(57)【要約】【課題】膜厚が厚くなった場合でも、高いエネルギーもしくは長い加工時間を低減して、スループットの低下を防止し、同時に効率の低下を防止することが可能な光電変換素子及びその製造方法を提供することにある。【解決手段】本発明は、絶縁性基板１０１の少なくとも一面に電極１０３を設けた後、第１の分離溝１０５を形成し、その後に第１の分離溝１０５の上に少なくとも１組のｎ層、ｉ層、ｐ層もしくはｐ層、ｉ層、ｎ層の光電変換層１０７をこの順に積層した後、透明電極層１０８を形成し、その後に透明電極層１０８を分離する第２の分離溝１０９を形成してなる光電変換素子の製造方法であって、第２の分離溝１０９が第１の分離溝１０５の内側に位置し、かつ第２の分離溝１０９が絶縁性基板１０１まで到達していない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板の少なくとも一面に電極を設けた後、第１の分離溝を形成し、その後に前記第１の分離溝の上に少なくとも１組のｎ層、ｉ層、ｐ層もしくはｐ層、ｉ層、ｎ層の光電変換層をこの順に積層した後、透明電極層を形成し、その後に前記透明電極層を分離する第２の分離溝を形成してなる光電変換素子の製造方法であって、前記第２の分離溝が前記第１の分離溝の内側に位置し、かつ前記第２の分離溝が前記絶縁性基板まで到達していないことを特徴とする光電変換素子の製造方法。
【請求項２】
前記光電変換素子で、少なくとも１組のｉ層が微結晶シリコン系薄膜から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項３】
前記絶縁性基板がフィルム基板から構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項４】
前記第２の分離溝が、前記少なくとも１層のｉ層の一部を残していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項５】
絶縁性基板の少なくとも一面に電極を設け、該電極に第１の分離溝を穿設し、該第１の分離溝の上に光電変換層を積層して、その上に透明電極層を形成し、該透明電極層を分離する第２の分離溝を形成してなる光電変換素子において、前記第２の分離溝を前記第１の分離溝の内側に設けるとともに、前記第２の分離溝を前記透明電極層を貫通して前記光電変換層の途中位置までカットして設けていることを特徴とする光電変換素子。
【請求項６】
前記光電変換層の下部の電極に前記第１の分離溝を設けるとともに、前記第２の分離溝を前記透明電極層を貫通して前記光電変換層の途中位置までカットして設け、前記第１の分離溝と前記第２の分離溝とを同一軸線上に配置していることを特徴とする請求項５に記載の光電変換素子。
【請求項７】
前記第１の分離溝と前記第２の分離溝との間の距離を、前記第２の分離溝と下部の電極との間の抵抗が、これら分離溝によって分離された、各光電変換素子の並列抵抗成分の略１０倍以上となるように設定していることを特徴とする請求項５または６に記載の光電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微結晶シリコン太陽電池に用いられる光電変換素子及びその製造方法に係り、特に光電変換素子の分離構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、薄膜太陽電池の分野では微結晶シリコン太陽電池が注目を集めている。微結晶シリコン太陽電池は、結晶のものと比べて大面積のものが一括で作製でき、直列接続構造を作り高電圧を得やすいという特徴を有している。この特徴を生かすためには、光電変換層の分離、パターニングの技術が重要である。
【０００３】
従来のパターニングの構造としては、例えば、フィルム基板太陽電池に適用している特許文献1（特開２００４-３５６３３１号公報）に示されるものがある。かかる技術においては、図２に示すように、基板１０１側の電極１０３の分離溝２０９ａと、その内側に位置し、透明電極１０８と光電変換層１０７を分離する分離溝２０９ｂが、基板１０１まで到達するような分離溝２０９となっている。なお、図２における符号１０２は、電極１０３，１０４及び基板１０１を貫通する貫通孔である。
【０００４】
また、他のパターニング構造としては、例えば特許文献２（特開２０００-３５３８１７号公報）に示されるものがある。かかる技術では、透明電極と光電変換層とを分離する分離溝が形成されている。また、特許文献３（特開平９-２６０６９５号公報）等には、基板に接する電極の分離溝と、それと平行して、電極を分離しない分離溝が設けられているものがある。
【特許文献１】特開２００４-３５６３３１号公報
【特許文献２】特開２０００-３５３８１７号公報
【特許文献３】特開平９-２６０６９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１に示すパターニングラインの構造では、半導体層が微結晶シリコンの場合のように厚い場合に、レーザーにより分離溝を形成するためには薄い膜の場合と比べて高いエネルギーもしくは長い加工時間が必要となるなどして、光電変換素子の単位時間当たりの処理能力（スループット）が低下することになる。
【０００６】
また、特許文献２の構造では、透明電極と光電変換層とを分離する分離溝が形成されているが、基板の一面に電極を設けた後に、第１の分離溝を設けることは開示されていない。また、かかる技術においては、分離溝の下に裏面電極が存在している。そのため、透明電極と裏面電極がショートする可能性があり、不安定な構造となっている。
さらに、特許文献３の構造では、ここでは詳細には記載しないが、隣り合う単位太陽電池間の接続は容易ではあるが、パターニングを行う際に分離溝端部が結晶化し、前記基板に接して形成される電極と透明電極とが導通することにより単位太陽電池がショートして効率が低下しやすいという問題がある。
【０００７】
本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、膜厚が厚くなった場合でも、高いエネルギーもしくは長い加工時間を低減して、スループットの低下を防止し、同時に効率の低下を防止することが可能な光電変換素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記従来技術の有する課題を解決するために、本発明は、絶縁性基板の少なくとも一面に電極を設けた後、第１の分離溝を形成し、その後に前記第１の分離溝の上に少なくとも１組のｎ層、ｉ層、ｐ層もしくはｐ層、ｉ層、ｎ層の光電変換層をこの順に積層した後、透明電極層を形成し、その後に前記透明電極層を分離する第２の分離溝を形成してなる光電変換素子の製造方法であって、前記第２の分離溝が前記第１の分離溝の内側に位置し、かつ前記第２の分離溝が前記絶縁性基板まで到達していない。
【０００９】
かかる発明においては、次のような構成及び手順を有することが好ましい。
（１）前記光電変換素子で、少なくとも１組のｉ層が微結晶シリコン系薄膜から構成されている。
（２）前記絶縁性基板がフィルム基板から構成されている。
（３）前記第２の分離溝が、前記少なくとも１層のｉ層の一部を残している。
【００１０】
また、本発明は、絶縁性基板の少なくとも一面に電極を設け、該電極に第１の分離溝を穿設し、該第１の分離溝の上に光電変換層を積層して、その上に透明電極層を形成し、該透明電極層を分離する第２の分離溝を形成してなる光電変換素子において、前記第２の分離溝を前記第１の分離溝の内側に設けるとともに、前記第２の分離溝を前記透明電極層を貫通して前記光電変換層の途中位置までカットして設けている。
【００１１】
かかる発明においては、次のような構成を有することが好ましい。
（１）前記光電変換層の下部の電極に前記第１の分離溝を設けるとともに、前記第２の分離溝を前記透明電極層を貫通して前記光電変換層の途中位置までカットして設け、前記第１の分離溝と前記第２の分離溝とを同一軸線上に配置している。
（２）前記第１の分離溝と前記第２の分離溝との間の距離を、前記第２の分離溝と下部の電極との間の抵抗が、これら分離溝によって分離された、各光電変換素子の並列抵抗成分の略１０倍以上となるように設定している。
【発明の効果】
【００１２】
上述の如く、本発明に係る光電変換素子の製造方法は、絶縁性基板の少なくとも一面に電極を設けた後、第１の分離溝を形成し、その後に前記第１の分離溝の上に少なくとも１組のｎ層、ｉ層、ｐ層もしくはｐ層、ｉ層、ｎ層の光電変換層をこの順に積層した後、透明電極層を形成し、その後に前記透明電極層を分離する第２の分離溝を形成してなり、前記第２の分離溝が前記第１の分離溝の内側に位置し、かつ前記第２の分離溝が前記絶縁性基板まで到達していないので、分離溝をすべて分離する場合に比べて、パターニングを行うレーザーの強度が４Ｗで走査速度を例えば２００〜５００ｍｍ／ｓと速くすることができ、膜厚が厚くなった場合でも、高いエネルギーもしくは長い加工時間を低減することが可能となり、製造プロセスのスループットを向上させることができる。
したがって、本発明の製造方法によれば、パターニング端部の結晶化による導通の影響を抑制しながら、パターニング時のスループットの低下を抑えることができる。
【００１３】
また、本発明において、前記光電変換素子で、少なくとも１組のｉ層が微結晶シリコン系薄膜から構成されているものを用い、かつ最表面がｉ層であると、結晶化部分の導通を減らすことが可能となり、かつ、分離溝を基板まで到達させる場合と比べて分離に必要な膜厚の違いが大きくなるため、スループット向上の効果が大きい。
【００１４】
かかる発明において、前記絶縁性基板がフィルム基板から構成されているものを用いると、基板の凹凸のためにパターニングの深さが変わり、基板へのダメージを低減することができるので、効果が大きい。
【００１５】
また、本発明に係る光電変換素子は、絶縁性基板の少なくとも一面に電極を設け、該電極に第１の分離溝を穿設し、該第１の分離溝の上に光電変換層を積層して、その上に透明電極層を形成し、該透明電極層を分離する第２の分離溝を形成してなり、前記第２の分離溝を前記第１の分離溝の内側に設けるとともに、前記第２の分離溝を前記透明電極層を貫通して前記光電変換層の途中位置までカットして設けているので、上記製造方法の発明と同様の効果を得ることができる。
しかも、かかる発明において、前記光電変換層の下部の電極に前記第１の分離溝を設けるとともに、前記第２の分離溝を前記透明電極層を貫通して前記光電変換層の途中位置までカットして設け、前記第１の分離溝と第２の分離溝とを同一軸線上に配置しているので、第２の分離溝の下に第１の分離溝があり、裏面電極が存在しないことになる。
また、本発明において、前記第１の分離溝と前記第２の分離溝との間の距離を、前記第２の分離溝と下部の電極との間の抵抗が、これら分離溝によって分離された、各光電変換素子の並列抵抗成分の略１０倍以上となるように設定しているので、透明電極と裏面電極の間のショートによる特性低下を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る光電変換素子及びその製造方法について、図面を参照しながら、その実施形態に基づき詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態に係る光電変換素子とその製造方法のプロセスを順を追って示している。
まず、図１（ａ）に示すように、絶縁性の基板１０１を貫通する貫通孔１０２を具備した当該基板１０１上に電極層１０３，１０４を設ける。この基板１０１としては、ポリイミド系のフィルムを用いたが、他にＰＥＮ、ＰＥＩ、ＰＥＴなどを用いることもできる。また、他にはガラスなどの絶縁性の基板を用いることもできる。
【００１８】
その後、図１（ｂ）に示すように、その電極層１０３と電極層１０４とを分離するための第１の分離溝１０５をレーザースクライプで設ける。この第１の分離溝１０５は幅を２００μmとした。
次いで、図１（ｃ）に示すように、上記貫通孔１０２と異なる、貫通孔（図示せず)を形成し、しかる後、電極層１０３上に光電変換層１０７を形成する。この光電変換層１０７としては、略２．５μm厚の、アモルファスシリコン(a−Ｓｉ)と微結晶シリコン(μc-Ｓｉ)太陽電池を積層したタンデム構造が用いられている。
【００１９】
最後に、図１（ｄ）に示すように、ＩＴＯからなる透明電極層１０８を前記図示しない貫通孔を外して形成し、その後に第１の分離溝１０５の内側に、透明電極層１０８と光電変換層１０７の略５００ｎｍ程度の厚さを除去する第２の分離溝１０９を設けた。この第２の分離溝１０９の幅は５０μm程度である。
かかる第２の分離溝１０９を、透明電極層１０８を貫通して光電変換層１０７の途中位置までカットして設ける（残り厚さをＳで示している）。
また、第１の分離溝１０５と第２の分離溝１０９とは、同一軸線Ｃ上となるように配置している。すなわち、第２の分離溝１０９の下に第１の分離溝１０５が同一軸線Ｃ上で配置され、裏面電極１０３が存在しない。しかも、第１の分離溝１０５と第２の分離溝１０９との間の距離は、第２の分離溝１０９と下部の電極層１０３との間の抵抗が、これら分離溝１０５，１０９によって分離された、各光電変換素子の並列抵抗成分の略１０倍以上となるように設定されている。したがって、透明電極層１０８と裏面電極１０３の間のショートによる特性低下は抑制されることになる。
【００２０】
ここで、前記電極層１０３，１０４を金属電極とし、最後に透明電極層１０８を設けたが、逆に電極層を透明電極層とし、最後に設ける電極を金属電極としてもよいし、金属電極は金属と透明電極との複合層としてもよい。また両方の電極を共に透明電極としてもよい。
また、それぞれの第１の分離溝１０５と第２の分離溝１０９の幅、位置関係も、パターニングによる分離溝端部や、分離溝の残存部分の結晶化の仕方や、その位置の制御性にもるが、分離溝端部間の距離が２０μｍ以上あり、更に分離溝１０５、１０９の幅が３０μｍ以上あるように構成すれば、ほぼ導通の影響を無視することが可能となる。
さらに、第２の分離溝１０９は、深さを略５００ｎｍ程度とすることが適当であるが、分離を行う電極が除去できれば、この深さに限定されない。
【００２１】
以上の方法により、分離溝１０５，１０９をすべて分離する場合では、パターニングを行うレーザーの強度が４Ｗで走査速度を１０〜３０ｍｍ／ｓとする必要があったが、２００〜５００ｍｍ／ｓと速くすることができ、製造プロセスのスループットを向上させることができる。
特にこの方法は、光電変換層１０７が微結晶シリコンのように厚い場合に、高い効果が得られる。また、基板１０１がフィルム基板である場合には、基板１０１を平坦に保持してパターニングを行うことが難しく、平坦な場合と斜めになっている場合には実効的にレーザーのパワーが異なる。そのため、平坦な部分で基板１０１に対して与えるダメージが大きくなりやすいので、本実施形態の効果は大きい。
また更に残す部分に含まれるｉ層の厚さが厚くなれば、スループット向上の効果が、基板まで分離する場合と比べて大きくなり、ｉ層の内部で分離溝の深さを制御し、導電性を抑制しやすい。
【実施例】
【００２２】
厚さ５０μmのポリイミド基板１０１に貫通孔１０２を空けた後に、両面に電極１０３，１０４を設け、更にその後に幅２００μmの幅の第１の分離溝１０５を、レーザースクライプによって作製した。レーザーはパルス出力２Ｗで、ＹＡＧレーザーの第２高調波を用いた。
また、上記基板１０１を貫通する貫通孔１０２を設け、その後に第１の分離溝１０５側の１面に基板１０１側からｎ層、ｉ層、ｐ層の微結晶層を順に積層して、膜厚が２〜４μmの微結晶シリコン太陽電池を形成した。
【００２３】
さらに、その上に微結晶ｎ層、厚さ２００〜４００ｎｍのａ-Ｓｉ太陽電池を形成した後、最後にＩＴＯからなる厚さ６０〜８０ｎｍの透明電極１０８、そしてその基板１０１の反対側に金属電極１０３を形成した。その後に透明電極１０８側から、第１の分離溝１０５の内側の略中心部分に幅５０μmの第２の分離溝１０９を設け、更に基板１０１の反対側から第２の分離溝１０９と外れた位置に分離溝を設けた(貫通孔同士、前記基板の反対側から設ける分離溝などの位置関係は特許文献１などと同じものとする。)。
上記第２の分離溝１０９の形成時におけるレーザーの走引速度は２００〜５００ｍｍ／ｓとし、その深さは１００〜５００ｎｍとした。
【００２４】
[比較例１]
上記実施例と同様にして太陽電池を構成した。ただし、第２の分離溝１０９形成用のレーザーの走引速度を１０〜３０ｍｍ／ｓとし、図２の従来例と同様に、分離溝を基板１０１まで到達させた。得られた太陽電池の変換効率及びシャント抵抗は、実施例とほぼ変化しなかった。
上記例に示されるように、本発明の実施形態においては、分離溝の深さを浅くすることで、変換効率及びシャント抵抗はほぼ変わらずに、走引速度がほぼ１桁違うようにすることにより、スループットを大幅に向上させることができた。
【００２５】
[比較例２]
上記実施例と同様にして太陽電池を構成した。ただし、第１の分離溝１０５の幅を変えて第１の分離溝１０５の端部と第２の分離溝１０９の端部の距離を変えた。太陽電池の変換効率の比に対する、前記距離によって生じる抵抗成分と、この抵抗成分が十分に大きい際の太陽電池の抵抗成分の比の関係を図３に示した。
この図に示されるように、比が１０倍以上では効率の変化は小さいが、それ以下では大きくなっており、抵抗成分を大きくすることで効率の低下を抑制できた。
【００２６】
以上、本発明の実施の形態について述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変更及び変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は本発明の実施形態にかかる光電変換素子及びその製造方法のプロセスを順を追って示す構成図である。
【図２】従来の光電変換素子を示す構成図である。
【図３】抵抗成分の変化に対する光電変換素子の特性を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０１  基板
１０２  貫通孔
１０３  電極層
１０４  電極層
１０５  第１の分離溝
１０７  光電変換層
１０８  透明電極層
１０９  第２の分離溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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