JP2005317728A - カルコパイライト型太陽電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】エネルギ変換効率や開回路電圧が大きく、基板から積層体が脱落することが阻止されたカルコパイライト型太陽電池を大量生産する。
【解決手段】カルコパイライト型太陽電池５０は、粉粒状のマイカが樹脂で結合された集成マイカ基板５２を有する。この集成マイカ基板５２上には、第１電極１６と、光吸収層１８と、第２電極２０とを有する積層体１４が積層されており、集成マイカ基板５２と積層体１４との間には、平滑化層５４とバインダ層５６とが介装されている。平滑化層５４は、好ましくはＳｉＮ又はＳｉＯ2からなり、一方、バインダ層５６は、例えば、ＴｉＮ又はＴａＮからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイカを含む絶縁性基板を有するカルコパイライト型太陽電池に関する。
カルコパイライト型太陽電池は、Ｃｕ（ＩｎＧａ）Ｓｅと表記されるカルコパイライト化合物（以下、ＣＩＧＳともいう）を光吸収層として備える太陽電池であり、エネルギ変換効率が高い、経年変化による光劣化がほとんど起こらない、耐放射線特性に優れる、光吸収波長領域が広い、光吸収係数が大きい等、種々の利点を有することから特に着目されており、量産化のために様々な検討がなされている。
図５に示すように、この種のカルコパイライト型太陽電池１０は、ガラス基板１２上に積層体１４が積層されることによって設けられる。ここで、積層体１４は、Ｍｏからなる第１電極１６と、ＣＩＧＳからなる光吸収層１８と、ＺｎＯ／Ａｌからなる透明な第２電極２０とを基本構造とするものであるが、光吸収層１８と第２電極２０との間に、これら光吸収層１８と第２電極２０との熱膨張係数の相違を緩和するためのバッファ層２２及び高抵抗層（半絶縁層）２４が介装されるのが一般的である。さらに、第２電極２０上には、光吸収に入射された光が反射して外部に漏れることを防止するための反射防止層２６が設けられている。バッファ層２２、高抵抗層２４、反射防止層２６の各々は、例えば、ＣｄＳ、ＺｎＯ、ＭｇＦ2からなる。バッファ層２２の材質には、ＺｎＯ、ＩｎＳが選定されることもある。
第１電極１６の一部は積層体１４から露呈されており、この露呈した部位には、第１リード部２８が設けられる。その一方で、第２電極２０の一部も反射防止層２６から露呈されており、この露呈した部位には、第２リード部３０が設けられている。
このように構成されたカルコパイライト型太陽電池１０に太陽光等の光が照射されると、光吸収層１８に電子と正孔の対が生じる。そして、Ｐ型半導体であるＣＩＧＳ製の光吸収層１８と、Ｎ型半導体である第２電極２０との接合界面において、電子が第２電極２０（Ｎ型側）の界面に集合するとともに、正孔が光吸収層１８（Ｐ型側）の界面に集合する。この現象が起こることにより、光吸収層１８と第２電極２０との間に起電力が生じる。この起電力による電気エネルギを、第１電極１６と第２電極２０にそれぞれ接続された第１リード部２８、第２リード部３０から電流として外部へと取り出すようにしている。
図５に示されるカルコパイライト型太陽電池１０は、通常、以下のようにして作製される。すなわち、先ず、スパッタリング成膜により、ソーダライムガラス等からなるガラス基板１２にＭｏからなる第１電極１６を成膜する。
次に、レーザ光を照射することによってこの第１電極１６を分割する。この操作は、スクライブと呼称される。
分割時に発生した切削屑を水洗によって除去した後、スパッタリング成膜によってＣｕ、Ｉｎ、Ｇｅを第１電極１６上に付着させ、前駆体を設ける。この前駆体を、基板及び第１電極１６ごと加熱処理炉内に収容し、Ｈ2Ｓｅガス雰囲気中でアニールを行う。このアニールの際に前駆体のセレン化が起こり、ＣＩＧＳからなる光吸収層１８が形成される。
次に、ＣｄＳ、ＺｎＯ、ＩｎＳ等のＮ型のバッファ層２２を光吸収層１８上に設ける。バッファ層２２は、例えば、スパッタリング成膜やケミカルバスデポジション（ＣＢＤ）等によって形成される。
さらに、ＺｎＯ等の高抵抗層２４をスパッタリング成膜等によって形成した後、レーザ光や金属針を用い、高抵抗層２４、バッファ層２２及び光吸収層１８のスクライブを行う。すなわち、高抵抗層２４、バッファ層２２及び光吸収層１８を分割する。
次に、スパッタリング成膜によってＺｎＯ／Ａｌからなる第２電極２０を設けた後、レーザ光や金属針を用いて第２電極２０、高抵抗層２４、バッファ層２２及び光吸収層１８のスクライブを行う。
最後に、第１電極１６及び第２電極２０において露呈した部位に、第１リード部２８及び第２リード部３０をそれぞれ設ける。これにより、カルコパイライト型太陽電池１０が得られるに至る。
このようにして得られたカルコパイライト型太陽電池１０はセルであり、通常は、複数個のセルが互いに電気的に連結されてパネル形状に大型化されたものが実用に供される。
上記したように、基板の材質としてはガラスが選定されることが通例である。この理由は、入手が容易であり且つ価格が安価であり、表面が平滑であるので該基板に積層される膜の表面を比較的平滑にすることができ、しかも、ガラス中のナトリウムが光吸収層まで拡散する結果、エネルギ変換効率が大きくなるからである。
しかしながら、ガラス基板を用いた場合、前駆体をセレン化する際の温度を高く設定することができないのでエネルギ効率が著しく大きくなる組成までセレン化を進行させることが困難である。また、基板が厚いのでカルコパイライト型太陽電池を製造する際に該ガラス基板を送り出す送り出し装置等が大型化するとともに、製造されたカルコパイライト型太陽電池の質量が大きくなるという不具合がある。しかも、ガラス基板には可撓性がほとんどないため、ロールトゥロールプロセスと呼称される大量生産製法を適用することが困難である。
この不具合を解決する方策として、基板の材質をガラス以外のものに変更することが想起される。例えば、特許文献１には、高分子フィルムを基板とするカルコパイライト型太陽電池が提案されている。その他、特許文献２には、カルコパイライト型燃料電池の基板の材質としてステンレス鋼が挙げられており、特許文献３には、ガラス、アルミナ、マイカ、ポリイミド、モリブデン、タングステン、ニッケル、グラファイト、ステンレス鋼が列挙されている。ここで、特許文献２においては、このステンレス基板がセレン化の際にセレンから攻撃を受けることを回避するべく、ＳｉＯ2又はＦｅＦ2からなる保護層を設けることが提案されている。
特開平５−２５９４９４号公報 特開２００１−３３９０８１号公報 特開２０００−５８８９３号公報
しかしながら、特許文献１に記載されたように高分子フィルムを基板とする場合、カルコパイライト型太陽電池に可撓性は生じるものの、セレン化の際に高温とすることができないという問題がある。例えば、ポリイミドでは２６０℃以上とすることができないので、Ｈ2Ｓｅガスを使用して５００℃以上となるセレン化を行うことができない。
また、特許文献２記載の技術には、保護層によるステンレス基板の保護が十分であるとは言い難い側面がある。すなわち、場合によっては、セレン化の際にステンレス基板が腐食し、このために第１電極が脱落することがある。また、保護層が脱落して導電性のステンレス基板が露呈してしまうため、金属針によるスクライブを行うことができないという不具合が顕在化している。
さらに、特許文献３では、各種の材料が基板の材質として挙げられているものの、該特許文献３中で開示されたカルコパイライト型太陽電池の基板は、すべてガラス基板である。このため、他の材料を使用してもセレン化の際に腐食を回避することが可能であるか否かは明らかではない。例えば、マイカ粒子が樹脂で結合された集成マイカを基板として積層体を設けると、この積層体が集成マイカ基板から脱落し易く、また、エネルギ変換効率が低下することが認められる。
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、大量生産を行うことが可能であり、しかも、エネルギ変換効率や開回路電圧が大きく、基板から積層体が脱落することを回避することも可能なカルコパイライト型太陽電池を提供することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明は、金属からなる第１電極と、前記第１電極上に形成されてＰ型半導体であるカルコパイライト化合物からなる光吸収層と、前記光吸収層上に形成されてＮ型半導体である第２電極との積層体を有するカルコパイライト型太陽電池であって、
前記積層体を保持する絶縁性基板にマイカが含まれ、
且つ前記絶縁性基板と前記積層体との間に、少なくともバインダとして機能するバインダ層が介装されていることを特徴とする。
マイカは、可撓性に富む。このため、例えば、後述する集成マイカを巻回して送り出し、所定の寸法に切断することで基板を形成することが可能である。換言すれば、集成マイカをロール状に巻回することができるので、大量生産製法であるロールトゥロールプロセスを採用することが容易である。すなわち、カルコパイライト型太陽電池の大量生産を図ることができる。
また、マイカはソーダライムガラスに比して安価であるので、カルコパイライト型太陽電池の製造コストを低廉化することができる。しかも、軽量であるので、カルコパイライト型太陽電池の質量を小さくすることもできる。
さらに、マイカの耐熱性及び耐食性がガラス基板に比して著しく優れているので、光吸収層を設けるべく第１電極上に付着されたＣｕ、Ｉｎ、Ｇｅの前駆体に対し、Ｈ2Ｓｅガスを使用して６００〜７００℃程度でセレン化を施すことができる。このような条件下においては、前駆体のセレン化を確実に進行させることができるので、開回路電圧が大きなカルコパイライト型太陽電池を構成することができる。
さらにまた、マイカ基板と積層体との間にバインダ層を介装させるので、マイカ基板と積層体との接合強度が確保される。このため、積層体がマイカ基板から脱落することが回避される。
そして、このバインダ層が存在することによって、マイカ基板に含まれる不純物が光吸収層まで拡散することが阻止される。このため、カルコパイライト型太陽電池のエネルギ変換効率を向上させることができる。
ここで、バインダ層の好適な材質としては、ＴｉＮ又はＴａＮを含む物質が挙げられる。バインダ層の厚みは、０．５〜１μｍであることが好ましい。
一方、絶縁性基板の好適な材質としては、粉粒状のマイカと樹脂が混合された後に焼成された集成マイカを挙げることができる。
この場合、絶縁性基板とバインダ層との間に、ＳｉＮ又はＳｉＯ2を含むとともに上端面の起伏が絶縁性基板の上端面の起伏に比して小さい平滑化層を設けることが好ましい。これにより、第１電極や光吸収層に起伏が転写されることを回避することができ、その結果、カルコパイライト型太陽電池の開回路電圧が大きくなるという利点が得られる。
本発明によれば、マイカ基板を採用するので、軽量で且つ可撓性に富み、しかも、カルコパイライト型太陽電池の大量生産を行うことが可能となる。また、マイカ基板と積層体との間にバインダ層を介装するので、積層体がマイカ基板から脱落することを回避することができ、しかも、エネルギ変換効率等の特性に優れたカルコパイライト型太陽電池を構成することができる。
以下、本発明に係るカルコパイライト型太陽電池につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、図５に示される構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図１は、本実施の形態に係るカルコパイライト型太陽電池５０の概略縦断面図である。このカルコパイライト型太陽電池５０は、基板５２と、積層体１４と、これら基板５２と積層体１４の間に介装された平滑化層５４及びバインダ層５６とを有する。
本実施の形態において、基板５２は、集成マイカで形成されている。ここで、集成マイカとは、粉粒状のマイカと樹脂が混合された後に焼成されたものを指称する。
集成マイカは、抵抗値が１０12〜１０16Ωと著しく大きい絶縁体であり、また、酸、アルカリ、Ｈ2Ｓｅガス等に対する耐性も高いという性質を有する。さらに、軽量であり且つ可撓性に富む。しかも、ソーダライムガラス等のガラス基板の耐熱温度が５００〜５５０℃であるのに対し、集成マイカは、６００〜８００℃と比較的高い耐熱温度を示す。
ここで、図２に拡大して示すように、集成マイカからなる基板５２の上端面には、凹部５８及び凸部６０が存在する。すなわち、集成マイカ基板５２の上端面は、大きく起伏している。
この起伏した集成マイカ基板５２上に積層体１４を構成する第１電極１６を積層した場合、該第１電極１６の上端面にも起伏が転写される。このような第１電極１６上に光吸収層１８を設けた場合、最終製品であるカルコパイライト型太陽電池５０の開回路電圧が低下する傾向がある。
そこで、本実施の形態においては、集成マイカ基板５２に比して起伏が小さい平滑化層５４を介装するようにしている。起伏がより小さい平滑化層５４が介装されることにより、第１電極１６や光吸収層１８の上端面に転写される起伏が小さくなる。従って、カルコパイライト型太陽電池５０の開回路電圧が低下することを回避することができる。
この平滑化層５４の材質としては、例えば、ＳｉＮ又はＳｉＯ2が選定される。この場合、成膜が容易であるという利点がある。また、平滑化層５４が集成マイカ基板５２及びバインダ層５６と良好に接合するので、接合強度を確保することができる。
平滑化層５４上に設けられたバインダ層５６は、集成マイカ基板５２及び平滑化層５４の双方を強固に接合させるための層である。また、集成マイカ基板５２から拡散した不純物のそれ以上の拡散を阻止するための拡散防止層としての役割を果たす。すなわち、バインダ層５６が存在することによって、集成マイカ基板５２に含まれていた不純物が光吸収層１８に拡散することが回避される。
バインダ層５６の好適な材質としては、ＴｉＮ又はＴａＮが挙げられる。このような物質は、平滑化層５４の材質であるＳｉＮ又はＳｉＯ2や、第１電極１６の材質であるＭｏ等と良好に接合する。従って、平滑化層５４を介し、良好な接合強度で積層体１４を集成マイカ基板５２に保持することができる。
バインダ層５６の厚みは、０．５〜１μｍであることが好ましい。０．５μｍ未満であると、バリアとして機能することが容易でなくなる。また、１μｍを超えると、接合強度を確保することが容易でなくなる。
積層体１４は、Ｍｏからなる第１電極１６、ＣＩＧＳからなる光吸収層１８、ＣｄＳからなるバッファ層２２、ＺｎＯからなる高抵抗層２４、ＺｎＯ／Ａｌからなる透明な第２電極２０、ＭｇＦ2からなる反射防止層２６がバインダ層５６側からこの順序で積層されて形成されている。また、第１電極１６及び第２電極２０の一部は露呈されており、露呈した各部位には、第１リード部２８及び第２リード部３０がそれぞれ設けられる。
このように構成された本実施の形態に係るカルコパイライト型太陽電池５０は、上記したように、基板５２が集成マイカからなるので、可撓性に富む。このため、集成マイカをロール状に巻回して送り出すことができるので、大量生産製法であるロールトゥロールプロセスを採用することが容易である。すなわち、カルコパイライト型太陽電池５０の大量生産を図ることができる。
しかも、集成マイカはソーダライムガラスに比して一層安価且つ軽量であるので、カルコパイライト型太陽電池５０の製造コストを低廉化することができるとともに、該カルコパイライト型太陽電池５０の質量を小さくすることもできる。
また、上記したように、集成マイカの耐熱性及び耐食性はガラス基板１２に比して著しく優れている。このため、光吸収層１８を設けるべく第１電極１６上に付着されたＣｕ、Ｉｎ、Ｇｅの前駆体に対し、Ｈ2Ｓｅガスを使用して６００〜７００℃程度でセレン化を施すことができる。このような条件下においては、前駆体のセレン化を確実に進行させることができるので、最終製品であるカルコパイライト型太陽電池５０は、開回路電圧が著しく大きいものとなる。
この理由は、６００〜７００℃で気相によるセレン化を行うことにより、Ｇａが結晶状態で略均一に分散した光吸収層１８が形成されるためにバンドギャップが拡大するためであると推察される。
さらに、本実施の形態によれば、集成マイカ基板５２と積層体１４との間にバインダ層５６を介装させているので、集成マイカ基板５２と積層体１４との接合強度が確保される。このため、積層体１４が集成マイカ基板５２から脱落することが回避される。
さらにまた、集成マイカ基板５２には、Ａｌ、Ｋ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｆ等の不純物が含まれるが、バインダ層５６が存在することによって、これら不純物が光吸収層１８へ拡散することが阻止される。このため、エネルギ変換効率に優れたカルコパイライト型太陽電池５０を得ることができる。
その上、この場合、集成マイカ基板５２の上端面の起伏を平滑化層５４によって可及的に小さくしているので、第１電極１６や光吸収層１８に起伏が転写されることを回避することができ、その結果、カルコパイライト型太陽電池５０の開回路電圧が大きくなるという利点がある。
なお、本実施の形態では、平滑化層５４を設けるようにしているが、カルコパイライト型太陽電池５０のエネルギ変換効率が低下しない程度に集成マイカ基板５２の上端面が平滑であるならば、図３に示すように、平滑化層５４を設けることなく集成マイカ基板５２上に直接バインダ層５６を設けるようにしてもよい。バインダ層５６の材質であるＴｉＮやＴａＮは、基板５２の材質である集成マイカとも良好に接合する。従って、この場合においても基板５２と積層体１４との接合強度を確保することができる。この場合においても、バインダ層５６の厚みは０．５〜１μｍとすることが好ましい。
また、ＴｉＮやＴａＮは、平滑化層５４の材質であるＳｉＮ又はＳｉＯ2に比して大きな接合強度で集成マイカ基板５２と接合することから、さらなる接合強度を確保するべく、図４に示すように、集成マイカ基板５２と平滑化層５４との間にさらにバインダ層５６を設けるようにしてもよい。
さらに、図３及び図４から諒解されるように、バッファ層２２、高抵抗層２４及び反射防止層２６を設けることなく積層体１４としてもよい。
さらにまた、第１電極１６は、Ｗからなるものであってもよい。
本実施の形態に係るカルコパイライト型太陽電池の概略縦断面図である。 図１の要部拡大図である。 別の実施の形態に係るカルコパイライト型太陽電池の概略縦断面図である。 また別の実施の形態に係るカルコパイライト型太陽電池の概略縦断面図である。 従来技術に係るカルコパイライト型太陽電池の概略縦断面図である。
符号の説明
１０、５０…カルコパイライト型太陽電池 １２…ガラス基板
１４…積層体 １６…第１電極
１８…光吸収層 ２０…第２電極
５２…集成マイカ基板 ５４…平滑化層
５６…バインダ層

Claims (4)

  1. 金属からなる第１電極と、前記第１電極上に形成されてＰ型半導体であるカルコパイライト化合物からなる光吸収層と、前記光吸収層上に形成されてＮ型半導体である第２電極との積層体を有するカルコパイライト型太陽電池であって、
    前記積層体を保持する絶縁性基板にマイカが含まれ、
    且つ前記絶縁性基板と前記積層体との間に、少なくともバインダとして機能するバインダ層が介装されていることを特徴とするカルコパイライト型太陽電池。
  2. 請求項１記載の太陽電池において、前記バインダ層がＴｉＮ又はＴａＮを含むとともに、０．５〜１μｍの厚みに設定されていることを特徴とするカルコパイライト型太陽電池。
  3. 請求項１又は２記載の太陽電池において、前記絶縁性基板は、マイカと樹脂が混合された後に焼成された集成マイカであることを特徴とするカルコパイライト型太陽電池。
  4. 請求項３記載の太陽電池において、前記絶縁性基板と前記バインダ層との間に、ＳｉＮ又はＳｉＯ2を含むとともに上端面の起伏が前記絶縁性基板の上端面の起伏に比して小さい平滑化層が設けられていることを特徴とするカルコパイライト型太陽電池。
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