CN102272938B - 光电转换元件、光电转换模块及光电转换元件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光电转换元件(20)，其具有：互相隔有间隔设置的第一电极层(2)及第二电极层(8)；位于第一电极层(2)上、且具有第一导电型的第一半导体层(3)；位于第一半导体层(3)上、具有第二导电型并与第一半导体层(3)pn接合的第二半导体层(4)；将第二半导体层(4)和第二电极层(8)电连接的连接部(7)；位于第二半导体层(4)上、且从连接部(7)到达第二半导体层(4)的第一端部(A)的线状电极(6)。
Description
技术领域
本发明涉及吸收光而产生电力的光电转换元件、及具有多个该光电转换元件的光电转换模块。
背景技术
作为太阳能电池等的光电转换模块，已知有将在受光面具有透明电极层的光电转换元件作为构成单位，并将该光电转换元件在玻璃等基板上多个串联连接而成的结构。另外，在专利文献1的太阳能电池中，为了提高光的透过率而提高太阳能电池元件的发电效率，通过使透明电极层减薄并在透明电极层上实施金属配线，可抑制伴随透明电极层的薄膜化而造成的电力损失的降低。
然而，在专利文献1的太阳能电池的结构中，有可能在元件的外周部产生欠缺，无法在外周部中效率良好地进行光电转换，从而使发电效率降低。
为此，寻求一种能够抑制发电效率降低的光电转换元件及光电转换模块。
专利文献1：日本特开2000-299486号公报
发明内容
本发明的一实施方式所涉及的光电转换元件具有：互相隔有间隔设置的第一电极层及第二电极层；位于所述第一电极层上、且具有第一导电型的第一半导体层；位于所述第一半导体层上、具有第二导电型并与所述第一半导体层pn接合的第二半导体层；将所述第二半导体层和所述第二电极层电连接的连接部；位于所述第二半导体层上、且从所述连接部到达所述第二半导体层的第一端部的线路状的线状电极，所述连接部是朝向所述线状电极的所述第二电极层延伸并与所述第二电极层连接的延长部，所述线状电极的端面和所述第二半导体层的所述第一端部的端面形成同一面。
本发明的一实施方式所涉及的光电转换模块具有多个上述光电转换元件，多个所述光电转换元件具有第一光电转换元件和第二光电转换元件，所述第一光电转换元件及第二光电转换元件的各自的所述第一电极层及第二电极层朝向相同的方向，且所述第一光电转换元件的所述第二电极层和所述第二光电转换元件的所述第一电极层电连接。
附图说明
图1是表示本发明第一实施方式所涉及的光电转换元件及光电转换模块的立体图。
图2是图1所示的光电转换元件及光电转换模块的剖视图。
图3是表示图1所示的光电转换元件及光电转换模块的制造方法的各工序的剖视图。
图4是表示本发明第二实施方式所涉及的光电转换元件及光电转换模块的立体图。
图5是图4所示的光电转换元件及光电转换模块的剖视图。
图6是表示图4所示的光电转换元件及光电转换模块的制造方法的各工序的剖视图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的实施方式进行详细说明。
首先，对本发明的第一实施方式所涉及的光电转换元件及光电转换模块进行说明。
图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的光电转换元件20及使用其的光电转换模块21的结构的图。图2是光电转换元件20及光电转换模块21的剖视图。光电转换元件20包括基板1、第一电极层2、第二电极层8、第一半导体层3、第二半导体层4、导电层5、线状电极6、连接部7。另外，由第一半导体层3和第二半导体层4构成光电转换层PV。
光电转换模块21排列多个光电转换元件20而成。并且，在邻接的光电转换元件20之中，一光电转换元件20的第二电极层8和另一光电转换元件20的第一电极层2电连接。通过该结构，能够将邻接的光电转换元件20彼此容易地串联连接。而且，在一个光电转换元件20内，连接部7设置成将光电转换层PV分割开。即，在图1中，连接部7从光电转换元件20的眼前侧的侧面到与其对置的背部侧的侧面呈线路状形成，并在由位于该连接部7的左侧的第一电极层2和导电层5夹持的光电转换层PV中进行光电转换。
基板1是用于支承光电转换元件20的构件。作为用于基板1的材料，例如可举出玻璃、陶瓷、树脂及金属等。在构成光电转换模块21的情况下，既可以在多个基板1上分别设置光电转换元件20，并将其排列而互相串联连接，或者也可以在1个基板1上设置多个光电转换元件20。这样，当在1个基板1上设置多个光电转换元件20时，光电转换模块21的制作变得容易。
第一电极层2及第二电极层8采用Mo、Al、Ti或Au等导电体，在基板1上通过溅射法或蒸镀法等而形成。而且，在图1的邻接的光电转换元件20中，一光电转换元件20的第二电极层8和另一光电转换元件20的第一电极层2呈一体结构。
光电转换层PV包括第一半导体层3和第二半导体层4，其能够吸收光而转换为电力，采用硅系及化合物半导体系等半导体材料。作为硅系，可举出单晶硅、多晶硅及非晶硅等。作为化合物半导体系可举出单晶系及多晶系，例如有III-V族化合物半导体、II-VI族化合物半导体及黄铜矿系(称之为“CIS系”)化合物半导体等。
从减少材料这一观点来看，光电转换层PV优选为10μm以下厚度的薄膜。即便在形成这种薄膜的情况下，通过如本实施方式那样的、线状电极6到达光电转换层PV的第一端部A的结构，也能够有效地抑制在光电转换层PV的外周部产生欠缺的情况。
在这种薄膜光电转换层PV之中，采用黄铜矿系化合物半导体的光电转换层PV的转换效率高，故即便是薄膜也能够实现与现有的单晶硅相同程度的光电转换效率，因而尤其优选。另外，从不包含有害的镉这方面来看也是优选的。作为这种黄铜矿系化合物半导体，可举出Cu(In，Ga)Se2(称之为CIGS)、Cu(In，Ga)(Se，S)2(称之为CIGSS)及CuInS2(称之为CIS)。光电转换层PV例如在由薄膜进行制作时，通过溅射法、蒸镀法或涂敷法等形成。而且，所谓“Cu(In，Ga)Se2”为主要由Cu、In、Ga、Se构成的化合物。另外，所谓“Cu(In，Ga)(Se，S)2”为主要由Cu、In、Ga、Se、S构成的化合物。
第一半导体层3及第二半导体层4具有一者为n型而另一者为p型的不同的导电型，且第一半导体层3和第二半导体层4进行pn接合。可以是第一半导体层3为p型而第二半导体层4为n型，也可以是相反的关系。而且，由第一半导体层3及第二半导体层4进行的pn接合并不局限于第一半导体层3和第二半导体层4直接接合。例如，也可以在第一半导体层3和第二半导体层4之间还具有与第一半导体层3相同导电型的其他半导体层或与第二半导体层4相同导电型的其他半导体层。另外，在第一半导体层3和第二半导体层4之间也可以是具有i型的半导体层的pin接合。
第一半导体层3和第二半导体层4可以是同质接合，也可以是异质接合。作为异质接合的例子，例如在第一半导体层3为CIGS等黄铜矿系化合物半导体(通常称之为“光吸收层”)时，作为第二半导体层4可举出CdS、ZnS、ZnO、In2Se3、In(OH，S)、(Zn，In)(Se，OH)及(Zn，Mg)O等(通常称之为“缓冲层”)，且例如通过化学池沉积(CBD)法等来形成。所谓“In(OH，S)”为主要由In、OH、S构成的化合物。所谓“(Zn，In)(Se，OH)”为主要由Zn、In、Se、OH构成的化合物。所谓“(Zn，Mg)O”为主要由Zn、Mg、O构成的化合物。
在第二半导体层4上如图1所示也可以设置导电层5。由此，能够更加良好地将在光电转换层PV中发生的电荷导出，发电效率得以进一步提高。导电层5采用ITO或ZnO：Al等导电体，并通过溅射法、蒸镀法或化学气相成长(CVD)法等来形成。在将导电层5一侧作为受光面使用时，为了提高光电转换层PV的吸收效率，优选导电层5相对于光电转换层PV的吸收光具有透光性。从在提高透光性的同时将通过光电转换而产生的电流良好地向线状电极6传送这一观点来看，优选导电层5的厚度为0.05～0.5μm。
线状电极6形成在第二半导体层4上，用于减小电阻而将在第二半导体层4中发生的电荷良好地导出，其作为集电电极发挥作用。线状电极6为抑制向光电转换层PV照射的光的遮蔽而设置成线路状。该线路状的线状电极6在俯视情况下，设置成到达第二半导体层4的第一端部A、即光电转换层PV的端部A。通过这样的结构，线状电极6保护光电转换层PV的外周部，抑制光电转换层PV的外周部上的欠缺，从而即便在光电转换层PV的外周部也能够良好地进行光电转换。另外，能够将在该光电转换层PV的外周部发生的电流由到达第一端部A的线状电极6效率良好地导出。其结果是，能够提高发电效率。
这样，由于能够通过到达第一端部A的线状电极6保护光电转换层PV的外周部，因此，能够减小设置在第一电极层2和线状电极6之间的构件的合计厚度。因而，不仅能够实现构件的削减，并且能够缩短这些构件的制作工序。优选的是，将在第一电极层2和线状电极6之间设置的构件的合计厚度(在图1及图2的例子中，为第一半导体层3、第二半导体层4及导电层5的合计厚度)减薄为1.56～2.7μm。具体而言，在图1及图2的例子中，将第一半导体层3的厚度设为1.5～2.0μm，将第二半导体层4的厚度设为0.01～0.2μm，将导电层5的厚度设为0.05～0.5μm即可。
另外，优选的是，在线状电极6所到达的第一端部A侧，线状电极6的端面、导电层5的端面及光电转换层PV的端面构成同一面。由此，能够将在光电转换层PV的第一端部A中光电转换了的电流良好地导出。
在本发明中，所谓“线状电极6到达第二半导体层4的第一端部A”，优选的是线状电极6完全到达第二半导体层4的最外侧的第一端部A，但并不局限于此。即，从通过有效抑制以第二半导体层4的第一端部A为基点发展的裂纹而抑制欠缺这一观点来看，也包含第二半导体层4的最外侧的第一端部A和线状电极6的端部的距离在1000μm以下的情况。从提高在第一端部A中的线状电极6的集电效应这一观点来看，优选第一端部A和线状电极6的端部的距离在500μm以下。
从抑制向光电转换层PV照射的光的遮蔽且抑制光电转换层PV的外周部的欠缺这一观点来看，优选线状电极6具有50～400μm的宽度。另外，线状电极6也可以具有分支的多个分支部。
线状电极6优选例如通过将Ag等金属膏(金属粒子和树脂的混合物)印刷成图案状并将其硬化而形成。即，优选线状电极6包括金属粒子和树脂。由此，硬化后的线状电极6的相对于弯曲应力的耐性得以提高。其结果是，能够良好地保护光电转换层PV的外周部。
优选的是，线状电极6包含焊锡。由此，不仅能够提高相对于弯曲应力的耐性，还能够进一步降低电阻。更优选的是，包含两种以上熔点不同的金属，可以以至少1种金属熔融、其他至少1种金属不熔融的温度进行加热而硬化。由此，低熔点的金属熔融而使线状电极6致密化，能够降低电阻，并能够在加热硬化时利用高熔点的金属来抑制熔融金属欲要扩展的情况。
光电转换元件20排列多个并将其电连接，能够形成光电转换模块21。为了将邻接的光电转换元件20彼此容易地串联连接，如图1、图2所示，光电转换元件20通过设置在光电转换层PV的连接部7，将第二半导体层4和第二电极层8电连接。而且，通过在图1中设置导电层5，进一步提高了第二半导体层4和第二电极层8的电连接的导通性，但不限于此，也可以不形成导电层5。
优选连接部7在形成导电层5之际同时形成而一体化。换而言之，导电层5具有从第二半导体层4朝向第二电极层8延伸的第一延长部，并通过第一延长部与第二电极层8连接而使导电层5构成连接部7。由此，能够在使工序简略化的同时提高电连接的可靠性。
当将光电转换层PV的端部中的与线状电极6所到达的第一端部A对置的另一端部作为第二端部B时，在线状电极6从第一端部A朝向第二端部B延伸的情况下，优选连接部7在俯视的情况下位于与光电转换层PV的第一端部A相比靠第二端部B侧的位置，即设置在第二端部B的附近。更优选的是，连接部7在俯视的情况下，与光电转换层PV的第二端部B大致平行且呈直线状延伸。通过这样的结构，使连接部7接近第二端部B，能够减小作为对发电无贡献的无效区域的、连接部7和第二端部B之间的区域，从而能够提高光电转换效率。
上述光电转换元件20能够按以下所述进行制造。图3(a)～(e)是表示光电转换元件20的制造工序的各工序的剖视图。
首先，如图3(a)所示，在基板1上形成期望图案的第一电极层2及第二电极层8。图案状的第一电极层2及第二电极层8能够通过溅射法等薄膜形成方法、划线加工或蚀刻等图案形成方法而形成。
接着，如图3(b)所示，采用溅射法或CBD法等薄膜形成方法而在基板1、第一电极层2及第二电极层8上层叠第一半导体层3及第二半导体层4。然后，通过划线加工或蚀刻等在第一半导体层3及第二半导体层4上形成用于形成连接部7的贯通槽P2。
接着，如图3(c)所示，在第二半导体层4上形成导电层5，同时在贯通槽P2内形成作为连接部7的第一延长部。导电层5及连接部7能够通过溅射法等薄膜形成方法而形成。
接着，如图3(d)所示，在导电层5上通过丝网印刷等方法将金属膏印刷成图案状并将其加热而硬化，由此形成线状电极6。
最后，如图3(e)所示，保留电极层，并将第一半导体层3、第二半导体层4、导电层5及线状电极6通过划线加工等一并切断。通过这样的方法，能够容易地制作线状电极6在俯视情况下到达光电转换层PV的第一端部A的结构的光电转换元件20。即，在形成光电转换层PV及导电层5之后形成贯通槽P2，并在贯通槽P2间的各部位欲要形成线状电极6时，光电转换层PV的第一端部A和线状电极6的端部难以精度良好地对位。其结果是，线状电极6偏离形成，容易产生不良情况。与其相对，通过利用上述制造方法来进行制作，能够容易地制作线状电极6在俯视情况下到达光电转换层PV的第一端部A的结构，从而不仅能够简略工序，还能够抑制不良的发生。
另外，通过上述方法来形成，邻接的光电转换元件20为一光电转换元件20的第一电极2和另一光电转换元件20的第二电极8一体形成的结构。由此，邻接的光电转换元件20彼此被串联连接，从而能够容易地制作将多个光电转换元件20以串联连接排列而成的光电转换模块21。
接着，对本发明第二实施方式所涉及的光电转换元件及光电转换模块进行说明。
图4是表示本发明的第二实施方式所涉及的光电转换元件120及光电转换模块121的结构的图。另外，图5是光电转换元件120及光电转换模块121的剖视图，图6是表示其制造方法的各工序的剖视图。在图4～图6中，对与图1～3所示的第一实施方式所涉及的光电转换元件20及光电转换模块21相同结构的部位标以相同的标号，能够应用与上述各结构同样的结构。
第二实施方式所涉及的光电转换元件120及光电转换模块121与第一实施方式所涉及的光电转换元件20及光电转换模块21的不同之处在于，在第二实施方式所涉及的光电转换元件120及光电转换模块121中，线状电极6具有从第二半导体层4朝向第二电极层8延伸的第二延长部，且通过第二延长部与第二电极层8连接而使线状电极6构成连接部17。这样，在通过线状电极6与第二电极层8连接而构成连接部17的情况下，连接更加可靠，从而能够提高连接可靠性。
这样的光电转换元件120及光电转换模块121能够按以下所述进行制作。首先，如图6(a)所示，在基板1上形成期望图案的第一电极层2及第二电极层8。接着，如图6(b)所示，在基板1、第一电极层2及第二电极层8上层叠第一半导体层3及第二半导体层4。接着，如图6(c)所示，在第二半导体层4上形成导电层5。接着，如图6(d)所示，通过划线加工或蚀刻等来形成用于形成连接部17的贯通槽P2及用于分离光电转换元件120之间的贯通槽P3。最后，如图6(e)所示，在导电层5上及贯通槽P2的一部分上通过丝网印刷等方法将金属膏印刷成图案状。然后，将其加热而硬化，从而形成线状电极6，由此完成具有连接部17的光电转换装置120及光电转换模块121。
这样，继续形成第一半导体层3、第二半导体层4及导电层5，之后同时形成用于形成连接部17的贯通槽P2及用于分离光电转换元件120之间的贯通槽P3，从而能够简略槽加工工序，提高生产性。
需要说明的是，本发明并不局限于上述实施方式，也可以在不超出本发明要旨的范围内进行各种变更。
附图标号说明
2：第一电极层
3：第一半导体层
4：第二半导体层
5：导电层
6：线状电极
7，17：连接部
8：第二电极层
20、120：光电转换元件
21、121：光电转换模块
Claims (10)
1.一种光电转换元件，其具有：
互相隔有间隔设置的第一电极层及第二电极层；
位于所述第一电极层上、且具有第一导电型的第一半导体层；
位于所述第一半导体层上、具有第二导电型并与所述第一半导体层pn接合的第二半导体层；
将所述第二半导体层和所述第二电极层电连接的连接部；
位于所述第二半导体层上、且从所述连接部到达所述第二半导体层的第一端部的线状电极，
所述连接部是朝向所述线状电极的所述第二电极层延伸并与所述第二电极层连接的延长部，
所述线状电极的端面和所述第二半导体层的所述第一端部的端面形成同一面。
2.如权利要求1所述的光电转换元件，其中，
所述第二半导体层具有与所述第一端部对置的第二端部，
在俯视情况下，所述连接部与所述第一端部相比位于所述第二端部侧。
3.如权利要求2所述的光电转换元件，其中，
在俯视情况下，所述连接部与所述第二端部大致平行且呈直线状延伸。
4.如权利要求1所述的光电转换元件，其中，
在所述第一端部侧，所述线状电极的端面、所述第二半导体层的端面及所述第一半导体层的端面构成同一面。
5.如权利要求1所述的光电转换元件，其中，
还具有位于所述第二半导体层和所述线状电极之间的导电层。
6.如权利要求5所述的光电转换元件，其中，
所述导电层具有从所述第二半导体层朝向所述第二电极层延伸的第一延长部，并通过所述第一延长部与所述第二电极层连接而使所述导电层构成所述连接部。
7.如权利要求1所述的光电转换元件，其中，
所述线状电极具有从所述第二半导体层朝向所述第二电极层延伸的第二延长部，且通过所述第二延长部与所述第二电极层连接而使所述线状电极构成所述连接部。
8.如权利要求1所述的光电转换元件，其中，
所述线状电极包括金属粒子和树脂。
9.如权利要求1所述的光电转换元件，其中，
包括所述第一半导体层和所述第二半导体层的光电转换层包括黄铜矿系的材料。
10.一种光电转换模块，其中，
具有多个权利要求1所述的光电转换元件，
多个所述光电转换元件具有第一光电转换元件和第二光电转换元件，
所述第一光电转换元件及第二光电转换元件的各自的所述第一电极层及第二电极层朝向相同的方向，且所述第一光电转换元件的所述第二电极层和所述第二光电转换元件的所述第一电极层电连接。
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