JP2016103583A - 光電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 配線導体の高抵抗化を低減し、長期にわたって高い電力を得ることが可能な信頼性の高い光電変換モジュールを提供する。【解決手段】 光電変換モジュール１０１は、一主面を有する基板１と、前記一主面上に配置された光電変換部１１と、前記一主面上または光電変換部１１上に光電変換部１１と電気的に接続するように配置された、一方向に延びる帯状の出力電極８と、出力電極８に電気的に接続されており、基板１に設けられた貫通孔１ａを通ってあるいは基板１の側面を通って基板１の裏面へ導出された帯状の配線導体と、光電変換部１１および配線導体を覆う封止材とを具備している。そして、配線導体は、出力電極８と接続されている第一の配線導体９と基板１の一主面から裏面へ導出されている第二の配線導体１９を有しており、第一の配線導体９の表面部に比べて第二の配線導体１９の表面部は水分による腐食耐性が高い。【選択図】 図１

Description

本発明は光電変換部で発電した電力を取り出すための配線導体を具備する光電変換モジュールに関する。

近年、エネルギー問題や環境問題の深刻化に伴い、光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽光発電が注目を集めている。

この太陽光発電に使用される光電変換モジュールでは、光電変換部から得られた電力を、リード線等の配線導体を介して外部に取り出している。このような光電変換モジュールでは、基板の表面の中央部に半導体層を用いて光電変換部が形成されており、その光電変換部の正極および負極にそれぞれ接続された配線導体が、基板の表面における光電変換部の周辺部で引き回された後、基板の裏面に配置された端子ボックスの内部に導出されている。
（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−０５６２５１号公報

上記特許文献１に示すような光電変換装置は、基板の裏面に引き出された配線導体が、外部の水分によって腐食しやすい傾向がある。その結果、長期間使用していると、配線導体の電気抵抗が高くなって、効率よく電力を取り出すことが困難である。

よって、本発明は、配線導体の高抵抗化を低減し、長期にわたって高い電力を得ることが可能な信頼性の高い光電変換モジュールを提供する。

本発明の一態様に係る光電変換モジュールは、一主面を有する基板と、前記一主面上に配置された光電変換部と、前記一主面上または前記光電変換部上に前記光電変換部と電気的に接続するように配置された、一方向に延びる帯状の出力電極と、該出力電極に電気的に接続されており、前記基板に設けられた貫通孔を通ってまたは前記基板の側面を通って前記基板の裏面へ導出された帯状の配線導体と、前記光電変換部および前記配線導体を覆う封止材とを具備しており、前記配線導体は、前記出力電極と接続されている第一の配線導体と前記一主面から前記裏面へ導出されている第二の配線導体を有しており、前記第一の配線導体の表面部に比べて前記第二の配線導体の表面部は水分による腐食耐性が高いことを特徴とする。

本発明の一態様に係る光電変換モジュールによれば、配線導体の高抵抗化を低減し、長期にわたって高い電力を得ることができる。

第１実施形態に係る光電変換モジュ−ルの封止材を設けていない状態の斜視図である。 図１の光電変換モジュ−ルの平面図である。 図２における第一の配線導体と第二の配線導体との接続部を示す要部拡大図である。 図３のＡ−Ａ線における第一の配線導体と第二の配線導体との接続部の断面図である。 図３のＢ−Ｂ線における第一の配線導体と第二の配線導体との接続部の断面図である。 図１の光電変換モジュールにおける光電変換部の要部を示す断面図である。 図１の光電変換モジュールにおける光電変換部の要部を示す斜視図である。 第２実施形態に係る光電変換モジュ−ルの封止材を設けていない状態の斜視図である。 図８の光電変換モジュ−ルの平面図である。

本発明の一態様に係る光電変換モジュ−ルについて、図面を参照しつつ説明する。なお、各図には、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座標を付している。

＜第１実施形態に係る光電変換モジュール＞
図１〜図７は、配線導体等の構成を見やすくするため、封止材を除いた状態の第１実施形態に係る光電変換モジュール１０１の構成を示している。

光電変換モジュール１０１は、基板１と、光電変換部１１と、出力電極８と、第一の配線導体９と、第二の配線導体１９とを備えている。

基板１は、光電変換部１１を支持する機能を有している。また、基板１の材質としては、は、厚さ１〜３ｍｍ程度の青板ガラス（ソーダライムガラス）または硼珪酸ガラス等が挙げられる。なお、基板１の材質としてはこれに限定されず、他のガラス、セラミックス、樹脂および金属等が用いられてもよい。また、基板１の形状は、例えば矩形状、円形状等の平板状であればよい。

光電変換部１１は、基板１の一主面上に設けられている。光電変換部１１は、発電の出力を高めるという観点から、複数の光電変換セルが互いに電気的に接続され、基板１上で集積化されている。そして、光電変換モジュール１０１を平面視したときの光電変換部１１の全体形状は矩形状である。光電変換部１１の詳細については後述する。

出力電極８は、基板１の一主面上で、一対のものが光電変換部１１の一対の電極にそれぞれ電気的に接続されるように設けられている。図１〜図７の例では、出力電極８が、光電変換部１１の一方の電極に接続された出力電極８Ａと、光電変換部１１の他方の電極に接続された出力電極８Ｂとの一対を有する例を示している。なお、出力電極８は基板１の一主面上における光電変換部１１の外側の部位でなくとも、光電変換部１１の上面上に設けられていてもよい。

出力電極８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合金を含む薄膜であればよい。また、これらの金属が積層されてなる構造体であってもよい。この出力電極８は、例えば、基板１上にスパッタリング法または蒸着法等を利用して、厚さ０．２〜１μｍ程度に形成すればよい。出力電極８は、工程を簡略化するという観点からは、後述する下部電極層２と同じ材料で下部電極層２の作製と同時に作製されてもよい。

第一の配線導体９および第二の配線導体１９は、光電変換部１１で発電された電力を光電変換モジュール１０１の外部に取り出すための導電路として機能する。

第一の配線導体９は、光電変換部１１の第１辺に沿って、この第１辺に平行な第１方向（Ｙ軸方向）に帯状に延びるように配置されている。また、第一の配線導体９は出力電極８に接続されており、これによって光電変換部１１と第一の配線導体９とが電気的に接続されている。なお、光電変換部１１の第１辺とは、図２において矩形状の太線で示されている光電変換部１１の＋Ｘ側および−Ｘ側の辺（Ｙ軸に平行な辺）のことである。図１〜図７の例では、第一の配線導体９が、出力電極８Ａに接続された第一の配線導体９Ａと、出力電極８Ｂに接続された第一の配線導体９Ｂとの１対を有する例を示している。

第二の配線導体１９は、一端が上記第一の配線導体９に接続されており、図１および図２に示すように基板１に設けられた貫通孔１ａを通って、あるいは基板１の側面を通って、他端が基板１の裏面へ導出されている。そして、第二の配線導体１９の表面部は、第一の配線導体９の表面部に比べて水分による腐食耐性が高くなっている。

このような構成によって、基板１の裏面側から貫通孔１ａの近傍に水分が浸入してきたとしても第一の配線導体９および第二の配線導体１９から成る導電路が高抵抗化する（電気抵抗が高くなる）のを低減することができる。その結果、長期にわたって高い電力を得ることができる光電変換モジュール１０１とすることができる。

第二の配線導体１９の表面部が、第一の配線導体９の表面部に比べて水分による腐食耐性が高いというのは、第二の配線導体１９の表面部および第一の配線導体９の表面部を水と接触させた場合に、第二の配線導体１９の表面部の方が、腐食による高抵抗化が起こり難いことをいう。

第一の配線導体９は、出力電極８との電気的な接続を良好にするという観点からは、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等の導電体が用いられる。第一の配線導体９は、厚みが０．３〜２ｍｍ程度、幅が２〜６ｍｍ程度の帯状である。第一の配線導体９は出力電極８に、半田付けや導電性接着剤による接着、超音波溶接等の溶接によって電気的に接続されている。
出力電極８表面から第一の配線導体９表面の高さを低くするという観点からは、第一の配線導体９は出力電極8に溶接によって接続されていてもよい。

第二の配線導体１９は、少なくとも表面部が第一の配線導体９の表面部よりも腐食耐性が高ければよい。つまり、第二の配線導体１９は、全部が第一の配線導体９の表面部よりも腐食耐性の高い材料であってもよく、Ａｇ、Ｃｕ等の導電性の高い本体部の表面に第一の配線導体９の表面部よりも腐食耐性の高い皮膜が被着されたものであってもよい。第二の配線導体１９は、全部が第一の配線導体９の表面部よりも腐食耐性の高い材料である場合、より腐食耐性が高くなり、配線導体の高抵抗化をさらに低減できる。また、第二の配線導体１９は、Ａｇ、Ｃｕ等の導電性の高い本体部の表面に第一の配線導体９の表面部よりも腐食耐性の高い皮膜が被着されたものである場合、電気導電性および腐食性をともにより高めることができる。

第一の配線導体９の表面部がＡｇやＣｕである場合、第二の配線導体１９の少なくとも表面部は、アルミニウム（Ａｌ）等の不動態を形成可能な材料、または白金等のＡｇやＣｕよりもイオン化傾向の低い材料であればよい。第二の配線導体１９は、厚みが０．１〜２ｍｍ程度、幅が２〜６ｍｍ程度の帯状である。

第一の配線導体９と第二の配線導体１９とは、図１〜図５に示すように、出力電極８上で接続されていてもよい。特に、図３〜図５に示すように、第一の配線導体９と第二の配
線導体１９との接続部において、第二の配線導体１９一部は第一の配線導体９の上に位置するとともに第二の配線導体１９の他の一部は出力電極８に、半田付けや導電性接着剤による接着、溶接等によって接続されていてもよい。このような構成である場合、第二の配線導体１９が出力電極８に固定されるため、第一の配線導体９と第二の配線導体１９との接続信頼性がより高くなる。また、第一の配線導体９表面から第二の配線導体１９表面の高さを低くするという観点からは、第一の配線導体９と第二の配線導体１９とは溶接によって接続されていてもよい。

基板１上に設けられた、上記光電変換部１１、出力電極８、第一の配線導体９および第二の配線導体１９は、封止材（図示せず）によって封止されている。封止材としては、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やポリビニルブチラール（ＰＶＢ）を主成分とする樹脂等が挙げられる。

＜光電変換部＞
次に、光電変換部１１について説明する。図６は光電変換モジュール１０１のＹ方向の中央部における光電変換部１１を示す部分断面図であり、図７はその部位の要部斜視図である。なお、図６および図７の構成は、光電変換モジュール１０１に用いられる光電変換部１１の一例を示すものであって、これに限定されるものではない。

光電変換部１１は、下部電極層２と、第１の半導体層３と、第１の半導体層３とは異なる導電型の第２の半導体層４と、上部電極層５と、集電電極６とを備えた光電変換セル１０が複数個、図６のＸ方向に直列接続されて成る。隣接する光電変換セル１０において、一方の光電変換セル１０の上部電極層５が集電電極６および接続導体７を介して隣接する他方の光電変換セル１０の下部電極層２に接続されている。そして、光電変換部１１の一方端部の外側に出力電極８Ａが形成されており、一方端部側の光電変換セル１０の下部電極層２に電気的に接続されている。また、その反対側の光電変換部１１の他方端部の外側にも出力電極８Ｂが形成されており、他方端部側の光電変換セル１０の上部電極層５に電気的に接続されている。

次に、光電変換部１１の各部材について説明する。下部電極層２は、一方向（図６のＸ方向）に互いに間隔をあけて基板１の一主面上に複数配置されている。なお、下部電極３の個数については、図６に示したものに限られない。このような下部電極層２は、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔｉ、ＴａまたはＡｕ等の金属またはこれらの合金を含む薄膜であればよい。また、これらの金属が積層されてなる構造体であってもよい。この下部電極層２は、例えば、基板１上にスパッタリング法または蒸着法等を利用して、厚さ０．２〜１μｍ程度に形成すればよい。

第１の半導体層３は、下部電極層２上に配置されている。第１の半導体層３は、例えば、アモルファスシリコンや化合物半導体等が用いられる。化合物半導体としては、例えば、Ｉ−III−VI化合物やＩ−II−IV−VI族化合物半導体、II−VI族化合物半導体等がある
。

I−III−VI化合物半導体とは、Ｉ−Ｂ族元素（１１族元素ともいう）、III−Ｂ族元素
（１３族元素ともいう）およびVI−Ｂ族元素（１６族元素ともいう）の化合物半導体である。そして、このようなI−III−VI化合物半導体は、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も呼ばれる（ＣＩＳ系化合物半導体ともいう）。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）または薄膜の二セレン・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−II−IV−VI族化合物半導体とは、Ｉ−Ｂ族元素、II−Ｂ族元素（１２族元素ともいう）、IV−Ｂ族元素（１４族元素ともいう）およびVI−Ｂ族元素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等がある。

また、II−VI族化合物半導体とは、II−Ｂ族元素およびVI−Ｂ族元素の化合物半導体である。II−VI族化合物半導体としては、例えば、ＣｄＴｅ等がある。

第１の半導体層３は、例えばスパッタリング法、蒸着法等といった真空プロセスによって形成される。また、第１の半導体層３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る。塗布法あるいは印刷法では、例えば、第１の半導体層３に主として含まれる元素の錯体溶液が下部電極層２の上に塗布され、その後、乾燥および加熱処理が行われる。

第２の半導体層４は、第１の半導体層３の＋Ｚ側の主面の上に、例えば１０〜２００ｎｍの厚さで設けられており、第１の半導体層３の導電型とは異なる導電型を有する半導体を主に含む。なお、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。例えば、第１の半導体層３がｐ型であれば、第２の半導体層４はｎ型であり、その逆であってもよい。また、第１の半導体層３と第２の半導体層４と界面に、ｉ型等の他の半導体層が介在していてもよい。

第２の半導体層４は、第１の半導体層３の表面部に他の元素がドープされて成るものであってもよく、第１の半導体層３とは異なる化合物がヘテロ接合されて成るものであってもよい。

上部電極層５は、第２の半導体層４の＋Ｚ側の主面の上に設けられており、例えば、第２の半導体層４と同じ導電型を有する透光性の導電層である。この上部電極層５は、第１の半導体層３および第２の半導体層４において生じたキャリアを取り出す電極として働く。上部電極層５は、第２の半導体層４よりも低い電気抵抗率を有する材料を主に含む。

上部電極層５は、禁制帯幅が広く且つ透光性で低電気抵抗の材料を主に含んでいる。このような材料としては、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化亜鉛の化合物、錫が含まれた酸化インジウム（ＩＴＯ）および酸化錫（ＳｎＯ_２）等の金属酸化物半導体等が挙げられる。酸化亜鉛の化合物は、アルミニウム、ボロン、ガリウム、インジウムおよびフッ素のうちの何れか１つの元素等が含まれたものである。

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）法等によって形成され得る。上部電極層５の厚さは、例えば、０．０５〜３．０μｍである。ここで、上部電極層５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、上部電極層５を介して第１の半導体層３および第２の半導体層４からキャリアが良好に取り出され得る。

上部電極層５は、その厚みが０．０５〜０．５μｍであれば、透光性導電層６における光透過性が高められると同時に、光電変換によって生じた電流が良好に伝送され得る。さらに、上部電極層５の絶対屈折率と第２の半導体層４の絶対屈折率とが略同一であれば、上部電極層５と第２の半導体層４との界面で光が反射することで生じる入射光のロスが低減され得る。

集電電極６は、上部電極層５の＋Ｚ側の主面（一主面とも言う）の上に、上部電極層５の端部から接続導体７にかけて線状に設けられている。そして、例えば、光電変換セル１０の上部電極層５によって集められたキャリアは、集電電極６によってさらに集められ、接続導体７を介して隣接する光電変換セル１０に伝達され得る。

この集電電極６が設けられることで、上部電極層５における導電性が補われるため、上部電極層５の薄層化が可能となる。これにより、キャリアの取り出し効率の確保と、上部電極層５における光透過性の向上とが両立し得る。なお、集電電極６が、例えば、銀等の導電性が優れた金属を主に含んでいれば、光電変換セル１０における変換効率が向上し得る。なお、集電電極６に含まれる金属としては、例えば銅、アルミニウムおよびニッケル等が挙げられる。

また、集電電極６の幅は、５０〜４００μｍであれば、隣接する光電変換セル１０間における良好な導電が確保されつつ、第１の半導体層３への光の入射量の低下が低減され得る。１つの光電変換セル１０に複数の集電電極６が設けられる場合、該複数の集電電極６の間隔は、例えば、２．５ｍｍ程度であればよい。

接続導体７は、第１の半導体層３および第２の半導体層４を分離する分離溝内に配置されている。この接続導体７は、集電電極６と電気的に接続している。また、接続導体７は、隣の光電変換セル１０から延伸されている下部電極層２に接続している。これにより接続導体７は、隣接する光電変換セル１０のうち、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とを電気的に接続できる。

接続導体７は、集電電極６と同様の材質、方法で作製してもよい。そのため、接続導体７は、集電電極６の形成と同時に行なってもよい。また、接続導体７は、上部電極層５を延伸したものであってもよい。

＜第２実施形態に係る光電変換モジュール＞
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの修正及び変更を加えることができる。上記第１実施形態に係る光電変換モジュール１０１では、第一の配線導体９と第二の配線導体１９とは、出力電極８上で接続された例を示したが、これに限定されない。図８および図９の第２実施形態に係る光電変換モジュール２０１に示すように、第一の配線導体２９と第二の配線導体３９とが、基板１の一主面上における出力電極８の外側の領域にて接続されていてもよい。このような構成であれば、導電性の高い第一の配線導体２９を長くすることができ、光電変換部１１で生じた電力を少ない損失で取り出すことができる。

第一の配線導体２９と第二の配線導体３９とは、半田付けや導電性接着剤による接着、溶接等によって接続されていてもよい。第一の配線導体２９表面から第二の配線導体３９表面の高さを低くするという観点からは、第一の配線導体２９と第二の配線導体３９とは、溶接によって接続されていてもよい。

１０１、２０１：光電変換モジュール
１：基板
１１：光電変換部
８：出力電極
９、２９：第一の配線導体
１９、３９：第二の配線導体

Claims (10)

1. 一主面を有する基板と、
   前記一主面上に配置された光電変換部と、
   前記一主面上または前記光電変換部上に前記光電変換部と電気的に接続するように配置された、一方向に延びる帯状の出力電極と、
   該出力電極に電気的に接続されており、前記基板に設けられた貫通孔を通ってまたは前記基板の側面を通って前記基板の裏面へ導出された帯状の配線導体と、
   前記光電変換部および前記配線導体を覆う封止材とを具備しており、
   前記配線導体は、前記出力電極と接続されている第一の配線導体と前記一主面から前記裏面へ導出されている第二の配線導体を有しており、
   前記第一の配線導体の表面部に比べて前記第二の配線導体の表面部は水分による腐食耐性が高いことを特徴とする光電変換モジュール。
2. 前記第二の配線導体の表面部は不動態を形成可能な材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の光電変換モジュール。
3. 前記第一の配線導体の表面部に比べて前記第二の配線導体の表面部はイオン化傾向が低いことを特徴とする請求項１に記載の光電変換モジュール。
4. 前記第一の配線導体と前記第二の配線導体とは前記出力電極上で接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光電変換モジュール。
5. 前記第一の配線導体と前記第二の配線導体との接続部において、前記第二の配線導体の一部は前記第一の配線導体の上に位置するとともに前記第二の配線導体の他の一部は前記出力電極に接続されていことを特徴とする請求項４に記載の光電変換モジュール。
6. 前記第二の配線導体は、本体部と、該本体部の表面を被覆する皮膜とを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光電変換モジュール。
7. 前記第一の配線導体が溶接により前記出力電極と接続されている、請求項１乃至６のいずれかに記載の光電変換モジュール。
8. 前記第一の配線導体と前記第二の配線導体とが溶接により接続されている、請求項１乃至７のいずれかに記載の光電変換モジュール。
9. 前記第一の配線導体と前記第二の配線導体とは前記一主面上の前記出力電極の外側の領域にて接続されている、請求項１乃至３のいずれかに記載の光電変換モジュール。
10. 前記第一の配線導体は溶接により前記出力電極と接続されている、請求項９に記載の光電変換モジュール。

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