JPS6118352B2

JPS6118352B2 -

Info

Publication number: JPS6118352B2
Application number: JP55116361A
Authority: JP
Inventors: Eru Moiyaa Richaado
Original assignee: Ses Inc
Current assignee: Ses Inc
Priority date: 1979-08-22
Filing date: 1980-08-22
Publication date: 1986-05-12
Also published as: ZA804528B; JPS5642384A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は光電池および製造法、さらに詳しく
は、特に、薄いフイルム状光電池の頂部グリツド
電極の製造および取付けに関する。硫化カドミウムソーラ・セル（太陽電池）は光
エネルギーを電気エネルギーに変換するものであ
り、これらセルは底部電極上に付着させた薄いフ
イルム状の硫化カドミウムを有する。該硫化カド
ミウム層の１つの面には、該層間に電池接合を形
成する硫化銅Ｉ（以下単に硫化銅という）のフイ
ルム層が位置している。発生機構について説明を
行わないが、硫化銅層に光が入射するかまたは硫
化カドミウム層に幾分残留すると、硫化銅層と硫
化カドミウム層間に電圧が発生する。該セルから
この電流を集めるために、コレクタ・グリツドが
硫化銅層に適用され、頂部電極を形成する。この
ため、適当なワイヤを頂部および底部電極に接続
することにより電流のための回路を形成すること
ができる。ソーラ・セルの最近の開発においては、コレク
タ・グリツドはインクのような銀ペーストを用
い、罫線ペンでストライプを描くことにより硫化
カドミウムソーラ・セルの硫化銅層に適用され
る。しかしながら、接着力が弱く、線が巾広でか
つ線の巾が不規則であるため、光伝導および電導
度に問題がある。改良コレクタ・グリツドが米国
特許第3442007号、第3888697号および第3978333
号に開示されている。しかしながら、これらグリ
ツドもまた多くの欠点を有する。米国特許第
3442007号の方法では、硫化銅層へのグリツドの
適当な接着力を得るために、比較的高温かつ高圧
を適用することが必要である。グリツドの取付け
に接着剤を使用すると、接着剤がコレクタ・グリ
ツドを絶縁し、バリアーからグリツドの電導を妨
害するので、頂部コレクタの目的が減殺される。
クリバイト社（Clevite Corporation）において
は、セルへの取付け前に導電性エポキシー金接着
剤組成物中に予備形成されたグリツドを浸漬する
試みが行われたが、薄い予備形成されたグリツド
を扱うことは非常に難しく、多くの製造上の問題
が存在する。通常の接着剤を使用することについ
ての他の問題は、それらを液体として適用する必
要があり、したがつて種々の製造上の問題が存す
ることである。それ故に、接着剤を使用すること
なくかつ過剰の熱および圧力を適用する必要な
く、ソーラ・セルの頂部層に容易に形成かつ取付
けることのできるコレクタ・グリツドを提供する
ことが要望されている。また、グリツドは頂部層
と良好なオーム接触をなすように取付ける必要が
ある。本発明は、光電池に使用するための新規な電極
を備え、該電極は導電性粒子を含む固状ポリマー
で被覆された１またはそれ以上の導電性金属ワイ
ヤからなる。具体的には、本発明は、新規な電極
を含む薄いフイルム状の光電池からなり、該光電
池は、 (a) 導電性第１電極と、 (b) 該第１電極の少なくとも１部分を被覆する一
方の導電性を有する第１半導体フイルム層と、 (c) 該第１半導体とｐ−ｎ接合を形成するの導電
性を有する第２半導体フイルム層と、 (d) 該第２半導体とオーム接触し、輻射エネルギ
ーを第２半導体内に通過させる、導電性粒子を
含む固状ポリマーで被覆された導電性金属ワイ
ヤからなる第２電極からなる。好ましくは、第２電極は、 (i) 導電性粒子を含むポリマーで導電性金属ワイ
ヤを被覆し、 (ii) 該被覆ワイヤを加熱および／または加圧して
第２半導体に取付けるようにして形成するのが
よい。本発明により製造される電極は、従来技術に比
し多くの利点を有する。すなわち、低いシート抵
抗損失を維持しつつ、開放スペース率を非常に大
きくかつ露光面積を最大にすることができる。こ
れは、導電性ポリマーの薄い被膜を有する非常に
細いワイヤを使用することによつて達成される。
さらにまた、該電池の主たる利点のもう１つは製
造が容易なことである。すなわち、電極を取付け
るに液状接着剤を使用すると、取扱い上の問題が
多いが、本法によれば、固状ポリマーを使用して
電極の取扱いをより簡単にすることができる。本
発明の他の利点は、最も汎用される従来のグリツ
ド系のいくつかとは反対に開放型グリツド系であ
ることにある。従来、グリツドは、金属グリツド
をクリアーなプラスチツクシート例えば、
ACLAR（商品名）フイルム上に取付けることに
よつて形成され、このプラスチツク裏張りのグリ
ツドをセル上に糊付けしている。したがつて、該
シートが非常にフレキシブルであつたり、グリツ
ドが取扱い中に破損したりして取扱いが難しいか
ら、シートの存在は常に望ましくなく、非反射層
等を使用する機会が制限されるからである。さら
に、他の利点としは、従来の複雑なグリツドに対
しグリツドの形成が低コストであることが挙げら
れる。また、本発明によれば、改良された効率および
性能を得ることができる。ソーラ・セルの出力電
流を集めるグリツド系の効率は、開放面積（光伝
導に対する）、均一度損失およびミスマツチ損失
と呼ばれる装置作動の非効率性の３つのフアクタ
ーの複雑な相互作用による。特定の型式の作動地
点における特定の装置に対する最も効率的な幾何
学形成は、装置特性（局部−関係、上部表面
のシート抵抗ならびに装置の長さおよび巾）はも
ちろんグリツド技術により与えられるワイヤの抵
抗および巾に対する制限に依存する。就中、均一
な物体に対し使用する平行なグリツド系では、光
伝導損失、シート抵抗のミスマツチ損失およびワ
イヤ抵抗のミスマツチ損失を含む。理想的には、
ワイヤはできるだけ巾狭で（光伝導損失を最少に
するため）、できるだけ間隔は狭く（シート抵抗
ミスマツチ損失を最少にするため）かつできるだ
け導電性がある（ワイヤ抵抗およびミスマツチ損
失を最少にするため）のがよい。理想的なグリツ
ド系は、これらの要素間において設計条件下に最
大の出力が得られるように調整されたものであ
る。加えて、出力効率の変化は強度および作動温
度の関数として考える必要がある。これらの変化
はグリツド系の損失要素の価値付けに影響を与え
るからである。本発明によつてグリツドを製造す
る技術は、これら調和点の各々に対し異なる限界
を与える。ワイヤ長さが大でかつシート抵抗のミ
スマツチ損失が低い場合は、ワイヤ抵抗／長さ
は、実施可能な最少のワイヤ巾により与えられる
伝導およびシート抵抗ミスマツチ損失に対する制
限よりもより重要である。このような場合とし
て、他の技術（電着グリツド、写真平板の金属メ
ツシユおよびマスター蒸着グリツド）の全てが高
いワイヤ抵抗損失条件を有するところの、10cmま
たはそれ以上のグリツド線長を有するCu₂S−
CdSソーラ・セルの場合が例示される。本発明の
ワイヤグリツド技術（最少のワイヤ抵抗／長さを
有する）は、このような場合に他の技術よりも性
能上優れた利点を与える。以下、本発明を、添付図面に示す具体例に基づ
き、詳細に説明する。第１図は、本発明に係るセルの頂部平面図で、
第２図は、第１図の２−２線断面図である。ただ
し、図面における寸法は実寸法ではない。第１図において、１０は単一の薄層光電池で、
底部電極１１、頂部電極１２および該ワイヤであ
る頂部電極が接続するバス１３を有する。通常、
各セルは少量のパワーだけ、すなわち多くの適用
に必要なものよりも非常に少ないパワーを発生す
るにすぎないので、所望の電圧および電流を得る
ためには複数のソーラ・セルを直列および並列接
続する必要がある。このマトリツクスは一般にソ
ーラ・セル配列と同様のものをいい、太陽輻射か
ら電気エネルギーを発生させ、種々な用途に使用
される。本発明は、特に光電池の頂部電極に関する。本
発明の説明は、主として硫化カドミウムソーラ・
セルについてなされているが、他の型式のソー
ラ・セル、例えば、単一結晶シリコンソーラ・セ
ルまたは多結晶ソーラ・セル、米国特許第
3978333号に開示されているものにも本発明を適
用することができる。典型的なセル形成の第１段階は、非導電物体１
に導電層を被覆して底部電極２２を形成すること
であり、該物体としはプラスチツク、金属または
セラミツクを含み、米国特許第3483038号、第
3376163号および第4127424号に種々開示されてい
る。底部電極すなわち導電層は、通常銅または銀
のような導電性金属からなり、所望なら１以上の
金属層が物体上に積層されていてもよい。物体自
身が底部電極であつてもよい場合は、例えばモリ
ブデン物体を電極として使用してもよい。加え
て、亜鉛のような導電性金属の薄膜（フイルム）
を該電極に適用することができる。この底部電極上に、硫化カドミウム層２３のよ
うな半導体が積層される。これは、適当な穿孔マ
スクを通して行われる蒸着のような公知方法によ
つて行われる。該層の厚みは、通常約20〜100μ
であ。硫化カドミウム層は通常底部電極を覆い、
その小部分を除き全部と完全に重なる。非被覆部
分は次いで、隣接のセルの頂部電極と直列接続さ
せるような隣接セルへの電気的接続のために、あ
るいは負出力端子とし使用することができる。第
２図に図示されるように、物体２１が絶縁性の場
合は、通常、各セルの硫化カドミウム層２３は底
部電極の残余周辺部を覆い、後続の被覆層および
各セルの頂部電極が底部電極層２２と接触しない
ように物体２１の表面にまで延びる。硫化カドミウム層２３の表面は、要すれば、米
国特許第3480473号に記載のように、硫化銅層を
形成する前に塩酸で約４−５秒間エツチングして
もよい。硫化銅層２４は、適当な方法で、例え
ば、硫化カドミウム層２３上の適当な穿孔マスク
を通して蒸着させるか、あるいは米国特許第
3374108号に記載のように、例えば、塩化または
臭化第１銅溶液のような第１銅塩水溶液と硫化カ
ドミウム層２３を接触させることにより、形成さ
れる。硫化銅層２４は、通常約1000〜10000Åの
厚みを有するであろう。本発明においては、頂部電極は導電性粒子を含
むポリマーで被覆された導電性金属ワイヤからな
る。この被覆ワイヤ１を硫化銅層２４の表面に所
望のパターンで位置させ、穏かに加熱および／ま
たは加圧することにより、硫化銅層に取付けら
れ、頂部電極を形成する。このワイヤに使用され
る典型的な導電性金属には金、銅、ニツケルおよ
び銀を含む。ワイヤなる語は、通常のセンスで、
延伸された、全体として断面円形の、細い、通常
フレキシブルな、直径約0.0001〜0.005インチ、
好ましくは約0.001〜0.003インチの金属線をい
う。直径約0.0025インチの銅ワイヤが好ましい。本発明において重要なことは、ポリマー被覆が
導電性粒子を含み、導電性金属ワイヤと硫化銅層
間の発生電流の伝導が可能な点にある。導電性粒
子を含まない場合、ポリマー単独では絶縁体とし
て機能し、セルからのパワーが著しく減少するこ
とになろう。金属ワイヤと半導体層間にオーム接
触を与えるに充分なタイプおよび量の粒子を使用
することが必要である。S.M.Sze著「physics of
Semiconductor Devices」Wiley Interscience，
New York（1969）の416頁に定義されるよう
に、オーム接触とは、「それが使用される構造に
対し意義量の寄性インピーダンスを与えることな
く、かつデバイス特性に影響を与えるような半導
体内の平衡キラリア密度をかなり変化させるよう
なものでない接触」を意味する。実際には、上記
理想的なオーム接触に近づくことができるだけで
ある。また、オーム接触は、低い抵抗の、非整流
タイプの接触とも定義することができる。ポリマ
ーと粒子の相対量については、粒子の量があまり
に少ないと、ほとんどまたは全くオーム接触にな
らないが、粒子の量が多すぎると、結合剤があま
りに少なくなつて製造上の問題が生ずる。一般
に、ワイヤのポリマー被覆には、約５〜95重量
％、好ましくは約20〜80重量％の導電性粒子を含
む。導電性粒子の選択は、頂部半導体層の組成お
よびポリマーとの適合性を含む多数のフアクター
に依存する。種々の半導体とオーム接触を形成す
る粒子の具体例を下記第１表に示す。これらのい
くつかの加熱工程中に半導体と合金化させる必要
がある場合もある。

【表】頂部半導体層が硫化銅であるときは、好ましい
粒子として導電性カーボン・ブラツク、結晶性グ
ラフアイトおよび金を含む。特に、ポリマー被覆
をワイヤに懸濁液として適用するときは、結晶性
グラフアイト粒子が好ましい。その理由の１つ
は、結晶性グラフアイト粒子は導電性カーボンブ
ラツクのようにワイヤ上でアマルガム化する傾向
がないからである。ワイヤの被覆に使用するに適当なポリマーは、
熱可塑性または熱硬化性のいずれであつてもよ
い。好ましいポリマーは、もろくなく、良好な紫
外線耐性を有し、かつ化学的に非毒性であつて、
穏やかな加熱および加圧下に硫化銅層に固着する
ものであるべきである。さらに、ポリマーは導電
性粒子を充分に分散することのできるものである
べきである。さらにまた、適当なポリマーはワイ
ヤ上に均一に被覆可能なものがよい。好ましいポ
リマーとしては、米国特許第3870987号、第
3661831号および第3900654号に開示されるような
フルオロエラストマーが挙げられる。適当なフル
オロエラストマーとしては、ビニル／オレフイン
ポリマー系フルオロエラストマー、ビニル−フル
オロカーボンコポリマー系エラストマー、ビニリ
デン／フルオロオレフインポリマー系エラストマ
ーおよびC₂−C₄オレフイン／フルオロカーボン
コポリマー系エラストマーを含む。最も好ましい
材料は、ビニリデンフルオライド／ヘキサフルオ
ロプロペンコポリマー系フルオロエラストマーで
ある。市販フルオロエラストマーとしは、デユポ
ン社製VITON Ｂポリマーおよびスリーエム社製
Fluorelポリマーを含む。これらポリマーは通常
溶液状態で使用される。溶剤としては、通常メチ
ルエチルケトン、アセトン、ジメチルホルムアミ
ド、イソホロン等のケトン類を含む。最も好まし
い、懸濁グラフアイトを含むポリマー溶液は、
Acheson Colloids CompanyからElectrodag＋
502 SSとして販売されている。これは、結晶性
グラフアイト約10重量％、VITON Ｂポリマー
約12重量％、イソホロン溶媒約78重量％および硬
化剤を含む。このVITON Ｂポリマーはビニリ
デンフルオライド／ヘキサフルオロプロペンコポ
リマー系フルオロエラストマーである。ポリマー／導電性粒子混合物でワイヤを被覆す
るために使用される方法は、特に、必要な被覆厚
み、ポリマーのタイプ、導電性粒子のタイプ、ポ
リマー／導電性粒子の相対量に依存して変化する
であろう。選ばれるポリマーが熱可塑性ポリマー
（例えば、スチレン−ジエンブロツクコポリマ
ー、選択的水素化スチレン−ジエンブロツクコポ
リマー等）であるときは、公知のワイヤ被覆用押
出し技術によつて容易に適用することができる。
一方、熱可塑性ポリマーを懸濁液として適用する
場合は、ワイヤをポリマー溶液中の粒子懸濁液に
通し、該ワイヤをダイ中を通した後エバポレータ
または乾燥用オーブンを通して溶媒を蒸発させる
ことによつて適用することができる。使用される
ポリマーが熱硬化性ポリマーであるときは、被覆
技術は少し複雑である。要約すれば、ワイヤを溶
媒中のポリマー／導電性粒子混合物分散液に通
し、ダイを通した後ヒータまたはドライヤを通し
て溶媒を蒸発させる。熱硬化性ポリマーに関し
て、乾燥工程中の温度および状態は溶媒を蒸発さ
せるに充分であるべきであるが、ポリマーが架橋
または硬化する程厳しいものでなくてもよい。最
終的な硬化および架橋は、被覆ワイヤをセルに取
付けた後に行われるであろう。具体的には、
Acheson Electrodag溶液を使用するときは、ワ
イヤを該溶液に通した後ダイ中を通し、その後約
80−95℃の温度で短時間、例えば、約２〜３秒間
乾燥または焼付ける。要すれば、これを繰返して
厚手の被覆を得ることができる。この樹脂の硬化
には、それより高温（約200℃）で比較的長く
（約15〜20分間）焼付けることが必要である。ワイヤの周囲のポリマー層は、セルへの接着に
充分な厚みを備えるべきであるが、光伝導面積を
不必要に減少させる程の厚みを備えなくてよい。
好ましくは約0.05〜１ミル、より好ましくは約
0.1〜0.4ミルの均一な厚みがよい。本発明の望ましい特徴の１つは、被覆されたワ
イヤは接触可能まで乾燥しており、取扱いが容易
なことである。例えば、セル（光電池）へ頂部電
極を取付けるまでは、この被覆ワイヤはスプール
に巻回して貯蔵することができる。従来の接着方
法では、これは不可能であり、セルへの取付け前
に被覆電極を貯蔵することは容易でない。その後、被覆ワイヤは硫化銅層上に配置され、
頂部電極として機能する。電極の構造または形態
は多くのフアクターにより変り得る。有用な電極
構造は、米国特許第3442007号、第3888697号およ
び第3978333号に開示されている。頂部電極は、
セルを横断する単一のワイヤから構成されてもよ
いし、またはセルを横断する多数の平行ワイヤか
ら構成されてもよく、あるいは米国特許第
3442007号に示されると同様にマトリツクス中に
多数のワイヤを巻回させてもよい。その他、本発
明の範囲内で種々変形可能である。ワイヤ上の固
状ポリマー被覆によつて、製造者は頂部電極を形
成するための種々の技術を使用することができ
る。簡単な方法としては、回転ロクロを使用し、
均一な平行状態にセル平面上を横切つてワイヤを
配置するだけの方法が挙げられる。電極としての
ワイヤは、その後バスすなわち端子に取付けられ
る（第１図参照）。頂部電極を形成するに当つて、重要なことは、
光が硫化銅層に到るための開放スペースをできる
だけ多く残すことである。最大の露光面積をもつ
て最大のパワーを得るのが理想的である。しかし
ながら、発生する電流を集めるための短い電流路
を与えるためには多数のコンダクターが必要であ
る。約80〜98％またはそれ以上の開放スペースを
与えるのが好ましい。薄いポリマー層で被覆され
た薄いワイヤを多数使用することが可能であるか
ら、低いシート抵抗損失を維持しながら、比較的
高い開放スペース率を有するセルを製造すること
が可能である。１インチ当り約20〜80本の間隔で
使用されるワイヤが典型的なものである。被覆ワイヤをセル上に配置した後、穏やかに加
熱および／または加圧を行なう。加熱および加圧
によつてワイヤに沿つて硫化銅層と均一な接触が
行われ、硫化銅層と良好なオーム接触を形成す
る。反応性ポリマーのエラストマー（例えば、
Acheson Electrodagを使用する場合）を架橋し
たいときは、補助的架橋剤が使用されてもよい。
このElectrodagを使用する場合、温度は一般に約
150〜230℃、好ましくは約200〜210℃が適当であ
る。圧力は、一般に約15〜100psi、好ましくは約
20〜75psiが適当である。使用される温度および
圧力は主として適用されるポリマーに依存して決
定される。最終的なセル構成は光伝導保護被覆、保護膜あ
るいはガラス等の材料からなる保護プレート２５
で通常シールされる。該保護膜はセルを劣化させ
るような酸素および水蒸気に対し不浸透性である
べきである。このセルは露光されると光を電気エネルギーに
変換する。各セルにおいて、光エネルギーは頂部
電極ワイヤで覆れていない領域を通つて硫化銅層
２４に到り、そこで少なくとも１部吸収されるこ
とにより底部電極と頂部電極間に電圧を生成させ
る。光電池の、硫化カドミウムセルの電圧は通常
約0.4−0.5Vであるから、セルを直列接続して所
望の電圧を得ることができる。所望電圧における
電流量は、直列接続したセル列を複数個並列接続
することにより増加させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るゼルの頂部平面図で、第
２図は第１図の２−２線断面図である。１２…頂部電極（第２電極）、２２…底部電極
（第１電極）、２３…硫化カドミウム層（第１半導
体層）、２４…硫化銅層（第２半導体層）。

Claims

【特許請求の範囲】１ (a) 導電性第１電極と、 (b) 該第１電極の少なくとも１部分を覆う一方の
型式の導電性を有する第１半導体層と、 (c) 該第１半導体とｐ−ｎ接合を形成する他方の
型式の導電性を有する第２半導体層と、 (d) 該第２の半導体とオーム接触状態でかつ輻射
エネルギーの第２半導体への通過を可能にす
る、導電性粒子を含む固状ポリマーで被覆され
た１またはそれ以上の導電性金属ワイヤからな
る第２電極とからなることを特徴とする光電
池。２第１半導体が硫化カドミウムで、かつ第２半
導体が硫化銅Ｉである第１項記載の光電池。３導電性金属ワイヤが銅ワイヤである第１項ま
たは第２項記載の光電池。４ポリマーがビニリデンフルオライド／ヘキサ
フルオロプロペンコポリマーである第３項記載の
光電池。５導電性粒子が結晶性グラフアイト粒子である
第４項記載の光電池。６該ポリマー被覆が約５〜95重量％の結晶性グ
ラフアイト粒子を含む第５項記載の光電池。７ポリマーが熱可塑性ポリマーである第１項記
載の光電池。８ポリマーが熱硬化性ポリマーである第１項記
載の光電池。９導電性粒子が導電性カーボンブラツク、結晶
性グラフアイトおよび金からなる群から選ばれる
第２項記載の光電池。１０光電池の電極を形成および取付けるにあた
り、 (i) 導電性金属ワイヤを導電性粒子を含むポリマ
ーで被覆し、 (ii) 該被覆ワイヤを、加熱、加圧または加熱およ
び加圧して光電池に取付けることを特徴とする
光電池の製造法。１１光電池が硫化カドミウム／硫化銅Ｉ光電池
である第１０項記載の方法。１２光電池がシリコン太陽電池である第１０項
記載の方法。１３ポリマーとしてビニリデンフルオライド／
ヘキサフルオロプロペンコポリマーを使用する第
１１項記載の方法。１４導電性粒子として結晶性グラフアイト粒子
を使用する第１３項記載の方法。１５導電性金属ワイヤを導電性粒子を含むポリ
マーで被覆するにあたり、該ワイヤを担体液中に
ビニリデンフルオライド／ヘキサフルオロプロペ
ンコポリマーおよび結晶性グラフアイト粒子を分
散させた液中に通し、該ワイヤをダイ中に通して
均一被覆を形成した後、上記担体液の少なくとも
実質的部分を蒸発させる第１４項記載の方法。１６該担体液がイソホロンである第１５項記載
の方法。１７該蒸発を約80〜95℃で行なう第１５項記載
の方法。１８被覆ワイヤを加熱および／または加圧して
取付けるに当り、約150〜230℃の範囲で加熱しか
つ約15〜100psiの範囲で加圧する第１７項記載の
方法。１９２またはそれ以上の被覆ワイヤを光電池に
平行配列して取付ける第１０項記載の方法。２０ポリマーとして熱可塑性ポリマーを使用す
る第１０項記載の方法。２１導電性ワイヤを導電性ポリマーを含む熱可
塑性ポリマーで被覆するにあたり、押出し成形を
使用して行う第２０項記載の方法。