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JP4684306B2 - Method for manufacturing thin film solar cell - Google Patents
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Description

本発明は、薄膜太陽電池およびその製造方法に関し、特に光閉じこめ技術に関する薄膜太陽電池およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a thin-film solar cell and a method for manufacturing the same, and more particularly to a thin-film solar cell related to a light confinement technique and a method for manufacturing the same.

現在薄膜太陽電池に用いられている光閉じこめ技術は、透明絶縁性基板側から光を入射する薄膜太陽電池の場合、透明絶縁性基板上に形成した透明導電膜表面に凹凸構造を形成する方法が用いられている。この凹凸構造を形成する光閉じこめ技術は、光反射率の低減、光散乱効果により、薄膜太陽電池の光変換効率が向上することが一般的に知られている。詳しくは、透明絶縁性基板側から入射してきた光は、凹凸形状を有する透明導電膜と光電変換層との界面で散乱された後に光電変換層に入射するので、光電変換層に概ね斜めに入射する。斜めに光が入射することにより、光の実質的な光路が延びて光の吸収が増大するため、光起電力素子の光電変換特性が向上して出力電流が増加する。   The light confinement technology currently used for thin film solar cells is a method of forming a concavo-convex structure on the surface of a transparent conductive film formed on a transparent insulating substrate in the case of a thin film solar cell that receives light from the transparent insulating substrate side. It is used. It is generally known that the light confinement technology for forming this concavo-convex structure improves the light conversion efficiency of the thin-film solar cell by reducing the light reflectance and the light scattering effect. Specifically, the light incident from the transparent insulating substrate side is scattered at the interface between the concavo-convex transparent conductive film and the photoelectric conversion layer and then enters the photoelectric conversion layer. To do. When light is incident obliquely, the substantial optical path of the light is extended and the light absorption is increased, so that the photoelectric conversion characteristics of the photovoltaic element are improved and the output current is increased.

従来より、凹凸構造を形成する透明導電膜として、SnO2透明導電膜が良く知られている。一般的に、SnO2透明導電膜に形成する凹凸構造は、熱CVD法により数10〜数100nm径の結晶粒を膜表面に成長することにより形成される。しかし、このSnO2膜表面に良好な凹凸構造を形成するためには、500〜600℃の高温プロセスが必要であり、また1μm程度の膜厚を要することから、製造コストが増大する要因の1つとなっている。 Conventionally, a SnO 2 transparent conductive film is well known as a transparent conductive film forming an uneven structure. Generally, the concavo-convex structure formed in the SnO 2 transparent conductive film is formed by growing crystal grains having a diameter of several tens to several hundreds of nanometers on the film surface by a thermal CVD method. However, in order to form a good concavo-convex structure on the surface of the SnO 2 film, a high-temperature process of 500 to 600 ° C. is required and a film thickness of about 1 μm is required. It has become one.

このため近年は、プラズマ耐性に優れ資源の豊富さという観点から、SnO2に変わる材料としてZnOが普及しつつある。しかし、ZnOの場合、表面に良好な凹凸構造を形成するためには、2μm程度の膜厚を要するという問題があった。そこで、ZnO膜を低温形成で薄膜した場合であっても良好な光閉じこめ効果を有する凹凸構造の形成方法として、ガラス基板上にスパッタリング法により透明導電膜を形成し、酸によりエッチングすることで表面に凹凸構造を形成する技術が報告されている。この方法により、太陽電池装置のコスト低減が期待されている。また、下記特許文献1には、透明絶縁性基板上に結晶性膜を形成し、その上に透明導電成膜を形成することにより、透明導電膜を薄膜化し、さらに低温化した場合においても、その表面には良好な凹凸構造が形成されることが開示されている。 Therefore, in recent years, ZnO is becoming popular as a material to replace SnO 2 from the viewpoint of excellent plasma resistance and abundant resources. However, in the case of ZnO, there is a problem that a film thickness of about 2 μm is required in order to form a good uneven structure on the surface. Therefore, as a method of forming a concavo-convex structure having a good light confinement effect even when the ZnO film is thinned by low-temperature formation, a transparent conductive film is formed on a glass substrate by sputtering and etched with acid. A technique for forming a concavo-convex structure has been reported. This method is expected to reduce the cost of the solar cell device. Further, in Patent Document 1 below, even when the crystalline film is formed on a transparent insulating substrate and the transparent conductive film is formed thereon, the transparent conductive film is thinned and further cooled. It is disclosed that a favorable uneven structure is formed on the surface.

また、透明絶縁基板の表面に凹凸を形成する方法も知られている。たとえば、下記特許文献2には平板ガラスに粉末ガラスを載せて溶融することで凹凸を形成する方法が示されている。また、下記特許文献3には、サンドブラスト加工により透明絶縁基板の表面に凹凸を形成することが示されている。   A method for forming irregularities on the surface of a transparent insulating substrate is also known. For example, Patent Document 2 below discloses a method of forming irregularities by placing powder glass on a flat glass and melting it. Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228561 discloses that irregularities are formed on the surface of a transparent insulating substrate by sandblasting.

特開平11−189436号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-189436 特開昭62−98677号公報JP 62-98677 A 特開平9−199745号公報JP-A-9-199745

しかしながら、上述した酸によりエッチングすることで表面に凹凸構造を形成する技術は、エッチングばらつきにより局所的に急峻な突起に起因したピンホールができ、それらによって短絡等の欠陥を発生させ、薄膜太陽電池の歩留まりや信頼性を低下させるという問題があった。   However, the technology for forming a concavo-convex structure on the surface by etching with the above-mentioned acid can cause pinholes due to locally steep protrusions due to etching variations, thereby generating defects such as short-circuits. There was a problem of lowering the yield and reliability.

また、上記特許文献1に記載の凹凸構造を形成する技術は、透明絶縁性基板上に形成する非晶質膜が20nmと薄いため、エネルギービームを照射して微結晶化する際に良質な結晶質膜が得られず、入射光は結晶質膜に吸収され、光透過率が下がるという問題があった。また、特許文献2や特許文献3のように粒子を付着させる方法や機械的な加工法では、上記のような非結晶質膜などの光電変換層の膜厚に比べて大きな段差の凹凸ができやすい。このため光電変換層中に大きな段差が生じて断線などを生じ、薄膜太陽電池の性能を低下させる問題がある。   Further, the technology for forming the concavo-convex structure described in the above-mentioned Patent Document 1 is that an amorphous film formed on a transparent insulating substrate is as thin as 20 nm. There was a problem that no material film was obtained, and incident light was absorbed by the crystalline film, resulting in a decrease in light transmittance. In addition, in the method of attaching particles and the mechanical processing method as in Patent Document 2 and Patent Document 3, the unevenness of a large step can be formed as compared with the film thickness of the photoelectric conversion layer such as the amorphous film as described above. Cheap. For this reason, a big level | step difference arises in a photoelectric converting layer, a disconnection etc. are produced, and there exists a problem of reducing the performance of a thin film solar cell.

そこで本発明はかかる問題を解決するためになされたものであり、透明導電膜を薄膜化させた場合においても良好な光閉じこめ効果を有する凹凸構造を形成し、光吸収損失の低減および信頼性の高い薄膜太陽電池およびその製造方法を得ることを目的とする。   Therefore, the present invention has been made to solve such a problem, and even when the transparent conductive film is thinned, a concavo-convex structure having a good light confinement effect is formed, and light absorption loss is reduced and reliability is improved. It aims at obtaining a high-thin film solar cell and its manufacturing method.

本発明における薄膜太陽電池の製造方法は、(a)透明絶縁基板を準備する工程と、(b)前記透明絶縁基板の表面に凹凸構造を形成する工程と、(c)前記透明絶縁基板上に透明電極層を形成する工程と、(d)前記透明電極層上に光電変換層を形成する工程と、(e)前記光電変換層上に裏面電極層を形成する工程と、を備え、前記工程(b)は、(f)前記透明絶縁基板上に非晶質膜を形成する工程と、(g)前記非晶質膜にレーザ照射を行い、結晶化された結晶質膜を形成する工程と、(h)前記結晶質膜にエッチングを行い、前記結晶質膜を除去する工程と、を備える。   The method for producing a thin-film solar cell in the present invention includes (a) a step of preparing a transparent insulating substrate, (b) a step of forming an uneven structure on the surface of the transparent insulating substrate, and (c) on the transparent insulating substrate. A step of forming a transparent electrode layer, (d) a step of forming a photoelectric conversion layer on the transparent electrode layer, and (e) a step of forming a back electrode layer on the photoelectric conversion layer. (B) (f) forming an amorphous film on the transparent insulating substrate; (g) forming a crystallized crystalline film by irradiating the amorphous film with a laser; (H) etching the crystalline film to remove the crystalline film.

本発明における薄膜太陽電池は、光電変換素子が形成される複数の素子領域と、前記素子領域の間に前記光電変換素子を相互に接続する接続領域と、を透明絶縁基板上に有する薄膜太陽電池であって、前記素子領域内の前記透明絶縁基板の表面に凹凸構造を有し、前記接続領域の前記透明絶縁基板の表面には凹凸構造を有さないことを特徴とする。   The thin film solar cell in the present invention has a plurality of element regions in which photoelectric conversion elements are formed and a connection region that interconnects the photoelectric conversion elements between the element regions on a transparent insulating substrate. The surface of the transparent insulating substrate in the element region has an uneven structure, and the surface of the transparent insulating substrate in the connection region does not have an uneven structure.

本発明の薄膜太陽電池、およびその製造方法によれば、透明導電膜に凹凸構造を形成する工程を行わないため、透明導電膜の形成において成膜時或いは成膜後の制約が無く最適化することができる。従って、スパッタ法のような低温でも良好な透明導電膜を形成することができる。また、レーザ照射条件とエッチング速度の制御により、凹凸構造の形状と深さを容易に制御することができるため、薄膜太陽電池の変換効率の信頼性の向上が図れる。   According to the thin film solar cell and the manufacturing method thereof of the present invention, since the step of forming the concavo-convex structure in the transparent conductive film is not performed, the formation of the transparent conductive film is optimized without restrictions at the time of film formation or after film formation. be able to. Therefore, a favorable transparent conductive film can be formed even at a low temperature such as sputtering. Moreover, since the shape and depth of the concavo-convex structure can be easily controlled by controlling the laser irradiation conditions and the etching rate, the conversion efficiency of the thin-film solar cell can be improved.

<実施の形態1>
図1は、本発明の実施の形態1における薄膜太陽電池20の構成を示した断面図である。薄膜太陽電池20は、表面に凹凸構造を有する透明絶縁性基板1、透明絶縁性基板1上に形成され第1の電極層となる透明導電膜4(透明電極層)、透明導電膜4上に形成される光電変換層12、光電変換層12上に形成され第2の電極層となる裏面電極層8、を備える。また、光電変換層12は少なくとも2層以上で構成され、本実施の形態では、下からP型の非晶質シリコン膜5、i型の非晶質シリコン膜6、N型の非晶質シリコン膜7、を備える。
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of thin-film solar cell 20 according to Embodiment 1 of the present invention. The thin film solar cell 20 includes a transparent insulating substrate 1 having a concavo-convex structure on the surface, a transparent conductive film 4 (transparent electrode layer) formed on the transparent insulating substrate 1 and serving as a first electrode layer, and the transparent conductive film 4. A photoelectric conversion layer 12 to be formed, and a back electrode layer 8 formed on the photoelectric conversion layer 12 and serving as a second electrode layer are provided. The photoelectric conversion layer 12 is composed of at least two layers. In this embodiment, the P-type amorphous silicon film 5, the i-type amorphous silicon film 6, and the N-type amorphous silicon are formed from the bottom in this embodiment. A membrane 7.

図2は、本実施の形態における薄膜太陽電池20の製造工程を示した断面図である。以下、図2を参照して薄膜太陽電池20の製造方法について説明する。はじめに透明絶縁性基板1を準備する。透明絶縁性基板1として例えばガラス基板を用いる(以下ガラス基板1と記載)。本実施の形態では、無アルカリガラス基板を用いて以下説明する。また、基板として安価な青板ガラス基板を用いてもよいが、この場合、基板からのアルカリ成分の拡散を防止するためにPCVD法によりSiO2膜を100nm程度形成するのがよい。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the thin-film solar cell 20 in the present embodiment. Hereinafter, with reference to FIG. 2, the manufacturing method of the thin film solar cell 20 is demonstrated. First, the transparent insulating substrate 1 is prepared. For example, a glass substrate is used as the transparent insulating substrate 1 (hereinafter referred to as a glass substrate 1). This embodiment mode will be described below using an alkali-free glass substrate. In addition, an inexpensive blue plate glass substrate may be used as the substrate. In this case, in order to prevent the diffusion of alkali components from the substrate, it is preferable to form a SiO 2 film of about 100 nm by PCVD.

次に、ガラス基板1の上にPCVD法により、非晶質シリコン膜2を50〜100nm程度形成する(図2(a))。この非晶質シリコン膜2の形成方法として、熱CVD法を用いてもよい。   Next, an amorphous silicon film 2 is formed to a thickness of about 50 to 100 nm on the glass substrate 1 by PCVD (FIG. 2A). As a method for forming the amorphous silicon film 2, a thermal CVD method may be used.

次に、この非晶質シリコン膜2をレーザアニール法により結晶化し、多結晶シリコン膜3を形成する(図2(b))。ここで、PCVD法で形成した非晶質シリコン膜2は、膜中の水素濃度が高い。従って均一に結晶化を行うためには、レーザアニール法を行う前に、非晶質シリコン膜2を真空中または不活性ガス中で300℃以上の熱処理を行うことにより、不要な水素を除去することが望ましい。本実施の形態で使用するレーザは、YAGレーザの2ω(波長:532nm)を用いる。レーザ光を照射する場合、最後に固化した部分の多結晶シリコン膜3は、体積膨張により先に固化した部分より膜厚が厚くなる。従って、多結晶シリコン膜3の表面に凹凸構造が発生することになる。このときの照射条件は非晶質シリコン膜2の膜厚や膜質などの条件にもよるが、エネルギー密度が250mj/cm2以上で行うことができる。この結晶化により、多結晶シリコン膜3の表面に高さ50nm以上の凹凸構造が形成される。また、本実施の形態ではエネルギービームとしてYAGレーザを用いたが、他のエキシマレーザやArレーザ等でも良いし、電子ビームなどを用いることも可能である。また、レーザ照射する際に、非晶質シリコン膜2に平行にスキャンして照射領域を検出する。 Next, the amorphous silicon film 2 is crystallized by a laser annealing method to form a polycrystalline silicon film 3 (FIG. 2B). Here, the amorphous silicon film 2 formed by the PCVD method has a high hydrogen concentration in the film. Therefore, in order to perform uniform crystallization, unnecessary hydrogen is removed by performing heat treatment of the amorphous silicon film 2 in a vacuum or in an inert gas at 300 ° C. or higher before performing laser annealing. It is desirable. The laser used in this embodiment uses Yω laser 2ω (wavelength: 532 nm). When irradiating with laser light, the polycrystalline silicon film 3 at the last solidified portion becomes thicker than the portion solidified first by volume expansion. Therefore, an uneven structure is generated on the surface of the polycrystalline silicon film 3. Irradiation conditions at this time depend on conditions such as the film thickness and film quality of the amorphous silicon film 2, but can be performed at an energy density of 250 mj / cm 2 or more. By this crystallization, an uneven structure having a height of 50 nm or more is formed on the surface of the polycrystalline silicon film 3. In this embodiment, the YAG laser is used as the energy beam. However, other excimer lasers, Ar lasers, etc. may be used, and an electron beam or the like may be used. Further, when laser irradiation is performed, the irradiation region is detected by scanning parallel to the amorphous silicon film 2.

次に、多結晶シリコンをRIEドライエッチング法でエッチングし、ガラス基板1表面に凹凸構造を形成する(図2(c))。エッチング条件として、CF4:10sccm、O2:5sccm、He:15sccm、圧力:1.3Pa、RF:300W、3min、ガラス基板1(SiO2)/多結晶シリコン膜3(Si)の選択比2の条件でエッチングすることで、ガラス基板1表面に100nm以上の凹凸が形成される。このときのエッチングガスとして、CHF3、C4F8、CF4、SF6を含む単体ガス、およびO2、He等を混合したエッチングガスを用いることも可能である。 Next, the polycrystalline silicon is etched by RIE dry etching to form a concavo-convex structure on the surface of the glass substrate 1 (FIG. 2 (c)). As etching conditions, CF 4 : 10 sccm, O 2 : 5 sccm, He: 15 sccm, pressure: 1.3 Pa, RF: 300 W, 3 min, selectivity 2 of glass substrate 1 (SiO 2 ) / polycrystalline silicon film 3 (Si) By etching under the above conditions, irregularities of 100 nm or more are formed on the surface of the glass substrate 1. As the etching gas at this time, it is also possible to use a single gas containing CHF 3 , C 4 F 8 , CF 4 , SF 6 and an etching gas mixed with O 2 , He, or the like.

次に、表面に凹凸構造を有するガラス基板1上に第1の電極層となる透明導電膜4を形成する。透明導電膜4は、膜厚0.4μmの3wt%のAl2O3ドーパントを含むZnO膜をスパッタリング法で堆積形成する。本実施の形態では透明導電膜4としてAlドープしたZnOを用いるが、これに限ることなく、ITO膜、SnO2膜またはそれらを積層して形成した透明導電膜4であってもよく、高透過で低比抵抗性を有している透明導電膜4であればよい。 Next, the transparent conductive film 4 to be the first electrode layer is formed on the glass substrate 1 having a concavo-convex structure on the surface. The transparent conductive film 4 is formed by depositing a ZnO film having a thickness of 0.4 μm and containing 3 wt% of Al 2 O 3 dopant by sputtering. In this embodiment, Al-doped ZnO is used as the transparent conductive film 4. However, the present invention is not limited to this, and may be an ITO film, a SnO 2 film, or a transparent conductive film 4 formed by laminating them, and has a high transmittance. The transparent conductive film 4 having low specific resistance may be used.

次に、透明導電膜4上に光電変換層12をプラズマCVD法により形成する。本実施の形態では、光電変換層12は、下からP型のa−SiC膜5(15nm)、i型のa−Si膜6(300nm)、N型のa−Si膜7(20nm)を順次形成する。   Next, the photoelectric conversion layer 12 is formed on the transparent conductive film 4 by a plasma CVD method. In this embodiment, the photoelectric conversion layer 12 includes a P-type a-SiC film 5 (15 nm), an i-type a-Si film 6 (300 nm), and an N-type a-Si film 7 (20 nm) from the bottom. Sequentially formed.

次に、光電変換層12上に第2の電極層となる裏面電極層8をスパッタリング法により形成する。本実施の形態では、膜厚200nmのアルミニウム(Al)膜を形成するが、金属電極として高反射率のAgを用いてもよく、シリコンへの金属拡散を防止するためにZnO、ITO、SnO2等の透明導電膜を形成してもよい。以上の工程により、図1に示すような薄膜太陽電池20が形成される。 Next, the back electrode layer 8 to be the second electrode layer is formed on the photoelectric conversion layer 12 by a sputtering method. In this embodiment, an aluminum (Al) film having a thickness of 200 nm is formed. However, Ag having a high reflectance may be used as the metal electrode, and ZnO, ITO, SnO 2 may be used to prevent metal diffusion into silicon. A transparent conductive film such as the above may be formed. Through the above steps, a thin film solar cell 20 as shown in FIG. 1 is formed.

図3は、レーザパワーを変化させた場合のヘイズ率(拡散透過率/全光透過率)×100を示した図である。ここでヘイズ率とは、光の拡散する度合いを表す数値である。図より、250mj/cm2以上で十分な光の散乱効果が得られていることがわかる。このように、ガラス基板に凹凸構造を形成することで良好なテクスチャ構造が得られることから、急峻な傾斜を持つ突起に起因する局所的な特性不良改善が期待でき、太陽電池特性と信頼性の向上を得ることができる。 FIG. 3 is a diagram showing the haze ratio (diffuse transmittance / total light transmittance) × 100 when the laser power is changed. Here, the haze ratio is a numerical value representing the degree of light diffusion. From the figure, it can be seen that a sufficient light scattering effect is obtained at 250 mj / cm 2 or more. In this way, since a good texture structure can be obtained by forming a concavo-convex structure on the glass substrate, it can be expected that local characteristic defects will be improved due to protrusions having a steep slope, and solar cell characteristics and reliability will be improved. An improvement can be obtained.

次に、本実施の形態により形成した薄膜太陽電池20にAM−1.5、100mW/cm2の光を基板側から入射し、25℃で測定を行った。この結果、開放電圧(Voc)0.9V、短絡電流密度(Jsc)15.5mA/cm2、曲線因子(FF)0.74、変換効率(η)10.5%の良好な特性を得ることができる。表1は、上述した特許文献1の結果と比較した表である。 Next, light of AM-1.5 and 100 mW / cm 2 was incident on the thin film solar cell 20 formed according to the present embodiment from the substrate side, and measurement was performed at 25 ° C. As a result, good characteristics with an open circuit voltage (Voc) of 0.9 V, a short-circuit current density (Jsc) of 15.5 mA / cm 2 , a fill factor (FF) of 0.74, and a conversion efficiency (η) of 10.5% are obtained. Can do. Table 1 is a table compared with the results of Patent Document 1 described above.

Figure 0004684306
Figure 0004684306

また、本実施の形態では、光電変換層12に非晶質シリコンが使用されていたが、非晶質シリコンゲルマニウム、非晶質シリコンカーバイド等の非晶質シリコン系の半導体と、これらの結晶質シリコン系も使用できる。これらをpin構造とすることにより比較的良好な特性が得られる。   In the present embodiment, amorphous silicon is used for the photoelectric conversion layer 12. However, amorphous silicon-based semiconductors such as amorphous silicon germanium and amorphous silicon carbide, and crystalline materials thereof are used. Silicon type can also be used. By making these into a pin structure, relatively good characteristics can be obtained.

以上より、本発明の薄膜太陽電池20、およびその製造方法によれば、透明導電膜4に凹凸構造を形成する工程を行わないため、透明導電膜4の形成において成膜時或いは成膜後の制約が無く最適化することができる。従って、スパッタ法のような低温でも良好な透明導電膜4を形成することができる。また、レーザ照射条件とエッチング速度の制御により、凹凸構造の形状と深さを容易に制御することができる。これにより、ガラス基板1を機械加工などで加工して凹凸を形成するよりも、微細な段差の凹凸形状を容易に形成することができる。特に光電変換層12が薄い場合であっても、その厚みに適した凹凸形状を形成できる。このため、薄膜太陽電池20の変換効率の信頼性の向上が図れる。   As described above, according to the thin film solar cell 20 and the manufacturing method thereof of the present invention, the step of forming the uneven structure on the transparent conductive film 4 is not performed. It can be optimized without restrictions. Therefore, a satisfactory transparent conductive film 4 can be formed even at a low temperature such as sputtering. Further, the shape and depth of the concavo-convex structure can be easily controlled by controlling the laser irradiation conditions and the etching rate. Thereby, the uneven | corrugated shape of a fine level | step difference can be formed easily rather than processing the glass substrate 1 by machining etc. and forming an unevenness | corrugation. In particular, even when the photoelectric conversion layer 12 is thin, an uneven shape suitable for the thickness can be formed. For this reason, the reliability of the conversion efficiency of the thin film solar cell 20 can be improved.

<実施の形態2>
図4は、本発明の実施の形態2における薄膜太陽電池20の構成を示した断面図である。実施の形態1と異なる点は、ガラス基板1の表面の一部分に凹凸構造を有する点である。分離溝9、接続溝10、分離溝11は、レーザ照射によって形成されたパターンである。その他の構成は実施の形態1と同様のため、説明を省略する。
<Embodiment 2>
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of thin-film solar cell 20 according to Embodiment 2 of the present invention. The difference from the first embodiment is that a part of the surface of the glass substrate 1 has a concavo-convex structure. The separation groove 9, the connection groove 10, and the separation groove 11 are patterns formed by laser irradiation. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.

図5は、本実施の形態における薄膜太陽電池20の製造工程を示した断面図である。実施の形態1では、多結晶シリコン膜3全面に凹凸構造を有する薄膜太陽電池20の製造方法を説明した。この製造方法では、ガラス基板1全面に凹凸構造が形成されるため、ガラス基板1上に形成された各積層膜も凹凸構造となる。これに対し、本実施の形態では、光電変換に寄与する部分のみレーザを照射する。すなわち、光電変換に寄与しない部分を多結晶化しないことで平坦に形成し、加工再現性や信頼性を向上させることを目的としている。以下、図5を参照して本実施の形態における薄膜太陽電池20の製造方法について説明する。なお、実施の形態1と同様の製造方法については説明を省略する。   FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of thin-film solar cell 20 in the present embodiment. In the first embodiment, the method for manufacturing the thin-film solar cell 20 having the uneven structure on the entire surface of the polycrystalline silicon film 3 has been described. In this manufacturing method, since the concavo-convex structure is formed on the entire surface of the glass substrate 1, each laminated film formed on the glass substrate 1 also has the concavo-convex structure. On the other hand, in the present embodiment, only a portion that contributes to photoelectric conversion is irradiated with laser. That is, the object is to form a flat portion by not polycrystallizing a portion that does not contribute to photoelectric conversion, and to improve processing reproducibility and reliability. Hereinafter, with reference to FIG. 5, the manufacturing method of the thin film solar cell 20 in this Embodiment is demonstrated. Note that description of the manufacturing method similar to that of the first embodiment is omitted.

はじめに透明絶縁性基板1を準備する。透明絶縁性基板1として例えばガラス基板を用いる(以下ガラス基板1と記載)。次に、ガラス基板1の上にPCVD法により非晶質シリコン膜2を50nm形成する(図5(a))。ここで、PCVD法で形成した非晶質シリコン膜2は膜中の水素層度が高いため、均一に結晶化を行うためにはレーザアニールを行う前に非晶質シリコン膜2を真空中で350℃熱処理し、不要な水素を除去する。   First, the transparent insulating substrate 1 is prepared. For example, a glass substrate is used as the transparent insulating substrate 1 (hereinafter referred to as a glass substrate 1). Next, an amorphous silicon film 2 having a thickness of 50 nm is formed on the glass substrate 1 by PCVD (FIG. 5A). Here, since the amorphous silicon film 2 formed by the PCVD method has a high hydrogen layer degree in the film, in order to perform uniform crystallization, the amorphous silicon film 2 is subjected to vacuum before laser annealing. Heat treatment is performed at 350 ° C. to remove unnecessary hydrogen.

次に、この非晶質シリコン膜2をレーザアニール法により結晶化し、多結晶シリコン膜3を形成する(図5(b))。その際、図6に示されている領域A(例えば10mm)のみを選択的に結晶化した多結晶シリコン膜3とし、領域B部分の0.1mm〜1mmは結晶化せずに非晶質シリコン膜2のままにする。この領域B部分は、各光電変換素子の分割の際に除膜され、発電にはほとんど寄与しない。薄膜太陽電池20は光を受光して発電する領域Aの単位素子が領域Bの接続構造によって直列に接続される構成である。   Next, the amorphous silicon film 2 is crystallized by a laser annealing method to form a polycrystalline silicon film 3 (FIG. 5B). At this time, the polycrystalline silicon film 3 is selectively crystallized only in the region A (for example, 10 mm) shown in FIG. 6, and the amorphous silicon is not crystallized in the region B of 0.1 mm to 1 mm. Leave membrane 2. The region B is removed when each photoelectric conversion element is divided, and hardly contributes to power generation. The thin film solar cell 20 has a configuration in which unit elements in the region A that receives light and generates power are connected in series by the connection structure in the region B.

次に、この多結晶シリコン膜3および非晶質シリコン膜2をRIEドライエッチング法でエッチングし、ガラス基板表面の光電変換に寄与する部分のみに凹凸構造を形成する(図5(c))。このエッチング条件として、実施の形態1と同様にCF4:10sccm、O2:5sccm、He:15sccm、圧力:1.3Pa、RF:300W、3min、ガラス基板(SiO2)/多結晶シリコン(Si)の選択比2の条件でエッチングすることで、ガラス基板表面に100nm以上の凹凸が形成される。 Next, the polycrystalline silicon film 3 and the amorphous silicon film 2 are etched by the RIE dry etching method to form a concavo-convex structure only in a portion contributing to photoelectric conversion on the surface of the glass substrate (FIG. 5C). As the etching conditions, CF 4 : 10 sccm, O 2 : 5 sccm, He: 15 sccm, pressure: 1.3 Pa, RF: 300 W, 3 min, glass substrate (SiO 2 ) / polycrystalline silicon (Si Etching under the condition of a selectivity ratio 2) of 100 nm or more is formed on the surface of the glass substrate.

次に、表面に凹凸構造を有するガラス基板1上に第1の電極層となる透明導電膜4を形成する。透明導電膜4は、膜厚0.2μmのITO膜と膜厚0.1μmの3wt%のAl2O3ドーパントを含むZnO膜をスパッタリング法で堆積形成する。 Next, the transparent conductive film 4 to be the first electrode layer is formed on the glass substrate 1 having a concavo-convex structure on the surface. The transparent conductive film 4 is formed by depositing a 0.2 μm thick ITO film and a 0.1 μm thick ZnO film containing 3 wt% Al 2 O 3 dopant by sputtering.

次に、この第1の透明導電膜4にレーザ光を照射して、パターニングを施す。詳しくは、透光性絶縁基板1の面から、YAGレーザ基本波(波長:1.06μm)を照射し分離溝9を形成する。例えば分離溝9のスクライブ幅は40μmとする。   Next, patterning is performed by irradiating the first transparent conductive film 4 with laser light. Specifically, the separation groove 9 is formed by irradiating a YAG laser fundamental wave (wavelength: 1.06 μm) from the surface of the translucent insulating substrate 1. For example, the scribe width of the separation groove 9 is 40 μm.

次に、透明導電膜4上に光電変換層12をプラズマCVD法により形成する。本実施の形態では、光電変換層12は、下からP型のa−SiC膜5(15nm)、i型のa−Si膜6(300nm)、N型のa−Si膜7(20nm)を順次形成する。   Next, the photoelectric conversion layer 12 is formed on the transparent conductive film 4 by a plasma CVD method. In this embodiment, the photoelectric conversion layer 12 includes a P-type a-SiC film 5 (15 nm), an i-type a-Si film 6 (300 nm), and an N-type a-Si film 7 (20 nm) from the bottom. Sequentially formed.

このようにして積層された光電変換層12に、透明導電膜4と同様にレーザスクライブによってパターニングを施す。詳しくは、YAGレーザの2ω(波長:532nm)を照射して接続溝10を形成する。   The photoelectric conversion layer 12 thus laminated is patterned by laser scribing in the same manner as the transparent conductive film 4. Specifically, the connection groove 10 is formed by irradiating 2ω (wavelength: 532 nm) of a YAG laser.

次に、光電変換層12上に第2の電極層となる裏面電極層8をスパッタリング法により形成する。本実施の形態では、膜厚200nmのアルミニウム(Al)膜を形成するが、金属電極として高反射率のAgを用いてもよく、シリコンへの金属拡散を防止するためにZnO、ITO、SnO2等の透明導電膜を形成してもよい。このとき、反射率の高い裏面電極層8にレーザを直接吸収させるのは困難なので、半導体層(光電変換層12)にレーザ光エネルギーを吸収させて、半導体層(光電変換層12)とともに金属層を局所的に吹き飛ばすことによって分離溝11が形成される。以上の工程により、図4に示すような薄膜太陽電池20が形成される。 Next, the back electrode layer 8 to be the second electrode layer is formed on the photoelectric conversion layer 12 by a sputtering method. In this embodiment, an aluminum (Al) film having a thickness of 200 nm is formed. However, Ag having a high reflectance may be used as the metal electrode, and ZnO, ITO, SnO 2 may be used to prevent metal diffusion into silicon. A transparent conductive film such as the above may be formed. At this time, since it is difficult to directly absorb the laser in the back electrode layer 8 having high reflectivity, the laser light energy is absorbed in the semiconductor layer (photoelectric conversion layer 12), and the metal layer together with the semiconductor layer (photoelectric conversion layer 12). The separation groove 11 is formed by locally blowing off. Through the above steps, a thin film solar cell 20 as shown in FIG. 4 is formed.

以上より、本実施の形態では、受光して発電する領域Aの透明絶縁性基板1の表面には微細な凹凸が形成されて光電変換特性を向上することができる。一方、発電に寄与しない単位電池を接続する領域Bには凹凸が形成されない。これにより、この領域Bではレーザスクライブされる透明導電膜4、光電変換層12、裏面電極層8部分は平坦に形成されるため、膜厚の不均一が発生せず、レーザ照射によるスクライブが高精度で行えるので、溝幅を小さくした分離を行うことができる。これにより、発電有効面積を増加できるため、薄膜太陽電池20の加工再現性や特性が向上する。   As described above, in the present embodiment, fine irregularities are formed on the surface of the transparent insulating substrate 1 in the region A where light is received and power is generated, and the photoelectric conversion characteristics can be improved. On the other hand, no unevenness is formed in the region B connecting the unit cells that do not contribute to power generation. As a result, in this region B, the transparent conductive film 4, the photoelectric conversion layer 12, and the back electrode layer 8 that are laser-scribed are formed flat, so that non-uniform film thickness does not occur and scribe by laser irradiation is high. Since it can be performed with accuracy, separation with a reduced groove width can be performed. Thereby, since a power generation effective area can be increased, processing reproducibility and characteristics of the thin-film solar cell 20 are improved.

本発明の実施の形態1における薄膜太陽電池の構成を示した断面図である。It is sectional drawing which showed the structure of the thin film solar cell in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における薄膜太陽電池の製造工程を示した断面図である。It is sectional drawing which showed the manufacturing process of the thin film solar cell in Embodiment 1 of this invention. レーザパワーを変化させた場合のヘイズ率を示した図である。It is the figure which showed the haze rate at the time of changing laser power. 本発明の実施の形態2における薄膜太陽電池の構成を示した断面図である。It is sectional drawing which showed the structure of the thin film solar cell in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2における薄膜太陽電池の製造工程を示した断面図である。It is sectional drawing which showed the manufacturing process of the thin film solar cell in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2における薄膜太陽電池の素子面を示した平面図である。It is the top view which showed the element surface of the thin film solar cell in Embodiment 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 透明絶縁性基板、2 非晶質シリコン膜、3 多結晶シリコン膜、4 透明導電膜、5 P型非晶質シリコン膜、6 i型非晶質シリコン膜、7 N型非晶質シリコン膜、8 裏面電極層、9,11 分離溝、10 接続溝、12 光電変換層、20 薄膜太陽電池。   1 transparent insulating substrate, 2 amorphous silicon film, 3 polycrystalline silicon film, 4 transparent conductive film, 5 P-type amorphous silicon film, 6 i-type amorphous silicon film, 7 N-type amorphous silicon film , 8 Back electrode layer, 9, 11 Separation groove, 10 Connection groove, 12 Photoelectric conversion layer, 20 Thin film solar cell.

Claims (7)

(a)透明絶縁基板を準備する工程と、
(b)前記透明絶縁基板の表面に凹凸構造を形成する工程と、
(c)前記透明絶縁基板上に透明電極層を形成する工程と、
(d)前記透明電極層上に光電変換層を形成する工程と、
(e)前記光電変換層上に裏面電極層を形成する工程と、を備え、
前記工程(b)は、
(f)前記透明絶縁基板上に非晶質膜を形成する工程と、
(g)前記非晶質膜にレーザ照射を行い、結晶化された結晶質膜を形成する工程と、
(h)前記結晶質膜にエッチングを行い、前記結晶質膜を除去する工程と、を備える薄膜太陽電池の製造方法。
(A) preparing a transparent insulating substrate;
(B) forming an uneven structure on the surface of the transparent insulating substrate;
(C) forming a transparent electrode layer on the transparent insulating substrate;
(D) forming a photoelectric conversion layer on the transparent electrode layer;
(E) forming a back electrode layer on the photoelectric conversion layer,
The step (b)
(F) forming an amorphous film on the transparent insulating substrate;
(G) irradiating the amorphous film with a laser to form a crystallized crystalline film;
(H) etching the crystalline film and removing the crystalline film; and a method of manufacturing a thin film solar cell.
前記工程(g)は、照射領域を前記非晶質膜に平行にスキャンする工程をさらに備える請求項1に記載の薄膜太陽電池の製造方法。   The method for manufacturing a thin-film solar cell according to claim 1, wherein the step (g) further includes a step of scanning an irradiation region in parallel with the amorphous film. 前記工程(g)は、前記非晶質膜の一部分に行う請求項2に記載の薄膜太陽電池の製造方法。   The method of manufacturing a thin film solar cell according to claim 2, wherein the step (g) is performed on a part of the amorphous film. 前記工程(h)は、CHF3、C4F8、CF4、SF6単体ガスおよびO2、Heを混合させたガスにより行うRIEエッチングであり、
前記透明絶縁基板/前記結晶質膜の選択比1以上で行う請求項1から3のいずれかに記載の薄膜太陽電池の製造方法。
The step (h) is RIE etching performed with a gas in which CHF 3 , C 4 F 8 , CF 4 , SF 6 simple gas and O 2 , He are mixed,
The method for manufacturing a thin-film solar cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the transparent insulating substrate / crystalline film selection ratio is 1 or more.
前記工程(f)は、50nm以上の非晶質膜を形成する請求項1から4のいずれかに記載の薄膜太陽電池の製造方法。   5. The method for manufacturing a thin-film solar cell according to claim 1, wherein the step (f) forms an amorphous film having a thickness of 50 nm or more. 前記工程(d)は、2層以上の非晶質シリコンまたは結晶質シリコンを形成する請求項1から5のいずれかに記載の薄膜太陽電池の製造方法。   6. The method of manufacturing a thin-film solar cell according to claim 1, wherein the step (d) forms two or more layers of amorphous silicon or crystalline silicon. 光電変換素子が形成される複数の素子領域と、前記素子領域の間に前記光電変換素子を相互に接続する接続領域と、を透明絶縁基板上に有する薄膜太陽電池の製造方法において、
前記工程(b)は、前記素子領域内の前記透明絶縁基板の表面に凹凸構造を形成し、前記接続領域の前記透明絶縁基板の表面には凹凸構造を形成しないことを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の薄膜太陽電池の製造方法
In a method for manufacturing a thin-film solar cell having a plurality of element regions in which photoelectric conversion elements are formed and a connection region for interconnecting the photoelectric conversion elements between the element regions on a transparent insulating substrate,
The step (b), claims wherein the uneven structure is formed on a transparent insulating surface of the substrate in the element region, on the surface of the transparent insulating substrate of said connecting region, characterized in that does not form an uneven structure The manufacturing method of the thin film solar cell in any one of 1 thru | or 6 .
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