JP2015026642A - Photoelectric conversion device - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a photoelectric conversion device in which a plurality of photoelectric conversion cells are electrically connected.
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)。 As a photoelectric conversion device used for solar power generation or the like, there is one in which a plurality of photoelectric conversion cells are provided on a substrate (for example, Patent Document 1).
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、光吸収層と、バッファ層と、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。 In such a photoelectric conversion device, a photoelectric conversion cell in which a lower electrode layer such as a metal electrode, a light absorption layer, a buffer layer, and a transparent conductive film are laminated in this order on a substrate such as glass is a flat surface. Thus, a plurality of them are arranged side by side. The plurality of photoelectric conversion cells are electrically connected in series by connecting the transparent conductive film of one adjacent photoelectric conversion cell and the other lower electrode layer with a connection conductor.
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、光電変換セル間の電気抵抗が大きく、光電変換効率を十分に高めることが困難である。 A photoelectric conversion device is always required to improve photoelectric conversion efficiency. In the photoelectric conversion device, electrical resistance between the photoelectric conversion cells is large, and it is difficult to sufficiently increase the photoelectric conversion efficiency.
本発明の一つの目的は、光電変換セル間の電気抵抗を小さくすることによって、光電変換装置の光電変換効率を向上させることにある。 One object of the present invention is to improve the photoelectric conversion efficiency of a photoelectric conversion device by reducing the electrical resistance between photoelectric conversion cells.
本発明の一態様に係る光電変換装置は、基板と、該基板上に互いに間隔をあけて一方向に配置された第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第2の下部電極層上にかけて配置された光電変換層と、該光電変換層の上面を覆う第1部位、該第1部位に接続しているとともに前記光電変換層の側面を覆う第2部位および該第2部位に接続しているとともに前記第2の下部電極層の一部を覆う第3部位を有する導電膜と、前記第2部位の表面から前記第3部位の表面を経て前記第2の下部電極層の上面の前記導電膜に覆われていない部位にかけて配置された補助導体とを具備する。 A photoelectric conversion device according to one embodiment of the present invention includes a substrate, a first lower electrode layer and a second lower electrode layer that are spaced apart from each other and disposed in one direction, and the first lower electrode layer. A photoelectric conversion layer disposed from the electrode layer to the second lower electrode layer, a first portion covering the upper surface of the photoelectric conversion layer, connected to the first portion and a side surface of the photoelectric conversion layer A conductive film having a second part to be covered and a third part that is connected to the second part and covers a part of the second lower electrode layer; and a surface of the third part from a surface of the second part. And an auxiliary conductor disposed over a portion of the upper surface of the second lower electrode layer not covered with the conductive film.
本発明によれば、光電変換によって生じた電力の損失を低減して、光電変換効率を高めることができる。 According to the present invention, it is possible to reduce power loss caused by photoelectric conversion and increase photoelectric conversion efficiency.
以下に本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<第1実施形態に係る光電変換装置の構成>
図1は、本発明の第1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1の光電変換装置を上面側から見た平面図である。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1〜3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座標系を付している。また、図1〜3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、図面のX軸方向、あるいはさらに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)配設されていてもよい。
<Configuration of Photoelectric Conversion Device According to First Embodiment>
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a photoelectric conversion apparatus according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view thereof. FIG. 3 is a plan view of the photoelectric conversion device of FIG. In the
図1〜3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。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PEが設けられている。また、この光電変換層PEの上面から側面を経て第2の下部電極層2b上にかけて導電膜5が設けられている。この導電膜5は、光電変換層PEの上面を覆う第1部位5aと、この第1部位5aに接続しているとともに光電変換層PEの側面を覆う第2部位5bと、この第2部位5bに接続しているとともに第2の下部電極層2bの一部を覆う第3部位5cとを有している。そして、導電膜5の第2部位5bの表面から第3部位5cの表面を経て第2の下部電極層2bの上面の上記導電膜5(第3部位5c)に覆われていない部位にかけて補助導体6が設けられている。
1 to 3, a plurality of
これら、第1下部電極層2、光電変換層PEおよび上部電極層として機能する第1部位5aによって1つの光電変換セル10が構成されている。そして、隣接する光電変換セル10における一方の光電変換セル10aの第1部位5aと、他方の光電変換セル10bの第2の下部電極層2bとは、第2部位5b、第3部位5cおよび補助導体6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。ここで、第2部位5b、第3部位5cおよび補助導体6は、隣接する光電変換セル10a、10b同士を電気的に接続するための接続導体として機能する。
One
接続導体が上記のように第2部位5b、第3部位5cおよび補助導体6によって構成されていることによって、隣接する光電変換セル10a、10b同士の電気的な接続を、接続信頼性が高いとともに電力損失の低いものとすることができる。その結果、光電変換装置11の光電変換効率が高くなる。つまり、第2部位5bおよび第3部位5cは、光電変換セル10aの上部電極層として機能する第1部位5aと連続するように形成されており、これによって、第1部位5aと第2の下部電極層2bとの電気的な接続が信頼性の高いものとなる。一方、補助導体6は、第2部位5bおよび第3部位に接続されているとともに、第3部位5cを介さずに直接、第2の下部電極層2bに接続する部位を有していることによって、第1部位5aと第2の下部電極層2bとを接続する接続導体の電気抵抗を低くして電力損失を低減することができる。
Since the connection conductor is constituted by the
なお、本実施形態における光電変換装置11は、第1の半導体層3に対して第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。
In addition, although the
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1〜4mm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。
The
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、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の下部電極層2aおよび第2の下部電極層2bの間隔は、例えば、20〜200μmとされ得る。
The lower electrode layer 2 (the first
光電変換層PEは、例えば0.5〜5μm程度の厚みを有する半導体層である。光電変換層PEは光照射によって生じた電子とホールを良好に分離可能なものが用いられ、例えば、一方導電型の半導体層の表面に不純物元素をドープして表面を他方導電型に変化させたもの、あるいは、一方導電型の半導体層に他方導電型の半導体層を積層したもの等が挙げられる。なお、一方導電型および他方導電型とは、一方導電型がp型であれば他方導電型がn型であり、その逆であってもよい。本実施形態では、光電変換層PEが一方導電型(p型)の第1の半導体層3と他方導電型(n型)の第2の半導体層4とが積層された例を示している。
The photoelectric conversion layer PE is a semiconductor layer having a thickness of about 0.5 to 5 μm, for example. As the photoelectric conversion layer PE, one that can satisfactorily separate electrons and holes generated by light irradiation is used. For example, the surface of one conductivity type semiconductor layer is doped with an impurity element to change the surface to the other conductivity type. Or a semiconductor layer in which the other conductive type semiconductor layer is stacked on the one conductive type semiconductor layer. The one conductivity type and the other conductivity type may be the other conductivity type if the one conductivity type is p type, and vice versa. In the present embodiment, an example is shown in which the photoelectric conversion layer PE is formed by laminating a
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。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。
The material of the
Metal chalcogenides such as a -VI group compound, an I-II-IV-VI group compound, and a II-VI group compound may be used as the material of the
I−III−VI族化合物とは、11族元素(I−B族元素ともいう)と13族元素(III−B族元素ともいう)と16族元素(VI-B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
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)法やスパッタリング法等で5〜200nm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。
The
導電膜5は、第2の半導体層4よりも電気抵抗率の低い層であり、光電変換層PEで生じた電荷を良好に取り出す機能を有する。光電変換効率をより高めるという観点からは、導電膜5の電気抵抗率が1Ω・cm未満でシート抵抗が50Ω/□以下であってもよい。
The
導電膜5は、光電変換層PEよりも薄い0.05〜3μm程度の厚みの薄膜であり、スパッタリング法、蒸着法または化学的気相成長(CVD)法等の薄膜形成方法によって形成され得る。導電膜5は、例えば、ZnO、In2O3およびSnO2等の金属酸化物半導体等が採用され得る。これらの金属酸化物半導体には、Al、B、Ga、InおよびF等のうちの何れかの元素が含まれても良い。このような元素が含まれた金属酸化物半導体の具体例としては、例えば、AZO(Aluminum Zinc Oxide)、GZO(Gallium Zinc Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)、ITO(Indium Tin Oxide)、FTO(Fluorine
tin Oxide)等がある。
The
tin Oxide).
導電膜5は、第1部位5a、第2部位5bおよび第3部位5cを有している。第3部位5cは、図3に示すように、第2の下部電極層2b上に光電変換層PEに沿って帯状に形成されており、第2の下部電極層2bの一部を露出させている。
The
このような第1部位5a、第2部位5bおよび第3部位5cを有する導電膜5は以下のようにして作製することができる。先ず、下部電極層2上に光電変換層PEを形成した後、この光電変換層PEの一部をメカニカルスクライブ加工やレーザースクライブ加工によって除去し、第2部位5b、第3部位5cおよび補助導体6を形成するための溝部Pを形成する。そして、光電変換層PE上および溝部Pの内面(光電変換層PEの側面および光電変換層PEを切削して露出した下部電極層2上)に対して、薄膜形成方法によって導電膜5を形成する。その後、溝部P内の下部電極層2上に形成されている導電膜5の一部をメカニカルスクライブ加工やレーザースクライブ加工によって除去し、下部電極層2を露出させることによって、第1部位5a、第2部位5bおよび第3部位5cを形成することができる。
The
なお、メカニカルスクライブ加工とは、針状の加工ツールやドリル等で対象物を切削する加工方法である。また、レーザースクライブ加工とは、レーザー光を照射することによって対象物を除去する加工方法である。 Mechanical scribing is a processing method of cutting an object with a needle-like processing tool or a drill. Laser scribing is a processing method for removing an object by irradiating a laser beam.
補助導体6は、図1〜図3に示すように、第2部位5bの表面から第3部位5cの表面を経て第2の下部電極層2bの上面の第3部位5cに覆われていない部位にかけて設けられている。補助導体6はAg等の金属粉が樹脂バインダー等に分散された金属ペーストをパターン状に印刷し、これを加熱することによって形成できる。
1-3, the
補助導体6は、第3部位5cを挟んで第2の下部電極層2bと接続している部位の面積が、第3部位5cを挟まずに直接第2の下部電極層2bと接続している部位の面積の0.3〜10倍程度とすることができる。
The area of the
図1〜図3において、補助導体6は複数の副補助導体6a〜6cから成り、これらの複数の副補助導体6a〜6cが、光電変換セル10a、10bの配列方向(X軸方向)に直交する方向(Y軸方向)に沿って互いに間隔をあけて並んでいる。このような構成によって、隣接する光電変換セル10a、10b同士の電気的な接続を良好にしつつ、副補助導体同士の間から光が光電変換層PE内に良好に入射されやすくなり、光電変換効率が向上する。なお、副補助導体同士の間隔は、例えば1〜5mmとすることができる。
1 to 3, the
第1部位5aの上面には、図1〜図3に示すように、帯状に延びるとともに上記補助導体6に接続している集電電極8がさらに設けられていてもよい。集電電極8は、第1部位5aの導電性をさらに高めるためのものである。光電変換装置11が、第1部位5aを通して光電変換層PE内に光が入射するように使用する構成である場合、光電変換層PE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、集電電極8は、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。
As shown in FIGS. 1 to 3, a
It may have a width of ˜400 μm. The
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をパターン状に印刷し、これを加熱することによって形成できる。
The
<第2実施形態に係る光電変換装置の構成>
上記一実施形態では、補助導体6が複数の副補助導体6a〜6cから成る例を示したが、これに限定されない。例えば、図4の第2実施形態に係る光電変換装置21のように、補助導体26が光電変換層PEに沿ってY方向に帯状に延びるように形成されていてもよい。なお、図4の第2実施形態に係る光電変換装置21において、第1実施形態に係る光電変換装置11と同じ構成のものには同じ符号を付しており、詳細な説明は省略する。このような構成によって、第2部位5b、第3部位5cおよび補助導体26で構成される接続導体の電気抵抗をより低減できる。つまり、隣接する光電変換セル20a、20b間における電力損失をさらに低減して、光電変換装置21の光電変換効率をさらに高めることができる。
<Configuration of Photoelectric Conversion Device According to Second Embodiment>
In the above-described embodiment, the example in which the
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.
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
PE:光電変換層
3:第1の半導体層
4:第2の半導体層
5:導電膜
5a:第1部位
5b:第2部位
5c:第3部位
6、26:補助導体
6a、6b、6c:副補助導体
8:集電電極
10、20:光電変換セル
11、21:光電変換装置
1: substrate 2:
Claims (4)
該基板上に互いに間隔をあけて一方向に配置された第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第2の下部電極層上にかけて配置された光電変換層と、該光電変換層の上面を覆う第1部位、該第1部位に接続しているとともに前記光電変換層の側面を覆う第2部位および該第2部位に接続しているとともに前記第2の下部電極層の一部を覆う第3部位を有する導電膜と、
前記第2部位の表面から前記第3部位の表面を経て前記第2の下部電極層の上面の前記導電膜に覆われていない部位にかけて配置された補助導体と
を具備する光電変換装置。 A substrate,
A first lower electrode layer and a second lower electrode layer disposed on the substrate in a direction spaced apart from each other;
The photoelectric conversion layer disposed from above the first lower electrode layer to the second lower electrode layer, a first portion covering the upper surface of the photoelectric conversion layer, connected to the first portion and the photoelectric conversion layer A conductive film having a second part covering the side surface of the conversion layer and a third part connected to the second part and covering a part of the second lower electrode layer;
A photoelectric conversion device comprising: an auxiliary conductor disposed from a surface of the second part through a surface of the third part to a part of the upper surface of the second lower electrode layer that is not covered with the conductive film.
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