JP7119103B2 - 薄膜ソーラーモジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、太陽光発電エネルギー生成の技術領域にあるものであって、２つの第三のパターニングトレンチを有する少なくとも一つのパターニングゾーンが提供されている薄膜ソーラーモジュールに関するものである。本発明は、さらに、本発明による方法によって製造した薄膜ソーラーモジュールに及ぶ。

薄膜ソーラーモジュールは、既に特許文献に数多く記載されている。単なる例示として、独国特許第４３２４３１８ Ｃ１号明細書及び欧州特許出願公開第２ ２００ ０９７ Ａ１号公報などの刊行物が挙げられる。薄膜ソーラーモジュールは、層の製造時に太陽電池を既に一体型に直列接続できるという特別な利点を提供する。典型的には、様々な層を平らなキャリア基板上に直接適用し、かつこれらの層を完全に分割する層トレンチによってパターンを形成する。太陽電池を形成するための層構造は、前面電極層及び背面電極層並びに光起電活性の吸収体層を含み、ここで、一般的に言えば、バッファー層のような追加の層が、吸収体層と前面電極層との間に存在している。太陽電池のパターニング後、コーティングされたキャリア基板はカバー層を具備し、その結果、耐候性の複合体が得られる。

技術的な処理属性及び効率の観点から、アモルファスシリコン、マイクロモルファスシリコン、若しくは多結晶シリコン、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、又は黄銅鉱化合物、特に、銅インジウム／ガリウムジスルフィド／ジセレニド（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）_２）の吸収体層を有する薄膜ソーラーモジュールが有利であることが判明している。太陽光のスペクトルによく適合しているバンドギャップのおかげで、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）_２をベースとする化合物によって、特に高い吸収係数を達成することができる。

薄膜ソーラーモジュールの層構造において、太陽電池の一体型の直列接続のために、多数のパターニングゾーンが形成され、このパターニングゾーンは、それぞれ、「パターニングライン」とも呼ばれる少なくとも３つの線形のパターニングトレンチを有する。したがって、背面電極層は、太陽電池の背面電極を形成するために、第一のパターニングトレンチＰ１によって分割され；吸収体層は、太陽電池の吸収体を形成するために、第二のパターニングトレンチＰ２によって分割され；かつ前面電極層は、太陽電池の前面電極を形成するために、第三のパターニングトレンチＰ３によって分割される。隣り合う太陽電池は、第二のパターニングトレンチＰ２の導電性材料を介して、直列接続で互いに電気的に接続しており、ここで、一つの太陽電池の前面電極は、その隣の太陽電池の背面電極に電気的に接続している。パターニングゾーンはそれぞれ、第一のパターニングトレンチから第三のパターニングトレンチへのＰ１－Ｐ２－Ｐ３の直接的な連続をもたらす。

薄膜ソーラーモジュールの工業的な連続生産において、第三のパターニングトレンチＰ３は、一般的に言えば機械的に作り出されており、ここで、前面電極層、及び通常は吸収体層も、動いているニードルによって層構造から削り取られる（ニードルスクライビング）。大抵の場合、比較的硬い背面電極層がキャリア基板上に残存する。しかしながら、実際のところ、層の削り取りによって、ニードルとそのホルダーが高度の摩耗を伴う重い機械的負荷を受け、ニードルの交換に起因した生産システムの頻繁な稼働停止をもたらす。その結果として、生産性が低下し、薄膜ソーラーモジュールの製造コストが増大する。

対照的に、本発明の目的は、先行技術において公知の薄膜ソーラーモジュールを製造するための方法を有利に改善することにあり、それによって、この薄膜ソーラーモジュールの生産効率を改善するようになっている。また、この方法は、一般的な方法での工業的な連続生産において、経済的にかつ効率的に薄膜ソーラーモジュールを製造できるものであるべきである。

これらの目的及び他の目的は、独立請求項に記載したとおりの薄膜ソーラーモジュールの製造方法及び薄膜ソーラーモジュールにより、本発明の提案にしたがって達成される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項の特徴によって示されている。

本発明によれば、太陽光エネルギー生成のための太陽電池のモノリシックに一体化した直列接続を伴う薄膜ソーラーモジュールを製造するための方法が提示される。「薄膜ソーラーモジュール」なる用語の慣習的な使用にしたがうと、薄膜ソーラーモジュールは、適切な機械的安定性のためにキャリア基板が必要とされるような、例えば数マイクロメートルといった小さい厚みを有する層構造を伴うモジュールを意味する。キャリア基板は、例えば、無機ガラス、プラスチック、金属、又は金属合金でできていてよく、かつそれぞれの層厚及び特定の材料特性に応じて、剛性プレート又は可撓性フィルムとして設計することができる。

本発明は、光入射側に面するキャリア基板上に、太陽電池を製造するための層構造が適用されるサブストレート（下側基材）構造の薄膜ソーラーモジュールの製造に関する。同様に、本発明は、基板が透明であり、かつ光入射側とは反対側に面するキャリア基板表面に層構造が適用されるスーパーストレート（上側基材）構造の薄膜ソーラーモジュールの製造に関する。

それ自体公知の様式で、本発明による薄膜ソーラーモジュールの層構造は、背面電極層、前面電極層、及び背面電極層と前面電極層との間に配置された光起電活性の吸収体層を含む。

層構造への光の通過を可能にしなければならないので、前面電極層は、光学的に透明である。光学的に透明な前面電極層は、典型的にはドープした金属酸化物（ＴＣＯ＝透明な導電性酸化物）を含むか又はそれでできており、例えば、ｎ－導電型の、特に、アルミニウムをドープした酸化亜鉛（ＡＺＯ）を含むか又はそれでできている。

光起電活性の吸収体層は、好ましくは、黄銅鉱半導体を含むか又はこれでできており、有利には、銅インジウム／ガリウムジスルフィド／ジセレニド（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）_２）の群からのＩ－ＩＩＩ－ＶＩ族化合物半導体を含むか又はこれでできている。上記の式中、インジウム及びガリウムは、それぞれ単独で又は組み合わせて存在することができる。同じことが硫黄及びセレンに当てはまり、これらはそれぞれ、単独で又は組み合わせて存在することができる。吸収体層の材料として特に適しているのは、ＣＩＳ（銅インジウムジセレニド／ジスルフィド）又はＣＩＧＳ（銅インジウムガリウムジセレニド、銅インジウムガリウムジスルフィド、銅インジウムガリウムジスルホセレニド）である。典型的には、吸収体層は、第一の導電型（電荷担体型）のドーピングを有し、かつ前面電極は、相反する導電型（電荷担体型）のドーピングを有する。一般的に言えば、吸収体層は、ｐ－導電型（ｐ－ドープ）、すなわち、電子の欠陥（ホール）が過剰であり、かつ前面電極は、ｎ－導電型（ｎ－ドープ）であって、それによって、自由電子が過剰に存在するようになっている。

バッファー層を、典型的には、吸収体層と前面電極層との間に配置する。これは、特に、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）_２をベースとする吸収体層について当てはまるものであって、この場合には、一般的に言えば、ｐ－導電性Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）_２吸収体層と、ｎ－導電性前面電極との間にバッファー層を必要とする。現在認識されているところによれば、バッファー層は、吸収体と前面電極との間の電子的適合を可能にする。さらに、バッファー層は、前面電極を堆積する後続のプロセス工程でのスパッタリングによる損傷、例えばＤＣマグネトロンスパッタリングによる損傷に対する保護を提供する。ｎ－導電性前面電極層、バッファー層、及びｐ－導電性吸収体層が連続することによって、ｐ－ｎ－ヘテロ接合が形成され、言い換えれば、相反する導電型の複数の層間の接合が形成される。

本発明による薄膜ソーラーモジュールの層構造において、一体型に直列接続した太陽電池は、パターニングゾーンによって形成されている。したがって、少なくとも背面電極層は、第一のパターニングトレンチ（Ｐ１ライン、Ｐ１と略する）によって、互いに完全に分離した複数の区分に分割され、これらの区分が太陽電池の背面電極を形成する。また、少なくとも吸収体層は、第二のパターニングトレンチ（Ｐ２ライン、Ｐ２と略する）によって、互いに完全に分離した複数の区分に分割され、これらの区分が太陽電池の吸収体を形成し、かつ少なくとも前面電極層は、第三のパターニングトレンチ（Ｐ３ライン、Ｐ３と略する）によって、互いに完全に分離した複数の区分に分割され、これらの区分が太陽電池の前面電極を形成する。隣り合う太陽電池は、第二のパターニングトレンチにおける導電性材料を介して直列接続で互いに電気的に接続されており、ここで、一つの太陽電池の前面電極は、隣り合う太陽電池の背面電極に電気的に接続されており、典型的には、ただし強制的にではないが、この背面電極と直接物理的に接触している。パターニングトレンチは、Ｐ１－Ｐ２－Ｐ３の配列で配置され、ここでは、第一のパターニングトレンチＰ１と、第二のパターニングトレンチＰ２と、以下で説明するような、２つの直接隣り合う第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’との直接的な連続によって、パターニングゾーンが形成される。

本発明に関して、「パターニングトレンチ」との用語は、層構造の材料が充填された線状の凹部（平らな基板の面に対して垂直な凹部）を指し、ここで、トレンチは、層構造の少なくとも一つの層に形成されている。パターニングトレンチは、一体型に直列接続した太陽電池を形成する役割を果たし、ここで、パターニングトレンチが少なくとも一つの層を互いに完全に分離した２つの層区分に分割する。各パターニングトレンチは、それぞれの分割した層の材料とは異なる材料で充填されている。したがって、例えば、第一のパターニングトレンチＰ１は、典型的には吸収体層の材料で充填されている。これは、吸収体層の堆積の間に簡便な様式でなすことができる。第二のパターニングトレンチＰ２は、典型的には前面電極層の材料で充填されており、それによって、太陽電池の直列接続を実現し、かつ第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’は、例えば、平らな基板上に適用した層構造を覆うためのカバー層の材料で充填されている。

好ましくは、パターニングゾーンは、それぞれ線形であり、特に直線的である。それに応じて、パターニングトレンチは線形であり、特に、直線的なパターニングラインの形態である。パターニングゾーンでは、パターニングトレンチが好ましくは互いに対して平行に配置され、かつ、例えば、矩形又は方形のモジュールの一つの縁に対して平行にはしっている。特に、パターニングトレンチは、それぞれ、層構造の縁までずっと延在することができる。パターニングトレンチの延在方向は、モジュールの長さとして定義することができ、これに対して垂直な方向をモジュールの幅として定義することができる。

用語の一般的使用を踏まえて、「太陽電池」との用語は、前面電極、光起電活性の吸収体、及び背面電極を有し、かつ互いに直接隣り合う２つのパターニングゾーンで画定される層構造の領域を意味する。これは、類推によってモジュールの縁部領域にもあてはまり、ここでは、パターニングゾーンの代わりに、太陽電池の直列接続と電気的に接触するための接続区分が存在し、それによって、パターニングゾーンと直接隣接する接続区分との間に位置する前面電極、吸収体、及び背面電極を有するこの層領域によって太陽電池を定義するようになっている。

本発明によれば、薄膜ソーラーモジュールを製造するための方法は、平らな（平面の）基板を提供することを含む。太陽電池の背面電極を形成するための、（材料を充填した）第一のパターニングトレンチＰ１によって完全に分割される背面電極層を、平らな基板の片面に堆積する。背面電極層を基板の表面に直接堆積することができる。あるいは、少なくとも一つの追加の層を、基板と背面電極層との間に配置することができる。太陽電池の光起電活性の吸収体を形成するための、（材料を充填した）第二のパターニングトレンチＰ２によって完全に分割される吸収体層を、この背面電極層の上に堆積する。吸収体層を背面電極層の表面に直接堆積することができる。あるいは、少なくとも一つの追加の層を、背面電極層と吸収体層との間に配置することができる。太陽電池の前面電極を形成するための、（材料を充填した）第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’によって完全に分割される前面電極層を、吸収体層の上に堆積する。吸収体層は、前面電極層と背面電極層との間に位置する。前面電極層を吸収体層の表面に直接堆積することができる。あるいは、少なくとも一つの追加の層を、前面電極層と吸収体層との間に配置することができる。典型的には、黄銅鉱半導体に基づく吸収体の場合、少なくとも一つのバッファー層が吸収体層と前面電極層との間にあり、この目的のために、吸収体層の堆積の後でありかつ前面電極層の堆積の前に、少なくとも一つのバッファー層を堆積する。

背面電極層のパターニングは、典型的には、ただし強制的にではないが、吸収体層を堆積する前になされる。吸収体層のパターニングは、典型的には、ただし強制的にではないが、前面電極層を堆積する前になされる。

ここで、及び以下で、参照を容易にするためにＰ３、Ｐ３’として言及する２つの第三のパターニングトレンチは、各パターニングゾーンに作り出されることが必須である。一つの同じパターニングゾーンのこの２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’は、互いに隣り合って配置され、言い換えれば、この２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’の間には、他のパターニングトレンチ（及び光学活性な領域）が何ら存在しない。一つ目の選択肢では、同じパターニングゾーンのこの２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’は、互いに直接隣り合うことができ、言い換えれば、この２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’の間には、前面電極層区分が何ら存在しない。二つ目の選択肢では、同じパターニングゾーンのこの２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’は、前面電極層区分によって互いに分離していてもよい。したがって、パターニングゾーンは、第一のパターニングトレンチＰ１、第二のパターニングトレンチＰ２、及び２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’の直接的な連続を含む。

一つの同じパターニングゾーンの２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’が互いに直接隣り合う場合、一方のパターニングトレンチＰ３は、一つのトレンチ壁と、他方のパターニングトレンチＰ３’とによって範囲を定められる。パターニングトレンチＰ３のトレンチ壁は、他方のパターニングトレンチＰ３’に向かい合っており、言い換えれば、他方のパターニングトレンチＰ３’に対向して位置している。相応して、もう一方のパターニングトレンチＰ３’は、一つのトレンチ壁と、他方のパターニングトレンチＰ３とによって範囲を定められる。パターニングトレンチＰ３’のトレンチ壁は、他方のパターニングトレンチＰ３に向かい合っており、言い換えれば、他方のパターニングトレンチＰ３に対向して位置している。この２つのパターニングトレンチＰ３及びＰ３’の２つのトレンチ壁は、互いに向かい合っており、言い換えれば、互いに対向して位置しており、かつ一緒になって、この２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’を画定する。

一つの同じパターニングゾーンの２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’が互いに直接隣り合っていない場合、言い換えれば、前面電極層区分が、２つのパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’の間に位置しているとき、第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’のそれぞれは、互いに対向して位置する２つのトレンチ壁によって範囲を定められ、ここで、２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’の間の前面電極層区分が、それぞれトレンチ壁を形成している。したがって、一方の第三のパターニングトレンチＰ３は、他方のパターニングトレンチＰ３’に向かい合うトレンチ壁と、他方のパターニングトレンチＰ３’の反対側にあるトレンチ壁であって、２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’の間にある前面電極層区分によって形成されたトレンチ壁とによって範囲を定められる。相応して、もう一方の第三のパターニングトレンチＰ３’は、他方のパターニングトレンチＰ３に向かい合うトレンチ壁と、他方のパターニングトレンチＰ３の反対側にあるトレンチ壁であって、２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’の間にある前面電極層区分によって形成されたトレンチ壁とによって範囲を定められる。

本発明による方法では、２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’は、それぞれ、パルスレーザービームによるレーザーアブレーションによって、少なくとも前面電極層を除去することで作り出される。少なくとも前面電極層（及び任意に吸収体層の一部）の局所的な除去を、層構造の側から透明な前面電極層への直接放射によって生じさせ、ここで、レーザービームが透明な前面電極層を通過し、かつ吸収体層がレーザーエネルギーを吸収する。これにより吸収体層の一部が蒸発し、それによって、その上にある前面電極層が、膨張ガスによって隆起し、かつ例えば環状に放出される（レーザーアブレーション）。２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’は、それぞれ、連続するレーザーパルスによって作り出され、言い換えれば、前面電極層の放出された領域を一緒につなぎ合わせる。好ましくは、単一のレーザーパルスが前面電極層の領域の放出を既にもたらすようにしてこれらのレーザーパルスのエネルギーを選択しながら、互いに隣り合うレーザーパルスが、部分的にのみ重なっている。これは、第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’の正確な製造であって、かつ特に効率的な製造を可能にする。吸収体層は、２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’によって完全には分割されず、言い換えれば、第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’は、それぞれ、吸収体層まで延在するが、吸収体層の基板側の界面までずっとは延在しない。この目的のために、レーザーパルスのエネルギーが選択され、それによって、吸収体層の一部のみが蒸発し、かつ第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’の下（基板側の）に吸収体層の一部が残存するようになっている。

ここで、一つの同じパターニングゾーンにあるこの２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’が、異なるエネルギーを有するレーザーパルスによって作り出されていることが必須である。一方の第三のパターニングトレンチＰ３’は、同じパターニングゾーンの他方の第三のパターニングトレンチＰ３を作り出すためのレーザーパルスよりも大きなエネルギーを有するレーザーパルスを使って作り出される。したがって、それぞれのパターニングゾーンについて、一つの第三のパターニングトレンチＰ３’をより大きなエネルギーのレーザーパルスによって作り出し、かつ一つの第三のパターニングトレンチＰ３をより小さなエネルギーのレーザーパルスによって作り出す。ここで、かつ以下で、「Ｐ３’」は、より大きなエネルギーのレーザーパルスによって作り出された第三のパターニングトレンチを指し、かつ「Ｐ３」は、より小さなエネルギーのレーザーパルスによって作り出された第三のパターニングトレンチを指す。

当業者に知られているように、レーザーパルスは、ビームの中心から外側に向かってエネルギーが低下するビームの方向に垂直な空間エネルギープロファイルを有する（ガウシアンプロファイル）。材料の蒸発は、実質的にレーザーパルスの中心領域でのみ起こり、その一方で、対照的にレーザーパルスの縁領域では、レーザーパルスのエネルギーが、蒸発しない吸収体層によって吸収される。本発明者らが初めて認識したように、このことは、アブレーション部位と境を接する吸収体層の残存する（非溶融の）材料の局所的な電気特性に重要な影響を及ぼす。実際、レーザーエネルギーを導入した結果、アブレーション部位の縁領域における少なくとも部分的な領域で吸収体層の材料の転換が起こり、ここで、吸収体層の元々の材料よりも、著しく大きい導電率を有する材料が生じ得る。例えば、黄銅鉱化合物半導体の三元材料相を二元材料相に転換することができ、一般的に言うと、この二元材料相は、三元材料相よりも高い導電性を有し、かつ特に金属的特性さえも有する。ここで、かつ以下で、アブレーション部位における吸収体層の材料の材料転換が起こる少なくとも部分的な領域（少なくとも部分的なゾーン）と一緒に結びついたことによって生じる、より高いエネルギーのレーザーパルスによって作り出されたアブレーション部位の又は第三のパターニングトレンチＰ３’の縁領域を、「転換領域」ともいう。特に、この転換領域は、完全に、吸収体層の転換した材料からなることができる。

特に不都合なことには、この転換領域のより高い導電性によって、前面電極層と背面電極層との間の短絡路（シャント）が起こり得る。本発明者らが明らかにすることができたように、転換領域の形成の程度は、発せられたレーザーパルスのエネルギーに実質的に依存し、より高いエネルギーは、転換した材料相のより多くの形成をもたらし、その逆もまた同様である。

本発明者らが実現したように、材料転換による吸収体層の材料の導電性の変化の不利な効果、特に三元黄銅鉱化合物半導体における二元相の生成による不利な効果を、パターニングゾーンごとに２つの第三のパターニングトレンチを作り出すという本発明による方法によって著しく低減することができる。ここで、一つの同じパターニングソーンにおけるこの２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’に対して、レーザーパルスが互いに異なるエネルギーを有することが必須である。

好ましくは、第三のパターニングトレンチＰ３を作り出すためのより小さいエネルギーのレーザーパルスは、第三のパターニングトレンチＰ３の縁領域の転換材料の生成を、少なくとも大部分、特に完全に防止するように選択される。しかしながら、一般的に言えば、これは、前面電極層の不完全に除去した領域を残すことの原因となり、言い換えれば、他方のパターニングトレンチＰ３’の方向に、場合によってはパターニングトレンチＰ３’の中に、一つ又は複数の突出部を生成することをもたらす。より小さいエネルギーを有するレーザーパルスのエネルギーは、前面電極層の少なくとも一つの突出部が残存し、この突出部が、第三のパターニングトレンチＰ３’と向き合う第三のパターニングトレンチＰ３のトレンチ壁から出発して、この第三のパターニングトレンチＰ３の幅の少なくとも２５％にわたって延在するように選択される。しかしながら、前面電極層のこの少なくとも一つの突出部は、この突出部に（直接的に）向かい合う、同じパターニングゾーンの第三のパターニングトレンチＰ３’のトレンチ壁までずっとは延在せず、言い換えれば、この突出部は、第三のパターニングトレンチＰ３と向き合う第三のパターニングトレンチＰ３’のトレンチ壁までずっとは延在しない。好ましくは、前面電極層のこの少なくとも一つの突出部は、第三のパターニングトレンチＰ３と向き合う第三のパターニングトレンチＰ３’のトレンチ壁から距離を有しており、これは、第三のパターニングトレンチＰ３’の幅の少なくとも２５％に相当する。

この方法は、第三のパターニングトレンチＰ３の製造時に変換領域が生成することを回避するか、又は所望の効果に関連して非常にわずかに若しくは取るに足りないほど小さいものでしか変換領域が生成しないことを保証する。加えて、この少なくとも一つの突出部によって、２つの太陽電池の前面電極の電気的短絡を回避する。

例えば、第三のパターニングトレンチＰ３の前面電極層の少なくとも一つの突出部は、この第三のパターニングトレンチＰ３の幅の少なくとも５０％にわたって、特に少なくとも７５％にわたって、特に少なくとも１００％にわたって延在する。レーザーアブレーションによる第三のパターニングトレンチＰ３の製造について通常の許容誤差を考慮して、第三のパターニングトレンチＰ３の前面電極層の少なくとも一つの突出部は、例えば、厳密に第三のパターニングトレンチＰ３の全幅にわたって延在する。しかしながら、第三のパターニングトレンチＰ３の前面電極層の少なくとも一つの突出部は、他方のパターニングトレンチＰ３’の中へ延在することも可能である。第三のパターニングトレンチＰ３の製造時に、前面電極層の複数の突出部を製造することができる。

第三のパターニングトレンチＰ３’と向き合う第三のパターニングトレンチＰ３のトレンチ壁は、幾分凹凸があり、ここで、前面電極層の少なくとも一つの突出部は、請求の範囲に記載した寸法を定める規定によって、それぞれ実質的により小さい寸法を有する、その凹凸によって生じる微小な突出とは明確にかつ有意に異なるものであり得る。

これとは対照的に、第三のパターニングトレンチＰ３’を製造するためのより大きいエネルギーのレーザーパルスは、好ましくは、レーザーエネルギーによって転換した材料の起こり得る生成とともに、言い換えれば、転換領域の起こり得る生成とともに、前面電極層が実質的に除去されるように選択される。ここで、より大きなエネルギーを有するレーザーパルスのエネルギーは、前面電極層のすべての残存する突出部が、第三のパターニングトレンチＰ３と向き合う第三のパターニングトレンチＰ３’のトレンチ壁から出発して、それぞれ第三のパターニングトレンチＰ３’の幅の２５％未満にわたって延在するように有利には選択される。例えば、第三のパターニングトレンチＰ３’を製造するためのより大きいエネルギーのレーザーパルスは、前面電極層のすべての残存する突出部が、それぞれ、第三のパターニングトレンチＰ３’の幅の最大で１０％、特に最大で５％、特に最大で１％にわたって延在するように選択される。典型的には、第三のパターニングトレンチＰ３と向き合う第三のパターニングトレンチＰ３’のトレンチ壁は、前面電極層の微小な突出が存在し得る凹凸を有している。しかしながら、第三のパターニングトレンチＰ３’の少なくとも２５％にわたって延在する突出部は存在しない。

本発明による方法では、実際に、第三のパターニングトレンチＰ３’の製造時に電気的により良好な導電性の転換領域が生成する。しかしながら、この転換領域は、他方の第三のパターニングトレンチＰ３と組み合わさって、比較的低いシャント効果を有し、ここで、他方の第三のパターニングトレンチＰ３では、転換材料相がわずかにしか生成しないか又は全く生成しない。したがって、いずれの場合でも、短絡路は、第三のパターニングトレンチＰ３の領域における前面電極層の不完全に除去された領域（突出部）を介して現れる可能性があるが、そこでのみ現れるものであって、第三のパターニングトレンチＰ３のすべての長さにわたって現れるものではない。２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’の組み合わせを通じて、一般的に言えば許容できる、薄膜ソーラーモジュールの効率のわずかな低下しかもたらされず、かつ２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’の製造のために、レーザーアブレーションの有利な使用を可能にする。

本発明による方法とは対照的に、パターニングゾーンごとに一つだけの第三のパターニングトレンチが存在し、この第三のパターニングトレンチが、前面電極層を確実にかつ安全に完全に除去するような大きなエネルギーのレーザーパルスによって製造されている場合には、前面電極と背面電極との間の転換材料相を通じた電気的短絡路が形成される可能性が非常に高い。このことは、薄膜ソーラーモジュールの効率を著しく低下させる。一方で、パターニングゾーンごとに一つだけの第三のパターニングトレンチが存在し、この第三のパターニングトレンチが、転換材料相の形成を回避するような小さなエネルギーのレーザーパルスによって製造されている場合には、この第三のパターニングトレンチＰ３によって分割された前面電極層の区分間の連続する材料の橋（ウェブ）が残存する可能性が高い。これらのウェブは、前面電極層の隣り合う区分を短絡させる。これはまた、薄膜ソーラーモジュールの効率を著しく低下させる。したがって、パターニングゾーンごとに一つだけの第三のパターニングトレンチが存在し、この第三のパターニングトレンチが、レーザーアブレーションによって製造されている場合には、目的の対立を解消しなければならず、一方では、レーザーパルスのエネルギーは、吸収体の電気的特性を過剰に変化させることを回避するために高すぎるものであってはならず、他方では、レーザーパルスのエネルギーは、前面電極層の完全な除去を保証しかつ前面電極層の隣り合う区分間が橋架けされたままになることを回避するために低すぎるものであってはならない。本発明者らが解明したように、この目的の対立は、実際問題として、満足のいくように解消することができない。第三のパターニングトレンチＰ３’における転換領域の形成は、薄膜ソーラーモジュールの電気的特性に対してささいな影響しかもたらさないので、本発明は、異なるエネルギーのレーザーパルスによって作り出された２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’の組み合わせを使った完全に新規な取り組み方を採用するものである。

２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’を製造するためのレーザーパルスのエネルギーは、例えば、吸収体層内のトレンチ深さが、それぞれ、吸収体層の層厚の最大で５０％であるように選択される。２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’が、例えば、最大で０．４μｍ、特に最大で０．１μｍの、吸収体層内の平均トレンチ深さを有する場合に、例えば、吸収体層の層厚は、おおよそ２μｍである。

好ましくは、第三のパターニングトレンチＰ３を製造するためのより小さなエネルギーを有するレーザーパルスのエネルギーは、第三のパターニングトレンチＰ３’を製造するためのより大きなエネルギーを有するレーザーパルスのエネルギーの５％～７０％の範囲、特に５％～５０％の範囲、特に５％～３０％の範囲である。これによって、上述した２つの影響に関して十分な差異を達成することができる。第三のパターニングトレンチＰ３’を製造するためのレーザーパルスのエネルギーは、有利には０．５μＪ～２０μＪの範囲であり、例えば、３μＪである。好ましくは、レーザーパルスのパルス持続時間は、１フェムト秒～１０ナノ秒の範囲、特に１ピコ秒～１００ピコ秒の範囲である。レーザーパルスの波長は、有利には４００ナノメーター～１５００ナノメーターの範囲の波長でありながら、前面電極層を通過することができるように選択される。

より大きなエネルギーのレーザーパルスを使って作り出した第三のパターニングトレンチＰ３’は、例えば、同じパターニングゾーンの他方の第三のパターニングトレンチＰ３と、第二のパターニングトレンチＰ２との間にある。この手段によって、太陽電池の光学活性領域における前面電極と背面電極との間の望ましくない短絡路を、確実にかつ安全に回避することができる。

既に述べたように、本発明による方法の一実施形態に従い、一つの同じパターニングゾーンの２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’は、これらの間に距離がないように作り出され、言い換えれば、この２つの第三のパターニングトレンチは、互いに直接隣り合っている。あるいは、２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’は、前面電極層の区分によって互いに空間的に離れていてもよい。この手法は、特に、第三のパターニングトレンチＰ３’のより大きな転換領域を可能にする。

本発明は、本発明による方法によって製造した薄膜ソーラーモジュールにも及ぶ。

既に述べたように、本発明による薄膜ソーラーモジュールは、平らな（平面の）基板と共に、この基板上に適用された層構造を含み、この層構造は、背面電極層、前面電極層、及び背面電極層と前面電極層との間に配置された吸収体層を含む。層構造に、直列接続した太陽電池がパターニングゾーンによって形成されている。パターニングゾーンは、少なくとも背面電極層を分割する第一のパターニングトレンチＰ１、少なくとも吸収体層を分割する第二のパターニングトレンチＰ２、並びに少なくとも前面電極層を分割するための互いの近くに配置された２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’をそれぞれ有する。レーザーアブレーションによって製造した第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’は、吸収体を完全には分割しない。特に、第三のパターニングトレンチＰ３’は、同じパターニングゾーン９の他方の第三のパターニングトレンチＰ３と第二のパターニングトレンチＰ２との間に配置されている。２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’は、これらの間に間隔を置かずに配置することができる。あるいは、第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’は、前面電極層の区分によって、互いに空間的に離れていることもできる。

典型的には、本発明による薄膜ソーラーモジュールにおいて、吸収体層と前面電極層との間にバッファー層を配置する。好ましくは、バッファー層の材料は、硫化インジウム（ＩｎＳ）、ナトリウムをドープした硫化インジウム（ＩｎＳ：Ｎａ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、亜鉛オキソ硫化物（ＺｎＯＳ）、及びイントリンシックな（本来の）酸化亜鉛（ｉ－ＺｎＯ）からなる群から選択される一つ又は複数の化合物を含む。特に、バッファー層は、これらの材料の一つ又は複数からなるものとすることができる。

本発明によれば、一つのパターニングトレンチＰ３は、前面電極層の少なくとも一つの突出部を有し、この突出部は第三のパターニングトレンチＰ３’と向き合う第三のパターニングトレンチＰ３のトレンチ壁から出発して、第三のパターニングトレンチＰ３の幅の少なくとも２５％にわたって延在するが、この突出部に向かい合う同じパターニングゾーンの第三のパターニングトレンチＰ３’のトレンチ壁までずっとは延在しない。他方の第三のパターニングトレンチＰ３’の前面電極層の任意の突出部は、第三のパターニングトレンチＰ３と向き合う第三のパターニングトレンチＰ３’のトレンチ壁から出発して、この第三のパターニングトレンチＰ３’の幅の２５％未満にわたって、それぞれ延在する。

本発明による薄膜ソーラーモジュールについて請求の範囲に記載した構造、特に、第三のパターニングトレンチＰ３’と向き合う第三のパターニングトレンチＰ３のトレンチ壁から出発して、第三のパターニングトレンチＰ３の幅の少なくとも２５％にわたって延在する前面電極層の少なくとも一つの突出部の構造は、光学電子顕微鏡を使った簡便な様式で検出しかつ確認することができる。吸収体層の材料の組成を決定するために、当業者によく知られている分析的測定方法（例えば、Ｘ線光電子分光法又はラマン分光法）を用いることによって、吸収体層の転換領域を同様に確認することができる。

本発明のさまざまな実施形態を、個別に又は任意の組合せで実現することができる。特に、以上及び以下で言及する特徴は、指示された組合せでのみならず、他の組合せで又は孤立した形態でも、本発明の範囲から逸脱することなく用いることができる。

ここで、本発明について、例示的実施形態を用い、添付図を参照しながら詳細に説明する。これらの図は、簡略化され原寸に比例した縮尺でなく示されている。

従来技術の薄膜ソーラーモジュールの太陽電池の一体化された直列接続の概略図である。 本発明による薄膜ソーラーモジュールの実施形態に従った太陽電池の一体化された直列接続の概略図である。 パターニングゾーンごとに一つのＰ３ラインを有している、本発明の部分ではない薄膜ソーラーモジュールの太陽電池の一体化された直列接続の概略図である。 本発明による薄膜ソーラーモジュールの別の実施形態に従った太陽電池の一体化された直列接続の概略図である。 図２の実施形態に従った本発明による薄膜ソーラーモジュールの２つのＰ３ラインの光学顕微鏡像である。 図５Ａの２つのＰ３ラインの概略的なスケッチである。 本発明による方法を説明するためのフローチャートである。

図１は、全体として番号１として言及する従来技術の薄膜ソーラーモジュールを、断面図で概略的に例示したものである。薄膜ソーラーモジュール１は、一体化された形態で互いに直列接続した複数の太陽電池９を含み、ここでは大幅に簡略化した様式で、同一の構造を有する２つの太陽電池９のみが描かれている。もちろん、一般的に言えば、薄膜ソーラーモジュール１において、多数の太陽電池９（例えばおおよそ１００～１５０）が直列接続している。

薄膜ソーラーモジュール１は、ここでは、例えばサブストレート構造を有し、言い換えれば、このソーラーモジュールは、基板の上に適用された薄膜でできた層構造３を有する基板２を有し、ここで、この層構造３は基板２の入光側の（平面的な）基板表面４に配置されている。基板２は、例えば、剛性ガラスプレートとして実装される一方で、実行するプロセスプロセスステップとの関係において所望される安定性及び不活性挙動を有する他の電気絶縁性の材料も同様に使用可能である。

層構造３は基板表面４上に配置されており、例えばモリブデン（Ｍｏ）などの光不透過性金属から作られ、蒸着またはマグネトロン強化カソードスパッタリング（スパッタリング）によって基板２の上に適用された不透明な黒色背面電極層５を含む。背面電極層５は、例えば、３００ｎｍから６００ｎｍの範囲内の層厚を有する。

割り当てられる日光を可能な限りたくさん吸収することのできるバンドギャップを有する金属イオンをドープした半導体でできた光起電活性の吸収体層６が、背面電極層５の上にある。吸収体層６は、ここでは、例えば、（例えばｐ－導電型の）黄銅鉱化合物半導体、例えばＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）_２の群の化合物で、特にナトリウム（Ｎａ）－ドープ型Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）_２でできている。上記式において、インジウム（Ｉｎ）及びガリウム（Ｇａ）は、代替的に又は組合せた形で存在することができる。同じことは、硫黄（Ｓ）及びセレン（Ｓｅ）にも当てはまり、これらは、代替的に又は組合せた形で存在することができる。吸収体層６は、例えば、１μｍから５μｍまでの範囲内にあり、特に、おおよそ２μｍである層厚を有する。吸収体層６の製造のためには、例えばスパッタリングによってさまざまな材料の層を適用し、その後、これらの層を、典型的にはＳ及び／又はＳｅを含有する雰囲気中で、炉内で加熱すること（ＲＴＰ＝急速加熱処理）によって、熱変換させて化合物半導体を形成する。化合物半導体のこの製造方法は、当業者にとって周知のものであり、したがってここで詳述する必要はない。

典型的には、バッファー層を吸収体層６の上に堆積し、このバッファー層は、ここでは、例えば、図１には詳細に描かれていないナトリウムをドープした硫化インジウム（Ｉｎ_２Ｓ_３：Ｎａ）の単一層と（ドープされていない）イントリンシックな（本来の）酸化亜鉛（ｉ－ＺｎＯ）の単一層とから構成されている。

前面電極層７を、例えばスパッタリングによって吸収体層６の上に適用する。前面電極層７は、可視スペクトル範囲内の放射線に対して透過性であり（「ウィンドウ電極」）、それによって、入射日光はほんのわずかしか弱められないようになっている。前面電極層７は、例えば、ドープした金属酸化物、例えばｎ－導電型アルミニウム（Ａｌ）－ドープ酸化亜鉛（ＺｎＯ）である。このような前面電極層７は、概してＴＣＯ層（ＴＣＯ＝透明導電性酸化物）と呼ばれる。前面電極層７の層厚は、例えばおおよそ５００ｎｍである。

層構造３は、様々なパターニングトレンチを有しており、それによって、一体化して直列接続した太陽電池９を形成する。パターニングは、適切なパターニング技術を用いて行われる。したがって、背面電極層５は、第一のパターニングトレンチＰ１によって、互いに完全に分離した複数の背面電極層区分に分割され、これらの区分が、太陽電池９の背面電極５－１、５－２を形成する。吸収体層６は、第二のパターニングトレンチＰ２によって、互いに完全に分離した複数の吸収体層区分に分割され、これらの区分が、それぞれ、太陽電池９の光起電活性領域又は吸収体６－１、６－２を形成する。前面電極層７は、第三のパターニングトレンチＰ３によって、互いに完全に分離した複数の前面電極層区分に分割され、これらの区分が、太陽電池９の前面電極７－１、７－２を形成する。第一、第二、及び第三のパターニングトレンチＰ１－Ｐ２－Ｐ３の各々の直接的な連続が、パターニングゾーン８を形成し、ここで、個々の太陽電池９は、２つの直接的に隣り合うパターニングゾーン８によって範囲を定められる。

第三のパターニングトレンチＰ３は、前面電極層を分割するという唯一の必要条件を有しながら、ここでは、例えば、背面電極層５までずっと延在している。この第三のパターニングトレンチＰ３は、ニードルを使って前面電極層７と吸収体層６を取り去ることによって（ニードルスクライビング）、従来から機械的に作り出されている。

パターニングトレンチＰ１、Ｐ２、Ｐ３は、それぞれ、材料で充填されている。第一のパターニングトレンチＰ１は、吸収体層６の材料で充填されている。第二のパターニングトレンチＰ２は、前面電極層７の材料で充填されており、それによって、前面電極７－１が第二のパターニングトレンチの材料を経由して背面電極５－２と直接接触しながら、一つの太陽電池９の前面電極７－１が、その隣の太陽電池９の背面電極５－２に電気的に伝導的な接続をするようになっている。この手段によって、太陽電池９は、一体化した形態で直列的に接続する。第三のパターニングトレンチＰ３は、コーティングされた基板２を周囲の影響から保護するためのカバー層（例えば、ガラスプレート）に接続する役割を果たす接着剤層の材料で充填する。これは、図１には示しておらず、本発明を理解するためには関連性がない。

既知の様式で、太陽放射によって太陽電池９の光起電活性吸収体６－１、６－２に、電子ホール対が発生する。一つの太陽電池９からその隣の太陽電池９への電流（電子）について、その結果生じる電流路１０を図１に概略的に示してある。

ここで図２を参照すると、図２には、本発明による薄膜ソーラーモジュール１の実施形態が例示されている。不必要な繰り返しを避けるために、図１の薄膜ソーラーモジュールに対する相違点のみを説明し、それ以外は図１での説明を参照するものとする。

図１とは対照的に、図２では、パターニングトレンチＰ１、Ｐ２、Ｐ３の順番が逆であり、断面図の横方向に見た方向で逆になったものに相当している。この構造は、第三のパターニングトレンチＰ３の領域の異なる設計においてのみ異なっており、ここで、一つの同じパターニングゾーン８について、単一の第三のパターニングトレンチＰ３の代わりに、図２にＰ３及びＰ３’として名前を付けた２つの第三のパターニングトレンチが設けられている。この２つのパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’は、ニードルスクライビングによって作り出されたものではなく、代わりにそれぞれレーザーアブレーションによって作り出されたものであり、第三のパターニングトレンチＰ３’は、第三のパターニングトレンチＰ３を作り出すためのレーザーパルスよりも大きなエネルギーを有するレーザーパルスによって作り出された。したがって、単に概略的に図２に例示したように、第三のパターニングトレンチＰ３’は、第三のパターニングトレンチＰ３よりも大きな深さを中心に有することができる。２つのパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’を製造するためのレーザーパルスのエネルギーは互いに異なり、かつパターニングトレンチＰ３’は、パターニングトレンチＰ３よりも大きなエネルギーのレーザーパルスによって作り出された。

２つのパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’は、それぞれ、吸収体層６を完全には分割しておらず、したがって、吸収体層６の基板側の界面１２までずっとは延在していない。例えば、２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’のトレンチの底は、吸収体層６の前面電極側の界面１１に近いところに位置している。

互いに異なるエネルギーを有するレーザーパルスをこの２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’を作り出すために使用した。ここで、第三のパターニングトレンチＰ３を作り出すためのより小さいエネルギーを有するレーザーパルスのエネルギーは、例えば、第三のパターニングトレンチＰ３’を作り出すためのより大きなエネルギーを有するレーザーパルスのエネルギーの５％～３０％であった。第三のパターニングトレンチＰ３’を作り出すためのレーザーパルスのエネルギーは、例えば、０．５μＪ～２０μＪの範囲であった。レーザーパルスの持続時間は、例えば、１フェムト秒～１０ナノ秒の範囲にあった。レーザーパルスの波長は、４００ｎｍ～１５００ｎｍの範囲にあり、それによって、直接照射を受けた前面電極層７がレーザーパルスを通過させることができ、かつ前面電極層７の除去ためのレーザーパルスのエネルギーを吸収体層６が吸収することができるようになっていた。

図２の実施形態では、２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’は、これらの間に距離を置かずに直接隣り合って配置されている。したがって、一方の第三のパターニングトレンチＰ３は、前面電極７－２によって形成されたトレンチ壁１３によって範囲を定められる。トレンチ壁１３は、もう一方の第三のパターニングトレンチＰ３’の方を向いている。相応して、他方の第三のパターニングトレンチＰ３’は、前面電極７－１によって形成されたトレンチ壁１３’によって範囲を定められる。トレンチ壁１３’は、もう一方の第三のパターニングトレンチＰ３だけでなく、もう一方のトレンチ壁１３の方を向いている。２つのトレンチ壁１３、１３’は、互いに向かい合って（反対側に）位置しており、かつ一緒になって、この２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’の範囲を定める。

次に、本発明によって達成される有利な効果を、図３及び４を参照しながらさらに詳しく説明する。図３は、断面図で薄膜ソーラーモジュール１の太陽電池の一体化した直列接続の概略図を示したものである。この薄膜ソーラーモジュール１には本発明の思想は実現されていない。本発明とは異なり、パターニングゾーン８は、それぞれ、単一の第三のパターニングトレンチＰ３’のみを有している。パターニングトレンチＰ３’は、比較的高いエネルギーのレーザーパルスを使ってレーザーアブレーションによって作り出されたものであり、そのエネルギーは、前面電極層７を確実にかつ安全に取り除くことができるように選択された。レーザーパルスの典型的なガウス分布様エネルギープロファイルによって、レーザーエネルギーが、第三のパターニングトレンチＰ３’に隣り合う吸収体層６の非蒸発性転換領域１５に導入され、このエネルギーは、吸収体層６の材料の蒸発をもたらさないが、材料の変化をもたらし、したがって、吸収体層６の電気的特性の変化をもたらす。吸収体層６の転換領域１５は、より暗い網掛けによって図３に概略的に特定されている。いかなる理論にも拘束されるものではないが、本発明者らは、三元黄銅鉱化合物半導体の場合、この転換領域１５において次第に二元材料相が生成するものと推測しており、典型的にはこの二元材料相は、黄銅鉱化合物半導体それ自体の導電性よりも大きな導電性を有している。増加した導電性を有するこれらの領域は、望ましくないことに、図３に例として素描する、太陽電池９の前面電極７－２と背面電極５－２との間の電気的な短絡路（シャント）１４を引き起こす。図３の概略図からは明らかではないが、隣り合う太陽電池９の２つの前面電極７－１、７－２の間の実質的に大きな距離に起因して、２つの前面電極７－１、７－２間の起こり得る電気的な短絡路は関係がない。ここでは、（図の平面に対して垂直な）短絡路１４が、第三のパターニングトレンチＰ３’のすべての長さにわたって延在し、それによって、薄膜ソーラーモジュール１の効率が著しく低下するようになっていることが重要な点である。この理由から、単一の第三のパターニングトレンチＰ３’のみをそれぞれ有するパターニングゾーン８を製造するために、博識のある当業者であれば、レーザーアブレーションを使用することを排除しなければならない。

図４を参照しながら以下に明らかとなるように、本発明によれば、図３に関連して述べた問題を回避することができ、この図４には、本発明による薄膜ソーラーモジュール１の別の実施形態が概略的な断面図に示されている。図４の薄膜ソーラーモジュール１は、２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’が、これらの間で互いに距離を置かずに隣り合っているわけではなく、代わりに、２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’の間に前面電極層７の狭い前面電極層区分１６がある点でのみ、図２の薄膜ソーラーモジュール１とは異なっている。したがって、一方の第三のパターニングトレンチＰ３は、他方の第三のパターニングトレンチＰ３’の方を向いた、前面電極７－２によって形成された（第一の）トレンチ壁１３と、他方の第三のパターニングトレンチＰ３’の反対側を向いた、前面電極層区分１６によって形成された（第二の）トレンチ壁１９とによって範囲を定められる。第一のトレンチ壁１３と第二のトレンチ壁１９とは、互いに向かい合って位置している。相応して、もう一方の第三のパターニングトレンチＰ３’は、他方の第三のパターニングトレンチＰ３の方を向いた、前面電極７－１によって形成された（第一の）トレンチ壁１３’と、他方の第三のパターニングトレンチＰ３の反対側を向いた、前面電極層区分１６によって形成された（第二の）トレンチ壁１９’とによって範囲を定められる。第一のトレンチ壁１３’と第二のトレンチ壁１９’とは、互いに向かい合って位置している。

図２の実施形態によれば、第三のパターニングトレンチＰ３’を、第三のパターニングトレンチＰ３のものよりも大きなエネルギーのレーザーパルスを使って作り出した。図４に示したように、第三のパターニングトレンチＰ３’は、第三のパターニングトレンチＰ３よりも、中心でより大きな深さを有することができる。図３に関連して説明したように、吸収体層６の転換は、第三のパターニングトレンチＰ３’と境界を有する転換領域１５において起こる可能性が高く、この領域では吸収体層６の蒸発は起こらない。転換領域１５を、より暗い網掛けを使って概略的に特定している。より大きなエネルギーを有するレーザーパルスのエネルギーを、第三のパターニングトレンチＰ３’の領域で前面電極層７が実質的に完全に取り除かれるようにして選択し、それによって、（第一の）トレンチ壁１３’から出発して、第三のパターニングトレンチＰ３’の幅の少なくとも２５％の寸法を有する突出部が残存しないようにした。転換領域１５は、直接隣り合う第三のパターニングトレンチＰ３までずっと延在しているが、第三のパターニングトレンチＰ３’の方を向いた第三のパターニングトレンチＰ３のトレンチ壁１３までずっとは延在していない。これらの説明は、図２の本発明による実施形態にも類似して当てはまる。

これとは対照的に、より小さいエネルギーを有するレーザーパルスのエネルギーを、第三のパターニングトレンチＰ３の縁領域で吸収体層６の転換が実質的に起こらないように選択した。したがって、転換領域１５は生成していない。しかしながら、これによって、前面電極層７は、完全には完全には取り除かれず、かつもう一方の第三のパターニングトレンチＰ３’の方向に前面電極層７の一つ又は複数の突出部が生成するという事実がもたらされる。特に、第三のパターニングトレンチＰの製造時に、前面電極層７の少なくとも一つの突出部が残存し、この突出部が、（第一の）トレンチ壁１３から出発して、第三のパターニングトレンチＰ３の幅の少なくとも２５％、特に少なくとも５０％、特に少なくとも７５％、特に少なくとも１００％の寸法を有するように、より小さいエネルギーを有するレーザーパルスのエネルギーを選択する。図４の実施態様では、このような突出部は、例えば、（第一の）トレンチ壁１３から、前面電極層区分１６までずっと、又はこれを越えて延在することができる。図２の実施態様では、このような突出部は、例えば、（第一の）トレンチ壁１３から、他方の第三のパターニングトレンチＰ３’までずっと延在し、かつその中に延在することができる。しかしながら、特定の実施態様にかかわらず、このような突出部は、他方の第三のパターニングトレンチＰ３’の（第一の）トレンチ壁１３’までずっとは延在せず、かつこのような突出部は、特に、他方の第三のパターニングトレンチＰ３’の（第一の）トレンチ壁１３’から距離を有していて、この距離は他方の第三のパターニングトレンチＰ３’の幅の少なくとも２５％に対応している。このような突出部については、図５Ａ及び５Ｂに関連して詳細に説明する。

加えて、図４では、電気的により良好な導電性の転換領域１５に起因した、太陽電池９の前面電極７－２と背面電極５－２との間の短絡電流路（シャント）１４が、概略的に示されている。第三のパターニングトレンチＰ３のおかげで、転換領域１５がそれほど遠くには達しないので、この短絡電流路１４は前面電極７－２又は（第一の）トレンチ壁１３にまですっとは延在しない。この理由から、第三のパターニングトレンチＰ３の領域の前面電極層７の突出部に起因して、非常に小さな（一般的には無視できるほどの）短絡電流だけしか太陽電池９の前面電極７－２と背面電極５－２との間を流れることができない。この有利な効果は、図２及び図４の本発明による薄膜ソーラーモジュール１の実施形態の両方に生じる。

次に、図５Ａ及び５Ｂに言及する。図５Ａは、図２の実施形態による２つの直接的に隣り合う第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’の光学顕微鏡像を示したものである。図５Ｂは、スケッチとして、図５Ａの光学顕微鏡像を模写したものである。これらの図の両者で、前面電極層７の除去されなかった材料に相当する、前面電極７－２の突出部１７を認識できる。突出部１７は、第三のパターニングトレンチＰ３の（第一の）トレンチ壁１３から、第三のパターニングトレンチＰ３’の（第一の）トレンチ壁１３’の方向に延在し、ここで、この突出部の寸法は、第三のパターニングトレンチＰ３の幅におおよそ相当している。２つのトレンチ壁１３、１３’は、いくらかの凹凸又は波形を有している。トレンチ壁１３、１３’の凹凸によって形成される（微小の）突出は、典型的には、これを伴う第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’の幅の実質的に２５％未満である寸法をそれぞれ有し、したがって、第三のパターニングトレンチＰ３の幅の２５％を超えて延在する少なくとも一つの突出部１７とは、簡単な様式で（例えば、光学顕微鏡によって）区別することができる。図５Ｂでは、例示として、トレンチ壁１３’の一つの（微小な）突出１７’をスケッチしている。図５Ａ及び図５Ｂの描写では、突出部１７は、第三のパターニングトレンチＰ３’までずっと（通常の許容誤差の範囲内で）延在している。このような形態は、時間的に第三のパターニングトレンチＰ３の前又は後で第三のパターニングトレンチＰ３’を作り出すときに得ることができる。異なるエネルギーのレーザーパルスによって作り出される第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’の本発明による組み合わせによって、第三のパターニングトレンチＰ３の領域で前面電極７－２の突出部１７が、向かい合う前面電極７－１にまでずっとは延在しないが、第三のパターニングトレンチＰ３’のみにまでは延在し、したがって、この突出部１７は転換領域１５とだけ電気的に接触する、ということを有利に達成することができる。この様式では、（突出部１７と転換領域１５とによって作り出される）２つの空間的に非常に小さな短絡領域１８、１８’が存在するということが成し遂げられる。したがって、有利なことに、短絡電流路１４は、２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’のすべての長さにわたって延在せず、代わりに、この２つの短絡領域１８、１８’に空間的に制限される。その結果として、短絡電流は非常に小さく、かつ薄膜ソーラーモジュール１の効率は、わずかにしか低下しない。

図６は、フローチャートを使って、本発明による上述した薄膜ソーラーモジュール１を製造する例示的な方法を示したものである。これによれば、第一の工程Ｉで、平らな基板２を提供する。別の工程ＩＩで、第一のパターニングトレンチＰ１によって、太陽電池の背面電極を形成するためにパターニングされる背面電極層５を平らな基板２の片面に堆積する。別の工程ＩＩＩで、太陽電池９の光起電活性の吸収体６－１、６－２を形成するためにパターニングされる吸収体層６を背面電極層５の上に堆積する。別の工程ＩＶで、太陽電池９の前面電極７－１、７－２を形成するために、第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’によってパターニングされる前面電極層７を吸収体層６の上に堆積する。第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’は、レーザーアブレーションによって作り出される。各パターニングゾーン８に対して、２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’が作り出され、ここで、一つの同じパターニングゾーン８の第三のパターニングトレンチＰ３’は、このパターニングソーン８のもう一方の第三のパターニングトレンチＰ３を作り出すためのレーザーパルスのエネルギーよりも大きいエネルギーを有するレーザーパルスを使って作り出される。

本発明は、薄膜ソーラーモジュールを製造する方法だけでなく、対応する薄膜ソーラーモジュールも利用可能にするものであり、この薄膜ソーラーモジュールには、各パターニングゾーンに異なるエネルギーのレーザーパルスによるレーザーアブレーションによって、２つの隣り合う第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’が作り出されている。短絡路は、この２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’すべての長さにわたって延在するものではなく、代わりに、第三のパターニングトレンチの領域における突出部に空間的に制限され、それによって、薄膜ソーラーモジュールの効率の低下が起こらないようになっている。時間及びコストの集約的な維持管理を伴う先行技術で使用されるニードルスクライビングの代わりに、パターニングゾーンの第三のパターニングトレンチを製造するために、有利なことにパルスレーザービームを使用することができる。本発明による方法は、薄膜ソーラーモジュールを製造するための既存のシステムにおいて、比較的簡便な様式で実現することができる。

１ 薄膜ソーラーモジュール
２ 基板
３ 層構造
４ 基板表面
５ 背面電極層
５－１、５－２ 背面電極
６ 吸収体層
６－１、６－２ 吸収体
７ 前面電極層
７－１、７－２ 前面電極
８ パターニングゾーン
９ 太陽電池
１０ 電流路
１１ 前面電極側の界面
１２ 基板側の界面
１３、１３’ （第一の）トレンチ壁
１４ 短絡電流路（シャント）
１５ 転換領域
１６ 前面電極層区分
１７、１７’ 突出部
１８、１８’ 短絡領域
１９、１９’ （第二の）トレンチ壁

Claims (15)

1. 以下の工程を含む、直列接続した太陽電池（９）を有する薄膜ソーラーモジュール（１）を製造する方法：
   － 平らな基板（２）を提供すること、
   － 前記基板（２）の片面（４）に背面電極層（５）を堆積すること、
   － 第一のパターニングトレンチＰ１によって、少なくとも前記背面電極層（５）を分割すること、
   － 前記背面電極層（５）の上に吸収体層（６）を堆積すること、
   － 第二のパターニングトレンチＰ２によって、少なくとも前記吸収体層（６）を分割すること、
   － 前記吸収体層（６）の上に前面電極層（７）を堆積すること、
   － それぞれ、前記吸収体層の前記基板側の界面まで到達しないように前記吸収体層まで延在する第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’によって、少なくとも前記前面電極層（７）を分割すること、
   ここで、まず第1に行われる第一のパターニングトレンチＰ１、該第一のパターニングトレンチＰ１の後に行われる第二のパターニングトレンチＰ２、及び、該第二のパターニングトレンチＰ２の後に行われる隣り合う２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’によって、パターニングゾーン（８）を形成し、
   前記第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’を、それぞれ、パルスレーザービームを用いたレーザーアブレーションによって作り出し、前記パターニングゾーン（８）の一方の第三のパターニングトレンチＰ３’を、比較的 大きなエネルギーのレーザーパルスを使って作り出し、かつ前記パターニングゾーン（８）の他方の第三のパターニングトレンチＰ３を、より小さなエネルギーのレーザーパルス を使って作り出す。
2. 前記前面電極層（７）の少なくとも一つの突出部（１７）が残存し、この突出部が、前 記第三のパターニングトレンチＰ３’と向き合う前記第三のパターニングトレンチＰ３の トレンチ壁（１３）から出発して、前記第三のパターニングトレンチＰ３の幅の少なくと も２５％にわたって延在するが、前記突出部（１７）に向かい合う同じパターニングゾー ン（８）の前記第三のパターニングトレンチＰ３’のトレンチ壁（１３’）までずっとは 延在しないように、より小さなエネルギーを有する前記レーザーパルスのエネルギーを選択する、請求項１に記載の方法。
3. 前記前面電極層（７）の少なくとも一つの前記突出部（１７）が、前記第三のパターニ ングトレンチＰ３の幅の少なくとも５０％にわたって延在するように、より小さなエネルギーを有する前 記レーザーパルスのエネルギーを選択する、請求項２に記載の方法。
4. 前記第三のパターニングトレンチＰ３と向き合う前記第三のパターニングトレンチＰ３ ’のトレンチ壁（１３’）から出発して、前記第三のパターニングトレンチＰ３’の幅の 少なくとも２５％にわたって延在する前記前面電極層（７）の突出部（１７’）が、残存 しないように、より大きなエネルギーを有する前記レーザーパルスのエネルギーを選択する、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記前面電極層（７）のすべての前記突出部（１７’）が、それぞれ、前記第三のパターニングトレンチＰ３’の幅の最大で１０％にわたって延在するように、より大きなエネルギーを有する前記レーザーパルスのエネルギーを選択する、請求項４に記載の方法。
6. 一つの同じ前記パターニングゾーン（８）の前記２つの第三のパターニングトレンチＰ ３、Ｐ３’を、これらが互いに直接隣り合うようにして作り出す、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
7. 一つの同じ前記パターニングゾーン（８）の前記２つの第三のパターニングトレンチＰ ３、Ｐ３’を、前記２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’の間に前面電極層区 分（１６）が残存するようにして作り出す、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
8. より小さなエネルギーを有する前記レーザーパルスのエネルギーが、より大きなエネル ギーを有する前記レーザーパルスのエネルギーの５％～７０％の範囲にある、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
9. より大きなエネルギーの前記レーザーパルスが、０．５μＪ～２０μＪの範囲のエネルギーを有する、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’を作り出すための前記レーザーパルスが 、１フェムト秒～１０ナノ秒の範囲のパルス持続時間を有する、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’を作り出すための前記レーザーパルスが 、４００ナノメーター～１５００ナノメーターの範囲の波長を有する、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 個々のレーザーパルスの部分的な重なりのみによって、前記第三のパターニングトレン チＰ３、Ｐ３’をそれぞれ作り出す、請求項１～１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 基板（２）、並びに前記基板上に適用された層構造（３）であって、背面電極層（５） 、前面電極層（７）、及び前記背面電極層と前記前面電極層との間に配置された吸収体層 （６）を含む層構造を有する、薄膜ソーラーモジュール（１）であって、
    ここで、直列接続した太陽電池（９）が、パターニングゾーン（８）によって前記層構 造（３）に形成されており、
    少なくとも一つのパターニングゾーン（８）が、以下を有しており：
    －少なくとも前記背面電極層（５）を分割する第一のパターニングトレンチＰ１、 －少なくとも前記吸収体層（６）を分割する第二のパターニングトレンチＰ２、
    － 互いに近くに配置され、それぞれ、前記前面電極層（７）を分割する、それぞれ、前記吸収体層の前記基板側の界面まで到達しないように前記吸収体層まで延在する２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’、ここで、
    － 一方の第三のパターニングトレンチＰ３が、前記前面電極層（７）の少なくとも一つの突出部（１７）を有しており、この突出部が、前記第三のパターニングトレンチＰ３’と向き合う前記第三のパターニングトレンチＰ３のトレンチ壁（１３）から出発して、前記第三のパターニングトレンチＰ３の幅の少なくとも２５％にわたって延在するが、前記突出部（１７）に向かい合う同じパターニングゾーン（８）の前記第三のパターニングトレンチＰ３’のトレンチ壁（１３’）までずっとは延在しておらず、かつ
    － 他方の第三のパターニングトレンチＰ３’が、前記第三のパターニングトレンチＰ３と向き合う前記第三のパターニングトレンチＰ３’のトレンチ壁（１３’）から 出発して、前記第三のパターニングトレンチＰ３’の幅の少なくとも２５％にわたって延在する前記前面電極層（７）の突出部（１７’）を有していない、 薄膜ソーラーモジュール（１）。
14. 一つの同じ前記パターニングゾーン（８）の前記２つの第三のパターニングトレンチＰ３、Ｐ３’が、互いに直接隣り合っている、請求項１３に記載の薄膜ソーラーモジュール （１）。
15. 一つの同じ前記パターニングゾーン（８）の前記２つの第三のパターニングトレンチＰ ３、Ｐ３’の間に、前面電極層区分（１６）が配置されている、請求項１３に記載の薄膜ソーラーモジュール（１）。

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