JP2010258279A

JP2010258279A - 光電変換セルおよび光電変換モジュール

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Publication number: JP2010258279A
Application number: JP2009107908A
Authority: JP
Inventors: Rui Kamata; 塁鎌田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-04-27
Filing date: 2009-04-27
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2029-04-27
Also published as: JP5279599B2

Abstract

【課題】発電効率を高めた光電変換セルおよび光電変換モジュールを提供すること。
【解決手段】光電変換セル２０は、第１の導電層２と、第１の導電層２０の一方側に設けられ、一方側主面に複数の突起９を有する光電変換層３と、光電変換層３の一方側に設けられ、複数の突起９の平均高さの１／２以下の膜厚を有する第２の導電層６と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光を吸収して電力を生じさせる光電変換セル、およびそれを複数具備して成る光電変換モジュールに関するものである。

従来、太陽電池は、非晶質シリコン薄膜やカルコパライト系のＣＩＧＳ等の光電変換層を具備する太陽電池セルを構成単位とし、この太陽電池セルをガラス等の基板上で複数直列または並列接続することによって構成されている。この太陽電池セルは、その受光面すなわち光電変換層の上部に透明電極が設けられている。

このような太陽電池は、入射された光の反射を防止して光電変換層へ多くの光を入射させるために、透明電極に凹凸形状を形成し、この凹凸面上に光電変換層を形成している。

特開２００１−２８４６１１号広報

しかしながら、特許文献１においては、透明電極の一方主面をエッチングして凹凸形状としているため、透明電極の厚みは、大きいところでは凹凸形状のよりも厚いものとなっている。そのため、入射する光の損失により光電変換効率を高めるのが困難である。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、発電効率を高めた光電変換セルおよび光電変換モジュールを提供することである。

本発明の光電変換セルに係る一実施形態は、第１の導電層と、前記第１の導電層の一方側に設けられ、一方側主面に複数の突起を有する光電変換層と、前記光電変換層の一方側に設けられ、前記複数の突起の平均高さの１／２以下の膜厚を有する第２の導電層と、を具備することを特徴とする。

本発明の光電変換モジュールに係る一実施形態は、上記光電変換セルを複数有し、隣接する前記光電変換セルを電気的に接続したことを特徴とする。

本発明によれば、光電変換セルおよび光電変換モジュールの光電変換効率を高めることができる。

本発明に係る光電変換セルおよび光電変換モジュールの実施の形態の一例を示す断面図である。図１の光電変換セルおよび光電変換モジュールの要部拡大断面図である。本発明に係る光電変換セルおよび光電変換モジュールの実施の形態の他の例を示す断面図である。図３の光電変換セルおよび光電変換モジュールの斜視図である。

以下に、本発明の光電変換セルおよび光電変換モジュールについて図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態の一例である光電変換セル２０およびそれを用いた光電変換モジュール２１の断面図である。光電変換セル２０は、基板１と、第１の導電層２と、光電変換層３と、第２の導電層６とを含んで構成される。図１において、光電変換層３は、光吸収層４とバッファ層５との積層体である。

光電変換モジュール２１は、光電変換セル２０を複数並べて成る。そして、隣接する光電変換セル２０において、一方の光電変換セル２０の第１の導電層２と、他方の光電変換セル２０の第２の導電層６とは、光電変換層３に形成された接続導体７を介して電気的に接続されている。これにより、隣接する光電変換セル２０同士が直列接続される。なお、一つの光電変換セル２０内において、接続導体７は光電変換層３を分断するように設けられており、第１の導電層２と第２の導電層６とで挟まれた光電変換層３で光電変換が行なわれる。

図２は、図１の光電変換セル２０および光電変換モジュール２１の要部拡大断面図である。バッファ層５の表面には複数の突起９を有している。突起の表面には、突起の平均高さの１／２以下の膜厚を有する第２の導電層６が、突起を被覆するように形成されている。このような構成により、第２の導電層６の表面が凹凸となるので入射光の反射を抑制できるとともに第２の導電層６による光吸収を抑制し、光電変換セル２０および光電変換モジュール２１の光電変換効率を高めることができる。なお、突起の平均高さは、十点平均高さ（Ｒｚ）により測定することができる。

基板１は、光電変換セル２０を支持するためのものである。基板１に用いられる材料としては、例えば、ガラス、セラミックス、樹脂、および金属等が挙げられる。光電変換モジュール２１を構成する場合、複数の基板１のそれぞれに光電変換セル２０を設け、これらを並べて互いに直列接続または並列接続してもよく、または、１つの基板１に複数の光電変換セル２０を設けてもよい。このように１つの基板１に複数の光電変換セル２０を設けた場合、光電変換モジュール２１の作製が容易となる。

第１の導電層２は、Ｍｏ、Ａｌ、ＴｉまたはＡｕ等の導電体が用いられ、基板１上にスパッタリング法または蒸着法等で形成される。第１の導電層２は、光電変換層３で生じた電流を取り出すためのものである。

光電変換層３は、光を吸収して電力に変換することのできるものであり、シリコン系および化合物半導体系等の半導体材料が用いられる。シリコン系としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、およびアモルファスシリコン等が挙げられる。化合物半導体系としては単結晶系および多結晶系が挙げられ、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、およびカルコパイライト系（ＣＩＳ系ともいう）化合物半導体等がある。特にカルコパイライト系化合物半導体は、変換効率が高く、薄膜で作製できることから材料を低減できる点で好ましい。このようなカルコパイライト系化合物半導体としては、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２（ＣＩＧＳともいう）、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）_２（ＣＩＧＳＳともいう）、およびＣｕＩｎＳ_２（ＣＩＳともいう）が挙げられる。光電変換層３は、例えば、薄膜で作製する場合、スパッタリング法、蒸着法または塗布法等で形成される。なお、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２とは、ＣｕとＩｎとＧａとＳｅとから主に構成された化合物をいう。また、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）_２とは、ＣｕとＩｎとＧａとＳｅとＳとから主に構成された化合物をいう。

光電変換層３は、異なる導電型の半導体を積層したものを用いることができる。これにより、光電変換効率を高めることができる。異なる導電型の半導体を積層したものとしては、例えば、ｐ型シリコンと、ｉ型シリコンと、ｎ型シリコンとを積層したものがある。また、図１に示すように、ＣＩＳやＣＩＧＳ等のカルコパイライト系化合物から成る光吸収層４にバッファ層５を積層したものでもよい。それぞれの導電型の半導体層は、同じ導電型で異なる材料のものを複数層積層してもよい。

このようなバッファ層５としては、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｓｅ_３、Ｉｎ（ＯＨ，Ｓ）、（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓｅ，ＯＨ）、および（Ｚｎ，Ｍｇ）Ｏ等が挙げられ、例えばケミカルバスデポジション（ＣＢＤ）法等で形成される。なお、Ｉｎ（ＯＨ，Ｓ）とは、ＩｎとＯＨとＳとから主に構成された化合物をいう。（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓｅ，ＯＨ）は、ＺｎとＩｎとＳｅとＯＨとから主に構成された化合物をいう。（Ｚｎ，Ｍｇ）Ｏは、ＺｎとＭｇとＯとから主に構成された化合物をいう。バッファ層５は光吸収層４の吸収効率を高めるため、光吸収層４が吸収する光の波長領域に対して光透過性を有するものが好ましい。

光電変換層３の表面は、複数の突起９を有することによって凹凸面となっている。このような突起９を有する光電変換層３は、ＣＢＤ法等の化学析出法により、粒子状の化合物を形成しながら膜形成することにより、形成できる。具体的には、化学析出法において、ｐＨの調整により、あるいは、界面活性剤やポリマー等の安定化剤の添加により、化合物を粒子状に形成し、それらを成長させることにより、膜形成する。膜形成の際、膜の表面で化合物が粒子状に成長し、あるいは、溶液中で粒子状となった化合物が膜の表面に被着することによって、表面に複数の突起９を有する光電変換層３とすることができる。

また、化学析出法の際、膜形成を良好に行なえる条件で膜形成した後、粒子化しやすい条件に変えて析出を行なってもよい。この場合、表面に粒子状の突起を有する連続膜を良好に形成することができ、連続膜により欠陥が少なく、また第２の導電層６を形成する際にダメージを受けにくい光電変換層３とすることができる。

特に光電変換層３は、カルコパイライト系化合物から成る光吸収層４にバッファ層５をＣＢＤ法で形成したものがよい。カルコパイライト系化合物は、ＣＢＤ法でバッファ層５を形成することにより、高い光電変換効率が得られ、しかも、ＣＢＤ法でバッファ層５の表面を複数の粒子状の突起９を有するものとすることができるため、特に光電変換効率に優れた光電変換セル２０を構成することができる。

このような表面に複数の突起９を有する光電変換層３に、これらの複数の突起９の平均高さの１／２以下の膜厚を有する第２の導電層６を、スパッタリング法や蒸着法等で形成すると、表面が突起９の表面形状にほぼ追従した薄い膜状の第２の導電層６となる。これにより、第２の導電層６の表面が凹凸となるので入射光の反射を抑制できるとともに、第２の導電層６を薄くすることができるので第２の導電層６による光吸収を抑制し、光電変換セル２０および光電変換モジュール２１の光電変換効率を高めることができる。なお、第２の導電層６は、光電変換層３で光電変換された電流を良好に取り出すという観点からは、シート抵抗を５０Ω／□以下とできるような膜厚を有するのがよい。

光電変換層３の複数の突起９の表面は、図２に示すように凸状の曲面であるのがよい。これにより、突起９上に形成される第２の導電層６を、良好な連続膜とすることができ、薄くても電気抵抗を低くすることができる。

複数の突起９の平均高さは１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であるのが好ましい。これにより、第２の導電層６と光電変換層３との密着性も良好となる。

また、突起９は図２に示すように、粒子状であるのが好ましい。これにより、第２の導電層６を良好な連続膜として抵抗を低減することができる。特に突起９は、略球状であると、光電変換層３の凹凸表面の形状に追従した表面形状を有する第２の導電層６を形成しやすくなり、電気抵抗の低い良好な膜状にすることができ、好ましい。

第２の導電層６は、光電変換層３で生じた電流を取り出すためのものである。第２の導電層６は、ＩＴＯまたはＺｎＯ：Ａｌ等の導電体が用いられ、スパッタリング法、蒸着法または化学的気相成長（ＣＶＤ）法等で形成される。第２の導電層６は光電変換層３の吸収効率を高めるため、光電変換層３が吸収する光の波長領域に対して光透過性を有するものが好ましい。

光電変換層３の表面の凹凸による光反射を抑制するという観点からは、第２の導電層６の形成後も光電変換層３表面の凹凸を保持するのがよい。具体的には、第２の導電層６の膜厚を光電変換層３表面の凹凸の１／２以下とする。また、光透過性を高めると同時に光反射を良好に抑制し、さらに良好な導電性を有するという観点から、第２の導電層６は５０ｎｍ〜５００ｎｍの厚さとするのが好ましい。

また、第２の導電層６と光電変換層３との界面での光反射ロスを防止する観点からは、光電変換層３の吸収波長領域において、光電変換層３と第２の導電層６の界面近傍における光電変換層３の屈折率と第２の導電層６の屈折率とが略等しいことが好ましい。ここで略等しいというのは、屈折率差の絶対値が０．５以下であることをいう。

例えば、光電変換層３が、カルコパイライト系化合物から成る光吸収層４にバッファ層５を形成したものである場合、光吸収層４の吸収波長領域である４００〜８００ｎｍの波長領域において、第２の導電層６とバッファ層５の屈折率は略等しいのが好ましい。具体的な例としては、バッファ層５が、ＣｄＳ（屈折率２．５）またはＺｎＳ（屈折率２．４）の場合、屈折率が２．１〜２．２であるＩＴＯや、屈折率が２．０であるＺｎＯ等を第２の導電層６として用いるのが好ましい。

次に、本発明の実施の形態の他の例である光電変換セル３０およびそれを用いた光電変換モジュール３１について説明する。図３は、本発明の実施形態の他の例である光電変換セル３０および光電変換モジュール３１の断面図であり、図４はその斜視図である。図１と同じ構成のものについては図１と同じ符号を付している。

図３において、集電電極８が、第２の導電層６上に形成されている点で、図１の光電変換セル３０と異なっている。集電電極８は、第２の導電層６の電気抵抗を小さくするためのものである。集電電極８は、図４に示すように、光電変換セル３０の一端から接続導体７にわたって線状に形成されている。これにより、光電変換層３の光電変換により生じた電流を第２の導電層６を介して集電電極８に集電し、これを接続導体７を介して隣接する光電変換セル３０に良好に導電することができる。よって、光電変換層３への光入射効率を高めるという観点からは、第２の導電層６の厚さはできるだけ薄いことが好ましいが、第２導電層６を薄くしても集電電極８が設けられていることにより、光電変換層３で発生した電流を効率よく取り出すことができる。その結果、発電効率を高めることができる。

集電電極８は光電変換層３への光を遮るのを抑制するとともに良好な導電性を有するという観点からは、５０〜４００μｍの幅を有するのが好ましい。また、集電電極８は、枝分かれした複数の分岐部を有していてもよい。

集電電極８は、例えば、Ａｇ等の金属粉を樹脂バインダー等に分散させた金属ペーストをパターン状に印刷し、これを硬化することによって形成することができる。光電変換セル３０においては、第２の導電層６の表面が光電変換層３の表面形状に追従して凹凸形状となっているため、集電電極８との第２の導電層６との密着性も向上することができる。

好ましくは、集電電極８は、半田を含むことが好ましい。これにより、曲げ応力に対する耐性を高めることができるとともに、抵抗をより低下させることができる。より好ましくは、融点の異なる金属を２種以上含み、少なくとも１種の金属を溶融させ、他の少なくとも１種の金属は溶融しない温度で加熱して硬化したものがよい。これにより、低い融点の金属が溶融して集電電極８を緻密化し、抵抗を下げることができるとともに、加熱して硬化させる際に溶融した金属が広がろうとするのを高い融点の金属によって抑制することができる。

集電電極８は、平面視して光電変換層３の外周端部まで達するように設けられていることが好ましい。このような構成により、集電電極８が光電変換層３の外周部を保護し、光電変換層３の外周部での欠けを抑制して光電変換層３の外周部においても光電変換を良好に行うことができる。また、この光電変換層３の外周部で発生した電流を外周端部まで達する集電電極８によって効率よく取り出すことができる。その結果、発電効率を高めることができる。

このように光電変換層３の外周端部に達する集電電極８によって光電変換層３の外周部を保護することができるため、第１の導電層２と集電電極８との間に設けられた部材の合計厚みを小さくすることができる。よって、部材の削減をすることができるとともにこれらの作製工程も短縮化することができる。好ましくは、第１の導電層２と集電電極８との間に設けられた部材の合計厚み（図３の例では、光吸収層４とバッファ層５と第２の導電層６との合計厚み）を１．５６〜２．７μｍと薄くするのがよい。具体的には、図３の例では、光吸収層４の厚みを１．５〜２．０μｍ、バッファ層５の厚みを０．０１〜０．２μｍ、第２の導電層６の厚みを０．０５〜０．５μｍとすればよい。

また、好ましくは、集電電極８が達している光電変換層３の外周端部において、集電電極８の端面、第２の導電層６の端面および光電変換層３の端面が面一になっていることが好ましい。これにより、光電変換層３の外周端部で光電変換した電流を良好に取り出すことができる。なお、集電電極８が平面視して光電変換層３の外周端部まで達しているというのは、集電電極８が完全に光電変換層３の最も外側の外周端部まで達していることが好ましいが、それに限定されない。すなわち、光電変換層３の外周端部を基点として欠けが進行するのを有効に抑制して、欠けを抑制するという観点からは、光電変換層３の最も外側の外周端部と集電電極８の端部との距離が１０００μｍ以下の場合も含む。

なお、本発明は上述の実施の形態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内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。例えば、光電変化セル２０、３０の上側にガラス板などの保護部材あるいはレンズ機能を有する集光部材を設けてもよい。さらにこのような保護部材または集光部材と光電変換セル２０、３０との間に透明封止材を充填して光電変換セル２０、３０を保護してもよい。

２：第１の導電層
３：光電変換層
４：光吸収層
５：バッファ層
６：第２の導電層
８：集電電極
２０、３０：光電変換セル
２１、３１：光電変換モジュール

Claims

第１の導電層と、
前記第１の導電層の一方側に設けられ、一方側主面に複数の突起を有する光電変換層と、
前記光電変換層の一方側に設けられ、前記複数の突起の平均高さの１／２以下の膜厚を有する第２の導電層と、
を具備することを特徴とする光電変換セル。
前記第２の導電層の一方側に設けられた集電電極をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の光電変換セル。
前記複数の突起の表面は凸状の曲面である請求項１または２記載の光電変換セル。
前記複数の突起の平均高さは１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光電変換セル。
前記突起は粒子状であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光電変換セル。
前記光電変換層の吸収波長領域において、前記光電変換層の屈折率と前記第２の導電層の屈折率とが略等しいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光電変換セル。
前記光電変換層は、前記第１の導電層側に設けられたカルコパイライト系の材料を含む光吸収層と、前記第２の導電層側に設けられたバッファ層とを含み、該バッファ層の一方側主面が前記複数の突起を有していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光電変換セル。
前記バッファ層は、連続層と該連続層の表面に配置された粒子状の突起とから成ることを特徴とする請求項７記載の光電変換セル。
前記光吸収層の吸収波長領域において、前記バッファ層の屈折率と前記第２の導電層の屈折率とが略等しいことを特徴とする請求項７または８記載の光電変換セル。
前記バッファ層が硫化亜鉛を含み、前記第２の導電層が酸化亜鉛および酸化インジウムの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の光電変換セル。
前記バッファ層が硫化カドミウムを含み、前記第２の導電層が酸化亜鉛および酸化インジウムの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の光電変換セル。
請求項１乃至１１のいずれかに記載の光電変換セルを複数有し、隣接する前記光電変換セルを電気的に接続したことを特徴とする光電変換モジュール。