JP2007142201A - 光電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】集光ロスを低減し、結晶半導体粒子の光の利用効率を向上させることにより、高い光電変換効率をもった、高性能で信頼性の高い光電変換装置を提供することである。
【解決手段】一主面に複数の凹部１７が形成されている導電性基板１１と、前記各凹部１７に設けられた結晶半導体粒子１２からなる光電変換体と、該光電変換体上に形成された凸レンズ状の集光部１８とを有しており、隣接する前記凹部１７同士の間の境界部１９と、隣接する前記集光部１８同士の間の境界部２０とが平面視で重なっていない光電変換装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電に使用される光電変換装置に関し、特に結晶半導体粒子を用いた光電変換装置に関する。

太陽電池等の光電変換装置は、光電変換効率（以下「変換効率」ともいう）等の性能面での効率の良さ、資源の有限性への配慮、あるいは製造コストの低さ等といった市場ニーズを捉えて開発が進められている。太陽電池の光電変換材料としては、単結晶シリコンまたは多結晶シリコンの大きなバルクを切断して基板を作製して用いている。しかしながら、この方法では、切断ロスが多いという点で省資源の点で問題がある。このことから、今後の市場において有望な光電変換装置の一つとして、結晶シリコン粒子を用いた光電変換装置が注目を浴びている。

結晶シリコン粒子を作製するための原料としては、例えば単結晶シリコンを粉砕した結果として発生するシリコンの微小粒子や、流動床法で気相合成された高純度シリコン等が用いられている。これらの原料から結晶シリコン粒子を作製するには、それらの原料をサイズあるいは重量によって分別した後に、赤外線照射や高周波誘導加熱を用いて容器内で溶融し、その後粒状として自由落下させる方法（例えば、特許文献１、２を参照）、また同じく高周波プラズマを用いる方法（例えば、特許文献３を参照）等が知られている。
また、球状シリコンとアルミニウム箔との接続において高温加圧法で接合できること（特許文献４参照）、また、シリコン球を基板の凹部に載置し、凹面で反射した光をシリコン球に集光する方法（特許文献５）、も提案されている。

国際公開第９９／２２０４８号パンフレット 米国特許第４１８８１７７号明細書 特開平５−７８１１５号公報 米国特許第４４５１９６８号明細書 特開２００２−１６４５５４号公報

しかしながら、特許文献５に記載された集光方法では、集光ロスが発生し、高い変換効率を得ることができないという問題があった。
本発明の課題は、集光ロスを低減し、結晶半導体粒子の光の利用効率を向上させることにより、高い光電変換効率をもった、高性能で信頼性の高い光電変換装置を提供することである。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、複数の凹部が形成された導電性基板の該凹部同士間の境界部と、各結晶半導体粒子に光を集光させる集光部同士間の境界部とが入射光に対して重畳しない構造とすることにより、光を有効利用でき、高い変換効率を得ることを見出して、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明における光電変換装置は、以下の構成を有する。
（１）一主面に複数の凹部が形成されている導電性基板と、前記各凹部に設けられた結晶半導体粒子からなる光電変換体と、該光電変換体上に形成された凸レンズ状の集光部とを有しており、隣接する前記凹部同士の間の境界部と、隣接する前記集光部同士の間の境界部とが平面視で重なっていないことを特徴とする光電変換装置。
（２）隣接する前記集光部同士の間の境界部が平坦面から成ることを特徴とする（１）に記載の光電変換装置。
（３）上記（１）に記載の光電変換装置を発電手段として用い、該発電手段により得られる発電電力を負荷へ供給するように成したことを特徴とする光発電装置。

本発明の光電変換装置は、上記（１）および（２）によれば、複数の凹部が形成されている導電性基板の一主面に、結晶半導体粒子からなる光電変換体が、複数個間隔をおいて配置されているとともに前記光電変換体上に凸レンズ状の集光部が形成されてなる光電変換装置において、隣接する凹部同士の境界部と隣接する集光部同士の境界部とが入射光に対して重畳していないことにより、集光部の境界部に形成される平坦部分を透過した光は、前記凹部間の境界部に反射されることなく凹部の斜辺に入射することにより反射光の進行方向を変えて結晶半導体粒子に到達することで光の利用効率を向上させることができ、変換効率を高めることができる。
また、上記（３）によれば、本発明による高い変換効率をもった光電変換装置を発電手段として光発電装置に用いることにより、発電電力を負荷へ供給するように成した前記光発電装置に供与する電力が増加し、高性能な光発電装置を得ることができる。

本発明の製造方法によって得られる光電変換装置の実施の形態について図面に基づいて以下に詳細に説明する。図１は、本発明の光電変換装置の実施形態の一例を示す断面図である。図２は、本発明において凹部反射面および集光部の境界部を示した平面図である。図３は、従来の光電変換装置の一例を示す断面図である。

図３に示した結晶半導体粒子１２（例えば、シリコン粒子）は溶融落下法を用いて作製されたものである。導電性基板１１の一主面（この例では上面）に、ｐ型の結晶半導体粒子１２を多数個、その下部を例えば接合層１６によって接合し、結晶半導体粒子１２の隣接するもの同士の間に絶縁物質１４を介在させるとともにそれら結晶半導体粒子１２の上部を絶縁物質１４から露出させて配置し、これら結晶半導体粒子１２にｎ型の半導体層１３および透明導電膜１５が設けられた構成である。

本発明で用いる球状の結晶半導体粒子１２としてのシリコンは、容器内においてシリコン原料全体を溶融させ、シリコン融液の上部をアルゴンガスなどで加圧して容器下部のノズル孔から押し出すことにより、多数のシリコンの液滴を噴出させて、自由落下中に凝固させて単結晶シリコンまたは多結晶シリコンの粒子となって収容容器に収容されたものを用いている。この他にも、シリコン粉末を溶融炉を通すことによって単結晶シリコン化した球状の結晶半導体粒子１２を用いてもよい。

このような結晶半導体粒子１２は、太陽電池等の光電変換装置を形成するために使用される。従って、溶解させるシリコンには、所望の半導体となるための不純物を含有させておく。所望の抵抗値を有するとともに第１導電型（例えばｐ型）とするためのドーパント、例えばｐ型ドーパントがドーピングされている。ｐ型ドーパントとしてはホウ素，アルミニウム，ガリウム，インジウムがあるが、シリコンに対する偏析係数が大きい点やシリコン溶融時の蒸発係数が小さい点からは、ホウ素を用いることが好ましい。本発明においては、ｐ型を示すドーパントとなるアルミニウムを含んだシリコン層が析出され、そのｐ＋層を、結晶半導体粒子１２と導電性基板１１との界面に形成して、ｐ＋層（ＢＳＦ層）として用いるので、結晶半導体粒子１２にはｐ型ドーパントを添加している。

第２導電型の半導体層１３を形成するには、結晶半導体粒子１２と導電性基板１１との接合に先立って、工程コストの低い熱拡散法により結晶半導体粒子１２に形成する。第２導電型のドーパントとしては、元素周期律表のＶ族元素のＰ，Ａｓ，Ｓｂ、III族元素のＢ，Ａｌ，Ｇａ等を用い、石英からなる拡散炉にドーパントを導入しながら結晶半導体粒子１２の表面に第２導電型の半導体層１３を形成する。なお、この例では、拡散されてｎ型となるＶ族のＰを加熱した石英管に導入する熱拡散法を示したが、結晶半導体粒子１２をアルミニウムを含む導電性基板１１に接合した後、結晶半導体粒子１２上に半導体層１３としてｎ型の非晶質シリコン層を積層してもよい。

導電性基板１１としては、基板の少なくとも一主面（結晶半導体粒子１２が接合される主面）に導電層（アルミニウムを含む金属層）が形成されていればよく、基板は金属基板でも良いし、ガラス，セラミック等から成る絶縁基板の一主面に導電層を形成したものでも良い。基板の一主面に形成されるアルミニウムを含む金属層としては、好ましくは銀，銅，錫等から成る金属層であり、さらに好ましくはアルミニウムから成る金属層である。導電性基板１１がアルミニウムから成る金属基板である場合、結晶半導体粒子１２の接合により、その接合部にアルミニウムとシリコンの共晶部が形成され、結晶半導体粒子１２と導電性基板１１との間に強い接着強度が発生する。
この導電性基板１１を型押しして多数の凹部を一挙に形成する。このときの凹部が反射面となって入射してくる光を結晶半導体粒子１２に集光させる。この凹部反射面１７の縦断面は曲面形状をなしており、略半円または略楕円であるのが好ましい。またこの凹部反射面１７の境界部１９の平面視形状は配置モードにより、正方形、六角形、円、三角形などとなる。凹部反射面１７間に形成される境界部１９は集光には寄与しないため、集光ロスとなってしまう。従って、できるだけ境界部１９の面積が少ないほうが好ましいが、ゼロとすることは不可能である。この境界部１９に入射する光は結晶半導体粒子１２に集光せず、上部に向けて反射されるので、集光ロスとなってしまう。

次に、導電性基板１１の上面に結晶半導体粒子１２を、それぞれの凹部の底に押し当てて、特許文献４に記載されているように、結晶半導体粒子１２と導電性基板１１との接合部において、アルミニウムとシリコンの共晶部の形成が促進されるように、多数の結晶半導体粒子１２の上に荷重をかけながら、共晶点（５７７℃）以上の温度で窒素あるいは窒素／水素の還元雰囲気の加熱炉内を通過させることによって、結晶半導体粒子１２を導電性基板１１上面に接合させる。このとき、導電性基板１１と結晶半導体粒子１２との接合界面には、アルミニウムとシリコンの共晶から成る接合層１６が形成される。

次に、上記のように接合された結晶半導体粒子１２の第２導電型の半導体層１３を導電性基板１１から分離するために、結晶半導体粒子１２に耐エッチング液のレジストを転写法にて粒子の半分以上に塗布し、エッチング液に浸漬して露出した結晶半導体粒子１２表面の第２導電型の半導体層１３を除去する。

次に、結晶半導体粒子１２の隣接するもの同士の間に介在するように、導電性基板１１上の結晶半導体粒子１２同士の間にムラ無く全面に絶縁物質１４をコーティングする。この絶縁物質１４は、正極と負極の分離を行うための絶縁材料からなり、例えばポリイミドを主成分とする。他の絶縁材料としては、酸化珪素（ＳｉＯ₂），酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃），酸化鉛（ＰｂＯ），酸化硼素（Ｂ₂Ｏ₃），酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を、必須成分あるいは任意成分として含むガラスも選択可能である。ただし、ポリイミドは、処理温度を低く抑えることが可能で、弾性係数も小さく、導電性基板１１と絶縁物質１４との熱膨張係数の差を吸収する点で好ましい材料である。

さらに、結晶半導体粒子１２上に透明導電膜１５を形成し、各結晶半導体粒子１２で発生した光電流を集電できるようにする。この透明導電膜１５は、錫ドープ酸化インジウム膜，酸化スズ膜，酸化亜鉛膜等からなり、膜厚を８５０Å程度に制御することで反射防止効果をも有している。また透明導電膜１５は、量産に適した信頼性の高い均質な膜質を得るには、スパッタリング法で形成するのが好ましいが、ＣＶＤ法、ディップ法、電析法により形成することもできる。また透明導電膜１５は、第２導電型の半導体層１３上に上部電極として形成されるとともに、絶縁物質１４上にも形成されて、個々の結晶半導体粒子１２によって形成された光電変換素子を並列に接続することができる。
その後、透明導電膜１５の直列抵抗値を低くするために、透明導電膜１５上に銀ペースト等をくし状に塗布形成してグリット電極（図示しない）とし、導電性基板１１を一方の電極とし、透明導電膜１５およびグリット電極をもう一方の電極とすることにより、太陽電池としての光電変換装置が得られる。

本発明では、上記した光電変換装置の光電変換素子上に、樹脂を用いて凸レンズ状に集光部１８を形成し、凹部の集光効果に加えて、凸レンズ状の集光部１８によって集光効果をさらに高める。該集光部１８は、その縦断面形状において凸状の曲面形状であればよく、好ましくは略半円または楕円形状であるのがよい。
一方、前記集光部１８がない場合、上記の光電変換装置は大気に露出するため、耐候性を確保することは困難である。屋外の暴露においては湿気や塵埃、化学物質などにさらされることにより、特性が劣化してしまう。これを防ぐためにも、光電変換素子をＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）やポリオレフィン等の樹脂でカバーすることが必要であり、前記集光部１８がその機能も有する。
この集光部１８を形成するには、樹脂を硬化させるときに用いる金型に集光部１８を形成するための凹部を加工しておけばよい。また、耐候性樹脂層の上に凸形状のポリカーボネート樹脂等を金型にはめ込んで積層しておいて、硬化させることで表面の安定性をさらに向上させることができる。

一方、前記集光部１８にも境界部２０が形成され、この境界部２０に入射した光は屈折することなくそのまま下方に進行し、凹部反射面１７の境界部１９で上方に向けて反射されてしまうため、光をロスしてしまうことが課題であった。本発明では次のような簡便な方法でこの問題を解決することができた。すなわち、図２に示すように、凹部反射面１７の境界部１９と集光部１８の境界部２０とが重ならないようにずらして形成することである。また、このとき集光部１８の境界部２０は平坦であるのが好ましい。これらにより、図１に示すように、前記境界部２０に入射する光は２１の光線軌跡となり結晶半導体粒子１２に集光される。このように光の有効利用がはかれるため、従来重なっていたことによる光ロスが６％あったのに対して、本発明においては１％に低減することができる。低減してもなおわずかなロスが残ったのは、重なった斜線部２２によるものである。
凹部反射面１７の境界部１９と集光部１８の境界部２０とのずれの距離は、平行移動により前記両境界部の重なり部分が最小になる範囲であればよく、好ましくは前記境界部１９（または２０）の幅の１〜１０倍程度がよい。
図２においては、凹部反射面１７の境界部１９と集光部１８の境界部２０とが平行移動することで重なりを回避しているが、凹部反射面１７の境界部１９または集光部１８の境界部２０の大きさを大小混ぜることにより、同様の効果を得ることもできる。

上記の光電変換装置は低コストかつ高変換効率であることに加えて、表面が耐候性フィルムでラミネートされたモジュールとなっており、軽量かつ高変換効率で高耐候性の光電変換システムを作製できるだけでなく、設置架台やコンバーターなどを用いたトータルシステムにおいても効果を発揮し得る。
また、本発明の光発電装置は、上記本発明の光電変換装置を発電手段として用い、この発電手段で得られる発電電力を、発光装置や照明装置、モーター等の各種の負荷へ供給するように成したものである。これにより、高変換効率で信頼性が高い本発明の光電変換装置によって発電能力が向上し、長期間にわたって高い発電効率が得られるとともに高い信頼性を確保することができる。

以下、実施例および比較例を挙げて、本発明の光電変換装置を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。

（実施例）
本発明の光電変換装置の実施例について以下に説明する。
結晶半導体粒子１２としてのシリコン粒子を、シリコン融液の液滴を容器のノズルから噴出させ自由落下させて固化させることにより製造する、いわゆるジェット法によって、製造した。即ち、ＡｒまたはＨｅの不活性ガスの雰囲気中で、坩堝へシリコン原料を充填して昇温し溶解したシリコン融液を、坩堝下端に形成されたノズルより噴出させて自由落下させ、固化させることにより、球状の結晶半導体粒子１２を作製した。
そして、この結晶半導体粒子１２を石英ボート上に載置して熱処理することにより、結晶半導体粒子１２の表面にリン不純物を熱拡散させて、結晶半導体粒子１２表面におよそ１μｍの厚さのｎ型半導体層１３を形成した。
次に、２００μｍの厚みの高純度アルミニウムからなる導電性基板１１に、型押しで、縦断面が曲率半径８００μｍの円弧で、円最下部から境界部１９までの高さ３５０μｍの部分からなる形状で、それぞれの中心の間隔が粒子径の３倍となる位置に最密六方形成された多数の凹部を一挙に形成した。
そして、多数の直径約３００μｍの結晶半導体粒子１２のそれぞれを、導電性基板１１に形成された前記凹部に配設し、導電性基板１１の各凹部の底面に形成された、アルミニウムーシリコン共晶部（共晶層１６）となる硼素を含有したアルミニウムーシリコン合金粉末から成るペーストのそれぞれの上に位置するようにした。
その後、５％水素を含む窒素ガスの還元雰囲気の加熱炉に導入し、アルミニウムーシリコン共晶の共晶点より２℃高い５７９℃の熱板を導電性基板１１に押し付け接合させた後、熱板を導電性基板１１より離して降温させた。
そして、結晶半導体粒子１２が配設された導電性基板１１上の結晶半導体粒子１２同士の間に、ポリイミドからなる絶縁物質１４を約１００μｍの厚みになるように充填塗布し乾燥させた。
その後、多数の結晶半導体粒子１２上の全面に、上部電極膜としての透明導電膜１５（ＩＴＯ膜）を、スパッタリング法により、８５ｎｍの厚みで形成した。
そして、透明導電膜１５上に銀ペーストをディスペンサーでグリッド状にパターン形成して、フィンガー電極およびバスバー電極となる銀ペーストパターンを形成し、焼成を行ってフィンガー電極およびバスバー電極を形成した。
最後に、凹型の金型に２００μｍ厚みのポリカーボネートフィルムを全面に貼り付け、８００μｍのＥＶＡシートをのせて、そのＥＶＡシートがフィンガー電極およびバスバー電極上に重なるようにして上記で得られた光電変換装置と合わせて真空ラミネートさせた。このとき、凹部反射面１７の境界部１９の幅は２０μｍ、集光部１８の境界部２０の幅は２０μｍであり、両境界部が一致しないように、六角形の一辺に対して垂直で水平方向（図２の矢印Ａ）に３０μｍずらした配置とした。

（比較例）
比較例として、凹部反射面１７の境界部１９と集光部１８の境界部２０とが一致するように貼り合せた以外は、実施例と同様にして光電変換装置を作製した。

（評価結果）
前記作製した実施例および比較例の光電変換装置について、所定の強度および所定の波長の光を照射して、電気特性の値を測定した。
電気特性の測定は、ソーラーシミュレータ（ＷＡＣＯＭ社製：ＷＸＳ１５５Ｓ−１０）を用いて、ＪＩＳ Ｃ ８９１３に基づいた方法により実施した。
測定の結果、比較例においては、開放電圧は６００ｍＶ、短絡電流は３０ｍＡ／ｃｍ²、光電変換効率は１３．６％であった。これに対して、実施例では、開放電圧は６００ｍＶ、短絡電流は３２ｍＡ／ｃｍ²、光電変換効率は１４．８％であった。
測定結果から、開放電圧は、実施例と比較例とで同じであるが、実施例の方は、短絡電流値および光電変換効率は、比較例よりも向上していることが分かる。これは、それぞれの集光部の境界部１９、２０が光をロスすることなく発電部に到達させているためであり、このことは公知のレーザー励起電流（ＬＢＩＣ；Laser Beam Induced Current）法により確認した。
また、実施例で集光部１８を形成しない場合、すなわち凸レンズ状の集光部１８のない光電変換装置では凹部反射面１７に水滴や塵埃が残り、耐候性をもたないことが判明した。これに対して、本発明の光電変換装置では高い耐候性を示し、信頼性の高い光電変換装置であることが確認できた。

本発明の光電変換装置の実施の形態の一例を示す断面図である。 本発明の光電変換装置の凹部反射面および集光部のそれぞれの境界部を示す平面図である。 従来の光電変換装置の一例を示す断面図である。

符号の説明

１１ ・・・導電性基板
１２ ・・・結晶半導体粒子
１３ ・・・第２導電型の半導体層
１４ ・・・絶縁物質
１５ ・・・透明導電膜
１６ ・・・アルミニウムとシリコンの共晶層
１７ ・・・凹部反射面
１８ ・・・集光部
１９ ・・・凹部反射面の境界部
２０ ・・・集光部の境界部
２１ ・・・入射光軌跡

Claims (3)

1. 一主面に複数の凹部が形成されている導電性基板と、前記各凹部に設けられた結晶半導体粒子を含む光電変換体と、該光電変換体上に形成された凸レンズ状の集光部とを有しており、隣接する前記凹部同士の間の境界部と、隣接する前記集光部同士の間の境界部とが平面視で重なっていないことを特徴とする光電変換装置。
2. 隣接する前記集光部同士の間の境界部は平坦面から成ることを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
3. 請求項１記載の光電変換装置を発電手段として用い、該発電手段により得られる発電電力を負荷へ供給するように成したことを特徴とする光発電装置。
   
   
   

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