JP5932928B2 - 光電変換装置 - Google Patents

Description

実施形態の発明は、光電変換装置に関する。

光電変換装置の一つである有機薄膜太陽電池は、例えばシリコン太陽電池等よりも軽量・フレキシブルであり、また安価に製造することが可能であるため、次世代太陽電池として注目されている。

有機薄膜太陽電池は、陽極と陰極との間に設けられ、ｐｎ接合を形成する光活性層を有する光電変換素子を具備する。有機薄膜太陽電池では、照射された太陽光等の光を活性層で吸収することで光励起により励起子を発生させ、ｐｎ接合界面まで拡散させて電荷分離を行い、得られた電子を陰極側に正孔を陽極側に移動させることにより発電を行う。

有機薄膜太陽電池の光活性層は、有機半導体を用いているため大気雰囲気下等で非常に劣化しやすい。このため、有機薄膜太陽電池では、光電変換素子が設けられた素子基板と対向基板との間に封着層を形成することで少なくとも光活性層を封止する封止領域を形成する。このとき、封着層の未塗布・未硬化・劣化などの封止不良が生じると、酸素や水等の不純物が封止領域内に侵入して光活性層が劣化する。光活性層の劣化は、変換効率の低下の原因となる。

しかしながら、封止の状態を確認することは困難であり、封止領域内に不純物が侵入しているか否かを検査することは困難であった。例えば、製造段階において、封止領域内の不純物濃度を定量することができれば、封止不良がない良品のみを出荷することも可能になる。

国際公開第２０１０／１５０７５９パンフレット

実施形態の発明が解決しようとする課題は、簡便に封止領域内の不純物量を定量することである。

実施形態の光電変換装置は、第１の電極と、第１の電極上に設けられ、照射された光のエネルギーにより電荷分離を行う光電変換層と、光電変換層上に設けられた第２の電極とを有する素子基板と、素子基板に対向する対向基板と、素子基板と対向基板との間に少なくとも光電変換層を封止する封止領域が形成されるように設けられた封着層と、を具備する。素子基板は、少なくとも第２の電極に接するように封止領域の内部に設けられ、酸素および水の少なくとも一方を含む不純物と化学反応を引き起こす不純物検知層と、不純物検知層に接し、且つ封止領域の外部まで延在する第３の電極と、をさらに有する。

光電変換装置の構造例を示す図である。 Ｃａ膜の厚さと電気抵抗値との関係を示す図である。 光電変換装置の構造例を示す図である。 光電変換装置の構造例を示す図である。 評価サンプルの構造を示す断面図である。 不純物検知層の厚さと透明になるまでの時間との関係を示す図である。 光学顕微鏡観察による評価サンプルの平面写真である。

（第１の実施形態）
図１は、光電変換装置の構造例を示す模式図であり、図１（Ａ）は平面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）における線分Ａ１−Ｂ１の断面図である。

図１に示す光電変換装置１０は、素子基板１と、対向基板２と、封着層３と、を具備する。さらに、光電変換装置１０は、素子基板１、対向基板２、および封着層３に囲まれた封止領域４を有する。なお、図１（Ａ）において便宜のため対向基板２を省略している。

素子基板１は、光電変換素子を有する基板である。素子基板１は、基板（被素子形成基板ともいう）１１と、基板１１上に設けられた電極１２と、電極１２上に設けられた光電変換層１３と、光電変換層１３上に設けられた電極１４と、電極１４に接するように封止領域４の内部に設けられた不純物検知層１５と、不純物検知層１５に接し、且つ封止領域４の外部まで延在する電極１６と、を有する。

基板１１としては、例えば無アルカリガラス、石英ガラス等の無機材料、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、液晶ポリマー、シクロオレフィンポリマー等のプラスチック、高分子フィルム等を用いることができる。基板１１は、電極の形成が可能であり、熱や有機溶剤によって変質しにくいことが好ましい。基板１１を介して光を入射させる場合、基板１１は、透光性を有する。また、これに限定されず、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）、シリコン基板、金属基板等を用いることができる。このとき、基板１１の平面の少なくとも一部は、絶縁表面を有することが好ましい。基板１１の厚さは、その他の構成部材を支持するために十分な強度を有するのであれば特に限定されない。

電極１２は、封止領域４の内部から外部まで延在するように設けられている。封止領域４の外部において、電極１２上に電極パッドとなる別の電極を形成してもよい。電極１２は、光電変換素子の陽極または陰極の一方としての機能を有する。

電極１２としては、例えば酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、インジウム錫酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）、フッ素を含む酸化錫（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ−ｄｏｐｅｄ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＦＴＯ）、インジウム・亜鉛・オキサイド等からなる導電性ガラスを用いて作製された膜（ＮＥＳＡ等）等の金属酸化物材料や、金、白金、銀、銅、アルミニウム、モリブデン、チタン、タングステン、マンガン、コバルト、ニッケル、錫等の金属材料を用いることができる。基板１１を介して光を入射させる場合、電極１２は、透光性を有し、特に、ＩＴＯまたはＦＴＯを用いることが好ましい。また、電極材料として、有機系の導電性ポリマーであるポリアニリンおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体等を用いてもよい。電極１２は、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、塗布法等により上記材料の膜を成膜することにより形成される。

電極１２の厚さは、ＩＴＯの場合、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。３０ｎｍよりも薄くすると、シート抵抗が高くなり、光電変換効率が低下する原因となる。３００ｎｍよりも厚くすると、可撓性が低くなり、応力によりひび割れが起こりやすくなる。電極１２のシート抵抗は低いことが好ましく、例えば１０Ω／□以下であることが好ましい。電極１２は、単層であってもよく、異なる仕事関数の材料で構成される層の積層であってもよい。

光電変換層１３は、電極１２の上面および側面に接するように設けられる。光電変換層１３は、照射された太陽光等の光のエネルギーにより電荷分離を行う機能を有する。

光電変換層１３は、電極１２上に設けられたバッファ層１３ａと、バッファ層１３ａ上に設けられた光活性層１３ｂと、光活性層１３ｂ上に設けられたバッファ層１３ｃと、を有する。なお、図１では、バッファ層１３ａが電極１２の側面に接し、バッファ層１３ａを挟んで光活性層１３ｂが電極１２の側面に重畳しているが、これに限定されず、光活性層１３ｂが電極１２の側面に接していてもよい。また、光活性層１３ｂとバッファ層１３ｃとの間に段差が設けられているが、これに限定されず、バッファ層１３ａ、光活性層１３ｂ、およびバッファ層１３ｃは、側面に連続面を有していてもよい。さらに、必ずしもバッファ層１３ａおよびバッファ層１３ｃを設けなくてもよい。

バッファ層１３ａは、電極１２と光活性層１３ｂとの間の中間層であり、バッファ層１３ｃは、光活性層１３ｂと電極１４との間の中間層である。バッファ層１３ａおよびバッファ層１３ｃの一方は、正孔輸送層としての機能を有し、他方は電子輸送層（または正孔ブロック層）としての機能を有する。例えば、電極１２が陰極である場合、バッファ層１３ａは、電子輸送層としての機能を有する。また、電極１４が陽極である場合、バッファ層１３ｃは、正孔輸送層としての機能を有する。また、バッファ層１３ａは、平坦化層としての機能を有していてもよい。

正孔輸送層は、正孔を効率的に輸送する機能や、光活性層１３ｂの界面近傍で発生した励起子の消滅を防ぐ機能を有する。正孔輸送層としては、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ（ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）−ポリ（スチレンスルホネート））等のポリチオフェン系ポリマー、ポリアニリン、ポリピロール等の有機導電性ポリマーを使用することができる。ポリチオフェン系ポリマーの代表的な製品としては、例えば、スタルク社のＣｌｅｖｉｏｓＰＨ５００、ＣｌｅｖｉｏｓＰＨ、ＣｌｅｖｉｏｓＰＶ Ｐ Ａｌ ４０８３、ＣｌｅｖｉｏｓＨＩＬ１．１等が挙げられる。また、正孔輸送層として、酸化モリブテンなどの無機材料を用いてもよい。

正孔輸送層は、例えばスピンコート法等を用いて形成される。例えば、スピンコート法により正孔輸送層に適用可能な材料からなる所望の厚さの塗布層を形成した後、ホットプレート等で加熱乾燥することにより正孔輸送層を形成することができる。例えば、１４０〜２００℃で数分〜１０分間程度加熱乾燥することが好ましい。また、塗布する溶液は、予めフィルターでろ過したものを使用することが望ましい。

電子輸送層は、正孔をブロックして電子のみを効率的に輸送する機能、および光活性層１３ｂとの界面で生じた励起子（エキシトン）の消滅を防ぐ機能を有する。電子輸送層としては、例えば金属酸化物を用いることができる。金属酸化物としては、例えばゾルゲル法を用いてチタンアルコキシドを加水分解して得られるアモルファスの酸化チタンなどが挙げられる。電子輸送層は、例えばスピンコート法を用いて形成される。

光活性層１３ｂとしては、例えばバルクへテロ接合型の光活性層を用いることができる。バルクヘテロ接合型の光活性層は、光活性層中で混合されたｐ型半導体とｎ型半導体とのミクロ層分離構造を有する。光電変換装置では、混合されたｐ型半導体とｎ型半導体が光活性層１３ｂ内でナノオーダーのサイズのｐｎ接合を形成し、光が入射することにより接合面で生じる光電荷分離を利用して電流を得ることができる。ｐ型半導体およびｎ型半導体の少なくとも一方は、有機半導体であってよい。

ｐ型半導体は、電子供与性の性質を有する材料で構成される。ｐ型半導体としては、例えばポリチオフェンおよびその誘導体、ポリピロールおよびその誘導体、ピラゾリン誘導体、アリールアミン誘導体、スチルベン誘導体、トリフェニルジアミン誘導体、オリゴチオフェンおよびその誘導体、ポリビニルカルバゾールおよびその誘導体、ポリシランおよびその誘導体、側鎖または主鎖に芳香族アミンを有するポリシロキサン誘導体、ポリアニリンおよびその誘導体、フタロシアニン誘導体、ポルフィリンおよびその誘導体、ポリフェニレンビニレンおよびその誘導体、ポリチエニレンビニレンおよびその誘導体等を用いることができる。また、これらの共重合体を使用してもよく、例えば、チオフェン−フルオレン共重合体、フェニレンエチニレン−フェニレンビニレン共重合体等が用いてもよい。

ｐ型半導体としては、例えばπ共役を有する導電性高分子であるポリチオフェンおよびその誘導体を用いることができる。ポリチオフェンおよびその誘導体は、優れた立体規則性を確保することができ、溶媒への溶解性が比較的高い。ポリチオフェンおよびその誘導体は、チオフェン骨格を有する化合物であれば特に限定されない。

ポリチオフェンおよびその誘導体の具体例としては、ポリ３−メチルチオフェン、ポリ３−ブチルチオフェン、ポリ３−ヘキシルチオフェン、ポリ３−オクチルチオフェン、ポリ３−デシルチオフェン、ポリ３−ドデシルチオフェン等のポリアルキルチオフェン；ポリ３−フェニルチオフェン、ポリ３−（ｐ−アルキルフェニルチオフェン）等のポリアリールチオフェン；ポリ３−ブチルイソチオナフテン、ポリ３−ヘキシルイソチオナフテン、ポリ３−オクチルイソチオナフテン、ポリ３−デシルイソチオナフテン等のポリアルキルイソチオナフテン；ポリエチレンジオキシチオフェン等が挙げられる。

また、カルバゾール、ベンゾチアジアゾールおよびチオフェンからなる共重合体であるＰＣＤＴＢＴ（ポリ［Ｎ−９”−ヘプタ−デカニル−２，７−カルバゾール−アルト−５，５−（４’，７’−ジ−２−チエニル−２’，１’，３’−ベンゾチアジアゾール）］）などの誘導体を用いてもよい。上記誘導体を用いることにより、光電変換効率を高めることができる。

これらの導電性高分子は、溶媒に溶解させた溶液を塗布することにより成膜される。従って、印刷法等により、安価な設備を用いて低コストでかつ大面積の光電変換装置を製造することができる。

ｎ型半導体は、電子受容性の性質を有する材料で構成される。ｎ型半導体としては、例えばフラーレンおよびその誘導体が好適に使用される。フラーレン誘導体は、フラーレン骨格を有する誘導体であれば特に限定されない。例えば、Ｃ６０、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８４等を基本骨格として構成される誘導体が挙げられる。フラーレン誘導体は、フラーレン骨格における炭素原子が任意の官能基で修飾されていてもよく、この官能基同士が互いに結合して環を形成していてもよい。フラーレン誘導体には、フラーレン結合ポリマーも含まれる。溶剤に親和性の高い官能基を有し、溶媒への可溶性が高いフラーレン誘導体が好ましい。

フラーレン誘導体における官能基としては、例えば、水素原子；水酸基；フッ素原子、塩素原子等のハロゲン原子；メチル基、エチル基等のアルキル基；ビニル基等のアルケニル基；シアノ基；メトキシ基、エトキシ基等のアルコキシ基；フェニル基、ナフチル基等の芳香族炭化水素基、チエニル基、ピリジル基等の芳香族複素環基等が挙げられる。具体的には、Ｃ６０Ｈ３６、Ｃ７０Ｈ３６等の水素化フラーレン、Ｃ６０、Ｃ７０等のオキサイドフラーレン、フラーレン金属錯体等が挙げられる。上述した中でも、フラーレン誘導体として、６０ＰＣＢＭ（［６，６］−フェニルＣ６１酪酸メチルエステル）または７０ＰＣＢＭ（［６，６］−フェニルＣ７１酪酸メチルエステル）を使用することが特に好ましい。

未修飾のフラーレンを使用する場合、Ｃ７０を使用することが好ましい。フラーレンＣ７０は、光キャリアの発生効率が高く、光電変換装置に使用するのに適している。

光活性層におけるｎ型半導体とｐ型半導体の混合比率（ｎ：ｐ）は、ｎ型半導体の含有率がｐ型半導体がＰ３ＡＴ系の場合、およそ１：１であることが好ましい。またｐ型半導体がＰＣＤＴＢＴ系の場合、およそ４：１であることが好ましい。

有機半導体を塗布するためには、溶媒に溶解する必要がある。溶媒としては、例えば、トルエン、キシレン、テトラリン、デカリン、メシチレン、ｎ−ブチルベンゼン、ｓｅｃ−ブチルベンゼン、ｔｅｒｔ−ブチルベンゼン等の不飽和炭化水素系溶媒、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン等のハロゲン化芳香族炭化水素系溶媒、四塩化炭素、クロロホルム、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロブタン、ブロモブタン、クロロペンタン、クロロヘキサン、ブロモヘキサン、クロロシクロヘキサン等のハロゲン化飽和炭化水素系溶媒、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等のエーテル類が挙げられる。特に、ハロゲン系の芳香族溶剤が好ましい。これらの溶剤を単独、もしくは混合して使用することが可能である。

有機半導体を塗布し成膜する方法としては、例えばスピンコート法、ディップコート法、キャスティング法、バーコート法、ロールコート法、ワイアーバーコート法、スプレー法、スクリーン印刷、グラビア印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、グラビア・オフセット印刷、ディスペンサー塗布、ノズルコート法、キャピラリーコート法、インクジェット法等が挙げられ、これらの塗布法を単独で、もしくは組み合わせて用いることができる。

電極１４は、光電変換層１３（図１ではバッファ層１３ｃ）上に接して設けられる。電極１４は、封止領域４の内部から外部まで延在するように設けられている。封止領域４の外部において、電極１４上に電極パッドとなる別の電極を形成してもよい。電極１４は、光電変換層１３を挟んで電極１２と分離している。電極１４は、陽極または陰極の他方としての機能を有する。

電極１４としては、例えば電極１２に適用可能な金属または金属酸化物等を用いることができる。対向基板２を介して光を入射する場合、電極１４は透光性を有する。また、電極１４が電子輸送層に接する場合、電極１４として仕事関数の低い材料を用いることが好ましい。仕事関数の低い材料としては、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属等が挙げられる。具体的には、Ｌｉ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｙｂ、Ｚｒ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂａ、およびこれらの合金を挙げることができる。

電極１４は、単層であってもよく、異なる仕事関数の材料で構成される複数の層の積層であってもよい。また、仕事関数の低い材料のうちの１つ以上と、金、銀、白金、銅、マンガン、チタン、コバルト、ニッケル、タングステン、錫などとの合金でもよい。合金の例としては、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−マグネシウム合金、リチウム−インジウム合金、マグネシウム−銀合金、マグネシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、インジウム−銀合金、カルシウム−アルミニウム合金等が挙げられる。

電極１４の厚さは、例えば１ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。１ｎｍよりも薄い場合、電気抵抗が高くなり、発生した電荷が取り出しにくくなる。５００ｎｍよりも厚い場合、電極１４の成膜に長時間を要するため材料温度が上昇し、光電変換層１３にダメージを与え、性能が劣化してしまう。さらに、材料を大量に使用するため、成膜装置の占有時間が長くなり、コストアップに繋がる。

電極１４は、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、塗布法等で上記導電性を有する材料を成膜することにより形成される。

不純物検知層１５は、電極１４の上面および側面、光電変換層１３（光活性層１３ｂおよびバッファ層１３ｃ）、基板１１に接している。このとき、不純物検知層１５を挟んで電極１４は、電極１２と離間する。不純物検知層１５は、光電変換層１３と電極１４との接触面の周縁の少なくとも一部に沿って設けられることが好ましい。光電変換層１３と電極１４との接触面の周縁は特に劣化しやすいため、上記構造にすることにより不純物検知層１５が光電変換層１３の保護層として機能し、光電変換層１３の劣化を抑制することができる。

不純物検知層１５は、封止領域４内部の不純物を検知する層である。不純物検知層１５は、酸素および水（水蒸気等）の少なくとも一方を含む不純物と化学反応を引き起こすことにより電気抵抗値および色の少なくとも一方が変化する。化学反応としては、例えば酸化反応、水酸化反応等が挙げられる。

不純物検知層１５としては、例えば電気抵抗値および色の少なくとも一方が変化する材料を用いることができ、例えばＮａ、Ｋ等のアルカリ金属、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等のアルカリ土類金属、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ等のアルカリ土類金属の酸化物、Ｃａ（ＯＨ）_２、Ｓｒ（ＯＨ）_２、Ｂａ（ＯＨ）_２等のアルカリ土類金属の水酸化物が挙げられる。不純物検知層１５は、不純物と酸化反応および水酸化反応の少なくとも一方を引き起こす材料を含むことが好ましい。例えば、Ｃａは安価であり、また酸化反応または水酸化反応により透明になるため目視により状態を観察しやすい。これに限定されず、例えばシリカゲル、ゼオライト系化合物、硫酸マグネシウム、硫酸ナトリウム、硫酸ニッケル等の硫酸塩、アルミニウム錯体等の金属錯体、アルミニウムオキサイドオクチレート等の有機金属化合物等を用いてもよい。なお、上記材料を複数用いて不純物検知層１５を構成してもよい。

不純物検知層１５は、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、塗布法等により上記材料の膜を成膜することにより形成される。なお、成膜後にエッチング等により膜の一部を除去してもよい。

不純物検知層１５の長さ、幅、厚さ等は、製造するセル又はモジュールの大きさ、製造時の不純物の濃度に応じて、適宜設定すればよい。不純物との化学反応により不純物検知層１５の電気抵抗値が変化する場合、不純物検知層１５の長さ、幅、厚さ等を変えることにより不純物検知層１５の電気抵抗値を調整することができる。

図２は、不純物検知層１５としてＣａ膜を用いた場合の厚さと電気抵抗値との関係を示す図である。２０℃におけるＣａ膜の電気抵抗率は３３．６ｎΩ・ｍとする。長さ１ｃｍ、幅０．１ｃｍのＣａ膜の電気抵抗値は、図２に示すように、厚さが小さくなるなるほど指数関数的に大きくなる。このことから、不純物検知層１５の厚さを変えることにより不純物検知層１５の電気抵抗値を調整することができることがわかる。また、不純物検知層１５のサイズに応じて予め基準となる電気抵抗値を設定しておき、不純物検知層１５の電気抵抗値と基準となる電気抵抗値とを比較して光電変換装置が良品であるか否かを判定してもよい。

Ｃａ膜が不純物中の酸素と反応（酸化反応）するとＣａ膜の表面がＣａ膜よりも電気抵抗率が高いＣａＯ膜に変質する。また、Ｃａ膜が不純物中の水と反応（水酸化反応）するとＣａ膜の表面がＣａ膜よりも電気抵抗率が高いＣａ（ＯＨ）_２膜に変質する。上記反応は、Ｃａ膜の表面から徐々に進行していき、反応が進むとＣａ膜の未反応領域が小さくなるため、膜全体の電気抵抗値が増加（高抵抗化）する。上記反応は、不純物量が多いほど速く進行する。よって、不純物量が多いほど高抵抗化までの時間が短い。このように、不純物検知層１５と不純物との化学反応が進行するほど不純物検知層１５の電気抵抗値が変化する。なお、上記性質から不純物検知層１５を乾燥剤として機能させることも可能である。

また、不純物との化学反応により不純物検知層１５の色が変化する場合、不純物検知層１５の厚さは、プラズマ周波数に対する光の侵入長以上であることが好ましい。これにより、不純物検知層１５の色の変化を外部から観察しやすくすることができる。

電極１６は、基板１１に沿って封止領域４の外部に延在している。電極１６は、複数設けられているが、電極１６の数は図１に示す数に限定されない。また、封止領域４の内部において、電極１６上に不純物検知層１５が設けられているが、これに限定されず、不純物検知層１５上に電極１６を設けてもよい。電極１６は、少なくとも光電変換層１３を挟んで電極１２と離間している。また、電極１６は、不純物検知層１５を挟んで電極１４および光電変換層１３と離間している。

電極１６は、不純物検知層１５の電気抵抗値を測定するための補助電極としての機能を有する。例えば、電極１４と電極１６または複数の電極１６にプローブピン等を当て、テスタ等を用いて電極１４と電極１６との間または複数の電極１６の間の電気抵抗値を測定することにより不純物検知層１５の電気抵抗値を測定することができる。なお、封止領域４の外部において、電極１６上に電極パッドとなる別の電極を設けてもよい。

電極１６としては、例えば電極１２および電極１４に適用可能な材料を用いることができる。電極１６は、水、酸素、有機材料に対して反応性が低く、高い電気伝導性を有することが好ましい。電極１６の幅は、電極１２および電極１４の幅よりも小さいが、電極１６の長さ、幅、厚さ等は特に限定されない。また、電極１２および電極１４に適用可能な形成方法を用いて電極１６を形成することができる。

対向基板２は、素子基板１の少なくとも一部に対向するように設けられる。図１では、対向基板２は、凹状の断面形状を有するように加工されているが、これに限定されず、板状であってもよい。対向基板２としては、例えば基板１１に適用可能な材料を用いることができる。なお、対向基板２を介して光を入射させる場合または外部から不純物検知層１５の色の変化を観察する場合、対向基板２は透光性を有することが好ましい。

封着層３は、素子基板１および対向基板２に固着され、素子基板１と対向基板２との間に少なくとも光電変換層１３を封止する封止領域４が形成されるように設けられる。例えば、封着層３は、光電変換層１３を囲むように設けられる。このとき、封着層３は、基板１１上の電極１２、電極１４、および電極１６の一部の上にも設けられる。なお、電極１２および電極１４との重畳部において封着層３は、幅が小さい領域を有しているが、必ずしも幅が小さい領域を設けなくてもよい。また、電極１６との重畳部に幅が小さい領域を設けてもよい。封着層３としては、例えばガラスフリットや熱硬化性や光硬化性の樹脂等を用いることができる。

以上のように、本実施形態の光電変換装置は、不純物と化学反応を引き起こす不純物検知層と、不純物検知層の電気抵抗値を測定するための補助電極と、を設けることにより、封止領域内の不純物量を簡便に検知することができる。よって、例えば不純物検知層の電気抵抗値を測定することにより、出荷前に製品の封止状態を確認することが可能となるため、品質に対する信頼性を高めることができる。

なお、実施形態の光電変換装置は、図１に示す構造に限定されない。図３は、光電変換装置の構造例を示す図であり、図３（Ａ）は平面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）における線分Ａ２−Ｂ２の断面図である。なお、図３に示す光電変換装置において、図１に示す光電変換装置と同様の部分（例えば同一の符号の構成要素等）については、図１の説明を適宜援用することができる。

図３に示す光電変換装置１０は、図１に示す光電変換装置１０と同様に素子基板１と、対向基板２と、封着層３と、を具備する。さらに、光電変換装置１０は、素子基板１、対向基板２、および封着層３に囲まれた封止領域４を有する。なお、図３（Ａ）において便宜のため対向基板２を省略している。

素子基板１は、基板１１と、基板１１上に設けられた電極１２と、電極１２上に設けられた光電変換層１３と、光電変換層１３上に設けられた電極１４と、電極１４に接するように封止領域４の内部に設けられた不純物検知層１５と、不純物検知層１５に接し、且つ封止領域４の外部まで延在する電極１６と、光電変換層１３および不純物検知層１５に接し、封止領域４の外部まで延在する絶縁層１７と、を有する。図３に示す光電変換装置１０は、図１に示す光電変換装置１０と比較して新たに絶縁層１７を具備する点が少なくとも異なる。図１と同じ構成要素については、図１の説明を適宜援用することができるため、ここでは説明を省略する。

図３において、電極１６は、絶縁層１７上に設けられる。電極１６は、絶縁層１７を挟んで光電変換層１３と離間しつつ絶縁層１７に沿って封止領域４の外部まで延在する。これにより、光電変換層１３に沿って電極１６を設けた場合であっても電極１６による光電変換層１３の劣化や電極１６による電荷等のリークを抑制することができる。また、電極１２上であっても電極１６を延在させることができるため、図３に示すように電極１２の面積を大きくすることができる。

絶縁層１７は、光電変換層１３の劣化を抑制する保護層としての機能を有する。絶縁層１７としては、例えばポリエステル樹脂、ポリエチレン樹脂、塩化ビニル樹脂、ポリスチレン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の樹脂材料、二酸化珪素等の酸化物層、または窒化ホウ素、窒化シリコン等の窒化物層等を用いることができる。絶縁層１７は、例えば塗布法、印刷法、またはめっき法等を用いて形成される。

以上のように、図３に示す光電変換装置は、補助電極の下に絶縁層を設けることにより、封止領域内の不純物量を簡便に検知することに加え、光電変換層に沿って補助電極を設けた場合であっても補助電極による光電変換層の劣化や電荷等のリークを抑制することができる。

（第２の実施形態）
図４は、太陽光発電モジュールである光電変換装置の構造例を示す図であり、図４（Ａ）は平面図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）における線分Ｘ１−Ｙ１の断面図であり、図４（Ｃ）は図４（Ａ）における線分Ｘ２−Ｙ２の断面図である。なお、図４に示す光電変換装置において、図１および図３に示す光電変換装置と同様の部分については、図１および図３の説明を適宜援用することができる。

図４に示す光電変換装置２０は、素子基板１と、対向基板２と、封着層３と、を具備する。さらに、光電変換装置２０は、素子基板１、対向基板２、および封着層３に囲まれた封止領域４を有する。なお、図４（Ａ）において便宜のため対向基板２を省略している。

素子基板１は、基板（被素子形成基板ともいう）５１と、電極５２ａないし電極５２ｄと、バッファ層５３ａないしバッファ層５３ｃと、バッファ層５４ａないしバッファ層５４ｃと、光活性層５５と、バッファ層５６ａないしバッファ層５６ｃと、バッファ層５７ａないしバッファ層５７ｃと、電極５８ａないし電極５８ｃと、不純物検知層５９ａないし不純物検知層５９ｃと、電極６０ａおよび電極６０ｂと、電極６１ａおよび電極６１ｂと、を有する。バッファ層５３ａないしバッファ層５３ｃ、バッファ層５４ａないしバッファ層５４ｃ、光活性層５５、バッファ層５６ａないしバッファ層５６ｃ、およびバッファ層５７ａないしバッファ層５７ｃは、光電変換層としての機能を有し、封止領域４により封止される。

基板５１としては、基板１１に適用可能な材料を用いることができる。その他、基板５１の説明については、基板１１の説明を適宜援用することができるため、ここでは説明を省略する。

電極５２ａないし電極５２ｄは、基板５１上に離間して設けられる。電極５２ａおよび電極５２ｄは、封止領域４の内部から封止領域４の外部まで延在する。電極５２ｂおよび電極５２ｃは、封止領域４の内部に設けられる。

電極５２ａないし電極５２ｄとしては、電極１２に適用可能な材料を用いることができる。その他、電極５２ａないし電極５２ｄの説明については、電極１２の説明を適宜援用することができるため、ここでは説明を省略する。

バッファ層５３ａは、電極５２ａ上に設けられる。バッファ層５３ｂは、電極５２ｂ上に設けられる。バッファ層５３ｃは、電極５２ｃ上に設けられる。バッファ層５４ａは、電極５２ｂ上に設けられる。バッファ層５４ｂは、電極５２ｃ上に設けられる。バッファ層５４ｃは、電極５２ｄ上に設けられる。

光活性層５５は、電極５２ａから電極５２ｄまで延在するようにバッファ層５４ａないしバッファ層５４ｃ上に設けられる。

光活性層５５としては、例えば光活性層１３ｂに適用可能な材料を用いることができる。その他、光活性層５５の説明については、光活性層１３ｂの説明を適宜援用することができるため、ここでは説明を省略する。

バッファ層５６ａないしバッファ層５６ｃは、光活性層５５上に設けられる。バッファ層５６ａは、光活性層５５を挟んでバッファ層５３ａに重畳する。バッファ層５６ｂは、光活性層５５を挟んでバッファ層５３ｂに重畳する。バッファ層５６ｃは、光活性層５５を挟んでバッファ層５３ｃに重畳する。バッファ層５７ａないしバッファ層５７ｃは、光活性層５５上に設けられる。バッファ層５７ａは、光活性層５５を挟んでバッファ層５４ａに重畳する。バッファ層５７ｂは、光活性層５５を挟んでバッファ層５４ｂに重畳する。バッファ層５７ｃは、光活性層５５を挟んでバッファ層５４ｃに重畳する。

バッファ層５３ａないしバッファ層５３ｃ、およびバッファ層５７ａないしバッファ層５７ｃは、電子輸送層または正孔輸送層の一方としての機能を有する。バッファ層５４ａないしバッファ層５４ｃ、およびバッファ層５６ａないしバッファ層５６ｃは、電子輸送層または正孔輸送層の他方としての機能を有する。すなわち、図４に示す光電変換装置２０は、複数の光電変換素子が直列接続で電気的に接続された状態とみなすことができる。電子輸送層および正孔輸送層としては、例えば、バッファ層１３ａおよびバッファ層１３ｃに適用可能な材料の電子輸送層および正孔輸送層を用いることができる。

電極５８ａは、バッファ層５６ａおよびバッファ層５７ａを挟んで光活性層５５上に設けられる。電極５８ｂは、バッファ層５６ｂおよびバッファ層５７ｂを挟んで光活性層５５上に設けられる。電極５８ｃは、バッファ層５６ｃおよびバッファ層５７ｃを挟んで光活性層５５上に設けられる。なお、電極５８ａと電極５２ａとの重畳部、電極５８ａと電極５２ｂとの重畳部、電極５８ｂと電極５２ｂとの重畳部、電極５８ｂと電極５２ｃとの重畳部、電極５８ｃと電極５２ｃとの重畳部、および電極５８ｃと電極５２ｄとの重畳部のそれぞれを一つの光電変換セルとみなすことができる。このとき、光電変換装置２０は、複数の光電変換セルが直列接続で電気的に接続された構造を有するとみなすことができる。

電極５８ａないし電極５８ｃとしては、電極１４に適用可能な材料を用いることができる。その他、電極５８ａないし電極５８ｃの説明については、電極１４の説明を適宜援用することができるため、ここでは説明を省略する。

不純物検知層５９ａは、電極５８ａの上面および側面、ならびに光活性層５５に接し、光活性層５５およびバッファ層５６ａと電極５８ａとの接触面の周縁の少なくとも一部に沿って設けられる。このとき、不純物検知層５９ａを電極５８ｂまで延在しないように設けることにより、不純物検知層５９ａを介した電極５８ａと電極５８ｂとの短絡を防止することができる。なお、光活性層５５、バッファ層５６ａ、およびバッファ層５７ａと電極５８ａとの接触面の周縁を囲むように不純物検知層５９ａを設けてもよい。

不純物検知層５９ｂは、電極５８ｃの上面および側面、ならびに光活性層５５に接し、光活性層５５およびバッファ層５７ｃと電極５８ａとの接触面の周縁の少なくとも一部に沿って設けられる。このとき、不純物検知層５９ｂを電極５８ｂまで延在しないように設けることにより、不純物検知層５９ａを介した電極５８ａと電極５８ｂとの短絡を防止することができる。なお、光活性層５５、バッファ層５６ｃ、およびバッファ層５７ｃと電極５８ｃとの接触面の周縁を囲むように不純物検知層５９ｂを設けてもよい。

なお、電極５８ｂの上面および側面、ならびに光活性層５５に接し、光活性層５５、バッファ層５６ｂ、およびバッファ層５７ｂと電極５８ａとの接触面の周縁の少なくとも一部に沿って不純物検知層を設けてもよい。

不純物検知層５９ｃは、光活性層５５およびバッファ層５７ａと電極５８ａとの接触面の周縁の少なくとも一部に沿って設けられる。このように、光電変換セルごとに不純物検知層を分けることにより他の光電変換セルに対する不純物検知層の影響を抑制することができる。これに限定されず、例えば光活性層５５およびバッファ層５６ｂと電極５８ｂとの接触面の周縁の少なくとも一部、光活性層５５およびバッファ層５７ｂと電極５８ｂとの接触面の周縁の少なくとも一部、および光活性層５５およびバッファ層５６ｃと電極５８ｃとの接触面の周縁の少なくとも一部のそれぞれに沿って不純物検知層を設けてもよい。

電極６０ａは、不純物検知層５９ａに接し、光活性層５５および基板５１に沿って封止領域４の外部まで延在する。電極６０ａは、光活性層５５を挟んで電極５２ａと離間している。電極６０ｂは、不純物検知層５９ｂに接し、光活性層５５および基板５１に沿って封止領域４の外部まで延在する。電極６０ｂは、光活性層５５を挟んで電極５２ｄと離間している。なお、図４に示すように、電極６０ａおよび電極６０ｂのそれぞれを複数設けてもよい。また、電極６０ａと電極６０ｂの下に絶縁層１７に相当する絶縁層を設けてもよい。さらに、電極６０ａおよび電極６０ｂの上に電極パッドとなる別の電極を設けてもよい。

電極６１ａは、封止領域４の外部において電極５２ａ上に設けられる。電極６１ｂは、封止領域４の外部において電極５２ｄ上に設けられる。電極６１ａおよび電極６１ｂは、電極パッドとしての機能を有し、電極６１ａおよび電極６１ｂを介して光電変換装置２０と例えば負荷とを並列接続で電気的に接続することにより負荷に電流を供給することができる。このとき、電極６１ａおよび電極６１ｂの一方が陽極となり、他方が陰極となる。

対向基板２は、素子基板１の一部に対向するように設けられる。このとき、電極６１ａおよび電極６１ｂは、対向基板２に重畳しないことが好ましい。その他、対向基板２の説明としては、第１の実施形態の説明を適宜援用することができる。

封着層３は、光活性層５５を囲むように設けられる。封着層３は、素子基板１および対向基板２に固着され、素子基板１と対向基板２との間に封止領域４が形成されるように設けられる。このとき、封着層３は、電極５２ａ、電極５２ｄ、電極６０ａないし電極６０ｃの一部の上にも設けられる。その他、封着層３の説明としては、第１の実施形態の説明を適宜援用することができる。

以上のように、本実施形態の光電変換装置は、複数の第１の電極と、複数の第１の電極上に設けられた光電変換層と、光電変換層上に設けられ、光電変換層を挟んで互いに異なる２つの第１の電極に重畳する複数の第２の電極と、を具備する。これにより、複数の光電変換セルを直列接続で電気的に接続したときと同様の構造とみなすことができ、出力電圧を大きくすることができる。

図５は、評価用サンプルの構造を示す図である。図５に示すように、ガラス基板７１の一部の上に、蒸着法を用いてＭｏ／Ａｌ／Ｍｏの金属積層膜を成膜することで複数の配線層７２を形成した。このとき、配線層７２の線幅は４００μｍであり、複数の配線層７２の間隔は１００μｍである。次に、蒸着法を用いて複数の配線層７２の間にＣａ膜を成膜することにより不純物検知層７３を形成することにより評価用サンプル７０を作製した。評価用サンプルとしては、互いに異なる厚さを有する不純物検知層７３を具備する複数の評価用サンプルを作製した。次に、２．５ｐｐｍの水分と０．４ｐｐｍ以下の酸素を含む環境下で、配線層７２間の電気抵抗値を測定することで不純物検知層７３の電気抵抗値を測定し、不純物検知層７３の色の変化を観測した。

図６は、不純物検知層７３の厚さ（ｎｍ）と不純物検知層７３が透明になるまでの時間（ｈ）との関係を示す図である。図６に示すように、不純物検知層７３が厚いほど、不純物検知層７３が透明になるまでの時間が長いことがわかる。このことから、前述のとおり、不純物検知層７３は、薄いほど高抵抗化しやすいといえる。

図７は、光学顕微鏡観察による評価用サンプルの平面写真である。図７（Ａ）に示すサンプルは、不純物検知層７３形成直後のサンプルであり、図７（Ｂ）に示すサンプルは、不純物検知層７３形成後に上記環境下で２時間放置した後のサンプルである。このとき、サンプルとしては不純物検知層７３の厚さが１００ｎｍのサンプルを用いた。

図７（Ａ）では、不純物検知層７３が不透明（白い部分）であることがわかる。このときの電気抵抗値は、１Ω以下であった。これに対し、図７（Ｂ）では、不純物検知層７３が透明（黒い部分）に変化したことがわかる。このときの電気抵抗値は、１０〜２０ＭΩ以上のオーバーレンジ（ＯＬ）であった。このことから、不純物検知層７３の電気抵抗値を測定することで封止領域における不純物量が測定可能であることがわかる

上記実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…素子基板、２…対向基板、３…封着層、４…封止領域、１０…光電変換装置、１１…基板、１２…電極、１３…光電変換層、１３ａ…バッファ層、１３ｂ…光活性層、１３ｃ…バッファ層、１４…電極、１５…不純物検知層、１６…電極、１７…絶縁層、２０…光電変換装置、５１…基板、５２ａ〜５２ｄ…電極、５３ａ〜５３ｃ…バッファ層、５４ａ〜５４ｃ…バッファ層、５５…光活性層、５６ａ〜５６ｃ…バッファ層、５７ａ〜５７ｃ…バッファ層、５８ａ〜５８ｃ…電極、５９ａ〜５９ｃ…不純物検知層、６０ａ〜６０ｃ…電極、６１ａ…電極、６１ｂ…電極、７１…ガラス基板、７２…配線層、７３…不純物検知層。

Claims (7)

1. 第１の電極と、前記第１の電極上に設けられ、照射された光のエネルギーにより電荷分離を行う光電変換層と、前記光電変換層上に設けられた第２の電極とを有する素子基板と、
   前記素子基板に対向する対向基板と、
   前記素子基板と前記対向基板との間に少なくとも前記光電変換層を封止する封止領域が形成されるように設けられた封着層と、を具備する光電変換装置であって、
   前記素子基板は、
   少なくとも前記第２の電極に接するように前記封止領域の内部に設けられ、酸素および水の少なくとも一方を含む不純物と化学反応を引き起こす不純物検知層と、
   前記不純物検知層に接し、且つ前記封止領域の外部まで延在する第３の電極と、をさらに有する、光電変換装置。
2. 請求項１に記載の光電変換装置において、
   前記不純物検知層は、前記光電変換層と前記第２の電極との接触面の周縁の少なくとも一部に沿って設けられる、光電変換装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の光電変換装置において、
   前記不純物検知層の電気抵抗値は、前記化学反応により変化する光電変換装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光電変換装置において、
   前記不純物検知層は、前記不純物と酸化反応および水酸化反応の少なくとも一方を引き起こす材料を含む、光電変換装置。
5. 請求項４に記載の光電変換装置において、
   前記不純物検知層は、Ｃａを含む、光電変換装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光電変換装置において、
   前記不純物検知層の厚さは、プラズマ周波数に対する光の侵入長以上である、光電変換装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の光電変換装置において、
   前記素子基板は、前記不純物検知層および前記光電変換層に接し、前記封止領域の外部まで延在する絶縁層をさらに有し、
   前記第３の電極は、前記絶縁層を挟んで前記光電変換層と離間しつつ前記絶縁層に沿って前記封止領域の外部まで延在する、光電変換装置。

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