(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性絶縁基板上の一主面上に複数の光電変換素子領域毎に分割形成された透明導電膜と、前記透光性絶縁基板上に形成された透明導電膜上に設けられ、複数の光電変換素子領域毎に分割された非晶質半導体層と、前記透光性絶縁基板の他主面側からレーザビームの照射により分割された前記非晶質半導体層上に設けられた裏面電極膜と、を備えた集積型光起電力装置において、前記裏面電極膜は、金属薄膜層間に水素或いは希ガスを含む非晶質薄膜層が介在された層を１組以上有することを特徴とする集積型光起電力装置。
【請求項２】
前記非晶質薄膜層は、非晶質シリコン層又はシリコンを含む非晶質合金層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】
前記裏面金属膜は、金属薄膜層のトータルの膜厚が３０００Å〜６０００Åとなるように形成されていることを特徴とする請求項１又２に記載の集積型光起電力装置。
【請求項４】
前記裏面金属膜は、一対の膜厚３０００Åの銀からなる金属薄膜層間に膜中水素量１０ａｔｏｍ．％以上、膜厚５００Å以上の薄膜非晶質シリコン層で構成されてい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５】
透光性絶縁基板の一主面上に、透明導電膜、非晶質半導体層及び裏面電極層をこの順序で積層形成した集積型光起電力装置の製造方法であって、前記非晶質半導体層上に、金属薄膜層間に水素或いは希ガスを含む非晶質薄膜層が介在された層を１組以上有する裏面電極膜を設け、前記透光性絶縁基板の他主面側からレーザビームを照射し、前記非晶質半導体層及び裏面電極膜を除去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】
この発明は、非晶質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（ａ−Ｓｉ）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。これは一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、高電圧を取り出されるようにした集積型ａ−Ｓｉ光起電力装置の開発に負うところが大きい。
【０００３】
一般的なａ−Ｓｉ光起電力装置は、ガラス基板の上に透明導電膜、ｐ型、ｉ型、ｎ型ａ−Ｓｉ膜、裏面電極膜をこの順序で積層して形成される。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り出すように、多数の光電変換素子をカスケード接続している。
【０００４】
集積型構造を形成するためには、ガラス基板上の透明導電膜、ａ−Ｓｉ膜、裏面電極膜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】
従来のレーザパターニング法を用いた集積型光起電力装置の製造方法につき図４に従い説明する。図４は、従来の集積型光起電力装置の製造方法を工程別に示す要部拡大断面図であって、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。ガラスなどの透光性絶縁基板１の一主面上にＩＴＯ（Ｉｎ2Ｓｎ2Ｏ）やＳｎＯ2などからなる透明導電膜２を形成し、例えば、レーザビームの照射により透明導電膜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導電膜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、基板１の他主面側（透光性絶縁基板１側）から、透明導電膜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内の水素を急激に放出させ、この水素の放出により非晶質半導体層を除去して、非晶質半導体層３を分割する。
【０００６】
続いて、非晶質半導体層３上にＩＴＯなどの酸化導電膜４１を積層した後、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）などの裏面金属膜４２を積層して裏面電極膜４を形成し、透明導電膜２と裏面電極膜４とを接続する。
【０００７】
その後、透明導電膜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、基板１の他主面側からレーザビームを照射し、非晶質半導体層３内の水素を急激に放出させて、非晶質半導体層３及びその上の裏面電極膜４を除去し、隣接するセル間を分離する。
【０００８】
上記した裏面電極膜４は、電極としての機能の他に裏面反射光の有効利用のために十分な反射率が要求されている。十分な反射率を得るためには、１０００Å程度の膜厚を必要とする。
【０００９】
また、集積構造を形成する際に、上記したように、透光性絶縁基板１側から入射したレーザ光により半導体層の飛散除去の力を利用して裏面電極膜４を分離する手法を用いる場合、裏面電極膜４は、レーザ加工時の熱を効果的に逃して半導体層３への熱ダメージを抑制する役割を担う。このため、裏面電極の裏面金属膜４２の膜厚は少なくとも３０００Å以上必要であり、望ましくは６０００Åの膜厚を必要としている。
【００１０】
ところで、光劣化対策や変換効率向上に伴う非晶質半導体層３の膜厚の最適化及びナローバンドギャップ材料を用いた積層型ａ−Ｓｉ系光起電力装置の開発が進むにつれ、非晶質半導体層３の薄膜化が進んでいる。
【００１１】
この非晶質半導体層３の薄膜化に伴い、レーザ加工時の非晶質半導体層３の飛散除去の力が低下することになる。このため、裏面電極膜（裏面金属膜４２）の膜厚が厚い場合には、加工部近傍での金属の溶融だれ等により良好な分離特性が得られないという問題が発生する。また、裏面金属膜４２の膜厚が薄い場合には、非晶質半導体層３への熱ダメージにより太陽電池特性の低下が問題となった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、非晶質半導体層の薄膜化に伴い、レーザ加工時の半導体層の飛散除去の力が低下することにより、裏面金属膜の膜厚が厚い場合には加工部近傍での金属の溶融だれ等により良好な分離特性が得られないという問題が発生する。
【００１３】
また、裏面金属膜の膜厚を薄くした場合には、半導体層への熱ダメージにより太陽電池特性の低下が問題となっていた。
【００１４】
この発明は、上述した従来の問題点を解決して、集積型光起電力装置の半導体層が薄い場合にも半導体層への熱ダメージがなく、かつ良好な分離特性を有する低コスト高効率な集積型光起電力装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明は、透光性絶縁基板上の一主面上に複数の光電変換素子領域毎に分割形成された透明導電膜と、前記透光性絶縁基板上に形成された透明導電膜上に設けられ、複数の光電変換素子領域毎に分割された非晶質半導体層と、前記透光性絶縁基板の他主面側からレーザビームの照射により分割された前記非晶質半導体層上に設けられた裏面電極膜と、を備えた集積型光起電力装置において、前記裏面電極膜は、金属薄膜層間に水素或いは希ガスを含む非晶質薄膜層が介在された層を１組以上有することを特徴とする。
【００１６】
前記非晶質薄膜層は、非晶質シリコン層又はシリコンを含む非晶質合金層で構成することができる。。
【００１７】
前記裏面金属膜は、金属薄膜層のトータルの膜厚が３０００Å〜６０００Åとなるように形成すると良い。
【００１８】
前記裏面金属膜は、一対の膜厚３０００Åの銀からなる金属薄膜層間に膜中水素量１０ａｔｏｍ．％以上、膜厚５００Å以上の薄膜非晶質シリコン層で構成すると良い。
【００１９】
この発明は、透光性絶縁基板の一主面上に、透明導電膜、非晶質半導体層及び裏面電極層をこの順序で積層形成した集積型光起電力装置の製造方法であって、前記非晶質半導体層上に、金属薄膜層間に水素或いは希ガスを含む非晶質薄膜層が介在された層を１組以上有する裏面電極膜を設け、前記透光性絶縁基板の他主面側からレーザビームを照射し、前記非晶質半導体層及び裏面電極膜を除去することを特徴とする。
【００２０】
上記した構成によれば、裏面電極膜のレーザビーム照射による加工時に水素或いは希ガスを含む非晶質薄膜層の膜中ガスが放出され、加工時の膜の飛散をアシストする。その結果、光起電力装置の発電層を構成する非晶質半導体層が薄くなり、半導体層の飛散除去の力が小さい場合にも半導体層への熱ダメージが抑制できる総膜厚が厚い金属層を溶融だれ等の問題をなくして良好な分離が行える。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態につき図面を参照して説明する。なお、非晶質半導体層をパーターニングするまでの工程は上記した図４に示す従来例と同様に行われるので、ここでは、その説明を割愛し、この発明の特徴である裏面電極膜の形成以降の工程を中心にして説明する。図１は、この発明の一実施形態にかかる集積型光起電力装置の２つの光電変換素子の隣接間隔部を示す要部拡大断面図である。
【００２２】
ガラスからなる透光性絶縁基板１の主面上にＳｎO2からなる透明導電膜２が設けられ、この透明導電膜２はレーザビームの照射により光電変換素子領域に対応して任意の段数に短冊状に分割されている。透明導電膜２が形成された基板１上に、公知のＲＦプラズマＣＶＤ（１３．５６ＭＨｚ）を用いて、内部にｐｉｎ接合を有する非晶質シリコンなどで構成される非晶質半導体層３を形成する。
【００２３】
この非晶質半導体層３の形成温度は、１００〜３００℃、反応圧力は５〜１００Ｐａ、ＲＦパワーは１〜５００ｍＷ／ｃｍ2である。発電層（ｉ層）の光学ギャップ（Ｅｏｐｔ）は１．６０ｅＶ、膜厚２０００〜５０００Åのシングル接合構造であり、ｐ層、ｎ層も公知のＲＦプラズマＣＶＤを用いて形成し、ドーピング量（ｐ層ではボロン原子／シリコン原子、ｎ層ではリン原子／シリコン原子）１％、ｐ層の膜厚は、１００Å、ｎ層の膜厚は１００Åとした。この非晶質半導体層３もレーザビームの照射により、パターニングされている。
【００２４】
そして、この非晶質半導体層３上に、この発明の特徴とする裏面電極膜４が形成される。裏面電極膜４は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、或いはＳｎＯ２等の透明導電性材料からなる透明導電層４１と、少なくとも１組以上の銀、アルミニウムなどからなる薄膜金属層４２と、この薄膜金属層４２間に介挿される水素或いはＨｅ、Ａｒ等の希ガスを膜中に含む非晶質薄膜４３と、で構成される。この実施形態では、裏面電極層４の透明導電層４１、薄膜金属層４２及び非晶質薄膜４３とをＤＣスパッタリング法により連続形成する。
【００２５】
裏面電極層４の透明導電層４１と薄膜金属層４２のＤＣスパッタリング法による形成条件は、形成温度が１００〜３００℃、パワーが３〜５ｋＷ、Ａｒ流量が１００ｓｃｃｍである。また、裏面薄膜金属層４２、４２間に挿入する非晶質薄膜４３として、例えば、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）層を設ける場合には、同じくＤＣスパッタリング法により、形成温度が１００〜３００℃、パワーが３〜５ｋＷ、Ａｒ流量が１００ｓｃｃｍ、水素流量が０〜１００ｓｃｃｍの条件により形成する。この条件により形成した非晶質薄膜４３には、水素が膜中に多く含まれる。
【００２６】
上記裏面薄膜金属層４２、４２は、トータルの膜厚が半導体層の熱ダメージを抑制するために、最低３０００Å以上になるように形成される。この実施形態では、トータルの膜厚が６０００Åとなるように、Ａｇからなる裏面薄膜金属層４２、４２をスパッタ法により形成している。
【００２７】
そして、上記裏面電極膜４を透光性絶縁基板１側からレーザビームを照射して、分離溝６を形成する。この裏面電極膜４のレーザ加工は波長５３０ｎｍのＹＡＧレーザによりパワー１００ｍＷにて行う。
【００２８】
このレーザ加工においては、非晶質半導体層３の膜厚が薄くなっても、裏面薄膜金属層４２、４２の間に介在する非晶質薄膜４３には、水素が膜中に多く含まれており、この非晶質薄膜４３内の水素の放出により、裏面薄膜金属層４２、４２を金属の溶融だれなどがなく確実にパターニングできる。また、裏面薄膜金属層４２、４２の膜厚はトータル６０００Åとなるように形成されているので、放熱促進により非晶質半導体層３への熱ダメージを抑制できる。
【００２９】
図２は、この発明の他の実施形態を示す概略断面図であり、上記した図１に示す実施形態においては、裏面金属層４をそれぞれ膜厚３０００Åの裏面薄膜金属層４２、４２とその間に１つの非晶質薄膜４３を設けている。これに対して、図２に示すものは、３つの膜厚２０００Åの裏面薄膜金属層４２、４２、４２とその間にそれぞれ介在させる２つの非晶質薄膜４３、４３で裏面金属膜４を構成している。すなわち、この図２に示すものは、各裏面薄膜金属層４２の膜厚は２０００Åと薄くし、トータルの膜厚を６０００Åとなるようにスパッタ法により形成したものである。そして、各裏面金属薄膜４２、４２の間には、非晶質薄膜４３がスパッタ法により形成されている。また、図３に示す更に他の実施形態は、各裏面薄膜金属層４２の膜厚は更に１５００Åと薄くし、４つの裏面薄膜金属層４にてトータルの膜厚を６０００Åとなるように形成したものである。各裏面金属薄膜４２、４２の間には、非晶質薄膜４３がスパッタ法により形成されている。
【００３０】
このように裏面金属薄膜４２…を１組以上用いても図１に示す構造のものと同様にして、金属の溶融だれなどがなく確実にパターニングできる。また、裏面薄膜金属層４２…の膜厚はトータル６０００Åとなるように形成されているので、放熱促進により非晶質半導体層３への熱ダメージを抑制できる。
【００３１】
次に、この発明による効果を確認するために、従来の構造の集積型光起電力装置を形成し、レーザパターニングにより分離した際の特性を調べた。図５は、非晶質半導体３上にＩＴＯ（１０００Å）膜４１とＡｇからなる裏面金属層４２（３０００Å）とを積層した裏面電極４からなる従来構造の集積型光起電力装置、図６は、、非晶質半導体３上にＺｎＯ（１０００Å）膜４１とＡｇからなる裏面金属層４２（３０００Å）と、Ｔｉからなる金属層４４（２０００Å）を積層した裏面電極４からなる従来構造の集積型光起電力装置である。
【００３２】
表１は、図５に示した裏面にＩＴＯ（１０００Å）４１／Ａｇ（３０００Å）４２構造を用いた３０×４０ｃｍサイズの集積型光起電力装置の発電層（非晶質半導体層３）膜厚と規格化低照度Ｖｏｃ（１０００ルクスでの電圧）の関係を示したものである。規格化は、発電層膜厚５０００Åの場合の低照度Ｖｏｃにより行った。また、裏面電極４のレーザ加工は波長５３０ｎｍのＹＡＧレーザによりパワー１００ｍＷにて行って、分離溝６を形成した。
【００３３】
【表１】
0004131622.tif 000002
【００３４】
表１より、発電層膜の膜厚が３０００Å以下の場合には、レーザ加工時の非晶質半導体層からの水素の飛散除去の力が低下することにより、金属の溶融だれが発生し、低照度Ｖｏｃの低下が起こっていることが明らかとなった。
【００３５】
表２は、発電層（非晶質半導体層３）の膜厚が２０００Åの光起電力装置に、図５に示した裏面にＩＴＯ（１０００Å）／Ａｇ（３０００Å）構造を用いた３０×４０ｃｍサイズの集積型光起電力装置のＡｇ膜厚と規格化低照度Ｖｏｃ（１０００ルクスでの電圧）の関係を示したものである。規格化は、Ａｇ膜厚３０００Åの場合の低照度Ｖｏｃにより行った。
【００３６】
【表２】
0004131622.tif 000003
【００３７】
表２より、Ａｇ膜厚には低照度Ｖｏｃを最大にする最適膜厚が存在し、本実験では、Ａｇ膜厚が３０００Å〜４０００Åにその最適膜厚が存在した。これは、発電層膜厚２０００Åの太陽電池では、レーザ加工時の非晶質半導体層の飛散除去の力が低下することにより、Ａｇ膜厚が５０００Å以上の厚い場合には、加工部近傍での金属の溶融だれ等により良好な分離特性が得られず、また、Ａｇ膜厚が２０００Å以下の薄い場合にはレーザ加工時の放熱が不充分となり、熱ダメージによる特性低下が起こったためである。
【００３８】
次に、図１ないし図３に示す如く、本発明の実施形態である。透光性絶縁基板１側から光が入射する光起電力装置において、裏面電極膜４に少なくとも２層以上の薄膜金属層４２、４２と薄膜金属層４２、４２間に薄膜非晶質層４３が挿入された構造を検討した。
【００３９】
表３は、Ａｇの総膜厚を６０００Åに固定し、図１、図２、図３の如く裏面金属層４２を３０００Å×２、２０００Å×３、１５００Å×４に分割して、金属層４２間に膜厚５００Åのａ−Ｓｉ層４３（膜中水素量５ａｔｏｍ．％）を挿入した際のＡｇ層の単位膜厚と規格化低照度Ｖｏｃの関係を示したものである。規格化は、Ａｇ膜厚６０００Å単層の場合の低照度Ｖｏｃにより行った。
【００４０】
【表３】
0004131622.tif 000004
【００４１】
表３より、裏面電極膜４に少なくとも２層以上の薄膜金属層４２と薄膜金属層４２、４２間に薄膜ａ−Ｓｉ層４３が挿入された構造により、大幅に低照度Ｖｏｃが改善し、裏面金属層４２のトータルの膜厚が６０００Åと厚いことにより、レーザ加工時の放熱が促進されたことに加えて、裏面金属層４２、４２間に挿入された薄膜ａ−Ｓｉ層４３が金属の分離のアシストをしている可能性が示唆された。
【００４２】
更に、図１に示す単位膜厚３０００ÅのＡｇからなる薄膜金属層４２を２層設け、この薄膜金属層４２、４２の間に挿入するａ−Ｓｉ層からなる非晶質層４３の膜厚を５００Åに固定し、ａ−Ｓｉ膜中水素量を０ａｔｏｍ．％、１０ａｔｏｍ．％、１５ａｔｏｍ．％と変化させた際の、薄膜ａ−Ｓｉ膜中の水素量と規格化低照度Ｖｏｃの関係を表４に示す。規格化は、薄膜ａ−Ｓｉ膜中水素量５ａｔｏｍ．％の場合の低照度Ｖｏｃにより行った。
【００４３】
【表４】
0004131622.tif 000005
【００４４】
表４より、薄膜ａ−Ｓｉ膜中水素量の多いほど低照度Ｖｏｃが高いことが明らかとなった。
【００４５】
また、図１に示す単位膜厚３０００ÅのＡｇからなる薄膜金属層４２を２層設け、この薄膜金属層４２、４２の間に挿入するａ−Ｓｉ層からなる非晶質層４３の膜中水素量を１０ａｔｏｍ．％に固定し、膜厚を変化させた際の、薄膜ａ−Ｓｉ層の膜厚と規格化低照度Ｖｏｃの関係を表５に示す。規格化は、薄膜ａ−Ｓｉ層の膜厚５００Åの場合の低照度Ｖｏｃにより行った。
【００４６】
【表５】
0004131622.tif 000006
【００４７】
その結果、ａ−Ｓｉ層の膜厚５００Å以下では、膜厚が厚いほど低照度Ｖｏｃが高いことが明らかとなった。
【００４８】
これらの結果は、裏面電極膜４のレーザ加工時の金属の飛散除去のアシストに薄膜金属層４２間に挿入された非晶質層４の膜中水素の総量と正の相関がある水素放出効果が寄与していることが示された。表４、表５により、薄膜ａ−Ｓｉ膜中水素量１０ａｔｏｍ．％以上、膜厚５００Å以上の薄膜ａ−Ｓｉ層の使用が、単位膜単位膜厚３０００ÅのＡｇからなる薄膜金属層４２を２層用いた構造ではより有効であることが明らかとなった。但し、最適点は金属の材料、形成条件、レーザ加工条件に強く依存すると考えられる。
【００４９】
次に、非晶質半導体３側の金属層を膜厚３０００ÅのＡｇからなる金属薄膜とし、レーザ加工アシスト層として膜厚５００Åのａ−Ｓｉ層（膜中水素量５ａｔｏｍ．％）からなる非晶質層４３、更に最裏面にＡｌ、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）からなる金属層としてスパッタにより形成した際の規格化低照度Ｖｏｃの関係を表６に示す。規格化は、レーザ加工アシスト層がない場合の低照度Ｖｏｃにより行った。
【００５０】
【表６】
0004131622.tif 000007
【００５１】
表６より、金属層として、Ａｇ以外のＡｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｎでも効果があることが確認された。
【００５２】
ａ−Ｓｉ膜中水素量１０ａｔｏｍ．％以上のａ−Ｓｉ薄膜は半導体層の形成手段であるＣＶＤ法でも容易に作製でき、同様の効果があることを確認した。
【００５３】
また、半導体層３として、ａ−Ｓｉ（発電層膜厚１５００Å）／ａ−ＳｉＧｅ（発電層膜厚１５００Å）の積層型太陽電池においても同様の効果を確認した。
【００５４】
上記した実施形態においては、アシスト層として用いる非晶質半導体層として、水素分子が豊富に含まれたａ−Ｓｉ層を用いたが、他の非晶質薄膜、例えば、非晶質シリコンカーバイトなどのシリコン系合金膜や非晶質カーボンなどの膜を用いても同様の効果が得られる。また、膜中には、水素以外のガス、例えば、ヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）などの希ガス分子を含む非晶質シリコンなどの膜を用いても同様の効果が得られる。効果は水素分子を含む非晶質膜と同様であるが、ヘリウムにように大きさの小さい原子の方がガスが膜から抜けやすくなるので、その上に形成された金属膜をとばす効果がより大きい。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明は、透光性絶縁基板側から光が入射する集積型光起電力装置において、裏面電極膜に金属薄膜層間に水素或いは希ガスを含む非晶質薄膜層を介在された層を少なくとも１組以上有する構造を採用したので、裏面電極膜のレーザビーム照射による加工時に水素或いは希ガスを含む非晶質薄膜層の膜中ガスが放出され、加工時の膜の飛散をアシストする。その結果、光起電力装置の発電層を構成する非晶質半導体層が薄くなり、半導体層の飛散除去の力が小さい場合にも半導体層への熱ダメージが抑制できる総膜厚が厚い金属層を溶融だれ等の問題をなくして良好な分離が行え、低コストで高効率な集積型光起電力装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態にかかる集積型光起電力装置の２つの光電変換素子の隣接間隔部を示す要部拡大断面図である。
【図２】この発明の他の実施形態にかかる集積型光起電力装置の２つの光電変換素子の隣接間隔部を示す要部拡大断面図である。
【図３】この発明の更に他の実施形態にかかる集積型光起電力装置の２つの光電変換素子の隣接間隔部を示す要部拡大断面図である。
【図４】従来の集積型光起電力装置の製造方法を工程別に示す要部拡大断面図である。
【図５】従来構造の集積型光起電力装置の２つの光電変換素子の隣接間隔部を示す要部拡大断面図である。
【図６】従来構造の集積型光起電力装置の２つの光電変換素子の隣接間隔部を示す要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１  透光性絶縁基板
２  透明導電膜
３  非晶質半導体層
４  裏面電極膜
４１  透明導電層
４２  薄膜金属層
４３  非晶質薄膜
【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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