(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１の電極層、半導体層、第２の電極層が順次形成された１又は複数の太陽電池セルを含む太陽電池の短絡部を除去する方法であって、各太陽電池セルの正負の両極に対して、周期的に変化する逆方向電圧をその電圧のピーク電圧値を一定期間毎に順次増加させながら印加し、かつ互いに前記ピーク電圧値の異なる逆方向電圧の印加期間の間に順方向電圧の印加期間を設けることを特徴とする太陽電池の短絡部除去方法。
【請求項２】
基板上に第１の電極層、半導体層、第２の電極層が順次形成された１又は複数の太陽電池セルを含む太陽電池の短絡部を除去する方法であって、各太陽電池セルの正負の両極に対して、周期的に変化し、逆方向成分および順方向成分が交互に現われる電圧をその電圧のピーク電圧値を一定期間毎に順次増加させながら印加し、かつ互いに前記ピーク電圧値の異なる前記電圧の印加期間の間に順方向電圧の印加期間を設けることを特徴とする太陽電池の短絡部除去方法。
【請求項３】
周期的に変化する前記逆方向電圧が正弦波、正弦波の半波、ノコギリ波または矩形波である請求項１記載の太陽電池の短絡部除去方法。
【請求項４】
周期的に変化する前記電圧が正弦波、正弦波の半波、ノコギリ波または矩形波である請求項２記載の太陽電池の短絡部除去方法。
【請求項５】
前記逆方向電圧の周波数が２０〜１０００Ｈｚであることを特徴とする請求項１または３記載の太陽電池の短絡部除去方法。
【請求項６】
前記逆方向電圧の周波数が５０〜１２０Ｈｚであることを特徴とする請求項５記載の太陽電池の短絡部除去方法。
【請求項７】
前記電圧印加時に流れる最大電流の絶対値が太陽電池のＡＭ１．５太陽光照射時の短絡電流の２倍以下になるように電流を制限することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか記載の太陽電池の短絡部除去方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非晶質半導体などを用いた薄膜太陽電池に生じた短絡部を除去する方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、上記薄膜太陽電池において、発電に寄与する光電変換半導体層を挟む基板側電極と裏面側電極の電極間に耐電圧以下の逆方向電圧を印加して、その際に発生したジュール熱により短絡部を除去または酸化して絶縁する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４に薄膜太陽電池１０の構造を示す。図４に示されるように、薄膜太陽電池１０は、絶縁性基板１の一つの面に、第１の電極２、光電変換半導体層３、および第２の電極４をそれぞれ所定のパターンに加工して順次積層することにより構成される太陽電池セル５を複数設けた構造を有する。光電変換半導体層３は、たとえばｐｉｎ接合を有するアモルファスシリコン系半導体層により構成されている。こうした構造により、太陽電池セル５ａの第１の電極２ａと隣接する太陽電池セル５ｂの第２の電極４ｂ、太陽電池セル５ｂの第１の電極２ｂと隣接する太陽電池セル５ｃの第２の電極４ｃが直列に接続される。
【０００３】
このような薄膜太陽電池において、例えば製造時に光電変換半導体層にピンホールが生じると、太陽電池セルの第１の電極と第２の電極とが短絡することがある。短絡が生じた太陽電池セルは発電に寄与しなくなるため、太陽電池の光電変換効率が低下する。この問題に対処するために、太陽電池セルの正負の電極間に逆方向電圧（逆バイアス電圧）を印加して短絡部を除去する処理（逆バイアス処理）が行われる。この処理では、光電変換半導体層に逆方向電圧を印加することにより短絡部に電流を集中させ、発生したジュール熱によって短絡部の金属を飛散させたり金属を酸化して絶縁体とすることにより短絡部を除去する。
【０００４】
例えば図３において、太陽電池セル５ｂの光電変換半導体層３ｂに生じた第１の電極２ｂと第２の電極４ｂとの短絡部を除去する場合について説明する。この場合、太陽電池セル５ｂの第２の電極４ｂおよび隣接する太陽電池セル５ｃの第２の電極４ｃ（この第２の電極４ｃは、太陽電池セル５ｂの第１の電極２ｂに直列接続されている）にそれぞれ第１および第２のプローブ６ａ、６ｂを接触させ、発電に寄与する光電変換半導体層３ｂを挟む第１の電極２ｂと第２の電極４ｂ間に耐電圧以下の逆方向電圧を印加する。
【０００５】
従来は、第１および第２のプローブ６ａ、６ｂ間に直流の逆方向電圧またはパルス状の矩形波をなす逆方向電圧を供給することにより逆バイアス処理を実施していた。
【０００６】
しかし、太陽電池はダイオードと等価である。このため、第１の電極２と第２の電極４間に逆方向電圧を印加すると、第１の電極２、光電変換半導体層３および第２の電極４からなる太陽電池セル５がコンデンサーとして働き、印加電圧を除いた後にも電荷が蓄積しやすい。そして、この蓄積電荷による電圧に起因して光電変換半導体層３の欠陥（短絡部）以外の弱い部分が破壊されることがあるという問題がわかってきた。さらに、最近になって、逆方向電圧の印加による電荷の蓄積は極めて容易に起こり、この蓄積電荷による悪影響が予想以上に大きいことがわかってきた。
【０００７】
また、一般的に太陽電池セルの逆耐圧は８〜１０Ｖである。こうした太陽電池セルに対して、最初から４Ｖ以上（耐電圧以下）の比較的高い直流の逆方向電圧またはパルス状の矩形波をなす逆方向電圧を印加すると、かえって短絡部が除去しにくい状態になることがある。すなわち、短絡部が除去されずに残っている状態では本来的に逆方向電圧とリーク電流（短絡部を流れる電流）とは比例してリニアなＶ−Ｉ特性を示し、短絡部が除去された後にリーク電流が急激に減少するはずである。しかし、最初から比較的高い逆方向電圧を印加した場合には観測されるリーク電流が想定されるＶ−Ｉ特性の直線よりも大きくなることがある。こうした太陽電池セルに対して最初の電圧値よりも高い電圧値を有する逆方向電圧を印加しても、さらにリーク電流の増加傾向が顕著になり、短絡部をより一層除去しにくくなることが多い。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、薄膜太陽電池に逆方向電圧を印加して短絡部を除去する際に、短絡部を確実に除去するとともに、電極間に電荷が蓄積される現象をできるだけ抑えて短絡部以外の部分が破壊されるのを避けることができる方法を提供することにある。また、大電流×小電圧での処理を避け、中電流（短絡電流の２倍以下）×大電圧（１０Ｖ以下）での処理を行うことで、太陽電池自体の損傷を避け、処理がより確実にできる方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
太陽電池の短絡部除去方法は、基板上に第１の電極層、半導体層、第２の電極層が順次形成された１又は複数の太陽電池セルを含む太陽電池の短絡部を除去する方法であって、各太陽電池セルの正負の両極に対して、周期的に変化する逆方向電圧をその電圧のピーク電圧値を一定期間毎に順次増加させながら印加し、かつ互いに前記ピーク電圧値の異なる逆方向電圧の印加期間の間に順方向電圧の印加期間を設けることを特徴とする。
別の太陽電池の短絡部除去方法は、基板上に第１の電極層、半導体層、第２の電極層が順次形成された１又は複数の太陽電池セルを含む太陽電池の短絡部を除去する方法であって、各太陽電池セルの正負の両極に対して、周期的に変化し、逆方向成分および順方向成分が交互に現われる電圧をその電圧のピーク電圧値を一定期間毎に順次増加させながら印加し、かつ互いに前記ピーク電圧値の異なる前記電圧の印加期間の間に順方向電圧の印加期間を設けることを特徴とする。
【００１０】
本発明の方法においては、初回の逆方向電圧印加期間に印加する逆方向電圧の電圧値は２Ｖ以下に設定することが好ましい。これは、上述したように最初から高い電圧値を有する逆方向電圧を印加すると、短絡部の除去が困難になるおそれがあるためである。また、互いに電圧値の異なる逆方向電圧の印加期間の間に印加される順方向電圧は−０．５Ｖ以下であることが好ましい。
【００１１】
本発明の方法を用いれば、互いに電圧値の異なる逆方向電圧の印加期間の間に順方向電圧を印加することにより第１の電極、光電変換半導体層および第２の電極からなる太陽電池セルに蓄積された電荷を除去して蓄積電荷により短絡部以外の部分が破壊されるのを避けることができる。しかも、電圧値を順次増加させながら逆方向電圧を印加することにより適切な逆方向電圧印加処理を行うことができる。
【００１２】
本発明においては、逆方向電圧は直流またはパルス状の矩形波でもよいが、周期的に変化する波形を示す逆方向電圧を印加することが好ましい。このような逆方向電圧の波形としては、正弦波、正弦波の半波、ノコギリ波または矩形波が挙げられる。また、逆方向電圧の代わりに周期的に変化し、逆方向成分および順方向成分が交互に現われる電圧を用いることができる。このようなに逆方向成分および順方向成分が交互に現われる電圧を印加すれば、さらに太陽電池セルに蓄積された電荷を除去するのに有利になる。
【００１３】
なお、逆方向電圧の周波数は、太陽電池の容量Ｃと逆方向の抵抗Ｒで定義される時定数にマッチングさせることが好ましい。逆方向電圧の周波数を上記のように設定すると、印加電圧の波形を電源電圧の波形に追随させることができる。具体的には、逆方向電圧の周波数は２０〜１０００Ｈｚ、さらに５０〜１２０Ｈｚの範囲に設定される。
【００１４】
本発明の方法においては、正逆方向の電圧印加時に流れる最大電流の絶対値が太陽電池のＡＭ１．５太陽光照射時の短絡電流の２倍以下になるように電流リミットを加えることが好ましい。このような方法を採用すれば、過大な電力が投入されることによって太陽電池セルの構造が破壊されるのを防ぐことができ、また中電流×大電圧での処理が実施でき、大電流×小電圧での処理による悪影響の発生を防止することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる太陽電池の短絡部除去方法についてより詳細に説明する。
【００１６】
図４に示したように、薄膜太陽電池１０は、絶縁性基板１上に、第１の電極２、光電変換半導体層３および第２の電極４をそれぞれ所定のパターンに加工して順次積層することにより構成される太陽電池セル５を複数設けた構造を有し、各太陽電池セル５ａ、５ｂ、５ｃは互いに直列に接続されている。
【００１７】
絶縁性基板１としてガラス基板や透明性樹脂基板などを用いた場合、第１の電極２としてはＩＴＯ（Indium Tin Oxide：酸化錫を混入した酸化インジウム）などの透明電極材料が、第２の電極４としては金属電極材料が用いられる。一方、絶縁性基板１として透光性を示さない基板材料を用いた場合、第１の電極２として金属電極材料が、第２の電極４として透明電極材料が用いられる。
【００１８】
半導体層３としては、非晶質シリコン系半導体の場合、非晶質シリコン、水素化非晶質シリコン、水素化非晶質シリコンカーバイド、非晶質シリコンナイトライドなどのほか、シリコンとゲルマニウムや錫などの他の金属との非晶質シリコン系合金などの材料が用いられる。また、半導体層はシリコン系に限られず、ＣｄＳ系、ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系などの材料を用いて構成してもよい。これらの非晶質半導体層または微結晶半導体層はｐｉｎ型、ｎｉｐ型、ｎｉ型、ｐｎ型、ＭＩＳ型、ヘテロ接合型、ホモ接合型、ショットキーバリアー型またはこれらを組み合わせた形をなすように構成される。
【００１９】
図１を参照して、本発明の方法によって太陽電池セルの第１および第２の電極間への逆方向電圧および順方向電圧の印加方法の例を説明する。図１は、周波数６０Ｈｚ、所定のピーク値を有する正弦波からなる逆方向電圧を印加する１回目の逆方向電圧の印加期間（Ｔ1）と、周波数６０Ｈｚ、前回の２倍のピーク値を有する正弦波からなる逆方向電圧を印加する２回目の逆方向電圧の印加期間（Ｔ1）との間に、０．１Ｖの直流順方向電圧を印加する順方向電圧の印加期間（Ｔ2）を設けた例を示している。
【００２０】
図１に示した期間の後に、必要に応じて、さらに順方向電圧の印加期間（Ｔ2）と、よりピーク値の高い逆方向電圧を印加する３回目の逆方向電圧の印加期間（Ｔ1）を設けるというように、順方向電圧の印加期間（Ｔ2）と逆方向電圧の印加期間（Ｔ1）を複数回繰り返してもよい。
【００２１】
このように、逆方向電圧の印加期間の間に順方向電圧を印加することにより第１の電極、光電変換半導体層および第２の電極からなる太陽電池セルに蓄積された電荷を除去して蓄積電荷により短絡部以外の部分が破壊されるのを避けることができる。
【００２２】
また、各逆方向電圧期間で逆方向電圧のピーク値を順次増加させ、各期間でリーク電流を測定すると、最適な逆バイアス処理が可能になる。すなわち、リーク電流が増加傾向を示さない場合にはその太陽電池セルの短絡部が除去可能であり、逆にリーク電流が増加傾向を示す場合にはその太陽電池セルの短絡部は除去しにくくなる性質を有するという判断基準を適用して逆バイアス処理の続行または終了を判断して、最適な逆バイアス処理が可能になる。リーク電流が増加傾向を示すか否かは、電圧−電流間の比例関係に基づいて判定することができる。
【００２３】
たとえば、低いピーク値の逆方向電圧を印加した時にリーク電流が許容値以下になった場合、その太陽電池セルの短絡部が除去されたと判断できるので、その時点で逆バイアス処理を終了する。また、低いピーク値の逆方向電圧を印加した時にリーク電流が許容値を超えた場合、リーク電流が増加傾向を示さない限り、順次ピーク値を増加させながら逆方向電圧の印加を繰り返し、高いピーク値の逆方向電圧の印加によりリーク電流が許容値以下となった時点（太陽電池セルの短絡部が除去された時点）で逆バイアス処理を終了することができる。
【００２４】
一方、低いピーク値の逆方向電圧を印加した時にリーク電流が許容値を超え、さらにピーク値を増加させて逆方向電圧を印加したときにリーク電流が増加傾向を示した場合、その太陽電池セルの短絡部は除去が困難になる性質を示している判断できるので、その時点で逆バイアス処理を終了する。こうすれば、短絡部の状態がさらに悪化することを防止できる。
【００２５】
なお、各々の太陽電池セルによって短絡部の状況は異なるため、逆方向電圧の変化のさせ方は、図１に示す例に限らず、種々の態様が考えられる。
【００２６】
本発明において、太陽電池セルの正負の両極間に供給される、周期的に変化する波形を示す逆方向電圧の波形の例を図２（Ａ）〜（Ｃ）に示す。図２（Ａ）に示す逆方向電圧の波形は、図１と同様に正弦波である。図２（Ｂ）に示す逆方向電圧の波形は正弦波の半波である。図２（Ｃ）に示す逆方向電圧の波形はノコギリ波である。
【００２７】
上記のような波形を示す逆方向電圧を印加することによって、逆方向電圧値がピーク値から徐々に０Ｖ近傍に近づくにつれて、第１および第２の電極２、４間に蓄積された電荷を減少させることができ、正常な部分の破壊を抑制できる。
【００２８】
本発明において、太陽電池セルの正負の両極間に供給される、周期的に変化する波形を示す逆方向電圧は、逆方向成分を主として、一部順方向成分を含んでいてもよい。このような逆方向電圧の波形を図３（Ａ）〜（Ｄ）に示す。図３（Ａ）に示す逆方向電圧の波形は一部順方向成分を含む正弦波である。図３（Ｂ）に示す逆方向電圧の波形は一部順方向成分を含む正弦波の半波である。図３（Ｃ）に示す逆方向電圧の波形は一部順方向成分を含む矩形波である。図３（Ｄ）に示す逆方向電圧の波形は一部順方向成分を含むノコギリ波である。
【００２９】
上記のような波形を示す逆方向電圧を印加すると、順方向成分の印加時に第１および第２の電極２、４間に蓄積された電荷をさらに減少させることができ、正常な部分の破壊を抑制できる。
【００３０】
本発明の方法においては、正逆方向の電圧印加時に流れる最大電流の絶対値が太陽電池のＡＭ１．５太陽光照射時の短絡電流の２倍以下になるように、電流を制限することが好ましい。このような方法を採用すれば、過大な電力が投入されることによって太陽電池セルの構造が破壊されるのを防ぐことができる。
【００３１】
実際に、以下のように本発明の方法および従来の方法に従って、６０個の太陽電池セルを直列に集積した太陽電池の各セルに対して逆バイアス処理を行い、効果を比較した。
【００３２】
本発明の方法に従い、以下のようなスケジュールで電流制限を短絡電流の２倍にして逆方向電圧および順方向電圧を印加して逆バイアス処理を行った。（１）周波数６０Ｈｚ、ピーク値２Ｖの正弦波からなる逆方向電圧を０．１７秒印加、（２）−０．１Ｖの直流順方向電圧を０．１７秒印加、（３）周波数６０Ｈｚ、ピーク値４Ｖの正弦波からなる逆方向電圧を０．１７秒印加、（４）−０．１Ｖの直流順方向電圧を０．１７秒印加、（５）周波数６０Ｈｚ、ピーク値６Ｖの正弦波からなる逆方向電圧を０．１７秒印加、（６）−０．１Ｖの直流順方向電圧を０．１７秒印加（合計処理時間１．０２秒）。この場合、６０個のセルのうち５８個のセルで良好な光電変換特性が認められた。
【００３３】
一方、従来の方法に従い、電流制限を行わず、周波数６０Ｈｚ、ピーク値４Ｖの矩形波パルスを１秒間印加して逆バイアス処理を行った。この場合、６０個のセルのうち良好な光電変換特性が認められたのは５０個だけであり、また、セル自体の構造が破壊されたセルが５個あり外観が著しく悪化した。これらの結果から、本発明による短絡部除去方法は極めて有効であることがわかる。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明の太陽電池の短絡部除去方法を用いれば、電極間に電荷が蓄積される現象をできるだけ抑えて短絡部以外の部分が破壊されるのを避けることができ、しかも確実に短絡部を除去することができるので、太陽電池の光電変換特性の改善に大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る逆方向電圧および順方向電圧の印加方法を示す図。
【図２】本発明による逆方向電圧の波形を示す図。
【図３】本発明による逆方向電圧の波形を示す図。
【図４】太陽電池の構成と短絡部除去方法を説明する図。
【符号の説明】
１…絶縁性基板
２…第１の電極
３…光電変換半導体層
４…第２の電極
５…太陽電池セル
６…プローブ
１０…太陽電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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