JP5822640B2 - 光電変換モジュール - Google Patents

Description

本発明は光電変換モジュールに関する。

近年、エネルギー問題や環境問題の深刻化に伴い、光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽光発電が注目を集めている。

この太陽光発電に使用される光電変換モジュールでは、該光電変換モジュールに設けられた光電変換部から得られた電気がリード線等の配線導体で取り出される。この配線導体は、光電変換モジュールの非受光面に配置された端子ボックスの内部に導出されている（例えば、特許文献１参照）。このような光電変換モジュールでは、端子ボックスを介して、光電変換モジュールで発電した電気出力が外部の回路等に導出される。

特開２００６−２１６６０８号公報

光電変換モジュールは、長期間にわたって屋外に設置した場合、外部から水分が光電変換モジュールの内部に浸入し、光電変換部等の部材を変質させ、光電変換モジュールの出力低下が発生する場合があった。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的は光電変換部への水分の浸入を低減し、信頼性の高い光電変換モジュールを提供することにある。

本発明の一実施形態に係る光電変換モジュールは、基板と、該基板上に設けられた光電変換体と、前記基板上において前記光電変換体から離れた部位に位置する、前記光電変換体で生じた電気出力を外部に取り出すための配線導体と、前記光電変換体を封止する封止材と、前記光電変換体および前記配線導体の間に介在する、前記封止材よりも透湿性の低い低透湿部材と、前記配線導体の前記光電変換体とは反対側に位置する、前記封止材よりも透湿性の低い第２の低透湿部材とを具備しており、前記低透湿部材は水分を化学吸着す
る第１の吸着材を含み、前記第２の低透湿部材は水分を物理吸着する第２の吸着材を含むことを特徴とする。

本発明の一実施形態に係る光電変換モジュールによれば、光電変換モジュールの信頼性が向上する。

光電変換モジュールの実施の形態の一例を示す要部拡大斜視図である。 図１の光電変換モジュールの断面図である。 図１の光電変換モジュールの全体を示す斜視図である。 図３の光電変換モジュールの裏面を示す斜視図である。 光電変換モジュールの全体の断面図である。

以下に本発明の一実施形態に係る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。

＜光電変換モジュールの構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る光電変換モジュールの一例を示す要部拡大斜視図であり、図２はそのＸ−Ｚ断面図である。また、図３は図１の光電変換モジュールの全体を示す斜視図であり、図４はその裏面側から見た斜視図である。なお、図１、３、４では、光電変換部の様子が良く見えるように、封止材およびカバー部材が省略されている。光電変換モジュール１００は、基板１上に光電変換部１１と一対の引き出し配線部１２とを具備している。

光電変換部１１はＸ軸方向に沿って並んだ複数の光電変換セル１０を具備している。光電変換セル１０は、下部電極層２と、第１の導電型を有する第１の半導体層３と、第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する第２の半導体層４と、上部電極層５とが順に積層されている。例えば、第１の導電型がｐ型であれば第２の導電型はｎ型であり、その逆の関係であってもよい。図２では、第１の半導体層３ａおよび第２の半導体層４ａは、下部電極層２ａ上から下部電極層２ｂ上にかけて設けられている。同様に、第１の半導体層３ｂおよび第２の半導体層４ｂは、下部電極層２ｂ上から下部電極層２ｃ上にかけて設けられており、第１の半導体層３ｃおよび第２の半導体層４ｃは、下部電極層２ｃ上から下部電極層２ｄ上にかけて設けられている。第１の半導体層３ａ〜３ｃと、それらの上に積層された第２の半導体層４ａ〜４ｃとで光電変換体Ｌａ〜Ｌｃを構成しており、この光電変換体Ｌａ〜Ｌｃに光が照射されることによって、キャリアが発生するとともにキャリア分離が良好に行なわれる。光電変換によって生じた第１の導電型のキャリアは第１の半導体層３から下部電極層２へ移動する。一方、光電変換によって生じた第２の導電型のキャリアは第２の半導体層３から上部電極層４へ移動し、接続導体７を介して隣接する下部電極層２へ移動する。このような構成により、隣接する光電変換セル１０同士が直列接続されている。

引き出し配線部１２は、上記光電変換部１１で生じたキャリアを光電変換モジュール１００の外部へ取り出すためのものである。つまり、引き出し配線部１２によって、光電変換部１１で発電した電気出力が外部へ引き出されることとなる。引き出し配線部１２は、光電変換部１１の下部電極層２が延伸された部位上で、光電変換体Ｌから離れた部位に、接続部材８を介して配線導体９の一方の端部が接続されている。また、配線導体９の他方の端部は、図３に示されるように、基板１を上下方向に貫通する孔３０を介して裏面に導出され、図４に示されるように光電変換モジュール１００の裏面（非受光面）に配置された端子ボックス３１の内部に接続されている。そして、この端子ボックス３１を介して、光電変換モジュール１００で発電した電気出力が外部回路に導出されることとなる。

光電変換部１１および引き出し配線部１２は、図２に示されるように封止材１３で封止され、さらにカバー部材１４で覆われている。そして、光電変換モジュール１００は、光電変換体Ｌおよび配線導体９の間に、封止材１３よりも透湿性の低い低透湿部材Ｗが介在している。このような構成によって、外部から配線導体９を伝って光電変換モジュール１００内に水分が浸入してきたとしても、光電変換部１１へ水分が浸入するのを低透湿部材Ｗで有効に低減され得る。その結果、光電変換モジュール１００の光電変換特性が良好に維持され信頼性の高いものとなる。

封止材１３や低透湿部材Ｗの透湿性については、封止材１３や低透湿部材Ｗに用いられる材料に対してＪＩＳ Ｚ ０２０８「防湿包装材料の透湿度試験法（カップ法）」に準拠した方法により測定した透湿度で評価することができる。

低透湿部材Ｗは光電変換体Ｌと接触していてもよいが、光電変換体Ｌの封止性を高めるという観点から、図１、２のように、低透湿部材Ｗは光電変換体Ｌから離間しており、光
電変換体Ｌが封止材１３で覆われていてもよい。また、低透湿部材Ｗは、配線導体９と接触しているか、あるいは配線導体９を覆っていてもよいが、配線導体９の封止性を高めるという観点から、図１、２のように、低透湿部材Ｗは配線導体９から離間しており、配線導体９が封止材１３で覆われていてもよい。

＜光電変換モジュールの構成部材＞
次に上述した光電変換モジュール１００の各構成部材について詳細に説明する。

基板１は、光電変換部１１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。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）が用いられてもよい。

下部電極層２（下部電極層２ａ〜２ｄ）は、基板１上に設けられた、Ｍｏ、Ａｌ、ＴｉまたはＡｕ等の導電体である。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。

第１の半導体層３（第１の半導体層３ａ〜３ｃ）は第１の導電型を有する半導体層である。第１の半導体層３は、例えば１μｍ〜３μｍ程度の厚みを有する。第１の半導体層３の材料としては特に限定されないが、比較的高い光電変換効率を有するという観点で、例えば、Ｉ−III−VI族化合物、Ｉ−II−IV−VI族化合物およびII−VI族化合物等が用いられてもよい。

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、ＣｕＩｎＳｅ_２（二セレン化銅インジウム、ＣＩＳともいう）、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２（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）等が挙げられる。あるいは、第１の半導体層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にて構成されていてもよい。Ｉ−III−VI族化合物は光吸収係数が比較的高く、第１の半導体層３が薄くても良好な光電変換効率が得られる。

Ｉ−II−IV−VI族化合物とは、Ｉ−Ｂ族元素とII−Ｂ族元素（１２族元素ともいう）とIV−Ｂ族元素（１４族元素ともいう）とVI−Ｂ族元素との化合物半導体である。Ｉ−II−IV−VI族化合物としては、例えば、Ｃｕ_２ＺｎＳｎＳ_４（ＣＺＴＳともいう）、Ｃｕ_２ＺｎＳｎＳ_４−ｘＳｅ_ｘ（ＣＺＴＳＳｅともいう。なお、ｘは０より大きく４より小さい数である。）、およびＣｕ_２ＺｎＳｎＳｅ_４（ＣＺＴＳｅともいう）等が挙げられる。

II−VI族化合物とは、II−Ｂ族元素とVI−Ｂ族元素との化合物半導体である。II−VI族化合物としてはＣｄＴｅ等が挙げられる。

第２の半導体層４（第２の半導体層４ａ〜４ｃ）は、第１の半導体層３とは異なる第２導電型を有する半導体層である。第２の半導体層４は、第１の半導体層３とは異なる材料が第１の半導体層３上に積層されたものであってもよく、あるいは第１の半導体層３の表面部が他の元素のドーピングによって改質されたものであってもよい。また、第１の半導体層３と第２の半導体層４との間に高抵抗のバッファ層等が介在していてもよい。

第２の半導体層４としては、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｓ_３、Ｉｎ_２Ｓｅ_３、Ｉｎ（ＯＨ，Ｓ）、（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓｅ，ＯＨ）、および（Ｚｎ，Ｍｇ）Ｏ等が挙げられ
る。この場合、第２の半導体層４は、例えばケミカルバスデポジション（ＣＢＤ）法等で１０〜２００ｎｍの厚みで形成される。なお、Ｉｎ（ＯＨ，Ｓ）とは、ＩｎとＯＨとＳとを主に含む化合物をいう。（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓｅ，ＯＨ）は、ＺｎとＩｎとＳｅとＯＨとを主に含む化合物をいう。（Ｚｎ，Ｍｇ）Ｏは、ＺｎとＭｇとＯとを主に含む化合物をいう。

図１、図２のように、第２の半導体層４上にさらに上部電極層５が設けられていてもよい。上部電極層５は、第２の半導体層４よりも抵抗率の低い層であり、第１の半導体層３および第２の半導体層４で生じたキャリアが良好に取り出される。光電変換効率をより高めるという観点からは、上部電極層５の抵抗率が１Ω・ｃｍ未満でシート抵抗が５０Ω／□以下であってもよい。

上部電極層５は、例えばＩＴＯ、ＺｎＯ等の０．０５〜３μｍの透明導電膜である。透光性および導電性を高めるため、上部電極層５は第２の半導体層４と同じ導電型の半導体で構成されてもよい。上部電極層５は、スパッタリング法、蒸着法または化学的気相成長（ＣＶＤ）法等で形成され得る。

また、図１、図２に示すように、上部電極層５上にさらに集電電極６が形成されていてもよい。集電電極６は、第１の半導体層３および第２の半導体層４で生じたキャリアをさらに良好に取り出すためのものである。集電電極６は、例えば、図１に示すように、光電変換セル１０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、第１の半導体層３および第４の半導体層４で生じた電流が上部電極層５を介して集電電極６に集電され、接続導体７を介して隣接する光電変換セル１０に良好に導電される。

集電電極６は、第１の半導体層３への光透過率を高めるとともに良好な導電性を有するという観点から、５０〜４００μｍの幅を有していてもよい。また、集電電極６は、枝分かれした複数の分岐部を有していてもよい。

集電電極６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がパターン状に印刷され、これが硬化されることによって形成される。

図１、図２において、接続導体７は、第１の半導体層３、第２の半導体層４および第２の電極層５を貫通する溝内に設けられた導体である。接続導体７は、金属や導電ペースト等が用いられ得る。図１、図２においては、集電電極６を延伸して接続導体７が形成されているが、これに限定されない。例えば、上部電極層５が延伸したものであってもよい。

接続部材８は下部電極層２に配線導体９を良好に接続するためのものである。接続部材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がパターン状に印刷され、これが硬化されることによって形成される。

配線導体９は、例えば、厚さ０．１〜０．５ｍｍ程度、幅が１〜７ｍｍ程度の銅（Ｃｕ）などの金属箔が挙げられる。また。この金属箔の表面には、下部電極層２または接続部材８との電気的な接続を良好にすべく、錫、ニッケルまたは半田などがめっき等によってコーティングされていてもよい。

封止材１３は、光電変換部１１を保護するためのものであり、例えば共重合したエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）を主成分とする樹脂やポリビニルブチラールを主成分とする樹脂等が挙げられる。

低透湿部材Ｗは、封止材１３よりも透湿性の低い部材が用いられる。低透湿部材Ｗとし
ては、ポリエチレン等の樹脂、またはブチルゴムやエチレンプロピレンゴム等のゴムよりなる弾性体、もしくは上述した樹脂とゴムの混合物等が用いられ得る。また、低透湿部材Ｗとして、高分子材料に吸着材が分散されたものが用いられても良い。このような吸着材としては、水分を化学吸着する性質を有するものが用いられても良く、あるいは水分を物理吸着する性質を有するものが用いられても良い。水分を化学吸着する吸着材は、水分と化学反応を伴って、化学吸着する性質を有するものであり、例えば、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ_２）、硫酸ナトリウム無水塩（Ｎａ_２ＳＯ_４）、硫酸銅無水塩（ＣｕＳＯ_４）または硫酸カルシウム（ＣａＳＯ_４）等がある。また、水分を物理吸着する吸着材は、吸着剤の表面と水分との間に発生するファンデルワールス力により水分を吸着するものであり、例えば、ゼオライトなどのモレキュラーシーブ、シリカゲル（ＳｉＯ_２・ｎＨ_２Ｏ）、アルミナ、アロフェンまたは活性炭等の多孔質表面を持つ無機物質等がある。

封止材１３の接着力を高めるとともに光電変換部１１への水分の浸入をより低減することによって光電変換モジュール１００の耐久性を高めるという観点からは、封止材１３は熱硬化性樹脂であり、低透湿部材は熱可塑性樹脂であってもよい。このような熱硬化性樹脂としては、熱硬化性のＥＶＡ等が挙げられる。また、このような熱可塑性樹脂としては、ブチルゴム等が挙げられる。

＜光電変換モジュールの全体の構成＞
次に、光電変換モジュールの全体の構成について説明する。図５は光電変換モジュールの端部を含めた全体を示す断面図である。光電変換モジュール２００は、配線導体９の光電変換体Ｌとは反対側に、封止材１３よりも透湿性の低い第２の低透湿部材Ｗ２をさらに具備している。このような構成であれば、水分の浸入をより低減できる。

第２の低透湿部材Ｗ２は、封止材１３よりも透湿性の低い部材であればよく、上記低透湿部材Ｗで挙げられた部材が用いられ得る。

第２の低透湿部材Ｗ２は、配線導体９と接触していてもよいが、配線導体９の封止性を高めるという観点から、図５のように、第２の低透湿部材Ｗ２は配線導体９から離間していてもよい。

また、光電変換モジュール２００において、低透湿部材Ｗは水分を化学吸着する第１の吸着材を含み、第２の低透湿部材Ｗ２は水分を物理吸着する第２の吸着材を含んでいる。このような構成であれば、光電変換部１１への水分の浸入がより長期にわたって低減され得る。つまり、外部から浸入する水分は、まず、第２の低透湿部材Ｗ２に含有された第２の吸着材に物理吸着される。物理吸着は、吸着材の表面と水分との間に発生するファンデルワールス力により水分が吸着されるため、化学吸着に比べて吸着力が弱い。そのため、第２の吸着材は、温度や湿度などの条件により、水分を脱離する機能を有しており、所定条件になると、第２の吸着材から脱離される。よって、第２の吸着材は可逆的に水分の吸着および脱離をすることが可能となり、水分の浸入を低減する効果を長期にわたり持続させることができる。一方で、脱離した水分は、光電変換モジュール２００の外側だけでなく内側（光電変換部１１側）に向かうものもある。このような光電変換部１１側に向かう水分は、低透湿部材Ｗの第１の吸着材に化学吸着されることとなる。化学吸着は、水分と化学反応を伴って水分を吸着するため、より強固に水分が吸着されることとなる。よって、光電変換部１１への水分の浸入がより低減される。

なお、本発明は上述の実施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が施されることは何等差し支えない。光電変換モジュール１００、２００では光電変換部１１における光電変換セル１０が３列の例が示されているが、これに限定されず、１列、２列あるいは４列以上であってもよい。

１：基板
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ：下部電極層
３、３ａ、３ｂ、３ｃ：第１の半導体層
４、４ａ、４ｂ、４ｃ：第２の半導体層
５：上部電極層
６：集電電極
７：接続導体
８：接続部材
９：配線導体
１０：光電変換セル
１１：光電変換部
１２：引き出し配線部
１３：封止材
１４：カバー部材
Ｌ：光電変換体
Ｗ、Ｗ２：低透湿部材
１００、２００：光電変換モジュール

Claims (4)

1. 基板と、
   該基板上に設けられた光電変換体と、
   前記基板上において前記光電変換体から離れた部位に位置する、前記光電変換体で生じた電気出力を外部に取り出すための配線導体と、
   前記光電変換体を封止する封止材と、
   前記光電変換体および前記配線導体の間に介在する、前記封止材よりも透湿性の低い低透湿部材と、
   前記配線導体の前記光電変換体とは反対側に位置する、前記封止材よりも透湿性の低い第２の低透湿部材とを具備しており、
   前記低透湿部材は水分を化学吸着する第１の吸着材を含み、前記第２の低透湿部材は水分を物理吸着する第２の吸着材を含むことを特徴とする光電変換モジュール。
2. 前記低透湿部材は前記光電変換体から離間していることを特徴とする請求項１に記載の光電変換モジュール。
3. 前記低透湿部材は前記配線導体から離間していることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換モジュール。
4. 前記封止材は熱硬化性樹脂であり、前記低透湿部材は熱可塑性樹脂である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モジュール。

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