JP2005101462A - 光起電力素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 効率良く入射光を反射させる裏面電極を形成することができる光起電力素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 支持基板の凸部１０は側面が凹状に湾曲した略円錐形状を有する。この場合、凸部１０上にスパッタリング法により裏面電極２を形成すると、凸部１０の凹状に湾曲した側面に、頂部および底面近傍で薄く中間部で厚くなるように裏面電極２が形成される。それにより、側辺が直線状の円錐形状を有する裏面電極２が形成される。
【選択図】 図２
【解決手段】 支持基板の凸部１０は側面が凹状に湾曲した略円錐形状を有する。この場合、凸部１０上にスパッタリング法により裏面電極２を形成すると、凸部１０の凹状に湾曲した側面に、頂部および底面近傍で薄く中間部で厚くなるように裏面電極２が形成される。それにより、側辺が直線状の円錐形状を有する裏面電極２が形成される。
【選択図】 図２
Description
本発明は、半導体接合を用いた光起電力素子およびその製造方法に関する。
近年、シリコン等の半導体を光活性層として用いた光起電力素子が開発されている。この光起電力素子の光活性層としては、結晶シリコン、微結晶シリコン、非晶質シリコン等が用いられる。
結晶シリコンは、間接遷移型のバンド構造を有することから、光吸収係数が小さい。したがって、６００ｎｍ以上の長波長光を十分に吸収するためには３００μｍ以上の膜厚が必要である。
一方、資源枯渇問題、コスト削減等の観点から、薄膜化が容易である微結晶シリコンおよび非晶質シリコンが注目されている。微結晶シリコンを用いることにより光活性層の膜厚を１〜１００μｍ程度にすることが可能であり、非晶質シリコンを用いることにより光活性層の膜厚を０．２〜０．６μｍ程度にすることが可能である。
この微結晶シリコンまたは非晶質シリコンを光活性層として用いた光起電力素子においては、一回の光入射では光活性層において十分に光電変換を行うことができない。したがって、光活性層中において光を複数回往復させるため、光閉じ込め構造が用いられる。
具体的には、光起電力素子の裏面側に高い反射率を有しかつ凹凸表面を有した裏面電極を設けることにより、裏面電極に到達した入射光を裏面電極の凹凸により光入射方向に対して斜め方向に反射させる。それにより、入射光の光路長を長くすることができる。また、光活性層の受光面側に光活性層よりも屈折率の小さい表面電極を設けることにより、裏面電極により反射した入射光を表面電極により全反射させることができる。
この場合、凹凸形状の表面を有する支持基板上に裏面電極を形成することにより、凹凸表面を有する裏面電極を形成することができる（例えば、特許文献１参照）。
特開平２−１８００８１号公報
しかしながら、入射光を効率良く反射させる裏面電極を形成するには、支持基板表面の凹凸形状を最適化する必要がある。この場合、裏面電極の結晶成長、凝集等により表面を凹凸させることもできるが、所望の制御を行うのは困難である。
本発明の目的は、効率良く入射光を反射させる裏面電極を形成することができる支持基板を備えた光起電力素子およびその製造方法を提供することである。
本発明に係る光起電力素子は、一面に複数の凸部を有する支持基板と、支持基板の一面上に形成された第１の電極層と、第１の電極層上に形成された光電変換層と、光電変換層上に形成された第２の電極層とを備え、支持基板の各凸部は、縦断面における幅が底部から頂部へ漸次減少するとともに凹状に湾曲する側面を有するものである。
本発明に係る光起電力素子においては、凸部の縦断面における幅が底部から頂部へ漸次減少するとともに凸部の側面が凹状に湾曲することから、頂部および底面近傍で薄く中央部で厚くなるように第１の電極層が形成される。それにより、第１の電極層の側辺が直線状となる。その結果、第１の電極層は効率良く入射光を反射させることができる。
また、第１の電極層が効率良く入射光を反射させることができることから、光電変換層における変換効率が向上する。
第１の電極層は、支持基板の各凸部の頂部および底部近傍での厚みが側面の中央部での厚みに比べて小さく外表面が平面状に形成されてもよい。この場合、第１の電極層の側辺が直線状となる。それにより、第１の電極層は効率良く入射光を反射させることができる。
支持基板の各凸部が凹状に湾曲した側面を有する略円錐形状、略多角錐形状、略円錐台形状または略多角錐台形状を有してもよい。この場合、支持基板上に側辺が直線状の円錐形状、多角錐形状、円錐台形状または多角錐台形状を有する第１の電極層が形成される。それにより、第１の電極層は効率良く入射光を反射させることができる。
本発明に係る光起電力素子の製造方法は、一面に複数の凸部を有する支持基板を形成する工程と、支持基板の前記一面上に第１の電極層を形成する工程と、第１の電極層上に光電変換層を形成する工程と、光電変換層上に第２の電極層を形成する工程とを備え、支持基板の各凸部は、縦断面における幅が底部から頂部へ漸次減少するとともに凹状に湾曲する側面を有するものである。
本発明に係る光起電力素子の製造方法においては、一面に縦断面における幅が底部から頂部へ漸次減少するとともに凹状に湾曲する側面を有する複数の凸部を有する支持基板上の一面上に第１の電極層が形成され、第１の電極層上に光電変換層が形成され、光電変換層上に第２の電極層が形成される。
この場合、凸部の縦断面における幅が底部から頂部へ漸次減少するとともに凸部の側面が凹状に湾曲することから、頂部および底面近傍で薄く中央部で厚くなるように第１の電極層が形成される。それにより、第１の電極層の側辺が直線状となる。その結果、第１の電極層は効率良く入射光を反射させることができる。
また、第１の電極層が効率良く入射光を反射させることができることから、光電変換層における変換効率が向上する。
支持基板を形成する工程は、一面に複数の凸部を有する母基板を形成する工程と、母基板の複数の凸部を支持基板の一面に転写する工程とを含み、母基板の各凸部は、縦断面における幅が底部から頂部へ漸次減少するとともに凸状に湾曲する側面を有してもよい。
この場合、縦断面における幅が底部から頂部へ漸次減少するとともに凸状に湾曲する側面を有する複数の凸部有する母基板が形成され、母基板の複数の凸部が支持基板の一面に転写される。
それにより、縦断面における幅が底部から頂部へ漸次減少するとともに凹状に湾曲する側面を有する支持基板が形成される。
本発明に係る光起電力素子においては、凸部の縦断面における幅が底部から頂部へ漸次減少するとともに凸部の側面が凹状に湾曲することから、頂部および底面近傍で薄く中央部で厚くなるように第１の電極層が形成される。それにより、第１の電極層の側辺が直線状となる。その結果、第１の電極層は効率良く入射光を反射させることができる。
以下、本発明に係る一実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態に係る光起電力素子１００の構造を示す模式的断面図である。
図１に示すように、支持基板１の主面に複数の凸部１０が形成されている。支持基板１の主面に、裏面電極２、ｎ型微結晶シリコン膜３、ｉ型微結晶シリコン膜４、ｐ型微結晶シリコン膜５および表面電極６が順に形成されている。図１の光起電力素子１００においては、表面電極６が受光面である。
支持基板１は、ポリイミド等の有機系樹脂等からなる。裏面電極２および表面電極６は、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＳｎＯ2（酸化錫）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）等からなる透明電極である。
次に、光起電力素子１００の製造方法について説明する。まず、スパッタリング法により、支持基板１の主面に裏面電極２を形成する。
次に、真空チャンバ内にＳｉＨ4 （シラン）ガス、Ｈ2 （水素）ガスおよびＰＨ3 （ホスフィン）ガスを導入して、裏面電極２上にプラズマＣＶＤ（化学蒸着）法によりｎ型微結晶シリコン膜３を形成する。
次いで、真空チャンバ内にＳｉＨ4 ガスおよびＨ2 ガスを導入し、プラズマＣＶＤ法によりｐ型微結晶シリコン膜５上にｉ型微結晶シリコン膜４を形成する。
次に、真空チャンバ内にＳｉＨ4 ガス、Ｈ2 ガスおよびＢ2Ｈ6 （ジボラン）ガスを導入して、ｉ型微結晶シリコン膜４上にプラズマＣＶＤ法によりｐ型微結晶シリコン膜５を形成する。
次いで、スパッタリング法によりｐ型微結晶シリコン膜５上に表面電極６を形成する。
図２（ａ）は図１の支持基板１の凸部１０の斜視図であり、図２（ｂ）は図１の支持基板１の凸部１０の縦断面図である。
図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、凸部１０は側面が凹状に湾曲した略円錐形状を有する。この場合、凸部１０上にスパッタリング法により裏面電極２を形成すると、凸部１０の凹状に湾曲した側面に、頂部および底面近傍で薄く中間部で厚くなるように裏面電極２が形成される。それにより、図２（ａ）および図２（ｂ）に点線で示すように、側辺が直線状の円錐形状を有する裏面電極２が形成される。その結果、光起電力素子１００に入射した光は、裏面電極２により良好な散乱反射を行う。
図３（ａ）は支持基板１の凸部の他の例を示す斜視図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の凸部の縦断面図である。
図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、凸部１０ａは側面が凹状に湾曲した略四角錐形状を有する。この場合、凸部１０ａ上にスパッタリング法により裏面電極２ａを形成すると、凸部１０ａの凹状に湾曲した側面に、頂部および底面近傍で薄く中間部で厚くなるように裏面電極２ａが形成される。それにより、図３（ａ）および図３（ｂ）に点線で示すように、側辺が直線状の四角錐形状を有する裏面電極２ａが形成される。その結果、光起電力素子１００ａに入射した光は、裏面電極２ａにより良好な散乱反射を行う。
図４（ａ）は支持基板１の凸部のさらに他の例を示す斜視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の凸部の縦断面図である。
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、凸部１０ｂは側面が凹状に湾曲した略円錐台形状を有する。この場合、凸部１０ｂ上にスパッタリング法により裏面電極２ｂを形成すると、凸部１０ｂの凹状に湾曲した側面に、頂部および底面近傍で薄く中間部で厚くなるように裏面電極２ｂが形成される。それにより、図４（ａ）および図４（ｂ）に点線で示すように、側辺が直線状の円錐形状を有する裏面電極２ｂが形成される。その結果、光起電力素子１００ｂに入射した光は、裏面電極２ｂにより良好な散乱反射を行う。
図５（ａ）は支持基板１の凸部のさらに他の例を示す斜視図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の凸部の縦断面図である。
図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、凸部１０ｃは側面が凹状に湾曲しかつ一方向に延びる形状を有する。この場合、凸部１０ｃ上にスパッタリング法により裏面電極２ｃを形成すると、凸部１０ｃの凹状に湾曲した側面に、頂部および底面近傍で薄く中間部で厚くなるように裏面電極２ｃが形成される。それにより、図５（ａ）および図５（ｂ）に点線で示すように、側辺が直線形状を有する裏面電極２ｃが形成される。その結果、光起電力素子１００ｃに入射した光は、裏面電極２ｃにより良好な散乱反射を行う。
図６（ａ）は支持基板１の凸部のさらに他の例を示す斜視図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）の凸部の縦断面図である。
図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、凸部１０ｄは頂部が平らであり側面が凹状に湾曲しかつ一方向に延びる形状を有する。この場合、凸部１０ｄ上にスパッタリング法により裏面電極２ｄを形成すると、凸部１０ｄの凹状に湾曲した側面に、頂部および底面近傍で薄く中間部で厚くなるように裏面電極２ｄが形成される。それにより、図６（ａ）および図６（ｂ）に点線で示すように、側辺が直線形状を有する裏面電極２ｄが形成される。その結果、光起電力素子１００ｄに入射した光は、裏面電極２ｄにより良好な散乱反射を行う。
なお、凸部１０の形状は図２〜図６で説明した形状に限られない。凸部１０は、縦断面における幅が底部から頂部へと漸次減少するとともに凹状に湾曲する側面を有する形状であればよい。
また、支持基板１の上面に形成される複数の凸部１０のうち過半数以上の凸部１０において、傾斜角（頂点と底面の端点とを結ぶ直線が底面に対してなす角度）が１７度以上７０度以下でありかつ隣接する凸部１０の間隔が５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。
図７は、支持基板１の形成方法について説明する図である。
図７に示すように、母基板２００は、複数の凸部２１０が設けられた形状を有する。凸部２１０は、側面が凸状に湾曲した略円錐形状、略多角錐形状、略円錐台形状、略多角錐台形状等を有する。母基板２００をポリイミド等の有機系樹脂等に転写することにより、支持基板１を形成することができる。
母基板２００は、基板上にサブミクロンオーダのマスクパターンを形成し、基板表面にエッチング処理を施すことにより形成することができる。
また、母基板２００は、基板の表面に粒径の小さいＳｉＯ2（酸化シリコン）、ＴｉＯ2（酸化チタン）、ＺｒＯ2（酸化ジルコニウム）、Ａｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム）等の絶縁性微粒子を混入させ、加熱焼成することにより形成することができる。この場合、粒径の小さい複数の半球が並ぶ凹凸形状を有する母基板２００が得られる。
本実施の形態に係る光起電力素子１００においては、入射光が最適な傾斜角の裏面電極２により良好な散乱反射を行う。それにより、光起電力素子１００の変換効率が向上する。
なお、本実施の形態に係る光起電力素子１００においては、薄膜系シリコンとして微結晶シリコン膜を用いているが、非晶質シリコンを用いてもよく、非晶質シリコンを含有する微結晶シリコンを用いてもよい。
また、本実施の形態のｐ型微結晶シリコン膜５には不純物としてＢ（ボロン）をドープしたが、それに限られない。例えば、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）等のIII族元素を不純物としてドープしてもよい。ｎ型微結晶シリコン膜３には不純物としてＰ（リン）をドープしたが、それに限られない。例えば、不純物としてＡｓ（ヒ素）等のＶ族元素を不純物としてドープしてもよい。
また、本実施の形態のｉ型微結晶シリコン膜４、ｎ型微結晶シリコン膜３およびｐ型微結晶シリコン膜５の代わりに、例えば、ＳｉＣ（炭化シリコン）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、Ｇｅ（ゲルマニウム）等のような他のIV族半導体からなる微結晶半導体膜または非晶質半導体膜を用いてもよい。
（実施例）
実施例では図１に示す光起電力素子１００を作製し、入射光に対する光起電力素子１００の反射率を測定した。裏面電極２の平均膜厚は２００ｎｍであり、裏面電極２の凸部１０の形状は図２（ａ）の略円錐形状のものを用いる。凸部１０の側面と底面とがなす傾斜角の平均値は４０度である。また、隣接する凸部１０同士の間隔の平均値は４００ｎｍである。
実施例では図１に示す光起電力素子１００を作製し、入射光に対する光起電力素子１００の反射率を測定した。裏面電極２の平均膜厚は２００ｎｍであり、裏面電極２の凸部１０の形状は図２（ａ）の略円錐形状のものを用いる。凸部１０の側面と底面とがなす傾斜角の平均値は４０度である。また、隣接する凸部１０同士の間隔の平均値は４００ｎｍである。
表面電極６の膜厚は７５ｎｍとした。光起電力素子１００のその他の作製条件を表１に示す。
（比較例１）
図８は、比較例１の光起電力素子の構造を示す模式的断面図である。図８に示すように、光起電力素子は、上面の形状が平面である支持基板１１の上面に、裏面電極１２、ｎ型微結晶シリコン膜１３、ｉ型微結晶シリコン膜１４、ｐ型微結晶シリコン膜１５および表面電極１６が順に形成された構造を有する。比較例１の光起電力素子の作製条件は、実施例と同様である。
図８は、比較例１の光起電力素子の構造を示す模式的断面図である。図８に示すように、光起電力素子は、上面の形状が平面である支持基板１１の上面に、裏面電極１２、ｎ型微結晶シリコン膜１３、ｉ型微結晶シリコン膜１４、ｐ型微結晶シリコン膜１５および表面電極１６が順に形成された構造を有する。比較例１の光起電力素子の作製条件は、実施例と同様である。
（比較例２）
図９は、比較例２の光起電力素子の構造を示す模式的断面図である。図９に示すように、上面に複数の略半球が連続して形成された支持基板２１上に、裏面電極２２、ｎ型微結晶シリコン膜２３、ｉ型微結晶シリコン膜２４、ｐ型微結晶シリコン膜２５および表面電極２６が順に形成された構造を有する。
図９は、比較例２の光起電力素子の構造を示す模式的断面図である。図９に示すように、上面に複数の略半球が連続して形成された支持基板２１上に、裏面電極２２、ｎ型微結晶シリコン膜２３、ｉ型微結晶シリコン膜２４、ｐ型微結晶シリコン膜２５および表面電極２６が順に形成された構造を有する。
支持基板２１の上面に形成された略半球の側面と底面とがなす傾斜角の平均は２５度である。また、隣接する略半球同士の間隔の平均値は、４００ｎｍである。
支持基板２１は、表面に粒径０．１μｍのＳｉＯ2を混入させ、加熱焼成することにより得られる。その他の作製条件は、実施例と同様である。
（評価）
実施例および比較例１，２の光起電力素子の反射率を測定した。実施例および比較例１，２の光起電力素子の反射率を図１０に示す。
実施例および比較例１，２の光起電力素子の反射率を測定した。実施例および比較例１，２の光起電力素子の反射率を図１０に示す。
ここで、反射率とは、入射光の光強度に対して光起電力素子から外部に漏出した光強度の比をいう。したがって、反射率が低いほど光起電力素子内において光電変換が効率良く行われることになる。
図１０の縦軸は実施例および比較例１，２の光起電力素子の反射率を示し、図１０の横軸は入射光の波長を示す。
図１０に示すように、６００ｎｍ以上の波長域において、比較例１，２の光起電力素子に比較して実施例の光起電力素子の反射率は大きく低減されている。したがって、実施例の光起電力素子は、比較例１，２の光起電力素子に比較して、光電変換が効率良く行われる。
以上のように、本発明に係る光起電力素子においては、効率良く入射光を反射させることができる。また、本発明に係る光起電力素子の製造方法においては、上記光起電力素子を製造することができる。したがって、本発明に係る光起電力素子は、半導体接合を用いた光起電力素子としての用途に適しており、本発明に係る光起電力素子の製造方法は、半導体接合を用いた光起電力素子を製造する用途に適している。
１ 支持基板
２ 裏面電極
３ ｎ型微結晶シリコン膜
４ ｉ型微結晶シリコン膜
５ ｐ型微結晶シリコン膜
６ 表面電極
１０，２１０ 凸部
１００ 光起電力素子
２００ 母基板
２ 裏面電極
３ ｎ型微結晶シリコン膜
４ ｉ型微結晶シリコン膜
５ ｐ型微結晶シリコン膜
６ 表面電極
１０，２１０ 凸部
１００ 光起電力素子
２００ 母基板
Claims (5)
- 一面に複数の凸部を有する支持基板と、
前記支持基板の前記一面上に形成された第１の電極層と、
前記第１の電極層上に形成された光電変換層と、
前記光電変換層上に形成された第２の電極層とを備え、
前記支持基板の各凸部は、縦断面における幅が底部から頂部へ漸次減少するとともに凹状に湾曲する側面を有することを特徴とする光起電力素子。 - 前記第１の電極層は、前記支持基板の各凸部の頂部および底部近傍での厚みが前記側面の中央部での厚みに比べて小さく外表面が平面状に形成されたことを特徴とする請求項１記載の光起電力素子。
- 前記支持基板の各凸部が凹状に湾曲した側面を有する略円錐形状、略多角錐形状、略円錐台形状または略多角錐台形状を有することを特徴とする請求項１または２記載の光起電力素子。
- 一面に複数の凸部を有する支持基板を形成する工程と、
前記支持基板の前記一面上に第１の電極層を形成する工程と、
前記第１の電極層上に光電変換層を形成する工程と、
前記光電変換層上に第２の電極層を形成する工程とを備え、
前記支持基板の各凸部は、縦断面における幅が底部から頂部へ漸次減少するとともに凹状に湾曲する側面を有することを特徴とする光起電力素子の製造方法。 - 前記支持基板を形成する工程は、
一面に複数の凸部を有する母基板を形成する工程と、
前記母基板の前記複数の凸部を前記支持基板の前記一面に転写する工程とを含み、
前記母基板の各凸部は、縦断面における幅が底部から頂部へ漸次減少するとともに凸状に湾曲する側面を有することを特徴とする請求項４記載の光起電力素子の製造方法。
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| JP2003335679A JP2005101462A (ja) | 2003-09-26 | 2003-09-26 | 光起電力素子およびその製造方法 |
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| JP (1) | JP2005101462A (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006344964A (ja) * | 2005-06-06 | 2006-12-21 | General Electric Co <Ge> | 太陽エネルギーシステムの光起電力集中装置 |
| JP2009231500A (ja) * | 2008-03-21 | 2009-10-08 | Mitsubishi Electric Corp | 太陽電池用基板とその製造方法および太陽電池の製造方法 |
| JP2009266559A (ja) * | 2008-04-24 | 2009-11-12 | Hitachi Chem Co Ltd | 太陽電池用電極基材、これを用いた太陽電池及び太陽電池用電極基材の製造法 |
-
2003
- 2003-09-26 JP JP2003335679A patent/JP2005101462A/ja active Pending
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