(57)【要約】【課題】汎用性が高く製造が容易な太陽電池およびその製造方法を提供する。【解決手段】絶縁層１１ｂを含む基板１１と、絶縁層１１ｂの上方に形成され直列接続された複数のユニットセル１５とを備える。ユニットセル１５は、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含む半導体からなり光吸収層として機能する半導体層を含み、基板１１は、ＦｅとＣｒとＡｌとを含む基体１１ａと基体１１ａ上に配置された絶縁層１１ｂとを備え、絶縁層１１ｂは基体１１ａを熱酸化することによって形成された絶縁層であることを特徴とする。【選択図】  図１
2004327850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁層を含む基板と、前記絶縁層の上方に形成され直列接続された複数のユニットセルとを備える集積型太陽電池であって、
前記ユニットセルは、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含む半導体からなり光吸収層として機能する半導体層を含み、
前記基板は、ＦｅとＣｒとＡｌとを含む基体と前記基体上に配置された前記絶縁層とを備え、
前記絶縁層は前記基体を熱酸化することによって形成された絶縁層であることを特徴とする集積型太陽電池。
【請求項２】
前記絶縁層と前記ユニットセルとの間に配置された絶縁膜をさらに備える請求項１に記載の集積型太陽電池。
【請求項３】
前記基体におけるＡｌの含有率が２原子％以上である請求項１に記載の集積型太陽電池。
【請求項４】
前記基体が希土類元素を含む請求項１に記載の集積型太陽電池。
【請求項５】
Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含む半導体からなり光吸収層として機能する半導体層を含む複数のユニットセルを備える集積型太陽電池の製造方法であって、
（ｉ）ＦｅとＣｒとＡｌとを含む基体を熱酸化することによって、前記基体の少なくとも一主面に絶縁層を形成する工程と、
（ｉｉ）前記絶縁層の上方に、直列接続された複数の前記ユニットセルを形成する工程とを含むことを特徴とする集積型太陽電池の製造方法。
【請求項６】
前記（ｉ）の工程において、８００℃以上の温度で熱酸化を行う請求項５に記載の集積型太陽電池の製造方法。
【請求項７】
前記基体におけるＡｌの含有率が２原子％以上である請求項５に記載の集積型太陽電池の製造方法。
【請求項８】
前記基体が希土類元素を含む請求項５に記載の集積型太陽電池の製造方法。
【請求項９】
前記（ｉ）の工程ののちであって前記（ｉｉ）の工程の前に、前記絶縁層上に絶縁膜を形成する工程をさらに含む請求項５に記載の集積型太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集積型太陽電池およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とからなる化合物半導体薄膜（カルコパイライト構造半導体薄膜）であるＣｕＩｎＳｅ２（ＣＩＳ）、またはこれにＧａを固溶したＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（ＣＩＧＳ）、あるいはＣｕＩｎＳ２を光吸収層に用いたＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの構造および製造方法について、報告がなされている（例えば、非特許文献１参照）。このようなＣＩＳ系薄膜太陽電池においては、基板上に複数のユニットセルを直列接続した集積型構造が一般的である。
【０００３】
ＣＩＳ系の集積型太陽電池を製造するための従来の方法について、図５を参照しながら一例を説明する。まず、図５（ａ）に示すように、ガラスなどの絶縁性基板１上に第１の電極膜２をスパッタリング法によって形成した後、連続発振のレーザビームＬ１を照射することによって、第１の電極膜２をストライプ状に除去して短冊状の第１の電極膜２を形成する。その後、図５（ｂ）に示すように、ｐ型Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２薄膜とｎ型ＣｄＳ薄膜との積層膜からなる半導体膜３を形成する。その後、図５（ｃ）に示すように、メカニカルスクライブ法によって半導体膜３を短冊状に分割する。その後、図５（ｄ）に示すように、第２の電極膜４として透明導電膜を形成する。最後に、図５（ｅ）に示すように、メカニカルスクライブ法によって、第２の電極膜４を短冊状に分割する。図５（ｅ）の集積型太陽電池では、各ユニットセル５の第２の電極膜４が、隣接するユニットセル５の第１の電極膜２と接続することによって、各ユニットセル５が直列接続している。なお図５（ｃ）や図５（ｅ）の工程において、メカニカルスクライブ法ではなくレーザビームを用いて分割することも可能である。
このような集積型の薄膜太陽電池においては、ステンレス基板などの可撓性基板を用いることによって汎用性が高くなる。また、可撓性基板を用いた場合には、ロールに巻かれた基板を引き出してその上に太陽電池を連続的に形成することができるため、製造上有利である。
【０００４】
【非特許文献１】
第１３回  ユーロピアン  フォトヴォルテック  ソーラー  カンファレンス（１３ＴＨ  ＥＵＲＯＰＥＡＮ  ＰＨＯＴＯＶＯＬＴＡＩＣ  ＳＯＬＡＲ  ＣＯＮＦＥＲＥＮＣＥ）１９９５  Ｐ．１４５１−１４５５
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、金属製フレキシブル基板（たとえばステンレス基板）のように絶縁性でない基板を用いた場合には、集積型太陽電池を構成するために基板の表面に絶縁性を付与することが必要である。基板表面が絶縁性でないと、ユニットセル同士が短絡するため、集積型太陽電池を構成することは不可能になる。
【０００６】
また、金属製基板上に絶縁膜を形成する場合でも、半導体膜を形成する際の高温に耐えきれず、熱応力によって絶縁膜が基板から剥離することがある。
【０００７】
上記従来の技術が有する問題を解決すべく、本発明は、汎用性が高く製造が容易な太陽電池およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の太陽電池は、絶縁層を含む基板と、前記絶縁層の上方に形成され直列接続された複数のユニットセルとを備える集積型太陽電池であって、前記ユニットセルは、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含む半導体からなり光吸収層として機能する半導体層を含み、前記基板は、ＦｅとＣｒとＡｌとを含む基体と前記基体上に配置された前記絶縁層とを備え、前記絶縁層は前記基体を熱酸化することによって形成された絶縁層であることを特徴とする。
【０００９】
上記太陽電池は、前記絶縁層と前記ユニットセルとの間に配置された絶縁膜をさらに備えてもよい。
【００１０】
上記太陽電池では、前記基体におけるＡｌの含有率が２原子％以上であってもよい。
【００１１】
上記太陽電池では、前記基体が希土類元素を含んでもよい。
【００１２】
また、本発明の太陽電池の製造方法は、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含む半導体からなり光吸収層として機能する半導体層を含む複数のユニットセルを備える集積型太陽電池の製造方法であって、（ｉ）ＦｅとＣｒとＡｌとを含む基体を熱酸化することによって、前記基体の少なくとも一主面に絶縁層を形成する工程と、（ｉｉ）前記絶縁層の上方に、直列接続された複数の前記ユニットセルを形成する工程とを含むことを特徴とする。
【００１３】
上記製造方法では、前記（ｉ）の工程において、８００℃以上の温度で熱酸化を行ってもよい。
【００１４】
上記製造方法では、前記基体におけるＡｌの含有率が２原子％以上であってもよい。
【００１５】
上記製造方法では、前記基体が希土類元素を含んでもよい。
【００１６】
上記製造方法では、前記（ｉ）の工程ののちであって前記（ｉｉ）の工程の前に、前記絶縁層上に絶縁膜を形成する工程をさらに含んでもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の集積型薄膜太陽電池、およびその製造方法について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、同一の部分については同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１８】
本発明の集積型太陽電池、およびその製造方法を図１を参照しながら説明する。まず、図１（ａ）に示すように、鉄を主成分とする基体１１ａを用意する。基体１１ａは、鉄（Ｆｅ）を主成分（５０原子％以上であり、通常７０原子％以上）とし、さらに微量の添加元素を含む鉄板である。添加元素としては、少なくともクロム（Ｃｒ）とアルミニウム（Ａｌ）とを含み、さらにイットリウム（Ｙ）などの希土類元素を含んでもよい。Ｃｒの含有率は、たとえば１０原子％以上３５原子％以下である。また、Ａｌの含有率は、たとえば２原子％以上１０原子％以下である。基体１１ａとしては、たとえば、２０原子％のＣｒと５原子％のＡｌとを含む鉄基板を用いることができる。また、基体１１ａがＣｒを含むことによって、基体の耐食性および耐久性が向上する。また、基体１１ａは、ナトリウムやカリウムなどのアルカリ金属を含んでもよい。基体１１ａがアルカリ金属を含むことによって、半導体膜１３中のＣＩＳ膜やＣＩＧＳ膜の成長を促進させることができる。基体１１ａは可撓性を有することが好ましく、その厚さは、３０μｍ〜２００μｍの範囲であることが好ましい。
【００１９】
次に、基体１１ａを熱酸化することによって、図１（ｂ）に示すように、基体１１ａの少なくとも一主面に絶縁層１１ｂを形成する（工程（ｉ））。熱酸化後の基板１１は、基体１１ａの部分と、それが酸化されて絶縁層１１ｂとなった部分とを含む。熱酸化は、酸素を含む雰囲気中で行われ、８００℃以上の温度で行うことが好ましい。絶縁層１１ｂの厚さは、たとえば０．１μｍ〜３μｍであり、０．４μｍ以上であることが好ましい。
【００２０】
熱酸化工程に用いられる電気炉の一例を、図２に模式的に示す。図２の電気炉３０は、ヒータ３１を備える。電気炉３０の内部は、所望の雰囲気（たとえば酸素リッチ雰囲気）にすることが可能である。ロールに巻かれた基体１１ａは、ロール３２から送り出され、ヒータ３１で加熱されながらゆっくりと移動する。基体１１ａは、ヒータ３１によって８００〜１１００℃の温度で１時間程度加熱され、これによって酸化膜（絶縁層）が形成される。たとえばアルミニウムの酸化膜（Ａｌ２Ｏ３などの酸化アルミニウム膜）を形成する場合には、１０００℃程度で約１時間加熱すると、１μｍ程度の膜厚の酸化膜が形成される。この酸化膜によって表面が絶縁性の基板が形成される。なお、この酸化膜は、酸化鉄や酸化クロムを含む場合がある。酸化膜が形成された基板１１は、ロール３３によって巻き取られる。
【００２１】
次に、図１（ｃ）に示すように、絶縁層１１ｂの上方に、直列接続された複数のユニットセル１５を形成する（工程（ｉｉ））。このようにして、本発明の集積型太陽電池１０を製造できる。
【００２２】
ユニットセル１５の形成方法の一例について、図３を参照しながら説明する。まず、図３（ａ）に示すように、基板１１の絶縁層１１ｂ上に、ストライプ状のレジストパターン２１を形成する。レジストパターン２１は、レジスト液をストライプ状に配置したのち定着（硬化）させることによって形成できる。レジストパターン２１の幅は、５０μｍ〜２００μｍの範囲であり、その間隔（ピッチ）は３ｍｍ〜８ｍｍの範囲で且つほぼ等間隔である。
【００２３】
次に、図３（ｂ）に示すように、レジストパターン２１を覆うように第１の電極膜１２を形成する。このとき、レジストパターン２１上に形成された第１の電極膜１２は、レジストパターン２１の厚さだけ浮いた形で形成される。
【００２４】
次に、図３（ｃ）に示すように、レジストパターン２１およびレジストパターン２１上に形成された第１の電極膜１２を除去する。レジストパターン２１上に形成された第１の電極膜１２は、レジストパターン２１を除去することによって同時に除去される。このようにして、第１の電極膜１２を短冊状に分割できる。
【００２５】
レジスト液が水溶性の化合物（水溶性の樹脂など）を含む場合やレジスト液が水溶性インクである場合には、水を含む液体（たとえば水）を用いることによってレジストパターン２１を除去できる。また、レジスト液が有機溶媒に可溶な高分子化合物を含む場合には、有機溶媒を用いることによってレジストパターン２１を除去できる。
【００２６】
レジストパターン２１を除去する方法の１つとして、液体中で超音波洗浄を行う方法が挙げられる。ただし、レジスト液の粘性が高い場合は、ブラシを用いた洗浄などのように、機械的な手段を用いた洗浄方法でもよい。
【００２７】
次に、図３（ｄ）に示すように、第１の電極膜１２上にｐｎ接合を含む半導体膜１３を形成する。そして、図３（ｅ）に示すように、半導体膜１３の一部をストライプ状に除去して溝１３ａを形成することによって、半導体膜１３を短冊状に分割する。溝１３ａは、溝１３ａによって第１の電極膜１２の一部が露出するような位置に形成され、たとえば、溝１２ａに隣接されるように形成される。半導体膜１３の一部の除去は、メカニカルスクライブ法やレーザスクライブ法で行うことができる。
【００２８】
半導体膜１３は、ｐ形の半導体層（光吸収層）とｎ形の半導体層とを含む。ｐ形の半導体としては、たとえば、カルコパイライト構造半導体を用いることができ、具体的には、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含む半導体を用いることができる。より具体的には、ＣｕＩｎＳｅ２（ＣＩＳ）、またはこれにＧａを固溶したＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（ＣＩＧＳ）、あるいはこれらのＳｅの一部を硫黄（Ｓ）で置き換えた半導体を用いることができる。これらは、蒸着法またはスパッタリング法によって形成できる。また、ｎ形の半導体としては、たとえば、ＣｄＳ、ＺｎＯ、Ｚｎ（Ｏ，ＯＨ）、Ｚｎ（Ｏ，ＯＨ，Ｓ）、ＺｎＭｇＯ等の少なくともＩＩ族元素とＶＩｂ族元素とを含む化合物を用いることができる。これらは、化学浴析出法またはスパッタリング法で形成できる。
【００２９】
次に、図３（ｆ）に示すように、半導体膜１３上および半導体膜１３が除去された露出した第１の電極膜１２上に第２の電極膜１４を形成する。第２の電極膜１４は溝１３ａの部分にも形成され、この溝１３ａの部分を通じて第１の電極膜１２と第２の電極膜１４とが電気的に接続される。最後に、図３（ｇ）に示すように、第２の電極膜１４の一部をストライプ状に除去して溝１４ａを形成することによって、第２の電極膜１４を短冊状に分割する。この工程では、図３（ｇ）に示すように、第２の電極膜１４とともに半導体膜１３の一部を除去してもよい。第２の電極膜１４には、ＺｎＯ膜、ＺｎＯ：Ａｌ膜、ＩＴＯ膜などの透明導電膜を用いることができ、スパッタリング法やＣＶＤ法などによって形成できる。
【００３０】
このようにして、直列接続された複数のユニットセル（太陽電池ユニットセル）１５が基板１１上に形成された集積型の太陽電池１０を製造できる。各ユニットセル１５の第２の電極膜１４は、隣接するユニットセル１５の第１の電極膜１２と接続されており、これによって隣接するユニットセルが直列接続されている。本発明の太陽電池では、基板中に含まれる元素（Ａｌ）を酸化させることによって絶縁層を形成しているため、基板と絶縁層との密着性がよく、絶縁層が基板から剥離しない。
【００３１】
なお、本発明の太陽電池では、絶縁層１１ｂと第１の電極膜１２との間に配置された絶縁膜をさらに備えてもよい。そのような太陽電池１０ａを図４に示す。
太陽電池１０ａの製造方法は、絶縁膜４１を形成することを除いて太陽電池１０の製造方法と同じである。
【００３２】
絶縁膜４１は、絶縁層１１ｂを形成したのちに形成される。絶縁層１１ｂは熱酸化によって形成されるが、基板を均一に加熱できなかった場合は、表面酸化によって形成した絶縁層、たとえばアルミニウムの酸化層（Ａｌ２Ｏ３などの酸化アルミニウム膜）が凹凸を伴った形で形成される。基板の凹凸が大きいと半導体膜を形成したときにピンホールが発生しやすい原因となる。このような場合には、基板の凹凸を埋めて表面を平坦にするために、絶縁膜４１を形成することが好ましい。絶縁膜４１を形成する方法としてはゾル・ゲル法やめっき法がある。ここではゾル・ゲル法によって酸化膜、たとえばアルミニウムの酸化膜（Ａｌ２Ｏ３膜）を形成する方法の一例を説明する。
【００３３】
まず、金属アルコキシドとして、たとえばアルミニウムブトキシド（Ａｌ（ＯＣ４Ｈ９）３）を用意し、これにアルコールを加えて混合溶液を調製する。この混合溶液に、加水分解に必要な水と、触媒としての酸のアルコール溶液とを添加して出発溶液を調製する。この出発溶液を室温〜８０℃の温度とし、この溶液に基板を浸しながら、撹拌を行いアルコキシドの加水分解と重縮合を行わせる。出発溶液中では、金属酸化物の粒子が生成して溶液はゾルになり、さらに反応が進むと全体が固まったゲルになる。その後、基板を引きあげて、基板を乾燥する。その後、２００℃以上の温度で基板上のゲルを焼結させることによって、アルミニウムの酸化膜（Ａｌ２Ｏ３膜）を形成する。
【００３４】
絶縁膜４１と、絶縁層１１ｂとが同じ材料で形成される場合には、両者の結合性が高く、且つ平坦な基板が得られる。たとえば、絶縁層１１ｂがアルミニウムの酸化膜（Ａｌ２Ｏ３膜）からなる場合には、ゾル・ゲル法によってアルミニウムの酸化膜（Ａｌ２Ｏ３膜）を形成することによって、絶縁層１１ｂと結合性が高い絶縁膜４１を形成できる。
【００３５】
以上、本発明の実施の形態について例を挙げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず本発明の技術的思想に基づき他の実施形態に適用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、汎用性が高く製造が容易な太陽電池が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の集積型太陽電池の製造方法について一例を示す工程断面図である。
【図２】本発明の製造方法で用いる製造装置の一例を模式的に示す図である。
【図３】本発明の集積型太陽電池の製造方法について一例の一部の工程を示す断面図である。
【図４】本発明の集積型太陽電池の一例を示す断面図である。
【図５】従来の集積型太陽電池の製造方法について一例を示す工程断面図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ  太陽電池
１１  基板
１１ａ  基体
１１ｂ  絶縁層
１２  第１の電極膜
１２ａ、１３ａ、１４ａ  溝
１３  半導体膜
１４  第２の電極膜
１５  ユニットセル
２１  レジストパターン
３０  電気炉
３１  ヒータ
３２、３３  ロール
４１  絶縁膜
【図１】
2004327850.tif 000003
【図２】
2004327850.tif 000004
【図３】
2004327850.tif 000005
【図４】
2004327850.tif 000006
【図５】
2004327850.tif 000007