JP2014146749A

JP2014146749A - 光電変換装置

Info

Publication number: JP2014146749A
Application number: JP2013015602A
Authority: JP
Inventors: Keita Kurosu; 敬太黒須; Junji Aranami; 順次荒浪
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-01-30
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2014-08-14

Abstract

【課題】取出電極と半導体層の表面および側面との密着性を向上すること。
【解決手段】基板と、該基板上に配置された電極層と、該電極層上に配置された光電変換層と、前記電極層上に配置された、前記光電変換層に沿って延設されている帯状の半導体層と、該半導体層上から両側面を経て前記電極層上にかけて配置された取出電極と、前記光電変換層、前記半導体層および前記取出電極を覆う樹脂層とを有すること。
【選択図】図２

Description

本発明は光電変換素子に関する。

従来、例えば薄膜型光電変換装置においては、図４のように、基板１０２上に電極層１０３、光電変換層１０４、受光面側電極部１１１がこの順に配置されている。

そして、取出電極１０６は電極層１０３上に直接半田接合等で配置され、取出電極１０６の端部は基板１０２の裏面側へ導出されている。

そして、全体を樹脂層１０７および封止材１１０で封止することによって、光電変換装置１００としていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−９６７７４号公報

しかしながら従来の製造プロセスにおいては、電極層１０３の表面には酸化膜が形成されるために、取出電極１０６と電極層１０３との密着性が悪くなる場合があった。

また、樹脂層１０７と電極層１０３とは、そもそも密着性が悪い。

そのため、光電変換装置１００が設置される環境の温度変化による樹脂層１０７の収縮とともに、取出電極１０６が樹脂層１０３に引っ張られることによって、電極層１０３から取出電極１０６が次第に剥がれてしまい、直列抵抗が増加して光電変換効率が低下してしまう場合があった。

本発明の一実施形態に係る光電変換装置は、基板と、該基板上に配置された電極層と、該電極層上に配置された光電変換層と、前記電極層上に配置された、前記光電変換層に沿って延設されている帯状の半導体層と、該半導体層上から両側面を経て前記電極層上にかけて配置された取出電極と、前記光電変換層、前記半導体層および前記取出電極を覆う樹脂層と、を有する。

本発明によれば、取出電極と半導体層の表面との高い密着力によって、取出電極と電極層との接続を良好に維持し、信頼性の高い光電変換装置を得ることができる。

本発明の光電変換装置の縁部近傍における一実施形態の平面模式図の一部である。図１の光電変換装置のａ−ａ断面の模式図である。他の例としての光電変換装置における半導体層と取出電極との界面付近での断面の拡大模式図である。従来の光電変換装置の縁部近傍における断面模式図である。

＜光電変換装置の基本的な構成＞
以下、本発明の一実施形態の光電変換装置を図１および図２を用いて説明する。

（基板）
基板２は、光電変換層４を支持するものである。基板２に含まれる主な材料としては、例えば、ガラス、セラミックス、樹脂および金属等が採用され得る。

（電極層）
電極層３は、基板２の一主面（上面とも言う）の上に配されている導電層である。電極層３に含まれる主な材料としては、例えば、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔｉ、ＴａおよびＡｕ等の導電性を有する各種金属等が採用され得る。また、電極層３の厚さは、例えば、０．２μｍ以上で且つ１μｍ以下程度であれば良い。

形成方法としては、電極層３は、例えば、スパッタリング法または蒸着法等によって形成され得る。

（光電変換層）
光電変換層４は、電極層３の上に配され、第１半導体層（不図示）と第２半導体層（不図示）とを備え、この順に電極層３の上に積層されている。

第１半導体層は、第１導電型を有する半導体を主に含んでおり、光を吸収して電荷を生じる。ここで、第１導電型を有する半導体としては、例えば、カルコパイライト系の化合物半導体であるＩ−III−VI族化合物半導体等が適用され得る。なお、第１導電型は、例
えばｐ型の導電型であれば良い。I−III−VI族化合物半導体とは、Ｉ−III−VI族化合物
を主に含む半導体である。なお、Ｉ−III−VI族化合物を主に含む半導体とは、半導体が
Ｉ−III−VI族化合物を７０ｍｏｌ％以上含むことを言う。以下の記載においても、「主
に含む」は「７０ｍｏｌ％以上含む」ことを意味する。Ｉ−III−VI族化合物は、Ｉ−Ｂ
族元素（１１族元素とも言う）とIII−Ｂ族元素（１３族元素とも言う）とVI−Ｂ族元素
（１６族元素とも言う）とを主に含む化合物である。I−III−VI族化合物としては、例えば、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２（ＣＩＧＳとも言う）、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）_２（ＣＩＧＳＳとも言う）、およびＣｕＩｎＳｅ_２（ＣＩＳとも言う）等が採用され得る。なお、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２は、ＣｕとＩｎとＧａとＳｅとを主に含む化合物である。また、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）_２は、ＣｕとＩｎとＧａとＳｅとＳとを主に含む化合物である。ここでは、第１半導体層が、ＣＩＧＳを主に含む。なお、第１半導体層がＩ−III−VI族化合物半導体を主に含んでいれば、第１半導体層の厚さが１０μｍ以
下であっても、第１半導体層による光電変換の効率が高めら得る。このため、第１半導体層の厚さは、例えば、１μｍ以上で且つ３μｍ以下程度であれば良い。

形成方法としては、第１半導体層は、スパッタリング法または蒸着法等といった真空プロセスによって形成され得る。また、第１半導体層は、塗布法あるいは印刷法と称されるプロセスによっても形成され得る。塗布法あるいは印刷法では、例えば、第１半導体層に主に含まれる金属元素を含む溶液が下部電極の上に塗布され、その後、乾燥および熱処理が行われる。

第２半導体層は、第１半導体層の一主面（上面とも言う）の上に配されており、第１半導体層の第１導電型とは異なる第２導電型を有する半導体を主に含む。ここで、導電型が異なる半導体とは、伝導担体（キャリア）が異なる半導体である。そして、第２導電型は、例えばｎ型の導電型であれば良い。なお、第１半導体層の導電型がｎ型であり、第２半
導体層の導電型がｐ型であっても良い。ここでは、第１半導体層と第２半導体層との間にヘテロ接合領域が形成されている。このため、光電変換素子では、ヘテロ接合領域を形成する第１半導体層と第２半導体層とにおいて光電変換が生じ得る。第２半導体層は、化合物半導体を主に含む。第２半導体層に含まれる化合物半導体としては、例えば、ＣｄＳ、Ｉｎ_２Ｓ_３、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｓｅ_３、Ｉｎ（ＯＨ，Ｓ）、（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓｅ，ＯＨ）および（Ｚｎ，Ｍｇ）Ｏ等が採用され得る。そして、第２半導体層が１Ω・ｃｍ以上の抵抗率を有していれば、リーク電流の発生が低減され得る。

形成方法としては、第２半導体層は、例えば、化学浴槽堆積（ＣＢＤ）法等によって形成され得る。また、第２半導体層の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上で且つ２００ｎｍ以下程度であれば良い。第２半導体層の厚さが１００ｎｍ以上で且つ２００ｎｍ以下であれば、第２半導体層の上に受光面側電極部の透明電極がスパッタリング法等で形成される際に、第２半導体層においてダメージが生じ難い。

（受光部側電極部）
受光面側電極部１１は、光電変換層４の一主面（上面とも言う）の上に配されている。そして、受光面側電極部１１は、透明電極１１ａと複数の集電電極１１ｂとを備え、この順に光電変換層４上に積み重ねられている。

透明電極１１ａは、光電変換層４の一主面（上面とも言う）の上に配されている。透明電極１１ａは、例えば、ｎ型の導電型を有する透明の導電層である。透明電極１１ａは、光電変換層４で生じた電荷を取り出す電極である。透明電極１１ａは、第２半導体層よりも低い抵抗率を有する材料を主に含んでいれば良い。透明電極１１ａには、いわゆる窓層と呼ばれるものが含まれても良い。透明電極１１ａは、禁制帯幅が広く且つ透明で低抵抗の材料を主に含んでいる。このような材料としては、例えば、ＺｎＯ、ＺｎＯの化合物、Ｓｎが含まれたＩＴＯおよびＳｎＯ_２等の金属酸化物半導体等が採用され得る。ＺｎＯの化合物は、Ａｌ、Ｂ、Ｇａ、ＩｎおよびＦのうちの何れか１つの元素等が含まれたものであれば良い。

形成方法としては、透明電極１１ａは、スパッタリング法、蒸着法または化学的気相成長（ＣＶＤ）法等によって形成され得る。透明電極１１ａの厚さは、例えば、０．０８μｍ以上で且つ２．０μｍ以下程度であれば良い。ここで、透明電極１１ａが、１Ω・ｃｍ未満の抵抗率と、５０Ω／□以下のシート抵抗とを有していれば、透明電極１１ａを介して光電変換層４から電荷が良好に取り出され得る。

複数の集電電極１１ｂは、透明電極１１ａの一主面（以下、上面とも言う）の上に配されている。複数の集電電極１１ｂは、光電変換層４において発生して透明電極１１ａにおいて取り出された電荷を集電する役割を担う。複数の集電電極１１ｂが配されていることで、透明電極１１ａにおける導電性が補われる。

形成方法としては、複数の集電電極１１ｂは、例えば、導電性ペーストが透明電極１１ａの上面の上に塗布された後に乾燥されて該導電性ペーストが固化されることで形成され得る。導電性ペーストは、例えば、透光性を有する樹脂等のバインダーに光反射率が高く且つ導電性を有する金属フィラーなどの粒子が添加されることで作製され得る。この場合、集電電極に導電性を有する多数の粒子が含まれており、この多数の粒子が相互に接触し合うことで、集電電極１１ｂにおける良好な導電性が確保され得る。

（半導体層）
ここでいう半導体層５とは、半導体材料からなるものであればよいが、例えば、受光部側電極部１１や光電変換層４の外縁部の近傍をレーザーやエッチングによってトリミング
することによって、一部を分離して得られた部位でもよい。あるいは、別途、形成されて設けられたものであってもよい。

（取出電極）
取出電極６は、光電変換層４で得られた出力を受光面側電極部１１の透明電極１１ａ、集電電極１１ｂを介して取り出し、外部に導く機能を有している。このような取出電極６としては、例えば厚み０．３〜２．０ｍｍ程度の銅、銀およびアルミニウム等を含む金属箔を用いることができる。

取出電極６は、予め半田がコーティングされていてもよい。例えば、Ｓｎ−Ｐｂ系の共晶半田が用いられる場合、加熱温度は１８０℃以上で且つ２００℃以下であれば良い。また、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のＰｂフリー半田が用いられる場合、加熱温度は２００℃以上で且つ２２０℃以下であれば良い。

取出電極６は、基板２に設けられた貫通孔１２を介して基板２の裏面側に導出され、端子ボックス（不図示）まで延びている。貫通孔１２は、基板２にレーザーを用いて直径が３〜５ｍｍ程度に形成する。

（封止材）
封止材１０は、基板２を平面視して、光電変換層４および樹脂層７を取り囲むように配置されている。封止材１０は、光電変換層４側に入ってくる異物の浸入を低減する機能を有している。このような異物の中には、外部から浸入する水分も含まれる。また、封止材１０は、樹脂層７と接触するように配置されている。それゆえ、外部からの応力に対して略均一な剛性を維持することができる。

形成する方法としては基板２の外周側部分に、光電変換層４を取り囲むように、封止材１０の前駆体を塗布する。この塗布は、封止材１０の前駆体をディスペンサーなどの吐出装置に充填し、吐出口から所定量の前駆体を吐出して所定の領域に塗布すればよい。このとき、封止材１０の前駆体は、基板２の外周側に２〜８ｍｍ程度の幅で設ければよい。

（樹脂層）
樹脂層７は、主として光電変換層４を保護する機能を有しており、光電変換層４を覆うように配置されている。このような樹脂層７としては、例えば共重合したエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）を主成分とする樹脂が挙げられる。なお、ＥＶＡには、樹脂の架橋を促進すべく、トリアリルイソシアヌレート等の架橋剤が含まれていてもよい。

形成する方法としては、光電変換層４上に、ＥＶＡなどの樹脂層７を載置する。次いで、５０〜１５０Ｐａ程度の減圧下で１００〜２００℃程度の温度で１５〜６０分間程度加熱しながら加圧して一体化する。

以下、本発明の光電変換装置の一実施形態について図３を用いて詳細に説明する。

＜光電変換装置＞
本発明の第１実施形態によれば、基板２と、該基板２上に配置された電極層３と、該電極層３上に配置された光電変換層４と、前記電極層３上に配置された、前記光電変換層４に沿って延設されている帯状の半導体層５と、該半導体層５上から両側面を経て前記電極層３上にかけて配置された取出電極６と、前記光電変換層４、前記半導体層５および前記取出電極６を覆う樹脂層７と、を有する。

これにより、光電変換装置１が設置される環境の温度変化によって樹脂層７が収縮して
も、取出電極６と半導体層５とが密着していることで、取出電極６が電極層３から剥離することを低減できる。

そして、取出電極６は、半導体層５の両側面に沿った、電極層３上のそれぞれの部位に直接接合されているので直列抵抗が低く、信頼性の高い光電変換装置１を得ることができる。

（光電変換装置の第２の例）
上記光電変換装置１において、図３に示すように、前記半導体層５は複数の層からなり、前記取出電極６が半田で被覆されているとともに該半田の一部が前記層の間８に侵入していてもよい。

これにより、光電変換装置１が設置される環境の温度変化により樹脂層７が収縮しても、半田によって取出電極６と半導体層５とが半導体層５の側面部分で強固に密着しているので、取出電極６が電極層３から剥離することを低減できる。

（光電変換装置の第３の例）
上記光電変換装置１において、図３に示すように、前記半導体層５は複数の開気孔９を有しており、前記取出電極６が半田で被覆されているとともに該半田の一部が前記開気孔９に侵入していてもよい。

これにより、光電変換装置１が設置される環境の温度変化により樹脂層７が収縮しても、半田によって取出電極６と半導体層５とが半導体層５の表面で強固に密着しているので、取出電極６が電極層３から剥離することを低減できる。

（光電変換装置の第４の例）
上記光電変換装置１において、図３に示すように、前記半導体層５は複数の層８からなり、前記取出電極６の一部が前記層の間８に侵入している。

これにより、光電変換装置１が設置される環境の温度変化により樹脂層７が収縮しても、取出電極６が溶着して層の間８に侵入することによって、取出電極６と半導体層５とが半導体層５の側面で強固に密着しているので、取出電極６が電極層３から剥離することを低減できる。

（光電変換装置の第５の例）
上記光電変換装置１において、図３に示すように、前記半導体層５は複数の開気孔９を有しており、前記取出電極６の一部が前記開気孔９に侵入している。
これにより、光電変換装置１が設置される環境の温度変化により樹脂層７が収縮しても、取出電極６と半導体層５とが取出電極６の溶着によって、半導体層５の表面で強固に密着しているので、取出電極６が電極層３から剥離することを低減できる。

＜製造方法＞
特に本発明の光電変換装置の製造方法の一実施形態において、半導体層５と取出電極６との接合方法については、以下のような方法がある。

例えば、第１の方法としては、取出電極６の導線部分として銅線を用い、ニッケルアルミニウム皮膜を銅線全体に形成し、これに超音波半田を用いて仮半田を施しておいて、その後に本半田を施して半導体層５と取出電極６とを接合する。

これにより、取出電極６の形状の制約が少ない条件で、取出電極６を半導体層５に接合
できる。

また例えば、第２の方法として、取出電極６の導線部分としてアルミニウムを用い、超音波溶接でこれを溶着させることによって、半導体層５と取出電極６とを接合する。

これにより、半田溶接のような光電変換素子に対する加熱を回避して、光電変換効率の低下を低減することができる。

１：光電変換装置
２：基板
３：電極層
４：光電変換層
５：半導体層
６：取出電極
７：樹脂層
８：層の間
９：開気孔
１０：封止材
１１：受光面側電極部
１１ａ：透明電極
１１ｂ:集電電極
１２：貫通孔
１００：光電変換装置
１０２：基板
１０３：電極層
１０４：光電変換層
１０６：取出電極
１０７：樹脂層
１１０：封止材
１１１：受光面側電極部

Claims

基板と、
該基板上に配置された電極層と、
該電極層上に配置された光電変換層と、
前記電極層上に配置された、前記光電変換層に沿って延設されている帯状の半導体層と、該半導体層上から両側面を経て前記電極層上にかけて配置された取出電極と、
前記光電変換層、前記半導体層および前記取出電極を覆う樹脂層と
を有する光電変換装置。
前記半導体層は複数の層からなり、前記取出電極が半田で被覆されているとともに該半田の一部が前記層の間に侵入している、請求項１記載の光電変換装置。
前記半導体層は複数の開気孔を有しており、前記取出電極が半田で被覆されているとともに該半田の一部が前記開気孔に侵入している、請求項１記載の光電変換装置。
前記半導体層は複数の層からなり、前記取出電極の一部が前記層の間に侵入している、請求項１〜３のいずれかに記載の光電変換装置。
前記半導体層は複数の開気孔を有しており、前記取出電極の一部が前記開気孔に侵入している、請求項１〜３のいずれかに記載の光電変換装置。