(57)【要約】【課題】光電変換特性に優れた光電変換装置を工程数の増加を招くことなく製造できる光電変換装置の製造方法を得ること。【解決手段】透明導電層２上の発電層３をレーザによって部分的に除去し、透明導電層２を露出させる第１レーザパターニング工程と、透明導電層２上の発電層３及び裏面反射電極層４をレーザによって部分的に除去し、透明導電層２を露出させる第２レーザパターニング工程と、透光性基板１の周縁部の透明導電層２、発電層３及び裏面反射電極層４をレーザによって除去し、透光性基板１の周縁部を露出させる第３レーザパターニング工程とのいずれかにおいては、発電層３を形成する材料の欠陥を不活性化させる性質を有する処理溶液６をレーザによる加工部分に供給して、レーザによる加工によって生じる残渣を除去する。【選択図】図４
2013219064.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性基板上に間隔を空けて複数の第１電極層を形成する工程と、
前記透光性基板及び前記第１電極層の上に光電変換を行う発電層を形成する工程と、
前記第１電極層上の前記発電層をレーザによって部分的に除去し、前記第１電極層を露出させる第１レーザパターニング工程と、
前記第１電極層及び前記発電層の上に、第２電極層を形成する工程と、
前記第１電極層上の前記発電層及び前記第２電極層をレーザによって部分的に除去し、前記第１電極層を露出させる第２レーザパターニング工程と、
前記透光性基板の周縁部の前記第１電極層、前記発電層及び前記第２電極層をレーザによって除去し、前記透光性基板の周縁部を露出させる第３レーザパターニング工程とを有し、
前記第１、第２及び第３レーザパターニング工程のいずれかにおいては、前記発電層を形成する材料の欠陥を不活性化させる性質を有する溶液を前記レーザによる加工部分に供給して、前記レーザによる加工によって生じる残渣を除去することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
【請求項２】
前記発電層の主成分はシリコンであり、
前記溶液は、ヨウ素、キンヒドロン及びシアンのいずれかと水とを含むことを特徴とする請求項１記載の光電変換装置の製造方法。
【請求項３】
前記第１、第２及び第３レーザパターニング工程のいずれかにおいては、前記第１電極層が形成された面が下側となるように前記透光性基板を支持し、前記溶液を、前記レーザによる加工部分に向けて下側から噴きつけることを特徴とする請求項１又は２記載の光電変換装置の製造方法。
【請求項４】
前記第１、第２及び第３レーザパターニング工程のいずれかにおいては、前記溶液を非静止状態で貯留する処理溶液槽内で、前記発電層を前記溶液に接させることを特徴とする請求項１又は２記載の光電変換装置の製造方法。
【請求項５】
前記発電層は、導電型の異なる半導体層が積層された単位発電層を、複数層積層した多接合構造を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の光電変換装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザパターニングによる光電変換装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽電池の低コスト化、高効率化を両立するために、薄膜太陽電池の開発が精力的になされており、とりわけ多接合型薄膜太陽電池が注目されている。一般に、多接合型の薄膜太陽電池は、透光性基板を用い、透明導電層、多接合層（光電変換層、導電型層、中間層）、裏面反射電極層で構成され、レーザパターニングによって直列接続を形成した上でモジュールを作成する。
【０００３】
レーザパターニングは、透明導電層の形成後、多接合層の形成後、裏面反射電極層の形成後に加え、モジューリング前にもパネル外周部の膜除去のため行われる。すなわち、光電変換装置の製造工程において、レーザパターニングは複数回行われる。これらのレーザパターニング処理はいずれもレーザ光に由来する熱エネルギーや光エネルギーによってパターニング部分周辺の構成層に欠陥を発生させる。各パターニング後は、処理部に生じる残渣を除去するために洗浄が施される。
【０００４】
また、欠陥のパッシベーションに関して、結晶Ｓｉ基板に対して光を照射させながら溶液処理を施すことにより、基板表面に存在する欠陥をパッシベーションする技術が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４３４４８６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１の手法を薄膜太陽電池の製造に適用すると、レーザパターニングの都度、残渣の除去や欠陥のパッシベーションを個別に行うこととなり、工程数が多くなるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光電変換特性に優れた光電変換装置を工程数の増加を招くことなく製造できる光電変換装置の製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、透光性基板上に間隔を空けて複数の第１電極層を形成する工程と、透光性基板及び第１電極層の上に光電変換を行う発電層を形成する工程と、第１電極層上の発電層をレーザによって部分的に除去し、第１電極層を露出させる第１レーザパターニング工程と、第１電極層及び発電層の上に、第２電極層を形成する工程と、第１電極層上の発電層及び第２電極層をレーザによって部分的に除去し、第１電極層を露出させる第２レーザパターニング工程と、透光性基板の周縁部の第１電極層、発電層及び第２電極層をレーザによって除去し、透光性基板の周縁部を露出させる第３レーザパターニング工程とを有し、第１、第２及び第３レーザパターニング工程のいずれかにおいては、発電層を形成する材料の欠陥を不活性化させる性質を有する溶液をレーザによる加工部分に供給して、レーザによる加工によって生じる残渣を除去することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、処理溶液によるパッシベーション効果によって、パターニング部分及び構成膜全体の欠陥準位が低減して太陽電池特性が向上するとともに、パターニング工程、残渣除去工程及びパターニング工程の一元化によって工程数を削減できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る光電変換装置の製造方法で製造された多接合型光電変換装置の構成を示す図である。
【図２】図２は、発電領域における層構成を示す図である。
【図３】図３は、本実施の形態に係る光電変換装置の製造方法の流れを示すフローチャートである。
【図４】図４は、光電変換装置の製造方法の工程図である。
【図５】図５は、レーザパターニングを施工中の多接合型光電変換装置の断面図である。
【図６】図６は、処理溶液を入れた処理溶液浸漬槽内で膜面が処理溶液に接するように透光性基板を保持しつつレーザ光を照射して加工する様子を示す図である。
【図７】図７は、実施例１、実施例２及び比較例で形成した多接合型光電変換装置の特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明にかかる光電変換装置の製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１２】
実施の形態．
本発明の実施の形態に係る光電変換装置の製造方法について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る光電変換装置の製造方法で製造された多接合型光電変換装置の構成を示す図である。なお、構成の理解を容易とするため、図１においては封止材やバックシートの図示は省略している。多接合型光電変換装置は、透光性基板１上に透明導電層２、発電層３、裏面反射電極層４が順次積層された構造の光電変換セル１０が複数設けられている。
【００１３】
光電変換セル１０同士の間には透明導電層２が存在しない第１の分離溝１１が設けられている。また、光電変換セル１０上には、発電層３が存在しない接続溝１２が設けられ、透明導電層２と裏面反射電極層４とが電気的に接続されている。さらに、光電変換セル１０上には、光電変換セル１０を非発電領域（接続溝１２が設けられた側の領域）２０と発電領域３０とに分断するように第２の分離溝１３が設けられている。第２の分離溝１３が設けられた部分は、発電層３及び裏面反射電極層４が存在しておらず、透明導電層２が露出している。このため、非発電領域２０の裏面反射電極層４と発電領域３０の裏面反射電極層４とは、第２の分離溝１２によって電気的に分離されている。ある光電変換セル１０の透明導電層２は、接続溝１２及び第１の分離溝１１に形成された裏面反射電極層４を介して、隣接する他の光電変換セルの裏面反射電極層４と電気的に接続されている。
【００１４】
図２に、発電領域３０における層構成を示す。透光性基板１はガラス基板、若しくはポリイミドやポリビニルなどの耐熱性を有する光透過性樹脂又はそれらを積層したものなどを適宜用いることができるが、光透過性が高く、光電変換装置全体を構造的に支持しうるものであれば特定の材料に限定されない。
【００１５】
第１電極層としての透明導電層２は、透光性導電材料で構成される。透光性導電材料としては、酸化錫（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）などを用いることができる。透明導電層２は、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法等の公知の成膜方法を用いて形成される。
【００１６】
発電層３は、光電変換層３１、中間層３２、光電変換層３３及び裏側透明導電層３４を備える。発電層３は、ＣＶＤ法などの公知の方法を用いて形成される。発電層３の典型的な材料は、シリコンを主成分とする半導体材料（非晶質シリコンや微結晶シリコン、非晶質シリコンゲルマニウム、微結晶シリコンゲルマニウムなど）である。光電変換層３１、３３は、ｐｉｎ接合を有し、入射する光を光電変換して光起電力を発生させる。すなわち、光電変換層３１及び３３は、光起電力を発生させる構造単位（単位発電層）である。したがって、発電層３は単位発電層としての光電変換層３１、３３を、透明導電膜からなる中間層３２を介して複数層積層した多接合構造を有する。
【００１７】
光電変換層３１は、透光性基板１側から順に、表側導電型層３１ａ、真性半導体層３１ｂ、裏側導電型層３１ｃが積層された構成である。また、光電変換層３３は、透光性基板１側から順に、表側導電型層３３ａ、真性半導体層３３ｂ、裏側導電型層３３ｃが積層された構成である。光電変換層３１は、相対的にバンドギャップの広い材料、例えば非晶質シリコンを用いて形成することが好ましい。また、光電変換層３３は、相対的にバンドギャップの狭い材料、例えば微結晶シリコンや微結晶シリコンゲルマニウムを用いて形成することが好ましい。
【００１８】
中間層３２は、低屈折率を有し、所望の波長に対して光透過率又は高反射率を持ち、導電性を併せ持った薄膜である。すなわち、中間層３２は、所定の波長よりも短波長の光を透光性基板１側にある光電変換層３１へ反射させ、所定の波長よりも長波長の光を裏面反射電極層４側にある光電変換層３３へ透過させる。これにより、中間層３２は、所定の波長よりも短波長の光を光電変換層３１に閉じ込める効果を奏する。
【００１９】
裏側透明導電層３４は、光電変換層３３と裏面反射電極層４との間のキャリア伝導を担う。
【００２０】
なお、ここでは発電層３が、ｐｉｎ接合を有する光電変換層３１、３３を備える構成を例としたが、発電層３は、少なくとも１組のｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有し、入射する光を光電変換して光起電力を発生させる光電変換層が２層以上積層されて構成される半導体層であれば良く、上記の構成に限定されない。光電変換層を３層以上備える場合には、全ての光電変換層の間に中間層を設けても良いし、一部の光電変換層の間にのみ中間層を設けても良い。さらに、中間層を省略した構成とすることも可能である。
【００２１】
第２電極層としての裏面反射電極層４は、裏面電極として機能するとともに、発電層３で吸収されなかった光を反射して再度発電層３に戻す反射層としても機能し、光電変換効率の向上に寄与する。したがって、裏面反射電極層４は、光反射率及び導電率が高いことが好ましい。裏面反射電極層４は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）などの金属材料で形成することができる。なお、裏面反射電極層４は、蒸着法やスパッタリング法などの公知の方法を用いて形成される。
【００２２】
図３は、本実施の形態に係る光電変換装置の製造方法の流れを示すフローチャートである。図４は、光電変換装置の製造方法の工程図である。まず、透光性基板１を洗浄する（図３ステップＳ１、図４（ａ））。続いて、透光性基板１の表面に透明導電層２を形成する（図３ステップＳ２、図４（ｂ））。その後、透明導電層２側からレーザを照射してレーザパターニングを行い、透明電極層２の一部を除去する（図３ステップＳ３、図４（ｃ））。透明電極層２が除去された部分は、最終的には分離溝１１となる。
【００２３】
続いて、透光性基板１及び透明導電層２の上に発電層３を形成する（図３ステップＳ４、図４（ｄ））。その後、発電層３が下側となるように透光性基板１を保持し、処理液供給ノズル７で下方から処理溶液６を噴射して発電層３に供給しつつ透光性基板１側からレーザを照射してレーザパターニングを行い、発電層３の一部を除去する（図３ステップＳ５、図４（ｅ））。なお、処理溶液６は、発電層３を形成する材料の欠陥を不活性化する（パッシベーションする）性質を備えている。発電層３が除去された部分は、最終的には接続溝１２となる。
【００２４】
その後、透明導電層２及び発電層３の上に裏面反射電極層４を形成する（図３ステップＳ６、図４（ｆ））。その後、裏面反射電極層４が下側となるように透光性基板１を保持し、処理液供給ノズル７で下方から処理溶液６を噴射して裏面反射電極層４に供給しつつ透光性基板１側からレーザを照射してレーザパターニングを行い発電層３及び裏面反射電極層４の一部を除去する（図３ステップＳ７、図４（ｇ））。発電層３及び裏面反射電極層４が除去された部分は、分離溝１３となる。
【００２５】
さらに、処理液供給ノズル７で下方から処理溶液６を噴射して裏面反射電極層４に供給しつつ透光性基板１側からレーザを照射してレーザパターニングを行い、透光性基板１の周縁部の透明導電層２、発電層３及び裏面反射電極層４を除去する（図３ステップＳ８、図４（ｈ））。
【００２６】
ステップＳ５、Ｓ７、Ｓ８での処理の結果、レーザパターニング部分の周辺に欠陥が生じるとともに、残渣が発生するが、処理溶液６を供給しながら処理を行うことで、欠陥のパッシベーションと残渣除去とを同時に行うことができ、光電変換特性の向上及び工程数の削減が可能となる。なお、ステップＳ３での処理時には半導体層である発電層３が形成されておらずパッシベーションの必要がないため、透明導電層２をレーザ加工するのみとなる。
【００２７】
パターニング後は、封止材９及びバックシート１５をラミネートしてモジュールを形成する（図３ステップＳ９、図４（ｉ））。
【００２８】
レーザパターニングは、透明導電層２の形成後（図３ステップＳ３）、発電層３の形成後（図３ステップＳ５）、裏面反射電極層４の形成後（図３ステップＳ７）に加え、パネル外周部の膜除去（図３ステップＳ８）のためにも行われる。すなわち、レーザパターニングは複数回行われる。レーザパターニングには、例えばＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザを用い、除去対象となる膜でのレーザの吸収率を考慮して、ステップＳ３、Ｓ８での処理には基本波を、ステップＳ５、Ｓ７での処理については第二高調波を適用する。
【００２９】
図５は、レーザパターニング（図３ステップＳ７）を施工中の多接合型光電変換装置の断面図である。図５は、膜面を下側にして透光性基板１を保持し、処理溶液吐出ノズル７から膜面に処理溶液６を噴射して供給しながらその反対側の上面側のレーザ照射口５から透光性基板１を介して膜をレーザ加工する様子を示している。パッシベーション効果を有する液体（ヨウ素メタノール溶液など）と水とを混合した溶液を処理溶液６として用い、処理溶液吐出ノズル７から噴射して処理溶液６をレーザパターニングの施工箇所へ供給する。具体的には、発電層３の主成分がシリコンであるならば、処理溶液６には、シリコンの欠陥に対してパッシベーション効果を備えるヨウ素、キンヒドロン（キノン１分子とヒドロキノン１分子からなる化合物）及びシアンのいずれかと水とを含む溶液を用いる。これらの物質は、シリコンのパッシベーション用途に用いられている公知の物質であるため、比較的容易に入手が可能である。なお、処理溶液吐出ノズル７から吐出される処理溶液６の流量や吐出角度、ノズル口径等を適宜調整することによって、残渣を容易に除去できる。すなわち、パターニング部分の周辺に生じた欠陥が処理溶液６の化学的な作用によってパッシベーションされ、残渣は処理溶液６の物理的な作用によって除去される。
【００３０】
なお、処理溶液６を入れた処理溶液浸漬槽８内で膜面を処理溶液６に接させることも可能である。図６は、処理溶液６を入れた処理溶液浸漬槽８内で膜面が処理溶液６に接するように透光性基板１を保持し、透光性基板１を介してレーザ光を照射して加工する様子を示している。この場合には、処理溶液浸漬槽８内の処理溶液６を、振動子を用いて適宜流動又は振動させる（処理溶液浸漬槽８内に非静止状態で処理溶液６を貯留させる）ことによって残渣を容易に除去できる。
【００３１】
以下、本実施の形態に係る多接合型光電変換装置の製造方法の実施例について説明する。
【００３２】
（実施例１）
非晶質シリコンを材料とする第１光電変換層、非晶質シリコンゲルマニウムを材料とする第２光電変換層、及び微結晶シリコンを材料とする第３光電変換層の３接合と、非晶質酸化シリコンで形成された中間層と、アルミニウム添加酸化亜鉛で形成された裏側透明導電層とで発電層を構成した。なお、中間層は第１光電層変換層と第２光電変換層との間に設けた。図５に示す方式によって発電層の形成後、裏面反射電極層の形成後、モジューリング前にレーザパターニングを施して多接合型光電変換装置を形成した。
【００３３】
（実施例２）
非晶質シリコンを材料とする第１光電変換層、非晶質シリコンゲルマニウムを材料とする第２光電変換層、及び微結晶シリコンを材料とする第３光電変換層の３接合と、非晶質酸化シリコンで形成された中間層と、アルミニウム添加酸化亜鉛で形成された裏側透明導電層とで発電層を構成した。なお、中間層は第１光電層変換層と第２光電変換層との間に設けた。図６に示す方式によって発電層の形成後、裏面反射電極層の形成後、モジューリング前にレーザパターニングを施して多接合型光電変換装置を形成した。なお、レーザパターニング以外の工程での作業条件は実施例１と同じとした。
【００３４】
（比較例）
非晶質シリコンを材料とする第１光電変換層、非晶質シリコンゲルマニウムを材料とする第２光電変換層、及び微結晶シリコンを材料とする第３光電変換層の３接合と、非晶質酸化シリコンで形成された中間層と、アルミニウム添加酸化亜鉛で形成された裏側透明導電層とで発電層を構成した。なお、中間層は第１光電層変換層と第２光電変換層との間に設けた。処理溶液６を用いずに透明導電層の形成後、発電層の形成後、裏面反射電極層の形成後、モジューリング前にレーザパターニングを行った後、水洗処理のみ行って多接合型光電変換装置を形成した。
【００３５】
図７に、実施例１、実施例２及び比較例で形成した多接合型光電変換装置の特性を示す。図中の数値は、比較例での値を基準として（１．００として）正規化した値である。実施例１、２ともに、曲線因子ＦＦ（Fill Factor）、並列抵抗Ｒｓｈ（Shunt resistance）及び変換効率Ｅｆｆは比較例の値よりも大きくなっており、レーザパターニングと同時に処理溶液６を用いてパッシベーション処理を行うことによって、特性が向上することが確認された。
【００３６】
このように、本実施の形態に係る光電変換装置の製造方法は、レーザパターニング工程、残渣除去工程及びパッシベーション工程の一元化による工程数の削減が可能である。工程数の削減により、生産工程における消費エネルギーを削減し、製造段階での環境負荷の低減が可能となる。
【００３７】
上記の実施の形態においては、多接合型光電変換装置を例として説明したが、単位発電層としての光電変換層を一層のみ備えた単接合型光電変換装置の製造工程にも本発明は適用可能である。また、上記では図３において発電層をレーザパターニングするＳ５、Ｓ７、Ｓ８のすべての工程で処理溶液を供給したので最も効果が高いが、処理溶液の供給をいずれかの工程のみでとしてもパッシベーション処理と残渣の除去効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上のように、本発明にかかる光電変換装置の製造方法は、パターニング工程、残渣除去工程及びパッシベーション工程の一元化によって工程数を削減できる点で有用であり、特に、薄膜太陽電池モジュールの製造に適している。
【符号の説明】
【００３９】
１  透光性基板
２  透明導電層
３  発電層
４  裏面反射電極層
５  レーザ照射口
６  処理溶液
７  処理溶液吐出ノズル
８  処理溶液浸漬槽
９  封止材
１０  光電変換セル
１１、１３  分離溝
１２  接続溝
１５  バックシート
２０  非発電領域
３０  発電領域
３１、３３  光電変換層
３１ａ、３３ａ  表側導電型層
３１ｂ、３３ｂ  真性半導体層
３１ｃ、３３ｃ  裏側導電型層
３２  中間層
３４  裏側透明導電層
【図１】
2013219064.tif 000003
【図２】
2013219064.tif 000004
【図３】
2013219064.tif 000005
【図４】
2013219064.tif 000006
【図５】
2013219064.tif 000007
【図６】
2013219064.tif 000008
【図７】
2013219064.tif 000009