JP2002076387A - 光電変換装置 - Google Patents
光電変換装置Info
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Abstract
置は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半導体粒子を
多数配置し、この結晶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が少なくとも不純物添加濃度が異
なる二層からなり、下部の第二導電形半導体層の不純物
添加濃度を上部の第二導電形半導体層の不純物添加濃度
よりも低くすることで、高い変換効率を有する光電変換
装置を実現できる。
Description
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。
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
8を形成し、この低融点金属層8上に第1導電形の結晶
半導体粒子3を配設し、前記結晶半導体粒子3上に第2
導電形の非晶質半導体層7を上記低融点金属層8との間
に絶縁層2を介して形成する光電変換装置が開示されて
いる。
よれば、図3に示すように、上部アルミニウム箔11に
開口11aを形成し、その開口11aにp形核10aの表
面にn形表皮部10bを持つシリコン球10を配設し、
このシリコン球10の裏側のn形表皮部10bを除去
し、上部アルミニウム箔11の裏面側に絶縁層2を形成
し、シリコン球9裏側のp形核10aとを接合する光電
変換装置が開示されている。
ば、図4に示すように、基板1上に半導体微小結晶粒1
4を堆積させ、この半導体の微小結晶粒14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14を形成す
る方法が開示されている。なお、図4において12はS
nなどの低融点金属膜、13はMoなどの高融点金属
膜、15は第2導電形の多結晶あるいは非晶質半導体
層、6は透明導電膜である。
示す従来の光電変換装置によれば、第2導電形の半導体
層7として非晶質半導体層を用いるため、非晶質半導体
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、半導体層7を粒子3の表面に沿って半導
体層を形成するとき、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7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。
は、p形中心核10aの上にn形表皮部10bをもつシ
リコン球10を製造する必要があること、およびアルミ
ニウム箔11に開口11aを形成し、その開口11aにシ
リコン球10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10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。
低融点金属膜12の成分が多結晶薄膜14へ混入して特
性が落ち、絶縁体が無いために、上部電極6と下部電極
13との間がショートしやすいという問題があった。
みてなされたものであり、その目的は優れた特性の光電
変換装置を提供することにある。
に、本発明に係る光電変換装置は、一方の電極となる基
板上に、第一導電形の結晶質半導体粒子を多数配設し、
この結晶質半導体粒子間に絶縁物質を介在させ、この結
晶質半導体粒子の上部に第二導電形の半導体層を形成し
た光電変換装置において、前記第二導電形の半導体層が
少なくとも不純物添加濃度の異なる二層からなり、下部
の第二導電形半導体層の不純物添加濃度が上部の第二導
電形半導体層の不純物添加濃度よりも低いことを特徴と
する。
形半導体層が結晶質であることが望ましい。
形半導体層が結晶質であることが望ましい。
形半導体層の膜厚が20〜100nmであることが望ま
しい。
形半導体層の膜厚が50〜500nmであることが望ま
しい。
形半導体層の膜厚が20〜100nmであり、前記上部
第二導電形半導体層の膜厚が50〜500nmであり、
且つ前記上部第二導電形半導体層の膜厚が前記下部第二
導電形半導体層の膜厚よりも厚いことが望ましい。
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は下部第二導電
形半導体層、5は上部第二導電形半導体層である。
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の構成は単層又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といった絶縁体の
場合には、その表面に導電層を形成する必要がある。
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の膜厚は結晶半導体粒子3の平均粒径の2/3
以下で1μm以上がより好適である。絶縁層2の膜厚が
結晶半導体粒子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、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と結晶質と非晶質混在の
半導体層4との間の絶縁が不十分となり、基板1と結晶
質と非晶質混在の半導体層4とが接触し、ショートの原
因となるため好ましくない。
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、例えば後述の絶縁体層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
なるため、より安価にするためには不均一の場合が有利
である。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治具に絶
縁層2が付着して半導体粒子3の表面を汚染するため好
ましくない。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。
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、
又は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。下部第2導電形半導体層4は結晶質であるこ
とが望ましい。下部第2導電形半導体層4が非晶質の場
合、光吸収が大きいため結晶半導体粒子3へ到達する光
量が減少して変換効率が低下する。ただし、結晶化率8
0%以上であれば影響はなく、結晶粒径にも依存しな
い。下部第二導電形半導体層4はpn接合特性を重視し
た設計とし、不純物添加濃度は2×1016atm/cm
3以上、5×1018atm/cm3以下が好ましい。不純
物添加濃度が2×1016atm/cm3以下のときは直
列抵抗が大きくなって変換効率が低下するため不適当で
あり、5×1018atm/cm3以上のとき漏れ電流が
大きくなって変換効率が低下するため不適当である。下
部第二導電形半導体層4は半導体粒子3の表面に沿って
形成し、接合を光入射表面近傍かつ粒子形状に沿って形
成することが望ましい。半導体粒子3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。
下部第二導電形半導体層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
る損失が大きくなって変換効率が低下する。膜厚は20
〜100nmが好適である。20nm以下の膜厚のとき
被覆性が悪化し、半導体粒子3と上部第二導電形半導体
層5が直接接触するために漏れ電流が大きくなって変換
効率が低下するため好ましくない。また、100nm以
上の場合、直列抵抗が大きくなって変換効率が低下する
こと、タクトが低下すること、材料費が増大することに
より、高コストとなるため好ましくない。
電形半導体層4と同様、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、又は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。上部第2
導電形半導体層5は結晶質であることが望ましい。上部
第2導電形半導体層5が非晶質の場合、光吸収が大きい
ため結晶半導体粒子3へ到達する光量が減少するため変
換効率が低下する。ただし、結晶化率80%以上であれ
ば影響はなく、結晶粒径にも依存しない。上部第二導電
形半導体層5は導電性を重視した設計とし、不純物添加
濃度は1×1019atm/cm3以上が好ましい。不純
物添加濃度が5×1019atm/cm3以下のとき直列
抵抗が大きくなって変換効率が低下するため不適当であ
る。上部第二導電形半導体層5は補助電極としても機能
し、各々の粒状結晶半導体にて発生した光電流を集め金
属電極まで運ぶ役割を担う。補助電極として必要となる
シート抵抗(例えば100Ω/cm2以下)を得るため
には膜厚を厚くしなければならず、膜厚を厚くすると上
部第二導電形半導体層5での光吸収が大きくなって変換
効率が低下するため適当ではない。膜厚は50〜500
nmが好適である。50nm以下の膜厚ではシート抵抗
が大きくなって変換効率が低下するため好ましくない。
また500nm以上になると光吸収による損失が大きく
なって変換効率が低下するため好ましくない。
下部第二導電形半導体層4の膜厚よりも厚いことがより
好ましい。下部第二導電形半導体層4の膜厚が厚い場
合、直列抵抗が大きくなって変換効率が低下する。下部
第二導電形半導体層4の膜厚は被覆性が良好となる下限
の膜厚とし、上部第二導電形半導体層5の膜厚は直列抵
抗を下げるため下部第二導電形半導体層4の膜厚よりも
厚くすることが好ましい。
導電形半導体層の間に中間の不純物添加濃度を有する中
間半導体層を設けても同様の効果が得られた。さらに下
部から上部へ連続的に濃度勾配を設けた場合であっても
同様の効果が得られた。
護膜を設けてもよい。保護膜として、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、耐候性改善などの
役割を持たせることも可能である。
を説明する。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50μm形成した。次に、その上に平均直
径100μm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、前記シ
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の上に下部n形
結晶シリコン層4を形成した。下部n形結晶シリコン層
4中へのリン添加濃度は1×1017atm/cm3とし
た。下部n形結晶シリコン層4の構造と膜厚を変化させ
て特性を調べた結果を表1に示す。その上に上部n形結
晶シリコン層5を100nm形成した。上部n形シリコ
ン層4中へのリン添加濃度は3×1020atm/cm3
とした。その上に窒化珪素からなる保護膜を500nm
形成した。
を単一層とし、下部n形シリコン層無しのサンプルも作
製して同様に表1にまとめた。
シリコン層の構造は結晶質がよく、膜厚は20〜100
nmが好適である。下部n形結晶シリコン層が無いと
き、高い不純物濃度を持つ上部n形結晶シリコン層とp
形シリコン粒子が直接接合するために漏れ電流が大きく
なって変換効率が大幅に低下する。
質、膜厚を50nmで固定し、上部n形シリコン層の構
造と膜厚を変化させて評価した結果を表2にまとめた。
シリコン層の構造は結晶質がよく、膜厚は50〜500
nmが好適である。上部n形結晶シリコン層が無いと
き、直列抵抗が大きくなって変換効率が低下するため好
ましくない。つまり、単一濃度のn形結晶シリコン層を
用いる場合、不純物濃度を下げると直列抵抗が大きくな
り、不純物濃度を上げると漏れ電流が大きくなるため、
両立させることが難しい。
よれば、基板上に第一導電形の結晶半導体粒子を多数配
置し、この結晶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
電形の半導体層が少なくとも不純物添加濃度が異なる二
層からなり、下部の第二導電形半導体層の不純物添加濃
度を上部の第二導電形半導体層の不純物添加濃度よりも
低くすることにより、高い変換効率が実現できる。
である。
Claims (6)
- 【請求項1】 一方の電極となる基板上に、第一導電形
の結晶質半導体粒子を多数配設し、この結晶質半導体粒
子間に絶縁物質を介在させ、この結晶質半導体粒子の上
部に第二導電形の半導体層を形成した光電変換装置にお
いて、前記第二導電形の半導体層が少なくとも不純物添
加濃度の異なる二層からなり、下部の第二導電形半導体
層の不純物添加濃度が上部の第二導電形半導体層の不純
物添加濃度よりも小さいことを特徴とする光電変換装
置。 - 【請求項2】 前記下部第二導電形半導体層が結晶質で
あることを特徴とする請求項1記載の光電変換装置。 - 【請求項3】 前記上部第二導電形半導体層が結晶質で
あることを特徴とする請求項1記載の光電変換装置。 - 【請求項4】 前記下部第二導電形半導体層の膜厚が2
0〜100nmであることを特徴とする請求項1記載の
光電変換装置。 - 【請求項5】 前記上部第二導電形半導体層の膜厚が5
0〜500nmであることを特徴とする請求項1記載の
光電変換装置。 - 【請求項6】 前記下部第二導電形半導体層の膜厚が2
0〜100nmであり、前記上部第二導電形半導体層の
膜厚が50〜500nmであり、且つ前記上部第二導電
形半導体層の膜厚が前記下部第二導電形半導体層の膜厚
よりも厚いことを特徴とする請求項1記載の光電変換装
置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000258027A JP4666734B2 (ja) | 2000-08-28 | 2000-08-28 | 光電変換装置 |
US09/866,069 US6620996B2 (en) | 2000-05-29 | 2001-05-25 | Photoelectric conversion device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000258027A JP4666734B2 (ja) | 2000-08-28 | 2000-08-28 | 光電変換装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JP2002076387A true JP2002076387A (ja) | 2002-03-15 |
JP4666734B2 JP4666734B2 (ja) | 2011-04-06 |
Family
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000258027A Expired - Fee Related JP4666734B2 (ja) | 2000-05-29 | 2000-08-28 | 光電変換装置 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7402747B2 (en) | 2003-02-18 | 2008-07-22 | Kyocera Corporation | Photoelectric conversion device and method of manufacturing the device |
WO2020082151A1 (ru) * | 2018-10-26 | 2020-04-30 | Владимир Яковлевич ШИРИПОВ | Кремниевый солнечный элемент и способ его изготовления |
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JPH0321079A (ja) * | 1989-06-19 | 1991-01-29 | Mitsubishi Electric Corp | 多結晶太陽電池 |
JPH04207085A (ja) * | 1990-11-30 | 1992-07-29 | Sharp Corp | 太陽電池及びその製造方法 |
JPH06163953A (ja) * | 1992-11-27 | 1994-06-10 | Sanyo Electric Co Ltd | 光起電力素子及びその製造方法 |
JPH11317534A (ja) * | 1998-04-30 | 1999-11-16 | Konica Corp | 太陽電池及びその製造方法 |
-
2000
- 2000-08-28 JP JP2000258027A patent/JP4666734B2/ja not_active Expired - Fee Related
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WO2020082151A1 (ru) * | 2018-10-26 | 2020-04-30 | Владимир Яковлевич ШИРИПОВ | Кремниевый солнечный элемент и способ его изготовления |
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JP4666734B2 (ja) | 2011-04-06 |
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