JP2011009245A - Photoelectric converter - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric converter having at least one or more photoelectric conversion units and having a structure capable of obtaining high short circuit current density and sufficient conversion efficiency.SOLUTION: The photoelectric converter having at least one or more photoelectric conversion units is characterized in that each photoelectric conversion unit has an uneven structure on a light incident side, and a structure having a cyclic change in refractive index is disposed adjacently on the side opposite to the light incidence in a photoelectric conversion unit disposed furthest from the light incident side out of the one or more photoelectric conversion units.

Description

本発明は、光電変換装置に関する。更に詳しくは、高い光閉じ込め効果を発現する構造を有する変換効率の高い光電変換装置に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion device. More specifically, the present invention relates to a photoelectric conversion device with a high conversion efficiency having a structure that exhibits a high light confinement effect.

太陽電池に代表される光電変換装置は、光電変換作用により電子及び正孔(以下、キャリアともいう)を対生成させる光電変換層と、光電変換層内に拡散電位を生じさせ対生成したキャリアを収集する導電型層を含み、光電変換層は二つの異なる導電型を示す導電型層にサンドイッチされた構造が一般的である。このサンドイッチされた構造を光電変換ユニットと呼ぶ。   A photoelectric conversion device typified by a solar cell includes a photoelectric conversion layer that generates a pair of electrons and holes (hereinafter also referred to as carriers) by a photoelectric conversion action, and a carrier that generates a pair of diffusion potentials in the photoelectric conversion layer. In general, the photoelectric conversion layer includes a conductive type layer to be collected and is sandwiched between conductive type layers having two different conductive types. This sandwiched structure is called a photoelectric conversion unit.

導電型層は光電変換に直接寄与しない不活性な層であり、導電型層にドープされた不純物によって吸収される光は発電に寄与しない損失となる。さらに、導電型層の導電率が低いと直列抵抗が大きくなり薄膜光電変換装置の光電変換特性を低下させる。したがって、導電型層は、十分な拡散電位を生じさせ得る範囲内であれば、できるだけ小さな厚さを有し、つまり、なるべく透明であって、かつ導電率が高いことが好ましい。   The conductive layer is an inactive layer that does not directly contribute to photoelectric conversion, and light absorbed by the impurities doped in the conductive layer results in a loss that does not contribute to power generation. Furthermore, if the conductivity of the conductive layer is low, the series resistance increases and the photoelectric conversion characteristics of the thin film photoelectric conversion device are degraded. Therefore, it is preferable that the conductive layer has a thickness as small as possible within a range in which a sufficient diffusion potential can be generated, that is, is as transparent as possible and has a high conductivity.

他方、光電変換層は、光吸収を大きくしキャリアの対生成を増大させ光電流を大きくするためには厚い方が好ましいが、キャリアの移動度に対して厚すぎると対生成したキャリアの収集が不十分となる。更に光電変換層が厚いと材料コストも増加するため、コストの観点からもなるべく薄い方がよい。よって、光電変換層は十分な対生成を生じさせ得る範囲内であれば、できるだけ小さな厚さを有することが好ましく、したがって光電変換効率向上のためには、入射光の有効利用が重要である。   On the other hand, the photoelectric conversion layer is preferably thick in order to increase the light absorption, increase the pair generation of carriers, and increase the photocurrent. However, if the photoelectric conversion layer is too thick for the carrier mobility, the collection of the paired carriers is not collected. It becomes insufficient. Further, since the material cost increases when the photoelectric conversion layer is thick, it is preferable that the photoelectric conversion layer is as thin as possible from the viewpoint of cost. Therefore, it is preferable that the photoelectric conversion layer has a thickness as small as possible within a range in which sufficient pair generation can be caused. Therefore, effective use of incident light is important for improving photoelectric conversion efficiency.

入射光を有効利用する方法として、反射防止膜を用いる方法が知られている。反射防止膜は光の入射側にある光電変換装置の表面に形成され、屈折率の差によって生じる光の反射を低減し、光電変換装置内に入射する光を増加させる役目を持つ。   As a method for effectively using incident light, a method using an antireflection film is known. The antireflection film is formed on the surface of the photoelectric conversion device on the light incident side, and serves to reduce light reflection caused by the difference in refractive index and increase the light incident on the photoelectric conversion device.

また、入射光を有効利用するために、光電変換層の表面が微小な凹凸構造を有するものも知られている。この微小な凹凸構造により、入射光が光電変換層内部で散乱され光路長が伸び、光を閉じ込めることができる。この微小な凹凸構造は様々な方法により形成されるが、周期的でないランダムな凹凸を用いるのが一般的である。この光閉じ込めの効果により、より多くのキャリアの対生成が可能となる。   In addition, in order to make effective use of incident light, it is also known that the surface of the photoelectric conversion layer has a minute uneven structure. With this minute uneven structure, incident light is scattered inside the photoelectric conversion layer, the optical path length is extended, and light can be confined. Although this minute uneven structure is formed by various methods, it is general to use random unevenness that is not periodic. Due to this optical confinement effect, more carrier pairs can be generated.

更に入射光を有効利用する方法として、光入射側と反対側(以下、裏面側ともいう)の導電型層に隣接させて高反射率裏面電極を有する構造がある。この高反射率裏面電極により裏面側に光が脱出するのを防ぎ、反射光が再度光電変換層内に入射されるため、光閉じ込めの効果により、より多くのキャリアの対生成が可能となる。   Further, as a method of effectively using incident light, there is a structure having a high-reflectance back electrode adjacent to a conductive type layer opposite to the light incident side (hereinafter also referred to as a back side). This high-reflectance back electrode prevents light from escaping to the back side, and the reflected light is again incident on the photoelectric conversion layer, so that more pairs of carriers can be generated due to the effect of light confinement.

上記のように、入射光を制御し有効利用することで高い変換効率を有する様々な構造の光電変換装置が開発され、実用化されてきた。   As described above, photoelectric conversion devices having various structures having high conversion efficiency by controlling and effectively using incident light have been developed and put into practical use.

ところで近年、光を自由自在に制御する新しい方法であるフォトニック結晶の研究開発が急速に進められている。フォトニック結晶とは、「結晶」と表現されるが、必ずしも結晶質の材料から構成されるわけではない。電子波が、原子が規則的に周期的に配列した構造、つまりは結晶中において独特の挙動を示すことが知られている。光波においても、これとよく似た挙動を、屈折率が規則的に周期的に変化した構造物中において示すことから、このような構造が「フォトニック結晶」と広く呼ばれている。更に具体的なフォトニック結晶の定義としては、「光の波長程度の長さの周期的屈折率変化構造をもった物質」となる。フォトニック結晶では、光と粒子場との相互作用により光を局在化させ、長時間留め置くことが可能となり、光の制御性が飛躍的に高くなる。このような特性を利用した光導波路や偏光フィルター、面発光レーザーなどの様々なデバイスが研究または実用化されている。またフォトニック結晶の構造や材料によっては、フォトニック結晶中に特定の波長(エネルギー)帯の光の存在を完全に禁ずることが可能となり、このような波長帯をフォトニックバンドギャップと呼び、特に全方向からの入射光に対してフォトニックバンドギャップを持つ場合を完全フォトニックバンドギャップという。   By the way, in recent years, research and development of a photonic crystal, which is a new method for freely controlling light, has been rapidly advanced. A photonic crystal is expressed as a “crystal” but is not necessarily composed of a crystalline material. It is known that an electron wave exhibits a unique behavior in a structure in which atoms are regularly and periodically arranged, that is, in a crystal. Such a structure is widely called a “photonic crystal” because the light wave exhibits a similar behavior in a structure whose refractive index changes regularly and periodically. A more specific definition of the photonic crystal is “a substance having a periodic refractive index change structure having a length of about the wavelength of light”. In the photonic crystal, the light can be localized by the interaction between the light and the particle field and can be kept for a long time, and the controllability of the light is remarkably improved. Various devices such as an optical waveguide, a polarizing filter, and a surface emitting laser using such characteristics have been studied or put into practical use. In addition, depending on the structure and material of the photonic crystal, it is possible to completely prohibit the presence of light in a specific wavelength (energy) band in the photonic crystal. Such a wavelength band is called a photonic band gap, A case having a photonic band gap with respect to incident light from all directions is called a complete photonic band gap.

フォトニック結晶の光電変換装置への応用に関しても検討が行われている。特許文献1には、光入射の反対側(裏面側)あるいは光入射側に周期的な微細パターンを設けることで、フォトニック結晶を有する光電変換装置の構造が開示されており、このような構造を有することで光電変換層の底部に到達した入射光を効率よく反射することができ、もって光電変換効率を高めることが可能となる。しかしながら、特許文献1においては、実質的に単結晶シリコン上に形成した多孔質シリコン上にエピタキシャル成長させて引き剥がしを行った10μm膜厚の単結晶シリコン薄膜を用いているにも関わらず十分な特性が得られないという問題があった。更にはこの形成工程は1000℃以上の高温プロセスも必要であり、低コストの薄膜光電変換装置を製造する観点では好ましくない。   Studies are also being conducted on the application of photonic crystals to photoelectric conversion devices. Patent Document 1 discloses a structure of a photoelectric conversion device having a photonic crystal by providing a periodic fine pattern on the side opposite to light incidence (back side) or on the light incidence side. The incident light that has reached the bottom of the photoelectric conversion layer can be efficiently reflected, and the photoelectric conversion efficiency can be increased. However, in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-228707, sufficient characteristics are obtained despite the use of a 10 μm-thick single crystal silicon thin film that has been epitaxially grown and peeled off from porous silicon substantially formed on single crystal silicon. There was a problem that could not be obtained. Furthermore, this formation process also requires a high-temperature process of 1000 ° C. or higher, which is not preferable from the viewpoint of manufacturing a low-cost thin film photoelectric conversion device.

また非特許文献1では、光電変換装置の裏面側に様々なフォトニック結晶構造を配置することで高い光電変換効率が得られることを理論的に示し、更に非特許文献2ではシリコンオンインシュレータ基板からの引き剥がし法により形成された5μm膜厚の単結晶シリコン薄膜の裏面側に様々なフォトニック結晶構造を形成した薄膜単結晶シリコン光電変換装置の特性を開示している。しかしながら、いずれの場合も、薄膜としては比較的厚い膜厚(5μm以上)の単結晶シリコン薄膜を用いているにも関わらず十分な変換効率を得るまでに至っていない。   Non-Patent Document 1 theoretically shows that high photoelectric conversion efficiency can be obtained by arranging various photonic crystal structures on the back side of the photoelectric conversion device. Further, Non-Patent Document 2 shows that a silicon-on-insulator substrate is used. Discloses characteristics of a thin film single crystal silicon photoelectric conversion device in which various photonic crystal structures are formed on the back side of a single crystal silicon thin film having a thickness of 5 μm formed by the peeling method. However, in any case, a sufficient conversion efficiency has not been achieved even though a single crystal silicon thin film having a relatively thick film thickness (5 μm or more) is used as the thin film.

特開2001−127313号公報JP 2001-127313 A

P. Bermel et al, OPTICS EXPRESS, Vol.15, No.25, 16986, 10 December 2007P. Bermel et al, OPTICS EXPRESS, Vol.15, No.25, 16986, 10 December 2007 L. Zeng et al, APPLIED PHYSICS LETTERS 93, 221105, 2008L. Zeng et al, APPLIED PHYSICS LETTERS 93, 221105, 2008

本発明は、凹凸構造を光入射側に有し、かつ光入射とは反対側に新規なフォトニック結晶構造を有する光電変換装置により、従来技術では不十分であった高い光閉じ込め効果を得る構造を達成し、変換効率の高い光電変換装置を提供することを目的とする。特に、光吸収係数が小さくかつ欠陥密度の高い異種基板上に500℃以下の低温で形成された非単結晶シリコンを、光電変換層として好ましくは10μm以下、より好ましくは3μm以下の膜厚で用いる場合において、高い光閉じ込め効果を得る構造を達成し、変換効率の高い光電変換装置を提供することを目的とする。   The present invention provides a structure for obtaining a high light confinement effect that has been insufficient in the prior art by a photoelectric conversion device having a concavo-convex structure on the light incident side and a novel photonic crystal structure on the side opposite to the light incident. The object is to provide a photoelectric conversion device with high conversion efficiency. In particular, non-single-crystal silicon formed on a heterogeneous substrate having a small light absorption coefficient and a high defect density at a low temperature of 500 ° C. or less is preferably used as a photoelectric conversion layer with a thickness of 10 μm or less, more preferably 3 μm or less. In some cases, it is an object to achieve a structure that obtains a high light confinement effect and to provide a photoelectric conversion device with high conversion efficiency.

本発明者らは鋭意検討の結果、以下の構成により上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies, the present inventors have found that the above problem can be solved by the following configuration, and have completed the present invention.

すなわち本発明は、少なくとも1つ以上の光電変換ユニットを有する光電変換装置であって、前記光電変換ユニットが光入射側に凹凸構造を有し、かつ前記1つ以上の光電変換ユニットのうち、光入射側から最も遠くに配置された光電変換ユニットにおける光入射の反対側に隣接して周期的屈折率変化を有する構造物を配置したことを特徴とする光電変換装置に関する。なお、上記「隣接して」とは、必ずしも光電変換ユニットと周期的屈折率変化を有する構造物が厳密に隣り合う場合のみに限定されることを意図するものではなく、本発明の効果を失わない範囲において、前記光電変換ユニットと周期的屈折率変化を有する構造物との間に何らかのものが挟持される場合を含んでも良い意味である。   That is, the present invention is a photoelectric conversion device having at least one or more photoelectric conversion units, wherein the photoelectric conversion unit has a concavo-convex structure on a light incident side, and light among the one or more photoelectric conversion units is light. The present invention relates to a photoelectric conversion device in which a structure having a periodic refractive index change is arranged adjacent to the opposite side of light incidence in a photoelectric conversion unit arranged farthest from the incident side. The term “adjacent” does not necessarily mean that the photoelectric conversion unit and the structure having a periodic refractive index change are strictly adjacent to each other, and the effect of the present invention is lost. This means that it may include a case where something is sandwiched between the photoelectric conversion unit and a structure having a periodic refractive index change within a range that does not exist.

好ましい実施態様は、前記凹凸構造の高低差が20〜400nm、該凸部の頂点同士の距離が50〜1000nmであり、かつ凹凸の表面面積比が20%〜90%の範囲にあることを特徴とする前記の光電変換装置に関する。   In a preferred embodiment, the uneven structure has a height difference of 20 to 400 nm, the distance between the vertices of the protrusions is 50 to 1000 nm, and the surface area ratio of the protrusions and recesses is in the range of 20% to 90%. The present invention relates to the photoelectric conversion device.

好ましい実施態様は、前記光入射側から最も遠くに配置された光電変換ユニットにおける光入射の反対側に隣接配置された周期的屈折率変化を有する構造物が、屈折率の異なる2つの材料が交互に積層された多層交互膜から構成されることを特徴とする前記の光電変換装置に関する。   In a preferred embodiment, a structure having a periodic refractive index change adjacent to the light incident side opposite to the light incident side in the photoelectric conversion unit disposed farthest from the light incident side is formed by alternating two materials having different refractive indexes. It is comprised from the multilayer alternating film laminated | stacked on the said photoelectric conversion apparatus characterized by the above-mentioned.

好ましい実施態様は、前記多層交互膜が、波長600nmにおける屈折率が1.9以上の材料と屈折率1.9未満の材料を交互に積層したものであることを特徴とする前記の光電変換装置に関する。   In a preferred embodiment, the multilayer alternating film is obtained by alternately laminating a material having a refractive index of 1.9 or more and a material having a refractive index of less than 1.9 at a wavelength of 600 nm. About.

好ましい実施態様は、前記光入射側から最も遠くに配置された光電変換ユニットにおける光入射の反対側に隣接配置された周期的屈折率変化を有する構造物が、2次元フォトニック結晶構造を有することを特徴とする前記の光電変換装置に関する。   In a preferred embodiment, the structure having a periodic refractive index change adjacent to the light incident side opposite to the light incident in the photoelectric conversion unit disposed farthest from the light incident side has a two-dimensional photonic crystal structure. The present invention relates to the photoelectric conversion device.

好ましい実施態様は、前記光入射側から最も遠くに配置された光電変換ユニットにおける光入射の反対側に隣接配置された周期的屈折率変化を有する構造物が、2次元フォトニック結晶構造、かつ波長600nmにおける屈折率が1.9以上の材料と屈折率1.9未満の材料が交互に積層された多層交互膜とを有し、該2次元フォトニック結晶構造が光入射側にあることを特徴とする前記の光電変換装置に関する。   In a preferred embodiment, the structure having a periodic refractive index change adjacent to the opposite side of the light incidence in the photoelectric conversion unit arranged farthest from the light incident side has a two-dimensional photonic crystal structure and a wavelength It has a multilayer alternating film in which a material having a refractive index at 600 nm of 1.9 or more and a material having a refractive index of less than 1.9 are alternately laminated, and the two-dimensional photonic crystal structure is on the light incident side The present invention relates to the photoelectric conversion device.

好ましい実施態様は、前記2次元フォトニック結晶構造を形成する異なる屈折率を有する材料のうち、少なくとも1つの材料が10S/cm以上106S/cm以下の導電率を有することを特徴とする前記の光電変換装置に関する。 In a preferred embodiment, at least one of the materials having different refractive indexes forming the two-dimensional photonic crystal structure has a conductivity of 10 S / cm or more and 10 6 S / cm or less. The present invention relates to a photoelectric conversion device.

好ましい実施態様は、前記光入射側から最も遠くに配置された光電変換ユニットにおける光入射の反対側に隣接配置された周期的屈折率変化を有する構造物が、3次元フォトニック結晶構造を有することを特徴とする前記の光電変換装置に関する。   In a preferred embodiment, the structure having a periodic refractive index change adjacent to the light incident side of the photoelectric conversion unit disposed farthest from the light incident side has a three-dimensional photonic crystal structure. The present invention relates to the photoelectric conversion device.

好ましい実施態様は、前記3次元フォトニック結晶構造がオパール構造であることを特徴とする前記の光電変換装置に関する。   A preferred embodiment relates to the photoelectric conversion device, wherein the three-dimensional photonic crystal structure is an opal structure.

好ましい実施態様は、前記3次元フォトニック結晶構造を形成する異なる屈折率を有する材料のうち、少なくとも1つの材料が10S/cm以上106S/cm以下の導電率を有することを特徴とする前記の光電変換装置に関する。 In a preferred embodiment, at least one of the materials having different refractive indexes forming the three-dimensional photonic crystal structure has a conductivity of 10 S / cm or more and 10 6 S / cm or less. The present invention relates to a photoelectric conversion device.

好ましい実施態様は、前記光電変換ユニットが透明絶縁基板上に形成され、透明絶縁基板を通して光が入射される構造を有することを特徴とする前記の光電変換装置に関する。   A preferred embodiment relates to the photoelectric conversion device, wherein the photoelectric conversion unit is formed on a transparent insulating substrate, and has a structure in which light is incident through the transparent insulating substrate.

好ましい実施態様は、前記光電変換ユニットが周期律表の第14族元素を主成分とすることを特徴とする前記の光電変換装置に関する。   A preferred embodiment relates to the photoelectric conversion device, wherein the photoelectric conversion unit contains a group 14 element of the periodic table as a main component.

好ましい実施態様は、前記1つ以上の光電変換ユニットのうち、少なくとも1つの光電変換ユニットの膜厚が1μm以上10μm以下であることを特徴とする前記の光電変換装置に関する。   A preferred embodiment relates to the photoelectric conversion device, wherein the film thickness of at least one of the one or more photoelectric conversion units is 1 μm or more and 10 μm or less.

好ましい実施態様は、前記1つ以上の光電変換ユニットのうち、少なくとも1つの光電変換ユニットが非単結晶の結晶質材料からなり、該結晶質材料の結晶粒の大きさが1nm以上10μm以下であることを特徴とする前記の光電変換装置に関する。   In a preferred embodiment, at least one of the one or more photoelectric conversion units is made of a non-single-crystal crystalline material, and the crystal grain size of the crystalline material is 1 nm or more and 10 μm or less. The present invention relates to the photoelectric conversion device.

好ましい実施態様は、前記光入射側から最も遠くに配置された光電変換ユニットにおいて、光電変換ユニットは光電変換層と導電型層を含んでおり、光入射側と反対側に形成される導電型層が10S/cm以上106S/cm以下の導電率を有することを特徴とする前記の光電変換装置に関する。 In a preferred embodiment, in the photoelectric conversion unit disposed farthest from the light incident side, the photoelectric conversion unit includes a photoelectric conversion layer and a conductive type layer, and the conductive type layer is formed on the side opposite to the light incident side. Has a conductivity of 10 S / cm or more and 10 6 S / cm or less.

好ましい実施態様は、前記1つ以上の光電変換ユニットのうち、光入射側に配置される光電変換ユニットの光電変換層が非晶質シリコン系材料からなり、光入射側から最も遠くに配置される光電変換ユニットの光電変換層が結晶質シリコン系材料からなることを特徴とする前記の光電変換装置に関する。   In a preferred embodiment, among the one or more photoelectric conversion units, the photoelectric conversion layer of the photoelectric conversion unit disposed on the light incident side is made of an amorphous silicon-based material and is disposed farthest from the light incident side. The photoelectric conversion layer of the photoelectric conversion unit is made of a crystalline silicon-based material.

本発明によれば、光電変換装置の1つ以上の光電変換ユニットのうち光入射側から最も近くに配置された光電変換ユニットの光入射側に凹凸構造を有し、かつ光入射側から最も遠くに配置された光電変換ユニットの裏面側に隣接して周期的屈折率変化を有する構造物を有することで、それぞれ光入射側または裏面側に単独でそれらを用いた効果を組み合わせた以上のはるかに高い光閉じ込め効果が得られる。これらの効果により高い変換効率を発現できる光電変換装置を得ることができる。特に光吸収係数が小さくかつ欠陥密度の高い異種基板上に500℃以下の低温で形成された非単結晶シリコンを、光電変換層として好ましくは10μm以下、より好ましくは3μm以下の膜厚で用いる場合においては膜内での反射回数を増すことや反射時の角度が高くなることから、この効果はより顕著に発現されうる。   According to the present invention, among the one or more photoelectric conversion units of the photoelectric conversion device, the photoelectric conversion unit disposed closest to the light incident side has a concavo-convex structure on the light incident side and is farthest from the light incident side. By having a structure having a periodic refractive index change adjacent to the back side of the photoelectric conversion unit arranged in the far side of combining the effects of using them individually on the light incident side or back side respectively. A high light confinement effect can be obtained. A photoelectric conversion device capable of expressing high conversion efficiency due to these effects can be obtained. In particular, when non-single-crystal silicon formed at a low temperature of 500 ° C. or less on a heterogeneous substrate having a small light absorption coefficient and a high defect density is used as a photoelectric conversion layer with a thickness of preferably 10 μm or less, more preferably 3 μm or less. In this case, since the number of reflections in the film is increased and the angle at the time of reflection is increased, this effect can be exhibited more remarkably.

本発明における第1の実施の形態による光電変換装置を概略的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing a photoelectric conversion device according to a first embodiment of the present invention. 本発明における第2の実施の形態による光電変換装置を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the photoelectric conversion apparatus by the 2nd Embodiment in this invention. 本発明における第3の実施の形態による光電変換装置の一例を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly an example of the photoelectric conversion apparatus by 3rd Embodiment in this invention. 本発明における第3の実施の形態による光電変換装置の一例を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly an example of the photoelectric conversion apparatus by 3rd Embodiment in this invention. 本発明における第3の実施の形態による光電変換装置の一例を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly an example of the photoelectric conversion apparatus by 3rd Embodiment in this invention. 本発明における第4の実施の形態による光電変換装置を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the photoelectric conversion apparatus by 4th Embodiment in this invention. 本発明における第5の実施の形態による光電変換装置を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the photoelectric conversion apparatus by the 5th Embodiment in this invention.

以下において本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお本願の各図において、厚さや長さなどの寸法関係については図面の明瞭化と簡略化のため適宜変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。また、各図において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表している。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each drawing of the present application, dimensional relationships such as thickness and length are appropriately changed for clarity and simplification of the drawings, and do not represent actual dimensional relationships. Moreover, in each figure, the same referential mark represents the same part or an equivalent part.

(第1の実施の形態)
まず、本発明の第1の実施の形態による光電変換装置1の各構成要素について図1を参照し説明する。なお、当該第1の実施の形態では、光電変換装置中の光電変換ユニットが1つの場合の実施形態となる。
(First embodiment)
First, each component of the photoelectric conversion apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, in the said 1st Embodiment, it becomes embodiment in the case of one photoelectric conversion unit in a photoelectric conversion apparatus.

透明絶縁基板2としては、例えば、ガラス板や透明樹脂フィルムなどを用いることができる。例えばガラス板としては、大面積な板が安価に入手可能で、透明性・絶縁性が高い、SiO2、Na2O及びCaOを主成分とする、両主面が平滑なソーダライム板ガラスを用いることができる。この透明絶縁基板の一方の主面に、透明導電膜3および各光電変換ユニット等が積層され、他方の主面側から入射された太陽光等の光が光電変換される。また透明絶縁基板2の光入射側の主面には、反射防止効果を奏するために、微小な凹凸構造を有したり、シリカなどを主成分とする微粒子を塗布したり、あるいはMgF2などの低屈折率材料をコーティングすることもできる。また他方の透明導電膜3側の主面も微小なランダム凹凸構造を有したり、シリカなどを主成分とする微粒子を塗布したり、あるいはシリコン窒化物などをコーティングすることもできる。 For example, a glass plate or a transparent resin film can be used as the transparent insulating substrate 2. For example, as a glass plate, a soda lime plate glass having a smooth main surface, mainly composed of SiO 2 , Na 2 O and CaO, which has a large area and can be obtained at low cost, has high transparency and insulation properties, is used. be able to. The transparent conductive film 3, each photoelectric conversion unit, and the like are stacked on one main surface of the transparent insulating substrate, and light such as sunlight incident from the other main surface side is photoelectrically converted. In addition, the main surface on the light incident side of the transparent insulating substrate 2 has a fine concavo-convex structure, a fine particle mainly composed of silica or the like, or MgF 2 or the like in order to exhibit an antireflection effect. A low refractive index material can also be coated. The main surface on the other transparent conductive film 3 side can also have a minute random uneven structure, can be coated with fine particles mainly composed of silica, or can be coated with silicon nitride.

透明導電膜3は、ITO(酸化インジウム・スズ)、SnO2あるいは酸化亜鉛(以下、ZnOともいう)等の導電性金属酸化物から形成されることが好ましく、CVD(Chemical Vapor Deposition)、スパッタ、蒸着、電着、塗布等の方法を用いて形成されることが好ましい。透明導電膜3はその表面に微小なランダム凹凸構造を有することにより、入射光の散乱を増大させる効果を発現することもできる。また透明導電膜3が平坦な透明絶縁基板2上に形成される際は、必ずその表面に微小なランダム凹凸構造が現れるような形成方法が用いられる。 The transparent conductive film 3 is preferably formed from a conductive metal oxide such as ITO (indium tin oxide), SnO 2 or zinc oxide (hereinafter also referred to as ZnO), CVD (Chemical Vapor Deposition), sputtering, It is preferably formed using a method such as vapor deposition, electrodeposition or coating. The transparent conductive film 3 can also exhibit an effect of increasing the scattering of incident light by having a minute random uneven structure on the surface thereof. In addition, when the transparent conductive film 3 is formed on the flat transparent insulating substrate 2, a forming method is used in which a minute random uneven structure appears on the surface.

光電変換ユニット41は、透明導電膜3の表面上に現れている微小なランダム凹凸構造上に形成されることで、その光入射側の表面に微小なランダム凹凸構造を有する。この微小なランダム凹凸構造は、その高低差が好ましくは20〜400nm、より好ましくは100〜400nmであり、該凸部の頂点同士の距離は、好ましくは50〜1000nm、より好ましくは100〜600nmであり、かつ凹凸の表面面積比は、好ましくは20%〜90%、より好ましくは30%〜80%の範囲にあるものである。なお、ここでランダム凹凸構造の高低差や凸部の頂点同士の距離は、例えば原子間力顕微鏡により測定することが可能である。また、凹凸の表面面積比とは、具体的には平坦な表面に対する凹凸表面の表面積の比であり、この値が大きいほど、より微細な凹凸をより多く含むという事が言える。表面面積比は例えば原子間力顕微鏡により測定することが可能である。   The photoelectric conversion unit 41 is formed on a minute random concavo-convex structure appearing on the surface of the transparent conductive film 3, and thus has a minute random concavo-convex structure on the surface on the light incident side. The minute random concavo-convex structure preferably has a height difference of 20 to 400 nm, more preferably 100 to 400 nm, and the distance between the vertices of the convex portions is preferably 50 to 1000 nm, more preferably 100 to 600 nm. In addition, the surface area ratio of the unevenness is preferably 20% to 90%, more preferably 30% to 80%. Here, the height difference of the random concavo-convex structure and the distance between the vertices of the convex portions can be measured, for example, by an atomic force microscope. The surface area ratio of the unevenness is specifically the ratio of the surface area of the uneven surface to the flat surface, and it can be said that the larger this value, the more finer unevenness is included. The surface area ratio can be measured by, for example, an atomic force microscope.

光電変換ユニット41は、光電変換層である光電変換半導体層412、並びに導電型層であるp型半導体層411およびn型半導体層413を備えており、透明導電膜3側からp型半導体層411、光電変換半導体層412及びn型半導体層413を順次積層した構造を有する。また、透明導電膜3側からn型半導体層413、光電変換半導体層412及びp型半導体層411を順次積層した構造を有する場合もある。p型半導体層411及びn型半導体層413は、例えばCVD、スパッタ、蒸着、溶液成長、塗布法あるいはそれらの複合法等により形成することができる。   The photoelectric conversion unit 41 includes a photoelectric conversion semiconductor layer 412 that is a photoelectric conversion layer, and a p-type semiconductor layer 411 and an n-type semiconductor layer 413 that are conductive layers, and the p-type semiconductor layer 411 from the transparent conductive film 3 side. The photoelectric conversion semiconductor layer 412 and the n-type semiconductor layer 413 are sequentially stacked. In some cases, the n-type semiconductor layer 413, the photoelectric conversion semiconductor layer 412, and the p-type semiconductor layer 411 are sequentially stacked from the transparent conductive film 3 side. The p-type semiconductor layer 411 and the n-type semiconductor layer 413 can be formed by, for example, CVD, sputtering, vapor deposition, solution growth, coating method, or a composite method thereof.

これら光電変換ユニット41の光電変換層である光電変換半導体層412は、例えば第14族半導体材料、化合物半導体材料または有機半導体材料で形成することができる。第14族半導体材料としては、例えば、シリコンやゲルマニウムあるいはグラファイトやダイヤモンドなどの炭素系材料などが挙げられ、いずれも非晶質及び結晶質共に用いることができる。なお、ここで使用する用語「結晶質」は、多結晶及び微結晶を包含するものである。また、用語「多結晶」及び「微結晶」は、部分的に非晶質を含むものをも意味するものとする。   The photoelectric conversion semiconductor layer 412 that is the photoelectric conversion layer of the photoelectric conversion unit 41 can be formed of, for example, a Group 14 semiconductor material, a compound semiconductor material, or an organic semiconductor material. Examples of Group 14 semiconductor materials include silicon, germanium, carbon-based materials such as graphite and diamond, and any of them can be used for both amorphous and crystalline materials. The term “crystalline” as used herein includes polycrystals and microcrystals. In addition, the terms “polycrystal” and “microcrystal” are intended to mean those partially containing an amorphous material.

前記化合物半導体材料としては、例えば、シリコンカーバイドやシリコンゲルマニウムなどの第14族化合物半導体材料や、ガリウム砒素、ガリウム燐、ガリウムナイトライド、酸化亜鉛、酸化チタンあるいはCu(InGa)Se2などが挙げられる。やはり、いずれも非晶質及び結晶質共に用いることができる。 Examples of the compound semiconductor material include Group 14 compound semiconductor materials such as silicon carbide and silicon germanium, gallium arsenide, gallium phosphide, gallium nitride, zinc oxide, titanium oxide, or Cu (InGa) Se 2. . Again, both can be used both amorphous and crystalline.

前記有機半導体材料としては、銅フタロシアニン、ペリレン色素、メチレンブルーあるいはペンタセンなどを用いることができる。またこれら半導体は、光電変換機能を十分に備えていれば、微量の導電型決定不純物を含む弱p型もしくは弱n型の半導体材料も用いられ得る。   As the organic semiconductor material, copper phthalocyanine, perylene dye, methylene blue, pentacene, or the like can be used. Moreover, if these semiconductors have a sufficient photoelectric conversion function, weak p-type or weak n-type semiconductor materials containing a small amount of conductivity determining impurities can be used.

p型半導体層411は、例えば、シリコン、シリコンカーバイド、シリコン酸化物、シリコン窒化物またはシリコンゲルマニウム等のシリコン合金に、ボロンやアルミニウム等のp導電型決定不純物原子をドープすることにより形成することができる。また、これらシリコン合金以外でも、Cu(InGa)Se2などの化合物半導体や銅フタロシアニンなどの有機半導体を用いることもできる。n型半導体413は、シリコン、シリコンカーバイド、シリコン酸化物、シリコン窒化物またはシリコンゲルマニウム等のシリコン合金に、燐や窒素等のn導電型決定不純物原子をドープすることにより形成することができる。また、これらシリコン合金以外でも、p型半導体層411と同様に化合物半導体や有機半導体を用いることもできる。 The p-type semiconductor layer 411 can be formed, for example, by doping a silicon alloy such as silicon, silicon carbide, silicon oxide, silicon nitride, or silicon germanium with p-conductivity determining impurity atoms such as boron or aluminum. it can. In addition to these silicon alloys, a compound semiconductor such as Cu (InGa) Se 2 or an organic semiconductor such as copper phthalocyanine can also be used. The n-type semiconductor 413 can be formed by doping a silicon alloy such as silicon, silicon carbide, silicon oxide, silicon nitride, or silicon germanium with an n-conductivity determining impurity atom such as phosphorus or nitrogen. In addition to these silicon alloys, a compound semiconductor or an organic semiconductor can also be used as in the p-type semiconductor layer 411.

p型半導体層411あるいはn型半導体層413が光吸収によるロスが問題にならない程度に十分薄くかつ透明絶縁基板2と平行方向に十分な導電率を有している場合、透明導電膜3を介さず直に透明絶縁基板2上に形成することができる。また、その際、透明絶縁基板2上にシリコン窒化物などの絶縁物からなる薄膜を、p型半導体層411あるいはn型半導体413を形成する前に形成する場合もある。いずれにせよこの際、p型半導体層411あるいはn型半導体層413の膜厚は5nm〜500nmの範囲にあることが好ましく、より好ましくは10nm〜100nmの範囲である。また導電率は、好ましくは10S/cm以上106S/cm以下、より好ましくは102S/cm以上104S/cm以下の範囲である。この範囲の導電率を有することにより、導電型層である411あるいは413は光電変換半導体層412内に光電変換作用により発生した電子と正孔を分離収集するために必要な拡散電位を生じさせるためだけではなく、収集した電子あるいは正孔を透明絶縁基板2に平行な方向へ導電させることが可能となり、電極としても使用可能となる。 When the p-type semiconductor layer 411 or the n-type semiconductor layer 413 is thin enough to prevent loss due to light absorption and has sufficient conductivity in the direction parallel to the transparent insulating substrate 2, the transparent conductive film 3 is interposed therebetween. It can be directly formed on the transparent insulating substrate 2. At that time, a thin film made of an insulator such as silicon nitride may be formed on the transparent insulating substrate 2 before the p-type semiconductor layer 411 or the n-type semiconductor 413 is formed. In any case, the thickness of the p-type semiconductor layer 411 or the n-type semiconductor layer 413 is preferably in the range of 5 nm to 500 nm, and more preferably in the range of 10 nm to 100 nm. The conductivity is preferably in the range of 10 S / cm or more and 10 6 S / cm or less, more preferably 10 2 S / cm or more and 10 4 S / cm or less. By having the conductivity in this range, the conductive layer 411 or 413 generates a diffusion potential necessary for separating and collecting electrons and holes generated by the photoelectric conversion action in the photoelectric conversion semiconductor layer 412. In addition, the collected electrons or holes can be conducted in a direction parallel to the transparent insulating substrate 2 and can be used as an electrode.

屈折率の異なる2つの材料が交互に積層された多層交互膜51は、透明絶縁基板2から光電変換ユニット41に入射し多層交互膜51に到着した光を反射して光電変換ユニット41内に再入射させる反射層としての機能を有している。ここで、多層交互膜51は2つの異なる材料から構成されている。この場合における「材料」とは、例えば、同一元素であっても異なる相であったり、また膜密度が異なる場合も異なる材料とみなすものである。   The multilayer alternating film 51 in which two materials having different refractive indexes are alternately stacked reflects the light incident on the photoelectric conversion unit 41 from the transparent insulating substrate 2 and arriving at the multilayer alternating film 51 to be re-entered in the photoelectric conversion unit 41. It has a function as a reflecting layer to be incident. Here, the multilayer alternating film 51 is composed of two different materials. The “material” in this case is considered to be a different material even if, for example, the same element is in a different phase or has a different film density.

多層交互膜51を構成する2つの材料の屈折率は異なり、好ましくは、高屈折率層511の波長600nmにおける屈折率は1.9以上、同様に低屈折率層512の屈折率は1.9未満の範囲にある。高屈折率層511は、例えば、シリコン、シリコンカーバイド、シリコン酸化物、シリコン窒化物またはシリコンゲルマニウム等のシリコン合金に、ボロンやアルミニウム等のp導電型決定不純物原子を、あるいは燐や窒素等のn導電型決定不純物原子をドープすることにより形成することができる。また、アルミニウムやニッケルなどの金属とシリコンの合金を用いることもできる。これらシリコン合金以外でも、ZnO、ITO等の金属酸化物やAg、Al等の金属単体、またはそれらの合金を用いることができる。ただし金属を用いる場合は、表面プラズモンの効果により僅かながらも金属のごく表面に光が吸収されてしまい、この吸収分が僅かながらも光反射ロスとなってしまう傾向がある。これらは膜中が完全に充填されている必要はなく、屈折率を調整するために膜中に空孔を持つ場合もある。低屈折率層512も高屈折率層511と同様の材料を用いることができる。多層交互膜51の形成においては、CVD、スパッタ、蒸着、溶液成長、塗布法あるいはそれらの複合法等が好ましく用いられる。   The refractive indexes of the two materials constituting the multilayer alternating film 51 are different. Preferably, the refractive index of the high refractive index layer 511 at a wavelength of 600 nm is 1.9 or more, and similarly the refractive index of the low refractive index layer 512 is 1.9. It is in the range of less than. The high refractive index layer 511 is made of, for example, a silicon alloy such as silicon, silicon carbide, silicon oxide, silicon nitride, or silicon germanium, p-type conductivity-determining impurity atoms such as boron or aluminum, or n such as phosphorus or nitrogen. It can be formed by doping conductivity type determining impurity atoms. Alternatively, an alloy of a metal such as aluminum or nickel and silicon can be used. Other than these silicon alloys, metal oxides such as ZnO and ITO, simple metals such as Ag and Al, or alloys thereof can be used. However, when a metal is used, light is slightly absorbed by the surface of the metal due to the effect of surface plasmons, and this absorption tends to cause a light reflection loss even though it is small. In these films, the film does not need to be completely filled, and there are cases where there are vacancies in the film in order to adjust the refractive index. The low refractive index layer 512 can be formed using the same material as the high refractive index layer 511. In forming the multilayer alternating film 51, CVD, sputtering, vapor deposition, solution growth, a coating method, or a composite method thereof is preferably used.

多層交互膜51は、高屈折率層511と低屈折率層512の一組の組み合わせの交互層が、例えば2層から10層、更には4層から8層の範囲にあることが好ましく、交互層の膜厚は、例えば20nm〜500nm、更には50nm〜400nmの範囲にあることが好ましく、各交互層の膜厚は同じである必要はない。また高屈折率層511と低屈折率層512の積層の順序はどちらが先でも構わない。多層交互膜は電気的に絶縁性あるいは導電性であり、絶縁性の場合は、多層交互膜51に光電変換ユニット41まで達するような穴を形成し、電気的な接合を形成する。多層交互膜51が導電性の場合は、シート抵抗が0.01Ω/□〜5000Ω/□、好ましくは0.1Ω/□〜50Ω/□の範囲にあり、この範囲にあることにより、収集した電子あるいは正孔を透明絶縁基板2に平行な方向へ導電させることが可能となり、多層交互膜51自体を電極としても使用可能となる。   In the multilayer alternating film 51, it is preferable that the combination of the high refractive index layer 511 and the low refractive index layer 512 is in a range of, for example, 2 to 10 layers, and further 4 to 8 layers. The film thickness of the layers is preferably in the range of 20 nm to 500 nm, more preferably 50 nm to 400 nm, for example, and the film thickness of each alternating layer need not be the same. In addition, the order of stacking the high refractive index layer 511 and the low refractive index layer 512 may be either. The multilayer alternating film is electrically insulating or conductive. In the case of the insulating film, a hole that reaches the photoelectric conversion unit 41 is formed in the multilayer alternating film 51 to form an electrical junction. When the multilayer alternating film 51 is conductive, the sheet resistance is in the range of 0.01Ω / □ to 5000Ω / □, preferably in the range of 0.1Ω / □ to 50Ω / □. Alternatively, it is possible to conduct holes in a direction parallel to the transparent insulating substrate 2, and the multilayer alternating film 51 itself can be used as an electrode.

(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態による光電変換装置1の各構成要素について図2を参照し説明する。なお、透明絶縁基板2、透明導電膜3及び多層交互膜51は第1の実施の形態と同様である。
(Second Embodiment)
Each component of the photoelectric conversion device 1 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The transparent insulating substrate 2, the transparent conductive film 3, and the multilayer alternating film 51 are the same as those in the first embodiment.

第2の実施の形態による光電変換装置1は、2つの光電変換ユニットを有しており、具体的には第1光電変換ユニット41及び第2光電変換ユニット42を有する。第1光電変換ユニット41は、第2光電変換ユニット42に比べ光入射側に配置されている。第1光電変換ユニット41及び第2光電変換ユニット42は共に第1の実施の形態と同様の材料、構成及び形成方法を用いることができるが、第1光電変換ユニット41が第2光電変換ユニット42に比べ短波長側に量子効率のピークを持つことが望ましい。   The photoelectric conversion device 1 according to the second embodiment includes two photoelectric conversion units, and specifically includes a first photoelectric conversion unit 41 and a second photoelectric conversion unit 42. The first photoelectric conversion unit 41 is disposed closer to the light incident side than the second photoelectric conversion unit 42. Both the first photoelectric conversion unit 41 and the second photoelectric conversion unit 42 can use the same material, configuration, and formation method as in the first embodiment, but the first photoelectric conversion unit 41 is the second photoelectric conversion unit 42. It is desirable to have a peak of quantum efficiency on the short wavelength side compared to.

光入射側に配置されている第1光電変換ユニット41は、少なくとも光入射側の表面に微小なランダム凹凸構造を有し、この微小なランダム凹凸構造はその高低差が好ましくは20〜400nm、より好ましくは100〜400nmであり、該凸部の頂点同士の距離が好ましくは50〜1000nm、より好ましくは100〜600nmである。さらに、凹凸の表面面積比が好ましくは20%〜90%、より好ましくは30%〜80%の範囲にある。ただし、第2光電変換ユニット42の光入射側の表面はこの範囲に限定されず、例えば平坦でもよい。   The first photoelectric conversion unit 41 arranged on the light incident side has a minute random concavo-convex structure on at least the surface on the light incident side, and the minute random concavo-convex structure preferably has a height difference of 20 to 400 nm. Preferably it is 100-400 nm, The distance between the vertexes of this convex part becomes like this. Preferably it is 50-1000 nm, More preferably, it is 100-600 nm. Furthermore, the surface area ratio of the irregularities is preferably in the range of 20% to 90%, more preferably 30% to 80%. However, the surface of the second photoelectric conversion unit 42 on the light incident side is not limited to this range, and may be flat, for example.

中間透過反射膜6は、例えば、ITO膜、SnO2膜、或いはZnO膜のような透明導電性酸化物層等や導電性を有するシリコン酸化物層、或いはシリコン窒化物層などが用いられる。中間透過反射膜6は単層構造でも多層構造であっても良く、あるいは多孔質な構造でもよい。中間透過反射膜6は、蒸着法、CVD法、或いはスパッタリング法等それ自体既知の気相堆積法を用いて形成することができる。また中間透過反射膜5の厚さは、例えば5nm〜300nmの範囲内にあることが好ましい。 As the intermediate transmission / reflection film 6, for example, a transparent conductive oxide layer such as an ITO film, a SnO 2 film, or a ZnO film, a conductive silicon oxide layer, or a silicon nitride layer is used. The intermediate transmission / reflection film 6 may have a single layer structure, a multilayer structure, or a porous structure. The intermediate transmission / reflection film 6 can be formed by a vapor deposition method known per se such as a vapor deposition method, a CVD method, or a sputtering method. The thickness of the intermediate transmission / reflection film 5 is preferably in the range of 5 nm to 300 nm, for example.

以上により、図2に示されたような光電変換装置1が完成する。   Thus, the photoelectric conversion device 1 as shown in FIG. 2 is completed.

(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態による光電変換装置1の各構成要素について、図3、図4及び図5を参照し説明する。なお、当該第3の実施の形態では、光電変換装置中の光電変換ユニットが1つの場合であり、透明絶縁基板2及び透明導電膜3は第1の実施の形態と同様である。
(Third embodiment)
Each component of the photoelectric conversion apparatus 1 by the 3rd Embodiment of this invention is demonstrated with reference to FIG.3, FIG4 and FIG.5. In the third embodiment, there is one photoelectric conversion unit in the photoelectric conversion device, and the transparent insulating substrate 2 and the transparent conductive film 3 are the same as those in the first embodiment.

第3の実施の形態による光電変換装置1は光電変換ユニット41を有し、第1の実施の形態と同様の材料を用いることができる。光電変換ユニット41の光入射の反対側表面は、例えば周期的な規則を有した溝が並んでいる構造、あるいは角柱状、円柱状若しくは球状の窪み又は突起がある周期的な規則を持って配列した構造を有している。この際、その周期は、例えば100nm〜1500nmの範囲にあることが好ましく、また高低差は、例えば400nmを超えて1000nm以下の範囲にあることが好ましい。これら周期的構造は、フォトリソグラフィー法や自己集合法などの方法で形成することができる。   The photoelectric conversion device 1 according to the third embodiment includes a photoelectric conversion unit 41, and the same material as that of the first embodiment can be used. The surface opposite to the light incidence of the photoelectric conversion unit 41 has, for example, a structure in which grooves having a periodic rule are arranged, or a periodic rule having a prismatic, cylindrical, or spherical recess or protrusion. It has the structure. At this time, the period is preferably in the range of 100 nm to 1500 nm, for example, and the height difference is preferably in the range of, for example, more than 400 nm and 1000 nm or less. These periodic structures can be formed by a method such as a photolithography method or a self-assembly method.

裏面周期反射膜52は、光電変換ユニット41の光入射の反対側表面に形成された周期的窪みや溝などを充填する構造をしており、光電変換ユニット41の屈折率より低い材料が用いられ、波長600nmにおける屈折率が1.9以下であることが好ましい。裏面周期反射膜52を形成する材料としては、例えば、ITO膜、SnO2膜、或いはZnO膜のような酸化物層等やシリコン酸化物層、或いはシリコン窒化物層などが用いられる。裏面周期反射膜52は、蒸着法、CVD法、或いはスパッタリング法等それ自体既知の気相堆積法を用いて形成することができる。 The back periodic reflection film 52 has a structure filling periodic depressions and grooves formed on the surface opposite to the light incident side of the photoelectric conversion unit 41, and a material having a refractive index lower than that of the photoelectric conversion unit 41 is used. The refractive index at a wavelength of 600 nm is preferably 1.9 or less. As a material for forming the back periodic reflection film 52, for example, an oxide layer such as an ITO film, a SnO 2 film, or a ZnO film, a silicon oxide layer, or a silicon nitride layer is used. The back surface periodic reflection film 52 can be formed by a vapor deposition method known per se such as a vapor deposition method, a CVD method, or a sputtering method.

これにより光電変換ユニット41と裏面周期反射膜52の界面に2次元的に光の波長と同程度の周期的屈折率変化が生じることとなる。本発明においては、このような構造を特に「2次元フォトニック結晶構造」と呼ぶ。2次元フォトニック結晶構造は高い散乱反射効果を有しており、垂直入射した光を高角度で反射することが可能であり、光電変換ユニット41内に高い確率で全反射条件を形成することができる。そのため、高い光閉じ込め効果を得ることができる。この効果は、光電変換層が薄くなればなるほどより顕著に現れる。   As a result, a periodic refractive index change equivalent to the wavelength of light occurs two-dimensionally at the interface between the photoelectric conversion unit 41 and the back surface periodic reflection film 52. In the present invention, such a structure is particularly called a “two-dimensional photonic crystal structure”. The two-dimensional photonic crystal structure has a high scattering reflection effect, can reflect vertically incident light at a high angle, and can form a total reflection condition in the photoelectric conversion unit 41 with a high probability. it can. Therefore, a high light confinement effect can be obtained. This effect becomes more prominent as the photoelectric conversion layer becomes thinner.

裏面周期反射膜52は、光電変換ユニット41の光入射の反対側表面に形成された周期的窪みや溝などを充填してさえいればよく、図3に示すように充填されて以降の形状は平坦でもよく、また図4に示すように周期的構造を継続していてもよく、あるいは図5のようにランダムな微小凹凸構造を有していてもよい。また裏面周期反射膜52の裏面側に更に金属膜などの導電性の膜が形成されていてもよい(図示せず)。   The back surface periodic reflection film 52 only needs to fill periodic depressions and grooves formed on the surface opposite to the light incident side of the photoelectric conversion unit 41, and the shape after filling is shown in FIG. It may be flat, and may have a periodic structure as shown in FIG. 4 or may have a random minute uneven structure as shown in FIG. Further, a conductive film such as a metal film may be further formed on the back surface side of the back surface periodic reflection film 52 (not shown).

2次元フォトニック結晶構造を形成している、裏面周期反射膜52と裏面周期反射膜52と接するn型導電型層413(あるいは導電型層が逆の順で積層された構造の場合はp型導電型層411)の少なくとも一方は、導電率が10S/cm以上106S/cm以下の範囲にあることが好ましく、より好ましくは102S/cm以上104S/cm以下の範囲である。この範囲の導電率を有することにより、2次元フォトニック構造自体が、収集した電子あるいは正孔を透明絶縁基板2に平行な方向へ導電させることが可能となり、電極としても使用可能となる。 The back surface periodic reflection film 52 and the n-type conductivity type layer 413 in contact with the back surface periodic reflection film 52 forming a two-dimensional photonic crystal structure (or p-type in the case where the conductivity type layers are stacked in the reverse order) At least one of the conductivity type layers 411) preferably has a conductivity in the range of 10 S / cm to 10 6 S / cm, more preferably in the range of 10 2 S / cm to 10 4 S / cm. . By having a conductivity in this range, the two-dimensional photonic structure itself can conduct collected electrons or holes in a direction parallel to the transparent insulating substrate 2 and can also be used as an electrode.

以上により図3に示されたような光電変換装置1が完成する。   Thus, the photoelectric conversion device 1 as shown in FIG. 3 is completed.

(第4の実施の形態)
本発明の第4の実施の形態による光電変換装置1の各構成要素について図6を参照し説明する。なお、透明絶縁基板2、透明導電膜3、第1光電変換ユニット41及び中間透過反射膜6は第2の実施の形態と同様である。
(Fourth embodiment)
Each component of the photoelectric conversion device 1 according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The transparent insulating substrate 2, the transparent conductive film 3, the first photoelectric conversion unit 41, and the intermediate transmission / reflection film 6 are the same as those in the second embodiment.

第4の実施の形態による光電変換装置1は第2光電変換ユニット42を有し、第2の実施の形態と同様の材料を用いることができる。第2光電変換ユニット42の光入射の反対側表面は、第3の実施の形態における光電変換ユニットと同様、例えば周期的な規則を有した溝が並んでいる構造、あるいは角柱状、円柱状若しくは球状の窪み又は突起がある周期的な規則を持って配列した構造を有している。この際、その周期は、例えば100nm〜1500nmの範囲にあることが好ましい。これら周期的構造は、フォトリソグラフィー法や自己集合法などの方法で形成することができる。   The photoelectric conversion device 1 according to the fourth embodiment has a second photoelectric conversion unit 42, and the same material as that of the second embodiment can be used. Similar to the photoelectric conversion unit in the third embodiment, the surface opposite to the light incidence of the second photoelectric conversion unit 42 has, for example, a structure in which grooves having periodic rules are arranged, a prismatic shape, a cylindrical shape, It has a structure in which spherical depressions or protrusions are arranged with periodic rules. At this time, the period is preferably in the range of 100 nm to 1500 nm, for example. These periodic structures can be formed by a method such as a photolithography method or a self-assembly method.

多層交互膜51は第1の実施の形態と同様の材料、形成方法等を用いることができる。多層交互膜51は、第2光電変換ユニット42の光入射の反対側表面に形成された周期的窪みや溝などを充填する構造を有している。多層交互膜51を構成する2つの材料の屈折率は異なり、高屈折率層511の波長600nmにおける屈折率は1.9以上、同様に低屈折率層512の屈折率は1.9未満の範囲にあることが好ましい。多層交互膜51は、高屈折率層511と低屈折率層512の一組の組み合わせの交互層が、例えば2層から10層、更には4層から8層の範囲にあることが好ましく、交互層の膜厚は、好ましくは20nm〜500nm、より好ましくは50nm〜400nmの範囲にあり、各交互層の膜厚は同じである必要はない。また高屈折率層511と低屈折率層512の積層の順序はどちらが先でも構わない。多層交互膜は電気的に絶縁性あるいは導電性であり、導電性の場合のシート抵抗が0.01Ω/□〜5000Ω/□の範囲が好ましく、より好ましくは0.1Ω/□〜50Ω/□の範囲である。   The multilayer alternating film 51 can use the same material, formation method, and the like as in the first embodiment. The multilayer alternating film 51 has a structure that fills periodic depressions and grooves formed on the surface opposite to the light incident side of the second photoelectric conversion unit 42. The refractive indexes of the two materials constituting the multilayer alternating film 51 are different, the refractive index of the high refractive index layer 511 at a wavelength of 600 nm is 1.9 or more, and similarly, the refractive index of the low refractive index layer 512 is less than 1.9. It is preferable that it exists in. In the multilayer alternating film 51, it is preferable that the combination of the high refractive index layer 511 and the low refractive index layer 512 is in a range of, for example, 2 to 10 layers, and further 4 to 8 layers. The film thickness of the layers is preferably in the range of 20 nm to 500 nm, more preferably 50 nm to 400 nm, and the film thickness of each alternating layer need not be the same. In addition, the order of stacking the high refractive index layer 511 and the low refractive index layer 512 may be either. The multilayer alternating film is electrically insulating or conductive, and the sheet resistance in the case of conductivity is preferably in the range of 0.01Ω / □ to 5000Ω / □, more preferably 0.1Ω / □ to 50Ω / □. It is a range.

これにより光電変換ユニット42と多層交互膜51に2次元フォトニック結晶構造が形成され、更に2次元フォトニック結晶構造の裏面側に多層交互層51を有する図4に示されたような光電変換装置1が完成する。なお、上記2次元フォトニック結晶構造を形成する異なる屈折率を有する材料のうち、少なくとも1つの材料が10S/cm以上106S/cm以下、更には102S/cm以上104S/cm以下の導電率を有することが好ましいのは前述と同様である。 As a result, a two-dimensional photonic crystal structure is formed in the photoelectric conversion unit 42 and the multilayer alternating film 51, and the photoelectric conversion device as shown in FIG. 4 has the multilayer alternating layer 51 on the back side of the two-dimensional photonic crystal structure. 1 is completed. Of the materials having different refractive indexes forming the two-dimensional photonic crystal structure, at least one material is 10 S / cm or more and 10 6 S / cm or less, more preferably 10 2 S / cm or more and 10 4 S / cm. The same conductivity as described above is preferable.

(第5の実施の形態)
本発明の第5の実施の形態による光電変換装置1の各構成要素について図7を参照し説明する。なお、透明絶縁基板2、透明導電膜3、第1光電変換ユニット41、第2光電変換ユニット42及び中間透過反射膜6は第2の実施の形態と同様である。
(Fifth embodiment)
Each component of the photoelectric conversion device 1 according to the fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The transparent insulating substrate 2, the transparent conductive film 3, the first photoelectric conversion unit 41, the second photoelectric conversion unit 42, and the intermediate transmission / reflection film 6 are the same as those in the second embodiment.

3次元裏面反射膜53は、例えば、微小鋳型を用いる方法により形成できる。微小鋳型を用いる方法とは、シリカや樹脂などからなる微小球体を溶液中で沈殿、配列させることで面心立方構造を形成し、この面心立方構造の隙間に異なる屈折率を有する材料を形成させる方法である。この際、面心立方構造の格子点にあたる部分の材料を格子点材料531、隙間部分の材料を隙間材料532とする。これにより3次元的な周期的屈折率分布構造が得られる。本発明においては、特にこのような直径がほぼ均一な球体が面心立方格子状に配列し、その球体間に幾何学的に生じる隙間に球体部分とは異なる屈折率を有する材料が充填されている構造を、「オパール構造」と呼ぶ。この際、例えばその周期は100nm〜1500nmの範囲にあることが好ましく、本発明においては、このような構造を「3次元フォトニック結晶構造」と呼ぶ。またこの微小鋳型を除去して空孔とすることも可能であり、このような構造を特に「反転オパール構造」という。更に反転オパール構造の空孔に更に他の材料を形成することもできる。隙間材料532は必ずしも隙間に完全に充填されている必要はなく、隙間が残っていても構わない。3次元フォトニック結晶構造は2次元フォトニック結晶構造と同様、高い散乱反射効果を有しており、垂直入射した光を高角度で反射することが可能であり、光電変換ユニット41内に高い確率で全反射条件を形成することができる。そのため、高い光閉じ込め効果を得ることができる。この効果は、光電変換層が薄くなればなるほどより顕著に現れる。   The three-dimensional back surface reflection film 53 can be formed by, for example, a method using a micro mold. The method using a micro mold is to form a face-centered cubic structure by precipitating and arranging microspheres made of silica, resin, etc. in a solution, and forming materials having different refractive indexes in the gaps of the face-centered cubic structure. It is a method to make it. At this time, the material corresponding to the lattice point of the face-centered cubic structure is defined as the lattice point material 531, and the material of the gap portion is defined as the gap material 532. Thereby, a three-dimensional periodic refractive index distribution structure is obtained. In the present invention, in particular, such spheres having a substantially uniform diameter are arranged in a face-centered cubic lattice, and a geometrically generated gap between the spheres is filled with a material having a refractive index different from that of the sphere portion. This structure is called “opal structure”. In this case, for example, the period is preferably in the range of 100 nm to 1500 nm. In the present invention, such a structure is referred to as a “three-dimensional photonic crystal structure”. It is also possible to remove the micro mold to form pores, and such a structure is particularly called “inverted opal structure”. Further, other materials can be formed in the holes of the inverted opal structure. The gap material 532 does not necessarily need to be completely filled in the gap, and the gap may remain. Similar to the two-dimensional photonic crystal structure, the three-dimensional photonic crystal structure has a high scattering reflection effect, can reflect vertically incident light at a high angle, and has a high probability in the photoelectric conversion unit 41. The total reflection condition can be formed. Therefore, a high light confinement effect can be obtained. This effect becomes more prominent as the photoelectric conversion layer becomes thinner.

格子点材料531と隙間材料532は2つの異なる材料から構成される。なお、このときの「材料」とは、例えば同一元素であっても異なる相であったり、膜密度が異なる場合も異なる材料とみなすものである。格子点材料531と隙間材料532は異なる屈折率を有するが、どちらが高屈折率であっても構わない。また、好ましくは高屈折率の方が波長600nmにおける屈折率は1.9以上、低屈折率のものは1.9未満の範囲にある。格子点材料531としては、例えば、シリコン、シリコンカーバイド、シリコン酸化物、シリコン窒化物またはシリコンゲルマニウム等のシリコン合金に、ボロンやアルミニウム等のp導電型決定不純物原子を、あるいは燐や窒素等のn導電型決定不純物原子をドープすることにより形成することができる。また、アルミニウムやニッケルなどの金属とシリコンの合金を用いることもできる。これらシリコン合金以外でも、ZnO、ITO等の金属酸化物やAg、Al等の金属単体、またはそれらの合金を用いることができる。ただし金属を用いる場合は、表面プラズモンの効果により僅かながらも金属のごく表面に光が吸収されてしまい、この吸収分が僅かながらも光反射ロスとなってしまう傾向がある。これらは膜中が完全に充填されている必要はなく、屈折率を調整するために膜中に空孔を持つ場合もある。また更に真空あるいは空気もしくは高分子樹脂などの有機材料の場合もある。また、隙間材料532も格子点材料531と同様の材料を使うことができる。3次元裏面反射膜53を構成する各材料の製造には、CVD、スパッタ、蒸着、溶液成長、塗布法、化学合成それらの複合法等が好ましく用いられる。   The lattice point material 531 and the gap material 532 are composed of two different materials. The “material” at this time is considered to be a different material even when the same element is used, for example, in different phases or in different film densities. The lattice point material 531 and the gap material 532 have different refractive indexes, but either may have a high refractive index. In addition, the high refractive index is preferably in the range of 1.9 or more at the wavelength of 600 nm and the low refractive index in the range of less than 1.9. Examples of the lattice point material 531 include silicon, silicon carbide, silicon oxide, silicon nitride, silicon alloy such as silicon germanium, p-conductivity-type determining impurity atoms such as boron and aluminum, or n such as phosphorus and nitrogen. It can be formed by doping conductivity type determining impurity atoms. Alternatively, an alloy of a metal such as aluminum or nickel and silicon can be used. Other than these silicon alloys, metal oxides such as ZnO and ITO, simple metals such as Ag and Al, or alloys thereof can be used. However, when a metal is used, light is slightly absorbed by the surface of the metal due to the effect of surface plasmons, and this absorption tends to cause a light reflection loss even though it is small. In these films, the film does not need to be completely filled, and there are cases where there are vacancies in the film in order to adjust the refractive index. Furthermore, it may be an organic material such as vacuum or air or a polymer resin. Further, the gap material 532 can be the same material as the lattice point material 531. For the production of each material constituting the three-dimensional back surface reflection film 53, CVD, sputtering, vapor deposition, solution growth, coating method, chemical synthesis or a composite method thereof is preferably used.

3次元裏面反射膜53は、膜厚方向に好ましくは5周期から50周期、更には10周期から20周期の範囲にあることがより好ましく、1周期の膜厚は、例えば100nm〜1500nm、更には200nm〜1000nmの範囲にあることが好ましい。3次元裏面反射膜53は電気的に絶縁性あるいは導電性であり、導電性の場合のシート抵抗が好ましくは0.01Ω/□〜5000Ω/□、より好ましくは0.1Ω/□〜50Ω/□の範囲にある。格子点材料531と隙間材料532の少なくとも一方は、その導電率が10S/cm以上106S/cm以下の範囲が好ましく、さらには102S/cm以上104S/cm以下の範囲にあることがより好ましい。この範囲の導電率を有することにより、3次元フォトニック構造自体が、収集した電子あるいは正孔を透明絶縁基板2に平行な方向へ導電させることが可能となり、電極としても使用可能となる。 The three-dimensional back reflection film 53 is preferably in the range of 5 to 50 cycles, more preferably 10 to 20 cycles in the film thickness direction, and the film thickness of 1 cycle is, for example, 100 nm to 1500 nm, It is preferably in the range of 200 nm to 1000 nm. The three-dimensional back reflecting film 53 is electrically insulating or conductive, and the sheet resistance in the case of conductivity is preferably 0.01Ω / □ to 5000Ω / □, more preferably 0.1Ω / □ to 50Ω / □. It is in the range. At least one of the lattice point material 531 and the gap material 532 preferably has a conductivity in the range of 10 S / cm to 10 6 S / cm, and more preferably in the range of 10 2 S / cm to 10 4 S / cm. It is more preferable. By having a conductivity in this range, the three-dimensional photonic structure itself can conduct collected electrons or holes in a direction parallel to the transparent insulating substrate 2 and can also be used as an electrode.

(光電変換ユニット)
本発明においては、前記1つ以上の光電変換ユニットのうち、少なくとも1つの光電変換ユニット、好ましくは第2光電変換ユニット42の膜厚は1μm以上10μm以下、更には1μm以上3μm以下であることが好ましい。前記膜厚が1μm以下であると本発明に示すような光閉じ込め構造を有していても、光電変換が不十分となり、また10μm以上となると、第2光電変換ユニット42内のキャリアにとってトラップとなる電気的欠陥が大幅に増加し、第2光電変換ユニット内部の拡散電位が低下し、光電変換の際の出力電圧の低下を生じる場合がある。
(Photoelectric conversion unit)
In the present invention, among the one or more photoelectric conversion units, at least one photoelectric conversion unit, preferably the second photoelectric conversion unit 42 has a thickness of 1 μm to 10 μm, and more preferably 1 μm to 3 μm. preferable. Even if it has a light confinement structure as shown in the present invention when the film thickness is 1 μm or less, photoelectric conversion becomes insufficient, and when it is 10 μm or more, it is a trap for carriers in the second photoelectric conversion unit 42. There are cases where the electrical defects to be increased greatly, the diffusion potential inside the second photoelectric conversion unit is lowered, and the output voltage is lowered during the photoelectric conversion.

本発明においては、光入射側に凹凸構造を有し、裏面側にフォトニック結晶構造からなる光閉じ込め構造を有することで、光の吸収係数の小さい結晶質シリコンなどの材料においても、特に吸収されにくい長波長の光も裏面近傍で高く閉じ込められ、光を局在化させることが可能となり、またその裏面近傍での光閉じ込めから漏れて反射された光も、光入射側の凹凸構造により再度裏面側に返され、裏面近傍に閉じ込めることが可能となる顕著な効果を奏する。この裏面近傍での光閉じ込め効果を最大限に利用し、かつ出力電圧の低下を生じない膜厚は、好ましくは1μm以上3μm以下である。   In the present invention, a light confinement structure having a concavo-convex structure on the light incident side and a photonic crystal structure on the back surface side is particularly absorbed even in materials such as crystalline silicon having a small light absorption coefficient. Difficult long-wavelength light is also highly confined near the back surface, making it possible to localize the light, and the light leaked from the light confinement near the back surface is reflected again by the uneven structure on the light incident side. It has a remarkable effect that it can be returned to the side and confined in the vicinity of the back surface. The film thickness that maximizes the light confinement effect in the vicinity of the back surface and does not cause a decrease in output voltage is preferably 1 μm or more and 3 μm or less.

光電変換装置1の構成上、第1光電変換ユニット41で既に短波長側の光の多くが吸収されており、第2光電変換ユニット42は吸収されにくい長波長側の光を吸収する必要があり、そのためには既述のとおり光閉じ込めの観点から第2光電変換ユニット42は1μm以上の膜厚であることが好ましい。このような膜厚を用いるためには非晶質材料では十分なキャリア移動度が得られず、そのため第2光電変換ユニット42は十分なキャリアの収集ができなくなるため、移動度の高い結晶質材料からなることが好ましい。その際、結晶粒は十分なキャリア移動度が得られる1nm以上であればよく、更に理想的には膜厚と同じサイズであることが好ましく、本発明の場合は10μm以下、更には3μm以下が好ましい範囲である。   Due to the configuration of the photoelectric conversion device 1, most of the light on the short wavelength side is already absorbed by the first photoelectric conversion unit 41, and the second photoelectric conversion unit 42 needs to absorb light on the long wavelength side that is difficult to absorb. For this purpose, as described above, the second photoelectric conversion unit 42 preferably has a thickness of 1 μm or more from the viewpoint of light confinement. In order to use such a film thickness, sufficient carrier mobility cannot be obtained with an amorphous material, and therefore the second photoelectric conversion unit 42 cannot collect sufficient carriers. Preferably it consists of. At that time, the crystal grains may be 1 nm or more so that sufficient carrier mobility can be obtained, and ideally, the crystal grains are preferably the same size as the film thickness. In the case of the present invention, 10 μm or less, further 3 μm or less This is a preferred range.

本発明において前記1つ以上の光電変換ユニットは適宜選択されるものであるが、好ましい例としては、例えば、第1光電変換ユニット41の光電変換層である第1光電変換半導体層412が非晶質シリコンであり、第2光電変換ユニット42の光電変換層である第2光電変換半導体層422が結晶質シリコンである2段タンデム構造や、結晶質シリコンに微量にゲルマニウムと錫を含む光電変換半導体層を有する単一の光電変換ユニット411を有する単接合構造が挙げられる。   In the present invention, the one or more photoelectric conversion units are appropriately selected. As a preferable example, for example, the first photoelectric conversion semiconductor layer 412 which is the photoelectric conversion layer of the first photoelectric conversion unit 41 is amorphous. A two-stage tandem structure in which the second photoelectric conversion semiconductor layer 422, which is a photoelectric conversion layer of the second photoelectric conversion unit 42, is crystalline silicon, or a photoelectric conversion semiconductor containing a small amount of germanium and tin in the crystalline silicon A single junction structure including a single photoelectric conversion unit 411 including a layer can be given.

以下に、本発明による光電変換装置として実施例1、2,3、4及び5を、図を参照しつつ、比較例と比較しながら説明するが、本発明はその趣旨を超えない限り以下の記載例に限定されるものではない。   Hereinafter, Examples 1, 2, 3, 4 and 5 will be described as photoelectric conversion devices according to the present invention by comparing with Comparative Examples with reference to the drawings. It is not limited to the description examples.

(実施例1)
図1を参照して説明された実施の形態に対応して、実施例1として光電変換装置1を形成した。白板ガラスから成る透明絶縁基板2の一主面上に、1.5μmの膜厚を有するZnOからなる透明導電膜3を熱CVD法により形成した。ZnOからなる透明導電膜3はその表面に微小なランダム凹凸構造を有しており、電子顕微鏡観察により高低差が200〜400nmであり、該凸部の頂点同士の距離が200〜600nmであった。また原子間力顕微鏡観察により、ZnOからなる透明導電膜3の凹凸の表面面積比が65%であった。またC光源を用いた透過率は88%であり、4端子法によるシート抵抗は16Ω/□であった。
Example 1
Corresponding to the embodiment described with reference to FIG. 1, a photoelectric conversion device 1 was formed as Example 1. On one main surface of the transparent insulating substrate 2 made of white glass, a transparent conductive film 3 made of ZnO having a thickness of 1.5 μm was formed by a thermal CVD method. The transparent conductive film 3 made of ZnO has a minute random concavo-convex structure on its surface, the height difference is 200 to 400 nm by electron microscope observation, and the distance between the vertices of the convex portions is 200 to 600 nm. . Moreover, the surface area ratio of the unevenness | corrugation of the transparent conductive film 3 which consists of ZnO by atomic force microscope observation was 65%. Moreover, the transmittance | permeability using C light source was 88%, and the sheet resistance by 4 terminal method was 16 ohms / square.

次に、光電変換ユニット41を形成するために、透明導電膜3が形成された透明絶縁基板2を高周波プラズマCVD装置内に導入し、所定の温度に加熱した後、この透明導電膜3の上に、反応ガスとしてシラン、水素及びジボランを用いp型結晶質シリコン層411を15nmの膜厚で形成した。次に反応ガスとしてシラン及び水素を導入しi型結晶質シリコン層412を設定膜厚で2μm形成し、その後反応ガスとしてシラン、水素及びホスフィンを導入しn型結晶質シリコン層413を設定膜厚で20nm形成し、これにより光電変換ユニット41を形成した。なお、光電変換ユニット41の光入射面には、透明導電膜3の微小ランダム凹凸構造と同様のランダム凹凸構造が形成されていた。   Next, in order to form the photoelectric conversion unit 41, the transparent insulating substrate 2 on which the transparent conductive film 3 is formed is introduced into a high-frequency plasma CVD apparatus and heated to a predetermined temperature. Further, a p-type crystalline silicon layer 411 having a thickness of 15 nm was formed using silane, hydrogen and diborane as reaction gases. Next, silane and hydrogen are introduced as reaction gases to form an i-type crystalline silicon layer 412 with a set film thickness of 2 μm, and then silane, hydrogen and phosphine are introduced as reaction gases to form an n-type crystalline silicon layer 413 with a set film thickness. Thus, the photoelectric conversion unit 41 was formed. A random uneven structure similar to the minute random uneven structure of the transparent conductive film 3 was formed on the light incident surface of the photoelectric conversion unit 41.

なお、光電変換ユニット41の各層の設定膜厚は以下のように決定した。つまり、図1の光電変換装置1のものとは別の白板ガラス基板2上に各層をそれぞれ単層で300nm〜400nm程度形成し、それぞれを分光エリプソメトリーから膜厚を算出し、その膜厚から形成速度を一定として形成速度を算出した。なお、i型結晶質シリコン層412のように50nm以上の膜厚を有するものは、断面の電子顕微鏡観察により直接膜厚を得た。以上のようにして得られた各層の形成速度が透明導電膜3上や透明導電膜3上に形成された他の膜上に形成される場合も変化せず一定であるとして形成時間より設定膜厚を決定した。   In addition, the set film thickness of each layer of the photoelectric conversion unit 41 was determined as follows. That is, each layer is formed as a single layer of about 300 nm to 400 nm on a white glass substrate 2 different from that of the photoelectric conversion device 1 in FIG. 1, and the film thickness is calculated from the spectroscopic ellipsometry. The formation rate was calculated with a constant formation rate. For the i-type crystalline silicon layer 412 having a film thickness of 50 nm or more, the film thickness was directly obtained by observing the cross section with an electron microscope. It is assumed that the formation speed of each layer obtained as described above is constant without changing even when it is formed on the transparent conductive film 3 or other films formed on the transparent conductive film 3. The thickness was determined.

またシリコンの結晶質か非晶質の判断は、前記白板ガラス基板2上の単層をラマン散乱分光法により散乱強度の波数スペクトル依存性を測定し、520cm-1付近にピークを有するものを結晶質、480cm-1付近に緩やかなピークを有するものを非晶質とした。 In addition, the determination of whether the silicon is crystalline or amorphous is made by measuring the dependence of the scattering intensity on the wave number spectrum of the single layer on the white glass substrate 2 by Raman scattering spectroscopy, and crystal having a peak in the vicinity of 520 cm −1. A material having a gentle peak around 480 cm −1 was made amorphous.

多層交互膜51は、ZnO層511とシリコン酸化物層512からなる。ZnO層511はスパッタ法により形成し、シリコン酸化物層512は高周波プラズマCVD法により、反応ガスとして、シラン、水素、二酸化炭素及びホスフィンにより形成した。各ZnO層511の膜厚は100nmであり、600nmにおける屈折率は1.95であった。各シリコン酸化物層512の膜厚は100nmであり、600nmにおける屈折率は1.72であった。ZnO層511とシリコン酸化物層512からなる交互層は10層形成した。なお、屈折率は分光エリプソメトリーから求めた。また多層交互膜51を別の白板ガラス基板2上に形成した際、4端子法によるシート抵抗は20Ω/□であった。   The multilayer alternating film 51 includes a ZnO layer 511 and a silicon oxide layer 512. The ZnO layer 511 was formed by a sputtering method, and the silicon oxide layer 512 was formed by a high frequency plasma CVD method using silane, hydrogen, carbon dioxide, and phosphine as reaction gases. The thickness of each ZnO layer 511 was 100 nm, and the refractive index at 600 nm was 1.95. Each silicon oxide layer 512 had a thickness of 100 nm and a refractive index at 600 nm of 1.72. Ten alternating layers of ZnO layers 511 and silicon oxide layers 512 were formed. The refractive index was determined by spectroscopic ellipsometry. When the multilayer alternating film 51 was formed on another white glass substrate 2, the sheet resistance by the four-terminal method was 20Ω / □.

多層交互膜51を形成後、レーザースクライブ法によりZnOからなる透明導電膜3の上に形成された膜を部分的に除去して、1cm2のサイズに分離を行い、単接合シリコン系薄膜光電変換装置1(受光面積1cm2)を作製した。 After the multilayer alternating film 51 is formed, the film formed on the transparent conductive film 3 made of ZnO is partially removed by a laser scribing method, and separated into a size of 1 cm 2 , and single-junction silicon-based thin film photoelectric conversion Device 1 (light receiving area 1 cm 2 ) was produced.

以上のようにして得られた実施例1の光電変換装置1にAM1.5の光を100mW/cm2の光量で照射して光電変換特性を測定したところ、開放電圧(Voc)が0.582V、短絡電流密度(Jsc)が24.41mA/cm2、曲線因子(F.F.)が0.712、そして初期変換効率が10.1%であった。表1の実施例1にこれらの値を示す。 When the photoelectric conversion device 1 of Example 1 obtained as described above was irradiated with AM1.5 light at a light amount of 100 mW / cm 2 and the photoelectric conversion characteristics were measured, the open circuit voltage (Voc) was 0.582 V. The short circuit current density (Jsc) was 24.41 mA / cm 2 , the fill factor (FF) was 0.712, and the initial conversion efficiency was 10.1%. These values are shown in Example 1 of Table 1.

Figure 2011009245
Figure 2011009245

(比較例1)
実施例1の光電変換装置1の構造に対して、多層交互膜51の代わりにスパッタ法により形成したZnOからなる透明反射層80nmとAgからなる金属反射層200nmを積層した裏面反射層を用いた。その他はすべて実施例1と同様にした。
(Comparative Example 1)
For the structure of the photoelectric conversion device 1 of Example 1, a back reflective layer in which a transparent reflective layer 80 nm made of ZnO formed by sputtering and a metal reflective layer 200 nm made of Ag were laminated instead of the multilayer alternating film 51 was used. . The rest was the same as in Example 1.

この時の比較例1の光電変換装置1にAM1.5の光を100mW/cm2の光量で照射して光電変換特性を測定したところ、開放電圧(Voc)が0.573V、短絡電流密度(Jsc)が23.85mA/cm2、曲線因子(F.F.)が0.718、そして初期変換効率が9.81%であった。表1の比較例1にこれらの値を示す。 The photoelectric conversion device 1 of Comparative Example 1 at this time was irradiated with AM 1.5 light at a light amount of 100 mW / cm 2 to measure the photoelectric conversion characteristics. As a result, the open circuit voltage (Voc) was 0.573 V, and the short circuit current density ( Jsc) was 23.85 mA / cm 2 , fill factor (FF) was 0.718, and initial conversion efficiency was 9.81%. These values are shown in Comparative Example 1 of Table 1.

比較例1では実施例1に比べて、短絡電流が低く、これは裏面反射層に用いられたAgからなる金属反射層によるプラズモン効果による光反射ロスによると考えられる。   In Comparative Example 1, the short-circuit current is lower than in Example 1, and this is considered to be due to light reflection loss due to the plasmon effect by the metal reflective layer made of Ag used for the back surface reflective layer.

(比較例2)
実施例1の光電変換装置1の構造に対して、表面に微小なランダム凹凸構造を持たない平坦なスパッタ法により形成した300nm厚のZnOからなる透明導電膜3を用いた。このときZnOからなる透明導電膜3は、電子顕微鏡観察により高低差が10nm以下であり、該凸部同士の頂点の距離は検出不能であった。なお原子間力顕微鏡観察による二乗平均平方根粗さ(RMS)は6nmであったため、十分平坦であるといえる。またC光源を用いた透過率は89%であり、4端子法によるシート抵抗は13Ω/□であった。その他はすべて実施例1と同様にした。
(Comparative Example 2)
The transparent conductive film 3 made of ZnO having a thickness of 300 nm formed by a flat sputtering method having no minute random uneven structure on the surface was used for the structure of the photoelectric conversion device 1 of Example 1. At this time, the transparent conductive film 3 made of ZnO had a height difference of 10 nm or less by electron microscope observation, and the distance between the vertices of the convex portions could not be detected. In addition, since the root mean square roughness (RMS) by atomic force microscope observation was 6 nm, it can be said that it is sufficiently flat. Moreover, the transmittance | permeability using C light source was 89%, and the sheet resistance by 4 terminal method was 13 ohms / square. The rest was the same as in Example 1.

この時の比較例1の光電変換装置1にAM1.5の光を100mW/cm2の光量で照射して光電変換特性を測定したところ、開放電圧(Voc)が0.595V、短絡電流密度(Jsc)が17.83mA/cm2、曲線因子(F.F.)が0.727、そして初期変換効率が7.71%であった。表1の比較例2にこれらの値を示す。 At this time, the photoelectric conversion device 1 of Comparative Example 1 was irradiated with AM 1.5 light at a light amount of 100 mW / cm 2 to measure the photoelectric conversion characteristics. As a result, the open circuit voltage (Voc) was 0.595 V, and the short circuit current density ( Jsc) was 17.83 mA / cm 2 , the fill factor (FF) was 0.727, and the initial conversion efficiency was 7.71%. These values are shown in Comparative Example 2 of Table 1.

比較例2では実施例1に比べて、短絡電流が明らかに低く、光電変換ユニット41の表面が平坦なため、多層交互膜51による非常に高い光反射効果にもかかわらず、光電変換装置1に入射した光が光電変換ユニット41内部での全反射条件が得られにくく、光入射側から外側に逃げていく光が多い、つまりは光入射側での光散乱による光電変換ユニット41内での光閉じ込め効果があまり得られないためによると考えられる。   In Comparative Example 2, the short-circuit current is clearly lower than that in Example 1, and the surface of the photoelectric conversion unit 41 is flat. Therefore, despite the very high light reflection effect of the multilayer alternating film 51, the photoelectric conversion device 1 It is difficult for the incident light to obtain a total reflection condition inside the photoelectric conversion unit 41, and a lot of light escapes from the light incident side to the outside, that is, light in the photoelectric conversion unit 41 due to light scattering on the light incident side. This is probably because the confinement effect is not obtained so much.

(実施例2)
図2を参照して説明された実施の形態に対応して、実施例2として光電変換装置1を形成した。実施例1の光電変換装置1の構造に対して、透明絶縁基板2、透明導電膜3及び多層交互膜51は同じとした。
(Example 2)
Corresponding to the embodiment described with reference to FIG. 2, the photoelectric conversion device 1 was formed as Example 2. The transparent insulating substrate 2, the transparent conductive film 3, and the multilayer alternating film 51 are the same as the structure of the photoelectric conversion device 1 of Example 1.

第1光電変換ユニット41を形成するために、透明導電膜3が形成された透明絶縁基板2を高周波プラズマCVD装置内に導入し、所定の温度に加熱した後、この透明導電膜3の上に、反応ガスとしてシラン、水素、ジボラン及びメタンを用いp型非晶質シリコンカーバイド層411を15nmの膜厚で形成した。次に反応ガスとしてシラン及び水素を導入しi型非晶質シリコン層412を設定膜厚で300nm形成し、その後反応ガスとしてシラン、水素及びホスフィンを導入しn型結晶質シリコン層413を設定膜厚で20nm形成することで第1光電変換ユニット41を形成した。   In order to form the first photoelectric conversion unit 41, the transparent insulating substrate 2 on which the transparent conductive film 3 is formed is introduced into a high-frequency plasma CVD apparatus, heated to a predetermined temperature, and then placed on the transparent conductive film 3 A p-type amorphous silicon carbide layer 411 having a film thickness of 15 nm was formed using silane, hydrogen, diborane and methane as reaction gases. Next, silane and hydrogen are introduced as reaction gases to form an i-type amorphous silicon layer 412 with a set film thickness of 300 nm, and then silane, hydrogen and phosphine are introduced as reaction gases to form an n-type crystalline silicon layer 413 with a set film. The first photoelectric conversion unit 41 was formed by forming a thickness of 20 nm.

中間反射層6を形成するために、n型結晶質シリコン層413上にスパッタ法によりZnO中間反射層6を60nmの膜厚で形成した。   In order to form the intermediate reflection layer 6, the ZnO intermediate reflection layer 6 was formed to a thickness of 60 nm on the n-type crystalline silicon layer 413 by sputtering.

次に第2光電変換ユニット42を形成するために、高周波プラズマCVD法を用いZnO中間反射層6上に、反応ガスとしてシラン、水素及びジボランを用いp型結晶質シリコン層421を15nmの膜厚で形成した。次に反応ガスとしてシラン及び水素を導入しi型結晶質シリコン層422を設定膜厚で2.5μm形成し、その後反応ガスとしてシラン、水素及びホスフィンを導入しn型結晶質シリコン層423を設定膜厚で20nm形成することで第2光電変換ユニット42を形成した。   Next, in order to form the second photoelectric conversion unit 42, the p-type crystalline silicon layer 421 is formed to a thickness of 15 nm on the ZnO intermediate reflection layer 6 using a high-frequency plasma CVD method using silane, hydrogen, and diborane as reactive gases. Formed with. Next, silane and hydrogen are introduced as reaction gases to form an i-type crystalline silicon layer 422 with a set thickness of 2.5 μm, and then silane, hydrogen and phosphine are introduced as reaction gases to set an n-type crystalline silicon layer 423. The second photoelectric conversion unit 42 was formed by forming a film thickness of 20 nm.

この時の実施例2の光電変換装置1にAM1.5の光を100mW/cm2の光量で照射して光電変換特性を測定したところ、開放電圧(Voc)が1.421V、短絡電流密度(Jsc)が14.21mA/cm2、曲線因子(F.F.)が0.725、そして初期変換効率が14.6%であった。表1の実施例2にこれらの値を示す。 At this time, the photoelectric conversion device 1 of Example 2 was irradiated with AM 1.5 light with a light amount of 100 mW / cm 2 to measure the photoelectric conversion characteristics. As a result, the open-circuit voltage (Voc) was 1.421 V, the short-circuit current density ( Jsc) was 14.21 mA / cm 2 , fill factor (FF) was 0.725, and initial conversion efficiency was 14.6%. These values are shown in Example 2 of Table 1.

複数の光電変換ユニットが電気的に直列接続された構造を有する光電変換装置の場合、光電変換装置の短絡電流値は各光電変換ユニットのうち最も低い短絡電流の値となる。逆に言えば、各光電変換ユニットの短絡電流の合計を合計短絡電流と呼び、光電変換装置の実効的な光電変換量を示すものとなるが、合計短絡電流は少なくとも光電変換装置の短絡電流に光電変換ユニットの数を乗じたもの以上であることとなる。実施例2において光電変換装置1は第1変換ユニット41と第2光電変換ユニット42からなるため、合計短絡電流は光電変換特性を測定で得られた14.21mA/cm2の2倍以上、つまり28.42mA/cm2以上の値となる。実施例2は実施例1に比べて非晶質シリコンと結晶質シリコンという光感度の異なる光電変換材料を積層したことにより、より広い波長域での光吸収を実現し、実効的に高い光電変換量示し、その結果高い変換効率を実現したと考えられる。 In the case of a photoelectric conversion device having a structure in which a plurality of photoelectric conversion units are electrically connected in series, the short-circuit current value of the photoelectric conversion device is the lowest short-circuit current value among the photoelectric conversion units. In other words, the sum of the short-circuit currents of the respective photoelectric conversion units is called the total short-circuit current, and indicates the effective photoelectric conversion amount of the photoelectric conversion device, but the total short-circuit current is at least equal to the short-circuit current of the photoelectric conversion device. It will be more than the product of the number of photoelectric conversion units. In Example 2, since the photoelectric conversion device 1 includes the first conversion unit 41 and the second photoelectric conversion unit 42, the total short-circuit current is more than twice the 14.21 mA / cm 2 obtained by measuring the photoelectric conversion characteristics, that is, The value is 28.42 mA / cm 2 or more. In Example 2, a photoelectric conversion material having different photosensitivity of amorphous silicon and crystalline silicon as compared with Example 1 is laminated, thereby realizing light absorption in a wider wavelength range, and effectively high photoelectric conversion. As a result, it is thought that high conversion efficiency was achieved.

(比較例3)
実施例2の光電変換装置1の構造に対して、多層交互膜51の代わりにスパッタ法により形成したZnOからなる透明反射層80nmとAgからなる金属反射層200nmを積層した裏面反射層を用いた。その他はすべて実施例2と同様にした。
(Comparative Example 3)
For the structure of the photoelectric conversion device 1 of Example 2, a back reflective layer in which a transparent reflective layer 80 nm made of ZnO formed by sputtering and a metal reflective layer 200 nm made of Ag were laminated instead of the multilayer alternating film 51 was used. . The rest was the same as in Example 2.

この時の比較例3の光電変換装置1にAM1.5の光を100mW/cm2の光量で照射して光電変換特性を測定したところ、開放電圧(Voc)が1.416V、短絡電流密度(Jsc)が13.52mA/cm2、曲線因子(F.F.)が0.733、そして初期変換効率が14.0%であった。表1の比較例2にこれらの値を示す。 At this time, the photoelectric conversion device 1 of Comparative Example 3 was irradiated with AM 1.5 light at a light amount of 100 mW / cm 2 to measure the photoelectric conversion characteristics. As a result, the open-circuit voltage (Voc) was 1.416 V, the short-circuit current density ( Jsc) was 13.52 mA / cm 2 , the fill factor (FF) was 0.733, and the initial conversion efficiency was 14.0%. These values are shown in Comparative Example 2 of Table 1.

比較例3では、2つの光電変換ユニットを用いたため高い光吸収を実現できるため、実施例1より高い変換効率が得られたが、同一の光電変換ユニットを有する実施例2と比べると、短絡電流で明らかな低下が見られており、これは裏面反射層の構造の違いによると考えられる。   In Comparative Example 3, since two photoelectric conversion units were used, high light absorption could be realized, and thus higher conversion efficiency was obtained than in Example 1. However, compared with Example 2 having the same photoelectric conversion unit, the short circuit current A clear decrease is observed in this case, which is considered to be due to the difference in the structure of the back surface reflection layer.

(実施例3)
図5を参照して説明された実施の形態に対応して、実施例3として光電変換装置1を形成した。なお、実施例1の光電変換装置1の構造に対して、透明絶縁基板2及び透明導電膜3は同じとした。
(Example 3)
Corresponding to the embodiment described with reference to FIG. 5, the photoelectric conversion device 1 was formed as Example 3. Note that the transparent insulating substrate 2 and the transparent conductive film 3 were the same as the structure of the photoelectric conversion device 1 of Example 1.

第1光電変換ユニット41を形成するために、透明導電膜3が形成された透明絶縁基板2を高周波プラズマCVD装置内に導入し、所定の温度に加熱した後、この透明導電膜3の上に、反応ガスとしてシラン、水素及びジボランを用いp型結晶質シリコン層411を15nmの膜厚で形成した。次に反応ガスとしてシラン及び水素を導入しi型結晶質シリコン層412を設定膜厚で2μm形成した。この後、フォトリソグラフィー法を用いて直径300nm、深さ500nmの円柱状の溝を600nmのピッチで形成した。その後反応ガスとしてシラン、水素及びホスフィンを導入しn型結晶質シリコン層413を設定膜厚で20nm形成することで第1光電変換ユニット41を形成した。   In order to form the first photoelectric conversion unit 41, the transparent insulating substrate 2 on which the transparent conductive film 3 is formed is introduced into a high-frequency plasma CVD apparatus, heated to a predetermined temperature, and then placed on the transparent conductive film 3 The p-type crystalline silicon layer 411 was formed with a film thickness of 15 nm using silane, hydrogen and diborane as reaction gases. Next, silane and hydrogen were introduced as reaction gases to form an i-type crystalline silicon layer 412 with a set thickness of 2 μm. Thereafter, cylindrical grooves having a diameter of 300 nm and a depth of 500 nm were formed at a pitch of 600 nm using a photolithography method. Thereafter, silane, hydrogen and phosphine were introduced as reaction gases to form an n-type crystalline silicon layer 413 with a set film thickness of 20 nm, whereby the first photoelectric conversion unit 41 was formed.

裏面周期反射膜52を形成するために、n型結晶質シリコン層413に熱CVD法によりZnO裏面周期反射膜52を600nmの膜厚で形成した。この時ZnO裏面周期反射膜52は図5のように、第1光電変換ユニット41の裏面側に形成された溝を充たしており、また裏面側の微小なランダム凹凸構造も引き継いでいた。光電変換ユニット41とZnO裏面周期反射膜52は屈折率が大きく異なり、このため、光電変換ユニット41とZnO裏面周期反射膜52の界面に2次元フォトニック結晶構造が形成された。   In order to form the back surface periodic reflection film 52, the ZnO back surface periodic reflection film 52 was formed in a thickness of 600 nm on the n-type crystalline silicon layer 413 by a thermal CVD method. At this time, the ZnO back surface periodic reflection film 52 filled a groove formed on the back surface side of the first photoelectric conversion unit 41 as shown in FIG. 5 and also inherited a minute random uneven structure on the back surface side. The refractive index of the photoelectric conversion unit 41 and the ZnO back surface periodic reflection film 52 are greatly different. Therefore, a two-dimensional photonic crystal structure is formed at the interface between the photoelectric conversion unit 41 and the ZnO back surface periodic reflection film 52.

このようにして得られた実施例3の光電変換装置1にAM1.5の光を100mW/cm2の光量で照射して光電変換特性を測定したところ、開放電圧(Voc)が0.565V、短絡電流密度(Jsc)が26.66mA/cm2、曲線因子(F.F.)が0.705、そして初期変換効率が10.6%であった。表1の実施例3にこれらの値を示す。 The photoelectric conversion device 1 of Example 3 thus obtained was irradiated with AM 1.5 light at a light amount of 100 mW / cm 2 and measured for photoelectric conversion characteristics. As a result, the open circuit voltage (Voc) was 0.565 V, The short-circuit current density (Jsc) was 26.66 mA / cm 2 , the fill factor (FF) was 0.705, and the initial conversion efficiency was 10.6%. These values are shown in Example 3 of Table 1.

実施例3は実施例1と比較して、裏面側の2次元フォトニック結晶構造により、更に高い光閉じ込め効果が得られ、結果として高い短絡電流により高い変換効率が得られた。   In Example 3, compared with Example 1, a higher optical confinement effect was obtained by the two-dimensional photonic crystal structure on the back surface side, and as a result, high conversion efficiency was obtained by a high short-circuit current.

(実施例4)
図6を参照して説明された実施の形態に対応して、実施例4として光電変換装置1を形成した。実施例2の光電変換装置1の構造に対して、透明絶縁基板2、透明導電膜3、第1光電変換ユニット41及び中間反射層6は同じとした。
Example 4
Corresponding to the embodiment described with reference to FIG. 6, the photoelectric conversion device 1 was formed as Example 4. The transparent insulating substrate 2, the transparent conductive film 3, the first photoelectric conversion unit 41, and the intermediate reflection layer 6 are the same as the structure of the photoelectric conversion device 1 of Example 2.

第2光電変換ユニット42を形成するために、中間反射層6上に、高周波プラズマCVD法により反応ガスとしてシラン、水素及びジボランを用いp型結晶質シリコン層421を15nmの膜厚で形成した。次に反応ガスとしてシラン及び水素を導入しi型結晶質シリコン層422を設定膜厚で2μm形成した。この後、フォトリソグラフィー法を用いて直径300nm、深さ500nmの円柱状の溝を600nmのピッチで形成した。その後反応ガスとしてシラン、水素及びホスフィンを導入しn型結晶質シリコン層423を設定膜厚で20nm形成することで第2光電変換ユニット42を形成した。   In order to form the second photoelectric conversion unit 42, a p-type crystalline silicon layer 421 having a film thickness of 15 nm was formed on the intermediate reflection layer 6 by high frequency plasma CVD using silane, hydrogen, and diborane as reaction gases. Next, silane and hydrogen were introduced as reaction gases to form an i-type crystalline silicon layer 422 with a set thickness of 2 μm. Thereafter, cylindrical grooves having a diameter of 300 nm and a depth of 500 nm were formed at a pitch of 600 nm using a photolithography method. Thereafter, silane, hydrogen and phosphine were introduced as reaction gases to form an n-type crystalline silicon layer 423 with a set film thickness of 20 nm, whereby the second photoelectric conversion unit 42 was formed.

多層交互膜51は、ZnO層511とシリコン酸化物層512からなり、第2光電変換ユニット42に形成された円柱状の溝を図6の模式図に示すように充たしていた。ZnO層511はスパッタ法により形成し、シリコン酸化物層512は高周波プラズマCVD法により、反応ガスとして、シラン、水素、二酸化炭素及びホスフィンにより形成した。各ZnO層511の膜厚は100nmであり、600nmにおける屈折率は1.95であった。各シリコン酸化物層512の膜厚は100nmであり、600nmにおける屈折率は1.72であった。ZnO層511とシリコン酸化物層512からなる交互層は10層形成した。なお、屈折率は分光エリプソメトリーから求めた。また多層交互膜51を別の白板ガラス基板2上に形成した際、4端子法によるシート抵抗は20Ω/□であった。   The multilayer alternating film 51 was composed of a ZnO layer 511 and a silicon oxide layer 512, and was filled with cylindrical grooves formed in the second photoelectric conversion unit 42 as shown in the schematic diagram of FIG. The ZnO layer 511 was formed by a sputtering method, and the silicon oxide layer 512 was formed by a high frequency plasma CVD method using silane, hydrogen, carbon dioxide, and phosphine as reaction gases. The thickness of each ZnO layer 511 was 100 nm, and the refractive index at 600 nm was 1.95. Each silicon oxide layer 512 had a thickness of 100 nm and a refractive index at 600 nm of 1.72. Ten alternating layers of ZnO layers 511 and silicon oxide layers 512 were formed. The refractive index was determined by spectroscopic ellipsometry. When the multilayer alternating film 51 was formed on another white glass substrate 2, the sheet resistance by the four-terminal method was 20Ω / □.

以上のようにして得られた実施例4の光電変換装置1にAM1.5の光を100mW/cm2の光量で照射して光電変換特性を測定したところ、開放電圧(Voc)が1.413V、短絡電流密度(Jsc)が15.51mA/cm2、曲線因子(F.F.)が0.714、そして初期変換効率が15.6%であった。表1の実施例4にこれらの値を示す。 When the photoelectric conversion device 1 of Example 4 obtained as described above was irradiated with AM1.5 light at a light amount of 100 mW / cm 2 to measure the photoelectric conversion characteristics, the open circuit voltage (Voc) was 1.413 V. The short circuit current density (Jsc) was 15.51 mA / cm 2 , the fill factor (FF) was 0.714, and the initial conversion efficiency was 15.6%. These values are shown in Example 4 of Table 1.

実施例4は実施例2と比較して、裏面側の2次元フォトニック結晶構造により、更に高い光閉じ込め効果が得られ、結果として高い短絡電流により高い変換効率が得られたと考えられる。   In Example 4, compared with Example 2, it is considered that a higher optical confinement effect was obtained by the two-dimensional photonic crystal structure on the back surface side, and as a result, high conversion efficiency was obtained by a high short-circuit current.

(実施例5)
図7を参照して説明された実施の形態に対応して、実施例5として光電変換装置1を形成した。なお、実施例2の光電変換装置1の構造に対して、透明絶縁基板2、透明導電膜3、第1光電変換ユニット41、第2光電変換ユニット42及び中間反射層6は同じとした。
(Example 5)
Corresponding to the embodiment described with reference to FIG. 7, the photoelectric conversion device 1 was formed as Example 5. Note that the transparent insulating substrate 2, the transparent conductive film 3, the first photoelectric conversion unit 41, the second photoelectric conversion unit 42, and the intermediate reflection layer 6 are the same as the structure of the photoelectric conversion device 1 of Example 2.

3次元裏面反射膜53として、シリカからなる人工オパール構造531の隙間にZnO膜532が形成されたシリカZnOオパール裏面反射膜53を用いた。シリカZnOオパール裏面反射膜53は以下のようにして形成した。直径400nmのシリカ球体をテトラエトキシシラン(TEOS)とアンモニア水を用いて合成した。次にシリカ球体をエタノール中に分散し、その溶液を第2光電変換ユニット42上に均一に塗布した後、エタノールを蒸発させることで、人工オパール構造531を形成した。さらに熱CVD法により人工オパール構造531の隙間にZnO膜532を形成し、シリカZnOオパール裏面反射膜53を得た。シリカは600nmにおける屈折率が1.47であり、ZnOは1.95のため、シリカZnOオパール裏面反射膜53は3次元的に周期的屈折率変化を有する3次元フォトニック結晶構造となる。   As the three-dimensional back reflecting film 53, a silica ZnO opal back reflecting film 53 in which a ZnO film 532 is formed in the gap between the artificial opal structure 531 made of silica was used. The silica ZnO opal back reflecting film 53 was formed as follows. Silica spheres having a diameter of 400 nm were synthesized using tetraethoxysilane (TEOS) and aqueous ammonia. Next, silica spheres were dispersed in ethanol, the solution was uniformly applied onto the second photoelectric conversion unit 42, and then the ethanol was evaporated to form an artificial opal structure 531. Further, a ZnO film 532 was formed in the gap between the artificial opal structures 531 by a thermal CVD method, and a silica ZnO opal back reflecting film 53 was obtained. Since silica has a refractive index of 1.47 at 600 nm and ZnO is 1.95, the silica ZnO opal back reflecting film 53 has a three-dimensional photonic crystal structure having a three-dimensional periodic refractive index change.

以上のようにして得られた実施例5の光電変換装置1にAM1.5の光を100mW/cm2の光量で照射して光電変換特性を測定したところ、開放電圧(Voc)が1.423V、短絡電流密度(Jsc)が15.43mA/cm2、曲線因子(F.F.)が0.733、そして初期変換効率が16.1%であった。表1の実施例5にこれらの値を示す。 The photoelectric conversion device 1 of Example 5 obtained as described above was irradiated with AM 1.5 light at a light amount of 100 mW / cm 2 to measure the photoelectric conversion characteristics, and the open circuit voltage (Voc) was 1.423 V. The short circuit current density (Jsc) was 15.43 mA / cm 2 , the fill factor (FF) was 0.733, and the initial conversion efficiency was 16.1%. These values are shown in Example 5 of Table 1.

実施例5は実施例2と比較して、裏面側の3次元フォトニック結晶構造により、更に高い光閉じ込め効果が得られ、結果として高い短絡電流により高い変換効率が得られたと考えられる。   In Example 5, compared with Example 2, it is considered that a higher light confinement effect was obtained by the three-dimensional photonic crystal structure on the back surface side, and as a result, high conversion efficiency was obtained by a high short-circuit current.

1 光電変換装置
2 透明絶縁基板
3 透明導電膜
41 第1薄膜光電変換ユニット
411 第1p型半導体層
412 第1光電変換半導体層
413 第1n型半導体層
42 第2薄膜光電変換ユニット
421 第2p型半導体層
422 第2光電変換半導体層
423 第2n型半導体層
51 多層交互膜
511 高屈折率層
512 低屈折率層
52 裏面周期反射膜52
53 3次元裏面反射膜
531 格子点材料
532 隙間材料
6 中間反射層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Photoelectric conversion apparatus 2 Transparent insulating substrate 3 Transparent electrically conductive film 41 1st thin film photoelectric conversion unit 411 1st p-type semiconductor layer 412 1st photoelectric conversion semiconductor layer 413 1st n-type semiconductor layer 42 2nd thin film photoelectric conversion unit 421 2nd p-type semiconductor Layer 422 Second photoelectric conversion semiconductor layer 423 Second n-type semiconductor layer 51 Multilayer alternating film 511 High refractive index layer 512 Low refractive index layer 52 Back surface periodic reflection film 52
53 Three-dimensional back surface reflective film 531 Lattice material 532 Gap material 6 Intermediate reflective layer

Claims (16)

少なくとも1つ以上の光電変換ユニットを有する光電変換装置であって、
前記光電変換ユニットが光入射側に凹凸構造を有し、
かつ前記1つ以上の光電変換ユニットのうち、光入射側から最も遠くに配置された光電変換ユニットにおける光入射の反対側に隣接して周期的屈折率変化を有する構造物を配置したことを特徴とする光電変換装置。
A photoelectric conversion device having at least one photoelectric conversion unit,
The photoelectric conversion unit has an uneven structure on the light incident side,
And among the one or more photoelectric conversion units, a structure having a periodic refractive index change is disposed adjacent to the opposite side of the light incidence in the photoelectric conversion unit disposed farthest from the light incident side. A photoelectric conversion device.
前記凹凸構造の高低差が20〜400nm、該凸部の頂点同士の距離が50〜1000nmであり、かつ凹凸の表面面積比が20%〜90%の範囲にあることを特徴とする請求項1記載の光電変換装置。   The height difference of the concavo-convex structure is 20 to 400 nm, the distance between the vertices of the convex portions is 50 to 1000 nm, and the surface area ratio of the concavo-convex portions is in the range of 20% to 90%. The photoelectric conversion device described. 前記光入射側から最も遠くに配置された光電変換ユニットにおける光入射の反対側に隣接配置された周期的屈折率変化を有する構造物が、屈折率の異なる2つの材料が交互に積層された多層交互膜から構成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の光電変換装置。   A multilayer structure in which two materials having different refractive indexes are alternately laminated on a structure having a periodic refractive index change that is adjacently arranged on the opposite side of the light incidence in the photoelectric conversion unit arranged farthest from the light incident side. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion device is composed of alternating films. 前記多層交互膜が、波長600nmにおける屈折率が1.9以上の材料と屈折率1.9未満の材料を交互に積層したもの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。   4. The photoelectric conversion device according to claim 3, wherein the multilayer alternating film is formed by alternately laminating a material having a refractive index of 1.9 or more and a material having a refractive index of less than 1.9 at a wavelength of 600 nm. 前記光入射側から最も遠くに配置された光電変換ユニットにおける光入射の反対側に隣接配置された周期的屈折率変化を有する構造物が、2次元フォトニック結晶構造を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の光電変換装置。   The structure having a periodic refractive index change disposed adjacent to the opposite side of the light incidence in the photoelectric conversion unit disposed farthest from the light incident side has a two-dimensional photonic crystal structure. Item 3. The photoelectric conversion device according to Item 1 or 2. 前記光入射側から最も遠くに配置された光電変換ユニットにおける光入射の反対側に隣接配置された周期的屈折率変化を有する構造物が、2次元フォトニック結晶構造、かつ波長600nmにおける屈折率が1.9以上の材料と屈折率1.9未満の材料が交互に積層された多層交互膜とを有し、該2次元フォトニック結晶構造が光入射側にあることを特徴とする請求項5記載の光電変換装置。   A structure having a periodic refractive index change, which is disposed adjacent to the opposite side of the light incidence in the photoelectric conversion unit disposed farthest from the light incident side, has a two-dimensional photonic crystal structure and a refractive index at a wavelength of 600 nm. 6. A multilayer alternating film in which a material having a refractive index of 1.9 or more and a material having a refractive index of less than 1.9 are alternately stacked, and the two-dimensional photonic crystal structure is on a light incident side. The photoelectric conversion device described. 前記2次元フォトニック結晶構造を形成する異なる屈折率を有する材料のうち、少なくとも1つの材料が10S/cm以上106S/cm以下の導電率を有することを特徴とする請求項5又は6に記載の光電変換装置。 7. The material according to claim 5, wherein at least one of the materials having different refractive indexes forming the two-dimensional photonic crystal structure has a conductivity of 10 S / cm or more and 10 6 S / cm or less. The photoelectric conversion device described. 前記光入射側から最も遠くに配置された光電変換ユニットにおける光入射の反対側に隣接配置された周期的屈折率変化を有する構造物が、3次元フォトニック結晶構造を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の光電変換装置。   The structure having a periodic refractive index change disposed adjacent to the opposite side of the light incidence in the photoelectric conversion unit disposed farthest from the light incident side has a three-dimensional photonic crystal structure. Item 3. The photoelectric conversion device according to Item 1 or 2. 前記3次元フォトニック結晶構造がオパール構造であることを特徴とする請求項8に記載の光電変換装置。   The photoelectric conversion device according to claim 8, wherein the three-dimensional photonic crystal structure is an opal structure. 前記3次元フォトニック結晶構造を形成する異なる屈折率を有する材料のうち、少なくとも1つの材料が10S/cm以上106S/cm以下の導電率を有することを特徴とする請求項8または9に記載の光電変換装置。 10. The material according to claim 8, wherein at least one of the materials having different refractive indexes forming the three-dimensional photonic crystal structure has a conductivity of 10 S / cm or more and 10 6 S / cm or less. The photoelectric conversion device described. 前記光電変換ユニットが透明絶縁基板上に形成され、透明絶縁基板を通して光が入射される構造を有することを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の光電変換装置。   The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion unit is formed on a transparent insulating substrate and has a structure in which light is incident through the transparent insulating substrate. 前記光電変換ユニットが周期律表の第14族元素を主成分とすることを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載の光電変換装置。   The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion unit contains a group 14 element of the periodic table as a main component. 前記1つ以上の光電変換ユニットのうち、少なくとも1つの光電変換ユニットの膜厚が1μm以上10μm以下であることを特徴とする請求項1乃至12のいずれかに記載の光電変換装置。   13. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein a film thickness of at least one photoelectric conversion unit among the one or more photoelectric conversion units is 1 μm to 10 μm. 前記1つ以上の光電変換ユニットのうち、少なくとも1つの光電変換ユニットが非単結晶の結晶質材料からなり、該結晶質材料の結晶粒の大きさが1nm以上10μm以下であることを特徴とする請求項1乃至13のいずれかに記載の光電変換装置。   Among the one or more photoelectric conversion units, at least one photoelectric conversion unit is made of a non-single-crystal crystalline material, and the crystal grain size of the crystalline material is 1 nm to 10 μm. The photoelectric conversion device according to claim 1. 前記光入射側から最も遠くに配置された光電変換ユニットにおいて、光電変換ユニットは光電変換層と導電型層を含んでおり、光入射側と反対側に形成される導電型層が10S/cm以上106S/cm以下の導電率を有することを特徴とする請求項1乃至14のいずれかに記載の光電変換装置。 In the photoelectric conversion unit arranged farthest from the light incident side, the photoelectric conversion unit includes a photoelectric conversion layer and a conductive type layer, and the conductive type layer formed on the side opposite to the light incident side is 10 S / cm or more. The photoelectric conversion device according to claim 1, having a conductivity of 10 6 S / cm or less. 前記1つ以上の光電変換ユニットのうち、光入射側に配置される光電変換ユニットの光電変換層が非晶質シリコン系材料からなり、光入射側から最も遠くに配置される光電変換ユニットの光電変換層が結晶質シリコン系材料からなることを特徴とする請求項1乃至15のいずれかに記載の光電変換装置。   Among the one or more photoelectric conversion units, the photoelectric conversion layer of the photoelectric conversion unit disposed on the light incident side is made of an amorphous silicon-based material, and the photoelectric conversion unit disposed farthest from the light incident side The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the conversion layer is made of a crystalline silicon-based material.
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