JP5977165B2

JP5977165B2 - 光電変換素子

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Publication number: JP5977165B2
Application number: JP2012281256A
Authority: JP
Inventors: 佐々木　元; 元佐々木; 徳一山地
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2032-12-25
Also published as: JP2014127506A

Description

本発明は光電変換素子に関する。

光電変換素子において、受光面に設けられた集電電極の縁部を凹凸状に形成して、集電電極の幅を変調させることによって、集電電極の縁部における受光面との接触面積を増やし、集電効率を向上させることが示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−３１７８８６号公報

しかしながら特許文献１によれば、光電変換素子同士を接続させるために、集電電極に対してインナーリードを垂直に半田接合させる際に、インナーリードと集電電極の縁部の凹凸との位置関係についてまでは示されていなかった。

そのため、インナーリードと集電電極とを半田接合する際に、集電電極の幅が広くなる部分（凸部）でインナーリードが半田接合された場合には、集電電極と光電変換素子の受光面との間で発生する熱応力が大きくなってしまうために、光電変換素子にクラックが発生する場合があった。

本発明は、略平行に配列された、長手方向の途中に幅（Ｗ１）および厚さ（Ｔ１）が極小値となる極小位置を有する複数の線状の第１集電電極を備えた光電変換素子であって、前記複数の第１集電電極の前記極小位置同士が前記第１集電電極の配列方向に並んだ極小位置領域を有しており、該極小位置領域上に前記複数の第１集電電極同士を電気的に接合する線状の第２集電電極を配置しており、前記第１集電電極が複数の前記極小位置を有し、複数の該極小位置によって複数の前記極小位置領域を有しており、前記第１集電電極の長手方向における前記極小位置同士の間隔（Ｄ）が等間隔である。

本発明によれば、複数の第１集電電極の極小位置同士が第１集電電極の配列方向に並んだ極小位置領域を有しており、極小位置領域上に複数の第１集電電極同士を電気的に接合する線状の第２集電電極を配置したことで、第１集電電極と第２集電電極とを半田接合する際に、第１集電電極と光電変換素子の受光面との間における熱応力を低減し、クラックの発生を抑制することができる。

本発明の一実施形態にかかる光電変換素子を受光面側から視た場合の平面図である。本発明の一実施形態にかかる図１の点線部分付近における集電電極の拡大図である。本発明の一実施形態にかかる光電変換素子における第２集電電極を接合する前の第１集電電極の斜視図である。本発明の一実施形態にかかる光電変換素子における第２集電電極を接合する前の第１集電電極の平面図である。

以下、本発明の光電変換素子の一実施形態として、薄膜型太陽電池の場合を用いて説明をする。

＜光電変換素子の基本的な構成＞
各光電変換素子１０は、基板上において、下部電極と光電変換層と受光面側電極部とが順に積み重なっている積層部とを備えている。そして、各光電変換素子１０では、集電電極２が配されている側の主面が受光面となっている。

基板は、複数の光電変換素子１０を支持するものである。基板に含まれる主な材料としては、例えば、ガラス、セラミックス、樹脂および金属等が採用され得る。

下部電極は、基板の一主面（上面とも言う）の上に配されている導電層である。下部電極に含まれる主な材料としては、例えば、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔｉ、ＴａおよびＡｕ等の導電性を有する各種金属等が採用され得る。また、下部電極の厚さは、例えば、０．２μｍ以上で且つ１μｍ以下程度であれば良い。下部電極は、例えば、スパッタリング法または蒸着法等によって形成され得る。

光電変換層は、下部電極の上に配されている。光電変換層は、第１半導体層と第２半導体層とを備えている。第１半導体層および第２半導体層は、この順に下部電極の上に積層されている。

第１半導体層は、下部電極の一主面（上面とも言う）の上に配されている。第１半導体層は、第１導電型を有する半導体を主に含んでおり、光を吸収して電荷を生じる。ここで、第１導電型を有する半導体としては、例えば、カルコパイライト系の化合物半導体であるＩ−III−VI族化合物半導体等が適用され得る。なお、第１導電型は、例えばｐ型の導電型であれば良い。

I−III−VI族化合物半導体とは、Ｉ−III−VI族化合物を主に含む半導体である。なお
、Ｉ−III−VI族化合物を主に含む半導体とは、半導体がＩ−III−VI族化合物を７０ｍｏｌ％以上含むことを言う。以下の記載においても、「主に含む」は「７０ｍｏｌ％以上含む」ことを意味する。Ｉ−III−VI族化合物は、Ｉ−Ｂ族元素（１１族元素とも言う）とIII−Ｂ族元素（１３族元素とも言う）とVI−Ｂ族元素（１６族元素とも言う）とを主に含む化合物である。

I−III−VI族化合物としては、例えば、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２（ＣＩＧＳとも言う）、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）_２（ＣＩＧＳＳとも言う）、およびＣｕＩｎＳｅ_２（ＣＩＳとも言う）等が採用され得る。なお、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２は、ＣｕとＩｎとＧａとＳｅとを主に含む化合物である。また、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）_２は、ＣｕとＩｎとＧａとＳｅとＳとを主に含む化合物である。ここでは、第１半導体層が、ＣＩＧＳを主に含む。

なお、第１半導体層がＩ−III−VI族化合物半導体を主に含んでいれば、第１半導体層
の厚さが１０μｍ以下であっても、第１半導体層による光電変換の効率が高めら得る。このため、第１半導体層の厚さは、例えば、１μｍ以上で且つ３μｍ以下程度であれば良い。

第１半導体層は、スパッタリング法または蒸着法等といった真空プロセスによって形成され得る。また、第１半導体層は、塗布法あるいは印刷法と称されるプロセスによっても形成され得る。塗布法あるいは印刷法では、例えば、第１半導体層に主に含まれる金属元
素を含む溶液が下部電極の上に塗布され、その後、乾燥および熱処理が行われる。

第２半導体層は、第１半導体層の一主面（上面とも言う）の上に配されており、第１半導体層の第１導電型とは異なる第２導電型を有する半導体を主に含む。ここで、導電型が異なる半導体とは、伝導担体（キャリア）が異なる半導体である。そして、第２導電型は、例えばｎ型の導電型であれば良い。なお、第１半導体層の導電型がｎ型であり、第２半導体層の導電型がｐ型であっても良い。ここでは、第１半導体層と第２半導体層との間にヘテロ接合領域が形成されている。このため、光電変換素子１０では、ヘテロ接合領域を形成する第１半導体層と第２半導体層とにおいて光電変換が生じ得る。

第２半導体層は、化合物半導体を主に含む。第２半導体層に含まれる化合物半導体としては、例えば、ＣｄＳ、Ｉｎ_２Ｓ_３、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｓｅ_３、Ｉｎ（ＯＨ，Ｓ）、（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓｅ，ＯＨ）および（Ｚｎ，Ｍｇ）Ｏ等が採用され得る。そして、第２半導体層が１Ω・ｃｍ以上の抵抗率を有していれば、リーク電流の発生が低減され得る。なお、第２半導体層は、例えば、化学浴槽堆積（ＣＢＤ）法等によって形成され得る。

また、第２半導体層の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上で且つ２００ｎｍ以下程度であれば良い。第２半導体層の厚さが１００ｎｍ以上で且つ２００ｎｍ以下であれば、第２半導体層の上に受光面側電極部の透明電極がスパッタリング法等で形成される際に、第２半導体層においてダメージが生じ難い。

受光面側電極部は、光電変換層の一主面（上面とも言う）の上に配されている。そして、受光面側電極部は、透明電極と複数の第１集電電極１（図１参照）とを備えている。透明電極および第１集電電極１は、この順に光電変換層上に積み重ねられている。

透明電極は、光電変換層の一主面（上面とも言う）の上に配されている。透明電極は、例えば、ｎ型の導電型を有する透明の導電層である。透明電極は、光電変換層において生じた電荷を取り出す電極である。透明電極は、第２半導体層よりも低い抵抗率を有する材料を主に含んでいれば良い。透明電極には、いわゆる窓層と呼ばれるものが含まれても良いし、窓層と透明導電層とが含まれても良い。

透明電極は、禁制帯幅が広く且つ透明で低抵抗の材料を主に含んでいる。このような材料としては、例えば、ＺｎＯ、ＺｎＯの化合物、Ｓｎが含まれたＩＴＯおよびＳｎＯ_２等の金属酸化物半導体等が採用され得る。ＺｎＯの化合物は、Ａｌ、Ｂ、Ｇａ、ＩｎおよびＦのうちの何れか１つの元素等が含まれたものであれば良い。

透明電極は、スパッタリング法、蒸着法または化学的気相成長（ＣＶＤ）法等によって形成され得る。透明電極の厚さは、例えば、０．０８μｍ以上で且つ２．０μｍ以下程度であれば良い。ここで、透明電極が、１Ω・ｃｍ未満の抵抗率と、５０Ω／□以下のシート抵抗とを有していれば、透明電極を介して光電変換層から電荷が良好に取り出され得る。

ここで、第２半導体層および透明電極が、第１半導体層が吸収し得る光の波長帯域に対して、光を透過させ易い性質（光透過性とも言う）を有していれば、第１半導体層における光の吸収効率の低下が低減され得る。また、透明電極の厚さが０．０５μｍ以上で且つ０．５μｍ以下であれば、透明電極における光透過性が高められ、光電変換によって生じた電流が透明電極によって良好に伝送され得る。さらに、透明電極の絶対屈折率と第２半導体層の絶対屈折率とが略同一であれば、透明電極と第２半導体層との界面で光が反射することで生じる入射光のロスが低減され得る。

複数の第１集電電極１は、透明電極の一主面（以下、上面とも言う）の上に配されている。複数の第１集電電極１は、例えば、導電性ペーストが透明電極の上面の上に塗布された後に乾燥されて該導電性ペーストが固化されることで形成され得る。導電性ペーストは、例えば、透光性を有する樹脂等のバインダーに光反射率が高く且つ導電性を有する金属フィラーなどの粒子が添加されることで作製され得る。この場合、第１集電電極１に導電性を有する多数の粒子が含まれており、この多数の粒子が相互に接触し合うことで、第１集電電極１における良好な導電性が確保され得る。

複数の第１集電電極１は、光電変換層において発生して透明電極において取り出された電荷を集電する役割を担う。複数の第１集電電極１が配されていることで、透明電極における導電性が補われる。このため、透明電極の薄層化が可能となる。その結果、電荷の取り出し効率の確保と、透明電極における光透過性の向上とが両立し得る。

＜第１集電電極の詳細な構成＞
以下、本発明の光電変換素子の一実施形態における第１集電電極についてさらに詳細な説明をする。

本発明の光電変換素子の一実施形態によれば、略平行に配列された、長手方向の途中に幅（Ｗ１）および厚さ（Ｔ１）が極小値となる極小位置１ａを有する複数の線状の第１集電電極１を備えた光電変換素子１０であって、複数の第１集電電極１の極小位置１ａ同士が第１集電電極１の配列方向に並んだ極小位置領域３を有しており、極小位置領域３上に複数の第１集電電極１同士を電気的に接合する線状の第２集電電極２を配置した。

光電変換素子１０の面積の拡大化に伴い、集電効率を高めるために、図１のように、複数の第１集電電極１同士を線状の第２集電電極２によって電気的に接合する。

これにより、第１集電電極１からの電気を第２集電電極２へ効率的に集めることができるようになる。

ここで線状の第２集電電極２は、図２のように、第１集電電極１の極小位置領域３の上に配置され、半田付け等によって接合される。

例えば、図３、図４のように、複数の第１集電電極１は、幅Ｗ１および厚さＴ１が極小値となる極小位置１ａを有する。

これら複数の第１集電電極１の極小位置１ａが、配列方向に横並びすることによって、極小位置１ａが連続した極小位置領域３が形成される。

極小位置１ａが連続した極小位置領域３の上に、第２集電電極２を半田接合することで、接合部分での熱応力を緩和することができる。

すなわち、半田付けした際に、光電変換素子１０と、第１集電電極１および第２集電電極２との熱膨張率差に起因する熱応力を低減できるように、第２集電電極２と半田接合する極小位置１ａの幅Ｗ１および厚さＴ１を極小値とすることで、極小位置１ａの体積が小さくなるので、光電変換素子１０の受光面に及ぼす熱変形量も小さくなる。

極小位置１ａにおける幅Ｗ１は、５０〜７０μｍであり、極小位置１ａにおける厚さＴ１は、１０〜１５μｍであることが、極小位置１ａにおける第２集電電極との導電性を確保するとともに、受光面に対する熱応力を低減する点で好ましい。

なお、このような極小位置１ａに対して、長手方向の途中に幅および厚さが極大値となる、極大位置１ｂも存在するが、この極大位置１ｂについては、受光面積が減って光電変換効率が低下しない程度の幅と厚さであればよい。

例えば、幅は７５〜１０５μｍ、厚さは２０〜２５μｍであることが好ましい。

より好ましくは、極小位置１ａの幅Ｗ１および厚さＴ１は、極大位置１ｂの幅および厚さに対して、５０〜７０％程度であることが望ましい。

また、極小位置１ａの両端は緩やかな勾配で幅、および厚さが次第に太くなっていくことが、極小位置１ａの両端での局所的な応力集中を低減する点で好ましい。

また、第２集電電極２の総本数については、第２集電電極２によって受光面積が減ってしまうことによって、却って光電変換効率が低下することのない程度に配置することが好ましい。

さらに本発明の位置実施形態によれば、複数の第１集電電極１の極小位置１ａにおける長さ（Ｌｍ）が、第２集電電極２の幅（Ｗ２）よりも大きいことが好ましい。

これによって、第２集電電極２が極小位置領域３の上にガイドされて配置した状態になるので配置し易い。

例えば、図２に示される極小位置１ａにおける長さ（Ｌｍ）が、仮に第２集電電極２の幅（Ｗ２）よりも小さいと、極小位置１ａの両端側に第２集電電極２が乗り上げてしまう場合があるので、極小位置１ａにおける第１集電電極１と第２集電電極２との導電性と接合強度が損なわれてしまう点で好ましくない。

なお、ラミネート時には、この極小位置領域３に沿ってＥＶＡ等が第１集電電極１の配列方向へ流動し易くなるので、ＥＶＡ等の厚さが面内で不均一になってしまうことを低減できる。

さらに本発明の位置実施形態によれば、第１集電電極１が複数の極小位置１ａを有し、複数の極小位置１ａによって複数の極小位置領域３を有しており、第１集電電極１の長手方向における極小位置１同士の間隔（Ｄ）が等間隔であることが好ましい。

これにより、光電変換素子１０の受光面と、第１集電電極１および第２集電電極２との熱応力を受光面の面内で均一に分散させることができる。

＜第１集電電極の製造プロセス＞
以下、本発明の光電変換素子の一実施形態における第１集電電極１の製造プロセスについて詳細な説明をする。

まず、本実施形態である略平行に配列された、長手方向の途中に幅Ｗ１が極小値となる極小位置１ａを有する複数の線状の第１集電電極１のパターンに対応するスクリーン印刷用パターンを用意する。

そして、スクリーン印刷で導電性ペーストを複数回重ねて塗るにあたり、長手方向の途中において厚さＴ１が極小値となる極小位置１ａについては、スクリーン印刷する回数を減らすことによって、極小位置１ａの厚さＴ１を相対的に薄くすることができる。

そして、複数の第１集電電極１同士を電気的に接合するために、半田で被覆された線状の第２集電電極２を極小位置領域３上に配置し、局所的に加熱をすることによって半田接合すればよい。

以上、薄膜型太陽電池を用いて説明したが、これに限らず例えば、結晶型太陽電池等にも適用可能である。

１：第１集電電極
１ａ：極小位置
１ｂ：極大位置
２：第２集電電極
３：極小位置領域
１０：光電変換素子
Ｗ１：極小位置の幅
Ｗ２：第２集電電極の幅
Ｔ１：極小位置の厚さ
Ｌｍ：極小位置の長さ
Ｄ：極小位置同士の間隔

Claims

略平行に配列された、長手方向の途中に幅（Ｗ１）および厚さ（Ｔ１）が極小値となる極小位置を有する複数の線状の第１集電電極を備えた光電変換素子であって、
前記複数の第１集電電極の前記極小位置同士が前記第１集電電極の配列方向に並んだ極小位置領域を有しており、
該極小位置領域上に前記複数の第１集電電極同士を電気的に接合する線状の第２集電電極を配置しており、
前記第１集電電極が複数の前記極小位置を有し、
複数の該極小位置によって複数の前記極小位置領域を有しており、
前記第１集電電極の長手方向における前記極小位置同士の間隔（Ｄ）が等間隔である、光電変換素子。
前記複数の第１集電電極の前記極小位置における長さ（Ｌｍ）が、前記第２集電電極の幅（Ｗ２）よりも大きい、請求項１に記載の光電変換素子。