JP2011009557A - 光電変換セルおよび光電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性を高めた光電変換セルおよび光電変換モジュールを提供すること。
【解決手段】光電変換セルは、第１の電極層２と、第１の電極層２の一方側に設けられた光吸収層４と、光吸収層４の一方側に設けられたIII-VI族化合物を含むバッファ層５と、バッファ層５の一方側に設けられたIII-VI族化合物を含む第２の電極層６と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光を吸収して電力を生じさせる光電変換セル、およびそれを複数具備して成る光電変換モジュールに関するものである。

従来、太陽電池は、カルコパライト系のＣＩＧＳ等の光吸収層を具備する太陽電池セルを構成単位とし、この太陽電池セルをガラス等の基板上で複数直列または並列接続することによって構成されている。

この太陽電池セルは、その受光面すなわち光吸収層の上部にバッファ層が設けられている。バッファ層としては、環境に対する負荷を低減するため、および、光吸収層と好適なヘテロ接合を得るために、ケミカルバスデポジション（ＣＢＤ）法等によって溶液から化学的に成長させた、イオウを含んだ亜鉛混晶化合物半導体膜が用いられている。また、このバッファ層の上部には透明電極として酸化亜鉛膜が設けられている。

特開平０８−３３０６１４号公報

しかしながら、特許文献１に示すような光電変換セルは、高温高湿耐性に代表される耐久性が悪く、このような状況下では光電変換セル性能が短時間で急激に低下するという問題点があった。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、耐久性を高めた光電変換セルおよび光電変換モジュールを提供することである。

本発明の一実施形態に係る光電変換セルは、第１の電極層と、該第１の電極層の一方側に設けられた光吸収層と、該光吸収層の一方側に設けられたIII-VI族化合物を含むバッファ層と、該バッファ層の一方側に設けられたIII-VI族化合物を含む第２の電極層と、を具備する。このような、III-VI族化合物を含むバッファ層と、III-VI族化合物を含む第２の電極層とを併用した構成とすることによって、光電変換セルの高温高湿下での耐久性が向上することがわかった。

上記光電変換セルは、好ましくは、前記第２の電極層の一方側に設けられた集電電極をさらに具備する。

上記光電変換セルにおいて、好ましくは、前記バッファ層がインジウムを含み、前記第２の電極層が酸化インジウムを含む。

上記光電変換セルにおいて、好ましくは、前記光吸収層はカルコパイライト系の材料を含む。

本発明の一実施形態に係る光電変換モジュールは、上記光電変換セルを複数有し、隣接する前記光電変換セルを電気的に接続している。

本発明によれば、光電変換セルおよび光電変換モジュールの耐久性を高めることができる。

本発明に係る光電変換セルおよび光電変換モジュールの実施の一形態を示す断面図である。 本発明に係る光電変換セルおよび光電変換モジュールの実施の他の形態を示す断面図である。 本発明に係る光電変換セルおよび光電変換モジュールの実施の他の形態を示す断面図である。 本発明に係る光電変換セルおよび光電変換モジュールの実施の他の形態を示す断面図である。 各光電変換セルの変換効率維持率の時間的推移を示す図である。

以下に、本発明の光電変換セルおよび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。

図１は、本発明の実施の形態の一例である光電変換セル２０およびそれを用いた光電変換モジュール２１の斜視図であり、図２はその断面図である。光電変換セル２０は、基板１と、第１の電極層２と、光電変換層３と、第２の電極層６とを含んで構成される。図１において、光電変換層３は、光吸収層４とバッファ層５との積層体である。光電変換モジュール２１は、光電変換セル２０を複数並べて成る。

図１、図２において、光電変換セル２０は、光電変換層３の基板１側に第１の電極層２と離間して設けられた第３の電極層８を具備している。そして、光電変換層３に設けられた接続導体７によって、第２の電極層６と第３の電極層８とが電気的に接続されている。この第３の電極層８は、隣接する光電変換セル２０の第１の電極層２と一体化されている。この構成により、隣接する光電変換セル２０同士を容易に直列接続することができる。なお、一つの光電変換セル２０内において、接続導体７は光電変換層３を分断するように設けられており、第１の電極層２と第２の電極層６とで挟まれた光電変換層３で光電変換が行なわれる。

基板１は、光電変換セル２０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。光電変換モジュール２１を構成する場合、複数の基板１のそれぞれに光電変換セル２０を設け、これらを並べて互いに直列接続してもよく、または、１つの基板１に複数の光電変換セル２０を設けてもよい。このように１つの基板１に複数の光電変換セル２０を設けた場合、光電変換モジュール２１の作製が容易となる。

第１の電極層２および第３の電極層８は、Ｍｏ、Ａｌ、ＴｉまたはＡｕ等の導電体が用いられ、基板１上にスパッタリング法または蒸着法等で形成される。

光電変換層３は、光を吸収して電力に変換することのできるものであり、光吸収層４とバッファ層５との接合構造である。

光吸収層４は、シリコン系および化合物半導体系等の半導体材料が用いられる。シリコン系としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、およびアモルファスシリコン等が挙げられる。化合物半導体系としては単結晶系および多結晶系が挙げられ、例えば、III-V族化合物半導体、II-VI族化合物半導体、およびI-III-VI族化合物を含むカルコパイライト系（ＣＩＳ系ともいう）化合物半導体等がある。特にカルコパイライト系化合物半導体は、変換効率が高く、薄膜で作製できることから好ましい。このようなカルコパイライト系化合物半導体としては、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２（ＣＩＧＳともいう）、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）_２（ＣＩＧＳＳともいう）、およびＣｕＩｎＳ_２（ＣＩＳともいう）が挙げられる。光電変換層３は、例えば、薄膜で作製する場合、スパッタリング法、蒸着法または塗布法等で形成される。なお、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２とは、ＣｕとＩｎとＧａとＳｅとから主に構成された化合物をいう。また、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）_２とは、ＣｕとＩｎとＧａとＳｅとＳとから主に構成された化合物をいう。

なお、II-VI族化合物とは、１２族（２Ｂ族ともいう）と１６族（６Ｂ族ともいう）との化合物である。III-V族化合物とは、１３族（３Ｂ族ともいう）と１５族（５Ｂ族ともいう）との化合物である。I-III-VI族化合物とは、１１族（１Ｂ族ともいう）と１３族（３Ｂ族ともいう）と１６族（６Ｂ族ともいう）との化合物である。

光吸収層４に接触するように、単層または複数層のIII-VI族化合物を含むバッファ層５が形成される。バッファ層５とは、光吸収層４に対してヘテロ接合を行う層をいう。好ましくはリーク電流を低減するという観点からは抵抗率が１Ω・ｃｍ以上の層であるのがよい。III-VI族化合物としては、例えば、Ｉｎ_２Ｓｅ_３やＩｎ_２Ｓ_３、Ｉｎ_２Ｏ_３等の半導体が挙げられる。このようなIII-VI族化合物は、例えばケミカルバスデポジション（ＣＢＤ）法等で形成され、水酸化物や酸化物を含む混晶化合物であってもよい。このような混晶化合物を含んだバッファ層５としては、Ｉｎ（Ｓ，Ｏ，ＯＨ）、（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓ，Ｏ，ＯＨ）、（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓｅ，Ｏ，ＯＨ）等が挙げられる。なお、Ｉｎ（Ｓ，Ｏ，ＯＨ）とは、硫化インジウムに加え、水酸化インジウムおよび／または酸化インジウムを含む化合物をいう。同様に、（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓ，Ｏ，ＯＨ）は、硫化亜鉛および硫化インジウムに加え、水酸化亜鉛および／または酸化亜鉛、水酸化インジウムおよび／または酸化インジウムを含む化合物をいう。同様に、（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓｅ，Ｏ，ＯＨ）は、セレン化亜鉛およびセレン化インジウムに加え、水酸化亜鉛および／または酸化亜鉛、水酸化インジウムおよび／または酸化インジウムを含む化合物をいう。バッファ層５は光吸収層４の吸収効率を高めるため、光吸収層４の吸収光に対して光透過性を有するものが好ましい。

好ましくは、バッファ層５はインジウムを含み、第２の電極層６が酸化インジウムを含むことが好ましい。第２の電極層６が酸化インジウムを含むことで、透明性が高いとともに高い導電率を有することができる。さらにバッファ層５にインジウムを含むことで、バッファ層５と第２の電極層６が同じ元素を含み、層間の元素の相互拡散による導電率の変化を抑制することができる。より好ましくは、光吸収層４はインジウムを含むカルコパイライト系の材料であり、バッファ層５はインジウムを含み、第２の電極層６が酸化インジウムを含むことが好ましい。これにより、光吸収層４、バッファ層５、第２の電極層６がすべてインジウムを含むことにより、層間の元素の相互拡散による導電率やキャリア濃度の変化を抑制することができる。

光電変換セル２０の耐湿性を向上するという観点からは、バッファ層５はIII-VI族化合物を主成分として含むことが好ましい。なお、III-VI族化合物を主成分として含むというのは、バッファ層５を構成する化合物のうち、III-VI族化合物が５０モル％以上、より好ましくは８０モル％以上であることをいう。さらに光電変換セル２０の耐湿性を向上するという観点からは、バッファ層５を構成する金属元素のうち、Ｚｎ元素が５０ atomic％以下、より好ましくは２０ atomic％以下であるのがよい。

また、バッファ層５は、その厚みが１００ｎｍ以上であるのがよい。これにより、高温高湿条件化における光電変換効率の低下を特に効果的に抑制することができる。

第２の電極層６は、ＩＴＯ等のIII-VI族化合物を含む導電体が用いられ、スパッタリング法、蒸着法または化学的気相成長（ＣＶＤ）法等で形成される。第２の電極層６は、バッファ層５よりも抵抗率の低い層であり、光電変換層３で生じた電荷を取り出すためのものである。第２の電極層６が複数層から成る場合は、複数層全体でみたときの抵抗率がバッファ層５よりも低くなるように設計される。光電変換層３で生じた電荷を良好に取り出すという観点からは、第２の電極層６の抵抗率が１Ω・ｃｍ未満でシート抵抗が５０Ω／□以下であるのがよい。

第２の電極層６は光電変換層３の吸収効率を高めるため、光電変換層３の吸収光に対して光透過性を有するものが好ましい。光透過性を高めると同時に光反射ロス防止効果および光散乱効果を高め、さらに光電変換によって生じた電流を良好に伝送するという観点から、第２の電極層６は０．０５〜０．５μｍの厚さとするのが好ましい。また、第２の電極層６とバッファ層５との界面での光反射ロスを防止する観点からは、第２の電極層６とバッファ層５の屈折率は等しいのが好ましい。

光電変換セル２０の耐湿性を向上するという観点からは、第２の電極層６はIII-VI族化合物を主成分として含むことが好ましい。なお、III-VI族化合物を主成分として含むというのは、第２の電極層６を構成する化合物のうち、III-VI族化合物（複数種のIII-VI族化合物がある場合、その合計）が５０モル％以上、より好ましくは８０モル％以上であることをいう。さらに光電変換セル２０の耐湿性を向上するという観点からは、第２の電極層６を構成する金属元素のうち、Ｚｎ元素が５０ atomic％以下、より好ましくは２０ atomic％以下であるのがよい。

光電変換セル２０において、好ましくは、バッファ層５と第２の電極層６とを合わせた部分、すなわち、光吸収層４と集電電極９とで挟まれる部分において、III-VI族化合物を主成分として含むことが好ましい。なお、III-VI族化合物を主成分として含むというのは、このバッファ層５と第２の電極層６とを合わせた部分を構成する化合物のうち、III-VI族化合物（複数種のIII-VI族化合物がある場合、その合計）が５０モル％以上、より好ましくは８０モル％以上であることをいう。さらに光電変換セル２０の耐湿性を向上するという観点からは、このバッファ層５と第２の電極層６とを合わせた部分を構成する金属元素のうち、Ｚｎ元素が５０ atomic％以下、より好ましくは２０ atomic％以下であるのがよい。

光電変換セル２０は、複数個を並べてこれらを電気的に接続し、光電変換モジュール２１とすることができる。隣接する光電変換セル２０同士を容易に直列接続するために、図１、図２に示すように、光電変換セル２０は、光電変換層３の基板１側に第１の電極層２と離間して設けられた第３の電極層８を具備している。そして、光電変換層３に設けられた接続導体７によって、第２の電極層６と第３の電極層８とが電気的に接続されている。

接続導体７は、第２の電極層６を形成する際に同時形成して一体化することが好ましい。これにより、工程を簡略化できるとともに第２の電極層６との電気的な接続信頼性を高めることができる。

接続導体７は、第２の電極層６と第３の電極層８とを接続するとともに、隣接する光電変換セル２０の各光電変換層３も分断するように形成されている。このような構成により、隣接する光電変換層３でそれぞれ光電変換を良好に行い、直列接続で電流を取り出すことができる。

図１、図２に示すように、第２の電極層６上に集電電極９が形成されていてもよい。集電電極９は、第２の電極層６の電気抵抗を小さくするためのものである。光透過性を高めるという観点からは、第２の電極層６の厚さはできるだけ薄いことが好ましいが、薄いと導電性が低下してしまう。しかしながら、第２の電極層６上に集電電極９が設けられていることにより、光電変換層３で発生した電流を効率よく取り出すことができる。その結果、光電変換セルの発電効率を高めることができる。

集電電極９は、例えば、図１に示すように、光電変換セル２０の一端から接続導体７にわたって線状に形成されている。これにより、光電変換層３の光電変換により生じた電流を第２の電極層６を介して集電電極９に集電し、これを接続導体７を介して隣接する光電変換セル２０に良好に導電することができる。よって、集電電極９が設けられていることにより、第２電極層６を薄くしても光電変換層３で発生した電流を効率よく取り出すことができる。その結果、発電効率を高めることができる。

集電電極９は光電変換層３への光を遮るのを抑制するとともに良好な導電性を有するという観点からは、５０〜４００μｍの幅を有するのが好ましい。また、集電電極９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９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をパターン状に印刷し、これを硬化することによって形成することができる。

好ましくは、集電電極９は、半田を含むことが好ましい。これにより、曲げ応力に対する耐性を高めることができるとともに、抵抗をより低下させることができる。より好ましくは、融点の異なる金属を２種以上含み、少なくとも１種の金属を溶融させ、他の少なくとも１種の金属は溶融しない温度で加熱して硬化したものがよい。これにより、低い融点の金属が溶融して集電電極９を緻密化し、抵抗を下げることができるとともに、加熱して硬化させる際に溶融した金属が広がろうとするのを高い融点の金属によって抑制することができる。

集電電極９は、平面視して光電変換層３の外周端部まで達するように設けられていることが好ましい。このような構成により、集電電極９が光電変換層３の外周部を保護し、光電変換層３の外周部での欠けを抑制して光電変換層９の外周部においても光電変換を良好に行うことができる。また、この光電変換層３の外周部で発生した電流を外周端部まで達する集電電極９によって効率よく取り出すことができる。その結果、発電効率を高めることができる。

このように光電変換層３の外周端部に達する集電電極９によって光電変換層３の外周部を保護することができるため、第１の電極層２と集電電極９との間に設けられた部材の合計厚みを小さくすることができる。よって、部材の削減をすることができるとともにこれらの作製工程も短縮化することができる。好ましくは、第１の電極層２と集電電極９との間に設けられた部材の合計厚み（図３の例では、光吸収層４とバッファ層５と第２の電極層６との合計厚み）を１．５６〜２．７μｍと薄くするのがよい。具体的には、図３の例では、光吸収層４の厚みを１．５〜２．０μｍ、バッファ層５の厚みを０．０１〜０．２μｍ、第２の電極層６の厚みを０．０５〜０．５μｍとすればよい。

また、好ましくは、集電電極９が達している光電変換層３の外周端部において、集電電極９の端面、第２の電極層６の端面および光電変換層３の端面が面一になっていることが好ましい。これにより、光電変換層３の外周端部で光電変換した電流を良好に取り出すことができる。なお、集電電極９が平面視して光電変換層３の外周端部まで達しているというのは、集電電極９が完全に光電変換層３の最も外側の外周端部まで達していることが好ましいが、それに限定されない。すなわち、光電変換層３の外周端部を基点として欠けが進行するのを有効に抑制して、欠けを抑制するという観点からは、光電変換層３の最も外側の外周端部と集電電極９の端部との距離が１０００μｍ以下の場合も含む。

次に、本発明の実施の形態の他の例である光電変換セル２２およびそれを用いた光電変換モジュール２３について説明する。図３は光電変換セル２２および光電変換モジュール２３の断面図である。図１、図２の光電変換セル２０および光電変換モジュール２１と同じ構成のものには同じ符号を付している。

光電変換セル２２は、第２の電極層６’の表面に凹凸を有している点で光電変換セル２０と異なっている。これにより、光反射ロス防止効果および光散乱効果を高めることができる。その結果、光電変換セル２２の変換効率を高めることができる。第２電極層６’の表面は、光電変換セル２２の変換効率を高めるという観点からは、その表面の凹凸の算術平均粗さ（Ｒａ）が１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であるのがよい。このような表面は、第２電極層６’の表面をエッチングすることによって、形成することができる。

次に、本発明の実施の形態の他の例である光電変換セル２４およびそれを用いた光電変換モジュール２５について説明する。図４は光電変換セル２４および光電変換モジュール２５の断面図である。図１、図２の光電変換セル２０および光電変換モジュール２１と同じ構成のものには同じ符号を付している。

光電変換セル２４は、表面に凹凸を有するバッファ層５’と、バッファ層５’の凹凸に追従した表面形状を有する第２の電極層６''とを有している点で光電変換セル２０と異なっている。これにより、光反射ロス防止効果および光散乱効果を高めることができる。その結果、光電変換セル２４の変換効率を高めることができる。さらに集電電極９との第２の電極層６''との密着性も向上することができ、光電変換セル２４の耐久性を向上することができる。

バッファ層５’および第２電極層６''の表面は、光電変換セル２４の変換効率を高めるという観点からは、その表面の凹凸の算術平均粗さが１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であるのがよい。このような表面は、バッファ層５’をＣＢＤ法で形成することによって、形成することができる。

本発明の光電変換セルについて、以下のようにして評価した。

表面に、Ｍｏから成る第１の電極層２と、ＣＩＧＳから成る光吸収層４が形成された基板１を用意した。この光吸収層４上に塩化インジウムおよびチオアセトアミドを溶解させ塩酸を加えた水溶液からのＣＢＤ法によって、ＩｎＳ系（Ｉｎ_２Ｓ_３、Ｉｎ_２Ｏ_３およびＩｎ（ＯＨ）_３から成り、ＩｎとＳとＯの元素比がそれぞれ５４ atomic％、３８ atomic％、８ atomic％である）バッファ層５を形成した。さらにこのバッファ層５上に、スパッタリング法により、ＩＴＯから成る第２の電極層６を形成し、サンプル１としての光電変換セル２０を作成した。

比較例１として、上記ＩｎＳ系バッファ層５に変えて、ＺｎＳ系バッファ層としたものを作成した。ＺｎＳから成るバッファ層は酢酸亜鉛およびチオ尿素を溶解さアンモニア水を加えた水溶液からのＣＢＤ法によって形成した。ＺｎＳ系バッファ層はＺｎＳ、ＺｎＯおよびＺｎ（ＯＨ）_２から成り、ＺｎとＳとＯの元素比がそれぞれ５２ atomic％、２０ atomic％、２８ atomic％であった。第２の電極層は上記サンプル１と同様、ＩＴＯを用いた。

また、比較例２として、サンプル１と同様、光吸収層にＣＩＧＳ、バッファ層にＩｎＳ系を用い、第２の電極層６にスパッタリング法で形成したＺｎＯ：Ａｌを用いた光電変換セルを作成した。この時、比較例２のＺｎＯ：Ａｌとサンプル１のＩＴＯの導電率を同等レベルのものとした。

これらの光電変換セルの変換効率維持率の推移を図５に示す。横軸に高温高湿環境（温度：９０℃、湿度：９５％）下での経過時間、縦軸に変換効率の維持率を示す。ＺｎＳ系とＩＴＯを組み合わせた比較例１としての光電変換セルでは高温高湿環境下での経過時間０．５時間において、変換効率は初期効率に対して２０％程度になり、性能が極端に悪くなることがわかる。また、比較例２としてのＺｎＯ：Ａｌで作製した光電変換セルについても、高温高湿環境下での経過時間０．５時間において、変換効率は初期に対して９３％、経過時間４時間において、変換効率は初期効率に対して７０％程度になり、性能が極端に悪くなることがわかった。

一方、本発明のサンプル１としてのＩｎＳ系とＩＴＯを組み合わせた光電変換セルでは高温高湿環境下での経過時間４時間においても変換効率の維持率は１００％であり、性能を維持することができており、耐久性が大幅に増大していることが示された。

なお、本発明は上述の実施の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を施すことは何等差し支えない。例えば、光電変換セル２０，２２，２４の上側にガラス板などの保護部材あるいはレンズ機能を有する集光部材を設けてもよい。さらにこのような保護部材または集光部材と光電変換セル２０，２２，２４との間に透明封止材を充填して光電変換セル２０，２２，２４を保護してもよい。

１：基板
２：第１の電極層
３：光電変換層
４：光吸収層
５：バッファ層
６、６’、６''：第２の電極層
７：接続導体
８：第３の電極層
９：集電電極
２０、２２、２４：光電変換セル
２１、２３、２５：光電変換モジュール

Claims (5)

1. 第１の電極層と、
   該第１の電極層の一方側に設けられた光吸収層と、
   該光吸収層の一方側に設けられたIII-VI族化合物を含むバッファ層と、
   該バッファ層の一方側に設けられたIII-VI族化合物を含む第２の電極層と、
   を具備することを特徴とする光電変換セル。
2. 前記第２の電極層の一方側に設けられた集電電極をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の光電変換セル。
3. 前記バッファ層がインジウムを含み、前記第２の電極層が酸化インジウムを含むことを特徴とする請求項１または請求項２記載の光電変換セル。
4. 前記光吸収層はカルコパイライト系の材料を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光電変換セル。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の光電変換セルを複数有し、隣接する前記光電変換セルを電気的に接続したことを特徴とする光電変換モジュール。

Images