JP2011103425A - Photoelectric converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の光電変換セルが集積された光電変換装置に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion device in which a plurality of photoelectric conversion cells are integrated.
太陽光発電等に使用される光電変換装置は、様々な種類のものがあるが、CIS系(銅インジウムセレナイド系)に代表されるカルコパイライト系光電変換装置は比較的低コストで太陽電池モジュールの大面積化が容易なことから、研究開発が進められている。 There are various types of photoelectric conversion devices used for photovoltaic power generation and the like, but chalcopyrite photoelectric conversion devices represented by CIS (copper indium selenide) are relatively low cost solar cell modules. R & D is being promoted because it is easy to increase the area.
このカルコパイライト系光電変換装置は、光吸収層として二セレン化銅インジウムガリウム(CIGS)等のカルコゲン化合物半導体層(カルコパイライト系化合物半導体層)を備え、バッファ層として硫化カドミウム等の混晶化合物半導体を備えている。 This chalcopyrite photoelectric conversion device includes a chalcogen compound semiconductor layer (chalcopyrite compound semiconductor layer) such as copper indium gallium selenide (CIGS) as a light absorption layer, and a mixed crystal compound semiconductor such as cadmium sulfide as a buffer layer. It has.
カルコパイライト系光電変換装置の代表的なCIGSセルの従来の集積化素子製造方法は、まず青板ガラス上にモリブデンなどの金属をスパッタ成膜し下部電極を形成する。次にこの下部電極を短冊状に分離するようにレーザースクライブ加工等で溝を形成する。そして、この上に光吸収層とバッファ層を形成した後、上記下部電極の溝のすぐ横の位置でバッファ層と光吸収層を分離する溝を形成する。さらにこの上に上部電極を作製してから、上部電極とバッファ層と光吸収層を分離することによって光電変換装置となる。 In a conventional integrated element manufacturing method of a typical CIGS cell of a chalcopyrite photoelectric conversion device, a lower electrode is first formed by sputtering a metal such as molybdenum on a blue plate glass. Next, grooves are formed by laser scribing or the like so that the lower electrode is separated into strips. Then, after forming a light absorption layer and a buffer layer thereon, a groove for separating the buffer layer and the light absorption layer is formed at a position immediately next to the groove of the lower electrode. Further, after an upper electrode is formed thereon, a photoelectric conversion device is obtained by separating the upper electrode, the buffer layer, and the light absorption layer.
上記光電変換装置では、下部電極の溝部において、受光時の電荷発生にともなって光吸収層の抵抗率が低下し、下部電極間においてリーク電流が生じやすくなる。その結果、光電変換装置の光電変換効率が低下する傾向がある。一方、このようなリーク電流を抑制するために、溝の幅を大きくしようとすると、発電に寄与しない領域の面積が増加し、この場合も光電変換効率を高めることが困難となる。 In the photoelectric conversion device, in the groove portion of the lower electrode, the resistivity of the light absorption layer is reduced due to the generation of charges during light reception, and a leak current is likely to occur between the lower electrodes. As a result, the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion device tends to decrease. On the other hand, if an attempt is made to increase the width of the groove in order to suppress such a leakage current, the area of a region that does not contribute to power generation increases, and in this case as well, it is difficult to increase the photoelectric conversion efficiency.
本発明はこのような問題に鑑みなされたものであり、その目的は光電変換効率の高い光電変換装置を提供することにある。 This invention is made | formed in view of such a problem, The objective is to provide a photoelectric conversion apparatus with high photoelectric conversion efficiency.
本発明の光電変換装置に係る一実施形態は、基板と、前記基板上に設けられ、第1の溝によって分割された複数の下部電極と、前記複数の下部電極上および前記第1の溝内に設けられ、前記下部電極上で貫通した第2の溝を有する光電変換層と、前記光電変換層上に設けられた上部電極と、前記第2の溝内に設けられ、前記上部電極と前記下部電極とを電気的に接続する接続導体と、前記上部電極を平面視して前記第1の溝を覆うように前記上部電極上に設けられた遮光層と、を具備することを特徴とする。 One embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention includes a substrate, a plurality of lower electrodes provided on the substrate and divided by a first groove, the plurality of lower electrodes, and in the first groove. A photoelectric conversion layer having a second groove penetrating on the lower electrode, an upper electrode provided on the photoelectric conversion layer, provided in the second groove, and the upper electrode and the A connection conductor that electrically connects the lower electrode; and a light shielding layer provided on the upper electrode so as to cover the first groove when the upper electrode is viewed in plan. .
このような構成により、第1の溝付近に設けられた光電変換層の受光による抵抗率の低下を抑制することができる。よって、第1の溝の幅、すなわち下部電極間の間隔を小さくしてもリーク電流を抑制しながら光電変換に寄与する領域を大きくすることができ、光電変換効率の高い光電変換装置とすることができる。 With such a configuration, it is possible to suppress a decrease in resistivity due to light reception of the photoelectric conversion layer provided in the vicinity of the first groove. Therefore, even if the width of the first groove, that is, the interval between the lower electrodes is reduced, a region contributing to photoelectric conversion can be increased while suppressing leakage current, and a photoelectric conversion device having high photoelectric conversion efficiency can be obtained. Can do.
上記光電変換装置において好ましくは、前記遮光層は導電性であり前記接続導体に電気的に接続されている。このような構成により、遮光層が光電変換層で生じた電荷を接続導体へ良好に電荷移動させることができ、光電変換効率をより高めることができる。 In the photoelectric conversion device, preferably, the light shielding layer is conductive and electrically connected to the connection conductor. With such a configuration, the charge generated in the photoelectric conversion layer by the light shielding layer can be favorably transferred to the connection conductor, and the photoelectric conversion efficiency can be further increased.
上記光電変換装置において好ましくは、前記上部電極上に集電電極が設けられており、該集電電極が前記遮光層に電気的に接続されている。このような構成により、光電変換層で生じた電荷の接続導体への電荷移動をより良好にすることができる。 In the photoelectric conversion device, preferably, a collecting electrode is provided on the upper electrode, and the collecting electrode is electrically connected to the light shielding layer. With such a configuration, it is possible to improve charge transfer of charges generated in the photoelectric conversion layer to the connection conductor.
上記光電変換装置において好ましくは、前記集電電極、前記遮光層および前記接続導体が導電ペーストで一体的に形成されている。このような構成により、集電電極、遮光層および接続導体を容易に形成できるとともに電気的接続信頼性を高めることができる。 In the photoelectric conversion device, preferably, the current collecting electrode, the light shielding layer, and the connection conductor are integrally formed of a conductive paste. With such a configuration, the current collecting electrode, the light shielding layer, and the connection conductor can be easily formed and the electrical connection reliability can be increased.
本発明によれば、リーク電流を抑制して光電変換効率の高い光電変換装置とすることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can be set as a photoelectric conversion apparatus with a high photoelectric conversion efficiency by suppressing leak current.
図1は本発明に係る光電変換装置の構造の一例を示す斜視図であり、図2はその平面図である。また、図3は、図1、図2の光電変換装置の切断面線A−Aで切断した断面図であり、図4は、切断面線B−Bで切断した断面図である。 FIG. 1 is a perspective view showing an example of the structure of a photoelectric conversion device according to the present invention, and FIG. 2 is a plan view thereof. 3 is a cross-sectional view taken along the cutting plane line AA of the photoelectric conversion device of FIGS. 1 and 2, and FIG. 4 is a cross-sectional view cut along the cutting plane line BB.
光電変換装置21は、基板1と、下部電極2と、光電変換層5と、上部電極6と、接続導体7と、遮光層8とを含んで構成される。本実施形態において光電変換層5は、カルコパイライト系化合物半導体を用いた光電変換体として公知の構造である、光吸収層3とこれにヘテロ接合されたバッファ層4とを具備する例を示しているが、これに限定されない。光電変換層5は、下部電極2側からバッファ層4および光吸収層3を積層したものであってもよく、異なる導電型の半導体層がホモ接合されたものであってもよい。また、上部電極6は半導体層から成るものも含み、いわゆる窓層と呼ばれるものも含む。
The
図1〜4において、光電変換セル20が複数並べて形成され、光電変換装置21を構成している。そして、光電変換セル20は、光吸収層3およびバッファ層4をまたがるように設けられた接続導体7によって、上部電極6と、隣接する光電変換セル20の下部電極2が延出された部位とが電気的に接続されている。この構成により、隣接する光電変換セル20同士が直列接続されている。なお、一つの光電変換セル20内において、接続導体7は光吸収層3およびバッファ層4をまたがるように設けられており、上部電極6と下部電極2とで挟まれた光吸収層3とバッファ層4とで光電変換が行なわれる。
1 to 4, a plurality of
基板1は、光吸収層3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、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。
The substrate 1 is for supporting the
下部電極2は、モリブデン(Mo)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)または金(Au)等の金属またはこれらの金属積層構造体が用いられる。下部電極2は、基板1上にスパッタリング法または蒸着法等で厚さ0.2〜1μm程度に形成される。下部電極2は第1の溝P1を介して複数のものが並んで設けられている。
The
光吸収層3は、例えば、I-III-VI化合物半導体やII-VI化合物半導体がある。I-III-VI化合物半導体とは、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)との化合物半導体であり、カルコパイライト構造を有し、カルコパイライト系化合物半導体と呼ばれる(CIS系化合物半導体ともいう)。II-VI化合物半導体とは、II-B族(12族元素ともいう)とVI-B族元素との化合物半導体である。光電変換効率を高めるという観点からは、カルコパイライト系化合物半導体であるI-III-VI化合物半導体を用いることが好ましい。
Examples of the
I-III-VI化合物半導体としては、例えば、二セレン化銅インジウム(CuInSe2)、二セレン化銅インジウム・ガリウム(Cu(In,Ga)Se2)、二セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム(Cu(In,Ga)(Se,S)2)、二イオウ化銅インジウム・ガリウム(Cu(In,Ga)S2)又は薄膜の二セレン・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がある。 As the I-III-VI compound semiconductor, for example, copper indium diselenide (CuInSe 2 ), copper indium diselenide / gallium (Cu (In, Ga) Se 2 ), diselen selenide / copper indium / gallium (gallium ( Cu (In, Ga) (Se, S) 2 ), copper indium gallium disulfide (Cu (In, Ga) S 2 ), or a thin film of selenium disulfide, copper indium gallium indium gallium as a surface layer. There are multi-element compound semiconductor thin films such as copper indium selenide and gallium.
光吸収層3は、p形の導電形を有する厚さ1〜3μm程度の薄膜で、光吸収層3がI-III-VI化合物半導体から成る場合、その表面にヘテロ接合を形成するためのバッファ層4を有することが好ましい。バッファ層4としては、硫化カドミウム(CdS)、硫化インジウム(InS)、硫化亜鉛(ZnS)等の化合物半導体がある。
The
上部電極6は、いわゆる窓層と呼ばれるものを含み、n形の導電形を有する禁制帯幅が広く且つ透明で低抵抗の厚さ1〜2μm程度の酸化亜鉛(ZnO)やアルミニウムやボロン、ガリウム、インジウム、フッ素などを含んだ酸化亜鉛との化合物、錫を含んだ酸化インジウム(ITO)や酸化錫(SnO2)などからなる金属酸化物半導体薄膜である。窓層は光電変換装置21を構成する一方の電極として見なすことができるため、本実施形態では上部電極6とみなしている。このような窓層に加えてさらに透明導電膜を形成してもよく、窓層と透明導電膜を合わせて上部電極6と見なしてもよい。
The
接続導体7は、光吸収層3およびバッファ層4を貫通して、上部電極6と下部電極2とを電気的に接続する導体である。接続導体7は、光吸収層3およびバッファ層4を貫通する第2の溝P2内に形成された導体であり、例えば、蒸着やスパッタ等で形成した金属膜や導電ペーストを固化したもの等から成る。なお、固化というのは、導電ペーストに用いるバインダーが熱可塑性樹脂である場合の熔融後の固化状態を含み、バインダーが熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂等の硬化性樹脂である場合の硬化後の状態をも含む。接続信頼性を高めるという観点からは、Ag等の金属粉を樹脂バインダー等に分散させた導電ペーストを用いることが好ましい。
The
上部電極6上には遮光層8が形成されている。遮光層8は上部電極6を平面視したときに上記第1の溝P1を覆うように設けられている。これにより、第1の溝P1付近に設けられた光電変換層5に光が照射されるのを抑制し、第1の溝P1付近に設けられた光吸収層3の受光による抵抗率の低下を抑制することができる。よって、第1の溝P1の幅、すなわち下部電極2間の間隔を小さくしてもリーク電流を抑制しながら光電変換に寄与する領域を大きくすることができ、光電変換効率の高い光電変換装置21とすることができる。
A light shielding layer 8 is formed on the
遮光層8は、第1の溝P1付近に設けられた光電変換層5の受光による抵抗率の低下を良好に抑制するという観点からは、上部電極6を平面視したときに第1の溝P1の幅の50%以上を覆うように設けられていることが好ましい。より好ましくは80%以上覆うのがよい。
From the viewpoint of satisfactorily suppressing a decrease in resistivity due to light reception of the
遮光層8は、光電変換層5の光電変換を行なうことのできる波長領域の光を遮光するものであればどのような材料でもよい。なお、上記遮光とは、光を完全に遮るものでなくとも一部の光を遮るものであればよい。好ましくは、光電変換層5の光電変換を行なうことのできる波長領域の光を照射したときに、透過率が50%以下、より好ましくは30%以下であるのがよい。
The light shielding layer 8 may be any material as long as it shields light in a wavelength region where the photoelectric conversion of the
遮光層8の材料は特に限定されず、有機材料、無機材料およびこれらの複合体のいずれでもよく、例えば、黒色のエポキシ樹脂や、金属粉等を含む導電ペースト等が挙げられる。好ましくは、遮光層8は導電性であり、接続導体7に電気的に接続されているのがよい。このような構成により、遮光層8が光電変換層5で生じた電荷を接続導体7へ良好に電荷移動させることができ、光電変換効率をより高めることができる。このような遮光層8および接続導体7は、例えば、金属粉等の導体をバインダーに分散させた導電ペーストを用いて同時に塗布形成することにより形成される。このように導電ペーストで同時に塗布形成することにより、工程を簡略化できる。
The material of the light shielding layer 8 is not particularly limited, and may be any of an organic material, an inorganic material, and a composite thereof. Examples thereof include a black epoxy resin and a conductive paste containing a metal powder. Preferably, the light shielding layer 8 is electrically conductive and is electrically connected to the
また、遮光層8は、第1の溝P1の直上だけに限らず、光電変換装置21の受光面に対する斜めからの光入射を考慮し、第1の溝P1よりも外側に延在されていてもよい。
Further, the light shielding layer 8 is not limited to the position directly above the first groove P1, and is extended outward from the first groove P1 in consideration of oblique light incidence on the light receiving surface of the
上部電極6上には、集電電極9を設けてもよい。集電電極9は、例えば、図1、図2に示すように、光電変換セル20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、光電変換層5の光電変換により生じた電荷を、上部電極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、上部電極6を薄くしても光電変換層5で発生した電荷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。
A collecting
集電電極9は光吸収層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。
The
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導電ペーストをパターン状に印刷し、これを乾燥し、固化することによって形成することができる。
The
好ましくは、遮光層8は導電性であり、遮光層8が接続導体7および集電電極9に電気的に接続されているのがよい。このような構成により、光電変換層5で生じた電荷の接続導体7への電荷移動をより良好にすることができる。このような集電電極9、遮光層8および接続導体7は、導電ペーストで一体的に形成されているのがよい。このような構成により、集電電極9、遮光層8および接続導体7を容易に形成できるとともに電気的接続信頼性を高めることができる。
Preferably, the light shielding layer 8 is conductive, and the light shielding layer 8 is electrically connected to the
また、遮光層8は、光電変換層5の光電変換を行なうことのできる波長領域の光を反射するものが好ましい。このような構成により、光電変換装置21の受光面(遮光層8が形成されている側の主面)に、エチレンビニルアセテート樹脂等の封止材を介してガラス基板等の保護部材を設けてモジュール化した際、遮光層8の表面で反射した光を、光電変換装置21と封止材との界面、あるいは封止材とガラス基板との界面で再度反射させ、光電変換層5上に入射させることにより、光入射量を増加させ、光電変換効率をより高めることが可能となる。このような遮光層8は、例えば、アルミニウムなどの光反射率の高い金属を蒸着法などにより、遮光層8の表面に形成することにより形成できる。
Moreover, the light shielding layer 8 preferably reflects light in a wavelength region where the photoelectric conversion of the
光電変換装置21の作製について、図5に工程ごとの断面図で示す。まず、図5(a)に示すように、洗浄した基板1の略全面に下部電極2をスパッタ法などを用いて成膜し、成膜したこの下部電極2をYAGレーザーなどを用いて第1の溝P1を形成して下部電極2をパターニングする。
Production of the
その後、図5(b)に示すように、このパターンを形成した下部電極2上に光吸収層3をスパッタ法や蒸着法、印刷法などを用いて成膜する。その後、図5(c)に示すように、光吸収層3上にバッファ層4を溶液成長法(CBD法)などを用いて成膜する。さらに、バッファ層4上に上部電極6を、スパッタ法や有機金属気相成長法(MOCVD法)などを用いて成膜する。
Thereafter, as shown in FIG. 5B, the
その後、図5(d)に示すように、光吸収層3とバッファ層4と上部電極6とを、メカニカルスクライビングして第2の溝P2および第3の溝P3を形成することによりパターニングする。第2の溝P2は、例えば、下部電極2に設けられた第1の溝P1より0.1〜1.0mm程度離間して設けられる。また、第3の溝P3は、第2の溝P2から0.1〜1.0mm程度離間して設けられる。このように光吸収層3の形成後、バッファ層4および上部電極6を続けて形成し、その後、第2の溝P2を形成すると、バッファ層4が良好な状態で上部電極6が形成されることとなり、バッファ層4と上部電極6との電気的な接続を良好にすることができる。その結果、光電変換効率を高めることができる。すなわち、バッファ層4を形成後、第2の溝P2の形成を行い、その後、上部電極6を形成すると、第2の溝P2の形成時に、メカニカルスクライビングで発生する削りカスなどでバッファ層4の表面の汚染などが生じ、バッファ層4表面が劣化しやすくなるが、上記のようにバッファ層4の形成に続けて上部電極6を形成することにより、劣化を抑制できる。
Then, as shown in FIG.5 (d), the
この第2の溝P2および第3の溝P3の幅は、例えば、40〜1000μm程度である。このような幅の第2の溝P2および第3の溝P3は、40〜50μm程度のスクライブ幅のスクライブ針を用いてピッチをずらしながら連続して数回にわたりスクライブすることにより、あるいは、スクライブ針の先端形状を所定の幅に広げスクライブすることにより、あるいは、2本以上のスクライブ針を当接又は近接した状態で固定し、1回〜数回のスクライブを行うことにより形成可能である。 The width of the second groove P2 and the third groove P3 is, for example, about 40 to 1000 μm. The second groove P2 and the third groove P3 having such a width are scribed by continuously scribing several times while shifting the pitch using a scribe needle having a scribe width of about 40 to 50 μm, or a scribe needle It can be formed by expanding the tip shape to a predetermined width or by scribing once or several times with two or more scribing needles fixed in contact or close to each other.
その後、図5(e)に示すように、上部電極6上および第2の溝P2内に、銀ペーストなどの導電ペーストを印刷することにより集電電極9、遮光層8(図示せず)および接続導体7を形成する。
After that, as shown in FIG. 5 (e), a conductive paste such as a silver paste is printed on the
このようにして、裏面側から基板1、下部電極2、光吸収層3、バッファ層4、上部電極6、遮光層8の順に積層した構造の単位セルである光電変換セル20が構成される。そして、光電変換装置21は、この光電変換セル20が複数、電気的に接続され集積化された構造を有している。
Thus, the
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。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1;基板
2;下部電極
3;光吸収層
4;バッファ層
5;光電変換層
6;上部電極
7;接続導体
8;遮光層
9;集電電極
21;光電変換装置
P1;第1の溝
P2;第2の溝
P3;第3の溝
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1;
Claims (4)
前記基板上に設けられ、第1の溝によって分割された複数の下部電極と、
前記複数の下部電極上および前記第1の溝内に設けられ、前記下部電極上で貫通した第2の溝を有する光電変換層と、
前記光電変換層上に設けられた上部電極と、
前記第2の溝内に設けられ、前記上部電極と前記下部電極とを電気的に接続する接続導体と、
前記上部電極を平面視して前記第1の溝を覆うように前記上部電極上に設けられた遮光層と、
を具備することを特徴とする光電変換装置。 A substrate,
A plurality of lower electrodes provided on the substrate and divided by a first groove;
A photoelectric conversion layer provided on the plurality of lower electrodes and in the first groove, and having a second groove penetrating on the lower electrode;
An upper electrode provided on the photoelectric conversion layer;
A connection conductor provided in the second groove and electrically connecting the upper electrode and the lower electrode;
A light shielding layer provided on the upper electrode so as to cover the first groove in plan view of the upper electrode;
A photoelectric conversion device comprising:
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