JP2016157807A

JP2016157807A - 光電変換装置

Info

Publication number: JP2016157807A
Application number: JP2015034330A
Authority: JP
Inventors: 順次荒浪; Junji Aranami; 浩孝佐野; Hirotaka Sano; 大介豊田; Daisuke Toyoda; 正人福留; Masato Fukutome
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-02-24
Filing date: 2015-02-24
Publication date: 2016-09-01
Anticipated expiration: 2035-02-24
Also published as: JP6258884B2

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、ガラスを主として含む基板１と、基板１上に設けられた、基板１を露出させる複数の貫通孔１２を有する下部電極層２と、貫通孔１２内における基板１上に設けられた絶縁層６と、下部電極層２および絶縁層６上に設けられた光電変換層Ａと、光電変換層Ａ上に設けられた上部電極層Ｂとを具備する光電変換装置。【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、ガラスを主として含む基板と、該基板上に設けられた、前記基板を露出させる複数の貫通孔を有する下部電極層と、前記貫通孔内における前記基板上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電変換層と、該光電変換層上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の光電変換装置における下部電極層の平面図である。

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。

図１は、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、光電変換装置の下部電極層よりも上側の部分を除いた平面図、すなわち下部電極層の平面図である。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上から下部電極層２ｂ上にかけて、光電変換層Ａが設けられており、その上に上部電極層Ｂが設けられている。さらに、下部電極層２ｂ上において、接続導体７が、光電変換層Ａの側面に沿って、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Ｂ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、光電変換層Ａおよび上部電極層Ｂ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Ｂ側から光電変換層Ａ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側から光電変換層Ａ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としては、例えば、青板ガラス（ソーダライムガラス）や白板ガラス等の板ガラスが用いられる。基板１の厚みとしては、例えば、１〜３ｍｍ程度である。

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。

図２および図３に示すように、下部電極層２は、厚み方向（図のＺ方向）に、基板１の上面を露出させる貫通孔１２を複数個有している。下部電極層２を平面視した時の貫通孔１２の形状は、円形状、楕円形状、多角形状、細長い形状等、種々の形状が採用され得る。また、下部電極層２の上面に対して垂直な方向における貫通孔１２の断面（ＸＺ断面あるいはＹＺ断面）の形状は、基板１に近づくほど幅が細くなるテーパー形状、基板１に近づくほど幅が太くなるテーパー形状等、種々の形状が採用され得る。

貫通孔１２は、例えば、下部電極層２をレーザー加工やエッチング等によって部分的に除去することによって作製することができる。

絶縁層６は、貫通孔１２の内部における基板１の上面に設けられている。そして、後述する光電変換層Ａは、下部電極層２の上面と絶縁層６の上面との両方に接合している。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。その結果、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、Ｎｂ_２Ｏ_５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、Ｎｂ_２Ｏ_５およびＴｉＯ_２の少なくとも一種を含む場合、下部電極層２と光電変換層Ａ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、Ｎｂ_２Ｏ_５およびＴｉＯ_２の含有量は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５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と光電変換層Ａ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、Ｎｂ_２Ｏ_５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が応力緩和層として作用し、光電変換層Ａのクラックや剥離を軽減する役割もする。また、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、下部電極層２を平面視したときに、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の占有面積率は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。

なお、絶縁層６の厚みは、図２および図３に示すように、下部電極層２の厚みと同じでもよい。この場合、絶縁層６上面および下部電極層２の上面の平坦性が良好となり、これらの熱膨張差に起因する応力が生じ難くなって光電変換層Ａにクラック等が生じるのをより低減できる。また、絶縁層６の厚みは、下部電極層２の厚みと異なっていてもよい。例えば、絶縁層６の厚みが下部電極層２の厚みよりも薄い場合、基板１側からの光を光電変換層Ａに透過させやすくなり、より多くの光を光電変換層Ａに入射させることができる。また、絶縁層６の厚みが下部電極層２の厚みよりも厚い場合、光電変換層Ａと絶縁層６との接合面積を高めることができ、キャリアの再結合をより低減できる。

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、光電変換層Ａ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、電気抵抗成分を極力小さくしたりすることで光電変換装置１１の変換効率を高めることができる。

また、絶縁層６は、図２および図３に示すように、隣り合う下部電極層同士の間の間隙Ｐ１（下部電極層２ａ、２ｂ間、および下部電極層２ｂ、２ｃ間）における基板１の上面にも設けられていてもよい。このような構成によって、間隙Ｐ１近傍におけるキャリアの再結合を低減でき、さらに光電変換効率を高めることができる。
なお、図示していないが、基板１と下部電極２の間、並びに基板１と絶縁層６の間に光散乱や導電を目的とした透明導電膜や、屈折率が基板１と下部電極２の間、もしくは基板１と絶縁層６の間の反射を抑制するようにした絶縁膜を形成してもよい。このとき、絶縁層６を形成しているために、光電変換層Ａを形成するプロセスで透明導電膜や絶縁膜が変質してしまうのを保護することができるようになり、材料選択の自由度が増す。

光電変換層Ａ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。光電変換層Ａは、例えば１μｍ〜３μｍ程度の厚みである。光電変換層Ａは、複数の半導体層が積層されたものであってもよい。図１および図２は、光電変換層Ａが、光を吸収して光電変換可能な光吸収層３と、光吸収層３に接合された、光吸収層３とは異なる導電型のバッファ層４との積層体から成る例を示している。

光吸収層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および絶縁層１２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、光吸収層３とは異なる導電型（ここでは光吸収層３がｐ型でバッファ層４が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Ｂは光電変換層Ａの光電変換で生じたキャリアを取り出す電極として機能する。図１および図２の例では上部電極層Ｂが透明導電膜５と集電電極８とから成る例を示しているがこれに限定されず、透明導電膜だけであってもよく、あるいは集電電極だけであってもよい。

透明導電膜５は、バッファ層４と同じ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。透明導電膜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。

透明導電膜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。透明導電膜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、透明導電膜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、透明導電膜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。

集電電極８は、上部電極層Ｂの電気抵抗率を低くして光電変換層Ａ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、光電変換層Ａで生じた電流が透明導電膜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、光電変換層Ａ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、光電変換層Ａおよび上部電極層Ｂ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、透明導電膜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。

Ａ：光電変換層
Ｂ：上部電極層
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：絶縁層
１１：光電変換装置
１２：貫通孔

Claims

ガラスを主として含む基板と、
該基板上に設けられた、前記基板を露出させる複数の貫通孔を有する下部電極層と、
前記貫通孔内における前記基板上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電変換層と、
該光電変換層上に設けられた上部電極層と
を具備する光電変換装置。
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。
前記下部電極層を平面視したときの単位面積あたりの前記絶縁層の占有面積率は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。
前記絶縁層はＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５、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。
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。