薄膜光電変換素子およびその製造方法
【課題】 薄膜光電変換素子のホットスポットを生じにくくする。
【解決手段】 本発明のある実施形態においては、複数の単位セル１００が一片の基板８の上に形成されて互いに直列接続されている薄膜光電変換素子１０００が提供される。各単位セル１００は、第１電極１０と光電変換層２０と第２電極を有している。第１電極１０は、基板の一方の面の上に形成され、各単位セルの発電領域６の範囲において、第１電極層の少なくとも一部を除去して形成された凹部を２以上有している。光電変換層２０は、第１電極の面の上に形成されている。第２電極３０は光電変換層の面の上に形成されている。
【解決手段】 本発明のある実施形態においては、複数の単位セル１００が一片の基板８の上に形成されて互いに直列接続されている薄膜光電変換素子１０００が提供される。各単位セル１００は、第１電極１０と光電変換層２０と第２電極を有している。第１電極１０は、基板の一方の面の上に形成され、各単位セルの発電領域６の範囲において、第１電極層の少なくとも一部を除去して形成された凹部を２以上有している。光電変換層２０は、第１電極の面の上に形成されている。第２電極３０は光電変換層の面の上に形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は薄膜光電変換素子およびその製造方法に関する。さらに詳細には本発明は、ホットスポット現象を回避しうる薄膜光電変換素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電システムの開発が近年進められている。そこで利用される光電変換素子には、出力電圧を高めることなどを目的として複数の単位セルが直列接続されているものがある。直列接続された単位セルを備える光電変換素子においては、例えば人工物や樹木などによる陰や汚損等のために、部分的に遮光され、一部の単位セルに光が入射しないまま他の単位セルが発電を継続する動作（本出願において「部分遮光発電動作」という）が生じうる。部分遮光発電動作が生じると、遮光された単位セルが発熱し、局所的に基板や封止材、あるいは保護フィルムなどがダメージを受けるいわゆるホットスポット現象が生じることが知られている。これは、遮光された一部の単位セルの起電力が低下したり０となったりしている状況で、その単位セルに他の単位セルからの発電電流が流れるために、遮光された単位セルがジュール熱により発熱することに起因している。その熱は、遮光されている単位セルのうちの狭い領域において生じるため、ホットスポットと呼ぶ局所的な発熱箇所を出現させることがある。ホットスポットにおける発熱は、極端な場合、封止材や保護フィルムに気泡や穿孔を生じることがある。こうして、ホットスポット現象のために、光電変換素子の封止や保護の機能が失われることもある。
【０００３】
ホットスポット現象を回避する手法として、バイパスダイオードを各単位セルに並列接続する手法が知られている（例えば特許文献１、特開２００３−３７２８０号公報）。別の回避手法として、各単位セルの面積を縮小することにより単位セルを流れる電流を小さくする手法も知られている（例えば特許文献２、特開２００１−６８７１３号公報）。前者は主に結晶系太陽電池に適用され、後者は主に薄膜系の太陽電池に適用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３７２８０号公報
【特許文献２】特開２００１−６８７１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、バイパスダイオードを並列接続する特許文献１の手法においては単位セルに対応させ適切な特性のダイオードを形成する必要がある。このため、構造が複雑となり、薄膜光電変換素子には採用しがたい。また単位セルの面積を縮小し電流を低下させる特許文献２の手法では、薄膜光電変換素子全体のうち、単位セル同士を離間させて区切る分離部を多数設ける必要がある。その結果、無効領域すなわち発電に寄与しない領域が増加し、光電変換素子の実質的な光の利用効率が低下してしまう。
【０００６】
本発明は上記問題点の少なくともいずれかを解決するためになされたものである。本発明は、薄膜光電変換素子において、バイパスダイオードの適用によるコスト上昇や、無効領域の増大による実質的な光の利用効率の低下といった課題をほとんど伴うことなくホットスポット現象を抑制することを可能とする。これにより、本発明は光電変換素子システムの長期動作の信頼性を高めることに貢献するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に対し、本願の発明者は、薄膜光電変換素子のホットスポットにおいて生じている状況を詳細に観察した。特に、光電変換を行なう半導体層より先に形成されている電極が特定の形状をとる位置でホットスポットが生じる傾向がある、という観察事実に本願の発明者は注目した。すなわち、単位セルが直列接続される構成の薄膜光電変換素子におけるホットスポットの典型的な位置は、基板の面の上に同一の層として一旦形成された電極層を分離する分離ライン付近であることに気づいた。
【０００８】
この点に着目し、本願の発明者は、ホットスポットにつながりかねない電流の局所的な集中の程度は制御可能であると予測した。その制御のためには、分離ライン付近における基板上の電極の形状と類似した表面形状を、その電極の発電領域内に意図的に形成することが有用と考えた。そして、そのような制御が実際に可能であることを確認し、本願の発明を創出するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明のある態様においては、個別化され互いに直列接続される複数の単位セルが一片の基板の上に形成されている薄膜光電変換素子であって、各単位セルは、該基板の一方の面の上に形成され、各単位セルの発電領域の範囲において、それ自体をなす第１電極層の少なくとも一部を除去して形成された凹部を２以上有している第１電極と、該第１電極の面の上に形成された光電変換層と、該光電変換層の面の上に形成された第２電極とを備えるものである薄膜光電変換素子が提供される。
【００１０】
また、本発明は、薄膜光電変換素子の製造方法としても実施される。すなわち、本発明のある態様においては、互いに直列接続される複数の単位セルが一片の基板の上に形成されている薄膜光電変換素子の製造方法であって、前記基板の一方の面の上に第１電極層を形成する第１電極層成膜工程と、各単位セルの個別化のために該第１電極層を分離するとともに、各単位セルの発電領域の範囲に互いに離された凹部を２以上有するように前記第１電極層の少なくとも一部を除去して第１電極を形成する第１電極パターニング工程と、該第１電極の面の上に光電変換層を形成する工程と、該光電変換層の面の上に第２電極層を形成する第２電極層成膜工程と、各単位セルの個別化のために該第２電極層を分離することにより第２電極を形成する第２電極パターニング工程とを含む薄膜光電変換素子の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のいずれかの態様においては、部分遮光発電動作を行なってもホットスポット現象が生じにくく、耐久性が高められた薄膜光電変換素子が作製される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のある実施形態における薄膜光電変換素子の構造を示す概略断面図である。図１（ａ）は凹部として電極膜を除去した領域を形成した光電変換素子、そして、図１（ｂ）は、凹部として電極膜を一部のみ除去した光電変換素子を示す。
【図２】本発明のある実施形態における薄膜光電変換素子の特性を、従来の薄膜光電変換素子の特性と対比して示すグラフである。図２（ａ）は従来の薄膜光電変換素子をダイオードとして動作させた場合の電圧電流特性であり、光電変換素子として動作させた場合の発電特性も併記している。図２（ｂ）は、本発明の実施形態の薄膜光電変換素子特性を、ホットスポット現象の前後で示す電圧電流特性である。
【図３】本発明のある実施形態におけるＳＣＡＦ構造の薄膜光電変換素子の構造を受光面から示す平面図である。
【図４】本発明のある実施形態におけるＳＣＡＦ構造の薄膜光電変換素子の構造を示す概略断面図である。
【図５】本発明のある実施形態におけるモノリシック構造の薄膜光電変換素子の構造を示す概略斜視図である。
【図６】本発明のある実施形態における薄膜光電変換素子の典型的な構造を示す概略断面図である。図６（ａ）は、シリコン系のサブストレートタイプ、図６（ｂ）は、シリコン系のスーパーストレートタイプ、そして、図６（ｃ）は、ＣＩＧＳ系の光電変換素子の断面構造を示す。
【図７】本発明のある実施形態における薄膜光電変換素子の製造工程を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る光電変換素子およびその製造方法の実施形態を図面に基づき説明する。当該説明に際し特に言及がない限り、全図にわたり共通する部分または要素には共通する参照符号が付されている。また、図中、各実施形態の要素のそれぞれは、必ずしも互いの縮尺比を保って示されてはいない。
【００１４】
＜第１実施形態＞
［１ 原理］
［１−１ ホットスポット現象の原理］
まず、複数の単位セルが直列接続されている光電変換素子において、部分遮光発電動作の際に生じうるホットスポット現象について本願発明者の得た知見について説明する。複数の単位セルが直列接続されている光電変換素子において、遮光された一部の単位セルは、ｐｎ接合などの構造からダイオードとみなすことができる。そして遮光された単位セルに対し他の単位セルから加えられる電流は、遮光された単位セルにとってはダイオードとしての逆方向電流となる。その逆方向電流は、条件によっては、光電変換素子の動作電流程度の電流となる。遮光された単位セルにおいて生じるジュール熱は、その電流を阻止しようとする電圧差とその電流の積により決まる。このジュール熱は、遮光された単位セルのうち電流の集中する低抵抗部分において生成され、その低抵抗部分がホットスポットとなる。極端な条件として、逆方向電流により単位セルに生じる電圧が逆方向耐電圧を越える場合には、遮光された一部の単位セルでは絶縁破壊や電圧降伏が生じることもある。その場合、低抵抗部分の抵抗値がさらに不可逆に低下し、甚だしくは短絡となる。この場合にも、電流が集中する低抵抗部分がホットスポットとなる。
【００１５】
このような現象に関連する試験法については、薄膜型光電変換素子を対象にして、例えばＪＩＳ Ｃ８９９１（対応規格ＩＥＣ ６１６４６）「地上設置の薄膜太陽電池（ＰＶ）モジュール−設計適格性確認試験及び形式認証のための要求事項」における１０．９「ホットスポット耐久試験」において試験規格が定められている。また、規格の一部となっていないものの、ＪＩＳ Ｃ ８９３８「アモルファス太陽電池モジュールの環境試験方法及び耐久性試験方法」における参考１として類似の試験法が解説されている。
【００１６】
［１−２ 対処法の概要］
本実施形態においては、上記のような部分遮光発電動作において、電流が集中しやすい箇所を意図的に形成することにより、問題を引き起こしかねないホットスポットの発生を抑制する。そのために本願の発明者が採用する具体的構成は、端的には、基板に形成された電極（第１電極）において互いに離して２以上設ける凹部である。このような凹部においては、各凹部近傍の第１電極と、その付近において光電変換層を挟んでいる第２電極との間に導通経路（リークパス）が形成される。この現象は、単位セルを直列接続した従来の構成の薄膜光電変換素子においてホットスポットの典型的な位置が基板の面において電極層を分離する分離ライン付近であることに着想を得て見出したものである。しかも、このような凹部であれば、２以上互いに離して設ける、といった配置を制御したり、その数を調整したりすることが容易である。そして、部分遮光発電動作の際に、他の単位セルからの電流をこれら複数の凹部に分配することが可能となる。なお、これらの凹部は通常の動作状態においてもリークパスとなるため、光電変換効率がわずかに低下する。しかし、その程度は十分に小さいため、凹部を設けること自体は通常の発電動作にとって障害とならない。
【００１７】
図１を参照し本発明のある実施形態の光電変換素子の例を説明する。本発明の実施形態は、薄膜光電変換素子１０００として実施される。図示する薄膜光電変換素子１０００は、本実施形態の主要部分を抽出して明示するものである。すなわち、薄膜光電変換素子１０００は、一片の基板８の上に形成され互いに直列接続される複数の単位セル１００を含んでいる。複数の単位セル１００は個別化されており、それぞれが独立した発電動作を行なう。各単位セル１００は第１電極１０と光電変換層２０と第２電極３０とを備えている。このうち第１電極１０は、例えば基板８の一方の面、つまり図１の紙面において上方の面８Ａに上に形成された電極層（第１電極層）を分離して形成されている。この分離のためには、第１電極層に例えば分離ライン（図示しない）が形成される。また、光電変換層２０は第１電極１０の面の上に形成されている。そして、第２電極３０は、例えば光電変換層２０の面の上に形成された第１電極層とは別の電極層（第２電極層）を分離して形成されている。第１電極１０や第２電極３０が各電極層において互いに分離されるのは、単位セル１００それぞれを独立した光電変換素子として動作させてこれらの直列接続を実現するためである。
【００１８】
本実施形態の薄膜光電変換素子１０００においては、第１電極１０それぞれは、各単位セル１００の発電領域６の範囲において、第１電極層それ自体の少なくとも一部を除去した凹部１２を２以上有している。なお、図１（ａ）は凹部１２を通る面にて切断した場合の概略断面図としている。このため、単位セル１００それぞれにおける第１電極１０は、凹部１２が形成されていても、単位セル１００それぞれの範囲では連続している。このような凹部１２は、例えば、第１電極１０となる電極層を形成した後に、光電変換層２０を形成するまでのいずれかのタイミングで、例えばレーザーを照射してその電極層の少なくとも一部を除去する等の処理を行なうことにより形成する。
【００１９】
基板８の上に作製された複数の単位セル１００は互いに直列に接続されている。この直列接続を実現するための電気的配線の具体的な構成は、本実施形態においては特に限定されない。図１（ａ）では、回路図に利用される配線記号によりこの電気的配線５０を示している。なお、電気的配線５０は、それが存在しなければ、図において左右に明示されている隣り合った単位セル１００同士が電気的に絶縁されていなものとなるような任意の電気的構成を指している。実施される薄膜光電変換素子における電気的配線５０は、例えば、図１（ａ）において左側の単位セル１００の第２電極３０と右側の単位セル１００の第１電極１０とを電気的に接続することにより実現される。この電気的接続は、各単位セル１００の第１電極１０と第２電極３０とを、互いに直接接触しているように形成したり、または、他の配線を通して電気的に接触するものとなるように形成することにより実現される。
【００２０】
本実施形態における薄膜光電変換素子の別の典型例は、薄膜光電変換素子１０００の凹部１２とは異なる構成の凹部１４を採用する薄膜光電変換素子１１００（図１（ｂ））である。薄膜光電変換素子１１００は、単位セル１１０の凹部１４以外は薄膜光電変換素子１０００と同様の構造に作製される。凹部１４は、第１電極１０の厚みをなす第１電極層の一部のみを除去して形成されている。このような凹部１４もレーザーによるパターニングといった任意の手法により形成することが可能である。例えば単一層として形成されている第１電極１０の一部のみを除去すること、または、２層以上の積層体として形成されている第１電極１０のうちの一部を、基板８側の少なくとも１層を残して除去することにより、凹部１４を形成ずることができる。薄膜光電変換素子１１００においても、電気的配線５０を採用し、単位セル１１０を直列接続する構造に作製する。凹部１４を有する薄膜光電変換素子１１００は、凹部１２を採用する薄膜光電変換素子１０００にくらべ発電面積が減少しない利点がある。なお、以下の説明においては、主として薄膜光電変換素子１０００の各要素を参照して本実施形態を説明するものの、そのことは、以下の説明において薄膜光電変換素子１１００を排除することを意味しない。
【００２１】
［１−３ 凹部による動作原理の詳細］
本実施形態において凹部１２に関連して生じる現象をより具体的に説明する。図２は、薄膜光電変換素子の特性を、従来の薄膜光電変換素子の特性と対比して示すグラフである。図２（ａ）は従来の薄膜光電変換素子をダイオードとして動作させた場合の電圧電流特性であり、光電変換素子として動作させた場合の発電特性も併記している。図２（ｂ）は、本発明の実施形態の薄膜光電変換素子特性を、部分遮光発電動作の前後で示す電圧電流特性である。
【００２２】
［１−３−１ 単位セルの特性：従来の構造］
部分遮光発電動作の際には、特定の単位セルが遮光されて発電動作が停止し、他の単位セルが発電動作を継続する。その際、遮光された単位セルには最大で動作電流に等しい逆方向の電流が流れる。その電流が低抵抗の位置に集中するとホットスポットとなる。本実施形態のような凹部を設けない場合には、その電流集中が生じる位置は、例えば分離ラインの近傍となる確率が高いものの、特段制御されない。その際に起きている現象は、図２（ａ）の整流素子の特性により説明することができる。つまり、従来の薄膜光電変換素子の単位セルの電圧電流特性を測定すると、光を当てない単位セルはｐｎ接合由来の整流特性を示す二端子素子（ダイオード）として動作する。それは、曲線Ｃ１に示すように、電圧軸の右方向として示す順方向においてある閾値電圧を超えると電流が流れ始めるものの、逆方向には順方向の閾値電圧程度の電圧では電流が殆ど流れないというものである。しかし、遮光された単位セルにおいては、逆方向電圧の絶対値がある値を超すと急激に電流が増加する。電圧降伏または絶縁破壊が生じるためである。この現象が遮光された単位セルにおいて生じると、その電圧降伏または絶縁破壊が生じた位置がホットスポットとなる。
【００２３】
なお、ホットスポット現象が生じる前に光を当てて発電動作させると、単位セルでは、図２（ａ）の曲線Ｃ１Ａの特性が得られる。この曲線は、順方向の整流動作を始める閾値付近の第１象限の曲線を、電流軸の負の向き（図の下向き）に短絡電流ＩＳＣ分だけシフトしたものである。実際の単位セルにおいては、順方向の閾値電圧は約１．５Ｖ程度であり、光を照射した場合の開放電圧は約２．０Ｖ程度となる。これに対し、逆方向の電圧降伏が生じる電圧は、例えば６〜８Ｖ程度の範囲となる。
【００２４】
［１−３−２ 単位セルの特性：凹部を形成した構成］
図２（ｂ）は、本実施形態の薄膜光電変換素子１０００の単位セル１００の電圧電流特性を示す特性図である。曲線Ｃ２は、部分遮光発電動作の前における単位セル１００の電圧電流特性であり、図２（Ａ）の曲線Ｃ１と実質的に同一の曲線である。凹部１２を有する単位セル１００においては、少なくともいくつかの凹部１２において電流のリークが生じやすくなる。このような薄膜光電変換素子１０００が部分遮光発電動作となると、複数の凹部１２における各リークパスに電流が分配される。つまり、２以上の凹部１２に電流が分配されるため、電流集中による昇温を抑制することができる。
【００２５】
単位セル１００に光を照射した場合の特性は、部分遮光発電動作の前は曲線Ｃ２Ａのようなものであり、部分遮光発電動作の結果リークパスが形成されると、遮光された単位セルでは遮光時の特性は、遮光されているときには曲線Ｃ３、一旦遮光されてその後受光しているときには曲線Ｃ３Ａのような特性になる。この場合も遮光されず発電動作している単位セル１００では、受光していないときは曲線Ｃ２、受光しているときは曲線Ｃ２Ａの動作をしている。部分遮光発電動作が一旦生じると、条件によっては、遮光された単位セル１００の電圧電流特性は曲線Ｃ２から曲線Ｃ３のように変化するばかりか、その変化は不可逆なものとなる。この際、同じ電流に対して、リークパスが形成される前における逆方向電圧の電圧差は、図２（ａ）に示していた絶縁破壊や電圧降伏を引き起こすような電圧差よりも小さい電圧差ΔＶ３に留まる。このため、部分遮光発電動作の際またはその後にリークパスが形成された単位セル１００において生成されるジュール熱の総量も減少する。なお、曲線Ｃ３の特性を説明しうる等価回路は、整流特性によるダイオードに、抵抗素子を並列に接続したものである。この抵抗素子は凹部によるリークパスに相当する。そしてその抵抗成分は、複数の凹部１２のうち実際に電流の分配先となる複数のリークパスの抵抗値を並列した合成抵抗の値となる。
【００２６】
本願の発明者は、部分遮光発電動作でリークパスが一旦形成されると、その後、遮光された単位セル１００は起電力を低下させたまま動作を継続することになると考えている。つまり部分遮光発電動作によりいくつかの凹部１２においてリークパスが形成されると、形成されたリークパスに部分遮光発電動作における電流が分配されるためにホットスポットの形成は回避されるものの、その後の特性が曲線Ｃ２のものから曲線Ｃ３となるような変化は避けがたい。ただし、その特性への影響は、封止材や保護フィルムに気泡が生じたり外界と連通して封止や保護の機能を失うホットスポット現象に比べれば遙かに穏やかな影響に過ぎない。これが本実施形態の薄膜光電変換素子１０００において凹部１２により実現される機能である。
【００２７】
［１−３−３ 凹部の設計の指針］
上述したように、部分遮光発電動作が生じる前には、凹部の形成によりわずかな光電変換効率の低下が生じる。また、部分遮光発電動作が生じた後には、凹部のいくつかは不可逆な変化を伴ってリークパスを形成し特性に影響が現われる。このため、凹部としてどのような形状を形成し、凹部をどのように配置するかは、具体的な電気的な特性に応じて決定される。一般に、凹部一つひとつの周部の長さを長くすればその凹部のリーク時の抵抗値が低減する。ただし、一つの凹部の周の長さを増大させ過ぎると、部分遮光発電動作においてその凹部における発熱が過大となってホットスポットとなりかねない。また、凹部の数は、同一の形状の場合には、数が多いほどリークパスが多くなり一つの単位セルにおける抵抗が減少する。ただし、凹部を例えば図２（ａ）の凹部１２のように第１電極層を完全に除去するものとした場合、凹部を増やすとその面積分だけ発電に寄与しない無効領域が増加する。したがって、本実施形態の凹部１２の個別の形状や数は、これらの要因を勘案して決定する。
【００２８】
より具体的には、本願の発明者による検討によれば、各凹部１２に電流が分配されると、ジュール熱による発熱が封止材（図１には図示しない）や基板８に悪影響を受けない程度の到達温度に抑制することが可能である。具体的には、ホットスポット試験の際の到達温度を、基板材質や封止材が耐えうる目安となる温度よりも低くするように凹部の数や配置を調整する。したがって、実際の到達温度は採用する基板８や封止材の材質に依存するものの、例えば、基板８や封止材が融解したり軟化しない温度、一例としては１５０℃以下とする。ホットスポット試験の結果この温度を超える部分が現われるようであれば、凹部１２の数をより多くするように設計変更される。そして、ホットスポット試験を行なう前において、単位セルに含める凹部の形状や数を決定する基準となり得るのがリーク電流である。例えば、凹部１２の形状、数は、凹部１２を形成しない従来の薄膜光電変換素子の場合からみたリーク電流の増分が、単位セルの動作点において動作電流の０．１〜２％の範囲となるように決定される。
【００２９】
さらに、凹部１２の配置は、発電領域６の範囲において互いの間を離して配置される。この配置は、一定のピッチの２次元的または１次元的な配置とすることができる。すなわち、本実施形態の典型的な薄膜光電変換素子においては、発電の単位となる単位セル１００の第１電極１０の発電領域６の範囲において、凹部１２が分散して配置されている。この分散は、２次元的な広がりをもつ第１電極１０の範囲６において、凹部１２同士を空間的に離間させることにより、複数のリークパスをより広い範囲に分散配置する効果を有する。こうして、多量のジュール熱が狭い範囲で生成されにくくなる。
【００３０】
このように、本実施形態においては、あらかじめ形成した２以上の凹部１２に電流を制御して分配することが可能となる。このことにより、薄膜光電変換素子１０００においては、その後の健全性に影響を与える事態、例えば基板８や熱可塑性樹脂である封止材や保護フィルム（いずれも図示しない）に対するダメージを低減することが可能となる。
【００３１】
［１−４ 光電変換層］
本実施形態における薄膜光電変換素子に採用する光電変換層の材質には特段の制限は無い。すなわち、単位セルの光電変換層として採用される材質には、薄膜光電変換素子の光電変換層として選択される任意の材料を選択することができる。非限定的な例を挙げれば、アモルファスシリコン、アモルファスシリコンゲルマニウム、微結晶シリコンや、これらに炭素や酸素、窒素、リン、ホウ素等をドープした合金やそのドープ層とすることもできる。また、カルコパイライト系とも呼ばれるＣＩＳまたはＣＩＧＳ光電変換素子を採用することもできる。
【００３２】
［２ 具体的構成例］
［２−１ ＳＣＡＦ構造］
図３は、第１実施形態に関わる薄膜光電変換素子２０００の構成を示す平面図である。また、図４は、薄膜光電変換素子２０００の構成を示す概略断面図であり、図３に示す切断位置における断面構造を示している。これらの図に示される薄膜光電変換素子２０００は、ＳＣＡＦ（Series-Connection through Apertures formed on Film）と呼ぶ構造に作製されている。薄膜光電変換素子２０００は、基板２０８、第１電極２１０、光電変換層２２０、および第２電極２３０を備えている。第１電極２１０は、基板２０８の一方の面２０８Ａにおいて第１電極層を分離して形成されている。また、光電変換層２２０は第１電極２１０の面の上に形成されており、第２電極２３０は、光電変換層２２０の面の上に形成された第２電極層を分離して形成されている。第２電極２３０をなす第２電極層は、薄膜光電変換素子２０００において透明導電体の層である。
【００３３】
薄膜光電変換素子２０００の具体的な構成例において、基板２０８は例えば絶縁性の可撓性基板とされる。この基板２０８は、フィルム材料、例えば、ポリイミド、ポリアミドイミドまたはポリエチレンナフタレート、あるいはアルミド等から形成されている。また、基板２０８の両面をなす面２０８Ａおよび面２０８Ｂには、それぞれ、第１電極層として、Ａｇ／ＺｎＯ等の金属および導電体を形成する。このため、基板２０８の一方の面２０８Ａ上の第１電極２１０は、光電変換層２２０にとって裏面電極として機能する。
【００３４】
基板２０８の他方の面２０８Ｂの上には背面電極２６０が形成されている。この背面電極２６０は、単位セル２００の直列接続を確立する配線として機能する。この背面電極２６０は、第１背面電極層２６２と第２背面電極層２６４の２層により構成されている。そして、背面電極２６０は、面２０８Ｂに形成された背面電極層を、個別化された単位セル２００に対応させて分離することにより形成されている。そして、単位セル２００における第１電極２１０には、発電領域２０６の範囲において、第１電極層の少なくとも一部を除去して形成された凹部２１２が２以上配置されている。
【００３５】
つまり、図４に示すように、基板２０８の一方の面２０８Ａ上に積層された層（第１電極２１０、光電変換層２２０、第２電極２３０）は、例えばレーザー加工による第１分離ライン２８０により複数に分離して、単位セル２００を個別化しておく。基板２０８の他方の面２０８Ｂの面の上に形成された背面電極２６０（第１背面電極層２６２、第２背面電極層２６４）も同様に、レーザー加工による第２分離ライン２９０により複数に分割されている。ここで、第１分離ライン２８０と第２分離ライン２９０は、図３に示すように、基板２０８において互い違いに配置されている。この配置を利用して、一の単位セル２００と他の単位セル２００とは、背面電極２６０を通して直列接続を確立する。つまり、一の背面電極２６０が、基板２０８を貫通する第１貫通孔２５２を通して一の単位セル２００の第１電極２１０に電気的に接続されている。背面電極２６０は、さらに、基板２０８を貫通する第２貫通孔２５４を通して他の単位セル２００の第２電極２３０に電気的に接続されている。図３および４に示すように、第２電極２３０と第２背面電極層２６４とは、第１貫通孔２５２の側壁部２５２Ａにおいて、また、第１電極２１０と第１背面電極層２６２とは、第２貫通孔２５４の側壁部２５４Ａにおいて、互いに重なり合うような形で電気的に接続されている。
【００３６】
この接続の電気的な経路をたどると、一の単位セル２００の第１背面電極層２６２および第２背面電極層２６４から第１貫通孔２５２を通って、その単位セル２００の発電領域２０６における第２電極２３０につながる。そして第２電極２３０、光電変換層２２０、第１電極２１０の発電領域２０６からの径路は、その第１電極２１０が第２貫通孔２５４を通して、上記一の単位セルに隣接する他の単位セル２００の第１および第２の背面電極層２６２および２６４へと接続される。こうしてＳＣＡＦ構造の薄膜光電変換素子２０００においては複数の単位セルの直列接続が確立されている。
【００３７】
［２−２ モノリシック構造］
本実施形態は別の構造の薄膜光電変換素子により実施することも可能である。図５は本実施形態の薄膜光電変換素子であるモノリシック構造の薄膜光電変換素子の構造を示す概略斜視図である。薄膜光電変換素子５０００は個別化され互いに直列接続される複数の単位セル５００を含んでいる。薄膜光電変換素子５０００は、基板５０８と、第１電極５１０と、光電変換層５２０と、そして第２電極５３０とを備えている。第１電極５１０の面の上には光電変換層５２０を形成し、さらにその光電変換層５２０の面の上に第２電極５３０を形成しておく。第１電極５１０は、基板５０８の一方の面５０８Ａに形成された第１電極層をラインパターンＰ１により分離して形成されている。同様に、第２電極５３０は、光電変換層５２０の面の上に形成された第２電極層を、ラインパターンＰ３により分離して形成されている。第１電極５１０は、各単位セルの発電領域５０６の範囲において、凹部５１２を２以上有している。この凹部５１２は、第１電極５１０となる第１電極層それ自体の少なくとも一部を除去して形成されている。
【００３８】
ここで、薄膜光電変換素子５０００の上述した構造においては、発電のための光が図５の上方から入射するサブストレートタイプと、逆に下方から入射するスーパーストレートタイプの二つのタイプの薄膜光電変換素子を作製することができる。サブストレートタイプとする場合には、第２電極５３０つまり第２電極層は、透光性を有する透明導電体により形成される。この場合、基板５０８の基板は樹脂やガラス基板を使用することができる。また、ステンレス鋼薄板や、アルミニウム基板といった金属基板の表面に絶縁性コーティングを施したものを使用することもできる。これに対し、スーパーストレートタイプとする場合には、第１電極５１０つまり第１電極層が透光性を有する透明導電体により作製され、基板５０８も、例えばガラスなどの透光性基板とされる。いずれにしても、基板５０８が剛体であるか可撓性であるかは特には限定されない。
【００３９】
単位セル５００の発電領域５０６における発電のための構成は、第１電極５１０、光電変換層５２０、そして第２電極５３０という積層構造である。また、単位セル５００を互いに直列に接続するために、ラインパターンＰ２においては、光電変換層５２０を除去しておいて、一の単位セル５００に属する第２電極５３０と他の単位セル５００に属する光電変換層５２０とが互いに接触している。こうして、モノリシック構造の薄膜光電変換素子５０００においては、個別化された複数の単位セル５００による直列接続を確立しておく。
【００４０】
［２−３ 光電変換層・電極層］
［２−３−１ 典型例］
上述したＳＣＡＦ構造やモノリシック構造の薄膜光電変換素子２０００および５０００においては種々の光電変換層や電極層の材質や構成を採用することができる。図６は、本実施形態の薄膜光電変換素子における発電領域の典型的な層構成を示す部分断面図である。なお、図６においては、第１電極以外のハッチングの記載は省略している。
【００４１】
図６（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、サブストレートタイプのシリコン系の薄膜光電変換素子６０００、スーパーストレートタイプのシリコン系の薄膜光電変換素子７０００、そして、ＣＩＧＳ系薄膜光電変換素子の層構成を示す概略断面図である。いずれの図も紙面上の上方から発電のための光ｈνが入射する向きに描いている。シリコン系の薄膜光電変換素子であるサブストレートタイプのシリコン系の薄膜光電変換素子６０００および７０００において、光電変換層６２０および７２０は、例えば、アモルファスシリコン、アモルファスシリコンゲルマニウム、微結晶シリコンや、これらに炭素や酸素、窒素、リン、ホウ素等をドープした合金やそのドープ層とすることもできる。
【００４２】
具体的には、図６（ａ）に示すサブストレートタイプのシリコン系の薄膜光電変換素子６０００の発電領域は、基板６０８の一方の面６０８Ａに、第１電極６１０、光電変換層６２０、第２電極６３０をこの順に備えている。第１電極６１０には、凹部６１２を形成する。また、光電変換層６２０は、導電型をｎ型としたｎ層６２２、真性半導体であるｉ層６２４、ｐ型にされているｐ層６２６をこの順に積層する。そして、第２電極６３０を、例えばＩＴＯ等の透明導電体により形成する。これに対し、図６（ｂ）に示すスーパーストレートタイプのシリコン系の薄膜光電変換素子７０００の発電領域は、透光性を有する基板７０８の一方の面７０８Ａに、第１電極７１０、光電変換層７２０、第２電極７３０をこの順に備えている。第１電極７１０には凹部７１２を形成する。なお、第１電極７１０は、例えばＩＴＯやＺｎＯといった透明導電体を採用することができる。光電変換層７２０は、導電型をｐ型にしたｐ層７２２、真性半導体であるｉ層７２４、ｎ型にされているｎ層７２６をこの順に積層したものである。そして、第２電極７３０を形成する。この場合、スーパーストレートタイプであるため発電用の光は基板７０８を通って入射する。シリコン系の薄膜光電変換素子６０００および７０００のいずれにおいても、光電変換層６２０や７２０は、例えばモノシランガスに対して必要に応じてジボランガスやホスフィンガスなどのドーピングガスを混入し、例えば水素ガスなどを希釈ガスとしてプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの公知の成膜手法により形成される。なお、シリコン系の薄膜光電変換素子６０００における第１電極６１０やシリコン系の薄膜光電変換素子７０００の第２電極７３０は単層であっても、また、透明導電体膜７３２および金属層７３４のような多層構造とすることができる。
【００４３】
図６（ｃ）には、カルコパイライト系とも呼ばれるＣＩＳまたはＣＩＧＳ薄膜を利用する薄膜光電変換素子８０００の断面構造を示している。ＣＩＧＳ系の薄膜光電変換素子８０００は、例えばソーダライムガラス基板やポリイミドフィルムなどの可撓性基板である基板８０８の面８０８Ａの上に、例えばモリブデン（Ｍｏ）による第１電極８１０と、光電変換層８２０と、高抵抗ＺｎＯである第２電極８３０とを基板８０８からこの順に形成し作製される。第２電極８３０は、例えばスパッタリング法により形成される。第１電極８１０には、凹部８１２を形成する。
【００４４】
また、光電変換層８２０は、ｐ型ＣＩＧＳ吸収層８２２と、バッファ層８２４とが第１電極８１０からこの順に形成される多層半導体層である。さらに、第２電極８３０は、バッファ層８２４の面の上に形成されている。薄膜光電変換素子８０００には、第２電極８３０に接して、例えばアルミニウムドープ酸化亜鉛（ＺｎＯ：ＡｌまたはＡＺＯ）からなる低抵抗透明導電膜８４０も形成され、図示しない金属による集電極が低抵抗透明導電膜８４０に接し形成されている場合もある。
【００４５】
光電変換層８２０には、低抵抗透明導電膜８４０および第２電極８３０を通して紙面上の上方に位置するバッファ層８２４の側から、発電のための太陽光ｈνが入射する。全体として、ＣＩＧＳ系の薄膜光電変換素子８０００は、サブストレートタイプの薄膜光電変換素子として機能する。
【００４６】
なお、ｐ型ＣＩＧＳ吸収層８２２の組成は、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ、およびＳｅ（銅、インジウム、ガリウム、セレン）などの元素により、例えば、Ｃｕ（Ｉｎ１−ｘＧａｘ）Ｓｅ２と表現されるものである。ここで、ｐ型ＣＩＧＳ吸収層８２２では、ｐ型の導電型となるように、Ｃｕと、（Ｉｎ＋Ｇａ）との間で組成を調整する。また、作製されるＣＩＧＳ系の薄膜光電変換素子８０００は、Ｇａの比率に比例し開放電圧（ＶＯＣ）が増大する性質を示す。
【００４７】
さらに、バッファ層８２４は、典型的には融解した状態の硫化カドミウム（ＣｄＳ）を配置するchemical bath deposition法により形成されたＣＢＤ−ＣｄＳのバッファ層を採用することができる。また、バッファ層８２４は、別の組成として、ＺｎＳ、ＺｎＯ，ＺｎＯＨなど（以下「Ｚｎ（Ｓ，Ｏ，ＯＨ）系材料」という）や、ＺｎＳｅ、ＺｎＩｎ２Ｓｅ４、Ｉｎ２Ｓ８、ＺｎＭｇＯ等を採用することができる。
【００４８】
［２−３−２ 各典型例における凹部］
上述した各典型例において、本実施形態において形成される凹部は、既に説明した凹部と同様に作成することが可能である。シリコン系の薄膜光電変換素子６０００においては、第１電極６１０の少なくとも一部を除去して凹部６１２が形成される。特に、第１電極６１０が多層である場合には、凹部を第１電極６１０のいずれかの層のみを除去して形成することも可能である。同様にシリコン系の薄膜光電変換素子７０００においては、第１電極７１０の少なくとも一部を除去することにより凹部７１２を形成する。そして薄膜光電変換素子８０００においては、第１電極８１０の一部を除去して凹部８１２を形成する。
【００４９】
［３ 製造方法］
次に、本実施形態に係る薄膜光電変換素子の製造方法について図面を参照して説明する。
【００５０】
［３−１ 一般的な製造工程］
図７は、本実施形態の薄膜光電変換素子の製造方法であり、上述した薄膜光電変換素子１０００、１１００、２０００、５０００〜８０００に共通する部分の製造方法を示すフローチャートである。ここでは、これらの異なる構成の薄膜光電変換素子の要素を説明するために、図１を参照して説明した薄膜光電変換素子１０００を例に説明する。
【００５１】
まず、基板８の一方の面８Ａの上に、第１電極層を形成する（Ｓ１０２、第１電極層成膜工程）。そして、第１電極パターニング工程Ｓ１０４において、第１電極層を各単位セル１００の個別化のために分離する。また、この第１電極パターニング工程Ｓ１０４においては、第１電極層の少なくとも一部を除去することにより、各単位セルの発電領域の範囲に凹部１２を２以上形成する。
【００５２】
その後、第１電極１０の面の上に光電変換層２０を形成する（Ｓ１０６、光電変換層形成工程）。そして、光電変換層２０の面の上に第２電極層を形成する（Ｓ１０８、第２電極層成膜工程）。そしてこの第２電極層を、各単位セル１００の個別化のために分離することにより第２電極を形成する（第２電極パターニング工程Ｓ１１０）。
【００５３】
特に、第１電極パターニング工程（Ｓ１０４）では、成膜された第１電極層を除去することにより、第１分離ライン２８０（図４）やラインパターンＰ１（図５）など分離ラインを第１電極１０に形成する（Ｓ１０４Ａ、分離工程）。この分離ラインを形成することにより、第１電極１０の周縁が確定される。分離工程Ｓ１０４Ａの後、周縁が確定した第１電極１０の面のうち各単位セルの発電領域６となる範囲において、第１電極１０をなしている第１電極層の少なくとも一部を除去することにより凹部１２を形成する（Ｓ１０４Ｃ、凹部形成工程）。ここで、第１電極パターニング工程（Ｓ１０４）では、分離ラインを形成するために除去された電極層の材質は、微細な残滓となって分離ラインの付近または第１電極１０の面に残されていることがある。この場合には、この残滓を除去するクリーニング工程Ｓ１０４Ｂを、分離工程Ｓ１０４Ａより後であって凹部形成工程Ｓ１０４Ｃより前にさらに含むことが好ましい。
【００５４】
このような製造方法により、薄膜光電変換素子１０００を製造することが可能である。図３〜６を参照して説明した薄膜光電変換素子２０００、薄膜光電変換素子５０００〜薄膜光電変換素子８０００は、この製造方法を具体的構成に合わせて変形することにより製造することが可能である。その一例を挙げれば、モノリシック構造の薄膜光電変換素子５０００を作製するためには、光電変換層形成工程Ｓ１０６と第２電極層成膜工程Ｓ１０８の間にラインパターンＰ２を形成することより、光電変換層２０を分離するプロセスが実施される。
【００５５】
［３−２ 凹部形成のバリエーション］
次に、本実施形態において説明した凹部１２等を製造するためのより具体的な手法について説明する。凹部形成工程Ｓ１０４Ｃにおいては、例えばレーザーによるパターニングによって第１電極１０に凹部１２を形成する工程とすることができる。分離工程Ｓ１０４Ａにおいて分離ラインの生成にレーザーを用いる場合には、分離工程Ｓ１０４Ａと凹部形成工程Ｓ１０４Ｃのためにも同様のレーザー、例えばＡｒＦエキシマーレーザーなどを用いて実行することができる。レーザーによるパターニングは、位置の制御が容易であるため、凹部１２の配置や形状を再現性良く製造することが可能となる点において有利である。特に、パターニングに用いるレーザーがパルスレーザーであれば、分散して配置される凹部１２をパルスレーザーの少なくとも１以上のショットにより互いに離して形成することが可能となる。したがってパルスレーザーは、各凹部１２の面積を微小な領域に限定することが容易とる点において、また、発電領域の面積の減少を極力抑制した凹部１２の形成が可能とる点において、特に好ましい。なお、スーパーストレートタイプのシリコン系の薄膜光電変換素子７０００（図６（ｂ））においては、レーザーによるパターニングは、透光性を有する基板７０８を通して、レーザー光を第１電極７１０のための第１電極層に照射して行なう場合がある。凹部７１２も同様のパターニング法により形成することが可能である。
【００５６】
凹部１２の形成手法には、メカニカルスクライブ法も含まれている。これは、機械的に第１電極１０の表面をひっかくことにより、凹部１２を形成する手法である。この場合であっても、凹部１２の面積は十分に小さくすることが可能であるため、発電領域の面積の減少は抑制することが可能である。
【００５７】
本実施形態にて凹部１２を形成するために採用可能な手法には、ブラスト法も含まれている。ブラスト法は、適当な粉末などのブラスト材を高速の圧縮空気とともにノズルから噴射して第１電極１０に向けて射出することにより、第１電極１０をなす第１電極層を少なくも一部除去する手法である。特に、そのブラスト法が、パルス状に脈動させたショットのシーケンスの態様によりブラスト材を射出するパルスブラスト法である場合には、分散させて配置する凹部１２の形状や位置の制御性を高めることが可能である。なお、ブラスト法では、ノズルから射出されるブラスト材を衝突させる位置は、ノズルの位置を制御したり、また、適当な開口パターンが形成されているスクリーンマスクを用いたりすることにより制御することができる。こうして、凹部１２の位置や数、そして個々の凹部１２のサイズを制御することが可能である。
【００５８】
また、凹部１２を例示して説明したが、図１（ｂ）により説明した第１電極層の一部のみを除去した凹部１４を形成するための手法として、上述したいずれの手法も採用することが可能である。さらに、各手法の条件を適宜調整することにより、第１電極層の材質や層構成に合わせて適切な凹部１２や凹部１４を形成することも可能である。
【００５９】
［３−３ 洗浄工程］
上述したいずれの手法を採用する場合であっても、クリーニング工程Ｓ１０４Ｂを、分離工程Ｓ１０４Ａよりも後、凹部形成工程Ｓ１０４Ｃより前に実行することが好ましい。クリーニング工程Ｓ１０４Ｂをこの順序にて実行することが有利となる理由について、本願の発明者は、クリーニング工程によって除去された第１電極層の残滓が、凹部１２または凹部１４におけるリークパスの形成に役立っているためではないかと推測している。すなわち、分離工程１０４Ａにより生じた第１電極層による残滓はクリーニング工程Ｓ１０４Ｂにより取り除くことが望ましいのに対し、凹部形成工程Ｓ１０４Ｃにより残滓が生じていたとしても、それは凹部１２を意図的に設けた目的に適うのである。この推測は、従来の薄膜光電変換素子において部分遮光発電動作をさせた場合に、分離ライン付近がホットスポットとなる傾向が大きかったことに基づくものである。
【００６０】
［４ 実施例］
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順、要素または部材の向きや具体的配置等は本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することかできる。したがって、本発明の範囲は以下の具体例に限定されるものではない。
【００６１】
［４−１ 実施例サンプルの作製］
上述した本実施形態に従ってＳＣＡＦ構造の薄膜光電変換素子２０００を作製した。製造方法は、主要な順序は図７を参照して説明したとおりとした。具体的には、基板２０８は長尺のポリイミドフィルムとして、成膜には、各層を形成するための別々の成膜室の並びの中に長尺基板を配置して、長尺基板を停止させて成膜し、成膜処理の間に成膜室の間を順送りに送るステッピングロール法を採用した。まず基板２０８をプラズマ中に曝す事によって表面を洗浄する等の前処理を行なった。次に、基板２０８はまず、接続孔とも呼ぶ第２貫通孔２５４を打ち抜き金型（パンチ）によって形成した。なお第１貫通孔２５２の形状としては、直径が１ｍｍの円形とした。この形状は、例えば、直径０．０５−１ｍｍの円形とし、穿孔数は設計に応じて調整することができる。
【００６２】
次いで、減圧加熱により、基板２０８のポリイミドフィルムにガスを放出させた後、基板２０８の一方の面２０８Ａに第１電極２１０を形成し（第１電極層成膜工程Ｓ１０２）、基板２０８の面の他方の面２０８Ｂに第１背面電極層２６２を形成した。ここで、第１電極２１０と第１背面電極層２６２には、銀（Ａｇ）をスパッタリング法によって形成した。さらに、第１電極２１０の一部として銀の上面に透明電極層を形成した。この時点で、第２貫通孔２５４の内側壁付近において、第１電極２１０と第１背面電極層２６２が直接重なり、互いに電気的に接続していることを確認した。
【００６３】
さらに、分離工程Ｓ１０４Ａとして、面２０８Ａの第１電極２１０をレーザー加工によってパターニングした。そして、クリーニング処理（Ｓ１０４Ｂ）の後、凹部１２を形成する処理として、さらにレーザー加工を行なった（凹部形成工程、Ｓ１０４Ｃ）。ここで、凹部１２は、例えばライン状にすると、そのライン状の向きによっては電流を阻害しかねない。このため、スポット状にして電流の通路を確保することが望ましい。凹部１２のサイズや数は構成する材料や出力によって調整される。例えば、少なくとも２カ所以上配置することが望ましい。なお、本実施例においては、凹部１２は直径５０μｍの円形とし、幅（図３の紙面左右方向の差し渡し）が２００ｍｍの単位セル２００それぞれに、１０カ所形成した。
【００６４】
その後、第２貫通孔２５４の場合とは別の打ち抜き金型を用いて基板２０８に第１貫通孔２５２を形成した。この際には、第１電極２１０、第１背面電極層２６２も貫通した。そして、基板２０８の面２０８Ａ側には半導体層である光電変換層２２０を形成した（光電変換層形成工程Ｓ１０６）。この光電変換層２２０は、アモルファスシリコンのｎ層、ｉ層、およびｐ層を基板２０８側から配置するｎｉｐ構造のシリコン（Ｓｉ）層とし、高周波容量結合プラズマＣＶＤ法を採用した。さらに、第２貫通孔２５４が設けられる部分にマスクを掛けて、第２電極２３０として基板２０８の面２０８Ａの側に透明導電性材料であるＩＴＯを堆積させた（第２電極層成膜工程Ｓ１０８）。次いで、基板２０８の面２０８Ｂの全面に、第２電極層をニッケルにより形成した。この時点で、面２０８Ａに形成した第２電極２３０と面２０８Ｂに形成した第２背面電極層２６４とが第１貫通孔２５２の内側壁付近において直接重なり電気的に接続された。さらに、レーザーにより、基板２０８の面２０８Ａ側に第１分離ライン２８０を再度パターニングした（第２電極パターニング工程Ｓ１１０）。同様に、面２０８Ｂの側に対しても第２分離ライン２９０をパターニングした。
【００６５】
こうして作製された薄膜光電変換素子２０００をＥＶＡ（エチレン−酢酸ビニル共重合体）からなる一対の封止材シートにより両面から挟み、さらにその両面から、ＥＴＦＥによる一対の保護フィルムにより挟んで積層体を準備した。そしてその積層体を加熱プレスして封止材を融解させ、保護フィルムと熱溶着によりラミネートされた薄膜光電変換素子２０００を作製した。
【００６６】
［４−２ ホットスポット試験による確認］
作製したラミネート後の薄膜光電変換素子２０００である実施例モジュールと、比較のため、凹部１２を設けなかった以外は同様に作製した比較例モジュールとを対象に、ホットスポット試験を行なった。なお、ここで採用したホットスポット試験は、規格に示された試験（例えばＪＩＳ Ｃ８９９１ １０．９（ＩＥＣ ６１６４６））の試験よりも過酷な試験となるように、光量を増大させることにより試験時の電流を増大させて実施した。その結果、実施例モジュールでは、遮光してホットスポットの発生状況を調査した単位セル２００において、１０箇所形成された凹部１２のうちの５箇所の温度上昇が確認された。しかし、その温度上昇は、封止材にも保護フィルムにも実質的なダメージを及ぼすようなものではなかった。これに対し、比較例モジュールでは、温度上昇は１箇所にて生じ、その部分の樹脂基板および封止材が損傷した。以上説明したように、本発明の薄膜光電変換素子によりホットスポットを生じさせにくい薄膜光電変換素子を実現することができた。
【００６７】
［５ 変形例］
本実施形態の薄膜光電変換素子のための凹部１２の形状は、特に限定されるものではない。例えば、図１において凹部１２や凹部１４として示したように、電極層１０をすべて除去するもの、一部除去するものとすることができる。また凹部１２の平面形状も、上述した微小な円形のほか、点状、ライン状、ストライプ状等の任意の平面形状とすることができる。また、凹部１２の具体的配置も、一定ピッチの配置以外に、ランダム、平面内における任意の格子配列、といった任意の配列とされる。特にＳＣＡＦ構造に作製される薄膜光電変換素子２０００の構成に適用するためには、凹部１２の配置は、第１貫通孔２５２や第２貫通孔２５４との位置関係、集電孔との位置関係に適合させて決定することができる。例えば、上記ストライプ状の形状を有するように凹部１２を作製した場合には、ストライブの向きが電流の流れの向きに沿うように並べることが有用である。なお、本実施形態において例示した薄膜や基板の材料やその組成、膜厚、形成方法等は、上記実施形態に限定されるものではない。
【００６８】
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。上述の各実施形態および実施例は、発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきものである。また、各実施形態の他の組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた、特許請求の範囲に含まれるものである。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明の薄膜光電変換素子は太陽光発電を利用する任意の電気・電子機器に利用可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１０００、１１００、２０００、５０００〜８０００ 薄膜光電変換素子
１００、１１０、２００、５００ 単位セル
６、２０６、５０６ 発電領域
８、２０８、５０８、７０８、８０８ 基板
８Ａ、２０８Ａ、２０８Ｂ、５０８Ａ、６０８Ａ、７０８Ａ、８０８Ａ 面
１０、２１０、５１０、６１０、７１０、８１０ 第１電極
１２、１４、２１２、５１２、６１２、７１２、８１２ 凹部
２０、２２０、５２０、６２０、７２０、８２０ 光電変換層
３０、２３０、５３０、７３０、６３０、８３０ 第２電極
５０ 電気的配線
２５２ 第１貫通孔
２５４ 第２貫通孔
２５２Ａ、２５４Ａ 側壁部
２６０ 背面電極
２６２ 第１背面電極層
２６４ 第２背面電極層
２８０ 第１分離ライン
２９０ 第２分離ライン
７３２ 透明導電体膜
７３４ 金属層
８２２ 吸収層
８２４ バッファ層
８４０ 低抵抗透明導電膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は薄膜光電変換素子およびその製造方法に関する。さらに詳細には本発明は、ホットスポット現象を回避しうる薄膜光電変換素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電システムの開発が近年進められている。そこで利用される光電変換素子には、出力電圧を高めることなどを目的として複数の単位セルが直列接続されているものがある。直列接続された単位セルを備える光電変換素子においては、例えば人工物や樹木などによる陰や汚損等のために、部分的に遮光され、一部の単位セルに光が入射しないまま他の単位セルが発電を継続する動作（本出願において「部分遮光発電動作」という）が生じうる。部分遮光発電動作が生じると、遮光された単位セルが発熱し、局所的に基板や封止材、あるいは保護フィルムなどがダメージを受けるいわゆるホットスポット現象が生じることが知られている。これは、遮光された一部の単位セルの起電力が低下したり０となったりしている状況で、その単位セルに他の単位セルからの発電電流が流れるために、遮光された単位セルがジュール熱により発熱することに起因している。その熱は、遮光されている単位セルのうちの狭い領域において生じるため、ホットスポットと呼ぶ局所的な発熱箇所を出現させることがある。ホットスポットにおける発熱は、極端な場合、封止材や保護フィルムに気泡や穿孔を生じることがある。こうして、ホットスポット現象のために、光電変換素子の封止や保護の機能が失われることもある。
【０００３】
ホットスポット現象を回避する手法として、バイパスダイオードを各単位セルに並列接続する手法が知られている（例えば特許文献１、特開２００３−３７２８０号公報）。別の回避手法として、各単位セルの面積を縮小することにより単位セルを流れる電流を小さくする手法も知られている（例えば特許文献２、特開２００１−６８７１３号公報）。前者は主に結晶系太陽電池に適用され、後者は主に薄膜系の太陽電池に適用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３７２８０号公報
【特許文献２】特開２００１−６８７１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、バイパスダイオードを並列接続する特許文献１の手法においては単位セルに対応させ適切な特性のダイオードを形成する必要がある。このため、構造が複雑となり、薄膜光電変換素子には採用しがたい。また単位セルの面積を縮小し電流を低下させる特許文献２の手法では、薄膜光電変換素子全体のうち、単位セル同士を離間させて区切る分離部を多数設ける必要がある。その結果、無効領域すなわち発電に寄与しない領域が増加し、光電変換素子の実質的な光の利用効率が低下してしまう。
【０００６】
本発明は上記問題点の少なくともいずれかを解決するためになされたものである。本発明は、薄膜光電変換素子において、バイパスダイオードの適用によるコスト上昇や、無効領域の増大による実質的な光の利用効率の低下といった課題をほとんど伴うことなくホットスポット現象を抑制することを可能とする。これにより、本発明は光電変換素子システムの長期動作の信頼性を高めることに貢献するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に対し、本願の発明者は、薄膜光電変換素子のホットスポットにおいて生じている状況を詳細に観察した。特に、光電変換を行なう半導体層より先に形成されている電極が特定の形状をとる位置でホットスポットが生じる傾向がある、という観察事実に本願の発明者は注目した。すなわち、単位セルが直列接続される構成の薄膜光電変換素子におけるホットスポットの典型的な位置は、基板の面の上に同一の層として一旦形成された電極層を分離する分離ライン付近であることに気づいた。
【０００８】
この点に着目し、本願の発明者は、ホットスポットにつながりかねない電流の局所的な集中の程度は制御可能であると予測した。その制御のためには、分離ライン付近における基板上の電極の形状と類似した表面形状を、その電極の発電領域内に意図的に形成することが有用と考えた。そして、そのような制御が実際に可能であることを確認し、本願の発明を創出するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明のある態様においては、個別化され互いに直列接続される複数の単位セルが一片の基板の上に形成されている薄膜光電変換素子であって、各単位セルは、該基板の一方の面の上に形成され、各単位セルの発電領域の範囲において、それ自体をなす第１電極層の少なくとも一部を除去して形成された凹部を２以上有している第１電極と、該第１電極の面の上に形成された光電変換層と、該光電変換層の面の上に形成された第２電極とを備えるものである薄膜光電変換素子が提供される。
【００１０】
また、本発明は、薄膜光電変換素子の製造方法としても実施される。すなわち、本発明のある態様においては、互いに直列接続される複数の単位セルが一片の基板の上に形成されている薄膜光電変換素子の製造方法であって、前記基板の一方の面の上に第１電極層を形成する第１電極層成膜工程と、各単位セルの個別化のために該第１電極層を分離するとともに、各単位セルの発電領域の範囲に互いに離された凹部を２以上有するように前記第１電極層の少なくとも一部を除去して第１電極を形成する第１電極パターニング工程と、該第１電極の面の上に光電変換層を形成する工程と、該光電変換層の面の上に第２電極層を形成する第２電極層成膜工程と、各単位セルの個別化のために該第２電極層を分離することにより第２電極を形成する第２電極パターニング工程とを含む薄膜光電変換素子の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のいずれかの態様においては、部分遮光発電動作を行なってもホットスポット現象が生じにくく、耐久性が高められた薄膜光電変換素子が作製される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のある実施形態における薄膜光電変換素子の構造を示す概略断面図である。図１（ａ）は凹部として電極膜を除去した領域を形成した光電変換素子、そして、図１（ｂ）は、凹部として電極膜を一部のみ除去した光電変換素子を示す。
【図２】本発明のある実施形態における薄膜光電変換素子の特性を、従来の薄膜光電変換素子の特性と対比して示すグラフである。図２（ａ）は従来の薄膜光電変換素子をダイオードとして動作させた場合の電圧電流特性であり、光電変換素子として動作させた場合の発電特性も併記している。図２（ｂ）は、本発明の実施形態の薄膜光電変換素子特性を、ホットスポット現象の前後で示す電圧電流特性である。
【図３】本発明のある実施形態におけるＳＣＡＦ構造の薄膜光電変換素子の構造を受光面から示す平面図である。
【図４】本発明のある実施形態におけるＳＣＡＦ構造の薄膜光電変換素子の構造を示す概略断面図である。
【図５】本発明のある実施形態におけるモノリシック構造の薄膜光電変換素子の構造を示す概略斜視図である。
【図６】本発明のある実施形態における薄膜光電変換素子の典型的な構造を示す概略断面図である。図６（ａ）は、シリコン系のサブストレートタイプ、図６（ｂ）は、シリコン系のスーパーストレートタイプ、そして、図６（ｃ）は、ＣＩＧＳ系の光電変換素子の断面構造を示す。
【図７】本発明のある実施形態における薄膜光電変換素子の製造工程を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る光電変換素子およびその製造方法の実施形態を図面に基づき説明する。当該説明に際し特に言及がない限り、全図にわたり共通する部分または要素には共通する参照符号が付されている。また、図中、各実施形態の要素のそれぞれは、必ずしも互いの縮尺比を保って示されてはいない。
【００１４】
＜第１実施形態＞
［１ 原理］
［１−１ ホットスポット現象の原理］
まず、複数の単位セルが直列接続されている光電変換素子において、部分遮光発電動作の際に生じうるホットスポット現象について本願発明者の得た知見について説明する。複数の単位セルが直列接続されている光電変換素子において、遮光された一部の単位セルは、ｐｎ接合などの構造からダイオードとみなすことができる。そして遮光された単位セルに対し他の単位セルから加えられる電流は、遮光された単位セルにとってはダイオードとしての逆方向電流となる。その逆方向電流は、条件によっては、光電変換素子の動作電流程度の電流となる。遮光された単位セルにおいて生じるジュール熱は、その電流を阻止しようとする電圧差とその電流の積により決まる。このジュール熱は、遮光された単位セルのうち電流の集中する低抵抗部分において生成され、その低抵抗部分がホットスポットとなる。極端な条件として、逆方向電流により単位セルに生じる電圧が逆方向耐電圧を越える場合には、遮光された一部の単位セルでは絶縁破壊や電圧降伏が生じることもある。その場合、低抵抗部分の抵抗値がさらに不可逆に低下し、甚だしくは短絡となる。この場合にも、電流が集中する低抵抗部分がホットスポットとなる。
【００１５】
このような現象に関連する試験法については、薄膜型光電変換素子を対象にして、例えばＪＩＳ Ｃ８９９１（対応規格ＩＥＣ ６１６４６）「地上設置の薄膜太陽電池（ＰＶ）モジュール−設計適格性確認試験及び形式認証のための要求事項」における１０．９「ホットスポット耐久試験」において試験規格が定められている。また、規格の一部となっていないものの、ＪＩＳ Ｃ ８９３８「アモルファス太陽電池モジュールの環境試験方法及び耐久性試験方法」における参考１として類似の試験法が解説されている。
【００１６】
［１−２ 対処法の概要］
本実施形態においては、上記のような部分遮光発電動作において、電流が集中しやすい箇所を意図的に形成することにより、問題を引き起こしかねないホットスポットの発生を抑制する。そのために本願の発明者が採用する具体的構成は、端的には、基板に形成された電極（第１電極）において互いに離して２以上設ける凹部である。このような凹部においては、各凹部近傍の第１電極と、その付近において光電変換層を挟んでいる第２電極との間に導通経路（リークパス）が形成される。この現象は、単位セルを直列接続した従来の構成の薄膜光電変換素子においてホットスポットの典型的な位置が基板の面において電極層を分離する分離ライン付近であることに着想を得て見出したものである。しかも、このような凹部であれば、２以上互いに離して設ける、といった配置を制御したり、その数を調整したりすることが容易である。そして、部分遮光発電動作の際に、他の単位セルからの電流をこれら複数の凹部に分配することが可能となる。なお、これらの凹部は通常の動作状態においてもリークパスとなるため、光電変換効率がわずかに低下する。しかし、その程度は十分に小さいため、凹部を設けること自体は通常の発電動作にとって障害とならない。
【００１７】
図１を参照し本発明のある実施形態の光電変換素子の例を説明する。本発明の実施形態は、薄膜光電変換素子１０００として実施される。図示する薄膜光電変換素子１０００は、本実施形態の主要部分を抽出して明示するものである。すなわち、薄膜光電変換素子１０００は、一片の基板８の上に形成され互いに直列接続される複数の単位セル１００を含んでいる。複数の単位セル１００は個別化されており、それぞれが独立した発電動作を行なう。各単位セル１００は第１電極１０と光電変換層２０と第２電極３０とを備えている。このうち第１電極１０は、例えば基板８の一方の面、つまり図１の紙面において上方の面８Ａに上に形成された電極層（第１電極層）を分離して形成されている。この分離のためには、第１電極層に例えば分離ライン（図示しない）が形成される。また、光電変換層２０は第１電極１０の面の上に形成されている。そして、第２電極３０は、例えば光電変換層２０の面の上に形成された第１電極層とは別の電極層（第２電極層）を分離して形成されている。第１電極１０や第２電極３０が各電極層において互いに分離されるのは、単位セル１００それぞれを独立した光電変換素子として動作させてこれらの直列接続を実現するためである。
【００１８】
本実施形態の薄膜光電変換素子１０００においては、第１電極１０それぞれは、各単位セル１００の発電領域６の範囲において、第１電極層それ自体の少なくとも一部を除去した凹部１２を２以上有している。なお、図１（ａ）は凹部１２を通る面にて切断した場合の概略断面図としている。このため、単位セル１００それぞれにおける第１電極１０は、凹部１２が形成されていても、単位セル１００それぞれの範囲では連続している。このような凹部１２は、例えば、第１電極１０となる電極層を形成した後に、光電変換層２０を形成するまでのいずれかのタイミングで、例えばレーザーを照射してその電極層の少なくとも一部を除去する等の処理を行なうことにより形成する。
【００１９】
基板８の上に作製された複数の単位セル１００は互いに直列に接続されている。この直列接続を実現するための電気的配線の具体的な構成は、本実施形態においては特に限定されない。図１（ａ）では、回路図に利用される配線記号によりこの電気的配線５０を示している。なお、電気的配線５０は、それが存在しなければ、図において左右に明示されている隣り合った単位セル１００同士が電気的に絶縁されていなものとなるような任意の電気的構成を指している。実施される薄膜光電変換素子における電気的配線５０は、例えば、図１（ａ）において左側の単位セル１００の第２電極３０と右側の単位セル１００の第１電極１０とを電気的に接続することにより実現される。この電気的接続は、各単位セル１００の第１電極１０と第２電極３０とを、互いに直接接触しているように形成したり、または、他の配線を通して電気的に接触するものとなるように形成することにより実現される。
【００２０】
本実施形態における薄膜光電変換素子の別の典型例は、薄膜光電変換素子１０００の凹部１２とは異なる構成の凹部１４を採用する薄膜光電変換素子１１００（図１（ｂ））である。薄膜光電変換素子１１００は、単位セル１１０の凹部１４以外は薄膜光電変換素子１０００と同様の構造に作製される。凹部１４は、第１電極１０の厚みをなす第１電極層の一部のみを除去して形成されている。このような凹部１４もレーザーによるパターニングといった任意の手法により形成することが可能である。例えば単一層として形成されている第１電極１０の一部のみを除去すること、または、２層以上の積層体として形成されている第１電極１０のうちの一部を、基板８側の少なくとも１層を残して除去することにより、凹部１４を形成ずることができる。薄膜光電変換素子１１００においても、電気的配線５０を採用し、単位セル１１０を直列接続する構造に作製する。凹部１４を有する薄膜光電変換素子１１００は、凹部１２を採用する薄膜光電変換素子１０００にくらべ発電面積が減少しない利点がある。なお、以下の説明においては、主として薄膜光電変換素子１０００の各要素を参照して本実施形態を説明するものの、そのことは、以下の説明において薄膜光電変換素子１１００を排除することを意味しない。
【００２１】
［１−３ 凹部による動作原理の詳細］
本実施形態において凹部１２に関連して生じる現象をより具体的に説明する。図２は、薄膜光電変換素子の特性を、従来の薄膜光電変換素子の特性と対比して示すグラフである。図２（ａ）は従来の薄膜光電変換素子をダイオードとして動作させた場合の電圧電流特性であり、光電変換素子として動作させた場合の発電特性も併記している。図２（ｂ）は、本発明の実施形態の薄膜光電変換素子特性を、部分遮光発電動作の前後で示す電圧電流特性である。
【００２２】
［１−３−１ 単位セルの特性：従来の構造］
部分遮光発電動作の際には、特定の単位セルが遮光されて発電動作が停止し、他の単位セルが発電動作を継続する。その際、遮光された単位セルには最大で動作電流に等しい逆方向の電流が流れる。その電流が低抵抗の位置に集中するとホットスポットとなる。本実施形態のような凹部を設けない場合には、その電流集中が生じる位置は、例えば分離ラインの近傍となる確率が高いものの、特段制御されない。その際に起きている現象は、図２（ａ）の整流素子の特性により説明することができる。つまり、従来の薄膜光電変換素子の単位セルの電圧電流特性を測定すると、光を当てない単位セルはｐｎ接合由来の整流特性を示す二端子素子（ダイオード）として動作する。それは、曲線Ｃ１に示すように、電圧軸の右方向として示す順方向においてある閾値電圧を超えると電流が流れ始めるものの、逆方向には順方向の閾値電圧程度の電圧では電流が殆ど流れないというものである。しかし、遮光された単位セルにおいては、逆方向電圧の絶対値がある値を超すと急激に電流が増加する。電圧降伏または絶縁破壊が生じるためである。この現象が遮光された単位セルにおいて生じると、その電圧降伏または絶縁破壊が生じた位置がホットスポットとなる。
【００２３】
なお、ホットスポット現象が生じる前に光を当てて発電動作させると、単位セルでは、図２（ａ）の曲線Ｃ１Ａの特性が得られる。この曲線は、順方向の整流動作を始める閾値付近の第１象限の曲線を、電流軸の負の向き（図の下向き）に短絡電流ＩＳＣ分だけシフトしたものである。実際の単位セルにおいては、順方向の閾値電圧は約１．５Ｖ程度であり、光を照射した場合の開放電圧は約２．０Ｖ程度となる。これに対し、逆方向の電圧降伏が生じる電圧は、例えば６〜８Ｖ程度の範囲となる。
【００２４】
［１−３−２ 単位セルの特性：凹部を形成した構成］
図２（ｂ）は、本実施形態の薄膜光電変換素子１０００の単位セル１００の電圧電流特性を示す特性図である。曲線Ｃ２は、部分遮光発電動作の前における単位セル１００の電圧電流特性であり、図２（Ａ）の曲線Ｃ１と実質的に同一の曲線である。凹部１２を有する単位セル１００においては、少なくともいくつかの凹部１２において電流のリークが生じやすくなる。このような薄膜光電変換素子１０００が部分遮光発電動作となると、複数の凹部１２における各リークパスに電流が分配される。つまり、２以上の凹部１２に電流が分配されるため、電流集中による昇温を抑制することができる。
【００２５】
単位セル１００に光を照射した場合の特性は、部分遮光発電動作の前は曲線Ｃ２Ａのようなものであり、部分遮光発電動作の結果リークパスが形成されると、遮光された単位セルでは遮光時の特性は、遮光されているときには曲線Ｃ３、一旦遮光されてその後受光しているときには曲線Ｃ３Ａのような特性になる。この場合も遮光されず発電動作している単位セル１００では、受光していないときは曲線Ｃ２、受光しているときは曲線Ｃ２Ａの動作をしている。部分遮光発電動作が一旦生じると、条件によっては、遮光された単位セル１００の電圧電流特性は曲線Ｃ２から曲線Ｃ３のように変化するばかりか、その変化は不可逆なものとなる。この際、同じ電流に対して、リークパスが形成される前における逆方向電圧の電圧差は、図２（ａ）に示していた絶縁破壊や電圧降伏を引き起こすような電圧差よりも小さい電圧差ΔＶ３に留まる。このため、部分遮光発電動作の際またはその後にリークパスが形成された単位セル１００において生成されるジュール熱の総量も減少する。なお、曲線Ｃ３の特性を説明しうる等価回路は、整流特性によるダイオードに、抵抗素子を並列に接続したものである。この抵抗素子は凹部によるリークパスに相当する。そしてその抵抗成分は、複数の凹部１２のうち実際に電流の分配先となる複数のリークパスの抵抗値を並列した合成抵抗の値となる。
【００２６】
本願の発明者は、部分遮光発電動作でリークパスが一旦形成されると、その後、遮光された単位セル１００は起電力を低下させたまま動作を継続することになると考えている。つまり部分遮光発電動作によりいくつかの凹部１２においてリークパスが形成されると、形成されたリークパスに部分遮光発電動作における電流が分配されるためにホットスポットの形成は回避されるものの、その後の特性が曲線Ｃ２のものから曲線Ｃ３となるような変化は避けがたい。ただし、その特性への影響は、封止材や保護フィルムに気泡が生じたり外界と連通して封止や保護の機能を失うホットスポット現象に比べれば遙かに穏やかな影響に過ぎない。これが本実施形態の薄膜光電変換素子１０００において凹部１２により実現される機能である。
【００２７】
［１−３−３ 凹部の設計の指針］
上述したように、部分遮光発電動作が生じる前には、凹部の形成によりわずかな光電変換効率の低下が生じる。また、部分遮光発電動作が生じた後には、凹部のいくつかは不可逆な変化を伴ってリークパスを形成し特性に影響が現われる。このため、凹部としてどのような形状を形成し、凹部をどのように配置するかは、具体的な電気的な特性に応じて決定される。一般に、凹部一つひとつの周部の長さを長くすればその凹部のリーク時の抵抗値が低減する。ただし、一つの凹部の周の長さを増大させ過ぎると、部分遮光発電動作においてその凹部における発熱が過大となってホットスポットとなりかねない。また、凹部の数は、同一の形状の場合には、数が多いほどリークパスが多くなり一つの単位セルにおける抵抗が減少する。ただし、凹部を例えば図２（ａ）の凹部１２のように第１電極層を完全に除去するものとした場合、凹部を増やすとその面積分だけ発電に寄与しない無効領域が増加する。したがって、本実施形態の凹部１２の個別の形状や数は、これらの要因を勘案して決定する。
【００２８】
より具体的には、本願の発明者による検討によれば、各凹部１２に電流が分配されると、ジュール熱による発熱が封止材（図１には図示しない）や基板８に悪影響を受けない程度の到達温度に抑制することが可能である。具体的には、ホットスポット試験の際の到達温度を、基板材質や封止材が耐えうる目安となる温度よりも低くするように凹部の数や配置を調整する。したがって、実際の到達温度は採用する基板８や封止材の材質に依存するものの、例えば、基板８や封止材が融解したり軟化しない温度、一例としては１５０℃以下とする。ホットスポット試験の結果この温度を超える部分が現われるようであれば、凹部１２の数をより多くするように設計変更される。そして、ホットスポット試験を行なう前において、単位セルに含める凹部の形状や数を決定する基準となり得るのがリーク電流である。例えば、凹部１２の形状、数は、凹部１２を形成しない従来の薄膜光電変換素子の場合からみたリーク電流の増分が、単位セルの動作点において動作電流の０．１〜２％の範囲となるように決定される。
【００２９】
さらに、凹部１２の配置は、発電領域６の範囲において互いの間を離して配置される。この配置は、一定のピッチの２次元的または１次元的な配置とすることができる。すなわち、本実施形態の典型的な薄膜光電変換素子においては、発電の単位となる単位セル１００の第１電極１０の発電領域６の範囲において、凹部１２が分散して配置されている。この分散は、２次元的な広がりをもつ第１電極１０の範囲６において、凹部１２同士を空間的に離間させることにより、複数のリークパスをより広い範囲に分散配置する効果を有する。こうして、多量のジュール熱が狭い範囲で生成されにくくなる。
【００３０】
このように、本実施形態においては、あらかじめ形成した２以上の凹部１２に電流を制御して分配することが可能となる。このことにより、薄膜光電変換素子１０００においては、その後の健全性に影響を与える事態、例えば基板８や熱可塑性樹脂である封止材や保護フィルム（いずれも図示しない）に対するダメージを低減することが可能となる。
【００３１】
［１−４ 光電変換層］
本実施形態における薄膜光電変換素子に採用する光電変換層の材質には特段の制限は無い。すなわち、単位セルの光電変換層として採用される材質には、薄膜光電変換素子の光電変換層として選択される任意の材料を選択することができる。非限定的な例を挙げれば、アモルファスシリコン、アモルファスシリコンゲルマニウム、微結晶シリコンや、これらに炭素や酸素、窒素、リン、ホウ素等をドープした合金やそのドープ層とすることもできる。また、カルコパイライト系とも呼ばれるＣＩＳまたはＣＩＧＳ光電変換素子を採用することもできる。
【００３２】
［２ 具体的構成例］
［２−１ ＳＣＡＦ構造］
図３は、第１実施形態に関わる薄膜光電変換素子２０００の構成を示す平面図である。また、図４は、薄膜光電変換素子２０００の構成を示す概略断面図であり、図３に示す切断位置における断面構造を示している。これらの図に示される薄膜光電変換素子２０００は、ＳＣＡＦ（Series-Connection through Apertures formed on Film）と呼ぶ構造に作製されている。薄膜光電変換素子２０００は、基板２０８、第１電極２１０、光電変換層２２０、および第２電極２３０を備えている。第１電極２１０は、基板２０８の一方の面２０８Ａにおいて第１電極層を分離して形成されている。また、光電変換層２２０は第１電極２１０の面の上に形成されており、第２電極２３０は、光電変換層２２０の面の上に形成された第２電極層を分離して形成されている。第２電極２３０をなす第２電極層は、薄膜光電変換素子２０００において透明導電体の層である。
【００３３】
薄膜光電変換素子２０００の具体的な構成例において、基板２０８は例えば絶縁性の可撓性基板とされる。この基板２０８は、フィルム材料、例えば、ポリイミド、ポリアミドイミドまたはポリエチレンナフタレート、あるいはアルミド等から形成されている。また、基板２０８の両面をなす面２０８Ａおよび面２０８Ｂには、それぞれ、第１電極層として、Ａｇ／ＺｎＯ等の金属および導電体を形成する。このため、基板２０８の一方の面２０８Ａ上の第１電極２１０は、光電変換層２２０にとって裏面電極として機能する。
【００３４】
基板２０８の他方の面２０８Ｂの上には背面電極２６０が形成されている。この背面電極２６０は、単位セル２００の直列接続を確立する配線として機能する。この背面電極２６０は、第１背面電極層２６２と第２背面電極層２６４の２層により構成されている。そして、背面電極２６０は、面２０８Ｂに形成された背面電極層を、個別化された単位セル２００に対応させて分離することにより形成されている。そして、単位セル２００における第１電極２１０には、発電領域２０６の範囲において、第１電極層の少なくとも一部を除去して形成された凹部２１２が２以上配置されている。
【００３５】
つまり、図４に示すように、基板２０８の一方の面２０８Ａ上に積層された層（第１電極２１０、光電変換層２２０、第２電極２３０）は、例えばレーザー加工による第１分離ライン２８０により複数に分離して、単位セル２００を個別化しておく。基板２０８の他方の面２０８Ｂの面の上に形成された背面電極２６０（第１背面電極層２６２、第２背面電極層２６４）も同様に、レーザー加工による第２分離ライン２９０により複数に分割されている。ここで、第１分離ライン２８０と第２分離ライン２９０は、図３に示すように、基板２０８において互い違いに配置されている。この配置を利用して、一の単位セル２００と他の単位セル２００とは、背面電極２６０を通して直列接続を確立する。つまり、一の背面電極２６０が、基板２０８を貫通する第１貫通孔２５２を通して一の単位セル２００の第１電極２１０に電気的に接続されている。背面電極２６０は、さらに、基板２０８を貫通する第２貫通孔２５４を通して他の単位セル２００の第２電極２３０に電気的に接続されている。図３および４に示すように、第２電極２３０と第２背面電極層２６４とは、第１貫通孔２５２の側壁部２５２Ａにおいて、また、第１電極２１０と第１背面電極層２６２とは、第２貫通孔２５４の側壁部２５４Ａにおいて、互いに重なり合うような形で電気的に接続されている。
【００３６】
この接続の電気的な経路をたどると、一の単位セル２００の第１背面電極層２６２および第２背面電極層２６４から第１貫通孔２５２を通って、その単位セル２００の発電領域２０６における第２電極２３０につながる。そして第２電極２３０、光電変換層２２０、第１電極２１０の発電領域２０６からの径路は、その第１電極２１０が第２貫通孔２５４を通して、上記一の単位セルに隣接する他の単位セル２００の第１および第２の背面電極層２６２および２６４へと接続される。こうしてＳＣＡＦ構造の薄膜光電変換素子２０００においては複数の単位セルの直列接続が確立されている。
【００３７】
［２−２ モノリシック構造］
本実施形態は別の構造の薄膜光電変換素子により実施することも可能である。図５は本実施形態の薄膜光電変換素子であるモノリシック構造の薄膜光電変換素子の構造を示す概略斜視図である。薄膜光電変換素子５０００は個別化され互いに直列接続される複数の単位セル５００を含んでいる。薄膜光電変換素子５０００は、基板５０８と、第１電極５１０と、光電変換層５２０と、そして第２電極５３０とを備えている。第１電極５１０の面の上には光電変換層５２０を形成し、さらにその光電変換層５２０の面の上に第２電極５３０を形成しておく。第１電極５１０は、基板５０８の一方の面５０８Ａに形成された第１電極層をラインパターンＰ１により分離して形成されている。同様に、第２電極５３０は、光電変換層５２０の面の上に形成された第２電極層を、ラインパターンＰ３により分離して形成されている。第１電極５１０は、各単位セルの発電領域５０６の範囲において、凹部５１２を２以上有している。この凹部５１２は、第１電極５１０となる第１電極層それ自体の少なくとも一部を除去して形成されている。
【００３８】
ここで、薄膜光電変換素子５０００の上述した構造においては、発電のための光が図５の上方から入射するサブストレートタイプと、逆に下方から入射するスーパーストレートタイプの二つのタイプの薄膜光電変換素子を作製することができる。サブストレートタイプとする場合には、第２電極５３０つまり第２電極層は、透光性を有する透明導電体により形成される。この場合、基板５０８の基板は樹脂やガラス基板を使用することができる。また、ステンレス鋼薄板や、アルミニウム基板といった金属基板の表面に絶縁性コーティングを施したものを使用することもできる。これに対し、スーパーストレートタイプとする場合には、第１電極５１０つまり第１電極層が透光性を有する透明導電体により作製され、基板５０８も、例えばガラスなどの透光性基板とされる。いずれにしても、基板５０８が剛体であるか可撓性であるかは特には限定されない。
【００３９】
単位セル５００の発電領域５０６における発電のための構成は、第１電極５１０、光電変換層５２０、そして第２電極５３０という積層構造である。また、単位セル５００を互いに直列に接続するために、ラインパターンＰ２においては、光電変換層５２０を除去しておいて、一の単位セル５００に属する第２電極５３０と他の単位セル５００に属する光電変換層５２０とが互いに接触している。こうして、モノリシック構造の薄膜光電変換素子５０００においては、個別化された複数の単位セル５００による直列接続を確立しておく。
【００４０】
［２−３ 光電変換層・電極層］
［２−３−１ 典型例］
上述したＳＣＡＦ構造やモノリシック構造の薄膜光電変換素子２０００および５０００においては種々の光電変換層や電極層の材質や構成を採用することができる。図６は、本実施形態の薄膜光電変換素子における発電領域の典型的な層構成を示す部分断面図である。なお、図６においては、第１電極以外のハッチングの記載は省略している。
【００４１】
図６（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、サブストレートタイプのシリコン系の薄膜光電変換素子６０００、スーパーストレートタイプのシリコン系の薄膜光電変換素子７０００、そして、ＣＩＧＳ系薄膜光電変換素子の層構成を示す概略断面図である。いずれの図も紙面上の上方から発電のための光ｈνが入射する向きに描いている。シリコン系の薄膜光電変換素子であるサブストレートタイプのシリコン系の薄膜光電変換素子６０００および７０００において、光電変換層６２０および７２０は、例えば、アモルファスシリコン、アモルファスシリコンゲルマニウム、微結晶シリコンや、これらに炭素や酸素、窒素、リン、ホウ素等をドープした合金やそのドープ層とすることもできる。
【００４２】
具体的には、図６（ａ）に示すサブストレートタイプのシリコン系の薄膜光電変換素子６０００の発電領域は、基板６０８の一方の面６０８Ａに、第１電極６１０、光電変換層６２０、第２電極６３０をこの順に備えている。第１電極６１０には、凹部６１２を形成する。また、光電変換層６２０は、導電型をｎ型としたｎ層６２２、真性半導体であるｉ層６２４、ｐ型にされているｐ層６２６をこの順に積層する。そして、第２電極６３０を、例えばＩＴＯ等の透明導電体により形成する。これに対し、図６（ｂ）に示すスーパーストレートタイプのシリコン系の薄膜光電変換素子７０００の発電領域は、透光性を有する基板７０８の一方の面７０８Ａに、第１電極７１０、光電変換層７２０、第２電極７３０をこの順に備えている。第１電極７１０には凹部７１２を形成する。なお、第１電極７１０は、例えばＩＴＯやＺｎＯといった透明導電体を採用することができる。光電変換層７２０は、導電型をｐ型にしたｐ層７２２、真性半導体であるｉ層７２４、ｎ型にされているｎ層７２６をこの順に積層したものである。そして、第２電極７３０を形成する。この場合、スーパーストレートタイプであるため発電用の光は基板７０８を通って入射する。シリコン系の薄膜光電変換素子６０００および７０００のいずれにおいても、光電変換層６２０や７２０は、例えばモノシランガスに対して必要に応じてジボランガスやホスフィンガスなどのドーピングガスを混入し、例えば水素ガスなどを希釈ガスとしてプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの公知の成膜手法により形成される。なお、シリコン系の薄膜光電変換素子６０００における第１電極６１０やシリコン系の薄膜光電変換素子７０００の第２電極７３０は単層であっても、また、透明導電体膜７３２および金属層７３４のような多層構造とすることができる。
【００４３】
図６（ｃ）には、カルコパイライト系とも呼ばれるＣＩＳまたはＣＩＧＳ薄膜を利用する薄膜光電変換素子８０００の断面構造を示している。ＣＩＧＳ系の薄膜光電変換素子８０００は、例えばソーダライムガラス基板やポリイミドフィルムなどの可撓性基板である基板８０８の面８０８Ａの上に、例えばモリブデン（Ｍｏ）による第１電極８１０と、光電変換層８２０と、高抵抗ＺｎＯである第２電極８３０とを基板８０８からこの順に形成し作製される。第２電極８３０は、例えばスパッタリング法により形成される。第１電極８１０には、凹部８１２を形成する。
【００４４】
また、光電変換層８２０は、ｐ型ＣＩＧＳ吸収層８２２と、バッファ層８２４とが第１電極８１０からこの順に形成される多層半導体層である。さらに、第２電極８３０は、バッファ層８２４の面の上に形成されている。薄膜光電変換素子８０００には、第２電極８３０に接して、例えばアルミニウムドープ酸化亜鉛（ＺｎＯ：ＡｌまたはＡＺＯ）からなる低抵抗透明導電膜８４０も形成され、図示しない金属による集電極が低抵抗透明導電膜８４０に接し形成されている場合もある。
【００４５】
光電変換層８２０には、低抵抗透明導電膜８４０および第２電極８３０を通して紙面上の上方に位置するバッファ層８２４の側から、発電のための太陽光ｈνが入射する。全体として、ＣＩＧＳ系の薄膜光電変換素子８０００は、サブストレートタイプの薄膜光電変換素子として機能する。
【００４６】
なお、ｐ型ＣＩＧＳ吸収層８２２の組成は、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ、およびＳｅ（銅、インジウム、ガリウム、セレン）などの元素により、例えば、Ｃｕ（Ｉｎ１−ｘＧａｘ）Ｓｅ２と表現されるものである。ここで、ｐ型ＣＩＧＳ吸収層８２２では、ｐ型の導電型となるように、Ｃｕと、（Ｉｎ＋Ｇａ）との間で組成を調整する。また、作製されるＣＩＧＳ系の薄膜光電変換素子８０００は、Ｇａの比率に比例し開放電圧（ＶＯＣ）が増大する性質を示す。
【００４７】
さらに、バッファ層８２４は、典型的には融解した状態の硫化カドミウム（ＣｄＳ）を配置するchemical bath deposition法により形成されたＣＢＤ−ＣｄＳのバッファ層を採用することができる。また、バッファ層８２４は、別の組成として、ＺｎＳ、ＺｎＯ，ＺｎＯＨなど（以下「Ｚｎ（Ｓ，Ｏ，ＯＨ）系材料」という）や、ＺｎＳｅ、ＺｎＩｎ２Ｓｅ４、Ｉｎ２Ｓ８、ＺｎＭｇＯ等を採用することができる。
【００４８】
［２−３−２ 各典型例における凹部］
上述した各典型例において、本実施形態において形成される凹部は、既に説明した凹部と同様に作成することが可能である。シリコン系の薄膜光電変換素子６０００においては、第１電極６１０の少なくとも一部を除去して凹部６１２が形成される。特に、第１電極６１０が多層である場合には、凹部を第１電極６１０のいずれかの層のみを除去して形成することも可能である。同様にシリコン系の薄膜光電変換素子７０００においては、第１電極７１０の少なくとも一部を除去することにより凹部７１２を形成する。そして薄膜光電変換素子８０００においては、第１電極８１０の一部を除去して凹部８１２を形成する。
【００４９】
［３ 製造方法］
次に、本実施形態に係る薄膜光電変換素子の製造方法について図面を参照して説明する。
【００５０】
［３−１ 一般的な製造工程］
図７は、本実施形態の薄膜光電変換素子の製造方法であり、上述した薄膜光電変換素子１０００、１１００、２０００、５０００〜８０００に共通する部分の製造方法を示すフローチャートである。ここでは、これらの異なる構成の薄膜光電変換素子の要素を説明するために、図１を参照して説明した薄膜光電変換素子１０００を例に説明する。
【００５１】
まず、基板８の一方の面８Ａの上に、第１電極層を形成する（Ｓ１０２、第１電極層成膜工程）。そして、第１電極パターニング工程Ｓ１０４において、第１電極層を各単位セル１００の個別化のために分離する。また、この第１電極パターニング工程Ｓ１０４においては、第１電極層の少なくとも一部を除去することにより、各単位セルの発電領域の範囲に凹部１２を２以上形成する。
【００５２】
その後、第１電極１０の面の上に光電変換層２０を形成する（Ｓ１０６、光電変換層形成工程）。そして、光電変換層２０の面の上に第２電極層を形成する（Ｓ１０８、第２電極層成膜工程）。そしてこの第２電極層を、各単位セル１００の個別化のために分離することにより第２電極を形成する（第２電極パターニング工程Ｓ１１０）。
【００５３】
特に、第１電極パターニング工程（Ｓ１０４）では、成膜された第１電極層を除去することにより、第１分離ライン２８０（図４）やラインパターンＰ１（図５）など分離ラインを第１電極１０に形成する（Ｓ１０４Ａ、分離工程）。この分離ラインを形成することにより、第１電極１０の周縁が確定される。分離工程Ｓ１０４Ａの後、周縁が確定した第１電極１０の面のうち各単位セルの発電領域６となる範囲において、第１電極１０をなしている第１電極層の少なくとも一部を除去することにより凹部１２を形成する（Ｓ１０４Ｃ、凹部形成工程）。ここで、第１電極パターニング工程（Ｓ１０４）では、分離ラインを形成するために除去された電極層の材質は、微細な残滓となって分離ラインの付近または第１電極１０の面に残されていることがある。この場合には、この残滓を除去するクリーニング工程Ｓ１０４Ｂを、分離工程Ｓ１０４Ａより後であって凹部形成工程Ｓ１０４Ｃより前にさらに含むことが好ましい。
【００５４】
このような製造方法により、薄膜光電変換素子１０００を製造することが可能である。図３〜６を参照して説明した薄膜光電変換素子２０００、薄膜光電変換素子５０００〜薄膜光電変換素子８０００は、この製造方法を具体的構成に合わせて変形することにより製造することが可能である。その一例を挙げれば、モノリシック構造の薄膜光電変換素子５０００を作製するためには、光電変換層形成工程Ｓ１０６と第２電極層成膜工程Ｓ１０８の間にラインパターンＰ２を形成することより、光電変換層２０を分離するプロセスが実施される。
【００５５】
［３−２ 凹部形成のバリエーション］
次に、本実施形態において説明した凹部１２等を製造するためのより具体的な手法について説明する。凹部形成工程Ｓ１０４Ｃにおいては、例えばレーザーによるパターニングによって第１電極１０に凹部１２を形成する工程とすることができる。分離工程Ｓ１０４Ａにおいて分離ラインの生成にレーザーを用いる場合には、分離工程Ｓ１０４Ａと凹部形成工程Ｓ１０４Ｃのためにも同様のレーザー、例えばＡｒＦエキシマーレーザーなどを用いて実行することができる。レーザーによるパターニングは、位置の制御が容易であるため、凹部１２の配置や形状を再現性良く製造することが可能となる点において有利である。特に、パターニングに用いるレーザーがパルスレーザーであれば、分散して配置される凹部１２をパルスレーザーの少なくとも１以上のショットにより互いに離して形成することが可能となる。したがってパルスレーザーは、各凹部１２の面積を微小な領域に限定することが容易とる点において、また、発電領域の面積の減少を極力抑制した凹部１２の形成が可能とる点において、特に好ましい。なお、スーパーストレートタイプのシリコン系の薄膜光電変換素子７０００（図６（ｂ））においては、レーザーによるパターニングは、透光性を有する基板７０８を通して、レーザー光を第１電極７１０のための第１電極層に照射して行なう場合がある。凹部７１２も同様のパターニング法により形成することが可能である。
【００５６】
凹部１２の形成手法には、メカニカルスクライブ法も含まれている。これは、機械的に第１電極１０の表面をひっかくことにより、凹部１２を形成する手法である。この場合であっても、凹部１２の面積は十分に小さくすることが可能であるため、発電領域の面積の減少は抑制することが可能である。
【００５７】
本実施形態にて凹部１２を形成するために採用可能な手法には、ブラスト法も含まれている。ブラスト法は、適当な粉末などのブラスト材を高速の圧縮空気とともにノズルから噴射して第１電極１０に向けて射出することにより、第１電極１０をなす第１電極層を少なくも一部除去する手法である。特に、そのブラスト法が、パルス状に脈動させたショットのシーケンスの態様によりブラスト材を射出するパルスブラスト法である場合には、分散させて配置する凹部１２の形状や位置の制御性を高めることが可能である。なお、ブラスト法では、ノズルから射出されるブラスト材を衝突させる位置は、ノズルの位置を制御したり、また、適当な開口パターンが形成されているスクリーンマスクを用いたりすることにより制御することができる。こうして、凹部１２の位置や数、そして個々の凹部１２のサイズを制御することが可能である。
【００５８】
また、凹部１２を例示して説明したが、図１（ｂ）により説明した第１電極層の一部のみを除去した凹部１４を形成するための手法として、上述したいずれの手法も採用することが可能である。さらに、各手法の条件を適宜調整することにより、第１電極層の材質や層構成に合わせて適切な凹部１２や凹部１４を形成することも可能である。
【００５９】
［３−３ 洗浄工程］
上述したいずれの手法を採用する場合であっても、クリーニング工程Ｓ１０４Ｂを、分離工程Ｓ１０４Ａよりも後、凹部形成工程Ｓ１０４Ｃより前に実行することが好ましい。クリーニング工程Ｓ１０４Ｂをこの順序にて実行することが有利となる理由について、本願の発明者は、クリーニング工程によって除去された第１電極層の残滓が、凹部１２または凹部１４におけるリークパスの形成に役立っているためではないかと推測している。すなわち、分離工程１０４Ａにより生じた第１電極層による残滓はクリーニング工程Ｓ１０４Ｂにより取り除くことが望ましいのに対し、凹部形成工程Ｓ１０４Ｃにより残滓が生じていたとしても、それは凹部１２を意図的に設けた目的に適うのである。この推測は、従来の薄膜光電変換素子において部分遮光発電動作をさせた場合に、分離ライン付近がホットスポットとなる傾向が大きかったことに基づくものである。
【００６０】
［４ 実施例］
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順、要素または部材の向きや具体的配置等は本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することかできる。したがって、本発明の範囲は以下の具体例に限定されるものではない。
【００６１】
［４−１ 実施例サンプルの作製］
上述した本実施形態に従ってＳＣＡＦ構造の薄膜光電変換素子２０００を作製した。製造方法は、主要な順序は図７を参照して説明したとおりとした。具体的には、基板２０８は長尺のポリイミドフィルムとして、成膜には、各層を形成するための別々の成膜室の並びの中に長尺基板を配置して、長尺基板を停止させて成膜し、成膜処理の間に成膜室の間を順送りに送るステッピングロール法を採用した。まず基板２０８をプラズマ中に曝す事によって表面を洗浄する等の前処理を行なった。次に、基板２０８はまず、接続孔とも呼ぶ第２貫通孔２５４を打ち抜き金型（パンチ）によって形成した。なお第１貫通孔２５２の形状としては、直径が１ｍｍの円形とした。この形状は、例えば、直径０．０５−１ｍｍの円形とし、穿孔数は設計に応じて調整することができる。
【００６２】
次いで、減圧加熱により、基板２０８のポリイミドフィルムにガスを放出させた後、基板２０８の一方の面２０８Ａに第１電極２１０を形成し（第１電極層成膜工程Ｓ１０２）、基板２０８の面の他方の面２０８Ｂに第１背面電極層２６２を形成した。ここで、第１電極２１０と第１背面電極層２６２には、銀（Ａｇ）をスパッタリング法によって形成した。さらに、第１電極２１０の一部として銀の上面に透明電極層を形成した。この時点で、第２貫通孔２５４の内側壁付近において、第１電極２１０と第１背面電極層２６２が直接重なり、互いに電気的に接続していることを確認した。
【００６３】
さらに、分離工程Ｓ１０４Ａとして、面２０８Ａの第１電極２１０をレーザー加工によってパターニングした。そして、クリーニング処理（Ｓ１０４Ｂ）の後、凹部１２を形成する処理として、さらにレーザー加工を行なった（凹部形成工程、Ｓ１０４Ｃ）。ここで、凹部１２は、例えばライン状にすると、そのライン状の向きによっては電流を阻害しかねない。このため、スポット状にして電流の通路を確保することが望ましい。凹部１２のサイズや数は構成する材料や出力によって調整される。例えば、少なくとも２カ所以上配置することが望ましい。なお、本実施例においては、凹部１２は直径５０μｍの円形とし、幅（図３の紙面左右方向の差し渡し）が２００ｍｍの単位セル２００それぞれに、１０カ所形成した。
【００６４】
その後、第２貫通孔２５４の場合とは別の打ち抜き金型を用いて基板２０８に第１貫通孔２５２を形成した。この際には、第１電極２１０、第１背面電極層２６２も貫通した。そして、基板２０８の面２０８Ａ側には半導体層である光電変換層２２０を形成した（光電変換層形成工程Ｓ１０６）。この光電変換層２２０は、アモルファスシリコンのｎ層、ｉ層、およびｐ層を基板２０８側から配置するｎｉｐ構造のシリコン（Ｓｉ）層とし、高周波容量結合プラズマＣＶＤ法を採用した。さらに、第２貫通孔２５４が設けられる部分にマスクを掛けて、第２電極２３０として基板２０８の面２０８Ａの側に透明導電性材料であるＩＴＯを堆積させた（第２電極層成膜工程Ｓ１０８）。次いで、基板２０８の面２０８Ｂの全面に、第２電極層をニッケルにより形成した。この時点で、面２０８Ａに形成した第２電極２３０と面２０８Ｂに形成した第２背面電極層２６４とが第１貫通孔２５２の内側壁付近において直接重なり電気的に接続された。さらに、レーザーにより、基板２０８の面２０８Ａ側に第１分離ライン２８０を再度パターニングした（第２電極パターニング工程Ｓ１１０）。同様に、面２０８Ｂの側に対しても第２分離ライン２９０をパターニングした。
【００６５】
こうして作製された薄膜光電変換素子２０００をＥＶＡ（エチレン−酢酸ビニル共重合体）からなる一対の封止材シートにより両面から挟み、さらにその両面から、ＥＴＦＥによる一対の保護フィルムにより挟んで積層体を準備した。そしてその積層体を加熱プレスして封止材を融解させ、保護フィルムと熱溶着によりラミネートされた薄膜光電変換素子２０００を作製した。
【００６６】
［４−２ ホットスポット試験による確認］
作製したラミネート後の薄膜光電変換素子２０００である実施例モジュールと、比較のため、凹部１２を設けなかった以外は同様に作製した比較例モジュールとを対象に、ホットスポット試験を行なった。なお、ここで採用したホットスポット試験は、規格に示された試験（例えばＪＩＳ Ｃ８９９１ １０．９（ＩＥＣ ６１６４６））の試験よりも過酷な試験となるように、光量を増大させることにより試験時の電流を増大させて実施した。その結果、実施例モジュールでは、遮光してホットスポットの発生状況を調査した単位セル２００において、１０箇所形成された凹部１２のうちの５箇所の温度上昇が確認された。しかし、その温度上昇は、封止材にも保護フィルムにも実質的なダメージを及ぼすようなものではなかった。これに対し、比較例モジュールでは、温度上昇は１箇所にて生じ、その部分の樹脂基板および封止材が損傷した。以上説明したように、本発明の薄膜光電変換素子によりホットスポットを生じさせにくい薄膜光電変換素子を実現することができた。
【００６７】
［５ 変形例］
本実施形態の薄膜光電変換素子のための凹部１２の形状は、特に限定されるものではない。例えば、図１において凹部１２や凹部１４として示したように、電極層１０をすべて除去するもの、一部除去するものとすることができる。また凹部１２の平面形状も、上述した微小な円形のほか、点状、ライン状、ストライプ状等の任意の平面形状とすることができる。また、凹部１２の具体的配置も、一定ピッチの配置以外に、ランダム、平面内における任意の格子配列、といった任意の配列とされる。特にＳＣＡＦ構造に作製される薄膜光電変換素子２０００の構成に適用するためには、凹部１２の配置は、第１貫通孔２５２や第２貫通孔２５４との位置関係、集電孔との位置関係に適合させて決定することができる。例えば、上記ストライプ状の形状を有するように凹部１２を作製した場合には、ストライブの向きが電流の流れの向きに沿うように並べることが有用である。なお、本実施形態において例示した薄膜や基板の材料やその組成、膜厚、形成方法等は、上記実施形態に限定されるものではない。
【００６８】
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。上述の各実施形態および実施例は、発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきものである。また、各実施形態の他の組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた、特許請求の範囲に含まれるものである。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明の薄膜光電変換素子は太陽光発電を利用する任意の電気・電子機器に利用可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１０００、１１００、２０００、５０００〜８０００ 薄膜光電変換素子
１００、１１０、２００、５００ 単位セル
６、２０６、５０６ 発電領域
８、２０８、５０８、７０８、８０８ 基板
８Ａ、２０８Ａ、２０８Ｂ、５０８Ａ、６０８Ａ、７０８Ａ、８０８Ａ 面
１０、２１０、５１０、６１０、７１０、８１０ 第１電極
１２、１４、２１２、５１２、６１２、７１２、８１２ 凹部
２０、２２０、５２０、６２０、７２０、８２０ 光電変換層
３０、２３０、５３０、７３０、６３０、８３０ 第２電極
５０ 電気的配線
２５２ 第１貫通孔
２５４ 第２貫通孔
２５２Ａ、２５４Ａ 側壁部
２６０ 背面電極
２６２ 第１背面電極層
２６４ 第２背面電極層
２８０ 第１分離ライン
２９０ 第２分離ライン
７３２ 透明導電体膜
７３４ 金属層
８２２ 吸収層
８２４ バッファ層
８４０ 低抵抗透明導電膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
個別化され互いに直列接続される複数の単位セルが一片の基板の上に形成されている薄膜光電変換素子であって、
各単位セルは、
該基板の一方の面の上に形成され、各単位セルの発電領域の範囲において、それ自体をなす第１電極層の少なくとも一部を除去して形成された凹部を２以上有している第１電極と、
該第１電極の面の上に形成された光電変換層と、
該光電変換層の面の上に形成された第２電極と
を備えるものである
薄膜光電変換素子。
【請求項２】
前記凹部それぞれが前記第１電極それぞれの前記発電領域の範囲内において互いに離して配置されている
請求項１に記載の薄膜光電変換素子。
【請求項３】
前記基板の他方の面の上に形成された背面電極層を、個別化された前記単位セルに対応させて分離することにより形成されている背面電極
をさらに備え、
前記第２電極をなす第２電極層が透明導電体の層であり、
一の背面電極が、前記基板を貫通する第１貫通孔を通して一の単位セルの第１電極に電気的に接続され、かつ、前記基板を貫通する第２貫通孔を通して他の単位セルの第２電極に電気的に接続されることにより、該一の単位セルと該他の単位セルとの直列接続が確立されている
請求項１または請求項２に記載の薄膜光電変換素子。
【請求項４】
前記直列接続は、互いに隣りあって配置されている一の単位セルと他の単位セルにおける該一の単位セルの第１電極と該他の単位セルの第２電極とが前記一方の面の側において電気的に接続されることにより確立されている
請求項１または請求項２に記載の薄膜光電変換素子。
【請求項５】
互いに直列接続される複数の単位セルが一片の基板の上に形成されている薄膜光電変換素子の製造方法であって、
前記基板の一方の面の上に第１電極層を形成する第１電極層成膜工程と、
各単位セルの個別化のために該第１電極層を分離するとともに、各単位セルの発電領域の範囲に互いに離された凹部を２以上有するように前記第１電極層の少なくとも一部を除去して第１電極を形成する第１電極パターニング工程と、
該第１電極の面の上に光電変換層を形成する工程と、
該光電変換層の面の上に第２電極層を形成する第２電極層成膜工程と、
各単位セルの個別化のために該第２電極層を分離することにより第２電極を形成する第２電極パターニング工程と
を含む
薄膜光電変換素子の製造方法。
【請求項６】
前記第１電極パターニング工程が、
成膜された前記第１電極層が除去された分離ラインを形成して前記第１電極の周縁を確定する分離工程と、
次いで、周縁が確定された前記第１電極の面のうち各単位セルの発電領域となる範囲において、前記第１電極層の少なくとも一部を除去することにより前記凹部を形成する凹部形成工程と
を含むものである
請求項５に記載の薄膜光電変換素子の製造方法。
【請求項７】
前記第１電極パターニング工程が、
前記分離ラインを形成するために除去された電極層の残滓をクリーニングするクリーニング工程を、前記分離工程より後であって前記凹部形成工程より前にさらに含むものである
請求項６に記載の薄膜光電変換素子の製造方法。
【請求項１】
個別化され互いに直列接続される複数の単位セルが一片の基板の上に形成されている薄膜光電変換素子であって、
各単位セルは、
該基板の一方の面の上に形成され、各単位セルの発電領域の範囲において、それ自体をなす第１電極層の少なくとも一部を除去して形成された凹部を２以上有している第１電極と、
該第１電極の面の上に形成された光電変換層と、
該光電変換層の面の上に形成された第２電極と
を備えるものである
薄膜光電変換素子。
【請求項２】
前記凹部それぞれが前記第１電極それぞれの前記発電領域の範囲内において互いに離して配置されている
請求項１に記載の薄膜光電変換素子。
【請求項３】
前記基板の他方の面の上に形成された背面電極層を、個別化された前記単位セルに対応させて分離することにより形成されている背面電極
をさらに備え、
前記第２電極をなす第２電極層が透明導電体の層であり、
一の背面電極が、前記基板を貫通する第１貫通孔を通して一の単位セルの第１電極に電気的に接続され、かつ、前記基板を貫通する第２貫通孔を通して他の単位セルの第２電極に電気的に接続されることにより、該一の単位セルと該他の単位セルとの直列接続が確立されている
請求項１または請求項２に記載の薄膜光電変換素子。
【請求項４】
前記直列接続は、互いに隣りあって配置されている一の単位セルと他の単位セルにおける該一の単位セルの第１電極と該他の単位セルの第２電極とが前記一方の面の側において電気的に接続されることにより確立されている
請求項１または請求項２に記載の薄膜光電変換素子。
【請求項５】
互いに直列接続される複数の単位セルが一片の基板の上に形成されている薄膜光電変換素子の製造方法であって、
前記基板の一方の面の上に第１電極層を形成する第１電極層成膜工程と、
各単位セルの個別化のために該第１電極層を分離するとともに、各単位セルの発電領域の範囲に互いに離された凹部を２以上有するように前記第１電極層の少なくとも一部を除去して第１電極を形成する第１電極パターニング工程と、
該第１電極の面の上に光電変換層を形成する工程と、
該光電変換層の面の上に第２電極層を形成する第２電極層成膜工程と、
各単位セルの個別化のために該第２電極層を分離することにより第２電極を形成する第２電極パターニング工程と
を含む
薄膜光電変換素子の製造方法。
【請求項６】
前記第１電極パターニング工程が、
成膜された前記第１電極層が除去された分離ラインを形成して前記第１電極の周縁を確定する分離工程と、
次いで、周縁が確定された前記第１電極の面のうち各単位セルの発電領域となる範囲において、前記第１電極層の少なくとも一部を除去することにより前記凹部を形成する凹部形成工程と
を含むものである
請求項５に記載の薄膜光電変換素子の製造方法。
【請求項７】
前記第１電極パターニング工程が、
前記分離ラインを形成するために除去された電極層の残滓をクリーニングするクリーニング工程を、前記分離工程より後であって前記凹部形成工程より前にさらに含むものである
請求項６に記載の薄膜光電変換素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−１０５９９８（Ｐ２０１３−１０５９９８Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５０８８２（Ｐ２０１１−２５０８８２）
【出願日】平成２３年１１月１６日（２０１１．１１．１６）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１６日（２０１１．１１．１６）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
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