JP2014017450A - 光電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光電変換効率を長期にわたって高く維持することが可能な光電変換装置を提供する。
【解決手段】 光電変換装置１１は、基板１の上側主面上に設けられた、第１の下部電極２ａ層および第２の下部電極層２ｂが一方向に離れて平面配置されている下部電極層２と、第１の下部電極層２ａ上から基板１上を経て第２の下部電極層２ｂ上にかけて設けられた第１導電型の第１の半導体層３ａと、第１の半導体層３ａ上に設けられた第１導電型とは異なる第２導電型の第２の半導体層４ａと、第２の半導体層４ａと第２の下部電極層２ｂとを電気的に接続する接続導体７ａとを備え、基板１の上側主面の第１の下部電極層２ａと第２の下部電極層２ｂとの間の部位に窪み１ｘを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板上に複数の光電変換セルを具備する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、光吸収係数が高いＣＩＧＳなどのＩ−III−VI族化合物半導体やＣＺＴＳ等のＩ−II−IV−VI族化合物半導体を光電変換層と
して用いたものがある（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。これらの化合物半導体は光吸収係数が高く、光電変換装置の薄膜化や大面積化や低コスト化に適しており、これを用いた次世代太陽電池の研究開発が進められている。

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、光電変換層と、透明電極や金属電極などの上部電極層とを、この順に積層した光電変換セルを、平面的に複数並設した構成を有することによって構成される。複数の光電変換セルは、隣り合う一方の光電変換セルの上部電極層と他方の下部電極層とを、接続導体で接続することで、電気的に直列接続されている。

そして、この光電変換装置は、光電変換セル部がエチレン酢酸ビニル共重合樹脂（ＥＶＡ）等の封止材で封止され、太陽電池として使用される（例えば、特許文献３参照）。

また、Ｓｉ系など他の材料を光電変換層に用いた光電変換装置にも、同様の構成を有するものがある。

特開２０００−２９９４８６号公報 特開２００２−３７３９９５号公報 特開２００９−１８８３５７号公報

このような光電変換装置は、設置の際や使用中における熱膨張等によって基板に応力が加わり、基板にクラック等の破損が生じることがある。その場合、基板上に設けられた光電変換セルにもクラック等が進行し、発電に寄与する部位や接続導体の破損により、光電変換効率が低下しやすくなる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、光電変換効率を長期にわたって高く維持することが可能な光電変換装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る光電変換装置は、基板の上側主面上に設けられた、第１の下部電極層および第２の下部電極層が一方向に離れて平面配置されている下部電極層と、前記第１の下部電極層上から前記基板上を経て前記第２の下部電極層上にかけて設けられた第１導電型の第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導電型とは異なる第２導電型の第２の半導体層と、該第２の半導体層と前記第２の下部電極層とを電気的に接続する接続導体とを備え、前記基板の上側主面の前記第１の下部電極層と前記第２の下部電極層との間の部位に窪みを有する。

本発明によれば、光電変換装置の光電変換効率を長期にわたって高く維持することが可能となる。

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の光電変換装置の要部拡大断面図である。 光電変換モジュールの一例を示す断面図である。 光電変換モジュールの他の例を示す断面図である。 光電変換装置の製造途中の様子を示す断面図である。 光電変換装置の製造途中の様子を示す断面図である。 光電変換装置の製造途中の様子を示す断面図である。 光電変換装置の製造途中の様子を示す断面図である。 光電変換装置の製造途中の様子を示す断面図である。

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２の光電変換装置をさらに拡大した要部拡大断面図である。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においては図示の都合上、２つの光電変換セル１０ａ、１０ｂ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、図２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。図１、図２において、複数の下部電極層２は、一方向（Ｘ軸方向）に間隔（以下、隣接する下部電極層２間の間隙を第１溝部Ｐ１ともいう）をあけて並べられた下部電極層２ａ〜２ｃを具備している。そして、この下部電極層２ａ上から基板１上を経て下部電極層２ｂ上にかけて、第１の半導体層３ａが設けられている。また、第１の半導体層３ａ上には、第１の半導体層３ａとは異なる導電型の第２の半導体層４ａが設けられている。さらに、下部電極層２ｂ上において、接続導体７ａが、第１の半導体層３ａの側面に沿って、または第１の半導体層３ａを貫通して設けられている。この接続導体７ａは、第２の半導体層４ａと下部電極層２ｂとを電気的に接続している。これら、下部電極層２ａ、下部電極層２ｂ、第１の半導体層３ａ、第２の半導体層４ａおよび接続導体７ａによって、１つの光電変換セル１０ａを構成している。

同様に、別の光電変換セル１０ｂが光電変換セル１０ａに隣接するように設けられている。つまり、下部電極層２ｂ上から下部電極２ｃにかけて第１の半導体層３ｂおよび第２の半導体層４ｂが設けられている。さらに下部電極２ｃ上において、第２の半導体層４ｂと下部電極層２ｃとを電気的に接続する接続導体７ｂが設けられている。これら、下部電極層２ｂ、下部電極層２ｃ、第１の半導体層３ｂ、第２の半導体層４ｂおよび接続導体７ｂによって、１つの光電変換セル１０ｂを構成している。

そして、光電変換セル１０ａおよび光電変換セル１０ｂは、下部電極２ｂをともに利用しており、このような構成によって、光電変換セル１０ａおよび光電変換セル１０ｂが直
列接続された、高出力の光電変換装置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（下部電極層２ａ、２ｂ、２ｃ）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。

ここで、隣接する下部電極層２の一方を第１の下部電極層とし、他方を第２の下部電極層としたときに、基板１の上側主面の第１の下部電極層と第２の下部電極層との間の部位、すなわち、基板１の上側主面の第１溝部Ｐ１に対応する部位に、窪み１ｘを有している。図１および図２においては、基板１の上側主面における、下部電極層２ａと下部電極層２ｂとの間の部位、あるいは、下部電極層２ｂと下部電極層２ｃとの間の部位に窪み１ｘが設けられている。このような構成により、光電変換装置１１に外力や熱膨張等によって応力が生じた場合に、この窪み１ｘが開閉することによって応力を緩和することができ、光電変換セル１０の破損を有効に低減できる。また、この窪み１ｘの位置は下部電極層２同士の間にあるため、仮に、基板１にクラックが生じるほどの応力が生じたとしても、この窪み１ｘを起点としてクラックを進行させることができ、第１の半導体層３の光電変換に寄与する部位や接続導体７へのクラックの進行を低減できる。すなわち、光電変換機能を良好に維持できるとともに隣接する光電変換セル１０間の電気的な接続も良好に維持できる。その結果、光電変換装置１１の光電変換効率を長期にわたって高く維持することが可能となる。

なお、第１の半導体層３の光電変換に寄与する部位とは、図２における、下部電極層２ａ上に位置する第１の半導体層３ａの部位、および下部電極層２ｂ上に位置する第１の半導体層３ｂの部位である。従来の光電変換装置では、応力が加わった場合に、基板の任意の部位からクラックが生じる可能性があり、例えば、下部電極層の直下の基板からクラックが発生すると、第１の半導体層の光電変換に寄与する部位にクラックが進行し、光電変換機能が低下する。また、接続導体の直下の基板からクラックが発生すると、接続導体にクラックが進行し、隣接する光電変換セル間の電気伝導が低下する。これに対して、図１〜図３の光電変換装置１１のように窪み１ｘを第１溝部Ｐ１に対応する部位に有している場合、第１の半導体層３の光電変換に寄与する部位の直下や接続導体７の直下でのクラックの発生を低減できる。また、クラックが生じるような大きな応力が加わったとしても、窪み１ｘを起点としてクラックが生じやすくなり、第１の半導体層３の光電変換に寄与する部位や接続導体７へのクラックの進行を良好に低減できる。

窪み１ｘは、図１〜図３において基板１を−Ｚ方向に平面視したときに、点状に形成されていてもよく、第１溝部Ｐ１に沿って（Ｙ軸方向に沿って）線状に形成されていてもよい。また、Ｙ軸方向に沿うとともに基板１の上側主面に垂直な基板１の断面（基板１のＸＺ断面）における窪み１ｘの形状は、下側に凸の曲面であってもよく、頂部を有する矩形状であってもよい。また、窪み１ｘは第１溝部Ｐ１内に複数個形成されていてもよい。

また、図３に示すように、ＸＺ断面において、窪み１ｘの幅Ｌ１が下部電極層２ａおよ
び下部電極層２ｂの間隔よりも狭くてもよい。例えば、窪み１ｘの最大幅Ｌ１は、第１溝部Ｐ１の幅の０．０１〜１倍とすることができる。これにより、窪み１ｘの開閉がより円滑に行なわれるため、光電変換装置１１に生じる応力をより有効に緩和することが可能となる。また、窪み１ｘの深さＬ２は、最大幅Ｌ１の０．１〜２倍としてもよい。これにより、窪み１ｘの開閉をより良好にして応力緩和効果を高めることができる。

また、図３に示すように、ＸＺ断面において、窪み１ｘが下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂからそれぞれ離れていてもよい。つまり、窪み１ｘが下部電極２ａや下部電極２ｂと接していなくてもよい。これにより、窪み１ｘを起点としてクラックが生じたとしても、クラックが第１の半導体層３の光電変換に寄与する部位や接続導体７へ進行するのをより低減できる。

第１の半導体層３（第１の半導体層３ａ、３ｂ）は第１導電型の半導体層である。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としては、シリコン、II−VI族化合物、Ｉ−III−VI族化合物およびＩ−II−IV−VI族化合物等が挙げられる。

II−VI族化合物とは、II−Ｂ族（１２族元素ともいう）とVI−Ｂ族元素（１６族元素ともいう）との化合物半導体である。II−VI族化合物としては、例えば、ＣｄＴｅ等が挙げられる。

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）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−II−IV−VI族化合物とは、Ｉ−Ｂ族元素とII−Ｂ族元素と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_２ＺｎＳｎ（Ｓ，Ｓｅ）_４（ＣＺＴＳＳｅともいう）、およびＣｕ_２ＺｎＳｎＳｅ_４（ＣＺＴＳｅともいう）が挙げられる。

第１の半導体層３は、スパッタリング法、蒸着法などのいわゆる真空プロセスによって形成可能であるほか、いわゆる塗布法あるいは印刷法と称されるプロセスによって形成することもできる。塗布法あるいは印刷法と称されるプロセスは、第１の半導体層３の構成元素の錯体溶液を下部電極層２の上に塗布し、その後、乾燥・熱処理を行うプロセスである。

第２の半導体層４（第２の半導体層４ａ、４ｂ）は、第１の半導体層３とは異なる第２導電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が電気的に接合することにより、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。

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（上部電極層５ａ、５ｂ）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、図２に示すように、上部電極層５上にさらに集電電極８（集電電極８ａ、８ｂ）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、図１に示すように、下部電極層２の配列方向であるＸ軸方向に延びるように線状に形成されていてもよい。これにより、窪み１ｘでクラックが発生したとしても、集電電極８で良好にクラックの進行を止め、電気的な接続を良好に維持することができる。このような観点から、集電電極８は厚みが第１の半導体層３よりも厚くてもよい。具体的には、集電電極８の厚みが１〜２００μｍであり、幅が５０〜４００μｍであってもよい。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（接続導体７ａ、７ｂ）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を分断する第２溝Ｐ２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１１は、例えば、図４に示すように、光電変換セル１０が封止材２１やカバー部材３１で封止され、光電変換モジュール１００とされる。この光電変換モジュール１００が、例えば太陽光発電に用いられる。

封止材２１は、例えば、エチレン酢酸ビニル共重合樹脂（ＥＶＡ）を主成分とする樹脂やポリビニルブチラールを主成分とする樹脂等が用いられる。また、光電変換モジュール１００の強度を高めるため、封止材２１の上にカバー部材３１が設けられていてもよい。カバー部材３１はガラス等が用いられる。

また、図５に示すように、光電変換装置１１は、上側および下側の両方が封止材２２、
２３およびカバー部材３２、３３で封止されることによって光電変換モジュール２００とされてもよい。

光電変換モジュール１００では、封止部材３１やカバー部材３１が上側だけに設けられているため、部材費を低減できる。この場合、光電変換装置１１の基板１の下側主面が保護されていないため、外力が加わりやすくなるが、上記のように窪み１ｘを有する構造とすることで、光電変換装置１１の光電変換効率を長期にわたって高く維持することが可能となる。また、光電変換モジュール２００では、上下から封止部材２２、２３およびカバー部材３２、３３が光電変換装置１１を保護しているのでより強度が高くなり、光電変換装置１１の光電変換効率を、さらにいっそう、長期にわたって高く維持することが可能となる。

＜光電変換装置の製造プロセス＞
次に、上記構成を有する光電変換装置１１の製造プロセスについて説明する。図６〜図１０は、光電変換装置１１の製造途中の様子を示す断面図である。なお、図６〜図１０に示す断面図は、図２に示す断面に対応する部分の製造途中の様子を示す。

まず、図６に示すように、洗浄された基板１の略全面に、スパッタリング法などを用いて、Ｍｏなどからなる下部電極層２を成膜する。そして、下部電極層２の一部に第１溝部Ｐ１を形成する。第１溝部Ｐ１は、ＹＡＧレーザーその他のレーザー光を形成対象位置に照射することで溝加工を行なう、レーザースクライブ加工によって形成してもよい。

また、この第１溝部Ｐ１において露出した基板１の上側主面に窪み１ｘを形成する。窪み１ｘは、レーザーやスクライブ針、ドリル等を用いて形成することができる。また、無機化合物粒子や有機化合物粒子、金属粒子等を吹き付けて窪み１ｘを形成してもよい。図７は、第１溝部Ｐ１および窪み１ｘを形成した後の状態を示す図である。

第１溝部Ｐ１および窪み１ｘを形成した後、下部電極層２の上に、第１の半導体層３、第２の半導体層４および上部電極層５を順次形成する。第１の半導体層３、第２の半導体層４および上部電極層５は、スパッタリング法、蒸着法、塗布法またはＣＢＤ法等を用いて形成することができる。図８は、第１の半導体層３、第２の半導体層４および上部電極層５を形成した後の状態を示す図である。

第１の半導体層３、第２の半導体層４および上部電極層５を形成した後、第１の半導体層３、第２の半導体層４および上部電極層５を貫通するように第２溝部Ｐ２を、例えばメカニカルスクライブ加工によって形成する。メカニカルスクライブ加工は、スクライブ針やドリルを用いたスクライビングによって、第１の半導体層３を下部電極層２から除去する加工をいう。図９は、第２溝部Ｐ２を形成した後の状態を示す図である。

第２溝部Ｐ２を形成した後、上部電極層５上および第２溝部Ｐ２内に、例えば、Ａｇなどの金属粉を樹脂バインダーなどに分散させた導電ペーストをパターン状に印刷し、これを加熱硬化することで、集電電極８および接続導体７を形成する。図１０は、集電電極８および接続導体７を形成した後の状態を示す図である。

最後に第２溝部Ｐ２からずれた位置で、第１の半導体層３〜集電電極８を、例えばメカニカルスクライブ加工により除去して複数の光電変換セル１０に分割することによって、図１および図２に示す光電変換装置１１を得ることができる。

なお、本発明は上述の実施の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において種々の変更、改良などが可能である。

１：基板
１ｘ：窪み
２、２ａ、２ｂ：下部電極層
３、３ａ、３ｂ：第１の半導体層
４、４ａ、４ｂ：第２の半導体層
５、５ａ、５ｂ：上部電極層
７、７ａ、７ｂ：接続導体
８、８ａ、８ｂ：集電電極
１０、１０ａ、１０ｂ：光電変換セル
１１：光電変換装置

Claims (4)

1. 基板の上側主面上に設けられた、第１の下部電極層および第２の下部電極層が一方向に離れて平面配置されている下部電極層と、
   前記第１の下部電極層上から前記基板上を経て前記第２の下部電極層上にかけて設けられた第１導電型の第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導電型とは異なる第２導電型の第２の半導体層と、
   該第２の半導体層と前記第２の下部電極層とを電気的に接続する接続導体とを備え、
   前記基板の上側主面の前記第１の下部電極層と前記第２の下部電極層との間の部位に窪みを有する光電変換装置。
2. 前記一方向に沿うとともに前記上側主面に垂直な前記基板の断面において、前記窪みの幅が前記第１の下部電極層および前記第２の下部電極層の間隔よりも狭い、請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記断面において、前記窪みが前記第１の下部電極層および前記第２の下部電極層からそれぞれ離れている、請求項２に記載の光電変換装置。
4. 前記第２の半導体層上に前記一方向に延びる線状の集電電極をさらに具備している、請求項１乃至３のいずれかに記載の光電変換装置。

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