(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第一の電極膜、非シリコン系発電層及び第二の電極膜が積層されてなる薄膜太陽電池の製造方法であって、
基板母材の一方の表面に製膜される第一の電極膜に重ねて製膜される発電層の材料の沸点が第一の電極膜の材料の融点よりも低く、
発電層をセル単位に分割する分離溝を形成するレーザ加工工程の際、前記第一の電極膜を殆ど透過しないレーザ光を第一の電極膜及び発電層が製膜される面の裏側から基板母材越しに照射して第一の電極膜に照射することにより、発電層のみまたは発電層及び第二の電極膜の両方を除去することを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項２】
第一の電極膜がモリブデンを含むものであり、
発電層がＣＩＧＳ系、ＣＩＳ系またはカルコパイライト系の結晶構造を含むものである請求項１記載の薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項３】
基板上に第一の電極膜、非シリコン系発電層及び第二の電極膜が積層されてなる薄膜太陽電池を製造する際に用いられるレーザ加工機であって、
発電層をセル単位に分割する分離溝を形成するための、基板母材の一方の表面に製膜される第一の電極膜を殆ど透過しないレーザ光を、第一の電極膜及び発電層が製膜される面の裏側から基板母材越しに照射して第一の電極膜に照射することにより、沸点が第一の電極膜の融点よりも低い発電層のみ、または、沸点が第一の電極膜の融点よりも低い発電層及び第二の電極膜の両方を除去するレーザ光照射手段を具備するレーザ加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非シリコン系薄膜太陽電池の製造方法、及びその方法の実施のためのレーザ加工機に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜太陽電池は、基板上に積層膜、即ち第一の電極膜、発電層（光電変換層、光吸収層）及び第二の電極膜を製膜して構成される。発電層にシリコンを用いないＣＩＧＳ系、ＣＩＳ系またはカルコパイライト系の太陽電池であれば、基板上に裏面電極膜、ＣＩＧＳ系半導体膜、透明導電膜をこの順に重ねる。ＣＩＧＳ系太陽電池は、シリコン系太陽電池に比して、材料コスト及び製造時の投入エネルギを節減でき、発電効率がよく、経年劣化しにくいといった優位性を有する。
【０００３】
一般的な薄膜太陽電池の製造の手順を概説する（下記特許文献を参照）。まず、基板上に第一の電極膜を製膜し、この電極膜にレーザ光を照射してこれを除去、膜をセル単位に分割する分離溝を形成する（Ｐ１加工）。次いで、第一の電極膜の上に発電層を製膜し、この発電層にレーザ光を照射してこれを除去、分離溝を形成する（Ｐ２加工）。先に第一の電極膜に形成した分離溝内には、発電層の構成材料が入り込む。さらに、発電層の上に第二の電極膜を製膜し、発電層にレーザ光を照射して発電層もろとも第二の電極膜を除去、分離溝を形成する（Ｐ３加工）。先に発電層に形成した分離溝内には、第二の電極膜の構成材料が入り込む。以上を経て、光起電力素子として機能する複数のセルを直列に接続した構造が完成する。
【０００４】
ＣＩＧＳ系太陽電池の製造過程では、特にＰ２加工の難易度が高いという問題がある。発電層であるＣＩＧＳ系半導体膜にレーザ光を直射して半導体膜を除去するレーザ加工はなかなかうまくいかない。ＣＩＧＳ系半導体膜を切削するべく、ピコ秒パルス幅のエネルギピークの高いレーザを採用することも考えられるものの、パルス周波数が極めて高く事実上連続波レーザを照射することとなり、分離溝の対向縁部が溶融して壁面状の美麗なエッジとはならず、太陽電池として所望の性能を必ずしも達成し得ない。ピコ秒レーザ自体も高価である。
【０００５】
レーザスクライブではなく、ニードルで半導体膜を引っ掻いて剥ぎ取るメカスクライブという手法も存在するが、摩耗したニードルを適宜交換する必要があり、交換後の位置合わせの手間とも相まって、装置稼働率の低下を招く。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４５６３４９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、非シリコン系薄膜太陽電池の製造過程において半導体膜に分離溝を形成する加工が難しいという問題を解消しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、基板上に第一の電極膜、非シリコン系発電層及び第二の電極膜が積層されてなる薄膜太陽電池の製造方法であって、基板母材の一方の表面に第一の電極膜に重ねて製膜される発電層の材料の沸点が第一の電極膜の材料の融点よりも低く、発電層をセル単位に分割する分離溝を形成するレーザ加工工程の際、前記第一の電極膜を殆ど透過しないレーザ光を第一の電極膜及び発電層が製膜される面の裏側から基板母材越しに照射して第一の電極膜に照射することにより、発電層のみまたは発電層及び第二の電極膜の両方を除去することを特徴とする。
【０００９】
非シリコン系太陽電池、とりわけＣＩＧＳ系太陽電池の第一の電極膜は、不透明な金属薄膜であることが通例である。にもかかわらず、本発明では、発電層をセル単位に分割するレーザ加工工程において、レーザ光を膜面側から直接発電層に照射するのではなく、敢えて基板側から第一の電極膜に照射するようにしている。つまり、発電層の材料の沸点が第一の電極膜のそれよりも低いことを利用し、レーザ光のエネルギを以て発電層を熱し、発電層の材料を一部分解・気化させて発電層を除去することとしたのである。
【００１０】
ＣＩＧＳ系、ＣＩＳ系またはカルコパイライト系太陽電池では、第一の電極膜がモリブデン（Ｍｏ）を含み、発電層がＣＩＧＳ系、ＣＩＳ系またはカルコパイライト系の半導体を含む。この場合、第一の電極膜の材料の沸点は発電層の材料の沸点よりも十分に高くなる。
【００１１】
本発明に係る薄膜太陽電池の製造方法を実施するためのレーザ加工機としては、発電層をセル単位に分割する分離溝を形成するための、基板母材の一方の表面に製膜される第一の電極膜を殆ど透過しないレーザ光を、基板側から当該基板を透過させて第一の電極膜に照射することにより、沸点が第一の電極膜の融点よりも低い発電層のみ、または、沸点が第一の電極膜の融点よりも低い発電層及び第二の電極膜の両方を除去するレーザ光照射手段を具備するものが挙げられる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、非シリコン系薄膜太陽電池の製造過程において半導体膜に分離溝を形成する加工が難しい問題を実効的に解消することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態の薄膜太陽電池の製造方法の手順を示す図。
【図２】同実施形態の薄膜太陽電池の製造方法の手順を示す図。
【図３】同実施形態の薄膜太陽電池の製造方法の手順を示す図。
【図４】同実施形態の薄膜太陽電池の製造方法の手順を示す図。
【図５】同実施形態の薄膜太陽電池の製造方法の手順を示す図。
【図６】同実施形態の薄膜太陽電池の製造方法の手順を示す図。
【図７】同実施形態の薄膜太陽電池の製造方法により完成した電池の構造を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１ないし図６に示す本実施形態の薄膜太陽電池の製造方法は、以下の工程を具備する。
（ａ）第一の電極膜の製膜
（ｂ）第一の電極膜の分離溝形成（Ｐ１加工）
（ｃ）発電層の製膜
（ｄ）発電層の分離溝形成（Ｐ２加工）
（ｅ）第二の電極膜の製膜
（ｆ）第二の電極膜の分離溝形成（Ｐ３加工）
図１に示すように、製膜工程（ａ）では、第一の電極膜１たる裏面電極膜、特にＭｏ等の金属薄膜を、スパッタリング法等により透明な基板０上に蒸着する。但し、太陽電池等の製造用に予め裏面電極膜１が製膜されたガラス基板を入手できる場合には、製膜工程（ａ）を省略することができる。
【００１５】
図２に示すように、第一のレーザ加工工程（ｂ）では、レーザ光４１を照射して、裏面電極膜１をセル単位に分割する複数本の分離溝１１を切削形成する。レーザ光４１は、図中左方に示すように基板０側から当該基板０を透過させて裏面電極膜１に照射してもよいし、図中右方に示すように膜面側から基板０を透過させず直接裏面電極膜１に照射してもよい。レーザ光４１は例えば、波長１０６４ｎｍの近赤外レーザ、または波長５３２ｎｍの緑色レーザとする。レーザ光４１のパルス幅は特に限定されず、ピコ秒レーザであってもナノ秒レーザであってもよい。
【００１６】
図３に示すように、製膜工程（ｃ）では、発電層２たる光吸収層、特にＣＩＧＳ、ＣＩＧＳＳ、ＣＩＳ、ＣＺＴＳ等の半導体膜を、ＣＶＤ法等により裏面電極膜１上に蒸着する。このとき、発電層２の構成材料が、先に裏面電極膜１に形成した分離溝１１内に入り込む。さらに、半導体膜に重ねて、ＺｎＳ、ＩｎＳ等のバッファ層を蒸着することがある。このバッファ層は、発電層２の一部をなし、キャリアの移動を一部せき止めるような働きをする。
【００１７】
図４に示すように、第二のレーザ加工工程（ｄ）では、レーザ光４２を照射して、発電層２をセル単位に分割する複数本の分離溝２１を切削形成する。このレーザ光４２は、基板０側から当該基板０を透過させて裏面電極膜１に照射する。レーザ光４２は、第一のレーザ加工工程（ｂ）におけるレーザ光４１と同様のものとすることができる。
【００１８】
レーザ加工工程（ｄ）に関して詳述する。裏面電極膜１の材料であるＭｏは、融点が２６２３℃、沸点が４６８２℃である。これに対し、発電層２の材料である銅（Ｃｕ）の沸点は２５７１℃、イリジウム（Ｉｎ）の沸点は２０７２℃、ガリウム（Ｇａ）の沸点は２２０４℃、セレン（Ｓｅ）の沸点は６４８℃であって、何れもＭｏの融点より低い。ＣＩＧＳ、ＣＩＧＳＳ、ＣＩＳ、ＣＺＴＳ等の半導体膜を主体とする発電層２におけるＳｅの含有率は比較的大きい。
【００１９】
裏面電極膜１はレーザ光４２を殆ど透過させないが、レーザ光４２の照射を受けた裏面電極膜１はレーザ光４２のエネルギにより加熱される。この熱は、裏面電極膜１と発電層２との界面から発電層２に伝わる。結果、発電層２が加熱され、半導体膜の分解が生じ、顕著に沸点の低いＳｅが蒸発して圧力を増し、発電層２に微細な機械的破壊を生じさせ、遂には発電層２をあまり溶融させることなく爆発的に吹き飛ばす作用が営まれるものと推察される。
【００２０】
第二のレーザ加工工程（ｄ）では、レーザ光４２の焦点合わせ、出力及び光軸の向き（レーザ光４２の照射箇所におけるパワー密度に直結する）を緻密にコントロールすることが望ましい。つまるところ、裏面電極膜１及び／または発電層２において、裏面電極膜１の融点以下かつ発電層２の沸点以上の温度となるように、レーザ光４２の出力等を制御する。基本的には、レーザ光４２のパルス幅が短いほど発電層２の加工性が向上すると予想される。レーザ光４２のピークパワーの上昇は加工性に寄与し、パルス幅の短縮は裏面電極膜１の溶融の抑制に寄与する。
【００２１】
図５に示すように、製膜工程（ｅ）では、第二の電極膜３たる透明導電膜、特にＺｎＯ等のＴＣＯ膜を、ＣＶＤ法等により発電層２上に蒸着する。このとき、ＴＣＯ膜３の構成材料が、先に発電層２に形成した分離溝２１内に入り込む。
【００２２】
しかして、図６に示すように、第三のレーザ加工工程（ｆ）では、レーザ光４３を照射して、ＴＣＯ膜３をセル単位に分割する複数本の分離溝３１を切削形成する。レーザ光４３は、図中左方に示すように基板０側から当該基板０を透過させて裏面電極膜１に照射する。即ち、第二のレーザ加工工程（ｄ）と同じ作用により発電層２を吹き飛ばし、その上に重なっているＴＣＯ膜３を諸共吹き飛ばすことで、ＴＣＯ膜３及び発電層２を貫く分離溝３１を形成する。レーザ光４３は、第一のレーザ加工工程（ｂ）または第二のレーザ加工工程（ｄ）におけるレーザ光４１、４２と同様のものとすることができる。
【００２３】
以上の工程（ａ）ないし（ｆ）を経て、図７中矢印で表しているように電荷の通り道が完成し、複数のセルを直接接続した太陽電池の構造が完成する。
【００２４】
本実施形態の製造方法に含まれるレーザ加工工程（ｄ）を実施するためのレーザ加工機は、発電層２をセル単位に分割する分離溝２１を形成するためのレーザ光４２を、基板０側から当該基板０を透過させて第一の電極膜１に照射するレーザ光照射手段を具備する。
【００２５】
レーザ光照射手段は、レーザ発振器が発振する波長１０６４ｎｍまたは波長５３２ｎｍのパルスレーザを伝搬させる光学系と、光学系を介して供給されるパルスレーザを基板０の被加工面に製膜された積層膜１、２、３に向けて出射させる加工ノズル５２とを組み合わせてなる。光学系は、光ファイバ、ミラー、レンズ等の任意の光学要素を用いて構成することができる。加工ノズル５２は、膜面を上にした基板０に対し、基板０の下方から上向きにレーザ光を打ち上げるものである。
【００２６】
加工ノズル５２は、基板０に対して相対変位可能に設ける。典型的には、薄膜１、２、３に形成する分離溝１１、２１、３１が延伸するＹ軸方向に往復走行でき、かつＹ軸方向とは直交するＸ軸方向（光起電力素子として機能するセルが並ぶ方向、セルとセルとを分かつ分離溝１１、２１、３１が並ぶ方向）にピッチ送り移動できるリニアモータ台車等に、加工ノズル５２を支持させる。分離溝１１、２１によって多数のセルを区画する都合上、加工ノズル５２はＸ軸方向に複数基配列させて設置することが望ましい。因みに、不動の基板０に対して加工ノズル５２をＸ軸方向及び／またはＹ軸方向に移動させるのに替えて、基板０自体を加工ノズル５２に対してＸ軸方向及び／またはＹ軸方向に移動させ得る機構を実装することも考えられる。
【００２７】
上記のレーザ光照射手段を構成する光学系及び加工ノズル５２を、工程（ｂ）を実施する（レーザ光４１を照射して裏面電極膜１に分離溝を形成する）ための光学系及び加工ノズル５１と共通化しても構わない。さすれば、工程（ｂ）と（ｄ）とを一基のレーザ加工機によって実施することが可能になる。並びに、上記のレーザ光照射手段を構成する光学系及び加工ノズル５２を、工程（ｆ）を実施する（レーザ光４３を照射してＴＣＯ膜３に分離溝３１を形成する）ための光学系及び加工ノズル５３と共通化しても構わない。さすれば、工程（ｄ）と（ｆ）とを一基のレーザ加工機によって実施することが可能になる。
【００２８】
さらには、工程（ｂ）を実施するためのレーザ光照射手段、工程（ｄ）を実施するためのレーザ光照射手段、工程（ｆ）を実施するためのレーザ光照射手段を、おしなべて共通化しても構わない。
【００２９】
本実施形態における薄膜太陽電池の製造方法では、第一の電極膜１に重ねて製膜される非シリコン系発電層２の材料の沸点が第一の電極膜１の材料の沸点よりも低いことを利用し、発電層２をセル単位に分割する分離溝２１を形成するレーザ加工工程（ｄ）の際に、レーザ光４２を敢えて基板０側から当該基板０を透過させて第一の電極膜１に照射することで、発電層２を吹き飛ばして除去する。
【００３０】
本実施形態によれば、非シリコン系薄膜太陽電池の製造過程において難易度の高い、半導体膜２に分離溝２１を形成する加工を好適に実行することが可能であり、非シリコン系太陽電池の発電性能及び量産性の向上に貢献できる。
【００３１】
なお、本発明は以上に詳述した各実施形態に限られるものではない。特に、第一の電極膜１、発電層２及び第二の電極膜３の各材料は、上記実施形態の如きものには限定されない。上記実施形態ではＣＩＧＳ系太陽電池の製造を念頭に置いていたが、本発明に係る製造方法及びレーザ加工機をＣＩＧＳ系以外の太陽電池の製造に適用することは当然に可能である。本発明により、例えば、発電層２に導電性ポリマーその他の有機半導体を用いる有機薄膜太陽電池を製造することが考えられる。
【００３２】
第一のレーザ加工工程（ｂ）、第二のレーザ加工工程（ｄ）、第三のレーザ加工工程（ｆ）の各々で用いるレーザ光の波長やパルス幅も、上記実施形態のそれには限定されない。パルスレーザであるか連続波レーザであるかも問われない。
【００３３】
また、第一の電極膜と発電層の間や、発電層と第二の電極膜との間に、別途中間層を敷設することもあり得る。
【００３４】
その他、各部の具体的な構成や工程の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、薄膜太陽電池パネルの製造に適用することができる。
【符号の説明】
【００３６】
０…基板
１…第一の電極膜
１１…分離溝
２…発電層
２１…分離溝
【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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