JP2004260013A - 光電変換装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工工程の精度的簡易化が図れ、かつ横方向リークが防止できる集積化構造および製法を実現すること。
【解決手段】複数の半導体素子が、導電性材料１１０によって隣接する半導体素子間で直列接続された集積化構造を有しており、これら複数の半導体素子は、裏電極１０４から表電極１０２まで分離する第１の分離溝１０５によって互いに分離されており、これら複数の半導体素子は、それぞれ、裏電極１０４から半導体多層膜１０３まで分離する第２の分離溝１０６によって第１の領域と第２の領域に分離されており、これら複数の半導体素子の隣接する素子間の直列接続は、一方の半導体素子の第１の領域内における裏電極１０４と、一方の半導体素子と隣接する他方の半導体素子の第２の領域内における表電極１０２とが、導電性材料１１０によって接続されることで実現されている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池に代表される光電変換装置の集積化構造及びその製法に関する。
【０００２】
【従来技術とその課題】
透光性基板上に形成した透明導電膜を表電極に用いるスーパーストレート型薄膜太陽電池においては、透明導電膜の直列抵抗成分の影響をできるだけ小さくするために、低電流密度・高電圧の特性が得られる集積化構造を用いるのが一般的である。これをプロセスとともに図２に示す。ここで図中、２０１は透光性基板、２０２は表電極、２０３は第１の分離溝、２０４は半導体多層膜、２０５は接続溝、２０６は裏電極、２０７は第２の分離溝である。従来の集積化構造は、表電極を分離する第１の分離溝、裏電極を分離する第２の分離溝、隣り合う素子との直列接続を可能とする接続溝から成っている。
【０００３】
ここで本発明との関係で特徴となる部分を予め述べておくと、従来の集積化構造では光発電領域を形成する半導体多層膜の各層が接続溝側壁にまで延長しており、該接続溝に存在する金属などの導電性接続材料と接していることが特徴的である。これは回路的には半導体各層が該接続溝と電気的につながった裏面電極と短絡状態にあることを示しているが、実際には半導体素子が発電する光電流の大きさに比べて、該半導体各層を横方向リークパスとするリーク電流は、該半導体各層の抵抗が充分に大きいために無視することができる程度に小さく、従来の集積化構造で特に致命的な問題は生じていなかった。
【０００４】
ところで、発明当初の集積化構造は、図２にその工程を示すように、透光性基板２０１上に、透明導電膜たる表電極２０２の形成、そのパターニング加工（第１の分離溝２０３の形成）、続いて半導体多層膜２０４の形成、そのパターニング加工（接続溝２０５の形成）、続いて裏電極２０６の形成、そのパターニング加工（第２の分離溝２０７の形成）、の順で形成されていた。このときパターニング加工技術としてはレーザースクライブ技術やマスクエッチング技術が用いられていた。
【０００５】
しかしながら、膜形成の度にパターニング加工を行う該プロセスでは、パターニング加工工程の度に洗浄工程が必要となるので工程が複雑・煩雑になるだけでなく、パターニング加工時に発生する異物が洗浄工程で除去しきれなかったり、洗浄工程そのもので残渣物などが付着することによって半導体多層膜縦方向（層厚方向）のリークが発生しやすく歩留まりが低下しやすいという問題があった。
【０００６】
そこでこれらの問題を解決するために、表電極／半導体多層膜／裏電極を形成後に（素子構造形成後に）パターニング加工するという素子・加工分離プロセスが開発された（特許文献１，２を参照）。このプロセスを図３に示す。ここで図中、３０１は透光性基板、３０２は表電極、３０３は半導体多層膜、３０４は裏電極、３０５は第１の分離溝、３０６は接続溝、３０７は絶縁物、３０８は導電性材料、３０９は第２の分離溝である。本プロセスでは素子化工程とパターニング加工工程とが分離されているので、前記した膜形成の度の洗浄工程が不要となると同時に、加工に起因した異物や洗浄に起因した残渣物などが膜中に取り込まれる恐れを解消することができるようになった。
【０００７】
しかしながら、これらの先行技術においても接続溝側壁に光発電領域を形成する半導体層が接している構造には違いはなかった（前記特許文献２においては、接続溝を介しての裏電極と半導体層との短絡回路は形成されていないが、以下に述べるように、多接合型とした場合の短絡問題を回避できる構造とはなっていない）。また分離溝を形成する際のレーザー加工の深さ調節が非常に難しいことも課題であった（例えば、裏電極だけを分離して直下の半導体層は分離させない、絶縁コート層だけを分離して直下の裏電極は分離させない、など）。
【０００８】
ところで薄膜太陽電池の高効率化のためには、従来一般的であったシングル接合型に代わってタンデム型などの多接合型の太陽電池構造とすることが非常に有力である。しかしながら多接合型太陽電池の集積化においてはシングル接合型の場合にはなかった課題が新たに発生する。それは多接合型においては、逆接合部が不可避的に発生することに起因する。
【０００９】
例えばアモルファスシリコン素子をトップセルとし、微結晶シリコン素子をボトムセルとしたａ−Ｓｉ：Ｈ（ｐｉｎ）／μｃ−Ｓｉ：Ｈ（ｐｉｎ）構成を半導体多層膜としたタンデム型の薄膜Ｓｉ太陽電池を例にとって説明すると、逆接合部はａ−Ｓｉ：Ｈ（ｎ）とμｃ−Ｓｉ：Ｈ（ｐ）とが接触する領域に発生する。ところでこの逆接合部においてはその接合特性はトンネル接合特性であることが要求される（ここで「トンネル接合特性」とは、本来のトンネル接合の特性だけでなく、トンネル接合が示す特性に準じた接合特性を有する接合も含めた接合の特性と定義する：実際には純粋なトンネル接合ではなくとも、品質の悪い（つまり再結合が生じやすい）接合であれば充分である場合があるからである）。つまり太陽電池として問題なく使える電圧範囲において該逆接合は良好なオーミック性と同等な接合特性を示す必要があるのである（さもなければ該逆接合部でキャリアの再結合が不充分となり（該逆接合部で電流の流れが律速され）素子特性が低下してしまうからである）。
【００１０】
なお該逆接合部の材料の組み合わせとしては、前記したａ−Ｓｉ：Ｈ（ｎ）／μｃ−Ｓｉ：Ｈ（ｐ）以外にも、ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｎ）／ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｐ）、μｃ−Ｓｉ：Ｈ（ｎ）／μｃ−Ｓｉ：Ｈ（ｐ）、μｃ−Ｓｉ：Ｈ（ｎ）／ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｐ）などの組み合わせがありえ、製膜条件を調節することによってそのいずれも実現可能である。なお上記とは逆順のｎｉｐ型を用いた場合についても上述した議論の本質には変わりがない。
【００１１】
さてこのトンネル接合特性を有した逆接合部であるが、この部分はトンネル接合特性を実現するために非常に高い不純物濃度（通常１×１０^１８／ｃｍ^３以上）となっている。従ってキャリア濃度も非常に高くなっている。そのため逆接合部の接合面方向（層厚方向を縦方向とした場合の横方向）には非常に電流が流れやすい状態となっている。つまりタンデム型（を含む多接合型）においては、従来の集積化構造をそのまま採用すると、該逆接合部が接続溝までつながる形となるので該逆接合部が横方向リークパスとして働き、表電極と該逆接合部、および裏電極と該逆接合部が短絡してしまう（つまりトップセル、およびボトムセルがそれぞれ短絡状態となってしまう）問題が発生するのである。この問題状況を図４及び図５に示す。図４及び図５に示された集積化構造を有した光電変換装置は、図２及び図３における半導体多層膜を第１の半導体接合層と第２の半導体接合層とで構成した場合の例である。ここで２０４ａ及び３０３ａはトップセルたる第１の半導体接合層、２０４ｂ及び３０３ｂはボトムセルたる第２の半導体接合層を示し、他の符号は図２及び図３と同じである。問題の逆接合部は第１の半導体接合層２０４ａ（３０３ａ）と第２の半導体接合層２０４ｂ（３０３ｂ）の間に形成される。
【００１２】
この問題は、例えばトップセルとボトムセル間に逆接合を形成する代わりに薄い金属層や透明導電膜層を導電性中間層として介在させてトップセルとボトムセルとをオーミックコンタクトさせる場合でも同様に生じる。この場合は、薄い金属層、あるいは透明導電膜層が横方向のリークパスとなるからである。
【００１３】
この問題については、例えば接続溝壁面を接続溝形成中に酸化する方法が従来から知られている（特許文献３を参照）。しかしながらこの方法では酸化膜などの絶縁膜を別途形成する方法に比べて信頼性の高いリーク防止は非常に難しく、また中間層に金属酸化物などの透明導電膜を用いる場合には対象物が既に酸化物であるのでその高抵抗化は非常に困難であり、より信頼性の高い完全なリーク防止対策が必要とされていた（なお前記特許文献３における集積化プロセスは従来型のもので素子・加工分離型ではない）。
【００１４】
なお、素子・加工分離型のその他の先行出願として、例えば、特許文献４，５，６が挙げられるが、いずれも基板とは反対方向からの膜面から光入射させるサブストレート型についてのものであり、また前記特許文献４における直列接続構造は必ずしも信頼性の高いものではなくまた精度的に容易なものでもなく、前記特許文献５，６では接続溝と光発電領域を形成する半導体層とは電気的な分離がなされていない。
【００１５】
〔特許文献１〕
特公平５−８２９９３号公報
〔特許文献２〕
特開平３−２５０７７１号公報
〔特許文献３〕
特公平７−１１４２９２号公報
〔特許文献４〕
特開平９−２６６３２０号公報
〔特許文献５〕
特開２０００−２５２５０８号公報
〔特許文献６〕
特開２００１−７３５９号公報
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、素子・加工分離プロセスのメリットを生かしつつ、パターニング工程の精度的簡易化が図れ（従って低コスト化が図れ）、かつ半導体多層膜中に逆接合部や導電性中間層が存在しても横方向リークが防止できる光電変換装置の集積化構造および製法を実現するものである。
【００１７】
すなわち本発明の光電変換装置は、透光性基板上に、表電極、少なくとも１つ以上の半導体接合を有する半導体多層膜、裏電極がこの順で形成された複数の半導体素子が、導電性材料によって隣接する半導体素子間で直列接続された集積化構造を有した光電変換装置において、前記複数の半導体素子は、裏電極から表電極まで分離する第１の分離溝によって互いに分離されており、前記複数の半導体素子は、それぞれ、裏電極から半導体多層膜まで分離する第２の分離溝によって第１の領域と第２の領域に分離されており、前記複数の半導体素子の隣接する素子間の直列接続は、一方の半導体素子の前記第１の領域内における裏電極と、前記一方の半導体素子と隣接する他方の半導体素子の第２の領域内における表電極とが、導電性材料によって接続されることで実現されていることを特徴とする。
【００１８】
また、前記半導体素子は絶縁膜によって覆われており、前記一方の半導体素子の裏電極と前記他方の半導体素子の表電極との前記導電性材料による接続は、前記一方の半導体素子の前記第１の領域内における前記絶縁膜に形成された第１の接続口と、前記一方の半導体素子と隣接する他方の半導体素子の第２の領域内に設けられ、前記絶縁膜、前記裏電極及び前記半導体多層膜を貫通して前記表電極に達する接続溝によって形成された第２の接続口を介して実現されており、前記第１の分離溝及び前記第２の分離溝は、前記絶縁膜で覆われていることを特徴とする。
【００１９】
また、前記半導体膜中に半導体接合層が複数あり、且つ少なくとも１つの半導体接合層間に金属層もしくは透明導電層が介在していることを特徴とする。
【００２０】
また、前記金属層は、シリコンを含有した合金材料から成ることを特徴とする。
【００２１】
また、前記透明導電層は、インジウム酸化物、インジウム−スズ酸化物、スズ酸化物、及び亜鉛酸化物のうちの少なくとも１種を含む金属酸化物から成ることを特徴とする。
【００２２】
また、前記絶縁膜は、シリコン酸化物、シリコン炭化物、及びシリコン窒化物のうち少なくとも１種を含む材料から成ることを特徴とする。
【００２３】
また、前記絶縁膜は、金属酸化物及び金属窒化物のうち少なくともいずれかを含む材料からなっていることを特徴とする。
【００２４】
また、前記絶縁膜は、ダイヤモンド及びダイヤモンドライクカーボンのうち少なくともいずれかを含む材料から成ることを特徴とする。
【００２５】
また、前記絶縁膜は樹脂材料から成ることを特徴とする。
【００２６】
また、前記導電性材料は、金属膜、金属線、金属箔、及び導電性ペーストのうち少なくとも１種であることを特徴とする。
【００２７】
本発明の製造方法は、透光性基板上に、表電極、少なくとも１つ以上の半導体接合を有した半導体多層膜、及び裏電極を順次積層して第１の積層体を形成する第１の工程と、第１の分離溝によって前記第１の積層体を複数の素子に分離する第２の工程と、第２の分離溝によって前記複数の素子それぞれを構成する表電極、半導体多層膜及び裏電極のうち、半導体多層膜と裏電極とからなる積層体部分を少なくとも接続領域と発電領域の２つの領域に分離する第３の工程と、少なくとも前記裏電極、前記第１の分離溝及び前記第２の分離溝が存在する領域が覆われるように絶縁膜を積層形成する第４の工程と、前記発電領域に絶縁膜を貫通して裏電極に到達する第１の接続口を形成する第５の工程と、前記接続領域に対して前記表電極に到達する接続溝からなる第２の接続口を形成する第６の工程と、分離された一方の素子における前記第１の接続口に位置した裏電極と、前記第１の分離溝によって分離された前記一方の素子と隣接する他方の素子における前記第２の接続口に位置した表電極とを導電性材料によって電気的に接続させ、この接続構造をさらに隣接する素子に対しても順次繰り返すことで、前記複数の素子を直列に接続させる第７の工程からなることを特徴とする。
【００２８】
また、前記第１分離溝及び前記第２分離の少なくとも一方が、レーザースクライブ法もしくはエッチング法で形成されることを特徴とする。
【００２９】
また、前記第１接続口は、マスクパターニング法もしくはレーザースクライブ法により形成されることを特徴とする。
【００３０】
また、前記第７の工程は、金属膜形成方法と、マスクパターニング法もしくはエッチング法とを組み合わせて行うことを特徴とする。
【００３１】
また、前記第７の工程の導電性材料として、金属膜、金属線、金属箔、及び導電ペーストのうち少なくとも１種を用いることを特徴とする。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光電変換装置の実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。
【００３３】
＜光電変換装置の構成＞
図１は、タンデム型の薄膜Ｓｉ（シリコン）太陽電池素子に対して本発明を適用した一例をそのプロセスとともに示したものである。ここで図中の、１０１は透光性基板、１０２は表電極、１０３は半導体多層膜、１０３ａは第１の半導体接合層、１０３ｂは第２の半導体接合層、１０４は裏電極、１０５は第１の分離溝、１０６は第２の分離溝、１０７は絶縁膜、１０８は第１の接続口、１０９は接続口ならびに第２の接続口、１１０は導電性材料、１１１は第３の分離溝である。
【００３４】
本発明の光電変換装置は、図１（ｅ）に示すように、透光性基板１０１上に、表電極１０２、少なくとも１つ以上の半導体接合（１０３ａ、１０３ｂ）を有する半導体多層膜１０３、裏電極１０４がこの順で形成された複数の半導体素子が、導電性材料１１０によって隣接する半導体素子間で直列接続された集積化構造を有しており、これら複数の半導体素子は、裏電極１０４から表電極１０２まで分離する第１の分離溝１０５によって互いに分離されており、これら複数の半導体素子は、それぞれ、裏電極１０４から半導体多層膜１０３まで分離する第２の分離溝１０６によって第１の領域と第２の領域に分離されており、これら複数の半導体素子の隣接する素子間の直列接続は、一方の半導体素子の第１の領域内における裏電極１０４と、一方の半導体素子と隣接する他方の半導体素子の第２の領域内における表電極１０２とが、導電性材料１１０によって接続されることで実現されている。
【００３５】
さらに、半導体素子は絶縁膜１０７によって覆われており、一方の半導体素子の裏電極１０４と他方の半導体素子の表電極１０２との導電性材料１１０による接続は、一方の半導体素子の第１の領域内における絶縁膜１０７に形成された第１の接続口１０８と、一方の半導体素子と隣接する他方の半導体素子の第２の領域内に設けられ、絶縁膜１０７、裏電極１０４及び半導体多層膜１０３を貫通して表電極１０２に達する接続溝によって形成された第２の接続口１０９を介して実現されており、第１の分離溝１０５及び第２の分離溝１０６は、絶縁膜１０７で覆われている。
【００３６】
＜光電変換装置の製造方法＞
このように構成された光電変換装置は以下の工程により製造される。すなわち、透光性基板１０１上に、表電極１０２、少なくとも１つ以上の半導体接合を有した半導体多層膜１０３、及び裏電極１０４を順次積層して第１の積層体を形成する第１の工程と、第１の分離溝によって第１の積層体を複数の素子に分離する第２の工程と、第２の分離溝によって複数の素子それぞれを構成する表電極１０２、半導体多層膜１０３及び裏電極１０４のうち、半導体多層膜１０３と裏電極１０４とからなる積層体部分を少なくとも接続領域と発電領域の２つの領域に分離する第３の工程と、少なくとも裏電極１０４、第１の分離溝１０５及び第２の分離溝１０６が存在する領域が覆われるように絶縁膜１０７を積層形成する第４の工程と、前記発電領域に絶縁膜１０７を貫通して裏電極１０４に到達する第１の接続口１０８を形成する第５の工程と、前記接続領域に対して表電極１０２に到達する接続溝からなる第２の接続口１０９を形成する第６の工程と、分離された一方の素子における前記第１の接続口１０９に位置した裏電極１０４と、第１の分離溝１０５によって分離された一方の素子と隣接する他方の素子における第２の接続口１０９に位置した表電極１０２とを導電性材料１１０によって電気的に接続させ、この接続構造をさらに隣接する素子に対しても順次繰り返すことで、複数の素子を直列に接続させる第７の工程からなる。
【００３７】
次に、本発明の具体的な製造方法について説明する。
【００３８】
＜素子形成（図１（ａ）を参照）＞
まず透光性基板１０１を用意する。ここで透光性基板１０１としては、ガラス、プラスチック、樹脂などを材料とした板材あるいはフィルム材を用いることができる。
【００３９】
次に、透光性基板１０１上に表電極１０２を形成する。表電極１０２としては、公知の酸化物透明導電膜を用いることができる。具体的には、スズ酸化物であるＳｎＯ_２、インジウム−スズ酸化物であるＩＴＯ、亜鉛酸化物であるＺｎＯなど材料を用いることができる。なお、該透明導電膜は、後に該膜上にＳｉ膜を形成するときに、ＳｉＨ_４とＨ_２を使用することに起因した活性水素ガス雰囲気に曝されることになるので、耐還元性に優れるＺｎＯ膜を少なくとも最終表面として形成するのが望ましい。製膜方法としては、ＣＶＤ法、蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、スプレー法、及びゾルゲル法など公知の技術を用いることができる。該透明導電膜の膜厚は、反射防止効果と低抵抗化を考慮して６０〜６００ｎｍ程度の範囲で調節する。低抵抗化の目安としてはシート抵抗を約１０Ω／□程度以下とするのが望ましい。
【００４０】
次に、半導体多層膜１０３を形成する。半導体多層膜１０３は第１の半導体接合層１０３ａと第２の半導体接合層１０３ｂからなる。
【００４１】
まず、前記表電極１０２上に第１の半導体接合層１０３ａを形成する。半導体接合層１０３ａは、ｐ型層、ｉ型層、ｎ型層が順次積層されたｐｉｎ接合からなる（不図示）。製法としては公知のＰＥＣＶＤ法やＣａｔ−ＣＶＤ法の他に、本発明者らが既に特願２０００−１３０８５８号、特願２００１−２９３０３１号、および特願２００２−３８６８６号などにおいて開示しているＣａｔ−ＰＥＣＶＤ法を用いることができる。
【００４２】
ここで、ｐ型層については、水素化アモルファスシリコン膜や微結晶シリコン相を含む結晶質シリコン膜を用いることができる。膜厚は前記材料に応じて２〜１００ｎｍ程度の範囲で調節する。ドーピング元素濃度については１×１０^１８〜１×１０^２１／ｃｍ^３程度として、実質的にはｐ^＋型とする。なお製膜時に用いるＳｉＨ_４、Ｈ_２およびドーピング用ガスであるＢ_２Ｈ_６などのガスに加えてＣＨ_４などのＣ（炭素）を含むガスを適量混合すればＳｉ_ｘＣ_１−ｘ膜が得られ、光吸収ロスの少ない窓層形成に非常に有効であるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分低減にも有効である。また、Ｃ以外にもＯ（酸素）を含むガスやＮ（窒素）を含むガスを適量混合させることでも同様な効果を得ることができる。
【００４３】
また、光活性層であるｉ型層については、水素化アモルファスシリコン膜を用い、膜厚は０．１〜０．５μｍ程度の範囲で調節する。実際にはノンドープ膜はわずかにｎ型特性を示すのが通例であるので、この場合はｐ型化ドープ元素をわずかに含ませて実質的にｉ型となるように調整することができる。なお、内部電界強度分布の微調整を目的に、ｎ⁻型あるいはｐ⁻型とする場合もある。
【００４４】
また、ｎ型層については、水素化アモルファスシリコン膜や微結晶シリコン相を含む結晶質シリコン膜を用いることができる。膜厚は材料に応じて２〜１００ｎｍ程度の範囲で調節する。ドーピング元素濃度については１×１０^１８〜１０^２１／ｃｍ^３程度として、実質的にはｎ^＋型とする。なお製膜時に用いるＳｉＨ_４、Ｈ_２、およびドーピング用ガスであるＰＨ_３などのガスに加えてＣＨ_４などのＣ（炭素）を含むガスを適量混合すればＳｉ_ｘＣ_１−ｘ膜が得られ、光吸収ロスの少ない膜形成ができるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分の低減にも有効である。また、Ｃ以外にもＯ（酸素）を含むガスやＮ（窒素）を含むガスを適量混合させることでも同様な効果を得ることができる。
【００４５】
また、接合特性をより改善するために、前記ｐ型層と光活性層との間や光活性層とｎ型層との間に実質的にｉ型の非単結晶Ｓｉ層や非単結晶Ｓｉ_ｘＣ_１−ｘ層を挿入してもよい。このときの挿入層の厚さは０．５〜５０ｎｍ程度とする。
【００４６】
ここで、第１の半導体接合層１０３ａと次に述べる第２の半導体接合層１０３ｂとの接合部において良好なトンネル接合特性を実現するためには（つまりオーミックコンタクト的な電気的接続特性を実現するためには）、前記第１の半導体接合層１０３ａに含まれるｎ型層と後記第２の半導体接合層１０３ｂに含まれるｐ型層において、少なくとも両者が接する部分では結晶化率を高めておくことが望ましい。
【００４７】
また、第１の半導体接合層１０３ａと第２の半導体接合層１０３ｂの間のオーミックコンタクト的な電気的接続特性を実現させるためには、透明導電膜や薄い金属層あるいは薄いシリサイド層（シリコンと金属の合金層）を導電性中間層として挿入する方法も用いることができる。ここで透明導電膜としては、スズ酸化物であるＳｎＯ２、インジウム−スズ酸化物であるＩＴＯ、亜鉛酸化物であるＺｎＯなどを用いることができる。ここで透明導電膜を用いる場合は、該透明導電膜の存在によって光学的効果（反射及び透過特性）をも導入することができるので高効率化の点で非常に優れている。すなわち、該透明導電膜厚を調整することによって、短波長光は該透明導電膜で反射させて第１の半導体接合層１０３ａに優先的に再入射させ、また長波長光は反射防止効果と同じ原理によって第２の半導体接合層１０３ｂに優先的に閉じ込めることができ、光エネルギーのより効率的な光電変換が可能となるのである。またシリサイド層を用いる場合は、第１の半導体接合層１０３ａと第２の半導体接合層１０３ｂの間のオーミックコンタクトをより確実かつ簡便に歩留まりよく実現できる効果を期待できる。
【００４８】
次に、前記第１の半導体接合層１０３ａ上に、第２の半導体接合層１０３ｂを形成する。半導体接合層１０３ｂは、ｐ型層、ｉ型層、ｎ型層が順次積層されたｐｉｎ接合からなる（不図示）。製法としては公知のＰＥＣＶＤ法やＣａｔ−ＣＶＤ法の他に、本発明者らが既に特願２０００−１３０８５８号、特願２００１−２９３０３１号、および特願２００２−３８６８６号などにおいて開示しているＣａｔ−ＰＥＣＶＤ法を用いることができる。
【００４９】
ここで、ｐ型層については、水素化アモルファスシリコン膜や微結晶シリコン相を含む結晶質シリコン膜を用いることができる。膜厚は材料に応じて２〜１００ｎｍ程度の範囲で調節する。ドーピング元素濃度については１×１０^１８〜１１０^２１／ｃｍ^３程度として、実質的にはｐ^＋型とする。なお、製膜時に用いるＳｉＨ_４、Ｈ_２、およびドーピング用ガスであるＢ_２Ｈ_６などのガスに加えてＣＨ_４などのＣ（炭素）を含むガスを適量混合すればＳｉ_ｘＣ_１−ｘ膜が得られ、光吸収ロスの少ない窓層形成に非常に有効であるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分低減にも有効である。また、Ｃ以外にもＯ（酸素）を含むガスやＮ（窒素）を含むガスを適量混合させることでも同様な効果を得ることができる。
【００５０】
また、光活性層であるｉ型層については、微結晶シリコン膜に代表される結晶質シリコン膜を用い、膜厚は１〜３μｍ程度の範囲で調節する。実際にはノンドープ膜はわずかにｎ型特性を示すのが通例であるので、この場合はｐ型化ドープ元素をわずかに含ませて実質的にｉ型となるように調整することができる。なお、内部電界強度分布の微調整を目的に、ｎ⁻型あるいはｐ⁻型とする場合もある。このとき、膜構造としては、結晶面のうち（１１０）面が優先的に成長した結果として生ずる（１１０）面配向の柱状結晶粒の集合体として製膜後の表面形状が光閉じ込めに適した自生的な凹凸構造となるようにするのが望ましい。
【００５１】
また、ｎ型層については、水素化アモルファスシリコン膜や微結晶シリコン相を含む結晶質シリコン膜を用いることができる。膜厚は材料に応じて２〜１００ｎｍ程度の範囲で調節する。ドーピング元素濃度については１×１０^１８〜１０^２１／ｃｍ^３程度として、実質的にはｎ^＋型とする。なお製膜時に用いるＳｉＨ_４、Ｈ_２、およびドーピング用ガスであるＰＨ_３などのガスに加えてＣＨ_４などのＣ（炭素）を含むガスを適量混合すればＳｉ_ｘＣ_１−ｘ膜が得られ、光吸収ロスの少ない膜形成ができるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分の低減にも有効である。また、Ｃ以外にもＯ（酸素）を含むガスやＮ（窒素）を含むガスを適量混合させることでも同様な効果を得ることができる。
【００５２】
なお、接合特性をより改善するために前記ｐ型層と光活性層の間や光活性層とｎ型層の間に実質的にｉ型の非単結晶Ｓｉ層を挿入してもよい。このときの挿入層の厚さは０．５〜５０ｎｍ程度とする。
【００５３】
次に、裏電極１０４として、金属膜を形成する。この金属膜材料としては、導電特性および光反射特性に優れるＡｌ（アルミニウム）、Ａｇ（銀）などを用いるのが望ましい。製膜方法としては、蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、スクリーン印刷法などの公知の技術を使用できる。このとき膜厚は、０．１μｍ程度以上とする。なお、該裏電極１０４は、半導体層に接する面側から透明導電膜／金属膜の順に積層された構造とすることがより好ましい。このように半導体層と金属膜の間に透明導電膜を挿入することによって、金属膜成分が半導体層中に拡散して素子特性を劣化させる現象を抑えることができる。また該透明導電膜形成表面に適当な凹凸構造をもたせれば光が有効に散乱されるようになるので太陽電池の効率向上に有効な光閉じ込め効果を増進させることができる。ここで該透明導電膜材料としては、上述したようにＳｎＯ_２、ＩＴＯ、ＺｎＯなどを用いることができ、製膜方法としては、ＣＶＤ法、蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、スプレー法、およびゾルゲル法など公知の技術を用いることができる。
【００５４】
以上、図１（ａ）の工程では、表電極１０２形成から裏電極１０４形成までの間に何らの膜加工もなされないので、加工に伴うゴミの発生、洗浄にともなう洗浄不良や残渣付着の恐れが全く無い素子形成が可能となり、高い素子特性と、高い素子歩留まりを実現することができる。
【００５５】
＜第１分離溝及び第２分離溝の形成（図１（ｂ）を参照）＞
図１（ａ）で素子形成まで終えた後、第１の分離溝と第２の分離溝を形成するが、第１の分離溝形成と第２の分離溝形成の順序に拘る必要はない。
【００５６】
第１の分離溝は、裏電極１０４、半導体多層膜１０３、表電極１０２を貫通し、透光性基板１０１が露出するようにレーザー加工法で形成する。このときレーザーとしては、例えばＹＡＧの基本波（波長１．０６μｍ）を用い、パワーは堆積膜の厚さによって調節する。例えば表電極１０２としてＳｎＯ２を５００ｎｍ、半導体多層膜１０３として前記したＳｉ系膜を層厚２〜３μｍ程度、裏電極１０４としてＡｇを０．２μｍとした場合、レーザーパワーは加工点において２〜４Ｗ程度の範囲で調節すればよい。なお加工幅については５０〜１００μｍ程度にする。またレーザー照射方向はガラス面側とし、ガラス面側が重力的に上側になるようにして、レーザー加工時に発生するアブレーション屑がデバイス表面に付着しにくくすることが望ましい（これは以下に述べるいずれのレーザー加工工程においても適用されることが望ましい）。以上によって透光性基板上に複数の電気的に分離された素子領域が形成される。
【００５７】
第２の分離溝も基本的には第１の分離溝と同様の工程となるが、表電極１０２が露出された状態で貫通穴深さを止めるために、用いるレーザー波長は第２高調波（０．５３μｍ）とし、パワーは０．１〜０．５Ｗ程度の範囲で調節する。こうすることで表電極１０２は残しつつ、半導体多層膜１０３及び裏電極１０４を優先的・選択的に除去することができる。以上によって前記それぞれの素子領域は第１の領域と第２の領域に分離分割される。
【００５８】
ここで、第２の分離溝は半導体多層膜を完全に除去する条件範囲で行えるので、従来例のように半導体多層膜の途中で止めるようなレーザー加工条件調整を行う必要がなく、歩留まりのよい加工工程とすることができる。
【００５９】
また、この第２の分離溝１０６が半導体多層膜を完全に除去することによって、後に述べる接続溝／第２の接続口に形成される導電性材料１１０と光発電領域の半導体多層膜とは完全に絶縁分離されることになるので、従来技術の課題の部分で述べたような、半導体多層膜中に逆接合部あるいは導電性中間層が存在しそれが接続溝の導電材料と接触することによってリークが発生するという問題は完全に回避することができる。
【００６０】
なお、前記第１の分離溝と第２の分離溝形成には、エッチング法を用いることもできるが、簡便かつ低コスト加工作業を実現できるレーザー加工工程を用いる方が望ましい。
【００６１】
＜絶縁膜形成及び第１の接続口形成（図１（ｃ）を参照）＞
図１（ｂ）まで終えた後、絶縁膜１０７形成と第１の接続口１０８の形成を行う。
【００６２】
絶縁膜１０７としては、シリコン酸化物である酸化シリコン膜、シリコン窒化物である窒化シリコン膜、シリコン炭化物である炭化シリコンの他に、酸化チタン膜、窒化チタン膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化タンタル、などの金属の酸化物や窒化物、またダイヤモンドやダイヤモンドライクカーボンといった炭素膜といった無機絶縁膜や、樹脂などの有機絶縁膜を用いることができる。特に、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜を該絶縁膜に用いた場合は、単なる機械的保護膜としてだけでなく、電気的パッシベーション効果をも期待することができる。また、金属の酸化物や窒化物を該絶縁膜に用いた場合は、特に耐食性に優れた絶縁保護膜を形成することができる。またダイヤモンドやダイヤモンドライクカーボンを該絶縁膜に用いた場合は特に耐熱性に優れた絶縁保護膜を形成することができる。ここで無機絶縁膜の製法としては、スパッタ法、熱ＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法、反応性蒸着法、反応性イオンプレーティング法などを用いることができる。有機絶縁膜の製法としては、プリント法、スプレーコート法などを用いることができる。
【００６３】
第１の接続口１０８は、前記絶縁膜１０７形成前に所定のパターンのマスクを接続口形成位置に設置しておいて、前記絶縁膜１０７形成後にマスクを除去することで形成することもできるし、該マスク無しに前記絶縁膜１０７を形成した後に、追加工によって形成することもできる。追加工法としてはレーザー加工法の他にメカニカルスクライブ法、ウエットあるいはドライエッチング法などを用いることができるが、その加工深さに非常な精度を要するので、前者のマスクパターニング法で行うことが望ましい。
【００６４】
本発明の利点のひとつとして、該マスクの位置合わせにそれほどの精度を要しないということが挙げられる。つまり第１の接続口１０８は該接続口１０８から裏電極１０４が露出していればよいのであって、該接続口１０８の横方向の位置ズレ許容範囲は裏電極１０４の幅（５〜２０ｍｍ程度）程度にあるからである（前記したレーザー加工位置については１０μｍオーダーの位置精度が要求されるのに対して、該マスク位置合わせ位置についてはｍｍオーダーの位置精度があればよいのである）。
【００６５】
以上によって該工程の低コスト化を実現することができる。
【００６６】
＜接続溝／第２の接続口形成（図１（ｄ）を参照）＞
図１（ｃ）まで終えた後、接続溝／第２の接続口１０９を形成する。
【００６７】
接続溝／第２の接続口１０９は、絶縁膜１０７が無機絶縁膜である場合は、基本的には前記第２の分離溝１０６形成条件とほぼ同一条件で形成でき、絶縁膜の厚さに応じてレーザーパワーを調整すればよい。必要であれば低パワーの基本波で絶縁膜を優先して溝加工した後に、第２高調波で残りの膜を除去してもよい。ここで接続溝／第２の接続口１０９は、表電極１０２が露出すればその機能を果たしうるのであって、必ずしも連続した溝状である必要はなく、複数の貫通穴で構成してももちろんよい。
【００６８】
＜導電性材料による直列接続形成及び第３の分離溝形成（図１（ｅ）を参照）＞図１（ｄ）まで終えた後、導電性材料１１０による直列接続形成と第３の分離溝１１１の形成を行う。
【００６９】
導電性材料１１０としては、金属膜、金属線や金属箔、導電性樹脂、などを用いることができる。
【００７０】
金属膜を用いる場合は、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ（銅）、などの抵抗率の低い材料を用いることが望ましい。製法としてはスパッタ法、ＭＯＣＶＤ法、蒸着法、イオンプレーティング法などの公知の技術を用いることができる。ここで第３の分離溝１１１は、該金属膜を形成する前に所定の位置にマスクを設置しておき、該金属膜形成後に除去すれば形成することができる。また該金属膜と表電極１０２あるいは裏電極１０４との接着強度を高めるためには、該金属膜と表電極１０２あるいは裏電極１０４との間に接着強化層を挿入することができる。該接着強化層としては、例えばＴｉ、Ｃｒ、Ｎｉなどを含んだ金属材料や、ＳｎＯ２、ＩＴＯ、ＺｎＯといった導電性酸化物材料などを用いることができ、製法としてはスパッタ法、ＭＯＣＶＤ法、蒸着法、イオンプレーティング法などの公知の技術を用いることができる。
【００７１】
ここで本発明の利点のひとつとして、該マスクの幅サイズ、位置精度の許容範囲が広いということが挙げられる。つまり前記金属膜を分離する第３の分離溝１１１の幅サイズと位置は、接続溝／第２の接続口と第１の接続口の間のいずれかの位置で形成すればよく、第１の接続口１０８の位置を裏電極１０４内で適当に工夫すれば、第３の分離溝１１１の幅サイズと位置ズレの許容範囲はｍｍオーダーにできるのである。
【００７２】
金属線や金属箔を用いる場合は、半田材や導電ペースト材を介在物にして第１の接続口に露出した裏電極１０４と第２の接続口に露出した表電極１０２とを電気的に接続する。
【００７３】
導電性樹脂を用いる場合は、スクリーン印刷法を用いて所定のパターンに形成すれば、第３の分離溝１１１も同時に形成することができる。
【００７４】
以上によって該工程の低コスト化を実現することができる。
【００７５】
以上、本発明によれば、光電変換装置の集積化構造の形成において、高い特性、高い歩留まり、及び低コスト化を実現することができる。
【００７６】
＜一般化＞
ここでは本発明の実施形態をタンデム型薄膜Ｓｉ太陽電池を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の目的を逸脱しない限り任意の形態とすることができる。
【００７７】
すなわち、本発明は、２つの半導体接合層からなり逆接合部あるいは中間導電層がひとつ存在するタンデム型に限定されることなく、逆接合部あるいは中間導電層が２つ以上存在する多接合型の太陽電池にも適用できる。
【００７８】
また、本発明は、Ｓｉ系半導体に限定されることなく、化合物系や有機物系の半導体を用いた場合にも適用できる。
【００７９】
【発明の効果】
本発明によれば、光電変換装置の集積化にあたり、素子・加工分離工程を用いるので、加工工程で発生する異物や洗浄工程で発生する付着物が膜中に混入されることがなく、膜縦方向リークが防止される。
【００８０】
また、接続溝と光電変換部分の半導体多層膜とは電気的に完全に分離されているので、該半導体多層膜中に逆接合や導電性中間層が存在しても、これらに起因した横方向リークが防止される。
【００８１】
またマスクパターニング加工工程に要求される精度を緩くすることができるので、低コスト化工程を実現することができる。
【００８２】
特に、請求項３、４、５によれば、より確実・簡便・高歩留まりなオーミックコンタクトの形成や、より効率的な光エネルギーの分配による高効率化を実現することができる。
【００８３】
また、請求項６のうちシリコン酸化物あるいはシリコン窒化物によれば、電気的パッシベーション効果をも期待できる非常に優れた絶縁保護膜を形成することができる。
【００８４】
また、請求項７によれば、特に耐食性に優れた絶縁保護膜を形成することができる。
【００８５】
また、請求項８によれば、耐熱性に優れた絶縁保護膜を形成することができる。
【００８６】
また、請求項１０のうち金属膜や導電ペーストによれば、非常に簡便かつ低コストに直列接続を実現することができる。
【００８７】
また、請求項１２のうちレーザースクライブ法によれば、非常に簡便かつ低コストに加工作業を行うことができる。
【００８８】
また、請求項１３のうちマスクパターニング法によれば、より簡便かつ低コストな工程とすることができる。
【００８９】
また、請求項１４のうちマスクパターニング法を用いれば、より簡便かつ低コストな工程とすることができる。
【００９０】
さらに、請求項１５のうち金属膜あるいは導電ペーストによれば、非常に簡便かつ低コストに直列接続を実現することができる。
【００９１】
以上により、光電変換装置の集積化構造において、高い特性、高い歩留まり、低コスト化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ本発明に係る光電変換装置の集積化構造とその製造工程を説明する断面図である。太陽電池の一実施形態を模式的に示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ従来の光電変換装置の集積化構造とその製造工程を説明する断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ従来の光電変換装置の集積化構造とその製造工程を説明する断面図である。
【図４】従来のタンデム型素子に従来の集積化構造を適用した一例を説明する断面図である。
【図５】従来のタンデム型素子に従来の集積化構造を適用した他の例を説明する断面図である。
【符号の説明】
１０１：透光性基板
１０２：表電極
１０３：半導体多層膜
１０３ａ：第１の半導体接合層
１０３ｂ：第２の半導体接合層
１０４：裏電極
１０５：第１の分離溝
１０６：第２の分離溝
１０７：絶縁膜
１０８：第１の接続口
１０９：接続溝／第２の接続口
１１０：導電性材料
１１１：第３の分離溝

Claims (15)

1. 透光性基板上に、表電極、少なくとも１つ以上の半導体接合を有する半導体多層膜、裏電極がこの順で形成された複数の半導体素子が、導電性材料によって隣接する半導体素子間で直列接続された集積化構造を有した光電変換装置において、前記複数の半導体素子は、裏電極から表電極まで分離する第１の分離溝によって互いに分離されており、前記複数の半導体素子のそれぞれは、裏電極から半導体多層膜まで分離する第２の分離溝によって第１の領域と第２の領域に分離されており、前記複数の半導体素子の隣接する素子間の直列接続は、一方の半導体素子の前記第１の領域内における裏電極と、前記一方の半導体素子と隣接する他方の半導体素子の第２の領域内における表電極とが、導電性材料によって接続されることで実現されていることを特徴とする光電変換装置。
2. 前記半導体素子は絶縁膜によって覆われており、前記一方の半導体素子の裏電極と前記他方の半導体素子の表電極との前記導電性材料による接続は、前記一方の半導体素子の前記第１の領域内における前記絶縁膜に形成された第１の接続口と、前記一方の半導体素子と隣接する他方の半導体素子の第２の領域内に設けられ、前記絶縁膜、前記裏電極及び前記半導体多層膜を貫通して前記表電極に達する接続溝によって形成された第２の接続口を介して実現されており、前記第１の分離溝及び前記第２の分離溝は、前記絶縁膜で覆われていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記半導体膜中に半導体接合層が複数あり、且つ少なくとも１つの半導体接合層間に金属層もしくは透明導電層が介在していることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
4. 前記金属層は、シリコンを含有した合金材料から成ることを特徴とする請求項３に記載の光電変換装置。
5. 前記透明導電層は、インジウム酸化物、インジウム−スズ酸化物、スズ酸化物、及び亜鉛酸化物のうちの少なくとも１種を含む金属酸化物から成ることを特徴とする請求項３に記載の光電変換装置。
6. 前記絶縁膜は、シリコン酸化物、シリコン炭化物、及びシリコン窒化物のうち少なくとも１種を含む材料から成ることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
7. 前記絶縁膜は、金属酸化物及び金属窒化物のうち少なくともいずれかを含む材料からなっていることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
8. 前記絶縁膜は、ダイヤモンド及びダイヤモンドライクカーボンのうち少なくともいずれかを含む材料から成ることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
9. 前記絶縁膜は樹脂材料から成ることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
10. 前記導電性材料は、金属膜、金属線、金属箔、及び導電性ペーストのうち少なくとも１種であることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。
11. 透光性基板上に、表電極、少なくとも１つ以上の半導体接合を有した半導体多層膜、及び裏電極を順次積層して第１の積層体を形成する第１の工程と、第１の分離溝によって前記第１の積層体を複数の素子に分離する第２の工程と、第２の分離溝によって前記複数の素子それぞれを構成する表電極、半導体多層膜及び裏電極のうち、半導体多層膜と裏電極とからなる積層体部分を少なくとも接続領域と発電領域の２つの領域に分離する第３の工程と、少なくとも前記裏電極、前記第１の分離溝及び前記第２の分離溝が存在する領域が覆われるように絶縁膜を積層形成する第４の工程と、前記発電領域に絶縁膜を貫通して裏電極に到達する第１の接続口を形成する第５の工程と、前記接続領域に対して前記表電極に到達する接続溝からなる第２の接続口を形成する第６の工程と、分離された一方の素子における前記第１の接続口に位置した裏電極と、前記第１の分離溝によって分離された前記一方の素子と隣接する他方の素子における前記第２の接続口に位置した表電極とを導電性材料によって電気的に接続させ、この接続構造をさらに隣接する素子に対しても順次繰り返すことで、前記複数の素子を直列に接続させる第７の工程からなることを特徴とする光電変換装置の製造方法。
12. 前記第１分離溝及び前記第２分離の少なくとも一方が、レーザースクライブ法もしくはエッチング法で形成されることを特徴とする請求項１１に記載の光電変換装置の製造方法。
13. 前記第１接続口は、マスクパターニング法もしくはレーザースクライブ法により形成されることを特徴とする請求項１１に記載の集積化構造を有した光電変換装置の製造方法。
14. 前記第７の工程は、金属膜形成方法と、マスクパターニング法もしくはエッチング法とを組み合わせて行うことを特徴とする請求項１１に記載の光電変換装置の製造方法。
15. 前記第７の工程の導電性材料として、金属膜、金属線、金属箔、及び導電ペーストのうち少なくとも１種を用いることを特徴とする請求項１１に記載の光電変換装置の製造方法。

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