JP2010219089A - 光発電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で容易に製造可能でありながら、広い波長領域の光から光電変換可能であり、発電効率を高めることが可能とした光発電素子を提供する。
【解決手段】 光発電素子は、ｐ型シリコンからなる基板２と、基板２の受光面２ａの表面にスリット状に配置された実質的に垂直な複数の溝３と、該溝３が形成されていない非溝形成部４と、受光面の反対面に形成された金属膜５を有する。
前記溝の内側面３ａに形成されたｐｎ接合層が、受光面２ａに対して垂直、すなわち、光入射方向に対し平行となるため、内側面３ａに形成されたｐｎ接合層近傍に浸透した光が効率的に吸収される。また、基板内部への浸透性が小さい短波長の光は、前記受光面の表面４ａおよび溝の底面３ｂにおいても吸収される。このように、波長の短い光は受光面の表面近傍で吸収され、長波長は溝の垂直面で吸収されるため、広い波長域の光を吸収することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光から電気を生み出す光発電素子に関する。

太陽光発電は、石油代替のクリーンなエネルギーの一つとして盛んに研究が行われており、世界各所で大型の太陽光発電所が建設されている。また、各個人の住宅やオフィスビルなどの屋上に設置された、地産地消型の発電システムとしても普及している。
これらの太陽光発電にはｐｎ接合を利用した発電素子が多く用いられている。このタイプの素子では基板材料のエネルギーバンド以上のエネルギーを持った光が入射することによる電子・正孔対の発生および発生したキャリアをｐｎ接合近傍の空乏層により吸収することで発電する。太陽電池のうち主要なものは使用材料の種類によって結晶系、アモルファス系、化合物系などに分類される。この結晶系シリコン太陽電池はさらに単結晶型、多結晶型に分類される。現在、最高の発電効率を持つ素子は単結晶型シリコンを用いたものでおよそ２４％の発電効率である。

一方、太陽光をはじめとする、光源は単色光である場合はほとんどなく、幅広い波長の光の集合体である。そのため、より幅広い波長の光を効率良く電気エネルギーへ変換する技術は、現行の設置型の太陽光発電のみならず、モバイル機器に代表される移動体における発電にとって不可欠な技術と言える。

しかしながら、赤〜近赤外の波長の光はシリコン半導体内での吸収係数が小さく、その侵入長は数十μｍ〜数百μｍに及ぶ。さらに、内部光電効果で発生する電荷を効率良く収集できるのは、ｐｎ接合部の空乏層領域であるが、一般的な太陽光発電素子ではｐｎ接合部の空乏層領域は、ｐｎ接合部から数μｍ程度である。そのため、図７に示すように入射光のうち、短波長の光は、表面近傍のｐｎ接合部の空乏層領域近傍でキャリア（正孔と電子）を生成するため、ｎ型半導体層で発生した正孔はｐ型層へ、ｐ型半導体層で発生した正孔はｎ型層へ収集されるが、入射光のうち、赤〜近赤外光などの長波長の光の殆どがそれより深いｐ型半導体領域で電子を励起するので、それらは表面のｎ型半導体層に収集される前に再結合するため、励起した電子を効率よく収集することができない。
また、特に多結晶シリコンや化合物半導体の場合、欠陥や不純物などが再結合中心となり、少数キャリアが再結合しやすい傾向にある。その結果、光照射により発生したキャリアが収集される割合が低下するため、光電変換効率が低下するという問題が生じる。

現在、この再結合の問題を解決するために、太陽電池に代表される光発電素子には、高度に純化されたシリコン単結晶（例えば、ＬＳＩグレードやパワーデバイスに使用するＦＺウェーハ）が用いられていることが多い（例えば、特許文献１）。
また、高効率化を目的として、特許文献２には、受光面の反対面（裏面）側にｐ層とｎ層とを形成して基板とｐｎ接合を形成し、電流取り出し用のプラス側電極及びマイナス側電極がｐ層及びｎ層に重ねて形成された太陽電池が開示されている。
さらに、特許文献３には、ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体を使用したｐｎ垂直接合型光発電素子が開示されている。該光発電素子では、ｐｎ接合が光照射面に対して垂直であるため、半導体層の内部に進入した光により発生した少数キャリアを、ｐｎ接合近傍で効率的に回収することができる。

特開平１１−２９８０２３号公報 特開２００３−２９８０７８号公報 特開２００５−１１８４１号公報

しかしながら、特許文献１などで開示された高純化シリコン単結晶を使用する太陽電池では、その材料コストからコスト高を避けることができない。また、特許文献２の太陽電池では、光により発生した少数キャリアは、移動距離がその拡散長以上になると再結合して消滅してしまうという問題を解決できていない。
また、特許文献３の有機半導体を使用したｐｎ垂直接合型光発電素子は、ｐｎ接合を基板上に垂直方向に配置することが困難であること、ｐｎ接合層を多数並べた際には、ｎｐ接合をなくすために各ｐｎ接合層の間に金属膜を挿入する必要があることなど製造上の制約が多いため、高コストになることに加え、高面積化が困難である。

かかる状況下、本発明の目的は、安価で容易に製造可能でありながら、広い波長領域の光から光電変換可能であり、発電効率を高めることが可能とした光発電素子を提供することである。

本発明は、基板の受光面の表面に配置された、受光面に対して実質的に垂直な溝を有し、前記受光面の表面と、前記溝の内側面および底面に沿って、ｐ型半導体とｎ型半導体とからなるｐｎ接合層が形成されている光発電素子である。

このような構成とすることによって、前記溝の内側面に形成されたｐｎ接合層が、受光面に対して垂直、すなわち、光入射方向に対し平行となるため、内側面に形成されたｐｎ接合層近傍に浸透した光が効率的に吸収される。また、基板内部への浸透性が小さい短波長の光は、前記受光面の表面および溝の底面においても吸収されるため、短波長の光に対しては、実質的に従来の溝が形成されていない光発電素子と同程度の受光面積を確保することができる。このため、短波長の光は受光面の表面近傍で吸収され、長波長の光は垂直面で吸収されるため、広い波長域の光を吸収することができる。

前記溝が、スリット状の溝であることが望ましい。ここで、「スリット状の溝」とは、等間隔に配列している平行な直線状の溝を意味し、直線状の溝が平行に配列していればよく、複数の直線状の溝からなるもののみならず、その端部が接合した、一本の溝からなるものを含むものとする。
なお、本発明の光発電素子における前記溝は、スリット状の溝だけでなく、格子状の溝や、曲線状の溝（渦巻き溝含む）であってもよく、また、等間隔に整列しなくとも上述の垂直方向のｐｎ接合層による長波長の光の吸収率が増加効果を得ることができるが、特にスリット状の溝であると高精度に形成することが比較的に容易であることに加え、等間隔に規則的に配列していることにより、光照射によって発生する電流密度が均一化するため好適である。

ここで、前記基板は、シリコンであることが好ましい。基板がシリコンであると、シリコンは、長波長の光が浸透しやすいことに加え、ボッシュプロセスなどの高精度加工により微細幅の溝を形成することができるため、溝の内側面に形成されたｐｎ接合層の有効に使用することできる。なお、上述のように多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンは少数キャリアが再結合しやすく、微細幅の溝形成による光吸収を高める効果の寄与が大きいため、光吸収効率の改善効果が大きく特に好ましい。

また、前記基板自体を半導体で構成するのではなく、実質的に垂直な溝を有する（半導体でない）基板の上に、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなるｐｎ接合層を有する薄膜半導体を形成することで、本発明の光発電素子を形成してもよい。この場合、基板が光透過性の基板であると、基板内部からも光を受光できるため、好適である。

本発明の光発電素子において、前記溝の深さが、５〜１０００μｍであることが好ましい。溝の深さが５〜１０００μｍであれば、光の吸収長に対して、１〜１００倍であるため、広い波長域の光を吸収することができる。溝の深さが５μｍ未満では、長波長の光の吸収率が不十分という問題があり、１０００μｍ超であると、加工が長時間になるという問題がある。
なお、９０％の光を吸収できるという観点からは、溝の深さは２００μｍ以下でも十分である。

本発明の光発電素子において、前記基板における隣接する溝と溝の間に形成された非溝形成部の幅が、少数キャリアの拡散長に対し、０．１〜１倍であることが好ましい。この範囲であると、少数キャリアの再結合が抑制されるため、光電変換効率を特に高めることができる。
ここで、「少数キャリアの拡散長」とは、光照射により発生した少数キャリア（正孔および電子）が、再結合などにより１／ｅまでに減少するまでに進む距離を意味する。少数キャリアの拡散長は、例えば、単結晶シリコンでは、２００μｍ以上、多結晶シリコンで２０〜１００μｍ程度、アモルファスシリコンで５〜５０μｍ程度、無機半導体のＣｕＩｎＳｅ₂（ＣＩＳ）系半導体では、５〜５０μｍ程度である。非溝形成部の幅が、少数キャリアの拡散長の０．１倍未満であると、溝の幅に対し大きくとれず、結果、光の照射面積が狭くなるため高効率化できないという問題があり、１倍を超えると、少数キャリアが、再結合する割合が大きくなりすぎて、光吸収効率を高めることが困難になる。

前記半導体基板の受光面の反対面にテクスチャが形成され、該反対面の表面には金属膜を有していることが好ましい。
吸収できずに透過した光を受光面の反対面（裏面）で乱反射させることにより、受光部であるｐｎ接合層に再度供給することができるため、光吸収効率を高めることができる。

また、裏面に形成された前記金属膜を電極として利用すると、光発電素子全面から電流を回収でき、抵抗損失が少なくなることに加え、受光面側に電極を形成することで入射光が遮られる、いわゆるシャドウロスを減少させることができるため好適である。

さらに、裏面だけでなく、前記受光面表面、前記溝の内側面および底面にテクスチャが形成されていることが好ましい。この部分をテクスチャ構造とすることにより、受光部であるｐｎ接合層の面積を増大させることができることに加え、透過性の低い短波長の光を表面近傍で乱反射させることによって、光吸収率を増大させることができる。

本発明の光発電素子は、広い波長域の光を高効率に吸収することができるため、光電変換効率を高めることができる。そのため、低価格の材料を使用しても発電効率を高めることが可能となるため、低価格の光発電素子を供給することができる。

本発明の実施の形態１に係る光発電素子を受光面側からみた斜視図である。 図１におけるＡ−Ａ線断面の一部拡大断面図である。 本発明の実施の形態１に係る光発電素子における、少数キャリアの発生及び収集を示す概念図である。 本発明の実施の形態１に係る光発電素子における、太陽光に対する変換効率の波長依存性の計算結果を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る光発電素子の一部拡大断面図である。 本発明の実施の形態３に係る光発電素子の一部拡大断面図である。 従来の光発電素子における少数キャリアの発生・消滅を示す概念図である。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る光発電素子について、図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る光発電素子を受光面側からみた斜視図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面の一部拡大断面図である。
なお、これらの図面では、本発明の実施の形態１に係る光発電素子の構造の理解を容易にするために、溝の大きさや表面シリコン層の厚みなどは、実際のものよりも大きく示していることがある。

図１および図２に示すように、光発電素子１は、ｐ型シリコンからなる基板２と、基板２の受光面２ａの表面にスリット状に配置された実質的に垂直な複数の溝３と、該溝３が形成されていない非溝形成部４と、受光面の反対面（以下、「裏面２ｂ」と称す。）に形成された金属膜５を有する。なお、図示しないが、光発電素子１の受光面及び裏面（金属膜）にはそれぞれリード線が接続されている。

基板２は、厚みが、１００〜１５００μｍ程度のｐ型シリコンからなり、その受光面の表面（前記非溝形成部４の表面４ａ）と、前記溝３の内側面３ａおよび底面３ｂに沿って、ｎ型シリコンからなる表面シリコン層６が形成されている。結果として、ｐ型シリコンからなる基板２と、ｎ型シリコンからなる表面シリコン層６との間には、受光部となるｐｎ接合層７が形成されている。なお、本実施形態では、基板２としてｐ型シリコン、表面シリコン層６としてｎ型シリコンであるが、反対に基板２をｎ型シリコン、表面シリコン層６をｐ型シリコンとしてもよい。

基板２を形成するシリコンは、結晶性の高い単結晶シリコン、結晶品質が悪い多結晶シリコンやアモルファスシリコンのいずれでもよい。なお、後述するように、結晶品質が悪く少数キャリア拡散長が短い多結晶シリコンやアモルファスシリコンは、本発明の構成によって光電変換効率の向上への寄与が大きいため、特に基板として好適に使用される。

表面シリコン層６は、厚さ０．２〜４μｍ程度のｎ型シリコン層であり、高い単結晶シリコン、結晶品質が悪い多結晶シリコンやアモルファスシリコンのいずれでもよいが、通常、多結晶シリコンやアモルファスシリコンである。

溝３は、基板２の受光面２ａの表面に規則的に配置され、受光面２ａに対して、実質的に垂直（以下、単に「垂直」という場合がある。）に形成されたスリット状の溝である。
なお、本発明において、「実質的に垂直」とは、幾何学的に完全に垂直のみならず、加工精度による誤差（数度程度）も含む。

スリット状の溝３は、受光面に等間隔に配置され、その深さは、１０〜２００μｍであり、その幅は、０．５〜２０μｍであり、その密度（単位長さ（ｃｍ）に直交する溝の本数）は、２０〜５００本／ｃｍであり。なお、本実施形態では上記のような溝を形成したが、特に限定されることはなく、例えば、溝３の深さは、基板の厚みにもよるが、５〜１０００μｍ（特には、５〜２００μｍ）が好適である。

また、溝３の幅は、特に制限はないが、溝の底面３ｂに効果的に光を照射するための好適な幅として例示すると、０．５〜１０μｍである。また、溝の密度（単位長さに直交する溝の本数）は、溝３の内側面３ａに形成される受光面に垂直なｐｎ接合層７の数を決定する。また、溝の密度は、光の吸収を向上させるという点では多いほどよく、好適には、１００本／ｃｍである。

非溝形成部４は、基板２の受光面の表面における溝３が形成されていない部分である。隣接する溝と溝に間に形成された非溝形成部４の幅は、溝３の形成方法などにもより、特に限定はないが、機械的強度を確保するという観点では、２０μｍ以上が好適である。一方で、非溝形成部４の幅が大きくなると、必然的に溝の密度（単位長さに直交する溝の本数）が減少する。そのため、非溝形成部４の幅は、必要な溝の密度、溝の加工精度、非溝形成部の機械的強度などを勘案して適宜決定される。

基板２の受光面の表面に垂直な溝３を形成する好適な方法として、米国特許第５５０１８９３号明細書に記載されるようなボッシュプロセスが挙げられる。
ボッシュプロセスは、ＳＦ₆を用いたプラズマエッチングの工程と、Ｃ₄Ｆ₈を用いてフルオロカーボン系ポリマーをトレンチの内壁面に保護膜として堆積させるプラズマデポジションの工程とを交互に繰り返すことで、シリコンの高速異方性エッチングを可能としたプロセスであり、シリコンからなる基板２に対して、幅０．５〜１００μｍ程度の微細溝を正確に形成することができる。

なお、基板２の受光面表面に垂直な溝を形成する方法としては、上記のボッシュプロセスに限定されるものではなく、半導体をイオンビーム法等によりエッチングする方法、光電気化学的にエッチングする方法などを挙げることができる。また、基板２に単結晶シリコンを使用する場合には、シリコンの結晶面に依存するエッチング異方性を利用したウェットエッチングによって、微細な溝を形成することも可能である（例えば、特開２００５−３４７５０１号公報参照）。
なお、本実施形態では、スリット状の溝が形成されているが、格子状の溝や曲線状の溝としてもよい。特に、格子状の溝とすることに受光面の単位面積における、垂直方向のｐｎ接合層の割合を大きくすることが可能であるため、特に長波長の光の吸収率を増加させることができる。一方で、加工が複雑になり高コスト化したり、表面伝導度が低下したりする場合がある。

溝３を形成した後に、受光面の表面（前記非溝形成部４の表面４ａ）と、前記溝３の内側面３ａおよび底面３ｂにｎ型半導体用のドーパント（リンなど）を含む膜を形成し、適当な温度で熱処理することで、ドーパントを基板２のｐ型シリコンへ拡散させ、表面にｐｎ接合層７を形成する。
なお、前記ドーパント膜を形成する方法としては、特に制限はなく公知の方法を適用することができるが、好適な方法として、気体ドーパントによるドーピングもしくはアノードカップリング型プラズマＣＶＤ法によるドーパントを含んだ膜の堆積それに続く熱処理を挙げることができる。

基板２の受光面の反対面（裏面２ｂ）には、テクスチャ（ピラミッド状の微細凹凸）が形成され、その表面には金属膜５が形成されている。なお、シリコンからなる基板２にテクスチャを形成する方法は、従来公知の方法を挙げることができ、微細砥粒で研磨する方法やアルカリ溶液で異方性エッチング処理する方法などが挙げられる。これにより、より薄い基板を使用できるようになる。

金属膜５は、厚さ１μｍ程度の薄膜であり、テクスチャが形成された裏面２ｂの表面に形成されている。金属膜５に使用される金属は、光の反射率および導電性が高い金属であればよく、Ｃｕ、Ａｇ，Ａｕなどを例示することができる。金属膜５は、裏面２ｂに密着形成されていることが好ましく、スパッタリングや蒸着などにより形成することができる。

次に、図３に基づき、本発明の実施の形態１に係る光発電素子１における、少数キャリアの発生及び収集について説明する。
光発電素子１に照射された入射光は、基板２のシリコンを透過しながら、その波長に応じた浸透深さで少数キャリア（電子および正孔）を発生する。すなわち、シリコンへの浸透性が小さい短波長の光は、主に受光面２ａから浅い領域で少数キャリアを発生し、一方、波長が大きくなるに従ってシリコンへの浸透性が大きくなるため、長波長の光は、より深い領域で少数キャリアを発生する。
シリコン内部（受光部であるｐｎ接合層７近傍）で発生した少数キャリア（電子）は、その近傍の溝３の内側面３ａに形成されたｎ型半導体層である表面シリコン層６へ拡散し収集される。
このように、入射した光が基板２の奥深くで少数キャリアを発生しても近傍に少数キャリア収集のｐｎ接合層７の空乏層領域があるため、たとえ、少数キャリアの拡散長の短い材料（結晶品質の悪い材料）においても再結合を抑え少数キャリアを取り出すことができる。
ここで、少数キャリアの再結合を抑え、特に効率的に少数キャリアを回収するためには、非溝形成部４の幅は、少数キャリアの拡散長の１倍以下であることが望ましい。
なお、シリコンへの浸透深さが浅い短波長の光の場合では、非溝形成部４の表面４ａとの距離が近いため、非溝形成部４の表面４ａにおけるｎ型半導体層である表面シリコン層６においても少数キャリアの収集が行われる。また、溝３の幅が十分にあり、光が有効的に溝の底面３ｂに照射される場合には、底面３ｂも受光部として機能する。また、短波長の光は、溝が形成されているため、入射光の角度が、若干斜めになっても、光を吸収することができる。
また、吸収されずに透過した光はテクスチャが形成された金属膜５によって、乱反射して、再度受光部であるｐｎ接合層７へ供給されるため、光吸収効率を高めることができる。
以上のように、光発電素子１では、受光部であるｐｎ接合層７が、光入射方向に対し垂直な溝３の内側面３ａに形成され、入射方向に対し平行となるため、長波長は垂直面のｐｎ接合層で吸収され、波長の短い光は非溝形成部４の表面４ａおよび溝３の底面３ｂで主に吸収され、さらに非吸収の光を反射させ再度受光部であるｐｎ接合層７に供給できるため、全波長域の光を効率よく吸収することができる。

図４は、本実施形態の光発電素子１における、太陽光に対する変換効率の波長依存性の計算結果を示す図である。シミュレーションにおいて、スリット状の溝３は、基板２の受光面に等間隔に配置され、その深さは、２００μｍであり、その幅は、１０μｍであり、その密度（単位長さに直交する溝の本数）は、５０本／ｃｍとしている。
なお、シミュレーションの条件としては、少数キャリアの拡散長を２００μｍとし、各波長における吸収率を用い、ある深さで発生するキャリアを求めそれが最短のｐｎ接合へ到達する確率を計算している。また、光は試料に対し垂直に入射させ、反射は単純に入射方向へ反射された場合を想定している。

図４に示されるように、本実施形態の光発電素子１において、波長約６００ｎｍ以下では、溝を形成していない従来の構造の光発電素子と同程度の光電変換効率であるが、６００ｎｍ以上では、光の変換効率が増加している。すなわち、本発明の構造を採用することで６００ｎｍ以上の長波長領域の光変換効率が向上している。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る光発電素子について、図面に基づいて説明する。図５は、本発明の実施の形態２に係る一部拡大断面図である。なお、図５においては、図２と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。

実施の形態２に係る光発電素子１０は、実施の形態１に係る基板２における受光面の表面（非溝形成部４の表面４ａ）と、溝３の内側面３ａおよび底面３ｂにテクスチャ構造を形成したものである。
非溝形成部４の表面４ａと、溝３の内側面３ａおよび底面３ｂは、受光部であるｐｎ接合層７が形成されており、この部分をテクスチャ構造とすることにより、非溝形成部４の表面４ａと、溝３の底面３ｂでの入射光を乱反射させることができ、受光部であるｐｎ接合層７の面積を増大させることができるため、単位受光面積当たりの光発電効率が実質的に増加する。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る光発電素子について、図面に基づいて説明する。図６は、本発明の実施の形態３に係る一部拡大断面図である。なお、図６においては、図２と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。

本実施形態の光発電素子２０は、基板２２の受光面２２ａの表面にスリット状に配置された実質的に垂直な複数の溝２３と、該溝２３が形成されていない非溝形成部２４と、溝２３と非溝形成部２４に沿って積層されたｐ型半導体層２６ａおよびｎ型半導体層２６ｂからなるｐｎ接合層２７と、受光面２２ａの反対面（以下、「裏面２２ｂ」と称す。）に形成された金属膜２５を有する。

基板２２は、本実施形態では光透過性（透明）のガラス基板が使用されている。その他にも公知の光透過性樹脂などが使用される。基板を光透過性とすることで、基板内部からも受光できることに加え、上記実施形態１の光発電素子１と同様に裏面２２ｂに形成された金属膜２５で反射した光を供給することができる。一方で、このような効果が必要でない場合には、光透過性基板を使用する必要はなく、光非透過性樹脂、陶器、金属など光非透過性基板を使用してもよい。裏面反射を含めた基板の選択は、コスト、単位面積の必要出力などを考慮して適宜決定される。
なお、ガラス基板にテクスチャを形成する方法としては、例えば、特開２００３−１１５５９９号公報などに開示されているように酸性水溶液などを用いて化学的にエッチング処理する方法が挙げられる。

溝２３の幅及び深さは、特に制限はないが、上記の実施形態１の光発電素子１のシリコン基板と異なり、ボッシュプロセスなどによる微細加工が不可能であるため、通常、幅１００〜１０００μｍ、深さ３０〜１０００μｍ程度である。
なお、ガラス基板への溝の形成方法には例えば、ワイヤソーによる加工を挙げることができる。

図示しないが、溝２３の内側面２３ａ、底面２３ｂ、および非溝形成部２４の表面２４ａ上には、集電用のＺｎＯやＩＴＯなどの透明電極が形成されている（図示せず）。その上にｐ型半導体層２６ａおよびｎ型半導体層２６ｂが積層され、受光部となるｐｎ接合層２７が形成されている。

ｐ型半導体層２６ａおよびｎ型半導体層２６ｂとしては、従来公知の無機および有機半導体材料が使用される。

無機半導体にはｎ型、ｐ型のほか、ｎ型、ｐ型のいずれにもなるものがある。ｎ型あるいはｐ型の半導体を得るために、半導体に対してその構成元素以外の適当な価数を有する元素をドーピングすることが行われる。
具体的には、ｎ型無機半導体としては、シリコン、シリコンカーバイド、セレン化銅インジウム（ＣｕＩｎＳｅ₂（ＣＩＳ））、ガリウム砒素、カドミウム、亜鉛、鉛、銀、アンチモン、またはビスマスの硫化物，酸化チタン等の酸化物などが挙げることができ、また、ｐ型無機半導体としては、シリコン、シリコンカーバイド、ＣＩＳ、ガリウム砒素、ヨウ化銅などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。

また、ｎ型有機半導体としては、ペリレン顔料とその誘導体、ナフタレン誘導体、フラーレンなどが挙げられる。ｐ型有機半導体には、フタロシアニン顔料とその誘導体、キナクリドン顔料、ポルフィリン、メロシアニンなどとその誘導体などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

ｐ型半導体層２６ａおよびｎ型半導体層２６ｂの厚みは、構成する半導体材料によっても変わるが、それぞれ、０．１〜１０μｍ程度である。

金属膜２５の材質などは、上述の実施形態１における金属膜５と同様であるため、説明を省略する。

本実施形態の光発電素子２０は、実施形態１の光発電素子１と同様に、垂直型のｐｎ接合層２７を有することで、長波長領域の吸収効率を向上させることができる一方で、シリコンより安価なガラスなどを基板２２として使用し、また、ｐ型半導体層２６ａおよびｎ型半導体層２６ｂがそれぞれ薄膜であるため、半導体材料の使用量を減らすことが可能であるため、より低コストを可能としている。特に少数キャリアの拡散長が短い、多結晶シリコン（２０〜１００μｍ程度）、アモルファスシリコン（５〜５０μｍ程度）、無機半導体のＣｕＩｎＳｅ₂（ＣＩＳ）系半導体（５〜５０μｍ程度）などを半導体層として使用する場合に適する。
一方で、シリコン基板と同様の溝の加工精度および密度が実現困難であるため、光発電素子１より出力密度が小さくなる傾向がある。そのため、コスト、必要出力など考慮して、使用用途によって適宜選択することが好ましい。

本発明の光発電素子は、特に赤〜近赤外光に対する変換効率を改善することが可能になるデバイスであるため、太陽光発電を高効率化できるだけでなく、微弱な光の環境でも発電が可能となる。そのため、従来の定置型太陽電池のみならず、モバイル機器に代表される移動物体における発電に利用できる。

１，１０，２０ 光発電素子
２ 基板（ｐ型シリコン）
２ａ，２２ａ 受光面
２ｂ，２２ｂ 裏面
３，２３ 溝
３ａ，２３ａ 内側面
３ｂ，２３ｂ 底面
４，２４ 非溝形成部
４ａ，２４ａ 表面
５，２５ 金属膜
６ 表面シリコン層（ｎ型シリコン）
７，２７ ｐｎ接合層
２２ 基板（透明基板）
２６ａ ｐ型半導体層
２６ｂ ｎ型半導体層

Claims (11)

1. 基板の受光面の表面に配置された、受光面に対して実質的に垂直な溝を有し、
   前記受光面の表面と、前記溝の内側面および底面に沿って、ｐ型半導体とｎ型半導体とからなるｐｎ接合層が形成されていることを特徴とする光発電素子。
2. 前記溝が、スリット状の溝である請求項１記載の光発電素子。
3. 前記基板が、シリコンからなる請求項１または２記載の光発電素子。
4. 前記シリコンが、多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンである請求項３記載の光発電素子。
5. 前記ｐｎ接合層が、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなり、基板上に、薄膜半導体として形成された請求項１または２記載の光発電素子。
6. 前記基板が光透過性である請求項５記載の光発電素子。
7. 前記溝の深さが、５〜１０００μｍである請求項１から６のいずれかに記載の光発電素子。
8. 前記基板における隣接する溝と溝の間に形成された非溝形成部の幅が、少数キャリアの拡散長に対し、０．１〜１倍である請求項１から７のいずれかに記載の光発電素子。
9. 前記受光面表面、前記溝の内側面および底面にテクスチャが形成されている請求項１から８のいずれかに記載の光発電素子。
10. 前記基板の受光面側の反対面にテクスチャが形成され、該反対面の表面には金属膜が形成されている請求項１から９のいずれかに記載の光発電素子。
11. 前記金属膜を電極とする請求項１０記載の光発電素子。

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