(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜太陽電池モジュールの製造方法であって：
複数の電気的に相互接続された薄膜太陽電池からなる多層構造を基板上に形成する段階であって、前記多層構造は、後方コンタクト層、光起電性活性層、及び前方コンタクト層を有する、段階；並びに、
前記前方コンタクト層の形成前にマスクを介して導電性材料を堆積し、前記導電性材料の堆積源に対して前記基板と前記マスクを移動させることによって、前記前方コンタクト層の直下に金属グリッドである導電性グリッドを形成する段階であって、前記導電性グリッドの伸長した導電性ラインは、該伸長した導電性ラインの長手方向に対して垂直な断面において、上部と該上部の側方に位置する２つの側部を有する表面外形を有し、前記側部の一方又は両方での任意の接線と前記導電性グリッド直下の前記多層構造の層表面が、８０°以下の角（α）を形成する段階であって、前記基板と前記マスクが、前記堆積源の下方又は上方で、前記マスクの伸長する開口部の長手方向に対して平行又は垂直な方向に移動する段階を有する方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、実質的に平行な複数の導電性ラインである前記導電性グリッドを堆積する段階をさらに有することを特徴とする、方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、長手方向に沿って伸長する開口部を有する前記マスクを介して前記導電性材料を堆積する段階をさらに有することを特徴とする、方法。
【請求項４】
請求項１又は３に記載の方法であって、前記マスクの伸長する開口部が、前記長手方向に対して垂直な１００μｍ又は３０μｍ乃至７０μｍの幅を有することを特徴とする、方法。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれか一項に記載の方法であって、前記多層構造は、前記基板上の当該相互接続された薄膜太陽電池が、分割ラインによって分割されるように形成され、前記導電性ラインは前記分割ラインと平行に形成される、ことを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜太陽電池モジュールの製造方法及び薄膜太陽電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜太陽電池モジュールは通常、複数の電気的に相互接続された薄膜太陽電池を基板上に有する。多層構造は、後方コンタクト層、光起電性活性層、及び前方コンタクト層を有する。光起電性活性層又は光起電性吸収体は具体的には、（二）セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）で作られてよい。前方コンタクト層は、入射光が吸収体に到達することを可能にするため透明でなければならないので、透明酸化物−たとえばＺｎＯ−で作られる。前方コンタクト層の横方向伝導度を増大させるため、金属コレクタグリッドが、透明酸化物上に設けられてよい。特許文献１は、カルコゲナイド吸収体、バッファ層、透明導電性酸化層、及び金属コレクタグリッドを有するカルコゲナイド系光起電性デバイスを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／２４３０４６Ａ号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
コレクタグリッドは通常、十分電気を通す材料−たとえばＣｕ又はＡｌ−で作られる。とはいえ特許文献１に記載されているように他の金属が用いられてもよい。そのような金属コレクタグリッドは、太陽電池の活性層へ入射する光を遮蔽してしまうので、活性層の効率を低下させてしまう。グリッドライン幅は、遮蔽効果を緩和するために減少させることができる。しかしこれもまた、グリッドラインのコンダクタンスを減少させてしまう。
【０００５】
本発明の目的は、高い変換効率を有するのと同時に前方コンタクト層の伝導度を改善する太陽電池モジュール、及び、当該太陽電池の製造方法を供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は、請求項１の特徴を備える方法、及び、請求項７の特徴を備える薄膜太陽電池モジュールを供する本発明によって実現される。本発明の有利な実施形態は従属請求項の対象である。
【０００７】
本発明は、グリッドラインが光収集構造として機能するように設計された導電性グリッドを、通常は透明な前方コンタクト層に供するという考え方に基づいている。このことは、グリッドラインへ入射する光が反射され、前記の反射された光は、モジュール界面でさらに内部反射されることによって、前記モジュール表面−好適にはグリッドラインの存在しない前記モジュール表面上の位置−へ戻るように導光されることを意味する。このことを実現するため、導電性材料は、前記複数の電気的に相互接続された薄膜太陽電池が上に生成される前記基板と前記マスクを、前記導電性材料の堆積源に対して移動させることによって、マスクを介して堆積される。前記マスクは、前記基板に対して静止し、かつ、好適には前記基板と接触している。
【０００８】
前記導電性グリッドは、前記前方コンタクト層の上部上−つまり前記基板の反対を向く前記前方コンタクト層の表面上−に生成されてよい。あるいは前記導電性グリッドは、前記前方コンタクト層の直下に−つまり前記基板の方を向く前記前方コンタクト層の表面に接するように−堆積されてよい。いずれの場合でも、前記導電性グリッドは、前記前方コンタクト層の伝導度を増大させるため、前記前方コンタクト層と電気的に接触することが好ましい。
【０００９】
前記導電性グリッドは、前記前方コンタクト層の上部上−つまり前記基板の反対を向く前記前方コンタクト層の表面上−に生成されてよい。あるいは前記導電性グリッドは、前記前方コンタクト層の直下に−つまり前記基板の方を向く前記前方コンタクト層の表面に接するように−堆積されてよい。いずれの場合でも、前記導電性グリッドは、前記前方コンタクト層の伝導度を増大させるため、前記前方コンタクト層と電気的に接触することが好ましい。
【００１０】
この方法を用いることによって、前記基板上に複数の電気的に相互接続する薄膜太陽電池からなる多層構造を有する前記の製造された薄膜太陽電池モジュールは、前記前方コンタクト層の直下又はその上に導電性グリッドをさらに有する。前記導電性グリッドは、導電性材料で作られ、かつ、少なくとも１つの伸長したグリッドラインすなわち導電性ラインを有する。前記グリッドラインは、該グリッドラインの長手方向に垂直で、かつ、前記基板の表面に対して垂直な断面において、上部と該上部の横に位置する側部を備える表面外形を有する。前記導電性ラインもまた、少なくとも当該太陽電池モジュールに用いられる入射光を反射させる必要がある。前記基板が前記堆積源に対して運動するのと同時に前記マスクは前記基板に対して固定されているため、前記導電性ラインの断面での表面外形は、前記側部の一方又は両方での接線と前記導電性グリッド直下の前記多層構造の層の表面が、８０°未満、７０°未満、又は６０°未満の最大角（α）をなす形状を有する。
【００１１】
通常、導電性グリッドを製造するとき、（略）垂直な端部を備えるグリッドラインを実現しようとすることが重要である。つまり、前記グリッドラインの表面外形の先端（左側部又は左側傾斜部とも呼ばれる）及び／又は後端（右側部又は右側傾斜部とも呼ばれる）での接線は、前記導電性グリッド直下の層の表面と９０°の角をなす。そのような垂直な側部の代わりに、接線が前記表面と８０°、７０°、又は６０°未満の角をなす傾斜側部を上部の一方又は両方の側部で実現することによって、対応する側部は、前記の反射された光が、前記モジュールの内側界面で前記モジュール表面へ戻るように反射され、かつ、これらの多重反射後に前記光起電性活性層へ到達し得るような前記入射光向けの反射面を供することができる。有利となるように、前記マスク、前記堆積源、及び、前記堆積源に対する前記基板と前記マスクの運動は、たとえば一方又は両方の側部での前記最大角が５０°未満、４０°未満、又は３０°未満となることを保証するように設計される。
【００１２】
上述したように、前記多層構造は、後方コンタクト層、光起電性活性層、及び、前方コンタクト層を有する。前記前方コンタクト層は、前記入射光が衝突する層なので、透明でなければならない。好適には前記前方コンタクト層は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）−たとえば金属酸化物−で作られる。前記後方コンタクト層は、透明である必要はない。従って前記後方コンタクト層は、金属−たとえばモリブデン−で作られてよい。前記前方コンタクト層と前記後方コンタクト層との間に位置する前記光起電性活性層−時に光収集層とも呼ばれる−は、ＰＮ接合を構成することが好ましい。前記光起電性活性層は、カルコゲナイド吸収体であることが好ましく、具体的には（二）セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）で作られてよい。前記多層構造は、前記後方コンタクト層が前記基板に対向した状態で前記基板上に設けられて良い。前記後方コンタクト層は前記基板上に直接設けられることが好ましい。この場合、前記基板は不透明であって良いし、あるいは、透明であって−たとえばガラスで作られて−もよい。あるいはその代わりに、前記多層構造は、前記前方コンタクト層が前記基板に対向した状態で前記基板上に設けられて良い。前記基板はこの場合、スーパーストレート（ｓｕｐｅｒｓｔｒａｔｅ）と呼ばれてよい。
【００１３】
ここで、光入射側とは反対を向く当該太陽電池モジュールの層は、下部層−たとえば前記後方コンタクト層−とみなされる。他方前記入射光が最初に衝突する層−たとえば前記前方コンタクト層−は上部層とみなされる。従って各層の上部と下部は、当該モジュールの光入射面に対向する層の面又は反対側の面として定義される。（複数の）前記導電性ラインが前記前方コンタクト層の上面又は下面のいずれかに接するように形成されてよいので、前記表面外形の接線となす角が測定される参考表面として機能する前記導電性ライン直下の当該多層構造の層の表面は、前記導電性ラインが前記前方コンタクト層の上部に設けられる場合には前記前方コンタクト層であってよく、あるいは、前記導電性ラインが前記前方コンタクト層の直下に設けられる場合には前記前方コンタクト層の直下の層−具体的には前記活性層又は任意のバッファ層−であってよい。一部の有利な実施形態によると、前記前方コンタクト層の上部に導電性ラインが供され、かつ、前記前方コンタクト層の直下に他の導電性ラインが供されてよい。好適実施形態では、前記導電性グリッドは、実質的に平行な複数の導電性ラインの状態で堆積される。前記導電性グリッドは、第１組の平行な導電性ラインと前記第１組に対して垂直な第２組の平行な導電性ラインを有して良い。しかし前記第２組の平行な導電性ラインは、前記導電性グリッドを構成するためには必要ではない。
【００１４】
好適実施形態では、前記導電性グリッドは、実質的に平行な複数の導電性ラインの状態で堆積される。前記導電性グリッドは、第１組の平行な導電性ラインと前記第１組に対して垂直な第２組の平行な導電性ラインを有して良い。しかし前記第２組の平行な導電性ラインは、前記導電性グリッドを構成するためには必要ではない。
【００１５】
有利な実施形態では、前記導電性材料は、長手方向に沿って伸長する開口部を有する前記マスクを介して堆積される。換言すると、前記マスクは、前記長手方向を向く平行な複数のスロットを有する。前記伸長する開口部によって、導電性ラインは、前記前方コンタクト層又は前記前方コンタクト層の下の層に堆積される。前記導電性ラインは、同一の長手方向に沿って延びる。
【００１６】
前記堆積源は、有利となるように堆積源軸に沿って伸長する。それは、前記堆積源が、前記堆積源軸に対して垂直な拡張長さよりも長い前記堆積源軸に沿った拡張長さを有することを意味する。前記堆積源は具体的には、前記堆積源軸に沿って分布する複数の点状堆積源−たとえば１０又は１５よりも多い点状堆積源−で作られてよい。前記点状堆積源の一例は細線供給蒸着器である。前記細線供給蒸着器では、蒸着材料の細線がリボン形状又はボート形状のヒーターへ連続的に供給される。あるいはその代わりに、前記堆積源は、前記堆積源軸に沿って延びる線状堆積源で作られてもよい。
【００１７】
前記堆積源に対する前記基板と前記マスクの運動は、前記堆積源軸に対して垂直に案内されることが好ましい。その結果、前記堆積源に対して前記基板を移動させることによって、前記基板の実質的にすべての部分が、前記堆積源の下又は上方を通過する。
【００１８】
相対運動は、静止堆積源に対して前記基板と前記マスクを移動させるか、静止した状態で保持される基板に対して前記堆積源を移動させるか、あるいは、前記基板と前記堆積源の両方を移動させることによって実現されてよい。いずれの場合でも、前記基板は、前記堆積源の上方又は下のいずれかを通過し得る。ここで、下又は上方は、堆積装置が現場でどのように設けられているかで定義される。
【００１９】
好適実施形態では、前記基板と前記マスクは、前記堆積源の下又は上方で、前記マスクの伸長した開口部の長手方向に対して平行又は垂直な方向に動かされる。この運動は、前記堆積源に対する前記基板と前記マスクの相対運動に関する。前記運動が前記の伸長された開口部の長手方向に対して平行であるとき、前記マスクを介した堆積によって形成される前記導電性ラインは、前記の伸長された開口部の長手方向すなわち前記の伸長された開口部の長さに沿って構築される。換言すると、前記導電性ラインの一部又は（前記堆積源のサイズに依存する）全部が同時に堆積される。その結果、堆積プロセスが起こると、前記導電性ラインの一部又は（前記堆積源のサイズに依存して）全部は長さ方向に成長する。他方、前記運動が前記の伸長した開口部の長手方向に対して垂直な場合、前記マスクを介した堆積により形成される前記導電性ラインは、前記堆積源が前記マスクの一の開口部から他の開口部へ移動することで、連続的に次から次に堆積される。
【００２０】
有利な実施形態では、前記マスクの伸長した開口部は、前記長手方向に対して垂直な１００μｍ未満又は３０μｍ〜７０μｍの幅を有する。前記開口部の深さ、つまり前記開口部の幅が一定となるような方向で、かつ、前記基板表面に対して垂直に測定された長さ、は、好適には５０μｍ〜２００μｍ又は５０μｍ〜１５０μｍで、より好適には約１００μｍである。有利となるように、前記マスク自体は、剛性構造を得るため、はるかに厚い一方で、前記開口幅を有する前記開口部は前記基板上に直接設けられ、前記マスクは、０．５ｍｍ又は１ｍｍよりも広い幅を有する凹部を対向する面上に有する。従って上述した前記マスクの開口部の深さは、前記凹部領域での前記マスクの厚さに等しい。
【００２１】
好適実施形態では、前記多層構造は、前記基板上の当該相互接続された薄膜太陽電池が分割ラインによって分割されるように形成される。ここで前記導電性ラインは、前記分割ラインと平行に形成される。この実施形態では、当該太陽電池は狭くて長いスラブの形態で、当該太陽電池の光起電性活性層は、前記分割ラインによって互いに分離し、かつ、前記前方コンタクト層と前記後方コンタクト層と直列に接続する。各太陽電池モジュールは、５０又は１００よりも多い−好適には１５０よりも多い−スラブ太陽電池で作られてよい。
【００２２】
前記導電性ラインの外形の上部は、プラトーを形成し、かつ、実質的に平坦であってよい。有利な実施形態では、前記上部及び／又は前記一方若しくは両方の側部は曲率を有する。有利となるように、前記導電性ラインは、実質的に釣鐘型曲線形状の断面を有する。
【００２３】
あるいはその代わりに又はそれに加えて、前記側部の少なくとも１つ又は前記側部の一部はまっすぐである。前記両方の側部はそれぞれ直線を構成してよい。この場合、前記導電性ラインは、実質的にＶ字形状である三角形の断面を有してよい。換言すると、２つの側部は、前記導電性ラインの下方の表面から立ち上がり、かつ、前記導電性ラインの先端で出会う２つの傾斜で構成される。有利となるように、一方又は両方の側部が直線である場合、前記一方又は両方の側部は、下地表面と角度をなしてよい。前記角度は、上述した８０°、７０°、６０°、５０°、４０°、又は３０°の最大値を有する。以降で詳述するように、３１°の傾斜角は、高さと幅との比が３：１０の前記導電性ラインの三角形の断面に相当し得る。
【００２４】
好適実施形態では、前記導電性ラインは、前記断面に沿って６０μｍ〜１３０μｍ又は８０μｍ〜１００μｍの幅を有する。好適には、前記幅は半値全幅（ＦＷＨＭ）を意味する。
【００２５】
有利な実施形態では、前記導電性ラインは金属グリッドである。つまり前記導電性ラインは、たとえばアルミニウム、銀、又は銅の金属で構成されてよい。
【００２６】
好適実施形態では、前記導電性グリッドは、前記長手方向に沿って平行に伸長する複数の導電性ラインで構成される。前記導電性ラインは、１ｍｍ〜５ｍｍで、好適には１．５ｍｍ〜４ｍｍで、より好適には２ｍｍ〜３ｍｍのギャップによって互いに分離されてよい。前記基板上の当該相互接続された薄膜太陽電池が分割ラインによって分割される場合、前記導電性ラインは有利となるように、前記分割ラインに対して実質的に平行である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
本発明の実施形態の一部の実施例について、以下の添付図面を参照しながら以降でより詳細に説明する。
【００２８】
【図１】薄膜太陽電池モジュールの多層構造の断面を示している。
【図２】導電性グリッドを有する薄膜太陽電池モジュールの多層構造の断面を示している。
【図３】一の実施形態による導電性ラインの表面外形を示している。
【図４】マスクを介して導電性ラインを堆積する装置の概略的な断面を示している。
【図５】他の実施形態による導電性ラインの表面外形を示している。
【図６】導電性ラインを堆積するためのマスクの断面を示している。
【図７】薄膜太陽電池モジュールの製造方法の一実施形態による、マスクと基板が堆積源を通過する間でのマスクの上面像を示している。
【図８】薄膜太陽電池モジュールの製造方法の図７とは異なる実施形態による、マスクと基板が堆積源を通過する間でのマスクの上面像を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、薄膜太陽電池１の多層構造の概略的断面図である。基板２が示されている。基板２上には多層構造が供されている。多層構造は、基板２上に設けられた後方コンタクト層１０、基板２とは反対を向く前方コンタクト層１３、及び、２つのコンタクト層１０，１３の間に挟まれている光起電性活性層１１を有する。光起電性活性層１１上にはさらなるバッファ層１２が存在する。さらなるバッファ層１２は任意である。
【００３０】
図２は図１と同様の構造を示している。ただし、この太陽電池１が導電性グリッドライン３１を有する導電性グリッド３を含む点が異なる。図２では、４つの導電性グリッドライン３１の断面が見える。ここで、導電性グリッド３は、前方コンタクト層１３の光入射表面である層表面１４上に設けられる。本願では図示されていない他の実施形態では、導電性グリッド３は、前方コンタクト層１３の直下に設けられてよい。その際層表面１４は、前方コンタクト層１３とバッファ層１２との間の界面、又は、バッファ層１２が存在しない場合には前方コンタクト層１３と光起電性活性層１１との間の界面となり得る。
【００３１】
図２の導電性ライン３１は、曲率を有する表面外形３２を備えた状態で示されている。曲率を有する表面外形３２は、図３でより詳細に示される。外形３２は、２つの側部３２２、３２３−具体的には左側傾斜部３２２と右側傾斜部３２３−が側部に位置する上部３２１を有する。外形３２は対称である。具体的には、左側傾斜部３２２又は左側側部３２２が右側傾斜部３２３又は右側側部３２３の鏡像である。従ってある高さでの側部の接線６は、導電性ライン６が上に設けられる層表面１４に対して同一の大きさだが向きが反対の角を有する。左側部３２２の一の接線６が図３に示されている。外形３２全体に沿った接線６は、実施形態に依存してα以下の最大角を有する。ここでαは８０°以下である。
【００３２】
層表面１４に垂直、つまり基板（図３には図示されていない）に垂直に入射して導電性ライン３へ衝突する光は、外形３２１の上部に入射する場合には、（略）垂直に戻されるように反射される。しかし入射光が側部３２２，３２３のいずれかに衝突する場合、その入射光はある角度で反射される。下方からモジュールの界面に到達するとき、反射光は、たとえば内部反射によって再度反射され、かつ、導電性ライン３が存在しない場所で層表面１４に衝突する。
【００３３】
図４は導電性ライン３を堆積する装置を示している。基板２を有する多層構造１００は、図面に対して垂直な方向に伸長する開口部４１を有するマスク４によって覆われている。１つの開口部４１だけが見えるように、多層構造１００とマスク４の一部だけがここでは図示されている。たとえば蒸着器のような堆積源５が、多層構造１００の下方に設けられている。多層構造１００の面はマスク４によって覆われている。堆積源５は、図面に対して垂直な方向にも伸長しているので、開口部４１の長手方向に対して平行である。堆積源５が静止している一方で、多層構造１００はマスク４と共に、堆積源５の上方で、図４の装置内で図面に対して平行に左から右へ移動する。
【００３４】
堆積源５は、導電性ライン３１を形成するため、層表面１４に堆積される材料の材料ビーム５１を生成する。様々な材料ビーム５１が、様々な角度で開口部４１を介して層表面１４に到達する。堆積源５の上方での多層構造１００の移動中に、導電性ライン３１が構築されている。導電性ラインの形態は、堆積源５のパラメータ、及び、開口部４１とマスクと堆積源との間の距離とのアスペクト比に依存する。
【００３５】
まっすぐな側部３２２，３２３を有する導電性ライン３の外形３２が図５に示されている。ここで、導電性ライン３の高さ−数μｍの領域で好適には１〜１０μｍ−がｈと定義され、幅はｗと定義される。幅ｗに対する高さｈの比は、好適には１：１０〜５：１０で、より好適には約３：１０である。約３μｍの高さでは、これは約１０μｍの幅に対応する。この特殊な場合では、幅ｗはＦＷＨＭとして定義されず、むしろ導電性ライン３の断面を構成する三角形の底辺の幅として定義される。
【００３６】
マスク４の断面が図６に示されている。図４のように、マスク４は、図面に対して垂直に延びる長手方向に沿って伸長する開口部４１を有する。マスク４自体は、強靭にし、かつ、取り扱いを容易にするため、最少の厚さを有することが必要である。従って、開口部４１の深さを非常に小さくすることを可能にするため、開口部４１の後方に幅の広い凹部４２が供される。開口部４１だけが、生成された導電性ライン３の形態とサイズに影響を及ぼす一方で、凹部４２は、堆積プロセスに影響を及ぼさないような幅と深さを有する。
【００３７】
２つの異なる堆積状況が、図７と図８において概略的に示されている。２つの異なる堆積状況は、伸長した開口部４１が視認可能となるように多層構造（図７と図８では見えない）を覆うマスク４の底面像を示している。矢印７は、基板２とマスク４の移動方向を示している。右側に、堆積源５が概略的に表されている。いずれの場合でも、移動方向に対して垂直な堆積源５の長さが、移動方向に対して垂直な基板２とマスク４の全体的な寸法を網羅するのに十分な長さである一方で、堆積源５の幅−具体的には移動方向７に沿った長さ−は、堆積源５の長さよりも狭い。
【００３８】
図７では、基板２とマスク４は、マスク４内の伸長した開口部４１の長手方向に垂直な方向７に移動する。従って、堆積源５のサイズと設計のため、基板２とマスク４が堆積源５の上方で移動している間に、導電性ライン３１は、次から次へと多層構造１００上で作られる。基板２とマスク４がマスク４内の伸長した開口部４１の長手方向に対して平行に移動する図８では、状況が異なる。ここでは、基板２とマスク４が堆積源５の上方で移動する間、すべての導電性ライン３１は同時に堆積されて、それらの導電性ライン３１長さに沿って構築される。図８の場合では、すべての開口部４１には、各マスク開口部４１に対して各異なる角度を有する材料ビーム５１が、堆積プロセスの間常に存在すると言い得る一方、図７では、マスク４と堆積源５が互いに移動するので、材料ビーム５１が各開口部４１に到達する角度は時間と共に変化する。
【符号の説明】
【００３９】
１  薄膜太陽電池、１０  後方コンタクト層、１１  光起電性活性層、１２  バッファ層（任意）、１３  前方コンタクト層、１４  層表面、１００  多層構造、２  基板、３  導電性グリッド、３１  導電性（グリッド）ライン、３２  表面外形、３２１  上部、３２２  左側部（左側傾斜部）、３２３  右側部（右側傾斜部）、４  マスク、４１  伸長する開口部、４２  開口部の凹部、５  堆積源、５１  材料ビーム、６  接線、７  移動方向。
【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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【図８】
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