JP2008034582A - 光電変換装置及びその製造方法、並びに光電変換モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】 半導体の使用量を少なくするため、結晶半導体粒子を用いて、高効率、低コスト化された反射型光電変換装置を提供すること。
【解決手段】 導電性基板と、前記導電性基板上に互いに間隔をあけて配設された、粒子状に形成された第１導電形の結晶半導体と、該第１導電形の結晶半導体の表面に形成された第２導電形の半導体層と、を有する複数の結晶半導体粒子と、前記導電性基板上に配設された絶縁層と、前記絶縁層上に配設された透光性導電層と、前記透光性導電層上に配設され、光を反射させて前記各結晶半導体粒子に集光させるための反射型集光体と、を具備する光電変換装置を作製した。
【選択図】 図１
【解決手段】 導電性基板と、前記導電性基板上に互いに間隔をあけて配設された、粒子状に形成された第１導電形の結晶半導体と、該第１導電形の結晶半導体の表面に形成された第２導電形の半導体層と、を有する複数の結晶半導体粒子と、前記導電性基板上に配設された絶縁層と、前記絶縁層上に配設された透光性導電層と、前記透光性導電層上に配設され、光を反射させて前記各結晶半導体粒子に集光させるための反射型集光体と、を具備する光電変換装置を作製した。
【選択図】 図１
Description
本発明は、太陽光発電等に利用される光電変換装置及びその製造方法、並びに光電変換モジュールに関し、特に、光電変換素子として結晶シリコン粒子などの結晶半導体粒子を用いた光電変換装置及びその製造方法、並びに光電変換モジュールに関するものである。
従来から、集光型光電変換装置としては、光電変換素子上に集光レンズを配設した集光レンズ型の光電変換装置や、光電変換素子間に反射型集光体を配設した反射型の光電変換装置が知られている。
これらのうち、集光レンズ型の光電変換装置として、結晶半導体粒子の曲面に平行に形成された球状レンズを用いているものが提案されている。しかし、このような球状レンズを用いて光電変換効率の光の入射角依存性を小さくしようとすると、結晶半導体粒子間の距離を結晶半導体粒子の直径の１／１０程度までしか広げることができない。その結果、光電変換装置における半導体の使用量が低減されず、軽量化、低コスト化に不利である。
また、反射型の光電変換素子としては、基板を変形させて複数の凹部（反射面）を有する反射型集光体を形成し、これらの凹部の底部に結晶半導体粒子をそれぞれ配置した光電変換装置が開示されている（特許文献１）。すなわち、この光電変換装置は、基板を反射型集光体として利用したものである。
また、基板とは別の部材を用いて反射型集光体を形成した光電変換装置も提案されている（特許文献２）。具体的には、金属バルクからなる反射型集光体又は樹脂の表面に金属薄膜が形成された反射型集光体が基板上に配設されており、この反射型集光体は、光電変換素子を配設するための複数の凹部を備えている。これらの凹部に光電変換素子がそれぞれ配設されている。
特開２００２−１６４５５４号公報
特開２００４−６３５６４号公報
しかしながら、特許文献１に記載された光電変換装置では、導電性基板、絶縁層及び導電層からなる多層構造の部材を凸状に変形させて複数の凹部を有する反射型集光体を形成しているので、反射型集光体の凸頂部の幅を小さくすることが困難である。すなわち、多層構造の部材を折り曲げて凸状にしているので、凸頂部を鋭角に折り曲げようとすると、絶縁層が破断して基板と導電層との間で電気的短絡が生じるおそれがある。このため、反射型集光体の凸頂部の幅を小さくすることができないので、この凸頂部での光の反射量が多くなる。その結果、集光率が低下して光電変換効率が低下する、という問題がある。
また、特許文献２に記載された光電変換装置は、導電性基板上に反射型集光体を配設した後に、各光電変換素子を反射型集光体の各凹部に配置して製造されている。すなわち、導電性基板、反射型集光体及び光電変換素子が、この順に配置される。そして、この光電変換素子は、ｐ型半導体又はｎ型半導体からなる半導体粒子の表面の一部にｎ型半導体又はｐ型半導体からなる半導体層が形成されたものである。ところが、光電変換装置に用いられる光電変換素子は、通常、数万個以上に及ぶので、導電性基板上に反射型集光体を配設した後に、反射型集光体の各凹部に光電変換素子を一つ一つ配置するのは非常に煩雑な作業であり、コストアップの原因となる。また、光電変換素子は、半導体層が形成されていない部分を導電性基板上に当接させるように向きを合わせて配置されなければならない。仮に、誤った向きに配置された場合には配置し直す必要がある、という欠点がある。
さらに、特許文献２に記載された光電変換装置では、反射型集光体の表面に形成された金属薄膜を上面側の電極として用いている。この金属薄膜の厚みはおよそ０．５μｍと非常に薄いので、大きな電流を流すことができないという問題がある。また、特許文献２に記載された製造方法では、導電性基板上に反射型集光体を形成した後に、反射型集光体の各凹部に光電変換素子をそれぞれ配置する。その為、光電変換素子と反射型集光体表面の金属薄膜とを電気的に接続するためにこれらを半田付けする必要がある。このような作業は非常に煩雑であり、また、電気的接続が不十分になる可能性もある。
本発明は、光電変換効率が高く、低コストで製造することができる光電変換装置及びその製造方法、並びに光電変換モジュールを提供することを目的とする。
本発明の光電変換装置は、導電性基板と、該導電性基板に電気的に接続された第１導電型の結晶半導体粒子と前記結晶半導体粒子の表面に形成された第２導電型の半導体層とを有し、前記導電性基板上に互いに間隔をあけて配設された複数の光電変換素子と、前記導電性基板上に配設され、隣り合う前記結晶半導体粒子間を絶縁するための絶縁層と、該絶縁層上に配設され、隣り合う前記半導体層間を電気的に接続するための導電層と、該導電層上に配設され、光を反射させて前記光電変換素子に集光させるための反射型集光体と、を具備していることを特徴とする。
また、前記反射型集光体と前記絶縁層との間に配設され、少なくともその一部が前記導電層と接している上部電極を具備しているのがよい。本発明における前記上部電極は、平板状であり、前記絶縁層と前記導電層との間に前記絶縁層とほぼ平行に配置されていることが好ましく、前記上部電極は、前記絶縁層及び導電層よりも剛性が高いことがより好ましく、前記上部電極は、前記透光性導電層よりも電気抵抗が低いことがさらに好ましい。
また、本発明における前記反射型集光体は、第１の樹脂からなる基体と、前記基体の表面に形成され、前記第１の樹脂よりも軟化点が低い第２の樹脂からなる表層部と、前記表層部の表面に形成された金属薄膜と、を有していることが好ましい。また、前記絶縁層には、複数の絶縁性硬質粒子が混入されていることがより好ましい。また、本発明における前記導電層は、前記絶縁層及び前記半導体層上に配設された透光性導電層であることが好ましい。
本発明の光電変換装置の製造方法は、導電性基板上に、複数の第１導電型の結晶半導体粒子を互いに間隔をあけて配設し、前記導電性基板に電気的に接続する工程と、前記結晶半導体粒子の表面に第２導電型の半導体層を形成する工程と、前記導電性基板上で、かつ、隣り合う前記結晶半導体粒子間に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層上に、隣り合う前記半導体層間を電気的に接続するための導電層を形成する工程と、前記結晶半導体粒子及び前記半導体層に集光させるための反射型集光体を成形する工程と、前記導電層上で、かつ、隣り合う前記結晶半導体粒子間に、前記反射型集光体を配設する工程と、を具備していることを特徴とする。また、前記半導体層における前記導電性基板側の一部を除去する工程を備えていることが好ましい。
また、前記導電性基板上に前記結晶半導体粒子を配設する工程において、複数の吸引孔を有する吸引用基板上に複数の前記結晶半導体粒子を供給し、前記吸引孔から吸引して各吸引孔に前記結晶半導体粒子をそれぞれ配置した後、前記結晶半導体粒子を介して前記吸引用基板とほぼ平行に前記導電性基板を配置した状態で加熱して、前記結晶半導体粒子を前記導電性基板に接合することが好ましい。
本発明における光電変換装置では、前記反射型集光体と前記絶縁層との間に、少なくともその一部が前記導電層と接する上部電極を配設する工程を備えていることが好ましい。また、前記反射型集光体が、第１の樹脂からなる基体と、前記基体の表面に形成され、第１の樹脂よりも軟化点が低い第２の樹脂からなる表層部と、前記表層部の表面に形成された金属薄膜とを具備し、前記反射型集光体を配設する工程において、前記第１の樹脂の軟化点よりも低く、前記第２の樹脂の軟化点よりも高い温度で前記反射型集光体が前記導電層上に接合されるのがより好ましい。また、前記絶縁層には、複数の絶縁性硬質粒子が混入されていることがさらに好ましい。また、前記導電層が、前記絶縁層及び前記半導体層上に配設された透光性導電層であることがさらに好ましい。
本発明の光電変換モジュールは、上記のいずれかに記載の光電変換装置を具備していることを特徴とする。
また、本発明の光電変換モジュールは、上記のいずれかに記載の光電変換装置と、前記光電変換装置における前記光電変換素子及び反射型集光体を覆うように配設された表面保護板と、前記表面保護板と前記導電性基板との間であって、前記導電性基板上の周縁部及び内部の少なくとも一方に配設され、前記反射型集光体の変形を防止するためのギャップ制御部と、前記光電変換装置と前記表面保護板との間に充填された表面充填材と、を具備していることを特徴とする。本発明における前記ギャップ制御部は前記反射型集光体と一体成形されたものであることが好ましい。
本発明の光電変換装置によれば、導電層上に配設され、光を反射させて光電変換素子に集光させるための複数の反射面を有する反射型集光体を具備しているので、導電性基板上での光電変換素子の占める面積が少なくても、入射光を光電変換素子に集めることができるため、半導体の使用量を低減でき、軽量化、低コスト化することができる。また、本発明における反射型集光体は、導電層上に配設されたもの、すなわち、導電性基板とは別体で成形されたものであるので、反射型集光体の凸頂部の幅を小さくすることが可能となり、集光率の低下を防ぐことができる。
本発明の光電変換装置は、反射型集光体と絶縁層との間に配設され、少なくともその一部が導電層と接している上部電極を備えている。このように上部電極は、少なくともその一部が導電層と接しているので、光電変換装置から発電された電力を取り出す集電極として利用できる。また、このように上部電極が反射型集光体と絶縁層との間に配設されているので、上部電極が反射型集光体の集光を妨げることがなく、効率よく集光することが可能になる。
また、上部電極が、平板状であり、絶縁層と導電層との間に絶縁層とほぼ平行に配置されているときには、上部電極が反射型集光体を支える基盤となる。これにより、反射型集光体を導電層上に配設する際の圧力を平板状の上部電極によって分散させることができるので、上記圧力により絶縁層が破断するのを防止することができる。したがって、導電性基板と導電層との間での電気的短絡が生じるのを防止することができる。また、上部電極が、絶縁層及び透光性導電層よりも剛性が高いときには、この短絡を防止する、より優れた効果を得ることができる。また、上部電極が、透光性導電層よりも電気抵抗が低いときには、上部電極がない従来の光電変換装置と比較して、より大きな電流を流すことが可能になる。特に、反射型集光体の表面に形成された金属薄膜を上面側の電極として利用している従来のものと比較すると、格段に大きな電流を流すことが可能になる。
さらに、反射型集光体が、第１の樹脂からなる基体と、前記基体の表面に形成され、前記第１の樹脂よりも軟化点が低い第２の樹脂からなる表層部と、前記表層部の表面に形成された金属薄膜と、を有しているときには、反射型集光体を構成する樹脂が基体を形成する第１の樹脂のみからなるときと比較して、表面の平滑性がより向上するので、光の散乱が低減される。これにより、反射型集光体の反射率が向上し、より効率よく集光することができる。また、樹脂の表面に金属薄膜を形成してなる反射型集光体は、金属バルクからなる反射型集光体よりも反射率が高いというメリットがある。
また、絶縁層に複数の絶縁性硬質粒子が混入されているときには、反射型集光体を導電層上に配設する際の圧力により絶縁層が破断するのを防止することができる。これにより、導電性基板と導電層との間での電気的短絡を防止することができる。
また、本発明における導電層が、絶縁層及び前記半導体層上に配設された透光性導電層であるときには、光電変換素子間に金属等を用いて導電層を形成した場合と比較して、確実に電気的に接続でき、また、工程を簡易化することができる。
本発明の光電変換装置は、例えば上記したような方法で製造することができるので、製造工程が煩雑ではなく、コストアップを抑制することができる。すなわち、本発明の製造方法では、導電性基板上に結晶半導体粒子及び半導体層を配設した後に、半導体層における導電性基板側の一部を除去する工程を備えているので、導電性基板上に複数の結晶半導体粒子を配設する際に、これらの向きは任意の方向でよく、従来のように所定の向きに合わせる必要がなく、工程が非常に簡便になる。
また、従来のように反射型集光体の表面に形成された金属薄膜を上面側の電極として用いるのではなく、絶縁層上に形成された導電層が上面側の電極として機能するので、従来のような半田付けをする必要がなく、工程が非常に簡便になるとともに、電気的な接続の信頼性をも高めることができる。
以下、本発明の一実施形態にかかる光電変換装置及びその製造方法、並びに光電変換モジュールについて、図面を参照し、詳細に説明する。図１は、本実施形態にかかる光電変換装置を示す平面図であり、図２は、その断面図である。
図１及び図２に示すように、この光電変換装置は、導電性基板３と、第１導電型の結晶半導体粒子７と結晶半導体粒子７の表面に形成された第２導電型の半導体層９とを有し、導電性基板３上に互いに間隔をあけて配設された複数の光電変換素子５と、導電性基板３上に配設され、隣り合う結晶半導体粒子７間を絶縁するための絶縁層１１と、絶縁層１１及び半導体層９上に配設され、隣り合う半導体層９間を電気的に接続するための透光性導電層１３と、透光性導電層１３上に配設され、光を反射させて各光電変換素子５に集光させるための複数の反射面を有する反射型集光体１５と、反射型集光体１５と絶縁層１１との間に配設され、透光性導電層１３に一部が埋設された上部電極２３と、を備えている。
このように本実施形態にかかる光電変換装置１は、透光性導電層１３と外部端子（不図示）との間の直列抵抗値を低くするために、隣り合う結晶半導体粒子７の間で、かつ、反射型集光体１５と絶縁層１１との間に、透光性導電層１３に一部が埋設された上部電極２３を備えている。これにより、上部電極２３が反射型集光体１５の集光を妨げることがなく、効率よく集光することが可能になる。
この上部電極２３は、結晶半導体粒子７に相当する部分が開口した金属板である。すなわち、上部電極２３は、平板状であり、絶縁層１１と透光性導電層１３との間に絶縁層１１とほぼ平行に配置されている。これにより、後述するように、反射型集光体１５を透光性導電層１３上に配設する際の圧力を平板状の上部電極２３が分散させるので、上記圧力により絶縁層１１が破断することを防止することができる。したがって、導電性基板３と透光性導電層１３との間での電気的短絡を防止することができる。上部電極２３は、絶縁層１１及び透光性導電層１３よりも剛性が高いものがよい。これにより、上記短絡を防止することができる、より優れた効果を得ることができる。
上部電極２３は、光電変換素子５で発電された光電流を抵抗損失させることなく光電変換装置１から取り出す集電極として利用される。したがって、上部電極２３は、透光性導電層１３よりも電気抵抗が低くなるように形成されている。上部電極２３の厚みは２０〜２００μｍの範囲にあるのがよい。上部電極２３は、例えばアルミニウム、銅、ニッケル、クロム、銀などの金属、これらの合金などからなる低抵抗導体を用いることができる。
反射型集光体１５は、図１及び図２に示すように、透光性導電層１３上に配設されている。この反射型集光体１５は、六角形の頂部の稜線に囲まれた凹部が連続して複数形成されている。これらの凹部の表面が反射面として機能する。この反射面は、光を反射させて光電変換素子５に集光させるためのものであり、凹曲面形状であることが好ましい。隣り合う凹曲面同士の先端部分における境界が凸形状になっている。この凸形状の頂部は、幅が狭く尖っていることが好ましい。これにより、頂部で反射する入射光の量を低減することができるので、入射光を光電変換素子５に効率よく集光することができる。導電性基板３に近接する各凹部の底部には、光電変換素子５の直径よりもやや大きな貫通口がそれぞれ形成されており、これらの貫通口から突出するように光電変換素子５が配置されている。
反射型集光体１５の反射面は、導電性基板３から離隔するに従って曲率が小さくなるように形成されているのが好ましい。これにより、より多くの入射光を光電変換素子５に集光することができる。さらに好ましくは、表１に示すように、光の入射角依存性を低減するために、反射面の曲面形状が楕円回転体の曲面形状からなることがよい。シミュレーションによると、太陽のように入射角度が変化する場合、球からなる曲面形状よりも楕円回転体からなる曲面形状の方がより効率よく集光することができる。
反射型集光体１５は、アルミニウム、アルミニウム合金、銀などからなる金属バルクで形成されていてもよいが、樹脂の表面に金属薄膜２１を形成したものであることが好ましい。金属成分が同じ場合、樹脂に金属薄膜を被覆した反射型集光体は、金属バルクからなる反射型集光体よりも反射率が高くなるので、より高い集光効率を得ることができる。
反射型集光体１５を構成する樹脂成分としては、例えばポリカーボネート、アクリル樹脂、フッ素樹脂、オレフィン樹脂などが挙げられる。このような樹脂で形成された凹曲面にアルミニウム、アルミニウム合金、銀などからなる金属薄膜、より好ましくはアルミニウムからなる金属薄膜２１を形成する。金属薄膜２１は、長時間使用されることで酸化し、反射率が低下する傾向にあるが、銀などを用いた場合と比較してアルミニウム薄膜は反射率の低下が少ないので、集光効率の低下を抑制することができる。金属薄膜の厚みは０．５〜３．０μｍ程度であるのがよい。図３は、アルミニウムバルクからなる反射型集光体の反射率（破線）と、樹脂にアルミニウム薄膜を被覆した反射型集光体の反射率（実線）とを比較したグラフである。このグラフに示すように、アルミニウムバルクと比較して樹脂にアルミニウム薄膜を被覆した方が高い反射率を示していることがわかる。
また、反射型集光体１５を構成する樹脂は、例えばポリカーボネート、アクリル樹脂、フッ素樹脂、オレフィン樹脂などの単体からなるものであってもよいが、２種以上の樹脂からなるものであることが好ましい。具体的には、反射型集光体１５が、第１の樹脂からなる基体１７と、基体１７の表面に形成され、第１の樹脂よりも軟化点が低い第２の樹脂からなる表層部１９と、表層部１９の表面に形成された金属薄膜２１と、からなるものがよい。基体１７を形成する第１の樹脂としては、例えばポリカーボネートが例示でき、表層部１９を形成する第２の樹脂としては例えばアクリル樹脂が例示できる。
絶縁層１１は、導電性基板３上、かつ、隣り合う光電変換素子５の間に配設されている。この絶縁層１１は、正極と負極の電気的な分離を行うためのものであり、かつ、導電性基板３と透光性導電層１３若しくは上部電極２３との電気的な分離を行うためのものである。この絶縁層１１としては、例えばＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｐ２Ｏ５、Ｌｉ２Ｏ、ＳｎＯ、ＺｎＯ、ＢａＯ、ＴｉＯ２などを任意成分とする低温焼成用ガラス材料、上記成分の１種又は２種以上を含むフィラーを混合したガラス材料、ポリイミド、シリコン等の有機系絶縁材料などを用いることができる。
また、絶縁層１１には、絶縁性硬質粒子２５を混入させることが好ましい。絶縁性硬質粒子２５を混入させることで、反射型集光体１５を透光性導電層１３上に配設する際の圧力により絶縁層１１が破断することを防止することができる。これにより、導電性基板３と透光性導電層１３との間での電気的短絡が生じるのを防止することができる。絶縁性硬質粒子２５の大きさは４〜２０μｍであることが好ましい。絶縁性硬質粒子２５としては、例えばガラス、セラミックス、樹脂等の絶縁材料を用いることができる。
導電性基板３としては、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、アルミニウムよりも高い融点を有する金属、セラミックスなどを用いることができる。アルミニウムよりも高い融点を有する金属としては、例えば鉄、ステンレススチール、ニッケル合金などが挙げられる。セラミックスとしては、例えばアルミナセラミックスなどが挙げられる。また、導電性基板３がアルミニウム以外の場合には、その表面にアルミニウムなどからなる導電層を形成するのが好ましい。
光電変換素子５は、導電性基板３上に互いに間隔をあけて複数配設されている。この光電変換素子５は、第１導電型の結晶半導体粒子７と結晶半導体粒子７の表面に形成された第２導電型の半導体層９とを有している。
光電変換素子５を構成している結晶半導体粒子７は、導電性基板３上に互いに間隔を置いて複数配設されている。結晶半導体粒子７の形状としては、凸曲面を持つことによって入射光の光線角度の依存性も小さくできる球状の形状が好ましい。隣接する結晶半導体粒子７間の間隔は、結晶半導体粒子７の使用量を少なくするためにも広い方がよいが、より好適には結晶半導体粒子７の半径（粒径の１／２）よりも広い間隔がよい。結晶半導体粒子７の半径よりも広い間隔で配設することにより、結晶半導体粒子７を最密に配設したときに比べて結晶半導体粒子７の個数が約１／２以下となる。
結晶半導体粒子７の粒径は、０．２〜０．８ｍｍがよい。なぜなら、０．８ｍｍを超えると、従来のシリコンの板状母結晶（ウエハー）の切削部も含めた板状結晶タイプの光電変換装置におけるシリコン使用量と変わらなくなり、結晶半導体粒子７を用いるメリットがなくなる。また、０．２ｍｍよりも小さいと、導電性基板３へのアッセンブルがしにくくなるという問題が発生する。従って、結晶半導体粒子７の粒径は、シリコン使用量との関係から０．２〜０．８ｍｍが好適である。また、より好ましくは結晶半導体粒子７の粒径は、０．２〜０．６ｍｍがよい。また、結晶半導体粒子７としては、ｐ型の場合、例えばケイ素（Ｓｉ）にホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）などの元素が微量含まれたものを用いることができる。また、ｎ型の場合、例えばケイ素にリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）などの元素が微量含まれたものを用いることができる。
光電変換素子５を構成している半導体層９は、結晶半導体粒子７の表面に形成されている。半導体層９は、結晶半導体粒子７の表面の凸形曲面に沿って形成されるものがよい。結晶半導体粒子７の凸形曲面の表面に沿って形成されることによって、ｐｎ接合の面積を広く稼ぐことができ、結晶半導体粒子７の内部で生成したキャリアを効率よく収集することが可能となる。
半導体層９としては、結晶質、非晶質、及び結晶質と非晶質とが混在するもののいずれでもよいが、光線透過率を考慮すると、結晶質、又は結晶質と非晶質とが混在するものを用いることが好ましい。
透光性導電層１３は、光電変換素子５、及び絶縁層１１の上に配設される。透光性導電層１３は光電変換素子５の内部で生成したキャリアを収集する上面側の電極である。なお、下面側の電極は、導電性基板３である。透光性導電層１３は、半導体層９及び光電変換素子５の表面に沿って形成され、光電変換素子５の凸形曲面に沿って形成されることが好ましい。これにより、光電変換素子５とより広い領域で接触することができ、結晶半導体粒子７の内部で生成したキャリアを効率よく収集することができる。
透光性導電層１３としては、ＳｎＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ２などから選ばれる１種又は２種以上の酸化物系材料を用いることができる。また、この透光性導電層１３は、膜厚を選べば反射防止膜としての効果も期待できる。反射防止膜としての効果を得るには、膜厚を６０〜１１０ｎｍ程度に調整するのがよい。
半導体層９又は透光性導電層１３の表面には保護層（不図示）を形成してもよい。この保護層は、光の入射側にあるために透明性を有している必要があり、また、半導体層９又は透光性導電層１３と外部との電流リークを防止するために誘電体であることが必要である。このような誘電体としては、例えば酸化ケイ素、酸化セシウム、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化タンタル、酸化イットリウムなどを単一組成又は複合組成で用いることができる。このような誘電体は、半導体層９又は透光性導電層１３の表面に、ＣＶＤ法やＰＶＤ法などにより単層又は複層に積層して形成できる。なお、保護層の膜厚を２０〜５０ｎｍ程度に調整することにより反射防止膜としての機能も付与することができる。
本発明の一実施形態にかかる製造方法について説明する。まず、結晶半導体粒子７を導電性基板３上に間隔を置いて配設する。このとき、結晶半導体粒子７の表面を粗面にしてもよい。表面を粗面にすることで、結晶半導体粒子７の表面での反射率を低減することができる。この粗面を形成する方法としては、アルカリ液中でのエッチングやＲＩＥ装置等による微細加工が挙げられる。
導電性基板３上に結晶半導体粒子７を、間隔を置いて配設した後、一定の加重をかけて導電性基板３を成すアルミニウムと結晶半導体粒子７を成すシリコンとの共晶温度（５７７℃）以上に加熱することによって、導電性基板３と結晶半導体粒子７の合金層２７を形成し、その合金層２７を介して導電性基板３と結晶半導体粒子７を接合させる。
導電性基板３上に結晶半導体粒子７を配設する他の方法としては、例えば次のような方法が挙げられる。すなわち、複数の吸引孔を有する吸引用基板上に複数の結晶半導体粒子７を供給し、吸引孔から吸引して各吸引孔に結晶半導体粒子７をそれぞれ配置した後、結晶半導体粒子７を介して吸引用基板とほぼ平行に導電性基板３を配置した状態で加熱して、結晶半導体粒子７を導電性基板３に接合してもよい。
次に、互いに間隔をあけて導電性基板３上に配設された結晶半導体粒子７上に、好ましくは絶縁性硬質粒子２５を含む、絶縁材料のペースト、溶液、シート、又は、液体を塗布して、アルミニウムとシリコンの共晶温度である５７７℃以下の温度で加熱することによって、結晶半導体粒子７間の隙間に充填され、焼成固化或いは熱硬化された絶縁層１１が形成される。加熱温度が５７７℃を超えると、アルミニウムとシリコンとの合金層２７が溶融し始めるために、導電性基板３と結晶半導体粒子７との接合が不安定となり、場合によっては結晶半導体粒子７が導電性基板３から離脱して発電電流を取り出せなくなる。このため、加熱温度は５７７℃以下であることが必要となる。
半導体層９は、導電性基板３及び絶縁層１１と接合していない結晶半導体粒子７の表面に配設される。半導体層９は例えばＳｉから成り、気相成長法等で例えばシラン化合物の気相に、ｎ形にするのであればリン系化合物の気相、あるいは、ｐ形にするのであればホウ素系化合物の気相のどちらか一方を微量導入して形成する。
また、半導体層９は、結晶半導体粒子７が導電性基板３に接合される前に、結晶半導体粒子７上に熱拡散法等により形成しても良い。結晶半導体粒子７が例えばｐ形のときは、オキシ塩化リンを拡散剤として、９００℃の石英管に３０分間、結晶半導体粒子７を挿入することにより、表面に１μm厚みのｎ型層を形成しておいても良い。ただし、このときは、半導体層９と合金層２７を分離するために、合金層２７との近傍を除いて半導体層９表面を耐酸レジスト等で被覆し、非被覆部分をエッチング液で除去することにより、取り除くことが必要である。
導電性基板３上に絶縁層１１及び半導体層９を配設した後、透光性導電層１３を、スパッタリング法、気相成長法、あるいは塗布焼成法等で形成する。上部電極２３は、透光性導電層１３が配設されるのと前後して、隣り合う結晶半導体粒子７間に配設される。
反射型集光体１５の形成方法としては、反射型集光体１５の凸部のネガ形状（凹形状）を多数有する型を金属等の耐熱材料で形成し、樹脂、金属或いは形状を維持できる材料で成形する。反射型集光体１５の表面の金属薄膜２１は、真空蒸着、スパッタ、無電解メッキ、電解メッキ等の方法でＡｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｒ等の高反射率を有する金属で形成する。
このようにして形成された反射型集光体１５を、光電変換素子５、絶縁層１１、及び、透光性導電層１３が既に配設若しくは形成されている導電性基板３に穴から光電変換素子５が貫通するように被せ、そのまま接着する。接着方法としては、例えば真空加熱等が挙げられる。反射型集光体１５が上述のように第１の樹脂からなる基体１７と第２の樹脂からなる表層部１９とを有している場合には、加熱温度は第１の樹脂の軟化点より小さく、第２の樹脂の軟化点より大きい温度が好ましい。
また、反射型集光体１５を、光電変換素子５、絶縁層１１、及び、透光性導電層１３が既に配設若しくは形成されている導電性基板３に穴から光電変換素子５が貫通するように被せ、更に、後述の表面充填材２９、表面保護板３１を順次積層して真空加熱装置等で封止し、光電変換モジュールを製造してもよい。
次に本実施形態にかかる光電変換モジュールについて詳細に説明する。図４は、本実施形態にかかる光電変換モジュールを示す断面図である。図４に示すように、本実施形態にかかる光電変換モジュールは、上記した光電変換装置１と、光電変換装置１における光電変換素子５及び反射型集光体１５を覆うように配設された表面保護板３１と、表面保護板３１と導電性基板３との間であって、導電性基板３上の周縁部及び内部の少なくとも一方に配設され、反射型集光体１５の変形を防止するためのギャップ制御部３７と、光電変換装置１と表面保護板３１との間に充填された表面充填材２９と、を具備している。
表面充填材２９は反射型集光体１５上に配設されている。反射型集光体１５上の表面充填材２９は光学的に透明な材料であればよく、構成材料としては、エチレン酢酸ビニル重合体（ＥＶＡ）、ポリオレフィン、フッ素系樹脂、シリコン樹脂等を用いることができる。
表面保護板３１は図３に示されているように表面充填材２９上に配設されている。表面保護板３１は光電変換モジュール表面に形成され、これにより光電変換モジュールの経年劣化が軽減される。表面保護板３１は光学的に透明で耐候性のある材料であればよく、構成材料としては、ガラスやシリコン樹脂、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、エチレン−４フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリ４フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）、４フッ化エチレン−パーフロロアルコキシ共重合体（ＰＦＡ）、４フッ化エチレン−６フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリ３フッ化塩化エチレン（ＰＣＴＦＥ）等のフッ素樹脂を用いることができる。
また、導電性基板３の裏面には、裏面充填材３３を、表面充填材２９の材料と同様の材料を使って設けることができ、さらに耐候性材３５を積層してもよい。耐候性材３５の材料としては、例えばポリフッ化ビニル（ＰＶＦ），エチレン−４フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ），ポリ３フッ化塩化エチレン（ＰＣＴＦＥ）等のフッ素樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の樹脂か、或いは、これらの樹脂を使ってアルミ箔や金属酸化膜を挟んで張り合わせたシート、ガラス、ステンレス等の金属シート等を用いることができる。
ギャップ制御部３７は光電変換装置１の周囲、若しくは内部に配設される。このギャップ制御部３７は表面保護材３１と光電変換装置１との間のギャップの厚みとなっており、表面保護材３１、表面充填材２９と光電変換装置１とを合わせて真空加熱するときに、光電変換装置１の周囲部に配設することで、光電変換装置１上の反射型集光体１５がつぶれてしまわないように、間隔を確保する役割を持つ。また、ギャップ制御部３７は複数配設しても良い。
さらに、反射型集光体１５の一部がギャップ制御部３７となっていることが好ましい。ギャップ制御部３５は反射型集光体７を形成するときの金型の設計に付加しておくことにより、容易に形成することができるので、別途材料を用いる必要や別工程を加える必要がなくなる。
なお、上述した構成の光電変換素子５（１個の結晶半導体粒子７を有する光電変換の単位体）を１つ設けるか、または複数を接続（直列、並列または直並列に接続）した光電変換装置とする。さらに、光電変換装置を１つ設けるか、または複数を接続（直列、並列または直並列に接続）したものを発電手段として用い、この発電手段から直接直流負荷へ発電電力を供給するようにしてもよい。また、その発電手段をインバータ等の電力変換手段を介して発電電力を適当な交流電力に変換した後、この発電電力を商用電源系統や各種の電気機器等の交流負荷に供給することが可能な発電装置としてもよい。さらに、このような発電装置を日当たりのよい建物の屋根や壁面に設置する等して、各種態様の太陽光発電システム等の光発電装置として利用することも可能である。
次に、本発明の光電変換装置の実施例について説明する。以下のようにして光電変換素子を作製した。結晶半導体粒子として直径約０．３ｍｍのｐ型のシリコン粒子にリン拡散処理を行い、外郭をｎ＋層にすることでｐｎ接合を形成した。アルミニウム製の導電性基板の主面上に、複数のシリコン粒子を、その直径の約０．６倍の間隔を空けて配置し、アルミニウムとシリコンの共晶温度である５７７℃以上の温度で約１０分加熱して、複数のシリコン粒子を導電性基板上に接合した。半導体層の、アルミニウムとシリコンとの合金層に近接する部分をエッチングすることでｐｎ分離を行った後、導電性基板上の多数のシリコン粒子の間に、ポリイミドからなる絶縁層を充填し形成した。その後、シリコン粒子の上部表面を洗浄し、透光性導電層としてＩＴＯ膜を、８０ｎｍの厚みで形成した。更に集電極として熱硬化型のＡｇペーストからなる上部電極を形成した。
次に、反射型集光体を以下のようにして形成した。シリコン粒子の直径の１．６倍以上の幅で縦長の半楕円回転形状が多数並んだ金型を用いて真空成形法にて、表面にアクリル樹脂フィルムが形成されたポリカーボネート樹脂フィルムを導電性基板３から離隔する方向に開口部が形成された凹曲面形状を複数有し、導電性基板３に近接する各凹部の底部にシリコン粒子の直径程度の貫通穴を具備した形状に成形した。次にスパッタ法にて前記樹脂により形成された凹曲面形状の表面にアルミニウムを成膜することで金属薄膜を形成した。
そして、光電変換素子が反射型集光体の貫通穴から突出する様に光電変換素子上に反射型集光体を配置し、導電性基板の下にＥＶＡからなる材と約０．４ｍｍ厚の裏面充填材とＰＥＴ／ＳｉＯ２／ＰＥＴからなる約０．１ｍｍ厚の耐候性材を、光電変換装置上にＥＶＡからなる約０．６ｍｍ厚の表面充填材とエチレン−４フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）からなる約０．０５ｍｍ厚の表面保護板を順次積層し、真空ラミネーターにてラミネートすることで光電変換モジュールを作製した。
［比較例］
以下のようにして光電変換素子を作製した。実施例と同様に結晶半導体粒子として直径約０．３ｍｍの複数のｐ型のシリコン粒子にリン拡散処理を行い、外郭をｎ＋層にすることでｐｎ接合を形成した。アルミニウム製の導電性基板の主面上に、複数のシリコン粒子を密に配置し、アルミニウムとシリコンの共晶温度である５７７℃以上の温度で約１０分加熱して、多数のシリコン粒子を導電性基板上に接合した。半導体層の、アルミニウムとシリコンとの合金層に近接する部分をエッチングすることでｐｎ分離を行った後、導電性基板上の多数のシリコン粒子の間に、ポリイミドからなる絶縁層を充填し形成した。その後、シリコン粒子の上部表面を洗浄し、透光性導電層としてＩＴＯ膜を、８０ｎｍの厚みで形成した。更に集電極として熱硬化型のＡｇペーストからなる上部電極を形成した。
以下のようにして光電変換素子を作製した。実施例と同様に結晶半導体粒子として直径約０．３ｍｍの複数のｐ型のシリコン粒子にリン拡散処理を行い、外郭をｎ＋層にすることでｐｎ接合を形成した。アルミニウム製の導電性基板の主面上に、複数のシリコン粒子を密に配置し、アルミニウムとシリコンの共晶温度である５７７℃以上の温度で約１０分加熱して、多数のシリコン粒子を導電性基板上に接合した。半導体層の、アルミニウムとシリコンとの合金層に近接する部分をエッチングすることでｐｎ分離を行った後、導電性基板上の多数のシリコン粒子の間に、ポリイミドからなる絶縁層を充填し形成した。その後、シリコン粒子の上部表面を洗浄し、透光性導電層としてＩＴＯ膜を、８０ｎｍの厚みで形成した。更に集電極として熱硬化型のＡｇペーストからなる上部電極を形成した。
導電性基板の下にＥＶＡからなる材と約０．４ｍｍ厚の裏面充填材とＰＥＴ／ＳｉＯ２／ＰＥＴからなる約０．１ｍｍ厚の耐候性材を、光電変換装置上にＥＶＡからなる約０．６ｍｍ厚の表面充填材とエチレン−４フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）からなる約０．０５ｍｍ厚の表面保護板を順次積層し、真空ラミネーターにてラミネートすることで光電変換モジュールを作製した。尚、比較例のＳｉ球の使用数量比は実施例と比較して約２．４２倍となった。
実施例の光電変換モジュールの光電変換素子１個あたりの光電変換効率と比較例の光電変換モジュールの光電変換素子１個あたりの光電変換効率を測定比較した結果、実施例の反射型集光体を形成した場合では光電変換効率が比較例の光電変換素子の２．３８倍となり、比較例と比較すると、Ｓｉ球の使用数量比は比較よりも約１／２．４２でありながら、比較例とほぼ同等の光電変換効率が得られた。
なお、本発明は、上記の実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことができる。
１・・・光電変換装置
３・・・導電性基板
５・・・光電変換素子
７・・・結晶半導体粒子
９・・・半導体層
１１・・絶縁層
１３・・透光性導電層
１５・・反射型集光体
１７・・基体
１９・・表層部
２１・・金属薄膜
２３・・上部電極
２５・・絶縁性硬質粒子
２７・・アルミニウムと結晶半導体粒子との合金層
２９・・表面充填材
３１・・表面保護板
３３・・裏面充填材
３５・・耐候性材
３７・・ギャップ制御部
３・・・導電性基板
５・・・光電変換素子
７・・・結晶半導体粒子
９・・・半導体層
１１・・絶縁層
１３・・透光性導電層
１５・・反射型集光体
１７・・基体
１９・・表層部
２１・・金属薄膜
２３・・上部電極
２５・・絶縁性硬質粒子
２７・・アルミニウムと結晶半導体粒子との合金層
２９・・表面充填材
３１・・表面保護板
３３・・裏面充填材
３５・・耐候性材
３７・・ギャップ制御部
Claims (18)
- 導電性基板と、
該導電性基板に電気的に接続された第１導電型の結晶半導体粒子と該結晶半導体粒子の表面に形成された第２導電型の半導体層とを有し、前記導電性基板上に互いに間隔をあけて配設された複数の光電変換素子と、
前記導電性基板上に配設され、隣り合う前記結晶半導体粒子間を絶縁するための絶縁層と、
該絶縁層上に配設され、隣り合う前記半導体層間を電気的に接続するための導電層と、
該導電層上に配設され、光を反射させて前記光電変換素子に集光させるための反射型集光体と、
を具備していることを特徴とする光電変換装置。 - 前記反射型集光体と前記絶縁層との間に配設され、少なくともその一部が前記導電層と接している上部電極を具備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。
- 前記上部電極は、平板状であり、前記絶縁層と前記導電層との間に前記絶縁層とほぼ平行に配置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。
- 前記上部電極は、前記絶縁層及び前記導電層よりも剛性が高いことを特徴とする請求項２〜３のいずれかに記載の光電変換装置。
- 前記上部電極は、前記導電層よりも電気抵抗が低いことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の光電変換装置。
- 前記反射型集光体が、第１の樹脂からなる基体と、前記基体の表面に形成され、前記第１の樹脂よりも軟化点が低い第２の樹脂からなる表層部と、前記表層部の表面に形成された金属薄膜と、を具備していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光電変換装置。
- 前記絶縁層には、複数の絶縁性硬質粒子が混入されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光電変換装置。
- 前記導電層が、前記絶縁層及び前記半導体層上に配設された透光性導電層であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光電変換装置。
- 導電性基板上に、複数の第１導電型の結晶半導体粒子を互いに間隔をあけて配設し、前記導電性基板に電気的に接続する工程と、
前記結晶半導体粒子の表面に第２導電型の半導体層を形成する工程と、
前記導電性基板上で、かつ、隣り合う前記結晶半導体粒子間に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上に、隣り合う前記半導体層間を電気的に接続するための導電層を形成する工程と、
前記結晶半導体粒子及び前記半導体層に集光させるための反射型集光体を成形する工程と、
前記導電層上で、かつ、隣り合う前記結晶半導体粒子間に、前記反射型集光体を配設する工程と、
を具備していることを特徴とする光電変換装置の製造方法。 - 前記半導体層における前記導電性基板側の一部を除去する工程を具備していることを特徴とする請求項９に記載の光電変換装置の製造方法。
- 前記導電性基板上に複数の前記結晶半導体粒子を配設する工程において、複数の吸引孔を有する吸引用基板上に複数の前記結晶半導体粒子を供給し、前記吸引孔から吸引して各吸引孔に前記結晶半導体粒子をそれぞれ配置した後、前記結晶半導体粒子を介して前記吸引用基板とほぼ平行に前記導電性基板を配置した状態で加熱して、前記結晶半導体粒子を前記導電性基板に接合することを特徴とする請求項１０に記載の光電変換装置の製造方法。
- 前記反射型集光体と前記絶縁層との間に、少なくともその一部が前記導電層と接する上部電極を配設する工程を具備していることを特徴とする請求項９〜１１に記載の光電変換装置の製造方法。
- 前記反射型集光体が、第１の樹脂からなる基体と、該基体の表面に形成され、前記第１の樹脂よりも軟化点が低い第２の樹脂からなる表層部と、前記表層部の表面に形成された金属薄膜と、を具備し、
前記反射型集光体を配設する工程において、前記第１の樹脂の軟化点よりも低く、前記第２の樹脂の軟化点よりも高い温度で前記反射型集光体が前記導電層上に接合されることを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の光電変換装置の製造方法。 - 前記絶縁層には、複数の絶縁性硬質粒子が混入されていることを特徴とする請求項９〜１３のいずれかに記載の光電変換装置の製造方法。
- 前記導電層が、前記絶縁層及び前記半導体層上に配設された透光性導電層であることを特徴とする請求項９〜１４のいずれかに記載の光電変換装置の製造方法。
- 請求項１〜８のいずれかに記載の光電変換装置を具備していることを特徴とする光電変換モジュール。
- 請求項１〜８のいずれかに記載の光電変換装置と、
該光電変換装置における前記光電変換素子及び反射型集光体を覆うように配設された表面保護板と、
該表面保護板と前記導電性基板との間であって、前記導電性基板上の周縁部及び内部の少なくとも一方に配設され、前記反射型集光体の変形を防止するためのギャップ制御部と、
前記光電変換装置と前記表面保護板との間に充填された表面充填材と、
を具備していることを特徴とする光電変換モジュール。 - 前記ギャップ制御部が前記反射型集光体と一体成形されたものであることを特徴とする請求項１７に記載の光電変換モジュール。
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