JP2010067752A - 光起電力装置および光起電力装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光起電力装置の信頼性を高める
【解決手段】透明絶縁基板２０上で複数のａ−Ｓｉセルを直列に接続したａ−Ｓｉユニット２００と、基板３０上でａ−Ｓｉセルとは異なる光学バンドギャップを有する複数のμｃ−Ｓｉセルを直列に接続したμｃ−Ｓｉユニット３００と、を備え、ａ−Ｓｉユニット２００およびμｃ−Ｓｉユニット３００の少なくとも一方には透光性無機絶縁層４２，５２が形成され、ａ−Ｓｉユニット２００およびμｃ−Ｓｉユニット３００を互いに逆向きの集積方向に透明絶縁基板２０および基板３０を外側にして対向させて透光性樹脂層４００により固着する。
【選択図】図９

Description

本発明は、光起電力装置および光起電力装置の製造方法に関する。

多結晶、微結晶またはアモルファスシリコンを用いた太陽電池が知られている。特に、微結晶またはアモルファスシリコンの薄膜を用いた光起電力装置は、資源消費の観点、コストの低下の観点および効率化の観点から注目されている。

一般的に、薄膜光起電力装置は、表面が絶縁性の基板上に第１電極、１以上の半導体薄膜光電変換セル及び第２電極を順に積層して形成される。光電変換セルは、光入射側からＰ型層、Ｉ型層及びＮ型層を積層して構成される。

また、薄膜光起電力装置の変換効率を向上させる方法として、２種以上の光電変換セルを光入射方向に積層することが知られている。光起電力装置の光入射側にはバンドギャップが広い光電変換層を含む第１の光起電力ユニットを配置し、その後に第１の光起電力ユニットよりもバンドギャップの狭い光電変換層を含む第２の光起電力ユニットを配置する。これにより、入射光の広い波長範囲に亘って光電変換を可能にし、装置全体として変換効率の向上を図ることができる。

例えば、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）光電変換セルをトップセルとし、微結晶（μｃ−Ｓｉ）光電変換セルをボトムセルとした構造が知られている（特許文献１等）。

また、図１２に示すように、光入射側からトップセル１０とボトムセル１２とを透明絶縁膜１４を介して多段に積層し、各層間で１つのセル実効面積をＳｎ、セルの動作電流密度をＪｎとした場合にＳｎ×Ｊｎが一定となるように層間でセルの面積を調整する技術が開示されている（特許文献２）。

特開２００３−１９７９３０号公報 特開２００５−２７７１１３号公報

ところで、トップセルとボトムセルとの間に挟み込まれる透明絶縁膜１４を薄くするとトップセル１０とボトムセル１２との間の絶縁耐圧性が低下することがある。また、トップセルの端部やボトムセルの端部が外部に露出した状態では、雨の水分等によってトップセルとボトムセルとの間の絶縁耐圧が低下したり、トップセルやボトムセルと外部との絶縁耐圧が低下したりするおそれがある。

また、トップセルとボトムセルとを繋ぐセル間接合電極１６やトップセルとボトムセルのそれぞれから電力を取り出すための端子電極１８ａ，１８ｂが外部に露出していると、電極の腐食等による光起電力装置の信頼性の低下が問題となる場合がある。また、モジュール化した際に金属製のフレーム等との間の絶縁耐圧性の低下を招く原因となることもある。

本発明の１つの態様は、絶縁性表面を有する透光性の第１基板上で複数の光起電力セルを第１の接続方向に直列に接続した第１の光起電力ユニットと、絶縁性表面を有する第２基板上で前記第１の光起電力ユニットとは異なる光学バンドギャップを有する複数の光起電力セルを第２の接続方向に直列に接続した第２の光起電力ユニットと、を備え、前記第１の接続方向及び前記第２の接続方向は電流の流れる方向であって、前記第１および前記第２の光起電力ユニットの少なくとも一方には透光性無機絶縁層が形成され、前記第１および前記第２の光起電力ユニットを前記第１の接続方向と前記第２の接続方向が逆に前記第１基板および前記第２基板を外側にして対向させて透光性樹脂層により固着されていることを特徴とする光起電力装置である。

ここで、前記透光性無機絶縁層および前記透光性樹脂層に開溝部が設けられ、前記開溝部に埋め込まれた導電性材料によって、前記第１および前記第２の光起電力ユニットの端部の外部環境に曝されない位置において前記第１および前記第２の光起電力ユニットが電気的に接続されていることが好適である。

また、前記透光性無機絶縁層または前記透光性樹脂層は、前記第１の光起電力ユニットまたは前記第２の光起電力ユニットの端部を被うように形成されていることが好適である。

また、前記導電性材料が埋め込まれた端部と反対側の端部に前記第１および前記第２の光起電力ユニットの少なくとも一方から導電性の電流取り出し電極が設けられ、前記電流取り出し電極の少なくとも一部が前記透光性無機絶縁層または前記透光性樹脂層により被覆されていることが好適である。

また、前記透光性樹脂層内に、前記透光性樹脂層の主材料と異なる屈折率を有する粒子が埋設されていることが好適である。

本発明の光起電力装置は、絶縁性表面を有する透光性の第１基板上に、複数の光起電力セルを第１の接続方向に直列に接続した第１の光起電力ユニットを形成するステップと、絶縁性表面を有する第２基板上に、前記第１の光起電力ユニットとは異なる光学バンドギャップを有する複数の光起電力セルを第２の接続方向に直列に接続した第２の光起電力ユニットを形成するステップと、前記第１および前記第２の光起電力ユニットの少なくとも一方の上に透光性無機絶縁層を形成するステップと、前記透光性無機絶縁層に開溝を形成するステップと、前記透光性無機絶縁層の開溝に導電性材料を注入するステップと、前記第１の接続方向及び前記第２の接続方向は電流の流れる方向であって、前記第１および前記第２の光起電力ユニットを前記第１の接続方向と前記第２の接続方向が逆に前記第１基板および前記第２基板を外側にして対向させ、前記透光性無機絶縁層の開溝の位置に対応する開溝を有する透光性樹脂層を介して前記第１および前記第２の光起電力ユニットを固着するステップと、を備えることを特徴とする光起電力装置の製造方法により形成することができる。

また、絶縁性表面を有する透光性の第１基板上に、複数の光起電力セルを第１の接続方向に直列に接続した第１の光起電力ユニットを形成するステップと、絶縁性表面を有する第２基板上に、前記第１の光起電力ユニットとは異なる光学バンドギャップを有する複数の光起電力セルを第２の接続方向に直列に接続した第２の光起電力ユニットを形成するステップと、前記第１および前記第２の光起電力ユニットの少なくとも一方の上に透光性無機絶縁層を形成するステップと、前記第１の接続方向及び前記第２の接続方向は電流の流れる方向であって、前記第１および前記第２の光起電力ユニットを前記第１の接続方向と前記第２の接続方向が逆に前記第１基板および前記第２基板を外側にして対向させ、透光性樹脂層を介して前記第１および前記第２の光起電力ユニットを固着するステップと、前記第２基板側から開溝を形成するステップと、前記開溝に導電性材料を注入するステップと、を備えることを特徴とする光起電力装置の製造方法により形成することができる。

本発明によれば、光起電力装置の信頼性を高めることができる。

図１は、本発明の実施の形態における積層型光起電力装置を示す概略断面図である。また、図２は、本発明の実施の形態における積層型光起電力装置の概略平面図である。

本実施の形態における光起電力装置は、光入射側のトップ側を広いバンドギャップを有する非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）（光電変換）ユニット２００とし、ボトム側をａ−Ｓｉユニット３００よりバンドギャップの狭い微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）（光電変換）ユニット３００としたタンデム型である。トップ側のａ−Ｓｉユニット２００とボトム側のμｃ−Ｓｉユニット３００とは、互いに基板を外側にして対向させてポリイミドフィルム、エポキシ樹脂などからなる透光性樹脂層４００を介して積層される。

このとき、ａ−Ｓｉユニット２００とμｃ−Ｓｉユニット３００は、互いに光起電力セルの接続方向を逆とし、電流の流れる方向が逆となるように配置されている。

ただし、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、複数の光電変換セルを積層した構造を有する光起電力装置（太陽電池モジュール）であれば適用可能である。

ここで、動作電流密度の低いａ−Ｓｉセルの面積を大きくし、μｃ−Ｓｉセルと同じ動作電流が流れるように、ａ−Ｓｉセルとμｃ−Ｓｉセルの面積を調整することが好適である。すなわち、トップ側のａ−Ｓｉセルの最適な動作電流密度をＪｏｐ１とし、その１つのセル面積をＳ１とする。また、ボトム側のμｃ−Ｓｉセルの最適な動作電流密度をＪｏｐ２とし、その１つのセル面積をＳ２とすると、Ｊｏｐ１×Ｓ１＝Ｊｏｐ２×Ｓ２の関係が成り立つように構成することが好適である。

図３にトップ側のａ−Ｓｉユニット２００の形成工程を示す。トップ側のａ−Ｓｉユニット２００は透明絶縁基板２０上に形成される。ａ−Ｓｉユニット２００は、所定の面積で複数個集積化されて形成される。透明絶縁基板２０は、例えば、ガラス基板、プラスチック基板等とすることができる。

透明絶縁基板２０上に透明電極２２が形成される（図３（ａ））。透明電極２２として酸化錫（ＳｎＯ₂）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）が用いられる。透明電極２２は、例えば、スパッタリング等により形成することができる。透明電極２２の膜厚は１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲とすることが好適である。また、透明電極２２の上面には光閉じ込め効果を有する凹凸を設けることが好適である。透明電極２２は、ＹＡＧレーザ等を用いて所定のセル毎に分離加工される（図３（ｂ））。

透明電極２２上に、Ｐ型層、Ｉ型層、Ｎ型層の非晶質シリコン膜を順に積層した非晶質シリコン半導体層２４が形成される（図３（ｃ））。例えば、表１に示す条件で、膜厚５ｎｍ程度のＰ型非晶質シリコンカーバイト層、膜厚０．２μｍのＩ型非晶質シリコン層、膜厚５ｎｍ程度のＮ型非晶質シリコン層からなる非晶質シリコン半導体層２４を形成する。

また、透明電極２２を分離するスリットの横の箇所の非晶質シリコン半導体層２４にレーザ分離加工を施して非晶質シリコン半導体層２４を分離加工する（図３（ｄ））。例えば、透明電極２２を分離するスリットから５０μｍ離れた位置を透明電極２２のスリットに沿って分離加工する。また、非晶質シリコン半導体層２４の端部付近にレーザ分離加工を施して、電極取出部を埋め込むためのスリットを形成するための発電に寄与しない無効領域を形成する。

非晶質シリコン半導体層２４上に裏面側の透明電極２６が形成される（図３（ｅ））。透明電極２６として酸化錫（ＳｎＯ₂）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）が用いられる。透明電極２６は、例えば、スパッタリング等により形成することができる。透明電極２６の膜厚は１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲とすることが好適である。

非晶質シリコン半導体層２４のスリットの横の箇所の透明電極２６にレーザ分離加工を施してスリットを形成し、透明電極２６を短冊状に分離加工する（図３（ｆ））。例えば、非晶質シリコン半導体層２４のスリットから透明電極２２のスリットと逆側に５０μｍ離れた位置を非晶質シリコン半導体層２４のスリットに沿って分離加工する。これにより、透明電極２６が隣り合うａ−Ｓｉセルの光入射側の透明電極２２と接続され、互いに隣り合うａ−Ｓｉセル同士が直列に接続される。また、透明電極２６の端部付近にレーザ分離加工を施して、非晶質シリコン半導体層２４の無効領域に形成したスリットに重なるようにスリットを形成する。

図４にボトム側のμｃ−Ｓｉユニット３００の形成工程を示す。ボトム側のμｃ−Ｓｉユニット３００は、ステンレス等の基板３０上にポリイミド、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）などの透明絶縁層３２を熱ＣＶＤ法等により形成した基板上に形成される（図４（ａ））。

透明絶縁層３２上に裏面電極３４として反射性金属と透明導電性酸化物（ＴＣＯ）との積層構造を形成する（図４（ａ））。反射性金属としては銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属が使用できる。またＴＣＯを構成する材料としては、酸化錫（ＳｎＯ₂）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）が用いられる。ＴＣＯは、例えば、スパッタリング等により形成することができる。裏面電極３４は１μｍ程度の膜厚とすることが好適である。反射性金属膜は透明絶縁層３２側に配され、ＴＣＯ膜は、微結晶シリコン半導体層３６側に配される。反射性金属膜及びＴＣＯ膜の少なくとも一方には、光閉じ込め効果を高めるための凹凸が設けることが好適である。裏面電極３４は、ＹＡＧレーザ等を用いて所定のセル毎に分離加工される（図４（ｂ））。

裏面電極３４上にＰ型層、Ｉ型層、Ｎ型層の微結晶シリコン膜を順に積層した微結晶シリコン半導体層３６が形成される（図４（ｃ））。例えば、表２に示す条件で、ＲＦプラズマＣＶＤ法により、膜厚５ｎｍ程度のＮ型微結晶シリコン層、膜厚２．４μｍのＩ型微結晶シリコン層、膜厚５ｎｍ程度のＰ型微結晶シリコンカーバイト層からなる微結晶シリコン半導体層３６を形成する。

また、裏面電極３４を分離するスリットの横の箇所の微結晶シリコン半導体層３６にレーザ分離加工を施して微結晶シリコン半導体層３６を分離加工する。例えば、裏面電極３４を分離するスリットから５０μｍ離れた位置を裏面電極３４のスリットに沿って分離加工する（図４（ｄ））。また、微結晶シリコン半導体層３６の端部付近にレーザ分離加工を施して、電極取出部を埋め込むためのスリットを形成するための発電に寄与しない無効領域を形成する。μｃ−Ｓｉユニット３００に形成する無効領域は、μｃ−Ｓｉユニット３００とａ−Ｓｉユニット２００とを接合した場合にａ−Ｓｉユニット２００の無効領域に対向する位置に形成する。

微結晶シリコン半導体層３６上に表面側の透明電極３８が形成される（図４（ｅ））。透明電極３８として酸化錫（ＳｎＯ₂）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）が用いられる。透明電極３８は、例えば、スパッタリング等により形成することができる。透明電極３８の膜厚は１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲とすることが好適である。

微結晶シリコン半導体層３６のスリットの横の箇所の透明電極３８にレーザ分離加工を施してスリットを形成し、透明電極３８を短冊状に分離加工する（図４（ｆ））。例えば、微結晶シリコン半導体層３６のスリットから裏面電極３４のスリットと逆側に５０μｍ離れた位置を微結晶シリコン半導体層３６のスリットに沿って分離加工する。これにより、透明電極３８が隣り合うμｃ−Ｓｉセルの裏面側の裏面電極３４と接続され、互いに隣り合うμｃ−Ｓｉセル同士が直列に接続される。また、透明電極３８の端部付近にレーザ分離加工を施して、微結晶シリコン半導体層３６の無効領域に形成したスリットに重なるようにスリットを形成する。

ここで、ａ−Ｓｉユニット２００とμｃ−Ｓｉユニット３００とにおいて、各セルの面積を変えることで、電流の大きさを調節して、最適な動作電流密度で全ての太陽電池が動作する状態で直列に接続する。ａ−Ｓｉセル及びμｃ−Ｓｉセルの最適動作電流Ｊｏｐ１及びＪｏｐ２が相違する場合と、最適動作電流Ｊｏｐ１及びＪｏｐ２が一致するときでは、最適動作電流Ｊｏｐ１とＪｏｐ２が相違する場合のほうが内部量子効率が良くなる。そこで、最適動作電流Ｊｏｐ１とＪｏｐ２が相違するようにａ−Ｓｉセルとμｃ−Ｓｉセルとのセル面積を設定する。

図５は、トップセルであるａ−Ｓｉセルおよびボトムセルであるμｃ−Ｓｉセルの膜厚、セル面積を決定する手法を示す工程図である。この処理は、ボトムセルの動作電流密度Ｊｏｐ２（ｍＡ／ｃｍ）とトップセルの動作電流密度Ｊｏｐ１（ｍＡ／ｃｍ）との関係がＪｏｐ２＝２×Ｊｏｐ１となり、トップセルの面積Ｓ１（ｃｍ）とボトムセルの面積Ｓ２（ｃｍ）との関係がＳ１＝０．５×Ｓ２となることを目的としている。

ステップＳ１０では、モジュールの面積Ｓを決定する。ここでは、１０×１０ｃｍとする。

ステップＳ１２では、トップ側であるａ−Ｓｉユニット２００のＩ層の膜厚を決定する。ａ−Ｓｉセル２００のＩ層の膜厚ｔ１は、光劣化が十分に小さい膜厚とする。ここでは、劣化率１０％以下となることを条件として膜厚は０．２μｍ（又はそれ以下）とする。

ステップＳ１４では、ａ−Ｓｉセルの動作電流密度Ｊｏｐ１を決定する。Ｉ層の厚さ０．２μｍとして作成した有効面積１×１ｃｍのａ−Ｓｉユニット２００を作成し、作成したサンプルをソーラーシュミレーター（ＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ）にて、セルの電流−電圧特性を測定する。これによりトップセルの動作電流密度Ｊｏｐ１を求める。動作電流密度は、電流−電圧特性から出力電力（電流×電圧）を計算し最大になる点の電流値とする。ここでは、Ｊｏｐ１＝８．１ｍＡ／ｃｍであったとする。

このとき、サンプルの形成条件は、実際にモジュールとして作成するときと同じ形成条件とすることが好適である。ただし、集積構造は作らずに光透過率が同じものを作成する。また、測定の際に実デバイスの構造を模擬するため、すなわち、ボトム側であるμｃ−Ｓｉユニット３００からの反射光の影響を考慮する為に、サンプルであるａ−Ｓｉユニット２００の下にμｃ−Ｓｉユニット３００を置く。μｃ−Ｓｉユニット３００は次のステップＳ１８で形成するものを用いる。

なお、初回のμｃ−Ｓｉユニット３００のＩ層の膜厚ｔ２は任意に選ぶ、そして、ステップＳ１８の手順を行った後、膜厚ｔ２が決定されるので、実際には、ステップＳ１２からＳ１８の手順を数回繰り返す。

ステップＳ１６では、ａ−Ｓｉユニット２００の透過光量を求める。ステップＳ１２で求めたＩ層の膜厚（ｔ１）を有するａ−Ｓｉユニット２００を形成する。そして、このａ−Ｓｉユニット２００をμｃ−Ｓｉユニット３００の上において、μｃ−Ｓｉユニット３００の電流−電圧特性を測定する。μｃ−Ｓｉユニット３００は、セル面積１×１ｃｍ、Ｉ層膜厚ｔ２は１．０〜３．０μｍの範囲で複数個準備する。このとき、実際にモジュールとして作成するときと同じ形成条件でμｃ−Ｓｉユニット３００を作成する。

ａ−Ｓｉユニット２００をμｃ−Ｓｉユニット３００の上において、ソーラーシュミレーター（ＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ）にて、μｃ−Ｓｉユニット３００の電流−電圧特性を測定する。これにより、ａ−Ｓｉユニット２００から透過した光をμｃ−Ｓｉユニット３００に入射し、実使用条件での発電特性が測定可能となる。図６にμｃ−Ｓｉユニット３００のＩ層の膜厚ｔ２と動作電流密度ｊｏｐ２の関係を示す。

ステップＳ１８では、ステップＳ１６において測定した動作電流密度の膜厚依存性から目標を満足するようにμｃ−Ｓｉセルの動作電流密度Ｊｏｐ２＝２×Ｊｏｐ１となるようなＩ層の膜厚ｔ２の最小値を探す。

ステップＳ２０では、図６より、Ｉ層の膜厚ｔ２は２．４μｍ以上必要なことがわかるので、ｔ２＝２．４μｍ、Ｊｏｐ２＝１６．２ｍＡ／ｃｍと決定する。なお、目標を満足するｔ２の値が得られない場合、ｔ１の値及びｔ２の範囲を見直す必要がある。

ステップＳ２２では、ａ−Ｓｉセルの面積Ｓ１を決定する。μｃ−Ｓｉセルの面積Ｓ２はＳ２＝１０×２．５ｃｍと設定しているので、各セルが直列に接続された層間に流れる電流の連続関係は、Ｊｏｐ２×Ｓ２＝Ｊｏｐ１×Ｓ１の関係式を満たすようにＳ１＝１０×５ｃｍとする。

これにより、ステップＳ２４では、Ｓ１＝１０×５ｃｍ、Ｓ２＝１０×２．５ｃｍ、Ｊｏｐ１＝８．１ｍＡ／ｃｍ、 Ｊｏｐ２＝１６．２ｍＡ／ｃｍと決定される。

以上の手順により、ａ−Ｓｉユニット２００およびμｃ−Ｓｉユニット３００の膜厚およびセル面積を決定し、その値を満たすようにａ−Ｓｉユニット２００およびμｃ−Ｓｉユニット３００を形成する。

このような手順によりａ−Ｓｉユニット２００およびμｃ−Ｓｉユニット３００の膜厚およびセル面積を決定することによって、光起電力装置の設計と製造上の自由度が増すとともに、光劣化等の影響を受け難い条件、動作電流密度、透過光量、膜厚等の値で光起電力装置を形成することができる。

次に、それぞれ形成されたａ−Ｓｉユニット２００とμｃ−Ｓｉユニット３００を積み重ねてカプラ型構造にする手順を説明する。図７にカプラ型構造を形成する際の手順を示す。

ａ−Ｓｉユニット２００に電極取出部４０を形成する。透明絶縁基板２０側からＹＡＧレーザ等を用いて透明電極２２、非晶質シリコン半導体層２４、透明電極２６に電極取出部４０を埋め込むためのスリットを形成する（図７（ａ））。スリットは、透明絶縁基板２０の端部付近のａ−Ｓｉユニット２００の無効領域に形成する。そのスリットに金属ペーストを埋め込み、埋込み部分に接続されるように透明電極２６上に沿って端部方向に電極取出部４０を形成する（図７（ｂ））。金属ペーストは、銀を有機系バインダに混合した銀ペースト等を用いることができる。

電極取出部４０を形成後、透明電極２２、非晶質シリコン半導体層２４、透明電極２６を被うように透光性無機絶縁層４２を形成する（図７（ｃ））。また、透光性無機絶縁層４２は、電極取出部４０の少なくとも一部が突出するように電極取出部４０の一部を被うように形成する。

透光性無機絶縁層４２の材質はシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等とすることが好適である。透光性無機絶縁層４２は、スパッタリングや塗布法により形成することができる。また、透光性無機絶縁層４２の膜厚は、耐湿性が確保可能な１μｍ以上、吸収損失が無視できる１０μｍ以下とする。望ましくは、２μｍ以上５μｍ以下とすることが好適である。

次に、透明電極２２、非晶質シリコン半導体層２４、透明電極２６及び透光性無機絶縁層４２にセル間接合電極用のスリットを形成する（図７（ｄ））。ここでは、透光性無機絶縁層４２側からＹＡＧレーザを用いてスリットを形成する。スリットは、電極取出部４０とは反対側の透明絶縁基板２０の端部付近に形成する。そのスリットに金属ペーストを埋め込み、セル間接合電極４４を形成する（図７（ｅ））。金属ペーストは、銀を有機系バインダに混合した銀ペースト等を用いることができる。

同様にμｃ−Ｓｉユニット３００についても処理を施す。μｃ−Ｓｉユニット３００に電極取出部５０を形成する。ＹＡＧレーザ等を用いて裏面電極３４、微結晶シリコン半導体層３６、透明電極３８に電極取出部５０を埋め込むためのスリットを形成する。スリットは、基板３０の端部付近のμｃ−Ｓｉユニット３００の無効領域に形成する。そのスリットに金属ペーストを埋め込み、埋込み部分に接続されるように透明電極３８上に沿って端部方向に電極取出部５０を形成する。金属ペーストは、銀を有機系バインダに混合した銀ペースト等を用いることができる。

電極取出部５０を形成後、裏面電極３４、微結晶シリコン半導体層３６、透明電極３８を被うように透光性無機絶縁層５２を形成する。また、透光性無機絶縁層５２は、電極取出部５０の少なくとも一部が突出するように電極取出部５０の一部を被うように形成する。

透光性無機絶縁層５２の材質はシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等とすることが好適である。透光性無機絶縁層５２は、スパッタリングや塗布法により形成することができる。また、透光性無機絶縁層５２の膜厚は、耐湿性が確保可能な１μｍ以上、吸収損失が無視できる１０μｍ以下とする。望ましくは、２μｍ以上５μｍ以下とすることが好適である。

次に、裏面電極３４、微結晶シリコン半導体層３６、透明電極３８及び透光性無機絶縁層５２にセル間接合電極用のスリットを形成する。ここでは、透光性無機絶縁層５２側からＹＡＧレーザを用いてスリットを形成する。スリットは、電極取出部５０とは反対側の基板３０の端部付近に形成する。そのスリットに金属ペーストを埋め込み、セル間接合電極５４を形成する。金属ペーストは、銀を有機系バインダに混合した銀ペースト等を用いることができる。

以上のように形成されたａ−Ｓｉユニット２００とμｃ−Ｓｉユニット３００とを透光性樹脂層４００により固着する。透光性樹脂層４００は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）等を用いることができる。

図９に示すように、ａ−Ｓｉユニット２００とμｃ−Ｓｉユニット３００は、互いの光起電力セルの接続方向を逆とし、電流の流れる方向が逆となるように配置される。そしてこのａ−Ｓｉユニット２００とμｃ−Ｓｉユニット３００は、それぞれ透明絶縁基板２０及び基板３０を外側にして対向させて透光性樹脂層４００を介して固着する。透光性樹脂層４００には、ａ−Ｓｉユニット２００に設けたセル間接合電極４４及びμｃ−Ｓｉユニット３００に設けたセル間接合電極５４に対応する位置にスリット６０を形成する。スリット６０は、レーザ等を用いて形成することができる。スリット６０の幅はセル間接合電極４４及びセル間接合電極５４よりも広くすることが好適である。

ここで、ａ−Ｓｉユニット２００側の電極取出部４０とμｃ−Ｓｉユニット３００側の電極取出部５０とが向かい合うようにする。また、ａ−Ｓｉユニット２００側のセル間接合電極４４とμｃ−Ｓｉユニット３００側のセル間接合電極５４とが向かい合うようにし、セル間接合電極４４とセル間接合電極５４との間に透光性樹脂層４００のスリット６０が位置するようにする。

このような状態で熱圧着処理を施す。透光性樹脂層４００の熱可塑性によりａ−Ｓｉユニット２００とμｃ−Ｓｉユニット３００との間で軟化し、その後、冷却により流動性を失って固化する。これにより、図１に示すように、ａ−Ｓｉユニット２００とμｃ−Ｓｉユニット３００とが透光性樹脂層４００により固着する。

また、ａ−Ｓｉユニット２００に形成されたセル間接合電極４４とμｃ−Ｓｉユニット３００に形成されたセル間接合電極４４も加熱により流動化し、透光性樹脂層４００に設けられたスリット６０内に金属ペーストが充填されて、セル間接合電極４４とセル間接合電極４４とが電気的に接続される。

なお、本実施の形態では、レーザ加工によりスリットを形成したが、ダイシングソー等のメカニカルな方法によりスリットを形成することもできる。

このようにして、本実施の形態における積層型光起電力装置を形成することができる。本実施の形態における積層型光起電力装置では、セル間接合電極４４及びセル間接合電極５４が外部に露出しておらず、透光性無機絶縁層４２，透光性無機絶縁層５２及び透光性樹脂層４００により保護されているのでこれらを薄くしてもトップセルとボトムセルとの間の絶縁耐圧性を高く維持することができる。また、電極取出部４０及び電極取出部５０も少なくとも一部が透光性無機絶縁層４２及び透光性無機絶縁層５２により保護されているので、雨の水分等によってトップセルとボトムセルとの間の絶縁耐圧が低下したり、トップセルやボトムセルと外部との絶縁耐圧が低下したりすることを抑制できる。

また、本実施の形態では、ａ−Ｓｉユニット２００及びμｃ−Ｓｉユニット３００の両方に透光性無機絶縁層４２，透光性無機絶縁層５２を形成したが、いずれか一方に形成してもよい。

また、本実施の形態では、ａ−Ｓｉユニット２００及びμｃ−Ｓｉユニット３００のタンデム型の光起電力装置を例に説明したが、これら以外のカプラ型光起電力装置であっても同様である。さらに、３つ以上の光起電力ユニットを積層した光起電力装置であっても、本実施の形態の構成を同様に適用することができる。

＜変形例１＞
上記実施の形態では、トップ側であるａ−Ｓｉユニット２００とボトム側であるμｃ−Ｓｉユニット３００とを接続するセル間接合電極を設けるスリットをａ−Ｓｉユニット２００とμｃ−Ｓｉユニット３００を固着する前に形成したが、ａ−Ｓｉユニット２００とμｃ−Ｓｉユニット３００を固着した後に形成することも好適である。

図１０は、本変形例における積層型光起電力装置の形成方法を示す図である。ここでは、セル間接合電極を設けるスリットを形成する前にａ−Ｓｉユニット２００とμｃ−Ｓｉユニット３００とを固着する。また、μｃ−Ｓｉユニット３００には電極取出部５０も形成していない（図１０（ａ））。

固着後、μｃ−Ｓｉユニット３００に電極取出部５０を形成する。ＹＡＧレーザ等を用いて、基板３０側から基板３０、裏面電極３４、微結晶シリコン半導体層３６、透明電極３８に電極取出部５０を埋め込むためのスリットを形成する（図１０（ｂ））。スリットは、基板３０の端部付近のμｃ−Ｓｉユニット３００の無効領域に形成する。本変形例の場合、ボトムセルであるμｃ−Ｓｉユニット３００の基板３０は加工が容易であるプラスチックとすることが好適である。

そのスリットに金属ペーストを埋め込み、埋込み部分に接続されるように透明電極３８上に沿って端部方向に電極取出部６２を形成する（図１０（ｃ））。金属ペーストは、銀を有機系バインダに混合した銀ペースト等を用いることができる。

次に、透明電極２２、非晶質シリコン半導体層２４、透明電極２６、透光性無機絶縁層４２、透光性樹脂層４００、透光性無機絶縁層５２、透明電極３８、微結晶シリコン半導体層３６及び裏面電極３４にセル間接合電極用のスリットを形成する（図１０（ｄ））。ここでは、透光性無機絶縁層５２側からＹＡＧレーザを用いてスリットを形成する。スリットは、電極取出部６２とは反対側の基板３０の端部付近に形成する。そのスリットに金属ペーストを埋め込み、セル間接合電極６４を形成する（図１０（ｅ））。金属ペーストは、銀を有機系バインダに混合した銀ペースト等を用いることができる。

本変形例の場合、基板３０に形成されたスリットの全長に亘ってセル間接合電極６４を埋め込まず、ａ−Ｓｉユニット２００とμｃ−Ｓｉユニット３００とを接続するのに十分なだけ金属ペーストを注入することが好適である。そして、基板３０側に残ったスリットの空間には樹脂６６を埋め込むことが好適である（図１０（ｅ））。これにより、セル間接合電極６４に外部からの水分等が直接触れることがなくなり、接触不良等の問題の発生を抑制することができる。

このようにして、本変形例における積層型光起電力装置を形成することができる。本変形例における積層型光起電力装置でもセル間接合電極６４が外部に露出しておらず、透光性無機絶縁層４２，透光性無機絶縁層５２及び透光性樹脂層４００により保護されているのでこれらを薄くしてもトップセルとボトムセルとの間の絶縁耐圧性を高く維持することができる。また、電極取出部４０及び電極取出部６２も透光性無機絶縁層４２及び透光性無機絶縁層５２により保護されているので、雨の水分等によってトップセルとボトムセルとの間の絶縁耐圧が低下したり、トップセルやボトムセルと外部との絶縁耐圧が低下したりすることを抑制できる。

さらに、電極取出部６２が積層型光起電力装置の裏面となる基板３０側に形成されているので、モジュール化する際に電極取出部６２から基板３０側に配線を引き出し易くなる。

＜変形例２＞
図１１に本変形例における積層型光起電力装置の断面図を示す。本変形例１における積層型光起電力装置では、透光性樹脂層４００にフィラー７０を混入している。フィラー７０は、透光性樹脂層４００の主材料と異なる屈折率を有する材質とする。すなわち、フィラー７０の屈折率を透光性樹脂層４００の主材料よりも大きいものとすることが好適である。例えば、透光性樹脂層４００にポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）を用いた場合、ガラスのマイクロビーズ等をフィラー７０として混入させることが好適である。フィラー７０の直径は、０．１μｍ以上１０μｍ以下、望ましくは、０．５μｍ以上２μｍ以下とすることが好適である。

このように透光性樹脂層４００にフィラー７０を混合させることによって、トップセルであるａ−Ｓｉユニット２００を透過してきた光をフィラー７０によって散乱させ、ａ−Ｓｉユニット２００及びμｃ−Ｓｉユニット３００に入射する光の光路長を長くすることができる。これによって、積層型光起電力装置の発電効率を向上させることができる。

なお、本変形例は、上記実施の形態及び変形例１の両方に適用できるのみならず、複数のセルを積層して構成される積層型光起電力装置であれば適用することができる。すなわち、セルを積層する際に、セル間を透光性樹脂層４００により固着し、その透光性樹脂層４００にフィラー７０を混入させることによって同様の作用・効果を得ることができる。

本発明の実施の形態における光起電力装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態における光起電力装置の構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態におけるトップセルの形成方法を示す図である。 本発明の実施の形態におけるボトムセルの形成方法を示す図である。 本発明の実施の形態におけるトップセルとボトムセルの面積を決定する方法のフローチャートである。 本発明の実施の形態におけるボトムセルのＩ層膜厚と動作電流密度との関係を示す図である。 本発明の実施の形態におけるトップセルの形成方法を示す図である。 本発明の実施の形態におけるボトムセルの形成方法を示す図である。 本発明の実施の形態におけるトップセルとボトムセルとを積層方法を示す図である。 本発明の変形例１における光起電力装置の形成方法を示す図である。 本発明の変形例１における光起電力装置の構成を示す図である。 従来の光起電力装置の構成を示す図である。

符号の説明

１０ トップセル、１２ ボトムセル、１４ 透明絶縁膜、１６ セル間接合電極、１８ａ，１８ｂ 端子電極、２０ 透明絶縁基板、２２ 透明電極、２４ 非晶質シリコン半導体層、２６ 透明電極、３０ 基板、３２ 透明絶縁層、３４ 裏面電極、３６ 微結晶シリコン半導体層、３８ 透明電極、４０ 電極取出部、４２ 透光性無機絶縁層、４４ セル間接合電極、５０ 電極取出部、５２ 透光性無機絶縁層、５４ セル間接合電極、６０ スリット、６２ 電極取出部、６４ セル間接合電極、６６ 樹脂、７０ フィラー、２００ ａ−Ｓｉユニット、３００ μｃ−Ｓｉユニット、４００ 透光性樹脂層。

Claims (7)

1. 絶縁性表面を有する透光性の第１基板上で複数の光起電力セルを第１の接続方向に直列に接続した第１の光起電力ユニットと、
   絶縁性表面を有する第２基板上で前記第１の光起電力ユニットとは異なる光学バンドギャップを有する複数の光起電力セルを第２の接続方向に直列に接続した第２の光起電力ユニットと、
   を備え、
   前記第１の接続方向及び前記第２の接続方向は電流の流れる方向であって、
   前記第１および前記第２の光起電力ユニットの少なくとも一方には透光性無機絶縁層が形成され、
   前記第１および前記第２の光起電力ユニットを前記第１の接続方向と前記第２の接続方向が逆に前記第１基板および前記第２基板を外側にして対向させて透光性樹脂層により固着されていることを特徴とする光起電力装置。
2. 請求項１に記載の光起電力装置であって、
   前記透光性無機絶縁層および前記透光性樹脂層に開溝部が設けられ、
   前記開溝部に埋め込まれた導電性材料によって、前記第１および前記第２の光起電力ユニットの端部の外部環境に曝されない位置において前記第１および前記第２の光起電力ユニットが電気的に接続されていることを特徴とする光起電力装置。
3. 請求項１または２に記載の光起電力装置であって、
   前記透光性無機絶縁層または前記透光性樹脂層は、前記第１の光起電力ユニットまたは前記第２の光起電力ユニットの端部を被うように形成されていることを特徴とする光起電力装置。
4. 請求項２に記載の光起電力装置であって、
   前記導電性材料が埋め込まれた端部と反対側の端部に前記第１および前記第２の光起電力ユニットの少なくとも一方から導電性の電流取り出し電極が設けられ、
   前記電流取り出し電極の少なくとも一部が前記透光性無機絶縁層または前記透光性樹脂層により被覆されていることを特徴とする光起電力装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の光起電力装置であって、
   前記透光性樹脂層内に、前記透光性樹脂層の主材料と異なる屈折率を有する粒子が埋設されていることを特徴とする光起電力装置。
6. 絶縁性表面を有する透光性の第１基板上に、複数の光起電力セルを第１の接続方向に直列に接続した第１の光起電力ユニットを形成するステップと、
   絶縁性表面を有する第２基板上に、前記第１の光起電力ユニットとは異なる光学バンドギャップを有する複数の光起電力セルを第２の接続方向に直列に接続した第２の光起電力ユニットを形成するステップと、
   前記第１および前記第２の光起電力ユニットの少なくとも一方の上に透光性無機絶縁層を形成するステップと、
   前記透光性無機絶縁層に開溝を形成するステップと、
   前記透光性無機絶縁層の開溝に導電性材料を注入するステップと、
   前記第１の接続方向及び前記第２の接続方向は電流の流れる方向であって、前記第１および前記第２の光起電力ユニットを前記第１の接続方向と前記第２の接続方向が逆に前記第１基板および前記第２基板を外側にして対向させ、前記透光性無機絶縁層の開溝の位置に対応する開溝を有する透光性樹脂層を介して前記第１および前記第２の光起電力ユニットを固着するステップと、
   を備えることを特徴とする光起電力装置の製造方法。
7. 絶縁性表面を有する透光性の第１基板上に、複数の光起電力セルを第１の接続方向に直列に接続した第１の光起電力ユニットを形成するステップと、
   絶縁性表面を有する第２基板上に、前記第１の光起電力ユニットとは異なる光学バンドギャップを有する複数の光起電力セルを第２の接続方向に直列に接続した第２の光起電力ユニットを形成するステップと、
   前記第１および前記第２の光起電力ユニットの少なくとも一方の上に透光性無機絶縁層を形成するステップと、
   前記第１の接続方向及び前記第２の接続方向は電流の流れる方向であって、前記第１および前記第２の光起電力ユニットを前記第１の接続方向と前記第２の接続方向が逆に前記第１基板および前記第２基板を外側にして対向させ、透光性樹脂層を介して前記第１および前記第２の光起電力ユニットを固着するステップと、
   前記第２基板側から開溝を形成するステップと、
   前記開溝に導電性材料を注入するステップと、
   を備えることを特徴とする光起電力装置の製造方法。

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