JP5274432B2

JP5274432B2 - 光電変換装置

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Publication number: JP5274432B2
Application number: JP2009258711A
Authority: JP
Inventors: 利文菅原; 太佑西村; 憲西浦; 徳彦松島; 洋介猪股; 久雄有宗
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2029-11-12
Also published as: JP2011103425A

Description

本発明は、複数の光電変換セルが集積された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は、様々な種類のものがあるが、ＣＩＳ系（銅インジウムセレナイド系）に代表されるカルコパイライト系光電変換装置は比較的低コストで太陽電池モジュールの大面積化が容易なことから、研究開発が進められている。

このカルコパイライト系光電変換装置は、光吸収層として二セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）等のカルコゲン化合物半導体層（カルコパイライト系化合物半導体層）を備え、バッファ層として硫化カドミウム等の混晶化合物半導体を備えている。

カルコパイライト系光電変換装置の代表的なＣＩＧＳセルの従来の集積化素子製造方法は、まず青板ガラス上にモリブデンなどの金属をスパッタ成膜し下部電極を形成する。次にこの下部電極を短冊状に分離するようにレーザースクライブ加工等で溝を形成する。そして、この上に光吸収層とバッファ層を形成した後、上記下部電極の溝のすぐ横の位置でバッファ層と光吸収層を分離する溝を形成する。さらにこの上に上部電極を作製してから、上部電極とバッファ層と光吸収層を分離することによって光電変換装置となる。

特開２０００−１２４４８８号公報

上記光電変換装置では、下部電極の溝部において、受光時の電荷発生にともなって光吸収層の抵抗率が低下し、下部電極間においてリーク電流が生じやすくなる。その結果、光電変換装置の光電変換効率が低下する傾向がある。一方、このようなリーク電流を抑制するために、溝の幅を大きくしようとすると、発電に寄与しない領域の面積が増加し、この場合も光電変換効率を高めることが困難となる。

本発明はこのような問題に鑑みなされたものであり、その目的は光電変換効率の高い光電変換装置を提供することにある。

本発明の光電変換装置に係る一実施形態は、基板と、前記基板上に設けられ、第１の溝によって分割された複数の下部電極と、前記複数の下部電極上および前記第１の溝内に設けられ、前記下部電極上で貫通した第２の溝を有する光電変換層と、前記光電変換層上に設けられた上部電極と、前記第２の溝内に設けられ、前記上部電極と前記下部電極とを電気的に接続する接続導体と、前記上部電極を平面視して前記第１の溝を覆うとともに、該第１の溝に沿って前記上部電極上に設けられ、前記接続導体に電気的に接続されている導電性の遮光層と、前記上部電極上に設けられ、前記遮光層に電気的に接続されている集電電極と、を具備した複数の光電変換セルを有する。さらに、前記複数の光電変換セルの一端に、前記上部電極から前記光電変換層にかけて第３の溝が形成されていることを特徴と
する。

このような構成により、第１の溝付近に設けられた光電変換層の受光による抵抗率の低下を抑制することができる。よって、第１の溝の幅、すなわち下部電極間の間隔を小さくしてもリーク電流を抑制しながら光電変換に寄与する領域を大きくすることができ、光電変換効率の高い光電変換装置とすることができる。

また、このような構成により、遮光層が光電変換層で生じた電荷を接続導体へ良好に電荷移動させることができ、光電変換効率をより高めることができる。

また、このような構成により、光電変換層で生じた電荷の接続導体への電荷移動をより良好にすることができる。

上記光電変換装置において好ましくは、前記集電電極、前記遮光層および前記接続導体が導電ペーストで一体的に形成されている。このような構成により、集電電極、遮光層および接続導体を容易に形成できるとともに電気的接続信頼性を高めることができる。

本発明によれば、リーク電流を抑制して光電変換効率の高い光電変換装置とすることができる。

本発明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の光電変換装置の平面図である。図１、図２の光電変換装置の切断面線Ａ−Ａで切断した断面図である。図１、図２の光電変換装置の切断面線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。図１の光電変換装置の製造方法の一例を示す工程ごとの断面図である。

図１は本発明に係る光電変換装置の構造の一例を示す斜視図であり、図２はその平面図である。また、図３は、図１、図２の光電変換装置の切断面線Ａ−Ａで切断した断面図であり、図４は、切断面線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。

光電変換装置２１は、基板１と、下部電極２と、光電変換層５と、上部電極６と、接続導体７と、遮光層８とを含んで構成される。本実施形態において光電変換層５は、カルコパイライト系化合物半導体を用いた光電変換体として公知の構造である、光吸収層３とこれにヘテロ接合されたバッファ層４とを具備する例を示しているが、これに限定されない。光電変換層５は、下部電極２側からバッファ層４および光吸収層３を積層したものであってもよく、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。また、上部電極６は半導体層から成るものも含み、いわゆる窓層と呼ばれるものも含む。

図１〜４において、光電変換セル２０が複数並べて形成され、光電変換装置２１を構成している。そして、光電変換セル２０は、光吸収層３およびバッファ層４をまたがるように設けられた接続導体７によって、上部電極６と、隣接する光電変換セル２０の下部電極２が延出された部位とが電気的に接続されている。この構成により、隣接する光電変換セル２０同士が直列接続されている。なお、一つの光電変換セル２０内において、接続導体７は光吸収層３およびバッファ層４をまたがるように設けられており、上部電極６と下部電極２とで挟まれた光吸収層３とバッファ層４とで光電変換が行なわれる。

基板１は、光吸収層３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２は、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）または金（Ａｕ）等の金属またはこれらの金属積層構造体が用いられる。下部電極２は、基板１上にスパッタリング法または蒸着法等で厚さ０．２〜１μｍ程度に形成される。下部電極２は第１の溝Ｐ１を介して複数のものが並んで設けられている。

光吸収層３は、例えば、Ｉ-III-VI化合物半導体やII-VI化合物半導体がある。I-III-VI化合物半導体とは、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）との化合物半導体であり、カルコパイライト構造を有し、カルコパイライト系化合物半導体と呼ばれる（ＣＩＳ系化合物半導体ともいう）。II-VI化合物半導体とは、II-Ｂ族（１２族元素ともいう）とVI-Ｂ族元素との化合物半導体である。光電変換効率を高めるという観点からは、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ることが好ましい。

I-III-VI化合物半導体としては、例えば、二セレン化銅インジウム（ＣｕＩｎＳｅ_２）、二セレン化銅インジウム・ガリウム（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２）、二セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）_２）、二イオウ化銅インジウム・ガリウム（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓ_２）又は薄膜の二セレン・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がある。

光吸収層３は、ｐ形の導電形を有する厚さ１〜３μｍ程度の薄膜で、光吸収層３がI-III-VI化合物半導体から成る場合、その表面にヘテロ接合を形成するためのバッファ層４を有することが好ましい。バッファ層４としては、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、硫化インジウム（ＩｎＳ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）等の化合物半導体がある。

上部電極６は、いわゆる窓層と呼ばれるものを含み、ｎ形の導電形を有する禁制帯幅が広く且つ透明で低抵抗の厚さ１〜２μｍ程度の酸化亜鉛（ＺｎＯ）やアルミニウムやボロン、ガリウム、インジウム、フッ素などを含んだ酸化亜鉛との化合物、錫を含んだ酸化インジウム（ＩＴＯ）や酸化錫（ＳｎＯ_２）などからなる金属酸化物半導体薄膜である。窓層は光電変換装置２１を構成する一方の電極として見なすことができるため、本実施形態では上部電極６とみなしている。このような窓層に加えてさらに透明導電膜を形成してもよく、窓層と透明導電膜を合わせて上部電極６と見なしてもよい。

接続導体７は、光吸収層３およびバッファ層４を貫通して、上部電極６と下部電極２とを電気的に接続する導体である。接続導体７は、光吸収層３およびバッファ層４を貫通する第２の溝Ｐ２内に形成された導体であり、例えば、蒸着やスパッタ等で形成した金属膜や導電ペーストを固化したもの等から成る。なお、固化というのは、導電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。接続信頼性を高めるという観点からは、Ａｇ等の金属粉を樹脂バインダー等に分散させた導電ペーストを用いることが好ましい。

上部電極６上には遮光層８が形成されている。遮光層８は上部電極６を平面視したときに上記第１の溝Ｐ１を覆うように設けられている。これにより、第１の溝Ｐ１付近に設けられた光電変換層５に光が照射されるのを抑制し、第１の溝Ｐ１付近に設けられた光吸収層３の受光による抵抗率の低下を抑制することができる。よって、第１の溝Ｐ１の幅、すなわち下部電極２間の間隔を小さくしてもリーク電流を抑制しながら光電変換に寄与する領域を大きくすることができ、光電変換効率の高い光電変換装置２１とすることができる。

遮光層８は、第１の溝Ｐ１付近に設けられた光電変換層５の受光による抵抗率の低下を良好に抑制するという観点からは、上部電極６を平面視したときに第１の溝Ｐ１の幅の５０％以上を覆うように設けられていることが好ましい。より好ましくは８０％以上覆うのがよい。

遮光層８は、光電変換層５の光電変換を行なうことのできる波長領域の光を遮光するものであればどのような材料でもよい。なお、上記遮光とは、光を完全に遮るものでなくとも一部の光を遮るものであればよい。好ましくは、光電変換層５の光電変換を行なうことのできる波長領域の光を照射したときに、透過率が５０％以下、より好ましくは３０％以下であるのがよい。

遮光層８の材料は特に限定されず、有機材料、無機材料およびこれらの複合体のいずれでもよく、例えば、黒色のエポキシ樹脂や、金属粉等を含む導電ペースト等が挙げられる。好ましくは、遮光層８は導電性であり、接続導体７に電気的に接続されているのがよい。このような構成により、遮光層８が光電変換層５で生じた電荷を接続導体７へ良好に電荷移動させることができ、光電変換効率をより高めることができる。このような遮光層８および接続導体７は、例えば、金属粉等の導体をバインダーに分散させた導電ペーストを用いて同時に塗布形成することにより形成される。このように導電ペーストで同時に塗布形成することにより、工程を簡略化できる。

また、遮光層８は、第１の溝Ｐ１の直上だけに限らず、光電変換装置２１の受光面に対する斜めからの光入射を考慮し、第１の溝Ｐ１よりも外側に延在されていてもよい。

上部電極６上には、集電電極９を設けてもよい。集電電極９は、例えば、図１、図２に示すように、光電変換セル２０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５の光電変換により生じた電荷を、上部電極６を介して集電電極９に集電し、これを接続導体７を介して隣接する光電変換セル２０に良好に導電することができる。よって、集電電極９が設けられていることにより、上部電極６を薄くしても光電変換層５で発生した電荷を効率よく取り出すことができる。その結果、発電効率を高めることができる。

集電電極９は光吸収層３への光を遮るのを抑制するとともに良好な導電性を有するという観点からは、５０〜４００μｍの幅を有するのが好ましい。また、集電電極９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９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導電ペーストをパターン状に印刷し、これを乾燥し、固化することによって形成することができる。

好ましくは、遮光層８は導電性であり、遮光層８が接続導体７および集電電極９に電気的に接続されているのがよい。このような構成により、光電変換層５で生じた電荷の接続導体７への電荷移動をより良好にすることができる。このような集電電極９、遮光層８および接続導体７は、導電ペーストで一体的に形成されているのがよい。このような構成により、集電電極９、遮光層８および接続導体７を容易に形成できるとともに電気的接続信頼性を高めることができる。

また、遮光層８は、光電変換層５の光電変換を行なうことのできる波長領域の光を反射するものが好ましい。このような構成により、光電変換装置２１の受光面（遮光層８が形成されている側の主面）に、エチレンビニルアセテート樹脂等の封止材を介してガラス基板等の保護部材を設けてモジュール化した際、遮光層８の表面で反射した光を、光電変換装置２１と封止材との界面、あるいは封止材とガラス基板との界面で再度反射させ、光電変換層５上に入射させることにより、光入射量を増加させ、光電変換効率をより高めることが可能となる。このような遮光層８は、例えば、アルミニウムなどの光反射率の高い金属を蒸着法などにより、遮光層８の表面に形成することにより形成できる。

光電変換装置２１の作製について、図５に工程ごとの断面図で示す。まず、図５（ａ）に示すように、洗浄した基板１の略全面に下部電極２をスパッタ法などを用いて成膜し、成膜したこの下部電極２をＹＡＧレーザーなどを用いて第１の溝Ｐ１を形成して下部電極２をパターニングする。

その後、図５（ｂ）に示すように、このパターンを形成した下部電極２上に光吸収層３をスパッタ法や蒸着法、印刷法などを用いて成膜する。その後、図５（ｃ）に示すように、光吸収層３上にバッファ層４を溶液成長法（ＣＢＤ法）などを用いて成膜する。さらに、バッファ層４上に上部電極６を、スパッタ法や有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などを用いて成膜する。

その後、図５（ｄ）に示すように、光吸収層３とバッファ層４と上部電極６とを、メカニカルスクライビングして第２の溝Ｐ２および第３の溝Ｐ３を形成することによりパターニングする。第２の溝Ｐ２は、例えば、下部電極２に設けられた第１の溝Ｐ１より０．１〜１．０ｍｍ程度離間して設けられる。また、第３の溝Ｐ３は、第２の溝Ｐ２から０．１〜１．０ｍｍ程度離間して設けられる。このように光吸収層３の形成後、バッファ層４および上部電極６を続けて形成し、その後、第２の溝Ｐ２を形成すると、バッファ層４が良好な状態で上部電極６が形成されることとなり、バッファ層４と上部電極６との電気的な接続を良好にすることができる。その結果、光電変換効率を高めることができる。すなわち、バッファ層４を形成後、第２の溝Ｐ２の形成を行い、その後、上部電極６を形成すると、第２の溝Ｐ２の形成時に、メカニカルスクライビングで発生する削りカスなどでバッファ層４の表面の汚染などが生じ、バッファ層４表面が劣化しやすくなるが、上記のようにバッファ層４の形成に続けて上部電極６を形成することにより、劣化を抑制できる。

この第２の溝Ｐ２および第３の溝Ｐ３の幅は、例えば、４０〜１０００μｍ程度である。このような幅の第２の溝Ｐ２および第３の溝Ｐ３は、４０〜５０μｍ程度のスクライブ幅のスクライブ針を用いてピッチをずらしながら連続して数回にわたりスクライブすることにより、あるいは、スクライブ針の先端形状を所定の幅に広げスクライブすることにより、あるいは、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うことにより形成可能である。

その後、図５（ｅ）に示すように、上部電極６上および第２の溝Ｐ２内に、銀ペーストなどの導電ペーストを印刷することにより集電電極９、遮光層８（図示せず）および接続導体７を形成する。

このようにして、裏面側から基板１、下部電極２、光吸収層３、バッファ層４、上部電極６、遮光層８の順に積層した構造の単位セルである光電変換セル２０が構成される。そして、光電変換装置２１は、この光電変換セル２０が複数、電気的に接続され集積化された構造を有している。

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内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。

１；基板
２；下部電極
３；光吸収層
４；バッファ層
５；光電変換層
６；上部電極
７；接続導体
８；遮光層
９；集電電極
２１；光電変換装置
Ｐ１；第１の溝
Ｐ２；第２の溝
Ｐ３；第３の溝

Claims

基板と、
前記基板上に設けられ、第１の溝によって分割された複数の下部電極と、
前記複数の下部電極上および前記第１の溝内に設けられ、前記下部電極上で貫通した第２の溝を有する光電変換層と、
前記光電変換層上に設けられた上部電極と、
前記第２の溝内に設けられ、前記上部電極と前記下部電極とを電気的に接続する接続導体と、
前記上部電極を平面視して前記第１の溝を覆うとともに、該第１の溝に沿って前記上部電極上に設けられ、前記接続導体に電気的に接続されている導電性の遮光層と、
前記上部電極上に設けられ、前記遮光層に電気的に接続されている集電電極と、
を具備した複数の光電変換セルを有する光電変換装置。
前記複数の光電変換セルの一端に、前記上部電極から前記光電変換層にかけて第３の溝が形成されていることを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
前記集電電極、前記遮光層および前記接続導体が導電ペーストで一体的に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の光電変換装置。