JP2011035150A - Photoelectric converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換装置に関し、特に、異なる基板にそれぞれ形成された2種類の光電変換素子を互いに対向して配置するメカニカル・スタック方式の光電変換装置に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion device, and more particularly to a mechanical stack type photoelectric conversion device in which two types of photoelectric conversion elements respectively formed on different substrates are arranged to face each other.
従来の積層型薄膜シリコン光電変換装置は、例えば透光性絶縁基板上に透過性電極層、シリコンを含む光電変換層、裏面電極を積層して素子を形成している。このような、積層型薄膜シリコン光電変換装置では、光電変換効率の向上のために異なる光吸収特性を有する複数の光電変換層を積層させている。また、太陽光を有効利用するために透過性電極層の表面に微細凹凸構造を設けている。この微細凹凸構造により、太陽光の光電変換層への吸収が向上する。しかし、太陽光は様々な波長を持っており、波長の大きさによって最適な凹凸構造の大きさは異なるが、多種の微細凹凸構造を設けることは困難である。 In a conventional stacked thin film silicon photoelectric conversion device, for example, a transparent electrode layer, a photoelectric conversion layer containing silicon, and a back electrode are stacked on a light transmitting insulating substrate to form an element. In such a stacked thin film silicon photoelectric conversion device, a plurality of photoelectric conversion layers having different light absorption characteristics are stacked in order to improve photoelectric conversion efficiency. Moreover, in order to utilize sunlight effectively, the fine concavo-convex structure is provided on the surface of the transmissive electrode layer. This fine concavo-convex structure improves the absorption of sunlight into the photoelectric conversion layer. However, sunlight has various wavelengths, and the optimal uneven structure size varies depending on the wavelength, but it is difficult to provide various fine uneven structures.
そこで、それぞれの光電変換層にとって最適な凹凸構造を採用するために、光電変換モジュールが積層されたメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置が利用されている。メカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置では、積層する光電変換モジュールはそれぞれ独立な基板に形成される。すなわち、従来のメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換モジュールでは、例えば透過性を有する基板上に透過性電極層と薄膜半導体からなる光電変換層とが形成された光電変換モジュールと、基板上に金属電極層と薄膜半導体からなる光電変換層とが形成された光電変換モジュールとを、それぞれ光電変換層が形成されていない面が外側に配置されるように対向させて張り合わせ、出力を個別に取り出すように構成されている。 Therefore, in order to employ an optimum uneven structure for each photoelectric conversion layer, a mechanical stack type thin film photoelectric conversion device in which photoelectric conversion modules are stacked is used. In the mechanical stack type thin film photoelectric conversion device, the stacked photoelectric conversion modules are formed on independent substrates. That is, in a conventional mechanical stack type thin film photoelectric conversion module, for example, a photoelectric conversion module in which a transparent electrode layer and a photoelectric conversion layer made of a thin film semiconductor are formed on a transparent substrate, and a metal electrode on the substrate The photoelectric conversion module on which the photoelectric conversion layer formed of the layer and the thin film semiconductor is formed so as to face each other so that the surface on which the photoelectric conversion layer is not formed is arranged on the outside, and the output is individually taken out It is configured.
また、それぞれの光電変換モジュールにおいては、複数の光電変換素子はストライプ状に加工され、隣り合う光電変換素子同士は所定の距離を隔てて配置された状態で電気的に直列に接続され、隣り合う光電変換層同士は電気的に分離されている。 Further, in each photoelectric conversion module, a plurality of photoelectric conversion elements are processed in a stripe shape, and adjacent photoelectric conversion elements are electrically connected in series and arranged adjacent to each other with a predetermined distance therebetween. The photoelectric conversion layers are electrically separated.
また、メカニカル・スタック方式の積層型薄膜光電変換装置では、効率を向上させるために、光入射側の基板に形成される光電変換層のバンドギャップを、他方の基板に形成される光電変換層のバンドギャップよりも広くする。これにより、光入射側の基板に形成された光電変換素子で高エネルギ(短波長)の光を吸収し、該光電変換素子を透過した光を他方の基板に形成された光電変換素子で吸収するため、効率的に光を利用できる。しかしながら、このようなメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置では、それぞれの基板に形成された光電変換層のバンドギャップが異なるため、開放電圧は異なる値となる。 In addition, in the stacked type thin film photoelectric conversion device of the mechanical stack type, in order to improve efficiency, the band gap of the photoelectric conversion layer formed on the substrate on the light incident side is changed to that of the photoelectric conversion layer formed on the other substrate. Make it wider than the band gap. Thereby, light of high energy (short wavelength) is absorbed by the photoelectric conversion element formed on the substrate on the light incident side, and light transmitted through the photoelectric conversion element is absorbed by the photoelectric conversion element formed on the other substrate. Therefore, light can be used efficiently. However, in such a mechanical stack type thin film photoelectric conversion device, the open-circuit voltages have different values because the band gaps of the photoelectric conversion layers formed on the respective substrates are different.
このようなメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置としては、例えば対向する2つの基板に設けられた薄膜太陽電池ユニットセル間の空間を外部から遮断して、それぞれの基板から別配線により電力を取り出す構造、対向する2つの基板に設けられた薄膜太陽電池ユニットセルの最適動作電圧を等しくして内部で並列接続して電力を取り出す構造が提案されている。また、両基板の最適動作電圧を等しくするために各基板において直列接続する薄膜太陽電池ユニットセル数が調整され、両基板は周縁のフレームや封止ガラスによって間隔をあけて保持される(たとえば、特許文献1参照)。 As such a mechanical stack type thin film photoelectric conversion device, for example, the space between the thin film solar cell unit cells provided on two opposing substrates is blocked from the outside, and electric power is taken out from each substrate by separate wiring. A structure has been proposed in which the optimum operating voltage of thin-film solar cell units provided on two opposing substrates is made equal and connected in parallel internally to extract power. In addition, the number of thin-film solar cell units connected in series in each substrate is adjusted in order to equalize the optimum operating voltage of both substrates, and both substrates are held at intervals by a peripheral frame or sealing glass (for example, Patent Document 1).
しかしながら、上記従来の技術によれば、両基板から別々の配線で電力を取り出す構成では、電圧・電流の異なる複数の出力配線が混在し、電力を取り出し部の構成が複雑となる、という問題がある。また、両基板間の最適動作電圧を一致させて内部で並列接続する構成では取り出し部は簡単であるが、両基板の薄膜太陽電池ユニットセルにおける電圧の温度依存性の違いなどから電圧差が生じて、一方の基板の薄膜太陽電池ユニットセルで発生した電流が他方に流れる、などの問題がある。 However, according to the above-described conventional technology, in the configuration in which power is extracted from both substrates by separate wiring, a plurality of output wirings having different voltages and currents are mixed, and the configuration of the power extraction unit becomes complicated. is there. In addition, in the configuration in which the optimum operating voltage between the two substrates is matched and connected in parallel inside, the take-out part is simple, but a voltage difference arises due to the difference in temperature dependence of the voltage in the thin film solar cell unit cell of both substrates. Thus, there is a problem that the current generated in the thin film solar cell unit cell on one substrate flows to the other.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、積層型の薄膜光電変換装置と同様の高い発電効率を簡略な構成で実現可能なメカニカル・スタック方式の光電変換装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to obtain a mechanical stack type photoelectric conversion device capable of realizing high power generation efficiency similar to that of a stacked thin film photoelectric conversion device with a simple configuration. To do.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる光電変換装置は、透光性および絶縁性を有する第1基板の一面上に第1基板側電極と第1光電変換層とが順に形成された第1光電変換素子が複数形成された第1光電変換モジュールと、第2基板の一面上に第2基板側電極と第2光電変換層とが順に形成された第2光電変換素子が複数形成された第2光電変換モジュールと、が前記第1光電変換素子と前記第2光電変換素子とを内側にして貼り合わされ、相対する位置に配置された前記第1光電変換素子と前記第2光電変換素子とが透明導電層を挟んで電気的に直列接続されて構成される光電変換素子対を複数有し、隣接する前記光電変換素子対において一方の前記第1基板側電極と他方の前記第2基板側電極とが接続部材により電気的に接続されることにより隣接する前記光電変換素子対が電気的に直列接続されていること、を特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a photoelectric conversion device according to the present invention includes a first substrate-side electrode, a first photoelectric conversion layer, and a light-transmitting and insulating first substrate. A first photoelectric conversion module in which a plurality of first photoelectric conversion elements are formed in sequence, and a second photoelectric conversion in which a second substrate side electrode and a second photoelectric conversion layer are sequentially formed on one surface of a second substrate. A second photoelectric conversion module in which a plurality of elements are formed, and the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element are bonded to each other, and the first photoelectric conversion element disposed at an opposite position and the first photoelectric conversion element A plurality of photoelectric conversion element pairs configured such that the second photoelectric conversion elements are electrically connected in series with the transparent conductive layer interposed therebetween, and one of the first substrate side electrode and the other in the adjacent photoelectric conversion element pair The second substrate side electrode of the Said photoelectric conversion elements adjacent pairs by being electrically connected are electrically connected in series, characterized by.
本発明によれば、相対する位置に配置された第1の光電変換素子と第2の光電変換素子とが電気的に直列接続されて構成される光電変換素子対が電気的に直列接続されることにより光電変換素子が最適動作点で動作する。これにより、積層型の薄膜光電変換装置と同様の高い発電効率を有するメカニカル・スタック方式の光電変換装置を、簡略な構成で得ることができる、という効果を奏する。 According to the present invention, a pair of photoelectric conversion elements that are configured by electrically connecting a first photoelectric conversion element and a second photoelectric conversion element that are disposed at opposing positions are electrically connected in series. As a result, the photoelectric conversion element operates at the optimum operating point. Thereby, there is an effect that a mechanical stack type photoelectric conversion device having high power generation efficiency similar to that of the stacked thin film photoelectric conversion device can be obtained with a simple configuration.
以下に、本発明にかかる光電変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述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において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。 Embodiments of a photoelectric conversion device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following description, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it can change suitably. In the drawings shown below, the scale of each member may be different from the actual scale for easy understanding. The same applies between the drawings.
実施の形態1.
図1−1は、本発明の実施の形態1にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置1の概略構成を示す平面図である。図1−2は、薄膜光電変換装置1の断面構造を説明するための図であり、図1−1の線分A−A’方向における要部断面図である。
1-1 is a plan view showing a schematic configuration of a mechanical stack type thin film
実施の形態1にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置1は、それぞれ複数の光電変換素子が構成された薄膜光電変換モジュールである第1の光電変換モジュール2と第2の光電変換モジュール7とが光電変換素子を内側にして貼り合わされた構成を有し、第1の光電変換モジュール2の基板側から光が入射する。
The mechanical stack type thin film
第1の光電変換モジュール2は、第1の光電変換素子である複数の光電変換素子3a、3b(以下、光電変換素子3と総称する場合がある)を備えている。光電変換素子3は、第1基板である透光性絶縁基板4上に、透光性絶縁基板4と反対側の表面にテクスチャ構造(図示せず)を有して透光性絶縁基板4の短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状にパターニングされた第1基板側電極である透明電極層5、透明電極層5と略同じ形状・配置で透光性絶縁基板4の短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状にパターニングされた第1の薄膜半導体層である薄膜半導体層6が順次積層されて構成されている。第1の光電変換モジュール2において、隣接する光電変換素子3同士は、電気的に接続されていない。
The first
なお、図1−2では、便宜上第1の光電変換モジュール2のうち、隣接する2つの光電変換素子3a、3bを示しているが、第1の光電変換モジュール2が備える光電変換素子3の数量はこれに限定されず、多数の光電変換素子3が透光性絶縁基板4上に形成される。
In addition, in FIG. 1-2, although two adjacent
メカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置1では、第1の光電変換モジュール2の透光性絶縁基板4側から光が入射するため、透光性絶縁基板4はガラス、透明樹脂等の透光性を有する絶縁材料からなる板状部材やシート状部材が用いられる。
In the mechanical stack type thin film
透明電極層5は、光透過性を有する透明導電膜として例えば酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム(In2O3)等の透明導電性酸化物(TCO)が用いられ、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、スパッタリング法、蒸着法等の方法を用いて形成される。また、透明電極層5は、透光性絶縁基板4と反対側の表面に凹凸形状が形成された表面テクスチャ構造(図示せず)を有する。テクスチャ構造は、入射した太陽光を散乱させ、第1の光電変換モジュール2と第2の光電変換モジュール7とで入射光をより効率的に吸収させ、光利用効率を高める機能を有する。この透明電極層5のテクスチャ構造は、第1の光電変換モジュール2の薄膜半導体層6にとっての光吸収に適した凹凸構造とされている。なお、透光性絶縁基板4上には、透光性絶縁基板4からの不純物の阻止層として、必要に応じて酸化珪素(SiO2)等からなるアンダーコート層を形成してもよい。
For the
薄膜半導体層6は、光入射側からみて透明電極層5の後方に配置され、P−I−N構造を有し、入射する光により発電を行う薄膜半導体層が1層以上積層されて構成される。薄膜半導体層6は、透光性絶縁基板4側から第1導電型半導体層であるP型半導体層、実質的に真性な光電変換層であり第2導電型半導体層であるI型半導体層、および第3導電型半導体層であるN型半導体層からなるPIN接合を構成する。本実施の形態では、薄膜半導体層6は、透光性絶縁基板4側から順に、第1導電型半導体層であるP型の水素化アモルファス炭化シリコン(a−SiC:H)層、第2導電型半導体層であるI型の水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)層、第3導電型半導体層であるN型の水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)層からなるP−I−N接合を形成している。
The thin
また、薄膜半導体層6は、透光性絶縁基板4側から、第1導電型半導体層であるP型の水素化アモルファス炭化シリコン(a−SiC:H)層、第2導電型半導体層であるI型の水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)層、第3導電型半導体層であるN型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層、第1導電型半導体層であるP型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層、第2導電型半導体層であるI型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層、第3導電型半導体層であるN型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層からなる二段のP−I−N接合の構成としてもよい。
The thin
また、上記の二段のP−I−N接合のように複数の薄膜半導体層が積層されて薄膜半導体層6が構成される場合には、それぞれのP−I−N接合間に酸化微結晶シリコン(μc−SiOx(X=0〜2))やアルミニウム添加酸化亜鉛(ZnO:Al)などの中間層を挿入して、P−I−N接合間の電気的、光学的接続を改善してもよい。
Further, in the case where the thin
第2の光電変換モジュール7は、第2の光電変換素子である複数の光電変換素子8a、8b(以下、光電変換素子8と総称する場合がある)を備えている。光電変換素子8は、表面に凹凸形状を有する細長い第2基板である導電性金属基板9に、導電性金属基板9と反対側の表面にテクスチャ構造を有して透光性絶縁基板4の短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状にパターニングされた第2基板側電極である裏面透明電極層10、裏面透明電極層10と略同じ形状・配置で透光性絶縁基板4の短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状にパターニングされた第2の薄膜半導体層である薄膜半導体層11が順次積層されて構成されている。第2の光電変換モジュール7において、隣接する光電変換素子8同士は、電気的に接続されていない。
The second photoelectric conversion module 7 includes a plurality of
なお、図1−2では、便宜上第2の光電変換モジュール7のうち、隣接する2つの光電変換素子8a、8bを示しているが、第2の光電変換モジュール7が備える光電変換素子8の数量はこれに限定されず、多数の光電変換素子8が導電性金属基板9上に形成される。
In addition, in FIG. 1-2, although 2 adjacent
導電性金属基板9は、例えば銀(Ag)やアルミニウム(Al)等の金属基板が用いられる。導電性金属基板9は、透明電極層5が備えるテクスチャ構造よりも大きな(緩やかな)凹凸構造を裏面透明電極層10側の表面に備える。
As the
裏面透明電極層10は、光透過性を有する透明導電膜として例えば酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム(In2O3)等の透明導電性酸化物(TCO)が用いられ、CVD法、スパッタリング法、蒸着法等の方法を用いて形成される。また、導電性金属基板9上には、導電性金属基板9からの不純物の阻止層として、必要に応じて酸化珪素(SiO2)等からなるアンダーコート層を形成してもよい。また、裏面透明電極層10は、導電性金属基板9の表面形状に沿った形状であって透明電極層5が備えるテクスチャ構造よりも凹凸構造の大きな(緩やかな)テクスチャ構造を両主面に備える。このテクスチャ構造は、第2の光電変換モジュール7の薄膜半導体層11にとっての光吸収に適した凹凸構造とされている。
The back
薄膜半導体層11は、光入射側からみて裏面透明電極層10の前方に配置され、P−I−N構造を有し、入射する光により発電を行う薄膜半導体層が1層以上積層されて構成される。薄膜半導体層11は、裏面透明電極層10側から第3導電型半導体層であるN型半導体層、実質的に真性な光電変換層であり第2導電型半導体層であるI型半導体層および第1導電型半導体層であるP型半導体層からなるN−I−P接合を構成する。本実施の形態では、薄膜半導体層11は、裏面透明電極層10側から順に、第3導電型半導体層であるN型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層、第2導電型半導体層であるI型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層および第1導電型半導体層であるP型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層、からなるN−I−P接合を構成している。
The thin
また、薄膜半導体層11は、裏面透明電極層10側から、第3導電型半導体層であるN型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層、第2導電型半導体層であるI型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層、第1導電型半導体層であるP型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層、第3導電型半導体層であるN型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層、第2導電型半導体層であるI型の水素化アモルファスシリコンゲルマニウム(a−SiGe:H)層、第1導電型半導体層であるP型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層からなる二段のN−I−P接合の構成としてもよい。
Further, the thin
また、上記の二段のN−I−P接合のように複数の薄膜半導体層が積層されて薄膜半導体層11が構成される場合には、それぞれのN−I−P接合間に酸化微結晶シリコン(μc−SiOx(X=0〜2))やアルミニウム添加酸化亜鉛(ZnO:Al)などの中間層を挿入して、N−I−P接合間の電気的、光学的接続を改善してもよい。
Further, in the case where the thin
第1の光電変換モジュール2と第2の光電変換モジュール7との組み合わせとして、各モジュールにおける薄膜半導体層の積層形態は、例えば(1)1段pin接合−1段nip接合、(2)2段pin接合−1段nip接合、(3)1段pin接合−2段nip接合、(4)2段pin接合−2段nip接合とすることができる。
As a combination of the first
また、光電変換素子3での透光性絶縁基板4の長手方向における幅(図1−1における線分A−A’方向における幅)と、光電変換素子8での透光性絶縁基板4の長手方向における幅(図1−1における線分A−A’方向における幅)とは略同一とされており、薄膜光電変換装置1において光電変換素子3と光電変換素子8とは互いに相対する位置に配置されて、光電変換素子3と光電変換素子8との対を構成している。すなわち、図1−2においては、光電変換素子3aと光電変換素子8aとが互いに相対する位置に配置されて光電変換素子対を構成し、光電変換素子3bと光電変換素子8bとが互いに相対する位置に配置されて光電変換素子対を構成している。この光電変換素子対は、新たな光電変換素子とみなせる。また、隣接する光電変換素子対は、絶縁性樹脂13により素子分離されている。
Further, the width in the longitudinal direction of the translucent insulating
また、図1−2に示すように、相対する光電変換素子3と光電変換素子8において薄膜半導体層6と薄膜半導体層11とは、薄膜半導体層6と薄膜半導体層11との間に配置された透明導電層12により電気的に接続されるとともに接着されている。透明導電層12は、例えば金属ペースト、異方性導電膜などで構成されており、透明性と導電性とを同時に有する。このような透明導電層12は、例えば酸化亜鉛、酸化スズなどの金属酸化物と、例えばエタノール、2―メトキシエタノール、モノエタノールアミンなどの有機溶媒とを混ぜ合わせた金属アルコキシド溶液を塗布、焼成することにより得られる。また、透明導電層12は、透明性と導電性とを持ち合わせた樹脂やシートで代用することもできる。さらに、透明導電層12は、透明樹脂に金属粒子や導電性酸化物粒子を分散したものであってもよい。
Also, as shown in FIG. 1B, in the
このような構成により、相対する光電変換素子3と光電変換素子8とは電気的に直接接続され、同一基板上に形成された積層型薄膜光電変換素子と同様の素子構成となり、メカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置1の全ての光電変換素子対は、ほぼ同一の特性を有することになる。そして、薄膜光電変換装置1では、並列接続にくらべて電力降下を防ぐことができる。また、第1の光電変換モジュール2と第2の光電変換モジュール7との素子を直列に接続するので、第1の光電変換モジュール2と第2の光電変換モジュール7間を並列する場合に比べて電圧を容易に高めることができ、配線抵抗などによる損失を低減できる。
With such a configuration, the opposing
また、隣接する光電変換素子対において、例えば光電変換素子8aの導電性金属基板9と、隣接する対を構成する光電変換素子3bの透明電極層5とは、接続部材である金属基板14により電気的に接続されている。このような構成により、隣接する光電変換素子対は電気的に直接接続され、同一基板上に形成された積層型薄膜光電変換素子が直列に接続される場合と同様の素子構成となる。
In the adjacent photoelectric conversion element pair, for example, the
本実施の形態1の接続部材による接続について、さらに詳細に説明する。第1の光電変換モジュール2において透光性絶縁基板4の上の透明電極層5は薄膜半導体層6の下からはみ出した領域を有し、この部分が接続部となる。この接続部は、薄膜半導体層6の分離溝内にある。金属基板14の一方は、導電性金属基板9を介して第2基板側電極である裏面透明電極層10と電気接続される。また、金属基板14の他方は、分離溝内で導電性金属基板9側から透明電極層5の接続部に向かって延在して、隣接する光電変換素子対は電気的に直列接続される。金属基板14が基板に対しておおむね垂直に延在して接続する構造となるので、比較的狭い分離溝とすることが可能となり、発電に寄与しない分離溝の面積を低減することができる。この金属基板14は、隣接する光電変換素子対の導電性金属基板9や第2基板側電極と接しないように配置される。なお、以上の具体的な接続構造については、部材の形状や接続位置をはじめとして種々に変更可能である。金属基板14が必ずしも直接に透明電極層5に接さずに、透明電極層5の上に形成した他の導電性部材を介して接続されてもよい。
Connection by the connection member of the first embodiment will be described in more detail. In the first
図2は、実施の形態1にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置1の等価回路図である。図2に示すように、薄膜光電変換装置1では、全ての光電変換素子3および光電変換素子8が交互に直列に接続されることになり、積層型薄膜光電変換装置と同様に光電変換素子3、8が最適動作点で動作し、発電効率が向上する。これにより、薄膜光電変換装置1では、積層型薄膜光電変換装置と同等の光電変換効率を実現できる。
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the mechanical stack type thin film
図3および図4は、従来のメカニカル・スタック方式の光電変換装置の等価回路図である。図3および図4に示す光電変換装置は、複数の光電変換素子201が形成された第1の光電変換モジュール211と複数の光電変換素子202が形成された第2の光電変換モジュール212とが、素子同士を対向させて配置して構成されたメカニカル・スタック方式の光電変換装置である。一般にメカニカル・スタック方式の光電変換装置における光電変換素子201と光電変換素子202との発電特性は異なる。このため従来のメカニカル・スタック方式の光電変換装置では、図3や図4に示すようにそれぞれのモジュールから出力を独立して取り出すか、出力電圧がほぼ等しくなるように光電変換素子の直列段数を変える方法を採用している。図3は、それぞれのモジュールから出力を独立して取り出す方式のメカニカル・スタック方式の光電変換装置を示している。図4は、出力電圧がほぼ等しくなるようにモジュール毎に光電変換素子の直列段数を変える方式のメカニカル・スタック方式の光電変換装置を示している。
3 and 4 are equivalent circuit diagrams of a conventional mechanical stack type photoelectric conversion device. The photoelectric conversion device illustrated in FIGS. 3 and 4 includes a first
しかしながら、それぞれのモジュールから出力を独立して取り出す方式の場合は、出力取り出し部がそれぞれのモジュールで必要となり、電圧・電流の異なる複数の出力配線が混在し、部材コストが上昇する、出力取り出し部の構造が複雑となる。また、両基板間の最適動作電圧を一致させて内部で並列接続し、モジュール毎に光電変換素子の直列段数を変える方式の場合は、両基板の電圧の温度依存性の違いなどから電圧差が生じて、一方の基板の発生した電流が他方に流れる。また、同一サイズのモジュールに形成されて直列接続される光電変換素子の直列段数が2つのモジュールで異なるため、それぞれの光電変換素子数が同一である積層型の薄膜光電変換装置と同等の性能が実現することができず、スタックモジュール全体の発電効率が低下する。 However, in the case of a method of independently taking out the output from each module, an output taking-out unit is required for each module, and a plurality of output wirings having different voltages and currents are mixed, resulting in an increase in member cost. The structure becomes complicated. Also, in the case of a system in which the optimum operating voltage between both boards is matched and connected in parallel internally, and the number of series stages of photoelectric conversion elements is changed for each module, the voltage difference is due to the difference in temperature dependence of the voltage of both boards. As a result, the current generated by one substrate flows to the other. In addition, since the number of series-connected photoelectric conversion elements formed in the same size module is different between the two modules, the performance equivalent to that of the stacked thin film photoelectric conversion apparatus having the same number of photoelectric conversion elements. This cannot be realized, and the power generation efficiency of the entire stack module is reduced.
これに対して、実施の形態1にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置1では、相対する光電変換素子3と光電変換素子8とが電気的に接続され、且つ光電変換素子3と、隣接する光電変換素子対を構成する光電変換素子8とが電気的に接続されることにより、全ての光電変換素子3および光電変換素子8が交互に直列に接続され、積層型薄膜光電変換装置と同等の構成を有し、光電変換素子3、8が最適動作点で動作し、発電効率が向上する。
On the other hand, in the mechanical stack type thin film
つぎに、このような実施の形態1にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置1の製造方法について図5−1〜図5−4を参照して説明する。図5−1〜図5−4は、実施の形態1にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置1の製造工程を説明するための要部断面図である。
Next, a method for manufacturing the mechanical stack type thin film
最初に第1の光電変換モジュール2を作製する。まず、透光性絶縁基板4として例えば平板状のガラス基板を用意し、該透光性絶縁基板4の一面側に、表面に凹凸形状のテクスチャ構造を有する酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム(In2O3)等の透明導電性酸化物(TCO)からなる透明電極層5をCVD法、スパッタリング法、蒸着法等の方法を用いて形成する。
First, the first
次に、プラズマCVD法などにより透明電極層5上に例えばアモルファスシリコンからなる光電変換用の薄膜半導体層6を形成して、光電変換素子が素子分離される前の第1の光電変換モジュール2’を得る。ここでは、薄膜半導体層6として透光性絶縁基板4側から、第1導電型半導体層であるp型の水素化アモルファス炭化シリコン(a−SiC:H)層、第2導電型半導体層であるi型の水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)層、第3導電型半導体層であるn型の水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)層を順次形成する(図5−1)。この後、素子分離前の第1の光電変換モジュール2’に例えばレーザスクライブにより分離溝を形成して複数の光電変換素子3に分割することにより、第1の光電変換モジュール2が得られる(図示せず)。なお、分離溝形成時に、透明電極層5を除去する工程と、透明電極層5を残して薄膜半導体層6を除去する工程とを用いて、薄膜半導体層6の下部から透明電極層5の一部がはみ出る領域を形成しておく。これによって薄膜半導体層6の分離溝の底部に接続部となる透明電極層5の一部が露出する。
Next, a thin
次に、第2の光電変換モジュール7を作製する。まず、導電性金属基板9として例えば一面側に凹凸形状のテクスチャ構造を有する銀(Ag)やアルミニウム(Al)などの光を反射する金属基板を用意する。ここで、テクスチャ構造は、透明電極層5の表面のテクスチャ構造よりも凹凸構造の大きな(緩やかな)テクスチャ構造とされる。
Next, the second photoelectric conversion module 7 is produced. First, as the
次に、導電性金属基板9の一面側に、例えば酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム(In2O3)等の透明導電性酸化物(TCO)からなる裏面透明電極層10をCVD法、スパッタリング法、蒸着法等の方法を用いて形成する。また、導電性金属基板9上には、導電性金属基板9からの不純物の阻止層として、必要に応じて酸化珪素(SiO2)等からなるアンダーコート層を形成してもよい。
Next, a back transparent electrode made of a transparent conductive oxide (TCO) such as tin oxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), or indium oxide (In 2 O 3 ) is formed on one surface side of the
次に、プラズマCVD法などにより裏面透明電極層10上に例えば水素化微結晶シリコンからなる光電変換用の薄膜半導体層11を形成して、光電変換素子が素子分離される前の第2の光電変換モジュール7’を得る。ここでは、薄膜半導体層11として裏面透明電極層10側から、第3導電型半導体層であるn型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層、第2導電型半導体層であるi型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層および第1導電型半導体層であるp型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層を順次形成する(図5−2)。
Next, a thin
この後、素子分離前の第2の光電変換モジュール7’を例えばレーザスクライブにより複数の光電変換素子8に分割することにより、第2の光電変換モジュール7が得られる(図示せず)。ここで、第2の光電変換モジュール7は、導電性金属基板9ごとに分割される。
Thereafter, the second photoelectric conversion module 7 is obtained by dividing the second photoelectric conversion module 7 ′ before element separation into a plurality of
次に、第1の光電変換モジュール2の薄膜半導体層6上の全面および第2の光電変換モジュール7の薄膜半導体層11上のおおよそ全面に、例えば酸化亜鉛、酸化スズなどの金属酸化物と例えばエタノール、2―メトキシエタノール、モノエタノールアミンなどの有機溶媒とを混ぜ合わせた金属アルコキシド溶液を塗布し、仮焼成する。そして、光電変換素子対をなす光電変換素子3と光電変換素子8とが相対するように、第1の光電変換モジュール2と第2の光電変換モジュール7とにおける塗布面を対向させて貼り合わせて圧着した後、本焼成する。これにより、薄膜半導体層6と薄膜半導体層11との間に透明導電層12が形成される(図5−3)。なお、透明導電層12は薄膜半導体層6上や、薄膜半導体層11上から、分離溝側にはみ出ること短絡の原因になるので望ましくない。上記のように原料を塗布することで透明導電層12を形成する場合には、塗布の際にスクリーン印刷などの方法を用いるとよい。スクリーン印刷の塗布形状を薄膜半導体層の表面と同形状、または、わずかに小さい形状のパターンとするとよい。
Next, on the entire surface of the thin
ここで、相対する第1の光電変換モジュール2の薄膜半導体層6と第2の光電変換モジュール7の薄膜半導体層11とは、薄膜半導体層6と薄膜半導体層11との間に配置された透明導電層12により電気的に接続される。なお、透明導電層12は、透明性と導電性を持ち合わせた樹脂やシートで代用しても良い。
Here, the thin
その後、分離溝内の側壁に沿って絶縁性樹脂13を配置し、さらにこの絶縁性樹脂13の間に該分離溝の延在方向に沿って金属基板14を埋め込む(図5−4)。この該金属基板14により光電変換素子8の導電性金属基板9と、隣接する対を構成する光電変換素子3の透明電極層5とが電気的に接続される。これにより、図1−1および図1−2に示すような第1の光電変換モジュール2と第2の光電変換モジュール7とが貼り合わされたメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置1が得られる。この後、直列接続された複数の光電変換素子のうち両端の光電変換素子にのみそれぞれ1箇所ずつ出力取り出し部(図示せず)が形成される。
After that, the insulating
上述したように、実施の形態1にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置1では、相対する光電変換素子対が電気的に接続され、且つ光電変換素子3と、隣接する対を構成する光電変換素子8とが電気的に接続されることにより、図2に示す等価回路のように全ての光電変換素子3および光電変換素子8が交互に直列に接続される。これにより、実施の形態1にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置1は、積層型薄膜光電変換装置と同等の接続構成とされるため光電変換素子3、8が最適動作点で動作し、発電効率が向上する。その結果、実施の形態1にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置1は、積層型薄膜光電変換装置と同等の光電変換効率をメカニカル・スタック方式の光電変換装置により実現することができるという、従来にない顕著な効果を有する。
As described above, in the mechanical stack type thin film
また、実施の形態1にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置1では、積層型薄膜光電変換装置と同等の構成で光電変換素子対が直列に接続されるため、従来は2枚の光電変換モジュールのそれぞれに必要であった出力取り出し部が単一箇所に集約される(図示せず)。すなわち、直列接続された複数の光電変換素子のうち両端の光電変換素子にのみそれぞれ1箇所ずつ出力取り出し部を設ければよい。これにより、薄膜光電変換装置1の構成が簡略となるため耐久性に優れ、製造工程を簡略化でき、また出力取り出し部に使用される部材も削減できるためコストダウンが可能である。また、光電変換素子の並列接続が無いため出力取り出しの途中経路に逆電圧が生じにくい。
Further, in the mechanical stack type thin film
また、実施の形態1にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置1では、光電変換素子対を構成する光電変換素子3と光電変換素子8との素子間を、透明導電層12により電気接続および接着を同時に実現できるので素子間の電気接続が確実且つ容易である。
Further, in the mechanical stack type thin film
また、実施の形態1にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置1では、第2の光電変換モジュール7は細長い導電性金属基板9上に形成されている。このため、第2の光電変換モジュール7に不具合が生じた場合でも該当する第2の光電変換モジュール7のみを取り除けばよく、第2の光電変換モジュール7に大面積の1枚の基板上に第2の光電変換モジュールが形成されている場合よりも歩留まりが向上する。また、第2の光電変換モジュール7はそれぞれ分離しているため、光電変換素子3と光電変換素子8との熱による膨張率の違いに起因した反りや破損を抑制することができる。
In the mechanical stack type thin film
実施の形態2.
図6は、本発明の実施の形態2にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置21の概略構成を示す斜視図である。図7は、実施の形態2にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置21における対向する光電変換モジュールを分解した状態を示す分解斜視図である。図8は、実施の形態2にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置21における光電変換モジュールの各層を分解した状態を示す分解斜視図である。
FIG. 6 is a perspective view showing a schematic configuration of a mechanical stack type thin film
実施の形態2にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置21は、それぞれ複数の光電変換素子が構成された薄膜光電変換モジュールである第1の光電変換モジュール22と第2の光電変換モジュール27とが光電変換素子を内側にして貼り合わされた構成を有し、第1の光電変換モジュール22側から光が入射する。
The mechanical stack type thin film
第1の光電変換モジュール22は、第1の光電変換素子である複数の光電変換素子23a、23b、23c、23d(以下、光電変換素子23と総称する場合がある)を備えている。光電変換素子23は、第1の透光性絶縁基板である透光性絶縁基板24上に、透光性絶縁基板24と反対側の表面にテクスチャ構造(図示せず)を有して透光性絶縁基板24の短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状にパターニングされた第1の透明電極層である透明電極層25、透光性絶縁基板4の短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状にパターニングされた第1の薄膜半導体層である薄膜半導体層26が順次積層されて構成されている。第1の光電変換モジュール22において、隣接する光電変換素子23同士は、電気的に接続されていない。
The first
なお、図6〜図8では、第1の光電変換モジュール22が、隣接する4つの光電変換素子23a、23b、23c、23dを備える場合について示しているが、第1の光電変換モジュール22が備える光電変換素子23の数量はこれに限定されず、さらに多数の光電変換素子23が透光性絶縁基板24上に形成されてもよい。
6 to 8 illustrate the case where the first
メカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置21では、第1の光電変換モジュール22側から光が入射するため、透光性絶縁基板24はガラス、透明樹脂等の透光性を有する絶縁材料からなる板状部材やシート状部材が用いられる。
In the mechanical stack type thin film
透明電極層25は、光透過性を有する透明導電膜として例えば酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム(In2O3)等の透明導電性酸化物(TCO)が用いられ、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、スパッタリング法、蒸着法等の方法を用いて形成される。また、透明電極層25は、透光性絶縁基板24と反対側の表面に凹凸形状が形成された表面テクスチャ構造(図示せず)を有する。このテクスチャ構造は、入射した太陽光を散乱させ、第1の光電変換モジュール22と第2の光電変換モジュール27とで入射光をより効率的に吸収させ、光利用効率を高める機能を有する。また、透明電極層25は、透光性絶縁基板24の短手方向における両端部に電気的な接続領域である外周接続部33を有している。なお、透光性絶縁基板24上には、透光性絶縁基板24からの不純物の阻止層として、必要に応じて酸化珪素(SiO2)等からなるアンダーコート層を形成してもよい。
For the
薄膜半導体層26は、光入射側からみて透明電極層25の後方に配置され、P−I−N構造を有し、入射する光により発電を行う薄膜半導体層が1層以上積層されて構成される。薄膜半導体層26は、透光性絶縁基板24側から第1導電型半導体層であるP型半導体層、実質的に真性な光電変換層であり第2導電型半導体層であるI型半導体層、および第3導電型半導体層であるN型半導体層からなるPIN接合を構成する。本実施の形態では、薄膜半導体層26は、透光性絶縁基板24側から順に、第1導電型半導体層であるP型の水素化アモルファス炭化シリコン(a−SiC:H)層、第2導電型半導体層であるI型の水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)層、第3導電型半導体層であるN型の水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)層からなるP−I−N接合を形成している。
The thin
また、薄膜半導体層26は、透光性絶縁基板24側から、第1導電型半導体層であるP型の水素化アモルファス炭化シリコン(a−SiC:H)層、第2導電型半導体層であるI型の水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)層、第3導電型半導体層であるN型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層、第1導電型半導体層であるP型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層、第2導電型半導体層であるI型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層、第3導電型半導体層であるN型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層からなる二段のP−I−N接合の構成としてもよい。
The thin-
また、上記の二段のP−I−N接合のように複数の薄膜半導体層が積層されて薄膜半導体層26が構成される場合には、それぞれのP−I−N接合間に酸化微結晶シリコン(μc−SiOx(X=0〜2))やアルミニウム添加酸化亜鉛(ZnO:Al)などの中間層を挿入して、P−I−N接合間の電気的、光学的接続を改善してもよい。
Further, when a plurality of thin film semiconductor layers are stacked to form the thin
第2の光電変換モジュール27は、第2の光電変換素子である複数の光電変換素子28a、28b、28c、28d(以下、光電変換素子28と総称する場合がある)を備えている。光電変換素子28は、表面に凹凸形状を有する細長い導電性金属基板29に、導電性金属基板29と反対側の表面にテクスチャ構造を有して導電性金属基板29と同じ形状にパターニングされた裏面透明電極層30、透光性絶縁基板24の短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状にパターニングされた第2の薄膜半導体層である薄膜半導体層31が順次積層されて構成されている。第2の光電変換モジュール7において、隣接する光電変換素子28同士は、電気的に接続されていない。
The second
なお、図6〜図8では、便宜上第2の光電変換モジュール27のうち、隣接する4つの光電変換素子28a、28b、28c、28dを示しているが、第2の光電変換モジュール27が備える光電変換素子28の数量はこれに限定されず、多数の光電変換素子28が導電性金属基板9上に形成される。
6 to 8 show four adjacent
導電性金属基板29は、例えば銀(Ag)やアルミニウム(Al)等の金属基板が用いられる。導電性金属基板29は、透明電極層25が備えるテクスチャ構造よりも大きな(緩やかな)凹凸構造を裏面透明電極層30側の表面に備える。
As the
裏面透明電極層30は、光透過性を有する透明導電膜として例えば酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム(In2O3)等の透明導電性酸化物(TCO)が用いられ、CVD法、スパッタリング法、蒸着法等の方法を用いて形成される。また、裏面透明電極層30は、導電性金属基板29の表面形状に沿った形状であって透明電極層25が備えるテクスチャ構造よりも凹凸構造の大きな(緩やかな)テクスチャ構造を両主面に備える。このテクスチャ構造は、第2の光電変換モジュール27の薄膜半導体層31にとっての光吸収に適した凹凸構造とされている。また、裏面透明電極層30は、透光性絶縁基板24の短手方向における両端部に電気的な接続領域である外周接続部34を有している。なお、導電性金属基板29上には、導電性金属基板29からの不純物の阻止層として、必要に応じて酸化珪素(SiO2)等からなるアンダーコート層を形成してもよい。
The back
薄膜半導体層31は、光入射側からみて裏面透明電極層30の前方に配置され、P−I−N構造を有し、入射する光により発電を行う薄膜半導体層が1層以上積層されて構成される。薄膜半導体層31は、裏面透明電極層30側から第3導電型半導体層であるN型半導体層、実質的に真性な光電変換層であり第2導電型半導体層であるI型半導体層および第1導電型半導体層であるP型半導体層からなるN−I−P接合を構成する。本実施の形態では、薄膜半導体層31は、裏面透明電極層30側から順に、第3導電型半導体層であるn型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層、第2導電型半導体層であるi型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層および第1導電型半導体層であるp型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層、からなるN−I−P接合を構成している。
The thin
また、薄膜半導体層31は、裏面透明電極層30側から、第3導電型半導体層であるn型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層、第2導電型半導体層であるi型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層、第1導電型半導体層であるp型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層、第3導電型半導体層であるn型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層、第2導電型半導体層であるi型の水素化アモルファスシリコンゲルマニウム(a−SiGe:H)層、第1導電型半導体層であるp型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層からなる二段のN−I−P接合の構成としてもよい。
In addition, the thin
また、上記の二段のN−I−P接合のように複数の薄膜半導体層が積層されて薄膜半導体層11が構成される場合には、それぞれのN−I−P接合間に酸化微結晶シリコン(μc−SiOx(X=0〜2))やアルミニウム添加酸化亜鉛(ZnO:Al)などの中間層を挿入して、N−I−P接合間の電気的、光学的接続を改善してもよい。
Further, in the case where the thin
第1の光電変換モジュール22と第2の光電変換モジュール27との組み合わせとして、各モジュールにおける薄膜半導体層の積層形態は、例えば(1)1段pin接合−1段nip接合、(2)2段pin接合−1段nip接合、(3)1段pin接合−2段nip接合、(4)2段pin接合−2段nip接合とすることができる。
As a combination of the first
また、光電変換素子23での透光性絶縁基板24の長手方向における幅と、光電変換素子28での透光性絶縁基板24の長手方向における幅とは略同一とされており、薄膜光電変換装置21において光電変換素子23と光電変換素子28とは互いに相対する位置に配置されて、光電変換素子23と光電変換素子28との対を構成している。
Moreover, the width in the longitudinal direction of the translucent insulating
すなわち、図6〜図8においては、光電変換素子23aと光電変換素子28aとが互いに相対する位置に配置されて光電変換素子対を構成し、光電変換素子23bと光電変換素子28bとが互いに相対する位置に配置されて光電変換素子対を構成している。また、光電変換素子23cと光電変換素子28cとが互いに相対する位置に配置されて光電変換素子対を構成し、光電変換素子23dと光電変換素子28dとが互いに相対する位置に配置されて光電変換素子対を構成している。この光電変換素子対は、新たな光電変換素子とみなせる。
That is, in FIGS. 6 to 8, the
また、相対する光電変換素子23と光電変換素子28において、薄膜半導体層26と薄膜半導体層31とは、薄膜半導体層26と薄膜半導体層31との間に配置された透明導電層32により電気的に接続されるとともに接着されている。透明導電層32は、例えば金属ペースト、異方性導電膜で構成されており、透明性と導電性とを同時に有する。このような透明導電層32は、例えば酸化亜鉛、酸化スズなどの金属酸化物と、例えばエタノール、2―メトキシエタノール、モノエタノールアミンなどの有機溶媒とを混ぜ合わせた金属アルコキシド溶液を薄膜半導体層26と薄膜半導体層31との全面に塗布、焼成することにより得られる。また、透明導電層32は、透明性と導電性とを持ち合わせた樹脂やシートで代用することもできる。透明樹脂に金属粒子や導電性酸化物粒子を分散したものであってもよい。
In the photoelectric conversion element 23 and the photoelectric conversion element 28 which face each other, the thin
このような構成により、図2に示す等価回路のように全ての光電変換素子23および光電変換素子28が交互に直列に接続される。すなわち、相対する光電変換素子23と光電変換素子28とは電気的に直接接続され、同一基板上に形成された積層型薄膜光電変換素子と同様の素子構成となり、メカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置21の全ての光電変換素子対は、ほぼ同一の特性を有することになる。そして、薄膜光電変換装置21では、並列接続にくらべて電力降下を防ぐことができる。また、第1の光電変換モジュール22と第2の光電変換モジュール27との素子を直列に接続するので、第1の光電変換モジュール22と第2の光電変換モジュール27間を並列する場合に比べて電圧を容易に高めることができ、配線抵抗などによる損失を低減できる。
With such a configuration, all the photoelectric conversion elements 23 and photoelectric conversion elements 28 are alternately connected in series as in the equivalent circuit shown in FIG. That is, the opposing photoelectric conversion element 23 and the photoelectric conversion element 28 are electrically connected directly, and have the same element configuration as a stacked thin film photoelectric conversion element formed on the same substrate, and a mechanical stack type thin film photoelectric conversion. All the photoelectric conversion element pairs of the
また、図6〜図8に示すように、隣接する光電変換素子対において、一方の第1の光電変換モジュール22の透明電極層25と他方の第2の光電変換モジュール27の裏面透明電極層30とは、透明電極層25の透光性絶縁基板24の短手方向における外周接続部33および裏面透明電極層30の透光性絶縁基板24の短手方向における外周接続部34で、接続部材である導電層35により電気的に接続されている。導電層35は、例えば電極ペースト、導電性樹脂、導電性シートなど、透明電極層25と裏面透明電極層30とのコンタクトがとれるものであれば、得に限定されない。このような導電層35は、外周接続部33および外周接続部34に導電ペーストを塗布した後に、薄膜半導体層26と薄膜半導体層31とを圧着することにより得られる。これにより、相対する一対の光電変換素子23と光電変換素子28とが電気的に接続されている。このような構成により、隣接する光電変換素子対は電気的に直接接続され、同一基板上に形成された積層型薄膜光電変換素子が直列に接続される場合と同様の素子構成となる。
As shown in FIGS. 6 to 8, in the adjacent photoelectric conversion element pair, the
本実施の形態2の接続部材による接続についてさらに詳細に説明する。第1の光電変換モジュール22において透光性絶縁基板24の上の透明電極層25は、薄膜半導体層26の下からはみ出した領域を有する。このはみ出した領域は素子ごとに分割された薄膜半導体層26の長手方向の端部よりも外側の側辺に位置する外周接続部33となる。この外周接続部33は、隣接する光電変換素子対側に延びた延在部を有し、この延在部は第1の薄膜半導体層26の長手方向の端部外側まで位置する。また、この延在部が隣の外周接続部33と接触しないように、外周接続部33は第1の薄膜半導体層26の長手方向の端部の途中から隣接する光電変換素子対側に延びる形状とされている。
The connection by the connection member according to the second embodiment will be described in more detail. In the first
一方、第2の光電変換モジュール27において、導電性金属基板29の上の裏面透明電極層30は薄膜半導体層31の下からはみ出した領域を有する。このはみ出した領域は素子ごとに分割された薄膜半導体層31の長手方向の端部よりも外側の側辺に位置する外周接続部34となる。この外周接続部34は透光性絶縁基板24と導電性金属基板29とを対向した際に、隣の光電変換素子対の外周接続部33の延在部と相対する位置となっている。
On the other hand, in the second
外周接続部33と外周接続部34とをこのような形状としたことにより、これらの間に導電層35を挟む簡単な構成で光電変換素子対を直列接続できる。導電層35は、一方の基板の接続部に向かって他方の基板側から延びて延在する接続部材となっている。接続部材が基板にほぼ垂直な電気経路となり、接続部材の抵抗を小さくできる。また、図のように同じ光電変換素子対の外周接続部33と外周接続部34とは、相対しない形状とすると、これらの間に導電性のゴミ等が挟まって短絡することが防止できるので望ましい。
By forming the outer
なお、上記では外周接続部33側に延在部を設けたが、外周接続部34側に設けても同様の接続が可能である。また、図では基板の両辺部に外周接続部33と外周接続部34と設けたが、薄膜半導体層を基板の途中で交差する溝を形成して分割し、一方の溝内にこのような接続箇所を設けてもよい。また、導電層35は直接に透明電極層25や裏面透明電極層30に接することは必須でない。たとえば透明電極層25や裏面透明電極層30に接するように形成された導電膜を有する場合に導電層35がそれらの導電膜に接すればよい。また外周接続部33と外周接続部34がそのような導電膜によって形成されていてもよい。
In the above description, the extending portion is provided on the outer peripheral connecting
このような実施の形態2にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置21は、基本的な工程は実施の形態1にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置1と同様にして例えば以下のようにして作製される。
The mechanical stack type thin film
最初に第1の光電変換モジュール22を作製する。まず、透光性絶縁基板24として例えば平板状のガラス基板を用意し、該透光性絶縁基板24の一面側に、表面に凹凸形状のテクスチャ構造を有する酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム(In2O3)等の透明導電性酸化物(TCO)からなる透明電極層25をCVD法、スパッタリング法、蒸着法等の方法を用いて形成する。ここで、透明電極層25は、透光性絶縁基板24の短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状であって透光性絶縁基板24の短手方向における両端部に外周接続部33を有する形状にパターニングされる。
First, the first
次に、プラズマCVD法などにより透明電極層25上に例えばアモルファスシリコンからなる光電変換用の薄膜半導体層6を、透光性絶縁基板4の短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状に形成する。薄膜半導体層26としては、例えば透光性絶縁基板24側から、第1導電型半導体層であるp型の水素化アモルファス炭化シリコン(a−SiC:H)層、第2導電型半導体層であるi型の水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)層、第3導電型半導体層であるn型の水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)層を順次形成する。これにより、第1の光電変換モジュール22が得られる。
Next, a thin
次に、第2の光電変換モジュール27を作製する。まず、導電性金属基板29として例えば一面側に凹凸形状のテクスチャ構造を有する銀(Ag)やアルミニウム(Al)などの光を反射する金属基板を用意する。ここで、テクスチャ構造は、透明電極層25の表面のテクスチャ構造よりも凹凸構造の大きな(緩やかな)テクスチャ構造とされる。
Next, the second
次に、導電性金属基板29の一面側に、例えば酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム(In2O3)等の透明導電性酸化物(TCO)からなる裏面透明電極層30をCVD法、スパッタリング法、蒸着法等の方法を用いて形成する。また、導電性金属基板29上には、導電性金属基板29からの不純物の阻止層として、必要に応じて酸化珪素(SiO2)等からなるアンダーコート層を形成してもよい。
Next, a back transparent electrode made of a transparent conductive oxide (TCO) such as tin oxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), or indium oxide (In 2 O 3 ) is formed on one side of the
次に、プラズマCVD法などにより裏面透明電極層30上に例えば水素化微結晶シリコンからなる光電変換用の薄膜半導体層31を形成する。薄膜半導体層31としては、裏面透明電極層30側から、第3導電型半導体層であるn型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層、第2導電型半導体層であるi型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層および第1導電型半導体層であるp型の水素化微結晶シリコン(μc−Si:H)層を順次形成する。
Next, a thin
この後、例えばレーザスクライブにより複数の光電変換素子8に分割することにより、第2の光電変換モジュール27が得られる。ここで、第2の光電変換モジュール27は、導電性金属基板29ごとに分割される。また、第2の光電変換モジュール27は、導電性金属基板29の短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状であって導電性金属基板29の短手方向における両端部に裏面透明電極層30が外周接続部34を有する形状にパターニングされる。外周接続部34は、メカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置21を組み立てた際に外周接続部33と相対する位置に形成される。
Then, the 2nd
次に、第1の光電変換モジュール22の薄膜半導体層26上の全面および第2の光電変換モジュール27の薄膜半導体層31上の全面に、例えば酸化亜鉛、酸化スズなどの金属酸化物と例えばエタノール、2―メトキシエタノール、モノエタノールアミンなどの有機溶媒とを混ぜ合わせた金属アルコキシド溶液を塗布し、仮焼成する。また、第1の光電変換モジュール22の透光性絶縁基板24の両端部の外周接続部33に例えば電極ペーストを塗布する。
Next, on the entire surface of the first
そして、光電変換素子対をなす光電変換素子23と光電変換素子28とが相対するように、第1の光電変換モジュール22と第2の光電変換モジュール27とにおける塗布面を対向させて貼り合わせて圧着した後、本焼成する。これにより、薄膜半導体層26と薄膜半導体層31との間に透明導電層32が形成される。また、外周接続部33と外周接続部34との間に導電層35が形成される。
Then, the application surfaces of the first
ここで、相対する第1の光電変換モジュール22の薄膜半導体層26と第2の光電変換モジュール27の薄膜半導体層31とは、薄膜半導体層26と薄膜半導体層31との間に配置された透明導電層32により電気的に接続される。また、光電変換素子28の裏面透明電極層30と、隣接する対を構成する光電変換素子23の透明電極層25とは、外周接続部33と外周接続部34との間に配置された導電層35により電気的に接続される。
Here, the thin
これにより、図6〜図8に示すような第1の光電変換モジュール2と第2の光電変換モジュール27とが貼り合わされたメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置21が得られる。この後、直列接続された複数の光電変換素子のうち両端の光電変換素子にのみそれぞれ1箇所ずつ出力取り出し部が形成される。
As a result, a mechanical stack type thin film
上述したように、実施の形態2にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置21では、相対する光電変換素子対が電気的に接続され、且つ光電変換素子23と、隣接する対を構成する光電変換素子28とが電気的に接続されることにより、図2に示す等価回路のように全ての光電変換素子23および光電変換素子28が交互に直列に接続される。これにより、実施の形態2にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置21は、積層型薄膜光電変換装置と同等の接続構成とされるため光電変換素子23、28が最適動作点で動作し、発電効率が向上する。その結果、実施の形態2にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置21は、積層型薄膜光電変換装置と同等の光電変換効率をメカニカル・スタック方式の光電変換装置により実現することができるという、従来にない顕著な効果を有する。
As described above, in the mechanical stack type thin film
また、実施の形態2にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置21では、積層型薄膜光電変換装置と同等の構成で光電変換素子対が直列に接続されるため、従来は2枚の光電変換モジュールのそれぞれに必要であった出力取り出し部が単一箇所に集約される(図示せず)。すなわち、直列接続された複数の光電変換素子のうち両端の光電変換素子にのみそれぞれ1箇所ずつ出力取り出し部を設ければよい。これにより、薄膜光電変換装置21の構成が簡略となるため耐久性に優れ、製造工程を簡略化でき、また出力取り出し部に使用される部材も削減できるためコストダウンが可能である。また、光電変換素子の並列接続が無いため出力取り出しの途中経路に逆電圧が生じにくい。
Further, in the mechanical stack type thin film
また、実施の形態2にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置21では、光電変換素子対を構成する光電変換素子23と光電変換素子28との素子間を、透明導電層32により電気接続および接着を同時に実現できるので素子間の電気接続が確実且つ容易である。
Further, in the mechanical stack type thin film
また、実施の形態2にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置21では、第2の光電変換モジュール27は細長い導電性金属基板29上に形成されている。このため、第2の光電変換モジュール27に不具合が生じた場合でも該当する第2の光電変換モジュール27のみを取り除けばよく、大面積の1枚の基板上に第2の光電変換モジュールが形成されている場合よりも歩留まりが向上する。また、第2の光電変換モジュール27はそれぞれ分離しているため、光電変換素子23と光電変換素子28との熱による膨張率の違いに起因した反りや破損を抑制することができる。
In the mechanical stack type thin film
さらに、実施の形態2にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置21では、光電変換素子28の裏面透明電極層30と、隣接する対を構成する光電変換素子23の透明電極層25とを、光電変換素子の主領域から位置をずらした外周接続部33と外周接続部34との間に配置された導電層35により電気的に接続するので、光電変換素子23と光電変換素子28とを簡単に直列接続できる。
Furthermore, in the thin film
なお、上記の実施の形態では第2の光電変換モジュール27の導電性金属基板29と、薄膜半導体層31との間に裏面透明電極層30を形成したが、裏面透明電極層30は必ずしも必須ではない。裏面透明電極層30がない場合は、導電性金属基板29自体が第2基板側電極となる。薄膜半導体層31がシリコンを主成分とする材料からなり、導電性金属基板29がシリコンに拡散しやすい銀(Ag)などの材料である場合には、裏面透明電極層30が拡散防止層となり望ましいが、これらの材料が相互反応しにくい材料からなる場合や、そのような相互反応防止処理が施されている場合は裏面透明電極層30を省いてもよい。
In the above embodiment, the back
また、上記の実施の形態では第2の光電変換モジュール27において導電性金属基板29を用いる場合を示したが、絶縁基板上に金属膜が形成された導電性金属基板であってもよい。また、実施の形態2においては光電変換素子対ごとに分割された導電性金属基板29を用いる場合を示したが、1枚の絶縁基板上に実施の形態2で示した導電性金属基板29と同様な形状の金属膜パターンが素子ごとに分割されて形成されたような導電性金属基板を用いてもよい。その場合、基板同士を対向させて貼り合わせる工程が簡単になり、また、貼り合わせた基板の周辺部を封止すれることで、信頼性の高い光電変換装置となる。また、その絶縁基板は第1の光電変換モジュールの基板22と同質の材料を用いると、温度変化に伴う熱膨張差による変形を防止できるので望ましい。
Moreover, although the case where the
以上のように、本発明にかかる薄膜光電変換装置は、積層型の薄膜光電変換装置と同様の高い発電効率を簡略な構成のメカニカル・スタック方式の光電変換装置で実現する場合に有用である。 As described above, the thin film photoelectric conversion device according to the present invention is useful for realizing high power generation efficiency similar to that of the stacked thin film photoelectric conversion device with a mechanically stacked photoelectric conversion device having a simple configuration.
1 薄膜光電変換装置
2 第1の光電変換モジュール
3 光電変換素子
3a 光電変換素子
3b 光電変換素子
4 透光性絶縁基板
5 透明電極層
6 薄膜半導体層
7 第2の光電変換モジュール
8 光電変換素子
8a 光電変換素子
8b 光電変換素子
9 導電性金属基板
10 裏面透明電極層
11 薄膜半導体層
12 透明導電層
13 絶縁性樹脂
14 金属基板
21 第1の薄膜光電変換装置
22 光電変換モジュール
23 光電変換素子
23a 光電変換素子
23b 光電変換素子
23c 光電変換素子
23d 光電変換素子
24 透光性絶縁基板
25 透明電極層
26 薄膜半導体層
27 第2の光電変換モジュール
28 光電変換素子
28a 光電変換素子
28b 光電変換素子
28c 光電変換素子
28d 光電変換素子
29 導電性金属基板
30 裏面透明電極層
31 薄膜半導体層
32 透明導電層
33 外周接続部
34 外周接続部
35 導電層
201 光電変換素子
202 光電変換素子
211 第1の光電変換モジュール
212 第2の光電変換モジュール
DESCRIPTION OF
Claims (8)
相対する位置に配置された前記第1光電変換素子と前記第2光電変換素子とが透明導電層を挟んで電気的に直列接続されて構成される光電変換素子対を複数有し、
隣接する前記光電変換素子対において一方の前記第1基板側電極と他方の前記第2基板側電極とが接続部材により電気的に接続されることにより隣接する前記光電変換素子対が電気的に直列接続されていること、
を特徴とする光電変換装置。 A first photoelectric conversion module in which a plurality of first photoelectric conversion elements in which a first substrate side electrode and a first photoelectric conversion layer are sequentially formed on one surface of a first substrate having translucency and insulation; A second photoelectric conversion module in which a plurality of second photoelectric conversion elements each having a second substrate side electrode and a second photoelectric conversion layer formed in order on one surface of the two substrates are the first photoelectric conversion element and the first photoelectric conversion element; 2 It is bonded with the photoelectric conversion element inside,
A plurality of pairs of photoelectric conversion elements configured such that the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element arranged at opposite positions are electrically connected in series with a transparent conductive layer interposed therebetween;
In the adjacent photoelectric conversion element pairs, one of the first substrate side electrodes and the other second substrate side electrode are electrically connected by a connecting member, whereby the adjacent photoelectric conversion element pairs are electrically connected in series. Being connected,
A photoelectric conversion device characterized by the above.
を特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 The first photoelectric conversion element has a first connection portion that protrudes from below the first photoelectric conversion layer on the first substrate, and the connection member faces the first connection portion from the second substrate side. Being an extended member,
The photoelectric conversion device according to claim 1.
を特徴とする請求項1または2に記載の光電変換装置。 The second substrate is divided for each second photoelectric conversion element;
The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein:
前記接続部材は、隣接する前記光電変換素子対間において絶縁層に狭持されて前記第1光電変換層と前記透明導電層と前記第2光電変換層とから絶縁されるとともに一方の前記第1基板側電極と他方の前記第2基板側電極とを電気的に接続する金属部材であること、
を特徴とする請求項3に記載の光電変換装置。 The second substrate is made of a conductive metal electrically connected to the second substrate side electrode,
The connection member is sandwiched between insulating photoelectric layers between adjacent photoelectric conversion element pairs and insulated from the first photoelectric conversion layer, the transparent conductive layer, and the second photoelectric conversion layer, and one of the first photoelectric conversion layers. A metal member that electrically connects the substrate-side electrode and the other second substrate-side electrode;
The photoelectric conversion device according to claim 3.
を特徴とする請求項2または3に記載の光電変換装置。 The second substrate-side electrode has a second connection portion that protrudes from below the second photoelectric conversion layer on the second substrate, and one of the second connection portion and the other of the adjacent photoelectric conversion element pair The first connection portion is provided at a position opposite to each other, and the connection member is a member sandwiched between the second connection portion and the first connection portion;
The photoelectric conversion device according to claim 2, wherein:
を特徴とする請求項5に記載の光電変換装置。 The first photoelectric conversion layer and the second photoelectric conversion layer have a shape that is long in a specific direction, and the first connection portion and the second connection portion are formed of the first photoelectric conversion layer and the second photoelectric conversion layer. Provided on the side in the longitudinal direction, at least one of the first connection portion and the second connection portion has a shape extending to the side in the longitudinal direction of the adjacent photoelectric conversion element pair;
The photoelectric conversion device according to claim 5.
前記第1基板および前記第2基板は、それぞれ基板の外周部に電気的な接続領域である外周接続部を有し、
前記接続部材は、隣接する前記光電変換素子対における一方の前記第1基板の外周接続部と他方の前記第二基板の外周接続部とを電気的に接続する導電層であること、
を特徴とする請求項3に記載の光電変換装置。 The second substrate is made of a conductive metal electrically connected to the second substrate side electrode,
The first substrate and the second substrate each have an outer peripheral connection portion that is an electrical connection region on the outer peripheral portion of the substrate,
The connection member is a conductive layer that electrically connects an outer peripheral connection portion of one of the first substrates and an outer peripheral connection portion of the other second substrate in the adjacent photoelectric conversion element pair;
The photoelectric conversion device according to claim 3.
を特徴とする請求項1または2に記載の光電変換装置。 The first photoelectric conversion layer and the second photoelectric conversion layer have uneven shapes of different sizes;
The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2009179609A JP2011035150A (en) | 2009-07-31 | 2009-07-31 | Photoelectric converter |
Applications Claiming Priority (1)
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