(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板上に導電性透明電極膜、非晶質半導体層、裏面電極膜の積層膜を有し、モジュール単位に基板上で分離され且つ該分離されたモジュールが基板上で直列に接続された光起電力装置の製造方法において、
前記透明電極膜側よりレーザビームを照射し、該ビームが透明電極膜を通過し、非晶質半導体層に到達し、同層にて吸収されたエネルギにより非晶質半導体層が蒸発する際のガス圧力で裏面電極膜を除去して分離溝を形成する際に、
前記分離溝形成方向中心線に長径軸が略一致し、短軸長さで加工溝幅になるように且つ長径／短径の比が５以下である楕円状パターンになるようにレンズ光学系を介して形成したレーザビームをパルス状に照射しつつ、該レーザビームを、隣り合う前記楕円状パターンの長径軸が１０〜３０％重なるように該長径軸方向へ相対的に移動して、バリの発生しないように前記分離溝を形成することを特徴とする光起電力装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は光照射により起電力を発生する複数の光電変換素子を基板上で電気的に接続させた光起電力装置の製造方法に関し、特に裏面電極膜を各光電変換素子毎にパターニングする方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は現に実用化されている光起電力装置の基本的構造である。１はガラスなどの透明基板、２ａ、２ｂ、２ｃ…は分離形成された酸化錫などの透明電極膜、３ａ、３ｂ、３ｃ…は各透明電極膜上に分離形成された珪素などの非晶質半導体膜、４ａ、４ｂ、４ｃ…は各非晶質半導体膜上に形成され且つ各右隣の透明電極膜２ｂ、２ｃに部分的に重畳された金属膜である裏面電極膜で、かかる透明電極膜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領域５ａ、５ｂ、５ｃ…が構成されている。各非晶質半導体膜３ａ、３ｂ、３ｃ…は、その内部に平行なＰＩＮ接合を含み、透明基板１および透明電極２ａ、２ｂ、２ｃを順次介して光入射があると光起電力を生じる。各非晶質半導体膜３ａ、３ｂ、３ｃ…内で発生した光起電力は裏面電極膜４ａ、４ｂ、４ｃ…による接続により直列的に相加される。
【０００３】
通常かかる構成の太陽電池のモジュール化にあっては細密加工性に優れているレーザー加工技術が用いられている。それによる製造工程を図を参照しながら簡単に説明する。図４で１０は透明基板、１１は透明電極膜である。当該図４に示す工程では、厚さ１ｍｍ〜４ｍｍ、面積１０ｃｍ角〜１５０ｃｍ角程度の透明な基板上全面に、厚さ２０００Å〜７０００Åの酸化錫ＳｎＯ２からなる透明電極膜１１が被着される。
【０００４】
図５は次いで行う工程で１１ａ、１１ｂ、１１ｃは分離された各透明電極膜、１１’は隣接間隔部（分離溝）、Ｌ１は分離溝幅寸法、ＬＢはレーザービームである。当該工程で、隣接間隔部１１’がレーザービームＬＢに照射により除去されて、個別の各透明電極膜１１ａ、１１ｂ、１１ｃが分離、形成される。使用されるレーザーの波長は通常１．０６μｍのＮｄ：ＹＡＧレーザーであり、隣接間隔部１１’の溝幅Ｌ１は約５０μｍに設定される。
【０００５】
図６は次の工程であって、１２は非晶質半導体膜である。当該工程では、各透明電極膜１１ａ、１１ｂ、１１ｃの表面を含んで基板１０上全面に光電変換に有効に寄与する厚さ３０００Å〜５０００Åの非晶質半導体膜１２が被着される。
【０００６】
図７はさらに次の工程を示し、１２’は隣接間隔部、Ｌ２は溝幅、１２ａ、１２ｂ、１２ｃは分離・形成された非晶質半導体膜である。当該工程では隣接間隔部１２’が矢印で示す如き基板１０の膜面と反対側からレーザビームＬＢの照射により除去されて、個別の各非晶質半導体膜１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、が分離・形成される。隣接間隔部１２’の溝幅Ｌ２は約８０μｍに設定される。使用されるレーザは通常波長０.５３μｍのパルスＮｄ:ＹＡＧレーザである。この波長では、各透明電極膜１１ａ、１１ｂ、１１ｃの吸収率は小さく殆どが透過するため、レーザのエネルギの大部分は各非晶質半導体膜１２ａ、１２ｂ、１２ｃにて吸収される。従って、各非晶質半導体膜のみを選択して除去できる。
【０００７】
図８はその次の工程を示し、１３は裏面電極膜である。ここでは各非晶質半導体膜１２ａ、１２ｂ、１２ｃ及び各透明電極膜１２ａ、１２ｂ、１２ｃの各露出部分を含んで基板１０上全面に３０００Å〜５０００Å程度のアルミニウム又は銀の裏面電極膜１３が被着される。
【０００８】
図９は最終工程で、１３ａ、１３ｂ、１３ｃは分離された個別の裏面電極膜、１３’は隣接間隔部（分離溝）、Ｌ３は隣接間隔部の分離幅、１４ａ、１４ｂ、１４ｃは分離、形成された各光電変換領域である。隣接間隔部１３’がレーザビームＬＢの照射により除去されて、個別の裏面電極膜１３ａ、１３ｂ、１ｃ…が形成される。使用されるレーザは図７の工程と同様に通常波長０.５３μｍのパルスＮｄ：ＹＡＧレーザである。この過程では図７の工程と同様にレーザビーム非晶質半導体膜１２加工時の照射方向と同じく基板の膜面側と反対側から照射され、各透明電極膜１１ａ、１１ｂ、１１ｃを透過し、非晶質半導体層１２に到達し、同層にて吸収される。吸収されたエネルギにより非晶質半導体層１２は蒸発するが、そのガス圧力で裏面電極のＡｌ膜を除去する。隣接間隔部１３’の溝幅Ｌ３は細いほど電池の有効面積が減少しないため好ましいが、通常約４０〜８０μｍに設定される。その結果、各光電変換領域１４ａ、１４ｂ、１４ｃ…が電気的に直列接続される。なお、各光電変換領域１４ａ、１４ｂ、１４ｃの間隔は前述したように通常７〜１０ｍｍである。以上の工程を経て太陽電池が製造される。
【０００９】
レーザによる上記溝加工は通常、図１０のようにレーザ装置より出射されたビームをレンズで集光し、丸いビームを基板に照射する。同図において、８１はレーザー発振器、８２はミラー、８３はレーザービーム、８４はレンズ、８５基板、８６はＸＹステージ、８７はレーザービームパターンである。同図下は基板の平面図であり、図のように溝が連続するように丸ビーム８７の一部（２０％程度）を重ねながら加工する。従って、溝を加工する速度は
レーザビーム径×０.８×レーザのパルス繰り返し周波数
になる。
【００１０】
一方、最近は太陽電池製造コストを低下させるため、１枚当たりの電池面積の大面積化（１００ｃｍ角すなわち１ｍ２程度）が顕著である。面積が増大すると加工速度が重要となる。例えば上記の溝間隔を７ｍｍとすると面積１００ｃｍ角では溝の総延長距離は約１５０ｍとなり、これを加工時間３分以内で処理するためには加工速度は毎秒１０００ｍｍ以上が必要になる。大量生産には加工時間を３分以内とすることが要求される。
【００１１】
レーザの繰返し周波数は上記Ｎｄ:ＹＡＧレーザで１０ｋＨｚ程度が安定な発振を得るにあったって限度であり、これで加工速度毎秒１０００ｍｍを達成するには上記式よりビーム径が１２５μｍ以上必要である。ところが、溝幅は上記のように狭いほど良いため、ビーム径が１２５μｍと大きくなると溝幅も同じ大きさになり、電池の有効面積が減少するため、結果として光電変換効率が低下する。
【００１２】
また、裏面電極加工に必要なエネルギ閾値は通常０.４Ｊ/ｃｍ２以上が必要なためビーム径が大きくなると、その面積に比例してレーザの出力も大きくする必要が有り、例えばビーム径６０μｍから１２５μｍと大きくなると約４.３倍必要となり、設備コストが上昇していた。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述したような従来技術の難点に鑑みてなされたものであって、透明基板上に導電性透明電極膜、非晶質半導体膜、金属電極膜の積層膜を有し、モジュール単位に基板上で分離され且つ該分離されたモジュールが基板上で直列に接続された光起電力装置の製造方法において、レーザービームによる加工にあたって、レーザーの出力を高めることなく加工の速度を速める方法の提供を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、透明基板上に導電性透明電極膜、非晶質半導体層、裏面電極膜の積層膜を有し、モジュール単位に基板上で分離され且つ該分離されたモジュールが基板上で直列に接続された光起電力装置の製造方法において、
前記透明電極膜側よりレーザビームを照射し、該ビームが透明電極膜を通過し、非晶質半導体層に到達し、同層にて吸収されたエネルギにより非晶質半導体層が蒸発する際のガス圧力で裏面電極膜を除去して分離溝を形成する際に、
前記分離溝形成方向中心線に長径軸が略一致し、短軸長さで加工溝幅になるように且つ長径／短径の比が５以下である楕円状パターンになるようにレンズ光学系を介して形成したレーザビームをパルス状に照射しつつ、該レーザビームを、隣り合う前記楕円状パターンの長径軸が１０〜３０％重なるように該長径軸方向へ相対的に移動して、バリの発生しないように前記分離溝を形成することを特徴とする。
【００１５】
レーザビームのパルス当たりのエネルギを一定とすれば、加工面における照射エネルギ密度はビームパターンの描く面積に逆比例する。照射エネルギ密度は加工深さなど加工条件で決まってくるので、自ずと面積も決まってくる。即ち同一面積の真円と楕円と比較すれば分離溝形成方向のビーム投影パターンの長さは楕円の方がより長い。即ち、ビームパルス当たりの加工長さのカバー範囲が長いので、それだけビームの相対的移動速度を早くすることが出来るのである。
【００１６】
簡単な幾何学的計算から、同一面積の円の直径の長さと楕円の長軸の長さを比較すると、楕円の長単軸の比をｋ（＞１）としたとき、楕円の長軸の方がｋ１／２（ｋの平方根）倍になる。即ち同一波長、同一出力、同一パルス周波数のレーザービームを使用し、分離溝形成方向のビームパターンの重なり率を同一にした場合、本発明の方法では加工速度がｋ１／２倍と高速になる。しかも溝幅は真円のときの（１／ｋ）１／２と細くなり集積度が上がり、総合光電変換率の向上にもつながる。
【００１７】
このようなビームパターンにする方法の一例としては、レーザー装置から出たビームをシリンドリカル凹レンズで楕円状に発散させ、長軸と短軸が（長径／短径の比が５以下になる）設定値となった位置にシリンドリカル凸レンズをおいて平行ビームとすればよい。
【００１８】
更に本発明は前記レーザービームの楕円状パターンの長径／短径の比が５以下であることも特徴とする。これは、短軸と長軸の比が大きくなると、面積は不変でも周長が長くなり、ビーム周辺部でのレーザーエネルギ密度が低下するため、溝両端に第１１図に示すようなバリが発生しやすくなるからである。このバリは変形などして他の電極膜などと接触・短絡し光電変換効率を著しく低下させることになる。
【００１９】
更に本発明は分離溝形成方向にレーザービームを相対的に移動する速度を、前記パルス周期との関係において前記ビームパターンの楕円が進行方向前後で長径の１０〜３０％が重なるようにしたことも特徴とする。
【００２０】
本発明はパルスビームパターンの楕円を長手方向に並べて行くわけだが、楕円の頭尾部分は溝に対して占める面積が少ない。従って確実に溝を形成させるにはパターンを１０〜３０％が重なるように進めて行く必要がある。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を例示的に図面を参照しながら詳しく説明する。ただしこの実施の形態に記載される構成部品の種類、形状、その相対は位置などは特に特定的な記載ない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨にあらず、単なる説明例に過ぎない。
【００２２】
図２は本発明の方法に用いたレーザビーム分離溝加工装置である。図において、２１はＹＡＧレーザー発振器、２２はレーザビーム、２３はシリンドリカル凸レンズ、２４はシリンドリカル凹レンズ、２５はミラー、２６は対物レンズ、２７は基板、２８はＸＹステージである。
【００２３】
図２において、レーザ発振器を出たビーム２２はシリンドリカル凹レンズ２３で１方向のみが拡大されるが、それと直角方向は拡大されないため、結果としてビーム形状は楕円となる。楕円形状ビームの長軸と短軸の比が５以下となった位置にシリンドリカル凸レンズ２４を置くとその比が一定となった状態で平行ビームとなるので、対物レンズ２６で集光し、短軸長さで加工溝幅６０μｍ程度になるよう、また長軸が加工方向と一致し、かつその長さが１２５μｍ程度（短軸の約２倍）になるよう、図９同様、非晶質半導体層上に集光する。非晶質半導体層１２に到達した楕円形状レーザビームはその形状で非晶質半導体層１２を蒸発・除去し、そのガス圧力で裏面電極のＡｌ膜を除去する。
【００２４】
その状況の平面図を図１に示す。同図において１０１は本発明の楕円状ビームパターン、矢印はビームの進む方向である。同図に示すようにビーム形状が楕円のため、上記楕円と同一面積の直径８６μｍの丸ビームに比べて、パルス一発当たりの加工長さが約１.５倍である。レーザに繰返し周波数１０ｋＨｚのＮｄ:ＹＡＧレーザを使用すると、前記ビーム重なり分を２０％とすると、１パルス当たりの加工長さは１００μｍであるので、加工速度は毎秒１０００ｍｍとなる。
【００２５】
このため、本方法では溝幅は小さく保ちながら、加工速度毎秒１０００ｍｍを達成し、かつレーザ出力は従来と同等である。つまり、電池の光電変換効率を低下させることなく、かつレーザのコストを上げることなく、量産に必要な加工速度を達成した。
【００２６】
なお、短軸と長軸の比は５以下でなければならない。短軸と長軸の比が大きくなると、面積は不変でも周長が長くなり、ビーム周辺部でのレーザエネルギ密度が低下するため、溝両端に図１１に示すようなバリが発生しやすくなるためである。同図は基板の加工溝に直角な断面図であり、このバリが残ると下地の透明電極膜と接触・短絡するため結果として光電変換効率が著しく低下する。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したごとく、本発明により従来技術の難点を克服し、透明基板上に導電性透明電極膜、非晶質半導体膜、金属電極膜の積層膜を有し、モジュール単位に基板上で分離され且つ該分離されたモジュールが基板上で直列に接続された光起電力装置の製造方法において、レーザビームによる加工にあたって、レーザーの出力を高めることなく加工の速度を速め、且つ実質的な発電モジュールの集積度の向上を図ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のビームパターン略図
【図２】  本発明のレーザビーム分離溝加工装置の概念図
【図３】  既存の光起電力装置の基本構造を示す略図
【図４】  図３の光起電力装置を製造する第１の工程を説明する略図
【図５】  図３の光起電力装置を製造する第２の工程を説明する略図
【図６】  図３の光起電力装置を製造する第３の工程を説明する略図
【図７】  図３の光起電力装置を製造する第４の工程を説明する略図
【図８】  図３の光起電力装置を製造する第５の工程を説明する略図
【図９】  図３の光起電力装置を製造する第６の工程を説明する略図
【図１０】  従来のレーザビーム分離溝加工装置の概念図とビームパターン略図
【図１１】  レーザビームにより金属電極膜に分離溝を形成したとき発生するバリの状況を説明した略図
【符号の説明】
１                          透明基板
２ａ、２ｂ、２ｃ            分離、形成された透明電極膜
３ａ、３ｂ、３ｃ            分離、形成された非晶質半導体膜
４ａ、４ｂ、４ｃ            分離、形成された裏面電極膜
５ａ、５ｂ、５ｃ            分離、形成された光電変換領域
１０                        透明基板
１１                        透明電極膜
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ      分離、形成された透明電極膜
１１’                      隣接間隔部（分離溝）
１２                        非晶質半導体膜
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ      分離、形成された非晶質半導体膜
１２’                      隣接間隔部（分離溝）
１３                        裏面電極膜
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ      分離、形成された裏面電極膜
１３’                      隣接間隔部（分離溝）
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ      分離、形成された光電変換領域
２１                        ＹＡＧレーザー発振器
２２                        レーザービーム
２３                        シリンドリカル凹レンズ
２４                        シリンドリカル凸レンズ
２５                        ミラー
２６                        レンズ
２７                        基板
２８                        ＸＹステージ
１０１                      楕円状のレーザービームパターン
１１１                      ガラス板
１１２                      透明電極
１１３                      非晶質半導体
１１４                      裏面電極
１１５                      発生したバリ
ＬＢ                        レーザービーム
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３            溝幅
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0003676202.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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