JP2016072262A - 光電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 配線導体の剥離や断線を低減し、信頼性の高い光電変換モジュールを提供する。
【解決手段】 光電変換モジュール１０１は、一主面を有する基板１と、前記一主面上に配置された光電変換部１１と、光電変換部１１の外周部上に配置され、光電変換部１１の外辺に沿って延びる配線導体９と、前記一主面の配線導体９よりも外周側の部位上に配置され、配線導体９に沿って延びる第１壁部材８１と、光電変換部１１、配線導体９および第１壁部材８１を封止する封止部材１２とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は光電変換部で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。

この太陽光発電に使用される光電変換モジュールでは、該光電変換モジュールに設けられた光電変換部から得られた電気がリード線等の配線導体で取り出される。この配線導体は、光電変換モジュールの非受光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）。このような光電変換モジュールでは、端子ボックスを介して、光電変換モジュールで発電した電気出力が外部の回路等に導出される。

特開２０１０−０５６２５１号公報

光電変換モジュールは、太陽光等の熱によって配線導体近傍で熱応力が生じやすい。このような熱応力によって、配線導体が剥離したり断線したりし、光電変換モジュールの信頼性が低下する場合があった。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的は配線導体の剥離や断線を低減し、信頼性の高い光電変換モジュールを提供することにある。

本発明の一態様に係る光電変換モジュールは、一主面を有する基板と、前記一主面上に配置された光電変換部と、前記光電変換部の外周部上に配置され、前記光電変換部の外辺に沿って延びる配線導体と、前記一主面の前記配線導体よりも外周側の部位上に配置され、前記配線導体に沿って延びる第１壁部材と、前記光電変換部、前記配線導体および前記第１壁部材を封止する封止部材とを具備する。

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信頼性が向上する。

第１実施形態に係る光電変換モジュ−ルの斜視図である。 図１に示した光電変換モジュ−ルの平面図である。 図２のＡ−Ａ線における光電変換モジュ−ルの断面図である。 図１の光電変換モジュールにおける光電変換部の要部拡大斜視図である。 図１の光電変換モジュールにおける光電変換部の要部拡断面図である。 第２実施形態に係る光電変換モジュールの平面図である。 図６のＢ−Ｂ線における光電変換モジュールの断面図である。

本発明の一態様に係る光電変換モジュ−ルについて、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。

＜第１実施形態に係る光電変換モジュール＞
図１〜図５は、第１実施形態に係る光電変換モジュール１０１の構成を示している。なお、図１、図２、図４および図５は、光電変換部の構成を見やすくするため、封止部材を省略している。さらに、図４および図５は、半導体層の構成を見やすくするため、配線導体および第１壁部材を省略している。

図１は、光電変換モジュ−ル１０１の斜視図であり、図２は、図１に示した光電変換モジュ−ル１０１の平面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ線における光電変換モジュ−ル１０１の断面図である。また、図４は、図１の光電変換モジュール１０１における光電変換部１１の要部拡大斜視図であり、図５はその断面図である。

光電変換モジュール１０１は、基板１と、光電変換部１１と、配線導体９と、第１壁部材８１と、封止部材１２とを備えている。

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、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、光電変換を行なう部位であり、基板１の一主面上に設けられている。本実施形態では、光電変換部１１が図４および図５で示す構成である例を示すが、これに限定されるものではない。

光電変換部１１は、発電の出力を高めるという観点から、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。

各光電変換セル１０は、下部電極層２と、半導体層Ｓとが積層されている。半導体層Ｓは光電変換を行なう層であり、本実施形態では半導体層Ｓは、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とを備えた光電変換セル１０が複数個、Ｘ軸方向に直列接続されて成る。各光電変換セル１０は、さらに半導体層Ｓ上に集電電極７を有している。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７および接続導体６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。

下部電極層２は、一方向（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。なお、下部電極３の個数については、図４に示したものに限られない。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、Ｉ−Ｂ族元素（１１族元素ともいう）、III−Ｂ族元素
（１３族元素ともいう）およびVI−Ｂ族元素（１６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、Ｉ−Ｂ族元素、II−Ｂ族元素（１２族元素ともいう）、IV−Ｂ族元素（１４族元素ともいう）およびVI−Ｂ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、II−Ｂ族元素およびVI−Ｂ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、乾燥および加熱処理が行われる。

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電気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（Ａｌ）、ボロン（Ｂ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）およびフッ素（Ｆ）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７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６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７によってさらに集められ、接続導体６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７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７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７に含まれる金属としては、例えば銅、アルミニウム（Ａｌ）およびニッケル（Ｎｉ）等が挙げられる。

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

そして、本実施形態において、複数の下部電極層２群のうち、Ｘ軸方向の両端に位置するものは、半導体層Ｓよりも外側（基板１の外周側）に延出された出力電極８を有している。出力電極８は、光電変換部１１の＋Ｘ側の端部に、第１の半導体層３に電気的に接続された出力電極８Ｂを有している。また、出力電極８は、光電変換部１１の−Ｘ側の端部に、第２の半導体層４に電気的に接続された出力電極８Ａを有している。これら出力電極８Ａ、８Ｂは、半導体層Ｓの光電変換によって生じた電力を取り出すための電極として機能する。

出力電極８としては、下部電極層２で挙げた種々の材料が用いられ得る。光電変換モジュール１０１において、出力電極８と下部電極層２とは同じ材料であってもよく、異なっていてもよい。

配線導体９は、光電変換部１１の外周部上に配置され、光電変換部１１の外辺に沿って延びている。図１〜図３においては、配線導体９は、Ｘ軸方向の両側にそれぞれＹ軸方向に延びる配線導体９Ａ、９Ｂを有している。つまり、配線導体９Ａは出力電極８Ａに電気的に接続されており、配線導体９Ｂは出力電極８Ｂに電気的に接続されている。

配線導体９は、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の導電体であり、厚みが０．３〜２ｍｍ程度、幅が２〜６ｍｍ程度の帯状である。配線導体９は出力電極８に、半田付けや導電性接着剤による接着、溶接等によって電気的に接続されている。

配線導体９は、光電変換部１１で発電された電力を光電変換モジュール１０１の外部に取り出すための導電路として機能する。配線導体９の光電変換モジュール１０１の外部への導出方法としては、例えば、図１および図２に示すように、配線導体９の端部を、基板１の一主面からその反対側の主面にかけて基板１を貫通する貫通孔１ａを介して外部へ導出してもよい。あるいは、配線導体９の端部を基板１の一主面の外周から外部に導出させてもよい。

第１壁部材８１は、基板１の一主面における配線導体９よりも外周側の部位、つまり、配線導体９の半導体層Ｓとは反対側における基板１の一主面上に配置されている。そして、第１壁部材８１は、配線導体９に沿って帯状に延びている。図１〜図３においては、第１壁部材９は、配線導体９Ａに沿って延びる第１壁部材８１Ａと、配線導体９Ｂに沿って延びる配線導体８１Ｂとを有している。第１壁部材９は、基板１の一主面上に直接、設けられていてもよく、図１〜図３に示すように、基板１の一主面上に出力電極８を介して設けられていてもよい。

このような構成によって、配線導体９の剥離や断線を低減し、信頼性の高い光電変換モジュール１０１とすることができる。つまり、太陽光の熱等によって封止部材１２の膨張や収縮が生じたとしても、配線導体９の近傍に位置する第１壁部材８１が配線導体９の膨張や収縮を抑止することによって、配線導体９に熱応力が生じるのを有効に低減することができる。

第１壁部材８１は、封止部材１２よりも線膨張係数の低い材料であればよく、第１壁部材８１の線膨張係数は封止部材１２の線膨張係数の０．０１〜０.５倍程度であればよい
。また、第１壁部材８１は絶縁材料でもよく、導電材料でもよい。第１壁部材８１が出力電極８上に接続されている場合、出力電流の損失をより低減するという観点からは、第１壁部材８１が導電材料であってもよい。特に、長期にわたってより安定した出力を得るという観点からは、導電材料から成る第１壁部材８１が配線導体９と接触していてもよい。この場合、配線導体９が仮に熱応力等で切断したとしても導電性の第１壁部材８１によって電気抵抗値が高くなるのを低減できる。

第１壁部材８１が導電材料の場合、第１壁部材８１としては、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ等が用いられる。特に、製造工程を簡略化するという観点からは、集電電極７を導電ペーストを用いて作製するとともに第１壁部材８１も同じ導電ペーストを用いて作製してもよい。

第１壁部材８１の上面の基板１の一主面からの高さをＬ１とし、配線導体９の上面の基板１の一主面からの高さをＬ２としたときに、Ｌ１はＬ２の０．５〜１．５倍程度であればよい。また、第１壁部材８１の幅（Ｘ軸方向の幅）は１０００〜５０００μｍ程度であればよい。このような構成によって、封止部材１２の膨張および収縮による応力が配線導体９に加わるのを有効に低減できる。

封止部材１２は、図３に示すように、基板１の一主面上に配設されており、光電変換部
１１、配線導体９および第１壁部材８１を封止している。このような封止部材１２としては、例えば共重合したエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）を主成分とする樹脂やポリビニルブチラール（ＰＶＢ）を主成分とする樹脂等が挙げられる。

封止部材１２の上にはさらに保護基板（図示せず）が設けられていてもよい。保護基板が設けられている場合、光電変換部１１および配線導体９を保護する機能がさらに向上する。保護基板としてはガラス等が用いられ得る。

＜第２実施形態に係る光電変換モジュール＞
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、上記第１実施形態に係る光電変換モジュール１０１では第１壁部材８１が配線導体９の外側に設けられていたが、図６および図７に示すように、出力電極８の半導体層Ｓと配線導体９との間の部位上にも第２壁部材８２をさらに有していてもよい。図６および図７は第２壁部材８２をさらに有する第２実施形態に係る光電変換モジュール１０２の一例である。なお、図６および図７において、第１実施形態に係る光電変換モジュール１０１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。

光電変換モジュール１０２において、第２壁部材８２は、出力電極８Ａ上に設けられた第２壁部材８２Ａと、出力電極８Ｂ上に設けられた第２壁部材８２Ｂとを有している。このような構成によって、配線導体９をＸ軸方向の両側から保護することができ、封止部材１２からの応力をより低減して、信頼性をより高めることができる。

第２壁部材８２は、第１壁部材８１と同様に、封止部材１２よりも線膨張係数の低い材料であればよく、第２壁部材８２の線膨張係数は封止部材１２の熱膨張係数の０．０１〜０．５倍程度であればよい。また、第２壁部材８２は絶縁材料でもよく、導電材料でもよい。出力電流の損失をより低減するという観点からは、第２壁部材８２が導電材料であってもよい。特に、長期にわたってより安定した出力を得るという観点からは、導電材料から成る第２壁部材８２が配線導体９と接触していてもよい。この場合、配線導体９が仮に熱応力等で切断したとしても導電性の第２壁部材８２によって電気抵抗値が高くなるのを低減できる。

第２壁部材８２が導電材料の場合、第２壁部材８２としては、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ等が用いられる。特に、製造工程を簡略化するという観点からは、集電電極７を導電ペーストを用いて作製するとともに第１壁部材８１および第２壁部材８２も同じ導電ペーストを用いて作製してもよい。

第１壁部材８１および第２壁部材８２は、製造工程を簡略化するという観点からは、導電ペーストを用いて帯状の膜を形成した後、レーザスクライブ加工やメカニカルスクライブ加工で中央部を除去して、平行に延びる２本の帯状体とすることで作製してもよい。あるいは、第１壁部材８１および第２壁部材８２は、導電ペーストを用いて、スクリーン印刷によって、平行に延びる２本の帯状体とすることで作製してもよい。

第２壁部材８２の上面の基板１の一主面からの高さをＬ３とし、配線導体９の上面の基板１の一主面からの高さをＬ２としたときに、Ｌ３はＬ２の０．５〜１．５倍程度であればよい。また、第２壁部材８２の幅（Ｘ軸方向の幅）は１０００〜５０００μｍ程度であればよい。このような構成によって、封止部材１２の膨張および収縮による応力が配線導体９に加わるのを有効に低減できる。

１０１、１０２：光電変換モジュ−ル
１１：光電変換部
１：基板
Ｓ：半導体層
８（８Ａ、８Ｂ）：出力電極
９（９Ａ、９Ｂ）：配線導体
８１（８１Ａ、８１Ｂ）：第１壁部材
８２（８２Ａ、８２Ｂ）：第２壁部材
１２：封止部材

Claims (7)

1. 一主面を有する基板と、
   前記一主面上に配置された光電変換部と、
   前記光電変換部の外周部上に配置され、前記光電変換部の外辺に沿って延びる配線導体と、
   前記一主面の前記配線導体よりも外周側の部位上に配置され、前記配線導体に沿って延びる第１壁部材と、
   前記光電変換部、前記配線導体および前記第１壁部材を封止する封止部材と
   を具備する光電変換モジュール。
2. 前記光電変換部は下部電極層と半導体層とが積層されて成り、前記下部電極層は前記半導体層よりも外側に延出された出力電極を有しており、前記配線導体および前記第１壁部材は前記出力電極上に配置されている、請求項１に記載の光電変換モジュール。
3. 前記出力電極の前記半導体層と前記配線導体との間の部位上に第２壁部材をさらに有している、請求項２に記載の光電変換モジュール。
4. 前記第１壁部材は導電材料から成る、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。
5. 前記第１壁部材は前記配線導体と接触している、請求項４に記載の光電変換モジュール。
6. 前記第２壁部材は導電材料から成る、請求項１乃至５のいずれかに記載の光電変換モジュール。
7. 前記第２壁部材は前記配線導体と接触している、請求項６に記載の光電変換モジュール。

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