JP2013074116A

JP2013074116A - 光電変換モジュール

Info

Publication number: JP2013074116A
Application number: JP2011212137A
Authority: JP
Inventors: Hajime Sasaki; 元佐々木
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2013-04-22

Abstract

【課題】信頼性の高い光電変換モジュールを提供する。
【解決手段】光電変換モジュール１３は、基板１と、基板１上に互いに間隔をあけて設けられた第１の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂと、第１の下部電極層２ａ上から第２の下部電極層２ｂ上にかけて設けられた第１の導電型を有する第１の半導体層３ｂと、第１の半導体層３ｂ上に設けられた第２の導電型を有する第２の半導体層４と、第２の下部電極層２ｂと第２の半導体層４とを電気的に接続する接続導体７と、第１の下部電極層２ａ上であって第１の半導体層３ｂから離れた部位に接合された、電気出力を外部に取り出すための配線導体９と、第１の下部電極層２ａ上であって第１の半導体層３ｂと配線導体９との間の部位に、第１の半導体層３ｂと間隔をあけて設けられた、配線導体９よりも熱膨張係数の低い壁部Ｗとを具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は光電変換モジュールに関する。

近年、エネルギー問題や環境問題の深刻化に伴い、光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽光発電が注目を集めている。

この太陽光発電に使用される光電変換モジュールでは、該光電変換モジュールに設けられた光電変換部から得られた電気がリード線等の配線導体で取り出される。この配線導体は、光電変換モジュールの非受光面に配置された端子ボックスの内部に導出されている（例えば、特許文献１参照）。このような光電変換モジュールでは、端子ボックスを介して、光電変換モジュールで発電した電気出力が外部の回路等に導出される。

特開２００６−２１６６０８号公報

光電変換モジュールは、太陽光等の熱によって配線導体近傍で熱応力が生じやすい。このような熱応力によって、配線導体近傍の光電変換部が剥離したり損傷したりし、光電変換モジュールの信頼性が低下する場合があった。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的は光電変換部の剥離や損傷を低減し、信頼性の高い光電変換モジュールを提供することにある。

本発明の一実施形態に係る光電変換モジュールは、基板と、該基板上に互いに間隔をあけて設けられた第１の下部電極層および第２の下部電極層と、前記第１の下部電極層上から前記第２の下部電極層上にかけて設けられた第１の導電型を有する第１の半導体層と、該第１の半導体層上に設けられた前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する第２の半導体層と、前記第２の下部電極層と前記第２の半導体層とを電気的に接続する接続導体と、前記第１の下部電極層上であって前記第１の半導体層から離れた部位に接合された、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層で生じた電気出力を外部に取り出すための配線導体と、前記第１の下部電極層上であって前記第１の半導体層と前記配線導体との間の部位に、前記第１の半導体層と間隔をあけて設けられた、前記配線導体よりも熱膨張係数の低い壁部とを具備する。

本発明の一実施形態に係る光電変換モジュールによれば、光電変換モジュールの信頼性が向上する。

光電変換モジュールの実施の形態の一例を示す要部拡大斜視図である。図１の光電変換モジュールの断面図である。光電変換モジュールの実施の形態の他の例を示す要部拡大斜視図である。図３の光電変換モジュールの断面図である。図１の光電変換モジュールの全体を示す斜視図である。図５の光電変換モジュールの裏面を示す斜視図である。

以下に本発明の一実施形態に係る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。

＜光電変換モジュールの構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る光電変換モジュールの一例を示す要部拡大斜視図であり、図２はそのＸ−Ｚ断面図である。また、図５は図１の光電変換モジュールの全体を示す斜視図であり、図６はその裏面側から見た斜視図である。光電変換モジュール１３は、基板１上に光電変換部１１と一対の引き出し配線部１２（一対の引き出し配線部１２のうち、Ｘ軸方向の負側は１２ａ、正側は１２ｂで示されている）とを具備している。

光電変換部１１はＸ軸方向に沿って並んだ複数の光電変換セル１０を具備している。光電変換セル１０は、下部電極層２と、第１の導電型を有する第１の半導体層３と、第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する第２の半導体層４と、上部電極層５とが順に積層されている。例えば、第１の導電型がｐ型であれば第２の導電型はｎ型であり、その逆の関係であってもよい。図２では、第１の半導体層３ｂは、下部電極層２ａ上から下部電極層２ｂ上にかけて設けられている。同様に、第１の半導体層３ｃは、下部電極層２ｂ上から下部電極層２ｃ上にかけて設けられており、第１の半導体層３ｄは、下部電極層２ｃ上から下部電極層２ｄ上にかけて設けられている。各第１の半導体層３ｂ〜３ｄと、それらの上に積層された第２の半導体層４とで光電変換によってキャリア分離が良好に行なわれる。光電変換によって生じた第１の導電型のキャリアは第１の半導体層３から下部電極層２へ移動する。一方、光電変換によって生じた第２の導電型のキャリアは第２の半導体層３から上部電極層４へ移動し、接続導体７を介して隣接する下部電極層２へ移動する。このような構成により、隣接する光電変換セル１０同士が直列接続されている。

引き出し配線部１２は、上記光電変換部１１で生じたキャリアを光電変換モジュール１３の外部へ取り出すためのものである。つまり、引き出し配線部１２によって、光電変換部１１で発電した電気出力が外部へ引き出されることとなる。引き出し配線部１２は、光電変換部１１の下部電極層２が延伸された部位上で、第１の半導体層３から離れた部位に配線導体９の一方の端部が接続されている。また、配線導体９の他方の端部は、図５に示されるように、基板１を上下方向に貫通する孔３０を介して裏面に導出され、図６に示されるように光電変換モジュール１３の裏面（非受光面）に配置された端子ボックス３１の内部に接続されている。そして、この端子ボックス３１を介して、光電変換モジュール１３で発電した電気出力が外部回路に導出されることとなる。

配線導体９は、光電変換部１１に設けられた下部電極層２の延伸部上に接合されている。配線導体９と下部電極層２との接合性を高めるため、配線導体９は下部電極層２上に金属ペースト等で形成された接続部８を介して接合されていてもよい。図１、２では一対の配線導体９ａ，９ｂが接続部８ａ，８ｂを介して下部電極層２ａ、２ｄ上にそれぞれ接合されている。

光電変換モジュール１３は、第１の下部電極層２ａ上であって第１の半導体層３ｂと配線導体９ａとの間の部位に、第１の半導体層３ｂと間隔をあけて設けられた、配線導体９ａよりも熱膨張係数の低い壁部Ｗを具備している。つまり、光電変換部１１のＸ軸方向の２つの端部のうち、光電変換に寄与する領域が位置している端部（Ｘ軸方向の負側の端部）と間隔をあけて壁部Ｗが設けられている。このような構成によって、太陽光等の熱によって配線導体９ａ近傍で熱応力が生じたとしても、配線導体９ａと光電変換部１１との間
に設けられた、配線導体９ａよりも熱膨張係数の低い壁部Ｗが応力を緩和することにより、配線導体９ａ近傍の第１の半導体層３ｂが剥離したり損傷したりするのが有効に低減される。その結果、光電変換モジュール１３の信頼性が高くなる。

壁部Ｗの熱膨張係数は、配線導体９ａの熱膨張係数よりも第１の半導体層３の熱膨張係数に近くてもよい。これにより、第１の半導体層３の端部での熱応力をより有効に緩和できる。壁部Ｗが第１の半導体層３と同じ材料を含んでいる場合、第１の半導体層３への熱応力をさらに低減できる。図１、２に示される光電変換モジュール１３では、壁部Ｗは光電変換セル１０の端部が分断されたもので構成されている。このように光電変換セル１０が分断されて壁部Ｗが構成されている場合、第１の半導体層３への熱応力を低減できるとともに、壁部Ｗが容易に形成され、製造工程が簡略化可能となる。

＜光電変換モジュールの構成部材＞
次に上述した光電変換モジュール１３の各構成部材について詳細に説明する。

基板１は、光電変換部１１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。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）が用いられてもよい。

下部電極層２（下部電極層２ａ〜２ｄ）は、基板１上に設けられた、Ｍｏ、Ａｌ、ＴｉまたはＡｕ等の導電体である。下部電極層２は、スパッタリング法または蒸着法などの公知の薄膜形成手法を用いて、０．２μｍ〜１μｍ程度の厚みに形成される。

第１の半導体層３は第１の導電型を有する半導体層である。第１の半導体層３は、例えば１μｍ〜３μｍ程度の厚みを有する。第１の半導体層３の材料としては特に限定されないが、比較的高い光電変換効率を有するという観点で、例えば、Ｉ−III−VI族化合物、Ｉ−II−IV−VI族化合物およびII−VI族化合物等が用いられてもよい。

Ｉ−III−VI族化合物とは、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）との化合物である。Ｉ−III−VI族化合物としては、例えば、ＣｕＩｎＳｅ_２（二セレン化銅インジウム、ＣＩＳともいう）、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２（二セレン化銅インジウム・ガリウム、ＣＩＧＳともいう）、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）_２（二セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム、ＣＩＧＳＳともいう）等が挙げられる。あるいは、第１の半導体層３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にて構成されていてもよい。Ｉ−III−VI族化合物は光吸収係数が比較的高く、第１の半導体層３が薄くても良好な光電変換効率が得られる。

Ｉ−II−IV−VI族化合物とは、Ｉ−Ｂ族元素とII−Ｂ族元素（１２族元素ともいう）とIV−Ｂ族元素（１４族元素ともいう）とVI−Ｂ族元素との化合物半導体である。Ｉ−II−IV−VI族化合物としては、例えば、Ｃｕ_２ＺｎＳｎＳ_４（ＣＺＴＳともいう）、Ｃｕ_２ＺｎＳｎＳ_４−ｘＳｅ_ｘ（ＣＺＴＳＳｅともいう。なお、ｘは０より大きく４より小さい数である。）、およびＣｕ_２ＺｎＳｎＳｅ_４（ＣＺＴＳｅともいう）等が挙げられる。

II−VI族化合物とは、II−Ｂ族元素とVI−Ｂ族元素との化合物半導体である。II−VI族化合物としてはＣｄＴｅ等が挙げられる。

第２の半導体層４は、第１の半導体層３とは異なる第２導電型を有する半導体層である。第２の半導体層４は、第１の半導体層３とは異なる材料が第１の半導体層３上に積層さ
れたものであってもよく、あるいは第１の半導体層３の表面部が他の元素のドーピングによって改質されたものであってもよい。また、第１の半導体層３と第２の半導体層４との間に高抵抗のバッファ層等が介在していてもよい。

第２の半導体層４としては、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｓ_３、Ｉｎ_２Ｓｅ_３、Ｉｎ（ＯＨ，Ｓ）、（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓｅ，ＯＨ）、および（Ｚｎ，Ｍｇ）Ｏ等が挙げられる。この場合、第２の半導体層４は、例えばケミカルバスデポジション（ＣＢＤ）法等で１０〜２００ｎｍの厚みで形成される。なお、Ｉｎ（ＯＨ，Ｓ）とは、ＩｎとＯＨとＳとを主に含む化合物をいう。（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓｅ，ＯＨ）は、ＺｎとＩｎとＳｅとＯＨとを主に含む化合物をいう。（Ｚｎ，Ｍｇ）Ｏは、ＺｎとＭｇとＯとを主に含む化合物をいう。

図１、図２のように、第２の半導体層４上にさらに上部電極層５が設けられていてもよい。上部電極層５は、第２の半導体層４よりも抵抗率の低い層であり、第１の半導体層３および第２の半導体層４で生じたキャリアが良好に取り出される。光電変換効率をより高めるという観点からは、上部電極層５の抵抗率が１Ω・ｃｍ未満でシート抵抗が５０Ω／□以下であってもよい。

上部電極層５は、例えばＩＴＯ、ＺｎＯ等の０．０５〜３μｍの透明導電膜である。透光性および導電性を高めるため、上部電極層５は第２の半導体層４と同じ導電型の半導体で構成されてもよい。上部電極層５は、スパッタリング法、蒸着法または化学的気相成長（ＣＶＤ）法等で形成され得る。

また、図１、図２に示すように、上部電極層５上にさらに集電電極６が形成されていてもよい。集電電極６は、第１の半導体層３および第２の半導体層４で生じたキャリアをさらに良好に取り出すためのものである。集電電極６は、例えば、図１に示すように、光電変換セル１０の一端から接続導体７にかけて線状に形成されている。これにより、第１の半導体層３および第４の半導体層４で生じた電流が上部電極層５を介して集電電極６に集電され、接続導体７を介して隣接する光電変換セル１０に良好に導電される。

集電電極６は、第１の半導体層３への光透過率を高めるとともに良好な導電性を有するという観点から、５０〜４００μｍの幅を有していてもよい。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がパターン状に印刷され、これが硬化されることによって形成される。

図１、図２において、接続導体７は、第１の半導体層３、第２の半導体層４および第２の電極層５を貫通する溝内に設けられた導体である。接続導体７は、金属や導電ペースト等が用いられ得る。図１、図２においては、集電電極６を延伸して接続導体７が形成されているが、これに限定されない。例えば、上部電極層５が延伸したものであってもよい。

配線導体９は、例えば、厚さ０．１〜０．５ｍｍ程度、幅が１〜７ｍｍ程度の銅（Ｃｕ）などの金属箔が挙げられる。また。この金属箔の表面には、下部電極層２または接続部８との電気的な接続を良好にすべく、錫、ニッケルまたは半田などがめっき等によってコーティングされていてもよい。

＜光電変換モジュールの他の例＞
次に、光電変換モジュールの他の例について説明する。図３は光電変換モジュールの他の例を示す要部拡大斜視図であり、図４はその断面図である。図３、４に示される光電変
換モジュール２３において、上述した図１、２に示される光電変換モジュール１３と同じ構成の部位は、図１、２と同じ符号が付されている。光電変換モジュール２３において、接続部２８は壁部Ｗの一方側の端面（側面）から下部電極層２ａ上にかけて連続して覆っている。つまり、接続部２８は金属被覆層として壁部の端面および下部電極層２ａ上を連続して覆っている。この点で光電変換モジュール１３と異なっている。このような構成により、外部から配線導体９ａを伝って光電変換モジュール２３内に侵入してきた水分が侵入してきたとしても、光電変換部１１へ水分が侵入するのを金属被覆層としての接続部２８で有効に低減され得る。

なお、本発明は上述の実施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が施されることは何等差し支えない。光電変換モジュール１３、２３では光電変換部１１における光電変換セル１０が３列の例が示されているが、これに限定されず、１列、２列あるいは４列以上であってもよい。

１：基板
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ：下部電極層
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ：第１の半導体層
４：第２の半導体層
５：上部電極層
６：集電電極
７：接続導体
８、８ａ、８ｂ、２８ｂ：接続部
９，９ａ、９ｂ：配線導体
１０：光電変換セル
１１：光電変換部
１２、１２ａ、１２ｂ：引き出し配線部
１３、２３：光電変換モジュール

Claims

基板と、
該基板上に互いに間隔をあけて設けられた第１の下部電極層および第２の下部電極層と、前記第１の下部電極層上から前記第２の下部電極層上にかけて設けられた第１の導電型を有する第１の半導体層と、
該第１の半導体層上に設けられた前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する第２の半導体層と、
前記第２の下部電極層と前記第２の半導体層とを電気的に接続する接続導体と、
前記第１の下部電極層上であって前記第１の半導体層から離れた部位に接合された、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層で生じた電気出力を外部に取り出すための配線導体と、
前記第１の下部電極層上であって前記第１の半導体層と前記配線導体との間の部位に、前記第１の半導体層と間隔をあけて設けられた、前記配線導体よりも熱膨張係数の低い壁部と
を具備することを特徴とする光電変換モジュール。
前記壁部は前記第１の半導体層と同じ材料を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の光電変換モジュール。
前記壁部の前記配線導体に対向する端面および前記第１の下部電極層の上面を連続して覆う金属被覆層をさらに具備することを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換モジュール。