JP5988373B2

JP5988373B2 - 光電変換装置および光電変換装置の製造方法

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Publication number: JP5988373B2
Application number: JP2012258716A
Authority: JP
Inventors: 衛郷高橋; 徳一山地; 淳志金倉
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2012-11-27
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2032-11-27
Also published as: JP2013149950A

Description

本発明は、複数の光電変換セルが電気的に接続された光電変換装置およびその製造方法に関する。

太陽光発電などに使用される光電変換装置として、基板の上に複数の光電変換セルが設けられたものがある（例えば、特許文献１など）。

このような光電変換装置は、ガラスなどの基板の上に、金属電極などの下部電極層と、光吸収層と、バッファ層と、透明導電膜とを、この順に積層した光電変換セルが、平面的に複数並設されて構成されている。複数の光電変換セルは、隣り合う一方の光電変換セルの透明導電膜と他方の下部電極層とが接続導体で接続されることで、電気的に直列接続されている。

特開２０００−２９９４８６号公報

光電変換装置には光電変換効率の向上が常に要求される。上記光電変換装置において、光電変換効率を高める１つの方法として、下部電極層間の間隔を小さくして光電変換に寄与する部位の面積を高めることが考えられる。しかし、下部電極層間の間隔を小さくすると隣接する下部電極層間でリーク電流が生じやすく、十分に光電変換効率を高めることが困難である。

本発明の一つの目的は、光電変換装置の光電変換効率を向上させることにある。

本発明の一実施形態に係る光電変換装置は、基板と、該基板上に互いに間隙を介して並べられた第１の下部電極層および第２の下部電極層と、前記第１の下部電極層上から前記間隙を経て前記第２の下部電極層上にかけて設けられた第１の半導体層とを具備しており、前記第１の下部電極層および第２の下部電極層は、第１の金属皮膜と、該第１の金属皮膜の上面を覆う、前記第１の金属皮膜とは異なる材料の第２の金属皮膜との積層体から成り、前記第１の下部電極層および前記第２の下部電極層の少なくとも一方は、前記間隙側の端部において、前記基板側の部位が前記基板とは反対側の部位よりも前記間隙側に突出した段差部が設けられており、前記基板側の部位は、前記第２の金属皮膜と同じ材料から成るとともに前記第１の金属皮膜の前記間隙側の側面を覆っていることを特徴とする。

本発明の一実施形態に係る光電変換装置の製造方法は、基板上に第１の金属皮膜を形成する工程と、該第１の金属皮膜の一部を除去して、前記基板が露出した第１の間隙を形成する工程と、前記第１の金属皮膜上および前記第１の間隙内に、前記第１金属皮膜上における上面よりも前記第１の間隙内における上面の方が前記基板側に近い段差を有する第２の金属皮膜を形成する工程と、前記第１の間隙内における前記第２の金属皮膜の一部を前記第１の間隙の幅よりも小さい幅で除去して、前記基板が露出した第２の間隙を形成する工程と、前記第２の金属皮膜上および前記第２の間隙内に第１の半導体層を形成する工程とを具備する。

本発明によれば、隣接する下部電極層間のリーク電流を低減し、光電変換効率を向上できる。

光電変換装置の実施の形態の一例を示す斜視図である。図１の光電変換装置の断面図である。図１の光電変換装置の上面透視図である。光電変換装置の製造途中の様子を示す断面図である。光電変換装置の製造途中の様子を示す断面図である。光電変換装置の他の例を示す断面図である。

以下に本発明の一実施形態に係る光電変換装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜光電変換装置の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る光電変換装置の一例を示す斜視図であり、図２はその断面図である。また、図３は図１の光電変換装置を上面側から見た透視図である。光電変換装置１１は、基板１上に複数の光電変換セル１０が並べられて互いに電気的に接続されている。なお、図１〜３においては図示の都合上、２つの光電変換セル１０のみを示しているが、実際の光電変換装置１１においては、図面左右方向、あるいはさらにこれに垂直な方向に、多数の光電変換セル１０が平面的に（二次元的に）配設されていてもよい。

図１〜３において、基板１上に複数の下部電極層２が間隙Ｐ１を介して平面配置されている。隣接する下部電極層２のうち、一方の下部電極層２ａ（以下、第１の下部電極層２ａともいう）上から他方の下部電極層２ｂ（以下、第２の下部電極層２ｂともいう）上にかけて、第１の半導体層３および第１の半導体層３とは異なる導電型の第２の半導体層４が設けられている。そして、第２の下部電極層２ｂ上において、接続導体７が第２の下部電極層２ｂと第２の半導体層４とを電気的に接続するように設けられている。これら、下部電極層２（第１の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂ）、第１の半導体層３、第２の半導体層４および接続導体７を少なくとも含むことによって、１つの光電変換セル１０が構成される。そして、隣接する光電変換セル１０同士が第２の下部電極層２ｂによって電気的に接続されており、このような構成によって、隣接する光電変換セル１０同士が直列接続された光電変換装置１１となる。

なお、本実施形態における光電変換装置１１は、第１の半導体層３に対して第２の半導体層４側から光が入射されるものを想定しているが、これに限定されず、基板１側から光が入射されるものであってもよい。

基板１は、光電変換セル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。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）を用いることができる。

下部電極層２（第１の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂ）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の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂは間隙Ｐ１を介して配置されている。そして、第１の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂの少なくとも一方の間隙Ｐ１側の端部に段差部Ｄが設けられている。すなわち、段差部Ｄによって、第１の下部電極層２ａと第２の下部電極層２ｂとの間隔が下側で狭く、上側で広くなっている。このように段差部Ｄが設けられることにより、第１の下部電極層２ａと第２の下部電極層２ｂとの間におけるリーク電流が、段差部Ｄが無い場合に比べて低減する。一方、光電変換に寄与する部位の面積は段差部Ｄが無い場合と変わらない。以上の結果、リーク電流を抑制しつつ第１の下部電極層２ａと第２の下部電極層２ｂとの間隔を縮めて光電変換に寄与する部位の面積を広げることができ、光電変換装置１１の光電変換効率が向上することとなる。

第１の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂの下側同士の間隔（間隙Ｐ１における狭い部位の間隔）は、例えば、１０〜２００μｍとされ得る。また、第１の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂの上側同士の間隔（間隙Ｐ１における広い部位の間隔）は、例えば、上記下側同士の間隔の１．５〜３．０倍とされ得る。また、段差部Ｄを有する下部電極層２の下側（間隙Ｐ１側に突出した部位）の厚みは、下部電極層２全体の厚みの１／５〜１／２倍とされ得る。

また、段差部Ｄは間隙Ｐ１を介して対向する第１の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂのいずれか一方にあればよいが、リーク電流をより低減するという観点からは、両方にあってもよい。

段差部Ｄは図１、２に示されるように上面が基板１の上面にほぼ平行になっていると、上方から第１の半導体層３を透過して下部電極層２の表面に入射する光を良好に上方に反射させることができる。これにより、光電変換装置１１の光電変換効率がさらに向上する。

第１の半導体層３は第１導電型の半導体層である。本実施形態では、第１の半導体層３は、例えば１μｍ〜３μｍ程度の厚みを有するｐ型半導体層を想定しているが、これに限定されない。第１の半導体層３の材料としては特に限定されず、金属カルコゲナイドや非晶質シリコン等が用いられ得る。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族化合物等の金属カルコゲナイドが第１の半導体層３の材料として用いられてもよい。

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１の半導体層３および第２の半導体層４が電気的に接続されることにより、電荷を良好に取り出すことが可能な光電変換層が形成される。例えば、第１の半導体層３がｐ型であれば、第２の半導体層４はｎ型である。第１の半導体層３がｎ型で、第２の半導体層４がｐ型であってもよい。なお、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が介在していてもよい。また、光吸収層としての第１の半導体層３と、第２の半導体層４とは逆の構成であってもよく、下部電極層２上に第２の半導体層４および第１の半導体層３が順に積層されていてもよい。

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）法やスパッタリング法等で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で生じた電荷を良好に取り出すことが可能となる。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１〜３に示すように、上部電極層５上にさらに集電電極８が形成されていてもよい。集電電極８は、第１の半導体層３および第２の半導体層４で生じた電荷をさらに良好に取り出すためのものである。集電電極８は、例えば、図１〜３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８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８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８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。

＜光電変換装置の製造方法＞
次に、光電変換装置１１の製造プロセスについて説明する。図４（ａ）〜（ｄ）および
図５（ｅ）〜（ｇ）は、光電変換装置１１の製造途中の様子を示す断面図である。なお、図４および図５で示される断面図は、図２で示される断面に対応する部分の製造途中の様子を示す。

まず、図４（ａ）で示されるように、洗浄された基板１の略全面に、スパッタリング法などが用いられて、Ｍｏなどからなる第１の金属皮膜Ｍ１が成膜される。図４（ａ）は第１の金属皮膜Ｍ１が形成された後の状態を示す図である。

第１の金属皮膜Ｍ１が形成された後、第１の金属皮膜Ｍ１の一部が除去されて第１の間隙Ｐ０が形成される。第１の間隙Ｐ０は、レーザースクライブ加工やサンドブラスト加工等によって形成されてもよい。なお、レーザースクライブ加工は、ＹＡＧレーザーその他のレーザー光が走査されつつ形成対象位置に照射されることで溝が形成される加工をいう。また、サンドブラスト加工は、無機粒子等の研磨材が吹き付けられることで溝が形成される加工をいう。図４（ｂ）は、第１の間隙Ｐ０が形成された後の状態を示す図である。

第１の間隙Ｐ０が形成された後、第１の金属皮膜Ｍ１上および第１の間隙Ｐ０内の略全面に、スパッタリング法などが用いられて、第２の金属皮膜Ｍ２が成膜される。第２の金属皮膜Ｍ２は第１の金属皮膜Ｍ１と同じ材料であってもよく、異なる材料であってもよい。ここで第２の金属皮膜Ｍ２の上面は、第１の金属皮膜Ｍ１の部位と間隙Ｐ０の部位とで高低差があるため、第１の間隙Ｐ０に対応する位置に段差部Ｄとなる窪みが形成される。図４（ｃ）は第２の金属皮膜Ｍ２が形成された後の状態を示す図である。

第２の金属皮膜Ｍ２が形成された後、第１の間隙Ｐ０内における第２の金属皮膜Ｍ２（第２の金属皮膜Ｍ２の窪んだ部位）の一部が、レーザースクライブ加工等によって除去されて第２の間隙Ｐ１が形成される。これにより、図４（ｄ）に示されるように、互いに間隙Ｐ１（第２の間隙Ｐ１）を介して並べられた第１の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂが形成されたことになる。この第１の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂは、ともに間隙Ｐ１側の端部に段差部Ｄが設けられている。以上のような第１の金属皮膜Ｍ１、第１の間隙Ｐ０、第２の金属皮膜Ｍ２および第２の間隙Ｐ１を順に形成することによって段差Ｄが形成される方法であれば、光電変換装置１１の量産において、下部電極層２の厚みばらつきが少なくなり、安定した特性を有する光電変換装置１１が得られる。

間隙Ｐ１が形成された後、下部電極層２上および間隙Ｐ１内に第１の半導体層３がスパッタリング法や塗布法等によって形成される。図５（ｅ）は、第１の半導体層３が形成された後の状態を示す図である。

第１の半導体層３が形成された後、第１の半導体層３の上に、第２の半導体層４および上部電極層５が、ＣＢＤ法やスパッタリング法等で順次形成される。図５（ｆ）は、第２の半導体層４および上部電極層５が形成された後の状態を示す図である。

第２の半導体層４および上部電極層５が形成された後、第２の下部電極層２ｂ上の間隙Ｐ１からずれた位置における第１の半導体層３〜上部電極層５が、例えばメカニカルスクライブ加工等によって除去され、第１の半導体層３中に第２の下部電極層２ｂが露出した接続導体用溝Ｐ２が形成される。図５（ｇ）は接続導体用溝Ｐ２が形成された後の状態を示す図である。なお、メカニカルスクライブ加工は、例えば、４０μｍ〜５０μｍ程度のスクライブ幅のスクライブ針やドリルを用いたスクライビングによって、第１の半導体層３〜上部電極層５が下部電極層２から除去される加工をいう。

接続導体用溝Ｐ２が形成された後、上部電極層５上および接続導体用溝Ｐ２内に、例えば、Ａｇなどの金属粉を樹脂バインダーなどに分散させた導電ペーストをパターン状に印
刷し、これを加熱硬化することで、集電電極８および接続導体７が形成される。図５（ｈ）は、集電電極８および接続導体７が形成された後の状態を示す図である。

最後に接続導体用溝部Ｐ２からずれた位置で、第１の半導体層３〜集電電極８をメカニカルスクライブ加工により除去することで、複数の光電変換セル１０に分割され、図１および図２で示された光電変換装置１１が得られたことになる。

＜光電変換装置の他の例＞
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。

例えば、図６に示すように、下部電極層２３（下部電極層２３は、隣接する第１の下部電極層２３ａおよび第２の下部電極層２３ｂを有している）が、低抵抗層２１と、この低抵抗層２１の上面を覆う、ＭｏおよびＷのうちの少なくとも１種を主として含む被覆層２２との積層体であってもよい。

なお、図６において、図１および図２に示される光電変換装置１１と同じ構成のものには同じ符号が付されている。図６における光電変換装置１０１は、下部電極層２３が段差部Ｄを有している点で光電変換装置１１と同様であるが、この下部電極層２３が低抵抗層２１と被覆層２２との積層体である点が光電変換装置１１と異なっている。図６では、このような下部電極層２３を具備する光電変換セル１００が基板１上に複数個設けられて光電変換装置１０１が構成されている。

このような構成により、低抵抗層２１で電気伝導度を高めることができるとともに、被覆層２２が第１の半導体層３との密着性および電気的な接続を良好にすることができる。その結果、光電変換装置１０１の光電変換効率をさらに高めることができる。

低抵抗層２１としては、電気抵抗率が、例えば、被覆層２２の電気抵抗率より低いものを用いることができる。このような低抵抗層２１の材料としては、銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属、これらの金属の合金、あるいは、これらの金属の少なくとも１種と他の金属との合金であってもよい。低抵抗層２１は、例えば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、例えば０．０５〜１μｍ程度の厚みに形成される。安価で加工性が良いという観点から、低抵抗層２１はＡｌを主として含んでいてもよい。なお、Ａｌを主として含むとは、Ａｌの濃度が７０原子％以上であることをいう。

被覆層２２は、ＭｏおよびＷのうちの少なくも１種を主として含んでいる。これにより、第１の半導体層３との良好な密着性を有するとともに、第１の半導体層３との良好なオーミックコンタクトを形成することができる。特に、第１の半導体層３がＣＩＧＳやＣＺＴＳ等の金属カルコゲナイドを主として含む場合は、被覆層２２の表面にＭｏまたはＷのカルコゲナイドが形成され、電気的な接続がより良好になるとともに、接続導体用溝Ｐ２の加工も容易になる。低抵抗層２１は、例えば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、例えば０．０５〜１μｍ程度の厚みに形成される。

このような下部電極層２３は、上述した光電変換装置１１の製造方法における、図４（ａ）〜（ｄ）の下部電極層２の作製方法を用いて作製することができる。つまり、この図４（ａ）〜（ｄ）において、第１の金属皮膜Ｍ１が低抵抗層２１の材料で作製され、第２の金属皮膜Ｍ２が被覆層２２の材料で作製されることによって、図６で示される下部電極層２３が作製され得る。

１：基板
２、２３：下部電極層
２ａ、２３ａ：第１の下部電極層
２ｂ、２３ｂ：第２の下部電極層
２１：低抵抗層
２２：被覆層
３：第１の半導体層
４：第２の半導体層
１０、１００：光電変換セル
１１、１０１：光電変換装置
Ｄ：段差
Ｐ０：第１の間隙
Ｐ１：間隙（第２の間隙）
Ｍ１：第１の金属皮膜
Ｍ２：第２の金属皮膜

Claims

基板と、
該基板上に互いに間隙を介して並べられた第１の下部電極層および第２の下部電極層と、前記第１の下部電極層上から前記間隙を経て前記第２の下部電極層上にかけて設けられた第１の半導体層とを具備しており、
前記第１の下部電極層および第２の下部電極層は、第１の金属皮膜と、該第１の金属皮膜の上面を覆う、前記第１の金属皮膜とは異なる材料の第２の金属皮膜との積層体から成り、
前記第１の下部電極層および前記第２の下部電極層の少なくとも一方は、前記間隙側の端部において、前記基板側の部位が前記基板とは反対側の部位よりも前記間隙側に突出した段差部が設けられており、
前記基板側の部位は、前記第２の金属皮膜と同じ材料から成るとともに前記第１の金属皮膜の前記間隙側の側面を覆っていることを特徴とする光電変換装置。
前記段差部は、前記第１の下部電極層および前記第２の下部電極層にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記第１の金属皮膜は、前記第２の金属皮膜よりも電気抵抗率の低い低抵抗層であり、前記第２の金属皮膜は、ＭｏおよびＷのうちの少なくとも１種を主として含む被覆層であることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。
基板上に第１の金属皮膜を形成する工程と、
該第１の金属皮膜の一部を除去して、前記基板が露出した第１の間隙を形成する工程と、前記第１の金属皮膜上および前記第１の間隙内に、前記第１金属皮膜上における上面よりも前記第１の間隙内における上面の方が前記基板側に近い段差を有する第２の金属皮膜を形成する工程と、
前記第１の間隙内における前記第２の金属皮膜の一部を前記第１の間隙の幅よりも小さい幅で除去して、前記基板が露出した第２の間隙を形成する工程と、
前記第２の金属皮膜上および前記第２の間隙内に第１の半導体層を形成する工程と
を具備することを特徴とする光電変換装置の製造方法。