(57)【要約】【課題】受光面積の大きい太陽電池を提供する。【解決手段】透光性および絶縁性を有する筒状基板と、前記筒状基板の内周面に形成された光電素子とを備え、前記光電素子は、筒状基板の内周面に積層された第１電極層と、第１電極層の上に積層された第２電極層と、第１および第２電極の間に介在する光電変換層とからなる太陽電池。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性および絶縁性を有する筒状基板と、前記筒状基板の内周面に形成された光電素子とを備え、前記光電素子は、筒状基板の内周面に積層された第１電極層と、第１電極層の上に積層された第２電極層と、第１および第２電極の間に介在する光電変換層とからなる太陽電池。
【請求項２】
光電素子が複数のセグメントに分割され、各セグメントが電気的に接続されてなる請求項１記載の太陽電池。
【請求項３】
第１電極層が透光性を有し、第２電極層が光反射性を有する請求項１記載の太陽電池。
【請求項４】
第１電極層が光反射性を有し、第２電極層が透光性を有する請求項１記載の太陽電池。
【請求項５】
透光性および絶縁性を有する筒状基板の内周面に光電素子を形成する工程と、形成された光電素子をレーザ加工により複数のセグメントに分割する工程を備え、光電素子を形成する工程が、筒状基板の内周面に第１電極層と、光電変換層と、第２電極層とを順番に積層する工程からなる太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は太陽電池およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光線から太陽電池を使って直接電気エネルギーを発生する太陽光発電システムは、近年その技術開発が急速に進み、実用に耐える発電方法としても技術的な見通しがつきつつある。その結果、太陽光発電システムは、２１世紀の地球環境を化石エネルギーの燃焼による環境汚染から守る本格的なクリーンエネルギー技術としてその将来が期待されている。ここで、太陽電池の形態はさまざまなものが開発されているが、低コストの製造が可能であるために現在最も実用化が進んでいるのが、光電変換活性層にＩＶ族半導体を用いた太陽電池であり、また、半導体材料の消費量が最も少ないのが、薄膜の半導体を絶縁基板上に成膜して形成される薄膜太陽電池である。
【０００３】
一般に薄膜太陽電池は、ガラス等の透光性絶縁基板上にＳｎＯ2 やＩＴＯ等の透明導電膜が形成され、その上に非晶質半導体のｐ層，ｉ層，ｎ層がこの順に積層されて光電変換活性層が形成され、その上に金属薄膜電極が積層されてなる構造と、金属基板電極の上に非晶質半導体のｎ層，ｉ層，ｐ層がこの順に積層されて光電変換活性層が形成され、その上に透明導電膜が積層されてなる構造とがある。
【０００４】
これらのうち、前者のｐ層，ｉ層，ｎ層を順に積層する方法は、透光性絶縁基板が太陽電池表面カバーガラスを兼ねることができること、また、ＳｎＯ2 等の耐プラズマ性透明導電膜が開発されて、この上に非晶質半導体光電変換活性層をプラズマＣＶＤ法で積層することが可能となったこと、等から多用されるようになり、現在の主流となっている。なお、これらに用いられる非晶質半導体層の形成は、原料ガスのグロー放電分解によるプラズマＣＶＤ法や、光ＣＶＤ法による気相成長により形成され、これらの方法は大面積の薄膜形成が可能という利点を有する。
【０００５】
また、大面積化を行なうためには、レーザを用いて集積化を行ない、直列接続するのが一般的な方法である。この構造は、ガラス基板等の透光性絶縁基板上に透明導電膜を短冊状に形成し、その上に非晶質半導体層、次いで裏面電極を順に積層する。そして、１つの透明導電膜、非晶質半導体層、裏面電極からなる単位太陽電池の透明導電膜が、隣接する単位太陽電池の裏面電極と接触する構造となるように、両電極および非晶質半導体層のパターンを形成する。このように構成される平板型のｐ−ｉ−ｎ層型の薄膜太陽電池は、従来からよく知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平８−８３９２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来のこのような平板型薄膜太陽電池では、半導体光電変換活性層を気相成長等により形成させるためのチャンバーに平板基板をセットし順次裏面電極、半導体膜を積層した光電変換層および表面電極を絶縁透光性基板上に成膜する。しかし、発電電力量を増加させるために単純に受光面積を増やす場合、大面積化に伴うチャンバー大容量化の設備費用と原料ガスの消費の増加と耐光性を備えた発電電力量を取り出せる状態であるモジュール化に要する費用とのトレードオフを考慮する必要があり、また、受光面積を増大させるのに設備費用の増加が伴うという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、透光性および絶縁性を有する筒状基板と、前記筒状基板の内周面に形成された光電素子とを備え、前記光電素子は、筒状基板の内周面に積層された第１電極層と、第１電極層の上に積層された第２電極層と、第１および第２電極の間に介在する光電変換層とからなる太陽電池を提供するものである。
光電素子が複数のセグメントに分割され、各セグメントが電気的に接続されてなることが好ましい。
第１電極層が透光性を有し、第２電極層が光反射性を有してもよいし、第１電極層が光反射性を有し、第２電極層が透光性を有してもよい。
この発明は別の観点から、透光性および絶縁性を有する筒状基板の内周面に光電素子を形成する工程と、形成された光電素子をレーザ加工により複数のセグメントに分割する工程を備え、光電素子を形成する工程が、筒状基板の内周面に第１電極層と、光電変換層と、第２電極層とを順番に積層する工程からなる太陽電池の製造方法を提供するものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、透光性および絶縁性を有する筒状基板の内周面に、第１電極層、光電変換層および第２電極からなる光電素子（発電領域）を形成することで、光電変換層の受光面を光の入射方向に対して三次元的に配列することが可能となる。
また、三次元に光電変換層を配列することで筒状基板の内周面以外の領域に無駄に成膜される領域を削減することが可能となり、光電変換層の材料費の節減が可能である。
また、筒状基板が成膜用のチャンバーの一部を構成するため、チャンバークリーニングなどのメンテナンスが削減され、生産効率が向上する。
また、光電素子（発電領域）を筒状基板の内周面（内壁）に形成することで光電素子が光の入射方向に対して三次元的に配列され、省スペース且つ受光面積の拡大が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面に示す実施の形態を用いてこの発明を詳細に説明する。
【００１０】
図１は、この発明の太陽電池を製造する装置であるＣＶＤ成膜装置とその使用方法を示す概略図である。
このＣＶＤ成膜装置は、図１（ａ）に示すように円筒形のアノード２０ａとカソード２０ｂとからなる並行曲板を備える。図１（ｂ）、（ｃ）に示すように円筒形の絶縁透光性基板１１をアノード２０ａとカソード２０ｂの隙間に挿入し、図１（ｄ）のように蓋２１を被せた後、真空装置により真空引きし、成膜物質をフィラメント加熱などにより蒸発させ、アノード２０ａと基板１１の隙間に導入し、絶縁基板１１の内周面、つまり内壁に成膜する。
【００１１】
図３の（ａ）〜（ｄ）は、この発明の太陽電池を製造する装置であるパターニング装置とその使用方法を示す概略図である。図４の（ａ）〜（ｃ）はこの発明の太陽電池２００を簡略化して示す斜視図である。図４（ａ）、図４（ｂ）はそれぞれシースルーではないタイプの薄膜太陽電池の一例である。図４（ａ）はセル分離溝が円筒形基板の軸方向に刻まれており、図４（ｂ）はセル分離溝が円筒形基板の円周方向に刻まれた場合を示す。また、図４（ｃ）はシースルータイプの薄膜太陽電池の一例で、セル分離溝と、それに対して交差する方向に採光用のスリットが刻まれた場合を示す。図４（ａ）の基板の軸に直交する方向の断面図を図１１に、軸方向に沿った断面図を図９に示す。また、図４（ｂ）の基板の軸に沿った断面図を図１０に、軸に直交する方向の断面図を図８に示す。この発明の太陽電池２００は、図８と図９に示すように、絶縁透光性基板１１、表面電極１２、半導体膜を積層した光電変換層１３および裏面電極１４を有する発電領域θ1，θ2を複数備え、隣接する発電領域同士の表面電極１２および裏面電極１４が電気的に接続されて発電領域が直列接続されてなる太陽電池であって、円筒形の絶縁透光性基板１１の内壁に前述の膜が積層されて形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、この発明の太陽電池は、円筒の絶縁透光性基板を用いることによって、絶縁透光性基板を包囲する成膜処理用のチャンバーを必要とせず、円筒の開放部分を閉蓋する部分以外は太陽電池素子の膜として成膜されるため、成膜に用いられるガスの消費量を必要最小限にでき、それによって、製造上の材料費を低減することができるという利点もある。
【００１３】
以下、この発明の太陽電池の各構成について詳細に説明する。
この発明の太陽電池２００は筒の内側から太陽光を入射するタイプと、筒の外側から太陽光を入射するタイプがあり、これら入射光の向きに加えて、透過光の割合が高い透過型タイプと非透過型タイプの組合せのバリエーションがある。
この実施例の一例として、筒の外側から太陽光が入射するタイプについて説明を行う。この発明の一例の太陽電池２００に用いる基板１１は、絶縁性および透光性を有していれば、特に限定されず、一般に太陽電池に用いられる基板を使用することができる。この発明に用いる基板１１の具体例としては、ガラス、石英、透明性を有するプラスチックなどを材質として用いた基板が挙げられる。ただし、この発明に用いる基板１１は、全ての部位が絶縁性を有する必要はなく、少なくとも電極形成面が絶縁されていれば使用可能である。すなわち、導電性の基板であっても、電極形成面を絶縁物で覆うことにより、この発明に用いる基板として使用することができる。
【００１４】
この発明の太陽電池２００に用いる表面電極１２は、基板１１上に形成される。ここで、表面電極１２は、導電性および透光性を有していれば、特に限定されず、一般に太陽電池に用いられる表面電極１２を使用することができる。この発明に用いる表面電極１２としては、透明性および導電性を有する材質からなる膜状の電極（以下、「透明導電膜」という）が好ましい。ただし、この発明に用いる表面電極１２は、全ての部位が透光性を有する必要はなく、少なくとも一部の部位が透光性を有し、太陽光発電に必要とされる量の光を透過することのできる透明性を有していれば使用可能である。すなわち、金属などの透光性を有さない材質を用いた電極であっても、たとえば構造が格子状であれば透光性を有するため、本発明に用いる表面電極として使用可能である。
【００１５】
この発明に用いる表面電極１２の具体例としては、酸化スズや酸化亜鉛やＩＴＯなどを材質として用いた透明導電膜が挙げられる。ここで、酸化スズには、ＳｎＯ2だけでなく、ＳｎmＯn（ここで、ｍおよびｎは正の整数）で表わされる各種組成の酸化スズが含まれるものとする。また、酸化亜鉛には、ＺｎＯだけでなく、Ｚｎm'Ｏn'（ここで、ｍ’およびｎ’は正の整数）で表わされる各種組成の酸化亜鉛が含まれるものとする。また、ＩＴＯとは、Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅの略称であり、インジウムスズ酸化物を意味する。ここで、ＩＴＯとＳｎＯ2とも透光性の点では特に差異は少ないが、一般的に比抵抗の低さではＩＴＯが優れており、化学的な安定性ではＳｎＯ2が優れていると考えられている。また、ＺｎＯはＩＴＯに比べて材料コストが低いという利点がある。さらに、ＳｎＯ2はａ−Ｓｉ膜形成時にプラズマによる表面の還元が問題となる場合があるのに対して、ＺｎＯは耐プラズマ性が高い。またＺｎＯは長波長光の透過率も高いという利点もある。
【００１６】
また、この発明に用いる表面電極１２がＺｎＯを含む材質からなる透明導電膜からなる場合には、透明導電膜の低抵抗化のためにＡｌ、Ｇａなどの不純物をドープしてもよい。これらのうちでは、より低抵抗化する性質に優れたＧａをドープすることが好ましい。
【００１７】
この発明の太陽電池に用いる光電変換層１３は、半導体膜を積層した構造を有し、光電変換性を有していれば、特に限定されず、一般に太陽電池に用いられる光電変換層を使用することができる。ここで、この発明に用いる光電変換層の材質としては、半導体であれば、一般に太陽電池の光電変換層に用いられる材質を用いることができるが、具体例としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＧａＡｓ、ＳｉＳｎなどの半導体を使用することができる。これらのうちでは、シリコン系の半導体であるＳｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣなどを用いることが好ましい。
【００１８】
この発明に用いる光電変換層１３の材質である半導体は、微結晶または多結晶型などの結晶半導体であってもよく、アモルファス型などの非晶質半導体であってもよい。ここで、非晶質半導体および多結晶型半導体としては、局在準位の原因となるダングリングボンドを水素で終端した化学構造を有する、水素化された半導体を用いることが好ましい。
【００１９】
さらに、この発明に用いる光電変換層の半導体膜は、ｐ型、ｉ型、ｎ型の三層構造を有するのが好ましい。ｐ型およびｎ型の半導体は、当分野にて従来より広く行われているように、所定の不純物をドープすることにより形成することができる。また、三層構造は、光入射面側から順にｐ層とｉ層とｎ層とが積層したｐ−ｉ−ｎ型の構造であることが好ましい。
【００２０】
また、この発明における光電変換層１３は、上記半導体膜が複数積層された構造を有していてもよい。上記複数積層される場合、各半導体膜の材料および構造は、互いに同じであっても異なっていてもよい。
【００２１】
この発明における光電変換層１３は、効率的に太陽光を吸収する観点から、絶縁透光性基板側から順に、アモルファスシリコン膜および微結晶シリコン膜が積層されて形成されたものであるのが好ましい。具体的には、図８と図１１に示すように、基板１１側から、表面電極１２を介して、水素化アモルファスシリコン系半導体（ａ−Ｓｉ：Ｈ）のｐ−ｉ−ｎ型の三層構造で形成された上部光電変換層（上部セル）１３ａと、水素化微結晶シリコン系半導体（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）のｐ−ｉ−ｎ型の三層構造で形成された下部光電変換層（下部セル）１３ｂとが積層されてなる、いわゆる、タンデム構造で実現されるのが好ましい。
【００２２】
この発明における光電変換層１３は、その厚みに特に制限はないが、光電変換層の成膜条件に依存し、膜の応力も関係するが、ある程度の変換効率を得るためには、その全体の厚みが１．８μｍ〜３．５μｍの範囲内であるのが好ましく、２．０μｍ〜３．０μｍの範囲内であるのがより好ましい。なお、上記のように上部セル１３ａと下部セル１３ｂとを有する光電変換層１３を形成する場合、上部セル１３ａの厚みは、使用する表面電極の形状、下部セルとの電流のバランスおよび光劣化率の設計にもよるが、安定化効率の観点からは、０．２μｍ〜０．５μｍの範囲内であるのが好ましく、０．２５μｍ〜０．３５μｍの範囲内であるのがより好ましい。また、下部セル１３ｂの厚みは、光電変換層１３の成膜条件に依存し、膜の応力も関係するが、ある程度の変換効率を得るためには、１．５μｍ〜３．０μｍの範囲内であるのが好ましく、１．７μｍ〜２．５μｍの範囲内であるのがより好ましい。なお、ここで、光電変換層１３、上部セル１３ａ、下部セル１３ｂの「厚み」は、光電変換層１３、上部セル１３ａ、下部セル１３ｂのそれぞれ平坦に形成された部分（すなわち、後述する開溝を充填した部分などではない）における、基板の厚み方向に沿った長さを指すものとする。
【００２３】
この発明に用いる裏面電極１４は、光電変換層１３の光入射面の反対側（以下、「裏面側」とも呼称する）に形成される。この発明に用いる裏面電極４は、導電性に加えて光散乱性または光反射性を有し、厚みが１００ｎｍ〜２００ｎｍの裏面金属電極を有しているならば、特に制限されるものではない。この発明に用いる裏面金属電極の具体例としては、光反射性に優れたＡｇやＡｌやＣｒなどを材質として用いた金属膜が挙げられるが、中でも特に反射率が高いことから、Ａｇで形成された金属膜が好ましい。
【００２４】
また、この発明に用いる裏面電極１４は、金属電極のみからなるものであってもよいが、光の散乱を促して高い発電効率を得るためには、金属電極に透明電極を積層したものであることが好ましい。この発明に用いる透明電極の具体例としては、酸化スズや酸化亜鉛やＩＴＯなどを材質として用いた透明導電膜が挙げられる。ここで、酸化スズには、ＳｎＯ2だけでなく、ＳｎmＯn（ここで、ｍおよびｎは正の整数）で表わされる各種組成の酸化スズが含まれるものとする。
【００２５】
なお、この発明における裏面電極１４が金属電極に加えて透明電極も有する場合、裏面透明電極の厚みは、０．０３μｍ〜０．２μｍであるのが好ましい。ここで、透明電極の「厚み」についても、上記裏面金属電極における「厚み」と同様、透明電極のそれぞれ平坦に形成された部分（すなわち、後述する開溝を充填した部分などではない）における、基板１１の厚み方向に沿った長さを指すものとする。
【００２６】
この発明の太陽電池２００は、図８〜図１１に示すように絶縁透光性基板１１、表面電極１２、半導体膜を積層した光電変換層１３および裏面電極１４を有する発電領域θ1又はθ2を備え、隣接する発電領域θ1又はθ2同士の表面電極１２および裏面電極１４が電気的に接続され、複数の発電領域θ1又はθ2が直列接続されている構造を基本的に有する。ここで、本発明の太陽電池２００において、このような複数の発電領域θ1又はθ2が直列接続されている構造（以下、「直列積層構造」とも呼称する）を実現するためには、隣接する発電領域θ1又はθ2間で、表面電極１１同士、光電変換層１３同士、裏面電極１４同士がそれぞれ完全に分離されている必要がある。また、本発明の太陽電池２００が集積構造を実現するためには、隣接する発電領域θ1又はθ2間で、表面電極１２と裏面電極１４が順に接続されている必要がある。それ故、この発明の太陽電池は、表面電極を分離するための開溝１５（以下、「表面電極分離ライン１５」とも呼称する）、光電変換層を分離するための開溝１６（以下、「光電変換層分離ライン１６」とも呼称する）、および裏面電極を分離するための開溝１７（以下、「裏面電極分離ライン１７」とも呼称する）を有する必要がある。ここで、開溝１５，１６，１７の内部は、空隙である場合に限られず、半導体や電極などが膜状で存在あるいは充填されている場合もあり得るが、そのような場合にも、この明細書においては、開溝と呼称することとする。また、本発明の太陽電池２００において、直列積層構造を実現するためには、表面電極１２と裏面電極１４を電気的に接続するための部材（コンタクトライン）を有する必要もある。
【００２７】
この発明の太陽電池は、集積方向と垂直にスリット状に加工されてその裏面側に光を透過する複数の開口部が形成されてなる光透過型の太陽電池（シースルー型太陽電池）により実現され、当該開口部において光電変換層および裏面電極が分離されてなるものであることが好ましい。ここで集積方向とは、絶縁透光性基板上に表面電極、光電変換層、裏面電極が順次積層されて集積化された太陽電池において、積層された各表面電極、光電変換層、裏面電極が延びる方向（たとえば、図４（ｃ）の例においては筒状曲面の法線方向）を指す。
【００２８】
この発明の一例であるシースルー型太陽電池においては、その開口部の合計面積は、有効な発電面積に対して４％〜３０％であるのが好ましく、７％〜２０％であるのがより好ましい。前記開口部の合計面積の割合が４％未満であると、開口部ピッチが大きくなり、意匠性が悪くなる傾向にあり、また、前記開口部の合計面積の割合が３０％を超えると、必要以上に太陽電池出力も減少し、加工時間がかかりコストが増加するにも関わらず、意匠性が向上しない傾向にあるためである。
【００２９】
また、この発明においては、少なくとも絶縁透光性基板、表面電極、半導体膜を積層した光電変換層および裏面電極を有する発電領域を複数備え、隣接する発電領域同士の表面電極および裏面電極が電気的に接続されて発電領域が直列接続されてなり、前記裏面電極が、厚み１００ｎｍ〜２００ｎｍの裏面金属電極を有し、集積方向と垂直にスリット状に加工されてその裏面側に光を透過する複数の開口部が形成されてなる。円筒形の絶縁透光性基板１１の内壁に太陽電池素子が形成される為、円筒上下の開口部を蓋などで密閉してもよく、あるいは、裏面電極側である円筒の内壁側を接着層、透明封止材料で封止したシースルー型太陽電池モジュールをも提供してもよい。
【００３０】
この発明のシースルー型太陽電池モジュールにおいて、円筒上下の蓋としては耐候性のものであればよく、形状などは用途に応じていればどのようなものでもよい。また、透明封止材料で封止した太陽電池モジュールにおいて、裏面電極側の封止に用いられる接着層の材料としては、特に制限されるものではなく、従来公知のたとえばＥＶＡなどを用いることができる。また、裏面電極側の封止に用いられる透明封止材料にも特に制限はなく、従来公知のたとえばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）フィルムなどを用いることができる。
【００３１】
この発明の太陽電池の製造方法は、少なくとも絶縁透光性基板、表面電極、半導体膜を積層した光電変換層および裏面電極を有する発電領域を複数備え、隣接する発電領域同士の表面電極および裏面電極が電気的に接続され、複数の発電領域が直列接続されてなる太陽電池を製造する方法であって、円筒型の絶縁透光性基板と表面電極と光電変換層および裏面電極を成膜する工程と、レーザ加工により表面電極、光電変換層および裏面金属電極を分離する工程を少なくとも有することを特徴とする。
【００３２】
以下、この発明の製造方法の具体的な一例を、順を追って説明する。
（１）表面電極形成工程
まず、絶縁透光性基板上に表面電極を形成する。かかる表面電極形成工程は、表面電極が金属電極であるか透明導電膜であるかで工程が異なる。
【００３３】
この発明に用いる表面電極が金属電極である場合には、表面電極形成工程として、物理的製法を用いることができる。物理的製法としては、特に限定されるものではないが、たとえば、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法などが挙げられる。そして、これらの製造方法のうちでは、品質などの面から、スパッタリング法を用いることが好ましい。
【００３４】
また、この発明に用いる表面電極が透明導電膜である場合には、表面電極形成工程として、化学的製法または物理的製法を用いることができる。化学的製法としては、特に限定されるものではないが、たとえば、スプレー法、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法などが挙げられる。一般に、化学的製法は、塩化物や有機金属化合物の熱分解、酸化反応によって基板上に酸化膜を形成する方法で、プロセスコストが安いという利点を持つ。また、物理的製法としては、たとえば、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法などが挙げられる。一般に、物理的製法は、化学的製法に比べ基板温度が低く、良質の膜形成が可能であるが、成膜速度が遅く、装置費用が高くなるなどの傾向を有する。
【００３５】
（２）表面電極パターニング工程
次に、上記（１）の工程で形成した表面電極をパターニングして、表面電極分離ラインを形成する。表面電極パターニング工程では、レーザの照射による加熱を利用したパターニング（以下、「レーザパターニング」とも呼称する）を行なうことが好ましい。このようなレーザパターニングを行なうことにより、積層構造の形成に要する工程の減少を図ることができ、大面積の基板上に太陽電池を製造することができ、曲面状などの任意の形状の基板上に太陽電池の製造が可能であり、太陽電池の基板内の発電領域の有効面積が増大でき、連続一貫生産および自動化生産に適するという利点が得られる。ここで、レーザパターニングに用いるレーザとしては、特に限定されるものではなく、一般に太陽電池の製造方法において用いられるレーザを用いることができる。また、レーザ射出口と照射面との距離、照射面におけるレーザの径およびレーザ照射時間などは、パターニングの形状などに応じて適宜選択されることが好ましい。なお、表面電極パターニング工程の後、後述する光電変換層形成工程を行なう前に、基板および表面電極を純水にて洗浄することが好ましい。
【００３６】
（３）光電変換層形成工程
続いて、上記（２）の工程でパターニングを施した表面電極上に、光電変換層を形成する。光電変換層は、従来公知の適宜の手法にて形成することができ、その形成方法は特に制限されるものではない。たとえば、化学的製法または物理的製法にて光電変換層を形成することができる。
【００３７】
光電変換層形成工程における化学的製法としては、たとえば、スプレー法、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法などが挙げられる。一般に、半導体の化学的製法は、シランガスなどの原料ガスの熱分解、プラズマ反応などによって基板上に半導体膜を形成する方法で、プロセスコストが安いという利点を持つ。
【００３８】
また光電変換層形成工程における物理的製法としては、たとえば、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法などが挙げられる。一般に、物理的製法は、化学的製法に比べ基板温度が低く、良質の膜形成が可能であるが、成膜速度が遅く、装置費用が高くなるなどの傾向を有する。これらの製造方法のうちでは、品質などの面から、プラズマＣＶＤ法を用いることが好ましい。
【００３９】
上記手法により、ｐ型、ｉ型、ｎ型の三層構造を有する半導体膜を含む光電変換層を好適に形成することができる。また、複数の半導体膜を積層する場合（たとえば、水素化アモルファスシリコン系半導体（ａ−Ｓｉ：Ｈ）のｐ−ｉ−ｎ型の三層構造で形成された上部セルと、水素化微結晶シリコン系半導体（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）のｐ−ｉ−ｎ型の三層構造で形成された下部セルとを積層する場合など）には、上記化学的製法および／または物理的製法を繰り返し行えばよい。
【００４０】
（４）光電変換層のパターニング工程
次に、上記（３）の工程で形成した光電変換層をパターニングして、光電変換層分離ラインを形成する。光電変換層のパターニング工程においては、レーザの照射による加熱を利用したパターニング（レーザパターニング）を行なうことが好ましい。このようなレーザパターニングを行なうことにより、積層構造の形成に要する工程の減少を図ることができ、大面積の基板上に太陽電池を製造することができ、曲面状などの任意の形状の基板上に太陽電池の製造が可能であり、太陽電池の基板内の発電領域の有効面積が増大でき、連続一貫生産および自動化生産に適するという利点が得られる。
【００４１】
ここで、本発明における光電変換層パターニング工程において、レーザパターニングに用いるレーザとしては、表面電極が透明導電膜からなる場合には、透明導電膜に損傷を与えることを避けるために、透明導電膜の透過性に優れた可視光領域のレーザを用いることが好ましい。それゆえ、たとえば、ＹＡＧ  ＳＨＧレーザを用いることが好ましい。
【００４２】
（５）裏面電極形成工程
続いて、裏面電極を形成するが、この裏面電極の形成の際に、コンタクトライン形成のための開溝を導電物質にて充填し、コンタクトラインを形成するのが好ましい。かかる導電物質は、導電性を有するものであれば特に制限はなく、一般的に太陽電池に用いられる導電物質を用いることができる。なお、裏面電極が金属電極および透明電極からなる場合には、製造工程の簡略化の観点からは、上記の導電物質は透明電極と同じ材質からなる導電物質を用いることが好ましい。コンタクトラインの形成を行なうことにより、コンタクトラインの開溝内は導電物質によって完全に充填され、表面電極と裏面電極とが完全に電気的に接続した状態となることが望まれる。
【００４３】
裏面電極における金属電極の形成方法に特に制限はないが、物理的製法にて形成するのが好ましい。物理的製法としては、たとえば、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法などが挙げられる。そして、これらの製造方法のうちでは、品質などの面から、マグネトロンスパッタリング法を用いることが好ましい。本発明の製造方法においては、この裏面電極形成工程において、金属電極の厚みを、１００ｎｍ〜２００ｎｍに形成することが好ましい。かかる厚みの金属電極は、上記各方法において条件等を適宜調整することによって、好適に形成することが可能である。
【００４４】
また、金属電極に加えて透明電極も形成する場合、透明電極は、化学的製法または物理的製法により形成することができる。ここで、化学的製法としては、たとえば、スプレー法、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法などが挙げられる。一般に、化学的製法は、塩化物や有機金属化合物の熱分解、酸化反応によって基板上に酸化膜を形成する方法で、プロセスコストが安いという利点を持つ。一方、物理的製法としては、たとえば、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法などが挙げられる。一般に、物理的製法は、化学的製法に比べ基板温度が低く、良質の膜形成が可能であるが、成膜速度が遅く、装置費用が高くなるなどの傾向を有する。これらの製造方法のうちでは、品質などの面から、スパッタリング法を用いることが好ましい。かかる場合、まず、コンタクトラインも兼ねてまず裏面透明電極を形成し、その後裏面金属電極を形成することが好ましい。
【００４５】
（６）裏面電極パターニング工程
続いて、上記（５）の工程で形成した裏面電極をパターニングして、裏面電極分離ラインを形成する。
本発明における裏面電極パターニング工程においては、レーザの照射による加熱を利用したパターニング（以下、「レーザパターニング」とも呼称する）を行なうことが好ましい。このようなレーザパターニングを行なうことにより、積層構造の形成に要する工程の減少を図ることができ、大面積の基板上に太陽電池を製造することができ、曲面状などの任意の形状の基板上に太陽電池の製造が可能であり、太陽電池の基板内の発電領域の有効面積が増大でき、連続一貫生産および自動化生産に適するという利点が得られる。
【００４６】
本発明における裏面電極パターニング工程において、レーザパターニングに用いるレーザとしては、Ｎｄ:ＹＡＧあるいはＮｄ:ＹＶＯ4レーザを用いることが好ましい。また、レーザは、第二高調波、第三高調波のいずれを用いてもよいが、加工後のバリの発生具合の状態より判断すると、第二高調波が好ましい。レーザ射出口と照射面との距離およびレーザ照射時間などは、パターニングの形状などに応じて適宜選択されることが好ましい。
【００４７】
そして、本発明の製造方法においては、かかる裏面電極パターニング工程の後、洗浄工程を行なってもよい。ここで、「洗浄工程」は、超音波洗浄のほか、純水による洗浄や粘着テープによる洗浄やエアーを用いた洗浄などをも含むものとする。
【００４８】
なお、シースルー型の太陽電池を製造する場合には、上記パターニング加工後の裏面電極を、ガラス面よりＮｄ:ＹＡＧの第二高調波をレーザ照射することで開口部を形成する。レーザ加工条件は、透明導電膜１２にダメージをつけない条件を選択するのが好ましい。
【００４９】
さらに、裏面電極側を接着層、透明封止材料にて封止することで、シースルー型の太陽電池モジュールを形成することができる。裏面電極側の封止の形成は、従来公知の方法にしたがって行えばよく、円筒形の絶縁透光性基板１１の内壁に太陽電池素子が形成される為、円筒上下の開口部を蓋などで密閉する構造としても構わなく、特には制限されるものではない。
【実施例１】
【００５０】
図１（ａ）に示す太陽電池のＣＶＤ成膜装置は、円筒形の絶縁透光性基板１１が収まるアノード２０ａとカソード２０ｂが対向する並行曲板を備えたＣＶＤ成膜装置であり、図１（ｄ）に示すように絶縁透過性基板１１の上下開口部を蓋２１および台部２２によって挟持し、基板１１の内部の空間を成膜用チャンバーとする。このとき基板１１の上下端部と蓋２１および台部２２はチャンバーの気密性を上げるためにオーリング等を介して密着させる。
【００５１】
図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、アノード２０ａは成膜ガスを基板１１とアノード２０ａの間に均一良く導入するために多数の導入孔２４が開いておりアノード２０ａの内側へ成膜ガスを供給する。
【００５２】
図３（ａ）〜図３（ｄ）に示す太陽電池のパターニング装置は台部３２が回転台３３に固定されており、回転台３３は台座３４に回転体として設置されている。また、台座３４に立設されている軸３６にレーザービーム源３５が固定されており、絶縁透過性基板上１１との距離が一定に保たれるように設置されている。レーザービーム源３５は絶縁透過性基板上１１の軸方向に、軸３６上をスライドして走査が可能である。
【００５３】
例えば、図４（ａ）のように縦方向にパターニングする場合には、回転体３３を固定して、レーザービーム源３５を縦方向に走査し、次に、一定角度θ１だけ回転体３３を回転する。再度回転体３３を固定してレーザービーム源３５を縦方向に走査する。これを360度にわたって繰り返すことで実現する。
例えば、図４（ｂ）のように円周に沿ってパターニングする場合はレーザービーム源３５を固定して、回転体３３を回転し、360度だけ回転体３３を回転した後、レーザービーム源３５を所定ピッチだけスライドする。再度ビーム源３５を固定して回転体３３を360度回転する。これを所定回数繰り返すことで実現する。
この実施例では、絶縁透過性基板１１として厚さ４．０ｍｍ，長さ５６０ｍｍ，内径２９５ｍｍの円筒状ガラス基板を使用し、基板１１上に、透明導電膜１２として、熱ＣＶＤ法でＳｎＯ2（酸化錫）を成膜する。
【００５４】
次に、ＹＡＧレーザの基本波を用いて透明導電膜１２のパターニングを行う。レーザ光を基板１１の表面から入射させることにより、透明導電膜１２は短冊状に分離され、表面電極分離ライン１５が形成される。
【００５５】
この後、当該基板を純水で超音波洗浄し、その後、上部セル１３ａを形成する。上部セル１３ａは、ａ−Ｓｉ:Ｈｐ層、ａ−Ｓｉ:Ｈｉ層、ａ−Ｓｉ:Ｈｎ層からなり、合計の厚みＷ１は０．２５μｍ程度とする。
【００５６】
次に、下部セル１３ｂを形成する。下部セル１３ｂは、μｃ-Ｓｉ:Ｈｐ層、μｃ-Ｓｉ:Ｈｉ層、μｃ-Ｓｉ:Ｈｎ層からなり、合計の厚みＷ２は２．４μｍ程度である。
【００５７】
次に、ＹＡＧレーザの第二高調波を用いて、下部セル１３ｂおよび上部セル１３ａをレーザを用いてパターニングを行う。レーザ光を基板１１の表面から入射させることにより、下部セル１３ｂは短冊状に分離され、透明導電膜１２と裏面電極１４とを電気的に接続するためのコンタクトライン１６が形成される。
【００５８】
次に、マグネトロンスパッタ法により、裏面電極１４であるＺｎＯ（酸化亜鉛）／Ａｇを成膜する。この際、ＺｎＯ（裏面透明電極）の厚みは１００ｎｍとした。銀（裏面金属電極）の膜厚は１５０ｎｍとする。
【００５９】
次に、裏面電極１４、下部セル１３ｂおよび上部セル１３ａをレーザを用いてパターニングを行う。レーザ光を基板１１の表面から入射させることにより、裏面電極１４は短冊状に分離され、裏面電極分離ライン１７が形成される。この際、レーザによる透明導電膜１２へのダメージを避けるため、レーザには、透明導電膜１２の透過性のよいＮｄ：ＹＡＧレーザの第二高調波を使用する。裏面電極分離ライン１７の幅Ｗ１は、８５μｍとする。
【００６０】
なお、図４（ｃ）のように、シースルー型の太陽電池を製造する場合には、上記パターニング加工後の裏面電極、下部セル１３ｂおよび上部セル１３ａをガラス面よりＮｄ:ＹＡＧの第二高調波をレーザ照射することで開口部を形成する。詳しくは、電極部は加工されないようにマスクで保護し、ガラス面よりＮｄ:ＹＡＧの第二高調波をレーザ照射することで開口部１９を作製する。この際、レーザ加工条件は、裏面電極１４の裏面電極分離ライン７と同じく、透明導電膜１２にダメージをつけない条件を選択するのが好ましい。この時、開口部１９の幅を１２０μｍ、開口部のピッチを１．２７ｍｍとする。このように加工することにより、有効な発電面積に対して開口部１９の合計面積を１０％とする。
【００６１】
以上、この実施例の一例としての太陽電池は、円筒外側からガラス基板、表面電極、上部セル、下部セルおよび裏面電極の順で構成される太陽電池であり、円筒外側から太陽光を入射するタイプである。この実施例の別の一例として円筒内側から太陽光を入射するタイプについては、円筒外側からガラス基板、裏面電極、下部セル、上部セルおよび表面電極の順で構成されるように製造工程の順序を入れ替えればよい。
つづいて、様々な形の太陽電池を複数の集合体とした太陽電池アレイの形態について述べる。
【００６２】
図５（ａ）は絶縁透過性基板として円筒形ガラス管を用いて内壁に太陽電池素子を形成した太陽電池２００であり、図５（ｂ）は縦に４個・横に６個の太陽電池２００を、アレイ状に集合させた太陽電池アレイ２０１を示す。一つの円筒（太陽電池）２００は周囲の６個の円筒に外接しており円筒外部に隙間が形成されたアレイ２０１を構成する。このように発電素子がガラスを挟んで隣接するガラス管に形成された発電素子と対向するのはガラス管同士が外接する局所部分で円筒周囲上、線状の６箇所である。つまり、大半の太陽電池素子が周囲からの散乱光を両面から効率よく取り入れるため発電効率の向上が図られ、発電領域を絶縁透光性基板の内壁に形成することにより太陽電池２００は光の入射方向に対して三次元的に配列され、省スペース且つ受光面積の拡大が図られる。
【００６３】
図６（ａ）は絶縁透過性基板として断面が四角の筒形ガラス管を用いて内壁に太陽電池素子を形成した太陽電池３００であり、図６（ｂ）は縦に４個・横に６個の太陽電池３００を、アレイ状に集合させた太陽電池アレイ３０１を示す。一つの太陽電池３００は周囲の４個の管（太陽電池）の面に接しており隙間なく形成されたアレイ３０１を構成する。このように発電素子がガラスを挟んで隣接するガラス管に形成された発電素子と対向することで、高密度に管が配列できる。つまり、発電領域を絶縁透光性基板の内壁に形成することにより太陽電池３００は光の入射方向に対して三次元的に配列され、省スペース且つ受光面積の拡大が図られる。
【００６４】
図７（ａ）は絶縁透過性基板として、断面が三角筒形のガラス管を用いて内壁に太陽電池素子を形成した太陽電池４００であり、図７（ｂ）は縦に８個・横に６個の太陽電池４００をアレイ状に集合させた太陽電池アレイ４０１を示す。一つの太陽電池４００は周囲の３個の管の面に接しており隙間なく形成されたアレイ４０１を構成する。このように発電素子がガラスを挟んで隣接するガラス管に形成された発電素子と対向することで、高密度に管が配列できる。つまり、発電領域を絶縁透光性基板の内壁に形成することにより太陽電池４００は光の入射方向に対して三次元的に配列され、省スペース且つ受光面積の拡大が図られる。
【００６５】
図１２（ａ）は集光部を備えた太陽電池ユニット５００の分解斜視図を示し、図１２（ｂ）は集光部を備えた太陽電池ユニット５００の斜視図を示す。円筒形の絶縁透過性基板である円筒形ガラス管を用いて内壁に太陽電池素子を形成した太陽電池２００の外側にパラボラ型の反射鏡４１ｂを付設し、円筒の周囲外側から太陽光を照射する構造となっている。太陽電池２００の下方の開口部と合致するパラボラ鏡底部４１ａも鏡面であることが好ましく、太陽電池２００の上方の開口部が鏡面を有する円板４０によって塞がれていてもよい。この場合は円板４０の鏡面とパラボラ鏡底部４１ａも鏡面がお互いに向き合うように配置するのが好ましい。図１２（ｂ）に示すような集光部を備えた太陽電池ユニット５００の場合、円筒外側から太陽光を入射するタイプの太陽電池が好ましい。
【００６６】
図１３（ａ）は集光部を備えた太陽電池ユニット６００の分解斜視図を示し、図１３（ｂ）は集光部を備えた太陽電池ユニット６００の斜視図を示す。円筒形の絶縁透過性基板である円筒形ガラス管を用いて内壁に太陽電池素子を形成した太陽電池２００の内側に反射鏡を付設し、入射した太陽光を反射する構造となっている。太陽電池２００の下方の開口部と合致する鏡部４２は上に凸の鏡面であることが好ましく、太陽電池２００の内壁に均一に反射するのが好ましい。このように太陽電池２００の内側に反射鏡４２を配置する場合は先に説明したようなアレイを効率的にレイアウトすることが可能となる。図１３（ｂ）に示すような集光部を備えた太陽電池ユニットの場合、円筒内側から太陽光を入射するタイプの太陽電池が好ましい。
【００６７】
図１４（ａ）は発光部４３を備えた太陽電池ユニット７００の分解斜視図を示し、図１４（ｂ）は発光部４３を備えた太陽電池ユニット７００の斜視図を示す。円筒形の絶縁透過性基板である円筒形ガラス管を用いて内壁に太陽電池素子を形成した太陽電池２００の内部に発光体４３を配置し、円筒形ガラス管の外方に発光する構造となっている。太陽電池２００の下方もしくは上方の開口部に反射鏡を配置しても構わなく、太陽電池２００はシースルータイプにするのが好ましい。このように太陽電池２００の内部に発光体を配置することで、発電機能を兼ね備えた照明器具を構成することが可能となり、発電領域を絶縁透光性基板の内壁に形成することで光の入射方向に対して三次元的に配列し、且つ三次元的に光を放射可能となり省スペース化が図れる。
【００６８】
図１５（ａ）は配管部を備えた太陽電池ユニット８００の分解斜視図を示し、図１５（ｂ）は配管部を備えた太陽電池ユニット８００の斜視図を示す。円筒形の絶縁透過性基板である円筒形ガラス管を用いて内壁に太陽電池素子を形成した太陽電池２００を縦に連結し、円筒形ガラス管の内部に気体や液体を通す構造となっている。太陽電池２００の下方もしくは上方の開口部に通常の配管を接続してもよく、太陽電池２００は少なくとも内壁に形成された太陽素子を保護する構造をとるのが好ましい。このように太陽電池２００の内部に配管機能を持たせることにより、配管機能を兼ね備えた構成とすることが可能となり、発電領域を絶縁透光性基板の内壁に形成することで光の入射方向に対して三次元的に配列でき、省スペース化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】この発明の太陽電池を製造する成膜装置の概略図である。
【図２】この発明の太陽電池を製造する成膜装置の要部の説明図である。
【図３】この発明の太陽電池を製造するパターニング装置の概略図である。
【図４】この発明の太陽電池の種類を簡略化して示す斜視図である。
【図５】この発明における太陽電池アレイの実施の形態の一例を示す概略斜視図である。
【図６】この発明における太陽電池アレイの実施の形態の他の例を示す概略斜視図である。
【図７】この発明における太陽電池アレイの実施の形態のさらに他の例を示す概略斜視図である。
【図８】この発明の太陽電池の断面構造の一例を示す概略図である。
【図９】この発明の太陽電池の断面構造の一例を示す概略図である。
【図１０】この発明の太陽電池の断面構造の一例を示す概略図である。
【図１１】この発明の太陽電池の断面構造の一例を示す概略図である。
【図１２】この発明における太陽電池ユニットの実施の形態の一例を示す概略斜視図である。
【図１３】この発明における太陽電池ユニットの実施の形態の一例を示す概略斜視図である。
【図１４】この発明における太陽電池ユニットの実施の形態の一例を示す概略斜視図である。
【図１５】この発明における太陽電池ユニットの実施の形態の一例を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
【００７０】
１１    絶縁透光性基板
１２    透明導電膜
１３    光電変換層
１３ａ  上部セル
１３ｂ  下部セル
１４    裏面電極層
１４ａ  裏面金属電極
１４ｂ  裏面透明電極
１５    開溝（表面電極分離ライン）
１６    開溝（光電変換層分離ライン）
１７    開溝（裏面電極分離ライン）
３０    反射板
３１    反射板
３２    反射板
３３    発光体
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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