JPH0620152B2

JPH0620152B2 - 光電変換装置

Info

Publication number: JPH0620152B2
Application number: JP58189578A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1983-10-11
Filing date: 1983-10-11
Publication date: 1994-03-16
Anticipated expiration: 2009-03-16
Also published as: JPS6081874A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、PIN またはPN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が絶縁表面を
有する基板上に設けられた光電変換素子（単に素子とも
いう）を複数個電気的に直列接続して、高い電圧を発生
せしめる光電変換装置の連結部の構造に関する。

〔従来の技術〕

従来からレーザ光を用いた加工、即ちレーザスクライブ
方式を用いた集積化された光電変換装置が知られてい
る。

第１図に従来の光電変換装置の構造の代表的な例を示
す。第１図に示すように、隣会う光電変換素子(31)と(1
1)との連結部において、透光性導電膜(37)の露呈部(66)
は20〜60μｍの巾をコンタクト部の面積として必要とし
ていた。なお、光電変換素子というのは、光電変換装置
の最小単位を指すものであり、集積型の光電変換装置は
この光電変換素子が複数集積化されることによって構成
される。

第１図に示す従来の構造において、第１のレーザスクラ
イブにより第１の導電膜((37),(39)で構成される)に設
けられた開溝(13)と、さらに半導体層(3) に形成される
第２の開溝(18)とが重なる場合、第１の開溝(13)の左端
部(14)より第２の開溝(18)の右端部が図面でいうと右側
になり、その間の距離(65)が負となる構造が知られてい
る。

かかる構造においては、第２の開溝(18)をレーザスクラ
イブによって形成する際に、斜線領域(69)の半導体（一
般にアモルファス半導体で構成される）がレーザ光のエ
ネルギーによって導電性を有する多結晶となってしま
う。

その結果、第１の素子(31)の第１の電極(37)と、第２の
素子(11)の第２の電極(38)とが、また第２の素子(11)の
第２の電極(38)と第２の素子の第１の電極(39)とがショ
ートしてしまう。さらに加えて第２の開溝の作製に必要
なレーザスクライブでの走査（スキャン）の揺らぎが±
20μｍ一般的には±10μｍもあるため、第２の電極との
コンタクトは(66)に示すごとく20〜60μｍも露呈させな
ければならず、この場合、この第１の素子(31)の第１の
電極(37)の上端面(66)を意図的に残すためのレーザ光の
出力調整がきわめて微妙になるという問題があった。

結果として第１図に示す構造を実現する作製法は、工業
的にまったく実用性のない製造方法でしかなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は上記の従来における光電変換装置の構造に起因
する各光電素子間におけるリーク電流の問題、光電変換
素子の第１の電極と第２の電極との間におけるショート
の問題、さらには構造に起因する作製上の困難の問題を
解決し、信頼性の高い光電変換装置を得ることを目的と
する。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、絶縁表面を有する基板上に設けられた第１の
電極と、該電極上に設けられたアモルファス半導体と、
該半導体上に設けられた第２の電極とを有する光電変換
素子を複数直列に連結した光電変換装置であって、隣合
う光電変換素子同士の接続部において、第１の電極同士
は２つの開溝により分離されており、該２つの開溝の間
には凸状に第１の電極を構成する導電材料が形成されて
おり、前記開溝の一方において、一方の光電変換素子の
第１の電極の側面および上端部が、レーザ光によって前
記アモルファス半導体に形成された開溝を介して他方の
光電変換素子の第２の電極と接続されていることを、そ
の要旨とする光電変換装置である。

この発明は、第１および第２の光電変換素子の電気的連
結を行う第２の開溝を形成する際に、少なくともPNまた
はPIN 接合を有する非単結晶半導体とその下に予め設け
られている第１の電極とを同時にレーザスクライブによ
り除去して形成することをによって得られる。

上記レーザスクライブによって、露呈された第１の素子
の第１の電極の側面、および第１の電極の上端部（上端
面または平端部ともいう）のコンタクトに第２の素子の
第２の電極を連結し、光電変換素子同士の直列接続を実
現できる。

第１の電極の上端部が露呈するのは、レーザスクライブ
の際の非単結晶半導体と透光性導電膜とのスクライブさ
れる程度（耐熱性、飛散性）の差に起因するものであ
る。

これは、第１の電極を構成する透光性導電膜と該透光性
導電膜上の非単結晶半導体に対し、同時にレーザスクラ
イブを行い開溝を形成すると、開溝が２段階に形成され
ること、即ち非単結晶半導体に形成される開溝の巾より
その下の透光性導電膜に形成される開溝の巾の方が小さ
く、結果として、透光性導電膜の厚さ以上の巾を有する
平坦部が透光性導電膜上端部に形成される、という実験
事実を利用したものである。

上記のレーザスクライブ方法を用いることによって、透
光性導電膜の上端部をセルフアライン（自己整合的）に
開溝部において露呈せしめることができ、冗長（余裕）
度をもたせたことができるものである。

そして、隣合った光電変換素子間の第１の電極（下側）
と他の素子の第２の電極（上側電極）とが、第２の電極
より延在したリード（連結部）により第１の電極とその
側面および上端面よりなるコンタクトにおいて電気的に
連結することにより、スクライブラインの開溝の位置に
冗長度を持たせることができるものである。

また、この第２の開溝を第１の電極を構成する第１の開
溝よりも第１の素子の第１の電極の内部に入り込ませて
設けることによって、第１および第２の開溝の間に第１
の電極材料の一部を凸部を有して残存せしめたものであ
る。この凸部は、第１の開溝に充填された絶縁性を有す
る半導体がレーザスクライブによって、多結晶化してし
まうのを防止する機能を有している。

この凸部により、第１の素子、第２の素子のそれぞれの
第１の電極間の電気的アイソレイションおよび第２の素
子の第１および第２の電極間での電気的ショート（導電
性を有するレーザ・アニールで作られた多結晶に起因す
る）を防止することができる。

さらに、第１の素子の第１の電極を構成する透光性導電
膜の側面および上端部とよりコンタクトに密接せしめて
第２の素子の第２の電極を延在させることにより、連結
部でのコンタクトに必要な表面積（接触面積）を増加さ
せ、同時に１Ω／cm（１cmの巾あたり１Ω）以下のコン
タクト抵抗とすることができる。

さらに第２の開溝を、第１の素子の第１の電極位置上に
設けることにより、レーザスクライブの走査の際の揺ら
ぎ（±20μｍを有する）に起因する第１の光電変換素子
の第１の電極と第２の光電変換素子の第１の電極とのシ
ョートを防ぐ構造が実現できるものである。

以下に図面に従って本発明の実施例の詳細を示す。

〔実施例〕

第２図は本発明の実施例である光電変換装置の製造工程
を示す縦断面図である。

第２図（Ａ）において、絶縁表面を有する基板例えば透
光性基板（１）（本実施例では、ガラス板（例えば厚さ
1.2mm、長さ（図面では左右方向）60cm、巾20cm）を用
いた）の上面全面にわたって透光性導電膜(2) としてIT
O （約1500Å）＋SnO₂（200 〜400 Å）、またはハロゲ
ン元素が添加された酸化スズを主成分とする透光性導電
膜（1500〜2000Å）を真空蒸着法、LP CVD法、プラズマ
CVD 法またはスプレー法により形成させた。

この後この基板(1) の下側または上側より、YAG レーザ
加工機（日本レーザ製）によりレーザ光を出力0.5 〜２
Ｗ出力で加えて第１の開溝(13)を形成した。

この第１の開溝の形成の際には、レーザ光のスポット径
を30〜70μｍφ代表的には50μｍφとし、マイクロ・コ
ンピュータにより制御して照射した。

この第１の開溝(13)によって、各素子領域（(5)，(3
1)，(11)）に第１の電極（２）を作製した。

レーザスクライブにより形成された開溝(13)は巾約50μ
ｍ、長さ20cmとし、第１の電極それぞれを完全に切断分
離して形成した。

さらにこの上面をハロゲン元素を含む気体または液体に
浸し、低級酸化物を除去した。このハロゲン元素を含む
気体としては、CF Br,CFHF,SiFを用い、電磁エネルギー
を用いたプラズマ・エッチを行った。

液体を用いる場合には、１／10HF（水で40％HFを10倍に
希釈）溶液に30秒〜１分浸すことによって低級酸化物の
エッチングを行なった。

かくして第１の素子(31)および第２の素子(11)を構成す
る巾は10〜20mmとした。その間の開溝は20〜70μｍ例え
ば50μｍとしてそれぞれを完全にアイソレイションさせ
た。

以上のレーザスクライブ方式により、第１の電極を構成
する透光性導電膜（２）を切断分離する開溝（例えば(1
3)）を形成した。

この後この上面にプラズマCVD 法、光CVD 法またはLP C
VD法によりPNまたはPIN 接合を有する非単結晶半導体層
（３）を0.2 〜1.0 μｍ代表的には0.4 〜0.5 μｍの厚
さに形成させた。その代表例はＰ型半導体（Si_xC_1-x
ｘ＝0.8 50〜150 Å）−Ｉ型アモルファスまたはセミア
モルファスのシリコン半導体（0.4 〜0.5 μｍ）−Ｎ型
の微結晶（100 〜200 Å）を有する半導体よりなる１つ
のPIN 接合を有する非単結晶半導体、またはＰ型半導体
（Si_xC_1-x）−Ｉ型、Ｎ型、Ｐ型Si半導体−Ｉ型Si_xGe
_1-x）半導体−Ｎ型SiまたはSi_xC_1-x）（０＜ｘ＜１）の
半導体よりなる２つのPIN 接合と１つのPN接合を有する
タンデム型のPINPIN・・・・PIN 接合の半導体である。

かかる非単結晶半導体（３）を第１の開溝および素子領
域の全面にわたって均一の膜厚で形成させた。さらに第
２図（Ｂ）に示されるごとく、第１の開溝(13)の左方向
側に第２のレーザスクライブにより、第２の開溝(18)を
50μｍの巾に50〜300 μｍの距離を第１の開溝(13)から
離して、すなわち第１の開溝(13)から50〜300 μｍの距
離第１の光電変換素子(31)の内部に入り込ませて形成し
た。

第２の開溝(18)は第１の電極の側面(8),(9) および上端
面（６）を露呈させた。また、同時に第２の開溝(13)と
の間に透光性導電膜の一部を凸部(16)として残存させ
た。

上記第２の開溝(18)を形成するに際して、第１の電極
(2) の上端面(6) を露呈させることに関して以下、第３
図並びに第４図を用いて説明する。

第３図は、第２図に示す第２の開溝(18)部分の拡大図で
あり、第４図はレーザ光の照射条件（走査スピード）と
第１の電極である透光性導電膜の上端面にできる平坦部
の巾との関係を示したものである。

第３図（Ａ）において、第２の開溝(18)は透光性導電膜
（２）の側面(8),(9) に加えて、平端面（上端部）(6)
を存在させコンタクトを構成させている。

第３図（Ｂ）は、この平端部（６）の上面図を第３図
（Ｃ）に示した走査電子顕微鏡写真（SEM写真）（倍率4
000倍、加速電圧10KV）に対応して示している。第３図
（Ｂ）（Ｃ）において、(70)は基板ガラス（１）に生じ
たクラック、(71)はレーザスクライブにより生じた開溝
周辺部の残存物、(6) は導電膜の平坦部である。

この平端部は非単結晶珪素半導体に比べて透光性導電膜
がレーザ光に対し４倍も強く、スクライブされにくいと
いう性質によるものであり、セルファライン的に形成さ
れたものである。

この特性を利用することが側面のみならず上端部（６）
をも第２の開溝の形成と同時作製できる理由である。

そして、平坦部(6) をコンタクトとして利用することに
より、連結部における実質的な接触抵抗を側面のみの場
合の1.5Ω／cmより0.3 〜１Ω／cmにまで下げることが
できた。

第４図は、第２の開溝を形成するためのレーザスクライ
ブを行った際に形成される第３図（Ａ）の(6) で示され
る上端部の巾と、レーザスクライブの際の走査スピード
との関係を示したものである。

なお、レーザスクライブの条件は、周波数30KHz,出力1.
1W，光径50μｍ、レーザ光の走査スピードは60cm／分〜
240cm／分である。

この走査スピードを可変した場合の速度が60cm／分以上
を有すると、被膜の厚さ以上に平坦部の巾を作ることが
できた。即ちより走査スピードを高速とすることによ
り、この巾を大きくとることができ、その分接触面積を
大きくすることができるので、結果として接触抵抗を少
なくすることができた。

なお、第３図（Ｃ）に示すのは、第４図における走査ス
ピードが120cm／分の場合におけるものである。

しかし、平坦部(6) の巾が５μｍ以上あると、集積化に
とっては巾が広く成りすぎ、実効面積の減少を生じてし
まいかえって不都合となる。

以上のように、透光性導電膜（２）と半導体（３）とが
ともに基板上を覆っている被加工物に対し、その上面に
レーザ光を照射すると、そのレーザ光の出力、走査スピ
ードに従って、透光性導電膜(2) の膜厚以上の巾を有す
る平坦部（６）を作ることができた。

またこの平坦部は第３図（Ｃ）のSEM 写真より明らかな
ように、半導体とその下の透光性導電膜とを同時に１回
のレーザスクライブを行うことにより同時的に即ちセル
ファライン的に作られるため、その巾の揺らぎも、±0.
5 μｍでおさえることができた。

また、第３図（Ａ）において、基板（１）上の透光性導
電膜（２）に第１の開溝(13)が設けられ、さらにその左
端部(14)より第２の開溝(18)の右端部（９）は左側に位
置し、その間の距離(15)は正となっている（図面では約
50μｍを有している）。この結果、第１の素子の第１の
電極(37)（厚さ0.2 μｍ）と同一材料で構成された凸部
(16)が残存している。

この凸部の存在は重要である。即ち、第２の開溝(18)を
形成させるに際し、アモルファス珪素（３）はレーザア
ニールにより斜線領域(69)が多結晶化され、導電性とな
ってしまう。しかしこの凸部の存在により、第１の開溝
(13)に充填された基板近傍のアモルファス半導体は多結
晶化されず、絶縁性を有せしめることができる。即ち、
この凸部が残存すると、第１の開溝に充填された半導体
の基板との界面近傍に導電性多結晶半導体領域が作られ
ることがなく、その結果第２の開溝を形成することによ
り、第２の素子(11)の第１および第２の導電膜(39),(3
8) が互いにショートすることがない、という効果を得
ることができる。

上記の第２の開溝(18)を形成した後、全体を１／10HFに
30秒〜１分浸して表面の低級酸化珪素を除去せしめてコ
ンタクト抵抗を１Ω／cm以下にさせた。

本実施例においては、従来のように第１の電極の表面(1
4)（第１図参照）を露呈させるのではなく、第１の電極
にもレーザ光によって開溝を形成するので、レーザ光が
1.5 〜５Ｗと多少強すぎてしまっても何等の支障がな
い。即ちレーザ光の出力パルスの強さに余裕を与えるこ
とができるという工業的応用の際の有用性を有する。

以上のごとくにして隣合う光電変換素子同士の連結部を
構成する第２の開溝を作製した。

さらに第２図において、この上面の第２図（Ｃ）に示さ
れるごとく、裏面の第２の電極（４）を形成し、さらに
第３のレーザスクライブ法によって、切断分離用の第３
の開溝（20）を設けた。

この第２の電極はレーザ光を用いることなくマスク端に
て作製してもよい。

この第２の電極（４）は透光性導電膜を500 〜1400Åの
厚さにITO （酸化インジューム・スズ）により形成し、
さらにその上面に反射性金属の銀を300 〜3000Åの厚さ
に形成し、さらにその上面にアルミニューム，銅，ニッ
ケルまたはクロムとの２層膜を形成させたものである。
本実施例ではITO を1050Å、銀を1000Å、さらに銅を15
00Åの３層構造とした。

このITO と銀は裏面側での入射光（10）の反射を促し、
600 〜800nmの長波長光を有効に光電変換させるための
ものである。

さらにこのITO は連結部において第１の光電変換素子(3
1)の第１の電極（37）とのコンタクト(6),(8) に直接密
接する。即ち透光性導電膜の酸化物導電膜（37）と他の
酸化物導電膜（38）とが互いに密接してコンタクトを側
面および上端部において構成する。このため、このコン
タクト部において酸化物絶縁物が形成されることがな
く、信頼性上きわめて好ましいものであった。

これらは電子ビーム蒸着法またはプラズマCVD 法を用い
て半導体層を劣化させない300 ℃以下の温度で形成さ
せた。

また、銀の下側にチタンを10〜30Åの厚さに形成し、銀
とITO との密着性を向上させることは有効である。

このITO は半導体（３）と裏面電極（４）との化学反応
による信頼性低下の防止、即ち信頼性の向上にも役立っ
ている。

かくのごとき裏面電極（第２の電極）に対し、レーザ光
を上方より照射して第２の電極を切断分離または酸化絶
縁物に変成して第３の開溝(20)（巾50μｍ）を形成し
た。

このレーザ光は半導体特に上面に密接するＮまたはＰ型
の半導体層を(40)のように少しえぐりだし、隣合った第
１の素子(31)と第２の素子（11）との間の開溝部での残
存金属または導電性半導体によるクロストーク（リーク
電流）の発生を防止する構成とした。

もちろん第２の電極の開溝部を形成するのにスクリーン
印刷法を用いるのでもよい。

かくして第２図（Ｃ）に示されるごとく、複数の素子(3
1,(11)を連結部（12）で直列接続する光電変換装置を作
ることができた。

第２図（Ｄ）はさらに本発明を光電変換装置として完成
させんとしたものであり、即ちパッシベイション膜とし
てプラズマ気相法により窒化珪素膜（21）を5000〜2000
Åの厚さに形成させ、各素子間のリーク電流の発生を防
ぐ構成としたものである。

さらに外部引き出し端子を周辺部にて設け、これらにポ
リイミド、ポリアミド、カプトンまたはエポキシ等の有
機樹脂（22）を充填した。

かくして照射光（10）に対し、この実施例のごとき基板
（60cm×20cm）において各素子を巾14.350mm、連結部の
巾150 μｍ、外部引出し電極部の巾10mm、周辺部4mm に
より、有効面積（192mm×18.35 mm×32段 1106cm²即ち
92.2％）を得ることができた。その結果、セグメント
（各光電変換素子）が10.3％の変換効率を有する場合、
パネルにて9.95％（AM1 （100mW／cm²））の変換効率
を実現でき、光電変換装置として、10.4W の出力電力を
有せしめることができた。

またさらにこのパネルを例えば40cm×20cm、60cm×20cm
または40cm×120cm を６ケ、４ケまた１ケを直列にアル
ミサッシまたは炭素繊維枠内に組み合わせることにより
パッケージさせ、120cm×40cmのNEDO規格の大電力用の
パネルを設けることが可能である。

またこのNEDO規格のパネルはシーフレックスにより他の
ガラス板を本発明の光電変換装置の反射面側（図面では
上側）にはりあわせて合わせガラスとし、その間に光電
変換装置を配置し、風圧、雨等に対し機械強度の増加を
図ることも有効である。

第２図〜第４図において光入射は下側のガラス板よりと
した。しかし本発明はその光の入射側を上側より照射
し、上側電極は透光性ITO とし、基板には可曲性プラス
チック絶縁基板または金属上に絶縁膜（アルミニューム
上にアルミナ膜が形成された基板）が設けられた基板を
用いることも同様に可能である。

以上はYAG レーザのスポット径をその出力0.5 〜３Ｗ
（30μｍ）（１〜５Ｗ（50μｍ）で用いた場合である
が、さらにそのスポット径を技術思想において小さくす
ることにより、この連結部をより小さく、ひいては光電
変換装置としての有効面積をより向上させることができ
ることはいうまでもない。

〔発明の効果〕

以上の実施例において明らかなように、本発明を用いる
ことにより、隣合う光電変換素子を連結するための連結
部に高信頼性を与えることができた。

特に、連結部において、第１の開溝と第２の開溝との間
に第１の導電膜の材料を凸状に残存させ、光電変換素子
間、あるいは第１，第２の電極間のアイソレーションを
確保することができた。

さらに、第１の素子の第１の電極を構成する透光性導電
膜の側面および上端部とよりなるコンタクトに密接せし
めて第２の素子の第２の電極を延在させることにより、
連結部でのコンタクトに必要な表面積（接触面積）を増
加させ、実質的に接触抵抗を下げることができた。

さらに光電変換素子同士の連結部における接触面積を実
質的に大きくすることができたので、連結部（コンタク
ト部）の必要面積（上または下から見た投影面積）を従
来方法の場合に比較して少なくさせることができた。そ
の結果、パネルの有効面積の向上に役立つことができ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光電変換装置の連結部の概要を示すもの
である。第２図は実施例の光電変換装置の製造工程を示す縦断面
図である。第３図は実施例の第２の開溝部の拡大図である。第４図は平端部の巾とレーザ光の走査スピードとの関係
を示すものである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁表面を有する基板上に設けられた第１
の電極と、該電極上に設けられたアモルファス半導体
と、該半導体上に設けられた第２の電極とを有する光電
変換素子を複数直列に連結した光電変換装置であって、隣合う光電変換素子同士の接続部において、第１の電極
同士は２つの開溝により分離されており、該２つの開溝
の間には凸状に第１の電極を構成する導電材料が形成さ
れており、前記開溝の一方において、一方の光電変換素
子の第１の電極の側面および上端部が、レーザ光によっ
て前記アモルファス半導体に形成された開溝を介して他
方の光電変換素子の第２の電極と接続されていることを
特徴とする光電変換装置。