JP5220206B2

JP5220206B2 - 光電変換装置

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Authority: JP
Inventors: 宏治宮内
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Current assignee: Kyocera Corp
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Description

本発明は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、光吸収係数が高いＣＩＧＳなどのカルコパイライト系のI-III−VI族化合物半導体にて光吸収層を形成したものがある（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

このようなカルコパイライト系の光電変換装置は、基板の上に、下部電極と、光吸収層やバッファ層などを含む光電変換層と、上部電極とを、この順に積層した光電変換セルを有する。そして、このような光電変換セルを平面的に複数並設して光電変換装置が構成される。複数の光電変換セルは、隣り合う一方の光電変換セルの上部電極と他方の下部電極とを、接続導体で接続することで、電気的に直列接続されている。また、Ｓｉ系など他の材料を光吸収層（光電変換層）に用いた光電変換装置にも、同様の構成を有するものがある。

光電変換装置の光電変換効率は、それぞれの光電変換セルにおいて実際に光電変換に寄与する領域の受光面積に直接に左右される。全受光面積に対する当該領域の受光面積の比率が大きい光電変換装置ほど、光電変換効率は高くなる。

上述した構成を有する光電変換装置の場合であれば、接続導体や、個々の光電変換セルの下部電極同士を分離・絶縁するための分離溝などが形成された領域は、光電変換には寄与しない。そのため、光電変換効率向上のためには、個々の光電変換セルにおけるそれらの形成領域の比率をできるだけ削減する必要がある。

特開２０００−２９９４８６号公報特開２００２−３７３９９５号公報

本発明の１つの課題は、従来と同様の層構成を有しつつ光電変換効率を高めた光電変換装置を提供することである。

本発明の一の実施形態に係る光電変換装置においては、複数の光電変換セルを互いに離間させつつ所定の配列方向に配列してなる。前記光電変換セルが、互いに対向するように平面的に隙間を空けて位置し、前記配列方向の一方端部の側に配置された第１の下部電極層および他方端部の側に配置された第２の下部電極層を有する。前記光電変換セルは、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設けられた一方導電型の層と、前記一方導電型の層の上に設けられた他方導電型の層と、前記第２の下部電極層および前記他方導電型の層を電気的に接続する接続導体とを備える。そして、一の前記光電変換セルに備わる前記第１の下部電極層と、前記一の光電変換セルと隣り合う前記光電変換セルの前記第２の下部電極層とが連続している。前記光電変換セルにおいて、前記配列方向における前記一方端部から前記隙間までの最大距離および最小距離をそれぞれＤ１、Ｄ２とし、前記配列方向における前記他方端部から前記隙間までの最大距離および最小距離をそれぞれＤ３、Ｄ４とするとき、前記Ｄ１、前記Ｄ２、前記Ｄ３および前記Ｄ４が、Ｄ１＋Ｄ４＝Ｄ２＋Ｄ３かつＤ１＞Ｄ２≧Ｄ３＞Ｄ４の関係を有する。

本発明の一の実施形態によれば、光電変換装置の発電寄与領域の面積比率を高めることができ、光電変換装置の発電効率がより向上する。

本発明の一の実施形態に係る光電変換装置２０の構成を示す斜視図である。図１にて破線Ａにて示した位置におけるｙｚ断面図である。第１溝部Ｐ１が形成されるｘｙ平面に、第２溝部Ｐ２と第３溝部Ｐ３との形成位置を破線にて投影した図である。下部電極層２の形状および配置の詳細を示す図である。光電変換装置２０の上面図である。対比のために示す光電変換装置３０についての上面図である。光電変換装置２０の製造途中の様子を示す斜視図である。光電変換装置２０の製造途中の様子を示す斜視図である。光電変換装置２０の製造途中の様子を示す斜視図である。光電変換装置２０の製造途中の様子を示す斜視図である。光電変換装置２０の製造途中の様子を示す斜視図である。光電変換装置２０の製造途中の様子を示す斜視図である。光電変換装置２０の変形例を示す斜視図である。光電変換装置２０のｙ軸方向における光電変換セル１０の配置態様を示すｘｙ平面図である。光電変換装置２０の変形例を示す図である。光電変換装置２０の変形例を示す図である。光電変換装置２０の変形例を示す図である。

＜光電変換装置の概略構成＞
本発明の一の実施形態に係る光電変換装置２０は、基板１の上に複数の光電変換セル１０を並設している。すなわち、このような複数の光電変換セル１０は、互いに離間しつつ所定の配列方向に配列されている。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２０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）配設される。また、図１には、光電変換セル１０の配列方向（図面視左右方向）をｘ軸方向とする右手系のｘｙｚ座標系を付している。

それぞれの光電変換セル１０は、下部電極層２と、光吸収層３と、バッファ層４と、上部電極層６と、グリッド電極７と、接続部８とを主として備える。光電変換装置２０においては、上部電極層６およびグリッド電極７が設けられた側の主面が受光面側となっている。

また、光電変換装置２０には、第１溝部Ｐ１、第２溝部Ｐ２、および、第３溝部Ｐ３という、３つの溝部が設けられている。

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、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１ｍｍ〜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は、基板１上に設けられた、Ｍｏ（モリブデン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｔａ（タンタル）またはＡｕ（金）等の金属またはこれらの金属積層構造体を含む導体層である。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。

光吸収層３は、カルコパイライト系（ＣＩＳ系ともいう）のI-III-VI族化合物を含む、ｐ型の導電型を有する半導体層である。光吸収層３は、１μｍ〜３μｍ程度の厚みを有する。

I-III-VI族化合物とは、Ｉ-Ｂ族元素（１１族元素ともいう）とIII-Ｂ族元素（１３族元素ともいう）とVI-Ｂ族元素（１６族元素ともいう）との化合物である。I-III-VI族化合物としては、例えば、ＣｕＩｎＳｅ₂（二セレン化銅インジウム、ＣＩＳともいう）、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ₂）（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であってもよい。

また、光吸収層３は、II-VI族化合物を含む半導体層であってもよい。II-VI族化合物とは、II-Ｂ族（１２族元素ともいう）とVI-Ｂ族元素とのカルコパイライト系化合物半導体である。Ｉ-III-VI化合物半導体を用いれば、光電変換効率を高めることができる。

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。他に、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・熱処理を行なう方法で形成してもよい。このような方法は、塗布法あるいは印刷法と称されるプロセスである。後者のプロセスであれば、光電変換装置２０の製造コストを低減できる。

バッファ層４は、ｎ型の導電型を有する半導体層である。バッファ層４は、光吸収層３がI-III-VI族化合物半導体を含む場合に、光吸収層３とヘテロ接合させる態様にて設けられる。光電変換セル１０では、このヘテロ接合を構成する光吸収層３とバッファ層４とにおいて光電変換が生じる。それゆえ、光吸収層３とバッファ層４とが光電変換層５となっている。なお、光電変換層５の構成はこれに限定されず、異なる導電型の半導体層がホモ接合されたものであってもよい。

バッファ層４は、例えば、ＣｄＳ（硫化カドミウム）、Ｉｎ₂Ｓ₃（硫化インジウム）、ＺｎＳ（硫化亜鉛）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、Ｉｎ₂Ｓｅ₃（セレン化インジウム）、Ｉｎ（ＯＨ，Ｓ）、（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓｅ，ＯＨ）、および（Ｚｎ，Ｍｇ）Ｏ等の化合物半導体を含む。

バッファ層４は１Ω・ｃｍ以上の抵抗率を有してもよい。これにより、リーク電流を低減できる。

また、バッファ層４は、１０ｎｍ〜２００ｎｍの厚みに形成されればよく、また、１００ｎｍ〜２００ｎｍの厚みに形成されてもよい。これにより、高温高湿の条件下における光電変換効率の低下が特に効果的に低減される。バッファ層４は、例えばケミカルバスデポジション（ＣＢＤ）法等で形成される。

上部電極層６は、バッファ層４の上に設けられた、ｎ型の導電型を有する透明導電膜である。上部電極層６は、光電変換層５において生じた電荷の取出電極として設けられている。上部電極層６は、バッファ層４よりも低い抵抗率を有する。上部電極層６は、いわゆる窓層と呼ばれるものであってもよい。この窓層に加えてさらに透明導電膜が設けられる場合には、これらを併せて上部電極層６とみなすことができる。

上部電極層６は、禁制帯幅が広く且つ透明で低抵抗の物質を含んでいる。このような物質としては、例えば、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、錫を含んだ酸化インジウム（ＩＴＯ）、酸化錫（ＳｎＯ₂）、またはアルミニウム、ボロン、ガリウム、インジウム、フッ素などを含んだ酸化亜鉛の化合物などの金属酸化物半導体が挙げられる。

上部電極層６は、スパッタリング法、蒸着法または化学的気相成長（ＣＶＤ）法などにより、０．０５μｍ〜３μｍの厚みに形成される。

上部電極層６は、抵抗率が１Ω・ｃｍ未満であり、シート抵抗が５０Ω／□以下であれば、光電変換層５から電荷を良好に取り出しやすくなる。

バッファ層４および上部電極層６は、光吸収層３が吸収する光の波長領域に対して光透過性を有する物質であってもよい。これにより、光吸収層３における光の吸収効率の低下が低減される。

上部電極層６は０．０５μｍ〜０．５μｍの厚さとすることができる。この場合、光電変換装置２０では、光透過性、光反射ロス低減効果および光散乱効果を高め、さらに光電変換によって生じた電流を良好に伝送できる。また、上部電極層６およびバッファ層４の屈折率は等しくしてもよい。これにより、上部電極層６とバッファ層４との界面での光反射ロスが低減される。

グリッド電極７は、ｙ軸方向に互いに離間して設けられ、それぞれがｘ軸方向に延在する複数の集電部７ａを備える。さらに、グリッド電極７は、それぞれの集電部７ａが接続されるとともにｙ軸方向に延在する連結部７ｂを備える。グリッド電極７は、例えば、Ａｇ等の金属を含む導電性の電極である。

集電部７ａは、光電変換層５にて発生し、上部電極層６にて取り出された電荷を集電する役割を担う。集電部７ａを設けることで、上部電極層６の薄層化が可能となる。上部電極層６は、光吸収層３の上に設けられるので、光透過性を高めるためにはできるだけ薄く形成すればよい。また、集電部７ａを設けることで、電荷の取り出し効率を確保しつつ、上部電極層６の光透過性を高めることが可能となる。

グリッド電極７および上部電極層６によって集電された電荷は、第２溝部Ｐ２に設けられた接続部８を通じて、隣の光電変換セル１０に伝達される。接続部８は、上部電極層６の延在部分６ａと、延在部分６ａの上に形成された連結部７ｂから垂れ下がる垂下部分７ｃと、を含む。これにより、光電変換装置２０においては、隣り合う光電変換セル１０のうち、一方の光電変換セル１０の下部電極層２と、他方の光電変換セル１０の上部電極層６およびグリッド電極７とが、第２溝部Ｐ２に設けた接続部８を接続導体として電気的に直列接続されている。

グリッド電極７の幅が５０μｍ〜４００μｍであれば、良好な導電性を確保しつつ、光吸収層３への光の入射量を左右する受光面積の低下を最小限に留めることができる。

なお、グリッド電極７のうち少なくとも連結部７ｂの表面は、光吸収層３が吸収する波長領域の光を反射する材質にて形成してもよい。このようなグリッド電極７は、例えば、透光性の樹脂に光反射率の高い銀等の金属粒子を添加することで形成できる。他には、アルミニウムなどの光反射率の高い金属を連結部７ｂの表面に蒸着する方法などにより形成できる。斯かる場合、光電変換装置２０をモジュール化した際、連結部７ｂにて反射した光を、モジュール内で再び反射させて光吸収層３に再度入射させることができる。これにより、光電変換装置２０における光入射量が増大するため、光電変換効率が向上する。

グリッド電極７のうち少なくとも集電部７ａは、半田を含んでいてもよい。これにより、曲げ応力に対する耐性を高めることができるとともに、抵抗をより低下させることができる。

グリッド電極７は、融点の異なる金属を２種以上含み、少なくとも１種の金属を溶融させ、他の少なくとも１種の金属は溶融しない温度で加熱して硬化したものであってもよい。この場合、形成過程において低い融点の金属が溶融するので、グリッド電極７は緻密化され、低抵抗化される。その際、溶融していない高い融点の金属によって、溶融した金属の広がりが低減する。

＜溝部の配置と発電寄与領域＞
図３は、第１溝部Ｐ１が形成されるｘｙ平面に、第２溝部Ｐ２と第３溝部Ｐ３との形成位置を破線にて投影した図である。また、図３には、個々の下部電極層２を区別するためのハッチングを付している。図４は、下部電極層２の形状および配置の詳細を示す図である。図５は、本実施の形態に係る光電変換装置２０の上面図である。ただし、図５においては、破線にて第１溝部Ｐ１の形成位置も示している。また、図５においては５つの集電部７ａを備える場合を示している。なお、集電部７ａの数は、図１および図５に示された数に限定されない。

第３溝部Ｐ３は、光電変換セル１０のｙ軸方向における両端部間に延在させる態様にて設けられてなる。これにより、隣り合う光電変換セル１０がｘ軸方向について分離されている。第３溝部Ｐ３の幅は、例えば、４０μｍ〜１０００μｍ程度である。

第１溝部Ｐ１は、下部電極層２に設けられている。第１溝部Ｐ１は、途中にｘ軸方向に屈曲する部分を有しているが、概ね、ｙ軸方向において光電変換セル１０の両端部間に延在する態様にて設けられている。第１溝部Ｐ１には直上に設けた光吸収層３の延在部分が埋入している。第１溝部Ｐ１は、それぞれｙ軸方向に平行な平行部Ｐ１ａ、Ｐ１ｂと、平行部Ｐ１ａ、Ｐ１ｂの間に位置する屈曲部Ｐ１ｃと、を有する。第１溝部Ｐ１の幅は、例えば、グリッド電極７と同程度の５０μｍ〜４００μｍ程度である。なお、屈曲部Ｐ１ｃは、図３に示したｘｙ平面で平面視して、曲線状であってもよい。

第１溝部Ｐ１を備えることで、一の光電変換セル１０における下部電極層２は、ｘ軸方向について２つに分離されている。具体的には、図４に示すように、第１下部電極層２αと第２下部電極層２βとは、第１溝部Ｐ１という隙間を隔てて平面的に対向配置されている。この第１下部電極層２αは、例えば、一の光電変換セル１０Ａのｘ軸方向における一方端部１０ａの側に配置されている。また、第２下部電極層２βは、例えば、一の光電変換セル１０Ａのｘ軸方向における他方端部１０ｂの側に配置されている。なお、一の光電変換セル１０Ａの第１下部電極層２αとこれに隣り合う光電変換セル１０Ｂの第２下部電極２βとは、第３溝部Ｐ３のところで連続している。すなわち、第３溝部Ｐ３の直下には、第１下部電極層２αと第２下部電極２βとの連続部が位置している。

また、図１および図３からわかるように、第１溝部Ｐ１が屈曲部Ｐ１ｃを有することで、下部電極層２は、その一部が、−ｘ軸方向において隣の光電変換セル１０の下方にまで延在する凸部となっている。具体的には、平行部Ｐ１ａよりも＋ｘ側には、−ｘ側に凸である凸部２ａが形成されている。一方、平行部Ｐ１ｂよりも−ｘ側においても、＋ｘ側に凸である凸部２ｂが形成されていると捉えることができる。そして、第１溝部Ｐ１を隔てて隣り合う光電変換セル１０のそれぞれの凸部２ａ、２ｂと対向する部分が、それぞれ凹部２ｃ、２ｄとなっている。すなわち、下部電極層２は、第１溝部Ｐ１を隔てて凸部と凹部とが対向する態様で形成されているともいえる。あるいは、図４に示す第１下部電極層２αと第２下部電極層２βとに着目した場合、第１下部電極層２αおよび第２下部電極層２βがそれぞれ、光電変換セル１０の配列方向であるｘ軸方向に突出する凸部２ｂ、凸部２ａを有するとともに、ｘ軸方向に窪む凹部２ｃ、凹部２ｄを有しているといえる。このとき、第１下部電極層２αの凸部２ｂと第２下部電極層の凹部２ｄとが対向している。また、第１下部電極層２αの凹部２ｃと第２下部電極層の凸部２ａとが対向している。また、第１下部電極層２αおよび前記第２下部電極層２βを平面視した場合に、第１下部電極層２αの凸部２ｂの面積が、第２下部電極層２βの凸部２ａの面積よりも大きくなっている。なお、ここでいう、「平面視」とは、第１下部電極層２αおよび第２下部電極層２βをｘｙ平面において平面視または平面透視することを指す。

第２溝部Ｐ２は、光電変換装置２０のうちｙ軸方向の一方側の端部（側端部）に、その底部が下部電極層２に達する貫通部として設けられている。別の見方をすれば、光電変換装置２０の側端部に切り欠き状に設けられているともいえる。

また、図３に示すように、第２溝部Ｐ２のｘｙ平面における形成位置は、第１溝部Ｐ１の平行部Ｐ１ｂのｙ軸方向についての延長線（一点鎖線Ｂで示す）上であってもよい。これにより、第１溝部Ｐ１および第２溝部Ｐ２を少ないスペースで形成することができる。なお、これに限定されず、第２溝部Ｐ２は第１溝部Ｐ１の平行部Ｐ１ｂの延長線上でなくてもよい。ただし、図３においては第２溝部Ｐ２の形状がｘｙ平面における平面視で楕円の一部分である場合を例示しているが、第２溝部Ｐ２の形状はこれに限られない。

第２溝部Ｐ２は、例えば、第１溝部Ｐ１より０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度離間させて設けられる。また、第３溝部Ｐ３より０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度離間させて設けられる。また、そのような第１溝部Ｐ１との位置関係をみたす限りにおいて、さらに別の場所に第２溝部Ｐ２が設けられていてもよい。第２溝部Ｐ２には、上述したように、隣り合う光電変換セル１０を接続する接続部８が設けられている。

第１溝部Ｐ１および第２溝部Ｐ２を以上のような形状および配置としたのは、光電変換装置２０の受光面側を平面視した場合の、実際に光電変換に寄与する領域（発電寄与領域）の面積をより広く確保するためである。光電変換装置２０において発電寄与領域となるのは、第１溝部Ｐ１と第３溝部Ｐ３の間であって、接続部８が設けられていない領域である。図５においては発電寄与領域に斜線を付している。光電変換セル１０における発電寄与領域は、第１下部電極層２αの上方の領域である。一方、第１溝部Ｐ１と第３溝部Ｐ３との間であって、接続部８が設けられた領域（各光電変換セル１０の右端側の領域）は、光電変換は生じないために発電寄与領域には含まれない。当該領域は第２下部電極層２βの上方の領域である。

図６は、対比のために示す、第１溝部Ｐ１が屈曲部を有さず、かつ、第２溝部Ｐ２がｙ軸方向において光電変換セル１０の両端部間に延在する態様にて設けられている光電変換装置３０の上面図である。なお、光電変換装置３０は、上述した溝部の形成態様が異なるほかは、光電変換装置２０と全く同じであるとする。また、図６においても、発電寄与領域には斜線を付している。

図５と図６を対比すると、図３に示した凸部２ｂに相当する部分だけ、前者の方が発電寄与領域の面積が大きいのが分かる。すなわち、本実施の形態の光電変換装置２０では、隣りの光電変換セル１０との間の電気的接続を担う接続部８が、隣の光電変換セル１０から突出してなる下部電極層２の凸部２ａの上に設けられている。そして、光電変換装置２０では、第２溝部Ｐ２が形成されていない箇所において、第１溝部Ｐ１を第３溝部Ｐ３により近づける構成としている。これにより、光電変換装置２０の発電寄与領域の面積比率が高めることができ、その結果、光電変換装置２０の発電効率をより向上させることができる。

光電変換装置２０の発電寄与領域は、第２溝部Ｐ２を小さくし、第１溝部Ｐ１の平行部Ｐ１ｂを長くするほど大きくなる。例えば、１つの光電変換セル１０のｘ軸方向およびｙ軸方向のサイズをそれぞれＬ１、Ｌ２とするとき、Ｌ１＝Ｌ２＝１００ｍｍであれば、第２溝部Ｐ２のｘ軸方向のサイズは０．１ｍｍ程度、ｙ軸方向のサイズは０．２ｍｍであればよい。実際には、Ｌ１、Ｌ２が大きくなるにつれて集電される電荷量が増大し、第２溝部Ｐ２に設けた接続部８を流れる電流が大きくなることから、接続部８を流れる電流の電流密度が過大にならない程度のサイズに第２溝部Ｐ２を形成すればよい。

より一般化すれば、光電変換装置２０の発電寄与領域を増大させるには、図４に示すように、
Ｄ１＋Ｄ４＝Ｄ２＋Ｄ３・・・（１）
かつ
Ｄ１＞Ｄ２≧Ｄ３＞Ｄ４・・・（２）
という関係式が満たされるように、第１下部電極層２αおよび第２下部電極層２βを配置すればよい。このとき、個々の光電変換セル１０のｘ軸方向における一方端部１０ａから第１溝部Ｐ１までの最大距離がＤ１、最小距離がＤ２である。また、個々の光電変換セル１０のｘ軸方向における光電変換セル１０の他方端部１０ｂから第１溝部Ｐ１までの最大距離がＤ３、最小距離がＤ４である。なお、式（１）は、ｘ軸方向における光電変換セル１０の幅および第１溝部Ｐ１の幅が一定であることを示す要件である。

Ｄ１〜Ｄ４の値を取る箇所は、第１溝部Ｐ１の平面形状に応じて定めることができる。図４に示す場合において、Ｄ１は、第１下部電極層２αにおける凸部２ｂの端部ｅ１と光電変換セル１０の一方端部１０ａとの間の距離となる。また、Ｄ２は、第１下部電極層２αにおける凹部２ｃの端部ｅ２と光電変換セル１０の一方端部１０ａとの間の距離となる。また、Ｄ３は、第２下部電極層２βにおける凸部２ａの端部ｅ３と光電変換セル１０の他方端部１０ｂとの間の距離となる。また、Ｄ４は、第２下部電極層２βにおける凹部２ｄの端部ｅ４と一方端部１０ｂとの間の距離となる。

式（１）および式（２）をみたすように第１下部電極層２αおよび第２下部電極層２βを配置することで、第１下部電極層２αの凸部２ｂと第２下部電極層の凹部２ｄとが対向するようになる。さらに、第１下部電極層２αの凹部２ｃと第２下部電極層の凸部２ａとが対向するようになり、従来よりも発電寄与領域が増大した光電変換セル１０を備える光電変換装置２０が実現される。

なお、本実施の形態に係る光電変換装置２０においては、第１溝部Ｐ１が上述のような配置を取ることに対応させて、図２および図５に示すように、グリッド電極７の連結部７ｂの大部分を、第１溝部Ｐ１の上方に、より具体的には第１溝部Ｐ１に延在する光吸収層３の上方に形成している。換言すれば、連結部７ｂは、第１溝部Ｐ１の上方（ｚ軸方向における＋ｚ側）において、第１溝部Ｐ１に沿って位置する部分を有している。このグリッド電極７の連結部７ｂは、第１溝部Ｐ１付近への光の入射を遮る遮光部としても機能している。それゆえ、上述したような構成であれば、第１溝部Ｐ１付近において光吸収層３に光が入射することに起因した抵抗率の低下が低減される。このような構成も、光電変換装置２０の発電効率の向上に寄与している。

以上、説明したように、本実施の形態においては、接続導体として作用する接続部を、隣りの光電変換セルから突出してなる下部電極層の凸部の上に設けるとともに、接続部が形成されていない箇所において、各光電変換セルの下部電極層同士を分離する第１溝部を第３溝部により近づけるように設けられている。これにより、光電変換装置の発電寄与領域の面積比率を高めることができる。より一般的にいえば、本実施形態によれば、式（１）および式（２）を満たすように下部電極層を形成することで、光電変換装置の発電寄与領域の面積比率を高めることができる。これにより、光電変換装置の発電効率がより向上する。また、グリッド電極によって第１溝部の上方を遮光することで、光電変換装置の発電効率をさらに向上させることができる。

＜光電変換装置の製造プロセス＞
次に、上述のような構成を有する光電変換装置２０の製造プロセスの一例について説明する。以降においては、I-III-VI族化合物半導体からなる光吸収層３を塗布法あるいは印刷法を用いて形成し、さらにバッファ層４を形成する場合を例として説明する。図７ないし図１２は、光電変換装置２０の製造途中の様子を示す斜視図である。

まず図７に示すように、洗浄した基板１の略全面に、スパッタリング法などを用いて、Ｍｏなどからなる下部電極層２を成膜する。そして、下部電極層２上面の、図７において破線にて示す形成対象位置Ｐ１αからその直下の基板１の上面にかけて、屈曲部Ｐ１ｃを有する第１溝部Ｐ１を形成する。第１溝部Ｐ１は、ＹＡＧレーザーやその他のレーザー光を走査しつつ形成対象位置Ｐ１αに照射することで溝加工を行う、スクライブ加工によって形成してもよい。

図８は第１溝部Ｐ１を形成した後の状態を示す図である。第１溝部Ｐ１を形成した後、下部電極層２の上に、光吸収層３とバッファ層４とを順次に形成する。

光吸収層３は、以下の原料溶液を、下部電極層２の表面に塗布し、乾燥して皮膜を形成した後、得られた皮膜を熱処理することで、形成される。原料溶液は、カルコゲン元素含有有機化合物と塩基性有機溶剤とを含む溶媒（以下、単に混合溶媒ともいう）に、Ｉ-Ｂ族金属およびIII-Ｂ族金属を直接溶解させて、Ｉ-Ｂ族金属およびIII-Ｂ族金属の合計濃度が１０質量％以上となるように作製できる。原料溶液の塗布には、スピンコータ、スクリーン印刷、ディッピング、スプレー、ダイコータなどの種々の手法を用いることができる。

カルコゲン元素含有有機化合物とは、カルコゲン元素を含む有機化合物である。カルコゲン元素とは、VI-Ｂ族元素のうちのＳ、Ｓｅ、Ｔｅをいう。カルコゲン元素含有有機化合物としては、例えば、チオール、スルフィド、ジスルフィド、セレノール、セレニド、ジセレニド等が挙げられる。

まず、例えば、ベンゼンセレノールを、ピリジンに対し１００ｍｏｌ％となるように溶解した混合溶媒に、地金の銅、地金のインジウム、地金のガリウムおよび地金のセレンを直接溶解する。そして、得られた溶液を、ブレード法にて塗布し、乾燥して皮膜を形成した後、水素ガスの雰囲気下で熱処理をすればよい。

金属を混合溶媒に直接溶解させるというのは、単体金属または合金の地金を、直接、混合溶媒に混入し、溶解させることをいう。乾燥は、還元雰囲気下で行なってもよい。乾燥温度は、例えば、５０℃〜３００℃である。熱処理は、酸化を低減して良好なI-III-VI化合物半導体が得られるように、還元雰囲気で行なってもよい。還元雰囲気は、窒素雰囲気、フォーミングガス雰囲気および水素雰囲気のうちいずれかであってもよい。熱処理温度は、例えば、４００℃〜６００℃とする。

バッファ層４は、溶液成長法（ＣＢＤ法）によって形成される。例えば、酢酸カドミウムとチオ尿素とをアンモニアに溶解し、これに光吸収層３の形成までを行なった基板１を浸漬し、光吸収層３上面にＣｄＳからなるバッファ層４を形成できる。

図９は、光吸収層３およびバッファ層４を形成した後の状態を示す図である。光吸収層３およびバッファ層４の形成後、バッファ層４上面の、図９において破線にて示す形成対象位置Ｐ２αから下部電極層２の上面に至る位置に、第２溝部Ｐ２を形成する。第２溝部Ｐ２は、メカニカルスクライビングにより形成してもよい。第２溝部Ｐ２は、例えば、４０μｍ〜５０μｍ程度のスクライブ幅のスクライブ針を用いたスクライビングを、ピッチをずらしながら連続して数回にわたり行なうことによって形成される。また、第２溝部Ｐ２は、先端形状の幅が第２溝部Ｐ２の幅に近いスクライブ針を用いてスクライブすることによって形成されてもよい。あるいは、第２溝部Ｐ２は、２本以上のスクライブ針を当接又は近接した状態で固定し、１回〜数回のスクライブを行なうことにより形成されてもよい。

図１０は第２溝部Ｐ２を形成した後の状態を示す図である。第２溝部Ｐ２を形成した後、バッファ層４の上に、例えばＡｌドープ酸化亜鉛膜からなる透明の上部電極層６を形成する。上部電極層６は、スパッタリング法、蒸着法または化学的気相成長（ＣＶＤ）法等で形成される。

図１１は、上部電極層６を形成した後の状態を示す図である。上部電極層６を形成した後、形成対象位置７αにグリッド電極７を形成する。グリッド電極７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をパターン状に印刷し、これを乾燥し、固化することで形成することができる。なお、固化というのは、金属ペーストに用いるバインダーが熱可塑性樹脂である場合の熔融後の固化状態を含み、バインダーが熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂等の硬化性樹脂である場合の硬化後の状態をも含む。

図１２は、グリッド電極７を形成した後の状態を示す図である。グリッド電極７が形成された後、上部電極層６上面の、図１２において破線にて示す形成対象位置Ｐ３αから第１下部電極層２の上面に至る位置に、第３溝部Ｐ３を形成する。第３溝部Ｐ３の幅は、例えば、４０μｍ〜１０００μｍ程度である。また、第３溝部Ｐ３は、第２溝部Ｐ２と同様に、メカニカルスクライビングにより形成してもよい。

第３溝部Ｐ３の形成によって、図１に示した光電変換装置２０が得られたことになる。

なお、第２溝部Ｐ２の形成前に上部電極層６を形成し、その後、第２溝部Ｐ２と第３溝部Ｐ３とをメカニカルスクライビングによって一度に形成したうえで、グリッド電極７を形成するようにしてもよい。この場合、メカニカルスクライビングによって第２溝部Ｐ２を形成する際に発生する削りカスなどで、バッファ層４の表面が汚染されにくい。これにより、バッファ層４の表面の劣化が低減され、光電変換効率がより高められる。なお、このような場合、図１３に示すように、接続部８は、グリッド電極７の連結部７ｂから垂れ下がる垂下部分７ｃのみによって形成される。

また、図１４は、光電変換装置２０のｙ軸方向における光電変換セル１０の配置態様を示すｘｙ平面図である。ただし、図１４においては、図示を簡易にするため、溝部のみをｘｙ平面に投影して示している。これまで説明したように、光電変換装置２０においては、複数の光電変換セル１０がｘ軸方向について直列に接続されている。この直列接続された光電変換セル１０の配列をセル列１５と称すると、図１４に示すように、ｙ軸方向については、複数のセル列１５が等間隔で配置されている。そして、それぞれのセル列１５の間には、互いを絶縁するための第４溝部Ｐ４が設けられている。第４溝部Ｐ４は、例えば、レーザー光によるスクライブやメカニカルスクライブによって形成可能である。

また、図１４に示すように、個々のセル列１５は隣り合うセル列１５と互いに点対称の関係に配置されてもよい。この場合、光電変換装置２０の製造過程においては、矢印ＡＲ１、ＡＲ２、およびＡＲ３にて例示するように、ｙ軸方向について隣り合う光電変換セル１０について、第１溝部Ｐ１、第２溝部Ｐ２、および第３溝部Ｐ３を連続的に形成することができる。そして、最後に第４溝部Ｐ４を形成すれば、個々の光電変換セル１０に対して個別に第１溝部Ｐ１、第２溝部Ｐ２、および第３溝部Ｐ３を形成せずとも、多数の光電変換セル１０が二次元的に配置された光電変換装置２０を作製することができる。この場合、それぞれの溝部を形成するレーザー光やスクライブ針の走査を効率的に行えるので、結果として、光電変換装置２０の生産性が向上する。光電変換装置２０における第１溝部Ｐ１のｙ軸方向の両端部の形成位置が異なるような場合に、上述したセル列１５の配置態様であってもよい。

＜変形例＞
上述の実施の形態は、主として、光電変換を担う層が、カルコパイライト系のI-III-VI族化合物を含む場合を対象に説明しているが、これに限られない。上述した溝部や接続部の配置態様を採用することによる発電寄与面積の増大は、Ｓｉ多結晶基板や単結晶基板やその他の材料を用いた光電変換セルにおいても、同様に実現可能である。例えば、本発明の他の実施形態に係る光電変換装置は、陽極と負極とをともに被受光面側に設けたバックコンタクト型の光電変換装置などであってもよい。

また、本発明の一の実施形態に係る光電変換装置における溝部の態様としては、１つの光電変換セル１０が複数の第２溝部Ｐ２を備え、第１溝部Ｐ１が第２溝部Ｐ２に応じた平面形状にて配置される態様であってもよい。図１５は、このような変形例を示すｘｙ投影図である。図１５には、１つの光電変換セル１０に３つの第２溝部Ｐ２が離散的に設けられている場合を例示している。しかも、第２溝部Ｐ２の一部は光電変換装置２０の側端部ではなく内部を貫通させて設けられている。このような場合も、第２溝部Ｐ２による接続部が形成されていない箇所においては、各光電変換セルの下部電極層同士を分離する第１溝部Ｐ１を第３溝部Ｐ３により近づけて設けられている。そして、図１５に示したように距離Ｄ１〜Ｄ４とすることができるので、式（１）および式（２）が満たされる。この場合においても、図６に示した光電変換装置に比べて高い発電効率が実現される。

なお、式（１）および式（２）の要件は、第１溝部Ｐ１がｙ軸方向に平行な部分を有していなくても成り立つ。すなわち、図１６に示すように、本発明の一の実施形態に係る光電変換装置における溝部の態様としては、第１溝部Ｐ１の全体がｙ軸方向に対して傾斜している態様であってもよい。このような変形例の場合においても、図１６に示したように距離Ｄ１〜Ｄ４とすることができ、かつ、式（１）および式（２）が満たされる。そのため、この場合も、図６に示した光電変換装置に比べて発電寄与領域が大きいので、高い発電効率が実現される。

なお、これまでの実施の形態においてはすべて、第３溝部Ｐ３がｙ軸方向に平行である場合を説明したが、これは必須の要件ではない。個々の第３溝部Ｐ３は、互いが平行に形成されていれば、ｙ軸方向に対して傾斜した方向に延在していてもよい。このような場合も、式（１）および式（２）を満たすように第１下部電極層２αおよび第２下部電極層２βを配置することができる。

さらには、上述の実施の形態においては、Ｄ１〜Ｄ４を、光電変換セル１０のｘ軸方向における一方端部１０ａまたは他方端部１０ｂから下部電極層の凸部または凹部の端部（ｅ１〜ｅ４）までの距離として規定しているが、Ｄ１〜Ｄ４の規定はこれに限らない。Ｄ１〜Ｄ４は、光電変換セル１０のｘ軸方向における一方端部または他方端部から下部電極層の凸部または凹部に挟まれた第１溝部Ｐ１の中心線までの距離と規定してもよい。この場合も、式（１）および式（２）を満たすようにすることで、高い発電効率が実現される。

このように規定した場合、ｘ軸方向における第１溝部Ｐ１の幅が場所によって異なっていても、式（１）および式（２）を満たす第１下部電極層２αおよび第２下部電極層２βの配置が実現できる。図１７は、かかる変形例を示す図である。図１７に示す光電変換装置２０においては、第１溝部Ｐ１のうち、ｘ軸方向における平行部Ｐ１ａの幅が平行部Ｐ１ｂの幅よりも大きくなっている点で、第１溝部Ｐ１の幅が一定である図４の光電変換装置２０と相違する。なお、図１７においては、図４の場合との区別を明確にすべく、図４におけるＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４に対応する距離（光電変換セル１０の一方端部または他方端部からＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４を与える位置に対応する中心線Ｃまでの位置）をそれぞれＤ１’、Ｄ２’、Ｄ３’、Ｄ４’としている。すなわち、次の式（１’）および（２’）を満たすように第１下部電極層２αおよび第２下部電極層２βを配置すれば、上述の実施の形態と同様に、発電寄与領域の増大という効果が得られる。
Ｄ１’＋Ｄ４’＝Ｄ２’＋Ｄ３’ ・・・（１’）
かつ
Ｄ１’＞Ｄ２’≧Ｄ３’＞Ｄ４’ ・・・（２’）

Claims

互いに離間しつつ所定の配列方向に配列された複数の光電変換セルを有する光電変換装置であって、
前記光電変換セルは、
互いに対向するように平面的に隙間を空けて位置し、前記配列方向の一方端部の側に配置された第１の下部電極層および他方端部の側に配置された第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設けられた一方導電型の層と、前記一方導電型の層の上に設けられた他方導電型の層と、
前記第２の下部電極層および前記他方導電型の層を電気的に接続する接続導体と、
を備え、
一の前記光電変換セルに備わる前記第１の下部電極層と、前記一の光電変換セルと隣り合う前記光電変換セルの前記第２の下部電極層とが連続しているとともに、
前記光電変換セルにおいて、前記配列方向における前記一方端部から前記隙間までの最大距離および最小距離をそれぞれＤ１、Ｄ２とし、前記配列方向における前記他方端部から前記隙間までの最大距離および最小距離をそれぞれＤ３、Ｄ４とするとき、前記Ｄ１、前記Ｄ２、前記Ｄ３および前記Ｄ４が、
Ｄ１＋Ｄ４＝Ｄ２＋Ｄ３かつＤ１＞Ｄ２≧Ｄ３＞Ｄ４の関係を有する、光電変換装置。
請求項１に記載の光電変換装置であって、
前記第１の下部電極層および前記第２の下部電極層は、前記配列方向に突出する凸部および前記配列方向に窪む凹部をそれぞれ有し、
前記第１の下部電極層の凸部と前記第２の下部電極層の凹部とが対向するとともに前記第１の下部電極層の凹部と前記第２の下部電極層の凸部とが対向している、光電変換装置。
請求項２に記載の光電変換装置であって、
前記第１の下部電極層および前記第２の下部電極層を平面視して、前記第１の下部電極層の凸部の面積が、前記第２の下部電極層の凸部の面積よりも大きい、光電変換装置。
請求項２または請求項３に記載の光電変換装置であって、
前記接続導体が前記第２の下部電極層の凸部の上に設けられる、光電変換装置。
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の光電変換装置であって、
前記他方導電型の層の上に上部電極をさらに備え、前記接続導体が、前記上部電極を介して前記他方導電型の層および前記第２の下部電極層を電気的に接続することを特徴とする光電変換装置。
請求項５に記載の光電変換装置であって、
前記上部電極が、前記他方導電型の層の上に設けられた複数の集電部と、該複数の集電部を連結する連結部とを含み、前記接続導体が前記第２の下部電極層と前記連結部とを接続する、光電変換装置。
請求項６に記載の光電変換装置であって、
前記連結部が前記隙間に沿って位置する部分を有する、光電変換装置。
請求項６に記載の光電変換装置であって、
前記連結部が前記隙間の上方に位置する部分を有する、光電変換装置。
請求項５ないし請求項８のいずれかに記載の光電変換装置であって、
前記上部電極が、前記他方導電型の層の上に全面に形成された電極層を含む、光電変換装置。
請求項９に記載の光電変換装置であって、
前記電極層が透明導電層を含む、光電変換装置。
請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の光電変換装置であって、
前記接続導体が前記一方導電型の層を貫通している、光電変換装置。