JP2002198545A - 薄膜半導体素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造コストを抑えながらグレーティング加工
がなされた構造を設けることで、光吸収率を高め、光電
変換効率を向上させることができる薄膜半導体素子を提
供する。 【解決手段】 太陽電池素子１０は表裏両面にそれぞれ
反射体１３，１５が設けられた光電変換部１１を備え
る。反射体１３，１５はグレーティング加工により所定
の傾斜角で形成された複数の鋸歯状の溝部をそれぞれ有
する。反射体１５の溝部は反射体１３の溝部の形成方向
と直交する方向に形成される。入射した外部光は、反射
体１５を透過し、光電変換部１１に入射して吸収され
る。光電変換部１１を透過した光は、反射体１３により
光電変換部１１側に反射され、光電変換部１１に入射し
て吸収される。そして、光電変換部１１を透過した光は
反射体１５により光電変換部１１側に再度反射される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、格子（グレーティ
ング）構造を有する、単結晶シリコン薄膜を用いた太陽
電池素子などの薄膜半導体素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、太陽電池素子が一部実用化されて
いる。この太陽電池素子が本格的に使用されるために
は、省資源化や低コスト化を図ることが重要である。ま
た、エネルギー変換効率（光電変換効率）やエネルギー
回収年数の短縮化などを総合的に考えた場合には、厚膜
の太陽電池素子よりも薄膜の太陽電池素子の方が望まし
い。薄膜の太陽電池素子は、ある程度折り曲げることが
でき、例えば自動車本体の曲面部や電気製品の曲面部な
どに取り付けられるので、利用範囲が広がるという利点
がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、太陽電池素
子において、光電変換効率を向上させるために、その表
面に微細な凹凸状のパターン（テクスチャパターン）を
形成することによって、入射光を内部に閉じ込める構造
を有するものが種々開発されている。具体的には、シリ
コン薄膜の表面にテクスチャパターンを直接形成したも
のが多いが、単結晶シリコン薄膜を用いた太陽電池素子
の場合に、シリコン薄膜の表面にテクスチャパターンを
直接形成するのは以下のような理由から容易ではない。
例えば、シリコン基板にポーラス剥離層を形成し、この
ポーラス剥離層に単結晶シリコンをエピタキシャル成長
させて単結晶シリコン薄膜を形成した後、このシリコン
薄膜をポーラス剥離層においてシリコン基板から剥離す
る場合には、剥離後のシリコン薄膜をプラスチックフィ
ルムに接着することによって、このシリコン薄膜が割れ
ないように保護している。しかしながら、プラスチック
フィルムをシリコン薄膜に接着した状態では、その膜表
面が平坦にならないため、シリコン薄膜に対してテクス
チャパターンの高精度の加工を行うことが困難となる。
また、仮に膜表面の平坦性が保持されていたとしても、
機械加工を行った場合には、シリコン薄膜が割れやすく
なる。レーザ加工を行った場合には、プラスチックフィ
ルムが高温に耐えられず、この場合にもシリコン薄膜が
割れやすくなってしまう。

【０００４】そこで、例えば、格子状のテクスチャパタ
ーンを有するプラスチックフィルムを光電変換層の表面
に接着した構造を有する太陽電池素子が報告されている
（Technical Digest of the International PVSEC-11,
Sapporo, 1999, pp.341-342）。しかしながら、この太
陽電池素子では、それぞれ高屈折率を有するプラスチッ
クフィルムと接着剤が必要となり、その製造コストが高
くなるという問題がある。

【０００５】また、光電変換層や透明電極の表面をテク
スチャ化して太陽電池素子を製造する方法が報告されて
いる（特開平６−１９６７３８号公報）。しかしなが
ら、この方法では、テクスチャ化のための加工が容易で
はないので、太陽電池素子を製造する際の製造コストが
高くなるという問題がある。

【０００６】さらに、太陽電池素子を製造するための方
法として、単結晶シリコン薄膜の表面にグレーティング
加工を直接行う方法が報告されている（2nd World Conf
erence and Exhibition on Photovoltaic Solar Energy
Conversion, Vienna, 1998,pp.1209-1213 ）。しかし
ながら、上述したように、単結晶シリコン薄膜の表面に
対して凹凸加工を行うのは容易ではないので、この方法
を用いた場合には、太陽電池素子を製造する際の量産性
が悪くなり、製造コストが高くなるという問題がある。
また、シリコンはレーザによる加工性が悪いので、凹凸
加工をレーザにより高精度で行うことはできないという
問題もある。

【０００７】さらにまた、単結晶シリコン薄膜の表裏両
面に、互いに直交するような方向にグレーティング加工
を行う方法が報告されている（2nd World Conference a
nd Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Convers
ion, Vienna, 1998, pp.1302-1305 and pp.1693-170
0）。この方法に対しては有効な光の閉じ込めが期待で
きる。しかしながら、この方法では、機械加工によって
グレーティングの溝を形成しているので、太陽電池素子
を製造する際の量産性が悪くなり、製造コストが高くな
るという問題がある。また、機械加工を行った場合に
は、シリコン薄膜の表面が平滑な状態ではなくなるの
で、光の拡散が大きくなり、光の閉じ込めの効果が小さ
くなってしまう。さらに、シリコン薄膜は割れやすいた
めに加工しにくいという問題がある。

【０００８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、製造コストを抑えながらグレーティ
ング加工がなされた構造を設けることで、光電変換効率
を向上させることができる薄膜半導体素子を提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による薄膜半導体
素子は、対向する２面を有し、入射光を電気信号に変換
する光電変換部と、この光電変換部の一方の面側に設け
られ、所定の方向に形成された複数の第１の溝部を有
し、光電変換部の他方の面側から入射し光電変換部を透
過した光を光電変換部側に反射させる第１の反射体と、
光電変換部の他方の面側に設けられ、第１の溝部の形成
方向と直交する方向に形成された複数の第２の溝部を有
し、第１の反射体により反射され光電変換部を透過した
光を光電変換部側に反射させる第２の反射体とを備えた
構成を有している。

【００１０】本発明による薄膜半導体素子では、第１の
反射体の複数の第１の溝部により、光電変換部の他方の
面側から入射し光電変換部を透過した光が光電変換部側
に反射され、光電変換部に入射する。そして、第１の反
射体により反射され光電変換部を透過した光は、第１の
溝部の形成方向と直交する方向に形成された複数の第２
の溝部を有する第２の反射体により、光電変換部側に反
射され、光電変換部に入射する。これにより、太陽電池
素子などにおいて、光が光電変換部内に閉じ込められ、
光電変換効率が向上する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００１２】図１は本発明の一実施の形態に係る太陽電
池素子の概略構成の断面を表したものであり、図２はそ
の分解斜視図である。なお、図２では、後述する２つの
接着層は図示していない。この太陽電池素子１０は、光
電変換部１１を備えている。この光電変換部１１の一方
の表面（外部光の入射側と反対側の面）１１Ａには接着
層１２によって第１の反射体１３、他方の表面（外部光
の入射側の面）１１Ｂには接着層１４によって第２の反
射体１５が、それぞれ接着されている。

【００１３】光電変換部１１は、例えば単結晶シリコン
からなる光電変換層１６を有している。この光電変換層
１６には、ｐ⁺ 型層１６Ａおよびｎ⁺ 型層１６Ｂが形成
されている。光電変換層１６の一方の表面には、例えば
酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）からなる保護膜１７と、例え
ば酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）からなる反射防止膜１８とが
順に形成されている。同様に、光電変換層１６の他方の
表面には、例えば酸化シリコンからなる保護膜１９と、
例えば酸化チタンからなる反射防止膜２０とが順に形成
されている。光電変換層１６のｐ⁺ 型層１６Ａに接して
例えばアルミニウム（Ａｌ）からなる電極２１、ｎ⁺ 型
層１６Ｂに接して例えば銀（Ａｇ）からなる電極２２
が、それぞれ形成されている。

【００１４】光電変換層１６は、入射した光を吸収し、
その吸収光量に応じた電流を発生させるようになってい
る。保護膜１７，１９は、光電変換層１６の両面におけ
るキャリアの再結合を減少させるためのものである。電
極２１，２２は、光電変換層１６において発生した電流
を電気信号として取り出すためのものである。

【００１５】図３は反射体１３の構成の一部を表したも
のであり、図２に示したＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面
図である。この反射体１３は、例えばプラスチックから
なる、透明で柔軟なフィルム２３と、このフィルム２３
の一方の表面（外部光の入射側の面）に形成された例え
ばアルミニウムからなる反射膜２４とを有している。フ
ィルム２３の一方の表面には、グレーティング加工によ
り、所定の方向に複数の微細な溝部２３Ａが形成されて
いる。これにより、反射体１３は凹凸面を有する。溝部
２３Ａは、鋸歯状であり、光電変換部１１の表面に対し
て所定の傾斜角θで傾斜している。溝部２３Ａの形成ピ
ッチは、例えば約１μｍ〜約１００μｍの範囲内であ
る。この反射体１３は、光電変換部１１の表面１１Ｂ側
から入射し光電変換部１１を透過した光を光電変換部１
１側に反射させ、これにより光を光電変換部１１に閉じ
込めるようになっている。

【００１６】図４は反射体１５の構成の一部を表したも
のであり、図２に示したＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図で
ある。この反射体１５は、例えばプラスチックからな
る、透明で柔軟なフィルム２５を有している。このフィ
ルム２５の一方の表面（外部光の入射側の面）には、グ
レーティング加工により、複数の微細な溝部２５Ａが光
電変換部１１の表面に対して上記の傾斜角θで傾斜して
形成されている。これにより、反射体１５は凹凸面を有
する。図２に示したように、溝部２５Ａは、反射体１３
の溝部２３Ａの形成方向と直交する方向に形成されてい
る。溝部２５Ａの形成ピッチは、溝部２３Ａの形成ピッ
チと同じである。この反射体１５は、光電変換部１１の
表面１１Ｂ側から入射した外部光を透過させると共に、
反射体１３により反射され光電変換部１１を透過した光
を光電変換部１１側に反射させ、これにより光を光電変
換部１１に閉じ込めるようになっている。

【００１７】次に、以上のように構成された太陽電池素
子１０の作用について説明する。

【００１８】入射した外部光は、反射体１５および接着
層１４を透過して光電変換部１１の光電変換層１６に入
射し、その一部が吸収される。光電変換層１６に吸収さ
れずに透過した光は、反射体１３によって反射され、光
電変換層１６に再度入射して一部が吸収される。その
後、光電変換層１６を透過した光は、反射体１５によっ
て再度反射され、光電変換層１６に入射して吸収され
る。このような光の反射の繰り返しにより、光を吸収し
た光電変換層１６では、ｐ⁺ 型層１６Ａおよびｎ⁺型層
１６Ｂにおいて電子−正孔対が発生し、これにより吸収
光量に応じた電流が流れ、電気信号が電極２１，２２に
より取り出される。

【００１９】以上のように、光電変換部１１の表裏両面
において反射体１３，１５を設けて光電変換層１６に光
を繰り返し入射させるようにすることで、光が光電変換
層１６に閉じ込められる。これにより、光電変換層１６
における光路長が長くなるので、光吸収量が増加し、光
電変換効率が向上する。

【００２０】ここで、上記のグレーティング加工がなさ
れた反射体１３，１５を光電変換部１１の表裏両面に設
けた太陽電池素子１０に関して、入射光の波長に対する
光電変換層としてのシリコン薄膜の光吸収率の幾何光学
的な計算を行った。図５（Ａ），（Ｂ）はその計算結果
を表している。縦軸は光吸収率（ａ．ｕ．；arbitrary
unit）、横軸は入射光の波長（μｍ）である。図５にお
いて、（１）はグレーティング加工がなされていない太
陽電池素子の場合、（２）は、溝部の形成方向が互いに
直交した反射体が設けられた太陽電池素子の場合、
（３）はグレーティング加工の反射体が設けられている
が、各反射体の溝部の形成方向が平行である太陽電池素
子の場合、をそれぞれ表している。これらの計算条件と
しては、入射光の偏光方向はランダムとした。入射光の
波長は、そのスペクトルが太陽光と同じものであると
し、例えば約６５０ｎｍ〜約１１４０ｎｍの範囲内とし
た。光の入射方向を例えば約−８０°〜約８０°（光電
変換部の表面に対して垂直な方向を０°とした場合の角
度）の範囲内とし、光吸収率の平均値を計算した。光電
変換部と反射体（フィルム）との界面での光の反射に関
しては、反射防止膜によって十分小さくなっているもの
として無視した。反射体に形成されている溝部の傾斜角
θは３５°とした。

【００２１】図５（Ａ），（Ｂ）から、約０．７μｍ〜
約１．１μｍの波長範囲においては、グレーティング加
工がなされ、溝部の形成方向が互いに直交している反射
体を設けた太陽電池素子の場合（（２））の方が、溝部
の形成方向が互いに平行である反射体を設けた太陽電池
素子の場合（（３））よりも光吸収率が高く、これによ
り、この波長範囲においては、光電変換部に対する光の
閉じ込め効果が顕著であることがわかる。なお、この計
算結果は、グレーティング加工のピッチ（溝部の形成ピ
ッチ）が入射光の波長よりも大きい場合に有効である。

【００２２】図６は反射体における溝部の形成方向に対
するシリコン薄膜の光吸収率を計算した結果を表したも
のである。図６において、「Ａｏ」は、上記のグレーテ
ィング加工がなされていない太陽電池素子の場合の光吸
収率、「Ａ」は、グレーティング加工がなされ、溝部の
形成方向が直交しているまたは平行である反射体を設け
た太陽電池素子の場合の光吸収率、をそれぞれ表してい
る。ここで、計算条件として、入射光の波長は０．６６
μｍ〜１．１４μｍとした。この波長で太陽光のスペク
トルを仮定している。図６から、溝部の形成方向が直交
している反射体を設けた場合の方が、平行である反射体
を設けた場合よりも光吸収率が約２倍以上高くなってい
ることがわかる。

【００２３】図７は、反射体において形成方向が直交す
るように形成された溝部の異なる傾斜角に対するシリコ
ン薄膜の光吸収率を計算した結果を表したものである。
ここでは、傾斜角θが２０°，２５°，３０°，３５
°，４０°の場合について計算した。その他の計算条件
は、図６に示した計算結果の場合と同じである。図７か
ら、溝部の傾斜角θが２５°〜４０°の範囲内におい
て、光吸収率が、グレーティング加工がなされていない
場合よりも、十数％以上高くなっていることがわかる。

【００２４】以上のように、本実施の形態では、太陽電
池素子１０の光電変換部１１の表裏両面に、グレーティ
ング加工により所定の傾斜角で形成された複数の溝部を
有する反射体１３，１５を、溝部の形成方向が直交する
ようにそれぞれ設けることで、入射光を光電変換部１１
に閉じ込めるようにしている。従って、太陽電池素子に
おいてその光吸収率を高めて光電変換効率を向上させる
ことができる。一般的に、太陽電池素子の光吸収率は、
光電変換層の厚さが薄くなるほど小さくなるので、特
に、シリコン薄膜を用いた太陽電池素子を製造する場合
において上記のように反射体を設けることは有効であ
る。また、光電変換層としてのシリコン薄膜の表面にグ
レーティング加工を直接行うことなく、グレーティング
加工がなされたプラスチックフィルムからなる反射体１
３，１５を光電変換部１１の表裏両面に接着するように
しているので、高精度にグレーティング加工がなされた
構造を有する太陽電池素子を容易に製造することができ
る。さらに、シリコン薄型を用いた太陽電池素子の割れ
などを防止するための補強用のプラスチックフィルムに
予めグレーティング加工をしておき、このプラスチック
フィルムを反射体として用いるようにすることにより、
太陽電池素子の製造工程数を削減することができ、製造
コストを低減することが可能となる。

【００２５】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、
種々の変形が可能である。例えば、光を光電変換部に閉
じ込めるための反射体として、プラスチックフィルムの
代わりに、ガラス板を用いるようにしてもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の薄膜半導
体素子によれば、光電変換部の一方の面側に、所定の方
向に形成された複数の第１の溝部を有する第１の反射体
を設けると共に、光電変換部の他方の面側に、第１の溝
部の形成方向と直交する方向に形成された複数の第２の
溝部を有する第２の反射体を設け、光電変換部の他方の
面側から入射し光電変換部を透過した光を第１の反射体
により光電変換部側に反射させると共に、第１の反射体
により反射され光電変換部を透過した光を第２の反射体
により光電変換部側に反射させるようにしたので、光電
変換部における光吸収率を高めて、その光電変換効率を
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る薄膜半導体素子で
ある太陽電池素子の構成を表す断面図である。

【図２】図１に示した太陽電池素子の構成を表す分解斜
視図である。

【図３】図１に示した第１の反射体の構成の一部を表す
断面図である。

【図４】図１に示した第２の反射体の構成の一部を表す
断面図である。

【図５】図１に示した太陽電池素子の、入射光の波長に
対する光吸収率を幾何光学的に計算した結果を表す図で
ある。

【図６】図１に示した太陽電池素子の、第１および第２
の反射体における溝部の形成方向に対する、光吸収率を
計算した結果を表す図である。

【図７】図１に示した太陽電池素子の、第１および第２
の反射体に形成された溝部の異なる傾斜角に対する、光
吸収率を計算した結果を表す図である。

【符号の説明】

１０…太陽電池素子、１１…光電変換部、１２，１４…
接着層、１３，１５…反射体、１６…光電変換層、１６
Ａ…ｐ⁺ 型層、１６Ｂ…ｎ⁺ 型層、１７，１９…保護
膜、１８，２０…反射防止膜、２１，２２…電極、２
３，２５…フィルム、２３Ａ，２５Ａ…溝部、２４…反
射膜。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対向する２面を有し、入射光を電気信号
   に変換する光電変換部と、 前記光電変換部の一方の面側に設けられ、所定の方向に
   形成された複数の第１の溝部を有し、前記光電変換部の
   他方の面側から入射し前記光電変換部を透過した光を前
   記光電変換部側に反射させる第１の反射体と、 前記光電変換部の他方の面側に設けられ、前記第１の溝
   部の形成方向と直交する方向に形成された複数の第２の
   溝部を有し、前記第１の反射体により反射され前記光電
   変換部を透過した光を前記光電変換部側に反射させる第
   ２の反射体とを備えたことを特徴とする薄膜半導体素
   子。
2. 【請求項２】 前記第１および第２の溝部は、前記光電
   変換部の表面に対して２５°〜４０°の範囲内の傾斜角
   でそれぞれ傾斜して形成されたものであることを特徴と
   する請求項１記載の薄膜半導体素子。
3. 【請求項３】 前記第１および第２の反射体はそれぞれ
   プラスチックフィルムまたはガラス板からなることを特
   徴とする請求項１記載の薄膜半導体素子。
4. 【請求項４】 さらに、前記第１の反射体を前記光電変
   換部の一方の面側に接着させるための第１の接着層と、 前記第２の反射体を前記光電変換部の他方の面側に接着
   させるための第２の接着層とを備えたことを特徴とする
   請求項１記載の薄膜半導体素子。
5. 【請求項５】 前記光電変換部は、単結晶シリコン膜を
   有することを特徴とする請求項１記載の薄膜半導体素
   子。