて形成される。半導体材料は、例えば、プラズマ強化型化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）又は電子線蒸着を用いて、かつ例えばそれぞれ正と負のドープにホウ素及び燐を利用して堆積される多結晶シリコンを含むことができる。

大面積太陽電池構造体１００の小さなセルをモノリシックに相互接続する第１の段階において、図２に示すように、レーザを使用して層１０４、１０６、及び１０８を含む半導体膜２０２に１組の平行溝２００をスクライビングし、大面積太陽電池構造１００をｋ個の長く狭い太陽電池２０６に分離する。図示の例示的な実施形態では、反射防止層１０３は、レーザビームでスクライビングされていないが、反射防止層がレーザビームによりスクライビングされた場合も、本方法が等しく良好に作用することが示されている。前駆薄膜太陽電池１００の非対称ドープ構造のために、長く狭い太陽電池２０６のレーザでスクライビングされた側壁２０４は、セル２０６の上板側の高濃度にドープされた層１０４と同じドープ極性、すなわち、上述の例のｎを有することになる。

レーザからの光パルスが半導体膜２０２に当たった時、入射光の一部が吸収されて膜２０２が加熱される。膜２０２の吸収率が温度と共に増加するので、膜２０２が加熱するほど、レーザ光は吸収される。それによって熱暴走として公知である状況になり、膜２０２は、急速に沸騰温度になる。最も強烈であるレーザビームの中心部の半導体膜２０２の部分がまず沸点になり、一方、半導体膜２０２のレーザビーム周囲の部分は、融解温度になるだけである。半導体膜２０２のレーザビーム中心の下の部分は気化し、すなわち、気化する時に急速に蒸発する。半導体蒸気のこの急激に膨張により、レーザ処理領域の中心から溶融半導体が押しのけられて溝２００が形成される。

溶融半導体材料は冷えて、押しのけられる時に再度固化し、従って、波状の形状に凝固して側壁２０４が形成される。液相半導体材料のドーパント原子の拡散は、非常に急速であるので、ドーパントは、半導体膜２０２が溶融して再固化した部分を通して均一に広げられる。この処理は、単一のレーザパルスの持続時間において非常に急速に発生する。レーザビームを半導体膜２０２にわたって走査する時に連続的なパルスを重ね合わせることにより、溝２００を半導体膜２０２内にスクライビングすることができる。

次に、１つの側壁２０４ａ及び各セル２０６の表面３０２の有意な部分が絶縁体３００により覆われるが、各セル２０６の他方の側壁２０４ｂ、並びに各セル２０６の表面３０２上のいくつか「接触領域」３０４は、図３に示すように、絶縁体３００により覆われないままであるように、例えばインクジェット印刷又はスクリーン印刷により、不連続絶縁層３００を太陽電池２０６の表面に付加する。絶縁層３００は、例えばポリイミドのようなポリマーを含むことができる。次に、例えば、中程度の温度でデバイス３０６を焼くことにより、絶縁層３００乾燥させる。次に、例えば、フッ化水素酸のエッチングにより、露出レーザスクライビング側壁２０４ｂからの熱酸化物及び表面接触領域３０４からの天然酸化物を除去する。

次に、例えば、図４に示すように、スクリーン印刷又はインクジェット印刷により、不連続導電層４００、例えば、金属を付加する。導電層４００は、隣接したセル２０６ａ、２０６ｂの各対に対して、導電性経路が１つの太陽電池２０６ｂの露出側壁２０４ｂと隣接した太陽電池２０６ａの接触領域３０４ａの間で達成されるが、露出側壁２０４ｂと同じセル２０６ｂの接触領域３０４ｂの間に導電性経路がないように付加される。金属層４００はまた、太陽電池２０６ａ、ｂに沿った可能な局所的分路が、電流を太陽電池２０６ａ、ｂ全体から集めるのではなく、分路を直接取り囲む区域からのみ集めることになるように、長く狭い太陽電池２０６ａ、ｂの長さに沿って不連続である。次に、金属−半導体接触の電気的性質を改善するために、中程度の温度でデバイス４０２を焼く。

デバイス４０２は、上板１０２と、ダイオード構造体が複数の個別の太陽電池に分割されるように、かつそれぞれの太陽電池の側壁２０４ａ、ｂの対がダイオード構造体の上板側半導体層１０４と同じドープ極性を有するように、１つ又はそれよりも多くの溝がダイオード構造体に形成された、上板上に形成された半導体薄膜ダイオード構造体とを含む薄膜太陽電池モジュールを提供する。モジュールは、側壁の各対の一方の側壁２０４ａが絶縁層３００により覆われる一方、各対の他方の側壁２０４ｂ及び各太陽電池、例えば２０６ａの１つ又はそれよりも多くの表面接触領域、例えば３０４ａが露出されたままであるような、ダイオード構造体上の不連続絶縁層３００を更に含む。モジュールは、隣接した第１及び第２の太陽電池２０６ｂ、ａの各対に対して、第１の太陽電池２０６ｂの露出側壁が、第２の太陽電池２０６ｂの表面接触領域３０４ａに電気的に接続され、かつ第１の太陽電池２０６ａの表面接触領域３０４ｂとの電気接続部から解放されているままであるような、ダイオード構造体上の不連続導電層４００を更に含む。

図５は、図１〜４を参照して上述した方法に従って形成されるデバイス５００の概略平面図を示している。外側金属層５０２は、溝５０６に沿った不連続な横列５０４として形成され、各横列５０４も、溝５０６に沿って不連続であり、溝５０６に沿ってセグメント５０８ａ〜ｃが形成される。絶縁層５１０内では、各半導体セル５１４の表面と接触する金属層５０４からの材料が充填される開口部５１２が形成される。半導体層５１４内の破線５１６は、溝５０６と残りの太陽電池部分５２０の側壁５１８との境界線を示している。

図６は、薄膜太陽電池を相互接続する方法を示す流れ図６００を示している。段階６０２で、ダイオード構造体が複数の個別の太陽電池に分割されるように、かつそれぞれの太陽電池の側壁の対がダイオード構造体の上板側半導体層と同じドープ極性を有するように上板上の半導体薄膜ダイオード構造体に１つ又はそれよりも多くの溝を形成する。段階６０４で、側壁の各対の一方の側壁が絶縁層により覆われる一方、各対の他方の側壁及び各太陽電池の１つ又はそれよりも多くの表面接触領域が露出されたままであるようにダイオード構造体上に不連続絶縁層を形成する。段階６０６で、隣接した第１及び第２の太陽電池の各対に対して、第１の太陽電池の露出側壁が、第２の太陽電池の表面接触領域に電気的に接続され、かつ第１の太陽電池の表面接触領域との電気接続部から解放されているままであるようにダイオード構造体上に不連続導電層を形成する。

広義に説明した本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、特定的な実施形態に示すような本発明に対して多くの変形及び／又は修正を行うことができることは当業者により認められるであろう。本発明の実施形態は、従って、あらゆる点で例示的であり、制限的ではないと考えるものとする。

例えば、説明した太陽電池構造は、ｎ型側壁を有するガラス／ｎ⁺／ｐ／ｐ⁺構造体であるが、この特定のドープ構造は、単に一例であり、制限的ではないことは理解されるものとする。また、描いた表面接触の特定のレイアウトは、単に一例である。

更に、不連続な絶縁層、導電層、又はその両方を連続層として付加し、その後、例えば、インクジェット印刷又はフォトリソグラフィを用いてパターン化し、それぞれの不連続層を形成することができることが認められるであろう。

ここで、図１〜５の図面は、単に概略図であり、縮尺通りではないことにも注意されたい。

２０４ 側壁の対
２０６ 太陽電池
４００ 不連続導電層

Claims (15)

1. 薄膜太陽電池を相互接続する方法であって、
   ダイオード構造体が複数の個別の太陽電池に分割されるように、かつ該それぞれの太陽電池の側壁の対がダイオード構造体の上板側半導体層と同じドープ極性を有するように、上板上の半導体薄膜ダイオード構造体に１つ又はそれよりも多くの溝を形成する段階と、
   側壁の各対の一方の側壁が絶縁層により覆われる一方で、各対の他方の側壁及び各太陽電池の１つ又はそれよりも多くの表面接触領域が露出されたままであるように、前記ダイオード構造体上に不連続絶縁層を形成する段階と、
   隣接した第１及び第２の太陽電池の各対に対して、該第１の太陽電池の前記露出側壁が、該第２の太陽電池の前記表面接触領域に電気的に接続され、かつ該第１の太陽電池の前記表面接触領域への電気接続から解放されたままであるように、前記ダイオード構造体上に不連続導電層を形成する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記溝は、レーザスクライビングによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記不連続絶縁層、導電層、又はその両方を形成する段階は、インクジェット印刷する段階を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記不連続絶縁層、導電層、又はその両方を形成する段階は、スクリーン印刷する段階を含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記不連続絶縁層、導電層、又はその両方を形成する段階は、該それぞれの層を該それぞれの層に対する材料の堆積中又は堆積後にパターン化する段階を含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記それぞれの層を該それぞれの層に対する前記材料の前記堆積後にパターン化する段階は、インクジェット印刷又はフォトリソグラフィを行う段階を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記不連続絶縁層は、ポリマーを含むことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記不連続導電層は、金属ペーストを含むことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記ダイオード構造体は、多結晶シリコンを含むことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記上板と前記ダイオード構造体の間に反射防止コーティングを設ける段階を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の方法。
11. 上板と、
    前記上板上に形成された半導体薄膜ダイオード構造体と、
    前記ダイオード構造体が複数の個別の太陽電池に分割されるように、かつ該それぞれの太陽電池の側壁の対が該ダイオード構造体の上板側半導体層と同じドープ極性を有するように該ダイオード構造体に形成された１つ又はそれよりも多くの溝と、
    側壁の各対の一方の側壁が絶縁層により覆われる一方で、各対の他方の側壁及び各太陽電池の１つ又はそれよりも多くの表面接触領域が露出されたままであるような、該ダイオード構造体上の不連続絶縁層と、
    隣接した第１及び第２の太陽電池の各対に対して該第１の太陽電池の前記露出側壁が、該第２の太陽電池の前記表面接触領域に電気的に接続され、かつ該第１の太陽電池の前記表面接触領域への電気接続から解放されたままであるような、前記ダイオード構造体上の不連続導電層と、
    を含むことを特徴とする薄膜太陽モジュール。
12. 前記不連続絶縁層は、ポリマーを含むことを特徴とする請求項１１に記載のモジュール。
13. 前記不連続導電層は、金属ペーストを含むことを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載のモジュール。
14. 前記ダイオード構造体は、多結晶シリコンを含むことを特徴とする請求項１１から請求項１３のいずれか１項に記載のモジュール。
15. 前記上板と前記ダイオード構造体の間の反射防止コーティングを更に含むことを特徴とする請求項１１から請求項１４のいずれか１項に記載のモジュール。

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