(57)【要約】【目的】モジュール化された薄膜太陽電池の各セル間における接続抵抗を小さくして発電効率を向上させる。【構成】基板と、その基板上に下部電極層、光吸収層、バッファ層および上部電極層が順次積層された複数のセルとを備え、前記基板上で複数のセル同士を電気的に接続する上，下部電極コンタクト用の溝を非直線状に形成するようにした薄膜太陽電池およびその製造方法。【選択図】　　　　図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、その基板上に下部電極層、光吸収層、バッファ層および上部電極層が順次積層された複数のセルとを備え、前記基板上で複数のセル同士を電気的に直列に接続する上，下部電極コンタクト用の溝を非直線状に形成したことを特徴とする薄膜太陽電池。
【請求項２】
上，下部電極コンタクト用の溝は、正弦波状に蛇行した曲線であることを特徴とする請求項１の記載による薄膜太陽電池。
【請求項３】
上，下部電極コンタクト用の溝は、矩形波状の線であることを特徴とする請求項１の記載による薄膜太陽電池。
【請求項４】
上，下部電極コンタクト用の溝は、三角波状の線であることを特徴とする請求項１の記載による薄膜太陽電池。
【請求項５】
基板上に下部電極層を形成したうえで、その下部電極層に下部電極分離用の溝を直線状に形成する第１の工程と、その下部電極分離用の溝が埋まるように下部電極層上に光吸収層を形成し、その光吸収層上にバッファ層を形成したうえで、バッファ層および光吸収層を貫通する上，下部電極コンタクト用の溝を非直線状に形成する第２の工程と、その上，下部電極コンタクト用の溝が埋まるように光吸収層上に上部電極層を形成したうえで、上部電極層、バッファ層および光吸収層を貫通するセル分離用の溝を直線状に形成する第３の工程とをとるようにした同一基板上に複数のセルがモジュール化された薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項６】
上，下部電極コンタクト用の溝をメカニカルスクライブ加工によって形成するようにしたことを特徴とする請求項５の記載による薄膜太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、同一基板上に複数のセルがモジュール化されて構成される薄膜太陽電池およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池はその半導体層の厚さにより分類されており、厚さが数１０μｍ〜数μｍ以下のものは特に薄膜太陽電池と呼ばれている。薄膜太陽電池には、Ｓｉ系やＩＩ〜ＶＩ族化合物薄膜系、カルコパイライト系がある。
【０００３】
最近、特に、光電変換効率に優れ、構造的に安定した出力特性が得られる太陽電池として、ＣＩＧＳ｛Ｃｕ（ＩｎＧｎ）Ｓｅ２｝系のカルコパイライト化合物を光吸収層とした薄膜太陽電池が注目されている。
【０００４】
図１は、そのＣＩＧＳ系の薄膜太陽電池のセル構造を示している。
【０００５】
ここでは、ＳＬＧ（ソーダライムガラス）基板１上にプラス側のＭｏなどからなる下部電極層２が形成され、その下部電極層２上にＣＩＧＳ系の光吸収層（ｐ型半導体層）３が形成され、その光吸収層３上にＺｎＳなどからなるバッファ層（ｎ型半導体層）４を介してマイナス側のＺｎＯ：Ａｌなどからなる透明な上部電極層６が形成されている。図中、７はプラス側の外部引出し電極を、８はマイナス側の外部引出し電極をそれぞれ示している。
【０００６】
このような構造によるセルにあっては、透明な上部電極層６を通して光が入射すると、光吸収層３とバッファ層４との接合面に電子（−）と正孔（＋）の対が生じ、電子が光吸収層３に、正孔がバッファ層４にそれぞれ集まって、両者間に起電力を生じる。その状態でプラス側の外部引出し電極７とマイナス側の外部引出し電極８との間に導線を接続することにより、電流をとり出すことができる。
【０００７】
実際のＣＩＧＳ系の薄膜太陽電池としては、このようなセル構造が同一基板上にモノリシックに複数配設されたモジュール構造となっている。
【０００８】
図２は、モジュールの平面構造を示している。
【０００９】
ここでは、プラス側の集電電極９とマイナス側の集電電極１０との間に４つのセルＣＬ１〜ＣＬ４が配設されている。図中、Ａ１〜Ａ４は各セルにおける発電に寄与する有効エリアであり、Ｄ１〜Ｄ３は各セルにおいて電気的な接続の処理を行うために要するデッドスペースである。また、Ｌ１は下部電極分離用の溝が直線状に形成されたラインを、Ｌ２は上、下部電極コンタクト用の溝が直線状に形成されたラインを、Ｌ３はセル分離用の溝が直線状に形成されたラインをそれぞれ示している。
【００１０】
また、図３は、モジュールの部分的な断面構造を示している。
【００１１】
ここでは、ＳＬＧ基板１上に下部電極層２、光吸収層３、バッファ層４、高抵抗層（ＺｎＯ）５および上部電極層Ｇが順次積層され、セルごとに下部電極分離用の溝Ｍ１および上，下部電極コンタクト用の溝Ｍ２が設けられ、そしてセル分離用の溝Ｍ３が設けられている。
【００１２】
各溝Ｍ１〜Ｍ３は、それぞれパターニング技術によって形成される。
【００１３】
その際、下部電極分離用の溝Ｍ１としては、ＳＬＧ基板１上に下部電極層２が形成された段階で、フォトリソグラフィを利用したケミカルエッチングや、レーザスクライブ加工によって形成される。
【００１４】
上，下部電極コンタクト用の溝Ｍ２としては、下部電極層２上に光吸収層３、バッファ層４および高抵抗層５を積層した段階で、フォトリソグラフィを利用したケミカルエッチングによって形成される。その溝Ｍ２は下部電極層２の面にまで到っており、その溝Ｍ２の内部に上部電極層６の材料が入り込むことによって下部電極層２と上部電極層６とが電気的に接続され、隣接するセル同志が直列接続されるようになっている。
【００１５】
セル分離用の溝Ｍ３としては、高抵抗層５上に上部電極層６が形成された段階で、フォトリソグラフィを利用したケミカルエッチングによって形成される。その溝Ｍ３は下部電極層２の面にまで到っており、隣接するセルと分離されるようになっている。
【００１６】
なお、上，下部電極コンタクト用の溝Ｍ２およびセル分離用の溝Ｍ３を形成するに際して、レーザスクライブ加工によるのでは、高熱によるレーザ光を集中的に照射するために、熱による光吸収層３の特性の劣化が問題になってしまう。
【００１７】
このようにモジュールにおける各セル部分を構成するに際して、隣接するセル同志を直列接続する上，下部電極コンタクト用の溝Ｍ２の接続抵抗が大きく、出力低下の要因となっている。それは、上部電極層６を形成する材料の抵抗率が高いことと、上，下部電極コンタクト用の溝Ｍ２の幅が狭いことによる。特に、モジュールにおける大電力化の要求に応えるためにセルの数を増やす場合、各セル間の接続抵抗がトータル的に大きくなって大電力化を図る際の障害になっている。
【００１８】
また、従来、モジュールにおける各セル間の接続抵抗の低減を図るために、光電変換体の電極膜から接触グリッドを隣の光電変換体の内部に延伸させて電極膜と直列に接続させるようにした薄膜太陽電池がある（特開平６−１３６３７号公報参照）。
【００１９】
しかし、このような手段をとるのでは、発電エリアに接触グリッドを延伸させるようにしているので、抵抗値がグリッド付近のみで低くなって、電界分布が不均一になってしまう。また、各層ごとに溝部を段階的に形成しなければならない構造のため、その都度ケミカルエッチングによるパターニングを行うことになり、製造時の作業性が悪く、量産時のスループットが悪いものになってしまう。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、図２および図３に示すモジュール化された薄膜太陽電池にあって、各セル部分を構成するに際して、隣接するセル同志を直列接続する上，下部電極コンタクト用の溝Ｍ２の接続抵抗が大きく、出力低下の要因になっていることである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板上に下部電極層、光吸収層、バッファ層および上部電極層が順次積層され、セルごとに下部電極分離用の溝、上，下部電極コンタクト用の溝およびセル分離用の溝が設けられた同一基板上に複数のセルがモジュール化された薄膜太陽電池にあって、各セル間の接続抵抗を小さくすることができるようにするべく、上，下部電極コンタクト用の溝を非直線状に形成するようにしている。
【００２２】
また、本発明は、そのモジュール化された薄膜太陽電池を製造するに際して、その製造を容易に行わせることができるように、特にメカニカルスクライブ加工によって、上，下部電極コンタクト用の溝を非直線状に形成するようにしている。
【００２３】
【実施例】
図４は、本発明によるモジュール化された薄膜太陽電池の製造工程を示している。
【００２４】
まず、図４（ａ）に示す第１の工程として、ＳＬＧ基板１上にＭｏなどからなる下部電極２をスパッタリングにより形成したうえで、レーザスクライブ加工によって下部電極分離用の溝Ｍ１を直線状に形成する。
【００２５】
なお、このときレーザスクライブ加工を施しても、レーザ光による熱の影響は問題にならない。
【００２６】
次いで、図４（ｂ）に示す第２の工程として、下部電極層２の上に、下部電極分離用の溝Ｍ１が埋まるように光吸収層３を形成し、その上にヘテロ接合のためのＺｎＳ薄膜などからなるバッファ層４をＣＢＤ（ケミカルバスデポジション）法により成膜し、さらにその上にスパッタリングによりＺｎＯ薄膜などからなる絶縁層５を形成したうえで、下部電極分離用の溝Ｍ１から横方に数百μｍ離れた位置にメカニカルスクライブ加工によって下部電極層２の面にまで至る上、下部電極間コンタクト用の溝Ｍ２を非直線状に形成する。
【００２７】
光吸収層３としては、例えば、スパッタリングによってＩｎ層とＣｕ−Ｇａ合金層とからなる積層プリカーサを成膜して、それをＳｅ雰囲気中で熱処理することによってＣＩＧＳ薄膜を形成する。
【００２８】
最終的に、図４（ｃ）に示す第３の工程として、絶縁層５の上からＺｎＯ：Ａｌ薄膜などからなる透明な上部電極層６を形成して、メカニカルスクライブ加工によって下部電極層２の面にまで至る上、下部電極分離用の溝Ｍ３を直線状に形成する。
【００２９】
なお、溝Ｍ２およびＭ３を形成するに際して、レーザスクライブ加工によるのでは、レーザ光の熱によって特に光吸収層３の光電変換特性が劣化してしまうことになる。
【００３０】
図５はこのようにして製造された薄膜太陽電池の平面構造を示している。
【００３１】
ここでは、特に、上，下部電極コンタクト用の溝Ｍ２を正弦波状に蛇行させて形成するようにしている。図５中、Ｌ２′は上、下部電極コンタクト用の溝Ｍ２を正弦波状に蛇行させて形成したラインを示している。
【００３２】
図５に示す構成にあって、プラス側の集電電極９とマイナス側の集電電極１０との間に４つのセルＣＬ１〜ＣＬ４が配設されている。図中、Ａ１〜Ａ４は各セルにおける発電に寄与する有効エリアであり、Ｄ１〜Ｄ３は各セルにおいて電気的な接続の処理を行うために要するデッドスペースである。また、Ｌ１は下部電極分離用の溝Ｍ１が直線状に形成されたラインを、Ｌ３はセル分離用の溝Ｍ３が直線状に形成されたラインをそれぞれ示している。
【００３３】
上、下部電極コンタクト用の溝Ｍ２を非直線状に形成する際、正弦波状に限らず、それを図６に示すように矩形波状に蛇行させても、また図７に示すように三角波状に蛇行させるようにしてもよい。
【００３４】
このように、本発明によれば、モジュール化された薄膜太陽電池における各セルＣＬ１〜ＣＬ４間を電気的に分離するに際して、特に上，下部電極コンタクト用の溝Ｍ２を非直線状に形成するようにしているので、各セル間において電気的な接続の処理を行うために要するデッドスペースＤ１〜Ｄ３を抑制しながら、充分な接触面積をもって隣接するセル間を直列に接続する際の接続抵抗を有効に低減させることができる。
【００３５】
実際に、上，下部電極コンタクト用の溝Ｍ２を非直線状に形成して太陽電池モジュールを構成したときの各セル間の接続抵抗と、その溝Ｍ２を直線状に形成したときの太陽電池モジュールにおける各セル間の接続抵抗とをそれぞれ測定した結果、非直線状に形成したときの方が直線状に形成したものに比して約５％程度の低減が得られた。
【００３６】
なお、上，下部電極コンタクト用の溝Ｍ２を非直線状に形成しなくても、径の大きなスクライブ刃を用いたメカニカルスクライブ加工によって、幅の広い上，下部電極コンタクト用の溝を直線状に形成するようにしても各セル間の接続抵抗を低減させることができる。しかし、その場合には、径の大きなスクライブ刃をもって、大きな加重をもってスクライブ加工されるので、下部電極層２を傷付けたり、剥離させたりするなどの不具合を生じてしまう。また、両隣りの下部電極分離用の溝Ｍ１およびセル分離用の溝Ｍ３と接触しないように幅の広い溝を形成するので、剛性をもたせるためにデッドスペース部分をある程度広く確保する必要があり、各セルの有効発電エリアが狭くなってしまう。
【００３７】
図８は、上，下部電極コンタクト用の溝Ｍ２およびセル分離用の溝Ｍ３をメカニカルスクライブ加工する際に用いられるメカニカルスクライブ装置の概要を示している。
【００３８】
そのメカニカルスクライブ装置は、例えば上，下部電極コンタクト用の溝Ｍ２の形成時に、ＳＬＧ基板上に上面電極層、光吸収層、バッファ層および絶縁層が順次形成されたワーク材１３をその被加工面が水平面に対して６０〜９０°未満の角度範囲になるように保持して搬入する背面フロート式の搬入Ｌ／Ｌ部１２１と、その搬入されたワーク材１３に対してそれが垂直に保持された状態のままで所定のスクライブ加工を施すスクライブ加工部１２２と、そのスクライブ加工されたワーク材１３を搬出する背面フロート式の搬出ＵＬ／Ｌ部１２３とからなっている。
【００３９】
ワーク材１３の搬入Ｌ／Ｌ部１２１は、背面エアーフローライン１４に複数のワーク材１３の面が６０〜９０°未満の角度範囲になるように保持されて、コンベア１５によって順次スクライブ加工部１２２に搬送されるようになっている。
【００４０】
スクライブ加工部１２２は、搬送されてきたワーク材１３を６０〜９０°未満の角度範囲の状態のままで可動テーブル１６に吸着して、スライドレール１７に沿ってスクライブ機構１８のところまで移動させる。その際、上下一対に設けられたカメラ１９１，１９２によってワーク材１３における基準ラインを認識する。基準ラインの認識としては、予めワーク材１３に付された位置合せマークや基板の端面、あるいは既に形成されている下部電極分離用の溝Ｍ１を用いて行う。
【００４１】
その基準ラインの認識の結果、図９に示すように、可動テーブル１６に吸着されているワーク材１３が傾いている場合には、図１０に示すように、その認識された基準ラインが垂直になるように可動テーブル１６を回転させて、スクライブ機構部に対するワーク材１３の姿勢を修正する。
【００４２】
そして、可動テーブル１６を送りながら、スクライブ機構１８のスクライブヘッド２０に対するワーク材１３のスクライブ箇所の位置決めを行ったうえで、ヘッド駆動部２１によってヘッド２０の先端に装着されたスクライブ刃２２を所定の圧力をもってワーク材１３に押し付けながら、ヘッド２０を例えば正弦波状に蛇行させるように動かして所定のスクライブ加工を行うようになっている。図中、２３はヘッドクリーナを示している。
【００４３】
このときのヘッド駆動部２１によるスクライブ刃２２の押圧力およびスクライブ加工時におけるヘッド２０の移動の制御は、予め所定のスクライブ加工が施されるように適正押圧量および所定のパターンによる移動量が予めプログラム設定されたＥＣＵ（図示せず）によって行われる。
【００４４】
また、スクライブ加工部１２２にはダウンブロー排気口２４，２５が設けられており、上から下方に気流を生じさせることにより、スクライブによって生じた紛塵を下側に排出させるようにしている。その際、ワーク材１３が垂直状態でその面にスクライブ加工が施されるために、ワーク材１３の面にスクライブによって生じた紛塵が残留することなく、効率良く排出される。
【００４５】
被加工部材１３の搬出ＵＬ／Ｌ部１２３は、スクライブ加工が施されたワーク材１３が背面エアーフローライン２６に保持されて、コンベア２７によって順次搬出されるようになっている。
【００４６】
図１１は、スクライブ刃２２を示している。ここでは、直径Ｄ＝３ｍｍ、長さＬ＝４ｃｍの筒体の先方がテーパー角度θ＝６０°をもって先細りになり、その先細りの先端の径φが３５μｍの面積をもって平坦になっている。
【００４７】
図１２に示すように、そのスクライブ刃２２の先端が摩耗してしまうと（摩耗量δ）、溝Ｍ２およびＭ２を形成する際のスクライブ量が不充分となり、下部電極層２の面に至るまでのスクライブ加工がなされずに、各セルの分離を確実に行わせることができなくなってしまう。
【００４８】
そのため、スクライブ刃２２の先端の平坦部分の大きさを測定することによって摩耗の程度を検知して、その検知された摩耗の程度に応じてスクライブ刃２２の押圧力を増大させることによって、常に一定のスクライブ加工を行わせることができるようにしている。
【００４９】
具体的には、例えば、スクライブ刃２２の先端の平坦部分をカメラによって撮影して、その撮影画像のデータを演算制御装置が読み込んで、その平坦部分の大きさ（口径または面積）をわり出す。そして、演算制御装置のメモリに予め設定されている平坦部分の大きさに対する押圧力の特性のテーブルを参照して、そのとき測定されている平坦部分の大きさに応じた所定の押圧力になるようにスクライブ刃２２の押圧力を調整する。
【００５０】
図１３は、スクライブ刃２２の摩耗量と刃先面積との関係の特性Ａおよびスクライブ刃２２の摩耗量に対して最適化された刃荷重の特性Ｂを示している。
【００５１】
また、メカニカルスクライブ加工によって上，下部電極コンタクト用の溝Ｍ２およびセル分離用の溝Ｍ３を形成するに際して、ＥＣＵ（図示せず）の制御下においてスクライブ刃２２の移動速度を可変に制御して、位置精度が要求されるスクライブ加工の開始領域（例えば全スクライブ領域の１０％程度の領域）および終了領域（例えば全スクライブ領域の１０％程度の領域）に対して、その中間領域におけるスクライブ刃２２の移動速度を高く設定するようにする。
【００５２】
このようなスクライブ加工の中間領域におけるスクライブ刃２２の移動速度を高めることにより、モジュール構成による薄膜太陽電池の各セルの分離作業を効率良く行わせることができ、量産時のスループットを向上させることができるようになる。
【００５３】
【発明の効果】
以上、本発明による薄膜太陽電池によれば、各セル間の接続抵抗を小さくすることができ、小形で発電効率の良いものになるという利点を有している。
【００５４】
また、本発明による薄膜太陽電池の製造方法によれば、小形で発電効率の良い薄膜太陽電池を容易に製造することができるという利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的なＣＩＧＳ系の薄膜太陽電池のセル構造を示す正断面図である。
【図２】従来のモジュール化された薄膜太陽電池の平面図である。
【図３】モジュール化された薄膜太陽電池の部分的な断面図である。
【図４】本発明によるモジュール化された薄膜太陽電池の製造工程を示す図である。
【図５】本発明によるモジュール化された薄膜太陽電池の平面図である。
【図６】上，下部電極コンタクト用の溝を非直線状に蛇行させる形状の一例を示す図である。
【図７】上，下部電極コンタクト用の溝を非直線状に蛇行させる形状の他の例を示す図である。
【図８】メカニカルスクライブ装置の一般的な簡略構成図である。
【図９】メカニカルスクライブ装置における可動テーブルに吸着されているワーク材が傾いている状態を示す正面図である。
【図１０】メカニカルスクライブ装置における可動テーブルを回転させてスクライブ機構部に対するワーク材の姿勢を修正した状態を示す正面図である。
【図１１】スクライブ刃を示す正面図である。
【図１２】メカニカルスクライブの刃の先端が摩耗したときの刃の先端の平坦部の大きさの変化状態を示す図である。
【図１３】スクライブ刃の摩耗量と刃先面積との関係およびスクライブ刃の摩耗量に対して最適化された刃荷重の特性の一例をそれぞれ示す特性図である。
【符号の説明】
１　ＳＬＧ基板
２　下部電極層
３　光吸収層
４　バッファ層
５　絶縁層
６　上部電極層
ＣＬ１〜ＣＬ４　セル
Ａ１〜Ａ４　発電有効エリア
Ｄ１〜Ｄ３　デッドスペース
Ｌ１　下部電極分離用の溝によるライン
Ｌ２　上，下部電極コンタクト用の溝によるライン
Ｌ３　セル分離用の溝によるライン
Ｍ１　下部電極分離用の溝
Ｍ２　上，下部電極コンタクト用の溝
Ｍ３　セル分離用の溝
【図１】
2004119953.tif 000003
【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】
2004119953.tif 000011
【図１０】
2004119953.tif 000012
【図１１】
2004119953.tif 000013
【図１２】
2004119953.tif 000014
【図１３】
2004119953.tif 000015