JP2001313401A

JP2001313401A - 光電変換装置

Info

Publication number: JP2001313401A
Application number: JP2000130856A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kyoda; 豪京田; Makoto Sugawara; 信菅原; Hisao Arimune; 久雄有宗
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2001-11-09

Abstract

(57)【要約】【課題】結晶半導体粒子を用いた光電変換装置は、特
性が低く高コストになるという問題があった。【解決手段】基板上に第一導電形の粒状結晶半導体を
多数配置し、この粒状結晶半導体上に第二導電形の半導
体層を形成してｐｎ接合部を形成し、この第二導電形の
半導体層と前記基板との間に絶縁体を介在させた光電変
換装置において、前記第二導電形の半導体層を結晶質半
導体層で形成すると共に、この第二導電形の半導体層に
連続して誘電体保護膜を形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光電変換装置に関
し、特に太陽光発電に使用される結晶半導体粒子を用い
た光電変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の結晶半導体粒子を用いた光電変換
装置を図５、図６、図７に示す。例えば図５に示すよう
に、第１のアルミニウム箔１０に開口を形成し、その開
口にｐ形の上にｎ形表皮部９を持つシリコン球２を結合
し、球の裏側のｎ形表皮部９を除去し、第１のアルミニ
ウム箔１０の裏面側に酸化物層３を形成し、シリコン球
の裏側のｐ形接面２上の酸化物層３を除去し、第２のア
ルミニウム箔８と接合する光電変換装置が開示されてい
る（例えば特開昭６１−１２４１７９号公報参照）。

【０００３】また、図６に示すように、基板１上に低融
点金属層１１を形成し、この低融点金属層１１上に第一
導電形の結晶半導体粒子２を配設し、この結晶半導体粒
子２上に第二導電形のアモルファス半導体層７を上記低
融点金属層１１との間に絶縁層３を介して形成する光電
変換装置が開示されている（例えば特許第２６４１８０
０号公報参照）。

【０００４】また、図７に示すように、基板１上に高融
点金属層１２と低融点金属層１１と半導体微小結晶粒１
３を堆積させ、半導体の微小結晶粒１３を融解させて飽
和させた上で徐々に冷却させて半導体を液相エピタキシ
ャル成長させることによって多結晶薄膜１３を形成する
方法が開示されている（例えば特公平８−３４１７７号
公報参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５に
示すような光電変換装置においては、ｐ形中心核２の上
にｎ形表皮部９をもつシリコン球を製造する必要がある
こと、第１のアルミニウム箔１０に開口を形成し、その
開口にシリコン球を押し込んで接合させる必要があるた
め、シリコン球の球径に均一性が要求され、高コストに
なるという問題があった。

【０００６】また、図６に示すような光電変換装置によ
れば、第二導電形のアモルファス半導体層７を設けるた
め、アモルファス半導体層７の光吸収が大きいことに起
因して膜厚を薄くしなければならず、粒子２の表面に沿
ったｐｎ接合の形成が難しくなる。これは粒子２の外郭
に沿って半導体層７を形成するとき、位置によって膜厚
分布が生じるため、膜厚が薄いと粒子２の全面を覆うこ
とができないためである。一般には、粒子２の上部の膜
厚は厚く、粒子２の側面の膜厚は薄くなる。また、半導
体層７の膜厚が薄い場合、欠陥に対する許容度も小さく
なり、洗浄工程や製造環境の管理を厳しくする必要があ
る。また、アモルファス半導体層７が薄いことから、ア
モルファス半導体層７の抵抗が高く、上部電極としてア
モルファス半導体層７上に透明導電膜６を形成する必要
があった。その結果、高コストになるという問題があっ
た。

【０００７】また、図７に示すような光電変換装置によ
れば、低融点金属１１が第一導電形の液相エピタキシャ
ル多結晶層１３中に混入するために性能が落ち、絶縁体
が無いために下部電極１２との間にリークが発生すると
いう問題があった。

【０００８】本発明は上記従来技術における問題点に鑑
みてなされたものであり、その目的は、低コストの光電
変換装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る光電変換装置は、基板上に第一導電
形の粒状結晶半導体を多数配置し、この粒状結晶半導体
上に第二導電形の半導体層を形成してｐｎ接合部を形成
し、この第二導電形の半導体層と前記基板との間に絶縁
体を介在させた光電変換装置において、前記第二導電形
の半導体層を結晶質半導体層で形成すると共に、この第
二導電形の半導体層に連続して誘電体保護膜を形成し
た。

【００１０】また、上記光電変換装置では、前記粒状結
晶半導体における前記第二の半導体層との接触部が凸曲
面状を有していることが望ましい。

【００１１】また、上記光電変換装置では、前記粒状結
晶半導体の粒径が１０μｍ〜５００μｍであることが望
ましい。

【００１２】さらに、上記光電変換装置では、前記結晶
質半導体層の膜厚が５０〜５００ｎｍであることが望ま
しい。

【００１３】本発明の光電変換装置によれば、基板上に
第一導電形の結晶半導体粒子を配置し、この結晶半導体
粒子上に第二導電形の結晶質半導体層を形成し、この結
晶質半導体層上に誘電体保護膜を形成し、この基板とこ
の結晶質半導体層の間に絶縁体を形成したことにより、
従来の特開昭６１−１２４１７９号公報、特許第２６４
１８００号公報、特公平８−３４１７７号公報で開示さ
れている光電変換装置と比較して製造マージンが大き
く、低コストの製造が可能となる。つまり、単一導電形
を持つ粒子を低い粒径精度で製造すればよく、結晶質半
導体層の膜厚の自由度が大きく、絶縁体で正極負極の分
離が確実にされ、第二導電形の結晶質半導体層が上部の
電極を兼ねることで低コストの製造が可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明を詳
細に説明する。図１および図２において、１は基板、２
は第一導電型の半導体粒子、３は絶縁体、４は第二導電
形の結晶質半導体層、５は保護膜である。

【００１５】基板１は金属、セラミック、樹脂等から成
る。基板１は下部電極を兼ねるために、特性として導電
性を持つものであればよく、材質が金属の場合は基板１
の構成は単層または他の金属との複層にする。なお、基
板１がセラミックや樹脂などの絶縁体の場合には、その
表面に図２に示す導電層１'を形成する必要がある。導
電層１'に求められる特性は、基板１が金属のときと同
様である。

【００１６】第一導電型の半導体粒子２は、Ｓｉ、Ｇｅ
にｐ形を呈するＢ、Ａｌ、Ｇａ等、またはｎ形を呈する
Ｐ、Ａｓ等が微量含まれているものである。半導体粒子
２の形状としては多角形を持つもの、曲面を持つもの等
があるが、例えば後述する絶縁体層３上から半導体粒子
２を押し込んで基板１に接触させる際に、絶縁体層３を
効率よく押しのけるために、曲面を持つもの、特に球状
であるものがよい。粒径分布としては均一、不均一を問
わないが、均一の場合は粒径を揃えるための工程が必要
であり、より安価に製造するためには不均一な方が有利
である。なお、絶縁体層３上から半導体粒子２を押し込
んで基板１に接触させる際に、不均一の場合でも半導体
粒子２を押し込む冶具に柔軟性のある材料を使用するこ
とで、充分に基板１に接触させることが可能となる。さ
らに凸曲面を持つことによって光の光線角度の依存性も
小さい。また、粒子の直径は１０〜５００μｍがよく、
１０μｍ未満では押しつける際に、押しつけ冶具に絶縁
体層３が付着して半導体粒子２の表面が汚染され、５０
０μｍを越えると従来型の平面板の光電変換装置で使用
される半導体原料の使用量と変わらなくなり、半導体原
料の節約の意味で粒子を適用する利点がなくなる。

【００１７】絶縁体３は、正極負極の分離を行うための
絶縁材料からなる。例えばＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｐｂ
Ｏ、ＺｎＯ等を任意な成分とするガラススラリ−を用い
た絶縁体等がある。絶縁体３は、基板１上に形成したと
きに、ある程度の固さまたは粘性が必要であり、押し込
まれた半導体粒子２を一時的に保持する必要がある。そ
して、後述の基板１と半導体粒子２の間でオ−ミック接
合を取る際の加熱温度で融解して半導体粒子２を部分的
に覆う特性を持つものである。

【００１８】第二導電形の結晶質半導体層４は、気相成
長法等で例えばシラン化合物の気相にｎ形を呈するリン
系化合物の気相、またはｐ形を呈するホウ素系化合物の
気相を微量導入して形成する。なお、結晶質半導体層４
は、単結晶質、多結晶質または微結晶質であればよい。
結晶質半導体層はアモルファス半導体層と比較して光の
透過率が高いために、膜厚を厚くすることが可能とな
る。半導体粒子２が無い部分で入射光の一部が結晶質半
導体層４を透過し、下部の基板１で反射して半導体粒子
２に照射されることで、光電変換装置全体に照射される
光エネルギ−を効率よく半導体粒子２に照射することが
可能となる。このときの膜厚は光透過率の関係で５００
ｎｍ以下がよく、それ以上では光の変換効率が低下す
る。また、結晶質半導体層４は電極の役目も兼ね備える
ことから、別途透明導電膜を設ける必要はなく、よって
工程が簡略化され、より低コスト化が可能となる。さら
に、結晶質半導体層４を形成した際の欠陥部に電極とし
ての透明導電膜を形成すると、結晶質半導体層４の欠陥
部の下部に位置する半導体粒子２と透明導電膜がリ−ク
してしまうといった問題が発生する。導電性の兼ね合い
から層中の微量元素の濃度は高くてもよく、例えば１０
Ｅ１６〜１０Ｅ２１ａｔｏｍ／ｃｍ³程度である。膜厚
としては抵抗の関係上５０ｎｍ以上がよく、それ以下で
は変換効率が低下する。以上のことから、結晶質半導体
層４の膜厚は５０〜５００ｎｍがよい。さらに、結晶質
半導体層４は半導体粒子２の表面に沿って形成し、ｐｎ
接合を光の入射表面の近傍且つ半導体粒子２の凸曲面状
の粒子形状に沿って形成することが望ましい。半導体粒
子２の凸曲面状の表面に沿って形成することによってｐ
ｎ接合の面積を広く稼ぐことができ、半導体粒子２の内
部で生成したキャリアを効率よく収集することが可能と
なる。なお、結晶質半導体層はアモルファス半導体層よ
りも安定な材料であることから、高い信頼性が期待され
る。

【００１９】保護膜５は透明誘電体の特性を持つものが
よく、ＣＶＤ法やＰＶＤ法等で例えば酸化珪素、酸化
セシウム、酸化アルミニウム、窒化珪素、酸化チタ
ン、ＳｉＯ₂−ＴｉＯ₂、酸化タンタル、酸化イットリウ
ム等を単一組成または複数組成で単層または組み合わせ
て結晶質半導体層４上に形成する。保護膜５が透明誘電
体である必要性は、光の入射面に接しているために、透
明性が必要であることと、結晶質半導体層４の欠陥部の
下部に位置する半導体粒子２と保護膜５およびその上部
との間のリークを防止するためである。なお、保護膜５
の膜厚を最適化すれば反射防止膜としての機能も期待で
きる。

【００２０】なお、直列抵抗値を低くするために、結晶
質半導体層４または保護層５の上に一定間隔のフィンガ
ーやバスバーといったパタ−ン電極を設け、変換効率を
向上させることも可能である。

【００２１】

【実施例】次に、本発明の光電変換装置の実施例を説明
する。

【００２２】〔例１〕実施例１の断面図を図２示す。鉄
を含む基板１上にアルミニウム層１９を１０μｍの厚み
に形成し、その上に絶縁低融点ガラス層３を５０μｍの
厚みに形成した。その上に直径２５０μｍのｐ形シリコ
ン粒子２を密に配置した。次に、絶縁層３の軟化点以上
に加熱し、シリコン粒子２を絶縁層３に沈み込ませてア
ルミニウム層１９に接触させた。そして、シリコン粒子
２と絶縁層３の上にｎ形結晶シリコン層４を４００ｎｍ
の厚みに形成し、さらに保護膜５として窒化珪素を形成
した。

【００２３】実施例２（構成は図１）は、アルミウム基
板を用いた以外は実施例１と同様にして作製した。実施
例３は、Ｃｕ板にアルミウム層を１０μｍの厚みに形成
した基板を用いた以外は実施例１と同様にして作製し
た。

【００２４】実施例４は、アルミナ基板にアルミウム層
を１０μｍの厚みに形成した基板を用いた以外は実施例
１と同様に作製した。

【００２５】比較例１として、実施例１と同様にしてｎ
形結晶シリコン層を２００ｎｍ形成し、その上に酸化錫
からなる透明導電膜（ＩＴＯ）を形成した。

【００２６】比較例２の断面図を図３に示す。結晶質半
導体層以外は実施例１と同様にして作製し、結晶質半導
体層の代わりに、結晶質シリコン粒子と絶縁層の上にｎ
形アモルファスシリコン層７を２００ｎｍ形成し、その
上に酸化錫からなる透明導電膜（ＩＴＯ）６を形成し
た。

【００２７】比較例３の断面図を図４に示す。実施例１
と同様にして結晶質シリコン粒子２を絶縁層３に沈み込
ませ、アルミニウム層９に接触させた後、シリコン粒子
２の絶縁層３から突出している部分を研磨して平坦に
し、研磨した結晶質シリコン粒子２と絶縁層３の上にｎ
形結晶シリコン層４を４００ｎｍの厚みに形成し、さら
に保護膜５として窒化珪素を形成した。

【００２８】以上のようにして作製した試料（ｎ＝５）
に垂直に光を入射させて測定した変換効率の結果を表１
にまとめる。

【００２９】

【表１】

【００３０】比較例１の結晶質半導体層を用いた場合
は、比較例２の非晶質半導体層を用いた場合と比較して
変換効率は向上するが、実施例１でも比較例１と同様の
変換効率が得られた。しかしながら比較例１では、試料
数５枚のうち２枚で透明導電膜とシリコン粒子との間で
リ−クが発生し、変換効率の測定が不可能となった。

【００３１】実施例２、３、４は実施例１の基板構成を
変えたものであるが、実施例１と同様な変換効率が得ら
れ、基板を導電性にすればどの構成でもよいことがわか
った。

【００３２】最後に、比較例３はシリコン粒子の絶縁層
から突出している部分を研磨して平坦にしたものである
が、垂直入射では実施例１と同等レベルの変換効率が得
られた。そこで、入射光の角度を４５度にして実施例１
と比較例３を再度測定した結果を表２に示す。

【００３３】

【表２】

【００３４】比較例３は平坦面を持っているために入射
光の角度依存性が高く、変換効率の低下が著しいが、実
施例１では曲面を持っているために入射光の角度依存性
が低く、変換効率の低下も小さくて優れている。〔例２〕実施例１と同様にしてｎ形結晶シリコン層の膜
厚を変化させて作製した試料で測定した変換効率の結果
を表３にまとめる。

【００３５】

【表３】

【００３６】表３から分かるように変換効率の兼ね合い
（１０％以上）から、ｎ層の膜厚は５０〜５００ｎｍの
膜厚がよく、良好な変換効率特性を有している。膜厚５
０ｎｍより薄いと、ｎ層の抵抗値が高くなって直列抵抗
が増大したためと考えられ、５００ｎｍより厚いと、ｎ
層の光線透過率が低下してシリコン粒子がないところで
のアルミニウム層への光線透過量が低下したためと考え
られる。

【００３７】これで、本発明の光電変換装置は、透明導
電膜がなくても良好な変換効率特性を有する光電変換装
置となることが確認できた。

【００３８】

【発明の効果】以上のように、本発明の光電変換装置に
よれば、基板上に第一導電形の粒状結晶半導体を多数配
置し、この粒状結晶半導体上に第二導電形の半導体層を
形成してｐｎ接合部を形成し、この第二導電形の半導体
層と上記基板との間に絶縁体を介在させた光電変換装置
において、上記第二導電形の半導体層を結晶質半導体層
で形成すると共に、この第二導電形の半導体層に連続し
て誘電体保護膜を形成したことから、結晶質半導体層が
電極を兼ねることができ、もって電極に穴を開ける必要
がなく、半導体粒子がない部分の入射光を利用すること
ができ、透明導電膜を別途形成する必要はなくなり、絶
縁体を設けることによって結晶質半導体層と基板の電極
との間でリ−クが発生することを防止することができ、
その結果、より安価で、良好な変換効率を達成すること
ができる。

【００３９】また、本発明の光電変換装置によれば、形
状の自由度があり、入射する光線角度の依存性が少ない
光電変換装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光電変換装置の実施の形態の一例を示
す断面図である。

【図２】本発明の光電変換装置の他の実施の形態を示す
断面図である。

【図３】比較例２の光電変換装置を示す断面図である。

【図４】比較例３の光電変換装置を示す断面図である。

【図５】従来例１の光電変換装置を示す断面図である。

【図６】従来例２の光電変換装置を示す断面図である。

【図７】従来例３の光電変換装置を示す断面図である。

【符号の説明】

１・・・・基板１'・・・・導電膜２・・・・第一導電形の結晶半導体粒子３・・・・絶縁体４・・・・第二導電形の結晶質半導体層５・・・・誘電体保護層６・・・・透明導電膜７・・・・第二導電形のアモルファス半導体層８・・・・下部アルミニウム箔９・・・・第二導電形のド−ピング層１０・・上部アルミニウム箔１１・・低融点金属膜１２・・高融点金属膜１３・・第一導電形の液相エピタキシャル多結晶層１４・・第二導電形の多結晶あるいはアモルファス層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に第一導電形の粒状結晶半導体を
多数配置し、この粒状結晶半導体上に第二導電形の半導
体層を形成してｐｎ接合部を形成し、この第二導電形の
半導体層と前記基板との間に絶縁体を介在させた光電変
換装置において、前記第二導電形の半導体層を結晶質半
導体層で形成すると共に、この第二導電形の半導体層に
連続して誘電体保護膜を形成したことを特徴とする光電
変換装置。
【請求項２】前記粒状結晶半導体における前記第二の
半導体層との接触部が凸曲面状を有していることを特徴
とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】前記粒状結晶半導体の粒径が１０μｍ〜
５００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の光
電変換装置。
【請求項４】前記結晶質半導体層の膜厚が５０〜５０
０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の光電変
換装置。