JP2001339085A

JP2001339085A - 光電変換装置

Info

Publication number: JP2001339085A
Application number: JP2000159043A
Authority: JP
Inventors: Makoto Sugawara; 信菅原; Takeshi Kyoda; 豪京田; Hisao Arimune; 久雄有宗
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-05-29
Filing date: 2000-05-29
Publication date: 2001-12-07

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の結晶質半導体粒子を用いた光電変換装
置は高コスト且つ低変換効率であった。【解決手段】基板上に第一導電形の結晶質半導体粒子
を多数配置し、この結晶質半導体粒子上に第二導電形の
半導体層を形成し、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と非晶質とが混在す
る半導体層で形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は太陽光発電に使用さ
れる光電変換装置に関し、特に結晶質半導体粒子を用い
た光電変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】省シリコン原料の低コストな次世代太陽
電池の出現が強く望まれている。省資源に有利な粒形も
しくは球形のシリコン結晶粒子を用いる従来の光電変換
装置を図２に示す（例えば特許第２６４１８００号公報
参照）。この光電変換装置は、基板１上に低融点金属層
７を形成し、この低融点金属層７上に第一導電形の結晶
質半導体粒子３を配設し、この結晶質半導体粒子３上に
第二導電形の非晶質半導体層６を上記低融点金属層７と
の間に絶縁層２を介して形成する光電変換装置である。

【０００３】また、特開昭６１−１２４１７９号公報に
よれば、図３に示すように、上部アルミニウム箔１０に
開口１０ａを形成し、その開口１０ａにｐ形核９ａの表
面にｎ形表皮部９ｂを持つシリコン球９を配設し、この
シリコン球９の裏側のｎ形表皮部９ｂを除去し、上部ア
ルミニウム箔１０の裏面側に絶縁層２を形成し、シリコ
ン球９の裏側のｐ形核９ａ上の絶縁層２を除去し、下部
アルミニウム箔８とシリコン球９のｐ形核９ａとを接合
する光電変換装置が開示されている。

【０００４】また、特公平８−３４１７７号公報によれ
ば、図４に示すように、基板１上に半導体微小結晶粒１
３を堆積させ、この半導体微小結晶粒１３を融解させて
飽和させた上で徐々に冷却し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。なお、図４において１１はＳｎ
などの低融点金属膜、１２はＭｏなどの高融点金属膜、
１４は第二導電形の多結晶あるいは非晶質半導体層、１
５は透明導電膜である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図2に
示す特許第２６４１８００号公報の光電変換装置では、
第二導電形の半導体層６として非晶質半導体層を用いる
ため、非晶質半導体層６の光吸収が大きいことに起因し
て、その膜厚を薄くしなければならず、半導体層６を粒
子３の表面に沿って形成するとき、位置による膜厚分布
が生じ、膜厚が薄いと粒子３の全面を十分に覆うことが
できないため、粒子３の外郭に沿ったｐｎ接合の形成が
難しくなる。粒子３と絶縁層２を平面に研磨して露出さ
せた後に半導体層６を形成することで被覆性の悪さを補
う場合であっても、研磨工程や研磨屑を取り除く洗浄工
程が増え、加えて粒子３の高さにバラツキがあるとき、
ｐｎ接合面積がばらつき、十分な特性が得られない。そ
の結果、高コスト、低変換効率になるという問題があっ
た。

【０００６】また、図３に示す特開昭６１−１２４１７
９号公報のような光電変換装置では、ｐ形中心核９ａの
上にｎ形表皮部９ｂをもつシリコン球９を製造する必要
があること、およびアルミニウム箔１０に開口１０ａを
形成し、その開口１０ａにシリコン球９を押し込んで接
合させる必要があることから、シリコン球９の球径に均
一性が要求され、高コストになるという問題点があっ
た。

【０００７】また、図4に示す特公平８−３４１７７号
公報では、低融点金属膜１１の成分が多結晶薄膜１３へ
混入して特性が落ち、上部電極１５と下部電極１２との
間に絶縁体が無いために、ショートしやすいという問題
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で優れた
特性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、本発明に係る光電変換装置は、基板上に第一導電形
の結晶質半導体粒子を多数配置し、この結晶質半導体粒
子上に第二導電形の半導体層を形成し、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
と非晶質とが混在する半導体層で形成したことを特徴と
する。

【００１０】また、上記光電変換装置では、前記結晶質
と非晶質とが混在する半導体層の膜厚が５０ｎｍ〜３０
０ｎｍであることが望ましい。

【００１１】また、上記光電変換装置では、前記結晶質
と非晶質とが混在する半導体層が前記結晶質半導体粒子
の表面に沿って形成されることが望ましい。

【００１２】さらに、上記光電変換装置では、前記結晶
質と非晶質とが混在する半導体層上に透明導電層を設け
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
第一導電形の結晶質半導体粒子を配置し、この結晶質半
導体粒子上に第二導電形の結晶質と非晶質とが混在する
半導体層を形成し、この第二導電形の結晶質と非晶質と
が混在する半導体層と基板との間に絶縁体を形成したこ
とにより、従来の特許第２６４１８００号公報、特開昭
６１−１２４１７９号公報、特公平８−３４１７７号公
報などで開示されている光電変換装置と比較して低コス
トの製造が可能であり、かつ優れた特性を実現できる。
言い換えると、単一導電形を持つ粒子を低い粒径精度で
製造すればよいため、低コストの製造が可能で、半導体
層の膜厚自由度が大きく、絶縁体で正極負極の分離が確
実にされるため、優れた特性を実現できる。優れた特性
とは、被覆性が十分で、この結晶質半導体粒子と導電膜
との間のショートがなく、高い変換効率を有することを
示す。

【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において、１は基板、２は絶縁層、
３は第一導電形の結晶質半導体粒子、４は結晶質と非晶
質とが混在する半導体層、５は透明導電膜である。

【００１５】基板１としては、金属、セラミック、樹脂
等が用いられる。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があ
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、その表面に導電層を形成する必要がある。

【００１６】絶縁層２は、正極負極の分離を行うために
設ける。例えばＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＰｂＯ、ＺｎＯ等
を任意な成分とするガラススラリ−を用いて形成する。
絶縁層２の膜厚は結晶質半導体粒子３の平均粒径の２／
３以下で１μｍ以上が好適である。絶縁層２の膜厚が結
晶質半導体粒子３の２／３以上になると、ｐｎ接合の形
成領域が小さくなり、キャリアを効率よく集めることが
できなくなるために好ましくない。また、絶縁層２の膜
厚が１μｍ以下のとき、基板１と結晶質と非晶質とが混
在する半導体層４との間の絶縁が不十分となり、基板１
と結晶質と非晶質とが混在する半導体層４とが一部で接
触し、ショートの原因となるために好ましくない。

【００１７】第一導電形の結晶質半導体粒子３は、Ｓ
ｉ、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３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２上から半
導体粒子３を押し込んで基板１に接触させる際に、絶縁
体層２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
程が必要になり、より安価に得るためには、不均一の場
合が有利である。

【００１８】また、粒子３の粒径は１０〜５００μｍが
よく、１０μｍ未満では押しつける際に押しつけ冶具に
絶縁層２が付着して半導体粒子３の表面が汚染されるた
め、好ましくない。また、５００μｍ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。

【００１９】第二導電形の結晶質と非晶質とが混在する
半導体層４は、触媒ＣＶＤ法、ＶＨＦ−ＣＶＤ法、プラ
ズマＣＶＤ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。結晶質と非晶質
とが混在する半導体層を形成する条件は、結晶質半導体
層を成膜する条件よりも広く、製造マージンを大きくと
れるために、低コストになる利点がある。また、結晶質
半導体球と結晶質と非晶質とが混在する半導体との接合
がヘテロ接合となるため、変換効率が向上する。結晶質
と非晶質とが混在する半導体層４は半導体粒子３の表面
に沿って形成し、半導体接合を光入射表面近傍かつ粒子
形状に沿って形成する、つまり粒子の表面部を図2に示
すような平面状にしないことが望ましい。半導体粒子３
の表面に沿って接合を形成することで、結晶質半導体粒
子３の内部のどの位置で生成したキャリアも効率よく集
めることができる。半導体層４を凹凸のある形状に成膜
するとき、膜厚が薄すぎると粒子表面に沿って粒子の露
出部をすべて覆うことが難しくなる。反対に膜厚を厚く
しすぎると被覆性は良好となるが、半導体層４の光吸収
による損失が大きくなり、変換効率が低下する。結晶質
と非晶質とが混在する半導体層４は非晶質半導体層と比
較して光吸収が小さいため、膜厚を厚くしても急激に損
失が大きくなることはない。膜厚は５０〜３００ｎｍが
好適である。５０ｎｍ以下の場合、被覆性が悪化し、半
導体粒子３と透明導電膜５が直接接触するリークが発生
して特性が悪化するために好ましくない。また、３００
ｎｍ以上の場合、変換効率が低下すること、タクトの低
下、材料費の増大によって高コストとなるために好まし
くない。

【００２０】透明導電膜５は、例えば酸化錫やＩＴＯを
スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法等で成膜する。な
お、太陽光の吸収が大きいと、変換効率が低下するた
め、太陽光の吸収が小さいことが好ましい。また、透明
導電膜の膜厚として１０〜３００ｎｍがより好ましい。
１０ｎｍ以下の膜厚では抵抗が大きくなり、変換効率が
低下するために好ましくない。３００ｎｍ以上の膜厚で
は光吸収が大きくなり、変換効率が低下することと、タ
クトの低下、材料費の増大によって高コストとなるため
に好ましくない。

【００２１】さらに、透明導電膜５の上に保護膜を設け
てもよい。保護膜としては、窒化珪素、酸化チタン等を
スパッタリング法やプラズマＣＶＤ法等で形成する。多
重反射効果、反射防止効果、耐候性の改善などの役割を
持たせることも可能である。

【００２２】また、基板１と半導体粒子２の境界に隣接
する半導体粒子３の外郭部分に、高い濃度の第一導電形
部を形成することが望ましい。このように、高濃度の第
一導電形部を形成することにより、半導体粒子３で形成
されたキャリアを効率よく分離し、変換効率を向上させ
ることができる。高濃度の第一導電形部を形成する方法
としては、基板１と半導体粒子３を接触させて加熱する
ことにより、基板１の元素の一部または基板１上に形成
した導電膜６の元素の一部を半導体粒子３の外郭に拡散
させる方法などがある。

【００２３】

【実施例】次に、本発明の光電変換装置の実施例を説明
する。

【００２４】〔実施例１〕まず、基板１上に絶縁層２を
形成する。基板１にはアルミニウムを用いた。絶縁層２
はガラスペーストを用いて８０μｍの厚みに形成した。
次に、その上に平均直径２００μｍの多結晶ｐ形シリコ
ン粒子３を密に１層配置した。次に、絶縁層２の軟化点
以上に加熱し、シリコン粒子３を絶縁層２に沈み込ま
せ、基板１と接触させた。次に、シリコン粒子３と絶縁
層２の上にｎ形結晶質シリコンと非晶質シリコンとの混
在層４を形成した。ｎ形結晶質シリコンと非晶質シリコ
ンとの混在層４の膜厚を変化させて特性を調べた結果を
表１に示す。その上に酸化錫からなる透明導電膜５を５
００ｎｍの厚みに形成した。その上に窒化珪素からなる
保護膜を５００ｎｍの厚みに形成した。

【００２５】また、比較例として、ｎ形結晶質シリコン
と非晶質シリコンとの混在層４の代わりにｎ形非晶質シ
リコン層を形成したサンプルを作製した。これも同様に
ｎ形非晶質シリコン層の膜厚を変化させて特性を調べた
結果を表１にまとめて比較した。

【００２６】被覆性は結晶シリコン粒子と透明導電膜が
直接接触することによるリークの頻度により評価した。
ｎ形シリコンの被覆性が十分であれば、結晶シリコン粒
子と透明導電膜が直接接触することはない。具体的に
は、サンプルを１０セット作製し、全数リークを×、９
〜３リークを△、２〜１リークを○、リークなしを◎と
した。変換効率はリークしていないものを測定し、その
平均で求めた。変換効率と被覆性の双方が良好なものに
は“良”と記載した。

【００２７】

【表１】

【００２８】上記結果から分かるように、結晶質シリコ
ンと非晶質シリコンとの混在層を用いた場合、非晶質シ
リコン層を用いた場合と比較して被覆性を満足し、且つ
高い変換効率を得ることができる。被覆性は○以上が製
造上必要である。非晶質シリコン層を用いた場合、被覆
性が良好となる５０ｎｍ以上の範囲で変換効率がいずれ
も５％以下であり、実用的でない。これは、非晶質シリ
コン層は結晶質シリコンと非晶質シリコンとの混在層と
比較して光吸収率が大きいため、膜厚を厚くすると透過
率が小さくなることが原因と考えられる。

【００２９】結晶質シリコン層を用いた場合、結晶質シ
リコンと非晶質シリコンとが混在する層を用いた場合と
比較して変換効率が低い。但し、光吸収が小さいため、
膜厚が２５０ｎｍ以上の範囲では結晶質シリコンと非晶
質シリコンとが混在する層を用いた場合と比較して変換
効率が高くなる。この結果から、結晶質シリコンと非晶
質シリコンとが混在する層を用いた場合、膜厚は５０ｎ
ｍ〜３００ｎｍが好適である。シリコン層が５０ｎｍ未
満の場合、被覆性が充分ではなく、３００ｎｍを超える
場合、変化効率が悪化するので、好ましくない。〔実施例２〕次に、ｐｎ接合の形状による違いを評価す
る。試料Ｎｏ．１〜７との比較例としてｐｎ接合の形状
が異なるサンプルを作製した。比較例は以下の通り作製
した。基板１上に絶縁層２を形成する。基板１にはアル
ミニウムを用いた。絶縁層２はガラスペーストを用いて
２００μｍの厚みに形成した。次に、その上に平均粒径
２００μｍの多結晶ｐ形シリコン粒子３を密に１層配置
した。次に、絶縁層２の軟化点以上に加熱し、シリコン
粒子３を絶縁層２に沈み込ませて基板１に接触させた。
次に、シリコン粒子３と絶縁層２が平面に露出するよう
に研磨した。次に、シリコン粒子３と絶縁層２の上にｎ
形結晶質シリコンと非晶質シリコンとの混在層４を形成
した。ｎ形結晶質シリコンと非晶質シリコンとの混在層
４の膜厚を変化させて評価した結果を表２に示す。その
上に酸化錫からなる透明導電膜５を５００ｎｍの厚みに
形成した。その上に窒化珪素からなる保護膜を５００ｎ
ｍの厚みに形成した。変換効率と被覆性の双方が良好な
ものには“良”と記載した。

【００３０】

【表２】

【００３１】上記結果からｐｎ接合が平面で形成される
場合、被覆性は良好な結果を示すが、変換効率が低く、
実用的でない。一方、ｐｎ接合が粒子表面に沿って形成
される場合、ｎ形シリコン層が５０〜３００ｎｍの範囲
で、被覆性、変換効率ともに優れた特性を得ることがで
きる。

【００３２】

【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結晶質半導体粒子を多数
配置し、この結晶質半導体粒子上に第二導電形の半導体
層を形成し、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と非晶質とが混在する半導
体層で形成したことから、被覆性と変換効率を両立させ
ることができ、高い特性を得ることができる。また、ｐ
形中心核の上にｎ形表皮部を形成することや粒径に高い
均一性を要求されることがなく、安価な光電変換装置を
提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の光電変換装置を示す断面図であ
る。

【図２】従来の光電変換装置を示す断面図である。

【図３】従来の他の光電変換装置を示す断面図である。

【図４】従来のその他の光電変換装置を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１：基板、２：絶縁層、３：結晶質半導体粒子、４：結
晶質と非晶質とが混在する半導体層、５：透明導電膜、
６：非晶質半導体層、７：低融点金属層、８：下部アル
ミニウム箔、９：ｐ形の上にｎ形表皮部を持つシリコン
球、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非
晶質層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者有宗久雄滋賀県八日市市蛇溝町長谷野1166番地の６京セラ株式会社滋賀工場八日市ブロック内Ｆターム(参考） 5F051 AA02 AA03 AA05 CA15 DA01 DA03 DA20 EA01 EA20 FA02 FA13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に第一導電形の結晶質半導体粒子
を多数配置し、この結晶質半導体粒子上に第二導電形の
半導体層を形成し、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と非晶質とが混在す
る半導体層で形成したことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】前記結晶質と非晶質とが混在する半導体
層の膜厚が５０ｎｍ〜３００ｎｍであることを特徴とす
る請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】前記結晶質と非晶質とが混在する半導体
層が前記結晶質半導体粒子の表面に沿って形成されるこ
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】前記結晶質と非晶質とが混在する半導体
層上に透明導電層を設けたことを特徴とする請求項１に
記載の光電変換装置。