JP2000022184A

JP2000022184A - 球状または棒状結晶太陽電池およびその製造方法

Info

Publication number: JP2000022184A
Application number: JP10187991A
Authority: JP
Inventors: Takashi Nishioka; 孝西岡; Takumi Yamada; 巧山田; Goji Kawakami; 剛司川上; Takeshi Yamada; 武山田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1998-07-03
Filing date: 1998-07-03
Publication date: 2000-01-21

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】安価で高精度、高信頼性の基板で支持体が構
成され、球状または棒状の半導体の寸法および基板上へ
の配置工合・密度も自由に規定できる、球状または棒状
結晶太陽電池を提供するとともに、その製造方法を提供
する。【解決手段】表面が凹凸状をなすいわゆる逆ピラミッ
ド形状の基板上に球状、棒状の半導体結晶を支持してな
る太陽電池構造を採用している。すなわち、球状または
棒状の複数の半導体結晶を、周期的な凹凸構造を持つ第
一の基板上に配置された構造を持たせ、該第一の基板に
構成された周期的な凹凸構造上に第一の導電層を配置
し、該第一の導電層に対し、上記球状または棒状の半導
体結晶の一部を電気的に接触させ、該第一の導電層と接
触した、球状または棒状の半導体結晶の一部とは異なる
部分の半導体結晶の一部に電気的に接触した第二の導電
層を配置した構成としている。そして、凹凸構造の形
状、配列、周期を適宜設定することにより、所望の特性
を得ることができるようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は基板上に接着支持さ
れた球状または棒状の半導体結晶を主たる構成要素とす
る太陽電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】シリコン（以下、Ｓｉと記す）を代表的
な素材とする太陽電池は、その製造・使用の過程におい
て他の電力生成手段に比べて環境を汚染する要素が少な
いという特徴から、２１世紀のエネルギ需要を支える一
手段として期待を集めている。

【０００３】従来から広く実用に供されている比較的高
効率の太陽電池は、比較的低価格の金属級Ｓｉから種々
の高純度化工程を経て最終的に、溶融引き上げ等によっ
て形成した単結晶ないし多結晶Ｓｉのバルク結晶から切
り出したウェファ（典型的には３５０μｍ厚）を出発素
材としているため、素材ウェファ自身が高価であり、従
って太陽電池素子もその分高価にならざるを得ず、普及
の妨げになっていた。

【０００４】一方、太陽電池素子の低価格化をはかるた
め、Texas Instruments 社は、直径１mm弱の球状の結晶
粒子を作製した。この粒子を穴のあいたアルミホイルに
埋め込み、種々の素子化工程を経て太陽電池を作製した
（特開平６−１３６３３号参照；ここではアルミ法と呼
ぶ）。

【０００５】図５にこのアルミ法の構成を示す。図中１
２１はp型シリコン球、１２２は負極を構成するアルミ
箔、１２３はｎ型拡散層、１２４は上記負極を構成する
アルミ箔１２２と正極を構成するアルミ箔１２５との間
に設けられた絶縁樹脂である。そして、アルミ箔１２２
に穴を形成し、そこにｐ型シリコン球１２１の一部を配
置するようにしている。この方法は、安い素材を出発材
料としていることから、結果的に安価な太陽電池が構成
される可能性はあるものの、アルミホイルへの穴あけ工
程は精度が低く、かつ、球状のｐ型シリコン球１２１を
穴に埋め込む工程が複雑で高速かつ大量の製造には不向
きであるという欠点があった。

【０００６】また、別の試みとして、網目状に編んだ支
持体の上の各網目の間に球状Ｓｉを配置したものがあっ
た（特開平９−１６２４３４号参照；ここでは網目法と
呼ぶ）。

【０００７】図６（ａ），（ｂ）にこの網目法の構成を
示す。（ａ）図中、２０１は粒状Ｓｉセル、２０２はガ
ラス／Ａｌ／Ａｇからなる正極導体、２０３はガラス／
Ａｇからなる負極導体、２０４はガラスからなる絶縁支
持体で、絶縁支持体２０４、正、負極導体２０２，２０
３は網目状に編まれ、網目間に粒状Ｓｉセルが配置され
ている。この方法では、網状支持体の作製にコストがか
かるのに加えて網目の大きさの均一性に問題があり、低
価格かつ高信頼性の太陽電池を提供する上で問題があっ
た。

【０００８】また、図６（ｂ）は断面構造を示す。図中
２３１、２３２は（ａ）図において粒状Ｓｉセルを構成
するｐ型粒状シリコン、ｎ型拡散層、２３３は（ａ）図
において負極導体２０３に相当する負極導体、２３４は
（ａ）図において正極導体２０２に相当する正極導体、
２３５はｐ型合金化領域、２３６は封止樹脂である。そ
して、網目状の負極導体２３３と正極導体２３４と
（ａ）図における絶縁支持体２０４を介し球状のｐ型粒
状シリコン２３１を配置・支持するようにしているが、
上記した問題点がある。

【０００９】上記アルミ法・網目法に共通する欠点は、
それぞれの支持体（アルミホイル・網）上に球状を設計
どおりの密度・配列で整然と配置することが困難である
という問題があった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記のこと
を鑑み提案されたもので、その目的とするところは、安
価で高精度、高信頼性の基板で支持体が構成され、球状
または棒状の半導体の寸法および基板上への配置工合・
密度も自由に規定できる、球状または棒状結晶太陽電池
を提供するとともに、その製造方法を提供するものであ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は、球状または
棒状の複数の半導体結晶が、周期的な凹凸構造を持つ第
一の基板上に配置された構造を持ち、該第一の基板に構
成された周期的な凹凸構造上に第一の導電層が配置さ
れ、該第一の導電層に対し、球状または棒状の半導体結
晶の一部が電気的に接触してなり、該第一の導電層と接
触した、球状または棒状の半導体結晶の一部とは異なる
部分の該半導体結晶の一部が電気的に接触した第二の導
電層が配置された構成とし、上記目的を達成している。

【００１２】また、上記の球状または棒状結晶太陽電池
において、該球状または棒状の半導体結晶を該第一の基
板面内において稠密に配列させてなることを特徴として
いる。

【００１３】さらに、上記の球状または棒状結晶太陽電
池において、該球状または棒状の半導体結晶を該第一の
基板面内において互いに分離して配列させ、入射光の一
部を透過させるようにしたことを特徴としている。

【００１４】さらに、また、複数の前記球状または棒状
の半導体結晶を単位とし、前記単位内では各々の半導体
結晶が近接あるいは接触し、前記単位間では前記半導体
結晶が互いに分離し配列されてなることを特徴としてい
る。

【００１５】また、製造方法としては、球状または棒状
の半導体結晶を作製する第一の工程と、該第一の基板を
構成する物質に周期的な凹凸構造を付与する第二の工程
と、第一の基板上の前記凹部に前記半導体結晶を落とし
込ませることによりまんべんなく配列させる第三の工程
を含んでなる球状または棒状結晶太陽電池を製造するこ
とを特徴としている。

【００１６】また、上記製造方法において、該第一の基
板を製造する際に、あらかじめ所定の周期的な凹凸構造
を持つ鋳型を形成する第四の工程と、該鋳型の持つ凹凸
構造を転写することにより該第一の基板を形成する第五
の工程を含むことを特徴としている。

【００１７】さらに、上記製造方法において、該鋳型に
おける凹凸を構成する部分はシリコンからなることを特
徴としている。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明では、要するに、表面が凹
凸状をなすいわゆる逆ピラミッド形状の基板上に球状、
棒状の半導体結晶を支持してなる太陽電池構造を採用し
ている。すなわち、球状または棒状の複数の半導体結晶
を、周期的な凹凸構造を持つ第一の基板上に配置された
構造を持たせ、該第一の基板に構成された周期的な凹凸
構造上に第一の導電層を配置し、該第一の導電層に対
し、上記球状または棒状の半導体結晶の一部を電気的に
接触させ、該第一の導電層と接触した、球状または棒状
の半導体結晶の一部とは異なる部分の半導体結晶の一部
に電気的に接触した第二の導電層を配置した構成として
いる。そして、凹凸構造の形状、配列、周期を適宜設定
することにより、所望の特性を得ることができるように
している。

【００１９】すなわち、周期的凹凸構造とすると、その
凹凸構造の寸法と合致した寸法を持つ球状または棒状の
半導体結晶を、容易に該基板上に配列させることが可能
である。凹凸の周期／寸法は、特にＳｉ製の鋳型を用い
れば、既知の写真食刻技術を適用することにより、容易
にかつ精密に配置工合・密度を規定でき、さらに、この
鋳型構造を転写することにより、安価かつ大量に基板を
提供できる。このような基板を用いることにより、目的
に合致した寸法の球状または棒状結晶が任意の分布密度
で配置された太陽電池を提供することができる。

【００２０】

【実施例１】図１（ａ）〜（ｈ）は本発明の第１実施例
を示す。まず、（ａ）図において、図中１はＳｉでなる
鋳型で、既知の写真食刻技術によりＳｉ（１１１）面で
構成された逆ピラミッド状の凹凸構造を作製した。エッ
チングは水酸化カリウムにより行なった。鋳型１の凹凸
構造は、透明ガラス２に転写され、これを第一の基板２
とした。

【００２１】次いで、（ｂ）図に示すように、該第一の
基板２の逆ピラミッド状構造の上に太陽電池の一方の電
極として使用するために第１の導電層として透明電極３
を付着させ、反対側の多の面（後に太陽光の入射面とな
る）には反射防止膜４を付着させた。

【００２２】一方、金属級Ｓｉを原料として球状に加工
したＳｉ結晶は、１１００℃、１０時間の加熱処理によ
り、（ｃ）図のように不純物を多く含有した表面近傍層
６と、不純物の少ないｐ形部分５に分離した。表面近傍
層６をエッチング除去後、球状高純度のｐ形部分５に対
しｎ形の拡散処理が行われ、（ｄ）図のようにｎ形層５
２とｐ形部５１とからなる直径０．５ｍｍの球からなる
球状Ｓｉとなった。

【００２３】しかして、（ｂ）図で得た第一の基板２の
凹凸面に対しスピンオンガラス（以下ＳＯＧという）を
（ｅ）図において符号７で示したように塗布したもの
へ、（ｄ）図で用意した多数の球状Ｓｉを置いた。球状
Ｓｉと逆ピラミッド形状の大きさを最適に調整すること
により、各球状Ｓｉは容易にまんべんなく各ピラミッド
部分に収まった。

【００２４】次に、多数の球状Ｓｉの全体に圧力をか
け、約１８０℃に加熱することにより第一の基板２と密
着させた。密着させる過程でＳＯＧ７は変型し最終的に
ｎ形層５２の一部と透明電極３は電気的に接触された。

【００２５】その後、数１００℃以上のＳＯＧのガラス
化処理を経るとともに、ＳＯＧ７と接触していない球状
Ｓｉのｎ形層の部分はエッチング処理が施され、（ｆ）
図に示す断面構造となった。６１は、ｎ形層５２がエッ
チングされてｐ形部が露出した部分、６２は、ｎ形層５
２と透明電極３との電気的接触部分である。

【００２６】この構造の上に、（ｇ）図に示すように、
さらにＳＯＧ膜８を塗布した後、この層のエッチングを
進めると、ＳＯＧ膜８のうち厚さの薄い部分であるｐ形
露出部６１の一部６３が露出してくる。

【００２７】この上に、（ｈ）図に示すように、第二の
導電層としてのｐ電極９、高反射膜１０を付着させて太
陽電池を完成させる。太陽光は２１，２２のように入射
し、反射防止膜４、逆ピラミッドによるいわゆるテクス
チャ構造、球状Ｓｉによる広入射開口角等の効果の複合
により高い光閉じ込めが実現され、結果的に高効率の太
陽電池が実現された。Ｓｉ球とＳｉ球の間を埋めている
ＳＯＧ７は、各球間の絶縁性を確保するのと同時に、あ
たかもＳｉ集積回路（ＩＣ）におけるＳｉ酸化絶縁膜の
役割のように、Ｓｉ半導体の導電層や電極をエッチング
する際のマスクになっており、このような工程は、ＩＣ
製造において充分成熟した技術となっており、本発明に
も同様の信頼性をもって適用することができた。

【００２８】本発明による方法では、球状Ｓｉの大きさ
に多少のゆらぎがあっても作製上の問題はなく、個々の
球は一つの電池として完全に機能する。球の大きさの精
度が緩いということは、球状Ｓｉ形成時の価格を安価に
保てるということを意味している。

【００２９】また、本実施例では、透明電極３，ｐ電極
９は各球状Ｓｉに共通で、各球は並列に太陽電池を構成
しているが、両電極を適宜分割して構成し、かつ球と球
の間を適宜結線する加工を施す工程を交えることによ
り、球を直列に結合して全体として電力の高い太陽電池
素子を得ることも可能である。

【００３０】

【実施例２】図２は本発明の第２実施例を示す。この第
２実施例の製造工程の大略は上記した第１実施例とほぼ
同じであるが、本実施例では太陽光の集光性を高めるた
めに第一の基板２の太陽光入射面を符号４１で示すよう
に周期的凸面加工して反射防止膜４１とするとともに、
反射光を有効にＳｉ球内に集めるために、反対側の高反
射面も符号１１で示すように凸面加工した。本実施例で
は、該球状もしくは棒状の半導体結晶の配列の周期と、
入射面の凸面加工の周期が図のように一致させてあるた
め、符号２３，２４で示すように入射した太陽光は有効
に球状Ｓｉに集光され、また、符号２５で示すように反
射した光も同様に有効に球状Ｓｉに戻り発電に寄与す
る。

【００３１】なお、ｐ電極は透明電極９１を用いてい
る。本実施例において、第一の基板２の厚さに対して反
射防止膜４１の凸面加工の曲率を最適に調整することに
より有効に入射光２３，２４をＳｉ球内に導くことが可
能である。また、本実施例では、入射光２３，２４ばか
りではなく、一旦Ｓｉ球内を透過した光ないしはＳｉ球
間を透過した光を再度高反射膜１１で反射させることに
より再び有効にＳｉ球内に導入することが可能である。
この場合も透明電極９１の厚さに対して高反射膜１１の
凸面加工の曲率を最適に調整することにより有効に反射
光をＳｉ球内に導くことが可能である。

【００３２】本実施例では、上述のように、符号２３，
２４で示すような斜入射の光も有功にＳｉ球内に取り込
まれる。このことは、日中昼の南中時近辺のみでなく朝
夕の傾斜した入射光に対しても効果的に発電できること
を意味している。さらに、日本の気候風土のような、雲
の多い、従って直接光に比べて散乱光の成分が多い場合
にも有効であることを意味している。

【００３３】

【実施例３】図３（ａ）〜（ｃ）は本発明の第３実施例
を示す。本実施例の場合、凹凸構造を有する第二の基板
２０は、前記第１実施例のように電極等は有さず、球状
Ｓｉを配列させるために用いられる。なお、図３（ａ）
までの工程は、図１に示した透明電極３の形成工程を除
き、基本的に図１における（ａ）〜（ｆ）までの前記の
説明と同様に進められる。ただし、球状Ｓｉのｎ形層５
２と第二の基板２０は、第１の実施例とは異なり強固に
密着することがないような措置が施される。これは、例
えば適当な剥離材をあらかじめ塗布しておくことによっ
て可能である。

【００３４】また、図３（ｂ）までの工程は、図１
（ｈ）までの工程と同様であるため、同一部材は同じ符
号で示し、詳細な説明は省略する。この後、第二の基板
２０は剥離され、次いで、ｎ形層５２の一部に透明ｎ電
極および反射防止膜（図では省略）が施されて（ｃ）図
に示すような太陽電池が完成する。本実施例の太陽電池
では、Ｓｉ球面自身のレンズ効果により太陽光２６，２
７の集光性が高い。なお、上記各実施例において、半導
体結晶として球状のものについて説明したが、断面が円
形をなす棒状のものを用いても良い。

【００３５】

【実施例４】図４は本発明の第４実施例を示す。（ａ）
図は、球または棒の配列を最蜜充填になるように、第三
の基板３０の凹凸構造の周期、寸法を調整した。球また
は棒を配列させるにあたって、第三の基板３０と同様の
周期構造を持つ第二の基板（図には示されていない）を
（ａ）図の上方部分から凹凸部を下にして、該第二の基
板／球または棒／該第三の基板のようにサンドイッチ状
に挟み込み、軽く押し付けることにより、球状または棒
状の複数の半導体結晶を、第三の基板３０上に過不足な
く容易に配列させることができた。

【００３６】最蜜充填を実現するには、作製する球等の
直径に合わせた寸法の凹凸構造を持つ第三および第二の
基板を用いればよい。図４（ａ）で示すような最蜜充填
の構成にすれば、Ｓｉ球または棒の間を透過する光がな
いため、より有効に太陽光を捕らえることが可能で、高
い光電変換効率が達成できる。

【００３７】図４（ｂ）のものは、（ａ）図とは逆に、
球または棒をすきまを開けて疎に配置したものである。
図中、９２は透明電極、１２は透明な保護膜である。入
射する太陽光のうち、一部は符号２１，２２で示すよう
に球状または棒状半導体に捕らえられるが、一部は２
８，２９のように透過する。すなわち、全体としていわ
ゆるシースルー形の半透明タイプの太陽電池を作ること
ができる。全入射光に対する透過光の割合は、球または
棒の配置密度を適宜調整することによって任意に設定で
きる。

【００３８】図４（ｃ）のものは、（ａ），（ｂ）とは
異なる配列を行った例で、Ｓｉ球または棒の配列が密な
部分と疎な部分が複合する形で構成されている。すなわ
ち、複数の前記球状または棒状の半導体結晶を単位と
し、前記単位内では各々の半導体結晶が近接あるいは接
触し、前記単位間では前記半導体結晶が互いに分離し配
列している。なお、この図では、周期的構造を呈した基
板の部分の形状は省略しており、基板は配列に対応した
形状のものを作製することは言うまでもない。

【００３９】この例においては、入射光８１，８２，８
７，８８のような斜入射の場合、入射した光は大部分Ｓ
ｉ球または棒に捕らえられ発電に寄与するが、基板部分
を透過して（第４図（ｃ）では下側の領域に）ゆく光は
ほとんど無い。

【００４０】一方、入射光８３，８４，８５，８６のよ
うに高度が高い光に対しては、その一部は、基板部分を
通して透過する。すなわち、例えば朝夕における低高度
の太陽光に対しては全体として透過が小さく、昼間の高
高度の光に対してはある程度透過するような素子を形成
されている。

【００４１】このように、Ｓｉ球または棒の配列密度を
適宜調整してやることにより様々な付加機能を有した太
陽電池素子が可能である。このような配列密度の調整
は、基板の凹凸構造をあらかじめ調整してやるだけです
むため、多の方法では実現が困難な配列制御を、容易か
つ精密・安価に実現することができる。

【００４２】ここで述べた実施例以外にも、光の入射の
仕方、球または棒の配列の仕方を始め、様々な変形、応
用が可能であることは言うまでも無い。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による球状
または棒状結晶太陽電池では、出発原料が安価であるた
め、素子として低価格を実現できた。太陽電池の性質上
も、該第一の基板が、逆ピラミッドによるいわゆるテク
スチャ構造を成していること、および、球状または棒状
Ｓｉによる広入射開口角等の効果の複合により高い光閉
じ込めが実現され、高効率を達成することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例で、（ａ）〜（ｈ）はそ
れぞれ製造工程を示す説明図である。

【図２】本発明の第２実施例である。

【図３】本発明の第３実施例で、（ａ）〜（ｃ）はそ
れぞれ製造工程を示す説明図である。

【図４】本発明の第４実施例で（ａ）は球または棒の
配列を最蜜充填にした例、（ｂ）は球または棒をすきま
開けて疎に配列した例、（ｃ）は球または棒の配列を蜜
と疎との複合とした例を示す。

【図５】アルミ法と称する一従来例を示す。

【図６】（ａ）は網目法と称する一従来例、（ｂ）は
断面構造図例を示す。

【符号の説明】

１Ｓｉでなる鋳型２第一の基板（透明ガラス）３透明電極４，４１反射防止膜５不純物の少ない球状Ｓｉのｐ形部分６不純物を多く含有した表面近傍層７，８スピンオンガラスＳＯＧ９ｐ電極１０，１１高反射膜１２透明保護膜２０第二の基板（球状Ｓｉ配列例）２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２
９，８１，８２，８３，８４，８５，８６，８７，８８
太陽光の入射例３０第三の基板５１球状Ｓｉのｐ形部５２球状Ｓｉのｎ形層６１ｎ形層がエッチングされてｐ形部が露出し
た部分６２ｎ形層と透明電極の電気的接触部分６３ｐ形露出部６１の一部露出部９１，９２透明電極

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年６月１日（１９９９．６．１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

【図５】

【図１】

【図３】

【図４】

【図６】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者川上剛司東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内 (72)発明者山田武東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内Ｆターム(参考） 5F051 AA02 CB02 DA20 FA02 GA03 GA04 GA11 HA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】球状または棒状の複数の半導体結晶が、
周期的な凹凸構造を持つ第一の基板上に配置された構造
を持ち、該第一の基板に構成された周期的な凹凸構造上
に第一の導電層が配置され、該第一の導電層に対し、球
状または棒状の半導体結晶の一部が電気的に接触してな
り、該第一の導電層と接触した、球状または棒状の半導
体結晶の一部とは異なる部分の該半導体結晶の一部が電
気的に接触した第二の導電層が配置されてなることを特
徴とする球状または棒状結晶太陽電池。
【請求項２】請求項１記載の球状または棒状結晶太陽
電池において、該球状または棒状の半導体結晶を該第一
の基板面内において稠密に配列させてなることを特徴と
する球状または棒状結晶太陽電池。
【請求項３】請求項１記載の球状または棒状結晶太陽
電池において、該球状または棒状の半導体結晶を該第一
の基板面内において互いに分離して配列させ、入射光の
一部を透過させるようにしたことを特徴とする球状また
は棒状結晶太陽電池。
【請求項４】請求項１記載の球状または棒状結晶太陽
電池において、複数の前記球状または棒状の半導体結晶
を単位とし、前記単位内では各々の半導体結晶が近接あ
るいは接触し、前記単位間では前記半導体結晶が互いに
分離し配列されてなることを特徴とする球状または棒状
結晶太陽電池。
【請求項５】球状または棒状結晶太陽電池を製造する
方法において、該球状または棒状の半導体結晶を作製す
る第一の工程と、該第一の基板を構成する物質に周期的
な凹凸構造を付与する第二の工程と、第一の基板上の前
記凹部に前記半導体結晶を落とし込ませることによりま
んべんなく配列させる第三の工程を含むことを特徴とす
る球状または棒状結晶太陽電池の製造方法。
【請求項６】請求項５記載の球状または棒状結晶太陽
電池を製造する方法において、該第一の基板を製造する
際に、あらかじめ所定の周期的な凹凸構造を持つ鋳型を
形成する第四の工程と、該鋳型の持つ凹凸構造を転写す
ることにより該第一の基板を形成する第五の工程を含む
ことを特徴とする球状または棒状結晶太陽電池の製造方
法。
【請求項７】請求項６記載の球状または棒状結晶太陽
電池を製造する方法において、該鋳型における凹凸を構
成する部分はシリコンからなることを特徴とする球状ま
たは棒状結晶太陽電池の製造方法。