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JP2005191167A - 集積型薄膜太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

集積型薄膜太陽電池及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 機械的パターニングの際の金属針による基板の損傷を防ぐ。
【解決手段】 基板２、裏面電極層３、多元化合物半導体薄膜（光吸収層）５、透明で高抵抗のバッファ層６、透明で導電性の窓層７の順序で積層した薄膜を個々の単セルに分割し、これを複数直列接続して所定電圧を得るもので、裏面電極層３を分割するパターニングＰ１と、光吸収層５又はこれとバッファ層６を分割するパターニングＰ２と、窓層７乃至光吸収層５を分割するパターニングＰ３とからなり、前記Ｐ２及びＰ３は、各構成薄膜層を金属針で機械的に除去して溝を形成する際、光吸収層形成工程で裏面電極層３の表面に副次的にカルコゲン元素との反応で生成した極薄膜層４を固体潤滑剤として用いる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パターニング工程により所定の電圧を得るために、個々の薄膜太陽電池セルを直列接続する構造に分割する集積型薄膜太陽電池及びそのの製造方法に関する。
太陽電池モジュールの製造においては、所定の電圧を得るため、基本単位ユニットである太陽電池セルを所定の数直列接続する必要があり、結晶系シリコン太陽電池の場合は、太陽電池セルの裏と表を半田付銅製リボンで交互に接続するストリングス工程が必要である。一方、ＣＩＳ系等の薄膜太陽電池では、パターニングにより基板上に複数の太陽電池セルを分割させ、且つこれらを直列接続させた集積型構造を形成する製造方法が採用されている。
ＣＩＳ系薄膜太陽電池のｐ形光吸収層として、Cu-III-VI2族カルコパイライト半導体、例えば、２セレン化銅インジウム(CIS) 、２セレン化銅インジウム・ガリウム(CIGS)、２セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム(CIGSS) 又はCIGSS を表面層とする薄膜層を有するCIGS等があり、このｐ形光吸収層とｐｎヘテロ接合を有する集積型薄膜太陽電池を複数のユニットセルに短冊状に切り分け、数十〜数百ミクロンの溝又は間隙をインターコネクト部として形成し、前記ユニットセルを直列接続する製造工程において、パターニング工程が採用されている。（例えば、非特許文献１及び特許文献１参照。）
第２３回ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ （１９９３），Ｐ４３７−４４０，Ｃ．Ｆｒｅｄｒｉｃ他発表。 特開２００２−３１９６８６号公報
これら集積型薄膜太陽電池の製造方法は、例えば、３つのパターニング工程Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３からなる。パターニングＰ１は、絶縁性の基板上にスパッタ法によりモリブデン等の金属裏面電極層を形成した後、ネオジウムＹＡＧレーザ等赤外域（１０６４ｎｍ）のビームを使用して、金属裏面電極層を短冊状に分割し切り分ける。その上に、同時蒸着法又はセレン化法等によりCu-III-VI2族カルコパイライト半導体からなるｐ形光吸収層を形成した後、溶液から化学的に成長した透明で高抵抗を有する化合物半導体薄膜からなるバッファ層を形成した積層構造の半導体薄膜が形成される。パターニングＰ２は、前記半導体薄膜、即ち、前記バッファ層とｐ形光吸収層をメカニカル・スクライビング法で、その一部を機械的に除去することにより、短冊状に分割し切り分ける。パターニングＰ２は、前記パターニングＰ１において分割し切り分けたユニットセル数と同数に、位置的にオフセットを取ってパターニングする。パターニングＰ３は、前記バッファ層上に金属酸化物半導体薄膜からなる透明導電膜（窓層）を製膜した後、前記透明導電膜（窓層）とバッファ層とｐ形光吸収層の一部をメカニカル・スクライビング法で、前記パターニングＰ２における位置からオフセットさせて機械的に除去することにより、短冊状に分割し切り分けことにより、達成される。その結果、金属裏面電極層上にｐ形光吸収層、バッファ層、透明導電膜（窓層）の順に積層された積層構造の太陽電池セルがセル単位で分割され、この太陽電池セルの透明導電膜（窓層）と隣接する太陽電池セルの金属裏面電極層とが直列接続される。
従来の集積型薄膜太陽電池の製造方法で採用されるメカニカル・スクライビング法による薄膜の一部を短冊状に切り分けるパターニング工程では、薄膜を切り分ける手段として、金属刃、カッターナイフ、金属針又はニードル等を用いている。例えば、繊細な切り分けが可能な金属針を用いる場合、前記パターニング工程においては、バッファ層から光吸収層まで、透明導電膜（窓層）から光吸収層まで、夫々薄膜を切り分ける必要があり、その際に金属針が光吸収層の下層である金属裏面電極層を突き抜けて、基板のガラス面が露出するという問題があった。
本発明は前記問題点を解消するもので、本発明の目的は、基板上に複数の薄膜太陽電池セルが所定数直列接続された積層構造の薄膜太陽電池を一連の薄膜太陽電池製造プロセスの中に、薄膜太陽電池セルの分割及びこれらの接続のためのパターニング工程を組み込むことにより、製造工程の単純化、製造コストの大幅な低減、及び薄膜太陽電池の変換効率を維持しつつ歩留りの向上を達成することである。
更に、本発明は、前記集積型薄膜太陽電池の製造工程中に採用されるメカニカル・スクライビング法において、金属針を使用することにより、簡便且つ装置コストが安価で、短時間で形成することである。
更に、本発明は、金属裏面電極層３と光吸収層５との境界に副産物として形成される極薄膜層４を固体潤滑剤として利用することにより、前記メカニカル・スクライビング法による薄膜の一部を短冊状に切り分けるパターニング工程で発生する、金属針が光吸収層の下層である金属裏面電極層を突き抜けて、基板のガラス面が露出するのを防止して、製品の歩留りの低下を防ぐことである。
（１）本発明は、基板と、前記基板上の金属裏面電極層と、前記金属裏面電極層上のｐ形の導電形を有し且つ光吸収層として供される多元化合物半導体薄膜（以下、光吸収層という。）と、前記多元化合物半導体薄膜上の多元化合物半導体薄膜と反対の導電形を有し、禁制帯幅が広く且つ透明で導電性を有し窓層として供される金属酸化物半導体薄膜（以下、窓層という。）と、前記光吸収層と窓層との間の界面の混晶化合物半導体薄膜からなるバッファ層とを構成薄膜とする薄膜太陽電池であって、前記金属裏面電極層上に前記光吸収層を形成する際に、金属裏面電極層と光吸収層との境界に副次的に形成される極薄膜層をパターニング工程で固体潤滑剤として利用し、薄膜太陽電池単位セルに分割し、且つこれら薄膜太陽電池単位セルをパターニングにより複数個接続した構造とする集積型薄膜太陽電池である。
（２）本発明は、前記金属裏面電極層がモリブデンの場合は、前記極薄膜層がセレン化モリブデン又は硫化モリブデンからなる前記（１）に記載の集積型薄膜太陽電池である。
（３）本発明は、基板と、前記基板上の金属裏面電極層と、前記金属裏面電極層上のｐ形の導電形を有し且つ光吸収層として供される多元化合物半導体薄膜と、前記光吸収層上の光吸収層と反対の導電形を有し、禁制帯幅が広く且つ透明で導電性を有し窓層として供される金属酸化物半導体薄膜と、前記光吸収層と窓層との間の界面の混晶化合物半導体薄膜からなるバッファ層と、を構成薄膜とする集積型薄膜太陽電池の製造方法であって、
前記前記金属裏面電極層の一部を細線状に除去することによりパターニング（パターンを形成）する第１のパターニング工程と、
前記第１のパターニング工程で形成されるパターンを基準位置として一定間隔オフセットして前記光吸収層の一部又は前記光吸収層とバッファ層の一部を細線状に除去することによりパターニング（パターンを形成）する第２のパターニング工程と、
前記第１のパターニング工程又は第２のパターニング工程で形成されるパターンを基準位置として一定間隔オフセットして前記光吸収層とバッファ層と窓層の一部を細線状に除去することによりパターニング（パターンを形成）する第３のパターニング工程とからなり、
前記第２のパターニング工程及び第３のパターニング工程は、先端が尖った金属針により、対象とする積層薄膜層の一部を機械的に引っ掻くようにして除去するメカニカル・スクライビング法により実施し、前記光吸収層形成過程で、副次的に金属裏面電極層の表面に生成する極薄膜層を固体潤滑剤として用い、金属針の先端を滑らせて、前記光吸収層までの各層を機械的に引っ掻くようにして除去するものであり、
前記第１のパターニング工程、第２のパターニング工程、第３のパターニング工程の順に順次パターニングを行うことにより、対象となる薄膜太陽電池の各構成薄膜層を機械的に除去して、溝又は間隙を形成して、薄膜太陽電池を短冊状の単位セルに分割し切り分け、前記分割された単位セルが所定数直列接続した構造の集積型の薄膜太陽電池を得る集積型薄膜太陽電池の製造方法である。
（４）本発明は、前記第１のパターニング工程が、前記金属裏面電極層がＭｏ等の金属の場合には、レーザ法により実施する前記（３）に記載の集積型薄膜太陽電池の製造方法である。
（５）本発明は、前記金属裏面電極層の表面に副次的に生成する極薄膜層が、金属裏面電極層がモリブデンの場合は、セレン化モリブデン又は硫化モリブデンである前記（３）に記載の集積型薄膜太陽電池の製造方法である。
（６）本発明は、前記第２のパターニング工程及び第３のパターニング工程において形成する溝又は間隙が、３０〜５０μｍ幅で１ｍ以上の長さで、直線性良く、近接した位置関係で複数本形成する前記（３）に記載の薄膜太陽電池の製造方法である。
本発明は、基板上に複数の薄膜太陽電池セルが所定数直列接続された積層構造の集積型薄膜太陽電池を作製するために一連の薄膜太陽電池製造プロセスの中に、薄膜太陽電池セルの分割及びこれらの接続のためのパターニング工程を組み込むことにより、製造工程の単純化、製造コストの大幅な低減、及び薄膜太陽電池の変換効率を維持しつつ歩留りの向上を達成することができる。
更に、本発明は、前記集積型薄膜太陽電池の製造工程中に採用されるメカニカル・スクライビング法において、金属針を使用することにより、簡便且つ装置コストが安価で、短時間で形成することができる。
更に、本発明は、金属裏面電極層３と光吸収層５との境界に副次的に形成される極薄膜層４を固体潤滑剤として利用することにより、前記メカニカル・スクライビング法による積層薄膜の一部を短冊状に切り分けるパターニング工程で発生する、金属針が光吸収層の下層である金属裏面電極層を突き抜けて、基板のガラス面が露出するトラブルを防止することができ、その結果、歩留りの低下を防ぐことができる。
本発明の集積型薄膜太陽電池の基本構造は図２に示すように、基板２と、前記基板２上の金属裏面電極層３と、前記金属裏面電極層３上のｐ形の導電形を有し且つ光吸収層として供される多元化合物半導体薄膜５と、前記多元化合物半導体薄膜５上の多元化合物半導体薄膜と反対の導電形を有し、禁制帯幅が広く且つ透明で導電性を有し窓層として供される金属酸化物半導体薄膜７と、前記光吸収層５と窓層７との間の界面の透明で高抵抗を有する混晶化合物半導体薄膜からなるバッファ層６とを構成薄膜とする積層構造の集積型薄膜太陽電池１である。前記金属裏面電極層２上に前記光吸収層５を形成する際に、金属裏面電極層３と光吸収層５との境界に副次的に極薄膜層４が形成される。本発明は、極薄膜層４を前記薄膜太陽電池セル単位に分割、且つこれら薄膜太陽電池セルを複数個接続するパターニング工程で固体潤滑剤として利用する。前記金属裏面電極層がモリブデンの場合は、前記極薄膜層４がセレン化モリブデン又は硫化モリブデンである。前記セレン化モリブデンの極薄膜層４の場合は、図４に示すように、その４の膜厚は１００〜２００ｎｍ（０．１〜０．２μｍ）である。
前記光吸収層５は、Cu-III-VI2族カルコパイライト半導体、例えば、２セレン化銅インジウム(CIS) 、２セレン化銅インジウム・ガリウム(CIGS)、２セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム(CIGSS) 又はCIGSS を表面層とする薄膜層を有するCIGS等からなる。
次に、本発明の積層構造の集積型薄膜太陽電池の製造方法を説明する。
本発明の集積型薄膜太陽電池の製造方法は、図１に示すように、基板上に複数の薄膜太陽電池セルが所定数直列接続された積層構造の薄膜太陽電池を一連の薄膜太陽電池製造プロセスの中に、薄膜太陽電池セルの分割及びこれらの接続のための以下の３つのパターニング（パターン形成工程）Ｐ１、Ｐ２及びＰ３を組み込むことにより、より変換効率の高い太陽電池の製造方法を達成することができる。
先ず、第１のパターン形成工程であるパターニングＰ１は、図１（ａ）に示すように、絶縁性のガラス等からなる基板２上にスパッタ法によりモリブデン等の金属からなる金属裏面電極層３を形成した後、レーザビームを使用して、金属裏面電極層を短冊状に分割し切り分ける。前記パターニングＰ１は、前記金属裏面電極層がＭｏ等の金属の場合には、前記のようなレーザ法が適している。
次に、第２のパターン形成工程であるパターニングＰ２は、図１（ｂ）に示すように、前記パターニングＰ１が施された金属裏面電極層３上に、同時蒸着法又はセレン化法等によりCu-III-VI2族カルコパイライト半導体からなるｐ形光吸収層５を形成した後（バッファ層製膜前）、又は前記ｐ形光吸収層５を形成し、更に、透明で高抵抗を有する化合物半導体薄膜からなるバッファ層６を形成した積層構造の半導体薄膜が形成された後（バッファ層製膜後）、前記ｐ形光吸収層５又は前記バッファ層６とｐ形光吸収層５を金属針等を用いたメカニカル・スクライビング法で、その一部を機械的に除去することにより、短冊状に分割し切り分ける。パターニングＰ２は、図３に示すように、前記パターニングＰ１において分割し切り分けたユニットセル数と同数に、位置的にオフセットを取ってパターニングする。
なお、前記パターニングＰ２は、光吸収層５を形成した後（バッファ層製膜前）に実施した場合（Ａ）と光吸収層５及びバッファ層６を形成した後（バッファ層製膜後）に実施した場合（Ｂ）とで、図５に示すように、Ｘ、Ｙ、Ｚの薄膜太陽電池は、バッファ層製膜前に実施したものとバッファ層製膜後実施したものと比較して、薄膜太陽電池の変換効率に差がないので、パターニングＰ２はバッファ層製膜前又はバッファ層製膜後の何れに行ってもよい。その結果、パターニングＰ２の自由度が増し、バッファ層製膜後の乾燥工程抜きで窓層を製膜できることから低コスト化と作業の簡略化が可能となる。
次に、第３のパターン形成工程であるパターニングＰ３は、図１（ｃ）に示すように、前記バッファ層６上に窓層６として供される金属酸化物半導体薄膜からなる透明導電膜を形成した後、前記窓層６とバッファ層６とｐ形光吸収層５の一部を金属針等を用いたメカニカル・スクライビング法で、図３に示すように、前記パターニングＰ１又はパターニングＰ２における位置から適切なオフセットを取って機械的に除去することにより、短冊状に分割し切り分けことにより、達成される。その結果、金属裏面電極層３上にｐ形光吸収層５、バッファ層６、窓層７の順に積層された積層構造の太陽電池セルがセル単位で分割され、この太陽電池セルの窓層７と隣接する太陽電池セルの金属裏面電極層３とが直列接続される。
前記多元化合物半導体薄膜からなる光吸収層５の形成過程で、カルコゲン元素（例えば、セレン又は硫黄）と金属裏面電極層３を反応させると、金属裏面電極層３の表面に副次的に固体潤滑剤の作用を有する極薄膜層４が生成する。前記極薄膜層４は、金属裏面電極層がモリブデンの場合は、セレン化モリブデン又は硫化モリブデンである。本発明は、金属針によるメカニカル・スクライビング法を用いた前記パターニングＰ２及びＰ３において、前記副次的に生成された極薄膜層４を積極的に固体潤滑剤として用い、金属針の先端を滑らせて、前記光吸収層５までの各層を機械的に引っ掻くようにして除去するので、金属針が金属裏面電極層３を突き抜けて基板であるガラス面が露出するトラブルを防止することができる。
パターンＰ２形成時、パターニングＰ１で形成された１本目の溝を探し、その位置を基準とし、オフセット操作により、前記パターニングＰ２の１本目の溝の形成開始位置を決定する。パターンＰ３形成時、パターニングＰ１又はパターニングＰ２で形成された１本目の溝を探し、その位置を基準とし、適切なオフセットを取って、前記パターニングＰ３の１本目の溝の形成開始位置を決定する。
パターンＰ２形成時、ＣＣＤカメラを用いて、前記パターニングＰ１で形成された１本目の溝の位置を探し、且つモニター画面上にパターニングＰ１で形成された１本目の溝である基準線と前記パターニングＰ２のパターニング工程で形成された溝を表示し、前記基準線と前記溝と比較することにより前記パターニングＰ２における直線性の評価を行う。また、パターンＰ３形成時、ＣＣＤカメラを用いて、前記パターニングＰ１又はパターニングＰ２で形成された１本目の溝の位置を探し、且つモニター画面上に前記パターニングＰ１又はパターニングＰ２で形成された１本目の溝である基準線と前記パターニングＰ３のパターニング工程で形成された溝を表示し、前記基準線と前記溝と比較することにより前記パターニングＰ３における直線性の評価を行う。更に、前記モニター画面上に寸法目盛り線を表示し、これを基に前記パターニングＰ２及び前記パターニングＰ３における直線性とパターンの幅を測定して、その評価を行う。
（ａ）本発明の集積型薄膜太陽電池の製造方法におけるパターニングＰ１実施後の状態図（断面図）である。 （ｂ）本発明の集積型薄膜太陽電池の製造方法におけるパターニングＰ２実施後の状態図（断面図）である。 （ｃ）本発明の集積型薄膜太陽電池の製造方法におけるパターニングＰ３実施後の状態図（断面図）である。 本発明の集積型薄膜太陽電池の基本構造を示す図である。 本発明の集積型薄膜太陽電池の製造方法におけるパターニングＰ１、Ｐ２及びＰ３により形成した集積型薄膜太陽電池のパターニング状態を示す図である。 本発明の集積型薄膜太陽電池における固体潤滑剤層として作用する極薄膜層（金属裏面電極層がモリブデンの場合に生成するセレン化モリブデン）の状態を示す透過電子顕微鏡写真である。 本発明の集積型薄膜太陽電池の製造方法により製造した集積型薄膜太陽電池において、バッファ層製膜前にパターニングＰ２を実施した薄膜太陽電池とバッファ層製膜後にパターニングＰ２を実施した薄膜太陽電池との変換効率の比較図である。 従来の集積型薄膜太陽電池の製造方法におけるパターニング工程の順番を示す図（断面図）である。
符号の説明
１ 薄膜太陽電池
２ 基板
３ 金属裏面電極
４ 極薄膜層（固体潤滑剤層）
５ 光吸収層（ｐ形多元化合物半導体薄膜）
６ バッファ層（混晶化合物半導体薄膜）
７ 窓層（ｎ形透明導電膜）

Claims (6)

  1. 基板と、前記基板上の金属裏面電極層と、前記金属裏面電極層上のｐ形の導電形を有し且つ光吸収層として供される多元化合物半導体薄膜（以下、光吸収層という。）と、前記多元化合物半導体薄膜上の多元化合物半導体薄膜と反対の導電形を有し、禁制帯幅が広く且つ透明で導電性を有し窓層として供される金属酸化物半導体薄膜（以下、窓層という。）と、前記光吸収層と窓層との間の界面の混晶化合物半導体薄膜からなるバッファ層とを構成薄膜とする薄膜太陽電池であって、前記金属裏面電極層上に前記光吸収層を形成する際に、金属裏面電極層と光吸収層との境界に副次的に形成される極薄膜層をパターニング工程で固体潤滑剤として利用し、薄膜太陽電池単位セルに分割し、且つこれら薄膜太陽電池単位セルをパターニングにより複数個接続した構造とすることを特徴とする集積型薄膜太陽電池。
  2. 前記金属裏面電極層がモリブデンの場合は、前記極薄膜層がセレン化モリブデン又は硫化モリブデンである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。
  3. 基板と、前記基板上の金属裏面電極層と、前記金属裏面電極層上のｐ形の導電形を有し且つ光吸収層として供される多元化合物半導体薄膜と、前記光吸収層上の光吸収層と反対の導電形を有し、禁制帯幅が広く且つ透明で導電性を有し窓層として供される金属酸化物半導体薄膜と、前記光吸収層と窓層との間の界面の混晶化合物半導体薄膜からなるバッファ層と、を構成薄膜とする集積型薄膜太陽電池の製造方法であって、
    前記前記金属裏面電極層の一部を細線状に除去することによりパターニング（パターンを形成）する第１のパターニング工程と、
    前記第１のパターニング工程で形成されるパターンを基準位置として一定間隔オフセットして前記光吸収層の一部又は前記光吸収層とバッファ層の一部を細線状に除去することによりパターニング（パターンを形成）する第２のパターニング工程と、
    前記第１のパターニング工程又は第２のパターニング工程で形成されるパターンを基準位置として一定間隔オフセットして前記光吸収層とバッファ層と窓層の一部を細線状に除去することによりパターニング（パターンを形成）する第３のパターニング工程とからなり、
    前記第２のパターニング工程及び第３のパターニング工程は、先端が尖った金属針により、対象とする積層薄膜層の一部を機械的に引っ掻くようにして除去するメカニカル・スクライビング法により実施し、前記光吸収層形成過程で、副次的に金属裏面電極層の表面に生成する極薄膜層を固体潤滑剤として用い、金属針の先端を滑らせて、前記光吸収層までの各層を機械的に引っ掻くようにして除去するものであり、
    前記第１のパターニング工程、第２のパターニング工程、第３のパターニング工程の順に順次パターニングを行うことにより、対象となる薄膜太陽電池の各構成薄膜層を機械的に除去して、溝又は間隙を形成して、薄膜太陽電池を短冊状の単位セルに分割し切り分け、前記分割された単位セルが所定数直列接続した構造の集積型の薄膜太陽電池を得ることを特徴とする集積型薄膜太陽電池の製造方法。
  4. 前記第１のパターニング工程は、前記金属裏面電極層がＭｏ等の金属の場合には、レーザ法により実施す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の製造方法。
  5. 前記金属裏面電極層の表面に副次的に生成する極薄膜層が、金属裏面電極層がモリブデンの場合は、セレン化モリブデン又は硫化モリブデンであ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の製造方法。
  6. 前記第２のパターニング工程及び第３のパターニング工程において形成する溝又は間隙が、３０〜５０μｍ幅で１ｍ以上の長さで、直線性良く、近接した位置関係で複数本形成することを特徴とする請求項３に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
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