JP2013110340A - 光電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光電変換装置の光電変換効率を向上させる。
【解決手段】 光電変換装置１１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上に設けられた第１の導電型を有する第１の半導体層３と、第１の半導体層３上に設けられた第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、第２の下部電極層２ｂおよび第２の半導体層４を電気的に接続する接続導体７と、第１の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂの間に介在する第１の導電型を有する第１導電型半導体部材６ａと、第１導電型半導体部材６ａの第２の下部電極層２ｂ側の側面に接合している第２の導電型を有する第２導電型半導体部材６ｂ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電気的に接続された光電変換装置に関する。

太陽光発電などに使用される光電変換装置として、基板の上に複数の光電変換セルが設けられたものがある（例えば、特許文献１など）。

このような光電変換装置は、ガラスなどの基板の上に、金属電極などの下部電極層と、光吸収層と、バッファ層と、透明導電膜とを、この順に積層した光電変換セルが、平面的に複数並設されて構成されている。複数の光電変換セルは、隣り合う一方の光電変換セルの透明導電膜と他方の下部電極層とが接続導体で接続されることで、電気的に直列接続されている。

特開２０００−２９９４８６号公報

光電変換装置には光電変換効率の向上が常に要求される。上記光電変換装置において、光電変換効率を高める１つの方法として、下部電極層間の間隔を小さくして光電変換に寄与する部位の面積を高めることが考えられる。しかし、下部電極層間の間隔を小さくすると隣接する下部電極層間でリーク電流が生じやすく、十分に光電変換効率を高めることが困難である。

本発明の一つの目的は、光電変換装置の光電変換効率を向上させることにある。

本発明の一実施形態に係る光電変換装置は、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の下部電極層上に設けられた第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の下部電極層および前記第２の半導体層を電気的に接続する接続導体と、前記第１の下部電極層および前記第２の下部電極層の間に介在する前記第１の導電型を有する第１導電型半導体部材と、該第１導電型半導体部材の前記第２の下部電極層側の側面に接合している前記第２の導電型を有する第２導電型半導体部材とを具備する。

本発明によれば、隣接する下部電極層間のリーク電流を低減し、光電変換効率を向上できる。

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。 図１の光電変換装置の上面透視図である。 光電変換装置の実施の形態の他の例を示す斜視図である。 図４の光電変換装置の断面図である。

以下に本発明の一実施形態に係る光電変換装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜光電変換装置の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る光電変換装置の一例を示す斜視図であり、図２はその断面図である。また、図３は図１の光電変換装置を上面側から見た透視図である。光電変換装置１１は、基板１上に複数の光電変換セル１０が並べられて互いに電気的に接続されている。なお、図１〜３においては図示の都合上、２つの光電変換セル１０のみを示しているが、実際の光電変換装置１１においては、図面左右方向、あるいはさらにこれに垂直な方向に、多数の光電変換セル１０が平面的に（二次元的に）配設されていてもよい。

図１〜３において、基板１上に複数の下部電極層２が平面配置されている。隣接する下部電極層２のうち、一方の下部電極層２ａ（以下、第１の下部電極層２ａともいう）上から他方の下部電極層２ｂ（以下、第２の下部電極層２ｂともいう）上にかけて、第１の半導体層３および第１の半導体層３とは異なる導電型の第２の半導体層４が設けられている。そして、第２の下部電極層２ｂ上において、接続導体７が第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ように設けられている。これら、下部電極層２（第１の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂ）、第１の半導体層３、第２の半導体層４および接続導体７を少なくとも含むことによって、１つの光電変換セル１０が構成される。そして、隣接する光電変換セル１０同士が第２の下部電極層２ｂによって電気的に接続されており、このような構成によって、隣接する光電変換セル１０同士が直列接続された光電変換装置１１となる。

なお、本実施形態における光電変換装置１１は、第１の半導体層３に対して第２の半導体層４側から光が入射されるものを想定しているが、これに限定されず、基板１側から光が入射されるものであってもよい。

基板１は、光電変換セル１０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）を用いることができる。

下部電極層２（第１の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂ）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の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂの間隔は、例えば、２０〜２００μｍとされ得る。

第１の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂの間には第１の半導体層３と同じ第１の導電型を有する第１導電型半導体部材６ａが介在している。さらに、この第１導電型半導体部材６ａの第２の下部電極層２ｂ側の側面に第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する第２導電型半導体部材６ｂが接合している。つまり、第１の下部電極層２ａと第２の下部電極層２ｂとの隙間において、第１の下部電極層２ａ側の第１導電型半導体部材６ａと第２の下部電極層２ｂ側の第２導電型半導体部材６ｂとでダイオードが形成されている。

このように第１の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂ間に、第１導電型半導体部材６ａおよび第２導電型半導体部材６ｂがダイオードを構成するように設けられている
ことにより、第１の下部電極層２ａと第２の下部電極層２ｂとの間におけるリーク電流を低減できる。よって、第１の下部電極層２ａと第２の下部電極層２ｂとの間隔を小さくして、光電変換セルの光電変換に寄与する部位の面積を大きくすることができる。その結果、光電変換装置１１の光電変換効率が高められる。

第１導電型半導体部材６ａとしては、後述するような、第１の半導体層３に用いられる第１の導電型の半導体材料が用いられ得る。応力を有効に低減するという観点から、第１導電型半導体部材６ａは第１の半導体層３と同じ材料が用いられてもよい。特に第１導電型半導体部材６ａが第１の半導体層３が延在されて成るもの（すなわち、第１導電型半導体部材６ａと第１の半導体層３が一体化されて成るもの）であれば、第１の半導体層３の強度が高くなり、クラック等が生じ難くなる。また、第２導電型半導体部材６ｂとしては、後述するような、第２の半導体層４に用いられる第２の導電型の半導体層材料が用いられ得る。あるいは、第２導電型半導体部材６ｂは、第１導電型半導体部材６ａに他の元素がドーピングされることによって改質されたものであってもよい。

第１導電型半導体部材６ａおよび第２導電型半導体部材６ｂは、基板１上に第１の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂが形成された後、第１の下部電極層２ａと第２の下部電極層２ｂとの間に、例えば、スパッタリング法やケミカルバスデポジッション（ＣＢＤ）法、塗布法等を用いて設けられて形成される。あるいは、基板１上に第１導電型半導体部材６ａおよび第２導電型半導体部材６ｂが所望のパターン形状に形成された後、第１の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂが形成されてもよい。

第１の半導体層３は第１導電型の半導体層である。本実施形態では、第１の半導体層３は、例えば１μｍ〜３μｍ程度の厚みを有するｐ型半導体層を想定しているが、これに限定されない。第１の半導体層３の材料としては特に限定されず、金属カルコゲナイドや非晶質シリコン等が用いられ得る。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族化合物等の金属カルコ
ゲナイドが第１の半導体層３の材料として用いられてもよい。

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１の半導体層３および第２の半導体層４が電気的に接続されることにより、電荷を良
好に取り出すことが可能な光電変換層が形成される。例えば、第１の半導体層３がｐ型であれば、第２の半導体層４はｎ型である。第１の半導体層３がｎ型で、第２の半導体層４がｐ型であってもよい。なお、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が介在していてもよい。また、第２の半導体層４が光吸収層として機能するものであってもよい。

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。

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で生じた電荷を良好に取り出すことが可能となる。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１〜３に示すように、上部電極層５上にさらに集電電極８が形成されていてもよい。集電電極８は、第１の半導体層３および第２の半導体層４で生じた電荷をさらに良好に取り出すためのものである。集電電極８は、例えば、図１〜３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８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８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８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８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８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。

＜光電変換装置の他の例＞
上記一実施形態では、絶縁部材６が下部電極層２と同じ厚みで形成されていたが、これ
に限られない。例えば、図４、図５のように、第２導電型半導体部材２６ｂが第２の下部電極層２ｂよりも厚くても良い。なお、図４は他の例である光電変換装置２１の斜視図であり、図５は光電変換装置２１の断面図である。図４、図５において、図１〜３と同じ構成のものには同じ符号が付されている。図４、図５のように第２導電型半導体部材２６ｂが第２の下部電極層２ｂよりも厚い場合、接続導体７と第１の下部電極層２ａとの間におけるリーク電流をも低減でき、光電変換装置２１の光電変換効率がより向上する。

図４、図５に示す光電変換装置２１は、例えば以下のようにして作製される。まず、基板１上に下部電極層２が所望のパターン形状に形成され、下部電極層２上および下部電極層２間（第１の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂ間）に第１の半導体層３が形成される。そして、第１の下部電極層２ａと第２の下部電極層２ｂとの間隙に対応する第１の半導体層３のうち、第２の下部電極層２ｂに沿った部位が上面から下面にかけて除去される。そして、この第１の半導体層３の除去された隙間内に第２導電型半導体部材２６ｂが充填される。なお、上記第１の半導体層３のうち、第１の下部電極層２ａと第２の下部電極層２ｂとの間隙内に残存している部分は第１導電型半導体２ａとなる。このような方法であれば、容易に第２導電型半導体部材２６ｂが形成可能となり、工程が簡略化され得る。

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。

１：基板
２：下部電極層
２ａ：第１の下部電極層
２ｂ：第２の下部電極層
３：第１の半導体層
４：第２の半導体層
５：上部電極層
６ａ、２６ａ：第１導電型半導体部材
６ｂ、２６ｂ：第２導電型半導体部材
７：接続導体
８：集電電極
１０、２０：光電変換セル
１１、２１：光電変換装置

Claims (3)

1. 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の下部電極層上に設けられた第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の下部電極層および前記第２の半導体層を電気的に接続する接続導体と、
   前記第１の下部電極層および前記第２の下部電極層の間に介在する前記第１の導電型を有する第１導電型半導体部材と、
   該第１導電型半導体部材の前記第２の下部電極層側の側面に接合している前記第２の導電型を有する第２導電型半導体部材と
   を具備することを特徴とする光電変換装置。
2. 前記第２導電型半導体部材は前記第２の下部電極層よりも厚いことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記第１導電型半導体部材は前記第１の半導体層が延在されて成るものであることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。

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