JP2011086719A - 光電変換装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】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安価に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。
【解決手段】第１の透光性絶縁基板の一面上に複数の第１の光電変換素子が電気的に直列接続して形成された第１の光電変換モジュールと、第２の透光性絶縁基板の一面上に複数の第２の光電変換素子が電気的に直列接続して形成された第２の光電変換モジュールと、が前記第１の光電変換素子と前記第２の光電変換素子とを内側にして貼り合わされた光電変換装置であって、前記直列接続の一端に位置する第１の光電変換素子と前記直列接続の一端に位置する第２の光電変換素子とが電気的に直列接続され、前記直列接続の他端に位置する第１の光電変換素子と前記直列接続の他端に位置する第２の光電変換素子とから前記第１の光電変換モジュールおよび前記第２の光電変換モジュールで発電された出力を外部に取り出す。
【選択図】図１−２

Description

本発明は、光電変換装置およびその製造方法に関し、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・スタック方式の薄膜光電変換装置およびその製造方法に関する。

従来のメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置では、例えば透過性電極が形成された基板に光電変換層として薄膜半導体層が形成された光電変換モジュールと、反射性金属電極層が形成された基板に光電変換素子として薄膜半導体層が形成された光電変換モジュールとを、それぞれの基板において薄膜半導体層が形成されていない面が外側に配置されるように２枚の基板を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。また、それぞれの光電変換モジュールにおいては、ストライプ状に加工された複数の光電変換素子が、隣り合う素子同士で所定の距離を隔てて配置された状態で、隣り合う光電変換層は電気的に分離されつつ、電気的に直列に接続されて形成されている。

このようなメカニカル・スタック方式の光電変換装置は、積層する光電変換モジュールをそれぞれ独立な基板に形成する。このため、それぞれの工程が簡略化され、製造歩留りが向上する、という利点がある。また、いずれかの基板が製造時に不良を発生しても、残りの基板は別の基板とスタックして使用することができる、という利点がある。これに対して、単一基板上に連続成膜して形成する積層型の薄膜光電変換装置では、性能はメカニカル・スタック方式より高いが、一部の層で不良が発生した場合には光電変換装置全体が再利用することができず、製造歩留りが低下する。

メカニカル・スタック方式の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、もう一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設定する。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もう一方の基板に形成された光電変換素子で吸収するため、効率的に光を利用することが可能である。

特公平５-２７２７８号公報

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、開放電圧はそれぞれの基板で異なる値となる。したがって、発電出力は、それぞれの基板で独立に取り出す必要がある。このため、出力取り出し部がそれぞれの基板で必要となり、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、という問題があった。

このような問題を解決するために、例えばそれぞれの基板に形成された光電変換素子の直列段数を調整することで出力電圧をほぼ同一とし、取り出し部を単一とする技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この方法を採用しても、両モジュールから出力を取り出す出力取り出し部の構造が複雑となる。

また、同一サイズの基板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枚の基板で異なるため、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、という問題がある。すなわち、それぞれの基板の出力電圧をほぼ同一に調整するためには、同一段数で出力電圧が低い光電変換装置に出力電圧を合わせて他方の光電変換装置の出力電圧を低くする必要がある。結果として出力電圧が高い光電変換装置の発電性能を犠牲にすることになり、スタックモジュール全体の発電効率が低下する。

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安価に実現可能なメカニカル・スタック方式の光電変換装置およびその製造方法を得ることを目的とする。

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、第１の透光性絶縁基板の一面上に複数の第１の光電変換素子が電気的に直列接続して形成された第１の光電変換モジュールと、第２の透光性絶縁基板の一面上に複数の第２の光電変換素子が電気的に直列接続して形成された第２の光電変換モジュールと、が前記第１の光電変換素子と前記第２の光電変換素子とを内側にして貼り合わされた光電変換装置であって、前記直列接続の一端に位置する第１の光電変換素子と前記直列接続の一端に位置する第２の光電変換素子とが電気的に直列接続され、前記直列接続の他端に位置する第１の光電変換素子と前記直列接続の他端に位置する第２の光電変換素子とから前記第１の光電変換モジュールおよび前記第２の光電変換モジュールで発電された出力を外部に取り出すこと、を特徴とする。

本発明によれば、複数の第１の光電変換素子が電気的に直列接続して形成された第１の光電変換モジュールと、第２の透光性絶縁基板の一面上に複数の第２の光電変換素子が電気的に直列接続して形成された第２の光電変換モジュールと、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、簡略な構成で且つ安価に得ることができる、という効果を奏する。

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、本発明の実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置の断面構造を説明するための要部断面図である。 図１−３は、本発明の実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置の断面構造を説明するための要部断面図である。 図２は、本発明の実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置の発電電流外部取り出し部を出力基板端側の側面から見た側面図である。 図３は、本発明の実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置の発電電流外部取り出し部における電極構造を抽出して示した斜視図である。 図４は、本発明の実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置の等価回路図である。 図５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６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７−１は、本発明の実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置の製造工程を説明するための断面図である。 図７−２は、本発明の実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置の製造工程を説明するための断面図である。 図７−３は、本発明の実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置の製造工程を説明するための断面図である。 図８は、本発明の実施の形態２にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置の断面構造を説明するための要部断面図である。 図９は、本発明の実施の形態３にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置の断面構造を説明するための要部断面図である。

以下に、本発明にかかる光電変換装置およびその製造方法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。

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、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’における要部断面図である。図１−３は、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Ｂ−Ｂ’における要部断面図である。

実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置１は、それぞれ透光性絶縁基板上に複数の光電変換素子が構成された２枚の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８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側から光が入射する。

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の透光性絶縁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の透明電極層である透明電極層５、透明電極層５と異なる形状・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、透明電極層５および薄膜半導体層６と異なる形状・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の透明電極層である裏面透明電極層７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、電気的に直接接続されている。

透光性絶縁基板４上に形成された透明電極層５には、透光性絶縁基板４の短手方向と略平行な方向（第１の方向）に延在するとともに透光性絶縁基板４に達するストライプ状の第１の溝Ｄ１が形成されている。この第１の溝Ｄ１の部分に薄膜半導体層６が埋め込まれることで、透明電極層５が隣接する光電変換素子３に跨るように光電変換素子３毎に分離されて形成されている。

また、透明電極層５上に形成された薄膜半導体層６には、第１の溝Ｄ１と異なる箇所において透光性絶縁基板４の短手方向と略平行な方向（第１の方向）に延在するとともに透明電極層５に達するストライプ状の第２の溝（接続溝）Ｄ２が形成されている。後述するように、この第２の溝（接続溝）Ｄ２の内壁部（側壁部、底辺部）に裏面透明電極層７が形成されることで、この内壁部に形成された裏面透明電極層７を介して、薄膜半導体層６上の裏面透明電極層７が透明電極層５に接続される。そして、該透明電極層５が隣接する光電変換素子３に跨っているため、隣り合う２つの光電変換素子の一方の裏面透明電極層７と他方の透明電極層５とが電気的に接続されている。

また、裏面透明電極層７および薄膜半導体層６には、第１の溝Ｄ１および第２の溝（接続溝）Ｄ２とは異なる箇所において透光性絶縁基板４の短手方向と略平行な方向（第１の方向）に延在するとともに透明電極層５に達するストライプ状の第３の溝（分離溝）Ｄ３が形成されて、各光電変換素子３が分離されている。このように、光電変換素子３の透明電極層５が、隣接する光電変換素子３の裏面透明電極層７と接続することによって、隣接する光電変換素子３が電気的に直列接続している。

なお、図１−２では、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。

メカニカル・スタック方式の光電変換装置１では、第１の光電変換モジュール２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。

透明電極層５は、光透過性を有している透明導電膜として例えば酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）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。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２と第２の光電変換モジュール８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（ＳｉＯ_２）等からなるアンダーコート層を形成してもよい。

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。

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。

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−ＳｉＯ_ｘ（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。

裏面透明電極層７は、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）により構成される。

第２の光電変換モジュール８は、第２の光電変換素子である複数の光電変換素子９ａ、９ｂ（以下、光電変換素子９と総称する場合がある）を備えている。光電変換素子９は、透光性絶縁基板４と略同等の大きさの第２の透光性絶縁基板である透光性絶縁基板１０上に、透光性絶縁基板１０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１０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反射性金属電極層１１、反射性金属電極層１１と異なる形状・配置で透光性絶縁基板１０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１２、反射性金属電極層１１および薄膜半導体層１２と異なる形状・配置で透光性絶縁基板１０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３の透明電極層である裏面透明電極層１３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８において、隣接する光電変換素子９同士は、電気的に直接接続されている。

透光性絶縁基板１０上に形成された反射性金属電極層１１には、透光性絶縁基板１０の短手方向と略平行な方向（第１の方向）に延在するとともに透光性絶縁基板１０に達するストライプ状の第１の溝Ｄ１１が形成されている。この第１の溝Ｄ１１の部分に薄膜半導体層１２が埋め込まれることで、反射性金属電極層１１が隣接する光電変換素子９に跨るように光電変換素子９毎に分離されて形成されている。

また、反射性金属電極層１１上に形成された薄膜半導体層１２には、第１の溝Ｄ１１と異なる箇所において透光性絶縁基板１０の短手方向と略平行な方向（第１の方向）に延在するとともに反射性金属電極層１１に達するストライプ状の第２の溝（接続溝）Ｄ１２が形成されている。後述するように、この第２の溝（接続溝）Ｄ１２の内壁部（側壁部、底辺部）に裏面透明電極層１３が形成されることで、この内壁部に形成された裏面透明電極層１３を介して、薄膜半導体層１２上の裏面透明電極層１３が反射性金属電極層１１に接続される。そして、該反射性金属電極層１１が隣接する光電変換素子９に跨っているため、隣り合う２つの光電変換素子の一方の裏面透明電極層１３と他方の反射性金属電極層１１とが電気的に接続されている。

また、裏面透明電極層１３および薄膜半導体層１２には、第１の溝Ｄ１１および第２の溝（接続溝）Ｄ１２とは異なる箇所において透光性絶縁基板１０の短手方向と略平行な方向（第１の方向）に延在するとともに反射性金属電極層１１に達するストライプ状の第３の溝（分離溝）Ｄ１３が形成されて、各光電変換素子９が分離されている。このように、光電変換素子９の反射性金属電極層１１が、隣接する光電変換素子９の裏面透明電極層１３と接続することによって、隣接する光電変換素子９が電気的に直列接続している。

なお、図１−２では、第２の光電変換モジュール８のうち、隣接する２つの光電変換素子９ａ、９ｂを示しているが、第２の光電変換モジュール８が備える光電変換素子９の数量はこれに限定されず、多数の光電変換素子９が透光性絶縁基板１０上に形成される。

透光性絶縁基板１０は、例えばガラス、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。

反射性金属電極層１１は、銀（Ａｇ）の単層膜や、透光性絶縁基板１０側から銀（Ａｇ）と酸化亜鉛（ＺｎＯ）とがこの順で積層された多層膜が用いられる。また、銀（Ａｇ）の代わりにアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、クロム（Ｃｒ）などを用いてもよい。また、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の代わりに酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）等の透明導電膜を用いてもよい。また、透光性絶縁基板１０上には、透光性絶縁基板１０からの不純物の阻止層として、必要に応じて酸化珪素（ＳｉＯ_２）等からなるアンダーコート層を形成してもよい。

薄膜半導体層１２は、光入射側からみて反射性金属電極層１１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１２は、透光性絶縁基板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１２は、透光性絶縁基板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。

また、薄膜半導体層１２は、透光性絶縁基板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Ｐ−Ｉ−Ｎ接合の構成としてもよい。

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１２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−ＳｉＯ_ｘ（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。

裏面透明電極層１３は、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）により構成される。

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８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。

図１−２に示したように第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８とは、透光性絶縁基板４，１０の長手方向における一方の基板端（接続基板端）に位置する第１の光電変換モジュール２の透明電極層５と第２の光電変換モジュール８の反射性金属電極層１１との間で、導電性樹脂１４を用いて電気的に接続されている。この電気的接続は、導電性樹脂１４の代わりに導電性ケーブルなどを用いても良い。また、この基板端に位置する第１の光電変換モジュール２の透明電極層５と第２の光電変換モジュール８の反射性金属電極層１１とは、導電性樹脂１４を接続できるように基板の面内方向において接続基板端の側面に向かって延在して設けられている。

本実施の形態では、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８とが、該第１の光電変換モジュール２および第２の光電変換モジュール８の透光性絶縁基板４，１０の長手方向における一方の基板端（接続基板端）で直列に電気接続されているため、それぞれのモジュールの発電電圧は同一である必要がない。一方、電流の損失を防ぐため、出力電流は同一であることが望ましい。したがって本実施の形態では、第１の光電変換モジュール２および第２の光電変換モジュール８を構成している光電変換素子の段数、ストライプ幅は、発電電流がほぼ同一となるように選ばれている。

光電変換装置１では、図１−３に示したように透光性絶縁基板４，１０の長手方向において第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８とを電気的に接続した基板端とは反対側に位置する基板端（発電電流外部取り出し部）から、光電変換装置１における発電電流を第１の光電変換モジュール２および第２の光電変換モジュール８のそれぞれから出力配線１５、１６を用いて外部に取り出す。発電電流を取り出す基板端（出力基板端）では対向した基板（透光性絶縁基板４，１０）間に大きな電圧差が発生するため、それぞれの基板の電流取り出し部間の絶縁性を高める必要ある。

図２は、光電変換装置１の発電電流外部取り出し部を出力基板端側の側面から見た側面図である。図３は、発電電流外部取り出し部における電極構造を抽出して示した斜視図である。電極構造を分かり易くするため、図３では透光性絶縁基板４、１０と出力配線１５、１６の表記は省略している。図２および図３に示したように、第１の光電変換モジュール２の発電電流外部取り出し部に、基板の面内方向においてそれぞれ出力基板端の側面に向かって突出した出力取り出し部透明電極５ａを備える。また、第２の光電変換モジュール８の発電電流外部取り出し部に、基板の面内方向においてそれぞれ出力基板端の側面に向かって突出した出力取り出し部反射金属電極１１ａを備える。ここで、出力取り出し部透明電極５ａと出力取り出し部反射金属電極１１ａとは、透光性絶縁基板４および透光性絶縁基板１０の短手方向における位置が互いにずらされて配置されている。また、出力取り出し部透明電極５ａと出力取り出し部反射金属電極１１ａとは、基板の面内方向においてそれぞれ基板端から突出して設けられている。そして、出力取り出し部透明電極５ａから透光性絶縁基板４における光電変換素子が形成されていない基板面（裏面）に出力配線１５を引き出している。また、出力取り出し部反射金属電極１１ａから透光性絶縁基板１０における光電変換素子が形成されていない基板面（裏面）に出力配線１６を引き出している。

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８間の間隔を維持するとともにこれらの光電変換モジュール間の絶縁性を高めるために、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８との間に、光透過性を有する絶縁性樹脂１７を封入することで第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８とを接着している。

なお、絶縁性樹脂１７としては、光透過性や絶縁性に優れたシリコーンゴムが適している。また、裏面透明電極層７と裏面透明電極層１３に接する絶縁性樹脂１７の光学的屈折率は、裏面透明電極層７や裏面透明電極層１３の材料の光学的屈折率に近いことが好ましい。絶縁性樹脂１７の光学的屈折率が裏面透明電極層７や裏面透明電極層１３の材料の光学的屈折率に近いと、それぞれの界面での反射が低下する。

また、裏面透明電極層７、１３と絶縁性樹脂１７とのそれぞれの間に、これらの材料の中間の光学的屈折率を有する透明薄膜（図示せず）を形成すると、さらに界面の反射が低下するのでよい。たとえば、裏面透明電極層７と裏面透明電極層１３の材料の屈折率がＺｎＯやＩＴＯと同様の１．９〜２程度、絶縁性樹脂１７の屈折率が一般的な透明樹脂の屈折率である１．５程度である場合に、その間に１．７〜１．８程度の屈折率の材料を挟むことで、絶縁性樹脂１７の界面の反射が低下して背面側の薄膜半導体層１２に効率良く光を導くことができる。このため、たとえば裏面透明電極層７上および裏面透明電極層１３上に、屈折率を調節したＳｉＯＮ膜や酸化アルミニウム（ＡｌＯ_Ｘ）などの膜を形成してもよい。高屈折率膜と低屈折率膜とを多層に積層した光学多層膜で反射防止する構造がさらに望ましい。また、これらの膜は、基板間の電気接続部を除いて、光電変換装置１の膜面全体を覆うように形成すると、光電変換装置１が水や腐食性物質によって劣化することを防止できるのでよい。

図４は、実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置１の等価回路図である。図４に示すように、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９が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、９が最適動作点で動作し、発電効率が向上する。これにより、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。

図５および図６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５および図６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５および図６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５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６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。

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、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、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、両モジュールから出力を取り出す出力取り出し部の構造が複雑となる。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。

これに対して、実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置１では、それぞれの基板において隣接する光電変換素子同士が電気的に接続されるとともに、それぞれの基板で重ね合わせ時の発電電流が等しくなるように光電変換素子が配置され、さらに光電変換モジュールの基板端部で２つの基板が直列に接続される。すなわち、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８の基板の端部に位置する光電変換素子同士が直列に接続される。これにより、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８とにおける光電変換素子が全て直列に接続されることになる。

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８とを重ね合わせた光電変換装置１の出力電圧は、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８との出力を加算した値となるため、従来の並列接続した光電変換装置のように各光電変換モジュールの出力電圧を揃える必要がなく、各光電変換素子で発電特性の最適化を図ることができる。その結果として、それぞれで発電効率が最適化された光電変換素子が直列に接続され、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、９が最適動作点で動作し、発電効率が向上する。

このように構成された実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置１の製造方法について図７−１〜図７−３を参照して説明する。図７−１〜図７−３は、実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置１の製造工程を説明するための断面図である。

まず、従来公知の方法により、図７−１に示すような第１の光電変換モジュール２を形成する。また、従来公知の方法により、図７−２に示すような第２の光電変換モジュール８を形成する。なお、各モジュールにおいて接続基板端に位置する第１の光電変換モジュール２の透明電極層５と第２の光電変換モジュール８の反射性金属電極層１１とは、導電性樹脂１４を接続できるように基板の面内方向において接続基板端の側面に向かって延在して形成する。

また、それぞれの光電変換モジュールにおける出力基板端に位置する第１の光電変換モジュール２の透明電極層５と第２の光電変換モジュール８の反射性金属電極層１１とは、図２および図３に示したように基板の面内方向においてそれぞれ出力基板端の側面に向かって突出した出力取り出し部透明電極５ａ、出力取り出し部反射金属電極１１ａを形成する。また、出力取り出し部透明電極５ａには、透光性絶縁基板４における光電変換素子が形成されていない基板面に出力配線１５を引き出す。出力取り出し部透明電極１１ａには、透光性絶縁基板１０における光電変換素子が形成されていない基板面に出力配線１６を引き出す。

次に、第２の光電変換モジュール８における光電変換素子９上の全面に絶縁性樹脂１７として光透過性樹脂層を形成する。また、接続基板端において接続基板端の側面に向かって延在する第２の光電変換モジュール８の反射性金属電極層１１上に導電性樹脂１４を配置する。

そして、図７−３に示すように接続基板端において光電変換素子３と光電変換素子９とが相対するように、絶縁性樹脂１７上に第１の光電変換モジュール２を配置し、光電変換素子３と光電変換素子９とを内側にして第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８とを貼り合わせ、これらを例えば真空中で加熱プレスする。これにより、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８とが一体化し、第１の光電変換モジュール２の透明電極層５と第２の光電変換モジュール８の反射性金属電極層１１とが導電性樹脂１４により電気的に接続されて、図１−１〜図１−３に示すようなメカニカル・スタック方式の光電変換装置１が得られる。この後、耐水性を有する樹脂で光電変換装置全体を覆う。

上述したように、実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置１では、各光電変換モジュール２、８内において隣接する光電変換素子３、９が電気的に直列接続され、且つ第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８とが電気的に直列接続されることにより、図４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９が直列に接続されることになる。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、９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。

また、実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置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。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、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、実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置１では、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８とをそれぞれ独立に製造できるため、その組み合わせを選ぶことにより、所望の発電特性を有するスタック型光電変換装置を自在に製造できるという、製品製造上のメリットも有する。

実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置２１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’における要部断面図である。実施の形態２にかかる光電変換装置２１は、実施の形態１にかかる光電変換装置１の変形例であり、第２の光電変換モジュール８における第１の光電変換モジュール２との電気的接続部の構成が異なること以外は、光電変換装置１と同じ構造を有する。図８において実施の形態１にかかる光電変換装置１と同じ部材については同じ符号を付すことで、詳細な説明は省略する。

実施の形態２にかかる光電変換装置２１においては、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８とを電気接続するために、図８に示したように第２の光電変換モジュール８の接続基板端に位置する光電変換素子９の反射性金属電極層１１を分断して接続用金属電極１８を形成している。この接続用金属電極１８は、裏面透明電極層１３と電気的に接続されている。

そして、図８に示したように第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８とは、透光性絶縁基板４の接続基板端に位置する第１の光電変換モジュール２の透明電極層５と接続用金属電極１８との間で、導電性樹脂１４を用いて電気的に接続されている。この電気的接続は、導電性樹脂１４の代わりに導電性ケーブルなどを用いても良い。

本実施の形態では、実施の形態１にかかる光電変換装置１の場合と同様に第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８とが、接続基板端で接続用金属電極１８を介して直列に電気接続されているため、それぞれのモジュールの発電電圧は同一である必要がない。一方、電流の損失を防ぐため、出力電流は同一であることが望ましい。したがって、本実施の形態では、第１の光電変換モジュール２および第２の光電変換モジュール８を構成している光電変換素子の段数、ストライプ幅は、発電電流がほぼ同一となるように選ばれている。

このように構成された実施の形態２にかかる光電変換装置２１においても実施の形態１にかかる光電変換装置１と同様に、図４に示した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９が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、９が最適動作点で動作し、発電効率が向上する。これにより、光電変換装置２１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。

上述したように、実施の形態２にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置２１では、各光電変換モジュール２、８内において隣接する光電変換素子３、９が電気的に直列接続され、且つ第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８とが電気的に直列接続されることにより、図４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９が直列に接続されることになる。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３、９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。

また、実施の形態２にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置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。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、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、実施の形態２にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置２１では、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８とをそれぞれ独立に製造できるため、その組み合わせを選ぶことにより、所望の発電特性を有するスタック型光電変換装置を自在に製造できるという、製品製造上のメリットも有する。

実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置３１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’における要部断面図である。実施の形態３にかかる光電変換装置３１は、実施の形態２にかかる光電変換装置２１の変形例であり、後述する構成が異なること以外は、光電変換装置１、２１と同じ構造を有する。図９において実施の形態１にかかる光電変換装置１、２１と同じ部材については同じ符号を付すことで、詳細な説明は省略する。

本実施の形態３にかかる光電変換装置３１は、実施の形態２の第１の光電変換モジュール２における光電変換素子３の薄膜半導体層６が、透光性絶縁基板４側から順にｐ型ａ−ＳｉＣ：Ｈ層、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層、ｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層からなるＰ−Ｉ−Ｎ接合を形成している。また、第２の光電変換モジュール８の光電変換素子９において、反射性金属電極層１１がモリブデン（Ｍｏ）からなり、薄膜半導体層１２が反射性金属電極層１１側から順にＣｕ（ＩｎＧａ）Ｓｅ_２層、ＣｄＳ層、ＺｎＯ層からなり、裏面透明電極層１３がＩＴＯからなる素子で構成されている。これ以外の構造は、光電変換装置２１と同じである。本実施の形態でも、第１の光電変換モジュール２および第２の光電変換モジュール８を構成している光電変換素子の段数、ストライプ幅は、発電電流がほぼ同一となるように選ばれている。

ここで、Ｃｕ（ＩｎＧａ）Ｓｅ_２は禁制帯幅が約１．０４ｅＶと低いため、長波長領域光の光吸収率が高い。その結果として、Ｃｕ（ＩｎＧａ）Ｓｅ_２を発電層として用いた光電変換素子は長波長領域光の発電感度が高くなる。一方、第１の光電変換モジュールにおける光電変換素子３の薄膜半導体層６はａ−Ｓｉ：Ｈで構成されているため短波長光の吸収率が高く、長波長光は透過する。これにより、第２の光電変換モジュール８の光電変換素子９では光電変換素子３から透過した長波長光を効率的に吸収することができ、発電効率が高い光電変換装置が実現できる。

以上のように、本発明にかかる光電変換装置は、積層型の薄膜光電変換装置と同様の高い発電効率を有するメカニカル・スタック方式の光電変換装置の実現に有用である。

１ 光電変換装置
２ 光電変換モジュール
３ 光電変換素子
３ａ 光電変換素子
４ 透光性絶縁基板
５ 透明電極層
５ａ 出力取り出し部透明電極
６ 薄膜半導体層
７ 裏面透明電極層
８ 光電変換モジュール
９ 光電変換素子
９ａ 光電変換素子
１０ 透光性絶縁基板
１１ 反射性金属電極層
１１ａ 出力取り出し部反射金属電極
１２ 薄膜半導体層
１３ 裏面透明電極層
１４ 導電性樹脂
１５ 出力配線
１６ 出力配線
１７ 絶縁性樹脂
１８ 接続用金属電極
２１ 光電変換装置
３１ 光電変換装置
２０１ 光電変換素子
２０２ 光電変換素子
２１１ 光電変換モジュール
２１２ 光電変換モジュール

Claims (8)

1. 第１の透光性絶縁基板の一面上に複数の第１の光電変換素子が電気的に直列接続して形成された第１の光電変換モジュールと、第２の透光性絶縁基板の一面上に複数の第２の光電変換素子が電気的に直列接続して形成された第２の光電変換モジュールと、が前記第１の光電変換素子と前記第２の光電変換素子とを内側にして貼り合わされた光電変換装置であって、
   前記直列接続の一端に位置する第１の光電変換素子と前記直列接続の一端に位置する第２の光電変換素子とが電気的に直列接続され、
   前記直列接続の他端に位置する第１の光電変換素子と前記直列接続の他端に位置する第２の光電変換素子とから前記第１の光電変換モジュールおよび前記第２の光電変換モジュールで発電された出力を外部に取り出すこと、
   を特徴とする光電変換装置。
2. 前記第１の光電変換モジュールの前記第１の光電変換素子と前記第２の光電変換モジュールの前記第２の光電変換素子との間に絶縁性樹脂が封入されていること、
   を特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. 相対する位置に配置された前記第１の光電変換素子と第２の光電変換素子とのうち少なくともいずれか一方の光電変換素子は透明電極層を有し、該透明電極層と前記絶縁性樹脂との間に反射防止膜を備えること、
   を特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
4. 前記直列接続の一端に位置する第１の光電変換素子が前記第１の透光性絶縁基板の一端部に配置されるとともに前記直列接続の他端に位置する第１の光電変換素子が前記第１の透光性絶縁基板の他端部に配置され、
   前記直列接続の一端に位置する第２の光電変換素子が前記第２の透光性絶縁基板における前記第１の透光性絶縁基板の一端部に相対する一端部に配置されるとともに前記直列接続の他端に位置する第２の光電変換素子が前記第２の透光性絶縁基板における前記第１の透光性絶縁基板の他端部に相対する他端部に配置されること、
   を特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
5. 前記第１の光電変換素子は、前記第１の透光性絶縁基板上に、第１の透明電極層と第１の薄膜半導体層と第２の透明電極層とが順次積層されてなり、
   前記第２の光電変換素子は、前記第２の透光性絶縁基板上に、反射性金属電極層と第２の薄膜半導体層と第３の透明電極層とが順次積層されてなり、
   第１の光電変換モジュールは、前記第１の透明電極層に電気的に接続した第１の出力取り出し部電極を前記第１の透光性絶縁基板の他端部に備え、
   第２の光電変換モジュールは、前記第１の透光性絶縁基板の他端の辺方向における配置位置が前記第１の出力取り出し部電極に対してずらされて配置され、前記前記反射性金属電極層に電気的に接続した第２の出力取り出し部電極を前記第２の透光性絶縁基板の他端部に備えること、
   を特徴とする請求項４に記載の光電変換装置。
6. 前記第１の出力取り出し部電極から前記第１の透光性絶縁基板の裏面に引き出された第１の出力配線と、
   前記第２の出力取り出し部電極から前記第２の透光性絶縁基板の裏面に引き出された第２の出力配線と、
   を備えることを特徴とする請求項５に記載の光電変換装置。
7. 前記直列接続の一端に位置する第１の光電変換素子と前記直列接続の一端に位置する第２の光電変換素子とが導電性樹脂により電気的に直列接続されていること、
   を特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
8. 第１の透光性絶縁基板の一面上に複数の第１の光電変換素子が電気的に直列接続して形成された第１の光電変換モジュールを形成する第１工程と、
   第２の透光性絶縁基板の一面上に複数の第２の光電変換素子が電気的に直列接続して形成された第２の光電変換モジュールを形成する第２工程と、
   前記直列接続の一端に位置する第１の光電変換素子と前記直列接続の一端に位置する第２の光電変換素子とを電気的に直列接続して全ての前記光電変換素子対を電気的に直列するように、前記第１の光電変換素子と前記第２の光電変換素子とを内側にして前記第１の光電変換モジュールと前記第２の光電変換モジュールとを貼り合わせて光電変換装置を形成する第３工程と、
   を含むことを特徴とする光電変換装置の製造方法。

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