JP2010010664A - 太陽電池及びその作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、表面電極による光の遮蔽が無く、光の吸収効率を高めることが可能な太陽電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】周期的傾斜構造を有する基板上にその周期よりも小さな厚さの電極層と半導体光電変換層からなる多層膜が積層された表面を平滑にすることで平滑面に多層膜断面の繰り返し構造を出現させた太陽電池及び周期的傾斜構造を有する基板を用意する工程、該基板上にその周期よりも小さな厚さの電極層と半導体光電変換層からなる多層膜を繰り返し順次積層する工程及び表面を切削又は研磨することで表面を平滑にしてその平滑面に多層膜断面の繰り返し構造を出現させる工程を含む太陽電池の作製方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池及びその作製方法に関するものである。

従来の太陽電池では、平坦な基板表面に半導体膜を形成し、外側から光を照射することで半導体に光を吸収させて発電を行う。外側を向いた表面に形成する表面電極に金属を用いる場合は、全面に形成すると光を遮蔽してしまうため、枝状に形成してすき間から光を通していた（特許文献１参照）。

ところが枝状に形成した表面電極の面積を小さくすると、光を遮蔽する部分が減少して、表面に照射される光を有効に発電に利用できるが、その反面、電気抵抗による損失が大きくなるという問題がある。

また、光の吸収に十分な厚さまで半導体膜を厚くできないときは、基板の両側の表面に半導体膜と電極を形成したり、光が照射する反対側に反射鏡を配置したりして（特許文献２参照）、吸収効率を高める必要があった。ところが、光の吸収効率を高めるために反射鏡を設置する場合は、そのために余分な手間とコストがかかるという問題がある。

図７に示す太陽電池構造（特許文献３参照）も提案されている。この太陽電池構造は、電極層を光の入射方向に沿うように配置し、その電極層の間に挟まれた有機半導体層に光を入射させる構造となっている。有機半導体層の高さｈを十分に厚くすれば、照射された光を有効に利用出来る。ところが図８に示す太陽電池構造を作製するためには、シート状の単位ユニットを積み重ねてから切断する必要があり、製造コストが高くなるばかりでなく、大面積の受光面を得ることが極めて困難であるという問題がある。

特開昭６４−４１２７７号公報 特開昭６０−１２８６７８号公報 特開２００５−１７５１３１号公報

本発明の課題は、表面電極による光の遮蔽が少なく、光の吸収効率を高めることが可能な太陽電池を提供することである。

上記課題は次のような手段により解決される。
（１）周期的傾斜構造を有する基板上にその周期よりも小さな厚さの電極層と半導体光電変換層からなる多層膜が積層された表面を平滑にすることで平滑面に多層膜断面の繰り返し構造を出現させた太陽電池。
（２）周期的傾斜構造を有する基板を用意する工程、該基板上にその周期よりも小さな厚さの電極層と半導体光電変換層からなる多層膜を繰り返し順次積層する工程及び表面を切削又は研磨することで表面を平滑にしてその平滑面に多層膜断面の繰り返し構造を出現させる工程を含む太陽電池の作製方法。
（３）上記基板は、異方性エッチング、機械加工又はナノインプリントによって基板表面に周期的傾斜構造が作製されていることを特徴とする（２）に記載の太陽電池の作製方法。

本発明によれば、平滑面に多層膜の繰り返し構造を出現させ、そこに光を入射することで、表面電極による光の遮蔽が少なく、また繰り返し反射を利用することで光の吸収効率を高めることが可能な太陽電池が得られる。
さらに多層膜断面が表面に出ているため、多層膜内での光電変換が効率よく行われる。特に、半導体層の電気抵抗が大きいために半導体層の厚さを薄くする必要がある場合でも、十分な吸収効率を実現できる。

Ａ図は表面を平滑化する前の模式図、Ｂ図は、本発明の太陽電池の模式図 光の経路を示す模式図 周期的な溝構造をエッチングにより作製する例を示す模式図 配線を行うため選択的に電極を露出する方法を示す模式図 エッチング方法の選択によって、任意の金属の高さが他方に比べて高くなっている様子を示す写真 電極層２と電極層５を配線用電極として直接利用する方法を示す模式図 電極層を露出させるプロセスを示す模式図 従来の太陽電池の模式図

本発明の太陽電池は、図１のＡ図に示すような周期的傾斜構造を有する基板上にその周期よりも小さな厚さの電極層と半導体光電変換層からなる多層膜が積層された構造を基本にして、図１のＢ図に示すようにその表面を平滑にすることで、平滑面に多層膜断面の繰り返し構造を出現させたものである。
上記周期的傾斜構造は、異方性エッチング、研削、切削、押し出し成形等の機械加工、ナノインプリントなどによって基板表面に作製される。

図２に本発明の太陽電池における光の経路を示す模式図を示す。図２において（ａ）は、電極層２と電極層５で反射する場合の光の経路を示す。また（ｂ）は、電極層５には透明な電極を用いて電極層２でのみ反射する場合の光の経路を示す。
図２から分かるように、光は半導体光電変換層の断面から入射し、電極層により複数回反射している。このため半導体光電変換層での変換効率の向上及び複数回反射による入射光活用の効率化が期待される。したがって太陽電池の光の吸収効率を高めることができる。

さらに半導体層と電極層の積層数を多くすることで、基板表面に光が入射したときに、その入射した光を有効に利用することができるようになる。また、光が２つの電極膜によって繰り返し反射されるため、光の閉じこめ効果によって、基板の表面近傍だけでなく、表面から離れた位置にある半導体層によっても光電変換が行われる効果が期待できる。

次に本発明の太陽電池の作製方法の一例について説明する。
（１）基板１の材料として、１００面を露出したシリコンウェーハを用いた場合、フォトリソグラフィーで酸化膜６などのマスクを成膜する。それをTMAHやKOHなどのエッチング液７に浸すことで、異方性エッチングを進展させ、略三角形の溝からなる周期的傾斜構造を形成する（図３のＡ図参照）。あるいは、等方性エッチングを利用し、基板８を溶解する等方性エッチング液１０と、それに対して不溶なマスク９を用いて、マスクの開口部を小さくとることで、断面が半円状の溝を形成してもよい（図３のＢ図参照）。
（２）基板１の表面にエッチングによって形成された周期的な溝の上に、その周期よりも小さな厚さの電極層２と半導体光電変換層となるＮ型半導体層３及びＰ型半導体層４と電極層５からなる多層膜をＣＶＤやＰＶＤ等により積層する。次に電極層５上に半導体光電変換層となるＰ型半導体層４及びＮ型半導体層３を順次積層する。すなわち電極層２、５と半導体光電変換層３、４からなる多層膜が繰り返し積層される（図１のＡ図参照）。
（３）次に電極層２、５と半導体光電変換層３、４からなる多層膜が積層された表面を切削又は研磨することで表面を平滑にしてその平滑面に多層膜断面の繰り返し構造を出現させて本発明の太陽電池を得る（図１のＢ図参照）。

次に本発明の太陽電池の引出電極の作製方法について、図４を参照しながら説明する。図４は、配線を行うため選択的に電極を露出する方法を示す模式図である。
基板表面には、電極層と半導体層が交互に露出している。この無数に並んだ電極膜から電力を取り出すためには、フォトリソグラフィーによって配線をパターニングする。
フォトリソグラフィーによる配線が困難な場合は、電極層２と電極層５にそれぞれ異なる材料を用いて、エッチング、機械研磨、スパッタリングなどの手段を組み合わせて、選択的に電極層２と電極層５のどちらかの電極を基板表面に露出させ、それぞれに対して配線を行ってもよい。

例えば電極層２に金、電極層５に鉄を用いた場合の引出電極の作製方法について述べる。
電極層２に金、電極層５に鉄を用いた場合に機械研磨を行うと、鉄の層の高さが高くなる。また、塩化第二鉄の水溶液等を用いて腐食させれば、鉄のみが溶融し金の高さが高くなる。一方、アルゴンガスイオンやガリウムイオン等を用いてスパッタリングを行えば、金のスパッタレートが鉄よりも大きいために、スパッタリング時間が長くなるほど金が余分に削れて、鉄の高さが高くなる。このような手法によって、２種類の電極用金属のうち、任意の金属を露出させ、配線に利用出来るようになる。

図４の例では、（ｂ）電極層５（鉄）を高くしたい部分以外をマスクで覆い、アルゴンスパッタによって電極層２（金）を深く削り、次に（ｃ）電極層２（金）を高くしたい部分以外をマスクで覆い、溶液によるエッチングで鉄を深く削った後、（ｄ）電極層５にのみ接触する金属配線（-電極）と電極層２にのみに接触する金属配線（+電極）を形成した様子を示している。
また図５の例では、塩化第二鉄の水溶液によるエッチング後（ａ）と、ガリウムイオンを利用したスパッタリング後（ｂ）によって、それぞれ金、鉄といった異なる金属の高さが他方に比べて高くなっている様子を示している。

なお、配線を基板表面に形成したときに配線と半導体層が直接接触しそこに形成される回路によって性能低下が問題になる場合は、電極を形成する前に、プラズマを用いたドライエッチングなどの手段によって半導体層を予め削っておけばよい。また必要に応じて半導体層を削った後にＳｉＮ等の絶縁膜を堆積させ、電極が露出し且つ半導体層上には絶縁膜が残った状態になるまで絶縁膜をＣＭＰなどによって除去すればよい。

また、本発明の太陽電池の配線用電極の別の作製方法について、図６と図７を参照しながら説明する。図６は、電極層２と電極層５をそのまま配線用電極として利用する方法を示す模式図である。図７は図６の構造を得るためのプロセスを示す模式図である。
図７の例においては、多層膜を積層するプロセスにおいて、傾斜構造部分に露出される金属膜が図６のようになるように、マスクによって電極が形成された部分を覆い、マスクを段階的にずらしながら多層膜を積層する（図７(b)〜(d)参照）。多層膜を積層した後に基板１の受光面のみを研磨することで（図７(e)参照）、傾斜構造部分に電極層を露出することができる。あるいは、多層膜を一様に積層した後に、マスクによって保護する部分を段階的にずらしながらエッチングを繰り返すことで、図６の構造を得てもよい。
いずれかの方法で形成された電極層はそれぞれ、正負の配線用電極として利用することができる。

１ 基板
２ 電極層
３ Ｎ型半導体層
４ Ｐ型半導体層
５ 電極層
６ 酸化膜
７ 異方性エッチング液
８ 等方性のエッチングに供される基板
９ 等方性エッチング液に対して不溶なマスク
１０ 等方性エッチング液

Claims (3)

1. 周期的傾斜構造を有する基板上にその周期よりも小さな厚さの電極層と半導体光電変換層からなる多層膜が積層された表面を平滑にすることで平滑面に多層膜断面の繰り返し構造を出現させた太陽電池。
2. 周期的傾斜構造を有する基板を用意する工程、該基板上にその周期よりも小さな厚さの電極層と半導体光電変換層からなる多層膜を繰り返し順次積層する工程及び表面を切削、研削又は研磨することで表面を平滑にしてその平滑面に多層膜断面の繰り返し構造を出現させる工程を含む太陽電池の作製方法。
3. 上記基板は、異方性エッチング、機械加工又はナノインプリントによって基板表面に周期的傾斜構造が作製されていることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池の作製方法。