JP2014072261A

JP2014072261A - 光電変換モジュール

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Publication number: JP2014072261A
Application number: JP2012215366A
Authority: JP
Inventors: Nobuoki Horiuchi; 伸起堀内; Keita Kurosu; 敬太黒須
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-04-21

Abstract

【課題】光電変換装置における光電変換効率の向上を目的とする。
【解決手段】光電変換モジュール２００は、第１基板１と、第１基板１上に位置する光電変換層と、光電変換層３上から第１基板１上にかけて位置する透光性の封止材２０と、封止材２０上に位置する透光性の第２基板１２と、封止材２０の外側に位置し、第１基板１と第２基板１２との隙間を塞ぐシール材２１と、封止材２０とシール材２１との間に位置する、封止材２０よりも屈折率が低い低屈折率部２２とを具備する。
【選択図】図４

Description

本発明は光電変換層が封止材で封止された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。

太陽光発電に使用される光電変換モジュールは、様々な種類のものがある。その中でも、ＣＩＳ系（銅インジウムセレナイド系）やＣＩＧＳ系（銅インジウムガリウムセレナイド系）等の化合物半導体薄膜や、アモルファスシリコン薄膜のような薄膜系の光電変換層を用いたものは、比較的低コストで大面積の光電変換モジュールを容易に製造できる点から、研究開発が進められている。

この薄膜系の光電変換モジュールは、ガラス基板などの第１基板上に、下部電極層、光電変換層、および上部電極層を順次成膜した光電変換装置を備えている。さらに、このような光電変換モジュールは、上記の光電変換装置上に、エチレンビニルアセテート共重合体（以下、ＥＶＡという）等の封止材を介して白色強化ガラスなどから成る第２基板が積層され一体化されている。

また、このような光電変換モジュールにおいては、外部から水分が浸入した場合、光電変換層などが劣化し、光電変換効率が低下する場合がある。そのため、このような光電変換モジュールでは、水分を遮断するためのシール材が外周部に配置されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１２３７２５号公報

光電変換モジュールには、光電変換効率の向上が常に要求される。光電変換効率を高めるための１つの方法として、光電変換モジュールに入射した光を効率よく光電変換層に導くことが有効である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、光電変換装置における光電変換効率の向上を目的とする。

本発明の一実施形態に係る光電変換モジュールは、第１基板と、該第１基板上から前記第１基板上にかけて位置する光電変換層と、該光電変換層上に位置する透光性の封止材と、該封止材上に位置する透光性の第２基板と、前記封止材の外側に位置し、前記第１基板と前記第２基板との隙間を塞ぐシール材と、前記封止材と前記シール材との間に位置する、前記封止材よりも屈折率が低い低屈折率部とを具備する。

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光電変換効率が向上する。

一実施形態に係る光電変換モジュールにおける光電変換装置を示す要部拡大斜視図である。図１の光電変換装置の断面図である。一実施形態に係る光電変換モジュールの全体を示す斜視図である。図３の光電変換モジュールの断面図である。第１変形例に係る光電変換モジュールの断面図である。第２変形例に係る光電変換モジュールの断面図である。第３変形例に係る光電変換モジュールの断面図である。第４変形例に係る光電変換モジュールの断面図である。第５変形例に係る光電変換モジュールの断面図である。

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。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じ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。また、図１〜図９には、後述する光電変換セルの配列方向をＸ軸とする右手系のＸＹＺ座標が付してある。まず、光電変換モジュールの一部である光電変換装置について説明する。

＜光電変換装置の構成＞
図１は、光電変換装置１１の要部拡大斜視図であり、図２はそのＸＺ断面図である。光電変換装置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、第１基板１と、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。これら第１の半導体層３と第２の半導体層４とで電荷を良好に分離可能な光電変換層が形成される。

光電変換装置１１は、隣接する一方の光電変換セル１０の上部電極層５と他方の光電変換セル１０の下部電極層２とが接続導体６を介して電気的に接続されている。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。そして、光電変換装置１１の端部において、直列接続された光電変換セル１０の一方の電極と電気的に接続された取り出し電極２ａが設けられており、この取り出し電極２ａに光電変換装置１１の外部と電気的な接続を行なうための配線導体１３ａが接続される。同様に、光電変換装置１１の反対側の端部において、直列接続された光電変換セル１０の他方の電極と電気的に接続された取り出し電極２ｂが設けられており、この取り出し電極２ｂに光電変換装置１１の外部と電気的な接続を行なうための配線導体１３ｂが接続される。

なお、図１、図２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。

第１基板１は、光電変換層を支持するためのものである。第１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。第１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、第１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ず、化合物半導体薄膜やアモルファスシリコン薄膜のような薄膜半導体層が用いられる。比較的高い光電変換効率を有するという観点で、第１の半導体層３として、例えば、Ｉ−III−VI族化合物、Ｉ−II−IV−VI族化合物、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。

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７が形成されていてもよい。集電電極７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７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６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７に集電され、接続導体６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７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７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７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６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（分断）する溝内に設けられた導体である。接続導体６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７を延伸して接続導体６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。

＜光電変換モジュールの構成＞
次に光電変換モジュールについて詳細に説明する。図３は一実施形態に係る光電変換モジュール２００の全体を示す斜視図であり、図４はその断面図である。

光電変換モジュール２００は、図１、図２に示す光電変換装置１１上に、透光性の封止材２０を介して透光性の第２基板１２を具備している。また、封止材２０の外側に、第１基板１と第２基板１２との隙間を塞ぐシール材２１を具備している。さらに、封止材２０とシール材２１との間に、封止材２０よりも屈折率が低い低屈折率部２２を具備している。

このような構成により、第２基板１２を介して光電変換モジュール２００の内部に入射した光を効率よく光電変換装置１１上の光吸収層３へ導くことができ、光電変換モジュール２００の光電変換効率を高めることができる。つまり、第２基板を介して封止材２０の端部に進行した光を、封止材２０と低屈折率部２２との界面で良好に反射させて、光吸収層３へ良好に進行させることができる。

封止材２０は、光電変換セル１０を保護するためのものであり、光電変換セル１０上から第１基板１上にかけて設けられている。また、封止材２０は、光吸収層３が吸収する光に対して透光性を有している。このような封止材２０としては、例えばエチレンビニルアセテート共重合体（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挙げられる。

シール材２１は、封止材２０の周囲を取り囲むように、封止材２０の側面に沿って設けられており、図４の例では、光電変換モジュール２００の外周部において、第１基板１と第２基板１２との隙間に充填されている。

シール材２１は、水分が光電変換セル１０内へ浸入するのを低減するためのものであり
、封止材２０よりも透湿性の低い部材が用いられる。このようなシール材２１としては、ポリエチレン等の樹脂、またはブチルゴムやエチレンプロピレンゴム等のゴムよりなる弾性体、もしくは上述した樹脂とゴムの混合物等が用いられ得る。

また、シール材２１として、高分子材料に吸着材が分散されたものが用いられても良い。このような吸着材としては、水分を化学吸着する性質を有するものが用いられても良く、あるいは水分を物理吸着する性質を有するものが用いられても良い。水分を化学吸着する吸着材は、水分と化学反応を伴って、化学吸着する性質を有するものであり、例えば、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ_２）、硫酸ナトリウム無水塩（Ｎａ_２ＳＯ_４）、硫酸銅無水塩（ＣｕＳＯ_４）または硫酸カルシウム（ＣａＳＯ_４）等がある。また、水分を物理吸着する吸着材は、吸着剤の表面と水分との間に発生するファンデルワールス力により水分を吸着するものであり、例えば、ゼオライトなどのモレキュラーシーブ、シリカゲル（ＳｉＯ_２・ｎＨ_２Ｏ）、アルミナ、アロフェンまたは活性炭等の多孔質表面を持つ無機物質等がある。

低屈折率部２２は、封止材２０の周囲を取り囲むように、封止材２０とシール材２１との間に設けられている。封止材２０からシール材２１側に進行しようとする光を反射させて光電変換セル１０側へ進行させやすくするため、低屈折率部２２としては、封止材２０の屈折率の０．９５倍以下の屈折率を有するものが用いられ得る。例えば封止材２０として、ＥＶＡ等の屈折率が１．５程度のものが用いられる場合、低屈折率部２２としては、屈折率が１．２〜１．３程度のふっ素樹脂等が用いられ得る。

また、低屈折率部２２は、低屈折率材料の粒子が分散された透光性部材であってもよい。例えば、低屈折率部２２として、ＥＶＡ等の透光性部材にふっ素樹脂の粒子が分散されたものが用いられてもよい。これにより、透光性部材で接着性を高めるとともに低屈折率材料の粒子で反射率を高めることができる。

また、低屈折率部２２は、複数の気泡を含んだ透光性部材であってもよい。例えば、低屈折率部２２として、ＥＶＡ等の透光性部材に複数の気泡を含ませたものが用いられてもよい。これにより、透光性部材で接着性を高めるとともに気泡で反射率をさらに高めることができる。

このような複数の気泡を含んだ透光性部材は、封止材２０の周囲に透光性部材を配置した後、この透光性部材を比較的高い温度で急速に加熱して透光性部材中に気泡を発生させることによって作製できる。あるいは、封止材２０を熱処理する際、この封止材２０の外周端部を中央部よりも、より高い温度でより急速に加熱させて端部に気泡を発生させ、この気泡を有する端部を低屈折率部２２としてもよい。

このような光電変換モジュール２００は、光電変換装置１１の上に、シート状に成形された封止材２０、封止材２０を取り囲むように枠状に成形された低屈折率部２２、および低屈折率部２２を取り囲むように枠状に成形されたシール材２１を配置し、さらにこれらの上に第２基板１２を配置した後、これらの積層体を加圧および加熱することにより作製することができる。なお、低屈折率部２２のＸ軸方向の幅は、例えば１μｍ〜１００ｍｍ程度とすることができる。

また、光電変換モジュール２００は、光電変換装置１１上の取り出し電極部２ａ、２ｂに、それぞれ配線導体１３ａ、１３ｂが電気的に接続されている。また、配線導体１３ａ、１３ｂの他方の端部は、図３に示されるように、第１基板１を上下方向に貫通する孔１ａを介して裏面に導出され、光電変換モジュール２００の裏面（非受光面）に配置された端子ボックスに接続されている。そして、この端子ボックスを介して、光電変換モジュール２００で発電した電力が外部回路に出力されることとなる。

配線導体１３ａ、１３ｂは、例えば、厚さ０．１〜０．５ｍｍ程度、幅が１〜７ｍｍ程度の銅（Ｃｕ）などの金属箔が用いられる。また。この金属箔の表面には、取り出し電極部２ａ、２ｂ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第１変形例＞
次に、本発明の光電変換モジュールの変形例について説明する。図５は光電変換モジュールの第１変形例を示す断面図である。図５に示される光電変換モジュール３００において、上述した図４に示される光電変換モジュール２００と同様な構成および機能を有する部分については図４と同じ符号が付されている。光電変換モジュール３００は、空隙部によって低屈折率部３２が構成されている。このような構成であれば、封止材２０と低屈折率部３２との屈折率差が大きくなり、封止材２０からシール材２１へ進行する光をより多く光電変換セル１０側へ反射させることができる。

＜光電変換モジュールの第２変形例＞
図６は光電変換モジュールの第２変形例を示す断面図である。図６に示される光電変換モジュール４００において、上述した図４に示される光電変換モジュール２００と同様な構成および機能を有する部分については図４と同じ符号が付されている。光電変換モジュール４００において、封止材２０と低屈折率部４２との界面は、第１基板１から離れるに従って光電変換層（光電変換セル１０）から離れるように傾斜している。このような構成であれば、封止材２０と低屈折率部４２との界面で反射された光が光電変換セル１０側へ良好に進行しやすくなり、光電変換効率がより高くなる。

なお、図６ではシール材４１と低屈折率部４２との界面も同様の方向に傾斜した例を示しているが、これに限定されない。

＜光電変換モジュールの第３変形例＞
図７は光電変換モジュールの第３変形例を示す断面図である。図７に示される光電変換モジュール５００において、上述した図４、図６に示される光電変換モジュール２００、４００と同様な構成および機能を有する部分については図４、図６と同じ符号が付されている。光電変換モジュール５００は、空隙部によって低屈折率部５２が構成されているとともに、封止材２０と低屈折率部５２との界面は、第１基板１から離れるに従って光電変換層（光電変換セル１０）から離れるように傾斜している。このような構成であれば、より光電変換効率が高くなる。

＜光電変換モジュールの第４変形例＞
図８は光電変換モジュールの第４変形例を示す断面図である。図８に示される光電変換モジュール６００において、上述した図４に示される光電変換モジュール２００と同様な構成および機能を有する部分については図４と同じ符号が付されている。光電変換モジュール６００は、シール部材６１が第１基板１の側面および第２基板１２の側面を覆うように設けられており、このシール部材６１と封止材２０との間に低屈折率部６２が設けられている。このような構成であれば、水分が光電変換セル１０へ浸入するのをより低減することができる。

＜光電変換モジュールの第５変形例＞
図９は光電変換モジュールの第５変形例を示す断面図である。図９に示される光電変換モジュール７００において、上述した図４、図８に示される光電変換モジュール２００、
６００と同様な構成および機能を有する部分については図４、図８と同じ符号が付されている。光電変換モジュール７００は、シール部材６１が第１基板１の側面および第２基板１２の側面を覆うように設けられており、このシール部材６１と封止材２０との間に空隙部によって低屈折率部７２が構成されている。このような構成であれば、水分が光電変換セル１０へ浸入するのをより低減することができるとともに光を光電変換セル１０側へ良好に反射できる。

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。例えば、図４〜図７の各構成において、シール材２１、４１が第１基板１および第２基板１２の側面まで覆うように延出されていてもよい。

１：第１基板
２：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
１０：光電変換セル
１１：光電変換装置
１２：第２基板
２０：封止材
２１、４１、６１：シール材
２２、３２、４２、５２、６２、７２：低屈折率部
２００、３００、４００、５００、６００、７００：光電変換モジュール

Claims

第１基板と、
該第１基板上に位置する光電変換層と、
該光電変換層上から前記第１基板上にかけて位置する透光性の封止材と、
該封止材上に位置する透光性の第２基板と、
前記封止材の外側に位置し、前記第１基板と前記第２基板との隙間を塞ぐシール材と、
前記封止材と前記シール材との間に位置する、前記封止材よりも屈折率が低い低屈折率部と
を具備することを特徴とする光電変換モジュール。
前記低屈折率部は空隙部である、請求項１に記載の光電変換モジュール。
前記低屈折率部は複数の気泡を含んだ透光性部材である、請求項１に記載の光電変換モジュール。
前記封止材と前記低屈折率部との界面は、前記第１基板から離れるに従って前記光電変換層から離れるように傾斜している、請求項１乃至３のいずれかに記載の光電変換モジュール。