(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下に本発明の一実施形態に係る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。なお、図面においては同様な構成および機能を有する部分については同じ符号が付されており、下記説明では重複説明が省略される。また、図面は模式的に示されたものであり、各図における各種構造のサイズおよび位置関係等は正確に図示されたものではない。また、
図1〜
図9には、後述する光電変換セルの配列方向をX軸とする右手系のXYZ座標が付してある。まず、光電変換モジュールの一部である光電変換部について説明する。
【0013】
<光電変換部の構成>
図1は、光電変換部11の要部拡大斜視図であり、
図2はそのXZ断面図である。光電変換部11は、第1基板1の主面上においてX軸方向に沿って並ぶように設けられた、複数の光電変換セル10の集合体である。光電変換セル10は、下部電極層2と、第1の導電型を有する第1の半導体層3と、第1の導電型とは異なる第2の導電型を有する第2の半導体層4と、上部電極層5とが順に積層されている。例えば、第1の導電型がp型であれば第2の導電型はn型であり、その逆の関係であってもよい。これら第1の半導体層3と第2の半導体層4とで電荷を良好に分離可能な光電変換層が形成される。
【0014】
光電変換部11は、隣接する一方の光電変換セル10の上部電極層5と他方の光電変換セル10の下部電極層2とが接続導体6を介して電気的に接続されている。このような構成により、隣接する光電変換セル10同士が直列接続されている。そして、光電変換部11の端部において、直列接続された光電変換セル10の一方の電極と電気的に接続された接続用電極2aが設けられており、この接続用電極2aに光電変換部11の外部と電気的な接続を行なうための配線導体13aが接続される。同様に、光電変換部11の反対側の端部において、直列接続された光電変換セル10の他方の電極と電気的に接続された接続用電極2bが設けられており、この接続用電極2bに光電変換部11の外部と電気的な接続を行なうための配線導体13bが接続される。
【0015】
なお、
図1、
図2では、図示の都合上、2つの光電変換セル10のみが示されているが、実際の光電変換部11には、図面のX軸方向、或いは更に図面のY軸方向に、多数の光電変換セル10が平面的に(二次元的に)配列されている。
【0016】
第1基板1は、対向する第1主面と第2主面とを有する平板状であり、第1主面上で光
電変換部を支持している。第1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。第1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)が用いられてもよい。
【0017】
下部電極層2(下部電極層2a〜2d)は、第1基板1上に設けられた、Mo、Al、TiまたはAu等の導電体である。下部電極層2は、スパッタリング法または蒸着法などの公知の薄膜形成手法を用いて、0.2μm〜1μm程度の厚みに形成される。
【0018】
第1の半導体層3は第1の導電型を有する半導体層である。第1の半導体層3は、例えば1μm〜3μm程度の厚みを有する。第1の半導体層3の材料としては特に限定されず、化合物半導体薄膜やアモルファスシリコン薄膜のような薄膜半導体層が用いられ得る。比較的高い光電変換効率を有するという観点で、第1の半導体層3として、例えば、I−III−VI族化合物、I−II−IV−VI族化合物、II−VI族化合物等が用いられてもよい。
【0019】
I−III−VI族化合物とは、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)との化合物である。I−III−VI族化合物としては、例えば、CuInSe
2(二セレン化銅インジウム、CISともいう)、Cu(In,Ga)Se
2(二セレン化銅インジウム・ガリウム、CIGSともいう)、Cu(In,Ga)(Se,S)
2(二セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム、CIGSSともいう)等が挙げられる。あるいは、第1の半導体層3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にて構成されていてもよい。I−III−VI族化合物は光吸収係数が比較的高く、第1の半導体層3が薄くても良好な光電変換効率が得られる。
【0020】
I−II−IV−VI族化合物とは、I−B族元素とII−B族元素(12族元素ともいう)とIV−B族元素(14族元素ともいう)とVI−B族元素との化合物半導体である。I−II−IV−VI族化合物としては、例えば、Cu
2ZnSnS
4(CZTSともいう)、Cu
2ZnSnS
4−xSe
x(CZTSSeともいう。なお、xは0より大きく4より小さい数である。)、およびCu
2ZnSnSe
4(CZTSeともいう)等が挙げられる。
【0021】
II−VI族化合物とは、II−B族元素とVI−B族元素との化合物半導体である。II−VI族化合物としてはCdTe等が挙げられる。
【0022】
第2の半導体層4は、第1の半導体層3とは異なる第2導電型を有する半導体層である。第2の半導体層4は、第1の半導体層3とは異なる材料が第1の半導体層3上に積層されたものであってもよく、あるいは第1の半導体層3の表面部が他の元素のドーピングによって改質されたものであってもよい。
【0023】
第2の半導体層4としては、CdS、ZnS、ZnO、In
2S
3、In
2Se
3、In(OH,S)、(Zn,In)(Se,OH)、および(Zn,Mg)O等が挙げられる。この場合、第2の半導体層4は、例えばケミカルバスデポジション(CBD)法等で10〜200nmの厚みで形成される。なお、In(OH,S)とは、InとOHとSとを主に含む化合物をいう。(Zn,In)(Se,OH)は、ZnとInとSeとOHとを主に含む化合物をいう。(Zn,Mg)Oは、ZnとMgとOとを主に含む化合物をいう。
【0024】
図1、
図2のように、第2の半導体層4上にさらに上部電極層5が設けられていてもよい。上部電極層5は、第2の半導体層4よりも抵抗率の低い層であり、第1の半導体層3および第2の半導体層4で生じたキャリアが良好に取り出される。光電変換効率をより高めるという観点からは、上部電極層5の抵抗率が1Ω・cm未満でシート抵抗が50Ω/
□以下であってもよい。
【0025】
上部電極層5は、例えばITO、ZnO等の0.05〜3μmの透明導電膜である。透光性および導電性を高めるため、上部電極層5は第2の半導体層4と同じ導電型の半導体で構成されてもよい。上部電極層5は、スパッタリング法、蒸着法または化学的気相成長(CVD)法等で形成され得る。
【0026】
また、
図1、
図2に示すように、上部電極層5上にさらに集電電極7が形成されていてもよい。集電電極7は、第1の半導体層3および第2の半導体層4で生じたキャリアをさらに良好に取り出すためのものである。集電電極7は、例えば、
図1に示すように、光電変換セル10の一端から接続導体6にかけて線状に形成されている。これにより、第1の半導体層3および第4の半導体層4で生じた電流が上部電極層5を介して集電電極7に集電され、接続導体6を介して隣接する光電変換セル10に良好に導電される。
【0027】
集電電極7は、第1の半導体層3への光透過率を高めるとともに良好な導電性を有するという観点から、50〜400μmの幅を有していてもよい。また、集電電極7は、枝分かれした複数の分岐部を有していてもよい。
【0028】
集電電極7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がパターン状に印刷され、これが硬化されることによって形成される。
【0029】
図1、
図2において、接続導体6は、第1の半導体層3、第2の半導体層4および第2の電極層5を貫通(分断)する溝内に設けられた導体である。接続導体6は、金属や導電ペースト等が用いられ得る。
図1、
図2においては、集電電極7を延伸して接続導体6が形成されているが、これに限定されない。例えば、上部電極層5が延伸したものであってもよい。
【0030】
<光電変換モジュールの構成>
次に光電変換モジュールについて詳細に説明する。
図3は一実施形態に係る光電変換モジュール200の全体を示す斜視図であり、
図4はその断面図である。また、
図5は第2基板を除いた状態で上面視した光電変換モジュール200の平面図である。
【0031】
光電変換モジュール200は、
図3、
図4に示すように、第1基板1上に透光性の封止材20およびシール材21を介して透光性の第2基板12を具備している。また、
図5に示すように、封止材20は、第1基板の第1主面の中央部上で光電変換部11を封止している。さらに、シール材21は、封止材20の外側面を覆うとともに、第1基板の第1主面の外縁部上で配線導体13aおよび配線導体13bを封止している。
【0032】
このような構成により、光電変換モジュール200の耐湿信頼性が向上する。つまり、従来の光電変換モジュールは、水分が配線導体と封止材との界面を伝って光電変換部11へと浸入し、この浸入した水分によって光電変換部11が劣化しやすくなる傾向がある。これに対し、上記実施形態の光電変換モジュール200では、水分の浸入経路となりやすい配線導体13a、13bがシール材21で良好に封止されているため、水分の光電変換部11への浸入が大いに低減される。特に、配線導体13aと接続用電極2aとの接続部、および配線導体13bと接続用電極2bとの接続部がシール材21で封止されていることによって、配線導体13a、13bと接続用電極2a、2bとの接続信頼性がより高くなる。
【0033】
封止材20は、光電変換セル10を保護するためのものであり、光電変換セル10上から第1基板1上にかけて設けられている。また、封止材20は、光電変換部11の光電変
換に用いられる光に対して透光性を有している。このような封止材20としては、例えばエチレンビニルアセテート共重合体(EVA)を主成分とする樹脂やポリビニルブチラールを主成分とする樹脂等が挙げられる。
【0034】
シール材21は、封止材20の周囲を取り囲むように、封止材20の外周面に密着して設けられている。シール材21は、水分が光電変換セル10内へ浸入するのを低減するためのものであり、封止材20よりも透湿性の低い部材が用いられる。このようなシール材21としては、ポリエチレン等の樹脂、またはブチルゴムやエチレンプロピレンゴム等のゴムよりなる弾性体、もしくは上述した樹脂とゴムの混合物等が用いられ得る。
【0035】
また、シール材21として、高分子材料に吸着材が分散されたものが用いられても良い。このような吸着材としては、水分を化学吸着する性質を有するものが用いられても良く、あるいは水分を物理吸着する性質を有するものが用いられても良い。水分を化学吸着する吸着材は、水分と化学反応を伴って、化学吸着する性質を有するものであり、例えば、酸化カルシウム(CaO)、酸化ナトリウム(Na
2O)、酸化マグネシウム(MgO)、塩化カルシウム(CaCl
2)、硫酸ナトリウム無水塩(Na
2SO
4)、硫酸銅無水塩(CuSO
4)または硫酸カルシウム(CaSO
4)等がある。また、水分を物理吸着する吸着材は、吸着剤の表面と水分との間に発生するファンデルワールス力により水分を吸着するものであり、例えば、ゼオライトなどのモレキュラーシーブ、シリカゲル(SiO
2・nH
2O)、アルミナ、アロフェンまたは活性炭等の多孔質表面を持つ無機物質等がある。
【0036】
また、封止材20の膨張および収縮をより拘束して封止信頼性をより高めるという観点からは、シール材21の熱膨張係数が封止材20の熱膨張係数よりも小さくてもよい。例えば、シール材21の線膨張係数が封止材20の線膨張係数の0.05〜0.9倍であっ
てもよい。
【0037】
配線導体13a、13bは、光電変換部11上の接続用電極部2a、2bに、それぞれ電気的に接続されている。また、配線導体13a、13bの他方の端部は、
図3に示されるように、第1基板1を上下方向に貫通する孔1aを介して裏面(第2主面)に導出され、光電変換モジュール200の第2主面に配置された端子ボックスに接続されている。そして、この端子ボックスを介して、光電変換モジュール200で発電した電力が外部回路に出力されることとなる。なお、配線導体13a、13bの第1基板1の第2主面への導出は、
図3のような孔1aを介した構成に限定されず、第1基板1の側面を経て第2主面に導出された構成であってもよい。
【0038】
配線導体13a、13bは、例えば、厚さ0.1〜0.5mm程度、幅が1〜7mm程度の銅(Cu)などの金属箔が用いられる。また。この金属箔の表面には、接続用電極部2a、2bとの電気的な接続を良好にすべく、錫、ニッケル、アルミニウムまたは半田などがめっき等によってコーティングされていてもよい。
【0039】
第1基板1が
図5に示すような長方形状等の四角形状である場合、配線導体13aは、第1基板1の4つの辺のうちの1つの辺(
図5の+Y側の辺を第1辺とする)に沿った第1部位13−1aと、第1辺に隣接する辺(
図5の+X側の辺を第2辺とする)に沿った第2部位13−2aとを有していてもよい。同様に、配線導体13bは、四角形状の4つの辺のうちの1つの辺(第1辺)に沿った第1部位13−1bと、第1辺に隣接する辺(
図5の−X側の辺を第4辺とする)に沿った第2部位13−2bとを有していてもよい。この場合、第1辺および第2辺、または、第1辺および第4辺からシール材21内に浸透した水分が光電変換部11側へさらに浸透しようとするのを、金属から成る配線導体13aまたは配線導体13bで有効に低減でき、より耐湿信頼性が向上する。
【0040】
<光電変換モジュールの第1変形例>
次に、本発明の光電変換モジュールの変形例について説明する。
図6は光電変換モジュールの第1変形例を示す断面図である。
図6に示される光電変換モジュール300において、上述した
図5に示される光電変換モジュール200と同様な構成および機能を有する部分については
図5と同じ符号が付されている。光電変換モジュール300では、配線導体33aは、第1辺(
図6の+Y側の辺を第1辺とする)に沿った第1部位33−1aおよび第2辺(
図6の+X側の辺を第2辺とする)に沿った第2部位33−2aに加え、さらに第2辺に隣接する辺(
図6の−Y側の辺を第3辺とする)に沿った第3部位33−3aを有している。同様に、配線導体33bは、第1辺に沿った第1部位33−1bおよび第4辺(
図6の−X側の辺を第4辺とする)に沿った第2部位33−2aに加え、さらに第4辺に隣接する第3辺に沿った第3部位33−3bを有している。
【0041】
このような構成により、第1辺〜第4辺からシール材21内に浸透した水分が光電変換部11側へさらに浸透しようとするのを、金属から成る配線導体33aまたは配線導体33bでより有効に低減でき、さらに耐湿信頼性が向上する。
【0042】
<光電変換モジュールの第2変形例>
図7は光電変換モジュールの第2変形例を示す断面図である。
図7に示される光電変換モジュール400において、上述した
図5に示される光電変換モジュール200と同様な構成および機能を有する部分については
図5と同じ符号が付されている。光電変換モジュール400は、配線導体43aが第1辺(
図7の+Y側の辺を第1辺とする)に沿った第1部位43−1aおよび第2辺(
図7の+X側の辺を第2辺とする)に沿った第2部位43−2aを有しており、第1部位43−1aおよび第2部位43−2aの接続部43−12aの近傍において、第1部位43−1aおよび第2部位43−2aは他の部位よりも太くなっている。同様に、配線導体43bが第1辺に沿った第1部位43−1bおよび第4辺(
図7の−X側の辺を第4辺とする)に沿った第2部位43−2bを有しており、第1部位43−1bおよび第2部位43−2bの接続部43−12bの近傍において、第1部位43−1bおよび第2部位43−2bは他の部位よりも太くなっている。
【0043】
このような構成により、熱膨張等によって応力が集中しやすい矩形状の接続部43−12aまたは接続部43−12bにおいて、シール材21との密着面積が高くなる。その結果、シール材21と配線導体43a、43bとの界面で剥離が生じて水分の浸入経路となるのをより有効に低減できる。
【0044】
<光電変換モジュールの第3変形例>
図8は光電変換モジュールの第3変形例を示す断面図である。
図8に示される光電変換モジュール500において、上述した
図5に示される光電変換モジュール200と同様な構成および機能を有する部分については
図5と同じ符号が付されている。光電変換モジュール500は、配線導体53aが第1辺(
図8の+Y側の辺を第1辺とする)に沿った第1部位53−1aおよび第2辺(
図8の+X側の辺を第2辺とする)に沿った第2部位53−2aに加えて第3辺(
図8の−Y側の辺を第3辺とする)に沿った第3部位53−3aを有しており、第2部位53−2aおよび第3部位53−3aの接続部53−23aの近傍において、第2部位53−2aおよび第3部位53−3aは他の部位よりも太くなっている。同様に、配線導体53bが第1辺に沿った第1部位53−1bおよび第4辺(
図8の−X側の辺を第4辺とする)に沿った第2部位53−2bに加えて第3辺に沿った第3部位53−3bを有しており、第2部位53−2bおよび第3部位53−3bの接続部53−23bの近傍において、第2部位53−2bおよび第3部位53−3bは他の部位よりも太くなっている。
【0045】
このような構成により、熱膨張等によって応力が集中しやすい矩形状の接続部53−23aまたは接続部53−23bにおいて、シール材21との密着面積が高くなる。その結果、シール材21と配線導体53a、53bと界面で剥離が生じて水分の浸入経路となるのをより有効に低減できる。
【0046】
また、光電変換モジュール500は、
図8に示されるように、さらに、配線導体53aが第1部位53−1aおよび第2部位53−2aの接続部53−12aの近傍において、第1部位53−1aおよび第2部位53−2aが他の部位よりも太くなっていてもよい。同様に、配線導体53bが第1部位53−1bおよび第2部位53−2bの接続部53−12bの近傍において、第1部位53−1bおよび第2部位53−2bが他の部位よりも太くなっていてもよい。これにより、接続部53−23aまたは接続部53−23bにおいても、シール材21との密着面積が高くなり、光電変換部11への水分の浸入をより低減できる。
【0047】
<光電変換モジュールの第4変形例>
図9は光電変換モジュールの第4変形例を示す断面図である。
図9に示される光電変換モジュール600において、上述した
図5に示される光電変換モジュール200と同様な構成および機能を有する部分については
図5と同じ符号が付されている。光電変換モジュール600は、第1基板1の第1主面の外縁部にさらに線状の金属部材60が、光電変換部11の外周に沿って配されているとともに、シール材21が金属部材60も封止している。このような構成により、外部からシール材21内に浸透した水分が光電変換部11側へさらに浸透しようとするのを、金属部材60で有効に低減でき、より耐湿信頼性が向上する。なお、金属部材60としては、例えば、銅やアルミニウム等が用いられ得る。
【0048】
なお、本発明は上述の実施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が施されることは何等差し支えない。例えば、上記光電変換モジュール200、300、400、500、600のいずれにおいても、配線導体13a、13b、33a、33b、43a、43b、53a、53bは、分岐部を有していてもよい。分岐部によって配線導体が並列に配された場合、シール材21中に浸透した水分が光電変換部11側へさらに浸透するのをより有効に低減できる。