JP5981302B2

JP5981302B2 - 光電変換モジュール

Info

Publication number: JP5981302B2
Application number: JP2012238832A
Authority: JP
Inventors: 敬太黒須; 伸起堀内
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2032-10-30
Also published as: JP2014090062A

Description

本発明は光電変換層が封止材で封止された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。

太陽光発電に使用される光電変換モジュールは、様々な種類のものがある。その中でも、ＣＩＳ系（銅インジウムセレナイド系）やＣＩＧＳ系（銅インジウムガリウムセレナイド系）等の化合物半導体薄膜や、アモルファスシリコン薄膜のような薄膜系の光電変換層を用いたものは、比較的低コストで大面積の光電変換モジュールを容易に製造できる点から、研究開発が進められている。

この薄膜系の光電変換モジュールは、ガラス基板などの第１基板上に、下部電極層、光電変換層、および上部電極層を順次成膜した光電変換装置を備えている。さらに、このような光電変換モジュールは、上記の光電変換装置上に、エチレンビニルアセテート共重合体（以下、ＥＶＡという）等の封止材を介して白色強化ガラスなどから成る第２基板が積層され一体化されている。

また、このような光電変換モジュールにおいては、外部から水分が浸入した場合、光電変換層などが劣化し、光電変換効率が低下する場合がある。そのため、このような光電変換モジュールでは、水分を遮断するためのシール材が外周部に配置されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２３１３０９号公報

光電変換モジュールの使用時の環境変化等によって光電変換モジュールの温度変化が大きくなる場合がある。そのような場合に、封止材およびシール材の膨張や収縮によって特に封止材とシール材との界面付近に応力が加わり、封止材の端部が第１基板または第２基板から剥離しやすくなる。封止材が剥離すると、その剥離部を経由して光電変換層へ水分が浸入しやすくなり、光電変換モジュールの耐湿信頼性が低下しやすくなる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、光電変換モジュールの耐湿信頼性の向上を目的とする。

本発明の一実施形態に係る光電変換モジュールは、第１基板と、該第１基板上に位置する光電変換層と、該光電変換層上から前記第１基板上にかけて位置する透光性の封止材と、前記第１基板上に前記封止材を取り囲むように位置して前記封止材の外周面に密着したシール材と、前記封止材上および前記シール材上に位置する透光性の第２基板とを具備し、前記封止材および前記シール材の界面が厚み方向の中央部ほど内側に位置するように湾曲しており、前記封止材および前記シール材の厚み方向の断面において、前記界面の最も内側に位置する先端部が前記第１基板寄りに位置している。

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耐湿信頼性が向上する。

一実施形態に係る光電変換モジュールにおける光電変換装置を示す要部拡大斜視図である。図１の光電変換装置の断面図である。一実施形態に係る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断面図である。第１変形例に係る光電変換モジュールの断面図である。第２変形例に係る光電変換モジュールの断面図である。

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。なお、図面においては同様な構成および機能を有する部分については同じ符号が付されており、下記説明では重複説明が省略される。また、図面は模式的に示されたものであり、各図における各種構造のサイズおよび位置関係等は正確に図示されたものではない。また、図１〜図６には、後述する光電変換セルの配列方向をＸ軸とする右手系のＸＹＺ座標が付してある。まず、光電変換モジュールの一部である光電変換装置について説明する。

＜光電変換装置の構成＞
図１は、光電変換装置１１の要部拡大斜視図であり、図２はそのＸＺ断面図である。光電変換装置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、第１基板１と、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。これら第１の半導体層３と第２の半導体層４とで電荷を良好に分離可能な光電変換層が形成される。

光電変換装置１１は、隣接する一方の光電変換セル１０の上部電極層５と他方の光電変換セル１０の下部電極層２とが接続導体６を介して電気的に接続されている。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。そして、光電変換装置１１の端部において、直列接続された光電変換セル１０の一方の電極と電気的に接続された取り出し電極２ａが設けられており、この取り出し電極２ａに光電変換装置１１の外部と電気的な接続を行なうための配線導体１３ａが接続される。同様に、光電変換装置１１の反対側の端部において、直列接続された光電変換セル１０の他方の電極と電気的に接続された取り出し電極２ｂが設けられており、この取り出し電極２ｂに光電変換装置１１の外部と電気的な接続を行なうための配線導体１３ｂが接続される。

なお、図１、図２では、図示の都合上、２つの光電変換セル１０のみが示されているが、実際の光電変換装置１１には、図面のＸ軸方向、或いは更に図面のＹ軸方向に、多数の光電変換セル１０が平面的に（二次元的に）配列されている。

第１基板１は、光電変換層を支持するためのものである。第１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、第１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ず、化合物半導体薄膜やアモルファスシリコン薄膜のような薄膜半導体層が用いられる。比較的高い光電変換効率を有するという観点で、第１の半導体層３として、例えば、Ｉ−III−VI族化合物、Ｉ−II−IV−VI族化合物、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。

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７が形成されていてもよい。集電電極７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７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６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７に集電され、接続導体６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７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７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７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６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（分断）する溝内に設けられた導体である。接続導体６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７を延伸して接続導体６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。

＜光電変換モジュールの構成＞
次に光電変換モジュールについて詳細に説明する。図３は一実施形態に係る光電変換モジュール２００の全体を示す斜視図であり、図４はその断面図である。

光電変換モジュール２００は、図１、図２に示す光電変換装置１１上に、透光性の封止材２０およびシール材２１を介して透光性の第２基板１２を具備している。そして、図４に示すように、封止材２０およびシール材２１の界面２２が厚み方向の中央部ほど内側に位置するように湾曲している。

このような構成により、温度変化によって封止材２０およびシール材２１の膨張や収縮による応力が生じたとしても、封止材２０の端部が第１基板１または第２基板１２から剥離するのを有効に低減できる。つまり、封止材２０とシール材２１との界面２２の接触面積が大きくなるため、密着力が向上して封止材２０とシール材２１とが互いに拘束し合うことによって応力を低減できるとともに、特に封止材２０が内側へ収縮するような応力が生じた際にシール材２１が封止材２０の端部を第１基板１または第２基板１２側へ押し付けることができ、封止材２０の第１基板１または第２基板１２からの剥離が生じ難くなる。以上の結果、光電変換モジュール２００の耐湿信頼性が低下しやすくなる。

封止材２０は、光電変換セル１０を保護するためのものであり、光電変換セル１０上から第１基板１上にかけて設けられている。また、封止材２０は、光吸収層３が吸収する光に対して透光性を有している。このような封止材２０としては、例えばエチレンビニルアセテート共重合体（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。

シール材２１は、封止材２０の周囲を取り囲むように、封止材２０の外周面に密着して設けられている。シール材２１は、水分が光電変換セル１０内へ浸入するのを低減するためのものであり、封止材２０よりも透湿性の低い部材が用いられる。このようなシール材
２１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、シール材２１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。

また、封止材２０の膨張および収縮をより拘束して封止信頼性をより高めるという観点からは、シール材２１の熱膨張係数が封止材２０の熱膨張係数がよりも小さくてもよい。例えば、シール材２１の線膨張係数が封止材２０の線膨張係数の０．０５〜０.９倍であ
ってもよい。

また、光電変換モジュール２００は、光電変換装置１１上の取り出し電極部２ａ、２ｂに、それぞれ配線導体１３ａ、１３ｂが電気的に接続されている。また、配線導体１３ａ、１３ｂの他方の端部は、図３に示されるように、第１基板１を上下方向に貫通する孔１ａを介して裏面に導出され、光電変換モジュール２００の裏面（非受光面）に配置された端子ボックスに接続されている。そして、この端子ボックスを介して、光電変換モジュール２００で発電した電力が外部回路に出力されることとなる。

配線導体１３ａ、１３ｂは、例えば、厚さ０．１〜０．５ｍｍ程度、幅が１〜７ｍｍ程度の銅（Ｃｕ）などの金属箔が用いられる。また。この金属箔の表面には、取り出し電極部２ａ、２ｂ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。

＜光電変換モジュールの作製方法＞
上記の光電変換モジュール２００の作製方法について以下に説明する。まず、複数の光電変換セル１０を有する第１基板１の主面の中央部の上に封止材２０を載置するとともに、第１基板１の主面の外周部の上に、内周面が所望とする封止材２０の外周面の湾曲形状に対応した形状とされた枠部材を、封止材２０を取り囲むように載置する。枠部材は封止材２０を加熱硬化する際の温度でも形状を安定して維持できるとともに、封止材２０とは接着し難い材料が用いられる。このような枠部材としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のふっ素樹脂や、表面にＰＴＦＥがコートされた金属板等が用いられる。

次に、封止材２０および枠部材の上に第２基板１２を載置する。そして、これらの積層体を加圧するとともに加熱し、封止材２０を熱硬化することによって、第１基板１における枠部材の内側の領域および第２基板１２における枠部材の内側の領域を、封止材２０を介して接着する。これにより、封止材２０は枠部材の内周面に接触して枠部材の内周面の形状に対応する湾曲形状となる。

次に、枠部材を除去して封止材２０の周囲に第１基板１および第２基板１２で挟まれた隙間部を形成する。そして、この隙間部内にシール材２１を充填することによって、図４
で示された光電変換モジュール２００を作製することができる。

＜光電変換モジュールの第１変形例＞
次に、本発明の光電変換モジュールの変形例について説明する。図５は光電変換モジュールの第１変形例を示す断面図である。図５に示される光電変換モジュール３００において、上述した図４に示される光電変換モジュール２００と同様な構成および機能を有する部分については図４と同じ符号が付されている。光電変換モジュール３００における封止材３０およびシール材３１の厚み方向の断面において、封止材３０とシール材３１との界面３２の最も内側に位置する先端部３２ａが第１基板１寄りに位置している。このような構成であれば、光電変換セル１０が設けられている第１基板１側のシール材３１の厚みを比較的大きくでき、光電変換セル１０への水分の浸入をより低減できる。

＜光電変換モジュールの第２変形例＞
図６は光電変換モジュールの第２変形例を示す断面図である。図６に示される光電変換モジュール４００において、上述した図４に示される光電変換モジュール２００と同様な構成および機能を有する部分については図４と同じ符号が付されている。光電変換モジュール４００は、封止材４０のシール材４１との界面４２に沿った部位に複数の気泡４０ａを有している。このような構成であれば、界面４２近傍での応力を気泡４０ａで有効に緩和できるとともに、気泡４０ａと封止材４０との屈折率差によって光を光電変換セル１０側へ良好に反射させて光電変換効率を高めることができる。

このような気泡４０ａを有する封止材４０は、封止材４０を加熱して硬化する際、封止材４０の外周部を過度に加熱することによって気泡を発生させることにより作製することができる。

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。

１：第１基板
２：下部電極層
３：第１の半導体層
４：第２の半導体層
５：上部電極層
１０：光電変換セル
１１：光電変換装置
１２：第２基板
２０、３０、４０：封止材
２１、３１、４１：シール材
２２、３２、４２：界面
２００、３００、４００：光電変換モジュール

Claims

第１基板と、
該第１基板上に位置する光電変換層と、
該光電変換層上から前記第１基板上にかけて位置する透光性の封止材と、
前記第１基板上に前記封止材を取り囲むように位置して前記封止材の外周面に密着したシール材と、
前記封止材上および前記シール材上に位置する透光性の第２基板とを具備し、
前記封止材および前記シール材の界面が厚み方向の中央部ほど内側に位置するように湾曲しており、
前記封止材および前記シール材の厚み方向の断面において、前記界面の最も内側に位置する先端部が前記第１基板寄りに位置している光電変換モジュール。
前記シール材の熱膨張係数が前記封止材の熱膨張係数よりも小さい、請求項１に記載の光電変換モジュール。
前記封止材は前記界面に沿った部位に複数の気泡を有している、請求項１または２に記載の光電変換モジュール。