JP4053193B2 - 薄膜光電変換モジュール - Google Patents
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- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜光電変換モジュールに関し、特には、複数の薄膜光電変換セルが直列接続された薄膜光電変換モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、複数の薄膜光電変換セルを直列接続してなる薄膜光電変換モジュールは、帯状に形成された複数の薄膜光電変換セルをその短軸方向に集積した構造を有している。かかるモジュールにおいては、ある薄膜光電変換セルの受光面に木の葉や鳥の糞などが付着すると、その光起電力が低下し、延いてはモジュール全体の出力が大幅に低下する。これは、光起電力の低下を生じたセルが、発電方向と逆方向に直列接続されたダイオードとして振る舞い、極めて大きな抵抗値を示すためである。
【０００３】
このような問題に対し、特開昭５７−５３９８６号公報は、直列接続された複数の薄膜光電変換セルを分割して複数の直列アレイを形成し、これら直列アレイを並列接続することを開示している。これによると、いずれかのセルの光起電力がゼロとなった場合においても、モジュール全体の出力が大幅に低下するのを防止することができる。
【０００４】
しかしながら、上記付着物により生ずる問題はこれだけではなく、以下に説明するように、より深刻な問題が存在する。
【０００５】
上述した問題を生じた場合に、上記ダイオードとして振る舞うセルに逆方向耐電圧以上の電圧が印加されると、その絶縁破壊が生ずる。そのような状態のセルにおいて電流は均一に流れないため、ホットスポット現象と呼ばれる局所的な加熱を生ずる。
【０００６】
このような加熱は、セルを流れる電流が少ない場合には大きな問題とはならない。しかしながら、大面積のモジュールでは一般に出力電流も大きいため、絶縁破壊が生じると上記セル内で局所的に大電流が流れることとなる。その結果、金属電極層が溶融して、最終的にはそのセル自体が破壊されてしまうことがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、高い信頼性を有する薄膜光電変換モジュールを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するに当り、複数の直列アレイが並列接続された構造において、それぞれのアレイの短絡電流が所定値以下となるように設計することにより、１つの薄膜光電変換セルが全く光起電力を生じない場合においてもそのセルの破壊を十分に防止可能となることを見出した。
【０００９】
すなわち、本発明によると、基板と、該基板上に形成されたそれぞれ複数の薄膜光電変換セルを直列接続してなる複数の直列アレイと、該複数の直列アレイを並列接続する一対の共通電極とを具備し、下記条件下での短絡電流が１Ａ以上の薄膜光電変換モジュールであって、前記複数の薄膜光電変換セルは、前記基板上で縦横格子状の配列構造を呈するように形成されており、前記複数の直列アレイのそれぞれは前記複数の薄膜光電変換セルを縦方向に直列接続してなり、前記一対の共通電極は前記配列構造の縦方向両端部にそれぞれ配置され、前記複数の直列アレイのそれぞれの下記条件下での短絡電流は２５０ｍＡ以下であり、前記縦横格子状の配列構造とし、かつ、前記直列アレイの短絡電流を２５０ｍＡ以下にすることによってホットスポット現象と呼ばれる局所的な加熱の課題を解決する薄膜光電変換モジュールが提供される。
【００１０】
光源 ：キセノンランプ
放射照度：１００ｍＷ／ｃｍ2
ＡＭ ：１．５
温度 ：２５℃
本発明において、複数の薄膜光電変換セルは、それぞれ、基板上に順次形成された第１の電極層と非単結晶シリコン系薄膜光電変換ユニットと第２の電極層とで構成することができる。
【００１１】
また、本発明において、複数の薄膜光電変換セルは、通常、基板上で縦横格子状の配列構造を呈するように設けられる。この場合、複数の直列アレイを複数の薄膜光電変換セルを縦方向に直列接続し、一対の共通電極を上記配列構造の縦方向両端部にそれぞれ配置することができる。
【００１２】
また、本発明において、複数の直列アレイのそれぞれの上記条件下での短絡電流は３００ｍＡ以下であることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながらより詳細に説明する。なお、各図において同様の部材には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る薄膜光電変換モジュールを概略的に示す上面図である。図１に示す薄膜光電変換モジュール１は、透明基板２上に複数の薄膜光電変換セル１０を集積した構造を有している。なお、図１において、これら薄膜光電変換セル１０は縦方向に直列接続された複数の直列アレイ１１を形成しており、これら直列アレイ１１は、リボン状の銅箔等からなる一対の共通電極である電極バスバー１２により並列接続されている。
【００１５】
図１に示すモジュール１について、図２を参照しながら、さらに詳しく説明する。
図２は、図１に示す薄膜光電変換モジュール１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。なお、図２には、モジュール１の一部のみが描かれている。
【００１６】
図２に示すように、モジュール１の薄膜光電変換セル１０は、透明基板２上に、透明前面電極層３、薄膜光電変換ユニット４、及び金属裏面電極層５を順次積層した構造を有している。このモジュール１は、透明基板２側から入射する光を光電変換ユニット４により光電変換するものである。
【００１７】
図１及び図２に示す光電変換モジュール１において、透明基板２は、ガラス板や透明樹脂フィルム等により構成することができる。
【００１８】
透明基板１上に形成される透明前面電極層３は、ＩＴＯ膜、ＳｎＯ2膜、或いはＺｎＯ膜のような透明導電性酸化物層等で構成することができる。透明前面電極層３は単層構造でも多層構造であってもよい。透明前面電極層３は、蒸着法、ＣＶＤ法、或いはスパッタリング法等それ自体既知の気相堆積法を用いて形成することができる。
【００１９】
透明前面電極層３の表面は、微細な凹凸を含む表面テクスチャ構造を有することが好ましい。透明前面電極層３の表面にこのようなテクスチャ構造を形成することにより、光電変換ユニット４への光の入射効率を向上させることができる。
【００２０】
透明前面電極層３の上に形成される薄膜光電変換ユニット４は、例えば、図２に示すように、透明前面電極層３上にｐ型非単結晶シリコン系半導体層４１、非単結晶シリコン系薄膜光電変換層４２、及びｎ型非単結晶シリコン系半導体層４３を順次積層した構造を有する。これらｐ型半導体層４１、光電変換層４２およびｎ型半導体層４３はいずれもプラズマＣＶＤ法により形成することができる。
【００２１】
ｐ型シリコン系半導体層４１は、シリコンまたはシリコンカーバイドやシリコンゲルマニウム等のシリコン合金に、ボロンやアルミニウム等のｐ導電型決定不純物原子をドープすることにより形成されている。
【００２２】
ｐ型半導体層４１上に形成される光電変換層４２は、非単結晶シリコン系半導体材料で形成され、そのような材料には、真性半導体のシリコン（水素化シリコン等）やシリコンカーバイド及びシリコンゲルマニウム等のシリコン合金等が含まれる。また、光電変換機能を十分に備えていれば、微量の導電型決定不純物を含む弱ｐ型もしくは弱ｎ型のシリコン系半導体材料も用いられ得る。
【００２３】
光電変換層４２上に形成されるｎ型シリコン系半導体層４３は、シリコンまたはシリコンカーバイドやシリコンゲルマニウム等のシリコン合金に、燐や窒素等のｎ導電型決定不純物原子をドープすることにより形成されている。
【００２４】
光電変換ユニット上４上に形成される金属裏面電極層５は電極としての機能を有するだけでなく、透明基板２から光電変換ユニット４に入射し裏面電極層５に到達した光を反射して光電変換ユニット４内に再入射させる反射層としての機能も有している。金属裏面電極層５は、銀等を用いて、蒸着法やスパッタリング法等により形成することができる。
【００２５】
なお、金属裏面電極層５と光電変換ユニット４との間には、例えば両者の間の接着性を向上させるために、ＺｎＯのような非金属材料からなる透明導電性薄膜（図示せず）を設けることができる。
【００２６】
上述した透明前面電極層３、薄膜光電変換ユニット４、及び金属裏面電極層５は、それぞれの成膜後にＹＡＧレーザ等を用いたレーザスクライブにより分割され、図１に示すように格子状に配列した複数の薄膜光電変換セル１０を形成している。また、上述したように、これら薄膜光電変換セル１０は、相互に並列接続された複数の直列アレイ１１を形成している。
【００２７】
このような並列構造を採用すると、いずれかのセル１０が遮光されてその光起電力が低下したとしても、直列構造のみで構成した場合ほどモジュール１の出力が大幅に低下することはない。また、これら直列アレイ１１は、光源にキセノンランプを用い、放射照度を１００ｍＷ／ｃｍ2、ＡＭ（Ａｉｒ Ｍａｓｓ）を１．５、及び温度を２５℃とした場合に、短絡電流が６００ｍＡ以下となるように設計されている。このように設計した場合、いずれかのセル１０の光起電力がゼロになったとしても、そのセル１０の金属裏面電極層５が溶融する程度にまで加熱されることはない。したがって、セル１０が破壊されるのを防止することができる。
【００２８】
直列アレイ１１の上記条件下での短絡電流は、３００ｍＡ以下であることが好ましく、２００ｍＡ以下であることがより好ましい。直列アレイ１１の短絡電流が小さいほど、セル１０の破壊をより良好に防止することができる。
【００２９】
また、本発明を適用することにより得られる上記効果は、ホットスポット現象が発生した際に高温に加熱されるような条件、すなわち、モジュール１の短絡電流が大きい場合に特に顕著である。したがって、本発明は、モジュール１の上記条件下での短絡電流が１Ａ以上の場合に有効であり、特に短絡電流が１．２Ａ以上の場合により有効となる。
【００３０】
同様に、上述した効果は、ホットスポット現象が発生し易い条件、すなわち、これら直列アレイ１１の開放電圧が大きい場合に特に顕著である。したがって、これら直列アレイ１１のそれぞれの上記条件下での開放電圧が１０Ｖ以上である場合、或いは、これら直列アレイ１１のそれぞれの集積数が１２個以上である場合により有効となる。
【００３１】
上述した薄膜光電変換セル１０の共通電極１２に垂直な方向の長さはモジュール１に要求される出力特性等に依存して決定され、例えば、３００ｍｍないし１０００ｍｍの範囲内に設定される。また、薄膜光電変換セル１０の共通電極１２と平行な方向の長さは、個々の直列アレイ１１の短絡電流に基づいて決定され、例えば、４００ｍｍ以下とすることにより、個々の直列アレイ１１の短絡電流を上記範囲内とすることができる。なお、セル１０の共通電極１２と平行な方向の長さは、１５０ｍｍ以上であることが好ましい。セル１０を過剰に小さくした場合、セル１０を得るための分割工程により多くの時間が必要となり、しかも、光電変換に有効な面積が減少する。
【００３２】
上述したモジュール１には、通常、その裏面側に、封止樹脂層（図示せず）を介して有機保護フィルム（図示せず）が設けられる。この封止樹脂層は、透明基板２上に形成された各薄膜光電変換セル１０を封止するものであり、有機保護フィルムをこれらセル１０に接着することが可能な樹脂が用いられる。そのような樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、及び光硬化性樹脂等を挙げることができ、例えば、ＥＶＡ（エチレン・ビニルアセテート共重合体）、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）、ＰＩＢ（ポリイソブチレン）、及びシリコーン樹脂等を用いることができる。
【００３３】
有機保護フィルムとしては、ポリフッ化ビニルフィルム（例えば、テドラーフィルム（登録商標名））のようなフッ素樹脂系フィルム或いはＰＥＴフィルムのように耐湿性や耐水性に優れた絶縁性フィルムが用いられる。有機保護フィルムは、単層構造でもよく、これらを積層した積層構造であってもよい。さらに、有機保護フィルムは、アルミニウム等からなる金属箔がこれらフィルムで挟持された構造を有してもよい。アルミニウム箔のような金属箔は耐湿性や耐水性を向上させる機能を有するので、有機保護フィルムをこのような構造とすることにより、薄膜光電変換セル１０をより効果的に水分から保護することができる。
【００３４】
これら封止樹脂／有機保護フィルムは、真空ラミネート法により薄膜光電変換モジュール１の裏面側に同時に貼着することができる。
【００３５】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態に係る薄膜光電変換モジュールを概略的に示す上面図である。図３に示す薄膜光電変換モジュール１は、図１のモジュール１と同様に透明基板２上に複数の薄膜光電変換セル１０を集積した構造を有しているが、図１のモジュール１とは共通電極１２の形状等が異なっている。
【００３６】
図３のモジュール１は、３つの領域１５ａ〜１５ｃで主に構成されている。領域１５ａ〜１５ｃのそれぞれでは、複数の直列アレイ１１が共通電極１２ａ，１２ｂにより並列接続されている。また、共通電極１２ａ，１２ｂは、領域１５ａ〜１５ｃの全てに共用されている。すなわち、図３のモジュール１では、領域１５ａ〜１５ｃの全ての直列アレイ１１が並列接続されている。
【００３７】
図３に示すモジュール１では、セル１０のサイズを大幅に変更することなく各直列アレイ１１の集積数を減少させることができる。したがって、低電圧出力が望まれる場合に特に有用である。
【００３８】
上述した各実施形態は、透明基板２上に、透明電極層３、ｐ−ｉ−ｎ接合を有する薄膜光電変換ユニット４、及び金属電極層５を順次積層した構造に関するものであるが、他の構造を採用することもできる。例えば、基板上に、金属電極層、ｎ−ｉ−ｐ接合を有する薄膜光電変換ユニット、及び透明電極層を順次積層した構造を採用することができる。また、薄膜光電変換ユニット４をタンデム型とすることも可能である。
【００３９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例）
図１及び図２に示す薄膜光電変換モジュール１を以下に示す方法により作製した。まず、ＹＡＧレーザを用いて基板１の長辺に平行にレーザスキャンすることにより、ガラス基板２の一方の主面に形成されたＳｎＯ2膜３をスクライブして複数の帯状パターンに分割した。
【００４０】
その後、プラズマＣＶＤ法により、ＳｎＯ2膜３上に、厚さ１０ｎｍのｐ型水素含有非晶質シリコンカーバイド層４１、厚さ３００ｎｍのｉ型水素含有非晶質シリコン層４２、及び厚さ１０ｎｍのｎ型水素含有微結晶シリコン層４３を順次成膜した。なお、ｐ型水素含有非晶質シリコンカーバイド層４１は不純物としてボロンをドープされ、ｉ型水素含有非晶質シリコン層４２はノンドープであり、ｎ型水素含有微結晶シリコン層４３は燐をドープされている。以上のようにして、ｐ−ｉ−ｎ接合を有する薄膜光電変換ユニット４を形成した。
【００４１】
次に、ＹＡＧレーザを用いて基板１の長辺に平行にレーザスキャンすることにより、この薄膜光電変換ユニット４のスクライブを行い、薄膜光電変換ユニット４を複数の帯状パターンに分割した。
【００４２】
次に、薄膜光電変換ユニット４上に、スパッタ法により、厚さ９０ｎｍのＺｎＯ膜（図示せず）及び厚さ３００ｎｍのＡｇ膜５を順次成膜して裏面電極層を形成した。この裏面電極層についても、同様に、ＹＡＧレーザを用いたレーザスクライブを行い、複数の帯状パターンに分割した。
【００４３】
続いて、ＹＡＧレーザを用いて基板２の短辺に平行にレーザスクライブを行い、ＳｎＯ2膜３、薄膜光電変換ユニット４、及び裏面電極層をそれぞれ基板２の長辺方向に分割した。以上のようにして、縦１０ｍｍ×横２００ｍｍの薄膜光電変換セル１０を縦方向に（基板２の短辺に平行に）５０段直列接続してなる直列アレイ１１を４個形成した。
【００４４】
その後、基板２に一対の電極バスバー１２を取り付けてこれら直列アレイ１１同士を並列接続した。さらに、基板２の直列アレイ１１を形成した面に、ＥＶＡ層（図示せず）を介してフッ素樹脂系シート（商標名：テドラー；図示せず）をラミネートすることによりモジュール１を得た。
【００４５】
以上説明した方法で１０枚のモジュール１を製造し、それぞれについて、光源としてキセノンランプを用いた放射照度１００ｍＷ／ｃｍ2、ＡＭ１．５のソーラーシュミレータを用いて出力特性を調べた。なお、測定温度は２５℃とした。
【００４６】
その結果、モジュール１の開放電圧は４４Ｖであり、短絡電流は１Ａであった。また、それぞれの直列アレイ１１については、開放電圧が４４Ｖであり、短絡電流は２５０ｍＡであった。
【００４７】
次に、これらモジュール１をそれぞれ短絡して、上記照射条件下に放置した。なお、このとき、それぞれのモジュール１においては、セル１０の１つには光を照射せずに、その光起電力をゼロとした。１分経過後、それぞれのモジュール１についてセル１０が破壊されたかどうかを調べた。その結果、全てのモジュール１において、セル１０の破壊は見られなかった。
【００４８】
（比較例）
基板の短辺に平行にレーザスクライブを行わずに、縦１０ｍｍ×横８００ｍｍの薄膜光電変換セルを縦方向に５０段直列接続してなる直列アレイを１個形成したこと以外は上記実施例と同様にして薄膜光電変換モジュールを１０枚製造した。
【００４９】
これらモジュールについても上記実施例と同様の条件で出力特性を調べた。その結果、モジュールの開放電圧は４４Ｖであり、短絡電流は１Ａであった。
【００５０】
次に、これらモジュールをそれぞれ短絡して、上記照射条件下に放置した。なお、このとき、それぞれのモジュールにおいては、セルの１つには光を照射しなかった。１分経過後、それぞれのモジュールについてセルが破壊されたかどうかを調べた。その結果、１０枚のモジュールにおいてセルの破壊が生じた。
【００５１】
【発明の効果】
以上示したように、本発明においては、それぞれの直列アレイの短絡電流が所定値以下となるように設計されるため、１つの薄膜光電変換セルが全く光起電力を生じない場合においてもそのセルの破壊を十分に防止することが可能である。すなわち、本発明によると、高い信頼性を有する薄膜光電変換モジュールが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る薄膜光電変換モジュールを概略的に示す上面図。
【図２】図１に示す薄膜光電変換モジュールのＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る薄膜光電変換モジュールを概略的に示す上面図。
【符号の説明】
１…薄膜光電変換モジュール
２…基板
３…透明前面電極層
４…薄膜光電変換ユニット
５…金属裏面電極層
１０…薄膜光電変換セル
１１…直列アレイ
１２…共通電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜光電変換モジュールに関し、特には、複数の薄膜光電変換セルが直列接続された薄膜光電変換モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、複数の薄膜光電変換セルを直列接続してなる薄膜光電変換モジュールは、帯状に形成された複数の薄膜光電変換セルをその短軸方向に集積した構造を有している。かかるモジュールにおいては、ある薄膜光電変換セルの受光面に木の葉や鳥の糞などが付着すると、その光起電力が低下し、延いてはモジュール全体の出力が大幅に低下する。これは、光起電力の低下を生じたセルが、発電方向と逆方向に直列接続されたダイオードとして振る舞い、極めて大きな抵抗値を示すためである。
【０００３】
このような問題に対し、特開昭５７−５３９８６号公報は、直列接続された複数の薄膜光電変換セルを分割して複数の直列アレイを形成し、これら直列アレイを並列接続することを開示している。これによると、いずれかのセルの光起電力がゼロとなった場合においても、モジュール全体の出力が大幅に低下するのを防止することができる。
【０００４】
しかしながら、上記付着物により生ずる問題はこれだけではなく、以下に説明するように、より深刻な問題が存在する。
【０００５】
上述した問題を生じた場合に、上記ダイオードとして振る舞うセルに逆方向耐電圧以上の電圧が印加されると、その絶縁破壊が生ずる。そのような状態のセルにおいて電流は均一に流れないため、ホットスポット現象と呼ばれる局所的な加熱を生ずる。
【０００６】
このような加熱は、セルを流れる電流が少ない場合には大きな問題とはならない。しかしながら、大面積のモジュールでは一般に出力電流も大きいため、絶縁破壊が生じると上記セル内で局所的に大電流が流れることとなる。その結果、金属電極層が溶融して、最終的にはそのセル自体が破壊されてしまうことがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、高い信頼性を有する薄膜光電変換モジュールを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するに当り、複数の直列アレイが並列接続された構造において、それぞれのアレイの短絡電流が所定値以下となるように設計することにより、１つの薄膜光電変換セルが全く光起電力を生じない場合においてもそのセルの破壊を十分に防止可能となることを見出した。
【０００９】
すなわち、本発明によると、基板と、該基板上に形成されたそれぞれ複数の薄膜光電変換セルを直列接続してなる複数の直列アレイと、該複数の直列アレイを並列接続する一対の共通電極とを具備し、下記条件下での短絡電流が１Ａ以上の薄膜光電変換モジュールであって、前記複数の薄膜光電変換セルは、前記基板上で縦横格子状の配列構造を呈するように形成されており、前記複数の直列アレイのそれぞれは前記複数の薄膜光電変換セルを縦方向に直列接続してなり、前記一対の共通電極は前記配列構造の縦方向両端部にそれぞれ配置され、前記複数の直列アレイのそれぞれの下記条件下での短絡電流は２５０ｍＡ以下であり、前記縦横格子状の配列構造とし、かつ、前記直列アレイの短絡電流を２５０ｍＡ以下にすることによってホットスポット現象と呼ばれる局所的な加熱の課題を解決する薄膜光電変換モジュールが提供される。
【００１０】
光源 ：キセノンランプ
放射照度：１００ｍＷ／ｃｍ2
ＡＭ ：１．５
温度 ：２５℃
本発明において、複数の薄膜光電変換セルは、それぞれ、基板上に順次形成された第１の電極層と非単結晶シリコン系薄膜光電変換ユニットと第２の電極層とで構成することができる。
【００１１】
また、本発明において、複数の薄膜光電変換セルは、通常、基板上で縦横格子状の配列構造を呈するように設けられる。この場合、複数の直列アレイを複数の薄膜光電変換セルを縦方向に直列接続し、一対の共通電極を上記配列構造の縦方向両端部にそれぞれ配置することができる。
【００１２】
また、本発明において、複数の直列アレイのそれぞれの上記条件下での短絡電流は３００ｍＡ以下であることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながらより詳細に説明する。なお、各図において同様の部材には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る薄膜光電変換モジュールを概略的に示す上面図である。図１に示す薄膜光電変換モジュール１は、透明基板２上に複数の薄膜光電変換セル１０を集積した構造を有している。なお、図１において、これら薄膜光電変換セル１０は縦方向に直列接続された複数の直列アレイ１１を形成しており、これら直列アレイ１１は、リボン状の銅箔等からなる一対の共通電極である電極バスバー１２により並列接続されている。
【００１５】
図１に示すモジュール１について、図２を参照しながら、さらに詳しく説明する。
図２は、図１に示す薄膜光電変換モジュール１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。なお、図２には、モジュール１の一部のみが描かれている。
【００１６】
図２に示すように、モジュール１の薄膜光電変換セル１０は、透明基板２上に、透明前面電極層３、薄膜光電変換ユニット４、及び金属裏面電極層５を順次積層した構造を有している。このモジュール１は、透明基板２側から入射する光を光電変換ユニット４により光電変換するものである。
【００１７】
図１及び図２に示す光電変換モジュール１において、透明基板２は、ガラス板や透明樹脂フィルム等により構成することができる。
【００１８】
透明基板１上に形成される透明前面電極層３は、ＩＴＯ膜、ＳｎＯ2膜、或いはＺｎＯ膜のような透明導電性酸化物層等で構成することができる。透明前面電極層３は単層構造でも多層構造であってもよい。透明前面電極層３は、蒸着法、ＣＶＤ法、或いはスパッタリング法等それ自体既知の気相堆積法を用いて形成することができる。
【００１９】
透明前面電極層３の表面は、微細な凹凸を含む表面テクスチャ構造を有することが好ましい。透明前面電極層３の表面にこのようなテクスチャ構造を形成することにより、光電変換ユニット４への光の入射効率を向上させることができる。
【００２０】
透明前面電極層３の上に形成される薄膜光電変換ユニット４は、例えば、図２に示すように、透明前面電極層３上にｐ型非単結晶シリコン系半導体層４１、非単結晶シリコン系薄膜光電変換層４２、及びｎ型非単結晶シリコン系半導体層４３を順次積層した構造を有する。これらｐ型半導体層４１、光電変換層４２およびｎ型半導体層４３はいずれもプラズマＣＶＤ法により形成することができる。
【００２１】
ｐ型シリコン系半導体層４１は、シリコンまたはシリコンカーバイドやシリコンゲルマニウム等のシリコン合金に、ボロンやアルミニウム等のｐ導電型決定不純物原子をドープすることにより形成されている。
【００２２】
ｐ型半導体層４１上に形成される光電変換層４２は、非単結晶シリコン系半導体材料で形成され、そのような材料には、真性半導体のシリコン（水素化シリコン等）やシリコンカーバイド及びシリコンゲルマニウム等のシリコン合金等が含まれる。また、光電変換機能を十分に備えていれば、微量の導電型決定不純物を含む弱ｐ型もしくは弱ｎ型のシリコン系半導体材料も用いられ得る。
【００２３】
光電変換層４２上に形成されるｎ型シリコン系半導体層４３は、シリコンまたはシリコンカーバイドやシリコンゲルマニウム等のシリコン合金に、燐や窒素等のｎ導電型決定不純物原子をドープすることにより形成されている。
【００２４】
光電変換ユニット上４上に形成される金属裏面電極層５は電極としての機能を有するだけでなく、透明基板２から光電変換ユニット４に入射し裏面電極層５に到達した光を反射して光電変換ユニット４内に再入射させる反射層としての機能も有している。金属裏面電極層５は、銀等を用いて、蒸着法やスパッタリング法等により形成することができる。
【００２５】
なお、金属裏面電極層５と光電変換ユニット４との間には、例えば両者の間の接着性を向上させるために、ＺｎＯのような非金属材料からなる透明導電性薄膜（図示せず）を設けることができる。
【００２６】
上述した透明前面電極層３、薄膜光電変換ユニット４、及び金属裏面電極層５は、それぞれの成膜後にＹＡＧレーザ等を用いたレーザスクライブにより分割され、図１に示すように格子状に配列した複数の薄膜光電変換セル１０を形成している。また、上述したように、これら薄膜光電変換セル１０は、相互に並列接続された複数の直列アレイ１１を形成している。
【００２７】
このような並列構造を採用すると、いずれかのセル１０が遮光されてその光起電力が低下したとしても、直列構造のみで構成した場合ほどモジュール１の出力が大幅に低下することはない。また、これら直列アレイ１１は、光源にキセノンランプを用い、放射照度を１００ｍＷ／ｃｍ2、ＡＭ（Ａｉｒ Ｍａｓｓ）を１．５、及び温度を２５℃とした場合に、短絡電流が６００ｍＡ以下となるように設計されている。このように設計した場合、いずれかのセル１０の光起電力がゼロになったとしても、そのセル１０の金属裏面電極層５が溶融する程度にまで加熱されることはない。したがって、セル１０が破壊されるのを防止することができる。
【００２８】
直列アレイ１１の上記条件下での短絡電流は、３００ｍＡ以下であることが好ましく、２００ｍＡ以下であることがより好ましい。直列アレイ１１の短絡電流が小さいほど、セル１０の破壊をより良好に防止することができる。
【００２９】
また、本発明を適用することにより得られる上記効果は、ホットスポット現象が発生した際に高温に加熱されるような条件、すなわち、モジュール１の短絡電流が大きい場合に特に顕著である。したがって、本発明は、モジュール１の上記条件下での短絡電流が１Ａ以上の場合に有効であり、特に短絡電流が１．２Ａ以上の場合により有効となる。
【００３０】
同様に、上述した効果は、ホットスポット現象が発生し易い条件、すなわち、これら直列アレイ１１の開放電圧が大きい場合に特に顕著である。したがって、これら直列アレイ１１のそれぞれの上記条件下での開放電圧が１０Ｖ以上である場合、或いは、これら直列アレイ１１のそれぞれの集積数が１２個以上である場合により有効となる。
【００３１】
上述した薄膜光電変換セル１０の共通電極１２に垂直な方向の長さはモジュール１に要求される出力特性等に依存して決定され、例えば、３００ｍｍないし１０００ｍｍの範囲内に設定される。また、薄膜光電変換セル１０の共通電極１２と平行な方向の長さは、個々の直列アレイ１１の短絡電流に基づいて決定され、例えば、４００ｍｍ以下とすることにより、個々の直列アレイ１１の短絡電流を上記範囲内とすることができる。なお、セル１０の共通電極１２と平行な方向の長さは、１５０ｍｍ以上であることが好ましい。セル１０を過剰に小さくした場合、セル１０を得るための分割工程により多くの時間が必要となり、しかも、光電変換に有効な面積が減少する。
【００３２】
上述したモジュール１には、通常、その裏面側に、封止樹脂層（図示せず）を介して有機保護フィルム（図示せず）が設けられる。この封止樹脂層は、透明基板２上に形成された各薄膜光電変換セル１０を封止するものであり、有機保護フィルムをこれらセル１０に接着することが可能な樹脂が用いられる。そのような樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、及び光硬化性樹脂等を挙げることができ、例えば、ＥＶＡ（エチレン・ビニルアセテート共重合体）、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）、ＰＩＢ（ポリイソブチレン）、及びシリコーン樹脂等を用いることができる。
【００３３】
有機保護フィルムとしては、ポリフッ化ビニルフィルム（例えば、テドラーフィルム（登録商標名））のようなフッ素樹脂系フィルム或いはＰＥＴフィルムのように耐湿性や耐水性に優れた絶縁性フィルムが用いられる。有機保護フィルムは、単層構造でもよく、これらを積層した積層構造であってもよい。さらに、有機保護フィルムは、アルミニウム等からなる金属箔がこれらフィルムで挟持された構造を有してもよい。アルミニウム箔のような金属箔は耐湿性や耐水性を向上させる機能を有するので、有機保護フィルムをこのような構造とすることにより、薄膜光電変換セル１０をより効果的に水分から保護することができる。
【００３４】
これら封止樹脂／有機保護フィルムは、真空ラミネート法により薄膜光電変換モジュール１の裏面側に同時に貼着することができる。
【００３５】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態に係る薄膜光電変換モジュールを概略的に示す上面図である。図３に示す薄膜光電変換モジュール１は、図１のモジュール１と同様に透明基板２上に複数の薄膜光電変換セル１０を集積した構造を有しているが、図１のモジュール１とは共通電極１２の形状等が異なっている。
【００３６】
図３のモジュール１は、３つの領域１５ａ〜１５ｃで主に構成されている。領域１５ａ〜１５ｃのそれぞれでは、複数の直列アレイ１１が共通電極１２ａ，１２ｂにより並列接続されている。また、共通電極１２ａ，１２ｂは、領域１５ａ〜１５ｃの全てに共用されている。すなわち、図３のモジュール１では、領域１５ａ〜１５ｃの全ての直列アレイ１１が並列接続されている。
【００３７】
図３に示すモジュール１では、セル１０のサイズを大幅に変更することなく各直列アレイ１１の集積数を減少させることができる。したがって、低電圧出力が望まれる場合に特に有用である。
【００３８】
上述した各実施形態は、透明基板２上に、透明電極層３、ｐ−ｉ−ｎ接合を有する薄膜光電変換ユニット４、及び金属電極層５を順次積層した構造に関するものであるが、他の構造を採用することもできる。例えば、基板上に、金属電極層、ｎ−ｉ−ｐ接合を有する薄膜光電変換ユニット、及び透明電極層を順次積層した構造を採用することができる。また、薄膜光電変換ユニット４をタンデム型とすることも可能である。
【００３９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例）
図１及び図２に示す薄膜光電変換モジュール１を以下に示す方法により作製した。まず、ＹＡＧレーザを用いて基板１の長辺に平行にレーザスキャンすることにより、ガラス基板２の一方の主面に形成されたＳｎＯ2膜３をスクライブして複数の帯状パターンに分割した。
【００４０】
その後、プラズマＣＶＤ法により、ＳｎＯ2膜３上に、厚さ１０ｎｍのｐ型水素含有非晶質シリコンカーバイド層４１、厚さ３００ｎｍのｉ型水素含有非晶質シリコン層４２、及び厚さ１０ｎｍのｎ型水素含有微結晶シリコン層４３を順次成膜した。なお、ｐ型水素含有非晶質シリコンカーバイド層４１は不純物としてボロンをドープされ、ｉ型水素含有非晶質シリコン層４２はノンドープであり、ｎ型水素含有微結晶シリコン層４３は燐をドープされている。以上のようにして、ｐ−ｉ−ｎ接合を有する薄膜光電変換ユニット４を形成した。
【００４１】
次に、ＹＡＧレーザを用いて基板１の長辺に平行にレーザスキャンすることにより、この薄膜光電変換ユニット４のスクライブを行い、薄膜光電変換ユニット４を複数の帯状パターンに分割した。
【００４２】
次に、薄膜光電変換ユニット４上に、スパッタ法により、厚さ９０ｎｍのＺｎＯ膜（図示せず）及び厚さ３００ｎｍのＡｇ膜５を順次成膜して裏面電極層を形成した。この裏面電極層についても、同様に、ＹＡＧレーザを用いたレーザスクライブを行い、複数の帯状パターンに分割した。
【００４３】
続いて、ＹＡＧレーザを用いて基板２の短辺に平行にレーザスクライブを行い、ＳｎＯ2膜３、薄膜光電変換ユニット４、及び裏面電極層をそれぞれ基板２の長辺方向に分割した。以上のようにして、縦１０ｍｍ×横２００ｍｍの薄膜光電変換セル１０を縦方向に（基板２の短辺に平行に）５０段直列接続してなる直列アレイ１１を４個形成した。
【００４４】
その後、基板２に一対の電極バスバー１２を取り付けてこれら直列アレイ１１同士を並列接続した。さらに、基板２の直列アレイ１１を形成した面に、ＥＶＡ層（図示せず）を介してフッ素樹脂系シート（商標名：テドラー；図示せず）をラミネートすることによりモジュール１を得た。
【００４５】
以上説明した方法で１０枚のモジュール１を製造し、それぞれについて、光源としてキセノンランプを用いた放射照度１００ｍＷ／ｃｍ2、ＡＭ１．５のソーラーシュミレータを用いて出力特性を調べた。なお、測定温度は２５℃とした。
【００４６】
その結果、モジュール１の開放電圧は４４Ｖであり、短絡電流は１Ａであった。また、それぞれの直列アレイ１１については、開放電圧が４４Ｖであり、短絡電流は２５０ｍＡであった。
【００４７】
次に、これらモジュール１をそれぞれ短絡して、上記照射条件下に放置した。なお、このとき、それぞれのモジュール１においては、セル１０の１つには光を照射せずに、その光起電力をゼロとした。１分経過後、それぞれのモジュール１についてセル１０が破壊されたかどうかを調べた。その結果、全てのモジュール１において、セル１０の破壊は見られなかった。
【００４８】
（比較例）
基板の短辺に平行にレーザスクライブを行わずに、縦１０ｍｍ×横８００ｍｍの薄膜光電変換セルを縦方向に５０段直列接続してなる直列アレイを１個形成したこと以外は上記実施例と同様にして薄膜光電変換モジュールを１０枚製造した。
【００４９】
これらモジュールについても上記実施例と同様の条件で出力特性を調べた。その結果、モジュールの開放電圧は４４Ｖであり、短絡電流は１Ａであった。
【００５０】
次に、これらモジュールをそれぞれ短絡して、上記照射条件下に放置した。なお、このとき、それぞれのモジュールにおいては、セルの１つには光を照射しなかった。１分経過後、それぞれのモジュールについてセルが破壊されたかどうかを調べた。その結果、１０枚のモジュールにおいてセルの破壊が生じた。
【００５１】
【発明の効果】
以上示したように、本発明においては、それぞれの直列アレイの短絡電流が所定値以下となるように設計されるため、１つの薄膜光電変換セルが全く光起電力を生じない場合においてもそのセルの破壊を十分に防止することが可能である。すなわち、本発明によると、高い信頼性を有する薄膜光電変換モジュールが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る薄膜光電変換モジュールを概略的に示す上面図。
【図２】図１に示す薄膜光電変換モジュールのＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る薄膜光電変換モジュールを概略的に示す上面図。
【符号の説明】
１…薄膜光電変換モジュール
２…基板
３…透明前面電極層
４…薄膜光電変換ユニット
５…金属裏面電極層
１０…薄膜光電変換セル
１１…直列アレイ
１２…共通電極
Claims (8)
- 基板と、該基板上に形成されたそれぞれ複数の薄膜光電変換セルを直列接続してなる複数の直列アレイと、該複数の直列アレイを並列接続する一対の共通電極とを具備し、下記条件下での短絡電流が１Ａ以上の薄膜光電変換モジュールであって、
前記複数の薄膜光電変換セルは、前記基板上で縦横格子状の配列構造を呈するように形成されており、
前記複数の直列アレイのそれぞれは前記複数の薄膜光電変換セルを縦方向に直列接続してなり、
前記一対の共通電極は前記配列構造の縦方向両端部にそれぞれ配置され、
前記複数の直列アレイのそれぞれの下記条件下での短絡電流は２５０ｍＡ以下であり、前記縦横格子状の配列構造とし、かつ、前記直列アレイの短絡電流を２５０ｍＡ以下にすることによってホットスポット現象と呼ばれる局所的な加熱の課題を解決する薄膜光電変換モジュール、
光源 ：キセノンランプ
放射照度：１００ｍＷ／ｃｍ２
ＡＭ ：１．５
温度 ：２５℃。 - 基板と、該基板上に形成されたそれぞれ複数の薄膜光電変換セルを直列接続してなる複数の直列アレイと、該複数の直列アレイを並列接続する一対の共通電極とを具備し、下記条件下での短絡電流が１Ａ以上の薄膜光電変換モジュールであって、
前記複数の薄膜光電変換セルは、前記基板上で縦横格子状の配列構造を呈するように形成されており、
前記複数の直列アレイの各々は、その開放電圧が１０Ｖ以上であり、
前記複数の直列アレイのそれぞれの下記条件下での短絡電流は２５０ｍＡ以下であり、前記縦横格子状の配列構造とし、かつ、前記直列アレイの短絡電流を２５０ｍＡ以下にすることによってホットスポット現象と呼ばれる局所的な加熱の課題を解決する薄膜光電変換モジュール、
光源 ：キセノンランプ
放射照度：１００ｍＷ／ｃｍ２
ＡＭ ：１．５
温度 ：２５℃。 - さらに、前記複数の直列アレイにおける薄膜光電変換セルの集積数が１２個以上である、請求項２に記載の薄膜光電変換モジュール。
- 基板と、該基板上に形成されたそれぞれ複数の薄膜光電変換セルを直列接続してなる複数の直列アレイと、該複数の直列アレイを並列接続する一対の共通電極とを具備し、下記条件下での短絡電流が１Ａ以上の薄膜光電変換モジュールであって、
前記複数の薄膜光電変換セルは、前記基板上で縦横格子状の配列構造を呈するように形成されており、
前記薄膜光電変換セルの各々は、前記基板上に積層された透明前面電極層を有し、
前記透明前面電極層の表面は、微細な凹凸を含む表面テクスチャ構造であり、
前記複数の直列アレイのそれぞれの下記条件下での短絡電流は２５０ｍＡ以下であり、前記縦横格子状の配列構造とし、かつ、前記直列アレイの短絡電流を２５０ｍＡ以下にすることによってホットスポット現象と呼ばれる局所的な加熱の課題を解決する薄膜光電変換モジュール、
光源 ：キセノンランプ
放射照度：１００ｍＷ／ｃｍ２
ＡＭ ：１．５
温度 ：２５℃。 - 基板と、該基板上に形成されたそれぞれ複数の薄膜光電変換セルを直列接続してなる複数の直列アレイと、該複数の直列アレイを並列接続する一対の共通電極とを具備し、下記条件下での短絡電流が１Ａ以上の薄膜光電変換モジュールであって、
前記複数の薄膜光電変換セルは、前記基板上で縦横格子状の配列構造を呈するように形成されており、
薄膜光電変換モジュールの、薄膜光電変換セルが形成された表面に対する裏面側に封止樹脂層を介して有機保護フィルムが配置され、
前記有機保護フィルムは、金属箔と、前記金属箔を挟持した絶縁性フィルムとを有しており、
前記複数の直列アレイのそれぞれの下記条件下での短絡電流は２５０ｍＡ以下であり、前記縦横格子状の配列構造とし、かつ、前記直列アレイの短絡電流を２５０ｍＡ以下にすることによってホットスポット現象と呼ばれる局所的な加熱の課題を解決する薄膜光電変換モジュール、
光源 ：キセノンランプ
放射照度：１００ｍＷ／ｃｍ２
ＡＭ ：１．５
温度 ：２５℃。 - 基板と、該基板上に形成されたそれぞれ複数の薄膜光電変換セルを直列接続してなる複数の直列アレイと、該複数の直列アレイを並列接続する一対の共通電極とを具備し、下記条件下での短絡電流が１Ａ以上の薄膜光電変換モジュールであって、
前記複数の薄膜光電変換セルは、前記基板上で縦横格子状の配列構造を呈するように形成されており、
前記共通電極と平行な方向の、前記薄膜光電変換セルの長さは、１５０ｍｍ以上４００ｍｍ以下であり、
前記複数の直列アレイのそれぞれの下記条件下での短絡電流は２５０ｍＡ以下であり、前記縦横格子状の配列構造とし、かつ、前記直列アレイの短絡電流を２５０ｍＡ以下にすることによってホットスポット現象と呼ばれる局所的な加熱の課題を解決する薄膜光電変換モジュール、
光源 ：キセノンランプ
放射照度：１００ｍＷ／ｃｍ２
ＡＭ ：１．５
温度 ：２５℃。 - 基板と、該基板上に形成されたそれぞれ複数の薄膜光電変換セルを直列接続してなる複数の直列アレイと、該複数の直列アレイを並列接続する一対の共通電極とを具備し、下記条件下での短絡電流が１Ａ以上の薄膜光電変換モジュールであって、
前記複数の薄膜光電変換セルは、前記基板上で縦横格子状の配列構造を呈するように形成されており、
前記直列アレイの各々は、前記複数の薄膜光電変換セルを自己の短軸方向に集積した構造を有し、
前記複数の直列アレイのそれぞれの下記条件下での短絡電流は２５０ｍＡ以下であり、前記縦横格子状の配列構造とし、かつ、前記直列アレイの短絡電流を２５０ｍＡ以下にすることによってホットスポット現象と呼ばれる局所的な加熱の課題を解決する薄膜光電変換モジュール、
光源 ：キセノンランプ
放射照度：１００ｍＷ／ｃｍ２
ＡＭ ：１．５
温度 ：２５℃。 - 前記薄膜光電変換セルはタンデム型である、請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の薄膜光電変換モジュール。
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