JP2006229133A - Solar battery and its manufacturing method - Google Patents

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Noritaka Usami
徳隆 宇佐美
Kazuo Nakajima
一雄 中嶋
Kozo Fujiwara
航三 藤原
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solar battery which has high conversion efficiency even if the front surface of the rear surface of the solar battery has no structure for generating scattering light, and to provide a method for manufacturing it. <P>SOLUTION: A first conductive semiconductor layer 1 and a second conductive semiconductor layer 2 are laminated, and at least one of the first conductive semiconductor layer 1, and the second conductive semiconductor layer 2 has a refractive index distribution structure. Incident light is scattered at the refractive index distribution structure to increase a light path length. An effective absorption coefficient is increased to improve the conversion efficiency. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、太陽電池、およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a solar cell and a manufacturing method thereof.

太陽電池は、太陽光の吸収によって発生した光励起キャリアを利用して発電する素子であるが、光を有効に利用するための構造を素子に施すことによる、太陽光の有効利用・変換効率の改善が試みられている。例えば、太陽電池の表面に幾何学的なテクスチュア構造をつくりつけることによる光閉じ込めや、裏面に反射膜を形成し裏面にまで到達した光を再度太陽電池内部に反射させること、及び、両者の併用などが行われてきた。
このような技術は、非特許文献1や非特許文献2に開示されている。
A solar cell is an element that generates electricity using photoexcited carriers generated by the absorption of sunlight, but it improves the effective use and conversion efficiency of sunlight by providing the element with a structure for effective use of light. Has been tried. For example, light confinement by creating a geometric texture structure on the surface of the solar cell, reflection of the light that reaches the back surface by forming a reflective film on the back surface, and the combination of both Etc. have been done.
Such a technique is disclosed in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2.

非特許文献1においては、シリコンバルク結晶基板表面に、フォトリソグラフィを利用して周期的なマスクを形成し、溶液処理により、均質な逆転型ピラミッド構造を形成し、光閉じ込めに利用した。しかし、この方法においては、高度なリソグラフィ手法が必要となり、低コスト生産が要請される太陽電池の生産技術としてはなじまない。   In Non-Patent Document 1, a periodic mask is formed on the surface of a silicon bulk crystal substrate using photolithography, and a uniform inverted pyramid structure is formed by solution processing, which is used for optical confinement. However, this method requires an advanced lithography technique and is not suitable as a solar cell production technique that requires low-cost production.

また非特許文献2においては、薄膜シリコン太陽電池において、表面での幾何学的なテクスチュア構造による光閉じ込めと、裏面における高い反射率を有する金属膜を融合することにより、光吸収を増加させることが試みられている。   In Non-Patent Document 2, in a thin-film silicon solar cell, light absorption can be increased by fusing light confinement by a geometric texture structure on the front surface and a metal film having high reflectance on the back surface. Has been tried.

いずれの手法においても、均質なテクスチュア構造を作製するには、生産プロセスが煩雑になるという問題点を有している。また、光吸収層が単一の物質であるため、屈折率分布が存在せず、光吸収層で光は直進する。それ故、幾何学的テクスチュア構造により、光閉じ込め構造を作らざるを得ないとう問題があった。
Zhao et al, Progress in Photovoltaics 7, 471 (1999). Yamamoto et al., Appl. Phys. A 69, 179 (1999).
Both methods have a problem that the production process becomes complicated in order to produce a homogeneous texture structure. Further, since the light absorption layer is a single substance, there is no refractive index distribution, and light travels straight through the light absorption layer. Therefore, there has been a problem that an optical confinement structure has to be made by the geometric texture structure.
Zhao et al, Progress in Photovoltaics 7, 471 (1999). Yamamoto et al., Appl. Phys. A 69, 179 (1999).

上記のように従来の技術では、光吸収量を増やすために太陽電池の表面あるいは裏面に散乱光を発生させる複雑な構造が必要であり、しかも生産プロセスが煩雑かつ高コストになるという問題があった。本発明は、太陽電池の表面あるいは裏面に散乱光を発生させる構造がなくても変換効率が高い太陽電池を提供するとともに簡便な手法により光閉じ込め構造を実現できる太陽電池の製造方法を提供することを目的としている。   As described above, the conventional technology requires a complicated structure for generating scattered light on the front or back surface of the solar cell in order to increase the amount of light absorption, and the production process is complicated and expensive. It was. The present invention provides a solar cell having a high conversion efficiency even without a structure for generating scattered light on the front surface or the back surface of the solar cell, and a method for manufacturing a solar cell capable of realizing a light confinement structure by a simple technique. It is an object.

本発明によれば、第1導電型の半導体層と第2導電型の半導体層とが積層され、前記第1導電型の半導体層および前記第2導電型の半導体層の少なくとも一方の半導体層が屈折率分布構造を有することを特徴とする太陽電池が得られる。   According to the present invention, the first conductive type semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer are stacked, and at least one of the first conductive type semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer is provided as a semiconductor layer. A solar cell having a refractive index distribution structure is obtained.

また、前記屈折率分布構造が非平坦境界を有する複数の層あるいは複数の相により構成されていることを特徴とする太陽電池を提供する。   The present invention also provides a solar cell, wherein the refractive index distribution structure is composed of a plurality of layers or a plurality of phases having non-flat boundaries.

さらに、前記複数の層あるいは複数の相の少なくともひとつが平坦面上に形成された島状結晶であることを特徴とする太陽電池を提供する。   Furthermore, the solar cell is characterized in that at least one of the plurality of layers or the plurality of phases is an island-like crystal formed on a flat surface.

また、前記複数の層あるいは複数の相がまだら模様であることを特徴とする太陽電池を
提供する。
Further, the present invention provides a solar cell, wherein the plurality of layers or the plurality of phases have a mottled pattern.

さらに本発明によれば、第1導電型の半導体層と第2導電型の半導体層とが積層され、前記第1導電型の半導体層および前記第2導電型の半導体層の接合面が非平坦構造であることを特徴とする太陽電池が得られる。   Further, according to the present invention, the first conductive type semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer are stacked, and the bonding surface of the first conductive type semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer is non-flat. A solar cell having a structure is obtained.

また本発明によれば、互いに異なる半導体を生成する成分を含む分子線源を少なくとも二つ用意し、各々の分子線を結晶成長用基板に時間を変えて供給して、格子定数の異なる半導体を積層形成する工程1を有することを特徴とする太陽電池の製造方法が得られる。   Further, according to the present invention, at least two molecular beam sources including components that generate different semiconductors are prepared, and each molecular beam is supplied to the crystal growth substrate at different times, so that semiconductors having different lattice constants can be obtained. A method for manufacturing a solar cell is provided, which includes the step 1 of forming the layers.

さらに本発明によれば、基板上に互いに異なる物質の薄膜を少なくとも2層積層する工程2と、該工程2で得られた基板を前記互いに異なる物質の各々の融点の中間の温度に急速過熱して異種物質への混晶化による固体と液体が共存する平衡状態とする工程3と、該工程3の平衡状態の基板の温度を低下させて全体を固体化して半導体層を生成する工程4とを有することを特徴とする太陽電池の製造方法が得られる。   Furthermore, according to the present invention, at least two thin films of different materials are laminated on the substrate, and the substrate obtained in the step 2 is rapidly superheated to a temperature intermediate between the melting points of the different materials. A step 3 of bringing the solid and liquid into coexistence by crystallization into different substances into an equilibrium state, and a step 4 of reducing the temperature of the substrate in the equilibrium state of the step 3 to solidify the whole to generate a semiconductor layer; A method for producing a solar cell characterized by having

また本発明によれば、第1導電型の半導体表面を腐蝕して凹凸を形成する工程5と、該工程5で得られた半導体表面に第2導電型の半導体層を積層形成する工程6とを有することを特徴とする太陽電池の製造方法が得られる。   According to the invention, the step 5 of corroding the surface of the first conductivity type semiconductor to form irregularities, and the step 6 of forming the second conductivity type semiconductor layer on the semiconductor surface obtained in the step 5 are formed. A method for producing a solar cell characterized by having

本発明においては、積層された第1導電型の半導体層および第2導電型の半導体層の少なくとも一方の半導体層が屈折率分布構造を有するので、入射光は半導体層内の屈折率の勾配部あるいは境界部において屈折または反射して散乱させられる。その結果、半導体層内において、光路長が増加し、光吸収量は増加する。
従って、太陽電池の表面あるいは裏面に散乱光を発生させる複雑な構造が無くても、実効的な吸収係数が増加し、太陽電池の変換効率は高くなる。
In the present invention, since at least one of the laminated first conductivity type semiconductor layer and second conductivity type semiconductor layer has a refractive index distribution structure, the incident light is a gradient portion of the refractive index in the semiconductor layer. Alternatively, the light is scattered by being refracted or reflected at the boundary. As a result, in the semiconductor layer, the optical path length increases and the amount of light absorption increases.
Therefore, even if there is no complicated structure for generating scattered light on the front surface or the back surface of the solar cell, the effective absorption coefficient increases and the conversion efficiency of the solar cell increases.

また、非平坦境界を有する複数の層あるいは複数の相があると、非平坦境界面により散乱が効果的に行われ、高い変換効率が得られる。複数の層あるいは複数の相は、異種物質の組み合わせ、あるいは同一物質の場合は結晶と非結晶の組み合わせなどによっても可能であり、多様な屈折率分布構造を実現する。   Further, when there are a plurality of layers or a plurality of phases having a non-flat boundary, scattering is effectively performed by the non-flat boundary surface, and high conversion efficiency is obtained. A plurality of layers or a plurality of phases can be formed by a combination of different materials, or in the case of the same material, a combination of crystal and non-crystal, thereby realizing various refractive index distribution structures.

さらに、平坦面上に形成された島状結晶があると、島状結晶の境界面により散乱が効果的に行われる。島状結晶は、非常に安定した組織であり、多層化ができる。従って、変換効率が高く品質が安定した太陽電池が得られる。   Furthermore, if there are island crystals formed on a flat surface, scattering is effectively performed by the boundary surfaces of the island crystals. Island crystals have a very stable structure and can be multilayered. Therefore, a solar cell with high conversion efficiency and stable quality can be obtained.

また、複数の層あるいは複数の相がまだら模様であれば、まだら模様の複雑な境界面により散乱が効果的に行われ、変換効率が高くなる。   Further, if the plurality of layers or the plurality of phases are mottled, scattering is effectively performed by the complicated boundary surface of the mottled pattern, and the conversion efficiency is increased.

さらに本発明においては、第1導電型の半導体層と第2導電型の半導体層との接合面が非平坦構造であるので、入射光は接合面近傍において散乱させられる。その結果、半導体層内において光吸収量が増加する。従って、太陽電池の表面あるいは裏面に散乱光を発生させる複雑な構造が無くても、実効的な吸収係数が増加し、太陽電池の変換効率は高くなる。   Furthermore, in the present invention, since the junction surface between the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer has a non-flat structure, incident light is scattered in the vicinity of the junction surface. As a result, the amount of light absorption increases in the semiconductor layer. Therefore, even if there is no complicated structure for generating scattered light on the front or back surface of the solar cell, the effective absorption coefficient increases and the conversion efficiency of the solar cell increases.

また本発明においては、互いに異なる分子線を結晶成長用基板に時間を変えて供給して格子定数の異なる半導体を積層形成したので、異なる半導体間の格子定数差に起因した歪みを緩和する作用により、島状結晶の半導体が得られる。   In the present invention, semiconductors having different lattice constants are stacked by supplying different molecular beams to the crystal growth substrate at different times, so that the strain caused by the difference in lattice constants between different semiconductors is alleviated. As a result, an island-shaped semiconductor can be obtained.

従って、半導体層に島状結晶の表面を境界とする非平坦境界の複数の層あるいは複数の相が形成され、屈折率分布構造を有する太陽電池が実現できる。   Therefore, a solar cell having a refractive index distribution structure can be realized by forming a plurality of layers or phases having a non-flat boundary with the surface of the island-shaped crystal as a boundary in the semiconductor layer.

さらに本発明においては、互いに異なる物質の薄膜を利用し、それらの混晶化による固体と液体が共存する平衡状態から温度を低下させて全体を固体化したので、半導体層に混晶化を反映した複雑なまだら模様の境界を有する複数の層あるいは複数の相が形成され、屈折率分布構造有する太陽電池が実現できる。   Furthermore, in the present invention, thin films of different materials are used, and the entire solid is formed by reducing the temperature from the equilibrium state where the solid and liquid coexist due to the mixed crystallization, so the mixed crystallization is reflected in the semiconductor layer. Thus, a solar cell having a refractive index distribution structure can be realized by forming a plurality of layers or phases having a complicated mottled pattern boundary.

また本発明においては、第1導電型の半導体表面を腐蝕させて凹凸を形成し、その半導体表面に第2導電型の半導体層を積層形成したので、接合面が非平坦構造である太陽電池を実現できる。   Further, in the present invention, the first conductive type semiconductor surface is corroded to form irregularities, and the second conductive type semiconductor layer is laminated on the semiconductor surface. realizable.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本発明による太陽電池の基本構造を説明するための要部断面図である。図1において、1はn型半導体層、2はp型半導体層、3は反射防止膜であり、基本構造はn型半導体層1とp型半導体層2によるpn接合層を有するものである。   FIG. 1 is a cross-sectional view of an essential part for explaining the basic structure of a solar cell according to the present invention. In FIG. 1, 1 is an n-type semiconductor layer, 2 is a p-type semiconductor layer, 3 is an antireflection film, and the basic structure has a pn junction layer composed of an n-type semiconductor layer 1 and a p-type semiconductor layer 2.

n型半導体層1およびp型半導体層2は均質ではなく、内部に屈折率分布構造を各々有している。よって矢印イ方向から入射した太陽光は、n型半導体層1およびp型半導体層2の屈折率分布により散乱される。p型半導体層2に達した太陽光については、矢印ロ、矢印ハ、矢印ニ、矢印ホ、矢印ヘと多方向に向かう散乱光が生じる。その結果、光路長が増加し、n型半導体層1およびp型半導体層2のpn接合層近傍における光吸収量が増加する。   The n-type semiconductor layer 1 and the p-type semiconductor layer 2 are not homogeneous and each have a refractive index distribution structure. Therefore, the sunlight incident from the direction of arrow A is scattered by the refractive index distribution of the n-type semiconductor layer 1 and the p-type semiconductor layer 2. About the sunlight which reached the p-type semiconductor layer 2, the scattered light which goes to arrow B, arrow c, arrow d, arrow d, arrow f, and arrow f toward many directions arises. As a result, the optical path length increases, and the amount of light absorption in the vicinity of the pn junction layers of the n-type semiconductor layer 1 and the p-type semiconductor layer 2 increases.

従って、半導体層自体において実効的な吸収係数が増加し、表面あるいは裏面に散乱光を発生させる複雑な構造を設けなくても高い変換効率が得られる。   Therefore, an effective absorption coefficient increases in the semiconductor layer itself, and high conversion efficiency can be obtained without providing a complicated structure for generating scattered light on the front surface or the back surface.

(第1の実施の形態)
図2は本発明の第1の実施の形態による太陽電池の概略構成を示す要部断面図であり、半導体層における屈折率分布をGe島状結晶とSi薄膜結晶の積層により形成した構成を示している。図2において、11はn型半導体層、12はp型半導体層となるp型Si半導体単結晶基板、13は反射防止膜、14は表面電極、15は裏面電極であり、n型半導体層11はGeの島状結晶16とSi薄膜結晶17からなる薄膜層N1、薄膜層N2ないし薄膜層Nmがm層積層されたものである。
(First embodiment)
FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part showing a schematic configuration of the solar cell according to the first embodiment of the present invention, showing a configuration in which the refractive index distribution in the semiconductor layer is formed by stacking Ge island crystals and Si thin film crystals. ing. In FIG. 2, 11 is an n-type semiconductor layer, 12 is a p-type Si semiconductor single crystal substrate that becomes a p-type semiconductor layer, 13 is an antireflection film, 14 is a front electrode, 15 is a back electrode, and the n-type semiconductor layer 11 Is a thin film layer N1, a thin film layer N2, or a thin film layer Nm made of Ge island-like crystal 16 and Si thin film crystal 17 stacked in m layers.

薄膜層N1は、同一平面上に規則的に配列された多数の断面山形のGeの島状結晶16と、その上に積層され平坦になるように形成されたSi薄膜結晶17からなる構成であり、薄膜層N2ないし薄膜層Nmも、薄膜層N1と同じ構成である。   The thin film layer N1 is composed of a number of cross-sectionally chevron-shaped Ge island crystals 16 regularly arranged on the same plane, and a Si thin film crystal 17 formed thereon so as to be flat. The thin film layer N2 to the thin film layer Nm have the same configuration as the thin film layer N1.

このような構成の太陽電池のn型半導体層11においては、Geの屈折率がSiの屈折率よりも大きいため、Geの島状結晶16とSi薄膜結晶17の境界面において光散乱の効果が顕著に発現する。   In the n-type semiconductor layer 11 of the solar cell having such a configuration, since the refractive index of Ge is larger than the refractive index of Si, the light scattering effect is produced at the interface between the Ge island crystal 16 and the Si thin film crystal 17. Remarkably expressed.

また、Geの島状結晶16とSi薄膜結晶17は非常に安定した組織であるとともに積層化されているので、品質が安定して変換効率が高い太陽電池となる。   Further, since the Ge island-like crystal 16 and the Si thin film crystal 17 have a very stable structure and are laminated, a solar cell having stable quality and high conversion efficiency is obtained.

さらに、Geの島状結晶16とSi薄膜結晶17とからなるn型半導体層11は薄膜構造であるので材料消費量が少なく、バルク半導体を使用するものに比べて環境負荷が小さい。   Furthermore, since the n-type semiconductor layer 11 composed of the Ge island-like crystal 16 and the Si thin film crystal 17 has a thin film structure, the amount of material consumption is small, and the environmental load is small compared to those using a bulk semiconductor.

図2に示した本発明の第2の実施の形態による太陽電池は、例えば次のような方法により製造できる。   The solar cell according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 2 can be manufactured by the following method, for example.

最初に、p型半導体層12となるp型Si半導体単結晶基板を、有機洗浄により脱脂し、硫酸・過酸化水素溶液により表面に酸化膜を形成する。そののち、希フッ酸処理により表面の酸化膜を除去し、水素で終端された表面を形成する。続いて、表面が水素で終端された基板を、超高真空装置内部に導入し、高温加熱することにより清浄な表面を得る。この際の温度と時間は、例えば800℃で20分間程度が望ましい。   First, a p-type Si semiconductor single crystal substrate to be the p-type semiconductor layer 12 is degreased by organic cleaning, and an oxide film is formed on the surface with a sulfuric acid / hydrogen peroxide solution. After that, the surface oxide film is removed by dilute hydrofluoric acid treatment to form a surface terminated with hydrogen. Subsequently, a substrate whose surface is terminated with hydrogen is introduced into the ultrahigh vacuum apparatus and heated at a high temperature to obtain a clean surface. The temperature and time at this time are desirably about 20 minutes at 800 ° C., for example.

次に基板温度を例えば700℃に低下した後、2種類の分子線即ち、ジシラン分子線とゲルマン分子線を交互に供給することにより、Geの島状結晶16とSi薄膜結晶17の積層構造である薄膜層N1、薄膜層N2ないし薄膜層Nmを順次形成する。なお、Geの島状結晶16は、GeとSiの格子定数差に起因した歪みを緩和するために、供給量の調整により自己形成されるものである。   Next, after the substrate temperature is lowered to, for example, 700 ° C., two kinds of molecular beams, that is, a disilane molecular beam and a germane molecular beam are alternately supplied, whereby a Ge island crystal 16 and a Si thin film crystal 17 are formed. A thin film layer N1, a thin film layer N2, or a thin film layer Nm are sequentially formed. The Ge island-like crystal 16 is self-formed by adjusting the supply amount in order to alleviate the strain caused by the difference in lattice constant between Ge and Si.

続いて、得られた結晶の表面に、例えばリンガラスを塗布し、熱処理を行い、成長したGe島状結晶16、Si薄膜結晶17の積層構造である薄膜層N1ないし薄膜層Nm全体をn型に反転した。熱処理の条件は、例えば800℃で30分間である。   Subsequently, for example, phosphorous glass is applied to the surface of the obtained crystal, heat treatment is performed, and the thin film layer N1 or the entire thin film layer Nm, which is a laminated structure of the grown Ge island crystal 16 and Si thin film crystal 17, is n-type. Inverted. The heat treatment condition is, for example, 800 ° C. for 30 minutes.

次に表面に残ったリンガラスをフッ酸溶液にて除去した後、反射防止膜13としてITO薄膜をスパッタリング法により堆積した。更に、表面に櫛型に銀ペーストを、裏面にアルミニウムペーストを塗布した後、焼成することにより、表面電極14と裏面電極15を形成し、太陽電池を作製した。   Next, phosphorus glass remaining on the surface was removed with a hydrofluoric acid solution, and then an ITO thin film was deposited as an antireflection film 13 by a sputtering method. Further, a comb-shaped silver paste was applied to the front surface, and an aluminum paste was applied to the back surface, followed by firing to form a front electrode 14 and a back electrode 15 to fabricate a solar cell.

上述の実施の形態においては、p型半導体層12にp型Si半導体単結晶基板を使用したが、p型半導体層12を形成するものはp型Si半導体単結晶基板に限られるものではない。n型半導体層11と同様にGeの島状結晶とSi薄膜結晶とからなるp型の薄膜構造を使うこともできるし、不純物を多く含むメタラジカルシリコンのような多結晶のp型Si半導体基板を使うこともできる。その場合は、p型半導体層12の非平坦な結晶境界面においても光散乱の効果が発現する。   In the above-described embodiment, the p-type Si semiconductor single crystal substrate is used for the p-type semiconductor layer 12, but the p-type semiconductor layer 12 is not limited to the p-type Si semiconductor single crystal substrate. Similar to the n-type semiconductor layer 11, a p-type thin film structure made of Ge island crystals and Si thin film crystals can be used, or a polycrystalline p-type Si semiconductor substrate such as metaradical silicon containing a large amount of impurities. Can also be used. In that case, the effect of light scattering appears even at the non-flat crystal boundary surface of the p-type semiconductor layer 12.

また島状結晶の形成は、GeとSiの組み合わせに限られるものではなく、InAsとGaAsの組み合わせ、あるいはInSbとGaSbの組み合わせなどにおいてもそれらの格子定数差により可能である。これら島状結晶は非常に安定した組織であり、多層化ができる。   The formation of island-like crystals is not limited to the combination of Ge and Si, and the combination of InAs and GaAs or the combination of InSb and GaSb can also be formed by their lattice constant difference. These island crystals have a very stable structure and can be multilayered.

(第2の実施の形態)
図3は本発明の第2の実施の形態による太陽電池の概略構成を示す要部断面図であり、半導体層における屈折率分布を組成の異なるSiGeのまだら模様分布により形成した構成を示している。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a cross-sectional view of a main part showing a schematic configuration of a solar cell according to the second embodiment of the present invention, showing a configuration in which a refractive index distribution in a semiconductor layer is formed by a mottled pattern distribution of SiGe having different compositions. .

図3において、21はn型半導体層、22はp型半導体層であり、n型半導体層21はSiGeからなり、互いに組成の異なる領域Aと領域B がまだら模様に分布した薄膜、p型半導体層22はSiからなる均一な組成の薄膜である。   In FIG. 3, 21 is an n-type semiconductor layer, 22 is a p-type semiconductor layer, the n-type semiconductor layer 21 is made of SiGe, and a thin film in which regions A and B having different compositions are distributed in a mottled pattern, a p-type semiconductor The layer 22 is a thin film of uniform composition made of Si.

このような構成の太陽電池のn型半導体層21においては、領域Aと領域B において屈折率が異なるため、垂直方向から入射した光が領域Aと領域Bの境界面において散乱する。その結果、変換効率が高い太陽電池となる。   In the n-type semiconductor layer 21 of the solar cell having such a configuration, since the refractive index is different between the region A and the region B, light incident from the vertical direction is scattered at the boundary surface between the region A and the region B. As a result, a solar cell with high conversion efficiency is obtained.

また、n型半導体層21、p型半導体層22は薄膜構造であるので材料消費量が少なく、
バルク太陽電池に比べて環境負荷が小さい。
Further, since the n-type semiconductor layer 21 and the p-type semiconductor layer 22 have a thin film structure, material consumption is small,
Environmental impact is small compared to bulk solar cells.

図3に示した本発明の第2の実施の形態による太陽電池は、例えば次のような方法により製造できる。   The solar cell according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 3 can be manufactured, for example, by the following method.

まず、p型半導体層22にスパッタリング法などで、Si薄膜、Ge薄膜、酸化膜の積層構造を作製する。   First, a stacked structure of a Si thin film, a Ge thin film, and an oxide film is formed on the p-type semiconductor layer 22 by sputtering or the like.

次に、試料の温度を、Geの融点である938℃と、Siの融点である1414℃の中間の温度に急速過熱する。このとき、最初にGeのみが融解する。更に、Ge融液にSiが溶融することにより、SiGeへの混晶化がおこり、固体と、液体が共存した平衡状態が形成される。   Next, the temperature of the sample is rapidly superheated to an intermediate temperature between 938 ° C. which is the melting point of Ge and 1414 ° C. which is the melting point of Si. At this time, only Ge melts first. Furthermore, when Si melts in the Ge melt, mixed crystallization into SiGe occurs, and an equilibrium state in which the solid and the liquid coexist is formed.

次に、温度を低下する。温度の低下により全体が結晶化し固体となるが、このとき、高温時における固体と液体との共存状態を反映した、組成の異なるSiGeからなるまだら模様が形成される。   Next, the temperature is lowered. The whole crystallizes into a solid due to a decrease in temperature. At this time, a mottled pattern made of SiGe having a different composition reflecting the coexistence state of the solid and the liquid at a high temperature is formed.

その後、薄膜全体をn型化してn型半導体層21を形成し、図3に示すような構成とする。尚、反射防止膜および電極の形成については、その説明を省略する。 表面の酸化膜は、表面Geが溶融したときに膜形状を保つための保護膜として作用するもので、温度の低下により全体が結晶化し固体となった後には必要に応じて除去する。   Thereafter, the entire thin film is made to be n-type to form an n-type semiconductor layer 21 to have a configuration as shown in FIG. The description of the formation of the antireflection film and the electrode is omitted. The surface oxide film acts as a protective film for maintaining the film shape when the surface Ge is melted, and is removed as necessary after the whole crystallizes and becomes solid due to a decrease in temperature.

上述の実施の形態の太陽電池において、p型半導体層22を形成する薄膜は、均一な組成のシリコン、メタラジカルシリコンのような多結晶シリコンあるいはGeの島状結晶を有する薄膜であってもよく、特に限定されるものではない。   In the solar cell of the above-described embodiment, the thin film forming the p-type semiconductor layer 22 may be a thin film having uniform composition of silicon, polycrystalline silicon such as metaradical silicon, or Ge island crystals. There is no particular limitation.

また、混晶化によって組成の異なるまだら模様を形成するものは、SiGe限られるものではなく、InGaAsなどであってもよい。   Moreover, what forms a mottled pattern having a different composition by mixed crystallization is not limited to SiGe but may be InGaAs or the like.

(第3の実施の形態)
図4は本発明の第3の実施の形態による太陽電池の概略構成を示す要部断面図である。図4において、31はSiGeからなるn型半導体層、32はp型半導体層であり、n型半導体層31とp型半導体層32の接合面は断面が互いに凹凸形状になっている。
(Third embodiment)
FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part showing a schematic configuration of the solar cell according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 4, 31 is an n-type semiconductor layer made of SiGe, 32 is a p-type semiconductor layer, and the junction surface between the n-type semiconductor layer 31 and the p-type semiconductor layer 32 has an uneven shape in cross section.

このような構成の太陽電池においては垂直方向から入射した光がn型半導体層31とp型半導体層32の接合面近傍において散乱する。その結果、変換効率が高い太陽電池となる。   In the solar cell having such a configuration, light incident from the vertical direction is scattered in the vicinity of the junction surface between the n-type semiconductor layer 31 and the p-type semiconductor layer 32. As a result, a solar cell with high conversion efficiency is obtained.

図4に示した本発明の第3の実施の形態による太陽電池は、例えば次のような方法により製造できる。   The solar cell according to the third embodiment of the present invention shown in FIG. 4 can be manufactured, for example, by the following method.

まず、p型半導体層32となるp型Si半導体単結晶基板を、有機洗浄により脱脂した後、Si表面を腐蝕し、表面に凹凸をつける。Si表面の腐蝕は、例えば、フッ酸:硝酸(1:6)混合溶液に1分間浸漬、あるいは80℃に加熱した水酸化カリウム水溶液に10分間浸漬することにより可能である。   First, after degreasing the p-type Si semiconductor single crystal substrate to be the p-type semiconductor layer 32 by organic cleaning, the Si surface is corroded to make the surface uneven. Corrosion of the Si surface can be performed, for example, by immersing in a hydrofluoric acid: nitric acid (1: 6) mixed solution for 1 minute or by immersing in a potassium hydroxide aqueous solution heated to 80 ° C. for 10 minutes.

次に、基板を、超高真空装置内部に導入し、例えば800℃で20分間加熱することにより清浄な表面を得る。   Next, the substrate is introduced into the ultrahigh vacuum apparatus and heated at, for example, 800 ° C. for 20 minutes to obtain a clean surface.

次に、基板温度を成長温度(500-700℃)に低下した後、ジシラン分子線とゲルマン分子線を同時に供給することにより、SiGe膜を形成する。   Next, after the substrate temperature is lowered to the growth temperature (500-700 ° C.), a disilane molecular beam and a germane molecular beam are simultaneously supplied to form a SiGe film.

続いて、SiGe膜をn型化し、n型半導体層31を形成する。尚、反射防止膜および電極の形成については、その説明を省略する。   Subsequently, the SiGe film is n-typed to form an n-type semiconductor layer 31. Note that description of the formation of the antireflection film and the electrode is omitted.

上述の実施の形態の太陽電池において、接合面の凹凸は均質である必要は無く、非平坦であればどのようなものでもよい。   In the solar cell of the above-described embodiment, the unevenness of the joint surface does not need to be uniform and may be anything as long as it is non-flat.

また、p型半導体層32はp型Si半導体単結晶基板に限られるものではなく、n型半導体層31もSiGe薄膜に限られるものではない。   The p-type semiconductor layer 32 is not limited to a p-type Si semiconductor single crystal substrate, and the n-type semiconductor layer 31 is not limited to a SiGe thin film.

以上、具体例を挙げながら本発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。   As described above, the present invention has been described in detail based on the embodiments of the present invention with specific examples. However, the present invention is not limited to the above contents, and all modifications are possible without departing from the scope of the present invention. And changes are possible.

(実施例1)
図5は、図2に示した本発明の第1の実施の形態による太陽電池の実施例を説明するための説明図である。
Example 1
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining an example of the solar cell according to the first embodiment of the present invention shown in FIG.

この実施例では、Geの島状結晶16の島の高さは約10nm、島の径の大きさは約100nm、Si薄膜結晶17の厚さは約39nmとし、15周期の積層を行った。   In this example, the island height of the Ge island-like crystal 16 was about 10 nm, the diameter of the island was about 100 nm, and the thickness of the Si thin film crystal 17 was about 39 nm.

図5において、横軸は波長(単位はnm)を、縦軸は外部量子効率を示し、曲線Aは本発明の実施の形態の太陽電池の特性を、曲線Bは従来の太陽電池の特性を示す。曲線Aと曲線Bとを比較すると、広範な波長領域において、本発明による太陽電池の外部量子効率が、従来の太陽電池の外部量子効率を上回っており、高い光電流が得られていることが明白にわかる。   In FIG. 5, the horizontal axis indicates the wavelength (unit: nm), the vertical axis indicates the external quantum efficiency, the curve A indicates the characteristics of the solar cell according to the embodiment of the present invention, and the curve B indicates the characteristics of the conventional solar cell. Show. Comparing curve A and curve B, the external quantum efficiency of the solar cell according to the present invention exceeds the external quantum efficiency of the conventional solar cell in a wide wavelength range, and a high photocurrent is obtained. Clearly understood.

(実施例2)
図6は、図3に示した本発明の第2の実施の形態による太陽電池の実施例を説明するための説明図である。
(Example 2)
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining an example of the solar cell according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 3.

この実施例では、厚さ1ミクロンのSi薄膜と厚さ1ミクロンのGe薄膜を積層した試料を1200℃で1分間加熱して固体と液体が共存した平衡状態とした。その後、冷却し固体化した。   In this example, a sample in which a Si thin film having a thickness of 1 micron and a Ge thin film having a thickness of 1 micron were laminated was heated at 1200 ° C. for 1 minute to obtain an equilibrium state in which a solid and a liquid coexisted. Then, it cooled and solidified.

図6は、このようにして作った試料の2次元組成分布を、ラマン分光法により評価した結果である。このスキャンの範囲は、4ミクロンX4ミクロンであり、濃淡の差が、組成に対応している。大きさが1ミクロン程度のまだら模様が形成されており、屈折率の分布が導入されていることがわかる。   FIG. 6 shows the results of evaluating the two-dimensional composition distribution of the sample thus prepared by Raman spectroscopy. The range of this scan is 4 microns x 4 microns, and the difference in shading corresponds to the composition. A mottled pattern with a size of about 1 micron is formed, indicating that a refractive index distribution has been introduced.

本発明によれば、薄膜シリコン系半導体を使用して太陽電池の変換効率をバルク結晶と同等に引き上げることが可能となる。よって、現在、変換効率が低いことが原因で普及が進んでいない薄膜シリコン系太陽電池のシェアを増大させることができる。   According to the present invention, the conversion efficiency of a solar cell can be increased to the same level as that of a bulk crystal using a thin film silicon-based semiconductor. Therefore, it is possible to increase the share of thin-film silicon solar cells that are not widely used due to low conversion efficiency.

薄膜シリコン系半導体の使用によりシリコンの消費量が低減可能であり、現在、太陽電池産業で課題となっている将来的な原料の確保の問題を解決し、太陽電池産業の拡大とエネルギー問題解決に繋がる。   Silicon consumption can be reduced by using thin-film silicon-based semiconductors, solving the problem of securing future raw materials, which is currently a problem in the solar cell industry, and expanding the solar cell industry and solving energy problems Connected.

本発明による太陽電池の基本構造を説明するための要部断面図である。It is principal part sectional drawing for demonstrating the basic structure of the solar cell by this invention. 本発明の第1の実施の形態による太陽電池の概略構成を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows schematic structure of the solar cell by the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態による太陽電池の概略構成を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows schematic structure of the solar cell by the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態による太陽電池の概略構成を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows schematic structure of the solar cell by the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態による太陽電池の実施例を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the Example of the solar cell by the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態による太陽電池の実施例を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the Example of the solar cell by the 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1、11、21、31 n型半導体層
2、12、22,32 p型半導体層
3、13 反射防止膜
14 表面電極
15 裏面電極
16 Geの島状結晶
17 Si薄膜結晶
1, 11, 21, 31 n-type semiconductor layer 2, 12, 22, 32 p-type semiconductor layer 3, 13 Antireflection film 14 Surface electrode
15 Back electrode 16 Ge island crystal 17 Si thin film crystal

Claims (8)

第1導電型の半導体層と第2導電型の半導体層とが積層され、前記第1導電型の半導体層および前記第2導電型の半導体層の少なくとも一方の半導体層が屈折率分布構造を有することを特徴とする太陽電池。 A first conductivity type semiconductor layer and a second conductivity type semiconductor layer are stacked, and at least one of the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer has a refractive index distribution structure. A solar cell characterized by that. 前記屈折率分布構造が非平坦境界を有する複数の層あるいは複数の相により構成されていることを特徴とする請求項1記載の太陽電池。 The solar cell according to claim 1, wherein the refractive index distribution structure includes a plurality of layers or a plurality of phases having non-flat boundaries. 前記複数の層あるいは複数の相の少なくともひとつが平坦面上に形成された島状結晶であることを特徴とする請求項2記載の太陽電池。 3. The solar cell according to claim 2, wherein at least one of the plurality of layers or the plurality of phases is an island-like crystal formed on a flat surface. 前記複数の層あるいは複数の相がまだら模様であることを特徴とする請求項2記載の太陽電池。 The solar cell according to claim 2, wherein the plurality of layers or the plurality of phases have a mottled pattern. 第1導電型の半導体層と第2導電型の半導体層とが積層され、前記第1導電型の半導体層と前記第2導電型の半導体層の接合面が非平坦構造であることを特徴とする太陽電池。 A first conductivity type semiconductor layer and a second conductivity type semiconductor layer are stacked, and a bonding surface between the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer has a non-flat structure. Solar cell. 互いに異なる半導体を生成する成分を含む分子線源を少なくとも二つ用意し、各々の分子線を結晶成長用基板に時間を変えて供給して、格子定数の異なる半導体を積層形成する工程1を有することを特徴とする太陽電池の製造方法。 Preparing at least two molecular beam sources including components generating semiconductors different from each other, supplying each molecular beam to a crystal growth substrate at different times, and stacking semiconductors having different lattice constants; A method for manufacturing a solar cell. 基板上に互いに異なる物質の薄膜を少なくとも2層積層する工程2と、該工程2で得られた基板を前記互いに異なる物質の各々の融点の中間の温度に急速過熱して異種物質への混晶化による固体と液体が共存する平衡状態とする工程3と、該工程3の平衡状態の基板の温度を低下させて全体を固体化して半導体層を生成する工程4とを有することを特徴とする太陽電池の製造方法。 Step 2 of laminating at least two thin films of different materials on a substrate, and rapid superheating of the substrate obtained in Step 2 to a temperature intermediate between the melting points of the different materials to form mixed crystals of different materials And a step 3 for producing a semiconductor layer by lowering the temperature of the substrate in the equilibrium state in the step 3 to solidify the whole and forming a semiconductor layer. A method for manufacturing a solar cell. 第1導電型の半導体表面を腐蝕させて凹凸を形成する工程5と、該工程5で得られた半導体表面に第2導電型の半導体層を積層形成する工程6とを有することを特徴とする太陽電池の製造方法。 A step 5 of corroding the first conductivity type semiconductor surface to form irregularities; and a step 6 of forming a second conductivity type semiconductor layer on the semiconductor surface obtained in the step 5. A method for manufacturing a solar cell.
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