(57)【要約】【課題】  光電変換モジュールの耐湿信頼性の向上を目的とする。【解決手段】  光電変換モジュール２００は、第１主面を有する第１基板１と、第１主面の中央部上に配された光電変換部１１と、第１主面上に配されて光電変換部１１を封止する第１封止材２０と、第１封止材２０上に配された、第１封止材２０よりも水の拡散係数が小さい第２封止材２１と、第２封止材２１上に配された第２基板２２とを具備する。【選択図】  図４
2014187090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１主面を有する第１基板と、
前記第１主面の中央部上に配された光電変換部と、
前記第１主面上に配されて記光電変換部を封止する第１封止材と、
該第１封止材上に配された、該第１封止材よりも水の拡散係数が小さい第２封止材と、
該第２封止材上に配された第２基板と
を具備する光電変換モジュール。
【請求項２】
前記第２封止部材の飽和吸水率は、前記第１封止部材の飽和吸水率よりも大きい、請求項１に記載の光電変換モジュール。
【請求項３】
前記第１封止材および前記第２封止材の側面を覆うシール材をさらに具備している、請求項１または２に記載の光電変換モジュール。
【請求項４】
前記第１封止材、前記第２封止材および前記第２基板は、前記光電変換部で光電変換可能な光に対して透光性を有している、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電変換部が封止材で封止された光電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
太陽光発電に使用される光電変換モジュールは、様々な種類のものがある。その中でも、ＣＩＳ系（銅インジウムセレナイド系）やＣＩＧＳ系（銅インジウムガリウムセレナイド系）等の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系の半導体層を用いたものは、比較的低コストで大面積の光電変換モジュールを容易に製造できる点から、研究開発が進められている。
【０００４】
この薄膜系の光電変換モジュールは、ガラス基板などの第１基板上に、下部電極層、半導体層、および上部電極層が積層されてなる光電変換部が設けられている。この光電変換部の正極および負極にはそれぞれリード線等の配線導体の一端部が接続されているとともに、これらの配線導体の他端部は第１基板の裏面に配置された端子ボックスに導出されている。そして、これらの光電変換部および配線導体を覆うように、エチレンビニルアセテート共重合体（以下、ＥＶＡという）等の封止材が第１基板上に設けられ、さらにこの封止材上に白色強化ガラスなどから成る第２基板が設けられている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１８６５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光電変換モジュールは、耐湿性を向上することが常に要求される。上記光電変換モジュールでは、光電変換部へ水分の浸入を十分に抑制することができず、さらなる耐湿性の向上が望まれている。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、光電変換モジュールの耐湿性の向上を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係る光電変換モジュールは、第１主面を有する第１基板と、前記第１主面の中央部上に配された光電変換部と、前記第１主面上に配されて記光電変換部を封止する第１封止材と、該第１封止材上に配された、該第１封止材よりも水の拡散係数が小さい第２封止材と、該第２封止材上に配された第２基板とを具備する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様に係る光電変換モジュールによれば、光電変換モジュールの耐湿信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】光電変換部の全体を示す斜視図である。
【図２】光電変換部の要部拡大斜視図である。
【図３】図２の光電変換部の断面図である。
【図４】光電変換モジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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４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。
【００１２】
＜光電変換部の構成＞
図１は、光電変換部１１が設けられた第１基板の全体を示す斜視図である。また、図２は光電変換部１１の要部拡大斜視図であり、図３はそのＸＺ断面図である。光電変換部１１は、第１基板１の第１主面上の中央部において、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。
【００１３】
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群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群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。
【００１４】
なお、図２、図３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軸方向に複数の光電変換セル１０が平面的に（二次元的に）配列されている。更に、図面のＹ軸方向にも複数の光電変換セル１０が平面的に配列されていてもよい。
【００１５】
第１基板１は、第１主面を有する平板状であり、第１主面上で光電変換部１１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。
【００１６】
下部電極層２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。
【００１７】
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族化合物等の金属カルコゲナイドが
用いられてもよい。
【００１８】
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、ＣｕＩｎＳｅ２（二セレン化銅インジウム、ＣＩＳともいう）、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（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。
【００１９】
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、Ｃｕ２ＺｎＳｎＳ４（ＣＺＴＳともいう）、Ｃｕ２ＺｎＳｎＳ４−ｘＳｅｘ（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Ｃｕ２ＺｎＳｎＳｅ４（ＣＺＴＳｅともいう）等が挙げられる。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
第２の半導体層４としては、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｓ３、Ｉｎ２Ｓｅ３、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が水酸化および硫化物として存在する混晶化合物をいう。（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓｅ，ＯＨ）は、ＺｎおよびＩｎがセレン化物および水酸化物として存在する混晶化合物をいう。（Ｚｎ，Ｍｇ）Ｏは、ＺｎおよびＭｇが酸化物として存在する混晶化合物をいう。
【００２３】
図２、図３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。
【００２４】
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。
【００２５】
また、図２、図３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２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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
図２、図３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２、図３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。
【００２９】
以上のような光電変換部１１の光電変換によって生じた電流を光電変換モジュール２００の外部へ取り出すために、図１に示すように、光電変換部１１に配線導体１３ａ、１３ｂが電気的に接続されている。
【００３０】
配線導体１３ａ、１３ｂは、光電変換部１１に接続された接続用電極部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１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を介して裏面に導出され、第１基板１の裏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の裏面への導出は、図１のような孔１ａを介した構成に限定されず、第１基板１の側面を経て裏面に導出された構成であってもよい。
【００３１】
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。
【００３２】
＜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４は一実施形態に係る光電変換モジュール２００の断面図である。
【００３３】
光電変換モジュール２００は、図４に示すように、第１基板１上に第１封止材２０および第２封止材２１を介して第２基板２２を具備している。第１封止材２０は、第１基板１の第１主面の中央部上に設けられた光電変換部１１を封止している。つまり、第１封止材２０は、第１基板１の第１主面の中央部上の光電変換部１１を覆っているとともに、第１主面の外周部と密着している。第２封止材２１は、第１封止材２０よりも水の拡散係数が小さく、第１封止材２０の上面と密着している。
【００３４】
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湿度の高い環境下で使用された場合、水分が封止材中に浸入しやすくなり、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、水分が第１封止材２０中に浸入したとしても、第１封止材２０の上面に密着した第２封止材２１の水の拡散係数が第１封止材２０よりも小さいために、水分が第２封止材２１で保持されやすくなり、光電変換部１１へ水分が進行するのを有効に低減できる。
【００３５】
光電変換モジュール２００内に浸入した水分を良好に保持するとともに封止性を良好に維持するという観点からは、第１封止材２０の水の拡散係数は第２封止材２１の拡散係数の２〜２０００倍であってもよい。
【００３６】
このような第１封止材２０および第２封止材２１としては、各種樹脂を、第２封止材２１の拡散係数が第１封止材２０の拡散係数よりも小さくなるような組み合わせで用いればよい。異なる拡散係数の組み合わせとしては、同じ組成を用いた共重合体ではあるが、組成比を変えることによって拡散係数を変えた共重合体樹脂の組み合わせでもよく、あるいは、組成が異なる樹脂の組み合わせであってもよい。
【００３７】
例えば、ブチルゴム系封止材であれば、４０℃における拡散係数が３．０３×１０−８ｃｍ２／ｓｅｃのものがある。また、エチレンビニルアセテート共重合体（ＥＶＡ）であれば、４０℃における拡散係数が２．０８×１０−７ｃｍ２／ｓｅｃのものがある。また、環状オレフィン系重合体であれば、４０℃における拡散係数が１．３７×１０−５ｃｍ２／ｓｅｃのものがある。また、ポリスチレン系封止材であれば、４０℃における拡散係数が１．４５×１０−５ｃｍ２／ｓｅｃのものがある。
【００３８】
また、光電変換モジュール２００が、第２基板２２側から光電変換部１１へ光が入射されるように用いられる場合、第１封止材２０および第２封止材２１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てもよい。
【００３９】
第１封止材２０および第２封止材２１における水の拡散係数は、以下のように測定できる。まず、各封止部材の一部を厚みｔのシート状に成形して試験片を作製する。次いで、ＪＩＳ Ｋ ７１９２ Ｂに準拠した方法を用いて、試験片を透過する水分量を測定する。
このとき、水分の透過開始からの時間（ｓｅｃ）を横軸とし、透過した水分量の積分値（ｇ／ｃｍ２）を縦軸として数値をプロットしたグラフを作成する。このグラフにおいて、数値をプロットして得られた線が略一定の傾きとなった領域について、最小二乗法を用いて直線近似を行ない、横軸と交差する時間を求める。この時間を遅れ時間θとする。そして、拡散係数Ｄの算出式であるＤ＝ｔ２／（６θ）に遅れ時間θおよび厚みｔの数値を当てはめることによって、各封止部材の拡散係数が算出される。
【００４０】
また、第１封止材２０の飽和吸水率は、第２封止材２１の飽和吸水率よりも小さくてもよい。これにより、外部から第１封止部材２０に取り込まれる水分量が低減されるとともに、第２封止材２１による水分の保持力が高められ、光電変換部１１側に水分をさらに浸透させてにくくできる。
【００４１】
また、第１封止材２０および第２封止材２１の飽和吸水率は、以下のように測定できる。まず、各封止部材の一部を厚みｔのシート状に成形して試験片を作製する。次いで、ＪＩＳ Ｋ ７１２９ Ｂに準拠した方法を用いて、水蒸気透過度（ＷＶＴＲ）および拡散係数Ｄを求める。次いで、飽和吸水率Ｃの算出式であるＣ＝ＷＶＴＲ×ｔ／Ｄに厚みｔおよび拡散係数Ｄの数値を当てはめることによって、各封止部材の飽和吸水率が算出される。
【００４２】
また、図４のように、第１封止材２０および第２封止材２１の周囲を取り囲むようにシール材２３が設けられていてもよい。シール材２３は、水分が光電変換部１１内へ浸入するのをさらに低減するためのものであり、第１封止材２０および第２封止材２１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２３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。
【００４３】
また、シール材２３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よい。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よく、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よい。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（Ｎａ２Ｏ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）、硫酸ナトリウム無水塩（Ｎａ２ＳＯ４）、硫酸銅無水塩（ＣｕＳＯ４）または硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４）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（ＳｉＯ２・ｎＨ２Ｏ）、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。
【００４４】
また、第１封止材２０および第２封止材２１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２３の熱膨張係数が第１封止材２０および第２封止材２１の熱膨張係数よりも小さくてもよい。例えば、シール材２３の線膨張係数が第１封止材２０および第２封止材２１の線膨張係数の０．０５〜０.９倍であってもよい
。
【００４５】
また、第２基板２２は、光電変換部１１を保護するためのものであり、例えば、ガラス、セラミックス、樹脂および金属等が用いられる。光電変換モジュール２００が、第２基板２２側から光電変換部１１へ光が入射される場合、第１封止材２０、第２封止材２１および第２基板２２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てもよい。第２基板２２としては、例えば、厚さ１〜１０ｍｍ程度の白色強化ガラスが用いられてもよい。
【００４６】
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。
【符号の説明】
【００４７】
１：第１基板
２：下部電極層
３：第１の半導体層
４：第２の半導体層
５：上部電極層
１０：光電変換セル
１１：光電変換部
２０：第１封止材
２１：第２封止材
２２：第２基板
２３：シール材
２００：光電変換モジュール
【図１】
2014187090.tif 000003
【図２】
2014187090.tif 000004
【図３】
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【図４】
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