(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性基板上に、透明電極、光活性層となる半導体層及び裏面電極層をこの順序で形成した集積型光起電力装置であって、前記裏面電極層は前記半導体層に近い側から透明導電膜と金属膜とが積層され、かつその透明導電膜は、アルミニウム及びナトリウムがドープされたＺｎＯ膜からなることを特徴とする集積型光起電力装置。
【請求項２】
前記裏面電極層の透明導電膜中のナトリウムのドープ量は１ａｔ．％以上８ａｔ．％以下であることを特徴とする請求項１に記載の集積型光起電力装置。
【請求項３】
透光性基板上に、透明電極、光活性層となる半導体層及び裏面電極層をこの順序で形成し、レーザパターニングにより各々の膜を分離する集積型光起電力装置の製造方法であって、前記光起電力層となる半導体層上にアルミニウム及びナトリウムがドープされたＺｎＯ膜からなる透明導電膜を形成し、この透明導電膜上に金属膜を積層して裏面電極層を形成した後、レーザパターニングにより裏面電極層及び半導体層を分離することを特徴とする集積型光起電力装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜半導体を用いた集積型光起電力装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、非晶質シリコン（以下、ａ−Ｓｉという。）系半導体を光活性層に用いた光起電力装置がいろいろな用途に使用されている。これは１枚の基板上に多数の光電変換素子をカスケード接続することにより、高電圧を取出せるようにした集積型ａ−Ｓｉ光起電力装置に開発を負うところが大きい。
【０００３】
一般的なａ−Ｓｉを用いた集積型光起電力装置について、図５に従い説明する。ガラスからなる透光性基板１の上に、酸化錫（ＳｎＯ2）からなる透明電極２、内部にｐｉｎ接合を有する光活性層となる非晶質半導体層３、裏面電極層４をこの順序で積層して形成される。上記非晶質半導体層３は、ｐｉｎのシングル接合のものや、ｐｉｎ接合を複数段積層した所謂タンデム構造のものがある。タンデム構造は、例えば、内部にｐｉｎ接続を有するフロントのａ−Ｓｉ膜とボトムのａ−ＳｉＧｅとを積層して構成される。このタンデム構造の非晶質半導体層３は、例えば、ａ−ＳｉＣからなるフロントｐ型非晶質半導体層３１とａ−Ｓｉからなるフロントｉ型非晶質半導体層３２と微結晶シリコンからなるフロントｎ型非晶質半導体層３３、ａ−ＳｉＣからなるボトムｐ型非晶質半導体層３４とａ−ＳｉＧｅからなるボトムｉ型非晶質半導体層３５と微結晶シリコンからなるボトムｎ型非晶質半導体層３６とで構成されている。
【０００４】
そして、集積型ａ−Ｓｉ光起電力装置は、全体として１枚の基板から高い電圧を取出せるように多数の光電変換素子をカスケード接続している。集積型構造を形成するためには、ガラス基板上の透明電極、ａ−Ｓｉ膜、裏面電極層を分離する必要がある。各々の膜を分離する方法としては、主にレーザを用いたレーザパターニング法が用いられている（例えば、特公平４−６４４７３号公報参照）。
【０００５】
このレーザパターニング法につき簡単に説明する。まず、ガラスなどの絶縁性透光性基板１上にＩＴＯ、ＳｎＯ2等の透明電極２を形成し、レーザビームの照射により透明電極２を任意の段数に短冊状に分割する。そして、この分割された透明電極２上に内部にｐｉｎ接合を有するａ−Ｓｉ膜からなる非晶質半導体層３を堆積する。その後、透明電極２の分割ラインに沿って、この分割ラインと重ならないようにしてレーザビームを照射し、非晶質半導体層３を分割する。続いて、非晶質半導体層３上に金属膜４２を主体とした裏面電極層４を形成するが、この時金属元素の非晶質半導体層３への拡散を防止するとともに、ｎ型ａ−Ｓｉ膜と金属間の接合特性を良好にするため界面にＩＴＯ，ＺｎＯ等の透明導電膜４１ａを挿入している。
【０００６】
このような裏面電極層４の形成により、透明電極２と裏面電極層４とを接続した後、透明電極２及び非晶質半導体層３の分割ラインに沿って、両分割ラインと重ならないようにして、レーザビームを照射して裏面電極層４を除去し、隣接するセル（光電変換素子：集積型構造における一段）間を分離する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような集積型光起電力装置を形成する際、裏面電極層４の分離プロセスにおいて、セル（集積型構造における一段）の透明電極―裏面電極層が短絡してしまうことがある。その原因を図６に従い説明する。
【０００８】
図６は図５に示す破線Ａで囲った隣接間隔部の拡大図である。図６に示すように、裏面電極層４をレーザで除去する際に、同時に非晶質半導体層３も除去され、この時レーザ加工の熱影響により金属膜４２端部に生じる溶融だれ７や、ｎ型ａ−Ｓｉと金属間の透明導電膜４１ａの飛散、非晶質半導体層３の部分的な微結晶化（低抵抗化）８等によるパスが生じるためである。
【０００９】
この発明は、上述した裏面電極層のレーザ加工に対する従来の問題点を改善し、広い範囲のレーザ照射条件下で、加工が可能な集積型光起電力装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、透光性基板上に、透明電極、光活性層となる半導体層及び裏面電極層をこの順序で形成した集積型光起電力装置であって、前記裏面電極層は前記半導体層に近い側から透明導電膜と金属膜とが積層され、かつその透明導電膜は、アルミニウム及びナトリウムがドープされたＺｎＯ膜からなることを特徴とする。
【００１１】
裏面電極層における透明導電膜中へのＮａのドープにより、透明導電膜の結晶性が増大し、熱伝導性も向上する。その結果、裏面電極層加工部における局所的な熱の滞留が減少するため、金属膜端部の溶融だれやｎ型ａ−Ｓｉ／金属間の透明導電膜の飛散が防止でき、機械的なレーザ加工性が向上する。さらに下地の非晶質半導体層の加工部（裏面電極層と同時に除去される）の熱による微結晶化（低抵抗化）も防止できる。
【００１２】
以上のことから、セルの透明電極と裏面電極層を短絡させるパスが低減し、集積型光起電力装置の出力特性、及び歩留を改善できる。
【００１４】
また、前記裏面電極層の透明導電膜中のＮａのドープ量は１ａｔ．％以上８ａｔ．％以下にすると良い。
【００１５】
また、この発明は、透光性基板上に、透明電極、光活性層となる半導体層及び裏面電極層をこの順序で形成し、レーザパターニングにより各々の膜を分離する集積型光起電力装置の製造方法であって、前記光起電力層となる半導体層上にアルミニウム及びナトリウムがドープされたＺｎＯ膜からなる透明導電膜を形成し、この透明導電膜上に金属膜を積層して裏面電極層を形成した後、レーザパターニングにより裏面電極層及び半導体層を分離することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態に係る集積型光起電力装置とその製造方法につき図１ないし図４に従い説明する。図１は、この発明の実施の形態に係る集積型光起電力装置を示す概略断面図であって、２つの光電変換素子を電気的に直列接続する隣接間隔部を中心に示している。そして、図２は、図１に示す破線Ａで囲った隣接間隔部の拡大図である。また、図３は、この発明の特徴とする裏面電極層を形成するためのスパッタ装置の一例を示す概略断面図である。
【００１７】
この発明の実施の形態は、非晶質半導体層として、ａ−Ｓｉとａ−ＳｉＧｅを多層化したいわゆるタンデム構造の集積型光起電力装置に適用したものである。図１において、ガラスからなる絶縁性透光性基板１上に膜厚０．２〜１μｍ、この実施の形態では、約１μｍの膜厚のＳｎＯ2からなる透明電極２を熱ＣＶＤ法などにより形成する。その後、例えば、例えば、レーザビームの照射により透明電極２を任意の段数に短冊状に分割する。
【００１８】
そして、透明電極２上に内部にｐｉｎ接続を有するフロントのａ−Ｓｉ膜とボトムのａ−ＳｉＧｅとを積層したトータル膜厚が０．２〜０．４μｍ程度の非晶質半導体層３を堆積する。この実施の形態においては、トータル膜厚が約０．３μｍの光活性層となる非晶質半導体層３をプラズマＣＶＤ法により形成した。この非晶質半導体層３は、ａ−ＳｉＣからなる膜厚２００Åのフロントｐ型非晶質半導体層３１とａ−Ｓｉからなる膜厚１３００〜１８００Åのフロントｉ型非晶質半導体層３２と微結晶シリコンからなる膜厚３００Åのフロントｎ型非晶質半導体層３３、ａ−ＳｉＣからなる膜厚２００Åのボトムｐ型非晶質半導体層３４とａ−ＳｉＧｅからなる膜厚１０００〜１５００Åのボトムｉ型非晶質半導体層３５と微結晶シリコンからなる膜厚３００Åのボトムｎ型非晶質半導体層３６とで構成されている。
【００１９】
その後、透明電極２の分割ラインに沿って、この分割ラインと重ならないようにしてレーザビームを照射し、非晶質半導体層３を分割する。なお、このレーザパターニングの際、非晶質半導体層３の分離が十分でなくても、透明電極２の一部が露出していれば、次の工程で形成される裏面電極層４との電気的接続が行えるので、問題にならない。
【００２０】
続いて、非晶質半導体層３上に裏面電極層４を形成する。裏面電極４は、図３に示すスパッタ装置によりＩＴＯ、ＳｎＯ2、ＺｎＯから選択される膜厚１０００Åの透明導電膜４１と、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉなどの常温（３００Ｋ）の電気抵抗率が５０．０μΩ・ｃｍ以下の材料から選択される膜厚３０００Åの金属膜４２を積層して形成され、このとき前述した非晶質半導体層３のレーザ分離部において透明導電膜２と裏面電極層４とが接続される。
【００２１】
ここで、裏面電極層４として透明導電膜／金属膜の上にさらに透明導電膜などを積層させた３層以上の構造を用いても良い。この実施の形態では、図３に示すスパッタ装置において、第１カソード２２にＡｌとＮａをともに２ｗｔ％ドープしたＺｎＯターゲットを、また第２カソード２３にＡｇターゲットを用いて、非晶質半導体を形成後、分離した仕掛け品１０をスパッタ装置２１内を通すことで、２層構造の裏面電極層４を形成した。
【００２２】
その後、透明電極２及び非晶質半導体層３の分割ラインに沿って、裏面電極層４の加工部分にレーザビームを照射して隣接するセル間を分離する。
【００２３】
この発明の集積型光起電力装置における裏面電極層のパターニングの評価を行うため、４０ｃｍ×３０ｃｍサイズ、３７段の集積型ａ−Ｓｉ／ａ−ＳｉＧｅタンデム構造の光起電力装置を作製し、それぞれの各段の低照度Ｖｏｃ測定（１０００ルクス蛍光灯下にて測定）を行った。その結果を図４に示す。図中黒で塗り潰した四角形が本発明の集積型光起電力装置、黒丸がナトリウム（Ｎａ）、シリコン（Ｓｉ）をドープしていない以外は本発明と同じ構造の従来の集積型光起電力装置である。また、図４においては、＋側が１、−側が３７である。
【００２４】
図４より、本発明のものでは、低照度Ｖｏｃが出ていない（ほとんどゼロ）段がなく、全体的にも高い値が得られている。これは、ｎ型ａ−Ｓｉ３６と金属膜４２間の透明導電膜４１中へのＮａのドープにより透明導電膜の結晶性が増大し、レーザ加工の熱影響が原因で生じる金属膜端部の溶融だれ、ｎ型ａ−Ｓｉ／金属膜４２間の透明導電膜４１の飛散が防止でき、機械的な加工性が向上したことに加えて、ａ−Ｓｉ膜の部分的な微結晶化などによるパスが削減できたためである。
【００２５】
なお、Ｎａのドープにより透明導電膜の結晶性が向上することは、例えば、エッチングレートを比較すると分かる。例えば、Ｎａを５ａｔ％ドープするとともにＡｌドープしたＺｎＯ膜と、ＡｌのみドープしたＺｎＯ膜を用意し、濃度０．２５％の塩酸をエッチング液としたときのそれぞれのエッチングレート測定した。
【００２６】
Ｎａを５ａｔ％ドープするとともにＡｌドープしたＺｎＯ膜は、３０Å／秒であるのに対して、ＡｌのみドープしたＺｎＯ膜は、９０Å／秒であり、Ｎａを５ａｔ％ドープするとともにＡｌドープしたＺｎＯ膜の方がエッチングレートが１／３である。このことは、Ｎａを５ａｔ％ドープした方が結晶性が向上していることを示している。なお、Ｓｉを５ａｔ％ドープするとともにＡｌドープしたＺｎＯ膜のエッチングレートも３０Å／秒程度である。
【００２７】
また、この実施の形態では、ｎ型ａ−Ｓｉ／金属間の透明導電膜中へのドープする不純物としてＮａを用いたが、代わりにＳｉをドープしても透明導電膜の結晶性が向上し、同様の効果が得られることを確認しており、またＮａドープ量は１ａｔ％以上８ａｔ％以下、一方Ｓｉドープ量は１ａｔ％以上１０ａｔ％以下の時に最大の効果が得られる。即ち、ＮａまたはＳｉのドープ量が１％未満になると、エッチングレートが顕著に低下し、結晶性の向上があまり認められず、また、Ｎａのドープ量が８ａｔ％を越え、Ｓｉのドープ量が１０ａｔ％を越えると、下地のｎ型ａ−Ｓｉ層との接合特性が低下すると考えられるからである。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、確実に裏面電極層を分離することができ、集積型光起電力装置の出力特性及び歩留りを改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態に係る集積型光起電力装置を示す概略断面図であって、２つの光電変換素子を電気的に直列接続する隣接間隔部を中心に示すものである。
【図２】図１に示す破線Ａで囲った隣接間隔部の拡大図である。
【図３】裏面電極層を形成するためのスパッタリング装置の断面図である。
【図４】集積型光起電力装置（３７段）における各段の低照度Ｖｏｃ測定結果を示す特性図である。
【図５】従来の集積型光起電力装置を示す概略断面図であって、２つの光電変換素子を電気的に直列接続する隣接間隔部を中心に示すものである。
【図６】図５に示す破線Ａで囲った隣接間隔部の拡大図である。
【符号の説明】
１  基板
２  透明導電膜
３  非晶質半導体層
４  裏面電極層
４１  透明導電膜
４２  金属膜
【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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