(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性の可撓性基板の一面上にそれぞれ基板側より背後電極層、接合を有する非晶質半導体層および透明電極層よりなる複数の光電変換領域が配列され、基板の他面上に、隣接する二つの光電変換領域の互いに近接した部分に対向して接続電極層が形成され、一つの光電変換領域の背後電極層と接続電極層とが、背後電極層、基板および接続電極層を貫通する第一貫通孔の内壁に被着した背後電極層および接続電極層の延長部を介して接続され、隣接する光電変換領域の透明電極層と接続電極層とが、透明電極層、非晶質半導体層、背後電極層、基板および接続電極層を貫通する第二貫通孔の内壁に被着した透明電極層および接続電極層の延長部を介して接続されることにより、各光電変換領域が直列接続された薄膜太陽電池であって、
前記第一貫通孔の周辺の接続電極層の表面が非晶質半導体層によって覆われ、かつ、この非晶質半導体層が光電変換領域の非晶質半導体層と第一貫通孔の内壁に被着した非晶質半導体層を介して連結されてなり、さらに、前記第二貫通孔の内壁上に延長して透明電極層との接続に与かる接続電極層が、基板の他面上に形成された接続電極層上に積層された付加接続電極層であり、この付加接続電極層は、第一貫通孔の周辺部には形成されないように構成した薄膜太陽電池において、
前記基板の他面上に形成された接続電極層は、前記基板側に形成された金属電極層と、この金属電極層表面に被覆された透明導電材料層との２層で構成することを特徴とする薄膜太陽電池。
【請求項２】
請求項１に記載の薄膜太陽電池において、前記透明導電材料層は、ITO,In2O3,SnO2,ZnOの内のいずれかの薄膜層からなり、その膜厚は、３０nm以上とすることを特徴とする薄膜太陽電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の薄膜太陽電池の製造方法であって、
絶縁性の可撓性基板に複数の第一貫通孔を開ける工程と、基板の一面上に背後電極層、他面上に接続電極層を形成し、それぞれの延長部を第一貫通孔の内壁上で連結させる工程と、背後電極層、基板および接続電極層を貫通する複数の第二貫通孔を開ける工程と、背後電極層を覆い、少なくとも第一貫通孔の内壁上から第一貫通孔周辺の接続電極層表面上まで延長される非晶質半導体層を形成する工程と、非晶質半導体層を覆う透明電極層および第一貫通孔周辺部を除いて接続電極層を覆う付加接続電極層を形成し、それぞれの延長部を第二貫通孔の内壁上で連結させる工程とを含み、
前記少なくとも第一貫通孔の内壁上から第一貫通孔周辺の接続電極層表面上まで延長される非晶質半導体層は、プラズマＣＶＤ法により形成し、その際、プラズマＣＶＤ装置における接地電極の前記第一貫通孔に対向する面に、第一貫通孔より大きい所定寸法の直径を有するプラズマ拡散用の凹部を設けて形成し、前記非晶質半導体層の延長部の接続電極層表面上の広がり寸法は、前記第一貫通孔の直径の寸法によって制御することを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の薄膜太陽電池の製造方法において、前記接地電極のプラズマ拡散用の凹部の深さ寸法は、少なくとも０．５mmとすることを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、絶縁性フィルムのような可撓性基板上に形成された非晶質半導体薄膜よりなる光電変換層を利用した薄膜太陽電池およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非単結晶膜を用いた光電変換装置、特にシリコン系の非単結晶薄膜であるアモルファス（非晶質）シリコン（a-Si）、多結晶シリコンあるいは微結晶シリコン等の薄膜を、プラズマ放電によって形成した薄膜光電変換装置は、単結晶シリコンデバイスと比較して、大面積に、低温で、安価に作製できることから、電力用の大面積薄膜太陽電池への適用において特に期待されている。
【０００３】
近年、軽量化、施工性、量産性において優れた電気絶縁性フィルム基板を用いたフレキシブルタイプの薄膜太陽電池の研究開発が進められ実用化されている。
【０００４】
上記薄膜太陽電池は、例えば、基板の一面上に光電変換層が両面に電極層を備えて形成される。この電極層のうち、光の入射側に存在するものは、ITO,In2O3,SnO2,ZnOなどの透明導電材料よりなる透明電極層である。この透明電極層はシート抵抗が大きいため、電流が透明電極層を流れることによる電力ロスが大きくなってしまう。そのため従来は、薄膜太陽電池を複数の幅のせまいユニットセルに分割し、分割したユニットセルを隣接するユニットセルと電気的に接続する直列接続構造をとっていた。これに対し、本件と同一出願人の出願に係る特願平４−３４７３９４号、特願平５−６７９７６号、特願平５−７８３８２号、特願平５−２２０８７０号の各明細書に記載された薄膜太陽電池では、絶縁性基板に穴（貫通孔）をあけ、この穴を利用して光電変換層の反基板側にある透明電極層を基板裏面の接続電極層と接続することにより、高シート抵抗の透明電極層を流れる電流の径路の距離を短縮できる。これにより寸法の限定されたユニットセルに分割することなく低電圧、大電流型にも構成でき、ジュール損失が少なく、デッドスペースの部分が縮小して有効発電面積が増加した薄膜太陽電池を得ることができた。
【０００５】
前記構造の薄膜太陽電池は、ＳＣＡＦ型太陽電池と呼称されているが、通常のＳＣＡＦ型太陽電池の場合、前記貫通孔の周辺に透明電極層を設けないため、光電変換有効面積が小さい欠点があり、貫通孔を多くしてこの貫通孔における抵抗ロスを低減することができない。
【０００６】
この問題を解消し、可撓性基板一面上に形成された光電変換領域の背後電極層と基板裏面の接続電極層とを接続する貫通孔周辺にも透明電極層の成膜を可能にして発電有効面積率を高める構成を備えた薄膜太陽電池が考案され、本件と同一出願人により、特開平８−１８６２７９号により出願されている。
【０００７】
特開平８−１８６２７９号公報に開示された薄膜太陽電池の主たる構成は、「絶縁性の可撓性基板の一面上にそれぞれ基板側より背後電極層、接合を有する非晶質半導体層および透明電極層よりなる複数の光電変換領域が配列され、基板の他面上に、隣接する二つの光電変換領域の互いに近接した部分に対向して接続電極層が形成され、一つの光電変換領域の背後電極層と接続電極層とが、背後電極層、基板および接続電極層を貫通する第一貫通孔の内壁に被着した背後電極層および接続電極層の延長部を介して接続され、隣接する光電変換領域の透明電極層と接続電極層とが、透明電極層、非晶質半導体層、背後電極層、基板および接続電極層を貫通する第二貫通孔の内壁に被着した透明電極層および接続電極層の延長部を介して接続されることにより、各光電変換領域が直列接続される薄膜太陽電池において、第一貫通孔の周辺の接続電極層の表面が非晶質半導体層によって覆われたこと」を特徴とし、
さらに、前記構成の好ましい実施態様としては、「第一貫通孔の周辺の接続電極層の表面を覆う非晶質半導体層が光電変換領域の非晶質半導体層と第一貫通孔の内壁に被着した非晶質半導体層を介して連結される構成とする」こと、ならびに「第二貫通孔の内壁上に延長して透明電極層との接続に与かる接続電極層が、基板の他面上に形成された接続電極層上に積層された付加接続電極層であり、この付加接続電極層は、第一貫通孔の周辺部には形成されないように構成する」ことを特徴としている。
【０００８】
要するに、前記公報に記載された発明の骨子は、「貫通孔を通じて接続される背後電極層と接続電極層を形成した後に、背後電極層上に非晶質半導体層を形成する際、基板裏面の貫通孔周辺部まで非晶質半導体層の延長部が広がるようにし、この非晶質半導体層の形成により、透明電極層が貫通孔内に形成されても接続電極層と短絡するのを妨ぐことができ、これにより透明電極層の全面成膜を可能とした」点にある（詳細は、前記公報参照）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記特開平８−１８６２７９号公報に開示された薄膜太陽電池とその製造方法においては、下記のような問題があった。
【００１０】
前記公報に記載された薄膜太陽電池は、前述のように、第一貫通孔の周辺の接続電極層の表面が非晶質半導体層によって覆われた薄膜太陽電池において、付加接続電極層は、第一貫通孔の周辺部には形成されない構成を特徴としているが、この構成に起因して、第一貫通孔の周辺に、付加接続電極にも非晶質半導体にも覆われない、接続電極層が露出する部分が残存してしまう問題が生ずることが分かった。この露出部分は、耐候性を有さず、これに起因して、太陽電池の不良が発生する問題があった。
【００１１】
上記接続電極層は、前記構成上、本来、付加接続電極には覆われないものの、非晶質半導体層によって覆われるはずであるが、金属（例えば、Ag）からなる接続電極層と非晶質半導体層との付着力は殆んど期待できない程度に弱いことと、後述する製造方法上の問題に起因して、基板裏面の貫通孔周辺部まで非晶質半導体層の延長部が適切に広がる形成がなされないために、前述の「接続電極層が露出する部分が残存する問題」が発生する。
【００１２】
次に、前記製造方法上の問題について述べる。前記特開平８−１８６２７９号公報に開示された薄膜太陽電池の製造方法においては、非晶質半導体層の延長部の接続電極層表面上の広がり寸法を貫通孔の直径の寸法によって調整する方法が記載されている。即ち、「絶縁性の可撓性基板に複数の第一貫通孔を開ける工程と、基板の一面上に背後電極層、他面上に接続電極層を形成し、それぞれの延長部を第一貫通孔の内壁上で連結させる工程と、背後電極層、基板および接続電極層を貫通する複数の第二貫通孔を開ける工程と、背後電極層を覆い、少なくとも第一貫通孔の内壁上から第一貫通孔周辺の接続電極層表面上まで延長される非晶質半導体層を形成する工程と、非晶質半導体層を覆う透明電極層および第一貫通孔周辺部を除いて接続電極層を覆う付加接続電極層を形成し、それぞれの延長部を第二貫通孔の内壁上で連結させる工程とを備え、さらに、非晶質半導体層の延長部の接続電極層表面上の広がり寸法を貫通孔の直径の寸法によって調整する」ことを特徴とする製造方法が記載されている。
【００１３】
しかしながら、この製造方法は、可撓性基板とプラズマＣＶＤ装置における接地電極（サセプタ）間の空隙が存在しないキャンロールに対して巻きつけるロールツーロール方式の製膜を実施する場合には、有効ではないことが、その後の実験により判明した。また、従来のステップロール方式により製膜を行う場合でも、可撓性基板とサセプタ間の空隙が、０．５mm以下となると、13.3Pa〜1330Pa（0．1torr〜10torr）の圧力領域において、前述の非晶質半導体層の延長部の接続電極層表面上の広がり寸法を貫通孔の直径の寸法によって調整することは、制御不能であることが分かった。このため、可撓性基板が波打つと、歩留りが大幅に低下することが判明した。
【００１４】
この発明は、上記特開平８−１８６２７９号公報に開示された薄膜太陽電池とその製造方法における上記のような問題点を解消するためになされたもので、この発明の課題は、透明電極の形成範囲が改善された構造において、非晶質半導体層を貫通孔周辺に適正に形成することを可能とし、信頼性が高い薄膜太陽電池とその製造方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、この発明においては、絶縁性の可撓性基板の一面上にそれぞれ基板側より背後電極層、接合を有する非晶質半導体層および透明電極層よりなる複数の光電変換領域が配列され、基板の他面上に、隣接する二つの光電変換領域の互いに近接した部分に対向して接続電極層が形成され、一つの光電変換領域の背後電極層と接続電極層とが、背後電極層、基板および接続電極層を貫通する第一貫通孔の内壁に被着した背後電極層および接続電極層の延長部を介して接続され、隣接する光電変換領域の透明電極層と接続電極層とが、透明電極層、非晶質半導体層、背後電極層、基板および接続電極層を貫通する第二貫通孔の内壁に被着した透明電極層および接続電極層の延長部を介して接続されることにより、各光電変換領域が直列接続された薄膜太陽電池であって、
前記第一貫通孔の周辺の接続電極層の表面が非晶質半導体層によって覆われ、かつ、この非晶質半導体層が光電変換領域の非晶質半導体層と第一貫通孔の内壁に被着した非晶質半導体層を介して連結されてなり、さらに、前記第二貫通孔の内壁上に延長して透明電極層との接続に与かる接続電極層が、基板の他面上に形成された接続電極層上に積層された付加接続電極層であり、この付加接続電極層は、第一貫通孔の周辺部には形成されないように構成した薄膜太陽電池において、
前記基板の他面上に形成された接続電極層は、前記基板側に形成された金属電極層と、この金属電極層表面に被覆された透明導電材料層との２層で構成するものとする（請求項１の発明）。
【００１６】
また、前記発明の実施態様として、前記透明導電材料層は、ITO,In2O3,SnO2,ZnOの内のいずれかの薄膜層からなり、その膜厚は、３０nm以上とする（請求項２の発明）。
【００１７】
上記発明によれば、透明導電材料層で金属電極層を被覆することにより、万一半導体層の被覆が不十分であっても、耐候性の向上が図れる。さらに、透明導電材料層は、金属電極層に比較して非晶質半導体層との付着力が大きいので、信頼性がさらに向上する。
【００１８】
さらに、非晶質半導体層の延長部の接続電極層表面上の広がり寸法を貫通孔の直径の寸法によって有効に制御を行うための製造方法としては、詳細は後述するように、下記請求項３ないし４の発明が好ましい。即ち、請求項１または２に記載の薄膜太陽電池の製造方法であって、
絶縁性の可撓性基板に複数の第一貫通孔を開ける工程と、基板の一面上に背後電極層、他面上に接続電極層を形成し、それぞれの延長部を第一貫通孔の内壁上で連結させる工程と、背後電極層、基板および接続電極層を貫通する複数の第二貫通孔を開ける工程と、背後電極層を覆い、少なくとも第一貫通孔の内壁上から第一貫通孔周辺の接続電極層表面上まで延長される非晶質半導体層を形成する工程と、非晶質半導体層を覆う透明電極層および第一貫通孔周辺部を除いて接続電極層を覆う付加接続電極層を形成し、それぞれの延長部を第二貫通孔の内壁上で連結させる工程とを含み、
前記少なくとも第一貫通孔の内壁上から第一貫通孔周辺の接続電極層表面上まで延長される非晶質半導体層は、プラズマＣＶＤ法により形成し、その際、プラズマＣＶＤ装置における接地電極の前記第一貫通孔に対向する面に、第一貫通孔より大きい所定寸法の直径を有するプラズマ拡散用の凹部を設けて形成し、前記非晶質半導体層の延長部の接続電極層表面上の広がり寸法は、前記第一貫通孔の直径の寸法によって制御する（請求項３の発明）。
【００１９】
また、前記請求項３に記載の薄膜太陽電池の製造方法において、前記接地電極のプラズマ拡散用の凹部の深さ寸法は、少なくとも０．５mmとする（請求項４の発明）。なお、前記凹部は、直径数mmであって、その深さ寸法は、１．０mm以上が好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施例について以下に述べる。
【００２１】
図１はこの発明に係る薄膜太陽電池の模式的構成を示し、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は下面図、図１（ｃ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ線に沿う部分拡大断面図を示す。本実施例の構成およびその製造方法について以下に述べる。
【００２２】
ポリイミド、アラミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）あるいはポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）よりなる厚さ１０．２００μｍの可撓性基板１に、第一貫通孔１１を開け、基板表面に金属よりなる背後電極層３、裏面に接続電極層２を形成した後、第二貫通孔１２を開ける。接続電極層２は後述するように、金属電極層１３と透明導電材料層１４との２層で構成する。上記により、第一貫通孔１１の内壁には、背後電極層３と接続電極層２の延長部が形成されているが、第二貫通孔１２の内部にはこれらの電極層は形成されていない。
【００２３】
次に、背後電極層３上にアモルファスシリコン等よりなるｐｉｎ構造の非晶質半導体層４を形成する。この際、同時に基板裏面の貫通孔１１、１２の内周部にも非晶質半導体層４が形成される。非晶質半導体層４を形成後、透明電極層５を形成する。ここで、貫通孔１１、１２の内壁にも透明電極層が付着するが、基板裏面に形成された非晶質半導体層４のｉ層により、透明電極層５と接続電極層２とが短絡されることはない。
【００２４】
次に、基板裏面の接続電極層２および非晶質半導体層４の上に付加接続電極層６を形成する。この付加接続電極層６は、接続電極層２と同一の材料、例えばクロム、モリブデン、ニッケルあるいはチタンからなるが、第一貫通孔１１の近傍には形成されない。このように付加接続電極６を選択的に形成するには、マスクを用いても良いし、印刷電極法を用いてもよい。
【００２５】
パターニングライン７は、基板表面の透明電極層５、非晶質半導体層４および背後電極層３を複数の光電変換領域に分離するものである。また、基板裏面のパターニングライン８は、太陽電池の直列接続を構成するために、接続電極層および付加接続電極層２、６を、表面上の一つの光電変換領域と隣接光電変換領域の接続領域において他と分離するラインである。
【００２６】
この実施例において接続電極層２は、基板に近接したAg又はAlからなる金属電極層１３と、ITO,In2O3,SnO2,ZnOの内のいずれかの薄膜層からなる透明導電材料層１４とで構成される。金属電極層に使用するAg又はAlは、最適な電気抵抗を得るための膜厚として、100nm〜数100nmの膜厚が好ましい。なお、前記透明導電材料層１４は、この接続電極層２と非晶質半導体層４との付着力強化層の役割も果たす。また、耐候性を高めるために透明導電材料層１４の膜厚は、３０nm以上が好ましい。
【００２７】
次に、上記非晶質半導体層４の形成方法について説明する。図２は、非晶質半導体層の形成方法を説明するための概略構成を示し、図３は図２におけるＰ部の拡大断面図を示す。この実施例において、前記非晶質半導体層４は、プラズマＣＶＤ法により製膜する。
【００２８】
図２において、プラズマＣＶＤにおける真空容器２１内に、RF電極２２と接地電極となるサセプタ２３付きヒータ２４を備え、可撓性基板２５をこのサセプタ上に設置する。なお、図２において、２６は真空ポンプ、２７はRFおよびガス供給ユニットを示す。
【００２９】
ここで、図３の拡大断面図に示すように、本発明で重要な第一貫通孔３１と対向する接地電極としてのサセプタ２３には、凹部３２を設け、プラズマが第一貫通孔３１から拡散し易い状況を作り、第一貫通孔３１の周囲に、図示しない非晶質半導体層を形成する。凹部３２の深さは、少なくとも0.5mm以上、好ましくは1.0mm以上とし、その直径は、少なくとも1.0mm以上、好ましくは数mmとする。
【００３０】
なお、上記非晶質半導体の形成方法によれば、第一貫通孔内部の非晶質半導体を厚くする効果も認められる。第一貫通孔内部の非晶質半導体層の膜厚は0．1μｍ以上、好ましくは0．2μm以上である。また、上記非晶質半導体の形成方法は、図１における第二貫通孔１２の部分にも、同様に適用できる。
【００３１】
【発明の効果】
前述のように、この発明によれば、貫通孔を通じて接続される背後電極層と接続電極層を形成した後に、背後電極層上に非晶質半導体層を形成する際、基板裏面の貫通孔周辺部まで非晶質半導体層の延長部が広がるようにした、透明電極の形成範囲が改善された構造の薄膜太陽電池において、基板の裏面上に形成された接続電極層は、基板側に形成された金属電極層と、この金属電極層表面に被覆された透明導電材料層との２層で構成するものとし、
また、少なくとも第一貫通孔周辺の接続電極層表面上まで延長される非晶質半導体層は、プラズマＣＶＤ法により形成し、その際、プラズマＣＶＤ装置における接地電極の前記第一貫通孔に対向する面に、第一貫通孔より大きい所定寸法の直径を有するプラズマ拡散用の凹部を設けてプラズマ形成し、前記非晶質半導体層の延長部の接続電極層表面上の広がり寸法は、前記第一貫通孔の直径の寸法によって制御することとしたので、
非晶質半導体層を貫通孔周辺に適正に形成することを可能とし、信頼性が高い薄膜太陽電池とその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例に関わる薄膜太陽電池の模式的構成図
【図２】この発明の非晶質半導体層の形成方法を説明するための概略構成図
【図３】図２におけるＰ部の拡大断面図
【符号の説明】
１，２５：可撓性基板、２：接続電極層、３：背後電極層、４：非晶質半導体層、５：透明電極層、６：付加接続電極層、７，８：パターニングライン、１１，３１：第一貫通孔、１２：第二貫通孔、１３：金属電極層、１４：透明導電材料層、２１：真空容器、２２：RF電極、２３：サセプタ、３２：凹部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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