JP2011077104A - 光電変換装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光電変換効率の高い光電変換装置を提供すること。
【解決手段】光電変換装置２１は、基板１と、基板１上に設けられた複数の下部電極２と、複数の下部電極２上に設けられ下部電極２上で互いに分離した複数の光電変換層３’と、複数の光電変換層３’間に設けられ、複数の光電変換層３’との間に第１の溝Ｐ２および第２の溝Ｐ３を形成する台座部８と、光電変換層３’上に設けられた上部電極５と、金属ペーストの固化物から成り、第１の溝Ｐ２内で一端が下部電極２に直接接続され他端が上部電極５に接続された接続導体７と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の光電変換セルが集積された光電変換装置およびその製造方法に関する。

太陽光発電等に使用される光電変換装置は、様々な種類のものがあるが、ＣＩＳ系（銅インジウムセレナイド系）に代表されるカルコパイライト系光電変換装置は比較的低コストで太陽電池モジュールの大面積化が容易なことから、研究開発が進められている。

このカルコパイライト系光電変換装置は、光吸収層として二セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）等のカルコゲン化合物半導体層（カルコパイライト系化合物半導体層）とバッファ層として硫化カドミウム等の混晶化合物半導体を備えている。

カルコパイライト系光電変換装置の代表的なＣＩＧＳセルの従来の集積化素子製造方法は、まず青板ガラス上にモリブデンなどの金属をスパッタ成膜し下部電極を形成する。次にこの下部電極を短冊状に分離するレーザースクライブを行い(特許文献１で記載された溝Ｌの形成に相当する)、その上層に光吸収層とバッファ層を形成した後、溝Ｌのすぐ横の位置でバッファ層と光吸収層をメカニカルスクライブする（特許文献１で記載された溝部Ｍ１に相当する）。さらに上層に上部電極としての透明導電膜を作製し、銀グリッド電極（集電電極）を印刷焼成してから、透明導電膜とバッファ層と光吸収層をメカニカルスクライブによって分離する（特許文献１で記載された溝部Ｍ２に相当する）工程からなる。

特開２００２−３７３９９５号公報

上記光電変換装置では、隣接する光電変換セル同士を直列接続するため、溝部Ｍ１内に透明導電膜および銀グリッド電極を形成して接続導体とし、この接続導体によって一方の光電変換セルの上部電極と他方の光電変換セルの下部電極とを電気的に接続している。

しかしながら、上記光電変換装置は、溝部Ｍ１内に形成した接続導体と下部電極との接続抵抗が大きく、その結果、光電変換効率を高めることが困難であるという問題点を有している。すなわち、溝部Ｍ１内に形成する接続導体は、透明導電膜と銀グリッドから成り、比較的高い抵抗率を有する透明導電膜を介して銀グリッドが下部電極に接続しているため、接続抵抗が高くなる。また、溝部Ｍ１内に透明導電膜を形成するのが困難で下部電極と透明導電膜とが良好に密着していないため、接続抵抗が高くなる。

本発明はこのような問題に鑑みなされたものであり、その目的は光電変換効率の高い光電変換装置を提供することにある。

本発明の光電変換装置に係る一実施形態は、基板と、前記基板上に設けられた複数の下部電極と、前記複数の下部電極上に設けられ前記下部電極上で互いに分離した複数の光電変換層と、前記複数の光電変換層間に設けられ、前記複数の光電変換層との間に第１の溝および第２の溝を形成する台座部と、前記光電変換層上に設けられた上部電極と、金属ペーストの固化物から成り、前記第１の溝内で一端が前記下部電極に直接接続され他端が前記上部電極に接続された接続導体と、を具備することを特徴とする。

このような構成により、金属ペーストの固化物から成る接続導体を、他の材料を介在させることなく、直接下部電極と接続しているので、接続導体と下部電極との電気的な接続を非常に良好とすることができる。よって、接続抵抗が低くなり、光電変換効率を高めることができる。

上記光電変換装置において好ましくは、前記上部電極上に、前記接続導体に接続された集電電極が設けられていることを特徴とする。

本発明の光電変換装置の製造方法に係る一実施形態は、複数の下部電極が設けられた基板上に光電変換層を形成する工程と、前記光電変換層上に上部電極を形成する工程と、前記下部電極上で、前記上部電極および前記光電変換層を除去して第１の溝および第２の溝を形成する工程と、前記第１の溝内に金属ペーストを被着し、前記上部電極と前記下部電極とを接続する工程と、を具備することを特徴とする。

このような構成により、接続導体を形成するための第１の溝と光電変換セル同士を分離するための第２の溝とを一度の工程で形成することができ、工程を簡略化できる。その結果、接続導体と下部電極との接続が良好で高効率な光電変換層装置を容易に形成できる。

上記光電変換装置の製造方法において好ましくは、前記下部電極上で、前記上部電極および前記光電変換層を除去して第１の溝および第２の溝を形成する工程が、メカニカルスクライブ加工により行なわれることを特徴とする。

本発明によれば、接続導体と下部電極との接続を良好にし、高い光電変換効率を有する光電変換装置を提供することができる。

本発明の光電変換装置の実施の形態の一例を示す斜視図である。 図１の光電変換装置の断面図である。 本発明の光電変換装置の製造方法の実施の形態の一例を示す工程ごとの断面図である。

図１は本発明に係る光電変換装置の構造の一例を示す斜視図であり、図２はその断面図である。光電変換装置２１は、基板１と、下部電極２と、光電変換層３’と、上部電極５と、接続電極７と、台座部８とを含んで構成される。本実施形態において光電変換層３’は、カルコパイライト系化合物半導体を用いた光電変換体として公知の構造である、光吸収層３とこれにヘテロ接合されたバッファ層４とを具備する例を示しているが、これに限定されない。光電変換層３’は、下部電極２側からバッファ層４および光吸収層３を積層したものであってもよく、異なる導電型の半導体層がホモ接合されたものであってもよい。また、上部電極５は半導体層から成るものも含み、いわゆる窓層と呼ばれるものも含む。

図１、図２において、光電変換セル２０が複数並べて形成され、光電変換装置２１を構成している。そして、光電変換セル２０は、光吸収層３およびバッファ層４をまたがるように設けられた接続導体７によって、上部電極５と、隣接する光電変換セル２０の下部電極２が延出された部位とが電気的に接続されている。この構成により、隣接する光電変換セル２０同士が直列接続されている。なお、一つの光電変換セル２０内において、接続導体７は光吸収層３およびバッファ層４をまたがるように設けられており、上部電極５と下部電極２とで挟まれた光吸収層３とバッファ層４とで光電変換が行なわれる。

基板１は、光吸収層３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、ガラス、セラミックス、樹脂および金属等が挙げられる。基板１としては、例えば、厚さ１〜３ｍｍ程度の青板ガラス（ソーダライムガラス）を用いることができる。

下部電極２は、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）または金（Ａｕ）等の金属またはこれらの金属積層構造体が用いられる。下部電極２は、基板１上にスパッタリング法または蒸着法等で厚さ０．２〜１μｍ程度に形成される。

光吸収層３は、例えば、Ｉ-III-VI化合物半導体やII-VI化合物半導体がある。I-III-VI化合物半導体とは、Ｉ-Ｂ族元素（１１族元素ともいう）とIII-Ｂ族元素（１３族元素ともいう）とVI-Ｂ族元素（１６族元素ともいう）との化合物半導体であり、カルコパイライト構造を有し、カルコパイライト系化合物半導体と呼ばれる（ＣＩＳ系化合物半導体ともいう）。II-VI化合物半導体とは、II-Ｂ族（１２族元素ともいう）とVI-Ｂ族元素との化合物半導体である。光電変換効率を高めるという観点からは、カルコパイライト系化合物半導体であるＩ-III-VI化合物半導体を用いることが好ましい。

I-III-VI化合物半導体としては、例えば、二セレン化銅インジウム（ＣｕＩｎＳｅ_２）、二セレン化銅インジウム・ガリウム（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２）、二セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）_２）、二イオウ化銅インジウム・ガリウム（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓ_２）又は薄膜の二セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム層を表面層として有する二セレン化銅インジウム・ガリウム等の多元化合物半導体薄膜がある。

光吸収層３は、ｐ形の導電形を有する厚さ１〜３μｍ程度の薄膜で、光吸収層３がI-III-VI化合物半導体から成る場合、その表面にヘテロ接合を形成するためのバッファ層４を有することが好ましい。バッファ層４としては、硫化カドミウム（ＣｄＳ）や硫化インジウム（ＩｎＳ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）等の混晶化合物半導体がある。

下部電極２の光吸収層３と接触する表面部分は、下部電極２に含まれる金属元素と光吸収層３に含まれるカルコゲン元素とを含む金属カルコゲン化合物層が、１ｎｍ〜１μｍ程度の厚さの薄膜状に形成されていることが好ましい（なお、本実施形態では、この金属カルコゲン化合物層も下部電極２の一部と見なす）。より好ましくは、光吸収層３と下部電極２との密着性を向上するとともに光吸収層３と下部電極２との電気的接続を良好にするという観点からは、金属カルコゲン化合物層８は５ｎｍ〜２００ｎｍの厚さがよい。金属カルコゲン化合物層は、例えば、下部電極２がモリブデンであり、光吸収層がＳｅを含む化合物半導体である場合、セレン化モリブデン（ＭｏＳｅ_２）である。このような金属カルコゲン化合物層により、光吸収層３と下部電極２との密着強度を高めることができる。

金属カルコゲン化合物層は、ガス状や固体状のカルコゲン元素を含む原料と下部電極２とを接触させて加熱することにより形成できる。工程を簡略化するという観点からは、光吸収層３を形成する際に、光吸収層３の原料となるカルコゲン元素を用いて、光吸収層３の形成と同時に金属カルコゲン化合物層を形成することが好ましい。

上部電極５は、いわゆる窓層と呼ばれるものを含み、ｎ形の導電形を有する禁制帯幅が広く且つ透明で低抵抗の厚さ１〜２μｍ程度の酸化亜鉛（ＺｎＯ）やアルミニウムやボロン、ガリウム、インジウム、フッ素などを含んだ酸化亜鉛との化合物、錫を含んだ酸化インジウム（ＩＴＯ）や酸化錫（ＳｎＯ_２）などからなる金属酸化物半導体薄膜である。窓層は光電変換装置２１を構成する一方の電極として見なすことができるため、本実施形態では上部電極５とみなしている。このような窓層に加えてさらに透明導電膜を形成してもよく、窓層と透明導電膜を合わせて上部電極５と見なしてもよい。

接続導体７は、光吸収層３およびバッファ層４を貫通し、上部電極５と下部電極２とを電気的に接続する導体である。接続導体７は、金属ペーストを固化したものから成る。なお、固化というのは、金属ペーストに用いるバインダーが熱可塑性樹脂である場合の熔融後の固化状態を含み、バインダーが熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂等の硬化性樹脂である場合の硬化後の状態をも含む。接続信頼性を高めるという観点からは、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用いることが好ましい。

接続導体７は、第１の溝Ｐ２内で一端が下部電極２に直接接続され他端が上部電極５に接続されている。このように、金属ペーストの固化物から成る接続導体７を、他の材料を介在させることなく、直接下部電極２と接続しているので、接続導体７と下部電極２との接続抵抗を低くすることができる。また、第１の溝Ｐ２内において金属ペーストが良好に下部電極２に濡れ広がり、接続信頼性を高めることができる。その結果、電気的な接続を非常に良好とすることができ、光電変換装置２１の光電変換効率を高めることができる。

下部電極２の光吸収層３と接触する表面部が金属カルコゲン化合物層とされている場合、接続導体７は、下部電極２に対して、金属カルコゲン化合物層を介さず、直接接続されていることが好ましい。このような構成により、接続抵抗を小さくすることができ、光吸収層３で生じた電流を良好に伝導することができる。すなわち、光電変換装置２１は、光吸収層３が下部電極２と金属カルコゲン化合物層を介して設けられているのに対し、接続導体７は下部電極２と金属カルコゲン化合物層を介さず、直接接続されている。これにより、金属カルコゲン化合物が光吸収層３と下部電極２との密着性を高めて加工時における光吸収層３の剥離を抑制することができるとともに、接続導体７と下部電極２との直接接続によって低抵抗化することができ、その結果、光電変換装置２１の光電変換効率を高めることができる。

台座部８は、隣接する光電変換セル２０間に設けられ、それぞれの光電変換セル２０との間に第１の溝Ｐ２および第２の溝Ｐ３を形成している。光電変換装置２１においては、台座部８は光電変換層３’と同じ材料で構成しているが、これに限らず、他の材料で構成してもよい。台座部８は、接続導体７と成る金属ペーストが、隣接する光電変換セル２０へ塗れ広がって接触するのを良好に抑制することができる。

上部電極５上には、集電電極６を設けてもよい。集電電極６は、例えば、図１、図２に示すように、光電変換セル２０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、光吸収層３の光電変換により生じた電荷を上部電極５を介して集電電極６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２０に良好に導電することができる。よって、集電電極６が設けられていることにより、上部電極５を薄くしても光吸収層３で発生した電荷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６は光吸収層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６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６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、これを乾燥し、固化することによって形成することができる。

光電変換装置２１の作製について、図３に工程ごとの断面図で示す。まず、図３（ａ）に示すように、洗浄した基板１の略全面に下部電極２をスパッタ法などを用いて成膜し、成膜したこの下部電極２をＹＡＧレーザーなどを用いて分割溝Ｐ１を形成して下部電極２をパターニングする。

その後、図３（ｂ）に示すように、このパターンを形成した下部電極２上に光吸収層３をスパッタ法や蒸着法、印刷法などを用いて成膜する。その後、図３（ｃ）に示すように、光吸収層３上にバッファ層４を溶液成長法（ＣＢＤ法）などを用いて成膜する。さらに、バッファ層４上に上部電極５を、スパッタ法や有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などを用いて成膜する。

その後、図３（ｄ）に示すように、光吸収層３とバッファ層４と上部電極５とを、メカニカルスクライビングして第１の溝Ｐ２および第２の溝Ｐ３を形成することによりパターニングする。第１の溝Ｐ２は、例えば、下部電極２に設けられた分割溝Ｐ１より０．１〜１．０ｍｍ程度離間して設けられる。また、第２の溝Ｐ３は、第１の溝Ｐ２から離間して設けられる。これにより、第１の溝Ｐ２および第２の溝Ｐ３との間に台座部８を容易に形成することができる。本実施形態では、このようにバッファ層４および上部電極５を続けて形成しており、その後、第１の溝Ｐ２を形成しているため、バッファ層４が良好な状態で上部電極５が形成されることとなり、バッファ層４と上部電極５との電気的な接続を良好にすることができる。その結果、光電変換効率を高めることができる。すなわち、バッファ層４を形成後、第１の溝Ｐ２の形成を行い、その後、上部電極５を形成すると、第１の溝Ｐ２の形成時に、メカニカルスクライビングで発生する削りカスなどでバッファ層４の表面の汚染などが生じ、バッファ層４表面が劣化しやすくなるが、上記のようにバッファ層４の形成に続けて上部電極５を形成することにより、劣化を抑制できる。

この第１の溝Ｐ２および第２の溝Ｐ３の幅は、例えば、１００〜１０００μｍ程度に形成する。このような幅の第１の溝Ｐ２および第２の溝Ｐ３は、４０〜５０μｍ程度のスクライブ幅のスクライブ針を用いてピッチをずらしながら連続して数回にわたりスクライブすることにより、あるいは、スクライブ針の先端形状を所定の幅に広げスクライブすることにより、あるいは、２本以上のスクライブ針を当接又は近接した状態で固定し、１回〜数回のスクライブを行うことにより形成可能である。

その後、図３（ｅ）に示すように、上部電極５上および第１の溝Ｐ２内に、低抵抗化のため銀ペーストなどの金属ペーストを印刷することにより集電電極６および接続導体７を形成する。

このように光電変換装置２１は、接続導体を形成するための第１の溝Ｐ２と、光電変換セル２０同士を分離するための第２の溝Ｐ３とを一度の工程で形成し、その後、第１の溝Ｐ２に金属ペーストで接続導体７を形成することで、工程を非常に簡略化できる。

このようにして、裏面側から基板１、下部電極２、光吸収層３、バッファ層４、上部電極５の順に積層した構造の単位セルである光電変換セル２０が構成される。そして、光電変換装置２１は、この光電変換セル２０が複数、電気的に接続され集積化された構造を有している。

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。

１；基板
２；下部電極
３’；光電変換層
３；光吸収層
４；バッファ層
５；上部電極
６；集電電極
７；接続導体
８；台座部
２１；光電変換装置

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられた複数の下部電極と、
   前記複数の下部電極上に設けられ前記下部電極上で互いに分離した複数の光電変換層と、
   前記複数の光電変換層間に設けられ、前記複数の光電変換層との間に第１の溝および第２の溝を形成する台座部と、
   前記光電変換層上に設けられた上部電極と、
   金属ペーストの固化物から成り、前記第１の溝内で一端が前記下部電極に直接接続され他端が前記上部電極に接続された接続導体と、
   を具備することを特徴とする光電変換装置。
2. 前記上部電極上に、前記接続導体に接続された集電電極が設けられていることを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
3. 複数の下部電極が設けられた基板上に光電変換層を形成する工程と、
   前記光電変換層上に上部電極を形成する工程と、
   前記下部電極上で、前記上部電極および前記光電変換層を除去して第１の溝および第２の溝を形成する工程と、
   前記第１の溝内に金属ペーストを被着し、前記上部電極と前記下部電極とを接続する工程と、
   を具備することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
4. 前記下部電極上で、前記上部電極および前記光電変換層を除去して第１の溝および第２の溝を形成する工程が、メカニカルスクライブ加工により行なわれることを特徴とする請求項３記載の光電変換装置の製造方法。

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