(57)【要約】【課題】積層型の薄膜光電変換装置と同様の高い発電効率を簡略な構成で実現可能なメカニカル・スタック方式の光電変換装置を得ること。【解決手段】透光性および絶縁性を有する第１基板の一面上に第１基板側電極と第１光電変換層とが順に形成された第１光電変換素子が複数形成された第１光電変換モジュールと、第２基板の一面上に第２基板側電極と第２光電変換層とが順に形成された第２光電変換素子が複数形成された第２光電変換モジュールと、が第１光電変換素子と第２光電変換素子とを内側にして貼り合わされ、相対する位置に配置された第１光電変換素子と第２光電変換素子とが透明導電層を挟んで電気的に直列接続されて構成される光電変換素子対を複数有し、隣接する光電変換素子対において一方の第１基板側電極と他方の第２基板側電極とが接続部材により電気的に接続されることにより隣接する光電変換素子対が電気的に直列接続されている。【選択図】図１-２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性および絶縁性を有する第１基板の一面上に第１基板側電極と第１光電変換層とが順に形成された第１光電変換素子が複数形成された第１光電変換モジュールと、第２基板の一面上に第２基板側電極と第２光電変換層とが順に形成された第２光電変換素子が複数形成された第２光電変換モジュールと、が前記第１光電変換素子と前記第２光電変換素子とを内側にして貼り合わされ、
相対する位置に配置された前記第１光電変換素子と前記第２光電変換素子とが透明導電層を挟んで電気的に直列接続されて構成される光電変換素子対を複数有し、
隣接する前記光電変換素子対において一方の前記第１基板側電極と他方の前記第２基板側電極とが接続部材により電気的に接続されることにより隣接する前記光電変換素子対が電気的に直列接続されていること、
を特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記第１光電変換素子は前記第１基板上に前記第１光電変換層の下からはみ出す第１接続部を有して、前記接続部材は前記第２基板側から前記第１接続部に向かって延在する部材であること、
を特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記第２基板は、前記第２光電変換素子ごとに分割されていること、
を特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記第２基板は、前記第２基板側電極に電気的に接続された導電性金属からなり、
前記接続部材は、隣接する前記光電変換素子対間において絶縁層に狭持されて前記第１光電変換層と前記透明導電層と前記第２光電変換層とから絶縁されるとともに一方の前記第１基板側電極と他方の前記第２基板側電極とを電気的に接続する金属部材であること、
を特徴とする請求項３に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記第２基板側電極は前記第２基板上に前記第２光電変換層の下からはみ出す第２接続部を有して、隣接する前記光電変換素子対の一方の前記第２接続部と他方の前記第１接続部はそれぞれの基板の相対する位置に設けられ、前記接続部材は前記第２接続部と前記第１接続部とによって挟まれる部材であること、
を特徴とする請求項２または３に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記第１光電変換層および前記第２光電変換層は特定方向に長い形状を有して、前記第１接続部および前記第２接続部は前記第１光電変換層および前記第２光電変換層の長手方向の側辺に設けられ、前記第１接続部および前記第２接続部の少なくとも一方は隣接する前記光電変換素子対の前記長手方向の側辺まで延在する形状を有すること、
を特徴とする請求項５に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記第２基板は、前記第２基板側電極に電気的に接続された導電性金属からなり、
前記第１基板および前記第２基板は、それぞれ基板の外周部に電気的な接続領域である外周接続部を有し、
前記接続部材は、隣接する前記光電変換素子対における一方の前記第１基板の外周接続部と他方の前記第二基板の外周接続部とを電気的に接続する導電層であること、
を特徴とする請求項３に記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記第１光電変換層と前記第２光電変換層とは、異なる大きさの凹凸形状を有すること、
を特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置に関し、特に、異なる基板にそれぞれ形成された２種類の光電変換素子を互いに対向して配置するメカニカル・スタック方式の光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の積層型薄膜シリコン光電変換装置は、例えば透光性絶縁基板上に透過性電極層、シリコンを含む光電変換層、裏面電極を積層して素子を形成している。このような、積層型薄膜シリコン光電変換装置では、光電変換効率の向上のために異なる光吸収特性を有する複数の光電変換層を積層させている。また、太陽光を有効利用するために透過性電極層の表面に微細凹凸構造を設けている。この微細凹凸構造により、太陽光の光電変換層への吸収が向上する。しかし、太陽光は様々な波長を持っており、波長の大きさによって最適な凹凸構造の大きさは異なるが、多種の微細凹凸構造を設けることは困難である。
【０００３】
そこで、それぞれの光電変換層にとって最適な凹凸構造を採用するために、光電変換モジュールが積層されたメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置が利用されている。メカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置では、積層する光電変換モジュールはそれぞれ独立な基板に形成される。すなわち、従来のメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換モジュールでは、例えば透過性を有する基板上に透過性電極層と薄膜半導体からなる光電変換層とが形成された光電変換モジュールと、基板上に金属電極層と薄膜半導体からなる光電変換層とが形成された光電変換モジュールとを、それぞれ光電変換層が形成されていない面が外側に配置されるように対向させて張り合わせ、出力を個別に取り出すように構成されている。
【０００４】
また、それぞれの光電変換モジュールにおいては、複数の光電変換素子はストライプ状に加工され、隣り合う光電変換素子同士は所定の距離を隔てて配置された状態で電気的に直列に接続され、隣り合う光電変換層同士は電気的に分離されている。
【０００５】
また、メカニカル・スタック方式の積層型薄膜光電変換装置では、効率を向上させるために、光入射側の基板に形成される光電変換層のバンドギャップを、他方の基板に形成される光電変換層のバンドギャップよりも広くする。これにより、光入射側の基板に形成された光電変換素子で高エネルギ（短波長）の光を吸収し、該光電変換素子を透過した光を他方の基板に形成された光電変換素子で吸収するため、効率的に光を利用できる。しかしながら、このようなメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置では、それぞれの基板に形成された光電変換層のバンドギャップが異なるため、開放電圧は異なる値となる。
【０００６】
このようなメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置としては、例えば対向する２つの基板に設けられた薄膜太陽電池ユニットセル間の空間を外部から遮断して、それぞれの基板から別配線により電力を取り出す構造、対向する２つの基板に設けられた薄膜太陽電池ユニットセルの最適動作電圧を等しくして内部で並列接続して電力を取り出す構造が提案されている。また、両基板の最適動作電圧を等しくするために各基板において直列接続する薄膜太陽電池ユニットセル数が調整され、両基板は周縁のフレームや封止ガラスによって間隔をあけて保持される（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６０−３０１６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来の技術によれば、両基板から別々の配線で電力を取り出す構成では、電圧・電流の異なる複数の出力配線が混在し、電力を取り出し部の構成が複雑となる、という問題がある。また、両基板間の最適動作電圧を一致させて内部で並列接続する構成では取り出し部は簡単であるが、両基板の薄膜太陽電池ユニットセルにおける電圧の温度依存性の違いなどから電圧差が生じて、一方の基板の薄膜太陽電池ユニットセルで発生した電流が他方に流れる、などの問題がある。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、積層型の薄膜光電変換装置と同様の高い発電効率を簡略な構成で実現可能なメカニカル・スタック方式の光電変換装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる光電変換装置は、透光性および絶縁性を有する第１基板の一面上に第１基板側電極と第１光電変換層とが順に形成された第１光電変換素子が複数形成された第１光電変換モジュールと、第２基板の一面上に第２基板側電極と第２光電変換層とが順に形成された第２光電変換素子が複数形成された第２光電変換モジュールと、が前記第１光電変換素子と前記第２光電変換素子とを内側にして貼り合わされ、相対する位置に配置された前記第１光電変換素子と前記第２光電変換素子とが透明導電層を挟んで電気的に直列接続されて構成される光電変換素子対を複数有し、隣接する前記光電変換素子対において一方の前記第１基板側電極と他方の前記第２基板側電極とが接続部材により電気的に接続されることにより隣接する前記光電変換素子対が電気的に直列接続されていること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、相対する位置に配置された第１の光電変換素子と第２の光電変換素子とが電気的に直列接続されて構成される光電変換素子対が電気的に直列接続されることにより光電変換素子が最適動作点で動作する。これにより、積層型の薄膜光電変換装置と同様の高い発電効率を有するメカニカル・スタック方式の光電変換装置を、簡略な構成で得ることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１−１】図１−１は、本発明の実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置の概略構成を示す平面図である。
【図１−２】図１−２は、本発明の実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置の断面構造を説明するための要部断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置の等価回路図である。
【図３】図３は、従来のメカニカル・スタック方式の光電変換装置の等価回路図である。
【図４】図４は、従来のメカニカル・スタック方式の光電変換装置の等価回路図である。
【図５−１】図５−１は、本発明の実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置の製造工程を説明するための要部断面図である。
【図５−２】図５−２は、本発明の実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置の製造工程を説明するための要部断面図である。
【図５−３】図５−３は、本発明の実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置の製造工程を説明するための要部断面図である。
【図５−４】図５−４は、本発明の実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置の製造工程を説明するための要部断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態２にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置の概略構成を示す斜視図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態２にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置における対向する光電変換モジュールを分解した状態を示す分解斜視図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態２にかかるメカニカル・スタック方式の光電変換装置における光電変換モジュールの各層を分解した状態を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明にかかる光電変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述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において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。
【００１４】
実施の形態１．
図１−１は、本発明の実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置１の概略構成を示す平面図である。図１−２は、薄膜光電変換装置１の断面構造を説明するための図であり、図１−１の線分Ａ−Ａ’方向における要部断面図である。
【００１５】
実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置１は、それぞれ複数の光電変換素子が構成された薄膜光電変換モジュールである第１の光電変換モジュール２と第２の光電変換モジュール７とが光電変換素子を内側にして貼り合わされた構成を有し、第１の光電変換モジュール２の基板側から光が入射する。
【００１６】
第１の光電変換モジュール２は、第１の光電変換素子である複数の光電変換素子３ａ、３ｂ（以下、光電変換素子３と総称する場合がある）を備えている。光電変換素子３は、第１基板である透光性絶縁基板４上に、透光性絶縁基板４と反対側の表面にテクスチャ構造（図示せず）を有して透光性絶縁基板４の短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状にパターニングされた第１基板側電極である透明電極層５、透明電極層５と略同じ形状・配置で透光性絶縁基板４の短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状にパターニングされた第１の薄膜半導体層である薄膜半導体層６が順次積層されて構成されている。第１の光電変換モジュール２において、隣接する光電変換素子３同士は、電気的に接続されていない。
【００１７】
なお、図１−２では、便宜上第１の光電変換モジュール２のうち、隣接する２つの光電変換素子３ａ、３ｂを示しているが、第１の光電変換モジュール２が備える光電変換素子３の数量はこれに限定されず、多数の光電変換素子３が透光性絶縁基板４上に形成される。
【００１８】
メカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置１では、第１の光電変換モジュール２の透光性絶縁基板４側から光が入射するため、透光性絶縁基板４はガラス、透明樹脂等の透光性を有する絶縁材料からなる板状部材やシート状部材が用いられる。
【００１９】
透明電極層５は、光透過性を有する透明導電膜として例えば酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）が用いられ、ＣＶＤ（Chemical  Vapor  Deposition）法、スパッタリング法、蒸着法等の方法を用いて形成される。また、透明電極層５は、透光性絶縁基板４と反対側の表面に凹凸形状が形成された表面テクスチャ構造（図示せず）を有する。テクスチャ構造は、入射した太陽光を散乱させ、第１の光電変換モジュール２と第２の光電変換モジュール７とで入射光をより効率的に吸収させ、光利用効率を高める機能を有する。この透明電極層５のテクスチャ構造は、第１の光電変換モジュール２の薄膜半導体層６にとっての光吸収に適した凹凸構造とされている。なお、透光性絶縁基板４上には、透光性絶縁基板４からの不純物の阻止層として、必要に応じて酸化珪素（ＳｉＯ２）等からなるアンダーコート層を形成してもよい。
【００２０】
薄膜半導体層６は、光入射側からみて透明電極層５の後方に配置され、Ｐ−Ｉ−Ｎ構造を有し、入射する光により発電を行う薄膜半導体層が１層以上積層されて構成される。薄膜半導体層６は、透光性絶縁基板４側から第１導電型半導体層であるＰ型半導体層、実質的に真性な光電変換層であり第２導電型半導体層であるＩ型半導体層、および第３導電型半導体層であるＮ型半導体層からなるＰＩＮ接合を構成する。本実施の形態では、薄膜半導体層６は、透光性絶縁基板４側から順に、第１導電型半導体層であるＰ型の水素化アモルファス炭化シリコン（ａ−ＳｉＣ：Ｈ）層、第２導電型半導体層であるＩ型の水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）層、第３導電型半導体層であるＮ型の水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）層からなるＰ−Ｉ−Ｎ接合を形成している。
【００２１】
また、薄膜半導体層６は、透光性絶縁基板４側から、第１導電型半導体層であるＰ型の水素化アモルファス炭化シリコン（ａ−ＳｉＣ：Ｈ）層、第２導電型半導体層であるＩ型の水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）層、第３導電型半導体層であるＮ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、第１導電型半導体層であるＰ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、第２導電型半導体層であるＩ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、第３導電型半導体層であるＮ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層からなる二段のＰ−Ｉ−Ｎ接合の構成としてもよい。
【００２２】
また、上記の二段のＰ−Ｉ−Ｎ接合のように複数の薄膜半導体層が積層されて薄膜半導体層６が構成される場合には、それぞれのＰ−Ｉ−Ｎ接合間に酸化微結晶シリコン（μｃ−ＳｉＯｘ（Ｘ＝０〜２））やアルミニウム添加酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ａｌ）などの中間層を挿入して、Ｐ−Ｉ−Ｎ接合間の電気的、光学的接続を改善してもよい。
【００２３】
第２の光電変換モジュール７は、第２の光電変換素子である複数の光電変換素子８ａ、８ｂ（以下、光電変換素子８と総称する場合がある）を備えている。光電変換素子８は、表面に凹凸形状を有する細長い第２基板である導電性金属基板９に、導電性金属基板９と反対側の表面にテクスチャ構造を有して透光性絶縁基板４の短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状にパターニングされた第２基板側電極である裏面透明電極層１０、裏面透明電極層１０と略同じ形状・配置で透光性絶縁基板４の短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状にパターニングされた第２の薄膜半導体層である薄膜半導体層１１が順次積層されて構成されている。第２の光電変換モジュール７において、隣接する光電変換素子８同士は、電気的に接続されていない。
【００２４】
なお、図１−２では、便宜上第２の光電変換モジュール７のうち、隣接する２つの光電変換素子８ａ、８ｂを示しているが、第２の光電変換モジュール７が備える光電変換素子８の数量はこれに限定されず、多数の光電変換素子８が導電性金属基板９上に形成される。
【００２５】
導電性金属基板９は、例えば銀（Ａｇ）やアルミニウム（Ａｌ）等の金属基板が用いられる。導電性金属基板９は、透明電極層５が備えるテクスチャ構造よりも大きな（緩やかな）凹凸構造を裏面透明電極層１０側の表面に備える。
【００２６】
裏面透明電極層１０は、光透過性を有する透明導電膜として例えば酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）が用いられ、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法等の方法を用いて形成される。また、導電性金属基板９上には、導電性金属基板９からの不純物の阻止層として、必要に応じて酸化珪素（ＳｉＯ２）等からなるアンダーコート層を形成してもよい。また、裏面透明電極層１０は、導電性金属基板９の表面形状に沿った形状であって透明電極層５が備えるテクスチャ構造よりも凹凸構造の大きな（緩やかな）テクスチャ構造を両主面に備える。このテクスチャ構造は、第２の光電変換モジュール７の薄膜半導体層１１にとっての光吸収に適した凹凸構造とされている。
【００２７】
薄膜半導体層１１は、光入射側からみて裏面透明電極層１０の前方に配置され、Ｐ−Ｉ−Ｎ構造を有し、入射する光により発電を行う薄膜半導体層が１層以上積層されて構成される。薄膜半導体層１１は、裏面透明電極層１０側から第３導電型半導体層であるＮ型半導体層、実質的に真性な光電変換層であり第２導電型半導体層であるＩ型半導体層および第１導電型半導体層であるＰ型半導体層からなるＮ−Ｉ−Ｐ接合を構成する。本実施の形態では、薄膜半導体層１１は、裏面透明電極層１０側から順に、第３導電型半導体層であるＮ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、第２導電型半導体層であるＩ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層および第１導電型半導体層であるＰ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、からなるＮ−Ｉ−Ｐ接合を構成している。
【００２８】
また、薄膜半導体層１１は、裏面透明電極層１０側から、第３導電型半導体層であるＮ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、第２導電型半導体層であるＩ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、第１導電型半導体層であるＰ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、第３導電型半導体層であるＮ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、第２導電型半導体層であるＩ型の水素化アモルファスシリコンゲルマニウム（ａ−ＳｉＧｅ：Ｈ）層、第１導電型半導体層であるＰ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層からなる二段のＮ−Ｉ−Ｐ接合の構成としてもよい。
【００２９】
また、上記の二段のＮ−Ｉ−Ｐ接合のように複数の薄膜半導体層が積層されて薄膜半導体層１１が構成される場合には、それぞれのＮ−Ｉ−Ｐ接合間に酸化微結晶シリコン（μｃ−ＳｉＯｘ（Ｘ＝０〜２））やアルミニウム添加酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ａｌ）などの中間層を挿入して、Ｎ−Ｉ−Ｐ接合間の電気的、光学的接続を改善してもよい。
【００３０】
第１の光電変換モジュール２と第２の光電変換モジュール７との組み合わせとして、各モジュールにおける薄膜半導体層の積層形態は、例えば（１）１段ｐｉｎ接合−１段ｎｉｐ接合、（２）２段ｐｉｎ接合−１段ｎｉｐ接合、（３）１段ｐｉｎ接合−２段ｎｉｐ接合、（４）２段ｐｉｎ接合−２段ｎｉｐ接合とすることができる。
【００３１】
また、光電変換素子３での透光性絶縁基板４の長手方向における幅（図１−１における線分Ａ−Ａ’方向における幅）と、光電変換素子８での透光性絶縁基板４の長手方向における幅（図１−１における線分Ａ−Ａ’方向における幅）とは略同一とされており、薄膜光電変換装置１において光電変換素子３と光電変換素子８とは互いに相対する位置に配置されて、光電変換素子３と光電変換素子８との対を構成している。すなわち、図１−２においては、光電変換素子３ａと光電変換素子８ａとが互いに相対する位置に配置されて光電変換素子対を構成し、光電変換素子３ｂと光電変換素子８ｂとが互いに相対する位置に配置されて光電変換素子対を構成している。この光電変換素子対は、新たな光電変換素子とみなせる。また、隣接する光電変換素子対は、絶縁性樹脂１３により素子分離されている。
【００３２】
また、図１−２に示すように、相対する光電変換素子３と光電変換素子８において薄膜半導体層６と薄膜半導体層１１とは、薄膜半導体層６と薄膜半導体層１１との間に配置された透明導電層１２により電気的に接続されるとともに接着されている。透明導電層１２は、例えば金属ペースト、異方性導電膜などで構成されており、透明性と導電性とを同時に有する。このような透明導電層１２は、例えば酸化亜鉛、酸化スズなどの金属酸化物と、例えばエタノール、２―メトキシエタノール、モノエタノールアミンなどの有機溶媒とを混ぜ合わせた金属アルコキシド溶液を塗布、焼成することにより得られる。また、透明導電層１２は、透明性と導電性とを持ち合わせた樹脂やシートで代用することもできる。さらに、透明導電層１２は、透明樹脂に金属粒子や導電性酸化物粒子を分散したものであってもよい。
【００３３】
このような構成により、相対する光電変換素子３と光電変換素子８とは電気的に直接接続され、同一基板上に形成された積層型薄膜光電変換素子と同様の素子構成となり、メカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置１の全ての光電変換素子対は、ほぼ同一の特性を有することになる。そして、薄膜光電変換装置１では、並列接続にくらべて電力降下を防ぐことができる。また、第１の光電変換モジュール２と第２の光電変換モジュール７との素子を直列に接続するので、第１の光電変換モジュール２と第２の光電変換モジュール７間を並列する場合に比べて電圧を容易に高めることができ、配線抵抗などによる損失を低減できる。
【００３４】
また、隣接する光電変換素子対において、例えば光電変換素子８ａの導電性金属基板９と、隣接する対を構成する光電変換素子３ｂの透明電極層５とは、接続部材である金属基板１４により電気的に接続されている。このような構成により、隣接する光電変換素子対は電気的に直接接続され、同一基板上に形成された積層型薄膜光電変換素子が直列に接続される場合と同様の素子構成となる。
【００３５】
本実施の形態１の接続部材による接続について、さらに詳細に説明する。第１の光電変換モジュール２において透光性絶縁基板４の上の透明電極層５は薄膜半導体層６の下からはみ出した領域を有し、この部分が接続部となる。この接続部は、薄膜半導体層６の分離溝内にある。金属基板１４の一方は、導電性金属基板９を介して第２基板側電極である裏面透明電極層１０と電気接続される。また、金属基板１４の他方は、分離溝内で導電性金属基板９側から透明電極層５の接続部に向かって延在して、隣接する光電変換素子対は電気的に直列接続される。金属基板１４が基板に対しておおむね垂直に延在して接続する構造となるので、比較的狭い分離溝とすることが可能となり、発電に寄与しない分離溝の面積を低減することができる。この金属基板１４は、隣接する光電変換素子対の導電性金属基板９や第２基板側電極と接しないように配置される。なお、以上の具体的な接続構造については、部材の形状や接続位置をはじめとして種々に変更可能である。金属基板１４が必ずしも直接に透明電極層５に接さずに、透明電極層５の上に形成した他の導電性部材を介して接続されてもよい。
【００３６】
図２は、実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置１の等価回路図である。図２に示すように、薄膜光電変換装置１では、全ての光電変換素子３および光電変換素子８が交互に直列に接続されることになり、積層型薄膜光電変換装置と同様に光電変換素子３、８が最適動作点で動作し、発電効率が向上する。これにより、薄膜光電変換装置１では、積層型薄膜光電変換装置と同等の光電変換効率を実現できる。
【００３７】
図３および図４は、従来のメカニカル・スタック方式の光電変換装置の等価回路図である。図３および図４に示す光電変換装置は、複数の光電変換素子２０１が形成された第１の光電変換モジュール２１１と複数の光電変換素子２０２が形成された第２の光電変換モジュール２１２とが、素子同士を対向させて配置して構成されたメカニカル・スタック方式の光電変換装置である。一般にメカニカル・スタック方式の光電変換装置における光電変換素子２０１と光電変換素子２０２との発電特性は異なる。このため従来のメカニカル・スタック方式の光電変換装置では、図３や図４に示すようにそれぞれのモジュールから出力を独立して取り出すか、出力電圧がほぼ等しくなるように光電変換素子の直列段数を変える方法を採用している。図３は、それぞれのモジュールから出力を独立して取り出す方式のメカニカル・スタック方式の光電変換装置を示している。図４は、出力電圧がほぼ等しくなるようにモジュール毎に光電変換素子の直列段数を変える方式のメカニカル・スタック方式の光電変換装置を示している。
【００３８】
しかしながら、それぞれのモジュールから出力を独立して取り出す方式の場合は、出力取り出し部がそれぞれのモジュールで必要となり、電圧・電流の異なる複数の出力配線が混在し、部材コストが上昇する、出力取り出し部の構造が複雑となる。また、両基板間の最適動作電圧を一致させて内部で並列接続し、モジュール毎に光電変換素子の直列段数を変える方式の場合は、両基板の電圧の温度依存性の違いなどから電圧差が生じて、一方の基板の発生した電流が他方に流れる。また、同一サイズのモジュールに形成されて直列接続される光電変換素子の直列段数が２つのモジュールで異なるため、それぞれの光電変換素子数が同一である積層型の薄膜光電変換装置と同等の性能が実現することができず、スタックモジュール全体の発電効率が低下する。
【００３９】
これに対して、実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置１では、相対する光電変換素子３と光電変換素子８とが電気的に接続され、且つ光電変換素子３と、隣接する光電変換素子対を構成する光電変換素子８とが電気的に接続されることにより、全ての光電変換素子３および光電変換素子８が交互に直列に接続され、積層型薄膜光電変換装置と同等の構成を有し、光電変換素子３、８が最適動作点で動作し、発電効率が向上する。
【００４０】
つぎに、このような実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置１の製造方法について図５−１〜図５−４を参照して説明する。図５−１〜図５−４は、実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置１の製造工程を説明するための要部断面図である。
【００４１】
最初に第１の光電変換モジュール２を作製する。まず、透光性絶縁基板４として例えば平板状のガラス基板を用意し、該透光性絶縁基板４の一面側に、表面に凹凸形状のテクスチャ構造を有する酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）からなる透明電極層５をＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法等の方法を用いて形成する。
【００４２】
次に、プラズマＣＶＤ法などにより透明電極層５上に例えばアモルファスシリコンからなる光電変換用の薄膜半導体層６を形成して、光電変換素子が素子分離される前の第１の光電変換モジュール２’を得る。ここでは、薄膜半導体層６として透光性絶縁基板４側から、第１導電型半導体層であるｐ型の水素化アモルファス炭化シリコン（ａ−ＳｉＣ：Ｈ）層、第２導電型半導体層であるｉ型の水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）層、第３導電型半導体層であるｎ型の水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）層を順次形成する（図５−１）。この後、素子分離前の第１の光電変換モジュール２’に例えばレーザスクライブにより分離溝を形成して複数の光電変換素子３に分割することにより、第１の光電変換モジュール２が得られる（図示せず）。なお、分離溝形成時に、透明電極層５を除去する工程と、透明電極層５を残して薄膜半導体層６を除去する工程とを用いて、薄膜半導体層６の下部から透明電極層５の一部がはみ出る領域を形成しておく。これによって薄膜半導体層６の分離溝の底部に接続部となる透明電極層５の一部が露出する。
【００４３】
次に、第２の光電変換モジュール７を作製する。まず、導電性金属基板９として例えば一面側に凹凸形状のテクスチャ構造を有する銀（Ａｇ）やアルミニウム（Ａｌ）などの光を反射する金属基板を用意する。ここで、テクスチャ構造は、透明電極層５の表面のテクスチャ構造よりも凹凸構造の大きな（緩やかな）テクスチャ構造とされる。
【００４４】
次に、導電性金属基板９の一面側に、例えば酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）からなる裏面透明電極層１０をＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法等の方法を用いて形成する。また、導電性金属基板９上には、導電性金属基板９からの不純物の阻止層として、必要に応じて酸化珪素（ＳｉＯ２）等からなるアンダーコート層を形成してもよい。
【００４５】
次に、プラズマＣＶＤ法などにより裏面透明電極層１０上に例えば水素化微結晶シリコンからなる光電変換用の薄膜半導体層１１を形成して、光電変換素子が素子分離される前の第２の光電変換モジュール７’を得る。ここでは、薄膜半導体層１１として裏面透明電極層１０側から、第３導電型半導体層であるｎ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、第２導電型半導体層であるｉ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層および第１導電型半導体層であるｐ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層を順次形成する（図５−２）。
【００４６】
この後、素子分離前の第２の光電変換モジュール７’を例えばレーザスクライブにより複数の光電変換素子８に分割することにより、第２の光電変換モジュール７が得られる（図示せず）。ここで、第２の光電変換モジュール７は、導電性金属基板９ごとに分割される。
【００４７】
次に、第１の光電変換モジュール２の薄膜半導体層６上の全面および第２の光電変換モジュール７の薄膜半導体層１１上のおおよそ全面に、例えば酸化亜鉛、酸化スズなどの金属酸化物と例えばエタノール、２―メトキシエタノール、モノエタノールアミンなどの有機溶媒とを混ぜ合わせた金属アルコキシド溶液を塗布し、仮焼成する。そして、光電変換素子対をなす光電変換素子３と光電変換素子８とが相対するように、第１の光電変換モジュール２と第２の光電変換モジュール７とにおける塗布面を対向させて貼り合わせて圧着した後、本焼成する。これにより、薄膜半導体層６と薄膜半導体層１１との間に透明導電層１２が形成される（図５−３）。なお、透明導電層１２は薄膜半導体層６上や、薄膜半導体層１１上から、分離溝側にはみ出ること短絡の原因になるので望ましくない。上記のように原料を塗布することで透明導電層１２を形成する場合には、塗布の際にスクリーン印刷などの方法を用いるとよい。スクリーン印刷の塗布形状を薄膜半導体層の表面と同形状、または、わずかに小さい形状のパターンとするとよい。
【００４８】
ここで、相対する第１の光電変換モジュール２の薄膜半導体層６と第２の光電変換モジュール７の薄膜半導体層１１とは、薄膜半導体層６と薄膜半導体層１１との間に配置された透明導電層１２により電気的に接続される。なお、透明導電層１２は、透明性と導電性を持ち合わせた樹脂やシートで代用しても良い。
【００４９】
その後、分離溝内の側壁に沿って絶縁性樹脂１３を配置し、さらにこの絶縁性樹脂１３の間に該分離溝の延在方向に沿って金属基板１４を埋め込む（図５−４）。この該金属基板１４により光電変換素子８の導電性金属基板９と、隣接する対を構成する光電変換素子３の透明電極層５とが電気的に接続される。これにより、図１−１および図１−２に示すような第１の光電変換モジュール２と第２の光電変換モジュール７とが貼り合わされたメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置１が得られる。この後、直列接続された複数の光電変換素子のうち両端の光電変換素子にのみそれぞれ１箇所ずつ出力取り出し部（図示せず）が形成される。
【００５０】
上述したように、実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置１では、相対する光電変換素子対が電気的に接続され、且つ光電変換素子３と、隣接する対を構成する光電変換素子８とが電気的に接続されることにより、図２に示す等価回路のように全ての光電変換素子３および光電変換素子８が交互に直列に接続される。これにより、実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置１は、積層型薄膜光電変換装置と同等の接続構成とされるため光電変換素子３、８が最適動作点で動作し、発電効率が向上する。その結果、実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置１は、積層型薄膜光電変換装置と同等の光電変換効率をメカニカル・スタック方式の光電変換装置により実現することができるという、従来にない顕著な効果を有する。
【００５１】
また、実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置１では、積層型薄膜光電変換装置と同等の構成で光電変換素子対が直列に接続されるため、従来は２枚の光電変換モジュールのそれぞれに必要であった出力取り出し部が単一箇所に集約される（図示せず）。すなわち、直列接続された複数の光電変換素子のうち両端の光電変換素子にのみそれぞれ１箇所ずつ出力取り出し部を設ければよい。これにより、薄膜光電変換装置１の構成が簡略となるため耐久性に優れ、製造工程を簡略化でき、また出力取り出し部に使用される部材も削減できるためコストダウンが可能である。また、光電変換素子の並列接続が無いため出力取り出しの途中経路に逆電圧が生じにくい。
【００５２】
また、実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置１では、光電変換素子対を構成する光電変換素子３と光電変換素子８との素子間を、透明導電層１２により電気接続および接着を同時に実現できるので素子間の電気接続が確実且つ容易である。
【００５３】
また、実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置１では、第２の光電変換モジュール７は細長い導電性金属基板９上に形成されている。このため、第２の光電変換モジュール７に不具合が生じた場合でも該当する第２の光電変換モジュール７のみを取り除けばよく、第２の光電変換モジュール７に大面積の１枚の基板上に第２の光電変換モジュールが形成されている場合よりも歩留まりが向上する。また、第２の光電変換モジュール７はそれぞれ分離しているため、光電変換素子３と光電変換素子８との熱による膨張率の違いに起因した反りや破損を抑制することができる。
【００５４】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置２１の概略構成を示す斜視図である。図７は、実施の形態２にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置２１における対向する光電変換モジュールを分解した状態を示す分解斜視図である。図８は、実施の形態２にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置２１における光電変換モジュールの各層を分解した状態を示す分解斜視図である。
【００５５】
実施の形態２にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置２１は、それぞれ複数の光電変換素子が構成された薄膜光電変換モジュールである第１の光電変換モジュール２２と第２の光電変換モジュール２７とが光電変換素子を内側にして貼り合わされた構成を有し、第１の光電変換モジュール２２側から光が入射する。
【００５６】
第１の光電変換モジュール２２は、第１の光電変換素子である複数の光電変換素子２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ（以下、光電変換素子２３と総称する場合がある）を備えている。光電変換素子２３は、第１の透光性絶縁基板である透光性絶縁基板２４上に、透光性絶縁基板２４と反対側の表面にテクスチャ構造（図示せず）を有して透光性絶縁基板２４の短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状にパターニングされた第１の透明電極層である透明電極層２５、透光性絶縁基板４の短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状にパターニングされた第１の薄膜半導体層である薄膜半導体層２６が順次積層されて構成されている。第１の光電変換モジュール２２において、隣接する光電変換素子２３同士は、電気的に接続されていない。
【００５７】
なお、図６〜図８では、第１の光電変換モジュール２２が、隣接する４つの光電変換素子２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄを備える場合について示しているが、第１の光電変換モジュール２２が備える光電変換素子２３の数量はこれに限定されず、さらに多数の光電変換素子２３が透光性絶縁基板２４上に形成されてもよい。
【００５８】
メカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置２１では、第１の光電変換モジュール２２側から光が入射するため、透光性絶縁基板２４はガラス、透明樹脂等の透光性を有する絶縁材料からなる板状部材やシート状部材が用いられる。
【００５９】
透明電極層２５は、光透過性を有する透明導電膜として例えば酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）が用いられ、ＣＶＤ（Chemical  Vapor  Deposition）法、スパッタリング法、蒸着法等の方法を用いて形成される。また、透明電極層２５は、透光性絶縁基板２４と反対側の表面に凹凸形状が形成された表面テクスチャ構造（図示せず）を有する。このテクスチャ構造は、入射した太陽光を散乱させ、第１の光電変換モジュール２２と第２の光電変換モジュール２７とで入射光をより効率的に吸収させ、光利用効率を高める機能を有する。また、透明電極層２５は、透光性絶縁基板２４の短手方向における両端部に電気的な接続領域である外周接続部３３を有している。なお、透光性絶縁基板２４上には、透光性絶縁基板２４からの不純物の阻止層として、必要に応じて酸化珪素（ＳｉＯ２）等からなるアンダーコート層を形成してもよい。
【００６０】
薄膜半導体層２６は、光入射側からみて透明電極層２５の後方に配置され、Ｐ−Ｉ−Ｎ構造を有し、入射する光により発電を行う薄膜半導体層が１層以上積層されて構成される。薄膜半導体層２６は、透光性絶縁基板２４側から第１導電型半導体層であるＰ型半導体層、実質的に真性な光電変換層であり第２導電型半導体層であるＩ型半導体層、および第３導電型半導体層であるＮ型半導体層からなるＰＩＮ接合を構成する。本実施の形態では、薄膜半導体層２６は、透光性絶縁基板２４側から順に、第１導電型半導体層であるＰ型の水素化アモルファス炭化シリコン（ａ−ＳｉＣ：Ｈ）層、第２導電型半導体層であるＩ型の水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）層、第３導電型半導体層であるＮ型の水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）層からなるＰ−Ｉ−Ｎ接合を形成している。
【００６１】
また、薄膜半導体層２６は、透光性絶縁基板２４側から、第１導電型半導体層であるＰ型の水素化アモルファス炭化シリコン（ａ−ＳｉＣ：Ｈ）層、第２導電型半導体層であるＩ型の水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）層、第３導電型半導体層であるＮ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、第１導電型半導体層であるＰ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、第２導電型半導体層であるＩ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、第３導電型半導体層であるＮ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層からなる二段のＰ−Ｉ−Ｎ接合の構成としてもよい。
【００６２】
また、上記の二段のＰ−Ｉ−Ｎ接合のように複数の薄膜半導体層が積層されて薄膜半導体層２６が構成される場合には、それぞれのＰ−Ｉ−Ｎ接合間に酸化微結晶シリコン（μｃ−ＳｉＯｘ（Ｘ＝０〜２））やアルミニウム添加酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ａｌ）などの中間層を挿入して、Ｐ−Ｉ−Ｎ接合間の電気的、光学的接続を改善してもよい。
【００６３】
第２の光電変換モジュール２７は、第２の光電変換素子である複数の光電変換素子２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ（以下、光電変換素子２８と総称する場合がある）を備えている。光電変換素子２８は、表面に凹凸形状を有する細長い導電性金属基板２９に、導電性金属基板２９と反対側の表面にテクスチャ構造を有して導電性金属基板２９と同じ形状にパターニングされた裏面透明電極層３０、透光性絶縁基板２４の短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状にパターニングされた第２の薄膜半導体層である薄膜半導体層３１が順次積層されて構成されている。第２の光電変換モジュール７において、隣接する光電変換素子２８同士は、電気的に接続されていない。
【００６４】
なお、図６〜図８では、便宜上第２の光電変換モジュール２７のうち、隣接する４つの光電変換素子２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄを示しているが、第２の光電変換モジュール２７が備える光電変換素子２８の数量はこれに限定されず、多数の光電変換素子２８が導電性金属基板９上に形成される。
【００６５】
導電性金属基板２９は、例えば銀（Ａｇ）やアルミニウム（Ａｌ）等の金属基板が用いられる。導電性金属基板２９は、透明電極層２５が備えるテクスチャ構造よりも大きな（緩やかな）凹凸構造を裏面透明電極層３０側の表面に備える。
【００６６】
裏面透明電極層３０は、光透過性を有する透明導電膜として例えば酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）が用いられ、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法等の方法を用いて形成される。また、裏面透明電極層３０は、導電性金属基板２９の表面形状に沿った形状であって透明電極層２５が備えるテクスチャ構造よりも凹凸構造の大きな（緩やかな）テクスチャ構造を両主面に備える。このテクスチャ構造は、第２の光電変換モジュール２７の薄膜半導体層３１にとっての光吸収に適した凹凸構造とされている。また、裏面透明電極層３０は、透光性絶縁基板２４の短手方向における両端部に電気的な接続領域である外周接続部３４を有している。なお、導電性金属基板２９上には、導電性金属基板２９からの不純物の阻止層として、必要に応じて酸化珪素（ＳｉＯ２）等からなるアンダーコート層を形成してもよい。
【００６７】
薄膜半導体層３１は、光入射側からみて裏面透明電極層３０の前方に配置され、Ｐ−Ｉ−Ｎ構造を有し、入射する光により発電を行う薄膜半導体層が１層以上積層されて構成される。薄膜半導体層３１は、裏面透明電極層３０側から第３導電型半導体層であるＮ型半導体層、実質的に真性な光電変換層であり第２導電型半導体層であるＩ型半導体層および第１導電型半導体層であるＰ型半導体層からなるＮ−Ｉ−Ｐ接合を構成する。本実施の形態では、薄膜半導体層３１は、裏面透明電極層３０側から順に、第３導電型半導体層であるｎ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、第２導電型半導体層であるｉ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層および第１導電型半導体層であるｐ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、からなるＮ−Ｉ−Ｐ接合を構成している。
【００６８】
また、薄膜半導体層３１は、裏面透明電極層３０側から、第３導電型半導体層であるｎ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、第２導電型半導体層であるｉ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、第１導電型半導体層であるｐ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、第３導電型半導体層であるｎ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、第２導電型半導体層であるｉ型の水素化アモルファスシリコンゲルマニウム（ａ−ＳｉＧｅ：Ｈ）層、第１導電型半導体層であるｐ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層からなる二段のＮ−Ｉ−Ｐ接合の構成としてもよい。
【００６９】
また、上記の二段のＮ−Ｉ−Ｐ接合のように複数の薄膜半導体層が積層されて薄膜半導体層１１が構成される場合には、それぞれのＮ−Ｉ−Ｐ接合間に酸化微結晶シリコン（μｃ−ＳｉＯｘ（Ｘ＝０〜２））やアルミニウム添加酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ａｌ）などの中間層を挿入して、Ｎ−Ｉ−Ｐ接合間の電気的、光学的接続を改善してもよい。
【００７０】
第１の光電変換モジュール２２と第２の光電変換モジュール２７との組み合わせとして、各モジュールにおける薄膜半導体層の積層形態は、例えば（１）１段ｐｉｎ接合−１段ｎｉｐ接合、（２）２段ｐｉｎ接合−１段ｎｉｐ接合、（３）１段ｐｉｎ接合−２段ｎｉｐ接合、（４）２段ｐｉｎ接合−２段ｎｉｐ接合とすることができる。
【００７１】
また、光電変換素子２３での透光性絶縁基板２４の長手方向における幅と、光電変換素子２８での透光性絶縁基板２４の長手方向における幅とは略同一とされており、薄膜光電変換装置２１において光電変換素子２３と光電変換素子２８とは互いに相対する位置に配置されて、光電変換素子２３と光電変換素子２８との対を構成している。
【００７２】
すなわち、図６〜図８においては、光電変換素子２３ａと光電変換素子２８ａとが互いに相対する位置に配置されて光電変換素子対を構成し、光電変換素子２３ｂと光電変換素子２８ｂとが互いに相対する位置に配置されて光電変換素子対を構成している。また、光電変換素子２３ｃと光電変換素子２８ｃとが互いに相対する位置に配置されて光電変換素子対を構成し、光電変換素子２３ｄと光電変換素子２８ｄとが互いに相対する位置に配置されて光電変換素子対を構成している。この光電変換素子対は、新たな光電変換素子とみなせる。
【００７３】
また、相対する光電変換素子２３と光電変換素子２８において、薄膜半導体層２６と薄膜半導体層３１とは、薄膜半導体層２６と薄膜半導体層３１との間に配置された透明導電層３２により電気的に接続されるとともに接着されている。透明導電層３２は、例えば金属ペースト、異方性導電膜で構成されており、透明性と導電性とを同時に有する。このような透明導電層３２は、例えば酸化亜鉛、酸化スズなどの金属酸化物と、例えばエタノール、２―メトキシエタノール、モノエタノールアミンなどの有機溶媒とを混ぜ合わせた金属アルコキシド溶液を薄膜半導体層２６と薄膜半導体層３１との全面に塗布、焼成することにより得られる。また、透明導電層３２は、透明性と導電性とを持ち合わせた樹脂やシートで代用することもできる。透明樹脂に金属粒子や導電性酸化物粒子を分散したものであってもよい。
【００７４】
このような構成により、図２に示す等価回路のように全ての光電変換素子２３および光電変換素子２８が交互に直列に接続される。すなわち、相対する光電変換素子２３と光電変換素子２８とは電気的に直接接続され、同一基板上に形成された積層型薄膜光電変換素子と同様の素子構成となり、メカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置２１の全ての光電変換素子対は、ほぼ同一の特性を有することになる。そして、薄膜光電変換装置２１では、並列接続にくらべて電力降下を防ぐことができる。また、第１の光電変換モジュール２２と第２の光電変換モジュール２７との素子を直列に接続するので、第１の光電変換モジュール２２と第２の光電変換モジュール２７間を並列する場合に比べて電圧を容易に高めることができ、配線抵抗などによる損失を低減できる。
【００７５】
また、図６〜図８に示すように、隣接する光電変換素子対において、一方の第１の光電変換モジュール２２の透明電極層２５と他方の第２の光電変換モジュール２７の裏面透明電極層３０とは、透明電極層２５の透光性絶縁基板２４の短手方向における外周接続部３３および裏面透明電極層３０の透光性絶縁基板２４の短手方向における外周接続部３４で、接続部材である導電層３５により電気的に接続されている。導電層３５は、例えば電極ペースト、導電性樹脂、導電性シートなど、透明電極層２５と裏面透明電極層３０とのコンタクトがとれるものであれば、得に限定されない。このような導電層３５は、外周接続部３３および外周接続部３４に導電ペーストを塗布した後に、薄膜半導体層２６と薄膜半導体層３１とを圧着することにより得られる。これにより、相対する一対の光電変換素子２３と光電変換素子２８とが電気的に接続されている。このような構成により、隣接する光電変換素子対は電気的に直接接続され、同一基板上に形成された積層型薄膜光電変換素子が直列に接続される場合と同様の素子構成となる。
【００７６】
本実施の形態２の接続部材による接続についてさらに詳細に説明する。第１の光電変換モジュール２２において透光性絶縁基板２４の上の透明電極層２５は、薄膜半導体層２６の下からはみ出した領域を有する。このはみ出した領域は素子ごとに分割された薄膜半導体層２６の長手方向の端部よりも外側の側辺に位置する外周接続部３３となる。この外周接続部３３は、隣接する光電変換素子対側に延びた延在部を有し、この延在部は第１の薄膜半導体層２６の長手方向の端部外側まで位置する。また、この延在部が隣の外周接続部３３と接触しないように、外周接続部３３は第１の薄膜半導体層２６の長手方向の端部の途中から隣接する光電変換素子対側に延びる形状とされている。
【００７７】
一方、第２の光電変換モジュール２７において、導電性金属基板２９の上の裏面透明電極層３０は薄膜半導体層３１の下からはみ出した領域を有する。このはみ出した領域は素子ごとに分割された薄膜半導体層３１の長手方向の端部よりも外側の側辺に位置する外周接続部３４となる。この外周接続部３４は透光性絶縁基板２４と導電性金属基板２９とを対向した際に、隣の光電変換素子対の外周接続部３３の延在部と相対する位置となっている。
【００７８】
外周接続部３３と外周接続部３４とをこのような形状としたことにより、これらの間に導電層３５を挟む簡単な構成で光電変換素子対を直列接続できる。導電層３５は、一方の基板の接続部に向かって他方の基板側から延びて延在する接続部材となっている。接続部材が基板にほぼ垂直な電気経路となり、接続部材の抵抗を小さくできる。また、図のように同じ光電変換素子対の外周接続部３３と外周接続部３４とは、相対しない形状とすると、これらの間に導電性のゴミ等が挟まって短絡することが防止できるので望ましい。
【００７９】
なお、上記では外周接続部３３側に延在部を設けたが、外周接続部３４側に設けても同様の接続が可能である。また、図では基板の両辺部に外周接続部３３と外周接続部３４と設けたが、薄膜半導体層を基板の途中で交差する溝を形成して分割し、一方の溝内にこのような接続箇所を設けてもよい。また、導電層３５は直接に透明電極層２５や裏面透明電極層３０に接することは必須でない。たとえば透明電極層２５や裏面透明電極層３０に接するように形成された導電膜を有する場合に導電層３５がそれらの導電膜に接すればよい。また外周接続部３３と外周接続部３４がそのような導電膜によって形成されていてもよい。
【００８０】
このような実施の形態２にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置２１は、基本的な工程は実施の形態１にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置１と同様にして例えば以下のようにして作製される。
【００８１】
最初に第１の光電変換モジュール２２を作製する。まず、透光性絶縁基板２４として例えば平板状のガラス基板を用意し、該透光性絶縁基板２４の一面側に、表面に凹凸形状のテクスチャ構造を有する酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）からなる透明電極層２５をＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法等の方法を用いて形成する。ここで、透明電極層２５は、透光性絶縁基板２４の短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状であって透光性絶縁基板２４の短手方向における両端部に外周接続部３３を有する形状にパターニングされる。
【００８２】
次に、プラズマＣＶＤ法などにより透明電極層２５上に例えばアモルファスシリコンからなる光電変換用の薄膜半導体層６を、透光性絶縁基板４の短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状に形成する。薄膜半導体層２６としては、例えば透光性絶縁基板２４側から、第１導電型半導体層であるｐ型の水素化アモルファス炭化シリコン（ａ−ＳｉＣ：Ｈ）層、第２導電型半導体層であるｉ型の水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）層、第３導電型半導体層であるｎ型の水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）層を順次形成する。これにより、第１の光電変換モジュール２２が得られる。
【００８３】
次に、第２の光電変換モジュール２７を作製する。まず、導電性金属基板２９として例えば一面側に凹凸形状のテクスチャ構造を有する銀（Ａｇ）やアルミニウム（Ａｌ）などの光を反射する金属基板を用意する。ここで、テクスチャ構造は、透明電極層２５の表面のテクスチャ構造よりも凹凸構造の大きな（緩やかな）テクスチャ構造とされる。
【００８４】
次に、導電性金属基板２９の一面側に、例えば酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）からなる裏面透明電極層３０をＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法等の方法を用いて形成する。また、導電性金属基板２９上には、導電性金属基板２９からの不純物の阻止層として、必要に応じて酸化珪素（ＳｉＯ２）等からなるアンダーコート層を形成してもよい。
【００８５】
次に、プラズマＣＶＤ法などにより裏面透明電極層３０上に例えば水素化微結晶シリコンからなる光電変換用の薄膜半導体層３１を形成する。薄膜半導体層３１としては、裏面透明電極層３０側から、第３導電型半導体層であるｎ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層、第２導電型半導体層であるｉ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層および第１導電型半導体層であるｐ型の水素化微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）層を順次形成する。
【００８６】
この後、例えばレーザスクライブにより複数の光電変換素子８に分割することにより、第２の光電変換モジュール２７が得られる。ここで、第２の光電変換モジュール２７は、導電性金属基板２９ごとに分割される。また、第２の光電変換モジュール２７は、導電性金属基板２９の短手方向と略平行な方向に延在するストライプ状であって導電性金属基板２９の短手方向における両端部に裏面透明電極層３０が外周接続部３４を有する形状にパターニングされる。外周接続部３４は、メカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置２１を組み立てた際に外周接続部３３と相対する位置に形成される。
【００８７】
次に、第１の光電変換モジュール２２の薄膜半導体層２６上の全面および第２の光電変換モジュール２７の薄膜半導体層３１上の全面に、例えば酸化亜鉛、酸化スズなどの金属酸化物と例えばエタノール、２―メトキシエタノール、モノエタノールアミンなどの有機溶媒とを混ぜ合わせた金属アルコキシド溶液を塗布し、仮焼成する。また、第１の光電変換モジュール２２の透光性絶縁基板２４の両端部の外周接続部３３に例えば電極ペーストを塗布する。
【００８８】
そして、光電変換素子対をなす光電変換素子２３と光電変換素子２８とが相対するように、第１の光電変換モジュール２２と第２の光電変換モジュール２７とにおける塗布面を対向させて貼り合わせて圧着した後、本焼成する。これにより、薄膜半導体層２６と薄膜半導体層３１との間に透明導電層３２が形成される。また、外周接続部３３と外周接続部３４との間に導電層３５が形成される。
【００８９】
ここで、相対する第１の光電変換モジュール２２の薄膜半導体層２６と第２の光電変換モジュール２７の薄膜半導体層３１とは、薄膜半導体層２６と薄膜半導体層３１との間に配置された透明導電層３２により電気的に接続される。また、光電変換素子２８の裏面透明電極層３０と、隣接する対を構成する光電変換素子２３の透明電極層２５とは、外周接続部３３と外周接続部３４との間に配置された導電層３５により電気的に接続される。
【００９０】
これにより、図６〜図８に示すような第１の光電変換モジュール２と第２の光電変換モジュール２７とが貼り合わされたメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置２１が得られる。この後、直列接続された複数の光電変換素子のうち両端の光電変換素子にのみそれぞれ１箇所ずつ出力取り出し部が形成される。
【００９１】
上述したように、実施の形態２にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置２１では、相対する光電変換素子対が電気的に接続され、且つ光電変換素子２３と、隣接する対を構成する光電変換素子２８とが電気的に接続されることにより、図２に示す等価回路のように全ての光電変換素子２３および光電変換素子２８が交互に直列に接続される。これにより、実施の形態２にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置２１は、積層型薄膜光電変換装置と同等の接続構成とされるため光電変換素子２３、２８が最適動作点で動作し、発電効率が向上する。その結果、実施の形態２にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置２１は、積層型薄膜光電変換装置と同等の光電変換効率をメカニカル・スタック方式の光電変換装置により実現することができるという、従来にない顕著な効果を有する。
【００９２】
また、実施の形態２にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置２１では、積層型薄膜光電変換装置と同等の構成で光電変換素子対が直列に接続されるため、従来は２枚の光電変換モジュールのそれぞれに必要であった出力取り出し部が単一箇所に集約される（図示せず）。すなわち、直列接続された複数の光電変換素子のうち両端の光電変換素子にのみそれぞれ１箇所ずつ出力取り出し部を設ければよい。これにより、薄膜光電変換装置２１の構成が簡略となるため耐久性に優れ、製造工程を簡略化でき、また出力取り出し部に使用される部材も削減できるためコストダウンが可能である。また、光電変換素子の並列接続が無いため出力取り出しの途中経路に逆電圧が生じにくい。
【００９３】
また、実施の形態２にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置２１では、光電変換素子対を構成する光電変換素子２３と光電変換素子２８との素子間を、透明導電層３２により電気接続および接着を同時に実現できるので素子間の電気接続が確実且つ容易である。
【００９４】
また、実施の形態２にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置２１では、第２の光電変換モジュール２７は細長い導電性金属基板２９上に形成されている。このため、第２の光電変換モジュール２７に不具合が生じた場合でも該当する第２の光電変換モジュール２７のみを取り除けばよく、大面積の１枚の基板上に第２の光電変換モジュールが形成されている場合よりも歩留まりが向上する。また、第２の光電変換モジュール２７はそれぞれ分離しているため、光電変換素子２３と光電変換素子２８との熱による膨張率の違いに起因した反りや破損を抑制することができる。
【００９５】
さらに、実施の形態２にかかるメカニカル・スタック方式の薄膜光電変換装置２１では、光電変換素子２８の裏面透明電極層３０と、隣接する対を構成する光電変換素子２３の透明電極層２５とを、光電変換素子の主領域から位置をずらした外周接続部３３と外周接続部３４との間に配置された導電層３５により電気的に接続するので、光電変換素子２３と光電変換素子２８とを簡単に直列接続できる。
【００９６】
なお、上記の実施の形態では第２の光電変換モジュール２７の導電性金属基板２９と、薄膜半導体層３１との間に裏面透明電極層３０を形成したが、裏面透明電極層３０は必ずしも必須ではない。裏面透明電極層３０がない場合は、導電性金属基板２９自体が第２基板側電極となる。薄膜半導体層３１がシリコンを主成分とする材料からなり、導電性金属基板２９がシリコンに拡散しやすい銀（Ａｇ）などの材料である場合には、裏面透明電極層３０が拡散防止層となり望ましいが、これらの材料が相互反応しにくい材料からなる場合や、そのような相互反応防止処理が施されている場合は裏面透明電極層３０を省いてもよい。
【００９７】
また、上記の実施の形態では第２の光電変換モジュール２７において導電性金属基板２９を用いる場合を示したが、絶縁基板上に金属膜が形成された導電性金属基板であってもよい。また、実施の形態２においては光電変換素子対ごとに分割された導電性金属基板２９を用いる場合を示したが、１枚の絶縁基板上に実施の形態２で示した導電性金属基板２９と同様な形状の金属膜パターンが素子ごとに分割されて形成されたような導電性金属基板を用いてもよい。その場合、基板同士を対向させて貼り合わせる工程が簡単になり、また、貼り合わせた基板の周辺部を封止すれることで、信頼性の高い光電変換装置となる。また、その絶縁基板は第１の光電変換モジュールの基板２２と同質の材料を用いると、温度変化に伴う熱膨張差による変形を防止できるので望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
以上のように、本発明にかかる薄膜光電変換装置は、積層型の薄膜光電変換装置と同様の高い発電効率を簡略な構成のメカニカル・スタック方式の光電変換装置で実現する場合に有用である。
【符号の説明】
【００９９】
１  薄膜光電変換装置
２  第１の光電変換モジュール
３  光電変換素子
３ａ  光電変換素子
３ｂ  光電変換素子
４  透光性絶縁基板
５  透明電極層
６  薄膜半導体層
７  第２の光電変換モジュール
８  光電変換素子
８ａ  光電変換素子
８ｂ  光電変換素子
９  導電性金属基板
１０  裏面透明電極層
１１  薄膜半導体層
１２  透明導電層
１３  絶縁性樹脂
１４  金属基板
２１  第１の薄膜光電変換装置
２２  光電変換モジュール
２３  光電変換素子
２３ａ  光電変換素子
２３ｂ  光電変換素子
２３ｃ  光電変換素子
２３ｄ  光電変換素子
２４  透光性絶縁基板
２５  透明電極層
２６  薄膜半導体層
２７  第２の光電変換モジュール
２８  光電変換素子
２８ａ  光電変換素子
２８ｂ  光電変換素子
２８ｃ  光電変換素子
２８ｄ  光電変換素子
２９  導電性金属基板
３０  裏面透明電極層
３１  薄膜半導体層
３２  透明導電層
３３  外周接続部
３４  外周接続部
３５  導電層
２０１  光電変換素子
２０２  光電変換素子
２１１  第１の光電変換モジュール
２１２  第２の光電変換モジュール
【図１−１】
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【図１−２】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５−１】
2011035150.tif 000008
【図５−２】
2011035150.tif 000009
【図５−３】
2011035150.tif 000010
【図５−４】
2011035150.tif 000011
【図６】
2011035150.tif 000012
【図７】
2011035150.tif 000013
【図８】
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