(57)【要約】【課題】特性および信頼性が高い新規な構造の太陽電池、およびその製造方法を提供する。【解決手段】導電性基板１１と、導電性基板１１上に順に配置された絶縁層１２、導電層１３および半導体層１４とを含み、絶縁層１２と導電層１３とを貫通する貫通孔１８が形成されており、貫通孔１８には半導体層１４を構成する半導体が埋め込まれている。【選択図】　図１
2004103959.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の基板と、前記基板上に順に配置された絶縁層、導電層および半導体層とを含む太陽電池であって、
前記絶縁層と前記導電層とを貫通する貫通孔が形成されており、
前記貫通孔には前記半導体層を構成する半導体が埋め込まれていることを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
導電性の基板と、前記基板上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成され直列接続された複数のユニットセルとを含む太陽電池であって、
前記ユニットセルは、前記絶縁層上に順に配置された導電層と半導体層とを含み、
前記絶縁層と前記導電層とを貫通する貫通孔が形成されており、
前記貫通孔には前記半導体層を構成する半導体が埋め込まれていることを特徴とする太陽電池。
【請求項３】
前記基板を構成する元素から選ばれる少なくとも１つの元素が、前記貫通孔に埋め込まれた前記半導体に拡散している請求項１または２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記基板が、Ｔｉ、Ｃｒ、ＦｅおよびＮｉから選ばれる少なくとも２つ以上の元素を含む合金またはステンレススチールからなる請求項１ないし３のいずれかに記載の太陽電池。
【請求項５】
前記絶縁層が、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＮおよびガラスからなる群より選ばれる少なくとも１つ以上からなる請求項１ないし４のいずれかに記載の太陽電池。
【請求項６】
前記導電層がＭｏを含む請求項１ないし５のいずれかに記載の太陽電池。
【請求項７】
前記半導体層が、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含む化合物半導体からなる請求項１ないし６のいずれかに記載の太陽電池。
【請求項８】
前記Ｉｂ族元素がＣｕであり、前記ＩＩＩｂ族元素がＩｎおよびＧａから選ばれる少なくとも１つの元素であり、前記ＶＩｂ族元素がＳｅおよびＳから選ばれる少なくとも１つの元素である請求項７に記載の太陽電池。
【請求項９】
前記化合物半導体がｐ形半導体であり、前記貫通孔に埋め込まれた前記半導体が前記ｐ形半導体よりも高抵抗のｐ形半導体またはｎ形半導体である請求項８に記載の太陽電池。
【請求項１０】
導電性の基板と、前記基板上に順に配置された絶縁層、導電層および半導体層とを含む太陽電池の製造方法であって、
（ｉ）前記基板上に、前記絶縁層と前記導電層とを順に積層する工程と、
（ｉｉ）前記絶縁層および前記導電層を貫通する貫通孔を形成する工程と、
（ｉｉｉ）前記貫通孔内および前記導電層上に前記半導体層を形成する工程とを含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。
【請求項１１】
前記（ｉｉ）の工程において、前記導電層と前記基板との間に電流を流すことによって前記貫通孔を形成する請求項１０に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項１２】
前記（ｉ）の工程ののちであって前記（ｉｉ）の工程の前に、前記導電層の一部をストライプ状に除去して前記導電層を複数の短冊状の導電層に分割する工程をさらに含み、
前記（ｉｉ）の工程において、前記複数の短冊状の導電層から選ばれる２つの導電層間に電流を流すことによって前記貫通孔を形成する請求項１０に記載の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、太陽電池およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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層（カルコパイライト構造半導体層）であるＣｕＩｎＳｅ２（ＣＩＳ）、あるいはこれにＧａを固溶したＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（ＣＩＧＳ）を光吸収層に用いた薄膜太陽電池（以下、ＣＩＳ太陽電池またはＣＩＧＳ太陽電池という場合がある）が知られている。このＣＩＳ・ＣＩＧＳ太陽電池は、高いエネルギー変換効率を示し、光照射による効率の劣化がないという利点を有していることが報告されている。
【０００３】
ＣＩＳ・ＣＩＧＳ太陽電池は薄膜を積層することによって形成できるため、フレキシブル基板上に形成することが可能であり、また、直列接続された複数のユニットセルを基板上に形成して集積形太陽電池を形成することが可能である。高品質のＣＩＳ・ＣＩＧＳ膜を形成するには、現在、５００℃以上の形成温度が必要とされる。このため、高効率のフレキシブルＣＩＳ・ＣＩＧＳ太陽電池を製造するためには、耐熱性の高い金属箔を基板として用いることが有利である。しかし、金属箔のみを基板に用いると、金属箔は導電性を有するため、集積形の太陽電池を製造することができない。このため、表面に絶縁層が形成された金属箔を基板として用いた太陽電池が提案されている。
【０００４】
たとえば、佐藤らは、２００１年に開催された第１２回太陽光発電国際会議（１２ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）にて、”ＣＩＧＳ　ソーラ　セルズ　オン　ステインレス　スチール　サブストレイツ　カバード　ウィズ　インシュレーティング　レイヤーズ　（ＣＩＧＳ　Ｓｏｌａｒ　Ｃｅｌｌｓｏｎ　Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　Ｓｔｅｅｌ　Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ　Ｃｏｖｅｒｅｄ　ｗｉｔｈ　Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ　Ｌａｙｅｒｓ）”という題で、ＣＩＧＳ太陽電池について報告している（非特許文献１参照）。佐藤らは、ステンレス箔の上に、絶縁層としてＳｉＯ２層を形成し、それを基板として用いることによって変換効率１２．２％のＣＩＧＳ太陽電池を得たことを報告した。また、ポワラ（Ｍ．　Ｐｏｗａｌｌａ）らは、２００１年に開催された第１７回ヨーロッパ光起電力太陽エネルギー会議（１７ｔｈ　Ｅｕｒｏｐｅａｎ　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　Ｓｏｌａｒ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）において、”ファースト　リザルツ　オブ　ザ　ＣＩＧＳ　ソーラ　モジュール　パイロット　プロダクション（ＦＩＲＳＴ　ＲＥＳＵＬＴＳ　ＯＦ　ＴＨＥ　ＣＩＧＳ　ＳＯＬＡＲ　ＭＯＤＵＬＥ　ＰＩＬＯＴ　ＰＲＯＤＵＣＴＩＯＮ）”という題でＣＩＧＳ太陽電池について報告している（非特許文献２参照）。ポワラらは、Ａｌ２Ｏ３層とＳｉＯ２層とからなる２層構造の絶縁層が形成されたＣｒ箔を基板として用いて、集積形のＣＩＧＳ太陽電池を作製したことを報告した。しかしながら、絶縁層の絶縁性が不十分であるため、変換効率は６．０％と低い値であった。この結果からわかるように、可撓性の金属基板を用いた集積形の太陽電池において高い変換効率を得るには、絶縁層の十分な絶縁性が必要である。
【０００５】
一方、大電力を得るために太陽電池モジュールを直列接続した太陽電池アレイでは、太陽電池のｐｎ接合とは逆方向の整流性を示すバイパスダイオードを、太陽電池モジュールと並列に接続する必要がある。これは、あるモジュールが故障したり、日影になったりして発電しなくなったときに、正常に動作している他のモジュールの電力が故障モジュールをバイパスするようにするためである。このようなバイパスダイオードを設置することによって、正常に動作しないモジュールがあっても電力供給が正常に行われる。一般的に、モジュールの中の個々の太陽電池（セル）にバイパスダイオードを設けることはないが、Ｓｉ太陽電池では、セルの中にバイパスダイオードを形成する構成が報告されている。薄膜太陽電池においては、報告例はない。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　１２ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、韓国、２００１年、ｐ．９３
【０００７】
【非特許文献２】
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　１７ｔｈ　Ｅｕｒｏｐｅａｎ　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　Ｓｏｌａｒ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、ドイツ、２００１年、ｐ．９８３
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
太陽電池モジュールの中でも、１つのユニットセルが故障したり、一部の表面が汚れたり、一部が日影になったりすると、発電しないユニットセルが生じ、効率は低下する。また、その状態で長時間太陽光に暴露すると正常なセルが破壊される場合もある。そのため、太陽電池モジュールの内部にバイパスダイオードを形成することが好ましい。しかしながら、従来の一般的な方法によって薄膜太陽電池の内部にバイパスダイオードを形成する場合、製造工程が増加し複雑となる、バイパスダイオードを形成する際に太陽電池のｐｎ接合ダイオード特性が劣化するといった問題がある。
【０００９】
一方、薄膜太陽電池は大面積化が可能であり、太陽電池の低コスト化を図ることができる。しかしながら、金属基板は、ガラスや有機フィルム等に比べ表面の凹凸が大きく、広い面積に厚い絶縁層を形成しても部分的に被覆できない箇所が生じる可能性が大きい。絶縁層が被覆されていない箇所に直接太陽電池の裏面電極となる導電性膜（主に金属膜）が接触するため短絡が生じる。従って、金属基板を用いて高い変換効率を有する薄膜太陽電池を形成するには、絶縁層形成後に金属基板と裏面電極（導電性膜）との短絡部分を除去することが必要である。
【００１０】
このような状況に鑑み、本発明は、特性および信頼性が高い新規な構造の太陽電池、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の太陽電池は、導電性の基板と、前記基板上に順に配置された絶縁層、導電層および半導体層とを含む太陽電池であって、前記絶縁層と前記導電層とを貫通する貫通孔が形成されており、前記貫通孔には前記半導体層を構成する半導体が埋め込まれていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の第２の太陽電池は、導電性の基板と、前記基板上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成され直列接続された複数のユニットセルとを含む太陽電池であって、前記ユニットセルは、前記絶縁層上に順に配置された導電層と半導体層とを含み、前記絶縁層と前記導電層とを貫通する貫通孔が形成されており、前記貫通孔には前記半導体層を構成する半導体が埋め込まれていることを特徴とする。
【００１３】
上記本発明の太陽電池では、前記基板を構成する元素から選ばれる少なくとも１つの元素が、前記貫通孔に埋め込まれた前記半導体に拡散していてもよい。
【００１４】
上記本発明の太陽電池では、前記基板が、Ｔｉ、Ｃｒ、ＦｅおよびＮｉから選ばれる少なくとも２つ以上の元素を含む合金またはステンレススチールからなるものでもよい。
【００１５】
上記本発明の太陽電池では、前記絶縁層が、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＮおよびガラスからなる群より選ばれる少なくとも１つ以上からなるものでもよい。
【００１６】
上記本発明の太陽電池では、前記導電層がＭｏを含んでもよい。
【００１７】
上記本発明の太陽電池では、前記半導体層が、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含む化合物半導体からなるものでもよい。
【００１８】
上記本発明の太陽電池では、前記Ｉｂ族元素がＣｕであり、前記ＩＩＩｂ族元素がＩｎおよびＧａから選ばれる少なくとも１つの元素であり、前記ＶＩｂ族元素がＳｅおよびＳから選ばれる少なくとも１つの元素であってもよい。
【００１９】
上記本発明の太陽電池では、前記化合物半導体がｐ形半導体であり、前記貫通孔に埋め込まれた前記半導体が前記ｐ形半導体よりも高抵抗のｐ形半導体またはｎ形半導体であってもよい。
【００２０】
また、本発明の製造方法は、導電性の基板と、前記基板上に順に配置された絶縁層、導電層および半導体層とを含む太陽電池の製造方法であって、
（ｉ）前記基板上に、前記絶縁層と前記導電層とを順に積層する工程と、
（ｉｉ）前記絶縁層および前記導電層を貫通する貫通孔を形成する工程と、
（ｉｉｉ）前記貫通孔内および前記導電層上に前記半導体層を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【００２１】
上記本発明の製造方法では、前記（ｉｉ）の工程において、前記導電層と前記基板との間に電流を流すことによって前記貫通孔を形成してもよい。
【００２２】
上記本発明の製造方法では、前記（ｉ）の工程ののちであって前記（ｉｉ）の工程の前に、前記導電層の一部をストライプ状に除去して前記導電層を複数の短冊状の導電層に分割する工程をさらに含み、前記（ｉｉ）の工程において、前記複数の短冊状の導電層から選ばれる２つの導電層間に電流を流すことによって前記貫通孔を形成してもよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はここで記述する実施の形態のみに限定されるものではない。
【００２４】
（実施形態１）
実施形態１では、本発明の薄膜太陽電池の構成の一例について説明する。
【００２５】
実施形態１の太陽電池について、図１に断面図を示す。図１を参照して、実施形態１の太陽電池１０は、導電性基板１１と、導電性基板１１の上に形成された絶縁層１２と、絶縁層１２の上に形成された導電層１３と、導電層１３の上に形成された半導体層１４と、半導体層１４の上に形成された窓層１５と、窓層１５の上に形成された透明導電膜１６と、透明導電膜１６上に形成された取り出し電極１７とを含む。なお、窓層１５と透明導電膜１６との間に半導体あるいは絶縁体からなる第２の窓層を設けてもよい。
【００２６】
絶縁層１２と導電層１３には、両者を貫通する貫通孔１８が形成されている。貫通孔１８は半導体層１４を構成する半導体が埋め込まれている。ただし、貫通孔１８に形成された半導体層１４および貫通孔１８の上部に位置する半導体層１４には、導電性基板１１を構成する元素から選ばれる少なくとも１つの元素が拡散し、他の部分とは特性が異なる半導体層１４ａとなっている（図３（ａ）の拡大図参照）。たとえば、半導体層１４がｐ形半導体である場合、半導体層１４ａは、半導体層１４よりも高抵抗のｐ形半導体、または高抵抗のｎ形半導体である。半導体層１４ａのキャリア密度は、たとえば１０１５ｃｍ−３以下である。導電性基板１１を構成する元素が拡散している半導体層１４ａは、窓層１５にまで到達している。
【００２７】
導電性基板１１は、金属で形成でき、たとえばＴｉ、Ｃｒ、ＦｅおよびＮｉから選ばれる少なくとも２つ以上の元素を含む合金またはステンレススチールで形成できる。合金としては、たとえばＦｅ−Ｎｉ合金を用いることができる。なかでも、ステンレススチールは、基板を薄くしても強度が保てるため好ましい。
【００２８】
絶縁層１２には、絶縁性の材料からなり、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＮおよびガラスからなる群より選ばれる少なくとも１つ以上の材料で形成できる。また、これらの材料からなる層を複数積層した多層膜を用いることもできる。
【００２９】
導電層１３は、導電性の材料（たとえば金属）で形成できる。導電層１３はモリブデン（Ｍｏ）を含んでもよい。たとえば、導電層１３には、Ｍｏからなる層、またはＭｏ化合物（たとえばＭｏＳｅ２）からなる層、あるいはこれら２つの層を積層した多層膜を用いることができる。
【００３０】
光吸収層として機能する半導体層１４には、たとえば、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含むカルコパイライト構造半導体を用いることができる。Ｉｂ族元素としてはＣｕを用いることができる。ＩＩＩｂ族元素としては、ＩｎおよびＧａから選ばれる少なくとも１つの元素を用いることができる。ＶＩｂ族元素としては、ＳｅおよびＳから選ばれる少なくとも１つの元素を用いることができる。具体的には、ＣｕＩｎＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２またはこれらのＳｅの一部を硫黄（Ｓ）で置換した半導体を用いることができる。これらは、通常ｐ形の半導体である。中でも、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（ＣＩＧＳ）は、ＩｎとＧａの固溶比によってバンドギャップを１．０ｅＶ〜１．６ｅＶの範囲で制御できる。そのため、ＣＩＧＳを用いることによって、高い変換効率を得るために好ましいバンドギャップの半導体層が容易に得られる。これらのカルコパイライト構造半導体は、光吸収係数が大きく、薄くても太陽光を十分に吸収できる。このため、可撓性を有する基板とカルコパイライト構造半導体を用いることによって、フレキシブルな太陽電池が得られる。本発明の太陽電池において、光吸収層として機能する半導体層は、通常３μｍ以下の薄膜である。
【００３１】
窓層１５は、半導体または絶縁体からなる。たとえば、窓層１５の材料として、ＣｄＳ、ＺｎＯ、ＺｎＭｇＯ、Ｚｎ（Ｏ，Ｓ）、ＺｎＩｎｘＳｅｙ、ＩｎｘＳｅｙ、またはＩｎ２Ｏ３を用いることができる。ここで、ＺｎＯ、ＺｎＭｇＯ、ＺｎＩｎｘＳｅｙ、ＩｎｘＳｅｙ、およびＩｎ２Ｏ３といった材料は、半導体ではあるが高い電気絶縁性を示し、半導体および絶縁体の両方として取り扱うことができる。
【００３２】
なお、窓層１５と透明導電膜１６との間に第２の窓層を形成してもよい。その場合、第２の窓層も半導体または絶縁体で形成できる。第１の窓層１５としてＺｎ（Ｏ，Ｓ）層を用いた場合、第２の窓層はＺｎＯやＺｎＭｇＯといった材料で形成することが好ましい。第２の窓層は、第１の窓層が薄いために半導体層１４を十分に被覆できなかった場合に、半導体層１４と透明導電膜１６との短絡を防止する効果がある。
【００３３】
透明導電膜１６には、たとえば、ＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３：Ｓｎ）や、ボロン（Ｂ）がドープされたＺｎＯ（ＺｎＯ：Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）がドープされたＺｎＯ（ＺｎＯ：Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）がドープされたＺｎＯ（ＺｎＯ：Ｇａ）で形成できる。なお、透明導電膜１６として、上述の材料からなる層を２つ以上積層した積層膜を用いてもよい。
【００３４】
取り出し電極１７には、たとえば、ＮｉＣｒ膜（またはＣｒ膜）と、Ａｌ膜（またはＡｇ膜）とを積層した積層膜を用いることができる。
【００３５】
次に、太陽電池１０の製造方法の一例について説明する。まず、導電性基板１１の上に、絶縁層１２と導電層１３とを順に積層する（工程（ｉ））。絶縁層１２は、たとえば、スパッタ法や蒸着法や気相化学堆積法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）によって形成できる。導電層１３は、たとえば蒸着法やスパッタ法によって形成できる。
【００３６】
次に、絶縁層１２と導電層１３とを貫通する貫通孔１８を形成する（工程（ｉｉｉ））。図２（ａ）を参照して、貫通孔１８の形成方法の一例について説明する。図２（ａ）に示すように、たとえば、導電性基板１１と導電層１３との間に電圧を印加し、導電性基板１１と導電層１３との間に電流を流す。このとき、導電性基板１１と導電層１３との間の抵抗値が低い部分、すなわち絶縁層１２の被覆が不十分な低抵抗部１２ａに電流が集中し、その部分が高温となる。その結果、低抵抗部１２ａの絶縁層１２および導電層１３が焼き切れて除去され、図２（ｂ）に示すように、絶縁層１２および導電層１３の一部に両者を貫通する貫通孔１８が形成される。導電性基板１１と導電層１３とに印加する電圧は、特に限定がなく、絶縁層１２の被覆が不十分な部分を除去して貫通孔１８を形成できる電圧であればよい。
【００３７】
その後、導電層１３上に、光吸収層として機能する半導体層１４を形成する（工程（ｉｉｉ））。半導体層１４は、たとえば、蒸着法やセレン化法によって形成できる。セレン化法を用いる場合、たとえば、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とからなる金属膜をスパッタ法によって形成した後、ＶＩｂ族元素を含むガス（Ｈ２Ｓｅ）などの雰囲気中でその金属膜を熱処理する。工程（ｉｉｉ）において、半導体層１４は、貫通孔１８中にも形成される。
【００３８】
その後、たとえば、化学析出法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｂａｔｈ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＢＤ）あるいは蒸着法あるいはスパッタ法によって窓層１５を形成する。その後、たとえばスパッタ法によって、窓層１５の上に透明導電膜１６を形成する。その後、たとえば、蒸着法や印刷法によって、取り出し電極１７を形成する。なお、窓層１５と透明導電膜１６との間に上述した第２の窓層を形成する場合には、たとえばスパッタ法によって形成できる。このようにして、太陽電池１０を形成できる。
【００３９】
本発明によれば、半導体層１４を形成する過程において、貫通孔１８内に形成された半導体層１４には、導電性基板１１を構成する少なくとも１つの元素が拡散する。導電性基板１１の構成元素は、半導体層１４において不純物準位を形成し、半導体層１４のキャリア密度または導電形を変化させる。たとえば、半導体層１４の材料である上述したＣＩＳおよびＣＩＧＳは太陽電池に好適なキャリア濃度を有するｐ形半導体であるが、これに導電性基板１１を構成する元素（たとえばＦｅやＣｒやＮｉ）が拡散すると、高抵抗のｐ形半導体または高抵抗のｎ形半導体に変化する。その結果、図３（ａ）に示すように、貫通孔１８の内部に形成された半導体層１４および貫通孔１８の上部に位置する半導体層１４は、高抵抗のｐ形またはｎ形である半導体層１４ａとなっている。このような半導体層１４ａは、ｎ形の窓層１５（あるいは高抵抗ｎ形窓層と低抵抗ｎ形の透明導電膜との組み合わせからなるｎ形層）とｐｎ接合を形成しないため、半導体層１４ａと窓層１５と透明導電膜１６との接合は、ほぼ整流特性となる。
【００４０】
一方、導電層１３と通常の半導体層１４とは整流接触であるのに対し、半導体層１４ａと導電層１３とはショットキー接合を形成する。その結果、図３（ｂ）に示すように、半導体層１４ａ以外の部分のｐｎ接合ダイオード１９ａとは逆方向の整流性を示すバイパスダイオード１９ｂが、半導体層１４ａの部分に形成される。なお、太陽電池の動作点においてはバイパスダイオード１９ｂには逆方向電圧が印加され、その場合の逆方向電流は小さいため、バイパスダイオード１９ｂは、通常時の太陽電池の特性には大きな影響を与えない。
【００４１】
このように本発明の太陽電池はバイパスダイオードを備える。この本発明の太陽電池を複数個直列接続した太陽電池アレイにおいて、一部の太陽電池のみが発電しなくなった場合、その他の太陽電池で発生した光電流はこのバイパスダイオードを通して次のセルに流れるため、変換効率の低下を抑制することができる。従って、本発明によれば、変換効率が高く安定性に優れた太陽電池を提供できる。
【００４２】
（実施形態２）
実施形態２では、本発明の薄膜太陽電池の一例について説明する。実施形態２では、基板上で複数の太陽電池（ユニットセル）を直列接続した集積形の太陽電池モジュールについて、一例を説明する。
【００４３】
実施形態２の太陽電池モジュールについて、図４に断面図を示す。図４を参照して、実施形態２の太陽電池モジュール２０は、導電性基板２１と、導電性基板２１の上に形成された絶縁層２２と、絶縁層２２の上に形成された裏面電極となる導電層２３と、導電層２３の上に形成された光吸収層となる半導体層２４と、半導体層２４の上に形成された半導体あるいは絶縁体からなる窓層２５と、窓層２５の上に形成された透明導電膜２６とを備える。また、窓層２５と透明導電膜２６との間に、半導体または絶縁体からなる第２の窓層を設けてもよい。
【００４４】
ここで、絶縁層２２および導電層２３の一部には、両者を貫通する貫通孔２７が形成されている。この貫通孔２７は、半導体層２４を構成する半導体で埋められている。ただし、貫通孔２７の内部の半導体および貫通孔２７の上方の半導体は、図３（ａ）の半導体層１４ａと同様に、導電性基板２１を構成する元素から選ばれる少なくとも１つの元素が拡散しており、他の半導体層２４とは特性が異なっている。
【００４５】
導電層２３と、半導体層２４および窓層２５（窓層２５と透明導電膜２６との間に第２の窓層を備える場合は第２の窓層を含む）と、透明導電膜２６とは、それぞれ、ストライプ状の溝２３ａと２４ａと２６ａとによって短冊状に分割されている。短冊状に分割された各層は、複数のユニットセル２８を形成しているすなわち、各ユニットセル２８は、それぞれ短冊状に形成された導電層２３、半導体層２４、窓層２５および透明導電膜２６を備える。各ユニットセル２８の透明導電膜２６は、隣接するユニットセル２８の導電層２３と、溝２４ａを通じて接続されている。このようにして、各ユニットセル２８が直列接続されている。
【００４６】
導電性基板２１には、たとえば、実施形態１の導電性基板１１について説明した材料を用いることができる。同様に、絶縁層２２、導電層２３、半導体層２４、窓層２５および透明導電膜２６についても、それぞれ、実施形態１で絶縁層１２、導電層１３、半導体層１４、窓層１５および透明導電膜１６について説明した材料および構成を適用することができる。
【００４７】
以下、太陽電池２０の製造方法の一例について説明するが、実施形態１と重複する絶縁層２２、導電層２３、半導体層２４、窓層２５および第２の窓層、透明導電膜２６の製造方法については省略する。
【００４８】
まず、導電性基板１１上に、絶縁層２２と導電層２３とを順に積層する（工程（ｉ））。次に、導電層２３の一部をストライプ状に除去して、導電層２３を複数の短冊状の導電層に分割する。導電層を分割する方法の１つの例では、まず、導電性基板２１の上に絶縁層２２を形成する。その後、絶縁層２２の一部の上に、ストライプ状のレジストパターンを形成する。そして、レジストパターンを覆うように導電層２３を形成した後、溶剤でレジストパターンを剥離してストライプ状の溝２３ａを形成する。導電層を分割する方法の他の例では、絶縁層２２と導電層２３とを順に形成し、その後、レーザ光や線状のプラズマを照射することによって、導電層２３の一部をストライプ状に除去して溝２３ａを形成する。導電層２３は、ストライプ状の溝２３ａによって短冊状に分割される。
【００４９】
次に、絶縁層２２と導電層２３とを貫通する貫通孔を形成する（工程（ｉｉ））。図５（ａ）を参照して、貫通孔２７の形成方法の一例について説明する。貫通孔は、複数の短冊状の導電層２３から選ばれる少なくとも２つの導電層間に電流を流すことによって形成できる。たとえば、図５（ａ）に示すように、溝２３ａを挟んで隣接する導電層２３に電圧を印加する。このとき、絶縁層２２の被覆が不十分で抵抗が小さい低抵抗部２２ａに集中的に電流が流れ、その部分が発熱する。この発熱によって絶縁層２２と導電層２３導電性基板２１の一部が焼き切れ、図５（ｂ）に示すように、絶縁層２２と導電層２３の一部に貫通孔２７が形成される。なお、実施形態１と同様に、導電性基板２１と導電層２３との間に電圧を印加して電流を流し、貫通孔２７を形成することも可能である。
【００５０】
その後、貫通孔２７内および導電層２３上に半導体層２４を形成する（工程（ｉｉｉ））。その後、半導体層２４の上に窓層２５を形成する。また、窓層２５の上に上述した第２の窓層を形成してもよい。
【００５１】
その後、たとえば、金属またはダイヤモンド針を用いて機械的に薄膜を剥離するメカニカルスクライブ法を用いて、半導体層２４の一部をストライプ状に除去して溝２４ａを形成する。半導体層２４と窓層２５（第２の窓層も含む）は、溝２４ａによって短冊状に分割される。
【００５２】
その後、窓層２５および半導体層２４が除去されて露出した導電層２３の上に透明導電膜２６を形成する。
【００５３】
その後、たとえば、メカニカルスクライブ法によって、半導体層２４の一部をストライプ状に除去して溝２６ａを形成する。半導体層２４と窓層２５（第２の窓層も含む）と透明導電膜２６は、溝２６ａによって短冊状に分割される。このようにして、複数のユニットセルが直列接続された集積形太陽電池モジュールを製造できる。
【００５４】
本発明によれば、実施形態１と同様に、半導体層２４を形成する過程において、導電性基板２１を構成する元素が、貫通孔２７内に形成された半導体層およびその上部の半導体層に拡散する。その結果、貫通孔２７の中およびその近傍の半導体層２４が、太陽電池に好適なキャリア濃度を有するｐ形半導体から、高抵抗のｐ形またはｎ形の半導体へと変化する。従って、実施形態１と同様に貫通孔２７の近傍にショットキー接合によるバイパスダイオードが形成される。
【００５５】
また、本実施形態では、貫通孔２７を形成することによって、絶縁層２２の形成が不十分なことによって生じる導電性基板２１と導電層２３との短絡が解消される。そして、短絡によって導通状態であった隣接する導電層２３間の抵抗値が増加する。その結果、特性が高い太陽電池が得られる。
【００５６】
実施形態１で説明したように、貫通孔２７の中およびその上方の半導体層２４は、導電性基板２１からの不純物拡散によって高抵抗となる。さらに、その部分の半導体層２４と導電性基板２１とは、貫通孔２７近傍の半導体層２４と導電層２３との界面と同様にショットキー接触となる。この２つの効果から、半導体層２４から導電性基板２１に流れる電流とそれによる電圧降下は微小であり、通常時の太陽電池の特性にほとんど影響を及ぼさない。従って、高い変換効率を示す直列接続構成の太陽電池モジュールを製造できる。
【００５７】
本実施形態によれば、バイパスダイオードの形成によって太陽電池の変換効率の低下を抑制できるとともに、ユニットセル間の短絡の除去によって変換効率の改善を図ることができる。従って、本発明によれば変換効率が高く安定性に優れた太陽電池モジュールを提供できる。
【００５８】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。
【００５９】
（実施例１）
実施例１では、実施形態１の太陽電池およびその製造方法の一例について説明する。
【００６０】
図６を参照しながら太陽電池３０の構成を説明する。実施例１では、導電性基板１１としてステンレス基板３１（厚さ：５０μｍ）、絶縁層１２としてＳｉＯ２層３２（厚さ：０．５μｍ）、導電層１３としてＭｏ層３３（厚さ：０．８μｍ）、光吸収層となる半導体層１４としてＣＩＧＳ層３４（厚さ：２μｍ）、窓層１５の第１の窓層としてＣｄＳ層３５ａ（厚さ：０．１μｍ）、窓層１５の第２の窓層としてＺｎＯ層３５ｂ（厚さ：０．１μｍ）、透明導電膜１６としてＩＴＯ膜３６（厚さ：０．１μｍ）、および取り出し電極１７としてＮｉＣｒ／Ａｌの積層膜３７（全膜厚：１．５μｍ）をそれぞれ用いた。
【００６１】
次に、太陽電池の製造方法を説明する。まず、ステンレス基板３１の上にスパッタ法でＳｉＯ２層３２を形成した。次に、ＳｉＯ２層３２の上にスパッタ法によってＭｏ層３３を形成した。
【００６２】
次に、図２（ａ）で説明した方法によって貫通孔３８を形成した。まず、ステンレス基板３１とＭｏ層３３との間に電圧を印加した。この時、パルス的に電圧を印加し、印加する電圧を５Ｖ、１０Ｖ、１５Ｖ、２０Ｖと増加させた。１パルスの印加時間は５秒以下であり、各電圧で１〜５パルスの範囲のパルス電圧を印加した。
【００６３】
その後、Ｍｏ層３３の上と、貫通孔３８によって露出したステンレス基板３１の上とに、ＣＩＧＳ層３４を蒸着法によって形成した。次に、基板をＣｄとＳ（硫黄）とを含む溶液中に浸し、化学析出法によってＣＩＧＳ層３４上にＣｄＳ層３５ａ（第１の窓層）を形成した。その後、スパッタ法によってＺｎＯ層３５ｂ（第２の窓層）を形成し、その上に、スパッタ法によってＩＴＯ膜３６を形成した。その後、ＮｉＣｒとＡｌとを積層した積層膜３７をシャドウマスクを用いた電子ビーム蒸着法によって形成した。このようにして、太陽電池を作製した。
【００６４】
図７に、パルス電圧の印加による、ステンレス基板３１とＭｏ層３３との間の抵抗の変化を示す。Ｍｏ層の形成直後の抵抗値は１２Ωと低い値であり、多数の箇所でステンレス基板とＭｏ層とが接触していることが確認できる。この抵抗値は、パルス電圧が大きくなるにつれて増加した。これは、ステンレス基板とＭｏ層とが接触している複数の箇所は面積が異なり、その部分の抵抗値が異なるためである。低電圧を印加する段階では、抵抗値の低い接触箇所に集中的に電流が流れて接触部のＭｏが昇華し、接触面積の大きい箇所が絶縁状態となる。続いて、印加電圧を高くすると、接触面積の小さい箇所に電流が集中し、その部分のＭｏが昇華することになる。つまり、電圧の増加に伴い、接触面積の大きい箇所から小さい箇所へと順に接触部のＭｏ層が昇華し、ステンレス基板とＭｏ層との間の抵抗が増大する。Ｍｏ層が昇華した部分で貫通孔３８が生じる。
【００６５】
作製したＣＩＧＳ太陽電池の暗状態での電流−電圧特性を測定した結果、太陽電池のｐｎ接合ダイオードに対して逆バイアスを印加した時に電流の増加が観測された。これは、貫通孔３８部分でバイパスダイオードが形成されているためである。この結果から、本発明の太陽電池およびその製造方法によって、太陽電池の中にバイパスダイオードが形成されることが確認された。また、エアマス１．５で１００ｍＷ／ｃｍ２の光強度の疑似太陽光を照射してＣＩＧＳ太陽電池の特性を測定した。変換効率として１２．３％（開放電圧Ｖｏｃ＝０．５４４Ｖ、短絡電流密度Ｊｓｃ＝３１．７ｍＡ／ｃｍ２、曲線因子ＦＦ＝０．７１２）が得られた。ＳｉＯ２層がない、つまりバイパスダイオードがない構成の太陽電池の効率は１２．４％であったことから、バイパスダイオードが存在しても効率は低下しないことが確認できた。
【００６６】
なお、実施例１、導電性基板１１として、ステンレススチールを用いたが、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、またはこれらの元素のいずれか２つ以上を含む合金を用いても同様の結果が得られる。また、実施例１では、絶縁層１２としてＳｉＯ２層３２を用いたが、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＮ、ガラス膜、またはそれらの積層膜を用いても同様の結果が得られる。さらに、導電層１３としてＭｏ層３３を用いたが、ＣＩＧＳ層形成時にＭｏ層の表面にＭｏＳｅ２層が形成される場合もあり、Ｍｏ／ＭｏＳｅ２の２層構造からなる導電層を用いても同様の結果が得られることは明らかである。
【００６７】
（実施例２）
実施例２では、実施形態２の太陽電池モジュールおよびその製造方法の別の一例について説明する。
【００６８】
図４を参照しながら、実施例２の太陽電池モジュールの具体的な構成を説明する。導電性基板２１、絶縁層２２、導電層２３、光吸収層となる半導体層２４、窓層２５および透明導電膜２６として、それぞれ、ステンレススチール（厚さ：７０μｍ）、Ａｌ２Ｏ３層（厚さ：１μｍ）、Ｍｏ層（厚さ：０．４μｍ）、ＣＩＧＳ層（厚さ：１．５μｍ）、Ｚｎ０．９Ｍｇ０．１Ｏ層（厚さ：０．１μｍ）およびＩＴＯ膜（厚さ：０．６μｍ）を用いた。
【００６９】
次に、太陽電池モジュールの製造方法を説明する。まず、ステンレス基板（導電性基板２１）の上に、スパッタ法でＡｌ２Ｏ３層（絶縁層２２）を形成した。その後、レジスト液をストライプ状に配置したのち乾燥して、ストライプ状のレジストパターンを形成した。次に、Ａｌ２Ｏ３層およびレジストパターンを覆うように、スパッタ法によってＭｏ層２３を形成した。その後、純水洗浄によってレジストパターンをＡｌ２Ｏ３層の上から剥離し、同時にレジストパターンの上に堆積したＭｏ層を剥離した。このようにして、Ｍｏ層にストライプ状の溝２３ａを形成した。
【００７０】
次に、図５（ａ）に示した方法によって、貫通孔を形成した。具体的には、ストライプ状の溝２３ａの両側の２つのＭｏ層に電圧を印加した。この時、ある電圧まで一定の速度で昇圧し、一定の時間だけ電圧を保持した後、一定の速度で降圧するパターンで電圧を印加した。本実施例では、昇圧および降圧速度は、１０Ｖ／秒〜２０Ｖ／秒の範囲内とし、電圧を一定に保持する時間は０．１秒〜５秒の範囲内とした。そして、一定に保持する電圧を５Ｖ、１０Ｖ、１５Ｖ、２０Ｖと段階的に増加させて貫通孔２７を形成した。
【００７１】
その後、Ｍｏ層、およびＭｏ層がストライプ状に除去されて露出したＡｌ２Ｏ３層、および貫通孔２７で露出したステンレス基板の上に、ＣＩＧＳ層（半導体層２４）を蒸着法で形成した。次に、Ｚｎ０．９Ｍｇ０．１Ｏ層（窓層２５）をスパッタ法で形成した。その後、メカニカルスクライブ法により金属の針を用いてＣＩＧＳ層およびＺｎ０．９Ｍｇ０．１Ｏ層を剥離してストライプ状の溝２４ａを形成した。次に、Ｚｎ０．９Ｍｇ０．１Ｏ層、および溝２４ａによって露出したＭｏ層の上にＩＴＯ膜（透明導電膜２６）を形成した。その後、上記メカニカルスクライブ法と同様の方法によって、ＩＴＯ膜、Ｚｎ０．９Ｍｇ０．１Ｏ層およびＣＩＧＳ層の一部を除去してストライプ状の溝２６ａを形成した。このようにして、短冊状に分割され直列接続された複数のユニットセル２８を備える集積形太陽電池モジュールを作製した。
【００７２】
実施例２では、８本のストライプ状の溝２３ａによってＭｏ層を分割したのち、それぞれの溝の両側の２つのＭｏ層間の抵抗を測定した。また、その２つのＭｏ層に上述した方法で２０Ｖまで電圧を印加したのち、再び抵抗を測定した。測定結果を図８に示す。ストライプ状の溝を形成した直後の２つのＭｏ層の間の抵抗は、１０Ω〜２００ｋΩの間で分布していた。一方、上述したパターンで２０Ｖまで電圧を印加することによって、全ての溝の両側のＭｏ層において抵抗値が増大し、１ＭΩ以上となった。これは、電圧を印加することによって、金属であるステンレス基板を通して溝の両側のＭｏ層とステンレス基板との接触箇所に電流が流れ、その部分が発熱することによって接触箇所のＭｏ層が昇華したことによる。Ｍｏ層が昇華した部分には貫通孔２７が形成される。
【００７３】
絶縁層であるＡｌ２Ｏ３の被覆が広い面積において不十分である場合には、Ｍｏ層とステンレス基板とが短絡する箇所の面積は不均一となり且つ接触箇所の密度分布が生じる。しかし、そのような場合であっても、電圧を印加して電流を流すことによって短絡部分を処理できるため、本発明によれば、歩留まりおよび再現性の飛躍的向上を図ることができる。
【００７４】
作製したＣＩＧＳ太陽電池の１つのユニットセルの特性を測定するために、分割されたＭｏ層間で暗状態での電流−電圧特性を測定した。太陽電池のｐｎ接合ダイオードに対して逆バイアスを印加した時に電流の増加が観測され、貫通孔２７の部分でバイパスダイオードが形成されていることが確認できた。また、エアマス１．５で１００ｍＷ／ｃｍ２の光強度の疑似太陽光を照射してＣＩＧＳ太陽電池の特性を測定した結果、変換効率として１０．６％が得られた。この値は、バイパスダイオードが形成されていないガラス基板を用いて同様なプロセスで作製したＣＩＧＳ太陽電池の変換効率１１．０％とほぼ同じであり、バイパスダイオードが存在しても効率は低下しないことが確認できた。
【００７５】
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。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の太陽電池は、内部にバイパスダイオードを備える。一般の太陽電池モジュールでは、一部の太陽電池が、何らかの原因（故障、表面の汚れ、日影など）によって発電しなくなると、モジュール全体の動作を阻害し効率は低下する。しかし、本発明の太陽電池はバイパスダイオードを備えるため、一部の太陽電池が発電しなくなっても他の太陽電池で発生した電流がバイパスダイオードを流れる。そのため、効率の低下を抑制できるとともに、発電している太陽電池の破損を防止することができる。従って、本発明によれば、高い変換効率と優れた安定性を有する薄膜太陽電池を提供できる。
【００７７】
さらに、本発明の製造方法によれば、空孔を形成する際に、導電性基板と絶縁層上の導電層との短絡が除去されるため、集積形太陽電池モジュールにおけるユニットセル間の並列抵抗成分（シャント抵抗）が増大し、太陽電池モジュールの効率を向上させることが可能となる。従って、本発明の製造方法によれば、導電性基板を用いて高い変換効率を有する集積形太陽電池モジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の太陽電池の一例を示す断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の製造方法の一例の一工程を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の工程で形成された貫通孔を示す断面図である。
【図３】（ａ）は本発明の太陽電池の一部の断面図であり、（ｂ）はその部分の機能を模式的に示す図である。
【図４】本発明の太陽電池の他の一例を示す断面図である。
【図５】（ａ）は本発明の製造方法の他の一例の一工程を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の工程で形成された貫通孔を示す断面図である。
【図６】本発明の太陽電池のその他の一例を示す断面図である。
【図７】本発明の製造方法において、導電性基板と導電層との間の抵抗値と印加する電圧との関係を示す図である。
【図８】本発明の製造方法において、溝の両側の２つの導電層間に電圧を印加する前後における２つの導電層間の抵抗の変化を示す図である。
【符号の説明】
１０、３０　太陽電池
１１、２１　導電性基板
１２、２２　絶縁層
１２ａ、２２ａ　低抵抗部
１３、２３　導電層
１４、１４ａ、２４　半導体層
１５、２５　窓層
１６、２６　透明導電膜
１７　取り出し電極
１８、２７、３８　貫通孔
１９ａ　ダイオード
１９ｂ　バイパスダイオード
２０　太陽電池モジュール
２３ａ、２４ａ、２６ａ　溝
２８　ユニットセル
３１　ステンレス基板
３２　ＳｉＯ２層
３３　Ｍｏ層
３４　ＣＩＧＳ層
３５ａ　ＣｄＳ層
３５ｂ　ＺｎＯ層
３６　ＩＴＯ膜
３７　積層膜
【図１】
2004103959.tif 000003
【図２】
2004103959.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2004103959.tif 000007
【図６】
2004103959.tif 000008
【図７】
2004103959.tif 000009
【図８】
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