JP2013243165A - 光電変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】より多くの発電した電力を取り出すことのできる光電変換装置を提供する。
【解決手段】光電変換装置１００は、基板１０上に透明電極層１２と、第１光電変換層１４と、中間層１６と、第２光電変換層１８と、裏面電極２０と、を順に積層して構成された光電変換セル５０を複数備えたものであって、隣接する光電変換セル５０の一方の裏面電極２０と、他方の透明電極層１２と、が複数接続されている。
【選択図】 図１
【解決手段】光電変換装置１００は、基板１０上に透明電極層１２と、第１光電変換層１４と、中間層１６と、第２光電変換層１８と、裏面電極２０と、を順に積層して構成された光電変換セル５０を複数備えたものであって、隣接する光電変換セル５０の一方の裏面電極２０と、他方の透明電極層１２と、が複数接続されている。
【選択図】 図１
Description
本発明は、光電変換装置に関する。
従来、複数の光電変換層を有する光電変換装置が知られている（例えば、特許文献１）。 上記特許文献１に記載された光電変換装置３００は、図７に示すように、基板１１０上に、透明電極層１１２、第１光電変換層１１４、中間層１１６、第２光電変換層１１８、裏面電極１２０を順次積層された構造を有する。
基板１１０上に形成された透明電極層１１２は、第１スリットＳ１により分割され、短冊形状を有する。
透明電極層１１２を覆うように形成されたアモルファスシリコンからなる第１光電変換層１１４、中間層１１６、微結晶シリコンからなる第２光電変換層１１８は、第１スリットＳ１から離れた場所に形成された第３スリットＳ３によって複数に分割される。
第２光電変換層１１８上に形成された裏面電極１２０により第３スリットＳ３が埋め込まれ、裏面電極１２０と透明電極層１１２が電気的に接続される。
そして、第１光電変換層１１４、中間層１１６、第２光電変換層１１８、裏面電極１２０は、第３スリットＳ３に対して第１スリットＳ１の反対側に第４スリットＳ４が形成され、分割される。このようにして、複数の光電変換セル１５０が直列接続された構造が形成される。
上記のように、光電変換に寄与する積層体として複数の光電変換層を設け、入射した光の多くを光電変換に寄与させることが知られている。このような複数の光電変換層は、光入射側に設けられた光電変換層で光電変換に寄与することなく透過した光の一部を、他の光電変換層により光電変換に寄与させることができるため、光電変換層において吸収される光の量が増加する。
そして、さらに複数の光電変換層の間に透光性導電材料からなる中間層を設け、入射した光を発電に寄与させることが知られている。この中間層によって、入射した光の一部を反射して光入射側の光電変換層に入射させるとともに、入射した光のうち裏面電極により反射された光を再度反射して裏面電極側の他の光電変換層に入射させることができる。
これらの結果、光電変換層において生成される光生成キャリアが増加するため、光電変換装置の発電効率が向上する。
特開２００７−２７３８５８
しかしながら、近年、光電変換装置の発電効率のさらなる向上が求められている。
従来の構造では、中間層１１６と裏面電極１２０との接触面でリーク電流が発生し、光電変換層で発電された電力を取り出す際にロスが生じていた。特に第３スリットＳ３は線状に形成されているため、中間層１１６と第３スリットＳ３に埋め込まれた裏面電極１２０の接触面積が大きく、リーク電流による電力のロスは大きい。そして、発電された電力のロスは、光電変換装置の発電効率が良くなるにつれて、顕著となり、光電変換装置の発電効率の向上を妨げるものとなっていた。
そこで、本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、発電効率を向上させた太陽電池を提供することを目的とする。
本発明の光電変換装置の１つの態様は、基板上に透明電極層と、第１光電変換層と、中間層と、第２光電変換層と、裏面電極と、を順に積層して構成された光電変換セルを複数備えたものであって、隣接する光電変換セルの一方の裏面電極と、他方の透明電極層と、が複数の導電体により接続されている。
本発明によれば、より多くの発電した電力を取り出すことのできる光電変換装置を提供することができる。
＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態に係る太陽電池の構成について、図１ないし図３を参照しながら説明する。
本発明の第１の実施の形態に係る太陽電池の構成について、図１ないし図３を参照しながら説明する。
図１ないし図３は、本発明の第１の実施の形態における光電変換装置１００の構成を示す。図１は、光電変換装置１００を受光面とは反対側である裏面から見た平面図である。図２は、図１のラインＡ−ＡおよびＢ−Ｂに沿った断面図である。図３は、図１のラインＢ−Ｂに沿った製造工程を示すための断面図である。なお、図１ないし図３では、構成を明確に示すために各部の寸法を実際のものとは変えて示している。
光電変換装置１００は、図１および図２に示すように、基板１０、透明電極層１２、第１光電変換層１４、中間層１６、第２光電変換層１８、裏面電極２０を含んで構成される。
基板１０は、光電変換装置１００を支持する部材である。光電変換装置１００は基板１０側から光を入射させて発電を行う構成であるので、基板１０は、例えば、ガラス基板、プラスチック基板等の少なくとも可視光波長領域において透過性を有する材料を適用する。
図３（ａ）に示すように基板１０上に、透明電極層１２を形成する。透明電極層１２は、酸化錫（ＳｎＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等に錫（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、フッ素（Ｆ）、アルミニウム（Ａｌ）等をドープした透明導電性酸化物（ＴＣＯ）のうち少なくとも一種類又は複数種を組み合わせて用いることが好適である。特に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、透光性が高く、抵抗率が低く、耐プラズマ特性にも優れているので好適である。なお、透明電極層１２はスパッタリング法又は化学気相蒸着法（ＣＶＤ法）で形成することができる。
光電変換セル５０を複数直列に接続した構成とするために、透明電極層１２を短冊状にパターニングする。本実施の形態では、図１の上下方向に沿って透明電極層１２に第１スリットＳ１を形成して分割する。例えば、波長１０６４ｎｍ、エネルギー密度１３Ｊ／ｃｍ2、パルス周波数３ｋＨｚのＹＡＧレーザを用いて透明電極層１２をパターニングすることができる。
図３（ｂ）に示すように透明電極層１２上に、ｐ型層、ｉ型層、ｎ型層のアモルファスシリコン薄膜を順に積層して第１光電変換層１４を形成する。第１光電変換層１４上には、中間層１６が形成される。そして、中間層１６上に、ｐ型層、ｉ型層、ｎ型層の微結晶シリコン薄膜を順に積層して第２光電変換層１８を形成する。本実施の形態では、第１光電変換層１４をアモルファスシリコン薄膜光電変換層、第２光電変換層１８を微結晶シリコン光電変換層等としたが、これに限られない。第１光電変換層１４および第２光電変換層１８は、アモルファスシリコンや微結晶シリコンなどのシリコン系の他、ガリウムヒ素やＣＩＳ（カルコバイライト系）など種々の化合物を用いてもよい。また、光閉じ込め効果を得るために複数の光電変換層の間に設けられる中間層１６は、酸化シリコン（ＳｉＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を用いることができる。さらに、本実施の形態では２つの光電変換層を積層したタンデム型としたが、これに限られず３つの光電変換層を積層したトリプル型等、複数の光電変換層を積層したものを用いることができる。
アモルファスシリコン薄膜光電変換層や微結晶シリコン薄膜光電変換層は、シラン（ＳｉＨ4）、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）、ジクロルシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）等のシリコン含有ガス、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）等のｐ型ドーパント含有ガス、フォスフィン（ＰＨ3）等のｎ型ドーパント含有ガスおよび水素（Ｈ2）等の希釈ガスを混合した混合ガスをプラズマ化して成膜を行うプラズマＣＶＤ法により形成することができる。プラズマＣＶＤ法は、例えば、１３．５６ＭＨｚの平行平板型ＲＦプラズマＣＶＤ法を適用することが好適である。
複数の光電変換セル５０を直列接続するために、第１光電変換層１４、中間層１６、および第２光電変換層１８を貫通し、透明電極層１２を露出させる穴からなるコンタクトホール２２を複数形成する。例えば、透明電極層１２を分割する第１スリットＳ１から５０μｍ横の位置にＹＡＧレーザを照射して破線状にコンタクトホール２２を形成する。コンタクトホール２２の幅は、１０μｍ〜２００μｍ程度とし、複数のコンタクトホール２２同士が第１スリットＳ１の延在方向に０．３ｍｍ〜１０ｍｍ程度の間隔となるように複数設けられる。コンタクトホール２２を形成するときに用いられるＹＡＧレーザは、例えば、エネルギー密度０．７Ｊ／ｃｍ2、パルス周波数３ｋＨｚのものを用いることが好適である。
図３（ｃ）に示すように第２光電変換層１８上に、裏面電極２０を形成する。このとき、裏面電極２０は、第２光電変換層１８を覆うとともに、コンタクトホール２２の中を充填するように形成される。これにより、透明電極層１２と裏面電極２０がコンタクトホール２２を介して電気的に接続された構造となる。なお、本実施の形態において、特許請求の範囲における導電体は、コンタクトホール２２に充填された裏面電極２０に対応する。裏面電極２０は、導電性を有する単層体或いは積層体を用いることができ、透明導電性酸化物と反射性金属とをこの順に積層した構造とすることが好適である。透明導電性酸化物としては、酸化錫、酸化亜鉛、インジウム錫酸化物等の透明導電性酸化物、又は、これらの透明導電性酸化物に不純物をドープしたものが用いられる。例えば、酸化亜鉛にアルミニウムを不純物としてドープしたものでもよい。また、反射性金属としては、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属が用いられる。透明導電性酸化物および反射性金属は、例えば、スパッタリング法又はＣＶＤ法等により形成することができる。透明導電性酸化物と反射性金属の少なくとも一方には、光閉じ込め効果を高めるための凹凸が設けることが好適である。
そして、図１および図２（ｂ）に示すように第１光電変換層１４、中間層１６、第２光電変換層１８、裏面電極２０を分割する第４スリットＳ４をＹＡＧレーザを照射し、形成する。この第４スリットＳ４により、複数の光電変換セル５０に分割される。第４スリットＳ４は、複数のコンタクトホール２２に対して第１スリットＳ１の反対側に形成される。このとき、光電変換に寄与しない無効領域を小さくするため、第１スリットＳ１と第４スリットＳ４は、部分的に重畳するように形成する。具体的には、第４スリットＳ４をコンタクトホール２２の近傍を除いては、第４スリットＳ４が第１スリットＳ１に重畳するように波線状に形成し、第１スリットＳ１と第４スリットＳ４に囲まれた領域２４内にコンタクトホール２２が配置された構成とする。なお波線状には、本実施の形態で示したような形状のみならず、正弦波、矩形波、三角波、およびのこぎり波のような形状も含む。第４スリットＳ４を形成するときに用いられるＹＡＧレーザは、エネルギー密度０．７Ｊ／ｃｍ2、パルス周波数４ｋＨｚのものを用いることが好適である。
このようにして、基板１０上に透明電極層１２、第１光電変換層１４、中間層１６、第２光電変換層１８および裏面電極２０を積層が複数された光電変換セル５０が形成される。
なお、光電変換セル５０を並列に分割した構成とする場合、第１スリットＳ１を形成した直前、もしくは直後に第１スリットＳ１を形成した同一のレーザを用いて第１スリットＳ１に直交する方向に短冊状にパターニングして透明電極層１２を分割する第２スリットＳ２を形成して分割する。そして、第４スリットＳ４を形成した直前、もしくは直後に第４スリットＳ４を形成した同一のレーザを用いて第２スリットＳ２内に形成された第１光電変換層１４、中間層１６、第２光電変換層および裏面電極２０を分割する第５スリットＳ５を形成する。これにより、光電変換セル５０を並列に分割した構造とすることができる。
以下に、本実施の形態で特徴である光電変換セル５０の直列接続構造により得られる効果について説明する。
（１）図２（ａ）に示すように隣接する光電変換セル５０の透明電極層１２と裏面電極２０は、コンタクトホール２２を介して接続される。このコンタクトホール２２では、従来の第３スリットＳ３を形成する構造に比べ、コンタクトホール２２に埋め込まれる裏面電極２０と中間層１６との接触面積を小さくすることができる。これにより、裏面電極２０と中間層１６の接触面で発生するリークを軽減することができ、発電した電力をより多く取り出すことができ、光電変換装置１００の出力を大きくすることができる。
（２）図１に示すように第４スリットＳ４を波線状とすることにより、光電変換セル５０の電極として作用する光電変換に寄与しない無効領域を小さくし、光電変換に寄与する有効領域を大きくすることができる。なお、コンタクトホール２２が形成された部分を除いて、できるだけ多くの領域で第１スリットＳ１と第４スリットＳ４とが重畳するように配置することにより、無効領域を最小限にすることができ、有効面積を大きくすることができる。これによって、発電に寄与する有効領域の面積を大きくすることができるので光電変換装置１００の出力を大きくすることができる。
（３）第１スリットＳ１と第４スリットＳ４を重畳させる場合にあっては、第１スリットＳ１と第４スリットＳ４が重畳する開溝部において、第４スリットＳ４により透明電極層１２の表面が露出する形状、もしくは第１スリットＳ１で形成される透明電極層１２の側壁が、第４スリットで形成される側壁と段差なく一続きとなる形状とする。これにより、透明電極層１２に比べて基板１０との接着力が弱い第１光電変換層１４が、基板１０と直接接触することがない。したがって、外部から水分が侵入したときに発生し易い第１光電変換層１４の剥離をより良く防止することができ、信頼性を向上させることができる。
＜第２の実施の形態＞
以下において、本発明の第２の実施の形態に係る太陽電池の構成について、図４および図６を参照しながら説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成については説明を省略する。
以下において、本発明の第２の実施の形態に係る太陽電池の構成について、図４および図６を参照しながら説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成については説明を省略する。
図４ないし図６は、本発明の第２の実施の形態における光電変換装置１００の構成を示す。図４は、光電変換装置１００を受光面とは反対側である裏面から見た平面図である。図５は、図４のラインＡ−ＡおよびＢ−Ｂに沿った断面図である。図６は、図４のラインＢ−Ｂに沿った製造工程を示すための断面図である。なお、図４ないし図６では、構成を明確に示すために各部の寸法を実際のものとは変えて示し、第１の実施の形態と同様の構成には同じ符号を用いている。
第２の実施の形態では、第１の実施の形態と同様にして、図３（ｂ）で示す基板１０上に形成した透明電極層１２上に、第１光電変換層１４、中間層１６、第２光電変換層１８を順次積層したものを準備する。
次に、図６（ａ）に示すように、第２光電変換層１８上に、裏面電極２０を形成する。裏面電極２０として、第１の実施の形態で用いたものと同様の材料を用いることができる。
図６（ｂ）に示すように、第１スリットＳ１から５０μｍ離れた位置にＹＡＧレーザを照射して第４スリットＳ４を形成して第１光電変換層１４、中間層１６、および第２光電変換層１８、裏面電極２０を短冊状にパターニングする。これにより、複数の光電変換セル５０を形成する。ＹＡＧレーザは、エネルギー密度０．７Ｊ／ｃｍ2、パルス周波数４ｋＨｚのものを用いることが好適である。
図５（ｂ）に示すように、第４スリットＳ４の第１スリットＳ１側の側壁に接続部材２６を形成する。接続部材２６は、裏面電極２０と隣接する光電変換セル５０の透明電極層１２とを直列接続するために複数形成される。なお、本実施の形態において、特許請求の範囲における導電体は、接続部材２６に対応する。接続部材２６は、裏面電極２０上に掛かるように形成し、裏面電極２０と接続部材２６との接触面積を大きくするようにして形成する。接続部材２６は、１０〜５０μｍ程度の幅を有し、樹脂材料に銀などの金属粒子を混合してなる導電性ペースト等の導電材料を用いることができる。接続部材２６は、インクジェット印刷やスクリーン印刷でパターニングされた後、１２０〜２００℃で焼成される。なお、接続部材２６を形成する際には、導電性ペーストが周囲に広がることを防止するために基板１０を温めた後、導電性ペーストをパターニングして、焼成しつつ、形成してもよい。
このように基板１０上に透明電極層１２、第１光電変換層１４、中間層１６、第２光電変換層１８および裏面電極２０を積層して複数の光電変換セル５０を形成する。
以下に、本実施の形態で特徴である光電変換セル５０の直列接続構造により得られる効果について説明する。
（４）図５（ｂ）に示すように隣接する光電変換セル５０の透明電極層１２と裏面電極２０は、接続部材２６によって接続される。この接続部材２６は、従来のスリットを形成する構造の裏面電極２０と中間層１６との接触面積に比べ、接続部材２６と中間層１６との接触面積を小さくすることができる。これにより、接続部材２６と中間層１６の接触面で発生するリークを軽減することができ、発電した電力をより多く取り出すことができる。
（５）第１スリットＳ１と第４スリットＳ４との間にスリットを形成しないため、第１スリットＳ１と第４スリットＳ４の間隔を狭くすることができる。したがって、従来技術で形成していた第３スリットＳ３の領域をも発電に寄与する有効領域とすることができる。このため、発電に寄与する有効領域の面積を大きくすることができるので光電変換装置２００の出力を大きくすることができる。
（６）接続部材２６は、裏面電極２０と隣接する光電変換セル５０の透明電極層１２とを直列接続するために複数形成される。すなわち、隣接する光電変換セル５０の一方の裏面電極２０と他方の透明電極層１２とを接続するために、第４スリットＳ４の第１スリットＳ１側の側壁に複数個所、接続部材２６を設ける。これにより、隣接する光電変換セル５０の一方の裏面電極２０と他方の透明電極層１２とを一つの接続部材で接続した場合に比べ、接続部材の材料の使用量を少なくすることができ、ひいて光電変換装置の材料コストの低減を図ることができる。
（７）接続部材２６を形成するために導電性ペーストを用いる。これにより、大きな基板１０上に形成した複数の光電変換セル５０を直列接続する接続部材２６を容易に形成することができる。例えば、スパッタリング法により接続部材２６を形成する場合、大きな基板においては、複数の接続部材２６の膜厚を均一に形成することが難しかった。さらに、複数の接続部材２６を形成するためにマスクを用いた場合、基板１０全面にスパッタリングするだけの接続部材２６の材料が必要となり、接続部材２６の材料の使用量を少なくすることができなかった。この点、導電性ペーストを用いた接続部材２６を形成する場合では、大きな基板であっても、スクリーン印刷法などの安易な方法で均一な膜厚を有する複数の接続部材２６を形成することができる。さらに、少ない材料で接続部材２６を形成することができ、光電変換装置の材料コストの低減を図ることができる。
１０、１１０ 基板
１２、１１２ 透明電極層
１４、１１４ 第１光電変換層
１６ 中間層
１８、１１８ 第２光電変換層
２０、１２０ 裏面電極
２２ コンタクトホール
２４ 第１スリットＳ１と第４スリットＳ４に囲まれた領域
２６ 接続部材
５０、１５０ 光電変換セル
１００、２００、３００ 光電変換装置
１２、１１２ 透明電極層
１４、１１４ 第１光電変換層
１６ 中間層
１８、１１８ 第２光電変換層
２０、１２０ 裏面電極
２２ コンタクトホール
２４ 第１スリットＳ１と第４スリットＳ４に囲まれた領域
２６ 接続部材
５０、１５０ 光電変換セル
１００、２００、３００ 光電変換装置
Claims (8)
- 基板上に透明電極層と、第１光電変換層と、中間層と、第２光電変換層と、裏面電極と、を順に積層して構成された光電変換セルを複数備えた光電変換装置であって、
隣接する前記光電変換セルの一方の前記裏面電極と、他方の前記透明電極層と、が複数の導電体により接続されている
ことを特徴とする光電変換装置。 - 請求項１に記載の光電変換装置であって、
前記裏面電極は、前記第１光電変換層と、前記中間層と、前記第２光電変換層とを貫通する複数のコンタクトホールを介して前記透明電極層と接続している
ことを特徴とする光電変換装置。 - 請求項１又は請求項２に記載の光電変換装置であって、
前記第１光電変換層と、前記中間層と、前記第２光電変換層と、前記裏面電極と、を分割する第１スリットは、波線状であることを特徴とする光電変換装置。 - 請求項３に記載の光電変換装置であって、
前記第１スリットと、前記透明電極層を分割する第２スリットと、を有し、
前記第２スリットは、前記第１スリットと部分的に重畳し、前記第１スリットと前記第２スリットとで囲まれた領域に前記コンタクトホールを有することを特徴とする光電変換装置。 - 請求項４に記載の光電変換装置であって、
前記第１光電変換層と、前記中間層と、前記第２光電変換層と、前記裏面電極と、を分割するスリットにより形成された側壁と、前記透明電極層を分割するスリットにより形成された側壁と、が段差なく一続きとなることを特徴とする光電変換装置。 - 請求項４に記載の光電変換装置であって、
前記第１光電変換層と、前記中間層と、前記第２光電変換層と、前記裏面電極と、を分割するスリットにより前記透明電極層が露出することを特徴とする光電変換装置。 - 請求項１に記載の光電変換装置であって、
前記第１光電変換層と、前記中間層と、前記第２光電変換層と、前記裏面電極と、を分割して形成するスリットと、
前記スリットの側壁に前記導電体として設けられた接続部材と、
が形成することを特徴とする光電変換装置。 - 請求項７に記載の光電変換装置であって、
前記接続部材は、前記スリットの側壁と、前記裏面電極上にも形成されたことを特徴とする光電変換装置。
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