JPS62193182A - 光起電力装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明はレーザビームの如きエネルギビームを利用した
光起電力装置の製造方法に関する。

（ロ）　従来の技術 第１図は米国特許第４．２８１．２０８号に開示されて
いると共に、既に実用化されている光起電力装置の基本
構造を示し、（１）はガラス、耐熱プラスチック等の絶
縁性且つ透光性を有する基板、（２ａ）（２ｂ）（２ｃ
）・・・は基板（１）上に一定間隔で被着された透明電
極膜、（３ａ）（３ｂＨ３ｃ）・・・は各透明電極膜上
にＩＩ畳被着妨れた非晶質シリコン等の非晶質半導体膜
、（４ａ）（４ｂ）（４ｃ）・・・は各非晶質を導体膜
上に重畳被着され、かつ各右隣りの透明電極膜（２ｂ）
（２ｃ）・・・に部分的に重畳せる裏面電極膜で、断る
透明電極膜（２ａ）（２ｂ）（２ｃ）・・・乃至裏面電
極膜（４ａ）（４ｂ）（４ｃ）・・の各積層体により光
電変換素子（５ａ〉（５ｂ）（５ｃ）・・・が構成され
ている。

各非晶質半導体膜（３ａ）（３ｂ）（３ｃ）・・・は、
その内部に例えば膜面に平行なＰＩＮ接合を含み、従っ
て透光性基板（１）及び透明電極膜（２ａ）（２ｂ）（
２ｃ）・・・を順次介して光入射があると、光起電力を
発生する。各非晶質半導体膜（３ａ）（３ｂＨ３ｃ）　
　・内で発生した光起電力は裏面Ｎ、電極膜４ａ）（４
ｂＨ４ｃ）・・・での接続により直列的に相加される。

通常、断る構成の光起電力装置にあり又は細密加工性に
優れている写真蝕刻技術が用いられている。この技術に
よる場合、基板（１）上全面＼の透明室極膜の被着工程
と、フォトレジスト及びエンチングによる各個別の透明
電極膜（２ａ）（２ｂ）（２ｃ）・の分離、即ち、各透
明電極膜（２ａ）（２ｂ）（２ｃ）　　・の隣接間隔部
分の除去工程と、これら各透明電極膜上を含む基板（１
）上全面への非晶質半導１＄膜の被着工程と、フォトレ
ジスト及びエンチングによる各個別の非晶質半導体膜（
３ａ）（３ｂ）（３ｃ）・・の分離、即ち、各非晶質半
導体膜（３ａ）（３ｂ）（３ｃ）・・の隣接間隔部分の
除去１Ｌ程とを順次繰ることになる。

然し乍ら、写真蝕刻技術は細密加工の上で優れてはいる
が、蝕刻パターンを規定するフォトレジストのピンホー
ルや周縁での剥れによる非晶質半導体膜に欠陥を生じさ
せやすい。

特開昭５７−１２５６８号公報に開示された先行技術は
、レーザビームの照射による膜の焼き切りで上記隣接間
隔を設けるものであり、写真蝕刻技術で必要なフォトレ
ジスト、即しウェットプロセスを一切使わず細密加工性
に富むその技法は上記の課題を解決する上で極めて有効
である。

然し乍ら、上述の如くウェットプロセスを一切使わない
レーザ加工は細密加工性の点に於いて極めて有効である
反面、第２図（ａ）〜（ｃ）に夫々要部を拡大して示す
如き問題点を含んでいる。即ち、既に各光電変換素子（
５ａ）（５ｂ）・・・毎に分割配置きれた透明電極膜（
２ａ）（２ｂ）・・・上に、非晶質半導体膜を連続的に
跨がって形成し、その半導体膜を各光電変検素そ毎に分
割すべくレーデビーム（ＬＢ＞の照射により隣接間隔部
に位置する半導体膜を除去すると、第２図（ａ）の如く
、レーザビーム（ＬＢ）の周縁部が照射きれた半導体膜
部分は、該レーザビーム（ＬＢ）の周縁部が除去するに
足りる十分なエネルギを持たないためにアニーリングさ
れ微結晶化、或いは結晶化されてその結果、低抵抗Ｊｉ
ｌ（６ａ）（６ｂ）を形成したり、第２図（ｂ）のよう
に除去部分界面に半導体膜の溶融物の残留物〈７）が残
存したりして予め定められたパターンに正確に除去する
ことができない。斯る除去部分界面に残存する残留物（
７）や低抵抗層（６ａ＞（６ｂ）の形成はレーザビーム
（ＬＢ）に於けるエネルギ密度の分布が正規分布、即ら
ガウス分布するために、除去すべき隣接間隔部の両側面
に照射きれる周縁部が中心部に較べ低エネルギ分布とな
り、その結果発生するものと考えられる。更に、照射せ
しめられるレーザビーム（ＬＢ）が上述の如き中心部に
較べ周縁部が低エネルギ分布となるガウス分布を呈する
と、除去される半導体膜は光電変換素子（５ａ）（５ｂ
）・毎に半導体膜＜３ａ）（３ｂ）・・・を分割せしめ
るのみならずこれら隣接光電変換素子＜５ａ）（５ｂ）
　　・同士を電気的に直列接続すべく透明電極膜（２ｂ
）・・・を露出せしめる働きもあり、断る露出長は直列
抵抗成分の増加を招かないために可及的に減少せしめる
ことができず、従って幅広なレーザビームを必要とし、
その結果中心部は極めて高エネルギ状態となり、第２図
（ｃ）の如く熱的ダメージ（８）を与えてしまう。

特に、上記半導体膜の低抵抗層（６ａ＞＜６ｂ）の形成
は、レーザビーム（ＬＢ）の照射により半導体膜（３ａ
Ｈ３ｂ）・を物理的に分離できたとし７ても、この低抵
抗層（６ｂ）を介して同一光電変換素子（５ｂ）・・　
の透明電極膜（２ｂ）・・・と裏面１＃ｉ膜（４ｂ）・
　とを結合するために当該光電変換素子（５ｂ）・・を
短絡せしめる原因となる。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 本発明は上述の如き短絡事故の原因となる半導体膜の除
去部分界面に於ける低抵抗層の形成を解決すると共に、
断る除去部分界面の残留物の残存や下層への熱的ダメー
ジを解決しようとするものである。

（ニ）　問題点を解決するための手段 本発明は上記問題点を解決するために、複数の光電変換
素子を構成する複数の基板（ＩＩ＋電極膜−Ｈに連続的
に跨って配置きれた半導体膜に、エネルギ分布が照射領
域に対して略均一なエネルギビームを照射して当該照射
領域の半導体膜を除去し、該半導体膜を複数の光電変換
素子毎に分割したこと２特徴とする。

（ホ）作用 上述の如く、エネルギ分布が照射領域に対して略均一な
エネルギビームを、基板側電極膜とに配置された半導体
膜の予定箇所に照射することによって、当該照射領域の
半導体膜部分のみを実質的に低抵抗層を形成することな
く除去すると共に、下層に位置する基板側Ｔ！Ｌ極膜へ
の熱的ダメーンを低減し得る。

（へ）実施例 第３図乃至第８図は本発明方法の実施例を工程順に示し
ている。

第１図の工程では、厚さ１ｍ〜３ｍｍ而積１０ｃ面ＸＩ
Ｑｃｍ〜１　ｍＸ　１　ｍ程度の透明なガラス等の基板
（１０）上全面に、厚さ２０００人〜５０００人の酸化
錫（Ｓｎ０２）からなる透明電極膜（１１〉が被着許れ
る。

第４図の工程では、隣接間隔部＜１１’）がレーザビー
ムの照射により除去されて、個別の各透明電極膜（ｌｌ
ａ）（ｌｌｂ＞（ｌｌｃ）・・・が分離形成いれる。使
用されるレーザは基板（１０）にほとんど吸収されるこ
とのない波長が適当であり、上記ガラスに対しては０．
３５μｍ〜２．５μｍの波長のパルス発振型が好ましい
、断る好適な実施例は、波長的１．０６μｍ工不ルキ密
度１３Ｊ／ｃｒｒ１２、パルス周波数３ＫＨｚのＮｄ：
　ＹＡＧレーザであり、隣接間隔部（１１’）の間隔（
Ｌｌ）は約１１００ｕに設定声れる。

第５図の工程では、各透ｏｔ＋ｉ極膜（ｌｌａ）（ｌｌ
ｂ）（ｌｌｃ）　　の表面を含んで基板（１０）ｈ全面
に光電変換に有効に寄与°する厚さ５０００人〜７００
０人の４１晶質ンリコン（ａ−３ｉ）等の非晶質半導体
膜（１２）が被若きれる。断る半導体膜（１２）はその
内部に膜面に平行なＰＩＮ接合を含み、従ってより具体
的には、まずＰ型の非晶質ンリコンカーノ＜イドが被着
され、次いで１型及びＮ型の非晶質シリコンが順次積層
被着される。

第６図の工程では、隣接間隔部＜１２’）がレーザビー
ムの照射により除去されて、個別の各非晶質半導体膜（
１２ａＨ１２ｂＨ１２ｃ）・・・が分離形成される。

斯る工程での特徴点は使用きれるレーザビームのエネル
ギ分布が照射領域に対して略均一な分布を持っ１いるこ
とである。第９図は北記照射領域に対して略均一なエネ
ルギ分布を持ち照射領域の形状が半径４０μｍの円形状
レーザビームを照射したときの照射表面に於ける温度分
布を、上記円形状レーザビームの中心部を起点としその
半径方向について描いたものである。断る第９図から明
らかな如く、略均一なエネルギ分布を持つレーザビーム
の温度分布は、照射領域に対してはエネルギ分布に応し
た略一定の高温分布となり、照射領域の界面にあっては
僅かな被照射媒体の熱伝導による温度こう配は見られる
ものの非照射領域の室温にまで急峻に立下がり、全体と
しては略矩形状の分布を呈する。

−１、第１０図は従来のガウス分布を持つレーザビーム
を使用したときの照射表面に於ける温度分布を、第９図
と同しく中心部を起点としてその半径方向について描い
である。そし工、中心部に於ける到達温度は第９図及び
第１０図共に等しく、例えば斯るレーザビームの照射に
より被加工物である膜厚５０００人の非晶質半導体を除
去することができると共に、下層の透明電極膜（ｌｌａ
）（ｌｌｂン（Ｉｌｃ）への熱的ダメージを回避し得る
絶対温度約１４００Ｋに設定されている。

第１１図は、エネルギ分布が略均一分布を持ち照射表面
、即ち非晶質半導体膜（１２）の表面に於ける温度分布
が第八図の略矩形状分布を星するときの深さく厚み）方
向の温度分布を１００に毎の等温線を用いてシュミレー
ションしたものである。シュミレーションの対象となっ
た試料はガラス基板（１０）上に膜厚１０００人のＳｎ
○２からなる透明電極膜（１１）と、膜厚５０００人の
非晶質シリコンの半導体膜〈１２）を積層した構造を持
つ。斯るンユミし一ンヨンの結果、半導体膜（１２）の
表面に約１４００　Ｋの温度を与えたとさ、上記半導体
膜（１２）の深き方向である厚み方向の等温分布幅は広
く、ＳｎＯ２透明電極膜（１１）との界面にあっても該
半導イ・ト膜（１２）を除去し得る約１２００に以Ｆの
温度状態にある。一方、半径方向、即ち表面方向の等温
分布幅は、照射表面に於ける界面温度こう配が急峻に立
下っているために極めて狭い。

ところで、非晶質シリコンの半導体膜（１２）を除去し
得る温度は該半導体膜り１２）の形成方法や形成条件等
より多少変動するものの、概して（−述の如く約１２０
０に以上であり、一方アニーリングされ低抵抗層に変換
される温度は約１０００Ｋから除去温度の約１２００Ｋ
ま工・の間である。従って、上記第１１図のンユミレー
ンヨ〉に於いて１２００に以上の温度領域の半導体膜（
１２）が除去され、ｌ０００Ｉ（〜１２０ＯＫの温度領
域の半導体膜が低抵抗層に変換されろと仮定すると、半
導体膜（１２）は中心から半径約３８μｍの領域が除去
されると共に、その除去界面に実質的に無視し得る程度
の低抵抗層を形成するに止まる。

一方、従来のガウス分布を持つレーザビームを使用した
ときの照射表面に於ける温度分布は第１Ｏ図に示した通
りエネルギ分布と等価なガ＋７ス分布を呈しており、こ
のガウシアンビームを用いたときの１００に毎の等混線
を用いた深さ方向の温度分布をレユミレーションすると
第１２図のようになる。即ち、照射領域の中心部に於げ
乙深さ方向のｍ度分布は第１１図に示した均一分布と等
しいものの、半径方向の等温分布幅は照射表面に於ける
温度こう配がなだらかなために、１２００に〜１００Ｏ
Ｋのアニーリング温度範囲に於いて表面部分で約８μｍ
、ＳｎＯ２透明電極膜との界面部分で約１１々ｍの幅を
持つ。従って、従来のガウシアンレーリ′ビームを用い
た加工にあっては、１２００ＫＬＩＪ、上の温度領域の
半導体膜が除去されたとしても、半導体膜はその除去界
面から半径方向に約８μｍ〜１１μｍの広範囲に亘って
低抵抗層に変換されていたのである。更に、従来の加工
にあっては半導体膜の除去幅は半径にして１０μｍ以下
と、第１１図の加工の約３８〃ｍに比して狭い。その結
果、隣接した光電変換素子同士を断る半導体膜の除去に
より露出した透明電極膜の露出部分を介して電気的に直
列接続するために、上記半導体膜の除去幅を広くしよう
とすれば、（ａ）　　レーザビームの強度を高め中心部
を高温度状態にして１２００に以−ヒの等温分布幅を拡
幅する方法と、（ｂ）　　レーザビームの強度を高める
代わりにレーザビームの走査回数を増加させる方法、の
２通りの方法が考えられる。

然し乍ら、この両者の方法にあっでも低抵抗層の形成は
免れず、また（ａ）の方法にあってはレーザビームの中
心部が極めて高エネルギ状態となり下層の透明電極膜部
分に熱的ダメージを与えたり、（ｂ）の方法にあっては
走査回数が増加するために作業性が低下する。それに反
し、照射領域に対して略均一なエネルギ分布のレーザビ
ームを利用する本実施例にあっては実質的に低抵抗層を
形成することなく、下層の膜に熱的ダメージを与えず、
また加工幅を広げることができる。

上述の如き照射領域に対して略均一なエネルギ分布を持
つレーデビームは、第１５図に示す如く、エネルギ分布
がガウス分布する通常のレーザビーム＜ＬＢｌ）の光路
中に、上記レーザビーム（ＬＢｔ）の中心部を起点に入
射径に対して約２５％の開１」径を有する角穴或いは丸
穴（２０）を持つアイリス（２１）を配置し、そのアイ
リス（２１）の丸穴（２０）を通過したレーザビーム（
ＬＢ２）を集光ｌ−レンズ２２）に導き、該集光レンズ
（２２〉により集光したレーザビーム（ＬＢｌ）を下記
の条件に基づき破船−［表面に照射することにより得ら
れる。即ち、アイリス（２１）かも集光レンズ（２２）
の中心までの距離をａ、集光レンズ（２２）の中心から
被加工表面までの距離をｂ、集光レンズ（２２）の焦点
距離をｒとすると、−　　　十−−”　　　　− ａ　　　　　　ｂ　　　　　　ｆ’ を満足するとさ、上記被加工表面に照射ごねるレーザビ
ーム（ＬＢｌ）のエネルギ分布は略均一な分布となる。

第７図の工程では、上述の如くエネルギ分布が照１＃領
域に対して略均一なレーザビームを非晶質半導体膜（１
２）の隣接間隔部に照射して、上記非晶質半導体膜（１
２）を各個別に分離した非晶質半導体膜（１２ａ）（１
２ｂ）（１２Ｃ）−及び透明電極膜（ｌｌａ＞（ｌｌｂ
）（ｌｌｃ）・・・の各露出部分を含んで基板〈１０）
上全面に約２０００Å以上の厚さのアルミニウム単重構
造、或いは該アルミニウムにチタン又はチタン銀を積重
した二届構造、更には断る二府構造を二重に積み重ねた
裏面ＴＬ電極膜１３）が被若される。

第８図の最終工程では、上記裏面電極膜＜１３＞が各非
晶質半導体膜（１２ａ）（１２ｂ）（１２ｃ）・・上の
端面近傍に於いて、第６図の非晶質半導体膜（１２）の
分離工程と同じくエネルギ分布が照射領域に対して略均
一なレーザビームの照射により各個別の裏面電極膜（１
３ａ）（１３ｂ＞（１３ｃ）・に分割きれる。その結果
、各個別に分割された透明電極膜（ｌｌａ＞（ｌｌｂ）
（ｌｌｃ）−・、非晶質半導体膜（１２ａ）（１２ｂ）
（１２ｃ）　　及び裏面電極膜（１３ａ）（１３ｂ）（
１３ｃ）・の積層体からなる光電変摸索−Ｔ（１４ａ）
＜１４ｂ）（１４ｃ）・　　は基板（１０〉上に於いて
電気的に直列接続される。

第１３図は、＠９図に示した如き照射領域に対して略均
一なエネルギ分布を持ち照射領域の形状が円形状のレー
ザビームを照射したときの照射表面に於ける中心部を起
点とし、その半径方向の温度分布が略矩形状の分布を呈
するレーザビームを用いて裏面電極膜（１３）を分割す
るときの深さく厚み）方向の温度分布を、２００に毎の
等混線を用いてシュミレーションしたものである。シユ
ミレーシヨンの対象となった試料は先のシュミレーショ
ンに用いたガラス基板（１０）上に膜厚１０００ＡのＳ
ｎ０２　透明’！ｔ［膜（１１）、！：、膜厚５０００
人の非晶質を導体膜（１２）との積層体に、更に膜厚５
０００人のアルミニウム単層構造の裏面電極膜（１３〉
を重畳した。このンユミレーンヨ〉′の結果、アルミニ
ラ７・の融点は絶縁温度にして約９３０にでｔｉ）２、
この９３０に舅、上の温度分布の中心から半径的３８ａ
ｍのアルミニウム、単層構造の裏面電極膜部分が除去い
れど、。一方、断るンユミレーシｎンによると、１００
ＯＫ以上の温度分布が上記裏面電極膜部分と当接する非
晶質シリコン半導体膜（１２）側にも僅かに存在する。

上記１０００に以」ユの温度分布は断る領域の非晶質シ
リコン半導体膜（１２）が微結晶化或いは結晶化きれ低
抵抗層に変換されることを意味するものの、上記低抵抗
層の形成は表面から極めて浅い領域に止まるために、実
質的に無視し得る程度に過ぎない。

第１４図は従来のガウス分布を持つレーザビームを使用
し、上記第１３図のレーザ加工と略同し裏面電極膜り１
３）の除去幅を得ようとしたときの、２００に毎の等混
線を用いた深さ方向の温度分布シュミレーションである
。断るシユミレーシヨンの結果、第１３図のレーザ加工
と略同し裏面電極膜（１３）の除去幅が得られるものの
、温度こう配がなだらかなために裏面電極膜（１３）の
融点近傍の温度分布幅が広く裏面電極膜の除去界面に於
いて該電極膜形成材の溶融垂れが発生したり、また非晶
質シリコン半導体膜（１２）の１２００に以北の領域を
除去するのみならずその除去界面の１２００Ｋ　−１Ｏ
ＯＱＫの領域を低抵抗層に変換していたことが判る。

従って、第８図の最終工程に於いて分割された裏面電極
膜（＋３ａ）（１３ｂ）（１３ｃ）・・は物理的にも電
気的にも分離され、隣接光電変換素子（１４ａ）（１４
ｂ）（１４ｃ）・・・を確実に直列接続せしめる。

尚、上記第８図の最終工程に於いて裏面電極膜（＋３ａ
）（ｔ３ｂ）（１３ｃｍ−は各非晶質半導体膜（１２ａ
）（１２ｂＨ１２ｃ）・・・上で略均一なエネルギ分布
のレーザビームの照射により除去きれているために、斯
る除去部分に於いて露出した非晶質半導体膜の表面部分
には北述の如き若干の低抵抗層が形成されるものの、こ
の低抵抗層は光起電力装置が太陽光の下で使用きれたと
きや室内光であっても通常（７）照度＜４００　Ｌ　ｕ
ｘ以上）であれば￥質的に！Ａ題はない。ただ約２００
　Ｌ　ｕｘ未満の低照度下では上記低抵抗層によるリー
ク等の悪影響が発生す゛る−ともある。このようなとき
は、上記低抵抗層を上記裏面チング〈プラズマエツチン
グ）を施してエッチ〉・り除去するか、第１６図に示す
如く裏面電極膜（１３）の除去工程に於いて該裏面１を
極膜のみを選択的に除去することなく下層の非晶質半導
体膜（１２）も同時に除去すれば良い。

更に、上述の実施例に於ける第８図の最終工程にあって
も、使用きれるレーザビーム、のエネルギ分布は第６図
の工程と同じく照射領域に対して略均一であったが、従
来と同じガウス分布を持つレーザビームを使用しても良
い。ただこの場合、下層の非晶質半導体膜部分に隣接充
電変換素子（１４ａ）（１４ｂＨ１４ｃ）・・・の短絡
原因となる低抵抗層を形成４−るので、該低抵抗層につ
いては分割されたングを施し、除去してやらなければな
らないために、若干の作業性の欠如は免れない。

（ト）　全日月の効果 本発明製造方法は以上の説明から明らかな如く、エネル
ギ分布が照射領域に対して略均一なエネルギビームを、
基板側を極膜上に配置された半４１本膜の予定箇所に照
射するので、５該照射領域の半導体膜部分のみを実質的
に低抵抗層を形成することなく除去することができ、隣
接した光電変換素子同士や当該一つの光電変換素子の短
絡事故を防止することができると共に、断る除去界面の
残留物の残存や下層への熱的ダメージの発生を回避し得
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は光起電力装置の基本構造を示す断面図、第２図
（ａ）〜（ｃ）は従来方法の欠点を説明するための要部
拡大断面図、第３図〜第８図は本発明方法を工程別に示
ｒ断面図、第９図は本発明方法に用いられるレーザビー
ムのエネルギ分布を説明する温度分布特性図、第１０図
は従来方法のエネルギ分布を説明する温度分布特性図、
第１１図及び第１２図は夫々第９図と第１０図のエネル
ギ分布を持つレーザビームを非晶質シリコン半導体膜に
照射したときの等温分布特性図、第１３図及び第１４図
は夫々第９図と第１０図のエネルギ分布を持つレーザビ
ームをアルミニウム裏面電極膜に照射したときの等温分
布特性図、第１５図は本発明ノ５法に用いられるレーザ
ビームの作成方式を深理的に示す模式図、第１６図は本
発明方法の最終工程の他の実施例を示す断面図、である
。 （１０）−・基板、（１１）（ｌｌａ）（ｌｌｂ）（ｌ
ｌｃ）・−・透８１！電極膜、（１２）り１２ａ）（１
２ｂ）（１２ｃ）・非晶質半４体膜、（１３）（１３ａ
）（１３ｂ）（１３ｃ）−・裏面電極膜、（１４ａ）＜
１４ｂ）（１４ｃ）・・光電変換素子、（２１）・・ア
イリス、（２２）・・集光レンズ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の光電変換素子を基板の絶縁表面で電気的に
   直列接続せしめた光起電力装置の製造方法であって、上
   記複数の光電変換素子を構成する複数の基板側電極膜上
   に連続的に跨って配置された半導体膜に、エネルギ分布
   が照射領域に対して略均一なエネルギビームを照射して
   当該照射領域の半導体膜を除去し、該半導体膜を複数の
   光電変換素子毎に分割したことを特徴とする光起電力装
   置の製造方法。