(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１の電極層、半導体層、第２の電極層が順次形成された１又は複数の太陽電池セルを含む太陽電池の短絡部を除去する方法であって、前記太陽電池セルの正負の電極間に周波数が２０〜１０００Ｈｚで、０．２秒以下の時間内で周期的に変化する波形を有する逆方向電圧を印加し、前記波形が０Ｖの期間及びピーク値から０Ｖに近づく期間を複数有し、当該期間に、蓄積された電荷を放電することを特徴とする太陽電池の短絡部除去方法。
【請求項２】
前記逆方向電圧を印加する操作を、逆方向電圧のピーク値を順次増加させながら繰り返し、各逆方向電圧が０．２秒以下の時間内で周期的に変化する波形を有していることを特徴とする請求項１記載の太陽電池の短絡部除去方法。
【請求項３】
前記逆方向電圧は、正弦波、正弦波の半波、ノコギリ波または矩形波であることを特徴とする請求項１または２記載の太陽電池の短絡部除去方法。
【請求項４】
前記逆方向電圧の周波数が５０〜１２０Ｈｚであることを特徴とする請求項１記載の太陽電池の短絡部除去方法。
【請求項５】
基板上に第１の電極層、半導体層、第２の電極層が順次形成された１又は複数の太陽電池セルを含む太陽電池の短絡部を除去する方法であって、前記太陽電池セルの正負の電極間に逆方向電圧および直流順方向電圧を交互に印加し、当該逆方向電圧が０．２秒以下の時間内で周期的に変化する波形を有していることを特徴とする太陽電池の短絡部除去方法。
【請求項６】
前記逆方向電圧は、正弦波、正弦波の半波、ノコギリ波または矩形波であることを特徴とする請求項５記載の太陽電池の短絡部除去方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非晶質半導体などを用いた薄膜太陽電池に生じた短絡部を除去する装置および方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、上記薄膜太陽電池において、発電に寄与する光電変換半導体層を挟む基板側電極と裏面側電極の電極間に耐電圧以下の逆方向電圧を印加して、その際に発生したジュール熱により短絡部を除去または酸化して絶縁する装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５に薄膜太陽電池１０の構造を示す。図５に示されるように、薄膜太陽電池１０は、絶縁性基板１の一つの面に、第１の電極２、光電変換半導体層３、および第２の電極４をそれぞれ所定のパターンに加工して順次積層することにより構成される太陽電池セル５を複数設けた構造を有する。光電変換半導体層３は、たとえばｐｉｎ接合を有するアモルファスシリコン系半導体層により構成されている。こうした構造により、太陽電池セル５ａの第１の電極２ａと隣接する太陽電池セル５ｂの第２の電極４ｂ、太陽電池セル５ｂの第１の電極２ｂと隣接する太陽電池セル５ｃの第２の電極４ｃが直列に接続される。
【０００３】
このような薄膜太陽電池において、例えば製造時に光電変換半導体層にピンホールが生じると、太陽電池セルの第１の電極と第２の電極とが短絡することがある。短絡が生じた太陽電池セルは発電に寄与しなくなるため、太陽電池の光電変換効率が低下する。この問題に対処するために、太陽電池セルの正負の電極間に逆方向電圧（逆バイアス電圧）を印加して短絡部を除去する処理（逆バイアス処理）が行われる。この処理では、光電変換半導体層に逆方向電圧を印加することにより短絡部に電流を集中させ、発生したジュール熱によって短絡部の金属を飛散させたり金属を酸化して絶縁体とすることにより短絡部を除去する。
【０００４】
例えば図５において、太陽電池セル５ｂの光電変換半導体層３ｂに生じた第１の電極２ｂと第２の電極４ｂとの短絡部を除去する場合について説明する。この場合、太陽電池セル５ｂの第２の電極４ｂおよび隣接する太陽電池セル５ｃの第２の電極４ｃ（この第２の電極４ｃは、太陽電池セル５ｂの第１の電極２ｂに直列接続されている）にそれぞれ第１および第２のプローブ６ａ、６ｂを接触させ、発電に寄与する光電変換半導体層３ｂを挟む第１の電極２ｂと第２の電極４ｂ間に耐電圧以下の逆方向電圧を印加する。
【０００５】
従来は、第１および第２のプローブ６ａ、６ｂ間に直流の逆方向電圧またはパルス状の矩形波をなす逆方向電圧を供給することにより逆バイアス処理を実施していた。
【０００６】
しかし、太陽電池はダイオードと等価である。このため、第１の電極２と第２の電極４間に逆方向電圧を印加すると、第１の電極２、光電変換半導体層３および第２の電極４からなる太陽電池セル５がコンデンサーとして働き、印加電圧を除いた後にも電荷が蓄積しやすい。そして、この蓄積電荷による電圧に起因して光電変換半導体層３の欠陥（短絡部）以外の弱い部分が破壊されることがあるという問題がわかってきた。さらに、最近になって、逆方向電圧の印加による電荷の蓄積は極めて容易に起こり、この蓄積電荷による悪影響が予想以上に大きいことがわかってきた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、薄膜太陽電池に逆方向電圧を印加して短絡部を除去する際に、電極間に電荷が蓄積される現象をできるだけ抑えて短絡部以外の部分が破壊されるのを避けることができる装置および方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
太陽電池の短絡部除去方法は、基板上に第１の電極層、半導体層、第２の電極層が順次形成された１又は複数の太陽電池セルを含む太陽電池の短絡部を除去する方法であって、前記太陽電池セルの正負の電極間に周波数が２０〜１０００Ｈｚで、０．２秒以下の時間内で周期的に変化する波形を有する逆方向電圧を印加し、前記波形が０Ｖの期間及びピーク値から０Ｖに近づく期間を複数有し、当該期間に、蓄積された電荷を放電することを特徴とする。この方法では、逆方向電圧の印加時間は、（１／逆方向電圧の周波数）秒以上であれば十分である。たとえば、本発明において逆方向電圧として周波数６０Ｈｚの正弦波を印加する場合、逆方向電圧の印加時間は１〜１２サイクル時間に相当する。
【００１０】
本発明の方法では、第１および第２の電極間に周期的に変化する波形を示す逆方向電圧を０．２秒以下という短時間だけ印加するので、太陽電池セルにおける電荷の蓄積を極力抑制でき、かつ逆方向電圧が０Ｖの期間及びピーク値から０Ｖに近づく期間に蓄積された電荷を効果的に放電できるので、蓄積電荷に起因して短絡部以外の個所が破壊されるのを抑制できる。
【００１１】
本発明の方法においては、周期的に変化する波形を示す逆方向電圧を０．２秒以下の時間だけ印加する操作を、逆方向電圧のピーク値を順次増加させながら繰り返してもよい。
【００１２】
本発明の方法において、前記逆方向電圧の波形としては、正弦波、正弦波の半波、ノコギリ波または矩形波が用いられる。なお、逆方向電圧は、逆方向成分を主として、一部順方向成分を含んでいてもよい。
【００１３】
なお、逆方向電圧の周波数は、太陽電池の容量Ｃと逆方向の抵抗Ｒで定義される時定数にマッチングさせることが好ましい。逆方向電圧の周波数を上記のように設定すると、印加電圧の波形を電源電圧の波形に追随させることができる。具体的には、逆方向電圧の周波数は２０〜１０００Ｈｚ、さらに５０〜１２０Ｈｚの範囲に設定される。
別の太陽電池の短絡部除去方法は、基板上に第１の電極層、半導体層、第２の電極層が順次形成された１又は複数の太陽電池セルを含む太陽電池の短絡部を除去する方法であって、前記太陽電池セルの正負の電極間に逆方向電圧および直流順方向電圧を交互に印加し、当該逆方向電圧が０．２秒以下の時間内で周期的に変化する波形を有していることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る太陽電池の短絡部除去装置を図１を参照して説明する。
【００１５】
図１における薄膜太陽電池１０は、図５と同様に、絶縁性基板１上に、第１の電極２、光電変換半導体層３および第２の電極４をそれぞれ所定のパターンに加工して順次積層することにより構成される太陽電池セル５を複数設けた構造を有し、各太陽電池セル５ａ、５ｂは互いに直列に接続されている。
【００１６】
絶縁性基板１としてガラス基板や透明性樹脂基板などを用いた場合、第１の電極２としてはＩＴＯ（Indium Tin Oxide：酸化錫を混入した酸化インジウム）などの透明電極材料が、第２の電極４としては金属電極材料が用いられる。一方、絶縁性基板１として透光性を示さない基板材料を用いた場合、第１の電極２としては金属電極材料が、第２の電極４としては透明電極材料が用いられる。
【００１７】
半導体層３としては、非晶質シリコン系半導体の場合、非晶質シリコン、水素化非晶質シリコン、水素化非晶質シリコンカーバイド、非晶質シリコンナイトライドなどのほか、シリコンとゲルマニウムや錫などの他の金属との非晶質シリコン系合金などの材料が用いられる。また、半導体層はシリコン系に限られず、ＣｄＳ系、ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系などの材料を用いて構成してもよい。これらの非晶質半導体層または微結晶半導体層はｐｉｎ型、ｎｉｐ型、ｎｉ型、ｐｎ型、ＭＩＳ型、ヘテロ接合型、ホモ接合型、ショットキーバリアー型またはこれらを組み合わせた形をなすように構成される。
【００１８】
本発明に係る太陽電池の短絡部除去装置の一例を具体的に説明する。図１に示されるように、太陽電池セル５ａの第１の電極２ａおよび隣接する太陽電池セル５ｂの第２の電極４ｂに接触するように、それぞれ第１のプローブ６ａおよび第２のプローブ６ｂが押圧される。これらのプローブ６ａおよびプローブ６ｂには、ファンクションジネレータ１１から増幅器（電流リミッタ内蔵）１２を介して周期的に変化する波形を示す逆バイアス電圧が印加される。ファンクションジネレータ１１から発生される逆方向電圧の印加時間はコンピュータ１３により制御される。また、プローブ６ａと増幅器１２との間の配線には抵抗１４が挿入され、この抵抗１４の両端にかかる電圧がデジタルボルトメータ１５により測定される。デジタルボルトメータ１５により測定された逆方向電圧のピーク値はコンピュータ１３に入力され、ファンクションジネレータ１１へフィードバックされて、所定のピーク値を有する逆方向電圧が印加されるように制御される。さらにコンピュータ１３により、太陽電池１０が載置されているテーブル（図示せず）のＸ−Ｙ移動、およびテーブルまたはプローブ機構の昇降が制御される。
【００１９】
本発明において、ファンクションジェネレータから第１および第２のプローブを通して太陽電池セルの正負の両極間に供給される、周期的に変化する波形を示す逆方向電圧の波形の例を図２（Ａ）〜（Ｃ）に示す。図２（Ａ）に示す逆方向電圧の波形は正弦波である。図２（Ｂ）に示す逆方向電圧の波形は正弦波の半波である。図２（Ｃ）に示す逆方向電圧の波形はノコギリ波である。本発明においては、逆方向電圧の印加時間（図２においてＴ1で表示）を０．２秒以下に設定する。
【００２０】
このように、逆方向電圧の印加時間が０．２秒以下と非常に短いので、電荷が蓄積されにくくなる。また、上記のような波形を示す逆方向電圧を印加することによって、逆方向電圧値がピーク値から徐々に０Ｖ近傍に近づくにつれて、第１および第２の電極２、４間に蓄積された電荷を減少させることができ、正常な部分の破壊を抑制できる。
【００２１】
本発明において、ファンクションジェネレータから第１および第２のプローブを通して太陽電池セルの正負の両極間に供給される、周期的に変化する波形を示す逆方向電圧は、逆方向成分を主として、一部順方向成分を含んでいてもよい。このような逆方向電圧の波形を図３（Ａ）〜（Ｄ）に示す。図３（Ａ）に示す逆方向電圧の波形は一部順方向成分を含む正弦波である。図３（Ｂ）に示す逆方向電圧の波形は一部順方向成分を含む正弦波の半波である。図３（Ｃ）に示す逆方向電圧の波形は一部順方向成分を含む矩形波である。図３（Ｄ）に示す逆方向電圧の波形は一部順方向成分を含むノコギリ波である。
【００２２】
上記のような波形を示す逆方向電圧を印加すると、順方向成分の印加時に第１および第２の電極２、４間に蓄積された電荷をさらに減少させることができ、正常な部分の破壊を抑制できる。
【００２３】
本発明においては、周期的に変化する波形を示す逆方向電圧を０．２秒以下の時間だけ印加する操作を、逆方向電圧のピーク値を順次増加させながら繰り返すことが好ましい。このような方法では以下のような利点が得られる。
【００２４】
一般的に太陽電池セルの逆耐圧は８〜１０Ｖである。こうした太陽電池セルに対して、最初から４Ｖ以上（耐電圧以下）の比較的高い逆方向電圧を印加すると、かえって短絡部が除去しにくい状態になることがある。すなわち、短絡部が除去されずに残っている状態では本来的に逆方向電圧とリーク電流（短絡部を流れる電流）とは比例してリニアなＶ−Ｉ特性を示し、短絡部が除去された後にリーク電流が急激に減少するはずである。しかし、最初からピーク値が高い逆方向電圧を印加した場合には観測されるリーク電流が想定したＶ−Ｉ特性の直線よりも大きくなることがある。こうした太陽電池セルに対して最初のピーク値よりも高いピーク値を有する逆方向電圧を印加しても、さらにリーク電流の増加傾向が顕著になり、短絡部をより一層除去しにくくなることが多い。
【００２５】
これに対して、逆方向電圧のピーク値を低い値（具体的には２Ｖ以下）から高い値へと変化させながら本発明による短時間の逆バイアス処理を繰り返すと、リーク電流の変化の傾向から、その太陽電池セルの短絡部が除去可能であるか、または除去しにくくなる性質のものであるかを判断することができる。したがって、逆バイアス処理の続行または終了を適切に決定して、最適な逆バイアス処理が可能になる。
【００２６】
さらに、図４に示すように、このような処理において、ある回の逆方向成分の印加時（Ｔ1）時間と、前回の逆方向電圧よりも高いピーク値を有する次の逆方向成分の印加時（Ｔ1）時間との間のＴ2時間に、−０．５Ｖ以下の順方向電圧を印加してもよい。なお、逆方向電圧の変化のさせ方は、図４に示す例に限らず、種々の態様が考えられる。
【００２７】
このようにＴ2時間に順方向電圧を印加すれば、第１および第２の電極２、４間に蓄積された電荷をさらに減少させることができ、正常な部分の破壊を抑制できる。
【００２８】
実際に、以下のように本発明の方法および従来の方法に従って、６０個の太陽電池セルを直列に集積した太陽電池の各セルに対して逆バイアス処理を行い、効果を比較した。
【００２９】
本発明の方法に従い、以下のようなスケジュールで逆方向電圧および順方向電圧を印加して逆バイアス処理を行った。（１）周波数６０Ｈｚ、ピーク値２Ｖの正弦波からなる逆方向電圧を０．１７秒印加、（２）−０．１Ｖの直流順方向電圧を０．１７秒印加、（３）周波数６０Ｈｚ、ピーク値４Ｖの正弦波からなる逆方向電圧を０．１７秒印加、（４）−０．１Ｖの直流順方向電圧を０．１７秒印加、（５）周波数６０Ｈｚ、ピーク値６Ｖの正弦波からなる逆方向電圧を０．１７秒印加、（６）−０．１Ｖの直流順方向電圧を０．１７秒印加（合計処理時間１．０２秒）。この場合、６０個のセルのうち５８個のセルで良好な光電変換特性が認められた。
【００３０】
一方、従来の方法に従い、周波数６０Ｈｚ、ピーク値４Ｖの矩形波パルスを１．０秒間印加して逆バイアス処理を行った。この場合、６０個のセルのうち良好な光電変換特性が認められたのは５０個だけであった。これらの結果から、本発明による短絡部除去方法は極めて有効であることがわかる。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明の太陽電池の短絡部除去装置および短絡部除去方法を用いれば、電極間に電荷が蓄積される現象をできるだけ抑えて短絡部以外の部分が破壊されるのを避けることができ、しかも確実に短絡部を除去することができるので、太陽電池の光電変換特性の改善に大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る太陽電池の短絡部除去装置の構成を示す図。
【図２】本発明による逆方向電圧の波形を示す図。
【図３】本発明による逆方向電圧の波形を示す図。
【図４】本発明による逆方向電圧の波形を示す図。
【図５】太陽電池の構成と短絡部除去方法を説明する図。
【符号の説明】
１…絶縁性基板
２…第１の電極
３…光電変換半導体層
４…第２の電極
５…太陽電池セル
６…プローブ
１０…太陽電池
１１…ファンクションジネレータ
１２…増幅器
１３…コンピュータ
１４…抵抗
１５…デジタルボルトメータ
【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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