JP2009302274A - 光発電素子、ｃｉｓ系光発電素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】グリッド型モジュール構造の太陽電池モジュールが製造可能な薄膜系の光発電素子を提供する。
【解決手段】光を受けることにより発電する光発電素子１０であって、絶縁材料からなる基板１と、基板１上に形成された裏面電極層２と、裏面電極層２上に形成された発電層３と、発電層３上に形成された透明電極層４と、透明電極層４上に形成された金属製の集電電極５と、を備え、集電電極５は、透明電極層４からの電子を集電する複数のフィンガー部と、フィンガー部により集電された電子をさらに集電するバスバー部と、を有し、バスバー部と透明電極層４との間に、集電電極５の電気抵抗より高い電気抵抗を有する絶縁材料からなる短絡防止層６を設けることを特徴とする光発電素子１０。
【選択図】図１

Description

本発明は、光発電素子等に関し、より詳しくは、光を受けることにより電圧、電流を発生させる光発電素子等に関する。

近年、地球温暖化対策の一環として、太陽電池への期待が高まっている。太陽電池としては、ＣｕＩｎＳｅ_２系を中心としたカルコパイライト型化合物半導体を用いるＣＩＳ系太陽電池と、シリコンウエハを使用したシリコン系太陽電池とが知られている。なかでも、ＣＩＳ系太陽電池は、光電変換効率が高く、長期安定性に優れ、比較的低コストであることから注目され、各社が製品化を始めている。
現在、製品化されている太陽電池モジュールは、ＣＩＳ系太陽電池の場合、数個から数十個の光発電素子を直列に接続し、十分な電圧が得られるように設計された集積型モジュール構造であり、シリコン系太陽電池の場合、集電電極が形成された各セルを直列に接続したグリッド型モジュール構造が一般的である。

グリッド型モジュール構造の太陽電池モジュールについては、特許文献１に、太陽電池セルの表面上に形成された集電極をハンダで覆い、ハンダで覆われた集電極上を含む太陽電池セルの全表面を反射防止膜で覆い、集電極に対しモジュール間接続用リボンを選択的に反射防止膜を破ってハンダ付けしてなる太陽電池が記載されている。
特許文献２には、ＰＮ接合を有する基板の受光面側に形成された反射防止膜と、焼成により反射防止膜を貫通して基板と良好な電気的コンタクトが得られる金属ペースト材料を焼成して形成されるグリッド電極と、焼成で反射防止膜を貫通せず、基板と良好な電気的コンタクトが得られない金属ペースト材料を焼成して形成されるグリッド電極を電気的に連結する主電極とからなる表面電極とを有する太陽電池素子が記載されている。
特許文献３には、裏面電極層と、光起電力層としての半導体層と、透明導電層からなる上部電極層と、グリッド状の集電電極とを有し、集電電極が、融点が異なる２種以上の金属材料を主成分とする合金からなり、合金の金属材料の比率は表面側と内部とで異なる合金粉と非導電体とからなる導電性ペーストから形成された光起電力素子が記載されている。
特許文献４には、集電極のハンダ付け部分の下方に位置する結晶半導体層の表面上またはその内部に絶縁層を形成し、集電極は絶縁層の上に直接又は非晶質半導体層を介して形成した光起電力素子が記載されている。

特開平０３−２８３４７２号公報 特公平０４−０４６４６８号公報 特許第２９２３１３１号公報 特開平０６−１９６７２８号公報

ところで、集積型モジュール構造の太陽電池モジュールを製造する場合、製膜途中でレーザやダイヤモンドカッターを使用するパターニングが必要となり、一貫製膜が困難である。また、切削により発生する削り粉による汚染や、製造中のモジュールを真空中から大気中に出すことに伴う界面の酸化、さらにダストの付着等の問題がある。
一方、グリッド型モジュール構造の太陽電池モジュールを製造する場合、各光発電素子の表面にそれぞれ集電電極を印刷、焼成する手間が不要となり、また、各光発電素子を直列に接続する手間が省けるという長所がある。

しかし、シリコン系太陽電池より光電変換効率が高いＣＩＳ系太陽電池をグリッド型モジュール構造にするため、複数の光発電素子を接続する場合、複数の光発電素子のバスバー部にリボン状の配線をハンダ付けする際の熱により、ＣＩＳ系太陽電池の一部が破壊されやすい。これは、ＣＩＳ系太陽電池の場合、発電層の厚さが２ミクロン以下と薄いため、ハンダ付けの熱により発生する亀裂に銀ペーストの成分が浸透し、裏面電極と表面電極とが短絡することに起因している。このため、光発電素子の特性が大きく変化するという問題がある。
本発明の目的は、グリッド型モジュール構造の太陽電池モジュールが製造可能な薄膜系の光発電素子を提供することにある。

かくして本発明によれば、光を受けることにより発電する光発電素子であって、絶縁材料からなる基板と、基板上に形成された裏面電極層と、裏面電極層上に形成された発電層と、発電層上に形成された透明電極層と、透明電極層上に形成された金属製の集電電極と、を備え、集電電極は、透明電極層からの電子を集電する複数のフィンガー部と、フィンガー部により集電された電子をさらに集電するバスバー部と、を有し、バスバー部と透明電極層との間に、集電電極の電気抵抗より高い電気抵抗を有する絶縁材料からなる短絡防止層を設けることを特徴とする光発電素子が提供される。

ここで、本発明が適用される光発電素子において、透明電極層上に形成された集電電極のフィンガー部と透明電極層とが接していることが好ましい。
また、集電電極のバスバー部と透明電極層との間に設けられる短絡防止層を形成する絶縁材料が、セラミックペーストであることが好ましい。
この場合、セラミックペーストが、弱酸性バインダーを含むことが好ましい。
また、ＰＮ接合を形成する発電層は、銅、インジウム、セレンを含むことが好ましい。
さらに、透明電極層は、酸化亜鉛系材料から構成されることが好ましい。
さらに、裏面電極層は、モリブデンから構成されることが好ましい。

次に、本発明によれば、ＣＩＳ系光発電素子の製造方法であって、絶縁材料からなる基板上にモリブデンからなる裏面電極層を製膜し、製膜された裏面電極層上に、カルコパイライト系化合物を含む発電層を製膜し、製膜された発電層上にＡｌ−Ｚｎ−Ｏからなる透明電極層を製膜し、製膜された透明電極層上にセラミックペーストを塗布後に所定の温度で焼成して絶縁層を形成し、形成された絶縁層上に金属ペーストを塗布後に所定の温度で焼成して集電電極を形成することを特徴とするＣＩＳ系光発電素子の製造方法が提供される。

本発明の光発電素子によれば、バスバー部と透明電極層との間に短絡防止層を設けることにより、ＣＩＳ系太陽電池のような薄膜系の太陽電池を使用するグリッド型モジュール構造の太陽電池モジュールを得ることが可能となる。

本発明の光発電素子によれば、集電電極のフィンガー部と透明電極層とが接していることにより、フィンガー部における接触抵抗を低下させることが可能になる。

本発明の光発電素子によれば、短絡防止層をセラミックペーストにより形成することにより、バスバー部をハンダ付けする際の耐熱性が高まり、容易に薄膜系の太陽電池モジュールを製造することが可能になる。

本発明の光発電素子によれば、発電層は、銅、インジウム、セレンを含むカルコパイライト型化合物半導体を用いることにより、シリコン系太陽電池と比較して、光電変換効率を高めることができる。

本発明の光発電素子によれば、透明電極層を耐熱性、緻密性が高い酸化亜鉛を用いて形成することにより、バスバー部をハンダ付けする際にも、透明電極層に亀裂やピンホールの発生を抑制することができる。

本発明の光発電素子によれば、裏面電極層がモリブデンから構成されることにより、ピンホール、亀裂等が発生し、短絡防止層と裏面電極層が接触した場合にも、モリブデンが酸化されることにより絶縁体である酸化モリブデンが生成され、短絡防止効果を高めることができる。

本発明のＣＩＳ系光発電素子の製造方法によれば、基板、裏面電極層、発電層、透明電極層の表面形状に凹凸があった場合においても、セラミックペーストを塗布することにより、凹凸を平坦化することが可能になる。また、ピンホール、亀裂等が存在しても、セラミックペーストが予め充填されるため、短絡を防止する効果が飛躍的に高くなる。さらに、ＣＩＳ系光発電素子を効率的に、低コストで生産することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。尚、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で変形して実施することができる。また、使用する図面は本実施の形態を説明するものであり、実際の大きさを表すものでない。

図１は、本実施の形態が適用される光発電素子の一例を説明する図である。図１には、ＣｕＩｎＳｅ_２系を中心としたカルコパイライト型化合物半導体を用いるＣＩＳ系光発電素子を例示している。尚、ＣＩＳ系光発電素子の場合、一般に、発電層を吸収層と呼ばれるが、本実施の形態では発電層と称して説明する。

図１に示す光発電素子１０は、ガラス等の絶縁材料からなる基板１と、基板１上に形成されたモリブデン（Ｍｏ）から構成される裏面電極層２と、裏面電極層２上に形成されたカルコパイライト型化合物（ＣｕＩｎＳｅ_２系）からなる発電層３と、発電層３上に形成されたＡｌ−Ｚｎ−Ｏ系材料からなる透明電極層４と、を有している。
透明電極層４の表面には、銀（Ａｇ）等からなる金属製の集電電極５が形成され、さらに、集電電極５と透明電極層４との間に、集電電極５の電気抵抗より高い電気抵抗を有する材料からなる短絡防止層（絶縁層）６が設けられている。光発電素子１０は、透明電極層４側から発電層３に照射される太陽光Ｌにより、発電層３にＰＮ接合が形成されることにより発電する。

図２は、集電電極５を説明する図である。図２は、光発電素子１０を太陽光Ｌ（図１参照）が入射する側から見た平面図である。図２に示すように、集電電極５は、透明電極層４の表面全体からの電子を集電するために、直線状の形状を有し透明電極層４の表面上に所定の間隔を隔てて配置された複数のフィンガー部８と、複数のフィンガー部８と直交するように配置されてフィンガー部８と結合し、フィンガー部８により集電された電子をさらに集電するバスバー部９（本実施の形態では２本）と、から構成されている。

フィンガー部８の幅は、透明電極層４側から照射される太陽光Ｌ（図１参照）の遮光面積を増やさないように極力細く設計されており、通常０．１ｍｍ以下である。
バスバー部９は、フィンガー部８の数十倍程度の幅（通常、２ｍｍ以上）に形成された直線状の形状を有し、各フィンガー部８によって集電された電子を集電し、さらに発電によって発生した電子を隣接した他の光発電素子に伝達する役割を担っている。

バスバー部９の幅をフィンガー部８の数十倍程度に形成することにより、フィンガー部８で集電された電子を低抵抗に引き出すことができ、さらに、光発電素子１０と隣接した他の光発電素子（図示せず）に低抵抗で伝達することが可能となる。
また、光発電素子１０と隣接した他の光発電素子と接続する際には、通常、バスバー部９にハンダ付けによりリボン状の配線を行い、隣接する他の光発電素子の裏面電極に接続される。この場合、バスバー部９は配線を行うことが可能となる程度の幅が必要となる。

複数のフィンガー部８とバスバー部９とから構成される集電電極５は、通常、透明電極層４の表面に銀ペーストをスクリーン印刷し、５００℃〜７００℃程度で銀ペーストを加熱焼成することにより形成される。また、近年、高温焼成タイプのものと同等の電気抵抗を有し、１００℃〜２００℃程度の比較的低温で焼成できる銀ペーストも開発されており、このようなものを使用することができる。

図３は、バスバー部９とフィンガー部８と透明電極層４の部分を説明する図である。図３（ａ）は、バスバー部９と透明電極層４の部分を示し、図３（ｂ）は、フィンガー部８と透明電極層４の部分を示す。
図３（ａ）に示すように、集電電極５（図１参照）のバスバー部９と透明電極層４との間に、集電電極５の電気抵抗より高い電気抵抗を有する絶縁材料からなる短絡防止層６が設けられている。バスバー部９の周辺では、短絡防止層６の幅がバスバー部９の幅よりも広いことが望ましい。短絡防止層６の幅がバスバー部９の幅よりも広いと、ハンダ付けによる配線工程の際に、高温になるハンダ付けの部分が短絡することを防ぐことができる。

次に、図３（ｂ）に示すように、本実施の形態では、集電電極５（図１参照）のフィンガー部８と透明電極層４とが接している。フィンガー部８と透明電極層４とが接することにより、フィンガー部８における接触抵抗を低下させる、透明電極層４の表面全体からの電子を容易に集電することができる。

本実施の形態では、短絡防止層６は、光透過性のセラミックペーストを透明電極層４の表面に塗布後、塗布されたセラミックペーストを所定の温度で焼成することにより形成することが好ましい。焼成温度は、通常、１００℃〜５００℃であり、好ましくは、１００℃〜２００℃である。
セラミックペーストの主成分としては、例えば、シリカ、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、またはこれらの混合物等が挙げられる。また、ハンダ付けの温度が比較的低温の場合、セラミックペーストにエポキシ樹脂等のバインダーを添加することも可能である。さらに、無機質バインダーを添加することもできる。
セラミックペーストを用いると、基板１、裏面電極層２、発電層３、透明電極層４の表面形状に凹凸があった場合、透明電極層４の表面にセラミックペーストを塗布することにより、凹凸を平坦化することが可能になる。また、ピンホールや亀裂等の欠陥が存在しても、セラミックペーストにより欠陥が予め充填され、裏面電極層２と透明電極層４との短絡を防止する効果が飛躍的に高くなる。

前述したように、本実施の形態では、集電電極５は透明電極層４の表面に銀ペーストを用いてスクリーン印刷によって印刷された後、所定の焼成処理を行い形成される。この場合、透明電極層４の表面に絶縁材料からなる短絡防止層６を設けることにより、銀ペーストが透明電極層４から浸透し発電層３に達して短絡を起こすことを防止することができる。また、モジュール化する場合にバスバー部９上に導電線材などをハンダ付けする際にも、同様に短絡防止の効果がある。尚、集電電極５のフィンガー部８は、フィンガー部８の幅が狭く（０．１ｍｍ以下）、銀ペーストが少量であるため、短絡防止層６を設けなくても、銀ペーストが透明電極層４から浸透しないと考えられる。

図４は、集電電極５と短絡防止層６の断面形状を説明する図である。図４に示す短絡防止層６は、セラミックペーストを用いて形成されている。セラミックペーストは光透過性であるため、セラミックペーストにより短絡防止層６を形成する場合、透明電極層４のセラミックペーストにより被覆される面積を必ずしも狭くする必要はない。このため、短絡防止層６の断面の肩の傾斜（アスペクト比）は適度に小さいことが好ましい。短絡防止層６のアスペクト比を適度に小さくすることにより、フィンガー部８（図３（ｂ）参照）とバスバー部９（図３（ａ）参照）とが交差する部分において、極端な段差が生じることを防ぐことができる。

尚、集電電極５を構成する銀ペーストは光を遮光するため、銀ペーストによって印刷される部分の幅はできるだけ小さいことが好ましく、一方、低抵抗を得るためには、断面積が大きい方が好ましい。このため、図４に示すように、集電電極５の断面の肩の傾斜（アスペクト比）は、できるだけ大きい方が好ましい。

図５は、欠陥Ｄが発生した光発電素子１０を説明する図である。図５に示すように、本実施の形態では、発電層３や透明電極層４に亀裂やピンホール等の欠陥Ｄが発生した場合、集電電極５と透明電極層４との間に、絶縁材料からなる短絡防止層６を設けることにより、裏面電極層２と集電電極５との短絡を防止できることが分かる。

本実施の形態では、裏面電極層２をモリブデン（Ｍｏ）等の、比較的酸化されやすい金属を用いて形成すると、短絡防止層６中に含まれる酸素によりモリブデンが酸化され、裏面電極層２の欠陥Ｄが発生した部分を絶縁化することが可能となる。このため、裏面電極層２と集電電極５との短絡防止効果を飛躍的に高めることができる。
この場合、短絡防止層６は、特に酸化物系のセラミックペーストにより形成されることが好ましい。

本実施の形態では、透明電極層４を形成する材料として、酸化亜鉛系材料が好ましい。酸化亜鉛系材料は、酸化インジウム系の透明電極層４であるＩＴＯ等と比較すると、希少金属の使用量は格段に少ないため、低コスト化に有利である。さらに、表面構造が緻密であるため、ピンホール、亀裂等が発生しにくい。

図６は、短絡防止層６と透明電極層４との間の相互拡散層を説明する図である。図６に示すように、集電電極５（図２参照）のバスバー部９（図３（ａ）参照）において、弱酸性のバインダーを添加したセラミックペーストにより短絡防止層６を形成し、酸化亜鉛系材料により透明電極層４を形成することにより、短絡防止層６と透明電極層４とが相互拡散した相互拡散層７が形成される。このため、透明電極層４の比抵抗を部分的に高めることが可能になり、短絡防止効果を向上させることが可能になる。これは、酸化亜鉛系材料が酸性溶液と接すると溶解しやすいという特徴に起因する。

図７は、グリッド型モジュール構造の太陽電池モジュールを説明する図である。図７に示すように、グリッド型モジュール構造の太陽電池モジュール２０は、集電電極５（バスバー部９及びフィンガー部８から構成される）がそれぞれ形成された光発電素子１０を、直列に接続することにより構成される。

本実施の形態が適用される光発電素子の一例を説明する図である。 集電電極を説明する図である。 バスバー部とフィンガー部と透明電極層の部分を説明する図である。 集電電極と短絡防止層の断面形状を説明する図である。 欠陥が発生した光発電素子を説明する図である。 短絡防止層と透明電極層との間の相互拡散層を説明する図である。 グリッド型モジュール構造の太陽電池モジュールを説明する図である。

符号の説明

１…基板、２…裏面電極層、３…発電層、４…透明電極層、５…集電電極、６…短絡防止層、７…相互拡散層、８…フィンガー部、９…バスバー部、１０…光発電素子、２０…太陽電池モジュール

Claims (8)

1. 光を受けることにより発電する光発電素子であって、
   絶縁材料からなる基板と、
   前記基板上に形成された裏面電極層と、
   前記裏面電極層上に形成された発電層と、
   前記発電層上に形成された透明電極層と、
   前記透明電極層上に形成された金属製の集電電極と、を備え、
   前記集電電極は、前記透明電極層からの電子を集電する複数のフィンガー部と、当該フィンガー部により集電された電子をさらに集電するバスバー部と、を有し、
   前記バスバー部と前記透明電極層との間に、前記集電電極の電気抵抗より高い電気抵抗を有する絶縁材料からなる短絡防止層を設けることを特徴とする光発電素子。
2. 前記集電電極の前記フィンガー部と前記透明電極層とが接していることを特徴とする請求項１に記載の光発電素子。
3. 前記短絡防止層を形成する前記絶縁材料が、セラミックペーストであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光発電素子。
4. 前記セラミックペーストが、弱酸性バインダーを含むことを特徴とする請求項３に記載の光発電素子。
5. 前記発電層は、銅、インジウム、セレンを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光発電素子。
6. 前記透明電極層は、酸化亜鉛系材料から構成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光発電素子。
7. 前記裏面電極層は、モリブデンから構成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光発電素子。
8. ＣＩＳ系光発電素子の製造方法であって、
   絶縁材料からなる基板上にモリブデンからなる裏面電極層を製膜し、
   製膜された前記裏面電極層上に、カルコパイライト系化合物を含む発電層を製膜し、
   製膜された前記発電層上にＡｌ−Ｚｎ−Ｏからなる透明電極層を製膜し、
   製膜された前記透明電極層上にセラミックペーストを塗布後に所定の温度で焼成して絶縁層を形成し、
   形成された前記絶縁層上に金属ペーストを塗布後に所定の温度で焼成して集電電極を形成する
   ことを特徴とするＣＩＳ系光発電素子の製造方法。

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