JP2010109125A - 光電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い光電変換効率を有する光電変換装置を提供すること。
【解決手段】第１および第２導電型部を有する複数の半導体粒子２と、該半導体粒子２間に配置された絶縁体４と、前記半導体粒子２と絶縁体４との間に、半導体粒子２および絶縁体４と接した第１の反射防止膜３と、を備えた。
【選択図】 図２

Description

本発明は、太陽光発電等に使用される光電変換装置に関するものである。

従来、光電変換装置として、結晶シリコンウエハを用いた光電変換効率（以下、変換効率ともいう）の高い太陽電池が実用化されている。この結晶シリコンウエハは、結晶性が良く、かつ不純物が少なくてその分布に偏りのない大型の単結晶シリコンインゴットから切り出されて作製されている。しかし、大型の単結晶シリコンインゴットは作製するのに長時間を要するために生産性が悪く、高価となるので、大型の単結晶シリコンインゴットを必要とせず、高い光電変換効率を有する次世代太陽電池の出現が強く望まれている。

そこで、今後の市場において有望な光電変換装置の一種として、光電変換素子として結晶シリコン粒子を用いた太陽電池が注目されている。このような結晶シリコン粒子を用いた太陽電池は、従来の結晶シリコンウエハを用いたものに比べ、シリコンの使用量を少なくすることができるが、一方で、高い光電変換効率の実現に向けた工夫について検討がなされている。

このような高い光電変換効率を実現すべく、球状の結晶シリコンの上面に反射防止膜を設け、入射される光の反射を抑制することにより、光電変換効率を高めた光電変換装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−１４９７９６号公報

上述したように、高い光電変換効率を有する光電変換装置が求められている。そこで、本発明では、より光電変換効率を高めた光電変換装置を提供することを目的とする。

本発明の光電変換装置によれば、第１および第２導電型部を有する複数の半導体粒子と、該半導体粒子間に配置された絶縁体と、前記半導体粒子と前記絶縁体との間に、前記半導体粒子および前記絶縁体と接した第１の反射防止膜と、を備えていることを特徴とする。

本発明の光電変換装置によれば、半導体粒子と絶縁体との間に、前記半導体粒子および前記絶縁体と接した第１の反射防止膜を具備することにより、半導体粒子と絶縁体との界面における光の反射を低減することができる。その結果、本発明によれば、光のロスを低減することにより、光電変換効率を高めることができる。

本発明の光電変換装置に係る実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の光電変換装置に係る一実施形態を示す断面図であり、図２は、導電性基板および半導体粒子の接合の様子を説明するための部分拡大図である。光電変換装置Ｘは、導電性基板１と、結晶半導体粒子２と、第１の反射防止膜３と、絶縁体４と、第２の反射防止膜５と、ＢＳＦ（Back surface field）部６を備えている。

本実施形態によれば、結晶半導体粒子２と絶縁体４との界面における光の反射を低減することができる。その結果、本実施形態によれば、光のロスを低減することにより、光電変換効率を高めることができる。

以下に、本発明の光電変換装置を構成する部材の一例について説明する。

＜導電性基板＞
導電性基板１は、半導体粒子２を支持するとともに、半導体粒子２に光が照射されることによって生じた電荷を集める機能を有する。導電性基板１の形状は、特に限定されるものでなく、四角形、五角形等の多角形状、または円板状等、用途に応じて様々に変更可能である。導電性基板１の材質としては、例えば、アルミニウム、アルミニウムとアルミニウムよりも高い融点を有する金属とから成るアルミニウム合金、鉄、ステンレススチール、ニッケル合金等の金属が挙げられる。一方で、導電性基板１は、上記した金属で形成された導電層を表面に具備するセラミック基板等であってもよい。

＜結晶半導体粒子＞
結晶半導体粒子２は、略球状を成している。このように半導体粒子２を略球状とすれば、入射光の光線角度の依存性を小さくできる。さらに、球状としては特に真球状が好ましく、その場合、入射光の光線角度の依存性をより小さくでき、また導電性基板１に対する結晶半導体粒子２の接合性を向上させるとともに各結晶半導体粒子１の接合力を均一化することができるという効果が得られる。結晶半導体粒子２の材質としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素等が挙げられる。また、結晶半導体粒子２は、半導体の単結晶または多結晶から成るが、光電流を効率的に取り出すという観点から、単結晶であることが好ましい。

また、結晶半導体粒子２は、その表面を粗面にすることにより上記表面における光の反射率を低減し、結晶半導体粒子２の光吸収性を向上させることができる。この粗面を形成するには、例えば、結晶半導体粒子２をアルカリ溶液中に浸漬し、結晶半導体粒子２の表面をエッチングしても良いし、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置等を用いて結晶半導体粒子２の表面を微細加工してもよい。

結晶半導体粒子２の粒子径は、０．２〜０．８ｍｍが好ましく、特に、半導体（シリコン等）の使用量を少なくするうえで０．２〜０．６ｍｍがより好ましい。結晶半導体粒子２の粒子径とは、平均粒子径であって、導電性基板１に接合する前の平均粒子径である。この平均粒子径は、例えば、レーザー光による粒度分布測定装置等によって測定できる。

結晶半導体粒子２は、主として第１導電型部２ａ（例えばｐ型）を示すものであり、ｐ型の場合、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ等のドーパントを、結晶半導体粒子２をジェット法（溶融落下法）等により製造する際に原料中に含有させることにより得られる。上述したジェット法により形成された半導体粒子は、リメルト（再溶融）法等の方法により単結晶化される。また、製造条件によってはジェット法のみにより、粒界の少ないほぼ単結晶化された結晶半導体粒子２を得ることもでき、そのまま光電変換装置に使用することも可能である。

また、結晶半導体粒子２の表層には、第２導電型部２ｂ（例えばｎ型）が形成されている。第２導電型部２ｂは、例えば、熱拡散法、気相成長法等により形成される。熱拡散法においては、例えば、オキシ塩化リン等のリン系化合物を拡散剤として、高温の石英管内に一定時間、結晶半導体粒子２を挿入することにより、第１導電型部２ａから成る半導体粒子１の表面にｎ型の第２導電型部２ｂを形成できる。一例として、９００℃の石英管内に３０分間、ｐ型の半導体粒子を挿入することにより、その表面に１μｍ厚みのｎ型の第２導電型部２ｂを有した半導体部を形成できる。なお、このような熱拡散法の場合は、結晶半導体粒子２と導電性基板１との接合前に行うことができる。

また、気相成長法では、例えば、シラン化合物の気相に、ｎ型のドーパントとなるリン系化合物の気相を微量導入して、ｎ型の第２導電型部２ｂを形成することができる。この第２導電型部２ｂの膜質としては、結晶質、非晶質、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、結晶質または結晶質と非晶質とが混在するものがよい。また、第２導電型部２ｂ中の微量元素の濃度は、例えば１×１０^１６〜１×１０^２１原子／ｃｍ^３が好ましい。

＜第１の反射防止膜＞
第１の反射防止膜３は、結晶半導体粒子２と絶縁体４との間に介在しており、結晶半導体粒子２と絶縁体４との屈折率差によって生じる光の反射を低減する機能を有している。また、第１の反射防止膜３は、半導体粒子２の表面と絶縁体４の表面と互いに接触するように配置されている。そのため、本実施形態では、第１の反射防止膜３と結晶半導体粒子２および絶縁体４との間に空気層が介在しにくくなるため、空気層との屈折率差による光の反射を低減することができる。

また、第１の反射防止膜３は、絶縁性を有するのが好ましい。このように、第１の反射防止膜３が絶縁性を有していれば、第２導電型部２ｂとＢＳＦ部６との間の導電を低減しやすい。

第１の反射防止膜３としては、例えば、酸化膜や窒化膜が挙げられる。酸化膜としては、例えば、ＳｉＯ_２、ＳｉＯ、ＺｎＯ等が挙げられる。ＳｉＯ_２膜およびＳｉＯ膜の形成方法としては、例えば、高温炉で酸素を導入させながらのドライ酸化や水蒸気と酸素を導入させながらのウェット酸化、または高圧酸化等がある。一方で、ＺｎＯ膜の形成方法としては、例えば、スパッタ法や蒸着法等の薄膜形成方法がある。このような酸化膜は、比較的簡便に製膜することができるため、製造工程の簡素化という観点から好適である。

また、窒化膜としては、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４等が挙げられる。このような窒化膜は、例えば、ＣＶＤ、スパッタ法等で形成することができる。また、このような窒化膜は、結晶半導体粒子２内部の欠陥のパッシベーション効果を有するという観点で好適である。

第１の反射防止膜３の厚みは、第１の反射防止膜３の屈折率と第１の反射防止膜３の内部を通過する光の光路長との積で表される光学距離と入射光の波長との関係を考慮し、決定される。そのため、結晶半導体粒子２がシリコン材料で構成されていれば、第１の反射防止膜３の厚みは、７００〜１２００Åが好適である。この厚み範囲であれば、第１の反射防止膜３の内部で光を効率良く干渉させることができるため、反射防止効果が高まる。

また、第１の反射防止膜３は、図２に示すように、ＢＳＦ部６の周面にも設ければ、絶縁体４とＢＳＦ部６との界面で生じる光の反射も低減することができる。

＜絶縁体＞
絶縁体４は、導電性基板１上に配されるとともに、隣接する結晶半導体粒子２間に配置されており、導電性基板１よりなる正極（あるいは負極）と、第２導電型部２ｂの上面に形成される負極（あるいは正極）とを電気的に分離するものである。なお、本実施形態では、第２導電型部２ｂの上面に形成された第２の反射防止膜５が電極として機能しているため、絶縁体４によって、導電性基板１と第２の反射防止膜５とを電気的に絶縁している。絶縁体４の材質としては、例えば、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｐ_２Ｏ_５、Ｌｉ_２Ｏ、ＳｎＯ、ＺｎＯ、ＢａＯ、ＴｉＯ_２等を任意成分とする材料からなる低温焼成用ガラス（ガラスフリット）、上記材料の１種または複数種から成るフィラーを含有したガラス組成物、またはポリイミドやシリコーン樹脂等の有機系の材料等が挙げられる。

絶縁体４は、さらに、ガラスやセラミックス等の絶縁材料から成る絶縁フィラーを樹脂に分散させて含有させてもよい。このとき、絶縁体粒子の平均粒子径は４〜２０μｍであることが好ましく、絶縁体粒子の平均粒子径がその範囲内にあることにより、絶縁体粒子を絶縁体４中に十分に分散させることができる。

＜第２の反射防止膜＞
本実施形態において、第２の反射防止膜５は、結晶半導体粒子２の上部の面（主として、第２導電型部２ｂ）および絶縁体４の上面を覆うように配置されている。また、第２の反射防止膜５は、結晶半導体粒子２および絶縁体４が第１の反射防止膜３と接触していない部位に設けられている。本実施形態においては、第２の反射防止膜５が導電性を有している。このように、第２の反射防止膜５が導電性を有していれば、第２の反射防止膜５自体が電極として使用することができるため、部品点数の削減という観点から好適である。

第２の反射防止膜５の材質としては、例えば、ＳｎＯ_２、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ_２等から選ばれる１種または複数種の酸化物系の薄膜が挙げられ、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される。

また、第２の反射防止膜５は、高い透光性を有していれば、結晶半導体粒子２が配されていない部分で入射光の一部が第２の反射防止膜５を透過し、下部の導電性基板１の表面で反射して結晶半導体粒子２に照射されるため、光電変換効率をより高めることができる。

次に、本発明の光電変換装置の製造方法の一例について説明する。

所望量のボロンを添加したシリコン融液をジェット法によって０．４〜０．８ｍｍのｐ型半導体粒子を作製した後、該ｐ型半導体粒子を炉に投入して再溶融して単結晶化させたｐ型結晶半導体粒子を作製する。次に、熱拡散法を用いて、このｐ型結晶半導体粒子の表層にｎ型結晶半導体層（第２導電型部２ｂ）を形成する。具体的には８００〜１０００℃の炉に酸素、オキシ塩化リンを導入させることにより形成でき、その厚みは約１ミクロン程度である。

次に、アルミニウム製の導電性基板１の主面上に、多数の結晶半導体粒子２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加熱して、結晶半導体粒子２を導電性基板１上に接合した（以下、接合体とする）。なお、この接合部がＢＳＦ部６となる。

次に、第２導電型部２ｂとＢＳＦ部６とを電気的に分離するために、ＢＳＦ部６の近傍を除いて第２導電型部２ｂの表面を耐酸レジストで被覆し非被覆部分の第２導電型部２ｂをエッチング液で除去しｐｎ分離を行う。

次に、上記接合体を酸素が導入した高温炉に投入して酸化することにより、ＳｉＯ_２からなる第１の反射防止膜３を形成する。

次いで、隣接する結晶半導体粒子２の間に絶縁体４となるポリイミドを充填した後、第２の反射防止膜５となるＩＴＯをスパッタで製膜する。

最後に、必要に応じて第２の反射防止膜５の上面に集電極や光反射部材を設けることにより、光電変換装置が作製される。

次に、本発明の光電変換装置の実施例について説明する。

まず、結晶半導体粒子２として多数の直径約０．３ｍｍのｐ型の結晶シリコン粒子を用い、それらにリン熱拡散処理を施すことによって外郭部をｎ＋の半導体部として、ｐｎ接合部を形成した。

次に、アルミニウム製の導電性基板１の主面上に、約３万個の結晶シリコン粒子を、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（６３０℃）で約１０分加熱して、多数の結晶シリコン粒子を導電性基板１上に接合した。

導電性基板１に接合された結晶シリコン粒子の根元の周囲をエッチングしてｐｎ分離を行った後、酸化炉に投入して、厚みが約８５０ÅのＳｉＯ_２膜（第１の反射防止膜３）を形成し、その後、導電性基板１上の多数の結晶シリコン粒子の間に、ポリイミドからなる絶縁体４を充填し形成した。その後、結晶シリコン粒子の上部表面をＨＦ（フッ化水素）で洗浄し、結晶シリコンの一部を露出させ、第２の反射防止膜５としてＩＴＯ膜を、８０ｎｍの厚みで形成した。

更に電極層（集電極）として、結晶シリコン粒子の直径程度の貫通穴を具備した厚み５０μｍのアルミニウム箔を用い、アルミニウム箔の下面の３個の結晶シリコン粒子で囲まれた部位に、Ａｇペースト（Ａｇ粒子を含有した樹脂ペースト）をスクリ−ン印刷で円形状（ドット状）に塗布した。そして、結晶シリコン粒子が電極層の貫通穴から突出する様に、ＩＴＯ膜上に押しつけながら１５０℃で３０分間加熱処理することで電極層を形成した。

次に、光反射部材を以下のようにして形成した。光反射面として厚み８０ｎｍの銀層が形成された厚み２５μｍの結晶質層と非結晶質層が混在したＰＥＴシートとポリカーボネイト０．２mmを積層したフィルムを、結晶シリコン粒子の直径の１．６倍の幅で縦長の半回転楕円体形状が多数並んだ金型を用いて、真空成形法によって成形し作製した。

そして、光反射部材の形状は、結晶シリコン粒子に集光させる凹面状の光反射面と、光反射面の下端部において結晶シリコン粒子の上部を露出させる開口部とを有する形状であり、多数の結晶シリコン粒子に対応する多数の光反射面及び開口部が形成されたものとした。

そして、光電変換素子の結晶シリコン粒子がそれぞれ光反射部材の開口部から突出する様に、絶縁体４上の第２の反射防止膜５上に光反射部材を配置した。また、導電性基板１の下面に、ＥＶＡからなる厚み約０．４ｍｍの裏面充填層と、ＰＥＴフィルム、ＳｉＯ_２層、ＰＥＴフィルムを積層して成る厚み約０．１ｍｍの裏面保護層を積層した。そして、導電性基板の上面側に、光反射部材を覆うようにＥＶＡからなる厚み約０．６ｍｍの表面充填層と、ガラスからなる厚み約３ｍｍの表面保護体を順次積層し、これらを真空ラミネーターによってラミネートすることにより、光電変換装置を作製した（実施例１）。

また、実施例２として、第１の反射防止膜３をＳｉ_３Ｎ_４とした光電変換装置を準備した。さらに、比較例として、第１の反射防止膜３を設けていない光電変換装置を準備した。

上記の実施例１、２及び比較例の光電変換装置に関して、光電変換効率を測定すると、実施例１が１３．５％、実施例２が１３．６％、比較例が１２．５％となり、本発明の実施例では光電変換効率が向上したことが確認できた。

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。

本発明の光電変換装置に係る実施の形態を示す断面図である。 本発明の実施の形態における導電性基板と半導体粒子の接合の様子を説明するための部分拡大図である。

符号の説明

Ｘ・・・光電変換装置
１・・・導電性基板
２・・・半導体粒子（結晶半導体粒子）
２ａ・・第１導電型部
２ｂ・・第２導電型部
３・・・第１の反射防止膜
４・・・絶縁体
５・・・第２の反射防止膜
６・・・ＢＳＦ部

Claims (7)

1. 第１および第２導電型部を有する複数の半導体粒子と、該半導体粒子間に配置された絶縁体と、前記半導体粒子と前記絶縁体との間に、前記半導体粒子および前記絶縁体と接した第１の反射防止膜と、を備えた光電変換装置。
2. 前記第１の反射防止膜は、絶縁性を有することを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記第１の反射防止膜は、酸化膜であることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
4. 前記第１の反射防止膜は、窒化膜であることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
5. 前記半導体粒子とＢＳＦ部を介して接合された導電性基板をさらに備え、
   前記ＢＳＦ部の周面に前記第１の反射防止膜をさらに設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光電変換装置。
6. 前記絶縁体および前記半導体粒子は、前記第１の反射防止膜との非接触部に、第２の反射防止膜が設けられ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。
7. 前記第２の反射防止膜は、導電性を有することを特徴とする請求項６に記載の光電変換装置。
   

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