JP2016157808A

JP2016157808A - 光電変換装置

Info

Publication number: JP2016157808A
Application number: JP2015034331A
Authority: JP
Inventors: 順次荒浪; Junji Aranami
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-02-24
Filing date: 2015-02-24
Publication date: 2016-09-01

Abstract

【課題】光電変換装置の光電変換効率を向上させる。
【解決手段】光電変換装置１１は、基板１と、基板１上に配置された第１の下部電極層２ａと、第１の下部電極層２ａと第１間隔Ｐ１をあけて基板１上に配置された第２の下部電極層２ｂと、第１の下部電極層２ａ上から第２の下部電極層２ｂ上にかけて配置された光電変換層Ａと、光電変換層Ａと第２間隙Ｐ２をあけて第２の下部電極層２ｂ上に配置された分離光電変換層Ｃと、光電変換層Ａ上に配置された上部電極層Ｂと、第２間隙Ｐ２内に配置された、上部電極層Ｂと第２の下部電極層２ｂとを電気的に接続する接続導体７と、第２の下部電極層２ｂの上面と分離光電変換層Ｃとの界面に配置された絶縁層２０とを具備する。
【選択図】図２

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。

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）。

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、光吸収層およびバッファ層を含む光電変換層と、透明導電膜などの上部電極層とを、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。

特開２０００−２９９４８６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。本発明の一つの目的は、光電変換装置の光電変換効率を向上させることにある。

本発明の一実施形態に係る光電変換装置は、基板と、該基板上に配置された第１の下部電極層と、該第１の下部電極層と第１間隔をあけて前記基板上に配置された第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、前記光電変換層と第２間隙をあけて前記第２の下部電極層上に配置された分離光電変換層と、前記光電変換層上に配置された上部電極層と、前記第２間隙内に配置された、前記上部電極層と前記第２の下部電極層とを電気的に接続する接続導体と、前記第２の下部電極層の上面と前記分離光電変換層との界面に配置された絶縁層とを具備する。

本発明によれば、光電変換効率を高めることが可能となる。

光電変換装置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２の光電変換装置の要部拡大断面図である。

以下に本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜光電変換装置の構成＞
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は図２の光電変換装置の要部拡大断面図である。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〜図３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３において、基板１上に複数の下部電極層２が第１間隙Ｐ１をあけて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Ａが設けられている。また、第２の下部電極層２ｂ上において、上記光電変換層Ａと第２間隙Ｐ２をあけて分離光電変換層Ｃが設けられている。つまり、分離光電変換層Ｃは、第１の下部電極層２ａ上から第２の下部電極層２ｂ上にかけて連続して形成した光電変換層を、後述する接続導体７が設けられる第２間隙Ｐ２を形成するために、第２の下部電極層２ｂ上で分断することによって光電変換層Ａから分離された部位である。また、光電変換層Ａ上には上部電極層Ｂが設けられている。そして、第２の下部電極層２ｂ上の第２間隙Ｐ２内において、接続導体７が第２の下部電極層２ｂと上部電極層Ｂとを電気的に接続するように設けられている。これら、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）、光電変換層Ａ、分離光電変換層Ｃ、上部電極層Ｂおよび接続導体７を少なくとも含むことによって、１つの光電変換セル１０が構成される。そして、隣接する光電変換セル１０同士が第２の下部電極層２ｂ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。

なお、本実施形態における光電変換装置１１は、光電変換層Ａに対して上部電極層Ｂ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。

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（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間隙Ｐ１の幅、つまり第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。

光電変換層Ａおよび分離光電変換層Ｃ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および分離光電変換層Ｃは、例えば１μｍ〜３μｍ程度の厚みである。光電変換層Ａおよび分離光電変換層Ｃ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〜図３は、光電変換層Ａおよび分離光電変換層Ｃ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〜図３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。

接続導体７は、第２間隙Ｐ２内に設けられており、上部電極層Ｂと第２下部電極層２ｂとを電気的に接続する導体である。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および図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。

絶縁層２０は、第２の下部電極層２ｂの上面と分離光電変換層Ｃとの界面に設けられている。このような構成によって、光電変換効率をさらに高めることができる。つまり、従来の光電変換装置では、隣接する光電変換セル１０のうち一方の光電変換セル１０の光電変換層Ａで生じた電流が、上部電極層Ｂ、接続導体７および第２の下部電極層２ｂを介して隣接する他方の光電変換セル１０に伝送される。しかし、非発電領域である分離光電変換装置Ｃも光照射によって励起されて導電率が高くなるため、第２の下部電極層２ｂと分離光電変換層Ｃとの界面で電流値が低減しやすくなる。これに対し、上記のように絶縁層２０を有することによって、第２の下部電極層２ｂを流れる電流値の低減を少なくすることができる。その結果、光電変換効率が高くなる。

絶縁層２０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２０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２０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、第２の下部電極層２ｂと分離光電変換層Ｃとの密着性を高めることができる。この場合、絶縁層２０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２０の全質量の５０％以上となるようにするのが好ましい。第２の下部電極層２ｂと分離光電変換層Ｃとの密着性および絶縁層２０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２０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２０がポリイミド樹脂を含む場合、絶縁層２０の柔軟性が向上し、絶縁層２０のクラックなどによる絶縁不良を低減させることが可能となる。更に、絶縁層２０が応力緩和層として作用し、分離光電変換層Ｃのクラックや剥離を軽減する役割もする。また、絶縁層２０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２０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２０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２０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２０の全質量の７０％以上となるようにするのが好ましい。

絶縁層２０は、第２の下部電極層２ｂの上面と分離光電変換層Ｃとの界面全面を覆っていてもよく、部分的に覆っていてもよい。特に第２の下部電極層２ｂを流れる電流値の低
減をより少なくするという観点からは、絶縁層２０が第２の下部電極層２ｂの上面と分離光電変換層Ｃとの界面全面を覆っていてもよい。

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。

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
７：接続導体
１０：光電変換セル
１１：光電変換装置
２０：絶縁層
Ａ：光電変換層
Ｂ：上部電極層
Ｃ：分離光電変換層

Claims

基板と、
該基板上に配置された第１の下部電極層と、
該第１の下部電極層と第１間隔をあけて前記基板上に配置された第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、前記光電変換層と第２間隙をあけて前記第２の下部電極層上に配置された分離光電変換層と、
前記光電変換層上に配置された上部電極層と、
前記第２間隙内に配置された、前記上部電極層と前記第２の下部電極層とを電気的に接続する接続導体と、
前記第２の下部電極層の上面と前記分離光電変換層との界面に配置された絶縁層と
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または２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または２に記載の光電変換装置。