JP5377520B2 - 光電変換セル、光電変換モジュールおよび光電変換セルの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、光を吸収して電力を生じさせる光電変換セル、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。
太陽電池等の光電変換モジュールとして、受光面に透明電極層を有する光電変換セルを構成単位とし、この光電変換セルをガラス等の基板上で複数直列接続したものが知られている。また、特許文献１の太陽電池は、光の透過率を上げて太陽電池セルの発電効率を上げるために透明電極層を薄くしつつ、透明電極層上に金属配線を施すことによって透明電極層の薄膜化に伴う電力損失の低減を抑制する。
しかし、特許文献１の太陽電池の構成では、セルの外周部に欠けが生じて、外周部において光電変換を効率よく行なうことができず、発電効率が低下するおそれがあった。
それ故、発電効率の低下を抑制できる光電変換セルおよび光電変換モジュールが求められている。
本発明の一実施形態にかかる光電変換セルは、基板の受光面側に、互いに間隔をあけて位置する、第１の電極層および第２の電極層と、前記第１の電極層上に位置し、第１の導電型を有する第１半導体層と、前記第１半導体層上に位置し、前記第１半導体層とｐｎ接合する第２の導電型を有する第２半導体層と、前記第２半導体層と電気的に接続する導電層と、前記導電層と前記第２の電極層とを電気的に接続する接続部と、前記導電層上に位置し、前記接続部から前記導電層の第１の端部に達する、線状電極と、を具備する光電変
換セルであって、前記導電層は前記第１の端部に対向する第２の端部を有し、前記接続部は前記線状電極の一部であり、平面視して前記第１の端部よりも前記第２の端部の側に位置し、前記第２の端部に略平行で、且つ、直線状に延びており、前記第１の端部側において、前記線状電極の端面、前記導電層の端面、前記第２半導体層の端面および前記第１半導体層の端面が同一面を成している。
換セルであって、前記導電層は前記第１の端部に対向する第２の端部を有し、前記接続部は前記線状電極の一部であり、平面視して前記第１の端部よりも前記第２の端部の側に位置し、前記第２の端部に略平行で、且つ、直線状に延びており、前記第１の端部側において、前記線状電極の端面、前記導電層の端面、前記第２半導体層の端面および前記第１半導体層の端面が同一面を成している。
本発明の一実施形態にかかる光電変換モジュールは、上記の光電変換セルを複数備え、前記複数の光電変換セルは第１の光電変換セルと第２の光電変換セルとを有し、前記第１および第２の光電変換セルは、それぞれの前記第１および第２の電極層が同じ方向に向いて位置し、且つ、前記第１の光電変換セルの前記第２の電極層と前記第２の光電変換セルの前記第１の電極層とが電気的に接続している。
以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、本発明の第１の実施形態に係る光電変換セルおよび光電変換モジュールについて説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光電変換セル２０およびそれを用いた光電変換モジュール２１の構成を示す図である。また、図２は、光電変換セル２０および光電変換モジュール２１の断面図である。光電変換セル２０は、基板１と、第１の電極層２と、第２の電極層８と、第１半導体層３と、第２半導体層４と、導電層５と、線状電極６と、接続部７とを含んで構成される。また、第１半導体層３と第２半導体層４とで光電変換層ＰＶを構成している。
光電変換モジュール２１は、光電変換セル２０を複数並べて成る。そして、隣接する光電変換セル２０のうち、一方の光電変換セル２０の第２の電極層８と、他方の光電変換セル２０の第１の電極層２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同士を容易に直列接続することができる。なお、一つの光電変換セル２０内において、接続部７は光電変換層ＰＶを分断するように設けられている。すなわち、図１において、接続部７は、光電変換セル２０の手前側の側面からそれに対向する奥側の側面にかけて線路状に形成されており、この接続部７の左側に位置する第１の電極層２と導電層５とで挟まれた光電変換層ＰＶで光電変換が行なわれる。
基板１は、光電変換セル２０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。光電変換モジュール２１を構成する場合、複数の基板１のそれぞれに光電変換セル２０を設け、これらを並べて互いに直列接続してもよく、または、１つの基板１に複数の光電変換セル２０を設けてもよい。このように１つの基板１に複数の光電変換セル２０を設けた場合、光電変換モジュール２１の作製が容易となる。
第１の電極層２および第２の電極層８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。なお、図１では隣接する光電変換セル２０において、一方の光電変換セル２０の第２の電極層８と他方の光電変換セル２０の第１の電極層２とが一体構造となっている。
光電変換層ＰＶは、第１半導体層３と第２半導体層４とを含み、光を吸収して電力に変換することのできるものであり、シリコン系および化合物半導体系等の半導体材料が用いられる。シリコン系としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、およびアモルファスシリコン等が挙げられる。化合物半導体系としては単結晶系および多結晶系が挙げられ、例えば、III−Ｖ族化合物半導体、II−VI族化合物半導体、およびカルコパイライト系（ＣＩＳ系ともいう）化合物半導体等がある。
光電変換層ＰＶは、材料を少なくするという観点からは、１０μｍ以下の厚みの薄膜であることが好ましい。このような薄膜にした場合でも、本実施形態のような、線状電極６が光電変換層ＰＶの第１の端部Ａに達する構成により、光電変換層ＰＶの外周部に欠けが生じるのを有効に抑制できる。
このような薄膜の光電変換層ＰＶのうち、カルコパイライト系化合物半導体を用いた光電変換層ＰＶは、変換効率が高いことから、薄膜でも従来の単結晶シリコンと同程度の光電変換効率を達成することができ、特に好ましい。また、有害なカドミウムを含まないという点からも好ましい。このようなカルコパイライト系化合物半導体としては、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（ＣＩＧＳともいう）、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）２（ＣＩＧＳＳともいう）、およびＣｕＩｎＳ２（ＣＩＳともいう）が挙げられる。光電変換層ＰＶは、例えば、薄膜で作製する場合、スパッタリング法、蒸着法または塗布法等で形成される。なお、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２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。
第１半導体層３および第２半導体層４は、一方がｎ型で他方がｐ型の異なる導電型を有しており、これらがｐｎ接合している。第１半導体層３がｐ型であり第２半導体層４がｎ型であってもよく、逆の関係であってもよい。なお、第１半導体層３および第２半導体層４によるｐｎ接合は第１半導体層３と第２半導体層４とが直接接合しているものに限らない。例えば、これらの間に第１半導体層３と同じ導電型の他の半導体層かまたは第２半導体層４と同じ導電型の他の半導体層をさらに有していてもよい。また、第１半導体層３と第２半導体層４との間に、ｉ型の半導体層を有するｐｉｎ接合であってもよい。
第１半導体層３と第２半導体層４とはホモ接合であってもよく、ヘテロ接合であってもよい。ヘテロ接合の例としては、例えば第１半導体層３がＣＩＧＳ等のカルコパイライト系化合物半導体（一般に光吸収層と称されるもの）である場合、第２半導体層４としては、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｓｅ３、Ｉｎ（ＯＨ，Ｓ）、（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓｅ，ＯＨ）、および（Ｚｎ，Ｍｇ）Ｏ等（一般にバッファ層と称されるもの）が挙げられ、例えばケミカルバスデポジション（ＣＢＤ）法等で形成される。なお、Ｉｎ（ＯＨ，Ｓ）とは、Ｉｎ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。
第２半導体層４上には、図１に示すように導電層５を設けてもよい。これにより光電変換層ＰＶで発生した電荷をより良好に取り出すことができ、発電効率がより向上する。導電層５は、ＩＴＯまたはＺｎＯ：Ａｌ等の導電体が用いられ、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。導電層５側を受光面として使用する場合、導電層５は光電変換層ＰＶの吸収効率を高めるため、光電変換層ＰＶ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電変換によって生じた電流を良好に線状電極６へ伝送するという観点からは、導電層５は０．０５〜０．５μｍの厚さとするのが好ましい。
線状電極６は、第２半導体層４上に形成されており、電気抵抗を小さくして第２半導体層４で発生した電荷を良好に取り出すためのものであり、集電電極として作用する。線状電極６は光電変換層ＰＶへの光を遮るのを抑制するために線路状に設けられている。そして、この線路状の線状電極６は、平面視して第２半導体層４の第１の端部Ａ、すなわち光電変換層ＰＶの端部Ａまで達するように設けられている。このような構成により、線状電極６が光電変換層ＰＶの外周部を保護し、光電変換層ＰＶの外周部での欠けを抑制して光電変換層ＰＶ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、この光電変換層ＰＶの外周部で発生した電流を第１の端部Ａまで達する線状電極６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。
このように第１の端部Ａに達する線状電極６によって光電変換層ＰＶの外周部の保護することができるため、第１の電極層２と線状電極６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と線状電極６との間に設けられた部材の合計厚み（図１および図２の例では、第１半導体層３と第２半導体層４と導電層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１および図２の例では、第１半導体層３の厚みを１．５〜２．０μｍ、第２半導体層４の厚みを０．０１〜０．２μｍ、導電層５の厚みを０．０５〜０．５μｍとすればよい。
また、好ましくは、線状電極６が達している第１の端部Ａ側において、線状電極６の端面、導電層５の端面および光電変換層ＰＶの端面が同一面を成していることが好ましい。これにより、光電変換層ＰＶの第１の端部Ａ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、本発明において、線状電極６が第２半導体層４の第１の端部Ａまで達しているというのは、線状電極６が完全に第２半導体層４の最も外側の第１の端部Ａ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、第２半導体層４の第１の端部Ａを基点としてクラック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、第２半導体層４の最も外側の第１の端部Ａと線状電極６の端部との距離が１０００μｍ以下の場合も含む。第１の端部Ａでの線状電極６による集電効果を高めるという観点からは、第１の端部Ａと線状電極６の端部との距離が５００μｍ以下であることが好ましい。
線状電極６は光電変換層ＰＶへの光を遮るのを抑制するとともに光電変換層ＰＶの外周部の欠けを抑制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、線状電極６は、枝分かれした複数の分岐部を有していてもよい。
線状電極６は、例えば、Ａｇ等の金属ペースト（金属粒子と樹脂との混合物）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されていることが好ましい。すなわち、線状電極６は金属粒子と樹脂とを含むことが好ましい。これにより、硬化後の線状電極６の曲げ応力に対する耐性が高くなる。その結果、光電変換層ＰＶの外周部を良好に保護することが可能となる。
好ましくは、線状電極６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線状電極６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。
光電変換セル２０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２１とすることができる。隣接する光電変換セル２０同士を容易に直列接続するために、図１、図２に示すように、光電変換セル２０は、光電変換層ＰＶに設けられた接続部７によって、第２半導体層４と第２の電極層８とが電気的に接続されている。なお、図１では導電層５を設けることにより第２半導体層４と第２の電極層８との電気的な接続をさらに導通性の高いものとしているが、これに限定されず、導電層５を形成しない構成としてもよい。
接続部７は、導電層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。言い換えれば、導電層５は第２半導体層４から第２の電極層８に向かって延びる第１の延長部を有し、第１の延長部が第２の電極層８と接続することにより導電層５が接続部７を構成している。これにより、工程を簡略化できるとともに電気的な接続信頼性を高めることができる。
光電変換層ＰＶの端部のうち、線状電極６が達している第１の端部Ａに対向する他の端部を第２の端部Ｂとしたときに、線状電極６が第１の端部Ａから第２の端部Ｂに向かって延びている場合、接続部７は、平面視して光電変換層ＰＶの第１の端部Ａよりも第２の端部Ｂの側に位置している、すなわち第２の端部Ｂの近傍に設けられていることが好ましい。より好ましくは、接続部７は、平面視して光電変換層ＰＶの第２の端部Ｂに略平行で、且つ、直線状に延びていることが好ましい。このような構成により、接続部７を第２の端部Ｂへ接近させて、発電に寄与しないデッドスペースとなる接続部７と第２の端部Ｂとの間の領域を小さくすることができ、光電変換効率を向上することができる。
上記光電変換セル２０は以下のようにして製造することができる。図３（ａ）〜（ｅ）は光電変換セル２０の製造工程を示す工程ごとの断面図である。
まず、図３（ａ）に示すように、基板１上に所望のパターンの第１の電極層２および第２の電極層８を形成する。パターン状の第１の電極層２および第２の電極層８は、スパッタリング法等の薄膜形成方法、スクライブ加工またはエッチング等のパターン形成方法を用いて形成することができる。
次に、図３（ｂ）に示すように、基板１、第１の電極層２および第２の電極層８上に、スパッタリング法またはＣＢＤ法等の薄膜形成方法を用いて第１半導体層３および第２半導体層４を積層する。そして、第１半導体層３および第２半導体層４に、接続部７を形成するための貫通溝Ｐ２を、スクライブ加工またはエッチング等により形成する。
次に、図３（ｃ）に示すように、第２半導体層４上に導電層５を形成すると同時に、貫通溝Ｐ２内に接続部７としての第１の延長部を形成する。導電層５および接続部７は、スパッタリング法等の薄膜形成方法により、形成することができる。
次に、図３（ｄ）に示すように、導電層５上にスクリーン印刷等の方法によって、金属ペーストをパターン状に印刷し、これを加熱して硬化することにより、線状電極６を形成する。
最後に、図３（ｅ）に示すように、電極層を残し、第１半導体層３、第２半導体層４、導電層５、および線状電極６を、スクライブ加工等により一括して切断する。このような方法により、線状電極６が平面視で光電変換層ＰＶの第１の端部Ａに達した構造の光電変換セル２０を容易に作製することができる。すなわち、光電変換層ＰＶおよび導電層５を形成した後に貫通溝Ｐ２を形成し、貫通溝Ｐ２間のそれぞれの部位に線状電極６を形成しようとすると、光電変換層ＰＶの第１の端部Ａと線状電極６の端部とを精度良く位置合わせするのが困難になる。その結果、線状電極６がずれて形成され、不良が生じやすくなる。一方、上記製造方法で作製することにより、線状電極６が平面視で光電変換層ＰＶの第１の端部Ａに達した構造を、容易に作製することができ、工程が簡略化できるとともに、不良の発生を抑制できる。
また、上記方法で形成することにより、隣接する光電変換セル２０は、一方の光電変換セル２０の第１の電極２と他方の光電変換セル２０の第２の電極８とが一体となったものとなる。これにより、隣接する光電変換セル２０同士が直列接続されることとなり、複数の光電変換セル２０を直列接続で並べて成る光電変換モジュール２１を容易に作製することができる。
次に本発明の第２の実施形態に係る光電変換セルおよび光電変換モジュールについて説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態に係る光電変換セル１２０および光電変換モジュール１２１の構成を示す図である。また、図５は、光電変換セル１２０および光電変換モジュール１２１の断面図であり、図６はその製造方法を示す工程ごとの断面図である。図４〜図６において、図１〜３に示す第１の実施形態に係る光電変換セル２０および光電変換モジュール２１と同じ構成の部位には同じ符号を付しており、上述した各構成と同様のものを適用できる。
第２の実施形態に係る光電変換セル１２０および光電変換モジュール１２１は、線状電極６が第２半導体層４から第２の電極層８に向かって延びる第２の延長部を有し、第２の延長部が第２の電極層８と接続することによって線状電極６が接続部１７を構成している点で第１の実施形態に係る光電変換セル２０および光電変換モジュール２１と異なっている。このように線状電極６が第２の電極層８と接続することによって接続部１７を構成した場合、接続がより確実となり、接続信頼性を高めることができる。
このような光電変換セル１２０および光電変換モジュール１２１は以下のようにして作製できる。まず、図６（ａ）に示すように、基板１上に所望のパターンの第１の電極層２および第２の電極層８を形成する。次に、図６（ｂ）に示すように、基板１、第１の電極層２および第２の電極層８上に、第１半導体層３および第２半導体層４を積層する。次に、図６（ｃ）に示すように、第２半導体層４上に導電層５を形成する。次に、図６（ｄ）に示すように、接続部１７を形成するための貫通溝Ｐ２および光電変換セル１２０間を分離するための貫通溝Ｐ３を、スクライブ加工またはエッチング等により形成する。最後に図６（ｅ）に示すように、導電層５上および貫通溝Ｐ２の一部にスクリーン印刷等の方法によって、金属ペーストをパターン状に印刷する。そして、これを加熱して硬化し、線状電極６を形成することにより、接続部１７を有する光電変換装置１２０および光電変換モジュール１２１が完成する。
このように第１半導体層３、第２半導体層４および導電層５を続けて形成し、その後、接続部１７を形成するための貫通溝Ｐ２および光電変換セル１２０間を分離するための貫通溝Ｐ３を同時に形成することにより、溝加工工程が簡略化でき、生産性が向上する。
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。
２：第１の電極層
３：第１半導体層
４：第２半導体層
５：導電層
６：線状電極
７、１７：接続部
８：第２の電極層
２０，１２０：光電変換セル
２１、１２１：光電変換モジュール
３：第１半導体層
４：第２半導体層
５：導電層
６：線状電極
７、１７：接続部
８：第２の電極層
２０，１２０：光電変換セル
２１、１２１：光電変換モジュール
Claims (2)
- 基板の受光面側に、互いに間隔をあけて位置する、第１の電極層および第２の電極層と、
前記第１の電極層上に位置し、第１の導電型を有する第１半導体層と、
前記第１半導体層上に位置し、前記第１半導体層とｐｎ接合する第２の導電型を有する第２半導体層と、
前記第２半導体層と電気的に接続する導電層と、
前記導電層と前記第２の電極層とを電気的に接続する接続部と、
前記導電層上に位置し、前記接続部から前記導電層の第１の端部に達する、線状電極と、を具備する光電変換セルであって、
前記導電層は前記第１の端部に対向する第２の端部を有し、
前記接続部は前記線状電極の一部であり、平面視して前記第１の端部よりも前記第２の端部の側に位置し、前記第２の端部に略平行で、且つ、直線状に延びており、
前記第１の端部側において、前記線状電極の端面、前記導電層の端面、前記第２半導体層の端面および前記第１半導体層の端面が同一面を成している光電変換セル。 - 請求項１記載の光電変換セルを複数備え、
前記複数の光電変換セルは第１の光電変換セルと第２の光電変換セルとを有し、
前記第１及び第２の光電変換セルは、それぞれの前記第１および第２の電極層が同じ方向に向いて位置し、且つ、前記第１の光電変換セルの前記第２の電極層と前記第２の光電変換セルの前記第１の電極層とが電気的に接続している、光電変換モジュール。
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