JP2014049484A - 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上に互いに間隙Ｐ１を介して並べられた第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上から間隙Ｐ１を経て第２の下部電極層２ｂ上にかけて設けられた半導体層３とを具備しており、第１の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂは、低抵抗層２１と、低抵抗層２１の上面および間隙Ｐ１側の側面を連続して覆う、ＭｏおよびＷのうちの少なくとも１種を主として含む被覆層２２とを具備しており、低抵抗層２１は被覆層２２よりも電気抵抗率が低い。
【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、モリブデンやタングステンなどの下部電極層と、光電変換層としての半導体層と、上部電極層としての透明導電膜とを、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光電変換セル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、下部電極層の電気抵抗を小さくして、光電変換によって生じた電流の損失を低減することが考えられる。しかし、下部電極層として、銀等の電気抵抗率の小さい材料を用いた場合、下部電極層が化学反応によって変質し、半導体層と下部電極層との密着性が低下しやすくなる。その結果、光電変換装置の光電変換効率を十分に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隙を介して並べられた第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間隙を経て前記第２の下部電極層上にかけて設けられた半導体層とを具備している。また、前記第１の下部電極層および前記第２の下部電極層は、低抵抗層と、該低抵抗層の上面および前記間隙側の側面を連続して覆う、ＭｏおよびＷのうちの少なくとも１種を主として含む被覆層とを具備しており、前記低抵抗層は前記被覆層よりも電気抵抗率が低い。

本発明によれば、光電変換装置の光電変換効率を高め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２の光電変換装置をさらに拡大した断面図である。 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。 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、本発明の一実施形態に係る光電変換装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、図面においては同様な構成および機能を有する部分については同一符号が付されており、下記説明では重複説明が省略される。また、図面は模式的に示されたものであり、各図における各種構造のサイズおよび位置関係等は正確に図示されたものではない。

＜（１）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１１の一例を示す斜視図である。図２は、図１の光電変換装置１１のＸＺ断面図である。なお、図１から図１１には、光電変換セル１０の配列方向（図１の図面視左右方向）をＸ軸方向とする右手系のＸＹＺ座標系が付されている。

光電変換装置１１は、基板１の上に複数の光電変換セル１０が並設された構成を有している。図１では、図示の都合上、２つの光電変換セル１０のみが示されているが、実際の光電変換装置１１には、図面のＸ軸方向、或いは更に図面のＹ軸方向に、多数の光電変換セル１０が平面的に（二次元的に）配列されている。

下部電極層２は、複数個が間隙Ｐ１を介して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、光電変換層（本実施例では光電変換層は第１の半導体層３および第２の半導体層４を備えている）、および上部電極層５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と上部電極層５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）、光電変換層、上部電極層５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。

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、低抵抗層２１と、この低抵抗層２１の上面および間隙Ｐ１側の側面を連続して覆う、モリブデン（Ｍｏ）およびタングステン（Ｗ）のうちの少なくとも１種を主として含む被覆層２２とを具備している。そして、この低抵抗層２１は被覆層２２よりも電気抵抗率が低い。なお、ＭｏおよびＷのうちの少なくとも１種を主として含むとは、被覆層２２中におけるＭｏまたはＷの濃度、あるいはＭｏおよびＷを両方含む場合はその両方の合計の濃度が７０原子％以上であることをいう。

このような構成により、低抵抗層２１で電気伝導度を高めることができるとともに、被覆層２２が第１の半導体層３との密着性を良好に維持することができる。その結果、光電
変換装置１１の光電変換効率を高めることができる。

低抵抗層２１としては、電気抵抗率が、例えば、被覆層２２の電気抵抗率より低いものを用いることができる。このような低抵抗層２１の材料としては、銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属、これらの金属の合金、あるいは、これらの金属の少なくとも１種と他の金属との合金であってもよい。低抵抗層２１は、例えば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、例えば０．０５〜１μｍ程度の厚みに形成される。安価で加工性が良いという観点から、低抵抗層２１はＡｌを主として含んでいてもよい。また、裏面電極からのＣｕ拡散による特性改善という観点から、低抵抗層２１はＣｕを主として含んでいてもよい。なお、Ａｌを主として含むとは、Ａｌの濃度が７０原子％以上であることをいう。

被覆層２２は、ＭｏおよびＷのうちの少なくも１種を主として含んでいる。これにより、第１の半導体層３との良好な密着性を有するとともに、第１の半導体層３との良好なオーミックコンタクトを形成することができる。低抵抗層２１は、例えば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、例えば０．０５〜１μｍ程度の厚みに形成される。

また、被覆層２２は、低抵抗層２１の上面を覆う部位の厚さＤ１よりも、間隙Ｐ１側の側面を覆う部位の厚さＤ２の方が厚くてもよい。例えば、厚さＤ２は厚さＤ１の１．５〜２０倍程度である。これにより、間隙Ｐ１において第１の電極層２ａと第２の電極層２ｂとの間でのリーク電流の発生を低減することができる。つまり、被覆層２２の厚さＤ１を薄くすることで、第１の半導体層３からの電流を低抵抗層２１へ良好に流すことができる。また、被覆層２２の厚さＤ２を厚くすることで、低抵抗層２１同士の間隔をある程度離した状態にしてリーク電流の発生を抑制しながら、間隙Ｐ１の間隔を狭めて光電変換に寄与する部位の面積を高めることができる。なお、被覆層２２の、低抵抗層２１の上面を覆う部位の厚さＤ１とは、図３の光電変換セル１０の部分拡大断面図に示すように、低抵抗層２１の上面を覆っている部位のＺ軸方向における厚さである。また、被覆層２２の間隙Ｐ１側の側面を覆う部位の厚さＤ２とは、図３に示すように、低抵抗層２１の間隙Ｐ１側の側面を覆っている部位のＸ軸方向における厚さである。

また、低抵抗層２１は、その上面よりも間隙Ｐ１側の側面の方が、表面粗さ（Ｒａ）が大きくてもよい。例えば、側面のＲａは上面のＲａの１〜１００倍程度である。これにより、被覆層２２との密着面積が上面に比べて小さい側面においても、被覆層２２と低抵抗層２１との密着性力を高めることができる。なお、低抵抗層２１の上面の表面粗さ（Ｒａ）は、光電変換装置１１のＸＺ断面を撮影し、低抵抗層２１の上面の輪郭をコンピューターで画像処理して、基準長さ０．５μｍにおける表面粗さ（Ｒａ）を求めることによって測定できる。また、低抵抗層２１の側面の表面粗さ（Ｒａ）は、光電変換装置１１のＸＹ断面を撮影し、低抵抗層２１の間隙Ｐ１に沿った側面の輪郭をコンピューターで画像処理して、基準長さ０．５μｍにおける表面粗さ（Ｒａ）を求めることによって測定できる。

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。１０μｍ以下の薄膜でも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、光吸収層としての第１の半導体層３と、第２の半導体層４とは逆の構成であってもよく、下部電極層２上に第２の半導体層４および第１の半導体層３が順に積層されていてもよい。

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）法やスパッタリング法等で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。

＜光電変換装置の製造方法＞
次に、光電変換装置１１の製造プロセスについて説明する。図４〜図１１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４〜図１１で示される断面図は、図２で示される断面に対応する部分の製造途中の様子を示す。

まず、図４で示されるように、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、Ａｇなどからなる低抵抗層２１を成膜する。図４は低抵抗層２１を形成した後の状態を示す図である。

低抵抗層２１を形成した後、低抵抗層２１の一部を除去して間隙Ｐ０を形成する。間隙Ｐ０は、レーザースクライブ加工やブラスト加工等によって形成することができる。図５は、間隙Ｐ０を形成した後の状態を示す図である。

間隙Ｐ０を形成した後、低抵抗層２１上および間隙Ｐ０内の略全面に、スパッタリング法などを用いて、Ｍｏなどからなる被覆層２２を成膜する。図６は被覆層２２を形成した後の状態を示す図である。

被覆層２２を形成した後、間隙Ｐ０内における被覆層２２の一部を、レーザースクライブ加工等によって除去して、例えば１０〜３００μｍの間隔を有する間隙Ｐ１を形成する。これにより、間隙Ｐ１を介して並べられた第１の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂが形成されたことになる。図７は、間隙Ｐ１を形成した後の状態を示す図である。

間隙Ｐ１を形成した後、第１の下部電極層２ａ上、第２の下部電極層２ｂ２上および間隙Ｐ１内に第１の半導体層３をスパッタリング法や塗布法等によって形成する。図８は、第１の半導体層３を形成した後の状態を示す図である。

第１の半導体層３を形成した後、第１の半導体層３の上に、第２の半導体層４および上部電極層５を、ＣＢＤ法やスパッタリング法等で順次形成する。図９は、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２の半導体層４および上部電極層５を形成した後、第２の下部電極層２ｂ上の間隙Ｐ１からずれた位置における第１の半導体層３〜上部電極層５を、例えばメカニカルスクラ
イブ加工等によって除去し、第１の半導体層３中に第２の下部電極層２ｂが露出した接続導体用溝Ｐ２を形成する。図１０は接続導体用溝Ｐ２を形成した後の状態を示す図である。

接続導体用溝Ｐ２を形成した後、上部電極層５上および接続導体用溝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１１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。

最後に接続導体用溝部Ｐ２からずれた位置で、第１の半導体層３〜集電電極８をメカニカルスクライブ加工により除去することで、複数の光電変換セル１０に分割し、図１および図２で示された光電変換装置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
１０：光電変換セル
１１：光電変換装置
２１：低抵抗層
２２：被覆層
Ｐ１：間隙

Claims (4)

1. 基板と、該基板上に互いに間隙を介して並べられた第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間隙を経て前記第２の下部電極層上にかけて設けられた半導体層とを具備しており、
   前記第１の下部電極層および前記第２の下部電極層は、低抵抗層と、該低抵抗層の上面および前記間隙側の側面を連続して覆う、ＭｏおよびＷのうちの少なくとも１種を主として含む被覆層とを具備しており、前記低抵抗層は前記被覆層よりも電気抵抗率が低い、光電変換装置。
2. 前記被覆層は前記上面を覆う部位よりも前記側面を覆う部位の方が厚い、請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記低抵抗層は前記上面よりも前記側面の方が表面粗さが大きい、請求項１または２に記載の光電変換装置。
4. 前記低抵抗層はＡｌやＣｕを主として含む、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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