JP5334798B2

JP5334798B2 - 光電変換装置および光電変換モジュール

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Publication number: JP5334798B2
Application number: JP2009247669A
Authority: JP
Inventors: 丈司大隈; 智史大前; 正人福留
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2029-10-28
Also published as: JP2011096773A

Description

本発明は、光電変換装置およびそれを複数具備して成る光電変換モジュールに関するものである。

従来、太陽電池は、カルコパライト系のＣＩＧＳ等の光吸収層を具備する光電変換装置を構成単位とし、この光電変換装置をガラス等の基板上で複数、直列または並列接続することによって構成されている。

この光電変換装置は、その受光面すなわち光吸収層の上部にバッファ層が設けられている。バッファ層としては、環境に対する負荷を低減するため、および、光吸収層と好適なヘテロ接合を得るために、溶液析出法（ＣＢＤ法）等によって溶液から化学的に成長させた、イオウを含んだ亜鉛混晶化合物半導体膜が用いられている。また、このバッファ層の上部には透明電極として酸化亜鉛膜が設けられている。

特開平０８−３３０６１４号公報

しかしながら、特許文献１に示すような光電変換装置は、高温高湿環境における耐久性が悪く、このような環境下では光電変換装置の性能が短時間で急激に低下するという問題点があった。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、耐久性を高めた光電変換装置および光電変換モジュールを提供することである。

本発明の一実施形態に係る光電変換装置は、光吸収層と、前記光吸収層の一方側に設けられた亜鉛を含む第１のバッファ層と、前記第１のバッファ層の一方側に設けられたIII-VI族化合物を含む第２のバッファ層と、を具備することを特徴とする。

このような構成により、III-VI族化合物が高温高湿環境における耐久性を高めるとともに亜鉛のカルコゲン化物が光吸収層とのバンド整合を良好にすることができ、光電変換効率を高めることができる。

上記光電変換装置において好ましくは、前記第１のバッファ層および前記第２のバッファ層は湿式成膜法により形成されている。

上記光電変換装置において好ましくは、前記第１のバッファ層が硫化亜鉛を含み、前記第２のバッファ層が硫化インジウムを含む。

上記光電変換装置において好ましくは、前記光吸収層はカルコパイライト系の材料を含む。

本発明の一実施形態に係る光電変換モジュールは、上記のいずれかに記載の光電変換装置を複数有し、隣接する前記光電変換装置を電気的に接続したことを特徴とする。

本発明によれば、光電変換装置および光電変換モジュールの耐久性を高めることができる。

本発明に係る光電変換装置および光電変換モジュールの実施の形態の一例を示す断面図である。本発明に係る光電変換装置および光電変換モジュールの実施の形態の他の例を示す断面図である。図２の光電変換装置および光電変換モジュールの斜視図である。

以下に、本発明の光電変換装置および光電変換モジュール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１０は、基板１と、第１の電極層２と、光吸収層３と、バッファ層４と、第２の電極層５とを含んで構成される。また、バッファ層４は、光吸収層３側の第１のバッファ層４ａと第２の電極層５側の第２のバッファ層４ｂとから成る。

図１において、光電変換装置１０は複数並べて形成されている。そして、光電変換装置１０は、光吸収層３の基板１側に第１の電極層２と離間して設けられた第３の電極層６を具備している。そして、光吸収層３に設けられた接続導体７によって、第２の電極層５と第３の電極層６とが電気的に接続されている。この第３の電極層６は、隣接する光電変換装置１０の第１の電極層２と一体化されている。この構成により、隣接する光電変換装置１０同士が直列接続されている。なお、一つの光電変換装置１０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を貫通するように設けられており、第１の電極層２と第２の電極層５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、光電変換装置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。

第１の電極層２および第３の電極層６は、Ｍｏ、Ａｌ、ＴｉまたはＡｕ等の導電体が用いられ、基板１上にスパッタリング法または蒸着法等で形成される。

光吸収層３は、カルコパイライト系の化合物半導体やII-VI族化合物半導体などであり、光を吸収して電荷を生じる機能を有する。光吸収層３は特に限定されないが、１０μｍ以下の薄層でも高い光電変換効率を得ることができるという観点からは、カルコパイライト系の化合物半導体であることが好ましい。カルコパイライト系の化合物半導体としては、例えばI-III-VI族化合物半導体がある。I-III-VI族化合物半導体とは、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る（ＣＩＳ系化合物半導体ともいう）。I-III-VI族化合物半導体としては、例えば、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２（ＣＩＧＳともいう）、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）_２（ＣＩＧＳＳともいう）、およびＣｕＩｎＳ_２（ＣＩＳともいう）が挙げられる。なお、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２とは、ＣｕとＩｎとＧａとＳｅとから主に構成された化合物をいう。また、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）_２とは、ＣｕとＩｎとＧａとＳｅとＳとから主に構成された化合物をいう。

また、II-VI族化合物半導体とは、II-Ｂ族元素（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。II-VI族化合物半導体としては、例えば、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ，ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ等が挙げられる。

このような光吸収層３は以下のような方法により形成できる。まず、原料元素（例えばＩ-Ｂ族元素、II-Ｂ族元素、III-Ｂ族元素、VI-Ｂ族元素など）をスパッタや蒸着により膜状に形成し、または原料溶液の塗布により膜状に形成し、原料元素を含む前駆体を形成する。そしてこの前駆体を加熱することにより半導体から成る光吸収層を形成できる。あるいは、金属元素（例えばＩ-Ｂ族元素、II-Ｂ族元素、III-Ｂ族元素など）を上記と同様に膜状に形成して前駆体を形成し、この前駆体をVI-Ｂ族元素を含むガス雰囲気下で加熱することによっても形成できる。

バッファ層４は、上記光吸収層３上に５ｎｍ〜２００ｎｍ程度の厚みで形成されている。バッファ層４とは、光吸収層３に対してヘテロ接合を行う層をいう。光吸収層３とバッファ層４とは異なる導電型であることが好ましく、例えば、光吸収層３がｐ型半導体である場合、バッファ層４はｎ型半導体である。好ましくはリーク電流を低減するという観点からは、バッファ層は、抵抗率が１Ω・ｃｍ以上の層であるのがよい。また、バッファ層４は光吸収層３の吸収効率を高めるため、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ものが好ましい。

バッファ層４は、光吸収層３側の第１のバッファ層４ａと第２の電極層５側の第２のバッファ層４ｂとから成る。第１のバッファ層４ａは亜鉛（Ｚｎ）を含む半導体である。Ｚｎを含む半導体としては、例えば、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＯ、Ｚｎ（ＯＨ，Ｓ）、（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓｅ，ＯＨ）、および（Ｚｎ，Ｍｇ）Ｏ等が挙げられる。なお、Ｚｎ（ＯＨ，Ｓ）とは、ＺｎとＯＨとＳとから主に構成された化合物をいう。（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓｅ，ＯＨ）は、ＺｎとＩｎとＳｅとＯＨとから主に構成された化合物をいう。（Ｚｎ，Ｍｇ）Ｏは、ＺｎとＭｇとＯとから主に構成された化合物をいう。

このようなＺｎを含む半導体は、光吸収層３とのバンド整合を良好にすることができ、光電変換効率を高めることができる。特に第１のバッファ層４ａは、Ｚｎのカルコゲン化合物カルコゲン化物を含む半導体であることが好ましい。Ｚｎのカルコゲン化物とは、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅをいう。このようなＺｎのカルコゲン化物を含む半導体は、光吸収層３とのバンド整合を良好にすることができ、光電変換効率を高めることができる。好ましくは、第１のバッファ層４ａを構成するＺｎの全モル数のうち、６０％以上がＺｎのカルコゲン化物であることが好ましい。これにより、第１のバッファ層４ａの高温高湿の環境下における耐久性を高めることができる。

第２のバッファ層４ｂはIII-VI族化合物を含む半導体である。III-VI族化合物とはIII-Ｂ族元素とVI-Ｂ族元素との化合物である。III-VI族化合物としては、製造の容易性という観点からはIII-Ｂ族元素のカルコゲン化物であることが好ましく、例えば、Ｇａ_２Ｓ_３、Ｇａ_２Ｓｅ_３、Ｇａ_２Ｔｅ_３、Ｉｎ_２Ｓ_３、Ｉｎ_２Ｓｅ_３、Ｉｎ_２Ｔｅ_３などが挙げられる。このようなIII-VI族化合物を含む半導体は、高温高湿の環境下における耐久性が高く、劣化しにくい。

そして、光吸収層３上に第１のバッファ層４ａおよび第２のバッファ層４ｂを順次積層した構成とすることで、高温高湿の環境下での高い耐久性と高い光電変換効率を兼ね備えたものとなるとともに、大面積で光電変換装置を作製した場合にも、このような耐久性および光電変換効率が位置によってばらつくことを抑制できる。よって、耐久性および光電変換特性にすぐれた光電変換装置の大面積化が可能となる。

第１のバッファ層４ａおよび第２のバッファ層４ｂはともに５〜１００ｎｍであることが好ましい。このような厚みであると、第１のバッファ層４ａの光吸収層３とのバンド整合をより良好に行なうことができるとともに、第２のバッファ層４ｂによってバッファ層４全体の高温高湿の環境に対する耐久性をより高めることができる。

好ましいバッファ層４の形態としては、第１のバッファ層４ａが硫化亜鉛を含み、第２のバッファ層４ｂが硫化インジウムを含むものがよい。これにより、バッファ層間でのバンド整合がより良好になり電荷移動が良好となる。特に光吸収層３がI-III-VI族化合物半導体から成るカルコパイライト系の化合物半導体である場合、光吸収層３、バッファ層４のバンド整合が特に良好となり光電変換効率をより高めることができる。好ましくは、第１のバッファ層４ａを構成するＺｎの全モル数のうち、６０％以上が硫化亜鉛であり、第２のバッファ層４ｂを構成するＩｎの全モル数のうち、６０％以上が硫化インジウムであることが好ましい。これにより、バッファ層４全体の高温高湿の環境下における耐久性をより高めることができる。

また、第１のバッファ層４ａおよび第２のバッファ層４ｂは湿式成膜法により形成されていることが好ましい。湿式成膜法とは、原料溶液を光吸収層３上に塗布しそれを加熱等の処理により化学反応させる方法や、原料を含む溶液中での化学反応により光吸収層３上に析出させる方法である。このような方法とすることで、光吸収層３表面に第１のバッファ層４ａがある程度拡散して形成され、光吸収層３とバッファ層４とのヘテロ接合を欠陥の少ない良好なものとすることができる。さらに、第２のバッファ層４ｂも第１のバッファ層４ａの表面にある程度拡散して欠陥の少ない接合を行なうとともに第１のバッファ層４ａの表面を良好に被覆して高温高湿の環境下においても第１のバッファ層４ａの表面を安定に維持することができ、耐久性を高めることができる。

このようなバッファ層４は以下の方法で形成される。例えば、第１のバッファ層４ａおよび第２のバッファ層４ｂを溶液中で析出する方法として、まず、ＺｎおよびVI-Ｂ族元素を含む水溶液や有機溶媒系の溶液中に光吸収層３を浸漬し、光吸収層３表面にＺｎとVI-Ｂ族元素との化合物を含む第１のバッファ層４ａを形成する。続いてこれをIII-Ｂ族元素およびVI-Ｂ族元素を含む水溶液や有機溶媒系の溶液中に浸漬し、第１のバッファ層４ａ表面にIII-VI族化合物を含む第２のバッファ層４ｂを形成する。

また、第１のバッファ層４ａおよび第２のバッファ層４ｂを、原料溶液を塗布する方法として、まず、ＺｎおよびVI-Ｂ族元素を含む水溶液や有機溶媒系の溶液を光吸収層３上に塗布し、１００〜３００℃で加熱処理して光吸収層３表面にＺｎとVI-Ｂ族元素との化合物を含む第１のバッファ層４ａを形成する。続いてこの第１のバッファ層４ａ上にIII-Ｂ族元素およびVI-Ｂ族元素を含む水溶液や有機溶媒系の溶液を塗布し、これを１００〜３００℃で加熱処理することにより第２のバッファ層４ｂ表面にIII-VI族化合物を含む第２のバッファ層４ｂを形成する。

あるいは、第１のバッファ層４ａおよび第２のバッファ層４ｂの一方を溶液中で析出する方法で形成し、他方を、原料溶液を塗布する方法で形成してもよい。

上記いずれかの方法において、ＺｎおよびVI-Ｂ族元素を含む水溶液としては、Ｚｎ含有塩およびVI-Ｂ族元素含有塩を水に溶解し、酸あるいはアルカリでｐＨを調整したものが用いられる。また、III-Ｂ族元素およびVI-Ｂ族元素を含む水溶液としては、III-Ｂ族元素含有塩およびVI-Ｂ族元素含有塩を水に溶解し、酸あるいはアルカリでｐＨを調整したものが用いられる。また有機系の溶液の場合、Ｚｎおよびカルコゲン元素を含む有機系の溶液としては、Ｚｎおよびカルコゲン元素を金属塩または単体の状態で有機溶媒に溶解させたものが用いられる。また、III-Ｂ族元素およびVI-Ｂ族元素を含む有機系の溶液としては、III-Ｂ族元素およびVI-Ｂ族元素を金属塩または単体の状態で有機溶媒に溶解させたものが用いられる。

第２の電極層５は、ＩＴＯ、ＺｎＯ等の０．０５〜３．０μｍの透明導電膜である。第２の電極層５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。第２の電極層５は、バッファ層４よりも抵抗率の低い層であり、光吸収層３で生じた電荷を取り出すためのものである。電荷を良好に取り出すという観点からは、第２の電極層５の抵抗率が１Ω・ｃｍ未満でシート抵抗が５０Ω／□以下であるのがよい。

第２の電極層５は光吸収層３の吸収効率を高めるため、光吸収層３の吸収光に対して光透過性を有するものが好ましい。光透過性を高めると同時に光反射ロス防止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するという観点から、第２の電極層５は０．０５〜０．５μｍの厚さとするのが好ましい。また、第２の電極層５とバッファ層４との界面での光反射ロスを防止する観点からは、第２の電極層５とバッファ層４の屈折率は等しいのが好ましい。

光電変換装置１０は、複数個を並べてこれらを電気的に接続し、光電変換モジュール１１とすることができる。隣接する光電変換装置１０同士を容易に直列接続するために、図１に示すように、光電変換装置１０は、光吸収層３の基板１側に第１の電極層２と離間して設けられた第３の電極層６を具備している。そして、光吸収層３に設けられた接続導体７によって、第２の電極層５と第３の電極層６とが電気的に接続されている。

接続導体７は、第２の電極層５を形成する際に同時形成して一体化することが好ましい。これにより、工程を簡略化できるとともに第２の電極層５との電気的な接続信頼性を高めることができる。

接続導体７は、第２の電極層５と第３の電極層６とを接続するとともに、隣接する光電変換装置１０の各光吸収層３も分断するように形成されている。このような構成により、隣接する光吸収層３でそれぞれ光電変換を良好に行い、直列接続で電流を取り出すことができる。

次に本発明の光電変換装置の実施の形態の他の例を図２、図３に基づき説明する。図２は他の実施形態である光電変換装置２０の断面図であり、図３は光電変換装置２０の斜視図である。図２、図３は、第２の電極層５上に集電電極８が形成されている点で図１の光電変換装置１０と異なっている。図２、図３において、図１と同じ構成のものには、同じ符号を付しており、図１と同様、光電変換装置２０が複数接続されて光電変換モジュール２１を構成している。集電電極８は、第２の電極層５の電気抵抗を小さくするためのものである。光透過性を高めるという観点からは、第２の電極層５の厚さはできるだけ薄いことが好ましいが、薄いと導電性が低下してしまう。しかしながら、第２の電極層５上に集電電極８が設けられていることにより、光吸収層３で発生した電流を効率よく取り出すことができる。その結果、光電変換装置２０の発電効率を高めることができる。

集電電極８は、例えば、図３に示すように、光電変換装置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、光吸収層３の光電変換により生じた電荷を第２の電極層５を介して集電電極８に集電し、これを接続導体７を介して隣接する光電変換装置２０に良好に導電することができる。よって、集電電極８が設けられていることにより、第２電極層５を薄くしても光吸収層３で発生した電流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８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をパターン状に印刷し、これを硬化することによって形成することができる。

好ましくは、集電電極８は、半田を含むことが好ましい。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。より好ましくは、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がよい。これにより、低い融点の金属が溶融して集電電極８を緻密化し、抵抗を下げることができるとともに、加熱して硬化させる際に溶融した金属が広がろうとするのを高い融点の金属によって抑制することができる。

集電電極８は、平面視して光吸収層３の外周端部まで達するように設けられていることが好ましい。このような構成により、集電電極８が光吸収層３の外周部を保護し、光吸収層３の外周部での欠けを抑制して光吸収層３の外周部においても光電変換を良好に行うことができる。また、この光吸収層３の外周部で発生した電流を外周端部まで達する集電電極８によって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。

このように光吸収層３の外周端部に達する集電電極８によって光吸収層３の外周部を保護することができるため、第１の電極層２と集電電極８との間に設けられた部材の合計厚みを小さくすることができる。よって、部材の削減をすることができるとともにこれらの作製工程も短縮化することができる。好ましくは、第１の電極層２と集電電極８との間に設けられた部材の合計厚み（図３の例では、光吸収層３とバッファ層４と第２の電極層５との合計厚み）を１．５６〜２．７μｍと薄くするのがよい。具体的には、図３の例では、光吸収層３の厚みを１．５〜２．０μｍ、バッファ層４の厚みを０．０１〜０．２μｍ、第２の電極層５の厚みを０．０５〜０．５μｍとすればよい。

また、好ましくは、集電電極８が達している光吸収層３の外周端部において、集電電極８の端面、第２の電極層５の端面および光吸収層３の端面が面一になっていることが好ましい。これにより、光吸収層３の外周端部で光電変換した電流を良好に取り出すことができる。なお、集電電極８が平面視して光吸収層３の外周端部まで達しているというのは、集電電極８が完全に光吸収層３の最も外側の外周端部まで達していることが好ましいが、それに限定されない。すなわち、光吸収層３の外周端部を基点として欠けが進行するのを有効に抑制して、欠けを抑制するという観点からは、光吸収層３の最も外側の外周端部と集電電極８の端部との距離が１０００μｍ以下の場合も含む。

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：第１の電極層
３：光吸収層
４：バッファ層
４ａ：第１のバッファ層
４ｂ：第２のバッファ層
５：第２の電極層
６：第３の電極層
７：接続導体
８：集電電極
９：光電変換体
１０、２０：光電変換装置
１１、２１：光電変換モジュール

Claims

光吸収層と、
前記光吸収層の一方側に設けられた亜鉛を含む第１のバッファ層と、
前記第１のバッファ層の一方側に設けられたIII-VI族化合物を含む第２のバッファ層と、
を具備することを特徴とする光電変換装置。
前記第１のバッファ層および前記第２のバッファ層は湿式成膜法により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。
前記第１のバッファ層が硫化亜鉛を含み、前記第２のバッファ層が硫化インジウムを含む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。
前記光吸収層はカルコパイライト系の材料を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光電変換装置。
請求項１乃至４のいずれかに記載の光電変換装置を複数有し、隣接する前記光電変換装置を電気的に接続したことを特徴とする光電変換モジュール。