JP2015026710A

JP2015026710A - 光電変換装置

Info

Publication number: JP2015026710A
Application number: JP2013155278A
Authority: JP
Inventors: 宏治宮内; Koji Miyauchi
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-07-26
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2015-02-05

Abstract

【課題】温度変化が生じた場合でも配線導体と光電変換部との電気的な接続を良好に維持することが可能な、接続信頼性の高い光電変換装置を提供する。
【解決手段】光電変換装置Ｍは、基板１と、基板１上に配置された光電変換部１１と、基板１上の光電変換部１１の外側に配置され、光電変換部１１に電気的に接続された出力電極８と、光電変換部１１に沿って一方向に延在するように出力電極８上に配置された配線導体９とを備え、配線導体９は、上記一方向において互いに間隔をあけて位置する複数の第１部位Ｗで出力電極８に接合されているとともに、第１部位Ｗ同士の間の第２部位Ｖにおいて、出力電極８側に凸となるように折れ曲がっているかまたは湾曲している複数の凸部を有し、この複数の凸部が出力電極８に当接するように弾性体１３で固定されている。
【選択図】図４

Description

本発明は発電した電力を取り出すための配線導体を具備する光電変換装置に関する。

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。

この太陽光発電に使用される光電変換装置では、光電変換部から得られた電力を、リード線等の配線導体を介して外部に取り出している。このような光電変換モジュールでは、基板の表面の中央部に光電変換部が形成されており、その光電変換部の正極および負極にそれぞれ接続された配線導体が、基板の表面における光電変換部の周辺部で引き回された後、基板の裏面に配置された端子ボックスの内部に導出されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−０５６２５１号公報

上記のような光電変換装置は、高温環境下での使用や製造工程における熱履歴等で温度変化が生じた場合に、基板と配線導体との線膨張係数の差によって、配線導体と光電変換部の正極または負極との接続強度が劣化しやすくなる。場合によっては、配線導体と光電変換部との接続不良が生じることもある。

本発明の一つの目的は、温度変化が生じた場合でも配線導体と光電変換部との電気的な接続を良好に維持することが可能な、接続信頼性の高い光電変換装置を提供することにある。

本発明の一態様に係る光電変換装置は、基板と、該基板上に配置された光電変換部と、前記基板上の前記光電変換部の外側に配置され、該光電変換部に電気的に接続された出力電極と、前記光電変換部に沿って一方向に延在するように前記出力電極上に配置された配線導体とを備え、前記配線導体は、前記一方向において互いに間隔をあけて位置する複数の第１部位で前記出力電極に接合されているとともに、前記第１部位同士の間の第２部位において、前記出力電極側に凸となるように折れ曲がっているかまたは湾曲している複数の凸部を有し、該複数の凸部が前記出力電極に当接するように弾性体で固定されている。

本発明の一態様に係る光電変換装置によれば、配線導体と光電変換部との接続信頼性を高くすることができる。

本発明の一実施形態に係る光電変換装置の弾性体を除いた状態の斜視図である。図１の弾性体を除いた光電変換装置における光電変換部の様子を示す部分拡大図である。図１の弾性体を除いた光電変換装置のＡ−Ａ線における断面図である。図１の弾性体を除いた光電変換装置のＢ−Ｂ線における断面図である。弾性体を設けた状態の光電変換装置の断面図である。光電変換装置の他の例における弾性体を除いた状態の断面図である。

本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、各図には、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座標を付している場合がある。

＜光電変換装置の構成＞
本発明の一実施形態に係る光電変換装置Ｍは、基板１と、光電変換部１１と、出力電極８と、配線導体９と、弾性体１３とを備えている。図１〜図４では、光電変換部１１および配線導体９の配置を分かりやすくするため、弾性体１３を除いた状態の光電変換装置１００を示している（以下、弾性体１３を除いた状態の光電変換装置１００のことを基本構造体１００という）。そして、図５に示すように、この基本構造体１００に弾性体が配線導体９および光電変換部１１を覆うように配置されることによって、光電変換装置Ｍとなる。

基板１は、光電変換部１１を支持する機能を有している。また、基板１の材質としては、は、厚さ１〜３ｍｍ程度の青板ガラス（ソーダライムガラス）または硼珪酸ガラス等が挙げられる。なお、基板１の材質としてはこれに限定されず、他のガラス、セラミックス、樹脂および金属等が用いられてもよい。また、基板１の形状は、例えば矩形状、円形状等の平板状であればよい。

光電変換部１１は、基板１の一主面上に設けられている。光電変換部１１は、発電の出力を高めるという観点から、図１〜図４に示すように、複数の光電変換セル１０が互いに電気的に接続され、基板１上で集積化されていてもよい。光電変換部１１の詳細については後述する。

出力電極８は、基板１の一主面上で、一対のもの（出力電極８Ａおよび出力電極８Ｂ）が光電変換部１１の一対の電極にそれぞれ電気的に接続されるように設けられている。

配線導体９は、一端部が出力電極８と電気的に接続されており、他端部が基板１に設けられた孔部１ａを通して基板１の裏面に導出されている。配線導体９は、光電変換部１１の出力を光電変換装置Ｍの外部に導く機能を有している。配線導体９は、基板１の一主面上において、光電変換部１１に沿って一方向（図１〜図４ではＹ軸方向）に延在するように設けられている。

配線導体９は、例えば厚み０．２〜２ｍｍ程度で、延伸方向に直交する方向における幅（図１〜図３のＸ軸方向）が１〜５ｍｍ程度である。配線導体９は、例えば銅、銀、アルミニウムあるいはこれらを含む合金等の金属部材が用いられる。配線導体９として銅が用いられた場合、導電性が高いとともに変形が容易であるため、応力が生じるのを有効に低減できる。また、配線導体９は複数の金属部材の積層体であってもよい。また、配線導体９の表面には半田等の他の金属がコーティングされていてもよい。

そして、配線導体９は図４に示すように、上記一方向（Ｙ軸方向）において互いに間隔をあけて位置する複数の第１部位Ｗで出力電極８Ｂに接合されている。なお、図４は図１のＢ−Ｂ線における断面図である。そして、配線導体９は、これらの第１部位Ｗ同士の間の第２部位Ｖにおいて、出力電極８Ｂ側に凸となるように折れ曲がっているかまたは湾曲している複数の凸部（図４では−Ｚ方向に凸となるように折れ曲がった凸部）を有し、こ
れらの複数の凸部で出力電極８Ｂに当接している。図４においては、配線導体９の第２部位Ｖは、出力電極８Ｂ側（−Ｚ方向）および出力電極８Ｂとは反対側（＋Ｚ方向）に凸となる屈曲部が交互に並んだジグザグ構造を有している。そして、−Ｚ方向に凸となる屈曲部から成る複数の凸部が出力電極８Ｂに当接している。

このよう構成によって、基板１と配線導体９との線膨張係数の差に起因する応力が生じた場合でも、配線導体９の第２部位Ｖによって応力を有効に低減することができる。また、第１部位Ｗで配線導体９と出力電極８との電気的な接続を良好に維持することができるとともに、第２部位Ｖの複数の凸部で配線導体９と出力電極８との電気抵抗を低減することができる。以上の結果、接続信頼性の高い光電変換装置となる。

配線導体９における第１部位Ｗ同士の間隔は、例えば１〜５０ｍｍ程度とすればよい。また、第２部位Ｖ同士の間隔は、例えば０．５〜１０ｍｍ程度とすればよい。

配線導体９の第１部位Ｗと出力電極８との接合は、溶接、半田付けあるいは導電性ペーストによる接合等溶接等が用いられる。電気的な接続を良好に維持するとともに接合時に生じる応力を低減するという観点からは、第１部位Ｗと出力電極８とは半田付けされていてもよい。

配線導体９の第２部位Ｖは、図５に示すように基板１の一主面、出力電極８および配線導体９を覆う弾性体１３によって固定されている。弾性体１３は、出力電極８や配線導体９よりも弾性率の低い部材であり、樹脂等が用いられる。弾性体１３は、図５に示すように、光電変換部１１を封止する封止材の一部として形成されていてもよい。このような弾性体１３としては、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、ポリビニルブチラールを主成分とする樹脂、ポリエチレン等の樹脂、ブチルゴムまたはエチレンプロピレンゴム等を含む樹脂が用いられ得る。

配線導体９の第２部位Ｖの出力電極８に対する弾性体による固定方法は、以下のようにして行なうことができる。まず、出力電極８上に配線導体９を配置し、複数の第１部位Ｗを溶接や半田付け等によって出力電極８に接合する。次に、出力電極８および配線導体９の上にフィルム状の弾性体を載置し、上から弾性体に圧力をかけながら弾性体を熱硬化させる。これによって、配線導体９の第２部位Ｖを出力電極８に当接した状態に固定化することができる。

なお、この弾性体を熱硬化させる際の弾性体に対して加える圧力を調整することによって、第２部位Ｖの出力電極８に当接した複数の凸部以外の部位において、第２部位Ｖと出力電極８との間に弾性体を介在させることができる。つまり、第２部位Ｖにおける凸部以外の部位は弾性体を介して出力電極８に接着された状態となる。このような構成であれば、配線導体９の第２部位Ｖにおいてある程度の変形が可能であり、これによって応力を有効に低減できるとともに、第２部位Ｖの複数の凸部と出力電極８との接触をさらに良好に維持することができる。

また、光電変換装置Ｍは、図５に示すように、光電変換部１１に対する保護力を高めるため、弾性体１３上にさらにカバー部材１２が設けられていてもよい。カバー部材１２は、光透過率と必要な強度の点から、例えば、風冷強化した白板ガラス等が用いられる。

＜光電変換部の構成＞
次に、光電変換部１１について説明する。図２は基本構造体１００のＹ方向の中央部における光電変換部１１を示す部分拡大図であり、図３は図１のＡ−Ａ線における部分拡大断面図である。なお、図２および図３の構成は、光電変換装置Ｍに用いられる光電変換部
１１の一例を示すものであって、これに限定されるものではない。

光電変換部１１は、下部電極層２と、第１の半導体層３と、第１の半導体層３とは異なる導電型の第２の半導体層４と、上部電極層５と、集電電極６とを備えた光電変換セル１０が図３のＸ方向に直列接続されて成る。隣接する光電変換セル１０において、一方の光電変換セル１０の上部電極層５が集電電極６および接続導体７を介して隣接する他方の光電変換セル１０の下部電極層２に接続されている。そして、光電変換部１１の一方端部（−Ｘ側端部）の外側に出力電極８Ａが形成されており、一方端部側の光電変換セル１０の下部電極層２に電気的に接続されている。また、その反対側の光電変換部１１の他方端部（＋Ｘ側端部）の外側にも出力電極８Ｂが形成されており、他方端部側の光電変換セル１０の上部電極層５に電気的に接続されている。

下部電極層２は、一方向（図３のＸ方向）に互いに間隔をあけて基板１の一主面上に複数配置されている。このような下部電極層２は、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）または金（Ａｕ）等の金属またはこれらの合金を含む薄膜であればよい。また、これらの金属が積層されてなる構造体であってもよい。この下部電極層２は、例えば、基板１上にスパッタリング法または蒸着法等を利用して、厚さ０．２〜１μｍ程度に形成すればよい。

第１の半導体層３は、下部電極層２上に配置されている。第１の半導体層３は、例えば、アモルファスシリコンや化合物半導体等が用いられる。化合物半導体としては、例えば、Ｉ−III−VI化合物やＩ−II−IV−VI族化合物半導体、II−VI族化合物半導体等がある
。

I−III−VI化合物半導体とは、１１族元素（Ｉ−Ｂ族元素ともいう）、１３族元素（III−Ｂ族元素ともいう）および１６族元素（VI−Ｂ族元素ともいう）の化合物半導体であ
る。そして、このようなI−III−VI化合物半導体は、カルコパイライト構造を有し、カルコパイライト系化合物半導体とも呼ばれる（ＣＩＳ系化合物半導体ともいう）。I−III−VI化合物半導体としては、例えば、二セレン化銅インジウム（ＣｕＩｎＳｅ_２）、二セレン化銅インジウム・ガリウム（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２）、二セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）_２）、二イオウ化銅インジウム・ガリウム（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓ_２）または薄膜の二セレン・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がある。

また、Ｉ−II−IV−VI族化合物半導体とは、１１族元素、１２族元素（II−Ｂ族元素ともいう）、１４族元素（IV−Ｂ族元素ともいう）および１６族元素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等がある。

また、II−VI族化合物半導体とは、１２族元素および１６族元素の化合物半導体である。II−VI族化合物半導体としては、例えば、ＣｄＴｅ等がある。

第１の半導体層３は、例えばスパッタリング法、蒸着法等といった真空プロセスによって形成される。また、第１の半導体層３は、塗布法あるいは印刷法と称されるプロセスによっても形成される。塗布法あるいは印刷法では、例えば、第１の半導体層３に主として含まれる元素の錯体溶液が下部電極層２の上に塗布され、その後、乾燥および熱処理が行われる。

第２の半導体層４は、第１の半導体層３の＋Ｚ側の主面の上に、例えば５〜２００ｎｍの厚さで設けられており、第１の半導体層３の導電型とは異なる導電型を有する半導体を
主に含む。なお、導電型が異なる半導体とは、伝導担体（キャリア）が異なる半導体である。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型であり、その逆であってもよい。また、第１の半導体層３と第２の半導体層４と界面に、ｉ型等の他の半導体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の表面部に他の元素がドープされて成るものであってもよく、第１の半導体層３とは異なる化合物がヘテロ接合されて成るものであってもよい。

上部電極層５は、第２の半導体層４の＋Ｚ側の主面の上に設けられており、例えば、第２の半導体層４と同じ導電型を有する透光性の導電層である。この上部電極層５は、第１の半導体層３および第２の半導体層４において生じたキャリアを取り出す電極として働く。上部電極層５は、第２の半導体層４よりも低い電気抵抗率を有する材料を主に含む。

上部電極層５は、禁制帯幅が広く且つ透光性で低抵抗の材料を主に含んでいる。このような材料としては、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化亜鉛の化合物、錫が含まれた酸化インジウム（ＩＴＯ）および酸化錫（ＳｎＯ_２）等の金属酸化物半導体等が挙げられる。酸化亜鉛の化合物は、アルミニウム、ボロン、ガリウム、インジウムおよびフッ素のうちの何れか１つの元素等が含まれたものである。

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）法等によって形成され得る。上部電極層５の厚さは、例えば、０．０５〜３．０μｍである。ここで、上部電極層５が、１Ω・ｃｍ未満の抵抗率と、５０Ω／□以下のシート抵抗とを有していれば、上部電極層５を介して第１の半導体層３および第２の半導体層４からキャリアが良好に取り出され得る。

上部電極層５は、その厚みが０．０５〜０．５μｍであれば、透光性導電層６における光透過性が高められると同時に、光電変換によって生じた電流が良好に伝送され得る。さらに、上部電極層５の絶対屈折率と第２の半導体層４の絶対屈折率とが略同一であれば、上部電極層５と第２の半導体層４との界面で光が反射することで生じる入射光のロスが低減され得る。

集電電極６は、上部電極層５の＋Ｚ側の主面（一主面とも言う）の上に、上部電極層５の端部から接続導体７にかけて線状に設けられている。そして、例えば、光電変換セル１０の上部電極層５によって集められたキャリアは、集電電極６によってさらに集められ、接続導体７を介して隣接する光電変換セル１０に伝達され得る。

この集電電極６が設けられることで、上部電極層５における導電性が補われるため、上部電極層５の薄層化が可能となる。これにより、キャリアの取り出し効率の確保と、上部電極層５における光透過性の向上とが両立し得る。なお、集電電極６が、例えば、銀等の導電性が優れた金属を主に含んでいれば、光電変換セル１０における変換効率が向上し得る。なお、集電電極６に含まれる金属としては、例えば銅、アルミニウムおよびニッケル等が挙げられる。

また、集電電極６の幅は、５０〜４００μｍであれば、隣接する光電変換セル１０間における良好な導電が確保されつつ、第１の半導体層３への光の入射量の低下が低減され得る。１つの光電変換セル１０に複数の集電電極６が設けられる場合、該複数の集電電極６の間隔は、例えば、２．５ｍｍ程度であればよい。

接続導体７は、第１の半導体層３および第２の半導体層４を分離する分離溝内に配置さ
れている。この接続導体７は、集電電極６と電気的に接続している。また、接続導体７は、隣の光電変換セル１０から延伸されている下部電極層２に接続している。これにより接続導体７は、隣接する光電変換セル１０のうち、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とを電気的に接続できる。

接続導体７は、集電電極６と同様の材質、方法で作製してもよい。そのため、接続導体７は、集電電極６の形成と同時に行なってもよい。また、接続導体７は、上部電極層５を延伸したものであってもよい。

＜光電変換装置の変形例＞
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの修正及び変更を加えることができる。例えば、上記の配線導体９を図６に示すような形状の配線導体１９に代えてもよい。図６は、光電変換装置の変形例であり、弾性体を除いた状態での基本構造体１０１を示す断面図である。図６は図４と同じ方向における断面図である。図６において、図１〜図５と同じ構成のものには同じ符号を付している。

図６において、配線導体１９は、Ｙ軸方向において互いに間隔をあけて位置する複数の第１部位Ｗで出力電極８Ｂに接合されている。また、配線導体１９は、これらの第１部位Ｗ同士の間の第２部位Ｖにおいて、出力電極８Ｂ側に凸となるように湾曲している複数の凸部（図６では−Ｚ方向に凸となるように湾曲した凸部）を有し、これらの複数の凸部で出力電極８Ｂに当接している。つまり、図４の配線導体は凸部が屈曲部であるのに対し、図６では凸部が湾曲部である点で異なっている。図６においては、配線導体１９の第２部位Ｖは、出力電極８Ｂ側（−Ｚ方向）および出力電極８Ｂとは反対側（＋Ｚ方向）に凸となる湾曲部が交互に並んだ波状構造を有している。

このような構成により、凸部と出力電極８との接触面積を大きくすることができ、より電気抵抗を小さくすることができる。

Ｍ：光電変換装置
１：基板
８、８Ａ、８Ｂ：出力電極
９、９Ａ、９Ｂ、１９、１９Ｂ：配線導体
１１：光電変換部
１３：弾性体
１００、１０１：基本構造体
Ｗ：第１部位
Ｖ：第２部位

Claims

基板と、
該基板上に配置された光電変換部と、
前記基板上の前記光電変換部の外側に配置され、該光電変換部に電気的に接続された出力電極と、
前記光電変換部に沿って一方向に延在するように前記出力電極上に配置された配線導体とを備え、
前記配線導体は、前記一方向において互いに間隔をあけて位置する複数の第１部位で前記出力電極に接合されているとともに、前記第１部位同士の間の第２部位において、前記出力電極側に凸となるように折れ曲がっているかまたは湾曲している複数の凸部を有し、該複数の凸部が前記出力電極に当接するように弾性体で固定されている光電変換装置。
前記第２部位における前記凸部以外の部位は前記弾性体を介して前記出力電極に接着されている、請求項１に記載の光電変換装置。
前記第１部位は半田によって前記出力電極に接合されている、請求項１または２に記載の光電変換装置。
前記配線導体は銅を主として含む、請求項１乃至３のいずれかに記載の光電変換装置。