JP2011233639A

JP2011233639A - 光電変換装置

Info

Publication number: JP2011233639A
Application number: JP2010101177A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Yokota; 昌大横田; Yosuke Inomata; 洋介猪股; Hisao Arimune; 久雄有宗
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2011-11-17

Abstract

【課題】長期間の使用においても、内部への水分の侵入を抑制するとともに、光電変換部における短絡の発生を低減し、信頼性の高い光電変換装置を提供すること。
【解決手段】一主面同士が対向するように配置されている第１および第２基板と、第１基板２と第２基板９との間に配置されている光電変換部１と、第１基板２と第２基板９との間で光電変換部１を囲うように配置されている線状の封止部材１０とを備え、封止部材１０は、外形が円形状の絶縁材で形成されて成り、第１基板２および第２基板９の各一主面に当接している。
【選択図】図２

Description

本発明は光電変換装置に関する。

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。その中でも、ＣＩＳ系（銅インジウムセレナイド系）、ＣＩＧＳ系（銅インジウムガリウムセレナイド系）等のカルコパイライト系の材料は、比較的低コストで大面積の光電変換装置を容易に製造できる点から、研究開発が進められている。

このカルコパイライト系の光電変換装置は、ガラス基板上に、金属電極層、ＣＩＧＳ層およびバッファ層から成る光電変換部、透明電極層を順次成膜した積層体を備えている。さらに、このような光電変換装置は、前記積層体上に充填材としてエチレンビニルアセテート共重合体（以下、ＥＶＡという）と、このＥＶＡの上に白色強化ガラスなどから成るカバーガラスを積層し、これらを減圧下で加熱加圧し、一体化されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、外部から侵入する水分から光電変換部を保護すべく、外周面に金属層が被覆された条部材をガラス基板の外周部に配置し、防水効果を高めた光電変換装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００７−１２３７２５号公報特開２００４−３０８０１５号公報

しかしながら、特許文献２に開示された光電変換装置では、条部材の外周面に導電性を有する金属膜が設けられているため、光電変換装置の長期間に亘る屋外での使用において、条部材に位置ずれが発生して該条部材と光電変換部とが接触すると、短絡が生じて信頼性が低下する場合があった。特に、１つの光電変換装置当たりの変換効率を高めるべく、光電変換部の面積を大きくすると、上記条部材が光電変換部と近接した位置に配置されることになるため、上記した短絡が発生する可能性が高まる。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、長期間の使用においても、内部への水分の侵入を抑制するとともに、光電変換部における短絡の発生を低減し、信頼性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は、一主面同士が対向するように配置されている第１および第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に配置されている光電変換部と、前記第１基板と前記第２基板との間で前記光電変換部を囲うように配置されている線状の封止部材とを備えている。そして、本発明の光電変換装置において、前記封止部材は、外形が円形状の絶縁材で形成されて成り、前記第１基板および前記第２基板の各一主面に当接している。

本発明の光電変換装置によれば、封止部材が絶縁材で形成されていることにより、光電変換部と接触しても短絡の発生を低減できるため、封止部材を光電変換部に対して接触もしくは近接した位置に配置できる。その結果、本発明では、光電変換装置の受光面側の単位面積あたりの光電変換部の面積を拡げることができるため、１つの光電変換装置当たりの発電量を向上させることができる。また、本発明では、封止部材の外形が円形状を成しているため、第１基板及び第２基板の一主面に対して封止部材を略線接触させることができることにより、第１基板及び第２基板と封止部材との間に生じる隙間を小さくできる。その結果、本発明では、外部から当該隙間を介して光電変換部に侵入する水分量を低減することができる。

本発明の実施形態に係る光電変換装置に用いられる光電変換部の一例を示す断面図である。本発明の実施形態に係る光電変換装置の一例を示す断面図である。（ａ）および（ｂ）は本発明の実施形態に係る光電変換装置の封止部材の配置を説明するための説明図である。（ａ）および（ｂ）は本発明の実施形態に係る光電変換装置の一部を示す部分断面図である。本発明の他の実施形態に係る光電変換装置の製造工程を説明するものであり、（ａ）〜（ｄ）は本発明の他の実施形態に係る光電変換装置の一部を示す部分断面図である。本発明の他の実施形態に係る光電変換装置の一部を示す部分断面図である。

本発明の光電変換装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。まず、本発明の実施形態に係る光電変換装置Ｘが有する光電変換部について説明する。

＜光電変換部＞
光電変換部１は、外部から入射される光を吸収し、該光を電気に変換する機能を有している。また、光電変換部１は第１基板２の一主面上に配置されている。さらに、光電変換部１は、図１に示すように、第１基板２の一主面上において、裏面電極３、化合物半導体層４、バッファ層５、透光性導電層６および集電電極７が順次積層されて成る。

第１基板２は、光電変換部１を支持する機能を有している。この第１基板２の材質としては、例えば、厚さ１〜３ｍｍ程度の青板ガラス（ソーダライムガラス）、ポリイミド樹脂などの耐熱性プラスチックまたは厚さ１００〜２００μｍ程度のステンレスやチタンなどの金属箔が挙げられる。また、第１基板２の形状は、矩形状、円形状等の平板状を成している。

裏面電極３は、後述する化合物半導体層４の光吸収に起因して発生した電荷を伝導する機能を有している。この裏面電極３の材質としては、例えば、モリブデン、チタン、タンタル等の金属、またはこれらの金属を積層させた構造体等が挙げられる。また、裏面電極３の厚みは、電荷の伝導機能を維持するとともに抵抗値を過度に高くしないという観点から、０．３〜２μｍ程度であればよい。また、裏面電極３は、ＳｎＯ_２等の透光性を有する材料で構成すれば、第１基板２側から入射される光も光電変換部１で吸収できるため、変換効率を高めるという観点から好適である。

化合物半導体層４は、光吸収層としての機能を有し、ｐ型半導体の導電型を有している。この化合物半導体層４の材質としては、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（ＣｕＩｎＧａＳｅ_２）、セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム（ＣｕＩｎＧａＳｅＳ）、二イオウ化銅インジウム・ガリウム（ＣｕＩｎＧａＳ_２）または薄膜のセレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム（ＣｕＩｎＧａＳｅＳ）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（ＣｕＩｎＧａＳｅ_２）等のカルコパイライト系の化合物が挙げられる。また、化合物半導体層４の厚みは、１〜３μｍ程度あればよい。

バッファ層５は、化合物半導体層４上に配置されており、化合物半導体層４と異なる銅電型を有している。すなわち、化合物半導体層４がｐ型であれば、バッファ層５はｎ型を有している。そのため、化合物半導体層４とバッファ層５との界面では、ｐｎ接合が形成される。バッファ層５としては、例えば、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、ケミカルバスデポジション（ＣＢＤ）法等で形成される。ここで、Ｉｎ（ＯＨ，Ｓ）とは、Ｉｎ、ＯＨおよびＳから主に構成された化合物をいう。また、（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓｅ，ＯＨ）は、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｅおよびＯＨから主に構成された化合物をいう。また、（Ｚｎ，Ｍｇ）Ｏは、Ｚｎ、ＭｇおよびＯから主に構成された化合物をいう。

本実施形態において、透明導電膜層６が酸化インジウムを含むのであれば、バッファ層５は、インジウムを含む形態が好ましい。このような形態では、バッファ層５と透明導電膜層６が同じ元素（インジウム）を含むため、層間の元素の相互拡散による導電率の変化を抑制することができる。さらに、化合物半導体層４もインジウムを含むカルコパイライト系の材料で構成すれば、化合物半導体層４、バッファ層５および透明導電膜６の各層間の元素の相互拡散による導電率やキャリア濃度の変化を抑制することができるため好適である。

また、光電変換装置Ｘの耐湿性を向上させるという観点から、バッファ層５は、III-VI族化合物を主成分として含むことが好ましい。なお、III-VI族化合物とは、III-Ｂ族元素とVI-Ｂ族元素との化合物である。また、III-VI族化合物を主成分として含むというのは、バッファ層５を構成する化合物のうち、III-VI族化合物が５０モル％以上、より好ましくは８０モル％以上であることをいう。さらに光電変換装置１０の耐湿性を向上するという観点からは、バッファ層５を構成する金属元素のうち、Ｚｎ元素が５０ atomic％以下、より好ましくは２０ atomic％以下であるのがよい。

また、バッファ層５は、その厚みが１０〜２００ｎｍであり、好ましくは１００ｎｍ以上であるのがよい。これにより、高温高湿条件化における光電変換効率の低下を特に効果的に抑制することができる。加えて、バッファ層５は、化合物半導体層４の吸収効率を高めるため、化合物半導体層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。また、リーク電流を低減するという観点から、バッファ層５の抵抗率は１Ω・ｃｍ以上であるのが好ましい。

透光性導電層６は、バッファ層５上に設けられており、化合物半導体層４の光吸収により、ｐｎ接合部位で発生した電荷を伝導する機能を有する。この透光性導電層６の材質としては、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、アルミニウム、錫を含んだ酸化インジウム（ＩＴＯ）、酸化錫（ＳｎＯ_２）またはボロン、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等が挙げられる。とりわけ、酸化亜鉛および錫を含んだ酸化インジウム錫は、光透過率および抵抗値の観点から好適である。また、透光性導電層６の厚みは、０．０５〜２μｍ程度である。

集電電極７は、透光性導電層６上に設けられており、透光性導電層６からの電荷を収集する機能を有している。集電電極７は、透光性導電層６よりも低抵抗の材質で形成すれば、効率良く電荷を収集することができる。透光性導電層６を上述した材質で形成した場合、集電電極７は、銀または銅等の金属材料が好適である。また、このような集電電極７は、例えば、スクリーン印刷等で形成することができる。

そして、光電変換部１は、１つの第１基板２上に形成された各層に分離溝Ｐ１〜Ｐ３を設けることにより、光電変換部１内で形成された複数の光電変換ユニットを、集電電極７の一部を用いて電気的に直列接続して集積化することによって出力電圧を向上させている。

次に、光電変換部の製造方法の一例について説明する。

まず、洗浄した青板ガラスなどの第1基板２の外周部から内側に３〜１０ｍｍ程度を除く略全面にモリブデン等の金属をスパッタリング法で成膜し、裏面電極３を形成する。次いで、裏面電極３の所望の位置にＹＡＧレーザ等を照射して分割溝Ｐ１を形成し、裏面電極３をパターニングする。その後、パターンニングされた裏面電極３上に化合物半導体層４をスパッタ法、蒸着法または印刷法などを用いて成膜する。次に、化合物半導体層４上にバッファ層５を溶液成長法（ＣＢＤ法）等で成膜する。次いで、スパッタリング法または有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等でバッファ層５上に透光性導電層６を成膜する。次に、メカニカルスクライビング等で分割溝Ｐ２および分割溝Ｐ３を形成し、化合物半導体層４、バッファ層５および透光性導電層６をパターニングする。次いで、透光性導電層６上にスクリーン印刷法等で金属ペーストを塗布した後、焼成して集電電極７を形成することによって、光電変換部１が作製される。

＜光電変換装置＞
次に、本発明の実施形態に係る光電変換装置の一例について説明する。

本発明の一実施形態に係る光電変換装置Ｘは、光電変換部１と、第１基板２と、充填材８（第１充填材８ａ、第２充填材８ｂ）と、第２基板９と、封止部材１０と、を備えている。

充填材８は、第１基板２および第２基板９の互いに対向する一主面間に充填されている。充填材８は、第１充填材８ａと第２充填材８ｂとを備えている。

第１充填材８ａは、主として光電変換部１を保護する機能を有しており、図２に示すように、光電変換部１を覆うように配置されている。このような第１充填材８ａとしては、例えば、共重合したエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）を主成分とする樹脂が挙げられる。なお、ＥＶＡには、樹脂の架橋を促進すべく、トリアリルイソシアヌレート等の架橋剤が含まれると好適である。また、ＥＶＡは、第１基板２と第２基板９とを接着することができる。

第２充填材８ｂは、封止部材１０よりも外側（第１および第２基板の外辺側）に配置されており、光電変換装置Ｘの防湿性を高める機能を有している。このような第２充填材８ｂとしては、例えば、ブチルゴム等が挙げられる。また、より防湿性を高めるべく、第２充填材８ｂには、酸化カルシウム（ＣａＯ）粒子などを吸湿剤として含有させてもよい。

第２基板９は、光電変換部１、充填材８、封止部材１０等を外部から保護する機能を有している。また、本実施形態では、第２基板９側から光が入射される。なお、第２基板９の形状および材質は、第１基板２と同等のものを利用できる。

封止部材１０は、図３に示すように、第１基板２と第２基板９との間に位置する光電変換部１を囲うように配置されており、光電変換部１への水分の侵入を抑制する機能を有している。本来、第１基板２および第２基板９の一主面ならびに封止部材１０の外周面は、仮に研磨したとしても、極めて微小な凹凸が存在している。このような凹凸が存在している場合、各基板と封止部材１０との界面に隙間が生じ、該隙間より水分が入り込みやすくなる。特に、各基板と封止部材１０の接触面積が大きくなれば、この隙間が発生する割合が大きくなる。そこで、本実施形態では、第１基板２の一主面および第２基板９の一主面に当接する封止部材１０の外形を円形状とすることにより、各基板と封止部材１０との接触面積を小さくしつつ、光電変換部１を外部から封止することができるため、仮に第２充填材８ｂに水分が侵入しても、各基板と封止部材１０の当接部位で光電変換部１への当該水分の侵入を低減することができる。なお、封止部材１０は、図３（ａ）に示すように、１本の線状を成す形態であってもよく、一方で、図３（ｂ）に示すように、複数の線状の封止部材１０で形成するような形態であってもよい。

また、封止部材１０の外形は、図４（ａ）に示すような略真円状に限られることなく、図４（ｂ）に示すような楕円形状であってもよい。このとき、封止部材１０が真円状の場合、直径は０．２〜１．０ｍｍ程度であり、楕円形状の場合、長径が０．２〜１．０ｍｍ程度であればよい。なお、上述した封止部材１０の直径または長径が第１基板２と第２基板９との間の間隙部の高さとなる。また、封止部材１０は、断面形状が中空状であれば、ラミネート時に弾性変形して第１基板２および第２基板９との密着性を高めることができるとともに、充填材８の膨張等によって第１基板２および第２基板９の各一主面間の間隔が拡がっても、該拡がりに追従し、第１基板２および第２基板９との当接状態を維持しやすくなる。

また、封止部材１０は、絶縁性を有する材質（絶縁材）で形成されている。本実施形態では、封止部材１０が絶縁材で形成されていることにより、光電変換部１と接触しても短絡の発生を低減できるため、封止部材１０を光電変換部１に対して接触もしくは近接した位置に配置できる。それゆえ、本実施形態では、光電変換装置Ｘの受光面側の単位面積あたりの光電変換部１の面積を拡げることができるため、１つの光電変換装置当たりの発電量を向上させることができる。封止部材１０の材質としては、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂、ガラス繊維などのガラス材料が挙げられる。絶縁性と防湿性の観点から、封止部材１０の材質にはガラスを使用することが好ましい。また、封止部材１０は、透湿度（水蒸気透過度）が低いものが好ましいが、例えば、ＪＩＳＺ０２０８で記された「防湿包装材料の透過湿度試験方法」（２５℃の温度下において、厚み２ｍｍの試験片で測定）で０．１ｇ／ｍ^２／ｄａｙより小さいものであれば、封止部材１０の耐湿性を向上させることができるため、封止部材１０から水分が侵入することを効率良く抑制することができる。なお、封止部材１０は、少なくとも第１充填材８ａおよび第２充填材８ｂよりも透湿度が小さく構成されている。具体的に、本実施形態において、第１充填材８ａを構成するＥＶＡの透湿度は６０ｇ／ｍ^２／ｄａｙ程度、第２充填材８ｂを構成するブチルゴムの透湿度は０．１ｇ／ｍ^２／ｄａｙ程度であるため、封止部材１０は、これらＥＶＡおよびブチルゴムよりも透湿度が小さい材質で形成すればよい。

さらに、本実施形態において、封止部材１０は、第１基板２および第２基板９の外辺よりも光電変換部１側に配置されているため、光電変換装置Ｘに対して外部から機械的な力が作用しても、封止部材１０の破損、脱落等の発生を低減できる。また、封止部材１０は、第１基板２および第２基板９の外辺に近接するように設ければ、光電変換装置Ｘの外周側において水分の侵入を抑制することができるため、光電変換部１に水分が到達することを低減できる。

次に、光電変換装置Ｘの製造方法の一例について説明する。

まず、上述した製法により、第１基板２上に光電変換部１を形成する。次に、第１基板２の一主面上の光電変換部１が形成されていない外周側部分に第２充填材８ｂの前駆体となる樹脂材料を塗布する。この樹脂材料は、例えば、第１基板２の外周側に３〜１０ｍｍ程度の幅で設けられる。次いで、第１基板２の一主面上に、光電変換部１と第２充填材８ｂの前駆体となる樹脂材料との間に封止部材１０を配置する。このとき、封止部材１０は、光電変換部１を取り囲むように配置する。

次に、光電変換部１上に、第１充填材８ａの前駆体となる樹脂材料を配置する、次いで、第１充填材８ａおよび第２充填材８ｂの前駆体と封止部材１０の上に第２基板９を載置し、この積層体をラミネート装置にセットし、５０〜１５０Ｐａ程度の減圧下で１００〜２００℃程度の温度で１５〜６０分間程度加熱しながら加圧して一体化することにより、光電変換装置Ｘを作製できる。なお、光電変換部１で発電された電力を外部に取り出すために、光電変換部１には、予め、出力リードが接続されている（図示なし）。この出力リードは、例えば、第１基板２に形成した貫通孔を介して第１基板２の一主面の裏面側に導出される。

なお、封止部材１０は、第２充填材８ｂの前駆体となる樹脂材料と重なるように配置し、ラミネート時に封止部材１０が第１基板２および第２基板９の各一主面同士と当接するようにしてもよい。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。

光電変換装置Ｘ１は、図５に示すように、第１基板２に凹部２ａ、第２基板に凹部９ａがそれぞれ形成されており、各凹部で構成された空間内に封止部材１０が配置されている点で上述した実施形態と相違する。

本実施形態では、凹部２ａおよび凹部９ａ内に封止部材１０を配置しているため、光電変換装置Ｘ１の長期間の使用における充填材８（第１充填材８ａ、第２充填材８ｂ）の膨張または収縮等によって生じる封止部材１０の位置ずれを低減できる。また、本実施形態において、封止部材１０は、凹部２ａの底面に相当する第１基板２の一主面に当接するとともに、凹部９ａの底面に相当する第２基板９の一主面に当接している。なお、封止部材１０は、凹部２ａおよび凹部９ａの底面ではなく、側面に当接するような形態であってもよい。

次に、光電変換装置Ｘ１の製造方法の一例について説明する。

まず、図５（ａ）に示すように、予め第１基板２の封止部材１０の配置される部分に凹部２ａを形成する。この凹部２ａは、例えば、深さ０．５〜１．５ｍｍ程度、幅１〜３ｍｍ程度の封止部材１０の形状に合わせた半円状のものが好ましい。また、凹部２ａは、酸化ケイ素、アルミナ等の粒子を高圧で所定の部分に吹き付けるブラスト加工や研磨加工で形成できる。また、第２基板９の封止部材１０と当接する部分に、凹部２ａと同様の方法を用いて凹部９ａを形成する。なお、凹部２ａおよｂ凹部９ａの形状は、半円状に限定されることなく、例えば、矩形状であってもよい。

次いで、図５（ｂ）に示すように、この凹部２ａの近傍に第２充填材８ｂの前駆体となる樹脂材料を塗布し、凹部２ａ内に封止部材１０を配置する。次に、図５（ｃ）に示すように、凹部９ａの底面が封止部材１０と当接するように第２基板９を載置する。次いで、図５（ｄ）に示すように、各部材をラミネートして光電変換装置Ｘ１を作製する。

なお、本実施形態では、第１基板２および第２基板９のそれぞれに凹部が形成されているが、封止部材１０の位置ずれを低減するという点においては、少なくとも一方の基板に凹部が形成されているような形態であってもよい。

また、光電変換装置Ｘ１は、図６に示すように、封止部材１０を凹部２ａの縁２ａ’と間隙を空けて配置し、該間隙内に充填材８（第２充填材８ｂ）が配置されているほうが好ましい。このような形態であれば、例えば、光電変換装置Ｘ１に積雪が生じた場合、凹部２ａの幅が小さくなるような方向に第１基板２が撓んでも、第２充填材８ｂが緩衝材として作用し、凹部２ａの縁２ａ’との直接的な接触を防ぎ、封止部材１０への衝撃を緩和することができる。また、図６に示した形態では、第２充填材８ｂが間隙内に配置されているが、第１充填材８ａが配置されていてもよく、両方の充填材が配置されていてもよい。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの修正及び変更を加えることができる。例えば光電変換装置は上述のＣＩＳ系などのカルコパイライト系光電変換装置に限定されるものではなく、アモルファスシリコンや微結晶シリコンを使用した薄膜太陽電池、シリコン基板を用いた結晶系シリコン太陽電池等の光電変換装置にも適用可能である。

Ｘ、Ｘ１；光電変換装置
１；光電変換部
２；第1基板
２ａ；凹部
３；裏面電極
４；化合物半導体層
５；バッファ層
６；透光性導電層
７；集電電極
８；充填材
８ａ；第１充填材
８ｂ；第２充填材
９；第２基板
９ａ；凹部

Claims

一主面同士が対向するように配置されている第１および第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板との間に配置されている光電変換部と、
前記第１基板と前記第２基板との間で前記光電変換部を囲うように配置されている線状の封止部材とを備え、
該封止部材は、外形が円形状の絶縁材で形成されて成り、前記第１基板および前記第２基板の各一主面に当接していることを特徴とする光電変換装置。
前記封止部材は、断面形状が中空状であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記封止部材は、前記第１基板および前記第２基板の少なくとも一方に設けられている凹部に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光電変換装置。
前記封止部材は、前記凹部の底面に当接するとともに、前記凹部の縁と間隙を空けて配置されており、
該間隙内に充填材が配置されていることを特徴とする請求項３に記載の光電変換装置。
前記絶縁材は、ガラスから成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光電変換装置。