JP2014187089A - Photoelectric conversion module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は光電変換部が封止材で封止された光電変換モジュールに関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion module in which a photoelectric conversion part is sealed with a sealing material.
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。 In recent years, photovoltaic power generation that converts light energy into electric energy has attracted attention as energy problems and environmental problems become more serious.
太陽光発電に使用される光電変換モジュールは、光電変換可能な半導体を具備した半導体部を有している。このような半導体層としては、薄膜系の半導体層や結晶系の半導体層がある。薄膜系の半導体層としては、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等がある。また、結晶系の半導体層としては、多結晶シリコンや単結晶シリコン等がある。 A photoelectric conversion module used for solar power generation has a semiconductor portion including a semiconductor capable of photoelectric conversion. Examples of such a semiconductor layer include a thin film semiconductor layer and a crystal semiconductor layer. As the thin film semiconductor layer, there are compound semiconductor thin films such as CIS (copper indium selenide) and CIGS (copper indium gallium selenide), amorphous silicon thin films, and the like. In addition, examples of the crystalline semiconductor layer include polycrystalline silicon and single crystal silicon.
このような半導体層を有する光電変換部は、水分によって光電変換特性が低下しやすくなる。そこで、エチレンビニルアセテート共重合体(以下、EVAという)等の封止材同士の間に光電変換部を封止することによって、水分が光電変換部へ浸入を防止している(特許文献1参照)。 In the photoelectric conversion part having such a semiconductor layer, the photoelectric conversion characteristics are easily deteriorated by moisture. Therefore, moisture is prevented from entering the photoelectric conversion portion by sealing the photoelectric conversion portion between sealing materials such as ethylene vinyl acetate copolymer (hereinafter referred to as EVA) (see Patent Document 1). ).
光電変換モジュールは、耐湿性を向上することが常に要求される。上記光電変換モジュールでは、光電変換部へ水分の浸入を十分に抑制することができず、さらなる耐湿性の向上が望まれている。 The photoelectric conversion module is always required to improve moisture resistance. In the said photoelectric conversion module, the penetration | invasion of a water | moisture content to a photoelectric conversion part cannot fully be suppressed, and the further improvement in moisture resistance is desired.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、光電変換モジュールの耐湿性の向上を目的とする。 This invention is made | formed in view of the said subject, and aims at the improvement of the moisture resistance of a photoelectric conversion module.
本発明の一態様に係る光電変換モジュールは、第1基板と、該第1基板上に配された第1封止材と、該第1封止材の上面中央部上に配された光電変換部と、前記第1封止材上に配されて前記光電変換部を封止する、前記第1封止材よりも水の拡散係数が大きい第2封止材と、該第2封止材上に配された第2基板とを具備する。 A photoelectric conversion module according to one embodiment of the present invention includes a first substrate, a first sealing material disposed on the first substrate, and a photoelectric conversion disposed on an upper surface central portion of the first sealing material. A second sealing material having a water diffusion coefficient larger than that of the first sealing material, the second sealing material being disposed on the first sealing material and sealing the photoelectric conversion unit, and the second sealing material And a second substrate disposed thereon.
本発明の一態様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耐湿信頼性が向上する。 According to the photoelectric conversion module according to one embodiment of the present invention, the moisture resistance reliability of the photoelectric conversion module is improved.
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4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部について説明する。 Hereinafter, a photoelectric conversion module according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the drawings are schematically shown, and the sizes and positional relationships of various structures in the drawings are not accurately illustrated. 1 to 4 also have right-handed XYZ coordinates with the X-axis being the alignment direction of photoelectric conversion cells, which will be described later. First, a photoelectric conversion unit that is a part of the photoelectric conversion module will be described.
<光電変換部の構成>
図1は、光電変換部11の全体を示す斜視図である。また、図2は光電変換部11の要部拡大斜視図であり、図3はそのXZ断面図である。光電変換部11は、支持基板1と、支持基板1上においてX軸方向に沿って並ぶように設けられた、複数の光電変換セル10とを具備している。光電変換セル10は、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。
<Configuration of photoelectric conversion unit>
FIG. 1 is a perspective view illustrating the entire
光電変換部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、光電変換部11の端部において、直列接続された光電変換セル10群の一方の電極と電気的に接続された接続用電極2aが設けられており、この接続用電極2aに光電変換部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、光電変換部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群の他方の電極と電気的に接続された接続用電極2bが設けられており、この接続用電極2bに光電変換部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。
In the
なお、図2、図3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、実際の光電変換部11には、図面のX軸方向に複数の光電変換セル10が平面的に(二次元的に)配列されている。更に、図面のY軸方向にも複数の光電変換セル10が平面的に配列されていてもよい。
2 and 3, only two
支持基板1は、第1主面を有する平板状であり、第1主面上で複数の光電変換セル10を支持している。支持基板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。支持基板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。
The
下部電極層2は、支持基板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。
The
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得る。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族化合物等の金属カルコゲナイドが用いられてもよい。 The first semiconductor layer 3 is a semiconductor layer having the first conductivity type. The first semiconductor layer 3 has a thickness of about 1 μm to 3 μm, for example. The material of the first semiconductor layer 3 is not particularly limited, and a thin film semiconductor layer such as a compound semiconductor thin film or an amorphous silicon thin film can be used. In view of having a relatively high photoelectric conversion efficiency, as the first semiconductor layer 3, for example, metal chalcogenides such as I-III-VI group compounds, I-II-IV-VI group compounds, II-VI group compounds and the like are used. May be used.
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(1
3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、CuInSe2(二セレン化銅インジウム、CISともいう)、Cu(In,Ga)Se2(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。
An I-III-VI group compound is a group IB element (also referred to as a
It is a compound of a group 3 element) and a VI-B group element (also referred to as a group 16 element). Examples of the I-III-VI group compound include CuInSe 2 (also referred to as copper indium selenide, CIS), Cu (In, Ga) Se 2 (also referred to as copper indium selenide / gallium, CIGS), Cu ( In, Ga) (Se, S) 2 (also referred to as diselene, copper indium sulphide, gallium, or CIGSS). Alternatively, the first semiconductor layer 3 may be composed of a multi-component compound semiconductor thin film such as copper indium selenide / gallium having a thin film of selenide / copper indium sulfide / gallium as a surface layer. The I-III-VI group compound has a relatively high light absorption coefficient, and good photoelectric conversion efficiency can be obtained even if the first semiconductor layer 3 is thin.
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、Cu2ZnSnS4(CZTSともいう)、Cu2ZnSnS4−xSex(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Cu2ZnSnSe4(CZTSeともいう)等が挙げられる。 The I-II-IV-VI group compound includes an IB group element, an II-B group element (also referred to as a group 12 element), an IV-B group element (also referred to as a group 14 element), and a VI-B group element. It is a compound semiconductor. Examples of the I-II-IV-VI group compound include Cu 2 ZnSnS 4 (also referred to as CZTS) and Cu 2 ZnSnS 4-x Se x (also referred to as CZTSSe. Note that x is a number greater than 0 and smaller than 4. And Cu 2 ZnSnSe 4 (also referred to as CZTSe).
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。 The II-VI group compound is a compound semiconductor of a II-B group element and a VI-B group element. CdTe etc. are mentioned as a II-VI group compound.
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。
The
第2の半導体層4としては、CdS、ZnS、ZnO、In2S3、In2Se3、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が水酸化および硫化物として存在する混晶化合物をいう。(Zn,In)(Se,OH)は、ZnおよびInがセレン化物および水酸化物として存在する混晶化合物をいう。(Zn,Mg)Oは、ZnおよびMgが酸化物として存在する混晶化合物をいう。
The
図2、図3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。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
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。
The
また、図2、図3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2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。
Further, as shown in FIGS. 2 and 3, a collecting
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。
The
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。
The
図2、図3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2、図3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。
2 and 3, the connection conductor 6 is a conductor provided in a groove that penetrates (divides) the first semiconductor layer 3, the
以上のような光電変換部11の光電変換によって生じた電流を光電変換モジュール200の外部へ取り出すために、図1に示すように、光電変換部11に配線導体13a、13bが電気的に接続されている。
In order to extract the current generated by the photoelectric conversion of the
配線導体13a、13bは、光電変換セル10に接続された接続用電極部2a、2bに、それぞれ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、光電変換モジュール200の外部に導出されており、光電変換モジュール200で発電した電力が配線導体13a、13bを介して外部回路に出力されることとなる。
The
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、接続用電極部2a、2bとの電気的な接続を良好にすべく、錫、ニッケル、アルミニウム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。
For the
<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4は一実施形態に係る光電変換モジュール200の断面図である。
<Configuration of photoelectric conversion module>
Next, the photoelectric conversion module will be described in detail. FIG. 4 is a cross-sectional view of a
光電変換モジュール200は、図4に示すように、第1基板20、第1封止材21、第2封止材22、第2基板23がこの順に積層されているとともに、第1封止材21と第2封止材22との間で光電変換部11が封止されている。つまり、第1封止材21と第2封止材22は、これらの界面の中央部で光電変換部11を上下から覆っているとともに、光電変換部11の周囲で互いに密着している。また、第2封止材22は、第1封止材21よりも水の拡散係数が大きくなっており、光電変換部11は、光電変換を行なう半導体層(第1の半導体層3および第2の半導体層4)が設けられている側が第2封止材22と接触しており、第1基板1側が第1封止材21と接触している。
As shown in FIG. 4, the
このような構成により、光電変換モジュール200の耐湿信頼性が向上する。つまり、従来の光電変換モジュールは湿度の高い環境下で使用された場合、水分が封止材中に浸入しやすくなり、この浸入した水分によって光電変換部11が劣化しやすくなる傾向がある。これに対し、上記実施形態の光電変換モジュール200では、水分が第2封止材22中に浸入したとしても、第2封止材22に密着した第1封止材21の水の拡散係数が第2封止材22よりも小さいために、水分が第1封止材21で保持されやすくなり、光電変換部11へ水分が進行するのを有効に低減できる。
With such a configuration, the moisture resistance reliability of the
光電変換モジュール200内に浸入した水分を良好に保持するとともに封止性を良好に維持するという観点からは、第2封止材22の水の拡散係数は第1封止材21の拡散係数の2〜2000倍であってもよい。
From the viewpoint of maintaining the moisture that has entered the
このような第1封止材21および第2封止材22としては、各種樹脂を、第1封止材21の拡散係数が第2封止材22の拡散係数よりも小さくなるような組み合わせで用いればよい。異なる拡散係数の組み合わせとしては、同じ組成を用いた共重合体ではあるが、組成比を変えることによって拡散係数を変えた共重合体樹脂の組み合わせでもよく、あるいは、組成が異なる樹脂の組み合わせであってもよい。
As such
例えば、ブチルゴム系封止材であれば、40℃における拡散係数が3.03×10−8cm2/secのものがある。また、エチレンビニルアセテート共重合体(EVA)であれば、40℃における拡散係数が2.08×10−7cm2/secのものがある。また、環状オレフィン系重合体であれば、40℃における拡散係数が1.37×10−5cm2/secのものがある。また、ポリスチレン系封止材であれば、40℃における拡散係数が1.45×10−5cm2/secのものがある。 For example, in the case of a butyl rubber sealing material, there is one having a diffusion coefficient at 40 ° C. of 3.03 × 10 −8 cm 2 / sec. Further, some ethylene vinyl acetate copolymers (EVA) have a diffusion coefficient of 2.08 × 10 −7 cm 2 / sec at 40 ° C. In addition, some cyclic olefin polymers have a diffusion coefficient at 40 ° C. of 1.37 × 10 −5 cm 2 / sec. Moreover, if it is a polystyrene type sealing material, there exists a thing with the diffusion coefficient in 40 degreeC of 1.45 * 10 < -5 > cm < 2 > / sec.
第1封止21および第2封止部22における水の拡散係数は、以下のように測定できる。まず、各封止部材の一部を厚みtのシート状に成形して試験片を作製する。次いで、JIS K 7192 Bに準拠した方法を用いて、試験片を透過する水分量を測定する。このとき、水分の透過開始からの時間(sec)を横軸とし、透過した水分量の積分値(g/cm2)を縦軸として数値をプロットしたグラフを作成する。このグラフにおいて、数値をプロットして得られた線が略一定の傾きとなった領域について、最小二乗法を用いて直線近似を行ない、横軸と交差する時間を求める。この時間を遅れ時間θとする。そして、拡散係数Dの算出式であるD=t2/(6θ)に遅れ時間θおよび厚みtの数値を当てはめることによって、各封止部材の拡散係数が算出される。
The diffusion coefficient of water in the first sealing 21 and the
また、第2封止材22の飽和吸水率は、第1封止材21の飽和吸水率よりも小さくてもよい。これにより、外部から第2封止部材22に取り込まれる水分量が低減されるとともに、第1封止材21による水分の保持力が高められ、光電変換部11側に水分をさらに浸透させてにくくできる。
Further, the saturated water absorption rate of the
また、第1封止材21および第2封止材22の飽和吸水率は、以下のように測定できる。まず、各封止部材の一部を厚みtのシート状に成形して試験片を作製する。次いで、JIS K 7129 Bに準拠した方法を用いて、水蒸気透過度(WVTR)および拡散係数Dを求める。次いで、飽和吸水率Cの算出式であるC=WVTR×t/Dに厚みtおよび拡散係数Dの数値を当てはめることによって、各封止部材の飽和吸水率が算出される。
Moreover, the saturated water absorption rate of the
また、図4のように、第1封止材21および第2封止材22の周囲を取り囲むように
シール材24が設けられていてもよい。シール材24は、水分が光電変換部11内へ浸入するのをさらに低減するためのものであり、第1封止材21および第2封止材22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24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。
Further, as shown in FIG. 4, a sealing
また、シール材24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よい。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よく、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よい。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(Na2O)、酸化マグネシウム(MgO)、塩化カルシウム(CaCl2)、硫酸ナトリウム無水塩(Na2SO4)、硫酸銅無水塩(CuSO4)または硫酸カルシウム(CaSO4)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(SiO2・nH2O)、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。
Further, as the sealing
また、第1封止材21および第2封止材22の膨張および収縮をより拘束して封止信頼性をより高めるという観点からは、シール材24の熱膨張係数が第1封止材21および第2封止材22の熱膨張係数よりも小さくてもよい。例えば、シール材24の線膨張係数が第1封止材21および第2封止材22の線膨張係数の0.05〜0.9倍であってもよい
。
Further, from the viewpoint of further restricting the expansion and contraction of the
また、第1基板20および第2基板23は、光電変換部11を保護するためのものであり、例えば、ガラス、セラミックス、樹脂および金属等が用いられる。光電変換モジュール200が、第2基板23側から光電変換部11へ光が入射される場合、第2封止材22および第2基板23は、光電変換部11の光電変換に用いられる光に対して透光性を有していてもよい。第1基板20および第2基板23としては、例えば、厚さ1〜10mm程度の白色強化ガラスが用いられてもよい。
Moreover, the 1st board |
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。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications may be made without departing from the scope of the present invention.
11:光電変換部
20:第1基板
21:第1封止材
22:第2封止材
23:第2基板
24:シール材
200:光電変換モジュール
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11: Photoelectric conversion part 20: 1st board | substrate 21: 1st sealing material 22: 2nd sealing material 23: 2nd board | substrate 24: Sealing material 200: Photoelectric conversion module
Claims (4)
該第1基板上に配された第1封止材と、
該第1封止材の上面中央部上に配された光電変換部と、
前記第1封止材上に配されて前記光電変換部を封止する、前記第1封止材よりも水の拡散係数が大きい第2封止材と、
該第2封止材上に配された第2基板と
を具備する光電変換モジュール。 A first substrate;
A first encapsulant disposed on the first substrate;
A photoelectric conversion unit disposed on a central portion of the upper surface of the first sealing material;
A second sealing material that is disposed on the first sealing material and seals the photoelectric conversion unit, and has a larger diffusion coefficient of water than the first sealing material;
A photoelectric conversion module comprising: a second substrate disposed on the second sealing material.
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