JP2016111310A - 光電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光電変換によって生じたキャリアの再結合を低減し、光電変換装置の光電変換効率を向上させることにある。【解決手段】 光電変換装置１１は、下部電極層２と、下部電極層２の上面を部分的に覆うように設けられた絶縁層６と、下部電極層２および絶縁層６上に設けられた光吸収層３と、光吸収層３上に設けられたバッファ層４と、バッファ層４の上面に設けられた上部電極層５とを具備する。【選択図】 図２

Description

本発明は、複数の半導体層が積層されて成る光電変換装置に関する。

太陽光発電等に使用される光電変換装置として、複数の半導体層を積層されたものがある（例えば特許文献１参照）。このような光電変換装置は、複数の光電変換セルが平面的に並設された構成を有する。各光電変換セルは、ガラス等の基板の上に、金属電極等の下部電極と、ＣＩＧＳなどの金属カルコゲナイドを含む光吸収層と、この光吸収層にヘテロ接合した、硫化インジウムを含むバッファ層と、透明電極や金属電極等の上部電極とが、この順に積層されて構成されている。また、複数の光電変換セルは、隣り合う一方の光電変換セルの上部電極と他方の光電変換セルの下部電極とが接続導体によって電気的に接続されることで、電気的に直列に接続されている。

特開２００３−２８２９０９号公報

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。光電変換装置の光電変換効率を高めるためには、光電変換によって生じたキャリアの再結合を低減することが有効である。本発明の一つの目的は、光電変換によって生じたキャリアの再結合を低減し、光電変換装置の光電変換効率を向上させることにある。

本発明の一態様に係る光電変換装置は、下部電極層と、該下部電極層の上面を部分的に覆うように設けられた絶縁層と、前記下部電極層および前記絶縁層上に設けられた光吸収層と、該光吸収層上に設けられたバッファ層と、該バッファ層の上面に設けられた上部電極層とを具備する。

本発明によれば、光電変換によって生じたキャリアの再結合を低減し、光電変換装置の光電変換効率を向上させることができる。

第１実施形態の光電変換装置の実施の形態の一例を示す斜視図である。 図１の光電変換装置の断面図である。 図１の光電変換装置の絶縁層よりも上側の部分を除いた平面図である。 第２実施形態の光電変換装置の絶縁層よりも上側の部分を除いた平面図である。 第３実施形態の光電変換装置の絶縁層よりも上側の部分を除いた平面図である。 第４実施形態の光電変換装置の絶縁層よりも上側の部分を除いた平面図である。

以下に本発明について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜第１実施形態の光電変換装置＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る光電変換装置を示す斜視図であり、図２はその断面図である。また、図３は下部電極層および絶縁層の構成を見やすくするため、光電変換装置の絶縁層よりも上側の部分を除いた平面図である。光電変換装置１１は、基板１上に複数の光電変換セル１０が間隔Ｐ３をあけて並べられて互いに電気的に接続されている。なお、図１においては図示の都合上、２つの光電変換セル１０のみを示しているが、実際の光電変換装置１１においては、図面左右方向、あるいはさらにこれに垂直な方向に、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。

図１、図２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。図１、図２において、複数の下部電極層２は、一方向に間隔Ｐ１をあけて並べられた下部電極層２ａ〜２ｃを具備している。この下部電極層２ａ上から基板１上を経て下部電極層２ｂ上にかけて、光吸収層３、絶縁層６、バッファ層４および上部電極層５が順に積層されている。さらに、下部電極層２ｂ上において、接続導体７が、光吸収層３およびバッファ層４側面に沿って、またはこれらを貫通して設けられている。この接続導体７は、上部電極層５と下部電極層２ｂとを電気的に接続している。これら下部電極層２、光吸収層３、絶縁層６、バッファ層４および上部電極層５によって、１つの光電変換セル１０が構成され、隣接する光電変換セル１０同士が接続導体７を介して直列接続されることによって、高出力の光電変換装置１１となる。なお、本実施形態における光電変換装置１１は、上部電極層５側から光吸収層３へ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、下部電極層２側から光吸収層３へ光が入射されるものであってもよい。

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１〜３ｍｍ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。

下部電極層２（下部電極層２ａ、２ｂ、２ｃ）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。

絶縁層６は、図３に示すように、下部電極層２の上に設けられており、下部電極層２の上面を部分的に覆っている。図３の例では、絶縁層６が下部電極層２の上に点在している。このような構成によって、絶縁層６がパッシベーション膜として機能し、バンドベンディングによる電界効果を生じさせることによって、界面での少数キャリア追い返しの効果でキャリアの再結合を低減できる。もしくは、下部電極層２を絶縁層６で覆った部分は光吸収層３と下部電極層２とが接合していないため、下部電極層２を移動する一方のキャリアと、光吸収層３の表面に存在する少数キャリアとの再結合を低減できる。下部電極層２の絶縁層６に覆われていない部位では下部電極層２と光吸収層３とが電気的に接合することによって、光電変換によって生じたキャリアを良好に取り出すことが可能となる。以上の結果、光電変換装置１１の光電変換効率を向上させることができる。

絶縁層６は電気抵抗率が１Ω・ｍ以上のものが用いられ得る。このような絶縁層６としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＭｇＯおよびＴｉＯ_２の等の金属酸化物またはポリイミド樹脂等の耐熱性樹脂が挙げられる。

絶縁層６がＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＭｇＯおよびＴｉＯ_２の少なくとも一種を含む場合、下部電極層２と光吸収層３との密着性を高めることができる。この場合、絶縁層６におけるＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＭｇＯおよびＴｉＯ_２の含有量は、Ａ
ｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＭｇＯおよびＴｉＯ_２の質量合計が絶縁層６の全質量の５０％以上となるようにするのが好ましい。下部電極層２と光吸収層３との密着性および絶縁層６の耐熱性をより高めるという観点からは、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＭｇＯおよびＴｉＯ_２の質量合計が絶縁層６の全質量の７０％以上となるようにするのが好ましい。

また、絶縁層６がポリイミド樹脂を含む場合、絶縁層６の柔軟性が向上し、絶縁層６のクラックなどによる絶縁不良（パッシベーション機能の低下）を低減させることが可能となる。更に、絶縁層６が光吸収層３と下部電極２との間の応力緩和層として作用し、光吸収層３のクラックや剥離を軽減する役割もする。また、パターン形状の絶縁層６を形成する際、インクジェット塗布法等で容易に行なうことができ、生産性も向上する。なお、絶縁層６がポリイミド樹脂を含む場合、ポリイミド樹脂の質量合計が絶縁層６の全質量の５０％以上となるようにするのが好ましい。絶縁層６の柔軟性および耐熱性をより高めるという観点からは、ポリイミド樹脂の質量合計が絶縁層６の全質量の７０％以上となるようにするのが好ましい。

また、絶縁層６の非形成部において光吸収層３を良好に形成し、下部電極層２と光吸収層３との電気的な接続を良好にするという観点からは、絶縁層６の厚みは１５〜２００ｎｍ程度であればよい。

また、下部電極層２の上面における単位面積あたりの絶縁層６の被覆面積率は１０％以上９５％以下であればよい。このような範囲であれば、絶縁層６によるパッシベーション機能とキャリアの取り出しとを良好に行なうことができる。

絶縁層６は、蒸着法、スパッタリング法、ゾルゲル法、スクリーン印刷法、塗布法、めっき法、スプレー塗布法、インクジェット塗布法等の成膜方法を用いて作製することができる。また、必要に応じて、フォトリソグラフィー法、リフトオフ法、ディスペンサーを用いた塗布法、レーザスクライブ等のパターン形成法を組み合わせることによって、絶縁層６を所望のパターン形状にすることができる。また、絶縁層６を形成後にアニールなどの結晶化促進や異物除去の工程を加えることもできる。

絶縁層６は、数量やサイズなどを場所によって変更しても良い。このようにすることで、光吸収層３の組成や膜厚ムラなどに対応して再結合抑制の効果をさらに高めたり、抵抗成分を極力小さくすることで光電変換装置２１の変換効率を高めることができる。

光吸収層３は、光を吸収してキャリア（電子および正孔）を発生させる機能をする半導体層である。光吸収層３は、例えば１μｍ〜３μｍ程度の厚みであり、第１の導電型（ここではｐ型の例を示す）を有している。第１の半導体層３としては、II−VI族化合物、Ｉ−III−VI族化合物およびＩ−II−IV−VI族化合物等の化合物半導体等が挙げられる。

II−VI族化合物とは、１２族元素（II−Ｂ族元素ともいう）と１６族元素（VI−Ｂ族元素ともいう）との化合物半導体である。II−VI族化合物としては、例えば、ＣｄＴｅ等が挙げられる。

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）が挙げられる。あるいは、光吸収層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−II−IV−VI族化合物とは、１１族元素と１２族元素と１４族元素（IV−Ｂ族元素ともいう）と１６族元素との化合物である。Ｉ−II−IV−VI族化合物としては、例えば、Ｃｕ_２ＺｎＳｎＳ_４（ＣＺＴＳともいう）、Ｃｕ_２ＺｎＳｎ（Ｓ，Ｓｅ）_４（ＣＺＴＳＳｅともいう）、およびＣｕ_２ＺｎＳｎＳｅ_４（ＣＺＴＳｅともいう）が挙げられる。

光吸収層３は、スパッタリング法、蒸着法などのいわゆる真空プロセスによって形成可能であるほか、いわゆる塗布法あるいは印刷法と称されるプロセスによって形成することもできる。塗布法あるいは印刷法と称されるプロセスは、光吸収層３の構成元素の錯体溶液を下部電極層２の上に塗布し、その後、乾燥・熱処理を行うプロセスである。

バッファ層４は、光吸収層３にヘテロ接合された、第１の導電型とは異なる第２の導電型（ここではｎ型の例を示す）を有する半導体層であり、５〜２００ｎｍの厚みを有している。バッファ層４としては、例えば、ＣｄＳ、ＺｎＳ、Ｉｎ_２Ｓ_３等の金属硫化物が用いられる。なお、バッファ層４は、このような金属硫化物に加えて、金属酸化物および金属水酸化物の少なくとも一方を含む混晶であってもよい。バッファ層４は、例えば溶液析出法（ＣＢＤ法）、ＡＬＤ法、ＭＯＣＶＤ法などで形成される。

上部電極層５は、バッファ層４と同じ第２の導電型を有する半導体層であり、０．０５〜３．０μｍ程度の厚みの導電膜である。上部電極層５は、光吸収層３で生じた電荷を良好に取り出すためのものであり、例えば、上部電極層５の電気抵抗率は１Ω・ｃｍ以下であり、シート抵抗は５０Ω／□以下であってもよい。

上部電極層５は、ＺｎＯやＩｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２等の金属酸化物を含み、電気抵抗率を低くするために、Ａｌ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ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）、ＢＺＯ（Boron Zinc Oxide）、ＧＺＯ（Gallium Zinc Oxide）、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＦＴＯ（Fluorine tin Oxide）等がある。上部電極層５は、スパッタリング法、蒸着法またはＣＶＤ法等で形成される。

また、上部電極層５は、ＺｎＯやＩｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２等の金属酸化物を含む、電気抵抗率が異なる２層以上の層で形成されても良い。このようにすることで、上部電極層５のバッファ層４側で抵抗を大きくし、リークを抑制する機能を付与することもできる。

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８が形成されていてもよい。集電電極８は、光吸収層３で生じた電荷をさらに良好に取り出すためのものである。集電電極８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７にかけて線状に形成されている。これにより、光吸収層３で生じた電流が上部電極層５を介して集電電極８に集電され、接続導体７を介して隣接する光電変換セル１０に良好に通電される。

集電電極８は、光吸収層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８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７は、光吸収層３、バッファ層４および上部電極層５を分断する溝Ｐ２内に設けられた導体である。接続導体７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８を延伸して接続導体７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。

なお、本発明は上述の実施の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において種々の変更、改良などが可能である。以下に種々の変形例を示す。

＜第２実施形態の光電変換装置＞
図４は、第２実施形態の光電変換装置２１の絶縁層２６よりも上側の部分（光吸収層、バッファ層、上部電極層および集電電極）を除いた平面図である。図４において、図１〜３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。

第２実施形態の光電変換装置２１は、図４に示すように、絶縁層２６が、下部電極層２の上面を露出させる複数の貫通孔を有している形状である点で第１実施形態の光電変換装置１１と異なっている。

このような構成であっても、第１実施形態の光電変換装置１１と同様に光電変換によって生じたキャリアの再結合を低減して光電変換効率を向上させることができる。さらに、第２実施形態の光電変換装置２１の構成であれば、同一の間隔でパターン形成した場合に絶縁層２６の面積をより大きくすることができるので、より高いパッシベーション効果が得られる。

また、図４に図示した、絶縁層２６に形成された下部電極層２の上面を露出させる複数の貫通孔は、数量や貫通孔サイズなどを場所によって変更しても良い。このようにすることで、光吸収層３の組成や膜厚ムラなどに対応して再結合抑制の効果をさらに高めたり、抵抗成分を極力小さくすることで光電変換装置２１の変換効率を高めることができる。

＜第３実施形態の光電変換装置＞
図５は、第３実施形態の光電変換装置３１の絶縁層３６よりも上側の部分（光吸収層、バッファ層、上部電極層および集電電極）を除いた平面図である。図５において、図１〜３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。

第３実施形態の光電変換装置３１は、図５に示すように、絶縁層３６が、互いに間隔をあけてＸ軸方向に延びる複数の帯状体から成る点で第１実施形態の光電変換装置１１と異なっている。

このような構成であっても、第１実施形態の光電変換装置１１と同様に光電変換によって生じたキャリアの再結合を低減して光電変換効率を向上させることができる。さらに、第３実施形態の光電変換装置３１の構成であれば、絶縁層３６を介さずに下部電極層２と光吸収層３とが接続している部位が電流の流れる方向となるため、電気抵抗を比較的小さくして電流損失を小さくすることができる。

＜第４実施形態の光電変換装置＞
図６は、第４実施形態の光電変換装置４１の絶縁層４６よりも上側の部分（光吸収層、バッファ層、上部電極層および集電電極）を除いた平面図である。図６において、図１〜３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。

第４実施形態の光電変換装置４１は、図６に示すように、絶縁層４６が、互いに間隔を
あけてＹ軸方向に延びる複数の帯状体から成る点で第１実施形態の光電変換装置１１と異なっている。

このような構成であっても、第１実施形態の光電変換装置１１と同様に光電変換によって生じたキャリアの再結合を低減して光電変換効率を向上させることができる。特に集電電極８を用いる場合、第３実施形態の光電変換装置３１の構成であれば、絶縁層４６と集電電極８とが直行する方向となることから、各集電電極８で均一に集電することが可能になり、不均一性に起因する発電効率低下を抑制することができる。

２、２ａ、２ｂ、２ｃ：下部電極層
３：光吸収層
４：バッファ層
５：上部電極層
６、２６、３６、４６：絶縁層
１１、２１、３１、４１：光電変換装置

Claims (8)

1. 下部電極層と、
   該下部電極層の上面を部分的に覆うように設けられた絶縁層と、
   前記下部電極層および前記絶縁層上に設けられた光吸収層と、
   該光吸収層上に設けられたバッファ層と、
   該バッファ層の上面に設けられた上部電極層と
   を具備する光電変換装置。
2. 前記絶縁層の電気抵抗率が１Ω・ｍ以上である、請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記下部電極層の上面における単位面積あたりの前記絶縁層の被覆面積率は１０％以上９５％以下である、請求項１または２に記載の光電変換装置。
4. 前記絶縁層はＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＭｇＯおよびＴｉＯ_２の少なくとも一種を含む、請求項１乃至３のいずれかに記載の光電変換装置。
5. 前記絶縁層はポリイミド樹脂を含む、請求項１乃至３のいずれかに記載の光電変換装置。
6. 前記絶縁層は、前記下部電極層上に点在している、請求項１乃至５のいずれかに記載の光電変換装置。
7. 前記絶縁層は、前記下部電極層上に複数の帯状体が互いに間隔をあけて設けられている、請求項１乃至５のいずれかに記載の光電変換装置。
8. 前記絶縁層は、前記下部電極層の上面を露出させる複数の貫通孔を有している、請求項１乃至５のいずれかに記載の光電変換装置。

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