JP4590617B2 - 光電変換装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
この種の光電変換装置としては、多数の凹部を有する支持体の各凹部内に、直径1mm前後の球状の光電変換素子を取り付け、凹部内面を反射鏡として働かせるものが知られている(特許文献1および2など)。このような構成によれば、素子の材料、特に高価なSiの使用量を低減するとともに、反射鏡の作用により、素子に直接照射される光の4〜6倍の光を素子に照射できるので、光の有効利用ができるなどの利点を有する。
このような構成によると、支持体に素子を配置する前に、高温の熱処理を要する電極形成を行い、素子を支持体に配置した後に、比較的に低温で電極と導電体層とを接続することができるという利点を有する。しかし、第2半導体層側の電極は、第2半導体層の開口部周辺の曲面上に正確に位置決めし、しかも微細な形状に形成しなければならず、量産には不向きである。
また、二層構造の支持体は、例えば、金属シートを加工して底部に孔を有する複数の凹部を形成した第2導電体層と、前記孔に対応した孔を有する電気絶縁性シートとを重ね合わせて、一体化して作製される。しかし、実際には、接着や熱圧着などにより両者を一体化する過程において、樹脂製の電気絶縁性シートが変形するため、孔のピッチや寸法、形状が変化して位置ずれが起こり易く、精度良く支持体を製作することは困難である。特許文献1の三層構造の支持体においても二層構造の支持体と同様の問題がある。
本発明は、支持体が工程中にダメージを受けることをなくすとともに、素子の第1半導体と第1導電体層とを低抵抗で容易に電気的に接続できる光電変換装置の製造方法を提供することを目的とする。さらに、本発明は、組立が容易で量産に適した光電変換装置ユニット、およびこのユニットの複数を直列に電気接続した光電変換装置モジュールを提供することを目的とする。
(1)球状の第1半導体およびその表面を被覆する第2半導体層からなり、前記第2半導体層が前記第1半導体の一部を露出させる開口部を有する複数のほぼ球状の光電変換素子を用意する工程、
(2)前記第1半導体の露出部に電極を形成する工程、
(3)前記光電変換素子を内部に配置するための隣接する複数の凹部を有し、前記凹部が底部に前記第2半導体層の開口部より大きいが前記光電変換素子より小さい孔を有する導電性の支持体を用意する工程、
(4)前記光電変換素子を、その第1半導体の露出部が前記孔から支持体の裏面側に臨むように、支持体の表面側から前記孔に嵌合して支持体に装着し、前記光電変換素子の第2半導体層を前記支持体に電気的に接続する工程、
(5)前記支持体の裏面側に、導電性金属シートおよび前記導電性金属シートと前記支持体とを隔離する電気絶縁層を接合する工程、
(6)前記支持体に接合された電気絶縁層および導電性金属シートに孔をあけて前記光電変換素子の電極を当該孔内に露出させる工程、および
(7)前記孔に導電性ペーストを充填して前記電極と前記導電性金属シートとを電気的に接続する工程
を有することを特徴とする。
前記工程(4)が、複数の前記光電変換素子を前記支持体の孔に対応した保持部を有する光電変換素子担持体に、前記光電変換素子の第1半導体の露出部が所定方向を向くように姿勢を整えて配列する工程を含むことが好ましい。
前記工程(4)が、前記支持体における前記孔の縁部に、導電性接着剤を塗着する工程を含むことが好ましい。
前記工程(5)が、前記支持体の裏面側に、電気絶縁性の接着剤を塗布する工程、および前記複合シートをその電気絶縁層を前記支持体の前記接着剤層に向けて接合する工程からなることが好ましい。
球状の第1半導体およびその表面を被覆する第2半導体層からなり、第2半導体層が第1半導体の一部を露出させる開口部を有し、前記第1半導体の露出部に電極が形成されたほぼ球状の複数の光電変換素子、
前記光電変換素子を個々に取り付ける複数の凹部を有し、前記第2半導体層と電気的に接続される第2導電体層を兼ねる支持体であって、前記凹部が、前記第2半導体層の開口部より大きいが前記光電変換素子より小さい孔を底部に有する
支持体、ならびに
前記支持体の裏面側に電気絶縁層を介して接合された導電性金属シート
を備え、前記導電性金属シートは、電気絶縁層および導電性金属シートに設けられた孔に充填されている導電材により前記各電極と電気的に接続されていることを特徴とする。
本発明は、また、所定数の前記光電変換素子を支持した支持部と、その支持部を囲む鍔部とを有する光電変換装置ユニットの複数からなり、1つの光電変換装置ユニットの鍔部の前記支持体と、隣接する光電変換装置ユニットの鍔部の裏面に露出する前記導電性金属シートとが電気的に接続されている光電変換装置を提供する。
本発明の製造方法においては、高温での熱処理を要する第1半導体の電極形成を素子の段階で行うととともに、第2半導体層と支持体との電気的な接続は、支持体が電気絶縁層を有しない段階で行う。したがって、支持体、およびこれに接合される電気絶縁層に、熱処理によるダメージを与えることがない。
このように本発明によれば、組立が容易で量産に適した光電変換装置を提供することができる。
以下、本発明の光電変換装置の製造方法の各工程について詳細に説明する。
本工程では、球状の第1半導体およびその表面を被覆する第2半導体層からなり、第2半導体層から第1半導体の一部を露出させたほぼ球状の光電変換素子を用意する。球状の第1半導体は、例えば、次のようにして作製する。
まず、極微量のホウ素を含むp型多結晶Si塊を坩堝内に供給して不活性ガス雰囲気中で溶融させる。この融液を坩堝底部の微小なノズル孔から滴下させ、その液滴を自然落下中に冷却して固化させる。こうして多結晶または単結晶の球状のp型半導体を作製することができる。
第2半導体層の表面に反射防止膜を形成した場合は、第2半導体層とともに反射防止膜の一部を除去することにより第1半導体の露出部を形成する。そのような素子の例を図10(a)に示す。8は反射防止膜を表す。
本工程では、球状素子の第1半導体の露出部に電極を形成する。第1半導体側の電極は、例えば、第1半導体の露出部に導電性ペーストを塗布し、熱処理することにより形成することができる。第1半導体がp型半導体である場合には、一般的に、Al粉もしくはこれにAg粉などを混合した導電材を分散させたガラスフリット型導電性ペーストが用いられる。第1半導体がn型半導体である場合には、リン化合物とAg粉の混合物を導電材として用いるのが好ましい。これらの場合、所望の形状に導電性ペーストを塗布し、100℃前後で約10分間程度乾燥させた後、650〜750℃で10分間程度の熱処理をすれば良好な導電層(電極)を形成できる。
本工程では、工程(2)で用意した球状素子を内部に配置するための多数の凹部を有し、球状素子の第2半導体層と電気的に接続される第2導電体層を兼ねる支持体を用意する。この支持体の代表例として、厚さ0.2mmのAl薄板をプレス加工して作製した支持体の部分的な平面図を図3に示し、図4にそのIV−IV線断面図を示す。支持体10の凹部11は蜂の巣状に形成され、その開口端は六角形である。各開口端は相互に隣接し、凹部11は底になるほど狭くなっている。凹部11の底部に形成された孔12は、球状素子の第2半導体の開口部3よりやや大きい径を有する。孔12は円形であってもその他の形状であってもよいが、第1半導体の露出部と相似形であることが好ましい。
本工程では、支持体の孔の縁部に、光電変換素子をその電極から第2半導体層の開口部の外周縁部にわたる部分が支持体の裏面側に露出し、かつ第2半導体層が支持体と接するように装着し、第2半導体層と支持体とを電気的に接続する。
好ましい工程をさらに詳しく述べれば、次のi)〜iv)の工程からなる。
i)支持体に導電性接着剤を塗着する工程、
ii)装着しようとする光電変換素子の姿勢を整える工程
iii)姿勢を整えた光電変換素子を支持体に装着する工程、および
iv)前記導電性接着剤を固化する工程。
素子7を支持体10の凹部に装着するための導電性接着剤を凹部11の孔12の周縁部に塗着する方法を以下に説明する。素子を装着するための接着剤の塗着部は、支持体の凹部11の底にあるので、通常のスクリーン印刷によっては接着剤を塗着することはできない。
まず、図15A(1)のように、図3の支持体10の凹部11の配列パターンに対応するパターンで多数の窪み61を有する基板60を用意する。窪み61は、その底部に素子7の球状の部分とほぼ同じ形状の曲面部63を有し、中央部には孔62が設けられている。窪み61の深さ寸法は、図1(c)に示す球状素子7の高さよりやや大きく、窪みの上端の開口部の直径は、球状素子の直径よりやや大きい。曲面部63の上端の開口部の直径は、球状素子の第2半導体の開口部3の直径よりやや大きい。孔62の直径は、電極5の直径より大きい。
次に、図15A(2)に示すように、球状素子が配置された基板60の上面を軽く擦るように、樹脂製の平板65にスポンジシート66を張り合わせた摺動板64を静かに左から右方向に移動させる。これにより、窪み61から突出した部分の球状素子がスポンジシート66に擦られて、各球状素子は窪み61の内部を矢印方向に滑りながら回転する。例えば、図15(2)において、(a)のような素子7の姿勢は、(b)のような姿勢に変化し、さらに(c)のような姿勢に変化する。
この実施形態では、電極の周辺部に、他の部位よりも強い磁性を有する磁性体部を備えた球状素子を用いる。この方法は、球状素子に所定方向から磁場を印加することにより、その球状素子を所定方位に配列させるものである。
次に、素子7Bが配置された図16(2)の部材の縁部にスペーサ75を配置し、これに、上記複合磁石体80の磁力発生面を図17(1)のように近接させる。この際、複合磁石体80の磁力発生面の磁石接合部82が、整列用フィルター74の孔73の中心部と対向するように位置合わせする。
まず、図18(1)のように、凹部11の孔12の縁部に導電性接着剤13を塗着した支持体10の下方に、吸脱着用フィルター70をその孔71の中心が支持体10の孔12の中心に対応するように、近接させる。次いで、支持体10を押し下げて吸脱着用フィルター70上に重ね合わせる。これにより、素子7Bの第2半導体層2の開口部近辺が支持体の孔12に嵌合する。このとき、第2半導体層2の開口部とその内側の第1半導体の露出部4、およびその露出部に形成された電極5と磁性体部6bが、支持体10の裏面側に露出する。同時に、素子7Bは、導電性接着剤13により、第2半導体層の開口部近傍の外周部が支持体の孔12の縁部に接着される。こうして、図18(2)に示すように、支持体10の全ての凹部11に、素子7Bがそれぞれ一個ずつ所定の姿勢で固定される。
以上には、支持体に導電性接着剤を塗着してから、姿勢を整えた素子を支持体に装着することにより、素子の固定および第2半導体層と支持体との電気的な接続を行う好ましい例を示した。この他、姿勢を整えた素子を支持体の所定の位置に配置し、その後に素子の第2半導体層と支持体とを接続する導電性接着剤を塗着することもできる。
本工程では、前の工程(4)で球状素子が所定位置に固定された支持体の裏面側に、導電性金属シートおよびこの導電性金属シートと支持体とを隔離する電気絶縁層を接合する。この導電性金属シートは、素子の第1半導体の電極を相互に並列に接続する第1導電体として機能する。電気絶縁層は、第1半導体側(第1半導体および第1導電体層)と第2半導体層側(第2半導体層および第2導電体層)とを電気的に絶縁する。
好ましい方法においては、まず、支持体の裏面に、孔から露出している素子の部分も含めて、電気絶縁性の接着剤層を形成し、その上側に、電気絶縁層を導電性金属シートの片面に接合して一体化した複合シートを配置してその電気絶縁層側を支持体に接合する。
スクリーン印刷法、オフセット印刷法は、高速で印刷ができるというメリットがある。これらの印刷法により、後の電気絶縁層を有する金属シートの接着に好都合な接着剤層を均一に形成することが好ましい。スプレー法は、設備の簡便性、生産性などの面から最も好ましく、低コストで接着剤層を形成できる。
図9A(1)は、工程(5)により、支持体10の孔12の縁部に導電性接着剤13により素子7が固定された状態を示している。次に、図9A(2)のように、支持体10の裏面側に電気絶縁性接着剤を塗布して接着剤層14を形成する。次いで、金属シート16に電気絶縁層17を形成した複合シート15を支持体10の接着剤層14を形成した側に配置し、両者間を減圧にしながら複合シート15の電気絶縁層16側を支持体10に接合する。複合シート15は、図9B(4)のように、素子7が固定されている部分を中心としてその周囲に対応する部分の接着剤層14に密着する。
上記のように、接着剤層14を塗布した後、電気絶縁層17を有する金属シート16を接合する方法によると、支持体10が薄い金属シートから構成されている場合、凹部と凹部との間の隔壁の裏面に接着剤が塗布される。この接着剤層は、支持体の前記隔壁を補強する効果を発揮する。また、接着剤層は、支持体の孔の部分に接着されている素子を支持体により強固に固定するのに役立つ。
上記のようにして電気絶縁層を有する金属シートを接合した後、必要に応じて、接着剤の固化ないし硬化のための熱処理を施す。
また、電気絶縁層と導電性金属シートは、あらかじめ一体化されている必要はなく、電気絶縁層として前記絶縁性シートや絶縁性接着剤層を支持体裏面に接合させた後、この電気絶縁層に前記の導電性金属シートを接合させてもよい。
本工程では、第1導電体層として働く金属シートと素子7の電極5とを電気的に接続するための導電路となる孔を形成する。
図9B(4)の状態において、素子7の第1半導体1の電極5を露出させるために、孔12の中央に対応する部分にレーザを照射し、金属シート16、電気絶縁層17および接着剤層14を部分的に除去し、孔18を形成する(図9B(5))。レーザ照射用装置として出力12WのYAGレーザを用い、約0.017秒の照射時間で直径約100〜150μmの照射部領域の電気絶縁層および導電性金属シートを除去することができる。
レーザにより金属シートなどに孔をあける方法は、図11(a)に示すように、電極5上に磁性体部6を形成した素子7Aを用いる場合に適用することもできる。すなわち、適切な条件でレーザを照射すると、被照射部の金属シート16、電気絶縁層17および接着剤層14とともに磁性体部6を同時に除去することができる。磁性体部6は、図16および図17により説明したように、素子の姿勢を整える際には有効であるが、電極5に比べると一般的に電気的抵抗が大きい。従って、磁性体部6が金属シート16と電極5とを低電気抵抗で接続するための妨げになる場合がある。そのような場合は、導電性ペーストにより金属シートと電極とを接続する前に、磁性体部6を除去することが好ましい。
本工程では、前記の工程(6)で形成した孔18に、導電性のペースト19を充填し、金属シート16と電極5とを電気的に接続する(図9B(6))。
ここに用いる導電性ペーストは、電気絶縁層が変形・変質などのダメージを受けない温度下で固化するものを選択することが好ましい。一般的には、100〜200℃という比較的低い熱処理温度で固化できる樹脂型導電性ペーストを用いることが好ましい。電気絶縁層が、高融点ガラスやフッ素系樹脂など比較的耐熱性が優れた材料からなる場合には、低温ガラスフリット型導電性ペーストも使用できる。導電性ペーストの塗布方法としては、ディスペンサー法、スクリーン印刷法、オフセット印刷法、およびスプレー法がある。
本発明による光電変換装置は、一定数の素子を固定したユニットとして作製される。そのようなユニットは、直列または並列に接続することにより、所定の電圧の所定の電力を取り出せる太陽電池装置として利用することができる。
光電変換装置のユニット同士を直列に接続する例を以下に説明する。
ここに用いた光電変換装置ユニットは、支持体が方形で、所定数の光電変換素子を支持した支持部と、その支持部を囲む鍔部とを有する。各光電変換装置ユニットは、その鍔部の一辺の支持体の部分、およびこれと対向する辺の鍔部裏面に露出する導電性金属シートの部分が接続部となる。
図21は、縁部101の端が支持体10のみ除かれている例を示す。この例では、金属シート16の上に電気絶縁層17および接着剤層14を有しているので、図左側のユニットの金属シート16に、右側のユニットの支持体10を接続するには、支持体10側から超音波またはレーザを照射する溶接法をとる。図20および図21はユニット同士を直列に接続する例を示しているが、隣接するユニットの支持体同士および金属シート同士を溶接することにより、ユニットを並列に接続することができる。
2 第2半導体層
3 第2半導体層の開口部
4 第1半導体の露出部
5 電極
6、6b 磁性体層
7、7A、7B 光電変換素子
8 反射防止膜
10 支持体
11 凹部
12 孔
13 導電性接着剤
14 電気絶縁性接着剤層
15 複合シート
16 導電性金属シート
17 電気絶縁層
18 削孔により形成された孔
19 導電性ペースト
Claims (8)
- (1)球状の第1半導体およびその表面を被覆する第2半導体層からなり、前記第2半導体層が前記第1半導体の一部を露出させる開口部を有する複数のほぼ球状の光電変換素子を用意する工程、
(2)前記第1半導体の露出部に電極を形成する工程、
(3)前記光電変換素子を内部に配置するための隣接する複数の凹部を有し、前記凹部が底部に前記第2半導体層の開口部より大きいが前記光電変換素子より小さい孔を有する導電性の支持体を用意する工程、
(4)前記光電変換素子を、その第1半導体の露出部が前記孔から支持体の裏面側に臨むように、支持体の表面側から前記孔に嵌合して支持体に装着し、前記光電変換素子の第2半導体層を前記支持体に電気的に接続する工程、
(5)前記支持体の裏面側に、導電性金属シートおよび前記導電性金属シートと前記支持体とを隔離する電気絶縁層を接合する工程、
(6)前記支持体に接合された電気絶縁層および導電性金属シートに孔をあけて前記光電変換素子の電極を当該孔内に露出させる工程、および
(7)前記孔に導電性ペーストを充填して前記電極と前記導電性金属シートとを電気的に接続する工程
を有することを特徴とする光電変換装置の製造方法。 - 前記工程(5)が、支持体の裏面側に、導電性金属シートの片面に電気絶縁層が接合して一体化された複合シートを、その電気絶縁層を支持体に向けて接合することからなる請求項1記載の光電変換装置の製造方法。
- 前記工程(1)において用意される光電変換素子が、第2半導体層の外表面を被覆する反射防止膜をさらに有する請求項1または2記載の光電変換装置の製造方法。
- 前記工程(4)が、複数の前記光電変換素子を前記支持体の孔に対応した保持部を有する光電変換素子担持体に、前記光電変換素子の第1半導体の露出部が所定方向を向くように姿勢を整えて配列する工程を含む請求項1〜3のいずれかに記載の光電変換装置の製造方法。
- 前記工程(4)が、前記支持体における前記孔の縁部に、導電性接着剤を塗着する工程を含む請求項1〜4のいずれかに記載の光電変換装置の製造方法。
- 前記工程(5)が、前記支持体の裏面側に、電気絶縁性の接着剤を塗布する工程、および前記複合シートをその電気絶縁層を前記支持体の前記接着剤層に向けて接合する工程からなる請求項1〜5のいずれかに記載の光電変換装置の製造方法。
- 球状の第1半導体およびその表面を被覆する第2半導体層からなり、第2半導体層が第1半導体の一部を露出させる開口部を有し、前記第1半導体の露出部に電極が形成されたほぼ球状の複数の光電変換素子、
前記光電変換素子を個々に取り付ける複数の凹部を有し、前記第2半導体層と電気的に接続される第2導電体層を兼ねる支持体であって、前記凹部が、前記第2半導体層の開口部より大きいが前記光電変換素子より小さい孔を底部に有する支持体、ならびに
前記支持体の裏面側に電気絶縁層を介して接合された導電性金属シート、
を備え、前記導電性金属シートは、電気絶縁層および導電性金属シートに設けられた孔に充填されている導電材により前記各電極と電気的に接続されていることを特徴とする光電変換装置。 - 所定数の前記光電変換素子を支持した支持部と、その支持部を囲む鍔部とを有する光電変換装置ユニットの複数からなり、1つの光電変換装置ユニットの鍔部の前記支持体と、隣接する光電変換装置ユニットの鍔部の裏面に露出する前記導電性金属シートとが電気的に接続されている請求項7記載の光電変換装置。
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