薄膜光電変換装置およびその製造方法
【課題】薄膜光電変換セルの発生電流値および使用による各薄膜光電変換セルの経年変化の度合いが同一とされ、長期に渡って発電効率に優れた信頼性の高い薄膜光電変換装置を得ること。
【解決手段】絶縁性透光基板上に、透明導電膜からなる第１電極層３と、半導体膜からなり光電変換を行う光電変換層と、光を反射する導電膜からなる第２電極層と、がこの順で積層されてなる複数の光電変換セル１が配設されるとともに、隣接する前記光電変換セル１同士が電気的に直列接続された薄膜光電変換装置１０であって、前記光電変換層が膜厚分布を有するとともに、全ての前記光電変換セル１が前記光電変換層の膜厚分布における全ての膜厚部分を略同一比率で含み、前記光電変換セル１が発生する電流値が全ての前記光電変換セル１において略同一である。
【解決手段】絶縁性透光基板上に、透明導電膜からなる第１電極層３と、半導体膜からなり光電変換を行う光電変換層と、光を反射する導電膜からなる第２電極層と、がこの順で積層されてなる複数の光電変換セル１が配設されるとともに、隣接する前記光電変換セル１同士が電気的に直列接続された薄膜光電変換装置１０であって、前記光電変換層が膜厚分布を有するとともに、全ての前記光電変換セル１が前記光電変換層の膜厚分布における全ての膜厚部分を略同一比率で含み、前記光電変換セル１が発生する電流値が全ての前記光電変換セル１において略同一である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜光電変換装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の太陽電池の薄膜太陽電池モジュール（薄膜光電変換モジュール）では、例えば光透過性を有する透明電極層が形成された基板に薄膜半導体層を光電変換層として形成し、裏面側に裏面電極層として反射導電膜を形成して薄膜太陽電池セル（薄膜光電変換セル）が構成されている。この太陽電池セルでは、表面側（透明電極側）からの光入射により光起電力を発生する。
【０００３】
そして、複数の薄膜太陽電池セルが、隣り合うセル同士間で所定の距離を隔てて配置された状態で電気的に直列に接続されて薄膜太陽電池モジュールが構成されている。なお、隣り合う薄膜太陽電池セル間の光電変換層は電気的に分離されている。
【０００４】
このような薄膜光電変換モジュールは、以下に示すような方法により製造されている。まず、表面に凹凸によるテクスチャ構造を有する酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの透明導電性酸化物（Transparent Conductive Oxide：ＴＣＯ）からなる透明電極層が形成された絶縁性透光基板において、レーザ照射により透明電極層の一部を切断・除去して透明電極層をストライプ状に加工する。テクスチャ構造は光電変換セルに入射した太陽光を散乱させ、薄膜半導体層での光利用効率を高める機能を有する。つぎに、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などにより透明電極層上に例えばアモルファスシリコンからなる光電変換層としての薄膜半導体層を形成する。
【０００５】
その後、透明電極層が切断された場所と異なる箇所で、レーザ照射により薄膜半導体層の一部を切断、除去して薄膜半導体層をストライプ状に加工する。ついで、薄膜半導体層上に光反射性金属からなる裏面電極層をスパッタリング法などにより成膜する。その後、透明電極層および薄膜半導体層が切断された場所と異なる箇所で、レーザ照射により裏面電極層の一部を切断、除去して裏面電極層をストライプ状に加工する。そして、このような薄膜光電変換モジュールでは、ストライプ状に加工された薄膜光電変換セルを直列に接続することで、高出力電圧を発生させている。
【０００６】
しかし、薄膜光電変換セルの中に出力電流が小さいセルが存在する場合には、これにより薄膜光電変換モジュールの出力電流が制限されてしまう。その結果、モジュール出力が低下し、必ずしも十分な性能が得られるわけではなかった。
【０００７】
例えば、薄膜光電変換モジュールを構成する薄膜半導体層は、プラズマＣＶＤ法により成膜される。この方法で成膜される薄膜半導体層の膜厚は、成膜時のプラズマＣＶＤ装置内における位置によって分布を有する。例えば、プラズマＣＶＤ装置内において反応ガスの供給ノズルに近い位置で成長した薄膜半導体層は膜厚が厚いが、反応ガスの供給箇所から遠い位置（例えば基板の周縁部）で成長した薄膜半導体層は膜厚が薄くなる。また、プラズマＣＶＤ装置内におけるプラズマ分布なども、薄膜半導体層に膜厚分布を生じさせる要因となる。
【０００８】
この結果、全ての薄膜光電変換セルにおいて薄膜半導体層の膜厚が同じとはならず、薄膜半導体層の膜厚が厚い部分の薄膜光電変換セルで発生する電流密度は大きいが、薄膜半導体層の膜厚が薄い部分の薄膜光電変換セルで発生する電流密度は小さくなり、各薄膜光電変換セルで発生する電流が一定でないことから、モジュール全体として十分な出力特性が得られないという問題が生じる。
【０００９】
これらの問題を解決するために、例えば各薄膜光電変換セルのセル幅を調整することで出力電流値をほぼ同一にし、モジュール特性を改善する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−０７６３８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記従来の技術によれば、各薄膜光電変換セルのセル幅を調整するため出力電流値は同一であるが、薄膜半導体層の膜厚分布について考慮されていないため、薄膜光電変換セル毎に薄膜半導体層の膜厚は違うことになる。一般に薄膜シリコン光電変換セルは光照射により経年劣化し、劣化の度合いは薄膜半導体層の膜厚に依存することが判明している。このため、上記の特許文献１においては初期特性で出力電流値が同一であるようにセル幅を調整しているが、セルによって薄膜半導体層の膜厚が異なるため、劣化の程度がセル毎に異なる。したがって、使用するにつれて各セルの出力電流値が同一でなくなり、モジュール全体として十分な出力特性が得られなくなる、という問題があった。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、薄膜光電変換セルの発生電流値および使用による各薄膜光電変換セルの経年変化の度合いが同一とされ、長期に渡って発電効率に優れた信頼性の高い薄膜光電変換装置およびその製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる薄膜光電変換装置は、絶縁性透光基板上に、透明導電膜からなる第１電極層と、半導体膜からなり光電変換を行う光電変換層と、光を反射する導電膜からなる第２電極層と、がこの順で積層されてなる複数の光電変換セルが配設されるとともに、隣接する前記光電変換セル同士が電気的に直列接続された薄膜光電変換装置であって、前記光電変換層が膜厚分布を有するとともに、全ての前記光電変換セルが前記光電変換層の膜厚分布における全ての膜厚部分を略同一比率で含み、前記光電変換セルが発生する電流値が全ての前記光電変換セルにおいて略同一であること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、全ての光電変換セルが物理的に略等価になり、使用による劣化の程度も同じになるため、光電変換セル間で光電変換層の膜厚が異なることに起因した各薄膜光電変換セルの経年劣化の程度のばらつきの発生を防止し、光電変換セル間の発生電流バランスを長期に渡って一定に保つことができる。したがって、光電変換セル間の特性バランスが使用の前後で崩れることがなく、長期使用に対しても初期と同じ最適なモジュール特性を維持することができ、光電変換装置としての出力特性が向上する、という従来にない顕著な効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明にかかる薄膜光電変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。
【００１６】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換装置である薄膜光電変換モジュール（以下、モジュールと呼ぶ場合がある）１０の概略構成を示す平面図である。図２は、モジュール１０の断面構造を説明するための図であり、図１の円弧線分Ａ−Ａ’における要部断面図である。
【００１７】
図１に示すように、実施の形態１にかかるモジュール１０は、略長方形状の絶縁性透光基板２上に略扇型のストライプ状に加工された複数の単位薄膜光電変換セル（以下、単位セルと呼ぶ場合がある）１を備えている。詳細には、絶縁性透光基板２の面内方向における略中心部Ｃから外周に向かって放射線状に加工された複数の単位セル１を備えている。単位セル１は、図２に示すように透明電極層３と、光電変換層４と、裏面電極層５と、が絶縁性透光基板２上にこの順で順次積層されて構成されている。
【００１８】
絶縁性透光基板２上に形成された透光性の導電膜からなる透明電極層３には、絶縁性透光基板２の面内方向における略中心部Ｃから外周に向かって、絶縁性透光基板２に達するストライプ状の第１の溝７が形成されている。この第１の溝７の部分に光電変換層４が埋め込まれることで、透明電極層３が隣接するセルにまたがるようにセル毎に分離されて形成されている。
【００１９】
また、透明電極層３上に形成された光電変換層４には、第１の溝７と異なる箇所において、絶縁性透光基板２の面内方向における略中心部Ｃから外周に向かって、透明電極層３に達するストライプ状の第２の溝８が形成されている。この第２の溝８の部分に裏面電極層５が埋め込まれることで、裏面電極層５が透明電極層３に接続されている。そして、該透明電極層３が隣接するセルにまたがっているため、裏面電極層５と隣接するセルの透明電極層３とが電気的に接続されている。
【００２０】
また、裏面電極層５および光電変換層４には、第１の溝７および第２の溝８とは異なる箇所で、絶縁性透光基板２の面内方向における略中心部Ｃから外周に向かって、透明電極層３に達するストライプ状の第３の溝９が形成されて、各単位セル１が分離されている。このように、単位セル１の透明電極層３が、隣接する単位セル１の裏面電極層５と接続することによって、隣接する単位セル１が電気的に直列接続している。
【００２１】
このような実施の形態１にかかるモジュール１０では、絶縁性透光基板２の裏面（単位セル１が形成されていない方の面）から太陽光が入射すると、光電変換層４で自由キャリアが生成され、電流が発生する。各単位セル１で発生した電流は透明電極層３と裏面電極層５とを介して隣接する単位セル１に流れ込み、モジュール１０全体の発電電力を生成する。
【００２２】
モジュール１０全体の発電電力は、透明電極層３に接続された端子３ｃ、裏面電極層５に接続された端子５ｃから基板外に取り出される。このため、図１におけるＢ−Ｂ’の部分のように、光電変換セル間の少なくとも１か所に、単位セル１ａの透明電極層３と、該単位セル１ａに隣接する単位セル１ｂの裏面電極層５とが電気的に接続されない領域を設けておく。図１においては、この領域を挟む単位セル１ｂの透明電極層３に端子３ｃが接続され、単位セル１ａの裏面電極層５に端子５ｃが接続される。
【００２３】
図３は、モジュール１０の断面構造を説明するための図であり、図１の線分Ｂ−Ｂ’における要部断面図である。図３においては、モジュール１０で発生した電力をモジュール１０の外部に取り出すための端子５ｃが接続されている単位セル１ａと、同じくモジュール１０で発生した電力をモジュール１０の外部に取り出すための端子３ｃが接続されている単位セル１ｂと、の断面を示している。
【００２４】
端子５ｃが接続されている単位セル１ａは、図３に示すように光電変換層４に第２の溝８が形成されていない。これにより、単位セル１ａの裏面電極層５は、隣接する単位セル１ｂと電気的に分離された構造とされている。
【００２５】
透明電極層３は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム錫（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）などの透明導電性酸化膜や、これらの透明導電性酸化膜にアルミニウム（Ａｌ）を添加した膜などの透光性の膜によって構成される。また、透明電極層３は、表面に凹凸が形成された表面テクスチャ構造を有する。このテクスチャ構造は、入射した太陽光を散乱させ、光電変換層４での光利用効率を高める機能を有する。
【００２６】
図４は、実施の形態１にかかるモジュール１０における光電変換層４の膜厚分布を説明するための模式図である。光電変換層４は、プラズマＣＶＤ法で形成されており、その膜厚は図４に示すように絶縁性透光基板２の面内方向における略中心部Ｃが一番厚く、絶縁性透光基板２の外周方向に向かうにしたがって徐々に薄くなる、略同心円状の分布を有する。例えば並行平板型プラズマ電極を有するプラズマＣＶＤ装置で電極間に発生するプラズマの密度が電極中央と周辺で異なる場合、このような膜厚分布となる。
【００２７】
光電変換層４は、ｐ型の水素化アモルファス炭化シリコン（ａ−ＳｉＣ：Ｈ）、ｉ型の水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）、ｎ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）からなるｐｉｎ接合を形成している。また、ｎ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）の代わりに、ｎ型のａ−Ｓｉ：Ｈを使用してもよい。
【００２８】
また、光電変換層４は、ｐ型の水素化アモルファス炭化シリコン（ａ−ＳｉＣ：Ｈ）、ｉ型の水素化アモルファス炭化シリコン（ａ−ＳｉＣ：Ｈ）、ｎ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）、ｐ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）、ｉ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）、ｎ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）からなる二段のｐｉｎ接合構成としてもよい。二段のｐｉｎ接合の場合には、それぞれのｐｉｎ接合間を一酸化微結晶シリコン（μｃ−ＳｉＯ）、アルミニウム添加酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ａｌ）を挿入して、ｐｉｎ接合間の電気的、光学的接続を改善してもよい。
【００２９】
裏面電極層５は、光電変換層４と異なる形状・位置でパターニングされており、図２に示すように透明導電性金属化合物層５ａと金属層５ｂとから構成されている。ここで、透明導電性金属化合物層５ａには例えば酸化スズ（ＳｎＯ２）が用いられる。また、金属層５ｂには、例えば銀（Ａｇ）またはアルミニウム（Ａｌ）が用いられる。
【００３０】
図５は、実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールの他の構成例を示す断面図である。図５に示すように絶縁性透光基板２上には不純物の阻止層として、必要に応じて酸化珪素（以下単にＳｉＯ２と記す）のアンダーコート層６を設けた構成としてもよい。
【００３１】
つぎに、このような実施の形態１にかかるモジュール１０の主たる製造工程について図６−１〜図６−３および図７−１〜図７−３を参照して説明する。図６−１〜図６−３は、モジュール１０の製造方法の一例を説明するための平面図であり、絶縁性透光基板２を上から見た平面図である。図７−１〜図７−３は、モジュール１０の製造方法の一例を説明するための断面図であり、図１の線分Ａ−Ａ’に対応する断面図である。はじめに絶縁性透光基板２を用意する。絶縁性透光基板２としては、例えば白板ガラス基板を用いることができる。
【００３２】
つぎに、絶縁性透光基板２の一面側に、透明電極層３となるＺｎＯ膜をスパッタリング法により形成する。また、ＺｎＯ膜の他にＩＴＯ、ＳｎＯ２などの透明導電性酸化膜や、導電率向上のためにこれらの透明導電性酸化膜にＡｌなどの金属を添加した膜を用いることができる。また、成膜方法として、ＣＶＤ法などの他の成膜方法を用いてもよい。
【００３３】
その後、例えば希塩酸でＺｎＯ膜の表面をエッチングし、表面に凹凸が形成された表面テクスチャ構造を形成する。ただし、ＳｎＯ２、ＺｎＯ等の膜をＣＶＤ法により形成した場合には自己組織的に膜の表面に凹凸が形成されるため、希塩酸を用いたエッチングによる凹凸の形成は必要ない。
【００３４】
そして、透明電極層３の一部を切断・除去して、図６−１および図７−１に示すように透明電極層３を略扇型の形状にパターニングする。透明電極層３のパターニングは、レーザスクライブにより、絶縁性透光基板２の面内方向における略中心部Ｃから外周に向かって、絶縁性透光基板２に達するストライプ状の第１の溝７を形成することで行う。
【００３５】
つぎに、透明電極層３上に、薄膜半導体層をプラズマＣＶＤ法により堆積し、光電変換層４を形成する。薄膜半導体層としては、例えばｐ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、ｉ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、ｎ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層とをこの順で積層して、ＰＩＮ接合を形成する光電変換層４を形成する。
【００３６】
ついで、真空蒸着により光電変換層４上に透明導電性金属化合物層５ａとして例えば酸化スズ（ＳｎＯ２）を成膜する。そして、透明導電性金属化合物層５ａおよび光電変換層４の一部を切断・除去して、図６−２および図７−２に示すように透明導電性金属化合物層５ａおよび光電変換層４を略扇型の形状にパターニングする。透明導電性金属化合物層５ａおよび光電変換層４のパターニングは、レーザスクライブにより絶縁性透光基板２の面内方向における略中心部Ｃから外周に向かって、透明電極層３に達するストライプ状の第２の溝８を形成することで行う。
【００３７】
ここで、透明導電性金属化合物層５ａおよび光電変換層４をレーザスクライブする際には、予め光電変換層４の面内分布を測定し、各箇所での単位セル１の出力電流値の相対分布を予測する。そして、この予測結果に基づいて、各単位セル１の出力電流が同じになる形状を決定し、光電変換層４を加工する。なお、単位セル１ａには、第２の溝８を形成しない。
【００３８】
つぎに、第２の溝８を形成した透明導電性金属化合物層５ａ上に金属層５ｂとして例えば銀（Ａｇ）をスパッタリング法により成膜して裏面電極層５を形成する。このとき、第２の溝８内を金属層５ｂが満たすような条件で金属層５ｂを形成する。その後、裏面電極層５および光電変換層４の一部を切断・除去して、図６−３および図７−３に示すように裏面電極層５および光電変換層４を略扇型の形状にパターニングし、複数の単位セル１に分離する。裏面電極層５および光電変換層４のパターニングは、レーザスクライブにより絶縁性透光基板２の面内方向における略中心部Ｃから外周に向かって、第１の溝７および第２の溝８と異なる箇所で透明電極層３に達するストライプ状の第３の溝９を形成することで行う。以上によりモジュール１０が得られる。
【００３９】
以上のような実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュール１０では、各単位薄膜光電変換セル１の出力電流値が同じになるように光電変換層４の膜厚の面内分布に応じて単位薄膜光電変換セル１が配置されており、各単位薄膜光電変換セル１の光電変換層４の面積が略同一であり、各薄膜光電変換セル１には光電変換層４の全ての膜厚領域が同じ割合で存在する。
【００４０】
このように、実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュール１０においては、各単位薄膜光電変換セル１の出力電流値がほぼ同一とされており、各単位薄膜光電変換セル１の発生電流が略同一になるように予め調整されているため、単位薄膜光電変換セル１毎の出力電流のばらつきに起因した出力特性の低下が防止されており、良好なモジュール出力特性を有する薄膜光電変換モジュールが歩留まり良く得られる。
【００４１】
また、薄膜光電変換モジュール１０では、各単位薄膜光電変換セル１における光電変換層である光電変換層４が、絶縁性透光基板２の面内方向における略中心部Ｃを中心に、該中心部Ｃからの距離に従って膜厚が徐々に変化する（薄くなる）略同心円状の膜厚分布を有する。そして、全ての単位薄膜光電変換セル１が、光電変換層４の全ての膜厚部分を略同一比率で含むように構成されている。このようにある点を中心にその点からの距離に従って膜厚が変化する場合に、その点から放射状に延びる溝によって単位薄膜光電変換セル１同士を分離し、たとえば上記のような放射状に幅が広がる扇型の形状の単位薄膜光電変換セル１とするとよい。こうすることにより、厚膜の光電変換層４を含む比率が特定の単位薄膜光電変換セル１において高い、薄膜の光電変換層４を含む比率が特定の単位薄膜光電変換セル１において高い、などのように単位薄膜光電変換セル１毎に有する光電変換層４の厚みにばらつきがなくなる。
【００４２】
これにより、薄膜光電変換モジュール１０の使用時に発生する経年劣化の割合を全ての単位薄膜光電変換セル１において略同一とすることができ、単位薄膜光電変換セル１間の発生電流バランスを長期に渡って一定に保つことができ、長期使用に対しても初期と同じ最適なモジュール特性を維持できる。すなわち、各単位薄膜光電変換セル１が物理的（構造、光電変換層４の膜厚分布）に略等価になり、使用による劣化の程度も同じになるため、単位薄膜光電変換セル１間で光電変換層４の膜厚が異なることに起因した各単位薄膜光電変換セル１の経年劣化の程度のばらつきの発生を防止し、単位薄膜光電変換セル１間の発生電流バランスを長期に渡って一定に保つことができる。その結果、各単位薄膜光電変換セル１間の特性バランスが使用の前後で崩れることがなく、長期使用に対しても初期と同じ最適なモジュール特性を維持することができ、薄膜光電変換モジュール１０の出力特性が向上する、という従来にない顕著な効果を奏するものである。
【００４３】
特に、光電変換層４の膜厚が、絶縁性透光基板２の中央部に対して周辺部が１０〜５０％薄い（または厚い）など、絶縁性透光基板２の面内において光電変換層４の膜厚分布の変化が著しい場合において、それぞれの単位薄膜光電変換セル１の性能を均一化できるので効果が大きい。
【００４４】
なお、全ての単位薄膜光電変換セル１が、光電変換層４の全ての膜厚部分を略同一比率で含むようにするために、絶縁性透光基板２は、面内方向における中心に対して対称な形状が好ましい。このような形状としては、例えば図１に示したように正方形に近い形状や、円形、正多角形のような形状が挙げられる。また、正方形、正六角形、などの基板形状は、薄膜光電変換モジュール１０を複数配列する際に薄膜光電変換モジュール１０間の隙間が小さくなるように配列できる。このため、正方形、正六角形、などの形状の絶縁性透光基板２を用いた複数の薄膜光電変換モジュール１０を配列接続することで、設置面積が少ない光発電装置を得ることができる。
【００４５】
実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２にかかる薄膜光電変換モジュール（以下、モジュールと呼ぶ場合がある）２０の概略構成を示す平面図である。図９は、モジュール２０の断面構造を説明するための図であり、図８の円弧線分Ｄ−Ｄ’における要部断面図である。なお、以下の図面において、図２と同じ部材については同じ符号を付している。
【００４６】
図８に示すように、実施の形態２にかかるモジュール２０は、略長方形状の絶縁性透光基板１０２上に略扇型のストライプ状に加工された複数の単位薄膜光電変換セル（以下、単位セルと呼ぶ場合がある）１０１を備えている。詳細には、絶縁性透光基板１０２の一つの辺Ｅの略中央部ＥＣからその他の３つの辺へ向かって放射線状に加工された複数の単位セル１０１を備えている。単位セル１０１は、図９に示すように透明電極層３と、光電変換層４と、裏面電極層５と、が絶縁性透光基板１０２上にこの順で順次積層されて構成されている。
【００４７】
絶縁性透光基板１０２上に形成された透明電極層３には、絶縁性透光基板１０２の一つの辺Ｅの略中央部ＥＣからその他の３つの辺へ向かって、絶縁性透光基板１０２に達するストライプ状の第１の溝７が形成されおり、この第１の溝７の部分には光電変換層４が埋め込まれている。この第１の溝７の部分に光電変換層４が埋め込まれることで、透明電極層３が隣接するセルにまたがるようにセル毎に分離されて形成されている。
【００４８】
また、透明電極層３上に形成された光電変換層４には、第１の溝７と異なる箇所において、絶縁性透光基板１０２の一つの辺Ｅの略中央部ＥＣからその他の３つの辺へ向かって、透明電極層３に達するストライプ状の第２の溝８が形成されている。この第２の溝８の部分に裏面電極層５が埋め込まれることで、裏面電極層５が透明電極層３に接続されている。そして、該透明電極層３が隣接するセルにまたがっているため、裏面電極層５と隣接するセルの透明電極層３とが電気的に接続されている。
【００４９】
また、裏面電極層５および光電変換層４には、第１の溝７および第２の溝８とは異なる箇所で、絶縁性透光基板１０２の一つの辺Ｅの略中央部ＥＣからその他の３つの辺へ向かって、絶縁性透光基板１０２に達するストライプ状の第３の溝９が形成されて、各単位セル１０１が分離されている。このように、各単位セル１０１の透明電極層３が、隣接する単位セル１０１の裏面電極層５と接続することによって、各単位セル１０１が直列接続している。
【００５０】
このような実施の形態２にかかるモジュール２０では、絶縁性透光基板１０２の裏面（単位セル１０１が形成されていない方の面）から太陽光が入射すると、光電変換層４で自由キャリアが生成され、電流が発生する。各単位セル１で発生した電流は透明電極層３と裏面電極層５とを介して隣接する単位セル１０１に流れ込み、モジュール２０全体の発電電力を生成する。
【００５１】
モジュール２０全体の発電電力は、透明電極層３に接続された端子３ｃ、裏面電極層５に接続された端子５ｃから基板外に取り出される。このため、直列接続された単位セル１０１の両端に位置する、単位セル１０１ｂの透明電極層３と、単位セル１０１ａの裏面電極層５とは、電気的に接続されておらず、電気的に分離された構造とされている。そして、単位セル１０１ｂの透明電極層３に端子３ｃが接続され、単位セル１０１ａの裏面電極層５に端子５ｃが接続される。
【００５２】
図１０は、実施の形態２にかかるモジュール２０における光電変換層４の膜厚分布を説明するための模式図である。光電変換層４は、プラズマＣＶＤ法で形成されており、その膜厚は図１０に示すように絶縁性透光基板１０２の面内方向において、一つの辺Ｅの略中央部ＥＣが一番厚く、そこからその他の３つの辺へ向かうにしたがって徐々に薄くなる、略同心円状の分布を有する。例えば並行平板型プラズマ電極を有するプラズマＣＶＤ装置で電極間に発生するプラズマの密度が電極中央と周辺で異なる場合、このような膜厚分布となる。
【００５３】
このような実施の形態２にかかるモジュール２０は、光電変換層４の膜厚が絶縁性透光基板１０２の面内方向において一つの辺Ｅの略中央部ＥＣが一番厚くなり、そこからその他の３つの辺へ向かうにしたがって徐々に薄くなるように形成し、透明電極層３、光電変換層４、裏面電極層５のスクライブを辺Ｅの略中央部ＥＣを起点として行うこと以外は、実施の形態１のモジュール１０と同様の工程により作製することができる。
【００５４】
以上のような実施の形態２にかかる薄膜光電変換モジュール２０では、各単位薄膜光電変換セル１０１の出力電流値が同じになるように光電変換層４の膜厚の面内分布に応じて単位薄膜光電変換セル１０１が配置されており、各単位薄膜光電変換セル１０１の光電変換層４の面積が近似的にほぼ同じであり、各単位薄膜光電変換セル１０１には光電変換層４の全ての膜厚領域が近似的にほぼ同じ割合で存在する。
【００５５】
このように、実施の形態２にかかる薄膜光電変換モジュール２０においては、各単位薄膜光電変換セル１０１の出力電流値がほぼ同一とされており、各単位薄膜光電変換セル１０１の発生電流が略同一になるように予め調整されているため、単位薄膜光電変換セル１０１毎の出力電流のばらつきに起因した出力特性の低下が防止されており、良好なモジュール出力特性を有する単位薄膜光電変換モジュールが歩留まり良く得られる。
【００５６】
また、薄膜光電変換モジュール２０では、各単位薄膜光電変換セル１０１における光電変換層である光電変換層４が、絶縁性透光基板１０２の面内方向において一つの辺Ｅの略中央部ＥＣを中心に、該略中央部ＥＣからの距離に従って膜厚が徐々に変化する（薄くなる）略同心円状の膜厚分布を有する。そして、全ての単位薄膜光電変換セル１０１が、光電変換層４の全ての膜厚部分を近似的に略同一比率で含むように構成されている。すなわち、厚膜の光電変換層４を含む比率が特定の単位薄膜光電変換セル１０１において高い、薄膜の光電変換層４を含む比率が特定の単位薄膜光電変換セル１０１において高い、などのように単位薄膜光電変換セル１０１毎に光電変換層４の厚みにばらつきがない。
【００５７】
これにより、薄膜光電変換モジュール２０の使用時に発生する経年劣化の割合を全ての単位薄膜光電変換セル１０１において略同一とすることができ、単位薄膜光電変換セル１０１間の発生電流バランスを長期に渡って一定に保つことができ、長期使用に対しても初期と同じ最適なモジュール特性を維持できる。すなわち、各単位薄膜光電変換セル１０１が物理的（構造、光電変換層４の膜厚分布）に略等価になり、使用による劣化の程度も同じになるため、単位薄膜光電変換セル１０１間で光電変換層４の膜厚が異なることに起因した各単位薄膜光電変換セル１０１の経年劣化の程度のばらつきの発生を防止し、単位薄膜光電変換セル１０１間の発生電流バランスを長期に渡って一定に保つことができる。その結果、各単位薄膜光電変換セル１０１間の特性バランスが使用の前後で崩れることがなく、長期使用に対しても初期と同じ最適なモジュール特性を維持することができ、薄膜光電変換モジュール２０の出力特性が向上する、という従来にない顕著な効果を奏するものである。
【００５８】
特に、光電変換層４の膜厚が、絶縁性透光基板１０２の一つの辺Ｅの略中央部ＥＣに対してその他の３つの辺の周辺部が１０〜５０％薄い（または厚い）など、絶縁性透光基板１０２の面内において光電変換層４の膜厚分布の変化が著しい場合において、それぞれの単位薄膜光電変換セル１０１の性能を均一化できるので効果が大きい。
【００５９】
なお、全ての単位薄膜光電変換セル１０１が、光電変換層４の全ての膜厚部分を近似的に略同一比率で含むようにするために、絶縁性透光基板１０２は、例えば正多角形を半分に分割したような形状が好ましい。また、図６に示した長方形の基板形状は、薄膜光電変換モジュール２０を複数配列する際に薄膜光電変換モジュール２０間の隙間が小さくなるように配列できる。このため、長方形の絶縁性透光基板１０２を用いた複数の薄膜光電変換モジュール２０を配列接続することで、設置面積が少ない光発電装置を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上のように、本発明にかかる薄膜光電変換装置は、長期にわたって高い発電効率が要求される用途に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールの概略構成を示す平面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールの断面構造を説明するための図であり、図１の円弧線分Ａ−Ａ’における要部断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールの断面構造を説明するための図であり、図１の線分Ｂ−Ｂ’における断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールにおける光電変換層の膜厚分布を説明するための模式図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールの他の構成例を示す断面図である。
【図６−１】本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールの製造方法の一例を説明するための平面図である。
【図６−２】本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールの製造方法の一例を説明するための平面図である。
【図６−３】本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールの製造方法の一例を説明するための平面図である。
【図７−１】本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールの製造方法の一例を説明するための断面図である。
【図７−２】本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールの製造方法の一例を説明するための断面図である。
【図７−３】本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールの製造方法の一例を説明するための断面図である。
【図８】本発明の実施の形態２にかかる薄膜光電変換モジュールの概略構成を示す平面図である。
【図９】本発明の実施の形態２にかかる薄膜光電変換モジュールの断面構造を説明するための図であり、図８の円弧線分Ｄ−Ｄ’における要部断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態２にかかる薄膜光電変換モジュールにおける光電変換層の膜厚分布を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 単位薄膜光電変換セル（単位セル）
１ａ 単位薄膜光電変換セル（単位セル）
１ｂ 単位薄膜光電変換セル（単位セル）
２ 絶縁性透光基板
３ 透明電極層
３ｃ 端子
４ 光電変換層
５ 裏面電極層
５ａ 透明導電性金属化合物層
５ｂ 金属層
５ｃ 端子
６ アンダーコート層
７ 第１の溝
８ 第２の溝
９ 第３の溝
１０ 薄膜光電変換モジュール（モジュール）
２０ 薄膜光電変換モジュール（モジュール）
１０１ 単位薄膜光電変換セル（単位セル）
１０２ 絶縁性透光基板
Ｃ 絶縁性透光基板の面内方向における略中心部
Ｅ 絶縁性透光基板の一つの辺
ＥＣ 絶縁性透光基板の一つの辺Ｅの略中央部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜光電変換装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の太陽電池の薄膜太陽電池モジュール（薄膜光電変換モジュール）では、例えば光透過性を有する透明電極層が形成された基板に薄膜半導体層を光電変換層として形成し、裏面側に裏面電極層として反射導電膜を形成して薄膜太陽電池セル（薄膜光電変換セル）が構成されている。この太陽電池セルでは、表面側（透明電極側）からの光入射により光起電力を発生する。
【０００３】
そして、複数の薄膜太陽電池セルが、隣り合うセル同士間で所定の距離を隔てて配置された状態で電気的に直列に接続されて薄膜太陽電池モジュールが構成されている。なお、隣り合う薄膜太陽電池セル間の光電変換層は電気的に分離されている。
【０００４】
このような薄膜光電変換モジュールは、以下に示すような方法により製造されている。まず、表面に凹凸によるテクスチャ構造を有する酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの透明導電性酸化物（Transparent Conductive Oxide：ＴＣＯ）からなる透明電極層が形成された絶縁性透光基板において、レーザ照射により透明電極層の一部を切断・除去して透明電極層をストライプ状に加工する。テクスチャ構造は光電変換セルに入射した太陽光を散乱させ、薄膜半導体層での光利用効率を高める機能を有する。つぎに、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などにより透明電極層上に例えばアモルファスシリコンからなる光電変換層としての薄膜半導体層を形成する。
【０００５】
その後、透明電極層が切断された場所と異なる箇所で、レーザ照射により薄膜半導体層の一部を切断、除去して薄膜半導体層をストライプ状に加工する。ついで、薄膜半導体層上に光反射性金属からなる裏面電極層をスパッタリング法などにより成膜する。その後、透明電極層および薄膜半導体層が切断された場所と異なる箇所で、レーザ照射により裏面電極層の一部を切断、除去して裏面電極層をストライプ状に加工する。そして、このような薄膜光電変換モジュールでは、ストライプ状に加工された薄膜光電変換セルを直列に接続することで、高出力電圧を発生させている。
【０００６】
しかし、薄膜光電変換セルの中に出力電流が小さいセルが存在する場合には、これにより薄膜光電変換モジュールの出力電流が制限されてしまう。その結果、モジュール出力が低下し、必ずしも十分な性能が得られるわけではなかった。
【０００７】
例えば、薄膜光電変換モジュールを構成する薄膜半導体層は、プラズマＣＶＤ法により成膜される。この方法で成膜される薄膜半導体層の膜厚は、成膜時のプラズマＣＶＤ装置内における位置によって分布を有する。例えば、プラズマＣＶＤ装置内において反応ガスの供給ノズルに近い位置で成長した薄膜半導体層は膜厚が厚いが、反応ガスの供給箇所から遠い位置（例えば基板の周縁部）で成長した薄膜半導体層は膜厚が薄くなる。また、プラズマＣＶＤ装置内におけるプラズマ分布なども、薄膜半導体層に膜厚分布を生じさせる要因となる。
【０００８】
この結果、全ての薄膜光電変換セルにおいて薄膜半導体層の膜厚が同じとはならず、薄膜半導体層の膜厚が厚い部分の薄膜光電変換セルで発生する電流密度は大きいが、薄膜半導体層の膜厚が薄い部分の薄膜光電変換セルで発生する電流密度は小さくなり、各薄膜光電変換セルで発生する電流が一定でないことから、モジュール全体として十分な出力特性が得られないという問題が生じる。
【０００９】
これらの問題を解決するために、例えば各薄膜光電変換セルのセル幅を調整することで出力電流値をほぼ同一にし、モジュール特性を改善する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−０７６３８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記従来の技術によれば、各薄膜光電変換セルのセル幅を調整するため出力電流値は同一であるが、薄膜半導体層の膜厚分布について考慮されていないため、薄膜光電変換セル毎に薄膜半導体層の膜厚は違うことになる。一般に薄膜シリコン光電変換セルは光照射により経年劣化し、劣化の度合いは薄膜半導体層の膜厚に依存することが判明している。このため、上記の特許文献１においては初期特性で出力電流値が同一であるようにセル幅を調整しているが、セルによって薄膜半導体層の膜厚が異なるため、劣化の程度がセル毎に異なる。したがって、使用するにつれて各セルの出力電流値が同一でなくなり、モジュール全体として十分な出力特性が得られなくなる、という問題があった。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、薄膜光電変換セルの発生電流値および使用による各薄膜光電変換セルの経年変化の度合いが同一とされ、長期に渡って発電効率に優れた信頼性の高い薄膜光電変換装置およびその製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる薄膜光電変換装置は、絶縁性透光基板上に、透明導電膜からなる第１電極層と、半導体膜からなり光電変換を行う光電変換層と、光を反射する導電膜からなる第２電極層と、がこの順で積層されてなる複数の光電変換セルが配設されるとともに、隣接する前記光電変換セル同士が電気的に直列接続された薄膜光電変換装置であって、前記光電変換層が膜厚分布を有するとともに、全ての前記光電変換セルが前記光電変換層の膜厚分布における全ての膜厚部分を略同一比率で含み、前記光電変換セルが発生する電流値が全ての前記光電変換セルにおいて略同一であること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、全ての光電変換セルが物理的に略等価になり、使用による劣化の程度も同じになるため、光電変換セル間で光電変換層の膜厚が異なることに起因した各薄膜光電変換セルの経年劣化の程度のばらつきの発生を防止し、光電変換セル間の発生電流バランスを長期に渡って一定に保つことができる。したがって、光電変換セル間の特性バランスが使用の前後で崩れることがなく、長期使用に対しても初期と同じ最適なモジュール特性を維持することができ、光電変換装置としての出力特性が向上する、という従来にない顕著な効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明にかかる薄膜光電変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。
【００１６】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換装置である薄膜光電変換モジュール（以下、モジュールと呼ぶ場合がある）１０の概略構成を示す平面図である。図２は、モジュール１０の断面構造を説明するための図であり、図１の円弧線分Ａ−Ａ’における要部断面図である。
【００１７】
図１に示すように、実施の形態１にかかるモジュール１０は、略長方形状の絶縁性透光基板２上に略扇型のストライプ状に加工された複数の単位薄膜光電変換セル（以下、単位セルと呼ぶ場合がある）１を備えている。詳細には、絶縁性透光基板２の面内方向における略中心部Ｃから外周に向かって放射線状に加工された複数の単位セル１を備えている。単位セル１は、図２に示すように透明電極層３と、光電変換層４と、裏面電極層５と、が絶縁性透光基板２上にこの順で順次積層されて構成されている。
【００１８】
絶縁性透光基板２上に形成された透光性の導電膜からなる透明電極層３には、絶縁性透光基板２の面内方向における略中心部Ｃから外周に向かって、絶縁性透光基板２に達するストライプ状の第１の溝７が形成されている。この第１の溝７の部分に光電変換層４が埋め込まれることで、透明電極層３が隣接するセルにまたがるようにセル毎に分離されて形成されている。
【００１９】
また、透明電極層３上に形成された光電変換層４には、第１の溝７と異なる箇所において、絶縁性透光基板２の面内方向における略中心部Ｃから外周に向かって、透明電極層３に達するストライプ状の第２の溝８が形成されている。この第２の溝８の部分に裏面電極層５が埋め込まれることで、裏面電極層５が透明電極層３に接続されている。そして、該透明電極層３が隣接するセルにまたがっているため、裏面電極層５と隣接するセルの透明電極層３とが電気的に接続されている。
【００２０】
また、裏面電極層５および光電変換層４には、第１の溝７および第２の溝８とは異なる箇所で、絶縁性透光基板２の面内方向における略中心部Ｃから外周に向かって、透明電極層３に達するストライプ状の第３の溝９が形成されて、各単位セル１が分離されている。このように、単位セル１の透明電極層３が、隣接する単位セル１の裏面電極層５と接続することによって、隣接する単位セル１が電気的に直列接続している。
【００２１】
このような実施の形態１にかかるモジュール１０では、絶縁性透光基板２の裏面（単位セル１が形成されていない方の面）から太陽光が入射すると、光電変換層４で自由キャリアが生成され、電流が発生する。各単位セル１で発生した電流は透明電極層３と裏面電極層５とを介して隣接する単位セル１に流れ込み、モジュール１０全体の発電電力を生成する。
【００２２】
モジュール１０全体の発電電力は、透明電極層３に接続された端子３ｃ、裏面電極層５に接続された端子５ｃから基板外に取り出される。このため、図１におけるＢ−Ｂ’の部分のように、光電変換セル間の少なくとも１か所に、単位セル１ａの透明電極層３と、該単位セル１ａに隣接する単位セル１ｂの裏面電極層５とが電気的に接続されない領域を設けておく。図１においては、この領域を挟む単位セル１ｂの透明電極層３に端子３ｃが接続され、単位セル１ａの裏面電極層５に端子５ｃが接続される。
【００２３】
図３は、モジュール１０の断面構造を説明するための図であり、図１の線分Ｂ−Ｂ’における要部断面図である。図３においては、モジュール１０で発生した電力をモジュール１０の外部に取り出すための端子５ｃが接続されている単位セル１ａと、同じくモジュール１０で発生した電力をモジュール１０の外部に取り出すための端子３ｃが接続されている単位セル１ｂと、の断面を示している。
【００２４】
端子５ｃが接続されている単位セル１ａは、図３に示すように光電変換層４に第２の溝８が形成されていない。これにより、単位セル１ａの裏面電極層５は、隣接する単位セル１ｂと電気的に分離された構造とされている。
【００２５】
透明電極層３は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム錫（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）などの透明導電性酸化膜や、これらの透明導電性酸化膜にアルミニウム（Ａｌ）を添加した膜などの透光性の膜によって構成される。また、透明電極層３は、表面に凹凸が形成された表面テクスチャ構造を有する。このテクスチャ構造は、入射した太陽光を散乱させ、光電変換層４での光利用効率を高める機能を有する。
【００２６】
図４は、実施の形態１にかかるモジュール１０における光電変換層４の膜厚分布を説明するための模式図である。光電変換層４は、プラズマＣＶＤ法で形成されており、その膜厚は図４に示すように絶縁性透光基板２の面内方向における略中心部Ｃが一番厚く、絶縁性透光基板２の外周方向に向かうにしたがって徐々に薄くなる、略同心円状の分布を有する。例えば並行平板型プラズマ電極を有するプラズマＣＶＤ装置で電極間に発生するプラズマの密度が電極中央と周辺で異なる場合、このような膜厚分布となる。
【００２７】
光電変換層４は、ｐ型の水素化アモルファス炭化シリコン（ａ−ＳｉＣ：Ｈ）、ｉ型の水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）、ｎ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）からなるｐｉｎ接合を形成している。また、ｎ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）の代わりに、ｎ型のａ−Ｓｉ：Ｈを使用してもよい。
【００２８】
また、光電変換層４は、ｐ型の水素化アモルファス炭化シリコン（ａ−ＳｉＣ：Ｈ）、ｉ型の水素化アモルファス炭化シリコン（ａ−ＳｉＣ：Ｈ）、ｎ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）、ｐ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）、ｉ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）、ｎ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）からなる二段のｐｉｎ接合構成としてもよい。二段のｐｉｎ接合の場合には、それぞれのｐｉｎ接合間を一酸化微結晶シリコン（μｃ−ＳｉＯ）、アルミニウム添加酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ａｌ）を挿入して、ｐｉｎ接合間の電気的、光学的接続を改善してもよい。
【００２９】
裏面電極層５は、光電変換層４と異なる形状・位置でパターニングされており、図２に示すように透明導電性金属化合物層５ａと金属層５ｂとから構成されている。ここで、透明導電性金属化合物層５ａには例えば酸化スズ（ＳｎＯ２）が用いられる。また、金属層５ｂには、例えば銀（Ａｇ）またはアルミニウム（Ａｌ）が用いられる。
【００３０】
図５は、実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールの他の構成例を示す断面図である。図５に示すように絶縁性透光基板２上には不純物の阻止層として、必要に応じて酸化珪素（以下単にＳｉＯ２と記す）のアンダーコート層６を設けた構成としてもよい。
【００３１】
つぎに、このような実施の形態１にかかるモジュール１０の主たる製造工程について図６−１〜図６−３および図７−１〜図７−３を参照して説明する。図６−１〜図６−３は、モジュール１０の製造方法の一例を説明するための平面図であり、絶縁性透光基板２を上から見た平面図である。図７−１〜図７−３は、モジュール１０の製造方法の一例を説明するための断面図であり、図１の線分Ａ−Ａ’に対応する断面図である。はじめに絶縁性透光基板２を用意する。絶縁性透光基板２としては、例えば白板ガラス基板を用いることができる。
【００３２】
つぎに、絶縁性透光基板２の一面側に、透明電極層３となるＺｎＯ膜をスパッタリング法により形成する。また、ＺｎＯ膜の他にＩＴＯ、ＳｎＯ２などの透明導電性酸化膜や、導電率向上のためにこれらの透明導電性酸化膜にＡｌなどの金属を添加した膜を用いることができる。また、成膜方法として、ＣＶＤ法などの他の成膜方法を用いてもよい。
【００３３】
その後、例えば希塩酸でＺｎＯ膜の表面をエッチングし、表面に凹凸が形成された表面テクスチャ構造を形成する。ただし、ＳｎＯ２、ＺｎＯ等の膜をＣＶＤ法により形成した場合には自己組織的に膜の表面に凹凸が形成されるため、希塩酸を用いたエッチングによる凹凸の形成は必要ない。
【００３４】
そして、透明電極層３の一部を切断・除去して、図６−１および図７−１に示すように透明電極層３を略扇型の形状にパターニングする。透明電極層３のパターニングは、レーザスクライブにより、絶縁性透光基板２の面内方向における略中心部Ｃから外周に向かって、絶縁性透光基板２に達するストライプ状の第１の溝７を形成することで行う。
【００３５】
つぎに、透明電極層３上に、薄膜半導体層をプラズマＣＶＤ法により堆積し、光電変換層４を形成する。薄膜半導体層としては、例えばｐ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、ｉ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、ｎ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層とをこの順で積層して、ＰＩＮ接合を形成する光電変換層４を形成する。
【００３６】
ついで、真空蒸着により光電変換層４上に透明導電性金属化合物層５ａとして例えば酸化スズ（ＳｎＯ２）を成膜する。そして、透明導電性金属化合物層５ａおよび光電変換層４の一部を切断・除去して、図６−２および図７−２に示すように透明導電性金属化合物層５ａおよび光電変換層４を略扇型の形状にパターニングする。透明導電性金属化合物層５ａおよび光電変換層４のパターニングは、レーザスクライブにより絶縁性透光基板２の面内方向における略中心部Ｃから外周に向かって、透明電極層３に達するストライプ状の第２の溝８を形成することで行う。
【００３７】
ここで、透明導電性金属化合物層５ａおよび光電変換層４をレーザスクライブする際には、予め光電変換層４の面内分布を測定し、各箇所での単位セル１の出力電流値の相対分布を予測する。そして、この予測結果に基づいて、各単位セル１の出力電流が同じになる形状を決定し、光電変換層４を加工する。なお、単位セル１ａには、第２の溝８を形成しない。
【００３８】
つぎに、第２の溝８を形成した透明導電性金属化合物層５ａ上に金属層５ｂとして例えば銀（Ａｇ）をスパッタリング法により成膜して裏面電極層５を形成する。このとき、第２の溝８内を金属層５ｂが満たすような条件で金属層５ｂを形成する。その後、裏面電極層５および光電変換層４の一部を切断・除去して、図６−３および図７−３に示すように裏面電極層５および光電変換層４を略扇型の形状にパターニングし、複数の単位セル１に分離する。裏面電極層５および光電変換層４のパターニングは、レーザスクライブにより絶縁性透光基板２の面内方向における略中心部Ｃから外周に向かって、第１の溝７および第２の溝８と異なる箇所で透明電極層３に達するストライプ状の第３の溝９を形成することで行う。以上によりモジュール１０が得られる。
【００３９】
以上のような実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュール１０では、各単位薄膜光電変換セル１の出力電流値が同じになるように光電変換層４の膜厚の面内分布に応じて単位薄膜光電変換セル１が配置されており、各単位薄膜光電変換セル１の光電変換層４の面積が略同一であり、各薄膜光電変換セル１には光電変換層４の全ての膜厚領域が同じ割合で存在する。
【００４０】
このように、実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュール１０においては、各単位薄膜光電変換セル１の出力電流値がほぼ同一とされており、各単位薄膜光電変換セル１の発生電流が略同一になるように予め調整されているため、単位薄膜光電変換セル１毎の出力電流のばらつきに起因した出力特性の低下が防止されており、良好なモジュール出力特性を有する薄膜光電変換モジュールが歩留まり良く得られる。
【００４１】
また、薄膜光電変換モジュール１０では、各単位薄膜光電変換セル１における光電変換層である光電変換層４が、絶縁性透光基板２の面内方向における略中心部Ｃを中心に、該中心部Ｃからの距離に従って膜厚が徐々に変化する（薄くなる）略同心円状の膜厚分布を有する。そして、全ての単位薄膜光電変換セル１が、光電変換層４の全ての膜厚部分を略同一比率で含むように構成されている。このようにある点を中心にその点からの距離に従って膜厚が変化する場合に、その点から放射状に延びる溝によって単位薄膜光電変換セル１同士を分離し、たとえば上記のような放射状に幅が広がる扇型の形状の単位薄膜光電変換セル１とするとよい。こうすることにより、厚膜の光電変換層４を含む比率が特定の単位薄膜光電変換セル１において高い、薄膜の光電変換層４を含む比率が特定の単位薄膜光電変換セル１において高い、などのように単位薄膜光電変換セル１毎に有する光電変換層４の厚みにばらつきがなくなる。
【００４２】
これにより、薄膜光電変換モジュール１０の使用時に発生する経年劣化の割合を全ての単位薄膜光電変換セル１において略同一とすることができ、単位薄膜光電変換セル１間の発生電流バランスを長期に渡って一定に保つことができ、長期使用に対しても初期と同じ最適なモジュール特性を維持できる。すなわち、各単位薄膜光電変換セル１が物理的（構造、光電変換層４の膜厚分布）に略等価になり、使用による劣化の程度も同じになるため、単位薄膜光電変換セル１間で光電変換層４の膜厚が異なることに起因した各単位薄膜光電変換セル１の経年劣化の程度のばらつきの発生を防止し、単位薄膜光電変換セル１間の発生電流バランスを長期に渡って一定に保つことができる。その結果、各単位薄膜光電変換セル１間の特性バランスが使用の前後で崩れることがなく、長期使用に対しても初期と同じ最適なモジュール特性を維持することができ、薄膜光電変換モジュール１０の出力特性が向上する、という従来にない顕著な効果を奏するものである。
【００４３】
特に、光電変換層４の膜厚が、絶縁性透光基板２の中央部に対して周辺部が１０〜５０％薄い（または厚い）など、絶縁性透光基板２の面内において光電変換層４の膜厚分布の変化が著しい場合において、それぞれの単位薄膜光電変換セル１の性能を均一化できるので効果が大きい。
【００４４】
なお、全ての単位薄膜光電変換セル１が、光電変換層４の全ての膜厚部分を略同一比率で含むようにするために、絶縁性透光基板２は、面内方向における中心に対して対称な形状が好ましい。このような形状としては、例えば図１に示したように正方形に近い形状や、円形、正多角形のような形状が挙げられる。また、正方形、正六角形、などの基板形状は、薄膜光電変換モジュール１０を複数配列する際に薄膜光電変換モジュール１０間の隙間が小さくなるように配列できる。このため、正方形、正六角形、などの形状の絶縁性透光基板２を用いた複数の薄膜光電変換モジュール１０を配列接続することで、設置面積が少ない光発電装置を得ることができる。
【００４５】
実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２にかかる薄膜光電変換モジュール（以下、モジュールと呼ぶ場合がある）２０の概略構成を示す平面図である。図９は、モジュール２０の断面構造を説明するための図であり、図８の円弧線分Ｄ−Ｄ’における要部断面図である。なお、以下の図面において、図２と同じ部材については同じ符号を付している。
【００４６】
図８に示すように、実施の形態２にかかるモジュール２０は、略長方形状の絶縁性透光基板１０２上に略扇型のストライプ状に加工された複数の単位薄膜光電変換セル（以下、単位セルと呼ぶ場合がある）１０１を備えている。詳細には、絶縁性透光基板１０２の一つの辺Ｅの略中央部ＥＣからその他の３つの辺へ向かって放射線状に加工された複数の単位セル１０１を備えている。単位セル１０１は、図９に示すように透明電極層３と、光電変換層４と、裏面電極層５と、が絶縁性透光基板１０２上にこの順で順次積層されて構成されている。
【００４７】
絶縁性透光基板１０２上に形成された透明電極層３には、絶縁性透光基板１０２の一つの辺Ｅの略中央部ＥＣからその他の３つの辺へ向かって、絶縁性透光基板１０２に達するストライプ状の第１の溝７が形成されおり、この第１の溝７の部分には光電変換層４が埋め込まれている。この第１の溝７の部分に光電変換層４が埋め込まれることで、透明電極層３が隣接するセルにまたがるようにセル毎に分離されて形成されている。
【００４８】
また、透明電極層３上に形成された光電変換層４には、第１の溝７と異なる箇所において、絶縁性透光基板１０２の一つの辺Ｅの略中央部ＥＣからその他の３つの辺へ向かって、透明電極層３に達するストライプ状の第２の溝８が形成されている。この第２の溝８の部分に裏面電極層５が埋め込まれることで、裏面電極層５が透明電極層３に接続されている。そして、該透明電極層３が隣接するセルにまたがっているため、裏面電極層５と隣接するセルの透明電極層３とが電気的に接続されている。
【００４９】
また、裏面電極層５および光電変換層４には、第１の溝７および第２の溝８とは異なる箇所で、絶縁性透光基板１０２の一つの辺Ｅの略中央部ＥＣからその他の３つの辺へ向かって、絶縁性透光基板１０２に達するストライプ状の第３の溝９が形成されて、各単位セル１０１が分離されている。このように、各単位セル１０１の透明電極層３が、隣接する単位セル１０１の裏面電極層５と接続することによって、各単位セル１０１が直列接続している。
【００５０】
このような実施の形態２にかかるモジュール２０では、絶縁性透光基板１０２の裏面（単位セル１０１が形成されていない方の面）から太陽光が入射すると、光電変換層４で自由キャリアが生成され、電流が発生する。各単位セル１で発生した電流は透明電極層３と裏面電極層５とを介して隣接する単位セル１０１に流れ込み、モジュール２０全体の発電電力を生成する。
【００５１】
モジュール２０全体の発電電力は、透明電極層３に接続された端子３ｃ、裏面電極層５に接続された端子５ｃから基板外に取り出される。このため、直列接続された単位セル１０１の両端に位置する、単位セル１０１ｂの透明電極層３と、単位セル１０１ａの裏面電極層５とは、電気的に接続されておらず、電気的に分離された構造とされている。そして、単位セル１０１ｂの透明電極層３に端子３ｃが接続され、単位セル１０１ａの裏面電極層５に端子５ｃが接続される。
【００５２】
図１０は、実施の形態２にかかるモジュール２０における光電変換層４の膜厚分布を説明するための模式図である。光電変換層４は、プラズマＣＶＤ法で形成されており、その膜厚は図１０に示すように絶縁性透光基板１０２の面内方向において、一つの辺Ｅの略中央部ＥＣが一番厚く、そこからその他の３つの辺へ向かうにしたがって徐々に薄くなる、略同心円状の分布を有する。例えば並行平板型プラズマ電極を有するプラズマＣＶＤ装置で電極間に発生するプラズマの密度が電極中央と周辺で異なる場合、このような膜厚分布となる。
【００５３】
このような実施の形態２にかかるモジュール２０は、光電変換層４の膜厚が絶縁性透光基板１０２の面内方向において一つの辺Ｅの略中央部ＥＣが一番厚くなり、そこからその他の３つの辺へ向かうにしたがって徐々に薄くなるように形成し、透明電極層３、光電変換層４、裏面電極層５のスクライブを辺Ｅの略中央部ＥＣを起点として行うこと以外は、実施の形態１のモジュール１０と同様の工程により作製することができる。
【００５４】
以上のような実施の形態２にかかる薄膜光電変換モジュール２０では、各単位薄膜光電変換セル１０１の出力電流値が同じになるように光電変換層４の膜厚の面内分布に応じて単位薄膜光電変換セル１０１が配置されており、各単位薄膜光電変換セル１０１の光電変換層４の面積が近似的にほぼ同じであり、各単位薄膜光電変換セル１０１には光電変換層４の全ての膜厚領域が近似的にほぼ同じ割合で存在する。
【００５５】
このように、実施の形態２にかかる薄膜光電変換モジュール２０においては、各単位薄膜光電変換セル１０１の出力電流値がほぼ同一とされており、各単位薄膜光電変換セル１０１の発生電流が略同一になるように予め調整されているため、単位薄膜光電変換セル１０１毎の出力電流のばらつきに起因した出力特性の低下が防止されており、良好なモジュール出力特性を有する単位薄膜光電変換モジュールが歩留まり良く得られる。
【００５６】
また、薄膜光電変換モジュール２０では、各単位薄膜光電変換セル１０１における光電変換層である光電変換層４が、絶縁性透光基板１０２の面内方向において一つの辺Ｅの略中央部ＥＣを中心に、該略中央部ＥＣからの距離に従って膜厚が徐々に変化する（薄くなる）略同心円状の膜厚分布を有する。そして、全ての単位薄膜光電変換セル１０１が、光電変換層４の全ての膜厚部分を近似的に略同一比率で含むように構成されている。すなわち、厚膜の光電変換層４を含む比率が特定の単位薄膜光電変換セル１０１において高い、薄膜の光電変換層４を含む比率が特定の単位薄膜光電変換セル１０１において高い、などのように単位薄膜光電変換セル１０１毎に光電変換層４の厚みにばらつきがない。
【００５７】
これにより、薄膜光電変換モジュール２０の使用時に発生する経年劣化の割合を全ての単位薄膜光電変換セル１０１において略同一とすることができ、単位薄膜光電変換セル１０１間の発生電流バランスを長期に渡って一定に保つことができ、長期使用に対しても初期と同じ最適なモジュール特性を維持できる。すなわち、各単位薄膜光電変換セル１０１が物理的（構造、光電変換層４の膜厚分布）に略等価になり、使用による劣化の程度も同じになるため、単位薄膜光電変換セル１０１間で光電変換層４の膜厚が異なることに起因した各単位薄膜光電変換セル１０１の経年劣化の程度のばらつきの発生を防止し、単位薄膜光電変換セル１０１間の発生電流バランスを長期に渡って一定に保つことができる。その結果、各単位薄膜光電変換セル１０１間の特性バランスが使用の前後で崩れることがなく、長期使用に対しても初期と同じ最適なモジュール特性を維持することができ、薄膜光電変換モジュール２０の出力特性が向上する、という従来にない顕著な効果を奏するものである。
【００５８】
特に、光電変換層４の膜厚が、絶縁性透光基板１０２の一つの辺Ｅの略中央部ＥＣに対してその他の３つの辺の周辺部が１０〜５０％薄い（または厚い）など、絶縁性透光基板１０２の面内において光電変換層４の膜厚分布の変化が著しい場合において、それぞれの単位薄膜光電変換セル１０１の性能を均一化できるので効果が大きい。
【００５９】
なお、全ての単位薄膜光電変換セル１０１が、光電変換層４の全ての膜厚部分を近似的に略同一比率で含むようにするために、絶縁性透光基板１０２は、例えば正多角形を半分に分割したような形状が好ましい。また、図６に示した長方形の基板形状は、薄膜光電変換モジュール２０を複数配列する際に薄膜光電変換モジュール２０間の隙間が小さくなるように配列できる。このため、長方形の絶縁性透光基板１０２を用いた複数の薄膜光電変換モジュール２０を配列接続することで、設置面積が少ない光発電装置を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上のように、本発明にかかる薄膜光電変換装置は、長期にわたって高い発電効率が要求される用途に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールの概略構成を示す平面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールの断面構造を説明するための図であり、図１の円弧線分Ａ−Ａ’における要部断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールの断面構造を説明するための図であり、図１の線分Ｂ−Ｂ’における断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールにおける光電変換層の膜厚分布を説明するための模式図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールの他の構成例を示す断面図である。
【図６−１】本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールの製造方法の一例を説明するための平面図である。
【図６−２】本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールの製造方法の一例を説明するための平面図である。
【図６−３】本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールの製造方法の一例を説明するための平面図である。
【図７−１】本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールの製造方法の一例を説明するための断面図である。
【図７−２】本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールの製造方法の一例を説明するための断面図である。
【図７−３】本発明の実施の形態１にかかる薄膜光電変換モジュールの製造方法の一例を説明するための断面図である。
【図８】本発明の実施の形態２にかかる薄膜光電変換モジュールの概略構成を示す平面図である。
【図９】本発明の実施の形態２にかかる薄膜光電変換モジュールの断面構造を説明するための図であり、図８の円弧線分Ｄ−Ｄ’における要部断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態２にかかる薄膜光電変換モジュールにおける光電変換層の膜厚分布を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 単位薄膜光電変換セル（単位セル）
１ａ 単位薄膜光電変換セル（単位セル）
１ｂ 単位薄膜光電変換セル（単位セル）
２ 絶縁性透光基板
３ 透明電極層
３ｃ 端子
４ 光電変換層
５ 裏面電極層
５ａ 透明導電性金属化合物層
５ｂ 金属層
５ｃ 端子
６ アンダーコート層
７ 第１の溝
８ 第２の溝
９ 第３の溝
１０ 薄膜光電変換モジュール（モジュール）
２０ 薄膜光電変換モジュール（モジュール）
１０１ 単位薄膜光電変換セル（単位セル）
１０２ 絶縁性透光基板
Ｃ 絶縁性透光基板の面内方向における略中心部
Ｅ 絶縁性透光基板の一つの辺
ＥＣ 絶縁性透光基板の一つの辺Ｅの略中央部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性透光基板上に、透明導電膜からなる第１電極層と、半導体膜からなり光電変換を行う光電変換層と、光を反射する導電膜からなる第２電極層と、がこの順で積層されてなる複数の光電変換セルが配設されるとともに、隣接する前記光電変換セル同士が電気的に直列接続された薄膜光電変換装置であって、
前記光電変換層が膜厚分布を有するとともに、全ての前記光電変換セルが前記光電変換層の膜厚分布における全ての膜厚部分を略同一比率で含み、
前記光電変換セルが発生する電流値が全ての前記光電変換セルにおいて略同一であること、
を特徴とする薄膜光電変換装置。
【請求項２】
前記絶縁性透光基板が略正多角形状を呈し、
前記光電変換セルは、前記絶縁性透光基板の面内方向において前記絶縁性透光基板の略中心部から外周に向かって放射線状に配置された扇形の形状を呈すること、
を特徴とする請求項１に記載の薄膜光電変換装置。
【請求項３】
前記絶縁性透光基板が略四角形状を呈し、
前記光電変換セルは、前記絶縁性透光基板の面内方向において前記絶縁性透光基板の一つの辺の略中央部からその他の３つの辺へ向かって放射線状に配置された扇形の形状を呈すること、
を特徴とする請求項１に記載の薄膜光電変換装置。
【請求項４】
絶縁性透光基板上に、透明導電膜からなる第１電極層と、半導体膜からなり光電変換を行う光電変換層と、光を反射する導電膜からなる第２電極層と、がこの順で積層されてなる複数の光電変換セルが配設されるとともに、隣接する前記光電変換セル同士が電気的に直列接続された薄膜光電変換装置の製造方法であって、
前記絶縁性透光基板上に、前記第１電極層と前記光電変換層と前記第２電極層とを含む前記光電変換セルを形成する工程を含み、
前記光電変換層を、全ての前記光電変換セルが前記光電変換層の膜厚分布における全ての膜厚部分を略同一比率で含む形状に形成すること、
を特徴とする薄膜光電変換装置の製造方法。
【請求項１】
絶縁性透光基板上に、透明導電膜からなる第１電極層と、半導体膜からなり光電変換を行う光電変換層と、光を反射する導電膜からなる第２電極層と、がこの順で積層されてなる複数の光電変換セルが配設されるとともに、隣接する前記光電変換セル同士が電気的に直列接続された薄膜光電変換装置であって、
前記光電変換層が膜厚分布を有するとともに、全ての前記光電変換セルが前記光電変換層の膜厚分布における全ての膜厚部分を略同一比率で含み、
前記光電変換セルが発生する電流値が全ての前記光電変換セルにおいて略同一であること、
を特徴とする薄膜光電変換装置。
【請求項２】
前記絶縁性透光基板が略正多角形状を呈し、
前記光電変換セルは、前記絶縁性透光基板の面内方向において前記絶縁性透光基板の略中心部から外周に向かって放射線状に配置された扇形の形状を呈すること、
を特徴とする請求項１に記載の薄膜光電変換装置。
【請求項３】
前記絶縁性透光基板が略四角形状を呈し、
前記光電変換セルは、前記絶縁性透光基板の面内方向において前記絶縁性透光基板の一つの辺の略中央部からその他の３つの辺へ向かって放射線状に配置された扇形の形状を呈すること、
を特徴とする請求項１に記載の薄膜光電変換装置。
【請求項４】
絶縁性透光基板上に、透明導電膜からなる第１電極層と、半導体膜からなり光電変換を行う光電変換層と、光を反射する導電膜からなる第２電極層と、がこの順で積層されてなる複数の光電変換セルが配設されるとともに、隣接する前記光電変換セル同士が電気的に直列接続された薄膜光電変換装置の製造方法であって、
前記絶縁性透光基板上に、前記第１電極層と前記光電変換層と前記第２電極層とを含む前記光電変換セルを形成する工程を含み、
前記光電変換層を、全ての前記光電変換セルが前記光電変換層の膜厚分布における全ての膜厚部分を略同一比率で含む形状に形成すること、
を特徴とする薄膜光電変換装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６−１】
【図６−２】
【図６−３】
【図７−１】
【図７−２】
【図７−３】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６−１】
【図６−２】
【図６−３】
【図７−１】
【図７−２】
【図７−３】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−２９５９４３（Ｐ２００９−２９５９４３Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５１０３７（Ｐ２００８−１５１０３７）
【出願日】平成２０年６月９日（２００８．６．９）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月９日（２００８．６．９）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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