JP2002299656A

JP2002299656A - 光電変換装置

Info

Publication number: JP2002299656A
Application number: JP2001097714A
Authority: JP
Inventors: Toshifumi Kiyohara; 敏史清原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2002-10-11

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、充分な変換効率が得られなかった。【解決手段】下部電極１上に一導電型を呈する多数の
半導体粒子５を配設し、この半導体粒子５間に絶縁体２
を充填して、この半導体粒子５の上部に逆導電型の半導
体層３を設けた光電変換装置において、前記半導体粒子
５間に錐面が前記半導体粒子５の方向を向いた断面形状
が台形もしくは三角形の角錐状突起を設けた。

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、特に多数の半導体粒子を用いた光電変換装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】従
来、光電変換装置としては板状の半導体基板を用いた光
電変換装置が知られており、広く使用されている。この
従来の光電変換装置は変換素子の全面で受光できるため
に高い変換効率を有しているが、半導体の使用量が多
く、低コスト化が困難であるという問題があった。

【０００３】また、半導体材料の使用量を減らし、より
低コストな光電変換装置として、一導電型を呈する多数
の半導体粒子を基板上に搭載したボールソーラが考案さ
れている。従来のボールソーラの構造を図３に示す。図
３に示すように、下部電極１の上に複数個の一導電型を
呈する半導体粒子５を配設し、その上部に逆導電型の半
導体部３と保護層４を積層することによって形成されて
いる。この構造においては、一導電型を呈する多数の半
導体粒子を使用するため、半導体の使用量が少なくす
み、低コスト化が可能であるが、一導電型を呈する多数
の半導体粒子の間に入った光を電気に変換できず、充分
な変換効率が得られないという致命的な問題があった。

【０００４】この問題を解決するために、特願２００１
−５４２８号に示すような構造が提案されている。この
構造を図４に示す。図４（ａ）に示すように、下部電極
１の上に複数の半導体粒子５を配設し、その上部に逆導
電型の半導体部３と保護層４を積層したものであり、隣
接する半導体粒子５の間に光線反射材からなる突起６を
形成し、隣接する半導体粒子５の間に入った光を反射さ
せて隣接する半導体粒子５で吸収させるというもであ
る。

【０００５】しかしながら、この従来の光電変換装置で
は、図４（ｂ）に示すように、隣接する半導体粒子５の
間に設けられた光線反射材からなる突起６に照射された
光の一部は反射して半導体粒子５で吸収されるが、多く
は半導体粒子５以外の方向へ反射するため、充分な変換
効率が得られないという問題があった。

【０００６】本発明はこのような従来技術の問題点に鑑
みてなされたものであり、少量の半導体原料で高い変換
効率を有する光電変換装置を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【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によれば、下部電極上
に一導電型を呈する多数の半導体粒子を配設し、この半
導体粒子間に絶縁体を充填して、この半導体粒子の上部
に逆導電型の半導体層を設けた光電変換装置において、
前記半導体粒子間に錐面が前記半導体粒子の方向を向い
た断面形状が台形もしくは三角形の角錐状突起を設けた
ことを特徴とする。

【０００８】上記光電変換装置では、前記角錐状突起が
光線反射材で形成されていてもよい。

【０００９】また、上記光電変換装置では、前記角錐状
突起を形成する光線反射材がアルミニウム、銅、ニッケ
ル、鉄及びその合金、または窒化チタンであることが望
ましい。

【００１０】また、上記光電変換装置では、前記角錐状
突起が透明体で形成されていてもよい。

【００１１】また、上記光電変換装置では、前記角錐状
突起を形成する透明体がガラス、樹脂、セラミックであ
ることが望ましい。

【００１２】また、上記光電変換装置では、前記角錐状
突起の高さが５μｍ以上で、かつ前記半導体粒子の直径
の１倍以下であることが望ましい。

【００１３】また、上記光電変換装置では、前記一導電
型を呈する半導体粒子の上部に透明誘電体保護層が形成
されていることが望ましい。

【００１４】また、上記光電変換装置では、前記角錐状
突起の錐面が前記半導体粒子と同一方向の曲面を有して
いることが望ましい。

【００１５】また、上記光電変換装置では、前記角錐状
突起が下部電極と一体的に形成されていることが望まし
い。

【００１６】また、上記光電変換装置では、前記角錐状
突起を形成する透明体が前記絶縁体層と同一の材料で形
成されていることが望ましい。

【００１７】また、上記光電変換装置では、隣接する前
記角錐状突起が互いに底面の角部を共有し、前記半導体
粒子を取り巻くように形成されていてもよい。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の光電変換装置の実
施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１（ａ）は
本発明の一実施例を示す断面図であり、図１（ｂ）およ
び図１（ｃ）は本発明における光電変換装置の光の反射
状態を示す上面図である。図１（ａ）に示すように、本
発明の光電変換装置は、下部電極１の上に複数個の一導
電型を呈する半導体粒子５を配設し、その上部に逆導電
型の半導体部３と保護層４を積層することによって形成
されており、隣接する半導体粒子５の間に凸部を形成し
て角錐状突起６を形成している。その角錐状突起６の側
面は隣接する半導体粒子５と一致するように配設されて
いる。

【００１９】つまり、図１（ｂ）に示すように、半導体
粒子５を４方格子状に整列させた場合は、複数の半導体
粒子５の間に底面が略４角形の角錐状突起６の錐面６ａ
を各々の面が半導体粒子５の方向に向くように形成す
る。半導体粒子５を６方格子状に整列させた場合は、図
１（ｃ）に示すように、複数の半導体粒子５の間に底面
が略３角形の角錐状突起６の側面を各々の面が隣接する
半導体粒子５の方向に向くように形成する。

【００２０】半導体粒子５を６方格子状に整列させた場
合の半導体粒子５と角錐状突起６の配置例を図２に示
す。隣接する半導体粒子５間の大きさによって角錐状突
起６の寸法は自由に選ぶことができ、特にその寸法を制
限するものではない。しかし、隣接する半導体粒子５間
に入った光をより有効に利用するためには、いうまでも
なくその空間に入る最大の寸法であることが望ましい。
この場合、隣接する角錐状突起６が互いに底面の角部を
共有し、前記半導体粒子５を取り巻くような形状とな
る。

【００２１】また、半導体粒子５が球状のような曲面を
持つ場合、角錐状突起６へ入射した光を半導体粒子５へ
効率的に向けられる点で、角錐状突起６の側面も半導体
粒子５と同一方向の曲面を持つほうが望ましい。

【００２２】下部電極１は導電性をもつものであればよ
く、基板としてセラミックや樹脂等の絶縁物質を用いる
場合は、その表面に導電層を形成する必要がある。

【００２３】半導体粒子５は、Ｓｉ、Ｇｅ等にｐ形を呈
するＢ、Ａｌ、Ｇａ等が微量元素含まれているものであ
る。半導体粒子５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。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、コスト的には不均一の方が有利であ
る。さらに凸曲面を持つことによって光の光線角度の依
存性も小さくすることができる。

【００２４】半導体粒子５の配列方法は、図１（ｂ）、
（ｃ）に示すように、４方格子、６方格子等のいずれで
あってもよく、特にその配列方法には限定されないが、
半導体粒子５と角錐状突起６の側面を一致させる点か
ら、規則的に配列させることが望ましい。図１（ｂ）に
示すように、半導体粒子５を４方格子状に配設した場
合、角錐状突起６の底面は略４角形がよく、図１（ｃ）
に示すように、６方格子状に配設した場合、角錐状突起
６の底面は略３角形がよい。

【００２５】半導体粒子５の配列方法の一例を次に示
す。箱型の治具に半導体粒子５の粒径より小さい穴を設
計した配列に形成し、箱形の治具内部をポンプで減圧
し、粒径より小さい穴に半導体粒子５を吸着させる。上
記治具を基板１上に搬送した後、治具内部の圧力を上げ
て半導体粒子５を基板１上に並べる。この配列方法によ
ると、箱型治具に形成した穴の配列を設計することで、
半導体粒子５を適当な配列に容易に並べることができ
る。その他、超音波等の振動を与えて半導体粒子５を配
列する方法もある。

【００２６】角錐状突起６は、半導体粒子５がない位置
に入射した光を半導体粒子５へ導くものであるため、ミ
ラーとしての効果を発揮する光線反射材でも、レンズと
しての効果を発揮する透明体でもよい。

【００２７】角錐状突起６を光線反射材で形成する場
合、角錐状突起６に入射した光は角錐状突起６で反射し
て半導体粒子５へ導かれて発電に寄与することができ、
高い変換効率を実現できる。角錐状突起６の側面を半導
体粒子５と一致させると、反射した光が隣接する半導体
粒子５の隙間から逃げることがなく、その結果として、
半導体粒子５の光吸収率を高める作用をなす。角錐状突
起６を光線反射材で形成する場合、製造上、角錐状突起
６と下部電極１を同一材料で形成すればよい。

【００２８】また、角錐状突起６を透明体で形成する場
合、角錐状突起６に入射した光は屈折して半導体粒子５
へ導かれて発電に寄与することができ、高い変換効率を
実現できる。角錐状突起６の側面を半導体粒子５と一致
させることにより、屈折した光が隣接する半導体粒子５
の隙間から逃げることがなく、その結果として、半導体
粒子５の光吸収率を高める作用をなす。角錐状突起６を
透明体で形成する場合、角錐状突起６と絶縁体２を同一
材料で形成することが望ましい。

【００２９】また、角錐状突起６は下部電極１の表面か
ら形成することが好ましい。これは、下部電極１の表面
から角錐状突起６を形成する場合が角錐状突起６の高さ
を最も高くとれ、多量の光を半導体粒子５へ導くことが
できるためである。そのため、角錐状突起６は下部電極
１と一体的に形成されることが望ましい。

【００３０】また、角錐状突起６を光線反射材で形成す
る場合、角錐状突起６の部材は、アルミニウム、銅、ニ
ッケル、鉄及びその合金、窒化チタンであることが好ま
しい。さらに好ましくは、アルミニウム又は銅を主とし
て銀、金、白金、錫、マンガン、クロム、チタン、鉄、
シリコンを加えたアルミニウム又は銅合金であることが
好ましい。この理由は、高い反射率を有し、安価である
ことによる。

【００３１】角錐状突起６を下部電極１上に形成すると
き、角錐状突起６の高さは５μｍ以上で、且つ半導体粒
子５の直径の１倍以下であることが好ましい。角錐状突
起６の頂点の高さが半導体粒子５の直径の１倍以上のと
きは、光が斜めに入射した場合に角錐状突起６が半導体
粒子５に直接入射する光をさえぎってしまい、半導体粒
子５の光吸収率が低下してしまう。また、角錐状突起６
の高さが５μｍ以下の場合は光を集める効果が小さくな
るために好ましくない。よって、角錐状突起６の高さは
５μｍ以上で、且つ半導体粒子５の直径の１倍以下であ
ることが好ましい。

【００３２】角錐状突起６を光線反射材で形成する方法
として、下部電極１にプレス成形して角錐状突起６を形
成する方法、多角錐状や多角円錐状に形成した金属片を
金属板からなる下部電極に加圧して圧着する方法等があ
る。

【００３３】角錐状突起６を透明体で形成する方法とし
て、透明体からなる絶縁体２を塗付した後にプレス成形
で角錐状突起６を形成する方法、多角錐状や多角円錐状
に形成した透明体からなる角錐状突起６片を絶縁体２上
に圧着する方法等がある。

【００３４】絶縁体２は正極と負極の分離を行うための
絶縁材料からなり、透光性を有する材料からなる。特に
発電に寄与する波長４００ｎｍ〜１２００ｎｍの光の透
過率が５０％以上である材料が好ましい。例えばＳｉＯ
₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＰｂＯ、Ｂ₂Ｏ ₃、ＺｎＯ等を任意な成分
とするガラススラリーを用いた絶縁物質、ポリカーボネ
ート等の樹脂絶縁物質等がある。

【００３５】逆導電型の半導体層３は、気相成長法、熱
拡散法等で形成され、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を微量導入して形成する。
なお、逆導電型の半導体層３は、単結晶質、多結晶質、
微結晶質、非晶質であればよい。逆導電型の半導体層３
の微量元素の濃度は、例えば１×１０¹⁶〜１０²²ａｔｍ
／ｃｍ³程度であればよい。また、逆導電型の半導体層
３と保護層４の間に酸化錫、酸化亜鉛等の透明導電層を
形成してもよい。

【００３６】保護層４は透明誘電体の特性を持つものが
よく、ＣＶＤ法やＰＶＤ法等によって例えば酸化珪素、
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
ム等を単一組成又は複数組成で単層又は組み合わせて逆
導電型の半導体層３上に形成する。この保護層４を適当
な膜厚に合わせることによって反射防止効果を持たせる
とさらに好適である。

【００３７】また、抵抗を下げるために、フィンガー、
バスバー等の補助電極をスクリーン印刷法や蒸着法で任
意のパターンで適宜形成してもよい。また、補助電極を
凸状に形成して補助電極に入射した光を半導体粒子５へ
導く構造とするとさらに好適である。

【００３８】

【実施例１】次に、本発明の光電変換装置の実施例を説
明する。本実施例では、角錐状突起を光線反射材で形成
した。半導体粒子は平均直径が８００μｍのｐ形シリコ
ン粒子を使用した。半導体粒子を６方格子状に配設し、
その間に三角錐状の突起を配設した。比較として、突起
のないもの、および、直径が３００μｍで、高さが直径
の０．４倍の円錐状の突起を有するものについても評価
した。角錐状突起の各錐面は半導体粒子の方向と一致さ
せ、比較として角錐状突起の各錐面を半導体粒子の方向
と一致させないものについても評価した。三角錐状の角
錐状突起は一辺の長さを３００μｍとし、その高さを表
１に示すように、８００μｍ、４８０μｍ、３２０μ
ｍ、１６０μｍ、５μｍ変化させ、比較として角錐状突
起の高が９６０μｍ、１．６μｍのものについても評価
した。

【００３９】下部電極をアルミニウムとし、下部電極の
表面に角錐状突起をプレス成形で形成した。角錐状突起
を形成した下部電極上に絶縁体層を形成した。絶縁体層
はガラスペーストを用いてこの下部電極上に２００μｍ
の厚みに形成した。

【００４０】ガラスペーストに用いたガラスは酸化ビス
マス系の軟化温度５１０℃で波長４００ｎｍ〜１２００
ｎｍの平均透過率８５％のものを使用した。次に、その
上に平均直径５００μｍのｐ形シリコン結晶粒子を配設
した。次に、加熱してガラスペーストを焼成した。

【００４１】次に、ｐ形シリコン結晶粒子と絶縁体の上
にｎ形シリコン層を１００ｎｍ形成し、さらに酸化錫の
逆導電型の半導体層を１００ｎｍ形成した。このとき逆
導電型の半導体層の波長４００ｎｍ〜１２００ｎｍの平
均透過率を８３％のものを形成した。次に、保護層とし
て窒化珪素を３００ｎｍ形成した。

【００４２】表１のシリコン粒子に対する角錐状突起の
高さの比とは、平均のシリコン粒子径に対する平均の角
錐状突起の高さの比率を示す。

【００４３】

【表１】

【００４４】表１に各構造、寸法で変換効率を比較した
結果を示す。実施例１〜５に三角錐状突起で、各錐面を
各半導体粒子と一致させて、高さを変化させた結果を示
す。また、比較例１、２で角錐状突起の高さが半導体粒
子の１倍から５μｍの範囲をはずれた場合の比較例を示
す。また、三角錐状突起で、突起の高さが３２０μｍで
錐面を半導体粒子と一致させない場合を比較例３に、円
錐状突起を有するものを比較例４に、突起がない場合を
比較例５に示す。

【００４５】表１の結果から分かるように、円錐状突起
を設けた比較例４では変換効率が８．９％であるが、三
角錐状突起で錐面を半導体粒子と一致させ、その高さが
半導体粒子の１倍から５μｍの実施例１〜５では、変換
効率が１１．５％〜１３．９％といずれも充分な値が得
られている。また、三角錐状突起で錐面を半導体粒子と
一致させ、その高さが半導体粒子の１倍から５μｍの範
囲を外れた比較例１、比較例２では変換効率が、各々、
８．８％、８．７％と充分ではなかった。また、三角錐
状突起で、突起の高さが３２０μｍで錐面を半導体粒子
と一致させない場合の比較例３では、変換効率が８．０
％と不充分な値であった。

【００４６】

【実施例２】次に、角錐状突起を透明体で形成した場合
の本発明の光電変換装置の実施例を説明する。半導体粒
子を６方格子状に配設し、その間に三角錐状の角錐状突
起を配設した。半導体粒子は平均直径が８００μｍのｐ
形シリコン粒子を使用した。角錐状突起の各辺は半導体
粒子の方向と一致させた。三角柱状の角錐状突起は一辺
の長さを３００μｍとし、その高さを表２に示すように
変化させた。比較として直径が３００μｍで、高さが直
径の０．４倍の円錐状の角錐状突起についても比較を行
なった。また、角錐状突起がないものや、角錐状突起が
三角錐で側面を半導体粒子と一致しないように配設した
ものについても比較した。

【００４７】下部電極をアルミニウムで形成した。絶縁
体層はガラスペーストを用いて、この下部電極上に２０
０μｍの厚みに形成した。その後、角錐状突起片をガラ
スペースト状に圧着し、透明体からなる角錐状突起を得
た。

【００４８】ガラスペーストに用いたガラスは酸化ビス
マス系の軟化温度５１０℃で波長４００ｎｍ〜１２００
ｎｍの平均透過率８５％のものを使用した。次に、その
上に平均直径５００μｍのｐ形シリコン結晶粒子を配設
した。次に、加熱してガラスペーストを焼成した。

【００４９】次に、上記ｐ形シリコン結晶粒子と前記絶
縁体層の上にｎ形シリコン層を１００ｎｍ形成し、さら
に酸化錫の逆導電型の半導体層を１００ｎｍ形成した。
このとき逆導電型の半導体層の波長４００ｎｍ〜１２０
０ｎｍの平均透過率を８３％のものを形成した。次に、
保護層として窒化珪素を３００ｎｍ形成した。

【００５０】表２のシリコン粒子に対する角錐状突起６
の高さの比とは、平均のシリコン粒子径に対する平均の
角錐状突起の高さの比率を示す。角錐状突起がないもの
や、角錐状突起が三角錐で側面を半導体粒子と一致しな
いように配設したものについての比較例についても同時
に示している。

【００５１】

【表２】

【００５２】表２に各構造、寸法で変換効率を比較した
結果を示す。実施例６〜１０に三角錐状突起で、各錐面
を各半導体粒子と一致させて、高さを変化させた結果を
示す。また、比較例６、比較例７で角錐状突起の高さが
半導体粒子の１倍から５μｍの範囲をはずれた場合の比
較例を示す。また、円錐状突起を有するものを比較例９
に、突起がない場合を比較例１０に、三角錐状突起で、
突起の高さが３２０μｍで錐面を半導体粒子と一致させ
ない場合を比較例８に示す。

【００５３】表２の結果から分かるように、円錐状突起
を設けた比較例９では変換効率が８．５％であるが、三
角錐状突起で錐面を半導体粒子と一致させ、その高さが
半導体粒子の１倍から５μｍの実施例６〜１０では、変
換効率が１０．９％〜１３．２％といずれも充分な値が
得られている。また、三角錐状突起で錐面を半導体粒子
と一致させ、その高さが半導体粒子の１倍から５μｍの
範囲を外れた比較例６、比較例７では変換効率が、各
々、８．４％、７．５％と充分ではなかった。また、三
角錐状突起で、突起の高さが３２０μｍで錐面を半導体
粒子と一致させない場合の比較例８では、変換効率が
８．３％と不充分な値であった。

【００５４】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る光電変換装
置によれば、半導体粒子間に錐面がこの半導体粒子方向
に向いた断面形状が台形もしくは三角形の角錐状突起を
設けたことから、変換効率の高い光電変換装置を提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の光電変換装置の一実施例を示
す断面図であり、（ｂ）は４方格子状に配設した場合の
反射状態を示す模式図であり、（ｃ）は６方格子状に配
設した場合の反射状態を示す模式図である。

【図２】本発明の角錐状突起の配置例を示す模式図であ
る。

【図３】従来のボールソーラの構造を示す断面図であ
る。

【図４】（ａ）は凸部を有する従来のボールソーラの構
造を示す断面図であり、（ｂ）は凸部を有する従来のボ
ールソーラの光の反射を示す模式図である。

【符号の説明】

１・・・・下部電極２・・・・絶縁体層３・・・・逆導電型の半導体４・・・・保護層５・・・・一導電型を呈する半導体粒子６・・・・角錐状突起

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下部電極上に一導電型を呈する多数の半
導体粒子を配設し、この半導体粒子間に絶縁体を充填し
て、この半導体粒子の上部に逆導電型の半導体層を設け
た光電変換装置において、前記半導体粒子間に錐面が前
記半導体粒子の方向を向いた断面形状が台形もしくは三
角形の角錐状突起を設けたことを特徴とする光電変換装
置。
【請求項２】前記角錐状突起が光線反射材で形成され
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】前記角錐状突起を形成する光線反射材が
アルミニウム、銅、ニッケル、鉄及びその合金、または
窒化チタンであることを特徴とする請求項２に記載の光
電変換装置。
【請求項４】前記角錐状突起が透明体で形成されてい
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５】前記角錐状突起を形成する透明体がガラ
ス、樹脂、セラミックであることを特徴とする請求項３
に記載の光電変換装置。
【請求項６】前記角錐状突起の高さが５μｍ以上で、
かつ前記半導体粒子の直径の１倍以下であることを特徴
とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項７】前記一導電型を呈する半導体粒子の上部
に透明誘電体保護層が形成され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８】前記角錐状突起の錐面が前記半導体粒子
と同一方向の曲面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９】前記角錐状突起が下部電極と一体的に形
成されていることを特徴とする請求項２に記載の光電変
換装置。
【請求項１０】前記角錐状突起を形成する透明体が前
記絶縁体層と同一の材料で形成されていることを特徴と
する請求項４に記載の光電変換装置。
【請求項１１】隣接する前記角錐状突起が互いに底面
の角部を共有し、前記半導体粒子を取り巻くように形成
され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。