JP2012094748A

JP2012094748A - 光電変換装置

Info

Publication number: JP2012094748A
Application number: JP2010242025A
Authority: JP
Inventors: Yukari Hashimoto; 由佳理橋本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2012-05-17

Abstract

【課題】カルコパイライト系の半導体層に基板中のＮａを容易に導入して、光電変換効率の高い光電変換装置を提供する。
【解決手段】Ｎａを含む基板１と、一方向に互いに間隔をあけて基板１の一主面上に配置された複数の電極２と、該電極２上に配置された、カルコパイライト系の半導体層を含む光吸収層３とを備え、電極２は、光吸収層３側から基板１側に貫通する貫通孔８を有しており、光吸収層３は、貫通孔８を通って基板１に接触している。
【選択図】図１

Description

本発明は光電変換装置に関する。

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。

このカルコパイライト系光電変換装置は通常、基板としてソーダライムガラス（以下、ＳＬＧと略する）が用いられ、その上に下部電極としてモリブデン（Ｍｏ）薄膜が形成され、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の半導体層）と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。

このような系光電変換装置においては、ＳＬＧに高濃度で含まれるナトリウム（Ｎａ）が、カルコゲン化合物半導体層に拡散することによりカルコゲン化合物の結晶粒の成長促進とキャリア濃度の増加により、光電変換効率の向上に有効であることが知られている。それゆえ、このような光電変換装置では、下部電極の膜厚、膜質を改善することによりＮａの拡散量を制御することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−４７９１７号公報

この特許文献１に記載された方法では、下部電極を第１のＭｏ電極層と第２のＭｏ電極層に分けて、第１のＭｏ電極層ではＭｏをＳＬＧ基板との密着性を確保できる条件下で成膜し、第２のＭｏ電極層ではＭｏのスパッタリングの成膜圧力を調整して作製している。そのため、上記方法では、下部電極の成膜の条件が煩雑になり、効率良くＮａをカルコパイライト系の半導体層に拡散させることが困難であった。

本発明はこのような問題に鑑みなされたものであり、その目的はカルコパイライト系の半導体層に基板中のＮａを容易に導入して、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。

本発明の一実施形態に係る光電変換装置では、Ｎａを含む基板と、一方向に互いに間隔をあけて前記基板の一主面上に配置された複数の電極と、該電極上に配置された、カルコパイライト系の半導体層を含む光吸収層とを備えている。そして、本実施形態において、前記電極は、前記光吸収層側から前記基板側に貫通する貫通孔を有しており、前記光吸収層は、前記貫通孔を通って前記基板に接触している。

本発明の一実施形態によれば、光吸収層側から基板側に貫通する貫通孔を下部電極に設けているため、この貫通孔より光吸収層へのＮａを容易に拡散させることができる。その結果、本発明の一実施形態によれば、光電変換効率を高めることができる。

本発明の光電変換装置の実施形態の一例を示す斜視図である。図１の光電変換装置の断面図である。（ａ）は、図１の光電変換装置の貫通孔近傍の構造を示す拡大断面図である。（ｂ）は貫通孔の配置の一例を示す下部電極の拡大平面図である（ａ）（ｂ）は本発明の光電変換装置の他の実施形態に係る貫通孔の一例を示す下部電極の拡大平面図である本発明の光電変換装置の他の実施形態に係る貫通孔の近傍の構造を示す拡大断面図である。（ａ）〜（ｆ）は本発明の光電変換装置の製造方法の一例を示す断面図である。

本発明の光電変換装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、図面には、光電変換セル１０の配列方向（図１の図面視左右方向）をＸ軸とする右手系のＸＹＺ座標が付しているものがある。本発明の一実施形態に係る光電変換装置２０は、図１に示すように、光電変換セル１０が複数並べて形成されている。この光電変換セル１０は、基板１と、複数の電極（以下、下部電極２とする）と、光吸収層３と、バッファ層４と、上部電極５と、集電電極６と、接続電極７とを備えている。

なお、本実施形態において光電変換に寄与する光電変換層は、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。光電変換層は、少なくとも下部電極２側の部位がカルコパイライト系の半導体（カルコゲン化合物半導体ともいう）を含んでいればよい。よって、光電変換層は下部電極２側からカルコゲン化合物半導体を含むバッファ層４および光吸収層３を積層したものであってもよく、一方で、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５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。

光電変換セル１０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５と、隣接する光電変換セル１０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。換言すれば、接続導体７は、隣り合う光電変換層間で一方の光電変換セル１０の上部電極５と、他方の光電変換セル１０の下部電極２とを電気的に接続している。これにより、隣接する光電変換セル１０同士は、図１中のＸ方向に沿って直列接続されている。なお、一つの光電変換セル１０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５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。

基板１は、光吸収層３等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、ナトリウムを含むガラスやＮａを含んだ各種セラミックス基板（例えばアルミナ基板）などが挙げられる。このような基板１としては、例えば、厚さ１〜３ｍｍ程度のソーダライムガラス（青板ガラス、ＳＬＧ）を用いることができる。

下部電極２は、一方向（図１および図２中のＸ方向）に互いに間隔をあけて基板１の一主面上に配置されている。なお、本実施形態では、図２において、上記間隔に対応する分離溝Ｐ１によって互いに離間した３つの下部電極２が設けられている。このような下部電極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。この下部電極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。

光吸収層３は、下部電極２上に配置されている。そして、光吸収層３は、カルコゲン化合物半導体を含んでいる。カルコゲン化合物半導体とは、カルコゲン元素である硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）またはテルル（Ｔｅ）を含む化合物半導体である。例えば、カルコゲン化合物半導体としては、例えば、Ｉ-III-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。

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（ＣｕＩｎＳｅ_２）、二セレン化銅インジウム・ガリウム（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２）、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）Ｓ_２）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。

また、I-III-VI化合物半導体以外のカルコパイライト系の半導体としては、例えば、Ｃｕ_２ＺｎＳｎＳ_４（ＣＺＴＳ）等がある。

光吸収層３は、例えば、ｐ形の導電形を有する厚さ１〜３μｍ程度の薄膜である。また、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、例えば、硫化カドミウム（ＣｄＳ）や硫化インジウム（ＩｎＳ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）等の混晶化合物半導体がある。

上部電極５は、いわゆる窓層と呼ばれるものを含み、例えば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（ＳｎＯ_２）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５とみなしている。上部電極５は、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い。

接続導体７は、光吸収層３およびバッファ層４を貫通し、隣り合う光電変換セル同士において、一方の光電変換セル１０の上部電極５と他方の光電変換セル１０の下部電極２とを電気的に接続するものである。接続導体７は、上部電極５と同じ材料であってもよく、金属ペーストを固化したものであってもよい。なお、固化というのは、金属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金属ペーストを用いることが好ましい。

上部電極５上には、本実施形態のように集電電極６を設けてもよい。集電電極６は、例えば、図１、図２に示すように、光電変換セル１０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、光吸収層３の光電変換により生じた電荷を、上部電極５を介して集電電極６で集電できる。そして、集電された電荷は、接続導体７を介して隣接する光電変換セル１０に良好に導電される。よって、本実施形態では、上部電極５を薄く
しても光吸収層３で発生した電荷を効率よく取り出すことができる。それゆえ、このような集電電極６は、発電効率の向上に寄与する。

集電電極６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６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６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、これを乾燥し、固化することによって形成することができる。

そして、本実施形態において、下部電極２は、光吸収層３が基板１側に貫通する貫通孔８を有している。そのため、本実施形態において、光吸収層３は、図３（ａ）に示すように、貫通孔８を通って基板１に接触している。それゆえ、本実施形態では、基板１に含有されているＮａが、基板１と接触している光吸収層３を介して導入されて、光吸収層３内に拡散される。その結果、本実施形態では、カルコゲン化合物の結晶粒の成長を促進させるとともに、キャリア濃度を増加させることができるため、光電変換効率を向上させることができる。なお、本実施形態では、貫通孔８内に光吸収層３が充填されているが、基板１と光吸収層３とが部分的に接触していればよい。例えば、貫通孔８の内周面と光吸収層３との間に、隙間が生じていてもよい。このような形態であれば、貫通孔８内に位置する光吸収層３の熱膨張によって生じる応力を緩和できる。一方で、本実施形態のように、貫通孔８に光吸収層３が充填されている場合は、光吸収層３内に拡散させるＮａ量を増やすことができるため、光電変換効率を向上させるという観点から好適である。

この貫通孔８の形状は、特に限定されるものでなく、円柱形状または四角柱形状等であればよい。また、貫通孔８は、下部電極２の抵抗値を過度に大きくしない程度の個数および大きさで設ければよい。貫通孔８が円柱形状の場合、その直径ｄは５〜４０μｍ程度である。また、１つの下部電極２における貫通孔８は、例えば、図３（ｂ）に示すような態様で配置される。この図３（ｂ）において、Ｘ方向またはＹ方向の同軸上に位置する貫通孔８同士は、２Ｔのピッチを空けて設けられている。また、隣り合う列に位置する貫通孔８同士は、Ｘ方向およびＹ方向に２Ｔのピッチを空けて設けられている。このとき、ピッチ２Ｔは、貫通孔８の端部からのＮａの拡散距離を考慮すると、１００〜３００μｍ程度がよい。上記したピッチ２Ｔの大きさであれば、貫通孔８の個数を小さくして下部電極２の抵抗の上昇を抑制しつつ、Ｎａを光吸収層３内に拡散しやすくなる。また、隣り合う列同士に位置する貫通孔８は、Ｘ方向およびＹ方向に上記ピッチの半分の距離Ｔだけずれて配置されている。

次に、貫通孔８の他の形態について説明する。図４（ａ）に示した貫通孔８は、下部電極２を平面視したときにＸ方向に長い形状である。換言すれば、貫通孔８は、下部電極２の配列方向（光電変換セル１０の配列方向）に長い形状である。すなわち、このような形態であれば、貫通孔８の長手方向と、光電流の流れる方向とが略同一になる。そのため、このような形態であれば、光電変換セル１０の直列抵抗成分を過度に大きくなるのを抑制でき、光電変換効率の低下を低減することができる。

また、貫通孔８の他の形態としては、図４（ｂ）に示すように、１つの下部電極２においてＸ方向に複数配列されているものがある。このような形態であれば、図４（ａ）に示した形態と同様に、光電変換効率の低下を低減することができる。この貫通孔８の大きさとしては、例えば、幅が５〜７０μｍ程度、長さが１００〜１０００μｍ程度である。そして、このような大きさを有する貫通孔８が５０〜５００μｍ程度の間隔をあけて設けられている。なお、貫通孔８の幅、長さ、間隔は一定のものである必要は無く、個々の貫通孔８により異なっていても問題ない。

なお、貫通孔８は、例えば、下部電極２の所望の位置にＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザなどのレーザ光を照射することで形成できる。

また、貫通孔８は、例えば、基板１側の開口よりも光吸収層３側の開口の面積が大きい形状であってもよい。すなわち、貫通孔８は、図５に示すように、光吸収層３側の開口の直径ｄ２が、基板側の開口部の直径ｄ１より大きい逆円錐台状である。このような貫通孔８であれば、光吸収層３側の開口が広がっているため、より広範囲にＮａを光吸収層３内に拡散させることができる。なお、このような貫通孔８は、例えば、基板１に下部電極２を形成した後、基板１の反対側（下部電極２の上側）からＹＡＧレーザを照射することにより形成できる。このとき、レーザの出力を貫通孔が形成できる下限に近い出力まで下げることにより、逆円錐台状の貫通孔８が形成される。

次に、光電変換装置の製造方法の一例について図６を用いて説明する。

まず、Ｎａを含有した基板１を用意する。基板１の大きさは、例えば５０ｃｍ×１００ｃｍ程度である。

次に、図６（ａ）に示すように、Ｎａを含有した基板１を洗浄した後、その一主面に下部電極２となるＭｏ層等をスパッタリング法などで成膜する。次いで、この下部電極２にＹＡＧレーザを照射して分割溝Ｐ１を形成してＭｏ層をパターニングして複数の下部電極２を形成する。このパターニング後のＭｏ層の幅は３〜１５ｍｍ程度である。次いで、ＹＡＧレーザなどを用いて下部電極２に貫通孔８を形成する。なお、貫通孔８の形成は、分離溝Ｐ１の形成前に行なってもよいし、分離溝Ｐ１と同時に形成してもよい。

次に、図６（ｂ）に示すように、下部電極２上に光吸収層３をスパッタリング法や蒸着法、印刷法などを用いて成膜する。このとき、例えば、ＣＩＧＳ薄膜により光吸収層３を形成する場合、例えばＣｕ―Ｇａの合金ターゲットを用いてスパッタリングで成膜された金属薄膜上にＩｎターゲットを用いてスパッタリングで金属薄膜を積層し、これらをＨ_２Ｓｅガス等のＳｅ雰囲気下で熱処理してセレン化することにより形成する。このとき、貫通孔８の内部にＣＩＧＳ薄膜が充填される。そして、基板１に含有されているＮａは、この熱処理時に貫通孔８内部に充填されたＣＩＧＳ薄膜（光吸収層３）を介して、ＣＩＧＳ薄膜に拡散する。なお、Ｎａは、この熱処理時だけでなく、光電変換装置の使用環境によって、光電変換装置の使用時にも光吸収層３に拡散する。

次いで、図６（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）などで成膜する。さらに、バッファ層４上に上部電極５を、スパッタリング法や有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などで成膜する。

次に、図６（ｄ）に示すように、光吸収層３とバッファ層４と上部電極５とを、メカニカルスクライビングして分離溝Ｐ２を形成することによりパターニングする。分離溝Ｐ２は、例えば、下部電極２に設けられた分割溝Ｐ１より０．１〜１．０ｍｍ程度離間して設ける。この分離溝Ｐ２の幅は、例えば１００〜１０００μｍ程度に形成する。このような幅の分離溝Ｐ２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して形成できる。また、分離溝Ｐ２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して形成してもよい。また、分離溝Ｐ２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〜数回のスクライブすることにより形成してもよい。

次いで、図６（ｅ）に示すように、上部電極５上および分離溝Ｐ２内に低抵抗化のため銀ペーストなどを印刷することにより集電電極６および接続導体７を形成する。これによ
り分離溝Ｐ２において、接続導体７により上部電極５と隣接する下部電極２に電気的接続を形成できる。

最後に、図６（ｆ）に示すように、光吸収層３、バッファ層４および上部電極５をメカニカルスクライビングでパターニングして分離溝Ｐ３を形成し、直列接続された複数の光電変換セル１０を有する光電変換装置２０を形成する。

また、図６（ｃ）において上部電極５を形成する前にメカニカルスクライビングで分離溝Ｐ２のみ形成した後、上部電極５を形成してもよい。このとき、分離溝Ｐ２内にも上部電極５を形成してこれを接続導体７としてもよい。好ましくは、図６（ｃ）のようにバッファ層４および上部電極５を続けて形成し、その後、分離溝Ｐ２を形成するのがよい。これにより、バッファ層４が良好な状態で上部電極５が形成されることとなり、バッファ層４と上部電極５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、分離溝Ｐ２の形成を行い、その後、上部電極５を形成すると、分離溝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５を形成することにより、劣化を抑制できる。

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５の順に積層した構造の単位セルである光電変換セル１０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１０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。

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。

１：基板
２：下部電極（電極）
３：光吸収層
４：バッファ層
５：上部電極
６：集電電極
７：接続導体
８：貫通孔
１０：光電変換セル
２０：光電変換装置
Ｐ１〜Ｐ３：分離溝

Claims

Ｎａを含む基板と、
一方向に互いに間隔をあけて前記基板の一主面上に配置された複数の電極と、
該電極上に配置された、カルコパイライト系の半導体層を含む光吸収層とを備え、
前記電極は、前記光吸収層側から前記基板側に貫通する貫通孔を有しており、
前記光吸収層は、前記貫通孔を通って前記基板に接触していることを特徴とする光電変換装置。
前記貫通孔は、平面視したときに前記一方向に長い形状であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記貫通孔は、１つの前記電極において前記一方向に複数配列されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記貫通孔は、前記基板側の開口よりも前記光吸収層側の開口の面積が大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか記載の光電変換装置。